(57)【要約】源エネルギーを効果的および効率的に利用するための、高効率エネルギー・ビーム・パターン化およびビーム・ステアリングに関する付加製造のための方法および装置である。一実施形態では、望ましくない光のリサイクルおよび再利用は、１つまたは複数の光弁によって生成される複数個の光パターンの源を備え、複数個の光パターンの少なくとも１つが拒絶されたパターン化された光から形成されている。画像リレーは、複数個の光パターンを案内するように使用され、ビーム・ルーティング・システムは、複数個の光パターンを受け、それぞれ、粉末ベッド上の画定された領域に向かってこれらを案内する。【選択図】図４Ａ
2020524090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー・ビームと、
前記エネルギー・ビームから２次元パターン化されたエネルギー・ビームを生成するビーム・パターン化ユニットと、
２次元パターン化されたエネルギー・ビームを案内する複数のエネルギー切換ユニットと、
前記２次元パターン化されたエネルギー・ビームを受け、案内するための複数のエネルギー・ステアリング・ユニットと、
前記複数のエネルギー・ステアリング・ユニットの少なくとも１つから前記案内された２次元パターン化されたエネルギー・ビームの少なくとも一部を受ける少なくとも１つの粉末ベッドと
を備えた、付加製造のための開閉所ビーム・ルーティング・システム。
【請求項２】
前記２次元パターン化されたエネルギー・ビームが、前記ビーム・パターン化ユニットで生成され、前記少なくとも１つの粉末ベッドで受けられる２次元パターン化された画像の５０％より大きい角度電力密度および７５％より大きい空間的エタンデュ内容を保存する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記複数のエネルギー切換ユニットの少なくとも１つが、少なくとも２つのエネルギー切換ユニットに前記２次元パターン化されたエネルギー・ビームを案内して、切換階層を形成することができる、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記複数のエネルギー切換ユニットの少なくともいくつかが、切換階層で配置され、前記複数のエネルギー切換ユニットの少なくとも２つが、その間に２次元パターン化されたエネルギー・ビームを案内することができる、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記エネルギー・ビームがレーザ・ビームを含み、前記ビーム・パターン化ユニットが、光弁によって通過される第１の正のパターン、および光弁によって拒絶されたレーザ光からなる第２の負のパターンを加えるように構成された少なくとも１つの光弁を含み、前記エネルギー切換ユニットが２次元パターン化されたレーザ・ビームを案内し、前記複数のエネルギー・ステアリング・ユニットが前記２次元パターン化されたレーザ・ビームを受ける、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
エネルギー・ビームと、
前記エネルギー・ビームから２次元パターン化されたエネルギー・ビームを生成するビーム・パターン化ユニットと、
２次元パターン化されたエネルギー・ビームを案内する複数のエネルギー切換ユニットとを備え、前記複数のエネルギー切換ユニットの少なくとも１つが、少なくとも２つのエネルギー切換ユニットに２次元パターン化されたエネルギー・ビームを案内して、切換階層を形成することができる、
開閉所ビーム・ルーティング・システム。
【請求項７】
前記複数のエネルギー切換ユニットの少なくとも２つが、その間に２次元パターン化されたエネルギー・ビームを案内することができる、請求項６に記載の開閉所ビーム・ルーティング・システム。
【請求項８】
前記２次元パターン化されたエネルギー・ビームを受け、案内するための複数のエネルギー・ステアリング・ユニットと、
前記複数のエネルギー・ステアリング・ユニットの少なくとも１つから前記案内された
２次元パターン化されたエネルギー・ビームの少なくとも一部を受ける少なくとも１つの粉末ベッドとをさらに備えた、請求項６に記載の開閉所ビーム・ルーティング・システム。
【請求項９】
前記２次元パターン化されたエネルギー・ビームを受け、案内するための複数のエネルギー・ステアリング・ユニットをさらに備え、前記エネルギー・ステアリング・ユニットの少なくとも１つがさらに、可動ミラーを備えている、請求項６に記載の開閉所ビーム・ルーティング・システム。
【請求項１０】
前記エネルギー・ビームがレーザ・ビームを含み、前記ビーム・パターン化ユニットが、光弁によって通過される第１の正のパターン、および光弁によって拒絶されたレーザ光からなる第２の負のパターンを加えるように構成された少なくとも１つの光弁を含み、前記エネルギー切換ユニットが２次元パターン化されたレーザ・ビームを案内する、請求項６に記載の開閉所ビーム・ルーティング・システム。
【請求項１１】
１つまたは複数の光ビームを射出するように構成された１つまたは複数の光源と、
光弁によって通過される第１の正のパターン、および光弁によって拒絶された光の第２の負のパターンを前記１つまたは複数の受けた光ビームに加えるように構成された光弁と、
前記第１の正の光パターンおよび前記第２の負の光パターンの少なくとも１つを受け、案内するための少なくとも１つの画像リレーとして配置された複数のビーム切換ユニットと
を備えた、開閉所光リサイクル・システム。
【請求項１２】
前記複数のビーム切換ユニットの少なくともいくつかによって中継される前記光パターンの少なくともいくつかが、粉末ベッドに案内される、請求項１１に記載の開閉所光リサイクル・システム。
【請求項１３】
光パターン強度、光パターン配向、および光パターン寸法の少なくとも１つが、変換される、請求項１１に記載の開閉所光リサイクル・システム。
【請求項１４】
前記第１の正の光パターンおよび第２の負の光パターンが、少なくとも部分的に組み合わせられる、請求項１１に記載の開閉所光リサイクル・システム。
【請求項１５】
前記複数のビーム切換ユニットの少なくともいくつかが、切換階層内に配置されている、請求項１１に記載の開閉所光リサイクル・システム。
【請求項１６】
前記複数のビーム切換ユニットの少なくともいくつかが、二値ツリー切換階層内に配置されている、請求項１１に記載の開閉所光リサイクル・システム。
【請求項１７】
前記パターン化された光ビームを受け、案内するための複数の光ステアリング・ユニットをさらに備えた、請求項１１に記載の開閉所光リサイクル・システム。
【請求項１８】
前記複数の光ステアリング・ユニットの少なくとも１つが可動ミラーである、請求項１７に記載の開閉所光リサイクル・システム。
【請求項１９】
印刷オブジェクトをｊ個のスライスに計算的に分割するステップであって、ｊ＝１からＪであるステップと、
２次元エネルギー・ビームによって各タイル内に印刷される全てのピクセルを判断するステップと、
Ｋ個のタイルを印刷するシーケンスを確立するステップと、
各タイルを作り出すためにビーム・エネルギー・パターンを判断するステップと、
スライスｊ内のＫ個のタイルを印刷し、Ｊ個のスライス全てに対して繰り返すステップと、
開閉所ビーム・システムからリサイクルされたビーム・エネルギーで少なくとも１つのタイルを印刷するように、前記パターン化されたビーム・エネルギーを案内するステップと
を含む、所定の領域にビーム・エネルギーを分配する方法。
【請求項２０】
所定の領域に分配された前記ビーム・エネルギーの少なくともいくつかが、粉末ベッド上のタイルに中継される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
ビーム・エネルギーが光を含み、ビーム・エネルギー・パターン化が、光パターン強度、光パターン配向、および光パターン寸法の少なくとも１つを調節することができる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記パターン化されたビーム・エネルギーの少なくともいくつかが、粉末ベッド上のタイルに複数のビーム切換ユニットの少なくともいくつかによって中継される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記複数のビーム切換ユニットの少なくともいくつかが、切換階層に配置されている、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記複数のビーム切換ユニットの少なくともいくつかが、二値ツリー切換階層に配置されている、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
可能な印刷位置およびタイルをリスト化する一連の時間ステップｔを画定するステップと、
適格な印刷位置およびタイルの間で利用可能な光を分配するステップと、
適格な印刷位置およびタイルに分配された利用可能なエネルギー・ビームを案内するように開閉所システムを構成するステップと
を含む、付加印刷のための利用可能なエネルギー・ビームを時間的に分配する方法。
【請求項２６】
所定の領域に分配された前記ビーム・エネルギーの少なくともいくつかが、粉末ベッド上のタイルに中継される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
ビーム・エネルギーが光を含み、ビーム・エネルギー・パターン化は、光パターン強度、光パターン配向、および光パターン寸法の少なくとも１つを調節することができる、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記ビーム・エネルギーの少なくともいくつかが、粉末ベッド上のタイルに複数のビーム切換ユニットの少なくともいくつかによって中継される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記複数のビーム切換ユニットの少なくともいくつかが、切換階層に配置されている、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記複数のビーム切換ユニットの少なくともいくつかが、二値ツリー切換階層に配置されている、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連特許出願へのクロスリファレンス
本開示は、全体を本明細書に援用する、２０１７年５月１１日出願の米国特許出願第６２／５０４，８２２号の優先権を主張する特許出願の一部である。
【０００２】
本開示は概して、付加製造のための光学技術に関し、より詳細には、１つまたは複数のパターン化された光ビームを案内することが可能な開閉所式ビーム・ルーティング・サブシステムを含む光学システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
レーザ光を出力先変更する複雑なシステムが、多くの高い電力応用例で使用されてきた。例えば、Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙは、ターゲットに向けて高電力レーザ・ビームを出力先変更することが可能な国立点火施設をサポートする。ビーム・エンクロージャは、複数個の入射レーザ・ビームをターゲット・チャンバの上部および底部に出力先変更する。レーザ・ビームがレーザ・ベイを通して前進した後、ターゲット・チャンバの上側および下側半球にビームを出力先変更する回転ミラーでビーム・エンクロージャのシステムに入る。このような手動システムは、平行レーザ・ビーム配置をターゲット・チャンバの球状構成に変換する。動作の際、回転ミラーは、径方向線に沿ってターゲット・チャンバに入るように複数個のレーザ・ビームを案内して、ターゲット上に集中する。
【０００４】
付加製造のためのレーザ系システムはまた、光出力先変更を必要とする可能性がある。例えば、ダイオード・レーザ付加製造の１つのタイプは、複数個のビームを単一のビームへと結合し、その後、光源を正および負のパターン化された画像に分割することによってビームを分離する必要がある。しばしば、部品および他のビーム画像を形成するのに使用される１つのパターン化されたビーム画像は、ビーム・ダンプ内に廃棄される。このようなパターンは、電磁波偏光状態を回転させることによって透過または反射された光の空間的変調を可能にする液晶系光弁の使用により作り出すことができる。典型的な例は、液晶充填光弁を通過し、その後、駆動ビーム上の偏光空間内にパターンを空間的に刻み込む偏光「駆動ビーム」を有する。所望の光の偏光状態は、光学システムの残りまで続くことが可能にされ、望ましくない状態が拒絶され、ビーム・ダンプまたは他のエネルギー拒絶デバイスに捨てられる。
【０００５】
１つまたは複数のこのようにパターン化された、またはパターン化されていないビームを分割、結合、およびルーティングすることは複雑である可能性がある。パターン化された、またはパターン化されていないビームを効率的にルーティングおよび案内することが可能なシステムは、複数個の粉末ベッドの使用を単純化する、ビームの全体もしくは部分的重なりを可能にする、または拒絶されたもしくは望ましくないビーム・パターンによるエネルギー損失を制限することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本開示の非限定的および非排他的実施形態が、以下の図を参照して記載されており、同様の参照番号は、そうでないと明記されていない限り、様々な図面全体を通して同様の部分に言及している。
【０００７】
【図１Ａ】付加製造システムを示す。
【図１Ｂ】付加製造システム上に形成されている構造の上面図である。
【図２】付加製造方法を示す。
【図３Ａ】レーザを含む付加製造システムを示す図（ｃａｒｔｏｏｎ）である。
【図３Ｂ】図３Ａに示す光パターン化ユニットの詳細図である。
【図３Ｃ】複数個の画像リレーを使用して光を案内および再パターン化する「開閉所」を備えた付加製造システムの一実施形態である。
【図３Ｄ】パターン化された２次元エネルギーの再利用をサポートする開閉所システムを示す。
【図３Ｅ】ミラー画像ピクセル・再マッピングを示す。
【図３Ｆ】ピクセル・再マッピング用の画像リレーを変換する一連の画像を示す。
【図４Ａ】本開示の実施形態に従う、付加製造過程におけるレーザ光リサイクル用エネルギー・パターン化二値ツリー・システムのレイアウトの図である。
【図４Ｂ】１つの入力から複数個の出力へのパターン・リサイクルを示す図である。
【図４Ｃ】複数個の入力から１つの出力へのパターン・リサイクルを示す図である。
【図４Ｄ】２つの光弁パターン化ステップ、および切換が少なくともいくつかのエネルギー・ステアリング・ユニットに利用可能なビーム出力先変更をサポートする開閉所概念の実施の略図的例である。
【図４Ｅ】２つの光弁パターン化ステップ、および切換が全てのエネルギー・ステアリング・ユニットに利用可能なビーム出力先変更をサポートする開閉所概念の実施の略図的例である。
【図５Ａ】印刷バーを備えた固体システムを使用した複数個のタイルの面積印刷を示す図である。
【図５Ｂ】粉末ベッドと同一の広がりを持つような寸法のマトリックスを備えた固体システムを使用した複数個のタイルの面積印刷を示す図である。
【図５Ｃ】個別のステアリング・ユニットを有し、粉末ベッドと同一の広がりを持つような寸法のマトリックスを備えた固体システムを使用した複数個のタイルの面積印刷を示す図である。
【図６】光エネルギー・リサイクルの態様を示すフローチャートである。
【図７】固体システム内で光を分配する時間的アルゴリズムを示すフローチャートである。
【図８Ａ】複数個のチャンバをサポートする例示的な固体開閉所システムを示す。
【図８Ｂ】複数個のチャンバをサポートする例示的な固体開閉所システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の説明では、その一部を形成し、開示を実施することができる特定の例示的実施形態を例示するために示される添付の図面に言及する。これらの実施形態は、当業者が本明細書に開示された概念を実施することを可能にするように十分詳細に記載され、本開示の範囲から逸脱することなく様々な開示された実施形態への変更を行い、他の実施形態を利用することができることを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味として解釈するべきではない。
【０００９】
本開示は、印刷されるパターンによる望ましくない光の拒絶によって生じるような、付加製造システムで廃棄される光を少なくするのに適した「開閉所」式光学システムを示している。この内容で使用されるような「開閉所」は、複雑なパターンをその生成（この場合、空間的パターンが構造化されたまたは構造化されていないビームに加えられる平面）から、一連の切換点を通したその運搬まで出力先変更するシステムおよび方法を記載している。各切換点は任意選択で、入射ビームの空間的輪郭を変更することができる。開閉所光学システムは、例えば、これに限らないが、マスクが光に加えられるレーザ系付加製造技術で利用することができる。有利には、本開示に従う様々な実施形態では、廃棄されたエネルギーは、均質化された形、または高い電力効率もしくは高いスループット率を維持するために使用されるパターン化された光としてのいずれかでリサイクルすることができ
る。さらに、廃棄されたエネルギーは、より難しい材料を印刷する強度を大きくするためリサイクルおよび再利用することができる。
【００１０】
拒絶光をリサイクルおよび再利用することによって、システム強度を、拒絶された光の割合に比例して大きくすることができる。これにより、高い印刷率を維持するために、全てのエネルギーを使用することが可能になる。加えて、光のリサイクルは潜在的に、単一のバーが形成プラットフォームにわたって掃引する「バー」印刷が可能になる。別の方法では、パターン・リサイクルにより、形成プラットフォームの全ての面積に印刷するための移動を必要としない形成プラットフォームと同一の広がりを持つ固体マトリックスの生成が可能になる。
【００１１】
一実施形態では、１つまたは複数のエネルギー・ビームを射出するように位置決めされた１つまたは複数のレーザまたは電子ビームを含む、１つまたは複数のエネルギー源を有する付加製造システムが開示されている。ビーム成形光学技術は、エネルギー源から１つまたは複数のエネルギー・ビームを受け、単一のビームを形成することができる。エネルギー・パターン化ユニットは、単一のビームを受信または生成し、２次元パターンをビームに伝達し、パターン内にない未使用エネルギーを拒絶することができる。画像リレーは、２次元パターン化されたビームを受け、高さ固定または可動形成プラットフォーム（例えば、粉末ベッド）上の所望の位置に２次元画像として集束する。特定の実施形態では、エネルギー・パターン化ユニットからのあらゆる拒絶エネルギーの一部または全てが再利用される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、レーザ・アレイからの複数個のビームは、ビーム・ホモジナイザを使用して結合される。この結合されたビームは、透過または反射ピクセル・アドレス指定可能な光弁のいずれかを備えたエネルギー・パターン化ユニットで案内することができる。一実施形態では、ピクセル・アドレス指定可能な光弁は、偏光素子を有する液晶モジュール、および２次元入力パターンを提供する光投影ユニットの両方を備えている。画像リレーによって集束される２次元画像は、３Ｄ構造を形成するために粉末ベッド上の複数個の位置に向けて連続して案内することができる。
【００１３】
図１に示すように、付加製造システム１００は、ビーム成形光学部１１４に向けて１つまたは複数の連続または断続的エネルギー・ビームを案内することができるエネルギー源１１２を備えたエネルギー・パターン化システム１１０を有する。必要に応じて、成形の後に、ビームはエネルギー・パターン化ユニット１１６によってパターン化され、全体的に一部のエネルギーは拒絶エネルギー処理ユニット１１８に案内される。パターン化されたエネルギーは、典型的にはベッド１４６の近くで集束される２次元画像１２２として、物体処理ユニット１４０に向けて画像リレー１２０によって中継される。（任意の壁１４８を備えた）ベッド１４６は、材料ディスペンサ１４２によって分配される材料１４４を入れるチャンバを形成することができる。画像リレー１２０によって案内されるパターン化されたエネルギーは、溶融、融合、焼結、混合、結晶構造を変化させる、応力パターンに影響を与える、あるいは、分配された材料１４４を化学的または物理的に変更して、所望の性状を有する構造を形成することができる。
【００１４】
エネルギー源１１２は、光子（光）、電子、イオン、または案内、成形およびパターン化することが可能な他の適切なエネルギー・ビームもしくは束を生成する。複数個のエネルギー源を組み合わせて使用することができる。エネルギー源１１２は、レーザ、白熱光、集光型太陽光、他の光源、電子ビーム、またはイオン・ビームを含むことができる。可能なレーザ・タイプとしては、これに限らないが、ガス・レーザ、化学レーザ、色素レーザ、金属蒸気レーザ、固体レーザ（例えば、ファイバ）、半導体（例えば、ダイオード）レーザ、自由電子レーザ、ガス動的レーザ、「ニッケル状」サマリウム・レーザ、ラマン
・レーザ、または核励起レーザが挙げられる。
【００１５】
ガス・レーザは、ヘリウム・ネオン・レーザ、アルゴン・レーザ、クリプトン・レーザ、キセノン・イオン・レーザ、窒素レーザ、二酸化炭素レーザ、一酸化炭素レーザ、またはエキシマ・レーザなどのレーザを含むことができる。
【００１６】
化学レーザは、フッ化水素レーザ、フッ化重水素レーザ、ＣＯＩＬ（化学酸素・ヨウ素レーザ）、またはＡｇｉｌ（全気体相ヨウ素レーザ）などのレーザを含むことができる。
【００１７】
金属蒸気レーザは、ヘリウム・カドミウム（ＨｅＣｄ）金属蒸気レーザ、ヘリウム水銀（ＨｅＨｇ）金属蒸気レーザ、ヘリウム・セレニウム（ＨｅＳｅ）金属蒸気レーザ、ヘリウム銀（ＨｅＡｇ）金属蒸気レーザ、ストロンチウム蒸気レーザ、ネオン銅（ＮｅＣｕ）金属蒸気レーザ、銅蒸気レーザ、金蒸気レーザ、またはマンガン（Ｍｎ／ＭｎＣｌ２）蒸気レーザなどのレーザを含むことができる。
【００１８】
固体レーザは、ルビー・レーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＮｄＣｒＹＡＧレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、ネオジムＹＬＦ（Ｎｄ：ＹＬＦ）固体レーザ、ネオジム・ドープ・オルトバナジウム酸イットリウム（Ｎｄ：ＹＶＯ４）レーザ、ネオジム・ドープ・イットリウム・カルシウム・オキソボレートＮｄ：ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３または単にＮｄ：ＹＣＯＢ、ネオジム・ガラス（Ｎｄ：Ｇｌａｓｓ）レーザ、チタン・サファイア（Ｔｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅ）レーザ、ツリウムＹＡＧ（Ｔｍ：ＹＡＧ）レーザ、イッテルビウムＹＡＧ（Ｙｂ：ＹＡＧ）レーザ、イッテルビウム：２Ｏ３（ガラスまたはセラミック）レーザ、イッテルビウム・ドープ・ガラス・レーザ（ロッド、板／チップ、およびファイバ）、ホルミウムＹＡＧ（Ｈｏ：ＹＡＧ）レーザ、クロムＺｎＳｅ（Ｃｒ：ＺｎＳｅ）レーザ、セリウム・ドープ・リチウム・ストロンチウム（または、カルシウム）フッ化アルミニウム（Ｃｅ：ＬｉＳＡＦ、Ｃｅ：ＬｉＣＡＦ）、プロメチウム１４７ドープ・リン酸塩ガラス（１４７Ｐｍ＋３：Ｇｌａｓｓ）固体レーザ、クロム・ドープ・クリソベリル（アレキサンドライト）レーザ、エルビウム・ドープおよびエルビウム・イッテルビウム共ドープ・ガラス・レーザ、三価ウラン・ドープ・フッ化カルシウム（Ｕ：ＣａＦ２）固体レーザ、二価サマリウム・ドープ・フッ化カルシウム（Ｓｍ：ＣａＦ２）レーザ、またはＦ中心レーザなどのレーザを含むことができる。
【００１９】
半導体レーザは、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＯ、ＧａＩｎＡｓＳｂ、鉛塩、垂直キャビティ表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）、量子カスケード・レーザ、ハイブリッド・シリコン・レーザ、またはその組合せなどのレーザ媒体タイプを含むことができる。
【００２０】
例えば、一実施形態では、単一のＮｄ：ＹＡＧ  Ｑスイッチレーザは、複数個の半導体レーザと併せて使用することができる。別の実施形態では、電子ビームは、紫外線半導体レーザ・アレイと併せて使用することができる。さらに他の実施形態では、２次元アレイのレーザを使用することができる。複数個のエネルギー源を備えたいくつかの実施形態では、エネルギー・ビームの前パターン化は、エネルギー源を選択的に作動および停止することによって行うことができる。
【００２１】
ビーム成形ユニット１１４は、結合する、集束する、分散する、反射する、屈折させる、均一化させる、強度を調節する、周波数を調節する、あるいはエネルギー・パターン化ユニット１１６に向けてエネルギー源１１２から受けられる１つまたは複数のエネルギー・ビームを成形および案内するための、様々な画像化光学部を含むことができる。一実施形態では、それぞれ別個の光波長を有する複数個の光ビームは、波長選択鏡（例えば、二色性）または回折素子を使用して結合することができる。他の実施形態では、複数個のビ
ームは、多面鏡、マイクロレンズ、および屈折または回折光学素子を使用して均質化または結合することができる。
【００２２】
エネルギー・パターン化ユニット１１６は、静的または動的エネルギー・パターン化要素を含むことができる。例えば、光子、電子、またはイオン・ビームは、固定または可動要素を備えたマスクによって遮断することができる。画像パターン化のフレキシビリティおよび容易性を大きくするために、ピクセル・アドレス指定可能マスキング、画像生成、または伝達を使用することができる。いくつかの実施形態では、エネルギー・パターン化ユニットは、パターン化を行うために、単独で、または他のパターン化機構と併せてアドレス指定可能な光弁を備えている。光弁は、透過性、反射性であってもよく、または透過性および反射性要素の組合せを使用することができる。パターンは、電気または光学アドレス指定を使用して動的に変更することができる。一実施形態では、透過性光学アドレス指定光弁は、弁を通過する光の偏光を回転させるように働き、光学的にアドレス指定されたピクセルは光投影源によって規定されるパターンを形成する。別の実施形態では、反射性光学アドレス指定光弁は、読取ビームの偏光を変えるための書込ビームを含んでいる。さらに別の実施形態では、電子パターン化デバイスは、電気または光子刺激源からアドレス・パターンを受信し、電子のパターン化放出を生成する。
【００２３】
拒絶エネルギー処理ユニット１１８は、パターン化およびエネルギー・パターン画像リレー１２０の通過がされないエネルギーを分配、出力先変更、または利用するために使用される。一実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニット１１８は、エネルギー・パターン化ユニット１１６から熱を除去する受動的または能動的冷却要素を含むことができる。他の実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニットは、エネルギー・パターンを規定する際に使用されないあらゆるビーム・エネルギーを吸収し熱に変換する「ビーム・ダンプ」を含むことができる。さらに別の実施形態では、拒絶ビーム・エネルギーは、ビーム成形光学部１１４を使用してリサイクルすることができる。別の方法では、または加えて、拒絶ビーム・エネルギーは、加熱またはさらなるパターン化のために、物体処理ユニット１４０に案内することができる。特定の実施形態では、拒絶ビーム・エネルギーは、追加のエネルギー・パターン化システムまたは物体処理ユニットに案内することができる。
【００２４】
画像リレー１２０は、エネルギー・パターン化ユニット１１６からパターン化された画像（典型的には、２次元）を受信し、物体処理ユニット１４０に向けて案内する。ビーム成形光学部１１４と同様の方法で、画像リレー１２０は、結合する、集束する、分散する、反射する、屈折させる、強度を調節する、周波数を調節する、あるいはパターン化された画像を成形および案内するための光学部を含むことができる。
【００２５】
物体処理ユニット１４０は、壁面チャンバ１４８、ベッド１４４、および材料を分配させる材料ディスペンサ１４２を備えることができる。材料ディスペンサ１４２は、分配する、取り除く、混合する、材料タイプまたは粒子寸法にグラデーションまたは変化を与える、または材料の層厚さを調節することができる。材料としては、金属、セラミック、ガラス、高分子粉末、固体から液体へのおよびその逆への熱誘導相変化を行うことが可能な他の溶融可能材料、またはその組合せを挙げることができる。材料はさらに、溶融不可能材料に沿って離れる、または蒸発／崩壊／燃焼あるいは破壊過程を行わせながら、いずれかまたは両方の構成物質を、溶融可能な構成物質を溶融するために画像化リレー・システムによって選択的にターゲット化することができる溶融可能材料および溶融不可能材料の複合体を含むことができる。特定の実施形態では、材料のスラリー、スプレー、コーティング、ワイヤ、ストリップ、またはシートを使用することができる。望ましくない材料は、噴射機、真空システムの使用、ベッド１４６の掃除、振動、揺動、傾斜、または反転により廃棄またはリサイクルするために取り除くことができる。
【００２６】
材料処理構成部品に加えて、物体処理ユニット１４０は、３Ｄ構造を保持および支持する構成部品、チャンバを加熱または冷却する機構、補助または支持光学部、ならびに材料または環境条件を監視または調節するセンサおよび制御機構を備えることができる。物体処理ユニットは、全体的にまたは部分的に、望ましくない化学作用を減らし、（特に、反応金属での）火災または爆発の危険性を低くするために、真空または不活性ガス環境を支持することができる。
【００２７】
制御プロセッサ１５０は、付加製造システム１００のあらゆる構成部品を制御するように接続することができる。制御プロセッサ１５０は、動作を調整するために、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱または冷却システム、モニタ、およびコントローラに接続することができる。イメージャ、光強度モニタ、熱、圧力または気体センサを含む幅広い範囲のセンサを使用して、制御または監視の際に使用される情報を提供することができる。制御プロセッサは、単一の中心コントローラであってもよく、または別の方法では、１つまたは複数の独立制御システムを備えることができる。コントローラ・プロセッサ１５０は、製造指示の入力を可能にするインターフェイスを備えている。幅広い範囲のセンサの使用により、品質、製造スループット、およびエネルギー効率を良くする様々なフィードバック制御機構が可能になる。
【００２８】
図１Ｂは、材料１４４を支持するベッド１４６を示す図（ｃａｒｔｏｏｎ）である。一連の連続して付加される２次元パターン化エネルギー・ビーム画像（点線１２４の四角形）を使用して、構造１４９は付加的に製造される。理解されるように、非四角形境界を有する画像パターンを使用することができ、重なるまたは相互浸透画像を使用することができ、画像は２つ以上のエネルギー・パターン化システムによって提供することができる。他の実施形態では、画像は、案内された電子もしくはイオン・ビームと併せて、または印刷もしくは選択スプレー・システムと併せて形成することができる。
【００２９】
図２は、記載した光学および機械構成部品によって支持される付加製造過程の一実施形態を示すフローチャートである。ステップ２０２では、材料は、ベッド、チャンバ、または他の適切な支持体内に位置決めされている。材料は、溶融、融合、焼結され、結晶構造を変化させ、応力パターンに影響を与えるように誘導され、あるいは他の仕方で化学的または物理的に変更されて所望の性状を有する構造を形成することが可能な粉末であってよい。
【００３０】
ステップ２０４では、パターン化されていないエネルギーが、これに限らないが、固体もしくは半導体レーザ、またはワイヤの下に電子を流す電源供給を含む、１つまたは複数のエネルギー射出器によって射出される。ステップ２０６では、パターン化されていないエネルギーが成形および変更される（例えば、強度が変調または集束される）。ステップ２０８では、このようなパターン化されていないエネルギーがパターン化され、エネルギーは、ステップ２１０で処理されているパターンの一部を形成していない（これは、排熱への変換、またはパターン化されたもしくはパターン化されていないエネルギーとしてのリサイクルを含むことができる）。ステップ２１２では、次に２次元画像を形成する、パターン化されたエネルギーは、材料に向けて中継される。ステップ２１４では、画像が材料に加えられて、３Ｄ構造の一部を形成する。これらのステップは、画像（または、異なるおよび連続画像）が材料の上層の必要な領域全てに加えられるまで繰り返すことができる（ループ２１８）。材料の上層へのエネルギーの付加が終了すると、新しい層を付加して（ループ２１６）、３Ｄ構造を形成し続けることができる。残りの余分な材料を取り除くまたはリサイクルすることができる場合に、これらのプロセス・ループは、３Ｄ構造が完了するまで続けられる。
【００３１】
図３Ａは、エネルギー・パターン化システム３１０の一部として複数個の半導体レーザ
を使用する付加製造システム３００の一実施形態である。制御プロセッサ３５０は、マルチレーザ３１２、光パターン化ユニット３１６、画像リレー３２０、およびシステム３００のあらゆる他の構成部品の動作を調整するために、様々なセンサ、アクチュエータ、加熱または冷却システム、モニタ、およびコントローラに接続することができる。このような接続は全体として、システム３００の構成部品を囲む点線３５１によって示されている。分かるように、接続は、有線または無線、連続または断続的であってもよく、フィードバックの能力を含むことができる（例えば、熱加熱を感知した温度に応じて調節することができる）。マルチレーザ３１２は、例えば、９０ｍｍ幅×２０ｍｍ高さである１０００ｎｍ波長の光のビーム３０１を射出することができる。ビーム３０１は、ビーム３０３を作り出すために、画像化光学部３７０によって再寸法化される。ビーム３０３は、６ｍｍ幅×６ｍｍ高さであり、混合ビーム３０５を生成するように共に光を混合する光均質化デバイス３７２に入射する。ビーム３０５はその後、ビーム３０７に光を再成形する画像化アセンブリ３７４に入射し、その後、ホット・コールド・ミラー３７６に入射する。ミラー３７６は、１０００ｎｍ光が通過することを可能にするが、４５０ｎｍ光を反射する。１０８０ｐピクセル解像度および４５０ｎｍで低電力光を投影することが可能な光プロジェクタ３７８は、ビーム３０９を射出し、その後、ホット・コールド・ミラー３７６に入射する。ビーム３０７および３０９は、ビーム３１１に重なり、両方とも２０ｍｍ幅、２０ｍｍ高さの画像において光学アドレス指定光弁３８０の上で画像化される。ホモジナイザ３７２およびプロジェクタ３７８から形成される画像は、再生成され、光弁３８０上に重ねられる。
【００３２】
光学アドレス指定光弁３８０は、光（典型的には、４００〜５００ｎｍの範囲）によって刺激され、偏光器３８２に入射する透過ビーム３１３内に偏光回転パターンを刻み込む。偏光器３８２は、２つの偏光状態を分割し、ｐ偏光をビーム３１７内に透過し、ｓ偏光をビーム３１５内に反射し、反射した偏光はその後、拒絶エネルギーを処理するビーム・ダンプ３１８に送られる。理解されるように、他の実施形態では、偏光を逆転させることができ、ｓ偏光がビーム３１７内に形成され、ｐ偏光がビーム３１５内に反射される。ビーム３１７は、パターン化された光を再寸法化する光学部３８４を含む最終画像化アセンブリ３２０に入る。このビームは、可動ミラー３８６からビーム３１９に反射し、物体処理ユニット３４０内で材料ベッド３４４に加えられた集束画像で終端する。画像内の領域の深さは、複数個の層に及ぶように選択されて、数層の誤差または補正の範囲内に最適集束を提供する。
【００３３】
ベッド３９０は、材料ディスペンサ３４２によって分配される材料３４４を含むチャンバ壁面３８８内で持ち上げるまたは下げる（垂直に指標化する）ことができる。特定の実施形態では、ベッド３９０は固定されたままにすることができ、最終画像化アセンブリ３２０の光学部は、垂直に持ち上げるまたは下げることができる。材料分配は、必要に応じて、新しい層の材料を提供することが可能な、ホッパ３９４内に保持された粉末を均一に広げることができるスイーパ機構３９２によって行われる。６ｍｍ幅×６ｍｍ高さの画像は、ベッドの異なる位置で可動ミラー３８６によって連続して案内することができる。
【００３４】
この付加製造システム３００内で粉末状セラミックまたは金属材料を使用する場合、粉末は、部分が形成されるときに基質（および、その後の層）の上に、約１〜３粒子厚さの薄い層で広げることができる。パターン化されたビーム３１９によって粉末が溶融、焼成、または融合されると、下位層に結合して、固体構造を作り出す。パターン化されたビーム３１９は、４０Ｈｚでパルス状に動作させて、粉末の選択したパターン化領域が溶融されるまで、１０ｍｓから０．５ｍｓ（望ましくは、３から０．１ｍｓ）の間隔で連続した６ｍｍ×６ｍｍ画像位置まで移動することができる。ベッド３９０はその後、１つの層に対応する厚さだけ下がり、スイーパ機構３９２は粉末状材料の新しい層を広げる。この過程は、２Ｄ層が所望の３Ｄ構造を形成するまで繰り返される。特定の実施形態では、物体
処理ユニット３４０は制御環境を有することができる。これにより、酸化または化学反応、あるいは火災または爆発（反応金属が使用される場合）の危険性なく、反応材料を不活性ガス、または真空環境において製造することが可能になる。
【００３５】
図３Ｂは、図３Ａの光パターン化ユニット３１６の動作をより詳細に示している。図３Ｂに示すように、代表的な入力パターン３３３（ここでは、数字「９」とする）が、ミラー３７６に向けてビーム３０９として投影された８×１２ピクセル・アレイの光内で規定される。各グレー・ピクセルは光充填ピクセルを示し、白色ピクセルは点火されていない。実際、各ピクセルは、光がない、部分的光強度、または最大光強度を含む様々なレベルの光を有することができる。ビーム３０７を形成するパターン化されていない光３３１は、ホット／コールド・ミラー３７６まで案内され、これを通過し、パターン化されたビーム３０９と結合される。パターン化されたビーム３０９は、配線Ｘ５によるコンピュータＸ３によって制御される光プロジェクタ３７８によって生成される。ホット／コールド・ミラー３７６による反射後、パターン化された光ビーム３１１は、ビーム３１１内のビーム３０７および３０９の重なりにより形成され、両方とも、光学アドレス指定光弁３８０上で画像化される。パターン化されていない光３３１の偏光状態を回転させる光学アドレス指定光弁３８０は、パターン化された光ビーム３０９／３１１および配線Ｘ４によるコンピュータＸ３から来る電気信号によって刺激され、ビーム３１３への、数字「９」のパターン内で偏光された光３０７／３１１の偏光状態を選択的に回転させないようにする。ビーム３１３内のパターン３３３を示す回転していない光はその後、偏光器ミラー３８２を通過することが可能になり、ビーム３１７およびパターン３３５が得られる。第２の回転状態の偏光された光は、偏光器ミラー３８２によって、光のない数字「９」からなる負のピクセル・パターン３３７を搬送するビーム３１５内に拒絶される。
【００３６】
他のタイプの光弁を、記載した光弁と交換する、または併せて使用することができる。反射光弁、または選択的回折もしくは屈折に基づく光弁を使用することもできる。特定の実施形態では、非光学アドレス指定光弁を使用することができる。これらとしては、これに限らないが、電気アドレス指定可能ピクセル素子、可動ミラーまたはマイクロ・ミラー・システム、圧電またはマイクロ作動光学システム、固定または可動マスク、またはシールド、あるいは高い強度の光パターン化を提供することが可能なあらゆる他の従来のシステムが挙げられる。電子ビーム・パターン化では、これらの弁はアドレス位置に基づいて電子を選択的に放出することができ、したがって、弁から出る電子のビーム上にパターンを形成することができる。
【００３７】
図３Ｃは、エネルギー切換ユニットＸ０の詳細および動作を示している。図３Ｃに示すように、ｓ偏光状態の代表的入力パターン３７６（ここでは、８×１２ピクセル・アレイで数字「９」と示す）を搬送する光ビーム３１１が、単一ピクセル液晶（ＬＣ）セル３８０に入射する。必要に応じて、ビーム３１１の偏光状態を回転させるＬＣセル３８０は、偏光された光３１１の偏光状態をビーム３１３のｐ偏光状態に選択的に回転させ、その後、ビーム全体を偏光器素子３８２を通して画像情報３３５を搬送するビーム３１７内に通過させるように、配線Ｘ４を通して電気的に刺激されたコンピュータＸ３である。別の方法では、ＬＣセル３８０は、ビーム３１１の偏光状態を回転させずに、ビーム３１３のｓ偏光の偏光状態を保持し、画像情報３３７を搬送するビーム３１５内に反射を生じさせるように、配線Ｘ４を通してコンピュータＸ３によって案内することができる。また、偏光器素子３８２を使用して、画像情報Ｘ２を搬送する源ビームＸ１から光を受けることができる。ビームＸ１のルーティングは、その偏光状態に基づいて全体的に受動的であり、Ｘ１がｓ偏光である場合、ビーム３１７内に反射し、別の方法では、ｐ偏光である場合、ビーム３１５内に透過される。
【００３８】
他のタイプのエネルギー切換デバイスは、記載したＬＣセルと交換、または併せて使用
することができる。反射ＬＣセル、または可動ミラーなどの機械的移動もしくは選択的屈折に基づくエネルギー切替デバイスは、圧電またはマイクロ作動光学システム、固定または可動マスク、またはシールド、あるいは高い強度のエネルギー切換を行うことが可能なあらゆる他の従来のシステムを使用することもできる。電子ビームでは、これらの切換機構は、ビームを異なる経路（ｃｈａｎｎｅｌ）またはルート（ｒｏｕｔｅ）に案内する大型ＥＭフィールド・アレイからなっていてもよい。
【００３９】
図３Ｄは、パターン化された２次元エネルギーの再利用を可能にする開閉所システムを備えた付加製造システムの一実施形態である。図１Ａに関して論じた実施形態と同様に、付加製造システム２２０は、ビーム成形光学部１１４に向けて１つまたは複数の連続または断続的エネルギー・ビームを案内するエネルギー源１１２を備えたエネルギー・パターン化システムを有する。成形後、ビームはエネルギー・パターン化ユニット２３０によって２次元パターン化され、普通はエネルギーの一部は拒絶エネルギー処理ユニット２２２に案内される。パターン化されたエネルギーは、典型的には可動または固定高さベッドの近くで集束される２次元画像として、１つまたは複数の物体処理ユニット２３４Ａ、２３４Ｂ、２３４Ｃ、または２３４Ｄに向けて複数個の画像リレー２３２の１つによって中継される。（任意の壁を備えた）ベッドは、材料ディスペンサによって分配された材料を入れるチャンバを形成することができる。画像リレー２３２によって案内されるパターン化されたエネルギーは、溶融、融合、焼結、混合、結晶構造を変化させる、応力パターンに影響を与える、あるいは、分配された材料を化学的または物理的に変更して、所望の性状を有する構造を形成することができる。
【００４０】
本実施形態では、拒絶エネルギー処理ユニットは、拒絶されパターン化されたエネルギーの再利用を可能にする複数個の構成部品を有する。リレー２２８Ａ、２２８Ｂ、および２２８Ｃはそれぞれ、エネルギーを電気生成器２２４、温冷熱管理システム２２５、またはエネルギー・ダンプ２２６に伝達することができる。任意選択で、リレー２２８Ｃは、別の処理のために、画像リレー２３２内にパターン化されたエネルギーを案内することができる。他の実施形態では、パターン化されたエネルギーは、エネルギー源１１２によって提供されるエネルギー・ビーム内への挿入のために、リレー２２８Ｂおよび２２８Ａにリレー２２８Ｃによって案内することができる。画像リレー２３２を使用して、パターン化された画像の再利用も可能である。画像は、１つまたは複数の物体処理ユニット２３４Ａ〜Ｄへの分配のために、出力先変更、反転、ミラーリング、サブ・パターン化、あるいは変換させることができる。有利には、パターン化された光の再利用は、付加製造過程のエネルギー効率を良くすることができ、いくつかの場合では、ベッドで案内されるエネルギー強度を良くする、または製造時間を少なくすることができる。
【００４１】
図３Ｄは、再利用のための拒絶エネルギー・ビームの単純な幾何的変換を示す図２３５である。入力パターン２３６は、ミラー画像ピクセル・パターン２３８を提供することが可能な、画像リレー２３７内に案内される。分かるように、個別のピクセルおよびピクセルのグループの幾何的変換、またはパターン再マッピングを含む、より複雑なピクセル変換が可能である。ビーム・ダンプで廃棄される代わりに、この再マッピングされたパターンは、製造スループットまたはビーム強度を良くするために、物体処理ユニットに案内することができる。
【００４２】
図３Ｅは、再利用のための拒絶エネルギー・ビームの複数個の変換を示す図２３５である。入力パターン２３６は、ピクセル・パターン２３８を提供することが可能な、一連の画像リレー２３７Ｂ〜Ｅ内に案内される。
【００４３】
光リサイクルおよび再利用をサポートする別の実施形態では、１つまたは複数の光源からの光の多重マルチビームが提供される。複数個の光ビームを再成形および混合して、第
１の光ビームを提供することができる。空間的偏光パターンを第１の光ビームに加えて、第２の光ビームを提供することができる。第２の光ビームの偏光状態を分割して、第３の光ビームを反射させ、これを第４の光ビームに再成形することができる。第４の光ビームを、複数個の光ビームの１つとして導入して、第５の光ビームを得ることができる。実際、このようなまたは同様のシステムは、付加製造システムに関連するエネルギー費用を少なくすることができる。偏光変更モードで動作する空間的偏光弁または光弁によって拒絶された望ましくない光を収集、ビーム結合、均質化および再導入することによって、伝送される光電力全体が潜在的に、光弁によって加えられるパターンに影響されないことが可能である。これは有利には、所望のパターン内への光弁を通過する光の効果的な再分配につながり、光強度をパターン化された領域の量に比例して大きくする。
【００４４】
単一のビーム内にマルチレーザからのビームを結合することは、ビーム強度を大きくする１つの方法である。一実施形態では、波長選択ミラーまたは回折素子のいずれかを使用して、それぞれ別個の光波長を有する複数個の光ビームを結合することができる。特定の実施形態では、波長依存屈折効果に敏感でない反射光学素子を使用して、マルチ波長ビームを案内することができる。
【００４５】
パターン化された光は、可動ミラー、プリズム、回折光学素子、または実質的な物理移動を必要としない固体光学システムを使用して案内することができる。一実施形態では、粉末ベッドの上表面の位置の入射光の強度およびピクセル寸法に関連する拡大率および画像距離を、付加的に製造した３次元（３Ｄ）印刷ジョブに対して判断することができる。複数のレンズ・アセンブリの１つは、拡大率を有する入射光を提供するように構成することができ、レンズ・アセンブリは両方とも、第１のセットの光学レンズおよび第２のセットの光学レンズであり、第２のセットの光学レンズはレンズ・アセンブリから交換することができる。補償ガントリー上に取り付けられた１つまたは複数のセットのミラー、および形成プラットフォーム・ガントリー上に取り付けられた最終ミラーの回転を使用して、粉末ベッドの上表面の位置上に前駆体ミラーから入射光を案内することができる。補償ガントリーおよび形成プラットフォーム・ガントリーの並進移動はまた、粉末ベッドの上表面の位置への前駆体ミラーからの入射光の距離が画像距離と実質的に等しいことを保証することが可能である。実際、これにより、システムの高い利用可能性を保証しながら、異なる粉末状材料に対する形成領域の位置にわたって光学ビーム移動寸法および強度の迅速な変化が可能になる。
【００４６】
特定の実施形態では、粉末ベッドを保持するための形成プラットフォームをそれぞれ有する複数の形成チャンバは、形成チャンバ内への１つまたは複数の入射エネルギー・ビームを受けるおよび案内するように配置された複数個の光学機械アセンブリと併せて使用することができる。複数個のチャンバは、１つまたは複数の形成チャンバの内側での１つまたは複数の印刷ジョブの同時印刷を可能にする。他の実施形態では、取り外し可能なチャンバ側壁は、形成チャンバからの印刷オブジェクトの除去を単純化して、粉末状材料の迅速な交換が可能になる。チャンバはまた、調節可能処理温度制御を備えることができる。
【００４７】
別の実施形態では、１つまたは複数の形成チャンバは、固定高さで維持された形成チャンバを有することができ、光学部は垂直に移動可能である。レンズ・アセンブリの最終光学部と粉末ベッドの上表面の間の距離は、形成プラットフォームを固定高さに保持しながら、粉末層の厚さに等しい距離だけ、最終光学部を上向きに指標化することによって基本的に一定になるように管理することができる。有利には、垂直に移動する形成プラットフォームと比べて、形成プラットフォームの変化する質量の正確なミクロン・スケール移動が必要ないので、大きく重い物体をより容易に製造することができる。典型的には、０．１〜０．２立方メートルより大きい容量の（すなわち、１００〜２００リットルより大きい、または５００〜１，０００ｋｇより重い）金属粉末を意図した形成チャンバは、形成
プラットフォームを固定高さに保持するために最も有利である。
【００４８】
一実施形態では、粉末ベッドの層の一部を選択的に溶融または融合させて、形成プラットフォーム上に粉末ベッドの層の別の部分を含むように、粉末ベッドの層の融合部分から１つまたは複数の一時壁面を形成することができる。選択した実施形態では、流体通路を１つまたは複数の第１の壁面に形成して、より良い熱管理を可能にすることができる。
【００４９】
改善した粉末処理は、改善した付加製造システムの別の態様であってもよい。粉末ベッドを支持する形成プラットフォームは、ホッパ内で形成プラットフォームから実質的に粉末ベッドを分離させるために、傾斜、反転および揺動が可能であり得る。粉末ベッドを形成する粉末状材料は、後の印刷ジョブで再利用するために、ホッパ内に収集することができる。粉末収集過程は自動化することができ、真空または気体噴射システムを使用して、粉末除去および取り除きを助けることもできる。
【００５０】
開示した付加製造システムのいくつかの実施形態は、市販のチャンバより長い部品を容易に取り扱うように構成することができる。連続（長い）部品は、第１の区画から第２の区画まで長手方向に連続して前進させることができる。第１の区画では、粒状材料の選択した粒を混合させることができる。第２の区画では、粒状材料の混合されていない粒を取り除くことができる。連続部品の第１の部分は、第２の区画から第３の区画まで前進させることができ、連続部品の最後の部分は第１の区画内に形成され、第１の部分は第１の区画および第２の区画内で第１の部分が占める横および交差方向に同じ位置で維持される。実際、付加製造および清掃（例えば、使用されていないまたは混合されていない粒状材料の分離および／または再利用）は、粒状材料および／または部品を取り除くために停止する必要なく、部品コンベヤ上で異なる位置または区画で並行に（すなわち、同時に）行うことができる。
【００５１】
別の実施形態では、付加製造能力は、エンクロージャの内部とエンクロージャの外部の間の気体物質の交換を制限するエンクロージャの使用によって改善することができる。エアロックは、内部と外部の間のインターフェイスを提供し、内部は電力ベッド融合をサポートするものを含む、複数個の付加製造チャンバを有する。気体管理システムは、限定酸素濃度で、またはそれより下で内部に気体酸素を維持して、粉末のタイプのフレキシビリティおよびシステム内で使用することができる処理が大きくなる。
【００５２】
別の製造実施形態では、エンクロージャ内に含まれる３Ｄプリンタを有することによって能力を改善することができ、プリンタは２，０００キログラム以上の重量を有する部品を作り出すことが可能である。気体管理システムは、大気レベルより下の濃度でエンクロージャ内に気体酸素を維持することができる。いくつかの実施形態では、エアロックがエンクロージャ内の気体環境とエンクロージャ外の気体環境の間で、エンクロージャおよびエアロック両方の外部の位置まで緩衝するように働くので、車両は部品をエンクロージャ内部からエアロックを通して輸送することができる。
【００５３】
他の製造実施形態は、粉末ベッド融合付加製造システムにおいてリアルタイムで粉末試料を収集することを必要とする。インジェスタ・システムは、粉末試料の過程中収集および特徴化に使用される。収集は周期的に行うことができ、特徴化の結果は、粉末ベッド融合過程に対する調節につながる。インジェスタ・システムは任意選択で、プリンタ・パラメータの変更、またはライセンス粉末材料の適切な使用の検証などの、監査、処理調節または動作の１つまたは複数に使用することができる。
【００５４】
付加製造過程のさらに別の改善を、クレーン、リフト・ガントリー、ロボット・アーム、または人間が移動することが難しいまたは不可能である部品の操作を可能にする同様の
ものの使用により行うことができる。マニピュレータ・デバイスは、部品の再位置決めまたは操作を可能にするように、部品上の様々な永久的または一時的に付加製造された操作点を把持することができる。
【００５５】
本開示によると、拒絶された、望ましくないおよび／または使用されていない光をリサイクルすることが可能な光学システムが提供される。望ましくない光のリサイクルおよび再利用により、形成プラットフォームに提供されるレーザ射出光の強度を大きくすることができる。さらに、望ましくない光のリサイクルおよび再利用により、システムに関連するエネルギー費用を少なくすることができる。偏光変更モードで動作する空間的偏光弁または光弁によって拒絶された望ましくない光を収集、ビーム結合、均質化および再導入することによって、伝送される光電力全体が潜在的に、光弁によって加えられるパターンに影響されないことが可能である。これは有利には、所望のパターン内への光弁を通過する光の効果的な再分配につながり、光強度をパターン化された領域の量に比例して大きくする。これは、（図１Ａ〜図３Ｂに関して本明細書に記載したものなどの）粉末ベッド融合技術を使用する先進的付加製造方法に関する、特に、レーザ付加製造に関する特定の使用を有する。これは、大きな強度により、より短い滞在時間およびより速い印刷速度が可能になって、効率を維持しながら材料変換速度を大きくすることができるからである。
【００５６】
光弁または光変調器により、光の空間的パターンを光ビーム上に刻むことができる。光学強度が光学システムの関心事または性能指数である場合、システム電力の保存は優先である。液晶系デバイスは、ビーム内で「ピクセル」を選択的に回転させ、その後、回転および非回転ピクセルを分離させるようにビームを偏光器を通して通過させることによって、偏光ビームをパターン化することが可能である。拒絶偏光状態をダンプする代わりに、光子を光弁に対する元の入力ビームと結合するおよび均質化することができる。光学経路は、１）光源と光弁の間の光学透過断片（本明細書では「ｆ１」と示す）、２）例えば、戻りループを考慮した、光弁と源の間の光学透過断片（本明細書では「ｆ２」と示す）、および所望の透過状態に対してパターン化された光弁の断片（本明細書では「ｆｐ」と示す）を含む、３つのセグメントに分割することができる。最終光電力は、等式１で以下のように示すことができる。
【００５７】
【数１】
2020524090.tif 000003
【００５８】
したがって、等式１によると、透過断片ｆ１およびｆ２が１の完全値まで大きくなると、最終電力はパターン化されたビームの断片に関わらず、最初の電力に等しくなる。最終強度は、パターン化された領域の量に比例して初期強度に対して大きくなる。このように大きくなった強度は、滞在時間における補償が必要であるが、これは先験的に知られている。
【００５９】
この概念の一例の実施は、レーザが材料の粉末層を溶融するために使用される、付加製造の分野である。ビーム・リサイクルなしで、パターン化領域充填ファクタが小さくなると、材料印刷速度も小さくなり、それによって、プリンタの全体的量的生産速度が低くなる。光のリサイクルによる滞在時間の補償は、強度が高ければ高いほど、非直線方法では滞在時間が短くなることである。より短い滞在時間は、さらに速い印刷速度、およびより速い全体的量的変換速度につながる傾向がある。低充填ファクタ印刷領域に対する材料印刷の速度を大きくするこのような能力により、付加製造機械が、エンジニアリング形状変換速度に高レベルの粉末を維持することが可能になり、したがって、より高い性能製品に
つながる。
【００６０】
この概念の別の例の実施は、形成プラットフォームの上を掃引する光のバーの使用の際であり、この光のバーは、粉末基質から２次元（２Ｄ）固体層を作り出すための掃引の際に変調によりオンまたはオフされる。この例と併せたリサイクル光の使用は新しい。形成プラットフォーム全体の上を掃引するバーの使用は、１００％充填ファクタで常に印刷することが可能である必要があることを必要とする。しかし典型的には、形成プラットフォームの１０〜３３％だけしか使用されない。この低充填ファクタは、平均的に、レーザ電力内の資本設備が、システムに対して３から１０倍寸法が大きいことを意味する。しかし、光をリサイクルすることができ、充填ファクタに比例して所要の滞在時間に合わせるためにバー掃引速度が変更される場合、印刷速度は、最適な充填ファクタ効率により近くなるように大きくすることができる。このような場合、資本設備を十分利用することができる。光の掃引バーで印刷する能力により、単一指向性印刷が可能になり、それによって、光を移動させるのに必要なガントリー・システムを単純化することができる。このような能力はまた、粉末掃引機構の容易な一体化を可能にする。
【００６１】
印刷バー概念の別の例の実施は、前の層が印刷されるときに、次の粉末の層の下にある、バーに続く粉末分配システムを備えている。有利には、これによりシステム・ダウン・タイムを最小限に抑えることができる。
【００６２】
光リサイクルの別の例の実施は、１つまたは複数の他の印刷チャンバと光を共有することである。この例により効果的に、市販のレーザ光が、壁面コンセントで利用可能な電気とよく似た、オンデマンド資源のようになる。
【００６３】
図２および関連する記載を参照して前に記したように、リサイクル光は、均質化されたパターンのない光ビームの再利用に限る必要はない。パターン化された画像の再利用も可能であり、拒絶光パターンは、１つまたは複数の物体処理ユニットへの分配のために、反転、ミラーリング、サブ・パターン化、あるいは変換することが可能である。
【００６４】
図４Ａは、１つの入力４０１および（２ｎ−１）個のパターン化レベル４０２ａ〜ｄから２ｎ個の画像を生成することが可能なエネルギー・パターン化二値ツリー・システム４００を示す図である。各段階で、「正の」光パターンおよび「負の」または拒絶光パターン対応部分は、追加パターン化ユニットに向けて、またはパターン化出力４０８として生成および案内することができる。各光パターンは、パターンを変更する、選択したパターン領域内の強度を小さくする、あるいは光特徴を変更することができる多段変換４０４によりさらに変更することができる。
【００６５】
図４Ｂは、組み合わされた光パターン化およびステアリング機構４１２の使用による、１つの入力４１１から複数個の出力４１４へのパターン・リサイクルを示す図４１０である。この例では、４つの出力経路が提供され、第１の可能な出力経路はパターン化された光がなく、第２の出力経路はミラーリングされているが、そうでなければ入力パターン４１１と等しい小さい光強度パターンを有し、第３の出力経路は光ピクセル出力先変更によって生成された新しいパターンを有し、第４の出力経路は明らかにより小さく高い強度パターンを有する。理解されるように、これらのパターンは単なる例であり、より小さく、より大きく、異なるように成形された、またはより低い／高い光強度パターンを有する幅広い範囲の出力パターンを適切な調節で形成することができる。いくつかの実施形態では、出力パターンを、入力画像全体の光学反射、反転などによって変更することができ、他の実施形態では、ピクセル・ブロックまたは個別のピクセル・レベル調節が可能である。
【００６６】
図４Ｃは、組み合わされた光パターン化およびステアリング機構４２２の使用による、
複数個の入力４２１から出力４２４へのパターン・リサイクルを示す図４２０である。この例では、入力パターン１と一致および組み合わせるように、光入力パターン２、３、および４を回転または反転させることによって、４つのパターン化された入力がより高い強度の出力４２４内に組み合わせられる。図４Ｂと同様に、これらのパターンは単なる例であり、パターンおよび光強度に対する全体画像、ピクセル・ブロック、または個別のピクセル・レベル変更が可能であることを理解されたい。
【００６７】
図４Ｄは、２つの光弁パターン化ステップおよびビーム出力先変更を詳細に説明する、付加製造に対する開閉所概念の実施の略図的例であり、各画像はエネルギー・ステアリング・ユニットの半分にアクセスすることしかできない。この例では、１つの画像はビーム・ステアリング・ユニット４７１、４６２、４７２、および４６６にアクセスすることしかできず、第２の画像は４７０、４７３、４５５、および４７４にアクセスすることができる。動作中、ｓ偏光状態のパターン化されていない赤外線ビーム４３０は、ビーム４３４を介してプロジェクタからのパターン化された紫外線画像４３３（ここでは、８×１２ピクセル・フォーマットで数「９」で示す）によってアドレス指定される、（例えば、図３Ｂの光パターン化ユニット３１６と同様の）エネルギー・パターン化ユニット４３２に入射する。ＵＶ光がエネルギー・パターン化ユニットに入射すると、画像情報４３３を含むビーム４３１の偏光状態が維持される。４３０の内側で偏光器素子に入射する際、エネルギー・パターン化ユニット４３２はその後、ビームを分割し、ｐ偏光状態の画像４４６を（例えば、図３ＣにＸ０で示すように）エネルギー切換ユニット４４７にビーム４３５に沿って案内する。ｓ偏光状態の画像４３７はその後、ビーム４３６に沿って、画像情報４３９を含むＵＶビーム４４０によってアドレス指定される第２のエネルギー・パターン化ユニット４３８に送られる。エネルギー・パターン化ユニット４３８は、ｐ偏光状態の画像４４２をビーム４４１に沿ってエネルギー切換ユニット４４９に送る。エネルギー・パターン化ユニット４３８からのｓ偏光の画像４４４は、ビーム４４３に沿ってビーム・ダンプ４４５に送られ、拒絶される、あるいは利用される。
【００６８】
４４６として示した第１の画像は、ｐ偏光状態の画像情報４４６を含むビーム４３５を受け、この例では、まだ画像情報４４６を含み、ｐ偏光を維持するビーム４５７に変化させずに通過させるエネルギー切換ユニット４４７に入射し、その後、エネルギー切換ユニット４５８に入射する。エネルギー切換ユニット４５８は、画像情報４４６を含むビーム４５７を受け、この例では、ｓ偏光状態に変換し、まだ画像情報４４６を含んでいるビーム４６３に通過させ、その後、エネルギー切換ユニット４６４に入射する。エネルギー切換ユニット４６４は、画像情報４４６を含むビーム４６３を受け、この例では、ｓ偏光状態を維持し、まだ画像情報４４６を含んでいるビーム４６５に通過させ、その後、エネルギー・ステアリング・ユニット４６６に入射する。機械的（回転）検流計または他の固体もしくは回転デバイスである可能性がある、エネルギー・ステアリング・ユニット４６６はその後、ビーム４６５をその動作範囲内で印刷ベッド上の所望のタイル位置に案内する。
【００６９】
４４２として示された第２の画像は、ｐ偏光状態で画像情報４４２を含むビーム４４１を受け、この例では、まだ画像情報４４２を含み、ｐ偏光を維持したビーム４５０に変化させずに通過させるエネルギー切換ユニット４４９に入射し、その後、エネルギー切換ユニット４５１に入射する。エネルギー切換ユニット４５１は、画像情報４４２を含むビーム４５０を受け、この例では、ｐ偏光状態を維持し、まだ画像情報４４２を含んでいるビーム４６７に通過させ、その後、エネルギー切換ユニット４６８に入射する。エネルギー切換ユニット４６８は、画像情報４４２を含むビーム４６７を受け、この例では、ｐ偏光状態を維持し、まだ画像情報４４２を含んでいるビーム４６９に通過させ、その後、エネルギー・ステアリング・ユニット４７０に入射する。機械的（回転）検流計または他の固体もしくは回転デバイスである可能性がある、エネルギー・ステアリング・ユニット４７
０はその後、ビーム４６９をその動作範囲内で印刷ベッド上の所望のタイル位置に案内する。この例では、少なくとも図３Ｄおよび図５Ａ〜図５Ｃに関して開示で論じられたような画像リレーは、ビーム４３５／４４１とエネルギー・ステアリング・ユニットの間で起こる。レンズ、ミラー、および他の前、後、または中間光学部はこの図４Ｄには示されていないが、必要に応じて利用することができる。
【００７０】
図４Ｅは、２つの光弁パターン化ステップおよびビーム出力先変更を詳細に説明する、開閉所概念の実施の略図的例であり、切換はエネルギー・ステアリング・ユニットの全体にアクセスするように示されている。この例では、１つの画像は次に、ビーム・ステアリング・ユニット４７１、４６２、４７２、４６６、４７０、４７３、４５５、および４７４にアクセスすることができる。ｓ偏光状態のパターン化されていない赤外線ビーム４３０は、ビーム４３４を介してプロジェクタからのパターン化された紫外線画像４３３（ここでは、８×１２ピクセル・フォーマットで数「９」で示す）によってアドレス指定される、（図３Ｂに３１６で示すような）エネルギー・パターン化ユニット４３２に入射する。ＵＶ光がエネルギー・パターン化ユニットに入射すると、画像情報４３０を含むビーム４３１の偏光状態が維持される。４３０の内側で偏光器素子に入射する際、エネルギー・パターン化ユニット４３２はその後、ビームを分割し、ｐ偏光状態の画像４４６を（図３ＣにＸ０で示すような）エネルギー切換ユニット４４７にビーム４３５に沿って案内する。ｓ偏光状態の画像４３７はその後、ビーム４３６に沿って、画像情報４３９を含むＵＶビーム４４０によってアドレス指定される第２のエネルギー・パターン化ユニット４３８に送られる。エネルギー・パターン化ユニット４３８は、ｐ偏光状態の画像４４２をビーム４４１に沿ってエネルギー切換ユニット４４９に送る。エネルギー・パターン化ユニット４３８からのｓ偏光の画像４４４は、ビーム４４３に沿ってビーム・ダンプ４４５に送られ、拒絶される、あるいは利用される。
【００７１】
４４６として示した第１の画像は、ｐ偏光状態の画像情報４４６を含むビーム４３５を受け、この例では、まだ画像情報４４６を含む、ビーム４４８への切換を生じさせるｓ偏光に偏光状態を変更するエネルギー切換ユニット４４７に入射し、その後、エネルギー切換ユニット４４９に入射する。エネルギー切換ユニット４４９は、画像情報４４６を含むビーム４４８を受け、この例では、ｓ偏光状態を維持して変更されず、まだ画像情報４４６を含んでいるビーム４５０に通過させ、その後、エネルギー切換ユニット４５１に入射する（この過程は、図３Ｃで、ビーム３１７内の偏光器３８２とのビームＸ１の相互作用により詳細に記載されている）。エネルギー切換ユニット４５１は、画像情報４４６を含むビーム４５０を受け、この例では、ｓ偏光状態を維持し、まだ画像情報４４６を含んでいるビーム４５２に通過させ、その後、エネルギー切換ユニット４５３に入射する。エネルギー切換ユニット４５３は、画像情報４４６を含むビーム４５２を受け、この例では、ビームをｐ偏光状態に維持し、まだ画像情報４４６を含んでいるビーム４５４に通過させ、その後、エネルギー・ステアリング・ユニット４５５に入射する。機械的（回転）検流計または他の固体もしくは回転デバイスである可能性がある、エネルギー・ステアリング・ユニット４５５はその後、ビーム４５４をその動作範囲内で印刷ベッド上の所望のタイル位置に案内する。
【００７２】
４４２として示された第２の画像は、ｐ偏光状態で画像情報４４２を含むビーム４４１を受け、この例では、まだ画像情報４４２を含む、ビーム４５６への切換を生じさせるｓ偏光に偏光状態を変更するエネルギー切換ユニット４４９に入射し、その後、エネルギー切換ユニット４４７に入射する。エネルギー切換ユニット４４７は、画像情報４４２を含むビーム４５６を受け、この例では、ｓ偏光状態を維持して変更されず、まだ画像情報４４２を含んでいるビーム４５７に通過させ、その後、エネルギー切換ユニット４５８に入射する（この過程は、図３Ｃで、ビーム３１７内の偏光器３８２とのビームＸ１の相互作用により詳細に記載されている）。エネルギー切換ユニット４５８は、画像情報４４２を
含むビーム４５７を受け、この例では、このビームをｐ偏光状態に変更したが、まだ画像情報４４２を含んでいるようにしたビーム４５９へと通過させ、その後、エネルギー切換ユニット４６０に入射する。エネルギー切換ユニット４６０は、画像情報４４２を含むビーム４５９を受け、この例では、このビームをｓ偏光状態に変更したが、まだ画像情報４４６を含んでいるようにしたビーム４６１へと通過させ、その後、エネルギー・ステアリング・ユニット４６２に入射する。機械的（回転）検流計または他の固体もしくは回転デバイスである可能性がある、エネルギー・ステアリング・ユニット４６２はその後、ビーム４６１をその動作範囲内で印刷ベッド上の所望のタイル位置に案内する。この例では、少なくとも図３Ｄおよび図５Ａ〜図５Ｃに関して開示で論じられたような画像リレーは、ビーム４３５／４４１とエネルギー・ステアリング・ユニットの間で起こる。レンズ、ミラー、および他の前、後、または中間光学部は図４Ｅには示されていないが、必要に応じて利用することができる。
【００７３】
図５Ａは、印刷バー概念を使用した複数個のタイルの領域印刷を示す図５００である。印刷バー５０６は、検流計ミラー・セット、または可動ミラーが必ずしも必要ない固体システムを含むことができる。複数個の入力パターン５０３は、画像パイプおよび光学部の固体アレイを組み込む、印刷バー５０６内に複数個の画像リレー５０４によって出力先変更される。印刷バー５０６は、図に示すように、単一の軸に沿って粉末ベッド５１０にわたって移動させることができ、選択的に１つまたは複数のタイル５１２を照射する。より大きな粉末ベッドを有する他の実施形態では、印刷バーは、粉末ベッド５１０を覆うように、ＸおよびＹ軸両方に沿って移動させることができる。一実施形態では、印刷バーに関連する光学部は単一のタイル寸法を支持するように固定することができ、他の実施形態では、可動光学部を使用して、タイル寸法を増減させる、または印刷バーのあらゆるＺ軸移動を補償することができる。別の実施形態では、パターン化された画像は、これに限らないが、図４Ａに関して論じたようなエネルギー・パターン化二値ツリー・システムを含む、リサイクルされた光パターンを使用して生成することができる。特定の実施形態では、複数個のタイルを所与の期間で同時に印刷することができる。別の方法では、利用可能なパターン化されたエネルギー、熱の問題、または他の印刷バー構成の問題が完全利用を可能にしない場合、タイルのサブセットを異なる時に印刷することができる。
【００７４】
図５Ｂは、複数個のビーム・ステアリング・ユニットからなるオーバーヘッド固定アレイ・システムを使用した複数個のタイルの領域印刷を示す図５０１である。５０８で区切られたユニット・セルとしてのビーム・ステアリング・ユニットは、可動ミラー（検流計）または代替固体ビーム・ステアリング・システムからなっていてもよい。複数個の入力パターン５０３は、光学のアレイを組み込む、マトリックス５０８内に複数個の画像リレー５０４によって出力先変更される。マトリックス５０８は、粉末と同一の広がりを持つような寸法をしており、粉末ベッド５１０にわたって移動させる必要がない。これにより実質的に、印刷バーの移動に関連する誤差が少なくなり、システムのアセンブリおよび動作を単純にすることができる。一実施形態では、マトリックスに関連する光学部は単一のタイル寸法を支持するように固定することができ、他の実施形態では、可動光学部を使用して、タイル寸法を増減させる、またはマトリックス５０８のあらゆるＺ軸移動を補償することができる。図５Ａに関して論じた実施形態と同様に、パターン化された画像は、これに限らないが、図４Ａ、図４Ｄ、または図４Ｅに関して論じたようなエネルギー・パターン化二値ツリー・システムを含む、リサイクルされた光パターンを使用して生成することができる。特定の実施形態では、複数個のタイルを所与の期間で同時に印刷することができる。別の方法では、利用可能なパターン化されたエネルギー、熱の問題、または他のマトリックス構成の問題が完全利用を可能にしない場合、タイルのサブセットを異なる時に印刷することができる。
【００７５】
図５Ｃは、代替階層システムを使用した複数個のタイルの領域印刷を示す図５０２であ
る。複数個の入力パターン５０３は、個別のビーム・ステアリング・ユニット５１０内に複数個の画像リレー５０４によって出力先変更され、その後、複数個の光学部およびビーム・ステアリング・ユニットを組み込む、マトリックス５０８内にパターン化された画像を案内する。マトリックス５０８は、粉末と同一の広がりを持つような寸法をしており、粉末ベッド５１０にわたって移動させる必要がない。図５Ａに関して論じた実施形態と同様に、パターン化された画像は、これに限らないが、図４Ａに関して論じたようなエネルギー・パターン化二値ツリー・システムを含む、リサイクルされた光パターンを使用して生成することができる。特定の実施形態では、複数個のタイルを所与の期間で同時に印刷することができる。別の方法では、利用可能なパターン化されたエネルギー、熱の問題、または他のマトリックス構成の問題が完全利用を可能にしない場合、タイルのサブセットを異なる時に印刷することができる。
【００７６】
図６は、光エネルギー・リサイクルの態様を示すフローチャート６００である。図に示すように、所定の領域（例えば、単一の印刷ベッド）に光エネルギーを分配する方法が示されている。ステップ６０２では、意図した印刷オブジェクト（支持構造を含む）は、ｊ個のスライス、ｊ＝１からＪに計算的に分割またはスライスされる。典型的には、印刷オブジェクト全体が分割されるが、特定の実施形態では、印刷オブジェクト全体のサブセットまたは部分を製造することができる。各計算的に画定されたスライスは、次のスライスの前に十分印刷される。
【００７７】
ステップ６０４では、各スライスに対して、印刷されるピクセル全てが判断され、タイルに分割される。タイルは、正方形、長方形、または円形を含むあらゆる形状を有するように構成することができる。タイルは、隣接するタイルに連続していなくともよく、同一形状でなくともよい。各タイルは、透過もしくは反射光弁、または本明細書で開示したような他のエネルギー・ビーム・パターン化ユニットによって案内される２次元エネルギー・ビーム画像によって全体としてアドレス指定可能でなければならない。
【００７８】
ステップ６０６では、Ｋ個のタイルを印刷するためにシーケンスが確立される。典型的には、連続または隣接するタイルをシーケンスで処理することができるが、いくつかの実施形態では、幅広く離れたタイルを処理することができる。これにより、部品または印刷ベッドのより良い熱分配および冷却を可能にすることができる。
【００７９】
ステップ６０８では、各所望のタイルを作り出すためのパターン化されたエネルギーが判断される。ステップ６１０では、スライスｊ内のＫ個のタイルの印刷が完了し、過程はその後、Ｊ個のスライス全てに対して繰り返される。
【００８０】
ステップ６１２では、光弁からの拒絶エネルギーをリサイクルおよび／または集中させて、印刷性能を改善する、またはエネルギー使用全体を減らすことができる。例えば、４，０００，０００（４Ｍ）ピクセルをアドレス指定することが可能な光弁が使用される場合、１，０００，０００（１Ｍ）ピクセルを含むタイルを画定し、全ての光を残りの１Ｍピクセルに戻してリサイクルすることができる。これにより、効果的な光強度の最大４倍の増加につながる可能性がある。各スライス／タイルならびに結合するための層の所与の材料および深さに対する電力束範囲を効果的に調節する能力は、システム設計および動作におけるフレキシビリティを提供する。例えば、この方法は、入力電力束がＰ０であるシステムにおいて有用であるが、Ｐ０＜Ｐ１＜＝Ｐ＜＝Ｐ２であるようなより高い値Ｐが、材料または画定された層厚さの効果的な溶融に必要である。方法は、電力レベルＰを範囲［Ｐ１，Ｐ２］内で集中させることによって、その時間間隔で溶融するための適当な数のピクセルを画像化するためにリサイクルまたは集中したエネルギーを使用することができる。
【００８１】
図７は、所与の期間利用可能な光またはエネルギーを時間的に分配する方法を示すフローチャート７２０である。典型的には、光またはエネルギーは、パターン化された画像を受け、部分を形成する準備ができた１つまたは複数の印刷ベッドのみで案内されるが、特定の実施形態では、エネルギーの一部はまた、一般的なチャンバ加熱または粉末ベッド調整のために均質化および使用することができる。
【００８２】
方法のステップ７２２では、印刷が完了するまで、一連の時間ステップｔが画定される。ステップ７２４では、各時間間隔で、全ての（または多くの）可能な印刷位置およびタイルのリストが生成される。複数個の印刷ベッドを含む一実施形態では、各印刷ベッドに対する１つの適格なタイルが選択される。ステップ７２８では、適格なタイルの間で利用可能な光をどのように分配するかの決定が行われる。決定は、ピクセル寸法、タイル優先度、ピクセル再マッピング能力、または材料性状に左右される可能性がある。例えば、低い需要のピクセルは、高い需要のピクセルに再マッピングする、または電力レベルＰを集中させるように「リサイクル」することができる。他の実施形態では、選択したタイルは他の前に優先的に印刷することができる。これにより、最近印刷されたタイルへの隣接が可能になる、または熱処理のための冷却／加熱速度を管理することが可能になる。エネルギーを分配することはまた、回転、反転、またはタイル印刷優先度を変更するミラーリング能力の利用可能性で、ピクセル再マッピング・システムに左右されることがある。複数個のタイプの材料が同じまたは異なる印刷ベッドで使用される場合、電力レベルまたはエネルギー集中は、材料の溶融点に左右される可能性がある。例えば、電力レベルＰ１はスチールに必要であり得るが、より高い束Ｐ２はタングステンに必要である。
【００８３】
ステップ７３０では、エネルギーはステップ７２８で判断されたようにパターン化され、ステップ７３２では、選択したタイル全ては、パターン化したエネルギーを同時に受ける。いくつかの実施形態では、タイルに向けて案内されたエネルギー・パターンのサブセットを使用して、溶融または融合ではなく、加熱することができる。最後に、過程はステップ７２２で規定された次の時間間隔に対して繰り返される。図８Ａおよび図８Ｂは共に、複数個のチャンバを支持する例示的開閉所システム８００Ａおよび８００Ｂを示している。複数個のエネルギー・ビーム入力は、パターン化されていない電力ビーム発生器８０２、パターン化された書込ビーム８０４、またはビーム・リサイクル注入ポート８０６を介して提供されるリサイクルされたエネルギーを含むことができる。エネルギーは光弁８０８によってパターン化され、それはエネルギー・ビームを正および負の画像８１０に分割する。負のビーム８１２は、開閉所８２０を介して再マッピングする、または注入ポート８０６を通してリサイクルすることができる。正の画像は、開閉所８２０にルーティングし、所望のチャンバ部分またはチャンバに案内することができる。再マッピングされた負の電力ビーム８１６および正の電力ビーム８１８に対する開閉所入力は両方とも、開閉所８２０においてルーティング、組合せ、出力先変更、または強度あるいはパターン変更することができる。開閉所８２０からの出力は、１つまたは複数個のチャンバ８２２、１つまたは複数個のサブ・チャンバ８２４、または複数個のチャンバ内の複数個のサブ・チャンバに案内することができる。
【００８４】
有利には、開閉所システムは、画像リレーが付加製造粉末ベッド上で生成および伝達される画像の空間的および角度電力密度内容（エタンデュの形で）を両方とも保存する実施形態をサポートすることができる。これは、角度電力密度を保存することなく、空間的性状を保存する多くの従来の画像リレー・システムとは異なる。また、空間的性状を保存することなく、角度電力密度を保存する多くの従来の電力伝達光学技術（すなわち、非画像化光学技術）とは異なる。開閉所システムの選択した実施形態により、あらゆる数の印刷チャンバへの１つまたは複数の切換レベルを通した空間的および角度電力密度の保存が可能になる。
【００８５】
本開示の目的で、エタンデュは、源の視点から、源の面積、および源から見てシステムの入射瞳が対する立体角の積として規定することができる。同等に、システムの視点から、エタンデュは、瞳から見て源が対する立体角×入射瞳の面積に等しい。
【００８６】
エタンデュは、光学電力が保存されるあらゆる光学システムにおいて減少しないので重要である。完全な光学システムは、源と同じエタンデュで画像を作り出す。エタンデュは、理想的な光学システム内で一定している性状を共有する、ラグランジュ不変式および光学不変式に関連している。光学システムの放射輝度は、エタンデュに関する放射束の導関数に等しい。エタンデュはまた、ｍｍ＊ｍｒａｄの単位でビーム・パラメータ積（ＢＰＰ）の意味で考えることができる。これは、画像平面の受け角度によって乗算される四角形の受け面積の長さと比較して、源の射出角度によって乗算された四角形の射出面積の長さに対応している。一実施形態では、２次元パターン化エネルギー・ビームが、ビーム・パターン化ユニットで生成され、少なくとも１つの粉末ベッドで受けられる２次元パターン化画像の５０％より大きい角度電力密度および７５％より大きいエタンデュ内容を保存する。他の好ましい実施形態では、２次元パターン化エネルギー・ビームが、ビーム・パターン化ユニットで生成され、少なくとも１つの粉末ベッドで受けられる２次元パターン化画像の７０％より大きい角度電力密度および８５％より大きいエタンデュ内容を保存する。特定の実施形態では、電力は１つまたは複数のダイオード・レーザによって提供される。
【００８７】
分かるように、前述の実施形態での使用に適した多くの応用例がある。例えば、医療用応用例は、顧客にあまり損傷および痛みを与えないで刺青インクをより迅速に飽和させるために、医療用レーザの形状および強度をパターン化することによって迅速な刺青またはポート・ワイン染み除去を含むことができる。形状および強度レベルをパターン化することによって変わる組織に関する外科的焼灼であるので、所望の処理に基づく形状および強度をパターン化することによる皮膚リサーフェシングまたは変更が可能である。別の潜在的応用例は、光線力学的治療、または蛍光色素分子パターン化のいずれかによる、パターン化された光および強度を使用したガン除去である。同様に、骨、歯、眼レンズ、または白内障除去は、より低い熱影響パターン化および再成形の利用可能性によって改善することができる。
【００８８】
材料処理はまた、記載した光処理方法およびシステムによって改善することができ、３Ｄ印刷部品の処理、付加製造または機械加工部品のバリ取り、円滑化またはテクスチャ表面化が単純化される。「透明な」構造の応力（除去または改良のいずれか）の容量変更が可能である。重大な整列アセンブリ上での画像ベース溶接、応力計測学を使用して観察することしかできない応力パターンを埋め込むことによる画像ベース製品認証、および画像ベース・ドリルも改善される。
【００８９】
軍事応用例としては、応力パターン認証、エネルギー兵器収差修正の位相および大きさパターン化、およびターゲット面透過改良を挙げることができる。記載した時間ベース・ビーム・ステアリングは、複数個の射出ポートへの集中エネルギー武器システムの時間共有に対して直接応用可能である。他の軍事応用例としては、画像形成プラズマ生成およびレンズ化、および脆く位置決めすることが難しい光学機械システムの使用を必要とすることなく、複数個の物体の同時ターゲット化を挙げることができる。
【００９０】
本発明の多くの変更形態および他の実施形態は、前述の説明および関連する図面で提示した教示の恩恵を受ける当業者には直ぐに分かるだろう。したがって、本発明は開示した特定の実施形態に限るものではなく、変更形態および実施形態は添付の特許請求の範囲内に含まれることを意図したものであることを理解されたい。また、本発明の他の実施形態を、本明細書に特に開示していない素子／ステップがなくとも実施することができること
を理解されたい。
【図１Ａ】
2020524090.tif 000004
【図１Ｂ】
2020524090.tif 000005
【図２】
2020524090.tif 000006
【図３Ａ】
2020524090.tif 000007
【図３Ｂ】
2020524090.tif 000008
【図３Ｃ】
2020524090.tif 000009
【図３Ｄ】
2020524090.tif 000010
【図３Ｅ】
2020524090.tif 000011
【図３Ｆ】
2020524090.tif 000012
【図４Ａ】
2020524090.tif 000013
【図４Ｂ】
2020524090.tif 000014
【図４Ｃ】
2020524090.tif 000015
【図４Ｄ】
2020524090.tif 000016
【図４Ｅ】
2020524090.tif 000017
【図５Ａ】
2020524090.tif 000018
【図５Ｂ】
2020524090.tif 000019
【図５Ｃ】
2020524090.tif 000020
【図６】
2020524090.tif 000021
【図７】
2020524090.tif 000022
【図８Ａ】
2020524090.tif 000023
【図８Ｂ】
2020524090.tif 000024
【国際調査報告】
2020524090.tif 000025
2020524090.tif 000026
2020524090.tif 000027