KR101307509B1 - 분말 도포 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 3차원 물체를 제조하는 장치에 있어서 작업 영역(3) 위에 분말을 공급하고 분포시키는 분말 도포 장치(1)로서, 공급분말(2)을 내장하도록 구성된 분말 저장 유닛(11)을 포함하며 또한 분말의 일부가 작업 영역(3) 상에 분포되도록 작업 영역을 가로질러서 이동할 수 있도록 배치된 분배 부재(6)도 포함하고 있는 분말 도포 장치에 관한 것이다. 본 발명에 있어서는, 상기 분배 부재(6)가 제1 단계에서는 분말 저장 유닛(11) 안에 배치된 공급분말(2) 안으로 사전에 결정된 거리만큼 이동할 수 있도록 배치되고, 상기 거리는 분말의 일부를 분배 부재의 일 측에 있는 공급분말(2)로부터 분배 부재(6)의 작업 영역(3)과 대면하는 다른 측으로 운반하는 것이 이루어지게 하기에 충분히 길고, 상기 분배 부재(6)가 제2 단계에서는 상기 일부 분말을 작업 영역(3) 위에 분포시킬 수 있도록 작업 영역(3)을 향하여 그리고 그 작업 영역(3)을 가로질러서 이동할 수 있도록 배치된 것을 특징으로 한다.
분말, 분배, 균일, 본포, 3차원 물체, 층

Description

분말 도포 장치{POWDER APPLICATION SYSTEM}
본 발명은 전자기 방사 또는 전자 빔을 조사받음으로써 고화되는 분말상 재료를 이용하여 3차원 물체를 층층이 쌓아 형성시키는 장치에 있어서 작업 영역 위에 분말을 공급하고 분포시키는 분말 도포 장치(powder application system)에 관한 것이다.
전자기 방사(electromagnetic radiation) 또는 전자 빔(electron beam)을 조사받음으로써 고화되는 분말상 재료를 이용하여 3차원 물체를 층층이 형성시키는 설비는 미국 특허 제4,863,538호 및 제5,647,931호와 스웨덴 특허 SE524467호에 의해 공지되어 있다. 이들 설비는 일례로 공급분말과, 작업 영역(working area) 위에 분말 층을 도포하는 수단과, 상기 작업 영역 위에 빔을 보내는 수단을 포함한다. 분말은 빔이 작업 영역 위를 이동함에 따라 소결되거나 용융되고서 고화된다. 제품 품질 상의 이유로 인해 분말을 작업 영역 위에 균일하게 분포시키는 것이 중요하며 또한 층 두께를 잘 한정해서 사전에 결정된 값에 대응하게 하는 것이 중요하다. 더욱이, 제조율을 가능한 한 높게 유지하기 위해서는 층을 신속하게 도포시키는 것이 유리하다.
종래의 분말 도포 수단은 일반적으로 공급 부재와 분배 부재를 구비하는데, 여기서 전자의 것은 특정 양의 분말을 공급분말로부터 분배 부재로 운반하고 결국에는 분말을 작업 영역 위에 분포시킨다.
분말 도포 수단이 작동하는 조건은, 온도가 높고, 분말 입자가 구멍 및 슬릿 안으로 그 경로를 찾아들어 가버리고, 증발된 분말 재료가 응축되고 코팅을 형성하는 등과 같이, 험하다. 이러한 것은 축, 힌지 및 다른 가동 부품, 특히 공급 부재가 정지되어 기계적 기능을 악화시킨다는 점에서 여러 문제점들을 야기한다. 생산 중지 외에도, 정확한 양의 분말을 분배 부재에 공급하는 데 있어서도 문제점들을 야기하고, 이는 결국 불균일한 분말 분포를 야기한다.
본 발명의 목적은 3차원 물체를 제조하는 설비용의 향상된 분말 도포(powder application)을 제공하는 것이다. 이러한 본 발명의 목적은 특허청구범위 제1항, 제8항 및 제9항 각각에 포함된 기술적 특징들에 의해 달성된다. 종속 청구항들은 본 발명의 유리한 실시예들과 추가적인 발전 사항과 변형 실시예들을 포함한다.
본 발명은, 3차원 물체를 제조하는 장치에 있어서 작업 영역 위에 분말을 공급하고 분포시키는 분말 도포 장치로서, 공급분말을 내장하도록 구성된 분말 저장 유닛을 포함하며 또한 분말의 일부가 작업 영역 상에 분포되도록 작업 영역을 가로질러서 이동할 수 있도록 배치된 분배 부재도 포함하고 있는 분말 도포 장치에 관한 것이다. 본 발명에 있어서는, 상기 분배 부재가 제1 단계에서는 분말 저장 유닛 안에 배치된 공급분말 안으로 사전에 결정된 거리만큼 이동할 수 있도록 배치되고, 상기 거리는, 분말의 일부를, 분배 부재의 일 측에 있는 공급분말로부터, 분배 부재의 작업 영역과 대면하는 다른 측으로, 운반하는 것이 이루어지도록 하기에 충분히 길고, 상기 분배 부재가 제2 단계에서는 상기 일부 분말을 작업 영역 위에 분포시킬 수 있도록 작업 영역을 향하여 그리고 그 작업 영역을 가로질러서 이동할 수 있도록 배치된 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 따른 분배 부재는 공급 부재와 분배 부재 모두로서 작동하고, 이에 따라 분말을 분배 부재로 공급하기 위한 추가의 가동(可動) 부재가 필요 없게 된다. 본 발명의 이와 같은 구성에 따른 유리한 효과는 분말 도포 장치를 종래의 장치에 비해 기계적으로 더 간단하게 하며 더 신뢰성 있게 한다는 점이다.
본 발명의 제1 양호한 실시예에서, 분말 저장 유닛은 이 분말 저장 유닛 내에 있는 공급분말이 작업 영역과 대면하는 공급분말 쪽에 안식각(angle of repose)를 형성할 수 있게 개방식으로 배치된다. 이와 같은 공급분말은 통일된 방식으로 재형성할 수 있는 양호하게 한정된 형상을 제공하므로, 본 발명에 있어서의 구성에 의하면, 분배 부재의 운동만을 제어함으로써, 즉 분배 부재가 분말 저장 유닛 안으로 이동하고 그에 따라 공급분말 안으로 이동하게 되는 거리를 설정함으로써 양호하게 한정된 크기의 분말 부분을 얻는 것이 가능해진다. 이는 정확한 양의 분말을 분배 부재에 간단하고 신뢰성 있는 방식으로 공급하는 것이다.
본 발명은 또한 전자기 방사 또는 전자 빔을 조사받음으로써 고화되는 분말상 재료를 이용하여 3차원 물체를 층층이 형성시키는 장치에 있어서 상기 본 발명의 분말 도포 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 3차원 물체를 제조하는 장치에 있어서 작업 영역 위에 분말을 도포하는 방법으로서, 공급분말로부터 분말의 일부를 분배 부재로 운반시키는 단계와, 상기 일부 분말이 작업 영역 상으로 분배될 수 있도록 분배 부재를 작업 영역을 가로질러서 이동시키는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 있어서는, 분말의 일부를, 분배 부재의 일 측에 있는 공급분말로부터, 분배 부재의 작업 영역과 대면하는 다른 측으로, 운반하는 것이 이루어질 수 있도록 분배 부재를 사전에 설정된 길이만큼 공급분말 안으로 이동시키는 제1 단계와, 상기 일부 분말을 작업 영역 위에 분포시킬 수 있도록 분배 부재를 작업 영역을 향하여 그리고 그 작업 영역을 가로질러서 이동시키는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 설명함에 있어서는 다음과 같은 도면의 도면 부호를 참조한다.
도 1은 본 발명의 제1 양호한 실시예의 개략적 사시도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제1 양호한 실시예의 기능을 보이는 개략적인 사시 단면도이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1 양호한 실시예의 구성 요소 및 기능을 나타내고 있다. 이들 도면에 도시된 바와 같이 분말 도포 장치(1)는 실질적으로 평탄한 작업 테이블(5) 상에 배치되어 있고, 작업 테이블(5)의 절결부에 끼워맞춤되는 수직 방향으로 조정 가능한 플랫폼(4)의 상부에 위치된 작업 영역(3)의 양 측면 상에 대칭되게 배치되어 있는 2개의 분말 저장 유닛(11)을 포함한다. 분말 저장 유닛(11) 각각은 공급분말(2, 도 2 참조)을 수용하도록 구성되어 있다. 삼각형 단면을 갖는 갈퀴(rake) 형태의 분배 부재(6)는 작업 영역(3)을 따라서 연장되며, 이 연장 방향에 수직한 방향으로 작업 영역(3)을 가로질러서 이동 가능하도록 가이드(도시되지 않음)에 의해 배치되어 있다.
방사 공급원(radiation source)(도시되지 않음)은 작업 영역(3) 위에서 소정 거리로 바람직하게 배치되고, 상기 작업 영역(3)은 분말을 고화시키는 데 사용되는 전자기 방사 또는 전자 빔을 위한 표적 영역으로 작용한다.
분말 저장 유닛(11) 각각은 이들에 대응하는 공급분말(2)과 함께 갈퀴(6)에 실질적으로 평행한 방향으로 작업 영역(3)의 일 측을 따라서 연장된다. 벽(8a, 8b)은 단부 벽(도시되지 않음)들과 함께 분말 저장 유닛(11) 부분을 한정하며 공급분말을 제 위치에 유지시킨다. 분말 저장 유닛(11)은 작업 영역(3) 끝에서 대면하는 벽(8a)들을 작업 테이블(5) 위에 일정 거리를 두고 놓음으로써 개방식으로 배치된다. 이에 따른 효과는, 공급분말(2)의 일부가 작업 영역(3)에 대면하는 공급분말(2)의 측면 상에 안식각 α를 자유롭게 형성한다는 점이다. 공급분말(2)의 이러한 부분은 도 2a에 점선으로 표시하여 도면 부호 2b로 표기하였다. 분말 저장 유닛(11)은 위에서부터 충전 또는 재충전된다. 분말로 충전된 분말 저장 유닛(11)은 도 2a 내지 도 2d에 도시되었다.
이하에서는 분말 도포 시스템(1)의 기능에 대하여 설명한다. 도 2a 내지 도 2d는 3차원 물체의 제조와 관련한 초기 상태를 나타내는 것으로, 다시 말하자면 플랫폼(4)이 작업 영역(3) 상에 제1 분말 층의 도포를 용이하게 하기 위하여 작업 테이블(5)의 높이보다 약간 아래의 위치까지 조정된 상태를 나타내는 것이다. 도 2a는 공급분말(2)을 향하여 우측으로 움직이는 중인 제1 위치에 있는 갈퀴(6)를 도시하고 있다. 도 2b에서, 갈퀴(6)는 공급분말(2) 안으로 사전 결정된 거리만큼, 즉 분말 저장 유닛(11) 안으로 사정 결정된 거리 만큼인 제2 위치에 도달하였다. 이 위치에서 분말의 특정 부분은 중력에 의해 갈퀴 위에서 공급분말(2)로부터 갈퀴의 작업 영역(3)에 대면하는 측까지 유동하였다. 도 2c는 도 2와 유사한 위치에 있는 갈퀴(6)를 도시하고 있지만 이 경우에 있어서 갈퀴(6)는 상기 분말 부분을 작업 영역(3)을 향하여서 좌측으로 밀어내는 운동 중에 있다. 도 2d에서 갈퀴(6)는 이제 제1 분말 층이 위에 도포되어 있는 작업 영역(3)을 가로질러 통과한 후의 제4 위치에 있다. 이 지점에서 상기 제1 분말 층은 조사 수단에 의해 고화될 수 있다.
바람직하기로는, 갈퀴(6)에는 갈퀴(6)의 하측을 따라서 연장되며 갈퀴(6)가 작업 영역을 가로질러 이동할 때에는 그 작업 영역(3) 위를 약간 가압하게 되는 적어도 하나의 가요성 스트립(도시되지 않음)이 구비된다. 상기 가요성 스트립은 균일한 층(10)을 얻는 것을 더 용이하게 한다. 더욱이, 이러한 특징에 의하면 분말 작용 장치(1)는 일례로 소결 표면의 불균일성에 의해 야기되는 이른바 작업 영역(3)과 갈퀴(6)의 하측 사이의 거리의 변동에 덜 민감하게 된다. 상기 스트립은 예를 들면 박금속판으로 형성될 수 있다.
또한, 분말 도포 장치(1)는 덩어리진 분말 입자나 혹은 과잉 분말과 같은 불순물들을 작업 테이블(5)로부터 제거할 수 있게 열 수 있는 플랩 도어(flap door)(9)를 포함한다. 상기 플랩 도어(9)는 필요시에 손으로 열 수 있고, 특정 간격으로 자동으로 열리게 제어될 수도 있다.
분배 부재(6) 위에서 유동하는 분말의 양, 즉 작업 영역(3) 상에 도포되는 분말 부분의 크기는 일반적으로는 분배 부재(6)가 공급분말(2) 안으로 얼마나 많이 이동하는지와, 분배 부재(6)의 그 속도, 형상 및 표면 특성과, 분말 저장 유닛(11)의 디자인과, 분말의 종류에 따라 달라진다. 분말의 종류는 분말의 유동 특성에 영향을 미치는 것으로, 상기 분말의 유동 특성은 안식각 α의 크기와 분배 부재(6) 위에서 실제로 유동하는 분말의 양 모두에 영향을 미친다.
본 명세서에서의 표현 형식과 관련하여, 안식각(angle of repose)라 함은, 공급분말(2)의 경계, 적어도 특정 영역(2b)에서의 공급분말(2)의 경계는 분말이 해당 분말의 내부 마찰에 일반적으로 의존하는 형상을 형성할 수 있도록 한 것을 의미한다. 분말 저장 유닛(11)을 적어도 부분적으로 개방식으로 배치함으로써 분말이 위와 같은 안식각를 형성할 수 있게 된다. 가장 간단한 형태로는, 분말 저장 유닛(11)은 공급분말(2)이 위치될 수 있는 바로 그 영역이다. 그러나 공급분말(2)이 제 위치에 유지되게 하고 공급분말의 재충전 및 안식각의 재형성을 용이하게 하기 위해서는, 분말 저장 유닛(11)은 벽(8a, 8b)과 같은 제한 부재들을 포함하는 것이 바람직하다.
안식각 α는 재료의 종류, 분배 크기 및 입자 형성과 같은 분말의 특성에 따라 달라진다. 안식각 α를 형성하는 공급분말(2)의 부분(2b)의 형상 및 위치와, 가능하기로는 그 안식각 α 자체는, 상기 벽(8a, 8b)들 사이의 거리를 변화시킴으로써 그리고/또는 작업 테이블(5)과 작업 영역(3)에 대면하는 벽(8a)과의 사이의 거리를 변화시킴으로써 분말 저장 유닛(11)의 디자인을 변경시키는 것에 영향을 받을 수 있다.
각 층에서 소요되는 분말의 양, 즉 작업 영역(3) 상에 도포되는 분말 부분의 소요 크기는 제조할 물체의 크기에 따라 달라진다. 분말의 일부의 적절한 크기를 결정하기 위한 한 가지 방안은, 주어진 분말 및 주어진 분배 부재에 대하여 몇 가지 시험들을 행하는 것인데, 이 시험들은 벽(8a)의 높이를 변화시킴으로써 공급분말(2)의 위치를 조정하면서 그리고/또는 플랫폼(4)과 분배 부재(6)의 단부 위치(도 2b 참조)와의 사이의 거리를 조정하면서 행해지는데, 상기 단부 위치는 분배 부재(6)가 공급분말(2) 안으로 이동해 간 거리와 관련된 것이다. 다른 종류의 분말이 사용되는 경우에는, 이와 같은 간단한 시험 절차가 반복된다.
분말 부분의 크기는 너무 작지 않아야 하는 것이 중요한데, 그 이유는 크기가 너무 작으면 층 두께가 불균일해지기 때문이다. 본 발명에 따른 분말 도포 장치(1)는 너무 큰 분말 부분에 대해서도 비교적 덜 민감하기는 하지만, 다른 한편으로는 분말 부분이 더욱 더 너무 큰 경우에는 균일한 층을 도포하는 데에 어려움이 따를 것이다. 바람직하기로는, 소요되는 것보다 약간 많은 분말의 양은 매번 선정된다. (i) 본 발명의 분말 도포 장치는 단지 하나의 가동 부재, 즉 분배 부재(6)만을 포함하고 있고, (ii) 이러한 가동 부재는 완전하게 제어하는 것이 비교적 용이하고, (iii) 안식각 α를 형성하는 공급분말(2)의 형상은 일관된 방식으로 재형성되기 때문에, 본 발명에 따른 분말 도포 장치(1)는 매번 동일한 크기에 아주 근접한 분말 부분을 선정할 수 있다.
본 발명에 따른 분말 도포 장치는 여러 가지 금속, 플라스틱, 세라믹, 또는 다른 분말상 재료들에 잘 맞는다. 본 명세서에서 사용하는 용어인 분말은 이와 같은 맥락에서 분말 내에 존재하는 입자들의 크기 또는 분포 크기와 관련하여 넓게 해석되어야 한다. 본 발명의 분말 도포 시스템은 대부분의 입자 크기 분포에 적용될 수 있는데, 통상적인 입자 크기는 대략 10 내지 100 ㎛이지만, 크기가 이러한 범위보다 적어도 한 단위 수가 작거나 혹은 클 수도 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 양호한 실시예에서의 분배 부재(6)의 단면은 삼각형이다. 그러나 여러 가지의 단면 형상도 가능하다. 일반적으로, 공급분말(2)에 대면하는 측은 공급분말(2) 안으로 이동하기에 적합하도록 구성되어야 하고, 작업 영역(3)에 대면하는 측은 분말을 밀어내고 분포시키기에 적합하도록 구성되어야 하고, 상부측은 분배 부재(6)가 도 2b에 대응하는 위치에 있을 때에 분말을 한 측에서 다른 측으로 운반하기에 적합하도록 구성되어야 한다. 일례로, 분배 부재(6)에는, 분말을 공급분말(2)로부터 분배 부재(6)의 다른 측으로 운반하는 중에는 분말이 전체 분배 부재(6)위를 필연적으로 지나가지 않도록, 분배 부재(6)를 통하여 한 측에서 다른 측까지 연장하는 하나 또는 다수의 분말 통로가 마련될 수 있다. 앞에서 설명한 실시예에서와 같이 2개의 공급분말(2)이 사용되는 경우, 분배 부재(6)는 대칭인 것이 바람직하다. 그러나 두 가지의 다른 종류의 분말이 사용되는 경우, 즉 공급분말(2) 각각에 한 종류씩의 분말이 사용되는 경우에는, 분배 부재(6)는 비대칭으로 할 수도 있다. 삼각형 단면은 일례로 사각형 단면의 경우와는 달리 단지 적은 양의 분말만이 분배 부재(6)의 상부에 머무른다는 점에서 바람직하다.
바람직하기로는, 분배 부재(6)는, 예를 들면, 분말상 재료를 조사하는 데 사용되는 빔과, 플랫폼(4)의 수직 위치를 제어하기도 할 수 있도록 적절히 구성된 제어 유닛(도시되지 않음)에 의해 제어된다.
본 발명은 이상에서 설명한 실시예에 제한되지 않고, 특허청구범위의 범위 내에서 다수의 수정을 할 수 있다. 일례로, 2개의 분배 부재(6)가 작업 영역(3)을 가로질러서 서로 실질적으로 수직하게 한번에 하나씩 이동할 수 있도록 해서, 공급분말(2)과 분배 부재(6)를 2세트로 구성하여 사용할 수도 있다.

Claims (12)

  1. 3차원 물체를 제조하는 장치에 있어서 작업 영역(3) 위에 분말을 공급하고 분포시키는 분말 도포 장치(1)로서, 공급분말(2)을 내장하도록 구성된 분말 저장 유닛(11)을 포함하며 또한 분말의 일부가 작업 영역(3) 상에 분포되도록 작업 영역을 가로질러서 이동할 수 있도록 배치된 분배 부재(6)도 포함하고 있는 분말 도포 장치에 있어서,
    상기 분배 부재(6)가 제1 단계에서는 분말 저장 유닛(11) 안에 배치된 공급분말(2) 안으로 사전에 결정된 거리만큼 이동할 수 있도록 배치되고, 상기 거리는, 분말의 일부를, 분배 부재의 일 측에 있는 공급분말(2)로부터, 분배 부재(6)의 작업 영역(3)과 대면하는 다른 측으로, 운반하는 것이 이루어지도록 하기에 충분히 길고,
    상기 분배 부재(6)가 제2 단계에서는 상기 일부 분말을 작업 영역(3) 위에 분포시킬 수 있도록 작업 영역(3)을 향하여 그리고 그 작업 영역(3)을 가로질러서 이동할 수 있도록 배치된 것을 특징으로 하는 분말 도포 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분말 저장 유닛(11)은, 이 분말 저장 유닛(11) 내에 있는 분말이 공급분말(2)의 작업 영역(3)과 대면하는 측(2b)에 안식각(α)를 형성할 수 있도록 한 개방식으로 배치된 것을 특징으로 하는 분말 도포 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 분말 저장 유닛(11)은 상기 작업 영역(3)의 일 측을 따라서 연장된 것을 특징으로 하는 분말 도포 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 분배 부재(6)는 상기 분말 저장 유닛(11)에 실질적으로 평행하게 연장된 것을 특징으로 하는 분말 도포 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 작업 영역(3)은 수직 방향으로 조정 가능한 플랫폼(4)인 것을 특징으로 하는 분말 도포 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 작업 영역(3)의 양 측에 위치된 2개의 분말 저장 유닛(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 도포 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 분배 부재(6)는 삼각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 분말 도포 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 분말 도포 장치(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전자기 방사 또는 전자 빔을 조사받음으로써 고화되는 분말상 재료를 이용하여 3차원 물체를 층층이 형성시키는 장치.
  9. 공급분말(2)로부터 분말의 일부를 분배 부재(6)로 운반시키는 단계와, 상기 일부 분말이 작업 영역(3) 상으로 분배될 수 있도록 분배 부재(6)를 작업 영역(3)을 가로질러서 이동시키는 단계를 포함하는, 3차원 물체를 제조하는 장치에 있어서 작업 영역(3) 위에 분말을 도포하는 분말 도포 방법에 있어서,
    분말의 일부를, 분배 부재(6)의 일 측에 있는 공급분말(2)로부터, 분배 부재(6)의 작업 영역(3)과 대면하는 다른 측으로, 운반하는 것이 이루어질 수 있도록 분배 부재(6)를 사전에 설정된 길이만큼 공급분말(2) 안으로 이동시키는 제1 단계와,
    상기 일부 분말을 작업 영역(3) 위에 분포시킬 수 있도록 분배 부재(6)를 작업 영역(3)을 향하여 그리고 그 작업 영역(3)을 가로질러서 이동시키는 제2 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 도포 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 공급분말(2)은, 분말이 공급분말(2)의 작업 영역(3)과 대면하는 측에 안식각(α)을 형성할 수 있도록, 개방식으로 배치된 것을 특징으로 하는 분말 도포 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 공급분말(2)은 상기 작업 영역(3)의 일 측을 따라서 연장된 것을 특징으로 하는 분말 도포 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 분배 부재(6)는 상기 공급분말(2)에 실질적으로 평행하게 연장된 것을 특징으로 하는 분말 도포 방법.
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