利用光纤阵列激光源和自适应多光束整形的金属中的增材制造制造技术

一种系统，所述系统使用由光纤阵列系统产生的可单独控制的激光束的可扩展阵列将材料加工成对象。单独光束的自适应控制可以包括单独光束的光束功率、焦斑宽度、质心位置、扫描定向、幅度与频率、活塞相和偏振状态。激光束阵列可以成簇地布置并且被配置成提供窄加工线，或可以线性地布置并且被配置成振荡并提供宽加工线。这些系统还可以具有：一组材料传感器，所述一组材料传感器直接在处理之前、在处理期间和直接在处理之后采集关于材料和环境的信息；或一组热管理模块，所述一组热管理模块对材料进行预热和后热以控制热梯度；或两者。

Additive manufacturing in metal using fiber array laser source and adaptive multi beam shaping

【技术实现步骤摘要】
利用光纤阵列激光源和自适应多光束整形的金属中的增材制造优先权本申请是在2017年7月6日提交的题为“利用光纤阵列激光源和自适应多光束整形的金属中的增材制造(AdditiveManufacturinginMetalswithaFiberArrayLaserSourceandAdaptiveMulti-BeamShaping)”的美国非临时专利申请15/642,884的部分接续案。
所公开的技术涉及用于使用具有对时空激光功率分布的自适应整形的多光束光纤阵列激光电源的金属增材制造的系统，和原位传感系统。
技术介绍
激光是用于材料处理和金属增材制造(例如激光增材制造(LAM)技术)的常见电源。作为一个实例，金属粉末床LAM涉及能够在制造过程期间升高和降低的制造平台或床。将金属粉末的薄层均匀地散布在所述床上，然后使用激光按所要图案将金属粉末加热，使得金属粉末熔融、然后冷却，同时能够将未受影响的粉末材料扫掉，从而只留下新形成的层。在用激光形成每个层之后，将粉末平台降低，并且金属粉末的新层散布在旧层上。如此，通过以下步骤能够一次一个层地形成三维对象：降低平台，添加新的粉末层，然后使用激光将粉末按所要对象体积的形状熔融到新的粉末层中，在新的粉末层中，粉末接着冷却、固结成金属并且与前一层结合[1至4]。用于LAM的现有激光电源的主要缺点是缺少对在激光能量沉积期间的激光束时空特性的主动和/或自适应控制，和缺少用于表征在每个层的LAM处理期间和之后在处理光束前面和在处理光束与热影响区(HAZ)内熔融并且固结成金属材料的原料的恰当原位传感技术。这些实时传感技术的缺少妨碍光束控制技术的发展和实现，所述光束控制技术包括对LAM过程的可编程、前馈和反馈控制以改善LAM创建的产品和部件的生产率、重复率和质量[5]。也已经发现，难以利用单一激光束来达成微结构和表面光洁度的所要改善、残余应力的减轻和加工速度的提高。本文中所公开的能够同时地投影多个特性能够单独地进行控制的激光束的高级电源和控制系统的可用性将为LAM创造新的机会，所述特性例如光学功率、焦斑大小、指向和调向特性。最近的技术发展可以指示检查用于材料处理和LAM的多光束可控激光电源的优点和用于所述电源开发系统的趋势。目前，已经证实了适应于激光材料处理和LAM的几个双光束和四光束激光系统[6至7]。现有多光束LAM系统针对每个光束利用将单独的光学系列，所述光学系列由产生激光束(100.2)之激光源(100.1)、光束成形(100.3)、扫描(100.4)和聚焦(100.5)光学部件组成。图1图示用于使用N个投影光束(100.6)来独立处理原料的LAM系统，所述投影光束在粉末床表面(100.8)或其他制造点工件处形成焦斑(100.7)。针对N光束LAM，需要额外的光束组合光学部件(100.9)以用于具有共同定位或紧密定位的焦斑的LAM处理，如图2中所示。扩展如图1和图2所示的现有多光束LAM系统以包括大量单独控制激光束将需要集成类似于图1和图2所示的光学系列的多个光学系列，从而产生非常大型、沉重并且昂贵的LAM系统。另外，所演示的多光束LAM系统不包括用于反馈控制的传感器，并且因此不能提供基于工件传感数据对激光束特性的动态修改。本文中所公开的系统和方法提供这些问题的解决方法。现有LAM系统的另一主要缺点是所述系统主要基于所谓的单点处理技术[5、9]。在图1和图2所图示的系统中，精确聚焦的投影激光束(100.6)形成高度局部化(点)热源，用光束扫描光学部件(例如，振镜)来快速地栅格化(扫描)所述热源以用于原料的选择性激光熔融(selectivelasermelting；SLM)。这种单点处理LAM技术承受几个主要缺点：A.高度局部化(点)热源，所述热源由精确聚焦的激光束在粉末床或其他制造工件处产生，在处理材料中形成大的热梯度。对这个点热源的扫描产生细长的熔池，所述熔池在高扫描速度下由于瑞利不稳定性而分解成断开的球[10、11]。大的热梯度和这些球化效应均对表面粗糙度有不利影响，导致LAM中的残余应力和开裂，并且限制生产率。请注意，通过在更快的扫描速度下使用更高的激光功率来提高LAM生产率的尝试会使表面光洁度和残余应力变得更差[12]；B.在单点处理中，在约五十微米到几百微米范围内的激光束斑点直径仅轻微地超过特性粉末颗粒大小(对于Ti-6Al-4V合金为约10到45μm[13])。结果是微小的处理体积，在所述体积中含有相比较少的具有不同大小的粉末颗粒。由于激光束吸收率和材料的温度升高取决于颗粒大小，因此小处理体积内的原料的任何变化将引起热耗散的各向异性、局部温度梯度的变化和熔池中的强烈流体流[14到16]–直接影响LAM产生部件的质量的所有主要因素；以及C.利用单一激光束的处理需要高速焦斑栅格化(扫描)，以避免不可接受的长制造时间。这又导致极高的加热速率，从而引起粉末床层或材料中的来自蒸发流和来自由蒸发反冲和喷射引起的溅落的干扰[5、16]。高加热速率也使实现LAM过程参数的实时传感和控制变得困难，或甚至不可能。当前单点LAM技术的这些缺点能够用本文中所公开的系统和方法来缓解。超越常规单点SLM的最近尝试是被称为二极管区域熔融(DiodeAreaMelting；DAM)的增材制造过程的实现方式[17]。DAM经由使用多个激光斑点而将低功率单独可寻址激光二极管发射体的阵列用于并行原料处理。DAM方法具有阻碍所述方法从当前早期实验室实验转变到LAM产业的几个原理问题。激光二极管的巨大并且高度不对称的发散导致椭圆形低质量光束，所述低质量光束难以集中(聚焦)成具有足以使原料熔融的功率密度的斑点。为了增大每个单独激光斑点内的功率，这些二极管堆叠阵列原则上能够组合。然而，激光源的这种复用使这些高度发散光束的聚焦变得更复杂[18]。另外，粉末床表面或材料上的激光斑点不能被单独地控制。这导致不能实现自适应时空功率整形的高度空间不均匀的组合式激光强度。本文中所公开的新颖部件、系统和方法提供上文所讨论的问题以及常规系统中存在的其他问题的解决方法。附图说明如专利技术人所考虑的，随后的图式和详细描述意图仅为说明性的，而不意图限制本专利技术的范围。图1是激光增材制造系统的示意性图解，所述系统使用具有独立激光源、光束成形、扫描和聚焦光学部件的两个或更多个(N＝2,3,…,)投影光束在粉末床的不同区域或其他工件材料表面处形成焦斑以用于同时制造几个部分；图2是激光增材制造系统的示意性图解，所述系统利用两个或更多个(N＝2,3,…,)光束组合光学系统将两个或更多个(N＝2,3,…,)投影光束聚焦在粉末床或其他工件材料表面处；图3是自适应多光束光纤阵列激光增材制造系统(AMBFA-LAM)的名义示意图；图4是自适应多光束光纤阵列激光增材制造系统(AMBFA-LAM)的另一名义示意图；图5是附接有光学接收器和传感模块的示例性光纤阵列发射器的多光束发射器截面图的名义示意图；图6是由七个基于光纤的激光发射器和附接的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增材制造系统，所述增材制造系统包括：/n(a)制造表面，所述制造表面包括材料；/n(b)激光模块，所述激光模块包括一组振荡光束模块，所述振荡光束模块被配置成产生振荡激光焦斑的线性阵列，以在所述材料上产生包括一组互连加工区段的加工线，每个振荡光束模块包括：/n(i)激光束传递光纤，所述激光束传递光纤包括光纤连接到激光电源的第一区段和包括光纤尖端的第二区段，其中所述第二区段被安装到可操作以使所述光纤尖端沿着一个轴线振荡的致动器，并且其中所述激光电源可操作以向所述光纤尖端提供激光功率；以及/n(ii)透镜，所述透镜被配置成将所述光纤尖端重新成像到所述材料上以形成激光焦斑；/n(c)台架系统，所述台架系统适合于将所述激光模块保持在所述制造表面上方并且可操作以沿着正交于所述加工线的线移动或扫描所述激光阵列模块；/n(d)控制器，所述控制器被配置成：接收包括界定目标对象的一组坐标的目标对象定义，并且在增材制造过程期间创建所述目标对象，并且至少部分地基于所述目标对象定义：/n(i)向所述激光电源提供信号以控制由每个振荡光束模块传输的输出激光功率；/n(ii)向所述台架系统提供信号以控制所述台架系统沿着正交于所述加工线的所述线的所述移动；以及/n(iii)向所述振荡光束模块提供信号以控制所述振荡激光焦斑线性阵列的一个或多个振荡特性。/n...

【技术特征摘要】
20180518 US 15/983,8661.一种增材制造系统，所述增材制造系统包括：
(a)制造表面，所述制造表面包括材料；
(b)激光模块，所述激光模块包括一组振荡光束模块，所述振荡光束模块被配置成产生振荡激光焦斑的线性阵列，以在所述材料上产生包括一组互连加工区段的加工线，每个振荡光束模块包括：
(i)激光束传递光纤，所述激光束传递光纤包括光纤连接到激光电源的第一区段和包括光纤尖端的第二区段，其中所述第二区段被安装到可操作以使所述光纤尖端沿着一个轴线振荡的致动器，并且其中所述激光电源可操作以向所述光纤尖端提供激光功率；以及
(ii)透镜，所述透镜被配置成将所述光纤尖端重新成像到所述材料上以形成激光焦斑；
(c)台架系统，所述台架系统适合于将所述激光模块保持在所述制造表面上方并且可操作以沿着正交于所述加工线的线移动或扫描所述激光阵列模块；
(d)控制器，所述控制器被配置成：接收包括界定目标对象的一组坐标的目标对象定义，并且在增材制造过程期间创建所述目标对象，并且至少部分地基于所述目标对象定义：
(i)向所述激光电源提供信号以控制由每个振荡光束模块传输的输出激光功率；
(ii)向所述台架系统提供信号以控制所述台架系统沿着正交于所述加工线的所述线的所述移动；以及
(iii)向所述振荡光束模块提供信号以控制所述振荡激光焦斑线性阵列的一个或多个振荡特性。


2.如权利要求1所述的增材制造系统，其中所述振荡激光焦斑线性阵列的所述一个或多个振荡特性包括所述振荡激光焦斑线性阵列的每个振荡激光焦斑的振荡幅度、频率和波形。


3.如权利要求1所述的增材制造系统，其中所述振荡激光焦斑线性阵列的每个振荡激光焦斑大小几乎相同。


4.如权利要求1所述的增材制造系统，其中：
(a)所述一组振荡光束模块包括至少一个振荡光束模块；
(b)所述一组振荡光束模块的每个振荡光束模块包括具有约10mm的直径和约十的缩放因子的所述透镜；并且
(c)所述激光模块被配置成产生具有以下各项的所述振荡激光焦斑线性阵列：
(i)所述振荡激光焦斑线性阵列的每个振荡激光焦斑的中心之间的标称距离为约15mm；
(ii)来自所述光纤尖端的传输光束具有约10μm的宽度；以及
(iii)每个振荡激光焦斑具有约100μm的宽度。


5.如权利要求1所述的增材制造系统，其中所述一组振荡光束模块的每个振荡光束模块包括具有约十的缩放因子的所述透镜，并且其中所述控制器还被配置成：
(a)使每个振荡光束模块的所述光纤尖端以介于约1.0mm与约1.5mm之间的振荡幅度，从而使每个振荡激光焦斑具有介于约10mm与约15mm之间的幅度；以及
(b)使每个振荡光束模块的所述光纤尖端以介于每秒约3m与约5m之间的速度振荡，从而使每个振荡激光焦斑具有介于每秒约30m与约50m之间的速度。


6.如权利要求5所述的增材制造系统，其中向所述一组振荡光束模块的每个光纤尖端提供的所述激光功率在约50W至约1.0kW之间。


7.如权利要求1所述的增材制造系统，其中所述激光模块被配置成：
(a)产生具有介于约25cm与约35cm之间的宽度的所述加工线；以及
(b)以介于每小时约400立方厘米与约1600立方厘米之间的构建速率来创建所述目标对象。


8.如权利要求1所述的增材制造系统，所述增材制造系统还包括以下各项中的一者：
(a)预处理激光模块，所述预处理激光模块包括第二组振荡光束模块，其中所述预处理激光模块定位在所述激光模块前面，其中所述控制器还被配置成操作所述预处理激光模块以在所述材料上产生预加工线，并且其中所述预加工线被配置成在处理之前将所述材料预热到预处理温度；
(b)后处理激光模块，所述后处理激光模块包括第三组振荡光束模块，其中所述后处理激光模块定位在所述激光模块后面，其中所述控制器还被配置成操作所述后处理激光模块以在所述材料上产生后加工线，并且其中所述后加工线被配置成控制所述材料达后处理温度的冷却速率。


9.如权利要求8所述的增材制造系统，所述增材制造系统还包括所述预处理激光模块和所述后处理激光模块两者，其中所述预处理温度和所述后处理温度各自低于包括振荡激光焦斑的所述加工线将所述材料加热到的处理温度。


10.如权利要求9所述的增材制造系统，其中所述预处理温度和所述后处理温度被配置成减小在创建期间的所述目标对象的表面上的热梯度。


11.一种振荡光束模块，所述振荡光束模块包括：
(a)激光束传递光纤，所述激光束传递光纤包括光纤连接到激光电源的第一区段和包括光纤尖端的第二区段，其中所述第二区段被安装到可操作以使所述光纤尖端沿着一个轴线振荡的致动器，并且其中所述激光电源可操作以向所述光纤尖端提供激光功率；
(b)所述致动器，所述致动器可操作以基于从振荡控制器接收的振荡控制信号而使所述光纤尖端沿着所述单一轴线振荡...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·A·沃隆特佐夫，
申请(专利权)人：IIVI特拉华有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US