KR102495003B1 - 분말층 3차원 프린터기용 개선된 미세분말 분배시스템 및 집진시스템 및 관련 방법 - Google Patents

분말층 3차원 프린터기용 개선된 미세분말 분배시스템 및 집진시스템 및 관련 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분말층 3차원 프린터기에서 빌드 분말을 분배하고 3차원 프린터기의 빌드 플랫폼 부근의 기체 환경에 떠있는 빌드 분말의 미립자를 수집하는 장치에 관한 것이다. 이러한 장치는 빌드 플렛폼 또는 분말 베드의 폭 전체에 걸쳐 미세한 빌드 분말을 균일하게 분배하는데 특히 유용한 리코터(20)을 포함한다. 본 발명은 또한 이러한 빌드 분말을 분배하는 장치 및/또는 이러한 떠 있는 입자를 수집하는 장치를 포함하는 분말층 3차원 프린터기(2)를 포함한다. 개선된 미세분말 리코터(20)는 초음파 변환기(30)를 사용하여 시트 스크린(28)을 통해 분말을 이동시킨다. 시트 스크린(28)은 분배기로부터 분말의 유량을 제한하고 분배된 분말의 양을 제어하기 위해 좁은 분배 슬롯에서 그 위로 공급되는 분말에 제공될 수 있다. 슬롯의 폭은 전체 빌드 박스 충전 영역을 덮도록 확장될 수 있다. 초음파 변환기(30)는 바람직하게는 작동하는 동안에 주파수 범위를 통해 주기적으로 스윕핑하도록 구성된다. 초음파 진동 시스템은 저주파 진동 시스템으로 강화될 수 있다. 집진 시스템(160)은 프린터기(2)의 데크 플레이트(170)을 통해 프린터기의 하우징(164)의 주변으로부터 외부 집진기(250)로 공기를 유입한다.

Description

분말층 3차원 프린터기용 개선된 미세분말 분배 시스템 및 집진 시스템 및 관련 방법
본 발명은 분말층 3차원 프린터기 및 이에 의한 물품의 제조방법에 관한 것이다.
오늘날 다양한 유형의 3차원 프린터기, 즉 하나 이상의 재료의 체계적인 적층에 의해 3차원 물품의 전자적 표현을 물품 실체로 변환하는 장치가 있다. 본 발명의 장치는 연속적으로 증착되는 분말층의 미리 선택된 영역을 선택적으로 함께 결합하여 3차원 물품을 생성하는 3차원 프린터기 유형에 특히 유용하다. 이러한 유형의 3차원 프린터기는 본원에서 “분말층 3차원 프린터기”로 지칭되는데, 이는 이러한 프린터기에 의한 3차원 물품의 구성이 분말층을 빌드(build) 물질로 이용하기 때문이다. 이러한 유형의 분말계 3차원 프린터기의 예는, 제한 없이, 바인더-제트(binder-jet) 3차원 프린터기, 선택적 소결(selective sintering) 3차원 프린터기, 및 전자빔 용융(electron beam melting) 3차원 프린터기를 포함한다.
용어 “분말”은 또한 때로는 당업계에서 “입자상 물질” 또는 “입자”로 지칭되는 것으로 이해하여야 하고, 용어 “분말”은 본원에서 3차원 프린터기에서 층형성 물질로 사용되는 임의의 명칭에 의한 임의의 물질을 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 분말은 분말형태를 취할 수 있는 임의의 유형의 물질, 예컨대 금속, 플라스틱, 세라믹, 탄소, 흑연, 복합물질, 광물 등 및 그 조합을 포함할 수 있다. 용어 “빌드 분말”은 본원에서 분말층을 형성하고 분말층 3차원 프린터기에서 이로부터 물품이 적층되는 것을 지칭하는데 사용된다.
분말층 3차원 프린터기가 작동하는 동안, 빌드 분말의 제 1층은 수직 인덱싱 빌드 플랫폼 상에 증착되고, 이어서 연속적인 분말층이 제 1 분말층 상에 한 번에 하나씩 증착된다. 또한, 빌드 플랫폼은 정지 상태로 유지되고 분말 증착 및 이미지 부여 성분은 상방향으로 인덱스된다. 선택된 분말층의 선택된 부분은 3차원 물품이 형성될 때 이들 부분의 분말을 함께 결합하게 한다. 집합적으로, 서로 결합하지 않은 증착된 분말층의 부분은 본원에서 "분말 베드(bed)"로 지칭된다.
일부 분말층 3차원 프린터기에서, 각 분말층은 개방형 상부 정지식 분말 저장소로부터 소정량의 빌드 분말을 이송시켜 분말층을 형성하는데, 먼저 저장소 내 분말을 지지하는 플랫폼을 상향으로 인덱싱하고 소정량을 저장소 벽 위로 상승시킨다. 그런 후, 빌드 플랫폼 또는 분말 베드의 상부에 그 양만큼의 분말을 밀어넣어 분말층을 형성한다. 일부 분말층 3차원 프린터기에서, 각 분말층은 이동식 분말 분배기에 의해 빌드 플랫폼 또는 잔존하는 분말 베드 상에 증착되며, 이는 분말층의 상부를 평평하게 하도록 구성된 일부 장치를 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있다.
분말층을 형성하는 공정은 종종 당업계 및 본원에서 "리코팅"으로 지칭된다. 리코팅을 실현하는 입자상 분말층 3차원 프린터기의 장치 또는 장치들의 조합은 종종 당업계 및 본원에서 "리코터"로 지칭된다.
당업계에 현존하는 리코터는 보편적으로 의도된 목적대로 잘 작동하고 있지만, 당업계에는 특히 미세 빌드 분말, 즉 20미크론 미만의 평균 입자 크기(dso)를 갖는 빌드 분말에 대해 우수한 분말층 균일성을 지속적으로 제공하는 리코터를 개발할 필요가 여전히 있다. 당업자는 본 출원의 출원인이 소유하는 다음의 특허 공개에서 분말층 3차원 프린터기에서의 미세분말의 사용에 대한 개선이 교시되어 있다는 것을 상기할 수 있다: WO 2016/176432 A1 "3차원 프린터기용 분말 리코터"; WO 2017/040521 A1 "3차원 프린트용 선택적으로 활성화된 메쉬 배출 분말 리코터"; 및WO 2017/040521 A1 및 US 9,486,962 B1 "3차원 프린터기용 미세분말 리코터". 본 출원으로, 본 발명은 이 기술분야에 대한 추가 개선을 개시한다.
미세 빌드 분말의 사용에 대한 일반적인 두가지 문제는 (a) 전체 프린트 베드 상에 균일한 층을 생성하기 어렵다는 점과, (b) 3차원 프린터기의 다른 영역으로 통풍에 의해 운반되기 위하여 빌드 베드 상에 증착되는 동안 미세 분말의 "플럼(plume)" 성향, 즉 매우 약한 통풍 속에 떠있게 되는 점이다. 당업자는 적층되는 물품 표면 상의 미세 특징형상 해상도를 얻기하기 위한 노력으로 층의 두께를 최소화할 때 미세 빌드 분말로 균일한 층을 생성하는데 있어서의 어려움이 특히 심각해진다는 것을 이해할 것이다. 당업자는 또한 구성요소의 작동 또는 이동, 팬, 열 구배, 의도적인 가스 유동및 심지어 빌드 분말과 빌드 베드의 충돌로 인해 플럼을 유발하는 통풍이 빌드 영역 내 존재할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 전자의 문제는 모든 유형의 분말층 3차원 프린터기에 존재는 반면, 후자의 문제는 예컨대, 빔용융 3차원 프린터기와 같이 빌드 영역이 진공 또는 거의 진공에 가깝게 유지되는 그러한 분말층 3차원 프린터기에서는 존재하지 않거나 감소된 정도로만 존재한다.
분말층 3 차원 프린터의 분말 베드 형성에 있어서 내재하는 또 다른 문제점은 분말 베드를 가로지르고 또 이를 따라 분배되는 분말의 균일성 결여를 보상하는데 필요한 과량의 분말(이하에서 용어가 정의됨)이다. 감소된 분말 크기를 갖는 보다 얇은 층을 사용하려는 경향으로 인하여 미세 분말을 사용하는 경우 균일성 부족 및 과도한 분말 문제가 증폭된다.
본 발명은 전술한 문제점 중 하나 이상에 대한 해결책을 제공하는 3차원 프린터기에서 미세 빌드 분말을 3차원적으로 프린팅하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 적어도 일부 실시예에서, 분말층 3차원 프린터기의 리코터는 빌드 분말이 빌드 베드 상에 분배됨에 따라 빌드 분말을 펠릿화(pelletize) 한다. 참조의 용이함을 위해, 생성된 펠릿(pellets)은 본원에서 "빌드 분말 펠릿"이라 지칭한다. 이러한 실시예에서, 빌드 분말 펠릿은 빌드 분말이(이하에서 용어 정의됨) 시트 스크린(sheet screen)을 통과하여 이에 의해 펠릿화됨에 따라 시트 스크린에 초음파 진동을 가함으로써 형성된다. 이러한 펠릿화는 빌드 분말 펠릿의 낙하하는 미세 빌드 분말이 빌드 베드에 낙하 또는 이와 충돌하는 동안 기류(또는 타 기체류)에 갖히는 것을 방지하여, 일반적으로 미세 분말을 분배하는 것과 관련된 플러밍(pluming)의 양을 크게 감소시킨다.
본 발명의 적어도 일부 실시예에서, 분말층 3차원 프린터기의 리코터는 분말베드를 가로지르고 또 이를 따라 보다 균일하게 미세분말을 분배하여 보다 적은 과잉 분말(이하에서 용어 정의됨)을 사용할 수 있게 한다.
본 발명은 분말층 3차원 프린터기의 빌드 박) 부근의 기체 환경에 떠있는 빌드 분말 입자를 수집하는 장치를 구비하는 분말층 3차원 프린터기에 관한 것이다.
본 발명의 리코터는(이하에서 용어 정의됨) 시트 스크린의 상부면으로 빌드 분말을 제공하도록 구성된 빌드 분말 호퍼(hopper)를 포함한다. 리코터는 또한 약 20,000Hz 이상의 주파수, 즉 초음파 범위에서 시트 스크린을 진동시키도록 구성된 하나 이상의 초음파 변환기를 포함한다. 일부 실시예에서, 리코터는 빌드 분말이 호퍼로부터 시트 스크린으로 유동하는 것을 보조하도록 구성된 저주파, 즉 음파 주파수, 진동기를 포함한다.
본 발명의 일부 리코터는 종래의 리코터와 비교할 때 신뢰할 수 있는 균일한 커버리지(coverage)를 위해 요구되는 감소된 최소 분배율(이하에서 용어가 정의됨)을 제공한다. 예컨대, 일부 리코터 실시예는 일부 종래의 리코터의 경우 400% 이상인 것과는 대조적으로 최소 분배율을 상한으로서 200%를 허용한다. 이는 빌드 박스의 집진 슈트(chutes) 또는 이와 관련된 집진 슈트의 오버플로잉(overflowing) 없이 전체 빌드 박스 깊이 가득 적층을 가능하게 한다.
바람직한 리코터 실시예의 모듈식 설계는 상이한 입자 크기 분포, 밀도 및 유동 특성을 갖는 분말을 수용하도록 시트 스크린의 변형을 허용한다.
본 발명의 일부 실시예는 빌드 박스 주변부의 국부적인 먼지의 수집에 관한 것이다. 그 근원에서 또는 근처에서 먼지를 수집하는 것은 기계 작업 영역 내의 미세 입자의 분산을 유의미하게 감소시키고, 기계 오염을 크게 감소시킨다.
본 발명의 특성 및 장점에 대한 중요성은 첨부된 도면을 참조하여 더욱 잘 이해하게 될 것이다. 그러나, 도면은 단지 예시의 목적으로 고안된 것이지 본 발명의 제한을 정의하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
도 1은 Innovent® 상표로 더 엑스원 컴퍼니(The ExOne Company)가 제조한 종래 기술의 바인더-제트 3차원 프린터기의 사시도이다.
도 2는 도 1의 종래 기술의 바인더-제트 3차원 프린터기의 빌드 영역 부분의 평면 개략도이다.
도 3은 지지 트롤리에 장착 된 제 1 리코터 실시예의 측면 사시도이다.
도 4는 도 3의 리코터의 저면 사시도이다.
도 5는 도 3에 도시된 절개면(5-5)을 따라 취해진 도 3의 리코터의 측단면 개략도이다.
도 6은 도 7의 리코터의 스크린 홀더 및 시트 스크린 상부면의 사시도이다.
도 7 은 지지 트롤리에 장착 된 제 2 리코터 실시예의 측면 사시도이다.
도 8은 지지 트롤리와 이격된 도 7의 리코터 일부의 저면 사시도이다.
도 9는 지지 트롤리와 이격된 도 7의 리코터 일부의 측면 사시도이다.
도 10은 도 9 도시된 절개면(10-10)을 따라 취해진 도 9의 리코터의 측단면 사시도이다.
도 11은 제 3 리코터 실시예의 측면 사시도이다.
도 12는 도 11 도시된 절개면(12-12)을 따라 취해진 도 11의 리코터의 측단면도이다.
도 13은 제 4 리코터 실시예의 측면 사시도이다.
도 14는 일 실시예를 작동하는 동안 시트 스크린의 홀을 통해 빌드 분말의 초음파 변환기 구동 통과에 의해 형성된 복수개의 빌드 분말 펠릿의 형성을 보여주는 사진이다.
도 15a 내지 15c는 베드 폭을 가로질러 보다 균일한 분배를 실현하기 위해 기계 시스템의 성향을 상쇄시키는데 이용되는 홀의 크기, 분포 및 형상의 가능한 변형 중 일부를 도시한다.
도 15a는 제 1 시트 스크린 실시예의 평면도이다.
도 15b는 제 2 시트 스크린 실시예의 평면도이다.
도 15c는 제 3 시트 스크린 실시예의 평면도이다.
도 16a는 천공되어 시트로부터 절단되는 다수의 시트 스크린의 레이아웃을 도시하는 스테인레스 스틸 시트의 평면개략도이다. 일부 천공 패턴은 도면에 표시되어 있는 반면 일부는 도시되어 있지 않다. 문자 A 내지J로 표시된 천공 패턴은 도 16b 및 16c에 도시된 것과 대응한다.
도 16b는 도 16a에서 A 내지 F로 표시된 천공 패턴의 평면개략도이다.
도 16c는 도 16a에서 G 내지 J로 표시된 천공 패턴의 평면개략도이다.
도 17은 제 1 집진 시스템 실시예의 측단면 개략도이다.
도 18은 제 2 집진 시스템 실시예의 측단면 개략도이다.
도 19 내지 23은 Innovent® 분말층 3차원 프린터기에 설치된 실제 집진 시스템 실시예의 부분 사진이다.
도 19는 빌드 박스 또는 덮개가 없는 데크(deck)의 상부면 사진이다.
도 20은 빌드 박스 또는 덮개가 있는 도 19의 데크 사진이다.
도 21은 데크 아래의 분말층 3차원 프린터기의 하우징(housing) 내부의 부분 사진이다. 이는 데크의 아래쪽에서 위쪽을 바라본 도면이다.
도 22는 분말층 3차원 프린터기의 하우 외부의 부분 사진으로, 배기 포트(port)가 하우징에 부착되어 있다.
도 23은 외부 덕트(duct)가 연결되어 있는 외부 집진 유닛의 사진이다.
도 24는 실시예의 진동 제어 시스템을 나타내는 모식도이다.
도 25a 내지 25f는 실시예의 일부 바람직한 홀 프로파일(profiles)을 나태내는 일부 시트 스크린의 측단면 개략도이다.
도 25a는 직선의 측벽을 구비하는 홀을 갖는 제 1 시트 스크린을 도시한다.
도 25b는 홀의 대략 중간 높이에서 만나는 상부 및 하부 사면을 포함하는 측벽을 구비하는 홀을 갖는 제 2 시트 스크린을 도시한다.
도 25c는 상부 사면, 직선 벽부 및 하부 사면을 포함하는 측벽을 구비하는 홀을 갖는 제 3 시트 스크린을 도시한다.
도 26d는 홀의 중간 높이 아래에서 만나는 상부 및 하부 사면을 포함하는 측벽을 구비하는 홀을 갖는 제 4 시트 스크린을 도시한다.
도 26e는 홀의 중간 높이 위에서 만나는 상부 및 하부 사면을 포함하는 측벽을 구비하는 홀을 갖는 제 5 시트 스크린을 도시한다.
도 26f는 홀의 상부로부터 하부로 계속하여 내부로 경사지는 측벽을 구비하는 홀을 갖는 제 6 시트 스크린을 도시한다.
본 발명의 일부 바람직한 실시예는 당업자가 과도한 실험을 수행하지 않고도 본 발명을 실시할 수 있을 정도로 충분히 상세히 기술된다. 그러나, 본 원에 기재된 제한된 수의 바람직한 실시예가 설명된다는 사실이 청구범위에 기술된 본 발명의 범주를 어떠한 방식으로든 제한하지 않는다는 것을 이해하여야 한다.
본 원에서 범위의 값을 기술할 때는, 즉 본 특허 문서의 당해 부분 또는 임의의 다른 부분에서, 마치 각각의 모든 점이 명시적으로 기술된 것처럼 범위는 마지막 점 및 이들 사이의 모든 점을 포함하는 것을 이해하여야 할 것이다. 달리 언급하지 하지 않는 한, 본 원에서 사용된 "약" 및 "실질적인"이라는 용어는 "약" 또는 "실질적인" 용어가 변경하는 가치 또는 조건과 관련된 통상적인 측정 및/또는 제조의 제한을 의미하는 것으로 해석되어야 할 것이다. 임의의 특정 실시예와 관련하여 특정 특징을 기술될 때마다, 실현 가능한 한, 이러한 특징과 본원에서 교시하는 임의의 다른 실시예와 관련하여 기술되는 임의의 특징과의 조합은 본 발명의 범위 내에 있다는 것을 이해하여야 한다.
상기 배경기술에서 언급한 바와 같이, 분말층 3차원 프린터기와 함께 미세 빌드 분말을 사용하는 기술분야의 문제점은 균일한 층을 형성하지 않고, 과잉 분말(이하에서 용어가 정의됨)의 양을 감소시키는것, 및 플러밍을 포함한다. 본 발명의 두 가지 중요한 양태(단독으로 또는 다른 것과 조합하여 사용될 수 있음) 각각은 이러한 문제 중 하나 이상을 다룬다. 이들 양태은 각각 개선된 리코터와 플럼 집진 시스템이다. 이러한 양태는 아래에서 차례로 논의된다.
간결성을 위해, 본 발병의 개선된 리코터 및 플럼 집진 시스템은 바인더-제트 3차원 프린터기와 관련하여 이하 일부 지점에서 기술된다. 다만, 본 발명의 리코터는 임의의 유형의 분말층 3차원 프린터기와 함께 사용될 수 있고, 본 발명의 플럼 집진 시스템은 임의의 유형의 분말층 3차원 프린터기와 함께 사용될 수 있으며, 이때 3차원 프린팅은 기체 환경 하에서 수행된다는 것을 이해하여야 한다.
바인더-제트 3차원 프린터기의 예시는 도 1 및 2에 도시된다. 도 1은 종래 기술의 바인더-제트 3차원 프린터기(2), 즉 상표 Innovent® 하에 미국, 펜실베니아, 노스 헌팅던 소재의 더 엑스원 컴퍼니(The ExOne Company)가 제조한 바인더-제트 3차원 프린터기의 사시도를 나타낸다. 프린터기(2)는 에워싸인 프린팅 스테이션(station)(4) 및 프린팅 스테이션에 연결되는 터치 스크린(touch screen) 입력 제어 스테이션(6)을 구비한다. 도 2는 프린팅 스테이션(4)의 빌드 영역(8)의 평면개략도를 도시한다. 리코터(10), 빌드 박스(12), 및 프린트헤드(14) 형태의 이미지 형성 장치가 빌드 영역(8)에 위치한다. 빌드 박스(10)는 하나 이상의 원하는 3차원 물품을 구성할 수 있는 프린트 베드를 형성하기 위해 이를 기반으로 빌드 분말층이 증착될 수 있는 수직 인덱싱 플랫폼(미도시)과 함께 장착된다. 리코터(10)는 빌드 박스(12) 위로 제어 가능하게 이동하도록 구성되어 프린트 베드 상에 개별 빌드 분말층을 제어 가능게 증착한다. 프린트헤드(14)는 빌드 박스(12) 위로 제어 가능하게 이동하도록 구성되어 분말층의 미리 선택된 부분 위로 바인더를 잉크젯 프린팅함으로써 프린트 베드의 최상부에 놓이는 분말층에 형성될 3차원 물품의 2차원 슬라이스(silice) 이미지를 선택적으로 부여한다. 분말층 형성에 이은 이미지 부여 순서는 물품이 형설될 때까지 반복된다. 선택적 소결 3차원 프린터기 및 전자빔 용융 3차원 프린터기의 빌드 영역 및 물품 적층 순서는 이미지 형성 장치로서, 전자의 경우 레이저 시스템 및 후자의 경우 전자빔 시스템으로 대체되는 프린트헤드(14)와 유사하다.
개선된 리코터
본 발명은 개선된 용량 제어 및 증착 균일성을 실현하기 위해 초음파 진동(20 kHz 이상, 바람직하게는 20 kHz 내지 100 kHz, 보다 바람직하게는 30kHz 내지 80 kHz)을 사용하는 개선된 분배 시스템 및 천공된 시트 스크린을 구비하는 개선된 리코터에 관한 것이다. 참조 편의상, 용어 '시트 스크린'은 시트 재료로 제조된 천공된 시트를 의미하는 것으로 정의된다. 바람직하게는, 천공은 포토 에칭(photo etching) 또는 레이져 밀링(laser milling)에 의해 이루어 지지만, 임의의 가공 방법이 사용될 수 있다. 리코터는 또한 소경 롤러(roller) 및 가공 건조 또는 경화 장치를 포함할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 여타의 평활화 장치, 예컨대 대경 롤러 및/또는 닥터 블레이드(doctor blade) 및 여타의 건조 및 경화 장치를 사용하거나 또는 평활화 장치, 건조 장치, 및 경화 장치 중 하나 이상을 제거하는 것은 본 발명의 범위 내에 있다. 리코터의 바람직한 실시예의 모듈성은 공급 호퍼, 분배 슬롯(slot)의 기하학적 구조 및 시트 스크린의 홀 구성(크기, 형상, 분포, 및 개방 면적 백분율)을 비교적 쉽게 변경할 수 있게 한다.
도 3 내지 5는 제 1 리코터 실시예, 즉 미세 빌드 분말을 균일하게 증착시키는데 적합한 리코터(20)를 도시한다. 리코터(20)는 도면에서 데크(24)를 구비하는 지지 트롤리(22)상에 장착된 것으로 도시된다. 도 3은 리코터(20)의 측면 사시도이다. 도 4는 리코터(20)의 저면 사시도이다. 도 5는 도 3에 도시된 절개면(5-5)을 따라 취해진 리코터(20)의 측단면 개략도이다. 도 3 내지 5를 참조하면, 리코터(20)는 빌드 분말 공급 호퍼(26), 시트 스크린(28), 초음파 변환기(30), 및 저주파 진동기(32)를 포함한다. 리코터(20)는 또한 소경 롤러(34) 형태의 평활화 장치 및 방사형 히터 형태의 건조 장치를 포함하며, 이들 모두는 트롤리(22)의 데크(25)에 개별적으로 장착되어 있다.
도 6 내지 도 10은 제 2 리코터 실시예, 즉 리코터(40)를 도시한다. 도 6은 리코터(40)의 시트 스크린(42) 및 지지 스크린 홀더(44)의 상부면(분말 수용 측)의 사시도이다. 스크린 홀더(44)는 빌드 분말을 시트 스크린(42)으로 향하게 하는 선택적 사면(46)을 구비한다는 점을 유의하여야 한다. 사면(46)은 또한 스크린 홀더(44) 및 시트 스크린(42)의 접점 주변부에 이러한 사면을 포함하지 않는 일부 덜 바람직한 실시예의 경우와 같이 빌드 분말이 모일 수 있는 직각 에지(edge) 및 코너 데드존(corner dead zone)이 구비되는 것을 방지한다. 시트 스크린(42)의 스팬(span)(S) 및 폭(W) 또한 표시되어 있다. 시트 스크린과 관련하여 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "스팬"은 빌드 분말이 분배되도록 개방된 시트 스크린(42) 부분의 리코터의 이동 방향의 치수를 표시하는데 사용되고, 용어 "폭"은 리코터의 이동 방향에 수직인 개방부의 치수를 나타내는데 사용된다.
도 7은 트롤리(48)상에 장착된 리코터(40)의 측면 사시도이다. 도 8은 리코터(40) 일부의 저면 사시도이다. 도 9는 리코터(40) 일부의 측면 사시도이다. 도 10은 도 9의 절개면 10-10을 따라 취해진 리코터(40) 일부의 측단면 사시도이다.
도 6 내지 10을 참조하면, 이미 기술한 시트 스크린(42) 및 지지 스크린 홀더(44) 외에, 리코터(40)는 빌드 분말 공급 호퍼(50), 및 초음파 변환기(52)를 포함한다. 또한 이는 역회전 롤러 조립체(54) 형태의 평활화 장치 및 방사형 히터(56) 형태의 건조 유닛을 포함하며, 이들 모두는 트롤리(48) 상에 개별적으로 장착되어 있다. 리코터(40)는 복수개의 방진 마운트(mounts)(62)를 통해 트롤리(48)에 장착된다는 점을 유의하여야 한다.
호퍼(50)는 빌드 분말 저장소(58) 및 이행체(transition body)(60)를 포함한다. 스크린 홀더(44)는 이행체(60)의 바닥에 부착된다. 저장소(58) 및 이행체(60) 중에 적어도 하나는 바람직하게는 빌드 분말이 시트 스크린(42)을 빠져나갈 때 빌드 분말에 질량 유동을 제공하도록 설계된다. 호퍼(50)는 바람직하게는 프린팅 작업을 하는 동안 호퍼에 분말을 추가할 필요가 없이 분말 베드를 충전하기에 충분한 빌드 분말을 함유하도록 크기가 정해지고, (a) 분말이 분배되는 동안 시트 스크린(42)("보유 분말")을 통해 균일한 제어가 가능한 출력을 보장하기 위해 미리 선택된 양의 분말이 시트 스크린(42) 위의 호퍼(50)에 보유되어야 한다는 점 및 (b) "과잉 분말"의 양, 즉 완전한 층 커버리지를 보장하기 위해 분배될 필요가 있는 원하는 레벨로 빌드 박스를 충전하는데 필요한 양을 초과하는 빌드 분말의 양, 바람직하게는 재사용을 위해 평활화 장치에 의해 분배된 층으로부터 집진 구조물 내로 이동되는 과잉 분말인 점을 고려한다. 3차원 프린팅 작업을 하는 동안 빌드 박스에 보유되는 분말의 양의 백분율로서 표현되는 과잉 분말의 양은 바람직하게는 약 10 내지 300%, 더 바람직하게는 10 내지 200%, 보다 더 바람직하게는 10 내지 100% 범위 내에 있다. 비록 용어 "-율"이 맥락상 부적절하지만 당업계에서는 과잉 분말의 양은 때로는 "최소 분배율"로 지칭된다.
도 11 및 12는 제 3 리코터 실시예, 즉 리코터(70)를 도시한다. 도 11은 리코터(70)의 측면 사시도이다. 도 12는 도 11의 절개면(12-12)을 따라 취해진 도 11리코터(70)의 측단면도이다. 리코터(70)는 빌드 분말 저장소(74) 및 시트 스크린 및 홀더 조합(78)이 부착된 이행체(76)를 포함하는 빌드 분말 호퍼(72)를 포함한다. 리코터(70)는 두개의 초음파 변환기, 즉 제 1 및 제 2 초음파 변환기(80, 82)를 포함한다는 점을 주목하여야 한다. 제 1 및 제 2 초음파 변환기(80, 82)는 서로 같거나 또는 상이할 수 있다. 이들은 동시에, 선택적으로, 중첩하여 또는 단독으로 작동될 수 있다. 제 1 및 제 2 초음파 변환기(80, 82)의 진동 특성은 서로 같거나 또는 상이할 수 있다. 이러한 진동 특성은 그 중에서도 진동 진폭, 주파수, 주파수 범위, 주파수 범위 진동 주기, 및 듀티 사이클(duty cycle)을 포함한다.
본 발명의 호퍼는 전술한 도면에 도시된 것 이외의 구성을 가질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 일부 실시예에서, 이행체는 약 20 내지 70도, 보다 바람직하게는 약 30 내지 50도 범위에 있는 수평면에 대한 각도로 스크린에 배치되도록 구성된다. 도 13은 이러한 리코터 실시예, 즉 리코터(100)를 도시한다. 리코터(100)는 빌드 분말 공급 호퍼(102) 및 초음파 변환기(104)를 구비한다. 호퍼(102)는 빌드 분말 저장소(106) 및 시트 스크린 및 홀더 조합(110)이 수평면으로부터 소정 각도로 부착되어 있는 이행체(108)를 포함한다.
또한 본 발명의 일부 실시예에서, 초음파 변환기는 전술한 도면에서 도시하는 바와 다르게 배치될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 범위 내에서, 초음파 변환기는 수평 또는 수평면에 대한 임의의 각도 또는 리코터 이동 방향 또는 이들 조합에 대한 임의의 각도로 배치된다. 바람직하게는, 초음파 변환기는 수평 성분 및 연직 성분 모두를 갖는 진동과 리코터의 이동 방향과 평행한 면 내에 존재하는 두 성분을 함께 시트 스크린에 적용할 수 있도록 배치된다. 보다 바람직하게는, 진동의 수평 성분 및 연직 성분의 진도는 서로의 약 50% 이내, 및 보다 바람직하게는 서로의 약 20% 이내이다.
본 발명의 빌드 분말 분배 시스템, 즉 리코터는 3차원 프린팅 공정을 진행하는 동안 분말 베드로 분배될 필요가 있는 분말의 양을 유의미하게 감소시킨다. 이러한 시스템을 사용하면, 분배될 필요가 있는 분말의 최대량은 바람직하게는 분말 베드에 함유되는 빌드 분말의 양의 2배(200%) 이하, 즉 과잉 분말의 양은 100%이다. 예를 들어, 층이 2.0g의 빌드 분말을 필요로 할 경우, 신뢰할 수 있는 층 커버리지를 위해서 4g 이하로 분배될 필요가 있다. 대조적으로, 종래의 시스템은 분말 베드에 함유되는 분말의 4배(400%) 또는 그 이상, 즉 과잉 분말의 양은 300%를 분배할 필요가 있다. 고안된 리코터는 분말층 3차원 프린터기로 물품을 적층하는 동안 빌드 박스 주변에 과잉 분말 집진 슈트가 넘치지 않도록 한다.
분말 공급 호퍼는 바람직하게는 충전한 빌드 분말을 수용하도록 설계되어 3차원 프린팅 작업을 하는 동안 호퍼에 빌드 분말을 추가하거나 호퍼에 빌드 분말을 추가하기 위해 3차원 프린팅 작업을 중단할 필요가 없다. 일부 경우에, 호퍼는 최소 분배율 200%로, 즉 층마다 분배되는 각 층에 필요한 빌드 분말의 양, 뿐만 아니라 시트 스크린을 통해 제어 가능한 빌드 분말 분배를 보장하기 위해 요구되는 보유 분말의 양의 두배로, 전체 적층을 수행하기에 충분한 빌드 분말의 양을 유지할 것이다. 분말 공급 호퍼는 이 단락에서 전술한 것보다 적은 양의 분말을 유지할 수 있다는 것과 빌드 분말을 분말층 3차원 프린팅 제품 적층 공정을 작동하는 동안 분말 공급 호퍼에 추가할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
리코터 실시예는 초음파 변환기(또한 당업계에서는 "초음파 압전 변환기" 또는 "초음파 진동기"로 지칭됨)를 사용하여 시트 스크린의 홀을 통해 빌드 분말을 제거한다. 일부 경우에, 초음파 진동 시스템은 음파 주파수 기계 진동 시스템으로 보강될 수 있다.
본 원에서 사용된 용어 "초음파 변환기"는 초음파 진동을 발생시키는 전자 유닛 외에 전자 장치용 지지 구조물, 연결부 (종종 당업계에서는 "혼(horn)"으로 알려짐), 및 전자 유닛 작동 제어 시스템을 포함한다는 것을 이해하여야 한다. 초음파 변환기는 본질적으로 일정한 주파수 출력을 제공하는 유형 또는 주파수 범위를 통해 주기적 스윕핑(sweep)을 제공하는 유형 또는 주파수 범위에 걸친 주파수를 이용하는 유형으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 34kHz 내지 37kHz의 주파수 범위에 걸쳐 스윕핑하는 초음파 변환기 유형은 예기치 않게 일정한 분말 유동을 제공하기 때문에 9 미크론 평균 입자 크기를 갖는 구형 합금 316 스테인레스 강 분말에 특히 효과적인 것으로 밝혀졌다. 제한의 의도는 아니지만, 주파수 범위를 통한 스윕핑은 초음파와 관련된 마디(node) 및 배(antinode)의 위치를 이동시켜 일정한 주파수를 적용할 때 발생할 수 있는 브릿징(bridging)을 발생시키거나 또는 방지하여 호퍼 내 빌드 파우더의 브릿징을 파괴하는데 도움이 될 것으로 추측된다.
일정한 진폭 또는 다양한 진폭의 초음파 진동이 적용될 수 있다.
일부 실시예에서, 초음파 변환기는 출력 진동의 주파수 및 진폭 중 적어도 하나를 조정하기 위해 1회 또는 주기적인 자동 튜닝(tuning)을 포함하는 전자 장치를 포함하여, 시트 스크린을 통한 원하는 레벨의 빌드 분말 유동 또는 빌드 분말 유동의 일관성 이루어 낸다.
시트 스크린을 통한 빌드 분말의 유동을 개시하고 지속하기 위한 초음파 변환기 적용의 예상치 못한 이점은 진동이 시트 스크린의 홀 내에서 분말을 느슨하게 압축하여 빌드 분말이 압출된 로그(log) 외형을 갖는 형태로 홀을 빠져나가도록 하고, 그 바닥부는 분말 베드로 낙하하는 다수의 분말 입자를 포함하는 펠릿으로서 중력 및/또는 진동으로 인해 파단되며, 이들은 충격시 파괴되거나 또는 파괴되지 않을 수 있다. 이는 상기에서 정의한 빌드 분말 펠릿이다. 이러한 예상치 못한 압축은 빌드 분말 펠릿의 낙하하는 미세 분말이 분말 베드로 낙하하는 동안 기류(또는 타 기체류)에 갖히는 것을 방지하여, 일반적으로 미세 분말을 분배하는 것과 관련된 플러밍(pluming)의 양을 크게 감소시킨다. 도 14는 일 실시예를 작동하는 동안 초음파 변환기 구동으로 시트 스크린(116)의 홀, 예컨대 홀(114)을 통과하여 형성된 복수개의 빌드 분말 펠릿(112)의 형성을 보여주는 사진이다. 이 도면에서 볼수 있는 볼트 헤드(bolt head)(118)는 시트 스크린(116)을 그 프레임 및 그것이 리코터의 일부인 이 리코터의 나머지 부분에 부착시키는 볼트(118)의 헤드이다. 시트 스크린(116) 에지 인근 일부 홀은, 예컨데 홀(114)은 빌드 금속 분말에 대한 노출로부터 마스킹(masked)되어 있어서, 분말 펠릿이 이를 통해 빠져나오지 않게 한다. 또한, 일부 빌드 분말 펠릿(112)은 사진을 촬영하는 동안 카메라의 초점 영역에서 멀어지거나 이를 벗어남에 따라 이 사진에서 흐리게 나타난다.
개선된 미세 빌드 분말 리코터 실시예는 적어도 하나의 초음파 변환기를 포함하여 빌드 파우더를 시트 스크린의 천공된 홀을 통해 이동시킨다. 후술하는 바와 같이, 일부 실시예에서, 초음파 진동 시스템은 저주파 진동 시스템으로 증강되다.
시트 스크린은 진동 반응성, 내구성 및 에칭력 또는 레이저 빔을 갖거나 달리 적용에 필요한 다른 방식으로 천공될 수 있는 임의의 재료로 제조될 수 있다. 바람직하게는, 시트 스크린은 스테인레스 강, 보다 바람직하게는 비자성 오스테나이트(austentic)계 스테인레스 강으로 제조된다. 시트 스크린의 두께는 약 0.1127mm(0.0005인치) 및 약 0.762mm(0.030인치), 보다 바람직하게는 약 0.0254(0.001인치) 및 0.2032mm(0.008인치) 사이에서 선택된다. 시트 스크린의 사용은 공급된 빌드 분말의 양 및 빌드 베드에 걸친 분배의 균일성을 보다 엄격하게 제어하게 한다. 시트 스크린의 중요한 특징은 홀의 크기, 형상 및 분포 뿐만 아니라, 스크린의 전체 개방 면적 비율과 및 홀 사이의 시트의 형태와 크기, 즉 "랜드(land) 영역" 이다. 후술 하는 바와 같이 랜드 영역의 예시는 도 15a에서 확인할 수 있다.
스크린 표면에 걸쳐 균일하게 분포된 동일한 크기와 형태의 홀을 구비하는 시트 스크린이 사용될 수 있지만, 홀 크기, 홀 형태, 홀 분포, 스크린 개방 면적 및 랜드 영역 중 하나 이상은 특히 국소 공명 및 강성 변화에 기인한 리코터의 기계적 시스템(시트 스크린 대신 균일한 체를 사용)의 성향을 상쇄하도록 구성되어, 다른 영역에서 보다 스크린의 폭을 가로지르는 일부 영역에서 더 많이 분포하도록 하는 것이 바람직하다. 참조의 편의상, 이러한 기계적 성향은 "국부 진동 분산"이라는 용어로 지칭될 것이다. 도 15a 내지 15c에 제공된 시트 스크린 홀 패턴의 예시는 베드의 폭에 걸쳐 보다 균일한 분포를 이루기 위해 국부 진동 분산을 상쇄하도록 사용될 수 있는 홀 크기, 분포 및 형태의 가능한 변형 중 일부를 도시한다.
시트 스크린은 바람직하게는 리코터로부터 분말의 유속을 제한하고, 공급된 분말의 양에 대한 제어를 제공하기 위해 좁은 분배 슬롯에서 그 위로 공급되는 빌드 분말에 제공된다. 시트 스크린의 폭(도 6의 치수W 참조)은 바람직하게는 전체 빌드 박스 충전 영역을 덮도록 연장되어 단지 한번의 통과만이 필요하다. 그러나, 일부 실시예에서, 시트 스크린의 폭은 보다 짧은 폭을 갖게 되어, 전체 빌드 박스 충전 영역을 덮기 위해 다수의 통과가 필요하다. 시트 스크린의 스팬(도 6의 치수S 참조)은 바람직하게는 리코터의 호퍼 내 빌드 분말 브릿징을 피하기 위해 필요보다 길지 않도록 선택된다. 보다 긴 스팬이 사용될 수 있으나 스팬의 최소화는 시트 스크린을 통해 리코터로부터 공급되는 빌드 분말의 양의 제어를 향상시킨다.
도 15a 및 15b를 참조하면, 리코터 실시예에서 사용하기 위한 실시예 시트 스크린, 제 1 및 2 시트 스크린(120, 122) 각각의 개략 상면도를 도시하고, 국부 진동 분산은 종래의 시트 스크린에 의해 분배되는 분말의 양이 베드 폭에 걸쳐 중앙에서의 많은 양으로부터 에지에서의 더 작은 양으로 변화하도록 한다. 제 1 및 2 시트 스크린(120, 122) 모두는 원형 홀을 구비한다. 제 1 시트 스크린(120)의 홀은 중심의 작은 홀, 예컨대 제 1 중심 홀(124)로부터 인근 외곽 에지의 큰 홀, 예컨대 제 1 에지 홀(126)까지 직경이 변화하고, 이러한 홀에 인접한 랜드 영역, 예컨대 제 1 랜드 영역(128)은 인접한 홀의 크기에 따라 변화한다. 제 2 시트 스크린(122)의 홀, 예컨대 제 2 중심 홀(130) 및 제 2 에지 홀(132), 모두는 동일한 크기를 갖는 반면, 인접한 랜드 영역, 예컨대 제 2 랜드 영역(134)은 에지 인근에 있을 때 보다 시트 스크린의 중심 인근에서 보다 크다.
도 15c를 참조하면, 사각형 및 직사각형 홀, 예컨데 제 3 중심 홀(138) 및 중간 홀(140) 각각을 구비하는 제 3 시트스크린(138)의 개략적 상면도를 도시한다. 제 3 시트 스크린(136)은 리코터에 사용되도록 설계되며, 국부 진동 분산은 종래의 스크린에 의해 분배되는 분말의 양이 베드 폭에 걸쳐 중앙에서의 많은 양으로부터 중간 영역에서의 더 작은 양으로 변화하도록 한다. 도시한 바와 같이 홀의 형태는 국부 진동 분산이 종래의 스크린으로부터 공급되는 분말의 양을 감소시킬 수 있는영역에서 개방 영역의 상대적인 양을 증가시키도록 변경된다. 예를 들어, 제 3 중심 홀(138)을 제 3 중간 홀(140)과 비교한다.
도 16a를 참조하면, 복수개의 시트 스크린, 예컨대 시트 스크린(150)으로부터 천공되고 절단되는 패턴 A를 갖는 시트 스크린(152)의 배치를 나타내는 스테인레스 강(150)시트의 평면도를 도시한다. 천공 패턴의 일부는 도면, 즉 패턴 A 내지 J로 표시되어 있는 반면, 일부는 표시되어 있지 않다. 천공 패턴 A 내지 J의 도시된 부분은 도 16b 및 16c에 도시되어 있다. 이들 도면에서, 괄호 표시가 없는 치수는 밀리미터로 제공되고, 괄호 표시된 치수는 인치로 제공된다. 패턴 A 내지 J는 다양한 홀 형태, 조합 및 배열을 포함한다. 비록 도시의 편의상 각 패턴 A 내지 J는 오직 하나의 홀 형태를 포함하고 있으나, 단일 시트 스크린이 복수개의 상이한 홀 형태를 포함하는 것은 발명의 범주에 속한다는 것을 이해하여야 한다.
도 16c를 참조하면, 이러한 실시예에서의 각 천공은 하나 이상의 빗살(tine), 예컨대 빗살(154)을 포함한다. 기속하려는 의도가 없이, 빗살은 빌드 분말의 자극 및 이에 의해 시트 스크린이 초음파 진동될 때 그 유동을 향상하는 것으로 여겨진다.
본 발명의 시트 스크린의 또 다른 특징은 빌드 분말이 관통하게 되는 각 천공의 프로파일이다. 도 25a 내지 25F는 일부 바람직한 홀 프로파일을 나타내는 시트 스크린의 개략 측단면이다. 각 시트 스크린, 예컨대 도 25a의 제 1 시트 스크린(280)은 이러한 도면에서 그 상부면, 예컨대 제 1 시트 스크린(280)의 상부면(282)은 도면의 페이지 상부를 향하고 그 하부, 예컨대 제 1 시트 스크린(280)의 하부(284)는 도면의 페이지 하부를 향하도록 도시된다.
비록 편의상, 도면 25a 내지 25f의 모든 표면 접합이 각을 이루고 모든 홀의 측벽 표면이 평면인 것으로 도시되지만, 이러한 접합 및 표면은 곡선을 이룰 수 있다. 마찬가지로, 비록 모든 홀 프로파일이 홀의 관통 중심선에 대해 대칭인 것으로 도시되지만, 관통 중심선 양측상에 상이한 프로파일을 구비하는 홀은 또한 본 발명의 범주에 속한다. 또한 시트 스크린은 동일한 홀 프로파일 또는 임의의 개수의 상이한 프로파일을 갖는 홀을 구비할 수 있다.
도 25a 내지 도 25f를 다시 참조하면, 도 25a에서, 제 1 시트 스크린(280)의 홀(286)은 직선의 측벽, 예컨대 제 1 측벽(288)을 구비한다. 도 25b에서, 제 2 시트 스크린(290)은 홀(292)의 대략 중간 높이에서 만나는 상부 및 하부 사면(296, 298)을 포함하는 제 1 측벽(294)을 갖는 홀(292)을 구비하는 것으로 도시된다. 도 25c에서, 제 3 시트 스크린(300)은 세 부분, 즉 상부 사면(306), 직선 벽부(307) 및 하부 사면(308)을 포함하는 제 1 측벽(304)을 갖는 홀(302)을 구비하는 것으로 도시된다. 도 25d에서, 제 4 시트 스크린(310)은 홀(312)의 중간 높이 아래쪽에서 만나는 상부 및 하부 사면(316, 318)을 포함하는 제 1 측벽(314)을 갖는 홀(312)을 구비하는 것으로 도시된다. 도 25e에서, 제 5 시트스크린(320)은 홀(322)의 중간 높이 위쪽에서 만나는 상부 및 하부 사면(326, 328)을 포함하는 제 1 측벽(324)을 갖는 홀(322)을 구비하는 것으로 도시된다. 끝으로, 도 25f에서, 제 6 시트 스크린(330)은 홀(332)의 상부에서 하부로 연속하여 안쪽으로 경사지는 제 1 측벽(334)을 갖는 홀(332)을 구비하는 것으로 도시된다.
일부 실시예는 초음파 변환기 외에 저주파 진동기를 포함한다. 이러한 일 실시예의 하나는 도 3 내지 5에 도시하고 상술한 리코터(20)이다. 이러한 도면을 참조하면, 리코터(20)는 초음파 변환기(30) 및 저부파 진동기(32)를 포함한다. 분말 호퍼에 적용되는 저주파 진동 및 시트 스크린에 적용되는 초음파 주파수 진동의 조합은 이러한 실시예에서 공급되는 빌드분말의 양호한 제어를 제공하는데 있어서 중요하다.
또한, 두 가지 유형의 진동의 적용 순서도 중요하다. 두 가지 유형은 빌드 분말을 공급하는 동안 연속적으로 적용되는 두 가지 유형에 동시에 적용될 수 있다. 또한 짧은 기간(예컨대 0.5 내지 2초) 동안 저주파 진동을 먼저 적용하고, 연속하여 초음파 진동을 적용하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 두 가지 유형의 진동을 조합하여 사용하는 것은 빌드 분말이 브릿징없이 호퍼로부터 흘러나와 개별적 분말 입자가 아닌 빌드 분말 펠릿으로 시트 스크린의 개구부로 들어오게 하여, 기류에 혼입되어 먼지 플럼으로 운반되는 분말 미분의 발생을 방지하거나 감소시킨다는 장점이 있다.
도 24는 리코터 실시예의 진동 제어 시스템(260)을 나타내는 모식도이다. 진동 제어 시스템(260)은 적어도 하나의 초음파 변환기, 예컨대 초음파 변환기(264), 및 적어도 하나의 저주파 진동기, 예컨대 저주파 진동기(266)와 작동 연통을 (파선 관계 라인 표시된 바와 같이) 하는 진동 제어 유닛(262)을 포함한다. 초음파 변환기(264) 및 저주파 진동기(266)는 각각 분말층 3차원 프린터기의 시트 스크린(268) 및 빌드 분말 호퍼(270)에 작동가능하게 (실선 관계 라인으로 표시된 바와 같이) 연결되어 있다. 진동 제어 유닛(262)은 분말층 3차원 프린터기의 전체 제어 시스템의 일부이거나 또는 그로부터 독립된 것일 수 있다. 진동 제어 유닛(262)은 초음파 변횐기 및 저주파 진동기가 상술한 임의의 방식으로 작동하도록 구성된다.
사용에 있어서, 다른 저주파 진동 장치의 사용이 가능하긴 하지만, 저주파 진동은 모터 구동 편심 베어링 시스템, 예컨대 도 3의 저주파 진동기(32)에 의해 이 시스템에 제공될 수 있다. 이러한 저주파 장치의 진동은 전자식, 공압식, 및/또는 기계식으로 생성될 수 있다. 저주파 진동은 호퍼 내 잠재적 브릿징 또는 아킹(arching)을 제거하거나 또는 극복하여 호퍼 내부에서 빌드 분말의 유동을 유발/또는 향상시킨다.
시트 스크린은 바람직하게는 차례로 빌드 재료 호퍼상의 선택된 위치에 부착되는 홀더에 장착된다. 이러한 배치의 예시는 상술한 도 6에 도시되어 있으며, 시트 스크린(42)은 홀더(44)에 장착된다. 일부 실시예에서, 시트 스크린은 홀더의 상부와 하부 부분 사이에 클램핑되어(clamped) 있다. 볼트는 클램핑 힘을 제공하는데 사용될 수 있고 클램핑 인장은, 예컨대 각 클램핑 볼트를 동일한 토크 레벨로 조정하고 볼트의 조임 순서를 번갈아 가면서 스크린에 균일하게 적용되는 것이 바람직하다. 볼트는 홀더를 호퍼에 부착시키는데 사용되는 볼트와 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 또한, 스크린은 접착제를 사용하여 홀더에 결합될 수 있다. 바람직한 접착제는 Ablestick 215라 불리는 록타이트(Locite)의 2액형 에폭시이다. 용접 또는 경납땜은 또한 시트 스크린을 홀더에 결합하는데 사용될 수 있지만, 이러한 작업 중에 구성요소가 휘지않도록 주의하여야 한다. 바람직하게는 시트 스크린은 홀 내 내부 함몰부에 장착되고, 함몰부 깊이는 시트 스크린의 두께와 대략 동일하거나 또는 살짝 더 깊다.
시트 스크린 홀더는 임의의 고정 수단, 예컨대 볼트, 클램프, 접착제에 의해 호퍼에 부착될 수 있다. 또한 하나의 시트 스크린이 다른 시트 스크린으로 교체되는 방식으로 시트 스크린이 스크린 홀더에 부착될 수 있는 한, 스크린 홀더의 전체 또는 일부가, 예컨대 용접 또는 경납땜에 의해 영구적으로 호퍼에 부착되는 것은 발명의 범주에 속한다. 예를 들어, 시트 스크린 홀더는 호퍼에 영구적으로 고정된 상부 부분과 제거될 수 있는 하부 부분을 구비할 수 있어서 두 부분 사이에 유지된 시트 스크린을 제거 및 교체할 수 있도록 한다.
일부 리코터 실시예는 스테인레스 강 및 탄화규소 미세 분말을 사용하여 성공적으로 평가되었다. 이러한 분말은 평균 입자 크기가 9.5미크론인 316L 및 평균 입자 크기가 11미크론이고 5미크론인 탄화규소 분말을 포함한다. 시스템의 일부 양태는 또한 더 큰 분말, 즉 평균 입자 크기가 30미크론인 스테인레스 강 분말과 함께 작동 하는 것으로 밝혀졌다.
시트 스크린의 하부로부터 분말 베드 표면까지의 거리는 임의의 바람직한 거리일 수 있다. 일부 실시예에서, 베드 충격으로부터 발생할 수 있는 플럼의 양을 감소시키 위해 거리가 최소화되는 것이 바람직하다.
집진 시스템
본 말명의 두 번째 양태는 빌드 박스를 직접적으로 둘러싸는 영역에서 분말층 3차원 프린팅을 하는 공정 중에 기체 환경, 예컨대 공기 속에 떠 있게 되는 미세 입자의 수집을 국소화하는 개선된 집진 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 집진 시스템은 임의의 유형의 분말층 3차원 프린터기에 사용 가능하지만, 여기서 3차원 프린팅은 기체 환경 하에 수행되며, 간결성을 위해, 이어지는 논의에서 언급될 유일한 기체는 공기일 것이다.
집진 시스템 실시예는 분말층 빌드 박스의 주변으로부터 3차원 프린터기의 데크 플레이트 통해 공기를 유입하도록 설계된다. 공기는 분말층 3차원 프린터기의 에워싸는 부분, 즉 하우징을 통해 외부 집진기로 덕트(duct)로 배출된다. 이는 임의의 실시예의 사용에 앞서, 빌드 분말과 관련될 수 있는 적절한 환경 보건 및 안전 사항을 결정하기 위해 빌드 분말의 여과 요건에 대한 검토가 수행되어야 한다는 것을 이해하여야 한다. 일부 표준 집진기는 0.3미크론(1.181 x 10"5인치) 이상의 입자에 대해 최대 99.97%의 효율을 갖는 헤파(HEPA) 여과를 구비한다. 헤파 여과에 의해 수집되는 것보다 더 작은 입자 크기를 갖는 분말에 대해 보다 적극적인 여과가 필요하다.
도 17 및 18은 집진 시스템 실시예를 도시하는 측단면 계략도이다. 도 17은 제 1 집진 시스템(160)을 도시한다. 제 1 집진 시스템(160)은 하우징(164) 내에 둘러싸인 제 1 분말층 3차원 프린터기 프린팅 스테이션(162)을 포함한다. 하우징(164)은 하나 이상의 공기 누출부, 예컨대 덮개(168) 주변의 밀봉되지 않은 갭(gap)(166)을 구비하며, 이를 통해 하우징(164)에 의해 둘러싸인 공간 속으로 공기가 유입될 수 있다.
하우징(164) 내부에는 빌드 박스(172)를 지지하는 데크(170)와 빌드 박스(172) 내로 주기적으로 빌드 분말을 분배하는 리코터(174)가 있다. 데크(170)는 복수개의 관통 통로, 예컨데 통로(176)를 구비하며, 이는 데크(170)의 상부면 및 하부면 상의 대기 사이에서 유체 연통을 하게 한다. 플레넘(plenum)(178)은 데크(170) 하부에 근접하고 바람직하게는 부착되어, 통로의 하부면과 유체 연통한다. 플레넘(178)은 또한 하우징(164) 내 배기 포트(182)로 연장되는 제 1 배기 덕트(180)와 유체 연통한다. 외부 덕트(184)는 배기 포트(182)의 외부면 및 제 1 외부 집진 유닛(186) 사이에서 연장된다. 제 1 외부 집진 유닛(186)은 입자 필터(188), 및 여과된 공기를 제 1 집진 유닛(186) 외부의 대기로 다시 배출하기 위한 제 2 배기 덕트(190), 및 진공원(192)을 포함한다.
리코터(174)로부터의 빌드 분말의 분배는 빌드 분말의 일부가 빌드 박스(170) 주변 하우징 내부의 대기(194) 내로, 즉 플럼으로 유입될 수 있다. 또 다른 플러밍원은 빌드 박스(172) 내에 포함되어 있는 빌드 분말 베드의 상부에 평활 장치(미도시)를 적용하는 것일 수 있다. 또 다른 플러밍원은 리코터(174)를 충전하는 동안 빌드 분말을 리코터(174) 내로 이송하는 것일 수 있다.
제 1 집진 시스템(160)이 작동하는 동안 공기 유동은 도 17의 가는 화살표, 예컨데 화살표(196)로 도시된다. 제 1 외부 집진 유닛(186)이 작동될 때, 갭(166)과 같은 하우징(164)의 틈새를 통해 분말층 3차원 프린터기(162)의 외부로부터 하우징(164)의 내부로 공기가 유입된다. 거기에서 대기(192)의 분말을 함유하는 공기와 혼합되거나 또는 혼입된 후 통로, 예컨데 통로(176)를 통해 플레넘(178) 내로 유입된다. 공기는 배기 덕트(180)를 통해 플레넘(178)을 빠져나간 후 배기 포트(182)를 통과하여 외부 덕트(184)로 그리고 그로부터 제 1 외부 집진 유닛(186)을 통과한다. 이후 공기가 입자 필터(188)를 통과함에 따라, 입자 필터(188)는 공기가 운반하는 분말 입자를 (능력의 범위 내에서) 제거한다. 정화된 공기는 이후 배기 덕트(190)를 통해 제 1 집진 유닛(188) 외부의 대기로 배출될 수 있으며 또는 추가로 처리, 수집 /또는 배기될 수 있다.
이제 도 18을 참조하면, 여기에 도시되어 있는 제 2 집진 시스템(200)은 다음 특징과 관련된 것을 제외하면 전술한 제 1 집진 시스템(160)과 동일하다. 제 2 분말층 3차원 프린터기 프린팅 스테이션(204)의 하우징(202)은 공기가 하우징(202)의 내부 대기로 들어갈 수 있는 덮개(미도시) 주위의 밀봉되지 않은 갭을 구비하지 않는다. 대신에, 하우징(202)은 복수개의 통기구, 예컨대 제 1 및 제 2 벤트(vents)(206A, 206B)를 구비하며, 이는 하우징(202) 내부 공간 내로 공기가 유입되도록 설계된다. 이러한 통기구는 입자 물질이 분말층 3차원 프린터기에 들어가거나 빠져나오는 것을 방지하는 필터를 포함할 수 있으며 일방향 밸브를 포함하여 이를 통해 공기가 하우징(202)로 들어갈 수는 있지만 이를 통해 하우징(202) 밖으로 빠져 나오지는 못하게 할 수 있다. 제 2 집진 시스템(200)은 빌드 박스(210)를 둘러싸는 슈라우드(208)를 포함하여 데크(241)를 통해 통로, 예컨대 통로(241)와 유체 연통하는 빌드 박스 주위에 환형부(212)를 형성하고, 이는 데크(214) 및 플레넘(218)의 상부 및 하부면 상의 대기와 유체 연동한다. 바람직하게는, 환형부(212)는 빌드 박스(210)의 상부에 근접하거나 또는 이와 나란히 배치되어 공기가 빌드 박스(210) 부근으로 부터 멀리 이동하기 전에 빌드 박스(210)의 근처로부터 입자를 함유하는 공기를 보다 효율적으로 유입한다.
제 2 집진 시스템(200)의 제 2 외부 집진 유닛(220)이 작동될 때, 공기는 분말층 3차원 프린터기의 외부로부터 벤트(206A, 206B)를 통해 하우징(202) 내부로 유입된다. 공기는 또한 데크(214)의 상부면으로부터 환형부(212)를 통해 통로, 예컨대 통로(214) 내로, 이후 플레넘(218) 내로 유입된다. 거기에서, 공기는 제 1 집진 시스템(160)의 대응하는 구성요소에 대해 전술한 것과 동일한 방식으로 외부 집진 유닛(220)을 통해 하우징(202) 외부로 부터 외부 집진 유닛 내로 이동한다.
도 19 내지 도 23은 Innovent® 분말층 3차원 프린터기에 설치된 실제 집진 시스템 실시예의 부분 사진이다. 도 19 및 20은 각각 빌드 박스(232) 또는 슈라우드(234)가 제자리에 없는 데크(230) 상부 및 이들 아이템이 제자리 위치하는 데크 상부 도시한다. 데크(230)는 복수개의 통로, 예컨대 통로(236)를 포함하고, 이는 데크(230)의 상부 및 하부면 상의 대기와 유체 연통한다. 빌드 박스(232)의 하부는 점선의 직사각형(238)으로 둘러싸인 데크(232)의 일부분을 밀봉한다. 슈라우드(234) 및 빌드 박스(232)는 그 사이에 빌드 박스(232)의 상부와 인접하게 환형부(240)를 형성하고 이를 통해 공기가 빌드 박스(232)의 주위로부터 통로, 예컨대 통로(236)를 통해 유입될 수 있다. 도 21은 데크 아래의 분말층 3차원 프린터기의 하우징(housing) 내부의 일부를 도시한다. 이 사진에서 데크(230)를 통해 통로와 유체 연통하는 플레넘(244) 일부를 볼 수 있다. 플레넘(244)의 내부와 유체 연통하는 배기 덕트(246)는 플레넘(244)에 부착된다. 도 22는 분말층 3차원 프린터기 외부의 일부를 도시하며, 여기에서 배기 포트(248)는 하우징(242)에 부착된다. 도면에는 도시하지 않았지만, 배기 포트(248)는 또한 배기 덕트(246)에 부착되는 하우징(242)을 통해 연장된다. 작동시, 외부덕트(도22에는 존재하지 않음)는 배기 포트(248)를 빠져 나가는 공기를 외부 집진 유닛으로 전달하기 위해 배기 덕트(248)의 외부면에 부착될 수 있다. 도 23은 외부 덕트(252)가 연결되는 외부 집진 유닛(250)을 도시한다. 이 도면에서 보이지 않지만, 외부 덕트(252)는 분말층 3차원 프린터기(228)의 배기 포트(248)에 연결된다.
본 발명은 또한 분말층 3차원 프린팅에 의해 3차원 물품을 제조하는 방법을 포함한다. 일부 실시예 방법은 초음파 진동 시트 스크린으로부터 빌드 분말을 분배하는 단계를 포함한다. 일부 실시예 방법은 빌드 분말이 분배됨에 따라 이를 펠릿화하는 단계를 포함한다. 일부 실시예 방법은 전술한 바와 같이 3차원 적층 공정을 진행하는 동안 리코터 호퍼에 저주파 진동을 적용하는 단계를 포함한다.
일 실시예 방법은 3차원 프린팅 공정 중에 전술한 집진 시스템의 실시예의 작동을 포함한다. 일 실시예는 초음파 진동 시트 스크린으로부터 빌드 분말을 분배하는 단계 및 3차원 프린팅 공정을 진행하는 동안 집진 시스템의 실시예의 작동을 포함한다.
본원에서 설명하는 장치 및 방법이 미세 빌드 분말과 함께 사용될 때 특히 유리하지만, 본 발명의 범주는 임의의 크기의 분말과 함께 이러한 장치 및 방법의 사용을 포함한다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명의 몇몇 실시예만이 도시되고 설명되었지만, 당업자는 청구범위에 기재된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경 및 수정이 이루어 질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 원에 명시된 모든 미국 특허 및 특허출원, 모든 외국 특허 및 특허출원 및 기타 모든 문서는 법이 허용하는 한도 내에서 본 원에서 명시된 것처럼 참조로 본원에 통합된다.

Claims (20)

  1. 복수개의 천공(126) 및 제 1 측면 및 제 2 측면을 갖는 시트 스크린(28)을 구비하는 리코터(20), 시트 스크린(28)을 진동시키도록 구성된 초음파 변환기(30), 및 시트 스크린의 상기 제 1 측면에 빌드 분말을 제공하도록 구성된 호퍼(26)를 포함하는 분말층 3차원 프린터기(2)에 있어서,
    상기 초음파 변환기(30)가 상기 시트 스크린(28)을 진동시킬 때 상기 호퍼(26)로부터의 상기 빌드 분말은 상기 천공(126)을 통해 상기 시트 스크린 측면으로부터 분배되고, 그리고 상기 빌드 분말은 상기 천공(126)을 통과하면서 빌드 분말 펠릿(112)을 형성하여 분배되며,
    국부 진동 분산으로 인해 상기 빌드 분말을 불균일하게 분배하지 않도록 하기 위해, 상기 천공(126)은 상기 시트 스크린(28)의 폭을 가로지르는 일부 영역에서 더 많이 분포하는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 호퍼(26)는 상기 시트 스크린 제 1 측면에 상기 빌드 분말의 질량 유동을 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 1항의 상기 분말층 3차원 프린터기(2)에 있어서, 상기 호퍼(26)는 상기 시트 스크린(28)에 근접한 하부(60) 및 상부(58)를 포함하고, 그리고
    상기 하부 및 상부(64, 58)는 서로 연결되어 연속된 저장소를 형성하는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    시트 스크린 홀더(78, 110), 제 1 및 제 2 측면을 구비하는 상기 시트 스크린(28) 및 그 사이로 연장되는 개구부를 더 포함하고,
    상기 시트 스크린(28)은 상기 시트 스크린 홀더(78, 110)에 부착되어 상기 시트 스크린(28)의 상기 천공(126)의 적어도 일부가 상기 개구부와 유체 연동하는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 시트 스크린(28)은 접착제에 의해 상기 시트 스크린 홀더(78, 110)에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 시트 스크린 제 2 측면은 수평면에 대해 20도 내지 70도 사이의 각도로 위치하는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 변환기(30)는 수평 성분 및 연직 성분 모두를 갖는 진동을 상기 시트 스크린(28)에 적용할 수 있도록 수평면에 대해 소정 각도로 위치되는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 변환기(30)는 작동하는 동안 주파수 범위를 스윕핑하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 천공(126) 중 적어도 하나는 적어도 하나의 빗살(154)을 포함하는 홀 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 호퍼(26)에 진동을 적용하도록 구성된 저주파 진동기(32)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 초음파 변환기(30) 및 상기 저주파 진동기(32)와 작동가능하게 연통하고 상기 초음파 변환기(30) 및 상기 저주파 진동기(32)가 적어도 하나의 동시에 그리고 비동시에 작동하도록 구성된 진동 제어기(262)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 리코터(20)를 운반하도록 구성된 트롤리(22)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 리코터(20)는 평활화 장치(34), 건조 장치(36) 및 경화 장치 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    기체 환경을 갖는 공간을 둘러싸는 하우징(164),
    상기 공간을 상부 부분 및 하부 부분으로 나누는 수평으로 배치된 데크(170),
    상기 데크(170)에 근접하고 적어도 상기 공간 상부 부분 내에 배치되는 빌드 박스(172),
    상기 데크(170)를 통해 상기 빌드 박스(172)를 둘러싸도록 위치하고 상기 공간 상부 및 하부 부분 사이에 유체 연통을 제공하도록 위치하는 복수개의 통로(176),
    상기 공간 하부 부분에 위치하고 상기 통로(176)과 유체연동하는 플레넘(178),
    상기 플레넘(178)과 유체 연통하는 배기 덕트(180), 및
    상기 하우징(164)의 외부에 위치하고 상기 배기 덕트(180)와 모두 유체 연통하는 제어가 가능한 진공원(192) 및 필터(188)를 포함하는 집진 유닛(186)을 더 포함하고,
    상기 진공원(192)이 작동될 때, 상기 공간 상부 부분의 기체 환경의 적어도 일부 기체는 상기 통로(176)와 상기 필터(188)를 통해 유입되는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 빌드 박스(172)를 둘러싸고 그 사이에 환형부(212)를 형성하는 슈라우드(208)를 더 포함하고,
    상기 환형부(212)는 상기 공간 상부 부분 및 상기 통로(176) 사이에 유체 연통을 제공하는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 하우징(164)은 상기 공간 상부 부분의 상기 기체 환경과 상기 하우징(164)의 외부 대기 사이에 유체 연통을 제공하는 적어도 하나의 벤트(206A)를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말층 3차원 프린터기.
  19. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 9 항, 제 11 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 분말층 3차원 프린터기를 이용한 프린팅 방법에 있어서,
    초음파 진동 시트 스크린(28)으로부터 빌드 분말을 분배하고, 상기 빌드 분말이 분배됨에 따라 이를 펠릿화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체를 3차원적으로 프린팅하는 방법.
  20. 삭제
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