KR20030007553A - 3차원 물체를 제조하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

3차원 제품을 제조하기 위한 장치가 3차원 제품이 구축될 작업대(work table), 파우더 베드(power bed)의 형성을 위해 작업대 상에 얇은 파우더 층을 배치하도록 정렬된 파우더 디스펜서(powder dispenser), 파우더에 에너지를 인가하여 파우더의 융해가 발생하게 하는 광선총, 파우더 베드의 부분들의 융해를 통해 3차원 제품의 단면을 형성하기 위해 파우더 베드 양단에 광선총에 의해 인가되는 빔을 제어하기 위한 부재, 및 단면이 3차원 제품을 구성하는 3차원 제품의 연속적인 단면들에 대한 정보가 저장되는 제어 컴퓨터를 구비하되, 제어 컴퓨터는 상기 3차원 몸체의 단면을 형성하는 실행 계획(running schedule)에 따라 파우더 베드 양단에 광선총을 안내하기 위한 부재를 제어하며, 이로 인해 3차원 제품은 파우더 디스펜서에 의해 연속적으로 놓여진 파우더 층들로부터 연속하여 형성된 단면들의 연속하는 융해에 의해 형성된다.

Description

3차원 물체를 제조하기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND ARRANGEMENT FOR PRODUCING A THREE-DIMENSIONAL OBJECT}
작업대에 놓이는 파우더 층들의 선택된 부분들의 연속적인 융해를 통해 3차원 제품을 제조하기 위한 장치가 이미 미국특허 제4,863,538호에 개시되어 있다.
이 장치는 3차원제품이 형성되는 작업대, 파우더 베드를 형성하기 위한 작업대 상에 얇은 파우더 층을 배치시키도록 정렬된 파우더 디스펜서(powder dispenser), 파우더에 에너지를 인가하여 파우더의 융해(fusion)가 발생하게 하는 광선총, 파우더 베드의 부분들의 융해를 통해 3차원 제품의 단면을 형성하기 위해 파우더 베드에 걸쳐 광선총에 의해 인가된 광선을 제어하기 위한 소자, 및 3차원 제품의 연속하는 단면에 관한 정보가 저장되는 제어 컴퓨터를 구비한다. 3차원 제품은 파우더의 연속적으로 부가된 층들의 선택된 부분의 융해를 통해 만들어진다.
제어 컴퓨터는 선정된 패턴을 묘사하는 실행 계획(running schedule)에 따라파우더 베드(powder bed)에 걸쳐 광선총에 의해 발생된 광선을 위한 편향 소자를 제어하기 위한 것이다. 실행 계획이 한 파우더 층의 소저의 면적을 융해하였을 때, 3차원 몸체의 단면이 형성된다. 3차원 제품은 파우더 디스펜서에 의해 연속적으로 놓인 파우더 층들의 연속적으로 형성된 단면들의 연속적인 융해를 통해 형성된다.
기술분야에 따라 3차원 제품을 제조하기 위한 장치가 이용될 때, 소정의 형태, 크기 및 강도의 편차가 발생하는 것은 명확하다.
본 발명은 작업대에 놓인 파우더 층들의 선택된 부분의 연속적인 융해를 통해 3차원 제품을 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 첨부하는 도면을 참조하여 이하에 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 단면도,
도 2는 투과 윈도우가 구비된 챔버의 측면도,
도 3은 윈도우의 투과도를 유지하기 위한 보호막의 공급 및 고정을 위한 장치도,
도 4는 주 실행 계획의 발생을 위한 순서도,
도 5는 장치의 실행 계획을 위한 순서도,
도 6은 실행 계획의 교정을 위한 순서도,
도 7은 3차원 물체의 개략적인 구성을 도시하는 도면, 및
도 8은 도 7로부터의 많은 단면들을 도시하는 도면.
본 발명의 목적은, 3차원 몸체의 소정의 형태, 크기 및 강도의 편차가 감소하게 되는, 작업대 상에 놓인 파우더 층들의 선택된 부분들의 연속적인 융해를 통해 3차원 몸체를 제조하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 특허청구의 범위 제1항 및 제26항에 따른 장치에 의해 달성된다. 파우더 베드 상에 놓인 표면층의 표면 특성을 감지하기 위한 소자를 제공하므로써, 표면 특성을 측정하고 교정하는 것이 가능하게 되며, 이로 인해 소정의 편차 및 표면 불규칙성의 편차가 감소한 제품이 달성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 파우더 입자의 융해 동안의 온도가 측정되어, 선정된 온도 범위 내에서 융해가 발생하는 것이 가능하게 되고, 이로 인해 재료의 증발 또는 끓임을 통해 결함의 나타남의 위험성이 감소되게 된다. 재료의 증발 및 끓임은 용접 스파크 또는 다른 표면 불규칙성을 유발할 수 있다. 이 소자는또한 파우더 층 내의 융해된 특정 부분의 냉각 온도를 측정할 수 있게 하고, 이로 인해 융해된 부분에서의 임의의 표면 인장의 나타남, 및 크기의 위험성이 감소되게 되어, 형태에 있어서 원치 않는 변화를 감소시킨다.
더욱이, 단면의 치수가 측정되고, 이로 인해 물체의 의도하는 단면에 따라 형성된 단면의 치수를 비교하여 광선총의 제어 소자를 교정할 수 있다. 이 소자는 또한 원치않는 파우더 베드의 온도를 측정할 수 있게 하여, 공정의 관점에서 바람직한 온도의 유지를 모니터할 수 있게 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 파우더 베드의 표면층에서의 온도 분포에 대한 정보는 파우더 베드의 표면층에 걸쳐 실행 계획을 조정하기 위해 제어 컴퓨터에 피드백된다. 실행 계획 및 빔의 전력 및/또는 출현을 변화시키므로써 파우더 베드의 서로 다른 부분에서 정확한 온도가 유지될 수 있게 한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 파우더 베드의 표면층에서 온도 분포에 대한 정보는, 온도가 너무 낮은 파우더 베드의 표면층의 면적들 내의 에너지 운반을 감소시키고, 온도가 너무 높은 면적들 내의 에너지의 운반을 감소시키는데 이용되어, 단면에서 보다 적게 변동하는 작업 온도가 얻어지게 된다. 특정 부분으로의 에너지 전달의 적응을 통해, 보다 정확한 온도 분포가 얻어지게 되며, 이로 인해 제품의 품질이 개선될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 이 장치는 면적에서 융해후의 최대 온도가 제한된 범위 이내가 되도록 현재 최상위 파우더 층 내에서 융해된 면적들에서 광선총으로부터의 에너지 운반을 제어하도록 정렬된다. 너무 높은 온도를 피하도록 에너지 전달을 제어하므로써, 결함을 수반하는 재료를 끓이고 증발시키는 위험성이 감소될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, 온도 분포에 대한 정보는, 현재 취상위 파우더 층 내에 융해되어 있고 후속하는 층 내의 면적과 일체화되는 면적에서, 이들 면적내의 최소 온도가 선정된 한계치 이하로 떨어지지 않도록, 장치의 일부인 광선총에서 파우더 베드로의 에너지 운반을 제어하는데 이용된다. 온도가 선정된 한계치 이하로 떨어지지 않게 하므로서, 제품의 변형을 초래하는 표면 인장의 출현 위험성이 감소될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 온도 분포에 대한 정보는, 면적내의 제2의 선정된 한계치 이하로 떨어지지 않도록, 광선총에서 파우더 베드의 표면층 내의 융해되지 않은 면적의 파우더 베드로의 에너지 운반을 제어하는데 이용된다. 융해되지 않도록 의도된 파우더 베드내의 임의의 온도를 유지하므로써, 융해를 위해 예정된 서로 다른 면적에 도달하기 위해 한편으로는 이미 융해되었거나 또는 융해될 면적에서의 냉각 공정이 보다 정확하게 제어되고, 다른 한편으로는 융해되지 않도록 의도된 면적들에 걸친 빔의 전달로부터 발생하는 교란이 감소될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 표면 불규칙성은 바람직하게 표면상의 새도우 형성(shadow formation)을 등록하는 카메라에 의해 측정되고, 이로 인해 표면 불규칙성이 판독될 수 있게 된다. 즉 용접 스파크 또는 다른 일부 요인으로 발생하는 표면 불규칙성의 발생의 등록시, 광선총은 식별된 불규칙성을 융해시키기 위해 식별된 좌표로 향하도록 지시될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 파우더 베드 및 광선총은, 윈도우를 따라 자유로이 정렬된, 막에 의해 보호되는 투과 윈도우가 구비되는 챔버(chamber)에 봉입되고, 이로 인해 새로운 막이 공급되게 된다. 코팅되는 대로 막을 공급하므로써, 막을 통한 그리고 윈도우를 통한 투과도가 유지될 수 있다.
본 발명의 제2 목적은, 3차원 몸체의 소정의 형태, 크기 및 강도로부터의 편차가 감소될 수 있는, 부분들이 3차원 몸체의 연속하는 단면에 대응하는 파우더 베드(powder bed)의 부분들의 연속적인 융해를 통해 3차원 몸체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은, 특허청구의 범위 제20항에 따른 장치에 의해 달성된다. 파우더 베드 상에 놓인 표면층의 표면 특성을 감지하기 위한 소자를 제공하므로써, 표면 특성의 측정 및 교정이 가능하게 되고, 이로 인해 소정의 치수 및 표면 불규칙성의 감소된 편차를 갖는 제품이 달성될 수 있다. 한 바람직한 실시예에서, 파우더 베드의 표면층의 온도 분포가 등록되어, 파우더 입자의 융해 동안 온도 제어를 가능하게 한다. 이는 선정된 온도 범위 내에서 융해가 발생하는 것을 가능하게 하며, 이로 인해 재료의 끓임 또는 증발을 통한 결함 발생의 위험성이 감소될 수 있다.
이 소자는 또한 파우더 층의 특정 융해 부분의 냉각 온도를 측정할 수 있게 하고, 이로 인해 융해된 부분에서의 임의의 표면 인장의 출현 위험성이 감소될 수 있어 형태의 원치 않는 변형의 발생 위험성을 감소시키게 된다. 더욱이, 단면의 치수 측정이 가능하게 되어, 형성된 단면의 치수와 물체의 의도하는 단면의 비교를 광선총의 제어 소자를 교정하는데 사용할 수 있다. 이 소자는 또한 융해되지 않은파우더 베드의 온도를 측정할 수 있게 하고, 이로 인해 공정의 관점에서 바람직한 온도의 유지가 모니터될 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예에서, 표면 불규칙성은 바람직하게 표면상의 새도우 형성을 등록하는 카메라에 의해 측정되고, 이로 인해 표면 구조가 판독될 수 있다. 용접 스파크 또는 일부 다른 요인으로 발생하는 표면 불규칙성 발생의 등록시, 광선총은 식별된 불규칙성을 융해시키기 위해 식별된 좌표를 향하도록 지시될 수 있다.
또 다른 바람직한 실시예들이 첨부하는 청구항들에 제시된다.
도 1에는, 전체적으로 도면부호 1로 지칭된 3차원 제품을 제조하기 위한 장치가 도시되어 있다. 이 장치는 3차원 제품(3)이 만들어질 작업대(work table)(2), 하나 이상의 파우더 디스펜서(powder dispenser)(4), 파우더 베드(powder bed)(5)를 형성하기 위해 작업대(2) 상에 얇은 파우더 층을 놓도록 정렬된 부재(28), 파우더 베드에 에너지를 인가하여 파우더 베드의 부분들의 융해(fusion)가 발생하게 하는 광선총(6), 파우더의 융해를 통해 3차원 제품의 단면을 형성하기 위해 작업대에 걸쳐 광선총(6)에 의해 인가되는 빔을 위해 제어 부재(7), 및 단면들이 3차원 제품을 구성하는 3차원 제품의 순차적인 단면들에 대한 정보가 저장되어 있는 제어 컴퓨터(controlling computer)(8)를 구비한다.
작업 사이클 동안, 작업대는 각각의 부가된 파우더 층 이후에 광선총에 대해 연속적으로 낮아질 것이다. 이와 같은 이동이 가능하도록 하기 위해, 작업대는 본 발명의 한 바람직한 실시예에서 수직 방향, 즉 화살표 P로 가리켜진 방향으로 이동 가능하게 정렬된다. 이는 작업대가 초기 위치 2', 즉 필요한 두께의 제1 파우더 층이 놓여지는 위치에서 시작한다는 것을 의미한다. 하부의 작업대를 손상시키지 않기 위해 그리고 이 층의 충분한 품질을 제공하기 위해, 다른 도포된 층보다는 두껍게 되어 있어, 이 제1 층의 융해를 피할 수 있게 된다. 그 후 작업대는 3차원 제품의 새로운 단면을 형성하기 위해 새로운 파우더 층을 내려놓는 것과 연관하여 하강된다.
본 발명의 한 실시예에서, 작업대는 이 목적을 위해, 코깅(cogging)(11)이제공된, 적어도 하나의 랜(rack)(10)를 구비하는 비계(scaffold)(9)에 의해 지지된다. 기어(13)가 구비된 스텝 또는 서보 엔진(12)은 소정의 수직 위치로 작업대를 위치시킨다. 기술분야의 숙련자에게 공지된 작업대의 작업 높이를 조정하기 위한 다른 장치들이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 랙 대신에 조정 나사가 사용될 수 있다.
부재(28)는 재료의 보충을 위해 파우더 디스펜서와 협동하도록 정렬된다. 더욱이, 작업 표면에 걸친 부재(28)의 스위프(sweep)는 공지된 방법으로 파우더 베드를 따라 주행하는 가이드 레일(29)을 따라 부재(28)를 변위시키는 서보 엔진(도시되지 않음)을 통해 구동된다.
새로운 파우더 층을 놓은 후에, 파우더 층의 두께는, 이전 층에 대해 작업대가 얼마나 내려졌는지에 의해 관리될 것이다. 이는, 층의 두께가 요청된 바에 따라 변할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, 단면들이 인접하는 층들 간에 보다 큰 형태의 변화를 나타낼 때 층들을 보다 얇게 하는 것이 가능하여 보다 높은 정밀도의 표면이 달성되며, 형태 변화가 작거나 없을 때 층들을 빔의 최대 투과 깊이와 같게 하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 광선총(6)은 전자총으로 구성되어, 광선총의 빔을 위한 제어 부재(7)는 편향 코일로 구성되게 된다. 편향 코일은 전자총에 의해 발생된 빔을 제어하는 자기장을 발생하고, 이로 인해 소정 위치에서의 파우더 베드의 표면층의 융해가 달성되게 된다. 더욱이, 광선총은 공지된 방법으로 광선총에 정렬된 이미터 전극(emitter electrode)(21)을 위한 가속 전압을 광선총에 공급하도록 설계된 고전압 회로(20)를 구비한다.
이미터 전극은 공지된 방법으로 그 소스가 이미터 전극(21)을 가열시키기 위해 이용되는 전력 원(22)에 접속되어 전자들이 이동되게 된다. 광선총의 기능 및 구성은 기술분야의 숙련자에게 공지되어 있다.
편향 코일은 융해될 각 층을 위한 놓여진 실행 계획에 따라 제어 컴퓨터(8)에 의해 제어되고, 이로 인해 소정의 실행 계획에 따른 빔의 제어가 달성될 수 있게 된다.
실행 계획의 발생 및 교정에 관한 상세한 설명은 도 4 내지 도 6을 참조하여 이하에 설명된다.
또한, 작업대 상의 파우더 베드의 표면에 빔의 초점을 일치시키도록 정렬된 적어도 하나의 초점 코일 (7')이 존재한다.
편향 코일 및 초점 코일은 기술분야의 숙련자에게 잘 알려진 많은 방법에 따라 정렬될 수 있다.
이 장치는 광선총(6)을 둘러싸는 하우징(15) 및 파우더 베드(2)에 포함되어 있다. 케이싱(casing)은 파우더 베드를 둘러싸는 제1 챔버(23), 및 광선총(6)을 둘러싸는 제2 챔버(24)를 구비한다. 제1 챔버(23) 및 제2 챔버(24)는 방출된 전자가 제2 챔버의 고전압계로 가속되어 제1 챔버로 진행한 다음 작업대(2) 상의 파우더 베드에 충돌하게 하는 채널(25)을 통해 통신한다.
바람직한 실시예에서, 제1 챔버는 제1 챔버(23)의 압력을 바람직하게 약 10-3 - 10-5mBar의 압력을 낮추는 진공 펌프(26)에 접속된다. 제2 진공 펌프(24)는바람직하게 제2 챔버(24)의 압력을 약 10-4 - 10-6mBar의 압력을 낮추는 진공 펌프(27)에 접속된다. 대체 실시예에서, 제1 및 제2 진공 펌프는 모두 동일한 진공 펌프에 접속될 수 있다.
제어 컴퓨터(8)는 바람직하게, 광선총의 방출된 전자들을 조정하기 위해 광선총(6)에 더 접속되고, 파우더 층들의 각각의 연속적인 하강간에 작업대의 수직 위치(2)를 조정하기 위한 스텝 모터(12)에 접속되며, 이로 인해 파우더 층들의 개별적인 두께가 변경될 수 있다.
또한, 제어 컴퓨터는 작업 표면상에 파우더를 내려놓기 위한 부재(28)에 접속된다. 이 부재는 작업 표면에 걸쳐 스위프하기 위해 정렬되어 파우더의 층이 하강되게 된다. 부재(28)는 제어 컴퓨터(8)에 의해 제어되는 서보 엔진(도시되지 않음)에 의해 구동된다. 제어 컴퓨터는 스위프(sweep)의 기간을 제어하고, 필요에 따라 파우더가 보충되게 한다. 이 목적을 위해, 부하 표시기(load indicator)가 부재(28)에 정렬되어, 부재가 비어있다는 것이 제어 컴퓨터에게 통지될 수 있게 한다.
도 2에 도시된 것에 따르면, 이 장치는 파우더 베드의 표면층의 표면 특성을 감지하기 위한 부재(14)를 더 구비한다. 파우더 베드(15)의 표면층의 온도 분포를 감지하기 위한 부재(14)는 바람직하게 카메라로 구성된다.
본 발명이 한 바람직한 실시예에서, 이 카메라는 부분적으로 표면층 상의 온도 분포를 측정하기 위해 사용되고, 부분적으로 표면상의 불규칙성에 의해 유발된 새도우 형성(shadow formation)을 통한 표면 불규칙성의 발생을 측정하기 위해 사용된다. 온도 분포의 정보는 융해될 표면층의 부분들에 걸쳐 가능한 한 평탄하게(smooth) 온도 분포를 달성하는데 사용되고, 부분적으로 온도 분포가 제품의 형태를 반영하기 때문에 생성된 3차원 제품 및 본래 제품간의 임의의 측정 편차를 제어하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 파우더 베드(5)와 광선총(6)를 포함하는 케이싱(casing)(15)의 외부에 비디오 카메라가 장착된다. 온도 측정이 가동하도록, 케이싱에는 투과 윈도우(transparent window)(16)가 제공된다. 파우더 베드(5)는 이 윈도우를 통해 카메라로 볼 수 있다. 도 3에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에서, 윈도우(16)는 보호막(17)에 의해 덮여진다. 보호막은 공급 유닛(18)에서 교정 유닛(19)으로 공급되고, 이로 인해 이 막이 연속적으로 교체되어 투과도가 유지될 수 있는 효과를 갖는다. 융해 공정의 결과로서 증착이 발생하기 때문에 이 보호막이 필요하다.
도 4에는, 주 실행 계획을 발생하기 위한 프로시져가 개략적으로 도시되어 있다. 제1 단계(40)에서, 3D 모델이 예를 들어 제조될 제품의 CAD 프로그램으로 생성되고, 선택적으로 제조될 제품의 미리-발생된 3D 모델이 제어 컴퓨터(8)에 공급된다. 그후, 제2 단계(41)에서 제품의 단면의 출현 정보를 포함하는 매트릭스(matrix)가 생성된다. 도 7에는, 단면(31-33)에 속하는 예와 함께 망치의 모델이 도시되어 있다. 이들 단면들은 또한 도 8a 내지 도 8c에도 도시되어 있다. 이들 단면들은 완성된 제품을 구성하기 위해 융해될 개별적인 층들의 두께에 대응하는 밀도로 놓여진다.
바람직하게, 이 두께는 서로 다른 층들간에 변할 수 있다. 예를 들어, 인접하는 층들 간의 단면의 큰 출현 편차를 갖는 면적에서는 층들을 보다 두껍게 하는 것이 바람직하다. 따라서, 매트릭스가 생성되어 있는 동안, 모든 단면의 출현에 대한 정보를 포함하고 또한 함께 3차원 제품을 구성하는 매트릭스가 생성된다.
제3 단계(42)에서 단면이 생성되었을 때, 각각의 단면에 대해 주 실행 계획이 발생된다. 주 실행 계획의 생성은 부분적으로 단면을 구성하는 부분들의 형태의 인식에 기초하고 부분적으로 단면의 국부적인 부분들의 냉각 온도에 실행 계획이 어떻게 영향을 미치는지에 기초한다. 목적은, 다음 층이 놓여지기 전에 융해되는 부분에서 냉각 온도가 가능한 한 균일하게 하는 한편, 제품 내의 수축 응력(shrinkage strain)의 발생 위험성을 감소시키고 제품을 변형시키게 되는 제품에서의 수축 응력을 발생하는 정도를 감소시키기 위해 냉각 온도를 소정의 범위 내로 유지하는 실행 계획을 생성하는 것이다.
주로, 주 실행 계획(running schedule)은 단면에 포함된 개별적인 부분들의 형태에 기초하여 생성된다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 주 실행 계획은, 단면의 냉각 온도의 양호한 온도 분포를 어떠한 실행 계획이 제공하는지의 경험에 기초하여 작성하므로써, 제품의 변형을 초래하는 제품에서의 수축 응력의 위험성이 감소될 수 있게 된다. 이 목적을 위해, 서로 다른 형태의 면적을 위한 일단의 실행 계획이 메모리에 저장된다.
바람직한 실시예에서, 이 메모리는, 실행 계획을 교정한 결과의 평가 과정에서 갱신되고, 이로 인해 자기 교육 시스템(self-educating system)이 얻어지게 된다.
본 발명의 대체 실시예에서는, 개별적인 컴퓨터에 의해 생성된 미리-형성된 단면들은 제어 컴퓨터내의 메모리에 공급되고, 이 메모리에서 주 실행 계획이 발생된다. 이 경우, 외부 소스(40a)를 통해 제3 단계(42)로 직접 정보가 얻어지게 된다.
도 5에는, 제품의 단면을 생성하기 위해 광선총으로부터의 빔이 파우더 베드에 걸쳐 제어되는 프로시져가 개략적으로 도시되어 있다. 제1 단계(50)에서, 파우더 베드에 걸친 빔의 제어는 단계(42)에서 정의된 주 실행 계획에 따라 개시된다.
다음 단계(52)에서, 파우더 베드의 표면층의 온도 분포가 카메라에 의해 측정된다. 그 후, 파우더 베드의 표면층의 작은 서브 면적의 온도가 저장되는 온도 분포 매트릭스 Tij-measured가 측정된 온도 분포로부터 생성된다. 매트릭스가 생성될 때, 매트릭스에서 측정된 각각의 온도 값 Tij가 소정의 값 Tij-desired의 매트릭스에서의 소정의 값과 비교된다.
개략적으로, 파우더 베드의 표면층은 세 개의 카테고리로 나누어질 수 있다. 첫째, 광선총에 의한 가공을 통해 융해가 발생하는 면적. 이들 면적에서는, 최대 융해 온도 Tij-max가 관심거리다. 둘째, 이미 융해되고 이로 인해 냉각하는 면적. 이들 면적에서는 너무 낮은 냉각 온도가 인장을 초래하여 표면층의 변형을 유발하는 최소 허용된 냉각 온도 Tij-cooling-min가 관심거리이다. 셋째, 광선총에 의해 가공된 면적. 이들 면적에서는 베드 온도 Tij-bed가 관심거리이다. 또한 가공된면적들에서만 온도를 비교하는 것이 가능하여, Tij-bed가 저장되지 않고/않거나 제어될 수 없다.
제3 단계(52)에서는, Tij-measured가 소정의 값 Tij-desired로부터 벗어나는지 그리고 이 편차값이 허용된 한계치를 초과하는지가 테스트된다. 서로 다른 세 가지 카테고리에 속하는 한계치 △Tij-max, △Tij-cooling 및 △Tij-bed가 제어 컴퓨터(8)에 저장된다. 또한, 베드 온도를 제어하는 것이 가능하다. 이 경우, 속하는 한계값은 저장되지 않는다. 제4 단계(53)에서는, Tij-measured와 Tij-desired간의 편차가 이 한계치를 초과하지 않을 때 표면층의 가공이 완료되는 지를 조사한다. 만일 이것이 아니면, 유효 실행 스케줄에 따라 실행이 계속되어, 위에서 언급한 방법 단계(50-53)들이 한번 더 실행된다.
만일 Tij-measured와 Tij-desired간의 편차가 이 한계치를 초과하면, 실행 계획(42)의 교정이 제1 단계에서 수행된다. 이 교정은 바람직한 실시예에서 도 6에 도시된 방법에 따라 수행된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 각 층이 완료되어야 새로운 파우더 층이 놓여지게 되어, 제품이 완성될 때까지 연속하는 융해를 통해 제품이 만들어진다. 이 경우, 그 전체의 제품이 완성되지 않았다면, 층을 위한 실행 계획이 완성되었다는 것이 제4 단계(53)에서 주지될 때 제6 단계(55) 이후에 새로운 층이 시작된다.
바람직한 실시예에서, 실행 계획은 다음의 방법 단계들을 포함한다:
제1 단계(56)에서, Tij-max가 Tij-max-desired에 비교된다. 만일 Tij-max가 △Tij-max를 초과하여 Tij-desired를 벗어나면, 빔의 전력을 바꾸거나 또는 빔의스위프 속도(sweep speed)를 바꿈으로서 파우더 층에의 에너지 공급이 단계(56a)에서 교정된다. 제2 단계(57)에서, Tij-cooling가 Tij-cooling-desired에 비교된다.
만일 Tij-cooling가 △Tij-cooling를 초과하여 Tij-cooling-desired를 벗어나면, 단계(58a)에서 빔에 대한 러닝 스케줄이 변경된다. 빔에 대한 실행 계획을 수정하는 몇 가지 방법이 존재한다. 실행 계획을 수정하는 한가지 방법은, 면적들이 너무 냉각되기 전에 빔으로 하여금 면적들을 가열시키게 하는 것이다.
이때 광선총은 보다 낮은 에너지 세기 및/또는 보다 높은 스위치 속도로 이미 융해된 면적에 걸쳐 스위프 할 수 있다.
제3 단계(60)에서, Tij-bedg가 Tij-bed-desired로부터 벗어나는지가 조사된다. 만일 이 편차가 △Tij-bed를 초과하면, 단계(60a)에서 본 발명의 바람직한 실시예에서, 예를 들어 에너지의 운반을 위해 베드에 걸쳐 빔 스위프함으로써 베드의 온도가 교정될 수 있다. 또한 베드의 개별적인 가열을 위한 장비를 이 장치에 부가할 수 있다.
또한 장치에 설치된 가열 카메라를 통해 제조될 물체의 크기를 제어하는 것이 가능하다. 위에 설명된 것에 따르면, 베드 및 융해된 부분들이 측정된다. 레코드된 가열 분포는 생성될 3차원 몸체의 부분에서 물체의 형태를 전적으로 반영한다. 이로 인해 단계(62)에서 이 물체의 치수 제어가 수행될 수 있고, 광선총의 빔의 X-Y 편향의 피드백이 수행될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 이 제어는 단계(62a)에서 수행되는데, 여기서 단면상의 측정간의 편차가 결정되고, 만일 이 편차가 허용된 값 이상이면 광선총의 X-Y 편향이 교정된다.
더욱이, 카메라로부터의 입력 신호는 예를 들어, 용접 스파크의 형태로 표면 불규칙성의 발생을 식별하는데 이용될 수 있다. 표면 불규칙성에 대한 좌표가 식별되었을 때, 표면 불규칙성을 융해시키기 위해 실행 계획이 식별된 좌표로 갱신될 수 있다.
본 발명은 위에서 설명된 실시예에 한정되어 있지 않다. 예를 들어, 광선총은 레이저로 구성되어, 편향 부재는 제어 가능한 미러 및/또는 렌즈에 의해 구성된다.
본 발명은 또한 에너지 소스에서 제품 원료로의 에너지 전달을 통해 3차원 제품을 제조하기 위한 장치에 이용될 수 있는데, 이 장치는 3차원 물체가 구축될 작업대, 제품 베드의 형성을 위해 작업대 상의 얇은 제품 원료층을 내려놓도록 정렬된 디스펜서, 제품 베드의 표면의 선택된 면적으로 에너지를 인가하여 면적 내의 단단한 단면의 형성을 위해 제품 원료의 위상이 천이하는 부재, 및 단면들이 3차원 제품을 구성하는 3차원 제품의 연속하는 단면에 대한 정보가 저장되는 메모리를 다루는 제어 컴퓨터를 구비하되, 제어 컴퓨터는 선택된 면적으로 에너지가 인가되도록 에너지를 인가하기 위한 부재를 제어하도록 되어 있으며, 이로 인해 3차원 제품은 파우더 디스펜서에 의해 놓여진 파우더 층으로부터 연속적으로 형성된 단면의 연속적인 접합을 통해 형성되게 된다.
이 경우, 본 실시예는 광선총에 의해 파우더 베드의 표면의 복사를 통한 파우더의 융해에 한정되어 있지 않다. 제품 원료는 위상 천이 이후에, 단단한 몸체, 예를 들어 용해 또는 경화후의 고형화를 형성하는 임의의 재료로서 구성될 수 있다. 에너지-인가 부재는 선택적으로 제품 베드에 직접 단면을 투사하는 능력을 갖는 에너지-인가 부재에 의해 작업대에 걸쳐 제어되는 전자총, 레이저로서 구성될 수 있다.
또한, 본 실시예에는 이전에 설명한 실시예에 대해 설명된 모든 특징이 구비될 수 있다.

Claims (32)

  1. 3차원 제품을 제조하기 위한 장치에 있어서,
    3차원 제품이 구축될 작업대(work table);
    파우더 베드(powder bed)의 형성을 위해 상기 작업대 상에 얇은 파우더 층을 배치하도록 정렬된 파우더 디스펜서(powder dispenser);
    상기 파우더에 에너지를 인가하여 상기 파우더의 융해가 발생하게 하는 광선총;
    상기 파우더 베드의 부분들의 융해를 통해 상기 3차원 제품의 단면을 형성하기 위해 상기 파우더 베드 양단에 광선총에 의해 인가되는 빔을 제어하기 위한 부재; 및
    단면이 상기 3차원 제품을 구성하는 3차원 제품의 연속적인 단면들에 대한 정보가 저장되는 제어 컴퓨터 - 상기 제어 컴퓨터는 상기 3차원 몸체의 단면을 형성하는 실행 계획(running schedule)에 따라 상기 파우더 베드에 걸쳐 상기 광선총을 안내하기 위해 상기 부재를 제어하며, 이로 인해 상기 3차원 제품은 상기 파우더 디스펜서에 의해 연속적으로 놓여진 파우더 층들로부터 연속하여 형성된 단면들의 연속하는 융해에 의해 형성됨 - 를 구비하되,
    상기 장치는 상기 파우더 베드의 표면층의 표면 특성(surface characteristic)을 감지하기 위한 부재들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면 특성은 상기 파우더 베드의 표면층의 온도 분포에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표면 특성은 상기 파우더 베드의 표면층의 표면 유연함에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 온도 분포를 감지하기 위한 상기 부재는, 상기 파우더 베드의 표면층 양단의 온도 분포에 대한 정보를 상기 제어 컴퓨터로 통신하도록 구성되고, 이로 인해 온도 분포에 대한 상기 정보가 광선을 위한 실행 계획에 영향을 미치도록 설계된 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 파우더 베드의 표면층의 온도 분포에 대한 정보는 너무 낮은 온도를 갖는 파우더 베드의 표면층의 면적들 내의 에너지 전달을 증가시키고, 너무 높은 온도를 갖는 면적들 내의 에너지 운반을 감소시키도록 이용되어, 단면의 보다 균일한 작업 온도가 얻어지게 되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 온도 분포에 대한 상기 정보는 상기 광선총에서 현재 최상위 파우더 층 내에서 융해된 면적의 상기 파우더 베드로의 에너지 전달을 제어하도록 정렬되고, 이로 인해 이들 면적에서의 융해 이후의 최대 온도가 제한된 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  7. 제4항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 온도 분포에 대한 상기 정보는 상기 광선총에서 한편 현재 최상위 파우더 층 내에서 융해된 파우더 베드로 그리고 다른 한편으로는 후속하는 층의 면적들과 일체화될 베드로의 에너지 전달을 제어하도록 정렬되어, 이들 면적에서의 융해후의 최소 온도가 선정된 한계 이하로 떨어지지 않게 하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  8. 제4항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 온도 분포에 대한 상기 정보는 상기 광선총에서 한편 현재 최상위 파우더 층 내에서 융해된 파우더 베드로의 에너지 전달을 제어하도록 정렬되어, 이들 면적에서의 융해후의 최소 온도가 선정된 한계 이하로 떨어지지 않게 하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  9. 제4항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 온도 분포에 대한 상기 정보는 상기 면적내의 온도가 선정된 제2 광선총에서 한계 이하로 떨어지지 않도록 상기 광선총에서 상기파우더 베드의 최상의 층 내의 면적에 있는 파우더 베드로의 에너지 전달을 제어하도록 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  10. 제4항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 온도 분포에 대한 상기 정보는 상기 광선총을 제어하기 위해 상기 부재를 교정하기 위해 사용되도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  11. 상기 청구항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 파우더 베드에서의 표면층의 표면 특성을 감지하기 위해 상기 부재는 카메라에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제품 베드는 폐쇄된 챔버에 위치되고, 이 폐쇄된 챔버는 투과 윈도우를 나타내고 카메라가 이 윈도우를 통해 상기 파우더 베드의 표면 특성을 레코드하도록 정렬된 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 투과 윈도우는 막에 의해 보호되고, 이 막은 윈도우를 따라 자유로이 정렬되어 새로운 막이 공급되고, 이로 인해 막 및 윈도우를 통한 투과도가 유지되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  14. 상기 청구항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 광선총은 전자총으로 구성되고, 상기 파우더 베드 및 상기 전자총은 진공 챔버 내에 봉입되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  15. 단면들이 3차원 몸체의 연속하는 단면에 대응하는 파우더 베드(powder bed)의 부분들의 연속하는 융해를 통해 3차원 몸체를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    작업대 상에 파우더 베드를 위치시키는 단계,
    상기 파우더 층을 위한 선정된 실행 계획(running schedule)에 따라 광선총으로부터 에너지를 공급하는 단계,
    상기 3차원 몸체의 단면을 형성하기 위해 상기 실행 계획에 따라 선택된 상기 파우더 층의 면적을 융해시키는 단계, 및
    연속적으로 놓인 파우더 층으로부터 연속적으로 형성된 단면의 연속적인 융해를 통해 3차원 몸체를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 파우더 베드에 놓인 표면층의 표면 특성을 감지하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 감지된 표면 특성은 상기 파우더 베드의 표면층의 표면 유연함(surface smoothness)을 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 감지된 표면 특성은 상기 파우더 베드의 표면층의 온도 분포(temperature distribution)를 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 감지된 온도 분포는 정확한 융해 온도를 달성하기 위해 상기 광선총에 대한 에너지 공급을 교정하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 감지된 온도 분포는 상기 실행 계획을 수정하므로써 정확한 냉각 온도를 달성하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 방법.
  20. 제19항에 있어서, 너무 낮은 냉각 온도를 갖는 면적은 재가열되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 너무 높은 온도를 갖는 면적의 검출시, 상기 실행 계획은 이 면적 내의 구축 속도(build-up rate)가 감소되도록 수정되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 방법.
  22. 제17항 내지 제21항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 베드 온도가 검출되며,만일 검출된 온도가 선정된 한계 이하이면 상기 베드가 가열되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 방법.
  23. 제17항 내지 제22항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 감지된 온도 분포는 빔의 X-Y 편향을 위해 광선총으로 정렬된 부재를 교정하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 방법.
  24. 제16항 내지 제23항 중의 어느 한 항에 있어서, 표면 불규칙성의 검출시, 표면 불규칙성의 좌표를 등록하는 단계, 및 상기 광선총에 의해 발생된 빔이 상기 좌표로 유도된 후 상기 표면 불규칙이 융해되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 방법.
  25. 에너지 소스에서 제품 원료로의 에너지 전달을 통해 3차원 제품을 제조하기 위한 장치에 있어서,
    3차원 제품이 구축될 작업대(work table);
    파우더 베드(power bed)의 형성을 위해 상기 작업대 상에 얇은 파우더 층을 배치하도록 정렬된 파우더 디스펜서(powder dispenser);
    상기 파우더 베드의 표면의 선택된 면적에 에너지를 인가하여 상기 면적내에 단단한 단면(solid cross section)을 형성하기 위해 제품 원료의 위상 천이가 발생하게 하는 부재; 및
    단면이 상기 3차원 제품을 구성하는 3차원 제품의 연속적인 단면들에 대한 정보가 저장되는 제어 컴퓨터를 구비하되, 상기 제어 컴퓨터는 에너지가 상기 선택된 면적들에 공급되도록 에너지를 인가하기 위한 부재를 제어하고, 이로 인해 상기 3차원 제품은 상기 파우더 디스펜서에 의해 놓여진 제품 원료의 층들로부터 연속적으로 형성된 단면들의 연속하는 접합을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 표면 특성은 상기 제품 베드의 표면층의 온도 분포에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서, 상기 표면 특성은 상기 제품 베드의 표면층의 표면 유연함에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  28. 제25항 내지 제27항 중의 어느 한 항에 있어서, 온도 분포를 감지하기 위한 상기 부재는, 상기 파우더 베드의 표면층에 걸친 온도 분포에 대한 정보를 상기 제어 컴퓨터로 통신하도록 구성되고, 이로 인해 상기 제어 컴퓨터는 이 정보를 이용하여 에너지를 상기 제품 베드에 인가하기 위한 부재를 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 온도 분포에 대한 정보는 에너지를 상기 제품 베드에 인가하기 위한 부재의 측정을 교정하도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  30. 제25항 내지 제29항 중의 어느 한 항에 있어서, 표면 특성을 감지하기 위한 상기 부재는 카메라에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 제품 베드는 폐쇄된 챔버에 위치되고, 상기 폐쇄된 챔버는 투과 윈도우를 나타내고, 상기 카메라는 상기 윈도우를 통해 상기 파우더 베드의 표면 특성을 레코드하도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 투과 윈도우는 막에 의해 보호되고, 상기 막은 윈도우를 따라 자유로이 정렬되어 새로운 막이 공급되게 되며, 이로 인해 막 및 윈도우를 통한 투과도가 유지되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 제조하기 위한 장치.
KR1020027014443A 2000-04-27 2001-04-27 3차원 물체를 제조하기 위한 장치 및 방법 KR100796465B1 (ko)

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