(57)【要約】      （修正有）【課題】選択的レーザ焼結において、緻密な物体を製造する、装置の提供。【解決手段】静止している被加工物ステージと、被加工物ステージ上の種々の場所にレーザエネルギーを方向付けるよう適合した光学アセンブリ２１６とを含む。光学アセンブリ２１６は、強度制御機構２２３、偏光機構２２２、形状制御機構２２１、及び、被加工物ステージに向けてレーザエネルギーを方向付けるよう構成されたビームステアリング機構２２０のうちの一又は複数を含む。方法は、レーザから被加工物ステージに向けてエネルギービームを方向付けると共に、エネルギービームの方向を調整することか、エネルギービームの強度を調整することか、エネルギービームの形状を調整することか、又は、エネルギービームの偏光を調整することを、含む装置。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元印刷装置（１００）であって、
上にある基材（１１３）を支持するための被加工物支持体（１０２）と、
前記基材にレーザエネルギー（１１５）を供給するためのレーザ（２１７）と、
前記基材の画像を捕捉するための画像デバイス（１０８）と、
前記画像デバイスから画像データを受信するためのコントローラ（１１０）と、
前記コントローラに連結され、かつ、前記コントローラから指令を受信するよう適合した光学アセンブリ（２１６）とを備え、前記光学アセンブリは、
形状制御機構（３５０）と、
偏光機構（２２２）と、
強度制御機構（２２３）とを備える、三次元印刷装置（１００）。
【請求項２】
前記被加工物支持体が静止していることと、
前記形状制御機構と、前記偏光機構と、前記強度制御機構とが、前記コントローラが受信した前記指令に応じて調整可能であることの、少なくとも一方である、請求項１に記載の三次元印刷装置。
【請求項３】
前記光学アセンブリは、ビームステアリング機構（２２０）を更に備え、前記ビームステアリング機構は、２つの回転可能な鏡（２２４、２２７）を備え、前記２つの鏡は垂直な軸の周囲で回転可能である、請求項１に記載の三次元印刷装置。
【請求項４】
前記ビームステアリング機構は、ステアリング可能な電気−エバネセント光リフラクタを備える、請求項３に記載の三次元印刷装置。
【請求項５】
前記偏光機構は、一又は複数の回転可能な偏光感応要素を備えており、
前記一又は複数の回転可能な偏光感応要素が、軸方向に位置合わせされた、複数の回転可能な偏光感応要素であることと、
前記一又は複数の回転可能な偏光感応要素が、二分の一波長板又は四分の一波長板を備えていることの、少なくとも一方である、請求項１に記載の三次元印刷装置。
【請求項６】
前記形状制御機構は、一又は複数の回転可能なハウジングであって、各々が、前記レーザエネルギーを受け入れるために各々に形成された円形開口を有するハウジングを備えており、
前記形状制御機構が、異なる軸の周囲で回転する複数の回転可能なハウジングを備えていること、
前記形状制御機構が楕円形状レンズを備えていることの、少なくとも一方である、請求項１に記載の三次元印刷装置。
【請求項７】
３Ｄ印刷工程中にレーザ（２７１）を調整する方法であって、
印刷ソース（１０６）から静止している被加工物支持体（１０２）上の基材（１１３）へと、レーザエネルギーを方向づけること（４７１）と、
前記基材上の前記レーザエネルギーの衝突場所の画像を捕捉すること（４７２）と、
捕捉された前記画像の画像データをコントローラ（１１０）に提供すること（４７３）と、
前記コントローラが前記画像データを受信することに応じて、前記印刷ソースの一又は複数のパラメータを調整するために、前記コントローラから前記印刷ソースに指令を提供すること（４７４）と、
前記印刷ソースの一又は複数のパラメータを調整すること（４７５）とを含む、方法。
【請求項８】
前記印刷ソースの前記一又は複数のパラメータを調整することは、
強度制御機構（２２３）を調整することと、
偏光機構（２２２）を調整することと、
形状制御機構（３５０）を調整することとを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ビームステアリング機構（２２０）を調整することを更に含む、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本開示の態様は概して、三次元印刷のための方法及び装置に関する。付加製造としても知られている三次元（３Ｄ）印刷は、三次元物体を合成するために使用される様々なプロセスのいずれかである。３Ｄ印刷では、コンピュータ制御のもとに、材料の連続層が載置される。上記の物体は、ほとんどあらゆる形状又は幾何形状のものであってよく、３Ｄモデル又はその他の電子データソースから生産される。３Ｄ印刷の一例は、選択的レーザ焼結である。選択的レーザ焼結においては、レーザが基材に向けて方向付けられ、レーザエネルギーが基材に吸収されると、基材が溶解する。基材は、再凝固すること、ひいては、所望の形状又は構成を形成することが可能である。材料が溶解する程度は、レーザの出力及び強度に大いに依拠する。緻密な物体の製造を支援するためには、レーザエネルギーを小領域内にとどめる必要がある。更に、材料界面におけるレーザスポットのサイズとレーザの滞留時間との間の関係は、非線形であり、製造の精度に更に影響を与える。
【０００２】
従来型の手法は、レーザを１つの場所に固定し、基材が載っているステージをレーザに対して移動させることによって、上記の問題を克服しようとしている。かかる手法は、上記の製造の精度に関する問題の一部を未然に防ぐが、固定されたレーザはいくつかの欠点をもたらす。とりわけ、ステージがレーザに対して前後に往復運動しなければならないことから、製造されうる被加工物のサイズは、ステージのサイズ、及びこのステージが内部で移動するために使用できる領域のサイズによって限定される。更に、３Ｄ印刷工程中にステージが移動しうる速度によって、製造のスピードが限定される。
【０００３】
上記に基づき、３Ｄ印刷のための方法及び装置の改良が必要である。
【発明の概要】
【０００４】
本開示は概して、３Ｄ印刷のための方法及び装置に関する。装置は、静止している被加工物ステージと、被加工物ステージ上の種々の場所にレーザエネルギーを方向付けるよう適合した、光学アセンブリとを含む。光学アセンブリは、強度制御機構、偏光機構、形状制御機構、及び、被加工物ステージに向けてレーザエネルギーを方向付けるよう構成されたビームステアリング機構のうちの一又は複数を含む。方法は、レーザから被加工物ステージに向けてエネルギービームを方向付けると共に、エネルギービームの方向を調整することか、エネルギービームの強度を調整することか、エネルギービームの形状を調整することか、又は、エネルギービームの偏光を調整することを含む。
【０００５】
一態様では、三次元印刷装置は、上にある基材を支持するための被加工物支持体と、基材にレーザエネルギーを供給するためのレーザと、基材の画像を捕捉するための画像デバイスと、画像デバイスから画像データを受信するためのコントローラと、コントローラに連結され、かつ、コントローラからの指令を受信するよう適合した、光学アセンブリとを備える。光学アセンブリは、形状制御機構と、偏光機構と、強度制御機構とを備える。
【０００６】
別の態様では、三次元印刷装置は、上にある基材を支持するための被加工物支持体と、基材にレーザエネルギーを供給するためのレーザと、基材の画像を捕捉するための画像デバイスと、画像デバイスから画像データを受信するためのコントローラと、コントローラに連結され、かつ、コントローラからの指令を受信するよう適合した、光学アセンブリとを備える。光学アセンブリは、複数の作動可能な鏡を備えるビームステアリング機構と、一又は複数の回転可能なハウジングであって、各々が、レーザエネルギーを受け入れるために各々に形成された円形開口を有するハウジングを備える、形状制御機構と、一又は複数の回転可能な偏光感応要素を備える偏光機構と、強度制御機構とを備える。
【０００７】
別の態様では、３Ｄ印刷工程中にレーザを調整する方法は、印刷ソースから静止している被加工物支持体上の基材へと、レーザエネルギーを方向付けることと、基材上のレーザエネルギーの衝突場所の画像を捕捉することと、捕捉された画像の画像データをコントローラに提供することとを含む。コントローラが画像データを受信することに応じて、印刷ソースの一又は複数のパラメータを調整するために、コントローラから印刷ソースに指令が提供され、印刷ソースの一又は複数のパラメータが調整される。
【０００８】
本開示の上述の特徴を詳細に理解しうるように、上記で簡単に要約されている本開示のより具体的な説明が、態様を参照することによって得られる。一部の態様は付随する図面に示されている。しかし、付随する図面は例示的な態様しか示しておらず、従って、本開示の範囲を限定すると見なすべきではなく、本開示は他の等しく有効な態様も許容しうることに、留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の一態様による３Ｄ印刷装置の概略斜視図である。
【図２Ａ】本開示の一態様によるエネルギー源の概略図である。
【図２Ｂ】本開示の別の態様によるエネルギー源の概略図である。
【図２Ｃ】本開示の別の態様によるビームステアリング機構の概略図である。
【図３Ａ】本開示の一態様による強度制御機構の概略図である。
【図３Ｂ】本開示の一態様による形状制御機構の概略図である。
【図３Ｃ】本開示の一態様による形状制御機構の図の部分概略図である。
【図４】３Ｄ印刷プロセス中にレーザエネルギーを調整するための方法のフロー図である。理解を容易にするため、可能な場合には、複数の図に共通する同一の要素を指し示すために同一の参照番号を使用した。一態様の要素及び特徴は、更なる記述がなくとも、他の態様に有益に組み込まれうると想定される。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示は概して、３Ｄ印刷のための方法及び装置に関する。装置は、静止している被加工物ステージと、被加工物ステージ上の種々の場所にレーザエネルギーを方向付けるよう適合した、光学アセンブリとを含む。光学アセンブリは、強度制御機構、偏光機構、形状制御機構、及び、被加工物ステージに向けてレーザエネルギーを方向付けるよう構成されたビームステアリング機構のうちの一又は複数を含む。方法は、レーザから被加工物ステージに向けてエネルギービームを方向付けると共に、エネルギービームの方向を調整することか、エネルギービームの強度を調整することか、エネルギービームの形状を調整することか、又は、エネルギービームの偏光を調整することを含む。
【００１１】
図１は、本開示の一態様による３Ｄ印刷装置１００の概略斜視図である。３Ｄ印刷装置１００は、被加工物支持体１０２と、被加工物支持体１０２に隣接する、一又は複数の材料送りカートリッジ１０４ａ、１０４ｂ（２つが図示されている）とを含む。印刷ソース１０６、及び、カメラなどの画像デバイス１０８は、上方に位置付けられ、被加工物支持体１０２に向けて方向付けられる。コントローラ１１０は、３Ｄ印刷工程中の構成要素の制御を支援するために、印刷ソース１０６及び画像デバイス１０８を含む、３Ｄ印刷装置１００の構成要素に連結される。
【００１２】
一又は複数の材料送りカートリッジ１０４ａ、１０４ｂの各々は、３Ｄ物体を形成する基材１１３を貯蔵するための容器１１１を含む。一例では、基材１１３は、様々な材料の中でも特に、ナイロン及びポリスチレンを含むポリマー、鋼、チタニウム、又はその他の合金などの金属、並びにセラミックといった、金属又はセラミックのうちの一又は複数を含みうる。基材１１３は、約２０ミクロンから約７０ミクロンまでの粒径を有する粉末でありうる。一又は複数の材料送りカートリッジ１０４ａ、１０４ｂは、アクチュエータ（図示せず）によって垂直に駆動される、作動可能なフロアプレート１１２を含む。フロアプレート１１２の作動により、材料送りカートリッジ１０４ａ、１０４ｂにおいて基材１１３の高さが上昇する。基材１１３が上昇位置にある状態で、送りローラ１１４は、長手方向に（Ｘ軸方向に）移動して、材料送りカートリッジ１０４ａ又は１０４ｂから被加工物支持体１０２へと基材１１３を押すか、又は運ぶ。被加工物支持体１０２の上側支持面は、基材１１３が移されると、移された基材１１３を受け入れ、ひいては、被加工物支持体１０２の上側表面を材料送りカートリッジ１０４ａ、１０４ｂと共平面に維持するために、垂直に、例えば下向きに作動するよう適合している。更に、被加工物支持体１０２の垂直作動により、被加工物支持体１０２の上側表面が定位置に維持されて、３Ｄ物体の製造中の一貫性保持が支援される。一例では、被加工物支持面は、送りローラ１１４による再送り毎に約０．００２インチから約０．００８インチずつ、漸次下降しうる。
【００１３】
動作中に、レーザエネルギー１１５は、印刷ソース１０６から被加工物支持体１０２へと方向付けられる。被加工物支持体１０２上に配置される基材は、レーザエネルギー１１５によって選択的に溶かされ、再凝固が可能になる。印刷ソース１０６は、被加工物支持体の表面全体のあらゆる場所にレーザエネルギーを方向付け、ひいては、処理中に被加工物支持体１０２が静止したままであること、それによって、従来型の装置及び技法の製造スピードの問題の多くを克服することを可能にするよう、適合している。画像デバイス１０８は、被加工物支持体１０２に向けて方向付けられ、被加工物支持体１０２、並びに被加工物支持体１０２上のレーザエネルギー接触場所の画像を捕捉する。画像デバイス１０８からのデータは、被加工物支持体１０２上の基材１１３の一貫した処理を支援するために、コントローラ１１０に送信される。画像デバイス１０８からデータの受信に応じて、コントローラ１１０は、印刷ソース１０６のパラメータに一又は複数の調整を行いうる。
【００１４】
図１は３Ｄ印刷装置１００の一態様を示しているが、その他の態様も想定される。例えば、３Ｄ印刷装置１００は１を上回る数の画像デバイス１０８を含みうると想定される。加えて、印刷ソース１０６は、被加工物支持体１０２の上方に位置付けられ、被加工物支持体１０２の中心に配置されうるか、又は中心を外れて位置付けられうると、想定される。印刷ソース１０６が中心を外れて位置付けられる一態様では、画像デバイス１０８は被加工物支持体の中心の上方に位置付けられうると、想定される。
【００１５】
図２Ａは、本開示の一態様による印刷ソース２０６ａの概略図である。印刷ソース２０６ａは、図１の印刷ソース１０６に類似しており、それと置換可能に利用されうる。印刷ソース２０６ａは、光学アセンブリ２１６と、高出力炭酸ガスレーザなどのレーザ２１７とを含む。レーザ２１７の出力レベルは、種々の組成の基材に順応するよう調整されうると想定される。一例では、レーザ２１７は、約１ワットから約１０ワットの出力レベルを有しうるが、その他の出力レベルも想定される。追加的又は代替的には、レーザの振幅プロファイルは、プロファイルが出力印加におけるホールのギャップを含まないように、選択されうる。例えば、振幅プロファイルは、ガウシアン、ローレンツ、トップハット、又は類似のものでありうる。光学アセンブリ２１６は、レーザ２１７からレーザエネルギー１１５を受容し、このレーザエネルギー１１５を図１に示す被加工物支持体１０２に向けて方向付けるよう適合している。光学アセンブリ２１６は、一又は複数のビームステアリング機構２２０と、形状制御機構２２１と、偏光機構２２２と、強度制御機構２２３とを含む。形状制御機構２２１、偏光機構２２２、及び強度制御機構２２３は、任意の連続順序で配置されてよく、図２Ａに示す順序に限定されないことに、留意されたい。印刷ソース２０６ａの一又は複数の構成要素は、それぞれの構成要素の制御を支援するために、コントローラ１１０に連結されうる。
【００１６】
ビームステアリング機構２２０は、接続ロッド２２６を通じてアクチュエータ２２５に連結された第１の鏡２２４を含む。アクチュエータ２２５は、接続ロッド２２６、ひいては鏡２２４を回転させて、Ｘ−Ｚ平面においてレーザエネルギー１１５が鏡２２４に反射する方向を変える。同様に、ビームステアリング機構２２０は、接続ロッド２２９を介してアクチュエータ２２８に連結された第２の鏡２２７も含む。アクチュエータ２２８は、接続ロッド２２９の長手方向軸の周囲で鏡２２７を回転させて、Ｙ−Ｘ平面においてレーザエネルギー１１５が鏡２２７に反射する方向を変える。アクチュエータ２２５、２２８は、コントローラ１１０に接続され、コントローラ１１０から受信した指令に応じて鏡２２４、２２７の位置を調整する。ビームステアリング機構２２０を使用することで、印刷ソース２０６ａに対して被加工物支持体１０２を移動させることなく、レーザエネルギー１１５が被加工物支持面の全ての領域に方向付けられうる。
【００１７】
作動中に、レーザエネルギー１１５が光学アセンブリ２１６を通って被加工物支持体１０２（図１参照）へと進むにつれて、その途上で、ビームステアリング機構２２０、形状制御機構２２１、偏光機構２２２、及び強度制御機構２２３の各々は、レーザエネルギー１１５の一又は複数の特性を調整する。特性を調整することで、基材１１３の処理の改善が支援され、３Ｄ印刷された物体の精度の向上がもたらされる。形状制御機構２２１、偏光機構２２２、及び強度制御機構２２３は、レーザエネルギー１１５が被加工物支持体１０２上の種々の場所に方向付けられる際の軌道、ビーム経路長、ビーム強度、及びビーム形状の変化を補償し、ひいては、レーザエネルギー１１５が被加工物支持体１０２に対して移動する際の、被加工物支持体１０２上での基材１１３の一貫した処理を支援する。デジタルマイクロミラーデバイスなどの類似の種類のミラーデバイス又はレンズデバイスが、コントローラ１１０から受信した指令に応じてレーザエネルギー１１５を方向付けるために、追加的又は代替的に利用されうると、想定される。
【００１８】
図２Ｂは、本開示の別の態様による印刷ソース２０６ｂの概略図である。印刷ソース２０６ｂは、印刷ソース２０６ａに類似している。しかし、印刷ソース２０６ｂの光学アセンブリ２１６は、ビームステアリング機構を含まない。その代わりに、印刷ソース２０６ｂを支持するために、方向マウント２３０が利用される。コントローラ１１０（図２Ａ参照）から信号を受信することに応じて、印刷ソース２０６ａ全体が、レーザエネルギー１１５を所望の場所に方向付けるために移動する。方向マウント２３０は、中にレーザ２１７と光学アセンブリ２１６とを収納しているハウジング２３３に連結される。方向マウント２３０は、Ｙ−Ｘ平面でのハウジング２３３の回転運動を支援するための第１連結部２３１と、Ｙ−Ｚ平面でのハウジング２３３の回転運動を支援するための第２連結部２３２とを含む。ハウジング２３３の動きは、レーザエネルギー１１５の軌道変更をもたらす。第１連結部２３１及び第２連結部２３２は、第１連結部２３１及び第２連結部２３２の作動を支援するために、アクチュエータ２３４に連結されうる。代替的には、アクチュエータ２３４は、第１連結部２３１及び第２連結部２３２の各々の中に包含されうる。第１連結部２３１及び第２連結部２３２は、任意で、ボール継手又はその他の類似の多方向連結に置き換えられうると、想定される。
【００１９】
図２Ｃは、本開示の別の態様によるビームステアリング機構２３６の概略図である。一又は複数のビームステアリング機構２３６が、図２Ａに示すビームステアリング機構２２０に加えて、又はビームステアリング機構２２０の代替物として、使用されうる。ビームステアリング機構２３６は、入射を方向付けし直すために液晶の非並列電気−光学効果を利用する、ステアリング可能な電気−エバネセント光リフラクタである。出射は、一又は複数のプリズム電極（水平）、又は電極及び取り出しプリズム（垂直）のいずれかを用いて、電圧調整可能なスネルの法則の屈折を介して、ステアリングされる。一例では、レーザエネルギーは、矢印２３７で示すようにビームステアリング機構に入り、印加される電圧に応じて、矢印２３８ａ又は２３８ｂで示すように、或いはそれらの矢印の間の任意の軌道に、方向付けし直されうる。電圧の印加は、コントローラ１１０（図１参照）によって制御されうる。図２Ｃは、非機械的なビームステアリングデバイスの一態様を示しているが、その他の非機械的なビームステアリングデバイスも考えられうることに、留意されたい。
【００２０】
図３Ａは、本開示の一態様による強度制御機構３２３の概略図である。強度制御機構３２３は、強度制御機構２２３に類似しており、強度制御機構２２３と置換可能に使用されうる。強度制御機構３２３は、一又は複数の（２つが図示されている）調整可能偏光ユニット３４０ａ、３４０ｂを含む。調整可能偏光ユニット３４０ａ、３４０ｂの各々は、偏光感応要素３４２が内部に固定されているハウジング３４１を含む。偏光感応要素３４２は、その径方向外側のエッジに形成された、又はかかるエッジに連結された、ギア歯３４３を有しうる。ギア歯３４３は、各偏光感応要素３４２の回転を支援するために、アクチュエータ３４５によって駆動されるそれぞれの駆動ギア３４４に係合する。一例では、各偏光感応エレメント３４２は、二分の一波長板又は四分の一波長板などの一又は複数の波長板又は偏光器を含んでよく、かかる波長板又は偏光器は、所定の量の放射がそれらを通ることを可能にするために、選択的に回転しうる。加えて、調整可能偏光ユニット３４０ａ、３４０ｂの各ハウジング３４１は、所望に応じて各偏光感応要素３４２を光経路外に選択的に移動させるために、アクチュエータ３４６に連結されうる。
【００２１】
図３Ａは強度制御機構の一例を示しているが、その他の例も想定される。例えば、レーザエネルギー１１５の強度を制御するために、調整可能偏光ユニット３４０ａ、３４０ｂのうちの一又は複数が、円形可変光フィルタなどの可変光フィルタ、又は、交差偏光器／ポケットセルの組み合わせといった、他の電気−光学システムに置き換えられうると、想定される。追加的又は代替的には、レーザエネルギー１１５の強度は、レーザ２１７に対する出力印加の調整によって制御されうると、想定される。
【００２２】
レーザエネルギー１１５の強度の調整は、基材の一貫した処理を促進する。処理中にレーザエネルギーは被加工物支持体１０２周辺に方向付けられることから、様々な変数の中でも特にレーザエネルギーの経路長は、常に変化し続け、ゆえに、被加工物支持体上の各場所に提供されるレーザエネルギーの正確な量に影響を与える。しかし、レーザエネルギー１１５の強度は調整されて、被加工物支持体１０２の全体領域のあらゆる場所に、均一な出力印加をもたらしうる。上述したように、レーザエネルギーの強度は、画像デバイス１０８からのフィードバック、及びコントローラ１１０からの指令に応じて、調整されうる。ゆえに、コントローラ１１０によって指示されるレーザエネルギー１１５の強度の調整が、処理中のレーザエネルギー１１５の経路長又はその他の変数の変化による強度の変化を補償する。強度調整は、レーザエネルギー１１５の強度を増大させるか、減少させるかのいずれかに利用されうると、想定される。
【００２３】
図２に示す偏光機構２２２などの偏光機構は、図３Ａに示す強度制御機構３２３の構造に類似する構造を有しうる。偏光機構２２２の一又は複数の偏光感応要素は、レーザエネルギー１１５に対する所望の偏光を提供するよう製造されうる。一例では、偏光機構２２２及び強度制御機構３２３が単一ユニット内に組み合わされうるか、又は、単一のユニットによってそれぞれの機能が実施されうると、想定される。別の態様では、偏光機構は、軸方向に位置合わせされた、複数の回転可能な偏光感応要素を含みうる。
【００２４】
レーザエネルギー１１５の偏光の調整は、基材の一貫した処理を促進し、ひいては、３Ｄ物体のより正確な製造をもたらす。レーザエネルギー１１５が基材の周辺で移動して、物体を形成するにつれて、基材の表面に対するレーザエネルギーの偏光は、レーザエネルギー１１５の非正規衝突によって変動しうる。衝突における変動は吸収差をもたらすことがあり、吸収差は、一貫しない処理につながり、ひいては印刷された物品の品質に影響を与える。例えば、（入射面に対して垂直であるか、平行であるような）Ｓ偏光及びＰ偏光は、吸収及び／又は反射率のレベルに差異があり、ゆえに、補正されなければ一貫しない処理をもたらしうる。
【００２５】
図３Ｂは、本開示の一態様による形状制御機構３５０の概略図である。形状制御機構３５０は、形状制御機構２２１の代わりに使用されうる。形状制御機構３５０は、一又は複数の（２つが図示されている）ビーム成形デバイス３５１ａ、３５１ｂを含む。各ビーム成形デバイス３５１ａ，３５１ｂは、円形開口３５３が形成されているハウジング３５２を含む。各円形開口３５３は、ハウジング３５２の一平面がレーザエネルギー１１５に対して垂直である場合にレーザエネルギー１１５の通過を可能にするよう、サイズ決定される。ビーム成形デバイス３５１ａ、３５１ｂは、接続ロッド３５５を介してハウジング３５２に連結されたアクチュエータ３５４も含む。アクチュエータ３５４は、ハウジング３５２の平面配向を調整するために、ハウジング３５２を接続ロッド３５５の回転軸の周囲で回転させるよう適合している。この様態では、形状制御機構３５０は、異なる軸の周囲で回転する複数の回転可能なハウジング３５２を備える。
【００２６】
形状制御機構が存在しない場合、円形ビームプロファイルが、高角度の入射角で基材１１３上に楕円形状の照光をもたらし、ひいては、照射された領域上での平均出力を低下させる。形状制御機構３５０は、３Ｄ印刷工程中に、ビームプロファイルを調整して、基材１１３上での円形状の照光の一貫保持を支援する。一例では、ハウジング３５２の平面配向の調整により、円形開口３５３が、レーザエネルギー１１５に対して垂直な平面における楕円形状を画定することになる。レーザエネルギー１１５が部分的に回転したハウジング３５２を通過するにつれて、レーザエネルギー１１５の一部分は、ハウジング３５２によって遮断され、楕円形又は非円形の断面形状を有するレーザエネルギー１１５のビームをもたらす。この楕円形状又は非円形状は、比較的高角度の入射角に関しても、照射面上のビームプロファイルが円形になるように選択される。
【００２７】
ビーム成形デバイス３５１ａ、３５１ｂのアクチュエータ３５４は、異なる軸の周囲での回転を支援して、ビーム形状の調整に対するより良好な制御を提供するために、互いに対して９０度の角度に位置付けられる。９０度以外の角度も利用されうると、想定される。一例では、ビーム成形デバイス３５１ａのハウジング３５２がＹ軸の周囲で回転する一方、ビーム成形デバイス３５１ｂのハウジング３５２は、Ｚ軸の周囲で回転する。ハウジング３５２は、レーザエネルギー１１５によって供給されるエネルギーに耐えるに適する材料で形成されうる。
【００２８】
レーザエネルギー１１５のビーム形状の調整は、基材の一貫した処理を促進する。処理中に、レーザエネルギー１１５と基材との間の入射角は、レーザエネルギー１１５が基材の端から端まで移動するにつれて、変動することになる。入射角が増大すると、レーザエネルギー１１５は、円形状ではなく楕円形状で基材上に投射され、基材の不正確で一貫しない処理をもたらす。形状制御機構３５０が、一貫した処理を支援するために、レーザエネルギー１１５のビームの形状を調整する一方、強度制御機構３２３は、基材１１３への一貫したエネルギー供給を支援するために、形状制御機構３５０による部分的なエネルギー遮断を補償しうる。
【００２９】
図３Ｃは、本開示の別の態様による形状制御機構３６０の図の部分概略図である。形状制御機構３６０は、形状制御機構３５０に加えて、又は形状制御機構３５０の代替物として、使用されうる。形状制御機構は、円形レンズ支持体３６２内に配置された楕円形状レンズ３６１を含む。レンズ支持体３６２は、その径方向外側エッジに連結されたギア歯３６３を含む。レンズ支持体３６２は、ハウジング３６４内に回転可能に位置付けられる。レンズ支持体３６２、ひいては楕円形状レンズ３６１は、アクチュエータ３６５を介し、ギア歯３６３に係合しているギア３６６を通じて、回転するよう駆動される。
【００３０】
楕円形状レンズ３６１は、単一方向に光を合焦させるよう構成される。例えば、ハウジング３６４の平面（例えばＺ軸）に対して垂直に進む光は、Ｘ軸にのみ合焦し、Ｙ軸には合焦しないことがある。かかる一方向性の合焦は、ビーム形状の変化を可能にし、ひいては、基材上でのビーム投射形状の変化を補正する。更に、楕円形状レンズ３６１を利用することで、楕円形状レンズ３６１が、ビームの部分を遮断することなくビーム形状を変化させ、それにより、ビーム形状の変化に起因する強度補正を軽減するという、追加的な利点が提供されうる。所望のビーム形状を生成するために、一又は複数の連続楕円レンズが利用されうる。追加的又は代替的には、形状制御機構は、所定の強度プロファイルを生成するよう最適化された、他の特定のレンズ形状を含みうる。
【００３１】
図４は、３Ｄ印刷プロセス中にレーザエネルギーを調整するための方法４７０のフロー図である。方法４７０は、工程４７１において始まる。工程４７１では、レーザからのレーザエネルギーが、基材へと方向付けられて、基材を溶解させる。レーザエネルギーは、被加工物の形成を支援するために、コントローラによる指定の通りに基材上の特定の場所へと方向付けられる。レーザエネルギーが方向付けられている間に、工程４７２において、画像デバイスが、基材状の衝突場所の画像を捕捉する。工程４７２では、捕捉された画像のデータがコントローラに提供される。データの受信に応じて、コントローラは、画像データを解析し、受信したデータに基づく一又は複数の計算を実施する。例えば、コントローラは、入射角、ビーム経路長、基材との接触場所におけるビーム形状、接触場所におけるビームの偏光、及び、接触場所におけるビームの推定強度を、決定しうる。
【００３２】
その後工程４７４において、コントローラは、印刷ソースに指令を提供しうる。指令は、ビームの所望の形状、位置、強度、偏光などを実現して、基材の一貫した処理を支援するために、印刷ソースに一又は複数の調整を指示する。工程４７５において、指令の受信に応じて、印刷ソースの調整が実施される。例えば、ビームステアリング機構、形状制御機構、偏光機構、及び強度制御機構などの、印刷ソースの光学アセンブリの一又は複数の構成要素が調整されうる。その後、方法４７０は工程４７１に戻ってよく、レーザエネルギーは、基材上の同じ場所又は新たな場所へと方向付けられ、ひいては、所望の物体が３Ｄ印刷されうる。この様態では、方法４７０は、閉ループ関数であり、ゆえに、３Ｄ印刷工程中の制御及び精度の増大を支援する。閉ループ伝達関数は、画像デバイスによる出力時に測定される。出力信号波形は、閉ループ伝達関数、及び、コントローラによって提供される入力信号波形から、計算されうる。
【００３３】
更に、本開示は下記の条項による例を含む。
【００３４】
条項１．三次元印刷装置であって、上にある基材を支持するための被加工物支持体と、基材にレーザエネルギーを供給するためのレーザと、基材の画像を捕捉するための画像デバイスと、画像デバイスから画像データを受信するためのコントローラと、コントローラに連結され、かつ、コントローラから指令を受信するよう適合した光学アセンブリとを備え、光学アセンブリは、形状制御機構と、偏光機構と、強度制御機構とを備える、三次元印刷装置。
【００３５】
条項２．被加工物支持体は静止している、条項１に記載の三次元印刷装置。
【００３６】
条項３．光学アセンブリは、ビームステアリング機構を更に備える、条項１に記載の三次元印刷装置。
【００３７】
条項４．ビームステアリング機構は複数の回転可能な鏡を備える、条項３に記載の三次元印刷装置。
【００３８】
条項５．複数の回転可能な鏡は２つの鏡であり、２つの鏡は垂直な軸の周囲で回転可能である、条項４に記載の三次元印刷装置。
【００３９】
条項６．ビームステアリング機構は、ステアリング可能な電気−エバネセント光リフラクタを備える、条項３に記載の三次元印刷装置。
【００４０】
条項７．形状制御機構と、偏光機構と、強度制御機構は、コントローラが受信した指令に応じて調整可能である、条項１に記載の三次元印刷装置。
【００４１】
条項８．偏光機構は、一又は複数の回転可能な偏光感応要素を備える、条項１に記載の三次元印刷装置。
【００４２】
条項９．一又は複数の回転可能な偏光感応要素は、軸方向に位置合わせされた、複数の回転可能な偏光感応要素である、条項８に記載の三次元印刷装置。
【００４３】
条項１０．一又は複数の回転可能な偏光感応要素は、二分の一波長板又は四分の一波長板を備える、条項８に記載の三次元印刷装置。
【００４４】
条項１１．形状制御機構は、一又は複数の回転可能なハウジングであって、各々が、レーザエネルギーを受け入れるために各々に形成された円形開口を有するハウジングを備える、条項１に記載の三次元印刷装置。
【００４５】
条項１２．形状制御機構は、異なる軸の周囲で回転する複数の回転可能なハウジングを備える、条項１１に記載の三次元印刷装置。
【００４６】
条項１３．形状制御機構は楕円形状レンズを備える、条項１１に記載の三次元印刷装置。
【００４７】
条項１４．三次元印刷装置であって、上にある基材を支持するための被加工物支持体と、基材にレーザエネルギーを供給するためのレーザと、基材の画像を捕捉するための画像デバイスと、画像デバイスから画像データを受信するためのコントローラと、コントローラに連結され、かつ、コントローラから指令を受信するよう適合した光学アセンブリとを備え、光学アセンブリは、複数の作動可能な鏡を備えるビームステアリング機構と、一又は複数の回転可能なハウジングであって、各々が、レーザエネルギーを受け入れるために各々に形成された円形開口を有するハウジングを備える、形状制御機構と、一又は複数の回転可能な偏光感応要素を備える偏光機構と、強度制御機構とを備える、三次元印刷装置。
【００４８】
条項１５．ビームステアリング機構の作動可能な鏡は回転可能である、条項１４に記載の三次元印刷装置。
【００４９】
条項１６．形状制御機構は、異なる軸の周囲で回転する複数の回転可能なハウジングを備える、条項１５に記載の三次元印刷装置。
【００５０】
条項１７．一又は複数の回転可能な偏光感応要素は、二分の一波長板又は四分の一波長板を備える、条項１６に記載の三次元印刷装置。
【００５１】
条項１８．３Ｄ印刷工程中にレーザを調整する方法であって、印刷ソースから静止している被加工物支持体上の基材へと、レーザエネルギーを方向付けることと、基材上のレーザエネルギーの衝突場所の画像を捕捉することと、捕捉された画像の画像データをコントローラに提供することと、コントローラが画像データを受信することに応じて、印刷ソースの一又は複数のパラメータを調整するために、コントローラから印刷ソースに指令を提供することと、印刷ソースの一又は複数のパラメータを調整することとを含む、方法。
【００５２】
条項１９．印刷ソースの一又は複数のパラメータを調整することは、強度制御機構を調整することと、偏光機構を調整することと、形状制御機構を調整することとを含む、条項１８に記載の方法。
【００５３】
条項２０．ビームステアリング機構を調整することを更に含む、条項１９に記載の方法。
【００５４】
本開示の態様は、専らハードウェアの態様、専らソフトウェアの態様（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、又は、ソフトウェアとハードウェアの態様を組み合わせる態様という形態をとりうる。本開示の態様は、コンピュータプログラム製品において具現化されうる。コンピュータプログラム製品は、本開示の態様をプロセッサに実行させるためのコンピュータ可読プログラム指令を有する、コンピュータ可読記憶媒体（複数可）を含みうる。
【００５５】
コンピュータ可読記憶媒体は、指令実行デバイスが使用するための指令を保持し、記憶することが可能な、有形デバイスでありうる。コンピュータ可読記憶媒体は、限定するわけではないが例としては、電子記憶デバイス、磁気記憶デバイス、光記憶デバイス、電磁記憶デバイス、半導体記憶デバイス、またはこれらの任意の好適な組み合わせでありうる。コンピュータ可読記憶媒体のより具体的な非網羅的リストは、ポータブルコンピュータディスケット、ハードディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ又はフラッシュメモリ）、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、ポータブルコンパクトディスク読出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、メモリスティック、フロッピーディスク、パンチカードまたは指令が記録されている溝内の隆起構造などの機械的にエンコードされたデバイス、及び、これらの任意の好適な組み合わせを、含む。コンピュータ可読記憶媒体とは、本書においては、それ自体が、電波又はその他の自由に伝播する電磁波、導波管又はその他の伝送媒体を通って伝播する電磁波（光ファイバケーブルを通過する光パルスなど）、或いは、ワイヤを通って伝送される電気信号といった、一時的信号であると、解釈されるべきではない。
【００５６】
本開示の動作を実行するためのコンピュータ可読プログラム指令は、アセンブラ指令、命令セットアーキテクチャ（ＩＳＡ）指令、機械指令、機械依存指令、マイクロコード、ファームウェア指令、状態設定データ、或いは、Ｃ＋＋などのようなオブジェクト指向型プログラミング言語、及び、「Ｃ」プログラミング言語又は類似のプログラミング言語などの従来的な手続き型プログラミング言語を含む、一又は複数のプログラミング言語の任意の組み合わせで書かれた、ソースコード若しくはオブジェクトコードでありうる。
【００５７】
本開示の態様は、本開示の態様による方法、装置、及びコンピュータプログラム製品のフロー図及び／またはブロック図を参照して、本書で説明されている。フロー図及び／又はブロック図の各ブロック、並びに、フロー図及び／またはブロック図における複数のブロックの組み合わせは、コンピュータ可読プログラム指令によって実装可能であると、理解されよう。
【００５８】
上記のコンピュータ可読プログラム指令は、機械を生産するために、汎用コンピュータ、又は特殊用途コンピュータのプロセッサ、或いはその他のプログラマブルデータ処理装置に提供されてよく、それにより、コンピュータのプロセッサ又はその他のプログラマブルデータ処理装置を介して実行を行うこれらの指令が、フロー図及び／又はブロック図のブロック（複数可）内に特定されている機能／作用を実装するための手段を作り出す。上述のコントローラは、１つのかかるコンピュータである。上記のコンピュータ可読プログラム指令は更に、特定の様態で機能するために、コンピュータ、プログラマブルデータ処理装置、及び／又はその他のデバイスに命令を下すことが可能なコンピュータ可読記憶媒体に記憶されてよく、それにより、指令が記憶されているコンピュータ可読記憶媒体は、フロー図及び／またはブロック図のブロック（複数可）内に特定されている機能／作用の態様を実装する指令を含む製品を含む。
【００５９】
図におけるフロー図及びブロック図は、本開示の様々な態様によるシステム、方法及びコンピュータプログラム製品の実現可能な実行形態の、アーキテクチャ、機能、及び動作を示している。これに関して、フロー図又はブロック図の各ブロックは、特定の論理機能（複数可）を実装するための一又は複数の実行可能指令を含む、指令のモジュール、セグメント、又は部分を表わしうる。一部の代替的実行形態においては、ブロック内に記述されている機能は、図に記載の順序から外れて発現しうる。例えば、連続して示されている２つのブロックは、含まれる機能に応じて、実際にはほぼ同時に実行されうるか、又は、ブロックは時に逆順に実行されることもある。ブロック図及び／又はフロー図の各ブロック、並びに、ブロック図及び／又はフロー図のブロックの組み合わせは、特定の機能又は作用を実施する特殊用途ハードウェアベースのシステムによって実装されうるか、或いは、特殊用途ハードウェアとコンピュータ指令との組み合わせによって実行されうることにも、留意されたい。
【００６０】
本書に記載の態様の利点は、３Ｄ印刷される構成要素、特に航空機部品などの比較的大型の構成要素の、印刷スピードの増大を含む。更に、本書に記載の態様が静止している被加工物支持体を利用することから、３Ｄ印刷工程に必要なフロアスペースが最小化され、可動支持体向けの整備が不要になる。
【００６１】
以上の説明は本開示の態様を対象としているが、本開示の基本的な範囲を逸脱しなければ、本開示の他の態様及び更なる態様が考案されてよく、本開示の範囲は以下の特許請求の範囲によって定められる。
【図１】
2017149132.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【外国語明細書】
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