KR101991189B1 - 적층 가공 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 실행될 때, 적층 가공 기계가 부품을 용융된 구성 재료의 층들내로 부분적으로 또는 완전하게 매립시키도록 하는 명령을 갖는 비일시적 프로세서 판독가능 매체에 관한 것이다.

Description

적층 가공{ADDITIVE MANUFACTURING}
적층 가공 기계(additive manufacturing machine)는 재료의 층들을 축적(building up)시킴으로써 3D(3-차원) 물체(object)를 생산한다. 일부 적층 가공 기계는, 그들이 때로는 잉크젯 또는 기타 다른 인쇄 기술을 이용하여 가공용 재료의 일부를 적용하기 때문에, 일반적으로는 "3D 프린터"라 지칭된다. 3D 프린터 및 기타 다른 적층 가공 기계를 사용하면 물체의 CAD(computer aided design)(컴퓨터 이용 설계) 모델 또는 기타 다른 디지털 표현물(digital representation)을 실제 물체로 직접 변환할 수 있다.
일부 적층 가공 기계는 분말형 구성 재료(powdered build material)의 층들을 유착(coalescing)시킴으로써 3D 물체를 제조한다. 적층 가공 기계는, 예를 들면, CAD 컴퓨터 프로그램 제품으로 생성된 3D 모델의 데이터를 기반으로 물체를 제조한다. 모델 데이터는 유착시킬 구성 재료의 하나의 층 또는 층들의 일부를 각각 정의하는 슬라이스(slice)로 가공된다. 하기에서 기술되는 적층 가공 방법의 예들은, 광 흡수성 잉크(light absorbing ink) 또는 다른 적합한 유착제를 구성 재료의 층상에 원하는 패턴으로 "프린팅"한 다음 광선에 노출시켜 패턴화된 구성 재료를 유착시키는, 휴렛 팩커드 캄파니(Hewlett Packard Company)에 의해 개발된 소위 멀티 젯 퓨전TM(Multi Jet FusionTM)(MJF) 기술을 이용한다. MJF 유착제는 (소결에서와 같이) 직접적으로 또는 (용융에서와 같이) 냉각을 통하여 간접적으로 고화시키기 위하여 패턴화된 구성 재료를 소결, 용융 또는 유착시키기에 충분한 열을 발생시키도록 광 흡수율을 증가시킨다.
MJF와 함께 적층 가공 방법에 통상적으로 사용되는 폴리머는 일부의 제조된 물체에서 요구되는 특성을 달성하는데 적절하지 않을 수 있다. 따라서, 개별 부품들을 "프린팅된" 물체에 통합시킴으로써 MJF로 제조될 수 있는 물체의 범위를 확장하기 위한 새로운 공정이 개발되어 왔다. 생성되는 복합체는, 예를 들면, 강도를 위한 세라믹 및 전도성을 위한 금속을 통합하는 것을 포함하여 원하는 특성을 달성하도록 특별하게 구성될 수 있다. 하나의 예에서, 적층 가공 공정은 분말화되거나 또는 다른 유착되지 않은 구성 재료의 층을 형성하는 단계, 각 층에 구성 재료를 유착하는 단계, 및 상기 유착된 구성 재료에 부품을 내장시키는 단계를 포함한다. 상기 부품은 하나 이상의 층에서 용융된 구성 재료로 가압된 다음 후속 층으로 덮여지거나, 또는 상기 부품은 고체 구성 재료상에 위치된 다음 후속 층으로 덮여질 수 있다.
이러한 새로운 공정의 예들은 다른 타입의 적층 가공 시스템으로 구현될 수도 있지만, 이러한 새로운 공정은 MJF에 특히 적합하다. MJF는 구성 재료가 적층되고 유착될 때 원하는 시간과 위치에서 개별 부품들을 삽입하는데 쉽게 적용되는 개방식 적층 공정(open air, layering process)이다. 각각의 층의 새롭게 유착된 구성 재료는 부수적으로 가열하지 않고서도 개별 부품을 아직도 용융된 상태의 구성 재료내로 가압하기에 충분할 만큼 오래 용융된 상태를 유지할 수 있다. 개별 부품이 삽입되기 전에 유착된 재료가 고화되는 경우, 이러한 삽입 단계는 유착된 재료를 용융된 상태로 만들기 위하여 부수적인 단기간 가열에 선행될 수 있다.
MJF 또는 다른 적층 가공 방법으로 복합체를 축적하기 위한 처리 명령을 갖는 프로세서 판독가능 매체는, 예를 들면, 적층 가공 기계용 컨트롤러에서, CAD 컴퓨터 프로그램 제품에서, 또는 물체 모델 프로세서에서 구현될 수 있다.
도 1a 내지 12a 및 도 1b 내지 12b는 복합 물체(composite object)를 적층 방식으로 제조하기 위한 하나의 예를 예시하는 단면도 및 투시도의 순서를 나타낸다.
도 13 및 도 14는 적층 가공 공정의 하나의 예를 예시하는 흐름도이다.
도 15a 내지 30a 및 도 15b 내지 30b는 복합 물체를 적층 방식으로 제조하기 위한 제 2의 예를 예시하는 단면도 및 투시도의 순서를 나타낸다.
도 31a 및 도 31b는 적층 가공 공정의 다른 예를 예시하는 흐름도이다.
도 32는 적층 가공 기계로 복합 물체를 형성하는 것을 돕기 위한 명령을 가진 프로세서 판독가능 매체(processor readable medium)의 일례를 예시하는 블록도이다.
도 33은 도 32에 도시된 매체와 같은 프로세서 판독가능 매체로 컨트롤러를 구현하는 적층 가공 기계의 일례를 예시하는 블록도이다.
도 34는 도 32에 도시된 매체와 같은 프로세서 판독가능 매체로 CAD 컴퓨터 프로그램 제품을 구현하는 적층 가공 시스템의 일례를 예시하는 블록도이다.
동일한 부품 번호는 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부품을 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 "유착제"는 구성 재료의 유착을 유발하거나 유착을 유발하는데 도움을 주는 물질을 의미하고; "유착 개선제"는, 예를 들면 유착제의 효과를 개선함으로써 구성 재료의 고화를 억제하거나 방지하는 물질을 의미하며; "슬라이스"는 다중 슬라이스 물체의 하나 이상의 슬라이스를 의미한다.
도 1a 내지 12a 및 도 1b 내지 12b에 나타낸 단면도 및 투시도의 순서는 복합 물체(10)를 제조하기 위한 일례를 나타낸다. (복합체(10)는 도 12a 및 도 12b에 도시되어 있다.) 도 13은 도 1a 내지 12a 및 도 1b 내지 12b에서 실행된 적층 가공 공정(100)의 하나의 예를 예시하는 흐름도이다. 도 1a 내지 12a, 도 1b 내지 12b 및 도 13을 참조하여 보면, 구성 재료(14)의 제 1 층(12)은 도 1a 및 도 1b에 도시되어 있는 바와 같이 형성되며(도 13의 블록(102)), 유착제(16)는, 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이, 예를 들면 잉크젯 타입 디스펜서(18)를 사용하여, 물체 슬라이스에 상응하는 패턴(20)으로 구성 재료(14)상에 분배하였다(도 13의 블록(104)). 임의의 적절한 구성 재료(14)가, 경질 또는 연질, 강성 또는 연성, 또는 탄성 또는 비탄성일 수 있는, 도 12a 및 도 12b에 도시되어 있는 물체(10)를 제조하는데 사용될 수 있다. 또한, 이러한 예에서는 분말형 구성 재료(14)가 입자(22)로 도시되어 있지만, 적절한 비-분말형 구성 재료가 사용될 수도 있다.
도 3a 및 도 3b에서, 유착제로 패턴화된 층(12)의 영역(20)은 광원(26)으로부터 광(24)에 노출되어 구성 재료를 유착시키고, 고화시에, 제 1 슬라이스(28)를 형성한다(도 13의 블록(106)). 구성 재료(14), 유착제(16) 및 구성 재료(14)에 적용되는 광(24)의 특성에 따라, 구성 재료는, 예를 들면, 액체로 용융시키거나 또는 고체로 소결시킴으로써 유착시킬 수 있다. 구성 재료를 용융시키는 경우, 냉각시에 고화가 일어난다.
도 4a 내지 6a 및 도 4b 내지 6b에서, 구성 재료(14)의 제 2 층(30)은 제 1 층(12)상에 형성되고(도 13의 블록(108)), 유착제(16)는 제 2 물체 슬라이스에 상응하는 패턴(32)으로 분배되며(도 13의 블록(110)), 구성 재료를 유착시키고, 고화될 때, 제 2 물체 슬라이스(34)를 형성하도록 패턴화된 구성 재료는 광(24)에 노출된다(도 13의 블록(112)). 이어서, 도 7a, 8a 및 도 7b, 8b에 도시되어 있는 바와 같이, 불연속 부품(36)이 유착된 구성 재료(34)내로 가압된다(도 13의 블록(114)). 일부 구현예에서는, 임의의 열충격 손상을 방지하고 부품이 완전히 삽입될 때까지 구성 재료가 부드러운 상태를 유지하도록 하기 위하여 구성 재료와 접촉하기 전에 부품(36)을 가열하는 것이 바람직할 수 있다. 부품(36)에 요구되는 온도는 특정 구현예에 따라 달라질 수 있지만, 일반적으로는 부품(36)을 유착된 구성 재료의 융점의 ±5℃ 범위내의 온도로 가열하면 충분할 것으로 예상된다.
하나의 예에서, 패턴화된 구성 재료의 고화가 용융 및 후속 냉각을 통하여 발생하는 경우, 부품(36)은 구성 재료가 아직도 용융된 상태에 있는 동안 유착된 구성 재료내로 가압될 수 있다. 또 다른 예에서, 패턴화된 구성 재료의 고화가 (소결에서와 같이) 용융 없이 발생하거나 또는 용융된 구성 재료가 부품(36)을 삽입하기 전에 냉각되어 고화되는 경우, 고체 구성 재료가 가열되어 용융된 다음 부품(36)이 용융된 구성 재료내로 가압될 수 있다. 또 다른 예에서는, 또한 부품이 다른 고체 상태의 주변 구성 재료를 용융시키기에 충분할 정도로 뜨거운 경우에 부품(36)을 고체 구성 재료내로 가압할 수도 있다.
도 9a 내지 11a 및 도 9b 내지 11b에서, 구성 재료(14)의 제 3 층(38)은 부품(36)을 덮고 있는 제 2 층(30)상에 형성되고(도 13의 블록(116)), 유착제(16)는 제 3 물체 슬라이스에 상응하는 패턴(40)으로 적용되며(도 13의 블록(118)), 구성 재료를 유착시키고, 고화될 때, 제 3 물체 슬라이스(42)를 형성하도록 패턴화된 구성 재료는 광(24)에 노출된다(도 13의 블록(120)). 별개의 슬라이스(28, 34 및 42)가 도 11a에 도시되어 있지만, 인접한 슬라이스는 유착 및 고화시에 실질적으로 단일 부품으로 함께 융합된다. 내장 부품(36)을 가진 융합된 슬라이스(28, 34 및 42)는, 때로는 "언케이킹(uncaking)"으로 지칭되는 공정에서는, 도 12a 및 도 12b에 도시된 완성된 복합체(10)로서 구성 재료로부터 분리된다(도 13의 블록(122)). 단일의 내장 부품(36)을 가진 단순한 3개의 슬라이스 물체(10)가 도시되어 있지만, 보다 많고 다양한 부품(36)을 가진 복잡한 다중-슬라이스 물체를 형성하는데 동일한 공정이 사용될 수 있다.
도시된 예에서, 부품(36)은 구성 재료에 완전히 매립되어 있다. 다른 예들에서, 부품(36)의 일부 또는 전부가 노출된 상태로 유지되는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 도시된 예에서, 부품(36)은 층(30) 및 슬라이스(34)와 거의 동일한 두께이다. 다른 예들에서, 부품(36)은 유착되지 않은 구성 재료의 층 및/또는 물체 슬라이스보다 더 두껍거나 더 얇을 수 있다. 도 1a 내지 12a, 도 1b 내지 12b, 및 도 13에 예시되어 있는 MJF 적층 가공 공정의 경우, 부품(들)(36)에 의한 구성 재료의 원치 않는 변위는 변위된 구성 재료를 구성 재료의 후속 층(들)로 덮은 다음 상기 변위된 구성 재료를 후속 슬라이스(들)내에 융합시킴으로써 보정될 수 있다. 불연속 부품(36)을 배치하는 단계는, 예를 들면, 처리량을 증가시키고 재현성을 향상시키기 위하여 종래의 로봇 공학을 이용하여 자동화시킬 수 있다. MJF 적층 가공 방법의 경우, 부품 배치를 위한 로봇 공학의 배향 및 정렬은 유착제를 분배하기 위한 프린트헤드 위치를 제어하는 동일한 시스템 구성요소와 조화를 이루거나 동일한 시스템 구성요소를 사용할 수 있다.
도 14는 복합 물체(10)를 제조하기 위한 공정(130)의 또 다른 예를 예시하는 흐름도이다. 도 14를 참조하여 보면, 유착되지 않은 구성 재료의 다중 층은, 예를 들면 도 1a, 1b, 4a, 4b, 9a, 및 9b를 참조하여 상술된 바와 같이, 블록(132)에서 형성된다. 각 층내의 구성 재료는, 예를 들면 도 2a-3a, 도 2b-3b, 도 5a-6a, 도 5b-6b, 도 1Oa-11a, 및 도 10b-11b를 참조하여 상술된 바와 같이, 블록(134)에서 유착된다. 부품은, 예를 들면 도 7a-8a 및 도 7b-8b를 참조하여 상술된 바와 같이, 블록(136)에서 유착된 구성 재료내에 내장된다.
도 15a 내지 30a 및 도 15b 내지 30b에 나타나 있는 단면도 및 투시도의 순서는 (도 30a 및 도 30b에 도시된) 복합 물체(10)를 제조하기 위한 제 2의 예를 예시한다. 도 31a 및 도 31b는 도 1a 내지 12a 및 도 1b 내지 12b에서 구현된 적층 가공 공정(140)의 하나의 예를 예시하는 흐름도이다. 도 15a 내지 30a, 도 15b 내지 30b, 및 도 31a 및 도 31b를 참조하여 보면, 구성 재료(14)의 제 1 층(12)은 도 15a 및 15b에 도시되어 있는 바와 같이 형성된다(도 31a의 블록(142). 일부 구현예에서, 유착 및 고화 도중에 각각의 층을 편평하게 유지하는 것을 돕기 위하여 제 1 층(12)에서 또는 처음 몇개의 층에서 구성 재료(14)를 예열하는 것이 바람직할 수 있다. 구성 재료(14)의 개개의 층은, 도 16a에 도시된 바와 같이, 예열될 수 있거나(도 31a의 블록 (144)), 또는 구성 재료(14)는 적층 전에 공급 저장소(supply reservoir)에서 예열될 수 있다. 또한, 도 7a-8a 및 도 7b-8b를 참조하여 상술된 바와 같이, 부품(36)을 내장하기 위하여 고체 구성 재료를 가열하거나 재가열하는데 히터(44)가 사용될 수도 있다.
도 17a 및 17b에서, 유착제(16)는, 예를 들면 잉크젯 타입 디스펜서(18)를 사용하여, 물체 슬라이스에 상응하는 패턴(20)으로 구성 재료(14)상에 분배된다(도 31a의 블록(146)). 도 18a 및 18b에서, 유착 개선제(46)는, 예를 들면 잉크젯 타입 디스펜서(50)를 사용하여, 유착제(16)의 패턴(20) 주변의 영역(48)을 덮는 층(12)으로 구성 재료(14)상에 분배된다(도 31a의 블록(148)).
유착제는 목적하는 패턴 외측의 구성 재료내로 유출되어 구성 재료의 원하지 않는 유착을 야기할 수 있다. 또한, 패턴화된 구성 재료에서 생성된 열은, 경우에 따라서는, 주변의 패턴화되지 않은 구성 재료로 전파되어 유착시킬 수 있다. 구성 재료의 원치 않는 유착은 제조된 물체의 전체적인 치수 정밀도와 외관의 품질을 저하시킬 수 있다. 따라서, 유착제의 효과를 차단하거나 중화시키는 개선제가 구성 재료의 원치 않는 유착을 제어하는데 사용될 수 있다. 유착 개선제(46)는, 유착제의 패턴이 산재되어 슬라이스의 재료 특성을 변화시키는 것을 포함하여, 물체 슬라이스의 다른 양상을 정의하는 것을 돕기 위하여 구성 재료 층(14)의 다른 영역상에 분배될 수 있다. 2개의 별개의 잉크젯 타입 디스펜서(18, 50)가 도시되어 있지만, 예를 들면 단일 잉크젯 프린트헤드 어셈블리에서 상이한 프린트헤드(또는 일군의 프린트헤드)를 사용하여, 단일 장치에 통합된 디스펜서로부터 에이전트(agent)(16 및 46)를 분배할 수 있다.
도 19a 및 19b에서, 유착제로 패턴화된 층(12)의 영역(20)은 광(24)에 노출되어 구성 재료가 유착되며, 고화시에 제 1 슬라이스(28)를 형성한다(도 31a의 블록(150)). 불연속 부품(36)은, 도 20a-20b 및 도 21a-21b에 도시되어 있는 바와 같이, 제 1 슬라이스(28) 상에 배치된다(도 31a의 블록(152)). 도 22a 및 22b에서, 구성 재료(14)의 제 2 층(30)이 부품(36)을 둘러싸고 있는 제 1 층(12) 상에 형성된다(도 31a의 블록(154)). 이러한 예에서, 부품(36)은 층(30)보다 더 두꺼우며, 따라서 층(30)의 유착되지 않은 구성 재료 위로 돌출한다. 부품(36)은 층(30)과 동일한 두께일 수 있거나 또는 층(30)보다 더 얇을 수 있다. 부품(36)이 층(30)보다 더 얇은 경우, 제 3 층/슬라이스는 부품(36)을 덮는데 불필요하거나 바람직하지 않을 수 있다. 일부 구현예에서는, 부품(36) 주위에 형성된 제 1 슬라이스(28) 또는 구성 재료(14)에 손상을 주는 임의의 열충격을 피하기 위하여 부품(36)을 제 1 슬라이스(28) 상에 배치하기 전에 가열하는 것이 바람직할 수 있다. 전술한 바와 같이, 부품(36)에 대한 바람직한 온도는 특정 구현예에 따라 다를 수 있지만, 일반적으로는 유착된 구성 재료의 융점의 ± 5 ℃ 이내의 온도로 부품(36)을 가열하는 것이 충분할 것으로 예상된다.
도 23a 및 23b에서, 유착제(16)는 제 2 물체 슬라이스(34)에 상응하는 패턴(32)으로 부품(36)의 두 측면을 따라 스트립으로 층(30) 상에 분배된다(도 31a의 블록(156)). 도 24a 및 24b에서, 유착 개선제(46)는 유착제(16)의 패턴(32) 주변의 영역(52)을 덮는 층(30)으로 구성 재료(14)상에 분배된다(도 31a의 블록(158)). 유착제로 패턴화된 구성 재료는 도 25a 및 25b에 도시되어 있는 바와 같이 광(24)에 노출(도 31a의 블록(160))되어 구성 재료가 유착되며, 고화시에 제 2 물체 슬라이스(34)를 형성한다.
도 26a-27a 및 도 26b-27b에서, 구성 재료(14)의 제 3 층(38)이 부품(36)을 덮고 있는 제 2 층(30) 상에 형성되며(도 31b의 블록(162)), 유착제(16)는 제 3 물체 슬라이스에 상응하는 패턴(40)으로 적용된다(도 31b의 블록(164)). 도 28a 및 28b에서, 유착 개선제(46)는 유착제(16)의 패턴(40) 주변의 영역(53)을 덮는 층(38)으로 구성 재료(14)상에 분배된다(도 31b의 블록(166)). 유착제로 패턴화된 구성 재료는 도 29a 및 29b에 도시되어 있는 바와 같이 광(24)에 노출(도 31b의 블록(168))되어 구성 재료가 유착되며, 고화시에 제 3 물체 슬라이스(42)를 형성한다. 내장 부품(36)을 가진 융합된 슬라이스(28, 34, 및 42)는 도 30a 및 30b에 도시되어 있는 완성된 복합체(10)와 같이 구성 재료로부터 언케이킹된다(도 31b의 블록(170)). 이러한 예에서, 부품(36)은,예를 들면 전도성 부품(36)을 외부 회로에 연결하기 위하여, 물체(10)의 각각의 단부에서 노출된다.
도 32는 도 12a 및 12b 및 도 30a 및 30b에 도시되어 있는 물체(10)와 같은 복합 물체를 제조하는 것을 돕기 위한 명령(56)을 가진 프로세서 판독가능 매체(54)를 예시하는 블록도이다. 프로세서 판독가능 매체(54)는 프로세서에 의해 사용되는 명령을 구현, 포함, 저장 또는 유지할 수 있는 임의의 비일시적 유형 매체이다. 프로세서 판독가능 매체는, 예를 들면, 전자 매체, 자기 매체, 광학 매체, 전자기 매체 또는 반도체 매체를 포함한다. 적합한 프로세서 판독가능 매체의 보다 구체적인 예로는 하드 드라이브, 랜덤 액세스 메모리(RAM)(Random Access Memory), 읽기 전용 메모리(ROM)(Read-Only Memory), 메모리 카드 및 스틱 및 기타 다른 휴대용 저장 장치를 포함한다.
하나의 예에서, 복합 명령(56)은 용융된 구성 재료의 단일 층 또는 다중 층내에 불연속 부품을 부분적으로 또는 완전하게 매립하는 명령을 포함한다. 다른 예에서, 복합 명령(56)은 유착되지 않은 구성 재료의 층을 형성하고, 각각의 층에서 구성 재료를 유착시키고, 유착된 구성 재료에 부품을 내장하는 명령을 포함한다. 복합 명령(56)은 도 13, 도 14 및 도 31a 및 31b를 참조하여 상술된 예시적인 적층 가공 공정(및 도 1a 내지 12a, 도 1b 내지 12b 및 도 15a 내지 30a, 도 15b, 도 30b에 도시된 제조 공정 순서)를 구현하는 명령들을 포함할 수 있다. 명령(56)을 가진 프로세서 판독가능 매체(54)는, 예를 들면, CAD 컴퓨터 프로그램 제품에서, 물체 모델 프로세서에서, 또는 적층 가공 기계용의 컨트롤러에서 구현될 수 있다. 복합 물체를 제조하기 위한 제어 데이터는, 예를 들면, 물체 모델 프로세서에서 소스 애플리케이션, 일반적으로는 CAD 컴퓨터 프로그램 제품에 대한 프로세서 판독가능 명령에 의해, 또는 적층 가공 기계에 대한 프로세서 판독 가능 명령에 의해 생성될 수 있다.
도 33은 프로세서 판독가능 매체(54)에 대한 복합 명령(56)으로 컨트롤러(60)를 구현하는 적층 가공 기계(58)의 예를 예시하는 블록도이다. 도 33을 참조하여 보면, 기계(58)는 컨트롤러(60), 제조 베드 또는 다른 적합한 서포트(62), 구성 재료 적층 장치(64), 유착제 디스펜서(18), 유착 개선제 디스펜서(50), 히터(44), 및 광원(26)을 포함한다. 기계(58)는 또한, 예를 들면 도 7a-8a 및 7b-8b 및 도 21a-22a 및 21b-22b를 참조하여 상술된 바와 같이, 부품(36)을 배치하기 위한 로봇 장치 또는 다른 적합한 시스템(66)을 포함한다.
공정중 물체 구조물(in-process object structure)은 제조 공정 도중에 서포트(62) 상에서 지지된다. 또한, 일부 기계(58)에서, 서포트(62)는, 예를 들면 구성 재료의 층들이 제조 공정 도중에 첨가될 때, 공정중 구조물의 변화하는 두께를 보상하기 위하여 이동가능하다. 구성 재료 적층 장치(64)는 서포트(62)상에 및 하부 공정중 구조물상에 구성 재료를 적층시키며, 예를 들면, 구성 재료를 분배하기 위한 장치 및 구성 재료를 각각의 층에 대해 원하는 두께로 균일하게 분포시키기 위한 블레이드 또는 롤러를 포함할 수 있다. 디스펜서(18 및 50)는, 예를 들면 도 13 및 도 31a 및 31b를 참조하여 상술된 바와 같이, 그들 개개의 에이전트를 컨트롤러(60)의 방향으로 선택적으로 분배한다. 임의의 적합한 디스펜서(18 및 50)가 사용될 수 있지만, 잉크젯 프린트헤드는 그들이 에이전트를 분배할 수 있는 정밀도 및 상이한 타입 및 제형의 에이전트를 분배하는데 대한 그들의 유연성 때문에 적층 가공 기계에서 종종 사용된다. 광원(26)은 유착제로 처리된 구성 재료를 유착시키는 것을 돕기 위하여 컨트롤러(60)의 방향으로 선택적으로 광 에너지를 적용한다.
컨트롤러(60)는 기계(58)의 동작 요소를 제어하는데 필요한 프로세서(또는 다수의 프로세서), 연관된 메모리(또는 다수의 메모리) 및 명령, 및 전자 회로 및 구성요소를 나타낸다. 특히, 컨트롤러(60)는 복합 명령(56)을 가진 프로세서 판독가능 매체(54)를 갖는 메모리(68) 및 명령(56)을 판독하고 실행하기 위한 프로세서(70)를 포함한다. 예를 들면, 컨트롤러(60)는, 내장된 부품을 포함하고 물체를 제조하는 공정의 일부로서 로컬 복합 명령(56)을 실행하는, 물체를 제조하기 위한 CAD 프로그램으로부터 제어 데이터 및 다른 명령을 수신한다.
대안적으로, 복합 명령(56)은, 예를 들면 도 34에 도시된 CAD 컴퓨터 프로그램 제품의 일부로서, 컨트롤러(60)와 독립적으로 프로세서 판독가능 매체(54)내에 내장될 수 있다. 도 34를 참조하여 보면, 적층 가공 시스템(72)은 프로세서 판독가능 매체(54) 상에 상주하는 복합 명령(56)을 가진 CAD 컴퓨터 프로그램 제품(74)에 작동가능하게 접속된 적층 가공 기계(58)를 포함한다. 예를 들면, 유선 링크, 무선 링크, 및 플래시 드라이브 또는 컴팩트 디스크와 같은 휴대용 접속을 포함하는, 기계(58)와 CAD 프로그램 제품(74) 사이의 임의의 적절한 접속은 기계(58)에 명령 및 제어 데이터를 전달하는데 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 광원(26)은 유착제가 전달되거나 침투되는 곳에 따라 구성 재료에서 구성 재료의 유착부로 광 에너지를 적용한다. 일부 예에서, 광원(26)은 적외선(IR) 또는 근적외선 광원, 또는 할로겐 광원이다. 광원(26)은 단일 광원 또는 다수의 광원들의 어레이일 수 있다. 일부 예에서, 광원(26)은 구성 재료의 층의 전체 표면에 동시에 실질적으로 균일한 방식으로 광 에너지를 적용하도록 구성된다. 다른 예에서, 광원(26)은 구성 재료의 층의 전체 표면중의 단지 선택된 영역에만 광 에너지를 적용하도록 구성된다.
구성 재료, 유착제, 개선제, 및 광 에너지의 조합은 (1) 유착제를 전혀 함유하지 않은 구성 재료는 에너지가 가해질 때 유착하지 않고, (2) 단지 유착제만을 함유하는 구성 재료는 에너지가 가해질 때 유착하며, (3) 유착제 및 개선제를 모두함유하는 구성 재료는 에너지의 인가 유무에 관계없이 개선된 유착도를 경험하도록 물체 슬라이스에 대해 선택될 수 있다.
구성 재료는 분말, 액체, 페이스트 또는 겔일 수 있다. 적합한 구성 재료의 예로는 5℃를 초과하는 프로세싱 윈도우(processing window)(즉, 융점과 재결정 온도 사이의 온도 범위)를 가진 반결정성 열가소성 물질을 포함한다. 적합한 구성 재료의 일부 구체적인 예로는 나일론 12와 같은 폴리아미드를 포함한다. 구성 재료는 유사한 크기의 입자 또는 상이한 크기의 입자를 가진 단일 재료 또는 다중 재료를 포함할 수 있다. 구성 재료는 또한 마찰 대전성을 억제하기 위한 대전제(charging agent) 및/또는 유동성을 개선하기 위한 유동 보조제를 포함할 수도 있다.
적합한 유착제로는 활성 방사선 흡수성 결합제를 함유하는 수계 분산액을 포함한다. 활성제(active agent)는, 예를 들면, 적외선 흡수제, 근적외선 흡수제, 또는 가시광선 흡수제일 수 있다. 하나의 예로서, 유착제는 활성 물질로서 카본블랙을 포함하는 잉크 타입 제형일 수 있다. 이러한 잉크 타입 제형의 예가 휴렛-패커드 캄파니(Hewlett-Packard Company)에서 시판하고 있는 CM997A 로서 상업적으로 공지되어 있다. 활성제로서 가시광선 강화제를 포함하는 잉크의 예는 염료계 착색 잉크 및 안료계 착색 잉크이다. 안료계 잉크의 예로는 휴렛-패커드 캄파니에서 시판하고 있는 CM993A 및 CE042A 잉크를 포함한다. 일부 유착제의 수성 특성은 유착제가 구성 재료의 층을 관통할 수 있도록 한다. 소수성 구성 재료의 경우, 유착제내에 공용매 및/또는 계면활성제가 존재하면 원하는 습윤성을 얻는데 도움을 줄 수 있다. 하나 이상의 유착제가 분배되어 각각의 슬라이스를 형성할 수 있다.
적합한 유착 개선제는 입자가 함께 결합하여 슬라이스의 일부로서 고화되는 것을 방지하기 위하여 구성 재료의 개별 입자를 분리시킬 수 있다. 이러한 타입의 유착 개선제의 예로는 콜로이드성 잉크, 염료계 잉크, 및 폴리머-기반 잉크 뿐만 아니라 구성 재료 입자의 평균 크기 미만의 평균 크기를 갖는 고체 입자를 포함한다. 유착 개선제의 분자량 및 그의 표면 장력은 원하는 기계적 분리를 달성하도록 에이전트가 구성 재료내로 충분히 침투할 수 있어야 한다. 하나의 예에서, 염 용액이 유착 개선제로서 사용될 수 있다. 다른 예에서, 휴렛-패커드 캄파니에서 시판하고 있는 CM996A 및 CN673A로서 상업적으로 공지된 잉크가 유착 개선제로서 사용될 수 있다.
적합한 유착 개선제는 구성 재료가 가열 도중에 그의 융점보다 높은 온도에 도달하는 것을 방지함으로써 유착제의 효과를 개선하도록 작용할 수 있다. 적합한 냉각 효과를 나타내는 유체가 이러한 타입의 유착 개선제로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 구성 재료가 냉각 유체로 처리되는 경우, 구성 재료에 적용된 에너지가 유체를 증발시키는데 흡수되어 구성 재료가 그의 융점에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 높은 수분 함량을 가진 유체가 적합한 유착 개선제일 수있다.
다른 타입의 유착 개선제가 사용될 수도 있다. 유착도를 증가시킬 수 있는 유착 개선제의 예로는, 예를 들면, 가소제를 포함할 수 있다. 유착도를 증가시킬 수 있는 유착 개선제의 또 다른 예로는 구성 재료의 입자의 습윤성을 증가시키는 표면 장력 개선제를 포함할 수 있다.
하나의 예에서, 개선제로는 무기 염, 계면활성제, 공용매, 습윤제, 살생물제, 및 물을 포함한다. 일부 예에서, 개선제는 이러한 성분들로 구성되며, 다른 성분들은 전혀 포함하지 않는다. 이러한 성분들의 특정 조합은 부분적으로는 무기 염의 존재로 인하여 유착 블리드(coalescence bleed)를 효과적으로 감소시키거나 방지하는 것으로 밝혀졌다. 개선제에 사용되는 무기 염은 비교적 높은 열용량을 가지지만, 비교적 낮은 열 방사율을 갖는다. 이러한 특성은 개선제가 거기에 적용된 방사선(및 그와 연관된 열 에너지)을 흡수할 수 있도록 만들어 주고, 또한 그 안에 대량의 열 에너지를 보유할 수 있도록 만들어 준다. 이와 같이, 만약에 열 에너지가 거의 없다면, 열 에너지는 개선제에서 구성 재료로 전달된다.
또한, 무기 염은 구성 재료 및, 일부의 경우에는, 유착제내의 활성 물질의 열전도도 및/또는 융점보다 더 낮은 열전도도 및/또는 더 높은 융점을 가질 수도 있다. 방사선 및 열 에너지를 흡수할 때, 무기 염은 용융되지 않으며, 또한 주변 구성 재료에 충분한 양의 열을 전달하지도 않는다. 따라서, 개선제는 구성 재료가 유착제 및 개선제 모두와 접촉하고 있을 경우에는 구성 재료의 경화를 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 구성 재료가 개선제와 단독으로 접촉하고 있을 경우에는 구성 재료의 경화를 효과적으로 방지할 수 있다.
특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 하나 이상을 의미한다.
도면에 도시되고 상술된 예들은 하기의 특허청구범위에서 정의되는 특허청구된 주제의 범주를 예시하지만 그를 국한하지는 않는다.

Claims (19)

  1. 실행될 때, 적층 가공 기계(additive manufacturing machine)가 부품(part)을 용융된 구성 재료(build material)의 하나의 층 또는 다수의 층내에 부분적으로 또는 완전하게 매립시키도록 하는 명령을 갖는 비일시적 프로세서 판독가능 매체(non-transitory processor readable medium)로서, 상기 명령이,
    구성 재료의 하나 이상의 층을 형성하고;
    유착제를 사용함으로써 각각의 층 내의 구성 재료를 유착시켜 하나 이상의 슬라이스를 형성하고;
    부품을 슬라이스에 내장시킴으로써 수행되고,
    상기 용융된 구성 재료의 하나의 층 또는 다수의 층내에 부품을 매립시키는 명령이,
    분말형 구성 재료의 제 1 층을 형성하고;
    상기 제 1 층의 구성 재료를 고화시켜 제 1 슬라이스(first slice)를 형성하고;
    상기 제 1 슬라이스의 일부 또는 모두를 용융시키고;
    상기 부품을 제 1 슬라이스의 용융된 부분내로 가압하는
    명령을 포함하고,
    상기 용융된 구성 재료의 하나의 층 또는 다수의 층내에 부품을 매립시키는 명령이, 유착제를 함유한 구성 재료 옆의 구성 재료상에 유착 개선제를 분배하도록 하는 명령을 추가로 포함하는, 비일시적 프로세서 판독가능 매체.
  2. 제 1 항의 프로세서 판독가능 매체를 포함하는 적층 가공 기계 컨트롤러.
  3. 제 1 항의 프로세서 판독가능 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 기록 매체.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 용융된 구성 재료의 하나의 층 또는 다수의 층내에 부품을 매립시키는 명령이,
    상기 부품을 덮고 있는 상기 제 1 슬라이스상에 구성 재료의 제 2 층을 형성하고;
    상기 제 2 층의 구성 재료를 고화시켜, 상기 부품을 덮고 있는 제 2 슬라이스를 형성하는
    명령을 포함하는, 비일시적 프로세서 판독가능 매체.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 분말형 구성 재료를 적층하기 위한 제 1 장치;
    구성 재료상에 유착제(coalescing agent)를 분배하기 위한 제 2 장치;
    구성 재료에 광 에너지를 적용하기 위한 광원;
    부품을 배치하기 위한 제 3 장치; 및
    상기 제 1 장치가 상기 분말형 구성 재료를 적층시키고; 상기 제 2 장치가 적층된 구성 재료상에 유착제를 슬라이스에 상응하는 패턴으로 분배하고; 상기 광원이, 각각의 층의 구성 재료를 유착시키기 위하여, 유착제가 분배된 구성 재료에 광 에너지를 적용함으로써 슬라이스를 형성하고; 상기 제 3 장치가, 상기 슬라이스의 일부 또는 모두를 용융시키고 상기 부품을 상기 슬라이스의 용융된 부분내로 가압함으로써 슬라이스 내에 부품을 내장하도록 하는 명령을 실행하기 위한, 컨트롤러
    를 포함하는, 적층 가공 기계로서,
    상기 적층 가공 기계가, 구성 재료상에 유착 개선제를 분배하기 위한 제 4 장치를 추가로 포함하되, 이때
    상기 컨트롤러가, 상기 제 4 장치로 하여금 유착제를 함유한 구성 재료 옆의 구성 재료상에 유착 개선제를 분배하도록 하는 명령을 실행하는, 적층 가공 기계.
  9. 삭제
  10. 유착되지 않은 구성 재료의 층을 형성하는 단계;
    유착제를 사용함으로써 각각의 층의 구성 재료의 일부를 유착시켜 슬라이스를 형성하는 단계; 및
    슬라이스에 부품을 내장(embedding)시키는 단계
    를 포함하는 적층 가공 방법으로서,
    상기 내장 단계가, 용융된 구성 재료내로 상기 부품을 가압하는 단계를 포함하고,
    적층 가공 방법이, 유착제를 함유한 구성 재료 옆의 구성 재료상에 유착 개선제를 분배하는 단계를 추가로 포함하는, 적층 가공 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    슬라이스에 부품을 내장시키기 전에 상기 부품을 가열하는 단계를 포함하는 적층 가공 방법.
  12. 삭제
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 유착 단계 및 내장 단계가,
    구성 재료를 고화시키는 단계;
    상기 고화된 구성 재료를 용융시키는 단계; 및, 이어서
    상기 용융된 구성 재료내로 상기 부품을 가압하는 단계
    를 포함하는, 적층 가공 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 형성 단계, 유착 단계 및 내장 단계가, 상기 부품을 유착되지 않은 구성 재료로 덮고 상기 부품을 덮고 있는 구성 재료를 유착시키는 단계를 포함하는, 적층 가공 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 형성 단계, 유착 단계 및 내장 단계가, 상기 부품을 유착되지 않은 구성 재료로 둘러싸고 상기 부품을 둘러싸고 있는 구성 재료를 유착시키는 단계를 포함하는, 적층 가공 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 내장 단계가, 슬라이스 내에 상기 부품을 완전하게 매립하는 단계를 포함하는, 적층 가공 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 형성 단계, 유착 단계 및 내장 단계가,
    분말형 구성 재료의 제 1 층을 형성하는 단계;
    상기 제 1 층의 구성 재료를 유착시켜 제 1 슬라이스를 형성하는 단계;
    상기 제 1 층 위에 분말형 구성 재료의 제 2 층을 형성하는 단계;
    상기 제 2 층의 구성 재료를 유착시켜 제 2 슬라이스를 형성하는 단계;
    상기 제 2 층을 형성하기 전에 상기 제 1 슬라이스 내로 상기 부품을 가압하는 단계;
    상기 부품을, 상기 제 2 층의 분말형 구성 재료로 덮는 단계; 및
    상기 부품을 덮고 있는 제 2 층의 구성 재료를 유착시켜 제 2 슬라이스를 형성하는 단계
    를 포함하는, 적층 가공 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
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