KR102021406B1 - 성형체를 제조하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

성형체를 제조하기 위한 방법이 제안되며, 상기 방법은: 입자의 층을 도포하고 결합체를 도포하는 단계; 상기 성형체를 경화하는 단계를 포함하며; 그리고 금속 또는 세라믹 성형체를 제조하기 위한 장치로서: 현탁액에서 분산되어진 금속 또는 세라믹 입자의 현탁을 수용하도록 배치되는 저장 볼륨, 저장 볼륨에서 현탁의 양을 반복적으로 가지고 작업 볼륨에 그 양을 전송하고 층으로서 그곳에 도포되도록 배치된 층 형성 도포 장치, 작업 볼륨에 도포 층을 탈습하도록 배치되는 탈습 장치, 탈습 층의 입자가 상호 및 탈습 층 아래층의 입자에 선택적으로 접착식으로 접합되도록, 생산될 성형체의 층 모델에 따른 탈습 층에 국부적으로 결합제를 도포하도록 배치되는 결합제 도포 장치, 결합체의 도움으로 다른 것과 접합된 입자로부터 분리된 결합체 없는 잔류 물질의 성형체를 탈형하도록 배치된 탈형 장치를 가지며; 그리고 신속 시제품 방법은: 그린 바디를 제조하고 그린 바디를 소결하는 단계를 포함한다.

Description

성형체를 제조하기 위한 방법 및 장치{METHOD FOR PRODUCING A MOULDED BODY AND DEVICE}
본 발명은 금속 또는 세라믹 성형체를 제조하기 위한 기술에 관한 것이다. 그것은 생성 제조 공정 분야(generative manufacturing process), 특히 신속 시제품화(rapid prototyping) 분야를 포함하며, 소형 고체(compact solid)의 적층 구조에 관한 것이다.
최근, 제조 산업에 대한 요구는, 특히 개발 및 시제품 제조의 영역에서 중대한 변화를 겪었다.
제품 변형이 꾸준히 더 많고 복잡하게 되어감에 따라, 시제품에 대한 필요성 또한 지속적으로 성장하고 있다. 많은 새로운 기술들이 생겼고, 이는 "신속 시제품화" 또는 "신속한 제조"라는 포괄적 용어에 의해 설명되며 더욱 융통성 있는 제조에 대한 수요를 충족하는데 사용된다.
이러한 공정의 중요한 특징은 공정 설비의 후속 제어로 CAD 형상 데이터로부터 공정 제어 데이터의 생성이다. 이러한 모든 공정들은 다음과 같은 특징을 공유한다. 성형(shaping)은 물질을 제거하는 것이 아닌 물질을 첨가함으로써, 또는 물질을 액체에서 고체로 상전이시킴으로써 수행되거나, 또는 분말 형태의 시재료가 압축된다. 게다가, 모든 방법은 슬라이스 공정(slice process)을 사용하여 CAD 데이터로부터 직접 형성하는 유한한 두께의 층으로부터의 부분 형상에 기초한다.
현재 이용 가능한 방법으로는 층의 추가 또는 구조 공정이 수행되는 물질의 초기 상태 즉, 고체, 액체 또는 기체-상태에 따라 상이하다. 이하에서, 다양한 방법이 논의될 것이다.
선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering)(SLS)은 원래 나일론, 폴리카보네이트 및 왁스로 구성된 분말을 위해 개발되었으며, 이후 금속 분말에 적용되었다. 분말 층은 반응기의 그린 바디(green body)상에서 소결되며, 그 용융 온도가 CO2 레이저의 사용을 통해 도달된다.
다상 제트 응고(Multiphase Jet Solidification)(MJS)에서, 금속 분말과 결합체(binder)의 혼합물은 차례로 콤포넌트(component)를 쌓은 층을 형성하기 위해 컴퓨터-제어, 가동 노즐에 의한 사출 성형 방법과 동일한 방식으로 처리된다.
광 조형(Stereolithography)은 시재료로서 액체 UV-감광 중합체를 사용하며, 그 중합체는 레이저 방사선에 의해 한번에 한 층이 경화되고 기판 상에 증착된다. 공작물은 각각의 층이 수지 욕조에서 경화한 후 대응하는 층의 두께에 의해 하강하는 플랫폼(platform)에 순차적으로 형성된다.
또한, 액체 중합체는 고체 접지 경화(Solid Ground Curing)(SGC)의 원료로서 사용된다. 얇은 중합체 층은 원하는 위치에서 UV 방사선에 노출된 후 경화하고, 이로서 한번에 한 콤포넌트의 한 층을 형성한다.
동시 샷 피닝(Simultaneous shot peening)(SSP)은 적합한 형태의 표면이 용융 금속을 분무함으로써 매핑(mapping)되는 방법에 대한 명칭이다. 이 매핑은 압력 주조(die casting) 공구나 프레스형의 일부로서 사용될 수 있다.
융합 증착 모델링(Fused Deposition Modeling)(FDM)은 MJS 공정과 매우 유사하다. 여기에서도 노즐은, 제조될 높이 조절 공작물 위에서 이동되기 때문에 NC를 사용하여 제어된다. 콤포넌트는 층에 의해 용융 물질 층을 잘라냄으로써 그리고 플랫폼을 대응하게 낮춤으로써 형성된다.
적층 객체 제조(Laminated Object Manufacturing)(LOM)는 원래 종이 또는 플라스틱 부품을 제조하기 위해 개발되었다. 레이저는 개별 층으로부터 대응하는 콤포넌트 층을 잘라내고, 이들은 공작물을 만들기 위해 접착제를 사용하여 함께 적층된다.
문서 EP 1,266,878은 "LSD 방법" 및 상기 방법을 수행하기 위한 장치를 기술하고, 여기서 세라믹 그린 시트(ceramic green sheet)가 테이프 주조로부터 유래된 공정을 이용하여 적층된다. 이후, 선택적 레이저 소결과 마찬가지로, 레이저는 세라믹 그린 시트의 특정 영역을 경화/소결하는데 사용된다. 성형체는 세라믹 물질의 선택된 영역을 레이저 빔(laser beam)으로 소결함으로써 층으로 형성된다. 공지된 방법에서, 액체 현탁(suspension) 또는 플라스틱 물질의 층이 반복적으로 도포된 후 탈습된다. 이때 제습된 각 층은 성형체를 형성하기 위한 선택된 위치에서 레이저 빔을 사용하여 선택된 위치에서 소결된다. 공지된 방법에서, 레이저는 소결 공정을 통해 건조된 그린 시트에 층 정보를 기록하기 위해 사용된다. 레이저 조사는 그린 시트의 국부적 소결을 반드시 야기시키며, 그 결과 조사된 영역이 탈형시 용매로서 물을 사용하여 그린 바디로부터 나중에 분리될 수 있지만, 레이저-조사 영역은 기존에 소결된 세라믹과는 상이한 성질을 갖는다. 비록 후속하는 종래의 소결이 종래 소결된 콤포넌트에 견줄할 만한 특성을 갖는 콤포넌트가 생성되는 그런 방식으로 구성된 콤포넌트의 특성에 영향을 미칠 수 없다.
또한, 3D 결합체 인쇄 공정이 예컨대 문서 WO 98/09798로부터 공지되어있다. 이 경우에, 물질이 층에 결합되는 공정의 일부로서, 결합제는 분말 또는 과립의 층이 도포된 후 활성화된다. 결합제는 단계들에서 도포되는 층에 대한 접착제로서 역할을 한다. 이러한 목적에 적합한 물질은 예컨대, 문서 DE 10 2006 029 298 A1에 기재되어있다.
본 발명의 목적은 제조 시스템을 신중히 처리하는 동안 원하는 물질 밀도를 갖는 성형체를 안정적으로 제조할 수 있는, 금속 또는 세라믹 성형체를 제조하기 위한 개선된 기술을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제2항에 따른 금속 또는 세라믹 성형체를 제조하기 위한 방법을 갖는 본 발명에 따라 달성된다. 또한, 금속 또는 세라믹 성형체를 제조하기 위한 장치는 독립 청구항 제14항에 따라 만들어진다. 본 발명의 유리한 변형은 종속 청구항의 요지이다.
본 발명은 금속 또는 세라믹 물질로부터 성형체를 제조하기 위한 방법의 개념을 포함하고, 상기 방법은:
금속 또는 세라믹 물질로부터 성형체를 형성하는 단계로서, 다음의 단계:
작업 볼륨(working volume)에서 현탁액에 분산되는 금속 또는 세라믹 입자의 현탁 층을 도포하는 단계,
작업 볼륨에서 도포 층을 탈습하는 단계,
탈습 층에 국부적으로 결합체를 도포하고 생성되는 성형체의 층 모델에 따라 결합체를 경화하여, 탈습 층내의 입자가 상호 국부적으로, 또한 선택적으로는 탈습 층 아래의 적어도 하나의 층의 입자에, 접착식으로 접합되는 단계, 및
결합체의 도움으로 상호 접합되는 입자로부터 결합체 없는 잔류 물질을 분리함으로써 성형체를 탈형하는 단계를 반복적으로 수행함으로써, 금속 또는 세라믹 물질로부터 성형체를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 성형체의 생성품은 미립자 응집물의 용해도를 변경하는 액상 결합체의 국부적으로 제한된 도포를 포함한다. 이러한 맥락에서, 미립자 응집물이라는 용어는 도포된 입자 층 또는 미립자 물질을 의미하는 것으로 이해된다. 성형체의 층 모델에 따른 미립자 물질의 용해도를 생성될 성형체의 층 모델로 변경하는 액체 결합체의 이러한 국부적으로 제한된 도포는, 결합제가 제공되지 않은 미립자 물질의 용해도와 비교되는 층에서의 미립자 물질의 층 물질의 용해도를 변경하는 효과를 갖거나, 또는 층의 원하는 부분의 용해도가 변화된다. 이러한 방식으로, 성형체 자체의 구조를 위해 의도된 입자 층의 일부의 용해도가 변화된다. 따라서 주위의 미립자 물질이 탈형될 때 성형체가 나온다. 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 다음의 특성을 갖는 금속 또는 세라믹 성형체를 제조하기 위한 장치가 만들어진다:
현탁액에 분산되어진 금속 또는 세라믹 입자의 현탁(suspension)을 수용하도록 구성되는 저장 볼륨,
저장 볼륨에서 현탁의 양을 반복적으로 가지고 작업 볼륨에 그 양을 전송하고 층으로서 그곳에 도포되도록 구성된 층 형성 도포 장치,
작업 볼륨에 도포 층을 탈습하도록 구성되는 탈습 장치,
탈습 층의 입자가 상호간에 및 탈습 층 아래층의 입자에 선택적으로 접착식으로 접합되도록, 생산될 성형체의 층 모델에 따른 탈습 층에 국부적으로 결합제를 도포하도록 구성되는 결합제 분배 장치,
결합체의 도움으로 상호 접합된 입자로부터 결합체 없는 잔류 물질이 분리되는, 성형체를 탈형하도록 구성된 탈형 유닛(demoulding unit).
제안된 방법에서, 금속 또는 세라믹 성형체는 현탁액에서 분산된 금속 또는 세라믹 분말 입자의 다중층을 번갈아 도포함으로써 생성될 성형체의 외부 형태에 관련하여 무정형인 작업 볼륨에서 생성된다. 각각의 도포 이후, 도포 층이 건조되고, 이어서 결합체는 층 모델과 일치하여 서로 건조 층에서 입자를 접합하기 위해 국부적으로 도포된다. 대안적으로, 결합체는 현재 도포 층이 그 아래 층에 연결되도록 건조 층의 의도된 영역을 통하여 뿐만 아니라 하나 이상의 하부층으로도 확산되는 방식으로 도포된다. 결합체의 분포는 예컨대, 결합체가 건조 층에 도포되도록 하는 압력으로 조절될 수 있다. 결합체의 국부적인 도포가 생성될 성형체의 층 모델에 대한 전자 데이터 집합에 따라 제어된다. 생성될 성형체는 층 모델에서 사전에 층으로 분해되어, 제조 공정에 적합한 데이터 집합이 공정을 제어하기 위해 유도된다. 층 모델의 제조는 그 자체로서 공지되어 있으므로 여기에서는 더이상 설명하지 않는다.
연속적으로 도포된 현탁 층의 두께는 약 1㎛ 내지 약 200㎛ 사이인 것이 바람직하다.
제안된 방법은 신속 시제품화 방법이다. 때때로 신속한 제조 방법이라는 용어도 사용된다.
현탁 층의 반복된 도포 및 그 처리가 완료된 후에 성형체가 탈형된다. 이것은 결합체에 의해 상호 연결된 성형체를 형성하는 입자가, 작업 볼륨에서 결합체 없는 잔류 물질로부터 분리되는 것을 의미한다. 작업 볼륨 자체가 생성된 성형체의 조형이 아니다. 오히려, 성형체의 외부 형태가 결합체의 국부적 도포를 통하여 생성되며, 이것은 입자가 경화 이후에 함께 계속하여 유지되는 것을 보장한다.
본 발명의 바람직한 구체화는 인쇄 장치를 이용하여 국부적으로 도포되는 결합체를 제공한다. 인쇄 장치로 결합체의 도포는 유리하게는 적합한 프린트 헤드로 수행된다. 인쇄 장치는 3-차원 인쇄 공정에서 성형체를 생성하는데 사용된다.
본 발명의 유리한 변형에서, 도포 층이 탈습 동안에 가열되는 것이 제공될 수 있다.
본 발명의 유리한 실시예는 성형체가 다공성 성형체로서 제조되는 것을 제공한다.
본 발명의 더 나은 개발이 바람직하게는 결합체를 경화하기 위해 하나 이상의 다음과 같은 일련의 단계가 수행되는 것을 제공한다: 공기 건조, 열 공급 및 UV 광 조사. 결합체는 단독으로 공기 건조에 의해 경화될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, UV 광과 함께 가열 및/또는 조사는 적용된 후 결합체를 경화하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 구체화는 탈형이 적어도 부분적으로 액조(liquid bath)에서 수행되는 것을 제공할 수 있다. 액체는 예컨대 수조일 수 있다. 결합체로 결합되지 않은 입자가 액조의 도움으로 성형체로부터 분리된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 성형체가 적어도 60% v/v, 바람직하게는 적어도 65% v/v 및 보다 바람직하게는 적어도 70 % v/v의 밀도로 생성되는 것을 제공한다.
전형적인 실시예에 따라, 성형체 또는 그린 바디를 제조하거나 생성하기 위한 방법이 제시되며, 여기서 성형체의 밀도가 그린 바디의 질량의 지수 및 그린 바디의 외부 윤곽에 기초하여 계산된 체적으로서 정의된다면, 그린 바디의 밀도는 현탁의 세라믹 성분의 평균 물질 밀도의 적어도 60% v/v 이다. 이론적인 밀도 3.94gㆍcm-3를 갖는 알루미늄 산화물(Al2O3)의 경우에, 이것은 슬립 증착(slip deposition)에 의한 층으로 구성된 Al2O3가 2.36gㆍcm-3 보다 큰 밀도를 가지고 있음을 의미한다.
또다른 실시예에 따라, 성형체 또는 그린 바디를 제조하거나 또는 생성하기 위한 방법이 제시되며, 여기서 그 층은 중공 닥터 블레이드(hollow doctor blade)의 도움으로 생성된다. 이 경우, 현탁은 층을 형성하기 위하여 중공 닥터 블레이드를 통해 배출된다. 이러한 접근의 이점은 중공 닥터 블레이드로 공급된 슬립이 이들의 슬릿형 출구를 통해 지속적이고 균일하게 배출되고 정의된 두께로 층이 확산되도록 하는 사실을 포함한다.
본 발명의 실제적인 변형에서, 상기 층이 도포될 때 그린 시트가 세라믹 입자의 현탁을 확산함으로써 형성되는 것이 제공될 수 있다. 또한, 세라믹 입자의 현탁은 슬립이라고 부른다. 이 방법으로 제조된 세라믹 성형체는 그린 바디라고 부른다.
본 발명의 유리한 실시예는 경화 후에 물에 용해되지 않는 그리고/또는 유기 용매에 용해되지 않는 유기 결합체의 용도를 제공한다. 이것은 후속하는 탈형 동안에 입자가 접합 층으로부터 우연히 분리되는 것을 방지한다.
본 발명의 바람직한 구체화는 무기 결합체가 이용되고 예컨대, 콜로이드 SiO2 용액에 기초한 결합체가 이용될 수 있는 것을 제공한다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 탈형체가 소결되는 것이 제공될 수 있다. 하나의 변형으로, 유기 결합체가 성형체를 소결될 때 열분해된다. 이러한 또는 다른 변형에서, 성형체는 소결에 의해 더욱 압축되며, 그 결과 탈형 후의 성형체의 물질 밀도보다 큰 물질 밀도로 제작된다.
금속 또는 세라믹 성형체의 제조 장치에 대해서, 상기 결합체 분배 장치는 결합체가 잉크젯 인쇄 기술과 동일한 방식으로 이전의 탈습 층에 국부적으로 도포되는, 인쇄 장치라는 것이 제공될 수 있다.
성형체를 탈형하기 위한 탈형 장치의 일부는 그 내부에서 결합체 없는 잔류 입자가 결합제의 도움으로 상호 연결되어 입자로부터 분리된 액조일 수 있다.
층-형성 도포 장치는 저장 볼륨에서 작업 볼륨으로 층을 형성하는데 필요한 현탁 물질을 운반하는 공급 장치를 포함할 수 있다. 닥터 블레이드 장치는 막 형성을 지원하기 위해 제공될 수 있다.
닥터 블레이드 장치는, 특히 중공 스크레이퍼 블레이드를 포함할 수 있으며, 여기서 중공 블레이드는 두 개의 개구 즉, 슬립을 전달하기 위한 호스 포트(hose port) 및 슬립의 배출을 위한 슬릿형 출구 구멍을 갖는 중공 볼륨을 둘러싼다. 볼륨은 슬릿-성형 출구 구멍을 통해 균일하고 지속적으로 배출되도록 호스 포트를 통해 공급되는 슬립이 가능하도록 설계된다. 슬릿-성형 출구 구멍은 실질적으로 닥터 블레이드의 폭을 가로 질러 연장된다. 슬릿에서 나오는 슬립은 닥터 블레이드에 의해 정의된 두께의 층을 형성하도록 확산된다.
제안된 방법의 바람직한 실시예에 따라, 이 방법으로 얻어진 정의된 두께를 갖는 층은 일정한 두께를 갖는다. 이 방법으로 얻어진 정의된 두께의 층의 중요한 특징은, 각 증착 층이 그것의 전체 범위에 걸쳐 일정한 높이를 가지며, 따라서 특히 평탄하고 주름지지 않은 이에 따라 평평한 표면으로 특징지워진다. 따라서 제안된 방법에 따라 중공 닥터 블레이드로 생성된 각각의 층은 유리하게는 평탄하고 주름진 표면을 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기 방법에 따라 얻어진 성형체는, 각각의 슬립 층은 언제나 완전 평면에 도포되기 때문에, 본질적으로 평평하여 주름이 전혀 없는 층으로 완전히 구성한다. 이것은, 층-형성 성형체를 특징으로 함에도 불구하고 후속으로 달성되는 중첩 층의 균일한 건조 및 균일한 접착에 대한 특별한 이점을 제공한다.
닥터 블레이드의 예시적인 실시예는 상호 정의된 거리로 배열된 두 개의 평행한 직사각형 패널로 구성된다. 직사각형 패널은 세 개의 면상에 상호 밀폐 차단되어 있어서, 개방 공동이 일면에 형성된다. 개방 면 또는 중공 블레이드의 단면 개구는 슬립을 위한 슬릿-형 출구 구멍으로서 역할을 하며, 여기서 슬립은 패널 중 하나에 호스를 통하여 공급될 수 있다.
이 경우, 호스 포트는 예컨대, 패널 중 하나가 개방 공동에 직접 향하며 그 패널 외부에 슬립을 공급하는 호스를 위한 호스 니플(hose nipple) 또는 다른 유형의 커넥터 내로 개방되는 개구를 갖도록 설계될 수 있다.
일실시예에서, 탈습 장치가 건조되도록 도포된 현탁 층에 열을 공급하도록 구성되는 히터(heater)로 설계된다.
이하에서, 본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 또한 금속 또는 세라믹 성형체를 제조하는 방법의 변형이 기술되며, 그 중 일부가 적어도 신속 시제품 또는 신속한 제조에서 기술될 수 있다.
이 공정에서, 생성되는 콤포넌트는 적합한 층을 절단하고 데이터 집합으로서 내보내는 컴퓨터 프로그램으로 정상적인 방식에서 우선 설계된다. 층내에 절단으로, 성형체의 층 모델이 생성된다. 데이터 집합은 생성될 성형체에 대한 층 정보를 포함한다.
시스템의 일부인 컴퓨터는 얇은 현탁 층을 초기에 형성하기 위해, 제어 시스템을 제어하는 제어 데이터를 그로부터 도출하는 층 데이터를 해석하며, 그린 시트와 같은 세라믹 물질의 경우에 참조된다. 사용 가능한 세라믹 분말 물질은 예컨대 도자기, Al2O3, AlN, SiO2, Si3N4를 포함한다.
제조 공정의 결과는 예컨대, 주형 없이 제조되는 시제품, 반제품이다.
현탁 층을 제조하기 위하여, 특수하게 조정된 현탁은 세라믹 물질 현탁의 경우 슬립이라 호칭되고 사용된다. 종래의 슬립 주조와 비교하여, 이 경우의 현탁은 일반적으로 낮은 함수량과 함께 점성이 커야만 한다. 상기 방법 중 하나의 가능한 변형에서, 슬립은 일련의 제조를 위한 토대로서 역할을 하고 고형분의 비율을 증가시킴으로써 단지 진하기만 하면 되거나, 또는 그것이 직접적으로 사용될 수도 있다. 따라서, 이 경우에는 슬립을 위한 제조 공정이 매우 저렴하다.
종래 기술에 따른 분말의 이용에 대해 액체 현탁을 사용하는 이점은 세라믹 물질의 경우에 그린 밀도라고 불리는 물질 농도를 증가시킨다는 것이다. 분말 상태에서, 분말 입자는 정전기적으로 대전되고 상호 반발하며, 낮은 벌크 밀도 및 비교적 두꺼운 층으로 결과 된다. 두 효과 모두는 불만족스러운 매핑 정확도를 이끌어낸다.
제안된 방법에서, 성형체를 제조하기 위해 제조된 현탁은 예컨대, 500㎛의 간극 폭을 갖는 중공 닥터 블레이드를 사용하여 반송 장치에 의하여 저장기 또는 저장 베셀(vessel) 밖으로 가압된다. 조작기(manipulator)는 가열된 세라믹 패널 위로 약 1㎛에서 약 100㎛까지의 수직 거리에 닥터 블레이드를 이동시키는데, 그 결과 작업 볼륨에서 현탁이 정의된 두께를 갖는 얇은 층에 도포된다. 패널 표면은, 수성 슬립(water-based slips)이 제1 층의 증착 동안 사용될 때, 비등으로부터 현탁내 수분함량을 방지하기 위하여 초기에 100°C 이하의 온도에 있다. 이전에 증착된 층이 높은 흡수성을 갖고 수초의 분획 내에 새로운 층으로부터 수분을 추출하기 때문에, 층의 수가 증가함에 따라, 온도가 현저하게 상승될 수 있다. 새로운 층은 그것에 의해 안정화되고, 수분은 30초 미만 이내에서 증발된다.
가열된 패널을 경유하여 그 아래로부터 건조 이외에도, 대안적으로 또는 추가적으로 방사 히터는 팬과 함께 사용될 수 있다. 상기에서 건조하기 위한 추가적인 수단은, 생성된 단편(fragements)이 절연 효과를 가지며 이에 따라 층 구조의 두께가 증가하면서 상부 층의 온도가 양호한 급속 건조를 하기에는 너무 낮은 것으로 될 수 있는 경우에 필요하다. 이 방법에 의해 제조 가능한 층은 약 65% v/v의 종래 제조된 그린 바디와 비슷한 밀도를 갖는다.
결합체는 인쇄 장치의 프린트 헤드(print head)를 통해 건조 층 위에 국부적으로 분무되며, 3-차원 인쇄에서도 마찬가지이다. 결합체는 세라믹 또는 금속 입자를 적셔 층에 침투한다.
이러한 층의 침투는 층 단면에서 원하는 입자를 연결하고 하부 층에 국부적으로 상부 층을 결합하기 위해 필요로 된다. 결합체 상에 분무된 양은 결합체가 원하는 깊이 아래로 몸체의 층에 침투할 수 있도록 계량된다. 결합체의 이러한 침투 깊이는 개별적인 도포 층의 두께 및 깊은 층에서의 결합제의 원하는 침투의 정도에 따라 변화한다. 결합체는, 예컨대, 공기, 열, UV 광, 2-상태 분무 및/또는 기타 등등에 의해 분무 후 경화 특성을 가지며, 이때 결합체로 처리되지 않는 성형체를 용해시키는 다른 매질(media)에 의해 용해되지 않거나 또는 단지 조금만 용해된다.
인쇄 작업이 완료된 후에, 약 100μm 내지 약 1μm의 두께를 갖는 새로운 층이 도포되고 탈습되며, 인쇄 처리가 다시 시작된다. 이러한 방법으로, 성형체는 층 모델에 따라 한번에 하나의 층으로 계속하여 형성된다. 형성(build-up) 단계의 종료 후에, 바로 복수의 층으로 구성된 성형체가 수조 또는 결합체 없이 성형체의 일부를 용해하는 다른 미디어에 위치되고, 결합체-없는 영역은 용해된다. 이러한 방식으로, 콤포넌트는 성형체로부터 나온다.
레이저 방사에 의한 열 경화/가교-결합의 완료 후에, 1-500μm, 바람직하게는 5 내지 300, 특히 25 내지 150μm의 두께를 갖는 새로운 층은 도포 및 탈습되며, 이때 결합체는 다시 도포되고 경화/가교결합 된다. 이러한 방법으로, 콤포넌트는 계속하여 층마다 형성된다. 형성 단계의 종료 후, 지금 복수의 층으로 구성하는 그린 바디는 결합체에 의해 경화/가교결합되지 않은 그린 바디의 일부를 용해 및/또는 세척하는 수조 또는 다른 매질(medium)에 위치된다. 그린 바디의 결합체-없는 영역은 완전히 용해되고 콤포넌트는 그린 바디로부터 나온다.
이러한 방식으로 생성된 콤포넌트의 성질은 결합체로 부분적으로 충전되어 있는 세공(pore) 볼륨의 종래 그린 바디의 성질들과 동일하다. 유기 결합체가 사용될 때, 몸체가 소결되는 경우 결합체가 용이하게 사라지게 한다. 무기 결합체 예컨대, 콜로이드 SiO2 용액의 경우, 그것에 의해 얻어진 그린 바디의 밀도는 종래 제조된 세라믹, 중합체 또는 금속 그린 바디보다 훨씬 더 클 수 있다.
종래 세라믹 그린 바디의 것과 동등한 세라믹 입자 물질을 사용한 이러한 방법으로 제조된 성형체의 특성의 세공 볼륨은 거의 모두 결합체로 채워진다. 미소결 세라믹 그린 바디의 밀도는 공지의 모든 창성적 공정보다 높다.
유기 결합체의 경우, 결합체는 용이하게 소결 동안에 사라진다. 무기 결합체 예컨대, 콜로이드 SiO2 용액에 기초한 시스템의 경우, 몸체의 밀도는 종래 제조된 세라믹 그린 바디의 밀도보다 훨씬 더 클 수 있다.
창성적 제조 공정에서 처음으로, 예컨대 신속 시제품, 세라믹 또는 금속 성형체는, 특히 세라믹 물질이 사용되는 경우, 종래 제조된 그린 바디에 견줄만하거나 또는 훨씬 더 큰 밀도를 가지고 생성될 수 있다.
종래 기술에 따라, 현탁(세라믹용 슬립이라고도 불리는)은 3-차원 인쇄에서 분말 층을 도포하기 위해 사용되지만, 정의된 층 두께로 도포되지는 않는다. 제안된 현탁의 사용은 부유 분말 입자에 의해 프린트 헤드를 오염시키는 문제를 완전히 제거한다. 종래 기술에서 제공된 바와 같이, 분체 도료로 인쇄하는 공정에서, 느슨한 세라믹 입자는 프린트 헤드를 향해 끊임없이 추진하여 나아가며, 그것들은 프린트 노즐을 막는다.
건조 상태에서 낮은 유동성을 갖는 매우 미세한 입자들로 인해 직면한 문제들, 따라서 특정 최소 크기 아래의 층 도포에서 사용하기에 적합한, 또는 매우 미세한 분말의 균일한 층을 생성하는데 필요한 중요한 기술적 노력과 관련된 문제들도 역시 제안된 방법으로 방지된다.
현탁을 도포함으로써 방지되는 것이 정확하게 이들 문제들이다. 미립자는 시제품의 표면 품질, 이들의 소결성을 위해, 또는 예컨대 세라믹 콤포넌트에서 특히 미세 결정질 구조를 조정하기 위해 유리하다.
분말 베드(powder bed)와는 달리, 제안된 방법에 의해 제조된 물질 베드(그린 베드)가 그린 밀도보다 더 클 뿐만 아니라 소결된 시제품을 지원한다. 이것은 매우 시간 소모적인 지지 구조체의 후속 제거 및 이전의 모델링을 제거한다.
처음으로, 제안된 방법은 종래 제조된 그린 바디에 견줄만한 밀도 및 강도에 관련한 성질들을 갖는 신속 시제품에 의해 그린 바디가 생성되도록 한다. 후속 소결 단계로, 이것은 종래의 공정으로 제조된 세라믹에 견줄만한 특성을 갖는 세라믹 제조를 가능하게 한다.
일실시예에서, 시제품을 형성하기 위해 통상적인 슬립을 사용하는 것이 가능하며, 특히 비용면에서 효과적인 방법을 제공한다.
이전의 설명에서 개시된 발명의 특징 및 청구범위는 그 다른 변형 중 어느 하나의 발명을 실현하기 위한 개별적 또는 이들의 임의의 조합 모두에 의미가 있을 수 있다.
공지의 "신속 시제품" 또는 "신속한 제조" 방법은 처리 시설의 후속 제어로 CAD 형상 데이터로부터 공정 제어 데이터의 생성에 기초한다. "선택적 레이저 소결"(SLS)에서, 분말 층은 반응기에서 그린 바디 위에서 소결되며, 여기서 CO2 레이저가 용융 온도에서 국부적으로 분말을 가열한다. "다상 제트 응고"(MJS)에서 콤포넌트는 컴퓨터-제어된 이동 노즐로 금속 분말 및 결합체의 혼합물로부터 층에 형성된다. 마찬가지로, "융합 증착 모델링"(FDM)에서, 용융 물질은 NC 노즐을 사용하여 증착되고 구성 요소가 플랫폼을 대응하게 낮춤으로써 층마다 형성된다. 광 조형, 액체, UV-감광 중합체는 점진적으로 낮아지는 기판 상에 레이저 조사로 동시에 하나의 층으로 경화된다. UV 투광기가 대신 사용되는 경우, 공정은 "고체 접지 경화(Solid Ground Curing)"(SGC)라고 부른다. "동시 샷 피닝"(SSP)에서 적절한 음각 성형의 표면은 액체 금속을 분무함으로써 매핑된다. "적층 객체 제조"(LOM)는 물질의 레이저-컷 시트로부터 콤포넌트 층을 구성한 후 접착제를 사용하여 공작물을 적층하는 것을 포함한다. 동일한 방법으로, 닥터 블레이드로 제조된 A12O3 호일(foil) 또한 잘라서 적층될 수 있다. DE 101 28 664에 따라, 세라믹 성형체는 레이저 빔으로 세라믹 물질의 선택된 위치를 소결함으로써 형성된다. 상기 방법은 다음의 단계: 액체 현탁 또는 플라스틱 물질의 층을 도포하는 단계, 각각의 도포 층을 탈습하는 단계, 및 레이저 빔으로 각각의 탈습 층에 선택된 지점을 소결하는 단계를 포함하며, 이 공정은 간단히 층-방향 슬러리 증착(LSD)이라고 부른다. 3D 인쇄에서, 중합체, 금속 또는 세라믹의 분말 층이 도포되고 잉크 젯(ink jet) 인쇄와 동일한 기술을 사용하여 결합체의 국부적 주입에 의해 부위를 선택적으로 응고된다. 문서 US 6,596,224는, 각각의 분말 층이 정의된 두께는 없지만 느슨한 벌크(bulk) 분말 베드로서가 아닌 슬립 주조에 의한 치밀한 분말 층으로서 제조되어 그것들이 물결모양이어서 평평하지 않다는 점을 제외한, 견줄만한 방법을 기술한다.
일실시예에 따라, 성형체-그린 바디-의 제조 방법이 제시되며, 상기 방법은: (a) 레이저 경화 및/또는 레이저 가교 결합 가능한 결합체-함유 현탁으로부터 층을 형성하는 단계, (b) 레이저에 국부적인 노출을 함으로써 경화 및/또는 가교결합하는 단계; (a) 및 (b) 단계의 선택적으로 반복하는 단계로서, 부가 층이 경화 및/또는 가교결합된 층에 도포되는 단계;
(c) 그린 바디를 얻기 위해, 액체 매질에서 경화 및/또는 가교결합되지 않은 부분을 세척 및/또는 용해하는 단계를 포함한다.
이점은, 제안된 방법이 결합체로 분무된 다른 고체로 구성된 매우 치밀한 분말 층의 국부적인 열 또는 광 경화 및/또는 가교 결합에 의한 신속 시제품에 적합하다는 점에 있다. 공정은 유리하게도 프린터 기술을 필요로 하지 않으며, 따라서 프린터 노즐의 사용에 의존하지 않는다. 특별한 이점은 얻어진 그린 바디의 밀도 및 강도가 동일한 조성의 현탁으로부터 종래 제조된 그린 바디의 밀도 및 강도와 동일하거나 또는 더 크다는 점이다.
다른 실시예에 따라, 방법은 성형체 또는 그린 바디를 제조하기 위해 제공되며, 여기서 그 층은 결합체가 함유된 현탁으로부터 생성된다. 그 결합체 함량은 10% v/v 미만이다.
또다른 실시예에 따라, 성형체 또는 그린 바디를 제조하거나 또는 생성하기 위한 방법이 제안되며, 여기서 층의 생성은 결합체를 함유하지 않은 현탁의 탈습 층에 결합체에 의한 적어도 부분적인 침투를 포함한다. 결합체가 현탁의 분산 안정성에 영향을 미치지 않기 때문에, 이것은 현탁의 조성에 대하여 더 적은 한계를 갖는 이점을 제공한다. 한편, 더 높은 밀도를 갖는 탈습 층을 생성하는 것이 가능하다. 현탁의 정착 동안에 분리는 완전히 방지될 수 있다.
또다른 실시예에 따라, 성형체 또는 그린 바디를 생성 또는 제조하기 위한 방법이 제안되며, 여기서 결합체에 의한 침투는 결합체로 건조 층을 분무함으로써 그리고/또는 결합체에 건조 층을 침지함으로써 발생한다. 본 실시예의 이점은 이용 가능한 결합체의 더 넓은 범위와 결합체가 이들 용액에서 결합체의 농도를 통해 건조 층에 침투하는 정도를 조절하고 제어하는 기능에서 나온다.
또다른 실시예에 따르면, 성형체 또는 그린 바디를 생성 또는 제조하기 위한 방법이 제안되며, 여기서 경화 및/또는 가교결합 결합체는 액체 매질에 용해되지 않는다. 이러한 방식으로, 결합체에 의해 응고되지 않은 이러한 부분은 선택적으로 세척될 수 있다.
또다른 실시예에 따라, 성형체 또는 그린 바디를 생성 또는 제조하기 위한 방법이 제안되며, 여기서 매질이 물 및/또는 유기 용매를 포함하며, 그 유기 용매는: 아세톤, 시클로헥산, 디 옥산, n-헥산, n-옥탄, 톨루엔, 트리클로로에탄올, 디메틸 에틸 케톤, 이소프로판올, 에틸 알콜, 메틸 에틸 케톤, 또는 이들의 혼합물로부터 선택된다.
또다른 실시예에 따르면, 성형체 또는 그린 바디를 생성 또는 제조하기 위한 방법이 제안되며 여기서 그린 바디의 밀도가 그린 바디의 질량 및 그린 바디의 외부 윤곽에 기초하여 계산되는 체적의 지수로서 정의될 때 그린 바디의 밀도는 현탁의 세라믹 물질 콤포넌트의 평균 밀도의 적어도 60% 이다. 3.94gㆍcm- 3 의 이론 밀도를 갖는 산화 알루미늄(Al2O3)의 경우에, 이것은 슬립 증착에 의해 층으로 구성되는 Al2O3 그린 바디가 2.36gㆍcm-3 보다 큰 밀도를 가지고 있음을 의미한다.
또다른 실시예에 따르면, 성형체 또는 그린 바디를 생성 또는 제조하기 위한 방법이 제안되며 여기서 층은 중공 닥터 블레이드를 사용하여 생성된다. 이 경우, 현탁은 층을 형성하기 위해 중공 닥터 블레이드를 통해 배출된다. 이러한 접근의 이점은 중공 닥터 블레이드로 공급된 슬립이 이들 슬릿-형 출구를 통해 지속적이고 균일하게 배출되고 층이 정의된 두께로 확산되도록 한다는 사실을 포함한다.
또다른 실시예에 따라, 성형체 또는 그린 바디를 생성 또는 제조하기 위한 방법이 제안되며 현탁의 고형분은 중합체, 금속, 세라믹 물질 또는 하나 이상의 중합체, 하나의 금속 또는 하나의 세라믹 물질을 함유하는 혼합물로부터 선택된다. 이러한 실시예의 이점은, 특히 이들의 전기 전도도 및/또는 유전 상수와 관련하여 그린 바디의 성질을 조정하는 기능, 이에 따라 대응하게 소결된 콤포넌트의 성질을 조정하고 변경하는 기능으로부터 유도된다.
또다른 실시예에 따라, 성형체 또는 그린 바디를 생성 또는 제조하기 위한 방법이 제안되며 여기서 층의 치수는 층에 구성되는 모델의 층의 표시된 치수와 일치한다. 이러한 실시예의 이점은 정의된 두께의 층이 생성될 수 있고 이에 따라 층 정보가 균일한 막 두께로 기능하는 구조에 이용된 가상 모델로부터 그린 바디 또는 소결된 세라믹 콤포넌트의 구조 공정에 직접적으로 전송될 수 있다는 것이다. 모델에서 시제품으로 직접적으로 전송할 수 있는 기능은 시제품의 제조를 단순화하고 공정 매개변수의 최적화를 용이하게 한다.
또다른 실시예에 따라, 성형체 또는 그린 바디를 생성 또는 제조하기 위한 방법이 제안되며, 여기서 모델은 CAD 모델 또는 CAD/CAM 모델이다.
더욱이 예시적인 실시예에 따라, 신속 시제품 방법은: 이전의 실시예 중 어느 하나에 따른 그린 바디를 제조하는 단계, 및 상기 그린 바디를 소결하는 단계를 포함하도록 제안된다. 유리하게도 이 방법은 그린 바디로부터 세라믹을 제조하기 위한 종래의 방법에 의해 통상 달성할 수 없는 밀도를 갖는 세라믹 제품의 제조를 허용한다. 예컨대, 결합체는 무기 콤포넌트일 수 있거나, 또는 결합체는 소결 동안에 무기 콤포넌트를 수득하도록 열분해되는 유기 콤포넌트를 포함할 수 있으며, 여기서 소결된 세라믹이 큰 밀도 및 강도를 갖게 만든다.
일반적으로 슬립 증착에 의해 한번에 하나의 층으로 구성되는 성형체는 이용된 세라믹 또는 세라믹 혼합물의 이론 밀도의 60%보다 큰 밀도를 갖는다. 이론적인 밀도 3.94gㆍcm- 3 를 갖는 알루미늄 산화물(Al2O3)의 경우에, 이것은 슬립 증착에 의한 층으로 구성된 Al2O3 그린 바디가 2.36gㆍcm-3 보다 큰 밀도를 가지고 있음을 의미한다.
상술한 실시예들은 임의의 방식으로 서로 조합될 수 있다.
중요한 진보성은 세라믹 제조에 있을 뿐만 아니라, 국소 레이저 소결과 동일한 레이저 방법의 조합을 통해 금속 및/또는 중합체 그린 시트의 제조에 있으며, 여기서 분말 입자는 소결되지 않고, 다만 예를 들면 이미 현탁, 예컨대 세라믹 슬립에 포함되거나 적어도 부분적으로 건조된 층, 예컨대 건조 세라믹 층에 침투하거나 또는 상기 층을 관통하는 것 중 어느 하나인 레이저-경화성 결합체를 사용함으로써 응고된다.
전형적인 실시예에 따라, 세라믹 슬립은 적합한 반송 장치에 의해, 예컨대 500㎛의 간극 폭을 갖는 중공 닥터 블레이드를 통해 저장 베셀에서 초기에 가압된다.
중공 닥터 블레이드는 두 개의 개구 즉, 슬립을 전달하기 위한 호스 포트 및 슬립의 배출을 위한 슬릿-형 출구 구멍을 갖는 폐쇄 볼륨으로 구성된다. 상기 볼륨은 호스 포트를 통해 공급되는 슬립이 슬릿-성형 출구 구멍을 통해 균일하고 지속적으로 배출되도록 하기 위해 설계된다. 슬릿-성형 출구 구멍은 실질적으로 닥터 블레이드의 폭을 가로 질러 연장한다. 슬릿에서 나오는 슬립은 닥터 블레이드에 의해 정의된 두께의 층을 형성하기 위해 확산된다.
제안된 방법의 바람직한 실시예에 따라, 이 방법으로 얻어진 정의된 두께 층은 일정한 두께를 갖는다. 이 방법으로 얻어진 정의된 두께 층의 중요한 특징은, 각 증착 층이 그것의 전체 범위에 걸쳐 일정한 높이를 가지며, 따라서 특히 평평하고 주름지지 않아 평평한 표면을 특징으로 하는 점에 있다. 따라서 제안된 방법에 따른 중공 닥터 블레이드로 생성된 각각의 층은 유리하게도 평평하고 주름지지 않은 표면을 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 얻어진 성형체는, 각 슬립층이 항상 완전한 평면에 도포되기 때문에, 본질적으로 평평하고, 이에 따라 주름 없는 층으로 완전히 구성된다. 이것은 평평한 건조를 위한 특별한 이점을 제공하며 후속적으로 중첩되는 층들에 그것에 의해 달성된 균일한 접착을 제공한다.
닥터 블레이드의 예시적인 실시예는 상호 정의된 거리로 배열된 두 개의 평행한 직사각형 패널로 구성한다. 직사각형 패널은 세 개의 면 위에 상호 밀폐 차단되어 있어서, 개방 공동이 일면에 형성된다. 개방 면, 또는 중공 블레이드의 단면 개구는 슬립을 위한 슬릿-형 출구 구멍으로서 역할을 하며, 여기서 슬립은 패널 중 하나에 호스를 통해 공급될 수 있다.
이 경우, 호스 포트는 예컨대, 패널 중 하나가 개방 공동에 직접 향하며 그 패널 외부에 슬립을 공급하는 호스를 위한 호스 니플 또는 다른 유형의 커넥터 내로 개방되는 개구를 갖도록 설계될 수 있다.
조작기(manipulator)는 닥터 블레이드를 패널 위로 약 1-300㎛의 거리에서 가열된 세라믹 패널에 면접한 출구 개구로 이동시키는데, 그 결과 현탁이 얇은 층에 도포된다. 패널 표면은, 수성 슬립이 제1 층의 증착 동안 사용될 때, 비등으로부터 현탁내 수분함량을 방지하기 위하여 초기에 100°C 이하의 온도에 있다. 이전에 증착된 층이 높은 흡수성을 갖고 수초의 분획 내에 새로운 층으로부터 수분을 추출하기 때문에, 층의 수가 증가함에 따라, 온도가 현저하게 상승될 수 있다. 각각의 새로운 층은 그것에 의해 안정화되고, 수분은 30초 미만 이내에서 증발된다.
가열된 패널을 경유하여 그 아래로부터 건조 이외에도, 방사 히터는 팬과 조합하여 사용될 수 있다. 상기로부터 추가적인 건조가 필요한데, 이는 생성된 단편이 절연 효과를 가지며 이에 따라 층 구조의 두께가 증가하면서 상부 층의 온도가 양호한 급속 건조를 하기에는 너무 낮은 것으로 될 수 있기 때문이다. 이 방법에 의해 제조 가능한 그린 시트의 밀도는 약 65% 이며, 따라서 이는 종래 제조된 그린 바디에 견줄만하다.
이러한 맥락에서, 그린 바디의 밀도가 그린 바디의 외부 윤곽에 기초하여 계산된, 그린 바디의 질량 및 그 볼륨의 지수인 것으로 이해된다.
마찬가지로, 그린 시트를 포함하는 성형체는 층을 구성하는 세라믹 슬립과 유사한 중합체 입자 및/또는 금속 입자의 분산 또는 현탁을 사용하여 제조될 수도 있다. 중합체 입자(히터 패널, 팬)를 함유하는 층을 탈습하는데 사용되는 온도는 해당 중합체의 각각의 유리 전이 온도에 적응된다.
공지의 LSD 방법과는 달리, 이것 이후 결합체는 분무(spray) 기술을 이용하여 얻어진 그린 시트에 분무된다. 결합체는 세라믹 입자를 젖게 하여 그린 시트에 침투하거나 또는 그린 시트를 통과한다. 층에 대한 이러한 침투는 층 단면에 모든 입자를 연결하고 하부 층에 상부 층을 결합하기 위해 필수적이다. 결합체에 분무된 양은 결합체가 그린 시트로 이루어진 몸체의 원하는 깊이까지 침투할 수 있는 그 정도이다. 각각의 경우에서 선택된 결합체의 침투 깊이는 단일 증착 층의 층 두께와 더 깊은 층으로의 결합체의 원하는 침투 정도에 의존한다.
또한, 결합체는 용해된 형태의 결합체를 함유하는 액체에, 액체 결합체로 건조 층을 침지함으로써 또는 결합체의 현탁에 그것을 침지함으로써, 건조 층에 도입될 수 있다.
대안적으로, 결합체들은 층을 생성하는데 사용되는 입자 현탁에 이미 함유될 수 있지만, 실질적으로 통상적 조형에 사용된 것 이하의 농도로, 즉 10% 이하로 함유될 수 있다.
결합체는 분무 후에 열적 또는 광자적으로 경화 및/또는 열 또는 광자적 가교결합될 수 있는 특성을 가지고 있으며, 따라서 국부적으로 제한된 방식으로 예컨대 레이저 조사에 의해 열적으로 경화 또는 가교결합될 수 있거나, 또는 경화 및 가교결합될 수 있다. 따라서 층을 구성하는데 사용되는 물질의 분말 입자는 경화/가교결합 결합체에 의해 부피적으로 접합된다.
열적 또는 광자적으로 개시된 경화/가교결합의 단계가 없다면, 결합체는 분말 입자에 대한 거의 또는 전혀 접합 작용을 갖지 않으며, 이것은 공정을 위해 전혀 가치가 없다. 열적 또는 광자적으로 개시된 경화/가교결합으로, 결합체는 현탁의 분말 입자의 영구 접합을 보장한다.
레이저 방사에 의해 열적 또는 광자적 경화 또는 가교-결합의 완료 후에, 1-500μm, 바람직하게는 5 내지 300μm, 특히 25 내지 150μm의 두께를 갖는 새로운 층은 도포 및 탈습되며, 이때 결합체는 다시 도포되고 경화/가교결합 된다. 이러한 방법으로, 콤포넌트는 연속적인 층 추가로 형성된다. 형성 단계의 종료 후, 지금 복수의 층으로 구성하는 그린 바디는 결합체에 의해 경화/가교결합되지 않은 그린 바디의 일부를 용해 및/또는 세척하는 수조 또는 다른 매질(medium)에 위치된다. 그린 바디의 결합체-없는 영역은 완전히 용해되고 콤포넌트는 그린 바디로부터 나온다.
이러한 방식으로 생성된 콤포넌트의 성질은 결합체로 부분적으로 충전되어 있는 세공 볼륨의 종래 그린 바디의 성질들과 동일하다. 유기 결합체가 사용될 때, 몸체가 소결되는 경우 결합체가 용이하게 사라지게 한다. 무기 결합체 예컨대, 콜로이드 SiO2 용액의 경우, 그것에 의해 얻어진 그린 바디의 밀도는 종래 제조된 세라믹, 중합체 또는 금속 그린 바디보다 훨씬 더 클 수 있다.
더욱이, 신속 시제품, 세라믹/금속/중합체의 성형체와 같은 창성적 제조 공정에서 처음으로, 3D 인쇄와 동일한 인쇄 기술을 구현할 필요 없이, 종래 제조된 그린 바디에 견줄만하거나 또는 훨씬 더 큰 밀도를 가지고 생성될 수 있다.
사용된 그린 바디가 종래 제조된 그린 바디의 성질들과 다른 성질을 가진 경우 종래 제조된 세라믹 콤포넌트에 견줄만한 성질을 갖는 세라믹 콤포넌트를 제조하는 것은 불가능하지는 않더라도 일반적으로 매우 어렵다. 예로서, 세라믹 그린 바디가 조형에 의해 제조된 것으로 생각될 수도 있다. 최대 60%의 유기 함량을 갖는다면 그린 바디는 세라믹-충진 중합체로서 더 나은 특징을 가질 수 있다. 유기 함량 물질은 실제 소결 공정을 개시하기 전에 정교한 결합체 제거 공정으로 사라지게 하여야 한다. 부분 형상에 따라서, 결합체 제거 공정은 일반적으로 후속 소결에 의해 보정될 수 없는 그린 바디에서 결함이 발생할 수 있다.
3D 인쇄는 세라믹 분말의 낮은 벌크 밀도로 인해 낮은 밀도를 갖는 그린 바디로 나타난다. 그린 바디에서 소결로 고밀도 세라믹을 생성하는 것은 통상적으로 불가능하다. 3D 인쇄에서, 느슨한 분말 층으로부터의 부유 분말 입자는 지속적으로 프린트 헤드 및 프린트 젯을 막히게 한다. 소결 활동을 향상시키거나, 예컨대 세라믹 콤포넌트에서 특히 미세 결정질의 미세구조를 생성하기 위하여, 극히 작은 세라믹 분말을 사용하는 경우, 이러한 부정적인 효과는 매우 자주 훨씬 더 악화된다.
DE 101 28 664의 LSD 방법에서, 종래 그린 바디의 밀도와 견줄만한 밀도를 갖는 그린 시트는 한번에 한 층의 슬립을 증착하여 생성된다. 그러나, 레이저 소결은 결과적인 시제품에 대단히 이방적인 성질을 초래하며, 강한 국부적 과열이 수포(blistering), 유리 또는 세라믹 단계 및 그와 유사한 것의 바람직하지 못한 형성과 같은 부작용을 야기시킬 수 있다. 따라서 LSD 방법은 종래 제조된 그린 바디 또는 조밀하게 소결된 세라믹에 견줄만한 콤포넌트를 제조하는데 사용될 수 없다.
단지 US 6,596,224 B1에 기재된 방법은 종래 제조된 그린 바디의 것과 견줄만한 성질을 갖는 그린 바디를 생성하기에 적합하다. 그러나, 이 방법의 단점은, 층이 정의된 두께로 생성되지 않으므로, 구조에 필요한 일관된 층 두께로 기능하는 가상 모델로부터 직접적으로 층의 정보를 전송할 때 어려움에 직면하는 것이다. 게다가, 프린트 헤드는 필요한 결합체를 도포하는데 사용되지만, 첨가제의 제조 공정에 대한 구체적인 프린트 헤드 개발이 현재 없고, 빈번하게 잉크 젯이 막히고 차단되기 때문에 사용할 수 있는 프린트 헤드가 신속 시제품 방법에서 연속적인 사용을 방해한다.
제안된 신속 시제품 방법으로 얻을 수 있는 그린 바디의 밀도는 종래의 방법에 의해 제조된 그린 바디의 밀도와 유사하고, 무기 결합제를 사용하는 경우 그것과 동일하거나 또는 훨씬 능가한다. 시제품을 제조하기 위해 사용된 슬립 및 사용된 분산 시스템이 시제품으로부터 모델된 최종 제품을 위한 슬립과 동일한 조성을 가질 수 있기 때문에, 제안된 방법은, 예컨대 세라믹 콤포넌트의 제조를 가능케 하며, 주요 기술적인 노력이 없이도 그 중요한 성질은 종래 제조된 세라믹 콤포넌트의 성질과 동일하다.
정의된 두께의 층을 생성하는 것은 불가능하다는, US 6,596,224에 기재된 방법과는 달리, 제안된 신속 시제품 방법은 모든 층에 대해 동일한 두께를 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 이유로, 일반적으로 균일한 막 두께로 기능하는 가상 모델에서의 층 정보는, 이전에 공지된 방법과는 대조적으로, 구조 공정에 직접적으로 전달될 수 있다.
또한, 공지된 방법과는 달리, 분무 기술은 프린트 헤드 대신에 결합체를 도포하는데 사용된다. 첨가제의 제조 공정을 위해 특별히 설계된 프린트 헤드 개발이 현재 없고 따라서 사용 가능한 프린트 헤드가 연속적인 공정 흐름을 방해하는 많은 단점이 있기 때문에, 상기 기재된 방법은 전적으로 프린트 헤드 기술의 사용을 피한다. 사용되는 분무 기술은 고장이 적은 경향이 있고 신속 시제품 방법의 지속적인 실행을 가능케 한다.
상기 기술된 방법은 결합체의 단지 작은 비율로 그린 바디의 생성을 가능케 하고, 이 점에서 3D 프린팅과 동일하다.
그것에 의해 얻어질 수 있는 그린 바디의 고밀도의 관점에서, 제안된 방법은 DE 101 28 664 및 US 6,596,224 B1에 기재된 것과 비슷하지만, 결합체를 적용하기 위한 프린트 헤드나 소결 온도로 분말의 국부적 가열에 의존하지 않는다. 따라서, 제안된 방법으로, 인쇄 기술 및 소결이 결합될 때 불가피한 그린 바디의 이방성 특성을 피하는 것이 가능하다.
특정 실시예들이 본 명세서에서 제시되고 설명되었지만, 본 발명의 보호범위에서 벗어나지 않고 설명된 실시예를 변형하는 것은 본 발명의 범위내에 있다. 다음의 청구범위는 일반적으로 본 발명을 정의하기 위한 예비적, 비-구속적 시도를 나타낸다.

Claims (29)

  1. 금속 또는 세라믹 성형체를 제조하기 위한 방법으로서, 하기 단계를 포함하는 방법:
    하기 (a) 내지 (c) 단계를 반복적으로 수행하여 금속 또는 세라믹 물질로부터 성형체를 형성하는 단계:
    (a) 입자의 층을 도포하는 단계, 여기서 상기 (a) 단계는 작업 볼륨(working volume)에서 현탁액에 분산된 금속 또는 세라믹 입자의 현탁 층을 도포하는 것이며;
    (b) 결합제를 도포하는 단계;
    (c) 상기 성형체를 경화하는 단계; 및
    여기서 (b) 및 (c) 단계는 작업 볼륨에서 도포 층을 탈습하고, 생성되는 성형체의 층 모델에 따라 결합제를 탈습 층에 국부적으로 도포하고 경화하여, 탈습 층 내의 입자가 상호 간에 국부적인 접착식으로 접합되는 것을 포함하며,
    (d) 결합제의 도움으로 상호 접합되는 입자로부터 결합제 없는 잔류 물질을 분리함으로써 성형체를 탈형하는 단계를 반복적으로 수행함으로써, 금속 또는 세라믹 물질로부터 성형체를 형성하는 단계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탈습 층 내의 입자는 탈습 층 아래의 적어도 하나의 층의 입자에도 국부적인 접착식으로 접합되는 것인 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합제가 국부적으로 인쇄 장치로 적용되는, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도포 층은 탈습 동안 가열되는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형체는 다공성 성형체로서 제조되는, 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합제를 경화하는 단계는 다음 단계: 공기 건조 단계, 열 공급 및 UV 광 조사 단계의 그룹으로부터 하나 이상의 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    탈형은 적어도 부분적으로 액조에서 수행되는, 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형체는 적어도 60% v/v의 밀도로 제조되는, 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형체는 적어도 65% v/v의 밀도로 제조되는, 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형체는 적어도 70% v/v의 밀도로 제조되는, 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    그린 시트는 세라믹 입자의 현탁의 도포에 의해 층의 도포 동안 형성되는, 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    경화 후에 물에 용해되지 않거나 유기 용매에 용해되지 않는 유기 결합제가 사용되는, 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    무기 결합제가 사용되는, 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형체는 탈형 후에 소결되는, 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형체의 용해도가 균일하고 주변의 입자 물질의 용해도와는 상이한 방식으로, 제조될 상기 성형체의 층 모델에 일치하게 그린 바디의 용해도를 변경시키는 액체 결합제를 국부적으로 도포하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  16. 금속 또는 세라믹 성형체를 제조하기 위한 장치로서,
    현탁액에서 분산되어진 금속 또는 세라믹 입자의 현탁을 수용하도록 구성되는 저장 볼륨,
    상기 저장 볼륨에서 현탁의 양을 반복적으로 꺼내어 작업 볼륨에 상기 현탁의 양을 전송하고 층으로서 그곳에 도포하도록 구성되는 층 형성 도포 장치,
    상기 작업 볼륨에 도포 층을 탈습하도록 구성되는 탈습 장치,
    탈습 층의 입자가 상호간에 국부적인 접착식으로 접합되도록, 생산될 상기 성형체의 층 모델에 따라 탈습 층에 국부적으로 결합제를 도포하도록 구성되는 결합제 도포 장치, 및
    결합제의 도움으로 상호 접합된 입자로부터 결합제 없는 잔류 물질을 분리함으로써 상기 성형체를 탈형하도록 구성되는 탈형 장치를 포함하는,
    금속 또는 세라믹 성형체를 제조하기 위한 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 탈습 층의 입자가 탈습 층 아래 적어도 하나의 층의 입자에 부가하여 국부적인 접착식으로 접합되는 것인 장치.
  18. 제 15 항에 따른 성형체를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 성형체는 그린 바디이고, 상기 방법은, (a`) 레이저 경화 또는 레이저 가교 결합 가능한 결합제-함유 현탁의 층을 형성하는 단계, (b`) 국부적인 레이저 노출에 의해 상기 결합제를 경화 또는 가교결합하는 단계; (a`) 및 (b`) 단계를 선택적으로 반복하는 단계로서, 부가 층이 경화 또는 가교결합된 층에 도포되는 단계; (c`) 상기 그린 바디를 얻기 위해, 액체 매질에서 경화 또는 가교결합되지 않은 콤포넌트를 세척 또는 용해하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자의 층은 상기 결합제가 함유된 현탁을 사용하여 생성되는, 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자의 층의 생성은 임의의 결합제를 함유하지 않는 현탁의 탈습 층에 결합제를 적어도 부분적으로 침투시키는 것을 포함하는, 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 결합제의 침투는 상기 결합제로 상기 탈습 층을 분무함으로써 또는 상기 결합제 또는 상기 결합제를 함유하는 액체에 상기 탈습 층을 침지함으로써 발생되는, 방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 경화 또는 가교결합된 결합제는 액체 매질에서 용해되지 않는, 방법.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 매질은 물, 유기 용매 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 유기 용매는 아세톤, 시클로헥산, 디옥산, n-헥산, n-옥탄, 톨루엔, 트리클로로에탄올, 디메틸 에틸 케톤, 이소프로판올, 에틸 알콜, 메틸 에틸 케톤, 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는, 방법.
  24. 제 15 항에 있어서,
    상기 그린 바디의 밀도가 상기 그린 바디의 질량을 그린 바디의 외부 유곽에 기초하여 계산된 부피로 나눈 것으로서 정의되었을 때, 상기 그린 바디의 밀도는 현탁의 고형 부분의 평균 물질 밀도의 적어도 60%인, 방법.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자의 층은 중공 닥터 블레이드(hollow doctor blade)를 사용하여 생성되는, 방법.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 현탁의 고형분은 중합체, 금속, 세라믹 물질 또는 적어도 하나의 중합체, 하나의 금속 또는 하나의 세라믹 물질을 함유하는 혼합물로부터 선택되는, 방법.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 입자의 층의 치수는 한번에 하나의 층으로 구성되는 층 모델의 치수 정보와 일치하는, 방법.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 모델은 CAD/CAM 모델인, 방법.
  29. 신속 시제품화 방법으로서,
    제 18 항 또는 제 24항에 따른 그린 바디를 생성하는 단계;
    상기 그린 바디를 소결하는 단계를 포함하는,
    신속 시제품화 방법.

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