用于三維打印的設(shè)備、系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于H維打印的設(shè)備、系統(tǒng)和方法
[0001] 巧關(guān)申請的香叉引用
[0002] 本申請要求2013年4月29日提交的美國臨時專利申請序列No. 61/817311的優(yōu) 先權(quán)，通過引證將該專利申請整體結(jié)合于本文中。
【背景技術(shù)】
[0003] =維（3D)打印為從數(shù)字模塊制造=維固體物件的制造工藝。3D打印通常使用加 成工藝（additiveprocess)來實現(xiàn)，其中材料的連續(xù)層被放下而形成不同的形狀。3D打印 與傳統(tǒng)機加工技術(shù)不同，傳統(tǒng)機加工技術(shù)可能依賴于通過諸如切割或鉆孔的方法（消去工 藝（subtractiveprocess))來移除材料。
[0004] 當前可利用各種加成工藝。它們的不同之處在于使多個層沉積W形成部件的方式 W及在于可使用的材料。一些方法使材料烙化或軟化W制造層，例如選擇性激光烙化（SLM) 或直接金屬激光燒結(jié)值MLS)、選擇性激光燒結(jié)（SLS)、烙融沉積成型（FDM)，而其他方法使 用不同的尖端技術(shù)（例如立體平版印刷（SLA))使液體材料固化。使用分層實體制造化0M)， 薄層被切割成形并連接在一起（例如紙、聚合物、金屬）。 陽0化]盡管運樣的方法提供3D物件的成型，然而存在與運樣的方法相關(guān)的限制性。運樣 的方法通常使用的激光具有的波長為電磁頻譜的紅外（IR)部件，例如大于1微米的波長。 運使得難W在亞微米分辨率下形成物件。另外，典型3D打印系統(tǒng)是慢的并且不能夠生成具 有低表面粗糖度的物件，運使得運樣的3D打印的物件不適用于多種終端用途。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本文認識到了對于改進的S維（本文也稱為"3D"和"3-D")打印系統(tǒng)和方法的需 要。特別地，存在解決慢的制造速度、低的特征分辨率和部件的高表面粗糖度的需求，運些 問題如可能存在于使用紅外（IR)激光器逐層制造元件的情況。通過提供本文教導(dǎo)的制造、 設(shè)備和工藝，本發(fā)明解決運些和其他需求。
[0007] 本公開提供用于制造部件或元件的方法、設(shè)備和系統(tǒng)，通過使用可見激光系統(tǒng)將 材料的層烙融從而W高的分辨率實現(xiàn)高容量構(gòu)建速率。本公開的設(shè)備和系統(tǒng)采取使用用于 =維打印應(yīng)用的可見激光器。本文提供的設(shè)備和系統(tǒng)可同時或大致同時實現(xiàn)在制造中使用 基于激光器的3D打印機所需的分辨率和構(gòu)建速率。
[0008] 本公開提供一種=維打印系統(tǒng)，其使用可見激光源來形成用于給定最終聚焦光學(xué) 件的相當小的點尺寸。
[0009] 3-D激光燒結(jié)系統(tǒng)或3-D激光打印系統(tǒng)使用一對掃描儀，用于掃描入射在最終聚 焦透鏡上的角度，W形成激光束在物鏡的焦平面中的平移，所述掃描儀可為機械步進設(shè)備、 電流計（galvanometer)或類似機構(gòu)。透鏡可為f-0透鏡或類似多元透鏡設(shè)計，其可在打 印平面上形成連續(xù)的激光點尺寸。打印平面上的點尺寸可由準直激光束的直徑、物鏡的焦 距W及激光源的波長確定。因此，激光源的波長是系統(tǒng)中的重要參數(shù)，因為其最終限定最小 點尺寸W及可掃描的容量。
[0010] 打印平面可為粉末金屬的床、可固化的光聚合物、或者通過施加熱而可流動或固 化的聚合物。可通過漉或刀片類型的系統(tǒng)或者通過使用粉末輸送噴嘴的直接沉積而預(yù)布置 粉末的層，所述粉末輸送噴嘴與激光光束同軸但卻圍繞光束的外圍輸送。
[0011] 存在在可見范圍內(nèi)操作的用于生成高功率高亮度激光源的至少兩種方法：1)紅 外激光源在非線性晶體中的倍頻，該非線性晶體諸如為憐酸鐵氧鐘化T巧或周期性極化妮 酸裡（LiNb化)，或者2)激光源的上轉(zhuǎn)化操作，其中多個紅外電子由稀±離子（諸如巧巧r) 或鎊（Tm))吸收，從而導(dǎo)致高能態(tài)被填入并且導(dǎo)致可見波長（諸如對巧而言是綠色且對于 鎊而言是藍色）下的振蕩。由于用在倍頻工藝中的KTP或妮酸裡晶體的低損傷闊值，紅外 激光器的倍頻可能難W成比例放大至高功率水平。因此，基于激光的倍頻技術(shù)對單模輸出 而言可能限于少于200瓦特。第二種技術(shù)，光纖激光器中的上轉(zhuǎn)化有可能在輸出功率方面 受限，運是由于光纖因存在于滲雜光纖中的高能光子而具有遭受色屯、的傾向。另外，在運些 上轉(zhuǎn)化層中存在可被填入和可產(chǎn)生UV光子的更高位態(tài)，運可導(dǎo)致甚至更多更快的色屯、的 形成，運些色屯、為由電子的高能量而在光纖中形成的寬帶吸收中屯、，導(dǎo)致在光纖中的損耗 超過由于上轉(zhuǎn)化工藝而產(chǎn)生的潛在增益并且抑制激光器的操作。
[0012] 本公開提供用于生成高功率高亮度可見激光福射的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。運樣的設(shè) 備和系統(tǒng)可包括多個模塊，每個模塊均配置成執(zhí)行給定功能。在一些實施例中，用于生成可 見激光福射的設(shè)備包括可見激光二極管的陣列、光束形成系統(tǒng)、和使用受激拉曼散射（SRS) 的光束轉(zhuǎn)化器，W將單個激光二極管的輸出組合成單模輸出?？梢娂す舛O管的輸出可聚 集成直徑足夠小的光纖，W從SRS過程產(chǎn)生增益，W實現(xiàn)激光器在第一拉曼量級頻移波長 上的操作。
[0013] 此外，提供一種可見二極管激光系統(tǒng)，包括其中每個激光二極管均安裝在T056殼 體中的模塊式板設(shè)計、準直光學(xué)件、用于使準直源的匯聚對稱的光束圓化光學(xué)件、壓縮細光 束化eamlet)的陣列W消除單個激光源中每一個之間的死區(qū)的光束成形光學(xué)系統(tǒng)、W及用 于使來自模塊式板的每個光束交錯的模塊。如果激光二極管在一個軸上準直，則柱形透鏡 可用于對另一軸進行準直，W根據(jù)需要在最終聚焦光學(xué)件上形成的點而使得兩個軸的發(fā)散 相同或不相同。
[0014] 來自激光二極管的每個板的激光束可豎直地交錯，W在發(fā)射到最終光束聚焦光學(xué) 件之前填充由于系統(tǒng)的機械性能而導(dǎo)致的死區(qū)。如本文使用的，除非另有明確說明，否則交 錯是指將來自不同源的光束布置成彼此鄰近并且將當兩個源豎直或水平對齊時光束從其 顯現(xiàn)的源交替，從而在發(fā)射到系統(tǒng)下游的（在一些情況下為最終）光學(xué)件之前消除光束之 間的死區(qū)。在一些情形下，光束聚焦光學(xué)件可為最佳形式透鏡、用于矯正球面像差的多元透 鏡、用于補償任何色差的消色差透鏡、或者具有低f-數(shù)（或焦比）的非球面，從而實現(xiàn)用于 聚焦到光纖中的大采集孔徑。如本文使用的，除非另有明確說明，否則非球面為帶有有澤涅 克多項式限定的非球面輪廓的透鏡，W均衡通過透鏡開孔的所有光線的路徑長度而無論開 孔中的位置如何。
[0015] 另外，提供一種光纖，其帶有用于從激光二極管陣列收集光學(xué)累浦光的=包層、用 于傳播來自可見激光二極管的非相干累浦福射的低損耗（例如小于50分貝/千米（化/ km)、小于40db/km、小于30db/km、小于20db/km、或小于lOdb/km)包層W及低損耗單模忍 (例如小于50化/虹1、40化/虹1、30化/虹1、20化/虹1、或10化/虹1)。可見激光二極管福射可限制 在外包層中，但卻隨機地橫過中央忍W通過SRS過程而在忍中產(chǎn)生增益。在用于可見激光 二極管的足夠強度下，該增益可超過光纖中的損耗，并且當與來自外部鏡、嵌入式光柵或外 部光柵的饋送結(jié)合時，可使得通過多軸或單軸模式操作而在單橫模上振動。該技術(shù)可能在 過去未曾實現(xiàn)，運是因為大多數(shù)光纖在可見頻譜上通常具有高損耗（例如大于或等于大約 50地/km)。本公開的光纖可有利地最小化光纖中的瑞利散射，從而使得SRS增益能夠超過 光纖中的損耗。
[0016] 另外，本公開提供過一種在目標材料上執(zhí)行高功率激光操作W將材料烙融在一起 從而使材料固化或使材料消融的方法，運可用于形成多層3D物件。材料可為多種材料中的 任一種，所述多種材料諸如為金屬材料、絕緣材料、半導(dǎo)體材料、聚合物材料、復(fù)合材料、或 它們的組合。實例材料包括但不限于鋼、鐵、同、黃銅、金、W及運些材料的合金。
[0017] 材料的吸收特性可隨著波長減小而增大。因此，相比于IR激光器，當使用藍色激 光波長時，加工速度方面存在顯著的增大（見下文表1)。
[0018]
[0019] 本公開的一方面提供一種用于形成=維物件的打印系統(tǒng)，包括：激光源，通過受激 拉曼散射產(chǎn)生可見光的相干光束；基底，與激光源光學(xué)通信；W及掃描模塊，位于激光源的 下游。掃描模塊可適于產(chǎn)生可見光的相干光束相對于基底的掃描運動，該掃描運動對應(yīng)于 =維物件的預(yù)定形狀。打印系統(tǒng)可進一步包括計算機控制系統(tǒng)，操作地結(jié)合于激光源和掃 描模塊。計算機控制系統(tǒng)可編程為（i)W預(yù)定的方式控制掃描運動并且（ii)調(diào)制激光源 的功率，W由基底形成物件。
[0020] 本公開的另一方面提供一種用于形成=維物件的打印系統(tǒng)，包括：激光源，包括至 少一個光纖，激光源W帶有小于50分貝每千米（化/km)的瑞利損耗的方式在光纖中輸出可 見光的相干光束；基底（例如粉末），與激光源光學(xué)通信；W及掃描模塊，位于激光源的下 游，其中掃描模塊適于產(chǎn)生可見光的相干光束相對于基底的預(yù)定掃描運動。該預(yù)定掃描運 動可對應(yīng)于=維物件的預(yù)定形狀。打印系統(tǒng)可進一步包括計算機控制系統(tǒng)，操作地結(jié)合于 激光源和掃描模塊。計算機控制系統(tǒng)可編程為（i)W預(yù)定的方式控制掃描運動并且（ii) 調(diào)制激光源的功率，W從基底形成物件。
[0021] 本公開的另一方面提供一種用于形成=維物件的方法，包括：提供激光源和位于 激光源光學(xué)下游的掃描模塊；W及使用激光源，通過受激拉曼散射產(chǎn)生可見光的相干光束。 然后，將可見光的相干光束引導(dǎo)至與激光源光學(xué)通信的基底。然后在基板中或由基板產(chǎn)生 一特征。該特征可對應(yīng)于=維物件的預(yù)定形狀的至少一部分。然后，使用掃描模塊，產(chǎn)生可 見光的相干光束相對于基底的掃描運動。該掃描運動可對應(yīng)于=維物件的預(yù)定形狀。然后 沿著與可見光的相干光束大體平行的方向相對于激光源移動基底。
[0022] 本公開的另一方面提供一種計算機可讀介質(zhì)（例如存儲器），其包括機器可執(zhí)行 代碼，該機器可執(zhí)行代碼在由所述一個或多個計算機處理器執(zhí)行時實施上文或本文其他地 方所述的任何方法。
[0023] 本公開的另一方面提供一種計算機系統(tǒng)，包括一個或多個計算機處理器和與其結(jié) 合的存儲器。存儲器包括機器可執(zhí)行代碼，該機器可執(zhí)行代碼在由所述一個或多個計算機 處理器執(zhí)行時實施上文或本文其他地方所述的任何方法。
[0024] 通過W下詳細描述，本公開的其他方面和優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將變得顯 而易見，其中僅僅示出和描述了本公開的示意性實施例。如應(yīng)當認識到的，本公開能夠包括 其他和不同實施例，并且本公開的多個細節(jié)能夠包括各個明顯方面的修改，運些均不背離 本公開。因此，附圖和說明書應(yīng)當認為性質(zhì)上是示意性的而非限制性的。 陽做]通過引證結(jié)合
[00%] 通過引證將本說明書中提及的所有出版物、專利和專利申請結(jié)合于本文中，結(jié)合 的程度正如每個單個出版物、專利或?qū)＠暾埍痪唧w和單個地表明通過引證被結(jié)合一樣。
【附圖說明】
[0027] 本發(fā)明的新穎特征特別地在所附權(quán)利要求中闡述。通過參照闡述示意性實施例的 下文詳細描述W及附圖（本文也稱為"圖（figure)"和"圖（FIG.)")，將獲得本發(fā)明的更 好理解，在所述示意性實施例中使用了本發(fā)明的原理，附圖中：
[0028] 圖1為使用可見激光源基于掃描儀和f-0透鏡的S維（本文也稱為"3-D"和 "3D")打印系統(tǒng)的實施例的示意性視圖；
[0029] 圖2為使用可見激光源采用線性平移工作臺的3-D打印系統(tǒng)的實施例的示意性視 圖；
[0030] 圖3為可見激光源的實施例的示意性視圖；
[0031] 圖4為使用包裝在T056封包中的多個激光二極管源的模塊式激光板的實施例的 視圖；
[0032]圖5為堆疊W形成二維激光源陣列的多個模塊式激光板的實施例的視圖； 陽03引圖6A-圖她示意性示出了累浦功率向單模輸出的演化；W及
[0034]圖7示意性示出了編程或配置成實施本公開的方法的計算機系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0035] 盡管本文已示出和描述了本發(fā)明的各種實施例，然而對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯 然的是，運樣的實施例僅僅W實例的方式提供。在不背離本發(fā)明的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員 可想到多種變形、改變和替代。應(yīng)當理解的是，可采用對本文描述的本發(fā)明實施例的各種替 換。