JP6532938B2 - 可視ラマンレーザーを用いた材料加工のための用途、方法、及びシステム - Google Patents
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Description
(i)He:Cd型レーザーは、単一モードであるが、パワーは数百ミリワット、例えば0.0001kWに制限される。He:Cd型レーザーは、典型的には単一横モードであるが、これらのレーザーの低効率(<0.025%)のせいで、これらのレーザーを高いパワーレベルへスケールするのは極めて困難であり、よってそれらは高パワー材料加工用途には適していない。
(ii)Ar−イオン型レーザーは、非常に非効率であり、必然の結果として比較的低いパワー、即ち約0.005kW未満マルチラインに制限される。これらのレーザーは、これらの低パワーにおいて、多波長動作を有する単一横モードである。これらのシステムの寿命は、典型的には<5,000時間であって、殆どの工業的用途にとっては比較的短い。
(iii)青色ダイオードレーザーは近年になって入手可能になりつつある。とはいえ、それらは、低パワー、典型的には0.0025kW未満であり、また貧弱なビーム品質、例えば遅軸でM2>5、速軸でM2_〜1を有している。それらデバイスは今日では20,000時間のオーダーの寿命を有しており、多くの工業的レーザー用途及び商業的レーザー用途に適している。これらのデバイスを200ワット又はそれ以上へスケールしようとすると、ビーム品質はパワーの漸増につれ低下する。例えば200ワットでM2>50である。
(iv)周波数二逓倍化青色レーザー源は典型的には約0.50kW程度の出力パワーに制限される。青色光を作成するための方法は、800nm台−900nm台の範囲の光源を周波数二逓倍化するか又は2つの異なる波長の和周波数混合を使用して第3の周波数を生成するかのどちらかということになろう。どちらの技法もニオブ酸リチウム又はKTPの様な非線形二逓倍化結晶の使用が必要条件となる。これらの結晶は比較的短く、必然の結果として、それらは効率的な変換を実現するのに高いピークパワーレベルを必要とする。CWモードでの動作時、熱の問題並びに電荷移動の問題が、結晶の急速な劣下及びその結果として起こるレーザーの出力パワーの低下を引き起こさないとも限らない。
(v)周波数シフトされ次いで青色へと周波数二逓倍化されるファイバーレーザーは、ニオブ酸リチウム又はKTPの様な非線形二逓倍化結晶の使用が必要条件となる。これらの結晶は比較的短く、必然の結果として、それらは効率的な変換を実現するのに高いピークパワーレベルを必要とする。CWモードでの動作時、熱の問題並びに電荷移動の問題が、結晶の急速な劣下及びその結果として起こるレーザーの出力パワーの低下を引き起こさないとも限らない。
[0116]ラマンレーザーモジュール(RLM)が、様々な製造用途及び所定の製造用途のための、2MHzにまで変調させることのできる、200W、約1のM2、及び460nmのレーザービームを提供するべく、ラマンレーザー発振器ファイバーに対するポンプレーザーとして前方型ポンプラマン標準レーザーモジュールを有する。ポンプ標準レーザーモジュール(SLM)は、レーザー発振器ファイバーのための前方型ポンプとして使用されることになる200W、10mm−mrad、〜450nmのレーザービームを提供する。発振器ファイバーは、60μm−100μmクラッド、10μm−50μmコアを有し、200W出力、<0.3mm−mrad、〜460nmのレーザービームを提供する。
[0118]実施例1のRLM5基を図5のレーザ利用製造システムに含む。それらのビームを組み合わせて単一の1kW機能的レーザービームを形成する。この実施例の実施形態は、金属ベースの物品を印刷する、例えば造形する又は作製する、ために使用することができる。
[0120]実施例1のRLM5基を図6のレーザ利用製造システムに含む。それらのビームを組み合わせて単一の1kW機能的レーザービームを形成する。この実施例の実施形態は、金属ベースの物品を印刷する、例えば造形する又は作製する、ために使用することができる。
[0122]実施例1のRLM7基を図5の3Dプリンタに含む。それらのビームを組み合わせて単一の1.4kW機能的レーザービームを形成する。この実施例の実施形態は、金属ベースの物品を印刷する、例えば造形する又は作製する、ために使用することができる。
[0124]実施例1のRLM10基を図6のレーザ利用製造システムに含む。それらのビームを組み合わせて単一の2kW機能的レーザービームを形成する。この実施例の実施形態は、金属ベースの物品を印刷する、例えば造形する又は作製する、ために使用することができる。
[0126]ラマンレーザーモジュール(RLM)が、様々な製造用途及び所定の製造用途のための、2MHzにまで変調させることのできる、200W、約460nmのM2レーザービームを提供するべく、ラマンレーザー発振器ファイバーに対するポンプレーザーとして後方型ポンプラマン標準レーザーモジュールを有する。ポンプ標準レーザーモジュール(SLM)は、レーザー発振器ファイバーのための後方型ポンプとして使用されることになる200W、10mm−mrad、〜450nmのレーザービームを提供する。発振器ファイバーは、60μm−100μmクラッド、10μm−50μmコアを有し、200W出力、<0.3mm−mrad、〜460nmのレーザービームを提供する。
[0128]実施例6のRLM5基を図5のレーザ利用製造システムに含む。それらのビームを組み合わせて単一の1kW機能的レーザービームを形成する。この実施例の実施形態は、金属ベースの物品を印刷する、例えば造形する又は作製する、ために使用することができる。
[0130]実施例6のRLM8基を図6のレーザ利用製造システムに含む。それらのビームを組み合わせて単一の1.6kW機能的レーザービームを形成する。この実施例の実施形態は、金属ベースの物品を印刷する、例えば造形する又は作製する、ために使用することができる。
[0132]実施例6のRLM1基を図5のレーザ利用製造システムに含む。LRMは単一の0.2kW機能的レーザービームを提供する。この実施例の実施形態は、金属ベースの物品を印刷する、例えば造形する又は作製する、ために使用することができる。
[0134]始発ポンプ波長からの任意のnラマンオーダーにて>1ワットの出力パワーを有する高輝度青色レーザーダイオードによって励起される高パワーラマンレーザー。
[0136]溶接、切削、熱処理、ろう付け、及び表面改質の様な、材料加工用途のための実施例10のレーザーの使用。
[0138]>100ワットを>50μmファイバーの中へ発射させることのできる高パワー青色レーザーダイオードシステム(405nm−475nm)。
[0140]ラマンファイバーレーザーを励起するために>5mm−mradビームパラメータ積を有する高パワー青色レーザーダイオードシステム。
[0142]ラマンファイバーレーザーを励起するために>10mm−mradビームパラメータ積を有する高パワー青色レーザーダイオードシステム。
[0144]nラマンオーダーファイバーレーザーを励起して任意の可視波長を実現させる高パワー青色レーザーダイオードシステム。
[0146]n>0として全てのnオーダーでの出力を有するラマンファイバーレーザーを励起する高パワー青色レーザーダイオードシステム。
[0148]2>M2>1ビーム品質を有する高パワーラマンレーザーシステム。
[0150]材料を加工するために使用することのできる、410nm−500nmで動作する>1ワットを有する高パワーラマンレーザーシステム。
[0152]材料を切削、溶接、ろう付け、研磨、及びマーキングするための>1000ワットを有する高パワー青色ラマンレーザーシステム。
[0154]設計がモジュール式である高パワーダイオードポンプシステムを有する>10ワットの高パワー青色ラマンレーザーシステム。
[0156]空冷式青色ダイオードレーザーポンプを有する>10ワットの高パワー青色ラマンレーザーシステム。
[0158]高パワーラマンレーザーシステムを励起するのに使用することのできる、<10nm複合ビームを発生させるようにスペクトル的にビームを組み合わされる高パワー青色ダイオードレーザーシステム。
[0160]低いM2値である例えば、2.5未満、2.0未満、1.8未満、及び1.5未満、及び1.2未満、のM2値を有する複合ビームを発生させるようにスペクトル的にビームを組み合わされる>10ワットの高パワー青色ラマンレーザーシステム。
[0162]極めて高いパワーの回折制限されたビームを発生させるようにコヒーレント的に組み合わされる>10ワットの高パワー青色ラマンレーザー及び増幅器システム。
[0164]実施例23の高パワー青色ダイオードレーザーシステムにおいて、スペクトル的にビームを組み合わせるのにプリズムを使用しているシステム。
[0166]実施例23の高パワー青色ダイオードレーザーラマンレーザーポンプにおいて、スペクトル的にビームを組み合わせるのに回折要素を使用しているポンプ。
[0168] 実施例23の高パワー青色ダイオードレーザーラマンレーザーポンプにおいて、スペクトル的にビームを組み合わせるのに体積ブラッグ回折格子を使用しているポンプ。
[0170]3D性能を含め、カラー画像を投影するためのデジタルミラーデバイスと組み合わせるための>10ワットの高パワー青色ラマンレーザー。
[0172]娯楽目的のための>10ワットを有する高パワー青色ラマンレーザー。
[0174]投影システム、ヘッドライト、又は照明システムで使用することのできる白色光源を発生させるようにリンを励起するための>10ワットの高パワー青色ラマンレーザー。
[0176]ラマンファイバーレーザーシステムを励起するために体積ブラッグ回折格子によって狭い周波数帯へロックされる高パワー青色レーザーダイオードモジュールのアレイ。
[0178]ラマンファイバーレーザーシステムを励起するためにファイバーブラッグ回折格子によって狭い周波数帯へロックされる高パワー青色レーザーダイオードモジュールのアレイ。
[0180]ラマンファイバーレーザーを励起するための透過型回折格子によって狭い周波数帯へロックされる高パワー青色レーザーダイオードモジュールのアレイ。
[0182]nオーダーラマンレーザーを励起するための透過型回折格子によって或る波長範囲へロックされる高パワー青色レーザーダイオードモジュールのアレイ。
[0184]レーザーダイオードモジュール及びラマンファイバーレーザーからの熱を放散させるためバックプレーンへ取り付けられる空冷式又は水冷式熱交換器。
[0186]電流を制御しラマンレーザーを励起するためのレーザーダイオードの急速パルシングを可能にさせる一体型駆動電子機器を有するレーザーダイオードモジュール。
[0188]ダイヤモンドの様な変換器材料に基づく高パワーラマンレーザーであって、ラマンレーザーはラマンレーザーモードへモード整合されている可視レーザーダイオードアレイによって励起される、高パワーラマンレーザー。
[0190]溶接、切削、ろう付け、熱処理、及び表面改質、の様な材料加工のための実施例37のレーザーの使用。
[0192]本発明のUVレーザー(350nm)の或る実施形態の造形速度を先行技術のIRファイバーレーザー(1070nm)の造形速度に照らし比較する。以上の表IVから、本発明の実施形態を用いれば有意に大きい造形速度が得られることが分かる。
[0194]実施例1−実施例8の実施形態を、CNC機械の様なフライス加工機械、又はレーザー式、ソニック式、ウォータージェット式、又は他の型式のフライス加工装置、機械加工装置、又は切削装置、と組み合わせるか又はそれ以外のやり方でその様な装置へ組み入れることができる。この方式では、ラマンレーザー加算的−減算的製造装置及びプロセスがある。或る実施形態では、機能的ラマンレーザービームを、物品を造形するのに使用することができ、当該物品は次いで更に機械加工され、即ち材料が除去される。ラマンレーザービームは、摩耗した物品へ失われた材料を付加するのに使用することもでき、当該物品は更に機械加工される。最終製品、最終部品、又は最終物品に達するために材料を付加し除去し付加する他の変形形態及び組み合わせも構想される。而して、1つの実施形態では、ラマンレーザービームにより付加された材料の除去が提供される。レーザー機械加工加算的−減算的装置及びプロセスでは、除去のために使用されるレーザー(例えば、減算的製造、切削レーザービーム、機械加工レーザービーム)を、ラマン生成ビーム、LAM機能的ビーム、又は異なる波長を有する別々のビーム(例えば、波長>1,000nmの様なIR)とすることができ、切削レーザービーム及び機能的レーザービーム(LAMビーム)は、本質的に同じビーム送達経路を辿っていてもよいし、本質的に区別できるビーム送達経路を辿っていてもよいし、またビーム成形光学素子及びビーム送達光学素子の組合せ又は変形形態の幾つか又は全てを共有していてもよいし、一切共有していなくてもよい。
[0196]実施例1−実施例8の実施形態は、ベルト、コンベヤー、又は連接式及び重ね置き式リーフの様な、長手方向に動く表面又は支持体である台であって、連続したリボン、ロッド、ファイバー、ロープ、ワイヤ、管材、帯、又は他の細長い構造体の作製を可能にさせる台を有している。
[0198]実施例1及び実施例6の実施形態を図17のレーザ利用製造システムに使用する。システム1700は、出発材料を保持するためのホッパー1701、出発材料を送達するための調節可能な計量プレート1702、工作ステーション1703、移送室1704、計量プレートアクチュエータピン1705、シャトル1711、ラックアンドピニオンシャトルドライブ1706、シャトルステッピングモーター1707、廃棄物入れ1708、エレベータステッピングモーター1709、及びエレベータ1710、を有する。
[0200]LAMシステムをガルボ走査粉末床プロセス及びガルボ走査粉末床システムとする。レーザー送達装置は、レーザービームのためのコリメーター/ビーム拡張器、X−Yガルボ走査系、及びFシータレンズを有する。コリメーター/ビーム拡張器は、造形プロセスに依存して固定比又は可変とすることができ、より大きいスポットサイズが必要であればビーム拡張器比を減少させる。同様に、部品上のより小さいスポットサイズが必要であれば、ビーム拡張器比を増加させてより大きい直径の発射ビームを現出させる。粉末は、出発材料送達装置で工作台上に設置され、高さ調節機構で高さ調節される。この実施形態では、台の運動はz軸方向しか必要ない。z軸方向の動きを達成するのにレーザービーム経路内に可変焦点レンズを利用してもよいだろう。
[0202]金属、プラスチック、及び非金属材料の様な、材料を溶接、切削、ろう付け、研磨、及びマーキングするのに使用することのできる>10mm−mradビームパラメータ積を有する高パワー青色レーザーダイオードシステム。
[0204]複数のRLMを、マスター発振器パワー増幅器構成か又はフーリエ変換外部共振器のどちらかを使用してコヒーレント的に組み合わせる。コヒーレント的なビーム組み合わせのためのシステムの実施例は、米国特許第5,832,006号に開示され教示されており、同特許の開示全体をここに参考文献として援用する。
101 レーザーユニット
102 レーザービーム送達組立体
103 基部からのスタンドオフ距離
104 出発材料とレーザースポットの相対運動のx軸運動
105 y軸運動
106 z軸運動
107 回転
108 レーザービーム送達組立体の遠位端
109 機能的レーザービーム
110 レーザービーム経路
111 レーザースポット
201、202、203 出発材料粒子
204、205 層
206 初期区分
207 物品
208 追加の層
209 出発材料粒子
301 造形骨格
302、303 相互接続したフィラメント
304 空隙
400 造形品
401、403、404 出発材料粒子
405、406、407 接合部
408 空隙
500 LAMシステム
501 キャビネット
502 動作ステーション
503 ケーブル
503、504 GUI(グラフィックユーザーインターフェース)
505 アクセスパネル
600 LAM造形区域
601 造形台
602 駆動モーター
603 関節型ロボット
604 出発材料送達組立体
605 出発材料給送ライン
606 ノズル
607 ビーム成形光学素子組立体
608 レーザービーム
609、610 レーザー位置確定デバイス
611 カメラ
612 コネクタ
613 光ファイバー
614 レーザーヘッド
615 架台
616 レーザービーム経路
617 ターゲット区域
1601 IRレーザーの波長
1602 本レーザーの波長
1700 レーザ利用製造システム
1701 ホッパー
1702 調節可能な計量プレート
1703 工作ステーション
1704 移送室
1705 計量プレートアクチュエータピン
1706 ラックアンドピニオンシャトルドライブ
1707 シャトルステッピングモーター
1708 廃棄物入れ
1709 エレベータステッピングモーター
1710 エレベータ
1711 シャトル
1801 ダイレクト青色レーザーダイオード源(450nm)
1802 波長の組み合わされた青色レーザーダイオード源
1803 光学的に組み合わされたラマンレーザー源
1804 波長の組み合わされた青色ラマンレーザー源
Claims (12)
- レーザー利用製造(LAM)装置であって、
a.約750nm未満の波長を有する機能的レーザービームをビーム経路に沿って提供するためのレーザーと、
b.造形台と、
c.出発材料及び前記出発材料を前記造形台に隣接するターゲット区域へ送達することのできる出発材料送達装置と、
d.機能的レーザービームを提供するとともにレーザービームスポットを形成するためのビーム成形光学素子を備えるレーザービーム送達装置と、
e.前記造形台又は前記レーザービーム送達装置又はそれら両方へ機械的に接続されていて、それにより前記レーザービーム送達装置と前記造形台の間の相対運動を提供することのできるモーター及び位置決め装置と、
f.プロセッサとメモリデバイスとLAM計画を備えていて、前記機能的レーザービーム及び前記出発材料を所定の設置とすることにより前記LAM計画を実施する制御システムと、
を備え、
前記レーザーは、ポンプレーザーダイオード及びラマン発振器であって、nを整数としてnオーダーのラマン発振を提供するように構成されているポンプレーザーダイオード及びラマン発振器、を備え、
前記出発材料は粉末である、LAM装置。 - 前記レーザーは、500nm未満の波長を有するポンプレーザーダイオードと、ラマン発振器ファイバーと、を備えている、請求項1に記載の装置。
- nは2、3、4、5、及び6から成る群より選択されている、請求項1に記載の装置。
- 前記nオーダーの発振はストークスである、請求項1に記載の装置。
- 前記nオーダーの発振はアンチストークスである、請求項1に記載の装置。
- 前記出発材料は、マグネシウム、アルミニウム、ガリウム、錫、鉛、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、ロジウム、パラジウム、銀、カドミウム、タングステン、金、水銀、金属、金属の合金、及び金属の混合物から成る群より選択されている、請求項1乃至5の何れか一項に記載の装置。
- 前記出発材料は約1μm未満の粒子サイズを有する粉末である、請求項1乃至6の何れか一項に記載の装置。
- 前記出発材料は約0.05μmから約2.5μmまでの粒子サイズを有する粉末である、請求項1乃至6の何れか一項に記載の装置。
- 前記出発材料は約40μm未満の粒子サイズを有する粉末である、請求項1乃至6の何れか一項に記載の装置。
- 前記出発材料は約25μm未満の粒子サイズを有する粉末である、請求項1乃至6の何れか一項に記載の装置。
- 前記出発材料は約15μm未満の粒子サイズを有する粉末である、請求項1乃至6の何れか一項に記載の装置。
- 前記出発材料は約0.5μm未満の粒子サイズを有する粉末である、請求項1乃至6の何れか一項に記載の装置。
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