KR100305425B1 - 자유형3차원물품을형성하는방법및장치 - Google Patents

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제임스 엠. 오쓰아웃
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Abstract

본 발명은 동일한 전하를 갖는 균일한 드롭렛을 형성하여, 3차원 물품(60)을 성형하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 드롭렛(36)의 공급물(12)은 정렬수단(30)을 통과함으로써 좁은 스트림으로 집중된다. 주형을 사용하지 않고 물품을 형성하기 위해, 드롭렛은 소정의 패턴 및 소정의 속도로 타겟 상에 용착된다. 지지물 재료의 공급물(36)은 지지를 위해 원하는 재료에 인접하여 제공된다.

Description

자유형 3차원 물품을 형성하는 방법 및 장치
기판 상에 적층 재료를 용착하여 3차원 물품을 형성하는 다양한 방법들이 제안되어 왔다. 이러한 적층 제조기술로는 자유형 고상물 제조기술 또는 급속 포토 타이핑(rapid-phototyping) 등이 공지되어 있다. 원하는 물품의 컴퓨터 모델은 한정된 수의 층으로 분할된다. 이러한 층은 이전에 형성된 층 상에 연속적으로 적층되거나 결합된다. 이러한 적층 기술은 3차원 물품의 기하학적 형태에 근접하는 물품을 형성하는데, 적층된 층들은 물품의 에지부 또는 둘레영역에 “계단식 모형(staircase effect)”을 형성한다. 계단식 모형은 재료의 층을 분리하는 인위적인 산물이다. 물품의 최종 형상은 층의 두께를 최소화시키거나 물품의 표면을 평활화시키는 샌드 블라스팅(sand blasting)과 같은 추가 공정을 수행함으로써 개선될 수 있다.
스테레오리소그래피(stereolithography)는 중합체 재료로 구성된 3차원 중합체 물품을 형성하는 한 방법이다. 이러한 스테레오리소그래피에서, 광중합체는 레이저 광선에 의해 선택적으로 양생되어, 각각의 층을 형성한다. 3차원 물품은 액체 광중합체를 함유하는 용기에서 엘리베이터형 플랫포옴 상에서 형성된다. 부분적으로 형성된 물품을 액체 광중합체 내로 하향시키고 레이저를 사용하여 부분적으로 쌓여진 물품의 상부에 광중합체 재료의 새로운 층을 양생시킴으로써 연속하는 층들이 형성된다.
중합체 재료로 구성된 3차원 물품을 형성하는 다른 방법으로는 노즐을 통해 중합체 물질을 타겟 상에 분사하여 3차원 물품을 형성하는 용착물 모델링 공정(a fused-deposition modeling process)이 있다.
또다른 방법으로는 페이퍼 또는 중합체 재료의 층을 절단하여 기판에 결합시키고, 그런 다음 레이저를 이용하여 목적물의 원하는 층 또는 단면의 에지부나 둘레부를 다듬는 적층기술이 있다. 각 층에서 쓸모 없는 영역은 그리드(grid)로 절단된다. 이러한 “스퀘어(squares)”들은 적층되어서 목적물의 경계에 의해 모서리가 잘려진 정방형 프리즘을 형성한다. “스퀘어” 영역들은 물품을 완성한 후에 필요한 부분만 남긴채 물리적으로 제거된다.
또다른 방법으로는 페이퍼 또는 다른 마스크형 재료가 층형성 재료로 사용되는 적층 공정이 있다. 여기서는 레이저 광선을 사용하여 기하학적 형태를 마스크로서 사용되는 페이퍼로 절단한다. 이러한 재료는 3차원 물품의 단일층을 형성하는 컷아웃(cutout) 영역에서 증착되고, 재료의 일부분은 마스크 재료 상에 포개진다.
종래에는, 자유형 제조 기술 또는 용착층 공정을 사용하여 금속으로 구성되는 3차원 물품을 제조하는 것이 매우 난해하였다.
금속 제조 방법 중 하나는 일부 목적물의 상부에 금속 분말재료층을 도포하고, 새로운 층을 포함하는 부분을 선택적으로 소결(레이저 광선을 이용하여)하는 레이저 소결 공정이 있다.
다른 금속 제조방법은 금속 분말재료가 중합체 바인더와 서로 결합하는 포스트 소결 공정(post sintering process)이 있다. 그렇지만, 이러한 공정에서는 완성된 3차원 물품으로부터 중합체 바인더를 완전히 제거하는 것이 매우 난해하다. 바인더의 잔존은 원하는 강도와 금속 목적물의 다른 성질을 악화시킨다. 또한, 이러한 중합체 바인더의 제거는 3차원 물품에 기공을 형성하므로, 다소는 다공성의 물품이 형성될 수도 있다. 이러한 기공을 충진하기 위해, 다른 금속 재료(저온 금속과 같은)가 온도차에 의해 다공성 3차원 물품 내로 침입될 수도 있다. 그렇지만, 이러한 3차원 물품은 다소 바람직하지 못한 벌집형 복합 구조물을 가지며, 모재료를 소결하는 동안 크리핑되거나 또는 뒤틀리게 된다. 또한, 중합체 바인더의 잔존 및/또는 기공에 충진된 재료는 3차원 물품 내에서 오염물로서 역할을 하여, 물품의 성질에 영향을 미친다. 오염물은 산화제, 과도한 탄소, 잔존 바인더 등을 포함할 수도 있다. 침입 공정에서 충진물 또는 섬유 성분을 사용하는 것은 합금 재료를 사용할 때와 다르다. 침입시에, 두 재료는 별개로 잔존하는데, 이는 합금에서 재료들이 원하는 성질의 조합을 달성하기 위해 서로 균일하게 혼합되기 때문이다. 침입된 재료가 기지 재료와 불완전하게 결합할 때에는, 그의 미세구조에는 매우 많은 응력이 집중되어, 물품의 강도를 저하시킨다. 이러한 3차원 “침입형” 물품은 때때로 “완전하게 밀집된(fully dense)” 물품으로 불려지지만, 이러한 용어는 3차원 물품의 실제 특성을 잘못 묘사하고 있는데, 이는 3차원 물품이 실질적으로 바람직한 형태의 금속만을 포함하고 있지 않기 때문이다.
또다른 금속 제조방법은 밀링, 그라인딩, 샌드 블라스팅 등과 같은 금속 제거 기술과 관련한 금속 용착 기술을 사용하는 것이다. “계단식 모형”과 각 층의 에지부의 거칠기는 층이 용착된 후에 각 층과 그의 둘레부를 기계가공함으로써 제거된다. 이러한 기계가공 또는 금속 제거 공정은 3차원 물품의 실제 치수의 정밀함을 결정한다.
최근에는 용융 재료를 용착하는 여러 방법 및 장치가 제안되고 있다. 예컨대, 메츠 등이 출원한 미국특허 제 5,281,789 호에는 용융금속을 용착하는 용접 방법 및 장치가 개시되어 있다. 용융금속이 작업 표면 상에 용착되고, 연속적으로 금속층이 그 위에 용착된다. 전극 및 용접 토오치가 바람직하게는 유닛으로서 이동가능하며, 이에 의해 용융금속은 작업 표면의 선택적인 위치에 용착될 수 있다. 선택적으로, 용접 토오치와 콜렉터 전극(collector electrode)이 이동가능하거나 고정되어 유지되는 동안, 작업 표면이 이동하여 작업 표면 상에 용착될 재료의 위치를 선택할 수 있다. 액적(droplet)의 크기는 공급되는 금속을 일정하게 진동시키기 위해 부가적인 기계적 에너지를 공급 와이어에 가함으로써 제어된다.
프린즈 등이 출원한 미국특허 제 5,286,573 호에는 층용착 공정을 통해 물품을 형성하기 위한 지지 구조물을 사용하는 방법이 개시되어 있다. 용착 공정에서, 각 층은 두 부분으로 구성된다. 제1부분은 형성될 3차원 물품의 단편 조각이며(목적물), 이는 원하는 용착 재료 또는 다른 재료들로 구성된다. 제2부분은 제1부분의 물품 형태의 보조물이며, 물품 형성물의 성장을 지지하는 지지 구조물(지지물)로서 역할을 한다. 목적물 재료와 지지물 재료는 소정의 순서로 각각 적용된다. 이미 형성된 각각의 층 상에 다수의 층이 형성된다. 이러한 방식으로, 층형 구조물이 형성된다. 층형 구조물은 지지물 재료에 의해 둘러 싸인 용착 재료로 구성된 목적물을 포함한다. 각 층에 대해, 지지물 재료와 목적물 재료들 모두, 또는 그 중 하나가 원하는 목적물을 형성하기 위해 형상화될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 형상화 공정은 목적물 또는 지지물 재료가 가해진 후에 그리고 연속적인 층이 형성되기 전에 행해진다.
프린즈 등이 출원한 미국특허 제 5,301,863 호에는 층을 증가시킴으로써 목적물을 형성하는 다수의 작업대를 구비한 자동 시스템이 개시되어 있다. 각 층은 형성될 3차원 물품의 단편 조각이며, 원하는 목적물 재료로 구성된다. 목적물 재료에 추가하여, 각 층은 또한 항상 용착재료 부분의 목적물 형태의 보조물로서 역할하고 목적물의 형성을 성장시키는 지지 구조물로서 역할을 하는 제2부분을 포함한다. 물품을 제조하는 동안, 여러 작업이 각 층의 소재에 대해 수행된다. 재료 용착 스테이션에 추가하여, 다수의 공정 스테이션이 적용되며, 이들 각각은 하나 이상의 독립된 기능을 가진다. 이러한 기능들은 슈트 피닝(shot peening), 세정, 블라스팅, 열처리, 형상화공정, 점검, 마스크 제조, 및 소정의 패키징 조합을 포함할 수 있다.
프린즈 등이 출원한 미국특허 제 5,301,415 호에는 재료의 층을 증가시킴으로써 3차원 물품을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 이러한 특허의 한 실시예에서는, 목적물과 지지물 재료의 층이 적용된다. 목적물의 형태에 따라, 한 재료가 먼저 적용되어서 정밀한 치수를 달성하기 위해 형상화된 후, 다른 재료가 용착된다. 그런 다음, 용착된 층은 기계가공되고, 세정되며, 슈트 피닝된다. 이러한 공정은 모든 층이 형성될 때까지 반복된다. 최종 층이 적용된 후에, 보조 재료가 용착 재료로 구성된 목적물에서 제거된다.
드안젤리스(deAngelis)가 출원한 미국특허 제 5,398,193 호에는 조절된 적층 용착 및/또는 사출공정을 통해 3차원 물품을 제조하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 여기서는, 3차원 물품의 3차원 컴퓨터 모형 모델이 제공되고, 이러한 모형 모델은 3차원 물품의 소정의 두께의 층에 대응하는 다수의 연속층으로 분할된다. 이러한 컴퓨터 모델은 연속하는 물품과 각각의 층에 대응하는 보조 지지물을 형성한다. 하나 이상의 보조 지지물을 형성시키는 재료는 공정 장치 내의 작업대 표면상에 용착된다. 재료의 일부분이 보조 지지물로부터 제거된다. 용착 단계와 제거 단계는 컴퓨터 모델의 제어하에서 3차원 물품이 완료될 때까지 반복된다. 또한, 두께의 오차 또는 거칠기, 및 화학적인 강화를 보장하기 위해 보조층을 기계가공으로 제거하고, 연속하여 용착된 층의 선택적인 결합을 보장하기 위해 표면을 기계가공하는 단계를 포함한다. 완성품을 얻은 후에 제거되는 보조 재료로 둘러 싸인 완전한 물품을 형성하기 위해 조절된 층을 형성하는 단계가 반복된다.
상기한 방법들의 주요 단점은 3차원 물품의 치수의 정밀도가 상기 방법들의 기계가공 단계에 의존한다는 점이다. 많은 상황에서, 형성될 물품은 수용가능한 3차원 물품 또는 완제품을 제조하기 위해 다수의 예비제조 단계를 요구한다.
따라서, 작업대 표면 또는 기판 상에 용착물을 정밀하게 용착하여 3차원 물품 또는 고상 물품을 형성하는 개선된 방법을 요구하게 되었다. 그렇지만, 본 발명이 제안되기 전까지는, 콜렉터 또는 몰드를 사용하지 않으면서 고질의 3차원 물품을 형성하기 위해 액적의 공급물을 정밀하게 조절하여 분배할 수 있는 방법이 제안되지 않았다.
실질적으로 균일한 크기의 액적을 분사 성형하는 방법은 천(Chun) 등이 출원한 미국 특허 5,266,098 호에 개시되어 있는데, 상기 특허에는 균일한 크기의 금속 액적을 제조하여 유지시키는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 액적은 기판을 코팅하기 위해 분사 형태로 용착된다. 액적 형성기는 분사 챔버 내에 설치되어 있다. 이러한 액적 형성기는 장입된 금속을 용융시키고 수용하는 용기와, 균일한 크기의 금속 액적을 형성하는 수단과, 액적이 형성될 때 금속 액적에 전하를 인가하는 수단을 포함한다. 액적을 형성하는 수단은 바람직하게는 용기 내의 용융금속을 진동시키는 진동수단이거나 용기에서 용융금속이 방출되는 지점에서 용기의 외측으로 배치된 하나 이상의 오실레이팅 가스 분사 수단일 수도 있다. 용융금속은 금속 액적을 형성하기 위해 용기 내의 오리피스를 통해 용기로부터 방출된다. 용융금속이 하나 이상의 오리피스에서 분사되거나 스트림 형태로 방출될 때, 용융금속에 가해지는 진동은 분사 형태의 용융금속을 균일한 크기의 금속 액적으로 분할시킨다. 액적이 형성될 때, 전기적 전하가 액적에 인가된다. 금속 액적은 용융 금속이 용기에 수용되는 동안 하전되거나, 용기로부터 방출된 후 액적이 형성될 때 또는 그 후에 하전될 수도 있다. 각 액적이 분사되거나 스트림으로부터 분할될 때에도, 액적은 전하의 일부를 여전히 유지한다. 이러한 전하에 의해, 액적은 낙하중에 서로 반발하며, 기판을 향해 떨어질 때 절두 원추형태로 분산된다. 균일한 크기의 액적이 하전될 때, 동일한 극성을 갖는 이웃하는 액적들 사이의 반발에 기인하여, 액적은 회전하게 되며, 이에 의해 절두 원추형태를 형성하게 된다. 천 등이 출원한 상기 미국 특허에는 액적의 궤도를 변화시키기 위해 금속 액적의 흐름 경로에 전기장을 적용하는 것이 개시되어 있다.
1992년 5월 5일, 메사츄세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지(MIT)의 기계공학부의 씨. 에이취. 패소우(C.H. Passow)에 의해 제출된 논문에는 균일한 액적 분사, 액적 제조 기술, 및 액적 선택 및 편향을 이용한 분사 형성 이론이 개시되어 있는데, 여기서는 평행한 플레이트가 하전 플레이트 아래에 위치하여 하전된 액적을 액적이 모여지는 측부로 편향시키는 방법을 제안하고 있다. 또한, 비하전된 액적은 방해받지 않고 통과될 것이다.
1994년에 피.제이. 아쿠아비바(P.J. Acquaviva)가 저자인 IBEC 인터내셔날에서 출간된 제목 “용융 몰드 제조에서 열분사 적용의 문제점”의 기사에는 다양한 속도와 방향으로 기판을 이동시킴으로써 조절될 수 있는 균일한 액적 분사 및 용착 공정이 개시되어 있다.
1994년 5월 18일 MIT의 기계공학부의 고다드 칼 아벨(Godard Karl Abel)에 의해 제출된 논문에는 정지되어 있거나 이동하는 기판 상에 용착물을 형성하는 균일한 액적 분사 형성 방법이 개시되어 있는데, 여기서는 알려지지 않은 방해에 기인하여 액적이 불규칙하게 산란되는 것을 허용하는 대신에, 액적의 양을 변화시키면서 하전시킬 수 있으며, 이후 보다 예측가능한 질량유동(mass flux) 분포를 형성하기 위해 액적을 편향시키는 방법을 제안하고 있다.
오르메(Orme) 등이 출원한 미국특허 제 5,171,360 호, 제 5,226,948 호, 제 5,259,593 호, 및 제 5,340,090 호에는 용융금속의 스트림을 원하는 제품의 형태를 갖는 콜렉터 상으로 유도하여 네트형 제품(net form product)을 형성하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 여기서는 콜렉터 상에 충돌하여 단일 형상으로 응고하는 액적을 갖는 액적 스트림을 형성하기 위해 시간 변수 방해물이 스트림에 적용된다. 오르메 등은 텍사스주 오스틴에 위치한 SFF에 제출된 1995년 논문에, 조절된 액적으로 자유형 고상 구조물 재료를 형성시키기 위한 열구성 인자를 개시하였다.
3차원 고체물을 형성하는 보다 효율적인 방법에 대한 필요성을 인식하면서, 용융금속을 용착하여 3차원 고체물을 형성하는 새로운 방법이 현재도 개발되고 있다.
그러나, 매우 정밀한 방법으로 층상에 점진적으로 균일한 크기의 금속 액적을 분배하여 3차원 고체물을 형성할 수 있는 방법은 아직까지 개시되지 않았다.
본 발명은 작업 공간인 플랫포옴 또는 기판과 같은 타겟 상에 적층(layer-by-layer) 공정으로 용융금속을 용착하여 3차원 물품을 형성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
제1도는 용융 재료를 용착하여 3차원 물품을 형성하는 장치를 부분 단면 및 부분적인 환영선으로 도시한 사시도.
제1(a)도는 제1도에 도시된 장치의 일부를 절단하여 도시한 부분 확대 사시도.
제1(b)도는 액적의 확대 단면도.
제1(c)도는 용융 재료를 용착하여 3차원 물품을 형성하는 장치의 다른 실시예를 도시한 사시도.
제2도는 용융 재료를 용착하여 부분적인 돌출부를 형성하는 기술을 보여주도록 제1도에 도시된 장치의 일부를 절단하여 도시한 부분 확대 사시도.
제3도는 3차원 물품을 형성하기 위해 용융 재료를 용착하여 부분적인 돌출부를 형성하는 장치의 다른 실시예의 일부를 절단하여 부분적인 환영선으로 도시한 부분 확대 사시도.
제4도는 3차원 물품을 형성하기 위해 용융 재료를 용착하여 부분적인 돌출부를 형성하는 장치의 또다른 실시예의 일부를 절단하여 부분적인 환영선으로 도시한 부분 확대 사시도.
제4(a)도는 제4도에서 형성된 3차원 물품을 도시한 부분 확대 측단면도.
제5도는 3차원 물품을 형성하기 위해 용융 재료를 용착하여 부분적인 돌출부를 형성하는 장치의 또다른 실시예의 일부를 절단하여 부분적인 환영선으로 도시한 부분 확대 사시도.
제6도는 용융 재료를 용착하여 3차원 물품을 형성하는 장치의 또다른 실시예의 일부를 분리하여 도시한 부분 확대 사시도.
따라서, 본 발명의 목적은 고재질의 고체 금속물을 제조하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 또한 다수의 공정단계를 사용하지 않으면서 각각의 용착층을 형성하거나 또는 정밀한 치수를 갖는 3차원 고체물을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 타겟 또는 플랫포옴 상에 원하는 재료로 구성된 균일한 크기의 금속 액적을 점진적으로 적층하여 3차원 물품을 형성하는 정밀한 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 이러한 물품은 액적의 용착을 조절함으로써 신속하게 그리고 직접적으로 형성될 수 있다. 3차원 물품의 기하학적 컴퓨터 모델을 사용하여 금속 액적의 용착을 조절한다. 고체물품은 균일한 크기의 액적으로부터 형성된 층이 점진적으로 증가하여 형성된다. 본 발명은 원하는 치수적 특성을 갖는 고체물품을 제공하기 위한 개별적인 액적의 조절 및 적용에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 금속 또는 원하는 합금 재료로 구성된 “완전하게 밀집된(fully-dense)” 3차원 고체물품을 제공한다. 또한, 이러한 3차원 고체 물품은 균일한 밀도를 가지며, 실질적으로 기공을 가지지 않으며, 다공성이 아니다. 본 발명에 따른 완전하게 밀집된 물품을 형성하기 위해서는 소결 또는 침입 공정을 행할 필요가 없다. 본 발명에 따른 방법을 사용하여 형성된 고체물품은 균일한 미세조직을 가진다. 또한, 본 발명에 따라 형성된 물품은 실질적으로 오염되지 않기 때문에 원하는 물리적 특성을 얻을 수 있다. 본 발명에 따라 형성된 물품은 종래의 주조 공정, 분사 공정, 또는 성형 공정에 의해 형성된 물품보다 실질적으로 우수한 물리적 특성과 성질을 가진다.
본 발명에 따라 형성된 3차원 고체물품은 원하는 치수적 오차, 인장강도, 피로강도, 압축강도, 연성, 전성, 경도, 및 내마모성을 가진다. 이러한 3차원 고체 물품은 전체 구조를 통해 실질적으로 균일한 양의 등방성 재료를 포함한다.
본 발명은 소비제품용 금속 기구 또는 제품을 제조하기 위해 신속하고 경제적인 방식의 설비 내에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 해저 또는 유정 굴착장치와 같은 공간 이용성이 제한되는 분야에 사용되도록 “탁상용(table top)” 크기로 제조될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 소비자가 항상 재고에 대한 공간 이용비용을 지불할 필요가 없기 때문에, 원하는 3차원 고체물품을 신속하게 제조할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 3차원 물품은 천 등이 출원한 미국특허 제 5,226,098 호에 개시되어 있는 균일한 그롭렛 형성 방법을 사용하여 고체물품을 형성할 수 있는데, 여기서는 용착 재료가 금속을 용융시키는 가열기를 구비한 금속 공급 시스템 내로 공급된다. 용융금속은 도가니와 같은 액적 형성 수단내에 수용되는데, 이러한 액적 형성 수단은 용융금속을 방출하는 하나 이상의 오리피스를 가지고 있다. 바람직한 실시예에서, 오리피스는 약 50 내지 500 미크론의 직경을 가진다. 용융 금속은 5 내지 50 psi의 압력차에 의해 오리피스를 통해 스트림 형태로 방출된다. 용융금속을 진동시키기 위해 소정의 주파수 및/또는 진폭이 가해진다. 이러한 진동과 금속 표면장력은 용융금속이 오리피스로부터 방출될 때 용융금속의 스트림을 균일한 크기의 액적으로 분할시킨다. 액적이 형성될 때, 액적에는 양 또는 음전하가 하전된다. 각각의 액적에 대해 동일한 전하를 하전시킴으로써, 액적을 독립적으로 유지시키고, 낙하하는 중에 인접하는 액적과 서로 융합되는 것을 방지하여 액적이 균일한 크기를 유지하도록 한다.
본 발명은 액적에 동일한 전하를 하전시킴으로써 액적이 스프레이와 같이 퍼져서 용착되도록 한 “천” 등이 개시한 상기 미국 특허를 개선시킨 것으로서, 본 발명은 액적이 형성된 후에, 이들이 스프레이 형태로 퍼지도록 하는 것 보다 좁은 스트림 또는 단일 묶음으로 집중시키거나 정렬시키는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 또한 액적이 서로 수직방향에서 융합되는 것을 방지함으로써 크기를 일정하게 유지할 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 하전된 액적을 정렬 수단에 인접하게 또는 정렬 수단을 통해 통과시킴으로써, 액적의 공급물은 좁은 스트림 또는 라인으로 정렬되거나 집중된다. 정렬 수단은 액적과 동일한 전하로 하전시킴으로써 전기력장을 부가한다. 정렬 수단은 그를 통해 연장하는 축선을 향해 내부에서 균일하게 액적을 반발시킨다. 액적의 반발은 내부적으로 미세한 액적 스트림을 형성시킨다. 액적이 낙하하는 동안 액적의 반발에 의해, 액적은 단일 묶음 스트림 또는 미세한 액적 라인으로 집중된다.
또한, 본 발명은 부분적으로 액적을 정렬시키는 방법을 포함하고 있음을 이해해야 한다. 여러 실시예에서, 액적이 타겟 상에 분배되어 용착되거나 부분적으로 3차원 물품을 형성할 때, 액적의 전하를 유지, 감소 또는 증가시킴으로써 액적을 정렬시킬 수 있다.
바람직한 일실시예에서, 정렬 수단은 타겟 또는 부분적으로 형성된 물품 상에 인접하거나 밀접하게 위치한 하나 이상의 축선대칭의 중공형 반발 실린더 또는 절두 원추형 반발 수단을 포함하고 있다. 정렬 수단을 통해 연장하는 축선은 액적의 스트림의 경로와 일치한다.
용융재료의 방출 스트림은 각각의 전하와 동일한 극성으로 하전된 전하를 갖는다. 바람직한 실시예에서, 제트형 스트림이 액적으로 분할될 때, 전하가 각 액적에 하전된다. 하전 수단이 제트형 스트림에 대해 소정의 전압으로 유지될 때, 하전 수단과 제트형 스트림 사이의 전압과 정전용량의 조합은 제트형 스트림의 선행부에 전하를 하전한다. 제트형 스트림으로부터 자유롭게 분할되기 전에는, 각 액적은 하전된 전하를 그대로 유지한다. 액적에 하전된 전하는 인접하는 액적을 반발시켜 액적이 융합되는 것을 방지한다.
본 발명에 따르면, 하전된 액적은 정렬 수단에 의해 소정의 좁은 라인 또는 경로 내에서 유지된다. 바람직한 실시예에서, 정렬 수단은 낙하하는 액적의 전하를 유지하거나, 다른 전하를 액적에 하전시키거나, 또는 액적의 전하를 감소시킨다. 낙하하는 액적에 하전된 동일한 전하는 정렬 수단으로부터 액적을 이격된 상태로 유지시키고, 또한 인접하는 액적과 이격된 상태로 유지시킨다. 따라서, 정렬 수단의 전하가 충분히 큰 경우에는, 액적은 스트림에서 서로 일정한 간격을 유지할 것이며, 정렬 수단을 통해 연장하는 축선 주위에 밀집할 것이다. 액적이 정렬 수단을 통과하거나 인접할 때, 액적은 실질적으로 좁은 스트림으로 유지된다.
여러 실시예에서, 정렬 수단은 액적의 전하를 감소시키는 전자빔을 양으로 하전된 액적의 스트림에 인가함으로써 낙하하는 액적의 전하를 감소시키는 수단을 더 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 액적은 폐쇄된 시스템내의 타겟 상에 공급되므로, 액적의 표면 및 용착층 내에서 발생하는 산화물과 같은 오염물의 발생을 줄일 수 있다. 바람직한 일실시예에서, 작업 공간 내의 공기는 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스로 교체된다. 아르곤과 같은 무거운 불활성 가스가 사용되는 경우, 이러한 불활성 가스는 바람직하게는 폐쇄된 작업 공간의 하단부에서 도입된다. 무거운 불활성 가스는 가벼운 공기를 폐쇄된 작업 공간의 상부로 방출시킨다. 다른 바람직한 실시예에서, 작업 공간 내의 공기는 질소와 같은 가벼운 불활성 가스로 교체된다. 그렇지만, 상기한 형태의 불활성 가스는 용착될 금속의 형태에 의존함을 인지해야 한다. 또한, 알루미늄을 용착하는 경우에는, 질소와 알루미늄이 반응하기 때문에, 질소를 사용하는 것은 바람직하지 못함을 인지해야 한다. 여러 실시예에서, 불활성 가스와 대기 사이의 밀도차는 아르곤을 냉각하고 질소를 가열함으로써 현저해질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 공정 가스가 외부로 누출되지 않고, 어떠한 대기도 폐쇄된 작업 공간으로 누출되지 않도록, 작업 공간은 정압(positive pressure) 하에서 유지된다. 작업 공간을 에워 싸는 여러 수용 수단은 금속 프레임 상에 장착되는 예컨대 폴리비닐클로라이드와 같은 적절한 재료로 구성된 가요성 덮개(shroud)를 포함한다. 작업 공간을 에워 싸는 다른 수단은 적절한 재료로 구성된 투명한 경질성 플라스틱 하우징을 포함한다. 이러한 수용수단은 현재 사용되고 있는 큰 진공 챔버를 대체할 수도 있으며, 이에 의해 본 발명에 따른 장치는 탁상용 크기로 구성될 수도 있다. 그렇지만, 진공 챔버는 원하는 액적의 순도와 3차원 물품의 특성을 얻기 위해 사용될 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은 불활성 가스 분위기 하에서 행해진다. 또한, 용융재료를 수용하는 도가니로부터 약 20 내지 50 psi (140 내지 350 kPa)의 고압으로 용융재료를 방출하기 위해 가스 제어 시스템이 사용될 수도 있다. 다른 가스 제어 시스템은 작업 공간에 약 1 내지 2 psi의 저압원을 제공한다. 이러한 압력들은 대기압 보다는 높은 게이지 압력으로서 절대적이지 않은 것으로, 도면에서는 간략하게 도시하였다. 작동중에, 만일 필요하다면, 작업 공간으로 불활성 가스를 도입하여 반복적으로 정화시킴으로써, 산소 레벨을 제한할 수 있다. 적절한 최소의 산소 레벨은 다른 오염 레벨에 노출된 완제품의 특성을 측정함으로써 결정된다.
미세한 액적 스트림 또는 액적 라인은 타겟 또는 작업대 상에 정밀하게 위치하여 3차원 물품을 형성한다. 본 발명의 방법에 따르면, 액적의 공급물의 스트림 및/또는 타겟은 3차원 물품을 형성하기 위해 이동할 수 있다. 일실시예에서, 타겟은 타겟에 적용될 액적의 라인에 대응하여 소정의 거리를 이동할 수 있다. 예컨대, 타겟은 액적의 용착율에 적어도 부분적으로 의존하는 소정의 속도로 수평 및/ 또는 수직하게 이동할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 용착율은 감시/연산 시스템에 의해 계측될 수 있다. 작업대 상에 형성된 3차원 물품은 위치조절 시스템에 작동식으로 연결되어 있다. 바람직한 실시예에서, 이러한 위치조절 시스템은 적어도 2개 내지 3개의 축선 테이블과, 위치 데이터를 수용하여 전송하는 엔코딩 수단과, 그리고 축선에 따른 운동을 조절하는 조절 시스템을 포함하는데, 소정의 실시예에서는 3개 내지 5개의 축선 테이블을 갖추고 있다. 조절 시스템은 좌표를 제공하는 물품의 기하학적 형상의 컴퓨터 모형과 작업대의 이동을 해석하는 수단을 포함할 수 있다. 선택적인 실시예에서, 액적 형성 및 공급 수단은 또한 소정의 패턴에 대응하면서 적어도 X,Y,Z 축선 사이의 위치에서 액적의 공급물을 이동시키는 다른 위치조절 수단에 작동식으로 연결된다. 또다른 실시예에서, 작업대 및 액적의 공급물 모두가 3차원 물품을 형성하기 위해 이동될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 적절한 소프트웨어 프로그램과 같은 계획 시스템(planning system)은 3차원 물품의 고체 모델 형상을 해석한다. 이러한 계획 시스템은 물품의 기하학적 형상을 한정된 수의 조각으로 분할하며, 각각의 층을 달성하기 위해 필요한 용착 경로를 플로트한다. 조절 시스템은 계획 시스템, 액적 형성 및 공급 수단의 이동, 및 작업대 위치조절 시스템을 조절한다. 조절 시스템은 또한 여러 작동 인자에 대한 정보를 중계하는 모든 센서 입력을 계측하며, 압력, 온도, 전압 등과 같은 보정된 작동 인자를 유지한다.
본 발명에 따르면, 여러 인자(압력, 오리피스 직경, 액적 진동의 주파수 및 진폭과 같은)들이 균일한 크기의 액적의 직경을 변화시키기 위해 변경될 수 있다. 액적의 최대 직경은 부분적으로 형성될 3차원 물품에 의존하며, 용착될 재료의 종류에 의존한다. 도가니로의 금속의 공급율, 도가니의 압력, 온도, 및 액적 전하량과 같은 여러 인자들은 액적의 크기와 균일한 크기의 액적의 형성율에 영향을 준다.
다른 인자로는 타겟 또는 형성될 물품의 온도와 액적이 형성될 타겟 또는 물품 상에 용착될 때의 액적의 상태를 포함한다. 액적 및/또는 타겟의 온도와 타겟에 낙하하는 액적의 속도는 부분적으로 타겟 재료에서 액적이 균일한 층으로 결합 또는 융합되는지의 여부를 결정한다.
본 발명의 소정의 실시예에서, 변화될 수 있는 다른 인자로는 액적 형성 수단과 작업대 사이의 “스탠드 오프(stand-off)” 거리가 있다. 이러한 거리의 변화는 액적의 충돌 영역 또는 “낙하지역(footprint)”의 크기와 액적의 액체-고체의 분율에 영향을 미친다. 고체-액체의 분율을 변화시킴으로써, 기판에서의 액적의 결합 특성이 변화될 것이다. 용착 재료의 온도는 액적의 열적 상태에 영향을 미치는 것에 주목해야 한다. 소정의 실시예에서, 용착 재료의 온도는 용융점 바로 위로부터 달라질 수 있으며, 다른 실시예에서는 예컨대 용융점 보다 50℃ 높을 수 있다. 액체 용착재료의 이러한 온도차는 물론 오리피스로부터 타겟으로의 거리(즉, “낙하거리” 또는 “스탠드 오프 거리”)에 대한 액적의 온도에 영향을 줄 것이다.
액적은 최적의 액체-고체 분율로 공급된다. 여러 실시예에서, 액적이 타겟과 충돌할 때, 액체-고체 분율은 매우 중요한 변수이다. 타겟에 액적이 충돌함으로써 낙하하는 액적의 운동에너지가 열에너지로 변환된다. 이러한 열은 액적이 충돌하는 지점에서의 액적과 타겟을 재용융시킨다. 이러한 재용융은 새롭게 형성된 표면에서 액적의 결합 공정을 돕는다.
기하학적 정밀함을 달성하기 위해, 본 발명은 액적 스트림을 정밀하게 정렬시키고 집중시키며, 액적 스트림의 위치, 액적 스트림의 유량, 및 온도에 대한 타겟 이동 속도 또는 방향을 매우 주의 깊게 연관시킨다. 액적의 스트림은 효율적으로 정밀하게 조절된다. 바람직한 실시예에서, 컴퓨터 비전 시스템과 같은 적절한 흐름 측정 시스템은 스트로보스코픽 광원(stroboscopic light source)에 작동식으로 연결되어서, 주어진 시간동안 프레임을 통과하는 액적의 수를 연산하여 금속의 유량을 측정한다.
위치조절 시스템은 3차원 물품 또는 형성될 지지물의 단면 또는 층의 기하학적 형태에 따라 타겟을 이동시킨다. 미리 정해진 경로를 따라 이동하는 타겟의 속도는 바람직하게는 흐름 측정 시스템에 의해 측정된 용착재료의 유량에 의해 조절된다.
3차원 물품을 형성하는 층의 위치조절과 층의 수는 다수의 인자에 의해 결정된다. 3차원 물품의 기하학적 형태는 층이 통과해야 하는 점들을 규정함으로써, 3차원 물품을 형성하는데 필요한 층의 수를 최소화시킨다. 여러 실시예에서, 지지물 재료가 제공될 때, 이러한 지지물 재료는 부분적으로 형성된 물품에 인접하여 위치된다는 점에 주목해야 한다. 물품의 기하학적 형태에 영향을 주는 인자는 각층의 최대 두께이다. 각 층은 형성될 물품 보다 두꺼울 수가 없음에 주목해야 한다. 3차원 물품의 완제품을 사용하기 위해서는 3차원 물품의 표면을 마무리 공정을 해야함을 또한 주목해야 한다. 따라서, 실질적으로 평활한 표면 마무리 공정 또는 조직 마무리 공정은 또한 층의 두께를 제한할 수 있다. 그렇지만, 본 발명은 약 50미크론 정도의 직경을 갖는 액적을 용착하는 방법을 제공함으로써 형성된 3차원 물품이 최상의 완제품으로 이용될 수 있는 원하는 표면을 가지도록 한다. 물품의 에지부 또는 둘레에서, 계단식 모형은 액적의 직경 뿐만 아니라 액적이 표면과 접촉할 때 액적의 퍼진 직경에 의존한다. 대부분의 실시예에서, 형성된 물품의 에지부 또는 둘레의 표면 마무리 공정은 최소의 계단식 모형을 갖도록 하는 마무리된 표면을 제공한다.
용착될 액적의 실제 크기는 3차원 물품의 완제품 사용 목적에 의존함을 이해해야 한다. 액적의 용착의 정확한 제어와 각 액적의 크기는 3차원 고체물품을 제조하는데 있어서 가장 중요한 요소이다.
본 발명의 방법에 따르면, 재료의 용착과 액적 크기의 조절은 밀리미터 범위 내에서 조절된다. 액적의 크기와 위치조절의 정밀함을 개선시킴으로써 금속을 분사하거나 다른 공정 단계를 거치지 않고 3차원 물품을 형성할 수 있다. 본 발명에 따라 형성된 3차원 물품은 실질적으로 오염되지 않아 산업에서 직접 이용될 수 있으며, 상업적으로 유용하다.
본 발명은 단일 공정으로 용착된 액적을 형성하여 3차원 물품을 형성하는 것이다. 본 발명은 정밀하고 내구력을 갖는 3차원 물품을 신속하게 제조하기 위해 네트 형성(net-shape) 공정을 포함한다. 액적의 점진적인 적용과 연속적인 고상화는 정밀하게 조절된 방식으로 행해진다. 형성될 물품의 미세구조 및 기하학적 형상은 정밀하게 조절되므로, 기계가공과 같은 추가공정을 필요로 하지 않는다.
액적의 온도와 타겟의 온도가 최적으로 정의된 인자의 범위 내에 놓이도록, 액적은 실질적으로 균일한 크기, 바람직한 속도, 그리고 타겟으로부터 바람직한 거리에서 공급된다. 특히, 액적의 액체-고체 분율이 3차원 물품에 결합하기에 적절하도록, 액적은 바람직한 직경을 가지며, 바람직한 거리에서 용착된다. 만일 액적이 너무 차갑다면, 액적은 분말형 재료를 형성할 것이며, 물품에 결합되지 않을 것이다. 만일 액적이 너무 액상이라면, 그 후 액체는 3차원 물품의 표면 상에서 냉각되기 전에 흘러서, 불균일하고 제어되지 않은 표면을 형성할 것이다. 바람직한 실시예에서, 액체-고체 분율은 대략 30:70이며, 액적은 약 ±25%의 직경 오차, 가장 바람직하게는 약 ±5%의 직경 오차를 가지는 실질적으로 균일한 크기를 가진다.
바람직한 실시예에서, 액적은 균일하게 전기적으로 하전된 용융금속 액적을 형성하는 장치를 사용하여 형성된다. 이러한 장치는 도가니에서 하전된 금속을 용융시키고, 용융금속을 소직경의 오리피스(45 내지 200㎛)를 통해 방출하여 액적의 스트림을 형성시킨다. 이러한 액적 스트림은 압전변환기를 진동(바람직하게는 약 5 내지 30 kHz)시킴으로써 분할되어서, 균일한 크기의 액적 스트림을 형성한다. 각 액적이 스트림으로부터 분할될 때, 각 액적은 고전압 플레이트(약 300 내지 400 볼트)와 같은 하전 수단에 의해 하전된다. 액적에는 동일한 극성의 전하가 부여되어, 액적은 서로 반발하여 분리된 상태로 유지되며, 본래의 크기를 유지하게 된다.
바람직한 실시예에서, 도가니는 용융금속을 오리피스를 통해 배출하기 위해 작업 공간 보다 높은 압력으로 유지되며, 이러한 액체에 대한 압력은 소직경의 오리피스를 통과하는 액체의 흐름을 조절한다.
본 발명의 한 장점은 재료의 돌출부를 형성하기 위해 용착금속의 표면장력 특성을 이용할 수 있다는 점이다. 돌출부는 돌출 구조물을 형성하도록 이전의 층의 에지부를 넘어서 연장하는 액적의 층을 포함한다.
본 발명의 다른 장점은 타겟 작업대가 3 내지 5 방향으로 이동할 수 있다는 점이다. 이러한 타겟은 축선에 대해 기울어질 수 있으며, X,Y,Z 축선 사이에서 또는 축선을 따라 선형이동할 수 있다. 이러한 경사는 지지물을 필요로 하지 않으면서 돌출부를 갖는 3차원 물품을 형성할 수 있도록 한다. 예컨대, 용착 재료가 수직하게, 그러나 초기에 용착된 재료에 직각으로 연속하여 적층되는 위치에서 3차원 물품은 90° 회전될 수 있으며, 이에 의해 물품이 원래 위치로 되돌아 온 후, 최종 제품 상에 돌출부가 형성된다.
본 발명의 또다른 장점은 소정의 실시예에서, 둘 이상의 재료가 사용될 수 있다는 것으로, 한 재료는 희생 지지물 재료이며, 다른 재료는 원하는 목적물 재료이다. 지지물 재료는 목적물 재료에 인접하여 분배되고, 원하는 목적물의 돌출부를 지지할 때에만 사용된다. 3차원 물품이 완성될 때, 지지물 재료는 열을 가하거나, 산화시키거나, 용매를 사용하거나, 3차원 물품에 해를 주지 않는 기계적 또는 다른 적절한 수단에 의해 제거된다. 지지물 재료는 저용융점 금속, 합금, 소금, 유리, 세라믹, 흑연, 또는 그의 혼합물과 같은 적절한 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 장점은 소정의 실시예에서, 액적 형성 수단으로부터 타겟까지의 거리가 충분히 큰 경우에는, 액적이 타겟에 도달할 때까지 완전하게 응고된다는 것이다. 타겟에 도달하기 전에 응고되는 액적을 공급하는 방법은 용착재료의 연속적인 층에 대한 지지물로서 역할하는 분말 입자를 공급하는 것이다. 형성될 물품에 결합되지 않는 분말 입자는 3차원 물품이 완성될 때 제거될 수 있다.
본 발명의 또다른 장점은 소정의 실시예에서, 용착층에서의 응력을 완화하는 수단을 제공하는 것이다. 소정의 바람직한 실시예에서, 용착층이 3차원 물품을 형성하기 위해 분포될 때, 응력을 완화하고 중간 영역의 표면 온도를 조절하기 위해 레이저 에너지원이 사용된다.
본 발명에 따라 형성된 3차원 금속물품은 주조 물품과 비교하여 실질적으로 유사하거나 우수한 특성 및 성질을 가진다.
이제 첨부된 도면들을 참조하여, 3차원 물품을 형성하는 방법의 다양한 실시예와 이러한 방법을 수행하는 장치의 다양한 실시예를 상세하게 기술한다. 제1도에는 본 발명에 따른 3차원 물품을 형성하는 장치(10)가 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 장치(10)는 하나 이상의 균일한 액적 형성 장치(12)를 포함하는데, 제1도에 도시된 실시예에서는 또다른 하나의 액적 형성 장치(13)를 더 포함하고 있다. 이러한 액적 형성 장치는 “천(Chun)” 등이 출원한 미국 특허 제 5,266,098 호에 개시되는 바와 같이 구성될 수가 있다. 바람직한 실시예에서, 이들 액적 형성 장치(12,13)는 챔버(15) 내에 설치되어 있다. 이러한 챔버(15)는 적절한 투명성 측판(9)을 가지는 프레임(8)을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 챔버(15)는 불활성 가스 분위기로 충진되어 있다. 챔버(15)가 불활성 가스 분위기로 둘러 싸여 있으므로, 3차원 물품이 형성될 때 바람직하지 않은 오염물과 용융금속의 접촉을 방지될 수 있다. 그렇지만, 용착된 용융금속으로부터 오염물을 차단하는 다른 수단들이 본 발명의 범위내에서 사용될 수 있으며, 제1(c)도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다른 실시예에서는 반구형 챔버(15)가 사용되고 있다.
바람직한 실시예에서, 액적 형성 장치(12)는 액적 형성 장치(13)와 유사하다. 설명이 용이하도록, 각각의 균일한 액적 형성 장치(12,13)는 동일한 도면 부호를 병기하여 기술할 것이다.
균일한 액적 형성 장치(12,13)는 진동 수단(16)과 용기(18)를 포함한다. 각각의 용기(18)는 용착 재료(14)를 원하는 온도에서 용융시키는 가열 수단(19)과, 3방향 및/또는 X,Y,Z 축 사이에서 용기(18)를 이동시키는 이동 수단(21)을 포함한다. 소정의 실시예에서는, 용기(18)내의 용융 재료(14)는 가압 수단(17)에 의해 소정의 압력이 가해진다. 바람직한 실시예에서, 용융 재료(14)는 진동 수단(16)에 의해 소정의 진폭과 주파수에서 진동하게 된다. 용융 재료(14)는 스트림 또는 제트(28)를 형성하여, 하나 이상의 오리피스(20)를 통해 용기(18) 밖으로 배출된다. 스트림(28)의 진동은 실질적으로 균일한 크기와 형태를 가지는 다수의 액적(36)이 형성되도록 한다. 액적(36)이 형성되면서, 액적(36)은 하전 시스템(22)을 통과한다. 이러한 시스템(22)은 일반적으로 오리피스(20)와 일직선으로 정렬된 하나 이상의 개구(26)가 형성된 하전 플레이트(24)를 포함한다. 하전 시스템(22)은 액적(36)이 형성될 때마다, 액적(36)에 전압을 인가한다. 각각의 액적(36)이 스트림(28)으로부터 분할될 때, 각 액적(36)은 하전된 상태를 유지한다.
액적(36)은 하향하면서 정렬 수단(30)을 통과한다. 도시된 실시예에서, 이러한 정렬 수단(30)은 원통형태 또는 절두 원추형태(도시되지 않음)을 가진다. 하전 또는 반발면(32)을 포함하는 정렬 수단(30)에는 개구(34)가 형성되어 있다. 하전 또는 반발면(32)은 바람직하게는 구리, 알루미늄, 강과 같은 고전도재료로 구성되며, 소정의 실시예에서는 약 150 내지 450mm의 길이를 가진다. 개구(34)는 일반적으로 약 10 내지 40mm의 직경을 가진다. 다른 실시예에서, 하전 또는 반발면(32)의 길이와 직경은 용착될 재료의 형태와 액적의 크기, 그리고 3차원 물품의 최종형상에 의존한다.
하전 또는 반발면(32)이 소정의 전압으로 유지되는 경우, 액적(36)은 서로 소정의 거리를 유지하는 동시에 하전 또는 반발면(32)으로부터 소정의 거리를 유지한다. 이러한 반발력은 일반적으로 제1(a)도에서 양방향 화살표(35)로 표시되어 있다. 각각의 액적(36)이 떨어질 때, 선행하는 액적(36a)은 후행하는 액적(36b) 뿐만 아니라 하전 또는 반발면(32)의 측부로부터 반발하며, 이에 의해 하전되는 액적이 서로 융합되거나 측방향으로 흩어지는 것이 방지된다. 액적은 정렬 수단(30)을 통해 종방향으로 연장하는 축선 주위에 밀집하는 경향이 있다. 액적에 대한 하전은 미세하고 매우 정밀한 라인으로 액적을 전달할 수 있도록 한다.
금속은 목적물의 사용 분야에 따라 적절하게 사용될 수도 있다. 액적에 대한 실제 하전은 사용될 금속의 형태 뿐만 아니라 액적의 직경, 장입될 액적(36)이 통과하는 개구(34)의 직경, 및 하전 또는 반발면(32)과 액적(36) 사이의 전압에 따라 달라진다. 액적(36)에 대한 하전은 10-7쿠우롱/그램의 범위가 유용하지만, 상기한 다양한 인자에 의존하는 다른 범위의 하전이 또한 유용할 수도 있다. 낙하하는 동안 액적은 적어도 부분적으로 고상화되어, 기판 또는 작업대 위치조절 시스템(40)에 부딪힐 때에는 반액체 상태가 된다. 제1(b)도에 도시된 바와 같이, 액적(36)이 냉각될 때, 외피부(37)가 형성되어 용융부(39)를 보호한다. 소정의 실시예에서, 액적(36)이 작업대 위치조절 시스템(40)이나 이전에 용착된 액적을 때릴 때, 외피부가 파괴되어서 액적은 편평하게 된다.
바람직한 실시예에서, 액적은 충격 시점에서 약 50:50 내지 20:80의 최적의 액체 대 고체 분율을 가지며, 바람직하게는 약 30:70의 액체 대 고체의 분율을 가진다. 이러한 최적의 분율은 각 개별적인 액적의 정확한 용착을 보장하고, 충격시점에서 타겟의 과도한 재용융과 액체 재료의 푸들링(puddling)을 방지한다.
제1도를 다시 참조하면, 작업대 위치조절 시스템(40)은 작업대면(42)을 이동시키는 다수의 이동 수단을 포함한다. 제1이동 수단(44)은 작업대면(42)을 화살표(Y)방향(전·후방향)으로 이동시킨다. 제2이동 수단(46)은 작업대면(42)을 화살표(X)방향(좌·우방향)으로 이동시킨다. 제3이동 수단(48)은 작업대면(42)을 화살표(Z)방향(상·하방향)으로 이동시킨다. 소정의 실시예에서는, 제4이동 수단(50)이 작업대 위치조절 시스템(40)을 제1위치 또는 스테이션과 제2위치 또는 스테이션 사이의 X방향으로 더 이동시킨다. 제1도에 도시된 실시예에서, 제1액적 형성 장치(12)는 일형태의 용융 재료를 분배하고, 반면 제2액적 형성 장치(13)는 다른 형태의 용융 재료를 분배한다. 작업대 위치조절 시스템(40)은 제4이동 수단(50)에 의해 액적 형성 장치(12,13)들 사이에서 이동가능하다. 작업대 위치조절 시스템(40)과 제4이동 수단(50)은 공압 또는 유압 수단과 같은 또다른 이동 수단(52)을 통해 작업대 위치조절 수단(40)을 이동시키는 전원(도시되지 않음)에 작동식으로 연결되어 있다. 작업대 위치조절 시스템(40)과 액적 형성 장치(12,13)는 작업대 위치조절 시스템(40)의 이동 지시 및/또는 액적 형성 장치(12,13)의 작동 지시를 제공하는 제어 수단(54)에 작동식으로 연결되어 있다.
제어 수단(54)은 바람직하게는 대상물의 기하학적 고형 모델의 형상을 인지할 수 있는 컴퓨터 소프트웨어 프로그램 또는 계획 시스템을 가질 수 있으며, 이러한 계획 시스템은 상기한 형상을 한정된 수의 단편으로 분할한다. 컴퓨터 프로그램은 작업대 위치조절 시스템(40)의 작동을 조정하고, 압력, 온도, 하전, 공급율, 주파수, 진폭, 및 거리와 같은 입력 사항을 모니터링한다.
본 발명의 방법에 따른 방법은 주어진 시간 내에 캐드(CAD) 파일로부터 직접 돌출부를 가지는 새로운 금속 부품을 형성할 수 있다. 3차원 물품은 가공된 대조물과 비교할만한 강도와 내구력을 가진다. 또한, 여기서는 단일 오리피스(20)가 사용되었지만, 다수의 오리피스가 형성될 3차원 물품의 기하학적 모형에 따라 본 발명에 사용될 수도 있다.
또한, 챔버(15)는 용착 챔버로부터 대기 또는 산소를 흡수하는 진공 챔버를 포함할 수 있다. 또한, 제1(c)도에 도시된 바와 같은 매우 작은 유리 돔 또는 유사한 용기를 구비한 다른 장치가 용착 챔버(15)로부터 대기 또는 산소를 방출하고 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스를 챔버내로 충진시키기 위해 사용될 수 있다. 챔버는 불활성 가스 및/또는 대기의 분사와 방출을 허용하는 하부(56)와 상부(58)를 포함할 수 있다.
제1도에 도시된 실시예에서, 작업대 위치조절 시스템(40)은 액적(36)이 소정의 형태로 용착될 때, 각 액적(36)이 먼저 용착된 액적 위에 쌓여서, 제2도에 도시된 바와 같이 새로운 면(38)을 형성하여 3차원 물품(60)을 형성할 수 있도록 적어도 3개의 평면에서 정밀하게 이동할 수 있다.
3차원 물품(60)은 제2도에 도시된 바와 같이 일반적으로 새로운 면(38)을 형성하는 다수의 편평한 액적(36C)으로 형성된다. 각 액적이 용착될 때, 액적은 융합되어서 3차원 물품(60)의 수직벽(62)을 형성한다. 이러한 실시예에서, 연속하는 액적(36D)이 이전에 용착된 액적(36C)의 일부를 포개면서 층이 형성된다. 연속하는 액적(36D)은 그의 직경이 액적(36C)과 겹쳐지도록 선행하는 액적(36C) 상에서 부딪힌다. 이러한 방법에서, 연속하는 액적(36D,36E,36F,36G)이 형성됨에 따라, 액적(36D,36E,36F,36G)은 돌출부(64)를 형성한다. 각 액적이 이전에 용착된 액적과 부딪혀서 고상화될 때, 돌출부(64)는 어떠한 지지 기판을 필요로 하지 않으면서 직접 형성된다.
제3도는 평면 또는 작업대(142)를 구비한 작업대 위치조절 시스템(140)이 작업대(142)가 다른 치수로 회전할 수 있도록 5개의 축선을 중심으로 회전가능가능한 다른 실시예를 도시하고 있다. 예컨대, 작업대 위치조절 시스템(140)은 액적(36)이 용착되어 복잡한 3차원 물품(70)을 형성할 수 있도록 수직 방향(Y)으로 회전될 수 있다. 작업대(142)가 실질적으로 수평한 평면(X)에 놓이는 동안, 3차원 물품(70)의 제1부분(72)이 형성될 수 있다. 그 후, 위치조절 시스템(140)이 실질적으로 수평한 평면에 여전히 놓이는 동안, 제2부분(74)이 형성되는데, 여기서는 제1 부분(72)으로부터 실질적인 직각으로 연장하는 제2부분(74)이 형성되도록 액적이 용착된다. 그 후, 위치조절 시스템(140)은 X-Y 평면에서 축선을 중심으로 회전하여, 3차원 물품(70)의 제3부분(76)이 소정의 각으로 형성되도록 한다. 제3도에 도시된 바와 같이, 3차원 물품(70)의 제4부분(78)은 액적이 수직하게 용착되도록 위치조절 시스템(140)을 수직한 방향(Y)으로 회전시킴으로써 형성된다.
제4도를 참조하면, 다른 3차원 물품(80)이 작업대면(242)을 구비한 작업대 위치조절 시스템(240) 상에 형성된다. 위치조절 시스템(240)은 바람직하게는 X,Y,Z 축 사이에서 3방향 이상으로 이동할 수 있다. 제4도에 도시된 실시예에서, 제1액적 형성 수단(12)은 소정의 방식으로 작업대면(242) 상에 제1재료(84)의 액적(82)을 용착한다. 도시된 실시예에서, 제2액적 형성 수단(13)은 3차원 물품(80) 상에 또는 그 부근의 일부분에 제2재료(90)의 액적(92)을 용착하여 지지물 재료로서 역할을 하는 제2 또는 지지물 재료(90)를 함유한다. 제4(a)도에 도시된 바와 같이, 물품(80)은 물품(80)의 일부를 형성하는 다수의 층(80A)을 포함한다. 제2재료(90)는 용착 재료(80) 부근의 영역에 용착된다. 그 후, 제2재료(90)는 제2재료에 의해 소정의 위치에 유지되는 추가 액적(80B)을 수용할 수 있다. 3차원 물품(80)이 완성될 때, 제2재료(90)는 상기한 소정의 수단에 의해 제거될 수 있다.
다음으로, 제5도를 참조하면, 액적 형성 수단(12)은 X,Y,Z 방향으로 이동될 수 있다. 액적 형성 수단(12)은 이동 수단(21)에 연결되어 있으며, 이러한 액적 형성 수단(12)은 액적 형성 수단(12)과 형정된 3차원 물품을 유지하는 작업대 위치 조절 시스템(340) 사이의 거리가 증가되도록 액적 형성 수단(12)을 상승시키기 위해 적어도 수직 방향 또는 Z 방향으로 이동할 수 있다. 작업대 위치조절 시스템(340)은 또한 액적 형성 수단(12)과 형성될 3차원 물품(120) 사이의 거리를 증가시키기 위해 Z방향 또는 수직 방향(제5도에 환영선으로 도시된 바와 같이)으로 이동할 수 있다. 액적 형성 수단(12)과 액적 충돌 영역 사이의 거리의 증가는 다수의 액적(362)이 타겟 상에 충돌하기 전에 실질적으로 고상화되도록 한다. 액적(362)이 고상될 때, 고상화된 액적(36Z)은 지지물 재료로서 역할하는 분말입자재료(122)를 형성한다. 3차원 물품(120)이 완성될 때, 분말 또는 지지재료(122)는 3차원 물품(120)으로부터 제거할 수 있다. 액적(362)이 용착될 때의 거리와 용착율은 액적(362)이 3차원 물품(120) 상에 형성되거나 결합하지 않도록 제어된다.
여러 실시예에서, 분말 지지 영역(122)은 돌출부에 대한 적절한 지지부로서 역할을 하도록 원하는 형상으로 유지되지 않을 수도 있다. 이러한 상황에서, 분말 지지 영역(122)은 바람직하게는 용융 재료(36)로 구성된 외부 또는 내부벽(124)에 의해 지지된다.
제6도는 형성될 3차원 물품(280)에서 응력을 완화하는 수단(300)의 일실시예를 도시하고 있다. 응력 완화 수단(300)이 용기(290)와 연결되어 있는 상태를 도시한 반면, 응력 완화 수단(300)은 본 발명의 모든 실시예에서 사용될 수 있으며, 여기서는 이해가 용이하도록 하나의 용기와 함께 도시하였다. 응력 완화 수단 (300)은 레이저 에너지원을 포함할 수 있다. 응력 완화 수단(300)은 방향 수단(302,304)을 포함하는데, 이러한 방향 수단은 레이저 광선 또는 에너지(306)를 용착될 재료의 일부분(286)으로 향하게 한다. 레이저 광선(306)은 먼저 용착된 층에 용착되어 동시에 결합하는 재료(280)에서의 응력을 완화시켜서, 3차원 물품(280)의 컬링(curling), 뒤틀림, 또는 다른 응력의 발생을 방지한다. 또한, 레이저 광선(306)은 액적(282)이 형성될 3차원 물품(280) 상에 용착될 때, 직접 충돌하는 영역에서의 온도를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
그렇지만, 슈트 피닝(shoot peening), 유도 가열, 또는 다른 어닐링 공정과 같은 각 층에서의 응력을 완화시키는 다른 방법이 본 발명에서 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다른 실시예에서는, 분말 입자가 2개의 액적 형성 장치를 사용하여 형성될 수 있는데, 제1장치는 액적이 3차원 물품을 형성하도록 작업대 위치조절 시스템으로부터 제1거리에 위치하고, 제2장치는 분말 입자가 형성되도록 작업대 위치조절 시스템으로부터 보다 긴 제2위치에 위치한다.
본 발명에 따르면, 일단 용착 공정이 완성되면, 완성된 물품에 대한 다른 추가적인 공정을 필요로 하지 않는다. 본 명세서에 개시된 3차원 물품을 형성하는 방법은 어떠한 형상, 크기 및/또는 복잡성을 가진 3차원 물품을 제조하기 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에서는 소정의 바람직한 실시예가 도시되고 기술되었지만, 본 발명은 여기에 국한되지 않으며, 본 발명의 범위 내에서 다양하게 실시될 수도 있다.

Claims (32)

  1. 3차원 물품용 몰드를 사용하지 않고 자유형 3차원 물품을 정밀하게 형성하는 방법에 있어서, 용착용 금속재료(84)로 구성되고 각각이 음 또는 양전하를 띠며 균일한 크기를 갖는 액적(82)으로 구성된 하나 이상의 공급물(28)을 공급하는 단계와, 상기 공급물(28) 내의 각각의 상기 액적(82)을 좁은 스트림으로 정렬시키는 단계와, 3차원 물품을 형성하기 위해 타겟 또는 3차원 물품의 새롭게 형성된 층 상에 미리결정된 속도 및 미리결정된 패턴으로 정렬된 각각의 상기 액적(82)을 용착시키는 단계와, 그리고 각각의 층에 대해 용착된 상기 액적(82)에 인접하게 미리결정된 패턴으로 지지 재료(90)의 공급물을 공급한 후, 상기 지지 재료(90) 상에 상기 용착용 금속재료(84)로 구성된 상기 공급물을 더 공급하는 단계로 구성되며, 상기 액적을 정렬시키는 단계에서, 상기 액적(82)은 상기 액적(82)과 동일한 전하를 갖는 하나 이상의 정렬 수단(30)에 인접하거나 또는 정렬 수단(30)을 통과함으로써 정렬되며, 상기 정렬 수단(30)은 상기 정렬 수단(30)을 통해 연장하는 축선을 향해 상기 각각의 액적(82)을 반발시키며, 상기 지지 재료(90)는 3차원 물품의 적어도 일부를 형성하기 위해 상기 용착용 금속재료(84)로 구성된 액적(82)의 추가 용착을 허용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지지 재료(90)는 상기 용착용 금속재료(84) 보다 낮은 용융 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 지지 재료(90)는 하나 이상의 금속, 염, 유리, 세라믹, 금속합금, 흑연, 또는 그의 복합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 3차원 물품을 손상시키지 않으면서 상기 3차원 물품으로부터 상기 지지 재료(90)를 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 지지 재료(90)가 충분히 용융될 수 있는 온도로 상기 3차원 물품과 상기 지지 재료(90)를 가열함으로써 상기 3차원 물품으로부터 상기 지지 재료(90)를 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 지지 재료(90)가 분해될 수 있는 용매에 상기 3차원 물품과 상기 지지 재료(90)를 노출시킴으로써 상기 3차원 물품으로부터 상기 지지 재료(90)를 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 지지 재료(90)가 충분히 산화될 수 있는 산소에 상기 3차원 물품과 상기 지지 재료(90)를 노출시킴으로써 상기 3차원 물품으로부터 상기 지지 재료(90)를 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 지지 재료(90)는 파괴되기 쉬우며, 상기 지지 재료(90)가 파괴될 수 있는 상태에 상기 지지 재료(90)를 노출시킴으로써 상기 3차원 물품으로부터 상기 지지 재료(90)를 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 각각의 상기 액적(82)이 상기 타겟 또는 형성될 3차원 물품의 새롭게 형성된 층 상에 용착할 때까지 상기 액적(82)에 대한 양 또는 음전하를 유지시킴으로써, 각각의 상기 액적(82)이 인접하는 액적과 이격된 상태를 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 액적(82)이 좁은 스트림으로 정렬되도록 정렬된 상기 액적을 원통형 또는 절두 원추형을 갖는 상기 정렬 수단(30)으로 통과시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 타겟은 공간 좌표 상의 3방향(X,Y,Z)으로 이동가능한 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 용착용 금속재료(84)의 공급물(28)은 3차원 축선 상의 하나 이상의 방향(X,Y,Z)으로 이동가능한 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 균일한 크기의 액적은 진동 수단(16)에 의해 원하는 주파수 또는 진폭으로 상기 용착용 금속재료(84)의 공급물(14)을 진동시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 타겟은 상기 3차원 물품을 형성하도록 상기 액적(82)의 공급물에 대해 원하는 속도로 이동가능한 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 3차원 물품은 상기 용착용 금속재료의 정밀한 용착을 유도하도록 적절한 소프트웨어 컴퓨터 프로그램을 사용하여 미리결정된 패턴으로 상기 용착용 금속재료(84)로 구성된 각각의 액적을 정렬시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 3차원 물품용 몰드를 사용하지 않고 정밀한 자유형 3차원 물품을 형성하는 장치(10)에 있어서, 용착용 금속재료(84)로 구성되고 각각이 양 또는 음전하를 띠며 균일한 크기를 갖는 하나 이상의 액적(82)의 공급물을 공급하는 하나 이상의 액적 공급 수단(12)과, 상기 액적(82)의 공급물을 좁은 스트림으로 정렬시키는 정렬 수단(30)과, 그리고 용착된 상기 액적에 인접하게 미리결정된 패턴으로 지지 재료(90)의 공급물을 공급하는 하나 이상의 지지 재료 공급 수단(13)을 포함하며, 상기 정렬 수단(30)은 정렬된 상기 액적(82)을 상기 3차원 물품을 형성하기 위해 상기 3차원 물품의 새롭게 형성된 층 또는 타겟 상에 미리결정된 속도 및 미리결정된 패턴으로 용착시키고, 상기 정렬 수단(30)은 상기 각각의 액적(82)이 상기 타겟 또는 형성될 3차원 물품의 새롭게 형성된 층 상에 용착할 때까지 상기 정렬 수단(30)을 통해 연장하는 축선을 향해 상기 액적들을 반발시키며, 상기 지지 재료(90)는 상기 3차원 물품의 적어도 일부를 형성하기 위해 상기 용착용 금속재료(84)로 구성된 액적(82)의 추가 용착을 허용하며, 상기 지지 재료(90)는 상기 3차원 물품이 형성된 후에 인접하는 상기 용착용 금속재료(84)로부터 제거될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 정렬 수단(30)은 상기 액적(82)과 동일한 전하를 갖는 하나 이상의 반발 플레이트(32)를 구비하며, 각각의 상기 액적(82)은 인접하는 액적 및 상기 반발 플레이트(32)로부터 반발되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제16항에 있어서, 균일한 크기의 액적(82)이 형성되도록 상기 용착용 금속재료(84)의 공급물을 진동시키기 위한 진동 수단(16)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제16항에 있어서, 하나 이상의 상기 타겟, 상기 용착용 금속재료(84)로 구성된 공급물, 또는 상기 지지 재료(90)를 유도하기 위해 설계용 소프트웨어 프로그램이 내장된 적절한 컴퓨터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 3차원 물품은 상기 용착용 금속재료(84)의 정밀한 용착에 의해 형성되며, 상기 소프트웨어 프로그램은 상기 3차원 물품의 고체 모형을 수용하고 상기 3차원 물품을 한정된 수의 2차원 층으로 분할하며 각각의 층을 달성하는데 필요한 용착 경로를 플로트하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제16항에 있어서, 상기 정렬 수단(30)은 원통형인 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제16항에 있어서, 상기 정렬 수단(30)은 절두 원추형인 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제1항에 있어서, 금속재료로 구성된 제1정량 액적(82)및 제2 정량 액적(92)을 제공하는 단계와, 상기 3차원 물품이 형성되도록 상기 제1정량 액적(82)을 타겟 또는 이전에 증착에 하나 이상의 상기 제1정량 액적(82)과 결합시키기 위해, 상기 제1정량 액적(82)을 융용 또는 반용융 상태로 상기 타겟 또는 상기 물품의 새롭게 형성된 층 상에 용착시키는 단계와, 상기 제2정량 액적(92)을 완전한 고체 상태로 상기 타겟 또는 상기 3차원 물품을 형성하는 용착된 상기 제1정량 액적(82) 상에 용착시키는 단계와, 그리고 상기 액적의 모든 층이 용착된 후 상기 타겟 및 상기 물품으로부터 제거가능한 지지 재료로서 형성된 상기 제2정량 액적(92)을 제거하는 단계를 더 포함하며, 상기 제2정량 액적(92)은 상기 물품의 돌출부를 한정하는 연속적인 층에서 상기 제1정량 액적(82)을 수용하는 제거가능한 지지 재료를 형성함으로써, 상기 제2정량 액적(92)이 상기 제1정량 액적(82) 또는 다른 제2정량 액적(92)들과 결합하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제2정량 액적(92)이 상기 타겟 상에 공급되는 제2거리는 상기 제1정량 액적(82)이 상기 타겟 상에 공급되는 제1거리 보다 긴 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제23항에 있어서, 상기 제1정량 액적(82) 및 제2정량 액적(92)은 상기 타겟 또는 이전에 용착된 액적 상에 용착될 때까지 전하를 유지함으로써 상기 스트림 내에서 다른 액적들과 이격된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제23항에 있어서, 상기 제2정량 액적(92)은 상기 물품을 손상시키지 않으면서 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제23항에 있어서, 상기 금속재료를 정렬시키는 단계와 용착시키는 단계는 주변 환경과 상이한 압력, 온도 분포, 및 분위기를 갖는 폐쇄된 환경 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제16항에 있어서, 상기 공급 수단(12)은 상기 타겟으로부터의 제1거리에서 제1정량 액적(82)을 공급하며, 각각의 상기 제1정량 액적(82)은 상기 타겟 또는 이전의 용착된 하나 이상의 액적과 결합하며, 상기 공급 수단(12)은 상기 타겟으로부터의 제2거리에서 제2정량 액적(92)을 공급하며, 각각의 상기 제2정량 액적(92)의 온도는 상기 제1정량 액적(82)의 온도와 상이하므로, 상기 제2정량 액적(92)이 상기 타겟 또는 이전에 용착된 액적과 접촉할 때, 상기 제2정량 액적(92)은 이전에 용착된 액적 또는 상기 제2정량 액적(92)의 다른 액적들과 결합하지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 제1정량 액적(82)과 상기 제2정량 액적(92)을 공급하는 상기 공급 수단(12)은 상기 제1거리로부터 상기 제2거리까지 상기 타겟을 이동시키기 위한 하나 이상의 위치조절 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 위치조절 시스템은 상기 타겟을 공간 좌표 상의 3방향(X,Y,Z)으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  31. 제28항에 있어서, 상기 제1정량 액적(82)과 상기 제2정량 액적(92)을 공급하는 상기 공급 수단(12)은 상기 공급 수단을 적어도 수직 방향으로 이동시키기 위한 이동 수단(21)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  32. 제28항에 있어서, 상기 장치는 균일한 액적을 공급하기 위한 두 개 이상의 공급 수단(12,13)을 포함하며, 상기 제1공급 수단(12)은 상기 제1 거리에서 상기 제1정량 액적(82)을 공급하며, 상기 제2공급 수단(13)은 상기 제2거리에서 상기 제2정량 액적(92)을 공급하는 것을 특징으로 하는 장치.
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