УСТРОЙСТВА, СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ
DEVICES, SYSTEMS AND METHODS OF THREE-DIMENSIONAL PRINTING

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА
[0001] Данная патентная заявка притязает на приоритет предварительной патентной заявки № 61/817311, поданной 29 апреля 2013 г., которая во всей своей полноте включена в данное описание по ссылке.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Трехмерная (3D) печать представляет собой производственный процесс изготовления трехмерных сплошных объектов по цифровой модели. 3D-печать обычно производится с использованием аддитивного процесса, при котором производится последовательное наложение имеющих различную конфигурацию слоев материала. 3D-печать отлична от традиционных способов обработки на станках, которые могут основываться на удалении материала такими методами как резка или сверление (субтрактивный процесс).
[0003] В настоящее время существуют различные аддитивные процессы. Они различаются способами, которыми осаждаются слои, чтобы создать детали, и материалами, которые могут быть использованы. В некоторых способах для получения слоев плавят или размягчают материалы, например, посредством селективной лазерной плавки (SLM) или прямого лазерного спекания металлов (DMLS), селективного лазерного спекания (SLS), моделирования методом наплавления (FDM), в то время как в других отверждают жидкие материалы, используя различные современные технологии, например, стереолитографию (SLА). При изготовлении объектов с использованием ламинирования (LOM) нарезают тонкие слои соответствующей формы (например, бумагу, полимер, металл) и соединяют их между собой.
[0004] Хотя такой подход и обеспечивает формирование 3D-объектов, существуют ограничения, связанные с такими подходами. Такие подходы обычно используют лазерный свет с длинами волн в инфракрасной (ИК) области электромагнитного спектра, например, с длинами волн более чем 1 микрометр. Это может затруднить формирование объектов с субмикронным разрешением. Кроме того, обычные системы 3D-печати являются медленными и неспособными производить объекты с низкой шероховатостью поверхности, что делает такие печатные 3D-объекты непригодными для многочисленных конечных пользователей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Необходимость в усовершенствованных системах и способах трехмерной (также – "3D" и "3-D") печати является общепризнанной. В частности, есть необходимость в разрешении вопросов, связанных с низкой скоростью изготовления, низкого разрешения элементов и высокой шероховатости поверхности деталей, что может иметь место при использовании инфракрасных лазеров (ИК) для производства компонентов на послойной основе. Настоящее изобретение касается этих и других потребностей, обеспечивая производство, устройства и процессы, показанные и объясненные в нем. [0006] Настоящее раскрытие обеспечивает способы, устройства и системы для изготовления деталей или компонентов путем наплавки слоев материала с помощью лазерной системы видимого диапазона для достижения высокой скорости объемного наращивания при высоком разрешении. Устройства и системы настоящего раскрытия работают с использованием лазеров видимого диапазона для приложений трехмерной печати. Предложенные здесь устройства и системы могут одновременно или практически одновременно достигать разрешения и скоростей наращивания, требуемых для использования 3D-принтера на основе лазера в производстве.
[0007] Настоящее раскрытие предусматривает трехмерную систему печати, которая использует лазерный источник видимого диапазона для получения по существу малого размера пятна для данной выходной фокусирующей оптики.
[0008] 3D-лазерная система спекания или лазерная система печати использует пару сканеров, которые могут представлять собой механические шаговые устройства, гальванометрический или подобный механизм для сканирования угла падения на выходной фокусирующий объектив, чтобы обеспечить перемещение лазерного пучка в фокальной плоскости линзы объектива. Линза объектива может представлять собой ф-тета линзу или подобную конструкцию многокомпонентной линзы, которая может обеспечивать лазерное пятно постоянного размера по всей плоскости печати. Размер пятна в плоскости печати может быть определен диаметром коллимированного лазерного пучка, фокусным расстоянием линзы объектива и длиной волны лазерного источника. Таким образом, длина волны лазерного источника является важным параметром в системе, поскольку она, в конечном счете, обусловливает минимальный размер пятна и объем, который может быть сканирован.
[0009] Плоскость печати может быть насыпкой из металлического порошка, фотополимера, который может быть отвержден, или полимера, который приложением тепла может быть оплавлен или отвержден. Слой порошка может быть предварительно уложен посредством системы типа валика или линейки, или же прямым нанесением с использованием подающего порошок наконечника, который коаксиален лазерному пучку, но расположен по периферии пучка.
3
[0010] Существуют по меньшей мере два способа создания высокомощных лазерных источников высокой яркости, работающих в видимом диапазоне: 1) удвоение частоты инфракрасного лазерного источника в нелинейном кристалле, таком как калий-титанил-фосфат (КТР) или периодически поляризованный ниобат лития (LiNbO) или же 2) процесс ап-конверсии волоконного лазера, в котором множественные инфракрасные фотоны поглощаются ионами редкоземельного элемента, такого как эрбий (Er) или тулий (Tm), что приводит к заселению уровня высокоэнергетического состояния и возникновению генерации на длине волны видимого диапазона, такой как зеленая для эрбия и синяя для тулия. Удвоение частоты инфракрасного лазера может быть затруднительным для масштабирования до уровней высоких мощностей из-за низкого порога повреждения используемых в процессе удвоения кристаллов КТР или ниобата лития. Как следствие, лазеры, основанные на техниках удвоения, могут быть ограничены мощностью в менее чем 200 ватт с одномодовым выходом. Вторая технология, ап-конверсия в волоконном лазере также может быть ограничена по выходной мощности из-за склонности волокон претерпевать образование центров окраски вследствие присутствия в легированном волокне высокоэнергетичных фотонов. Кроме того, в этих слоях, обеспечивающих преобразование с повышением частоты, существуют состояния более высокого уровня, которые могут бытьзаселены и могут порождать УФ фотоны, что может привести к образованию еще более быстрых центров окраски, которые представляют собой широкополосные центры поглощения, образованные в волокне под воздействием высокой энергии фотонов, приводящие к тому, что потери в волокне превышают потенциальное усиление, производимое процессом ап-конверсии, и препятствуют работе лазера.
[0011] Настоящее раскрытие обеспечивает устройства, системы и способы для генерации высокомощного лазерного излучения видимого диапазона высокой яркости. Такие устройства и системы могут включать в себя многочисленные модули, каждый из которых предназначен для выполнения заданной функции. В некоторых вариантах осуществления устройство для генерации лазерного излучения видимого диапазона содержит решетку лазерных диодов видимого диапазона, систему формирования пучка и преобразователь пучка, который использует стимулированное рамановское рассеяние (SRS) для того, чтобы объединять выходы отдельных лазерных диодов в одномодовый выход. Выходы лазерных диодов видимого диапазона могут быть сконцентрированы в волокно, достаточно небольшое в диаметре, чтобы получить усиление от SRS-процесса с целью обеспечения работы лазера на длине волны рамановского сдвига первого порядка.
[0012] Кроме того, обеспечена система лазерных диодов видимого диапазона, содержащая модульную пластинчатую конструкцию, при этом каждый лазерный диод смонтирован в корпусе ТО56, коллимирующую оптику, циркуляционную оптику для придания симметричности расходимости коллимированного источника, оптическую систему формирования пучка, которая сжимает решетку элементарных лучей, чтобы исключить мертвое пространство между каждым из отдельных лазерных источников, и модуль для перемежающего расположения каждого из упомянутых пучков из модульной пластины. Если лазерный диод коллимирован по одной оси, то может быть использована цилиндрическая линза, чтобы коллимировать его по другой оси, для того чтобы сделать расхождение по обеим осям либо одинаковым, либо неодинаковым в зависимости от пятна, которое необходимо создать посредством выходной фокусирующей оптики.
[0013] Лазерные пучки от каждой пластины лазерных диодов могут перемежаться между собой по вертикали, чтобы заполнить пустые пространства, обусловленные механическими особенностями системы, прежде чем запускать их в фокусирующую оптику конечного пучка. В том смысле, как используется здесь, если не оговорено иное, перемежение относится к размещению пучков из разных источников смежно один другому и к чередованию источников, из которых исходят пучки, когда два источника выставлены либо по вертикали, либо по горизонтали, так чтобы исключить мертвое пространство между пучками, прежде чем запускать их в установленную далее (в некоторых случаях - в выходную) оптику системы. В некоторых ситуациях фокусирующая пучок оптика может быть линзой оптимальной формы, многокомпонентной линзой, скорректированной на сферические аберрации, ахроматической линзой с компенсацией каких-либо хроматических аберрации, либо асферической с малым значением числа f (или фокусным отношением), чтобы можно было иметь большую собирающую апертуру для фокусировки в оптическое волокно. В том смысле, как здесь используется, если специально не оговорено иное, асферическая представляет собой линзу с несферическом профилем, описанным полиномом Цернике, для выравнивания длин оптических путей всех пучков, проходящих сквозь апертуру линзы, независимо от положения на апертуре.
[0014] Дополнительно предусмотрено оптическое волокно с тройной оболочкой для сбора света оптической накачки от решетки лазерных диодов, оболочкой с низкими потерями (например, менее чем в 50 децибел/километр (дБ/км), 40 дБ/км, 30 дБ/км, 20 дБ/км или 10 дБ/км) для распространения некогерентного излучения накачки от лазерных диодов видимого диапазона и одномодовой сердцевиной с низкими потерями (например, менее чем 50 дБ/км, 40 дБ/км, 30 дБ/км, 20 дБ/км или 10 дБ/км). Излучение от лазерных диодов видимого диапазона может быть заключено во внешней оболочке, но произвольно пересекает центральную сердцевину, создавая в сердцевине усиление, обусловленное SRS-процессом. При достаточной интенсивности лазерных диодов видимого диапазона усиление может превысить потери в волокне и при сочетании с обратной связью либо от внешних зеркал, либо от встроенных или внешних решеток, может быть вызвана генерация на одной поперечной моде при одной или многих осевых модах. Эта техника не была реализована в прошлом, возможно из-за высоких потерь (например, больших, чем или равных около 50 дБ/км), типичных для большинства оптических волокон в видимом спектре. Оптические волокна по настоящему раскрытию могут благоприятно минимизировать релеевское рассеяние в волокне, обуславливая превышение SRS-усиления над потерями в оптическом волокне.
[0015] Дополнительно настоящее раскрытие обеспечивает способ осуществления работы высокомощного лазера с материалом мишени с целью сплавления этого материала, отверждения материалов или абляции материала, что может быть использовано для формирования многослойных трехмерных объектов. Этот материал может быть любым из множества материалов, таких как металлические материалы, изоляционные материалы, полупроводниковые материалы, полимерные материалы, композитные материалы или их комбинации. Примеры таких материалов включают в себя без ограничения сталь, титан, медь, бронзу, золото и сплавы этих материалов.
[0016] Характеристики поглощения материалов могут увеличиваться с уменьшением длины волны. Как следствие, может быть достигнуто значительное увеличение скорости выполнения операций при использовании длины волны работающего в синем диапазоне лазера по сравнению с ИК лазером (см. нижеприведенную Таблицу 1).
Таблица 1
Поглощение
Выигрыш в скорости выполнения операций
Лазерная система
Алюминий (Al)
Сталь(St)
Медь(Cu)
Золото(Au)
Никель(Ni)
Алюминий(Al)
Сталь(St)
Медь(Cu)
Золото(Au)
Никель(Ni)
Работающий в синем диапазоне лазер
32%
67%
58%
60%
65%
200%
129%
967%
3000%
144%
Волоконный лазер
16%
52%
6%
2%
45%
[0017] Аспект настоящего раскрытия предусматривает систему печати для формирования трехмерного объекта, содержащую лазерный источник света, который генерирует когерентный пучок видимого света посредством стимулированного рамановского рассеяния, подложку в оптической связи с лазерным источником света, и сканирующий модуль после лазерного источника света. Сканирующий модуль может быть выполнен с возможностью производить сканирующее движение упомянутого когерентного пучка видимого света по отношению к упомянутой подложке, при этом сканирующее движение соответствует заранее заданной форме трехмерного объекта. Система печати может дополнительно содержать компьютерную систему управления, функционально подсоединенную к упомянутому лазерному источнику света и упомянутому сканирующему модулю. Компьютерная система управления может быть запрограммирована для (i) управления упомянутым сканирующим движением заранее заданным образом и (ii) модуляции мощности упомянутого лазерного источника света, чтобы формировать упомянутый объект из подложки.
[0018] Другой аспект настоящего раскрытия обеспечивает систему печати для формирования трехмерного объекта, содержащую лазерный источник света, который содержит по меньшей мере одно оптическое волокно и который выдает когерентный пучок видимого света в упомянутом оптическом волокне с релеевскими потерями, которые меньше чем около 50 децибел на километр (дБ/км), подложку (например, порошок) в оптической связи с лазерным источником света, и сканирующий модуль после лазерного источника света, причем упомянутый сканирующий модуль выполнен с возможностью производить заранее заданное сканирующее движение пучка видимого света по отношению к упомянутой подложке. Заранее заданное сканирующее движение может соответствовать форме упомянутого трехмерного объекта. Система печати может дополнительно содержать компьютерную систему управления, функционально подсоединенную к упомянутому лазерному источнику света и упомянутому сканирующему модулю. Эта компьютерная система управления может быть запрограммирована для (i) управления упомянутым сканирующим движением заранее заданным образом и (ii) модуляции мощности лазерного источника света, чтобы формировать объект из подложки.
[0019] Другой аспект настоящего раскрытия предусматривает способ формирования трехмерного объекта, содержащий обеспечение лазерного источника света и сканирующего модуля оптически после упомянутого лазерного источника света и использование упомянутого лазерного источника света, генерирующего когерентный пучок видимого света посредством стимулированного рамановского рассеяния. Затем когерентный пучок видимого света направляют на подложку, которая находится в оптической связи с упомянутым лазерным источником света. После этого в подложке или из нее производят элемент. Этот элемент может соответствовать по меньшей мере участку заранее заданной формы трехмерного объекта. Далее, используют упомянутый сканирующий модуль, чтобы произвести сканирующее движение упомянутого когерентного пучка видимого света по отношению к упомянутой подложке. Это сканирующее движение может соответствовать заранее заданной форме упомянутого трехмерного объекта. Затем подложку передвигают относительно упомянутого лазерного источника света вдоль направления, которое в целом параллельно упомянутому когерентному пучку видимого света.
[0020] Другой аспект настоящего раскрытия предусматривает машиночитаемый носитель (например, память), содержащий машиноисполняемый код, который по исполнении одним или более компьютерных процессоров, реализует любой из способов, изложенных выше или где-либо здесь в ином месте.
[0021] Другой аспект настоящего раскрытия предусматривает компьютерную систему, содержащую один или более компьютерных процессоров и связанную с ним память. Память содержит машиноисполняемый код, который по исполнении одним или более компьютерных процессоров, реализует любой из способов, изложенных выше или где-либо здесь в ином месте.
[0022] Из нижеследующего подробного описания, в котором показаны и описаны лишь иллюстративные варианты исполнения настоящего раскрытия, специалистам в данной области сразу же станут очевидными дополнительные объекты и преимущества настоящего раскрытия. Следует понимать, что настоящее раскрытие допускает другие, отличные от вышеприведенных, варианты исполнения, а некоторые его детали в различных очевидных отношениях допускают изменения, не выходящие за рамки объема раскрытия. Соответственно, чертежи и описание следует рассматривать по своей природе как иллюстративные, а не ограничивающие.
ВВЕДЕНИЕ ПО ССЫЛКЕ
[0023] Все упомянутые в настоящем описании публикации, патенты и патентные заявки введены сюда по ссылке, в той же степени, как если бы каждая отдельная публикация, патент и патентная заявка была специально и отдельно указана как введенная сюда по ссылке.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0024] В приложенных пунктах формулы изобретения подробно изложены обладающие новизной признаки изобретения. Лучшее понимание признаков и преимуществ настоящего изобретения будет достигнуто при обращении к нижеследующему описанию, которое раскрывает иллюстративные варианты осуществления, в которых использованы принципы изобретения, а также к сопроводительным чертежам (указываемых по тексту как "фигура" или "фиг."), в которых:
[0025] фиг. 1 представляет собой схематичный вид варианта осуществления трехмерной (здесь также "3-D" или "3D") системы печати, основанной на сканерах и ф-тета линзе с использованием лазерного источника видимого диапазона;
[0026] фиг. 2 представляет собой схематичный вид варианта осуществления системы 3D-печати с использованием ступеней линейного перемещения с лазерным источником видимого диапазона;
[0027] фиг. 3 представляет собой схематичный вид варианта осуществления лазерного источника видимого диапазона;
[0028] фиг. 4 представляет собой вид варианта осуществления модульной лазерной пластины, использующей множественные источники света на лазерных диодах, помещенные в корпус ТО56;
[0029] фиг. 5 представляет собой вид варианта осуществления множественных модульных лазерных пластин, уложенных в виде стопки для формирования двухмерной решетки лазерных источников;
[0030] фиг. 6А, 6В схематично иллюстрируют эволюцию мощности накачки в одномодовом выходе; и
[0031] фиг. 7 схематично иллюстрирует компьютерную систему, которая запрограммирована или выполнена иным образом для реализации способов по настоящему раскрытию.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0032] Несмотря на то, что здесь показаны и описаны различные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области будет очевидно, что такие варианты осуществления представлены лишь в качестве примеров. Специалистами в данной области могут быть придуманы многочисленные разновидности, изменения и замены, не выходящие за рамки объема изобретения. Следует понимать, что могут быть использованы различные альтернативы описанным здесь вариантам осуществления.
[0033] Термин "видимый свет", в том смысле, как он здесь используется, как правило, относится к электромагнитному излучению (свету) с длиной волны между около 380 нанометров (нм) и 760 нм (400-790 терагерц). Видимый свет видим человеческим глазом. Видимый свет лазера имеет длину волны между около 380 нм и 760 нм.
[0034] Термин "лазерная энергия высокой мощности", в том смысле, как он здесь используется, обычно относится к лазерному пучку, имеющему мощность по меньшей мере около 200 ватт (Вт).
[0035] Термин "значительные потери мощности", в том смысле, как он здесь используется, обычно относится к потерям мощности, которые для длины волны видимого диапазона составляют более чем около 10 дБ/км (децибел/километр).
[0036] Термин "длина волны видимого диапазона", в том смысле, как он здесь используется, обычно относится к лазерному пучку с длиной волны более чем 400 нм, но менее чем 750 нм.
[0037] Термин "высокая яркость", в том смысле, как он здесь используется, обычно относится к работе одномодового лазера с характеристиками на уровне дифракционного предела или около дифракционного предела.
[0038] Термин "элементарный луч", в том смысле, как он здесь используется, как правило, относится к пучку электромагнитного излучения от одного лазерного диодного источника, который может быть коллимирован по одной оси или по двум взаимно ортогональным осям.
[0039] Термин "перемежение", в том смысле, как он здесь используется, как правило, относится к позиционированию пучков от разных источников смежно один с другим и к чередованию упомянутого источника, из которого исходят пучки, когда два источника выставлены либо по вертикали, либо по горизонтали, так чтобы исключить мертвую зону между пучками, прежде чем запускать их в расположенную далее (в некоторых случаях в выходную) оптику системы.
[0040] Термин "число f" (а также фокусное отношение, относительное фокусное расстояние, деление диафрагмы и относительное отверстие), в том смысле, как он здесь используется, как правило, относится к отношению фокусного расстояния к диаметру входного зрачка линзы оптической системы.
[0041] Термин "асферический", в том смысле, как он здесь используется, как правило, относится к линзе с несферическим профилем, описанным полиномом Цернике, для выравнивания оптических путей всех пучков, проходящих сквозь апертуру линзы, независимо от положения на апертуре. Полиномы Цернике представляют собой полиномиальную последовательность, члены которой на единичном круге являются взаимно ортогональными.
[0042] Термин "наращиваемый объем", в том смысле, как он здесь используется, как правило, относится к объему изготавливаемого объекта, такого как объекта 3D-печати, который, например, может быть просканирован лазерным пучком по продольной протяженности "х", по поперечной протяженности "y" и по вертикальной протяженности "z". Вертикальная протяженность может быть обусловлена подъемником, который после того, как каждый слой завершен, пошагово перемещает печатаемый объект в направлении "z".
2
2
2
[0043] Термин "одномодовый", в том смысле, как он здесь используется, как правило, относится к характеристикам лазерной системы на уровне около дифракционного предела с низкой величиной М, где М характеризует каустику пучка, и к тому, насколько близко лазерный пучок приближается к работе на уровне дифракционного предела. В том смысле, как она здесь используется, если специально не оговорено иное, величина М определяется как количество раз, когда пучок был ограничен дифракцией, и она может быть равной или большей чем около 1, или большей чем или равной около 1,1, но все еще соответствующей одной поперечной моде, или большей, чем или равной около 1,3, но все еще соответствующей одной поперечной моде.
[0044] Термин "стимулированное рамановское рассеяние", в том смысле, как он здесь используется, как правило, относится к процессу, в котором фотоны рассеиваются от молекул волокна либо в более низкоэнергетическое состояние (стоксовский сдвиг), либо в более высокоэнергетическое состояние (антистоксовский сдвиг) с созданием усиления в оптической среде. В лазерном пучке фотонов некоторые из стоксовских фотонов ранее, возможно, были порождены спонтанным рамановским рассеянием (и могли остаться в этом материале), а какая-то часть стоксовских фотонов ("сигнальный свет"), возможно, была преднамеренно введена вместе с исходным светом ("свет накачки"). Вообще говоря, когда фотоны рассеиваются атомами или молекулами, большая часть фотонов рассеиваются упруго (релеевское рассеяние), так что эти рассеянные фотоны имеют ту же самую энергию (частота и длина волны), что и падающие фотоны. Небольшая часть рассеянных фотонов (приблизительно 1 на 10 миллионов) рассеивается возбуждением, при этом рассеянные фотоны имеют частоту, отличную от частоты падающих фотонов, а обычно меньшую, чем она. В газах рамановское рассеяние может происходить с изменением энергии молекулы из-за перехода из одного энергетического состояния в другое. Процесс рамановского рассеяния может происходить спонтанно, то есть со случайными временными интервалами, материалом рассеивается один из множества входящих фотонов. Этот процесс может называться "спонтанным рамановским рассеянием". При стимулированном рамановском рассеянии (по тексту также "SRS") общая частота событий рамановского рассеяния может быть увеличена, превосходя частоту событий спонтанного рамановского рассеяния: фотоны накачки могут быть превращены в дополнительные стоксовские фотоны более быстро. Чем больше уже присутствует стоксовских фотонов, тем быстрее прибавляется их дополнительное количесво. В присутствии света накачки это может эффективно усиливать стоксовский свет, что может быть использовано в рамановских усилителях и в рамановских лазерах.
Трехмерные устройства печати, системы и способы
[0045] Настоящее изобретение предусматривает устройства, системы и способы, предназначенные для приложения направленной энергии к слою материала, для того чтобы расплавить или подвергнуть абляции материал в процессе создания объекта (или детали) непосредственно на основе компьютерного проектирования. Это может быть использовано для получения или печати трехмерного объекта, таким образом, как послойный. Предложенными здесь способами может быть выполнено отверждение порошкового материала в рабочую деталь или же вплавление связующего вещества в деталь, которая затем подлежит доработке для завершения укрупнения детали.
[0046] Устройства, системы и способы по настоящему раскрытию могут быть использованы для формирования различных объектов или деталей, таких как объекты для потребительского или промышленного использования. Такие объекты могут быть спроектированы цифровым способом на компьютерных системах и изготовлены с использованием предусмотренных настоящим изобретением устройств и систем. В некоторых примерах устройства, системы и способы по настоящему раскрытию могут быть использованы для формирования потребительских изделий (например, игрушек), электронных компонентов, медицинских устройств или компонентов промышленного или военного оборудования. Устройства, системы и способы по настоящему раскрытию могут найти различные применения, такие как потребительское, образовательное, промышленное, медицинское или военное применение. В промышленном применении предусмотренные настоящим изобретением устройства, системы и способы могут быть использованы для обработки материалов.
[0047] Устройства, системы и способы по настоящему раскрытию могут использовать возможности лазеров видимого диапазона производить объекты с высокой точностью и во временном масштабе, который гораздо меньше, чем во многих существующих в настоящее время системах. В некоторых случаях это основано на неожиданной реализации того, что стимулированное рамановское рассеяние может быть использовано для генерации высококогерентного пучка света лазера видимого диапазона с одномодовым выходным сигналом. Такие лазеры могут работать как лазерный излучатель высокого разрешения или супернепрерывный лазер.
[0048] Фиг. 1 представляет собой схематичное изображение лазерной 3D-системы печати, основанной на высокомощной лазерной системе видимого диапазона. Система включает в себя одномодовый лазерный источник (1001) видимого диапазона. Этот лазерный источник (1001) видимого диапазона может включать в себя один или более лазерных диодов видимого диапазона. Выход (1002) лазера (1001) видимого диапазона может быть направлен на пару сканеров (1003), которые сканируют пучок в ортогональных направлениях. Сканеры (1003) могут представлять собой пару гальванометров, которые сканируют лазерный пучок поперек фокальной плоскости либо по растровой картине в координатах X-Y, либо в векторной картине. Сканеры (1003) могут создавать угловое отклонение от ортогонали, что может вызывать перемещение лазерного пятна в фокальной плоскости. Отраженное сканерами (1003) лазерное излучение (1004) может быть направлено в линзу (1005) объектива, которая формирует сфокусированный пучок (1006), который может быть направлен на подложку (1007), такую как порошок. В некоторых примерах подложка (1007) представляет собой порошок в порошковой насыпке. Это может расплавить или cплавить подложку (1007) в фокальной точке лазерного пучка.
[0049] Сканеры (1003) могут быть использованы для растрового сканирования лазерным излучением (1004) по порошку (1007) таким образом, который обусловливает двухмерную и трехмерную форму изготавливаемого трехмерного объекта. Это может быть выполнено послойным образом. На заданном слое двухмерная форма упомянутого объекта в этом слое очерчивается с помощью лазерного излучения (1004). Используя лазерное излучение (1004), в каждом последовательном слое может быть очерчена двухмерная форма объекта с целью получения трехмерной формы объекта в целом.
[0050] Для того чтобы обеспечить требуемую форму объекта, могут выбираться различные параметры лазерного излучения (1004). Такие параметры включают в себя, без ограничения, время воздействия и мощность лазера. Время, в течение которого подложка (1007) подвергается воздействию лазерного излучения (1004), может быть выбрано на основе скорости плавления или вплавления материала подложки (1007).
[0051] Подложка (1007) может удерживаться держателем подложки или может быть расположена на нем. Держатель подложки может включать в себя устройство (1008) вертикального перемещения (как показано на фиг. 1, устройство перемещения по оси Z), для того чтобы передвигать объект вертикально (то есть параллельно общему направлению распространения света лазера) во время послойного изготовления или наращивания объекта. Устройство вертикального перемещения может представлять собой электродвигатель, такой как шаговый двигатель. Это устройство вертикального перемещения (или подъемник) при изготовлении объекта может двигать подложку пошагово с приращениями по меньшей мере около 5 нанометров (нм), 10 нм, 20 нм, 30 нм, 40 нм, 50 нм, 100 нм, 200 нм, 300 нм, 400 нм, 500 нм, 1 микрометр (мкм), 2 мкм, 3 мкм, 4 мкм, 5 мкм, 10 мкм, 20 мкм, 30 мкм, 40 мкм или 50 мкм.
[0052] В качестве альтернативы или дополнительно узел (например, корпус ТО56), содержащий лазер видимого диапазона (1001), сканеры (1003) и линзу (1005) объектива, можно двигать вертикально по отношению к подложке (1007). Этот узел может включать в себя устройство (1008) вертикального перемещения, которое при изготовлении объекта может двигать узел пошагово с приращениями по меньшей мере около 5 нанометров (нм), 10 нм, 20 нм, 30 нм, 40 нм, 50 нм, 100 нм, 200 нм, 300 нм, 400 нм, 500 нм, 1 микрометр (мкм), 2 мкм, 3 мкм, 4 мкм, 5 мкм, 10 мкм, 20 мкм, 30 мкм, 40 мкм или 50 мкм.
[0053] Диаметр лазерного пятна, сформированного на фиг. 1 может быть определен фокусным расстоянием линзы (1005) объектива, размером пучка на линзе (1005) объектива и длиной волны лазерного пучка. Наращиваемый объем может быть ограничен диаметром линзы объектива и размером пучка на объективе, включая перемещения за счет сканеров. Размер пятна в системе на основе ИК излучения вследствие конечного размера пучка на линзе объектива составляет приблизительно 70 микрометров (мкм) при наращиваемом объеме 9,6"×9,6"×11" (табл. 2). В некоторых случаях с такой же оптической системой, что и упомянутая ИК система, система с работающим в синем диапазоне лазером с длиной волны 459 нм может успешно создавать пятно с размером, который меньше чем или равен около 35 мкм. Поскольку оптическая система может быть той же самой, наращиваемый объем остается неизменным, но разрешение и качество поверхности улучшается более чем на коэффициент 1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; или 10. Если выходная фокусирующая линза 3D-принтера на основе системы с работающим в синем диапазоне лазером заменена так, чтобы получать пятно 70 мкм, тогда достигается то же самое разрешение, что и в ИК системе, но теперь наращиваемый объем может быть увеличен на коэффициент 150.
Таблица 2
Параметр
Существующий ИКлазер
Система с работающим в синем диапазоне лазером
Мощность
2000 Вт
1000 Вт
Скорость печати
20 см<sup>3</sup>/ч
50 см<sup>3</sup>/ч
Разрешение
70 мкм
70 мкм
Наращиваемый объем
9,6"×9,6"×11"
53"×53"×55"
Чистота поверхности
~2Ra
~2Ra
[0054] В качестве альтернативы рассмотрим фиг. 2, в этом варианте осуществления 3D-принтер вместо сканеров для печати картины, построен на основе пары ступеней линейного перемещения. Ступени линейного перемещения изменяют принципиальную геометрию, управляющую размером пятна и скоростью записи, и открывают возможность использования достаточно короткофокусной линзы, так чтобы размер пятна составлял менее чем 1000 нанометров (нм), 900 нм, 800 нм, 700 нм, 600 нм или 500 нм. Это пятно субмикронного размера может быть пригодным для непосредственного производства микроэлектромеханических устройств (MEMS). Лазерные пучки (2002, 2004 и 2006) могут быть перемещены по поверхности подложки (например, порошку), используя ступень (2007) перемещения, чтобы рисовать картину либо непосредственно на подложке, либо с прямым введением материала подложки в пучок посредством коаксиальной насадки. Разрешение этой части может определяться пучком небольшого диаметра и размером материала подложки, такого как порошок нанометрового масштаба (например, 50 нм), используемого для прямого рисования детали.
[0055] Ступень (2007) перемещения может обеспечить перемещение подложки в плоскости X-Y (ортогональной общему направлению распространения света лазера) и (или) вдоль оси Z, которая может быть параллельной общему направлению распространения света лазера). Эта ступень (2007) перемещения может включать в себя две линейные подступени. Ступень (2007) перемещения может быть частью держателя подложки, который может быть выполнен с возможностью удерживать подложку во время изготовления объекта. Ступень перемещения может включать в себя электродвигатель, такой как шаговый двигатель. Ступень (2007) перемещения может включать в себя устройство (2008) вертикального перемещения, которое во время изготовления может перемещать ступень вдоль оси Z. Устройство вертикального перемещения (или подъемник) при изготовлении объекта может пошагово двигать подложку с приращениями по меньшей мере около 5 нанометров (нм), 10 нм, 20 нм, 30 нм, 40 нм, 50 нм, 100 нм, 200 нм, 300 нм, 400 нм, 500 нм, 1 микрометр (мкм), 2 мкм, 3 мкм, 4 мкм, 5 мкм, 10 мкм, 20 мкм, 30 мкм, 40 мкм или 50 мкм.
[0056] В качестве альтернативы или дополнительно узел, содержащий лазер видимого диапазона (2001), систему (2003) выставления в направлениях х-у и линзу (2005) объектива, можно передвигать вертикально по отношению к подложке, которая может быть расположена на ступени (2007). Этот узел может включать в себя устройство вертикального перемещения, которое при изготовлении объекта может пошагово передвигать установку с приращениями по меньшей мере около 5 нанометров (нм), 10 нм, 20 нм, 30 нм, 40 нм, 50 нм, 100 нм, 200 нм, 300 нм, 400 нм, 500 нм, 1 микрометр (мкм), 2 мкм, 3 мкм, 4 мкм, 5 мкм, 10 мкм, 20 мкм, 30 мкм, 40 мкм или 50 мкм.
2
[0057] В некоторых вариантах осуществления лазер (2001) и линза (2002-2005) объектива перемещаются как подсистема по подложке, в то время как модулируется мощность пучка, тем самым очерчивая деталь слой за слоем. Лазер (2001) может быть одномодовым лазером видимого диапазона. Этот лазер (2001) может включать в себя один или более лазерных диодов видимого диапазона. Мощность в пучке модулирована, например, посредством включения и выключения питания лазера или увеличением и уменьшением мощности лазера таким образом, который заранее задан на основе формы изготавливаемой детали (или объекта). В качестве альтернативы, лазер может быть стационарным, а оптическая головка перемещается по изготавливаемой детали, используя преимущество природы высококоллимированного лазерного пучка. Такая технология летающей оптической головки может включать в себя компоненты, которые в настоящее время используются в лазерных установках на СО для горизонтальной резки плоских листов. См., например, "Справочник по производственным процессам" - Todd, Robert H.; Allen, Dell K.; Alting, Leo (1994). Manufacturing Processes Reference Guide. Industrial Press Inc. ISBN 0-8311-3049-0, который во всей своей полноте включен в настоящий документ по ссылке.
[0058] Скорость изготовления или производства в настоящее время во многих системах может быть повышена с помощью лазера, который можно модулировать с гораздо более высокой частотой, чем современные волоконно-оптические лазеры. При рисовании объекта (или детали) скорость сканирования и мощность лазера могут определять, как быстро должен двигаться пучок для данного материала. Однако когда лазерный пучок перемещается по подложке (например, по порошку в порошковой насыпке), может быть необходимым выключить лазер, когда в конкретной точке печатаемого слоя этой детали не предполагается присутствия какой-либо структуры. Чем быстрее пучок сканируется поперек поверхности подложки и чем меньше размер элемент, тем быстрее лазерный пучок должен включаться и выключаться. Описанный в этом приложении лазер допускает модуляцию с по существу высокими частотами модуляции. Высокая частота модуляции может улучшить поверхностные характеристики (то есть, шероховатость) производимой детали, а также позволить получать очень высокое пространственное разрешение подлежащих изготовлению компонентов.
[0059] Используемые в настоящее время инфракрасные (ИК) лазеры могут быть ограничены частотой модуляции в 50 кГц (1 кГц = 1000 циклов в секунду). Однако системы и устройства по настоящему раскрытию на основе лазеров видимого света (например, работающий в синем диапазоне лазер) допускают модуляцию с частотами, большими чем или равными около 50 кГц, 100 кГц, 200 кГц, 300 кГц, 400 кГц, 500 кГц, 1 ГГц (1 ГГц=1000 кГц), 2 ГГц, 3 ГГц, 4 ГГц, 5 ГГц или 10 ГГц. Для того чтобы достичь производственных скоростей на системах такого типа, параллельно с одной и той же лазерной системой, использующей общий высокоскоростной переключатель пучка, или параллельно с лазерными системами, синхронизированными с движением системы, могут работать многочисленные устройства. Примером ключа является многопортовый переключатель пучка, такой как, например, многопортовый переключатель пучка, содержащий 2, 3, 4, 5 или 6 каналов.
[0060] Устройства и системы по настоящему раскрытию на основе лазеров видимого света могут быть использованы для формирования объектов (или деталей), имеющих практически гладкие поверхности. В некоторых случаях шероховатость поверхности объекта (или детали), сформированного с использованием устройств и систем по настоящему раскрытию, измеренная посредством просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ), может составлять между около 1 нм и 50 нм, или 1 нм и 20 нм, или 1 нм и 10 нм.
[0061] Устройства и системы по настоящему раскрытию на основе лазеров видимого света могут быть использованы для формирования объектов (или деталей), имеющих по существу высокий коэффициент пропорциональности (например, длину, деленную на ширину). В некоторых случаях коэффициент пропорциональности элемента на объекте (или детали), сформированном с использованием устройств и систем по настоящему раскрытию, может составлять по меньшей мере около 1,1:1; 1,2:1; 1,3:1; 1,4:1; 1,5:1 или 2:1, или 5:1, или 10:1 или 20:1, 50:1, 100:1 или более.
2
2
2
[0062] Устройства и системы по настоящему раскрытию могут использовать лазерные источники видимого диапазона, масштабированные до высокой мощности и высокой яркости. Высокомощный лазерный источник может иметь мощность, более чем около 100 ватт, или более чем около 200 ватт, или более чем около 300 ватт, или более чем около 400 ватт, или более чем около 500 ватт, или более чем около 1000 ватт, или более чем около 2000 ватт. Лазерные источники по настоящему раскрытию могут работать в одномодовом режиме, который может включать в себя работу лазерной системы почти на уровне дифракционного предела с низкой величиной М, где М характеризует каустику пучка, и насколько близко лазерный пучок приближается к характеристикам работы на уровне дифракционного предела. В том смысле, как она здесь используется, если специально не оговорено иное, величина М определяется как количество раз, когда пучок был ограничен дифракцией, и может быть равной или большей, чем около 1, или большей, чем или равной около 1,1, но все еще соответствующей одной поперечной моде, или большей, чем или равной около 1,3, но все еще соответствующей одной поперечной моде.
[0063] Фиг. 3 показывает высокомощный одномодовый лазерный источник (3000) видимого диапазона в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. Лазер (3000) включает в себя решетку высокомощных лазерных диодов (3001) видимого диапазона высокой яркости. Видимый лазерный свет от диодов (3001) может быть коллимирован и сформирован в пучок посредством оптического узла (3002) объединения и формирования пучка для соответствия цифровой апертуре и требованиями к пятну рамановского волоконного конвертора или резонатора (3010), который содержит зеркало (3003) с задней отражающей поверхностью высокого отражения (НR), оптическое волокно (3004) с низкими потерями и устройство вывода (3005) пониженного отражения. Рамановский конвертор (3010), используя нелинейный подход, такой как стимулированное рамановское рассеяние (SRS), преобразует энергию от множества лазерных диодов видимого диапазона, упорядоченных в линейную или двухмерную решетку, в один когерентный пучок (3006) лазера.
00
00
[0064] В качестве примера зеркало (3003) с задней отражающей поверхностью может быть элементом высокого отражения, а устройство (3005) вывода может быть сколотой или полированной фасетой с соответствующим диэлектрическим покрытием. В другом примере зеркало (3003) с задней отражающей поверхностью является высокоотражающим элементом, а устройство (3005) вывода представляет собой решетку. В другом примере зеркало (3003) с задней отражающей поверхностью является высокоотражающим элементом, а устройство (3005) вывода представляет собой встроенную волоконную брегговскую решетку (FBG). В другом примере зеркало (3003) с задней отражающей поверхностью является встроенной FBG, выполненной с возможностью иметь высокую отражательную способность для моды ТЕМ низшего порядка, а устройство (3005) вывода может быть сколотой или полированной фасетой с соответствующим диэлектрическим покрытием. В другом примере зеркало (3003) с задней отражающей поверхностью является встроенной FBG, выполненной с возможностью иметь высокую отражательную способность для моды ТЕМ низшего порядка, а устройство (3005) вывода представляет собой решетку. В другом примере зеркало (3003) с задней отражающей поверхностью является внешней объемной брегговской решеткой (VBG), а выходное устройство (3005) вывода является сколотой или полированной фасетой с соответствующим диэлектрическим покрытием. В другом примере зеркало (3003) с задней отражающей поверхностью является высокоотражающим элементом, а устройство (3005) вывода является встроенной FBG с низкой отражательной способностью. В другом примере зеркало (3003) с задней отражающей поверхностью является встроенной FBG, а устройство (3005) вывода является зеркалом с низкой отражательной способностью. В другом примере зеркало (3003) с задней отражающей поверхностью является VBG, а устройство (3005) вывода является сколотой или полированной фасетой с соответствующим диэлектрическим покрытием. В другом примере зеркало (3003) с задней отражающей поверхностью является зеркалом с высокой отражательной способностью, а устройство (3005) вывода является VBG с низкой отражательной способностью.
[0065] Волокно (3010) может состоять в оптической связи с оптическим узлом (3002). Волокно (3010) может включать в себя центральную сердцевину, которая является одномодовой или почти одномодовой, оболочку большего диаметра, чем сердцевина, для улавливания выхода решетки лазерных диодов видимого диапазона, и внешнюю оболочку, чтобы проводить свет решетки лазерных диодов видимого диапазона вдоль волокна. Центральная сердцевина может иметь диаметр больше чем или равный около 3 мкм, больше чем или равный около 5 мкм, больше чем или равный около 15 мкм, или больше чем или равный около 25 мкм. Область первой оболочки может иметь диаметр больше чем или равный около 50 мкм, больше чем или равный около 80 мкм или больше чем или равный около 100 мкм. Область внешней оболочки может иметь диаметр, больший диаметра внутренней оболочки на коэффициент больше чем или равный около 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 1,9; 2; 3; 4; 5 или 10. В некоторых примерах внешняя оболочка имеет диаметр больше чем или равный около 55 мкм, больше чем или равный около 90 мкм или больше чем или равный около 110 мкм. В некоторых ситуациях для того, чтобы обеспечить прочность и долговечность, внешняя оболочка может иметь диаметр больше чем или равный около 125 мкм.
[0066] Диаметр области первой оболочки может являться важным параметром в работе лазера видимого диапазона, поскольку интенсивность лазерного диода видимого диапазона (например, работающего в синем диапазоне лазера) обуславливает усиление, которое может быть получено при процессе SRS. Усиление для рамановского волокна может быть определено величиной энергии накачки в сердцевине волокна. Энергия для возникновения рамановского усиления может пребывать в оболочке прямо вокруг области сердцевины. Поскольку оболочка больше по диаметру, чем сердцевина, то рамановское усиление для лазера значительно меньше, чем усиление, которое возникает в том случае, когда вся энергия удерживается в сердцевине. Например, 200 Вт рамановскому лазеру видимого диапазона для, чтобы достичь усиления, достаточного для эффективной работы, требуется энергия накачки от решетки лазерных диодов, чтобы ее можно было запустить в область внутренней оболочки, которой для этого требуется быть порядка 60 мкм. В качестве другого примера, 2000 Вт рамановскому лазеру видимого диапазона, возбуждение которого обусловлено возможностью лазерных диодов, введенных во внешнюю оболочку в качестве диодов накачки, для достижения эффективной работы требуется оболочка диаметром в 85-100 мкм.
2
[0067] Лазерные диоды видимого диапазона по настоящему раскрытию могут быть способны выдавать более чем около 1 ватта выходной мощности с узкой полоски, пригодной для запуска света множества лазерных диодов в волокно диаметром меньше чем 100 мкм. Яркость лазерного диода определяется как произведение выходной мощности, ширины полоски и угла расходимости. Ширина узкой полоски может быть больше чем или равной около 5 мкм, больше чем или равной около 10 мкм, больше чем или равной около 15 мкм, но в некоторых случаях не больше чем около 35 мкм. Угол расходимости в направлении быстрой оси может быть больше чем или равным около 20 градусам, больше чем или равным около 40 градусам, больше чем или равным около 90 градусам. Угол расходимости в направлении медленной оси может быть больше чем или равным около 1 градусу, больше чем или равным около 10 градусам, больше чем или равным около 20 градусам. Лазерный диод может иметь величину полной ширины расходимости на половине максимума (WFHM) в направлении быстрой оси между около 18 и 25 градусов, а в направлении медленной оси между около 12 и 15 градусов. В одном примере лазерный диод, который является источником энергетической яркости в 20 МВт/ср×см, имеет величину WFHM-расходимости излучения по быстрой оси в 25 градусов, а по медленной оси величину WFHM-расходимости в 15 градусов. Яркость источника обусловливает максимальное число устройств, которые могут быть введены в оптическое волокно, чем выше показатель яркости, тем большее число устройств может быть введено.
[0068] Оптическое волокно может иметь конструкцию с тремя оболочками, как описано выше, с по существу низкими потерями в диапазоне видимых длин волн, обусловленными релеевским рассеянием как в центральной одномодовой сердцевине, так и в первой оболочке. В некоторых случаях лазерные диоды работают на 450 нм и производят усиление в диапазоне более 10 нм между 451 нм и 461 нм в зависимости от собственных потерь на рассеяние в оптическом волокне. Оптическое волокно может иметь потери на релеевское рассеяние менее чем 10 децибел/км (дБ/км) на 459 нм, что существенно ниже, чем волокно с чистой кварцевой сердцевиной, которое может иметь потери, больше чем или равные 50 дБ/км. Получаемое рамановское усиление может быть достаточным для того, чтобы превысить релеевское потери в волокне, если потери в волокне составляют менее чем около 50 дБ/км, менее чем 40 дБ/км, менее чем 30 дБ/км, менее чем 20 дБ/км, менее чем 10 дБ/км, менее чем 5 дБ/км или менее чем 1 дБ/км. Чем меньше потери в волокне, тем выше общая эффективность лазера.
[0069] Решетка лазерных диодов может иметь модульную конструкцию, основанную на пластинах, которые объединяют и кондиционируют выходы линейной полоски лазерных диодов. Фиг. 4 показывает лазерную пластину, которая включает в себя линейную полоску высокомощных лазерных диодов (4001) видимого диапазона со связанной с каждым лазерным диодом коллимирующей оптикой, чтобы обеспечить коллимированные источники (4004), а также с оптической системой (4003) формирования пучка и с набором сжимающих оптических элементов (4004) (называемых здесь также "компрессорами пучка"), чтобы исключить промежуток между коллимированными лазерными источниками по одной оси.
[0070] В одном примере коллимирующая оптика представляет собой асферическую цилиндрическую линзу вдоль одной оси, а оптическая система (4003) формирования пучка представляет собой цилиндрическую линзу по другой оси. В другом примере оптическая система (4003) формирования пучка содержит два оптических элемента, образующих цилиндрический телескоп для изменения размера одной оси элементарного луча.
[0071] В некоторых примерах компрессор (4004) пучка представляет собой вращающееся зеркало или призму. В одном примере компрессор каждого пучка содержит по меньшей мере одно вращающееся зеркало. Вращающееся зеркало может быть призмой, работающей в режиме полного внутреннего отражения (TIR). В некоторых случаях вращающееся зеркало представляет собой подложку с диэлектрическим покрытием с высокой отражательной способностью, таким, например, как диэлектрическое покрытие на подложке из плавленого кварца, которое может иметь коэффициент отражения 99% для неполяризованного света на 459 нм, или металлическим зеркалом с улучшенным отражающим покрытием, таким как, например, алюминизированное зеркало с улучшенным коэффициентом отражения, обеспечивающим отражение вплоть до 92% для неполяризованного света на 459 нм.
[0072] В одном примере компрессор (4004) пучка для каждой пластины содержит пластинку с чередующимися высокоотражательным/антиотражательным покрытиями, чтобы отражать пучки от каждой пластинки или пропускать пучки от каждой пластинки. В другом примере компрессор (4004) пучка для каждой пластинки содержит стопку призм, ориентированных так, чтобы направлять пучок от каждой лазерной пластины таким образом, чтобы он был параллельным, при минимизации мертвого пространства между пучками от каждой лазерной пластины. В другом примере компрессор (4004) пучка для каждой пластины содержит пластину с чередующимися высоким отражением и отверстиями, чтобы отражать пучки от каждой пластины или пропускать пучки от каждой пластинки.
[0073] В некоторых примерах оптическая система (4003) формирования пучка содержит одну или более анаморфных призм. В одном примере оптическая система (4003) формирования пучка содержит пару анаморфных призм.
[0074] Сжатые элементарные лучи могут образовать составной пучок, который отражается от перемежающей оптики (4005) в выходную фокусирующую оптику (4006) для переноса энергии лазера в волокно (4007) накачки или непосредственно в лазерное волокно (4007). Лазерное волокно (4007) может быть волокном с тройной оболочкой с центральной одномодовой сердцевиной или почти одномодовой сердцевиной. Лазерный резонатор может быть образован либо внешними зеркалами, решетками, либо волоконными решетками Брэгга (FBG), встроенными в центральную сердцевину. В некоторых вариантах осуществления лазерный резонатор основан на встроенных FBG, потому что решетки имеют как спектральную, так и модовую избирательность, что дает возможность рамановскому лазеру работать с одной поперечной модой, даже если сердцевина волокна является многомодовой.
[0075] Центральная сердцевина может быть сердцевиной из плавленого кварца, которая имеет наименьший коэффициент рамановского усиления по сравнению с сердцевиной, легированной германием, или сердцевиной, легированной фосфором. Рамановский сдвиг для плавленой кварцевой сердцевины и сердцевины, легированной германием, являются сходными и составляют менее чем около 12 нм на 450 нм, но сдвиг для сердцевины, легированной фосфором, является значительно большим, доходя до около 75 нм на 450 нм. Для того чтобы минимизировать потенциальную возможность образования центра окраски в волокне, центральная сердцевина может быть сердцевиной из плавленого кварца. Для того чтобы дополнительно подавить эффекты фотопотемнения, в сердцевину может быть добавлена легирующая примесь, кроме того, фотопотемнение может быть минимизировано исключением получения в лазерном резонаторе любых ультрафиолетовых (УФ) компонент. До тех пор, пока лазерное излучение ограничено компонентой стоксовского рассеяния, его длина волны может быть большей, чем длина волны накачки, и никакого УФ излучения генерироваться не будет. Усиление для стоксовской волны может быть значительно большим, чем для антистоксовской волны, делая менее вероятным, что в результате событий антистоксовского рассеяния будут порождены более короткие длины волн.
[0076] Легирующая примесь, такая как материал, содержащий гидроксильные группы (ОН), может быть добавлена в сердцевину и в первую оболочку волокна, для того чтобы подавить обусловленные релеевским рассеянием потери в видимом режиме. Фундаментальное требование к любой лазерной системе заключается в том, чтобы усиление в системе превышало потери в системе. В то время как в стандартных оптических волокнах стимулированное рамановское рассеяние может обеспечить достаточное усиление, для того чтобы превысить 50 дБ/км, эффективная работа лазера может иметь место тогда, когда потери, обусловленные релеевским рассеянием, составляют менее чем 50 дБ/км, менее чем 40 дБ/км, менее чем 30 дБ/км, менее чем 20 дБ/км, менее чем 10 дБ/км, менее чем 5 дБ/км, менее чем 1 дБ/км.
[0077] Масштабирование выходной мощности лазерной системы может быть выполнено посредством укладывания в стопку лазерных пластин по фиг. 4, чтобы сформировать двухмерную решетку пучков лазерных диодов. Лазеры, например, могут быть смонтированы на одной охлаждаемой пластине, которая может быть уложена в стопку для формирования двухмерного источника мощности лазерных диодов. Эта пластина может охлаждаться охлаждающей текучей средой, такой как вода. В некоторых случаях охлаждение может выполняться с помощью вентиляторов, теплоотводящих ребер и (или) теплообменника, использующего охлаждающую текучую среду.
[0078] В некоторых ситуациях лазерные пластины могут укладываться в стопку с минимальным пространством между каждым из пучков, созданным каждой из этих пластин. Лазерные пластины могут укладываться в стопку с мертвым пространством, равным высоте лазерного пучка, испущенного этой пластиной.
[0079] Обратимся к фиг 5, на которой показана лазерная система, имеющая множественные пластины. Каждая пластина имеет прецизионную монтажную позицию для установки плоскостности и зазора каждой пластины (5006). Пластины могут физически удерживаться вместе, чтобы сформировать стопку пластин. Пластины могут физически удерживаться вместе, используя механические крепежные элементы (например, винты) или химическое крепежное средство (например, клея). Каждый пучок пластины может быть точно разнесен, чтобы создать промежуток, куда может быть вставлен (5002, 5003) другой пучок, чтобы минимизировать мертвое пространство между пучками, запускаемыми в линзу (4006). Используются две решетки лазеров с комплементарным разнесением (5001, 5007), причем пучок из каждого пучка пластины перемежается между пучками другой пластины. Каждая решетка может включать в себя множество лазерных диодов видимого диапазона. Лазерные пластины могут быть идентичными по конструкции, но смонтированы в противоположных направлениях, чтобы обеспечить общую платформу через всю систему. Способ (5004, 5005) объединения пучков может быть как стопкой призм, так и пластиной, которая попеременно пропускает или отражает каждый из пучков. Пропускающая часть (5005) пластины может быть либо отверстием, либо областью пластины с антиотражающим покрытием, при этом пластина представляет собой материал, такой как плавленый кварц или металл. Отражающий участок пластины (5004) может быть либо диэлектрическим покрытием, либо усовершенствованным металлическим зеркалом. Альтернативно, способ объединения, такой, как стопка призм, может быть использован либо в преломляющей конфигурации, либо в конфигурации с полным внутренним отражением (TIR), чтобы попеременно объединять пучки от каждой из лазерных пластин.
[0080] Произведенные пучки из двухмерной решетки пластин, могут быть высоко коллимированы и могут быть дополнительно объединены с пучками других двухмерных решеток пластин, используя либо длину волны, либо поляризацию для дальнейшего увеличения яркости накачки. Ссылаясь на фиг. 6А и 6В, внутри диапазона длин волн с шириной полосы до 5 нм (6011, 6012) или (6021, 6022) могут быть использованы множественные источники, чтобы создать усиление посредством SRS процесса в волокне из плавленого кварца (6001, 6002). Ширина полосы спектрального диапазона для длин волн накачки для множества источников может быть меньше чем около 4 нм, меньше чем 3 нм, меньше чем 2 нм или меньше чем 1 нм. Существенно более широкая спектральная ширина полосы накачки для лазерных диодов может использоваться с волокном, легированным фосфором из-за более широкого профиля усиления для волокна. Для случая волокна, легированного фосфором, ширина полосы спектрального диапазона накачки для множества лазерных источников может быть меньше чем около 35 нм, меньше чем 25 нм, меньше чем 15 нм, меньше чем 5 нм или меньше чем 1 нм.
Системы управления
[0081] Устройства, системы и способы по настоящему раскрытию могут быть осуществлены с использованием компьютерной системы управления. Фиг. 7 показывает компьютерную систему 701, которая запрограммирована или сконфигурирована иным образом для регулирования работы трехмерного устройства печати, системы и способа по настоящему раскрытию. Эта компьютерная система 701 включает в себя блок 705 центрального процессора (здесь также – БЦП, "процессор" и "компьютерный процессор"), который может быть одноядерным процессором или многоядерным процессором, или же множеством процессоров для параллельной работы. Компьютерная система 701, кроме того, включает в себя память или ячейку памяти 710 (например, память с произвольным доступом, постоянная память, флэш-память), электронный блок 715 хранения данных (например, твердый диск), интерфейс 720 связи (например, сетевой адаптер) для связи с одной или более других систем и периферийные устройства 725, такие как кэш-память, память другого типа, адаптеры блока хранения данных и (или) электронного дисплея. Память 710, блок 715 хранения данных, интерфейс 720 и периферийные устройства 725 состоят в связи с БЦП 705 посредством коммуникационной шины (сплошные линии), такой как материнская плата. Блок 715 хранения может быть блоком хранения данных (или репозиторием данных) для хранения данных. Компьютерная система 701 посредством коммуникационного интерфейса 720 может быть функционально соединена с компьютерной сетью ("сеть") 730. Сеть 730 может быть интернетом, интернетом и (или) экстранетом, или интранетом и (или) экстранетом, который связан с интернетом. Сеть 730 в некоторых случаях является телекоммуникационной сетью и (или) сетью данных. Сеть 730 может включать в себя один или более компьютерных серверов, которые могут осуществлять распределенные вычисления, такие как облачная обработка данных. Сеть 730 в некоторых случаях с помощью компьютерной системы 701 может организовывать пиринговую сеть, которая позволяет подсоединенным к компьютерной системе 701 устройствам выполнять функции как клиента, так и сервера.
[0082] БЦП 705 может исполнять последовательность машиночитаемых команд, которые могут быть встроены в программу или в программное обеспечение. Эти команды могут быть сохранены в ячейке памяти, такой как память 710. Примеры операций, выполняемых БЦП 705, могут включать в себя выборку команды, декодирование, исполнение и обратную запись.
[0083] БЦП 705 может составлять часть схемы, такой как интегральная схема. В эту схему могут быть включены один или более других компонентов системы 701. В некоторых случаях эта схема представляет собой специализированную интегральную микросхему (ASIC).
[0084] Блок 715 хранения данных может сохранять файлы, такие как драйверы, библиотеки и сохраненные программы. Блок 715 хранения данных может сохранять данные пользователя, например, пользовательские предпочтения и программы пользователя. Компьютерная система 701 в некоторых случаях может включать в себя один или более дополнительных блоков хранения данных, которые являются внешними по отношению к компьютерной системе 701, такие как расположенные на удаленном сервере, который состоит в связи с компьютерной системой 701 через интранет или интернет.

[0085] Компьютерная система 701 через сеть 730 может связываться с одной или более удаленных компьютерных систем. Например, компьютерная система 701 может связываться с удаленной компьютерной системой пользователя. Примеры удаленных компьютерных систем включают в себя персональные компьютеры (например, переносные ПК), планшетные ПК или таблетки (например, Apple iPad, Samsung Galaxy Tab), телефоны, смартфоны (например, Apple iPhone, устройство с платформой Android, Blackberry) или персональные цифровые органайзеры. Пользователь может осуществлять доступ в компьютерную систему 701 через сеть 730.
[0086] Компьютерная система 701 может быть связана с трехмерным устройством печати или системой 735 . Компьютерная система 701 может быть связана с 3D-устройством печати либо напрямую (например, посредством проводного или беспроводного подключения), либо через сеть 730. 3D-устройство печати или система 735 может быть любым вышеописанным или описанным здесь в любом другом месте устройством или системой, таким как, например, 3D лазерная система печати с фиг. 1.
[0087] Способы, как те, которые здесь описаны, могут быть реализованы посредством машиноисполняемых рабочих программ (например, процессором компьютера), сохраненных в электронный области памяти компьютерной системы 701, такой как, например, память 710 или электронный блок 715 хранения данных. Машиноисполняемый или машиночитаемый программный код может быть представлен в виде программного обеспечения. Во время работы программный код может исполняться посредством процессора 705. В некоторых случаях программный код может быть извлечен из блока 715 хранения данных и сохранен в памяти 710, будучи готовым для облегченного доступа со стороны процессора 705. В некоторых ситуациях электронный блок 715 хранения данных может быть недоступен, и машиноисполняемые команды сохраняются в памяти 710.
[0088] Программный код может быть скомпилирован и сконфигурирован для использования с машиной, которая имеет процессор, выполненный с возможностью исполнения программного кода, или же он может быть скомпилирован во время прогона программы. Программный код может быть представлен на языке программирования, который может быть выбран для обеспечения исполнения программного кода в заранее скомпилированном виде или в виде компиляции "на ходу".
[0089] Аспекты представленных здесь систем и способов, таких как компьютерная система 701, могут быть осуществлены посредством программирования. Различные аспекты технологии могут быть представлены в качестве "продуктов" или "производственных изделий" обычно в виде машиноисполняемого кода (или исполняемого процессором) и (или) связанных с ним данных, который записан или осуществлен на машиночитаемом носителе какого-либо типа. Машиноисполняемый код может быть сохранен в электронном блоке хранения данных, таком как память (постоянное запоминающее устройство, память с произвольным доступом, флэш-память) или на твердом диске. Среда "запоминающего" типа может включать в себя любую материальную память или все памяти компьютеров, процессоров и т.п. или связанные с ней ее модули, такие как различные полупроводниковые устройства памяти, ленточные накопители, накопители на дисках и т.п. которые в любое время могут обеспечить некратковременное сохранение продуктов программного обеспечения. Все программное обеспечение или его части время от времени могут передаваться через интернет или различные иные телекоммуникационные сети. Такие средства связи могут, например, обеспечить загрузку программного обеспечения из одного компьютера или процессора в другой, например, из сервера управления или главного компьютера на компьютерную платформу сервера приложений. Таким образом, другой тип среды, которая может нести в себе элементы программного обеспечения, включает оптические, электрические и электромагнитные волны, которые используют между физическими интерфейсами локальных устройств, которые пропускают по проводным и оптическим сетевым линям связи и по различным другим воздушным каналам. Физические элементы, которые несут эти волны, такие как проводные или беспроводные линии связи, оптические линии связи или что-либо подобное, также могут рассматриваться как среда, несущая программное обеспечение. В том смысле, как они здесь используются, пока не ограничены материальными средами кратковременного сохранения, термины, такие как "машиночитаемый носитель" или носитель, "считываемый компьютером носитель" относятся к любой среде, которая участвует в обеспечении команд, предназначенных для исполнения процессором.
[0090] Следовательно, машиночитаемый носитель, такой как исполняемый компьютером код, может принимать многие формы, включая, но этим не ограничиваясь, материальную среду сохранения, волновую передающую среду или физическую среду переноса. Постоянное запоминающее устройство включает в себя, например, оптические или магнитные диски, такие как любое из запоминающих устройств в любом компьютере или в компьютерах, и т.п., такие как показанные на чертежах, которые могут быть использованы для работы с базами данных и т.д. Энергозависимое запоминающее устройство включает в себя динамическую память, такую как основная память компьютерной платформы. Материальные средства передачи включают коаксиальные кабели, медные проводники и волоконную оптику, включая проводники, которые представляют собой шину внутри компьютерной системы. Средства передачи в виде волновых носителей могут принимать форму электрических или электромагнитных сигналов или же акустических или световых волн, таких как те, которые генерируются при радиочастотной (РЧ) и инфракрасной (ИК) передаче данных. Таким образом, общепринятые виды компьютерно-читаемых устройств включают в себя, например, флоппи-диск, гибкий диск, твердый диск, любой другой магнитный носитель, компакт-диск, DVD-диск, ПЗУ на цифровом видеодиске, любой другой оптический носитель, перфорированную бумажную ленту, любой другой физический носитель данных с картиной отверстий, ОЗУ, ПЗУ, ППЗУ, СППЗУ, флэш-ППЗУ, любую другую микросхему или картридж памяти, несущая волна с передачей данных или команд, кабели и каналы, передающие такую несущую волну, или любой другой носитель, с которого компьютер может считывать программный код и (или) данные. Для донесения одного или более предложений одной или более команд до процессора на исполнение могут быть задействованы многие из этих форм компьютерно-читаемых устройств.
Примеры
[0091] Нижеследующие примеры приведены для иллюстрации различных процессов, конфигураций и систем, которые могут быть реализованы высокомощным лазерным источником видимого диапазона в системе 3D-принтера. Эти примеры предназначены лишь для иллюстративных целей и не имеют в виду ограничение объема настоящего изобретения.
[0092] Обратимся к фиг. 1, где схематично показана система 3D-печати, которая включает в себя компьютерную систему и программное обеспечение для преобразования объемной модели непосредственно в сплошную деталь посредством использования лазерного спекания для послойного расплавления порошковой подложки. В этом примере лазер видимого диапазона (1001) включает в себя лазер (4000) с фиг. 4, а также лазерную пластину (4000), изображенную на фиг. 4, где лазерные диоды (4001) видимого диапазона являются высокомощными лазерными диодами высокой яркости, которые выдают свет лазера на длине волны около 450 нм. Во время изготовления, для того чтобы коллимировать каждый из лазерных источников и выставить выходной пучок каждого из лазеров на лазерной пластине, используются асферические линзы (4002). Лазеры выставлены медленной осью перпендикулярно лазерной пластине, чтобы позволить выставить цилиндрический телескоп (4003) с медленной осью лазерного диода так, чтобы придать круговую расходимость каждому элементарному лучу как по медленной, так и быстрой осям. Во время процесса изготовления элементы цилиндрического телескопа устанавливаются с помощью аппарата для подъема и перемещения деталей(то есть, робота), который может быть изготовлен на заказ или поставлен одним из нескольких производителей таких аппаратов. Этот робот для подъема и перемещения деталей должен быть способен устанавливать оптический элемент и ориентировать его по 6 осям, а также наносить клей с ультрафиолетовым отверждением или термоэпоксидную смолу для закрепления этого оптического элемента по месту. После размещения и будучи прикрепленной к пластине посредством смолы с ультрафиолетовым отверждением система может не требовать никакого последующего выставления. Поворачивающие зеркала или призмы (4004) во время изготовления также помещаются на место аппаратом для подъема и перемещения деталей, будучи прикрепленными к пластине посредством смолы с ультрафиолетовым отверждением ни могут больше не требовать никакого выставления. Выходные пучки из лазерных пластин во время изготовления выставляются юстировкой положения коллимирующей асферики для формированием единого пятна в дальней зоне, которое соответствует тому, что элементарные лучи являются параллельными и выставленными между собой в высокой степени. В некоторых ситуациях для минимизации лазерного пятна и максимального увеличения используемой апертуры линзы выходная фокусирующая оптика является асферической.
[0093] Лазерные пластины могут быть уложены в стопку с формированием двухмерного пучка (5000), как показано на фиг. 5, и перемежены (5002), чтобы образовался единый пучок. Этот единый пучок, образованный из двух перемежающихся решеток, затем может быть объединен с использованием дихроичных фильтров или решеток, причем длины волн этих двух разных наборов решеток разделены между собой на 2 нм. После того, как два набора решеток объединены в дихроичном фильтре, может быть использован поляризатор, чтобы объединить похожий набор решеток, при том, что их поляризация перпендикулярна первому набору решеток, тем самым создавая 4 решетки, объединенные с другими 4 решетками для формирования пучка с 8-кратным увеличением яркости источника, используя объединение по длине волны и по поляризации. Этот подход может иметь признаки, подобные тем, что описаны в патенте № 5.715.270, выданном Зедикеру (Zediker) и др. («High efficiency, high power direct diode laser systems and methods therefor»), который во всей своей полноте включен в настоящее описание по ссылке. Объединение по поляризации может быть выполнено как до образования составного пучка (с объединением по длине волны), так и после. Затем составной пучок запускается в сердцевину накачки оптического волокна с тройной оболочкой (4007, фиг. 4) с сердцевиной из плавленого кварца. Высокоинтенсивный пучок в сердцевине накачки предназначен для создания усиления посредством SRS процесса и в оболочке, и в сердцевине. Однако сердцевина имеет связанный с ней лазерный резонатор (3003 и 3005, фиг. 3), что приводит к возникновению в сердцевине генерации. Для моделирования поведения рамановского лазера с накачкой лазерным диодом видимого диапазона используют полную модель лазера с использованием уравнений для стимулированного рамановского рассеяния. Пример уравнения для стимулированного рамановского рассеяния может быть найден в M. Rini, et al., “Numerical modeling and optimization of Cascaded Raman fiber Lasers”), IEEE Journal of Quantum Electron, vol. 36, pp. 117-1122 (2000), которая во всей своей полноте включена в настоящее описание по ссылке.
[0094] На фиг. 6А и фиг. 6В. показан переход мощности накачки в мощность генерируемого одномодового излучения для этого случая. Фиг. 6А показывает распространяющуюся вперед (6001) и распространяющуюся назад (6002) мощность одномодового излучения в 10 мкм-й сердцевине в зависимости от положения в волокне резонатора, генерирующем на 460 нм. Фиг. 6В показывает распространяющиеся вперед (6011, 6012) и распространяющиеся назад (6021, 6022) сигналы накачки в оболочке диаметром 85 мкм в зависимости от положения в волокне резонатора. Накачка, распространяющаяся вперед, включает в себя две отдельные длины волны на 450 нм (6011) и на 452 нм (6012). Аналогично, накачка, распространяющаяся назад, включает в себя две отдельные длины волны на 450 нм (6021) и на 452 нм (6022). Внешняя оболочка, которая определяет цифровую апертуру оболочки накачки в 0,49, имеет диаметр 125 мкм. Выходная мощность одной поперечной моды в этом примере больше чем 2 кВт при использовании устройства (3005) вывода с 30% отражательной способностью.
[0095] Выход лазера может управляться напрямую путем модулирования диодов накачки, или же лазер может быть выполнен как задающий генератор - усилитель мощности, и этот задающий генератор может быть модулирован с высокой частотой. Обращаясь к фиг. 1, лазерный пучок проходит через пару х-у сканеров (1003) для перемещения лазерного пучка по верху подложки (1007), которая в этом примере является порошковой насыпкой. Х-у сканеры в зависимости от фокальной длины объектива могут быть расположены либо до, либо после фокусирующего объектива (1005). Диаметр пятна (1006), которое сформировано, зависит от диаметра коллимированного пучка (1004) и фокальной длины линзы (1005) объектива. Если входной лазерный пучок имеет расходимость в 44 мрад, то линзой с фокусным расстоянием (62,4") может быть сформировано пятно диаметром 70 мкм. Расходимость пучка в 44 мрад соответствует входному пучку (1004) диаметром в 1,3 см с длиной волны 459 нм. Этот диаметр пучка обусловлен фокусным расстоянием коллимирующей линзы (1002) в 22,6 см для одномодового выхода лазера (1001) с диаметром моды на выходе лазера в 10 мкм. Результатом является система, которая может сканировать по плоскости подложки (1007) величиной 53"×53". Комбинация этой площади с подъемником большого перемещения позволяет иметь величину строительного объема 53"×53"×53".
[0096] Для очерчивания детали лазер может сканировать по порошковой насыпке. Порошковая насыпка накатывается поверх детали после сканирования каждого слоя и снижения подъемника на 100 нм, задавая послойное разрешение в 100 нм. Для данного конкретного примера используется порошок, который больше чем 10 нм в диаметре, больше чем 50 нм в диаметре, но не больше чем 100 нм в диаметре. Диаметр порошка может влиять на шероховатость поверхности, а также на скорость наращивания детали. Скорость наращивания детали при использовании 1 кВт лазера на 459 нм, как показано в табл. 2, может быть больше чем или равной около 50 кубических сантиметров в час. Это на коэффициент 2,5 больше, чем в случае с ИК лазером, а по объему наращивания больше на коэффициент 150, что представляет собой значительное улучшение по сравнению с существующей технологией.
[0097] В то время как здесь были показаны и проиллюстрированы предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, для специалистов в данной области очевидно, что такие варианты осуществления приведены лишь в качестве примера. Не имеется в виду, что изобретение ограничено конкретными приведенными в данном описании примерами. Хотя изобретение было описано со ссылками на вышеупомянутое описание, не предполагалось, что описания и иллюстрации этих вариантов осуществления приведены с ограничивающим смыслом. Специалисты в данной области придумают многочисленные вариации, изменения и замены без отклонения от существа изобретения. Кроме того, понятно, что объекты настоящего изобретения не ограничены конкретными изображениями, конфигурациями или относительными приведенными здесь соотношениями, которые зависят от множества условий и переменных. Следует понимать, что при практической реализации описанного здесь изобретения могут быть введены его многочисленные альтернативные варианты. Поэтому предполагается, что настоящее изобретение охватывает и любые такие альтернативные варианты, модификации, изменения или их эквиваленты. Имеется в виду, что нижеследующие пункты формулы изобретения определяют объем изобретения, и что тем самым будут защищены способы и конструкции внутри объема, определенного этими пунктами.