KR101984142B1 - 임의 형상 제작에 의해 금속 물품들을 제조하기 위한 방법 및 배열체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 임의 형상 제작(solid freeform fabrication)에 의해 물품들, 특히 티타늄 및 티타늄 합금 물품들을 제조하는 방법 및 배열체에 관한 것으로, 적층률이 와이어 형태의 금속 공급물 재료를 공급하고 2 개의 가스 전달식 아크들, 베이스 재료 상에 적층 영역을 가열하기 위한 하나의 플라즈마 전달식 아크 및 공급물 와이어를 가열 및 용융하기 위한 하나의 플라즈마 전달식 아크를 적용함으로써 증가된다.

Description

임의 형상 제작에 의해 금속 물품들을 제조하기 위한 방법 및 배열체 {METHOD AND ARRANGEMENT FOR BUILDING METALLIC OBJECTS BY SOLID FREEDOM FABRICATION}

본 발명은 임의 형상 제작(solid freeform fabrication)에 의해 물품들, 특히 티타늄 및 티타늄 합금 물품들을 제조하기 위한 방법 및 배열체에 관한 것이다.

배경기술

티타늄 또는 티타늄 합금들로 제조된 구조화 금속 부분들은 종래에는 빌렛(billet)으로부터 주조(casting), 단조(forging) 또는 기계가공(machining)에 의해 제조된다. 이러한 기술들은 고가의 티타늄 금속의 고급(high) 재료 사용 및 제작시 많은 리드 타임(lead time)들의 단점을 가진다.

충분히 밀집된(dense) 물리적 물품들은 쾌속 조형(rapid prototyping), 쾌속 제조(rapid manufacturing), 계층적 제조(layered manufacturing) 또는 적층식 제작(additive fabrication)으로서 공지된 제조 기술에 의해 제조될 수 있다. 이러한 기술은 제조되는 물품의 가상 모델을 1차적으로 구성하기 위해 컴퓨터 보조 설계 소프트웨어(CAD)를 적용하고, 이어서 가상 모델을 보통 수평방향으로 배향된, 얇고 평행한 조각들 또는 층들로 변환(transform)한다. 이 물리적 물품은 이어서 전체 물품이 형성될 때까지 가상 층들의 형상과 유사한 액체 페이스트, 분말 또는 시트 재료의 형태의 원료의 연속 층들을 배치함으로써(lay down) 제조될 수 있다. 층들은 함께 융합(fuse)되어 고체 밀집 물품을 형성한다. 서로 융합되거나 용접되는 고체 재료들의 적층(depositing)의 경우, 이 기술은 또한 임의 형상 제작으로서 지칭된다.

임의 형상 제작은 각각의 물품에 대해 통상적으로 소정의 시간으로부터 몇 일(several days)로 변화하는, 비교적 빠른 생산율들로 대부분의 임의의 형상의 물품들의 생성을 허용하는 유연한 기술이다. 이 기술은 따라서 원형(prototype) 및 소규모 생산 연속물들의 형성에 적합하지만, 대규모 생산에는 적합하지 않다.

종래 기술

계층적 제작 기술은 구조 재료의 피스들의 적층을 포함하도록 확대될 수 있는데, 즉 물품의 가상 모델의 각각의 구조적 층이 나란히(side by side) 놓여질 때 층을 형성하는 한 세트의 피스들로 분할된다. 이는 물품의 가상 계층적 모델에 따라 각각의 층을 형성하는 연속 스트립들 내의 기면(substrate) 상으로 와이어를 용접하고 전체 물리적 물품이 성형될 때까지 각각의 층에 대해 상기 공정을 반복함으로써 성형 금속 물품들을 허용한다. 용접 기술의 정밀도는 수용가능한 치수들로 물품을 직접 성형하는 것을 허용하기에는 보통 너무 조악(coarse)하다. 따라서, 성형된 물품은 보통 수용가능한 치수적 정밀도로 기계가공되는 것이 요구되는 미가공 물품(green object) 또는 예비-성형품(pre-form)이 고려될 것이다.

타민저(Taminger) 및 하플리(Hafley)[1]는 전자 비임 자유형상 제작(electron beam freeform fabrication: EBF)과 조합된 컴퓨터 보조 설계 데이터로부터 직접 구조적 금속 부분들을 제조하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 구조적 부분은 전자 비임에 의해 제공된 열 에너지에 의해 용접되는 금속 용접 와이어의 연속 층들 상에 용접됨으로써 제조된다. 이 프로세스는 [1]의 도 1의 팩시밀리인, 도 1에 개략적으로 도시된다. EBF 프로세스는 고 진공 환경 내에서 집속된(focused) 전자 비임에 의해 제조되어 유지되는 융용 풀(molten pool) 내로 금속 와이어를 공급하는 것을 포함한다. 전자 비임 및 용접 와이어의 위치설정은 전자 비임 건(electron beam gun) 및 하나 또는 그 초과의 축선(X, Y, Z 및 회전)을 따라 가동식으로 힌지결합된 위치설정 시스템(지지 기면(support substrate))을 가짐으로써 얻어지고 4축 운동 제어 시스템에 의해 지지 기면과 전자 비임 건의 위치를 조절한다. 이 프로세스는 재료 사용에 거의 100% 효율 및 파워 소모에 95% 효율이 되는 것을 주장한다. 상기 방법은 벌크 금속 적층 및 더 미세하고 세밀한 적층들 모두를 위해 적용될 수 있으며, 상기 방법은 금속 부분들을 기계 가공하는 종래의 접근에 비해 리드 시간 감소 및 하급(lower) 재료 및 기계가공의 비용들 상의 상당한 효과를 얻기 위해 주장된다. 전자 비임 기술은 적층 챔버 내에서 10-1 Pa 또는 그 미만의 높은 진공에 의존하게 되는 단점을 가진다.

금속 재료들을 용접하기 위한 열을 제공하도록 플라즈마 아크를 사용하는 것이 공지되어 있다. 이 방법은 대기압 또는 이보다 높은 압력으로 적용될 수 있으며, 이에 따라 더 단순하고 더 저렴한 프로세스 장비를 허용한다. 이러한 하나의 방법은, 플라즈마 전달식 아크가 비소모성 텅스텐 전극 및 용접 영역 사이에 형성되는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW, 또한 TIG이라 함)으로서 공지되어 있다. 플라즈마 아크는 아크 둘레에 보호 커버를 형성하는 플라즈마 토치를 통해 공급되는 가스에 의해 통상적으로 보호된다. TIG 용접은 필러 재료로서 플라즈마 아크 또는 용융 풀 내로 금속 와이어 또는 금속 분말을 공급하는 것을 포함할 수 있다.

US 2010/0193480로부터, 임의 형상 제작(solid free-form fabrication, SFFF)에 의해 물품을 제작하기 위해서 TIG-용접 토치를 적용하는 것이 공지되어 있으며, 여기서 낮은 연성(ductility)을 갖는 금속 공급물스톡 재료의 연속 층들이 기면 상에 도포된다. 플라즈마 스트림은 아크 전극을 사용하여 유동 가스를 에너자이징(energizing)함으로써 생성되며, 아크 전극은 거기에 공급되는 가변 크기 전류를 갖는다. 플라즈마 스트림은, 적층 이전에 미리 정해진 목표 구역을 예열시키도록 미리 정해진 목표 구역으로 지향된다. 전류가 조절되고, 공급물스톡 재료는 미리 정해진 목표 구역에서 용융 공급물스톡을 적층시키기 위해서 플라즈마 스트림 내로 도입된다. 전류가 조절되고, 용융 공급물스톡은, 재료 응력들의 발생을 최소화시키기 위해서 냉각 단계에서 상승된 온도, 통상적으로 공급물스톡 재료의 취성으로부터 연성으로의 전이 온도를 초과하는 상승된 온도로 서냉된다(slowly cooled).

다른 예시는, US 2006/185473호이며, 이는 매우 고가의 레이저 대신 TIG 토치가 통상적으로 원료(raw material)들의 비용을 상당히 감소시키는 방식으로 티타늄 공급물 및 합금 성분들을 조합함으로써 비교적 적은 비용의 티타늄 공급 재료에 의해 임의 형상 제작(SFFF) 공정에서 이용되는 방법을 개시한다. 더욱 상세하게는, 하나의 양태에서, 이 발명은 합금 와이어 보다 적은 비용의 순수 티타늄 와이어(CP Ti)를 적용하며, 그리고 용접 토치 또는 다른 높은 파워 에너지 비임의 용융으로 CP Ti 와이어와 분말 합금 성분들을 조합함으로써 SFFF 프로세스의 현장에서(in-situ) CP Ti 와이어를 분말 합금 성분에 조합한다. 다른 실시예에서, 본 발명은 합금 원소들과 혼합되고 와이어 내에 형성된 티타늄 스폰지 재료를 적용하는데, 여기서 와이어는 최종 제품에 근사한(near-net shape) 티타늄 성분들을 생산하기 위하여 플라즈마 용접 토치 또는 다른 높은 파워 에너지 비임과 조합하여 SFFF 공정에서 이용될 수 있다.

400℃를 초과하여 가열된 티타늄 금속 또는 티타늄 합금들은 산소와 접촉할 때 산화되기 쉬울 것이다. 따라서, 주위 대기에서 산소에 대해(against) 계층적 제조에 의해 형성되는 용접물 및 가열된 물품을 보호하는 것이 필요하다.

이러한 문제점에 대한 하나의 해법은, WO 2011/0198287로부터 공지되어 있는데, 이는 대기에 대해 폐쇄된 반응기 챔버에서 임의 형상 제작에 의해 물품들, 특히 티타늄 및 티타늄 합금 물품들의 제조를 실행함으로써 적층률을 증가시키는 방법을 개시한다. 산소의 공극(void)이 충분하게 적층 챔버를 만듦으로써, 주위 대기의 산소에 의해 새롭게 용접된 영역을 산화시키는 것을 회피하기 위한, 보호 조치들을 적용할 필요는 더 이상 없으며, 용접된 존이 용접물의 과도한 산화의 우려 없이 보다 고온을 갖는 것이 허용될 수 있기 때문에, 용접 프로세스는 아주 빠른 속도로 진행될 수 있다. 예컨대, 티타늄 또는 티타늄 합금의 물품들의 제조시, 산화를 회피하기 위해서, 더이상 용접 존을 400℃ 미만으로 냉각시킬 필요는 없다.

적층률을 증가시키기 위한 다른 해법은, US 6 268 584로부터 공지되어 있으며, 이는, 적층 구역으로 분말의 수렴(converging) 유동을 만들기 위한 출력 분말 노즐들의 어레이, 적층 기면 상에 집속되는 다중 비임들을 허용하는 중앙 오리피스, 및 노즐과 적층 헤드 조립체 사이에 더 긴 작업 거리를 제공하기 위해서 이들 노즐들로부터 분말들의 스트림을 집중시키도록 분말 노즐들 각각을 위한 동축 가스 유동과 같은 특징들로 구성된 적층 헤드 조립체를 개시한다. 더 긴 작업 거리는 용융 금속 미립자(particulate)들이 프로세싱 중 적층 장치에 부착되지 않는 것을 확보하기 위해서 중요하다. 특히, 본 발명은 적층 프로세스를 위해서 하나 초과의 레이저 비임을 동시에 사용할 수 있는 적층 헤드 조립체로 설계되는 매니폴드 시스템을 포함한다. 적층 헤드 조립체는, 또한 재료 활용 효율을 증가시키기 위해서 각각의 오리피스로부터 분말 스트림을 능동적으로 집중시키는 수단을 내장한다.

WO 2006/133034는 DMD 제품들을 형성하는 것을 매우 어렵게 하는 Ti 및 그의 용융 특성들의 반응 특성과 관련된 문제들을 해결하기 위해서 결합된 가스 금속 아크 및 레이저 용접의 사용을 개시한다. 가스 금속 아크 기술들은 Ti 적층으로 그들의 적용을 심각하게 제한하는 수개의 문제점들을 갖는다. 이러한 단점들은 금속 전달시의 불안정성들, 과도한 스패터(spatter), 및 적층되는 층 형상의 빈약한 제어 및 적층 중 얇은 섹션들의 휨(distortion)을 유발하는 높은 열 입력을 포함한다. 또한, 생산성(productivity)의 증가는 적층 중 발생하는 캐소드 스팟의 원더링(wandering) 때문에 불가능하다. WO 2006/133034에 따른 이러한 문제들에 대한 해법은, 기면을 제공하는 단계 및 금속 공급물스톡으로부터 금속을 기면 상에 적층하는 단계를 포함하는 직접 금속 적층 프로세스이다. 금속 공급물스톡과 기면 사이에서 전기 아크가 생성되며, 이 아크는 기면 상에 용융 금속 풀을 형성하기 위해서 레이저 방사에 노출된다. 용융 금속 풀은 기면 상에 제 1 솔리드 금속 층을 형성하기 위해 냉각된다.

본 발명의 주 목적은 임의 형상 제작에 의한 금속 빌딩용(for building metallic) 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적은, 티타늄 또는 티타늄 합금들로 물품들을 쾌속 계층식으로 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, 적층률(deposition rate)이 와이어 형태로 금속 공급물 재료를 공급하고 2 개의 가스 전달식 아크들, 즉 베이스 재료 상의 적층 영역을 가열하기 위한 하나의 플라즈마 전달식 아크 및 공급물 와이어를 가열하고 용융하기 위한 하나의 플라즈마 전달식 아크를 적용함으로써 증가될 수 있다는 것의 실현에 기초한다.

이에 따라, 제 1 양태에서, 본 발명은, 임의 형상 제작(solid freeform fabrication)에 의해 금속 재료의 3 차원 물품을 제조하는 방법으로서,

상기 물품은 유지 기면 상에 금속 재료의 연속적인 적층물들을 함께 융합시킴으로써 만들어지는, 금속 재료의 3 차원 물품을 제조하는 방법에 있어서,

만들어질 물품과 유사한 금속 재료로 만들어진 유지 기면을 적용하는 단계를 포함하고, 그리고

- i) 금속 재료가 적층되는 위치에서 베이스 재료에 용융 풀을 예열하고 형성하도록 제 1 플라즈마 전달식 아크(PTA)를 적용하는 단계,

ii) 상기 용융 풀 위의 위치에 금속 재료의 공급물 와이어 형태로 적층되는 금속 재료를 공급하는 단계,

iii) 상기 용융된 금속 재료가 용융 풀 내로 드립되도록 와이어를 가열 및 용융하도록 제 2 플라즈마 전달식 아크(PTA)를 적용하는 단계, 및

iv) 상기 용융된 금속 재료의 연속 적층물들이 응고되어 3차원 물품을 형성하도록 미리 정해진 패턴으로 제 1 및 제 2 PTA의 위치에 대해 유지 기면을 이동시키는 단계를 포함하는 단계에 의해, 상기 연속적인 적층물 각각이 얻어지는 것을 특징으로 하는, 금속 재료의 3 차원 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

제 2 양태에서, 본 발명은, 임의 형상 제작(solid freeform fabrication)에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하는 배열체에 관한 것으로,

- 금속 재료의 와이어를 공급하는 일체화된 와이어 피더를 갖는 용접 토치,

- 상기 용접 토치에 대해서 유지 기면을 위치 결정 및 이동시키기 위한 시스템, 및

- 물리적 물품이 유지 기면 상에 금속 재료의 연속적인 적층물들 융합에 의해 만들어지도록, 형성될 물품의 컴퓨터 보조 설계(CAD) 모델을 판독하고 CAD 모델을 적용하여 유지 기면의 위치결정 및 이동을 위한 시스템의 위치 및 운동을 조절하고 일체형 와이어 피더를 갖는 용접 토치를 작동시킬 수 있는 제어 시스템을 포함하는, 금속 재료의 3차원 물품을 제조하는 배열체에 있어서,

- 상기 유지 기면은 만들어지는 물품과 유사한 금속 재료로 만들어지며,

- 상기 용접 토치는,

i) 베이스 재료에 전기 접속되는 제 1 플라즈마 전달식 아크(PTA) 토치, 및

ii) 상기 금속 재료의 공급물 와이어에 전기 접속되는 제 2 플라즈마 전달식 아크(PTA)를 포함하며,

- 제어 시스템은, 금속 재료가 적층되는 위치에서 베이스 재료에 용융 풀을 형성하여 유지하도록 제 1 PTA 토치를 별개로 작동 및 조절할 수 있으며,

- 용융 금속 재료가 용융 풀 내로 드립되도록 제 위치에서 금속 재료 공급물을 용융시키도록 와이어 피더 및 제 2 PTA 토치를 별개로 작동 및 조절할 수 있다.

본원에서 사용된 바와 같은 용어 "유사한 금속 재료"는 금속 재료가 기준 금속 재료와 동일한 금속 또는 금속 합금이라는 것을 의미한다.

본원에서 사용된 바와 같은 용어 "베이스 재료"는 제 1 PTA 토치로부터의 열을 위한 타겟 재료 및 용융 풀이 형성되는 것을 의미한다. 이는 금속 재료의 제 1 층을 적층할 때 유지 기면일 수 있다. 금속 재료의 하나 또는 그 초과의 층들이, 유지 기면 상에 적층되고 있을 때, 베이스 재료는 금속 재료의 새로운 층에 적층되어야 하는 적층된 금속 재료의 상부 층일 것이다.

본원에서 상호교환가능하게 사용되는 바와 같이 용어 "플라즈마 전달식 아크 토치" 또는 "PTA 토치"는, 전기 아크 방전에 의해 불활성 가스의 스트림을 플라즈마로 가열 및 여기하고, 이후 오리피스 밖으로 연장하며 아크의 집중 열을 타겟 구역으로 전달하는 수축된(constricted) 플럼(plume)을 형성하도록 오리피스(노즐)를 통해 밖으로 전기 아크를 포함하는 플라즈마 가스의 유동을 전달할 수 있게 하는 임의의 장치를 의미한다. 전극 및 타겟 구역은, PTA 토치의 전극이 캐소드가 되고 타겟 구역이 애노드가 되도록 직류 전력 공급원에 전기 접속된다. 이는, 전기 아크를 포함하는 플라즈마 플럼이 PTA 토치로부터 공급된 열 플럭스의 크기 및 면적의 연장(areal extension)의 훌륭한 제어에 의해 타겟 구역의 작은 표면적으로 매우 집중된 열 유동을 전달하는 것을 의미한다. 플라즈마 전달식 아크는 캐소드와 애노드 사이의 길이 편차들을 위한 양호한 허용오차 및 적은 원더링(wandering)을 갖는 안정적이며 일관된 아크들을 제공하는 이점을 갖는다. 이에 따라, PTA 토치는 기본 재료에서 용융 풀을 형성하고 금속 공급물 와이어를 가열 및 용융하는 것 양자에 적합하다. PTA 토치는, 유리하게는 텅스텐제 전극 및 구리제 노즐을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명은 PTA 토치의 임의의 특정 선택 또는 유형에 구속되지 않는다. PTA 토치로서 기능할 수 있는 임의의 공지된 또는 고려 가능한 장치가 적용될 수 있다.

베이스 재료를 예열시키고 금속 재료의 공급물 와이어를 용융시키기 위해서 용융 풀 및 별개의 제 2 PTA 토치를 형성하도록 별개로 제어된 제 1 PTA 토치의 사용은, 기면에 열 공급에 독립적으로 금속 공급물 와이어로 열 공급을 증가시킬 수 있어 스패터(spatter)를 발생시키는 "스프레이 아크"를 만들 우려가 없이 공급물 재료로 열 플럭스를 증가시킬 수 있다는 이점을 제공한다. 이에 따라, 스패터 또는 과도한 용융 풀의 형성의 우려 없이 그리고 이에 따라 적층된 재료의 강화(consolidation)의 느슨한 제어 없이 기면을 동시에 과열시키지 않고 용융 금속 공급물 재료의 적층률을 증가시키는 것이 가능하다. 이러한 특징은, 직류 전력 공급원을 연결함으로써 얻어지며, 제 1 PTA 토치의 전극은 음극성을 가지며, 베이스 재료는 양극성을 가져 전하(electric charge)가 제 1 PTA 토치의 전극과 베이스 재료 사이에서 아크 방전에 의해 전달되는 전기 회로를 형성하고, 그리고 제 2 PTA 토치의 전극을 직류 전력 공급원의 음극 그리고 금속 재료의 공급물 와이어를 양극에 연결함으로써, 제 2 PTA 토치의 전극과 금속 재료의 공급물 와이어 사이에서 아크 방전에 의해 전하가 전달되는 전기 회로를 형성한다.

제 1 및 제 2 PTA 토치들은 유리하게는 각각의 토치들에 대해 전력 공급장치를 조절하기 위한 수단 및 별개의 전력 공급원을 가질 수 있다. 전력을 조절하는 수단은, 유리하게는, 베이스 재료의 적층 영역의 온도를 모니터링하는 수단 및 아크의 폭 및 위치 설정을 조절하는 수단(즉, 자기 아크 편향 수단과 같음)을 포함할 수 있다. 또한, 베이스 재료에서 용융 풀을 형성하기 위해 적용된 제 1 PTA 토치는, 유리하게는, 즉, 베이스 재료의 표면의 더 넓은 영역에서 용융 풀을 형성하기 위해 가스 텅스텐 아크 용접 토치(GTAW 토치, 또는 명세서에서 TIG 토치로서 나타냄)에 의해 형성된 것과 같은 와이드 아크를 형성할 수 있다.

본원에서 상호교환가능하게 사용되는 바와 같이 용어 "컴퓨터 보조 설계 모델" 또는 "CAD 모델"은 본 발명의 제 2 양태에 따른 배열체의 제어 시스템에서 적용될 수 있는 것으로 형성되는 물품의 임의의 공지된 또는 고려가능한 가상의 3차원 묘사를 의미한다: 유지 기면의 위치 및 이동을 조절하고 일체형 와이어 피더를 갖는 용접 토치를 작동시켜, 물리적 물품이 물품의 가상의 3차원 모델에 따라 물리적 물품을 제작하게 되는 패턴으로 유지 기면 상에서 금속 재료의 연속적인 적층물들의 융합에 의해 제작된다. 이는, 예컨대, 가상의 3차원 모델을 가상의 평행 층들의 세트로 1차 분할하고 이어서 평행 층들 각각을 가상의 의사(quasi) 1차원 피스들의 세트로 분할함으로써 3차원 모델의 가상의 벡터화된 계층적 모델을 형성함으로써 얻어질 수 있다. 이후, 물리적 물품은, 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델의 제 1 층에 따른 패턴으로 지지 기면 상으로 금속 재료 공급물의 일련의 의사 1차원 피스들을 적층 및 융합하기 위해, 제어 시스템을 연결함(engaging)으로써 형성될 수 있다. 이후, 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델의 제 2 층에 따른 패턴으로 이전에 적층된 층 상으로 용접가능한 재료의 일련의 의사 1차원 피스들을 적층 및 융합함으로써 물품의 제 2 층을 위한 시퀀스를 반복한다. 이러한 반복은, 전체 물품이 형성될 때까지 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델의 각각의 연속 층을 위해서 층별로(layer by layer) 적층 및 융합 프로세스를 계속한다. 그러나, 본 발명은 본 발명에 따른 배열체의 제어 시스템을 구동하기 위한 임의의 특정한 CAD-모델 및/또는 컴퓨터 소프트웨어로 구속되지 않으며, 제어 시스템의 임의의 특정 형식으로도 본 발명이 구속되지 않는다. 제어 시스템이 용융 풀 내로 금속 재료의 공급물 와이어를 용융시키도록 용융 풀 및 제 2 PTA 토치를 형성하도록 하나의 제 1 PTA 토치를 별개로 작동시키도록 조정되는 한, 임의 형상 제작에 의한 금속 3차원 물품들을 제작할 수 있는 임의의 공지된 또는 고려가능한 제어 시스템(CAD-모델, 컴퓨터 소프트웨어, 컴퓨터 하드웨어 및 액츄에이터들 등)이 적용될 수 있다.

공급률(와이어 속도) 및 금속 재료의 공급물 와이어의 위치 설정은, 유리하게는, 베이스 재료에서 용융 풀 위에 의도된 위치에 도달할 때 와이어가 연속으로 가열 및 용융되는 것을 보장하도록 제 2 PTA 토치에 전력 공급장치의 효과에 따라 제어 및 조절될 수 있다. 이는, MIG 토치에서 아크를 형성하지 않고 와이어 피더로서 종래의 가스 금속 아크 용접 토치(GMAW 토치, 또한 MIG 토치라고 지시됨)를 사용하여 획득될 수 있다. 와이어 피더의 이러한 실시예는, 제 2 PTA 토치의 DC 전력 공급장치와 와이어를 전기 접속할 수 있고 또한 와이어를 매우 정확하게 위치시킬 수 있다는 이점을 갖는다. 금속 재료의 공급물 와이어는, 즉 1.0 mm, 1.6 mm, 2.4 mm 등과 같은 임의 실제로 구현가능한 치수를 가질 수 있다.

본원에서 사용되는 바와 같이 용어 "금속 재료"는, 와이어로 형성되어 3차원 물품을 형성하기 위해서 임의 형상 제작 프로세스에 적용될 수 있는 임의의 공지된 또는 고려가능한 금속 또는 금속 합금을 의미한다. 적절한 재료들의 예시들은, 이것으로 제한하는 것은 아니지만, 티타늄 및 티타늄 함급들(즉, Ti-6A1-4V 합금들과 같음)을 포함한다.

제 1 및 제 2 PTA 토치에 공급되는 효과는, 적용되는 금속 재료, 공급물 와이어의 직경, 베이스 재료의 열 허용 오차들, 적층률(deposition rate) 등에 의존할 것이다. 따라서, 본 발명은, 전력 공급장치의 임의의 특정 윈도우로 구속되는 것이 아니라 제 1 및 제 2 PTA 토치의 기능 동작을 유발하는 전류 및 임의의 실제로 기능하는 전위차를 적용할 수 있다. 당업자는 시행착오 시험들에 의해 이러한 매개변수들을 발견할 수 있을 것이다. 출원인에 의해 수행된 실험들은 그레이드 5의 티타늄 합금제인 직경 1.6mm를 갖는 와이어를 적용함으로써, 제 1 PTA 토치가 약 150A로 공급되고 제 2 PTA 토치가 대략 250A로 공급될 때 3.7 내지 3.8 kg/시간의 적층률로 티타늄의 종래의 물품들과 유사한 기계적 특징들을 갖는 3차원 물품들을 제작할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 10 kg/시간 이하의 적층률들이 효과적으로 보호되는 분위기(즉, WO 2011/0198287에서 개시된 반응 챔버에서와 같음)에서 본 발명의 제 1 및 제 2 양태에 따라 SFFF-적층을 실행함으로써 얻어질 수 있는 것으로 믿어진다. 이는, 직경 2.4mm, 그레이드 5의 티타늄제 와이어를 출원인에 의해 실행된 다른 실험에 의해서, 제 1 PTA 토치가 약 250A의 전류로 공급되고 제 2 PTA 토치가 대략 300A의 전류로 공급될 때, 9.7 kg/시간의 적층률을 부여함으로써 확인되고 있다.

대안으로서, 본 발명은 또한, 용융 풀에서 결정질 덴드라이트들(crystalline dendrites)의 성장에 대한 경향들을 파괴하기 위해서 용융 풀에서 열적 펄스들을 만드는 수단을 포함할 수 있다. 이러한 특징은, 개선된 그레인 구조(grain structure)에 기인하여 향상된 기계적 특징들을 갖는 금속 물품들을 형성하는 것을 허용한다. 열적 펄싱은 맥동(pulsating) DC 전위를 전달하는 제 3 DC 발전기를 적용하고, DC 발전기(power generator)의 음극을 제 2 PTA 토치의 전극에 연결하고, 양극을 베이스 재료에 연결하여 전기 회로를 형성함으로써 얻을 수 있으며, 이 전기 회로는, 전하가 제 2 PTA 토치의 전극과 베이스 재료 사이에서 맥동 아크 방전(pulsating arc discharge)에 의해서 전달된다. 제 2 PTA 토치의 전극과 베이스 재료 사이의 아크 방전은, 인가된 맥동 DC-전위에 따라서 온(ON) 및 오프(OFF)될 것이며, 이에 따라 베이스 재료에서 용융 풀 내로 맥동 열 플럭스를 형성할 것이다. 펄싱의 주파수는 1 Hz로부터 수 kHz 또는 초과, 즉 10 kHz의 범위일 수 있다.

도 1은 임의 형상 제작의 원리의 개략도를 도시하는 Taminger and Hafley [1]의 도 1의 팩시밀리이다.
도 2는 플라즈마 전달식 아크 임의 형상 제작의 원리의 개략도를 도시하는 US 2006/0185473의 도 1의 팩시밀리이다.
도 3은 본 발명의 제 2 양태에 따른 배열체의 단면도를 도시하는 개략도이다.
도 4는 열적 펄싱을 포함하는 본 발명의 제 2 실시예의 단면도를 도시하는 개략도이다.

본 발명은 예시적 실시예들에 의해 보다 상세히 설명될 것이다. 이들 예시들은 2개의 PTA 토치들(하나는 베이스 재료에서 용융 풀(molten pool)을 형성하기 위한 것 그리고 하나는 공급물 재료를 용융시키기 위한 것)을 사용하는 본 발명의 일반적인 범주의 제한으로서 해석되어서는 안 된다.

제 1 예시적 실시예

본 발명의 제 2 양태에 따른 배열체의 제 1 예시적 실시예는 도 3에서 개략적으로 도시된다. 이 도면은, 직육면체(rectangular cuboid)와 같은 형상의 Ti-6A1-4V 합금제의 유지 기면(1)을 도시하며, 이 기면 상에서 동일한 Ti-6A1-4V 합금제의 3차원 물품이 임의 형상 제작에 의해 형성된다. 도면은, Ti-6A1-4V 합금의 제 1 용접 스트라이프(2)가 적층되는 적층 프로세스의 초기 부분을 도시한다.

Ti-6A1-4V 합금제 와이어(3)는 와이어(3)를 위치시키는 와이어 피더(4)에 의해 연속 공급되어, 그의 말단 단부가 유지 기면(1) 상의 적층 영역에서 용융 풀(5) 위에 위치된다. 와이어(3)는 도면 상에서 상승 화살표에 의해 나타내는 속도로 부여되며, 이 속도는 말단 단부의 가열 및 용융 레이트에 대응하여, 용융 와이어의 액적(6)들이 용융 풀(5)에 연속 공급된다.

제 1 플라즈마 전달식 아크(7)는, PTA 토치의 전극(10)이 캐소드가 되며 유지 기면(1)은 애노드가 되도록 DC 전력 공급원(9)에 전기 접속되는 PTA 토치(8)에 의해 형성된다. 플라즈마 전달식 아크(7)는 용융 풀(5)이 얻어지도록 적층 스팟에서 베이스 재료(SFFF 프로세스의 이 스테이지에서는 유지 기면)를 가열 및 용융시키도록 연속 지향된다. DC 전력 공급원(9)의 효과는, 일정한 크기 및 연장을 갖게 용융 풀(5)을 유지하도록 제어 시스템(도시 생략)에 의해 조절된다. PTA 토치(8)는 아크(8)의 크기 및 위치를 제어하기 위해서 자기 아크 디플렉터(도시 생략)가 장비된 가스 텅스텐 아크 용접(gas tungsten arc welding, GTAW) 토치이다.

제 2 플라즈마 전달식 아크(11)는 PTA 토치(12)의 전극(14)이 캐소드가 되고 공급물 와이어(3)가 애노드가 되도록 DC 전력 공급원(13)에 전기 접속되는 PTA 토치(12)에 의해 형성된다. 플라즈마 전달식 아크(11)는 와이어(3)의 말단 단부를 가열 및 용융시키도록 연속 지향된다. DC 전력 공급원(13)의 효과는, 액적(6)들의 형성이 용융 풀(5)로 용융 와이어의 연속적인 드립을 유지하게 배가(timed)되도록 와이어의 피딩 속도에 일치하여 가열 및 용융 레이트를 유지하게 조절된다. DC 전력 공급원(13)에 의해 공급된 효과 및 와이어 피더(4)를 나가는 와이어(3)의 피딩 속도는, 용융 풀(5)이 Ti-6A1-4V 합금의 의도된 적층 레이트를 제공하는 레이트로 용융된 와이어가 공급되도록 제어 시스템에 의해 일정하게 조절 및 제어된다. 제어 시스템은, 용융 풀이 형성될 물품의 CAD 모델에 의해 부여된 바와 같이 의도된 적층 스팟에 위치되도록 유지 기면(1)을 일정하게 위치 및 이동시키는 액츄에이터(도시 생략)의 연결(engaging)을 작동 및 조절하도록 동시에 연결(engaging)된다. SFFF-프로세스의 이 단계에서, 유지 기면(1)은 하부 화살표에 의해 도시된 바와 같이 이동된다.

제 2 예시적 실시예

본 발명의 제 2 예시적 실시예는, 용융 풀(5)에서 열적 펄스들을 형성하기 위한 추가 수단을 포함하는 상기 부여된 제 1 예시적 실시예이다.

열적 펄스들을 형성하기 위한 수단은, 전극(14)이 캐소드가 되고 유지 기면(1)이 애노드가 되도록 제 2 PTA 토치(12)에 전기 접속되는 DC 전력 공급원(15)이다. 또한, 아크(11)가 와이어(3)를 추가로 가열 및 용융시키고, 펄스된 전력 공급장치와 동일한 주파수로 용융 풀(5)에 진입하고 그리고 이에 따라 용융 풀에 맥동 열 플럭스를 전달하도록 DC 전력 공급원(15)에 의해 전달된 전력을 펄싱하는 수단(16)이 존재한다. 이 수단(16)은 제어 시스템에 의해 조절되고, 1 kHz의 주파수를 갖는 용융 풀 내로 펄싱 아크 방전을 제공한다.

참조

1. 타민저, 케이. 엠(Taminger, K. M.) 및 하플리, 알. 에이.(Harfley, R. A.)의 "비용 효율적인 최종 제품에 근사한 제조를 위한 전자 비임 자유 조립 장치", 최종제품에 근사한 프로세싱에 의한 비용 효율적 제조를 위한 NATO/RTOAVT-139 전문가들 회의(네덜란드, 암스테르담, 2006년)(NATO). 9 내지 25쪽,

http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20080013538_2008013396.pdf.

Claims (33)

  1. 임의 형상 제작(solid freeform fabrication)에 의해 금속 물품을 구축하기(building) 위한 시스템으로서,
    베이스 재료에 전기적으로 연결된 제 1 PTA(플라즈마 전달식 아크) 토치 및 공급물 와이어에 전기적으로 연결된 제 2 PTA 토치; 및
    상기 베이스 재료 상으로 금속 재료의 연속적인 적층물들을 융합함으로써 물품을 형성하도록 상기 공급물 와이어, 및 상기 제 1 및 제 2 PTA 토치들을 제어하기 위한 제어 시스템을 포함하고,
    상기 제어 시스템은 상기 베이스 재료 내에 용융 풀(melting pool)을 형성하도록 제 1 PTA를 제어할 수 있는,
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 PTA 토치와 상기 베이스 재료 사이의 전기적 연결은 제 1 전력 공급원에 의해 달성되며, 상기 제 2 PTA 토치와 상기 공급물 와이어 사이의 전기적 연결은 제 2 전력 공급원에 의해 달성되는
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전력 공급원들은 직류인
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    직류인 상기 제 1 및 제 2 전력 공급원들은 독립적인 제어들을 포함하는
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 PTA 토치는 상기 금속 재료가 적층될 위치에서 상기 베이스 재료를 예열하는
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 PAT 토치는 상기 공급물 와이어를 용융시키는
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 PTA 토치들 중 하나 이상은 아크 편향(arc deflection) 제어를 포함하는
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 PTA 토치는 가스 텅스텐 아크 용접 토치인
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 PTA 토치들 중 하나 이상은 가스 금속 아크 용접 토치인
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 PTA 토치와 상기 베이스 재료 사이에 전기적 연결을 더 포함하는
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 PTA 토치와 상기 베이스 재료 사이의 전기적 연결은 상기 제 1 PTA 토치와 상기 제 2 PTA 토치 사이의 전기적 연결과 독립적인 전력 공급원에 의해 달성되는
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 독립적인 전력 공급원은 직류인
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    직류의 상기 전력 공급원은 제 1 PTA 토치와 제 2 PTA 토치의 전기적 연결과 독립적인 제어들을 포함하는
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 독립적인 제어들은 상기 제 2 PTA 토치와 상기 베이스 재료 사이에 맥동 아크 방전에 대한 제어들을 포함하는
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    맥동 아크는 1 Hz 내지 10 kHz 범위의 주파수에 의해 펄싱되는,
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 PTA 토치의 전극은 캐소드가 되고 상기 베이스 재료는 애노드가 되도록 상기 제 1 PTA 토치가 제 1 전력 공급원에 전기적으로 연결되는
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 PTA 토치의 전극은 캐소드가 되고 상기 금속 재료의 공급물 와이어는 애노드가 되도록 상기 제 2 PTA 토치가 제 2 전력 공급원에 전기적으로 연결되는
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    대응하는 애노드로서의 상기 베이스 재료에 대해 상기 제 2 PTA 토치의 전극이 또한 캐소드가 되도록 상기 제 2 PTA 토치가 제 3 전력 공급원에 추가로 전기적으로 연결되는
    금속 물품을 구축하기 위한 시스템.
  19. 임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법으로서,
    제1 PTA를 사용하여 베이스 재료 내에 적층 영역을 예열하고 베이스 재료 내에 용융 풀을 형성하는 단계;
    상기 베이스 재료 내의 예열된 적층 영역 위의 위치에 공급물 와이어를 공급하는 단계; 및
    상기 베이스 재료 내의 예열된 적층 영역 상으로 용융된 금속 재료가 적층되도록 제 2 PTA를 사용하여 상기 공급물 와이어의 말단 단부를 용융시키는 단계;를 포함하고,
    상기 제 1 PTA 및 제 2 PTA는 별개로 전력 공급되는,
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물체를 제조하기 위한 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 PTA들을 독립적으로 제어하는 단계를 더 포함하는
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법.
  21. 삭제
  22. 제 19 항에 있어서,
    용융된 금속 재료의 연속적인 적층물들이 예열된 적층 영역 상에 떨어지도록 미리 결정된 패턴으로 상기 제 1 및 제 2 PTA의 위치에 대해 상기 베이스 재료를 이동시키는 단계를 더 포함하는
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법.
  23. 제 19 항에 있어서,
    제 1 전력 공급원에 의해 상기 베이스 재료에 전기적으로 연결된 제 1 PTA 토치를 상기 제 1 PTA에 제공하는 단계, 및 제 2 전력 공급원에 의해 상기 공급물 와이어에 전기적으로 연결된 제 2 PTA 토치를 상기 제 2 PTA에 제공하는 단계를 더 포함하는
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전력 공급원들은 직류인
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법.
  25. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 PTA들 중 하나 이상의 편향을 제어하는 단계를 더 포함하는
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법.
  26. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 PTA는 가스 텅스텐 아크 용접 토치에 의해 발생되는
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법.
  27. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 PTA들 중 하나 이상은 가스 금속 아크 용접 토치에 의해 발생되는
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법.
  28. 제 19 항에 있어서,
    제 3 PTA를 사용하여 상기 베이스 재료 내의 상기 적층 영역을 예열하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제 2 PTA 및 상기 제 3 PTA는 모두 전력 공급원을 통해 상기 공급물 와이어에, 그리고 다른 전력 공급원을 통해 상기 베이스 재료에 전기적으로 연결된 단일 PTA 토치에 의해 제공되는
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 PTA 토치와 상기 공급물 와이어 그리고 상기 PTA 토치와 상기 베이스 재료 사이에 아크 방전을 독립적으로 맥동시키는 단계를 더 포함하는
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 PTA 토치에 연결된 각각의 전력 공급원은 1 Hz 내지 10 kHz 범위의 주파수에 의해 맥동하는 직류 전력 공급원인
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 제 3 PTA에 의해 예열하는 것은 상기 베이스 재료 내에 용융 풀을 형성하는
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법.
  32. 제 19 항에 있어서,
    상기 금속 재료는 티타늄 또는 합금 티타늄인
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법.
  33. 임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 물품의 가상 3차원 모델을 생성하는 단계;
    상기 모델을 가상 평행 층들의 세트로 분할하고 그리고 각각의 평행 층이 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델을 형성하도록 가상 의사(quasi) 1차원 피스들의 세트로 추가로 분할하는 단계;
    상기 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델을, 베이스 재료의 위치 및 이동, 및 제 1 및 제 2 PTA의 활성화를 조절할 수 있는 제어 시스템 내로 로딩하는 단계;
    상기 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델의 제 1 층에 따른 패턴으로 상기 베이스 재료 상에 용융된 상기 금속 재료의 일련의(series) 의사(quasi) 1차원 피스들을 적층 및 융합하도록 제어 시스템을 연결하는(engaging) 단계,
    상기 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델의 제 2 층에 따른 패턴으로 미리 적층된 상기 층 상에 용융된 상기 금속 재료의 일련의 의사 1차원 피스들을 적층 및 융합함으로써 상기 물품의 제 2 층을 형성하는 단계; 및
    - 전체 물품이 형성될 때까지 상기 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델의 각각의 연속적인 층에 대해 층별로(layer by layer) 적층 및 융합 프로세스를 반복하는 단계;를 포함하고,
    상기 베이스 재료 상에 용융된 상기 금속 재료의 일련의 의사 1차원 피스들을 적층 및 융합하는 것은
    제1 PTA를 사용하여 베이스 재료 내에 적층 영역을 예열하고 베이스 재료 내에 용융 풀을 형성하는 단계;
    상기 베이스 재료 내의 예열된 적층 영역 위의 위치에 공급물 와이어를 공급하는 단계; 및
    상기 베이스 재료 내의 예열된 적층 영역 상으로 용융된 금속 재료가 적층되도록 제 2 PTA를 사용하여 상기 공급물 와이어의 말단 단부를 용융시키는 단계;를 포함하는,
    임의 형상 제작에 의해 금속 재료의 3차원 물품을 제조하기 위한 방법.
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