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
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Abstract
Description
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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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