KR102196466B1 - 적층 제조 기술에 의한 세라믹 재료의 피스 제조 방법 - Google Patents

적층 제조 기술에 의한 세라믹 재료의 피스 제조 방법 Download PDF

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Abstract

스테레오리소그라피 머신의 작업 플랫폼(1) 상에서, 동일한 페이스티 광경화성 세라믹 조성물로부터 적층 제조 기술에 의해: 그린 피스의 지지체(2) 및 상기 지지체 상의 상기 그린 피스로 이루어지는 그린 조립체로서, 상기 지지체의 자유 표면은 상기 그린 피스의 제1 면의 임프린트(2a)를 보유하는, 그린 조립체; 및 세라믹 재료로 만들어진 피스로 제조된 그린 셰이퍼(4)로서, 상기 그린 셰이퍼의 자유면은 상기 제1 면에 대향하는 상기 그린 피스의 제2 면의 임프린트를 보유하는 그린 셰이퍼(4)가 동시에 그러나 개별적으로 제조되며: 오븐 내에서, 임프린트를 위로 향하게 하여 얻어지는 상기 그린 셰이퍼 상에, 상기 셰이퍼(4)의 임프린트 내에 수용되도록 하기 위하여, 그린 피스를 아래로 향하게 하여 얻어지는 상기 그린 조립체가 배치되고, 상기 셰이퍼(4)와 상기 지지체(2) 사이에 유지되는 상기 그린 피스는 탈바인딩 및 소결을 거치게 된다.

Description

적층 제조 기술에 의한 세라믹 재료의 피스 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING PIECES MADE OF CERAMIC MATERIAL BY THE TECHNIQUE OF ADDITIVE MANUFACTURING}
본 발명은 적층 제조 기술에 의한 세라믹 재료의 피스 제조 방법에 관한 것으로, 이러한 그린 피스는 최종 세라믹 피스를 얻기 위해 탈바인딩 및 소결 공정을 거치도록 의도된다.
스테레오리소그라피(stereolithography)라고도 불리는 적층 제조 기술은 일반적으로 그린 피스를 얻기 위해 다음 단계로 구성된다.
컴퓨터 지원 설계에 의해, 제조될 피스의 컴퓨터 모델을 구축하는 단계로서, 그러한 모델의 크기는 피스의 소성(디바인딩 및 소결 공정) 동안 세라믹의 수축을 예측하도록 제조될 피스의 사이즈 보다 약간 더 큰, 구축 단계; 및
적층 제조 기술에 따라 피스를 제조하되, 이 기술에 따르면:
작업 플랫폼 상에서, 적어도 하나의 세라믹 재료, 적어도 하나의 광경 화성 모노머 및/또는 올리고머, 적어도 하나의 광개시제 및 필요에 따라 적어도 하나의 가소제 및/또는 적어도 하나의 용매 및/또는 적어도 하나의 분산제를 일반적으로 포함하는 광경화성 조성물의 제1 층이 형성되며;
상기 광경화성 조성물의 제1 층은 상기 층에 대한 모델로부터 규정된 패턴에 따라 (상기 층의 자유 표면의 레이저 스캐닝에 의한 또는 다이오드 투영 시스템에 의한) 조사에 의해 경화되어 제1 스테이지를 형성하며;
상기 제1 스테이지 상에서, 광경화성 조성물의 제2 층이 형성되고;
상기 광경화성 조성물의 제2 층은 상기 층에 대해 규정된 패턴에 따른 조사에 의해 경화되어 제2 스테이지를 형성하며, 그러한 조사는 제1 층에 대해 수행되며;
선택적으로, 그린 피스를 얻기 위한 전술한 단계가 반복된다.
이어서, 전술한 바와 같이, 완성된 피스를 얻기 위해, 그린 피스를 세정하여 미경화 조성물을 제거하고; 세정된 및 디바인딩된 그린 피스를 소결하여 완성된 피스를 얻는다.
다음에, 세라믹 피스를 제조하기 위한 선행 기술이 파운드리 코어를 참조로 설명되는데, 그러한 파운드리 코어는 본 발명에 따른 방법에 의해 제조될 수 있는 세라믹 피스의 일 예만을 나타낸다.
파운드리 코어 제조의 종래 기술
파운드리 코어는 (1) 임의의 지지체가 없는 직립 자세, (2) 임의의 지지체가 없는 누운 자세 또는 (3) 지지체 상의 경사진 자세로 제조될 수 있다.
(1) 직립 또는 높은 자세의 제조는 스테레오리소그라피 머신의 작업 플랫폼에서 동시에 많은 파운드리 코어를 제조할 수 있게 한다. 코어를 직립 자세에서 안정화 시키려면, 소결 공정 후에 절단하여 제거해야 하는 스트럿으로 구성된 지지대(backings)를 부착하여 이들을 수정하는 것이 필요하다.
직립 제조 동안, 페이스티 공정에 의한 제조 모드의 경우에 페이스트 스크래핑 응력하에서 코어는 쉽게 왜곡/손상될 수 있다. 이러한 위험은 컬링(curling) 현상에 의해 두드러지는데, 이에 따르면 중합 동안 너무 중요한 가교 결합(crosslinking)을 초래하는 중요 레이저 파워로 인해 평평한 표면이 구부러진다. 스크래핑 장치가 통과할 때 제조되는 피스는 뒤집히기 쉽다. 컬링 현상은 첨부된 도면의 도 3에 도시된다.
도 3에서, 좌측 부분에서, 스테레오리소그라피 머신의 스크래핑 장치(R)가 개략적으로 도시되어 있으며, 스크래핑 장치는 직립 제조되는 파운드리 코어(NF) 뿐만 아니라 페이스티 광경화성 세라믹 재료의 각 층을 확산한다. 스크래핑의 방향은 화살표 F로 표시되고, 확산된 페이스트는 수평 점선으로 표시된다. 스크래핑 응력이 가해지려는 위치는 원(c1)으로 둘러싸여 있고, 컬링 현상이 발생하려는 곳은 원(c2)으로 둘러싸여 있다.
도 3에 도시된 컬링은, 우측 부분에서, 스크래핑 장치(R)가 통과할 때 제조될 피스가 넘어진다.
따라서 제조 과정에서 지지체가 필요 없이 많은 코어를 동시에 생산할 수 있는 가능성을 제공하는 직립 제조는 전술한 이유로 길고 위험한 제조 방법이다.
(2) 누운 자세 제조는 정의상 직립 제조보다 덜 비싸며 결과적으로 더 적은 시간이 소요된다. 또한, 피스에 추가될 지지대의 수가 더 낮을 것이며, 지지대가 필요하지 않을 수도 있다.
그러나, 스테레오포토리소그라피 머신의 작업 플랫폼으로 제조되는 파운드리 코어의 작은 그리핑(gripping) 표면적은 제조시 코어가 더 이상 그리핑하지 않고 미끄러지는 결과를 초래할 수 있다. 이것은 첨부된 도면의 도 4에 도시된 것이다.
도 4에서, 좌측 부분에서, 도 3과 같이, 파운드리 코어(NF)가 도시되어 있지만, 이번에는 제조시에 누운 자세이다. 작은 그리핑 표면적(c3 및 c4 원으로 표기 됨)으로 볼 때, 도 4의 오른쪽 부분에서, 코어(NF)가 초기 위치와 관련하여 미끄러 져 있음을 알 수 있다.
(3) 스테레오포토리소그라피 머신의 플랫폼에 대해 경사진 상부면을 포함하는 지지체 상에서 비스듬한 각도로 코어를 제조할 때, 지지체는 코어와 동시에 제조된다. 그러한 경사로 인해, 지지체는 스크래핑 응력을 받으며, 직립 및 누운 제조와 다르게 넘어지거나 미끄러짐이 관찰되지 않으며 수직 제조에 비해 제조 시간이 단축된다.
지지체의 표면은 파운드리 코어의 면의 임프린트(imprint)를 지니므로, 이는 제조 과정에서 약간의 왜곡을 야기하고 추가될 코어에 결합된 몇 개의 지지대를 초래한다.
제조는 낮은 레이저 출력, 특히 150mW 미만으로 수행되므로, 강성이 낮고 컬링이 발생하지 않는다.
컴퓨터 지원 설계 동안, 지지체를 제조하기 위하여:
코어의 면 중 하나가 임프린트를 생성하기 위해 지지체의 경사진 표면 상으로 전사됨;
이 표면 상에 XYZ 방향으로 A ㎛만큼의 시프팅 동작 또는 "오프셋" 동작이 수행되고, "A"는 예를 들어 XYZ에서 400 ㎛임; 또한
그 다음, 코어는 Z에서 Bμm (B는 예를 들어 135 ㎛ 일 수 있음)에 페이스트 및 관련 파라미터에 대해 측정된 중합 깊이를 더한 거리에 위치시킨다. 중합 깊이는 레이저의 통과에 의해 중합될 페이스트 깊이이다. 중합 깊이는 사용된 페이스트와 파워, 해칭 갭(hatching gap), 레이저 스캐닝 속도에 사용되는 레이저 파라미터에 따라 달라진다. 알루미나로 만들어진 코어를 제조하기 위해, 중합 깊이 "B"는 약 125㎛이다.
첨부된 도면의 도 5 및 도 6은 지지체(S) 상의 일정 각도로 코어(NF)를 제조하는 것을 도시하며, 임프린트는 문자 "E"로 표시된다.
작업 플랫폼에 대한 지지체의 경사 각도 α는 일반적으로 1 ° 내지 45 °사이, 보다 바람직하게는 15 ° 내지 25 °사이, 가장 바람직하게는 20 °이다.
파운드리 코어 소성의 종래 기술
상기 (1) 및 (2)에 따라 지지체없이 얻어진 파운드리 코어는 일반적으로 약 1300 ℃의 온도에서 모래에서 소성되며, 이 모래는:
온도의 균질화와 코어 주위의 압력 평형화를 허용하여, 고온에서 피스의 모양을 유지하여, 왜곡을 회피하도록 하고;
모세관 현상에 의해 유기물을 흡입하도록 한다.
그러나, 그린 파운드리 코어는 실온 및 저온에서 모래 내의 왜곡을 피하기 위해 단단할 필요가 있다. 그러나, 그린 상태에서의 높은 강성은 높은 레이저 출력으로만 얻어질 수 있는데, 이는 전술한 "컬링(curling)" 현상을 유발할 수 있다.
이러한 기술과 파운드리 코어가 충분히 단단하지 않은 경우에서, 치수에 대한 차이는 예를 들어 ± 0.8mm 내지 1.2mm이다.
지지체 상에서 코어를 소성하기 위해, 그린 파운드리 코어는 임프린트 상에 배치되고, 이는 그 하부면 상에 왜곡을 제한하는데, 이는 그 면 상에서는 소성의 크리이프(creeping)가 제어되기 때문이다. 그러나, 코어의 상부면은 왜곡으로부터 보호되지 않으며, 그럼에도 불구하고 제어되지 않은 크리이프가 되고, 첨부된 도면의 도 7에 도시된 바와 같이, 코어는 다음으로 구부러질 수 있다. 이러한 기술에서, 치수에 대한 차이는, 예를 들어, ± 0.4 mm 내지 0.6 mm이다.
본 발명의 목적은 제조, 세척 및/또는 소성 동안 피스의 임의의 왜곡을 피하면서, 크기에 부합하면서, 세라믹 재료로 만들어진 피스, 특히 세라믹 재료로 만들어진 파운드리 코어를 제조할 수 있는 방법을 제공하기 위해 방금 설명한 기술에 관한 문제점을 해결하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이를 위해, 지지체 상에 코어를 제조하는 것과 "셰이퍼"라 칭하는 피스를 동시에 제조하는 것이 제공되며, 셰이퍼는 이미 제조된 것의 상부면에 지지체 내에 형성된 임프린트와 협력하는 면에 대향하는 코어의 면의 임프린트를 갖는다.
지지체, 코어 및 셰이퍼는 동일한 재질로 되어 있다.
소성 동안, 셰이퍼는 코어가 그 위에 놓이기 위해 뒤집어지며, 그 다음 지지체가 코어 상에 놓여지며, 코어는 지지체와 셰이퍼 사이에 고정된다. 코어는 지지체와 셰이퍼에 의해 가해진 압력 덕분에 올바른 모양으로 유지된다. 코어는 지지체 상에 제조됨으로써, 강성이 낮아 파손되지 않고 왜곡될 수 있다. 코어는 소결 후 치수를 유지한다.
따라서, 본 발명의 요지는, 적층 제조 또는 스테레오리소그라피 기술에 의해 세라믹 재료로 만들어진 피스를 제조하는 방법으로서, 상기 피스는 세라믹 분말 및 탈바인딩 동안 가열에 의해 파괴될 수 있는 유기 부분을 포함하고 또한 적어도 하나의 광경화성 모노머 및/또는 올리고머와 적어도 하나의 광개시제를 포함하는 광경화성 세라믹 조성물로부터 그린 상태로 형성되며, 다음으로 탈바인딩 및 소결 공정을 거치며, 상기 방법은:
스테레오리소그라피 머신의 작업 플랫폼 상에서, 동일한 페이스티 광경화성 세라믹 조성물로부터 적층 제조 기술에 의해:
그린 피스의 지지체 및 상기 지지체 상의 상기 그린 피스로 이루어지는 그린 조립체로서, 상기 지지체의 자유 표면은 상기 그린 피스의 제1 면의 임프린트를 보유하며, 상기 지지체 내에 만들어진 상기 임프린트는 상기 그린 피스의 상기 제1 면에 대해 XYZ으로 시프트되나 동등한 표면을 가져서, 이 표면이 상기 지지체 내에 수용될 수 있도록 하고, 둘 사이의 공간은 상기 그린 조립체가 일단 형성되면 제거될 수 있는 페이스티 재료로 채워지는, 그린 조립체; 및
세라믹 재료로 만들어진 피스로 제조된 그린 셰이퍼로서, 상기 그린 셰이퍼의 자유면은 상기 제1 면에 대향하는 상기 그린 피스의 제2 면의 임프린트를 보유하고, 상기 셰이퍼 내에 만들어진 상기 임프린트는 상기 그린 피스의 상기 제2 면에 대해 XYZ으로 시프트되나 동등한 표면을 가져서, 이 표면이 상기 셰이퍼 내에 수용될 수 있도록 하는, 그린 셰이퍼가 동시에 그러나 개별적으로 제조되며:
오븐 내에서, 임프린트를 위로 향하게 하여 얻어지는 상기 그린 셰이퍼 상에, 상기 셰이퍼의 임프린트 내에 수용되도록 하기 위하여, 그린 피스를 아래로 향학 하여 얻어지는 상기 그린 조립체가 배치되고, 상기 셰이퍼와 상기 지지체 사이에 유지되는 상기 그린 피스는 탈바인딩 및 소결을 거치게 되고, 상기 지지체의 및 상기 셰이퍼의 임프린트들은 탈바인딩과 소결 공정 동안 피스가 상기 지지체의 및 상기 셰이퍼의 임프린트들 사이에 완전히 둘러싸이게 끔 되어 있다.
광경화성 세라믹 조성물은 레이저에 의해 또는 UV 소스에 의해 광경화된다.
소결성 세라믹 재료는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 알루미나 강화 지르코니아, 지르코니아 강화 알루미나, 지르콘(ZrSiO4), 실리카(SiO2), 하이드록시 아파타이트, 지르콘 실리카(ZrSiO4 + SiO2), 질화규소, 삼인산 비스(인산염)(TCP), 질화 알루미늄, 탄화 규소, 코디어라이트(cordierite) 및 멀라이트(mullite) 중에서 특별히 선택된다. 이러한 재료는 내열 충격성(thermal shock-resistant)이 있다.
지지체의 임프린트는 유리하게는 그린 피스의 상기 제1 면의 XYZ에서 100 내지 600 ㎛만큼 시프트된 표면에 대응할 수 있다. 셰이퍼의 임프린트는 유리하게는 상기 그린 피스의 상기 제2 면의 XYZ에서 20 내지 80 ㎛만큼 쉬프트된 표면에 대응할 수 있다. 이러한 조건에서, 셰이퍼는 피스의 표면에 가까운 표면을 가진다. 피스를 셰이퍼 상에 위치시키고 또한 지지체를 그 위에 놓음으로써, 피스는 셰이퍼의 면상에서 압축되고, 이는 지지체의 면보다 더 "정확(accurate)"하다.
지지체, 피스 및 셰이퍼는 동일한 재료로 만들어지기 때문에 (약 1,300 ℃의 온도에서) 소성 동안 동일한 수축성을 갖는다.
본 발명에 따른 방법으로, 치수에 대한 차이가 ± 0.2 mm로 감소될 수 있다.
유리하게는, 상기 그린 피스는 상기 지지체상에서 소정 각도로 제조되며, 상기 플랫폼에 대한 상기 지지체의 경사각은 1 내지 45 °, 바람직하게는 15 내지 25 °, 특히 바람직하게는 20 °이다.
지지체는 그 임프린트로 이어지는 적어도 하나의 구멍에 의해 관통되고 지지체-그린 피스 조립체의 형성 이후에 미경화된 페이스티 재료를 제거하려는 의도로 용매의 통과를 허용함에 의해 형성된다. 그러한 구멍은 원형 단면을 갖는 구멍일 수 있으며, 예를 들어 직경이 2 내지 8 mm, 예를 들어 4 mm 일 수 있다.
유리하게는, 지지체 전체에 유리하게 분포된 다수의 구멍이 제공된다.
피스와 지지체 사이에 포함된 페이스트를 제거하기 위해 지지체 내의 그린 피스를 세정하는 경우, 작업자는 따라서 이러한 구멍을 통해 클리닝 용매를 통과시킬 수 있으며, 제거될 페이스트가 부분적으로 용해되기 시작하여, 그린 피스의 분리를 용이하게 한다.
지지체는 그린 피스의 임프린트를 보유하는 벽에 대향하는 벽에 적어도 하나의 캐비티가 제공되도록 형성될 수 있으며, 지지체가 소성 위치에 있는 경우, 하나 이상의 캐비티는 모래 또는 비드와 같은 밸러스트 재료로 채워질 수 있다.
이러한 밸러스트 재료는 소성 동안 그린 피스 상에 위치되는 지지체의 캐비티에 배치되는 경우, 그의 크리핑을 제어하기 위하여 그린 피스에 추가의 압력을 제공하도록 한다. 캐비티의 형상과 개수는 다양할 수 있으며, 그린 피스의 특정 영역에서만 크리핑이 제어되려는 경우, 캐비티는 불균일하게 채워질 수 있다.
세정 구멍이 지지체 내에 만들어지는 경우, 추가의 압력을 가하기 위해 이러한 구멍은 막혀야 하거나, 또는 비드를 밸러스트 재료로 사용하는 경우, 그 직경은 세정 구멍의 섹션 보다 더 커야 한다.
캐비티가 밸러스트 재료로 채워지지 않고 세정 구멍이 제공되는 경우, 이들 구멍들은 소성 동안 굴뚝으로 작용하여 유기 재료들의 배출을 촉진한다.
지지체 및 그린 피스는 그리고/또는 플랫폼 및 지지체는 경사져 컬링하는 그린 피스의 영역들 내에 제조 동안 형성되는 안티-컬링 스터드에 의해 연결될 수 있으며, 스터드는 50 내지 800㎛, 보다 바람직하게는 300 내지 400 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 편평한 표면이 구부러지는 것을 방지하는 스터드는 그린 피스가 지지체로부터 분리될 때 파손된다.
본 발명에 따른 방법의 제1 실시예에 따르면, 제조 단계에서, 광경화성 세라믹 조성물의 연속층들이 형성되며, 이들 층들은 매회 상기 층용 모델로부터 사전에 규정된 패턴에 따른 조사에 의해 경화되어지며, 제조 단계 후에, 그린 조립체 및 그린 셰이퍼는 미경화된 광경화성 조성물을 제거하기 위해, 특히 그린 피스가 그 지지체로부터 분리될 수 있게 하기 위해 세정 단계를 거친다.
본 발명에 따른 방법의 제2 실시예에 따르면, 제조 단계에서, 그린 지지체-피스 조립체의 중공부를 형성하기 위해, 특히 지지체와 피스 사이의 공간 및 피스 내의 중공부를 형성하기 위해 아래 단계:
적어도 하나의 경화된 광경화성 세라믹 조성물 층에 상부면으로부터 적어도 하나의 리세스를 기계 가공을 통해 형성하는 단계;
탈바인딩 동안 가열에 의해 경화되고 파괴될 수 있는 희생 유기 재료로 상기 하나 이상의 리세스를 채우기 위하여 상기 하나 이상의 리세스 내를 퇴적하는 단계; 및
인근의 경화된 세라믹 조성물 층과 동일한 레벨에서 단단한 수평 표면을 얻기 위해 희생 유기 재료를 경화하는 단계가 수행되며,
하나 이상의 리세스가 형성될 때마다, 리세스/리세스들은 컴퓨터 모델로부터 사전에 규정된 하나 이상의 패턴에 따라 범위가 제한되고, 제조될 피스의 연속성을 보장하도록 깊이가 선택되며, 또한
일단 경화된 층들이 적층되면, 그린 지지체-피스 조립체가 얻어지고, 이는 하나 이상의 미경화 부분을 제거하기 위하여 세정 공정을 거칠 수 있고, 상기 그린 피스는 탈바인딩 동안 지지체로부터 분리된다.
희생 유기 물질은 유리하게는 피스의 형성을 위해 하나 이상의 세라믹 물질없이 사용되는 광경화성 조성물로 구성된다.
본 발명에 따른 방법의 특정 실시예에 따르면, 제조 단계에서, 한편으로 지지체/그린 피스/(지지체/그린 피스)n 스택이 형성되고, n은 1, 2, 3과 같은 정수이고, 다른 한편으로는, 셰이퍼, 및 소성 단계에서 상기 셰이퍼/그린 피스/지지체/(그린 피스/지지체)n 스택이 형성되고, 각각의 지지체의 대향면들은 하나는 상기 그린 피스의 면의 임프린트를 다른 하나는 상기 그린 피스의 대향면의 임프린트를 보유하는 그린 피스들과 협력하도록 의도된다.
본 발명에 따른 방법으로 얻은 그린 피스는, 예를 들면, 파운드리 코어이다.
본 발명의 주제를 더 잘 설명하기 위해, 몇 가지 특정 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 제한이 아닌 예로서 이하에 설명될 것이다.
도 1 및 도 2는 각각이 터빈 블레이드의 주조에 사용되는 코어와 같은 복잡하고 정확한 형상 및 매끄러운 표면을 갖는 파운드리 코어의 간략화되고 개략적인 도면이다.
도 3은 코어의 공지된 직립 제조에서 관찰될 수 있는 현상인 컬링(curling) 현상을 나타내는 도면이다.
도 4는 조사 에너지가 지나치게 높아지는 등의 경우에 관찰될 수 있는 현상인 코어의 박리 및 슬라이딩 현상을 나타내는 도면이다.
도 5는 경사진 상부 표면을 갖는 지지체 및 경사진 상부 표면 내에 형성된 임프린트 상에 놓이도록 의도된 파운드리 코어의 분해 사시도이다.
도 6은 지지체 상에 배치된 코어를 갖는 도 5에 대응하는 도면이다.
도 7은 그린 피스의 상부면 상에서 제어되지 않는 크리이프로 인하여 소성 동안 구부러지는 파운드리 코어를 수용한 임프린트를 형성하는 경사진 표면을 갖는 지지체를 측면에서 도시하는 도면.
도 8은 본 발명에 따라 지지체-피스 조립체 및 셰이퍼가 동시에 제조되는 스테레오리소그라피 머신의 제조 플랫폼을 개략적으로 도시한다.
도 9는 피스 및 셰이퍼를 도시하는 분해 사시도이다.
도 10 및 도 11은 뒤집어진 위치에 있는 지지체, 피스 및 셰이퍼의 분해된 사시도이다.
도 12는 지지체 상의 피스의 측 단면도이다.
도 13은 소성을 위한 지지체, 피스 및 셰이퍼의 위치 지정을 도시한다.
도 14는 본 발명의 특정 실시예에 따라 제조된 지지체의 후면을 그 좌측 부분에 도시하고, 그 우측 부분에는 전면에서 본 상기 지지체 및 피스의 분해도를 도시한다.
도 15는 도 14의 지지체를 갖는, 도 13의 우측 부분과 유사한 도면이다.
도 16a는 실질적으로도 14의 우측 부분과 같이 도시되었지만 변형에 따라 만들어진 지지체를 도시한다.
도 16b는 논의되는 변형을 구성하는 도 16A의 더 큰 규모의 상세도이다.
도 5를 참조하면, 지지체(S) 및 파운드리 코어(NF)가 분해도로 도시되어 있음을 알 수 있다. 지지체(S)는 수평면에 대해 각도(α)로 기울어진 상부 표면을 가지며, 파운드리 코어(NF)의 하부면에 임프린트(E)가 형성된다.
지지대(S)의 CAD 제조를 위해, 파운드리 코어(NF)의 하부면이 지지체(S)의 경사진 면 상에 전사되어 임프린트(E)를 생성한다; XYZ에서의 "오프셋 (offset)" 동작, 즉, 예를 들어, X, Y, Z 방향으로의 이동이 400 ㎛만큼, 그러한 면에서 수행된다; 파운드리 코어는 Z 또는 지지체(S)와 파운드리 코어의 하부면 사이의 공간에서 135 ㎛ 에 중합 깊이를 더한 것일 수 있는 거리에 위치되며, 중합 깊이는 레이저의 통과에 의해 중합될 페이스트 깊이이다. 중합 깊이는 사용된 페이스트와 레이저 파라미터: 파워, 해칭 갭, 레이저 스캐닝 속도에 따라 달라진다. 알루미나로 만들어진 파운드리 코어를 제조하기 위해, 중합 깊이는 일반적으로 125㎛ 또는 약 125㎛이다.
도 6은 지지체(S) 상에 배치된 파운드리 코어(NF)를 도시한다.
도 7은 소성 동안 파운드리 코어(NF)가 그 상부면 상에 제어되지 않은 크리이프로 인해 구부러진 것을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따라 아래가 동시에 제조되는 스테레오리소그라피 머신의 제조 플랫폼(1)을 도시한다:
지지체(2)-파운드리 코어(3) 조립체; 및
셰이퍼(4).
따라서, 본 발명에 따른 셰이퍼(4)는 지지체(2)와 파운드리 코어(3) 옆에서 제조된다. 제조된 파운드리 코어(3)-지지체(2)의 조합은 한번만 이용되며, 파운드리 코어(3)를 제조하는 경우에 아무런 역할도 하지 않는다. 왜곡이나 파손없이 파운드리 코어(3)를 처리하고 소성하도록 한다.
도 9에서, 파운드리 코어(3)의 상부면에 임프린트(4a)가 형성되는 경사진 면을 갖는 지지체(2)와 동일한 형태를 취하는 셰이퍼(4)가 도시되어 있다.
셰이퍼(4)의 CAD 제조를 위해, 파운드리 코어(3)의 상부 표면은 임프린트(4a)를 생성하도록 셰이퍼(4)의 경사진 면 상에 전사되고; XYZ에서의 "오프셋" 동작, 즉 예를 들어 X, Y, Z 방향의 50 ㎛만큼의 이동이 그러한 면에 대해 수행되고, 오프셋은 지지체(2)의 생성보다 덜 중요하다. 셰이퍼(4)는 파운드리 코어(3)의 표면에 보다 가까운 표면을 갖는다.
도 10 및 도 11은 아래에 대한 분해도이며 상이한 두 방향으로 도시된다:
코어의 하부면에 대한 임프린트(2a)(도 10에서 볼 수 있음)를 갖는 지지체 (2);
파운드리 코어(3);
파운드리 코어의 상부면에 대한 임프린트(4a)(도 11에서 볼 수 있음)를 갖는 셰이퍼(4).
본 발명에 따른 이러한 구성은 세정 및 취급 시에 지지체(2) 및 셰이퍼(4) 모두에 의해 파운드리 코어(3)를 보호할 수 있게 하며, 이러한 단계들 동안 파운드리 코어(3)의 왜곡이 완화된다.
도 12는 지지체(2) 상에서의 제조 동안 파운드리 코어(3)의 단면도를 보다 크게 도시하고, 지지체(2)와 파운드리 코어(3)의 하부면 사이의 공간은 이 도면에서 의도적으로 과장되어 있다. 이러한 공간은 도 5를 참조할 때 설명된 바와 같다.
도 13에 도시된 바와 같이, 소성에 있어서, 파운드리 코어(3)는 탈바인딩(debinding)에 의해 그 지지체(2)로부터 분리되고, 셰이퍼(4)와 지지체(2) 사이에서 클램프 방식으로 소결되며, 도 13의 우측 부분에서 도시된 것처럼, 셰이퍼(4)가 아래에 있고, 파운드리 코어(3)가 그 위에 놓이고, 지지체(2)가 파운드리 코어(3) 위에 놓인다.
따라서, 지지체(2) 및 셰이퍼(4)에 의해 가해지는 압력으로 인해 파운드리 코어는 올바른 형상으로 유지된다.
파운드리 코어(3)를 셰이퍼(4) 및 지지체(2)의 상부에 위치시킴으로써, 파운드리 코어(3)는 셰이퍼(4)의 면 상에서 압축되는데, 이는 지지체(2)의 것보다 "정밀(precise)"하다.
파운드리 코어(3)는 소결 후에 치수를 유지하는데, 왜냐하면 3 개의 피스(2, 3 및 4)는 동일한 재료로 만들어져 수축이 동일하기 때문이다.
이러한 기술을 사용하면, 치수에 대한 차이는 거의 0.2 mm로 줄어 든다.
또한, 이러한 기술을 사용하면, 강성이 낮은 피스들은 파손되지 않고 왜곡 될 수 있습니다.
도 14를 참조하면, 지지체(2)가 수개의 위치에서 관통하여 임프린트(2a)로 이어지는 구멍들(5)을 포함하는 변형예에 따라 제조되었음을 알 수 있다. 이러한 구멍(5)의 직경은 2 내지 8 mm 일 수 있으며, 예를 들어 4 mm이다.
세정시, 작업자는 그 구멍들(5)을 통해 세정 용매를 통과시킬 수 있으며, 파운드리 코어(3)와 지지체(2) 사이에서 포함되는 페이스트는 부분적으로 용해되기 시작하여, 파운드리 코어(3)의 분리를 용이하게 한다.
도 14 및 도 15에서도 알 수있는 바와 같이, 지지체(2)는 다른 변형예에 따라 만들어질 수 있는데, 이 변형예는 경사진 표면에 대향하고 소성 중에 그 상부에 있도록 의도된 그 표면에 숫자로는 3개이며 정사각형 형상을 가지며, 파운드리 코어(3) 상에 부가 압력을 제공하기 위하여 소성 동안 비드 또는 샌드를 수용하도록 의도되는 캐비티(6)를 포함하여, 소성 동안 파운드리 코어(3)의 크리이프를 제어한다.
도 14 및 도 15에 도시된 지지체(2)는 구멍(5)을 포함하고, 구멍(5)은 캐비티(6)의 바닥으로 이어진다.
캐비티(6)에 삽입된 비드는 구멍(5)의 직경보다 큰 직경을 가져야 한다. 샌드 또는 작은 비드를 사용하는 경우, 구멍(5)을 막아야 한다.
캐비티(6)의 형상 및 개수는 다양할 수 있다. 캐비티(6)는 파운드리 코어(3)의 특정 영역에서만의 크리이프가 제어되기를 원할 경우 불균일하게 채워질 수 있다.
소결 중에 세정 구멍(5)이 남아 있으면, 유기 재료의 배출을 촉진하는 굴뚝의 역할을 한다.
이제 도 16a 및 도 16b를 참조하면, 임프린트(2a)의 바닥에, 안티 컬링 스터드(7)를 포함하는 영역을 포함하는 지지체(2)의 변형예가 도시되어 있는 것을 볼 수 있는데, 상기 스터드는 제조되는 파운드리 코어(3)와 지지체(2)를 연결하며, 파운드리 코어(3)의 평평한 표면이 구부러지는 것을 방지하기 위한 것이다. 그 직경은 50 내지 800μm, 특히 300 내지 400 μm 일 수 있다. 스터드(7)는 파운드리 코어(3)가 지지체(2)로부터 분리될 때 파손된다.
도 10 및 도 11 및 도 13(우측 부분)에서, 셰이퍼(4)는 지지대(2)의 캐비티(6)와 같은 유형의 캐비티를 그 기저부에 갖는다는 것을 알 수 있다. 셰이퍼(4)에 도시된 캐비티는 소성을 용이하게하기 위해 세라믹 두께를 제한하는 기능을 갖는다. 여기서 이 기능은 선택 사항이다.

Claims (11)

  1. 적층 제조 또는 스테레오리소그라피 기술에 의해 세라믹 재료로 만들어진 피스를 제조하는 방법으로서, 상기 피스는 세라믹 분말 및 탈바인딩 동안 가열에 의해 파괴될 수 있는 유기 부분을 포함하고 또한 적어도 하나의 광경화성 모노머 및/또는 올리고머와 적어도 하나의 광개시제를 포함하는 광경화성 세라믹 조성물로부터 그린 상태로 형성되며, 다음으로 탈바인딩 및 소결 공정을 거치며, 상기 방법은:
    스테레오리소그라피 머신의 작업 플랫폼(1) 상에서, 동일한 페이스티 광경화성 세라믹 조성물로부터 적층 제조 기술에 의해:
    그린 피스의 지지체(2) 및 상기 지지체(2) 상의 상기 그린 피스로 이루어지는 그린 조립체로서, 상기 지지체의 자유 표면은 상기 그린 피스의 제1 면의 임프린트(2a)를 보유하며, 상기 지지체 내에 만들어진 상기 임프린트(2a)는 상기 그린 피스의 상기 제1 면에 대해 XYZ으로 시프트되나 동등한 표면을 가져서, 이 표면이 상기 지지체(2) 내에 수용될 수 있도록 하고, 둘 사이의 공간은 상기 그린 조립체가 일단 형성되면 제거될 수 있는 페이스티 재료로 채워지는, 그린 조립체; 및
    세라믹 재료로 만들어진 피스로 제조된 그린 셰이퍼(4)로서, 상기 그린 셰이퍼의 자유면은 상기 제1 면에 대향하는 상기 그린 피스의 제2 면의 임프린트(4a)를 보유하고, 상기 셰이퍼(4) 내에 만들어진 상기 임프린트(4a)는 상기 그린 피스의 상기 제2 면에 대해 XYZ으로 시프트되나 동등한 표면을 가져서, 이 표면이 상기 셰이퍼(4) 내에 수용될 수 있도록 하는 그린 셰이퍼(4)
    가 동시에 그러나 개별적으로 제조되며:
    오븐 내에서, 임프린트(4a)를 위로 향하게 하여 얻어지는 상기 그린 셰이퍼(4) 상에, 상기 셰이퍼(4)의 임프린트(4a) 내에 수용되도록 하기 위하여, 그린 피스를 아래로 향하게 하여 얻어지는 상기 그린 조립체가 배치되고, 상기 셰이퍼(4)와 상기 지지체(2) 사이에 유지되는 상기 그린 피스는 탈바인딩 및 소결을 거치게 되고, 상기 지지체 및 상기 셰이퍼의 임프린트들(2a; 4a)은 탈바인딩과 소결 공정 동안 피스가 상기 지지체 및 상기 셰이퍼의 임프린트들 사이에 완전히 둘러싸이게 끔 되어 있는 것을 특징으로 하는 피스 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 지지체(2)의 임프린트(2a)는 상기 그린 피스의 상기 제1 면의 XYZ에서 100 내지 600 ㎛만큼 시프트된 표면에 대응하는 것을 특징으로 하는, 피스 제조 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 셰이퍼(4)의 임프린트(4a)는 상기 그린 피스의 상기 제2 면의 XYZ에서 20 내지 80 ㎛만큼 쉬프트된 표면에 대응하는 것을 특징으로 하는, 피스 제조 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 그린 피스는 상기 지지체(2) 상에서 소정 각도로 제조되며, 상기 플랫폼(1)에 대한 상기 지지체의 경사각은 1° 내지 45 °인 것을 특징으로 하는, 피스 제조 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 지지체(2)는 그 임프린트(2a)로 이어지는 적어도 하나의 구멍(5)에 의해 관통되고 지지체-그린 피스 조립체의 형성 이후에 미경화된 페이스티 재료를 제거하려는 의도로 용매의 통과를 허용함에 의해 형성되며, 상기 구멍은 원형 단면을 갖는 구멍일 수 있으며, 직경이 2mm 내지 8 mm인 것을 특징으로 하는, 피스 제조 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 지지체(2)는 상기 그린 피스의 임프린트(2a)를 보유하는 벽에 대향하는 벽에 적어도 하나의 캐비티(6)가 제공되도록 형성될 수 있으며, 상기 지지체(2)가 소성 위치에 있는 경우, 하나 이상의 캐비티(6)는 모래 또는 비드와 같은 밸러스트 재료로 채워질 수 있는 것을 특징으로 하는, 피스 제조 방법.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 지지체(2) 및 상기 그린 피스는 그리고/또는 상기 플랫폼(1) 및 상기 지지체(2)는 경사져 컬링하는 그린 피스의 영역들 내에 제조 동안 형성되는 안티-컬링 스터드(7)에 의해 연결될 수 있으며, 상기 스터드(7)는 50㎛ 내지 800㎛의 직경을 가질 수 있는 것을 특징으로 하는, 피스 제조 방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 제조 단계에서, 광경화성 세라믹 조성물의 연속층들이 형성되며, 이들 층들은 매회 상기 층에 대한 모델로부터 사전에 규정된 패턴에 따른 조사에 의해 경화되어지며, 제조 단계 후에, 그린 조립체 및 그린 셰이퍼(4)는 미경화된 광경화성 조성물을 제거하기 위해, 그린 피스가 상기 지지체(2)로부터 분리될 수 있게 하기 위해 세정 단계를 거치는 것을 특징으로 하는, 피스 제조 방법.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 제조 단계에서, 그린 지지체-피스 조립체의 중공부를 형성하기 위해, 상기 지지체와 피스 사이의 공간 및 상기 피스 내의 중공부를 형성하기 위해:
    적어도 하나의 경화된 광경화성 세라믹 조성물 층에 상부면으로부터 적어도 하나의 리세스를 기계 가공을 통해 형성하는 단계;
    탈바인딩 동안 가열에 의해 경화되고 파괴될 수 있는 희생 유기 재료로 리세스/리세스들을 채우기 위하여 상기 하나 이상의 리세스 내를 퇴적하는 단계; 및
    인근의 경화된 세라믹 조성물 층과 동일한 레벨에서 단단한 수평 표면을 얻기 위해 상기 희생 유기 재료를 경화하는 단계가 수행되며,
    하나 이상의 리세스가 형성될 때마다, 리세스/리세스들은 컴퓨터 모델로부터 사전에 규정된 하나 이상의 패턴에 따라 범위가 제한되고, 제조될 피스의 연속성을 보장하도록 깊이가 선택되며, 또한
    일단 경화된 층들이 적층되면, 그린 지지체-피스 조립체가 얻어지고, 이는 하나 이상의 미경화 부분을 제거하기 위하여 세정 공정을 거칠 수 있고, 상기 그린 피스는 탈바인딩 동안 지지체로부터 분리되는 것을 특징으로 하는, 피스 제조 방법.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 제조 단계에서, 한편으로 지지체/그린 피스/(지지체/그린 피스)n 스택이 형성되고, n은 1, 2, 3과 같은 정수이고, 다른 한편으로는, 셰이퍼, 및 소성 단계에서, 셰이퍼/그린 피스/지지체/(그린 피스/지지체)n 스택이 형성되고, 각각의 지지체의 대향면들은 하나는 상기 그린 피스의 면의 임프린트를, 그리고, 다른 하나는 상기 그린 피스의 대향면의 임프린트를 보유하는 그린 피스들과 협력하도록 의도되는 것을 특징으로 하는, 피스 제조 방법.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 그린 피스는 파운드리 코어인 것을 특징으로 하는, 피스 제조 방법.
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