KR102476629B1 - 적층 제조에 있어서의 재료 핸들링 - Google Patents

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존 러셀 버크넬
케빈 로버트 칭거
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Abstract

적층 제조 시스템에서 재료 핸들링을 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 환경 제어는 분말의 재료 특성을 변화시키거나 및/또는 분말을 융합시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 특성을 변화시키는 물질에 대한 분말의 노출을 감소시킬 수 있다. 분말들이 PBF 시스템에 사용하기 위해 혼합될 수 있다. 예를 들어, 인쇄 작업을 거친 분말은 재사용 분말을 새로운 분말과 혼합함으로써 재사용될 수 있다. 분말이 인쇄 작업 후 회수되어, 재사용되거나, 새로운 분말로 재생되거나 하는 등이 될 수 있다. 더 나은 재사용성을 위해 분말은 오염 제거될 수 있다.

Description

적층 제조에 있어서의 재료 핸들링
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 "MATERIAL HANDLING IN ADDITIVE MANUFACTURING" 을 발명의 명칭으로 하여 2017년 5월 26일자로 출원된 미국 특허출원 제15/607,055호의 이익을 주장하고, 이는 참조에 의해 전부 본 명세서에 명시적으로 원용된다.
기술분야
본 개시는 일반적으로 적층 제조 시스템에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 적층 제조 시스템에서의 재료 핸들링에 관한 것이다.
3차원 (“3-D”) 프린터 시스템으로도 설명되는, 적층 제조 (“AM”) 시스템들은, 종래의 제조 프로세스들로 생성하기 어렵거나 또는 불가능한 일부 형상들을 포함한, 기하학적으로 복잡한 형상들을 가진 (빌드 피스 (build piece) 들로 지칭되는) 구조물들을 생산할 수 있다. 분말 베드 융합 ("PBF") 시스템과 같은 AM 시스템은, 레이어 바이 레이어 (layer-by-layer) 로 빌드 피스들을 만든다. 각각의 층 또는 '슬라이스' 는, 분말의 층을 성막하는 것 (depositing) 그리고 분말의 부분들을 에너지 빔에 노출시키는 것에 의해 형성된다. 에너지 빔은 그 층에서의 빌드 피스의 단면과 일치하는 분말 층의 용융 영역 (melt area) 에 인가된다. 용융된 분말은 빌드 피스의 슬라이스를 형성하기 위해 냉각 및 융합된다. 프로세스는 빌드 피스의 다음 슬라이스 등을 형성하기 위해 반복될 수 있다. 각각의 층은 이전 층 위에 성막된다. 결과적인 구조물은 처음부터 끝까지 슬라이스 바이 슬라이스 (slice-by-slice) 로 조립된 빌드 피스이다.
일부 경우에, 대기에서 발견되는 물질은 PBF 시스템에 사용되는 분말의 하나 이상의 재료 특성을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, PBF 시스템에 사용되는 일부 금속 분말은 대기 중 물, 산소 및 기타 물질과 반응할 수 있다. 대기 중의 물 (예를 들어, 습기) 및 산소에의 노출은 분말 재료를 산화시키는 것, 예를 들어 철을 산화철로 전환시킴으로써 철 분말을 산화시키는 것에 의해 일부 분말의 재료 특성을 변화시킬 수 있다. 이 경우, 변화되는 재료 특성은 분말 재료의 화학적 특성이다. 다른 예에서, 습기는 예를 들어 분말을 축축하게 하고 함께 엉겨붙게 하여, 분말이 파이프, 개구 등을 통해 흐르는 능력을 감소시킴으로써, 일부 분말을 물리적으로 변화시킨다. 이 경우, 변화되는 재료 특성은 벌크 분말의 물리적 특성, 예를 들어, 벌크 분말의 유동성이며, 이는 유동성에 영향을 미치는 다수의 재료 특성들에 대한 변화의 결과일 수도 있다.
AM 시스템들에서 재료 핸들링을 위한 장치들 및 방법들의 여러 양태들이 이하에서 더 완전하게 설명될 것이다.
다양한 양태들에서, 금속 분말을 운반하기 위한 장치는 챔버, 챔버를 통해 금속 분말을 운반하는 운반기, 및 금속 분말의 재료 특성을 변화시키는 물질에 대한 금속 분말의 노출을 감소시키는 챔버 내 환경을 생성하는 환경 시스템을 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 분말 베드 융합 시스템을 위한 장치는 챔버, 챔버를 통해 금속 분말을 운반하는 운반기, 및 챔버에 연결된 진공 펌프를 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 분말 베드 융합 시스템을 위한 장치는 챔버, 챔버를 통해 금속 분말을 운반하는 운반기, 비활성 가스를 챔버 내에 주입하는 비활성 가스 시스템을 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 금속 분말을 운반하기 위한 장치는 챔버, 챔버를 통해 금속 분말을 운반하는 운반기, 및 금속 분말을 융합시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 특성을 물질에 노출되지 않은 금속 분말을 융합시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 특성과는 상이하게 하는 상기 물질에 대한 금속 분말의 노출을 감소시키는 챔버 내 환경을 생성하는 환경 시스템을 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 분말 베드 융합 시스템을 위한 장치는 제 1 금속 분말 및 제 2 금속 분말을 수용하는 제 1 챔버, 제 1 챔버에 연결된 제 2 챔버, 및 적어도 제 1 금속 분말 또는 제 2 금속 분말의 특성에 기초하여 제 2 챔버로부터 제 1 챔버 내로의 제 2 금속 분말의 도우즈를 제어하는 도우즈 제어기 (dose controller) 를 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 분말 베드 융합 시스템을 위한 장치는 분말 베드 융합 시스템으로부터 금속 분말을 수용하는 챔버로서, 상기 챔버는 제 1 포트 및 제 2 포트를 포함하는, 상기 챔버, 금속 분말의 특성을 결정하는 분말 특성화기, 상기 특성에 기초하여 금속 분말을 재사용할지 여부를 결정하는 제어기, 및 제어기가 금속 분말이 재사용되어야 한다고 결정하면 제 1 포트를 통해 금속 분말을 운반하고 제어기가 금속 분말이 재사용되지 않아야 한다고 결정하면 제 2 포트를 통해 금속 분말을 운반하는 분말 운반기를 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 분말 베드 융합 시스템을 위한 장치는, 분말 베드 융합 시스템으로부터 금속 분말을 수용하는 챔버, 금속 분말을 오염 제거하는 오염 제거 시스템, 및 금속 분말을 챔버 내부로 운반하고 오염 제거된 금속 분말을 챔버 밖으로 운반하는 분말 운반기를 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 분말 베드 융합 시스템을 위한 장치는 금속 분말을 융합시킴으로써 3차원 인쇄된 구조물들을 생성하는 분말 베드 융합 장치 (powder-bed fusion apparatus), 및 PBF 장치에 연결된 금속 분무기 (metal atomizer) 를 포함할 수 있다. 금속 분무기는 재생된 3차원 인쇄 구조를 포함하는 하나 이상의 금속 소스들로부터 금속 분말을 생성할 수 있다. 금속 분무기는, 예를 들어, 금속 소스들로부터 금속을 가열 및 용융시키는 금속 분무기, 및 액체 금속을 분무하여 금속 분말을 형성하는 분무 시스템을 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 챔버에서 금속 분말을 운반하는 방법은 금속 분말의 재료 특성을 변화시키는 물질에 대한 금속 분말의 노출을 감소시키는 챔버 내 환경을 생성하는 단계, 및 챔버를 통해 금속 분말을 운반하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 챔버에서 금속 분말을 운반하는 방법은 챔버에서 진공을 생성하는 단계 및 챔버에서 진공을 통해 금속 분말을 운반하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 챔버에서 금속 분말을 운반하는 방법은 비활성 가스를 챔버 내에 주입하는 단계, 및 챔버에서 비활성 가스를 통해 금속 분말을 운반하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 금속 분말을 운반하기 위한 방법은 금속 분말을 융합시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 특성을 물질에 노출되지 않은 금속 분말을 융합시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 특성과는 상이하게 하는 상기 물질에 대한 금속 분말의 노출을 감소시키는 챔버 내 환경을 생성하는 단계, 및 챔버를 통해 금속 분말을 운반하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 분말 베드 융합 시스템을 위한 방법은 제 1 금속 분말을 제 1 챔버 내로 수용하는 단계, 및 적어도 제 1 금속 분말 또는 제 2 금속 분말의 특성에 기초하여 제 1 챔버에 연결된 제 2 챔버로부터 제 1 챔버 내로 제 2 금속 분말을 도우징하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 분말 베드 융합 시스템을 위한 방법은, 분말 베드 융합 시스템으로부터 챔버 내로 금속 분말을 수용하는 단계로서, 상기 챔버는 제 1 포트 및 제 2 포트를 포함하는, 상기 금속 분말을 수용하는 단계, 상기 금속 분말의 특성을 결정하는 단계, 상기 특성에 기초하여 금속 분말을 재사용할지 여부를 결정하는 단계, 및 상기 금속 분말을 재사용하기로 한 결정에 응답하여 제 1 포트를 통해 금속 분말을 운반하고 금속 분말을 재사용하지 않기로 한 결정에 응답하여 제 2 포트를 통해 금속 분말을 운반하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 분말 베드 융합 시스템을 위한 방법은 분말 베드 융합 시스템으로부터 금속 분말을 챔버 내로 수용하는 단계, 챔버 내 금속 분말을 오염 제거하는 단계, 및 오염 제거된 금속 분말을 챔버 밖으로 운반하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, 분말 베드 융합을 위한 방법은 금속 분말을 융합함으로써 3차원 인쇄 구조물을 생성하는 단계, 및 재생된 3 차원 인쇄 구조물들을 포함하는 하나 이상의 금속 소스들로부터 금속 분말을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 양태들은 다음의 상세한 설명으로부터 당업자들에게 용이하게 명백해질 것이며, 여기서는 예시로서 단지 여러 예시적인 실시형태들만이 도시 및 설명된다. 당업자들이 인식할 바와 같이, 모두 본 개시로부터 벗어남 없이, 본 명세서에서의 개념들은 다른 및 상이한 실시형태들이 가능하며, 여러 상세들은 다양한 다른 측면들에서 수정이 가능하다. 이에 따라, 도면들 및 상세한 설명은 제한적이 아니라 사실상 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
다양한 양태들이 이제 첨부 도면들에서, 제한이 아닌 예로써 상세한 설명에서 제시될 것이다.
도 1a 내지 도 1d 는 상이한 동작 스테이지들 동안의 예시적인 PBF 시스템을 예시한다.
도 2는 금속 분말을 운반하기 위한 예시적인 장치를 예시한다.
도 3은 비활성 가스 환경에서 금속 분말을 운반하기 위한 예시적인 장치를 예시한다.
도 4 는 진공 환경에서 금속 분말을 운반하기 위한 예시적인 장치를 예시한다.
도 5는 금속 분말을 운반하기 위한 예시적인 장치를 예시한다.
도 6은 챔버 내로 금속 분말을 운반하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 7은 PBF 시스템을 위해 2 개의 금속 분말을 혼합할 수 있는 예시적인 장치를 예시한다.
도 8은 PBF 시스템을 위해 2 개의 금속 분말을 혼합할 수 있는 다른 예시적인 장치를 예시한다.
도 9 는 PBF 시스템을 위한 금속 분말을 혼합하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 10은 PBF 시스템을 위해 2 개의 금속 분말을 혼합할 수 있는 다른 예시적인 장치를 예시한다.
도 11은 PBF 시스템을 위한 예시적인 분말 회수 시스템을 예시한다.
도 12 는 PBF 시스템에서 금속 분말을 회수하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 13은 PBF 시스템을 위한 예시적인 분말 오염 제거 시스템을 예시한다.
도 14 는 PBF 시스템에서 분말을 오염 제거하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 15는 환경 제어와 함께 분말 재사용 및 재생 (recycling) 을 포함하는 예시적인 PBF 시스템을 예시한다.
도 16은 예시적인 분말 재생 에코시스템을 예시한다.
도 17 는 분말 재생 에코시스템에서 분말 재생의 예시적인 방법의 흐름도이다.
상세한 설명
첨부된 도면들과 관련하여 이하에 제시된 상세한 설명은 본 명세서에서 개시된 개념들의 다양한 예시적인 실시형태들의 설명을 제공하도록 의도되고 본 개시가 실시될 수도 있는 유일한 실시형태들을 나타내도록 의도되지 않는다. 이 개시에서 사용되는 용어 "예시적인" 은 "예, 인스턴스, 또는 예시로서 기능하는 것" 을 의미하며, 반드시 본 개시에서 제시된 다른 실시형태들에 비해 유리하거나 또는 바람직한 것으로서 해석되어야 하는 것은 아니다. 상세한 설명은 당업자들에게 개념들의 범위를 완전히 전달하는 철저하고 완전한 개시를 제공할 목적으로 특정 상세들을 포함한다. 그러나, 본 개시는 이들 특정 상세들 없이 실시될 수도 있다. 일부 인스턴스들에서, 잘 알려진 구조들 및 컴포넌트들은, 본 개시 전반에 걸쳐 제시된 다양한 개념들을 모호하게 하는 것을 회피하기 위하여, 블록도 형태로 도시되거나, 또는 완전히 생략될 수도 있다.
본 개시는 분말 베드 융합 (PBF) 시스템과 같은 AM 시스템에서의 재료 핸들링에 관한 것이다. 특히, 분말의 재료 특성을 변화시키거나 및/또는 분말을 융합시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 특성을 물질에 노출되지 않은 분말을 융합시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 특성과 상이하게 하는 물질에 대한 분말의 노출을 감소시키는 양태들을 설명하기 위해 다양한 예시적인 실시형태들이 제시된다. 일부 경우에, 빌드 피스의 특성은 재료 특성일 수 있다. "물질" 이라는 용어는 물리적 물질을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이와 관련하여, 전자기파 (예를 들어, 가시 광선), 음향 파 (예를 들어, 음파) 및 열 에너지 (예를 들어, 열복사, 열 전도) 등은 그 용어가 본 명세서에서 사용될때 물질이 아니다.
일부 물질에 분말을 노출시키면 PBF 시스템에 사용하기 위한 분말의 유효성이 떨어질 수 있다. 예를 들어, 대기 중의 산소는 일부 분말 재료를 산화시킬 수 있으며, 이는 빌드 피스의 재료 성능 파라미터를 감소시킬 수 있는 합금제 (alloying agent) 를 첨가할 수 있다. 또한, 분말 재료의 산화는 더 조대한 미세구조를 갖는 빌드 피스를 초래할 수 있고, 이는 빌드 피스의 품질을 감소시킬 수 있다. 다른 예에서, 분말을 대기 수 (atmospheric water), 즉 습기에 노출시키는 것은 PBF 시스템에서 분말의 유효성 (effectiveness) 을 감소시킬 수 있다. 습기는 분말의 그레인들 사이의 습기 응축으로 인해 분말이 함께 엉겨붙게 할 수 있다. 엉겨붙은 분말은 오거 (auger) 및 파이프와 같은 PBF 시스템의 다양한 부품들을 더 쉽게 막을 수 있다.
PBF 시스템에 사용하기 위한 분말들을 혼합하는 양태들을 예시하기 위해 다양한 예시적인 실시 형태가 제시된다. 예를 들어, 인쇄 작업을 거친 분말은 재사용 분말을 새로운 분말과 혼합함으로써 재사용될 수 있다. 특히, 재사용 분말이 인쇄 작업으로부터 오염 수준이 낮으면, 재사용 분말은 낮은 비율의 새로운 분말과 혼합되어 재사용될 수도 있다. 반면에, 재사용 분말이 인쇄 작업으로부터 오염 수준이 높으면, 재사용 분말은 더 높은 비율의 새로운 분말과 혼합될 필요가 있을 수도 있다. 다양한 예시적인 실시 형태들에서, 재사용 분말은 예를 들어 오염 수준과 같은 재사용 분말의 특성에 기초하여 새로운 분말의 챔버 내로 도우징될 수 있다.
인쇄 작업 후 분말을 회수하는 양태들을 설명하기 위해 다양한 예시적인 실시형태들이 제공된다. 예를 들어, PBF 장치 아래에 배치된 챔버는 인쇄 작업 후에 융합되지 않은 금속 분말을 수용할 수 있다. 챔버는 오염 수준과 같은 분말의 특성을 결정할 수 있는 특성화기 (characterizer) 를 포함할 수 있다. 오염 수준이 재사용하기에 너무 높은 경우, 분말은 예를 들어, 분말을 용융시키고 액체 금속으로부터 새로운 분말을 생성할 수 있는 재생 시스템으로 이어지는 챔버 내 제 1 포트를 통해 덤프 (dump) 될 수 있다. 오염 수준이 너무 높지 않으면, 분말은 PBF 장치에서 분말을 재사용하는 시스템으로 이어지는 제 2 포트를 통해 덤프될 수 있다. 예를 들어, 분말은 위의 단락에서 기술된 바와 같이 새로운 분말과 혼합될 수 있다.
분말을 오염 제거하는 양태들을 설명하기 위해 다양한 예시적인 실시형태들이 제시된다. 예를 들어, 오염 제거 시스템은 PBF 장치에서 재사용될 예정인 분말을 오염 제거할 수 있다. 오염 제거 시스템은 예를 들어 분말을 용융시키지 않고 오염물을 감소시키기 위해 분말을 가열하는 노 (furnace) 를 포함할 수 있다.
또한, PBF 장치를 위한 새로운 분말을 생성하기 위해 3차원 인쇄 구조물을 재생하기 위해 분말 재생 에코시스템이 생성될 수 있다.
많은 응용에서, 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법은 PBF 제조업자의 비용을 감소시키고 PBF 제조의 환경 영향을 감소시킴으로써, 3-D 인쇄 제품들을 위한 보다 지속 가능한 제조 플랫폼을 제공하기 위해 구현될 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 상이한 동작 스테이지들 동안 예시적인 PBF 시스템 (100) 의 각각의 측면도를 예시한다. 전술한 바와 같이, 도 1a 내지 도 1d 에 예시된 특정 실시형태는 본 개시의 원리를 이용하는 PBF 시스템의 많은 적합한 예들 중 하나이다. 또한, 도 1a 내지 도 1d 및 본 개시에서의 다른 도면들의 엘리먼트들은 반드시 일정한 비례로 그려지는 것은 아니고, 본 명세서에서 설명된 개념들의 더 나은 예시를 목적으로 더 크게 또는 더 작게 그려질 수도 있음에 유의해야 한다. PBF 시스템 (100) 은 금속 분말의 각각의 층을 성막할 수 있는 디포지터 (101), 에너지 빔을 생성할 수 있는 에너지 빔 소스 (103), 분말을 융합시키기 위해 에너지 빔을 인가할 수 있는 디플렉터 (105), 및 빌드 피스 (109) 와 같은 하나 이상의 빌드 피스들을 지지할 수 있는 빌드 플레이트 (107) 를 포함할 수 있다. PBF 시스템 (100) 은 또한 분말 베드 리셉터클 (powder bed receptacle) 내에 배치된 빌드 플로어 (111) 를 포함할 수 있다. 분말 베드 리셉터클의 벽들 (112) 은 일반적으로, 측면으로부터 벽들 (112) 사이에 끼워지고 아래에서 빌드 플로어 (111) 의 일부와 인접하는, 분말 베드 리셉터클의 경계를 정의한다. 빌드 플로어 (111) 는 디포지터 (101) 가 다음 층을 성막할 수 있도록 빌드 플레이트 (107) 를 점진적으로 하강시킬 수 있다. 전체 메커니즘은 다른 컴포넌트들을 둘러쌀 수 있는 챔버 (113) 에 상주함으로써, 장비를 보호하며, 분위기 및 온도 조절을 가능하게 하고 오염 위험을 완화할 수 있다. 디포지터 (101) 는 금속 분말과 같은 분말 (117) 을 담고 있는 호퍼 (hopper) (115), 및 성막된 분말의 각각의 층의 상단을 레벨링할 수 있는 레벨러 (119) 를 포함할 수 있다.
특히 도 1a 를 참조하면, 이 도면은 빌드 피스 (109) 의 슬라이스가 융합된 후, 그러나 분말의 다음 층이 성막되기 전의 PBF 시스템 (100) 을 도시한다. 실제로, 도 1a 는, 예를 들어 150 개의 슬라이스들로 형성된 빌드 피스 (109) 의 현재 상태를 형성하기 위해, PBF 시스템 (100) 이 다수의 층들, 예를 들어, 150 개의 층들로 슬라이스들을 이미 성막 및 융합한 때를 예시한다. 이미 성막된 다수의 층들은, 성막되었지만 융합되지 않은 분말을 포함하는 분말 베드 (121) 를 생성하였다.
도 1b 는 빌드 플로어 (111) 가 분말 층 두께 (123) 만큼 하강할 수 있는 스테이지에서의 PBF 시스템 (100) 을 도시한다. 빌드 플로어 (111) 의 하강은, 빌드 피스 (109) 및 분말 베드 (121) 가 분말 층 두께 (123) 만큼 낙하하게 하여, 빌드 피스 및 분말 베드의 상단이 분말 층 두께와 동일한 양만큼 분말 베드 리셉터클 벽 (112) 의 상단보다 더 낮도록 한다. 이렇게 하여, 예를 들어, 분말 층 두께 (123) 와 동일한 일관된 두께를 가진 공간이 빌드 피스 (109) 및 분말 베드 (121) 의 상단들 위에 생성될 수 있다.
도 1c 는 디포지터 (101) 가, 빌드 피스 (109) 및 분말 베드 (121) 의 상단 표면 위에 생성되고 분말 베드 리셉터클 벽 (112) 들에 의해 경계지어지는 공간에 분말 (117) 을 성막하도록 배치된 스테이지에서 PBF 시스템 (100) 을 도시한다. 이 예에서, 디포지터 (101) 는 호퍼 (115) 로부터 분말 (117) 을 방출하면서, 정의된 공간 위로 점진적으로 이동한다. 레벨러 (119) 는 분말 층 두께 (123) 와 실질적으로 동일한 두께를 갖는 분말 층 (125) 을 형성하기 위해 방출된 분말을 레벨링할 수 있다 (도 1b 참조). 따라서, PBF 시스템에서의 분말은, 예를 들어, 빌드 플레이트 (107), 빌드 플로어 (111), 필드 피스 (109), 벽 (112) 등을 포함할 수 있는, 분말 지지 구조에 의해 지지될 수 있다. 예시된 분말 층 (125) 의 두께 (즉, 분말 층 두께 (123) (도 1b)) 는 도 1a 를 참조하여 위에서 논의된 150 개의 미리 성막된 층들을 수반하는 예에 사용된 실제 두께보다 더 크다는 것에 유의해야 한다.
도 1d 는, 분말 층 (125) 의 성막 (도 1c) 에 후속하여, 에너지 빔 소스 (103) 가 에너지 빔 (127) 을 생성하고 디플렉터 (105) 가 에너지 빔을 인가하여 빌드 피스 (109) 에서 다음 슬라이스를 융합시키는 스테이지에서 PBF 시스템 (100) 을 도시한다. 다양한 예시적인 실시형태들에서, 에너지 빔 소스 (103) 는 전자 빔 소스일 수 있으며, 이 경우 에너지 빔 (127) 은 전자 빔을 구성한다. 디플렉터 (105) 는, 융합되도록 지정된 영역들에 걸쳐 전자 빔을 주사시키도록 전자 빔을 선택적으로 편향시키는 전기 장 또는 자기 장을 생성할 수 있는 편향 판을 포함할 수 있다. 다양한 실시형태들에서, 에너지 빔 소스 (103) 는 레이저일 수 있으며, 이 경우 에너지 빔 (127) 은 레이저 빔이다. 디플렉터 (105) 는 융합될 선택된 영역을 주사하도록 레이저 빔을 조작하기 위해 반사 및/또는 굴절을 사용하는 광학 시스템을 포함할 수 있다.
다양한 실시형태들에서, 디플렉터 (105) 는 에너지 빔의 위치를 결정하기 위해 에너지 빔 소스를 회전 및/또는 병진시킬 수 있는 하나 이상의 짐벌 (gimbal) 들 및 액추에이터들을 포함할 수 있다. 다양한 실시형태들에서, 에너지 빔 소스 (103) 및/또는 디플렉터 (105) 는, 에너지 빔이 분말 층의 적절한 영역들에서만 인가되도록 디플렉터가 주사할 때 에너지 빔을 조절, 예를 들어, 에너지 빔을 턴 온 및 턴 오프할 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시형태들에서, 에너지 빔은 디지털 신호 프로세서 (DSP) 에 의해 조절될 수 있다.
도 2는 금속 분말을 운반하기 위한 예시적인 장치 (200) 를 예시한다. 장치 (200) 는 챔버 (201), 운반기 (203) 및 환경 시스템 (205) 을 포함할 수 있다. 이 예에서, 장치 (200) 는 금속 분말을 분말 생산 시스템 (207) 으로부터 PBF 장치 (209) 로 운반할 수 있다. 다양한 실시 형태들에서, 환경 시스템 (205) 은 금속 분말의 재료 특성을 변화시키는 물질에 대한 금속 분말의 노출을 감소시키는 챔버 (201) 내 환경을 생성할 수 있다. 금속 분말이 철 금속 분말인 경우, 산소 및 대기 수 (즉, 습기) 는 철 금속 분말의 재료 특성을 변화시키는 물질들의 예인데, 왜냐하면 이러한 물질들은 분말의 철 재료가 산화되게 할 수 있기 때문이고, 이는 화학적 변화이다. 습기는 분말들을 엉겨붙게 하여, 분말의 재료 특성인 분말의 유동성, 즉 벌크 분말의 재료 특성을 변화시킬 수 있다. 다양한 실시 형태들에서, 환경 시스템 (205) 은 대기 중의 산소 및/또는 습기에의 금속 분말의 노출을 감소시킬 수 있다.
산소 및 습기는 PBF 시스템에 사용되는 분말의 재료 특성을 변화시킬 수 있는 공기 중의 물질들의 예이다. 전술한 예시적인 경우에, 분말의 재료 특성에 대한 변화는 또한 PBF 시스템의 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 산화된 분말은 금속 구조 내에 불순물을 갖는 빌드 피스들을 초래할 수 있다. 엉겨붙는 분말은 운반이 어렵고, 성막 등이 어려울 수 있으며, 막힌 분말 경로, 고르지 못한 분말 층 등을 초래할 수 있다.
불소는 분말의 재료 특성을 변화시킬 수 있는 물질의 다른 예이다. 그러나, 불소는 공기 중 발견되는 일반적인 물질은 아니다. 특히, 불소는 일부 금속에 대해서는 산화제이며 화학적 변화를 일으킬 수 있으며, 이는 재료 특성의 변화이다.
또한, 분말의 재료 특성을 반드시 변화시키는 것은 아니라 PBF 시스템의 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있는 일부 물질이 있다. 예를 들어, 분말을 탄소에 노출시키는 것은 분말 자체의 물질 특성을 변화시키지 않을 수도 있다. 그러나, 빌드 피스가 분말 및 탄소 혼합물로부터 형성될 때, 빌드 피스의 재료 특성은 탄소가 없는 분말로부터 형성된 빌드 피스와는 상이할 수 있다. 예를 들어, 금속 분말내 탄소는 분말이 융합될 때 형성된 금속의 강도에 영향을 줄 수 있다. 또한, 탄소는 반응적일 수 있으며, 예를 들어, 빌드 피스가 냉각될 때, 어떤 물질들과 반응할 수 있다. 다양한 실시 형태들에서, 환경 시스템 (205) 은 분말을 융합시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 재료 특성이 물질에 노출되지 않은 분말을 융합시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 재료 특성과 상이하게 하는 물질에 대한 금속 분말의 노출을 감소시킬 수 있다. 일부 경우에, 이러한 물질은 분말 자체의 재료 특성을 변화시키지 않는다.
또한, 분말과 접촉하여 분말에 갇히고 혼합될 수 있는 일부 물질들은 분말을 가열하여 용융 풀 (melt pool) 을 얻을 때 PBF 시스템의 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 일부 물질들은 용융 풀이 튀게 하거나, 올바르게 형성되지 않는 등의 원인이 될 수 있다. 이들 경우에, 빌드 피스의 특성, 예를 들어 원하는 형상은, 이들 물질이 없는 분말로 형성된 빌드 피스와 상이할 수 있다. 다양한 실시 형태들에서, 환경 시스템 (205) 은 분말을 융합시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 특성이 물질에 노출되지 않은 분말을 융합시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 특성과 상이하게 하는 물질에 대한 금속 분말의 노출을 감소시킬 수 있다. 일부 경우에, 이러한 물질은 분말 자체의 재료 특성을 변화시키지 않는다.
요약하면, 환경 시스템의 다양한 실시 형태들은 금속 분말의 재료 특성을 변화시키는 물질에 대한 금속 분말의 노출을 감소시키거나, 금속 분말을 융합시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 재료 특성이 물질에 노출되지 않은 금속 분말을 용융시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 재료 특성과는 상이하게 하는 물질에 대한 금속 분말의 노출을 감소시키거나, 및/또는 분말을 융합시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 특성이 물질에 노출되지 않은 분말을 용융시키는 것으로부터 형성된 빌드 피스의 특성과는 상이하게 하는 물질에 대한 금속 분말의 노출을 감소시키는 챔버 내 환경을 생성할 수 있다.
운반기 (203) 는 챔버 (201) 내 환경 시스템 (205) 에 의해 생성된 환경을 통해 금속 분말을 운반할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 운반기 (203) 는 챔버 (201) 내부에 있을 수 있으며, 예를 들어 컨베이어 벨트 등일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 운반기 (203) 는 챔버 (201) 외부에 있을 수 있으며, 예를 들어 분말을 이동시키기 위해 챔버를 진동시키는 바이브레이터일 수 있다.
도 3은 비활성 가스 환경에서 금속 분말 (301) 을 운반하기 위한 예시적인 장치 (300) 를 예시한다. 장치 (300) 는 챔버 (303), 컨베이어 벨트 (305) 를 포함하는 운반기, 및 아르곤 환경 시스템 (307) 을 포함하는 환경 시스템을 포함할 수 있다. 아르곤 환경 시스템 (307) 은 챔버 (303) 에 포트 (309) 를 통해 아르곤 가스를 주입할 수 있고, 아르곤 가스에 의해 공기가 치환됨에 따라 챔버에서 포트 (311) 를 통해 대기 공기를 제거할 수 있다. 일부 실시 형태들에서, 아르곤 환경 시스템 (307) 은 금속 분말 (301) 을 운반하기 전에 챔버 (303) 내 모든 공기를 아르곤 가스로 대체할 수 있다. 아르곤 가스는 공기보다 무겁기 때문에, 다른 실시 형태에서, 아르곤 환경 시스템 (307) 은 아르곤 가스를 주입하여 챔버 내 공기의 일부만을 치환하여, 금속 분말 (301) 이 아르곤 가스의 환경을 통해서만 운반될 수 있게 한다. 예를 들어, 아르곤 가스는 챔버 (303) 의 하단 절반이 아르곤 가스만을 포함하고 챔버의 상단 절반이 공기만을 포함하게 공기의 절반을 치환할 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 금속 분말 (301) 은 금속 분말이 아르곤 가스의 공간 내에 유지되도록 챔버 (303) 의 하부 절반을 통해 운반될 수 있다.
도 3 의 예에서, 아르곤 환경 시스템 (307) 은 시스템이 챔버로부터 치환된 공기를 제거하는 폐쇄 시스템이다. 다른 실시형태들에서, 아르곤 환경 시스템 (307) 과 같은 비활성 가스 환경 시스템은 개방 시스템일 수 있다. 예를 들어, 아르곤 가스에 의해 치환된 공기는 챔버를 둘러싸는 환경으로 배출되게 할 수 있다.
도 4 는 진공 환경에서 금속 분말 (401) 을 운반하기 위한 예시적인 장치 (400) 를 예시한다. 장치 (400) 는 챔버 (403), 컨베이어 벨트 (405) 를 포함하는 운반기, 및 진공 펌프 (407) 를 포함하는 환경 시스템을 포함할 수 있다. 진공 펌프 (407) 는 포트 (409) 를 통해 챔버 (403) 에 연결될 수 있고, 포트를 통해 진공을 뽑아냄으로써 챔버의 대기 공기를 제거할 수 있다. 컨베이어 벨트 (405) 는 챔버 (403) 내 진공을 통해 금속 분말 (401) 을 운반할 수 있다. 컨베이어 벨트 (405) 는 챔버 내부에 있을 수 있는 운반기의 일례이다.
도 5 는 금속 분말 (501) 을 운반하기 위한 예시적인 장치 (500) 를 예시한다. 장치 (500) 는 챔버 (503), 챔버에 연결된 바이브레이터 (505) 를 포함하는 운반기, 및 진공 펌프 (507) 를 포함하는 환경 시스템을 포함할 수 있다. 진공 펌프 (507) 는 포트 (509) 를 통해 챔버 (503) 에 연결될 수 있고, 포트를 통해 진공을 뽑아냄으로써 챔버의 대기 공기를 제거할 수 있다.
챔버 (503) 는 기울어질 수 있고, 바이브레이터 (505) 는 금속 분말 (501) 이 기울어진 챔버를 통해 미끄러지도록 유도하는 진동수로 챔버를 진동시킬 수 있다. 금속 분말 (501) 의 유동성은 액화에 기인한다는 것에 유의한다. 바이브레이터 (505) 는 챔버 외부에 있을 수 있는 운반기의 일례이다.
도 6은 챔버 내로 금속 분말을 운반하는 예시적인 방법의 흐름도이다. 예를 들어, 다양한 실시 형태들에서, 그 방법은 금속 분말을 분말 생산 시스템 (207) 과 같은 분말 생산 시스템으로부터 PBF 장치 (209) 와 같은 PBF 장치로 운반하는데 사용될 수 있다. 특히, 그 방법은 금속 분말의 재료 특성을 변화시키는 물질에 대한 금속 분말의 노출을 감소시키는 챔버 내 환경을 생성하는 단계 (601) 를 포함한다. 다양한 실시 형태들에서, 예를 들어 금속 분말이 철 금속 분말인 경우, 산소 및 대기 수 (즉, 습기) 가 챔버 내 환경으로부터 제거되어 산화를 방지하거나 감소시킬 수 있다. 다양한 실시 형태들에서, 습기는 챔버 환경으로부터 제거되어 습기로 인한 분말 덩어리의 엉겨붙는 양을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 다양한 실시 형태들에서, 환경 시스템 (205) 은 대기 중의 산소 및/또는 습기에의 금속 분말의 노출을 감소시킬 수 있다. 환경이 생성된 후, 그 방법은 챔버 내 환경을 통해 금속 분말을 운반하는 단계 (602) 를 포함한다.
도 7은 PBF 시스템을 위해 2 개의 금속 분말을 혼합할 수 있는 예시적인 장치 (700) 를 예시한다. 제 1 챔버 (701) 는 제 1 금속 분말 (703) 및 제 2 금속 분말 (705) 을 수용할 수 있다. 제 2 챔버 (707) 는 도우즈 제어기 (709) 를 통해 제 1 챔버 (701) 에 연결될 수 있다. 도우즈 제어기 (709) 는 제 1 금속 분말, 또는 제 2 금속 분말, 또는 제 1 및 제 2 금속 분말 양자 모두의 특성에 기초하여 제 2 챔버 (707) 로부터 제 1 챔버 (701) 로의 제 2 금속 분말 (705) 의 도우즈를 제어할 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 장치 (700) 는 특정 특성에 기초하여 제 1 금속 분말 (703) 과 제 2 금속 분말 (705) 의 혼합물을 생성할 수 있다. 예시의 목적으로, 장치 (700) 는 도우즈 제어기 (709) 가 제 2 금속 분말 (705) 의 도우징을 시작했지만, 제 2 금속 분말이 아직 제 1 금속 분말 (703) 과 혼합되지 않은 때에서 도 7 에 도시되어 있다. 제 1 및 제 2 분말의 혼합물은 반드시 2 개의 분말의 공혼합 (co-mingling) 을 포함할 필요 없이 동일한 챔버에서 단지 제 1 및 제 2 분말의 존재를 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 다른 분말 위에 놓인 하나의 분말은 혼합물일 수 있다. 다양한 실시형태들에서, 2 개의 분말은 예를 들어 챔버의 교반, 챔버를 통한 혼합물의 이동 등에 의해 활발하게 공혼합될 수 있다.
혼합물은 예를 들어 PBF 시스템에 사용될 수 있고, PBF 시스템에 사용하기 위한 혼합 분말의 원하는 품질을 달성하도록 혼합이 제어될 수 있다. 다양한 실시 형태들에서, 제 1 또는 제 2 분말은 새로운 분말일 수 있고, 다른 분말은 인쇄 작업 동안 분말이 융합되지 않아 인쇄 작업 후에 회수된 분말일 수 있다.
다양한 실시형태들에서, 특성은 유동성 (flowability) 을 포함할 수 있다. 예를 들어, PBF 시스템은 혼합 분말의 최소량의 유동성을 요구할 수 있고, 분말은 혼합 분말의 원하는 유동성을 달성하기 위해 유동성 특성에 기초하여 혼합될 수 있다.
다양한 실시형태들에서, 특성은 오염량을 포함할 수 있다. 예를 들어, PBF 시스템은 혼합 분말이 최대 오염량 미만을 갖도록 요구할 수 있고, 분말은 혼합 분말의 최대 오염량 미만을 달성하기 위해 오염량을 포함하는 특성에 기초하여 혼합될 수 있다.
다양한 실시형태들에서, 특성은 인쇄 이력 (print history) 을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 분말은 새로운 분말일 수 있고, 제 2 분말은 PBF 시스템의 인쇄 작업으로부터 회수된 분말일 수 있다. 인쇄 작업 중에, 여러 가지 요인으로 인해 비융합 분말이 열화될 수 있다. 이 경우, 회수된 분말은 하나 이상의 인쇄 작업에 사용되는 것에 의한 열화로 인해 감소된 유효성을 가질 수도 있다. PBF 시스템은 제 2 분말이 인쇄 작업에 얼마나 많은 횟수로 사용되었는지에 기초하여 혼합물 중 제 1 및 제 2 분말의 비율을 조정할 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 하나 이상의 인쇄 작업에서 이미 사용된 분말은 분말을 새로운 분말과 적절한 비율로 혼합함으로써 재사용될 수 있다.
다양한 실시형태들에서, 특성은 인쇄 성능 (print performance) 을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 분말은 새로운 분말일 수 있고, 제 2 분말은 PBF 시스템의 인쇄 작업으로부터 회수된 분말일 수 있다. 인쇄 작업 동안, 분말의 성능이 결정될 수 있다. 이 경우에, 회수된 분말은 성능이 좋을 (예를 들어, 일관된 용융 풀이 형성될 수 있게 할) 수도 있고 , 따라서 인쇄 공정에서 성능이 좋지 않은 분말보다 더 높은 비율로 혼합될 수도 있다.
도 8은 PBF 시스템을 위해 2 개의 금속 분말을 혼합할 수 있는 예시적인 장치 (800) 를 예시한다. 제 1 챔버 (801) 는 제 1 금속 분말 (803) 및 제 2 금속 분말 (805) 을 수용할 수 있다. 제 2 챔버 (807) 는 도우즈 제어기 (809) 를 통해 제 1 챔버 (801) 에 연결될 수 있다. 제 3 챔버 (811) 는 또한, 도우즈 제어기 (809) 를 통해 1 챔버 (801) 에 연결될 수 있다. 도우즈 제어기 (809) 는 제 1 금속 분말, 또는 제 2 금속 분말, 또는 제 1 및 제 2 금속 분말 양자 모두의 특성에 기초하여, 제 2 챔버 (807) 로부터 제 1 챔버 (801) 로의 제 2 금속 분말 (805) 의 도우즈를 제어할 수 있고, 제 3 챔버 (811) 로부터 제 1 챔버로의 제 1 금속 분말 (803) 의 도우즈를 제어할 수 있다. 도 8 은 제 1 챔버 (801) 에서의 제 1 및 제 2 금속 분말 믹스 (813) 를 예시한다.
제 3 챔버 (811) 는 입구 파이프 (815) 를 통해 제 1 금속 분말 (803) 을 받을 수 있다. 다양한 실시형태에서, 예를 들어, 입구 파이프 (815) 는 분말 생산 시스템 (207) 과 같은 분말 생산 시스템에 연결될 수 있고, 제 1 금속 분말 (803) 은 분말 생산 시스템으로부터 입구 파이프를 통해 받은 새로운 금속 분말일 수 있다.
제 2 챔버 (807) 는 입구 파이프 (817) 를 통해 제 2 금속 분말 (805) 을 받을 수 있다. 다양한 실시형태들에서, 예를 들어, 입구 파이프 (817) 는 분말 회수 시스템에 연결될 수 있고 (이의 예는 아래에서 논의된다), 제 2 금속 분말 (805) 은 분말 회수 시스템으로부터 입구 파이프를 통해 받은 회수된 금속 분말일 수 있다.
제 1 및 제 2 금속 분말 믹스 (813) 는 출구 파이프 (819) 를 통해 제 1 챔버 (801) 를 빠져 나갈 수 있다. 다양한 실시 형태들에서, 예를 들어, 출구 파이프 (819) 는 PBF 장치 (209) 와 같은 PBF 장치에 연결될 수 있고, 제 1 및 제 2 금속 분말 믹스 (813) 는 출구 파이프를 통해 PBF 장치로 전달될 수 있다.
예시적 장치 (700) 와 같이, 장치 (800) 는 특정 특성에 기초하여 제 1 금속 분말과 제 2 금속 분말의 혼합물을 생성할 수 있다. 혼합물은 예를 들어 PBF 시스템에 사용될 수 있고, 혼합은 PBF 시스템에 사용하기 위한 혼합 분말의 원하는 품질을 고려할 수 있다.
도 9 는 PBF 시스템을 위한 금속 분말을 혼합하는 예시적인 방법의 흐름도이다. 예를 들어, 다양한 실시 형태들에서, 그 방법은 분말 생산 시스템 (207) 과 같은 분말 생산 시스템으로부터 금속 분말을 PBF 장치 (209) 와 같은 PBF 장치로부터 회수된 분말과 혼합하는데 사용될 수 있다. 특히, 그 방법은 챔버 내로 제 1 금속 분말을 수용하는 단계 (901), 및 적어도 제 1 금속 분말 또는 제 2 금속 분말의 특성에 기초하여 챔버 내로 제 2 금속 분말을 도우징하는 단계 (902) 를 포함한다. 다양한 실시형태들에서, 제 2 금속 분말은 제 1 챔버에 연결된 제 2 챔버로부터 도우징될 수 있다. 다양한 실시형태들에서, 혼합 분말은 예를 들어 PBF 시스템에 사용될 수 있고, PBF 시스템에 사용하기 위한 혼합 분말의 원하는 품질을 달성하도록 혼합이 제어될 수 있다. 다양한 실시 형태들에서, 제 1 또는 제 2 분말 중 일방은 새로운 분말일 수 있고, 다른 하나의 분말은 인쇄 작업 동안 분말이 융합되지 않아 인쇄 작업 후에 회수된 분말일 수 있다. 특성은 예를 들어 유동성, 오염량, 인쇄 이력, 인쇄 성능 등을 포함할 수 있다.
도 10은 PBF 시스템을 위해 2 개의 금속 분말을 혼합할 수 있는 예시적인 장치 (1000) 를 예시한다. 제 1 챔버 (1001) 는 제 1 금속 분말 (1003) 및 제 2 금속 분말 (1005) 을 수용할 수 있다. 이 예에서, 제 1 챔버 (1001) 는 파이프이다. 제 1 챔버 (1001) 는 컨테이너 (1007) 에 연결된다. 컨테이너 (1007) 로부터의 제 1 금속 분말 (1003) 은 바이브레이터 (1009) 에 의해 제 1 챔버를 통해 운반될 수 있다. 제 2 챔버 (1011) 는 도우즈 제어기 (1013) 를 통해 제 1 챔버 (1001) 에 연결될 수 있다. 장치 (1000) 는 제 2 챔버 (1011) 와 제 2 금속 분말 (1005) 을 함유하는 컨테이너 (1017) 사이에 연결된 특성화기 (1015) 를 포함할 수 있다. 특성화기 (1015) 는 제 2 금속 분말 (1005) 의 특성을 결정할 수 있고 신호 라인 (1019) 을 통해 도우즈 제어기 (1013) 에 특성 정보를 전송할 수 있다. 도우즈 제어기 (1013) 는 제 2 금속 분말 (1005) 의 특성 정보에 기초하여 제 2 챔버 (1011) 로부터 제 1 챔버 (1001) 로의 제 2 금속 분말 (1005) 의 도우즈를 제어할 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 장치 (1000) 는 제 2 금속 분말의 특정 특성에 기초하여 제 1 금속 분말 (1003) 과 제 2 금속 분말 (1005) 의 제어된 혼합물을 생성할 수 있다. 도우즈 제어기 (1013) 는 상대 제어 (예를 들어, 제 1 및 제 2 금속 분말의 비율) 또는 절대 제어 (예를 들어, 제 1 및/또는 제 2 분말의 총량) 에 기초하여 제 2 금속 분말 (1005) 의 도우즈를 제어할 수 있다.
이 예에서, 제 1 챔버 (1001) 는 도우즈 제어기 (1008) 를 통해 PBF 장치 (1021) 에 연결된다. 도우즈 제어기 (1008) 는, 혼합 금속 분말이 PBF 장치의 디포지터 (1025) 에 의해 받아질 수 있도록, PBF 장치 (1021) 내로의 혼합 금속 분말 (1023) (즉, 제 1 금속 분말 (1003) 과 제 2 금속 분말 (1005) 의 제어된 혼합물) 의 도우즈를 제어할 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, PBF 장치 (1021) 에는 제 1 금속 분말 (1003) 및 제 2 금속 분말 (1005) 의 제어된 혼합물이 공급될 수 있다.
다양한 실시 형태들들에서, 특성화기 (1015) 는, 예를 들어, 제 2 금속 분말의 유동성을 결정하는 유동성 결정기, 제 2 금속 분말의 오염량을 결정하는 오염 결정기, 제 2 금속 분말의 인쇄 이력을 결정하는 인쇄 이력 결정기, 제 2 금속 분말의 인쇄 성능을 결정하는 인쇄 성능 결정기 등을 포함할 수 있다.
도 11은 PBF 시스템을 위한 예시적인 분말 회수 시스템 (1100) 을 예시한다. 분말 회수 장치 (1100) 는 분말 회수 챔버 (1101), 특성화기 (1103), 제어기 (1105), 운반기 (1107), 제 1 포트 (1109), 및 제 2 포트 (1111) 를 포함할 수 있다. 분말 회수 시스템 (1100) 은 PBF 장치 (1113) 아래에 배치될 수 있다. PBF 장치 (1113) 의 하부만이 도 11에 도시되어있다. 분말 회수 시스템 (1100) 은 분말이 인쇄 작업을 거친 후 PBF 장치로부터 분말 (1115) 을 받을 수 있다. 예를 들어, PBF 장치의 빌드 플레이트 (1117) 는 모터 (1119) 에 연결될 수 있다. 인쇄 작업 후, 모터 (1119) 는 빌드 플레이트 (1117) 를 회전시켜 분말 베드를 체 (1121) 상으로 덤프할 수 있다. 체 (1121) 는 분말 베드에서 빌드 피스를 포획하고 비융합 분말, 즉 분말 (1115) 이 특성화기 (1103) 상으로 분말 회수 챔버 (1101) 를 통해 떨어질 수 있게 할 수 있다.
특성화기 (1103) 는 분말 (1115) 의 특성을 결정할 수 있고 제어기 (1105) 에 특성 정보를 전송할 수 있다. 예를 들어, 특성화기 (1103) 는 분말 (1115) 의 오염량을 결정할 수 있다. 특성 정보에 기초하여, 제어기 (1105) 는 분말 (1115) 을 재사용할지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어기 (1105) 는 분말 (1115) 이 너무 오염되어 재사용될 수 없는지 여부를 결정할 수 있다. 제어기 (1105) 가 분말 (1115) 이 재사용되어야한다고 결정하면, 제어기는 (제 2 포트 (1111) 가 폐쇄된 상태로 유지되면서) 제 1 포트 (1109) 가 개방되도록 제어할 수 있고 분말이 재사용 파이프 (1123) 내에 덤프되도록 제 1 포트 위로 분말 (1115) 을 이동시키도록 운반기 (1107) 를 제어할 수 있다. 예를 들어, 분말이 너무 오염되지 않은 경우, 분말은 PBF 장치에 의해 재사용될 수 있다. 반면에, 제어기 (1105) 가 분말 (1115) 이 재사용되지 않아야한다고 결정하면, 제어기는 (제 1 포트 (1109) 가 폐쇄된 상태로 유지되면서) 제 2 포트 (1111) 가 개방되도록 제어할 수 있고 분말이 재생 파이프 (1125) 내에 덤프되도록 제 2 포트 위로 분말 (1115) 을 이동시키도록 운반기 (1107) 를 제어할 수 있다. 예를 들어, 분말이 너무 오염되어 재사용될 수 없다면, 분말은 재생되어 PBF 장치를 위한 새로운 분말을 생성할 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, PBF 장치의 인쇄 작업을 거친 분말은 분말이 재사용, 재생 등에 적합한지 여부의 결정에 기초하여 재사용, 재생 등이 될 수 있어, 폐기물을 줄일 수 있고 PBF 시스템을 운영하는 비용을 감소시킨다.
도 12 는 PBF 시스템에서 금속 분말을 회수하는 예시적인 방법의 흐름도이다. 인쇄 작업을 거친 금속 분말은 제 1 포트 및 제 2 포트를 포함하는 챔버 내로 수용될 수 있다 (1201). 분말의 특성이 결정될 수 있다 (1202). 예를 들어, 오염 수준, 인쇄 이력 (예를 들어, 분말이 인쇄 작업에서 재사용된 횟수) 등이 결정될 수 있다. 그 방법은 특성에 기초하여 금속 분말을 재사용할지 여부를 결정할 수 있다 (1203). 분말이 재사용되어야 한다고 결정되면, 분말은 제 1 포트를 통해 운반될 수 있다 (1204). 다양한 실시형태에서, 제 1 포트는 PBF 시스템에서 재사용될 분말을 운반하는 재사용 경로에 연결될 수 있다. 예를 들어, 재사용 경로는 새로운 분말과 혼합될 분말을 운반하는 파이프를 포함할 수 있고, 혼합 분말은 재사용을 위해 디포지터로 운반될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 분말은 PBF 시스템에서 직접 사용되거나 또는 혼합되기 전에 오염 제거 시스템에 의해 오염 제거될 수 있다. 분말이 재사용되지 않아야 한다고 결정되면, 분말은 제 2 포트를 통해 운반될 수 있다 (1205). 다양한 실시형태에서, 제 2 포트는 재생될 분말을 운반하는 재생 경로에 연결될 수 있다. 예를 들어, 재생 경로는 분말을 용융시키고 액체 금속으로부터 새로운 분말을 생성하는 금속 분무기로 분말을 운반하는 파이프를 포함할 수 있다.
도 13 은 PBF 시스템을 위한 예시적인 분말 오염 제거 시스템 (1300) 을 예시한다. 분말 오염 제거 시스템 (1300) 은 오염 제거 챔버 (1301), 오염 제거 시스템 (1303), 및 컨베이어 벨트 (1305) 를 포함할 수 있다. PBF 인쇄 작업으로부터의 분말 (1307) 은 컨베이어 벨트 (1305) 에 의해 챔버 (1301) 내로 운반될 수 있다. 오염 제거 시스템 (1303) 은 분말 (1307) 을 오염 제거할 수 있다. 예를 들어, 오염 제거 시스템 (1303) 은 분말을 녹이거나 또는 소결하지 않고서 오염물을 제거하기 위해 분말을 가열할 수 있는 오염 제거로 (decontamination furnace) 를 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 오염 제거로는 진공 환경에서 분말을 가열할 수 있는 진공로일 수 있다. 컨베이어 벨트 (1305) 는 오염 제거된 분말 (1309) 을 챔버 (1301) 밖으로 운반할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 오염 제거된 분말 (1309) 은 PBF 시스템에서 재사용될 수 있다.
도 14 는 PBF 시스템에서 분말을 오염 제거하는 예시적인 방법의 흐름도이다. 인쇄 작업을 거친 금속 분말은 챔버로 수용될 수 있다 (1401). 분말은 오염 제거될 수 있다 (1402). 예를 들어, 분말은 분말을 용융시키거나 또는 소결시키지 않고서 오염물을 제거하기 위해 가열될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 분말은 가열되는 동안 진공 환경에 있을 수 있다. 분말은 챔버 밖으로 운반될 수 있다 (1403). 다양한 실시 형태에서, 오염 제거된 분말은 PBF 시스템에서 재사용될 수 있다.
도 15는 환경 제어와 함께 분말 재사용 및 재생을 포함하는 예시적인 PBF 시스템 (1500) 을 예시한다. PBF 시스템 (1500) 은 3-D 빌드 피스를 인쇄하기 위해 인쇄 작업을 수행할 수 있는 PBF 장치 (1501) 를 포함할 수 있다. PBF 장치는 PBF 인쇄 작업을 위해 분말을 성막할 수 있는 디포지터 (1503) 를 포함할 수 있다. 명확성을 위해, PBF 장치의 다른 컴포넌트들은 도시되지 않았다. PBF 장치 (1501) 의 인쇄 작업 후, 분말 (1505) 은 도 11 의 분말 회수 장치 (1100) 와 같은 분말 회수 장치 (1507) 에 의해 회수될 수 있다. 분말 회수 장치 (1507) 의 분말 특성화기 (1509) 는 오염 수준과 같은 분말 (1505) 의 특성을 결정할 수 있다. 분말 회수 장치 (1507) 는 분말 (1505) 을 재사용할지, 재생할지 여부 등을 결정할 수 있다.
분말 회수 장치 (1507) 가 분말 (1505) 을 재사용하기로 결정하면, 분말은 재사용 분말 (1511) 의 파이프에 성막될 수 있다. 재사용 분말 (1511) 은, 예를 들어, 오염 제거로를 포함할 수 있는, 도 13 의 오염 제거 시스템 (1300) 과 같은 오염 제거 시스템 (1515) 으로 운반될 수 있다. 오염 제거 시스템 (1515) 은 재사용 분말 (1511) 을 오염 제거하여 오염 제거된 분말 (1517) 을 생성할 수 있다. PBF 시스템 (1500) 은 오염 제거된 분말 (1517) 을 재사용 챔버 (1519) 로 운반할 수 있고, 이로부터 오염 제거된 분말은 새로운 분말 (1523) 과 혼합하여, 예를 들어, 도 10 의 장치 (1000) 에 대해 기재된 것과 유사한 방식으로, 혼합 분말 (1525) 을 분말 파이프 (1527) 에 생성하기 위해 도우즈 제어기 (1521) 에 의해 도우징될 수 있다. 바이브레이터 (1529) 는, PBF 장치 (1501) 의 인쇄 작업들에 사용될 혼합 분말을 디포지터 (1503) 내에 도우징할 수 있는, 도우즈 제어기 (1524) 에 분말 파이프를 통해 혼합 분말 (1525) 을 운반하기 위해 분말 파이프 (1527) 를 진동시킬 수 있다.
반면에, 분말 회수 장치 (1507) 가 분말 (1505) 을 재사용하지 않기로 결정하면, 분말은 재생 분말 (1531) 의 파이프에 성막될 수 있다. PBF 시스템 (1500) 은 재생 분말 (1531) 을 금속 분무기 (1533) 로 운반할 수 있고, 재생 분말을 가열 및 용융하여 새로운 (재생된) 분말 (1523) 을 생성할 수 있다. PBF 시스템 (1500) 은 오염 제거된 분말 (1517) 과 혼합하기 위해 새로운 (재생된) 분말을 분말 파이프 (1527) 로 운반할 수 있다.
PBF 시스템 (1500) 은 금속 분말의 재료 특성을 변화시키는 물질에 대한 분말의 노출을 감소시키는 환경을 생성할 수 있는 환경 시스템 (1535) 을 포함할 수 있다. 예를 들어, 환경 시스템 (1535) 은 도 2의 환경 시스템 (205) 과 유사한 방식으로 동작할 수 있다. 환경 시스템 (1535) 은, PBF 시스템에서 분말의 운반, 핸들링 및 사용이, 분말의 재료 특성을 변화시키거나 및/또는 노출된 분말로부터 형성된 빌드 피스의 특성을 변화시키는 물질에 대한 분말의 노출을 감소시키는 환경에서, 수행될 수 있도록, 다양한 지점에서 PBF 시스템 (1500) 의 다양한 컴포넌트들에 연결될 수 있다.
다양한 실시형태들에서, 분말 운반, 핸들링 및 사용은 폐쇄 시스템, 예를 들어 기밀 시스템에서 달성될 수 있다. 다양한 실시형태에서, 한 섹션이 다른 섹션들로부터 밀봉될 수 있도록, 예를 들어 나머지 섹션들에서 환경을 유지하면서 섹션이 외부로부터 액세스될 수 있도록 에어록 (air-lock) 이 폐쇄 시스템의 상이한 섹션들 사이에 배치될 수 있다. 다양한 실시 형태들에서, 빌드 피스가 검사될 수 있고, 거부된 빌드 피스는 재생된 분말과 함께 재생될 수 있다. 따라서, 전술한 다양한 예시적인 실시형태들 및 다른 실시형태들은 분말의 효율적인 재사용, 재생 등을 허용할 수 있고 PBF 시스템에 대한 비용 절감을 제공하고 그러한 시스템의 부정적인 환경 영향을 감소시킬 수 있다.
도 16은 재생된 재료를 통해 새로운 분말 합금을 생성하는 능력을 제공할 수 있는 예시적인 분말 재생 에코시스템 (1600) 을 예시한다. PBF 시스템 (1500) 과 같은 PBF 시스템 (1601) 은 PBF 장치 (1603) 및 금속 분무기 (1605) 를 포함할 수 있다. PBF 시스템 (1601) 은 또한 다양한 예시적인 실시형태들에서 전술한 바와 같이 분말 재사용 및 재생, 제어된 환경 생성 및 유지, 분말 오염 제거, 재사용 분말 및 새로운 분말 도우징 등을 위한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. PBF 장치 (1603) 는 빌드 피스를 인쇄하기 위해 분말을 받을 수 있다. 분말은 금속 분무기 (1605) 에 의해 생성될 수 있는 새로운 분말 (1606) 을 포함할 수 있다. 새로운 분말 (1606) 은 챔버 (1607) 를 통해 PBF 장치로 운반될 수 있다. 챔버 (1607) 내 환경은 새로운 분말의 재료 특성을 변화시키는 물질에 대한 새로운 분말 (1606) 의 노출을 감소시키기 위해 생성 및 유지될 수 있다. 예를 들어, 이러한 환경을 생성 및 유지하기 위해 전술한 다양한 방법이 사용될 수 있다. PBF 장치 (1603) 는 부품 (1608) 과 같은 빌드 피스들을 인쇄할 수 있다. 이 예에서, 부품 (1608) 은 차 (1609) 용 자동차 부품이다.
차 (1609) 가 새로운 차로 제작되는 경우, 부품 (1608) 도 새것이다. 분말 재생 에코시스템 (1600) 에서, 부품 (1608) 은 부품이 그 목적을 달성했을 때 PBF 시스템 (1601) 으로 반환될 수 있다. 예를 들어, 부품 (1608) 은 그 부품이 고장나거나, 그 부품이 일상적인 유지 보수 동안 교체되는 경우, 차 (1609) 의 수명 종료시 (도 16의 예에 도시 된 바와 같이) 등에 반환될 수 있다. 부품 (1608) 이 PBF 시스템 (1601) 으로 반환될 때, 부품은 금속 분무기 (1605) 에서 용융될 수 있고, 용융된 금속은 새로운 분말 (1606) 을 생성하는데 사용될 수 있다. 금속 분무기 (1605) 는 또한 예를 들어 PBF 장치 (1603) 로부터 재생 분말 (1613) 을 용융시키고 재생 분말로부터의 용융 금속을 부품 (1608) 으로부터의 용융 금속과 혼합할 수 있다. 금속 분무기 (1605) 는 또한 새로운 금속 (1615) 을 받을 수 있고 새로운 금속을 용융시킬 수 있고 이 용융 금속을 용융 금속의 믹스에 역시 첨가할 수 있다. 다시 말해서, 금속 분무기 (1605) 는 이들 3 가지 금속 소스들, 즉 부품 (1608) 의 금속, 재생 분말 (1613) 로부터의 금속, 및 새로운 금속 (1615) 중 2가지 이상의 다양한 조합으로부터 새로운 분말 (1606) 를 생성할 수 있거나, 또는 PBF 시스템 (1601) 의 필요 및 각각의 금속 소스의 이용 가능성에 따라, 3개의 소스들 중 하나로부터 새로운 분말을 생성할 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 자동차 제조업체의 재료 비용을 줄이고 자동차 제조의 환경 영향을 줄이기 위해 재생 에코시스템이 생성될 수 있다.
도 17 는 분말 재생 에코시스템에서 분말 재생의 예시적인 방법의 흐름도이다. PBF 시스템은 재생된 3차원 인쇄 구조물들을 포함하는 하나 이상의 금속 소스들로부터 금속 분말을 생성할 수 있다 (1701). 예를 들어, 분말 재생 에코시스템 (1600) 은 PBF 시스템 (1601) 을 사용하는 재생의 예시적인 시스템을 예시한다. PBF 시스템은 금속 분말을 융합시킴으로써 3차원 인쇄 구조물들을 생성할 수 있다 (1702).
이전의 설명은 당업자가 본원에 기재된 다양한 양태들을 실시하는 것을 가능하게 하기 위해서 제공된다. 본 개시 전반에 걸쳐 제시된 이들 예시적인 실시형태들에 대한 다양한 수정들은 당업자들에게 용이하게 명백할 것이다. 따라서, 청구항들은 본 개시 전반에 걸쳐 제시된 예시적인 실시형태들에 제한되도록 의도된 것이 아니라, 문언 청구항들과 일치하는 전체 범위가 부여되야 한다. 당업자들에게 알려져 있거나 또는 추후에 알려지게 될 본 개시 전반에 걸쳐 설명된 예시적인 실시형태들의 엘리먼트들에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물들이 청구항들에 의해 포괄되도록 의도된다. 더욱이, 본 명세서에서 개시된 어떤 것도, 이러한 개시가 청구항들에서 명시적으로 기재되는지 여부에 상관없이 공중에 받쳐지도록 의도되지 않는다. 어떠한 청구항 엘리먼트도, 그 엘리먼트가 어구 "~ 하는 수단" 을 사용하여 분명히 기재되지 않는 한, 또는 방법 청구항의 경우에, 그 엘리먼트가 어구 "~ 하는 단계" 를 사용하여 기재되지 않는 한, 35 U.S.C.§112(f) 의 규정들 또는 적용가능한 관할권에서의 유사한 법률 하에서 해석되지 않아야 한다.

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  25. 분말 베드 융합 시스템을 위한 장치로서,
    상기 분말 베드 융합 시스템으로부터 금속 분말을 수용하는 챔버로서, 상기 챔버는 제 1 포트 및 제 2 포트를 포함하는, 상기 챔버;
    상기 금속 분말의 특성을 결정하고; 상기 금속 분말의 특성은 유동성 (flowability), 오염량, 인쇄 이력 (print history), 또는 인쇄 성능 (print performance) 중 적어도 하나인, 분말 특성화기;
    상기 특성에 기초하여 상기 금속 분말을 재사용할지 여부를 결정하는 제어기로서, 상기 제어기가 상기 특성에 기초하여 상기 금속 분말이 재사용되어야 한다고 결정하면, 상기 제 1 포트를 개방하고 상기 제 2 포트를 폐쇄하고, 그리고 상기 제어기가 상기 특성에 기초하여 상기 금속 분말이 재사용되지 않아야 한다고 결정하면, 상기 제 2 포트를 개방하고 상기 제 1 포트를 폐쇄하는, 상기 제어기; 및
    상기 제어기가 상기 금속 분말이 재사용되어야 한다고 결정하면 개방된 상기 제 1 포트를 통해 상기 금속 분말을 운반하고 상기 제어기가 상기 금속 분말을 재사용 및 재생되지 않아야 한다고 결정하면 개방된 상기 제 2 포트를 통해 상기 금속 분말을 운반하는 분말 운반기
    를 포함하는, 분말 베드 융합 시스템을 위한 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 2 포트에 연결된 금속 분무기를 더 포함하고, 상기 금속 분무기는 상기 제 2 포트를 통해 운반된 상기 금속 분말을 액체 금속으로 가열하고 상기 액체 금속으로부터 새로운 금속 분말을 생산하는, 분말 베드 융합 시스템을 위한 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 금속 분무기는 또한 재생된 3차원 인쇄 구조물들을 상기 액체 금속으로 가열하는, 분말 베드 융합 시스템을 위한 장치.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 금속 분말을 오염 제거하는 오염 제거 컴포넌트를 더 포함하며, 상기 오염 제거 컴포넌트는 상기 제 1 포트에 연결되는, 분말 베드 융합 시스템을 위한 장치.
  29. 제 25 항에 있어서,
    상기 금속 분말 및 새로운 금속 분말을 수용하는 제 2 챔버;
    금속 분말 대 새로운 금속 분말의 비율을 결정하는 도우즈 제어기; 및
    상기 비율에 기초하여 상기 제 2 챔버에서 상기 금속 분말과 새로운 금속 분말을 혼합하는 믹서를 더 포함하는, 분말 베드 융합 시스템을 위한 장치.
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