KR102276201B1 - 3d 금속 부품을 제조하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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에이엠엘3디 리미티드
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Abstract

크기에 제한되지 않고 주변 분위기에 개방된 고체 자유형 제작에 의해 용접 가능한 소재에서 금속 부품을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은 컴퓨터에 의해 생성된, 부품의 3차원 모델을 생성하고, 컴퓨터에 의해 생성된 3차원 모델을 한 세트의 컴퓨터에 의해 생성되고, 평행한, 슬라이스된 층으로 슬라이싱하고, 이후 적층된 용접 비드 기하학 데이터를 참고하여 각 층을 한 세트의 컴퓨터에 의해 생성된, 가상, 1차원 피스로 분할하고, 컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된, 상기 부품의 층상 모델을 형성하는 것으로 포함한다. 상기 방법은 또한 방향이 특정된, 상기 부품의 층상 모델을 지지 기판에 대해 고에너지 텅스텐 아크 용접 토치, 플라스마 이송 아크 용접 토치, 및/또는 가스 금속 아크 용접 토치에 의해 전달된 전기 아크의 위치 및 활성화 및 크기에 제한되지 않고 주변 분위기에 개방된 기판과 관련된 개방 영역 건조 공간 내에 배치된 소모성 와이어를 공급하는 시스템을 제어할 수 있는 용접 제어 시스템에 업로드하는 것을 포함한다. 또한, 상기 방법은 컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된, 상기 부품의 층상 모델의 제1 층을 형성하는데 요구되는 패턴 내에서 상기 용접 제어 시스템이 상기 용접 가능한 소재의 1차원 용접 비드의 시퀀스를 상기 지지 기판 상에 침착하도록 지시하고, 컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된 상기 부품의 적층 모델의 제2 층과 동일한 구성으로 이전에 침착된 층 위에 용접 가능한 소재의 일차원 용접 비드를 시퀀스함으로써 제2 용접된 층을 침착하고, 전체 부품이 완성될 때까지 컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된, 상기 부품의 적층된 모델의 각각의 연속적인 용접 비드 층을 반복하는 것을 포함한다. 상기 방법은 요구되는 유량을 생성하는 불활성 가스 분위기로 상기 불활성 분위기가 최대 산소 농도를 함유하는 열원의 바로 근처 내의 분위기를 치환하는 단계로서, 상기 불활성 가스가 개별 가스 확산기 및/또는 필터의 매트릭스를 통해 장치에 의해 전달되는, 상기 단계 및 용접 제어 시스템에 시너지 효과를 주는 폐쇄 루프 냉각 장치와 유도 가열 장치를 맞물리고, 상기 침착된 용접 비드를 포함하고 용접 가능한 소재의 유형과 관련있는 상기 기판 소재를 예열하는 단계로서, 유도 가열 및 냉각 사이클은 제1 층에서 최종 층으로 계속적으로 적용되거나 펄스로 적용되고, 상기 용접 가능한 소재의 최적의 가열 및/또는 냉각 사이클은 최종 원하는 부품의 형상 및 미세 구조에 비례하는, 상기 단계 중 하나 또는 둘 모두를 더 포함한다.

Description

3D 금속 부품을 제조하기 위한 방법 및 장치
본 발명은 고체 자유형 제작(solid freeform fabrication)에 의해 용접 가능한 금속 물체를 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
공학적인 사용을 위해 임의의 금속 유형으로 만들어진 기계 및 구조적 구성 요소를 포함하는 금속 부품은 일반적으로 주괴(ingot) 또는 빌렛(billet)으로부터 주물, 단조, 롤링, 및 기계 가공에 의해 만들어진다. 이러한 방법은 그 최종 형상으로 부품을 마무리할 때 높은 비율의 소재 낭비로 인해 일반적으로 불리하다. 부가적으로, 이러한 방법은 완성된 부품의 배송을 위한 배송 시간을 증가시킨다.
그 물리적인 형태에서 완전히 고밀도인 금속 부품은 또한 누적 가공(additive manufacturing), 신속 조형(rapid prototyping), 신속 제조(rapid manufacturing), 층상 제조(layered manufacturing) 또는 누적 제작(additive fabrication)으로 식별되는 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 제조 방법은 제조될 부품의 컴퓨터에 의해 생성된(computer-generated) 모델을 처음 개발하고, 이후 컴퓨터에 의해 생성된 모델을 일반적으로 수평 평면 내에 있는 평행 층으로 변환하기 위해 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어(CAD)의 사용을 포함한다. 이후 금속 부품은 CAD 모델과 유사한 최종 형상이 형성될 때까지 각 층을 함께 순차적으로 융합하는 소모성 파우더의 형태로 층상 연속 소재에 의해 제조된다. 이러한 방법은 또한 보통 3D 프린팅, 고체 자유형 제조, 신속 조형 또는 와이어 아크 누적 제조(wire-arc additive manufacturing)라 한다.
이전 단락에서 서술한 방법은 각 금속 부품의 크기에 따라 증가된 생산 시간의 장점과 함께 거의 모든 형태의 금속 부품의 가공을 허용한다. 상기 방법은 일반적으로 시제품, 소량 생산(low volume production), 및 작은 제품 생산에 제한되지만, 큰 부품 및 대량 제조에는 적합하지 않다.
본 발명에 의해 제공되는 해결책의 요약에 앞서, 본 명세서의 임의의 선행 기술에 대한 참조가 이러한 선행 기술이 임의의 나라에서 공통적이고 일반적인 지식의 일부를 형성한다고 인정하거나 임의의 형태로 제안하는 것이 아니며, 그렇게 받아들여져서는 안된다는 것을 인지해야만 한다.
일 실시 형태에서, 본 발명은 크기에서 제한되지 않고 주변(ambient) 분위기(atmosphere)에 개방된 고체 자유형 제작에 의해 용접 가능한 금속 내에서 금속 부품을 가공하는 방법을 제공하고, 상기 방법은:
컴퓨터에 의해 생성된 상기 부품의 3차원 모델을 생성하는 단계로서, 컴퓨터에 의해 생성된 3차원 모델을 한 세트의 컴퓨터에 의해 생성된 평행 슬라이스 층(sliced layer)으로 슬라이싱하고 이후 각 층을 한 세트의 컴퓨터-생산된 가상 1차원 피스(piece)로 분할하고, 층상 용접 비드(weld-bead) 기하학 데이터를 참조하여, 컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된(direction specific), 상기 부품의 층상 모델을 형성하는, 상기 단계,
방향이 특정된 상기 부품의 층상 모델을 지지 기판에 대해 고에너지 텅스텐 아크 용접 토치, 플라스마 이송 아크 용접 토치, 및/또는 가스 금속 아크 용접 토치에 의해 전달된 전기 아크의 위치와 활성화 및 크기에 제한되지 않고 주변 분위기에 개방된 기판과 관련된 개방 영역 건조 공간(open area build space) 내에 배치된 소모성 와이어를 공급하는 시스템을 제어할 수 있는 용접 제어 시스템으로 업로드하는 단계,
컴퓨터에 의해 생성된 방향이 특정된 상기 부품의 층상 모델의 제1 층을 형성하는데 요구되는 패턴 내에서 용접 제어 시스템이 용접 가능한 소재의 1차원 용접 비드의 시퀀스를 지지 기판 상에 침착하도록 지시하는 단계,
컴퓨터에 의해 생성된 방향이 특정된 상기 부품의 층상 모델의 제2 층과 동일한 구성으로 이전에 침착된 층 위에 용접 가능한 소재의 일차원 용접 비드를 시퀀스함으로써 제2 용접된 층을 침착하는 단계, 및
전체 부품이 완성될 때까지 컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된, 상기 부품의 층상 모델의 각각의 연속적인 용접 비드 층을 반복하는 단계;를 포함하고,
상기 방법은:
요구되는 유량(flow rate)을 생성하는 불활성 가스 분위기로 상기 불활성 분위기가 최대 산소 농도를 함유하는 열원의 바로 근처 내의 분위기를 대체하는 단계로서, 상기 불활성 가스가 개별 가스 확산기(diffuser) 및/또는 필터의 매트릭스를 통해 장치에 의해 전달되는, 상기 대체하는 단계; 및
용접 제어 시스템과 시너지를 이루는 유도 가열 및 폐쇄 루프 냉각 장치를 용접 제어 시스템과 결합하고, 침착된 용접 비드를 포함하고 용접 가능한 소재의 유형과 관련되는 기판 소재를 예열하는 단계로서, 유도 가열 및 냉각 사이클은 제1 층으로부터 최종 층으로 일정하게 또는 펄스를 이루어(pulsed) 인가되고, 용접 가능한 소재의 최적의 가열 및/또는 냉각 사이클은 최종의 원하는 부품의 형상 및 미세 구조에 관련되는, 상기 예열하는 단계;를 더 포함한다.
또 다른 실시 형태에서, 본 발명은 고체 자유형 제작에 의해 용접 가능한 소재로 만들어진 부품에 대한 생산 장치를 제공하고, 외장(enclosure) 또는 반응기가 필요하지 않고, 상기 부품이 불활성 가스 흐름 공급하는 장치에 의해 주변 분위기에 개방된 제한되지 않은 건조 환경에서 형성되고, 상기 생산 장치는:
고정된 지지부 상에 배치된 고정 지지 기판에 대한 와이어 공급기를 구비하고 용접 토치의 위치 및 이동을 제어하는 로봇 다축 메커니즘으로서, 상기 용접 토치는 전기 아크 용접 프로세스, 텅스텐 아크 용접 토치, 가스 금속 아크 용접 토치, 또는 플라스마 이송 아크 용접 토치인, 상기 로봇 다축 메커니즘;
지지 메커니즘에 대한 위치 및 이동을 제어하는 액추에이터를 구비하고, 지지 기판에 대한 와이어 공급기로 용접 토치의 위치 및 이동을 제공하는, 지지 메커니즘; 및
상기 부품이 컴퓨터에 의해 생성되고 3차원의 방향이 특정된, 상기 부품의 층상 모델과 일치하는 기판 상으로 용접 가능한 소재의 1차원 슬라이스에 따라 층별(layer-by-layer) 시퀀스로 용접에 의해 형성되도록, 컴퓨터에 의해 생성되고 3차원의 방향이 특정된, 상기 부품의 층상 모델을 읽을 수 있고, 상기 로봇의 위치 및 이동과 용접 토치 및 와이어 공급기의 작동을 제어하도록 컴퓨터에 의해 생성된 모델을 이용하는, 제어 시스템;을 포함하고,
상기 장치는 또한 국부적인 퍼지 장치(purging apparatus)와 유도 가열 및 폐쇄 루프 냉각 장치를 포함한다.
바람직한 형태에서, 전술한 요구되는 유량은 20 l/min 또는 25 l/min을 초과한다. 다른 바람직한 형태에서, 전술한 최대 산소 농도는 500ppm 미만의 산소이거나, 대안적으로 100ppm 미만의 산소이다. 여전히 또 다른 바람직한 형태에서, 25개 미만의 전술한 개별 가스 확산기가 있다.
따라서, 본 발명은 부품의 건조 크기에 제한되지 않는 합금을 포함하여 용접 가능한 철 및 비철 금속으로 제조된 금속 부품의 증가된 침착을 위한 방법 및 장치를 제공한다
본 발명은 용접 구역(weld zone)과 용융된 금속을 감싸는 분위기 산소를 수반하는 현재 관행의 대안으로 표면 오염을 최소화하도록 용접 구역 및 용융된 금속과 관련된 국부적인 가스 흐름 분포를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 유도 가열 및 폐쇄 루프 냉각 시스템을 사용하는 일정 또는 간헐적인 온도 제어를 통한 제어된 가열 및 냉각을 포함할 수 있고, 이는 건조 프로세스 동안 유지되고, 상기 부품의 제어된 가열 및 냉각을 제공할 수 있으며, 부가적으로 비틀림을 줄이고, 따라서 형성된 부품의 비틀림을 일부 제어할 수 있다.
전술한 바로부터 알 수 있듯이, 본 발명은 고체 자유형 제작에 의해 용접 가능한 소재에서 부품의 크기에 제한되지 않고 한정된 치수를 갖는 슬라이스 층을 포함하는 컴퓨터에 의해 생성된 모델로부터 만들어진 부품의 3D 금속 프린팅 가공을 위한 방법 및 장치이고, 이는 a) 전기 아크를 둘러싸고 후속 용융된 금속을 냉각하는 보호 불활성 가스 쉴드와 (b) 순착적으로 적층된 용접 비드 작동동안 기판과 적층된 3D 프린트된 부품 모두의 온도 제어를 위한 유도 가열 및 폐쇄 루프 냉각 장치를 이용한다.
또한 국부적인 불활성 가스 확산기 장치로 기술될 수 있는 보호 불활성 가스 쉴드의 사용 및 유도 가열 및 냉각 장치의 사용은, 특히, 탄소 망간 합금, 알루미늄 합금, 니켈 합금 및 티타늄 또는 티타늄 합금과 티타늄 합금 목적물과 같은 용접 가능한 금속을 위한 층에 의해 용적(volumetric)의 침착 층을 증가시킬 수 있다.
3D 프린트된 부품의 전체 건조 덮개는 완전히 밀폐된 챔버를 주문하거나 포함된 밀폐된 보호 절차를 사용할 필요 없이 용융된 용접 금속 또는 연관된 용융 영역의 새로운 침착된 시퀀스 층을 산화시키지 않도록 최종 부품을 형성하는 초기 및 후속 용접 비드 층을 침착을 위해 유사한 기판 금속을 사용할 수 있다.
상기 부품의 컴퓨터에 의해 생성된 모델은 유한한 치수를 갖는 한 세트의 평행 층상 슬라이스로 분리될 수 있고, 각각의 층상 슬라이스는 한 세트의 시퀀스 가상 1차원 피스로 나눠질 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "가상 1차원 피스"란 용어는 용접 비드 소재 기하학의 길이 방향 비드 유사 피스를 의미하고, 상기 모델에 방향 특이성에 따라 특정한 시퀀스 패턴에서 차례 차례 침착되거나 겹겹이 쌓아 올려질 때, 이는 제조될 상기 부품을 형성할 것이다. 본 명세서에서 사용된 "컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된, 상기 부품의 층상 모델"이라는 용어는 형상화 될 피스의 3차원의 컴퓨터화된 도해를 의미한다.
컴퓨터에 의해 생성된 모델은 모드 방향에서 치수 및 용접 비드의 기하학 데이터를 포함하고, 제조될 금속 부품의 3차원 디지인과 유사한 3차원 디자인으로 주어질 수 있다. 컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된, 층상 모델은 이후 물리적인 금속 부품을 구성하기 위한 템플릿으로 자유형 제조 장비에 적용될 수 있다. 즉, 상기 컴퓨터에 의해 생성된 모델은 고체 자유형 제작 장비의 제어 시스템에 의해 구현되는 특정한 세트의 인스트럭션으로 변환되어, 상기 금속 부품이 순차적인 라인에서 기판 상으로 와이어를 용접함으로써 순차적으로 제조되고, 각각의 용접된 층은 컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된, 층상 모델의 일 슬라이스에 대응한다. 본 발명은 컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된, 층상 모델을 생성하기 위한 컴퓨터 지원 설계를 위해 임의의 알려진 또는 신뢰할 수 있는 소프트웨어를 적용할 수 있다.
알루미늄 합금, 스테인리스 스틸, 니켈 또는 니켈 합금, 티타늄 또는 티타늄 합금 또는 다른 반응성 금속 부품을 용접하는 동안, 보호 산화물 층의 감작(sensitisation) 또는 파괴를 방지하도록 불활성 가스 보호가 요구되며, 이러한 보호 층이 산화되어 최종 형성된 부품의 최종 물리적 기계적 속성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 전기 아크 및 후속 용융 소재를 둘러싸는 산소는 가스 매니폴드 격실의 바닥에서, 일련의 수많은 가스 확산기 배출구 및/또는 소결 청동 필터(sintered bronze filter)와 같은 필터를 통해 층류(laminar)나 임의의 다른 적합한 흐름을 주는 미리 결정된 유량 설정의 안정된 연속 모드에서 아르곤, 헬륨, 수소, 질소, 또는 이들의 혼합물 중 하나의 흐름을 적용함으로써 또는 격벽에 임의의 다른 공급 옵션에 의해, 대체로 격실의 부피에 불활성 가스의 동일한 양만을 주입함으로써 완벽하게 대체될 수 있지만, 여전히 불활성 아르곤 분위기에서 대체로 500ppm 미만 또는 100ppm 미만의 산소 내용물을 획득한다. 대체로, 가스 매니폴드 격실은 80mm 내지 180mm 폭과 180mm 내지 400mm 길이일 수 있고, 또는 직경이 400mm 미만의 원통 형상일 수 있다.
가스 매니폴드 격벽으로의 가스 흐름은 퍼지 장치 내에 위치한 매니폴드를 경유하고, 따라서 매니폴드를 통한 가스 흐름은 용접 구역 내의 산소를 대체하는 가스 확산기 노즐 및/또는 필터를 통해 전달될 수 있다. 주입구 튜브는 전기적으로 제어되는 밸브를 통해 매니폴드 내로 가스의 흐름을 전달하고 제어할 수 있고, 이는 가스의 유량, 압력 및 부피를 연속적으로 또는 주기적으로 제어할 수 있어, 용접 구역으로 불활성 가스의 펄스 전달한다. 퍼지 장치의 이러한 특징 고가의 불활성 가스의 적은 부피를 사용하는 이점을 제공한다.
가스 매니폴드 격실은 또한 폐쇄 냉각 회로를 포함하고, 상기 격실에서 분리된 불활성 가스가 매니폴드를 통해 흐르는 불활성 가스의 온도를 낮추도록 열-교환기를 통과하고, 이후 이러한 가스는 상기 용접 구역에 국부적인 쉴드를 제공하는 매니폴드 튜브를 통해 흐르는 재활용 전달 루프를 경유해 순환될 수 있다. 이러한 특징은 국부적인 퍼지 지구의 과열과 용접 토치의 과열을 방지하고, 또한 용접 토치의 범위를 제한하는데 유리하다.
6축 이상의 로봇은 용접 가능한 소재의 소모성 와이어를 공급하기 위한 와이어 공급기를 구비하고, 제조되는 상기 부품의 건조 덮개 위에 이상적으로 위치한 용접 토치의 위치 및 이동을 제어하는데 사용될 수 있다. 상기 로봇은 또한 기판의 크기에 의해 통제될 수 있다. 국부화된 퍼지 장치는 용접 토치 및 관련된 와이어 공급기 유지 디바이스를 장착한 브라켓 암 구조에 장착될 수 있고, 브라켓 암 구조는 기계적으로 로봇에 부착된다. 국부화된 퍼지 장치는 용접 구역으로부터 산소를 제어된 주위 불활성 가스로 치환하고 대체하기 위해 튜브 매니폴드에 연결된 적어도 5개의 폐쇄 가능한 주입구와 적어도 폐쇄 가능한 가스 확산기 배출구를 갖출 수 있다. 상기 퍼지 장치는 교환 가능한 방식으로 용접 토치 디바이스를 포함할 수 있다.
본 발명은 전기 아크 용접 토치, 국부화된 가스 퍼지 장치, 및 와이어 스톡 공급기(wire stock feeder)의 작동 이동을 위해 임의의 알려진 또는 가용 가능한 제어 시스템을 적용할 수 있다. 상기 작동 이동은 6축 로봇 제어 시스템(X, Y, Z와 3개 이상의 회전 축 점)으로 유리하게 제공될 수 있다. 상기 작동 이동은 또한 임의의 알려진 또는 가용 가능한 갠트리(gantry) 장착 시스템(X,Y,Z) 형태일 수 있고, 장착 테이블은 장착된 전기 아크 용접 토치에 대해 X,Y,Z 방향으로 고정 또는 이동할 수 있다. 본 발명은 텅스텐 불활성 가스 용접(GTAW), 가스 금속 아크 용접(GMAW) 및 플라스마 이송 아크 용접(PTAW)을 알려진 용접 프로세스에 의해 금속 부품의 용접 적층된 가공을 제공할 수 있는 임의의 알려진 또는 가용 가능한 용접 토치와 와이어 스톡 공급기 시스템을 적용할 수 있다.
예열된 기판과 용접 층을 위한 유도 소자는 용접 및 로봇 제어 시스템과 시너지하게 제어될 수 있다. (3개의 제어기의) 시너지 폐쇄 루프 제어는 기판과 침착된 용접 비드 층의 증가된 온도를 허용하여, 용접 파라미터는 용접 비드 기하학을 증가 시키는 방식으로 미리 설정한 데이터로부터 선형적으로 변경시키고, 금속 침착과 용접 속도를 증가시킨다.
유도 가열 장치는 임의의 상업적으로 이용 가능한 시스템이고, 본질적으로 전자기적이며, 유도가 용접 비드 적층 프로세스에 선행하여 시작되는 기판에 바람직하게 연결된다. 예열의 적용은 용접 비디 크기와 침착 속도를 증가시킬 뿐만 아니라 비틀림과 최종적으로 3D 프린트된 부품의 내부 잔류 응력을 줄인다. 이는 다른 알려진 3D 금속 프린팅 프로세서보다 이점을 제공한다. 용접 프로세스 파라미어에 대해 제어된 시너지 유도 가열의 적용은 용접 비드 적층 프로세스 동안 증가된 적용을 최적화하는 알려진 데이터에 의해 더욱이 강화되어, 유리한 물리적이고 기계적인 속성이 최종 3D 프린트된 부품에 대해 달성될 수 있다.
냉각 장치는, 본질적으로 폐쇄된 루피이고 냉각 채널을 통해 상기 기판 내로 냉각수를 순환하는 주입구 및 배출구 부속품을 통해 기판에 바람직하게 연결된 임의의 상업적으로 이용 가능한 시스템일 수 있다. 유량은 금속성 소재 유형에 따라 변할 수 있다. 냉각의 적용은 3D 프린트된 부품의 원하는 기계적 속성 더 빠른 냉각에 의해 강화될 수 있는 일부 경우에 도움이 된다. 빠른 냉각은 층 사이의 시간을 감소시켜 전체 건조 시간을 감소시키는 장점을 제공한다.
용접 비드 적층 프로세스 동안 물리적 부품의 온도는 임의의 용접 가능한 소재를 위한 연화점(softening point)까지 상승할 수 있다. 예를 들어, 티타늄 또는 그 합금의 3D 금속 적층 경우에, 상기 온도는 부품의 적층 제작 동안 800°C까지 올라갈 수 있다. 그러나, 이는 전기 아크의 가열원 파라미터와 용융된 와이어의 전달에 상응하는 변화를 가질 것이고, 상기 전기 아크 파라미터는 용접 비드 침착을 강화한다. 유익하게도, 이는 본 발명에 따라 제조된 부품에 대한 생산 시간의 상당한 감소를 제공할 수 있다.
본 발명의 제조 방법 및 장치의 일 실시 양태가 도 1에 대략적으로 도시된다. 도 1은 자유형 제작을 제공하도록 용접 비드 적층 기술을 사용하여 용접 가능한 소재의 소모성 와이어를 용융하는 전기 아크 용접 프로세스에 의해 제1 층 상으로 용접 가능한 소재의 하나의 피스를 용접하여 금속 부품(10)을 구성하는 것을 도시한다.
도 1을 참조하면, 로봇 전원(14), 용접기 전원(16), 활성화 솔레노이드(solenoid) 밸브(36), 유도 가열 장치(32), 및 솔레노이드 제어기(18)의 제어를 위해 피드백 신호(A, B, C, D, E) 제공하는 컴퓨터(12)가 도시된다. 용접기 전력 공급기(16)는 또한 와이어 공급기(20)를 위한 전력 및 제어를 제공한다. 와이어는 F를 통해 로봇(24)의 일부분인 용접 토치(22)로 공급된다. 전기 아크는 대안적으로 텅스텐 불활성 가스 용접 토치를 통해 전달되고, 다시 유사한 용접 가능한 소재의 와이어 공급기(20)로 전달될 수 있다. 더불어, 전기 아크는 가스 금속 불활성 용접 토치를 사용하여 소모성 와이어를 통해 전달될 수 있다.
가스 공급 시스템은 추가적인 솔레노이드 스플리터 밸브(38)를 통해 퍼지 장치(30)로 가는 가스를 활성화 하도록 8/2 솔레노이드 밸브(36)를 제공하는 쉴드 가스 공급 실린더(40)를 포함한다. 피드백 신호는 솔레노이드 제어기(18)를 통해 적합한 제어를 제공한다.
전술한 층-대-층 프로세스 내에서 용접되는 금속 부품(10)은 기판 냉각 패드(28)에 의해 지지되는 적합한 기판(26) 상에 적층된다. 퍼지 장치(30)는 일반적으로 전술한 방식으로 침착된 용접물을 쉴드하도록 금속 부품(10) 위에 위치한다. 로봇(24)을 위한 액추에이터와 토치는 퍼지 장치(30)에 대해 건조 영역, 기판(26), 및 고에너지 가열원(32)의 경계 한계 밖에 위치하는 것으로 도시된다.
기판(26) 및 후속 금속 적층은 유도 가열 장치(32)를 사용하여 예열되고 유지되고, 이는 금속 적층 작동 중에 시너지하게 제어된다. 상기 프로세스 동안 유도 가열은 증가된 금속 침착을 강화하고, 최종 부품(10)에 대한 비틀림 제어 수단을 제공한다.
이러한 실시 양태에서 기판(26)은 금속 부품(10)의 온도를 추가적으로 제어하도록 냉각 채널(미도시)을 포함한다. 냉각 장치(34)는 본질적으로 폐쇄된 루프이고, 냉각 채널을 통해 냉각수를 순환시키는 부속품을 통해 기판에 연결된다. 냉각은 층 사이에 시간을 감소시켜 전체 건조 시간을 감소시키는 장점을 제공한다.
본 발명의 방법 및 장치의 이러한 실시 양태는 3D 금속 부품을 제조하기 위한 고침착 방법 및 장치를 제공하고, 이는 특히 탄소 망간 합금, 알루미늄 합금, 니켈 합금, 스테인리스 스틸, 및 티타늄 합금으로 만들어진 부품의 제조를 위해 국부적인 분위기 보호 및 크기에서 제한되지 않고 주변 분위기에 개방된 고체 자유형 제작을 포함한다.
전술한 바와 같이, 상기 장치는 건조 크기, 부품 크기, 또는 영역 크기에 제한을 받지 않으며, 주변 분위기에 개방적이고, 용융된 용접 풀과 인접한 영역은 풍부하지만 제어된 층류 불활성 가스 흐름을 전달하는데 사용되는 국부화된 장치에 의해 쉴드된다. 가스 흐름 전달은 제조 영역과 주어진 디자인 위에 위치하여, 가스 분포가 용접 풀 영역 주위로 균일하고 고르게 흐르고, 용융된 금속을 응고시킨다.
본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않고 많은 변경이 도 1에 관련하여 기술된 본 발명의 실시 양태에서 이루어 질 수 있다.

Claims (11)

  1. 크기에 제한되지 않고 주변(ambient) 분위기에 개방된 고체 자유형 제작(solid freeform fabrication)에 의해 용접 가능한 소재로 금속 부품을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    컴퓨터에 의해 생성되는(computer-generated) 상기 부품의 3차원 모델을 생성하고, 상기 컴퓨터에 의해 생성된 3차원 모델을 컴퓨터에 의해 생성되는 평행한 슬라이스 층(sliced layer)의 한 세트로 슬라이싱하고, 이후 각 층을 컴퓨터에 의해 생성되는 가상의 1차원 피스(piece)의 한 세트로 분할하고, 층상 용접 비드(weld-bead) 기하학 데이터를 참조하여, 컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된(direction specific) 상기 부품의 층상 모델(layered model)을 형성하는 단계,
    고에너지 텅스텐 아크 용접 토치, 플라스마 이송 아크 용접 토치 및/또는 가스 금속 아크 용접 토치에 의해 전달된 전기 아크의 지지 기판에 대한 위치 및 작동과, 크기에 제한되지 않고 주변 분위기에 개방된 상기 지지 기판과 관련된 개방 영역의 건조 공간(bulid space)에 위치한 소모성 와이어를 공급하는 시스템을 제어할 수 있는 용접 제어 시스템 내로 상기 방향이 특정된 상기 부품의 층상 모델을 업로드하는 단계,
    상기 컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된, 상기 부품의 층상 모델의 제1 층을 형성하기 위하여 요구되는 패턴으로 상기 용접 제어 시스템이 상기 용접 가능한 소재의 1차원 용접 비드의 시퀀스를 상기 지지 기판 상에 침착하도록 지시하는 단계,
    상기 컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된 상기 부품의 층상 모델의 제2 층과 동일한 구성으로 이전에 침착된 층 위에 용접 가능한 소재의 1차원 용접 비드를 시퀀스함으로써 제2 용접된 층을 침착하는 단계, 및
    전체 부품이 완성될 때까지 상기 컴퓨터에 의해 생성되고 방향이 특정된 상기 부품의 층상 모델의 각각의 연속적인 용접 비드 층을 반복하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은:
    열원의 바로 근처 내의 분위기를, 요구되는 유량(flow rate)을 생성하는 불활성 가스 분위기(atmosphere)로 대체하는 단계로서, 상기 불활성 가스 분위기는 최대 산소 농도를 포함하고, 상기 불활성 가스는 개별 가스 확산기 및/또는 필터의 매트릭스를 통하여 장치에 의하여 전달되는, 상기 대체하는 단계; 및
    용접 제어 시스템과 시너지를 이루는 유도 가열 및 폐쇄 루프 냉각 장치를 용접 제어 시스템과 결합하고, 침착된 용접 비드를 포함하고 용접 가능 소재의 유형과 관련되는 상기 지지 기판 재료를 예열하는 단계로서, 유도 가열 및 냉각 사이클은 제1 층으로부터 최종 층까지 일정하게 또는 펄스를 이루어(pulsed) 인가되고, 상기 용접 가능 소재의 최적 가열 및/또는 냉각 사이클은 최종의 원하는 부품 형상 및 미세구조에 관련되는, 상기 예열하는 단계;를 더 포함하는,
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용접 가능한 소재는 철 또는 비철의 용접 가능한 금속 또는 용접 가능한 합금 금속인,
    방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용접 가능한 소재는 탄소강 또는 탄소 망간 합금, 니켈 또는 니켈 합금, 스테인리스 스틸, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 티타늄 또는 합금 티타늄, 철 또는 비철, 또는 이종 용접 소재의 혼합물인,
    방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 아르곤, 헬륨, 수소, 질소, 또는 이들의 혼합물 중 하나인,
    방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 아크 및 열-영향 소재를 쉴드하는 상기 불활성 가스는 아르곤 또는 아르곤 혼합물이고, 상기 아르곤 또는 아르곤 혼합물의 유량은 분당 20리터 또는 25리터 초과의 펄스이거나 일정하고, 상기 불활성 가스의 분포는 일련의 가스 확산기(diffuser)를 통해 전달되는,
    방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    요구되는 상기 유량은 20 l/min 초과인,
    방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 최대 산소 농도는 500ppm 미만이거나 100ppm 미만인,
    방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    25개 미만의 개별 가스 확산기가 있는,
    방법.
  9. 고체 자유형 제작에 의해 용접 가능한 소재로 만들어진 부품을 위한 생산 장치로서, 요구된 반응기 또는 외장(enclosure)이 없고, 상기 부품이 불활성 가스 흐름을 전달하는 장치에 의해 주변 분위기에 개방된 제한되지 않은 건조 환경(build environment)에서 형성되는, 상기 생산 장치에 있어서,
    상기 생산 장치는:
    고정된 지지부 상에 배치된 고정 지지 기판에 대해 와이어 공급기와 용접 토치의 위치 및 이동을 제어하는 로봇 다축 메커니즘으로서, 상기 용접 토치는 전기 아크 용접 프로세스, 텅스텐 아크 용접 토치, 가스 금속 아크 용접 토치, 또는 플라스마 이송 아크 용접 토치인, 상기 로봇 다축 메커니즘;
    상기 지지 기판에 대한 상기 용접 토치와 와이어 공급기의 위치 및 이동을 제어하는 지지 메커니즘으로서, 액추에이터가 상기 지지 메커니즘에 대한 위치 및 이동을 제어하는, 상기 지지 메커니즘; 및
    컴퓨터에 의해 생성되고 3차원의 방향이 특정된 상기 부품의 층상 모델을 판독하고, 상기 컴퓨터에 의해 생성된 모델을 이용하여 상기 로봇의 위치 및 이동과 상기 용접 토치 및 와이어 공급기의 작동을 제어할 수 있는 제어 시스템으로서, 상기 컴퓨터에 의해 생성되고 3차원의 방향이 특정된 상기 부품의 층상 모델에 따라 상기 지지 기판 구조 위에 상기 용접 가능한 소재의 1차원 슬라이스에 따른 층별(layer-by-layer) 시퀀스로 용접에 의해 하나의 부품이 형성되도록 하는, 상기 제어 시스템;을 포함하고,
    상기 장치는 또한 국부적인 퍼지 장치(purging apparatus)와 유도 가열 및 폐쇄 루프 냉각 장치를 포함하는,
    장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 국부적인 퍼지 장치는 불활성 가스로서 아르곤 또는 아르곤 혼합물로 채워진 매니폴드를 포함하고, 그 가스 주입구는 가스 유량을 조절하기 위한 수단을 갖추는,
    장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 유도 가열 장치는 상기 지지 기판 및 후속 용접 비드 층에 전기적으로 부착되는,
    장치.
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