KR20070102999A - 그린 바디의 성형 방법 및 상기 방법에 의하여 생성된 물품 - Google Patents

그린 바디의 성형 방법 및 상기 방법에 의하여 생성된 물품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 소결성 입자 및 유기 결합제로 이루어지는 성형된 그린 바디를 제공하는 그린 바디의 성형 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 (1) 소결성 입자와 유기 결합제의 혼합물을 초기 그린 바디 또는 중간체의 형상으로 성형하는 단계로서, 여기서 소결성 입자는 금속 입자 또는 세라믹 입자 중 1 이상을 포함하는 것인 단계; 및 (2) 그린 바디 중간체를 에너지 스트림 또는 물질 스트림 중 1 이상으로 성형하는 단계로서, 여기서 성형은 소정의 형상을 갖는 그린 바디를 생성하는 것인 단계를 포함한다. 성형된 그린 바디는 거의 성형된 그린 바디의 형상을 갖는 경화된 바디를 제공하기 위해서 소결 처리할 수 있다. 이러한 방법은 특히 치과교정용 브래킷을 제조하는 데 특히 유용하다.

Description

그린 바디의 성형 방법 및 상기 방법에 의하여 생성된 물품{METHODS FOR SHAPING GREEN BODIES AND ARTICLES MADE BY SUCH METHODS}
본 발명은 그린 바디(green body)의 성형 방법 및 이로부터 소결된 물품의 형성 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 실질적으로 소결된 물품의 형상을 갖는 그린 바디를 제조하도록 소결전 그린 바디 중간체를 에너지 및/또는 물질의 스트림을 사용하여 절삭 및 성형하고, 이어서 그 성형된 그린 바디를 소결하여 소결된 물품을 형성하는 것에 관한 것이다.
제조용 도구, 기계 부품 또는 기타 금속 또는 세라믹 부품의 설계 및 제조는 복잡하며, 시간 소모적이다. 적절한 치수 및 특징을 갖는 금속 또는 세라믹 물품을 생산하는데 요구되는 순차적인 반복(sequential iteration)은, 특히 최근 개발된 일부 제조 물품의 복잡성을 고려하면, 상당히 비용적인 문제가 되고 있다. 연구 및 개발과 관련된 긴 리드 타임 및 높은 비용은, 금속 또는 세라믹 물품의 완성에 필요한 반복적인 생산 단계의 수와 조합할 경우, 시장 잠입(time-to-market) 및 관련 비용을 증가시키고 있다.
이에 응하여, 고속 조형(rapid prototyping) 기술 및 고속 제조 기술을 만들어 내도록 연구 및 개발이 추진되고 있다. 부분적으로, 컴퓨터 보조 설계 및, 때때로 물리적 모형(mockup)을 스캐닝하여 원형(prototype)의 정확한 3차원 컴퓨터 화상을 생성하는 능력은 반복적 공정이 물리적 모형보다는 가상 화상을 조작할 수 있게 한다.
고속 조형은 또한 결과적으로 고속 금형(rapid tooling)을 유도하며, 이 고속 금형은 고속 조형 공정에 의하여 생성된 모울드로부터 작업 모델을 제조하는 간접적인 방법이다. 가상의 물체는 컴퓨터 화상을 조작하여 정확하게 설계할 수 있으며, 이로써 물리적 물체를 실질적으로 제조하기 전에 물리적 모울드를 제조하는데 사용된다. 이러한 공정에 의하여 생성된 물리적 물체는 임의의 하나의 물체가 목적하는 용도에 대하여 작용하는지의 여부를 결정하기 위하여 테스트할 수 있다.
고속 조형 기술은 결과적으로 고속 제조 시스템을 유도한다. 이러한 고속 제조 시스템은 컴퓨터 보조 조형 성능을 스테레오리쏘그래피(stereolithography)와 같은 컴퓨터 보조 제조 기법과 통합되고 있다. 기타 고속 제조 기법으로는 제트 고화(jet solidification), 3차원 용접(3-dimensional welding), 형상 층상화(shape deposition) 제조 및 레이저-기초한 제조 시스템 등이 포함된다. 널리 퍼져 있는 레이저-기초한 제조 기법은 선택적 레이저 소결(selective laser sintering), 직접 금속 레이저 소결(direct metal sintering) 및 레이저 처리된 그물 형태화(laser-engineered net shaping)을 포함한다.
이들 레이저-기초한 제조 기법은 물품이 완성될 때까지 레이저를 사용하여 한번에 금속 또는 세라믹 분말을 하나의 층으로 소결 또는 경화시킴으로써 원형을 적층(layer-by-layer)으로 생성한다. 또한, 추가의 소결 단계 및 금속 침투 단계는 작업 부품(working piece)을 생성하는데 필요할 수 있다. 반대로, 이들 레이저-기초한 제조 기법은 하나의 층을 한번에 생성하는 것이 곤란한 돌출 (protruding) 피처, 오버행(overhnag) 피처 또는 기타 피처를 갖는 복잡한 물품을 생성하기에는 부적절할 수 있다. 게다가, 이들 기법은 일반적으로 부피가 큰 최종 사용 물품의 제조에 부적절하다. 그리하여, 매우 정확한 원형뿐 아니라 최종 용도 물품을 생성하기 위한 고속 제조 공정에서의 개선이 여전히 요구되고 있다.
금속 부품의 제조가 용이한 분야는 치과교정학(orthodontics)의 분야이다. 치과교정용 브래킷(orthodontic bracket)은 삐뚤어진 치아 또는 치아들 사이의 커다란 간극과 같은 치과 기형을 교정하기 위하여 널리 사용되고 있다. 치료는 치아를 정확한 정렬로 이동시키기 위하여 치아에 힘을 가하는 것을 수반한다. 브래킷은 정렬된 아치내 치아에 힘을 제공하도록 배치된다. 각각의 브래킷은 치아에 고정되도록 배치된 결합 표면(bonding surface)을 갖는다. 결합 표면과 치아 사이에는 치료 지속기간 중에 치아를 적절히 정렬시키는데 필요한 힘을 견딜 수 있는 결합이 형성된다.
금속, 중합체 및 복합재를 비롯한 다양한 유형의 물질을 사용하여 치과교정용 브래킷을 제조하고 있다. 금속은 각종 형상으로 제조가 가능하며 강도를 지니기 때문에 브래킷에 통상적으로 사용된다. 브래킷은 금속 입자를 모울딩 및 소결함으로써, 또는 금속 단편을 베이스 플레이트의 형상으로 밀링 처리함으로써 형성될 수 있다. 치과교정용 브래킷을 제조하는 한 방법은 모울드내에서 그린 금속 바디를 형성시키는 단계, 및 그 그린 금속 바디를 최종 부품으로 소결시키는 단계를 포함한다.
통상적으로, 접착제는 브래킷의 결합 표면과 치아 사이의 화학적 결합을 형성하는데 사용된다. 함몰부 또는 언더컷은, 접착제가 결합에 기계적 양상을 제공하기 위하여 이들 물리적 형성부 내로 충전되어 경화될 수 있기 때문에, 치과용 브래킷과 치아 사이에서의 결합 강도를 증가시킬 수 있다. 모울드는 베이스 표면에서 돌출된 부분, 함몰된 부분 또는 불규칙한 부분을 포함하도록 구조화될 수 있다. 또는, 금속 브래킷은 함몰부 또는 언더컷을 포함하도록 절삭 또는 성형될 수 있다. 이는 레이저 또는 기타 밀링 장치를 사용하여 경화된 금속 결합 표면으로 절삭함으로써 수행될 수 있다. 레이저를 사용한 금속 브래킷의 절삭(cutting) 및 밀링(milling)은 탄화, 흑변 또는 산화로 인하여 브래킷의 생체적합성을 감소시킬 수 있다.
그러므로, 경화된 금속 또는 세라믹 물질을 절삭 또는 밀링하지 않으면서 금속 또는 세라믹 물품, 예를 들면 치과교정용 브래킷을 생성 및 성형하는 개선된 방법이 요구되고 있다. 또한, 그것은 한번에 1층을 제조하고자 하는 원형 또는 작업 물품을 필요로 하는 제조 방법을 선행하는 것이 유리하다.
발명의 구체예의 간단한 개요
일반적으로, 그린 바디의 성형 방법의 구체예는 실질적으로 그린 바디로부터 제조되는 소결된 물품(예, 치과교정용 브래킷 또는 브래킷 베이스 플레이트)의 형상인 소정의 형상을 갖는 그린 바디를 제공할 수 있다. 이러한 방법은 소결성 입자와 유기 결합제의 혼합물을 초기 그린 바디의 형상으로 모울딩하는 단계를 포함한다. 추가로, 이러한 방법은 소정의 형상을 갖는 성형된 그린 바디를 얻기 위하여 초기 그린 바디를 에너지 스트림 및/또는 물질 스트림을 사용하여 추가로 성형하는 단계를 포함한다. 성형을 촉진하기 위하여, 초기 그린 바디 중간체는 복수의 소결성 입자와, 성형 중에 소결성 입자를 제거하면서 형태 안정성을 갖도록 상기 복수의 소결성 입자를 함께 충분하게 유지하는 함량 및 분포로 존재하는 유기 결합제로 이루어진다. 성형된 그린 바디는 표면에 1 이상의 "스트림-절삭 표면"을 갖는 것을 특징으로 한다.
또다른 구체예에서, 제조 방법은 소결된 바디로 이루어진 제조의 물품을 제공할 수 있다. 이러한 방법은 소결성 입자와 유기 결합제의 혼합물을 초기 그린 바디 중간체의 형상으로 모울딩하는 단계를 포함한다. 에너지 및/또는 물질 스트림을 사용하여 초기 그린 바디 중간체를 성형하는 단계는 결과적으로 소정의 형상을 갖는 그린 바디를 생성하며, 여기서 소정의 형상은 실질적으로 최종 소결된 물품의 형상이 된다. 게다가, 성형된 그린 바디를 소결시키는 단계는 소정의 형상을 갖는 물품을 생성하도록 수행된다.
또다른 구체예는 스트림-성형된 그린 바디의 제조시 사용하기 위한 초기 그린 바디를 포함한다. 초기 그린 바디는 복수의 소결성 입자로 이루어지며, 여기서 소결성 입자는 금속 물질 또는 세라믹 물질 중 1 이상을 포함한다. 게다가, 그린 바디는 유기 결합제 매트릭스로 이루어지며, 여기서 유기 결합제는 상기 복수의 소결성 입자내에서 각각의 소결성 입자를 적어도 부분적으로 코팅한다. 유기 결합제는 하나의 소결성 입자를 또다른 소결성 입자로부터 분리하는 상기 복수의 소결성 입자의 일부분의 주위에서 두께를 지니며; 상기 복수의 소결성 입자를 함께 유지하기에 충분한 접착제이며; 상기 복수의 소결성 입자가 결합제에 의하여 함께 초기에 결합되는 형태 안정성 바디를 형성하며, 여기서 형태 안정성 바디는 스트림 제거 공정으로 처리하지 않은 부위에서 형태 안정성을 유지하면서 에너지 스트림 또는 물질 스트림 중 1 이상으로 성형될 수 있는 것을 특징으로 한다.
치과교정용 브래킷 제조의 경우, 성형된 그린 바디의 외부 표면은 에너지 및/또는 물질 스트림으로 이루어진 적어도 일부분을 포함할 수 있으며, 금속 입자를 포함하는 복수의 함몰부 및/또는 융기부를 특징으로 하는 토폴로지(topology)를 지닌다. 이러한 함몰부 및/또는 융기부는 소결후 유지되어 최종 브래킷을 생성한다. 결합 표면의 경우, 함몰부 및/또는 융기부는 환자의 치아에 예를 들면 함몰부 및/또는 융기부내에서 그리고 주위에서 접착제의 기계적 인터로킹뿐 아니라 증가된 면적을 통하여 브래킷을 환자의 치아에 결합시키는 것을 돕는다. 그린 금속 바디의 다른 부분(예, 아치와이어 슬롯, 타이 윙, 등)은 에너지 및/또는 물질 스트림으로 성형함으로써 형성될 수 있다. 특정의 구체예에서, 그린 바디 표면에 또는 그 부근에 배치된 금속 입자의 적어도 일부분은 성형에 사용되는 레이저 또는 기타의 에너지 스트림의 열에 의하여 소결되기 이전에 함께 융합될 수 있다.
통상적으로, 에너지 및/또는 물질 스트림에 의하여 제거된 금속 또는 세라믹 입자는 그린 금속 바디의 표면에 재부착되지 않으나, 전체가 제거되어 폐기된다. 소결성 입자가 재부착되는지의 여부는 대개 유기 결합제가 용융, 연소 또는 분해되는 온도와 소결성 입자가 용융 또는 기화되는 온도 사이의 관계에 따라 결정된다. 온도 차이가 클수록, 소결성 입자를 실질적으로 용융 또는 기화시키지 않으면서 레이저 또는 기타 스트림이 결합제를 용융, 연소 또는 분해할 가능성은 커지게 된다. 또한, 당업자라면, 본 명세서에 포함된 내용으로부터 비추어 볼 때, 그린 금속 바디 표면에 재부착되는 것을 방지하기 위하여 소결성 입자의 깨끗한 제거를 보장하는 에너지 스트림(예, 레이저) 및/또는 절삭 절차를 선택할 수 있다.
본 발명의 한 구체예는 그린 치과교정용 브래킷 바디를 제조하는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 소결성 입자를 모울드에 투입(예, 사출)하는 단계, 및 소결성 입자들을 함께 유지하기에 충분량으로 결합제를 모울드에 투입(예, 사출)하는 단계를 포함할 수 있다. 소결성 입자 및 결합제는 이롭게는 실질적으로 치과교정용 브래킷 및/또는 베이스 플레이트의 형상이 되도록 초기 그린 바디로 형성된다. 또는, 초기 그린 바디는 치과교정용 브래킷의 형상으로 추가로 성형될 수 있는 형태로 프레스 처리될 수 있다.
초기 그린 바디는 치과교정용 브래킷 및/또는 베이스 플레이트의 임의의 피처(feature)를 형성하기 위하여 외부 표면을 절삭하는 에너지 및/또는 물질 스트림을 사용하여 성형된다. 또한, 그린 금속 바디 또는 보다 상세하게는, 결합 표면의 형상에서의 그 표면은 에너지 및/또는 물질 스트림을 사용하여 그 표면으로부터 형성되는 복수의 융기부, 함몰부 및/또는 언더컷을 지닐 수 있다.
본 발명의 또다른 구체예는 성형된 그린 바디로부터 치과교정용 브래킷 및/또는 베이스 플레이트를 제조하기 위한 것이다. 따라서, 그린 금속 바디는 성형된 그린 바디를 소결된 바디로 소결시킴으로써 치과교정용 브래킷 및/또는 베이스 플레이트으로 처리할 수 있다. 소결된 바디의 외부 표면은 치과교정용 브래킷의 형상을 구획하며, 에너지 및/또는 물질 스트림에 의하여 그 표면에서 성형된 적어도 일부분을 포함할 수 있다. 그 성형된 부분은 소결되기 이전에 에너지 및/또는 물질 스트림을 사용하여 초기 그린 바디를 절삭함으로써 형성된다. 이는 금속 바디를 레이저로 절삭할 경우 통상적으로 발생하는 바와 같이 소결된 금속 바디의 성형된 부분에 탄화가 실질적으로 존재하지 않도록 할 수 있다. 또한, 성형된 부분은 외부 표면에 형성된, 보다 상세하게는 치과교정용 브래킷 및/또는 베이스 플레이트상의 결합 표면에 형성된 함몰부(예, 언더컷)가 될 수 있다.
성형된 그린 바디가 실질적으로 최종 소결된 브래킷의 형상으로 존재한다는 사실에도 불구하고, 성형된 그린 바디는 통상적으로 최종 브래킷보다 약 15 내지 30% 더 크며, 그리하여 그 자체가 치과교정용 브래킷이 되지 않는다. 성형된 그린 바디의 크기가 특대형인 것 이외에, 성형된 그린 바디는 실제의 브래킷이 치과교정 치료중에 처리되는 강한 토크 힘을 처리하는데 충분한 강도가 결여되어 있다(예, 치료중에 환자의 치아를 재배치하기 위하여 아치와이어 슬롯내의 브래킷에서 하부에 갖는 아치와이어의 결과로서). 성형된 그린 바디가 소결될 경우, 이는 치과교정용 브래킷의 크기로 수축되어 치과교정용 브래킷으로서 작용하기에 충분한 강도를 얻는다.
본 발명의 상기 및 기타의 잇점 및 특징은 하기의 상세한 설명 및 첨부한 청구의 범위로부터 보다 완전하게 명백해지거나 또는, 하기에 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하여 숙지할 수 있다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 상기 및 기타의 잇점 및 특징을 추가로 명백하게 하기 위하여, 본 발명의 보다 상세한 설명은 첨부한 도면에서 도시하는 특정의 구체예를 참조할 것이다. 이러한 도면은 본 발명의 통상의 구체예만을 도시하는 것이므로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주하여서는 아니되는 것으로 이해한다. 본 발명은 첨부한 도면을 사용하여 추가의 구체예 및 세부 사항을 설명 및 교시하고자 한다.
도 1은 치과교정용 브래킷 형태의 성형된 그린 바디의 구체예를 나타내는 측면도를 도시한다.
도 2는 성형된 그린 바디로부터 소결성 입자를 스트림-제거함으로써 단일 초기 그린 바디로부터 성형될 수 있는 성형된 그린 바디의 각종 구체예를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 스트림-절삭 표면의 예시의 모폴로지의 구체예의 단면도를 도시한다.
도 4는 성형된 그린 바디를 생성하기 위한 시스템의 구체예를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 5는 성형된 그린 바디로부터 소결된 바디를 생성하기 위한 시스템의 구체예를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 6은 초기 그린 바디를 형성하는데 사용된 입자 및 결합제 조성물을 처리하기 위한 시스템의 구체예를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 7은 스캐닝 및/또는 성형 시스템의 구체예를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 8은 스트림-절삭 장치의 구체예를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 9a는 스트림-절삭 노즐의 구체예를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 9b는 동축(coxial) 스트림-절삭 노즐의 구체예를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 9c는 동축 스트림-절삭 노즐의 구체예를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 10은 3차원 스트림-절삭 시스템의 구체예를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 11은 본 발명에 의하여 형성된 예시의 치과교정용 브래킷을 나타내는 개략도를 도시한다.
도 12a는 치과교정용 브래킷의 형상인 예시의 그린 바디를 나타내는 측면도를 도시한다.
도 12b는 치과교정용 브래킷 베이스 플레이트의 형상인 예시의 그린 바디를 나타내는 측면도를 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 치과교정용 브래킷의 결합 표면의 일부분을 형성하는 그린 바디의 예시의 구체예를 나타내는 측면도를 도시한다.
도 14a 내지 도 14c는 치과교정용 브래킷의 결합 표면의 일부분을 형성하는 그린 금속 바디의 예시의 구체예를 나타내는 측면도를 도시한다.
발명의 구체예에 관한 상세한 설명
본 발명의 구체예는 금속 또는 세라믹 입자로 이루어진 초기 그린 바디, 상기 초기 그린 바디로부터 생성되는 성형된 그린 바디, 상기 성형된 그린 바디로부터 생성되는 소결된 바디 및 이와 관련한 이들의 제조 및 사용 방법을 포함한다. 초기 그린 바디는, 최종 경화된 물품으로 소결되기 이전에 소정의 형상을 갖도록 에너지 및/또는 물질 스트림 중 1 이상으로 성형된다.
I. 일반적인 정의
본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "그린(green)"이라는 것은 제조의 물품 상태를 지칭하는 것을 의미하며, 여기서 물품은 유기 결합제와 함께 유지되는 복수의 소결성 입자, 예컨대 금속 또는 세라믹 입자로 이루어진다. 그래서, 초기 그린 바디는 성형된 그린 바디를 형성시키기 위해서 에너지 및/또는 물질 스트림을 사용하여 성형할 수 있다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "형상(shape)", "형태(form)" 등은 제조 물품의 3차원 구조 또는 외관을 확인하는 것을 의미한다. 그래서, 기어 형상의 그린 바디는 기어-성형된 그린 바디를 소결하여 생성된 실제의 기어와는 상이한 조성, 치수 및 비례를 지닐 수 있기는 하나, 그린 바디는 기어와 같이 보일 수 있다는 것을 나타내는 것으로 간주한다. 예를 들면, 기어와 같은 형상을 갖는 그린 바디는 기어의 외관을 지니나, 소결된 기어보다 약 10% 내지 약 30% 더 클 수 있다. 또한, 의도한 바와 같이 작용하기에 충분한 강도가 결여될 수 있다. 이러한 강도는 통상적으로 소결의 결과로서 형성된다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "스트림-절삭(stream-cut)"이라는 것은 에너지 스트림, 예컨대 레이저 또는 전자 비임 또는 스트림 물질, 예컨대 입자의 스트림으로의 워터-제트로 물체를 절삭함으로써 소정의 형상을 갖는 물체 또는 물품을 생성하는 공정을 지칭하는 것을 의미한다. 스트림-절삭됨으로써, 물체 또는 물품은 형상을 변경시키도록 절삭된다. "스트림-절삭 표면(stream-cut surface)"이라는 것은 에너지 스트림 또는 물질 스트림 중 1 이상에 의하여 소결성 입자를 제거함으로써 형성된 표면을 지칭한다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "레이저-절삭(lazer-cut)"은 물체를 레이저로 절삭함으로써 소정의 형상을 갖는 물체 또는 물품을 성형시키는 공정을 지칭하는 것을 의미한다. 레이저-절삭됨으로써, 물질 또는 물품은 형상을 변경하도록 레이저로 절삭된다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "에너지 스트림(stream of energy)"은 실질적인 선형 궤적(linear trajectory)으로 전개되는 에너지의 비임 또는 흐름을 지칭하는 것을 의미한다. 그래서, 에너지 스트림은 레이저 비임 또는 전자기 방사선의 기타 비임을 포함할 수 있다. 게다가, 원자 또는 아원자 수준의 물질, 예컨대 플라즈마, 이온 또는 전자의 비임은 에너지 스트림인 것으로 간주한다. 원자 또는 아원자의 에너지 스트림의 예로는 전자 비임, 전기 방전, 플라즈마 비임, 이온 비임 등이 포함된다.
본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "물질 스트림(stream of matter)"은 실질적인 선형 궤적에서의 물질의 흐름을 지칭하는 것을 의미하며, 여기서 물질은 원자 수준보다 더 크며, 미시적 크기 및 거시적 크기의 입자를 포함한다. 물질의 거시적 스트림의 예로는 워터-제트, 유체-제트, 케미칼-제트, 샌드블래스팅 등이 포함된다.
농도, 함량, 입자 크기 및 기타 수치 데이타는 범위 포맷으로 제시될 수 있다. 이러한 범위 포맷은 단지 편의상 그리고 간단하게 사용하며, 범위의 한계치로서 명백하게 열거한 수치값 뿐만 아니라 마치 각각의 수치 값 및 부분 범위가 명백하게 열거되는 것과 같이 그러한 범위내에 포함된 각각의 수치 값 또는 부분 범위 모두를 포함하는 것으로 이해하여야 한다. 예를 들면, 소결성 입자는 다양한 그린 바디 조성에서 총 중량의 약 50% 내지 약 98%의 범위내에 존재할 수 있다. 이와 같이 열거한 범위는 약 50% 및 약 98%의 명백하게 열거한 한계치 뿐만 아니라, 이러한 각각의 조성 백분율, 예컨대 55, 62, 70 및 88 뿐만 아니라, 이들 각각의 비율 사이의 부분 범위도 포함하는 것으로 해석하여야만 한다. 이러한 해석은 설명하는 범위 또는 특징의 폭과는 무관하게 적용되어야만 하며, 상한치 및 하한치 모두 뿐 아니라, 단 하나의 수치 값을 열거하는 제한이 없는 범위(open-ended ranges)를 갖는 것으로 적용하여야만 한다.
II. 그린 바디 조성물
한 구체예에서, 그린 바디를 생성하는데 유용한 금속계 조성물은 복수의 소결성 금속 입자를 포함할 수 있다. 금속 입자의 예로는 알루미늄, 니켈, 티탄, 구리, 코발트, 스테인레스 스틸 등뿐 아니라 이의 각종 합금 등이 포함된다. 보다 구체적인 예에서, 금속 입자는 니켈-티탄 합금 분말로 이루어질 수 있다. 보다 상세하게는, 금속 입자는 분쇄 및/또는 분말화될 수 있고, 추후 소결될 수 있는 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 내식성 스테인레스 스틸 기어가 요구될 경우, 예비-합금화 미세 과립화된 스테인레스 스틸 분말을 사용할 수 있다.
한 구체예에서, 그린 바디 또는 이의 중간체를 생성하는데 유용한 세라믹계 조성물은 복수의 소결성 세라믹 입자를 포함할 수 있다. 입자내의 소결성 세라믹 입자 또는 물질의 예로는 히드록실아파타이트, 멀라이트, 결정질 산화물, 비결정질 산화물, 탄화물, 질화물, 규화물, 붕화물, 인화물, 황화물, 텔루르화물, 셀렌화물, 산화알루미늄, 산화규소, 산화티탄, 산화지르코늄, 알루미나-지르코니아, 탄화규소, 탄화티탄, 붕화티탄, 질화알루미늄, 질화규소, 페라이트, 황화철 등이 포함된다. 그래서, 임의의 소결성 세라믹 입자는 본 발명에 의한 소결성 그린 바디의 생성에 사용될 수 있다.
따라서, 다양한 유형의 소결성 금속 및/또는 세라믹 분말을 초기 그린 바디의 생성에 사용될 수 있다. 특정의 경우에서, 그린 바디를 소결시켜 생성된 물품의 사용은 요구되는 또는 필요한 물리적 성질을 제공하기 위하여 특정의 소결성 물질을 필요로 하게 된다. 그래서, 최종 물품의 특정 유형에 대하여 사용하고자 하는 물질의 유형에 대하여서는 선택 또는 제한이 존재할 수 있다. 부분적으로, 이는 각종 물품이 다양한 수준의 응력 또는 변형을 부여하는 사용중에 가하게 되는 힘을 견디어야만 할 수 있기 때문이다. 특정의 경우에서 소결된 바디는 정상의 사용중에 용이하게 손상되지 않도록 높은 정도의 강도 및 인성을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 또는, 굴곡가능하거나 또는 높은 굴절의 소결된 물품을 선호하게 된다. 특정의 물품은 매우 높은 온도 또는 매우 낮은 온도를 견디어야만 한다. 그래서, 금속 입자가 세라믹 입자에 대하여 바람직할 수 있거나 또는 그 반대인 경우가 있다.
따라서, 본 발명에 의하여 사용된 입자의 성질은 성형된 그린 바디뿐 아니라 소결된 물품의 구조에 따라 달라질 수 있다. 부분적으로, 소결된 물품의 크기 및 표면 품질은 입자의 크기를 결정할 수 있으며, 예를 들면 더 작은 물품 또는 평활한 표면을 갖는 물품은 더 작은 입자를 필요로 할 수 있다. 예를 들면, 소결성 입자의 평균 직경은 일반적으로 약 0.01 ㎛ 내지 약 5 ㎜가 될 수 있다. 더 작은 입자의 바람직한 범위는 약 0.1 ㎛ 내지 약 50 ㎛이며, 더욱 바람직한 범위는 약 0.5 ㎛ 내지 약 25 ㎛이고, 가장 바람직한 범위는 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛이다. 반대로, 더 큰 입자의 바람직한 범위는 약 50 ㎛ 내지 약 5 ㎜, 더욱 바람직한 범위는 약 100 ㎛ 내지 약 1 ㎜이고, 가장 바람직한 범위는 약 0.25 ㎜ 내지 약 0.75 ㎜이다. 또한, 더 작은 입자의 바람직한 범위(들) 내에 있는 더 작은 입자와 더 큰 입자의 바람직한 범위(들) 내에 있는 더 큰 입자의 조합을 사용하는 것이 이로울 수 있다.
게다가, 그린 바디 조성물내의 소결성 입자의 농도는 다수의 요인, 예컨대 입자 크기, 금속 또는 세라믹의 유형, 유기 결합제의 함량 및 유형, 그리고 성형된 그린 바디 및 이로부터 생성되는 소결된 물품의 물리적 특징에 따라 크게 달라질 수 있다. 예를 들면, 소결성 입자는 그린 바디 조성물의 약 25% 내지 약 98 중량%, 바람직하게는 약 35% 내지 약 95 중량%, 더욱 바람직하게는 약 50% 내지 약 90 중량%, 가장 바람직하게는 약 60% 내지 약 85 중량%의 범위로 존재할 수 있다. 반대로, 금속, 세라믹, 탄화물 또는 기타의 강화 충전제가 포함될 경우, 소결성 입자는 더 낮은 농도로 존재할 수 있다.
소결성 입자들을 함께 결합시키기 위하여, 금속 또는 세라믹계 조성물은 유기 결합제를 포함한다. 본 발명에 의하여 소결성 입자들을 함께 결합시키는데 사용할 수 있는 유기 결합제의 예로는 각종 중합체, 폴리올레핀, 실리콘, 아크릴, 라텍스, 왁스, 오일, 그리즈, 가소제, 리그노설포네이트, 다당류, 셀룰로스 및 이의 유도체, 전분 및 이의 유도체, 기타의 천연 중합체(예, 단백질), 천연 및 합성 고무 등이 포함된다. 중합체 결합제의 보다 구체적인 예로는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아크릴 중합체, 폴리스티렌, 폴리에틸렌-비닐 아세테이트, 폴리에틸렌 비닐 알콜, 폴리에틸렌 아세테이트, 염소화 폴리에틸렌, 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 스티렌-부타디엔 디- 및 트리-블록 중합체, 폴리클로로프렌, 폴리에틸렌-프로필렌, 클로로설폰화 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 스티렌 이소프렌 중합체, 스티렌 에틸부틸렌 중합체, 스티렌 부타디엔 고무 라텍스, 폴리클로로프렌 라텍스, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리디메틸실록산 등이 포함된다. 당업계에 공지된 기타의 유기 결합제는 본 발명에 의하여 처리하기 위한 그린 바디 조성물에 소결성 입자들을 결합시키기 위하여 사용할 수 있는 것으로 인지되어야 한다.
따라서, 그린 바디를 생성하는데 유용한 조성물은 소결성 입자들을 함께 유지하기에 충분한 상기 복수의 소결성 입자내에서의 함량 및 성질의 결합제를 포함한다. 게다가, 금속 및/또는 세라믹 입자 및 결합제로 이루어진 초기 성형된 그린 바디 또는 중간체는 형태 안정성을 갖도록 하며 자유롭게 기립하며 자동 지지될 수 있도록 충분하게 프레스 처리 또는 압착될 수 있다. 보다 상세하게는, 결합제의 함량 및 성질은 그린 바디 중간체를 물질 스트림 및/또는 에너지 스트림을 사용하여, 예컨대 레이저, 워터-제트 또는 전자 비임을 사용하여 성형시키기에 충분하다. 그래서, 유기 결합제는 소정의 형상으로 소결성 입자들을 함께 유지할 수 있으며, 성형 공정중에 입자들을 함께 계속 유지한다.
게다가, 그린 바디 조성물내의 소결성 입자와 혼합된 유기 결합제의 농도는 전술한 요인에 따라 크게 달라질 수 있다. 예를 들면, 유기 결합제는 그린 바디 조성물의 약 2% 내지 약 75 중량%, 바람직하게는 약 5% 내지 약 65 중량%, 더욱 바람직하게는 약 10% 내지 약 50 중량%, 가장 바람직하게는 약 15% 내지 약 40 중량%의 농도 범위로 존재할 수 있다. 전술한 바와 같이, 결합제에 대한 임의의 소결성 입자의 비는 그린 바디 또는 중간체가 에너지 스트림 또는 물질 스트림과 함께 취급 및 성형되도록 하기에 충분히 함께 유지되는 한, 사용할 수 있는 것으로 이해하여야 한다.
한 구체예에서, 유기 결합제는 모울드에 사출시킬 수 있는 유동 가능한 입자-결합제 조성물을 형성하기에 충분한 함량 및 성질로 소결성 입자와 혼합 또는 조합될 수 있다. 이러한 유동 가능한 입자-결합제 조성물은 소결성 입자들의 주위에 및/또는 사이에 결합제를 분산시키도록 예비혼합될 수 있다. 이는 입자상에서 결합제를 접착시킬 뿐 아니라 입자를 현탁시키기 위한 매체를 제공할 수 있다.
본 발명에 의한 그린 바디 및 그린 바디의 다양한 제조 방법뿐 아니라 성형된 그린 바디로부터 생성될 수 있는 물품의 유형의 예는 하기에서 보다 상세하게 논의하고자 한다.
III. 그린 바디
도 1은 치과교정용 브래킷(10) 형상의 그린 바디(12)의 구체예를 도시한다. 그린 바디(12)는 유기 결합제와 함께 유지되는 소결성 금속 및/또는 세라믹 입자로 이루어지며, 여기서 치과교정용 브래킷(10)의 형상은 외부 표면(16)에 의하여 구획된다. 따라서, 그린 바디(12)는 로브 함몰부(30)에 이웃한 로브(28)를 갖는 것을 특징으로 하는 1 이상의 타이 윙(18)을 포함한다. 또한, 그린 바디(12)는 상부(또는 구순) 측면이 개방된 아치와이어 슬롯(20)을 포함한다. 도시한 바와 같이, 그린 바디(12)는 복수의 돌출부 및 언더컷을 포함하는 토폴로지를 갖는 결합 표면(22)을 포함한다.
이러한 구체예에서, 외부 표면(16)은 소결성 입자 및 결합제를 그린 바디(12)로부터 제거함으로써 형성된 복수의 언더컷(24)을 특징으로 하는 토폴로지를 갖는 1 이상의 스트림-절삭(예, 레이저-절삭) 표면(32a)을 포함한다. 일반적으로, 이러한 피처-형성 절삭(feature-forming cut)으로부터 형성된 피처는 거시적으로 볼 수 있거나 또는 미시적으로 볼 수 있다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "거시적"은 어떠한 확대를 사용하는 일 없이 육안으로 볼 수 있는 피처를 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 사용한 바와 같이 용어 "미시적"이라는 용어는 피처를 가시화하기 위하여 확대를 사용하는 것이 필요하다는 것을 지칭한다.
한 구체예에서, 그린 바디(12)는 외부 표면(16)에 또다른 스트림-절삭 표면(32b)을 지닐 수 있다. 이러한 스트림-절삭 표면(32b)은 상당량의 그린 물질이 제거되어 치과교정용 브래킷(10)의 형상을 형성하도록 그린 바디(12)로 절삭된다. 따라서, 그린 바디(12)는 쇄선(34)(예, 초기 그린 바디)으로 도시한 바와 같은 직사각형 단면을 지닐 수 있다. 보다 상세하게는, 그린 바디(12)의 제1의 부분(36)은 그린 바디의 제2의 부분(38)으로부터 절삭되어 절삭부에 레이저-절삭 표면(32b)을 형성한다.
게다가, 소수의 스트림-절삭 표면(32c)은 소량의 그린 바디 물질만을 제거하기 위하여 또는 이전의 절삭부를 다듬기 위하여 생성할 수 있다. 그래서, 피처-형성 스트림-절삭 표면(32a), 상당량의 스트림-절삭 표면(32b) 및/또는 소수의 스트림-절삭 표면(32c)은 본 발명에 의하여 스트림-절삭되어 성형된 그린 바디의 외부 표면(16)의 일부가 될 수 있다.
도 2는 그린 바디(50)로부터 형성될 수 있는 물품의 추가의 구체예를 도시한다. 단일 초기 그린 바디(50)는 기어(52), 롤러(54), 스핀들(56) 또는 임의의 기타 소정의 물품의 형상을 갖는 성형된 그린 바디로 스트림-절삭될 수 있다. 이는 초과의 물질이 절삭되어 초기 그린 바디(50)로부터 소정의 형상을 본질적으로 형성하는 스트림-절삭 공정에 의하여 수행될 수 있다. 그래서, 실질적으로 실린더형 형상을 갖는 초기 그린 바디(50)는 무수히 많은 그린 바디 형상들로 절삭될 수 있다.
따라서, 초기 그린 바디(50)는 스트림-절삭 표면(58)을 형성하도록 스트림-절삭 공정에 의하여 성형될 수 있다. 그래서, 스트림-절삭 표면(58)은 기어 치아부(60) 및 개구부(62)를 포함하는 기어(52)의 형상이 그린 물질을 에너지 스트림 또는 물질 스트림으로 절삭하여 형성될 수 있는 전체 외부 표면을 포함할 수 있다. 그래서, 치아부(60) 및 개구부(62)는 스트림-절삭 표면(58)에 의하여 각각 구획될 수 있다.
유사하게, 스트림-절삭 표면(58)은 롤러(54)의 형상을 형성하도록 초기 그린 바디(50)로 절삭될 수 있다. 도시한 바와 같이, 롤러(54)는 실질적으로 평활한 환상의 외부 스트림-절삭 표면(58)을 포함한다. 또한, 평활한 스트림-절삭 표면(58)에 의하여 구획된 개구부(64)는 초기 그린 바디(50)를 통하여 구멍을 형성할 수 있다.
또는, 스트림-절삭 표면(58)을 갖는 스핀들(56)은 초기 그린 바디(50)로부터 스트림-절삭될 수 있다.
성형된 그린 바디의 각종 구체예를 도시 및 설명하였으나, 본 발명은 이러한 형상으로 한정되지는 않는다. 따라서, 성형된 그린 바디는 본 명세서에서 설명한 바와 같이 절삭 및 소결될 수 있는 임의의 형상을 지닐 수 있다. 즉, 소결로부터 생성된 임의의 형상 또는 물품은 본 발명에 의한 성형된 그린 바디로서 생성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 스트림-절삭 표면(70)의 구체예를 도시한다. 도 3a의 스트림-절삭 표면(70)은 그린 바디(74)의 외부 표면상에 피처를 구획하는 토폴로지(72)를 포함한다. 이러한 구체예에서, 토폴로지(72)는 복수의 거시적 불규칙 융기부를 포함하며, 이는 돌출부(76), 함몰부(78) 및/또는 언더컷(80)의 형태가 될 수 있으며, 실질적으로 평평하지 않은 또는 거친 표면(81)이 생성된다. 또한, 더 큰 불규칙 융기부는 미시적이거나 또는 더 작은 불규칙한 융기부를 포함할 수 있으며, 이는 마이크로-돌출부(82), 마이크로-함몰부(84) 및 마이크로-언더컷(86)이 될 수 있다
또는, 도 3b에 도시한 바와 같이, 스트림-절삭 표면(70)은 실질적으로 평활면(88)을 구획하는 토폴로지(72)를 생성하는 방식으로 에너지 스트림 또는 물질 스트림으로 절삭될 수 있다. 그래서, 그린 바디(74)는 실질적으로 평평하지 않은(도 3a) 내지는 실질적으로 평활한(도 3b) 토폴로지 또는 표면을 갖도록 구조될 수 있다.
평평하지 않거나 또는 거친 표면(81) 또는 평활면(88)을 특징으로 하는 토폴로지(72)는 복수의 소결성 입자를 함께 유지하는 결합제로 이루어져 그린 바디(74)를 형성할 수 있다. 한 구체예에서, 토폴로지(72)상에서의 금속 입자의 일부분을 함께 용융시켜 용융된 표면층을 형성한다. 또다른 구체예에서, 토폴로지(72)상에서의 소결성 입자는 용융된 결합제와 함께 접착된다.
또다른 구체예에서, 토폴로지(72)의 일부분은 특히 에너지 스트림, 예컨대 레이저에 의하여 형성될 경우 탄화 또는 흑변 층을 포함한다. 탄화(charrred) 또는 흑변(blackened) 층은 고온으로 표면을 가열시키는 에너지 스트림으로 그린 바디(74)를 절삭하는 공정을 수반하는 결합제의 기화, 용융 및/또는 연소로부터 생성되는 표면 피처를 특징으로 할 수 있다.
IV. 그린 바디 및 소결된 물품의 제조
도 4 내지 도 10은 그린 바디 및 이로부터 생성되는 소결된 물품의 형성중에 사용할 수 있는 시스템 및 장치 처리의 구체예의 다양한 개략도를 도시한다. 이들은 처리 시스템 및 장치의 개략도의 예일 뿐이며, 본 발명의 그린 바디 및 소결된 물품을 생성하기 위하여 각종 변형예를 실시할 수 있다. 따라서, 통상적으로 공지되거나 또는, 대부분의 유형의 소결성 그린 바디 및 소결된 물품을 생성하기 위하여 차후에 개발된 각종 시스템 및 장치는 본 개시의 범위에 포함되는 것으로 간주하고자 한다. 또한, 개략도는 이와 관련하여 설명한 임의의 피처의 정렬, 형상, 크기, 배향 또는 존재를 어떠한 방법으로도 제한하는 것으로 간주하여서는 아니된다. 이로써, 본 발명에 의한 그린 바디 및 소결된 물품을 생성할 수 있는 특정의 시스템 및 장치의 예의 상세한 설명을 제공하고자 한다.
도 4는 초기 그린 바디로부터의 성형된 그린 바디를 생성하기 위한 성형 시스템(100)의 일반적인 구체예를 예시하는 개략도를 도시한다. 초기에, 소결성 입자는 입자 공급체(102)로부터 얻으며, 유기 결합제는 유기 결합제 공급체(104)로부터 얻는다. 그후, 소결성 입자 및 유기 결합제를 혼합 장치(106)에 투입하여 혼합물을 생성한다. 그후, 혼합물을 성형 장치(108)에 투입하여 소정의 초기 형상을 갖는 초기 그린 바디 또는 중간체(110)를 형성한다. 초기 그린 바디(110)는 실질적으로 성형 장치(108)에 의하여 구획되는 모울드 공동의 형상으로 외부 표면을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
모울드 공동의 형상을 갖는 초기 그린 바디 또는 중간체(110)는 스트림-절삭 장치(112)로 공급될 수 있다. 스트림-절삭 장치(112)는 소정의 지점에서 성형된 그린 바디(116)의 소정의 형상의 3-D 가상 화상을 생성할 수 있는 3차원 ("3-D") 가상 화상 생성기(114)와 소통될 수 있다. 또는, 3-D 가상 화상은 3-D 가상 화상 생성기(114)내에서 생성한 후, 데이타 저장 장치에 저장하고, 이를 스트림-절삭 장치(112)에 제공할 수 있다.
임의의 경우에서, 스트림-절삭 장치(112)는 초기 그린 바디(110)를 성형된 그린 바디(116)로 스트림-절삭할 수 있다. 바람직하게는, 스트림-절삭 장치(112)는 정확한 형상을 그린 바디 물질로 형성하도록 에너지 스트림 및/또는 물질 스트림을 이송하는 컴퓨터-가이드 기법을 사용한다. 도시한 바와 같이, 성형된 그린 바디(116)는 기어의 형상 또는 임의의 기타의 소정 스트림-절삭 형상으로 생성될 수 있다.
도 5는 성형된 그린 바디를 소결된 바디로 소결하기 위한 소결 시스템(120)의 일반적인 구체예를 예시하는 개략도를 도시한다. 성형된 그린 바디(124)는 도 4에 도시한 바와 같이 성형 시스템(100)을 사용하여 얻을 수 있다. 또는, 본 발명에 의한 성형 시스템의 각종 기타의 구체예는 성형된 그린 바디(124)를 제공할 수 있다. 임의의 경우에서, 성형된 그린 바디(124)를 소결 장치(126)에 투입한다. 그후, 소결 장치(126)는 소결성 입자들을 함께 소결시키고, 결합제를 간극 공간으로부터 제거한다. 특정의 경우에서, 결합제는 예컨대 탈결합 공정을 통하여 용융 또는 기화되어 제거되는 것이 바람직할 수 있다.
그린 바디 물질을 소결시킨 후, 소결된 바디(128)를 소결 장치(126)로부터 제거한다. 소결된 바디(128)와 성형된 그린 바디(124)의 비교에 의하면, 바람직한 구체예에 의하면 소결은 물품의 부피를 약 10% 내지 약 30%로 감소시킨다는 것을 알 수 있다. 임의로, 소결된 바디(128)는 소결된 바디를 마무리 물품(132)으로 추가로 정련시킬 수 있는 마무리 장치(130)를 통하여 처리될 수 있다. 피니시의 성질에 따라 다수의 공정을 사용하여 소결된 물품을 피니시 처리할 수 있다. 상기 피니시 공정의 예로는 분쇄, 샌딩, 쇼트 피닝, 분말 코팅, 페인팅 등이 포함된다.
V. 입자-결합제 조성물의 제조
도 6은 본 발명에 의한 입자-결합제 처리 시스템(particle-binder processing system)(200)의 구체예를 예시하는 개략도를 도시한다. 하기에서 설명한 입자-결합제 처리 시스템(200)의 각종 구체예는 도 4에 도시한 일반적인 혼합 장치(106)로 나타낼 수 있다. 보다 상세하게는, 입자-결합제 처리 시스템(200)을 사용하여 입자와 결합제를 함께 혼합하여 본 발명에 의한 그린 바디를 생성하기 위한 모울드에 투입할 수 있는 혼합물을 형성한다.
한 구체예에서, 소결성 입자는 입자 보관 컨테이너(202), 예컨대 컨테이너, 보관 통, 호퍼, 혼합기 등에 보관할 수 있다. 소결성 입자를 현탁시키기 위한 현택 용액은 현탁 컨테이너(208)에 보관할 수 있다. 게다가, 결합제 A는 유사하게 결합제 보관 컨테이너(204)에 보관할 수 있으며, 결합제를 용해 및 현탁시키기 위한 결합제 용매를 용매 컨테이너(210)에 보관할 수 있다.
따라서, 컨테이너(202)로부터의 입자를 컨테이너(208)로부터의 현탁 용액과 혼합할 수 있다. 현탁 용액은 입자-결합제 조성물을 생성하기 위하여 처리될 수 있는 입자 현탁액 또는 기타의 유체 조성물을 형성하도록 입자와 친화성을 갖는다. 현탁 용액은 유기 용매 또는 물로 이루어질 수 있으며, 입자를 현탁 상태로 유지하기 위하여 비-뉴튼 전단 특징 또는 농조화를 부여하도록 셀룰로스 에테르를 포함할 수 있다. 그래서, 입자 및 현탁 용액은 입자 컨테이너(202), 현탁 컨테이너(208) 또는 혼합기(206)내에서 조합될 수 있다.
유사하게, 컨테이너(204)로부터의 결합제 A는 컨테이너(210)로부터의 용매와 조합될 수 있으며, 여기서 조합은 결합제 A 컨테이너(204), 용매 컨테이너(210) 또는 혼합기(206)내에서 실시될 수 있다. 이를 위하여, 용매는 결합제 A와 혼합되어 결합제 A를 용해시키거나 또는 이와 함께 유동 가능한 현탁액을 형성한다. 결합제 A 및 용매 혼합물은 입자를 사용하고, 현탁 용액을 사용하거나 또는 이를 사용하지 않고 입자-결합제 조성물을 생성하는데 유용할 수 있다.
한 구체예에서, 현탁된 입자는 혼합기(206)에 공급한다. 게다가, 용매중에 현탁 또는 용해된 결합제 A는 혼합기(206)에 공급할 수 있다. 혼합기(206)는 입자 및 결합제 A로 이루어진 조성물을 형성하도록 구조화된 고 전단 혼합기 또는 저속 혼합기가 될 수 있다. 게다가, 현탁 용액 및/또는 용매는 혼화성이거나 또는 비혼화성인 것에 의하여 혼합을 향상시킬 수 있다. 또다른 경우에서, 입자-결합제 조성물은 혼합기(206)에서 생성될 수 있다. 또는, 현탁 용액을 사용하지 않은 입자는 용매를 사용하거나 또는 용매를 사용하지 않고 결합제 A와 함께 혼합기(206)내에서 혼합한다.
한 구체예에서, 현탁된 입자는 결합제 용매를 사용하지 않고 혼합기(206)내에서 결합제 A와 조합될 수 있다. 그래서, 결합제 A는 결합제 A를 액화시키는 방식으로 가열 유닛(220)에 의하여 가열될 수 있다. 가열 유닛(220)으로 결합제 A를 액화시킴으로써, 결합제는 처리가 용이해질 수 있으며, 혼합기(206)에 투입된다. 그래서, 가열 유닛(202)은 결합제 A 컨테이너(204)에 열을 공급하도록 구조화될 수 있거나 또는, 결합제 A는 가열 유닛(220)에 공급될 수 있다. 임의의 경우에서, 결합제 A는 유동 가능하도록 가열되며, 여기서 유체 결합제는 혼합기(206)로 용이하게 투입될 수 있다. 결합제 A가 용매를 사용하지 않고 열에 의하여 액화되는 경우, 입자 현탁액은 입자 및 결합제 A 사이의 증가된 혼합을 가능케 할 수 있다. 또는, 현탁 용액을 사용하지 않은 입자는 혼합기(206)내의 가열된 결합제와 혼합된다.
한 구체예에서, 컨테이너(202)로부터의 건조 입자 및 컨테이너(204)로부터의 결합제 A는 임의의 현탁 용액, 용매 또는 열을 사용하지 않고 혼합기(206)에 직접 공급될 수 있다. 이러한 경우, 혼합기(206)는 무수 과립화 혼합기가 될 수 있으며, 이는 과립화하여 입자 및 결합제 A를 균질한 과립화 조성물로 혼합할 수 있다. 따라서, 이와 같이 과립화된 조성물을 본 발명에 의하여 추가로 처리할 수 있다.
한 구체예에서, 컨테이너(208)로부터 현탁 용액을 사용하거나 또는 사용하지 않은 컨테이너(202)로부터의 입자는 컨디셔닝 용기(conditioning vessel)(212)에 공급할 수 있다. 컨디셔닝 용기(212)는 결합제와의 혼합을 개선시키는 방식으로 입자를 컨디셔닝하기 위한 컨디셔너(conditioner)(예, 컨디셔닝 조성물)를 포함할 수 있다. 이러한 컨디셔너는 입자가 결합제 A내에서 혼합, 코팅 및/또는 산포될 수 있는 능력을 개선시키도록 각종 왁스, 폴리올레핀, 분산제, 유동 변형제, 계면활성제 및 기타 물질 중 어느 것이든 일 수 있다. 한 구체예에서, 컨디셔너는 유기 결합제가 될 수 있다. 혼합후, 컨디셔너는 입자와 결합제 A 사이의 상호작용을 증가시키는 방식으로 입자를 적어도 부분적으로 코팅시킬 수 있다. 이어서, 컨디셔닝 용기(212)에서 컨디셔닝된 입자는 결합제와 함께 혼합기(206) 내로 공급될 수 있다.
반면에, 입자를 컨디셔닝 용기(212)에 공급한 후, 컨디셔닝된 입자를 건조기/ 냉각기 유닛(214)에 투입하는 것이 이롭다. 그래서, 컨디셔너는 건조기(212)가 가열될 경우 건조된 컨디셔닝 입자를 남기면서 용매가 기화되도록 하는 휘발성 용매를 포함할 수 있다. 반면에, 컨디셔닝 용기(212)는 추가로 처리하기 이전에 냉각기(214)가 컨디셔닝된 입자를 냉각시키도록 가열될 수 있다. 건조 또는 냉각되는 컨디셔닝된 입자는 혼합기(206)내에서 혼합되어 추가로 처리될 수 있다.
임의의 경우에서, 입자 또는 결합제 A를 처리하는 방법과는 무관하게, 혼합기(206)는 입자 및 결합제 A로 이루어진 실질적으로 균질한 조성물을 제공하도록 구조될 수 있다.
한 구체예에서, 혼합기(206)는 압출기가 되도록 구조화될 수 있다. 따라서, 이러한 압출기는 단축 스크류 압출기, 이축 스크류 압출기 또는 피스톤형 압출기가 될 수 있다. 이는 입자 및 결합제 A로 이루어진 압출물을 생성하도록 하는 것이 이로울 수 있다. 압출기는 열가소성 결합제를 사용할 경우 입자-결합제 조성물의 온도를 증가시키도록 가열 부재를 포함할 수 있다. 가열 부재는 임의의 용매를 기화시킬 수 있으며 또한 압출시키기에 충분한 온도로 조성물을 증가시킬 수 있다.
한 구체예에서, 입자-결합제 조성물이 생성되는 방법과는 무관하게, 상기 조성물은 건조기/냉각기(214)에 공급될 수 있다. 건조기(214)는 혼합물로부터 임의의 용매 또는 기타의 휘발성 물질을 제거하도록 구조화될 수 있다. 따라서, 건조된 조성물은 수분 함량이 약 20 습윤 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 약 10 습윤 중량% 미만, 가장 바람직하게는 약 5 습윤 중량% 미만이 될 수 있다. 또는, 냉각기(214)는 추가로 처리할 수 있도록 가열된 혼합물(예, 압출물)의 온도를 감소시킬 수 있다. 냉각기(214)는 약 35℃ 또는 더욱 바람직하게는 약 3O℃, 가장 바람직하게는 약 25℃ 미만으로 온도를 감소시킬 수 있다.
한 구체예에서, 혼합기(206)에서 얻은 조성물은 임의의 건조/냉각을 선행할 수 있으며, 특히 압출물의 형태일 경우 펠리타이저(216)에 직접 공급될 수 있다. 또는, 건조기/냉각기(214)로부터 얻은 건조 또는 냉각된 조성물은 펠리타이저(216)에 공급될 수 있다. 임의의 경우에서, 입자-결합제 조성물은 다양한 크기 또는 형상을 갖는 작은 펠릿을 형성하도록 펠릿화할 수 있다. 상기의 형상은 비교적 구형이거나, 평평하지 않거나 및/또는 뽀족한 모서리를 지닐 수 있다.
펠리타이저(216)는 상기 건조 또는 냉각된 입자-결합제 조성물을 다양한 크기를 갖는 펠릿 또는 비이드로 절삭하기 위하여 구조화될 수 있다. 예를 들면, 펠리타이저(216)는 평균 직경이 약 0.2 ㎜ 내지 약 2 ㎝, 더욱 바람직하게는 약 0.3 ㎜ 내지 약 1 ㎝, 가장 바람직하게는 약 0.5 ㎜ 내지 약 0.8 ㎝인 펠릿을 형성할 수 있다. 그러나, 성형된 그린 바디의 크기 및 이의 표면 특성이 펠릿 크기를 결정할 수 있기 때문에 임의의 펠릿 크기를 얻을 수 있다.
또다른 구체예에서, 본 발명에 의한 그린 바디 중간체로 추가의 처리(218)에 유용한 형태 또는 조밀도로 혼합기(206)로부터 제거되는 것이 바람직할 수 있다.
한 구체예에서, 추가의 결합제 B는 결합제 B 저장 컨테이너(222)에 보관할 수 있으며, 2 이상의 유형의 결합제를 갖는 입자-결합제 시스템을 형성하기 위하여 사용할 수 있다. 그래서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 입자-결합제 A 조성물을 형성한 후 추가의 결합제 B를 사용하여 조성물을 추가로 처리하는 것이 이로울 수 있다. 컨테이너(222)로부터 얻은 결합제 B는 컨테이너(210)로부터의 용매에 용해 또는 현탁시키거나 또는 가열 유닛(220)에 의하여 액화되어 컨테이너(204)로부터의 결합제 A와 유사하게 처리될 수 있다. 따라서, 결합제 B는 입자-결합제 A 조성물과 함께 혼합기(206)에 공급하여 2중-결합제 조성물을 형성할 수 있다.
또는, 입자-결합제 A 펠릿은 펠리타이저(216)에서 생성된 후, 상기 펠릿을 결합제 B와 함께 혼합기(206)에 공급될 수 있다. 펠리타이저(216)로부터 얻은 펠릿은 실질적으로 결합제 B로 코팅될 수 있거나 또는, 결합제 B에 현탁될 수 있다. 또한, 결합제 A 및 결합제 B와 혼합된 입자는 혼합기(206)에서 혼합된 후 본 명세서에 기재된 바와 같이 추가로 처리할 수 있다.
또다른 구체예에서, 입자-결합제 조성물을 형성하도록 입자 및 결합제를 처리하는 것은 분무기/액체 제트 장치(224)에서 실시할 수 있다. 그래서, 컨테이너(202)로부터 입자를 분무기/액체 제트 장치(224)에 공급할 수 있다. 임의로, 상기 입자는 액화된 결합제와 함께 분무될 수 있도록 입자를 유지하는 기타의 수단 또는 컨베이어에 의하여 공급될 수 있다. 입자가 모든 측면 또는 표면에 용이하게 분무될 수 있도록 진동 컨베이어 또는 기타 유형의 홀더를 포함할 수 있다.
한 구체예에서, 분무기/액체 제트 장치(224)는 결합제를 분무하기 위하여 노즐로 구조화된 컬럼형 분무 타워를 지닐 수 있다. 이러한 구체예에서, 입자를 적어도 부분적으로 코팅하도록 결합제를 분무하는 노즐을 통하여 자유 낙하되도록 분무 타워의 상부로부터 적하시켜 분무기/액체 제트 장치(224)에 입자를 공급할 수 있다. 게다가, 임의의 분무 방법은 결합제로 미리 코팅되어 있는 입자, 또는 컨디셔닝되거나 현탁된 입자를 사용하여 실시할 수 있다.
분무기/액체 제트 장치(224)내에서 형성된 입자-결합제 조성물과는 무관하게, 상기 조성물은 임의의 이용 가능한 휘발성 용매를 건조 및 제거하거나 또는 입자-결합제 조성물을 냉각시키도록 건조기/냉각기 장치(226)에 공급할 수 있다. 그래서, 입자-결합제 조성물은 본 발명에 의하여 추가의 처리(228)에 대하여 제조되도록 장치(226)를 사용하여 건조 또는 냉각시킬 수 있다.
입자-결합제 조성물을 제조하기 위한 장치, 시스템 및 방법의 구체예를 도 6과 관련하여 설명하였으며, 입자-결합제 조성물을 형성하도록 기타 각종 장치, 시스템 및 방법을 사용하여 초기 그린 바디 또는 중간체를 생성할 수 있다. 그래서, 초기 그린 바디의 제조 방법은 하기에서 추가로 상세하게 논의하고자 한다.
VI. 그린 바디의 모울딩
도 4, 보다 상세하게는 성형 장치(108)를 참조하여, 그린 바디를 모울딩하기 위한 시스템 및 방법의 구체예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그래서, 모울딩 장치(108)는 본 발명에 의하여 생성하고 및/또는 도 6과 관련하여 설명한 임의의 입자-결합제 조성물을 수용할 수 있다.
임의의 경우에서, 입자-결합제 조성물은 성형 물품을 제공하기 위하여 임의의 공지된 기법에 의하여 작동될 수 있는 모울딩 장치(108)에 공급할 수 있다. 그래서, 모울딩 장치(108)는 모울딩된 바디를 형성하도록 고온 및/또는 고압에서 작동될 수 있다. 입자를 함께 조밀하게 압착시킬 수 있도록 고압을 형성하는 방식으로 모울딩 장치를 작동시키는 것이 이로울 수 있다. 이러한 방법에서, 입자-결합제 조성물 내의 임의의 공극, 공기 포켓 또는 기타 이형(anomaly)은 조밀한 형태 안정성 모울딩된 물품을 생성할 수 있도록 프레스 처리하여 제거할 수 있다.
한 구체예에서, 모울딩 장치(108)는 모울딩 중에 입자-결합제 조성물을 압착시킬 수 있는 이동성 모울드 바디를 갖도록 구조될 수 있다. 이러한 방법에서, 제1의 부피의 입자-결합제 조성물이 실질적으로 채워질 때까지 모울딩 장치(108)에 공급한 후, 압착 성형 기법에 의하여 모울딩 장치는 입자-결합제 조성물의 부피를 감소시킬 수 있다. 조성물을 압축시켜 더 조밀한 모울딩된 그린 바디 중간체를 얻을 수 있다. 또한, 이러한 압축은 특정 유형의 압출기 장치, 예컨대 피스톤 압출기를 사용하거나 또는 모울딩 장치(108)내에서의 모울드 공동의 부피를 감소시켜 모울드내에서 압력을 증가시켜 달성할 수 있다.
한 구체예에서, 그린 바디 중간체의 모울딩 방법은 사출 모울딩과 같이 높은 압력 및/또는 온도에서 예컨대 입자-결합제 조성물을 모울드에 사출시키는 것을 포함할 수 있다. 또는, 결합제 및 소결성 입자는 상이한 시점에서 또는 동시에 전달되는 별도의 공급물 스트림으로서 모울드에 사출될 수 있다. 입자 및 결합제를 별도의 공급물로서 사출시킬 경우, 결합제는 입자에 대하여 높은 접착 작업으로 입자를 용이하게 코팅시키거나 또는 모울드내의 입자와 함께 가열 및 혼합되도록 하는 것이 이로울 수 있다.
게다가, 성형 장치(108)는 사출 모울딩, 주조 모울딩, 압축 모울딩, 열 모울딩 또는 기타의 임의의 모울딩 기법에 의하여 작동되도록 구조화될 수 있다.
한 구체예에서, 그린 바디 중간체는 소결성 입자 및 결합제를 함께 모울드 공동의 형상으로 프레스 처리하도록 온도 및/또는 압력을 증가시켜 형성할 수 있다. 따라서, 모울드는 입자 및 결합제의 온도를 약 8O℃에서 약 400℃로, 더욱 바람직하게는 약 100℃에서 약 38O℃로, 가장 바람직하게는 약 12O℃에서 약 34O℃로 증가시킬 수 있다. 또한, 입자 및 결합제는 약 2 ㎫ 내지 약 200 ㎫, 더욱 바람직하게는 약 10 ㎫ 내지 약 200 ㎫, 가장 바람직하게는 약 100 ㎫ 내지 약 200 ㎫의 압력 범위에서 함께 프레스 처리할 수 있다.
모울딩 장치(108)내에서 모울드 공동의 형상은 일반적인 형상, 예컨대 입방체, 원통체, 구체 등이 될 수 있다. 또는, 모울드 공동은 성형된 그린 바디 중간체로부터 생성된 최종 물품의 형상과 유사한 복잡한 형상을 지닐 수 있다.
또한, 그린 바디 중간체인 성형 물품을 얻도록 모울딩 장치(108)내에서 실시되는 모울딩 방법에는 다수의 변형이 이루어질 수 있다.
VII. 가상 화상의 생성
도 7은 본 발명에 의한 스캐닝 시스템(230)(예, 스캐닝 및 성형 시스템(230))을 예시하는 개략도를 도시한다. 이러한 스캐닝 시스템(230)은 도 4의 3차원 ("3-D") 가상 화상 생성기(114)의 적어도 일부분으로서 사용될 수 있다. 따라서, 스캐닝 시스템(230)은 제어 데이타를 스캐닝 제어기(236)에 제공하여 각종 스캐닝 성분의 이동을 제어하기 위하여 컴퓨터 시스템(232)을 포함한다. 또한, 컴퓨터 시스템(232)은 임의의 데이타 수집을 제어할 수 있으며, 스캐닝중에 생성되는 임의의 화상 데이타가 데이타 저장 장치(243)에 저장되도록 할 수 있다. 데이타 저장 장치(234)는 당업계에 공지되어 있으며, 이이 예로는 플로피 드라이브, 하드 디스크 드라이브, 자기 디스크 드라이브, 광 디스크 드라이브, 판독 액세스 메모리("RAM"), 판독 전용 메모리("ROM") 등이 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 스캐닝 시스템은 공지되어 있으며 후에 개발된 각종 스캐닝 프로토콜 중 임의의 것과 유사하게 작동될 수 있다.
임의의 경우에서, 스캐닝 제어기(236)는 컴퓨터 시스템(232)과 소통된다. 이는 컴퓨터 시스템(232)이 스캐닝 제어기(236)의 성능을 조작 및 제어하도록 사용자에 의하여 프로그래밍될 수 있다. 스캐닝 프로토콜을 스캐닝 제어기(236)에 입력시킨 후, 스캐닝 제어기(236)는 스캐닝하고자 하는 바디(244)의 표면(242)을 향하여 스캐닝 비임(240a)을 방출하도록 구조되는 방출기(238)를 제어한다. 바디(244a)의 표면(242)을 향한 스캐닝 비임(240a)은 3-D 화상 데이타의 수집이 가능할 수 있다. 스캐닝 제어기(236)에 의하여 수집된 데이타는 바디(244a)의 가상 3-D 화상을 생성하도록 조작된 데이타 또는 미가공 데이타로서 메모리 저장 장치(234)에 저장될 수 있다.
게다가, 바디(244a)의 스캐닝을 촉진하기 위하여, 스캐닝 시스템(230)은 바디(244a)를 회전시킬 수 있는 터릿(turret)(246) 뿐만 아니라, x, y 및 z 축에서 측면 이동 가능할 뿐 아니라, x, y 및 z 축 주위에서 회전할 수 있는 기계적 피처(248)를 포함할 수 있다. 그래서, 3-D 가상 화상을 얻고, 각종 컴퓨터 보조 설계 프로그램("CAD")에 사용할 수 있도록 메모리 저장 장치(234) 내에 저장할 수 있다. 바디(244a)의 3-D 가상 화상을 얻음으로써 사용자는 그린 바디 및 소결된 물품의 소정의 형상의 정확한 또는 정밀한 3-D 가상 화상을 얻도록 상기 가상 화상을 조작할 수 있다.
임의의 경우에서, 목적하는 피니시 처리된 물품의 모형은, 파괴적 또는 비-파괴적 스캐닝을 사용하여 가상 화상을 생성할 수 있도록 스캐닝 시스템(230)내에 배치할 수 있다. 이러한 파괴적 및 비-파괴적 스캐닝 기법 뿐만 아니라, 3차원 가상 화상을 생성하는데 사용되는 관련 장치 및 소프트웨어는 공지되어 있다. 게다가, 그린 바디의 형상이 모형을 사용하지 않고 가상 화상으로부터 전적으로 생성되도록 CAD 프로그램을 사용한 3-D 화상을 생성할 수 있다. 또한, CAD 프로그램은 임의의 가상 화상을 얻고 그린 바디의 목적하는 형상을 제공하기 위한 형상 및 크기를 변형시키는데 사용할 수 있다.
VIII. 그린 바디의 스트림-절삭
다시, 도 4를 살펴보면, 스트림-절삭 장치(112)의 구체예의 보다 구체적인 세부 사항을 본 발명에 의하여 설명한다. 스트림-절삭 장치(112)는 각종 스트림-절삭 기법을 지니거나 또는 사용하도록 구조화될 수 있다. 이러한 스트림-절삭 기법은 에너지 스트림 및/또는 물질 스트림을 사용할 수 있다. 에너지 스트림은 전술한 바와 같은 광자, 전자기 방사, 원자 및 아원자 물질을 포함한다. 반면에, 물질의 스트림은 원자 수준의 입자보다 더 큰 물질을 포함하는 것으로 간주하며, 크기가 미시적 또는 거시적일 수 있다. 임의의 경우에서, 스트림-절삭 장치(112)는 도 4와 관련하여 전술한 바와 같이, 모울딩 장치(108)에서 생성된 초기 그린 바디(110)에 에너지 스트림 또는 물질 스트림을 보내도록 설계한다.
다시, 도 7을 살펴보면, 성형 시스템(shaping system)(230)(예, 스캐닝 및 성형 시스템)의 구체예를 나타내는 개략도가 도시되어 있다. 성형 시스템(230)은 도 4의 스트림-절삭 장치(112)내에서 사용할 수 있다. 성형 시스템(230)은 하기에서 보다 상세하게 설명한 바와 같이 스캐닝 및 성형 시스템(230)이 되도록 스캐닝 시스템(230)과 임의로 조합될 수 있다. 임의의 경우에서, 성형 시스템(230)은 컴퓨터 시스템(232) 또는 데이타 저장 장치(234)로부터 이미 생성된 3-D 가상 화상을 수집할 수 있다.
성형 시스템(230)은 컴퓨터 시스템(232)과 소통되는 물질 제어기(250) 및/또는 에너지 제어기(252)를 포함할 수 있다. 물질 제어기(250)는 물질 스트림(240b)을 방출하는 방출기(238b)가 성형되도록 하는 그린 바디(244b)의 표면(242b)으로 보낼 수 있다. 물질 제어기(250)는 물질 스트림(240b), 예컨대 화학물질, 물, 모래 또는 기타의 미립자가 그린 바디(244b)로 보낼 수 있도록 방출기(238)를 제어할 수 있다. 물질 스트림(240b)은 컴퓨터 시스템(232)의 데이타 저장 장치(234)에 저장된 가상 화상에 의하여 그린 바디(244b)를 성형할 수 있다.
또다른 구체예에서, 에너지 제어기(252)는 에너지 스트림(240c), 예컨대 레이저, 전자 비임, 이온 비임 등을 그린 바디(244b)를 향하여 방출하는 방출기(238c)를 제어하여 가상 화상에 의한 형상을 얻을 수 있다.
본 발명에 의한 성형 시스템의 상기 일반적인 설명을 위하여, 이제, 본 명세서에서 사용할 수 있는 각종 유형의 에너지 스트림 및 물질 스트림을 상세하게 설명하고자 한다. 그래서, 하기의 스트림-절삭 장치의 구체예를 도 4의 스트림-절삭 장치(112)에서 뿐 아니라, 도 7의 성형 시스템(230)에 사용할 수 있다.
한 구체예에서, 에너지 스트림은 스트림이 그린 바디 물질을 교차하는 부위에서 열을 생성하여 그린 바디 중간체를 절삭 및 성형할 수 있다. 그래서, 에너지를 사용하여 결합제 및 소결성 입자와 열 상호작용하도록 열을 생성할 수 있다. 열 상호작용은 나머지 벌크 그린 바디 물질로부터 결합제-입자 조성물의 일부를 절삭, 탈결합, 용융 및/또는 기화시킬 수 있는 지점에 국소 온도를 증가시킬 수 있다.
따라서, 스트림-절삭 장치의 한 구체예는 열 상호작용에 의하여 그린 바디 중간체를 작동 및 성형시킬 수 있다. 그래서, 본 명세서에 기재된 임의의 열 방법을 열-절삭에 사용할 수 있다. 예를 들면, 이러한 열적 상호작용은 레이저 비임 처리, 레이저 비임 기계가공, 전자 비임 기계가공, 전기 방전 기계가공, 이온 비임 기계가공 및 플라즈마 비임 기계가공으로부터 야기될 수 있다. 그래서, 스트림-절삭 표면은 레이저-절삭 표면, 전자 비임-절삭 표면, 전자 방전-절삭 표면, 이온 비임-절삭 표면 또는 플라즈마 비임-절삭 표면이 될 수 있다.
한 구체예에서, 그린 바디 조성 농도가 상당량의 결합 물질로 이루어지는 것으로 공지되어 있기 때문에, 열 절삭 공정은 소결되거나 또는 경화된 금속 또는 세라믹 물품에 사용되는 유사한 기법에 비하여 에너지를 덜 필요로 할 수 있다. 그래서, 결합제의 열 성질을 알면, 열 비임이 소결성 입자를 상당하게 용융 또는 점-소결(point-sintering)시키지 않으면서 결합제를 용융 및/또는 기화시키기 위한 적절하거나 또는 최소한의 에너지를 제공하도록 정확한 에너지 필요량을 계산할 수 있다. 또는, 에너지는 소결성 입자를 용융 및/또는 점-소결시키도록 증가시킬 수 있다.
예를 들면, 레이저 비임은 스트림-절삭 장치(112)에 사용될 수 있는 에너지 스트림의 통상의 형태가 된다. 통상의 레이저-절삭 기계가공은 그린 바디에서의 복잡한 외부 윤곽을 정확하게 생성할 수 있는데, 이는 레이저 비임이 일반적으로 절삭면에서의 직경이 약 0.02 ㎜ 내지 약 0.2 ㎜이고, 약 2,000 와트 이하의 범위의 동력을 지닐 수 있기 때문이지만, 본 발명의 잇점은 낮은 동력 레이저의 사용을 포함한다는 점이다. 게다가, 레이저가 기타의 모든 스트림-절삭 기법에 비하여 바람직한 경우도 존재하는데, 이는 생성된 물품의 성질뿐 아니라, 그린 바디의 특성 때문이다.
따라서, 레이저는 그린 바디를 절삭할 수 있으며, 여기서 레이저의 동력 또는 생성된 열은 절삭하고자 하는 물질의 조성에 따라 달라질 수 있다. 레이저 동력을 변경시킬 수 있는 능력은 각종 결합제 및/또는 소결성 입자의 사용으로 인하여 야기된다. 레이저 동력은 비임에 의하여 에너지가 전달되는 속도로서 정의되며, 일반적으로 주울/초 또는 와트의 단위로 측정된다.
예를 들면, 레이저 수술에 통상적으로 사용되는 레이저는 동력이 약 10 와트 정도이며, 이러한 낮은 와트는 그린 바디를 성형시키는 특정의 결합제를 용융시키는데 사용될 수 있다. 반면, 경화 강을 절삭하는데 통상적으로 사용되는 레이저, 예컨대 YAG 또는 엑시머 레이저는 동력이 약 2,000 와트이다. 따라서, 더 유연한 결합제를 갖는 그린 바디는 약 500 와트 이하, 더욱 바람직하게는 약 400 와트 이하, 가장 바람직하게는 약 200 와트 이하에서 작용하는 레이저를 사용하여 성형할 수 있다. 또는, 더 경질인 결합제 또는 추가로 금속 또는 세라믹 입자를 용융 및/또는 기화시키는 것은 약 500 와트 이상, 더욱 바람직하게는 약 750 와트 이상, 가장 바람직하게는 약 1 ,000 와트 이상에서 작동하는 레이저를 사용할 수 있다.
한 구체예에서, 전기 방전 기계가공을 사용하여 그린 금속 바디를 성형할 수 있다. 그래서, 전기 방전 기계가공은 모든 유형의 전도성 물질, 예컨대 티탄, 하스텔로이, 코바르, 인코넬, 초경 공구 강, 탄화물 등을 비롯한 외래 금속을 절삭할 수 있다. 전기 방전에서, 에너지 스트림 및 그린 바디 사이의 주요한 상호작용은 열에 의한 것이며, 여기서 전기 방전을 생성하여 열이 생성된다. 이는 용융 및 증발에 의하여 제거되는 그린 바디 물질을 초래할 수 있다. 전기 방전 기계가공의 특정의 예로는 와이어 전자 방전 기계가공, CNC-제어된 전기 방전 기계가공, 싱커 전기 방전 기계가공, 작은 구멍 방전 기계가공 등이 있다.
또다른 구체예에서, 스트림-절삭 장치(112)는 하전 입자 비임을 사용할 수 있으며, 여기서 하전 입자 비임은 전자 비임 및 이온 비임에 의하여 예시된다. 하전 입자 비임은 거의 동일한 역학 에너지를 지니며 거의 동일한 방향으로 이동하는 전기 방전된 입자의 군이다. 일반적으로, 역학 에너지는 상온에서 유사한 입자의 열 에너지보다 훨씬 더 높다. 이들 하전된 비임의 높은 역학 에너지 및 방향성은 본 명세서에서 사용한 바와 같이 그린 바디의 절삭 및 성형에 유용할 수 있다. 게다가, 기타의 절삭 기법에 비하여 전자 비임 또는 이온 비임이 바람직한 특정의 경우가 존재한다.
한 구체예에서, 스트림-절삭 장치(112)는 화학물질 스트림을 사용하여 그린 바디를 성형할 수 있다. 케미칼-제트 밀링은 예를 들면 제트 및 화학적 작용에 의하여 선택적이고 조절된 물질 제거를 제공할 수 있다. 그래서, 이러한 방법은 하기에서 상세하게 설명되는 워터-제트 절삭과 유사하다. 임의의 경우에서, 케미칼-제트 밀링은 복잡한 성형 가능성을 제공하는 벌크 그린 바디 물질로부터 각종 유형의 결합제를 제거하는데 유용할 수 있다. 보다 상세하게는, 특정의 용액 또는 용매에 의하여 화학적으로 용해될 수 있는 결합제는 반응성 화학물질의 스트림을 보내어 화학적으로 밀링시킬 수 있다.
또다른 구체예에서, 전기화학적 성형은 금속 소결성 입자로 이루어진 그린 바디를 밀링하는 케미칼-제트와 유사한 조절된 전기화학적 용해 방법에 기초할 수 있다. 그래서, 그린 금속 바디는 전기 공급원에 연결되어 전기 전류가 성형에서 보조되도록 한다.
한 구체예에서, 스트림-절삭 장치(112)는 히드로-절삭 장치 또는 워터-제트 절삭기로서 구조화되도록 하는 것이 이롭다. 히드로-절삭은 본질적으로 그린 바디에서 보내지는 물 스트림의 높은 힘 및 높은 압력을 사용하여 원하는 바와 같이 그린 바디를 절삭 및 성형시키는 워터-제트 기법이다. 히드로-절삭이 기타의 일부 스트림-절삭 기법에 비하여 바람직할 수 있는데, 이는 열, 화염 및 화학적 반응이 존재하지 않을 수 있으며 정밀한 저온 성형 기법을 제공할 수 있기 때문이다. 그러나, 반응성 화학물질로 도핑되거나 또는 도핑되지 않은 가열된 물을 사용할 수 있다.
경화된 물질에 대한 통상의 히드로-절삭 장치는 단일 스트림으로서 약 40,000 psi에서 그린 바디에서 이송되는 1 분당 약 2.5 갤런의 물을 사용할 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 의한 히드로-절삭 장치는 약 0.25 갤런/분 내지 약 15 갤런/분, 더욱 바람직하게는 약 0.5 갤런/분 내지 약 10 갤런/분, 더 더욱 바람직하게는 약 1 갤런/분 내지 약 5 갤런/분, 가장 바람직하게는 약 2 갤런/분 내지 약 4 갤런/분을 사용할 수 있다. 그러나, 더 높거나 또는 더 낮은 유속을 사용할 수 있으며, 흐름의 직경 및 압력에 따라 달라질 수 있는 것으로 인지하여야 한다.
게다가, 히드로-절삭 장치는 약 50 psi 내지 약 60,000 psi의 힘으로 물을 분사할 수 있다. 이는 예컨대 약 50 psi 내지 500 psi의 낮은 압력을 사용하여 더 연질의 결합제를 융제시킬 수 있는 경우 그리고, 내구성이 더 크며 더 경질인 결합제가 특히 더 큰 부품, 예컨대 자동차 또는 비행기 부품 또는 건설 자재를 성형할 경우 약 15,000 psi 내지 약 60,000 psi를 사용할 수 있는 특정의 경우가 존재하기 때문이다. 게다가, 세정을 목적으로 사용하는 것과 유사한 워터-제트는 경도가 중간인 결합제와 결합된 그린 바디를 성형시키기 위하여 약 1,000 psi 내지 약 5,000 psi에서 물을 분사할 수 있다. 그래서, 넓은 범위의 물 압력을 사용할 수 있다.
또한, 물의 스트림은 매우 다양한 직경으로 사용될 수 있다. 이는 흐름의 직경이 마이크로전자공학 회로 기판을 위한 그린 바디의 에칭이 약 0.5 ㎜ 정도로 작은 매우 미세한 직경 유동을 필요로 할 수 있는 절삭 또는 에칭의 복잡성에 크게 영향을 미치며, 거친 형상 및/또는 더 큰 물품에 조각을 새긴 것, 예컨대 트랙터 바퀴 림은 약 2.54 ㎝의 유동 직경을 사용할 수 있기 때문이다. 그러나, 복잡한 형상이 약 1 ㎜의 제트를 사용하여 생성되기 이전에 더 큰 직경, 예컨대 약 6 ㎜의 사용이 거친 성형에 우선 사용되는 경우가 존재한다. 또한, 직경이 더 크거나 또는 더 작은 워터 제트를 사용할 수 있는 것으로 간주한다.
게다가, 히드로-절삭은 미립자 물질을 물 공급 라인에 투입하여 개선시킬 수 있다. 이를 위하여, 특정의 히드로-절삭 기법은 물 자체에 의하여 가해지는 힘과 함께 마모 절삭력을 적용하기 위하여 가아넷 또는 기타의 경질 및 강한 물질을 사용한다. 또한, 본 발명에서의 히드로-절삭 방법은 상기 연마제를 포함시키거나 또는 포함시키지 않고 사용할 수 있다.
게다가, 히드로-절삭의 잇점 중 하나는 폐워터-제트 물질을 재사용 및 재활용할 수 있다는 점이다. 그래서, 그린 바디 물질은 폐수로부터 용이하게 분리되어 히드로-절삭 공정중에 물의 재활용 및 재사용이 가능하도록 할 수 있다.
한 구체예에서, 물질 스트림 절삭의 영역으로 맞춘 샌드블래스팅은 그린 바디 물질에서의 모래 입자의 높은 에너지 스트림을 분사하여 그린 바디를 성형시키는데 사용할 수 있다. 샌드블래스팅은 특히 워터-제트를 연마 입자로 도핑시킬 경우 히드로-절삭과 유사하게 물질을 절삭한다. 게다가, 모래를 제외한 각종 기타 입자 스트림은 스트림-절삭 기법 및 및 기계 가공에 사용될 수 있다.
도 8은 스트림-절삭 어셈블리(350)의 구체예를 도시한다. 스트림-절삭 어셈블리(350)는 도 4에 도시한 바와 같은 스트림-절삭 장치(112)의 적어도 일부분 및/또는 도 7의 성형 시스템(230)이 될 수 있다. 따라서, 스트림-절삭 어셈블리(350)는 스트림 공급원(352)의 적어도 일부가 하우징(354)내에서 둘러싸인 스트림 공급원(352)을 포함할 수 있다. 스트림 공급원(352)은 스트림 또는 에너지를 생성 및/또는 공급하도록 구조될 수 있다. 또는, 스트림 공급원(352)은 물질 스트림을 저장 및/또는 공급하도록 구조될 수 있다.
게다가, 하우징은 조준 장치(356)를 임의로 포함할 수 있다. 그래서, 스트림 공급원(352)은, 그린 바디(364)를 향하여 조준 또는 추가로 이송하는 작용을 하는 조준 장치(356)를 통하여 이송되는 에너지 스트림 및/또는 물질 스트림을 공급하도록 구조될 수 있다. 그래서, 조준 장치(356)는 스트림-절삭 표면(362)이 형성되도록 그린 바디(364)상의 절삭 부위(360)에서 조준된 궤적을 갖는 조준된 스트림(358)을 생성할 수 있다.
한 구체예에서, 정밀한 3차원 절삭 및 성형이 가능하도록 하기 위하여, 그린 바디(364)는 터릿(366)상에 보유되어 그린 바디(364)를 회전시킬 수 있다. 게다가, 스트림-절삭 어셈블리(350)은 집속 스트림(358)이 다양한 절삭 부위(360)에서 그린 바디(364)를 충돌시킬 수 있도록 각종 3차원 이동 및/또는 회전에서 그린 바디(364)를 이동시키도록 구조된 기계적 피처(368)를 포함할 수 있다. 터릿(366)과 함께 기계적 피처(368)는 x, y 및 z 축에서 그린 바디(364)를 이동시킬 수 있으며, z-축 주위에서의 회전 "u", y-축 주위에서의 회전 "w" 및 x-축에서의 회전 "v"로 회전한다. 이는 정밀하고 복잡한 구조체가 스트림-절삭 어셈블리(350)내에서 그린 바디(364)로 절삭될 수 있도록 한다. 또는, 스트림-절삭 어셈블리는 하기에서 상세하게 설명하는 바와 같이 정지된 그린 바디(364)에 대하여 스트림을 이동시킬 수 있다.
따라서, 기계적 피처(386)는 그린 바디(364)를 변형시키지 않도록 그린 바디(364)와 접촉하는 고무화 또는 기타의 가단 종말점을 공급하여 그린 바디(364)를 이동 및/또는 회전시킬 수 있다. 그래서, 이들 가단 종말점은 스트림-절삭 공정중에 그린 바디(364)를 변형, 흠집, 균열 또는 응력 또는 피로를 일으키지 않도록 그린 바디(364)와의 이로운 상호작용을 제공할 수 있다.
또다른 구체예에서, 스트림-절삭 어셈블리(350)의 하우징(354)은 동축 가스 보조 장치(370)를 포함할 수 있다. 이러한 동축 가스 보조 장치(370)는 스트림-절삭 공정중에 보조 가스(372)를 방출하도록 구조될 수 있다. 보조 가스는 에너지 스트림 또는 물질 스트림과 병류이고 종종 이의 주변에 있는 가스의 기타 유형인 공기의 흐름이다. 또는, 액체(예, 보조 유체), 예컨대 물의 흐름을 보조 가스 대신에 사용할 수 있다. 가스 보조 스트림-절삭의 유의적인 피처는 바디로부터 절삭되는 물질이 에너지 스트림 또는 물질 스트림에 대하여 동축인 가스 제트의 힘에 의하여 배출되거나 제거되어 비교적 평활한 스트림-절삭 표면을 생성한다는 점이다. 가스 보조 절삭에 사용될 수 있는 상이한 유형의 가스의 예로는 산소, 질소, 아르곤 등이 있다. 가스는 약 15 bar 이하의 압력에서 전달되는 것이 바람직하다. 동축 보조 가스(372)에 대한 추가의 정보는 하기에서 설명하고자 한다.
또다른 구체예에서, 스트림-절삭 어셈블리(350)는 스캐너(374)를 포함할 수 있다. 도 4의 3차원 가상 화상 생성기(114) 및/또는 도 7의 스캐닝 시스템(230)과 유사하게, 스캐너(374)는 스트림-절삭 어셈블리(350)에 제공될 수 있다. 스캐너(374)는 그린 바디(364)의 표면을 연속적으로 또는 간헐적으로 스캐닝하는데 사용될 수 있다. 따라서, 스캐너(374)는 그린 바디(364)를 향하여, 그리고 보다 상세하게는 임의의 스트림-절삭 표면(362)을 향하여 스캐닝 비임(376)을 방출한다. 이는 절삭 부위(360)뿐 아니라 스트림-절삭 표면(362)을 모니터할 수 있다. 스트림-절삭 어셈블리(350)중에 스캐너(374)를 포함하여 절삭 및 성형은 표면에 형성된 피처가 3차원 가상 화상에 따라서 또는 실질적으로 이와 유사하게 되는 것을 확인하도록 모니터할 수 있다. 스캐닝 비임(376) 및 스캐너(374)는 당업계에서 공지된 바와 같이 스캐닝 3차원 화상 수단의 일부가 될 수 있다.
또다른 구체예에서, 스트림-절삭 어셈블리(350)는 파워 블로워(378)를 포함한다. 스트림-절삭 어셈블리(350)는 동축 가스 장치(370)를 포함하여 동축 보조 가스(372)를 방출하고, 상기 동축 가스(372)는 벌크 그린 바디(364)로부터 절삭된 그린 물질의 커다란 부품을 제거하기에 불충분할 수 있다. 따라서, 파워 블로워(378)는 임의의 미립자 또는 커다란 물질 조각을 제거하도록 공기, 가스 또는 기타의 유체를 그린 바디(364)를 통해 블로우하는데 사용할 수 있다. 또는, 파워 블로워(378)는 진공으로서 구조될 수 있다. 파워 블로워(387)와 유사하게, 그린 바디(364)로부터 절삭된 커다란 조각 또는 미립자를 제거하기 위하여 진공을 사용할 수 있다. 그리하여, 파워 블로워(378)는 스트림-절삭 프로토콜중에 간헐적으로 사용할 수 있다.
또다른 구체예에서, 동축 가스 장치(372)와 함께, 파워 블로워(378)는 그린 바디(364)를 냉각시키기 위하여 냉각 공기 또는 유체를 블로우잉할 수 있다. 이는 그린 바디(364)로부터 원치 않는 열을 제거하기 위하여 또는 결합제 또는 소결성 입자의 원치 않는 용융을 방지하기 위하여 사용할 수 있다.
이제, 도 9a, 도 9b 및 도 9c를 살펴보면, 조준 장치(400)의 다양한 피처 및 부재를 예시 및 설명하고자 한다. 상기 조준 장치(400)는 도 7의 성형 시스템(230)뿐 아니라, 도 8의 스트림-절삭 어셈블리와 함께 사용할 수 있다.
임의의 경우에서, 조준 장치(400)는 화살표가 지시하는 바와 같이, 에너지 스트림(404)을 방출하도록 구조화된 노즐(402)을 포함한다. 게다가, 노즐(402)은 노즐(402)을 통해서 상기 복수의 점이 유동되는 것으로 도시한 바와 같이, 물질 스트림(406)을 방출하도록 구조화될 수 있다. 따라서, 노즐(402)은 그린 바디(408)상의 절삭 표면(410)을 향하여 에너지 스트림(404) 및/또는 물질 스트림(406)을 조준하도록 구조될 수 있다. 그래서, 노즐(402)을 조준하여 정밀하고 복잡한 형상을 형성할 수 있다.
도 9b를 살펴보면, 조준 장치(400)는 외부 노즐(402b)의 루멘에 넣은 내부 노즐(402a)를 포함하며, 이들은 함께 동축 노즐(412)을 형성한다. 상기 동축 노즐(412)은 에너지 스트림(404) 및/또는 물질 스트림(406)을 조준하기 위하여 내부 챔버(413)를 포함한다. 게다가, 동축 노즐(412)은 외부 또는 동축 챔버(415)를 포함하며, 여기서 상기 외부 또는 동축 챔버(415)는 보조 가스(414)의 흐름을 보내게 된다.
도 9b에 도시한 바와 같이, 상기 동축 노즐(412)은 동축 노즐 개구부(416)를 포함한다. 동축 노즐 개구부(416)는 보조 가스(414)를 제공하는 제2의 개구부(421)로부터 분리되어 있으며 이로부터는 독립적인 에너지 스트림(404) 및/또는 물질 스트림(406)을 위한 제1의 개구부(419)를 포함한다. 이러한 구조에서, 동축 노즐 개구부(416)는 절삭된 미립자 또는 물질을 제거하고 취입시키는 방식으로 보조 가스(414)의 동축 와류(418)를 생성한다.
이제, 도 9c를 살펴보면, 동축 노즐(402)의 또다른 구체예가 예시되어 있다. 그래서, 동축 노즐(402)은 통합 개구부(420)를 포함할 수 있다. 상기 통합 개구부(420)는 에너지(404) 및/또는 물질(406) 스트림뿐 아니라 보조 가스(414)를 위한 단일 개구부를 포함한다. 통합 개구부(420)는 그린 바디(408)로부터 입자 또는 물질을 제거하기 위하여 와류(422)를 생성할 수 있다.
임의의 경우에서, 스트림 노즐(402)의 각종 구조는 가상 화상 또는 기타의 소정의 형상에 따라 정밀하게 절삭된 그린 바디(408)를 생성하도록 제공될 수 있다. 그래서, 이는 스트림-절삭 프로토콜을 개선시키는 방식으로 에너지(404) 및/또는 물질(406) 스트림에 보조 가스(414)를 제공할 수 있다.
이제, 도 10을 살펴보면, 3차원 절삭 시스템(450)의 구체예는 예시 및 기재되어 있다. 상기 3차원 절삭 시스템(450)은 도 4의 스트림-절삭 장치(112)에서 뿐 아니라, 본 명세서에 기재된 임의의 기타의 스트림-절삭 시스템 또는 방법에서 실시될 수 있다. 따라서, 3차원 절삭 시스템(450)은 이동의 3 개의 축에서 이동하도록 구조된 3차원 절삭 장치(452)를 포함한다. 그래서, 절삭 장치(452)는 z-축, x-축 및 y-축에서 종방향으로 이동할 뿐 아니라 각각의 축의 둘레에서 회전할 수 있다. 이는 절삭 장치(452)가 절삭되는 그린 바디(456)에서 그리고 그 주위에서 이동될 수 있다.
예시한 구체예에서, 절삭 장치(452)는 z-축의 주위에서 회전 "u"로 제1의 바디(454)를 회전시키도록 구조화되는 회전 커플링(457)에 부착된 제1의 바디(454)를 포함한다. 회전 커플링(457)은 다양한 자유도로 회전 가능한 추가의 로봇(도시하지 않음)과 제1의 바디(454)를 결합시킨다. 보다 상세하게는, 또다른 회전 커플링(도시하지 않음)은 y-축의 주위에서 회전 "w"을 가능케 할 수 있는 로보트내에 포함된다. 이러한 회전은 제1의 바디(452)가 그린 바디(456)의 주위에서 이동 가능하도록 할 수 있다.
또한, 절삭 장치(452)는 회전 커플링(460)에 의하여 제1의 바디(454)와 결합되는 절삭 노즐(458)을 포함할 수 있다. 그래서, 절삭 노즐(458)은 제1의 바디(454)와 함께 x, y 및 z-축에서 이동 가능하다. 게다가, 회전 커플링(460)은 절삭 노즐(458)이 x-축의 주위에서 회전 "v"와 함께 회전 가능하도록 한다. "v" 회전으로 추가로 회전 가능하게 되어, 3차원 절삭 장치(452)는 다양한 형상을 제공하기 위하여 정밀하고 복잡한 세부 사항으로 그린 바디(456)를 절삭할 수 있다.
또다른 구체예에서, 3차원 절삭 시스템(450)은 도 8의 기계적 피처(386)와 실질적으로 유사할 수 있는 기계적 피처(462)를 포함한다. 간략하게, 기계적 피처(462)는 절삭 장치(452)에 대하여 그린 바디(456)를 이동시키도록 구조화되어 있다. 그래서, 기계적 피처(458)는 x, y 및 z-축에서 이동할 수 있으며, 또한 회전 "u," "v" 및 "w"로 회전한다. 그래서, 기계적 피처(462)는 절삭 노즐(458)과 독립적으로 및/또는 협동하여 이동할 수 있으며, 이는 개선된 절삭 기법을 가능케 한다.
한 구체예에서, 임의의 스트림-절삭 장치, 시스템 및/또는 방법은 컴퓨터 및 관련 소프트웨어에 의하여 작동 및 제어되도록 구조될 수 있다. 그래서, 컴퓨터는 그린 바디로 절삭하도록 형상의 3차원 화상으로부터 입력 데이타를 수신하는 제어 소프트웨어를 사용한다. 제어 소프트웨어는 CAD 소프트웨어를 사용하여 생성 또는 변형된 화상으로부터 입력 데이타를 얻을 수 있다. 따라서, 도 7에 도시된 컴퓨터 메모리, 예컨대 데이타 저장 장치(234)에 저장된 임의의 화상을 사용하여 그린 바디 물질로부터 3차원 구조체를 생성하기 위하여 스트림-절삭 장치에 의하여 제어될 수 있다.
한 구체예에서, 그린 바디의 성형 공정 또는 방법은 성형된 그린 바디상에서 스트림-절삭 표면, 예컨대 레이저-절삭 표면, 전자 비임-절삭 표면 또는 워터-제트-절삭 표면을 형성하도록, 에너지 스트림 또는 물질 스트림, 예컨대 레이저, 전자 비임 또는 워터-제트를 사용하여 그린 바디 중간체의 제2의 부분으로부터 그린 바디 중간체의 제1의 부분을 절삭하는 것을 포함할 수 있다. 이는 실질적으로 평활면 또는 평평하지 않은 표면을 형성할 수 있다.
한 구체예에서, 그린 바디의 스트림-절삭 공정 또는 방법은 진공하에서 또는 저압하에서 실시할 수 있다. 또한, 스트림-절삭되는 표면은 표면으로부터 배출된 임의의 물질이 표면으로부터 낙하되도록 하향(역전됨) 대면될 수 있다. 스트림-절삭이 역전면상에서 실시될 경우, 절삭되는 각각의 부위가 제거된 그린 바디 물질을 스트림-절삭 표면으로부터 자유 낙하 및 이로부터 떨어지도록 그린 바디를 회전시킬 수 있다. 이는 배출된 입자 및/또는 결합제가 배출된 물질로 형성되는 피처에 이웃하게 재부착되지 않으면서 표면으로부터 이탈되도록 할 수 있다. 이는 스트림-절삭 공정이 열을 생성하고, 절삭되는 부위에서 결합제를 용융시키는 경우 특히 바람직할 수 있는데, 이는 용융된 결합제가 재부착후 재고형화될 수 있기 때문이며, 이는 불규칙 피처를 생성할 수 있다. 그리하여, 그린 바디를 스트림-절삭하는 방법은 스트림-절삭 표면에 이웃하게 또는 표면상에서 불규칙 피처를 형성하는 임의의 재부착된 물질 없이 외부 표면에 형성되도록 실시할 수 있다.
스트림-절삭 장치, 시스템 및 방법의 다양한 피처 및 구체예를 본 발명과 관련하여 논의하면서, 각종 변형을 실시할 수 있으며, 본 발명의 개념을 여전히 보유한다. 그래서, 각종 기타 에너지 스트림 또는 물질 스트림은 소정의 형상을 제공하도록 그린 바디 물질을 절삭시키기 위하여 사용할 수 있다. 게다가, 스트림-절삭 장치, 시스템 및 방법을 변형 및 수정할 수 있으며, 여전히 그린 바디 중간체를 성형시키기 위하여 에너지 스트림 또는 물질 스트림을 사용할 수 있다.
IX. 치과교정용 브래킷
본 발명의 그린 바디 및 생성되는 소결된 물품의 성형 방법은 비교적 작으며, 복잡한 형상을 지니며, 성형 및/또는 기계가공에 의하여 형상으로 성형시키는데는 비용이 많이 소요되는 특히 치과교정용 브래킷의 제조에 유용하다. 도 1은 본 발명에 의한 치과교정용 브래킷(510)의 구체예를 도시한다. 치과교정용 브래킷(510)은 연속 부재로 통합되는 바디(512) 및 베이스 플레이트(514)을 포함한다. 또한, 치과교정용 브래킷(510)은 브래킷(510)의 형상을 구획하는 외부 표면(516)을 포함한다. 바디(512)는 1 이상의 타이 윙(518) 및, 바디(512)의 상부면이 개방된 아치와이어 슬롯(520)을 포함한다. 베이스 플레이트(514)는 복수의 돌출부, 함몰부 및/또는 언더컷을 비롯한 거친 토폴로지(544)를 갖는 결합 표면(522)을 포함한다. 게다가, 결합 표면(522)은 치아의 혀 또는 볼 쪽에 맞도록 이의 반대 형상으로 구조할 수 있다.
바디(512)는 브래킷(510)의 아치와이어를 고정시키기 위하여 결찰(ligature) 또는 파스너(fastner)와 함께 사용하기 위한 결찰이 필요한 브래킷에 배치할 수 있다. 결찰은 장력이 가해진 아치와이어가 치과용 아치의 주위에 적절하게 배치되도록 그리고, 치아를 이동 및 정렬시키는데 필요한 힘뿐 아니라, 와이어가 식사, 양치 또는 기타의 일상의 활동중에 브래킷(510)으로부터 이동되지 않도록 하는데 필수적일 수 있다. 예를 들면, 결찰은 아치와이어의 주위에서 연신되며 바디(512)에 고정되는 작은 탄성 O-링이 될 수 있다. 또한, 금속 결찰을 사용할 수 있으며, 이는 당업계에 공지되어 있다.
결찰을 유지하기 위하여, 각각의 브래킷의 바디(512)는 타이 윙(518) 또는 한쌍의 타이 윙(518a)을 포함할 수 있다. 타이 윙(518)은 바디(512)로부터 돌출된 1 이상의 로브(534)를 포함할 수 있다. 그래서, 타이 윙(518)은 각각의 로브(534)가 결찰 홈(530)으로 굴곡되어 결찰과 결합되도록 구조될 수 있다. 결찰 홈(530)은 외부 표면(516)과 함께 연속적일 수 있어서, 외부 표면(516)은 로브(534)의 주위에서 그리고, 바디(512)의 중심을 향하여 굴곡된다. 바디(512)가 한쌍의 타이 윙(518a)을 포함할 경우, 외부 표면(516)에 의하여 구획된 로브 스페이서(532)는 타이 윙(518)을 타이 윙 쌍(518a)으로 분리할 수 있다. 보다 상세하게는, 로브 스페이서(532)는 바디(512)의 중앙 부분(536)에서의 로브(518)를 바디(512)의 원위 부분(538)으로부터 분리하는 슬롯 또는 간극이 될 수 있다.
아치와이어 슬롯(520)은 내부에 아치와이어를 보유하도록 구조화된다. 그래서, 아치와이어 슬롯(520)은 중앙 단부(540)로부터 원위 단부(542)까지 바디(512)의 종방향을 가로지른다. 아치와이어 슬롯(520)은 사각형 또는 둥근 단부 부위를 갖는 아치와이어를 수용하도록 사각형 또는 둥근형이 될 수 있다. 또는, 기타의 아치와이어 슬롯(520) 형상은 브래킷(510)으로 형성될 수 있다. 또한, 아치와이어 슬롯(520)의 깊이 및/또는 폭은 변경될 수 있다.
또다른 구체예에서, 치과교정용 브래킷은 자가-결찰 브래킷(도시하지 않음)으로 구조화될 수 있다. 자가-결찰 브래킷은, 결찰 커버가 아치와이어상에서 덮혀 아치와이어를 브래킷에 고정시킬 수 있도록 바디와 통합된 결찰 커버를 포함하는 단일 부재가 될 수 있다. 결찰 커버는 통상적으로 결찰을 교체하도록 작용하며, 이들 사이에서 아치와이어를 포함하도록 바디와 함께 박리 결합되는 부착 부재를 포함한다.
게다가, 베이스 플레이트(514)상의 결합 표면(522)은 복수의 돌출부, 함몰부 및/또는 언더컷을 포함하는 토폴로지(544)를 갖도록 구조화된다(도 12a 및 도 12b에 도시한 바와 같음). 토폴로지(544)는 치아부와의 결합을 개선시키도록 설계된다. 따라서, 토폴로지(544)의 돌출부, 함몰부 및/또는 언더컷은 독립적으로 또는 함께 이에 적용하고자 하는 결합제에 대한 결합 표면(522)의 표면적을 증가시키는 작용을 할 수 있다. 각종 구체예에서, 토폴로지(544)는 마찰 점을 감소시키도록 둥근 피처를 지닐 수 있거나 및/또는, 돌출부, 함몰부 및/또는 언더컷은 근접하게 이격될 수 있거나 또는 결합 표면(522)을 가로질러 퍼질 수 있다. 또한, 토폴로지에서의 피처는 균일하게 배열될 수 있거나 또는 무작위로 분포될 수 있다. 결합제는 돌출부를 둘러쌀 수 있으며, 결합 표면(522)과 치아면 사이의 결합에 대하여 기계적인 양상을 부여하기 위하여 함몰부 및/또는 언더컷에 투과될 수 있다. 이는 결합제가 고화되고 브래킷(510)을 치아에 인터로킹시킬 경우 발생한다.
한 구체예에서, 각각의 치과교정용 브래킷(510)은 사람의 구강내에서 특정 유형의 치아 또는 특정의 치아에 맞도록 성형될 수 있다. 따라서, 결합 표면(522)은 이에 접착되는 치아와 부합되는 곡률을 갖도록 성형될 수 있다. 차이 결합 표면(522)이 부합되는지를 확인하기 위하여, 결합 표면(522)은 조각이 새겨 있는 식별 인디시아(indicia)(545)를 포함할 수 있다. 식별 인디시아(545)는 특정의 치아 브래킷을 적용하는 치과 전문용임을 나타낼 수 있으며, 여기서 식별 인디시아(545)는 Universal Numbering System, Palmer Notation 및 FDI-Two Digit Notation을 포함할 수 있다. 예를 들면, 숫자 "22"를 포함하는 결합 표면(522)은 FDI-Two Digit Notation을 사용하며, 상부 좌측 앞니를 나타낸다. 도시한 바와 같이, 식별 인디시아는 함몰부, 돌출부로서 베이스 내에 조각으로 새길 수 있거나 또는 언더컷, 함몰부 및 돌출부로 형성될 수 있다.
또다른 구체예에서, 환자 치아의 3차원 모델을 사용하여 결합 표면(522)의 형상을 형성할 수 있다. 치아의 3차원 모델을 확인할 수 있으며, 컴퓨터에 입력할 수 있다. 그후, 컴퓨터는 특정 치아에 대한 각각의 브래킷의 결합 표면(522)의 정확한 형상을 결정할 수 있다. 또한, 컴퓨터는 브래킷(510)에 포함시키고자 하는 기타 피처 및 위치 설정을 생성할 수 있다. 따라서, 베이스는 컴퓨터 사양뿐 아니라, 서명 각상(angulation) 및 슬롯 위치에 따라 성형될 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 의한 성형된 그린 바디(250)의 또다른 구체예를 도시한다. 도 12a는 치과교정용 브래킷(510) 형상의 성형된 그린 바디(550)를 도시하며, 도 12b는 도시한 바와 같은 치과교정용 브래킷(510) 형상으로 추가로 처리할 수 있는 베이스 플레이트 형상의 성형된 그린 바디(50)를 도시한다. 성형된 그린 바디(550)는 외부 표면(516)에 의하여 구획된 치과교정용 브래킷(510)의 형상으로 협력하는 바디(512) 및 베이스 플레이트(514)을 포함할 수 있다. 바디(512)는 바디(512)의 상부가 개방된 아치와이어 슬롯(520) 및 타이 윙(518)을 포함한다. 타이 윙(518) 각각은 로브 함몰부(530)에 이웃한 로브(534)를 포함한다. 베이스(514)는 복수의 돌출부(524), 함몰부(526) 및/또는 언더컷(528)으로 이루어진 결합 표면(522)을 포함한다. 성형된 그린 바디(550)의 "결합 표면(522)"으로서 지칭되는 구조체는 실제의 "결합 표면"이 아닌데, 이는 성형된 그린 바디(550)가 최종 소결된 브래킷을 형성하기 위하여 소결 이전에 브래킷으로서 사용하기에 적절하지 않으며, 단지 이에 대한 전구체이기 때문이다.
성형된 그린 바디(550)는 치과교정용 브래킷의 형상을 지니며, 성형된 그린 바디(550)를 소결시켜 치과교정용 브래킷을 생성하는데 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "형상", "형태" 또는 기타의 유사 용어는 물체의 외형을 식별하는데 사용되며, 물질의 치수 또는 비율을 엄격하게 설명하고자 하는 의도는 아니다. 예를 들면, 성형된 그린 바디(550)는 치과교정용 브래킷의 형상이며, 이는 소결중에 수축하는 성형된 그린 바디의 더 큰 치수뿐 아니라 치아에 적절하게 맞도록 하는데 필요한 정밀한 치수를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 그래서, 치과교정용 브래킷 형상의 성형된 그린 바디(550)는 치아에 부착될 준비가 된 마무리 소결된 브래킷보다 더 클 수 있다.
성형된 그린 바디(550)는 본 명세서에서 설명한 바와 같이 복수의 소결성 금속 또는 세라믹 입자를 포함하는 것이 바람직하다. 바람직한 구체예에서, 금속 입자는 예를 들면 니켈-티탄 합금 분말로 이루어진다. 또는, 입자는 세라믹 및 금속의 혼합물로 이루어질 수 있다. 스테인레스 스틸 브래킷이 필요할 경우, 예비-합금이 된 미분 과립 스테인레스 스틸 분말을 사용할 수 있다. 또한, 성형된 그린 바디(550)는 금속 입자들을 함께 유지하기에 충분한 상기 복수의 소결성 입자내에서 함량 및 성질로 결합제를 포함한다. 본 명세서에 기재된 결합제를 사용할 수 있다.
도 12a 및 12b를 연속해서 살펴보면, 성형된 그린 바디(550)는 에너지 및/또는 물질 스트림에 의하여 성형된 외부 표면(516)에 1 이상의 성형 부분(552)을 포함할 수 있다. 외부 표면(516)은 성형된 그린 바디(550)의 외부상에서의 임의의 표면을 의도하고자 한다. 그래서, 외부 표면(516)은 금속 입자로 형성된 복수의 불규칙 융기부를 특징으로 하는 토폴로지(544)를 갖는 1 이상의 성형 부분(552)을 포함할 수 있다. 또는, 불규칙 융기부는 거시적으로 보일 수 있거나 또는 미시적으로 보일 수 있는 크기 범위내에서 존재할 수 있다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이, 용어 "거시적"은 육안으로 볼 수 있는 피처를 포함할 수 있다. 예를 들면, 거시적 불규칙 융기부는 임의의 확대를 이용하지 않고 육안으로 용이하게 볼 수 있다. 또는, 용어 본 명세서에서 사용한 바와 같은 "미시적"이라는 용어는 불규칙 융기부를 가시화시키기 위하여 확대를 사용하는 것이 필요로 하는 것을 지칭한다.
한 구체예에서, 성형된 그린 바디(550)는 외부 표면(516)에 성형 부분(552)을 포함할 수 있다. 성형된 그린 부분(552)은, 상당량의 그린 물질을 제거하여 치과교정용 브래킷 성형 부품을 형성하도록 성형된 그린 바디(550)로 절삭한다. 따라서, 성형된 그린 바디(550)는 초기에 쇄선(656)을 사용하여 도시한 바와 같은 직사각형 단면을 지닌다. 그래서, 성형된 부분(552)은 도시한 바와 같은 치과교정용 브래킷의 형상으로 그린 바디(550)를 절삭하여 형성된 외부 표면(516)을 포함할 수 있다. 또는, 그린 바디(550)는 자가-결찰 치과교정용 브래킷(도시하지 않음)의 형상으로 절삭할 수 있다. 그리하여, 외부 표면(516)의 작은 부분 또는 상당 부분은 성형된 부분에 포함될 수 있다.
또다른 구체예에서, 성형된 부분(552)은 복수의 돌출부(524), 함몰부(526) 및/또는 언더컷(528)을 포함할 수 있다. 그래서, 외부 표면(516)은 복수의 돌출부(524), 함몰부(526) 및/또는 언더컷(528)을 포함할 수 있으며, 이들 각각은 소결성 입자로 형성된 토폴로지(544)를 갖는다. 특정의 경우에서, 돌출부(524), 함몰부(526) 및/또는 언더컷(528) 또는 토폴로지(544)에 배치된 적어도 일부분의 소결성 입자는 적어도 부분적으로 융합되거나 또는 함께 용융될 수 있다(예, 성형에 사용되는 레이저 또는 기타의 에너지 스트림에 의하여 국부 가열에 의함). 이러한 것이 발생하는지의 여부는, 소결성 입자들을 함께 유지하는 유기 결합제를 국소 용융, 연소 또는 분해의 결과로서 그린 바디로부터 제거 또는 배출되기 이전에 충분히 높은 온도로 소결성 입자를 가열하는지의 여부에 따라 결정된다.
도 12b는 치과교정용 브래킷(510)[쇄선(558)으로 나타냄]을 형성하기 위하여 바디(512)와 일체형일 수 있는 치과교정용 브래킷 베이스 플레이트(514)을 도시한다. 따라서, 베이스 플레이트(514)은 1 이상의 성형(예, 레이저-절삭) 부분(552) 및/또는 복수의 돌출부(524), 함몰부(526) 및/또는 언더컷(528)을 포함할 수 있다. 게다가, 결합 표면(522) 또는 기타의 성형 부분(552)은, 입자의 일부분이 함께 용융 또는 융합될 수 있는 특정의 경우에서 소결성 입자로 형성된 토폴로지(544)를 지닐 수 있다.
베이스 플레이트(514) 형상의 성형된 그린 바디(550)는 차후에, 소결 이전에 또는 이후에 바디(512)와 일체형일 수 있다. 바디(512)는 금속, 세라믹 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 베이스 플레이트(514) 형상의 그린 금속 바디(550)를 형성하고, 치과교정용 브래킷의 형상을 형성하기 위하여 세라믹 또는 플라스틱으로 성형되기 이전에 소결시킬 수 있으며 이를 쇄선(558)로 도시한다.
도 13a는 본 발명에 의한 성형(예, 레이저-절삭) 부분(552)을 갖는 성형된 그린 바디(550)의 또다른 구체예를 도시한다. 성형된 부분(552)은 결합 표면(522)상에서 존재할 수 있는 레이저-절삭 부분(552)의 외부 표면을 구획하는 토폴로지(544)를 포함한다. 토폴로지(544)는 돌출부(524), 함몰부(526) 및/또는 언더컷(528)이 될 수 있는 복수의 거시적 또는 더 큰 융기부(562)를 포함한다. 더 큰 융기부(562)는, 더 큰 불규칙 융기부(562)가 미시적 불규칙한 융기부가 실질적으로 존재하지 않는 표면(563)을 갖도록 실질적으로 평활한 토폴로지(544)를 갖는 것을 특징으로 하는 그린 바디(550)로 절삭할 수 있다. 따라서, 성형된 그린 바디(550)에서의 레이저-절삭 부분(552)의 토폴로지(544)는 거친 것으로부터 평활한 것까지 구조화될 수 있다.
임의의 특정의 방법으로 한정하지 않으면서, 도 3a(상기에서 논의함)의 토폴로지(44)와 비교하여 도 13a에 도시한 더 평활한 토폴로지(544)는 레이저 또는 기타의 에너지 스트림을 사용하여 그린 금속 바디(550)를 절삭하는 방법에서의 변형을 사용하여 얻을 수 있는 것으로 판단된다. 그래서, 에너지 공급원의 동력, 대기 및/또는 성형되는 표면의 배향은 변경될 수 있다. 또한, 그린 바디의 조성은 다양한 정도의 평활도 또는 거침도를 갖는 토폴로지를 달성하도록 변형될 수 있다.
도 13b는 본 발명에 의한 성형(예, 레이저-절삭) 부분(552)을 갖는 성형된 그린 바디(550)의 또다른 구체예를 도시한다. 성형된 부분(552)은 그린 바디(550)내에서 언더컷(528)을 형성하도록 내부에서 사다리꼴 함몰부(526)를 절삭하여 형성된 복수의 사다리꼴 돌출부(524)를 포함한다. 돌출부(524), 함몰부(526) 및 언더컷(528)은 환자의 치아에 대한 최종 소결된 치과교정용 브래킷의 결합을 증가시키는 결합 표면(522)을 생성한다.
특정의 구체예에서, 레이저-절삭 부분상의 더 평활한 토폴로지는 실질적으로 직사각형 그린 바디를 치과교정용 브래킷의 형상으로 레이저-성형시킬 수 있다. 이는 그린 바디상에서의 더 평활한 토폴로지가 소결된 후 촉감이 훨씬 더 평활할 수 있기 때문이다. 그래서, 소결된 바디는, 브래킷이 구강에 배치되기에 적절한 성질을 갖는 평면이 되도록 임의의 후-소결 분쇄 또는 샌딩 처리할 필요가 없을 수 있을 정도로 평활할 수 있다. 그래서, 타이 윙, 로브, 아치와이어 슬롯, 결찰 홈, 자가-결찰 피처 및 기타 피처는 에너지 및/또는 물질 스트림을 사용하여 그린 바디에 조각을 새길 수 있다.
도 14a 내지 도 14c는 베이스(514) 및/또는 치과교정용 브래킷(도시하지 않음)의 형상을 갖는 그린 바디(550)의 결합 표면(522)에서의 성형(예, 레이저-절삭) 부분(552)의 또다른 각종 예를 도시하며, 이에 한정되지는 않는다. 도 14a에서, 성형된 부분(552)은 성형된 부분(52)의 표면으로 구획된 깊은 함몰부(582)에 의하여 분리되는 긴 컬럼형 돌출부(580)로 이루어진다. 게다가, 긴 컬럼형 돌출부(580)는 이의 내부에서 절삭된 더 작은 함몰부(584)를 포함할 수 있다. 또한, 긴 컬럼형 돌출부(580)는 치과교정용 브래킷을 치아에 기계적으로 결합시키는 것을 돕기 위하여 언더컷(586)을 포함하도록 형성될 수 있다.
또다른 구체예에서, 도 14b 및 도 14c는 결합 표면(522)으로 절삭된 성형 부분(552)을 갖는 그린 바디(550) 베이스(514)를 도시한다. 성형은 함몰부(588), 언더컷(589) 및 오버행(590)을 제공하기 위하여 그린 바디(550)의 일부분을 제거할 수 있다. 함몰부(588), 언더컷(589) 및 오버행(590)은 브래킷을 치아에 부착시킬 경우 결합제 또는 접착제를 수용하기 위한 공극을 제공하기 위하여 결합 표면(522)으로 절삭된 쐐기형 성형된 슬라이스가 될 수 있다. 도시한 바와 같이, 언더컷(589)은 결합 표면을 레이저 또는 기타의 에너지 또는 물질 스트림으로 소정 각도로 충돌시켜 형성할 수 있으며 이는 오버행(590)을 형성한다.
게다가, 그린 바디는 브래킷이 어떤 치아에 관한 것인가를 결정하는 식별 인디시아를 형성하기 위하여 에너지 스트림 및/또는 물질 스트림을 사용하여 절삭할 수 있다. 식별 인디시아는 함몰부, 돌출부 또는 복수의 불규칙 융기부인 것으로 형성될 수 있다. 그린 바디에 조각이 새겨 있는 식별 인디시아는 Universal Numbering System, Palmer Notation 및 FDI-Two Digit Notation을 포함할 수 있다.
또다른 구체예에서, 환자의 치아의 3차원 모델은 그린 금속 바디에서의 결합 표면(522)의 형상을 형성하는데 사용될 수 있다. 3차원 모델을 확인하고, 컴퓨터에 입력할 수 있다. 그후, 컴퓨터는 그린 금속 바디의 결합 표면(522)의 정확한 형상을 결정할 수 있다. 또한, 컴퓨터는 그린 금속 바디에 조각으로 새긴 기타의 피처 및 위치 설정 표시기를 생성할 수 있다. 따라서, 그린 금속 바디는 서명 각상 및 슬롯 위치를 포함하도록 컴퓨터 사양에 따라 성형될 수 있다.
함몰부, 돌출부 및 언더컷의 특정의 피처 및 구조를 도시 및 논의하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것으로 간주하여서는 아니된다. 따라서, 본 발명의 일반적인 피처는 브래킷을 치아에 기계적으로 결합시키기 위한 증가된 표면적을 제공하기 위해 기타 구조화에 적용할 수 있다.
소결될 수 있는 다양한 유형의 금속 분말은 본 발명에 사용할 수 있으며, 이는 알루미늄, 니켈, 티탄, 구리, 코발트, 스테인레스 스틸 등뿐 아니라, 이의 각종 합금으로부터 선택될 수 있다. 그러나, 그린 바디를 치과교정용 브래킷 및/또는 베이스 플레이트으로 소결시키기 때문에, 치과용-친화성 물질, 예컨대 티탄, 티탄 합금 및 스테인레스 스틸을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 브래킷이 높은 정도의 응력을 부여하는 아치와이어 및/또는 결찰에 의하여 브래킷에 가해진 힘을 견뎌야만 하기 때문이다. 그래서, 브래킷은 사용중에 손상되지 않도록 높은 정도의 강도 및 인성을 지녀야만 한다. 금속은 환자의 구강에 사용하기에 안전한(즉, 독성이 거의 없거나 또는 전혀 없음) 것이 바람직하다. 물론, 본 발명의 범위내에서 브래킷을 생성하는데 사용된 금속이 코팅되지 않은채 방치되는 안전하지 않을 수 있는 경우 추가 안전성을 제공하기 위하여 보호 코팅을 최종 브래킷을 코팅시킨다.
성형된 그린 바디의 특정 위치에서 레이저의 온도 및/또는 시간에 따라, 소결성 입자를 그린 바디로부터 깨끗하게 제거할 수 있다. 이는 결합제가 용융, 연소 또는 분해되는 경우에 발생하지만, 금속 또는 기타의 소결성 입자는 기화 온도보다 낮게 유지된다. 이러한 경우에서, 소결성 입자를 배출하고, 중력에 의하여 낙하되고, 그린 바디로부터 완전히 제거된다. 또한, 그린 금속 바디로부터 제거된 금속 또는 기타의 소결성 입자의 적어도 일부분을 그린 바디 표면상에서 재부착시키는 시스템을 설계할 수 있다. 이는 적어도 이론상으로는 금속 입자를 용융 및/또는 기화시키지만 그린 바디로부터 배출되지 않는 경우, 금속이 그린 바디 표면에 재-고화 및 부착되는 것을 방지할 수 있다. 통상의 경우에서, 소결성 입자의 대부분 또는 전부는 그린 금속 바디로부터 깨끗하게 제거되며, 재부착되지 않는다.
X. 그린 바디의 소결
소결된 바디의 제조 방법은 성형된 그린 바디로부터 생성되는 소결된 물품을 제공하기 위하여 본 발명에 따른다. 간략하게, 소결된 바디는 소결성 입자와 결합제의 혼합물을 그린 바디 중간체의 형상으로 모울딩함으로써 생성되는 그린 바디로부터 얻을 수 있다. 그린 바디 중간체를 모울드에서 형성한 후, 상기 방법은 소정의 형상을 갖는 그린 바디를 얻기 위하여 에너지 및/또는 물질 스트림을 사용한 성형을 포함한다. 그후, 성형된 그린 바디는 소결되어 소정의 형상을 갖는 소결된 물품을 얻을 수 있다. 소결은 도 5에 도시한 바와 같이 소결 장치(126)에서 실시할 수 있다. 임의의 경우에서, 성형된 그린 바디의 성형은 사용 준비가 되거나 또는 추가의 처리 또는 피니시 처리를 필요로 하는 제조 물품을 생성할 수 있다.
한 구체예에서, 탈결합 방법은 성형된 그린 바디를 소결시키기 이전에 결합제를 제거하기 위하여 실시될 수 있다. 그래서, 탈결합은 예를 들면 진공하에서 또는 저압하에서 산화 또는 비-산화 대기중에서 열 처리에 의하여 실시할 수 있다. 예를 들면, 탈결합은 약 1×10-1 torr(13.3 ㎩) 내지 약 1×10-6 torr(1.3×10-4 ㎩)에서 실시할 수 있다. 또는, 탈결합은 질소, 아르곤 또는 기타의 불활성 기체중에서 약 1×10-1 torr(13.3 ㎩) 내지 약 1×103 torr(1.3×105 ㎩) 또는 1×103 torr 이상과 같은 고압하에서 실시할 수 있다. 또한, 탈결합 온도는 약 8O℃ 내지 약 75O℃, 더욱 바람직하게는 약 100℃ 내지 약 600℃, 가장 바람직하게는 약 15O℃ 내지 약 45O℃ 이내가 될 수 있다. 임의의 경우에서, 탈결합은 결합제의 용융, 기화 또는 분해에 의하여 발생할 수 있다.
한 구체예에서, 소결 방법은 약 1×10-1 torr(13.3 ㎩) 내지 약 1×10-6 torr(1.3×10-4 ㎩)의 저압하에서 고온에서 산화 또는 불활성 기체하에서 실시될 수 있다. 또는, 소결은 고압, 예컨대 약 1×10-1 torr(13.3 ㎩) 내지 약 1×103 torr(1.3×105 ㎩) 또는 1×103 torr 이상의 고압에서 고온에서 실시될 수 있다. 그래서, 결합제는 소결 공정중에 실질적으로 제거될 수 있다. 또는, 소결 공정은 실질적인 함량이기는 하나 전부가 아닌 결합제를 제거할 수 있으며, 여기서 결합제의 일부는 결합 시스템에 따라 유지될 수 있다. 소결 온도는 약 750℃ 내지 약 2,500℃, 더욱 바람직하게는 약 900℃ 내지 약 2,000℃, 가장 바람직하게는 1,000℃ 내지 약 1,500℃가 될 수 있다.
게다가, 소결 시간은 약 0.5 시간 내지 약 15 시간, 더욱 바람직하게는 약 1 시간 내지 약 10 시간, 가장 바람직하게는 약 2 시간 내지 약 8 시간이 될 수 있다. 그러나, 때때로, 소결은 약 24 시간 이하 동안 지속될 수 있다. 게다가, 소결 공정은 소결성 분말 그레인을 조밀한 소결된 바디로 성장시키기 위하여 변형시켜야 한다. 따라서, 소결된 바디는 그린 바디에 비하여 높은 밀도와 낮은 다공도를 지녀야 한다.
그린 바디를 소결시킬 경우, 다공도가 감소되고 밀도가 증가함에 따라 부피가 수축된다. 이는 각각의 소결성 입자가 더 친밀하게 되도록 하기 위하여 대부분의 결합제가 용융 및/또는 증발되기 때문에 발생할 수 있다. 그래서, 그린 바디는 소결중에 소실되는 부피를 수용하도록 소결된 물품보다 더 크게 제조 및 성형될 수 있다. 그린 바디의 크기와 소결된 물품의 크기 사이의 부피 감소는 약 10% 내지 약 35%, 더욱 바람직하게는 약 12% 내지 약 30%, 가장 바람직하게는 약 15% 내지 약 25%가 될 수 있으나, 통상적인 부피 감소는 약 20%가 될 수 있다.
그린 바디의 부피가 소결중에 점진적으로 감소되기 때문에, 성형된 그린 바디에 조각이 새겨 있는 각종 피처는 수축을 고려하여 제조될 수 있다. 이는 스트림-절삭 특징이 소결 공정후 존재하는 것보다 더 큰 피처를 절삭하도록 또는 오차 한계로 절삭되도록 할 수 있다. 그리하여, 그린 바디를 스트림-절삭할 경우, 복잡한 성형은 소결후 더욱 정밀하고 복잡한 피처를 생성할 수 있다.
수축의 또다른 결과는 소결전 그린 바디에 비하여 더 평활하게 되는 소결된 바디의 토폴로지를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 불규칙한 피처가 스트림-절삭중에 형성될 경우, 이러한 특징은 소결중에 평활화될 수 있다. 반면, 이와 같은 평활화 효과는 임의의 거친 피처를 제거하여야만 할 필요는 없으나, 덜 무디거나 또는 덜 날카로운 모서리를 갖는 더 우수한 표면이 생성될 수 있다.
한 구체예에서, 소결 또는 탈결합 공정은 소결된 바디의 표면으로부터 불순물 또는 바람직하지 않은 부착물을 제거할 수 있다. 소결 이전에 결합제를 용융 및/또는 기화시키기 위하여 열을 생성하는 에너지 스트림, 예컨대 레이저, 전자 비임, 이온 비임 등으로 그린 바디를 절삭할 경우, 소결된 바디상의 열-절삭 표면은 소결 공정후 탄화가 실질적으로 존재하지 않을 수 있다. 예를 들면, 소결된 부품을 레이저-절삭할 경우, 이들 레이저-절삭 표면은 탄화 및 흑변되는 경향이 있으며, 이는 탄화 또는 흑변된 물질을 제거하기 위하여 추가의 공정 또는 피니시 처리를 필요로 한다. 탄화체는 다수의 적용예에 대하여 바람직하지 못한 특징을 나타낼 수 있다.
따라서, 소결 공정 및/또는 탈결합 공정은 입자를 부분적으로 또는 실질적으로 탈-탄화시키는 작용을 할 수 있어서, 소결된 바디는 열-절삭 표면에서 탄화 또는 흑변이 실질적으로 존재하지 않을 수 있다. 특정 이론에 한정시키지 않으면서, 결합제를 용융시키거나 또는 그린 바디 결합제로부터 제거할 경우 그린 바디로부터 탄화된 물질을 유인시킬 것으로 판단된다. 이는 소결 또는 탈결합 공정중에 발생될 수 있는데, 결합제의 일부가 열-절삭 표면상에서 용융 및 유동되고 입자로부터 탄화된 물질이 달라붙게 되기 때문이다. 그리하여, 그린 바디를 에너지의 열 생성 스트림으로 절삭할 경우, 열-절삭 표면은 유사하게 탄화 표면을 지닐 수 있으나, 열-절삭 표면은 소결되기 이전에 그린 바디상에서 동일한 열-절삭 표면에 비하여 소결된 후 탄화가 덜할 수 있다.
또한, 특정 이론에 한정시키지 않으면서, 특히 산화 대기중에 존재하는 경우 소결된 상태로 그린 바디의 외부 표면상에서 산화층을 형성할 것으로 판단된다. 따라서, 소결전 그린 바디를 에너지 또는 물질 스트림으로 성형하는 것은 산화층이 소결중에 스트림-절삭 표면에 형성되도록 할 수 있다. 산화층은 바람직한 특징, 예컨대 내식성, 생체적합성 등을 부여하는 것으로 판단된다. 반면, 소결된 물품의 절삭은 산화 표면층을 파괴할 수 있으며, 이들 바람직한 특징을 감소 또는 억제할 수 있다. 그리하여, 소결된 바디상의 1 이상의 스트림-절삭 표면은 소결에 의하여 형성된 산화 표면을 특징으로 하는 토폴로지를 지닐 수 있으며, 여기서 소결은 본 명세서에서 설명한 바와 같이 그린 바디를 절삭 및 성형한 후 실시한다.
게다가, 소결된 바디는 개선된 표면 특징을 제공하기 위하여 소결후 예컨대 분쇄, 샌딩 처리 등으로 추가로 처리할 수 있다. 그리하여, 소결된 바디의 외부 표면상의 1 이상의 스트림-절삭 표면은 성형된 그린 바디의 외부 표면상에서의 1 이상의 스트림-절삭 표면에 비하여 더 평활한 토폴로지를 지닐 수 있다.
따라서, 치과교정용 브래킷은 결합제와 함께 유지되는 복수의 소결성 입자로 이루어진 성형된 그린 바디를 성형시켜 형성된 소결된 바디를 포함할 수 있다. 소결된 바디는 치과교정용 브래킷의 형상을 구획하는 외부 표면을 포함할 수 있다. 또한, 소결된 바디의 외부 표면상의 1 이상의 성형(예, 레이저-절삭) 부분은 그린 바디를 에너지 및/또는 물질 스트림으로 절삭시켜 형성될 수 있다.
본 발명을 그 사상 또는 필수 특징으로부터 벗어나지 않으면서 기타의 특정의 형태로 구체화할 수 있다. 상기 기재된 구체예는 모든 구체예에서 본 발명을 제한하는 것이 아닌 예시를 위한 것으로 간주하여야 한다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상기의 설명이 아니라 첨부한 청구의 범위에 의하여 정의된다. 청구범위의 균등의 의미 범위내에 포함되는 모든 변형을 본 발명의 범위내에 포함시키고자 한다.

Claims (31)

  1. 성형된 그린 바디의 제조 방법으로서,
    소결성 입자와 유기 결합제의 혼합물을 초기 그린 바디(green body)의 소정의 형상으로 모울딩하여 초기 그린 바디를 형성하는 단계로서, 여기서 소결성 입자는 금속 입자 또는 세라믹 입자 중 1 이상을 포함하는 것인 단계; 및
    에너지 스트림 또는 물질 스트림 중 1 이상을 사용하여 초기 그린 바디로부터 소결성 입자의 일부분을 제거함으로써 초기 그린 바디를 성형하여 성형된 그린 바디를 생성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 초기 그린 바디를 형성하는 단계는
    소결성 입자를 모울드에 투입하는 단계; 및
    초기 그린 바디로서 모울드로부터 이형된 후 입자들을 함께 유지하기에 충분한 함량 및 분포로 유기 결합제를 모울드에 투입하는 단계
    를 더 포함하며, 여기서 초기 그린 바디는 성형중에 균열 또는 파괴를 견디도록 하기에 충분한 형태 안정성을 지니는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 소결성 입자 및 유기 결합제는 모울드에 거의 동시에 투입하는 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 소결성 입자를 혼합기에 투입하는 단계;
    상기 유기 결합제를 혼합기에 투입하는 단계; 및
    혼합물을 형성하도록 상기 입자와 결합제를 혼합하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 소결성 입자의 적어도 일부분은 상기 모울드에 투입하기 이전에 유기 결합제로 적어도 부분적으로 코팅하는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 성형 단계는 레이저 비임을 사용하여 실시하는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 성형 단계는 전자 비임, 전기 방전 또는 이온 비임 중 1 이상을 포함하는 에너지 스트림을 사용하여 실시하는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 성형 단계는 워터-제트, 샌드블래스팅용 스트림, 케미칼-제트 또는 유체-제트 중 1 이상을 포함하는 물질 스트림을 사용하여 실시하는 것인 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 워터-제트는 연마 입자를 더 포함하는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 스트림-절삭 표면상에서 금속 입자의 일부분 또는 유기 결합제의 일부분 중 1 이상을 열 비임을 사용하여 용융시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제1항에 따라 형성되는 성형된 그린 바디로서,
    복수의 소결성 입자;
    성형중에 형태 안정성을 갖도록 하기 위하여 상기 복수의 소결성 입자를 함께 충분히 유지하는 유기 결합제; 및
    성형된 그린 바디상에서의 1 이상의 스트림-절삭 표면
    을 포함하는 그린 바디.
  12. 제11항에 있어서, 상기 성형된 그린 바디는 본질적으로 금속 입자로 이루어지며, 표면에 레이저-절삭 표면을 지니며, 상기 레이저-절삭 표면은 용융된 금속 입자 또는 용융된 유기 결합제 중 1 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 것인 성형된 그린 바디.
  13. 제11항에 있어서, 상기 성형된 그린 바디는 성형된 그린 바디를 소결함으로써 얻어지는 소결된 바디보다 부피가 약 10% 내지 약 30% 더 큰 것인 성형된 그린 바디.
  14. 제11항에 있어서, 상기 성형된 그린 바디는 치과교정용 브래킷의 형상에 부합되는 것인 성형된 그린 바디.
  15. 제14항에 있어서, 상기 소결성 입자는 알루미늄, 니켈, 티탄, 구리, 코발트 및 스테인레스 스틸로 구성된 군 중에서 선택된 1 이상의 금속을 포함하는 것인 성형된 그린 바디.
  16. 소결되는 성형된 물품의 제조 방법으로서,
    제1항에 의한 성형된 그린 바디의 제조 단계; 및
    상기 성형된 그린 바디를 소결시켜 소결되는 성형된 물품을 생성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 소결 단계는 소결되는 성형된 물품이 성형된 그린 바디의 부피보다 약 10% 내지 약 30% 더 작은 부피를 갖도록 하는 것인 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 성형 단계는 소결 단계 전에 레이저를 사용하여 실시하여 소결 단계 후 탄화가 거의 없는 물품상에서의 레이저-절삭 표면을 제공하는 것인 방법.
  19. 제16항에 있어서, 소결 단계 중에 스트림-절삭 표면을 평활화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제16항에 따라 형성되는 소결된 물품으로서,
    경화되는 소결된 바디로서, 소결된 바디는 금속 물질 또는 세라믹 물질 중 1 이상을 포함하는 것인 경화되는 소결된 바디; 및
    소결된 바디상의 스트림-절삭 표면으로서, 스트림 절삭 표면은 소결 단계 전에 비하여 소결 단계 후에 더 평활화된 토폴로지를 갖는 것을 특징으로 하는 것인 소결된 바디상의 스트림-절삭 표면
    을 포함하는 소결된 물품.
  21. 제20항에 있어서, 상기 소결된 바디는 본질적으로 소결된 금속으로 이루어진 것인 소결된 물품.
  22. 제20항에 있어서, 상기 소결된 바디는 본질적으로 세라믹으로 이루어진 것인 소결된 물품.
  23. 제20항에 있어서, 상기 스트림-절삭 표면의 적어도 일부분은 함몰부, 돌출부 또는 언더컷 중 1 이상을 갖는 치과교정용 브래킷의 결합 표면(bonding surface)을 포함하는 것인 소결된 물품.
  24. 성형된 그린 바디로서,
    복수의 소결성 입자;
    에너지 스트림 또는 물질 스트림 중 1 이상으로 성형할 때 성형된 그린 바디가 형태 안정성을 갖도록 상기 복수의 소결성 입자를 함께 유지하게 하는 함량 및 분포의 유기 결합제; 및
    에너지 스트림 또는 물질 스트림 중 1 이상에 의하여 형성되는 성형된 그린 바디상에서의 1 이상의 스트림-절삭 표면
    을 포함하는 성형된 그린 바디.
  25. 제24항에 있어서, 상기 복수의 소결성 입자는 본질적으로 세라믹 입자로 이루어진 것인 성형된 그린 바디.
  26. 제24항에 있어서, 상기 복수의 소결성 입자는 본질적으로 소결성 금속 입자로 이루어진 것인 성형된 그린 바디.
  27. 제24항에 있어서, 상기 유기 결합제는 왁스, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아크릴 중합체, 폴리스티렌, 폴리에틸렌-비닐 아세테이트, 폴리에틸렌 비닐 알콜, 폴리에틸렌 아세테이트, 염소화 폴리에틸렌, 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 스티렌-부타디엔 디- 및 트리-블록 중합체, 폴리클로로프렌, 폴리에틸렌-프로필렌 공중합체, 클로로설폰화 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 스티렌-이소프렌 공중합체, 스티렌 에틸부틸렌 공중합체, 스티렌-부타디엔 고무 라텍스, 폴리클로로프렌 라텍스, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트 및 폴리디메틸실록산으로 구성된 군 중에서 선택된 1 이상의 성분을 포함하는 것인 성형된 그린 바디.
  28. 스트림-성형된 그린 바디의 제조시 사용하기 위한 그린 바디로서, 상기 스트림-성형된 그린 바디는
    금속 물질 또는 세라믹 물질 중 1 이상을 포함하는 복수의 소결성 입자; 및
    소결성 입자들을 함께 결합하는 유기 결합제로 이루어진 유기 결합제 매트릭스로서, 유기 결합제는 상기 복수의 소결성 입자내에서 각각의 소결성 입자의 일부분을 적어도 부분적으로 코팅하는 것인 유기 결합제 매트릭스
    를 포함하며, 상기 유기 결합제는
    상기 복수의 소결성 입자를 함께 유지하기에 충분한 접착성을 지니며; 그리고
    그린 바디의 균열 또는 파괴 없이 에너지 스트림 또는 물질 스트림 중 1 이상으로 성형될 수 있는 형태 안정성 그린 바디를 형성하는 것을 특징으로 하는 것인 그린 바디.
  29. 제28항에 있어서, 상기 소결성 입자는 본질적으로 세라믹 입자로 이루어지는 것인 그린 바디.
  30. 제28항에 있어서, 상기 소결성 입자는 본질적으로 소결성 금속 입자로 이루어지는 것인 그린 바디.
  31. 제28항에 있어서, 상기 유기 결합제는 왁스, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 아크릴 중합체, 폴리스티렌, 폴리에틸렌-비닐 아세테이트, 폴리에틸렌 비닐 알콜, 폴리에틸렌 아세테이트, 염소화 폴리에틸렌, 폴리이소프렌, 폴리부타디엔, 스티렌-부타디엔 디- 및 트리-블록 중합체, 폴리클로로프렌, 폴리에틸렌-프로필렌 공중합체, 클로로설폰화 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 스티렌-이소프렌 공중합체, 스티렌 에틸부틸렌 공중합체, 스티렌-부타디엔 고무 라텍스, 폴리클로로프렌 라텍스, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트 및 폴리디메틸실록산으로 구성된 군 중에서 선택된 1 이상의 성분을 포함하는 것인 그린 바디.
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