KR102376234B1 - 3차원 인쇄를 위한 디바이스 및 방법 - Google Patents

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3데오, 인크.
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Abstract

본 발명은 3차원 물체의 형성을 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 3차원 물체를 형성하기 위한 방법은 교대로 및 순차적으로 분말 베드의 분말 재료의 층의 영역에 결합 물질을 포함하는 스트림을 도포하는 단계, 및 영역에서 3차원 물체의 적어도 하나의 주위를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 스트림은 3차원 물체의 모델 디자인에 따라 도포될 수 있다. 적어도 하나의 주위는 모델 디자인에 따라 생성될 수 있다.

Description

3차원 인쇄를 위한 디바이스 및 방법
상호 참조
본 출원은 2016년 8월 3일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/370,644호, 2017년 1월 13일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/446,291호 및 2017년 4월 11일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/484,059호에 대한 우선권을 주장하며, 각각의 출원은 참조로써 본원에 전체로 통합된다.
연방 후원 연구에 관한 진술
본 발명은 국립 과학 재단에 의해 수여된 승인 번호 1646942 하의 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 갖는다.
배경
3차원 인쇄(3D 인쇄)는 다양한 형태의 3차원 물체를 제조하기 위한 프로세스이다. 3차원 물체는 모델 디자인에 기초하여 형성될 수 있으며, 여기서 모델 디자인은 컴퓨터, 드로잉 또는 다른 물체를 통해 형성된다.
금속, 금속 합금, 중합체, 종이 및 세라믹을 포함하는 상이한 재료가 3차원 인쇄에 사용될 수 있다. 3차원 인쇄는 통상적인 방법을 통해 제조하기 어려울 수 있는 물체를 효율적으로 형성할 수 있다. 모델 디자인에 따라 전체 3차원 물체가 형성될 때까지 재료층은 서로 인접하게 놓일 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은: (a) 분말 재료를 포함하는 분말 베드(bed)를 포함하는 표면을 제공하는 단계; (b) 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계; (c) 제1 층의 제1 서브섹션을 가열하는 단계로서, 제1 서브섹션은 3차원 물체의 모델 디자인으로부터 생성되는 단계; (d) 용기의 분말 재료의 제1 층에 인접한 분말 재료의 제2 층을 성막하는 단계; (e) 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계; 및 (f) 제2 영역의 제2 서브섹션을 가열하는 단계로서, 제2 서브섹션은 3차원 물체의 모델 디자인으로부터 생성되는, 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 층의 적어도 일부는 제1 층에 결합한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 단계 (d) 내지 단계 (f)를 적어도 10회 반복하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 단계 (d) 내지 단계 (f)를 적어도 100회 반복하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 단계 (d) 내지 단계 (f)를 적어도 200회 반복하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 적어도 10 분 동안 적어도 70 ℃의 온도에서 3차원 물체의 제1 경화를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 본 방법은 적어도 10 분 동안 적어도 250 ℃의 온도에서 3차원 물체의 제1 경화를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 재료는 중합체, 금속, 금속 합금, 세라믹 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 재료는 스테인레스 강 분말, 청동 분말, 청동 합금 분말, 금 분말 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 재료는 0.2 마이크로미터 내지 100 마이크로미터 크기의 입자들을 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 재료는 0.5 마이크로미터 내지 2 마이크로미터 크기의 입자들을 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 재료의 제1 층은 적어도 0.1 밀리미터의 두께를 갖는다. 일부 실시예에서, 분말 재료의 제1 층은 적어도 0.2 밀리미터의 두께를 갖는다. 일부 실시예에서, 분말 재료의 제1 층은 0.1 밀리미터 내지 100 밀리미터의 두께를 갖는다.
일부 실시예에서, 본 방법은 분말 베드로부터 형성된 구속된 분말 재료로부터 구속되지 않은 분말 재료를 분산시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 분산시키는 단계는 용기로부터 구속되지 않은 분말 재료의 제거를 통해 이루어진다. 일부 실시예에서, 본 방법은 적어도 5 분 동안 적어도 500 ℃의 온도에서의 3차원 물체의 제2 경화를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 경화는 적어도 5 분 동안 적어도 1000 ℃의 온도에서 이루어진다. 일부 실시예에서, 제2 경화는 적어도 24 시간 동안 적어도 1000 ℃의 온도에서 이루어진다. 일부 실시예에서, 제2 경화는 금속 또는 금속 합금의 주입을 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 경화는 청동 분말, 청동 합금, 금 분말 또는 이들의 임의의 조합의 주입을 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 결합 물질 및 제2 결합 물질은 동일 결합 물질이다. 일부 실시예에서, 결합 물질은 액체이다. 일부 실시예에서, 결합 물질은 500 cP 미만의 점도를 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 영역의 제1 서브섹션의 가열은 전자기 방사의 소스 또는 저항성 가열 요소의 도움으로 이루어진다. 일부 실시예에서, 전가기 방사의 소스는 적어도 하나의 레이저이다. 일부 실시예에서, 제1 영역의 제1 서브섹션은 제1 영역의 99% 미만이다. 일부 실시예에서, 제1 영역의 제1 서브섹션은 제1 영역의 90% 미만이다. 일부 실시예에서, 결합 물질의 도포는 잉크젯 헤드, 원자화 분사기 또는 네뷸라이저를 통해 이루어진다. 일부 실시예에서, 잉크젯 헤드, 원자화 분사 노즐 또는 네뷸라이저는 10 내지 1000 마이크론의 크기의 가장 큰 오리피스(orifice) 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 잉크젯 헤드, 분사기 또는 네뷸라이저는 10 내지 500 마이크론 크기의 가장 큰 오리피스 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 결합 물질은 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 도포될 때 0.1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 액적 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 결합 물질은 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 도포될 때 1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터의 액적 크기를 갖는다.
일부 실시예에서, 3차원 물체는 1 주 미만의 기간 동안 형성된다. 일부 실시예에서, 3차원 물체는 3 일 미만의 기간 동안 형성된다. 일부 실시예에서, 3차원 물체는 36 시간 미만의 기간 동안 형성된다. 일부 실시예에서, 3차원 물체는 10 m × 10 m × 10 m 미만의 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 3차원 물체는 1m × 1m × 1m 미만의 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 3차원 물체는 0.5 m × 0.5 m × 0.5 m 미만의 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 모델 디자인은 3차원 물체의 적어도 10개의 평행한 단면을 포함한다. 일부 실시예에서, 모델 디자인은 3차원 물체의 적어도 100개의 평행한 단면을 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포할 때, 제2 결합 물질은 제2 층을 통해 제1 층으로 연장된다. 일부 실시예에서, 단계 (c) 또는 (f)의 가열은 분말 재료의 개별 입자를 소결시키는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 단계 (c) 또는 (f)의 d 가열은 분말 재료의 개별 입자를 소결시키지 않는다. 일부 실시예에서, 단계 (b)에서, 제1 결합 물질은 제1 영역 대부분에 도포된다. 일부 실시예에서, 단계 (e)에서, 제2 결합 물질은 제2 영역 대부분에 도포된다.
다른 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은: (a) 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 포함하는 표면을 제공하는 단계; (b) 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계로서, 상기 제1 결합 물질의 도포시, 제1 영역의 제1 주위는 3차원 물체의 모델 디자인의 적어도 대응 부분으로부터 벗어나는, 단계; (c) 분말 재료의 제1 층의 제1 영역의 제1 서브섹션을 가열하는 단계; (d) 용기의 분말 재료의 제1 층에 인접하여 분말 재료의 제2 층을 성막하는 단계; (e) 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계로서, 상기 제2 결합 재료의 도포시, 제2 영역의 제2 주위는 3차원 물체의 모델 디자인의 적어도 대응하는 부분으로부터 벗어나는 단계; 및 (f) 분말 재료의 제2 층의 제2 영역의 제2 서브섹션을 가열하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 영역은 3차원 물체의 제1 층의 모델 디자인보다 크다. 일부 실시예에서, 제1 영역은 3차원 물체의 제1 층의 모델 디자인보다 적어도 1% 더 크다. 일부 실시예에서, 제1 영역은 3차원 물체의 제1 층의 모델 디자인보다 적어도 20% 더 크다. 일부 실시예에서, 제2 층의 일부는 제1 층에 결합한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 단계 (e) 내지 (g)를 적어도 10회 반복하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 단계 (e)내지 (g)를 적어도 100회 반복하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 적어도 10 분 동안 적어도 70 ℃의 온도에서 3차원 물체의 제1 경화를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 적어도 20 분 동안 적어도 250 ℃의 온도에서 3차원 물체의 제1 경화를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 분말 재료는 중합체, 금속, 금속 합금, 세라믹 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 재료는 0.2 마이크로미터 내지 100 마이크로미터 크기의 입자를 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 재료는 0.5 내지 2 마이크로미터 크기의 입자를 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 재료의 제1 층은 10 mm 미만의 두께를 갖는다. 일부 실시예에서, 분말 재료의 제1 층은 1 mm 미만의 두께를 갖는다. 일부 실시예에서, 본 방법은 구속된 분말 물질로부터 구속되지 않은 분말 재료를 분산시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 분산은 용기로부터 구속되지 않은 분말 재료의 제거를 통해 이루어진다. 일부 실시예에서, 본 방법은 적어도 5분 동안 적어도 500 ℃의 온도에서 3차원 물체의 제2 경화를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 적어도 12 시간 동안 적어도 1000 ℃의 온도에서 3차원 물체의 제2 경화를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 경화는 금속 또는 금속 합금의 주입을 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 결합 물질 및 제2 결합 물질은 동일한 결합 물질이다. 일부 실시예에서, 결합 물질은 액체이다. 일부 실시예에서, 결합 물질은 100 cP 미만의 점도를 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 영역의 제1 서브섹션의 가열은 전자기 방사의 소스 또는 저항성 가열 요소의 도움으로 이루어진다. 일부 실시예에서, 전자기 방사의 소스는 적어도 하나의 레이저이다. 일부 실시예에서, 제1 영역의 제1 서브섹션은 제1 영역보다 작다. 일부 실시예에서, 제1 영역의 제1 서브섹션은 제1 영역의 99% 미만이다. 일부 실시예에서, 제1 영역의 제1 서브섹션은 제1 영역의 90% 미만이다.
일부 실시예에서, 결합 물질의 도포는 잉크젯 헤드, 원자화 분사기 또는 네뷸라이저를 통해 이루어진다. 일부 실시예에서, 잉크젯 헤드, 분사기 또는 네뷸라이저는 5 내지 1000 마이크로미터 크기의 가장 큰 오리피스 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 잉크젯 헤드, 분사기 또는 네뷸라이저는 10 내지 500 마이크로미터 크기의 가장 큰 오리피스 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 3차원 물체는 1 주 미만의 기간 동안 형성된다. 일부 실시예에서, 3차원 물체는 3 일 미만의 기간 동안 형성된다. 일부 실시예에서, 3차원 물체는 36 시간 미만의 기간 동안 형성된다. 일부 실시예에서, 3차원 물체는 1m × 1m × 1m의 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 모델 디자인은 3차원 물체의 적어도 10개의 평행한 단면을 포함한다. 일부 실시예에서, 모델 디자인은 3차원 물체의 적어도 100개의 평행한 단면을 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 영역의 제1 주위는 3차원 물체의 모델 디자인의 대응 부분으로부터 벗어난다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하고, 본 방법은 교대로 또는 순차적으로 (a) 분말 베드의 분말 재료의 층의 영역에 결합 물질을 포함하는 스트림을 도포하는 단계로서, 스트림은 3차원 물체의 모델 디자인에 따라 도포되는 단계, 및 (b) 분말 재료의 층의 대부분의 부분에 에너지 빔을 지향시키는 단계를 포함하고, 에너지 빔은 3차원 물체의 모델 디자인에 따라 지향되며, 스트림은 제1 단면 치수를 가지며 에너지 빔은 제2 단면 치수를 가지며, 제1 단면 치수는 제2 단면 치수보다 더 크다. 일부 실시예에서, 스트림은 에어로졸 입자를 포함한다. 일부 실시예에서, 스트림은 액체 스트림이다.
다른 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은 교대로 또는 순차적으로 (a) 분말 베드의 분말 재료의 층의 영역에 결합 물질을 포함하는 스트림을 도포하는 단계로서, 스트림은 3차원 물체의 모델 디자인에 따라 도포되는 단계, 및 (b) 영역에서 3차원 물체의 적어도 하나의 주위를 생성하는 단계를 포함하고, 적어도 하나의 주위는 모델 디자인에 따라 생성된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 주위는 기계적으로 생성된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 주위는 에어 나이프를 사용하여 생성된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 주위는 나이프를 사용하여 생성된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 주위는 영역의 적어도 일부분을 가열할 때 생성된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 주위는 영역의 전부는 아니지만 일부를 가열할 때 생성된다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 주위는 레이저를 사용하여 생성된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 주위는 접촉 커터를 사용하여 생성된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 주위는 비접촉 커터를 사용하여 생성된다.
다른 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은: 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 포함하는 표면을 제공하는 단계; 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계; 분말 재료의 제1 층의 하나 이상의 주위를 생성하도록 제1 커터를 사용하는 단계로서, 제1 층의 상기 하나 이상의 주위는 3차원 물체의 모델 디자인에 따르는 단계; 용기의 분말 재료의 제1 층에 인접하여 분말 재료의 제2 층을 성막하는 단계; 분말 베드의 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계; 분말 재료의 제2 층의 하나 이상의 주위를 생성하기 위해 제2 커터를 사용하는 단계로서, 제2 층의 하나 이상의 주위는 3차원 물체의 모델 디자인에 따르는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 절단은 2개 이상의 절단 패스를 포함한다. 일부 실시예에서, 절단은 3개 이상의 절단 패스를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 층의 제1 저위의 적어도 일부는 하나의 절단 패스에 의해 생성된다. 일부 실시예에서, 제1 층의 제1 주위의 적어도 일부는 2개의 절단 패스에 의해 생성된다. 일부 실시예에서, 층의 하나 이상의 주위의 생성은 다중-축(예를 들어, 2, 3, 4 또는 5-축) 머신 툴을 통해 이루어진다. 일부 실시예에서, 제1 커터는 접촉 커터이다. 일부 실시예에서, 접촉 커터는 나이프이다. 일부 실시예에서, 제1 커터는 비접촉 커터이다. 일부 실시예에서, 비접촉 커터는 레이저이다. 일부 실시예에서, 제2 커터는 제1 커터이다.
다른 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은: 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 포함하는 표면을 제공하는 단계; 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계; 용기의 분말 재료의 제1 층에 인접하여 분말 재료의 제2 층을 성막하는 단계; 분말 베드의 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계; 및 분말 재료의 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위를 생성하기 위해 커터를 사용하는 단계를 포하고, 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위는 3차원 물체의 모델 디자인에 따른다. 일부 실시예에서, 분말 재료의 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위를 생성하는 것은 하나의(또는 단일의) 패스를 통해 이루어진다. 일부 실시예에서, 분말 재료의 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위의 생성은 2 이상의 패스를 통해 이루어진다. 일부 실시예에서, 층의 하나 이상의 주위의 생성은 다중-축(예를 들어, 5-축) 머신 툴, 컴퓨터 수치 제어(CNC) 스핀들, 절단 툴 비트 또는 블레이드를 통해 이루어진다.
일부 실시예에서, 층의 하나 이상의 주위의 생성은 다중-축(예를 들어, 2, 3, 4 또는 5-축) 머신 툴을 통해 이루어진다. 일부 실시예에서, 제1 결합 물질은 액체이다. 일부 실시예에서, 제1 결합 물질은 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 도포될 때 0.1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 액적 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 본 방법은 분말 재료의 제1 층의 제1 영역을 가열하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 가열은 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 물질을 도포 한 후 적어도 0.1 초 후에 발생한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은: 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 포함하는 표면을 제공하는 단계; 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계; 용기의 분말 재료의 제1 층에 인접하여 분말 재료의 제2 층을 성막하는 단계; 분말 베드의 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계; 및 분말 재료의 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위를 생성하기 위해 적어도 하나의 커터를 사용하는 단계를 포함하고, 상기 제1 층의 주위는 3차원 물체의 제1 층의 모델 디자인에 따르고 이로부터 벗어난다. 일부 실시예에서, 분말 재료의 제1 층의 주위는 3차원 물체의 제1 층의 디자인으로부터 시프팅된 절반의 층이다. 일부 실시예에서, 제1 결합 물질은 분말 재료로의 침투 깊이를 가지며, 제1 분말 층의 절단 깊이는 분말 재료의 제1 층 내로의 결합 물질의 침투 깊이와 동일하지 않다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 시스템을 제공하며, 본 시스템 (i) 분말 재료의 일부로서 분말 재료의 제1 층을 형성하기 위해 분말 재료를 분배하고 (ii) 제1 층에 인접하게 분말 재료의 제2 층을 형성하기 위해 분말 재료를 분배하는 분말 분배기; 및 분말 재료의 제1 층의 하나 이상의 주위를 생성하는 적어도 하나의 커터를 포함하고, 제1 층의 주위는 3차원 물체의 제1 층의 모델 디자인에 따르며 이로부터 벗어난다. 일부 실시예에서, 분말 재료의 제1 층의 주위는 3차원 물체의 제1 층의 디자인으로부터 시프팅된 절반의 층이다. 일부 실시예에서, 분말 층의 절단 깊이는 결합 물질의 침투 깊이와 동일하다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은 컴퓨터 메모리에 3차원 물체의 모델 디자인을 제공하는 단계; (i) 각각이 층 두께(L)를 갖는 하나 이상의 층 및 (ii) 각각이 두께(P)를 갖는 하나 이상의 주위를 포함하도록 상기 모델 디자인을 변형시키는 단계로서, 하나 이상의 층 각각은 분말 재료의 규정된 층에 대응하고, 하나 이상의 주위의 각각은 하나 이상의 층의 주어진 층에 별개로 규정된 개별 주위에 대응하고, 이에 의해 컴퓨터 메모리에 변형된 모델 디자인을 제공하는 단계; 및 3차원 물체를 생성하기 위해 사용 가능한 명령어를 생성하기 위해 변형된 모델 디자인을 사용하는 단계를 포함하고, 명령어는 하나 이상의 주위의 생성과 독립적으로 하나 이상의 층의 생성을 제공한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 3차원 물체를 생성하기 위해 명령어를 사용하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, L = n * P이고, 여기서 'n'은 1보다 큰 수이다. 일부 실시예에서, P = n * L이고, 여기서 'n'은 1보다 큰 수이다. 일부 실시예에서, 분말 층의 절단 깊이는 결합 물질의 침투 깊이와 동등하다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하는 장치를 제어하기 위한 컴퓨팅 시스템을 제공하며, 컴퓨팅 시스템은, 컴퓨터 프로세서, 컴퓨터 메모리 및 컴퓨터 프로세서에 의해 실행 가능한 컴퓨터 코드를 포함하고, 컴퓨터 코드는: (i) 각각이 층 두께(L)를 갖는 복수의 층 및 (ii) 각각이 두께(P)를 갖는 복수의 주위로 3차원 물체의 모델 디자인을 변형하고, 복수의 층 각각은 분말 재료의 규정된 층에 대응하고, 복수의 주위 각각은 복수의 주위로부터 별개로 규정되는 복수의 층의 주어진 층의 개별 주위에 대응하고, 이에 의해 컴퓨터 메모리에 변형된 모델 디자인을 제공하고; 및 변형된 모델 디자인에 기초하여 3차원 물체를 생성하도록 장치를 제어하기 위한 머신 명령어를 생성하는 동작을 수행한다. 일부 실시예에서, 동작은 침투 깊이와 동일한 층에 대한 전체 절단 깊이를 결정하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 전체 절단 깊이는 층 두께와 동일하지 않다. 일부 실시예에서, 침투 깊이는 층의 높이와 동일하다. 일부 실시예에서, 동작은 층을 절단하기 위한 구성을 결정하는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 구성을 결정하는 것은 복수의 층들 중 제1 층의 형상 및 크기를 평가하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 구성을 결정하는 것은 상기 복수의 층의 제2 층의 형상 및 크기를 평가하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 구성을 결정하는 단계는 절단 경로를 평가하는 단계를 포함하고, 절단 경로는 제1 층의 제1 절단 경로와 중첩되며, 제2 층의 제2 절단과 중첩된다. 일부 실시예에서, 구성을 결정하는 것은 절단 영역을 평가하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 절단 영역을 평가하는 것은 경계 오프셋 영역, 현재 층 영역, 원래 층 영역, 제1 층의 영역 및 제2 층의 영역에 적어도 일부 기초한다. 일부 실시예에서, 동작은 복수의 층의 기하학적 보상을 결정하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 기하학적 보상을 결정하는 것은 통계적 스케일링 알고리즘을 사용하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 기하학적 보상을 결정하는 것은 머신 학습 알고리즘을 사용하는 것을 포함한다.
일 양태에서, 본 발명은 하나 이상의 프로세서에 의한 실행시 3차원 물체를 형성하는 장치를 제어하기 위한 동작을 구현하는 머신 실행 가능 코드를 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 제공하며, 동작은: 3차원 물체의 모델 디자인을 (i) 각각이 층 두께(L)를 갖는 복수의 층과(ii) 각각이 두께(P)를 갖는 복수의 주위로 변환하는 것을 포함하고, 복수의 층의 각각은 분말 재료의 규정된 층에 대응하며, 복수의 주위의 각각은 복수의 주위로부터 별개로 규정된 복수의 층의 주어진 층에서의 개별 주위에 대응하며, 이에 의해 컴퓨터 메모리에 변형된 모델 디자인을 제공하고; 및 변형된 모델 디자인에 기초하여 3차원 물체를 생성하도록 장치를 제어하기 위한 머신 명령어를 생성하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 동작은 침투 깊이와 동일한 층에 대한 전체 절단 깊이를 결정하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 전체 절단 깊이는 층 두께와 동일하지 않다. 일부 실시예에서, 침투 깊이는 층의 높이와 동일하다. 일부 실시예에서, 동작은 층을 절단하는 구성을 결정하는 것을 포함한다.
일부 실시예에서, 구성을 결정하는 것은 복수의 층 중 제1 층의 형상 및 크기를 평가하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 구성을 결정하는 것은 복수의 층들 중 제2 층의 형상 및 크기를 평가하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 구성을 결정하는 것은 절단 경로를 평가하는 것을 포함하고, 절단 경로는 제1 층의 제1 절단 경로 및 제2 층의 제2 절단 경로와 중첩된다. 일부 실시예에서, 구성을 결정하는 것은 절단 영역을 평가하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 절단 영역을 평가하는 것은 경계 오프셋 영역, 현재 층 영역, 원래 층 영역, 이전 층의 영역 및 다음 층의 영역에 기초한다. 일부 실시예에서, 동작은 복수의 층의 기하학적 보상을 결정하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 기하학적 보상을 결정하는 것은 통계적 스케일링 알고리즘을 사용하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 기하학적 보상을 결정하는 것은 머신 학습 알고리즘을 사용하는 것을 포함한다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은: (a) 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 제공하는 단계; (b) 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계; (c) 제1 영역의 제1 서브섹션을 가열하는 단계로서, 제1 서브섹션은 3차원 물체의 모델 디자인으로부터 온 것인 단계; (d) 상기 제1 층에 인접하게 분말 재료의 제2 층을 성막하는 단계; (e) 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계; 및 (f) 제2 영역의 제2 서브섹션을 가열하는 단계로서 제2 서브섹션은 3차원 물체의 모델 디자인으로부터 온 것인, 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 층의 적어도 일부는 제1 층에 결합한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 단계 (d) 내지 (f)를 적어도 10회 반복하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 적어도 10 분 동안 적어도 70 ℃의 온도에서 3차원 물체의 제1 경화를 수행하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 적어도 5 분 동안 적어도 500 ℃의 온도에서 3차원 물체의 제2 경화를 수행하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 경화는 적어도 5 분 동안 적어도 1000 ℃의 온도에서 수행된다.
일부 실시예에서, 분말 재료는 중합체, 금속, 금속 합금, 세라믹 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 재료는 스테인레스 강 분말, 청동 분말, 청동 합금 분말, 금 분말 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 재료는 0.5 마이크로미터 내지 2 마이크로미터 크기의 입자를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 층은 적어도 0.1 밀리미터의 두께를 갖는다. 일부 실시예에서, 본 방법은 분말 베드로부터 형성된 구속된 분말 재료로부터 구속되지 않은 분말 재료를 분산시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 분산은 분말 베드를 포함하는 용기로부터 구속되지 않은 분말 재료를 제거함으로써 이루어진다. 일부 실시예에서, 제1 결합 물질 및 제2 결합 물질은 동일한 결합 물질이다. 일부 실시예에서, 결합 물질은 액체이다. 일부 실시예에서, 제1 영역의 제1 서브섹션의 가열은 전자기 방사의 소스 또는 저항성 가열 요소의 도움으로 이루어진다. 일부 실시예에서, 전자기 방사의 소스는 적어도 하나의 레이저이다. 일부 실시예에서, 제1 영역의 제1 서브섹션은 제1 영역의 99% 미만이다. 일부 실시예에서, 제1 결합 물질의 도포는 잉크젯 헤드, 원자화 분사기 또는 네뷸라이저를 통해 이루어진다. 일부 실시예에서, 제1 결합 물질은 제1 층의 제1 영역에 도포될 때 0.1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 액적 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 결합 물질은 제1 층의 제1 영역에 도포될 때 1 마이크로미터 내지 10 마이크로미터의 액적 크기를 갖는다.
일부 실시예에서, 모델 디자인은 3차원 물체의 적어도 10개의 평행한 단면을 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포할 때, 제2 결합 물질은 제2 층을 통해 제1 층으로 연장된다. 일부 실시예에서, 일부 실시예에서, 단계 (c) 또는 (f)에서의 가열은 분말 재료의 개별 입자를 소결시키는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 단계 (c) 또는 (f)의 가열은 분말 재료의 개별 입자를 소결시키지 않는다. 일부 실시예에서, 단계 (b)에서, 제1 결합 물질은 제1 영역 대부분에 도포된다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은: (a) 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 제공하는 단계; (b) 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계로서, 제1 결합 물질의 도포시, 제1 영역의 제1 주위는 3차원 물체의 모델 디자인의 적어도 대응하는 부분으로부터 벗어나는 단계; (c) 제1 층의 제1 영역의 제1 서브섹션을 가열하는 단계; (d) 제1 층에 인접하게 분말 재료의 제2 층을 침착시키는 단계; (e) 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계로서, 제2 결합 물질의 적용시, 제2 영역의 제2 주위는 3차원 물체의 모델 디자인의 적어도 대응하는 부분으로부터 벗어나는 단계; 및 (f) 분말 재료의 제2 층의 제2 영역의 제2 서브섹션을 가열하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 영역은 3차원 물체의 제1 층의 모델 디자인보다 적어도 1% 더 크다. 일부 실시예에서, 제2 층의 일부는 제1 층에 결합한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 단계 (d) 내지 (f)를 적어도 10회 반복하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 적어도 70 ℃의 온도에서 적어도 10 분 동안 3차원 물체의 제1 경화를 수행하는 단계와, 선택적으로 적어도 500 ℃의 온도에서 적어도 5 분 동안 3차원 물체의 제2 경화를 수행하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 재료는 중합체, 금속, 금속 합금, 세라믹 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 분말 재료는 0.2 마이크로미터 내지 100 마이크로미터 크기의 입자를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 층은 10mm 미만의 두께를 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 결합 물질 및 제2 결합 물질은 동일한 결합 물질이다.
일부 실시예에서, 제1 영역의 제1 서브섹션의 가열은 전자기 방사의 소스 또는 저항성 가열 요소의 도움으로 이루어진다. 일부 실시예에서, 제1 영역의 제1 서브섹션은 제1 영역보다 작다. 일부 실시예에서, 제1 영역의 제1 서브섹션은 제1 영역의 99% 미만이다. 일부 실시예에서, 결합 재료의 도포는 잉크젯 헤드, 원자화 분사기 또는 네뷸라이저를 통해 이루어진다. 일부 실시예에서, 잉크젯 헤드, 분사기 또는 네뷸라이저는 5 내지 1000 마이크로미터 크기의 가장 큰 오리피스 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 모델 디자인은 3차원 물체의 적어도 10개의 평행한 단면을 포함한다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은 교대로 및 순차적으로 (a) 분말 베드의 분말 재료의 층의 영역에 결합 물질을 포함하는 스트림을 도포하는 단계로서, 스트림은 3차원 물체의 모델 디자인에 따라 도포되는 단계, 및 (b) 에너지 빔을 분말 재료의 층의 대부분의 부분에 지향 시키는 단계를 포함하고, 에너지 빔은 3차원 물체의 모델 디자인에 따라 지향되며, 스트림은 제1 단면 치수를 가지며 에너지 빔은 제2 단면 치수를 가지며, 제1 단면 치수는 제2 단면 치수보다 더 크다. 일부 실시예에서, 스트림은 에어로졸 입자를 포함한다. 일부 실시예에서, 스트림은 액체 스트림이다. 일부 실시예에서, 제1 단면 치수는 제2 단면 치수보다 적어도 1% 크다. 일부 실시예에서, 제1 단면 치수는 제2 단면 치수보다 적어도 10% 크다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 시스템을 제공하며, 본 시스템은: 분말 베드를 포함하도록 구성된 용기; 분말 베드의 분말 물질의 층의 영역에 결합 물질을 도포하도록 구성된 결합 물질 도포기; 분말 재료의 층의 대부분의 부분에 지향된 에너지 빔을 제공하도록 구성된 에너지원; 및 결합 물질 도포기 및 에너지원에 동작 가능하게 커플링된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함하고, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 (a) 분말 베드의 분리 재료의 층의 영역에 결합 물질을 포함하는 스트림을 도포하도록 결합 물질 도포기에 지시하고, 스트림은 3차원 물체의 모델 디자인에 따라 도포되고, (b) 분말 재료의 층의 대부분의 부분에 지향된 에너지 빔을 제공하도록 에너지원에 지시하고, 에너지 빔은 3차원 물체의 모델 디자인에 따라 지향되고, 스트림은 제1 단면 치수를 가지며 에너지 빔은 제2 단면 치수를 가지며, 제1 단면 치수는 제2 단면 치수보다 크도록 개별적으로 또는 총괄적으로 프로그램된다. 일부 실시예에서, 에너지원은 적어도 하나의 레이저를 포함한다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은 교대로 및 순차적으로 (a) 분말 베드의 분말 재료의 층의 영역에 결합 물질을 포함하는 스트림을 도포하는 단계로서, 스트림은 3차원 물체의 모델 디자인에 따라 도포되는 단계; 및 (b) 영역에서 3차원 물체의 적어도 하나의 주위를 생성하는 단계로서, 적어도 하나의 주위는 모델 디자인에 따르는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 주위는 기계적으로 생성된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 주위는 영역의 적어도 일부분을 가열할 때 생성된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 주위는 영역의 적어도 일부를 가열하는 에너지 빔을 제공하는 에너지원을 사용하여 생성된다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 주위는 레이저를 사용하여 생성된다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 시스템을 제공하며, 본 시스템은: 분말 베드를 포함하도록 구성된 용기; 분말 베드의 분말 재료의 층의 영역에 결합 물질을 도포하도록 구성된 결합 물질 도포기; 영역에서 3차원 물체의 적어도 하나의 주위를 생성하도록 구성된 주위 생성기; 및 결합 물질 도포기 및 주위 생성기에 동작 가능하게 커플링된 하나 이상의 컴퓨터 프로세서를 포함하고, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 (a) 분말 베드의 분말 재료의 층의 영역에 결합 물질을 포함하는 스트림을 도포하도록 결합 물질 도포기에 지시하고, 스트림은 3차원 물체의 모델 디자인에 따라 도포되며, (b) 영역에서 3차원 물체의 적어도 하나의 주위를 생성하도록 주위 생성기에 지시하고, 적어도 하나의 주위는 모델 디자인에 따르도록 개별적으로 또는 총괄적으로 프로그램된다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은: (a) 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 제공하는 단계; (b) 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계; (c) 제1 층의 하나 이상의 주위를 생성하도록 제1 커터를 사용하는 단계로서, 제1 층의 하나 이상의 주위는 컴퓨터 메모리의 3차원 물체의 모델 디자인에 따르는 단계; (d) 제1 층에 인접하게 분말 재료의 제2 층을 성막하는 단계; (e) 분말 베드의 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계; (f) 분말 재료의 제2 층의 하나 이상의 주위를 생성하도록 제2 커터를 사용하는 단계로서, 제2 층의 하나 이상의 주위는 3차원 물체의 모델 디자인에 따르는, 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 단계 (b)에서의 절단은 2개 이상의 절단 패스를 포함한다. 일부 실시예에서, 층의 하나 이상의 주위의 생성은 다중-축 머신 툴을 통해 이루어진다. 일부 실시예에서, 제1 커터는 접촉 커터이다. 일부 실시예에서, 제1 커터는 비접촉 커터이다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은: (a) 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 제공하는 단계; (b) 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계; (c) 제1 층에 인접하게 분말 재료의 제2 층을 성막하는 단계; (d) 분말 베드의 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계; 및 (e) 분말 재료의 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위를 생성하기 위해 커터를 사용하는 단계를 포함하고, 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위는 컴퓨터 메모리의 3차원 물체의 모델 디자인에 따른다. 일부 실시예에서, 분말 재료의 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위는 커터의 단일 패스에서 생성된다. 일부 실시예에서, 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위는 다중-축 머신 툴, 컴퓨터 수치 제어(CNC) 스핀들, 절단 툴 비트 또는 블레이드를 통해 생성된다. 일부 실시예에서, 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위는 다중-축 머신 툴을 통해 생성된다. 일부 실시예에서, 본 방법은 단계 (b)에서 제1 층의 제1 영역을 가열하는 단계를 더 포함한다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은: (a) 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 제공하는 단계; (b) 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계; (c) 제1 층에 인접하게 분말 재료의 제2 층을 성막하는 단계; (d) 분말 베드의 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계; 및 (e) 분말 재료의 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위를 동시에 생성하기 위해 적어도 하나의 커터를 사용하는 단계를 포함하고, 제1 층의 하나 이상의 주위는 제1 층의 모델 디자인으로부터 벗어나고 및/또는 제2 층의 하나 이상의 주위는 3차원 물체의 제2 층의 모델 디자인으로부터 벗어난다.
일부 실시예에서, 제1 층의 하나 이상의 주위는 3차원 물체의 제1 층의 모델 디자인으로부터 시프팅된 층의 적어도 절반이다. 일부 실시예에서, 제1 층의 하나 이상의 주위는 3차원 물체의 제1 층의 모델 디자인으로부터 시프팅된 층의 최대한 절반이다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 시스템을 제공하며, 본 시스템은: 분말 베드를 포함하도록 구성된 용기; (i) 분발 베드의 일부로서 분말 재료의 제1 층을 형성하도록 분말 재료를 분배하고, (ii) 제1 층에 인접하게 분말 재료의 제2 층을 형성하도록 분말 재료를 분배하는 분말 분배기; 및 제1 층의 하나 이상의 주위를 동시에 생성하는 적어도 하나의 커터; 분말 분배기 및 적어도 하나의 커터에 동작 가능하게 커플링된 하나 이상의 컴퓨터 프로세스를 포함하고, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서는 (i) 제1 층 및 제2 층을 형성하도록 분말 재료를 분배하도록 분말 분배기에 지시하고, (ii) 분말 재료의 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위를 동시에 생성하도록 적어도 하나의 커터에 지시하고, 제1 층의 하나 이상의 주위는 제1 층의 모델 디자인으로부터 벗어나고 및/또는 제2 층의 하나 이상의 주위는 3차원 물체의 제2 층의 모델 디자인으로부터 벗어나도록 개별적으로 또는 총괄적으로 프로그램된다. 일부 실시예에서, 분말 재료의 제1 층의 주위는 3차원 물체의 제1 층의 모델 디자인으로부터 시프팅된 절반의 층이다. 일부 실시예에서, 분말 층의 절단 깊이는 결합 물질의 침투 깊이와 동일하다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은: (a) 3차원 물체의 모델 디자인을 컴퓨터 메모리에 제공하는 단계; (b) (i) 각각 층 두께(L)를 갖는 하나 이상의 층 및 (ii) 각각 두께(P)를 갖는 하나 이상의 주위를 포함하도록 모델 디자인을 변형시키는 단계로서, 하나 이상의 층의 각각은 분말 재료의 규정된 층에 대응하고, 하나 이상의 주위의 각각은 하나 이상의 층의 주어진 층에 별개로 규정된 개별 주위에 대응하고, 이에 의해 컴퓨터 메모리에 변형된 모델 디자인을 제공하는 단계; 및 (c) 3차원 물체를 생성하기 위해 사용 가능한 명령어를 생성하기 위해 변형된 모델 디자인을 사용하는 단계를 포함하고, 명령어는 하나 이상의 주위의 생성으로부터 독립적으로 하나 이상의 층의 생성을 제공한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 3차원 물체를 생성하기 위해 명령어를 사용하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 본 방법은 상기 하나 이상의 주위의 생성을 위한 구성을 결정하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 구성을 결정하는 단계는 절단 경로를 평가하는 단계를 포함하고, 절단 경로는 제1 층의 제1 절단 경로 및 제2 층의 제2 절단 경로에 중첩된다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 장치를 제어하기 위한 컴퓨팅 시스템을 제공하며, 본 시스템은 하나 이상의 컴퓨터 프로세서, 컴퓨터 메모리 및 방법을 구현하도록 하나 이상의 컴퓨터 프로세서에 의해 개별적으로 또는 총괄적으로 실행 가능한 컴퓨터 코드를 포함하고, 본 방법은: (a) 3차원 물체의 모델 디자인을 (i) 각각 층 두께(L)를 갖는 복수의 층 및 (ii) 각각 두께(P)를 갖는 복수의 주위 변형시키는 단계로서, 복수의 층의 각각은 분말 재료의 규정된 층에 대응하고, 복수의 주위의 각각은 복수의 주위로부터 별개로 규정된 복수의 층의 주어진 층의 개별 주위에 대응하고, 이에 의해 컴퓨터 메모리에 변형된 모델 디자인을 제공하는 단계; 및 (b) 변형된 모델 디자인에 기초하여 3차원 물체를 생성하도록 장치를 제어하기 위한 머신 명령어를 생성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 동작은 침투 깊이와 동일한 층에 대한 전체 절단 깊이를 결정하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 전체 절단 깊이는 층 두께와 동일하지 않다. 일부 실시예에서, 침투 깊이는 층의 높이와 동일하다.
일 양태에서, 본 발명은 하나 이상의 프로세서에 의한 실행시에 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 구현하는 머신 실행 가능 코드를 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 제공하며, 본 방법은: (a) 3차원 물체의 모델 디자인을 (i) 각각 층 두께(L)를 갖는 복수의 층 및 (ii) 각각 두께(P)를 갖는 복수의 주위 변형시키는 단계로서, 복수의 층의 각각은 분말 재료의 규정된 층에 대응하며, 복수의 주위의 각각은 복수의 주위로부터 별개로 규정된 복수의 층의 주어진 층에서의 개별 주위에 대응하고, 이에 의해 컴퓨터 메모리에 변형된 모델 디자인을 제공하는 단계; 및 (b) 변형된 모델 디자인에 기초하여 3차원 물체를 생성하도록 장치를 제어하기 위한 머신 명령어를 생성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 동작은 침투 깊이와 동일한 층에 대한 전체 절단 깊이를 결정하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 전체 절단 깊이는 층 두께와 동일하지 않다. 일부 실시예에서, 침투 깊이는 층의 높이와 동일하다. 일부 실시예에서, 동작은 층을 절단하는 구성을 결정하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 구성을 결정하는 것은 복수의 층 중 제1 층의 형상 및 크기를 평가하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 기하학적 보상을 결정하는 것은 통계적 스케일링 알고리즘 또는 머신 학습 알고리즘을 사용하는 것을 포함한다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은: (a) 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 제공하는 단계; (b) 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계; (c) 제1 층의 하나 이상의 주위를 생성하기 위해 제1 주위 생성기를 사용하는 단계로서, 제1 층의 하나 이상의 주위는 컴퓨터 메모리의 3차원 물체의 모델 디자인에 따르는 단계; (d) 제1 층에 인접하게 분말 재료의 제2 층을 성막하는 단계; (e) 분말 베드의 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계; 및 (f) 분말 재료의 제2 층의 하나 이상의 주위를 생성하기 위해 제2 주위 생성기를 사용하는 단계를 포함하고, 제2 층의 하나 이상의 주위는 3차원 물체의 모델 디자인에 따르고, 이에 의해 3차원 물체의 적어도 일부를 생성한다. 일부 실시예에서, 제1 결합 물질 및/또는 제2 결합 물질은 (i) 분말 베드에서 제1 결합 물질 및/또는 제2 결합 물질의 풀링(pooling)이 없거나 (ii) 분말 재료의 개별 입자의 물리적 교란이 없는 방식으로 도포된다.
일부 실시예에서, 제1 결합 물질 및 제2 결합 물질은 동일한 결합 물질이다. 일부 실시예에서, 제1 주위 생성기 및 제2 주위 생성기는 동일한 주위 생성기이다. 일부 실시예에서, 본 방법은 단계 (f)에 후속하여, 3차원 물체의 적어도 일부를 가열하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 가열은 3차원 물체의 적어도 일부의 벌크 가열이며, 벌크 가열은 3차원 물체의 적어도 일부에서 분말 재료의 개별 입자를 소결시키는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 주위 생성기 및/또는 제2 주위 생성기는 다중-축 머신 툴이다. 일부 실시예에서, 제1 또는 제2 주위 생성기는 제1 또는 제2 커터이다.
일부 실시예에서, 제1 또는 제2 커터는 접촉 커터이다. 일부 실시예에서, 제1 또는 제2 커터는 제1 층 또는 제2 층의 하나 이상의 주위를 각각 생성할 때 분말 베드와 접촉하지 않는 비접촉 커터이다. 일부 실시예에서, 비접촉 커터는 적어도 하나의 레이저를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 결합 물질 및/또는 제2 결합 물질은 잉크젯 헤드, 원자화 분사기, 초음파 분사기 또는 네뷸라이저를 통해 도포된다. 일부 실시예에서, 단계 (b)에서, 잉크젯 헤드, 원자화 분사기, 초음파 분사기, 또는 네뷸라이저는 제1 층에 수직인 축에 대해 각각 0°보다 큰 각도로 틸팅(tilting)된다. 일부 실시예에서, 분말 재료는 스테인레스 강 분말, 청동 분말, 청동 합금 분말, 금 분말 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 결합 물질 또는 제2 결합 물질은 각각 제1 층의 제1 영역 또는 제2 층의 제2 영역에 도포될 때 0.1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 액적 크기를 갖는다. 일부 실시예에서, 제1 영역 또는 제2 영역은 분말 베드의 노출된 영역 전체이다. 일부 실시예에서, 본 방법은 (i) 단계 (b)에 후속하여 제1 영역의 적어도 일부를 가열하는 단계 또는 (ii) 단계 (e)에 후속하여 제2 영역의 적어도 일부를 가열하는 단계를 더 포함한다.
일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은: (a) 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 제공하는 단계; (b) 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계; (c) 제1 층에 인접하게 분말 재료의 제2 층을 성막하는 단계; (d) 분말 베드의 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계; 및 (e) 분말 재료의 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위를 생성하기 위해 적어도 하나의 주위 생성기를 사용하는 단계를 포함하고, 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위는 컴퓨터 메모리의 3차원 물체의 모델 디자인에 따르고, 이에 의해 3차원 물체의 적어도 일부를 생성한다. 일부 실시예에서, 분말 재료의 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위는 커터의 단일 패스에서 생성된다. 일부 실시예에서, 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위는 다중-축 머신 툴, 컴퓨터 수치 제어(CNC) 스핀들, 절단 툴 비트 또는 블레이드를 통해 생성된다.
일부 실시예에서, 본 방법은 제1 층의 제1 영역 또는 제2 층의 제2 영역을 가열하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 주위 생성기는 복수의 주위 생성기이다. 일부 실시예에서, 단계 (e)에서, 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위가 동시에 생성된다. 일부 실시예에서, 단계 (e)에서, 제1 층 및/또는 제2 층의 하나 이상의 주위는 모델 디자인으로부터 벗어난다. 일부 실시예에서, 제1 결합 물질 및/또는 제2 결합 물질은 (i) 분말 베드에서 제1 결합 물질 및/또는 제2 결합 물질의 풀링이 없거나 (ii) 분말 재료의 개별 입자의 물리적 교란이 없는 방시기으로 도포된다.
일부 실시예에서, 본 방법은 단계 (e)에 후속하여, 3차원 물체의 적어도 일부를 가열하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 가열은 3차원 물체의 적어도 일부의 벌크 가열이며, 벌크 가열은 3차원 물체의 적어도 일부에서 분말 재료의 개별 입자를 소결시키는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 결합 물질 및/또는 제2 결합 물질은 잉크젯 헤드, 원자화 분사기, 초음파 분사기 또는 네뷸라이저를 통해 도포된다. 일부 실시예에서, 분말 재료는 0.5 마이크로미터 내지 50 마이크로미터 크기의 입자를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 영역 또는 제2 영역은 분말 베드의 노출된 영역 전체이다.
본 발명의 추가적인 양태 및 이점은, 본 발명의 단지 예시적인 실시예가 나타내어지고 설명되는 후술하는 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 용이하게 명백해질 것이다. 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 다른 실시예 및 상이한 실시예가 가능하며, 그 몇몇 상세 사항이 본 발명을 벗어나지 않고 여러 가지 명백한 관점에서 수정될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다.
참조에 의한 통합
본 명세서에서 언급되는 모든 간행물 및 특허 출원은, 각각의 개별 간행물 또는 특허 출원이 구체적으로 그리고 개별적으로 참조로 포함되도록 지시된 것과 동일한 정도로 본원에 참조로 통합된다.
본 발명의 신규한 특징은 첨부된 청구항에 구체적으로 개진된다. 본 발명의 특징 및 이점의 더 나은 이해는, 본 발명의 원리가 이용되는 예시적인 실시예 및 첨부 도면(또한 "도면(figure)" 및 "도(FIG.)")을 개진하는 후술하는 상세한 설명을 참조함으로써 얻어질 것이며, 도면에서:
도 1은 3차원 인쇄 프로세스의 개략 흐름도를 나타낸다.
도 2a 내지 도 2c는 3차원 물체를 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸다.
도 3a 내지 도 3d는 큰 층 두께 및 미세 절단 두께를 갖는 적층 기술을 사용하여 3차원 물체를 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸다.
도 4a 내지 도 4d는 큰 층 두께 및 큰 절단 두께를 갖는 적층 기술을 사용하여 3차원 물체를 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸다.
도 5a 내지 도 5d는 큰 층 두께 및 미세하고 큰 절단 두께의 조합을 갖는 적층 기술을 사용하여 3차원 물체를 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸다.
도 6a 내지 도 6d는 정렬된 절단 패스를 사용하여 큰 층 두께 및 큰 절단 두께를 갖는 적층 기술을 사용하여 3차원 물체를 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸다.
도 7a 및 도 7b는 3차원 물체를 형성하기 위한 샘플 셋업을 개략적으로 나타낸다.
도 8, 도 9a 및 도 9b는 3차원 물체를 형성하는 데 사용될 수 있는 분사 시스템의 다양한 도면을 개략적으로 나타낸다.
도 10은 3차원 물체의 층을 경화시키는 데 사용될 수 있는 가열 시스템을 나타낸다.
도 11은 3차원 물체의 형성 중에 잉여 재료를 제거하는 데 사용될 수 있는 절단 시스템을 나타낸다.
도 12는 원하는 3D 물체를 형성하는 데 사용될 수 있는 절단 전략을 나타낸다.
도 13은 원하는 3D 물체를 형성하는 데 사용될 수 있는 도 12에 대한 대안적인 절단 전략을 나타낸다.
도 14는 적층 기술을 사용하여 3차원 물체를 형성하는 데 사용될 수 있는 형성 전략을 나타낸다.
도 15는 스테레오리소그래피(stereolithography: STL) 파일로서 삼각 디지털 모델을 나타낸다.
도 16은 도 15의 모델의 주어진 슬라이스에 대한 삼각 교차를 나타낸다.
도 17은 추가적인 명료화를 위해 도 16의 슬라이스에 대한 연관 루프를 나타낸다.
도 18은 도 15의 물체에 대한 절단 전략을 나타낸다.
도 19는 도 15의 물체에 대한 대안적인 절단 전략을 나타낸다.
도 20은 도 15의 물체의 비표면을 나타낸다.
도 21은 절단 순서를 최적화하기 위해 원하는 물체의 표면을 분류하는 방식을 나타낸다.
도 22a 내지 도 22c는 3차원 제품의 슬라이스 또는 층에 대한 하나의 접근법을 나타낸다.
도 23a 내지 도 23c는 3차원 제품의 슬라이스 또는 층에 대한 대안적인 접근법을 나타낸다.
도 24a 내지 도 24c는 3개의 상이한 원하는 인쇄된 부품을 나타낸다.
도 25는 다른 절단 속도로 제조될 수 있는 원하는 인쇄된 부품을 나타낸다.
도 26은 개략적인 초음파 미스트 생성기 시스템을 나타낸다.
도 27a 및 도 27b는 분말 베드(bed) 상의 분말 재료의 층을 향하여 결합 재료를 향하게 할 때 사용될 수 있는 2개의 잠재적인 분사 패턴을 나타낸다.
도 28은 바로 뒤에 진공인 장치(분사 마스크)를 나타낸다.
도 29는 진공 지원 분사를 갖는 분사 모듈을 나타낸다.
도 30은 균일한 흐름이 달성될 수 있는 하나의 방법을 나타낸다.
도 31은 본원에 설명되는 방법으로 형성될 수 있는 복수의 부품을 나타낸다.
도 32는 본원에서 제공되는 방법을 구현하도록 프로그램되거나 달리 구성되는 컴퓨터 제어 시스템을 나타낸다.
도 33은 단일 분말 베드에 사용되는 복수 개의 스핀들(spindle)의 구성을 나타낸다.
본 발명의 다양한 실시예가 본원에 나타내어지고 설명되었지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 이러한 실시예가 단지 예시의 방식으로 제공된다는 것이 명백할 것이다. 본 발명을 벗어나지 않고 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 다양한 변형, 변경 및 치환이 생각될 수 있다. 본원에 설명되는 본 발명의 실시예에 대한 다양한 대안이 채용될 수 있음이 이해되어야 한다.
본원에 사용된 "서브섹션(subsection)"이라는 용어는 전체 면적의 100%, 95%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20% 또는 10% 미만의 면적을 칭할 수 있다.
본원에 사용되는 "층"이라는 용어는 기판과 같은 표면 상의 원자 또는 분자의 층을 칭한다. 일부 경우, 층은 에피택셜층 또는 복수의 에피택셜층(또는 서브-층)을 포함한다. 일반적으로 층은 약 1개의 단일 원자의 단일층(monolayer: ML)으로부터 수십개의 단일층, 수백개의 단일층, 수천개의 단일층, 수백만개의 단일층, 수십억개의 단일층, 수조개의 단일층 또는 그 이상까지의 두께를 갖는다. 일 예에서, 층은 하나의 단일 원자의 단일층보다 큰 두께를 갖는 다층 구조이다. 또한, 층은 복수의 재료층을 포함할 수 있다.
본원에서 사용되는 "주위(perimeter)"라는 용어는 일반적으로 주어진 영역의 경계를 형성하는 연속적이거나 비연속적인 라인을 칭한다. 영역은 폐쇄된 영역일 수 있다. 주위는 주어진 영역의 경계의 적어도 일부일 수 있다. 예를 들어, 주어진 영역은 분말 재료의 층의 영역일 수 있다. 주위는 경계의 전체 또는 경계의 일부일 수 있다. 주위는 더 큰 주위와 같은 다른 주위의 일부일 수 있다. 주위는 초기 또는 최종 3차원 제품의 일부일 수 있다.
본원에 사용되는 "분말"이라는 용어는 일반적으로 미세 입자와 같은 입자를 갖는 고체를 칭한. 분말은 또한 "분체(particulate material)"로 칭해질 수 있다. 분말은 적어도 약 5 나노미터(nm), 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm, 100 nm, 200 nm, 300 nm, 400 nm, 500 nm, 1 ㎛, 5 ㎛, 10 ㎛, 15 ㎛, 20 ㎛, 35 ㎛, 30 ㎛, 40 ㎛, 45 ㎛, 50 ㎛, 55 ㎛, 60 ㎛, 65 ㎛, 70 ㎛, 75 ㎛, 80 ㎛ 또는 100 ㎛의 단면(예를 들어, 직경)을 갖는 개별 입자를 포함할 수 있다. 개별 입자는 예를 들어, 구형, 타원형, 입방형, 불규칙 형상 또는 부분 형상 또는 그 형상의 임의의 조합과 같은 다양한 형상을 가질 수 있다.
본원에 사용되는 "지지체"라는 용어는 일반적으로 3D 물체를 형성하는 데 사용되는 재료가 놓이는 임의의 공작물을 칭한다. 3D 물체는 베이스 상에 직접, 베이스로부터 직접 또는 베이스에 인접하여 형성될 수 있다. 3D 물체는 베이스 위에 형성될 수 있다. 지지체는 기판일 수 있다. 지지체는 인클로저(예를 들어, 챔버) 내에 배치될 수 있다. 인클로저는 원소 금속, 금속 합금(예를 들어, 스테인레스 강), 세라믹 또는 원소 탄소의 동소체와 같은 다양한 유형의 재료로 형성된 하나 이상의 벽을 가질 수 있다. 인클로저는 원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형 또는 부분 형상 또는 그 조합과 같은 다양한 단면의 형상을 가질 수 있다. 인클로저는 단열될 수 있다. 인클로저는 단열재를 포함할 수 있다. 인클로저는 열 또는 환경 격리를 제공할 수 있다. 베이스는 원소 금속, 금속 합금, 세라믹, 탄소의 동소체 또는 중합체를 포함할 수 있다. 베이스는 돌, 제올라이트, 점토 또는 유리를 포함할 수 있다. 원소 금속은 철, 몰리브덴, 텅스텐, 구리, 알루미늄, 금, 은 또는 티타늄을 포함할 수 있다. 금속 합금은 강(예를 들어, 스테인레스 강)을 포함할 수 있다. 세라믹 재료는 알루미나를 포함할 수 있다. 베이스는 실리콘, 게르마늄, 실리카, 사파이어, 산화 아연, 탄소(예를 들어, 흑연, 그래핀, 다이아몬드, 비정질 탄소, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브 또는 풀러렌), SiC, AN, GaN, 스피넬, 코팅된 실리콘, 산화물 상의 실리콘, 산화물 상의 실리콘 카바이드, 질화 갈륨, 질화 인듐, 이산화 티타늄, 질화 알루미늄을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 베이스는 서셉터(즉, 전자기 에너지를 흡수하여 이를 열로 변환시킬 수 있는 재료)를 포함한다. 베이스, 기판 및/또는 인클로저는 고정형이거나 병진형일 수 있다.
인클로저는 공기에 개방되거나 제어된 환경에서 유지될 수 있다. 일부 예에서, 인클로저는 불활성 가스(예를 들어, Ar, He, N2, Kr, Xe, H2, CO, CO2 또는 Ne)와 같은 불활성 분위기 하에 있다. 인클로저는 비반응성 가스로 충진될 수 있다.
대안으로서, 인클로저는 진공 하에 유지될 수 있다. 챔버 내의 압력은 적어도 10-7 Torr, 10-6 Torr, 10-5 Torr, 10-4 Torr, 10-3 Torr, 10-2 Torr, 10-1 Torr, 1 Torr, 10 Torr, 100 Torr, 1 bar, 2 bar, 3 bar, 4 bar, 5 bar, 10 bar, 20 bar, 30 bar, 40 bar, 50 bar, 100 bar, 200 bar, 300 bar, 400 bar, 500 bar, 1000 bar 또는 그 이상일 수 있다. 인클로저 내의 압력은 적어도 100 Torr, 200 Torr, 300 Torr, 400 Torr, 500 Torr, 600 Torr, 700 Torr, 720 Torr, 740 Torr, 750 Torr, 760 Torr, 900 Torr, 1000 Torr, 1100 Torr, 1200 Torr일 수 있다. 인클로저 내의 압력은 최대 10-7 Torr, 10-6 Torr, 10-5 Torr, 10-4 Torr, 10-3 Torr, 10-2 Torr, 10-1 Torr, 1 Torr, 10 Torr, 100 Torr, 200 Torr, 300 Torr, 400 Torr, 500 Torr, 600 Torr, 700 Torr, 720 Torr, 740 Torr, 750 Torr, 760 Torr, 900 Torr, 1000 Torr, 1100 Torr 또는 1200 Torr일 수 있다. 일부 경우에, 인클로저 내의 압력은 표준 대기압일 수 있다.
수치 또는 수치 범위를 칭할 때 "약"이라는 용어는 일반적으로 칭해진 수치 또는 수치 범위가 실험적 변동성 내(또는 통계적 실험 오차 내)의 근사라는 것을 의미하며, 따라서 수치 또는 수치 범위는 예를 들어, 명시된 수치 또는 수치 범위의 1%와 15% 사이에서 변할 수 있다.
본원에서 사용되는 "인접한" 또는 "이에 인접한"이라는 용어는 일반적으로 '옆에', '인접한', '접촉하는' 또는 '근접한'을 칭한다. 인접하다는 것은 층과 같은 하나의 층이 다른 층과 같은 다른 피쳐의 '위' 또는 '아래'에 있는 것을 칭할 수 있다. 제2 층에 인접한 제1 층은 제2 층과 직접 접촉할 수 있거나, 제1 층과 제2 층 사이에 하나 이상의 개재 층이 있을 수 있다.
3차원 인쇄(3D 인쇄)는 3차원 물체를 형성하는 프로세스를 칭할 수 있다. 3차원 물체를 형성하기 위해, 분말 재료의 다중층이 서로 인접하여 순차적으로 적층될 수 있다. 분말 재료의 층은 개별적으로 또는 동시에 가열, 경화 또는 화학적으로 처리되어, 분말 재료의 입자가 함께 융해되거나 용융될 수 있다.
모델 디자인은 결합 재료, 열, 화학물 또는 이들의 임의의 조합으로 처리되는 분말 재료의 특정 영역 또는 서브섹션의 형성을 가이드하는 데 사용될 수 있다. 모델 디자인은 3D 인쇄 소프트웨어를 사용하는 것과 같이 컴퓨터-생성 디자인일 수 있다. 분말 재료의 층은, 형성된 물체가 3차원 물체의 모델 디자인의 형상을 취할 때까지 순차적으로 적층될 수 있다.
재료
3차원 물체는 표면 상에 형성될 수 있다. 분말 베드는 3차원 물체의 형성을 위해 표면에 인접하여 도포될 수 있다. 표면은 평평한 표면, 고르지 않은 표면, 용기, 빌드 박스, 박스, 테이블 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
일부 경우에, 용기 또는 박스는 용기 또는 박스에 일체화되거나 인접한 가열 메커니즘을 가질 수 있다. 용기 또는 박스는 분말 재료의 개별 입자가 함께 응집되지 않는 것을 보장하도록, 본원에 설명되는 방법을 통해 상승된 온도에서 가열될 수 있다. 일부 경우에, 분말 재료는, 분말 재료에 결합제를 도포하기 전, 도중에 또는 그 후에 함께 응집되지 않는다. 용기 또는 박스는 적어도 약 25℃, 30℃, 40℃, 50℃, 60℃, 70℃, 80℃, 90℃, 100℃, 110℃, 120℃, 130℃, 140℃, 150℃, 160℃, 170℃, 180℃, 190℃, 200℃, 300℃, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 900℃, 1000℃ 또는 그 이상의 온도로 가열될 수 있다. 일부 경우에, 용기 또는 박스는 25℃ 내지 500℃, 50℃ 내지 200℃, 70℃ 내지 150℃ 또는 80℃ 내지 120℃의 온도에서 3차원 물체의 형성 방법을 통해 가열될 수 있다.
분말 재료는 중합체, 금속, 금속 합금, 세라믹, 서멧(cermet), 또는 이들의 임의의 조합의 분말일 수 있다. 분말 재료는 고체, 액체, 겔 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 분말 재료는 스테인레스 강, 청동, 강, 금, 니켈, 니켈 강, 알루미늄, 티타늄, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 그래핀, 플라스틱에 매립된 그래핀, 니티놀, 수분-흡수 플라스틱, 플라스틱, 모래, 도전성 카보모르프(carbomorph), 종이, 콘크리트, 식품, 얀(yarn) 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 분말 재료는 플라스틱, 유기 재료 또는 이들의 임의의 조합에 의한 코팅과 같은 코팅에 의해 코팅될 수 있다. 일부 경우, 분말 재료는 금속 입자를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 분말 재료는 금 입자를 포함할 수 있다. 일부 경우, 분말 재료는 스테인레스 강 입자를 포함할 수 있다. 스테인레스 강 입자는 스테인레스 강의 금속 사출 성형(metal injection molding: MIM) 등급을 포함할 수 있다. 스테인레스 강 입자는 316L, 17-4 PH, 430L, 440C, 310S, 420J, 904L 등급일 수 있다. 스테인레스 강 입자는 MTM 등급 17-4 PH일 수 있다. 분말 재료는 탄소, 망간, 인, 황, 규소, 크롬, 니켈, 구리, 니오븀 또는 철을 포함할 수 있다. 분말 재료는 크롬, 니켈, 구리, 니오븀 또는 철을 포함할 수 있다.
일부 경우에, 표면에 도포되는 분말 재료의 층은 2개 이상의 상이한 재료를 포함할 수 있으며, 여기서 이러한 2개 이상의 재료는 표면 상의 성막 동안, 결합 재료의 도포 동안, 경화 동안, 소결 동안, 또는 이들의 임의의 조합에서 서로 반응한다. 2개 이상의 재료는 분말 베드 상으로 분말 재료의 성막 전에 또는 도중에 결합될 수 있다. 일부 경우, 분말 재료의 층은 스테인레스 강 입자 및 청동 입자를 포함할 수 있다.
일부 경우에, 단일층이 가열될 수 있다. 대안적으로, 다중층이 동시에 가열될 수 있다. 분말 재료의 다중층은 녹색 부분을 형성할 수 있으며, 여기서 더 이상의 층이 추가되지 않을 것이다. 일부 경우에, 전체 녹색 부분이 동시에 가열될 수 있다. 예를 들어, 전체 녹색 부분은 노(furnace)에서 가열될 수 있다.
3차원 물체는 가열 또는 소결 후에 선형 수축을 가질 수 있다. 일부 경우에, 물체는 최대 50%, 40%, 30%, 20%, 15%, 10%, 5%, 1% 이하의 선형 수축을 가질 수 있다. 일부 경우에, 물체는 약 5% 내지 30%, 10% 내지 20%, 또는 15% 내지 20%의 선형 수축을 가질 수 있다. 3차원 물체는 적어도 50 메가파스칼(MPa), 100 MPa, 100 MPa, 200 MPa, 300 MPa, 400 MPa, 500 MPa 또는 그 이상의 항복 강도 또는 항복 응력을 가질 수 있다. 일부 경우에, 3차원 물체는 3차원 물체의 컴퓨터 모델과 다를 수 있다. 완성된 물체는 크기에서 컴퓨터 모델과 1차원(예를 들어, 길이, 폭, 높이)으로 최대 약 10%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.9%, 0.8%, 0.7%, 0.6%, 0.5%, 0.4%, 0.3%, 0.2%, 0.1% 또는 그 이하만큼 다를 수 있다.
본원에 사용되는 분말 재료는 일반적으로 미세 입자를 갖는 고체를 칭한다. 분말은 개별 입자를 포함할 수 있으며, 입자는 구형, 타원형, 입방형, 불규칙형 또는 부분 형상 또는 이들 형상의 임의의 조합일 수 있다. 분말 재료는 홀 플로우(hall flow), 분말 플로우, 안식각, 태핑된 밀도, 모폴로지(morphology), 다공성, 레이저 회절, 체(sieve) 분석, 수분 함량, 화학적 조성 또는 이들의 임의의 조합에 한정되지 않지만 이를 포함하는 다양한 기술에 의해 특성화될 수 있다. 일부 경우에, 분말 재료는 실질적으로 구형이다.
분말 재료는 실질적으로 균일한 크기의 입자를 포함할 수 있다. 분말 재료는 적어도 약 0.1 마이크로미터, 0.2 마이크로미터, 0.3 마이크로미터, 0.4 마이크로미터, 0.5 마이크로미터, 0.6 마이크로미터, 0.7 마이크로미터, 0.8 마이크로미터, 0.9 마이크로미터, 1 마이크로미터, 2 마이크로미터, 5 마이크로미터, 10 마이크로미터, 20 마이크로미터, 30 마이크로미터, 40 마이크로미터, 50 마이크로미터, 60 마이크로미터, 70 마이크로미터, 80 마이크로미터, 90 마이크로미터, 100 마이크로미터, 200 마이크로미터, 300 마이크로미터, 400 마이크로미터, 500 마이크로미터, 600 마이크로미터, 700 마이크로미터, 800 마이크로미터, 900 마이크로미터 또는 1 밀리미터의 입자를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 분말 재료는 10 마이크로미터 내지 100 마이크로미터, 20 마이크로미터 내지 90 마이크로미터, 30 마이크로미터 내지 80 마이크로미터, 또는 40 마이크로미터 내지 60 마이크로미터의 입자를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 분말 재료는 약 50 마이크로미터의 입자를 포함할 수 있다.
분말 재료는 상이한 메쉬 크기에 의해 분류될 수 있다. 분말 재료는 적어도 약 4, 6, 8, 12, 16, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 100, 140, 200, 230, 270, 325, 400, 625, 1250 또는 2500의 메쉬 크기의 입자를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 분말 재료는 약 100 내지 625, 230 내지 400, 또는 270 내지 400의 메쉬 크기의 입자를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 분말 재료는 270의 메쉬 크기를 갖는다. 일부 경우에, 분말 재료는 325의 메쉬 크기를 갖는다. 일부 경우에, 분말 재료는 400의 메쉬 크기를 갖는다.
일부 경우에, 분말 재료는 상이한 메쉬 크기의 입자를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 분말 재료는 다중 모드(multimodal)(예를 들어, 이중 모드(bimodal)) 분말 재료일 수 있으며, 여기서 상이한 메쉬 크기의 입자가 의도적으로 함께 혼합된다.
3차원 물체를 형성하는 방법은 분말 재료에 대한 다중층의 성막을 필요로 할 수 있다. 3차원 물체를 형성하는 방법은 물체를 형성하기 위해 분말 재료의 적어도 2개 층, 3개 층, 4개 층, 5개 층, 6개 층, 7개 층, 8개 층, 9개 층, 10개 층, 50개 층, 100개 층, 200개 층, 500개 층, 700개 층, 1000개 층 이상을 필요로 할 수 있다. 물체는 물체의 형성을 완성하기 위해 분말 재료의 1개 내지 1000개 층, 10개 내지 700개 층, 100개 내지 500개 층, 또는 200개 내지 400개 층을 필요로 할 수 있다. 물체는 물체의 형성을 완성하기 위해 분말 재료의 10개 내지 1000개 층, 100개 내지 700개 층, 200개 내지 600개 층, 또는 300개 내지 500개 층을 필요로 할 수 있다.
분말 재료의 층은 하나 이상의 유형의 분말 재료를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 2개 이상의 원소 금속, 2개 이상의 금속 합금, 2개 이상의 세라믹 또는 2개 이상의 탄소 원소의 동소체가 분말 재료의 층을 형성하는 데 사용될 수 있다.
분말 재료의 층은 표면 상에 균일하게 분포될 수 있다. 분말 재료의 층은 표면 또는 표면 베드의 적어도 일부 상의 두께를 가질 수 있다. 분말 재료의 층은 적어도 약 0.001 밀리미터, 0.01 밀리미터, 0.1 밀리미터, 0.2 밀리미터, 0.3 밀리미터, 0.4 밀리미터, 0.5 밀리미터, 0.6 밀리미터, 0.7 밀리미터, 0.8 밀리미터, 0.9 밀리미터, 1 밀리미터, 2 밀리미터, 5 밀리미터, 10 밀리미터, 20 밀리미터, 30 밀리미터, 40 밀리미터, 50 밀리미터, 60 밀리미터, 70 밀리미터, 80 밀리미터, 90 밀리미터 또는 100 밀리미터의 두께를 가질 수 있다. 분말 재료의 층은 0.1 밀리미터 내지 10 밀리미터, 0.3 밀리미터 내지 5 밀리미터, 0.4 밀리미터 내지 2 밀리미터, 0.5 밀리미터 내지 1 밀리미터의 두께를 가질 수 있다. 일부 경우에, 분말 재료의 층은 약 100 마이크로미터(㎛), 200 ㎛, 300 ㎛, 400 ㎛, 500 ㎛, 600 ㎛, 700 ㎛, 800 ㎛, 900 ㎛ 또는 1000 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 일부 경우에, 분말 재료의 층은 약 300 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 일부 경우에, 3차원 물체는 1개 초과의 층을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 분말층의 두께는 동일하거나 거의 동일하거나 상이할 수 있다.
결합 물질
결합 물질(예를 들어, 결합제)이 개별 분말 입자를 함께 결합시키는 데 사용될 수 있다. 결합 물질은 개별 분말 입자를 함께 결합시키기 위해 분말 재료의 층에 도포될 수 있다. 결합 물질은 액체, 겔, 점성 용액, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 일부 경우에, 결합 물질은 액체이다.
결합 물질은 당, 접착제, 수지, 중합체, 또는 이들의 조합일 수 있다. 결합 물질은 수크로오스(sucrose), 에폭시 수지, 고릴라 접착제(Gorilla Glue), 폴리우레탄, 액체 네일(Liquid Nails), 슈퍼 접착제(Super Glue), 목재 스테인(wood stain), 손톱 광택제 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 결합 물질은 유기 용매, 수성 용매 또는 이들의 임의 조합을 포함할 수 있다.
결합 물질은 구입하여 변경 없이 사용될 수 있다. 결합 물질은 본 발명의 방법으로 3차원 물체의 형성에 사용하기에 적절한 특정의 특성을 달성하기 위해 희석될 수 있다. 일부 경우에, 용액은 적어도 약 1.1, 1.2, 1.5, 1.7, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 또는 500배 희석으로 희석될 수 있다.
결합 물질은 약 0.1 제곱 인치 당 약 파운드(pounds per square inch: psi), 1 psi, 5 psi, 10 psi, 50 psi, 100 psi, 200 psi, 300 psi, 400 psi, 500 psi, 600 psi, 700 psi, 800 psi, 900 psi, 1000 psi, 1500 psi, 2000 psi, 2500 psi, 3000 psi, 4000 psi, 5000 psi 또는 그 이상보다 큰 결합 강도, 접합 강도, 강도, 접착 강도 또는 인장 전단을 가질 수 있다. 일부 경우에, 결합 물질은 100 psi 내지 3000 psi, 300 psi 내지 2500 psi, 또는 500 psi 내지 2000 psi의 접합 강도를 가질 수 있다.
결합 물질은 약 1000 센티포아즈(cP), 900 cP, 800 cP, 700 cP, 600 cP, 500 cP, 400 cP, 300 cP, 200 cP, 100 cP, 50 cP, 10 cP, 9 cP, 8 cP, 7 cP, 6 cP, 5 cP, 4 cP, 3 cP, 2 cP, 1 cP 또는 그 이하보다 작거나 동등한 점도를 가질 수 있다. 결합 물질은 1000 cP 내지 100 cP, 700 cP 내지 200 cP, 또는 600 cP 내지 300 cP의 점도를 가질 수 있다.
결합 물질은 용기, 병, 컵 또는 그릇에 저장될 수 있다.
결합 물질(예를 들어, 결합제)이 분말 재료의 층의 표면에 도포되는 경우, 결합 물질 중 일부는 분말 재료의 톱(top) 층을 통해 분말 재료의 다음 층으로 연장될 수 있다. 결합 물질은 특정 z-축 침투 깊이 또는 결합제 침투 깊이를 가질 수 있다. z-축 침투 깊이 또는 결합제 침투 깊이는 성막 기술, 베드 가열, 결합 물질의 점도, 또는 이들의 임의의 조합의 결과일 수 있다. z-축 침투 깊이는 약 1 마이크로미터, 5 마이크로미터, 10 마이크로미터, 50 마이크로미터, 100 마이크로미터, 200 마이크로미터, 300 마이크로미터, 400 마이크로미터, 500 마이크로미터, 600 마이크로미터, 700 마이크로미터, 800 마이크로미터, 900 마이크로미터, 1 밀리미터, 2 밀리미터, 5 밀리미터, 10 밀리미터, 20 밀리미터, 30 밀리미터, 40 밀리미터, 50 밀리미터, 60 밀리미터, 70 밀리미터, 80 밀리미터, 90 밀리미터, 100 밀리미터, 200 밀리미터, 300 밀리미터, 400 밀리미터, 500 밀리미터, 600 밀리미터, 700 밀리미터, 800 밀리미터, 900 밀리미터, 1 미터 또는 그 이상보다 클 수 있다. 일부 경우에, z-축 침투 깊이는 10 마이크로미터 내지 400 마이크로미터, 또는 100 마이크로미터 내지 200 마이크로미터일 수 있다. 일부 경우에, 결합 재료의 침투 깊이는 100 마이크로미터 내지 800 마이크로미터, 200 마이크로미터 내지 500 마이크로미터, 또는 300 마이크로미터 내지 500 마이크로미터일 수 있다. 일부 경우에, 결합 재료의 침투 깊이는 약 450 마이크로미터일 수 있다.
결합 물질이 분말 재료의 층에 도포되는 경우, 결합 물질은 1000 마이크로미터, 900 마이크로미터, 800 마이크로미터, 700 마이크로미터, 600 마이크로미터, 500 마이크로미터, 400 마이크로미터, 300 마이크로미터, 200 마이크로미터, 100 마이크로미터, 75 마이크로미터, 50 마이크로미터, 40 마이크로미터, 30 마이크로미터, 20 마이크로미터, 10 마이크로미터, 5 마이크로미터, 3 마이크로미터, 2 마이크로미터 또는 1 마이크로미터 미만의 액적 크기를 가질 수 있다. 결합 물질이 분말 재료의 층에 도포되는 경우, 결합 물질은 1 마이크로미터 내지 700 마이크로미터, 2 마이크로미터 내지 600 마이크로미터, 10 마이크로미터 내지 500 마이크로미터, 또는 100 마이크로미터 내지 200 마이크로미터의 액적 크기를 가질 수 있다.
결합 물질은 약 10 마이크로미터, 5 마이크로미터, 3 마이크로미터, 2 마이크로미터, 1 마이크로미터, 0.5 마이크로미터, 0.25 마이크로미터 또는 그 이하보다 작은 소형 액적 크기를 가질 수 있다. 결합 물질은 약 1 마이크로미터의 평균 액적 크기를 가질 수 있다. 결합 물질은 약 1 내지 2 마이크로미터의 평균 액적 크기를 가질 수 있다.
결합 물질(예를 들어, 결합제)이 분말 재료의 층의 표면에 도포되는 경우, 결합 물질 중 일부가 분말 재료의 입자를 교란하거나 대체할 수 있다. 분말 재료의 교란, 분말 재료의 응집 또는 분말 재료의 층의 표면 상의 결합 물질 액적의 절단 효과는 바람직하지 않을 수 있다. 결합 재료를 도포하는 동안 분말 재료의 응집을 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 결합제 재료의 소형 액적을 사용하는 것은 분말 재료의 층의 표면 상에 분말 재료의 교란의 바람직하지 않은 영향을 완화시킬 수 있다.
분사 헤드가 원하는 결합 재료 액적 크기를 생성하는 데 사용될 수 있다. 분사 헤드는 초음파 분사 헤드일 수 있다. 산업용 초음파 기술을 사용하는 경우, 분사는 배출구 단면 디자인과 진공의 사용의 조합을 통해 이루어질 수 있다. 잉여 플륨(plume)이 머신의 나머지 부분을 오염시키지 않도록 진공에 의해 포획될 수 있다. 초음파 미스트 생성 시스템의 사용은 상업용 산업용 초음파 분사 헤드를 사용하는 것에 대한 비용 효율적인 대안이 될 수 있다. 초음파 미스트 생성 시스템은 또한 액적 생성을 위해 사용될 수 있다.
3차원 물체는 대기 조건 하에서 형성될 수 있다. 장치는, 3차원 물체가 형성될 때 존재하는 습도의 양을 제어하기 위한 제습기를 포함할 수 있다. 공기 중 습도의 양은 적어도 약 0 입방 미터 당 그램(g/㎥), 1 g/㎥, 2 g/㎥, 3 g/㎥, 4 g/㎥, 5 g/㎥, 6 g/m3, 7 g/m3, 8 g/m3, 9 g/m3, 10 g/m3, 15 g/m3, 20 g/m3, 25 g/m3 또는 30 g/m3일 수 있다. 제습기는 장치의 일부일 수 있다. 대안적으로, 제습기는 3차원 물체 프린터의 일부가 아니다. 제습기는 자동일 수 있으며, 설정된 사양 또는 조건에 따라 온(on) 또는 오프(off)될 수 있다. 제습기는 장치 레벨일 수 있거나 물체가 인쇄되는 실내 레벨일 수 있다.
3차원 물체는 동일하거나 상이할 수 있는 높이, 폭 및 길이를 가질 수 있다. 3차원 물체는 개별적으로 그리고 독립적으로 각각 약 0.1 밀리미터, 0.5 밀리미터, 1 밀리미터, 2 밀리미터, 5 밀리미터, 10 밀리미터, 20 밀리미터, 30 밀리미터, 40 밀리미터, 50 밀리미터, 60 밀리미터, 70 밀리미터, 80 밀리미터, 90 밀리미터, 100 밀리미터, 200 밀리미터, 300 밀리미터, 400 밀리미터, 500 밀리미터, 600 밀리미터, 700 밀리미터, 800 밀리미터, 900 밀리미터, 1 미터 또는 그 이상보다 큰 높이, 폭 또는 길이를 가질 수 있다. 3차원 물체는 약 20 밀리미터, 50 밀리미터, 100 밀리미터, 200 밀리미터, 300 밀리미터, 400 밀리미터, 500 밀리미터, 600 밀리미터, 700 밀리미터, 800 밀리미터, 900 밀리미터, 1 미터, 2 미터, 3 미터, 5 미터, 10 미터 또는 그 이상보다 큰 높이를 가질 수 있다. 3차원 물체는 약 20 밀리미터, 50 밀리미터, 100 밀리미터, 200 밀리미터, 300 밀리미터, 400 밀리미터, 500 밀리미터, 600 밀리미터, 700 밀리미터, 800 밀리미터, 900 밀리미터, 1 미터, 2 미터, 3 미터, 5 미터 또는 10 미터보다 큰 폭을 가질 수 있다. 3차원 물체는 약 20 밀리미터, 50 밀리미터, 100 밀리미터, 200 밀리미터, 300 밀리미터, 400 밀리미터, 500 밀리미터, 600 밀리미터, 700 밀리미터, 800 밀리미터, 900 밀리미터, 1 미터, 2 미터 , 3 미터, 5 미터 또는 10 미터보다 큰 길이를 가질 수 있다. 일부 경우에, 3차원 물체의 크기는 약 1 m × 1 m × 1 m의 치수를 가질 수 있다. 일부 경우에, 3차원 물체는 약 500 밀리미터 × 500 밀리미터 × 500 밀리미터의 치수를 가질 수 있다. 일부 경우에, 3차원 물체는 약 200 밀리미터 × 200 밀리미터 × 200 밀리미터의 치수를 가질 수 있다.
방법
다른 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공한다. 도 1은 3차원 인쇄 프로세스의 플로우 프로세스를 나타낸다. 일부 경우에, 분말 베드가 동작 110에서 표면 상에 제공된다. 다음으로, 분말 재료의 층이 동작 120에서 성막된 층을 제공하기 위해 표면에 인접하게 성막된다. 그 후, 결합 물질이 동작 130에서 분말 재료의 층에 도포된다. 기판은 동작 140에서 경화될 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 3차원 물체를 형성하는 방법을 나타내기 위한 개략 평면도를 제공한다. 분말 재료의 층(205)이 도 2a에서 제공된다. 도 2b는 결합 물질로 도포된 분말 재료의 층의 영역(210)을 나타낸다. 도 2c는 가열되고 경화된 영역(210)의 서브섹션(215)을 나타낸다.
분말 재료의 층은 분말 분배기를 통해 분말 베드 상에 성막될 수 있다. 분말 분배기는 인쇄 헤드 또는 노즐 헤드와 같은 복수의 구성 요소를 포함할 수 있다. 분말 분배기의 구성 요소와 표면 상의 분말 재료의 층 사이의 거리는 적어도 1 센티미터(cm), 5 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm, 60 cm, 70 cm, 80 cm, 90 cm, 1 m 또는 그 이상일 수 있다. 분말 분배기의 구성 요소와 분말 재료의 층 사이의 거리는 3차원 물체의 형성 과정 동안 변할 수 있다. 일부 경우에, 분말 분배기의 구성 요소와 분말 재료의 층 사이의 거리는 3차원 물체의 형성 과정 동안 감소할 수 있다.
분말 재료는 분말 재료의 저장소 또는 그릇에 저장될 수 있다. 저장소는 분말 재료의 적어도 약 10 그램(gr), 100 gr, 200 gr, 500 gr, 750 gr, 1 킬로그램(kg), 2 kg, 5 kg, 10 kg 또는 그 이상을 보유할 수 있다.
분말 분배기는 적어도 약 1 초 당 입방 밀리미터(mm3/s), 5 mm3/s, 10 mm3/s, 100 mm3/s, 500 mm3/s, 1000 mm3/s, 2000 mm3/s, 3000 mm3/s, 4000 mm3/s, 5000 mm3/s, 6000 mm3/s, 7000 mm3/s, 8000 mm3/s, 9000 mm3/s, 또는 10,000 mm3/s의 평균 레이트로 분말을 분배할 수 있다.
분말 재료의 층은 분말 베드 상으로의 성막 후에 평활화될 수 있다. 층은 롤러, 블레이드, 나이프, 가스 나이프 또는 에어 나이프, 레벨러(leveler) 또는 이들의 임의의 조합을 통해 평활화될 수 있다. 일부 경우에, 분말 재료의 층은 분말 베드 상으로 성막된 후에 레벨러에 의해 평활화된다. 레벨러는 플라스틱, 금속, 금속 합금, 유리, 세라믹 또는 이들의 임의의 조합과 같은 다수의 재료를 포함할 수 있다.
분말 베드는 진동기 장치에 의해 분말 재료의 층의 성막 후에 진동될 수 있다. 진동기 장치는, 적어도 20 헤르쯔(Hz), 30 ㎐, 40 ㎐, 50 ㎐, 60 ㎐, 70 ㎐, 80 ㎐, 90 ㎐, 100 ㎐, 110 ㎐, 120 ㎐, 130 Hz, 140 ㎐, 150 ㎐, 160 ㎐, 170 ㎐, 180 ㎐, 190 ㎐, 200 ㎐, 210 ㎐, 220 ㎐, 230 ㎐, 240 ㎐, 250 ㎐, 260 ㎐, 270 ㎐, 280 ㎐, 290 ㎐, 300 Hz, 350 Hz, 400 Hz, 450 Hz, 500 Hz, 550 Hz, 600 Hz, 700 Hz, 800 Hz, 900 Hz, 또는 1000 Hz의 주파수에서 진동할 수 있다.
결합 물질은 잉크젯 헤드, 원자화 분사기, 초음파 분사기, 공기 네뷸라이저, 원자화 제트 네뷸라이저, 초음파 네뷸라이저, 압축기 기반 네뷸라이저, 진동 메쉬 네뷸라이저, 대형 드롭퍼(dropper), 마이크로-드롭퍼, 피에조(piezo) 드롭퍼, 또는 이들의 임의의 조합을 통해 분말 재료의 층에 도포될 수 있다. 일부 경우에, 결합 물질은 초음파 네뷸라이저, 압축기 기반 네뷸라이저 또는 초음파 분사기를 통해 도포된다. 결합 물질은 스트림(stream), 액적 또는 이들의 임의의 조합으로 도포될 수 있다.
결합 물질은 용기, 인쇄 헤드, 노즐 또는 펌프로부터 특정 유속으로 분말 재료의 층에 도포될 수 있다. 일부 경우에, 결합 물질은 약 100 mL/s, 90 mL/s, 80 mL/s, 70 mL/s, 60 mL/s, 50 mL/s, 40 mL/s, 30 mL/s, 20 mL/s, 10 mL/s, 9 mL/s, 8 mL/s, 7 mL/s, 6 mL/s, 5 mL/s, 4 mL/s, 3 mL/s, 2 mL/s 또는 1 mL/s 또는 그 미만의 유속으로 도포될 수 있다.
결합 물질은 분말 재료의 층의 영역에 도포될 수 있다. 결합 물질은 분말 베드의 표면의 약 1%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 99%보다 큰 영역에 도포될 수 있다. 일부 경우에, 결합 물질은 분말 베드의 표면의 5% 내지 90%, 10% 내지 80%, 30% 내지 70%, 40% 내지 60% 또는 40% 내지 60%에 도포된다.
결합 물질을 포함하는 스트림은 분말 베드의 분말 재료의 층의 영역에 도포될 수 있으며, 여기서 스트림은 제1 단면 치수를 갖는다. 에너지 빔이 분말 재료의 층의 일부로 지향될 수 있으며, 여기서 에너지 빔은 제2 단면 치수를 갖는다. 일부 실시예에서, 스트림의 제1 단면 치수는 에너지 빔의 제2 단면 치수보다 크다. 제1 단면 치수는 제2 단면 치부보다 적어도 1%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 99% 더 클 수 있다.
결합 물질 인쇄 헤드 또는 노즐 헤드와 표면상의 분말 재료의 층 사이의 거리는 결합 물질의 단일층의 도포를 통해 일정하게 유지될 수 있다. 결합 물질 인쇄 헤드 또는 노즐 헤드와 표면 상의 분말 재료의 층 사이의 거리는 결합 물질의 층의 하나의 도포로부터 층의 다른 도포까지 상이할 수 있다. 일부 경우에, 인쇄 헤드 또는 노즐 헤드와 분말 재료의 층 사이의 거리는 3차원 물체의 층의 수가 증가함에 따라 감소한다. 결합 물질 인쇄 헤드 또는 노즐 헤드와 표면 상의 분말 재료의 층 사이의 거리는 적어도 0.1 밀리미터(mm), 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 5 mm, 10 mm, 50 mm, 100 mm, 200 mm, 300 mm, 400 mm, 500 mm, 600 mm, 700 mm, 800 mm, 900 mm, 1000 mm 또는 그 이상일 수 있다.
분말 재료의 층이 경화될 때, 결합 물질이 도포된 영역의 서브섹션만이 경화될 수 있다. 결합 물질이 도포된 영역의 서브섹션은 그 영역의 최대 약 99%, 95%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 또는 10%일 수 있다. 영역의 서브섹션은 그 영역의 약 100, 99%, 95%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20% 또는 10% 미만일 수 있다. 영역의 서브섹션은 그 영역의 약 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 99%보다 클 수 있지만 100%는 아닐 수 있다. 경화되는 영역의 서브섹션은 그 영역 자체보다 작을 수 있다. 일부 경우에, 그 영역의 서브섹션이 경화되며, 여기서 서브섹션은 그 영역의 100%보다 작다. 일부 경우에, 서브섹션은 그 영역의 90%, 80%, 70%, 60% 또는 50%보다 작다.
열, 전자기 방사 또는 저항성 가열 요소의 소스는, 결합 물질이 도포된 후에 분말 재료의 영역의 서브섹션을 경화시키는 데 사용될 수 있다. 레이저, 오븐, 노(furnace), 에너지 빔, 전자 빔, 램프, 가열 로드(rod), 라디에이터 또는 이들의 임의의 조합이 분말 재료를 경화시키는 데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 분말 재료의 영역을 경화시키는 데 사용되는 열원은 레이저 또는 가열 로드이다. 열원이 광학 장치인 상황에서, 열원은 직접 또는 하나 이상의 광학 장치(예를 들어, 거울(들), 렌즈(들) 등)의 사용을 통해 분말 베드 상에 에너지를 제공할 수 있다.
에너지원은 레이저 또는 복수의 레이저일 수 있다. 복수의 레이저는 레이저 어레이의 일부일 수 있다. 레이저는 직접적으로 또는 하나 이상의 광학 장치(예를 들어, 거울(들), 렌즈(들) 등)의 사용을 통해 에너지원을 전력 베드에 제공할 수 있다. 일부 경우에, 레이저는 적어도 100 나노미터(nm), 500 nm, 1000 nm, 1010 nm, 1020 nm, 1030 nm, 1040 nm, 1050 nm, 1060 nm, 1070 nm, 1080 nm, 1090 nm, 1100 nm, 1200 nm, 1500 nm, 1600 nm, 1700 nm, 1800 nm, 1900 nm 또는 2000 nm의 파장의 광 에너지를 제공할 수 있다.
에너지원은 대기 온도 또는 상승된 온도의 온도에서 분말 재료의 층에 인가될 수 있다. 결합 물질이 분말 재료의 층에 도포된 후, 3차원 물체의 층은 적어도 약 25 ℃, 30 ℃, 40 ℃, 50 ℃, 60 ℃, 70 ℃, 80 ℃, 90 ℃, 100 ℃, 110 ℃, 120 ℃, 130 ℃, 140 ℃, 150 ℃, 160 ℃, 170 ℃, 180 ℃, 190 ℃, 200 ℃, 300 ℃, 400 ℃, 500 ℃, 600 ℃, 700 ℃, 800 ℃, 900 ℃, 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃, 1300 ℃, 1400 ℃, 1500 ℃, 1600 ℃, 1700 ℃, 1800 ℃, 1900 ℃, 또는 2000 ℃의 온도에서 에너지원에 의해 경화될 수 있다. 층은 25 ℃, 30 ℃, 40 ℃, 50 ℃, 60 ℃, 70 ℃, 80 ℃, 90 ℃, 100 ℃, 110 ℃, 120 ℃, 130 ℃, 140 ℃, 150 ℃, 160 ℃, 170 ℃, 180 ℃, 190 ℃, 200 ℃, 300 ℃, 400 ℃, 500 ℃, 600 ℃, 700 ℃, 800 ℃, 900 ℃, 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃, 1300 ℃, 1400 ℃, 1500 ℃, 1600 ℃, 1700 ℃, 1800 ℃, 1900 ℃ 또는 2000℃보다 높은 온도에서 경화될 수 있다. 층은 25 ℃ 내지 1000 ℃, 50 ℃ 내지 500 ℃, 70 ℃ 내지 200 ℃, 100 ℃ 내지 150 ℃의 온도에서 경화될 수 있다. 3차원 물체는 25 ℃ 내지 1000 ℃, 10 ℃ 내지 700 ℃, 100 ℃ 내지 600 ℃, 300 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 경화될 수 있다.
온도 상승은 분말 재료의 2개 이상의 입자를 용융된 상태로 변환시키기에 충분할 수 있다. 분말은 적어도 1 펨토초, 50 펨토초, 100 펨토초 또는 그 이상 동안 용융 상태를 유지할 수 있다.
3차원 물체의 층은 한정된 공간 내에 또는 용기 내에 형성되거나 부분적으로 형성될 수 있다. 한정된 공간은 수소, 질소, 아르곤, 산소, 이산화탄소 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 한정된 공간 내의 산소 레벨은 100,000 백만분의 일(ppm), 10,000 ppm, 1000 ppm, 500 ppm, 400 ppm, 200 ppm, 100 ppm, 50 ppm, 10 ppm, 5 ppm 또는 1 ppm보다 작을 수 있다. 한정된 공간은 수증기를 포함할 수 있다. 한정된 공간 내의 물의 양은 100,000 ppm, 10,000 ppm, 1000 ppm, 500 ppm, 400 ppm, 200 ppm, 100 ppm, 50 ppm, 10 ppm, 5 ppm 또는 1 ppm보다 작을 수 있다. 3차원 물체는 대기에 노출되는 동안 형성되거나 부분적으로 형성될 수 있다. 대기는 수소, 질소, 아르곤, 산소, 이산화탄소 또는 이들의 임의 조합을 포함할 수 있다.
3차원 물체는 금속 또는 금속 합금의 주입을 허용하도록 경화될 수 있다. 3차원 물체의 주입은 스테인레스 강, 청동, 강, 금, 니켈, 니켈 강, 알루미늄, 티타늄 또는 다른 전이 금속 또는 금속 합금으로 이루어질 수 있다.
3차원 물체는 물체의 형성 중에 적어도 1회 경화될 수 있다. 3차원 물체는 물체의 형성 중에 적어도 2회, 3회, 4회, 5회, 6회, 7회, 8회, 9회, 10회, 50회, 100회, 200회, 500회, 700회, 100회 또는 그 이상으로 경화될 수 있다. 3차원 물체는 물체의 형성 중에 1회 내지 1000회, 10회 내지 700회, 100회 내지 500회 또는 200회 내지 400회 경화될 수 있다. 3차원 물체는 물체의 형성 중에 10회 내지 1000회, 100회 내지 700회, 200회 내지 600회 또는 300회 내지 500회 경화될 수 있다.
3차원 물체의 분말 재료의 층은 약 0.1 초, 1 초, 10 초, 20 초, 30 초, 1 분, 2 분, 3 분, 4 분, 5 분, 6 분, 7 분, 8 분, 9 분, 10 분, 30분, 1 시간, 2 시간, 5 시간, 10 시간, 20 시간, 30 시간, 40 시간, 50 시간, 100 시간 또는 그 이상보다 긴 기간 동안 경화될 수 있다. 3차원 물체의 분말 재료의 층은 1 초 내지 10 시간, 20 초 내지 5 시간, 30 초 내지 3 시간, 1 분 내지 1 시간, 2 분 내지 30 분, 또는 3 분 내지 10분의 기간 동안 경화될 수 있다.
3차원 물체는 약 1 초, 10 초, 30 초, 1 분, 2 분, 3 분, 4 분, 5 분, 6 분, 7 분, 8 분, 9 분, 10 분, 30 분, 1 시간, 2 시간, 5 시간, 10 시간, 20 시간, 24 시간, 30 시간, 40 시간, 50 시간, 100 시간, 200 시간, 300 시간, 400 시간, 500 시간 또는 그 이상보다 긴 기간 동안 경화될 수 있다. 3차원 물체는 1 분 내지 100 시간, 30 분 내지 50 시간, 1 시간 내지 30 시간 또는 2 시간 내지 24 시간의 기간 동안 경화될 수 있다.
분말 재료의 층은 25 ℃ 초과의 온도에서 10 초 초과, 30 ℃ 초과의 온도에서 30 초 초과, 50 ℃ 초과의 온도에서 1 분 초과, 100 ℃ 초과의 온도에서 2 분 초과, 200 ℃를 초과의 온도에서 30분 초과, 300 ℃ 초과의 온도에서 1 시간 초과, 400 ℃ 초과의 온도에서 2 시간 초과, 500 ℃ 초과의 온도에서 3 시간 초과보다 긴 기간 동안 경화될 수 있다.
3차원 물체는 경화 후 연마, 버프(buff) 연마, 텀블링, 머시닝, 마감, 또는 마감 코팅될 마무리 또는 마감 처리될 수 있다. 물체는 페인트, 금속 광택제, 금 광택제, 은 광택제 또는 이들의 임의의 조합으로 코팅될 수 있다. 물체는 적어도 1회, 2회, 3회, 5회 또는 그 이상으로 연마, 버프 연마, 마감 또는 코팅될 수 있다.
3차원 물체는 적어도 약 1 분, 2 분, 3 분, 4 분, 5 분, 6 분, 7 분, 8 분, 9 분, 10 분, 30 분, 1 시간, 2 시간, 3 시간, 4 시간, 5 시간, 10 시간, 20 시간, 30 시간, 40 시간, 50 시간, 75 시간, 4 일, 5 일, 1 주, 2 주, 3 주 또는 4 주의 기간 동안 형성될 수 있다. 3차원 물체는 1 분 내지 50 시간, 30 분 내지 30 시간, 1 시간 내지 20 시간, 2 시간 내지 10 시간 또는 3 시간 내지 10 시간의 기간 동안 형성될 수 있다.
일부 경우에, 분말 재료의 층의 도포 및 각 층의 후속 경화를 포함하는 인쇄 프로세스는 약 30 초, 1 분, 2 분, 3 분, 4 분, 5 분, 6 분, 7 분, 8 분, 9 분, 10 분, 30 분, 1 시간, 2 시간, 5 시간, 10 시간, 20 시간, 30 시간, 40 시간, 50 시간, 100 시간 또는 그 이상보다 긴 기간을 차지할 수 있다. 인쇄 프로세스는 30 초 내지 10 시간, 1 분 내지 10 시간, 2 분 내지 5 시간 또는 3 분 내지 3 시간의 시간량이 걸릴 수 있다.
컴퓨터 시스템 또는 제어기는 3차원 물체의 모델을 설계하고, 분말 재료의 층을 성막하고, 분말 재료의 층을 평탄화시키고, 분말 재료의 층을 경화시키고, 또는 이들의 임의의 조합을 위해 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다. 컴퓨터 시스템은 물체의 형성 이전에 정보로 사전 프로그램될 수 있다. 모델 디자인은 3차원 물체의 형성의 개시 전에 생성될 수 있거나, 모델 디자인이 실시간으로(즉, 3차원 물체의 형성 프로세스 중에) 생성될 수 있다. 모델 디자인은 컴퓨터 상에서 생성될 수 있다.
모델 디자인은 결합 물질로 도포될 영역 또는 영역의 서브섹션 또는 분말 재료를 결정하는 데 사용될 수 있다.
일부 경우에, 형성된 3차원 물체는 모델 디자인의 치수로부터의 편차를 가질 수 있다. 형성된 3차원 물체의 편차 및 모델 디자인은 최대 1 cm, 9 mm, 8 mm, 7 mm, 6 mm, 5 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm, 1 mm, 90 마이크로미터, 80 마이크로미터, 70 마이크로미터, 60 마이크로미터, 50 마이크로미터, 40 마이크로미터, 30 마이크로미터, 20 마이크로미터, 10 마이크로미터, 5 마이크로미터 또는 그 이하일 수 있다.
형성된 3차원 물체와 모델 디자인 사이에 편차가 존재할 수 있다. 3차원 물체의 개별 부분은 모델 디자인의 대응 부분으로부터 적어도 약 0.1%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 10%, 20%, 30% 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 99%만큼 벗어날 수 있다.
일부 경우에, 결합 재료는 3D 물체의 모델 디자인에 따라 도포된다. 결합 물질이 도포되는 노즐은 분사 또는 스트림에 결합 물질을 성막할 수 있다. 스프레드 또는 스트림은 스폿 크기에 의해 특징화될 수 있는 스프레드를 가질 수 있다. 스폿 크기는 모델 디자인의 대응 치수보다 클 수 있다. 일부 경우에, 분사 또는 스트림은 모델 디자인의 대응하는 치수보다 큰 반치 전폭을 갖는다. 일부 예에서, 분사 또는 스트림은 모델 디자인의 대응하는 치수에 비교하여 분말 베드의 더 큰 영역에 결합 물질을 도포한다.
일부 경우에, 분말화된 재료의 층의 제1 영역이 결합 물질로 도포된다. 제1 영역은 3차원 물체의 모델 디자인의 대응 부분으로부터 벗어날 수 있으며, 여기서 제1 영역은 모델 디자인의 대응 부분보다 적어도 0.1%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 99% 또는 그 이상이다. 일부 경우에, 편차는 1% 내지 90%, 5% 내지 80%, 10% 내지 70%, 20% 내지 60% 또는 30% 내지 50%이다.
모델 디자인은 물체의 1 내지 1000개의 단면(또는 슬라이스), 10 내지 700개의 단면, 100 내지 500개의 단면 또는 200 내지 400개의 단면을 포함할 수 있다. 모델 디자인은 3차원 물체의 10 내지 1000개의 단면, 100 내지 700개의 단면, 200 내지 600개의 단면 또는 300 내지 500개의 단면을 포함할 수 있다. 모델 디자인은 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 100, 1000, 10,000, 50,000 또는 100,000개의 단면을 포함할 수 있다. 이러한 단면(또는 슬라이스)은 3D 인쇄 소프트웨어에 의해 생성될 수 있다.
영역의 서브섹션의 가열은 분말 재료의 개별 입자의 소결을 포함할 수 있다. 영역의 서브섹션의 가열은 분말 재료의 개별 입자의 소결을 포함하지 않을 수 있다.
분말 재료의 층의 영역의 서브섹션이 경화된 후에, 구속되지 않은 분말 재료가 구속된 분말 재료로부터 분산될 수 있다. 구속되지 않은 분말 재료는 구속되지 않은 분말의 제거에 의해, 진공에 의해, 흡입에 의해, 분진에 의해, 분말 베드를 포함하는 표면의 흔들림에 의해, 분말 베드를 포함하는 것보다 용기의 흔들림에 의해, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 분산될 수 있다.
일부 경우에, 대응하는 단면의 모델 디자인에 대응하는 분말 재료의 층의 영역의 서브섹션은 경화되지 않는다. 일부 경우에, 서브섹션의 주위는 기계적으로 생성되고, 에어 나이프로 생성되고, 나이프로 생성되고, 가열되고, 연소되고, 분해되거나 그렇지 않으면 제거된다. 일 양태에서, 본 발명은 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 포함하는 표면을 제공하는 단계; 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계; 하나 이상의 절단 패스를 통해 분말 재료의 제1 층의 하나 이상의 주위를 생성하는 단계로서, 제1 층의 하나 이상의 주위는 3차원 물체의 모델 디자인에 따르는, 단계; 용기 내의 분말 재료의 제1 층에 인접하게 분말 재료의 제2 층을 상기 용기에 성막하는 단계; 분말 베드의 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계; 및 하나 이상의 절단 패스를 통해 분말 재료의 제2 층의 하나 이상의 주위를 생성하는 단계를 포함하고, 제2 층의 하나 이상의 주위는 3차원 물체의 모델 디자인에 따르는, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공한다. 일부 경우에, 3차원 물체를 형성하는 방법은 하나의 절단 패스를 포함할 수 있다. 본 방법은 2, 3, 4, 5 또는 그 이상의 절단 패스를 포함할 수 있다.
일부 경우에, 분말 재료의 제1 층의 전체 주위가 하나의 절단 패스에 의해 형성된다. 일부 경우에, 분말 재료의 제1 층의 전체 주위가 하나 이상의 절단 패스에 의해 생성된다. 일부 경우에, 분말 재료의 제2 층의 전체 주위가 하나의 절단 패스에 의해 형성된다. 일부 경우에, 분말 재료의 제2 층의 전체 주위는 2개 이상의 절단 패스에 의해 생성된다.
일부 경우에, 제1 층 및 제2 층의 전체 주위가 하나의 절단 패스에 의해 생성된다. 일부 경우에, 제1 층 및 제2 층의 전체 주위는 2개 이상의 절단 패스에 의해 생성된다. 일부 경우에, 제1 층의 주위의 적어도 일부가 하나의 절단 패스에 의해 생성된다. 일부 경우에, 하나 초과의 층의 주위의 적어도 일부가 단일 절단 패스에 의해 생성된다. 일부 경우에, 하나 초과의 층의 주위의 적어도 일부가 하나 이상의 절단 패스에 의해 생성된다.
도 3a 내지 도 3d는 큰 층 두께 및 미세 절단 두께를 갖는 적층 기술을 사용하여 3차원 물체를 형성하는 방법을 나타낸다. 도 3a의 물체를 형성하기 위해, 도 3b의 큰 층 두께(305)를 갖는 분말 재료의 복수의 층이 도포될 수 있다. 도 3c의 절단 두께(310)를 갖는 다중의 미세 절단 패스가 도 3d의 고해상도 최종 부품을 생성하도록 만들어질 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 큰 층 두께 및 큰 절단 두께를 갖는 적층 기술을 사용하여 3차원 물체를 형성하는 방법을 나타낸다. 도 4a의 물체를 형성하기 위해, 도 4b의 큰 층 두께(405)를 갖는 분말 재료의 다중층이 도포될 수 있다. 도 4c의 절단 두께(410)를 갖는 하나의 절단 패스가 도 4d의 최종 부품을 생성하도록 만들어질 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 큰 층 두께 및 미세하고 큰 절단 두께의 조합을 갖는 적층 기술을 사용하여 3차원 물체를 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸다. 도 5a의 물체를 형성하기 위해, 도 5b의 큰 층 두께(505)를 갖는 분말 재료의 다중층이 도포될 수 있다. 도 5c의 절단 두께(510)를 갖는 다중의 미세 절단 패스 및 절단 두께(515)를 갖는 하나의 큰 절단 패스가 도 5d의 최종 부품을 생성하도록 만들어질 수 있다.
분말 재료의 층의 주위는 기계적으로 생성될 수 있다. 일부 경우에, 주위는 다중-축(예를 들어, 2, 3, 4 또는 5-축) 머신 툴, 컴퓨터 수치 제어(CNC) 스핀들, 절단 툴 비트 또는 블레이드를 사용하여 생성될 수 있다. 머신 툴은 다중-축 로봇일 수 있다. 머신 툴은, 3차원 물체가 생성되는 지지체에 대해 이동할 수 있다. 대안으로서, 지지체는 이동할 수 있으며 머신 툴은 고정형일 수 있다. 또 다른 대안으로서, 머신 툴과 지지체 모두는 다중 축을 따르는 것과 같이, 서로에 대해 이동 가능할 수 있다.
CNC 스핀들은 원하는 절단 특성에 따를 수 있는 특정 속도로 회전할 수 있다. 일부 실시예에서, 절단 툴 또는 CNC 스핀들은 적어도 약 500 rpm, 1,000 rpm, 10,000 rpm, 50,000 rpm, 75,000 rpm 또는 100,000 rpm의 분 당 회전수(rpm)를 가질 수 있다. 고정 축을 중심으로 하는 회전의 주파수는 약 500 rpm 내지 100,000 rpm, 약 1,000 rpm 내지 75,000 rpm 또는 약 10,000 rpm 내지 50,000 rpm일 수 있다.
장치의 절단 툴은 수동으로 변경될 수 있거나, 자동 툴 교환기에 의해 변경될 수 있다. 일부 경우에, 물체는 복수의 절단 툴을 사용하여 인쇄 프로세스의 속도를 높일 수 있다. 일부 경우에, 하나의 분말 베드에 대해 1개의 스핀들만 사용된다. 일부 경우에, 하나의 분말 베드에 복수의 스핀들이 사용된다. 일부 경우에, 물체는 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 또는 그 이상의 절단 툴(예를 들어, 스핀들)을 이용하여 인쇄 프로세스의 속도를 높일 수 있다. 도 33은 복수의 스핀들이 단일 분말 베드에 대해 사용되는 예를 나타낸다.
따라서, 자동 툴 교환기는 파라미터 세트 및/또는 원하는 인쇄된 물체의 사양에 기초하여 절단 툴을 자동으로 교환하도록 프로그램될 수 있다.
도 6a 내지 도 6d는 정렬된 절단 패스를 사용하여 큰 층 두께 및 큰 절단 두께를 갖는 적층 기술을 사용하여 3차원 물체를 형성하는 방법을 개략적으로 나타낸다. 도 6a의 물체를 형성하기 위해, 도 6b의 큰 층 두께(605)를 갖는 분말 재료의 다중층이 도포될 수 있다. 도 6c의 절단 두께(610)를 갖는 하나의 큰 절단 패스가 도 6d의 최종 부품 형성하기 위해 하나의 정렬된 절단 패스로 생성될 수 있다.
절단 전략이 본원에 설명되는 3차원 물체의 형성을 위해 개발될 수 있다.
절단 전략은 3차원 물체의 전체 슬라이스에 기초할 수 있다.
원하는 3D 물체가 도 12에 개략적으로 나타내어져 있다. 다중 슬라이스가 층을 형성하며, 여기서 물체의 층은 숫자로 라벨링된다. 슬라이스의 임의의 부분(또는 STL의 삼각형)의 경사가 하향인 경우, 전체 슬라이스는 "다운(DOWN)"으로 특성화될 수 있다. 마찬가지로, 슬라이스의 임의의 부분에서의 경사가 상향이고, 하향 부분이 없으면, 전체 슬라이스가 "업(UP)"으로 특성화될 수 있다. 전체 슬라이스의 경사가 수직인 경우, 슬라이스는 "2.5D"로 특성화될 수 있다. 수직으로 인접한 슬라이스, 피쳐 및/또는 표면이 모두 "UP" 및/또는 "2.5D"인 경우, 절단 순서가 최적화될 수 있다. 도 12의 예에서, 슬라이스 두께는 층 두께보다 훨씬 작다. 도 12에서, 각 층은 모든 슬라이스에 대해 "UP", "DOWN", "2.5D"의 지정으로 표현된다. 층(Layer) 1 후에 단일 절단 패스가 만들어지고, 층 2 이후에 단일 절단 패스가 만들어진다. 보다 세련된 경사를 얻기 위해 층 3에 대해 여러 번의 절단 패스가 만들어진다. 나머지 층에 대해 단일 절단 패스가 만들어진다.
3차원 물체를 절단할 때, 물체의 원하는 물리적 치수를 생성하기 위해 계단 스테핑을 최소화하는 것이 유리할 수 있다. 층 두께는 슬라이스 두께와 동일하게 선택될 수 있고, 모든 층이 펼쳐져 분사된 후에 층을 절단하는 단계가 발생할 수 있다. 대안적으로, 적층 효과가 문제가 되지 않는다면, 층 크기 및/또는 절단 두께는 속도를 최적화하기 위해 더 커질 수 있다.
도 14는 적층 기술을 사용하여 3차원 물체를 형성하는 복수의 가능성을 나타낸다. 영역(1415)이 수직 영역을 가지므로, 영역은 하나의 절단 패스를 사용하여 절단된다. 영역(1410)은 상향인 경사를 갖는다. 10개의 슬라이스로 표현되는 이러한 1410 영역은 각 층 다음에 절단된다. 영역(1405)은 하향인 경사를 갖는다. 하나의 슬라이스를 포함하는 이러한 1405 영역은 하나의 절단 패스로 절단된다. 층 두께는 원하는 3D 물체의 형상 및 물체가 형성되는 원하는 속도에 기초하여 변경 및 선택될 수 있다.
절단 전략은 3차원 물체의 피쳐에 기초할 수 있다.
피쳐는 3차원 물체의 기하학적 서브섹션일 수 있다. 피쳐는 주어진 층 내에서 루프(loop) 또는 루프들로 표현될 수 있다. STL 파일의 경우, 루프는 특정 평면과 그 평면에 걸친 모든 삼각형(또는 다각형)의 교차점을 설명할 수 있다. 도 15는 스테레오리소그래피(STL) 파일로서 삼각 디지털 모델을 나타낸다. 도 16은 도 15의 모델의 주어진 슬라이스에 대한 삼각 교차점을 나타낸다. 수직 기둥과 같은 수직 원통형 피쳐의 경우, 평면 교차점은 원이다. 도 17은 더 명확히 하기 위해 그 층에 대한 연관 루프를 나타낸다.
도 18은 도 15의 물체를 나타내며, 여기서 각 층은 "업", "다운" 또는 "2.5D"로 지정되고 라벨링된다. 층(1805 및 1810)은 "다운"으로 지정되는 반면, 나머지 층은 "업"으로 지정된다. 대안적으로, 도 15의 물체는 물체의 제조를 더욱 최적화하기 위해 다르게 지정될 수 있다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 주어진 슬라이스 또는 층은 다르게 식별될 수 있다. 예를 들어, 1905는 "다운"으로 라벨링될 수 있지만, 1910은 이제 "2.5D"로 지정될 수 있다. 이렇게 하면, 여러 층이 분사되고 확산될 때까지 1910의 기둥 피쳐의 절단을 지연하는 동안, 층(또는 슬라이스)의 나머지를 더욱 점진적으로 절단하는 것이 가능할 수 있다. 이러한 예 및 다른 예에서, 루프는 삼각형을 공유하는 경우 동일한 피쳐에 속하는 것으로 설명될 수 있다. 마찬가지로, 다른 슬라이스의 인접한 루프가 동일한 삼각형과 교차하는 경우, 동일한 피쳐를 공유할 수 있다.
절단 전략은 3차원 물체의 표면에 기초할 수 있다. 표면은 3차원 물체의 피쳐의 기하학적 서브-섹션일 수 있다. 주어진 슬라이스에 대해, 표면은 주어진 루프 내에서 단일 라인 세그먼트 또는 라인 세그먼트의 세트로 표현될 수 있다. 표면(2005)이 도 20에 나타내어진다. 표면의 분류는 절단 두께 및 순서 결정에 이용될 수 있다. 주어진 피쳐의 섹션은 다르게 분류될 수 있다(예를 들어, 일부 표면은 "2.5D"이고, 일부는 "다운"이다).
도 21은 절단 순서를 최적화하기 위해 원하는 물체의 표면을 분류하는 방식을 나타낸다. 슬라이스(2105)는 "다운"으로 분류되는 반면, 2110은 "2.5D"로 분류된다.
도 22a 내지 도 22c는 3차원 제품의 슬라이스 또는 층에 대한 하나의 접근법을 나타낸다. 주어진 CAD 모델에 대해, 모델(도 22a)은 도 22에 나타낸 규정된 두께로 슬라이싱될 수 있으며, 그 후 각 슬라이스는 층으로 트랜슬레이팅될 수 있다. 그 후, 각각의 층은 도 22c의 결과적인 물체의 생산을 위해 각 머신에서 한번에 하나씩 구축될 수 있다.
도 23a 내지 도 23c는 3차원 제품의 슬라이스 또는 층에 대한 대안적인 접근법을 나타낸다. 주어진 CAD 모델에 있어서, 모델(도 23a)은 도 23b에 나타낸 바와 같이, 규정된 두께로 슬라이싱될 수 있으며, 그 후, 각 슬라이스는 층으로 트랜슬레이팅될 수 있다. 그 후, 각 층은 생산을 위해 각 머신에서 한 번에 하나씩 구축될 수 있다. 모든 층은 도 23c의 결과적인 물체를 생성하기 위해 절단 툴(2305)로 단일 패스로 절단될 수 있으며, 도 22c의 물체와 비교할 때, 추가된 분해능을 갖는다. 층이 평면 밖으로 절단되어 수평 층에 대한 필요성을 제거한다. 3-축 또는 5-축 머신으로 복수의 층을 한 번에 절단하는 이러한 접근법은 계단 스텝핑에 대한 필요성을 제거할 수 있고, 결과적인 물체에서 층의 가시성을 제거할 수 있다.
절단 툴 또는 절단 비트는 적어도 약 1 ㎛, 10 ㎛, 100 ㎛, 250 ㎛, 500 ㎛, 750 ㎛ 또는 1000 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 일부 경우에, 절단 비트는 약 500 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 절단 툴 또는 절단 비트는 분말 재료의 폭 또는 특정 분할 라인 간격을 남길 수 있다.
절단 툴 또는 절단 비트는 적어도 약 1 mm/min, 10 mm/min, 100 mm/min, 200 mm/min, 300 mm/min, 400 mm/min, 500 mm/min, 600 mm/min, 700 mm/min, 800 mm/min, 900 mm/min, 1000 mm/min, 1250 mm/min, 1500 mm/min, 1750 mm/min 또는 2000 mm/min의 해치 절단 속도를 가질 수 있다.
분말 재료의 층의 경계가 절단되는 속도는 적어도 약 1 mm/min, 10 mm/min, 100 mm/min, 200 mm/min, 300 mm/min, 400 mm/min, 500 mm/min, 600 mm/min, 700 mm/min, 800 mm/min, 900 mm/min, 1000 mm/min, 1250 mm/min, 1500 mm/min, 1750 mm/min 또는 2000 mm/min일 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 포함하는 표면을 제공하는 단계; 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계; 용기 내의 분말 재료의 제1 층에 인접하여 분말 재료의 제2 층을 성막하는 단계; 분말 베드의 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계; 및 하나 이상의 절단 패스를 통해 분말 재료의 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위를 생성하는 단계를 포함하고, 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위는 3차원 물체의 모델 디자인에 따르는, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법을 제공한다.
3차원 물체를 형성하기 위한 방법으로서, 분말 재료를 포함하는 분말 베드를 포함하는 표면을 제공하는 단계; 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계; 용기 내의 분말 재료의 제1 층에 인접하여 분말 재료의 제2 층을 성막하는 단계; 분말 베드의 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계; 및 하나 이상의 절단 패스를 통해 분말 재료의 제1 층 및 제2 층의 하나 이상의 주위를 생성하는 단계를 포함하고, 제1 층의 주위는 3차원 물체의 제1 층의 모델 디자인에 의해 결정되지만 이와 동일하지는 않다. 일부 경우에, 분말 재료의 제1 층의 주위는 3차원 물체의 제1 층의 디자인으로부터 시프팅된 절반의 층이다.
분말 재료의 층에 도포되는 결합 물질은 분말 재료 내로 특정의 침투 깊이를 가질 수 있다. 일부 경우에, 결합 물질의 침투 깊이는 분말 재료의 층의 두께(또는 층 두께)와 거의 동일하다. 일부 경우에는, 결합 물질의 침투 깊이는 분말 재료의 층의 두께보다 작다. 일부 경우에, 결합 물질의 침투 깊이는 분말 재료의 층의 두께보다 크다. 이는, 분말 재료의 층들이 서로 접착하는 것을 보장할 수 있다.
절단 패스는 분말 재료의 제1 층 둘레에 주위를 생성하는 데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 절단 패스의 깊이(또는 절단 두께)는 분말 재료 내로의 결합 물질의 침투 깊이와 거의 동일할 수 있다. 일부 경우에, 절단 패스의 깊이는 분말 재료 내로의 결합 물질의 침투 깊이보다 작을 수 있다. 일부 경우에, 절단 패스의 깊이는 분말 재료 내로의 결합 물질의 침투 깊이보다 클 수 있다.
일부 경우에, 분말 재료의 층 둘레에 생성된 주위는 분말 베드에 수직일 수 있다. 일부 경우에, 분말 재료의 층 둘레에 생성된 주위는 분말 베드에 수직이 아니다. 주위는 다중-축(예를 들어, 5-축) 머신 툴로 생성될 수 있다. 다중-축 머신 툴은 분말 베드의 표면에 대해 약 0°, 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80°또는 90°의 각도로 분말 베드를 절단할 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은 분말 베드에 인접한 분말 재료의 제1 층을 형성하기 위해 분말 재료를 분배하고, 제1 층에 인접하게 분말 재료의 제2 층을 형성하기 위해 분말 재료를 분배하는 분발 분배기; 분말 베드; 및 분말 재료의 제1 층의 하나 이상의 주위를 생성하는 절단 툴을 포함하고, 제1 층의 주위는 3차원 물체의 제1 층의 모델 디자인에 의해 결정되지만 이와 동일하지는 않는, 3차원 물체를 형성하기 위한 시스템을 제공한다.
구속되지 않은 분말은 외부 저장소에 성막될 수 있다. 구속되지 않은 분말은 다른 3차원 물체의 형성과 같은 장래의 사용에 사용될 수 있다.
가이던스 시스템 또는 가이딩 벨트가 CNC 스핀들, 마스킹된 분사 시스템 또는 셋업의 다른 구성 요소를 가이드하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 가이던스 시스템은 벨트, 루프, 와이어, 트랙 또는 컴퓨터 시스템일 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 3차원 물체를 형성하기 위한 샘플 셋업을 개략적으로 나타낸다. 도 7a는 지지체 상에 존재하는 분말 베드(710)를 도시한다. 가이던스 시스템(705)은 분말 재료의 층에 절단을 만들기 위해 컴퓨터 수치 제어(CNC)(715) 스핀들을 가이드하는 데 사용될 수 있다. 도 7b는 셋업의 측면 프로파일이며, 여기서 CNC 스핀들(715)이 분말 재료의 층 내로 절단하기 위해 존재한다.
도 8은 본 발명의 3차원 물체의 형성에 사용될 수 있는 샘플 분사 시스템의 측면 프로파일 도면이다. 유압 분사 헤드(805) 및 커넥터(810)는 결합제의 미세 미스트가 분말 베드 상에 분사될 수 있게 하는 압력 포트(pot)에 접속된다. 분사 시스템의 다른 부분은 분사의 특정 영역만이 분말 재료를 통과하여 이와 접촉할 수 있게 하는 분사 마스크(815), 분사 시스템 클리닝 스테이션(820), 마스크 클리닝을 위한 진공 라인(825) 및 플륨 캡쳐를 위한 진공 라인(830)을 포함할 수 있다.
도 9a는 도 8의 샘플 분사 시스템의 저면도이다. 도 9b는 도 9의 샘플 분사 시스템의 단면도이다. 플륨 진공 오리피스(orifice)(905)가 시스템에 내장되고, 분사 저장소(910)가 분말 재료 상에 분사될 준비가 될 때까지 임의의 결합제 재료를 보유하고, 진공 클리닝 도킹(docking) 스테이션(915)이 분사 마스크와 분사 헤드를 포함하는 시스템에서 잉여의 큰 액적을 동시에 클리닝하는 데 사용될 수 있다.
도 10은 3차원 물체의 층을 경화시키는 데 사용될 수 있는 가열 시스템을 나타내며, 여기서 스프레더(1005)는 분말 재료를 분말 베드 상에 확산시키고, 카트리지 히터(1010)는 최근에 도포된 결합제를 경화시킨다. 다른 전력에서의 상이한 유형의 히터가 사용될 수 있다. 히터는 적어도 약 1 와트(W), 10 W, 100 W, 500 W, 1000 W, 2000 W, 3000 W, 4000 W, 5000 W, 6000 W, 7000 W, 8000 W, 9000 W 또는 그 이상의 전력 레벨을 가질 수 있다.
도 26은 개략적인 초음파 미스트 생성기 시스템(2635)을 나타낸다. 적어도 하나의 초음파 변환기는 결합제 탱크(2610)에 포함된 결합제 유체의 표면 아래에 특정 거리로 잠긴다. 결합제 충전 저장소(2620)는 시스템 위에 있다. 유체의 높이 또는 레벨은 플로트(float) 밸브(2615 및 2630)로 제어될 수 있으며, 레벨은 결합제 탱크 위의 충진 저장소로 유지된다. 변환기에 전원이 공급되면 작은 액적이 생성된다. 팬(2625)은 분사 출구(2605)로의 액적의 흐름을 조절하기 위해 PWM에 의해 제어된다. 시스템(2635)의 출구 호스는 주름진 튜빙 또는 평활한 보어(bore)일 수 있다.
결합 물질 도포기는 분사 출구 또는 분사 헤드 모듈일 수 있다. 분사 출구 또는 분사 헤드 모듈은 다수의 상이한 형상일 수 있다. 분사 출구는 원형, 타원형, 직사각형, 직사각형, 삼각형 또는 다른 형상을 가질 수 있다. 분사 출구의 형상은 결과적인 3차원 물체의 원하는 치수 및 구조에 기초하여 변할 수 있다. 분사 출구는 분말 탱크의 폭에 걸쳐 있을 수 있다. 대안적으로, 분사 출구는 분말 탱크의 폭 또는 길이보다 작을 수 있다. 분사 출구 또는 분사 헤드 모듈은 적어도 약 1 밀리미터(mm), 2 mm, 5 mm, 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm, 60 mm, 70 mm, 80 mm, 90 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm, 400 mm, 500 mm, 600 mm, 700 mm, 800 mm, 900 mm, 1000 mm 또는 그 이상의 치수를 가질 수 있다. 장치는 다수의 분사 출구 또는 분사 헤드 모듈을 가질 수 있다. 장치는 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 또는 그 이상의 분사 출구를 가질 수 있다.
분사 출구 또는 분사 헤드 모듈은 분말 재료의 층에 대해 각도를 갖고 틸팅(tilting)될 수 있다. 분사 출구는 분말 재료의 층 바로 위에 있을 수 있거나(예를 들어, 분말 재료의 층에 대해 0°의 각도로), 분사 출구는 분말 재료의 층에 대해 적어도 약 1°, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°, 7°, 8°, 9°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 50°, 60°, 70°, 80° 또는 그 이상의 각도에 있을 수 있다.
도 27a 및 도 27b는 분말 베드 상의 분말 재료의 층을 향하여 결합 재료를 향하게 할 때 사용될 수 있는 2개 잠재적인 분사 패턴을 나타낸다. 도 27a는 하나의 잠재적인 분사 패턴 시스템을 나타낸다. 도 26의 출구(2605)와 같은 원형 분사 출구는 원형일 수 있다. 분사의 방향은 y 방향이다. 원형 분사 출구는 2705에서 분말 재료의 층을 향해 결합 재료를 향하게 한다. 2710에서 결합 재료가 기둥의 분말 재료를 통해 침투하며, 여기서 기둥의 측면과 비교할 때 더 많은 결합 재료가 기둥 중간에 존재한다. 이 효과는 바람직할 수 있다.
도 27b는 다른 잠재적 분사 패턴 시스템을 나타낸다. 직사각형 분사 출구가 사용될 수 있으며, 여기서 결합 재료는 2720에서 분말 재료의 층을 향한다. 분사의 방향은 y 방향이다. 결합 재료는 2725에서 기둥의 분말 재료에 직접 균등하게 분포되며, 여기서 결합 재료는 편평한 기둥에서 분말 재료를 통해 침투한다. 이 효과가 바람직할 수 있다.
진공이 본 발명의 장치에 존재할 수 있다. 진공은 마스크를 빠져나가는 모든 잉여 분사 플럼(plum)을 포획할 수 있다. 진공은 잉여 플륨이 벗어나서 장치의 다른 부품 위에 침전되는 것을 방지할 수 있다. 잉여 결합 재료의 원하지 않는 침전은 원하지 않는 결과를 초래할 수 있다. 진공은 결합 재료의 분사의 흐름, 속도 및 균일성을 지시하는 것을 도울 수 있다. 진공은 분말 재료층 위에 와류를 생성할 수 있다.
진공은 분사 마스크를 빠져나올 때 결합 물질 분사의 방향 및 속도를 제어할 수 있다. 진공 강도는 다양할 수 있다. 진공 강도는 최대 약 759 torr, 750 torr, 700 torr, 650 torr, 600 torr, 550 torr, 500 torr, 450 torr, 400 torr, 350 torr, 300 torr, 250 torr, 200 torr, 100 torr, 50 torr, 1 torr 또는 그 이하일 수 있다.
진공 마스크 또는 진공 오리피스의 형상은 다수의 상이한 형상일 수 있다. 진공 마스크는 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형 또는 다른 형상을 가질 수 있다. 진공은 분말 베드로부터 특정 거리에 고정될 수 있거나, 3차원 물체를 합성하는 과정에서 변할 수 있다. 진공은 분말 베드로부터 적어도 약 1 mm, 2 mm, 5 mm, 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm, 60 mm, 70 mm, 80 mm, 90 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm, 400 mm, 500 mm, 600 mm, 700 mm, 800 mm, 900 mm, 1000 mm 또는 그 이상일 수 있다. 일부 경우에, 난류가 발생할 수 있으며, 분말 베드로부터 진공의 거리에 따를 수 있다. 결합제 분사의 와류가 존재할 수 있으며, 분말 베드로부터의 진공의 거리에 따를 수 있다. 결합제 분사의 와류는 결합제 도포를 위해 유리할 수 있으며, 도포 속도를 증가시킬 수 있다. 스로틀 밸브를 사용하여 진공력이 또한 변할 수 있다. 진공 라인을 개방하고 전체 흡입 영역을 감싸지 않음으로써 진공력이 또한 변할 수 있다.
도 28은 바로 뒤에 진공을 갖는 장치(분사 마스크)를 나타낸다. 이 도면에서, 분사 플륨은 분사 마스크(2810)를 빠져나가서, 2815에서 분말과 접촉하여 y의 양의 방향으로 이동할 것이다. 진공 마스크(2805)가 온(on)되면, 결합 재료 플륨은 진공으로 견인될 때까지 분말 표면을 따라 진공 방향(y의 음의 방향)으로 이동할 수 있다.
도 29는 진공 지원 분사를 갖는 분사 모듈을 나타낸다. 직사각형에서 원형으로의 분사 어댑터(2925)가 결합제 탱크로부터 나온다. 직사각형에서 원형으로의 진공 어댑터(2905)는 진공 튜브에 접속된다. 화살표는 초기에 어댑터(2925)를 통해 결합제 탱크로부터, 그리고 진공을 향해 진공 어댑터(2905)를 통해 최종적으로 밖으로 빠져나가는 플륨 분사의 방향을 나타낸다. 기둥(2930, 2935 및 2910)은 분사와 진공 사이의 Y 및 Z 간격을 제어하는 하나의 방법이다. 연장된 길이가 새로운 단면에 걸쳐 균일한 분사 플륨 분포를 생성하는 데 사용될 수 있다. 분사 마스크(2940) 및 분사 마스크 출구(2945)가 잉여 플륨이 X 방향으로 빠져나가는 것을 방지하고, 또한 분사를 분말 베드 상으로 지향시키는 데 사용된다. 벽(2920)은 잉여 플륨이 양의 Y 방향으로 전방으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 경사진 분사 출구는 분사를 진공 방향으로 향하는 것을 도울 수 있다. 의도적인 공간(2915)이 진공력을 포함하는 진공 프로파일을 변경시키기 위해 남겨진다.
결합제 탱크 또는 분사 출구로부터 분사 마스크 출구로 균일한 분사 재료 이동을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 도 30은 균일한 흐름이 달성될 수 있는 하나의 방법을 나타낸다. 단면(3005)은 고르게 분포된 흐름을 보장하는 데 사용될 수 있는 벌집 구조 경로를 갖는 것으로 나타내어진다. 기둥(2910) 내의 구조는 원형, 정사각형, 직사각형, 오각형 또는 벌집 형상과 같은 육각형 튜브로 이루어질 수 있다. 기둥 내의 구조는 기둥 부피의 적어도 약 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 100%를 차지할 수 있다.
기둥(2910)의 길이는 분사 출구로부터 분사 마스크로 확산하는 플륨 시간 및 거리를 제공하는 데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 결합제 탱크와 분사 마스크 사이의 기둥의 길이는 적어도 약 1 밀리미터(mm), 2 mm, 5 mm, 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm, 60 mm, 70 mm, 80 mm, 90 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm, 400 mm, 500 mm, 600 mm, 700 mm, 800 mm, 900 mm, 1000 mm 또는 그 이상일 수 있다.
미스트 생성 시스템(예를 들어, 초음파 미스트 생성기 시스템)의 출구 호스는 적어도 약 1 mm, 2 mm, 5 mm, 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm 60 mm, 70 mm, 80 mm, 90 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm, 400 mm, 500 mm, 600 mm, 700 mm, 800 mm, 900 mm, 1000 mm 또는 그 이상의 직경을 가질 수 있다.
미스트 생성기 시스템(예를 들어, 초음파 미스트 생성기 시스템)의 팬은 적어도 약 1 밀리미터(mm), 2 mm, 5 mm, 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm, 60 mm, 70 mm, 80 mm, 90 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm, 400 mm, 500 mm, 600 mm, 700 mm, 800 mm, 900 mm, 1000 mm 또는 그 이상의 직경을 가질 수 있다.
미스트 생성기 시스템(예를 들어, 초음파 미스트 생성기 시스템)의 팬 내의 공기 흐름 속도는 변할 수 있다. 공기 흐름 속도는 적어도 약 0.01 초 당 입방 미터(m3/s), 0.1 m3/s, 1 m3/s, 2 m3/s, 3 m3/s, 4 m3/s, 5 m3/s, 6 m3/s, 7 m3/s, 8 m3/s, 9 m3/s, 10 m3/s, 15 m3/s, 20 m3/s, 30 m3/s, 40 m3/s, 50 m3/s, 60 m3/s, 70 m3/s, 80 m3/s, 90 m3/s, 100 m3/s 또는 그 이상일 수 있다.
미스트 생성기 시스템(예를 들어, 초음파 미스트 생성기 시스템)에 전력을 공급하는 데 필요한 전력의 양은 적어도 약 1 와트(W), 2 W, 3 W, 4 W, 5 W, 10 W, 25 W, 50 W, 75 W, 100 W, 200 W, 300 W, 400 W, 500 W, 600 W, 700 W, 800 W, 900 W, 1 킬로와트(kW), 2 kW, 3 kW, 4 kW, 5 kW, 6 kW, 7 kW, 8 kW, 9 kW, 10 kW, 20 kW, 30 kW, 40 kW, 50 kW, 60 kW, 70 kW, 80 kW, 90 kW, 100 kW 또는 그 이상일 수 있다. 변환기는 미스트 생성기 시스템 내에서 에너지를 하나의 형태에서 다른 형태로 변환시키는 데 사용될 수 있다.
도 11은 3차원 물체의 형성을 위해, 또한 3차원 물체의 형성 동안 잉여 재료의 제거를 위해 사용될 수 있는 절단 시스템 또는 시스템 셋업을 나타낸다. 압력 포트(1115)는 시스템의 압력을 제어하는 제어 밸브(1120)에 접속된다. 제어 밸브(1120)는 분말 베드 또는 분말 재료를 결합제와 함께 분사하는 마스킹된 분사 시스템(1125)에 접속된다. 플륨 진공 라인(1105)은 분사 프로세스에서 이용되지 않는 잉여 결합제를 제거한다. CNC 스핀들(1110)은 층 또는 재료 또는 3차원 물체의 절단 및 형성 동안 임의의 잉여 재료를 제거하는 데 사용된다.
일부 경우에, 특정 개수의 분말 재료의 층이 도포되고 경화된 후, 분말 베드를 포함하는 용기 또는 박스는 경화를 위해 오븐과 같은 가열된 환경에 놓일 수 있다. 용기 또는 박스는 적어도 약 25 ℃, 30 ℃, 40 ℃, 50 ℃, 60 ℃, 70 ℃, 80 ℃, 90 ℃, 100 ℃, 110 ℃, 120 ℃ 130 ℃, 140 ℃, 150 ℃, 160 ℃, 170 ℃, 180 ℃, 190 ℃, 200 ℃, 300 ℃, 400 ℃, 500 ℃, 600 ℃, 700 ℃, 800 ℃, 900 ℃, 1000 ℃, 또는 그 이상의 온도로 가열될 수 있다.
용기 또는 박스는 적어도 약 1 분, 2 분, 3 분, 4 분, 5분, 6 분, 7 분, 8 분, 9 분, 10 분, 30 분, 1 시간, 2 시간, 5 시간, 10 시간, 20 시간, 30 시간, 40 시간, 50 시간, 100 시간 또는 그 이상의 기간 동안 가열될 수 있다.
물체를 제조할 때 상이한 가열 요소가 사용될 수 있다. 석영 튜브 가열 요소가 사용될 수 있다. 일부 경우에, 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 또는 그 이상의 석영 튜브 가열 요소가 물체의 형성 중에 사용된다. 더 많은 수의 가열 요소가 경화 과정의 속도를 높일 수 있다. 석영 튜브 가열 요소는 적어도 약 100 와트(W), 200 W, 300 W, 400 W, 500 W, 600 W, 700 W, 800 W, 900 W, 1000 W, 1500 W, 1800 W, 2000 W, 3000 W, 4000 W, 5000 W 또는 그 이상의 전력을 가질 수 있다.
경화 후에 용기 또는 박스 내의 수분량이 감소할 수 있다. 용기 또는 박스 내의 수분량은 약 100,000 ppm, 10,000 ppm, 1000 ppm, 500 ppm, 400 ppm, 200 ppm, 100 ppm, 50 ppm, 10 ppm, 5 ppm 또는 1 ppm 미만일 수 있다.
3차원 물체의 각각의 단면이 적층되고 경화된 후에, 전체 3차원 물체가 두 번째로 경화될 수 있다. 물체는 제2 용기 또는 박스에 놓여질 수 있고, 용기 또는 박스는 산화 알루미늄 그릿(grit)과 같은 더 큰 또는 세라믹 그릿으로 충진될 수 있다. 큰 세라믹 그릿은 적어도 약 4, 6, 8, 12, 16, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 100, 140, 200, 230, 270, 325, 400, 625, 1250 또는 2500의 메쉬 크기를 가질 수 있다.
금속 분말을 3차원 물체에 주입하기 위해 제2 용기 또는 박스에 금속 분말이 추가될 수 있다.
제2 용기 또는 박스는 적어도 약 1 분, 2 분, 3 분, 4 분, 5 분, 6 분, 7 분, 8 분, 9 분, 10 분, 30 분, 1 시간, 2 시간, 5 시간, 10 시간, 20 시간, 30 시간, 40 시간, 50 시간, 100 시간 또는 그 이상의 기간 동안, 적어도 25 ℃, 30 ℃, 40 ℃, 50 ℃, 60 ℃, 70 ℃, 80 ℃, 90 ℃, 100 ℃, 110 ℃, 120 ℃, 130 ℃, 140 ℃, 150 ℃, 160 ℃, 170 ℃, 180 ℃, 190 ℃, 200 ℃, 300 ℃, 400 ℃, 500 ℃, 600 ℃, 700 ℃, 800 ℃, 900 ℃, 1000℃ 또는 그 이상의 온도로 가열될 수 있다.
3차원 물체는 0.025, 005, 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2, 6.3, 12.5, 25 또는 50 마이크로미터의 평균 조도(roughness average: Ra)를 가질 수 있다. 3차원 물체는 N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7, N8, N9, N10, N11 또는 N12 등급의 조도(N)를 가질 수 있다. 3차원 물체는 적어도 약 1 그램/입방 센티미터(g/cm3), 2 g/cm3, 3 g/cm3, 4 g/cm3, 5 g/cm3, 6 g/cm3, 7 g/cm3, 8 g/cm3, 9 g/cm3, 10 g/cm3, 15 g/cm3, 20 g/cm3 또는 그 이상의 밀도를 가질 수 있다. 3차원 물체는 적어도 약 7 g/cm3의 밀도를 가질 수 있다.
일부 경우에, 본원에 설명되는 방법은 완전히 자동화된 프로세스일 수 있다. 일부 경우에, 본원에 설명되는 방법은 완전히 자동화된 프로세스가 아닐 수 있고, 작업자를 필요로 할 수 있다.
본 발명의 방법, 장치 및 시스템은 다양한 용도 및 어플리케이션에 사용될 수 있는 3차원 물체를 형성하는 데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 용도 및 어플리케이션은 머신, 머신의 부품, 자동차 부품, 임플란트, 경조직, 연조직, 패션 아이템, 의류, 보석류, 가정용 장식품, 전자 제품 또는 전기 부품을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
컴퓨터가 분말 베드의 이동, 분말 재료 도포기의 이동, 결합 재료 도포기의 이동, 절단 유닛, 가열 유닛 및 레이저 유닛에 한정되지 않지만 이를 포함하는, 예를 들어 3차원 물체를 생성하는 방법과 같은 본 발명의 방법의 다양한 양태를 조절 및 제어하는 데 사용될 수 있다.
컴퓨터는 컴퓨터 수치 제어에 기초하여 툴 경로를 생성하기 위한 머신 명령어를 포함할 수 있다. 컴퓨터는 컴퓨터 보조 설계(CAD) 소프트웨어로 생성된 디자인을 숫자로 변환할 수 있다. 이 숫자는 분사, 절단, 가열 및 다른 모든 전자 기계 기능과 관련하여 프린터의 이동을 제어할 수 있다.
컴퓨터는 통계적 스케일링에 기초하여 기하학적 보상을 수행하기 위한 머신 명령어를 포함할 수 있다. 컴퓨터는 소결 수축을 보상하기 위해 CAD 소프트웨어로 생성된 원래의 설계를 스케일링할 수 있다. 컴퓨터는 유전자 학습 알고리즘과 같은 머신 학습 알고리즘을 사용할 수 있다. 이는 적절한 보상을 결정하기 위한 여러 시도를 포함할 수 있다.
툴 경로 생성에서, 입력은 3D 인쇄를 위한 표준 파일인 스테레오리소그래피(STL) 파일일 수 있다. 일부 경우에, 파일은 삼각 메쉬의 데이터를 포함할 수 있다. 툴 패스 생성의 출력은 CNC 머신에 대한 제어 언어인 GCode 포맷의 파일일 수 있다. GCode는 기계가 원하는 속도로 다양한 지점으로 이동하고, 스핀들 속도를 제어하고 다양한 프린터 기능(분사, 가열 등)을 온 및 오프시키도록 지시하는 방식일 수 있다. 툴 경로 생성을 위한 파라미터의 예는 툴 크기(예를 들어, 절단 비트의 직경), X 스케일 팩터(예를 들어, X-방향의 부분 스케일링), Y 스케일 팩터(예를 들어, Y-방향의 부분 스케일링), Z 스케일 팩터(예를 들어, Z-방향 부분 스케일링), 층 두께, 침투 깊이(예를 들어, 분사된 결합제가 Z-방향으로 침투하는 거리), 이형 라인 간격(예를 들어, 이형 라인 간격은 이형 라인에 대한 수평 및 수직 그리드 간격을 설명함), 해치 간격(예를 들어, 층을 해칭할 때의 툴 경로 오프셋을 설명함), 해치 절단 속도(예를 들어, 층 내에 해칭된 컷을 만드는 동안 스핀들이 이동하는 XY 속도), 경계 절단 속도(예를 들어, 경계 컷을 만드는 동안 스핀들이 이동하는 XY 속도), 이동 속도(예를 들어, 절단하지 않을 때 스핀들이 이동하는 속도), 층 당 컷의 수(예를 들어, 전체 "침투 깊이"를 통해 절단하기 위해 절단 툴이 만드는 패스의 수, 예를 들어, 150 ㎛의 3 절단 깊이는 전체 450 ㎛을 포함할 수 있음), 각 컷의 깊이(예를 들어, "층 당 컷의 수"를 고려하여 만들어진 각 컷의 깊이), GCode의 해상도(예를 들어, GCode에서 주어진 층에 대한 포인트 간 거리) 및 제1 층 두께를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
일부 구현은 침투 깊이가 층 두께보다 큰 것으로 고려할 수 있다. 후속 층은 서로 붙어 있을 수 있다. 그러나, 이는 과도-침투가 이전 층을 손상시킬 수 있다는 점에서 문제를 만들 수 있다. XY 평면에 있는 동안, 본원에 설명되는 기술은 에지를 정밀하게 규정하기 위해 "미세 패스"를 만들 수 있다. 또한, 각 층에 대한 부분의 윤곽을 절단하는 것을 고려하면, 부분을 주변으로부터 물리적으로 분리할 방법이 없을 수 있다. 본원에 설명되는 기술은 층 시프팅을 통해 툴 경로를 생성하는 근본적으로 새로운 방법을 채용할 수 있다. 단계 1: 층에 대한 총 절단 깊이는 층 두께가 아닌 침투 깊이와 같을 수 있다. 단계 2: 제1 층 높이는 침투 깊이의 높이일 수 있다. 단계 3: 현재 층을 절단할 때 이전 층과 다음 층의 형상과 크기가 고려될 수 있다. 현재 절단 경로는 이전 절단 경로와 다음 절단 경로와 중첩될 수 있다. 컷이 이전 층 형상 영역에 생성되어 효과적으로 모든 층을 층의 반만큼 아래로 시프팅시킬 수 있다. 단계 4: 최종 층 툴 경로가 윤곽선의 전체 영역을 덮을 수 있다.
일부 구현은 다음의 알고리즘을 채용할 수 있다. 주어진 현재 층에 대한 절단 영역(ACA)은 ACA = ABO + AN-0 + AP-0로 컴퓨팅될 수 있으며, 여기서 ABO(경계 오프셋 영역(Boundary Offset Area))는 다음과 같은 부울 감산을 설명한다. ABO = AOff - AO; AOff는 포함된 툴 오프셋으로 현재 층의 영역을 나타내고 AO는 원래의 현재 층 영역을 나타내고; AN-0는 다음의 부울 감산을 설명한다: AN-C = AN - A0; AN은 다음 층의 영역을 설명하고; AP-0는 다음의 부울 감산을 설명한다: AP-0 = AP - A0; 여기서, AP는 이전 층의 영역을 설명한다. 이 알고리즘은 하나 이상의 컴퓨터 프로세서에 의해 실행되는 머신-실행 가능 코드에 의해 구현될 수 있다.
컴퓨터 제어 시스템
본 발명은 본 발명의 방법을 구현하도록 프로그램된 컴퓨터 제어 시스템을 제공한다. 도 32는 3차원 물체를 생성하도록 프로그램되거나 달리 구성되는 컴퓨터 제어 시스템(3201)을 나타낸다. 컴퓨터 제어 시스템(3201)은 예를 들어, 분말 베드의 이동, 분말 재료 도포기의 이동, 결합 물질 도포기의 이동, 절단 툴 및 가열 툴에 한정되지 않지만 이를 포함하는 3차원 물체를 생성하는 방법과 같은 본 발명의 방법의 다양한 양태를 조절할 수 있다. 컴퓨터 제어 시스템(3201)은 전자 디바이스에 대해 원격으로 위치된 사용자의 전자 디바이스 또는 컴퓨터 시스템 상에 구현될 수 있다. 전자 디바이스는 모바일 전자 디바이스일 수 있다.
컴퓨터 시스템(3201)은 단일 코어 또는 멀티 코어 프로세서, 또는 병렬 프로세싱을 위한 복수의 프로세서일 수 있는 중앙 처리 장치(CPU, 또한 본원에서 "프로세서" 및 "컴퓨터 프로세서")(3205)를 포함한다. 컴퓨터 제어 시스템(3201)은 또한 메모리 또는 메모리 위치(3210)(예를 들어, 랜덤 액세스 메모리, 판독 전용 메모리, 플래시 메모리), 전자 저장 유닛(3215)(예를 들어, 하드 디스크), 하나 이상의 다른 시스템과 통신하기 위한 통신 인터페이스(3220)(예를 들어, 네트워크 어댑터) 및 캐시, 다른 메모리, 데이터 저장 및/또는 전자 디스플레이 어댑터와 같은 주변 디바이스(3225)를 포함한다. 메모리(3210), 저장 유닛(3215), 인터페이스(3220) 및 주변 디바이스(3225)는 마더보드와 같은 통신 버스(실선)를 통해 CPU(3205)와 통신한다. 저장 유닛(3215)은 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장 유닛(또는 데이터 저장소)일 수 있다. 컴퓨터 제어 시스템(3201)은 통신 인터페이스(3220)의 도움으로 컴퓨터 네트워크("네트워크")(3230)에 동작 가능하게 커플링될 수 있다. 네트워크(3230)는 인터넷(Internet), 인터넷(internet) 및/또는 엑스트라넷, 또는 인터넷과 통신하는 인트라넷 및/또는 엑스트라넷일 수 있다. 일부 경우에 네트워크(3230)는 원격 통신 및/또는 데이터 네트워크이다. 네트워크(3230)는 클라우드 컴퓨팅과 같은 분산 컴퓨팅을 가능하게 할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 서버를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 컴퓨터 시스템(3201)의 도움으로 네트워크(3230)는 피어-투-피어 네트워크를 구현할 수 있으며, 이는 컴퓨터 시스템(3201)에 커플링된 디바이스가 클라이언트 또는 서버로서 거동할 수 있게 한다.
CPU(3205)는 프로그램 또는 소프트웨어로 구현될 수 있는 머신 판독 가능 명령어의 시퀀스를 실행할 수 있다. 명령어는 메모리(3210)와 같은 메모리 위치에 저장될 수 있다. 명령어는 CPU(3205)로 향할 수 있으며, 이는 CPU(3205)가 본 발명의 방법을 구현하도록 후속적으로 프로그램하거나 달리 구성할 수 있다. CPU(3205)에 의해 수행되는 동작의 예는 페치(fetch), 디코드, 실행 및 라이트백(writeback)을 포함할 수 있다.
CPU(3205)는 집적 회로와 같은 회로의 일부일 수 있다. 시스템(3201)의 하나 이상의 다른 구성 요소가 회로에 포함될 수 있다. 일부 경우에, 회로는 어플리케이션 특정 집적 회로(ASIC)이다.
저장 유닛(3215)은 드라이버, 라이브러리 및 저장된 프로그램과 같은 파일을 저장할 수 있다. 저장 유닛(3215)은 예를 들어, 사용자 선호도 및 사용자 프로그램과 같은 사용자 데이터를 저장할 수 있다. 컴퓨터 시스템(3201)은 인트라넷 또는 인터넷을 통해 컴퓨터 시스템(3201)과 통신하는 원격 서버 상에 위치하는 것과 같이 컴퓨터 시스템(3201)의 외부에 있는 하나 이상의 추가 데이터 저장 유닛을 포함할 수 있다.
컴퓨터 시스템(3201)은 네트워크(3230)를 통해 하나 이상의 원격 컴퓨터 시스템과 통신할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템(3201)은 사용자(예를 들어, 3차원 물체의 제조를 제어하는 사용자)의 원격 컴퓨터 시스템과 통신할 수 있다. 원격 컴퓨터 시스템의 예는 개인용 컴퓨터(예를 들어, 휴대용 PC), 슬레이트 또는 태블릿 PC(예를 들어, Apple®iPad, Samsung®Galaxy Tab), 전화기, 스마트 폰(예를 들어, Apple®iPhone, Android-가능 디바이스, Blackberry®) 또는 개인용 정보 단말기를 포함한다. 사용자는 네트워크(3230)를 통해 컴퓨터 시스템(3201)에 액세스할 수 있다.
본원에 설명되는 방법은 예를 들어, 메모리(3210) 또는 전자 저장 유닛(3215)과 같은 컴퓨터 시스템(3201)의 전자 저장 위치 상에 저장된 머신(예를 들어, 컴퓨터 프로세서) 실행 가능 코드에 의해 구현될 수 있다. 머신 실행 가능 또는 머신 판독 가능 코드는 소프트웨어의 형태로 제공될 수 있다. 사용 중에, 코드는 프로세서(3205)에 의해 실행될 수 있다. 일부 경우에, 코드는 저장 유닛(3215)으로부터 검색될 수 있고 프로세서(3205)에 의한 액세스 준비를 위해 메모리(3210)에 저장될 수 있다. 일부 상황에서, 전자 저장 유닛(3215)이 배제될 수 있고, 머신-실행 가능 명령어는 메모리(3210)에 저장된다.
코드는 코드를 실행하도록 적응된 프로세서를 갖는 머신과 함께 사용하기 위해 사전-컴파일되고 구성될 수 있거나, 런타임 중에 컴파일될 수 있다. 코드는 사전-컴파일 또는 컴파일된 방식으로 코드를 실행할 수 있도록 선택될 수 있는 프로그래밍 언어로 제공될 수 있다.
컴퓨터 시스템(3201)과 같은, 본원에 제공되는 시스템 및 방법의 양태는 프로그래밍으로 구현될 수 있다. 기술의 다양한 양태는 통상적으로 머신(또는 프로세서) 실행 가능 코드 및/또는 머신 판독 가능 매체의 유형으로 반송되거나 구현되는 관련 데이터의 유형의 "제품" 또는 "제조품"으로 생각될 수 있다. 머신-실행 가능 코드는 메모리(예를 들어, 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 플래시 메모리) 또는 하드 디스크와 같은 전자 저장 유닛 상에 저장될 수 있다. "저장" 유형의 매체는 컴퓨터, 프로세서 등과 같은 유형의 메모리 또는 소프트웨어 프로그래밍에 대해 임의의 시간에 비일시적 저장을 제공할 수 있는 다양한 반도체 메모리, 테이프 드라이브, 디스크 드라이브 등과 같은 관련 모듈 중 임의의 것 또는 전부를 포함할 수 있다. 소프트웨어의 전체 또는 일부는 때때로 인터넷 또는 다양한 다른 원격 통신 네트워크를 통해 전달될 수 있다. 예를 들어, 이러한 통신은 예를 들어, 관리 서버 또는 호스트 컴퓨터로부터 어플리케이션 서버의 컴퓨터 플랫폼으로, 하나의 컴퓨터 또는 프로세서로부터 다른 컴퓨터 또는 프로세서로 소프트웨어의 로딩을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 소프트웨어 요소를 지닐 수 있는 다른 유형의 매체는 유선 및 광학 지상 라인 네트워크 및 다양한 무선 링크를 통해 로컬 디바이스 간의 물리적 인터페이스에 걸쳐 사용되는 것과 같은 광, 전기 및 전자기파를 포함한다. 유선 또는 무선 링크, 광 링크 등과 같은 파를 반송하는 물리적 요소 또한 소프트웨어를 지니는 매체로서 고려될 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 비일시적, 유형의 "저장 매체"에 한정되지 않는 한, 컴퓨터 또는 머신 "판독 가능 매체"와 같은 용어는 실행을 위해 프로세서에 명령어를 제공하는 데 참여하는 임의의 매체를 지칭한다.
따라서, 컴퓨터 실행 가능 코드와 같은 머신 판독 가능 매체는 유형의 저장 매체, 반송파 매체 또는 물리적 송신 매체를 포함하지만 이에 한정되지 않는 많은 형태를 취할 수 있다. 비휘발성 저장 매체는 예를 들어, 도면에 나타낸 데이터베이스 등을 구현하는 데 사용될 수 있는 것과 같은 임의의 컴퓨터(들) 등의 저장 장치 중 임의의 것과 같은 광학 또는 자기 디스크를 포함한다. 휘발성 저장 매체는 그러한 컴퓨터 플랫폼의 메인 메모리와 같은 동적 메모리를 포함한다. 유형의 송신 매체는 동축 케이블; 컴퓨터 시스템 내의 버스를 포함하는 와이어를 포함하는 구리 와이어 및 광섬유를 포함한다. 반송파 송신 매체는 전기 또는 전자기 신호 또는 무선 주파수(RF) 및 적외선(IR) 데이터 통신 중에 생성되는 것과 같은 음파 또는 광파의 형태를 취할 수 있다. 따라서, 컴퓨터 판독 가능 매체의 통상적인 형태는 예를 들어, 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 임의의 다른 자기 매체, CD-ROM, DVD 또는 DVD-ROM, 임의의 다른 광학 매체, 펀치 카드 페이퍼 테이프, 홀 패턴을 갖는 임의의 다른 물리적 저장 매체, RAM, ROM, PROM 및 EPROM, FLASH-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 반송파 운송 데이터 또는 명령어, 이러한 반송파를 운송하는 케이블 또는 링크, 또는 컴퓨터가 프로그래밍 코드 및/또는 데이터를 판독할 수 있는 임의의 다른 매체를 포함한다. 이러한 형태의 많은 컴퓨터 판독 가능 매체는 실행을 위해 프로세서에 하나 이상의 명령어의 하나 이상의 시퀀스를 전달하는 것과 관련될 수 있다.
컴퓨터 시스템(3201)은 예를 들어, 3차원 물체를 생성하기 위한 파라미터를 제공하기 위한 사용자 인터페이스(UI)(3240)를 포함하는 전자 디스플레이(3235)를 포함할 수 있거나 이와 통신할 수 있다. UI의 예는 제한 없이 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 및 웹-기반 사용자 인터페이스를 포함한다.
예
예 1
대기 온도 및 압력에서 1 m × 1 m 빌드 박스 용기에서, 스테린레스 강 합금 분말 재료의, 구형의 325 메쉬의 층이 용기에 성막되어, 분말 베드를 형성한다. 스테인레스 강 레벨러는 분말 재료의 층을 통과하여 분말 재료의 편평한 표면을 보장한다. 레벨링 후, 경화되지 않은 분말 재료는 100 마이크로미터의 적층 두께를 갖는다.
구매된 폴리우레탄은 초음파 네뷸라이저를 통해 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 도포된다. 레이저가 분말 베드 위로 통과되어 제1 영역의 제1 서브섹션을 가열 및 경화시킨다. 서브섹션은 제1 영역의 50%를 차지한다. 서브섹션은 3차원 물체의 모델 디자인의 대응하는 단면에 따른다.
분말 재료의 다른 층이 다음에 도포되고 평탄화된다. 폴리우레탄의 제2 층이 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 도포된다. 레이저가 분말 베드 위로 다시 한번 통과하여 제2 영역의 제2 서브섹션을 경화시킨다. 제2 서브섹션은 제2 영역의 50%를 차지한다. 제2 서브섹션은 3차원 물체의 모델 디자인의 대응하는 제2 단면에 따른다.
층의 수가 모델 디자인의 단면의 수와 동일해질 때까지, 분말 재료의 층이 후속적으로 도포하고, 평탄화, 및 경화된다.
빌드 박스가 600 ℃의 온도에서 60 분 동안 아르곤 대기 하에서 오븐에 놓여진다. 냉각 후, 구속되지 않은 분말 재료는 그 후 진공을 통해 3차원 물체로부터 제거된다. 3차원 물체가 다른 빌드 박스에 놓여지고, 산화 알루미늄 그릿으로 충진하고, 1200 ℃의 온도에서 60 분 동안 오븐에 두었다.
냉각 후, 3차원 물체는 최종 제품으로서 빌드 박스로부터 제거된다.
예 2
대기 온도 및 압력에서 0.5 m × 0.5 m × 0.5 m의 빌드 박스 용기에서, 청동 분말 재료의, 구형의 325 메쉬의 층이 용기에 성막되어 분말 베드를 형성한다. 스테인레스 강 레벨러가 분말 재료의 층 위로 통과하여 분말 재료의 편평한 표면을 보장한다. 레벨링 후, 경화되지 않은 분말 재료는 0.5 mm의 적층 두께를 갖는다.
구매된 손톱 광택제가 압축기 기반의 분사를 통해 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 도포된다. 그 후, 레이저가 분말 베드 위로 통과되어 제1 영역의 제1 서브섹션을 가열 및 경화시킨다. 서브섹션은 제1 영역의 80%를 차지한다. 서브섹션은 3차원 물체의 모델 디자인의 대응하는 단면에 따른다.
분말 재료의 다른 층이 다음에 도포 및 평탄화된다. 손톱 광택제 제2 층이 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 도포된다. 레이저가 분말 베드 위로 다시 한번 통과되어, 제2 영역의 제2 서브섹션을 경화시킨다. 제2 서브섹션은 제2 영역의 70%를 차지한다. 제2 서브섹션은 3차원 물체의 모델 디자인의 대응하는 제2 단면에 따른다.
층의 수가 모델 디자인의 단면의 수와 동일해질 때까지, 분말 재료의 층이 후속적으로 도포, 평탄화 및 경화된다.
빌드 박스가 500 ℃의 온도에서 60 분 동안 오븐에 놓여진다. 냉각 후, 구속되지 않은 분말 재료는 그 후 진공을 통해 3차원 물체로부터 제거된다. 3차원 물체는 다른 빌드 박스에 놓여지고 산화 알루미늄 그릿 및 청동 합금으로 충진되고, 800 ℃의 온도에서 60 분 동안 오븐에 놓여진다.
냉각 후, 3차원 물체는 빌드 박스부터 제거되고 연마된다.
예 3
원하는 물체의 기하학적 피쳐에 따라, 절단 속도는 속도 및 또한 고해상도 피쳐를 위해 다양하고 최적화될 수 있다.
도 24a 내지 도 24c는 3개의 상이한 부품을 나타낸다.
도 22a의 부품에 대한 툴 경로는 상대적으로 높은 선형 절단 속도로 절단되는 표준 크기의 피쳐를 갖는다. 높은 선형 속도로 절단하면 부품을 더 신속하게 완성할 수 있다.
도 24b의 더 작은 피쳐가 주어지면, 아웃라인(2405) 내에 나타낸 바와 같이, 그 부분은 비교적 낮은 절단 속도로 툴로 절단된다.
도 24c의 부품은, 높은 절단 속도로 절단되는 표준 크기의 피쳐, 및 상대적으로 더 낮은 절단 속도로 툴로 절단되는 아웃라인(2410) 내에 나타낸 바와 같이 또한 더 작은 피쳐 모두를 포함한다.
도 25의 부품은, 느린 선형 절단 속도와 높은 회전 절단 속도로 만들어지므로, 2505와 같은 피쳐가 정밀하게 제조되며 생산 시간을 최소화한다.
예 4
대기 온도 및 압력에서 0.5 m × 0.5 m × 0.5 m의 빌드 박스 용기에서, 분말 재료의 층이 용기에 성막되어, 분말 베드를 형성한다.
분말 재료 및 결합제의 층이 분말 베드 상에 성막된다. 분말 재료 및 결합제의 층은 모델 디자인에 따라 절단된다.
원하는 3D 물체가 도 13에 개략적으로 나타내어진다. 다중 슬라이스가 층을 형성하며, 물체의 층은 숫자로 라벨링된다. 층은 단일 절단 패스에 의해 절단되고, 여기서 층 1-8은 슬라이스 두께와 동일한 층 두께를 갖는다. 층 9-13은 그 영역에 대해 슬라이스 두께보다 큰 두께를 갖는다. 층 9-13의 경우, 각 층에 대해 단일 절단 패스가 만들어진다.
원하는 수의 층이 만들어지고 절단된 후, 3차원 물체가 빌드 박스로부터 제거되고 연마된다.
예 5
도 31은 본원에 설명된 방법으로 형성될 수 있는 복수의 부품을 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시예가 본원에 나타내어지고 설명되었지만, 본 기술 분야의 통상의 기술자에게는 이러한 실시예가 단지 예시의 방식으로 제공된다는 것이 명백할 것이다. 본 발명은 명세서 내에 제공된 특정 예들에 의해 한정되는 것으로 의도되지 않는다. 본 발명이 상술한 명세서를 참조하여 설명되었지만, 본원의 실시예에 대한 설명 및 예시는 한정적인 의미로 해석되는 것으로 의도되지 않는다. 이제, 본 발명을 벗어나지 않고 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 다양한 변형, 변경 및 치환이 생각될 것이다. 또한, 본 발명의 모든 양태는 다양한 조건 및 변수에 따라 본원에서 개진된 특정 묘사, 구성 또는 상대 비율로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 본원에 설명된 본 발명의 실시예에 대한 다양한 대안이 본 발명을 실시하는 데 채용될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 이러한 임의의 대안, 수정, 변형 또는 등가물을 또한 포괄하는 것으로 고려되었다. 이하의 청구항은 본 발명의 범위를 규정하고, 이러한 청구항의 범위 내에 있는 방법 및 구성 및 그 등가물이 이에 의해 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (98)

  1. 3차원 물체를 형성하기 위한 방법에 있어서,
    (a) 분말 재료를 포함하는 분말 베드(bed)를 제공하는 단계;
    (b) 상기 분말 베드의 분말 재료의 제1 층의 제1 영역에 제1 결합 물질을 도포하는 단계;
    (c) 상기 제1 영역에 상기 제1 결합 물질을 도포하는 단계에 후속하여, 상기 제1 층의 상기 제1 영역 내에 하나 이상의 주위(perimeter)를 생성하기 위해 제1 주위 생성기를 사용하는 단계로서, 상기 제1 주위 생성기는 상기 하나 이상의 주위를 기계적으로 생성하고, 상기 제1 층의 상기 하나 이상의 주위는 컴퓨터 메모리의 상기 3차원 물체의 모델 디자인에 따르는 것인 단계;
    (d) 상기 분말 베드의 분말 재료의 제2 층의 제2 영역에 제2 결합 물질을 도포하는 단계로서, 상기 제2 층은 상기 제1 층에 인접하는 것인 단계; 및
    (e) 상기 제2 영역에 상기 제2 결합 물질을 도포하는 단계에 후속하여, 상기 분말 재료의 상기 제2 층의 상기 제2 영역 내에 하나 이상의 주위를 생성하기 위해 제2 주위 생성기를 사용하는 단계로서, 상기 제2 주위 생성기는 기계적인 힘 또는 열의 적용을 통해 상기 하나 이상의 주위를 생성하고, 상기 제2 층의 상기 하나 이상의 주위는 상기 3차원 물체의 상기 모델 디자인에 따르며, 이에 의해 상기 3차원 물체의 적어도 일부를 생성하는 것인 단계
    를 포함하는, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 결합 물질 및 상기 제2 결합 물질 중 적어도 하나는 (i) 상기 분말 베드에서 상기 제1 결합 물질 및 상기 제2 결합 물질 중 적어도 하나의 풀링(pooling)이 존재하지 않거나, (ii) 상기 분말 재료의 개별 입자들의 물리적 교란(disturbance)이 없는 방식으로 도포되는 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (e) 단계에 후속하여, 상기 3차원 물체의 상기 적어도 일부를 가열하는 단계를 더 포함하는, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가열은 상기 3차원 물체의 상기 적어도 일부의 벌크(bulk) 가열이고, 상기 벌크 가열은 상기 3차원 물체의 상기 적어도 일부에 상기 분말 재료의 개별 입자들을 소결시키는 것을 포함하는 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주위 생성기 및 상기 제2 주위 생성기 중 적어도 하나는 다중-축 머신 툴(multi-axis machine tool), 컴퓨터 수치 제어(Computer Numeric Control; CNC) 스핀들, 절단 툴 비트, 또는 블레이드인 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주위 생성기 또는 상기 제2 주위 생성기는 제1 커터(cutter) 또는 제2 커터인 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 커터 또는 상기 제2 커터는 접촉 커터인 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 커터 또는 상기 제2 커터는 상기 제1 층 또는 상기 제2 층의 상기 하나 이상의 주위를 각각 생성할 때, 상기 분말 베드와 접촉하지 않는 비접촉 커터인 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 비접촉 커터는 적어도 하나의 레이저를 포함하는 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 결합 물질 또는 상기 제2 결합 물질은, 각각 상기 제1 층의 상기 제1 영역 또는 상기 제2 층의 상기 제2 영역에 도포될 때 0.1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 액적(droplet) 크기를 갖는 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    (i) 상기 제1 영역의 적어도 일부를 상기 (b) 단계에 후속하여 가열하는 단계, 또는 (ii) 상기 제2 영역의 적어도 일부를 상기 (d) 단계에 후속하여 가열하는 단계를 더 포함하는, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서, 상기 제1 층의 상기 하나 이상의 주위는 상기 제1 주위 생성기의 2 이상의 패스를 통해 생성되는 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 분말 재료는 0.5 마이크로미터 내지 2 마이크로미터 크기의 입자들을 포함하는 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층의 상기 제1 영역 또는 상기 제2 층의 상기 제2 영역을 가열하는 단계를 더 포함하는, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  15. 제6항에 있어서,
    상기 제1 커터 및 상기 제2 커터 중 적어도 하나는 복수의 주위 생성기들인 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 (e) 단계 전에, 상기 제2 층에 인접하게 분말 재료의 제3 층을 성막하는 단계 및 분말 재료의 상기 제3 층의 제3 영역에 제3 결합 물질을 도포하는 단계를 더 포함하고, 상기 (e) 단계는 상기 제2 층 및 상기 제3 층 각각의 하나 이상의 주위를 생성하기 위해 적어도 상기 제2 주위 생성기를 사용하는 단계를 포함하는 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 분말 재료의 상기 제2 층 및 상기 제3 층 각각의 상기 하나 이상의 주위는, 상기 제2 주위 생성기의 단일 패스에서 생성되는 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 층 및 상기 제3 층의 상기 하나 이상의 주위는, 다중-축 머신 툴, 컴퓨터 수치 제어(Computer Numeric Control: CNC) 스핀들, 절단 툴 비트, 또는 블레이드를 통해 생성되는 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2 층 및 상기 제3 층의 상기 하나 이상의 주위는 동시에 생성되는 것인, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제2 층의 상기 제2 영역 또는 상기 제3 층의 상기 제3 영역을 가열하는 단계를 더 포함하는, 3차원 물체를 형성하기 위한 방법.
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