CN110167755B - 增材激光加工***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光处理***，包括：多光纤芯阵列，每个芯被构造为将来自相应激光源的激光束传播到激光处理头中并且将所述激光束作为多光束输出阵列中的光束输出；填充材料进给机构，其具有中心工具轴线并配置用于将填充材料导向到工作表面用于材料处理，以及光学***，被构造为接收所述多光束输出阵列，以在空间上将多光束输出分离成多个处理光束、将所述多个处理光束布置在围绕所述中心工具轴线分布的处理输出阵列中、并且将每个光束聚焦到工作表面处或工作表面附近的一个或多个处理光斑，其中所述光学***以大于50％的效率将每个处理光束从所述光纤芯阵列传输到所述工作表面。本发明还公开了一种激光处理方法。

Description

增材激光加工***和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月5日提交的共同未决的序列号为62/442,692的美国临时专利申请的权益，该申请通过引用全部并入本文。
技术领域
本发明涉及增材激光加工。特别地，本发明涉及高功率激光增材加工，例如包覆和焊接，其具有中心轴线向进给的可消耗填充材料和在直接处理头中的阵列周边照明。
背景技术
随着高功率激光***和非常好的光束质量参数的出现，基于激光的增材制造技术受到极大的关注。激光功率从几百瓦到几万瓦，可实现增材金属处理、激光焊接和激光材料切割。用于处理的两种方法是远程处理和直接处理。在远程处理中，激光光斑在待处理的材料上扫描，例如使用光束偏转镜。在直接处理中，处理头相对于工件机械定位，并且头部传送激光光斑和填充材料两者。
虽然增材处理应用中的远程处理当前限于专用***和有限构建体积，但是直接处理头可以容易地应用于机床和原位处理情况。此外，直接处理可以将材料添加到预先存在的基础结构，例如基于激光的金属包覆可以将表面金属施加到下面的金属结构。包覆的材料特性可以改善被包覆部分的硬度、耐腐蚀性特性和其它期望的特性。包覆可用于修理操作，以代替材料磨损，便于修复和重新加工磨损的工具以及复杂昂贵的部件，如涡轮叶片。
用于金属包覆的几种技术包括喷涂熔融金属、气动输送熔融粉末金属和金属丝进给焊接金属。喷涂金属通常用作区域涂层，而具有精确激光应用的熔融粉末和基于金属丝的技术可用于以高精度将材料施加到小区域。重复施加材料可用于逐层构建三维结构。在某些情况下，由于较低的材料成本、更容易的材料处理、更快的应用和完全致密的焊接形态，金属丝进给金属应用可能是优选的。
用于焊接和包覆的传统金属丝进给机构从激光器轴偏离地提供可消耗的填充材料。取决于具体应用，这可能妨碍装置填充超前或填充滞后方面的方向性考虑。也就是说，由于处理头的取向、金属丝进给和熔池几何形状，处理可以限于特定方向和范围内的相对工具行程。轴向进给的中心填充材料进给***可以克服这些限制以促进全向处理。
利用轴向材料进给机构，激光束管理需要将处理辐射引导到工作表面，同时避免由进给机构遮挡的中心体积。需要一种可行的无遮挡路线来将材料带到激光处理头的处理轴上。这意味着，如果没有中断地将进给材料从离轴***引入到处理光束轴，则连续的环形照明方案是不可能的。
在第6664507号美国专利的一个示例中，使用反射镜***，通过重新引导光束的中心部分以将光束分成两部分，来为金属丝进给管让路。最近，Leyens和Beyer在“包覆和直接激光金属沉积的创新”，激光表面工程处理和应用的第8章，第182-183页，ISBN：978-1-78242-074-3中描述了同轴激光束内的中心金属丝进给***。Fraunhofer IWS Dresden的COAXwire***使用三向光束分离装置将准直光束分成三个***光束，并将光束聚焦成圆形光斑。COAXwire***的额定功率为4kW。在第9050674号、第9085041号和第9095928号美国专利中描述了具有多个束布置的焊接和包覆的各个方面。
第WO/2016025701号PCT公开文本中公开了用于处理增强的多个独立光束的传递的改进。多个光纤熔合到体光学元件上，光纤芯几何形状被布置用于多个处理步骤，例如预热、清洁、烧蚀、切割、钎焊、焊接、退火和平滑。芯图案被成像到工件，并且不同芯中的功率根据与芯相关联的处理步骤而变化。传统的光束传递光学元件不允许修改这种固定的芯图案，因此对于不同的图案，将需要不同的光纤组和熔化的体光学元件。同样，传统的聚焦和对准将调整整个芯阵列图像。传统的准直器和聚焦透镜***组合可能无法在光束之间提供足够的空间用于中心部件，例如工作表面附近的填充材料进给机构。
能够提供超过6kW功率的***对于改进的处理速度和能力是期望的。在如此高的功率下，分束技术可能限制功率容量和功率分布，损害光束质量，或者需要难以对准并适应特定焊接和包覆操作的复杂光学布置。
因此，需要具有简单、高功率、柔性光束传递的焊接和包覆方法和***，在工作表面附近提供与中心进给工具几何形状兼容的轴向空间。
发明内容
本发明提供一种具有多光纤芯阵列的有效激光处理***。来自每个芯的光束传播到激光处理头中作为多光束阵列中的光束。光学***接收多光束阵列，在空间上将多个光束分成多个处理光束，将多个处理光束布置在围绕中心工具轴线的处理输出阵列中，并将每个光束聚焦到工作表面处或附近的一个或多个处理光斑。
在本发明的至少一个实施例中，芯阵列的每个芯熔合到体光学元件，或熔合到输出块阵列中的输出块。在本发明的至少一个实施例中，空间分离的多光束输出是光束的径向阵列。光学***可以是Schwarzschild***、反射折射***、光束重定向***、非球面反射器或光束旋转光学***。
本发明还提供了一种有效的激光处理方法，其将多光纤芯阵列中的多个激光束传播到激光处理头，输出多个激光束作为多光束输出阵列，并提供接收多光束输出阵列的光学***，将多光束输出在空间上分成多个处理光束，将多个处理光束布置在围绕中心工具轴线的处理输出阵列中，并将每个光束聚焦到工件表面处或附近的一个或多个处理光斑。
在至少一个实施例中，本发明提供了沿着中心工具轴线到材料进给机构的通路，沿着中心工具轴线将填充金属丝线材进给到工作表面，用处理光斑照射工作表面和金属丝中的一个或多个，并熔化工作表面处的填充材料，使得来自金属丝的材料被添加到工件中。可以旋转或选择处理光束以沿多个处理轴线提供处理材料。
附图说明
借助于以下附图，本公开的上述和其他方面、特征和优点将变得更加清楚，其中：
图1提供了单块多芯阵列的图示。
图2提供了多块多芯阵列的图示。
图3提供了利用角度光束分离的实施例的光学示意图。
图4A提供了使用Schwarzschild光学***的实施例的光学示意图。
图4B提供了使用反射折射光学***的实施例的光学示意图。
图5提供了使用光束重定向光学***的实施例的光学示意图。
图6提供了使用图像旋转光学***的实施例的光学示意图。
图7提供了使用径向束阵列的实施例的光学示意图。
图8提供了沿单个轴的多方向处理的图示。
图9提供了沿多个轴的多方向处理的图示。
图10提供了使用图像旋转光学***的实施例的图示。
图11提供了使用准直器阵列的实施例的图示。
图12提供了使用角度光束分离的实施例的图示。
图13提供了使用径向光束分离的实施例的图示。
图14提供了使用椭圆聚焦镜的实施例的图示。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例。在附图和说明书中尽可能使用相同或相似的附图标记或字母表示相同或相似的部分或步骤。附图是简化的形式，并不是精确的比例。仅出于方便和清楚的目的，可以相对于附图使用方向(上/下等)或动态(向前/向后等)术语。术语“耦合”和类似术语不一定表示直接和紧接连接，还包括通过中间元件或装置的连接。
为了清楚起见，可以通过示意性地将阵列示为在传播页面的平面中的2个阵列元素来简化附图。例如，任何数量的光纤芯、光束或光学元件的径向阵列可以在页面上简单地描绘为2个光纤芯、光束或光学元件。还可以简化附图，示出描绘光路拓扑的代表性示意性主光线。实际的光束聚焦特性可能未在示意性表示中示出。
光纤芯阵列
本发明提供一种激光处理工具，其将多纤维芯阵列成像到工作表面上，同时在工作表面附近提供空间，用于在工具的轴上供给填充材料。如图1所示，阵列10可以是类似尺寸的芯11的环形阵列。当不需要严格对称时，如在阵列12中，芯13、14可以是不同的直径。每个芯可以在50微米和600微米之间，并且芯的数量和芯尺寸可以受到处理纤维几何形状和下游光学元件的物理范围的限制。在至少一个实施例中，环形阵列具有对应于轴向进给材料路径的空隙区域15。如图所示，该空隙可以在对称阵列的情况下居中，或者在非对称阵列的情况下可以偏离中心。
输出光学元件
阵列中的每个芯熔合到输出光学元件。在至少一个实施例中，多个芯被熔合成单个石英块，该石英块包括如WO/2016025701(通过引用完全并入本文)中所述的体光学元件。体光学元件的长度可以是2mm至25mm，直径可以是2mm至12mm，多个处理纤维以固定的方式熔合到块。应当理解，在本发明中，块的形状可以不是圆柱形的，并且可以是圆形、方形、六边形或其他形状的横截面。在所有情况下，该块具有出射面，该出射面适于承受通过块传输的所有高功率处理光束而不会损坏。
现在参考图2，本发明的实施例可以包括由多个输出块的阵列形成的光纤芯阵列。多个块21可以与熔合到阵列22中的每个块的一个或多个处理光纤一起使用。每个块可以具有多边形横截面，使得可以按阵列布置块。例如，四个正方形横截面块23可以形成2×2阵列24或者六个六角形块25可以形成6元件环形阵列26。这些和其他几何形状可以有助于将多个块熔合到体光学元件中，并且光纤芯之间的间距增加。当使用多个块时，可以简化芯至块的熔合。多个块可以布置为有中心空隙27并且提供同轴进入通路，例如用于进给材料流动路径或控制***连通性。
在至少一个实施例中，块包括全内反射(TIR)面28。TIR将光束折叠到侧壁出射面。以这种方式，离开体光学元件的光束形成径向图案的一部分。方便地且仅作为示例，具有TIR面的6个六边形块的阵列为径向图案29提供平面侧出射面。
现在如图3所示，在至少一个实施例中，光纤芯阵列31熔合到体光学元件32。处理光束通过体光学元件传输并在出射面33处离开体光学元件。优选地，对体光学元件的出射面进行抗反射涂覆以承受数千瓦的输出功率。离开体光学元件的相应光束34根据相应芯的数值孔径和来自体光学元件的光学传递而发散。例如，从芯(或从多个块)离开体光学元件到空气的数值孔径可以在.1和.22NA之间，或者在.14和.16NA之间。每个芯的数值孔径可以不同。
准直器
当多个光束远离块的单个面传播时，光束轮廓根据NA发散，并且随着光束尺寸增加，重叠成组合光束。由于单个块中的芯和光束非常接近，因此可能无法使用折叠镜等直接分离光束。而且，如果光束重叠，则可能无法将光束与光束分离器装置分离。有利地，准直器可用于提供光束分离。使用角度光束分离的实施例也在图12中示出。
准直器光学元件35将离开块的所有光束准直在一起。当准直光束34a以不同的角度从准直器传播离开时，由于芯到芯间距的不同，每个光束的有效场位置不同，光束轮廓最终在距离L处分离。一旦光束分离，每个光束都可以通过光学***36进行进一步修改，以使处理光束37会聚在工件38上，沿光轴设置一个空间以容纳进给机构39。
在替代布置中，每个光束分别与相应的光学元件或至少一个光学表面的一部分准直。准直器阵列可以用于单独地准直每个光束，例如，如图11所示。当使用多个块并且芯与芯分离很大时，这可能是优选的。各个准直器相对于各个光束的偏心可以提供角度光束位移。在其他实施例中，不使用准直器，特别是当使用有限共轭光学成像***时更是如此。
场透镜
体光学元件的出射面33可以是平坦的，但是当半径特征不被伴随的高功率损坏(例如来自聚焦后向反射)所禁止时，半径可能是优选的以显示更紧凑的光学***。半径，优选地凸半径30，可以用作场透镜。如图所示，场透镜有效地增加了阵列中光束之间的相对发散，并且可以用于缩短距离L。然而，应注意，缩短L也意味着距离L处的每个光束的直径减小。准直元件和下游光学元件的功率处理能力可能限制具有光学功率的体光学元件或在体光学元件附近的离散场透镜光学元件中的场透镜效应的实际应用。场透镜可以改善关于下游成像光学元件的***配置，但是场透镜应该被认为是可选的，可以实现为透镜元件，并且在至少一个实施例中，省略了场透镜。
成像
可以认为分离的光束是准直的，然而光学***设计领域的技术人员将理解，偏离准直的变型例也在本发明的范围内。同样，光束轴传播不限于平行于***的光轴。
现在，由于光学***的物平面是光纤芯阵列，因此图像平面将是芯的图像。优选地，光学***的放大率在1x和3x之间，但是可以高达12x或20x，这取决于芯尺寸和期望的图像尺寸。在一些实施例中，各个光束在工件处被重定向并重新组合。结果，光束分离(阵列范围等)的放大率可能与芯到芯图像放大率不匹配。实际上，当阵列芯图像被重定向和叠加时，阵列范围的放大率基本上变为零，但每个芯的放大率是有限的。通常，芯图像将在100微米和600微米之间。从业者将理解芯成像的芯放大率和保真度高度依赖于应用。例如，某些处理应用可能需要明确定义的光斑形状，而其他处理应用更能容忍成像***像差和由此产生的光斑形状缺陷。
在芯是单模光纤芯的情况下，可以使用高斯光束传播来计算光斑成像特性。光学建模软件可用于高斯建模以及基于射线的分析，以预测成像性能并优化特定成像***实施例的点保真度、效率和其他***参数。
考虑各种光学配置以对分离的光束成像。在图4A所示的一个实施例中，使用反射式Schwarzschild光学***。在Schwarzschild***40中，光束阵列41入射在第一反射镜、凸面反射镜42上，在反射之后，光束从第一反射镜发散为发散光束43。发散光束入射在第二反射镜、凹面反射镜44上。在从凹面反射镜44反射之后，会聚光束阵列37向公共光轴和工件38处或附近的阵列的每个光束的焦点传播。第一反射镜在第二反射镜后面的路径中成为中心遮挡，因此优选地阵列37中的光束通过反射镜42而没有光束削波或渐晕。在光束阵列适当扩展的情况下，扩展阵列的中心空隙对应于中心遮挡。因此，在光束通过第一反射镜之后，光学***的轴可以容纳诸如金属丝进给管39的进给工具。该***的反射镜可以是球形的或者可以是非球形的，以校正诸如球面像差的光学像差。
在根据图4B的不同实施例中，成像***可以是反射折射***45，其具有第一和第二反射镜，随后是折射透镜46。当与Schwarzschild布置相比时，第二反射镜的尺寸可以减小。折射元件可以设置为密封的光学***。在反射折射***的一个示例中，如图所示，第一反射镜是折射元件的第一表面。在该实施例中，第二反射镜可以是非球面反射镜。许多反射折射变化是可能的，包括用作独立于任何折射元件表面的离散表面的第一反射镜。
光学***的适应可以修改芯阵列的图像。例如，可能希望通过叠加多个光束而不是芯阵列的完整图像来形成单个光斑。这可以通过改变从工具头到工件的距离并允许相应的光束阵列轴在距标称图像平面一定距离处会聚来实现。由于轴向距离的变化，光束阵列将相应地散焦。为了适应这种焦点变化，具有用于以小光学功率聚焦每个光束的元件的透镜阵列，例如弱负透镜阵列，可以将每个芯图像焦点推出(或拉入)到它们被叠加处的距离。值得注意的是，这些透镜相对于每个光束轴的良好中心将防止角度光束偏移。在某种程度上，焦点调适可以设置有准直透镜焦点偏移或单个入射光瞳元件以改变输入光束准直。然而，这种准直变化可能影响下游光束尺寸，并且透镜阵列方法可以提供更有效的焦点调适。
虽然轴上***可以简单成2个元件，但是第二反射镜直径大并且其光学表面区域可能未充分利用。直接光束控制反射镜的几种不同布置可以与关联于每个光束的离散成对反射镜一起使用。第一反射镜将光束引导远离中心轴线，第二反射镜将光束轴会聚到工件上或进给材料上的期望位置。
参考图5，在光束重定向实施例50中，每个光束51被相应的第一反射镜52反射，以使光束相对于组合光轴偏转为光束53，以照射相应的第二反射镜54。第二反射镜54直接偏转光束53或与下游光学元件组合偏转光束53，便于光束37朝向组合光轴会聚。第一反射镜52可使光束径向偏离中心轴线，如图所示，朝向光轴并穿过光轴到达相对侧，与光轴相切或成各种中间角度。特定布置可以减小光学***的占地面积和/或提供用于进入中心轴线的空间或者增加中心轴线处的空间。两种镜面光束转向的各种类似布置和变化是可能的，并且详细的三维布局被认为是常规的。
光功率可以包括在具有如图所示的凹面图的第二反射镜54中的一个或多个中，并且可以是具有诸如环形形状的变形形状的非球面。当第二反射镜54是平面反射镜时，可以用一个或多个透射光学元件添加光功率。透射光学元件可以形成阵列，其中一个聚焦元件与每个光束相关联。在一个实施例中，使用单个环形聚焦元件。
当使用光束偏转镜时，可以通过反射镜的倾斜调节来控制光束位置。因此，反射镜调节可用于芯光斑位置的静态对准。此外，可以动态地控制反射镜以在工件上施加光束运动，例如作为用于熔池搅拌和其他应用的光束摆动。
图6示出了光束旋转***60，其可以用作光学***的一部分以提供重新定向的光纤芯图像61。例如，光束旋转***可以是在准直器之后的光路中的道威棱镜或空心道威棱镜。对于像Schwarzschild***这样的旋转对称***，连续旋转到进给机械不受影响的程度是可能的。对于固定的离散光束定向光学元件，光束旋转器可以使用固定(时钟)旋转角度重定向芯图像。例如，对于三光束***，光束旋转器可以旋转阵列的图像+-120度，使得不同的芯可以用于相对于处理头的相同取向的处理步骤。在笛卡尔***中，将处理图像重新定向90度可以促进沿x和y轴的多向工具行进。图像旋转光学***的另一个实施例如图10所示。
参考图7，在至少一个实施例中，来自多个光纤芯71的光束被扇出光学元件73形成为光束72的径向阵列。非球面镜74可用于准直径向光束。例如，对于在共同的原点中心具有虚拟芯图像的径向光束，抛物面镜可以准直所有光束，并且方便地，准直光束可以平行于光轴传播。这些光束可以用折射光学元件75会聚和聚焦。使用径向光束分离的另一个实施例示于图13中。
利用径向阵列，非球面镜76可以包括整个成像***。在该实施例中，反射镜是椭圆体。虚拟对象芯位于椭圆体的第一焦点处，而处理光斑芯图像位于另一焦点处。以这种方式，单个光学元件从径向输入阵列产生工作激光光斑。使用椭圆聚焦镜的实施例也在图14中示出。
径向阵列可以用一簇侧出射块形成，例如具有TIR面78的块77。内部TIR偏转角应该适应光束的全NA。因此，对于具有大约1.45的折射率的石英块，TIR表面入射角可以超过45度。TIR簇的另一种布置是反射棱镜，每个光束具有一个反射面，使光束偏转成径向阵列。例如，六角形杆的环可以在每个杆上具有反射的成角度面，并且聚簇成环形结构以产生径向光束阵列。
应当理解，工具头部可以具有旋转自由度，并且头部中的光束的重新定向可以与处理头的受控运动协调。特别地，当进给机构遮挡处理光束时，这可能产生有效的盲点，其中工具头不能定向处理光束图像。在这种情况下，头的旋转可用于覆盖盲点角度。例如当光束旋转相对于工具头旋转提供增加的速度时，工具头运动和光束旋转的不同能力可以改善整体处理能力。
可以为变焦光学***提供附加的芯图像修改。变焦光学***可用于芯的可变控制以处理放大倍数。处理头可以具有一个或多个变焦***以调整一个或多个芯的光斑尺寸。当与先前的光束旋转结合使用时，单个变焦***可以修改多个芯图像中的每一个。
本发明中的两个潜在限制因素是芯尺寸和芯分离。首先，需要足够的芯分离以能够访问各个处理光束。具有较大中间空间的增加的磁芯间隙可在紧凑的光学***中提供光束分离。其次，大的芯直径可以减小芯间隙并减小芯之间的空间。
全向处理
本发明的各方面理想地适合于提供全向处理。当相应地控制光束成像时，中心进给机构在处理方向方面提供了相当大的自由度。在图8所示的双向示例中，六个芯的阵列80被成像到工件上。阵列可包括2个大直径芯和4个小直径芯。通过选择2个子集81和82中的任一个，可以控制三个芯(两个前导小芯和一个滞后大芯)的子阵列的方向。
在图9中进一步采用该芯选择过程，利用八芯阵列90，通过选择三个芯91A、91B和91C的子阵列，可以进行笛卡尔处理。在这个示例中，我们注意到小直径芯中的每个被用于2个正交方向上。因此，仅用八个芯在四个独立的方向中的每个方向上提供三个光束，从而将专用芯数量从12个减少(3个芯乘以4个取向)。
尽管本发明的各方面涉及热和冷金属丝进给焊接填充材料，但是全向处理不限于金属线填充材料。填充材料可以在工具轴上通过膏剂分配器、粉末分配器、胶带分配器或其他体材料存储器传递到工作表面材料传递***。同样，焊接和包覆不限于金属填充和金属基部。
应当理解，本发明的实施例可以包括用于引入保护气体、处理焊剂和其他消耗材料作为激光处理操作的一部分的附加装置。这些附加材料可以从离轴位置、从同心位置或在处理头的中心轴线处提供。中心轴线可以提供对包括多个金属丝进给填料的多种消耗材料的通路。
仅使用常规实验，本领域技术人员将认识到或能够确定本文所述的本发明具体实施例的许多等同方案。所公开的示意图可以与任何激光***一起使用，但是对于当前公开的结构的推动在于材料处理。因此，应该理解，前述实施例仅作为示例呈现，并且在所附权利要求及其等同方案的范围内，本发明可以不同于具体描述的方式实施。本公开涉及本文描述的每个单独的特征、***、材料和/或方法。另外，如果这些特征、***、材料和/或方法不相互矛盾，则两个或更多个这样的特征、***、材料和/或方法的任何组合都包括在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种增材激光处理***，包括：
多光纤芯阵列，每个芯被构造为将来自相应激光源的激光束沿路径传播到在下游与激光源间隔开的激光处理头中，并且将所述激光束作为多光束输出阵列中的光束输出；
材料进给机构，其具有中心工具轴线并配置用于将材料导向到工作表面用于材料处理，以及
光学***，被安装至所述激光处理头并且在上游与所述材料进给机构间隔开，所述光学***被构造为接收所述多光束输出阵列，以在空间上将多光束输出分离成多个处理光束、将所述多个处理光束布置在围绕所述中心工具轴线分布的处理输出阵列中、并且将每个光束聚焦到工作表面处或工作表面附近的一个或多个处理光斑，
其中所述光学***以大于50％的效率将每个处理光束从所述光纤芯阵列传输到所述工作表面。
2.根据权利要求1所述的激光处理***，还包括体光学元件，其中所述芯阵列的每个芯熔合到所述体光学元件。
3.根据权利要求1所述的激光处理***，还包括至少一个输出块，所述输出块熔合到所述芯阵列的一个或多个芯。
4.根据权利要求1所述的激光处理***，还包括输出块阵列，其中所述芯阵列的至少一个芯熔合到每个所述输出块，其中所述输出块设置成形成以所述中心工具轴线为轴心的中心空隙以提供用于材料进给机构的同轴进给。
5.根据权利要求1所述的激光处理***，其中所述空间分离的多光束输出是光束的径向阵列。
6.根据权利要求1所述的激光处理***，其中所述光学***包括Schwarzschild光学***。
7.根据权利要求1所述的激光处理***，其中所述光学***包括反射折射光学***。
8.根据权利要求1所述的激光处理***，其中所述光学***包括光束重定向光学***。
9.根据权利要求1所述的激光处理***，其中所述光学***包括非球面反射器。
10.根据权利要求1所述的激光处理***，其中所述光学***包括光束旋转光学***。
11.一种增材激光处理方法，包括：
在多光纤芯阵列中将多个激光束沿路径传播到在下游与激光源间隔开的激光处理头；
将所述多个激光束作为多光束输出阵列输出；
在光学***中接收所述多光束输出阵列，所述光学***被安装至所述激光处理头，所述光学***被构造为在空间上将多光束输出分离成多个处理光束、将所述多个处理光束布置在围绕中心工具轴线的处理输出阵列中、并且将每个光束聚焦到工作表面处或工作表面附近的一个或多个处理光斑；以及
将材料沿材料进给机构的中心工具轴线导向到所述工作表面处或工作表面附近，所述材料进给机构在下游与所述光学***间隔开。
12.根据权利要求11所述的激光处理方法，还包括，
沿所述中心工具轴线提供材料进给机构。
13.根据权利要求11所述的激光处理方法，其中所述将所述材料沿所述中心工具轴线导向到所述工作表面处或工作表面附近的步骤包括：
沿所述中心工具轴线向所述工作表面进给金属丝线材；
用处理光斑照射所述工作表面和所述金属丝线材中的一个或多个；以及
熔化所述工作表面处的材料，使得来自金属丝线材的材料被添加到工件中。
14.根据权利要求11所述的激光处理方法，还包括，
提供进入所述中心工具轴线的通路，用于将所述材料进给到所述中心工具轴线。
15.根据权利要求11所述的激光处理方法，还包括，
沿着相对于所述工作表面的第一方向处理材料；以及
沿着相对于所述工作表面的第二方向处理材料。
16.根据权利要求11所述的激光处理方法，还包括，
旋转所述多个处理光束以相对于所述工作表面对准处理光斑的阵列。
17.根据权利要求11所述的激光处理方法，还包括，
选择多个处理光束的子集以相对于工作表面处的处理方向对准所选择的处理光斑的阵列。
18.一种多光束增材激光处理方法，包括：
在一组多个激光束的第一激光束中设置至少一个激光参数；
将多光纤芯阵列中的所述一组多个激光束沿路径传播到在下游与激光源间隔开的激光处理头；
输出所述多个激光束作为多光束输出阵列；
在光学***中接收所述多光束输出阵列，所述光学***被安装至所述激光处理头，所述光学***被构造为在空间上将多光束输出分离成多个处理光束、将所述多个处理光束布置在围绕中心工具轴线的处理输出阵列中、并且将每个光束聚焦到工作表面处或工作表面附近的一个或多个处理光斑；
将材料沿所述材料进给机构的中心工具轴线导向到所述工作表面处或工作表面附近，所述材料进给机构在下游与所述光学***间隔开，以及
用所述一组多个激光束在所述工作表面处处理所述材料。
19.根据权利要求18所述的多光束增材激光处理方法，还包括将所述第一激光束中的激光功率设置为与第二光束中的激光功率不同。
20.根据权利要求18所述的多光束增材激光处理方法，还包括：
沿所述中心工具轴线提供材料进给机构。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017105057A1 (de) * 2017-03-09 2018-09-13 Cl Schutzrechtsverwaltungs Gmbh Belichtungseinrichtung für eine Vorrichtung zur additiven Herstellung dreidimensionaler Objekte
DE102018201901A1 (de) * 2018-02-07 2019-08-08 Ford Global Technologies, Llc Vorrichtung und Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen
US11229977B2 (en) * 2018-07-19 2022-01-25 Lincoln Global, Inc. Laser hot wire additive deposition head with omni-directional build path
DE102019204032B4 (de) * 2019-03-25 2021-09-30 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus Laserstrahlung
US20220226931A1 (en) * 2019-03-29 2022-07-21 Dmg Mori Co., Ltd. Processing machine
DE102019210019B4 (de) * 2019-07-08 2021-06-10 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Optische Apparatur zum Laserschweißen eines Werkstücks, Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks mittels mehrerer Teilstrahlen sowie Verwendung einer optischen Apparatur zum Laserschweißen
WO2021041464A1 (en) * 2019-08-27 2021-03-04 Edison Welding Institute, Inc. Coaxial laser-wire optical system for use in additive manufacturing
DE102019215968A1 (de) * 2019-10-17 2021-04-22 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Laserschweißverfahren für Eckverbindungen von Werkstückteilen
DE102020128186A1 (de) 2020-10-27 2022-04-28 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zum Laserschneiden mittels eines in einer Multikernfaser geführten Laserstrahls sowie zugehöriges Computerprogrammprodukt
CN113909698B (zh) * 2021-10-26 2023-04-18 之江实验室 一种并行穿插高速激光直写光刻的方法与装置
KR102582749B1 (ko) * 2022-06-08 2023-09-25 신원디앤티 주식회사 Mct용 공작물 열처리를 위한 사각빔 형상의 레이저를 조사하는 레이저빔 쉐이핑 장치

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5144497A (en) * 1989-03-07 1992-09-01 Olympus Optical Co., Ltd. Swchwarzschild optical system
US6143378A (en) * 1998-05-12 2000-11-07 Sandia Corporation Energetic additive manufacturing process with feed wire
US6934014B1 (en) * 1999-10-13 2005-08-23 Myos My Optical System Gmbh Device with at least one light source, comprising several individual light sources
CN1658452A (zh) * 2005-03-02 2005-08-24 中国科学院上海光学精密机械研究所 具有单模光纤耦合及空间滤波器的激光二极管
WO2005118209A1 (de) * 2004-05-27 2005-12-15 Hentze-Lissotschenko Patentverwaltungs Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zum schweissen oder löten vermittels laserstrahlung
CN105186391A (zh) * 2015-08-13 2015-12-23 苏州大学 导线外皮的混合波长激光剥线方法及剥线装置
CN105717589A (zh) * 2016-04-25 2016-06-29 武汉光迅科技股份有限公司 一种单光口多路并行光发射组件

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3935009A1 (de) 1989-10-20 1991-04-25 Inst Nat Sciences Appliq Vorrichtung fuer die laser-plasmabeschichtung
DE19741029A1 (de) * 1997-09-18 1999-04-08 Bosch Gmbh Robert Optische Vorrichtung zum Bohren mittels Laserstrahls
US5993554A (en) 1998-01-22 1999-11-30 Optemec Design Company Multiple beams and nozzles to increase deposition rate
JP3664904B2 (ja) 1999-01-14 2005-06-29 三菱重工業株式会社 レーザ加工ヘッド
US6229940B1 (en) 1998-11-30 2001-05-08 Mcdonnell Douglas Corporation Incoherent fiber optic laser system
US6504127B1 (en) 1999-09-30 2003-01-07 National Research Council Of Canada Laser consolidation methodology and apparatus for manufacturing precise structures
US6756561B2 (en) 1999-09-30 2004-06-29 National Research Council Of Canada Laser consolidation apparatus for manufacturing precise structures
JP2001205469A (ja) * 2000-01-25 2001-07-31 Sumitomo Heavy Ind Ltd レーザ出射光学系
JP2001276988A (ja) 2000-03-30 2001-10-09 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザ加工装置
JP3686317B2 (ja) 2000-08-10 2005-08-24 三菱重工業株式会社 レーザ加工ヘッド及びこれを備えたレーザ加工装置
US6818854B2 (en) 2001-09-14 2004-11-16 The Regents Of The University Of California Laser peening with fiber optic delivery
JP2003251480A (ja) * 2002-03-01 2003-09-09 Toyota Motor Corp レーザクラッド装置およびレーザ照射装置
FI20051173A0 (fi) * 2005-11-17 2005-11-17 Kari Aalto Menetelmä ja laitteisto laserin käytön yhteydessä
CN101386111A (zh) 2007-09-14 2009-03-18 苏州大学 激光光内送丝熔覆方法与光内送丝装置
JP5398165B2 (ja) 2008-04-24 2014-01-29 三菱重工業株式会社 レーザ・アーク複合溶接ヘッド及びその方法
US9085041B2 (en) 2009-01-13 2015-07-21 Lincoln Global, Inc. Method and system to start and use combination filler wire feed and high intensity energy source for welding
CN101733550B (zh) 2010-01-09 2012-04-25 苏州大学 一种送丝送粉复合激光熔覆成形方法及装置
US8378248B2 (en) 2010-05-21 2013-02-19 General Electric Company System and method for heat treating a weld joint
US8895886B2 (en) 2011-03-15 2014-11-25 General Electric Company Cladding application method and apparatus using hybrid laser process
JP2013180298A (ja) * 2012-02-29 2013-09-12 Mitsuboshi Diamond Industrial Co Ltd レーザ加工装置
US9095928B2 (en) 2012-07-06 2015-08-04 Lincoln Global, Inc. Method and system for heating consumable during hot wire
US9050674B2 (en) 2012-08-03 2015-06-09 Lincoln Global, Inc. Method and system of edging cladding operation
US9228609B2 (en) 2013-08-16 2016-01-05 Caterpillar Inc. Laser cladding fabrication method
MX2017001992A (es) * 2014-08-13 2018-05-28 Ipg Photonics Corp Sistema laser de fibra con multiples haces.
CN113664223B (zh) 2014-08-27 2023-12-12 努布鲁有限公司 使用可见拉曼激光器进行材料处理的应用、方法和***
US20160313516A1 (en) 2015-04-21 2016-10-27 Coherent, Inc. Apparatus for combining outputs of fiber-lasers
US9597749B2 (en) 2015-05-26 2017-03-21 Siemens Energy, Inc. Laser waveguide with coaxial filler wire feed

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5144497A (en) * 1989-03-07 1992-09-01 Olympus Optical Co., Ltd. Swchwarzschild optical system
US6143378A (en) * 1998-05-12 2000-11-07 Sandia Corporation Energetic additive manufacturing process with feed wire
US6934014B1 (en) * 1999-10-13 2005-08-23 Myos My Optical System Gmbh Device with at least one light source, comprising several individual light sources
WO2005118209A1 (de) * 2004-05-27 2005-12-15 Hentze-Lissotschenko Patentverwaltungs Gmbh & Co. Kg Vorrichtung zum schweissen oder löten vermittels laserstrahlung
CN1658452A (zh) * 2005-03-02 2005-08-24 中国科学院上海光学精密机械研究所 具有单模光纤耦合及空间滤波器的激光二极管
CN105186391A (zh) * 2015-08-13 2015-12-23 苏州大学 导线外皮的混合波长激光剥线方法及剥线装置
CN105717589A (zh) * 2016-04-25 2016-06-29 武汉光迅科技股份有限公司 一种单光口多路并行光发射组件

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Highly efficient fiber coupling of laser diode bars with >50% electro-optical efficiency out of the fiber core;Fornahl;《PROCEEDINGS OF SPIE》;20080225;摘要，第五部分，第9页 *

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