KR20120068865A - 티타늄 물품을 제조하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

티타늄 물품을 제조하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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시그리드 걸드베르그
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노르스크 티타늄 컴포넨츠 아에스
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Abstract

본 발명은 임의 형상 제작에 의해 물품, 특히 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된 물품을 제작하기 위한 방법 및 반응로에 관한 것이다. 임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 제작하는 반응로는 주위 대기에 대해 폐쇄된 반응로 챔버를 포함하며, 상기 반응로는 반응로 챔버를 형성하는 모든 인접한 벽 요소들이 둔각(90°보다 큰)으로 연결되는 설계를 제공하고, 반응로 챔버 아래 위치된 액츄에이터는 액츄에이터가 반응로 챔버 내부의 지지 기면을 홀딩하는 반응로 챔버의 바닥에서 개구를 통하여 반응로 챔버 내로 돌출하도록 하는 설계를 제공하고, 상기 개구는 상기 개구에서 반응로 벽에 그리고 액츄에이터에 기밀 부착되는 하나 이상의 가스 불투과성 탄성 멤브레인에 의해 밀봉되고, 상기 반응로 챔버 외부에 위치된 액츄에이터는 상기 액츄에이터가 상기 반응로 챔버 내부의 용접가능한 재료의 와이어 피더를 구비한 고 에너지 플라즈마 전달 아크 용접 토치를 홀딩하는 반응로 챔버의 측부에서 개구를 통하여 반응로 챔버 내로 돌출하고, 상기 개구는 상기 개구에서 반응로 벽에 그리고 액츄에이터에 기밀 부착되는 하나 이상의 가스 불투과성 탄성 멤브레인에 의해 밀봉되고, 상기 반응로는 상기 반응로 챔버의 가장 낮은 레벨에 위치되는 하나 이상의 폐쇄가능한 가스 유입구 및 상기 반응로 챔버의 가장 높은 레벨에 위치되는 하나 이상의 폐쇄가능한 가스 유출구를 구비한다.

Description

티타늄 물품을 제조하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR MANUFACTURING TITANIUM OBJECTS}
본 발명은 임의 형상 제작(solid freeform fabrication)에 의해 물품, 특히 티타늄 및 티타늄 합금 물품을 제조하기 위한 방법 및 반응로에 관한 것이다.
배경기술
티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된 구조화 금속 부분들은 종래에는 빌렛(billet)으로부터 주조(casting), 단조(forging) 또는 기계가공(machining)에 의해 제조된다. 이러한 기술들은 고가의 티타늄 금속의 고급 재료 사용 및 제조에서의 많은 리드 타임(lead time)의 단점을 가진다.
충분히 밀집된 물리적 물품은 쾌속 성형(rapid phototyping), 쾌속 제작(rapid manufacturing), 계층적 제작(layered manufacturing) 또는 적층식 제조(additive fabrication)로서 공지된 제조 기술에 의해 제조될 수 있다. 이러한 기술은 제조되는 물품의 가상 모델을 1차적으로 구성하기 위해 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어(CAD)를 적용하고, 이어서 가상 모델을 보통 수평방향으로 배향된, 얇고 평행한 조각들 또는 레이어들로 변환한다. 이 물리적 물품은 이어서 전체 물품이 형성될 때까지 가상 레이어들의 형상과 유사한 액체 페이스트, 분말 또는 시트 재료의 형태의 원료의 연속 레이어들을 배치함으로써(lay down) 제조될 수 있다. 레이어들은 서로 용융되어 고체 밀집 물품을 형성한다. 서로 용융되거나 용접되는 고체 재료들의 적층(depositing)의 경우, 이 기술은 또한 임의 형상 제작으로서 지칭된다.
임의 형상 제작은 각각의 물품에 대해 통상적으로 소정의 시간으로부터 몇 일(several days)로 변화하는, 상대적으로 빠른 생산 속도로 대부분의 임의의 형상의 물품의 생성을 허용한다. 이 기술은 따라서 원형(prototype) 및 소규모 제조 연속물의 형성에 적합하지만, 대규모 생산에는 들(less) 적합하다.
종래기술
계층적 제작 기술은 구조 재료의 피스의 적층을 포함하도록 확대될 수 있다, 즉 물품의 가상 모델의 각각의 구조적 레이어가 나란히 놓일 때 레이어를 형성하는 한 세트의 피스로 분리된다. 이는 물품의 가상 계층적 모델에 따라 각각의 레이어를 형성하는 연속 스트립 내의 기면(substrate) 상으로 와이어를 용접하고 전체 물리적 물품이 성형될 때까지 각각의 레이어에 대해 상기 공정을 반복함으로써 성형 금속 물품을 허용한다. 용접 기술의 정밀도는 수용가능한 치수로 물품을 직접 형성하는 것을 허용하기에는 보통 조악하며, 따라서, 성형된 물품은 보통 수용가능한 치수적 정밀도로 기계가공되는 것이 요구되는 미가공 물품 또는 예비-성형품이 고려될 것이다.
타민저(Taminger) 및 하플리(Hafley)[1]는 전자 비임 자유 조립 장치(EBF)와 조합된 컴퓨터 보조 설계 데이터로부터 직접 구조적 금속 부분을 제조하기 위한 방법 및 장치를 공개한다. 구조적 부분은 전자 비임에 의해 제공된 열 에너지에 의해 용접되는 금속 용접 와이어의 연속 레이어들 상에 용접됨으로써 건조된다. 이 공정은 [1]의 도 1과 동일한, 도 1에 개략적으로 도시된다. EBF 공정은 고 진공 환경 내에서 포커싱된 전자 비임에 의해 제조되어 유지되는 융용 풀(molten pool) 내로 금속 와이어를 공급하는 것을 포함한다. 전자 비임 및 용접 와이어의 위치설정은 전자 비임 건(electron beam gun) 및 하나 또는 둘 이상의 축선(X, Y, Z 및 회전)을 따라 가동적으로 힌지결합된 위치설정 시스템(지지 기면(support substrate))을 가짐으로써 얻어지고 4개의 축선 운동 제어 시스템에 의해 지지 기면과 전지 비임 건의 위치를 조절한다. 이 공정은 재료 사용에서 거의 100% 효율 및 파워 소모에서 95% 효율이 되는 것을 요구한다. 상기 방법은 벌크 금속 적층 및 더 미세하고 세밀한 적층 모두가 적용될 수 있으며, 상기 방법은 금속 부분을 기계가공하는 종래의 접근에 비해 리드 시간 감소 및 하위 재료 및 기계가공의 비용 상의 상당한 효과를 얻기 위해 요구된다.
전자 비임 기술은 적층 챔버 내에서 10-1 Pa 또는 그 미만의 높은 진공에 종속하게 되는 단점을 가진다. 이는 플라즈마 전달 아크에 의해 포커싱된 전자 비임에 의해 스폿(spot) 가열을 치환함으로써 회피될 수 있다. 이러한 경우, 국부적 용융 풀의 형성은 두 개의 불활성 전극들 사이의 아크 방전에 의해 형성된 열에 의해 얻어지고 그리고 불활성 플라즈마 형성 가스의 포커싱된 스트림에 의해 용융 스폿 상으로 지향된다. 이러한 공정은 대기 압력에서 용이하게 적용될 수 있어 더 간단하고 비용이 적게 드는 공정 장비를 허용한다. 이러한 기술의 일 예는 US 7 326 377호 및 US 2006/185473호에서 설명된다. 이러한 기술은 때때로 플라즈마 전달 아크 임의 형상 제작(PTA-SFFF)을 나타낸다.
US 2006/185473호는 매우 고가의 레이저 대신 용접 토치와 같은 고 에너지 플라즈마 비임이 통상적으로 원료의 비용을 상당히 감소하는 방식으로 티타늄 공급물 및 합금 성분을 조합함으로써 상대적으로 적은 비용의 티타늄 공급 재료를 임의 형상 제작(SFFF) 공정에서 이용되는 방법이 설명된다. 더욱 상세하게는, 하나의 양태에서 본 발명은 합금 와이어 보다 비용이 적은 순수한 티타늄 와이어(CP Ti)를 사용하며, 그리고 용접 토치 또는 다른 높은 파워 에너지 비임의 용융으로 CP Ti 와이어와 분말 합금 성분을 조합함으로써 SFFF 공정의 현장에서(in-situ) CP Ti 와이어를 분말 합금 성분에 조합한다. 다른 실시예에서, 본 발명은 합금 요소와 혼합되고 와이어 내로 형성된 티타늄 스폰지 재료를 적용하는데, 여기서 와이어는 최종 제품에 근사한(near-net shape) 티탄 성분들을 생산하기 위하여 플라즈마 용접 토치 또는 다른 높은 파워 에너지 비임과 조합하여 SFFF 공정에서 이용할 수 있다. US 2006/185473호에 따른 공정은 도 2에 개략적으로 도시되며, 도 2는 US 2006/185473호의 도 1과 동일하다.
400℃ 이상으로 가열된 티타늄 금속 또는 티타늄 합금은 산소와 접촉할 때 산화되기 쉽다. 따라서 주위 대기에서 계층적 제조에 의해 형성되는 용접부 및 가열된 물품을 산소에 대해(against) 보호되는 것이 필요하다. WO 2009/068843호는 보호하는 불활성 가스의 균일한 유출을 형성하는 용접에 대한 불활성 가스 차폐부를 공개한다. 보호가 필요한 물품 위에 차폐부를 배치함으로써, 불활성 가스의 균일한 유동이 대기 산소 함유 가스를 동반할 수 있는 와류를 형성하지 않고 주위 대기를 대신한다. 상기 차폐부는 중공형 박스로서 형성되고 불활성 가스는 중공형 박스의 내부로 들어가서 박스의 하나의 벽 내에 형성된 한 세트의 좁은 개구를 통하여 박스 내부에서 누출되는 것을 허용한다.
본 발명의 주 목적은 티타늄 또는 티타늄 합금으로 물품을 신속하게 계층적으로 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 본 발명에 따른 방법의 실행을 허용하는 적층 챔버를 제공하는 것이다.
발명의 설명
본 발명은 적층 챔버에 충분한 산소가 없도록 함으로써, 주위 대기의 산소에 의해 새로 용접된 영역을 산화하는 것을 회피하기 위한 보호 수단을 적용하기 위한 요구가 더 이상 존재하지 않아 용접 공정이 더 빠른 속도로 처리될 수 있도록 하는 인식을 기초로 한다. 예를 들면, 티타늄 또는 티타늄 합금의 물품의 제조시, 산화를 방지하기 위해 용접 존을 400 ℃ 미만으로 냉각하는 것이 더 이상 요구되지 않는다.
따라서, 제 1 양태에서, 본 발명은 임의 형상 제작에 의해 용접 가능한 재료로 물품을 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은:
- 형성되는 물품의 가상의 3차원 모델을 형성하는 단계,
- 가상의 3차원 모델을 한 세트의 가상의 평행한 레이어들로 분리하고 이어서 각각의 레이어를 한 세트의 가상의 준(quasi) 일차원 피스들로 분리하여, 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델(virtual vectorized layered model)을 형성하는 단계,
- 폐쇄된 반응로 용기 내에 배치되는 지지 기면, 고 에너지 플라즈마 전달 아크 용접 토치, 및 와이어 공급 시스템의 위치 및 작동을 조절할 수 있는 용접 제어 시스템 내로 물품의 벡터화된 계층적 모델을 로딩하는 단계,
- 폐쇄된 반응로 용기 내부 분위기를 약 105 Pa의 압력을 구비하고 최대 50 ppm 산소가 들어 있는 불활성 분위기로 교체하는 단계,
- 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델의 제 1 레이어에 따른 패턴으로 용접 가능한 재료의 일련의 준 일차원 피스를 지지 기면 상에 용접하기 위하여 용접 제어 시스템을 결합하는 단계,
- 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델의 제 2 레이어에 따른 패턴으로 이전에 적층된 레이어 상으로 용접가능한 재료의 일련의 준 일차원 피스를 용접함으로써 물품의 제 2 레이어를 형성하는 단계, 및
전체 물품이 형성될 때까지 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델의 각각의 연속적인 레이어에 대해 레이어 마다(layer by layer) 용접 공정을 반복하는 단계를 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델"은 형성되는 물품의 3차원의 컴퓨터로 처리된 표현을 의미하며, 여기에서 물품은 한 세트의 평행 레이어들로 분리되며, 각각의 레이어는 한 세트의 준 일차원 피스들로 분리된다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "준 일차원 피스들"은 벡터화된 모델에 따른 특정 패턴으로 나란히 배치될 때 형성되는 물품을 형성하는 용접 재료의 종방향 로드-유사(resembling) 피스들을 의미한다. 로드-유사 피스들은 벤딩(만곡)되거나 선형일 수 있다. 가상의 벡터화 계층적 모델은 가상의 벡터화된 계층적 모델의 각각의 가상의 준 일차원 피스에 대응하는 용접 와이어의 피스들을 서로 용접함으로써 물리적 물품으로 변환될 수 있다.
가상의 모델은 치수들의 정보를 포함하고 제조되어야 하는 물리적 물품의 3차원 설계에 대응하는 3차원 설계가 주어진다. 이어서 가상의 벡터화된 계층적 모델은 물품의 물리적 구성에 대한 템플리트(template)로서 적용될 수 있다. 즉, 가상 모델은 임의 형상 제작 장비의 제어 시스템에 의해 실행된 건조 명령으로 변환되어 와이어를 연속 스트라이프로 기면 상으로 용접함으로써 물리적 물품이 조금씩 제조되도록 하며, 여기서 각각의 용접된 스트라이프는 가상의 벡터화된 계층적 모델의 피스에 상응한다. 제조 공정의 원리가 도 1에 도시되며, 도 1은 전자 비임 자유 조립 장치(EBR)에 의해 제 1 레이어 상으로 피스를 용접함으로써 금속 물품의 제조를 보여준다. 본 발명은 가상의 벡터화된 계층적 모델을 제조하기 위한 컴퓨터 보조 설계용의 임의의 소프트웨어가 공지되어 있거나 구상가능하다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 방법은 임의 형상 제조에 적절한 임의의 재료가 적용될 수 있다. 이는 임의의 용접가능한 금속 또는 합금 금속 및 폴리메릭 재료를 포함한다. 이 방법은 특히 티타늄 또는 합금 티타늄으로 물품을 제조하기에 적절하다.
불활성 가스는 재료의 연화 온도(softening temperature) 아래 온도에서 사용되는 용접가능한 재료를 향하는 임의의 화학적 비활성(inactive) 가스일 수 있다. 불활성 가스는 유용하게는 불활성 가스로의 반응로 챔버 내부 공기의 치환을 완화하도록 공기 보다 더 높은 밀도를 가진 가스일 수 있다. 아르곤은 적합한 불활성 가스의 일 예이지만, 헬륨, Ar-He의 가스 혼합물 또는 다른 불활성 가스를 포함할 수 있다. 즉 티타늄 및 합금 티타늄의 산화 문제는 불활성 가스가 50 ppm 이상의 산소를 포함할 때 문제가 된다. 그러나, 산소 레벨은 유용하게는 약 20 ppm 산소와 같이, 낮을 수 있다.
티타늄 또는 합금 티타늄 물품의 종래 기술의 플라즈마 전달 아크 임의 형상 제조의 하나의 주요(standing) 문제점은 금속이 약 400 ℃ 위의 온도에서 주위 대기 내의 산소에 대하여(against) 보호되는 것이 요구된다는 것이다. 이는 성형된 물품의 부분이 과열되는 것을 회피하도록 용접 공정에서의 규칙적인 중단을 초래한다. 용접 존 내에 50 ppm 보다 작은 산소를 갖는 분위기를 사용함으로써, 과열을 회피하기 위한 규칙적인 중단에 대한 이러한 요구가 실질적으로 감소되는데, 이는 물품이 400 ℃ 위로 가열되는 것이 허용될 수 있기 때문이다. 산소 결손 분위기를 적용할 때 단지 공정의 온도 제한은 적층된 금속 상태의 온도가 금속의 연화점 아래이어야 한다는 것이다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "연화점(softening point)"은 재료(즉, 티타늄 또는 합금 티타늄)가 특정 상태의 테스트 하에서 특별한 연화 정도를 달성하는 온도를 의미한다. 어떤 합금이 적용되는가에 따라 연화점이 좌우되지만, 티타늄 또는 합금 티타늄을 적용할 때 연화점은 통상적으로 800 ℃ 또는 그 초과이다.
제 2 양태에서, 본 발명은 임의 형상 제조에 의해 용접가능한 재료로 물품을 제조하기 위한 반응로에 관한 것으로, 상기 반응로는:
- 주위 대기에 대해 폐쇄되는 반응로 챔버(1),
- 반응로 챔버 내부에 배치되는 지지 기면(3)의 위치 및 운동을 제어하는 액츄에이터(2),
- 와이어 피더(wire feeder)를 구비한 고 에너지 플라즈마 전달 아크 용접 토치(5)의 위치 및 운동을 제어하는 액츄에이터(4),
- 형성되는 물품의 가상의 3차원 벡터화 계층적 모델을 판독할 수 있고 그리고 액츄에이터들(2, 4)의 위치 및 운동, 용접 토치(5) 및 와이어 피더의 작동을 제어하기 위해 가상의 모델을 적용할 수 있으며, 그에 따라 용접가능한 재료의 준 일차원 피스들의 계층적 구조를 형성되는 물품의 가상의 3차원 벡터화 계층적 모델에 따른 지지 구조 상으로 용접함으로써 물리적 물품이 제조되는, 제어 시스템을 포함하는, 반응로에 있어서,
- 상기 반응로 챔버의 벽들의 모든 인접한 벽 요소(6)가 둔각(90°보다 큰)으로 연결되며,
- 상기 액츄에이터(2)는 반응로 챔버 아래로부터 연장하고 반응로 챔버 벽의 개구(7)를 통하여 반응로 챔버 내로돌출하여 반응로 챔버 내부에서 지지 기면(3)을 홀딩하고,
- 상기 개구(7)는 개구(7)에서 반응로 벽으로 그리고 액츄에이터(2)로 기밀 부착되는 적어도 하나의 가스 불투과성 탄성 멤브레인(8)에 의해 밀봉되며,
- 상기 액츄에이터(4)는 반응로 챔버의 외부로부터 연장하고 반응로 챔버의 벽의 개구(9)를 통하여 반응로 챔버 내로 돌출하여 반응로 챔버 내부의 용접가능한 재료의 와이어 피더를 구비한 고 에너지 플라즈마 전달 아크 용접 토치(5)를 홀딩하며,
- 상기 개구(9)는 개구(9)에서 반응로 벽으로 그리고 액츄에이터(4)로 기밀 부착되는 적어도 하나의 가스 불투과성 탄성 멤브레인(10)에 의해 밀봉되며, 그리고
- 상기 반응로는 반응로 챔버의 하부 부분에 위치되는 하나 이상의 폐쇄가능한 가스 유입구(11) 및 반응로 챔버의 상부 부분에 위치되는 하나 이상의 페쇄가능한 가스 유출구(12)를 구비한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "반응로 챔버의 벽"은 다르게 특정되지 않으면 플로어 및 천장을 포함하는 반응로를 구성하는 둘러싸인 구획부의 모든 측면들을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "반응로 챔버의 하부 부분"은 반응로 챔버의 하부 레벨(플로어에 근접한)에 있는 소정의 위치를 의미하며, 반면 본 명세서에서 사용되는 용어 "반응로 챔버의 상부 부분"은 반응로 챔버의 상부 레벨(천장에 근접한)에 있는 소정의 위치를 의미한다.
반응로 챔버의 상부 부분에서 하나 이상의 폐쇄가능한 가스 유출구 및 챔버의 하부 부분에서 하나 이상의 폐쇄가능한 가스 유입구와 둔각으로 조합된 반응로 챔버의 벽들을 구성하는 벽 요소들과 인접하는 피쳐(feature)는 챔버 내부의 분위기를 간단하고 효과적인 방식으로 불활성 순수 아르곤 가스, 헬륨 또는 Ar-He의 가스 혼합물로 대체하기 위한 성능을 제공하는데, 간단하고 효과적인 방식은 대체되는 산소 함유 가스의 남은 부분이 비말 동반된 와류 및 역 유동 존을 실제로 제거한다. 따라서 이러한 피쳐는 불활성 가스로 반응로 챔버의 효과적으로 충전하기 위한 수단으로서 고려될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 용어 "가장 높은 레벨"은 중력장에 대해 반응로 챔버의 가장 높은 부분을 의미하고, 용어 "가장 낮은 레벨"은 중력장에 대해 반응로 챔버의 가장 낮은 부분을 의미한다.
인접한 벽 요소들 사이의 둔각의 효과는 적용될 각도를 더 크게 증가시킨다. 그러나, 반응로 구획부의 크기는 각도가 증가함에 따라 증가한다. 따라서 실제로 챔버의 크기와 챔버의 내부의 날카로운 에지를 회피하기 위한 요구 사이의 타협안(trade-off)을 찾는 것이 필요하다. 따라서 둔각이 실제로 95 내지 130°, 더욱 적절하게는 100 내지 120°이어야 한다.
반응로 챔버의 외부 상의 용접 토치(와이어 피더를 포함함) 및 지지 기면의 운동 및 위치를 제어하는 액츄에이터의 주 부분들을 배치하는 피쳐는 반응로 챔버 내부의 제조 장비 둘레의 와류 형성 존 또는 역 유동 존을 형성하는 가능성을 가능한 낮은 레벨로 감소시켜서 이에 따라 물체의 임의 형상 제조를 시작하기 전에 반응로 챔버 내의 산소를 외부로 배출하는 공정을 보조하도록 한다. 챔버의 배출은 서로에 대해 적어도 5 mm의 거리에서 반응로 벽을 통과하는 전기 케이블, 튜브 등을 배치함으로써 경감된다.
반응로 챔버 내의 개구의 탄성 기밀 밀봉은 탄성 및 가스 불투과성 러버의 하나 또는 둘 이상의 레이어를 적용함으로써 달성될 수 있다. 러버 시트(들)는 반응로 벽에 부착되는 클램핑 프레임 및 반응로 챔버 내의 개구를 통하여 돌출하는 액츄에이터 아암에 부착되는 클램핑 링을 이용함으로써 부착될 수 있다. 이러한 방식으로, 액츄에이터 아암은 반응로 벽에 대해 오히려 자유롭게 이동할 가능성이 주어지며 여전히 가스 불투과성 탄성 러버에 의해 반응로 벽 내의 개구의 기밀 폐쇄를 얻는다.
반응로 챔버의 산소 보호(protection)는 주위 대기에 비해 반응로 챔버 내부의 약간 상승된 압력, 예를 들면 주위 대기 보다 약 100 Pa 높은 압력과 같은 압력을 얻기에 충분한 아르곤을 삽입함으로써 증가될 수 있다. 반응로 챔버는 또한 챔버 내부에 불활성 분위기 내의 산소, 질소 및 다른 가스의 함량 중 하나 또는 둘 이상을 모니터링하기 위한 측정 기구가 구비될 수 있어, 제조 하의 금속 물품에 대해 유해한 레벨에 도달하기 전에 반응 챔버 내의 궁극적으로 발생된 받아들일 수 없는 레벨의 산소, 질소 등을 외부로 배출하는 것을 허용한다.
본 발명의 제 2 양태에 따라 반응로 챔버는 50 ppm 또는 그 미만의 산소 농도를 구비한 챔버 내부 분위기를 얻도록 아르곤 또는 다른 불활성 분위기로 용이하게 채워질 수 있다. 이 같은 낮은 산소 레벨에서, 형성되는 물품의 받아들일 수 없는 상당한 산화 위험이 없어, 용접 공정은 종래의 임의 형상 제조 방법에 비해 상승된 온도로 진행될 수 있도록 한다. 물품의 온도는 연화점까지 증가될 수 있다. 티타늄 또는 합금 티타늄을 적용하는 경우, 금속의 온도는 물품의 계층적 제조 동안 800 ℃ 또는 그 초과 만큼 높을 수 있다. 이러한 피쳐는 따라서 400 ℃ 아래 온도를 요구하는 종래 기술에 비해 용접 공정으로 처리되기 전에 새롭게 형성된 웨브를 냉각하기 위해 요구되는 시간을 상당히 감소시키게 된다.
본 발명의 제 2 양태에 따른 반응로 챔버의 이용에 의해, 챔버 내부의 공기는 챔버의 용적과 동일한 양의 불활성 가스만 삽입함으로써 챔버의 바닥 내의 가스 유입구를 통한 층형 유동을 제공하는 유동 상태에서 안정되고 용이한 방식으로 아르곤 가스를 삽입함으로써 완전히 외부로 배출될 수 있고 여전히 약 20 ppm 산소의 불활성 아르곤 분위기 내의 산소 함량을 얻을 수 있다. 따라서, 아르곤 충전 동안 과유동을 반드시 형성하지 않고 모든 공기가 가압되자 마자 챔버의 상부에서 불활성 가스 유출구를 폐쇄한다. 이는 고가의 불활성 가스를 매우 적게 이용하는 장점을 제공한다.
반응로 챔버는 또한 불활성 가스가 챔버로부터 나와서 열교환기를 통하여 불활성 가스의 낮은 온도로 통과하고 이어서 폐쇄형 재생 루프 내의 반응로 챔버 내로 삽입되는 폐쇄형 냉각 회로를 포함할 수 있다. 이러한 피쳐는 유용하게는 용접 토치가 높은 파워로 작동되는 경우 반응로 챔버를 과열하는 것을 회피한다. 용접 토치는 5 내지 6 kW 또는 그 이상에서 효과적으로(with effect) 작동될 수 있으며, 이 같은 경우 1 내지 2 m3의 밀봉된 반응로 공간이 챔버 내부의 기상(gas phase)의 능동적 냉각(active cooling) 없이 고온으로 급속하게 가열될 것이다.
본 발명은 액츄에이터, 용접 토치, 및 와이어 피더를 작동하기 위한 임의의 공지되거나 구상가능한 제어 시스템을 적용될 수 있다. 액츄에이터는 유용하게는 4개의 축 운동 제어 시스템(X, Y, Z 및 회전)을 구비할 수 있다. 본 발명은 플라즈마 전달 아크 임의 형상 제조(PTA-SFFF)로서 공지된 기술에 의해 금속 물체의 계층 제조를 수행할 수 있는 임의의 공지되거나 공지가능한 용접 토크 및 와이어 피더 시스템이 적용될 수 있다. 이 같은 장비의 일 예는, US 2006/0185473호의 도 1과 동일한, 도 2에 도시된다.
도 1은 임의 형상 제조의 원리의 개략적인 도면을 보여주는 [1]의 도 1과 동일하며,
도 2는 플라즈마 전달 아크 임의 형상 제조의 원리의 개략도를 보여주는 US 2006/01854673호의 도 1과 동일하며,
도 3은 본 발명에 따른 반응로의 일 실시예의 개략적인 측면도이며,
도 4는 본 발명에 따른 반응로의 바닥 내의 개구를 폐쇄하는 가요성 기밀 멤브레인의 두 개의 레이어들을 홀딩하기 위한 클램핑 프레임의 일 실시예의 확대도이며,
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 반응로의 일 실시예의 상이한 측면도이다.
본 발명의 제 2 양태에 따른 본 발명의 창의적인 특징이 도 3에 개략적으로 제시된다.
도면은 한 세트의 벽 요소(6)들로 제조된 내부 폐쇄형 구획부를 구비한 반응로(1)를 보여준다. 벽 요소(6)는 날카롭지 않은 에지, 즉 90°또는 그 미만의 각도로 구부러진 벽들을 구비한 에지가 있도록 위치된다. 반응로 챔버의 모든 내부 벽 각도(α)는 둔각(90 °보다 큰)이다. 지지 기면(3)의 위치 및 운동을 제어하는 액츄에이터(2)는 반응로 챔버의 외부에 위치되고 지지 기면(3)이 반응로 챔버 내부에 위치되도록 개구(7)를 통하여 돌출한다. 개구(7)는 탄성 기밀 멤브레인(8)에 의해 폐쇄된다. 용접가능한 재료의 와이어를 공급하기 위한 와이어 피더를 구비한 고 에너지 플라즈마 전달 아크 용접 토치(5)의 위치 및 운동을 제어하는 액츄에이터(4)가 반응로 챔버의 외부에 위치되어 와이어 피더를 구비한 고 에너지 플라즈마 전달 아크 용접 토치(5)가 반응로 챔버 내부에 위치되도록 개구(9)를 통하여 돌출한다. 개구(9)는 탄성 기밀 멤브레인(10)에 의해 폐쇄된다. 반응로 챔버는 하나 이상의 폐쇄가능한 가스 유입구(11) 및 하나 이상의 폐쇄가능한 가스 유출구(12)를 구비하여 반응로 챔버 내의 산소 함유 가스들을 외부로 배출하여 이 가스들을 불활성 가스로 대체하도록 한다.
도 4는 탄성 기밀 멤브레인의 두 개의 레이어들을 홀딩하기 위해 적용될 수 있는 클램핑 프레임(7)의 확대도를 보여준다. 클램핑 프레임들 중 두 개의 클램핑 프레임들 사이의 공간 내로 에지가 유입하는 치수를 가진 두 개의 시트의 멤브레인을 형성함으로써, 멤브레인들이 서로 가압되도록 반응로 벽에 클램핑들을 체결하여 멤브레인이 반응로 벽(6)에 단단히 그리고 기밀식으로 부착될 수 있다. 챔버 내로 돌출하는 액츄에이터 아암(2)은 클램핑 링(13) 내의 홀을 통하여 진입된다. 링(13)의 치수는 액츄에이터 아암 둘레에 기일 그립을 형성하도록 조정된다. 기밀 멤브레인은 클램핑 프레임(7)과 동일한 방식으로 클램핑 링(13)에 부착된다. 도면은 또한 폐쇄가능한 가스 유입구(11)의 배치의 일 예를 보여준다.
도 5a 및 도 5b는 반응로(100)의 하나의 예시적인 실시예의 두 개의 상이한 측면도를 보여준다. 반응로(100)는 폐쇄형 캐비넷을 형성하도록 다수의 벽 요소(106)들로 제조된다. 벽 요소들은 기밀 글래스 윈도우(116)가 제공될 수 있어 프로세스의 가시적 관측을 허용하도록 하거나 기밀 도어가 제공되어 물체의 형성 전 및 후 챔버 내로 유입을 허용하도록 한다. 이 실시예는 가스 유출구(102), 가스 유입구(103) 및 열 교환기(101)를 포함하는 냉각 루프가 구비된다. 도 5a로부터, 배치되는 하나의 액츄에이터용 측부 벽 개구가 탄성 러버 멤브레인(110)을 홀딩하는 클램핑 프레임(109)을 이용함으로써 폐쇄되는 것을 볼 수 있다(멤브레인을 통하여 유입되는 액츄에이터가 명확성을 제공하기 위해 도시되지 않았다). 도 5b로부터, 바닥 개구가 탄성 러버 멤브레인(108)을 홀딩하는 클래핑 프레임(107)을 이용함으로써 폐쇄된다(멤브레인을 통하여 유입하는 액츄에이터가 명료성을 제공하기 위해 도시되지 않는다).
참조
1. 타민저, 케이. 엠(Taminger, K. M.) 및 하플리, 알. 에이.(Harfley, R. A.)의 "비용 효율적인 최종 제품에 근사한 제조를 위한 전자 비임 자유 조립 장치", 최종제품에 근사한 프로세싱에 의한 비용 효율적 제조를 위한 NATO/RTOAVT-139 전문가들 회의(네덜란드, 암스테르담, 2006년)(NATO). 9 내지 25쪽,
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20080013538_2008013396.pdf.

Claims (14)

  1. 임의 형상 제작(solid freeform fabrication)에 의해 용접가능한 재료로 물품을 생산하는 방법으로서,
    - 형성되는 물품의 가상의(virtual) 3차원 모델을 생성하는 단계,
    - 상기 가상의 3차원 모델을 한 세트의 가상의 평행한 레이어들로 분리하고 이어서 각각의 레이어를 한 세트의 가상의 준(quasi) 일차원 피스들로 분리하여, 상기 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델(virtual vectorized layered model)을 형성하는 단계,
    - 상기 물품의 벡터화된 계층적 모델을 폐쇄형 반응로 용기 내에 배치되는 지지 기면(support substrate), 고 에너지 플라즈마 전달 아크 용접 토치, 및 와이어 피딩 시스템의 위치 및 작동을 조절할 수 있는 용접 제어 시스템 내로 로딩하는 단계,
    - 상기 폐쇄형 반응로 용기 내부의 분위기를 약 105Pa의 압력을 가지고 최대 50 ppm 산소를 포함하는 불활성 분위기로 대체하는 단계,
    - 상기 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델의 제 1 레이어에 따른 패턴으로 상기 용접가능한 재료의 일련의 준 일차원 피스를 상기 지지 지면 상에 용접하기 위하여 상기 용접 제어 시스템을 결합하는 단계,
    - 상기 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델의 제 2 레이어에 따른 패턴으로 상기 이전에 적층된 레이어 상으로 상기 용접가능한 재료의 일련의 준 일차원 피스를 용접함으로써 상기 물품의 상기 제 2 레이어를 형성하는 단계, 및
    - 전체 물품이 형성될 때까지 상기 물품의 가상의 벡터화된 계층적 모델의 각각의 연속적인 레이어에 대해 레이어 마다(layer by layer) 용접 공정을 반복하는 단계를 포함하는,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 생산하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용접가능한 재료는 용접가능한 금속, 용접가능한 합금 금속, 또는 폴리메릭 재료인,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 생산하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 용접가능한 재료는 티타늄 또는 합금 티타늄인,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 생산하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 아르곤, 헬륨 또는 이들의 혼합물인,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 생산하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,
    상기 반응로 챔버 내부의 불활성 가스는 아르곤이며, 상기 아르곤의 압력은 상기 대기압보다 약 100 Pa 더 높은,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 생산하는 방법.
  6. 임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 제조하는 반응로로서,
    - 주위 대기에 대해 폐쇄되는 반응로 챔버(1),
    상기 반응로 챔버 내부에 배치된 지지 기면(3)의 위치 및 운동을 제어하는 액츄에이터(2),
    - 와이어 피더를 구비한 고 에너지 플라즈마 전달 아크 용접 토치(5)의 위치 및 운동을 제어하는 액츄에이터(4),
    - 제어 시스템으로서, 상기 제어 시스템은 형성되는 상기 물품의 가상의 3차원 벡터화 계층적 모델을 판독할 수 있고 그리고 상기 액츄에이터들(2, 4)의 위치 및 운동, 상기 용접 토치(5) 및 와이어 피더의 작동을 제어하기 위해 상기 가상의 모델을 적용할 수 있으며, 그에 따라 형성되는 상기 물품의 상기 가상의 3차원 벡터화 계층적 모델을 따라 상기 지지 구조물 상으로 상기 용접가능한 재료의 준 일차원 피스의 계층적 구조물을 용접함으로써 물리적 물품이 제조되는, 제어 시스템을 포함하는, 임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 제조하는 반응로에 있어서,
    - 상기 반응로 챔버의 벽들의 모든 인접한 벽 요소(6)들이 둔각(90°보다 큰)으로 연결되고,
    - 상기 액츄에이터(2)는 상기 반응로 챔버 아래로부터 연장하고 상기 반응로 챔버 벽 내의 개구(7)를 통하여 상기 반응로 챔버 내로 돌출하여 상기 반응로 챔버 내부에서 상기 지지 기면(3)을 홀딩하고,
    - 상기 개구(7)는 상기 개구(7)에서 상기 반응로 벽으로 그리고 상기 액츄에이터(2)로 기밀 부착되는 하나 이상의 가스 불투과성 탄성 멤브레인(8)에 의해 밀봉되며,
    - 상기 액츄에이터(4)는 상기 반응로 챔버의 외부로부터 연장하고 상기 반응로 챔버의 벽의 개구(9)를 통하여 상기 반응로 챔버 내로 돌출하여 상기 반응로 챔버 내부의 상기 용접가능한 재료의 와이어 피더를 구비한 상기 고 에너지 플라즈마 전달 아크 용접 토치(5)를 홀딩하며,
    - 상기 개구(9)는 상기 개구(9)에서 상기 반응로 벽으로 그리고 상기 액츄에이터(4)로 기밀 부착되는 상기 하나 이상의 가스 불투과성 탄성 멤브레인(10)에 의해 밀봉되며, 그리고
    - 상기 반응로는 상기 반응로 챔버의 하부 부분에 위치되는 하나 이상의 폐쇄가능한 가스 유입구(11) 및 상기 반응로 챔버의 상부 부분에 위치되는 하나 이상의 폐쇄가능한 가스 유출구(12)를 구비하는 것을 특징으로 하는,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 제조하는 반응로.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 개구(7, 9)는, 상기 반응로 벽에 부착되는 클램핑 프레임(109) 및 상기 반응로 챔버 내의 개구를 통하여 돌출하는 상기 액츄에이터 아암(2, 4)에 부착되는 클램핑 링을 이용하여 부착되는, 두 개의 레이어 기밀 탄성 러버(8, 10)의 이용에 의해 폐쇄되는,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 제조하는 반응로.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 반응로는 불활성 가스로서 아르곤으로 채워지고, 상기 가스 유입구(11)는 상기 아르곤 압력을 상기 대기압보다 약 100 Pa 더 높은 압력으로 조절하기 위한 수단을 구비하는,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 제조하는 반응로.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반응로는 상기 반응로 챔버 내부의 상기 불활성 분위기의 산소 함량을 측정하기 위한 수단, 및 산소 농도가 미리 설정된(preset) 최대값 위로 상승하는 경우 신선한 불활성 가스를 이용하여 챔버의 플러싱을 제공하는 수단을 구비하는,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 제조하는 반응로.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 산소 농도의 미리 설정된 최대값이 20 ppm으로 설정되는,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 제조하는 반응로.
  11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응로는 상기 반응로 챔버 내의 불활성 가스를 냉각하기 위한 불활성 가스 유출구(102), 열 교환기(101) 및 불활성 가스 유입구(103)를 포함하는 폐쇄형 냉각 회로를 구비하는,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 제조하는 반응로.
  12. 제 6 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응로 챔버 내부 벽들을 구성하는 임의의 인접한 벽 요소(6)들 사이의 둔각이 95 내지 130°, 더욱 바람직하게는 100 내지 120°인,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 제조하는 반응로.
  13. 제 6 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접가능한 재료는 용접가능한 금속, 용접가능한 합금 금속, 또는 폴리메릭 재료인,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 제조하는 반응로.
  14. 제 6 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접가능한 재료는 티타늄 또는 합금 티타늄인,
    임의 형상 제작에 의해 용접가능한 재료로 물품을 제조하는 반응로.
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