KR20170003935A - 선택적 소결에 의한 3d 프린팅 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

3차원 대상체를 빌드하기 위한 시스템은, 빌딩 트레이 상에 파우더 재료의 층을 적용하기 위한 파우더 운반 스테이션, 상기 층 상에 마스크 패턴을 프린트하기 위한 디지털 프린팅 스테이션, 소결되는 것으로 상기 마스크에 의해서 규정된 상기 층의 상기 부분을 선택적으로 소결하기 위한 소결 스테이션 및 상기 3차원 대상체를 함께 형성하는 복수 개의 층들을 빌드하기 위해, 상기 빌딩 트레이를 상기 파우더 운반 스테이션, 디지털 프린팅 스테이션 및 소결 스테이션의 각각으로 반복적으로 진행시키는 스테이지를 포함한다. 상기 마스크 패턴은 소결되는 상기 층의 네거티브 부분(negative portion)을 규정한다.

Description

선택적 소결에 의한 3D 프린팅 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR 3D PRINTING BY SELECTIVE SINTERING}
본원은 미국 특허법 35 USC 119조(e)항에 따라 2014년 5월 8일자 출원된 임시출원 제 61/990,165호를 기초로 우선권을 주장한 것이고, 해당 임시출원의 전체 내용이 본원에 참조로서 포함된다.
본 발명의 실시 예들은 3 차원(3D) 프린팅과 관련되고, 더 구체적으로는, 하지만 배타적이지 않게, 선택적 소결(sinter)에 의한 3D 프린팅과 관련된다.
연속하는(successive) 파우더 재료(powdered material)의 층(layer)들과 함께 3D 프린팅에 의해 고체 대상체들을 제조하기(fabricate) 위한 다수의 다른 과정들은 알려져 있다. 몇몇의 알려진 3D 프린팅 기술들은, 고체 구조(structure)를 창작(create)하기 위해 재료를 함께 층별로(layer by layer) 바인드(bind)하는 3D모델(model)에 근거한, 액체 바인더 재료(binder material)를 선택적으로 적용한다(apply). 몇몇의 과정들에서, 대상체는, 빌딩 과정의 끝에서 재료의 결합(bonding)을 더 강화(strengthen)하기 위해 가열(heat) 및/또는 소결(sinter)된다.
선택적 레이저 소결(SLS, Selective Laser Sintering)는, 파우더 재료의 층들을 소결하기 위한 전원(power source)으로 레이저를 사용한다. 레이저는, 고체 구조(structure)를 창작(create)하기 위해 재료를 함께 층별로(layer by layer) 바인드(bind)하는 3D 모델에 의해 규정된 공간 내에 포인트들을 목표로 하여 제어된다. 선택적 레이저 용해(SLM, Selective laser melting)는, 소결 대신 재료를 완전히 용해를 적용(apply)하는 유사한 기술이다. 선택적 레이저 용해(SLM)은, 예를 들어 빌딩 재료로 순수 금속 파우더들이 사용될 경우와 같이, 파우더의 녹는 온도가 균일(uniform)할 때 적용된다.
"몰딩(molding) 과정"이라는 명칭의 미국 특허 제 4,247,508호는, 그 내용이 본원에 참고 문헌으로 포함되어 있으며, 층들 내에 3D 물품(article)을 형성하기 위한 몰딩 과정을 개시한다. 일 실시 예에서, 재료의 평면 층들은 잇달아(sequentially) 놓아진다(deposit). 각 층에서, 다음 층이 놓아지기 전에, 각 층의 영역의 부분은 그 층에서 물품의 부분을 규정하기 위해 굳어진다(solidify). 각 층의 선택적 응고는, 열(heat) 및 선택된 마스크(selective mask)를 사용하거나 제어된 열 스캐닝 프로세스(heat scanning process)를 사용하여 이뤄질 수 있다. 각 층을 선택적으로 녹이는(fuse) 데 레이저를 사용하는 대신, 각 층 및 열원(heat source)에 대해 분리된(separate) 마스크가 쓰일(employ) 수 있다. 마스크는, 관련된(associate) 층 및 마스크 위에(above) 놓인 열원 위에(over) 놓여있다. 마스크의 틈(opening)을 통과하는 열은, 마스크의 틈(opening)을 통해 노출된 입자(particle)들을 함께 녹인다. 직접적인 열에 노출되지 않은 입자들은 녹지 않는다.
"선택적 빔(beam) 소결을 위한 다중 재료 시스템들"이라는 명칭의 미국 특허 제 5,076,869호는, 그 내용이 본원에 참고 문헌으로 포함되어 있으며, 복수 개의 소결된 층들로 구성되는 파트(part)를 생산(produce)하기 위해 파우더 층을 선택적으로 소결하기 위한 장치 및 방법을 개시한다. 그 장치는, 레이저 에너지(laser energy)를 파우더로 안내(direct)하여 소결된 매스(mass)를 생산하기 위해 레이저를 제어하는 컴퓨터를 포함한다. 각 단면의 경우, 레이저 빔의 목표(aim)는 파우더의 층 위에서 스캔(scan)되는 것이고, 빔은 오직 단면의 경계들(boundary) 내부(within)의 파우더를 소결하기 위해 켜진다(switch on). 완성된 부품이 형성될 때까지, 파우더는 적용(apply)되고, 연속하는 층들은 소결된다. 가급적이면(preferably), 파우더는 다른 해리 온도(dissociation temperature)들 또는 결합 온도(bonding temperature)들을 구비하는 복수 개의 재료들을 포함한다. 파우더는 가급적으로 혼합된 재료(blended material) 또는 커버된 재료(coated material)들을 포함한다.
본 발명의 일부 실시 예의 일 측면에 따르면, 선택적인 소결에 의한 3D 프린팅 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명의 일부 실시 예에 따라, 파우더 층에 마스크를 프린트하고, 마스크를 포함하는 층을 압축한 후 압축된 층을 소결하는 첨가제 제작(manufacture) 과정에 의해 대상체가 형성된다. 과정은 일반적으로 대상체가 형성될 때까지 각층에 대해 반복된다. 본 발명자는 층별 기준으로 압축 단계를 추가하는 것이 제작 과정의 효율을 향상시킬 수 있고, 최종 제작물의 품질을 향상시킬 수 있다는 것을 발견했다.
본 발명의 일부 실시 예의 일 측면에 따르면, 3 차원 대상체를 빌드하기 위한 시스템은 이하를 포함한다: 시스템은, 빌딩 트레이 상에 파우더 재료의 층을 적용하기 위한 파우더 운반 스테이션; 상기 층 상에 마스크 패턴을 프린트하기 위한 디지털 프린팅 스테이션, 상기 마스크 패턴은 소결되는 상기 층의 부분의 네거티브(negative)를 규정하고, 상기 부분은 노출됨; 노출된 상기 층의 일부를 선택적으로 소결하기 위한 소결 스테이션; 및 상기 3 차원 대상체를 함께 형성하는 복수 개의 층들을 빌드하기 위해, 상기 빌딩 트레이를 상기 파우더 운반 스테이션, 디지털 프린팅 스테이션 및 소결 스테이션의 각각으로 반복적으로 진행시키는 스테이지.
선택적으로, 상기 시스템은 파우더 재료의 층마다 압축하는 다이 압축 스테이션을 포함하고, 상기 압축 스테이션은 상기 층을 수용하기 위한 다이를 포함한다.
선택적으로, 상기 다이 압축하는 스테이션은 상기 층과 연결(interface)되는 상기 다이의 표면을 따뜻하게 하기 위한 가열 요소(heating element)를 포함한다.
선택적으로, 상기 다이 압축하는 스테이션은, 상기 층 상에 100 MPa의 압력까지 적용하도록 작동 가능하다.
선택적으로, 상기 다이 압축하는 스테이션은, 상기 빌딩 트레이를 상기 다이를 향해 리프트(lift)하기 위한 리프팅 시스템(lifting system)을 포함한다.
선택적으로, 상기 압축하는 스테이션은 안티-필링 메커니즘(anti-peeling mechanism)을 포함하고, 상기 안티-필링 메커니즘은 상기 다이 사이에 위치되는 포일(foil)을 포함하고, 상기 포일은 상기 빌딩 트레이 및 상기 다이 사이의 분리(separation) 동안 상기 포일의 굽음(bow)을 허용하도록 두 개의 마주보는 가장자리(edge)들에 의해 지지된다.
선택적으로, 상기 시스템은, 압축 후에 상기 층의 두께에 대응하여 다음(subsequent) 층에서 상기 빌딩 트레이의 높이를 조절(adjust)하기 위한 제어 장치(controller)를 포함한다.
선택적으로, 상기 시스템은 소결 후에 상기 층을 냉각하기 위한 냉각 스테이션(cooling station)을 포함한다.
선택적으로, 상기 냉각 스테이션은, 가스의 제트 기류(jet stream)를 제공하기 위한 공기 분사기(air knife)들을 포함한다.
선택적으로, 상기 디지털 프린팅 시스템은 액체 캐리어(carrier) 내에 현탁된(suspend) 프릿(frit) 포함하는 잉크를 분배(dispense)하도록 작동 가능하다.
선택적으로, 프릿은 직경이 500nm에서 1μm 사이의 직경을 구비하는 입자들로부터 형성된다.
선택적으로, 상기 소결 스테이션은 상기 층을 소결하기 위한 고열 매스 롤러(high thermal mass roller)를 포함한다.
선택적으로, 상기 고열 매스 롤러는 상기 파우더의 녹는 온도 이상으로 0° - 80° C까지 가열된다.
선택적으로, 고열 매스 롤러는 롤러 길이의 20-180 N/cm의 크기의 압력을 적용한다.
선택적으로, 상기 소결 스테이션은 안티-필링 메커니즘(anti-peeling mechanism)을 포함하고, 상기 안티-필링 메커니즘은 상기 고열 매스 롤러 및 상기 층 사이에 위치된 포일(foil)을 포함한다.
선택적으로, 상기 소결 스테이션은 전-가열(pre-heating) 및/또는 소결을 위해 상기 층 위를 스윕(sweep)하는 수직-공진 표면-광레이저(VCSEL, vertical-cavity surface-emitting lasers)의 어레이(array)를 포함한다.
선택적으로, 상기 빌딩 트레이는 상기 층이 위치되는 상기 트레이의 표면에 실질적으로 평행하게 흐르는 적어도 하나의 채널을 포함하고, 상기 적어도 하나의 채널을 통해 유체가 상기 빌딩 트레이를 냉각하기 위해 도입된다.
선택적으로, 상기 파우더는 금속 파우더(metal powder)다.
선택적으로, 상기 파우더는 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금이다.
본 발명의 일부 실시 예의 일 측면에 따르면, 3 차원 대상체를 빌드하기 위한 방법은 이하를 포함한다: 파우더 층을 빌딩 트레이 상에 펼치는 단계; 상기 층에 마스크 패턴을 프린트하는 단계, 상기 마스크 패턴은 소결되는 층의 부분의 네거티브(negative)를 규정하고, 상기 부분은 노출되고, 상기 층을 위한 마스크 패턴은 상기 3 차원 대상체의 형상을 규정하는 마스크 패턴 데이터(mask pattern data)에 의해 규정됨; 노출되는 상기 층의 부분을 소결하는 단계; 및 상기 3 차원 대상체가 완성될 때까지 상기 펼치는 단계, 프린트하는 단계 및 소결하는 단계를 반복하는 단계.
선택적으로, 상기 마스크 패턴은 잉크를 분배하는 디지털 프린터로 프린트된다.
선택적으로, 상기 잉크는 상기 층의 마스크된 부분에 절연 코팅(insulating coating)을 제공한다.
선택적으로, 상기 잉크는 상기 파우더의 녹는 온도(melting temperature)보다 낮은 증발 온도(evaporation temperature)를 가지도록 선택된 액체 캐리어(liquid carrier)를 포함한다.
선택적으로, 상기 방법은 상기 소결 이전에 층마다 다이 압축을 수행하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 상기 방법은 다이 압축을 따뜻하게 하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 압축 동안 상기 층 상에 적용된 상기 압력은 100 MPa까지다.
선택적으로, 상기 다이 압축은 상기 층의 프린트 이후에 층마다 수행된다.
선택적으로, 상기 방법은 상기 다이 압축 동안 상기 빌딩 트레이를 냉각하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 상기 소결은 열원(heat source)을 상기 빌딩 트레이의 길이(length)에 걸쳐(over) 지나가게(pass) 함으로써 수행되고, 상기 상기 열원은 빌딩 트레이의 폭(width)에 걸쳐(over) 연장(extend)하는 좁은 스트립(narrow strip)을 따라(along) 열을 제공한다.
선택적으로, 상기 소결은 상기 층 위로(over) 롤(roll)하는 고열 매스 롤러에 의해 수행된다.
선택적으로, 상기 고열 매스 롤러는 상기 소결 동안 상기 파우더의 녹는 온도 이상으로 이상으로 0° - 30° C까지 가열된다.
선택적으로, 고열 매스 롤러는 상기 층에 대해 롤러 길이의 10 N/cm의 크기의 압력으로 가압된다.
선택적으로, 상기 방법은 소결 동안 상기 빌딩 트레이를 냉각하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 상기 방법은 상기 소결 이후에 상기 층을 즉시 냉각하는 단계를 포함하고, 상기 냉각은 가스의 제트 기류에 의해 수행된다.
선택적으로, 상기 방법은 빌드되는 상기 대상체의 이전의 하나 이상의 층들의 두께에 대응하여 상기 빌딩 트레이의 높이를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 실시 예의 일 측면에 따르면, 3차원 대상체를 빌드하는 방법은 이하를 포함한다: 빌딩 트레이 상에 파우더의 층을 제공하는 단계; 상기 층에 다이 압축을 수행하는 단계; 선택적 레이저 소결 또는 선택적 레이저 녹임에 의해 다이 압축되는 상기 층을 소결하는 단계; 및 상기 3 차원 대상체가 완성될 때까지 층마다 상기 제공하는 단계, 상기 다이 압축하는 단계 및 상기 소결하는 단계를 반복하는 단계.
선택적으로, 상기 방법은 다이 압축을 따뜻하게 하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 상기 압축 동안 상기 층 상에 적용된 상기 압력은 100 MPa 까지다.
달리 규정되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및/또는 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 여기에 기술된 것과 유사한 또는 동등한 방법들 및 재료들이 본 발명의 실시 예들을 실시 또는 테스트하는데 사용될 수 있지만, 예시적인 방법들 및/또는 재료들이 이하 기술된다. 다툼이 있는 경우, 규정을 포함한 특허 명세서가 제어할 것이다. 또한, 재료들, 방법들 및 예시들은 단지 예시적인 것이며 반드시 제한하려는 의도가 있는 것은 아니다.
본 발명의 일부 실시 예는 첨부 도면을 참조하여 단지 예시적으로 설명된다. 이제 도면을 상세하게 구체적으로 참조하면, 도시된 세부사항은 예시로서 그리고 본 발명의 실시 예에 대한 설명을 목적으로 한 것임을 강조한다. 이와 관련하여, 도면과 함께 취해진 설명은 실시 예가 실시 될 수 있는 방법을 당업자에게 명백하게 한다.
도면들은 아래와 같다.
도 1은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 3D 프린팅 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 3D 프린팅 시스템의 예시적인 유닛들을 나타내는 간략화된 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 파우더 분배 스테이션의 간략화된 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 파우더 분배 스테이션의 간략화된 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 프린팅 시스템의 간략화된 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 프린트 된 마스크를 포함하는 대상체 층의 간략화된 개략도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명의 일부 실시 예들에 따라 해체(release)되고 컴프레스(compress)된 상태의 예시적인 압축하는(compacting) 시스템의 간략화된 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 압축하는 상태(compacting state) 및 압축하는 후 상태(post compacting state)의 압축하는 시스템을 위한 예시적인 안티-필링 매커니즘(anti-peeling mechanism)의 간략화된 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 압축하는 시스템을 위한 클리닝 매커니즘(cleaning mechanism)의 단순화된 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 소결 스테이션(sintering station) 및 냉각 스테이션(cooling station)의 단순화된 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 다른 예시적인 소결 스테이션의 단순화된 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일부 실시 예들에 따라 3D 프린팅에 의해 대상체를 구성하기 위한 예시적인 방법의 단순화된 흐름도(flow chart)다.
본 발명은, 그것의 일부 실시 예들에서, 3 차원(3D) 프린팅에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 그러나 한정되지 않게는, 선택적 소결에 의한 3차원 프린팅에 관한 것이다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 소결된 파우더(sintered powder)의 다층(multiple layers)으로부터 대상체(object)를 빌드(build)하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 시스템은, 파우더 분배기(powder dispenser)가 층 단위로(per layer basis) 파우더 재료(powder meterial)를 적용(apply)하고 롤러(roller)가 한번 파우더 적용된 각 층을 펼치는(spread) 빌딩 트레이(building tray)를 포함한다. 선택적으로, 파우더 분배(powder dispense) 및 파우더 펼침(powder spread)은 시스템의 파우더 운반 스테이션(powder delivery station)에 의해 수행된다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 파우더 금속(powdered metal)이 빌딩 재료(building meterial)로서 사용된다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 알루미늄 파우더가 사용된다. 선택적으로, 금속 합금, 예를 들어 알루미늄 합금 또는 파우더 금속의 조합이 사용된다. 선택적으로, 세라믹 파우더가 빌딩 재료 및/또는 금속 및 세라믹 파우더의 조합물(combination)로서 사용된다.
알루미늄으로 빌딩은 경량(light weight), 비교적 낮은 녹는 온도(melting temperature) 및 부식에 대한 내성(resistance to corrosion) 때문에 유리한 것으로 알려져 있다. 알루미늄 파우더로 빌딩에 있어서 문제들 중 하나는 파우더의 알루미늄 입자들이 알루미늄 산화물 코팅(aluminum oxide coating), 예를 들어 알루미나(alumina)를 형성하는 경향이 있다는 것이다. 알루미늄 산화물 코팅은 소결 동안 입자들의 결합을 방해하는 알루미늄 입자들 사이에 장벽을 도입한다. 최종 결과는 일반적으로 파우더 요소(powder element)들 사이의 불량 결합(poor bonding)으로 인해 강도(strength)가 감소된 대상체다.
알루미늄으로 빌딩을 위한 SLS 및/또는 SLM 과정을 적용할 때 추가적인 문제가 활동하기 시작한다(come into play). 용융 알루미늄(molten aluminum)은 추가 층들을 수용하기에 불량한 습윤 표면(wetting surface)을 제공하는 것으로 알려져 있다. 개선된 습윤 표면을 제공하기 위해 주석(tin) 및 다른 첨가제(additive)를 첨가하는 것이 알려져 있다. 그러나 주석 및 기타 첨가제의 첨가는 빌드된 최종 제품의 강도를 감소시킨다. 또한, 용융 층은 스캐닝 레이저 빔(scanning laser beam)에 의한 인접한 용융 방울(molten drop)들 사이의 유착(coalescence)을 겪는다(suffer), 불량한 이전 층의 습윤 때문에. 최종 결과는 다시 강도가 떨어지고 치수가 부정확한 대상체다. 추가 안정성(additional stability)을 제공하고, 예를 들어 치수 변화(dimensional variation)로 인한 내부 응력(internal stress)을 줄이기 위해 빌드된 것처럼 외골격(exoskeleton)을 대상체에 추가하는 것이 알려져 있다. 이 외골격은 나중에 제거된다. 외골격을 제거하는 것은 일반적으로 번거로운 과정(cumbersome process)이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 알루미늄과 같은 순수한 금속으로 대상체를 빌드하는 데에도 적용될 수 있는 개선된 3차원(3D) 프린팅 시스템 및 방법이 제공된다. 시스템 및 방법은 순수한 알루미늄과 함께 사용되는 것으로 제한되지 않으며, 또한 금속 합금, 세라믹 및/또는 상이한 재료의 조합으로 제조하기 위해 사용될 수 있음을 알아야 한다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 시스템은 저장된 디지털 마스크 패턴(digital mask pattern)에 기초하여 층별로 파우더 상에 마스크를 프린트하는 디지털 프린터를 포함한다. 일반적으로, 마스크 패턴은 프린트되는 특정 단면 (cross section)에서 대상체의 네거티브(negative)이다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 프린터에 의해 적용된 잉크(ink)는 단열재(insulating material), 예를 들어, 액체 캐리어(liquid carrier)에 현탁(suspend)된 유리(glass) 또는 실리콘 프릿(silicon frit), 예를 들어 오일 및/또는 유기 용매(organic solvent)를 포함한다. 일반적으로, 잉크는 소결 과정 동안 및 잉크가 적용되는 위치에서 파우더 재료의 소결 지연(retarding sintering)을 제공한다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 시스템은 소결 전에 다이 내의 파우더 층을 압축(compact)하기 위한 다이 압축하는(compacting) 스테이션을 포함한다. 일반적으로, 압축(compaction)은 파우더 층의 밀도를 증가시키고 및/또는 공기를 제거하기 위해 적용된다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 적용되는 압축 강도(compaction strength)는 파우더 층의 영구 변형(permanent deformation), 예를 들어 파우더 입자들이 탄성 상태(elastic state)를 지나서 소성 상태(plastic state)로 가압(press)되도록 규정된다. 선택적으로 압축 과정에서 가열을 가해 낮은 압축 압력에서 영구 변형 상태를 얻을 수 있다. 일반적으로 대상체의 밀도 및 그에 따른 기계적 강도(mechanical strength)는 압축에 의해 향상된다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 압축은 알루미나 층을 파괴(break)하여 알루미늄을 노출시키고 파우더 재료의 알루미늄 입자들 사이에 직접적인 관여(engagement)를 허용함으로써 소결 동안 결합을 촉진시킨다. 선택적으로, 압축은 파우더 층의 열 전도성을 증가시키고 보다 균일한 소결을 가능하게 한다. 선택적으로, 압축은 층간 결합을 향상시키고 소결 후에 발생할 수 있는 층 분리(layer separation)를 방지한다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 층마다 다이 압축은 3D 대상체를 빌드하기 위한 공지된 SLM 및 SLS 과정에 적용된다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 시스템은 압축된 층을 소결시키는 소결 스테이션(sintering station)을 포함한다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 소결은 소결 롤러, 예를 들어 고온 매스 롤러(high thermal mass roller)에 의해 수행된다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 롤러는 파우더 재료의 녹는 온도 보다 약간 높은 온도로 가열된다, 예를 들어 녹는 온도 보다 0° - 80° C 높은 온도로 가열되고, 롤러 길이의 20-180 N/cm 의 크기의 압력으로 층에 대해 가압된다. 일반적으로, 가해지는 압력은 롤러 표면과 층 사이의 실질적인(substantial) 완전한(full) 접촉을 보장한다. 일반적으로, 적용된 압력은 층들 사이의 접착(adhesion)을 촉진시킨다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 회전 속도(speed of rotation)와 함께 롤러의 온도는, 마스크되지 않은 부분의 적절한 녹음(melting)이 마스크 된 부분에서 액체 캐리어(carrier)의 실질적인 증발(evaporation) 전에 달성될 수 있도록 규정(define)된다. 일반적으로, 액체 캐리어는 파우더 재료의 녹는 온도보다 낮은 끓는 온도를 가지므로, 마스크 된 부분에서 액체 캐리어의 증발이 파우더 재료의 녹음 이전에 발생한다. 마스크되지 않은 부분에는 액체 캐리어가 없으므로 실질적으로 모든 에너지 전달이 파우더 재료를 녹이는 데 사용됩니다. 이것은 마스크 된 궤도(trajectory)에서 알루미늄이 녹기 전에 모델 궤도(model trajectory)에서 알루미늄이 녹는 결과를 낳는다. 이 시간 지연(time delay)이 적절하게 사용되면, 모델 궤도는 응고되고 이전의 층에 결합될 동안 마스크 된 궤도는 응고되지 되지 않고, 이전의 층에 결합되지 않는다. 본 발명의 대안적인(alternative) 실시 예에서, 소결을 위해 층 위를 스윕(sweep)하는 수직-공진 표면-방출 레이저(VCSEL)의 어레이(array)에 의해 소결이 달성된다. 본 발명의 몇몇 추가의 대안적인 실시 예에서, 롤러 및 층의 전-가열(preheating)에 사용되는 수직-공진 표면-방출 레이저(VCSEL)의 어레이에 의해 소결이 달성된다. 이러한 전-가열은 소결 기간을 단축시키고 소결 롤러(sintering roller)의 잠재적인 오염(contamination)을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 시스템은 선택적으로 접촉 표면, 예를 들어 소결 롤러 및/또는 다이 상의 파우더 층의 필링(peeling)을 감소 및/또는 방지하기 위한 안티-필링 메커니즘(anti-peeling mechanism)을 포함한다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 필링 방지 메커니즘은, 접촉 표면의 초기 이탈(disengagement) 후 파우더 층과의 접촉(contact)을 유지하고 이어서 점진적으로(in a gradual manner) 파우더 층으로부터 분리된 접촉 표면 및 파우더 층 사이에 위치된 포일(foil) 및/또는 필름(film)을 포함한다. 일반적으로, 포일의 존재는 접촉 표면에서의 어떠한 필링도 방지한다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 포일의 점진적인 분리(separation)는 또한 포일 상의 파우더 층의 필링을 방지 및/또는 감소시킨다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 시스템은 층을 냉각시키기 위한 냉각 스테이션(cooling station)을 추가로 포함한다. 일반적으로, 선택적 소결(selective sintering) 직후에 냉각을 가함으로써 적용된 열이 시간이 지남에 따라 가려진 비-소결(non-sintered) 영역(area)으로 침투(penetrate) 및/또는 누출(leak)되지 않도록 한다. 일반적으로 냉각은 하나 이상의 공기 분사기(air knife)들로 적용된다. 일반적으로 냉각에는 질소(nitrogen) 가스가 사용된다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 빌딩 트레이(building tray)는 정밀(precision) 스테이지(stage) 상에서 파우더 분배 스테이션(powder dispensing station), 파우더 펼침 스테이션(powder spreading station), 프린팅 스테이션(printing station), 압축하는 스테이션(compacting station), 소결 스테이션(sintering station) 및 냉각 스테이션(cooling station)을 포함하는 복수의 스테이션들 각각으로 진행한다(advance). 일부 예시적인 실시 예들에서, 트레이(tray)는 프린팅 스테이션을 떠날 때 방향을 반전(reverse)시키고, 압축, 가열, 소결 및 냉각은 트레이가 파우더 분배 스테이션을 향하는 방향으로 다시 움직일 때 수행된다. 일반적으로 앞뒤 운동(back and forth motion)은 프린트 된 각 층에 대해 반복된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시 예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 그 적용에 있어 반드시 이하의 설명 및/또는 도면 및/또는 실시 예에 설명된 구성 요소 및/또는 방법의 구성 및 배열의 세부 사항으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시 예들이 가능하거나 다양한 방법으로 실시되거나 수행될 수 있다.
이제 도면들을 참조한다. 도 1 은 간략화된 개략도(schematic drawing)이고 도 2 는 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 3D 프린팅 시스템의 간략화된 블록도(block diagram)를 도시한다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 3D 프린팅 시스템(3D printing system, 100)은 작업 플랫폼(working platform, 500) 상에 집적(integrate)된다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 작업 플랫폼(500)은, 빌딩 트레이(200)가 한번에 하나의 대상체(object, 15) 한 층을 프린트하기 위해 복수의 스테이션들을 통해 진행(advance)되는 정밀 스테이지(precision stage, 250)를 포함한다. 일반적으로, 정밀 스테이지(250)는 선형 스테이지(linear stage), 예를 들어, 층을 빌드하는 동안 단일 축, 예를 들어, X 축을 따라 운동을 제공하고, 또한 트레이(200)의 높이를 조정(adjusting)하기 위해 수직 방향(Z-축)으로 운동을 제공하는 X-Z 스테이지이고, 상기 조정(adjusting)은, 예를 들어, 새로운 층이 추가될 때 트레이(200)를 하강(lower)시키기는 것이다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면 작업 플랫폼(500)은 트레이(200) 상에 파우더 층을 분배하기 위한 파우더 분배 스테이션(10), 분배된 파우더 층을 펼치기 위한 파우더 펼침 스테이션(20), 마스크를 프린트하기 위한 프린팅 플랫폼 스테이션(30), 소결 전에 파우더 층을 압축하기 위한 압축하는 스테이션(40), 압축된 층을 소결시키는 소결 스테이션(50) 및 소결된 층을 냉각시키기 위한 냉각 스테이션을 포함한다. 일반적으로, 각각의 층에 대해 프린트 된 트레이(20)는 각각의 스테이션들로 진행하고 모든 층들이 프린트 될 때까지 과정을 반복한다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 트레이(20)는 파우더 분배 스테이션(10), 파우더 펼침 스테이션(20) 및 프린팅 플랫폼 스테이션(30)에서의 정지와 함께 한 방향으로 진행한 다음 파우더 분배 스테이션(10)을 향하여 반대 방향으로 진행하되 현재 층을 완성하기 위해 압축하는 스테이션(40), 소결 스테이션(50) 및 냉각 스테이션(60)에서의 정지한다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 제어 장치(controller, 300)는 3D 프린팅 시스템(3D printing system, 100)의 작동(operation)을 제어하고, 정밀 스테이지(precision stage, 250) 상의 트레이(200)의 위치설정(positioning) 및/또는 움직임(movement)을 각각의 스테이션들의 작동과 조화(coordinate)시킨다. 일반적으로, 제어 장치(300)는 메모리 및 프로세싱 능력(processing ability)을 포함하거나 및/또는 관련된다.
일부 예시적인 실시 예들에서, 정밀 스테이지(250)의 경로(path)를 따르는 하나 이상의 스테이션들은 경로를 따라 연장하는 레일들 및/또는 하나 이상의 브릿지(bridge)들, 예를 들어 작업 플랫폼(500) 위에 위치되는 브릿지(47)에 의해 지지된다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 압축하는 스테이션(40)은 작업 플랫폼(500) 아래에 위치된 피스톤(42)을 포함하며, 이 피스톤은, 이하에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이 트레이(200)를 트레이(200) 위에 위치된 평탄면(flattening surface)을 향해 올리도록(raise) 작동한다.
일반적으로, 작업 플랫폼(500)은 후드(hood, 550)로 커버된다(cover). 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 가스 공급원(gas source, 510)은 후드(550)를 통한 유입구(inlet, 520)를 포함하고, 안정성(safety), 예를 들어 제조 과정(manufacturing process) 동안 재료들의 연소 가능성을 피하는(avide) 것을 위해 후드(550) 아래의 작업 영역으로의 비-연소(non-combusting) 가스의 양의 흐름(positive flow)을 제공한다. 일반적으로, 가스 공급원(510)은 질소(nitrogen)다.
이제 도 3을 참조한다. 도 3은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 파우더 분배 스테이션의 간략화된 블록도이다. 일반적으로, 파우더 분배 스테이션(10)은 파우더(55)를 저장하는 용기(container, 12), 튜브(16)를 통과하거나 트레이(200) 위의 파우더(55)의 규정된 양 및/또는 부피를 추출(extract)하기 위한 펌프(pump, 14)를 포함한다. 몇 실시 예들에서, 규정된 부피는 시스템(100) 및/또는 제어 장치(300)로부터의 피드백에 기초한 빌딩 과정의 코스(course) 동안 조정된다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 압축 후 층의 두께가 모니터(monitor)되고, 파우더 분배 스테이션(10)에 의해 분배된 규정된 부피가 압축 층(들)의 두께에 따라 조정된다. 선택적으로, 파우더(55)가 트레이(200)의 길이에 걸쳐 펼쳐지도록 트레이(200)가 운동하는 동안 파우더(55)가 분배된다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 파우더 분배 스테이션 (10)은 파우더 알루미늄을 전달하도록 되어있다. 다른 예시적인 실시 예에서, 다른 금속 및/또는 합금은 파우더 분배 스테이션(10)에 의해 저장되고 운반된다. 선택적으로, 용기(12)는 혼합된 복수의 구성 요소들을 포함한다. 선택적으로, 용기(12)는 저장된 내용물들 혼합하기 위한 메커니즘을 포함한다.
이제 도 4을 참조한다. 도 4는 본 발명의 일부 실시 예에 따른 파우더 분산 스테이션의 간략화된 블록도이다. 일반적으로, 펼침 스테이션(20)은 액슬(24) 상에 회전 가능하게 장착된 전동 롤러(motorized roller, 25)를 포함한다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 선형 모터(22)는 액슬(24)과 관여(engage)하고 균일한 파우더 층을 펼치기 위해 앞뒤로 움직인다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 테이블(200)의 높이는 예를 들어, 규정된 층 두께를 얻기 위해 Z 스테이지의 위/아래로 움직이도록 조정된다. 일부 예시적인 실시 예에서, 약 150μm 두께의 파우더 층, 예를 들어 100μm 지 200μm의 두께의 파우더 층이 롤러(25)에 의해 펼쳐진다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 압축 후 층의 두께가 모니터되고 하나 이상의 이전 층들의 층 드리프트(drift)를 보상(compensate)하기 위해 현재 층의 두께를 변경(alter)하도록 테이블(200)의 높이가 조정된다.
일부 예시적인 실시 예들에서, 롤러(25)는 실질적으로 트레이(200)의 전체 길이에 걸쳐 연장되고, 파우더를 펼치기 위해 단지 하나의 롤러의 패스(pass)가 요구된다. 대안적으로, 롤러(25)는 트레이(200)의 전체 길이보다 작게 연장되고 복수의 패스들이 요구된다. 선택적으로, 롤러(25)는 트레이(200)가 움직이는 동안 작동된다. 선택적으로, 롤러(25)는 트레이(200) 위의 높이에 유지되고 펼치기 위해 필요에 따라 낮아진다.
이제 도 5를 참조한다. 도 5는 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 프린팅 시스템의 간략화 된 블록도를 도시한다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 프린트 플랫폼 스테이션(print platform station, 30)은 생성된 마스크 패턴 데이터(mask pattern data, 39)에 기초하여 잉크(32)를 놓는(deposit) 직접 잉크젯 프린팅 헤드(direct inkjet printing head, 35)를 포함한다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 프린트 헤드(35)는 정지하고(stationary) 시스템 제어 장치(300)와 함께 프린터 제어 장치(37)는 트레이(200)가 프린트 헤드(35) 아래로 진행 함에 따라 잉크를 놓는 타이밍(timing)을 제어한다. 선택적으로, 프린팅 헤드(35)는 Y축 스테이지 상에 장착되고 트레이(200)에 수직한 방향으로 움직인다. 대안적으로, 트레이(200)는 프린팅 동안에 정지하고, 프린팅 헤드(35)는 프린트 헤드(35)를 하나 이상의 방향들로 움직이게 하기 위해 X, Y 또는 XY 스테이지에 의해 지지된다. 통상적으로, 프린트 헤드(35)는 잉크가 선택적으로 놓이는 노즐 어레이(array of nozzle)들을 포함한다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 프린트 헤드(35)는 구성될 대상체의 네거티브(negative) 및/또는 마스크를 형성한다. 일반적으로, 마스크 패턴은 메모리에 저장된 마스크 데이터(mask data, 39)에 의해 규정된다. 일반적으로, 마스크 데이터는 CAD(computer aided design) 소프트웨어 프로그램 등에 의해 도움 받는 컴퓨터에 의해 생성된다. 선택적으로, 프린트 된 픽셀의 픽셀 크기는 50μm, 예를 들어 50μm-300 μm사이다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 잉크(32)는 액체 캐리어(carrier)에 현탁된(suspend) 입자들을 포함한다. 일반적으로, 액체 캐리어는 오일 또는 오일에 근거한 것이다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 유리 및/또는 실리콘 입자들 및/또는 프릿(frit)은 1μm미만, 예를 들어 500-600nm의 평균 직경을 갖는다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 잉크 용액 중에 유리 프릿의 농도는 50%까지다. 일반적으로, 입자들은 액체 캐리어가 파우더 층을 관통하는 동안 절연 표면(insulating surface)들을 제공하는 절연 재료(insulating material)로 형성된다. 일반적으로, 잉크(32)에 의해 제공되는 절연(insulation)은 마스크된 부분의 온도 상승을 지연시킨다. 일반적으로, 유리 프릿은 파우더 입자들보다 상당히 작다. 예를 들어, 파우더 입자들은 약 40μm의 직경을 가지며, 유리 프릿은 약 500-600nm의 직경을 갖는다.
이제 도 6을 참조한다. 도 6은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 프린트 된 마스크를 포함하는 대상체 층의 단순화된 개략도이다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 파우더 층(powder layer, 151)은 잉크(32)가 놓이는 마스크 부분(mask portion, 327) 및 잉크가 놓이지 않는 마스크 되지 않은 부분(unmasked portion, 528)을 포함한다. 일반적으로, 마스크 되지 않은 부분은 파우더 재료만을 포함하며 참가제(additive)들은 포함하지 않는다. 마스크 부분(327)이 도 6의 모서리 근처에 도시되어 있고, 마스크 부분은 층(151)의 다른 부분들에 나타날 수 있다.
일반적으로, 잉크(32)는 마스크된 부분(masked portion)의 상부 표면 상에 수집되는 유리 프릿(322) 및 파우더 층(151)을 관통하는 오일(324)를 포함한다. 일반적으로, 오일(324)은 파우더 층(151) 내에 파우더의 녹는 온도(melting temperature)보다 낮은 증발 온도(evaporation temperature)를 갖는다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 프릿(322) 및 오일(324)은 마스크된 부분(327)의 소결의 지연을 제공한다. 선택적으로, 프릿(322)는 절연 상부 표면을 제공하고, 오일(324)은 프릿을 관통하는 임의의 열(heat)이 증발 오일(evaporating oil, 324)을 향하도록 파우더 층(151)의 내부 부분(interior portion)을 담근다(soak). 일부 예시적인 실시 예들에서, 소결의 지속(duration) 및 온도는, 마스크된 부분(327)을 소결하지 않고 마스크 되지 않은 부분(528)을 소결하도록 제공하는 것으로 규정된다.
이제 도 7a 및 도 7b를 참조한다. 도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명의 일부 실시 예들에 따라 해체되고 컴프레스된 상태의 예시적인 압축 시스템의 간략화된 개략도이다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 파우더 층은 소결 전에 압축된다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 각 층마다 수행되는 압축 과정으로서, 압축 스테이션은 층마다 다이를 생성한다.
일부 예시적인 실시 예들에서, 파우더 층 상에 마스크 패턴을 프린트 한 후에 다이 압축(die compaction)이 수행된다. 일반적으로, 다이 압축은 프린트 전에 수행되거나 프린트 전후에 수행된다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 압축 스테이션은 파우더 층(151)을 압축하기 위한 압축 압력을 제공하도록 작동하는 피스톤(piston, 42)을 포함한다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 압축 동안, 피스톤(42)은, 작업 플랫폼(500) 또는 정밀 스테이지(250) 내의 보어(bore, 49)를 통해 상승되고 트레이(200) 위에 위치된 다이 및/또는 표면(45)을 향해 빌딩 트레이(200)를 리프트(lift)한다.
일부 예시적인 실시 예들에서, 트레이(200)는 하나 이상의 선형 가이드(linear guide, 41)들에 고정된다. 선형 가이드(41)들은, 피스톤(42)이 트레이(200)를 상승 및 하강 함에 따라 선형 베어링(linear bearing, 46)들을 따라 탄다(ride). 선택적으로, 트레이(200)는 하나 이상의 컴프레션 스프링(compression spring, 47)들에 대해(against) 리프트(lift)된다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 스프링(47)들뿐만 아니라 중력은 층(151)을 압축한 후에 피스톤(42)을 낮추도록 한다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 100 MPa 까지의 압력이 파우더 층을 압축하기 위해 적용된다. 일반적으로, 적용된 압력은 공기를 제거하고 파우더 층(151)을 그것의 탄성 상태(elastic state)를 지나치게 하여 층의 영구 변형(permanent deformation)이 달성되도록 한다. 선택적으로, 압축은 층(151)에서 95% 내지 99%의 공기를 제거하도록 제공한다. 선택적으로, 압축은 층의 두께를 약 50% 줄인다.
일부 예시적인 실시 예들에서, 다이 압축을 따뜻하게 하는 것(warm die compaction)이 수행되고, 다이(43)의 상부 표면(45) 및/또는 다이(43) 전체가 가열된다. 예를 들어, 다이(43)의 상부 표면(45) 및/또는 다이(43) 전체는 압축 동안 가열 요소(heating element, 44)에 의해 전-가열(pre-heated)된다. 일반적으로, 표면(45) 및/또는 다이(43)를 가열할 때, 층(151)은 층에 더 작은 압력이 가해져도 소성(plastic) 및/또는 영구 변형 상태에 도달할 수 있다. 선택적으로, 상부 표면(45)은 150° C, 예를 들어 150° - 300° C의 온도로 가열된다. 일반적으로 압축 온도 및 압력 사이에는 트레이드오프(tradeoff)가 있다. 압축하는 동안 온도를 높이는 것은 낮은 압력에서 소성 변형(plastic deformation)에 도달할 수 있지만, 층에 놓인 잉크가 바람직하지 않게 증발될 수 있다. 한편, 상부 표면(45)의 온도를 감소시키는 것은 보다 높은 압력이 요구될 수 있기 때문에 압축의 에너지 효율을 감소시킬 수 있다. 일반적으로, 적용되는 압력 및 온도는 파우더의 재료 및 층(151)의 두께에 기초하여 규정된다.
일부 예시적인 실시 예들에서, 테이블(200)은 수냉(water cool)되어 층(152)의 안정된(stable) 온도를 제공한다. 선택적으로, 테이블(table, 200)은 물 및/또는 다른 냉각제(coolant) 흐름이 도입되는 복수의 통로 및/또는 채널(205)들을 포함한다. 선택적으로, 통로(205)를 통과하는 유체의 온도 및 흐름 속도(flow rate)는 테이블(200)을 원하는 온도, 예를 들어 주위 온도 보다 약10° C높은 온도로 유지하도록 규정된다. 일반적으로, 냉각 메커니즘(cooling mechanism)은 소결 동안에도 적용된다.
일부 예시적인 실시 예들에서, 예를 들어 알루미늄 파우더가 사용될 때, 압축은 산화물 층, 예를 들어 파우더 된 입자들 상에 알루미나(alumina)를 파괴(break)하도록 작동된다. 일반적으로, 알루미늄을 노출(expose)시키는 것은 파우더 재료의 알루미늄 입자들 사이에 직접적인 관여(engagement)를 촉진시키고 소결 동안 입자들의 결합을 향상시킨다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 대상체의 높이, 예를 들면 대상체가 빌드될 때 대상체의 하나 이상의 층들의 높이가 압축 스테이션에서 감지(detect), 결정(determine) 및/또는 탐지(sense)된다. 선택적으로, 다이(43) 내에 및/또는 표면(45)에 대해(against) 가압되는 동안 트레이(200)의 높이가 감지된다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 제어 장치(300, 도2)는 높이 및/또는 높이의 변화를 모니터하고, 층 두께(layer thickness)들이 조정(adjustment)들이 보상(compensate)을 요구할 때 트레이(200)의 파우더 분배 스테이션(powder dispensing station) 및/또는 Z 스테이지(Z stage)에 입력(input)을 제공한다, 원하는 높이 및/또는 높이의 변화에서의 드리프트(drift)를 위해. 일부 예시적인 실시 예들에서, 제어 장치(300)는 메모리에 저장된 하나 이상의 룩업 테이블(lookup table)들을 사용하여 층 두께들의 조정들을 제어한다.
이제 도 8a 및 도 8b를 참조한다. 도 8a 및 도 8b 각각은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 압축하는 상태(compacting state) 및 압축하는 후 상태(post compacting state)의 압축하는 시스템을 위한 예시적인 안티-필링 매커니즘(anti-peeling mechanism)의 간략화된 개략도이다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 롤러(47)들 상에 지지된 포일 및/또는 필름(49)은 압축 동안 층(151) 및 상부 표면(45) 사이에 위치된다. 선택적으로, 포일은 0.1-0.3 mm 사이의 두께, 예를 들어 0.2 mm를 갖는다. 선택적으로, 포일은 스테인리스 스틸 304L 또는 316L 포일(a stainless steel 304L or 316L foil)이다. 일반적으로, 포일(49)은 파우더 및 잉크 입자들의 축적으로부터 상부 표면(45)을 보호하고, 상부 표면(45)의 분리(separation) 동안 층(151)의 실질적인 필링(peeling)을 방지한다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 포일(49)은 롤러(47)들로 감겨져(wind) 압축 전에 표면(45) 상에 포일(49)을 신장시킨 다음 포일(49)은 트레이(200)가 낮아질 때 부분적으로 풀린다(unwind). 풀림으로 인한 포일(49)의 여분의 길이(extra length)는 층(151)이 낮아질 때 포일(49)이 층(151)으로부터 점진적으로 떼어지게(detach)한다. 선택적으로, 포일(49)의 하나 또는 두 개의 마주보는 가장자리(opposite edge)들을 당김으로써 제공되는 분리는 전체 표면 분리(full surface separation) 대신 라인 분리(line separation)에 의한 분리를 제공한다. 본 발명자는 포일의 이러한 점진적인 분리가 포일(49) 상에 층(151)으로부터의 재료의 필링(peeling) 및/또는 손실(loss)을 회피한다는 것을 발견했다.
이제 도 9를 참조한다. 도 9는 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 압축하는 시스템을 위한 클리닝 매커니즘(cleaning mechanism)의 단순화된 개략도이다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 압축 스테이션(40)은 포일(49)을 클리닝하기 위한 클리닝 유닛(411)을 포함한다(또는 포일(49)이 사용되지 않을 때 표면(45)을 클리닝하기 위한 클리닝 유닛(411)을 포함). 일부 예시적인 실시 예들에서, 클리닝 유닛(405)은 포일(49) 위로 스윕하는 회전 브러시(414)를 포함한다. 선택적으로, 브러시(414)는 수집 후드(collection hood, 415)에 의해 부분적으로 커버되고, 브러시(414)에 의해 제거된 파우더는 흡입 포트(suction port, 416)로 제거된다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 클리닝 유닛은 작업 플랫폼 및/또는 프레임(frame, 500) 상에 장착된 레일(417)을 따라 구동(drive)된다.
이제 도 10을 참조한다. 도 10은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 예시적인 소결 스테이션의 단순화된 개략도이다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 대상체(15)는 소결 롤러(sintering roller, 519)로 한번에 한 층씩 소결된다. 본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 소결 롤러(519)는 고온 매스 롤러(high thermal mass roller)다. 선택적으로, 소결 롤러(519)는 경질 연마 강(hard polished steel)으로 형성된다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 소결 롤러(519)는 파우더 재료의 녹는 온도보다 약간 높은 온도, 예를 들어 녹는 온도보다 0° - 80° C 높은 온도로 가열되고, 층에 대해 롤러 길이의 20-180 N/cm 의 크기의 압력으로 가압된다. 선택적으로, 소결 롤러(519)는 트레이(200)가 스테이지(250)와 함께 진행 함에 따라 층(151) 위로 롤(roll)한다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 잉크(32)가 층(151) 상에 적용된 마스크는 임시 절연체(temporary insulator)로 역할(act)하여 소결 롤러(519)가 층(151) 상에서 롤(roll)할 때 잉크(32)를 포함하지 않는 층(151)의 선택된 부분만 소결된다. 일반적으로, 마스크 된 부분들, 예를 들어 부분들(327, 도6)의 파우더는 소결의 결과로서 증발된 흡수된 오일(324)를 선택적으로 그대로 유지한다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 소결 롤러(519)의 직경은, 소결 롤러(519)의 원주(circumference)가 트레이(200)의 길이 및/또는 소결 롤러(519)가 층(151) 상에서 롤(roll)하는 길이보다 크도록 규정된다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 롤러는 전기 히터, 예를 들어 핑거 타입 전기 히터(finger type electric heater)들의 어레이를 사용하여 가열된다. 일반적으로, 소결 롤러(519)는 600° - 800° C 사이의 균일한 가열 표면을 제공한다. 일반적으로 소결 롤러(519)는 층(151)과의 접촉(contact)으로 인해 소결 롤러(519)의 잠재적인(potential) 국부적인(local) 냉각(cooling)이 소결 공정에 악영향을 미치지(adversely affect) 않도록 1회 미만 회전으로 층(151) 상에서 롤(roll)한다. 또한, 소결 롤러(519) 상에 축적된(accumulate) 어떠한 파편(debris)은 층(151) 상에 재도입(reintroduce)되지 않는다. 또한, 가열 핑거(heating finger)를 지지하는 전기 케이블(electrical cable)은 일반적으로 비틀어지지(twist) 않는다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 소결 롤러(519)는, 롤러(519)의 축에 이어진 암(518)을 아래로 가압하는 피스톤(520) 또는 피스톤(520)들로 층(518) 상에 가압된다.
선택적으로, 복수 개의 통로(205)들은 테이블(200) 및 테이블(200)에 인접한 층들을 원하는 온도, 예를 들어 소성 중에 주위 온도(ambient temperature)보다 약 10° C 높은 온도를 유지하는 것을 제공한다. 소결 과정 동안, 일반적으로 (비교적 낮은 온도로 유지됨)테이블(200)을 향하여 (고온에서 유지됨) 상부 표면으로부터 펼쳐지는 열 및 유체는 일반적으로 열을 흡수한다. 일반적으로, 통로(205)들을 통한 유체 흐름은 순환적이고 통로(205)들로 다시 들어가기(reenter) 전에 유체를 냉각시키는 열 교환 유닛(heat exchange unit)을 통과한다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 롤러(519)는 소결 후에, 예를 들어 각 층이 소결된 후에 클리닝(clean)된다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 선택적으로, 브러시(514)는 롤러(reoller)에 대해(against) 브러시(brush)한다. 선택적으로, 브러시(514)는 수집 후드(515)에 의해 부분적으로 커버되고, 브러시(514)에 의해 제거된 파우더는 흡입 포트(516)로 제거된다. 선택적으로, 클리닝 동안 롤러(519)의 회전은 롤러(519)와 접촉하는 암(24)을 움직이는 피스톤(25)에 의해 개시(initiate)된다.
일부 예시적인 실시 예들에서, 50 μm의 압축 후 층(post compaction layer)의 두께 및 100 μm의 압축 후 마스크(post compaction mask)의 두께에 대해, 완전 소결(full sintering)에 필요한 시간은 약 0.2 msec일 수 있다. 그러한 예시적인 경우에서, 롤러(519)에 대한 선형 속도(linear speed)는 1m/sec 일 수 있고, 롤러 회전 속도(rotation speed)는 20 rad/sec일 수 있다.
본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 층(151) 및/또는 대상체(15)는 소결 후에 냉각 스테이션(60) 내에서 즉시 냉각될 수 있다. 선택적으로, 냉각 스테이션(60)은 소결 직후에 냉각이 적용될 수 있도록 소결 스테이션에 실질적으로 근접하게 위치된다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 질소 공기 분사기(nitrogen air knife)들의 패턴은 냉각 층(151) 및/또는 대상체(15)를 위한 가스의 제트 기류(jet stream of gas)을 제공하는데 사용된다.
이제 도 11을 참조한다. 도 11은 본 발명의 일부 실시 예들에 따른 다른 예시적인 소결 스테이션의 단순화된 개략도이다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 포일(59)은 롤러(519) 및 층(151) 사이의 연결(interface)을 제공한다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 소결 롤러(519)가 층(151)을 아래로 밀어내고 층(151)을 따라 롤(roll)하는 동안, 2차 롤러(57)들은 길이에 걸쳐 포일(59)을 신장(stretch)시킨다. 일반적으로, 롤러(519)가 진행하는 동안, 포일(59) 및 압축 후 층(post compaction layer) 사이의 접촉 지점(touching point)는 변한다. 일반적으로, 소결 롤러(519) 및 제 2 롤러(57)들은 포일(59) 위에서 함께 롤(roll)한다. 선택적으로, 제 2 롤러(57)들로 인한 포일의 낮은 리프트(lift)는, 필링(peeling) 및/또는 포일(59) 상에 층(151)으로부터의 입자들의 고착(sticking)을 방지할 수 있는 층(151) 사이에 매끄러운(smooth) 분리를 제공한다. 선택적으로, 포일(59)은 스프링 장착부(spring mounting, 53)들을 갖는 프레임에 의해 지지됨으로써 포일(59)이 장력(tension)을 유지할 수 있게 한다.
*본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 소결 스테이션은 앞서 설명한 클리닝 유닛(411)과 유사한 방식으로 작동하는 클리닝 유닛(511)을 포함한다. 일반적으로, 클리닝 유닛은 수집 후드(515)에 의해 부분적으로 커버된 브러시(514)를 포함한다. 일반적으로, 브러시(514)에 의해 수집된 파편은 흡입 포트(416)를 통한 흡입으로 제거된다.
일반적으로, 마스크는 소결 과정에서 지연(delay)을 발생(generate)시키지만 모든 상황(circumstance)들에서 소결을 방해하지는 않는다. 현재 층들 및/또는 이전 층들의 마스크 된 영역들 내에서 자발적인 소결(spontaneous sintering)이 발생할 가능성이 있다. 마스크 된 영역들은 다음의 층(subsequent layer)들을 지원하고, 마스크 되지 않은 영역에 의해 커버될 때 하부 층 내에 마스크 된 영역은 자발적인 소결의 대상이 될 수 있다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 절연 코팅, 예를 들어 임계 두께(threshold thickness) 위의(above) 프릿(frit)의 적용(applying)은 자발적인 소결을 방지하는데 도움이 될 수 있다. 본 발명자는 또한 파우더 층을 임계 두께 이하로 유지하는 것이 또한 마스크 코팅(mask coating) 아래의 자발적인 소결을 방지하는 것을 도울 수 있음을 발견했다. 일부 예시적인 실시 예들에서, 프릿 층의 두께 및 파우더 층의 두께는 자발적인 소결을 피하도록 제어된다.
이제 도 12를 참조한다. 도 12는 본 발명의 일부 실시 예들에 따라 3D 프린팅에 의해 대상체를 구성하기 위한 예시적인 방법의 단순화된 흐름도이다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 방법은 빌딩 트레이 상에 파우더 층을 분배하는 단계(블록 805) 및 파우더 층을 펼쳐 균일한 파우더 층을 얻는 단계(블록 810)를 포함한다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 대상체의 경계를 규정하는 마스크가 파우더 층 위에 프린트된다(블록 815). 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 프린트 과정에 사용되는 잉크는 다음 소결 과정 동안 프린트 된 영역을 소결로부터 배제할 수 있는 재료로 형성된다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 소결 전에, 프린트 된 층은 압축(블록 820) 되어 층의 소결을 준비한다. 일반적으로, 압축은 소결 동안 열 전도(heat conduction)를 향상시키기 위해 프린트 된 층으로부터 공기를 제거하도록 제공된다. 선택적으로, 압축은 또한 금속 파우더의 입자들 상에 일반적으로 형성되는 산화물 크러스트(oxide crust), 예를 들어 알루미늄 파우더를 파괴(break)하기 위해 제공된다. 일반적으로, 파우더 금속 층을 통한 열 전도는 산화물 크러스트를 파괴한 후에 더 균일하다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 소결(블록 825)은 압축된 후 층(post compacted layer)에 대해 수행된다. 선택적으로, 소결은 소결 롤러로 수행된다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면 층은 소결 후에 즉시 냉각(블록 830)된다. 일반적으로, 냉각은 소결 동안 축적된 열이 층의 마스크 된 영역들로 펼쳐지는 것을 방지한다. 본 발명의 일부 실시 예들에 따르면, 블록들 805-830에서 설명된 방법은 프린트된 각 층에 대해 반복된다. 일반적으로, 모든 층이 프린트 된 후에, 최종 대상체는 파우더 베드(powder bed)로부터 제거될 수 있다. 일반적으로, 추가적인 후 마무리 절차(post finishing procedure)들이 요구되지 않는다.
용어들 "포함하다(comprises, includes)", "포함하는(comprising, including)", "구비하는(having)"및 이들의 활용(conjugate)들은 "포함하지만 이에 제한되지 않는다"를 의미한다.
용어 "구성되는(consist of)"은 "포함하고 이에 제한된다"를 의미한다.
용어 "필수적으로 구성되는(consisting essentially of)"은, 조성물, 방법 또는 구조가 추가의 성분들, 단계들 및/또는 부품들을 포함할 수 있는 것을 의미하지만, 추가의 성분들, 단계들 및/또는 부품들이 청구된 조성물, 방법 또는 구조의 기본적이고 신규한 특징들을 실질적으로 변경하지 않는 경우에만 해당한다.
명확함을 위해 별도의 실시 예들의 문맥 내에서 설명된 본 발명의 특정한 특징들은 단일 실시 예에서 조합하여 제공될 수도 있다. 반대로, 간략화를 위해, 단일 실시 예와 관련하여 설명된 본 발명의 다양한 특징들은 개별적으로 또는 임의의 적절한 하위 조합으로 또는 본 발명의 임의의 다른 설명된 실시 예에 적합하게 제공될 수도 있다. 다양한 실시 예들의 문맥 내에서 설명된 특정한 특징들은 그러한 실시 예가 이들 요소 없이는 동작하지 않는 한, 그러한 실시 예들의 필수적인 특징으로 간주되어서는 안 된다.

Claims (38)

  1. 3차원 대상체를 빌드하기 위한 시스템에 있어서,
    빌딩 트레이 상에 파우더 재료의 층을 적용하기 위한 파우더 운반 스테이션;
    상기 층 상에 마스크 패턴을 프린트하기 위한 디지털 프린팅 스테이션, 상기 마스크 패턴은 소결되는 상기 층의 부분의 네거티브를 규정함;
    소결되는 것으로 상기 마스크에 의해서 규정된 상기 층의 상기 부분을 선택적으로 소결하기 위한 소결 스테이션; 및
    상기 3차원 대상체를 함께 형성하는 복수 개의 층들을 빌드하기 위해, 상기 빌딩 트레이를 상기 파우더 운반 스테이션, 디지털 프린팅 스테이션 및 소결 스테이션의 각각으로 반복적으로 진행시키는 스테이지;
    를 포함하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    파우더 재료의 층마다 압축하는 다이 압축 스테이션을 포함하고, 상기 압축 스테이션은 상기 층을 수용하기 위한 다이를 포함하는 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다이 압축하는 스테이션은, 상기 층과 연결되는 상기 다이의 표면을 따뜻하게 하기 위한 가열 요소를 포함하는 시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 다이 압축하는 스테이션은, 상기 층 상에 100 MPa의 압력까지 적용하도록 작동 가능한 시스템.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이 압축하는 스테이션은, 상기 빌딩 트레이를 상기 다이를 향해 리프트하기 위한 리프팅 시스템을 포함하는 시스템.
  6. 제 2항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축하는 스테이션은 안티-필링 메커니즘을 포함하고, 상기 안티-필링 메커니즘은 상기 다이의 사이에 위치되는 포일을 포함하고, 상기 포일은 상기 빌딩 트레이 및 상기 다이 사이의 분리 동안 상기 포일의 굽음을 허용하도록 두 개의 마주보는 가장자리들에 의해 지지되는 시스템.
  7. 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축 후에 상기 층의 두께에 대응하여 다음 층에서 상기 빌딩 트레이의 높이를 조절하기 위한 제어 장치를 포함하는 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    소결 후에 상기 층을 냉각하기 위한 냉각 스테이션을 포함하는 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 냉각 스테이션은 가스의 제트 기류를 제공하기 위한 공기 분사기들을 포함하는 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디지털 프린팅 시스템은 액체 캐리어 내에 현탁된 프릿을 포함하는 잉크를 분배하도록 작동 가능한 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    프릿은 직경이 500nm에서 1μm 사이의 직경을 구비하는 입자들로부터 형성되는 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소결 스테이션은, 상기 층을 소결하기 위한 고열 매스 롤러를 포함하는 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 고열 매스 롤러는 상기 파우더의 녹는 온도보다 0° - 80°C 높은 온도까지 가열되는 시스템.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 고열 매스 롤러는 롤러 길이의 20-180 N/cm 의 크기의 압력을 적용하는 시스템.
  15. 제12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소결 스테이션은 안티-필링 메커니즘을 포함하고, 상기 안티-필링 메커니즘은 상기 고열 매스 롤러 및 상기 층 사이에 위치된 포일을 포함하는 시스템.
  16. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소결 스테이션은 전-가열 및/또는 소결을 위해 상기 층 위를 스윕하는 수직-공진 표면-방출 레이저(VCSEL)의 어레이를 포함하는 시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빌딩 트레이는 상기 층이 위치되는 상기 트레이의 표면에 실질적으로 평행하게 흐르는 적어도 하나의 채널을 포함하고, 상기 적어도 하나의 채널을 통해 유체가 상기 빌딩 트레이를 냉각하기 위해 도입되는 시스템.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파우더는 금속 파우더인 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 파우더는 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금 파우더인 시스템.
  20. 3차원 대상체를 빌드하기 위한 방법에 있어서,
    파우더의 층을 빌딩 트레이 상에 펼치는 단계;
    상기 층에 마스크 패턴을 프린트하는 단계, 상기 마스크 패턴은 소결되는 상기 층의 부분의 네거티브를 규정하고, 상기 층을 위한 상기 마스크 패턴은 상기 3차원 대상체의 형상을 규정하는 마스크 패턴 데이터에 의해 규정됨;
    소결되는 것으로 상기 마스크에 의해서 규정된 상기 층의 상기 부분을 소결하는 단계; 및
    상기 3차원 대상체가 완성될 때까지 상기 펼치는 단계, 프린트하는 단계 및 소결하는 단계를 반복하는 단계를 포함하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 마스크 패턴은, 잉크를 분배하는 디지털 프린터로 프린트되는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 잉크는 상기 층의 마스크된 부분에 절연 코팅을 제공하는 방법.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 잉크는, 상기 파우더의 녹는 온도보다 낮은 증발 온도를 가지도록 선택된 액체 캐리어를 포함하는 방법.
  24. 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소결 이전에 층마다 다이 압축을 수행하는 단계를 포함하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    다이 압축을 따뜻하게 하는 단계를 포함하는 방법.
  26. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
    압축 동안 상기 층 상에 적용된 상기 압력은 100 MPa까지인 방법.
  27. 제 24 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이 압축은, 상기 층의 프린트 이후에 층마다 수행되는 방법.
  28. 제 24 항 내지 제 27 항에 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이 압축 동안 상기 빌딩 트레이를 냉각하는 단계를 포함하는 방법.
  29. 제 20 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소결은 열원을 상기 빌딩 트레이의 길이에 걸쳐 지나가게 함으로써 수행되고, 상기 열원은, 상기 빌딩 트레이의 폭에 걸쳐 연장하는 좁은 스트립을 따라서 열을 제공하는 방법.
  30. 제 20 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소결은 상기 층 위로 롤하는 고열 매스 롤러에 의해 수행되는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 고열 매스 롤러는 상기 소결 동안 상기 파우더의 녹는 온도보다 0° - 30°C 높은 온도까지 가열되는 방법.
  32. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
    상기 고열 매스 롤러는 상기 층에 대해 롤러 길이의 10 N/cm 의 크기의 압력으로 가압되는 방법.
  33. 제 20 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    소결 동안 상기 빌딩 트레이를 냉각하는 단계를 포함하는 방법.
  34. 제 20 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소결 이후에 상기 층을 즉시 냉각하는 단계를 포함하고, 상기 냉각은 가스의 제트 기류에 의해 수행되는 방법.
  35. 제 20 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    빌드되는 상기 대상체의 이전의 하나 이상의 층들의 두께에 대응하여 상기 빌딩 트레이의 높이를 조절하는 단계를 포함하는 방법.
  36. 3차원의 대상체를 빌드하는 방법에 있어서,
    빌딩 트레이 상에 파우더의 층을 제공하는 단계;
    상기 층에 다이 압축을 수행하는 단계;
    선택적 레이저 소결 또는 선택적 레이저 녹임에 의해 다이 압축되는 상기 층을 소결하는 단계; 및
    상기 3차원 대상체가 완성될 때까지 층마다 상기 제공하는 단계, 상기 다이 압축하는 단계 및 상기 소결하는 단계를 반복하는 단계를 포함하는 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    다이 압축을 따뜻하게 하는 단계를 포함하는 방법.
  38. 제 36 항 또는 제 37 항에 있어서,
    압축 동안 상기 층 상에 적용된 상기 압력은 100 MPa 까지인 방법.
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