KR100399164B1 - 입체물체의제조방법 - Google Patents

Abstract

복합 분말은 공지된 선택적 레이저 소결법에 사용된다. 복합 분말은 보강 분말과 건식 혼합된 중합체 분말을 포함하며, 상기 중합체 분말은 보강 분말보다 용융 온도가 더 낮다. 근접, 충만하고 조밀한 부품이 형성되는 경우에 선택적 레이저 소결법에서 혼합되지 않을 때 제 1 조성 분말은 근접, 충만하고 조밀한 부품의 형성에 적합한, 예를 들면 나일론 11인 반결정 분말이 적합하다; 다공 부품이 요구된다면, 중합체 분말은 예를 들면 폴리 카보네이트, 폴리스티렌, 아크릴레이트, 및 스티렌과 아크릴산염의 공중합체와 같은 비정질의 분말이다. 상기 보강 분말은 바람직하게는 유리의 미소구체이고, 선택적 레이저 소결법이 수행될 때 중합체 분말과 함께 잘 젖어서 녹도록 코팅이 되어 있다. 생산된 부품의 경도 및 열저항이 개선되는 이외에, 복합 분말은 혼합되지 않은 분말로 제공되는 가공처리 기회를 넓게 하고, 제조된 부품의 수치의 정밀도를 개선하며, 러프 브레이크아웃을 용이하게 하고 제조 부품의 원만한 마무리를 제공한다.

Description

입체 물체의 제조방법

최근의 진보에 의해 소량의 원형 부품과 완성된 부품 등의 입체 물체를 캐드(CAD) 데이터 베이스로부터 직접 생산하는 분야를 이루었다. 종래의 기계가공 등의 절삭 공정에 반하여, 특히, 부가 공정의 사용을 통해 상기 부품을 생산하는 다양한 기술이 공지되었다. 상기 물체의 생산을 위한 중요한 부가 공정은 DTM사에 의해 개발되고 대중화된 선택적 레이저 소결법이다. 선택적 레이저 소결법 공정에 따르면 물체의 교차부에 대응하는 선택된 위치에 분말이 용융되도록 레이저 빔 등의 지향된 에너지 빔에 의해 층방향 형태로 분말이 주사된다. 각 층 내부의 용융된 지점은 이전에 용융된 층의 용융된 부위에 부착되고, 그래서, 상기 방식으로 제조된 일련의 층이 완성된 부품을 이룬다. 그러므로, 에너지 빔 주사의 컴퓨터 제어는 캐드(CAD) 데이터 베이스에서의 설계를 물리적 물체로 직접 변환하는 것을 가능하게 한다.

상기 방법 및 그 수행을 위한 장치는 1981년 1월 27일자로 허여된 미국 특허제 4,247,508호와, 1993년 10월 12일자로 허여된 미국 특허 제 5,252,264호와, 1994년 10월 4일자로 허여된 미국 특허 제 5,352,405호에 더욱 상세히 기술되어 있으며, 상기 모든 특허는 DTM 사에 양도되었으며, 본원에 참조로 활용된다. 또한, 텍사스 시스템의 대학 평의원 위원회에 허여된 1989년 9월 9일자로 허여된 미국 특허 제 4,865,538호와, 1991년 5월 21일자로 허여된 미국 특허 제 5,017,753호와, 1990년 7월 3일자로 허여된 미국 특허 제 4,938,816호와, 1990년 7월 31일자로 허여된 미국 특허 제 4,994,817호와, 1991년 12월 31일자로 허여된 미국 특허 제 5,076,869호와, 1994년 3월 22일자로 허여된 미국 특허 제 5,296,062호와, 1995년 1월 17일자로 출원된 미국 특허 제 5,382,308호에 더욱 상세히 제공되고, 본원에 참조로 활용된다. 선택적 레이저 소결법에서 더욱 개선된 사항과, 선택적 레이저 소결법을 수행하는 기계 및 진보된 시스템은 1992년 10월 13일자로 허여된 미국 특허 제 5,155,321호와, 1992년 10월 13일자로 허여된 미국 특허 제 5,155,324호 및 국제공개공보 제 92/08556호에 기술되고, 본원에 참조로 활용된다.

상기 참조 특허 및 텍사스 시스템 대학의 평의원 위원회에 허여되고 본원에 참조로 활용된 1992년 10월 20일자로 허여된 미국 특허 제 5,156,697호와, 1992년 9월 15일자로 허여된 미국 특허 제 5,147,587호와, 1993년 1월 26일자로 허여된 미국 특허 제 5,182,170호에 기술된 바와 같이 플라스틱과, 왁스와, 금속과, 세라믹 등을 포함하는 다양한 재료와 재료의 조합이 상기 방법에 따라 가공될 수 있다. 부가적으로, 상기 특허 및 출원에 기술된 바와 같이, 선택적 레이저 소결법은 기계가공 등의 종래의 절삭하는 공정에 의해서는 제작이 불가능한 매우 복잡한 형태와 형상의 부품을 생산할 수 있다. 상기 복잡성은 기존층에 남은 용융되지 않은 분말에 의해 제공되는 물체의 상부에 걸쳐진 용융된 부분의 자연스러운 지지에 의해 가능해진다.

명확하게, 상기 미국 특허 제 5,382,308호 및 그 모체가 되는 특허는 선택적 레이저 소결법에 유용한 복합 재료 분말의 시스템을 기술했다. 상기 복합재료 분말은 예로서, 유리 분말과 알루미나 분말의 혼합물 같은 용융(또는, 결합이나 분리)온도가 다른 재료의 분말 혼합물로 구성된다. 또한, 상기 특허는 한 재료가 다른 재료로 피복된 피복 분말의 다양한 예를 기술한다.

다른 배경으로 DTM사에 양도되고 본원에 참조로 활용된 1994년 8월 30일자로 허여된 미국 특허 제 5,342,919호는 선택적인 레이저 소결에 의한 빽빽이 밀집된 물체의 제조에 특히 유용한 분말 시스템을 개시한다. 상기 분말의 예는 나일론 11분말이며, 이는 구형도가 0.5 이상이고, 입자 크기의 특정 분포를 가진 입자 생산에 기본이 된다.

다른 배경으로, 플라스틱과 보강재를 포함하는 플라스틱 모형 복합 재료의 사용은 플라스틱 성형 산업에 널리 사용된다. 상기 분야에서 일반적인 보강재의 예는 탄소와, 유리와, 다수의 다른 상대적으로 저가인 혼합물이다. 혼합물에서 미소구체나 미립자 형태의 보강재는 일반적으로 열가소성 중합체와 함께 성형 컴파운드로 혼합된다. 상기 성형 컴파운드는 일반적으로 보강부품의 생산을 위해 주입 성형에 적합한 형태로 압출 및 절삭되거나 다른 방식으로 형성된다. 주입 성형 기술에서 공지된 바와 같이, 최종 부품은 일반적으로 보강되지 않은 열가소성의 유사하게성형된 주입 성형 부품보다 견고하고 강하다. 보강된 성형 부품의 열팽창 계수(CTE)는 보강되지 않은 성형 플라스틱 부품의 열팽창 계수보다 낮아 성형 응력이 감소되고 성형 부품의 치수 정확성이 향상된다는 것 또한 공지되어 있다. 더욱, 일반적으로 보강재료는 열가소성 재료보다 저가이기 때문에 주입 성형용 상기 복합 재료는 보강되지 않은 주입 성형용 열가소성 물질보다 저가이다.

물론, 종래에 주입 성형용으로 사용된 상기 혼합 분말은 상기 선택적 레이저 소결법 공정에 사용하기에는 부적합하다.

상기 선택적 레이저 소결법 공정은 일차적으로 레이저로부터 안내되는 용융이나 소결 온도에 도달하기에 충분한 에너지를 수용하여 층의 선택된 위치에서 분말의 소결이나 용융에 의해 물체가 형성되는 열공정이다. 레이저 에너지를 수용하지 않은 각 분말 층의 상기 부분은 용융되지 않은 상태로 남아야하고 그러므로 반드시 용융이나 소결 온도보다 낮게 유지되어야 한다. 부가적으로, 레이저 에너지를 수용하는 분말의 온도는 일반적으로 기초를 이루는 기존층(용융되었거나 용융되지 않은)의 온도보다 높다. 선택적 레이저 소결법 공정에서 분말의 목표 표면에서 현저한 열구배가 발생한다.

열구배는 생산된 물체의 뒤틀림을 초래할 수 있다는 것이 밝혀졌고, 그러므로, 설계에 정밀하게 맞는 물체를 생산하기 위해 선택적 레이저 소결법 공정의 정밀한 열제어가 필요하다. 상기 뒤틀림의 한 원인은 소결 온도에서 소결 후의 온도로 냉각됨에 따른 소결된 층의 열 수축에 기인된 물체의 수축과 왜곡이고, 부가적으로, 수축은 액체로부터 고체로의 상 변화에 따른 용융된 분말의 부피 감소에 기인되어 발생될 수 있다. 양자의 경우에서, 소결된 분말의 부피 감소는 물체 상부의 수축을 야기할 수 있다. 기초를 이루는 충은 이미 수축되고 용융되지 않은 분말을 갖고(이는 상대적으로 양호하게 단열되어 있다) 표면에서 인장 응력이 유도되어 물체의 뒤틀림이 발생한다.

선택적 레이저 소결법에 의해 생산된 물체의 뒤틀림의 다른 원인은 레이저 빔에 의해 형성된 체적을 초과하여 발생되는 부품의 이상 성장이다. 레이저 빔의 스파트 크기는 물체의 결과적인 형상이 매우 날카로와질 수 있도록 매우 작게 만들어질 수 있다. 그러나, 용융된 영역에서의 열 전도는 소결을 위한 주사의 외부에 있는 분말을 직접 소결되게 할 수 있고, 용융된 교차부위가 레이저 주사의 영역을 넘어서 "성장"되게 하고, 따라서, 설계된 치수를 초과한다. 또한, 내부층의 성장은 소결작업에서 충분한 열이 새롭게 분배된 분말이 분배된 영역상에 기존층의 소결된 부분으로 소결되어 용융된 부분에 잔존한다면 발생할 수 있다. 상기 성장의 존재는 완성된 부품에서 소결되지 않은 분말을 제거하는 것을 더욱 어렵게한다(상기 제거는 "러프 브레이크아웃(rough breakout)" 기술을 참조).

그러므로, 본 발명의 목적은 선택적 레이저 소결법 공정의 강건성을 향상시킬 수 있는 재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 선택적 레이저 소결법 공정에서 비틀림과 성장 등의 뒤틀림 효과를 감소시킬 수 있는 재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 선택적 레이저 소결법에서 좁은 영역에 빽빽히 밀집된 부품의 생산을 허용하는 재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 샌딩의 예같이 제조된 부분이 완성될 수 있는 효율을 향상시키는 재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 도면과 함께 후술되는 명세서를 참조로 하여 일반적인 기술의 숙련자에게 명백해질 것이다.

본 발명은 분말의 선택적 레이저 소결법에 의해 표준부품과 같은 입체 물체를 제조하는 분야이며, 특히 선택적 레이저 소결법에 사용되는 재료에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예가 실행되며 층의 형태의 분말로부터 입체 물체를 제조하는 선택적 레이저 소결법 장치의 개략도.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 복합 분말의 현미경 사진.

본 발명은 복합적인 조성의 혼합물인 선택적 레이저 소결법에 유용한 분말로 실행될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 혼합 분말중 하나의 조성물은 나일론 11과 같은 반결정 분말이다; 또 다른 분말의 조성물은 반결정 분말보다 작은 미립자 크기를 갖는 유리와 같은 보강 재료이다. 혼합 분말은, 예를 들면 반결정 재료가 보강 재료보다 더 낮은 소결 온도를 가지면서 이 두 조성물이 거의 동일한 중량 퍼센트를 갖는다. 선택적 레이저 소결법에 이 혼합 분말을 사용하므로써 개선된 유리를 제공하며, 제조된 부품의 뒤틀림이 감소되고, 러프 브레이크아웃이 더 쉬우며, 부품의 마무리 공정이 개선된다. 이 부품에 사용되는 반결정 중합체는 근접, 충만하고 조밀하다.

대안적으로, 매우 다공의 완성 부품이 제조된다면, 비정질 중합체가 더 낮은 온도의 조성물이 될 수 있다.

본 발명에 따른 선택적 레이저 소결법을 수행하는 장치는 도 1에 도시된 간략한 개략도에 관련하여 먼저 서술될 것이다. 본 발명에 따른 선택적 레이저 소결법을 수행하는 바람직한 장치는 디티엠 코포레이션(DTM Corporation)로부터 입수할 수 있는 신터스테이션(SINTERSTAION) 2000(등록상표)의 선택적 레이저 소결법 장치이며, 도 1의 간략한 개략도는 일반적으로 거기에 대응한다. 도 1에 개략적으로 도시된 장치는 챔버(2)를 포함하며(챔버(2)의 전방 도어와 상부는 명확함을 위해 도 1에 도시되지 않았다), 그 내부에서 선택적 소결 공정이 일어난다. 본원 설명을 위해 목표 표면(4)은 피스톤 부품(6)상에 배치된 열가용성 분말(미리 소결된 부위를 포함하는)을 나타낸다; 피스톤 부품(6)상에 배치된 상기 소결 및 비소결된 분말은 본원에서는 베드 부품(7)으로 불리울 것이다. 피스톤 부품(6)의 수직 운동은 모터(8)에 의해 제어된다. 레이저(10)는 상기 참조된 미국 특허에서 서술된 방법으로 검류계 제어식 거울(12; 명확성을 위해 그 하나만이 도시됨)에 의해 반사되는 빔을 제공한다.

다시 도 1을 참조하면, 열가용성 분말의 공급은 모터(16)와 역회전 롤러(18)에 의해 제어되는 분말 피스톤(14)에 의해 도 1의 장치에서 수행된다. 상기에서 참조된 미국 특허 제 5,017,753 호에서 개시된 역회전 롤러(18)는 챔버(2)의 바닥위로 올려진 분말을 목표 표면(4)으로 균일한 레벨 형태로 전달한다. 상기 참조된 미국 특허 제 5,252,264 호에 개시된 것처럼, 효과적이고 유연한 분말의 공급을 위해 피스톤 부품(6)의 어느 한 측면상에 두 개의 분말 피스톤(14)을 제공하는 것이 바람직하다.

목표 표면에서의 열상태 제어는 상기에서 참조된 컬(curl)과 성장(growth)과 같은 뒤틀림 효과를 피하는데 있어 중요한 것이 관측된다. 도 1에 도시된 바와 같은 장치에서, 이 열상태를 제어하는 바람직한 기술은 상기에서 구체화된 미국 특허 제 5,017,753 호에 개시된 바와 같이 목표 표면(4)을 거친 온도 제어된 가스(즉, 질소)의 하향 흐름을 포함한다. 거기에서 개시된 것처럼, 목표 표면에서의 분말의 가열은 분말의 다음 층이 최근의 소결층에 적용될 때 발생하는 목표 표면에서의 열변화도를 감소시킨다; 이러한 열 변화도는, 만약 초과되면 이전의 층에 컬 또는 다른 뒤틀림을 일으킨다.

상기에서 구체화된 미국 특허 제 5,342,919 호에서 개시된 것처럼, 나일론 11과 같은 반결정 재료가 선택적 레이저 소결에 의한 부품의 제조에 사용된다. 특히 선택적 레이저 소결법에 잘 어울리는 종래의 나일론 11 분말의 일예는 디티엠 코포레이션에서 입수할 수 있는 LASERITE(등록상표) LNF5000 나일론 화합물이며, 이것은 "근접, 충만되어 조밀한" 부품의 선택적 레이저 소결법에 특히 적합하다. 이 서술을 위해 용어 "근접, 충만되어 조밀한"은 생산된 부품이 충만, 조밀되었을 때(즉, 등방성으로 형성된 것처럼) 가지는 항복점(psi)에서의 만곡률 및 최대 응력을 닮게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도 1의 장치에 사용되는 열가용성 분말은 복합 분말이며, 거의 중합체 분말과 보강 분말이 혼합된 건식 혼합물이다. 상기 중합체 분말은 보강 분말보다 저용융, 또는 연화 온도를 가짐으로서, 복합 분말에 대한 레이저 에너지의 적용은 보강 미립자의 상을 현저히 용해시키거나 변화시키지 않고 중합체 분말의 미립자를 그 미립자끼리와 보강 분말의 미립자와 결합시킨다. 상기에서 알수 있는 것처럼, 이 분말은 "건식 혼합" 분말이므로, 각각의 중합체 분말과 보강 분말의 개별적인 미립자가 서로 혼합되지 않고 자유롭게 분리되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 중합체 분말은 X-레이 검사하에서 결정 순서의 표시를 제공하는 형식의 반결정 중합체인 것이 바람직하며, 그것은 유리 전이 온도(Tg) 뿐만 아니라 제한된 결정 용융점(Tm)을 보여준다. 본 발명의 바람직한 실시예와 관련하여 유용한 반결정 중합체 분말 재료는 나일론, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT)와 폴리아세탈(PA)을 포함한다. 상기 명시된 것과 동시에 계류된 미국 출원 번호 제 08/298,076 호에 개시된 것처럼, 폴리아세탈, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 및 이오노머(ionomer)와 같은 재료가 본 발명에 따른 복합 분말의 반결정 중합체의 조성물으로서 대안적으로 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 바람직한 반결정 분말 재료는 평균 미립자 크기가 50 마이크론 정도의 나일론 11의 분말이다. 더 바람직하게는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 분말의 나일론 11의 조성물은 10-20 ℃/minute의 주사비 및 10-90%(DSC에 의해 측정된)의 범위에서의 결정도에서 측정될 때 차별 주사 열량측정법(DSC)의 재결정 정점과 중첩되지 않는 DSC의 용융정점을 가지는 비혼합 중합체이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 분말의 반결정 분말의 조성물의 조성과 특성에 관한 더욱 상세한 것은 1994.8.30자로 출원되고 디티엠 코포레이션에 양도되었으며 본원에 참조로 합체된 계류중인 미국 출원번호 제 08/298,076 호에 서술되어 있다. 상기에서 알 수 있듯이, 그러한 나일론 11 분말의 일예는 디티엠 코포레이션에서 입수할 수 있는 LASERITE(등록상표) LNF5000 나일론 조성물이다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 나일론 11 분말의 용융 온도는 대략 186℃이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 분말의 보강 분말의 조성물은 35 마이크론 정도의 평균 미립자 크기를 가지는, 유리 미소구체(microsphere;즉, 실질적으로 구형의 형상을 가지는 미립자)로 구성되는 유리 분말이 바람직하다. 바람직한 유리가 포터 인더스트리스로부터 입수할 수 있는 A 유리 분말일 때, 다른 유리 형식이 사용될 수 있는 유리의 특이한 혼합은 중요하지 않다. 상기 유리 미소구체는 양호한 습기와 접착력을 제공하기 위해 바람직하게는 나일론 화학적 성질과 일치될 수 있도록 코팅된다. 그러한 코팅의 일예는 아미노 기능의 실란이다. 본 발명에 따른 이 실시예의 유리 미소구체의 용융 온도는 704℃와 거의 비슷하다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예의 복합 분말은, 상기에서 알 수 있듯이 유리 미소구체를 갖는 상술한 나일론 11 분말의 혼합물이다. 바람직하게는, 상기 혼합물의 조성은 상술된 코팅 유리 미소구체의 10 내지 50 중량%를 갖는 나일론 11 분말의 50 에서 90 중량%이다. 상기 유리 분말의 중량 퍼센트는 유리 미소구체의 충전(packing) 한도와 소결될 때 덩어리에 혼합물을 확실하게 접착시키는 저온 재료(즉, 나일론 분말)의 능력에 의해 제한된다; 다른 측면에서, 사용된 유리 보강 재료의 중량이 10%보다 작으면, 보강 재료의 양은 평균에 미치지 못할 만큼 작게 된다. 상기 조성물의 혼합 비율의 특별한 범위는 어느정도는 보강 분말의 미립자크기에 달려있다. 상기 혼합 분말은 종래의 V-혼합기와 같은 혼합 장비의 사용으로 제조될 수 있다.

상기 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 분말의 특별히 적합한 일예는 상술한 나이론 11 분말 50 중량%(평균입자 크기 50 마이크론)와, 코팅된 유리 미소구체 50 중량%이다; 이 조성물은 선택적 레이저 소결법 공정에 적용될 때 경도와 강도와 같은 우수한 기계적 성질과 조합하여 우수한 전체 치수의 설정(즉, 균일한 등방성 축소)을 제공한다는 것을 알 수 있다. 본 발명의 이 바람직한 실시예에 따른 소결된 복합 분말의 수축 거동의 등방성 특징은 복합 분말에서 보강 재료의 미립자의 실질적 구형인 형상에 기인한다. 이 일예는 소결된 분말의 우수한 접착력을 제공하면서 혼합에 있어서 유리 보강 재료의 양을 극대화 시킨다는 것을 알 수 있다. 도 2는 이 일예의 복합 분말의 비소결된 상태에서의 현미경 사진이다. 도 2에서 구형 형상의 몸체는 유리 미소구체이고, 불규칙한 형상의 몸체는 나일론 11의 미립자이다.

복합 분말의 특별한 조성 비율의 변화는 상술된 범위내에서 특별하게 적용되는 것이 이로울 수 있다.

대안적으로, 부품이 근접, 충만되어 조밀하게 형성될 필요가 없으면 다른 재료가 혼합 분말에 있어서 중합체 조성물로서 사용될 수도 있다. 이러한 재료는 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 아크릴레이트, 및 스티렌/아크릴레이트 공중합체와 같은 어떤 비정질의 중합체를 포함하며, 그것은 다공성 부품이 요구되는 경우의 복합분말의 중합체 조성물로서 작용할 수 있다. 또한 대안적으로, 다른 유기적 또는 무기적이고 비연속적인 보강 재료가 복합 분말에 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 작동에 있어서, 도 1의 장치는 분말 실린더(14)를 통해서 챔버(2)로 복합 분말을 공급한다; 상기 복합 분말은 모터(16)에 의해 제공되는 분말 실린더(14)의 부분적인 상향 운동에 의해 챔버(2)속으로 위치된다. 롤러(18;바람직하게는 축적을 방지하기 위해 긁는 기구(스크레이퍼)로 제공되는데, 상기 스크레이퍼는 명확성을 위해 도 1에는 도시되지 않음)는 피스톤 부품(6) 상부의 베드 부품의 표면의 목표 표면(4)을 향해서 가로지르는 분말 실린더(14)로부터의 전달에 의해 상기에서 참조된 미국 특허 제 5,017,753 호와 미국 특허 제 5,252,264 호에 개시된 방법으로 챔버내에 혼합 분말을 퍼트린다. 롤러(189)가 분말 피스톤(14)으로부터 혼합 분말을 제공할 때, 목표 표면(4; 이전의 층이 거기에 배치되든 않되든)은 챔버의 바닥 아래에 처리될 분말층의 두께를 한정하는 적은 양, 예를 들면 4 밀(mils)로 존재한다. 복합 분말의 원만하고 철저한 분배를 위해 복합 분말의 양은 분말 실린더(14)가 실린더 부품(6)을 수용할 수 있는 것보다 크게 제공되는 것이 바람직하며, 그것에 의해 약간의 과도한 분말이 목표 표면(4)을 가로지르는 롤러(18)의 운동의 결과로서 일어난다; 이것은 목표 표면(4)이 설정된(예를들어 2 밀대 4 밀) 챔버(2)의 바닥하부의 거리보다 더 큰 양에 의한 분말 피스톤(14)의 상향 운동에 의해 달성될 수 있다. 또한 챔버(2) 내에서의 롤러(18)의 전달에 대한 롤러(18)의 역회전을 종속장치로서 작동시키는 것이 바람직하며, 이것에 의해 회전 속도대 병진속도비가 일정해진다.

또한 작동에 있어서, 목표 표면(4)으로 복합 분말의 전달 및 분말피스톤(14) 근처의 원래 위치로의 롤러(18)의 복귀후에, 레이저(10;즉, 이산화탄소 레이저)는 상술한 미국 특허에 개시된 방식으로 생성될 부품의 층의 횡단면에 대응하는 목표 표면(4)에서 복합 분말 부분을 선택적으로 소결시킨다. 레이저빔의 주사를 제어하므로써 열 선택적 레이저 소결법 메카니즘을 제어하는 특히 적합한 방법은 상기 미국 특허 제 5,352,405 호에 개시되어 있다. 복합 분말의 특별한 층으로부터의 선택적 소결법의 완료후에, 베드 부품(7)에 부가될 롤러(18)로부터의 복합 분말의 다음층의 축적을 기다리면서 피스톤 부품(6)은 다음층의 두께에 대응하는 양만큼 하향으로 이동한다.

상기한 바와 같이, 선택적인 레이저 소결 장치내의 열 매개변수는 부품의 생산에 중요하다. 예로서, 상술한 본 발명의 선택된 예에 따른 복합 분말에서 나일론 11과 피복된 유리 미소구체의 이율이 50/50(중량비)일 때, DTM사로 부터 이용가능한 선택적인 레이저 소결 시스템 신터스테이션(SINTERSTATION)(등록상표)에서 부품을 생산하기 위해 사용되는 일반적인 작동 매개변수는 하기와 같다.

공급 온도 : 110℃

부품 배드(bed) 온도 : 190℃

CO₂레이저 출력 : 3 watts

하향 흐름 유량 : 5 내지 10 liters/min

제조될 부품이 완성될 때까지 상기 공정은 계속되고, 그후, 부품과 주변의 용융되지 않은 복합 분말이 장치로부터 제거된다; 상기 용융되지 않은 복합 분말은그후 다른 장소에서 부품으로부터 제거된다(공정은 "러프 브레이크아웃" 참조). 하기에 기술된 중합체를 기초로한 복합 분말로부터 부품이 형성되는 본 발명의 적합한 실시예에 따라서, 상기 공정은 샌딩 등의 방식으로 원하는 표면 완성을 얻기 위해 부품을 매끄럽게 마무리하므로써 완성된다.

부품은 상술한 본 발명의 적합한 실시예에 따른 나일론11과 유리 미소구체의 복합 분말로부터 선택적 레이저 소결법으로 생산된다. 상기 미국 특허 제 5,342,919호와, 계류중인 08/298,076호에 개시된 방법에서 상기 부품의 현미경 사진은 최종 부품이 빽빽히 밀집된 것을 보여준다. 또한, 유리 미소구체 강화 재료의 결합은 강화되지 않은 나일론 부품의 연성을 감소시키면서 부품의 강성과 내열성을 증가시켰다.

하기의 표는 본 발명의 적합한 실시예에 따른 복합 분말로부터 생산된 소결 부품과 보강되지 않은 레이저리트(LASERITE)(등록상표) LNP 5000 나일론 합성물로부터 생산된 유사한 부품의 측정된 특성을 기록한다.

<표>

상기 표를 위해, DTUL은 ASTM D 648 시험법에 따라 측정되고, 인장 강도와, 계수는 ASTM D638 시험법에 따라 측정되었으며, 변형 계수는 ASTM D790 시험법에 따라 측정되었다. 예상될 수 있는 바로서, 파단시의 신장량과 충격 강도는 보강되지 않은 나일론 분말 부품보다 복합 분말로 형성된 부품이 다소 낮은 것에 주목해야 한다.

부가적으로, 극히 중요하고, 기대하지 않은 장점이 선택적 레이저 소결법에서 본 발명의 선택된 실시예에 따른 분말의 사용으로부터 발생한다. 첫째로, 본 발명의 선택된 실시예에 따른 복합 분말의 사용은 보강되지 않은 나일론11 분말의 경우보다 온도면에서 더 넓은 처리 기회를 허용한다. 명확하게, 평균 입자 크기가 50 미크론인 나일론11 분말과 평균 입자 크기가 35 미크론인 피복된 유리 미소구체 50 중량% 복합 분말은 대체로 순수한 나일론11이 배치될 수 있는 온도보다 10℃정도 높은 온도에서 목표 표면(4;도 1) 상에 배치될수 있다; 상기 온도 상의 제한은 분말의 입자가 무기력하게 상호 부착되기 시작하는 온도인 케이크 온도라 지칭된다. 보강되지 않은 나일론 분말 보다 높은 분말 온도에서 배치되는 능력은 가장 최근에 소결된 층 상에 고온의 분말이 배치되는 것을 허용하는 것에 의해 상술한 열구배를 감소시킬 뿐만 아니라 배드 부품(7)의 온도가 혼합 분말 보다 2℃ 내지 4℃ 낮아지는 것을 허용한다. 더욱, 보강되지 않은 나일론11 분말을 소결하는데 필요한 레이저 분말보다 낮은 레이저 분말이 본 발명의 실시예의 복합 분말을 선택적으로 소결하는데 사용될 수 있다. 예로서, 보강되지 않은 나일론11 분말에 비해 2 내지 4 watts 낮은 레이저 분말이 복합 분말을 소결하는데 사용될 수 있다. 레이저 분말의감소는 목표 표면(4)에서 레이저가 주사된 분말과 주변 소결되지 않은 분말 사이의 온도차이와 마찬가지로 분말의 용융된 교차부에서 열 변화성을 감소한다; 양자의 상기 효과는 생산된 부품의 위축이나 뒤틀림의 발생율을 감소시킨다.

분배된 복합 분말의 온도와 베드 부품(7)의 온도의 차이가 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 분말을 사용할 때 감소하기 때문에, 본 발명은 짜맞추어진 뒤틀림 부품의 발생율을 감소시킨다. 추가로 복합 분말로 만들어진 부품들에서 발견된 컬의 양은 비강화 나일론(11) 분말로 만들어진 유사한 부품들에서 발견된 컬양의 약 반 정도이며, 게다가 비강화 분말에서 발견된 4%의 선형 수축에 비하여 복합 분말에서의 선형 수축은 약 3%까지 소결될 때에 발견된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 분말에서 선형 수축의 감소는 생성 온도로부터 소멸 온도까지 냉각하는 동안 소결 분말이 응력과 뒤틀림을 전개시키는 경향을 감소시킨다.

이러한 특성은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 분말을 사용할 때 도 1의 장치에서 베드 부품(7)의 온도에 대하여 더 넓은 범위의 처리 기회가 가능하게 된다. 예를 들어 상술한 복합 분말을 사용하므로써 배드 부품(7)의 온도가 섭씨 3 내지 4도 범위에 걸쳐 변화되는 것이 관찰되었다. 대조적으로 순수 나일론(11) 분말(예를 들어 비강화 분말)의 사용은 단지 약 1℃의 배드 부품(7) 온도에 대한 처리 기회를 가능하게 한다.

또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 분말의 선택적 레이저 소결법으로 형성된 부품들은 비강화 나일론 11 분말의 선택적 레이저 소결법으로 형성된 부품들보다 비소결 분말로 소결하기에 더 쉽다. 이것은 비강화 나일론(11) 분말로형성된 부품들에 대하여 본 발명에 따른 복합 분말의 선택적 레이저 소결법으로 형성된 부품들에게서 발견된 원하지 않는 성장 경향을 감소시킨다고 한다. 성장에서의 이러한 감소는 몇 가지 요인들에 의한다고 한다. 첫째, 복합 재료에서 강화 유리 미립자들의 존재는 특정 온도 조건에서 소결용 재료의 양을 감소시키며, 이렇게 하여 이용 가능한 소결용 재료의 감소로써 임의의 성장 정도를 감소시킨다. 추가로 또한 배드 하부 부품의 온도와 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 분말과 관련하여 사용될 수 있는 하부 레이저 에너지는 바람직하지 않은 성장의 감소에 중요한 역할을 한다고 한다.

본 발명의 바람직한 실시예의 또 다른 예상치 못한 장점은 복합 분말의 선택적 레이저 소결법에 의하여 생산된 부품들의 마무리와 상관있다. 이 분야의 기술에서 공지된 바와 같이 선택적 레이저 소결법에 의하여 생산된 부품들은 비소결 분말로부터의 소멸 이 후에, 예를 들어 사포질과 같이 일반적으로 부드럽게 마무리한다. 상술한 혼합 분말로부터 생산된 부품들은, 비강화 나일론으로 형성된 부품들에 비해 사포질 시간과 다듬질을 위한 수고를 절반 정도로 감소시키는 상기와 같은 방법으로 더 쉽게 마무리할 수 있다.

본 발명이 상기의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만 본 발명의 장점과 이점들을 얻을 수 있는 실시예의 변경 및 다른 대안과 같은 것이 당업자에게는 명백할 것이라고 생각한다. 그와같은 변경과 대안들은 본원에 청구된 바와같은 청구범위의 정신내에 있다.

Claims (9)

1. 입체 물체의 제조방법에 있어서,

   혼합 분말의 층을 목표 표면에 적용하는 단계와;

   상기 층이 형성될 물체의 횡단면에 대응하는 층의 선택된 위치에 혼합 분말을 용융시키도록 에너지를 부가하는 단계와;

   층의 형태로 물체를 형성하도록 상기 적용 단계 및 부가 단계를 반복하는 단계; 및

   상기 물체에서 용융되지 않은 분말을 제거하는 단계를 포함하고,

   상기 혼합 분말은 차별적 주사 열량측정법의 기록으로 나타낸 바와 같이, 10-20℃/minute 의 주사비에서 측정될 때 오버랩되지 않는 용융정점과 재결정 정점을 갖는 반결정 중합체 분말을 50에서 90중량%까지 가지고, 상기 중합체 분말과 건식 혼합되며 상기 중합체 분말보다 더 높은 용융 온도를 갖는 보강 분말을 10에서 50중량%까지 갖는 것을 특징으로 하는 입체 물체의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 분말은 중합체 분말의 50 중량 퍼센트를 포함하고 보강 분말의 50 중량 퍼센트를 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 물체의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 중합체 분말은 보강 분말의 평균 미립자 크기보다큰 평균 미립자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 입체 물체의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 보강 분말은 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 물체의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 보강 분말은 구형상의 유리 미립자를 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 물체의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 유리 미립자는 코팅된 것을 특징으로 하는 입체 물체의 제조방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 중합체 분말은 나일론, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리아세텔, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 및 이오노머로 구성된 그룹에서 선택된 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 물체의 제조방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 중합체 분말의 중합체는 나일론 11 을 포함하는 것을 특징으로 하는 입체 물체의 제조 방법.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 중합체 분말은 보강 분말의 평균 미립자 크기보다 큰 평균 미립자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 입체 물체의 제조방법.

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