KR19990044218A - 자유형 3차원 물품을 형성하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 물품을 정교하게 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 3차원 물품(38)은 균일한 크기와 전하를 갖는 재료의 드롭렛(36)을 공급함으로써 형성된다. 공급되는 드롭렛은 정렬수단(30)을 통과함으로써 좁은 스트림으로 집중된다. 드롭렛은 타겟 상에 소정의 속도 및 소정의 패턴으로 용착되어, 주형을 사용하지 않고 3차원 물품을 형성할 수 있다.

Description

자유형 3차원 물품을 형성하는 방법 및 장치
기판 상에 적층 재료를 용착하여 3차원 물품을 형성하는 다양한 방법들이 제안되어 왔다. 이러한 적층 제조기술은 고체 자유형 제조 기술 또는 급속 포토타이핑(phototyping)으로써 또한 공지되어 있다. 원하는 물품의 컴퓨터 모델은 한정된 세트의 층으로 분할된다. 이러한 층은 이전에 형성된 층 상에 연속적으로 형성되거나 결합된다. 이러한 적층 기술은 3차원 물품의 기하학적 형태에 근접하는 물품을 형성하는데, 층들은 물품의 에지부 또는 둘레영역에 "계단식 모형"을 형성한다. 계단식 모형은 재료의 층을 분리하는 인위적인 산물이다. 물품의 최종 형상은 층의 두께를 최소화시키거나 물품의 표면을 평활화시키는 샌드 블라시팅(sand blasting)과 같은 추가공정을 이용함으로써 개선될 수 있다.
스테레오리소그래피(stereolithography)는 중합체 재료로 구성된 3차원 중합체 물품을 형성하는 한 방법이다. 이러한 스테레오리소그래피에서, 광중합체는 레이저 광선을 사용하여 선택적으로 양생되어, 각각의 층을 형성한다. 3차원 물품은 액체 광중합체를 함유하는 용기에서 엘리베이터형 플랫포옴 상에서 형성된다. 연속하는 층들은 부분적으로 형성된 물품을 광중합체 액체와 레이저 내로 하향시키고, 부분적으로 쌓여진 물품의 상부에 광중합체 재료의 새로운 층을 양생시킴으로써 형성된다.
다른 방법으로는 노즐을 통해 중합체 물질을 타겟 상에 분사하여 3차원 물품을 형성하는 용융된 용착물 모델링 공정이 있다.
또다른 방법으로는 페이퍼층 또는 중합체 재료를 절단하여 기판에 결합시키고, 그런 다음 레이저를 이용하여 목적물의 원하는 층 또는 단면의 에지부나 둘레부를 다듬는 적층기술이 있다. 각 층에서 폐기될 영역은 그리드(grid)로 절단된다. 이러한 "스퀘어"는 목적물의 경계까지 잘려진 정사각형 프리즘을 형성하기 위해 적층된다.
또다른 방법으로는 페이퍼 또는 다른 마스크형 재료가 재료의 층을 형성하기 위해 사용되는 적층 공정이 있다. 레이저 광선은 층의 기하학적 형태를 마스크로서 사용되는 페이퍼로 절단한다. 이러한 재료는 3차원 물품의 단일층을 형성하는 컷아웃(cutout) 영역에서 증착되고, 재료의 일부분은 마스크 재료 상에 포개진다.
과거에는, 자유형 제조 기술 또는 용착층 공정을 사용하여 금속으로 구성된 3차원 물품을 형성하는 것은 어려웠다.
한 금속 제조방법은 일부 목적물의 상부에 금속 분말재료층을 도포하고, 새로운 층을 포함하는 부분을 선택적으로 소결(레이저 광선을 이용하여)하는 레이저 소결 공정이 있다.
다른 금속 제조방법은 금속 분말재료가 중합체 바인딩 재료와 서로 결합하는 포스트(post) 소결 공정이 있다. 그렇지만, 완성된 3차원 물품으로부터 중합체 바인딩 재료를 완전히 제거하는 것이 어렵다. 바인더의 잔존은 원하는 강도와 금속 목적물의 다른 성질을 악화시킨다. 또한, 중합체 재료의 제거는 3차원 물품에 기공을 형성하여, 물품이 다소는 다공성이 될 수도 있다. 다른 금속 재료(저온 금속과 같은)가 온도차에 의해 다공성 3차원 물품 내로 침입하여 기공을 채울 수 있다. 그렇지만, 3차원 물품은 다소 바람직하지 못한 벌집형 복합 구조물을 가지며, 모재료를 소결하는 동안 크리핑 또는 뒤틀리게 된다. 또한, 중합체의 잔존 및/또는 충진된 재료는 3차원 물품 내에서 오염물로서 역할을 하여, 물품의 성질에 영향을 미친다. 오염물은 산화제, 과도한 탄소, 잔존 바인더 등을 포함할 수도 있다. 침입 공정에서 충진물 또는 섬유 성분의 사용은 합금 재료의 사용과 다르다. 침입시에, 두 재료은 별개로 잔존하는데, 이는 합금에서, 재료들이 원하는 성질의 조합을 달성하기 위해 서로 균일하게 혼합되기 때문이다. 침입된 재료가 기재 재료와 불완전하게 결합할 때에는, 그의 미세구조에는 매우 많은 응력이 집중되어, 물품의 강도를 저하시킨다. 이러한 3차원 "침입형" 물품은 때때로 "완전하게 밀집된(fully dense)" 물품으로 불려지지만, 이러한 용어는 3차원 물품의 실제 특성을 잘못 묘사하고 있는데, 이는 3차원 물품이 실질적으로 한 형태의 바람직한 금속을 포함하고 있지 않기 때문이다.
다른 금속 제조방법은 밀링, 그라인딩, 샌드 블라스팅 등과 같은 금속 제거 기술과 관련한 금속 용착 기술을 사용하는 것이다. 각 층의 에지부에서 "계단식 모형"와 거칠기는 층이 용착된 후에, 각 층과 그의 둘레부를 기계가공함으로써 제거된다. 이러한 기계가공 또는 금속 제거 공정은 3차원 물품의 실제 치수의 정교함을 결정한다.
최근에는 용융 재료를 용착하는 여러 방법 및 장치가 제안되고 있다. 예컨대, 메츠 등이 출원한 미국특허 제 5,281,789 호에는 용융금속을 용착하는 용접 방법 및 장치가 개시되어 있다. 용융금속은 작업 표면 상에 용착되고, 연속적인 금속층이 그 위에 용착된다. 전극 및 용접 토오치가 바람직하게는 기구로서 이동가능하며, 이에 의해 용융금속은 작업 표면의 선택적인 위치에 용착될 수 있다. 선택적으로, 용접 토오치와 수집 전극이 이동가능하거나 고정되어 유지되는 동안, 작업 표면이 이동하여 작업 표면 상에 용착될 재료의 위치를 선택할 수 있다. 드롭렛(droplet)의 크기는 공급되는 금속을 일정하게 진동시키기 위해 추가 기계적 에너지를 공급 와이어에 가함으로써 제어된다.
프린즈 등이 출원한 미국특허 제 5,286,573 호에는 층 용착 공정에 의해 물품을 형성하기 위한 지지 구조물을 사용하는 방법이 개시되어 있다. 용착 공정에서, 각 층은 두 부분으로 구성된다. 제 1부분은 형성될 3차원 물품의 단면 조각이며(목적물), 이는 원한 용착 재료 또는 용착 재료들로 구성된다. 제 2부분은 제 1부분의 물품 형태의 보조물이며, 물품 형성물의 성장을 지지하는 지지 구조물(지지물)로서 역할을 한다. 목적물 재료와 지지물 재료는 소정의 순서로 각각 적용된다. 이미 형성된 각각의 층 상에 다수의 층이 형성된다. 이러한 방식으로, 층형 구조물이 형성된다. 층형 구조물은 지지물 재료에 의해 둘러 싸인 용착 재료로 구성된 목적물을 포함한다. 각 층에 대해, 지지물 재료와 목적물 재료 모두, 또는 그 중 하나가 원하는 목적물을 형성하기 위해 형상화될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 형상화 공정은 목적물 또는 지지물 재료가 가해진 후에 그리고 연속적인 층이 형성되기 전에 행해진다.
프린즈 등이 출원한 미국특허 제 5,301,863 호에는 층을 증가시킴으로써 목적물을 형성하는 다수의 작업대를 구비한 자동 시스템이 개시되어 있다. 각 층은 형성될 3차원 물품의 단면 조각이며, 원하는 목적물 재료로 구성된다. 목적물 재료에 추가하여, 각 층은 또한 항상 용착재료 부분의 목적물 형태의 보조물로서 역할하고 목적물의 형성을 성장시키는 지지 구조물로서 역할을 하는 제 2부분을 포함한다. 물품을 제조하는 동안, 여러 작업이 각 층의 소재에 대해 수행된다. 재료 용착 스테이션에 추가로, 다수의 공정 스테이션이 적용되며, 이들 각각은 하나 이상의 독립된 기능을 가진다. 이러한 기능들은 슈트 피닝(shot peening), 세정, 블라스팅, 열처리, 형상화공정, 점검, 마스크 제조 및 패키징의 소정의 조합을 포함할 수 있다.
프린즈 등이 출원한 미국특허 제 5,301,415 호에는 재료의 층을 증가시킴으로써 3차원 물품을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 한 실시예에서, 목적물과 지지물 재료의 층이 적용된다. 목적물의 형태에 따라, 한 재료가 먼저 적용되고, 그 후 정교한 치수를 달성하기 위해 형상화되고, 그런 다음 다른 재료가 용착된다. 그런 다음, 용착된 층은 기계가공되고, 세정되고, 슈트 피닝된다. 이러한 공정은 모든 층이 형성될 때까지 반복된다. 최종 층이 적용된 후에, 보조 재료가 용착 재료로 구성된 목적물에서 제거된다.
드안젤리스(deAngelis)가 출원한 미국특허 제 5,398,193 호에는 조절된 층상 용착 및/또는 추출을 통해 3차원 물품을 제조하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 3차원 부분의 3차원 컴퓨터 모델 화상이 제공되고, 모델 화상은 3차원 부분의 소정의 두께의 층에 대응하는 다수의 연속 층으로 분할된다. 드롭렛 형성기는 장입된 금속을 용융시키고 유지하는 용기와, 균일한 크기의 금속 드롭렛을 형성하는 수단과, 드롭렛이 형성될 때 금속 드롭렛에 전하를 가하는 수단을 포함한다. 드롭렛을 형성하는 수단은 바람직하게는 용기 내의 용융금속을 진동시키는 진동수단이거나 용기에서 용융금속이 방출되는 지점에서 용기의 외측으로 배치된 하나 이상의 오실레이팅 가스 분사일 수 있다. 용융금속은 용기내의 오리피스를 통해 용기로부터 방출되어, 금속 드롭렛을 형성한다. 용융금속이 하나 이상의 오리피스에서 분사 또는 스트림 형태로 방출될 때, 용융금속에 가해지는 진동은 분사 형태의 용융금속을 균일한 크기의 금속 드롭렛으로 분할한다. 드롭렛이 형성될 때, 전기적 전하가 드롭렛에 가해진다. 금속 드롭렛은 용기에 수용된 동안 용융금속을 하전시키거나, 용기로부터 방출된 후 드롭렛이 형성될 때 또는 그 후에 하전될 수도 있다. 각 드롭렛이 분사 또는 스트림으로부터 분할될 때, 드롭렛은 전하의 일부를 유지한다. 이러한 전하에 의해, 드롭렛은 낙하중에 서로 반발하며, 기판을 향해 떨어질 때 원뿔형태로 분산된다. 균일한 크기의 드롭렛이 하전될 때, 드롭렛의 동일한 극성과 이웃하는 드롭렛으로부터의 반발에 기인하여, 원뿔형태를 형성하기 위해 드롭렛은 회전된다. 천(Chun) 등이 출원한 'O98 특허에는 드롭렛의 궤도를 변화시키기 위해 금속 드롭렛의 흐름 경로에서 전기장을 적용하는 것이 개시되어 있다.
1992년 5월 5일, 메사츄세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지(MIT)의 기계공학부의 씨.에이취. 패소우(C.H. Passow)에 의해 제출된 논문에는 균일한 드롭렛 스프레이와, 드롭렛 제조 기술과, 드롭렛 선택 및 편향을 사용하는 스프레이 형성 이론이 개시되어 있는데, 여기서는 평행한 플레이트가 하전 플레이트 아래에 위치하여 하전된 드롭렛을 드롭렛이 모여지는 측부로 편향시킨다. 비하전된 드롭렛은 방해받지 않고 통과될 것이다.
1994년에 피.제이. 아쿠아비바(P.J. Acquaviva)가 저자인 IBEC 인터내셔날에서 출간된 제목 "용융 몰드 제조에서 열분사 적용의 문제점"의 기사에는 다양한 속도와 방향으로 기판을 이동시킴으로써 조절될 수 있는 균일한 드롭렛 분사 및 용착 공정이 개시되어 있다.
1994년 5월 18일 MIT의 기계공학부의 고다드 칼 아벨(Godard Karl Abel)에 의해 제출된 논문에는 정지되거나 이동하는 기판 상에 용착물을 형성하는 균일한 드롭렛 분사 형성 방법과 3차원 부품의 분사 형성을 사용하여, 알려지지 않은 방해에 기인하여 드롭렛이 불규칙하게 산란되는 것을 허용하는 것을 대신하여, 드롭렛의 양을 변화시키면서 하전시킬 수 있으며, 이후 보다 예측가능한 매스 플럭스 분포를 형성하기 위해 드롭렛을 편향시키는 방법이 개시되어 있다.
오르메(Orme) 등이 출원한 미국특허 제 5,171,360 호, 제 5,226,948 호, 제 5,259,593 호 및 제 5,340,090 호에는 용융금속의 스트림을 원하는 제품의 형태를 갖는 콜렉터 상으로 유도하여 네트(net) 형성 제품을 형성하는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 시간 변수 방해물이 콜렉터 상에 충돌하여 단일 형태로 응고하는 드롭렛을 갖는 액체 드롭렛 스트림을 제조하기 위해 스트림에 적용된다. 오르메 등은 텍사스주 오스틴에 위치한 SFF에서 개시한 1995 논문에서, 조절된 드롭렛으로 자유형태의 고상 구조물 재료를 형성시키기 위한 열구성 인자를 개시하고 있다.
3차원 고체물을 형성하는 보다 효율적인 방법에 대한 필요성을 인식하면서, 용융금속을 용착하여 3차원 고체물을 형성하는 새로운 방법이 현재도 개발되고 있다.
매우 정교한 방법으로 층상에 점진적으로 균일한 크기의 금속 드롭렛을 분배하여 3차원 고체물을 형성할 수 있는 방법은 아직까지 개시되어 있지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 고질의 고체 금속물을 제조하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 또한 각각의 용착층을 형성하거나 또는 정교한 치수를 갖는 3차원 고체물을 형성하기 위해 다수의 공정단계를 사용하지 않는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 작업 공간의 플랫포옴 또는 기판과 같은 타겟 상에 층상(layer-by-layer) 공정으로 용융금속을 용착하여 3차원 물품을 형성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 용융 재료를 용착하여 3차원 물품을 형성하는 장치를 부분적으로는 단면으로, 부분적으로는 환영선으로 도시한 사시도.
도 1a는 도 1에 도시된 장치의 일부의 부분 확대 단면사시도.
도 1b는 드롭렛의 확대 단면도.
도 1c는 용융 재료를 용착하여 3차원 물품을 형성하는 다른 실시예에 따른 장치의 사시도.
도 2는 재료를 용착하여 돌출부를 형성하는 기술을 도시한, 도 1에 도시된 장치의 일부 확대 단면사시도.
도 3은 3차원 물품을 형성하기 위해 용융 재료를 용착하고 돌출부를 형성하는 장치의 다른 실시예의 일부를, 부분적으로는 단면으로, 부분적으로는 매우 확대하고, 부분적으로는 환영선으로 도시한 사시도.
도 4는 3차원 물품을 형성하기 위해 용융 재료를 용착하고 돌출부를 형성하는 장치의 다른 실시예의 일부를, 부분적으로는 단면으로, 부분적으로는 매우 확대하고, 부분적으로는 환영선으로 도시한 사시도.
도 4a는 도 4에서 형성된 3차원 물품의 부분 확대 측단면도.
도 5는 3차원 물품을 형성하기 위해 용융 재료를 용착하고 돌출부를 형성하는 장치의 다른 실시예의 일부를, 부분적으로는 단면으로, 부분적으로는 매우 확대하고, 부분적으로는 환영선으로 도시한 사시도.
도 6은 용융 재료를 용착하여 3차원 물품을 형성하는 장치의 다른 실시예의 일부의 부분 단면사시도.
본 발명은 타겟 또는 플랫포옴 상에 원하는 재료로 구성된 균일한 크기의 금속 드롭렛을 점진적으로 적층하여 3차원 물품을 형성하는 정밀한 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 이러한 물품은 용착을 조절함으로써 빠르고 직접적으로 형성될 수 있다. 3차원 물품의 기하학적 모델을 컴퓨터를 사용하여 금속 드롭렛의 용착을 조절한다. 고체물품은 균일한 크기의 드롭렛으로부터 형성된 층이 점진적으로 증가하여 형성된다. 본 발명은 원하는 치수적 특성을 갖는 고체물품을 제공하는 개별적인 드롭렛의 조절 및 적용에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 금속 또는 원하는 합금 재료로 구성된 "완전하게 밀집된(fully-dense)" 3차원 고체물품을 제공한다. 또한, 이러한 3차원 고체물품은 균일한 밀도를 가지며, 실질적으로 기공을 가지지 않으며, 다공성이 아니다. 본 발명에 따른 완전하게 밀집된 물품을 형성하기 위해서는 소결 또는 침입 공정을 행할 필요가 없다. 본 발명에 따른 방법을 사용하여 형성된 고체물품은 균일한 미세조직을 가진다. 또한, 본 발명에 따라 형성된 물품은 실질적으로 오염되지 않아서 원하는 물리적 특성을 얻을 수 있다. 본 발명에 따라 형성된 물품은 종래의 주조 공정, 스프레이 공정, 또는 주형 공정에 의해 형성된 물품 보다 실질적으로 우수한 물리적 특성과 성질을 가진다.
3차원 고체물품은 원하는 치수적 내구력, 인장강도, 피로강도, 압축강도, 연성, 전성, 경도, 및 내마모성을 가진다. 이러한 3차원 고체물품은 전체 구조를 통해 실질적으로 균일한 양의 등방성 재료를 포함한다.
본 발명은 소비제품용 금속 기구 또는 제품을 제조하기 위해 급속하고 경제적인 방식의 설비 내에 내부적으로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 해저 또는 유정 굴착장치와 같은 공간 이용성이 제한되는 분야에 사용되도록 "탁상용(table top)" 크기로 제조될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 소비자가 항상 재고에 대한 공간 이용비용을 지불할 필요가 없기 때문에, 원하는 3차원 고체물품을 신속하게 제조할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 용착 재료가 금속을 용융시키는 가열기를 구비한 금속 공급 시스템 내로 공급되는, 천 등이 출원한 미국특허 제 5,226,098 호에 개시되어 있는 균일한 그롭렛 형성 방법을 사용하여 고체물품을 형성할 수 있다. 용융금속은 도가니와 같은 드롭렛 형성 수단내에 수용되는데, 이러한 드롭렛 형성 수단은 용융금속을 방출하는 하나 이상의 오리피스를 가지고 있다. 바람직한 실시예에서, 오리피스는 약 50 내지 500 미크론의 직경을 가진다. 용융금속은 5 내지 50 psi의 압력차에 의해, 오리피스를 통해 스트림 형태로 방출된다. 소정의 주파수 및/또는 진폭가 용융금속을 진동시키기 위해 가해진다. 이러한 진동과 금속 표면장력은 용융금속이 오리피스로부터 방출될 때, 용융금속의 스트림을 균일한 크기의 드롭렛으로 분할하도록 한다. 드롭렛이 형성될 때, 드롭렛은 양 또는 음전하가 하전된다. 개별 드롭렛에 대한 동일한 하전은 드롭렛을 독립적으로 유지시키고, 낙하하는 중에 인접하는 드롭렛과 서로 융합되는 것을 방지하여, 드롭렛이 균일한 크기를 유지하도록 한다.
본 발명은 드롭렛에 대한 동일한 하전이 드롭렛을 스프레이와 같이 퍼져서 용착되도록 한, 천 등이 개시한 'O98 기술을 개선한 것이다. 본 발명은 드롭렛이 형성된 후에, 이들이 스프레이 형태로 퍼지도록 하는 것보다 좁은 스트림 또는 단일 묶음으로 집중시키거나 정렬시키는 방법을 제공한다. 본 발명은 또한 드롭렛이 서로 수직방향에서 융합되는 것을 방지하여, 크기를 일정하게 유지할 수 있도록 한다.
본 발명에 따르면, 정렬수단에 인접하거나 정렬수단을 통해 하전된 드롭렛을 통과시킴으로써, 드롭렛의 공급은 좁은 스트림 또는 라인으로 정렬되거나 집중된다. 정렬수단은 드롭렛과 동일한 전하를 인가함으로써 전기력장이 부가된다. 정렬수단은 정렬수단을 통해 연장하는 축선을 향해 내부로 균일하게 드롭렛을 반발시킨다. 드롭렛의 반발은 내부적으로 드롭렛이 미세한 스트림으로 형성되도록 한다. 드롭렛이 낙하하는 동안 드롭렛의 반발에 의해, 드롭렛은 단일 묶음 스트림 또는 미세한 드롭렛 라인으로 집중된다.
따라서, 본 발명은 부분적으로 드롭렛을 정렬시키는 방법을 포함하고 있음을 이해해야 한다. 다양한 실시예에서, 드롭렛이 타겟 상에 분배되어 용착되거나, 부분적으로 3차원 물품을 형성할 때, 드롭렛 상의 전하를 유지, 감소 ,또는 증가시킴으로써, 드롭렛을 정렬시킬 수 있다.
바람직한 일실시예에서, 정렬수단은 타겟 또는 부분적으로 형성된 물품 상에 인접하거나 밀접해 있는 하나 이상의 축선대칭의 중공형 반발 실린더 또는 원뿔형 반발 수단을 포함하고 있다. 정렬수단을 통해 연장하는 축선은 드롭렛의 스트림의 경로와 정렬되어 있다.
용융재료의 스트림은 각각의 전하와 동일한 분극으로 하전된 전하를 가지고 있다. 바람직한 실시예에서, 제트형 스트림이 드롭렛으로 분할될 때, 전하가 각 드롭렛에 인가된다. 하전 수단이 제트형 스트림에 대해 소정의 전압으로 유지될 때, 하전 수단과 제트형 스트림 사이의 전압과 정전용량의 조합은 제트형 스트림의 선행부에 전하를 가하게 한다. 제트형 스트림으로부터 자유롭게 분할되기 전에는, 각 드롭렛은 드롭렛에 유지된 전하를 그대로 유지한다. 드롭렛에 대한 전하는 인접하는 드롭렛을 반발시켜, 드롭렛이 융합되는 것을 방지한다.
본 발명에 따르면, 하전된 드롭렛은 정렬수단에 의해 소정의 좁은 라인 또는 경로 내에서 유지된다. 바람직한 실시예에서, 정렬수단은 전하를 유지하고, 다른 전하를 낙하하는 드롭렛에 가하거나, 드롭렛의 전하를 감소시킨다. 낙하하는 드롭렛에 가해진 동일한 전하는 정렬수단으로부터 드롭렛을 떨어진 상태로 유지시키고, 또한 인접하는 드롭렛과 떨어진 상태로 유지시킨다. 따라서, 정렬수단의 전하가 충분히 큰 경우에는, 드롭렛은 스트림에서 서로 일정한 간격을 유지할 것이며, 정렬수단을 통해 연장하는 축선 주위에 밀집할 것이다. 드롭렛이 정렬수단을 통과하거나 인접할 때, 드롭렛은 실질적으로 좁은 스트림내에 유지된다.
다양한 실시예에서, 정렬수단은 드롭렛의 전하를 감소시키는 전자빔을 양으로 하전된 드롭렛의 스트림에 인가함으로써 낙하하는 드롭렛의 전하를 감소시키는 수단을 더 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 드롭렛은 폐쇄된 시스템내에서 타겟 상에 공급되어, 드롭렛의 표면과 용착된 층 내에서 발생하는 산화물과 같은 오염물의 발생을 줄일 수 있다. 바람직한 일실시예에서, 작업공간 내의 공기는 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스로 교체된다. 아르곤과 같은 무거운 불활성 가스가 사용되는 경우, 이러한 불활성 가스는 바람직하게는 폐쇄된 작업공간의 하단부에서 도입된다. 무거운 불활성 가스는 가벼운 공기를 폐쇄된 작업공간의 상부로 배출시킨다. 다른 바람직한 실시예에서, 작업공간 내의 공기는 질소와 같은 가벼운 불활성 가스로 고체된다. 그렇지만, 상기한 형태의 불활성 가스는 용착될 금속의 형태에 의존함을 인지해야 한다. 또한, 알루미늄을 용착하는 경우에는, 질소와 알루미늄이 반응하기 때문에, 질소를 사용하는 것은 바람직하지 못함을 인지해야 한다. 다양한 실시예에서, 불활성 가스와 상온 공기 사이의 밀도차는 아르곤을 냉각하고 질소를 가열함으로써 두드러질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 작업공간은 포지티브 압력 하에서 유지되어, 가스가 외부로 누출되지 않도록 하고, 어떠한 상온 공기가 폐쇄된 작업공간으로 누출되지 않도록 한다. 작업공간을 폐쇄하는 다양한 수용수단은 금속 프레임 상에 장착되는 예컨대 폴리비닐클로라이드와 같은 적절한 재료로 구성된 가요성 덮개(shroud)를 포함한다. 작업공간을 폐쇄하는 다른 수단은 적절한 재료로 구성된 투명한 경질성 플라스틱 하우징을 포함한다. 이러한 수용수단은 현재 사용되고 있는 큰 진공 챔버를 대체할 수도 있으며, 이에 의해 본 발명에 따른 장치는 탁상용 구성으로 사용될 수 있다. 그렇지만, 진공 챔버는 원하는 드롭렛의 순도와 3차원 물품의 성질을 얻기 위해 사용될 수도 있다.
바람직한 실시예에서, 작업은 불활성 대기 환경하에서 행해진다. 가스가 제어된 시스템은 용융재료를 수용하는 도가니로부터 약 20 내지 50 psi (140 내지 350 kPa)의 고압으로 용융재료를 방출하기 위해 사용될 수 있다. 다른 가스가 제어된 시스템은 작업 환경에 약 1 내지 2 psi 의 저압을 제공한다. 이러한 압력들은 대기압 보다는 높은 게이지 압력으로서 절대적이지 않으며, 본 발명을 용이하게 도시하기 위해 간략하게 도시된다. 작동중에, 만일 필요하다면, 작업환경은 산소 레벨을 제한하기 위해 불활성 가스를 도입함으로써 반복적으로 정화될 수 있다. 적절한 최소의 산소 레벨은 다른 오염 레벨에 노출된 최종 제품의 성질을 측정함으로써 결정된다.
드롭렛의 미세한 스트림 또는 라인은 타겟 또는 작업대 상에 정교하게 위치하여 3차원 물품을 형성한다. 본 발명의 방법에 따르면, 드롭렛 공급물의 스트림 및/또는 타겟은 3차원 물품을 형성하기 위해 이동할 수 있다. 일실시예에서, 타겟은 타겟에 적용될 드롭렛의 라인에 대응하여 소정의 거리를 이동할 수 있다. 예컨대, 타겟은 드롭렛의 용착율에 의존하는 소정의 속도로 수평 및/또는 수직하게 이동할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 용착율은 감시/연산 시스템에 의해 계측될 수 있다. 작업대 상에 형성된 3차원 물품은 위치조절 시스템에 작동가능하게 연결된다. 바람직한 실시예에서, 위치조절 시스템은 적어도 둘 내지 세 개의 축선을 가지며, 어떤 실시예에서는 축선에 대해 구동하는 세 개 내지 다섯 개의 축선 테이블과, 위치 데이터를 수용하여 전송하는 엔코딩 수단과, 축선에 따른 운동을 조절하는 조절 시스템을 포함한다. 조절 시스템은 좌표를 제공하는 물품의 기하학적 형상의 컴퓨터 모형과 작업대의 이동을 해석하는 수단을 포함할 수 있다. 선택적인 실시예에서, 드롭렛 형성/공급 수단은 또한 소정의 패턴에 대응하면서 적어도 X,Y,Z 축선 사이의 위치에서 드롭렛 공급물을 이동시키는 다른 위치조절 수단에 작동가능하게 연결된다. 다른 실시예에서, 작업대와 드롭렛 공급물은 3차원 물품을 형성하기 위해 이동될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 적절한 소프트웨어 프로그램과 같은 계획 시스템은 3차원 물품의 고체 모델 형상을 해석한다. 계획 시스템은 물품의 기하학적 형상을 한정된 수의 조각으로 분할하며, 각각의 층을 달성하기 위해 필요한 용착 경로를 플로트한다. 조절 시스템은 계획 시스템, 드롭렛 형성/공급 수단의 이동, 및 작업대 위치조절 시스템을 조절한다. 조절 시스템은 또한 다양한 작동 인자에 대한 정보를 중계하는 모든 센서 입력을 계측하며, 압력, 온도, 전압 등과 같은 보정된 작동 인자를 유지한다.
본 발명에 따르면, 인자(압력, 오리피스 직경, 드롭렛 진동의 주파수 및 진폭과 같은)는 균일한 크기의 드롭렛의 직경을 바꾸기 위해 변화될 수 있다. 드롭렛의 최대 직경은 부분적으로 형성될 3차원 물품에 의존하며, 용착될 재료의 종류에 의존한다. 도가니로의 금속의 공급율, 도가니의 압력, 온도, 및 드롭렛 전하량과 같은 다른 인자들은 드롭렛의 크기와 균일한 크기의 드롭렛의 형성율에 영향을 준다.
다른 인자들은 타겟 또는 형성될 물품의 온도와 드롭렛이 형성될 타겟 또는 물품 상에 용착될 때의 드롭렛의 상태를 포함한다. 드롭렛 및/또는 타겟의 온도와 타겟에 낙하하는 드롭렛의 속도는 부분적으로 타겟 재료 상의 균일한 층으로 드롭렛의 결합 또는 융합을 결정한다.
본 발명의 어떤 실시예에서, 바뀔 수 있는 다른 인자는 드롭렛 형성 수단과 작업대 사이의 "스탠드 오프(stand-off)" 거리이다. 이러한 거리의 변화는 드롭렛의 충돌 영역 또는 "낙하지역(footprint)" 의 크기와 드롭렛의 액체-고체의 분율에 영향을 미친다. 고체-액체의 분율을 변화시킴으로써, 기판에서의 드롭렛의 결합 특성이 변화될 것이다. 용착 재료의 온도는 드롭렛의 열적 상태에 영향을 미치는 것에 주목해야 한다. 어떤 실시예에서, 용착 재료의 온도는 용융점 바로 위로부터 달라질 수 있으며, 다른 실시예에서는 예컨대 용융점 위의 50℃ 일 수 있다. 액체 용착재료의 이러한 온도차는 오리피스로부터 타겟으로의 거리(즉, "낙하" 또는"스탠드 오프"거리)에 대한 드롭렛의 온도에 영향을 줄 것이다
드롭렛은 최적의 액체-고체 분율로 공급된다. 다양한 실시예에서, 드롭렛이 타겟과 충돌할 때, 고체-액체 분율은 매우 중요한 변수이다. 타겟에 드롭렛이 충돌하는 것은 낙하하는 드롭렛의 운동에너지를 열에너지로 변환시킨다. 이러한 열은 드롭렛이 충돌하는 지점에서의 드롭렛과 타겟을 재용융시킨다. 이러한 재용융은 새롭게 형성된 표면에서 드롭렛의 결합 공정을 돕는다.
기하학적 정교함을 달성하기 위해, 본 발명은 드롭렛 스트림을 정교하게 정렬시키고 집중시키며, 드롭렛 스트림의 위치, 드롭렛 스트림의 유량, 및 온도에 대한 타겟 이동 속도 또는 방향을 매우 주의 깊게 연관시킨다. 드롭렛의 스트림은 효율적으로 정교하게 조절된다. 바람직한 실시예에서, 컴퓨터 비전 시스템과 같은 적절한 흐름 측정 시스템은 스트로보스코픽(stroboscopic) 광원에 작동가능하게 연결되어, 주어진 시간동안 프레임을 통과하는 드롭렛의 수를 연산하여 금속의 유량을 측정한다.
위치조절 시스템은 3차원 물품 또는 형성될 지지물의 단면 또는 층의 기하학적 형태에 따라 타겟을 이동시킨다. 미리 정해진 경로를 따라 이동하는 타겟의 속도는 용착재료의 유량에 의해, 바람직하게는 흐름 측정 시스템에 의해 측정된 용착재료의 유량에 의해 조절된다.
3차원 물품을 형성하는 층의 위치조절과 층의 수는 다수의 인자에 의해 결정된다. 3차원 물품의 기하학적 형태는 층이 통과해야 하는 점들을 지시하여, 3차원 물품을 형성하기 위한 최소의 층을 지시한다. 다양한 실시예에서, 지지물 재료가 제공될 때, 이러한 지지물 재료는 부분적으로 형성된 물품에 인접하여 위치한다는 점에 주목해야 한다. 물품의 기하학적 형태에 영향을 주는 다른 인자는 각 층의 최대 두께이다. 각 층은 형성될 물품 보다 두꺼울 수가 없음에 주목해야 한다. 3차원 물품의 단부를 사용하기 위해서는 3차원 물품 상의 표면 마무리 공정을 해야함을 또한 주목해야 한다. 따라서, 실질적으로 평활한 표면 마무리 공정은 또한 층의 두께를 제한할 수 있다. 그렇지만, 본 발명은 약 50미크론 정도의 직경을 갖는 드롭렛을 용착하는 방법을 제공하여, 형성된 3차원 물품이 최상의 단부를 이용할 수 있는 원하는 표면을 가지도록 한다. 물품의 에지부 또는 둘레에서, 계단식 모형은 드롭렛의 직경 뿐만 아니라 드롭렛이 표면과 접촉할 때 드롭렛의 퍼진 직경에 의존한다. 대부분의 실시예에서, 형성된 물품의 에지부 또는 둘레의 표면 마무리 공정은 최소의 계단식 모형을 갖도록 하는 마무리된 표면을 제공한다.
용착될 드롭렛의 실제 크기는 3차원 물품의 단부 사용 요구에 의존한다. 드롭렛의 용착의 정확한 제어와 각 드롭렛의 크기는 3차원 고체물품을 제조하는데 있어서 가장 중요한 요소이다.
본 발명의 방법에 따르면, 재료의 용착과 드롭렛 크기의 조절은 밀리미터 범위내에서 조절된다. 드롭렛의 크기와 위치조절의 정교함의 개선은 금속을 분사하거나 다른 공정 단계를 거치지 않고 3차원 물품을 형성할 수 있다. 본 발명에 따라 형성된 3차원 물품은 실질적으로 오염되지 않아 산업에서 직접 이용될 수 있으며, 상업적으로 유용하다.
본 발명은 단일 동작으로 용착된 드롭렛을 형성하여 3차원 물품을 형성하는 것이다. 본 발명은 정교하고 내구력을 갖는 3차원 물품을 신속하게 제조하기 위해 네트 형성(net-shape) 공정을 포함한다. 드롭렛의 점진적인 적용과 연속적인 고상화는 정교하게 조절된 방식으로 행해진다. 형성될 물품의 미세구조 및 기하학적 형상은 정교하게 조절되어, 기계가공과 같은 추가공정을 필요로 하지 않는다.
드롭렛은 실질적으로 균일한 크기와, 바람직한 속도, 그리고 타겟으로부터 바람직한 거리에서 공급되어, 드롭렛의 온도와 타겟의 온도가 최적으로 정의된 인자 내에 놓이도록 한다. 특히, 드롭렛은 바람직한 직경을 가지며, 바람직한 거리에서 용착되어, 드롭렛의 액체-고체 분율은 3차원 물품에 결합하기에 적절하도록 한다. 만일 드롭렛이 너무 차갑다면, 드롭렛은 분말형 재료를 형성할 것이며, 물품에 결합되지 않을 것이다. 만일 드롭렛이 너무 액상이라면, 그 후 액체는 3차원 물품의 표면 상에서 냉각되기 전에 흘러서, 불균일하고 제어되지 않은 표면을 형성할 것이다. 바람직한 실시예에서, 액체-고체 분율은 대략 30:70이며, 드롭렛은 약 ±25% 의 직경 오차, 가장 바람직하게는 약 ±5% 의 직경 오차를 가지는 실질적으로 균일한 크기를 가진다.
바람직한 실시예에서, 드롭렛은 균일하게 전기적으로 하전된 용융금속 드롭렛을 형성하는 장치를 사용하여 형성된다. 이러한 장치는 도가니에서 하전된 금속을 용융시키고, 용융금속을 소직경의 오리피스(45 내지 200㎛)를 통해 방출하여 드롭렛의 스트림을 형성시킨다. 이러한 스트림은 압전변환기에 진동(바람직하게는 약 5 내지 30 kHz)을 부여함으로써 분할되어, 균일한 크기의 드롭렛 스트림을 형성한다. 각 드롭렛이 스트림으로부터 분할될 때, 각 드롭렛은 고전압 플레이트(약 300 내지 400 볼트)와 같은 하전 수단에 의해 하전된다. 드롭렛에는 동일한 극성의 전하가 부여되어, 드롭렛은 서로 반발하여 분리된 상태로 유지되며, 본래의 크기를 유지하게 된다.
바람직한 실시예에서, 도가니는 용융금속을 오리피스를 통해 배출하기 위해 작업공간 보다 높은 압력으로 유지되며, 이러한 액체에 대한 압력은 소직경의 오리피스를 통과하는 액체의 흐름을 조절한다.
본 발명의 한 장점은 재료의 돌출부를 형성하기 위해 용착금속의 표면장력 특성을 이용할 수 있다는 점이다. 돌출부는 이전의 층의 에지부를 넘어서 연장하여 돌출 구조를 형성하는 드롭렛의 층을 포함한다.
본 발명의 다른 장점은 타겟 작업대가 3 내지 5 방향으로 이동할 수 있다는 점이다. 이러한 타겟은 축선에 대해 기울어질 수 있으며, X,Y,Z 축선 사이에서 또는 축선을 따라 선형이동할 수 있다. 이러한 경사는 지지물을 필요로 하지 않으면서 돌출부를 가지는 3차원 물품을 형성할 수 있도록 한다. 예컨대, 3차원 물품은 용착 재료가 수직하게, 그러나 초기에 용착된 재료에 직각으로 연속하여 적층되는 위치에서 90°될 수 있으며, 이에 의해 물품이 원래 위치로 되돌아 온 후, 최종 제품 상에 돌출부가 형성된다.
본 발명의 또다른 장점은 소정의 실시예에서, 둘 이상의 재료가 사용될 수 있는데, 한 재료는 희생 지지물 재료이며, 다른 재료는 원하는 목적물 재료이다. 지지물 재료는 목적물 재료에 인접하여 분배되고, 원하는 목적물의 돌출부를 지지할 때에만 사용된다. 지지물 재료는 3차원 물품이 완성될 때, 열을 가하거나, 산화시키거나, 용매를 사용하거나, 3차원 물품에 해를 주지 않는 기계적 또는 다른 적절한 수단에 의해 제거된다. 지지물 재료는 저용융점 금속, 합금, 소금, 유리, 세라믹, 그라파이트 또는 그의 혼합물과 같은 적절한 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 장점은 소정의 실시예에서, 드롭렛 형성 수단으로부터 타겟까지의 거리가 충분히 큰 경우에는, 드롭렛은 타겟에 도달할 때까지 완전하게 응고될 것이다. 타겟에 도달하기 전에 응고되는 드롭렛을 공급하는 방법은 용착재료의 연속적인 층에 대한 지지물로서 역할하는 분말 입자를 공급하는 것이다. 형성될 물품에 결합되지 않는 분말 입자는 3차원 물품이 완성될 때 제거될 수 있다.
본 발명의 또다른 장점은 소정의 실시예에서, 용착층에서의 응력을 완화하는 수단을 제공하는 것이다. 소정의 바람직한 실시예에서, 용착층이 3차원 물품을 형성하기 위해 분포될 때, 응력을 완화하고, 중간 영역의 표면 온도를 조절하기 위해 레이저 에너지원이 사용된다.
본 발명에 따라 형성된 3차원 금속물품은 주조 물품의 성질과 실질적으로 유사하거나 우수한 특성 및 성질을 가진다.
첨부된 도면을 참조하여, 이하에 3차원 물품을 형성하는 공정의 다양한 실시예와 이러한 방법을 수행하는 장치의 다양한 실시예를 상세하게 기술한다. 도 1에 는 일반적인 3차원 물품 형성 장치(10)가 도시되어 있다. 이러한 장치(10)는 하나 이상의 균일한 드롭렛 형성 장치(12)를 포함하며, 도시된 실시예에서는 드롭렛 형성 장치(13)를 더 포함하고 있다. 이러한 균일한 드롭렛 형성 장치는 천(Chun) 등이 출원한 미국 특허 제 5,266,098 호에 개시되어 있으며, 본 발명에서는 참조하였다. 균일한 드롭렛 형성 장치(12,13)는 바람직한 실시예에서 챔버(15) 내에 형성되어 있다. 이러한 챔버(15)는 바람직한 실시예에서는 불활성 대기로 충진되어 있다. 챔버(15)는 적절한 투명성 측판(9)을 가지는 프레임(8)을 포함한다. 챔버(15)는 불활성 대기로 충진되어 있어, 3차원 물품이 형성될 때, 원하지 않는 오염물이 용융금속과 접촉하지 않도록 한다. 그렇지만, 용착된 용융금속으로부터 오염물을 차단하는 다른 수단들이 본 발명의 범위내에서 사용될 수 있으며, 도 1c에 도시된 바와 같이, 선택적인 실시예에 있어서, 반구형 챔버(15)가 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 균일한 드롭렛 형성 장치(12)는 균일한 드롭렛 형성 장치(13)와 유사하다. 설명이 용이하도록, 각각의 균일한 드롭렛 형성 장치(12,13)는 동일한 도면을 부호를 병기하여 기술할 것이다.
균일한 드롭렛 형성 장치(12,13)는 진동 수단(16)과 용기(18)를 포함한다. 각각의 용기(18)는 용착 재료(14)를 원하는 온도에서 용융시키는 가열 수단(19)과, 3방향 및/또는 X,Y,Z 축 사이에서 용기(18)를 이동시키는 이동 수단(21)을 포함한다. 어떤 실시예에서는, 용기(18)내의 용융 재료(14)은 가압 수단(17)에 의해 소정의 압력을 가질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 용융 재료(14)는 진동 수단(16)에 의해 소정의 진폭과 주파수로 진동하게 된다. 용융 재료(14)은 스트립 또는 분사(28)를 형성하여, 하나 이상의 오리피스(20)를 통해 용기(18) 밖으로 배출된다. 스트림(28)의 진동은 실질적으로 균일한 크기와 형태를 가지는 다수의 드롭렛(36)이 형성되도록 한다. 드롭렛(36)이 형성되면서, 드롭렛(36)은 하전 시스템(22)을 통과한다. 이러한 시스템(22)은 일반적으로 오리피스(20)와 일직선으로 정렬된 하나 이상의 개구(26)가 형성된 하전 플레이트(24)를 포함한다. 하전 시스템(22)은 드롭렛(36)이 형성될 때마다, 드롭렛(36)에 전압을 적용한다. 각각의 드롭렛(36)이 스트림(28)으로부터 파괴될 때, 각 드롭렛(36)은 일부가 하전된 상태를 유지한다.
드롭렛(36)이 하향하면서, 정렬 수단(30)을 통과한다. 도시된 실시예에서, 이러한 정렬 수단(30)은 원통형태 또는 원뿔형태(도시되지 않음)을 가진다. 하전 또는 반발면(32)을 포함하는 정렬 수단(30)은 개구(34)를 한정한다. 하전 또는 반발면(32)은 바람직하게는 구리, 알루미늄, 강과 같은 높은 전도재료로 구성되며, 어떤 실시예에서는 약 150 내지 450 mm의 길이를 가진다. 개구(34)는 일반적으로 약 10 내지 40 mm의 직경을 가진다. 다른 실시예에서, 하전 또는 반발면(32)의 길이와 직경은 용착될 재료의 형태와 드롭렛의 크기, 및 3차원 물품의 최종형상에 의존한다.
하전 또는 반발면(32)이 소정의 전압으로 유지되는 경우, 드롭렛(36)은 서로 소정의 거리를 유지하면서, 하전 또는 반발면(32)으로부터 소정의 거리를 유지한다. 이러한 반발력은 일반적으로 도 1a에 양방향 화살표(35)로 도시되어 있다. 각 드롭렛(36)이 떨어질 때, 선행하는 드롭렛(36a)은 선행하는 드롭렛(36b) 뿐만 아니라 하전 또는 반발면(32)의 측부로부터 반발하며, 이에 의해 하전되는 드롭렛이 서로 융합되거나 측방향으로 흩어지는 것이 방지된다. 드롭렛은 정렬 수단(30)을 통해 종방향으로 연장하는 축선 주위에 밀집하는 경향이 있다. 드롭렛에 대한 하전은 미세하고 매우 정교한 라인으로 드롭렛을 전달할 수 있도록 한다.
금속은 적용 목적에 따라 적절하게 사용될 수도 있다. 드롭렛에 대한 실제 하전은 사용될 금속의 형태 뿐만 아니라 드롭렛의 직경, 장입될 드롭렛(36)이 통과하는 개구(34)의 직경, 및 하전 또는 반발면(32)과 드롭렛(36) 사이의 전압에 따라 달라진다. 드롭렛(36)에 대한 하전은 10-7쿠우롱/그램 의 범위가 유용하지만, 상기한 다양한 인자에 의존하는 다른 하전이 또한 유용할 수도 있다. 낙하하는 동안 드롭렛은 적어도 부분적으로 고상화되어, 기판 또는 작업대 위치조절 시스템(40)에 부딪힐 때에는 반액체 상태가 된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 드롭렛(36)이 냉각될 때, 스킨부(37)가 형성되어 용융부(39)를 보호한다. 어떤 실시예에서, 드롭렛(36)이 작업대 위치조절 시스템(40)이나 이전에 용착된 드롭렛을 때릴 때, 스킨부는 파괴되어 드롭렛은 편평하게 된다.
바람직한 실시예에서, 충격 시점에서, 드롭렛은 약 50:50 내지 20:80의 최적의 액체 대 고체 분율을 가지며, 바람직하게는 약 30:70의 액체 대 고체의 분율을 가진다. 이러한 최적의 분율은 각 개별적인 드롭렛의 정확한 용착을 보장하고, 충격시점에서 타겟의 과도한 재용융과 액체 재료의 푸들링(puddling)을 방지한다.
도 1을 다시 참조하면, 작업대 위치조절 시스템(40)은 작업대면(42)을 이동시키는 다수의 이동가능한 수단을 포함한다. 제 1이동가능한 수단(44)은 작업대면(42)을 화살표(Y)방향(전·후방향)으로 이동시킨다. 제 2이동가능한 수단(46)은 작업대면(42)을 화살표(X)방향(좌·우방향)으로 이동시킨다. 제 3이동가능한 수단(48)은 작업대면(42)을 화살표(Z)방향(상·방향)으로 이동시킨다. 어떤 실시예에서는, 제 4이동가능한 수단(50)이 작업대 위치조절 시스템(40)을 제 1위치 또는 스테이션과 제 2위치 또는 스테이션 사이의 X방향으로 더 이동시킨다. 도 1에 도시된 실시예에서, 제 1드롭렛 형성 장치(12)는 일형태의 용융 재료를 분배하고, 반면 제 2드롭렛 형성 장치(13)는 다른 형태의 용융 재료를 분배한다. 작업대 위치조절 시스템(40)은 제 4이동가능한 수단(50)에 의해 드롭렛 형성 장치(12,13)들 사이에서 이동가능하다. 작업대 위치조절 시스템(40)과 제 4이동가능한 수단(50)은 공압 또는 유압 수단과 같은 제 4이동가능한 수단(52)을 통해 작업대 위치조절 수단(40)을 이동시키는 전원(도시되지 않음)에 연결된다. 작업대 위치조절 시스템(40)과 드롭렛 형성 장치(12,13)는 작업대 위치조절 시스템(40)의 이동 지시 및/또는 드롭렛 형성 장치(12,13)의 작동 지시를 제공하는 제어 수단(54)에 연결된다.
제어 수단(56)은 바람직하게는 대상물의 기하학적 고형 모델의 형상을 인지할 수 있는 컴퓨터 소프트웨어 프로그램 또는 계획 시스템을 가질 수 있으며, 이러한 계획 시스템은 상기한 형상을 한정된 수의 단편으로 분할한다. 컴퓨터 프로그램은 작업대 위치조절 시스템(40)의 작동을 조정하고, 압력, 온도, 하전, 공급율, 주파수, 진폭 및 거리와 같은 입력 사항을 모니터링한다.
본 발명의 방법에 따른 방법은 주어진 시간 내에 스크래치로부터 캐드(CAD)파일로부터 직접 돌출부를 가지는 새로운 금속 부품을 형성할 수 있다. 3차원 물품은 가공된 대조물과 비교할만한 강도와 내구력을 가진다. 또한, 여기서는 단일 오리피스(20)가 사용되었지만, 다수의 오리피스가 형성될 3차원 물품의 기하학적 모형에 따라 본 발명에 사용될 수 있다.
또한, 챔버(15)는 용착 챔버로부터 대기 또는 산소를 흡수하는 진공 챔버를 포함할 수 있다. 또한, 도 1c에 도시된 바와 같은 매우 작은 유리 돔 또는 유사한 용기를 구비한 다른 장치가 용착 챔버(15)로부터 대기 또는 산소를 방출하고, 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스를 챔버내로 충진시키기 위해 사용될 수 있다. 챔버는 불활성 가스 및/또는 대기의 분사와 방출을 허용하는 하부(56)와 상부(58)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 작업대 위치조절 시스템(40)은 드롭렛(36)이 소정의 형태로 용착될 때, 각 드롭렛(36)이 먼저 용착된 드롭렛 위에 쌓여서, 도 2에 도시된 바와 같이 새로운 면(38)을 형성하여 3차원 물품(60)을 형성할 수 있도록 적어도 3개의 평면에서 정교하게 이동할 수 있다.
3차원 물품(60)은 일반적으로 새로운 면(38)을 형성하는 다수의 편평한 드롭렛(36C)이 형성된 것과 같이 도시된다. 각 드롭렛이 용착될 때, 드롭렛은 융합되어서 3차원 물품(60)의 수직벽(62)을 형성한다. 이러한 실시예에서, 연속적인 드롭렛(36D)이 이전에 용착된 드롭렛(36C)의 일부를 포개면서 층이 형성된다. 연속적인 드롭렛(36D)은 그의 직경이 드롭렛(36C)과 겹쳐지도록 선행하는 드롭렛(36C) 상에서 부딪힌다. 이러한 방법에서, 연속적인 드롭렛(36D,36E,36F,36G)이 형성됨에 따라, 드롭렛(36D,36E,36F,36G)은 돌출부(64)를 형성한다. 각 드롭렛이 이전에 용착된 드롭렛과 부딪혀서 고상화될 때, 돌출부(64)는 어떠한 지지 기판을 필요로 하지 않으면서 직접 형성된다.
도 3은 평면 또는 작업대(142)를 구비한 작업대 위치조절 시스템(104)이 작업대(142)가 다른 치수로 회전할 수 있도록 5개의 축선을 중심으로 회전가능가능한 다른 실시예를 도시하고 있다. 예컨대, 작업대 위치조절 시스템(140)은 드롭렛(36)이 용착되어 복잡한 3차원 물품(70)을 형성할 수 있도록 수직 방향(Y)으로 회전될 수 있다. 작업대(142)이 실질적으로 수평한 평면(X)에 놓이는 동안, 3차원 물품(70)의 제 1부분(72)이 형성될 수 있다. 그 후, 위치조절 시스템(140)이 실질적으로 수평한 평면에 여전히 놓이는 동안, 제 2부분(74)이 형성되는데, 여기서는 제 1부분(72)으로부터 실질적인 직각으로 연장하는 제 2부분(74)을 형성하기 위해 드롭렛이 용착된다. 그 후, 위치조절 시스템(140)은 X-Y 평면에서 축선을 중심으로 회전하여, 3차원 물품(70)의 제 3부분(76)이 소정의 각으로 형성되도록 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 3차원 물품(70)의 제 4부분은 드롭렛이 수직하게 용착되도록 위치조절 시스템(140)을 수직한 방향(Y)으로 회전시킴으로써 형성된다.
도 4를 참조하면, 다른 3차원 물품(80)이 작업대면(242)을 구비한 작업대 위치조절 시스템(240) 상에 형성된다. 위치조절 시스템(240)은 바람직하게는 X,Y,Z 축 사이에서 3방향이상으로 이동할 수 있다. 도 4에 도시된 실시예에서, 제 1드롭렛 형성 수단(12)은 소정의 방식으로 작업대면(242) 상에 제 1재료(84)의 드롭렛(82)을 용착한다. 도시된 실시예에서, 제 2드롭렛 형성 수단(13)은 3차원 물품(80) 상에 또는 부근의 일부분에 제 2재료(90)의 드롭렛(92)을 용착하여지지물 재료로서 역할을 하는 제 2 또는 지지물 재료(90)를 함유한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 물품(80)은 다수의 층(80A)를 포함하여, 입자물품(80)의 일부를 형성한다. 제 2재료(90)는 용착 재료(80) 부근의 영역에 용착된다. 그 후, 제 2재료(90)는 제 2재료에 의해 소정의 위치에 유지되는 추가 드롭렛(80B)을 수용할 수 있다. 3차원 물품(80)을 완성할 때, 제 2재료(90)는 상기한 소정의 수단에 의해 제거될 수 있다.
다음으로, 도 5를 참조하면, 드롭렛 형성 수단(12)은 X,Y,Z 방향으로 이동될 수 있다. 드롭렛 형성 수단(12)은 이동 수단(21)에 연결되며, 이러한 드롭렛 형성 수단(12)은 드롭렛 형성 수단(12)과 형성된 3차원 물품을 유지하는 작업대 위치조절 시스템(340) 사이의 거리가 증가되도록 드롭렛 형성 수단(12)을 상승시키기 위해 적어도 수직 방향 또는 Z방향으로 이동할 수 있다. 작업대 위치조절 시스템(340)은 또한 드롭렛 형성 수단(12)과 형성될 3차원 물품(120) 사이의 거리를 증가시키기 위해 Z방향 또는 수직 방향(도 5에 환영선으로 도시된 바와 같이)으로 이동할 수 있다. 드롭렛 형성 수단(12)과 드롭렛 충돌 영역 사이의 거리의 증가는 다수의 드롭렛(36Z)이 타겟 상에 충돌하기 전에 실질적으로 고상화되도록 한다. 드롭렛(36Z)이 고상될 때, 고상화된 드롭렛(36Z)은 지지물 재료로서 역할하는 분말입자재료(122)를 형성한다. 3차원 물품(120)이 완성될 때, 분말 또는 지지재료(122)는 3차원 물품(120)으로부터 제거할 수 있다. 드롭렛(36Z)이 용착될 때의 거리와 용착율은 드롭렛(36Z)이 3차원 물품(120) 상에 형성되거나 결합하지 않도록 제어된다.
다양한 실시예에서, 분말 지지 영역(122)은 돌출부에 대한 적절한 지지부로서 역할을 하도록 원하는 형상으로 유지되지 않을 수도 있다. 이러한 상황에서, 분말 지지 영역(122)은 바람직하게는 용융 재료(36)로 구성된 외부 또는 내부벽(124)에 의해 지지된다.
도 6은 형성될 3차원 물품에서 응력을 완화하는 수단(300)의 일실시예를 도시하고 있다. 응력 완화 수단(100)이 용기(290)와 연결되어 있는 상태를 도시한 반면, 응력 완화 수단(100)은 본 발명의 모든 실시예에서 사용될 수 있으며, 여기서는 이해가 용이하도록 하나의 용기와 함께 도시하였다. 응력 완화 수단(300)은 레이저 에너지원을 포함할 수 있다. 응력 완화 수단(300)은 다양한 방향 수단(302,304)을 포함하는데, 이러한 방향 수단은 레이저 광선 또는 에너지(306)를 용착될 재료의 일부분(286)으로 향하게 한다. 레이저 광선(306)은 먼저 용착된 층에 용착되어 동시에 결합하는 재료(280)에서의 응력을 완화시켜, 3차원 물품(280)의 컬링(curling), 뒤틀림, 또는 다른 응력의 발생을 방지한다. 또한, 레이저 광선(306)은 드롭렛(282)이 형성될 3차원 물품(280) 상에 용착될 때, 직접 충돌하는 영역에서의 온도를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
그렇지만, 슈트 피닝(shoot peening), 유도 가열, 또는 다른 어닐링 공정과 같은 각 층에서의 응력을 완화시키는 다른 방법이 본 발명에서 유용하게 사용될 수 있다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다른 실시예에서는, 분말 입자가 2개의 드롭렛 형성 장치를 사용하여 형성될 수 있는데, 제 1장치는 드롭렛이 3차원 물품을 형성하도록 작업대 위치조절 시스템으로부터 제 1거리에 위치하고, 제 2장치는 분말 입자가 형성되도록 작업대 위치조절 시스템으로부터 보다 긴 제 2위치에 위치한다.
본 발명에 따르면, 일단 용착 공정이 완성되면, 완성된 물품에 대한 다른 추가적인 공정을 필요로 하지 않는다. 본 명세서에 개시된 3차원 물품을 형성하는 방법은 어떠한 형상, 크기 및/또는 복잡성을 가진 3차원 물품을 제조하기 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에서는 소정의 바람직한 실시예가 도시되고 기술되었지만, 본 발명은 여기에 국한되지 않으며, 본 발명의 범위 내에서 다양하게 실시될 수도 있다.

Claims (18)

  1. 3차원 물품용 주형을 사용하지 않고 자유형 3차원 물품을 정교하게 형성하는 방법에 있어서,
    원하는 재료로 구성되어 음 또는 양전하를 갖는 실질적으로 균일한 크기의 드롭렛을 공급하는 단계와,
    상기 공급된 드롭렛을 각각 실질적으로 좁은 스트림으로 정렬하는 단계와,
    3차원 물품을 형성하기 위해 3차원 물품의 새롭게 형성된 층 또는 타겟 상에 소정의 속도에서 정렬된 드롭렛을 소정의 패턴으로 용착하는 단계로 구성되며,
    상기 드롭렛은 드롭렛과 동일한 전하를 갖는 하나 이상의 정렬 수단에 인접하거나 또는 정렬 수단을 통과시킴으로써 정렬되며, 상기 정렬 수단은 상기 정렬 수단을 통해 연장하는 축선을 향해 각 드롭렛을 반발시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 각 드롭렛이 상기 타겟 또는 형성될 3차원 물품의 새롭게 형성된 층 상에 용착할 때까지, 상기 드롭렛에 대한 양 또는 음전하를 유지시킴으로써, 인접하는 드롭렛과 떨어져서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 정렬 수단은 실질적으로 원통형 또는 원뿔형인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 타겟은 적어도 3방향으로 이동가능한 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 원하는 재료의 공급물은 적어도 하나의 방향으로 이동가능한 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 균일한 크기의 드롭렛은 원하는 주파수 및/또는 진폭으로 상기 원하는 재료의 공급물을 진동시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 타겟은 상기 3차원 물품을 형성하기 위해 드롭렛 공급물에 대해 원하는 속도로 이동가능한 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 3차원 물품은 컴퓨터 모델로부터 형성되며, 소프트웨어에 의해 상기 재료의 정교한 용착이 유도되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 원하는 재료의 정렬과 용착은 소정의 압력, 소정의 온도 분포, 및 소정의 대기 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 10항에 있어서, 상기 3차원 물품은 불활성 가스 대기 하에서 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1항에 따른 방법에 의해 형성된 3차원 물품.
  12. 3차원 물품의 주형을 사용하지 않고 정교한 자유형 3차원 물품을 형성하는 장치에 있어서,
    양 또는 음전하를 갖는 실질적으로 균일한 크기의 드롭렛을 공급하는 수단과,
    공급된 드롭렛을 실질적으로 좁은 스트림으로 정렬시키는 수단을 포함하며,
    상기 정렬된 드롭렛은 상기 3차원 물품을 형성하기 위해 3차원 물품의 새롭게 형성된 층 또는 타겟 상에 소정의 속도로 소정의 패턴으로 용착되며, 상기 정렬 수단은 상기 각 드롭렛이 상기 타겟 또는 형성될 3차원 물품의 새롭게 형성된 층 상에 용착할 때까지, 상기 정렬 수단을 통해 연장하는 축선을 향해 드롭렛을 반발하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 정렬 수단은 상기 드롭렛과 동일한 전하를 갖는 하나 이상의 반발 플레이트를 구비하며, 상기 드롭렛은 인접하는 드롭렛으로부터 그리고 반발 플레이트로부터 반발되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 정렬 수단은 실질적으로 원통형 또는 원뿔형인 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 12항에 있어서, 균일한 크기의 드롭렛이 형성되도록 원하는 재료의 공급물을 진동시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 12항에 있어서, 상기 타겟 및/또는 원하는 재료의 공급물을 안내하기 위해 컴퓨터 디자인 소프트웨어 프로그램을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 3차원 물품은 컴퓨터 모델로부터 형성되며, 소프트웨어에 의해 상기 원하는 재료의 정교한 용착이 유도되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 1항에 있어서, 소정의 압력, 소정의 온도 분포, 및 소정의 대기 상태를 갖는 환경을 제공하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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