KR20050103505A - 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조하기 위한 방법및 장치 - Google Patents

미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조하기 위한 방법및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 처리 챔버의 내부 또는 외부에 배치되고 그 레이저 빔이 입자를 갖는 지지체의 표면 위로 안내되는 적어도 하나의 레이저의 레이저 빔을 사용하여, 진공 또는 보호 가스 분위기의 처리 챔버 내의 지지체 상에 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 미니어처 물체 및 미세구조 물체는 적층 도포되는 입자들로 형성된다. 마찬가지로 적층 도포되는 입자들로 구성되는 스페이서들이 상기 지지체와 미니어처 물체 사이에 배치된다. 이들 스페이서는 입자들이 대응 평면에서 부분 층상, 층상 또는 선형 방식으로 소결되어 작은 접촉면적 구조를 갖고 보이드를 함유하여 파괴되고 이어서 지지체 및 미니어처 물체 또는 미세구조 물체로부터 제거될 수 있는 작은 스페이서를 형성하도록 레이저 빔이 조사됨으로써 제조된다. 스페이서들은 정적 강도를 갖고 동시에 형성되며, 미니어처 물체 또는 미세구조 물체가 지지체 상에서 및/또는 분말 베드 내에서 서로에 대해 고정 배치될 수 있다.

Description

미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING MINIATURE BODIES OR MICROSTRUCTURED BODIES}
본 발명은 적어도 하나의 레이저의 레이저 빔에 의해 진공 또는 보호 가스 분위기의 처리 챔버 내에서 지지체 상에 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조하기 위한 방법, 및 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 위한 적어도 하나의 각각의 지지체, 입자 저장소, 입자들을 저장소로부터 진공 또는 보호 가스 분위기의 처리 챔버 내에 배치된 지지체로 운송하기 위한 장치, 및 상기 처리 챔버의 내부 또는 외부에 배치되고 그 레이저 빔이 입자들을 갖는 지지체의 표면을 소제(sweep)하는 적어도 하나의 레이저를 포함하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.
DE 195 38 257 C2호(3차원 물체 제조 방법)에 따르면, 제조될 물체는 내부 코어 부분과 외피 부분으로 구성된 3차원 지지체 구조물을 갖는다. 이 경우에, 코어 부분은 보다 상당한 응고를 달성하기 위해 두 번 노출되는 것이 바람직하다. 그러나, 외피 부분은 한 번만 노출된다. 외피 부분의 전체 표면은 물체와 지지체 구조물 사이에 배치된다. 외피 부분은 힘과 공구를 가능한 최소로 소비하여 물체가 지지체 구조물로부터 분리될 수 있도록 부드럽다. 그러나, 매우 작거나 미세구조의 물체를 지지체 구조물로부터 분리하는데 있어서 문제가 발생하는 바, 그 이유는 상기 물체가 분리 중에 매우 쉽게 파괴될 수 있기 때문이다. 또한, 공구를 위한 작업면이 제공될 필요가 있다. 하나의 지지체 상에 여러 개의 물체가 배치되면, 손상 없이 그러한 분리를 실행하기가 대단히 어렵다. 즉, 이러한 형태의 지지체 구조물은 하나의 지지체 상에서 여러 개의 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조하기에 적합하지 않다.
도 1은 하나의 닥터 블레이드와 하나의 저장소를 갖는 레이저 빔에 의해 처리 챔버에 배치된 지지체 상에 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조하기 위한 장치의 평면도 및 측면도.
도 2는 두 개의 닥터 블레이드와 두 개의 저장소를 갖는 장치의 평면도 및 측면도.
도 3은 여러 개의 피봇식 환형 닥터 블레이드를 가지며 중심에 제조 공간이 배치된 장치의 도시도.
도 4는 환형 닥터 블레이드, 입자들을 함유하는 페이스트 또는 겔의 저장소, 및 환형 닥터 블레이드를 세척하기 위한 스트리퍼(stripper)를 갖는 장치의 도시도.
청구항 1 및 11에 개시된 발명은 완성된 물체가 지지체로부터 및/또는 서로로부터 쉽게 분리될 수 있도록 지지체 상에서 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조하는 목적에 기초하고 있다.
상기 목적은 청구항 1 및 11에 개시된 특징에 의해 달성된다.
본 발명에 의해 달성되는 장점은 특히 미니어처 물체뿐 아니라 미세구조 물체를 쉽게 제조할 수 있다는 것이다. 미니어처 물체 및 미세구조 물체는 적층(layer-by-layer) 도포되는 입자들로 제조된다. 지지체와 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 사이에는 또한 적층 도포되는 입자들로 구성되는 스페이서가 배치된다. 이와 관련한 특별한 장점은, 입자들이 각각의 평면에서 부분 층상, 층상 또는 선형 방식으로 소결(sinter)되며, 작은 접촉면적 구조를 갖고 보이드(voids)를 함유하는 파괴가능한 스페이서가 제조되도록 스페이서가 레이저 빔의 조사에 의해 제조되고, 따라서 이들 스페이서는 지지체 및 미니어처 물체 또는 미세구조 물체로부터 쉽게 분리될 수 있다는 것이다. 그러한 보이드는 또한 연속적일 수 있다. 이 결과, 미니어처 물체 또는 미세구조 물체가 지지체 상에서 및/또는 분말 베드 내에서 서로에 대해 고정 배치될 수 있게 하는 확실한 정적 강도를 갖는 스페이서가 얻어진다. 이들 스페이서는 그러한 힘의 인가에 의해 미니어처 물체 또는 미세구조 물체가 쉽게 분리될 수 있도록 전단력(shearing forces)에 대해 낮은 저항을 갖는다. 다른 장점은 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 및 스페이서가 동일한 재료로 구성될 수 있다는 것인 바, 즉 미니어처 물체 또는 미세구조 물체뿐 아니라 스페이서는 레이저 빔을 갖는 레이저를 조사함으로써 제조된다. 이는 돌출부를 갖는 미세구조 물체 또는 돌출 미니어처 물체가 쉽게 제조되고 이어서 분리될 수 있다는 것을 의미한다. 분리가능한 스페이서뿐 아니라 미니어처 물체 또는 미세구조 물체는 입자들을 도포하고 레이저의 레이저 빔으로 선택적으로 소결함으로써 적층 형태로 제조된다. 분리가능한 스페이서를 위한 처리 파라미터는, 입자들이 각각의 평면에서 부분 층상, 층상 또는 선형 방식으로 소결되고, 작은 접촉면적 구조를 갖고 보이드를 함유함으로써 지지체로부터 및 미니어처 물체 또는 미세구조 물체로부터 쉽게 분리될 수 있는 파괴가능한 스페이서가 제조되도록 선택된다. 이러한 치수에 의하면 정해진 재료 체적의 정적 응고가 달성된다. 이 경우, 전체 단면에 걸쳐서 일정한 파라미터를 갖는 균질한 분리가능한 스페이서가 얻어지며, 스페이서는 그 전체 경계면이 미니어처 물체 또는 미세구조 물체와 접촉함에도 불구하고 완전히 분리될 수 있다. 미니어처 물체 또는 미세구조 물체는 레이저의 레이저 빔 또는 레이저에 의한 선택적 조사에 의해 동일한 재료의 이들 분리가능한 스페이서 상에서 또는 스페이서 내에서 제조된다. 이 경우, 파라미터들은 입자들의 전단-저항 소결이 달성되도록 선택된다. 상기 지지체는 그 위에서 미니어처 물체 또는 미세구조 물체가 제조된 후 초음파에 노출되는 바, 이는 이들 물체가 일체의 보조 수단 없이 상기 지지체뿐 아니라 분리가능한 스페이서로부터 분리되도록 하기 위한 것이다. 상기 지지체는 상기 목적으로 초음파 발생기에 결합된다. 분리 중에 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 및 지지체에 대한 손상이 방지되기 때문에, 지지체는 일체의 중간 처리가 필요없이 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 제조를 위해 여러 번 사용될 수 있다. 지지체 상에 입자들을 적층 도포하기 위한 하나의 유리한 운송 장치는, 구성 요소에 의해 지지체에 대해 평행하게 놓이는 적어도 하나의 평면에서 이동될 수 있는 적어도 하나의 폐쇄된 환형 닥터 블레이드로 구성되고, 상기 닥터 블레이드는 드라이브에 회전가능하게 지지 및 결합되거나, 결합된 드라이브에 의해 x-방향 및 y-방향으로 이동될 수 있다. 이러한 배치에 의하면, 닥터 블레이드는 저장소 또는 지지체에 인접하여 배치된 표면 및 지지체 자체 위에서 적어도 회전 또는 이동할 수 있으며, 지지체 상으로의 적층 방식으로의 입자 도포는, 저장소로서 작용하는 환형 닥터 블레이드로부터의 입자 또는 별도 저장소로부터의 입자에 의해 실현된다. 적어도 하나의 레이저의 레이저 빔에 의한 조사는 층 내의 입자들 사이에 또한 하나의 층과 인접한 층 사이에 소결 연결을 생성한다. 이 경우, 분리가능한 스페이서들 및 미니어처 물체들 또는 미세구조 물체들은 연속하여 및/또는 인접하여 제조된다. 다른 장점은 상이한 재료의 입자들을 함유하는 적어도 두 개의 저장소를 사용할 수 있다는 것이다. 이는 수직 특성 구배(gradients)를 갖는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체가 상이한 재료로 구성되는 층 형태로 제조될 수 있다는 것을 의미한다. 환형 닥터 블레이드에 의해 층이 확실하게 모든 방향으로 도포되기 때문에 균일한 층 도포가 달성된다.
본 발명의 유리한 실시예는 청구항 2 내지 10 및 청구항 10 내지 16에 개시되어 있다.
청구항 2에 제안된 추가적인 발전에 따르면, 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 사이에 분리가능한 스페이서들이 실현된다. 따라서, 지지체 상에서 키가 큰 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조할 수도 있다. 분리가능한 스페이서들은 이들 미니어처 물체 또는 미세구조 물체가 뒤집어지는 것을 방지한다.
청구항 3에 제안된 추가적인 발전 또한, 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 사이의 분리가능한 스페이서들에 관한 것이다. 이들 스페이서는 적어도 하나의 미니어처 물체 또는 미세구조 물체가 단단히 연결되는 적어도 하나의 예비제작된(prefabricated) 요소로 구성되어, 상기 예비제작된 요소는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 일체형 부분을 형성한다. 이로 인해 미세구조 물체를 제조하기 위해 예비제작된 요소에 대해(on/to) 미세구조 물체를 도포 및 확실히 연결할 수 있다.
청구항 4에 개시된 추가적인 발전에 의하면 연속적인 제조 방법이 실현될 수 있는 바, 이에 따르면 레이저의 펄스 주파수 및 소제 속도는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 및 스페이서의 제조에 있어서 동일하며, 레이저 파워는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 제조 중에서 보다 스페이서의 제조 중에 더 낮다. 각 층의 개별 영역의 다중 조사(multiple irradiation)는 이런 식으로 방지된다. 레이저 파워를 증가시킬 필요 없이 간단히 펄스 주파수 및 소제 속도를 증가시킴으로써 제조 시간을 단축할 수 있음은 경제적으로 유리하다.
청구항 5에 개시된 추가적인 발전에 따르면, 입자 층은 프린팅 기술, 분사(spraying), 또는 적어도 하나의 닥터 블레이드에 의해 유리하게 도포된다.
청구항 6에 개시된 추가적인 발전에 따르면, 입자들을 함유하는 페이스트로 구성된 층에는 바인더(binder)의 증기압보다 약간 높은 압력을 갖는 진공이 작용하며, 상기 층은 입자들로부터 바인더가 유리하게 분리되도록 레이저 빔에 의해 가열된다.
청구항 7에 개시된 추가적인 발전에 의하면 치밀한 미니어처 물체 또는 미세구조 물체가 제조될 수 있으며, 이에 따르면, 각각의 도포된 층은 초음파를 지지체 및/또는 닥터 블레이드에 작용함으로써 및/또는 닥터 블레이드를 수평으로 회전시킴으로써 레이저 빔이 조사되기 전에 압축(compact)된다. 지지체를 초음파에 노출시키는 것의 다른 장점은 지지체에 결합된 초음파 발생기가 입자들을 압축하기 위해서뿐 아니라 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 분리가능한 스페이서 및 지지체로부터 각각 분리하는데 사용될 수 있다는 것이다.
청구항 8에 개시된 추가적인 발전에 따르면, 특히 페이스트로 구성되는 층들이 닥터 블레이드의 반대 방향 이동에 의해 파괴되지 않고 균일하게 도포될 수 있다.
청구항 9에 개시된 추가적인 발전에 의하면, 미니어처 물체 또는 미세구조 물체에 있어서 마이크로미터 척도(scale)로 균질하고 및/또는 수직한 재료 또는 특성 구배 및 재료 또는 특성 경계를 갖는 재료 혼합물을 실현하거나 또는 완전히 새로운 재료를 생산할 수 있다. 이는 그렇지 않을 경우 미세중력 조건 하에서만 제조될 수 있는 금속 혼합물을 실현할 수 있음을 의미한다. 색상이 다른 재료들의 사용은 각각의 적용 또는 사용에 따라 다양한 설계를 동시에 실현할 수 있게 한다.
청구항 10에 개시된 추가적인 발전에 따른 적층 디더링 방법은 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 외층에 있어서 수직 색상 구배를 실현할 수 있게 한다.
청구항 12 및 13에 개시된 추가적인 발전에 따르면 본 발명의 다양한 유리한 사용이 실현될 수 있다. 이들 실시예는 특히, 입자들의 균일한 도포 및 예비-압축을 실현할 수 있다. 환형 닥터 블레이드가 지지체로부터 추가로 축방향 변위되면 입자들을 함유하는 페이스트 재료가 얇은 층 형태로 도포될 수 있는데, 그 이유는 이 층이 그 복귀 운동 중에 닥터 블레이드에 의해 접촉되지 않기 때문이다. 추가 드라이브에 의해 닥터 블레이드가 그 대칭축 주위로 추가 회전 운동할 수 있으며, 이는 층의 균일한 도포 및 압축으로 이어진다. 환형 닥터 블레이드 내에서의 동축 램의 이동 또한 분말을 압축하는 결과로 이어진다.
청구항 14에 개시된 추가적인 발전에 따르면, 치밀한 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조하기 위해 입자를 예비-압축하고, 개선된 미끄럼 운동과 닥터 블레이드의 내벽을 따른/내벽으로부터의 입자의 분리를 실현하는 다른 옵션이 제공되도록 닥터 블레이드가 초음파 발생기에 결합된다.
청구항 15에 개시된 추가적인 발전에 의하면 레이저 빔의 유리한 효과가 달성되는 바, 이에 따르면 사각형 단면의 레이저 빔을 실현하기 위한 마스크, 또는 역 가우스(inversed Gauss) 프로파일 형태의 강도 분포를 발생하는 균질화장치 또는 빔 성형 유닛이, 빔 방향으로 지칭되는 레이저의 하류에 배치된다. 사각형 레이저 빔 단면은, 원형 단면의 레이저 빔을 사용할 때 불가피하게 발생하는 일체의 중첩과 그로인한 국소적인 온도 상승이 없이, 레이저 빔의 소제 중에 층의 표면을 최적의 선택적인 방식으로 조사할 수 있게 해준다. 레이저 조사의 균질화는 강도의 국소적인 상승 없이 층이 균질하고 선택적으로 조사되게 한다. 강도가 역 가우스 프로파일을 갖는 레이저 조사는 입자의 크랙킹 없이 고강도의 레이저 펄스를 사용할 수 있게 해준다.
청구항 16에 개시된 추가적인 발전에 의하면 환형 닥터 블레이드가 닥터 블레이드 평면의 다양한 위치로 이동될 수 있으며, 이에 따르면 환형 닥터 블레이드는 평면 회전 기어 또는 가변 길이형 변위가능 장치에 결합된다. 이는, 닥터 블레이드가 사실상 임의의 순서로 상이한 저장소들에 접근할 수 있으며, 여러 성분을 혼합하거나 닥터 블레이드를 세척하기 위해 닥터 블레이드 평면의 상이하게 구성된 영역들 위로 안내될 수 있다는 장점을 제공한다.
본 발명의 실시예들은 도면에 나타나 있으며, 이하에서 자세하게 설명된다. 각각의 도면은 다음과 같다:
후술하는 상세한 설명은 적어도 하나의 레이저의 레이저 빔(3)에 의해 진공 또는 보호 가스 분위기의 처리 챔버 내에서 지지체(2) 상에 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
(제1 적용예)
본 방법은 50㎛ 미만의(<50㎛) 분해능(resolution)을 갖는 텅스텐의 미니어처 물체를 제조하기 위해 사용된다. 이 경우에, 처리 챔버(1) 내에는 미니어처 물체를 위해 제조 공간(5)에 지지체(2)가 배치되며, 텅스텐 나노분말(nanopowder) 형태의 입자들을 위한 저장소(4)가 제공되고, 입자들을 저장소(4)로부터 제조 공간(5)과 지지체(2)로 운송하기 위한 장치도 제공된다. 텅스텐 나노분말의 입자는 300nm의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 상기 운송 장치는 폐쇄된 환형 닥터 블레이드(6)로 구성된다. 원형으로 설계된 환형 닥터 블레이드(6)는 적어도 하나의 드라이브(8)에 결합된 적어도 하나의 구성 요소에 배치된다. 상기 구성 요소는, 환형 닥터 블레이드(6)에 연결되고 병진운동 또는 회전운동 드라이브(8)에 고정되는 봉형 요소(7)로 간단하게 구성될 수도 있다. 후자의 운동의 경우, 환형 닥터 블레이드(6)는 원 운동을 하게 되며, 환형 닥터 블레이드의 경로에는 지지체(2)를 갖는 적어도 하나의 제조 공간(5)과 적어도 하나의 저장소(4)가 배치된다. 도 1은 지지체(2), 환형 닥터 블레이드(6), 및 저장소(4)를 갖는 그러한 배치를 평면도 및 측면도로 개략 도시하며, 도 2는 지지체(2), 두 개의 환형 닥터 블레이드(6a, 6b), 및 두 개의 저장소(4a, 4b)를 갖는 장치를 평면도 및 측면도로 개략 도시한다. 본 실시예에서, 제조 공간(5)은 처리 챔버(1)의 중심에 배치되며, 상기 제조 공간(5)의 주위에는 여러 개의 피봇식 환형 닥터 블레이드(6)가 배치된다. 이 제조 공간(5)은 환형 닥터 블레이드(6)의 피봇 범위 내에 배치된다. 그러한 배치의 개략 평면도가 도 3에 도시되어 있다. 다른 실시예들에서, 환형 닥터 블레이드(6)는,
- 가변 길이형 조절가능한 장치, 예를 들면 두 개의 신축(telescoping) 요소에 고정되어 회전식 드라이브에 결합되거나,
- 환형 닥터 블레이드를 x-평면 및 y-평면으로 운동시킬 수 있도록 병진운동 드라이브에 결합된 가변 길이형 조절가능한 장치에 고정되거나,
- 평면 회전식 기어에 고정될 수도 있다.
상기 환형 닥터 블레이드(6)는 낮은 벌크 밀도의 분말을 고밀도의 층으로 변형시키는 바, 즉 환형 닥터 블레이드에 의한 연속적인 반대방향 도포로 인해 전단 분리되고 그 내부에는 전체 또는 할당된 분말 공급체가 배치되는 두꺼운 층을 처음에 제조한다. 이 과정 중에, 도포된 층은 동시에 압축되고 과잉 분말은 닥터 블레이드의 내부에 잔류하거나 저장소(4)로 복귀된다. 상기 지지체(2)는 드라이브(11)에 의해 처리 챔버(1) 내에서 환형 닥터 블레이드(6)에 대해 이동될 수 있으며, 저장소(4)의 바닥(10)은 다른 드라이브(12)에 의해 환형 닥터 블레이드에 대해 이동될 수 있다. 환형 닥터 블레이드(6)의 드라이브는 환형 닥터 블레이드(6)가 또한 지지체(2) 및 저장소(4)의 바닥(10)에 대해 이동될 수 있도록 드라이브 시스템(9) 형태의 다른 드라이브에 연결될 수 있는 것이 유리할 수 있다. 처리 챔버(1)에 배치된 지지체(2)에 레이저 빔(3)이 스캐너와 윈도우(13)를 통해서 입사되도록 처리 챔버(1)의 외부에 레이저가 배치된다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 레이저 빔(3)을 편향시키거나 레이저를 변위 장치에 결합시키는 것이 일반적이다. 단일 모드에서 1064nm의 파장과 100ns의 펄스 지속기간을 갖는 Q-스위칭된 Nd:YAG 레이저의 레이저 빔(3)을 사용하는 것이 바람직하다. 도시된 실시예에서는, 사각형 단면의 레이저 빔(3)을 제조하기 위한 마스크 및/또는 역 가우스 프로파일 형태의 강도 분포를 발생하는 균질화장치(homogenizer) 또는 빔 성형 유닛이 빔 방향으로 지칭되는 레이저의 하류에 배치될 수 있다. 제1 단계에서, 처리 챔버(1)는 10-5mbar 미만의 압력으로 소개(evacuate)되며, 텅스텐 나노분말이 건조된다. 이어서, 처리 가스, 바람직하게는 아르곤이나 헬륨이 500mbar의 압력에 도달할 때까지 도입된다. 이어서, 텅스텐 나노분말로 구성되는 층들이 건조 상태로 도포되고, 도포 이후 각각의 층은 텅스텐 나노입자들이 각각의 평면에서 부분 층상, 층상 또는 선형 방식으로 소결되도록 레이저 빔(3)이 각각 조사되며, 작은 접촉면적 구조를 갖고 보이드를 함유하는 여러 개의 분리가능한 스페이서들이 제조된다. 이 과정 중에, 확실한 정적 강도뿐 아니라 전단력에 대한 낮은 저항이 실현된다. 즉, 지지체(2)와 미니어처 물체들 사이에 분리가능한 스페이서가 제조된다. 스페이서가 제조된 후, 텅스텐 나노분말로 구성되는 추가적인 층들이 건조 상태로 도포된다. 각각의 도포 이후, 각각의 층은, 텅스텐 나노입자들이 이 평면에서 연속적으로 상호 연결되며, 상기 평면에서의 미니어처 물체의 윤곽에 대응하는 벽 및 내부 영역 형태로 그 바로 아래에 제조된 층에 연결되도록 레이저 빔(3)이 조사된다. 분리가능한 스페이서들과 미니어처 물체들은 이런 식으로 지지체(2) 상에 제조된다. 미니어처 물체의 제조 중에는, 특정 층들 또한, 텅스텐 나노입자들이 각각의 평면에서 부분 층상, 층상 또는 선형 방식으로 소결되도록 조사될 수 있으며, 작은 접촉면적 구조를 갖고 보이드를 함유하는 분리가능한 스페이서들이 제조된다. 이는 분리가능한 스페이서들이 미니어처 물체들 사이에도 배치된다는 것을 의미한다. 분리가능한 스페이서를 제조할 때는, 8 kHz의 펄스 주파수를 0.3 W의 레이저 파워와 600 mm/s의 소제 속도로 사용하는 것이 바람직하다. 상기 벽과 내부 영역은, 8 kHz의 펄스 주파수가 1 W의 레이저 파워와 600 mm/s의 소제 속도로 사용되는 고체 소결 공정에 의해 생성된다. 텅스텐 나노입자들을 함유하는 텅스텐 나노분말로 구성되는 층들의 도포는 지지체(2)를 1㎛ 이하 만큼 하강시키고 이어서 입자들을 도포함으로써 실현된다. 각각 도포된 층은 지지체(2)에 가청 음파를 작용시킴으로써 레이저 빔(3)이 조사되기 전에 압축될 수 있다. 지지체(3)의 축(14)의 승강에 의해 대략 500 Hz의 주파수를 갖는 진동이 통상 발생된다. 미니어처 물체를 운반하는 지지체(2)에 초음파를 작용시킴으로써 미니어처 물체는 지지체 및 스페이서로부터 분리되며, 상기 지지체(2)는 이러한 목적으로 초음파 발생기에 결합된다.
다른 실시예에서는, 구리 미세입자로 구성된 분말 또는 구리 미세입자와 텅스텐 나노입자의 혼합물을 사용함으로써 구리 및 텅스텐/구리의 미니어처 물체가 제조된다. 상기 지지체(2)는 대략 2㎛씩 하강된다.
다른 실시예에 따르면, 은 미세입자의 분말 또는 은 미세입자와 텅스텐 나노입자의 혼합물을 사용함으로써, 은 및 텅스텐/은의 미니어처 물체가 제조될 수 있다. 이 경우에, 상기 지지체(2)는 대략 2㎛씩 하강된다.
다른 실시예에 따르면, 티타늄 미세입자 및/또는 나노입자의 분말을 사용함으로써, 티타늄의 미니어처 물체가 제조될 수 있다. 이 경우에, 상기 지지체(2)는 대략 2㎛씩 하강된다.
다른 실시예에 따르면, 알루미늄 미세입자의 분말을 사용함으로써, 알루미늄의 미니어처 물체가 제조될 수 있다. 이 경우에, 0.8 W의 낮은 레이저 파워를 갖는 소결 공정이 수행되며, 분리가능한 스페이서를 제조하기 위해 0.25 W의 레이저 파워가 사용된다.
다른 실시예에 따르면, 알루미늄과 티타늄 미세입자 및/또는 나노입자의 혼합물을 사용함으로써, 알루미늄/티타늄의 미니어처 물체가 제조될 수 있다. 이 경우에, 0.8 W의 레이저 파워로 소결 공정이 수행되며, 분리가능한 스페이서를 제조하기 위해 0.25 W의 레이저 파워가 사용된다.
다른 실시예에서, 층은 텅스텐 나노입자를 함유하는 페이스트로 구성되며, 바인더의 증기압보다 약간 높은 압력의 진공에서 예비-건조된다. 상기 바인더는 레이저 빔(3)에 의해 실현되는 가열 공정에서 제거된다. 그 복귀 운동 이전에, 환형 닥터 블레이드(6)는 상승되고 이후 세척용 고무 립(lip)(15) 형태의 세척 장치(도 4에 도시됨) 위로 안내된다.
(제2 적용예)
후술하는 상세한 설명은 적어도 하나의 레이저의 레이저 빔(3)에 의해 진공 또는 보호 가스 분위기의 처리 챔버(1) 내에서 지지체(2) 상에 치아 인레이(tooth inlays) 형태의 미세구조 물체를 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
상기 장치는 제1 실시예에 사용된 것과 본질적으로 동일하다. 그러나, 방법은 보호 가스 분위기 하에서 이루어진다. 층들은 페이스트 또는 겔 형태로 도포된다. 이들 층은 예비-건조되고, 바인더는 전체 층 위에 레이저 빔(3)을 신속히 소제함으로써 증발된다. 상기 층은 5㎛ 이상 20㎛ 이하의 두께를 갖는다. 레이저는 레이저 빔 스폿 직경이 실현되도록 멀티모드로 작동한다. 레이저 파워는 미세구조 물체를 소결하기 위해서는 3 W인 것이 바람직하고 분리가능한 스페이서를 소결하기 위해서는 1 W인 것이 바람직하다. 닥터 블레이드는 폐쇄된 환형 닥터 블레이드(6) 형태로 실현되는 것이 바람직하다. 도포 공정 이후, 환형 닥터 블레이드(6)는 드라이브 시스템(9)의 도움으로 상승되고, 세척을 위해 고무 립(15) 위로 안내된다. 세척 공정 이후, 닥터 블레이드(6)는 다시 한번 저장소(4a) 위에 배치되고 새롭게 충진된다. 상기 장치는 또한 페이스트 또는 겔을 위한 적어도 하나의 다른 저장소(4b)를 포함한다. 적어도 두 개의 저장소(4a, 4b)는 소결 공정후 상이한 색상, 바람직하게는 백색과 회황색(grayish-yellow)을 갖는 페이스트 또는 겔을 함유한다. 제조 공정 중에, 디더링(dithering) 방법으로 상이한 페이스트 또는 겔의 층을 번갈아 도포함으로써 백색과 회황색 사이의 모든 색상들이 구현될 수 있다. 이로 인해 인레이의 색상을 치아에 최적하게 적응시킬 수 있다. 변형예에서는, 저장소로서 동시에 작용하고 원 운동할 수 있는 두 개의 환형 닥터 블레이드(6)가 사용된다. 환형 닥터 블레이드(6)는 상부로부터 레이저 빔(3)용 힌지식 커플링 윈도우(13)를 통해 장착된다. 이 변형예의 장점은 환형 닥터 블레이드(6)가 새롭게 도포된 층 위로 다시 한번 통과하는 것이 방지될 수 있도록 일 방향으로만 이동될 필요가 있다는 점이다. 이 경우, 환형 닥터 블레이드를 상승시킬 필요는 없다. 닥터 블레이드(6)는 세척을 위해 스트리퍼를 지나서 이동된다.
다른 실시예에서는, 일체형으로 제작된 요소에 의해 미니어처 물체 또는 미세구조 물체가 실현될 수 있다. 이 경우에 제작된 요소는 지지체(2) 상에 배치된다. 초기 도포 중에, 제작된 요소의 주위 및 지지체(2) 위의 공간은 분말로 완전히 충진된다. 이는 예비제작된 요소를 지지체(2) 상에 충분히 고정한다. 이어서 입자를 함유하거나 입자로 구성된 층이 도포되며, 각각의 층들은 그 도포 이후 이 평면에서의 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 윤곽에 따라 레이저 빔(3)으로 조사된다. 이는 입자들이 이 평면에서 소결에 의해 연속적으로 상호 연결되게 하는 바, 즉 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 내부 영역과 벽 형태로 연결되게 한다. 또한, 제1 층의 입자들도 미니어처 물체 또는 미세구조 물체가 제조되도록 예비제작된 요소에 연결되며, 상기 입자들은, 각각의 평면에서 부분 층상, 층상 또는 선형 방식으로 작은 접촉면적 구조를 갖고 보이드를 함유하는 분리가능한 스페이서들 내에 동시에 소결된다. 이 공정 중에, 확실한 정적 강도 및 전단력에 대해 낮은 저항이 실현된다. 미니어처 물체 또는 미세구조 물체와 스페이서를 분리하기 위해서는 초음파가 사용되는 것이 바람직하다. 지지체(2)와 미니어처 물체 또는 미세구조 물체는 쉽게 분리될 수 있도록 고체상으로 융합되지 않는다.

Claims (16)

  1. 적어도 하나의 레이저의 레이저 빔에 의해 진공 또는 보호 가스 분위기의 처리 챔버 내에서 지지체 상에 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    입자를 함유하거나 입자로 구성된 층들이 도포되고, 도포 이후 각각의 층은 입자들이 각각의 평면에서 부분 층상, 층상 또는 선형 방식으로 소결되고, 작은 접촉면적 구조를 갖고 보이드를 함유하는 분리가능한 스페이서들이 제조되도록 레이저 빔(3)으로 조사되어 확실한 정적 강도뿐 아니라 전단력에 대해 낮은 저항이 실현되며,
    입자를 함유하거나 입자로 구성된 층들이 도포되고, 도포 이후 각각의 층은 입자들이 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 내부 영역과 벽 형태로 소결됨에 의해 상기 평면에서 연속적으로 상호 연결되어 미니어처 물체 또는 미세구조 물체가 제조되도록 상기 평면에서 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 윤곽에 따라 레이저 빔(3)으로 조사되며,
    상기 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 및 분리가능한 스페이서를 구비한 지지체(2)는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 지지체(2) 및 분리가능한 스페이서로부터 분리시키기 위해 초음파에 노출되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 입자를 함유하거나 입자로 구성된 층들이 도포되고, 도포 이후 각각의 층은 입자들이 각각의 평면에서 부분 층상, 층상 또는 선형 방식으로 소결되고, 작은 접촉면적 구조를 갖고 보이드를 함유하는 분리가능한 스페이서들이 제조되도록 레이저 빔(3)으로 조사되어 확실한 정적 강도뿐 아니라 전단력에 대해 낮은 저항이 실현되며,
    입자를 함유하거나 입자로 구성된 층들이 도포되고, 도포 이후 각각의 층은 입자들이 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 내부 영역과 벽 형태로 소결됨에 의해 상기 평면에서 연속적으로 상호 연결되어 미니어처 물체 또는 미세구조 물체가 제조되도록 상기 평면에서 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 윤곽에 따라 레이저 빔(3)으로 조사되고, 입자들은 또한 작은 접촉면적 구조를 갖고 보이드를 함유하는 분리가능한 스페이서가 제조되도록 각각의 평면에서 부분 층상, 층상 또는 선형 방식으로 소결되어 확실한 정적 강도뿐 아니라 전단력에 대해 낮은 저항이 실현되며,
    상기 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 및 분리가능한 스페이서를 구비한 지지체(2)는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 지지체(2) 및 분리가능한 스페이서로부터 분리시키기 위해 초음파에 노출되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 지지체(2) 상에 배치되고 입자를 함유하거나 입자로 구성된 층들로 둘러싸이는 적어도 하나의 예비제작된 요소에 입자를 함유하거나 입자로 구성된 층들이 도포되며,
    도포 이후 각각의 층은 입자들이 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 내부 영역과 벽 형태로 소결됨에 의해 상기 평면에서 연속적으로 상호 연결되도록 상기 평면에서 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 윤곽에 따라 레이저 빔(3)으로 조사되고, 제1 층에서는 입자들도 미니어처 물체 또는 미세구조 물체가 제조되도록 상기 예비제작된 요소에 연결되며,
    입자들은 작은 접촉면적 구조를 갖고 보이드를 함유하는 분리가능한 스페이서로 상기 평면에서 부분 층상, 층상 또는 선형 방식으로 동시에 소결되어 확실한 정적 강도 및 전단력에 대해 낮은 저항이 실현되며,
    상기 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 및 분리가능한 스페이서를 구비한 지지체(2)는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 분리가능한 스페이서로부터 분리시키기 위해 초음파에 노출되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 방법.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 층에 대한 레이저 빔(3)의 펄스 주파수 및 소제 속도는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 및 스페이서의 제조에 있어서 동일하며, 레이저 파워가 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 제조중에서 보다 스페이서의 제조 중에 더 낮거나, 레이저 파워는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 및 스페이서의 제조 중에 동일하며, 층에 대한 레이저 빔(3)의 펄스 주파수 및 소제 속도가 미니어처 물체 또는 미세구조 물체의 제조 중에서 보다 스페이서의 제조 중에 더 높은 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 방법.
  5. 제1항, 제2항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 입자를 함유하거나 입자로 구성된 층들은 프린팅 기술, 분사 또는 적어도 하나의 닥터 블레이드에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 방법.
  6. 제1항, 제2항, 제3항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 입자들을 함유하는 페이스트의 층에는 바인더의 증기압보다 약간 높은 압력을 갖는 진공이 작용하며, 상기 층에서 바인더를 제거하기 위해 상기 층이 레이저 빔(3)에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서, 각각의 도포된 층은 레이저 빔(3)이 조사되기 전에, 지지체 및/또는 닥터 블레이드에 가청 음파 또는 초음파를 작용함으로써 및/또는 닥터 블레이드를 수평으로 회전시킴으로써 압축되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 닥터 블레이드는 지지체(2) 위에서 폐쇄된 이동 경로를 따라서 일 방향으로 안내되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 동일하거나 상이한 색상을 갖는 적어도 두 개의 상이한 재료가 상이한 층에 사용되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 적층 디더링 방법이 사용되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 방법.
  11. 제1항의 방법으로 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 제조하기 위한 장치로서, 미니어처 물체 또는 미세구조 물체를 위한 적어도 하나의 각각의 지지체(2), 입자 저장소(4), 입자들을 상기 저장소(4)로부터 진공 또는 보호 가스 분위기의 처리 챔버(1)에 배치된 지지체(2)로 운송하기 위한 장치, 및 상기 처리 챔버(1)의 내부 및 외부에 배치된 적어도 하나의 레이저를 포함하며, 상기 레이저의 레이저 빔(3)이 입자들을 갖는 지지체(2)의 표면을 소제할 수 있는 장치에 있어서,
    상기 운송 장치는, 적어도 하나의 폐쇄된 환형 닥터 블레이드(6)로 구성되고, 상기 닥터 블레이드는 구성 요소에 의해 지지체(2)에 대해 평행하게 놓이는 적어도 하나의 평면에서 이동될 수 있고 저장소 또는 지지체(2)에 인접하여 배치된 표면 및 지지체(2) 자체 위에서 적어도 회전 또는 이동할 수 있도록 드라이브에 회전가능하게 지지 및 결합되거나, 결합된 드라이브에 의해 x-방향 및 y-방향으로 이동될 수 있으며,
    지지체(2) 상으로의 적층 방식으로의 도포는, 환형 닥터 블레이드(6)에 의해 별도의 저장소(4)로부터의 입자에 의해 실현되거나, 저장소로서 작용하는 환형 닥터 블레이드(6)로부터의 입자에 의해 실현되며,
    적어도 하나의 레이저의 레이저 빔(3)에 의한 조사는 층 내의 입자들 사이 및 하나의 층과 인접한 층 사이에 소결 연결을 생성하며,
    분리가능한 스페이서들 및 미니어처 물체들 또는 미세구조 물체들은 연속하여 및/또는 인접하여 제조되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 지지체(2)는 드라이브(11)에 의해 환형 닥터 블레이드(6)에 대해 이동될 수 있고, 및/또는 저장소(4)의 바닥(10)은 드라이브(12)에 의해 환형 닥터 블레이드(6)에 대해 이동될 수 있고, 및/또는 환형 닥터 블레이드(6)는 드라이브(8)에 의해 지지체(2) 뿐 아니라 지지체(2)에 인접하여 배치된 표면 또는 저장소(4)에 대해 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 환형 닥터 블레이드(6)에는, 드라이브 기구에 의해 변위될 수 있고 닥터 블레이드(6)를 적어도 지역적으로 폐쇄하는 램 또는 고정 램이 제공되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 장치.
  14. 제11항, 제12항 또는 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환형 닥터 블레이드(6) 및/또는 지지체(2)는 각각 가청 음파 발생기 및/또는 초음파 발생기에 결합되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 장치.
  15. 제11항, 제12항, 제13항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 레이저 빔(3)의 사각형 단면을 실현하기 위한 마스크, 또는 역 가우스 프로파일 형태의 강도 분포를 발생시키는 균질화장치 또는 빔 성형 유닛이, 빔 방향으로 지칭되는 레이저의 하류에 배치되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 장치.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환형 닥터 블레이드(6)는 평면 회전 기어 또는 가변 길이형 변위가능 장치에 결합되는 것을 특징으로 하는 미니어처 물체 또는 미세구조 물체 제조 장치.
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