KR20020027259A

KR20020027259A - 삼차원 대상물을 제조하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20020027259A
Application number: KR1020010061382A
Authority: KR
Inventors: 아베사토시; 요시다노리오; 히가시요시카즈; 도게야마히로히코; 후와이사오; 우에나가슈시; 마치다세이조
Original assignee: 이마이 기요스케; 마츠시다 덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2000-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2002-04-13
Also published as: DE10148967B4; CN1347783A; JP2002115004A; CN1283413C; JP3446733B2; DE10148967A1; HK1046383A1; KR100436121B1

Abstract

삼차원대상물을 제조하기 위해, 광선이 먼저 분말층의 소정부위상에 조사되어 소결층을 형성하고, 그 다음으로 이 소결층이 새로운 분말층으로 도포된다. 광선은 다시 새로운 분말층의 소정부위상에 조사되어 또다른 소결층을 형성하고, 이 소결층은 아래쪽의 소결층과 일체화된다. 이런 처리들이 반복적으로 수행되어 서로 일체화되고, 삼차원대상물의 타겟 형상보다 큰 크기를 갖는 복수의 소결층을 형성한다. 형성된 성형대상물의 표면영역은 복수의 소결층을 형성하는 동안 제거된다.

Description

삼차원 대상물을 제조하기 위한 장치 및 방법{METHOD OF AND APPARATUS FOR MAKING A THREE-DIMENSIONAL OBJECT}

본 발명은, 광선을 사용하여 분말재료를 소결 및 경화시킴으로써 타겟대상물이 획득되는 삼차원 대상물의 제조 방법 및 제조장치 관한 것이다.

일본 특허 제 2620353호에는 포토-세이핑(photo-shaping)으로 알려진 삼차원대상물의 제조방법이 개제되어 있다. 이 특허에 따르면, 도 21의 A에 나타낸 바와같이, 광선(L)이 먼저 무기재료 또는 유기재료중 하나인 분말재료 층의 소정 부위에 조사되어 소결층을 형성한다. 이와같이 획득된 소결층(11)은, 그 다음으로 분말재료의 새로운 층으로 도포되고, 광선(L)이 이 새로운 층의 소정부위에 조사되어 아래쪽에 형성된 층(11)과 일체화되는 새로운 소결층(11)을 형성한다. 이런 처리들을 반복적으로 수행하여 소결품 또는 복수의 소결층이 차례대로 견고하게 적층되어 있는 삼차원 대상물을 형성한다. 이 방법에 따르면, 광선의 조사는, 삼차원 대상물의 설계데이터(CAD DATA)의 모델을 희망하는 두께로 슬라이스하여 획득되는 각 층의 부분형성(sectional form) 데이터에 기초하여 수행된다. 이런 이유로 인하여, 상기 방법은 CAM장치없이 임의의 형상의 삼차원 대상물을 제조하는데 사용될 수 있고, 종래의 절삭작업을 사용하는 방법과 비교하여 원하는 어떤 형상으로도 신속하게 만들 수 있다.

그러나, 이 방법에 따르면, 도 21의 A에 나타낸 바와 같이, 불필요한 분말(15)이 그들로부터 전달되는 열에 의해 소결 및 경화부에 부착됨에 따라, 성형대상물상의 저밀도의 표면층(16)을 형성한다.

일본 특허 공개 번호 제2000-73108호에는, 소결층(11)의 적층으로부터 기인하는, 도 21의 B에 나타낸 바와 같은 외부돌출부를 제거하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 외부돌출부가 제거되더라고, 도 21의 C에 나타낸 바와 같이, 저밀도 표면층(16)이 여전히 남게되어 거친 표면이 얻어진다.

게다가, 소결동안 소결층이 충분한 밀도를 갖지 않는한(예컨대, 구멍이 5%이하), 외부돌출부를 제거하여도 매끄러운 외표면으로 되지는 않는데, 이는 이런 제거후에도 작은 구멍들이 소결층의 표면상에 나타나기 때문이다.

또한, 성형후 성형대상물이 저밀도 표면층의 제거를 완료했다면, 성형대상물의 형상에 따라 다듬질 공구(finishing tool)에 일부 제한이 따른다. 예컨대, 소직경의 공구는 그 길이에 제한을 받기 때문에, 비교적 깊고 좁은 홈들 파는 것이 때로는 불가능하게 된다. 이 경우에서, 추가적으로 전기 방전가공이 요구되고, 이는 시간과 비용면에서 문제로 된다.

게다가, 전체 삼차원 대상물이 분말성형법에 의해 만들어지기 때문에, 또는 각 분말층이 광선의 조사에 의해 소결되기 때문에, 만들어질 삼차원 대상물의 형상에 따라 오랜시간이 소요될 수도 있다.

본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위해 제안되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 짧은 시간내에 삼차원 대상물을 제조할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 대상물의 표면을 그 형상에 상관없이 저비용으로 매끄럽게 다듬을 수 있는 전술한 형태의 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

도 1은, 본 발명의 제 1실시예에 따라 삼차원 대상물을 제조하기 위한 장치의 개략적인 사시도;

도 2는, 제조된 삼차원 대상물의 개략적인 정면도;

도 3은, 삼차원 대상물이 어떻게 제조되는가를 나타내는 데이터 흐름도;

도 4는, 고밀도 표면영역을 갖는 모델의 개략적인 정면도;

도 5a는, 복수 소결층의 수직 단면도;

도 5b는, 그 표면영역이 제거된 후 복수 소결층의 수직단면도;

도 6a는, 균일한 초과두께를 갖는 성형된 대상물의 개략적인 수직단면도;

도 6b는, 변화하는 초과두께를 갖는 다른 성형된 대상물의 나타내는 도 6a와 동일한 수직단면도;

도 7은, 타겟대상물이 완만한 경사를 가질때 절단의 수직피치를 나타내는 수직단면도;

도 8은, 절삭공구가 광선으로 조사되기 전, 위치일 때의 성형된 대상물의 사시도;

도 9는, 절삭공구가 지나간 후, 광선이 부위상에 즉시로 조사될 때, 도 8과동일한 사시도;

도 10은, 도 1에 나타낸 장치의 변형예를 나타내를 나타내는 개략적인 사시도;

도 11은, 도 1에 나타낸 장치의 또 다른 변형예를 나타내는 개략적인 사시도;

도 12a는, 상기 성형된 대상물에 설치된 흡입노즐의 개략적인 정면도;

도 12b는, 상기 성형된 대상물에 설치된 또 다른 흡입노즐을 나타내는 정면도;

도 13a는, 분말탱크와 연결되어 있는 흡입노즐의 개략적인 정면도;

도 13b는, 흡입노즐이 스와프탱크(swarf tank)와 연결되어 있는 경우에 있어서 도 13a와 동일한 정면도;

도 14a는, 비소결된 분말로부터의 공간이 수지나 왁스로 충전되었을 때의 성형된 대상물의 개략적인 수직단면도;

도 14b는, 도 14a의 성형된 대상물상에 새로운 분말층이 형성되었을 때의, 도 14a와 동일한 수직단면도;

도 14c는, 도 14a와 동일하지만, 비소결된 분말이 동결에 의해 응고된 경우를 나타내는 수직단면도;

도 15는, 레벨링 브레이드(leveling blade)를 구동하는 구동유니트 상에 장착된 흡입노즐의 개략적인 정면도;

도 16a는, XY구동 유니트상에 장착된 XY구동 유니트전용 흡입노즐의 사시도;

도 16b는, 표면층 제거유니트의 XY구동 유니트상에 장착된 흡입노즐을 나타내는, 도 16a와 동일한 사시도;

도 17은, 본 발명의 제 2실시예에 따라 삼차원 대상물을 제조하기 위한 장치의 개략적인 사시도;

도 18의 a∼d는, 복수의 소결층을 베이스상에 어떤 방법으로 형성하는 지는 나타내는 개략적인 정면도;

도 19는, 광선의 조사가 요구되는 부위가 광선이 실제 조사되었던 위치에 정렬한 경우를 나타내는 베이스의 평면도;

도 20은, 삼차원 대상물의 일례를 나타내는 개략적인 정면도;

도 21a는, 불필요한 분말이 소결층에 부착된 상태를 나타내는, 복수의 소결층의 수직단면도;

도 21b는, 외부돌출부를 갖는 복수의 소결층의 수직단면도; 및

도 21c는, 외부돌출부가 제거된 후의 복수 소결층의 수직단면도이다.

상기 목적들을 잘성하기 위해, 본 발명에 따르는 수단은,

(a) 소결층을 형성하기 위해 분말층의 소정 부위상에 광선을 조사하는 단계;

(b) 새로운 분말층으로 소결층을 도장하는 단계;

(c) 아래의 소결층과 합쳐지는 또 다른 소결층을 형성하기 위해 새로운 분말층의 소정 부위상에 광선을 조사하는 단계;

(d) 삼차원 대상물의 타겟 형상보다 더 큰 크기를 갖고, 서로 합쳐진 복수의 소결층을 형성하기 위해 단계(b)∼(c)를 반복하는 단계; 및

(e) 단계(d)동안에, 단계(d)에 의해 형성된 성형대상물의 표면영역을 제거하는 단계를 포함한다.

단계(e)는 단계(d)동안에 수행되기 때문에, 드릴등의 다듬질 기구의 크기와 상관 없이 대상물 표면을 다듬질할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은, 단계(a)에 앞서서,

(a1) 삼차원 대상물의 하부구조를 형성하는 베이스를 소결테이블에 위치시키는 단계;

(a2) 상기 베이스를 가공하는 단계; 및

(a3) 상기 베이스를 광선 조사위치에 정렬시키는 단계를 더 포함한다.

베이스의 설치는 베이스의 두께에 대응하는 임의의 갯수의 분말층의 형성 및 소결을 불필요하게 해주고, 하나의 소결처리를 통해 만들어진 삼차원 대상물의 제조에 걸리는 시간을 단축시켜줄 수 있다. 또한, 베이스의 설치는 좁고 높은 홈을 가지는 삼차원 대상물의 제조에 효과적이다.

단계(a1)에 앞서서, 베이스를 가공하는데 요구되는 시간과, 베이스와 동일한 형상의 복수의 소결층을 형성하는데 요구되는 시간을 비교하여 전자가 후자보다 더 짧은 시간이 소요되는 경우에, 베이스가 제조된다.

소결층의 일부에 또는 최저소결층상에 베이스가 홈을 갖는다면, 베이스와 이들 소결층들간의 결합강도가 향상될 수 있다.

제거된 표면영역은 소결층에 분말재료의 접착에 의해 생성된 저밀도표면층의 두께보다 두꺼운 두께를 갖는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 대상물 표면이 매끄럽게 다듬질 될 수 있다.

소결층이 표면영역의 제거에 의해 노출되면, 노출면은 고밀도를 갖게 되고, 따라서 매끄러워진다.

표면영역의 제거가 절삭에 의해 수행되는 경우, 단계(e)에 앞서서, 광선이 제거될 부위상에 조사되어 이 부위를 연화시키는 것이 바람직하다. 광선의 조사는 절삭힘을 감소시켜주어, 절삭시간을 줄여주고 절삭공구의 수명을 연장시켜준다.

표면영역의 제거는 레이저에 의해 수행될 수도 있다.

바람직하게, 단계(e)이후에, 광선이 표면영역이 제거되어진 성형대상물의 부위에 조사되어 이 부위의 밀도를 증가시킨다.

또한 바람직하게, 소결층둘레의 비소결분말 또는 표면영역의 제거에의해 생성된 절삭가루는 단계 (e)동안에 제거된다. 따라서, 이후에 생성되는 새로운 분말층이 그와같은 절삭가루에 악영향을 받지 않는다.

소결층 둘레의 비소결분말은 단계(e)에 앞서서 제거될 수도 있다. 이 경우에 있어서, 절삭가루가 비소결분말에 혼합되지 않기 때문에, 비소결분말이 재사용될 수 있다.

단계(e)이후에, 비소결분말 또는 절삭가루의 제거로 인해 생성된 공간은 왁스나 수지등으로 충전된다. 수지 또는 왁스의 사용은 새로운 분말층이 순차적으로형성될때에 분말의 총량을 감소시킬 수 있다.

단계(e)에 앞서서, 비소결 분말은 왁스 또는 수지의 사용이나 동결에 의해 응고될 수도 있다. 이경우에 있어서, 분말재료를 충전할 필요가 없고, 절삭가루가 어려움없이 제거될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 장치는, 분말층을 형성하기 위한 분말층 형성유니트,광선을 분말층의 소정부위상에 조사하여 소결층을 형성하기 위한 소결층 형성장치, 상기 소결층 형성유니트와 소결층 사이의 거리를 조절하기 위한 거리 조절기 및 소결층의 밀도보다 낮은 밀도의 표면층을 제거하기 위한 표면층 제거유니트를 포함한다.

상술한 구조의 장치는 대상물 표면의 질을 향상시킨다.

이 장치는, 비소결분말 또는 상기 표면층제거 유니트에 의해 생성된 절삭가루를 배출하기 위해 상기 분말층 형성유니트에 매우 근접하여 고정되는 배출유니트를 더 포함한다. 이 배출유니트는 새로운 분말층이 절삭가루에 의해 악영향을 받는 것을 방지하여 준다

배출유니트는 성형될 각 평면의 등고선을 따라 상기 배출유니트를 이동하도록 작용하는 구동유니트를 구비한다.

상기 제 1목적 및 제 2목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 이하에 설명하고, 동일부에 대해 동일부호를 사용한 곳의 설명은 생략한다.

본 발명은 일본내에서 2000년 10월 5일 및 2001년 6월 26일 각각이 출원된 특허번호 제 2000-306546호 및 2001-192121호를 기초로하고 있으며, 본 명세서에서는 그 전체 내용을 참조로서 포함하고 있다.

도면을 참조하여, 본 발명의 제 1실시예에 따른 삼차원 대상물의 제조장치가 도 1에 나타내어져 있다. 도 1에 나타낸 장치는 분말층을 형성하는 분말층형성 유니트(2), 소결층(11)을 형성하는 소결층형성 유니트(3) 및 저밀도 표면층을 제거하는 표면층제거 유니트(4)를 포함한다. 분말층형성 유니트(2)는, 실린더에 의해 둘러쌓여진 공간내에서 수직으로 이동하는 소결테이블(20)상에 유기 또는 무기 분말재료를 공급하고, 레벨링블레이드(21)를 사용하여 분말재료를 레벨링하므로써, 원하는 두께(△t1)의 분말층(10)을 형성한다. 소결테이블(20)은 구동유니트(5)에 의해 상하로 이동하도록 구동된다. 소결층형성 유니트는 레이저빔 발생기(30)로부터 배출된 레이저를 디플렉터(31)등을 구비한 스캐닝 광학 시스템을 경유하여 분말층(10)상에 조사함으로써 소결층(11)을 형성한다. 레이저 발진기가 레이저빔 발생기(30)로서 사용되는 것이 바람직하다. 표면층제거 유니트(4)는 그 베이스상에 장착된 XY구동유니트(40)와, 이 XY구동유니트(40)상에 장착된 다듬질 기구 (finishing machine)(41)를 포함한다. XY구동유니트(40)는 선형모터를 사용하여 고속으로 구동되는 것이 바람직하다. 갈바노밀러(galvanomirror)가 디플렉터(31)로서 사용되는 것이 바람직하다. 예컨대, 엔드밀(endmill)과 같은 절삭기구, 또는 드릴링기구, 레이저빔 기구, 또는 소결분말을 취입하므로써 대상물에 대하여 성형작업을 수행하는 분사가공기구가 다듬질 기구(41)로 사용되는 것이 바람직하다. 극좌표 구동유니트가 XY구동유니트 대신으로 사용될 수 있다.

도 2는 전술한 장치를 사용하여 어떻게 삼차원 대상물을 만드는지를 나타내는 도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 유기 또는 무기분말 재료가 소결테이블(20)에 장착된 베이스(22)상에 먼저 공급되고, 여기에서 소결테이블(20)은 소결층형성 유니트(3)와 소결층 사이의 거리를 조정하기 위한 거리조정기로서 채용되었다. 다음으로, 베이스(22)상에 공급된 분말재료는 레벨링브레이드(21)에 의해 레벨링되어 제 1분말층(10)을 형성하고, 광선(레이저빔)(L)이 제 1분말층의 소망의 부위에 조사되어 이를 소결함에 따라, 베이스(22)와 일체로되는 소결층(11)을 형성한다.

그 후, 소결테이블(20)이 소정한 길이만큼 내려가고, 또 다시 분말재료를 공급하고 레벨링브레이드(21)를 사용하여 레벨링하므로써 제 2분말층(10)이 형성된다. 다시 광선(L)이 제 2분말층(10)의 희망부위에 조사되어 이를 소결하고, 따라서 아래쪽의 소결층(11)과 일체화되는 또 다른 소결층(11)을 형성한다.

소결테이블(20)이 내려간 후 새로운 분말층(10)을 형성하는 처리와, 새로운 소결층(11)을 형성하기 위해 새로운 분말층(10)의 희망부위상에 광선(L)을 조사하는 처리가 반복적으로 수행하여 삼차원대상물을 제조한다. 바람직하게는, 대략 20㎛의 평균직경을 갖는 구형 철제분말입자가 분말재료로 일반적으로 사용되고, CO₂레이저가 광선으로서 사용되는 것이 바람직하다. 각 분말층(10)의 바람직한 두께(△t1)는 대략 0.05mm이다.

도 3은, 본 발명에 따른 데이터 흐름의 예를 나타낸다. 이 데이터 흐름은 레이저조사용 경로를 지시하는 데이터 및 절삭용 경로를 지시하는 데이터와 같은 2종류의 데이터를 갖는 바람직한 삼차원 CAD모델을 형성한다. 이 경로들은 희망하는형상을 나타내도록 미리 설계된 삼차원 CAD데이터로부터 준비되어진다.

레이저 조사용 경로는 종래의 성형방법(shaping method)과 대략 동일하고, 여기에서 타겟의 형상은, 동일한 피치(이 실시예에서는 0.05mm)로 삼차원 CAD모델로부터 만들어진 STL데이터를 슬라이싱함으로써 획득된, 각 섹션에 대한 등고데이터에 의해 결정된다. 이 등고데이터는, 레이저조사 조건(스캐닝속도, 스폿직경, 전력등)에 부가되어 차례대로 다듬질처리로 이송되는 새로운 데이터를 만든다.

절삭용 경로는 삼차원 CAM에서 사용되어지는 다듬질 공구의 직경, 종류, 공급률, 회전속도등을 고려하여 획득된 경로이다. 이 경로를 나타내는 데이터 또한 다듬질 처리로 이송된다.

절삭용 경로를 나타내는 데이터가 고속절삭처리에 사용되는 반면, 레이저조사용 경로를 나타내는 데이터는 레이저 소결에 사용된다. 이 두 처리들이 반복적으로 수행되어 타겟 대상물을 다듬질한다.

광선의 조사가 수행되어 삼차원 대상물의 적어도 표면영역이 소결되어 고밀도(예컨대, 구멍은 5%미만)를 갖는 것이 바람직하다. 이는 표면층제거 유니트(4)에 의해 표면층이 제거되더라고, 표면영역이 저밀도를 갖는다면 표면층 제거 처리후 노출되는 표면이 여전히 다공성이기 때문이다. 따라서, 모델데이터는, 도 4에 나타낸 바와 같이 표면영역(S)에 대한 모델데이터와 내부영역(N)에 대한 모델데이터로 나누어지고, 광선은, 내부영역(N)이 다공성으로 되고 외부영역(S)이 분말재료의 대부분의 용융에 의해 고밀도를 갖는 조건하에서 조사되어진다.

도 5a에 있어서, 참조번호(12)는 고밀도영역을 나타내고, 참조번호(16)는,전술한 바와같이, 분말재료의 접착에 의해 생성되어진 저밀도 표면층을 나타낸다. 고밀도영역(12)의 안쪽에 위치한 내부는 고밀도영역(12)보다 낮은 밀도를 갖지만, 저밀도 표면층(16)보다는 높은 밀도를 갖는다.

복수의 소결층(11)을 형성하는 동안에, 그 총두께가 밀링헤드(41)의 공구길이로부터 결정되어지는 특정값에 도달하면, 예컨대, 표면층제거 유니트(4)가 동작되어 삼차원 대상물의 표면을 절삭하여 대상물이 성형되어진다. 예컨대, 1mm의 직경과 3mm의 길이의 브레이드를 갖는 밀링헤드(41)의 공구(볼 엔드 밀:ball end mill)는 3mm 깊이의 절삭을 행할 수 있다. 따라서, 분말층(10)의 두께(△t1)가 0.05mm라면, 표면층제거 유니트(4)는 6개의 소결층(11)이 형성되었을 때 작동된다.

도 5a에 나타낸 바와 같이, 이러한 표면층제거 유니트(4)는, 성형된 대상물의 표면에 분말의 점착에 의해 생성된 저밀도 표면층(16)을 제거할 수 있고, 동시에 고밀도영역(12)을 절삭할 수 있으며, 따라서 도 5b에 나타낸 바와 같이, 고밀도 영역(12)이 성형된 대상물의 전 표면에 거쳐 노출되게 된다. 이들이 끝나면, 소결층(11)의 형상은 원하는 형상(M)보다 약간 큰 크기로 된다.

예컨대, 광선(L)이 아래의 조건으로 주어진 등고선을 따라 조사될 때, 각 소결층(11)의 수평크기(폭)는 희망크기(M)보다 큰 0.3mm로된다.

레이저출력: 200W

레이저 스폿직경: 0.6mm

스캐닝속도: 50mm/s

수직방향으로 초과한 두께는 수평방향으로 동일하거나 다를 수도 있다. 소결층(11)의 형상의 수직크기는 희망크기(M)의 수직크기를 나타내는 원본데이터를 변경하여 얻어진다.

도 6a는 수평방향으로의 초과두께가 수직방향으로 대략 동일한 경우를 나타내는 반면, 도 6b는 수평방향으로의 초과두께가 수직방향으로 다른 경우를 나타낸다. 도 6a 및 6b에 있어서, 점선은 소결층의 형상을 나타내는 반면, 실선은 희망하는 크기(M)를 나타낸다.

전술한 바와 같이, 레이저조사용 경로뿐만 아니라 절삭용 경로가 삼차원CAD데이터로부터 준비된다. 절삭용 경로가 소위 등고선처리에 기초하여 결정되지만, 절삭용 경로의 수직피치는, 소결시 적층 피치와 마찬가지로 항상 필요로 되는 것은 아니다. 타겟 대상물이 도 7에 나타낸 바와 같이 완만한 경사를 갖는다면, 수직피치를 감소시켜 매끄러운 표면을 획득할 수 있다.

1mm의 직경을 갖는 볼엔드밀을 사용하여 절삭이 수행된 경우에 있어서, 절삭깊이, 공급률, 및 공구 회전속도는 각각이 0.1-0.5mm, 5-50m/min, 그리고 20,000-100,000rpm으로 설정되는 것이 바람직하다.

절삭은 도 8에 나타낸 바와 같은 방법으로 수행될 수도 있다. 보다 상세하게는, 절삭공구(44)의 바로 앞쪽에 자리한 부위는 소에너지밀도를 갖는 광선(레이저 빔)(L)에 의해 열과 함께 조사되어, 상기 부위가 광선에 의해 연화된다. 공구(44)로 연화된 부위를 절삭하므로써, 전삭력이 감소되고, 절삭시간을 단축하여, 공구(44)의 수명을 연장할 수 있다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 광선(L)은 공구(44)가 지나간 후 즉시 상기 부위상에 조사될 수도 있다. 이렇게 하므로써, 상기 부위가 용융 및 경화되거나 열처리됨에 따라 밀도가 향상된다.

도 10은 도 1에 나타낸 장치의 변형예를 나타내는 도이다. 도 10에 나타낸 장치는 표면층 제거유니트(4)의 XY구동유니트상에 장착된 조사헤드(irradiation head)를 구비하고, 광섬유(26)를 통하여 소결층 형성유니트(3)의 레이저빔 발생기(30)로부터 수신한 광선을 출력한다. 이 구조는 구성부의 갯수를 감소시킨다.

도 11은 도 1에 나타낸 장치의 또 다른 변형예를 나타낸다. 도 11에서의 이 장치는 다듬질 기구(11)의 근방에 배치된 흡입노즐(51)과 이 흡입노즐(51)에 연결된 에어펌프(50)를 포함한다. 이 흡입노즐(51)은 비소결된 분말이나 절삭가루를 배출하는 배출수단으로서 작용한다. 흡입노즐(51)의 설치는 효과적인데, 이는 비소결된 분말이나 절삭가루가 표면층제거 유니트(4)의 제거작업을 방해할 뿐만 아니라, 레벨링브레이드(21)에 의해 절삭가루가 포획되어 레벨링브레이드(21)가 평편한 분말층(10)을 형성하는 것을 방해한다. 절삭가루가 레벨링브레이드(21)와 성형된 대상물 사이에 포획되면, 레벨링브레이드(21)가 종종 정지하게 된다.

도 12a는 에어펌프(50)에 연결된 흡입노즐(51)이 밀링헤드(41)에 나란히 배치된 형상인 반면, 도 12b는 밀링헤드(41)가 흡입노즐(51)의 내부에 동심원 형태로 배치된 경우를 나타낸다. 즉, 두 경우에 있어서, 흡입노즐(51)이 밀링헤드(41)에 매우 근접하여 고정된다.

도 13a 및 13b에 나타낸 바와 같이, 흡입노즐(51)은 분말탱크(52) 또는 절삭가루탱크(53)와 선택적으로 연결되도록 설계될 수도 있다. 이 경우에 있어서, 절삭에 앞서서, 흡입노즐(51)은 분말탱크(52)와 열결되어 비소결된 분말을 그 내부로 인도하고, 동시에 절삭시에 있어서, 흡입노즐(51)은 절삭가루탱크(52)에 연결되어 절삭가루를 그 내부로 인도한다. 이렇게 함으로써, 절삭가루가 비소결된 분말과 섞이지 않게되고, 이 비소결된 분말을 재사용할 수 있게 해준다.

동시에, 비소결된 분말이 흡입노즐(51)에 의해 제거되면, 비소결분말의 제거후에 소결층 또는 소결층들(11)상에 새로운 분말층을 형성하는데 많은 양의 분말이 요구된다. 따라서, 비소결 분말의 제거처리가 복수회 반복되는 경우, 각 소결처리 전에, 비소결된 분말이 제거된 전체공간에 분말을 충전할 필요가 있고, 이는 시간에 있어서 큰 손실을 가져온다.

이 문제를 해결하기 위해, 상기 공간은, 도 14a에 나타낸 바와 같이 차례대로 응고되어 응고부(18)을 형성하는 수지나 왁스로 충전된다. 이 경우에 있어서, 다음번의 분말층(10)은, 도 14b에 나타낸 바와 같이, 최상위의 소결층(11) 및 응고부(18)상에 형성되어, 분말의 필요량을 감소시키고, 절삭가루가 비소결분말에 혼합되는 것을 방지하여준다.

또한, 도 14c에 나타낸 바와 같이, 노즐(54)로부터 액상 니트로겐을 취입하는 바와 같이 동결에 의해 비소결분말이 응고될 수 있다. 필요하다면, 수분을 함유한 가스가 액상 니트로겐과 함께 사용될 수도 있다.

상기 실시예에 있어서, 절삭공구가 표면층제거유니트(4)로 사용되었지만, 고출력레이저가 그곳에 사용될 수도 있다. 예컨대, 최대출력이 10KW이상인Q-스위치YAG 레이저는 저밀도표면층을 순간적으로 증발시켜서 저밀도표면층(16)을 제거할 수 있다. 게다가, 제거될 부위는 저밀도 표면층(16)에 한정되지는 않는다. 한 부위가 타겟대상물의 형상에 따라 원천적으로 불필요하다면, 이는 제거될 수 있다.

도 15에 나타낸 바와 같이, 흡입노즐(51)은 분말층 형성유니트(2)에 레벨링브레이드(21)를 구동하기 위한 구동유니트상에 장착되는 것이 바람직하다. 이 구조는 흡입노즐(51)만을 위해 사용되는 어떤 구동기구도 필요로 하지 않고, 장치의 구조를 간단하게 해준다.

한편, 흡입노즐(51)은 도 16a에 나타낸 바와 같이 흡입노즐 전용 XY구동유니트(55)상에 장착될 수도 있고, 또는 도 16b에 나타낸 바와 같이, 표면층 제거유니트(4)의 XY구동유니트상에 장착될 수도 있다. XY구동유니트(40 또는 55)는 흡입노즐을 다듬질기구의 전방으로 이동시키도록 설계되고, 성형될 각 플랜의 등고선을 따라 흡입노즐(51)을 이동시킴에 따라, 소결층 또는 층(11) 주변의 분말이 흡입노즐(51)에 의해 제거되어 질 수있다. 이 구조는 표면층 제거유니트(4)에 비소결분말이 끼는 것을 방지하고, 매우 정밀한 표면을 획득할 수 있게 해준다.

도 17은 본 발명의 제 2실시예에 따른 삼차원대상물의 제조장치를 나타낸다. 여기에 나타낸 장치는 분말층(10)을 형성하기 위한 분말층 형성유니트(2), 소결층(11)을 형성하기 위한 소결층 형성유니트(3), 및 저밀도 표면층을 제거하기 위한 표면층 제거유니트(4)를 포함한다. 분말층 형성유니트(2)는, 실리더로 둘러쌓인 공간내에서 수직으로 이동하는 소결테이블(20)상에 유기 또는 무기분말재료를공급하고, 레벨링브레이드(21)를 사용하여 이 분말재료를 레벨링하므로써 원하는 두께(△t1)의 분말층(10)을 형성한다. 소결테이블(20)은 상하로 이동하도록 구동유니트(5)에 의해 구동된다. 소결층 형성유니트(3)는 레이저 생성기(30)로부터 배출된 레이저를, 디플렉터(31)등을 포함하고 있는 스캐닝 광학 시스템을 통과하여 분말층(10)상에 조사함으로써 소결층(11)을 형성한다. 표면층 제거유니트(4)는 그 베이스상에 장착된 XY구동유니트(40)와 이 XY구동유니트(40)상에 장착된 다듬질기구(41)를 포함한다. 도 17에 나타낸 장치는 상기 유니트와 장치들을 제어하기 위한 컨트롤러(60)를 더 포함하고, 소결테이블(20)상에서 이미지데이터를 획득하기 위한 카메라(64)와 컨트롤러(60)에 의해 수행되는 정렬프로그램을 구비하고 있는 정렬유니트(62)도 포함하고 있다. 전술한 장치를 사용하여 원하는 형상의 삼차원 대상물을 제조할시에 있어서, 삼차원대상물의 전체 하부구조의 형상 또는 그 부위의 형상에 대응하는 형상으로 베이스(22)가 먼저 제조된다. 이 베이스(22)는 그자체에 형성된 소결층과 일체로 통합될 수 있는 어떤 재료라도 사용될 수 있다.

도 18의 a에 나타낸 바와 같이, 베이스(22)는 소결테이블(20)상에 위치되고, 다듬질기구(41)에 의해 필요로하는 가공이 그곳에 대해 수행된다. 이 가공은 가공후 형상을 나타내는 데이터에 기초하여 수행되고, 이때 상기 데이터는 소정의 조건들을 삼차원대상물의 CAD데이터에 부가하여 사전에 획득된다.

도 18의 b에 나타낸 바와 같이, 상기 가공후에 카메라(64)가 스위치 on되어 그 이미지데이터를 획득하므로써 소결테이블(20)상의 베이스(22)의 위치를 확인하고, 상술한 바와 같이 그 등곡선을 검출함에 따라, 레이저조사 위치가 소결이 시작하는 베이스(22)의 표면상의 위치와 일치하게 된다. 베이스(22)의 상기 표면이 소에너지밀도를 갖는 광선(L)으로 표시되고, 표시된 위치의 이미지 데이터가 카메라(64)에 의해 획득된다. 이때, 도 19에 나타낸 바와 같이, 베이스(22)에 대하여 광선(L)의 조사가 희망되는 위치(A)가 광선(L)이 실제로 조사되는 위치(B)로부터 어긋난다면, 컨트롤러(60)는 베이스(22)의 좌표와 광선조사 시스템의 좌표사이의 편차를 검출하여 이를 수정한다.

상술한 정렬이 종료되면, 도 18의 c에 나타낸 바와 같이, 소결테이블(20)은 분말재료로 충전되고, 이 분말재료는 레벨링브레이드(21)에 의해 차례로 수평으로되어 두께(△t1)의 분말층을 형성한다. 그 후, 분말층(10)은 그 희망영역을 소결하는 광선으로 소결되어진다. 분말층(10)의 형성 및 광선(L)에 의한 희망영역의 소결이 반복하여 수행된 후, 베이스(22)로 만들어진 하부구조와 서로 적층되어진 복수의 소결층(11)을 만들어진 상부구조를 갖는 삼차원 대상물이 도 18의 d에 나타낸 바와 같이 획득된다.

베이스(22)의 설치는 베이스(22)의 두께에 대응하는 임의의 갯수의 분말층(10)을 적층하고 소결하는 시간소요 작업을 필요없게 해준다.

베이스(22)의 가공시간이 베이스(22)와 동일한 형상의 복수의 소결층(11)을 형성하는데 필요한 시간보다 오래걸린다면, 결과적으로 베이스(22)의 설치는 삼차원 대상물의 제조시간을 증가시킨다. 따라서, 베이스(22)의 가공처리 및 소결층(11)의 형성처리가 사전에 가상처리되고, 베이스 가공시간이 소결층 형성처리 시간보다 짧은 경우 베이스(22)가 사용된다.

베이스(22)의 사용을 도 20에 나타낸 바와 같은 구조를 참조하여 더 설명한다.

가공에 의한 구조물의 부위(C)의 제조에 필요되는 시간이 복수의 소결층(11)을 적층하여 이를 제조하는 시간보다 짧은 경우에만, 도 20에 구조물이 베이스(22)로서 채용된다. 반대로, 가공에 의한 구조물의 부위(C)의 제조에 필요되는 시간이 소결층(11)을 적층하여 이를 제조하는 시간보다 길 경우에는, 부위(D)에 대해서 가공이 수행되어, 부위(C)를 가지는 않는 베이스(22)를 제조한다.

본 발명을 도면을 참조하여 실시예를 통해 전반적으로 기술하였지만, 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않은 이러한 변형들은 본 발명에 포함되어야 한다.

본 발명에 따르면 짧은 시간내에 삼차원 대상물을 제조할 수 있고, 또한 대상물의 표면을 그 형상에 상관없이 저비용으로 매끄럽게 다듬을 수 있다.

Claims

(a) 분말층의 소정 부위상에 광선을 조사하여 소결층을 형성하는 단계;

(b) 상기 소결층을 새로운 분말층으로 피복하는 단계;

(c) 새로운 분말층의 소정 부위상에 광선을 조사하여, 아래에 위치한 소결층과 일체화 된 또 다른 소결층을 형성하는 단계;

(d) 단계(b)∼(c)를 반복하여 서로 일체화되고, 삼차원대상물의 타겟형상의 크기보다 큰 크기를 갖는 복수의 소결층을 형성하는 단계; 및

(e) 단계(d)동안에 형성된 성형대상물의 표면영역을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 단계(a)에 앞서서,

(a1) 삼차원 대상물의 하부구조를 구성하는 베이스를 소결테이블에 위치시키는 단계;

(a2) 상기 베이스를 가공하는 단계; 및

(a3) 상기 베이스를 광선 조사위치에 정렬시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 2항에 있어서, 상기 단계 (a1)에 앞서서,

상기 베이스를 가공하는데 요구되는 시간과, 상기 베이스와 동일한 형상의복수의 소결층을 형성하는데 요구되는 시간을 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 1항에 있어서,

상기 제거된 표면영역은 상기 소결층에 분말재료가 점착하여 생성된 표면층의 두께보다 두꺼운 두께를 갖고, 이 표면층은 소결층 보다 밀도가 낮은 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 4항에 있어서, 상기 소결층은 표면영역의 제거에 의해 노출되는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 표면영역의 제거가 절삭에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 표면영역의 제거가 레이저에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 1항에 있어서, 단계(e)에 앞서서,

제거될 부위상에 광선을 조사하여 이 부위를 연화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 1항에 있어서, 단계(e)에 앞서서,

표면영역이 제거된 성형대상물의 부위상에 광선을 조사하여 이 부위의 밀도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 1항에 있어서,

소결층 둘레의 비소결분말 또는 표면영역의 제거에 의해 생성된 절삭가루들이 단계(e)동안에 제거되는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 1항에 있어서, 단계(e)에 앞서서,

상기 소결층 둘레의 비소결분말을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 10항에 있어서, 단계(e)에 앞서서,

비소결분말 또는 절삭가루가 제거된 공간으로 수지 또는 왁스를 충전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 1항에 있어서, 단계(e)에 앞서서,

상기 비소결분말을 응고시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 13항에 있어서, 상기 비소결분말이 동결에 의해 응고되는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
제 13항에 있어서, 상기 비소결분말이 수지 또는 왁스를 사용하여 응고되는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조방법.
분말층을 형성하기 위한 분말층 형성유니트;

광선을 분말층의 소정 부위상에 조사하여 소결층을 형성하기 위한 소결층 형성장치;

상기 소결층 형성유니트와 소결층 사이의 거리를 조절하기 위한 거리 조절기; 및

소결층의 밀도보다 낮은 밀도의 표면층을 제거하기 위한 표면층 제거유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조장치.
제 16항에 있어서, 비소결분말 또는 상기 표면층제거 유니트에 의해 생성된 절삭가루를 배출하기 위해 상기 분말층 형성유니트에 매우 근접하여 유지되는 배출유니트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조장치.
제 16항에 있어서,

비소결분말 또는 상기 표면층제거 유니트에 의해 생성된 절삭가루를 배출하기 위한 배출유니트를 더 포함하고, 상기 배출유니트는 성형될 각 평면의 등고선을 따라 상기 배출유니트를 이동하도록 작동하는 구동유니트를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 삼차원 대상물의 제조장치.