KR20220093194A - Blue Laser Metal Additive Manufacturing System - Google Patents

Abstract

전체 물체의 이미지를 구성하고 타겟 영역에 투영되어 구축될 물체 전체의 이미지에 작업 레이저 빔을 전달하는 이미지 세그먼트를 갖고 디지털 미러 장치를 사용하는 고-해상도 적층 제작 시스템 및 방법. 레이저 빔 경로에서 DMD를 사용하는 적층 제작 방법 및 시스템. 빌드 레이저 빔 경로를 따라 DMD를 갖는 빌드 레이저 빔과 조합된 예열 레이저 빔의 사용.A high-resolution additive manufacturing system and method using a digital mirror device with an image segment that constructs an image of an entire object and projects a target area to deliver a working laser beam to the image of the entire object to be built. Additive manufacturing method and system using DMD in laser beam path. Use of a preheat laser beam in combination with a build laser beam with a DMD along the build laser beam path.

Description

청색 레이저 금속 적층 제작 시스템Blue Laser Metal Additive Manufacturing System

본 출원은 그 전체 개시가 원용에 의해 본 출원에 포함되는, 2019년 11월 6일자로 출원된 미국 가 출원 일련번호 62/931,734호에 대한 출원일의 이득 및 우선권의 이득을 35 U.S.C. §119(e)(1) 하에서 주장한다.This application is entitled to the benefit of filing date and the benefit of priority to U.S. Provisional Application Serial No. 62/931,734, filed on November 6, 2019, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference in its entirety, to 35 U.S.C. assert under § 119(e)(1).

본 발명은 재료의 레이저 가공, 특히 약 350 nm 내지 약 700 nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 사용하는 레이저 적층 제작 공정을 포함한 재료의 레이저 빌드(laser build)에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to laser processing of materials, in particular laser builds of materials, including laser additive manufacturing processes using a laser beam having a wavelength between about 350 nm and about 700 nm.

적외선(IR) 기반(예를 들어, 700 nm 초과의 파장, 특히 1,000 nm 초과의 파장을 가짐) 적층 제작 시스템은 무엇보다도 두 가지 단점을 겪는데, 이는 빌드 용적과 빌드 속도 모두를 제한한다. 이들 IR 시스템에서 빌드 용적은 스캔 시스템의 유한 크기 및 주어진 초점 거리의 기준기와 f-세타 렌즈에 대해 생성될 수 있는 스폿에 의해 제한된다. 예를 들어, 그러한 이전 IR 시스템에서 14 mm 초점 거리 시준기와 500 mm F-세타 초점 길이 렌즈를 사용할 때, 회절 제한 IR 레이저 빔에 대해 스폿 크기는 350 μm 정도이다. 이는 약 85 mm x 85 mm의 분말 층과 같은 원시 빌드 재료에 주소지정 가능한 풋프린트(foot print)를 제공하여, 주어진 해상도(예를 들어, 스폿 크기)에 대한 빌드 용적에 대한 유한 제한을 생성하거나 설정한다. IR 레이저 시스템의 빌드 속도에 대한 제 2 제한은 재료에 의한 레이저 빔의 흡수이다. 원래 대부분의 빌드 자재는 적외선 스펙트럼의 파장에 대해 보통에서 낮은 반사율을 갖지만, 적층 제작이 높고 매우 높음 IR 반사율을 가지는 금, 은, 백금, 구리 및 알루미늄과 같은 금속 그리고 이들의 합금을 사용하기 시작함에 따라서 IR 적층 제작에서 이들 고반사 IR 유형의 빌드 재료를 사용할 때 문제가 발생했다. 결과적으로, 적외선 레이저 에너지를 원료 빌드 재료(예를 들어, 분말 층 또는 입자)에 커플링하는 것은 에너지의 상당 부분이 원료 빌드 재료로 뒤로 또는 깊숙이 반사되는 것으로 제한된다. 이들 제한은 IR 적층 시스템의 문제점과 결함을 더욱 복잡하게 하는 방식으로 추가로 연류되거나 함께 연결된다. 따라서 적외선 레이저 광의 유한 침투 깊이는 최적의 층 두께를 결정하고 결과적으로 공정의 해상도를 제한한다. 따라서 IR 레이저 시스템은 전형적인 빌드 재료에 대한 반사율로 인해 층 두께가 제한되어 해상도가 제한된다.Infrared (IR) based (eg, having wavelengths greater than 700 nm, particularly wavelengths greater than 1,000 nm) additive manufacturing systems suffer, among other things, from two drawbacks, which limit both build volume and build speed. The build volume in these IR systems is limited by the finite size of the scan system and the spot that can be created for a reference and f-theta lens of a given focal length. For example, when using a 14 mm focal length collimator and a 500 mm F-theta focal length lens in such an older IR system, the spot size for a diffraction limited IR laser beam is on the order of 350 μm. This provides an addressable foot print to the raw build material, such as a powder layer of approximately 85 mm x 85 mm, creating a finite constraint on the build volume for a given resolution (e.g. spot size) or set A second limitation on the build speed of IR laser systems is the absorption of the laser beam by the material. Originally, most build materials had moderate to low reflectivity for wavelengths in the infrared spectrum, but additive manufacturing began to use metals such as gold, silver, platinum, copper and aluminum, and their alloys, which have high and very high IR reflectivity. Therefore, problems have arisen when using these highly reflective IR types of build materials in IR additive manufacturing. Consequently, coupling infrared laser energy to the raw build material (eg, a powder layer or particles) is limited to a significant portion of the energy being reflected back or deeply into the raw build material. These limitations are further implicated or linked together in a manner that further complicates the problems and deficiencies of IR stacking systems. Therefore, the finite penetration depth of infrared laser light determines the optimal layer thickness and consequently limits the resolution of the process. Therefore, IR laser systems have limited resolution due to limited layer thickness due to reflectivity for typical build materials.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "UV", "자외선", "UV 스펙트럼" 및 "스펙트럼의 UV 부분" 및 이와 유사한 용어는 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 약 10 nm 내지 약 400 nm, 및 10 nm 내지 400 nm 파장의 광을 포함할 수 있다.As used herein, unless expressly stated otherwise, "UV", "ultraviolet light", "UV spectrum" and "UV portion of the spectrum" and similar terms are to be given their broadest meaning and are to be approximately 10 It may include light of wavelengths from about 400 nm to about 400 nm, and from 10 nm to 400 nm.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "가시광", "가시 스펙트럼" 및 "가시 스펙트럼의 가시 부분"이라는 용어와 유사한 용어는 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 약 380 nm 내지 약 750 nm, 및 400 nm 내지 700 nm 파장의 광을 포함할 수 있다.As used herein, unless expressly stated otherwise, terms similar to the terms "visible light", "visible spectrum" and "visible portion of the visible spectrum" are to be given the broadest meaning and are to range from about 380 nm to about 380 nm. about 750 nm, and light of wavelengths from 400 nm to 700 nm.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "청색 레이저 빔", "청색 레이저" 및 "청색"이라는 용어는 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 일반적으로 레이저 빔, 레이저 빔들, 레이저 소스를 제공하는 시스템, 예를 들어 레이저 빔, 또는 400 nm(나노미터) 내지 500 nm, 및 약 400 nm 내지 약 500 nm의 파장을 갖는 광을 제공하는 예를 들어, 레이저 및 다이오드 레이저를 지칭한다. 청색 레이저는 450 nm, 약 450nm, 460nm, 약 460 nm의 파장을 포함한다. 청색 레이저는 약 10 pm(피코미터) 내지 약 10 nm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm뿐만 아니라 더 크고 더 작은 값의 대역폭을 가질 수 있다.As used herein, unless expressly stated otherwise, the terms "blue laser beam", "blue laser" and "blue" are to be given their broadest meaning and are generally to laser beam, laser beams, laser systems that provide a source, such as a laser beam, or, for example, lasers and diode lasers, that provide light with wavelengths from 400 nm (nanometers) to 500 nm, and from about 400 nm to about 500 nm . Blue lasers include wavelengths of 450 nm, about 450 nm, 460 nm, about 460 nm. Blue lasers can have bandwidths of about 10 pm (picometer) to about 10 nm, about 5 nm, about 10 nm, and about 20 nm, as well as larger and smaller values of bandwidth.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, "녹색 레이저 빔", "녹색 레이저" 및 "녹색"이라는 용어는 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 일반적으로 레이저 빔, 레이저 빔들, 레이저 소스를 제공하는 시스템, 예를 들어 500 nm 내지 575 nm, 약 500 nm 내지 약 575 nm의 파장을 갖는 광을 제공, 예를 들어 전파하는 레이저 및 다이오드 레이저를 지칭한다. 녹색 레이저는 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm, 550 nm 및 약 550 nm의 파장을 포함한다. 녹색 레이저는 약 10 pm 내지 10 nm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm뿐만 아니라 더 크거나 더 작은 값의 의 대역폭을 가질 수 있다.As used herein, unless expressly stated otherwise, the terms "green laser beam", "green laser" and "green" are to be given their broadest meaning and are generally to a laser beam, laser beams, laser systems that provide a source, eg, lasers and diode lasers that provide, eg, propagate, light having a wavelength between 500 nm and 575 nm, between about 500 nm and about 575 nm. Green lasers include wavelengths of 515 nm, about 515 nm, 532 nm, about 532 nm, 550 nm, and about 550 nm. The green laser may have a bandwidth of about 10 pm to 10 nm, about 5 nm, about 10 nm, and about 20 nm, as well as larger or smaller values of .

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, "디지털 미러 장치"라는 용어는 가능한 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 레이저 빔을 포함한 광을 지향시키거나 재지향시키기 위해서 속성, 표면 특징, 표면 윤곽, 및 반사, 굴절 표면을 변경함으로써 레이저 빔을 지향 또는 재지향시킬 수 있는 변형 가능한 미러를 포함한 모든 장치를 포함할 수 있다. 디지털 미러 장치라는 용어는 디지털 마이크로미러 장치("DMD") 및 마이크로-전자-기계 시스템("MEMS")을 포함한다.As used herein, unless otherwise specified, the term "digital mirror device" is to be given the broadest possible meaning and has properties, surface characteristics, surface contour, and deformable mirrors capable of directing or redirecting a laser beam by altering a reflective, refractive surface. The term digital mirror device includes digital micromirror devices (“DMD”) and micro-electro-mechanical systems (“MEMS”).

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, "DMD", "디지털 마이크로미러 장치", "마이크로-전기-기계-시스템", "MEMS"라는 용어 및 이와 유사한 용어는 가능한 가장 넓은 의미를 부여해야 하며 일반적으로 이동 또는 위치지정 가능한 많은 수의 작은 반사 표면을 가지는 장치를 포함할 수 있다. 일반적으로, 작은 반사 표면은 예를 들어 정사각형, 다이아몬드, 직사각형, 원형 또는 타원형 형상을 가지며 약 1 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 전형적으로 약 5 ㎛ 내지 약 25 ㎛, 특히 약 5 ㎛, 약 10 ㎛, 약 15 ㎛의 단면적(최대 단면적)을 가지며, 더 크고 더 작은 크기도 사용될 수 있다. 이들 장치는 약 10 내지 약 1,000,0000 또는 그 초과의 이동 가능한 반사 표면; 수십, 수백, 수천, 수만 개의 이동 가능한 반사 표면; 약 100,000 내지 약 700,000 개의 이동 가능한 반사 표면; 약 200,000 내지 약 500,000 개의 이동 가능한 반사 표면; 그리고 전형적으로 수백 또는 수천 개의 이동 가능한 반사 표면을 가질 수 있다. 일반적으로, 각각의 반사 표면은 개별적으로 제어 가능한 기울기 자유도를 가지며 2 개, 3 개 이상의 위치를 가질 수 있고 축으로부터 약 ±5 도 내지 약 ±25 도만큼, 전형적으로 약 ±10 도 내지 ±15 도, ±10 도, ±12 도 및 ±15도만큼 축에서 벗어난 기울기의 움직임을 가질 수 있다.As used herein, unless otherwise specified, the terms "DMD", "digital micromirror device", "micro-electro-mechanical-system", "MEMS" and similar terms have the broadest possible meaning. must be provided and may include devices having a large number of small reflective surfaces that are generally movable or positionable. In general, the small reflective surface has, for example, a square, diamond, rectangular, circular or elliptical shape and is from about 1 μm to about 50 μm, typically from about 5 μm to about 25 μm, particularly from about 5 μm, about 10 μm, about It has a cross-sectional area (maximum cross-sectional area) of 15 μm, and larger and smaller sizes may be used. These devices may include from about 10 to about 1,000,0000 or more movable reflective surfaces; tens, hundreds, thousands, tens of thousands of movable reflective surfaces; about 100,000 to about 700,000 movable reflective surfaces; about 200,000 to about 500,000 movable reflective surfaces; and can typically have hundreds or thousands of movable reflective surfaces. In general, each reflective surface has an individually controllable degree of tilt freedom and can have two, three or more positions and is from about ±5 degrees to about ±25 degrees from the axis, typically from about ±10 degrees to ±15 degrees. , ±10 degrees, ±12 degrees and ±15 degrees off-axis tilt motion.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, 용어 "비-매크로-기계적 모션 빔 조향" 장치 또는 시스템은 레이저 빔을 지향시키기 위해서 매크로-기계적 모션 빔 조향장치를 사용 또는 갖지 않고, 특히 레이저 빔을 지향시키기 위해서 갈보-미러(galvo-mirror), 짐벌(gimbal), 고속 조향 미러, 리즐리(Risley) 프리즘 또는 회전 다각형을 사용하지 않는 장치 또는 시스템을 의미한다.As used herein, unless otherwise specified, the term “non-macro-mechanical motion beam steering” device or system refers to a device or system with or without a macro-mechanical motion beam steering device to direct a laser beam, in particular a laser Means a device or system that does not use a galvo-mirror, gimbal, high-speed steering mirror, Risley prism or rotating polygon to direct a beam.

일반적으로, 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "약" 및 기호 "~"는 달리 명시되지 않는 한, ±10%의 편차 또는 범위, 명시된 값을 얻는 것과 관련된 실험 또는 기기 오차, 바람직하게는 이들보다 더 큰 범위를 포함하는 의미이다.In general, the term "about" and the symbol "~" as used herein, unless otherwise specified, mean a deviation or range of ±10%, experimental or instrumental error associated with obtaining the stated value, preferably greater than these. It is meant to encompass a larger range.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, 실온은 25 ℃이다. 그리고 표준 주위 온도 및 압력은 25 ℃ 및 1 기압이다. 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 온도 종속, 압력 종속 또는 둘 다인 모든 테스트, 테스트 결과, 물리적 특성 및 값은 표준 주변 온도 및 압력에서 제공되며 여기에는 점도가 포함된다.As used herein, unless otherwise specified, room temperature is 25°C. And the standard ambient temperature and pressure is 25 °C and 1 atmosphere. Unless expressly stated otherwise, all tests, test results, physical properties and values that are temperature dependent, pressure dependent or both are provided at standard ambient temperature and pressure, including viscosities.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 값 범위의 인용은 단지, 범위 내에 속하는 개별 값을 개별적으로 인용하는 속기 방법(shorthand method)의 역할을 하기 위한 것이다.As used herein, unless otherwise specified, the recitation of a range of values used herein is merely intended to serve as a shorthand method of individually recitation of each individual value falling within the range.

본 명세서에서 달리 명시되지 않는 한, 범위 내의 각각의 개별 값은 개별적으로 인용된 것처럼 명세서에 포함된다.Unless otherwise specified herein, each individual value within a range is incorporated into the specification as if individually recited.

전형적으로, 오늘날 적층 제작에 사용되는 방법은 적외선 레이저와 검류계를 사용하여 미리 결정된 패턴으로 분말 층의 표면을 가로질러 레이저 빔을 스캔하는 것이다. IR 레이저 빔은 액화된 분말을 하부 층 또는 기판에 녹이고 융합하는 키홀 용접 공정을 생성하는데 충분한 강도이다. 이러한 접근 방식은 공정 속도를 결정하는 몇 가지 제한을 가진다. 예를 들어, 단일 층 빔이 표면을 스캔하는데 사용되며 빌드 속도는 검류계의 최대 스캔 속도(7 m/sec)에 의해 제한된다. 제작업체는 IR 기술을 강력하게 수용하며 전형적으로 IR 기술이 유일하게 실행 가능한 파장이라고 생각하므로 2 개 이상의 IR 레이저/검류계를 시스템에 통합하여 이러한 한계를 극복하기 위해서 작동하지만 제한적인 성공을 거두었으며, 이 둘은 함께 작동하여 단일 부품을 구축하거나 독립적으로 작동하여 부품을 병렬로 구축할 수 있다. 이들 노력은 적층 제작 시스템의 처리량을 개선하는 것을 목표로 하지만, IR에만 초점을 맞추었고 개선된 적층 제작에 대한 오랜 필요성을 충족시키지 못한 제한적인 성공을 거두었다.Typically, the method used in additive manufacturing today is to scan a laser beam across the surface of a powder layer in a predetermined pattern using an infrared laser and a galvanometer. The IR laser beam is of sufficient intensity to create a keyhole welding process that melts and fuses liquefied powder into an underlying layer or substrate. This approach has some limitations that determine the speed of the process. For example, a single layer beam is used to scan the surface and the build speed is limited by the maximum scan speed of the galvanometer (7 m/sec). As manufacturers strongly embrace IR technology and typically consider IR technology to be the only viable wavelength, the integration of two or more IR lasers/galvanometers into systems has worked to overcome these limitations, but with limited success, The two can work together to build a single part, or they can work independently to build parts in parallel. Although these efforts aim to improve the throughput of additive manufacturing systems, they have focused only on IR and have had limited success in meeting the long-standing need for improved additive manufacturing.

IR 처리의 다른 제한의 예는 IR 레이저/검류계 시스템으로 처리할 수 있는 유한 용적이다. 고정 헤드 시스템에서 빌드 용적은 f-세타 렌즈의 초점 거리, 검류계의 스캔 각도, IR 레이저의 파장 및 적외선 레이저의 빔 품질에 의해 정의된다. 예를 들어, 500 mm F-세타 렌즈의 경우, IR 레이저는 회절 제한 적외선 레이저에 대해 50 ㎛ 정도의 스폿 크기를 생성한다. 레이저 빔이 100 와트 광 출력에서 작동하는 경우, 빔의 강도는 키홀 용접 모드를 시작하는데 필요한 강도보다 크다. 키홀 용접 모드는 교차 제트에 의해 레이저 빔의 경로에서 제거되어야 하는 기화된 재료 기둥을 생성하며 그렇지 않으면 레이저 빔이 기화된 금속에 의해 산란되고 흡수된다. 또한, 용접의 키홀 모드가 기화 금속의 증기압에 의해 유지되는 액체 금속 표면에 구멍을 만드는 것에 의존하기 때문에, 기화 금속 이외의 재료가 키홀에서 배출될 수 있다. 이러한 재료는 스패터(spatter)로 지칭되며 최종 부품의 결함으로 이어질 수 있는 빌드 평면의 다른 곳에 용융 재료가 증착된다. 적층 제작 시스템 제작업체는 신속한 프로토타이핑 기계(prototyping machine)를 개발하는데 약간의 제한적인 성공을 거두었지만, 이들은 오랫동안 느껴온 요구 사항을 충족하지 못하고 상업용 또는 실제 부품을 대량으로 생산하는데 필요한 요구사항을 달성하지 못했다. 이를 달성하기 위해, 본 발명 이전에는 당해 기술이 달성하지 못한 부품 패턴화 방법의 돌파구를 얻었다.An example of another limitation of IR processing is the finite volume that can be processed with an IR laser/galvanometer system. In a fixed head system, the build volume is defined by the focal length of the f-theta lens, the scan angle of the galvanometer, the wavelength of the IR laser, and the beam quality of the infrared laser. For example, for a 500 mm F-theta lens, an IR laser produces a spot size on the order of 50 μm for a diffraction limited infrared laser. When the laser beam is operated at 100 watts of light output, the intensity of the beam is greater than the intensity required to initiate the keyhole welding mode. The keyhole welding mode creates a column of vaporized material that must be removed from the path of the laser beam by an intersecting jet, otherwise the laser beam is scattered and absorbed by the vaporized metal. Also, since the keyhole mode of welding relies on making a hole in the surface of the liquid metal maintained by the vapor pressure of the vaporizing metal, materials other than the vaporizing metal may be ejected from the keyhole. This material is referred to as spatter and deposits molten material elsewhere in the build plane that can lead to defects in the final part. Manufacturers of additive manufacturing systems have had some limited success in developing rapid prototyping machines, but they do not meet long-felt requirements and do not achieve the requirements needed to mass-produce commercial or physical parts. couldn't In order to achieve this, a breakthrough has been achieved in the method of patterning parts that the prior art has not achieved before the present invention.

일반적으로, IR 처리 및 시스템의 문제 및 실패는 키홀 용접 모드에서 분말을 융합해야 하는 요구사항 또는 필요성이다. 이는 전형적으로 분말을 처리하기 위해 단일 빔을 사용하기 때문일 수 있다. 레이저 빔이 100 와트 광 출력에서 작동하는 경우, 빔의 강도는 키홀 용접 모드를 시작하는데 필요한 강도보다 크다. 키홀 용접 모드는 교차 제트에 의해 레이저 빔의 경로에서 제거되어야 하는 기화된 재료 기둥을 생성하며 그렇지 않으면 레이저 빔이 기화된 금속에 의해 산란되고 흡수된다. 또한 용접의 키홀 모드가 기화된 금속의 증기압에 의해 유지되는 액체 금속 표면에 구멍을 만드는 것에 의존하기 때문에, 기화된 금속과 같은 재료가 키홀에서 배출될 수 있다. 이러한 재료는 스패터로 지칭되며 최종 부품의 결함으로 이어질 수 있는 빌드 평면의 다른 곳에 용융 재료가 증착된다.In general, problems and failures of IR processes and systems are the requirement or need to fuse powders in keyhole welding mode. This may be because they typically use a single beam to process the powder. When the laser beam is operated at 100 watts of light output, the intensity of the beam is greater than the intensity required to initiate the keyhole welding mode. The keyhole welding mode creates a column of vaporized material that must be removed from the path of the laser beam by an intersecting jet, otherwise the laser beam is scattered and absorbed by the vaporized metal. Also, since the keyhole mode of welding relies on making a hole in the surface of the liquid metal that is held by the vapor pressure of the vaporized metal, material such as vaporized metal can be ejected from the keyhole. This material is referred to as spatter and deposits molten material elsewhere in the build plane that can lead to defects in the final part.

OALV(Optical Activated Light Valve: 광학 활성 조명 밸브)를 사용하는 Lawrence Livermore National Laboratories의 최근 작업은 이들 IR 한계를 해결하기 위해서 시도되었다. OALV는 고출력 레이저를 사용하여 광 패턴을 생성하는데 사용되는 고출력 공간 광 변조기이다. OALV의 패턴이 프로젝터의 청색 LED 또는 레이저 소스로 생성되는 동안, 4 개의 레이저 다이오드 어레이의 출력 전력은 공간 광 변조기를 통해 전송되고 이미지를 융점으로 가열하는데 사용되며 Q-스위치 IR 레이저가 키홀 용접을 시작하는데 필요하다. IR 레이저는 특히, 구리 또는 알루미늄 재료를 융합할 때 용접을 시작하기 위해서 키홀 모드에서 사용되며 일반적으로 이들 재료에 필요하다. 이러한 키홀 용접 공정은 전형적으로 부품에 스패터, 다공성뿐만 아니라 높은 표면 거칠기를 생성한다. 따라서 전형적인 IR 시스템과 같은 OALV 시스템은 빌드 공정의 키홀 개시의 역효과를 제거하지 못한다. 키홀 용접 단계를 완전히 피하는 것이 더 양호하지만, 본 기술은 이러한 문제를 극복하지 못하고 이의 해결책을 제공하지 못했다. 이러한 실패는 주로 IR 파장에서 많은 금속의 흡수 특성이 너무 낮아서 공정을 개시하기 위해서 높은 피크 출력의 레이저가 필요하기 때문에 발생했다. OALV가 스펙트럼의 IR 영역에서만 투명하기 때문에, 가시 레이저 소스를 고에너지 광원으로 사용하는 이러한 유형의 시스템을 구축하거나 사용하는 것은 불가능하다. 이러한 시스템의 구성요소 비용은 특히 맞춤 유닛인 OALV가 매우 높다.Recent work at Lawrence Livermore National Laboratories using Optical Activated Light Valves (OALVs) has attempted to address these IR limitations. OALV is a high-power spatial light modulator used to generate light patterns using high-power lasers. While the OALV's pattern is generated by the projector's blue LED or laser source, the output power of the four laser diode array is transmitted through a spatial light modulator and used to heat the image to its melting point, and a Q-switched IR laser initiates keyhole welding. need to do IR lasers are used in keyhole mode to initiate welding, especially when fusing copper or aluminum materials, and are usually required for these materials. These keyhole welding processes typically create spatter, porosity, as well as high surface roughness in the part. Thus, an OALV system like a typical IR system does not eliminate the adverse effect of keyhole initiation of the build process. Although it is better to avoid the keyhole welding step entirely, the present technology has not overcome this problem and has not provided a solution therefor. This failure occurred mainly because the absorption properties of many metals at IR wavelengths were so low that a high peak power laser was needed to initiate the process. Because OALV is transparent only in the IR region of the spectrum, it is impossible to build or use this type of system that uses a visible laser source as a high-energy light source. The component cost of these systems is very high, especially for the custom unit OALV.

이전의 금속 기반 적층 제작 기계는 분말 층에 분사되는 결합제를 기반으로 하고 고온에서 통합 단계를 기반으로 하거나 검류계로 고속에서 검류계 시스템에 의해 분말 층을 스캔하는 고출력 단일 모드 레이저 빔을 기반으로 한다는 점에서 매우 제한적이다. 이들 두 시스템은 모두 당업계가 극복할 수 없는 중대한 결함을 가지고 있다. 제 1 시스템은 통합 과정에서 부품의 수축으로 인해 공차가 느슨한 부품을 대량으로 제조할 수 있다. 제 2 공정은 사용할 수 있는 최대 출력 레벨 레이저와 결과적으로 빌드 속도를 제한하는 검류계의 스캔 속도에 의해 빌드 속도가 제한된다. 스캐닝 기반 적층 제작 시스템의 빌더(builder)는 이들 문제에 대한 적절한 해결책을 제공하지 못한 다중 스캔 헤드와 레이저 시스템을 갖춘 기계를 구축함으로써 이러한 한계를 극복하기 위해 노력했다. 이는 실제로 처리량을 증가시키지만 스케일링 법칙은 선형이다. 환언하면, 2 개의 레이저 스캐너가 있는 시스템은 하나의 스캐너가 있는 시스템보다 두 배 많은 부품을 만들거나 단일 부품을 두 배 빠르게 만들 수 있다. 따라서, 현재 이용 가능한 시스템의 한계를 겪지 않는 높은 처리량, 레이저 기반 금속 적층 제작 시스템이 필요하다.In that previous metal-based additive manufacturing machines were based on a binder sprayed onto a powder layer and based on an integration step at high temperature or a high-power single-mode laser beam that scans the powder layer by a galvanometer system at high speed with a galvanometer. Very limited. Both of these systems have significant deficiencies that cannot be overcome by those skilled in the art. The first system can manufacture large quantities of parts with loose tolerances due to shrinkage of parts during integration. The second process is the build rate limited by the maximum power level laser that can be used and the scan rate of the galvanometer which consequently limits the build rate. Builders of scanning-based additive manufacturing systems have tried to overcome these limitations by building machines with multiple scan heads and laser systems that have failed to provide adequate solutions to these problems. This actually increases throughput, but the scaling law is linear. In other words, a system with two laser scanners can make twice as many parts or a single part twice as fast as a system with one scanner. Therefore, there is a need for a high-throughput, laser-based metal additive manufacturing system that does not suffer from the limitations of currently available systems.

본 발명 섹션의 이러한 배경은 본 발명의 그러한 것과 연관될 수 있는 기술의 다양한 측면을 소개하기 위한 것이다. 따라서, 이러한 섹션의 전술한 논의는 본 발명의 더 나은 이해를 위한 토대를 제공하며, 종래 기술의 인정으로 간주되어서는 안 된다.This background of the present invention section is intended to introduce various aspects of the technology that may be associated with those of the present invention. Accordingly, the foregoing discussion of this section provides a basis for a better understanding of the present invention and should not be regarded as an admission of prior art.

본 발명은 IR 적층 제작 시스템 및 공정과 관련된 이들 문제점 및 기타 문제점을 해결하고, 적층 제작 공정 및 시스템이 더 널리 보급됨에 따라 이들 및 기타 오랫동안 느껴온 요구뿐만 아니라 미래의 요구를 해결한다.The present invention addresses these and other problems associated with IR additive manufacturing systems and processes, and addresses these and other long felt as well as future needs as additive manufacturing processes and systems become more prevalent.

따라서, 금속용 적층 제작 시스템이 제공되며, 시스템은 작업 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스; 레이저 소스와 광 통신하는 디지털 미러 장치, 이에 의해 레이저 소스는 제 1 레이저 빔 경로를 따라 작업 레이저 빔을 디지털 미러 장치로 전파할 수 있는, 디지털 미러 장치; 메모리 장치와 제어 통신에서, GUI와 제어 통신에서, 디지털 미러 장치와 제어 통신에서, 레이저 소스와 제어 통신에서, 그리고 스테이지와 제어 통신에서의 제어 시스템; 구축될 물체의 전체 이미지의 복수의 이미지 세그먼트를 포함하는 메모리 장치; 그리고 모터 및 디지털 미러 장치를 포함하는 스테이지를 포함하며; 디지털 미러 장치는 제 2 레이저 빔 경로를 따라 미리 결정된 패턴으로 작업 레이저 빔을 타겟 영역으로 투영하도록 구성되고, 타겟 영역은 분말을 포함하며; 미리 결정된 패턴은 이미지 세그먼트를 포함하며; 제어 시스템은 명령어를 포함하고, 명령어는 스테이지의 이동과 타겟 영역으로의 이미지 세그먼트의 투영을 동기화하며; 이미지 세그먼트가 타겟 영역에 투영되어 구축될 전체 물체의 이미지에서 작업 레이저 빔을 전달함으로써, 분말로 물체를 구축한다.Accordingly, an additive manufacturing system for metal is provided, comprising: a laser source for providing a working laser beam; a digital mirror device in optical communication with the laser source, whereby the laser source can propagate a working laser beam along a first laser beam path to the digital mirror device; a control system in control communication with the memory device, in control communication with the GUI, in control communication with the digital mirror device, in control communication with the laser source, and in control communication with the stage; a memory device comprising a plurality of image segments of an entire image of an object to be constructed; and a stage comprising a motor and a digital mirror device; the digital mirror device is configured to project the working laser beam into a target area in a predetermined pattern along the second laser beam path, the target area comprising powder; the predetermined pattern includes image segments; The control system includes instructions, the instructions synchronize movement of the stage and projection of the image segment to the target area; An image segment is projected onto a target area to build the object out of powder, delivering a working laser beam in the image of the entire object to be built.

또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 이들 시스템, 장치 및 방법이 제공되며, 여기서 디지털 미러 장치는 디지털 마이크로미러 장치 및 마이크로-전자-기계-시스템으로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 작동 레이저 빔은 300 nm 내지 800 nm 범위의 파장을 가지며, 작동 레이저 빔은 300 nm 내지 600 nm 범위의 파장을 가지며, 작동 레이저 빔은 400 nm 내지 500 nm 범위의 파장을 가지며, 작동 레이저 빔은 500 nm 내지 600 nm 범위의 파장을 가지며, 디지털 미러 장치는 공랭식이며, 디지털 미러 장치는 마이크로 채널 냉각기, 물 열교환기 및 펠티에 냉각기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 냉각 장치에 의해 냉각되며, 빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 지역 복사 히터를 가지며, 가열된 빌드 플레이트를 가지며, 패턴이 조명될 곳에서만 분말 층을 가열하기 위한 별도의 2차 레이저를 가지며, 불활성 분위기를 가지며, 미리 결정된 패턴은 수 kW 전력 밀도를 가지며, 시스템은 비-거시 기계적 모션 빔 조향 시스템이며, 금속 분말은 금, 은, 백금, 구리, 알루미늄 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된다.Also provided are these systems, devices and methods having one or more of the following features, wherein the digital mirror device is selected from the group consisting of a digital micromirror device and a micro-electro-mechanical-system, and wherein the working laser beam is between 300 nm and 300 nm. the working laser beam has a wavelength in the range of 800 nm, the working laser beam having a wavelength in the range of 300 nm to 600 nm, the working laser beam having a wavelength in the range of 400 nm to 500 nm, the working laser beam having a wavelength in the range of 500 nm to 600 nm wherein the digital mirror device is air cooled, the digital mirror device is cooled by a cooling device selected from the group consisting of a micro channel cooler, a water heat exchanger and a Peltier cooler, has a local radiant heater to maintain the build chamber temperature, and is heated built plate, with a separate secondary laser for heating the powder layer only where the pattern will be illuminated, with an inert atmosphere, with a predetermined pattern having a power density of several kW, and the system is equipped with a non-macro-mechanical motion beam steering system, wherein the metal powder is selected from the group consisting of gold, silver, platinum, copper, aluminum and alloys thereof.

여전히 또한, 금속 분말로 물체를 구축하기 위해 이들 시스템 중 하나를 작동시키기 위한 방법이 제공된다.Still further, a method is provided for operating one of these systems to build an object from metal powder.

또한, 공간 광 변조기, 공간 광 변조기의 어레이를 사용하는 3D 시스템이 제공되며, 둘 다 분말 층에 에너지 패턴을 형성하여 플라스틱 또는 나일론 재료를 직접 융합하거나 1차 레이저가 스캔될 영역의 융점 바로 아래로 영역의 온도를 단순히 제어한다. 이러한 접근 방식을 고려하는 이유는 시스템의 에너지 효율을 개선하기 위한 것으로 이론화된다. 현재, 복사 히터, 지역 복사열 또는 빌드 플레이트 온도 제어 시스템이 처리될 전체 비드를 예열하는데 사용된다. 예열될 영역의 크기를 줄임으로써 시스템의 전체 에너지 소비를 줄일 수 있다.Also provided is a spatial light modulator, a 3D system using an array of spatial light modulators, both of which form an energy pattern in a powder layer to fuse plastic or nylon materials directly, or just below the melting point of the area where the primary laser will be scanned. It simply controls the temperature of the zone. It is theorized that the reason for considering this approach is to improve the energy efficiency of the system. Currently, radiant heaters, regional radiant heat or build plate temperature control systems are used to preheat the entire bead to be processed. By reducing the size of the area to be preheated, the overall energy consumption of the system can be reduced.

또한, 본 발명의 실시예는 디지털 미러 장치 공간 광 변조기, 디지털 미러 장치의 어레이를 사용하는 것을 기반으로 하며, 둘 다 플라스틱을 녹이고 흐르게 하는데 충분하지만 금속을 녹이고 융합하는데 불충분한 연속 모드에서 작동할 때 전력 밀도가 100 W/cm² 이하로 제한되어야 한다고 가정한다.Further, embodiments of the present invention are based on the use of a digital mirror device spatial light modulator, an array of digital mirror devices, both of which are sufficient to melt and flow plastic, but insufficient to melt and fuse metal when operating in a continuous mode. Assume that the power density must be limited to 100 W/cm ² or less.

레이저와 공간 광 변조기, 공간 광 변조기의 어레이를 사용하는 금속용 적층 제작 시스템이 제공되며, 둘 다 층 아래로 융합되는 분말 금속 층에 에너지 패턴을 형성하기 위해서 분말 층을 가로질러 이미지를 계단식으로 반복하는 갠트리 시스템, 모션 제어 시스템, 각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터, 및 융합하기 전에 분말을 확산하고 이를 압축할 수 있는 분말 분배 시스템과 기밀식 빌드 챔버를 포함한다.An additive manufacturing system for metal using a laser, a spatial light modulator, and an array of spatial light modulators is provided, both of which cascade images across a powder layer to form an energy pattern in a powder metal layer that is fused down the layer. It includes a gantry system that does this, a motion control system, an elevator that displaces the parts down as each layer fuses, and a powder dispensing system capable of spreading and compressing the powder prior to fusing and a hermetic build chamber.

또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 이들 레이저, 시스템 및 방법이 제공되며: 300 내지 400 nm의 파장 범위의 레이저; 400 내지 500 nm의 파장 범위의 레이저; 500 내지 600 nm 파장 범위의 레이저; 600 내지 800 nm의 파장 범위의 레이저; 800 nm 내지 2000 nm 범위의 적외선 레이저; 레이저는 광 파이프, 마이크로 렌즈 균질화기, 회절 요소 및 이들의 조합 및 변형에 의해 균질화되며; 레이저는 다중 프린트 헤드 또는 다중 프린터 시스템 사이에 시간을 공유하며; 공간 광 변조기는 마이크로미러 어레이인 디지털 마이크로미러 장치("DMD") 어레이이며; 공간 광 변조기는 다중 W 내지 다중 kW 전력 레벨을 처리할 수 있는 공간 광 변조기의 등급 중 하나이며; DMD는 공냉식이며; DMD는 수냉식이며; DMD는 마이크로 채널 냉각기와 같은 물 냉각기에 의해 수냉되며; DMD는 펠티에(Peltier) 냉각기에 의해 냉각되며; 빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 지역 복사 히터를 포함하며; 가열된 빌드 플레이트를 포함하며; 빌드 플레이트 온도를 모니터링하거나 제어하기 위한 고온계 또는 FLIR 카메라를 포함하며; 빌드 플레이트의 온도를 모니터링하거나 제어하기 위해 빌드 플레이트에 내장된 열전대 또는 RTD를 포함하며; 최적의 빌드 전략을 결정하기 위한 소프트웨어를 포함하며; 패턴이 조명될 곳에서만 분말 층을 가열하기 위한 별도의 2차 레이저를 포함하며; 부품 제작을 위해 불활성 분위기를 사용하며; 시스템의 광학 장치를 깨끗하게 유지하기 위해 불활성 분위기를 사용하며; 레이저-공간 변조기 조합은 금속 융합에 필요한 수 kW/cm² 전력 밀도를 갖는 분말 층에 생성 및 이미지를 생성한다.Also provided are these lasers, systems and methods having one or more of the following features: a laser in a wavelength range of 300 to 400 nm; lasers in the wavelength range from 400 to 500 nm; lasers in the 500 to 600 nm wavelength range; lasers in the wavelength range from 600 to 800 nm; infrared lasers in the range from 800 nm to 2000 nm; The laser is homogenized by a light pipe, a micro lens homogenizer, a diffractive element, and combinations and transformations thereof; Lasers share time between multiple print heads or multiple printer systems; The spatial light modulator is a digital micromirror device (“DMD”) array that is an array of micromirrors; Spatial light modulators are one of the classes of spatial light modulators capable of handling multiple W to multiple kW power levels; DMD is air cooled; DMD is water cooled; The DMD is water cooled by a water cooler such as a micro channel cooler; The DMD is cooled by a Peltier cooler; a local radiant heater for maintaining the build chamber temperature; a heated build plate; a pyrometer or FLIR camera for monitoring or controlling the build plate temperature; comprising a thermocouple or RTD embedded in the build plate to monitor or control the temperature of the build plate; software for determining an optimal build strategy; including a separate secondary laser for heating the powder layer only where the pattern will be illuminated; use an inert atmosphere for part fabrication; use of an inert atmosphere to keep the system's optics clean; The laser-spatial modulator combination creates and images the powder layer with the several kW/cm ² power density required for metal fusion.

또한, 레이저 및 공간 광 변조기, 공간 광 변조기의 어레이를 사용하는 금속용 적층 제작 시스템이 제공되며, 둘다 예로서, 분말 층을 예열하기 위해 제 2 레이저가 보조하는 전도 모드 용접 공정, 분말 층을 가로질러 이미지를 계단식으로 반복하고, 헤드, 층 및 둘 다의 이동과 동기화된 DMD를 가로질러 이미지를 스크롤함으로써 이미지를 연속적으로 프린팅하여 분말을 용융하는데 시간, 바람직하게는 더 많은 시간을 제공하는 갠트리 시스템, 각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 모션 제어 시스템 엘리베이터, 융합 전에 분말을 확산시키고 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 및 기밀식 빌드 챔버를 사용하여 층 아래로 융합되는 분말 금속 층에 에너지 패턴을 형성한다.Also provided is an additive manufacturing system for metal using a laser and a spatial light modulator, an array of spatial light modulators, both of which transverse the powder layer, eg, a conduction mode welding process assisted by a second laser to preheat the powder layer. Gantry system providing time, preferably more time, to melt the powder by continuously printing images by cascading images across , a motion control system elevator that displaces the part down as each layer is fused, a powder distribution system that can spread and compact the powder prior to fusing, and a powder metal layer that is fused down the layer using a hermetic build chamber. form an energy pattern.

또한, 빌드 플레이트가 알루미늄, 양극산화 처리된 알루미늄, 티타늄, 스틸, 스테인리스 스틸, 니켈, 구리, 이들의 조합뿐만 아니라, 분말과 동일한 재료이거나 상이한 재료일 수 있는 임의의 기타 재료를 포함한 임의의 수의 금속 재료를 포함하는 특징을 갖는 이들 시스템 및 방법이 제공된다.In addition, the build plate can be made of any number of materials, including aluminum, anodized aluminum, titanium, steel, stainless steel, nickel, copper, combinations thereof, as well as any other material that may be the same material as the powder or a different material. These systems and methods are provided having features comprising a metallic material.

또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 이들 레이저, 시스템 및 방법이 제공되며; 여기서 레이저는 대략 450 nm 청색 레이저이며; 레이저는 300 내지 400 nm의 파장 범위에 있으며; 레이저는 400 내지 500 nm의 파장 범위에 있으며; 레이저는 500 내지 600 nm의 파장 범위에 있으며; 레이저는 600 내지 800 nm의 파장 범위에 있으며; 레이저는 800 nm 내지 2000 nm 범위의 적외선 레이저이며; 레이저는 광 파이프 또는 마이크로 렌즈 균질화기에 의해 균질화되며; 레이저는 다중 프린트 헤드 또는 다중 프린터 시스템 사이에 시간을 공유할 수 있으며; 2차 레이저가 있으며; 2차 레이저는 450 nm 청색 레이저이며; 2차 레이저는 300 내지 400 nm의 파장 범위에 있으며; 2차 레이저는 400 내지 500 nm의 파장 범위에 있으며; 2차 레이저는 500 내지 600 nm의 파장 범위에 있으며; 2차 레이저는 600 내지 800 nm의 파장 범위에 있으며; 2차 레이저는 800 nm 내지 2000 nm 범위의 적외선 레이저이며; 광 파이프, 마이크로 렌즈 균질화기 또는 회절 광학 요소에 의해 균질화되며; 2차 레이저는 다중 프린트 헤드 또는 다중 프린터 시스템 사이에서 시간이 공유되며; 시스템은 공간 광 변조기를 가지며; 공간 광 변조기는 디지털 마이크로미러 장치("DMD")이며; 공간 광 변조기는 다중 와트 내지 다중 kW 전력 레벨을 처리할 수 있는 임의의 부류의 공간 광 변조기이며; 시스템은 빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 지역 복사 히터를 포함하며; 시스템은 가열된 빌드 플레이트를 포함하며; 시스템은 빌드 플레이트 온도를 모니터링하거나 제어하기 위한 고온계 또는 FLIR 카메라를 포함하며; 시스템은 빌드 플레이트의 온도를 모니터링하거나 제어하기 위해 빌드 플레이트에 내장된 열전대 또는 RTD를 포함하며; 시스템은 최적의 구축 전략을 결정하기 위한 소프트웨어를 포함하며; 시스템은 부품 제작을 위해 불활성 분위기를 사용하며; 시스템은 시스템의 광학계를 깨끗하게 유지하기 위해 불활성 분위기를 사용하며; 시스템은 다중 와트 내지 다중 kW 와트 전력 밀도를 갖는 분말 층을 생성하고 이미지를 생성하는 레이저-공간 변조기 조합을 포함한다.Also provided are these lasers, systems and methods having one or more of the following features; wherein the laser is an approximately 450 nm blue laser; The laser is in the wavelength range of 300 to 400 nm; The laser is in the wavelength range of 400 to 500 nm; The laser is in the wavelength range of 500 to 600 nm; The laser is in the wavelength range of 600 to 800 nm; the laser is an infrared laser in the range from 800 nm to 2000 nm; The laser is homogenized by a light pipe or micro lens homogenizer; Lasers can share time between multiple print heads or multiple printer systems; There is a secondary laser; The secondary laser is a 450 nm blue laser; The secondary laser is in the wavelength range of 300 to 400 nm; The secondary laser is in the wavelength range of 400 to 500 nm; The secondary laser is in the wavelength range of 500 to 600 nm; The secondary laser is in the wavelength range from 600 to 800 nm; The secondary laser is an infrared laser in the range from 800 nm to 2000 nm; homogenized by light pipe, micro lens homogenizer or diffractive optical element; Secondary lasers are time-shared between multiple print heads or multiple printer systems; The system has a spatial light modulator; The spatial light modulator is a digital micromirror device (“DMD”); A spatial light modulator is any class of spatial light modulator capable of handling multiple watts to multiple kW power levels; The system includes a local radiant heater for maintaining the build chamber temperature; The system includes a heated build plate; the system includes a pyrometer or FLIR camera for monitoring or controlling the build plate temperature; the system includes a thermocouple or RTD embedded in the build plate to monitor or control the temperature of the build plate; The system includes software for determining an optimal deployment strategy; The system uses an inert atmosphere for part fabrication; The system uses an inert atmosphere to keep the optics of the system clean; The system includes a laser-spatial modulator combination that creates an image and produces a powder layer having a multi-watt to multi-kW watt power density.

또한, 다음 특징들 중 하나 이상을 갖는 이들 레이저, 시스템 및 방법이 제공되며: 제 2 레이저를 가지며, 제 2 레이저는 시스템에서 예열을 위해 사용되고 다중 와트 내지 다중 kW 와트 전력 밀도를 갖는 분말 층 상의 공간 필터 레이저 시스템의 이미지를 중첩하는 영역을 생성하며; 레이저 시스템은 다중 와트 내지 다중 kW 와트 전력 밀도를 갖는 분말 층을 가진다.Also provided are these lasers, systems and methods having one or more of the following features: having a second laser, wherein the second laser is used for preheating in the system and the space on the powder layer having a multi-watt to multi-kW watt power density. create a region that overlaps the image of the filter laser system; The laser system has a powder layer with a multi-watt to multi-kW watt power density.

또한, 아래 층에 융합되는 분말 금속 층 상에 패턴을 형성하는 레이저 및 공간 광 변조기, 분말 층을 가로질러 이미지를 계단식으로 반복하는 갠트리 시스템, 모션 제어 시스템, 각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터, 융합 전에 분말을 확산시키고 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 기밀식 빌드 챔버를 사용하는 금속용 적층 제작 시스템이 제공된다.Additionally, lasers and spatial light modulators that form patterns on layers of powdered metal that are fused to the layers below, gantry systems that cascade images across layers of powder, motion control systems, An elevator displacing the furnace, a powder dispensing system capable of spreading and compacting the powder prior to fusing, and an additive manufacturing system for metal using a hermetic build chamber are provided.

또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 이들 시스템, 하위 시스템 및 방법이 제공되며; 레이저는 450 nm 청색 레이저의 파장에 있으며; 레이저는 300 내지 400 nm의 파장 범위를 가지며; 레이저는 400 내지 500 nm의 파장 범위를 가지며; 레이저는 500 내지 600 nm의 파장 범위를 가지며; 레이저는 600 내지 800 nm의 파장 범위를 가지며; 레이저는 800 nm 내지 2,000 nm 범위의 적외선 레이저이며; 레이저는 광 파이프 또는 마이크로 렌즈 균질화기에 의해 균질화되며; 레이저는 다중 프린트 헤드 또는 다중 프린터 시스템 사이에서 시간을 공유하며; 공간 광 변조기는 마이크로미러 어레이인 디지털 마이크로미러 장치("DMD") 어레이이며; 공간 광 변조기는 다중 W 내지 다중 kW 전력 레벨을 처리할 수 있는 공간 광 변조기의 등급 중 하나이며; DMD는 공랭식이며; DMD는 마이크로 채널 냉각기와 같은 물 열교환기에 의한 수냉식이며; 레이저는 DMD가 펠티에 냉각기에 의해 냉각되며; 시스템은 빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 지역 복사 히터를 포함하며; 시스템은 가열된 빌드 플레이트를 포함하며; 시스템은 빌드 플레이트 온도를 모니터링하거나 제어하기 위한 고온계 또는 FLIR 카메라를 포함하며; 시스템은 빌드 플레이트의 온도를 모니터링하거나 제어하기 위해 빌드 플레이트에 내장된 열전대 또는 RTD를 포함하며; 시스템은 최적의 빌드 전략을 결정하기 위한 소프트웨어를 포함하며; 제 1 항의 시스템은 패턴이 조명될 곳에서만 분말 층을 가열하기 위한 별도의 2차 레이저를 포함하며; 시스템은 부품 제작을 위해 불활성 분위기를 사용하며; 시스템은 시스템의 광학계를 깨끗하게 유지하기 위해 불활성 분위기를 사용하며; 시스템의 레이저 공간 변조기 조합은 다중 kW 전력 밀도를 갖는 분말 층에 이미지를 생성한다.Also provided are these systems, subsystems and methods having one or more of the following features; The laser is at a wavelength of 450 nm blue laser; The laser has a wavelength range of 300 to 400 nm; The laser has a wavelength range of 400 to 500 nm; The laser has a wavelength range of 500 to 600 nm; The laser has a wavelength range of 600 to 800 nm; the laser is an infrared laser in the range from 800 nm to 2,000 nm; The laser is homogenized by a light pipe or micro lens homogenizer; Lasers share time between multiple print heads or multiple printer systems; The spatial light modulator is a digital micromirror device (“DMD”) array that is an array of micromirrors; Spatial light modulators are one of the classes of spatial light modulators capable of handling multiple W to multiple kW power levels; DMD is air cooled; DMD is water cooled by water heat exchanger such as micro channel cooler; The laser is cooled by a DMD Peltier cooler; The system includes a local radiant heater for maintaining the build chamber temperature; The system includes a heated build plate; the system includes a pyrometer or FLIR camera for monitoring or controlling the build plate temperature; the system includes a thermocouple or RTD embedded in the build plate to monitor or control the temperature of the build plate; The system includes software for determining an optimal build strategy; The system of claim 1 comprising a separate secondary laser for heating the powder layer only where the pattern will be illuminated; The system uses an inert atmosphere for part fabrication; The system uses an inert atmosphere to keep the optics of the system clean; The system's laser spatial modulator combination creates images on the powder layer with multiple kW power densities.

또한, 분말 층을 예열하기 위한 제 2 층의 도움으로 아래 층에 융합되는 분말 금속 층 상에 패턴을 형성하는 레이저 및 공간 광 변조기, 분말 층을 가로질러 이미지를 계단식으로 반복하는 갠트리 시스템, 모션 제어 시스템, 각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터, 융합 전에 분말을 확산시키고 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 기밀식 빌드 챔버를 사용하는 금속용 적층 제작 시스템이 제공된다.Additionally, a laser and spatial light modulator that forms a pattern on a layer of powdered metal that is fused to the layer below with the aid of a second layer to preheat the layer of powder, a gantry system that cascades images across the layer of powder, motion control An additive manufacturing system for metal using a system, an elevator that displaces the part down as each layer is fused, a powder dispensing system capable of spreading and compressing the powder prior to fusion, and an additive manufacturing system for metal using a hermetic build chamber.

또한, 아래 층에 융합되는 분말 금속 층 상에 단일 대형 패턴을 형성하는 다중 레이저 및 다중 공간 광 변조기, 분말 층을 가로질러 이미지를 계단식으로 반복하는 갠트리 시스템, 모션 제어 시스템, 각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터, 융합 전에 분말을 확산시키고 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 기밀식 빌드 챔버를 사용하는 금속용 적층 제작 시스템이 제공된다.Additionally, multiple lasers and multiple spatial light modulators that form a single large pattern on a layer of powdered metal that are fused to the layer below, a gantry system that cascades images across layers of powder, a motion control system, that each layer will be fused An elevator for displacing the part down when it is timed, a powder dispensing system capable of spreading and compressing the powder prior to fusing, and an additive manufacturing system for metal using a hermetic build chamber are provided.

또한, 아래 층에 융합되는 분말 금속 층 상에 이미지 및 비-이미지의 바둑판 패턴을 형성하는 다중 레이저 및 다중 공간 광 변조기, 분말 층을 가로질러 이미지를 계단식으로 반복하는 갠트리 시스템, 모션 제어 시스템, 각각의 층이 융합될 때 부품을 아래로 변위시키는 엘리베이터, 융합 전에 분말을 확산시키고 압축할 수 있는 분말 분배 시스템, 기밀식 빌드 챔버를 사용하는 금속용 적층 제작 시스템이 제공된다.Also, multiple lasers and multiple spatial light modulators that form a checkerboard pattern of images and non-images on a layer of powdered metal fused to the layer below, a gantry system that cascades images across the layer of powder, and a motion control system, respectively An elevator for displacing the part down as the layers of the fusion are fused, a powder dispensing system capable of diffusing and compressing the powder prior to fusion, and an additive manufacturing system for metal using a hermetic build chamber.

또한, 융합되는 재료의 패턴을 프린팅하기 위한 노출 시간을 연장하기 위해 이동 갠트리 시스템에 정지 이미지를 생성하기 위해 이미지를 생성하고 DMD를 가로질러 이미지를 이동시키는 레이저 공간 광 변조기 조합이 제공된다. 또한, 금속 분말로부터 금속 물체를 형성하기 위한 적층 제작 시스템이 제공되며, 시스템은: 빌드 레이저 빔 경로를 따라 빌드 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스; 금속 분말을 가열하는 가열 수단; 레이저 빔 경로에 있는 디지털 마이크로미러 장치("DMD")로서, 빌드 레이저 빔이 DMD로 향하게 하여 DMD가 레이저 빔 경로를 따라 DMD로부터 광학 조립체로 반사되는 2D 이미지 패턴을 생성하는, 디지털 마이크로미러 장치; 및 레이저 빔을 금속 분말로 향하게 하여, 2D 이미지 패턴을 금속 분말로 전달하는 광학 조립체를 포함한다.Also provided is a laser spatial light modulator combination that generates an image and moves the image across the DMD to produce a still image in a moving gantry system to extend exposure time for printing a pattern of material being fused. Also provided is an additive manufacturing system for forming a metal object from a metal powder, the system comprising: a laser source for providing a build laser beam along a build laser beam path; heating means for heating the metal powder; A digital micromirror device (“DMD”) in a laser beam path, comprising: directing a build laser beam to a DMD so that the DMD creates a 2D image pattern that is reflected from the DMD along the laser beam path to an optical assembly; and an optical assembly for directing the laser beam to the metal powder, thereby transferring the 2D image pattern to the metal powder.

또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 시스템, 서브시스템 및 방법이 제공되며: 가열 수단은 전기 히터, 복사 히터, IR 히터 및 레이저 빔으로 구성된 그룹에서 선택되며; 가열 수단은 청색 파장 범위의 파장을 갖는 레이저 빔이며; 금속 분말은 금속 분말의 층을 형성하며; 레이저 빔은 청색 및 녹색으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 파장을 가지며; 레이저 빔은 약 450 nm, 약 460 nm, 약 515 nm, 약 532 및 약 550 nm로 이루어지는 그룹에서 선택된 파장을 가지며; 레이저 소스는 약 1 kW 내지 약 20 kW의 전력을 가지며; 2-D 이미지는 약 2 kW/cm² 내지 약 5 kW/cm²의 금속 분말에 피크 전력 밀도를 전달하며; DMD는 최대 평균 전력 밀도 레벨을 가지며; 금속 분말 상의 2-D 이미지의 피크 전력 밀도 레벨은 DMD의 최대 평균 전력 밀도 레벨보다 적어도 500배 더 크며; DMD는 최대 평균 전력 밀도 레벨을 가지며; 금속 분말 상의 2-D 이미지의 피크 전력 밀도 레벨은 DMD의 최대 평균 전력 밀도 레벨보다 적어도 1,000배 더 크며; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 200 ℃ 이내로 가열하도록 구성되며; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 100 ℃ 이내로 가열하도록 구성되며; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 약 400 ℃까지 가열하도록 구성되며; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 약 600 ℃까지 가열하도록 구성되며; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 약 400 ℃까지 가열하고 그 온도에서 분말을 유지하도록 구성되며; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 약 600 ℃로 가열하고 그 온도에서 분말을 유지하도록 구성되며; 가열 수단은 분말을 금속 분말의 융점의 200 ℃ 이내로 가열하고 그 온도에서 분말을 유지하도록 구성되며; 제 2 빌드 레이저 빔 경로를 따라 제 2 빌드 레이저 빔을 제공하기 위한 제 2 레이저 소스를 가지며; 제 2 레이저 빔 경로 상의 제 2 디지털 마이크로미러 장치("DMD")로서, 이에 의해 제 2 빌드 레이저 빔이 제 2 DMD로 지향되며, 제 2 DMD는 제 2 레이저 빔 경로를 따라 제 2 광학 조립체로 제 2 DMD로부터 반사되는 제 2 2-D 이미지 패턴을 생성하며; 2-D 이미지 패턴은 금속 분말의 제 1 영역으로 전달되고, 제 2 2-D 이미지 패턴은 금속 분말의 제 2 영역으로 전달되며; 제 1 영역과 제 2 영역은 상이하며; 제 1 영역과 제 2 영역은 인접한다.Also provided are systems, subsystems and methods having one or more of the following features: wherein the heating means is selected from the group consisting of an electric heater, a radiant heater, an IR heater, and a laser beam; the heating means is a laser beam having a wavelength in the blue wavelength range; The metal powder forms a layer of metal powder; the laser beam has a wavelength selected from the group consisting of blue and green; the laser beam has a wavelength selected from the group consisting of about 450 nm, about 460 nm, about 515 nm, about 532 and about 550 nm; the laser source has a power of about 1 kW to about 20 kW; The 2-D image delivers peak power densities in the metal powder between about 2 kW/cm ² and about 5 kW/cm ² ; DMD has a maximum average power density level; the peak power density level of the 2-D image on the metal powder is at least 500 times greater than the maximum average power density level of the DMD; DMD has a maximum average power density level; the peak power density level of the 2-D image on the metal powder is at least 1,000 times greater than the maximum average power density level of the DMD; the heating means is configured to heat the powder to within 200° C. of the melting point of the metal powder; the heating means is configured to heat the powder to within 100° C. of the melting point of the metal powder; the heating means is configured to heat the powder to about 400° C. of the melting point of the metal powder; the heating means is configured to heat the powder to about 600° C. of the melting point of the metal powder; the heating means is configured to heat the powder to about 400° C. of the melting point of the metal powder and maintain the powder at that temperature; the heating means is configured to heat the powder to about 600° C. of the melting point of the metal powder and maintain the powder at that temperature; the heating means is configured to heat the powder to within 200° C. of the melting point of the metal powder and maintain the powder at that temperature; having a second laser source for providing a second build laser beam along a second build laser beam path; a second digital micromirror device (“DMD”) on a second laser beam path, whereby a second build laser beam is directed to a second DMD, the second DMD being along a second laser beam path to a second optical assembly generate a second 2-D image pattern reflected from the second DMD; a 2-D image pattern is transferred to a first region of the metal powder, and a second 2-D image pattern is transferred to a second region of the metal powder; the first region and the second region are different; The first region and the second region are adjacent.

또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 이들 시스템, 하위 시스템 및 방법이 제공되며: DMD 어레이는 청색 파장 범위, 400 nm, 약 440 nm, 450 nm 및 약 450 nm, 460 nm 및 약 460 nm, 녹색 파장 범위, 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm 및 600 nm 내지 700 nm의 적색 파장 범위 중 적어도 하나의 파장에 대해 최적화된다.Also provided are these systems, subsystems, and methods having one or more of the following characteristics: a DMD array having a blue wavelength range, 400 nm, about 440 nm, 450 nm and about 450 nm, 460 nm and about 460 nm, green wavelength range, 515 nm, about 515 nm, 532 nm, about 532 nm, and a wavelength of at least one of the red wavelength ranges from 600 nm to 700 nm.

또한, 다음 특징 중 하나 이상을 갖는 이들 시스템, 하위 시스템 및 방법이 제공되며: 청색 레이저 빔은 다음 파장: 청색 파장 범위, 400 nm, 약 440 nm, 450 nm 및 약 450 nm, 460 nm 및 약 460 nm, 녹색 파장 범위, 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm 및 600 nm 내지 700 nm의 적색 파장 범위 중 적어도 하나로부터 선택된 파장을 가진다.Also provided are these systems, subsystems and methods having one or more of the following characteristics: a blue laser beam having the following wavelengths: a blue wavelength range, 400 nm, about 440 nm, 450 nm and about 450 nm, 460 nm and about 460 nm, a green wavelength range, 515 nm, about 515 nm, 532 nm, about 532 nm, and a red wavelength range of 600 nm to 700 nm.

또한, 금속 분말로 금속 물체를 형성하기 위한 적층 제작 시스템이 제공되며, 시스템은: 빌드 레이저 빔 경로를 따라 빌드 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스; 가열 레이저 빔을 제공하기 위한 제 2 레이저 소스; 레이저 빔 경로 상의 디지털 마이크로미러 장치("DMD")로서, 이에 의해 빌드 레이저 빔이 DMD로 지향되고, DMD는 레이저 빔 경로를 따라 광학 조립체로 반사되는 이미지를 생성하는, 디지털 마이크로미러 장치; 및 레이저 빔을 금속 분말로 향하게 하여 이미지가 금속 분말에 전달되게 하는 광학 조립체를 가진다.Also provided is an additive manufacturing system for forming a metal object from a metal powder, the system comprising: a laser source for providing a build laser beam along a build laser beam path; a second laser source for providing a heating laser beam; a digital micromirror device (“DMD”) on a laser beam path, whereby a build laser beam is directed to a DMD, the DMD producing an image that is reflected along the laser beam path to an optical assembly; and an optical assembly for directing a laser beam to the metal powder so that an image is transferred to the metal powder.

또한, 열이 용융된 퍼들(molten puddle)을 더 예리한 전이부와 더 조밀한 부품을 생성하는 원하는 빌드 형상으로 조작하여 더 선명한 결과를 얻을 수 있도록 시간 또는 패턴에서 최적화된 그레이 스케일(grey scale)로 분말 층에 2D 패턴을 투영하는 레이저 공간-광 변조기 조합이 제공된다.Additionally, the heat can manipulate the molten puddle into the desired build shape that produces sharper transitions and denser parts to a gray scale that is optimized in time or pattern for sharper results. A laser spatial-light modulator combination that projects a 2D pattern onto a powder layer is provided.

도 1은 본 발명에 따른 적층 제작 시스템의 실시예의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 DMD 프린트 헤드의 실시예의 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 주어진 전력의 실시예를 위한 펄스 폭과 반복률을 비교하는 차트이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 레이저 공간 광 변조기의 실시예를 이용한 프린팅 패턴의 사진이다.
도 5는 IR 레이저 시스템과 비교하여, 본 발명에 따른 시스템의 분말 층에서 청색 광 흡수를 비교하는 차트이다.
도 6은 본 발명에 따른 오버랩 예열 빔 및 빌드 레이저 빔의 실시예의 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 시스템 및 방법에 대한 타이밍의 실시예의 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 시스템 및 방법에 대한 타이밍의 실시예의 흐름도이다.
도 9는 본 발명에 따른 다중 DMD 레이저 프린터 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 10은 본 발명에 따른 다중 DMD 레이저 프린터 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 11은 본 발명에 따라 모션 시스템이 이동할 때 타겟 기판을 가로질러 이미지의 스크롤링을 도시하는 디지털 미러 장치 기반 프린팅 시스템의 실시예의 개략도이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 따른 금속에서의 이미지의 양호한 용융 및 재생을 달성하기 위해서 분말 층 상의 다양한 전력 밀도에서 구축된 패턴이 분말 출발 재료를 형성하는 방법의 사진이다.
도 13a는 본 발명에 따라 구리에 직접 프린팅되는 부품의 단일 층을 매핑하는데 사용되는 이미지 슬라이싱의 실시예이다.
도 13b는 본 발명에 따른 도 13a의 매핑을 사용한 구리 부품 빌드-인의 실시예의 사진이다.
도 14a는 본 발명에 따른 구리 분말 빌드 재료에서 IR 레이저 광 흡수와 비교한 청색 레이저 광 흡수의 실시예를 나타내는 그래프이다.
도 14b는 본 발명에 따른 레이저 출력과 비교한 청색 레이저 광 구축률의 실시예를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 본 시스템 및 방법과 함께 사용하기 위한 제어 시스템의 실시예의 개략도이다.1 is a perspective view of an embodiment of an additive manufacturing system according to the present invention;
2 is a cutaway perspective view of an embodiment of a laser DMD print head according to the present invention;
3 is a chart comparing pulse width and repetition rate for an embodiment of a given power in accordance with the present invention.
4A and 4B are photographs of a printing pattern using an embodiment of a laser spatial light modulator according to the present invention.
5 is a chart comparing blue light absorption in a powder layer of a system according to the invention compared to an IR laser system;
6 is a schematic diagram of an embodiment of an overlap preheat beam and a build laser beam according to the present invention;
7 is a flow diagram of an embodiment of timing for a system and method in accordance with the present invention.
8 is a flow diagram of an embodiment of timing for a system and method in accordance with the present invention.
9 is a schematic diagram of an embodiment of a multi-DMD laser printer system according to the present invention.
10 is a schematic diagram of an embodiment of a multi-DMD laser printer system according to the present invention.
11 is a schematic diagram of an embodiment of a digital mirror device based printing system illustrating the scrolling of an image across a target substrate as the motion system moves in accordance with the present invention.
12a and 12b are photographs of how a powder starting material is formed in which patterns built at various power densities on the powder bed to achieve good melting and reproduction of images in metal according to the present invention;
13A is an embodiment of image slicing used to map a single layer of a part printed directly on copper in accordance with the present invention.
13B is a photograph of an embodiment of a copper part build-in using the mapping of FIG. 13A in accordance with the present invention.
14A is a graph showing an example of blue laser light absorption compared to IR laser light absorption in a copper powder build material according to the present invention.
14B is a graph showing an embodiment of the blue laser light build-up ratio compared to the laser output according to the present invention.
15 is a schematic diagram of an embodiment of a control system for use with the present systems and methods in accordance with the present invention;

일반적으로, 본 발명은 재료의 레이저 가공, 재료에 의해 높거나 증가된 레벨의 흡수율을 갖도록 사전 선택된 레이저 빔 파장을 가공할 재료에 일치시키는 레이저 가공, 구축되는 물체의 더 큰 속도, 효율성 및 크기를 제공하는 시스템 구성, 및 특히 원료를 시작하여 높은 흡수율을 갖는 레이저 빔을 사용하여 대형 구조물, 부품, 구성요소 및 물품으로 원료의 레이저 적층 제작에 관한 것이다.In general, the present invention provides for laser processing of materials, matching laser beam wavelengths preselected to have a high or increased level of absorption by the material to the material to be processed, greater speed, efficiency and size of the objects being built. It relates to system configurations provided, and in particular to the laser additive manufacturing of raw materials starting from raw materials and into large structures, parts, components and articles using a laser beam having a high absorption.

디지털 미러 장치(Digital Mirror Device) 기반 프린팅 시스템의 실시예에서, 디지털 미러 장치를 갖는 스테이지가 이동함에 따라 이미지가 타겟을 가로질러 스크롤된다. 이러한 실시예에서 물체의 3D 이미지, 예를 들어 구리 부품과 같은 부품이 시스템에 제공된다. 이미지는 바람직하게, 구축될 부품의 3D 디지털 이미지 또는 비트 맵(bit map)이다. 이러한 3D 이미지는 일련의 층과 기타 섹션으로 분할된다. 이미지 세그먼트는 프린팅 시스템용 제어기 및 제어 시스템과 관련된 저장 장치에 포함된다. 이미지 세그먼트는 스테이지의 이동(예를 들어, x 방향, 수평 방향)에 따라 정렬된다. 스테이지는 레이저 소스와 광학적으로 통신하는 디지털 미러 장치를 포함한다. 그 다음, 스테이지의 이동에 따라 미리 정해진 방식으로 이미지가 재생된다. 즉, 이미지 재생은 스테이지 이동과 동기화된다. 이러한 방식으로 동기화된 이미지 슬라이스가 빌드 재료(예를 들어, 구리 분말)로 전달되어 원본 3D 이미지 형상의 빌드 물체에 전달된다.In an embodiment of a Digital Mirror Device based printing system, the image is scrolled across the target as the stage with the digital mirror device is moved. In this embodiment a 3D image of the object, for example a component such as a copper component, is provided to the system. The image is preferably a 3D digital image or bit map of the part to be built. These 3D images are divided into a series of layers and other sections. The image segments are contained in a controller for the printing system and storage associated with the control system. The image segments are aligned according to the movement of the stage (eg, x direction, horizontal direction). The stage includes a digital mirror device in optical communication with the laser source. Then, the image is reproduced in a predetermined manner according to the movement of the stage. That is, image reproduction is synchronized with stage movement. Image slices synchronized in this way are transferred to the build material (eg copper powder) to the build object in the shape of the original 3D image.

따라서, 이러한 유추에 의해 제한되지는 않지만, 디지털 미러 장치는 스테이지가 이동되어 빌드 재료를 원본 3D 이미지의 형상으로 형성할 때 이미지 세그먼트를 다시 빌드 재료 위에 재생하는 것으로 보인다.Thus, without being limited by this analogy, it appears that the digital mirror device reproduces image segments back onto the build material as the stage is moved to form the build material into the shape of the original 3D image.

도 12a 및 도 12b는 분말 층 상에서 적절한 파워 밀도를 갖는 것이 금속에서의 양호한 용융 및 이미지 재현을 실현하는 역할의 예를 도시한다. 빌드 물체는 일련의 융기된 구리 문자이다. 12a and 12b show examples of the role that having an appropriate power density on the powder layer plays a role in realizing good melting and image reproduction in metal. The build object is a series of raised copper letters.

도 12a의 빌드 물체는 이미지의 1/5.6 축소를 제공하는 150 mm 대물 초점 렌즈를 사용하여 구축되었다. x 방향으로의 스테이지 이동 속도, 및 두 개의 서로 다른 레이저 펄스 길이가 사진의 우측에 표시된다.The build object of FIG. 12A was constructed using a 150 mm objective focus lens providing a 1/5.6 reduction of the image. The stage movement speed in the x-direction, and two different laser pulse lengths are shown on the right side of the picture.

도 12b의 빌드 물체는 이미지의 1/9 축소를 제공하는 100 mm 대물 초점 렌즈를 사용하여 구축하였다. x 방향의 스테이지 이동 속도 및 3 가지 다른 레이저 펄스 길이가 사진의 우측에 표시된다.The build object in FIG. 12B was constructed using a 100 mm objective focus lens that provided a 1/9 reduction of the image. The stage movement speed in the x-direction and three different laser pulse lengths are shown on the right side of the picture.

800 x 600 픽셀의 DMD를 사용하여 도 12a 및 도 12b의 물체를 구축하였다. 프린팅된 가장 작은 피처(feature)는 폭이 0.1 mm이다. 도 12b에서 피처의 높이는 약 0.65 mm이다.An 800 x 600 pixel DMD was used to construct the objects of FIGS. 12A and 12B . The smallest feature printed is 0.1 mm wide. The height of the feature in FIG. 12B is about 0.65 mm.

도 12a와 도 12b의 비교는 도 12b에서 사용된 더 높은 전력 밀도가 빌드 물체의 더 양호한 속도 및 품질(예를 들어, 공차)을 초래함을 보여준다. 초점 거리가 짧은 렌즈는 빌드 재료의 레이저 이미지 강도를 높인다. 더 짧은 초점 거리 렌즈는 예열 레이저와 같은 예열 단계의 필요성을 줄이거나 없앨 수 있다. 더 짧은 초점 거리 렌즈는 더 긴 길이의 초점 렌즈에 비해서 빌드 물체의 속도와 품질에서 4x, 5x, 6x 이상의 개선을 제공할 수 있다.A comparison of FIGS. 12A and 12B shows that the higher power density used in FIG. 12B results in better speed and quality (eg, tolerances) of the build object. A lens with a short focal length increases the laser image intensity of the build material. A shorter focal length lens may reduce or eliminate the need for a preheating step such as a preheating laser. Shorter focal length lenses can provide 4x, 5x, 6x or more improvements in speed and quality of build objects compared to longer focal length lenses.

시스템의 실시예에서 레이저 패턴으로서 레이저 빔이 디지털 미러 장치를 떠난 후에 배치되는 포커싱 렌즈의 선호되는 초점 거리는 약 100 mm, 약 50 mm 내지 약 150 mm, 및 더 크고 더 작은 길이일 수 있다.In embodiments of the system the preferred focal length of a focusing lens disposed after the laser beam leaves the digital mirror device as a laser pattern may be about 100 mm, about 50 mm to about 150 mm, and larger and smaller lengths.

도 13a 및 13b는 구리에 직접 프린팅되는 부품의 단일 층을 매핑하는데 사용되는 이미지 슬라이싱의 예를 예시한다. 도 13a에서 인장 바의 이미지(상단 부분만 도시됨)가 다수의 상이한 이미지 세그먼트로 분할된다. 따라서, 예를 들어 이미지의 섹션(1300)은 이미지 세그먼트(1300a)에 대응하고, 섹션(1301)은 이미지 세그먼트(1301a)에 대응하고, 섹션(1302)은 이미지 세그먼트(1302a)에 대응한다.13A and 13B illustrate examples of image slicing used to map a single layer of a part that is printed directly on copper. In Figure 13a the image of the tension bar (only the top part shown) is divided into a number of different image segments. Thus, for example, section 1300 of an image corresponds to image segment 1300a , section 1301 corresponds to image segment 1301a , and section 1302 corresponds to image segment 1302a .

도 13b는 빌드 재료에 대한 스테이지의 이동과 동기화된 방식으로 레이저 빔 패턴으로서 이미지 세그먼트를 스크롤함으로써 구축된 인장 바의 사진이다. 이미지(1350)는 축을 따라 구축된 인장 바의 층이다. 이미지(1351)는 축을 따라 구축된 인장 바의 층이다. 이미지(1352)는 축을 따라 구축된 인장 바의 층이다. 부품은 장축, 단축, 횡축 및 이들의 조합 및 변형을 따라 제작될 수 있다. 축을 따라 구축된다는 것은 스테이지의 수평(x 방향) 이동이 해당 축을 따른다는 것을 의미한다.13B is a photograph of a tension bar constructed by scrolling image segments as a laser beam pattern in a manner synchronized with movement of the stage relative to the build material. Image 1350 is a layer of tension bars built along an axis. Image 1351 is a layer of tension bars built along an axis. Image 1352 is a layer of tension bars built along an axis. The part may be fabricated along a major axis, a minor axis, a transverse axis, and combinations and variations thereof. Building along an axis means that the horizontal (x-direction) movement of the stage is along that axis.

도 14a는 분말 층에서 청색 광 흡수가 매우 짧은 평균 자유 경로를 따라 빠름을 예시하며, 이는 IR 광에 비해 청색을 사용할 때 스폿 또는 이미지 외부에 고출력 광의 광 스플래시(light splash)가 적다는 것을 의미한다.Figure 14a illustrates that blue light absorption in the powder layer is fast along a very short mean free path, meaning that there is less light splash of high power light outside the spot or image when using blue compared to IR light. .

도 14b는 DMD에 대한 평균 전력 밀도 및 레이저 전력의 함수로서의 빌드 속도를 도시한다. 예를 들어, 100C C/hr를 초과하는 빌드 속도는 500 W의 낮은 피크 레이저 출력으로 달성할 수 있다. 분말 층(예를 들어, 금속 분말)에서 청색 레이저 빔의 평균 자유 경로는 IR 광보다 실질적으로 작다. 이러한 방식으로 청색 레이저 빔은 산란으로 인한 열 손실이 적어서 더 얇은 분말 층을 가능하게 한다. 이러한 방식으로 더 높은 해상도를 얻을 수 있다. 이러한 방식으로 더 높은 빌드 속도를 얻을 수 있다.14B shows the average power density and build rate as a function of laser power for the DMD. For example, build rates in excess of 100 C C/hr can be achieved with a low peak laser power of 500 W. The mean free path of the blue laser beam in the powder layer (eg, metal powder) is substantially smaller than the IR light. In this way, the blue laser beam has less heat loss due to scattering, enabling thinner powder layers. In this way, higher resolution can be obtained. In this way you can get higher build speed.

부품 설계part design

이미지가 생성되어 흑백 비트맵 또는 선택적으로 회색 스케일로 저장되어 더 미세한 부품 세부사항 또는 레이저 감쇠를 얻을 수 있다. 흑색 픽셀은 조밀한 부품을 나타내며 해당 위치의 분말 표면에서 한 번 이상 본 레이저 펄스에 대응한다.Images can be created and saved as a black and white bitmap or optionally grayscale to obtain finer part detail or laser attenuation. Black pixels represent dense parts and correspond to laser pulses seen more than once on the powder surface at that location.

한 번의 반복으로 3D 모델을 일련의 층으로 분할한 다음 이미지로 저장된다.In one iteration, the 3D model is split into a series of layers, which are then saved as images.

이미지 image 슬라이싱slicing

이미지 슬라이싱은 경로 정의 및 경로 시퀀싱(path sequencing)의 2 단계로 완료된다. 경로 정의에서 사용자는 층별로 원료 부품 이미지로 작업한다. 이미지는 DMD에 표시되고 프린팅될 최종 도구 경로와 대응 패턴을 나타내는 가장 단순한 직사각형인 더 작은 중복 형상으로 나누어진다. 계산 경로에 필요한 매개변수가 여기에서 선택되며 이는 스테이지 속도, 사용할 DMD 영역(높이, 너비, 오프셋), 레이저 펄스 지속 시간, 레이저 펄스 선택(즉, 듀티 사이클), 프레임 반복, 관련된 타이밍, 경로 길이/폭, 중복, 타이밍, 방향 및 실행 순서와 함께 스테이지 램프 업 및 슬로우 다운(ramp up and slow down) 요구사항을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 레이저 출력 및 레이저 초점 오프셋을 포함하지만 이에 한정되지 않는 추가 공정 매개변수가 이때 선택될 수 있다.Image slicing is completed in two steps: path definition and path sequencing. In the path definition, the user works with the raw part image layer by layer. The image is displayed on the DMD and divided into smaller overlapping shapes, which are the simplest rectangles representing the final tool path and corresponding pattern to be printed. The parameters required for the computational path are selected here and include: stage speed, DMD area to use (height, width, offset), laser pulse duration, laser pulse selection (i.e. duty cycle), frame repetition, associated timing, path length/ including, but not limited to, stage ramp up and slow down requirements along with width, overlap, timing, direction, and execution order. Additional process parameters may be selected at this time, including but not limited to laser power and laser focus offset.

이미지 대 부품 배율도 경로 정의 중에 설정된다. 경로 선택을 위한 가장 간단한 방법은 DMD 공간으로 크기 조정된 이미지로 시작하는 것이지만, 이러한 크기 조정은 공정의 다른 곳에서 발생할 수 있다. 경로가 지정되면, 명령 파일이 컴파일되어 부품을 실제 좌표로 변환한다. 명령어 파일(G Code)은 파트, 층, 세그먼트를 실행하는데 필요한 모든 정보, 이미지를 찾는 위치, 프레임으로 변환하는 방법, 스테이지 모션 및 레이저 펄스와 동기화되는 방식으로 이들을 표시하는 방법에 대한 정보를 포함한다.The image-to-part scale is also set during path definition. The simplest method for path selection is to start with an image scaled into DMD space, but such scaling can occur elsewhere in the process. Once the path is specified, the command file is compiled to transform the part into real-world coordinates. The instruction file (G Code) contains all the information needed to run the parts, layers, and segments, where to find the images, how to convert them into frames, and how to display them in a way that is synchronized with stage motion and laser pulses. .

경로 시퀀스는 일련의 프레임과 이를 표시하기 위한 지침이다. 프레임은 위에서 언급한 매개변수를 기반으로 계산된다. 프레임은 스테이지의 속도, DMD에서 분말 표면 축소, DMD 미러 피치, 레이저 펄스 지속 시간 및 이미지 표시와 관련된 지연을 기반으로 오프셋된다. 거친 형상을 프린팅하거나 계산 시간을 절약하기 위해서 프레임이 반복될 수 있다. 원시 이미지 파일은 런-타임(run-time)에 프레임으로 변환하거나 몇 개의 더 작은 단계로 나누어질 수 있다. 이들 단계는 파일에 대한 각각의 경로를 개별 이미지로 저장하고, 프레임을 파일에 이미지로 저장하고, 시퀀스를 파일에 2진 데이터(binary data)로 저장하는 것을 포함할 수 있다.A path sequence is a series of frames and instructions for displaying them. Frames are calculated based on the parameters mentioned above. The frame is offset based on the speed of the stage, the reduction of the powder surface in the DMD, the DMD mirror pitch, the laser pulse duration, and the delay associated with the image display. Frames can be repeated to print rough features or to save computation time. A raw image file can be converted into frames at run-time or broken down into several smaller steps. These steps may include saving each path to a file as a separate image, saving a frame as an image to a file, and saving the sequence as binary data to a file.

대안적으로, DMD는 이미지 스크롤링과 같은 내장 시퀀싱 기능을 활용하는 방식으로 방향을 지정할 수 있다. 이 경우, 전체 경로 크기 이미지가 메모리에 로딩되고 스테이지 작동과 동기화된 적절한 부품 선택을 표시하기 위해서 단계별로 진행된다. 또는 DMD 또는 프린터 소프트웨어의 낮은 레벨에서 임의의 스캔 방향에 대해 이미지 스크롤을 활성화할 수 있다. 여기에는 DMD에 표시되기 전에 메모리에 저장된 이미지를 회전하거나 변환하는 작업이 포함될 수 있다.Alternatively, the DMD can be oriented in such a way that it utilizes built-in sequencing functions such as image scrolling. In this case, the full path size image is loaded into memory and staged to indicate the appropriate part selection synchronized with stage operation. Alternatively, you can enable image scrolling for any scan direction at a lower level in the DMD or printer software. This may include rotating or transforming images stored in memory before they are displayed on the DMD.

대안적으로, 전체 층 또는 부품이 메모리에 로딩되고 위에서 언급한 것과 유사한 영역에서 액세스된다.Alternatively, the entire layer or component is loaded into the memory and accessed in a region similar to that mentioned above.

반복은 스테이지 좌표를 DMD 및 이미지 좌표에 매핑한다. 부품 위의 스테이지 작동이 표시되고 프린팅되는 대응 이미지와 동기화된다.Iteration maps stage coordinates to DMD and image coordinates. Stage motion on the part is displayed and synchronized with the printed corresponding image.

런-타임을 포함한, 언제든지 이미지를 변환하거나 처리하여 레이저와 분말 사이의 상호 작용에 영향을 미치고 수집된 현장 데이터를 활용하거나 최종 빌드 특성에 대한 편견을 부여하거나 분말의 기존 이상을 설명할 수 있다. 부품, 환경 또는 공정에 대한 다른 지식을 기반으로 이미지 조작이 수행될 수도 있다.At any time, including run-time, images can be transformed or processed to influence the interaction between the laser and the powder, leverage the in situ data collected, bias the final build characteristics, or account for existing anomalies in the powder. Image manipulation may be performed based on other knowledge of the part, environment, or process.

프로그램 실행/공정Program execution/process

공정 환경 변수는 분말, 분말 두께, 분말 압축, 분말 층 온도 및 분말 표면의 공정 가스 선택을 포함하지만 이에 한정되지 않는 처리 전에 설정된다.Process environmental parameters are established prior to treatment including, but not limited to, powder, powder thickness, powder compaction, powder bed temperature, and process gas selection of the powder surface.

경로 시퀀스를 처리할 때 DMD의 개별 프레임 표시 시간 내에 있는 펄스 폭에서 레이저가 트리거된다. 레이저 펄스 트리거는 DMD에서 레이저로 직접 전송된다. DMD에 프레임을 표시하는 것과 스테이지 모션 사이의 타이밍은 원본 이미지가 분말의 실제 크기로 정확하게 조정되도록 조정된다.When processing a path sequence, the laser is triggered at a pulse width that is within the DMD's individual frame mark times. The laser pulse trigger is sent directly from the DMD to the laser. The timing between marking the frame on the DMD and the stage motion is adjusted so that the original image is accurately scaled to the actual size of the powder.

DMD의 과열을 방지하기 위해서 레이저 펄스 및 프로세스 타이밍이 관리된다.Laser pulse and process timing are managed to prevent overheating of the DMD.

베이스 층은 후속 층 융합이 지원되고 베이스 층이 구축 완료 후 기판에서 쉽게 분리되도록 구성된다.The base layer is configured such that subsequent layer fusion is supported and the base layer is easily separated from the substrate after construction is complete.

본 시스템 및 방법의 실시예는 임의의 레이저 파장을 사용할 수 있지만, 바람직한 실시예는 한 쌍의 청색 레이저를 사용하여 융합될 분말 층 상의 패턴을 정의하는 수단으로서 공간 광 변조기를 사용하여 병렬 방식으로 부품의 층을 프린팅하고 융합하는 것이다. 실시예에서 레이저 소스 및 레이저 빔은 청색 파장 범위의 파장을 가질 수 있고 바람직하게는 450 nm, 약 450 nm, 460 nm, 약 460 nm일 수 있고 약 10 pm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm, 그리고 약 2 nm 내지 약 10 nm뿐만 아니라 더 크고 더 작은 값의 대역폭을 가질 수 있다. 실시예에서 레이저 소스 및 레이저 빔은 녹색 파장 범위의 파장을 가질 수 있으며, 예를 들어 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm, 550 nm, 약 550 nm일 수 있고 10 pm, 약 5 nm, 약 10 nm 및 약 20 nm, 및 약 2 nm 내지 약 10 nm뿐만 아니라 더 크고 더 작은 값의 대역폭을 가질 수 있다. 이들 다양한 파장의 조합 및 변형이 시스템에서 사용될 수 있다.While embodiments of the present system and method may use any laser wavelength, the preferred embodiment uses a pair of blue lasers to define the pattern on the powder layer to be fused to the component in a parallel fashion using a spatial light modulator. It is to print and fuse the layers of In an embodiment the laser source and laser beam may have a wavelength in the blue wavelength range, preferably 450 nm, about 450 nm, 460 nm, about 460 nm and about 10 pm, about 5 nm, about 10 nm and about 20 nm, and from about 2 nm to about 10 nm, as well as larger and smaller values of bandwidth. In embodiments the laser source and laser beam may have wavelengths in the green wavelength range, for example 515 nm, about 515 nm, 532 nm, about 532 nm, 550 nm, about 550 nm and 10 pm, about 5 nm, about 10 nm and about 20 nm, and from about 2 nm to about 10 nm, as well as larger and smaller values of bandwidth. Combinations and variations of these various wavelengths can be used in the system.

본 시스템 및 방법의 실시예를 위한 프린트 엔진은 프린팅할 2-D 에너지 패턴을 생성하는 텍사스 인스트루먼트(TI)로부터 얻을 수 있는 디지털 마이크로미러 장치(DMD) 어레이를 기반으로 한다. TI에서 만든 모든 DMD 제품은 이러한 공정의 후보이며, DMD가 a를 프린팅하는데 사용된다. 2-D 에너지 패턴이란 레이저 빔 또는 레이저 빔 패턴이 융합될 분말의 층에 형성되는 이미지를 의미한다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 이러한 이미지가 2차원 에너지 패턴, 즉 분말 층 위의 이미지로 관찰되지만, 에너지가 층에 침투하여 재료를 빌드 물체의 하위 층으로 융합함에 따라 깊이, 즉 3D 속성을 가질 것이다. 이들 프린트 엔진은 본 명세서에서 제공된 레이저 적층 제작 시스템 및 방법뿐만 아니라 다른 것들과 함께 사용될 수 있다. DMD 어레이에서 반사된 청색 레이저는 재-이미지화될 때 분말 층의 2D 에너지 패턴으로 수 와트 내지 수 kW 전력 밀도를 제공할 수 있다. 제 2 청색 레이저를 추가하여 2D 에너지 패턴이 이미징되는 정확한 지점에서 분말 층을 예열하여 패턴화된 분말을 기본 층에 융합하기 위해서 레이저-공간 광 변조기 쌍에서 필요한 에너지를 줄일 수 있다. 이러한 프린트 엔진은 2D 이미지를 함께 연결하여 부품의 단일 층인 더 큰 2D 이미지를 형성할 수 있는 정밀 갠트리 시스템(gantry system)에 장착된다. 시스템은 바람직하게, 갠트리 시스템의 일부로서 또는 갠트리 시스템과 분리된 분말 스프레더를 포함하고 빌드 용적의 일부로서 엘리베이터를 포함한다. 빌드 용적은 바람직하게 매우 낮은 산소이고 보다 바람직하게는 무산소이며 아르곤과 같은 불활성 가스 또는 아르곤-CO₂와 같은 융합 공정을 촉진하기 위한 가스 혼합물로 충전될 수 있다. 분말 층과 챔버는 전기 히터, 복사 히터, 이들 및 기타 유형의 히터의 조합 및 변형으로 직접 가열하여 제작 공정 중 부품의 열 손실을 줄일 수 있다. 실시예에서, 전도 모드 용접 공정은 본 명세서에서 교시되고 개시되기 이전에, 모든 적층 제작 스캔 레이저 시스템에 대한 전형적인 공정인 키홀 공정에서 일반적으로 마주치는 스패터를 제거하는 각각의 층을 함께 융합하기 위한 바람직한 방법이다.The print engine for embodiments of the present system and method is based on an array of digital micromirror devices (DMD) available from Texas Instruments (TI) that generates 2-D energy patterns to be printed. All DMD products made by TI are candidates for this process, and the DMD is used to print a. The 2-D energy pattern refers to an image formed on a layer of powder to be fused with a laser beam or laser beam pattern. As discussed herein, these images are observed as two-dimensional energy patterns, i.e. images on the powder layer, but will have depth, i.e. 3D properties, as the energy penetrates the layer and fuses the material into the lower layers of the build object. will be. These print engines may be used with the laser additive manufacturing systems and methods provided herein, as well as others. A blue laser reflected from a DMD array, when re-imaged, can provide a power density of several watts to several kW in the 2D energy pattern of the powder layer. A second blue laser can be added to preheat the powder layer at the exact point where the 2D energy pattern is imaged, reducing the energy required in the laser-spatial light modulator pair to fuse the patterned powder to the base layer. These print engines are mounted on a precision gantry system that can link 2D images together to form a larger 2D image, a single layer of a part. The system preferably comprises a powder spreader as part of or separate from the gantry system and an elevator as part of the build volume. The build volume is preferably very low oxygen and more preferably anaerobic and may be filled with an inert gas such as argon or a gas mixture to facilitate the fusion process such as argon-CO ₂ . The powder bed and chamber can be directly heated with electric heaters, radiant heaters, combinations and variations of these and other types of heaters to reduce heat loss to the part during the fabrication process. In an embodiment, a conduction mode welding process, prior to the teaching and disclosure herein, is for fusing each layer together to eliminate spatter commonly encountered in a keyhole process, which is a typical process for all additive manufacturing scan laser systems. preferred method.

일반적으로, DMD(Digital Micromirror Device: 디지털 마이크로미러 장치)는 알루미늄으로 만들 수 있는 매우 작은 미러를 사용하여 광을 반사하여 이미지를 만드는 장치이다. DMD는 DLP 칩으로도 지칭된다. 이들 장치의 실시예는 그들의 단면 치수(예를 들어, 정사각형의 변, 원의 지름 또는 직사각형의 긴 변의 경우, 이들 장치는 다른 형상일 수도 있음)에 대해서 수 센티미터(cm), 약 1 cm 내지 약 3 cm, 약 1 cm 내지 약 2 cm, 센티미터 이하, 0.5 cm 미만, 0.2 cm 미만, 또는 그 미만일 수 있다. 이들 DMD는 약 100,000 내지 400만, 적어도 약 100,000, 적어도 약 500,000, 적어도 약 100만, 약 200만 또는 그 이상의 미러를 포함할 수 있으며, 각각의 미러는 약 4 μm 이하, 약 7.56 μm이하, 약 10.8 ㎛ 이하, 약 10 ㎛ 이하, 약 4 ㎛ 내지 약 20 ㎛ 및 이들과 더 크고 더 작은 크기의 조합 및 변형을 측정한다. 미러는 예를 들어, 사진 모자이크와 같은 매트릭스와 같은 미리 결정된 패턴으로 배치될 수 있으며, 각각의 미러는 하나의 픽셀을 나타낸다.In general, a DMD (Digital Micromirror Device) is a device that creates an image by reflecting light using a very small mirror that can be made of aluminum. DMD is also referred to as a DLP chip. Embodiments of these devices are several centimeters (cm), about 1 cm to about, with respect to their cross-sectional dimensions (eg, for the sides of a square, the diameter of a circle, or the long side of a rectangle, these devices may be of other shapes). 3 cm, about 1 cm to about 2 cm, centimeters or less, less than 0.5 cm, less than 0.2 cm, or less. These DMDs may comprise about 100,000 to 4 million, at least about 100,000, at least about 500,000, at least about 1 million, about 2 million or more mirrors, each mirror of about 4 μm or less, about 7.56 μm or less, about Measure 10.8 μm or less, about 10 μm or less, about 4 μm to about 20 μm, and combinations and deformations thereof with larger and smaller sizes. The mirrors may be arranged in a predetermined pattern, for example a matrix, such as a photo mosaic, each mirror representing one pixel.

실시예에서, DMD는 그 논리 값(0 또는 1)에 따라 미러가 온 또는 오프 위치로 기울어지도록 정전기적으로 야기하는 메모리 셀인 CMOS DDR SRAM 칩; 히트 싱크; 미러를 먼지와 파편으로부터 보호하면서 레이저가 통과할 수 있게 하는 광학 창을 포함한다.In an embodiment, the DMD includes a CMOS DDR SRAM chip, which is a memory cell that electrostatically causes a mirror to tilt to an on or off position depending on its logic value (0 or 1); heat sink; It contains an optical window that allows the laser to pass while protecting the mirror from dust and debris.

실시예에서, DMD는 형성되고 표시될 이미지의 픽셀에 대응하는 전형적으로 직사각형 어레이로 배열된, 수십만 개 이상의 미세한 미러를 그의 표면에 가진다. 미러는 개별적으로 예를 들어, ±10 내지 12° 이상 또는 이하로 온 또는 오프 상태로 회전될 수 있다. 온 상태에서, 레이저 소스의 레이저(예를 들어, 빌드 레이저 및 빌드 레이저 빔)가 렌즈에 반사되어 픽셀이 빌드 레이저 에너지를 분말 층의 이미지로 향하게 한다. 오프 상태에서, 레이저 빔(예를 들어, 빌드 레이저)은 다른 곳(예를 들어, 빔 덤프)으로 향하여 픽셀이 이미지 또는 분말 융합에 기여하지 않게 한다. 실시예에서 예열 레이저 빔이 또한 DMD 장치로 지향되고 반사되어 층의 분말에 예열 이미지를 형성할 수 있는 것으로 이해된다.In an embodiment, the DMD has on its surface hundreds of thousands or more microscopic mirrors, arranged in a typically rectangular array, corresponding to the pixels of the image to be formed and displayed. The mirrors can be individually rotated on or off by, for example, ±10 to 12° or more or less. In the on state, the laser of the laser source (eg, the build laser and the build laser beam) is reflected by the lens, causing the pixel to direct the build laser energy to the image of the powder layer. In the off state, the laser beam (eg build laser) is directed elsewhere (eg beam dump) so that the pixel does not contribute to image or powder fusing. It is understood that in embodiments a preheat laser beam may also be directed and reflected to the DMD device to form a preheat image in the powder of the layer.

그림의 그레이스케일과 유사한 것으로 이론화될 수 있는 실시예에서, 미러는 매우 빠르게 온 및 오프될 수 있고, 온 시간 대 오프 시간의 비율은 분말 층에서 분말의 융합 또는 접합의 양을 결정한다. 이는 레이저 소스에서 출력 빔의 전력을 변경하지 않고 분말 층의 레이저 빔의 레이저 출력 및 출력 밀도(예를 들어, kW/cm²)를 제어하는 기능을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 500 개 이상의 상이한 분말들 및 분말 밀도에서 700 개 이상의 상이한 분말들 및 분말 밀도, 100,000 개 이상의 다른 분말들 및 분말 밀도가 얻어질 수 있다. 그레이 스케일 효과를 달성하기 위한 대안적인 방법은 이미지를 픽셀화하여 처리 중인 재료의 열 확산 길이에 비해 크기가 작은 개별 픽셀을 삭제하는 것이다. 이는 이미지에 전달되는 평균 전력을 효과적으로 줄인다. 이러한 그레이 스케일은 시간적으로든 공간적으로든 용융 풀을 조작하고 원하는 형상으로 만드는데 사용될 수 있다.In an embodiment that can be theorized to be similar to the grayscale of a figure, the mirror can be turned on and off very quickly, and the ratio of on time to off time determines the amount of fusing or bonding of the powder in the powder layer. This provides the ability to control the laser power and power density (eg kW/cm ² ) of the laser beam of the powder layer without changing the power of the output beam at the laser source. In some embodiments, 700 or more different powders and powder densities, 100,000 or more different powders and powder densities can be obtained at 500 or more different powders and powder densities. An alternative method to achieve the gray scale effect is to pixelate the image to eliminate individual pixels that are small in size relative to the thermal diffusion length of the material being processed. This effectively reduces the average power delivered to the image. This gray scale can be used to manipulate the molten pool, either temporally or spatially, and shape it into a desired shape.

본 시스템, 프린트 헤드 및 프린트 엔진에서 사용하기 위한 DMD의 실시예는 TI로부터 얻을 수 있으며, 이들 DMD는 디지털 제어기를 갖춘, DLP2010, DLP3000, DLP3010, DLP4500, DLP4710, DLP5500, DLP6500, DLP7000, DLP9000, DLP9000, DLP9000x, DLP9500; DLPA2000, DLPA3000, DLPA3005, DLPC3430, DLPC3433, DLPC3435, DLPC3438, DLPC3439, DLPC3470, DLPC3478을 포함할 수 있다.Examples of DMDs for use in this system, printheads and print engines can be obtained from TI, these DMDs equipped with digital controllers, DLP2010, DLP3000, DLP3010, DLP4500, DLP4710, DLP5500, DLP6500, DLP7000, DLP9000, DLP9000 , DLP9000x, DLP9500; DLPA2000, DLPA3000, DLPA3005, DLPC3430, DLPC3433, DLPC3435, DLPC3438, DLPC3439, DLPC3470, DLPC3478.

도 1을 참조하면, 적층 제작 시스템(100)의 실시예가 도시된다. 시스템(100)은 베이스(108) 상에 장착된 갠트리 시스템(101)을 갖는 베이스(108)를 가진다. 갠트리 시스템(101)은 DMD 프린트 헤드(103)의 이동을 제공한다. 이러한 이동은 x축(102) 또는 y축(102a)일 수 있다. 시스템(100)은 (다음 층이 부품에 증착될 수 있도록 구성되어 있는 부품을 아래로 이동시키기 위한)분말 층 엘리베이터(104), 분말 층 스프레더(105) 및 분말 롤러(106)를 가진다. DMD 프린트 헤드(103)로부터의 이미지(107)는 분말 표면의 도면에 도시된다. 시스템은 층류 에어 나이프(109) 및 고온계 또는 FLIR 카메라(110)를 가진다. 베이스(108) 및 갠트리 시스템(101)은 예를 들어, 레이저 빔 전송을 위한 갠트리 파워, 제어 라인 및 광섬유를 포함할 수 있는 배선 하니스(111)를 가진다. 레이저 소스 또는 그 일부는 실시예에서, 갠트리에 위치하여 갠트리와 함께 이동할 수 있다. 실시예에서, 레이저 소스는 베이스로부터 떨어져서, 레이저 헤드로부터 떨어져서, 또는 양자 모두로부터 떨어져 위치되고, 예를 들어 광섬유에 의해 레이저 헤드(103)와 광 통신하도록 배치된다. 레이저 소스는 레이저 빔이 자유 공간을 가로질러 프린트 헤드로 가는 플라잉 광학 헤드 설계(flying optic head design)에 의해 연결될 수도 있다.1 , an embodiment of an additive manufacturing system 100 is shown. System 100 has a base 108 with a gantry system 101 mounted on the base 108 . The gantry system 101 provides movement of the DMD print head 103 . This movement may be the x-axis 102 or the y-axis 102a. The system 100 has a powder bed elevator 104 (for moving a part down which is configured such that the next layer can be deposited on the part), a powder bed spreader 105 and a powder roller 106 . An image 107 from the DMD print head 103 is shown in a diagram of the powder surface. The system has a laminar air knife 109 and a pyrometer or FLIR camera 110 . The base 108 and the gantry system 101 have a wiring harness 111 which may include, for example, gantry power for laser beam transmission, control lines and optical fibers. The laser source, or a portion thereof, may, in an embodiment, be located on the gantry and move with the gantry. In an embodiment, the laser source is positioned remote from the base, remote from the laser head, or both, and arranged in optical communication with the laser head 103 by, for example, fiber optics. The laser source may be coupled by a flying optic head design in which the laser beam traverses free space to the print head.

도 2를 참조하면 레이저 DMD 프린트 헤드(200)의 실시예의 절단 사시도가 도시된다. 본 실시예는 도 1의 시스템을 포함한 본 발명의 시스템뿐만 아니라 다른 것들 중 어느 하나와 함께 사용될 수 있다. 레이저 DMD 프린트 헤드(200)는 광학 부품을 포함하는 하우징(230)을 가지며, 제 1 레이저 입력(201) 및 제 2 레이저 입력(212), 출력 또는 출구 창(209)을 가진다. 하우징(230)으로 이동하는 레이저 빔은 광학 장치에 의해 지향되고 형상화된 다음 출구 창(209)을 통해 하우징(230)을 빠져나가 (본 도면에 도시되지 않은 분말 층에)패턴을 형성한다. 실시예에서, 이들 레이저 입력(201, 212)은 레이저 빔을 프린트 헤드로 전송하기 위한 레이저 소스와 광 통신에 상태에 있는, 예를 들어 그에 연결된 QBH 광섬유 케이블과 같은 로부터 커넥터 및 섬유이다. 하우스(230) 내의 광학 장치는 각각의 입력에 대해 하나씩 2 개의 레이저 빔 경로를 정의한다. 레이저 빔 전파 방향으로 제 1 레이저 빔 경로를 따라서 입력(201), 시준 렌즈(205), 회전 미러(206), DMD(202)(냉각기(203)에 의해 냉각됨), 오프 상태 빔 덤프(204)(이는 또한 냉각 기능이 있음), 및 레이저 빔이 창(209)을 통해 이동하여 이미지(210)를 형성하는 DMD 이미징 렌즈(208)가 있다. 레이저 빔 전파 방향으로 제 2 레이저 빔 경로를 따라서 입력(212), 시준 렌즈(210), 회전 미러(207), (이미징 렌즈(208)가 제 2 빔 경로에 있을 수도 있고 없을 수도 있고 제 2 또는 별도의 이미징이 사용될 수 있음), 그런 다음 창(209)을 통해 분말 층의 위치로 전파될 수 있다.Referring to FIG. 2, a cut-away perspective view of an embodiment of a laser DMD print head 200 is shown. This embodiment can be used with any of the others, as well as the system of the present invention, including the system of Figure 1 . The laser DMD print head 200 has a housing 230 containing optical components and has a first laser input 201 and a second laser input 212 , an output or exit window 209 . The laser beam traveling to the housing 230 is directed and shaped by the optics and then exits the housing 230 through an exit window 209 to form a pattern (on a powder layer not shown in this figure). In an embodiment, these laser inputs 201, 212 are connectors and fibers from, for example, QBH fiber optic cables connected thereto, which are in optical communication with a laser source for transmitting the laser beam to the print head. The optics in house 230 define two laser beam paths, one for each input. Input 201, collimating lens 205, rotating mirror 206, DMD 202 (cooled by cooler 203), off-state beam dump 204 along the first laser beam path in the laser beam propagation direction. ) (which also has a cooling function), and a DMD imaging lens 208 through which the laser beam travels through window 209 to form image 210 . Input 212 , collimating lens 210 , rotating mirror 207 , (imaging lens 208 ) may or may not be in the second beam path along the second laser beam path in the laser beam propagation direction and the second or Separate imaging may be used), which may then propagate through window 209 to the location of the powder layer.

적층 제작 시스템의 실시예에서, 제 1 레이저 빔 경로는 물체를 만들기 위해서 분말을 융합하는 레이저 빔이기 때문에, 빌드 레이저 빔 및 빌드 레이저 빔 경로이다. 빌드 레이저 빔은 청색 파장 범위, 바람직하게 녹색 파장 범위에서 440 nm, 약 440 nm, 450 nm, 및 약 450 nm, 460 nm 및 약 460 nm의 파장을 가질 수 있으며, 예를 들어 515 nm, 약 515nm, 532nm, 약 532nm일 수 있다. 빌드 레이저 빔은 본 명세서에서 기재된 모든 출력, 출력 밀도, 최대 출력 및 반복률을 가질 수 있다. 제 2 레이저 빔 경로와 대응 경로를 따라 이동하는 제 2 레이저 빔은 예열 레이저 빔이다. 동일한 파장일 필요는 없으며 440 nm 내지 1,100 미크론의 값일 수 있거나, 빌드 레이저와 동일한 파장일 수 있으며, 이는 분말 층에서 더 낮거나 비슷하거나 더 높은 출력 밀도를 가지며 분말 층을 예열할 뿐만 아니라 분말 층의 온도를 유지하여 물체를 구축하기 위해서 분말을 융합하는 빌드 레이저의 능력을 촉진한다.In an embodiment of the additive manufacturing system, the first laser beam path is a build laser beam and a build laser beam path, as it is a laser beam that fuses the powder to make an object. The build laser beam may have a wavelength of 440 nm, about 440 nm, 450 nm, and about 450 nm, 460 nm and about 460 nm in the blue wavelength range, preferably in the green wavelength range, for example 515 nm, about 515 nm , 532 nm, about 532 nm. The build laser beam can have any power, power density, maximum power, and repetition rate described herein. The second laser beam traveling along the second laser beam path and the corresponding path is a preheating laser beam. It does not have to be the same wavelength and can be a value from 440 nm to 1,100 microns, or it can be the same wavelength as the build laser, which has a lower, similar or higher power density in the powder layer and preheats the powder layer as well as in the powder layer. Maintaining temperature promotes the build laser's ability to fuse powders to build objects.

프린터 헤드(230)의 실시예에서, 제 2 레이저 입력(212)은 분말 층을 예열하기 위한 레이저 소스에 연결된다. 이러한 방식으로, 제 2 레이저 빔 경로와 관련 광학 장치는 예열 시스템을 위한 것이다. 따라서, 본 실시예에서 제 1 빔 경로 및 커넥터(201)로부터 창(209)을 통해 이미지(210)로의 구성요소는 위에서 설명된 바와 같이 분말 층 재료를 함께 융합하기 위한 레이저 빔, 즉 빌드 레이저 빔 또는 융합 레이저 빔을 제공하고; 제 2 빔 경로는 예열 레이저 빔을 제공하기 위한 것이다.In an embodiment of the printer head 230 , a second laser input 212 is connected to a laser source for preheating the powder layer. In this way, the second laser beam path and associated optics are for the preheating system. Thus, in this embodiment the first beam path and component from the connector 201 to the image 210 through the window 209 is a laser beam for fusing the powder layer material together as described above, i.e. a build laser beam. or providing a fusion laser beam; The second beam path is for providing a preheat laser beam.

본 시스템 및 방법의 실시예는 임의의 레이저 파장을 사용할 수 있지만, 바람직한 실시예는 융합될 분말 층에 2차원 에너지 패턴을 정의하는 수단으로 레이저 어레이와 조합된 공간 광 변조기 어레이를 사용하여 병렬 방식으로 부품의 층을 프린팅하고 융합하기 위해 한 쌍의 청색 레이저를 사용하는 것이다. 에너지 패턴은 부품의 개별 부분 또는 개별 부품들이 병렬로 처리될 때 연속적이거나 개별적일 수 있다. 여러 에너지 패터닝 시스템을 함께 조합하면 더 높은 총 전력이 분말 층 표면에 전달될 수 있으며 결과적으로 단일 펄스로 더 큰 부품을 프린팅할 수 있어 기계의 제작 속도가 크게 향상된다. DMD의 전력 처리 기능에 대한 제한 때문에 다중 DMD가 사용된다. 기존 DMD 시스템은 백플레인 온도(backplane temperature) 및 냉각 방법에 따라 연속적으로 25 W/cm² 내지 최대 75 W/cm²의 청색 레이저 광을 처리할 수 있다. 제조할 부품이 클수록 표면 전체에 걸쳐 2D 패턴을 완전히 용융하는 데 필요한 총 전력량이 커진다. 실시예에서 DMD가 전달된 전력에 대한 제한 요소가 될 수 있으므로, 다중 DMD는 병렬로 사용되어 원하는 높은 빌드 속도를 달성하는데 필요한 영역 확장을 제공할 수 있다. 또한 이러한 프린팅 엔진은 2D 이미지를 함께 연결하여 부품의 단일 층인 더 큰 2D 이미지를 형성할 수 있는 정밀 갠트리 시스템에 장착될 수 있다. 시스템의 실시예는 갠트리 시스템의 일부로서 또는 갠트리와 분리된 분말 스프레더 및 빌드 용적의 일부로서 엘리베이터를 포함할 수 있다. 빌드 용적은 감소된 산소를 가져야 하며 바람직하게는 무산소 상태여야 하며, 예를 들어 아르곤과 같은 불활성 가스 또는 아르곤-CO₂와 같은 융합 과정을 촉진하기 위한 가스 혼합물로 충전될 수 있다. 에너지 패턴 영역은 2차 레이저 소스에 의해 예열되거나 전기 히터 및 복사 히터에 의해 직접 가열되어 제조 공정 중 부품의 열 손실을 줄일 수 있다. 2차 레이저 또는 2차 열원은 분말 층의 기본 온도를 높이고 레이저/공간 변조기 시스템, 즉 적층 제작 시스템의 레이저 빔 또는 하위 시스템을 융합 또는 구축함으로써 분말을 용융하기 위한 에너지 요구량을 줄인다. 실시예에서 전도 모드 용접 공정은 모든 적층 제작 스캔 레이저 시스템의 기본 공정인 키홀 공정에서 일반적으로 발생하는 스패터를 제거하는 각각의 층을 함께 융합하는데 선호되는 방법이다.While embodiments of the present systems and methods may use any laser wavelength, preferred embodiments use a spatial light modulator array in combination with a laser array as a means to define a two-dimensional energy pattern in the powder layer to be fused in a parallel fashion. It uses a pair of blue lasers to print and fuse the layers of the part. The energy pattern can be continuous or discrete when individual parts of a component or individual parts are processed in parallel. Combining multiple energy patterning systems together allows higher total power to be delivered to the surface of the powder layer, which in turn can print larger parts with a single pulse, greatly speeding up the fabrication of the machine. Multiple DMDs are used because of limitations on the power handling capabilities of DMDs. The existing DMD system can continuously process a blue laser light of 25 W/cm ² to a maximum of 75 W/cm ² depending on the backplane temperature and cooling method. The larger the part to be manufactured, the greater the total amount of power required to completely melt the 2D pattern over the entire surface. As DMDs may be the limiting factor for delivered power in embodiments, multiple DMDs may be used in parallel to provide the area expansion necessary to achieve the desired high build speed. These printing engines can also be mounted on precision gantry systems that can link 2D images together to form larger 2D images, single layers of parts. Embodiments of the system may include an elevator as part of a gantry system or as part of a powder spreader and build volume separate from the gantry. The build volume should have reduced oxygen and should preferably be anaerobic and may be filled with an inert gas such as argon or a gas mixture to facilitate the fusion process such as argon-CO ₂ for example. The energy pattern area can be preheated by a secondary laser source or directly heated by an electric heater and radiant heater to reduce heat loss of the part during the manufacturing process. A secondary laser, or secondary heat source, increases the base temperature of the powder bed and reduces the energy requirement to melt the powder by fusing or building up the laser beam or subsystem of a laser/spatial modulator system, ie an additive manufacturing system. In an embodiment, the conduction mode welding process is the preferred method for fusing the individual layers together which eliminates the spatter that normally occurs in the keyhole process, which is the basic process of all additive manufacturing scan laser systems.

2-D 에너지 2-D Energy 패터닝patterning 시스템(3-D system (3-D 빌드용for build ))

이러한 시스템의 바람직한 실시예는 TI의 DMD(Digital Micromirror Device)이다. 이러한 어레이는 투과 광을 오프 또는 온하라는 명령을 받았을 때 기울어지는 마이크로 미러로 구성된다. 그레이 스케일은 표면에 전달될 에너지의 양을 설정하기 위해서 공정 동안 고속으로 미러의 위치 또는 레이저의 파워 설정을 변조하거나 이미지의 평균 전력 밀도를 줄이기 위해서 이미지 전체에 걸쳐 미러를 무작위로 오프 상태로 전환함으로써 달성된다. 바람직한 DMD 어레이는 레이저 빔의 파장과 함께 사용하기 위해 최적화된 것, 예를 들어 청색 파장 범위, 바람직하게 녹색 파장 범위의 파장에 대해 최적화된 400 nm, 약 440 nm, 450 nm, 약 450 nm, 460nm 및 약 460 nm, 예를 들어 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm 및 600 nm 내지 700 nm의 적색 파장 범위일 수 있다. 가시 파장의 광에 대한 전형적인 DMD는 450 nm에서 반사율이 88%이고 회절 효율이 64%를 초과한다. 이러한 높은 투과율로 인해 이들 장치는 냉각 방법에 따라 25 W/cm² 이상의 평균 전력 밀도를 처리하고 청색, 녹색 및 적색 파장(가시광선)의 빌드 레이저 빔을 처리할 수 있다. 마이크로 채널 냉각기가 있는 DMD에서 수행된 테스트에 따르면 최대 75 W/cm²의 전력 밀도에서 장치를 작동하는 것이 안전하다. DMD는 약 25 W/cm² 내지 160 W/cm², 약 50 W/cm² 내지 100 W/cm² 및 약 25 W/cm² 내지 75 W/cm²뿐만 아니라 더 큰 값과 더 작은 값의 작동 전력 밀도, 예를 들어 평균 전력 밀도 등급을 가질 수 있다. 평균 전력 밀도 등급은 이러한 장치의 연속 열 부하 등급이다. 높은 반사율로 인해 낮은 반복률의 짧은 펄스는 장치의 연속 정격 전력보다 훨씬 더 높은 전력 밀도를 가질 수 있다. 도 3을 참조하면 이러한 평균 전력 밀도를 유지하기 위해서 주어진 반복률에 대한 최대 펄스 폭의 계산을 제공하는 차트가 도시된다. 계산은 150 W(와트) 내지 6 kW(킬로와트) 범위의 레이저 출력 레벨에 대해 수행된다. 6 kW에서 DMD 장치의 순간 전력 밀도 또는 피크 전력은 DLP9500 장치의 경우 2.5 kW/cm²이며, 이는 장치의 평균 전력 밀도 등급보다 1,000 배 더 크다. 이러한 레벨의 전력 처리량은 레이저 펄스 폭이 짧고 듀티 사이클이 낮아 장치의 평균 전력이 최대 정격을 초과하지 않기 때문에 달성할 수 있다. 광학 코팅(이 경우, 강화 알루미늄)은 흡수된 에너지가 코팅이나 미러의 손상 임계값을 초과하지 않는 한 매우 높은 피크 전력 레벨을 유지할 수 있다. 펄스 모드에서 알루미늄 광학 코팅의 손상 레벨은 전형적으로 짧은 펄스에 대해 10 내지 50 MW/cm²이며, 현재 시스템에서 이러한 적용은 이러한 손상 한계보다 훨씬 낮다. 또한, 미러의 열 질량은 입사 에너지의 12%를 흡수하는 역할을 하고 미러의 온도를 권장 작동 범위 내로 유지하기 위해서 주어진 전력 밀도에 대한 최대 노출 시간을 결정한다. 결과적으로, 현재의 DMD 시스템 및 방법은 DMD를 손상시키지 않고 금속 분말을 직접 융합할 수 있는 분말 층에 피크 강도를 전달할 수 있다.A preferred embodiment of such a system is TI's Digital Micromirror Device (DMD). These arrays consist of micromirrors that tilt when commanded to turn the transmitted light off or on. Grayscale can be achieved by modulating the position of the mirror or the power setting of the laser at high speed during the process to set the amount of energy to be delivered to the surface, or by randomly turning the mirror off throughout the image to reduce the average power density of the image. is achieved Preferred DMD arrays are those optimized for use with the wavelength of the laser beam, for example 400 nm, about 440 nm, 450 nm, about 450 nm, 460 nm optimized for wavelengths in the blue wavelength range, preferably the green wavelength range. and about 460 nm, such as 515 nm, about 515 nm, 532 nm, about 532 nm, and a red wavelength range of 600 nm to 700 nm. A typical DMD for light of visible wavelength has a reflectance of 88% at 450 nm and a diffraction efficiency in excess of 64%. Due to this high transmittance, these devices can handle average power densities of 25 W/cm ² or more, depending on the cooling method, and build laser beams of blue, green and red wavelengths (visible light). It is safe to operate the device at power densities of up to 75 W/cm ² according to tests performed on DMDs with microchannel coolers. DMD is about 25 W/cm ² to 160 W/cm ² , about 50 W/cm ² to 100 W/cm ² and about 25 W/cm ² to 75 W/cm ² , as well as larger and smaller values. It may have an operating power density, for example an average power density rating. The average power density rating is the continuous thermal load rating of these devices. Because of the high reflectivity, short pulses of low repetition rate can have a much higher power density than the continuous power rating of the device. Referring to FIG. 3, a chart is shown that provides a calculation of the maximum pulse width for a given repetition rate in order to maintain this average power density. Calculations are performed for laser power levels ranging from 150 W (watts) to 6 kW (kilowatts). The instantaneous power density or peak power of the DMD device at 6 kW is 2.5 kW/cm ² for the DLP9500 device, which is 1,000 times greater than the average power density rating of the device. This level of power throughput is achievable because the laser pulse width is short and the duty cycle is low so that the average power of the device does not exceed its maximum rating. An optical coating (in this case, reinforced aluminum) can maintain very high peak power levels as long as the absorbed energy does not exceed the damage threshold of the coating or mirror. The damage level of aluminum optical coatings in pulsed mode is typically between 10 and 50 MW/cm ² for short pulses, and in current systems such applications are well below this damage limit. In addition, the thermal mass of the mirror is responsible for absorbing 12% of the incident energy and determines the maximum exposure time for a given power density in order to keep the temperature of the mirror within the recommended operating range. As a result, current DMD systems and methods can deliver peak intensity to a powder layer that can fuse metal powders directly without damaging the DMD.

따라서, 본 시스템에 따르면 적층 제작 시스템 및 방법의 DMD 장치는 분말 층에 이미지를 형성하기 위해서 레이저 빔에 영향을 받고 반사 및 지시하며, 여기서 레이저 빔은 분말 층에서 DMD의 평균 정격 출력 밀도보다 2x, 10x, 100x, 1,500x, 100x 내지 1,000x 이상인 피크 출력 밀도(kW/cm²)를 가진다.Thus, according to the present system, the DMD device of the additive manufacturing system and method is affected, reflected, and directs a laser beam to form an image in the powder layer, wherein the laser beam is 2x greater than the average rated power density of the DMD in the powder layer; It has a peak power density (kW/cm ² ) of 10x, 100x, 1,500x, 100x to 1,000x or more.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 프린팅된 패턴의 사진이 도시된다. 도 4a에는 직접 용융된 금속 분말이 도시되며, 이 경우 두께가 100 ㎛인 구리 분말 층이고 "N"의 이미지가 레이저/공간 변조기 시스템에 의해 직접 프린팅된다. 구리 분말의 융점은 1085 ℃이다. 도 4b는 레이저/공간 변조기 시스템에 의해 직접 프린팅된 제 2 문자 "U"를 도시한다. 분말을 손으로 미리 배치하고 100 ℃로 가열하여 가공 전에 불순물을 제거했다. 프린팅 공정은 문자(N)의 이미지를 DMD에 다운로드하는 것으로 시작한다. 그런 다음 청색 레이저 시스템은 25 W/cm² 권장 작동 지점을 유지하고 3.7 kW/cm²의 전력 밀도에 대응하는 분말 층 표면에 85 W 피크 전력을 전달하는 듀티 사이클로 4 msec 동안 펄스를 켠다. 이러한 테스트에 저출력 레이저가 사용되었기 때문에, DMD의 이미지는 이동하는 갠트리 시스템의 이미지가 분말을 가열하고 이미지로 융합하는데 충분한 에너지가 증착될 때까지 정지되는 방식으로 스크롤된다. 그런 다음 이미지를 다음 문자로 변경하고 공정을 반복했다. 분말 층은 20 ℃에 있었기 때문에, 분말을 가열하고 녹이는데 필요한 모든 에너지는 레이저/공간 광 변조기 시스템에서 나온다. 문자의 높이는 약 500 m, 폭은 500 m이다. 더 높은 레이저 출력과 가열 층을 사용하면 단일 펄스로 분말을 용융할 수 있다.4A and 4B , a photograph of a printed pattern is shown. Figure 4a shows a directly molten metal powder, in this case a layer of copper powder with a thickness of 100 μm and the image of “N” is printed directly by the laser/spatial modulator system. The melting point of copper powder is 1085°C. Figure 4b shows the second letter "U" printed directly by the laser/spatial modulator system. The powder was pre-placed by hand and heated to 100 °C to remove impurities before processing. The printing process starts by downloading an image of the letter N to the DMD. The blue laser system is then pulsed for 4 msec with a duty cycle maintaining the 25 W/cm ² recommended operating point and delivering 85 W peak power to the powder bed surface corresponding to a power density of 3.7 kW/cm ² . Because a low-power laser was used for these tests, the image of the DMD is scrolled in such a way that the image of the moving gantry system is stationary until sufficient energy has been deposited to heat the powder and fuse into the image. Then the image was changed to the next character and the process repeated. Since the powder bed was at 20 °C, all the energy needed to heat and melt the powder comes from the laser/spatial light modulator system. The characters are about 500 m high and 500 m wide. The higher laser power and the use of a heating layer allow the powder to be melted in a single pulse.

실시예에서, 6 kW 청색 레이저 소스(빌드 레이저 빔)는 6.5 mseconds의 펄스 폭과 3 Hz의 반복 속도로 작동되며, 이는 구리 분말을 사용할 때 75 cc/hr를 초과하는 빌드 속도에 대응한다. 균질화기는 레이저 에너지를 DMD 전체에 고르게 분배하는데 사용된다. DMD의 전력 밀도는 폭 2 cm, 높이 1.1 cm인 2.5 kW/cm²이다. DMD는 10.8 ㎛ 피치에서 1,920 미러 x 1,080 미러의 해상도를 가진다. 이러한 파장에서 DMD 미러의 반사율은 약 88%, 장치 창의 투과율은 97%, DMD의 회절 효율은 이 파장에서 ~62%이고 이미징 광학 장치의 투과율은 99%로 가정된다. 2:1 이미징 광학 장치를 사용하여 10 mm x 5.5 mm 이미지가 분말 층에 전달되고 추정된 손실은 도 4a 및 도 4b의 테스트에 사용된 강도보다 1.6배 높고, 증착된 총 에너지가 60 배 더 큰 공간 광 변조기 조합에서 분말 층에 ~6 kW/cm² 전력 밀도를 초래한다. "시스템" 이미지 해상도는 약 5.04 ㎛이며, 다른 어떤 레이저 소결 방식보다 시스템에 더 높은 해상도를 제공한다. 공개된 DMD 칩의 평균 전력 밀도가 25 W/cm²로 제한되어 있으므로, 6 kW 레이저 소스에 대해 6.5 msec의 펄스 폭이 선택되었으며 이는 분말 층에 증착되는 약 21 주울의 에너지에 대응한다. 도 4a 및 4b에 도시된 실험에서, 조명된 영역이 0.5 mm x 0.5 mm에 불과했기 때문에, 상당히 낮은 에너지 증착(0.34 주울)이 필요했다. 층 온도가 600 ℃라고 가정하면, 25%의 공극 함량을 가진 10 mm x 5.5 mm x 0.1 mm의 구리 분말을 용융시키는데 14 주울의 에너지가 필요한 것으로 추정된다. 이러한 분석은 더 높은 에너지 요구 사항을 유발할 수 있는 기판의 가열을 고려하지 않는다. 가장 높은 에너지 요구 사항은 부품의 제 1 층을 프린팅할 때 발생하며, 기판으로의 열 에너지 확산은 분말을 용융하고 융합하기 위해 3 배만큼 에너지 요구 사항을 증가시킬 수 있다. 2차 가열 레이저는 이러한 단계에서 필요한 추가 에너지를 전달하기 위해 이미징 시스템을 보완하는데 사용될 수 있다. 빌드가 진행됨에 따라서, 열 확산은 이제 이전 층의 질량 요소이며, 부품이 얇을수록 전력 요구 사항이 낮을수록 이전 층의 치수가 클수록 전력 요구 사항이 더 크며, 제 1 층을 빌드 플레이트에 접합하는 동안 가장 높은 전력 요구 사항이 발생한다.In an embodiment, a 6 kW blue laser source (build laser beam) is operated with a pulse width of 6.5 mseconds and a repetition rate of 3 Hz, which corresponds to a build rate of greater than 75 cc/hr when using copper powder. The homogenizer is used to evenly distribute the laser energy throughout the DMD. The power density of the DMD is 2.5 kW/cm ² with a width of 2 cm and a height of 1.1 cm. The DMD has a resolution of 1920 mirrors x 1,080 mirrors at a pitch of 10.8 μm. It is assumed that the reflectivity of the DMD mirror at these wavelengths is about 88%, the transmittance of the device window is 97%, the diffraction efficiency of the DMD is ~62% at this wavelength, and the transmittance of the imaging optics is 99%. Using a 2:1 imaging optics, a 10 mm x 5.5 mm image was transferred to the powder layer and the estimated loss was 1.6 times higher than the intensity used in the tests in Figures 4a and 4b, and the total energy deposited was 60 times greater. This results in a ~6 kW/cm ² power density in the powder bed in the spatial light modulator combination. The “system” image resolution is about 5.04 μm, which gives the system a higher resolution than any other laser sintering method. Since the average power density of the published DMD chip is limited to 25 W/cm ² , a pulse width of 6.5 msec was chosen for a 6 kW laser source, which corresponds to about 21 joules of energy deposited in the powder layer. In the experiments shown in Figures 4a and 4b, since the illuminated area was only 0.5 mm x 0.5 mm, a significantly lower energy deposition (0.34 joules) was required. Assuming a bed temperature of 600 °C, it is estimated that 14 Joules of energy are required to melt a copper powder of 10 mm x 5.5 mm x 0.1 mm with a void content of 25%. This analysis does not take into account heating of the substrate, which may result in higher energy requirements. The highest energy requirements occur when printing the first layer of a part, and the diffusion of thermal energy into the substrate can increase the energy requirements by a factor of three to melt and fuse the powder. A secondary heating laser can be used to supplement the imaging system to deliver the additional energy needed in this step. As the build progresses, heat diffusion is now a mass component of the previous layer, the thinner the part, the lower the power requirement, the larger the dimensions of the previous layer, the greater the power requirement, while bonding the first layer to the build plate. The highest power requirements arise.

시스템 또는 방법의 해상도는 시스템에 의해 구축된 물체가 명시된 해상도와 동일한 최소 부품 또는 최소 치수를 가질 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 해상도는 구축될 수 있는 물체의 가장 작은 치수를 정의한다. 따라서 레이저 시스템의 분해능, 방법의 분해능은 시스템 및 방법이 부품을 구축할 수 있는 능력이 있거나 해당 부품에 분해능이 있는 기능이 있음을 의미한다. 따라서, 예로서 75 m 해상도는 75 m에서 가장 작은 치수를 갖는 부품, 75 m에서 가장 작은 형상을 가지는 부품, 또는 둘 다를 만드는 기능을 제공할 것이다. 청색 레이저 3-D 적층 제작 시스템, 예를 들어 3-D 청색 레이저 프린터의 실시예 및 청색 레이저 3-D 적층 제작 방법의 실시예는 약 0.5 ㎛ 내지 약 200 ㎛ 이상, 약 0.5 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 0.5 ㎛ 내지 약 50 ㎛, 약 100 ㎛ 미만, 약 75 ㎛ 미만, 약 50 ㎛ 미만, 약 25 ㎛ 미만, 약 25 ㎛ 미만, 약 10 ㎛ 미만, 약 5 ㎛ 미만의 해상도를 가진다. 시스템은 예를 들어, 200 ㎛보다 큰 큰 해상도와 약 0.5 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 및 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛의 매우 미세한 해상도를 위한 기능을 모두 가질 수 있다. 또한, 본 명세서에서 실시예 및 예뿐만 아니라 청색 440 nm, 약 440 nm, 460 nm, 녹색 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm, 550 nm, 약 550 nm의 파장을 가지는 이들 실시예를 포함하는 본 시스템 및 방법의 실시예는 약 10 ㎛ 내지 약 0.5 ㎛, 10 ㎛ 미만, 5 ㎛ 미만, 2 ㎛ 미만, 약 3 ㎛ 내지 약 0.9 ㎛, 약 1 ㎛ 및 더 작은 값뿐만 아니라 이 단락의 다른 값의 해상도를 가진다.The resolution of a system or method means that an object built by the system can have a minimum component or minimum dimension equal to the specified resolution. For example, resolution defines the smallest dimension of an object that can be built. Therefore, the resolution of a laser system, the resolution of a method means that the system and method have the ability to build a part, or that part has the capability to have a resolution. Thus, a 75 m resolution as an example would provide the ability to create the part with the smallest dimension at 75 m, the part with the smallest shape at 75 m, or both. Embodiments of a blue laser 3-D additive manufacturing system, eg, a 3-D blue laser printer, and embodiments of a blue laser 3-D additive manufacturing method are from about 0.5 μm to about 200 μm or greater, from about 0.5 μm to about 100 μm. , from about 0.5 μm to about 50 μm, less than about 100 μm, less than about 75 μm, less than about 50 μm, less than about 25 μm, less than about 25 μm, less than about 10 μm, less than about 5 μm. The system may have both capabilities, for example, for resolutions greater than 200 μm and very fine resolutions from about 0.5 μm to about 10 μm and from 1 μm to about 5 μm. In addition, examples and examples herein, as well as those examples having wavelengths of blue 440 nm, about 440 nm, 460 nm, green 515 nm, about 515 nm, 532 nm, about 532 nm, 550 nm, about 550 nm Examples of the present system and method comprising has a resolution of different values of .

도 5는 IR 레이저와 비교하여 구리 분말 층에서 청색 레이저 광이 얼마나 빠르게 흡수되는지를 비교한 것이다. 청색 레이저 광의 높은 흡수율은 이러한 공정이 원하는 해상도, 빌드 속도 및 두 가지를 모두 얻을 수 있도록 하는 요인인데, 이는 IR 레이저가 융합할 패턴 외부의 분말 층으로 산란되고 훨씬 더 높은 출력 레벨의 레이저가 필요하고 해상도가 높은 산란 계수에 의해 IR에서 제한되기 때문이다. 따라서 빛을 100% 흡수한다는 가정이 사용될 수 있다. 분말 층의 밀도가 75%라면 구리의 융점인 600 ℃에서 분말 층을 1085 ℃까지 가열하는데 필요한 에너지는 열용량 방정식을 기반으로 계산할 수 있다. 상 전이가 관련되어 있기 때문에 융합 열은 에너지 요구 사항 계산에 포함된다. 두 성분의 합을 기준으로 하면 10 mm x 5.5 mm x 100 ㎛ 부피의 구리를 용융시키는데 필요한 에너지는 약 14 주울이다. 이러한 계산에 기초하여, 오늘날 사용 가능한 전형적인 DMD 어레이는 금속 기반 적층 제작 시스템에서 사용하는데 적합하며, 바람직하게는 분말의 기본 온도가 금속을 용융시키는데 필요한 에너지를 보상하도록 조정되거나 보조 레이저가 이미지 영역을 예열하는데 사용된다.5 is a comparison of how quickly blue laser light is absorbed in a copper powder layer compared to an IR laser. The high absorption of blue laser light is a factor that allows these processes to achieve the desired resolution, build speed, and both, as the IR laser is scattered into a layer of powder outside the pattern to fuse and requires a much higher power level of the laser. This is because the resolution is limited in the IR by the high scattering coefficient. Therefore, the assumption that 100% of the light is absorbed can be used. If the density of the powder layer is 75%, the energy required to heat the powder layer from 600 °C, the melting point of copper, to 1085 °C, can be calculated based on the heat capacity equation. Because the phase transitions are involved, the heat of fusion is included in the energy requirement calculation. Based on the sum of the two components, the energy required to melt copper with a volume of 10 mm x 5.5 mm x 100 μm is about 14 Joules. Based on these calculations, typical DMD arrays available today are suitable for use in metal-based additive manufacturing systems, preferably the base temperature of the powder is adjusted to compensate for the energy required to melt the metal, or an auxiliary laser preheats the image area. used to do

DMD를 통해 구리 분말 층을 가열하기 위해서 500 와트 청색 레이저 소스를 사용하는 실시예는 1.5 Hz 반복 속도로 펄스될 때 최대 78 msec의 펄스 폭을 제공할 수 있다. 이들 조건에서 500 와트 청색 레이저 소스는 400 ℃ 배경 층 온도에서 구리를 용융시키는데 충분한 에너지인 39 주울을 구리 분말 층에 전달한다.An embodiment using a 500 watt blue laser source to heat a copper powder layer through the DMD can provide a pulse width of up to 78 msec when pulsed at a 1.5 Hz repetition rate. In these conditions a 500 watt blue laser source delivers 39 Joules to the copper powder layer, which is sufficient energy to melt the copper at 400° C. background layer temperature.

어떤 이유로 레이저-공간 광 변조기 조합은 50 μm 두께의 분말 층을 용융시킬 수 있는 충분한 에너지를 제공할 수 있지만 하부 층에 융합하는데 충분한 에너지가 아닐 수 있다. 전도 모드 용접은 구형 방식으로 재료 층을 통해 진행되기 때문에 용접은 깊은 만큼 넓다. 예를 들어, 깊이가 50 μm인 용접 비드의 폭은 최소 50 μm이다. 분말 층이 그 하부 층에 융합되도록 하려면 최소 피처 크기가 분말 층 깊이의 1.5 내지 2 배 이상이어야 한다. 이는 75 내지 100 μm 폭의 비드를 사용하여 분말 층을 하부 층에 융합시키는 것을 의미한다. 더 낮은 고체 층에 융합하는데 필요한 에너지를 고려하면, 400 ℃에서 구리의 융점으로 갈 때 분말을 용융 및 융합하는데 필요한 에너지가 36 주울로부터 86 주울로 증가한다. 실시예에서, 이는 레이저-공간 필터 조합만으로는 달성할 수 없으므로 층 온도를 높이거나 별도의 열원이 추가된다. 바람직하게, 공간 광 변조기 없이 제 2 레이저를 추가함으로써, 분말을 녹이지 않고 분말의 온도를 높이기 위해서 추가 열이 추가된다. 따라서, 이러한 제 2 레이저는 분말을 예열할 수 있고 분말 층 및 빌드 물체의 온도를 주변 온도 이상으로 유지할 수 있으며, 예를 들어 분말은 100 ℃ 초과, 200 ℃ 초과, 300 ℃ 초과, 400 ℃ 초과, 약 300 ℃ 내지 약 600 ℃, 분말 융점의 300 ℃ 이내, 분말 융점의 200 ℃ 이내, 분말 융점의 100 ℃ 이내, 분말의 융점 바로 아래, 및 고온 및 저온으로 가열되고 그 온도로 유지될 수 있다.For some reason the laser-spatial light modulator combination may provide sufficient energy to melt a 50 μm thick layer of powder, but not enough energy to fuse to the underlying layer. Because conduction mode welding proceeds through a layer of material in a spherical fashion, the weld is as wide as deep. For example, a weld bead with a depth of 50 μm is at least 50 μm wide. The minimum feature size must be at least 1.5 to 2 times the depth of the powder layer to allow the powder layer to fuse into its underlying layer. This means fusing the powder layer to the underlying layer using 75-100 μm wide beads. Taking into account the energy required to fuse to the lower solid layer, the energy required to melt and fuse the powder increases from 36 joules to 86 joules when going to the melting point of copper at 400 °C. In embodiments, this cannot be achieved with a laser-space filter combination alone, thus increasing the bed temperature or adding a separate heat source. Preferably, by adding a second laser without a spatial light modulator, additional heat is added to increase the temperature of the powder without melting it. Thus, this second laser can preheat the powder and maintain the temperature of the powder layer and build object above ambient temperature, for example, the powder can be heated above 100°C, above 200°C, above 300°C, above 400°C, It can be heated to and maintained at about 300°C to about 600°C, within 300°C of the powder melting point, within 200°C of the powder melting point, within 100°C of the powder melting point, just below the melting point of the powder, and at high and low temperatures.

본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 공간 광 변조기, 레이저/공간 광 변조기, DMD 시스템, 레이저 공간 및 그와 유사한 용어는 마이크로 미러, 마이크로 반사 조립체, 또는 마이크로 레벨 또는 서브 마이크로 레벨 해상도를 갖는 유사한 반사 구성요소를 사용하여, 분말 층뿐만 아니라 액정에 빌드 레이저 빔을 위한 레이저 패턴 및 이미지를 생성하는 동일한 일반적인 유형의 시스템 또는 서브-시스템 및 기타 유형의 크리스털 기반 공간 광 변조기를 지칭한다.As used herein, unless explicitly stated otherwise, spatial light modulator, laser/spatial light modulator, DMD system, laser space, and similar terms refer to micro-mirrors, micro-reflection assemblies, or micro-level or sub-micro Refers to the same general type of systems or sub-systems and other types of crystal-based spatial light modulators that use similar reflective components with level resolution to generate laser patterns and images for build laser beams in liquid crystals as well as powder layers. do.

제 2 레이저(예를 들어, 위에서 논의된 바와 같은 도 2의 제 2 빔 경로)는 도 2에 도시된 바와 같이 레이저-공간 광 변조기가 하는 것과 동일한 영역을 조명한다. 도 6에는 금속 분말 층(600)이 있다. 예열 레이저 빔은 층(600)의 영역(605)을 가열하는 예열 레이저 패턴(601)을 형성한다. 금속 분말 층(600)에 레이저 패턴(602, 603)을 형성하는 것도 도시된다. 따라서, 영역(605)의 재료는 제 2 레이저 빔, 예를 들어 예열 레이저 빔에 의해 가열되고, 레이저 패턴(602, 603)의 가열된 재료는 물체로 융합된다. 위에서 논의한 경우, 분말을 녹이고 융합하는데 86 주울의 가열이 필요하다. 500 와트 레이저 공간 필터 조합이 패턴에 39 주울을 제공하면 제 2 레이저가 나머지 또는 47 주울을 제공한다. 이동, 코팅 및 기타 기능을 수행하는 시간을 수용하기 위해서, 예열 레이저의 펄스 폭은 듀티 사이클의 10% 또는 66 msec가 될 수 있다. 이는 750 W의 예열 레이저 출력에 대응한다. 제 2 레이저가 분말 층 영역을 융점의 200 ℃ 이내로 가열한다고 가정하면, 레이저 공간 광 변조기가 부품을 조명할 때 분말 층 및 하위 층의 패턴 영역 온도를 구리의 융점까지 올린다. 도 7은 시스템의 타이밍을 예시하며, 이러한 순서는 50 ㎛ 분말 층과 그 아래의 완전히 조밀한 층의 용융 및 완전한 융합을 초래한다.A second laser (eg, the second beam path of FIG. 2 as discussed above) illuminates the same area as the laser-spatial light modulator does as shown in FIG. 2 . 6 there is a metal powder layer 600 . The preheat laser beam forms a preheat laser pattern 601 that heats regions 605 of layer 600 . The formation of laser patterns 602 and 603 in the metal powder layer 600 is also shown. Accordingly, the material of the region 605 is heated by a second laser beam, for example a preheating laser beam, and the heated material of the laser patterns 602 , 603 is fused into an object. In the case discussed above, 86 Joules of heating are required to melt and fuse the powder. If the 500 watt laser spatial filter combination provides 39 joules to the pattern, the second laser provides the remainder, or 47 joules. To accommodate the time it takes to move, coat, and perform other functions, the pulse width of the preheat laser can be 10% of the duty cycle or 66 msec. This corresponds to a preheating laser power of 750 W. Assuming that the second laser heats the powder layer region to within 200°C of the melting point, when the laser spatial light modulator illuminates the part, the temperature of the pattern region of the powder layer and sub-layer is raised to the melting point of copper. 7 illustrates the timing of the system, this sequence results in melting and complete fusion of the 50 μm powder layer and the fully dense layer below it.

실시예에서, 레이저-공간 광 변조기 쌍은 1.5 Hz의 반복 속도로 작동하는 6,000 와트 청색 레이저에 기초한다. 예열 레이저는 750 와트 레이저이다. 예열 레이저는 위에서 언급한 것과 동일한 시간(66 msec) 동안 작동하여 분말 층 온도를 본 경우에 구리인 용융될 재료(예를 들어, 분말 층의 분말)의 용융 온도의 200 ℃ 이내로 증가시킨다. 고온계 또는 FLIR 카메라는 이러한 예열 과정에서 분말 층의 온도를 모니터링하는데 사용되며 레이저 공간 광 변조기 이미지가 분말 층 영역을 조명하고 분말을 하부 층에 융합할 때까지 온도를 유지하기 위해서 레이저 출력을 제어한다. 6,000 와트 레이저는 6.5 msec 동안 켜져 있는 반면에, 750 와트 레이저는 66 msec 이상 동안 켜져 있을 수 있다. 본 실시예에서, 챔버 온도는 실온이거나 실온에 가까운 것으로 가정된다.In an embodiment, the laser-spatial light modulator pair is based on a 6,000 watt blue laser operating at a repetition rate of 1.5 Hz. The preheat laser is a 750 watt laser. The preheat laser is operated for the same time as mentioned above (66 msec) to increase the powder bed temperature to within 200° C. of the melting temperature of the material to be melted (eg, powder in the powder layer) which is copper in this case. A pyrometer or FLIR camera is used to monitor the temperature of the powder bed during this preheating process and a laser spatial light modulator image illuminates the powder layer area and controls the laser power to maintain the temperature until the powder fuses into the underlying layer. A 6,000 watt laser may be on for 6.5 msec, while a 750 watt laser may be on for more than 66 msec. In this embodiment, the chamber temperature is assumed to be or close to room temperature.

실시예에서, 레이저-공간 광 변조기 쌍은 1.5 Hz의 최대 반복률에서 작동하는 500 와트 청색 레이저를 기반으로 한다. 예열은 1,000 와트 레이저이다. 예열 레이저는 위의 경우와 동일한 시간 약 78 msec 동안 작동한다. 그러나 더 높은 출력 레벨을 가진 예열 레이저는 이제 25 msec 동안만 작동하여 패턴을 재배치할 추가 시간을 제공한다. 본 실시예에서, 챔버는 실온 또는 그 근처에 있는 것으로 가정된다.In an embodiment, the laser-spatial light modulator pair is based on a 500 watt blue laser operating at a maximum repetition rate of 1.5 Hz. The preheat is a 1,000 watt laser. The preheat laser operates for about 78 msec, the same time as in the above case. However, preheat lasers with higher power levels now only run for 25 msec, giving them additional time to reposition the pattern. In this embodiment, the chamber is assumed to be at or near room temperature.

설명된 레이저 프린팅 엔진은 기밀 인클로저에서, 도 1의 실시예와 같은 정밀 갠트리 시스템에 장착된다. 불활성 가스로 충전된 기밀 인클로저는 공정이 진행되는 동안 용접 연기를 제거하기 위해서 지속적으로 순환된다. 불활성 가스 환경은 부품의 다공성으로 이어질 수 있는 빌드 중 표면 산화가 없도록 보장한다. 갠트리 시스템을 사용하면 헤드를 x-y 방향으로 배치할 수 있으며 엘리베이터를 사용하여 새로운 층이 인쇄될 때마다 부품을 아래로 이동할 수 있다. 원칙적으로, 2차원 에너지 패턴의 단계적 반복에 대한 이러한 접근 방식은 임의의 커다란 용적, 예를 들어 0.5 m³, 1 m³, 2 m³, 3 m³, 10 m³, 1 m³ 내지 10 m³ 및 더 크고 더 작은 용적에 적용될 수 있으며, 제약 조건은 채택된 갠트리 시스템의 정확도이다.The laser printing engine described is mounted in a precision gantry system such as the embodiment of FIG. 1 , in a hermetic enclosure. The hermetic enclosure filled with inert gas is continuously cycled to remove welding fumes during the process. The inert gas environment ensures that there is no surface oxidation during build that can lead to porosity of the part. The gantry system allows the head to be positioned in the xy direction and an elevator can be used to move the part down each time a new layer is printed. In principle, this approach to stepwise repetition of a two-dimensional energy pattern can be achieved with any large volume, for example 0.5 m ³ , 1 m ³ , 2 m ³ , 3 m ³ , 10 m ³ , 1 m ³ to 10 m ³ and larger and smaller volumes, the constraint is the accuracy of the adopted gantry system.

빌드는 전형적으로 단계 파일인 Computer Assisted Design 파일로 시작한다. 소프트웨어는 해상도와 형상에 따라서 먼저 물체를 50 μm 이하 또는 이상의 조각으로 나눈다. 슬라이싱 후에 드러난 표면은 공간 광 변조기와 동일한 이미지 크기의 섹션으로 나누어진다. 그런 다음 빌드 전략은 패턴의 어느 부분을 먼저 노출할지, 노출 레벨은 무엇인지, 어떤 지원 구조(있는 경우)를 사용해야 하는지에 대해 소프트웨어에 의해 결정된다. 또한 소프트웨어는 레이저 공간 변조기 시스템과 예열 레이저에 대한 최적의 시간을 결정한다. 예열 시간은 모재의 밀도, 모재의 용융 온도, 용융될 층 하부 층의 재료의 양 및 용융될 층 하부 층의 재료 밀도에 따라 달라질 수 있다. 부품의 크기, 부품 복잡성 및 부품의 방향에 따라서 복사 히터를 사용하여 빌드 챔버의 층, 벽 또는 천장을 최적의 온도로 유지하여 빌드 환경에 잘못된 비율로 열 손실이 발생하지 않도록 할 수 있다. 이러한 처리 순서는 도 8에 요약된다.A build typically starts with a Computer Assisted Design file, which is a step file. The software first divides the object into pieces smaller or larger than 50 μm, depending on the resolution and shape. After slicing, the exposed surface is divided into sections of the same image size as the spatial light modulator. The build strategy is then determined by the software as to which parts of the pattern should be exposed first, what the level of exposure should be, and which supporting structures (if any) should be used. The software also determines the optimal time for the laser spatial modulator system and the preheat laser. The preheating time may vary depending on the density of the base material, the melting temperature of the base material, the amount of material of the layer under the layer to be melted and the material density of the layer under the layer to be melted. Depending on the size of the part, the complexity of the part, and the orientation of the part, radiant heaters can be used to keep the floors, walls, or ceilings of the build chamber at an optimal temperature so that the build environment does not lose heat at the wrong rate. This processing sequence is summarized in FIG. 8 .

다음의 실시예는 본 발명의 레이저 시스템 및 본 발명의 구성요소의 다양한 실시예를 예시하기 위해 제공된다. 이들 예는 예시를 위한 것이며, 예언적일 수 있으며, 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되며, 본 발명의 범위를 달리 제한하지 않아야 한다.The following examples are provided to illustrate various embodiments of the inventive laser system and inventive components. These examples are for the purpose of illustration, and may be prophetic, and should not be construed as limiting or otherwise limiting the scope of the invention.

예 1Example 1

적층 제작 시스템의 실시예가 일반적으로 도 1에 도시된다. 시스템(100)은 방진 플랫폼에 장착된 x-y 갠트리 시스템(101)으로 구성된다. 갠트리 시스템(102)의 x-축은 한 쌍의 에어 베어링과 1 마이크론 이하의 절대 위치에 위치할 수 있는 선형 모터로 구성된다. 갠트리 시스템의 x-축용 모터는 또한 분말 스프레더(105)를 양-방향 방식으로 이동시켜 분말을 살포할 수 있다. 분말은 분말로 채워진 제 2 엘리베이터 섹션이나 분말 층에 분말을 떨어뜨리는 분말 호퍼에 의해 전달될 수 있다. 분말 호퍼는 본 도면에 도시되지 않았지만 갠트리 시스템의 전면과 후면에 장착된다. 전체 시스템은 본 도면에 도시되지 않은 기밀 인클로저로 둘러싸여 있다. DMD 레이저 프린트 헤드(103)는 갠트리 시스템의 y-축 상에 장착되고 층을 횡단할 수 있고 축을 따라 반복적으로 임의의 위치의 마이크론 내에 위치될 수 있다. 분말 층(104)은 각각의 공정 단계 후에 층을 최소 10 ㎛까지 낮출 수 있도록 하는 고정밀 엘리베이터에 있다. 이는 분말 스프레더(105)가 이전에 융합된 이미지 위에 분말의 균일한 층을 배치하는 것을 허용한다. 모션의 반대 방향으로 회전하는 롤러(106)는 분말 층을 평활화하고 압축하는데 사용된다. 분말 층에는 빌드 사이클에서 고온을 사용할 수 있도록 히터가 내장되어 있다. DMD 이미지 및 2차 예열 레이저가 나오는 창에 파편이나 연기가 도달하는 것을 방지하기 위해서 층류 에어 나이프가 DMD 레이저 프린트 헤드(109) 바로 아래에 배치된다. DMD 이미지(107)는 슬라이싱 소프트웨어에 따라서 분말 층에 위치되며 이미지가 부품의 인접 부분을 완성하기 위해서 이미지의 폭에 걸쳐 계단식으로 올라갈 때 패턴이 변경된다. 부품의 열 축적 관리와 부품의 뒤틀림 및 응력을 최소화하려는 욕구에 따라 이미지가 더 멀어질 수도 있다.An embodiment of an additive manufacturing system is shown generally in FIG. 1 . System 100 consists of an x-y gantry system 101 mounted on an anti-vibration platform. The x-axis of the gantry system 102 consists of a pair of air bearings and a linear motor that can be positioned in absolute positions of less than 1 micron. The motor for the x-axis of the gantry system can also move the powder spreader 105 in a bi-directional manner to spread the powder. The powder may be delivered by a powder hopper that drops the powder onto a powder bed or a second elevator section filled with powder. The powder hoppers are not shown in this figure but are mounted on the front and rear of the gantry system. The entire system is surrounded by a hermetic enclosure not shown in this figure. The DMD laser print head 103 is mounted on the y-axis of the gantry system and can traverse layers and iteratively along the axis can be positioned within microns at any location. The powder layer 104 is in a high-precision elevator that allows the layer to be lowered to a minimum of 10 μm after each process step. This allows the powder spreader 105 to place a uniform layer of powder over the previously fused image. A roller 106 rotating in the opposite direction of motion is used to smooth and compact the powder layer. The powder bed has a built-in heater to allow high temperatures to be used in the build cycle. A laminar flow air knife is placed directly below the DMD laser print head 109 to prevent debris or smoke from reaching the window from which the DMD image and secondary preheat laser exit. The DMD image 107 is placed in a powder layer according to the slicing software and the pattern changes as the image cascades across the width of the image to complete adjacent portions of the part. The image may go further, depending on the part's thermal build-up management and the desire to minimize distortion and stress in the part.

예 2Example 2

DMD 프린트 헤드의 실시예가 일반적으로 도 2에 도시된다. 변조될 메인 레이저 전력은 산업 표준 QBH 섬유 케이블(201)을 통해 프린트 헤드(200)로 전달된다. 예열에 사용될 제 2 레이저도 산업 표준 QBH 섬유 케이블(212)을 통해 전달된다. 이들 케이블은 견고하게 설계되었으며 작동 중 외부 환경에 대한 시일을 제공한다. 케이블은 보호 외피 내측에 직경 400 μm 이하의 섬유를 가진다. 한 쌍의 40 mm 시준 렌즈(205, 210)는 각각의 광섬유 출력을 시준하는데 사용된다. 광섬유에서 나오는 빔의 형상과 균일성에 따라서 균질화기와 빔 성형 광학 장치가 시준 광학 장치 바로 뒤에 삽입된다. 1차 레이저 소스(빌드 레이저)와 2차 레이저 소스(예열 레이저) 모두는 균질화기를 사용하여 융합된 프린팅이 균일하도록 균일한 강도를 제공할 수 있다. 회전 미러(206)는 메인 레이저의 광섬유(201)로부터의 시준된 빔을 DMD의 표면 법선으로부터 24도의 필수 각도로 DMD로 지향시키는데 사용된다. 레이저가 켜진 상태일 때 DMD(202) 미러는 입사 빔을 향해 기울어지고 빔이 DMD 표면에 수직으로 방향을 전환한다. 레이저가 꺼진 상태일 때 DMD(202) 미러는 입사 빔에서 멀어지게 기울어지고 DMD 표면에 수직인 벡터에서 입사 빔으로부터 멀어지게 입사 빔을 48도 방향으로 재지향시킨다. 이는 빔 덤프(204)가 이미지에서 오프 상태에 있을 임의의 빔 에너지를 차단해야 하기 때문에 위치하는 곳이다. DMD(202)의 빔은 이제 100 mm FL 렌즈로 레이저 프린팅 헤드 아래 200 mm 지점으로 다시 이미지화된다. 이는 1:1 이미징 배열이며 필요한 부품의 크기와 정확도에 따라서 상이한 비율을 사용할 수 있다. 2차 레이저의 광섬유 출력(212)은 렌즈(205)에 의해 시준되고 원하는 융합 균일성을 달성하기 위해서 빔 균질화기를 통과할 수 있다. 2차 빔의 빔 컨디셔닝 후 미러(207)를 사용하여 DMD 이미지와 동일한 지점으로 지향되거나 다시 이미지화된다. 이러한 시스템은 DMD 빔과 동일한 이미징 렌즈를 통과하지 않는다. 그러나 2 개의 빔, DMD 빔 및 2차 빔은 공통 창(209)을 통해 프린트 헤드를 빠져나간다. 그러나, 시스템의 기하학적 구조에 따라서 예열 레이저가 빠져나가도록 하기 위해서 제 2 창이 사용될 수 있다. 최종 결과는 도 2에 도시된 바와 같이 분말 비드 상의 2차 레이저 빔과 중첩된 DMD 이미지(210)이다.An embodiment of a DMD print head is shown generally in FIG. 2 . The main laser power to be modulated is delivered to the print head 200 via an industry standard QBH fiber cable 201 . A second laser to be used for preheating is also delivered via industry standard QBH fiber cable 212 . These cables are designed to be robust and provide a seal against the external environment during operation. The cable has fibers with a diameter of 400 μm or less inside the protective sheath. A pair of 40 mm collimating lenses 205 and 210 are used to collimate each optical fiber output. Depending on the shape and uniformity of the beam coming out of the optical fiber, a homogenizer and beam shaping optics are inserted immediately after the collimating optics. Both the primary laser source (build laser) and secondary laser source (preheat laser) can use a homogenizer to provide uniform intensity so that the fused printing is uniform. A rotating mirror 206 is used to direct the collimated beam from the optical fiber 201 of the main laser to the DMD at the required angle of 24 degrees from the DMD's surface normal. When the laser is on, the DMD 202 mirror tilts towards the incident beam and redirects the beam perpendicular to the DMD surface. When the laser is off, the DMD 202 mirror is tilted away from the incident beam and redirects the incident beam 48 degrees away from the incident beam in a vector normal to the DMD surface. This is where the beam dump 204 is located because it must block any beam energy that would be off in the image. The beam of DMD 202 is now re-imaged with a 100 mm FL lens to a point 200 mm below the laser printing head. This is a 1:1 imaging arrangement and different ratios can be used depending on the size and accuracy of the parts required. The fiber output 212 of the secondary laser may be collimated by a lens 205 and passed through a beam homogenizer to achieve the desired fusion uniformity. After beam conditioning of the secondary beam, it is directed or re-imaged to the same point as the DMD image using mirror 207 . These systems do not pass through the same imaging lens as the DMD beam. However, the two beams, the DMD beam and the secondary beam exit the print head through a common window 209 . However, depending on the geometry of the system, a second window may be used to allow the preheat laser to exit. The end result is a DMD image 210 superimposed with a secondary laser beam on the powder bead as shown in FIG. 2 .

예 3Example 3

본 발명의 실시예는 동일한 이미징 조리개 또는 병렬 이미징 조리개 내에서 다중 DMD를 사용하는 것에 관한 것이다. 도 9를 참조하면 다중 DMD 레이저 프린팅 시스템(200)의 개략도가 도시된다. 시스템은 2 개의 레이저 빌드 서브-시스템(941, 942)을 가진다. 서브-시스템(941)은 레이저 소스(901), 시준기/균질화기(903), DMD(905), 미러(905a), 렌즈(907) 및 렌즈(909)를 갖는 2:1 이미지 크기 축소 광학 조립체, 미러(911), 및 레이저 빔 경로(913)를 따라 위치된 이미징 렌즈(920)를 가진다. 이러한 방식으로 분말을 융합하기 위한 레이저 빔, 예를 들어 빌드 레이저 빔은 이러한 다양한 구성요소를 통해 레이저 빔 경로(913)를 따라 이동하고 이미지 타일(950a)로서 이미지를 제공한다. 이미지 타일(950a, 950b, 950c, 950d)은 다수의 타일을 가질 수 있는 타일 이미지를 형성함을 알 수 있다. 서브-시스템(942)은 레이저 빔 경로(914)를 따라 위치되는, 레이저 빔 경로(914)를 따라 위치되는, 레이저 소스(902), 시준기/균질화기(904), DMD(906), 미러(906a), 렌즈(908) 및 렌즈(910), 미러(912), 및 이미징 렌즈(920)를 갖는 2:1 이미지 크기 축소 광학 조립체를 가진다. 이러한 방식으로, 분말을 융합하기 위한 레이저 빔, 예를 들어 빌드 레이저 빔은 이러한 다양한 구성요소를 통해 레이저 빔 경로(914)를 따라 이동하고 이미지 타일(950b)로서 이미지를 제공한다.Embodiments of the present invention relate to the use of multiple DMDs within the same imaging aperture or parallel imaging apertures. Referring to FIG. 9 , a schematic diagram of a multiple DMD laser printing system 200 is shown. The system has two laser build sub-systems 941 and 942 . The sub-system 941 is a 2:1 image size reduction optical assembly having a laser source 901 , a collimator/homogenizer 903 , a DMD 905 , a mirror 905a , a lens 907 and a lens 909 . , a mirror 911 , and an imaging lens 920 positioned along a laser beam path 913 . A laser beam for fusing the powder in this manner, eg a build laser beam, travels along a laser beam path 913 through these various components and provides an image as an image tile 950a. It can be seen that the image tiles 950a, 950b, 950c, and 950d form a tile image that may have a plurality of tiles. Sub-system 942 includes laser source 902, collimator/homogenizer 904, DMD 906, mirror, located along laser beam path 914, located along laser beam path 914. 906a ), a lens 908 and a 2:1 image size reduction optical assembly having a lens 910 , a mirror 912 , and an imaging lens 920 . In this way, a laser beam for fusing the powder, eg, a build laser beam, travels along a laser beam path 914 through these various components and provides an image as an image tile 950b.

시스템(941, 942)과 동일한 구성의 2 개의 추가 레이저 빌드 서브-시스템이 이러한 시스템에서 사용되지만 도면에는 도시되지 않았다. 이들 추가 2 개의 시스템은 이미지 타일(950c, 950d)에 대한 이미지를 제공한다. 본 실시예에서 타일 이미지는 인접하는 것이 바람직하다.Two additional laser build sub-systems of the same configuration as systems 941 and 942 are used in these systems but are not shown in the figure. These additional two systems provide images for image tiles 950c and 950d. In this embodiment, it is preferable that the tile images are adjacent.

시스템(941, 942)과 동일한 구성의 2 개의 추가 레이저 빌드 하위-시스템이 이러한 시스템에서 사용되지만 도면에는 도시되지 않았다. 이들 4 개의 추가 시스템은 950a, 950b, 950c 및 950d에 인접한 이미지 타일에 대한 이미지를 종이에 제공하여 2차원 타일 이미지를 생성한다.Two additional laser build sub-systems of the same configuration as systems 941 and 942 are used in these systems but are not shown in the figure. These four additional systems provide images for the image tiles adjacent to 950a, 950b, 950c, and 950d on paper to create a two-dimensional tile image.

이러한 시스템은 반전 또는 비-반전 이미지를 제공하는 렌즈 구성을 가질 수 있다.Such systems may have lens configurations that provide inverted or non-inverted images.

각각의 DMD는 자체 레이저 소스를 가지며 각각의 DMD의 이미지 공간은 전단 미러를 사용하여 타일링되어 단일 DMD 시스템이 달성할 수 있는 것보다 훨씬 더 넓은 영역에 걸쳐 연속 이미지 공간을 생성할 수 있다. 각각의 DMD 이미지 공간 사이에는 전단 미러의 적절한 위치 설정으로 최소화할 수 있는 약간의 사 공간(dead space)이 있을 수 있다. 또한 각각의 전단 미러의 기울기와 위치를 조정하여 이미지 공간을 효과적으로 나눌 수 있다. 도 9는 하나의 축에서 함께 2 개의 DMD 이미지 공간을 타일링하여 분말 층 표면에 더 큰 합성 이미지를 만드는 것을 도시한다. 이는 축소 광학 장치로 각각의 DMD 이미지를 압축하고 축소된 각각의 이미지를 함께 전단한 다음 단일 렌즈를 사용하여 원하는 크기로 다시 이미지를 만들거나 이미지를 확대하여 N x M DMD 이미지 공간으로 확장할 수 있다.Each DMD has its own laser source and the image space of each DMD can be tiled using shear mirrors to create a continuous image space spanning a much larger area than a single DMD system can achieve. There may be some dead space between each DMD image space that can be minimized by proper positioning of the shear mirrors. You can also effectively divide the image space by adjusting the tilt and position of each shear mirror. 9 shows tiling two DMD image spaces together in one axis to create a larger composite image on the powder layer surface. It compresses each DMD image with a reduction optic, shears each reduced image together, and then re-images it to the desired size using a single lens, or enlarges the image to expand it into an N x M DMD image space. .

예 4Example 4

본 발명의 실시예는 병렬 빌드 능력을 생성하기 위해서 상이한 이미징 조리개 내에서 다중 DMD를 사용하는 것에 관한 것이다. 도 10을 참조하면, 분말 층에 개별 이미지를 생성하기 위해서 2 개의 병렬 빌드 레이저 빔을 제공하기 위한 제 1 DMD 서브시스템(1040) 및 제 2 DMD 서브시스템(1041)을 갖는 다중 DMD 시스템(1000)이 도시된다. 서브시스템(1040)은 레이저 빔 경로(1013)를 따라 위치된 DMD(1005)를 가진다. 서브시스템(1040)은 이미지(1050a)를 제공한다. 서브시스템(1041)은 레이저 빔 경로(1014)를 따라 위치된 DMD(1006)를 가진다. 서브시스템(1041)은 이미지(1050b)를 제공한다.Embodiments of the present invention relate to using multiple DMDs within different imaging apertures to create parallel build capabilities. Referring to FIG. 10 , a multiple DMD system 1000 having a first DMD subsystem 1040 and a second DMD subsystem 1041 for providing two parallel build laser beams to create separate images in the powder layer. This is shown. Subsystem 1040 has DMD 1005 positioned along laser beam path 1013 . Subsystem 1040 provides image 1050a. Subsystem 1041 has DMD 1006 positioned along laser beam path 1014 . Subsystem 1041 provides image 1050b.

각각의 DMD는 자체 레이저 소스를 가지며 각각의 DMD의 이미지 공간은 분말 층 표면에 타일링되어 이미지와 비-이미지 영역의 체크보드 패턴을 생성한다. 빌드 전략은 각각의 단일 DMD 이미지 공간을 사용하여 개별 부품을 구축하는 것일 수 있다. 또는 각각의 개별 DMD 이미지 공간을 사용하여 병렬로 여러 섹션을 구축하여 더 큰 부분을 구축하는 것이다.Each DMD has its own laser source and the image space of each DMD is tiled on the powder layer surface to create a checkboard pattern of images and non-image areas. The build strategy may be to build individual parts using each single DMD image space. Alternatively, using each individual DMD image space to build multiple sections in parallel to build larger parts.

제 2, 제 3 또는 제 4 시스템 세트는 종이로 확장되거나 표시된 시스템에 인접하게 추가되어 분말 층의 주소 지정 가능한 이미지 영역을 확장할 수 있다.A second, third or fourth set of systems may be extended on paper or added adjacent to marked systems to expand the addressable image area of the powder layer.

이러한 시스템은 반전 또는 비-반전 이미지를 제공하는 렌즈 구성을 가질 수 있다.Such systems may have lens configurations that provide inverted or non-inverted images.

예 5Example 5

본 발명의 실시예는 적층 레이저 제조 공정에서, 그리고 적층 레이저 제조 시스템에서 가시 레이저 빔을 갖는, 특히 350 nm 내지 700 nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 사용하여 원료로부터, 예컨대 시작 분말, 나노 입자, 입자, 펠렛, 층, 분말 층, 스프레이 분말, 액체, 현탁액, 에멀젼 그리고 3D 프린팅 기술을 포함한 레이저 적층 제작 기술에서 공지되거나 나중에 개발된 이들 및 기타 출발 재료의 조합 및 변형물로부터 물품(구조물, 장치, 구성요소, 부품, 필름, 부피 형상 등)을 구축하는 것에 관한 것이다.An embodiment of the present invention uses a laser beam with a visible laser beam, in particular with a wavelength of 350 nm to 700 nm, in an additive laser manufacturing process and in an additive laser manufacturing system from a raw material, such as starting powder, nanoparticles, particles , pellets, layers, powder layers, spray powders, liquids, suspensions, emulsions and articles (structures, devices, constructions, about building elements, parts, films, volumetric shapes, etc.).

예 6Example 6

레이저 적층 공정에서 원료로부터 물품을 구축하기 위한 실시예에서, 시작 원료에 대해 더 낮은 반사율, 높은 흡수율, 바람직하게는 둘 모두를 갖는 파장이 사용된다. 특히, 실시예에서 레이저 빔 파장은 바람직하게 약 10% 이상, 약 40% 이상, 약 50% 이상, 및 약 60% 이상, 그리고 10% 내지 85%, 10% 내지 50%, 약 40% 내지 약 50% 범위의 흡수율을 갖도록 출발 재료에 기초하여 미리 결정된다. 특히, 실시예에서 레이저 빔 파장은 바람직하게 약 97% 이하, 약 60% 이하, 약 30% 이하, 그리고 70% 내지 20% 범위, 80% 내지 30% 범위, 및 약 75% 내지 약 25% 범위의 반사율을 갖도록 출발 재료에 기초하여 미리 결정된다. 실시예에서 이들 높은 흡수율과 이들 낮은 반사율의 이러한 조합이 존재할 수 있다. 시스템 및 공정의 바람직한 실시예에서, 약 400 nm 내지 약 500 nm의 파장을 갖는 레이저 빔 또는 빔들은 금, 구리, 황동, 은, 알루미늄, 니켈, 이들 금속의 합금, 그리고 기타 금속, 비-금속, 재료 및 합금 그리고 이들의 조합 및 변형물로 만들어진 출발 재료로부터 물품을 구축하는데 사용된다.In an embodiment for building an article from raw material in a laser deposition process, a wavelength with lower reflectivity, higher absorption, preferably both, is used for the starting raw material. In particular, in embodiments the laser beam wavelength is preferably about 10% or more, about 40% or more, about 50% or more, and about 60% or more, and 10% to 85%, 10% to 50%, about 40% to about It is predetermined based on the starting material to have an absorption in the range of 50%. In particular, in embodiments, the laser beam wavelength is preferably in the range of about 97% or less, about 60% or less, about 30% or less, and in the range of 70% to 20%, in the range of 80% to 30%, and in the range of about 75% to about 25%. is predetermined based on the starting material to have a reflectivity of In embodiments, there may be such a combination of these high absorptances and these low reflectivities. In a preferred embodiment of the system and process, a laser beam or beams having a wavelength of from about 400 nm to about 500 nm comprises gold, copper, brass, silver, aluminum, nickel, alloys of these metals, and other metals, non-metals, Used to build articles from starting materials made of materials and alloys and combinations and variations thereof.

예 7Example 7

실시예에서, 금, 구리, 황동, 니켈, 니켈 도금 구리, 스테인리스 스틸, 그리고 기타 재료, 금속, 비-금속 및 합금으로부터 물품을 적층 제작하기 위해서 청색 레이저, 예를 들어 약 380 nm 내지 약 495 nm 파장을 사용하는 것이 바람직하다. 청색 레이저 빔은 실온에서 이들 재료에 의해 많이, 예를 들어 약 50% 초과로 흡수된다. 본 발명의 여러 장점 중 하나는 레이저 작업, 예를 들어 적층 제작 공정 동안 재료에 레이저 에너지를 더 잘 커플링할 수 있는 청색 레이저 빔과 같은 미리 선택된 파장 레이저 빔의 능력이다. 레이저 에너지를 물품으로 구축되는 재료에 더 양호하게 커플링함으로써, 전형적으로 적외선 레이저에서 발생할 수 있는 런-어웨이 공정(runaway process)의 가능성이 크게 감소되고 바람직하게는 제거된다. 레이저 에너지의 더 양호한 커플링은 또한, 저전력 레이저를 사용할 수 있게 하여 자본 비용을 절감하거나 다중 레이저 시스템을 비용 효율적으로 사용할 수 있도록 한다. 더 양호한 커플링은 또한 더 큰 제어, 더 높은 허용 오차를 제공하여 제작 물품의 더 큰 재현성을 제공한다. IR 레이저 및 IR 레이저 적층 제작 작업에서는 볼 수 없는 이들 기능은 다른 제품 중에서도 전자기기, 마이크로-기계 시스템, 의료 부품, 엔진 부품 및 전력 저장 분야의 제품에 중요하다.In embodiments, a blue laser, e.g., from about 380 nm to about 495 nm, for additive fabrication of articles from gold, copper, brass, nickel, nickel plated copper, stainless steel, and other materials, metals, non-metals and alloys It is preferable to use a wavelength. The blue laser beam is largely absorbed by these materials at room temperature, for example greater than about 50%. One of the many advantages of the present invention is the ability of a preselected wavelength laser beam, such as a blue laser beam, to better couple laser energy to materials during laser operations, eg, additive manufacturing processes. By better coupling the laser energy to the material from which the article is built, the likelihood of a runaway process that would typically occur with an infrared laser is greatly reduced and preferably eliminated. Better coupling of laser energy also allows the use of low-power lasers, which reduces capital costs or allows for cost-effective use of multiple laser systems. Better coupling also provides greater control, higher tolerances, resulting in greater reproducibility of the article of manufacture. These capabilities, not found in IR lasers and IR laser additive manufacturing operations, are important for products in the electronics, micro-mechanical systems, medical components, engine components and power storage sectors, among other products.

예 8Example 8

실시예에서 CW 모드에서 작동하는 청색 레이저가 사용된다. CW 작동은 레이저 출력을 빠르게 변조하고 피드백 루프에서 빌드 공정을 제어할 수 있기 때문에 많은 적층 제작 용례에서 단-펄스 레이저보다 선호될 수 있어서, 표면 거칠기 감소, 다공성 개선 및 전기적 특성 개선과 같은 최적의 기계적 및 기타 물리적 및 심미적 특성을 가진 고도로 반복 가능한 공정을 초래한다.In an embodiment a blue laser operating in CW mode is used. CW operation can be preferred over short-pulse lasers in many additive manufacturing applications because it can rapidly modulate the laser power and control the build process in a feedback loop, resulting in optimal mechanical properties such as reduced surface roughness, improved porosity and improved electrical properties. and highly repeatable processes with other physical and aesthetic properties.

예 9Example 9

바람직하게, 몇몇 실시에에서 빌드 중인 물품에 대한 능동적인 모니터링은 물품의 품질과 적층 제작 공정 및 시스템의 효율성을 확인하는데 사용된다. 예를 들어, 레이저가 프린팅되는 부품의 고해상도 영역을 처리할 때 열 카메라를 사용하여 표면의 평균 온도를 모니터링할 수 있고 피드백 루프를 사용하여 용접 퍼들과 궁극적으로 부품의 표면 품질을 개선하기 위해서 레이저 출력을 증감하는데 사용될 수 있다. 유사하게, 레이저 빔이 부품의 큰 저해상도 영역을 스윕하기 위해서 초점이 흐려지면 피드백 루프는 평균 온도를 최적의 처리 지점으로 유지하기 위해서 더 많은 레이저 출력을 명령할 수 있으므로 부품을 프린팅하는 시간을 크게 감소시킬 수 있다.Preferably, in some embodiments active monitoring of the article being built is used to verify the quality of the article and the effectiveness of the additive manufacturing process and system. For example, when the laser is processing high-resolution areas of the part being printed, a thermal camera can be used to monitor the average temperature of the surface, and a feedback loop can be used to improve the weld puddle and ultimately the surface quality of the laser output to improve the part's surface quality. can be used to increase or decrease Similarly, when the laser beam is defocused to sweep a large, low-resolution area of the part, the feedback loop can command more laser power to keep the average temperature at the optimal processing point, significantly reducing the time to print the part. can do it

예 10Example 10

본 시스템과 함께 사용할 수 있는 스캐너 및 광학 장치의 예는 고속 모터에 장착된 미러, 회전하는 다각형 미러 또는 고속 검류계를 포함한다. 고속 모터의 축에 장착된 미러는 미러가 360도 회전하면서 스캐닝 빔을 생성할 수 있다. 모터 속도가 높을수록 스캔 속도가 빨라진다. 이러한 접근 방식의 유일한 문제는 미러 뒷면이 레이저 빔 입구 조리개를 통과할 때 미러가 더 이상 빔을 반사하지 않으면 레이저를 꺼야 한다는 점이다. 고속 미러는 x 축 또는 y 축을 스캔하는데 사용할 수 있으며, 어느 축이 선택되든 다른 축을 스캔하는 미러는 초기 축에서 전체 스캔을 완료하는데 걸리는 시간에 비례하여 느린 속도로 스캔해야 한다. 이러한 축에서 고속 스테퍼 모터를 사용하여 제 1 축이 스캔을 완료하는 동안 고정된 상태로 미러가 개별 단계로 이동할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 유사하게, 다면 미러 또는 다각형 미러는 빔이 미러의 각각의 면을 가로질러 전이함에 따라서 스캔이 시작 위치로 재설정되기 때문에 더 높은 스캔 속도를 허용하는 고속 스캔 기능을 수행하는데 사용될 수 있다. 이들 유형의 미러는 현재 슈퍼마켓 스캐너에서 제품의 바코드를 스캔하는데 사용된다. 기본 축은 또한 공진형 모터이고 빔의 고속 이동을 생성하는 연속 주파수에서 진동하는 고속 검류계 유형 미러로 스캔할 수 있다. 검류계 미러를 미리 결정된 위치에 정확하게 배치하는 것도 가능하며, 검류계 구동 미러인 제 1 및 제 2 축을 기반으로 하는 시스템이 두 미러를 동시에 이동하여 공정 층의 모든 지점을 신속하게 처리할 수 있는 벡터 모드로 그릴 수 있다. 빔이 자유 공간을 통해 갠트리 스타일 시스템에 장착된 미러로 전달되고 고속에서의 2차원, 래스터 또는 벡터 모드로 매우 빠른 속도로 이동하는 "플라잉 옵틱(flying optic)" 유형 설계에서 변환 단계에 장착된 미러를 조합하는 것도 가능하다.Examples of scanners and optics that can be used with the present system include mirrors mounted on high-speed motors, rotating polygonal mirrors, or high-speed galvanometers. A mirror mounted on the shaft of a high-speed motor can generate a scanning beam as the mirror rotates 360 degrees. The higher the motor speed, the faster the scan speed. The only problem with this approach is that the laser must be turned off when the mirror no longer reflects the beam when the back of the mirror passes the laser beam entrance aperture. A high-speed mirror can be used to scan the x-axis or the y-axis, whichever axis is chosen, a mirror that scans the other axis should scan at a slow rate proportional to the time it takes to complete a full scan in the initial axis. It is desirable to use a high-speed stepper motor on these axes to allow the mirrors to move in individual steps while the first axis remains stationary while completing the scan. Similarly, polyhedral or polygonal mirrors can be used to perform high-speed scan functions that allow higher scan rates because the scan is reset to the starting position as the beam transitions across each face of the mirror. These types of mirrors are currently used in supermarket scanners to scan barcodes on products. The primary axis is also a resonant motor and can be scanned with a high-speed galvanometer-type mirror that oscillates at a continuous frequency creating a high-speed movement of the beam. It is also possible to precisely position the galvanometer mirrors in a predetermined position, and a system based on the 1st and 2nd axes, which are galvanometer driven mirrors, moves both mirrors simultaneously in vector mode, which allows rapid processing of any point in the process layer. can draw Mirror mounted in the transformation stage in a "flying optic" type design where the beam is passed through free space to a mirror mounted on a gantry style system and travels at very high speed in two-dimensional, raster or vector mode at high speed. It is also possible to combine

예 11Example 11

도 11을 참조하면 레이저 시스템 및 방법의 실시예가 있다. 시스템(1100)은 제 1 레이저 빔 경로(1122a)를 따라서 레이저 빔(광선 트레이스(1122)에 의해 도시됨)을 제공하기 위한 레이저 소스(1101)를 가진다. 레이저 빔은 레이저 소스(1101)를 떠나 빔 경로(1122a)를 따라 이동하며 시준 렌즈(1102)를 통과하고 디지털 미러 장치(1103)에 들어가며, 이는 레이저 빔 경로(1123a)를 따라 레이저 빔 패턴(광선 궤적(1123)으로 표시)으로 레이저 빔을 초점 렌즈(1107)로 그리고 나서 레이저 빔 경로(1124a)를 따라 초점이 맞춰진 레이저 빔 패턴(광선 궤적(1124)으로 표시)으로서 샘플(1108)(예를 들어, 금속 분말 층, 출발 재료, 출발 분말 층 또는 빌드 재료)로 그리고 타겟 위치(1109)로 지향시킨다. 타겟 영역(1109)을 향하여 그리고 타겟 영역(1109) 위로 공정 가스(예를 들어, 아르곤과 같은 불활성 가스)의 흐름이 또한 도시된다. 이러한 방식으로 시스템은 디지털 미러 장치(1103)를 사용하여 물체(예를 들어, 구리 부품과 같은 금속 물체)를 디지털 미러 장치로부터 타겟으로 전달되는 레이저 패턴에 의해 정의된 체적 형상으로 구축하기 위한 레이저 특허를 제공한다.11 , there is an embodiment of a laser system and method. System 1100 has a laser source 1101 for providing a laser beam (shown by ray trace 1122) along a first laser beam path 1122a. The laser beam leaves the laser source 1101 and travels along the beam path 1122a, passes through the collimating lens 1102 and enters the digital mirror device 1103, which follows the laser beam path 1123a in a laser beam pattern (rays of light). Direct the laser beam into a focusing lens 1107 with a trajectory 1123 (indicated by ray trajectory 1124) and then onto a sample 1108 (e.g. eg, metal powder layer, starting material, starting powder layer or build material) and to the target location 1109 . A flow of a process gas (eg, an inert gas such as argon) towards and over the target region 1109 is also shown. In this way the system uses a digital mirror device 1103 to build an object (eg, a metal object such as a copper part) into a volumetric shape defined by a laser pattern transmitted from the digital mirror device to the target. provides

시스템은 레이저 빔 경로(1133a)를 따라 가온 레이저 빔(광선 궤적(1133)으로 표시됨)을 제공하는 가온 레이저(1105)를 가진다. 디지털 미러 장치(1103)를 유지하는 스테이지의 이동은 화살표(1104)로 표시된 방향으로 이동한다.The system has a warming laser 1105 that provides a warming laser beam (indicated by ray trajectory 1133) along a laser beam path 1133a. The movement of the stage holding the digital mirror device 1103 moves in the direction indicated by the arrow 1104 .

예 12AExample 12A

예 12의 시스템의 실시예에서, 레이저 소스(1101)는 표 1 및 표 2의 레이저 중 하나의 매개변수를 갖는 레이저 빔을 제공하는 청색 레이저이다.In an embodiment of the system of Example 12, laser source 1101 is a blue laser providing a laser beam having one of the parameters of the lasers of Tables 1 and 2.

초점 렌즈는 100 mm 초점 거리이다.The focal lens is 100 mm focal length.

디지털 미러 장치는 DMD 또는 MEMS이다. 실시예에서, DMD는 1920 x 1080의 픽셀에 대응하는 이동 가능한 미러 어레이를 가진다.The digital mirror device is a DMD or MEMS. In an embodiment, the DMD has a movable mirror array corresponding to pixels of 1920 x 1080.

가온 레이저(1105)는 표 2의 AO-150의 특성을 갖는 빔을 제공한다.The warming laser 1105 provides a beam having the characteristics of AO-150 in Table 2.

예 12BExample 12B

예 12A 또는 예 12B의 시스템은 금속 출발 재료 분말 베이스(1108)로부터 제작될 물체의 이미지를 저장한다. 이들 이미지는 순서대로 저장되고 스테이지의 이동(1104)과 동기화되어 재생된다. 빌드 물체를 형성하기 위한 금속 분말 베이스의 융합은 전도 모드 용접에 의한 것이다. 레이저(1101)의 피크 전력은 80 W, 스테이지 속도는 5 mm/sec, 분말 층은 100 ㎛이다.The system of Examples 12A or 12B stores an image of an object to be fabricated from the metal starting material powder base 1108 . These images are stored in sequence and played back in synchronization with the movement 1104 of the stage. The fusion of the metal powder base to form the build object is by conduction mode welding. The peak power of the laser 1101 is 80 W, the stage speed is 5 mm/sec, and the powder layer is 100 μm.

예 13Example 13

본 시스템의 실시예는 비-거시-기계적 모션 빔 조향장치이다. 예를 들어, 이들 실시예는 스캐너가 물체를 구축하는 것을 포함하지 않으며 요구하지도 않는다. 따라서 예 1 내지 예 12B 및 예 14 내지 예 18의 실시예는 비-거시 기계 시스템일 수 있다.An embodiment of the present system is a non-macro-mechanical motion beam steering device. For example, these embodiments do not include nor require the scanner to build the object. Thus, the embodiments of Examples 1-12B and 14-18 may be non-macro-mechanical systems.

예 14Example 14

예 1 내지 예 13의 시스템 및 방법에서 빌드 레이저 빔은 청색 파장 범위, 400 nm, 약 400 nm, 450 nm, 약 450 nm, 460 nm 및 약 460 nm, 녹색 파장 범위, 515 nm, 약 515 nm, 532 nm, 약 532 nm 및 600 nm 내지 700 nm의 적색 파장 범위 중 하나로부터 선택된 파장을 가진다. 그리고 빌드 레이저 빔은 본 명세서에 기재된 빔 특성, 예를 들어 전력, 전력 밀도, 반복률 중 하나 이상을 가진다.In the systems and methods of Examples 1-13, the build laser beam has a blue wavelength range, 400 nm, about 400 nm, 450 nm, about 450 nm, 460 nm, and about 460 nm, a green wavelength range, 515 nm, about 515 nm, and a wavelength selected from one of 532 nm, about 532 nm, and a red wavelength range of 600 nm to 700 nm. And the build laser beam has one or more of the beam properties described herein, for example, power, power density, repetition rate.

예 15Example 15

도 15의 개략도를 참조하면, 금속을 위한 적층 제작 시스템(1500)은 작업 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스(1504); 레이저 소스와 광 통신하는 디지털 미러 장치(1510)로서, 이에 의해 레이저 소스는 제 1 레이저 빔 경로(1511)를 따라 작업 레이저 빔을 디지털 미러 장치로 전파할 수 있는, 디지털 미러 장치(1510); 메모리 장치(1503)와 제어 통신(1530)에서, GUI(1502)와 제어 통신(1531)에서, 디지털 미러 장치(1510)와 제어 통신(1533)에서, 레이저 소스(1504)와 제어 통신(1532)에서, 및 스테이지(1505)와 제어 통신(1534)에서 제어 시스템(1501); 구축될 물체의 전체 이미지의 복수의 이미지 세그먼트를 포함하는 메모리 장치; 그리고 모터(1506) 및 디지털 미러 장치(1510)를 포함하는 스테이지(1505)를 포함하며; 디지털 미러 장치는 제 2 레이저 빔 경로(1512)를 따라 미리 결정된 패턴으로 작업 레이저 빔을 타겟 영역(1550)으로 투영하도록 구성되고, 타겟 영역은 분말(1551)을 포함하며; 미리 결정된 패턴은 이미지 세그먼트를 포함하며; 제어 시스템은 명령어를 포함하고, 명령어는 스테이지의 이동(1570)과 타겟 영역으로의 이미지 세그먼트의 투영을 동기화하며; 이에 의해 이미지 세그먼트가 타겟 영역에 투영되어 구축될 전체 물체의 이미지에서 작업 레이저 빔을 전달하며; 따라서 분말로 물체를 구축한다.15 , an additive manufacturing system 1500 for metal includes a laser source 1504 for providing a working laser beam; a digital mirror device (1510) in optical communication with a laser source, whereby the laser source can propagate a working laser beam along a first laser beam path (1511) to the digital mirror device; In control communication 1530 with the memory device 1503 , in control communication 1531 with the GUI 1502 , in control communication 1533 with the digital mirror device 1510 , in control communication 1532 with the laser source 1504 at, and in control communication 1534 with stage 1505; control system 1501; a memory device comprising a plurality of image segments of an entire image of an object to be constructed; and a stage 1505 comprising a motor 1506 and a digital mirror arrangement 1510; the digital mirror apparatus is configured to project the working laser beam into a target area 1550 in a predetermined pattern along the second laser beam path 1512 , the target area comprising powder 1551 ; the predetermined pattern includes image segments; The control system includes instructions that synchronize movement 1570 of the stage and projection of the image segment to the target area; whereby an image segment is projected onto a target area, delivering a working laser beam in the image of the entire object to be built; Therefore, the object is built with the powder.

실시예에서, 이러한 예 15의 제어 시스템 및 제어 통신은 예 1 내지 예 14의 시스템과 함께 사용된다.In an embodiment, this control system and control communication of Example 15 is used with the system of Examples 1-14.

예 16Example 16

금속용 적층 제작 시스템(1500)으로서, 작업 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스(1504); 레이저 소스와 광 통신하는 디지털 미러 장치(1510)로서, 이에 의해 레이저 소스는 제 1 레이저 빔 경로(1511)를 따라 작업 레이저 빔을 디지털 미러 장치로 전파할 수 있는, 디지털 미러 장치(1510); 메모리 장치(1503)와 제어 통신(1530)에서, 디지털 미러 장치(1510)와 제어 통신(1533)에서, 그리고 스테이지(1505)와 제어 통신(1534)에서의 제어 시스템(1501); 구축될 물체의 전체 이미지의 복수의 이미지 세그먼트를 포함하는 메모리 장치; 그리고 디지털 미러 장치(1510)를 포함하는 스테이지(1505)를 포함하며; 디지털 미러 장치는 제 2 레이저 빔 경로(1512)를 따라 미리 결정된 패턴으로 작업 레이저 빔을 타겟 영역(1550)으로 투영하도록 구성되며; 미리 결정된 패턴은 이미지 세그먼트를 포함하며; 제어 시스템은 명령어를 포함하고, 명령어는 스테이지의 이동(1570)과 타겟 영역으로의 이미지 세그먼트의 투영을 동기화하며; 이미지 세그먼트가 타겟 영역에 투영되어 구축될 전체 물체의 이미지를 제공한다.An additive manufacturing system (1500) for metal, comprising: a laser source (1504) for providing a working laser beam; a digital mirror device (1510) in optical communication with a laser source, whereby the laser source can propagate a working laser beam along a first laser beam path (1511) to the digital mirror device; the control system 1501 in control communication 1530 with the memory device 1503 , in control communication 1533 with the digital mirror device 1510 , and in control communication 1534 with the stage 1505 ; a memory device comprising a plurality of image segments of an entire image of an object to be constructed; and a stage (1505) comprising a digital mirror device (1510); the digital mirror device is configured to project the working laser beam into the target area 1550 in a predetermined pattern along the second laser beam path 1512 ; the predetermined pattern includes image segments; The control system includes instructions that synchronize movement 1570 of the stage and projection of the image segment to the target area; An image segment is projected onto a target area to provide an image of the entire object to be built.

실시예에서, 이러한 예 16의 제어 시스템 및 제어 통신은 예 1 내지 예 14의 시스템과 함께 사용된다.In an embodiment, this control system and control communication of Example 16 is used with the system of Examples 1-14.

예 17Example 17

금속용 적층 제작 시스템(1500)으로서, 작업 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스(1504); 레이저 소스와 광 통신하는 디지털 미러 장치(1510)로서, 이에 의해 레이저 소스는 제 1 레이저 빔 경로(1511)를 따라 작업 레이저 빔을 디지털 미러 장치로 전파할 수 있는, 디지털 미러 장치(1510); 메모리 장치(1503)와 제어 통신(1530)에서, 디지털 미러 장치(1510)와 제어 통신(1533)에서, 그리고 스테이지(1505)와 제어 통신(1534)에서의 제어 시스템(1501); 복수의 이미지 세그먼트를 포함하는 메모리 장치로서, 이미지 세그먼트가 구축될 물체의 전체 이미지를 한정하는, 메모리 장치; 그리고 디지털 미러 장치(1510)를 포함하는 스테이지(1505)를 포함하며; 디지털 미러 장치는 제 2 레이저 빔 경로(1512)를 따라 미리 결정된 패턴으로 작업 레이저 빔을 타겟 영역(1550)으로 투영하도록 구성되며; 미리 결정된 패턴은 이미지 세그먼트를 포함하며; 제어 시스템은 명령어를 포함하고, 명령어는 스테이지의 이동(1570)과 타겟 영역으로의 이미지 세그먼트의 투영을 동기화하며; 이미지 세그먼트가 타겟 영역에 투영되어 구축될 전체 물체의 이미지에서 작업 레이저 빔을 전달함으로써, 분말로 물체를 구축한다.An additive manufacturing system (1500) for metal, comprising: a laser source (1504) for providing a working laser beam; a digital mirror device (1510) in optical communication with a laser source, whereby the laser source can propagate a working laser beam along a first laser beam path (1511) to the digital mirror device; the control system 1501 in control communication 1530 with the memory device 1503 , in control communication 1533 with the digital mirror device 1510 , and in control communication 1534 with the stage 1505 ; A memory device comprising a plurality of image segments, the memory device defining an overall image of an object on which the image segments are to be built; and a stage (1505) comprising a digital mirror device (1510); the digital mirror device is configured to project the working laser beam into the target area 1550 in a predetermined pattern along the second laser beam path 1512 ; the predetermined pattern includes image segments; The control system includes instructions to synchronize movement 1570 of the stage and projection of the image segment to the target area; An image segment is projected onto a target area to build the object out of powder, delivering a working laser beam in the image of the entire object to be built.

실시예에서, 이러한 예 17의 제어 시스템 및 제어 통신은 예 1 내지 예 14의 시스템과 함께 사용된다.In an embodiment, this control system and control communication of Example 17 is used with the system of Examples 1-14.

예 18Example 18

레이저 소스가 본 명세서에 개시된 하나 이상의 레이저인 예 1 내지 예 17의 시스템 및 방법.The systems and methods of Examples 1-17, wherein the laser source is one or more lasers disclosed herein.

본 발명의 요지이거나 본 발명의 실시예와 관련된 신규하고 획기적인 공정, 재료, 성능 또는 기타 유익한 특징 및 특성의 근간이 되는 이론을 제공하거나 다룰 필요가 없음을 주목한다. 그럼에도 불구하고, 본 분야의 기술을 더욱 발전시키기 위해 본 명세서에서 다양한 이론이 제공된다. 본 명세서에 제시된 이론은 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 청구된 발명에 부여되는 보호 범위를 한정하거나 제한하거나 좁히지 않는다. 이들 이론은 본 발명을 활용하기 위해서 요구되거나 실행되지 않을 수 있다. 또한, 본 발명은 본 발명의 방법, 물품, 재료, 장치 및 시스템의 실시예의 기능-특징을 설명하기 위해서 새롭고 지금까지 공지되지 않은 이론으로 이어질 수 있음을 이해해야 하며; 이후에 발전된 이론은 본 발명에 제공된 보호 범주를 제한하지 않는다.It is noted that there is no need to present or cover the theory underlying the subject matter of the invention or of any novel and innovative processes, materials, performance, or other beneficial features and properties in connection with the embodiments of the invention. Nevertheless, various theories are provided herein to further advance the art in this field. The theory presented herein does not limit, limit or narrow the scope of protection accorded to the claimed invention, unless expressly stated otherwise. These theories may not be required or practiced in order to utilize the present invention. Moreover, it is to be understood that the present invention may lead to new and heretofore unknown theories for describing the function-features of embodiments of the methods, articles, materials, devices and systems of the present invention; The theory developed later does not limit the scope of protection provided for the present invention.

본 명세서에서 제목의 사용은 명확성을 위한 것이며 어떤 식으로든 제한하지 않는다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 제목 아래에 설명된 공정 및 개시는 다양한 예를 포함하여 본 명세서 전체의 맥락에서 읽어야 한다. 본 명세서에서 제목의 사용은 본 발명이 제공하는 보호 범주를 제한해서는 안 된다.It is to be understood that the use of headings herein is for the sake of clarity and is not limiting in any way. Accordingly, the processes and disclosures described below the headings are to be read in the context of the entire specification, including various examples. The use of headings herein should not limit the scope of protection provided by the present invention.

본 명세서에 기재된 시스템, 장비, 기술, 방법, 활동 및 작동의 다양한 실시예는 본 명세서에 기재된 것 이외에도 다양한 다른 활동 및 다른 분야에서 사용될 수 있다. 무엇보다도, 본 발명의 실시예는 각각의 전체 개시가 원용에 의해 본 명세서에 포함되는, 특허 출원 공개 번호 WO 2014/179345, 2016/0067780, 2016/0067827, 2016/0322777, 2017/0343729, 2017/0341180, 및 2017/0341144호의 방법, 장치 및 시스템과 함께 사용될 수 있다. 또한, 이들 실시예는 예를 들어, 미래에 개발될 수 있는 기타 장비 또는 활동; 본 명세서의 교시에 기초하여 부분적으로 수정될 수 있는 기존 장비 또는 활동과 함께 사용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 다양한 실시예는 상이하고 다양한 조합으로 서로 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 본 명세서의 다양한 실시예에서 제공된 구성은 서로 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, A, A', B를 갖는 실시예의 구성요소와 A'', C 및 D를 갖는 실시예의 구성요소는 본 명세서의 교시에 따라서 다양한 조합, 예를 들어 A, C, D 및 A 그리고 A'' C 및 D 등으로 서로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 제공된 보호 범주는 특정 실시예, 예, 또는 특정 도면의 실시예에 기재되는 특정 실시예, 구성 또는 배열로 제한되어서는 안 된다.The various embodiments of systems, equipment, techniques, methods, activities, and acts described herein may be used in a variety of other activities and other fields in addition to those described herein. Among other things, embodiments of the present invention are described in Patent Application Publication Nos. WO 2014/179345, 2016/0067780, 2016/0067827, 2016/0322777, 2017/0343729, 2017/, the entire disclosures of which are incorporated herein by reference. 0341180, and the methods, apparatus and systems of 2017/0341144. In addition, these embodiments may include, for example, other equipment or activities that may be developed in the future; It may be used with existing equipment or activities that may be modified in part based on the teachings herein. In addition, the various embodiments described herein can be used with each other in different and various combinations. Thus, for example, the configurations provided in the various embodiments herein may be used in conjunction with each other. For example, elements of an embodiment having A, A', B and elements of an embodiment having A'', C and D may be combined in various combinations, e.g., A, C, D and A, in accordance with the teachings herein. And A'' C and D, etc. can be used with each other. Accordingly, the scope of protection provided herein should not be limited to the specific embodiments, configurations or arrangements described in specific embodiments, examples, or embodiments of specific drawings.

본 발명은 본 발명의 사상 또는 본질적인 특성으로부터 벗어남이 없이 본 명세서에 구체적으로 개시된 것과 다른 형태로 구현될 수 있다. 설명된 실시예는 모든 면에서 예시를 위한 것일 뿐 제한적인 것으로 간주되지 않는다.The present invention may be embodied in forms other than those specifically disclosed herein without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. The described embodiments are in all respects illustrative only and not restrictive.

Claims (60)

금속용 적층 제작 시스템(1500)으로서,
a. 작업 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스(1504);
b. 레이저 소스와 광 통신하는 디지털 미러 장치(1510)로서, 이에 의해 레이저 소스는 제 1 레이저 빔 경로(1511)를 따라 작업 레이저 빔을 디지털 미러 장치로 전파할 수 있는, 디지털 미러 장치(1510);
c. 메모리 장치(1503)와 제어 통신(1530)에서, GUI(1502)와 제어 통신(1531)에서, 디지털 미러 장치(1510)와 제어 통신(1533)에서, 레이저 소스(1504)와 제어 통신(1532)에서, 그리고 스테이지(1505)와 제어 통신(1534)에서의 제어 시스템(1501);
d. 구축될 물체의 전체 이미지의 복수의 이미지 세그먼트를 포함하는 메모리 장치; 그리고
e. 모터(1506) 및 디지털 미러 장치(1510)를 포함하는 스테이지(1505)를 포함하며;
f. 디지털 미러 장치는 제 2 레이저 빔 경로(1512)를 따라 미리 결정된 패턴으로 작업 레이저 빔을 타겟 영역(1550)으로 투영하도록 구성되고, 타겟 영역은 분말(1551)을 포함하며;
g. 미리 결정된 패턴은 이미지 세그먼트를 포함하며;
h. 제어 시스템은 명령어를 포함하고, 명령어는 스테이지의 이동(1570)과 타겟 영역으로의 이미지 세그먼트의 투영을 동기화하며;
i. 이미지 세그먼트가 타겟 영역에 투영되어 구축될 전체 물체의 이미지에서 작업 레이저 빔을 전달함으로써, 분말로 물체를 구축하는;
금속용 적층 제작 시스템.An additive manufacturing system (1500) for metal, comprising:
a. a laser source 1504 for providing a working laser beam;
b. a digital mirror device (1510) in optical communication with a laser source, whereby the laser source can propagate a working laser beam along a first laser beam path (1511) to the digital mirror device;
c. In control communication 1530 with memory device 1503 , in control communication 1531 with GUI 1502 , in control communication 1533 with digital mirror device 1510 , and in control communication 1532 with laser source 1504 . control system 1501 at , and in control communication 1534 with stage 1505 ;
d. a memory device comprising a plurality of image segments of an entire image of an object to be constructed; and
e. a stage 1505 comprising a motor 1506 and a digital mirror arrangement 1510;
f. the digital mirror apparatus is configured to project the working laser beam into a target area 1550 in a predetermined pattern along the second laser beam path 1512 , the target area comprising powder 1551 ;
g. the predetermined pattern includes image segments;
h. The control system includes instructions that synchronize movement 1570 of the stage and projection of the image segment to the target area;
i. Constructing an object from powder by delivering a working laser beam in an image of the entire object to be built in which an image segment is projected onto a target area;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항에 있어서,
디지털 미러 장치는 디지털 마이크로미러 장치 및 마이크로-전자-기계-시스템으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
금속용 적층 제작 시스템.The method of claim 1,
the digital mirror device is selected from the group consisting of a digital micromirror device and a micro-electro-mechanical-system;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서,
작동 레이저 빔은 300 nm 내지 800 nm 범위의 파장을 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.3. The method according to claim 1 and 2,
the working laser beam has a wavelength in the range of 300 nm to 800 nm;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서,
작동 레이저 빔은 300 nm 내지 600 nm 범위의 파장을 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.3. The method according to claim 1 and 2,
the working laser beam has a wavelength in the range of 300 nm to 600 nm;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서,
작동 레이저 빔은 400 nm 내지 500 nm 범위의 파장을 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.3. The method according to claim 1 and 2,
the working laser beam has a wavelength in the range of 400 nm to 500 nm;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서,
작동 레이저 빔은 500 nm 내지 600 nm 범위의 파장을 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.3. The method according to claim 1 and 2,
the working laser beam has a wavelength in the range of 500 nm to 600 nm;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
디지털 미러 장치는 공랭식인,
금속용 적층 제작 시스템.7. The method according to any one of claims 1 to 6,
The digital mirror unit is air-cooled;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
디지털 미러 장치는 마이크로 채널 냉각기, 물 열교환기 및 펠티에 냉각기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 냉각 장치에 의해 냉각되는,
금속용 적층 제작 시스템.7. The method according to any one of claims 1 to 6,
wherein the digital mirror device is cooled by a cooling device selected from the group consisting of a micro channel cooler, a water heat exchanger and a Peltier cooler;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 지역 복사 히터를 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.9. The method according to any one of claims 1 to 8,
further comprising a local radiant heater to maintain the build chamber temperature;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
가열된 빌드 플레이트를 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.10. The method according to any one of claims 1 to 9,
Further comprising a heated build plate,
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
패턴이 조명될 곳에서만 분말 층을 가열하기 위한 별도의 2차 레이저를 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.11. The method according to any one of claims 1 to 10,
further comprising a separate secondary laser for heating the powder layer only where the pattern will be illuminated.
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
불활성 분위기를 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.12. The method according to any one of claims 1 to 11,
Further comprising an inert atmosphere,
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
미리 결정된 패턴은 수 kW 전력 밀도를 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.13. The method according to any one of claims 1 to 12,
The predetermined pattern has a power density of several kW;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
시스템은 비-거시 기계적 모션 빔 조향 시스템인,
금속용 적층 제작 시스템.14. The method according to any one of claims 1 to 13,
wherein the system is a non-macro mechanical motion beam steering system;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 시스템을 작동시켜 금속 분말로 물체를 구축하는 방법.15. A method of constructing an object from metal powder by operating the system of any one of claims 1 to 14. 제 15 항에 있어서,
금속 분말은 금, 은, 백금, 구리, 알루미늄 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
방법.16. The method of claim 15,
the metal powder is selected from the group consisting of gold, silver, platinum, copper, aluminum and alloys thereof;
Way. 금속용 적층 제작 시스템(1500)으로서,
a. 작업 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스(1504);
b. 레이저 소스와 광 통신하는 디지털 미러 장치(1510)로서, 이에 의해 레이저 소스는 제 1 레이저 빔 경로(1511)를 따라 작업 레이저 빔을 디지털 미러 장치로 전파할 수 있는, 디지털 미러 장치(1510);
c. 메모리 장치(1503)와 제어 통신(1530)에서, 디지털 미러 장치(1510)와 제어 통신(1533)에서, 그리고 스테이지(1505)와 제어 통신(1534)에서의 제어 시스템(1501);
d. 구축될 물체의 전체 이미지의 복수의 이미지 세그먼트를 포함하는 메모리 장치; 그리고
e. 디지털 미러 장치(1510)를 포함하는 스테이지(1505)를 포함하며;
f. 디지털 미러 장치는 제 2 레이저 빔 경로(1512)를 따라 미리 결정된 패턴으로 작업 레이저 빔을 타겟 영역(1550)으로 투영하도록 구성되며;
g. 미리 결정된 패턴은 이미지 세그먼트를 포함하며;
h. 제어 시스템은 명령어를 포함하고, 명령어는 스테이지의 이동(1570)과 타겟 영역으로의 이미지 세그먼트의 투영을 동기화하며;
i. 이미지 세그먼트가 타겟 영역에 투영되어 구축될 전체 물체의 이미지를 제공하는;
금속용 적층 제작 시스템.An additive manufacturing system (1500) for metal, comprising:
a. a laser source 1504 for providing a working laser beam;
b. a digital mirror device (1510) in optical communication with a laser source, whereby the laser source can propagate a working laser beam along a first laser beam path (1511) to the digital mirror device;
c. the control system 1501 in control communication 1530 with the memory device 1503 , in control communication 1533 with the digital mirror device 1510 , and in control communication 1534 with the stage 1505 ;
d. a memory device comprising a plurality of image segments of an entire image of an object to be constructed; and
e. a stage (1505) comprising a digital mirror device (1510);
f. the digital mirror device is configured to project the working laser beam into the target area 1550 in a predetermined pattern along the second laser beam path 1512 ;
g. the predetermined pattern includes image segments;
h. The control system includes instructions that synchronize movement 1570 of the stage and projection of the image segment to the target area;
i. an image segment is projected onto a target area to provide an image of the entire object to be built;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항에 있어서,
디지털 미러 장치는 디지털 마이크로미러 장치 및 마이크로-전자-기계-시스템으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
금속용 적층 제작 시스템.18. The method of claim 17,
the digital mirror device is selected from the group consisting of a digital micromirror device and a micro-electro-mechanical-system;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 및 제 18 항에 있어서,
작동 레이저 빔은 300 nm 내지 800 nm 범위의 파장을 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.19. The method according to claim 17 and 18,
the working laser beam has a wavelength in the range of 300 nm to 800 nm;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 및 제 18 항에 있어서,
작동 레이저 빔은 300 nm 내지 600 nm 범위의 파장을 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.19. The method according to claim 17 and 18,
the working laser beam has a wavelength in the range of 300 nm to 600 nm;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 및 제 18 항에 있어서,
작동 레이저 빔은 400 nm 내지 500 nm 범위의 파장을 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.19. The method according to claim 17 and 18,
the working laser beam has a wavelength in the range of 400 nm to 500 nm;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 및 제 18 항에 있어서,
작동 레이저 빔은 500 nm 내지 600 nm 범위의 파장을 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.19. The method according to claim 17 and 18,
the working laser beam has a wavelength in the range of 500 nm to 600 nm;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
디지털 미러 장치는 공랭식인,
금속용 적층 제작 시스템.23. The method according to any one of claims 17 to 22,
The digital mirror unit is air-cooled;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
디지털 미러 장치는 마이크로 채널 냉각기, 물 열교환기 및 펠티에 냉각기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 냉각 장치에 의해 냉각되는,
금속용 적층 제작 시스템.23. The method according to any one of claims 17 to 22,
wherein the digital mirror device is cooled by a cooling device selected from the group consisting of a micro channel cooler, a water heat exchanger and a Peltier cooler;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 지역 복사 히터를 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.25. The method according to any one of claims 17 to 24,
further comprising a local radiant heater to maintain the build chamber temperature;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
가열된 빌드 플레이트를 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.26. The method according to any one of claims 17 to 25,
Further comprising a heated build plate,
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
패턴이 조명될 곳에서만 분말 층을 가열하기 위한 별도의 2차 레이저를 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.27. The method according to any one of claims 17 to 26,
further comprising a separate secondary laser for heating the powder layer only where the pattern will be illuminated.
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
불활성 분위기를 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.28. The method according to any one of claims 17 to 27,
Further comprising an inert atmosphere,
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
미리 결정된 패턴은 수 kW 전력 밀도를 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.29. The method according to any one of claims 17 to 28,
The predetermined pattern has a power density of several kW;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
시스템은 비-거시 기계적 모션 빔 조향 시스템인,
금속용 적층 제작 시스템.30. The method according to any one of claims 17 to 29,
wherein the system is a non-macro mechanical motion beam steering system;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항의 시스템을 작동시켜 금속 분말로 물체를 구축하는 방법.31. A method of operating the system of any one of claims 17-30 to build an object from metal powder. 제 31 항에 있어서,
금속 분말은 금, 은, 백금, 구리, 알루미늄 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
방법.32. The method of claim 31,
the metal powder is selected from the group consisting of gold, silver, platinum, copper, aluminum and alloys thereof;
Way. 제 17 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
GUI(1502)와 제어 통신(1531)하는 제어 시스템(1501)을 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.31. The method according to any one of claims 17 to 30,
further comprising a control system 1501 in control communication 1531 with the GUI 1502;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 내지 제 30 항 및 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 소스(1504)와 제어 통신(1533)하는 제어 시스템(1501)을 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.34. The method according to any one of claims 17 to 30 and 33,
further comprising a control system (1501) in control communication (1533) with the laser source (1504);
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 내지 제 30 항 및 제 33 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
스테이지(1505)는 모터(1506)를 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.35. The method according to any one of claims 17 to 30 and 33 to 34,
stage 1505 includes a motor 1506;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 17 항 내지 제 32 항 및 제 33 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,
타겟 영역은 분말(1551)을 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.36. The method according to any one of claims 17 to 32 and 33 to 35,
the target area contains powder 1551;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 36 항에 있어서,
금속 분말은 금, 은, 백금, 구리, 알루미늄 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
금속용 적층 제작 시스템.37. The method of claim 36,
the metal powder is selected from the group consisting of gold, silver, platinum, copper, aluminum and alloys thereof;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 36 항 또는 제 37 항에 있어서,
이미지 세그먼트가 타겟 영역에 투영되어 구축될 물체 전체의 이미지에서 작업 레이저 빔을 전달함으로써, 분말로 물체를 구축하는,
금속용 적층 제작 시스템.38. The method of claim 36 or 37,
Constructing an object from powder, by delivering a working laser beam in an image of the entire object to be built in which an image segment is projected onto a target area;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 금속용 적층 제작 시스템(1500)으로서,
a. 작업 레이저 빔을 제공하기 위한 레이저 소스(1504);
b. 레이저 소스와 광 통신하는 디지털 미러 장치(1510)로서, 이에 의해 레이저 소스는 제 1 레이저 빔 경로(1511)를 따라 작업 레이저 빔을 디지털 미러 장치로 전파할 수 있는, 디지털 미러 장치(1510);
c. 메모리 장치(1503)와 제어 통신(1530)에서, 디지털 미러 장치(1510)와 제어 통신(1533)에서, 그리고 스테이지(1505)와 제어 통신(1534)에서의 제어 시스템(1501);
d. 복수의 이미지 세그먼트를 포함하는 메모리 장치로서, 이미지 세그먼트가 구축될 물체의 전체 이미지를 한정하는, 메모리 장치; 그리고
e. 디지털 미러 장치(1510)를 포함하는 스테이지(1505)를 포함하며;
f. 디지털 미러 장치는 제 2 레이저 빔 경로(1512)를 따라 미리 결정된 패턴으로 작업 레이저 빔을 타겟 영역(1550)으로 투영하도록 구성되며;
g. 미리 결정된 패턴은 이미지 세그먼트를 포함하며;
h. 제어 시스템은 명령어를 포함하고, 명령어는 스테이지의 이동(1570)과 타겟 영역으로의 이미지 세그먼트의 투영을 동기화하며;
i. 이미지 세그먼트가 타겟 영역에 투영되어 구축될 전체 물체의 이미지에서 작업 레이저 빔을 전달하는;
금속용 적층 제작 시스템.An additive manufacturing system (1500) for metal, comprising:
a. a laser source 1504 for providing a working laser beam;
b. a digital mirror device (1510) in optical communication with a laser source, whereby the laser source can propagate a working laser beam along a first laser beam path (1511) to the digital mirror device;
c. the control system 1501 in control communication 1530 with the memory device 1503 , in control communication 1533 with the digital mirror device 1510 , and in control communication 1534 with the stage 1505 ;
d. A memory device comprising a plurality of image segments, the memory device defining an overall image of an object on which the image segments are to be built; and
e. a stage (1505) comprising a digital mirror device (1510);
f. the digital mirror device is configured to project the working laser beam into the target area 1550 in a predetermined pattern along the second laser beam path 1512 ;
g. the predetermined pattern includes image segments;
h. The control system includes instructions that synchronize movement 1570 of the stage and projection of the image segment to the target area;
i. an image segment is projected onto a target area to deliver a working laser beam in the image of the entire object to be built;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 39 항에 있어서,
디지털 미러 장치는 디지털 마이크로미러 장치 및 마이크로-전자-기계-시스템으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
금속용 적층 제작 시스템.40. The method of claim 39,
the digital mirror device is selected from the group consisting of a digital micromirror device and a micro-electro-mechanical-system;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 39 항 및 제 40 항에 있어서,
작동 레이저 빔은 300 nm 내지 800 nm 범위의 파장을 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.41. The method of claim 39 and 40,
the working laser beam has a wavelength in the range of 300 nm to 800 nm;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 39 항 및 제 40 항에 있어서,
작동 레이저 빔은 300 nm 내지 600 nm 범위의 파장을 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.41. The method of claim 39 and 40,
the working laser beam has a wavelength in the range of 300 nm to 600 nm;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 39 항 및 제 40 항에 있어서,
작동 레이저 빔은 400 nm 내지 500 nm 범위의 파장을 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.41. The method of claim 39 and 40,
the working laser beam has a wavelength in the range of 400 nm to 500 nm;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 39 항 및 제 40 항에 있어서,
작동 레이저 빔은 500 nm 내지 600 nm 범위의 파장을 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.41. The method of claim 39 and 40,
the working laser beam has a wavelength in the range of 500 nm to 600 nm;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 39 항 및 제 40 항에 있어서,
디지털 미러 장치는 공랭식인,
금속용 적층 제작 시스템.41. The method of claim 39 and 40,
The digital mirror unit is air-cooled;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 40 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서,
디지털 미러 장치는 마이크로 채널 냉각기, 물 열교환기 및 펠티에 냉각기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 냉각 장치에 의해 냉각되는,
금속용 적층 제작 시스템.46. The method according to any one of claims 40 to 45,
wherein the digital mirror device is cooled by a cooling device selected from the group consisting of a micro channel cooler, a water heat exchanger and a Peltier cooler;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 40 항 내지 제 46 항 중 어느 한 항에 있어서,
빌드 챔버 온도를 유지하기 위한 지역 복사 히터를 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.47. The method according to any one of claims 40 to 46,
further comprising a local radiant heater to maintain the build chamber temperature;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 40 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
가열된 빌드 플레이트를 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.48. The method according to any one of claims 40 to 47,
Further comprising a heated build plate,
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 40 항 내지 제 48 항 중 어느 한 항에 있어서,
패턴이 조명될 곳에서만 분말 층을 가열하기 위한 별도의 2차 레이저를 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.49. The method according to any one of claims 40 to 48,
further comprising a separate secondary laser for heating the powder layer only where the pattern will be illuminated.
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 40 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서,
불활성 분위기를 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.50. The method according to any one of claims 40 to 49,
Further comprising an inert atmosphere,
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 40 항 내지 제 50 항 중 어느 한 항에 있어서,
미리 결정된 패턴은 수 kW 전력 밀도를 가지는,
금속용 적층 제작 시스템.51. The method according to any one of claims 40 to 50,
The predetermined pattern has a power density of several kW,
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 40 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 있어서,
시스템은 비-거시 기계적 모션 빔 조향 시스템인,
금속용 적층 제작 시스템.52. The method according to any one of claims 40 to 51,
wherein the system is a non-macro mechanical motion beam steering system;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 40 항 내지 제 52 항 중 어느 한 항의 시스템을 작동시켜 금속 분말로 물체를 구축하는 방법.53. A method of operating the system of any one of claims 40-52 to construct an object from metal powder. 제 53 항에 있어서,
금속 분말은 금, 은, 백금, 구리, 알루미늄 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
방법.54. The method of claim 53,
the metal powder is selected from the group consisting of gold, silver, platinum, copper, aluminum and alloys thereof;
Way. 제 40 항 내지 제 52 항 중 어느 한 항에 있어서,
GUI(1502)와 제어 통신(1531)하는 제어 시스템(1501)을 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.53. The method according to any one of claims 40 to 52,
further comprising a control system 1501 in control communication 1531 with the GUI 1502;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 42 항 내지 제 52 항 및 제 55 항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 소스(1504)와 제어 통신(1533)하는 제어 시스템(1501)을 더 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.56. The method of any one of claims 42-52 and 55, wherein
further comprising a control system (1501) in control communication (1533) with the laser source (1504);
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 42 항 내지 제 52 항 및 제 55 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
스테이지(1505)는 모터(1506)를 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.57. The method of any one of claims 42-52 and 55-56, wherein
stage 1505 includes a motor 1506;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 42 항 내지 제 52 항 및 제 55 항 내지 제 57 항 중 어느 한 항에 있어서,
타겟 영역은 분말(1551)을 포함하는,
금속용 적층 제작 시스템.58. The method of any one of claims 42-52 and 55-57, wherein
the target area contains powder 1551;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 58 항에 있어서,
금속 분말은 금, 은, 백금, 구리, 알루미늄 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
금속용 적층 제작 시스템.59. The method of claim 58,
the metal powder is selected from the group consisting of gold, silver, platinum, copper, aluminum and alloys thereof;
Additive Manufacturing Systems for Metals. 제 58 항 또는 제 59 항에 있어서,
이미지 세그먼트가 타겟 영역에 투영되어 구축될 물체 전체의 이미지에서 작업 레이저 빔을 전달함으로써, 분말로 물체를 구축하는,
금속용 적층 제작 시스템.60. The method of claim 58 or 59,
Constructing an object from powder, by delivering a working laser beam in an image of the entire object to be built in which an image segment is projected onto a target area;
Additive Manufacturing Systems for Metals.

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