KR100702934B1 - 선택적 소결 억제에서 분말 폐기물을 감소시키는 방법 - Google Patents

선택적 소결 억제에서 분말 폐기물을 감소시키는 방법 Download PDF

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Abstract

3차원 제조법의 선택적 소결 억제 방법 및 시스템이 개시되어 있다. 본 발명은 선택적 가열 요소를 사용하여 제조 중에 소결 영역을 선택적으로 가열함으로써, 폐기물을 줄이고 효율을 향상시키는 방법 및 시스템을 제공한다.

Description

선택적 소결 억제에서 분말 폐기물을 감소시키는 방법{METHOD FOR REDUCTION OF POWDER WASTE IN SELECTIVE INHIBITION OF SINTERING(SIS)}
본 발명은 일반적으로 3차원 물체, 더 구체적으로는 이러한 3차원 물체의 제조 중의 선택적인 소결 억제에서 분말 폐기물을 선택적으로 감소시키는 것에 관한 것이다.
표본 부품과 같은 3차원(3D) 물체는 캐드(CAD) 데이터베이스로부터 직접 제조될 수 있다. 특히, 층 첨가 공정을 사용하여 이러한 물체를 제조하는 다양한 기법이 공지되어 있다. 상업적으로 적용되는 층 제조법에는 다양한 형태의 재료가 사용된다. 예를 들어, 스테레오리소그래피(stereolithography; STL)에서는 각각의 박형 수지층 상의 원하는 지점에 자외선을 전달하는 레이저 비임에 의해 선택적으로 경화될 수 있는 포토폴리머 수지를 사용하고 있다. 용융 적층법(FDM; Fused Deposition Method)에서는 재료를 적층하여 각 층을 형성하는 핫 노즐을 통해 강제되는 가소성 필라멘트를 사용하고 있다. 박판 재료 적층법(Laminated Object Manufacturing; LOM)에서는 절단된 특수 종이 시트를 적층하여 3D 부품을 제조한다. 일반적으로 사용되는 2 가지 공정이 3차원 프린팅법과 선택적 레이저 소결법(Selective Laser Sintering; SLS)이다. 3차원 프린팅법(3DP)에서는 각 박형 분말 층에 적층되어 있는 접착제 방울을 이용하여 각 층의 선택적인 지점에서 분말 입자의 결합을 형성시킨다. 선택적 레이저 소결법(SLS)에서는 레이저를 사용하여 분말 재료를 선택적으로 결합시킨다. 선택적 레이저 소결법은 분말층의 선택된 위치에 분말층을 결합시키는 스캐닝 레이저 비임에 의해 적층하고 가열하는 작업을 한다. 상기 분말 재료는 폴리머, 세라믹, 또는 금속을 포함할 수 있다.
그러나, 선택적 레이저 소결법과 3차원 프린팅법과 같은 초미세 층간 선택적 결합 공정(layer-by-layer selective bonding process)은 시간 소모적이고 비용이 많이 든다. 예를 들어, 레이저를 사용하는 방법에서는 레이저에 고비용이 발생하고, 비임 크기와 비교할 때 소결하는 층 당 횡단면적이 비교적 크기 때문에 스캐닝 속도가 낮아지게 된다. 다른 방법에 있어서는, 소결 또는 다른 융합 공정에 의해 층마다 물체의 전체 체적을 저속으로 스캐닝하기 때문에 어려움이 발생한다. 또한, 선택된 영역을 소결 또는 가열할 때, 변형을 방지하기 위해 분말 표면에서 비교적 균일한 온도가 유지되어야 한다.
전술한 문제점을 고려하여, 본 발명은 종래의 방법보다 더 신속하고 저비용의 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은, 가열하여 결합 형태로 변화되는 타입의 분말 재료층을 제공하는 단계와; 영역의 일부를 선택적으로 가열하여 상기 분말 재료층의 영역을 선택적으로 결합시키는 단계와; 상기 결합에 의해 원하는 3차원 물체가 형성될 때까지 상기 제공 단계와 선택적인 결합 단계를 반복하는 단계를 포함하고 있다. 본 발명의 방법은 상기 3차원 물체의 횡단면 구조에 따라 결합 억제제를 수용하는 영역을 선택하는 단계와, 상기 선택적인 결합 단계에 이전에 상기 분말 재료층의 선택된 영역에 결합 억제제를 선택적으로 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 3차원 물체 제조용의 선택적인 가열 장치를 제공한다. 이 선택적인 가열 장치는 공기 매니폴드와; 상기 공기 매니폴드와 유체 연통하고, 가열 공기를 생성시키며, 상기 공기 매니폴드를 매개로 하여 가열 공기를 공급하는 가열 요소와; 액츄에이터와; 상기 액츄에이터에 인접한 제1 단부와 말단부를 포함하는 차단기 레버와; 상기 차단기 레버의 말단부에 위치하는 차단기를 포함하고, 상기 액츄에이터는 차단기 레버를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시켜 차단기를 말단부에서 이동시킬 수 있고, 상기 차단기는 가열 요소 및 공기와 유체 연통하여 차단기가 이동하면 공기 이동이 편향된다.
본 발명은 방열 요소와; 액츄에이터와; 상기 액츄에이터에 인접한 제1 단부와 말단부를 포함하는 차단기 레버와; 상기 차단기 레버의 말단부에 위치하는 차단기를 포함하고, 상기 액츄에이터는 차단기 레버를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시켜 차단기를 말단부에서 이동시킬 수 있고, 상기 차단기의 이동에 의해 열의 편향이 야기되는 것인 3차원 물체 제조용 선택적 가열 장치를 제공한다.
이하, 본 발명의 상세한 하나 이상의 실시예를 첨부 도면 및 발명의 상세한 설명과 관련하여 설명하겠다. 본 발명의 다른 특징, 목적, 및 이점은 발명의 상세한 설명, 도면, 및 청구항으로부터 명백해질 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 선택적 소결 억제 공정이 도시되어 있는 도면이다.
도 2는 래스터 스캐닝 이동 패턴을 가진 직사각형 선택적 가열 요소가 도시되어 있는 도면이다.
도 3은 래스터 스캐닝 이동 패턴을 가진 원형 선택적 가열 요소가 도시되어 있는 도면이다.
도 4는 부품 층 프로파일을 추적하는 이동 패턴(벡터 스캐닝 패턴)을 가진 선택적 가열 요소가 도시되어 있는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 로터리 솔레노이드에 의해 활성화되는 차단기를 구비하는 스폿 가열기 선택적 가열 요소가 도시되어 있는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 복수 개의 개별 가열 요소를 포함하는 가열기 조립체가 도시되어 있는 도면이다.
도 7은 차단기 레버가 더 자세히 도시되어 있는 도면이다.
도 8a 및 8b는 막대 가열기의 단부도이다.
도 9는 선택적인 열풍 가열 요소에 대한 2 개의 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 오프 위치(A)와 온 위치(B)의 선택적 열풍 가열 요소에 대한 2 개의 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 다중 차단기를 구비하는 막대 가열기에 선택적 열풍 가열 요소를 구현한 분해 조립도이다.
도 12는 선택적 소결 억제 공정을 사용하여 제조된 3차원 고체 물체의 한 가지 예가 도시되어 있는 도면이다.
각 도면에서 유사한 도면 부호는 유사한 구성 요소를 나타낸다.
선택적 소결 억제 공정(300)이 도 1에 도시되어 있다. 이 선택적 소결 억제 공정(300)은 박형의 균등하게 분포된 분말층(312)을 포함하고 있다. 층에서 부품 횡단면 경계에 해당하는 분말 영역에 소결 억제제 액체를 도포할 수 있다. 이 후, 선택적 가열 요소(342)를 사용하여 부품의 횡단면(324) 내부에서 제조되는 분말층(312)을 소결할 수 있다. 3차원 캐드(CAD) 표준 모델에 따라 횡단면(324)을 소결할 수 있다. 선택적 가열 요소(342)에 의해 가해진 에너지는 분말을 유리와 같은 상태로 가열하고, 개별적인 입자들을 고체로 통합시킨다. 선택적 가열 요소는 제조에 있어서 소결이 필요한 영역만을 가열한다. 선택적 가열 요소(342)는 복수 개의 차단기를 구비하는 막대 가열기로 도시되어 있는데, 상기 차단기가 개방되고 폐쇄되어 원하는 영역을 선택적으로 가열하는 데에 사용되는 열 에너지의 노출을 제어한다(도 5 내지 도 12 참조). 충분한 열 에너지가 분말로 안내되어 이 분말이 원하는 부품 횡단면으로 융합된다. 왁스, 가소성 분말 및 금속 분말을 비롯한 상기 방법으로 처리되는 대부분의 분말에 대한 융합 메카니즘으로는 입자가 함께 유동하고 결합하도록 조사된 분말의 표면 장력이 그 점도를 극복하는 소결이 있다. 이와 같이, 소결이 발생하는 온도는 분말 재료의 용융점 또는 연화점보다 대체로 낮다. 일단 가열 요소(342)가 전체 횡단면(342)을 스캐닝하면, 다른 분말층(312)을 상부에 놓고 전체 공정을 반복한다. 추가적인 분말은 분말 저장 용기로부터 공급되고, 롤러(314)로 분배한다.
결합 공정의 선택적 억제의 일부로서, 결합 억제제를 소정 층(캐드 횡단면에 의해 정해진) 상의 부품 프로파일 경계에 위치하는 분말층의 소정 영역에 도포할 수 있다. 이러한 결합 억제제를 제조 부품의 경계에 첨가하여 분할 범위를 생성시킬 수 있다. 결합 억제제를 도포한 후, 전체 층은 억제되지 않은 분말을 결합 또는 소결시키는 역할을 하는 가열 요소에 단지 1번만 노출될 수 있다. 본 명세서에서 추가로 설명하는 바와 같이, 선택적 가열 요소는 분말층의 특정 구역을 선택적으로 결합시키는 작용도 한다. 따라서, 본 발명은 분말 폐기물을 감소시키는 역할을 하는 효과적인 제조 방법 및 시스템을 제공한다.
따라서, 선택적 소결 억제(SIS) 공정은 결합 억제제가 선택된 분말층 영역에 도포되는 선택적 결합 공정{예를 들어, 선택적 레이저 소결법(SLS) 및 3차원 프린팅법(3DP)}에 이점을 제공한다. 예를 들어, 접착(3DP에 있어서와 같이) 또는 소결(선택적 레이저 소결법에서와 같이)이 전체 횡단면 영역에 필요하다. 전체 횡단면 영역을 지나가는 잉크젯 프린팅(3DP) 또는 스캐닝 레이저 비임(SLS)에 의해 선택적으로 결합시키는 것은 시간 소모적이다. 이와는 대조적으로, 선택적 소결 억제 공정은 한 쪽 면에서 각 층의 부품 횡단면 경계에 결합 억제제를 선택적으로 도포하고, 가열 장치에 의해 영역을 선택적으로 소결할 수 있다. 따라서, 선택적 소결 억제 공정은 선택적 결합 공정보다 상당히 빨리 수행될 수 있다. 또한, 이와 동시에, 가열 요소 하에서 일련의 좁은 영역이 영향을 받는 것과 달리, 더 넓은 분말층 영역에 균일한 열이 인가되어, 변형을 최소화하고 분말 폐기물이 감소된다. 선택적 소결 억제 공정은 선택적 결합 공정보다 더 양호한 수치 제어와, 감소된 가공 비용과, 제조 시간의 단축을 제공한다.
도 2에는 래스터 스캔 소결에 사용된 선택적 가열 요소가 도시되어 있다. 래스터 스캔 소결은 래스터 방식으로 소결되는 영역에 걸쳐 가열 요소를 이동시키고 있다. 선택적 소결 억제 공정의 이러한 실시예에 있어서, 최소 층 프로파일 기하학적 형상보다 더 대형일 수 있는(그러나 필수적인 것은 아니다) 영역에 열을 방사할 수 있는 소형 가열 요소를 사용할 수 있다. 상기 소형 가열 요소는 동일한 구동 메카니즘에 부착될 수 있는데, 이 구동 메카니즘은 소결 억제제의 적층과 관련된 프린트 헤드를 이동시킨다. 프로파일에 대한 억제제의 프린팅을 완료한 후, 전체 스캐닝 시간을 최소화하도록 선택적 가열 요소를 한쪽에서 다른 한쪽으로 래스터 스캐닝하여 분말의 원하는 영역에 걸쳐 이동시킨다. 도 3에는 소정의 부품 프로파일에 대한 하나의 스캐닝 패턴이 도시되어 있다. 이러한 형상에 있어서, 직사각형 방열면을 구비하고 있는 가열기를 사용한다. 회색 영역은 분말층이고, 라인은 억제제가 적층되는 부품 층 프로파일이며, 직사각형은 가열기 노출 영역이고, 어두운 회색 영역은 분말의 소결된(열로 결합된) 부분이다. 도 3에는 원형 스폿 가열기를 사용한 경우의 동일한 패턴이 도시되어 있다.
얇은 벽과 같은 박형 부품 형상에 있어서, 스폿(spot) 가열기는 그 중심이 항상 박형 프로파일의 중앙에 있도록 부품 층 프로파일 위로 이동한다. 도 4에는 중공형 정육면체를 형성하는 상황이 도시되어 있다. 예로서, 이러한 경우의 벽 두께는 2mm일 수 있고, 원형 가열기 방사 영역의 반경은 4mm일 수 있다. 이들 경우 모두에 있어서, 폐기되는 분말(부품 자체를 제외한 영역에서 소결되는 분말)은 마 스킹 프레임을 구비하는 방열판을 사용하는 방법 또는 방열 막대를 통과시키는 방법과 비교할 때 상당히 감소될 수 있다.
가열기는 프린터 헤드 후방에 연결될 수 있고, 이에 따라 그것의 이동은 소결 억제제의 적층하는 동안에서와 같이 프린터 헤드를 이동시키는 동일한 메카니즘에 의해 제공될 수 있다. 소결은 층에 억제제의 도포를 완료한 후에, 또는 동시에 수행될 수 있는데, 즉 억제제는 래스터 스캐닝 방식으로 프린팅되기 때문에, 가열기는 프린트 헤드가 이미 통과한 세그먼트를 소결시킨다.
도 5에는 선택적인 가열 요소가 도시되어 있다. 이 선택적인 가열 요소는 나선 코일형 니크롬 리본(자동차 담배 라이터에 사용되는 타입)과, 가스 버너와, 적외선 가열기, 또는 다른 형태의 가열원일 수 있는 전기 필라멘트일 수 있다. 예를 들어, 가열 요소는 세라믹 튜브, 석영 가열기, 적외선 램프, 가스 버너, 또는 기타 가능한 열원 둘레에 감겨진 니크롬 와이어 코일로 제조될 수 있다. 가열 요소(550)는 슬리브(570)에 연결되어 있는데, 이 슬리브를 통해 회전축(525)이 통과하고 있다. 회전축(525)은 그 한 쪽 단부에 솔레노이드(500)를 구비하고 있는데, 이 솔레노이드는 작동 시에 회전축을 제1 위치(도 5a에 도시되어 있는 위치)에서 제2 위치(도 5b에 도시되어 있는 위치)로, 또는 그 반대로 회전시킨다. 회전축은 가열 요소에 인접한 반대쪽 단부에 차단기(560)를 구비하고 있는데, 이 차단기(560)는 가열이 각각 필요하거나 필요하지 않을 때에, 작동 중에 가열 요소(550)를 폐쇄하거나 노출시킬 수 있다.
도 6a 및 도 6b에는 막대 가열기(690)가 도시되어 있다. 도 6a 및 도 6b에 는 개별적인 선택적 가열 요소를 구비하고 있는 막대 가열기의 전방과 후방이 도시되어 있다. 도 6a 및 도 6b에는 전면과 후면이 있는 지지 구조체(680)가 도시되어 있다. 이 지지 구조체(680)는 지지 구조체의 한 쪽 측부에 위치하는 힌지부(610)를 포함하고 있다. 힌지부(610)는 도 6c에 도시되어 있는 바와 같이 차단기 레버(620)를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동 가능하게 해 준다. 차단기 레버(620)는 솔레노이드(600)의 작동에 의해 이동한다. 차단기 레버는 임의의 재료일 수 있고, 솔레노이드 구조에 따라 달라지게 된다. 한 가지 실시예에 있어서, 솔레노이드(600)는 자기 코일이고, 차단기는 솔레노이드가 작동할 때 자기 코일로 유인될 수 있는 금속 물체이다. 차단기 레버(620)는 제1 위치와 제2 위치 사이에서의 차단기 레버(620)의 이동을 돕기 위해 선택적으로 무게 균형부(630)를 포함할 수 있다. 무게 균형부(630)는 차단기 레버(620)가 힌지부(610)로부터 걸려 있는 경우, 래치의 하부가 가열 요소(650)를 향해 전방으로 압박되도록 저항 무게의 역할을 한다. 모든 힌지부는 단일 금속편으로 제조될 수 있다. 도 6 및 도 7에 도시되어 있는 후크형 구조는 가공하기 쉽다. 도 7에는 차단기 레버가 더 자세히 도시되어 있다.
사용 시에, 막대 가열기(590)가 분말층을 거쳐 통과하여 소결된다. 막대 가열기(590)가 소결될 영역에 걸쳐 이동할 때, 솔레노이드(600)가 작동하여 차단기 레버(620)를 끌어 당기고 차단기(620A)를 이동시켜 가열 요소(650)를 소결될 분말 영역에 노출시킨다. 전술한 바와 같이, 가열 요소(650)는 세라믹 튜브, 석영 가열기, 적외선 램프, 가스 버너, 또는 기타 가능한 열원 둘레에 감겨진 니크롬 와이어 코일로 제조될 수 있다. 일반적으로, 가열 요소(650)는 도 6에 도시되어 있는 바 와 같이 지지 구조체(680; 예를 들어 세라믹 재료)의 하부 에지 아래에 설치될 것이다.
또한, 차단기 레버(620)는 작동 중에 필요에 따라 가열 요소(650)를 폐쇄하거나 노출시킬 수 있는 차단기(620A)를 포함하고 있다. 각 차단기(620A)는 철, 강, 또는 자석에 유인될 수 있는 임의의 재료로 제조된 금속 래치(도 7 참조)와 같은 차단기 레버(620)의 하부에 부착되어 있다. 래치 구조는 시트 금속으로부터 저비용으로 스탬핑 가공될 수 있다. 소형 패널 형태의 차단기(620A) 배열은 소결되지 않아야 할 영역의 소결을 방지하기 위해 가열 요소(650)와 분말 표면 사이로 선택적으로 이동된다. 차단기(620A)는 하부에 단열 재료층을 구비하고 있는 방열 반사 시트로 제조될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 막대 가열기(590)가 더 자세히 도시되어 있는 단부도이다. 솔레노이드(600)와, 힌지부(610; 여기서는 후크 구조이다)에 위치하고 있는 차단기 레버(620)와, 차단기(620A)와, 무게 균형부(630)와, 가열 요소(650)가 도시되어 있다. 도 8a은 차단기(620A)가 가열 요소를 노출시키거나 폐쇄하도록 제1 위치로부터 제2 위치로 차단기 레버(620)를 이동시키는 것을 도시하고 있다. 솔레노이드(600)는 요구가 있는 즉시 일시적인 자기장을 형성하기 위해 지지 구조체(680)의 상부 섹션에 설치된 철 코아를 각각 구비하는 와이어 코일 구조일 수 있다.
선택된 가열 요소(590) 아래에서 분말 섹션을 노출시키기 위해, 대응하는 차단기 레버(620)는 대응하는 전자석 또는 솔레노이드(600)를 작동시켜 기울어지게 되는데, 상기 전자석 또는 솔레노이드가 차단기 레버(620)의 상부 섹션을 유인한 다. 이것이 도 8b에 도시되어 있다. 선택적 소결 억제 공정에 있어서, 분말층을 유포하고 억제제를 적층한 후에, 소결을 한다. 여기서, 가열기 조립체가 분말층에 걸쳐 이동한다. 컴퓨터 소프트웨어가 컴퓨터 시스템에 존재하는 캐드 디자인에 기초하여 어느 분말 영역이 열에 노출될 것인 가를 결정한다. 가열기가 분말층 위로 통과할 때, 컴퓨터가 제조될 물품에 기초하여 소프트웨어에 의해 정해진 위치에서 솔레노이드를 통해 차단기 레버를 작동시키고 해제시킨다. 또한, 당업자라면 가열기 조립체가 분말 재료로 오염되는 것을 피하기 위해 분말 유포 시에 상승(또는 기울어짐)될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
각 전자석은 비교적 고주파로 작동되고 정지될 수 있고, 이에 따라 좁은 영역이 열에 노출될 수 있기 때문에, 가열기의 이동 경로에 따른 마스킹 방법의 분해능은 매우 미세할 수 있다는 것도 주목하라. 이동 방향에 따른 소결 분해능은 매우 미세할 수 있지만, 이동 경로에 수직하는 방향에 따른 분해능은 사용된 마스킹 요소의 개수에 따라 달라질 것이다. 예를 들어, 32 개의 마스킹 요소를 포함하는 막대의 전면에서 소결되는 8인치(약 20cm) 넓이의 분말층은 이동 방향에 수직하는 방향을 따라 0.25인치(6.35cm)의 소결 분해능을 제공한다.
다른 양태에 있어서, 가열 공기를 제공하는 가열 요소가 개시되어 있다. 지금까지 설명한 방법은 예를 들어 가소성 입자를 용융시키기 위해 방사를 이용하는 것을 설명하였다. 방사에는 ⅰ)가열기 에너지의 적은 부분만을 사용하여 소결하고, 대부분의 에너지는 대류(가열 요소 위로 상승하고 유동하는 가열 공기에 의해)를 통해 소산되며, ⅱ)노출되는 이들 상부 분말 입자의 상면만이 방사된 열을 수용 하고, 층의 나머지 입자들은 이들 상부 입자로부터 전도를 통해 열을 수용한다는 한계가 있다. 비교적 소결이 늦어진다는 것(분말의 불량한 열전도도 때문에) 이외에도, 이러한 문제점은 상부 입자가 하부 입자보다 더 밀집식으로 소결되기 때문에 분말층 변형에 기여하게 된다.
상기 문제점을 완화시키는 해결책으로는 가열 공기로 소결하는 것이다. 유동 속도가 작으면, 고온의 공기는 분말 입자를 날려버리지는 않을 것이다. 예를 들어, 분말층 상부의 입자가 고온의 공기와 접촉함에 따라, 이 입자들은 용융되고 결합되어 하부의 소정의 느슨한 분말이 날아가 버리는 것을 방지하는 다공성 블랭킷(blanket)을 형성한다.
도 9에는 선택적 고온 공기 가열 요소(900)가 도시되어 있다. 공기 호스(910)가 차가운 공기를 저속으로 공기 챔버(920)에 전달하는데, 상기 공기 챔버는 유입 난류 공기를 안정화시킨다. 공기는 전기 가열 요소(930)를 향해 안내된다. 작동 중에, 솔레노이드(940)는 힌지부(955; 여기서는 후크 구조이다)에 위치하는 차단기 레버(950)를 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동시키도록 작동될 수 있다. 차단기 레버(950)가 이동하면 이 차단기 레버(950)에 부착된 차단기(950A)가 이동하게 된다. 무게 균형부는 가열 요소(970)가 분말 표면에 노출되는 것을 저지하는 위치로 차단기 레버(950)와 차단기(950A)를 압박하는 데에 도움을 준다. 차단기 레버(950)는 코일과 철 코아를 이용하여 전기적으로 형성된 자기장과 같은 솔레노이드(940)를 사용하여 작동되는데, 이것이 작동 시에 차단기 레버의 상단부를 끌어당긴다.
도 10a 및 도 10b에는 차단기 레버(950)의 위치에 따라, 고온의 공기가 분말 표면의 아래쪽으로 안내되거나(예를 들어, 도 10b 참조), 또는 분말 표면으로부터 멀어지도록 측방향 상측으로 안내되는 것(예를 들어, 도 10b 참조)이 도시되어 있다. 이러한 구조에 있어서, 공기는 일정하게 유동하고, 이에 따라 가열 요소는 안정된 온도를 유지하게 된다.
도 11a 및 도 11b는 다중 차단기를 구비하는 막대 가열기에 대한 고온 공기 가열기 개념을 구현한 분해 조립도이다. 막대 매니폴드 실시예에서 유입 난류 공기를 안정화시키는 단일 또는 다중 독립 공기 챔버를 포함하는 공기 챔버(920)가 도시되어 있다. 이후, 공기는 전기 가열 요소(930)를 향해 안내된다. 솔레노이드(940)와, 힌지부(955; 여기서는 후크 구조이다)에 위치하는 차단기 레버(950)와, 차단기(950A)와, 무게 균형부(960)와, 가열 요소(970)도 도시되어 있다.
도 1에는 선택적 소결 억제(SIS) 공정(300)의 한 가지 실시예가 도시되어 있다. 이 공정(300)은 박형 분말층을 배치하는 단계와, 소결 억제제를 적층하는 단계와, 선택적 가열 요소를 사용하여 가열함으로써 분말층을 소결하는 단계를 포함하고 있다.
선택적 소결 억제 공정(300)에 있어서, 박형 분말층(312)은 롤러(314)를 사용하여 배치된다. 상기 롤러(314)는 종전의 층 약간 위에서 수평 표면을 통과하고, 분말 재료를 전방으로 수송한다. 이러한 통과 운동은 회전하면서 수행되어, 롤러의 전방면이 상방향으로 이동하게 된다.
소결 억제제의 적층은 잉크젯 프린터 헤드와 같이 정밀한 오리피스를 구비하 는 분출 노즐(322)을 이용하는 것을 포함하고 있다. 노즐(322)을 사용하여 부품의 경계면 상의 분말층의 선택된 영역이 열로 소결되는 것을 방지하는 소결 억제제를 적층시킨다. 소결 억제제 재료를 프린팅 적층한 일반적인 프로파일(324)이 도시되어 있다. 소결 억제제의 다른 타입의 적층을 본 명세서에서 더 자세히 설명한다.
도시되어 있는 실시예에 있어서, 소결 공정은 선택적인 가열 요소(342; 여기서는 막대 가열기로 도시되어 있다)를 사용하여 분말층의 억제되지 않은 영역(344)을 소결하는 것을 포함하고 있다. 가열 요소(342) 특정 영역을 선택적으로 소결하도록 분말층의 특정 영역에 걸쳐 스캐닝된다. 한 가지 실시예에 있어서, 선택적 가열 요소는 분말 영역에 걸쳐 래스터 방식으로 스캐닝되고, 소결을 원하는 영역에서만 열을 방사한다. 다른 양태에 있어서, 아래에 설명하는 바와 같이, 선택적 가열 요소는 복수 개의 개별적인 가열 요소를 포함하고 있는데, 이 각 가열 요소는 원하는 위치에 선택적으로 열을 방사하도록 작동하거나 정지될 수 있다. 따라서, 한 가지 양태에 있어서, 선택적 가열 요소는 복수 개의 개별적인 가열 요소를 포함하는 막대를 포함하고 있다. 이 막대는 분말을 가로질러 이동하여, 복수 개의 개별적인 가열 요소 중 하나 이상을 작동하거나 정지시킴으로써 원하는 영역에서만 소결이 일어난다.
도 12를 참고하면, 모든 층을 소결한 후(1300), 최종 부품(1302)을 추출할 수 있다. 소결되지 않은 분말을 재사용하고, 소결된 초과 재료(1304)를 분쇄하여 분말 재료로 재활용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 소결 억제제를 적층하는 메카니즘은 여러가지 다양한 실 시예를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는, 단열 재료에 의해 소결 억제제는 분말이 결합에 필요한 온도에 도달하는 것이 방지하게 해 준다. 다른 실시예에서는, 입자 표면 간섭은 분말 매트릭스의 틈새 공극을 점거하고 있는 억제제를 제공한다. 또한, 입자 표면 간섭은 결합에 기계적인 장애를 발생시키는 억제제를 제공한다. 기계적인 간섭을 일으키는 억제제는 증발 후에 고체 결정 입자를 남기는 용액(예를 들어, 소금물)일 수 있다. 결정 입자의 성장은 기초 분말 입자를 서로로부터 이격시켜, 소결을 방지한다.
전술한 바와 같이, 선택적 소결 억제에는 선택적 가열 요소를 사용한다. 따라서, 마스킹 판을 사용하는 변형례는 가열 막대를 통과시키는 것을 사용하는 것이기 때문에, 비교적 적은 개수의 분리형 가열 요소로 제조된 방사 패널은 개별적으로 작동하여 분말층의 선택된 영역을 소결시킨다. 다른 실시예는 비교적 높은 속도록 각 층의 원하는 영역을 스캐닝하기에 충분히 넓고, 과도한 분말 소결을 최소화하기에 충분히 작은 포인트 가열기를 사용하는 것을 포함한다.
각 연속적인 층을 소결하는 변형례는 벌크 소결인데, 이 벌크 소결에서는 각 층에의 억제제 도포 후에 부분적으로 소결을 수행하고, 모든 층이 억제제 액체로 처리되면, 제작 탱크 내의 전체 분말 체적이 소결 오븐으로 이송된다. 소결 후에, 부품을 원하지 않는 소결된 섹션으로부터 추출될 수 있다. 오븐으로 이송하기 위한 느슨한 분말 체적을 수용하기 위해, 각 층의 주변부는 고정형 라인 가열기(사각형 또는 원형), 또는 단일 포인트 가열기(스폿 가열기)에 의해 소결될 수 있는데, 상기 가열기는 층 프로파일에 가능한 근접한 프로파일을 사용하여 각 층의 주변부 둘레의 얇은 라인을 소결시킨다. 벌크 소결 변형례의 주요 장점은 a) 기계를 단순화시킨다는 것(어떠한 가열 요소 또는 주변 온도 제어가 필요하지 않기 때문에)과, b)전체 부품을 한 번에 소결하기 때문에 부품의 변형이 최소화된다는 것이다.
본 명세서에서 설명한 선택적 소결 억제 공정에는 많은 장점이 있다. 예를 들어, 선택적 소결 억제에 기초한 장비는 선택적 레이저 소결법의 고전력 레이저 발생기가 저가의 가열 요소로 대체되고 선택적 레이저 소결법의 몇 가지 주변 제어부가 선택적 소결 억제에서는 필요하지 않기 때문에 , 선택적 레이저 소결 기계보다 훨씬 더 저렴하다. 또한, 선택적 소결 억제 공정은 전체층이 신속하고 선택적으로 소결될 수 있기 때문에 빠르다. 제조 부품의 수치 정확도와 표면 품질은 3차원 프린팅법 및 선택적 레이저 소결법에서 보다 더 우수하다. 부품 경계 영역만을 프린팅하기 때문에, 선택적 소결 억제에는 3차원 프린팅법에서 접착을 향상시키기 위해 필요한 결합제 액체의 양보다 소결을 방지하기 위해 더 적은 억제제 액체가 필요하다. 따라서, 분말을 통해 비교적 소량의 액체가 유포된다. 또한, 고해상도(예를 들어, 3000dpi 이상) 잉크젯 프린터가 미세한 분말 입자(예를 들어, 1 내지 5 마이크론)와 함께 사용된다면, 선택적 소결 억제에 의해 현재 선택적 레이저 소결법과 3차원 프린팅법으로 가능한 것보다 더 정밀한 부품을 제조할 수 있게 된다. 오늘날까지 선택적 소결 억제에 의해 제조된 부품은 선택적 레이저 소결법에 의해 제조된 것과 표면 품질에 있어서 이미 비교할만하고, 3차원 프린팅법에 의해 제조된 것보다 우수할 것이다. 또한, 부품의 마무리 후처리를 수행하여 색채 안료를 부품 표면에 영구 결합시키면, 다양한 색채의 억제제 인자가 적층되는 경우 선택적 소결 억제에 의해 다중 색채 부품의 제조가 가능하게 된다.
선택적 레이저 소결 공정에 대한 선택적 소결 억제 공정의 장점은 고전력 레이저 발생기가 방사열 또는 가열 공기를 포함하는 저가의 선택적 가열 요소로 대체되기 때문에, 선택적 소결 억제에 기초하는 장치가 균등한 선택적 레이저 소결 장치보다 더 저렴하게 된다.
본 발명의 다수의 실시예를 설명하였다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 보호 범위 및 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 한 다양한 변형을 가할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 다른 실시예들은 이하의 청구항의 보호 범위 내에 있다.

Claims (31)

  1. 가열에 의해 결합 형태로 변화되는 타입의 분말 재료층을 제공하는 단계와;
    결합을 촉진시키기 위하여 영역의 일부를 선택적으로 가열함으로써 상기 분말 재료층의 영역을 선택적으로 결합시키는 단계와;
    상기 결합에 의해 원하는 3차원 물체가 형성될 때까지 상기 제공 단계와 선택적인 결합 단계를 반복하는 단계
    를 포함하고,
    상기 결합 단계는 방사 가열 요소(radiating heat element)를 사용하여 선택 지점을 가열하는 단계를 포함하며,
    상기 방사 가열 요소는 개별적으로 제어할 수 있는 복수의 가열 요소들을 가지는 막대 가열 요소(bar heat element)를 포함하고,
    상기 개별적인 가열 요소들의 각각은 차단기(shutter)를 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 3차원 물체의 횡단면 구조에 따라 결합 억제제를 수용하는 영역을 선택하는 단계와;
    상기 선택적인 결합 단계에 이전에 상기 분말 재료층의 선택된 영역에 결합 억제제를 선택적으로 적층하는 단계
    를 더 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 결합 억제제를 적층하는 단계는 소결 억제제를 적층하는 단계를 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 소결 억제제를 적층하는 단계는 정밀한 오리피스를 구비하는 분출 노즐을 이용하는 것을 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분출 노즐은 잉크젯 프린터 헤드를 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 결합 단계는 분말 재료층의 억제되지 않은 영역을 소결시키는 단계를 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 소결 단계는 방사 가열 요소를 사용하여 선택된 위치에서 가열하는 단계를 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 방사 가열 요소는 가열 요소로부터의 열이 분말층과 접촉하는 것을 선택적으로 방지하도록 이동 가능한 차단기를 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 방사 가열 요소는 복수 개의 개별적인 제어가능한 가열 요소를 구비하는 막대 가열 요소를 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 각 개별적인 가열 요소는 차단기를 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서, 제조되는 물품의 3차원 구조에 기초하여 차단기의 작동을 제어하도록 컴퓨터를 이용하는 단계를 더 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 막대 가열 요소는 석영 가열기 튜브를 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  13. 제6항에 있어서, 상기 소결 단계는 고온 공기 가열 요소를 사용하여 선택된 위치에서 가열하는 단계를 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 고온 공기 가열 요소는 고온 공기를 분말층으로부터 멀어지게 편향시킬 수 있는 차단기를 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 고온 공기 가열 요소는 복수 개의 개별적인 고온 공기 가열 요소를 구비하는 막대 가열 요소를 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 각 개별적인 고온 공기 가열 요소는 차단기를 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  17. 제14항에 있어서, 컴퓨터가 제조될 물품의 3차원 구조에 기초하여 차단기의 작동을 제어하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 3차원 물체의 횡단면 구조에 따라 각 층의 고온 공기 가열 요소의 위치를 조정하는 단계를 더 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 분말층의 선택된 영역이 소결되도록 고온 공기 가열 요소를 개별적으로 작동시키는 단계를 더 포함하는 것인 3차원 물체 제조 방법.
  20. 공기 매니폴드와;
    상기 공기 매니폴드와 유체 연통하고, 가열 공기를 생성시키며, 상기 공기 매니폴드를 매개로 하여 가열 공기를 공급하는 가열 요소와;
    액츄에이터와;
    상기 액츄에이터에 인접한 제1 단부와, 말단부를 포함하는 차단기 레버와;
    상기 차단기 레버의 말단부에 위치하는 차단기
    를 포함하고, 상기 액츄에이터는 차단기 레버를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시켜 차단기를 말단부에서 이동시킬 수 있고, 상기 차단기는 가열 요소 및 공기와 유체 연통하여 차단기가 이동하면 공기 이동이 편향되는 것인 3차원 물체 제조용 선택적 가열 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 공기 매니폴드는 입구 포트를 더 포함하는 것인 3차원 물체 제조용 선택적 가열 장치.
  22. 제20항에 있어서, 상기 액츄에이터는 솔레노이드인 것인 3차원 물체 제조용 선택적 가열 장치.
  23. 제20항에 있어서, 상기 액츄에이터는 자기 코일인 것인 3차원 물체 제조용 선택적 가열 장치.
  24. 제21항에 있어서, 상기 차단기 레버는 금속인 것인 3차원 물체 제조용 선택적 가열 장치.
  25. 제20항의 복수 개의 선택적 고온 공기 가열 요소를 포함하는 고온 공기 가열 막대 매니폴드.
  26. 방열 요소와;
    액츄에이터와;
    상기 액츄에이터에 인접한 제1 단부와, 말단부를 포함하는 차단기 레버와;
    상기 차단기 레버의 말단부에 위치하는 차단기
    를 가지는 복수의 가열 유닛을 포함하고,
    상기 액츄에이터는 차단기 레버를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시켜 차단기를 말단부에서 이동시킬 수 있고, 이러한 차단기의 이동으로 인해 열의 편향이 야기되며, 이로 인하여 각각의 가열 유닛은 독립적으로 작동되는 것인 3차원 물체 제조용 선택적 가열 장치.
  27. 제26항에 있어서, 상기 액츄에이터는 솔레노이드인 것인 3차원 물체 제조용 선택적 가열 장치.
  28. 제26항에 있어서, 상기 액츄에이터는 자기 코일인 것인 3차원 물체 제조용 선택적 가열 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 차단기 레버는 금속인 것인 3차원 물체 제조용 선택적 가열 장치.
  30. 제26항에 있어서, 상기 가열 요소는 전기 필라멘트와, 가스 버너와, 적외선 가열기로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 3차원 물체 제조용 선택적 가열 장치.
  31. 제26항의 복수 개의 선택적 가열 요소를 포함하는 방사 가열 막대 매니폴드.
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