KR20170097055A - 적층에 의한 3ｄ 형상 물품의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

적층에 의한 3ｄ 형상 물품의 제조 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속 소결 공정으로 적층시킴으로써 3D 모델을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

적층에 의한 3Ｄ 형상 물품의 제조 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING 3D SHAPED ARTICLES BY LAYERING}
본 발명은 층 제작 기술에 의해 3D 모델을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
유럽 특허 EP 0 431 924 B1 호는 컴퓨터 데이터에 기초하여 3차원 물체를 제조하는 공정을 설명하고 있다. 이 공정에서, 미립자 재료의 박층이 플랫폼 상에 적층되고, 그 위에 프린트 헤드에 의해 선택적으로 프린트되는 결합제 재료를 가진다. 결합제가 상부에 프린트된 미립자 영역은 결합제 및 선택적으로 추가의 경화제의 영향하에서 결합 및 고화된다. 다음에, 플랫폼은 한 층 두께만큼 제작 실린더 내부로 하강되고 새로운 미립자 재료 층이 제공되며, 새로운 미립자 재료 층이 또한 전술한 바와 같이 프린트된다. 이들 단계는 물체의 원하는 특정 높이가 달성될 때까지 반복된다. 따라서, 프린트되고 고화된 영역은 3 차원 물체를 형성한다.
완료시, 고화된 미립자 재료로 만들어진 물체는 느슨한 미립자 재료 내에 매립되고, 그로부터 물체는 후에 해체된다. 이런 목적을 위해, 예를 들어 흡인 장치가 사용될 수 있다. 흡인 장치는 예를 들어, 임의의 잔류 분말을 털어냄으로써 원하는 물체만을 남겨두고 잔류 분말로부터 자유로워져야 한다.
다른 분말-기반 신속 프로토타이핑 공정(prototyping process)(또한, 모델의 적층 제작 또는 층 제작 기술로서 지칭됨), 예를 들어 선택적 레이저 소결 또는 전자 빔 소결 공정이 유사한 방식으로 작동하며, 또한 층별로 느슨한 미립자 재료 층을 도포하고 제어식 물리적 방사선 소스의 도움으로 이를 선택적으로 고화시킨다.
다음에, 이들 모든 공정은 "3차원 프린팅 방법" 또는 "3D 프린팅 방법"이라는 용어에 의해 포함되는 것으로 이해될 것이다. 분말 재료 및 액체 결합제의 도입을 기초로 하는 3D 프린팅은 층 제작 기술 중에서도 가장 빠른 방법이다.
이 방법은 폴리머 재료를 포함한, 다양한 미립자 재료가 처리될 수 있게 한다. 그러나 미립자 재료 층이 보통, 입자 밀도의 60%인 특정 벌크 밀도(bulk density)를 초과할 수 없다는 단점을 가진다. 그러나 원하는 구성요소의 강도는 달성된 밀도에 크게 의존한다. 여기서는, 액체 결합제의 형태로 40 체적% 이상의 미립자 재료를 첨가하는 것이 구성요소의 고강도를 위해 요구될 수 있다. 이는 단일-액적 입력으로 인해 상대적으로 시간 소모적인 공정일 뿐만 아니라, 예를 들어 고화 중에 액체 용적의 불가피한 수축에 의해 제공되는 많은 공정-관련 문제점들을 유발한다.
"고속 소결" 또는 간단히 HSS로서 기술분야에 공지된 다른 실시예에서, 미립자 재료의 고화는 적외선의 입력에 의해 실시된다. 따라서, 미립자 재료는 융합 공정에 의해 물리적으로 결합된다. 이 경우에, 무색 플라스틱 재료에서의 열 방사선 흡수율이 비교적 낮다는 장점이 있다. 상기 흡수는 플라스틱 재료로 IR 수용체 (흡수제)를 도입함으로써 다수 배로 증가될 수 있다. IR 방사선은 다양한 수단, 예를 들어, 건설 분야에서 균등하게 이동되는 바(bar)-형상의 IR 램프에 의해 도입될 수 있다. 선택도는 IR 수용체를 갖는 각각의 층의 특정 프린팅에 의해 달성된다.
프린트된 위치에서, IR 방사선은 프린트되지 않은 영역에서보다 미립자 재료에 훨씬 더 잘 결합된다. 이는 융점을 초과한, 층 내부에서의 선택적인 가열을 초래하고, 결과적으로 선택적 고화를 초래한다. 이 공정은 예를 들어, EP 1740367 B1 및 EP 1648686 B1 호에 설명되어 있으며, 아래에서 HSS로 약칭될 것이다.
이런 방법으로 또한 처리될 수 있는 레이저 소결 공정으로부터 다양한 재료가 공지된다. 이러한 맥락에서 단연코 가장 중요한 재료는 폴리아미드 12이다. 이 재료에 대한 여러 제조업체가 있다. 달성된 강도는 층 제작 방법에 우수하다.
이 재료는 이러한 품질로 직접 처리될 수 있는 미세한 분말로 이용할 수 있다. 그러나 제조 공정으로 인해 비용이 높으며 표준 폴리아미드 비용을 20 내지 30배까지 초과할 수 있다.
종래 기술의 HSS(고속 소결) 공정에서, 레이저 소결에서처럼 분말은 처리용 재료의 융점 근처의 온도가 된다. 이는 분말을 "시효(aging)"시키고 후속 공정에서의 분말 사용을 제한한다. 낮은 재활용률이 초래되며, 이는 처리 비용에 부정적인 영향을 미친다.
부품의 정밀도는 공정 제어에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서, 분말 층 밀도 및 제작 공간의 온도와 같은 매개변수의 균일성이 중요하다.
공지된 HSS 방법은 한편으로는 재활용률 및 다른 한편으로는 공정 비용과 관련하여 많은 단점을 가지며, 결과적으로 부품당 비용을 증가시키고 부품을 다소 비싸게 만든다. 특히, 분말의 시효는 중요한 문제점이며, 결과적으로 낮은 재활용률은 이런 공정이 더 널리 퍼지게 하는데 큰 장애물이다. 현재, 부품에 통합되지 않는 분말의 대략 50%는 공정 후에 교체되어야 한다. 대략 €80/kg의 분말 가격과 수백 리터의 제작 공간은 높은 재정적 투자를 요구한다.
공정-관련 문제점들을 해결함으로써 비용을 절감하는 한 가지 방법은 덜 비싼 분말을 사용하는 것이다. 그러나, 대부분의 분말이 안전하게 처리될 충분한 "소결 윈도우(sintering window)"를 갖지 않기 때문에, 이 방법에는 약간의 한계가 있다. 이는 안정한 공정 매개변수를 이들 분말에서 거의 찾기 어렵다는 것을 의미한다.
다른 방법은 분말 시효를 화학적으로 제한하는 것이다. 이 경우에, 예를 들어, 레이저 소결에서는 기계를 질소로 세정하는 것이 일반적이다. 이는 분말 산화를 방지할 수 있다. 그러나, 단지 공정-관련 이유만으로는 시효를 완전히 제한할 수 없는데, 이는 고화 반응의 일부가 폴리머의 2차 반응에 의해 발생하기 때문이다. 이러한 2차 반응을 억제하는 것은 강도 측면에서 근본적인 한계를 의미할 수 있다.
공지된 HSS 방법의 하나의 문제점은 예를 들어, 사용된 미립자 재료에 대한 온도 윈도우와 같은 유리한 공정 조건에 대한 조정이다. HSS 공정은 다수의 공정 매개변수를 조합하고, 거기에 사용되는 3D 프린팅 기계는 많은 구성적인 특징과 구성요소를 가지며, 이는 적합한 구성요소를 조합하는 것을 어렵게 하고 개선된 공정 조건을 허용하는 유리하거나 개선된 공정 순서를 조정하는 것을 어렵게 한다. 많은 경우에, 허용 가능한 공정 결과를 달성하고 고품질의 3D 부품을 얻고/얻거나 공정을 최적화하기 위해서 어떤 구성적인 변경이 요구되는지를 결정하는 것은 불가능하다.
공정 조건을 조정함에 있어서 다른 문제점은 한편으로 충분히 강한 구성요소가 원하는 유리한 특성을 갖도록 제조되는 동시에, 고화되지 않는 미립자 재료를 쉽게 언패킹(unpacking)을 가능하게 하는 공정 조건에 놓이도록 공정 조건을 조합하는 것이다. 이와 관련한 한 가지 문제점은 주변 재료가 공정에서 너무 많이 고화되며, 따라서 구성요소에서 제거하는 것이 어렵고 제거하기 위해서는 많은 노력을 요구한다는 점이다.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 HSS 공정을 가능하게 하거나 종래 기술의 단점을 적어도 개선하거나 또는 완전히 방지할 수 있는 제작 수단을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 장치 구성요소의 특정 선택 및/또는 공정 조건의 조정에 의해 HSS 공정에 개선된 공정 조건을 제공하거나 개선된 공정 결과를 달성하는 것이다.
HSS에 의한 3D 성형 부품의 제조에서 다른 문제점 및 추가의 단점은 제작될 구성요소의 표면에 걸쳐 발생하는 온도 구배(temperature gradient), 및 구성요소를 둘러싸는 제작 재료에서 제작 플랫폼의 주변 영역까지 발생하는 온도 구배이다. 이는 공정 자체를 방해하거나 품질에 결점을 초래하는 단점, 예를 들어 컬링(curling), 휘어짐, 성형 부품의 부정확성 또는 낭비 증가를 포함한다.
HSS 공정 동안, 분말 층의 표면 온도는 주기적으로 증가되고 선택적으로 감소되며, 제작 공정의 말기에서 완성된 성형 부품은 완전히 냉각된다.
이상적으로, 제작될 성형 부품의 온도는 가능하다면, 고화 온도 바로 위의 값으로 일정하게 유지되어야 하며, 분말의 융점을 초과하는 좁은 온도 대역 내에서 단지 제작 영역에서만 변해야 한다. 주변 미립자 재료로의 방출 및 열 전도로 인해, 성형 부품의 에지는 내부 영역보다 더 빨리 냉각되며, 이는 전술한 단점과 함께 성형 부품에 원하지 않는 온도차를 초래한다.
따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 열적 손상으로 인한 미-통합 분말의 시효를 감소시키거나 완전히 방지하는 것을 돕는 방법, 재료 시스템 및/또는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제조될 3D 성형 부품에서 및/또는 제작 공정 중에 성형 부품을 둘러싸는 제작 재료에서 일정하고, 제어 가능하고/하고나 본질적으로 균일한 온도 분포가 달성되게 하고/하거나, 구조물 표면에 걸쳐 과도하게 높고 바람직하지 않은 온도 구배를 방지하거나 적어도 감소시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
개시의 간단한 개요
일 양태에서, 본 개시는 3D 성형 부품의 제조 방법에 관한 것이며, 여기서 미립자 제작 재료가 코팅장치에 의해 규정된 층으로 제작 현장에 도포되며, 하나 이상의 흡수제의 하나 이상의 액체 또는 미립자 재료가 선택적으로 도포되며, 이 층이 제 1 가열 단계에서 예를 들어, 폴리아미드 분말의 소결 윈도우(sintering window) 내에 있는, 흡수제 없는 분말의 기본 온도로 가열되며, 제 2 소결 단계는 분말의 용융 온도 초과의 소결 온도에서, 흡수제로 프린트된 영역의 선택적인 고화를 열 입력에 의해 유도하며, 선택적으로 도포된 흡수제가 있는 영역은 흡수제가 없는 영역보다 제 1 단계에서 더 많이 가열되고, 따라서 흡수제가 있는 영역과 없는 영역 사이에 온도차가 조정되며, 제작 현장은 한 층 두께만큼 하강되거나 코팅장치가 한 층 두께만큼 상승되며, 상기 단계는 원하는 3D 성형 부품이 제조될 때까지 반복되며, 상기 기본 온도로의 가열 단계는 약 3 내지 8 ㎛, 바람직하게 약 5 ㎛의 파장을 갖는 방출기에 의해 실시되며, 소결 단계는 약 0.5 내지 1.5 ㎛, 바람직하게 0.9 내지 1.1 ㎛, 더 바람직하게 1 ㎛의 파장을 갖는 방출기에 의해 실시된다.
다른 양태에서, 본 개시는 3D 성형 부품의 제조 방법에 관한 것이며, 여기서 미립자 제작 재료는 코팅장치에 의해서 규정된 층으로 제작 현장에 도포되며, 하나 이상의 흡수제의 하나 이상의 액체 또는 미립자 재료는 선택적으로 도포되며, 이 층은 가열되며, 선택적으로 도포된 흡수제가 있는 영역은 흡수제가 없는 영역보다 더 많이 가열되며, 따라서 흡수제가 있는 영역과 없는 영역 사이에 온도차가 설정되며, 제작 현장은 한 층 두께만큼 하강되거나 코팅장치가 한 층 두께만큼 상승되며, 원하는 3D 성형 부품이 제조될 때까지 이들 단계가 반복되며, 추가의 흡수제가 3D 성형 부품 주위에 프린트되어 적어도 주변 미립자 재료에 대하여 상승된 온도에서 적어도 하나의 외피를 생성한다.
대안적인 양태에서, 온도차는 상이한 흡수제를 도포하거나 상이한 양의 흡수제에 의해서 동일한 열 또는 에너지 입력으로 국소적으로 달성된다.
추가의 양태에서, 본 개시는 흡수제를 사용하여 제조되는 3D 성형 부품에 관한 것이며, 상기 3D 성형 부품은 실질적으로 부품의 전체 원주를 따라서 상승된 온도를 갖는 외피에 의해 둘러싸이며, 상기 외피는 흡수제를 사용하여 제작되며, 3D 성형 부품과 외피 사이에는 미-고화 미립자 제작 재료가 존재한다.
제 3 양태에서, 본 개시는 본 발명에 따른 방법을 수행하는데 적합한 장치에 관한 것이다.
본 발명에서 개시된 바와 같은 다른 양태와 또한 결합될 수 있는 또 다른 양태에서, 본 개시는 미립자 재료 및 미립자 재료에서 고화될 영역에 대한 온도 조정이 상이한 파장 및/또는 에너지 입력을 갖는 적어도 2 개의 방출기(소결 램프) 또는 하나의 방출기에 의해 실시되는 장치 및 방법에 관한 것이다.
개시의 상세한 설명
본 발명에 따라서, 본 출원의 기초를 이루는 목적은 유리한 구조물 구성요소와 유리한 공정 결과를 초래하는 공정 매개변수를 특별하게 조합함으로써 달성된다.
본 발명에 따라서, 본 출원의 기초를 이루는 다른 목적은 구성요소 주위의 능동적인 단열을 위해 부품들의 바로 근처에 특정 양의 흡수제를 사용함으로써 달성된다. 이는 구성요소와 주변의 미립자 재료 사이에 더 작은 온도 구배를 초래하여, 미립자 재료의 고화 온도 미만으로의 냉각을 방지하고 이전에 요구되었던 것보다 단지 훨씬 낮은 온도로 다량의 주변 분말이 가열될 것을 요구한다.
따라서, 전체적으로, 분말은 더 낮은 온도에서 또는 더 낮은 온도 입력 또는 에너지 입력으로 기계에서 처리될 수 있고, 열적 손상으로 인한 분말 시효가 실질적으로 감소될 수 있다. 상당한 열 효과로 인해 단지, 구성요소 주위의 작은 용적만이 폐기되어야 한다.
또한, 이제 온도가 더 양호하게 제어될 수 있고 온도 분포가 제작될 구성요소 및 둘러싼 주변 영역 내에서 그리고 이들 전체에 걸쳐서 더욱 균일하게 되는 것에 의해서 흡수제를 고려하지 않고도 개선된 제조 결과가 달성된다.
먼저, 본 발명에 따른 여러 용어가 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 의미에서 "3D 성형 부품", "성형 물품" 또는 "구성요소"는 본 발명에 따른 방법 및/또는 본 발명에 따른 장치에 의해 제조되는, 치수 안정성을 나타내는 모든 3차원 물체이다.
"제작 공간"은 미립자 재료로 반복 코팅하여 제작 공정 중에 미립자 재료 층이 성장하거나 연속 원리의 적용시 미립자 재료 층이 통과하는 기하학적 위치이다. 제작 공간은 일반적으로 바닥, 즉 제작 플랫폼에 의해, 벽에 의해 그리고 개방 상부 표면, 즉 제작 평면에 의해 경계가 정해진다. 연속 원리에서는 일반적으로 컨베이어 벨트와 제한 측면 벽이 있다. 제작 공간은 또한, 작업 상자(job box)라고 불리는 형태로 설계될 수 있으며, 작업 상자는 장치의 안팎으로 이동될 수 있고 일괄 제조를 가능하게 하며, 공정의 완료 후에 하나의 작업 상자가 밖으로 이동되어 새로운 작업 상자가 즉시 장치 내부로 이동될 수 있으며, 그에 의해서 생산량이 증가하고 결과적으로 장치의 성능이 향상된다.
"가열 단계"는 공정의 초기에 장치를 가열하는 것을 지칭한다. 장치의 실제 온도가 고정된 값에 도달하자마자 가열 단계가 완료된다.
"냉각 단계(cooling phase)"는 미립자 재료를 제작 공간에서 제거할 때 그 내부에 포함된 부품이 임의의 커다란 소성 변형을 받지 않을 정도로 미립자 재료를 냉각시키는데 필요한 시간을 지칭한다.
본 발명에서 사용되는 "미립자 재료" 또는 "미립자 제작 재료" 또는 "제작 재료"는 분말-기반 3D 프린팅용으로 공지된 임의의 재료, 특히 폴리머, 세라믹 및 금속일 수 있다. 미립자 재료는 바람직하게, 건조시 자유-유동성 분말이지만, 또한 응집성의 절단 저항 분말 또는 입자-충전 액체일 수 있다. 본 명세서에서 미립자 재료와 분말은 동의어로 사용될 것이다.
"미립자 재료 도포"는 규정된 분말 층을 생성하는 공정이다. 이는 제작 플랫폼에서 또는 컨베이어 벨트에 대해 경사진 평면에서 연속적인 원리로 수행될 수 있다. 미립자 재료 도포는 아래에서, "코팅" 또는 "재코팅"으로 또한 지칭된다.
본 발명의 의미에서 "선택적 액체 도포"는 성형 물품에 대한 요건 및 성형 물품 제조의 최적화에 따라서, 예를 들어 미립자 재료 도포와 관련하여 여러 번 각각의 미립자 재료 도포 후에 또는 불규칙적으로 실시될 수 있다. 이 경우에, 원하는 물품의 단면 이미지가 프린트된다.
본 발명에 따른 방법을 수행하는데 사용되는 "장치"는 필요한 부품을 포함하는 임의의 공지된 3D-프린팅 장치일 수 있다. 일반적인 구성요소는 코팅장치, 제작 현장, 연속 공정으로 제작 현장 또는 다른 구성요소를 이동시키는 수단, 계량 장치, 가열 및 조사 수단, 그리고 당업자에게 공지되어 있으므로 본 발명에서 상세히 설명하지 않는 다른 구성요소를 포함한다.
본 발명의 의미에서 "흡수제"는 잉크젯 프린트 헤드 또는 매트릭스-형태의 방식으로 작동하는 임의의 다른 장치에 의해 처리될 수 있는 매체이며, 이 매체는 제작 재료의 국소 가열을 위한 방사선의 흡수를 향상시킨다. 흡수제는 또한, 입자의 형태, 예를 들어 검은색 토너일 수 있다. 흡수제는 균일하게 또는 선택적으로 상이한 양으로 도포될 수 있다. 예를 들어, 흡수제는 상이한 흡수 최대값을 갖는 흡수제들의 혼합물로서 도포될 수 있거나, 상이한 흡수제가 독립적으로, 예를 들어 하나씩, 교대 방식으로 또는 미리 결정된 순서로 도포될 수 있다. 따라서, 상이한 양을 도포하는 것은 예를 들어, 제조될 성형 부품과 그를 둘러싸는 외피에서, 제작 재료의 강도가 제어되고 상이한 강도를 선택적으로 달성하게 한다. 그 강도는 구성요소 자체로서의 강도로부터 그 위에 프린트된 흡수제가 없는 제작 재료의 강도보다 단지 약간 위의 강도까지의 범위이다. 이는 제작 현장/제작 공간에서의 온도 제어를 가능하게 하며, 또한 제조된 구성요소를 둘러싸고 있는 외피의, 원할 경우에 용이한 제거를 가능하게 하며, 외피는 온도 제어의 목적을 수행한다.
"흡수"는 제작 재료에 의한 방사선으로부터 열에너지의 흡수를 지칭한다. 흡수는 분말의 유형과 방사선의 파장에 의존한다.
"지지체"는 실제 흡수제가 존재하는 매체를 지칭한다. 이는 오일, 용제 또는 일반적으로 액체일 수 있다.
이후에 사용되는 바와 같은 "방사선-유도 가열"은 고정식 또는 이동식 방사선 소스에 의한 제작 현장의 조사를 의미한다. 흡수제는 방사선의 유형에 적응되고 바람직하게는 최적화된다. 이는 "활성화된" 분말과 "비-활성화된" 분말 사이에 가열 차이를 생성하기 위한 것이다. "활성화된"은 그 내부에 프린트된 흡수제에 의해 이들 영역의 온도가 제작 공간의 다른 영역에 비해서 증가되는 것을 의미한다.
본 발명의 의미에서 "기본 온도"는 적절한 수단, 예를 들어, IR 방출기에 의해 미립자 재료의 표면상의 제작 공간 및 프린트된 미립자 재료에서 조절되는 온도를 의미한다. 이 경우에, 기본 온도는 미립자 재료에 대해 그리고 흡수제와의 상호 작용에 대하여 양(positive)의 재료 특성을 갖는 선택적 고화를 달성하는데 적합하도록 선택된다.
본 발명에 사용되는 바와 같은 "IR 가열"은 구체적으로, IR 방출기에 의한 제작 현장의 조사를 의미한다. 방출기는 고정되거나 변위 단위만큼 제작 현장에서 이동할 수 있다. 흡수제를 사용하면, IR 가열은 제작 현장에서 상이한 온도 증가를 초래한다.
"IR 방출기"는 적외선 방사선 소스이다. 보통, 석영 또는 세라믹 하우징 내의 백열등 필라멘트가 방사선을 생성하는데 사용된다. 사용되는 재료에 따라서, 방사선에 대해 상이한 파장이 초래된다. 또한, 이런 유형의 방출기의 파장은 전력 출력에 또한 의존한다.
본 발명의 의미에서 "오버헤드 램프"는 제작 현장 위에 장착되는 방사선 소스이다. 이는 고정되어 있지만 조정 가능한 방사선 플럭스를 가진다.
"소결 램프"는 공정 분말(미립자 제작 재료)을 그의 소결 온도 초과로 가열하는 방사선 소스이다. 소결 램프는 고정될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에서 소결 램프는 제작 현장 위로 이동된다.
"소결(sintering)" 또는 "용융(melting)"은 분말 내의 입자의 부분 융합에 대한 용어이다. 이 시스템에서, 강도의 증가는 소결과 관련된다.
"소결 윈도우(sintering window)"란 용어는 분말을 먼저 가열할 때 발생하는 융점과 후속 냉각 중의 고화점 사이의 온도 차이를 지칭한다.
"소결 온도"는 분말이 처음으로 융합되고 결합하기 시작하는 온도이다.
"재결정 온도" 미만에서, 일단 용융된 분말은 다시 고화되고 상당히 수축된다.
"재활용 비율"은 한 공정 싸이클에 요구되는 미립자 재료의 총량에 대한 제작 공정 완료 후 새로운 공정 사이클에 사용될 수 있는 미립자 재료의 양의 비율을 지칭한다. 제작 공정으로 인해 그의 특성이 변한 미립자 재료는 때때로, 공정에 사용되지 않는 상당한 양의 미립자 재료의 혼합을 요구한다. 전형적인 예는 폴리아미드 12이며, 이는 융점에 가까운 온도로 가열시 비가역적인 열적 손상을받는다.
"패킹 밀도(packing density)"는 기하학적 공간을 고형물로 채우는 것을 표현한다. 이는 미립자 재료 및 도포 장치의 성질에 의존하며 소결 공정에 대한 중요한 초기 매개변수이다.
"수축"이라는 용어는 물리적 공정의 결과로써 기하학적 본체의 크기에 대한 기하학적 단축 공정을 지칭한다. 예로서, 차선으로 패킹된 분말의 소결은 초기 용적에 대해 수축을 초래하는 공정이다. 수축은 그에 지정된 방향을 가질 수 있다.
"변형"은 기하학적 본체가 물리적 공정에서 불균일한 수축을 겪는 경우에 발생한다. 그런 변형은 가역적이거나 비가역적일 수 있다. 변형은 종종, 구성요소의 전체 형상과 관련이 있다.
본 발명에서 사용된 바와 같은 "컬링(curling)"은 설명된 발명의 층별 접근방법으로부터 초래되는 효과를 지칭한다. 이는 신속하게 연속적으로 생성되는 층들이 다른 정도의 수축을 겪게 되는 것을 의미한다. 물리적 효과로 인해, 화합물은 후에 수축 방향과 일치하지 않는 방향으로 변형된다.
"그레이스케일 값(greyscale value)"은 분말에 프린트되는 흡수제의 양을 지칭한다. 본 발명에 따라서, 상이한 그레이스케일 값이 상이한 정도의 가열을 달성하기 위해서 제작 현장에 프린트될 수 있다.
제작 재료는 항상, 제작 재료 및 공정 조건에 따라서 개별적으로 조정되는 "규정된 층" 또는 "층 두께"로 도포된다. 이는 예를 들어, 0.05 내지 0.5 mm, 바람직하게는 0.1 내지 0.3 mm이다.
"온도차"는 흡수제로 프린트되거나 프린트되지 않은, 따라서 고화시키려고 하거나 그렇지 않은 영역의 제작 현장에서의 온도차를 지칭한다. 다른 목적은 외피의 바람직한 실시예에서와 같이, 흡수제가 프린트되어 있음에도 불구하고 일부 영역이 단지 부분적으로 또는 단지 극히 작은 정도로 고화되고 심지어는 본질적으로 전혀 고화되지 않게 하는 것일 수 있다. 온도차는 이에 따라 변할 것이다.
"온도 대역(temperature band)"은 미립자 재료의 영역이 가열되고 이어서 층 제작 공정 중에 다시 냉각되는 온도 범위를 지칭한다.
"온도 제어"는 일정하게 유지될 수 있거나 주기적으로 변화될 수 있는 제작 공간에서의 원하는 온도의 조정을 지칭한다. 바람직하게, 기본 온도는 선택된 값으로 설정된다.
본 발명의 의미에서 "외피(jacket)"는 성형 부품을 둘러싸며, 층 제작 공정 중에 외피의 일부도 몰딩 부품의 일부도 아닌 외측에 배치되는 분말보다 더 많이 가열되는 영역 또는 층이다. 외피는 공정에서, 특히 원하는 성형 부품에서 온도의 특별한 국소 제어를 허용한다. 외피는 적어도 그 일부분에 프린트되는 흡수제를 갖는 것을 특징으로 한다. 바람직하게, 흡수제는 각각의 층 또는 규칙적인 반복 층의 외피에 프린트된다. 이 외피는 수 밀리미터의 두께 일 수 있으며 그의 전체 원주에 걸쳐서 그리고 전체적으로 제조될 성형 부품을 둘러싼다. 대안으로, 외피는 성형 부품을 둘러싸는 (제자 방향으로 바닥에서 상부로의)반복 링으로 구성될 수 있으며 그 내부로 프린트되는 흡수제를 갖는 것을 특징으로 한다. 외피는 성형 부품의 강도에 대응하는 강도를 가질 수 있지만, 바람직하게는 성형 부품의 강도보다 더 낮다. 바람직한 실시예에서, 외피는 제작 재료 자체보다 단지 약간 높은 강도를 가지며, 따라서 제작 공정 후에 성형 부품으로부터 쉽게 제거될 수 있는 장점을 가진다.
본 발명의 다양한 양태가 아래에서 설명될 것이다.
일 양태에서, 본 발명은 3D 성형 부품의 제조 방법에 관한 것이며, 여기서 미립자 제작 재료가 코팅장치에 의해 규정된 층으로 제작 현장에 도포되며, 하나 이상의 흡수제의 하나 이상의 액체 또는 미립자 재료가 선택적으로 도포되며, 이 층이 제 1 가열 단계에서, 예를 들어 폴리아미드 분말의 소결 윈도우 내에 있는, 흡수제 없는 분말의 기본 온도로 가열되며, 제 2 소결 단계의 열 입력은 분말의 용융 온도 초과의 소결 온도에서, 흡수제로 프린트된 영역의 선택적인 고화를 유도하며, 선택적으로 도포된 흡수제가 있는 영역은 흡수제가 없는 영역보다 제 1 단계에서 더 많이 가열되고, 따라서 흡수제가 있는 영역과 없는 영역 사이에 온도차가 설정되며, 제작 현장은 한 층 두께만큼 하강되거나 코팅장치가 한 층 두께만큼 상승되며, 상기 단계는 원하는 3D 성형 부품이 제조될 때까지 반복되며, 상기 기본 온도로의 가열 단계는 약 3 내지 8 ㎛, 바람직하게 약 5 ㎛의 파장을 갖는 방출기에 의해 실시되며, 소결 단계는 약 0.5 내지 1.5 ㎛, 바람직하게 0.9 내지 1.1 ㎛, 더 바람직하게 1 ㎛의 파장을 갖는 방출기에 의해 실시된다.
본 발명에 따른 방법으로, 상이한 공정 조건의 특히 유리한 조합이 발견되었으며, 이는 놀라운 방식으로 매우 유리한 공정 결과를 유도하고 HSS 공정을 통해 고품질의 3D 성형 부품을 제조할 수 있게 한다.
이러한 맥락에서의 일 양태는 선택된 다른 공정 매개변수와 조합하여 이러한 유리한 공정 결과를 달성하는 방출기 파장 범위의 정확한 선택과 조정이다. 따라서, 파장은 전술한 바와 같이 선택되며, 상기 파장은 흑체 방사선의 피크 파장이다.
다른 공정 조건에 적합한 흡수제에 대한 사용이 이루어지며, 상기 흡수제는 바람직하게 액체이고, 이는 바람직하게 탄소 입자를 함유하는 오일-기반 잉크이다. 적합한 잉크의 예는 XAAR IK821이다.
본 발명에 따른 방법은 평균 입자 크기가 50 내지 60 ㎛, 바람직하게 55 ㎛, 용융 온도가 180 내지 190℃, 바람직하게 186℃ 및/또는 재결정 온도가 140 내지 150℃, 바람직하게 145℃인 미립자 제작 재료를 바람직하게 사용한다. 그러한 제작 재료의 예는 폴리아미드 12, PA2200® 또는 Vestosint1115®를 포함한다.
코팅 사이클은 다른 공정 매개변수와 일치하도록 선택되며 하나의 완전한 코팅 사이클은 20 내지 40 초가 소요된다. "완전한 코팅 사이클"은 코팅장치 및 프린팅 유닛이 각각 제작 현장의 전체 표면 위로 이동하는 동안에 작동되는 것으로 이해된다.
기본 온도는 유리하게 145℃ 내지 186℃, 바람직하게 160℃ 내지 180℃, 및/또는 소결 온도는 175℃ 내지 220℃, 바람직하게 190℃ 내지 210℃로 설정된다.
본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 실시예에서, 온도 또는 열 입력 각각은 방출기 또는 써모램프(thermolamp), 바람직하게 유리 또는 세라믹 램프를 통해 달성되며, 방출기로부터 제작 현장 표면까지의 거리는 바람직하게 10 내지 50 cm, 바람직하게 15 내지 30 cm, 더 바람직하게는 15 내지 25 cm이다.
놀랍게도, 나타낸 상기 조합으로 위의 공정 매개변수를 사용하면, 매우 유리한 공정 결과가 달성된다.
다른 양태에서, 본 개시는 3D 성형 부품의 제조 방법에 관한 것이며, 여기서 미립자 제작 재료는 코팅장치에 의해서 규정된 층으로 제작 현장에 도포되며, 하나 이상의 흡수제의 하나 이상의 액체 또는 미립자 재료는 선택적으로 도포되며, 이 층은 가열되며, 선택적으로 도포된 흡수제가 있는 영역은 흡수제가 없는 영역보다 더 많이 가열되며, 따라서 흡수제가 있는 영역과 없는 영역 사이에 온도차가 설정되며, 제작 현장은 한 층 두께만큼 하강되거나 코팅장치가 한 층 두께만큼 상승되며, 원하는 3D 성형 부품이 제조될 때까지 이들 단계가 반복되며, 흡수제가 3D 성형 부품 주위에 추가로 프린트되어 적어도 하나의 외피를 생성한다.
부분적으로 용융 또는 소결됨으로써 단지 흡수제로 프린트되는 영역만이 연결되도록 가열이 일어나는 실시예가 특히 바람직하다.
본 발명에 따른 방법으로, 전술한 문제점 또는 단점이 적어도 감소되거나 완전히 방지된다.
특히, 제작 재료의 재사용률 및 그에 따른 비용-효율성이 증가된다. 또한, 제작 공간의 온도 및 제작 재료의 개별 영역을 더 잘 조정하고 컬링과 같은 문제점을 완화하거나 완전히 제거하는 것이 가능하게 된다.
제작 재료는 임의의 적합한 형태로 그리고 장치에 의해 도포될 수 있는 제제와 함께 제공될 수 있다. 상기 방법에 사용되는 장치는 적합한 수단에 의해 제작 재료에 적응될 수 있고, 또한 공지된 수단에 의해 구조적으로 적응될 수 있다. 제작 재료는 바람직하게 분말 또는 분산액의 형태로 사용된다.
제작 공간의 온도는 상기 방법에 유리한 온도로 설정되고 제작 재료에 적응되며; 이 온도는 기본 온도로서 또한 지칭될 수 있다. 코팅 후에, 새롭게 도포된 층은 바람직하게, 기본 온도에 신속하게 도달하도록 평면 또는 스위핑 방식(sweeping manner)으로 방사선에 의해 가열된다.
바람직하게, 제작 현장 또는 작업 상자 내의 제작 재료는 각각 또한 온도-제어될 수 있다.
일반적으로, HSS 공정으로부터 공지된 흡수제가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 3D 성형 부품과 외피에 상이한 흡수제를 사용하거나, 바람직하게는 양쪽 모두에 동일한 흡수제를 사용한다.
흡수제는 동일한 양 또는 상이한 양으로 모든 선택 영역에 도포될 수 있다. 바람직하게, 더 적은 흡수기가 외피 영역에 도포된다. 또한, 외피 영역 내의 흡수제의 도포는 한편으로, 외피의 강도를 조정하고 다른 한편으로, 흡수제의 외피 내로의 도입 및 외피 두께의 선택에 의해 온도에 영향을 주도록 선택될 수 있다. 바람직하게, 동일한 흡수제 또는 상이한 흡수제가 성형 부품과 관련한 외피에 사용된다.
흡수제는 방법에 요구되는 특성과 효과에 따라 선택되고 투여된다. 바람직하게, 외피에 사용되는 흡수제는 제작 재료의 소결을 방지한다.
선택적으로 프린트된 액체는 흡수제 자체 일 수 있거나 흡수제뿐만 아니라 추가의 재료를 함유 또는 포함할 수 있다. 흡수제는 바람직하게, 방사선-흡수 성분, 및 미립자 제작 재료용 가소제를 포함한다. 폴리아미드 또는 유사한 재료가 미립자 재료로서 사용되는 경우, 흡수제는 재결정을 방해하는 하나 이상의 물질을 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법의 바람직한 양태에서, 하나의 방사선 소스가 각각의 흡수제에 사용되며, 바람직하게는 2 개의 방사선 소스를 갖는 2 개의 흡수제를 사용한다.
임의의 적합한 수단이 방사선 또는 열 소스로서 사용될 수 있으며, 상기 방사선 소스는 바람직하게, 1 내지 20 ㎛ 파장 범위의 적외선을 방출한다.
상기 방법의 다른 바람직한 실시예에서, 외피는 1 내지 10 mm, 바람직하게 2 내지 5 mm, 보다 바람직하게 3 mm의 벽 두께로 구성된다. 이 공정은 외피가 고화되거나 그렇지 않게 할 수 있다. 바람직하게, 이 공정은 외피를 고화시키지 않는다.
본 발명의 중요한 양태는 공정에서의 온도 제어, 특히 흡수제가 도포되는 영역 및 흡수제가 그에 도포되지 않은 영역에서의 온도 제어이다. 이러한 맥락에서, 온도, 온도차 및 온도의 주기화가 원하는 성형 부품을 얻고 본 발명에 따른 방법의 유리한 효과를 얻기 위해서 각각의 제작 재료 및 사용된 흡수제에 적응된다.
다음과 같은 접근방법이 취해질 수 있다. 바람직하게, 동일한 온도 또는 국소적으로 상이한 온도가 도포된 제작 재료에 설정되거나 생성된다. 바람직하게, 이러한 영역에 있는 제작 재료의 소결 온도 미만인 온도가 외피에 설정된다. 외피를 적절하게 형성하고 배치함으로써 특정 온도 프로파일을 조정하거나 달성하는 것이 또한 가능하다. 바람직하게, 도 6에 따른 다음 영역, 즉 외피 외부 영역 : 외피 영역 : 외피 내부 영역(외피 < 외피 영역 < 외피 내부 영역)에서 낮고 : 더 높고 : 훨씬 더 높은(T1 < T2 < T3) 온도 분포를 특징으로 하는 온도 프로파일이 도포된 제작 재료에서 생성된다.
다른 한편으로, 제작 현장에서 달성되는 온도는 에너지 입력에 의해 직접적으로 제어되며, 여기서 외피는 국소 온도 조정에 영향을 미친다. 유리하게는, 열 또는 에너지 입력은 제작 현장 전반에 걸쳐 균일하거나 국소적으로 상이한 방식으로 수행될 수 있다.
도시된 바와 같이, 온도 조정은 외피의 구성에 의해 제어될 수 있고 흡수제의 도입에 의해 제어 가능하다. 바람직하게, 3D 성형 부품에 사용되는 흡수제보다 더 높은 비등점을 가지는 흡수제가 외피에 사용된다. 흡수제 또는 흡수제들의 양은 프린트 헤드의 그레이스케일 값 또는 디더링 방법(dithering method)을 통해서 바람직하게 제어된다.
적합한 기술을 갖는 공지된 프린트 헤드가 액체 및 흡수제를 도포하는데 사용된다. 액체는 하나 이상의 프린트 헤드에 의해 선택적으로 도포될 수 있다. 바람직하게, 프린트 헤드 또는 프린트 헤드들은 낙하 질량(drop mass)의 관점에서 조정 가능하다. 프린트 헤드 또는 프린트 헤드들은 이동의 한 방향 또는 양 방향으로 액체를 선택적으로 도포할 수 있다. 상기 방법은 미립자 제작 재료가 선택적으로 고화되고, 바람직하게는 선택적으로 고화되고 소결되는 것을 달성한다.
제작 공정에서, 제작 재료와 흡수제가 주기적으로 도포된다. 이런 목적을 위해서, 제작 현장은 원하는 층 두께만큼 하강되거나 도포 유닛이 그에 따라 상승된다. 이런 작업은 주기적으로 반복된다. 대응하는 방식으로, 제작 재료의 기본 온도가 또한 조정되고, 이어서 그 온도는 선택된 영역에서 기본 온도 초과의 온도 대역 내에서 주기적으로 증가되고 다시 감소된다. 온도 대역은 재료에 의해 결정된다. 제작 재료의 선택에 따라서, 온도 대역은 바람직하게, 제작 재료의 융점으로부터 0 내지 -50K, 0 내지 -30K, 0 내지 -20K 및 0 내지 10K의 범위 내로 확장된다.
제작 현장의 상이한 영역들은 대응 온도로 조정된다. 바람직하게, 흡수제가있는 영역과 없는 영역 사이의 온도차는 0.5 내지 30K의 범위 내에 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법에서, 그 온도 범위는 흡수제로 프린터된 영역 및 다른 영역에서 조정되는 것이 중요하다. 바람직하게, 흡수제로 프린터된 영역 또는 외피 내의 영역에서의 온도는 제작 재료의 융점에 대해 0 내지 -30K, 바람직하게 0 내지 -25K, 더 바람직하게 0 내지 -15K의 온도 범위 내로 설정된다.
바람직한 실시예에서, 흡수제 및 온도는 외피가 분말 블라스팅(powder blasting)에 의해 또는 제작 공정 후에 에어 제트에 의해 쉽게 제거될 수 있도록 선택된다.
본 발명의 다른 양태는 본 발명에 따른 방법에 의해 제조되는 3D 성형 부품이다. 성형 부품은 바람직하게, 실질적으로 성형 부품의 전체 원주를 따라 성형 부품을 둘러싸는 외피를 가지며, 상기 외피는 흡수제를 사용하여 제작되고 3D 성형 부품과 외피 사이에는 고화되지 않은 미립자 제작 재료가 있다. 상이한 강도가 성형된 부품에서 조정될 수 있다. 외피는 바람직하게, 구성요소의 강도보다 더 낮거나, 실질적으로 동일하거나, 더 높은 강도를 가진다.
대안으로, 3D 성형 부품은 흡수제를 사용하여 제조되며, 상기 3D 성형 부품은 실질적으로 전체 원주를 따라 외피에 의해 둘러싸이며, 상기 외피는 흡수제를 사용하여 제작되며, 상기 외피는 분말 블라스팅 또는 에어 제트에 의해 제작 공정 후에 쉽게 제거된다. 그렇게 해서, 외피는 3D 성형 부품 주위의 측 방향으로 그리고 제작 공정 중에 상부로 형성될 수 있다. 이는 3D 성형 부품의 제작과 동시에 발생한다.
본 발명의 또 다른 양태는 본 발명에 따른 방법을 수행하기에 적합한 장치이다. 바람직하게, 상기 장치는 온도-제어 가능하고 바람직하게, 제작 플랫폼(102)상의 하방 및/또는 바람직하게 측 방향으로 절연체(506)를 포함한다. 또한, 상기 장치는 저항 가열장치(504)를 포함할 수 있다. 제작 플랫폼(102)은 장치 내에 직접 배치될 수 있거나 작업 상자 또는 제작 컨테이너의 일부일 수 있다. 상기 장치는 바람직하게, 제작 컨테이너(110) 내의 제작 플랫폼(102)을 특징으로 하며, 상기 제작 컨테이너(110)는 바람직하게 온도-제어 가능하다.
다양한 써모램프(thermolamp), 조사 장치 등이 장치의 일부일 수 있다. 상기 장치는 바람직하게, 제작 플랫폼 위에 배치되는 가열 수단, 바람직하게는 오버헤드 램프(108)를 포함한다. 바람직하게, 상기 장치는 이동 가열 수단, 바람직하게 소결 램프(109)를 포함한다.
임의의 방식으로 전술한 양태 및 특징과 조합될 수 있는 추가의 양태에서, 흡수제로 선택적으로 프린트되는 소결 작동 또는 미립자 재료의 결합은 온도 제어 또는 에너지 입력이 각각 차별화된 방식으로 발생하여 개선된 특성을 갖는 구성요소를 얻을 수 있게 한다는 점에서 훨씬 더 개선된다.
이러한 추가의 양태에서, 본 개시는 바람직하게 HSS 공정으로서 수행되고 상이한 파장 스펙트럼 또는 에너지 입력을 갖는 2개의 소결 램프가 사용되는 것을 특징으로 하며, 바람직하게 2개의 소결 램프 또는 하나의 소결 램프의 스펙트럼이 두 개의 상이한 흑체 방사선 스펙트럼으로 구성되는 것을 특징으로 하거나 흑체 방사선 스펙트럼과 상이한 스펙트럼을 갖는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법뿐만 아니라 상기 방법에 적합한 장치에 관한 것이다. 따라서, 미립자 재료 및 미립자 재료에서 고화될 영역의 온도 조절이 적어도 2개의 방출기(소결 램프) 또는 상이한 파장 및/또는 에너지 입력을 갖는 하나의 방출기에 의해 실시되는 장치 및 방법이 개시된다.
바람직한 양태에서, 상이한 방사선 스펙트럼을 커버하는 적어도 2개의 소결 램프가 장치에서 이러한 목적을 위해 사용된다. 이는 공정 조건의 추가로 차별화 된 조정을 허용한다. 이의 유리한 결과는 너무 높지 않은 프린트되지 않고 흡수제가 없는 분말을 위한 온도에 도달하여 상기 재료의 원하지 않는 부착을 실질적으로 방지하는 한편, 다른 한편으로 흡수제를 함유한 미립자 재료의 영역에서 최적화된 용융 온도를 달성하게 한다는 것이다.
바람직하게 서로 독립적으로 제어 가능하고 제작 현장에서 독립적으로 이동할 수 있는 바람직하게 2개의 소결 램프가 사용된다. 각각의 소결 램프에 대해서, 각각의 미립자 재료 및 임프린트될 결합제에 적응되는 파장 스펙트럼 또는 파장이 각각 선택되어 이송 속도, 기본 온도 및 입자 층 두께와 같은 다른 공정 매개변수에 적응된다. 또한, 각각의 소결 램프는 예를 들어, 그의 최대 전력의 50, 60, 70, 80 또는 90%와 같은 사전-선택된 수준으로 사용될 수 있다. 소결 램프의 통상적인 횡단 속도는 90 내지 150 mm/s, 바람직하게 100 내지 120 mm/s 범위이다. 적어도 2개, 바람직하게는 2개의 소결 램프가 바람직하게 코팅장치와 결합되거나 소결 램프의 자체 축 상에 독립적으로 배열된다. 2개의 소결 램프는 상이한 파장을 가지며, 실질적으로 동시에, 바람직하게는 교대 방식으로 또는 차례로 제작 현장을 가로 질러 이동된다. 따라서, 그 위에 미립자 재료가 도포된 분말 층이 가열되거나 그에 의해서 분말 층의 온도가 흡수제로 프린트된 영역과 같이 조정된다. 그러나 흡수제로 프린트된 영역에서 더 많은 방사선이 흡수되어, 고화될 영역에서의 용융 온도를 더욱 최적으로 조정할 수 있게 하며, 이는 특히 강도 측면에서 구성요소의 특성에 긍정적인 영향을 미친다. 다른 한편으로, 흡수제로 프린트되지 않은 영역에서, 온도가 실질적으로 용융 온도 미만으로 유지되며, 그에 의해서 언패킹을 더욱 어렵게 할 수 있는 고화를 방지할 수 있다. 따라서, 부분 용융이 실질적으로 방지된다.
소결 램프로서, 두 개의 적외선 할로겐 방출기가 바람직하게 사용되지만, 이들에서 생성되는 파장은 약간 상이하다. 바람직하게, 제 2 방출기는 간단히 제 1 방출기 뒤에 배치된다. 양 방출기가 매번 동시에 활성화될 필요는 없지만, 이들은 또한 교대, 예를 들어, 방출기(1)가 좌측에서 우측으로 횡단하면, 방출기(2)는 우측에서 좌측 등으로 횡단할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 써모램프는 제작 공간의 기본 온도를 조정하기 위한 방출기와 고화 공정에 필요한 방출기를 모두 포함하는 방식으로 구성될 수 있으며, 고화 공정에 필요한 방출기는 적어도 두 개의 상이한 파장 또는 파장 범위를 다시 커버할 수 있다.
바람직한 실시예(도 9)에서, 재-코팅장치 축(recoater axle)(코팅장치)은 제 1 방출기(507)의 우측에 반사기(510)를 갖는 제 2 방사선 방출기(509)를 포함한다. 제 2 방출기는 그의 방사선 스펙트럼이 제 1 방출기의 스펙트럼과 상이한 것을 특징으로 한다. 이는 예를 들어, 1 kW의 전력 및 350 mm의 길이를 갖는 방출기가 1 ㎛의 피크 파장을 갖는 근적외선 스펙트럼을 갖는 반면에, 1 kW의 전력 및 350 ㎜의 길이를 갖는 제 2 방출기가 2 ㎛의 피크 파장을 갖는 중간 파장 스펙트럼을 갖는다는 점에서 달성될 수 있다. 이는 재-코팅장치 축의 횡단 이동 중에 습윤 분말(107) 및 비-습윤 분말(103) - 즉, 흡수제로 선택적으로 프린트된 미립자 재료 - 의 가열 속도를 개별적으로 제어할 수 있게 하는데, 이는 사용된 미립자 재료가 바람직하게 더 긴 파장의 적외선 범위에 있는 방사선을 흡수하는 반면에, 습윤 분말은 바람직하게 더 짧은 파장 범위에 있는 방사선을 흡수하기 때문이다. 두 가열 속도의 제어는 횡단 속도 및 방출기 전력을 변경함으로써 또한 가능하다. 다른 양태에서, 재-코팅장치 축(101)의 횡단 속도는 에너지 입력을 추가로 조절하고 미세-조정하도록 또한 조정될 수 있다. 따라서, 방출된 스펙트럼의 선택적 제어는 흡수제로 프린트되지 않은 미립자 재료가 구성요소로부터 더 쉽게 제거되는 유리한 결과를 초래한다. 이는 흡수제로 프린트되지 않은 미립자 재료의 부분 용융을 감소시키거나 심지어 완전히 방지한다. 동시에, 양호한 구성요소 특성을 갖는 미립자 재료의 용융 또는 고화를 각각 달성하기 위해서 흡수제로 프린트된 영역이 충분한 에너지를 수용하는 것이 보장된다. 바람직하게, 재-코팅장치 축의 횡단 속도는 에너지 입력을 조절하도록 또한 조정될 수 있다.
더 바람직하게, 피크 파장이 1.2 ㎛이고 중간 파장 스펙트럼이 2 ㎛인 단파장 스펙트럼을 갖는 두 개의 방출기의 조합이 가능하며, 여기서 하나의 각각의 방출기는 바람직하게, 재-코팅장치 축이 분말 층을 통과하는 방향에 따라서 비활성화된다. 따라서, 소결 통과(sintering pass)는 활성화된 양쪽 방출기에 의해 수행되는 반면에, 다음 미립자 재료 층의 도포에 따른 복귀 이동은 비활성화된 단파장 방출기에 의해 수행된다. 따라서, 더 높은 에너지 효율뿐만 아니라 더 높은 소결 통과 속도가 유리한 방식으로 달성될 수 있다.
바람직하게, 축 시스템은 오버헤드 가열 요소(써모램프)에 의한 분말 표면의 차폐 효과(shading effect)를 최소로 유지하도록 가능한 한 좁은 설계로 구성된다. 이는 또한, 냉각을 방지하거나 적어도 감소시킨다. 바람직한 실시예에서, 두 유형의 방출기는 하나의 단일 석영 유리 벌브 내에 수용될 수 있다(도 11). 차폐 효과를 보상할 수 있도록 코팅장치 유닛의 측면 장착이 또한 가능하다(도 10).
오버헤드 가열 요소(500)에 상이한 스펙트럼의 방출기 사용은 코팅장치 또는 프린트 헤드 유닛 각각에서 방출기의 전력 수준을 감소시킬 수 있으며, 따라서 각각의 유닛에 대한 열 발생 감소의 장점을 제공하며, 결과적으로 냉각 정도를 감소시키게 한다.
다른 바람직한 실시예는 상이한 방사선 스펙트럼을 갖는 하나, 바람직하게 2개의 방출기가 프린트 헤드 축에 부가적으로 부착되는 것으로 구성될 수 있다(도 12). 이는 분말 표면이 충분히 차폐된 경우에, 예를 들어, 분말 층들에 걸쳐진 금속 롤러 커버에 의해서 오버헤드 가열 시스템이 완전히 생략될 수 있는 장점을 가진다. 이는 이러한 조립체의 전력 소비를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 두 축 시스템의 통과에 의해서 분말 표면을 더 균일한 온도로 조정할 수 있음으로써, 방법에 의해 제조되는 구성요소의 강도와 치수 안정성에 이득을 준다.
다른 바람직한 실시예에서, 상이한 파장의 방출기가 또한, 오버헤드 가열 시스템에 부착될 수 있다(도 13). 따라서, 유리하게, 축 시스템 상의 방출기는 완전히 생략될 수 있음으로써, 이제 더 낮은 질량과 더 작은 치수로 인해 축 시스템의 횡단 속도가 최대화될 수 있다. 또한, 이는 표면의 냉각을 방지하는 오버헤드 가열 요소에 의한 분말 표면의 차폐를 유리하게 단축시킨다. 이러한 바람직한 실시예의 구성은 세라믹 가열 요소가 분말 표면의 기본 온도를 생성하기 위해 오버헤드 가열 시스템에 사용되는 반면에, 프린트 헤드에 의해 흡수제로 분말 표면을 선택적으로 프린팅/습윤시킨 후에, 오버헤드 가열 시스템 내의 근적외선 방출기가 바람직하게 8 초의 규정된 시간 동안 추가로 활성화되고 분말 표면을 균일하게 비추는 것을 특징으로 한다. 따라서, 이는 습윤 표면의 미립자 재료의 용융을 초래한다.
바람직한 실시예에서, 본 개시는 전술한 바와 같은 방법을 수행하는데 적합한 장치에 관한 것이다. 이러한 목적을 위해, 전술한 모든 특징은 어떤 방식으로도 조합될 수 있다. 다음과 같은 특징을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치가 바람직하다:
진동 블레이드 재-코팅장치(101) 상에 배치되고 0.3 ㎛ 내지 3 ㎛, 바람직하게 0.7 ㎛ 내지 2.5 ㎛, 특히 바람직하게 0.9 ㎛ 내지 1.4 ㎛의 피크 파장을 가지고 바람직하게 반사기(502)를 가지는 가열 요소(507);
1㎛ 내지 3㎛, 바람직하게 1.5 ㎛ 내지 2.5 ㎛, 특히 바람직하게 1.7 ㎛ 내지 2.2 ㎛의, 가열 요소(507)의 방사선 스펙트럼과 상이한 방사 스펙트럼을 바람직하게 가지고/가지거나, 200 W 내지 2 kW, 바람직하게 350 W 내지 1.5 kW, 특히 바람직하게 400 W 내지 700 W의 상이한 전력에서 가열 요소(507)와 동시에 작동되고/작동되거나, 제작 공간을 향하는 쪽에 제 1 가열 요소 다음에 배열되고/배열되거나, 제작 공간의 반대로 향하는 쪽에 진공 블래이드 다음에 측면에 위치되고/위치되거나, 제 1 가열 요소와 함께 공통 반사기(511) 아래에 위치되고/위치되거나, 제 1 가열 요소의 석영 유리 벌브에 통합되는 바람직하게 반사기(101)를 갖는 다른 가열 요소(509);
제작 공간을 향하는 프린트 헤드 유닛(100)의 좌측에 위치되는 반사기(509)를 갖는 또 다른 가열 요소(510); 및/또는
제작 공간의 반대쪽을 향하는 프린트 헤드 유닛(508)의 우측에 반사기(511)를 갖는 또 다른 가열 요소(512).
또 다른 바람직한 실시예는 제 1 가열 요소(513)와 상이한 스펙트럼을 갖는 추가 가열 요소(514)를 포함하는 장치이며, 상기 추가 가열 요소(514)는 0.3 ㎛ 내지 3 ㎛, 바람직하게 0.7 ㎛ 내지 2.5 ㎛, 특히 바람직하게 0.9 ㎛ 내지 1.4 ㎛의 피크 파장을 갖는 오버헤드 램프(108) 상에 배열된다.
상이한 방사선 스펙트럼을 갖는 2개의 방출기를 사용하는 장점은 습윤 분말 표면(103)(흡수제로 선택적으로 프린트된 영역)의 온도와 무관하게 코팅의 비-습윤 표면(107)의 온도를 제어하는 것에 있다. 본 발명의 사상은 다른 것들 중에서도, 바람직한 실시예인 도 9로부터 명백해진다. 이는 그의 빔 방향이 반사기(502)에 의해 분말 표면(107)으로 지향되며, 조사될 이전에 도포된 층(110)이 분말 표면(107)에 위치되는 조사 통과(irradiation pass)를 위한 적외선 할로겐 방출기(507)의 사용을 보여주고 있으나, 이제 제 1 방출기(507)의 방출 스펙트럼과는 다른, 반사기(510)를 갖는 제 2 방출기(509)가 사용된다.
아래에, 본 개시의 또 다른 바람직한 변형예를 보여준다:
1) 상이한 스펙트럼을 갖는 두 개의 방출기. 실시예:
- 중간 파장 스펙트럼(피크 파장 1.6 ㎛)을 갖는 방출기 1, 근적외선 스펙트럼(피크 파장 0.98 ㎛)을 갖는 방출기 2.
- 중간 파장 스펙트럼(피크 파장 1.6 ㎛)을 갖는 방출기 1, 단파장 스펙트럼(피크 파장 1.2 ㎛)을 갖는 방출기 2.
- 중간 파장 스펙트럼(피크 파장 1.6 ㎛)을 갖는 방출기 1, 장파장 스펙트럼(피크 파장 4.6 ㎛)을 갖는 방출기 2.
- 장파장 스펙트럼(피크 파장 4.6 ㎛)을 갖는 방출기 1, 근적외선 스펙트럼(피크 파장 0.98 ㎛)을 갖는 방출기 2.
- 장파장 스펙트럼(피크 파장 4.6 ㎛)을 갖는 방출기 1, 단파장 스펙트럼 (피크 파장 1.2 ㎛)을 갖는 방출기 2.
- 단파장 스펙트럼(피크 파장 1.2 ㎛)을 갖는 방출기 1, 근적외선 스펙트럼 (피크 파장 0.98 ㎛)을 갖는 방출기 2.
2) 1)과 동일하지만 방출기가 반대임.
3) 1)과 동일하지만 하나의 방출기 스펙트럼이 부분적으로 UV 범위임.
4) 1)과 동일하며, 하나의 방출기는 세라믹 방출기이거나 석영 방출기.
5) 2개의 동일한 방출기, 스펙트럼이 더 큰 파장으로 이동하도록 하나의 방출기가 저전력에서 작동함.
6) 1)에 따른 임의의 스펙트럼을 갖는 2개의 방출기, 그의 전원에 의해 스펙트럼이 각각 적응됨.
전술한 바와 같이, 개시된 방법은 개개의 공정 단계의 시간순서의 변화에 의해 달라질 수 있으며, 이에 의해 유리한 공정 결과를 달성한다:
1) 두 방출기는 분말 표면(013)을 통과하는 동안 활성화됨.
2) 선택된 대로 단지 하나의 방출기(507 또는 509)만이 활성화되는 반면에, 다른 방출기는 노출이 발생되는 동안에, 도 10의 예에서 좌측에서 우측으로 통과 중에 비활성화됨.
3) 2)와 동일하지만, 코팅 중에 도 10의 예에서 우측에서 좌측으로 통과.
4) 2)와 동일하지만, 이동 방향에 대하여 각각 다른 방출기가 활성화됨.
5) 2)와 동일하지만 통과 중에 두 방출기가 비활성화됨.
대체 실시예에서, 본 출원의 기초를 이루는 목적은 또한, 온도 미세 조정 또는 온도 최적화가 각각 유리한 흡수 스펙트럼을 갖는 프린팅 유체를 사용함으로써 달성되어, 이들과 함께 습윤된 미립자 재료가 규정된 적외선 방출기 스펙트럼에 의해서 가능하다면, 최적화된 정도로 가열될 수 있다는 점에서 달성될 수 있다. 상이한 프린팅 유체(흡수제)가 공정 중에 선택적으로 프린트될 수 있으며, 따라서 구성요소뿐만 아니라 구성요소의 특성에 대한 개선 및/또는 최적화된 가열 및 고화를 달성한다.
프린팅 유체(흡수제)가 유리하게 방출기에 적응되며, 이 경우에 상기 방법은 오버헤드 방출기 및 소결 방출기를 사용하여 수행될 수 있다. 1 개, 2 개 또는 3 개의 상이한 프린팅 유체가 동시에, 순차적으로, 교대 방식으로, 선택적으로 혼합물로서 도포될 수 있다. 프린팅 유체 또는 프린팅 유체 혼합물은 예를 들어, 750 내지 900 nm, 바람직하게 780 내지 850 nm, 더 바람직하게 815 nm의 흡수 최대치를 가질 수 있다. 각각의 프린팅 유체는 전술한 흡수 최대치 중 다른 흡수 최대치를 가질 수 있다.
아래에서, 본 개시의 추가 양태가 설명될 것이다.
설명된 바와 같이, 하나의 목적, 즉 분말 시효를 방지하거나 효과적으로 감소시키는 것은 바람직하게, 실제 구성요소의 기하학적 범위 외부에 흡수제를 임프린팅함으로써 달성된다. 이런 방법은 고온에 노출되는 분말의 양이 감소되게 한다.
분말의 시효는 문헌에 따르면, 상이한 메커니즘을 포함하는 화학적 공정이다. 예를 들어, 폴리아미드 12에 대해 다음과 같은 하위공정을 발견할 수 있다: 첫째, 공기 중의 산소는 산화 효과를 가지며 기본 재료를 변형시킨다. 반응성 그룹은 그에 의해 한정되며 강도가 완전히 발전될 수 없다. 둘째, 기재 폴리머의 사슬이 성장한다. 이는 용융 점도를 증가시키고 새로운 분말과 동일한 방식으로 공정이 수행될 수 없다. 반응성 말단기(reactive terminal group)의 확실한 감소가 세번째 효과로 간주된다. 이는 서로에 대한 폴리머 사슬의 상호 반응의 결과로써 발생한다. 이는 층간 결합에 특히 중요하다.
이러한 모든 효과의 공통적인 특성은 이들의 화학적 성질이다. 이는 이들을 온도에 상당히 종속되게 만든다. 이 경우에, 온도가 10℃ 증가하면 반응 속도는 심지어 두 배로 증가할 수 있다. 따라서, 공정 중에 온도가 몇도 감소하면 분말 시효에 막대한 영향을 미칠 것이라는 것이 쉽게 이해된다.
종래 기술의 방법은 적층(layering), 프린팅, 방사선에 대한 노출 및 하강 단계로 이루어진다. 첫 번째 단계는 공지된 분말-기반 3D 프린팅에서의 적층과 유사하다. 분말이 블레이드 앞쪽에 놓이고, 제작 플랫폼에서 도포되고 블레이드에 의해 매끄럽게 된다. 이 경우에, 층 두께는 두 번의 연속 코팅 작동에서 제작 플랫폼의 위치를 결정한다.
다음에, 층이 프린트된다. 여기서 언급된 방법에서, 액체는 잉크젯 프린트 헤드에 의해 도포된다. 액체의 일부는 방사선에 대한 노출시 분말의 국소적인 가열을 유발하는 흡수제이다. 대안으로, 흡수제는 또한, 적절한 방식으로 선택적으로 도포되는 분말, 바람직하게 탄소 토너일 수 있다.
이렇게 프린트된 층은 후에 방사선 소스에 의해 스캐닝되며 그에 의해 선택적으로 가열된다. 이 공정에서, 전체 분말은 방사선 소스에 의해 가열된다. 그러나, 온도는 입자가 소결되기 시작하고 그에 의해 결합되도록 특히 활성화된 영역에서 상승한다.
이런 단계 후에, 제작 현장은 한 층 두께만큼 하강된다. 그 후, 원하는 구성요소가 얻어질 때까지 전술한 모든 단계가 반복된다.
제작 현장을 스캐닝하는 방사선 소스에 더하여, 추가의 고정된 방사선 소스가 바람직하게, 제작 현장 위에 제공된다. 추가의 방사선 소스는 제작 현장이 코팅장치 또는 프린트 헤드와 같은 유닛에 의해 덮이지 않을 때마다 작용한다. 이런 오버헤드 램프는 바람직하게, 제작 현장에 일정한 온도를 설정하도록 요구에 따라서 제어된다. 예를 들어, 고온계 센서가 실제 온도를 결정하는데 사용될 수 있다. 그러한 배열에서, 오버헤드 램프는 중앙 온도 제어 요소를 구성한다.
제작 현장은 소결 온도 부근의 온도로 유지된다. 한편으로, 분말을 소결시키는 추가 에너지는 적으며 부드러운 작용 수단에 의해 도입될 수 있다. 다른 한편으로, 구성요소 주변의 온도는 너무 높아서, 그 온도는 제작 공정이 진행될 때 심지어 구성요소의 주변 영역에서도 재결정 온도 미만으로 떨어지지 않으며, 결과적으로 적층 단계를 방해하지 않는다.
레이저 소결과는 대조적으로, 소결 온도 근처에서 분말을 유지하는 것은 HSS 공정에서 엄격한 조건이 아니다. 흡수제와의 조합으로 방사선 소스는 다량의 에너지가 선택적으로 도입되게 한다. 따라서, 이러한 공정은 에너지 입력 후에 구성요소의 너무 빠른 냉각을 방지하기 위해서 단지, 구성요소를 둘러싸고 있는 분말을 소결 온도 부근의 온도로 유지할 것을 요구한다.
본 발명에 따라서, 이러한 효과는 또한, 흡수제를 구성요소 외부로 임프린팅함으로써 생성될 수 있다. 이는 한편으로, 소결 온도 부근으로 가열되고, 다른 한편으로 분말이 이런 영역에서 소결되는 것을 방지하기에 충분히 낮은 온도를 갖도록 제어되는 영역을 생성한다.
사용된 에너지 및 코팅 시간과 관련하여, 이런 공정은 낮은 열 전도율과 높은 열용량을 요구한다. 이는 구성요소 외부의 영역이 너무 빨리 냉각되지 않게 보장한다. 소결 분야에 사용되는 많은 폴리머가 전술한 요건을 충족시킨다.
종래 기술의 방법에서, 전체 분말은 소결 온도 부근의 온도로 가열된다. 프린팅되지 않은 영역과의 에너지 교환은 몇 도의 섭씨 온도차에 의해 이루어진다. 따라서, 냉각은 많은 층이 분말 층으로 상하로 이미 제조되었을 때에 발생한다.
본 발명에 따른 방법은 훨씬 더 낮은 온도에서 동일한 종류의 소결에 대해 수행될 수 있다. 매개변수는 흡수제의 상대적인 양과 구성요소 주변의 "외피"의 폭이다. 온도 제어는 제어된 오버헤드 램프에 의해 실시된다.
한편으로, 입력량은 프린팅 해상도를 통해 조정될 수 있다. 해상도는 단지 하나의 흡수제와 하나의 프린트 헤드만이 사용되는 경우에, 예를 들어 다중 통과에 의해 조정될 수 있다. 이 경우에, 예를 들어 구성요소의 횡단면이 제 1 단계에서 프린트된다. 두 번째 통과에서, 외피는 적응된 해상도로 프린트될 수 있다. 이런 방법은 두 번 통과를 요구하며 따라서 공정 속도 측면에서 차선책이다.
두 프린트 작업을 한 번 통과로 수행되게 하는 것도 또한 가능하다. 특히 간단한 방법은 디더링(dithering)이라고 불리는 것에 의해서 외피의 영역에서 프린트된 이미지를 약화시키는 것으로 이루어진다. 이 경우에, 다양한 수학적 알고리즘이 프린트된 도트를 분배하는데 사용되어서 외피 내의 열 효과가 원하는 수준으로 달성되게 한다. 기술적으로 더 복잡한 방법은 그레이스케일 잉크젯 프린트 헤드를 사용하는 것이다. 이는 프린트 중에 낙하 질량에 대한 선택 가능한 조정을 허용한다.
특히 유리한 특성이 그 구성요소의 흡수제와 상이한 흡수제를 별도로 도포함으로써 또한 달성될 수 있다. 이는 일반적으로 제 2 프린트 헤드의 사용을 요구한다.
제 2 프린트 헤드는 제 1 프린트 헤드와 함께 이동될 수 있다. 이는 또한, 하나의 프린트 헤드에 통합된 상이한 모듈일 수 있다. 화학적 조성에 따라서, 두 액체를 서로 분리시키는 수단이 필요할 수 있다. 이는 특히, 프린트 헤드 세정 작업에 적용된다.
제 2 액체 매질의 사용은 효과의 특히 정확한 조정을 허용한다. 이는 한편으로 열 효과에 적용된다. 예를 들어, 열 입력의 필요한 양은 흡수제의 상대적인 양에 의해 영향을 받을 수 있다. 이는 해상도와 상대적인 낙하 질량과 관련하여 기술적 장점을 가질 수 있다.
또한, 소결 거동의 특정 변화가 주변 영역에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 소결을 상당히 지연시키는 분리제가 도입될 수 있다. 이는 구성요소에 대한 부착을 방지하며, 결과적으로 구성요소의 언패킹을 용이하게 한다.
이러한 효과는 심지어 외피의 온도가 구성요소의 온도보다 높은 정도로 향상 될 수 있다. 결과적으로, 추가의 소결이 실제 구성요소의 주변 영역에서 달성될 수 있다. 따라서, 냉각에 의한 변형이 더 양호하게 방지될 수 있다.
본 발명을 수행하는데 요구되는 장치는 분말-기반 프린팅용 3D 프린터에 가깝게 모델링된다. 또한, 공정 액체의 온도 제어 및 임프린팅을 위해서 추가 공정 유닛이 사용된다.
공정의 시작시, 전체 장치가 가열된다. 이런 목적을 위해, 모든 가열 요소가 온도를 상승시키는데 사용된다. 가열 단계는 온도가 시스템의 모든 측정 위치에서 일정하게 유지되는 즉시 완료된다.
본 발명의 바람직한 실시예의 개별 가열 시스템이 아래에서 설명될 것이다.
분말이 공정 중에 적층되고 그에 의해서 층(107)의 층 두께가 조정되는 제작 플랫폼(102)은 다양한 시스템에 의해 가열될 수 있다. 바람직한 실시예는 전기 저항 가열기(504)를 사용한다. 또한, 바람직하게 가열기는 균일한 가열 효과의 고려에 기초한 평면 가열 필름으로서 제공된다. 이러한 가열의 효과는 센서에 의해 등록되고 제어된다. 센서는 제작 플랫폼에 직접 연결된다. 편리하게, 제작 플랫폼 자체는 금속, 바람직하게 알루미늄으로 만들어진다. 절연체(506)는 제작 플랫폼(102)을 하방으로 덮는다.
제작 플랫폼은 또한 유체에 의해 가열될 수 있다. 이런 목적을 위해, 가열 코일(504)이 바람직하게 금속 제작 플랫폼 아래에 설치된다. 더 아래에, 절연체 (506)가 가열 효과를 균일화하도록 배치된다.
예를 들어, 열전달 오일이 가열 코일을 통해 흐른다. 오일 온도를 미리 선택하면 정확한 온도 조정이 가능하다. 매우 정밀한 온도 제어는 충분히 높은 유속을 확보하고 전력을 조정함으로써 달성될 수 있다.
제작 플랫폼(102)은 요구에 따라서 제작 컨테이너(110) 내에서 이동된다. 컨테이너는 3D 프린팅 장치로부터 제거 가능하게 설계될 수 있다. 이러한 방식으로, 제 2 제작 컨테이너가 구성요소를 언패킹하는 동안 장치에서 사용될 수 있기 때문에, 시간적으로 커다란 기계 효율이 달성될 수 있다.
제작 컨테이너(110)가 또한 가열된다. 이런 목적을 위해, 동일한 기술이 제작 플랫폼에 대해 사용될 수 있다. 컨테이너 자체는 바람직하게, 양호한 열전도를 보장하기 위해서 금속, 바람직하게 알루미늄으로 또한 제조된다. 실제의 활성 가열기(504)는 절연체(503)에 의해 차례로 지지된다. 이는 균일성을 높이면서 효과가 향상되게 한다.
플러그-인(plug-in) 시스템은 바람직하게, 전력 연결을 위해 장치와 제작 컨테이너 사이에 배치된다. 이는 전기 연결부 또는 액체용 커넥터를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 다음 필수 가열 시스템은 오버헤드 램프(108)이다. 본 발명에 따라서, 오버헤드 램프(108)는 바람직하게, 제작 현장 위에 배치되고 제작 현장을 수직으로 조사한다. 또한, 특정 각도로 제작 현장을 조사하는 측면 장착 방출기가 바람직하다. 그러한 구성은 코팅장치 또는 프린트 헤드의 차폐 효과를 최소화하기 위해서 바람직하다.
오버헤드 램프(108)는 바람직하게, 적외선 방출기(500)를 갖추고 있다. 적외선 방출기는 석영 유리 램프 또는 세라믹 방출기일 수 있다. 그 선택은 선택된 흡수제 및 공정의 성질을 고려한 최선의 조합에 의존하며, 파장에 적합해야 한다.
오버헤드 램프(108)를 제어된 방식으로 작동시키는 것이 상기 방법에 바람직하다. 이런 목적을 위해, 센서로서 고온계(501)를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 고온계는 제작 현장의 주변 영역으로 쪽으로 지향되며, 제어 시스템은 흡수 제로 프린트된 영역이 없게 보장한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 실제 소결은 코팅장치와 함께 운반되는 적외선 램프(109)에 의해 수행된다. 상기 램프는 램프가 제작 현장을 통과할 때 제작 현장을 가열한다. 램프는 새롭게 프린트된 분말 또는 이미 덮인 분말 층을 가열하는데 사용될 수 있다. 필요한 온도 역학으로 인해, 여기서는 석영 방출기가 바람직하게 사용된다.
장치의 바람직한 실시예에서, 분말은 층의 과도한 냉각을 방지하기 위해서 이미 존재하는 분말 표면에 도포하기 전에 예열된다. 코팅장치 내의 전기 저항 가열은 또한, 분말을 예열하는데 적합하다.
원칙적으로, 모든 유닛은 또한, 적외선을 통해 간접적으로 가열될 수 있다. 특히 바람직하게, 강한 진동이 발생하면 코팅장치는 방사선에 의해 가열된다.
바람직하게, 공정 단계의 다음 순서, 즉 분말 층이 제작 플랫폼에서 코팅장치(101)에 의해 형성되는(도 1a) 순서가 가열 단계 후에 장치에 의해 수행된다. 선택적으로, 기계의 설계에 따라서, 새로운 층은 소결 램프(109)에 의해 추가로 가열될 수 있다. 다음에, 이 층은 하나 또는 여러 개의 잉크젯 프린트 헤드(100 및 508)에 의해 프린트된다(도 1b). 그 후, 제작 플랫폼(102)이 하강된다(도 1d). 이제, 프린트된 층은 소결 램프(109)에 의해 가열된 다음에 다시 분말로 덮힌다.
이러한 작동은 제작 컨테이너(110)에서 구성요소(103)의 완료시까지 반복된다. 그 후, 냉각 단계가 이어진다. 이 단계는 바람직하게, 장치 외부에서 에너지가 공급되는 제작 컨테이너에서 발생한다.
도 2는 온도 다이어그램을 제시한다. 도 2a는 분말이 1회 사이클로 가열되고 다시 냉각될 때 분말에 의해 방출되는 에너지의 프로파일을 개략적으로 도시한다. 가열 중에 상당한 에너지 흡수가 특정 온도에서 발생한다. 이는 재료가 용융되거나 소결되는 온도(소결 온도)이다. 레이저 소결에 적합한 폴리아미드 12에 대해서, 이러한 온도는 약 185℃이다. 냉각 중에, 소결 온도(재결정 온도) 상당히 아래에 또한 중요한 지점이 있다. 이는 용융 재료가 고화되는 지점이다.
도 2b 및 도 2c는 종래 기술의 방법에 따른 공정 실행 중의 온도 프로파일을 도시한다. 도 2b는 프린트되지 않은 표면에서의 온도 프로파일을 도시한다. 소결 방사선 소스를 사용하면 이와는 다른 일정한 프로파일의 가열 및 냉각 단계를 생성한다. 프린트되지 않은 영역에서, 온도는 결코 소결 온도에 도달하지 못한다.
도 2c는 프린트된 영역에서의 프로파일을 도시한다. 여기서, 변동률은 더 크게 표시된다. 상기 공정은 적어도 소결 온도가 잠시 초과되어서, 분말의 일부가 용융되고 용융 상태가 유지되도록 제어된다. 과도한 가열은 모든 분말이 이런 영역에서 용융되게 하여 심각한 휨을 초래할 수 있다. 프린트된 영역의 과도한 냉각이 또한 방지되어야 하는데, 그렇지 않으면 재결정이 시작되고 그러면 이제 가능한 동력 전달로 인한 모든 수축으로 기하학적 휨(컬링(curling))을 초래하여 추가 공정을 불가능하게 할 수 있기 때문이다.
도 8은 본 발명에 따라서 유리한 공정 조건이 달성될 수 있는 조립체 부품의 유리한 조합을 설명한다. 그의 추가 세부사항은 예 4의 실시예에서 설명된다.
추가 도면은 하나의 소결 램프 또는 써모램프에서 적어도 2개의 소결 램프 또는 적어도 2 개의 방출기 유형의 양태를 도시한다.
도 9는 반사기(502)를 갖는 가열 요소(507) 이외에, 다른 방사선 스펙트럼을 갖춘 반사기(510)를 갖는 다른 가열 요소(509)가 사용되는 구성을 도시한다.
도 10은 제 2 가열 요소가 진동 블레이드 다음에, 좌측에 배열되는 구성의 제 2 변형예를 도시한다.
도 11은 상이한 스펙트럼을 갖는 두 가열 요소가 바람직하게, 석영 유리 벌브 내에 함께 장착되는 구성을 도시한다.
도 12는 선택적으로 상이한 피크 파장을 갖는 추가의 가열 요소가 프린트 헤드 축 시스템에 장착되는 구성을 도시한다.
도 13은 방출된 스펙트럼이 제 1 방출기의 스펙트럼과 상이한 추가 유형의 방출기를 오버헤드-가열 유닛이 포함하는 구성을 도시한다.
예
예 1: 2 개의 액적 크기를 갖는 잉크젯 프린트 헤드를 포함하는 장치
3D 프린팅에서 일반적인 잉크젯 프린트 헤드는 프린트 영역의 래스터(raster)에 있는 도트(dot)에 하나의 액적(droplet)을 적층시킨다. 상기 액적의 크기는 한번 조정된다.
프린팅 중에, 본 발명에 따른 방법에서, 원하는 구성요소(103)의 각각의 횡단면 이미지가 흡수제를 사용하여 프린트되고, 상기 이미지는 제작 높이로 적응된다. 이 경우에, 이미지는 소결 램프의 통과 중에 입자의 확실한 소결을 보장하는 강도로 프린트된다. 전술한 바와 같이, 프린트되지 않은 영역은 소결되지 않은 상태로 남아있을 것이다. 이 경우에, 래스터 도트 당 임프린트되는 액체의 필요한 양은 다음에서 블랙(black)으로 간주될 것이다.
공정에서, 외피(301)가 구성요소 주위에 프린트되고, 상기 외피(301)은 그레이스케일 값, 즉 국소 평균에 기초하여 흡수제를 덜 함유하는 그레이스케일 값을 을 나타낸다. 본 발명에 따라서 선호되는 바와 같이, 외피(301)는 층 계산 중에 미가공 데이터로부터 결정된다. 이 경우에, 예를 들어 .stl 파일 형식에 대해서 외피 영역은 삼각형 영역의 오프셋에 의해 생성된다.
그레이스케일 값은 래스터 영역에서 수학적 방법에 의해 얻을 수 있다. 이런 목적을 위해, 프린트된 도트에 의한 외피 영역의 커버리지(coverage)는 원하는 그레이스케일 값이 특정 로컬 뷰잉 영역(local viewing area)에서 평균적으로 얻어지도록 제어된다. 그러한 수학적 방법의 예는 소위, 오차 확산 방법(error diffusion method)이다. 이 경우에, 면적이 평균화에 사용되며, 대응하는 래스터 도트가 그레이스케일 값의 함수로서 배치된다. 간단한 예로, 10 × 10 도트 면적에서 30%의 그레이스케일 값을 얻기 위해서 30 도트가 "블랙"으로 프린트되어야 하고 70 도트는 프린트되지 않은 채로 남아 있다.
이런 방법을 사용하면, 종래의 프린트 헤드(100)도 충분할 것이다. 이 장치는 종래 기술의 장치와 다르지 않다. 또한, 정보가 하나의 단일 단색 래스터 비트 맵에 저장될 수 있기 때문에 동일한 데이터 경로가 얻어질 수 있다.
전술한 온도 곡선은 이제, 제작 현장의 세 영역으로 간주될 필요가 있다. 구성요소 영역(103)에서 도 2b와 동일한 조건이 적용된다. 그 영역의 온도는 짧은 기간 동안 소결 온도 위로 한 번에 상승된다. 이와는 대조적으로, 도 5a는 프린트되지 않은 영역의 온도를 도시한다. 이는 주변 영역(301)이 소결 온도 위로 상승되지 않으며, 따라서 어떠한 동력 전달도 불가능하기 때문에 심지어 재결정 온도보다 상당히 아래에 있을 수 있다. 도 6a의 곡선은 구성요소의 주변 영역(301)에서의 온도를 도시한다. 여기서, 온도는 열 전달로 인해 구성요소 영역이 재결정 온도 미만으로 떨어지지 않게 하고 상기 영역이 제작 공정 후에 쉽게 제거될 수 있도록 재결정 온도보다 높고 소결 온도보다 낮아야 한다.
예 2: 그레이스케일 프린트 헤드
그레이스케일 프린트 헤드를 포함하는 장치는 사용시 아주 정밀하다. 이 프린트 헤드는 프린트 매체 분야에서 일반적이고 주지되어 있다. 이들은 이 분야에서 겉보기 해상도를 증가시키며, 따라서 더 나은 이미지 품질을 달성한다.
3D 프린팅에서, 이러한 해상도의 증가는 직접적인 영향을 미치지 않는다. 그러나, 본 발명에 따라서 이런 기술은 구성요소(103) 및 외피(301) 영역에 상이한 양의 액체를 도입하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 외피 영역에 도입된 액체의 양은 구성요소 영역에 도입된 액체의 50%로 설정될 수 있다. 데이터 전송은 다색 래스터 비트맵을 사용하여 실시된다. 주변 영역에 대한 데이터를 포함하는 다른 래스터 비트 맵이 최소로 규정될 수 있다. 그런 다음, 프린트 헤드의 전자 시스템은 각각의 비트를 그레이스케일 정보로 간주한다.
예 3: 분리제를 포함하는 재료 시스템
여러 상이한 액체가 프린팅에 사용되면 추가의 필수 자유도가 본 발명에 대해 초래된다.
이런 목적을 위해, 본 발명에 따른 장치는 확장되어야 한다. 제 2 흡수제를 프린트할 수 있는 제 2 프린트 헤드(508)가 사용된다. 이 경우에, 기계의 제어 유닛에 있는 데이터 경로는 변경될 필요가 없다. 데이터는 각각의 프린트 헤드에 미리 전자적으로 분배된다. 이런 프린트 헤드는 별도의 물리적 유닛일 필요는 없으며 장치의 프린트 헤드(100)의 일부일 수 있다.
제 2 흡수제 액체는 예를 들어, 분리제로서의 역할을 하는 오일을 함유할 수 있다. 이런 분리제는 개개의 입자들 사이에 적층되고 용융된 기본 재료와 입자들의 접촉을 방지한다. 기본 재료로서 폴리아미드 12의 경우에, 프린팅 액체 내의 일정량의 실리콘 오일이 분리제로서의 역할을 할 수 있다. 이런 오일은 흡수제를 추가로 포함하는 나머지 잉크와 함께 현탁액으로서 유지되어야 한다.
그 조성의 예는 다음과 같다:
- 80% 프로필렌 글리콜
- 14% 폴리에틸렌 글리콜 400
- 5%의 나노 크기의 흑연
- 1% 유화제.
오일이 높은 비등점을 가지므로, 소결 작동 중에 증발하지 않는다. 외피 영역(301)에서, 입자의 소결은 불가능하다. 그러나, 오일은 구성요소에 부착되는 주변 층을 생성하며 구성요소의 언패킹시 쉽게 제거된다. 오일은 나머지 분말과는 별도로 제거될 수 있다. 이는 추가 사이클 동안 분말의 주요 오염을 방지한다.
이런 액체는 구성요소 영역(103)에 있는 액체와 동일한 양으로 주변 영역(301)에 임프린트된다. 이런 예에서, 구성요소 영역(103)에 있는 액체는 다음과 같이 구성된다:
- 95% 프로필렌 글리콜
- 5%의 나노 크기의 흑연.
예 4: 구성적 특징의 유리한 조합
1) 조립체는 5 ㎛의 피크 파장을 가지며, 50%의 전력에서 작동되는 330 mm x 230 mm의 제작 플랫폼, 즉 각각 300 와트의 기본 전력 및 245 mm x 60 mm x 31 mm의 크기를 갖는 요소 위의 175 ㎜의 거리에 장착되는 세라믹 계열의 FTE Ceramicx 유형의 6 개의 열 방사선-방출 요소로 구성된다. 조립체는 표면에 175℃의 미처리 분말에 대한 일정한 기본 온도를 제공한다. 요소는 제작 플랫폼의 에지 위의 중앙에 장착되며, 따라서 제작 플랫폼에 제공되는 분말의 전체 영역에 걸쳐 온도의 균일성을 보장하고 제작 플랫폼 에지의 냉각을 방지한다.
2) 제작 플랫폼의 아래에 평면 형태로 장착되고 175℃의 일정 온도로 제어되는 400 W의 최대 전력을 갖는 실리콘-기반 가열 매트는 분말 코팅을 위한 기본 온도에 균일하게 도달하고 상기 온도를 시간에 대해 일정하게 유지하는 역할을 한다.
3) 1.6 kW의 최대 전력과 1 ㎛의 피크 파장을 갖는, Freek GmbH에서 제조한 QHM 유형의 할로겐 가열 방출기가 분말 층 위의 55 ㎜의 거리에서 진동 블레이드 재-코팅장치의 후면에 장착된다. 방출기의 전력은 분말 코팅을 통과하면서 그의 위치에 따라 변경된다. 방출기의 전력은 용융 온도, 이 경우에 대략 200℃ 위로 분말의 온도를 상승시키기 위해 적외선 광-흡수 액체로 습윤 분말을 통과하는 동안에는 1.5 ㎾이며, 층이 냉각되는 것을 방지하도록, 그렇지 않으면 비활성화 상태가 되는 다음 층을 도포하는 동안에는 0.3 ㎾이다.
4) FTE Ceramicx 유형이고 동일한 크기의 또 다른 세라믹-기반 방출기는 코팅용 폴리아미드 분말을 포함하는 진동 블레이드 재-코팅장치의 저장조를 예열하는 역할을 한다. 따라서, 분말의 온도는 70℃로 조정된다. 이는 분말의 온도 및 유동성이 제작 공정 내내 일정하게 유지되게 한다. 유리 전이 온도 미만의 온도는 일정한 유동성을 추가로 보장하며, 따라서 진동 블레이드 재-코팅장치에 의한 매끄러운 분말 도포를 보장한다.
5) 구조물은 2 개의 축 시스템을 가지며, 각각의 축 시스템은 구동 장치를 갖추고 있으며 분말 코팅을 갖춘 제작 플랫폼을 통과시킬 수 있다. 제작 플랫폼의 한쪽에, 이 경우에는 왼쪽에 정지 위치를 갖는 하나의 축은 좌측에 진동 블레이드 재-코팅장치를 포함할 뿐만 아니라 우측에, 즉 진동 블레이드 재-코팅장치의 반대쪽으로 향하는 쪽에 할로겐 방출기를 포함한다. 제 2 축은 프린트 헤드를 포함하며, 이 프린트 헤드는 축 시스템에 수직하게 추가로 이동할 수 있어서 전체 분말 표면의 스트립 프린팅(strip printing)을 보장한다. 적층 프린팅 공정의 순환 순서는 다음과 같이 구성된다:
1) 재-코팅장치 축은 제작 플랫폼을 통과한다(=소결 통과(sintering pass)). 램프 전력: 1.5 kW, 속도: 60 mm/s.
2) 제작 플랫폼은 150 ㎛의 층 높이만큼 하강한다.
3) 재-코팅장치 축은 다시 제작 플랫폼을 통과하여, 활성화된 진동 블레이드 재-코팅장치에 의한 동시 코팅과 함께 그의 정지 위치로 복귀한다(= 재-코팅 및 가열 통과). 램프 전력: 0.3 kW, 속도: 40 mm/s.
4) 프린트 헤드 축은 프린팅 시작 위치로 제작 플랫폼을 통과한다.
5) 프린트 헤드 축은 그의 정지 위치로 복귀한다. 동시에, XAAR에서 제조된 1001 프린트 헤드가 활성화되며, 따라서 원하는 위치에 흡수제로 분말 표면을 적신다.
6) 분말 표면을 적시는데 사용되는 유체는 상업적으로 이용 가능한 오일-기반 검정 입자 잉크(soot particle ink), 예를 들어 XAAR에서 제조된 IK821은 세라믹 열 방출기에 의해 방출되는 파장 밖에 흡수 최대치가 있으며, 따라서 비-습윤 분말과 정확히 동일한 정도로 가열된다. 프린팅 유체의 흡수가 2 ㎛ 미만의 파장에서 상당히 증가하므로, 할로겐 열 방출기의 방출은 비-습윤 분말에 의한 것보다 훨씬 더 많은 정도로 습윤 분말에 의해 흡수되는데, 이는 비-습윤 분말이 2 ㎛ 미만의 파장 범위에서 거의 완전하게 반사하기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 비-습윤 위치에서 흡수되는 방출기의 임의의 에너지는 분말 표면의 기본 온도를 유지하는 역할을 한다.
예 5: 유리한 흡수 스펙트럼을 갖는 프린팅 유체의 사용
제작 공정의 선택도를 증가시키고, 그에 의해서 생성될 구조물의 강도와 또한 비-습윤 미립자 재료의 제거 가능성을 증대시키는 또 다른 수단은 유리한 흡수 스펙트럼을 갖는 프린팅 유체를 사용하는 것으로 이루어지며, 따라서 프린팅 유체에 의해 습윤 미립자 재료는 규정된 적외선 방출기 스펙트럼에 의해 최대로 가능한 정도로 가열될 수 있다. 바람직하게, 흡수 스펙트럼이 사용된 미립자 재료와 상당히 다른 프린팅 유체가 선택된다. 이는 이상적인 스펙트럼을 위해 특수 주문제작된 적외선 방출기를 제공하기 위한 발전적인 노력을 기울임이 없이, 분말 표면의 기본 온도와 습윤 표면의 용융 온도 모두를 더욱 민감하게 제어할 수 있게 한다.
예시적인 실시예는 다음 사항을 특징으로 한다:
- 흡수 최대치가 815 nm이고 메탄올에 용해되는 [C47 H47 Cl N2 O3 S] (CAS # 134127-48-3)을 기반으로 하는 프린팅 유체, 예를 들어 American Dye Source에서 제조되는 ADS830AT.
- 바람직하게 소결 램프로서 피크 파장이 0.9 내지 1.2 ㎛인 상업적으로 이용 가능한 석영 할로겐 방출기의 형태인 적외선 방출기.
- 헤라우스 노블라이트(Heraeus Noblelight)에서 제조되는, 바람직하게 오버헤드 열 방출기 및/또는 추가의 소결 방출기로서 피크 파장이 1.9 내지 2.7 ㎛인 탄소 적외선 방출기 형태인 적외선 방출기.
오버헤드 세라믹 방출기를 카본 적외선 방출기로 대체하는 것이 본 발명에서 유리한데, 이는 카본 적외선 방출기가 더 짧은 반응 시간을 가져서 공정 온도를 더 쉽게 제어할 수 있게 하기 때문이다.

Claims (10)

  1. 3D 성형 부품의 제조 방법으로서,
    미립자 제작 재료가 코팅장치에 의해 규정된 층으로 제작 현장에 도포되며, 하나 이상의 흡수제의 하나 이상의 액체 또는 미립자 재료가 선택적으로 도포되며, 상기 층이 제 1 가열 단계에서 폴리아미드 분말의 소결 윈도우(sintering window) 내에 있는, 흡수제 없는 분말의 기본 온도로 가열되며, 제 2 소결 단계는 분말의 용융 온도 초과의 소결 온도에서, 흡수제로 프린트된 영역의 선택적인 고화를 열 입력에 의해 유도하며, 선택적으로 도포된 흡수제가 있는 영역은 흡수제가 없는 영역보다 제 1 단계에서 더 많이 가열되고, 따라서 흡수제가 있는 영역과 없는 영역 사이에 온도차가 설정되며, 제작 현장은 한 층 두께만큼 하강되거나 코팅장치가 한 층 두께만큼 상승되며, 상기 단계는 원하는 3D 성형 부품이 제조될 때까지 반복되며, 상기 기본 온도로의 가열 단계는 약 3 내지 8 ㎛, 바람직하게 약 5 ㎛의 파장을 갖는 방출기에 의해 실시되며, 소결 단계는 약 0.5 내지 1.5 ㎛, 바람직하게 0.9 내지 1.2 ㎛, 더 바람직하게 1 또는 1.2 ㎛의 파장을 갖는 방출기에 의해 수행되며,
    상기 파장은 바람직하게, 흑체 방사선의 피크 파장이며,
    상기 흡수제는 바람직하게, 액체, 바람직하게 탄소 입자를 함유하는 오일-기반 잉크, 예를 들어 XAAR IK821이며,
    평균 입자 크기가 50 내지 60 ㎛, 바람직하게 55 ㎛, 용융 온도가 180 내지 190℃, 바람직하게 186℃ 및/또는 재결정 온도가 140 내지 150℃, 바람직하게 145℃인 미립자 제작 재료가 바람직하게 사용되며, 상기 재료는 바람직하게, 폴리아미드 12, 더 바람직하게 PA2200® 또는 Vestosint1115®이며,
    하나의 완전 코팅 사이클을 위한 시간은 바람직하게 20 내지 40 초이며,
    상기 기본 온도는 바람직하게, 145℃ 내지 186℃, 바람직하게 160℃ 내지 180℃, 및/또는 소결 온도는 175℃ 내지 220℃, 바람직하게 190℃ 내지 210℃로 설정되며,
    상기 온도 또는 열 입력은 각각, 바람직하게 방출기 또는 써모램프(thermolamp), 바람직하게 유리 또는 세라믹 램프를 통해 달성되며, 바람직하게 방출기로부터 제작 현장 표면까지의 거리는 10 내지 50 cm, 바람직하게 15 내지 30 cm, 더 바람직하게 15 내지 25 cm인
    3D 성형 부품의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    추가의 흡수제가 적어도 하나의 외피를 제조하도록 3D 성형 부품 주위에 프린트되는
    3D 성형 부품의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    단지 흡수제로 프린트된 영역만이 부분 용융 또는 소결에 의해 연결되도록 가열이 일어나고/일어나거나,
    상기 제작 재료는 분말 또는 분산액의 형태로 사용되고/사용되거나,
    상기 층이 평면 또는 스위핑(sweeping) 방식으로 방사선에 의해 가열되고/가열되거나,
    상기 제작 현장 및/또는 도포된 제작 재료의 온도가 제어되고/제어되거나,
    동일한 또는 상이한 흡수제가 3D 성형 부품 및 외피에 사용되고/사용되거나,
    동일한 또는 상이한 흡수제가 외피에 대해 50 내지 100%, 바람직하게 50 내지 80%, 더 바람직하게 50 내지 70%의 양으로 사용되고/사용되거나,
    상기 외피에 사용되는 흡수제가 제작 재료의 소결을 방지하고/방지하거나,
    상기 흡수제는 방사선-흡수 성분, 미립자 제작 재료용 가소제 및/또는 재결정화를 방해하는 하나 이상의 재료를 포함하는
    3D 성형 부품의 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나의 방사선 소스는 바람직하게, 2 개의 방사선 소스를 갖는 2 개의 흡수기를 사용하는 각각의 흡수기에 사용되며,
    상기 방사선 소스는 바람직하게, 1 내지 20 ㎛의 파장 범위의 적외선을 방출하고/방출하거나 상기 방사선 소스는 바람직하게 특수 금 반사기를 갖는 석영 유리로 만들어진 단파장 IR 방출기, 바람직하게 200 mm의 길이 및 1.6 kW의 전력을 갖는 헤라우스 노블라이트(Heraeus Noblelight)인
    3D 성형 부품의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외피는 1 내지 10 mm, 바람직하게 2 내지 5 mm, 더 바람직하게 3 mm의 벽 두께로 구성되며, 상기 공정에 의해 고화되지 않거나,
    상기 외피는 1 내지 10 mm, 바람직하게 2 내지 5 mm, 더 바람직하게 3 mm의 벽 두께로 구성되며, 제작 부품으로부터 외피를 분리시키는 0.3 내지 2 mm, 바람직하게 0.5 내지 1 mm의 갭을 가지고 제작 부품과 유사한 방식으로 공정을 통해 고화되고/고화되거나,
    바람직하게, 동일한 온도 또는 국소적으로 상이한 온도가 도포된 제작 재료에 설정되거나 생성되며,
    상기 3D 성형 부품에 비해 더 높은 온도가 외피에서 발생되는
    3D 성형 부품의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도포된 제작 재료에서 온도 프로파일이 생성되며, 상기 온도 프로파일은 도 6에 따라서 다음의 영역, 즉 외피 외부 영역: 외피 영역: 외피 내부 영역(외피 < 외피 영역 < 외피 내부 영역>)에서 높고: 더 높고: 훨씬 더 높은(T1 < T2 < T3) 온도 분포를 특징으로 하고/하거나,
    3D 성형 부품에 사용되는 흡수제보다 더 높은 비등점을 갖는 흡수제가 상기 외피에 사용되고/사용되거나,
    상기 흡수제 또는 흡수제들의 양은 프린트 헤드의 그레이스케일(greyscale) 값 또는 디더링(dithering) 방법을 통해 조절되고/조절되거나,
    바람직하게, 상기 액체는 하나 이상의 프린트 헤드에 의해 선택적으로 도포되며, 상기 프린트 헤드 또는 프린트 헤드들은 낙하 질량의 측면에서 조정 가능하고/가능하거나,
    상기 프린트 헤드 또는 프린트 헤드들은 하나의 이동 방향 또는 양 이동 방향으로 액체를 선택적으로 도포하고/도포하거나,
    상기 미립자 제작 재료는 선택적으로 고화되고, 바람직하게 선택적으로 고화되고 소결되고/소결되거나,
    상기 도포된 제작 재료는 미리 결정된 온도 대역 내에서 주기적으로 가열 및 냉각되고/냉각되거나,
    상기 제작 재료의 선택으로 인해, 상기 온도 대역은 0 내지 -50K, 0 내지 -25K, 0 내지 -15K 및 0 내지 -10K의 범위 내에서 주어진 융점 미만으로 연장하고/연장하거나,
    상기 흡수제가 있는 영역과 없는 영역 사이의 온도차가 0.5 내지 10K의 범위 내에 있고/있거나,
    상기 흡수제로 프린트된 영역 또는 외피 내의 영역에서의 온도는 프린팅 공정 및 냉각 단계가 완료될 때까지 실질적으로 일정하게 유지되거나 0 내지 -30K, 바람직하게는 0 내지 -12K, 더 바람직하게 0 내지 -10K의 온도 범위 내로 설정되는
    3D 성형 부품의 제조 방법.
  7. 흡수제를 사용하여 제조되는 3D 성형 부품으로서,
    상기 3D 성형 부품은 외피에 의해 실질적으로 그 전체 원주를 따라 측면 방향으로 둘러싸이며, 상기 외피는 흡수제를 사용하여 제작되며, 상기 3D 성형 부품과 외피 사이에는 미-고화 미립자 제작 재료가 존재하며, 상기 외피는 바람직하게, 상기 성형 부품의 강도보다 더 크거나 실질적으로 동일거나 더 작은, 바람직하게 더 작은 강도를 가지거나,
    상기 흡수제를 사용하여 제조되는 3D 성형 부품으로서, 상기 3D 성형 부품은 외피에 의해 실질적으로 그 전체 원주를 따라 측면 방향으로 둘러싸이며, 상기 외피는 흡수제를 사용하여 제작되며, 상기 외피는 바람직하게, 분말 블라스팅 또는 에어 제트에 의해 제작 공정 후에 쉽게 제거될 수 있으며,
    상기 외피는 상기 성형 부품의 강도보다 더 크거나, 실질적으로 동일하거나 더 작은, 바람직하게 더 작은 강도를 가지는
    흡수제를 사용하여 제조되는 3D 성형 부품.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하는데 적합한 장치로서,
    바람직하게, 온도 제어 가능하며 바람직하게, 제작 플랫폼(102)에서 아래쪽으로 그리고 바람직하게 측면 방향으로 절연체(506)를 포함하며,
    바람직하게, 저항 가열기(504)를 포함하며,
    바람직하게, 제작 컨테이너(110) 내에 제작 플랫폼(102)을 포함하며, 상기 제작 컨테이너 (110)는 바람직하게 온도-제어 가능하며,
    바람직하게, 상기 제작 플랫폼 위에 배치되는 가열 수단, 바람직하게 오버헤드 램프(108)를 포함하며,
    이동 가능한 가열 수단, 바람직하게 소결 램프(109)를 포함하는
    제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하는데 적합한 장치.
  9. 3D 프린팅 방법으로서,
    상이한 파장 스펙트럼 또는 파장 또는 에너지 입력을 갖는 2 개의 소결 램프가 사용되며, 바람직하게 2 개의 소결 램프 또는 1 개의 소결 램프의 스펙트럼은 2 개의 상이한 흑체 방사선 스펙트럼으로 구성되는 것을 특징으로 하거나, 흑체 방사선 스펙트럼과 상이한 스펙트럼을 갖는 것을 특징으로 하는
    3D 프린팅 방법.
  10. 제 9 항의 방법을 수행하기 위한 장치.
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