JP2020504014A - アディティブレーザー加工用のシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

レーザー加工用のシステム及び方法は、多重加工用ビームアレイでワーク表面に多重コアアレイをイメージングする。光学システムが加工用ビームを分離して、ビームをワーク表面に向けて収束させ、ワーク表面において又はその近傍においてアレイの各ビームを集束させる。ワーク表面への充填材の流れのためのアクセス部を有する中心軸が与えられる。加工用ビームアレイ及び中心充填材供給が、全方向アディティブレーザー加工性能を与える。

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１７年１月５日出願の米国仮出願第６２／４４２６９２号の優先権を主張し、その全体は参照として本願に組み込まれる。

本開示はアディティブレーザー加工、特に高パワーレーザーアディティブ加工、例えば、直接加工ヘッド内の中心軸で供給される消耗充填材とアレイ状の周囲の照射とを用いたクラッディングや溶接に関する。

高パワーレーザーシステムと非常に良好なビーム品質パラメータとの出現に伴い、レーザーに基づいたアディティブマニュファクチャリング技術に非常に興味がもたれている。数百ワットから数万ワットのレーザーパワーが、アディティブ金属加工、レーザー溶接、レーザー材料切断を実現可能にしている。加工に用いられる二つの手法は遠隔加工と直接加工である。遠隔加工では、例えばビーム偏向ミラーを用いて、加工される材料をレーザースポットで走査する。直接加工では、加工ヘッドをワークピースに対して機械的に位置決めして、そのヘッドがレーザースポットと充填材との両方を届ける。

アディティブ加工応用における遠隔加工が現状では専用のシステムと有限の構築体積のものに限られている一方で、直接加工ヘッドは、機械ツールとその場（ｉｎ ｓｉｔｕ）加工状況に容易に適用可能である。更に、直接加工は既存の基部構造に材料を追加することができ、例えば、レーザーに基づいた金属クラッディングは、下部の金属構造に表面金属を適用することができる。クラッディングの材料特性は、硬度、耐腐食性、他の望ましい特性に関してクラッディングされた部分の特性を改善することができる。クラッディングは修復作業において使用可能であり、材料損耗を元に戻し、損耗したツールや、タービンブレード等の複雑で高価な部品の修復及び再加工を促進する。

金属クラッディングに用いられるいくつかの技術として、溶射される金属、空圧で搬送されて溶融される粉末金属、ワイヤで供給されて溶接される金属が挙げられる。溶射される金属が一般的には面コーティングとして適用される一方、レーザーが正確に適用される溶融粉末に基づいた技術とワイヤに基づいた技術は、高精度で小さな領域に材料を適用するのに使用可能である。材料を繰り返し適用することを用いて、一層ずつで三次元構造体を構築することができる。ワイヤで供給される金属の適用は、その安価な材料コスト、簡単な材料加工、高速適用、十分緻密に溶接された形態のために場合によっては好まれ得る。

溶接及びクラッディング用の従来のワイヤ供給機構は、レーザーの軸外から消耗充填材を提供する。これは、特定の応用に応じた充填のリードやラグに関する方向の検討において装置の邪魔となり得る。つまり、溶融プールの形状、ワイヤ供給、及び加工ヘッドの向きに起因して、加工が、特定の方向及び広がりにおいて相対的にツールが移動するものに制限される。軸方向に中心で供給される充填材供給システムは、こうした制限を解消して、全方向性の加工を促進し得る。

軸方向材料供給機構では、供給機構によって中心空間が塞がれないようにしながらワーク表面に加工用放射を向けるようにレーザービームを管理する必要がある。レーザー加工ヘッドの加工軸上に材料を届けるためには塞がれていない経路の存続が必要とされる。これは、供給材を軸外のシステムから加工ビーム軸に導入することを中断せずに連続的に環状照射を行うことが不可能であることを意味する。

特許文献１の一例では、ワイヤ供給チューブ用の経路を空けるために、反射ミラーシステムを用いて、ビームの中心部分を方向転換させることによってビームを二つの部分に分割している。より最近では、非特許文献１に、同軸レーザービーム内の中心ワイヤ供給システムが記載されている。ドレスデンのフラウンホーファーＩＷＳ（材料・ビーム技術研究所）のＣＯＡＸワイヤシステムは、三方向ビーム分割構成を用いて、コリメートビームを三つの周辺ビームに分割して、それらビームを円形スポットに集束させる。ＣＯＡＸワイヤシステムは４ｋＷ級のものである。多重ビーム配置構成を用いる溶接及びクラッディングの多様な態様は特許文献２、特許文献３、特許文献４に記載されている。

加工の向上のための多重独立ビームの伝送の改善が特許文献５に開示されている。複数のファイバを、予熱、クリーニング、アブレーション、切断、ろう付け、溶接、アニーリング、平滑化等の複数の加工ステップ用に構成されたファイバコア形状を有するバルク光学系に融合させる。コアパターンがワークピースにイメージングされ、各コアのパワーはそのコアに関連する加工ステップに応じて異なる。従来のビーム伝送光学系はこの固定されたコアパターンを変更することができず、別のパターンについては、別のファイバの組み合わせで融合されたバルク光学系が必要とされる。同様に、従来の集束及び整列は、コアアレイイメージ全体を調整するものである。従来のコリメータと集束レンズシステムの組み合わせは、ワーク表面近くの充填材供給機構等の中心部品用にビーム同士の間に十分な空間を提供することができないものとなり得る。

６ｋＷを超えるパワーを実現可能なシステムが、加工の速度及び性能を改善するために望まれている。このような高パワーでは、ビーム分割法は、パワー性能やパワー分布を制限し、ビーム品質を損ない、特定の溶接工程及びクラッディング工程への適用や整列が難しい複雑な光学配置構成を要し得る。

米国特許第６６６４５０７号明細書 米国特許第９０５０６７４号明細書 米国特許第９０８５０４１号明細書 米国特許第９０９５９２８号明細書 国際公開第２０１６／０２５７０１号

Leyens, Beyer, "Innovations in cladding and direct laser metal deposition", chapter 8, pages 182-183 of Laser Surface Engineering Processes and Applications, ISBN: 978-1-78242-074-3

従って、単純で、高パワーで、中心の供給ツールの形状に合わせてワーク表面近傍に軸方向空間を提供するフレキシブルなビーム伝送性を有する溶接及びクラッディング用の方法及びシステムが必要とされている。

そこで、本開示は、多重光ファイバコアアレイを備える効率的なレーザー加工システムを提供する。各コアからのビームは、多重ビームアレイのビームとしてレーザー加工ヘッドへと伝播する。光学システムが、多重ビームアレイを受け、複数のビームを複数の加工用ビームへと空間的に分離し、複数の加工用ビームを中心ツール軸周りの加工用出力アレイに配置し、各ビームをワークピース又はその近傍において一つ以上の加工用スポットに集束させる。

本開示の少なくとも一実施形態では、コアアレイの各コアは、バルク光学系に、又は出力ブロックのアレイのうちの一つの出力ブロックに融合される。本開示の少なくとも一実施形態では、空間的に分離された多重ビーム出力は、ビームの放射状アレイである。光学システムは、シュヴァルツシルトシステム、カタディオプトリックシステム、ビーム方向転換システム、非球面反射器、又はビーム回転光学システムであり得る。

また、本開示は、複数のレーザービームを多重光ファイバコアアレイからレーザー加工ヘッドに伝播させることと、複数のレーザービームを多重ビーム出力アレイとして出力することと、多重ビーム出力アレイを受け、多重ビーム出力を複数の加工用ビームに空間的に分離し、複数の加工用ビームを中心ツール軸周りの加工用出力アレイに配置し、各ビームをワーク表面又はその近傍において一つ以上の加工用スポットに集束させる光学システムを提供することと、による効率的なレーザー加工方法も提供する。

少なくとも一実施形態において、本開示は中心ツール軸に沿った材料供給機構へのアクセス部を設け、中心ツール軸に沿ってワーク表面に充填ワイヤ材を供給し、加工用スポットをワーク表面とワイヤとのうち一つ以上に照射し、ワーク表面において充填材を溶かし、ワイヤの材料がワークピースに加えられるようにする。加工用ビームは、複数の加工軸に沿って加工用材料を提供するように回転又は選択され得る。

上記及び他の特徴と利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明を読むことによってより良く理解されるものである。

単一ブロック多重コアアレイの例示を与える。 多重ブロック多重コアアレイの例示を与える。 角度ビーム分離を用いる実施形態の光学的概略図を与える。 シュヴァルツシルト光学システムを用いる実施形態の光学的概略図を与える。 カタディオプトリック（反射屈折）光学システムを用いる実施形態の光学的概略図を与える。 ビーム方向転換光学システムを用いる実施形態の光学的概略図を与える。 イメージ回転光学システムを用いる実施形態の光学的概略図を与える。 放射状ビームアレイを用いる実施形態の光学的概略図を与える。 単一軸に沿った多方向加工の例示を与える。 複数軸に沿った多方向加工の例示を与える。 イメージ回転光学システムを用いる実施形態の例示を与える。 コリメータアレイを用いる実施形態の例示を与える。 角度ビーム分離を用いる実施形態の例示を与える。 放射状ビーム分離を用いる実施形態の例示を与える。 楕円面集束ミラーを用いる実施形態の例示を与える。

以下、本開示の実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同一又は同様の参照番号や符号を、同一又は同様の部分やステップを指称するために図面と明細書において用いる。図面は単純化されていて、縮尺通りではない。便利で分かりやすくすることのみを目的として、方向に関する用語（上下等）や移動に関する用語（前後等）が図面を参照して用いられ得る。「結合」との用語や同様の用語は、直接的な直の接続を必ずしも示すものではなく、中間要素やデバイスを介した接続も含む。

分かりやすくするため、紙面においてアレイを２つのアレイ要素として概略的に示すことによって、図面が単純化され得る。例えば、あらゆる数のファイバコア、ビーム又は光学素子の放射状アレイが、紙面では、２つのファイバコア、ビーム、又は光学素子として単純に図示され得る。また、図面は、光路トポロジーを描写する代表的な主光線を概略的に示すようにも単純化され得る。実際のビーム集束特性は概略的な表示には示されないものとなり得る。

［ファイバコアアレイ］
本開示は、ツールの軸上に充填材を供給するためにワーク表面近傍に空間を提供しながらワーク表面上に多重ファイバコアアレイをイメージングするレーザー加工ツールを提供する。図１に示されるように、アレイ１０は、同様のサイズのコア１１からなる環状アレイであり得る。厳密な対称性が必要とされない場合には、アレイ１２のように、コア１３とコア１４が異なる直径のものとなり得る。各コアは５０マイクロメートルから６００マイクロメートルの間のものとなり得て、コアの数とコアのサイズは、加工用ファイバの形状と、下流の光学系の物理的広がりとによって制限され得る。少なくとも一実施形態では、環状アレイは、軸方向で供給される材料の経路に対応する空隙領域１５を有する。図示されるように、この空隙は、対称なアレイの場合には中心に位置し、非対称なアレイの場合には中心から外れ得る。

［出力光学系］
アレイの各コアは出力光学系に融合される。少なくとも一実施形態では、例えば、参照として完全に本願に組み込まれる特許文献５に記載されているように、複数のコアが、バルク光学系を備える単一の石英ブロックに融合される。バルク光学系は長さ２ｍｍから２５ｍｍで、直径２ｍｍから１２ｍｍのものとなり得て、複数の加工用ファイバが固定配置でそのブロックに融合される。本開示では、ブロックの形状はシリンダ状でなくてもよく、断面が円形、正方形、六角形、又は他の形状のものとなり得ることを理解されたい。全ての場合において、ブロックは、そのブロックを透過する全ての高パワー加工用ビームに損傷なく耐えるのに適した出射面を有する。

次に、図２を参照すると、本開示の実施形態は、複数出力ブロックからなるアレイによって形成されたファイバコアアレイを含み得る。複数のブロック２１が用いられ、一つ以上の加工用ファイバがアレイ２２の各ブロックに融合され得る。各ブロックは、アレイ状に配置可能なように多角形の断面を有し得る。例えば、四つの正方形の断面のブロック２３が２×２アレイ２４を形成したり、六つの六角形のブロック２５が６要素環状アレイ２６を形成したりし得る。これら又は他の幾何学的形状は、複数のブロックをバルク光学系に融合させて、ファイバコア同士の間の間隔を大きくすることを促進し得る。複数のブロックが用いられる場合、コアをブロックに融合することが単純になり得る。複数のブロックは、中心に空隙２７を有するように配置され得て、例えば、供給材の流路や制御システム接続のための同軸状のアクセス部を提供し得る。

少なくとも一実施形態では、ブロックは全内部反射（ＴＩＲ，ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）面２８を含む。ＴＩＲはビームを側壁出射面に偏向する。このようにして、バルク光学系から出射するビームが放射パターンの一部を形成する。単に一例として、便利には、ＴＩＲ面を有する６つの六角形ブロックからなるアレイが、放射状パターン２９用の平坦な側部出射面を提供する。

次に、図３に示されるように、少なくとも一実施形態では、ファイバコアアレイ３１がバルク光学系３２に融合される。加工用ビームはバルク光学系を透過して、出射面３３においてバルク光学系から出射する。好ましくは、バルク光学系の出射面は反射防止コーティングされて、数キロワットの出力パワーに耐えるようにされる。バルク光学系から出射する各ビーム３４は、各コアの開口数と、バルク光学系からの光学伝達性に応じて、発散する。例えば、コアから空気へと出射するバルク光学系（又は複数のブロック）の開口数はＮＡ０．１からＮＡ０．２２の間、又はＮＡ０．１４からＮＡ０．１６の間となり得る。開口数は各コアごとに異なり得る。

［コリメータ］
複数のビームがブロックの単一の面から離れて伝播する場合、ビームサイズが増大するにつれて、ビームプロファイルはＮＡに応じて発散し、組み合わさったビームへと重なる。偏向ミラー等を用いてビームを直接分離することは、コア近傍で単一のブロック中のビームの場合には不可能となり得る。更に、ビームが重なる場合、ビームスプリッタ構成を用いてビームを分離することは不可能となり得る。有利には、ビーム分離のためにコリメータを用い得る。また、角度ビーム分離を用いる一実施形態は図１２にも示されている。

コリメータ光学系３５はブロックから出射する全てのビームを一緒にコリメートする。コリメートビーム３４ａが、コア同士の間隔に起因して異なる各ビームの有効視野位置の結果として、異なる角度でコリメータから離れて伝播すると、最終的にはビームプロファイルは距離Ｌで分離する。ビームが分離してしまえば、各ビームが光学システム３６による更なる変更のためにアクセス可能となり、加工用ビーム３７をワークピース３８上に集束させ、供給機構３９を収容する空間が光軸に沿って提供される。

代替構成では、各ビームが、対応する光学系や少なくとも一つの光学表面の一部を用いて、個別にコリメートされる。例えば、図１１に示されるように、コリメータアレイを用いて各ビームを個別にコリメートすることもできる。これは、複数のブロックが用いられ、コア同士の間隔が大きい場合に好ましいものとなり得る。各ビームに対して個々のコリメータを中心から外すことで、角度ビーム変位を与えることができる。他の実施形態では、特に有限共役イメージング光学システムが用いられる場合には、コリメータが使用されない。

［フィールドレンズ］
バルク光学系の出射面３３は平坦であり得るが、より小型の光学システムとするために湾曲したものも好まれ得るが、これは、それに伴う高パワー損傷、例えば、集束後方反射によってその湾曲の特徴が禁止されない場合である。湾曲部、好ましくは凸状湾曲部３０はフィールドレンズとして機能することができる。図示されるように、フィールドレンズは、アレイ中のビーム同士の間の相対的な発散を効果的に増大させ、また、距離Ｌを短くするのに使用され得る。しかしながら、Ｌを短くすることは、距離Ｄにおける各ビームの直径が小さくなることを意味することに留意されたい。コリメート素子と下流の光学系とのパワー処理性能が、光学的パワーを有するバルク光学系と一緒のフィールドレンズの効果、又はバルク光学系に近接する個別のフィールドレンズ光学系でのフィールドレンズの効果の実際の適用を制限し得る。フィールドレンズは下流のイメージング光学系に関してシステム構成を改善することができるものであるが、フィールドレンズは任意選択的なものであって、レンズ素子として実現可能なものであり、少なくとも一実施形態ではフィールドレンズは省かれる。

［イメージング］
分離されたビームはコリメートされているとみなされ得るが、光学システム設計の当業者は、コリメートから外れるバリメーションが本開示の範囲内にあることを理解されたい。同様に、ビーム軸伝播はシステムの光軸に平行であることに限定されない。

ここでは、光学システムの対物面がファイバコアアレイであるので、像面はコアの像（イメージ）である。好ましくは、光学システムの倍率は、コアサイズ及び所望のイメージサイズに応じて、１倍から３倍の間となるが、１２倍や２０倍の大きさにもなり得る。一部実施形態では、個々のビームが方向転換されて、ワークピースにおいて再結合される。結果として、ビーム分離の倍率（アレイの広がり等）が、コア同士の間のイメージの倍率と整合しないものとなり得る。実際、アレイコアのイメージが方向転換されて重ね合わされる場合、アレイの広がりの倍率は実質的にゼロになるが、各コアの倍率は有限である。一般的に、コアのイメージは１００マイクロメートルから６００マイクロメートルの間のものである。コアのイメージングにおけるコアの倍率及び忠実度がその応用に大きく依存するものであることを当業者は理解されたい。例えば、特定の加工応用が明確に定められたスポット形状を要し得る一方で、他の加工応用は、イメージングシステムの収差や結果としてのスポット形状の欠陥に耐性があるものとなる。

コアがシングルモードのファイバコアである場合、スポットのイメージング特性を、ガウスビーム伝播を用いて計算し得る。ガウスモデル化や光線に基づいた分析に光学モデル化ソフトウェアを用いることができ、イメージング性能を予測して、スポットの忠実度、効率及び他のシステムパラメータについて特定のイメージングシステムの実施形態を最適する。

分離されたビームをイメージングすることについては多様な光学構成が想定される。図４Ａに示される一実施形態では、反射シュヴァルツシルト光学システムが用いられる。シュヴァルツシルトシステム４０では、ビームアレイ４１が第一ミラー（凸ミラー４２）に入射し、反射後に、ビームが発散ビーム４３として第一ミラーから発散する。発散ビームは第二ミラー（凹ミラー４４）に入射する。凹ミラー４４からの反射後に、収束ビームアレイ３７が共通の光軸に向けて、またワークピース３８における又はその近傍のアレイ中の各ビームの焦点に向けて伝播する。第一ミラーは、第二ミラーに続く経路中の中心オブスキュレーション（ｏｂｓｃｕｒａｔｉｏｎ，蔽い）となるので、好ましくは、ビームのクリッピング（ｃｌｉｐｐｉｎｇ）やビネッティング（ｖｉｇｎｅｔｔｉｎｇ，口径食）無く、アレイ３７のビームがミラー４２付近を通るようにする。適切に広げられたビームアレイでは、広げられたアレイの中心空隙が中心オブスキュレーションに対応する。従って、ビームが第一ミラーを通過した後の光学システムの軸が、ワイヤ供給チューブ３９等の供給ツールを収容することができる。このシステムのミラーは、球面収差等の光学収差を補正するように球面又は非球面であり得る。

図４Ｂに係る別の実施形態では、イメージングシステムは、第一ミラーと、第二ミラーと、これに続く屈折レンズ４６とを有するカタディオプトリック（反射屈折）システム４５であり得る。シュヴァルツシルト構成と比較すると、第二ミラーのサイズが小さくなり得る。屈折素子はシールド（ｓｅａｌｅｄ）光学システムを提供し得る。カタディオプトリックシステムの一例では、図示されるように、第一ミラーは屈折素子の第一表面である。本実施形態では、第二ミラーは非球面ミラーであり得る。屈折素子表面とは独立した別個の表面として用いられる第一ミラーを含むカタディオプトリックのバリエーションも色々と実現可能である。

光学システムの調整で、コアアレイのイメージを変更することができる。例えば、コアアレイの完全なイメージではなくて、複数のビームを重ね合わせることによって単一スポットを形成することが望まれ得る。このことは、ツールヘッドからワークピースまでの距離を変更して、各ビームアレイ軸を公称の像面から或る距離において収束させることによって、達成可能である。軸方向距離の変化の結果として、ビームアレイが相応にデフォーカスされる。このフォーカス（焦点）の変化に対処するため、小さな光学的パワーで各ビームを集束させる素子を有するレンズアレイ、例えば、弱い負レンズのアレイによって、各コアイメージの焦点を、それらが重ね合わせられる距離に押し出す（又は引き寄せる）ことができる。各ビーム軸に対して良好にレンズを中心に置くことで、角度ビーム偏向が防止されることに留意されたい。コリメート用レンズの焦点のシフトや、入力ビームのコリメーションを変化させる単一の入射瞳素子によって、ある程度は焦点を調整し得る。

軸上のシステムは２素子という単純なものとなり得るが、第二ミラーの直径は大きく、その光学表面積は十分に活用されないものとなり得る。各ビームに関連する個別のミラー対を有する直接ビームステアリングミラーのいくつかの異なる構成が利用可能である。第一ミラーが中心軸から離れるようにビームを向け、第二ミラーが、ワークピースや供給材上の所望の箇所にビーム軸を集める。

図５を参照すると、ビーム方向転換（リダイレクト）の実施形態５０では、各ビーム５１が各第一ミラー５２によって反射されて、共同の光軸に対して相対的にビームを偏向させて、ビーム５３として各第二ミラー５４に当てる。第二ミラー５４は、ビーム５３を偏向させて、直接的に、又は下流の光学素子と組み合わせて、ビーム３７を共同の光軸に向けて集束させることを促進する。第一ミラー５２は、ビームを、図示されるように中心軸から離れるように放射状に偏向させたり、中心軸に向け、そして逆側へと交差するように偏向させたり、光軸に対する接線方向に偏向させたり、多様な中間角度に偏向させたりし得る。特定の構成では、光学システムの設置体積を減らすこと、及び／又は、中心軸へのアクセス用の空間を提供するか又は中間軸上の空間を増やすことを可能にし得る。二つのミラーでのビームステアリングの多様な同様の構成とバリエーションが実現可能であり、詳細な三次元レイアウトは慣用的なものである。

光学的パワーは、図示されるような凹面を有する一つ以上の第二ミラー５４に含まれ得るものであり、また、トロイダル形状等のアナモルフィック形状での非球面であり得る。第二ミラー５４が平坦なミラーである場合には、一つ以上の透過性光学素子を用いて、光学的パワーを加え得る。透過性光学素子は、各ビームに関連する一つの集束素子を有するアレイを形成し得る。一実施形態では、単一の環状集束素子が用いられる。

ビーム偏向ミラーが用いられる場合、ミラーの傾き調整でビーム位置を制御することができる。従って、コアのスポット箇所を静的に整列させるのにミラーの調整が用いられ得る。更に、ミラーを動的に制御して、ワークピース上のビームに動きを与え得て、例えば、溶融プールの攪拌用のビーム揺動としてや他の応用において用いる。

図６は、再配向されたファイバコアイメージ６１を提供するために光学システムの一部として使用可能なビーム回転システム６０を示す。例えば、ビーム回転システムは、コリメータに続く光路中のダブプリズムや中空ダブプリズムであり得る。シュヴァルツシルトシステム等の回転対称性のシステムでは、供給機構に影響しない程度の連続的な回転が可能である。固定された個別のビーム指向光学系の場合には、ビーム回転子が、固定された（クロッキング）回転角度を用いてコアイメージを再配向し得る。例えば、三ビームシステムでは、ビーム回転子が、アレイのイメージを±１２０度回転させ得て、加工ヘッドに対して同じ向きにおいて異なるコアを加工ステップ用に使用することができるようにする。直交（デカルト系）システムでは、加工用イメージの９０度の再配向が、ｘ軸及びｙ軸に沿った多方向のツール移動を促進することができる。イメージ回転光学システムの他の実施形態が図１０に示されている。

図７を参照すると、少なくとも一実施形態では、複数のファイバコア７１からのビームが、ファンアウト光学系７３を用いて放射状のビームアレイ７２に成形される。非球面ミラー７４を用いて、放射状ビームをでコリメートすることができる。例えば、共通の原点に仮想コアイメージを有する放射状ビームの場合、放物面ミラーが全てのビームをコリメートすることで便利に、コリメートされたビームが光軸に平行に伝播することができる。ビームは、屈折光学系７５を用いて収束及び集束される。放射状ビーム分離を用いる他の実施形態が図１３に示されている。

放射状アレイでは、非球面ミラー７６がイメージングシステム全体を含み得る。本実施形態では、ミラーは楕円面である。仮想対物コアが楕円面の第一焦点に位置し、加工用スポットコアイメージが他の焦点に位置する。このようにして、単一の光学系が、放射状入力アレイから実用的なレーザースポットを生じさせる。楕円面集束ミラーを用いる実施形態は図１４にも示されている。

放射状アレイは、ＴＩＲ面７８を有するブロック７７等の側部出射ブロックのクラスター（集合体）を用いても形成され得る。ＴＩＲの内部偏向角度はビームの全ＮＡに適応することが望ましい。このようにして、略１．４５の屈折率の石英ブロック場合には、ＴＩＲ面の入射角度が４５度を超え得る。ＴＩＲクラスターに対する代替構成は、ビームを放射状アレイに偏向させる各ビーム用の一つの反射面を有する反射プリズムである。例えば、複数の六角ロッドからなるリングが、各ロッド上に反射傾斜面を有し得て、放射状ビームアレイを発生させるようにリング形状へとまとめられる（クラスター化される）。

ツールヘッドは回転自由度を有し得ること、また、ヘッド内でのビームの再配向は加工ヘッドの制御された動きと連携し得ることを理解されたい。特に、供給機構が加工用ビームを塞ぐ場合、このことが、ツールヘッドが加工用ビームイメージを配向させることができない有効ブラインドスポットを生じさせ得る。この場合には、ヘッドの回転を用いて、ブラインドスポット角度をカバーし得る。ツールヘッドの動きとビームの回転という異なる性能が、全体的な加工性能を改善し得て、例えば、ビームの回転がツールヘッドの回転と比較して速い速度を提供する。

ズーム光学システムを用いて、追加的にコアイメージを変更し得る。ズーム光学システムは、加工の倍率に対するコアの可変制御に用いられ得る。加工ヘッドは、一つ以上のコアのスポットサイズを調整するために一つ以上のズームシステムを有し得る。上記ビームの回転と組み合わせて用いる場合には、単一のビームシステムが複数のコアイメージをそれぞれ変更することができる。

本開示において想定される二つの制限要因はコアサイズとコア分離である。第一に、各加工用ビームにアクセスすることを可能にするためには十分なコア分離が必要とされる。大きな介在空間で広げられたコア間隔は、小型光学システムでのビーム分離を与え得る。第二に、大きなコア直径はコア間隔を減少させて、コア同士の間の空間を小さくし得る。

［全方向加工］
本開示の態様は全方位加工を提供するのに理想的に適している。中心供給機構は、ビームイメージングが相応に制御される場合に、加工の方向に関する実質的な自由度を与える。図８に例示される双方向の例では、六つのコアからなるアレイ８０がワークピース上にイメージングされる。アレイは２個の大きな直径のコアと４個の小さな直径のコアとを備え得る。二つのサブセット８１、８２のいずれかを選択することによって、二つのリード用（ｌｅａｄｉｎｇ）小型コアと一つのラグ用（ｌａｇｇｉｎｇ）大型コアという三つのコアからなるサブアレイの向きを制御することができる。

このコア選択プロセスが図９に８コアアレイ９０の場合で更に示されていて、三つのコア９１Ａ、９１Ｂ及び９１Ｃのサブアレイを選択することによって、直交（デカルト系）加工が可能となる。この例では、小さな直径のコアがそれぞれ直交する２方向で用いられる。従って、八つのコアのみを用いて、各方向に三つのビームを有する四つの独立した方向が与えられ、専用のコアの数を１２個（３コア×４方向）から減らす。

本開示の態様はホットワイヤとコールドワイヤが供給される溶接用充填材に関するものであるが、全方向加工は金属ワイヤ充填材に限られるものではない。充填材は、ペースト分配器、粉末分配器、テープ分配器、他のバルク材ストレージやワーク表面材料配送システムを用いてツール軸上に配送され得る。同様に、溶接及びクラッディングは金属充填や金属基部に限定されるものではない。

本開示の実施形態は、レーザー加工工程の一部としてシールドガス、加工用フラックス、他の消耗材を導入するための追加的な提供部を含み得る。これら追加材は、加工ヘッドの軸外の位置から、同心位置から、又は中心軸において供給され得る。中心軸は、複数のワイヤ供給式充填材を含む複数の消耗材用のアクセス部を与え得る。

当業者は、本願記載の具体的な実施形態に対して、慣用的な実験を用いて多くの等価物を認識して、解明することができるものである。本開示の概要はあらゆるレーザーシステムで使用可能であるが、本開示の構造の本質は材料加工にある。従って、上記実施形態は単に例として表されているものであって、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内において本発明が具体的に説明されているのとは異なるように実施可能であることを理解されたい。本開示は、本願に記載されている個々の特徴、システム、材料及び／又は方法を対象とするものである。また、そうした特徴、システム、材料及び／又は方法の二つ以上のあらゆる組み合わせが、そうした特徴、システム、材料及び／又は方法が相反するものではなければ、本開示の範囲内に含まれるものである。

１０、１２、２２、２４、２６ アレイ
１１、１３、１４ コア
２１、２３、２５ ブロック
１５、２７ 空隙
２８ 全内部反射（ＴＩＲ）面
３０ 凸状湾曲部
３１ ファイバコアアレイ
３２ バルク光学系
３３ 出射面
３５ コリメータ光学系
３６ 光学システム
３８ ワークピース
３９ 材料供給機構

Claims (20)

1. 多重光ファイバコアアレイであって、各コアが各レーザー光源からレーザー加工ヘッドにレーザービームを伝播させて、前記レーザービームを多重ビーム出力アレイのビームとして出力するように構成されている、多重光ファイバコアアレイと、
   前記多重ビーム出力アレイを受け、多重ビーム出力を複数の加工用ビームに空間的に分離し、前記複数の加工用ビームを、中心ツール軸周りに分布した加工用出力アレイに配置し、各ビームをワーク表面において又はワーク表面近傍において一つ以上の加工用スポットに集束させるように構成された光学システムと、を備え、
   前記光学システムが、前記多重光ファイバコアアレイから前記ワーク表面に５０パーセントを超える効率で各加工用ビームを透過させる、レーザー加工システム。
2. バルク光学系を更に備え、前記多重光ファイバコアアレイの各コアが前記バルク光学系に融合されている、請求項１に記載のレーザー加工システム。
3. 前記多重光ファイバコアアレイの一つ以上のコアに融合された少なくとも一つの出力ブロックを更に備える請求項１に記載のレーザー加工システム。
4. 出力ブロックのアレイを更に備え、前記多重光ファイバコアアレイの少なくともコアが各出力ブロックに融合されている、請求項１に記載のレーザー加工システム。
5. 空間的に分離された前記多重ビーム出力がビームの放射状アレイである、請求項１に記載のレーザー加工システム。
6. 前記光学システムがシュヴァルツシルト光学システムを備える、請求項１に記載のレーザー加工システム。
7. 前記光学システムがカタディオプトリック光学システムを備える、請求項１に記載のレーザー加工システム。
8. 前記光学システムがビーム方向転換光学システムを備える、請求項１に記載のレーザー加工システム。
9. 前記光学システムが非球面反射器を備える、請求項１に記載のレーザー加工システム。
10. 前記光学システムがビーム回転光学システムを備える、請求項１に記載のレーザー加工システム。
11. 複数のレーザービームを多重光ファイバコアアレイからレーザー加工ヘッドに伝播させることと、
    前記複数のレーザービームを多重ビーム出力アレイとして出力することと、
    多重ビーム出力を複数の加工用ビームに空間的に分離し、前記複数の加工用ビームを中心ツール軸周りの加工用出力アレイに配置し、各ビームをワーク表面において又はワーク表面近傍において一つ以上の加工用スポットに集束させるように構成された光学システムにおいて前記多重ビーム出力アレイを受けることと、を備えるレーザー加工方法。
12. 前記中心ツール軸に沿って材料供給機構を提供することを更に備える請求項１１に記載のレーザー加工方法。
13. 前記中心ツール軸に沿って前記ワーク表面に充填ワイヤ材を供給することと、
    前記加工用スポットを前記ワーク表面と前記充填ワイヤ材とのうち一つ以上に照射することと、
    前記ワーク表面において前記充填ワイヤ材を溶かし、前記充填ワイヤ材の材料をワークピースに加えることと、を更に備える請求項１１に記載のレーザー加工方法。
14. 前記中心ツール軸に充填材を供給するために前記中心ツール軸へのアクセス部を設けることを更に備える請求項１１に記載のレーザー加工方法。
15. 前記ワーク表面に対して相対的な第一方向に沿って材料を加工することと、
    前記ワーク表面に対して相対的な第二方向に沿って材料を加工することと、を更に備える請求項１１に記載のレーザー加工方法。
16. 前記複数の加工用ビームを回転させて、前記ワーク表面に対して加工用スポットのアレイを整列させることを更に備える請求項１１に記載のレーザー加工方法。
17. 複数の加工用ビームのサブセットを選択して、前記ワーク表面における加工方向に対して選択された加工用スポットのアレイを整列させることを更に備える請求項１１に記載のレーザー加工方法。
18. 複数のレーザービームの組のうちの第一レーザービームの少なくとも一つのレーザーパラメータを設定することと、
    前記複数のレーザービームの組を多重光ファイバコアアレイからレーザー加工ヘッドに伝播させることと、
    前記複数のレーザービームを多重ビーム出力アレイとして出力することと、
    多重ビーム出力を複数の加工用ビームに空間的に分離し、前記複数の加工用ビームを中心ツール軸周りの加工用出力アレイに配置し、各ビームをワーク表面又はワーク表面近傍において一つ以上の加工用スポットに集束させるように構成された光学システムにおいて前記多重ビーム出力アレイを受けることと、
    前記複数のレーザービームの組を用いて、前記ワーク表面において材料を加工することと、を備える多重ビームレーザー材料加工方法。
19. 前記第一レーザービームのレーザーパワーを第二レーザービームのレーザーパワーとは異なるように設定することを更に備える請求項１８に記載の多重ビームレーザー材料加工方法。
20. 前記中心ツール軸に沿って材料供給機構を提供することを更に備える請求項１８に記載の多重ビームレーザー材料加工方法。

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