KR20170102999A - 적층 가공 방법, 대상물 데이타 처리 방법, 데이타 캐리어, 대상물 데이타 프로세서 및 제조된 대상물 - Google Patents

Abstract

본 개시는 대상물을 제조하기 위한 적층 가공 방법을 제공한다. 본 방법은 입상 금속 구성 재료의 연속적인 층을 증착하는 단계를 포함한다. 본 방법은, 상기 대상물의 외부를 규정하는 구성 재료의 결합 쉘을 형성하기 위해 각 층의 제 1 영역을 선택적으로 결합시키는 단계를 포함한다. 본 방법은, 쉘과 접촉하고 외력에 대해 쉘을 내부에서 지지하는 기능을 하는 지지부를 형성하기 위해 각 층의 제 2 영역을 선택적으로 결합시키는 단계를 포함한다. 본 개시는 또한 제조 방법을 실행하는 장치, 그 제조 방법으로 제조된 대상물에 관한 것이다.

Description

적층 가공 방법, 대상물 데이타 처리 방법, 데이타 캐리어, 대상물 데이타 프로세서 및 제조된 대상물

본 개시는 적층 가공 방법, 특히, 금속 분말과 같은 입상 재료가 층 형태로 빌드 영역 안으로 증착되는 적층 가공 방법에 관한 것으로, 이러한 적층 가공 방법에서, 각 층의 일부분은 각 층이 증착되는 동안에 또는 그 후에 함께 결합되어 대상물의 일부분을 형성하며, 그리하여 빌드 영역에서 대상물이 일련의 층으로 형성된다. 대상물의 각 층의 결합 부분은 일반적으로 또한 이전 층의 결합 부분에 결합되어, 연속적으로 증착된 층을 통해 대상물이 연속적으로 형성된다. 결합은 일반적으로 결합제를 선택적으로 증착하여 수행된다. 본 개시는 또한 그러한 방법에서 사용되는 대상물 테이타 처리 방법, 데이타 캐리어, 대상물 테이타 처리 방법을 수행하기 위한 대상물 데이타 프로세서에 관한 것이다. 본 개시는 또한 제조 방법을 실행하기 위한 장치 및 이 제조 방법으로 제조된 대상물에 관한 것이다.

대상물을 형성하기 위해 구성 재료의 일부분을 함께 결합하여 대상물이 형성되는 적층 가공 방법은 전통적인 제거 제조 방법에 대한 중요하고 유리한 대안을 제공하는 것으로 널리 생각되고 있으며, 제거 제조 방법에서는, 대상물의 표면을 규정하기 위해 재료의 일부분을 제거하여 대상물이 형성된다.

다양한 적층 가공에서, 구성 재료는 일련의 층으로서 빌드 영역 안으로 증착되며, 제조될 대상물을 형성하기 위해, 각 층의 일부분은 함께 결합되고 또한 아래에 있는 층의 이전 결합 부분과 함께 결합된다. 종종 3D 프린팅이라고 하는 일 특정한 종류의 적층 가공에서는, 입상 재료의 순차적인 층이 빌드 영역 안으로 증착되고, 각 층이 증착된 후에 또는 증착되는 동안에, 예컨대 잉크 젯 헤드로부터 액체 결합제를 선택적으로 증착하여 층의 일부분을 선택적으로 함께 결합하고, 잉크 젯 헤드는 증착된 층을 가로질러 이동하고 또한 증착된 각 층 상의 원하는 위치에 결합제를 선택적으로 증착하도록 되어 있다.

제조될 대상물에 대한 공학적인 요건이 대상물에서 높은 강도를 요구하지 않는 경우, 결합제를 입상 구성 재료의 순차적인 층 내로 증착하는 공정이 완료된 후에 대상물의 제조가 끝난다고 충분히 생각할 수 있다. 제조된 그러한 대상물은, 주로 결합재의 존재로 얻어지는 입상 구성 재료의 입자들 사이의 결합 강도로부터 기계공학적 특성을 얻는다. 그러나, 입자들을 서로에 부착시키기 위해 결합제에 의존하면, 강도가 낮아지고 또한 따라서 대상물이 쉽게 부서지는 경향이 나타난다.

따라서, 일 종류의 3D 프린팅 기술은 금속 또는 비금속 분말과 같은 입상 구성 재료를 사용하고, 이러한 재료는 나중에 온도 또는 압력의 증가와 같은 적절한 조건 하에서 소결된다. 특히, 입상 구성 재료로서 금속 분말로 만들어지는 대상물은, 예컨대 그 금속의 융점 아래의 온도로 가열되고 소결되어, 실질적으로 개선된 기계적 특성을 갖는 대상물이 얻어지게 된다.

그러나, 대상물의 형성을 위해 입상 구성 재료의 입자를 서로 결합하는 결합제를 소결 전에 포함하는 입상 구성 재료로 만들어진 대상물을 소결할 때, 입자를 코팅하는 결합제의 존재로 인해, 소결 공정이 방해를 받을 수 있고, 또한, 어떠한 결합제도 포함하지 않는 동등한 순수한 입상 구성 재료를 소결하여 형성된 부품과 비교할 때, 경도, 압축 강도 및 인장 강도와 같은 유리한 기계적 특성이 감소하게 된다.

따라서, 그러한 기술로 제조되는 대상물의 기계적 특성을 개선할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이 필요하다.

본 개시의 제 1 양태에 따르면, 대상물을 제조하기 위한 적층 가공 방법이 제공된다. 본 방법은 입상 금속 구성 재료의 연속적인 층을 증착하는 단계를 포함한다. 본 방법은, 상기 대상물의 외부를 규정하는 구성 재료의 결합 쉘을 형성하기 위해, 비결합 상태로 유지되는 제 2 영역을 둘러싸는 제 1 영역에 결합제를 증착하여 각 층의 제 1 영역을 선택적으로 결합시키는 단계를 포함한다. 본 방법은, 상기 쉘 및 에워싸인 비결합 구성 재료를 쉘의 외부에 남아 있는 구성 재료로부터 분리하는 단계를 포함한다.

일 실시 형태에서, 상기 쉘에 의해 에워싸이는 용적의 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90% 또는 적어도 95%가 제조된 대상물에서 결합되지 않는다.

일 실시 형태에서, 상기 쉘은 연속적이고 또한 실질적으로 또는 완전히 상기 대상물의 외부를 규정한다.

일 실시 형태에서, 상기 쉘 및 에워싸인 구성 재료가 쉘의 외부에 남아 있는 구성 재료로부터 분리된 후에, 제 1 온도에서 수행되는 결합 해제 공정에서 구성 재료의 결합 영역을 결합 해제하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 온도는 상기 구성 재료의 융점 보다 낮다.

일 실시 형태에서, 상기 제 1 온도는 상기 구성 재료의 융점의 90% 이하, 80% 이하, 70% 이하 또는 60% 이하이다.

일 실시 형태에서, 상기 방법은, 소결 공정에서 상기 쉘 및 에워싸인 구성 재료를 제 2 온도까지 승온시키는 단계를 더 포함하고, 상기 소결 공정에서 쉘 및 에워싸인 구성 재료는 함께 소결되어 대상물을 형성하고, 상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도 보다 높다.

일 실시 형태에서, 상기 제 2 온도는 상기 구성 재료의 융점의 90% 이하, 80% 이하 또는 70% 이하이다.

일 실시 형태에서, 상기 쉘 및 에워싸인 구성 재료를 쉘 및 에워싸인 구성 재료가 함께 소결되는 제 2 온도까지 승온시키는 단계는, 상기 결합 해제 단계에서 구성 재료의 결합 영역을 결합 해제한 후에 일어난다.

일 실시 형태에서, 상기 결합 해제 공정은 공기, 환원 분위기, 산화 분위기, 불활성 분위기 또는 촉매 분위기 중의 하나에서 그리고/또는 800 mbar 아래의 압력에서 수행된다.

일 실시 형태에서, 상기 방법은 상기 결합제를 경화시키는 단계를 포함한다.

일 실시 형태에서, 상기 금속은 순수 금속 또는 합금에서 선택되고, 상기 순수 금속 또는 합금은 50 질량% 이상, 60 질량% 이상, 70 질량% 이상 또는 80 질량% 이상의 철, 티타늄, 금, 구리, 은 또는 니켈을 함유한다.

일 실시 형태에서, 상기 금속은 순수 금속 또는 합금에서 선택되고, 상기 순수 금속 또는 합금은 밀집 패킹된 육각형 결정 구조를 갖는다.

일 실시 형태에서, 상기 결합제는 공기 경화성, 열 경화성 또는 UV 경화성이다.

일 실시 형태에서, 쉘은 2mm 미만, 1mm 미만, 0.5mm 미만, 0.25mm 미만, 또는 0.125mm 미만의 두께를 갖는다.

본 개시의 제 2 양태에 따르면, 제 1 양태의 방법에 따라 제조된 대상물이 제공된다.

본 개시의 제 3 양태에 따르면, 대상물 데이타 처리 방법이 제공된다. 이 방법은, 제조될 대상물을 나타내는 대상물 데이타를 얻는 단계를 포험한다. 본 방법은 제조될 대상물의 표면 부분을 식별하는 단계를 포함한다. 본 방법은, 식별된 표면 부분에 근거하여 쉘 데이타를 생성하는 단계를 포함하고, 쉘 데이타는 식별된 표면 부분으로부터 안쪽으로 연장되어 있는 제조될 대상물의 쉘 부분을 나타낸다. 본 방법은 생성된 쉘 데이타를 출력하는 단계를 포함한다.

본 개시의 제 4 양태에 따르면, 실행되면 데이타 프로세서가 제 3 양태에 따른 방법을 수행하게 하도록 구성된 프로그램 명령을 지니는 데이타 캐리어가 제공된다.

본 개시의 제 5 양태에 따르면, 대상물 데이타 프로세서가 제공된다. 본 대상물 데이타 프로세서는 제조될 대상물을 나타내는 대상물 데이타를 얻는 대상물 데이타 획득 유닛을 포함한다. 본 대상물 데이타 프로세서는 제조될 대상물의 표면 부분을 식별하는 표면 부분 식별 유닛을 포함한다. 본 대상물 데이타 프로세서는 식별된 표면 부분에 근거하여 쉘 데이타를 생성하는 쉘 데이타 생성 유닛을 포함하며, 쉘 데이타는 식별된 표면 부분으로부터 안쪽으로 연장되어 있는 제조될 대상물의 쉘 부분을 나타낸다. 본 대상물 데이타 프로세서는 생성된 쉘 데이타를 출력하기 위한 쉘 데이타 출력 유닛을 포함한다.

본 개시의 제 6 양태에 따르면, 대상물을 제조하기 위한 적층 가공 방법이 제공된다. 본 방법은 입상 금속 구성 재료의 연속적인 층을 증착하는 단계를 포함한다. 본 방법은, 상기 대상물의 외부를 규정하는 구성 재료의 결합 쉘을 형성하기 위해 각 층의 제 1 영역을 선택적으로 결합시키는 단계를 포함한다. 본 방법은, 상기 쉘과 접촉하고 외력에 대해 쉘을 내부에서 지지하는 기능을 하는 지지부를 형성하기 위해 각 층의 제 2 영역을 선택적으로 결합시키는 단계를 포함한다.

일 실시 형태에서, 제 1 영역과 제 2 영역 사이에서 연장되어 있는 각 층의 영역은 실질적으로 비결합 상태로 유지된다.

일 실시 형태에서, 쉘은 연속적이고 또한 실질적으로 또는 완전히 상기 대상물의 외부를 규정한다.

일 실시 형태에서, 제 1 영역은 국부 소결, 국부 용융, 액체 결합제 증착, 또는 국부 광중합에서 선택되는 방법으로 결합된다.

일 실시 형태에서, 제 2 영역은 국부 소결, 국부 용융, 액체 결합제 증착, 또는 국부 광중합에서 선택되는 방법으로 결합된다.

일 실시 형태에서, 제 1 영역과 제 2 영역은 공통의 결합 방법으로 결합된다.

일 실시 형태에서, 제 1 영역과 제 2 영역은 각기 다른 결합 방법으로 결합된다.

일 실시 형태에서, 제 1 영역과 제 2 영역은, 제 1 영역이 제 2 영역 보다 비교적 더 강하게 결합되도록 결합된다.

일 실시 형태에서, 제 1 영역은, 단위 층 면적당 액체 결합제의 양이 제 2 영역에서 보다 크도록 결합된다.

일 실시 형태에서, 지지부는, 쉘의 내부에서 그 쉘을 가로질러 연장되어 있는 결합 재료의 기둥의 형태로 되어 있다.

일 실시 형태에서, 지지부는, 쉘의 내부에서 그 쉘을 가로질러 연장되어 있는 결합 재료의 3차원 메쉬의 형태로 되어 있다.

일 실시 형태에서, 메쉬는 규칙적이고 반복적인 단위 구조를 포함한다.

일 실시 형태에서, 메쉬는 불규칙적인 구조를 포함한다.

일 실시 형태에서, 상기 방법은 상기 쉘 및 에워싸인 비결합 구성 재료를 쉘의 외부에 남아 있는 구성 재료로부터 분리하는 단계를 더 포함한다.

일 실시 형태에서, 상기 방법은, 상기 쉘 및 에워싸인 구성 재료를 제 1 온도까지 승온시키는 단계를 더 포함하고, 제 1 온도에서 쉘 및 에워싸인 구성 재료는 함께 소결되어 대상물을 형성하게 된다.

일 실시 형태에서, 상기 방법은, 상기 쉘 및 에워싸인 구성 재료가 쉘의 외부에 남아 있는 구성 재료로부터 분리된 후에, 제 1 온도 보다 낮은 제 2 온도에서 수행되는 결합 해제 공정에서 구성 재료의 결합 영역을 결합 해제하는 단계를 더 포함한다.

본 개시의 제 7 양태에 따르면, 대상물 데이타 처리 방법이 제공된다. 이 방법은, 제조될 대상물을 나타내는 대상물 데이타를 얻는 단계를 포함한다. 본 방법은 제조될 대상물의 표면 부분을 식별하는 단계를 포함한다. 본 방법은 식별된 표면 부분에 근거하여 쉘 데이타를 생성하는 단계를 포함하고, 쉘 데이타는 식별된 표면 부분으로부터 안쪽으로 연장되어 있는 제조될 대상물의 쉘 부분을 나타낸다. 본 방법은 식별된 표면 데이타에 근거하여 지지부 데이타를 생성하는 단계를 포함하고, 지지부 데이타는, 외력에 대해 쉘을 내부에서 지지하고 쉘과 접촉하는 지지부를 나타낸다. 본 방법은 지지부 데이타와 쉘 데이타를 결합시켜, 쉘 및 이 쉘 내부에 배치되는 지지부를 나타내는 조합 데이타를 얻는다. 본 방법은 조합 데이타를 출력하는 단계를 포함한다.

본 개시의 제 8 양태에 따르면, 실행되면 데이타 프로세서가 제 7 양태에 따른 방법을 수행하게 하도록 구성된 프로그램 명령을 지니는 데이타 캐리어가 제공된다.

본 개시의 제 9 양태에 따르면, 대상물 데이타 프로세서가 제공된다. 본 대상물 데이타 프로세서는 제조될 대상물을 나타내는 대상물 데이타를 얻는 대상물 데이타 획득 유닛을 포함한다. 본 대상물 데이타 프로세서는 제조될 대상물의 표면 부분을 식별하는 표면 부분 식별 유닛을 포함한다. 본 대상물 데이타 프로세서는 식별된 표면 부분에 근거하여 쉘 데이타를 생성하는 쉘 데이타 생성 유닛을 포함하며, 쉘 데이타는 식별된 표면 부분으로부터 안쪽으로 연장되어 있는 제조될 대상물의 쉘 부분을 나타낸다. 본 대상물 데이타 프로세서는, 식별된 표면 데이타에 근거하여 지지부 데이타를 생성하는 지지부 데이타 생성 유닛을 포함하고, 지지부 데이타는, 외력에 대해 쉘을 내부에서 지지하고 쉘과 접촉하는 지지부를 나타낸다. 본 대상물 데이타 프로세서는, 지지부 데이타와 쉘 데이타를 결합시켜, 쉘 및 이 쉘 내부에 배치되는 지지부를 나타내는 조합 데이타를 얻는 결합 유닛을 포함한다. 본 대상물 데이타 프로세서는 결합된 쉘 데이타를 출력하기 위한 조합 데이타 출력 유닛을 포함한다.

본 개시의 제 10 양태에 따르면, 제 6 양태에 따른 방법으로 제조된 대상물이 제공된다.

본 개시의 더 나은 이해를 위해 또한 본 개시가 어떻게 실시될 수 있는지를 보여 주기 위해, 첨부 도면을 예시적으로 참조한다.

도 1 내지 6은 적층 가공 공정의 단계들을 나타낸다.
도 7은 적층 가공 공정의 흐름도를 나타낸다.
도 8은 적층 가공 공정에서 증착된 그리고 선택적으로 결합된 하나의 층을 나타낸다.
도 9는 개시된 적층 가공 공정에 따라 제조된 대상물을 나타내는 것으로, 이 대상물은 내부가 보이도록 분할되어 있다.
도 10a는 본 개시에 따른 방법으로 형성된 대상물의 미세 조직을 나타낸다.
도 10b는 비교 방법으로 형성된 대상물의 미세 조직을 나타낸다.
도 11은 도 9에 나타나 있는 것과 비슷한 제조된 대상물을 나타내며, 이 대상물은 대안적인 내부 구조 구성을 가지고 있다.
도 12는 본 개시에 따른 데이타 처리 방법을 나타내는 흐름도를 나타낸다.
도 13은 본 개시에 따른 대상물 데이타 처리 장치를 나타낸다.
도 14는 본 개시에 따른 다른 대상물 데이타 처리 방법을 나타낸다.
도 15는 본 개시의 다른 양태에 따른 대상물 데이타 처리 장치를 나타낸다.

도 1은 본 개시의 개념을 실시할 수 있는 제조 장치를 나타낸다. 도 1의 이 장치(10)는 상부 표면(11a)을 갖는 테이블(11)을 가지고 있다. 여기서, 상부 표면(11a)은 평평하다. 테이블(11)의 상부 표면(11a)에는 오목한 웰(12)이 형성되어 있는데, 이의 측면은 테이블의 표면(11a)으로부터 수직인 방향으로 연장되어 있는 측벽(11b)으로 형성되어 있다. 웰에 부합하는 테이블 표면의 평면(XY 평면)에서 연장을 갖는 지지판(13)이 웰(12) 안에 배치되어 있다. 이 지지판(13)은 또한 평평한 상부 표면(13a)을 가지며 웰(12) 안에서 움직일 수 있게 배치되어 있어, 테이블(11)의 표면(11a)에 수직인 방향(Z 방향)으로의 웰의 깊이, 즉 테이블(11)의 표면(11a)과 지지 판(13)의 표면(13a) 사이의 웰의 깊이가 변할 수 있다. 예컨대, 지지판(13)은 피스톤(14)에 의해 움직일 수 있고, 이 피스톤은 장치의 제어 유닛(나타나 있지 않음)으로부터 지시에 따라 지지판(13)을 상승 및 하강시킨다.

도 1은 단면(XZ 평면 내에서의 단면)으로 나타나 있지만, 웰, 테이블 및 지지판 모두는 도면 안으로 들어가는 방향(Y 방향)의 연장을 가지고 있다. 예컨대, 웰(12) 및 지지판(13)은, 테이블(11)의 표면(11a)에 수직인 방향, 즉 웰 안으로 들어가는 방향에서 볼때 직사각형, 정사각형, 원형, 타원형일 수 있고 또는 일부 다른 형상을 가질 수 있다.

물론, 테이블(11)의 표면은 여기서 평평하게 나타나 있지만, 그 표면은 만곡되거나 경사져 있을 수 있고, 어떤 구성에서는, 웰로부터 위쪽 또는 아래쪽으로 약간 경사져 있을 수 있다.

테이블(11)의 표면 상방에는, 프린트 헤드(15)가 적어도 X 방향으로 병진 이동하도록 배치되어 있다. 예컨대, X 방향으로 연장되어 있는 레일(16)이 제공될 수 있는데, 이 레일을 따라 프린트 헤드(15)가 예컨대 풀리, 랙-피니언 구동기 또는 웜 스크류 구동기에 의해 병진 이동될 수 있다. 프린트 헤드(15)는 상기 장치의 제어 유닛의 제어 하에서 움직일 수 있다. 여기서 프린트 헤드(15)는 2개의 분배 요소를 갖는데, 즉 프린트 헤드(15)가 웰(12)을 가로질러 병진 이동할 때 그 웰(12) 안으로 입상 구성 재료를 증착하도록 배치되어 있는 구성 재료 증착 유닛(15a), 및 프린트 헤드(15)가 웰(12)을 가로질러 병진 이동할 때 액체 결합제와 같은 결합제를 웰(12) 내의 선택된 위치에 분배하여 이전에 증착된 입상 구성 재료의 일부분을 함께 결합시키도록 배치된 결합제 증착 유닛(15b)을 가지고 있다.

구성 재료 증착 유닛(15a)과 결합제 증착 유닛(15b) 각각은 적절한 재료 저장부에 연결될 수 있고, 각각은 프린트 헤드(15)의 일부분으로서 제공되거나 또는 장치(10)의 다른 부분으로서 배치될 수 있으며 또는 외부에서 제공될 수 있다.

프린트 헤드(15)는 웰(12)을 앞뒤로 가로질러 일 방향(X 방향)으로만 병진 이동하도록 배치될 수 있으며, 또는 제 1 방향에 대해 어떤 각도를 가지고 다른 방향으로, 예컨대 수직 방향(Y 방향)으로 병진 이동하도록 배치될 수 있다.

본 구성에서, 프린트 헤드(15)는 웰(12)의 상방에서 일 방향(X 방향)으로만 병진 이동한다. 구성 재료 증착 유닛(15a)이 프린트 헤드(15)의 병진 이동 방향에 수직인 방향(Y 방향)으로 웰(12)의 전체 폭을 가로질러 입상 구성 재료를 가할 수 있도록, 구성 재료 증착 유닛(15a)은, 웰(12)의 최대 폭 방향과 같거나 그 보다 큰, 프린트 헤드(15)의 이동 방향에 수직인 방향(Y 방향)의 연장을 가지며, 또한 웰의 폭을 가로질러 고른 분말 층을 형성하기 위해 구성 재료가 제어 유닛의 제어 하에서 분배될 수 있는 하나 이상의 구성 재료 증착 위치를 제공할 수 있다. 예컨대, 구성 재료 증착 유닛(15a)은 웰(12)의 전체 폭을 가로질러 연장되어 있는 슬릿 형태로 되어 있는 단일의 큰 오리피스를 가질 수 있고, 또는 웰(12)의 폭을 가로질러 어레이 형태로 배열되는 여러 개의 더 작은 분배 외리피스를 가질 수 있으며, 이들 분배 오리피스는 웰 안으로 고른 분말 층을 증착하기에 충분히 가깝게 서로 이격되어 있다.

이러한 구성으로, 프린트 헤드(15)가 웰(12)을 가로질러 레일(16)을 따라 횡단함에 따라, 실질적으로 균일한 분말 층이 웰 안으로 분배될 수 있고, 그 분말 층의 두께는, 입상 구성 재료가 구성 재료 증착 유닛(15a)으로부터 분배되는 속도 및 프린트 헤드(15)가 웰(12)을 횡단하는 속도에 의해 결정된다.

프린트 헤드(15)는 닥터 블레이드 또는 평탄화 롤러와 같은 하나 이상의 평탄화 장치를 또한 가질 수 있으며, 이 장치는, 프린트 헤드(15)가 구성 재료 증착 유닛(15a)으로부터 구성 재료를 분배하면서 이동하는 전진 방향(X 방향)에 대해 구성 재료 증착 유닛(15a)의 뒤에 배치되어, 그 이동 중에 증착된 구성 재료의 층의 깊이의 불균일을 평탄하게 할 수 있다. 평탄화 유닛은 프린트 헤드(15)에 대해 후퇴 가능하고, 또는 테이블(11)의 표면(11a)에 대해 또는 구성 재료 증착 유닛(15a)의 하나 이상의 분배 오리피스의 높이에 대해 높이가 고정될 수 있다.

결합제 증착 유닛(15b)은, 프린트 헤드(15)가 구성 재료 증착 유닛(15a)으로부터 구성 재료를 분배하면서 이동하는 이동 방향에 대해 구성 재료 증착 유닛(15a)의 뒤에 배치된다. 결합제 증착 유닛(15b)은, 웰(12) 내의 여러 위치에 결합제를 선택적으로 증착하여 이전에 증착된 구성 재료의 일부분을 함께 결합시켜, 증착된 층에서 결합 영역을 형성한다.

본 구성에서, 결합제 증착 유닛(15b)은, 장치의 제어 유닛으로부터의 지령에 따라 결합제 액적을 분사하는 잉크-젯형 프린트 헤드이다. 결합제 증착 유닛(15b)은 미리 정해진 간격으로 웰(12)의 폭 방향을 가로질러 연장되어 있는 일 세트의 오리피스를 제공할 수 있고, 각 오리피스는 개별적으로 제어 가능하여, 프린트 헤드(15)가 레일(16)을 따라 웰(12)을 가로질러 횡단할 때, 증착된 층을 가로질러 상이한 위치에 결합제를 선택적으로 가할 수 있다. 다른 구성에서, 결합제 증착 유닛(15b)은, 결합제가 분사되는 단지 하나의 또는 더 적은 수의 오리피스를 가질 수 있고, 웰(12)을 가로지르는 프린트 헤드(15)의 이동 방향에 수직인 방향으로 프린트 헤드(15)를 가로질러 병진 이동할 수 있다. 제 1 구성에서, 결합제가 증착되는 위치는, 결합제를 증착하도록 활성화되는 오리피스 및 웰(12)을 가로지르는 프린트 헤드(15)의 위치에 의해 결정되며, 제 2 구성에서는, 웰(12)의 폭 방향을 가로지르는 결합제 증착 유닛(15b)의 위치에 의해, 결합제가 증착되는 위치가 결정된다.

어떤 구성에서, 프린트 헤드(15)는 웰(12)을 가로지르는 초기 위치로부터 제 1 패스(구성 재료 층이 증착됨)를 수행하고, 그런 후에 초기 위치로 복귀하고 이어서 동일한 방향으로 제 2 패스를 수행하고, 이 제 2 패스에서, 이전에 증착된 층에 결합제가 증착된다. 다른 구성에서는, 전체 층이 증착되기 전에, 구성 재료는 구성 재료 증착 유닛(15a)으로부터 증착되고, 결합제는 동일한 패스에서 결합제 증착 유닛(15b)으로부터 선택적으로 증착된다. 이들 두 구성 중의 후자의 구성이 이하에서 채용되며, 전자의 구성은 대안적인 것이다.

결합제 증착 유닛(15b)에 의해 증착되는 결합제가 특정한 경화 처리를 필요로 하지 않으면, 예컨대, 결합제가 공기와 접촉하여 경화되거나 또는 결합제가 동시에 또는 차례로 분사되는 두 화합물(함께 반응하여 경화됨)의 조합물로 형성되면, 추가적인 경화 유닛이 필요 없다. 그러나, 결합제는 예컨대 방사선 경화성일 수 있고, 예컨대 결합제의 경화를 위해 자외선의 인가를 필요로 할 수 있다. 이러한 구성에서, 프린트 헤드(15)는 프린트 헤드(15)가 결합제를 가할 때 이동하는 전진 방향으로 결합제 증착 유닛 뒤에 배치되는 경화 유닛을 포함할 수 있고, 그래서 결합제 증착 유닛(15b)에 의해 증착되는 결합제는 경화 유닛에서 나오는 UV 광에 의해 경화될 수 있다. 본 구성에서, 사용되는 결합제는 경화 유닛을 필요로 하지 않는다고 가정하며, 따라서 경화 유닛이 나타나 있지 않다.

추가의 가능한 구성에서, 결합제는 열경화성일 수 있고, 프린팅 장치는 결합제를 굽고 경화시키기 위해 웰의 온도를 상승시키도록 구성될 수 있다.

프린트 헤드의 운동, 구성 재료 증착 유닛의 활성화, 그리고 결합제 증착 유닛의 활성화 및 제어 모두는 장치의 제어 유닛에 의해 개별적으로 제어될 수 있고, 그래서, 프린트 헤드가 웰(12)을 횡단할 때 균일한 분말 층이 증착될 수 있고, 그 층의 선택된 영역들이 함께 결합되어 층의 결합 영역을 형성하게 된다.

일반적으로, 층의 두께는, 결합제 증착 우닛(15b)에 의해 분사된 결합제가 층의 전체 두께에 침투하고 그래서 그 층의 전체 두께를 함께 결합시킬 뿐만 아니라 층의 결합 부분을 아래 층의 결합 부분과 결합시키기에 충분히 아래 층까지 침투하도록 제어된다. 더 두꺼운 층을 증착하려면, 제어 유닛은 증착된 층의 단위 면적 당 증착되는 결합제의 양을 증가시킬 수 있고, 더 얇은 층을 증착하려면 그 양을 줄일 수 있다.

도 2에 나타나 있는 구성에서, 지지판(13)은 증착될 구성 재료의 적어도 일 층의 두께 만큼 표면(11a)으로부터 하강된 상태이다. 도 2에 나타나 있는 위치로부터, 프린트 헤드(15)는 웰(12)을 횡단하고, 증착된 층의 일부분을 결합제 증착 유닛(15b)에서 증착된 결합제로 함께 결합하면서, 구성 재료 증착 유닛(15a)으로부터 구성 재료 층을 증착하게 된다. 이 결과, 도 3에 나타나 있는 상태로 되는데, 선택적으로 함께 결합된 부분들을 갖는 구성 재료 층(7)이 지지판(13)의 상부 표면(13a) 상에서 웰(12) 안에 위치해 있고, 또한 프린트 헤드(15)는 이제 도 2에 나타나 있는 출발 위치에 대해 웰(12)의 반대측에 있다. 도 4에 나타나 있는 바와 같이, 도 3에 나타나 있는 위치로부터 프린트 헤드(15)는 도 2에 나타나 있는 출발 위치로 복귀하고 지지판(13)은 다른 층의 두께 만큼 더 하강되어 있다. 다음에 프린팅되는 층은 제 1 층과 동일한 두께를 가질 수 있거나 다른 두깨를 가질 수 있다. 본 구성에서는, 단순성을 위해 모든 층들이 동일한 두께를 갖는 것으로 가정한다.

도 5에 나타나 있는 바와 같이, 도 4에 나타나 있는 상태로부터 프린트 헤드(15)는 웰(12)을 가라질러 추가 패스를 수행하여, 도 2의 상태로부터 도 3의 상태로의 전이와 관련하여 설명한 바와 같이 웰(12) 내의 층(7) 위에 추가 층(8)을 증착하게 된다. 이 층(8)의 일부분은 함께 결합되고 결합제는 층(8)에 충분히 침투하여, 층(8)의 결합 부분을 바로 그 아래에 있는 층(7)의 결합 부분에 결합시킨다. 도 4로부터 도 5로의 전이 과정은 원하는 수의 층이 얻어질 때가지 반복되며, 층의 수와 두께 및 결합제가 증착되는 각 층 상의 위치는 제조될 대상물에 대한 설계에 따라 제어된다. 마지막으로, 최종 층이 프린팅되며, 선택적으로, 결합제를 경화시키는 굽기 과정 후에, 프린팅된 대상물은 웰(12)로부터 제거되어, 도 6에 나타나 있는 상태로 된다. 이 상태로부터, 지지판(13)은 피스톤(14)에 의해 상승되어, 도 1에 나타나 있는 상태로 되고, 이 때부터 프린팅이 다시 시작될 수 있다.

제조 장치(10)의 제어, 구체적으로, 결합제가 증착되는 각 층 상의 위치에 대한 제어는, 제조될 대상물을 규정하는 미리 정해진 일 세트의 제조 지시에 따라 제어 유닛(미도시)에 의해 수행된다. 일반적으로, 도 1에 나타나 있는 바와 같은 장치의 경우, 제조 지시는 제조될 대상물을 통과하는 일련의 연속적인 슬라이스를 규정하며, 각 슬라이스는, 결합제가 증착되고 층을 구성하는 입자가 함께 결합될 각 층상의 위치에 관한 정보와 함께 증착될 단일 층을 나타낸다. 그러한 정보는 예컨대 연속적인 XY 평면 상의 일 세트의 증착 벡터로서, 또는 대안적으로, 순차적인 XY 평면의 일 세트의 픽셀 이미지로서 제공될 수 있다.

어떤 구성에서, 제어 유닛은, 다른 형태의 대상물 규정 정보를 받고 또한 대상물 데이타를 일련의 층을 규정하는 데이타로 적절히 처리하여 그러한 데이타로 규정된 대상물을 제조하도록 상기 장치(10)를 제어하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 함께 결합될 대상물의 일 세트의 표면 에워싸기 영역으로서, 또는 일 세트의 기하학적 원시로 형성되는 복합 구조, 또는 3D 래스터 그리드 상의 복셀(voxel) 데이타로서 대상물을 규정하는 CAD 데이타에 의해 대상물이 규정될 수 있다. 이러한 표현을 다루기 위해, 제어 유닛은 대상물 데이타에 의해 표현되는 제조될 대상물을 일련의 평면 또는 슬라이스로 분할할 수 있고, 그런 다음, 대상물이 제조되도록 결합제가 증착될 각 평면 또는 슬라이스 상의 위치를 결정할 수 있다.

도 1 내지 6에 나타나 있고 제조 장치에 의해 실행되는 제조 공정은 도 7에 나타나 있는 더 큰 제조 공정의 일부분일 수 있다. 도 7에 나타나 있는 공정에서, 도 1 내지 6에 나타나 있는 프린팅 공정은 단계 S2로 나타나 있다. 프린팅 공정 전에, 프린팅 공정에서 사용되는 입상 구성 재료는 준비 단계에서 준비되는데, 예컨대, 표면 분순물을 제거하기 위해 정화될 수 있고, 또는 표면을 증착된 결합제와 더 잘 결합하도록 하기 위해 표면 처리될 수 있다. 이러한 준비 공정은 도 7에서 단계 S1로 나타나 있다.

프린팅 공정 다음에, 결합제의 경화가 그 프린팅 공정 중에 일어나지 않았다면, 예컨대 단계 S3에서 대상물을 경화 온도로 가열하여 결합제를 경화시킬 수 있다. 이러한 단계는 제조 장치의 웰 또는 다른 곳에서 수행될 수 있다. 다음, 단계 S4에서 잉여의 구성 재료를 제거하기 위해 예컨대 액체 또는 가스 젯트 및/또는 진동을 사용하여 잉여의 비결합 분말을 대상물의 외부 표면으로부터 제거하기 위해 그 대상물을 정화시킬 수 있다.

다음, 결합 해제 단계 S5가 수행될 수 있는데, 이 단계에서는, 결합제를 증발시키거나 분해시키기 위해, 대상물의 온도가 상승되고 그리고/또는 적절한 분위기가 증착된다. 예컨대, 결합제 또는 분말에 따라, 결합 해제는 소결 온도 보다 낮은 온도에서 일어날 수 있고, 또는 실온에서 일어날 수 있다. 예컨대, 결합 해제 온도는 구성 재료의 융점의 90% 이하, 80% 이하, 70% 이하 또는 60% 이하일 수 있다. 결합 해제는 예컨대 공기 분위기, 800 mbar 미만의 낮은 진공, 1 mbar 미만의 보통의 진공 또는 0.001 mbar 미만의 높은 진공, 촉매 분위기와 같은 반응성 분위기, 산화 분위기, 또는 환원 분위기, 또는 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 분위기에서 수행될 수 있다. 산화 분위기는 산소 가스를 포함할 수 있다. 촉매 분위기는 질산을 포함할 수 있다. 환원 분위기는 수소 가스를 포함할 수 있다. 결합 해제 조건의 선택은 사용되는 결합제 및 구성 재료의 조성에 달려 있고, 간단한 실험으로 당업자에 의해 최적화될 수 있다.

마지막으로, 단계 S6에서, 대상물은 높은 온도로 가열되어 그 온도에서 유지될수 있어, 단계 S6에서 입상 구성 재료가 함께 소결된다. 단계 S5 및 S6는 예컨대 열처리 챔버 안에서 또는 다른 곳에서 동일 위치에서 수행될 수 있다. 소결 온도는 구성 재료의 융점의 90% 이하, 80% 이하, 또는 70% 이하일 수 있다.

본 개시에 따른 구성에서, 마무리된 제품에서 고체로 되는 영역의 전체를 결합하지 않고, 그러한 영역을 둘러싸는 쉘이 증착되고, 영역의 내부는 실질적으로 비결합 상태로 유지된다.

종래의 방안에서는, 각 층에 있는 함께 결합되는 원형 영역을 갖는 일련의 층을 순차적으로 증착하여 원통형 또는 구형 대상물이 제조되었으며, 그래서, 층들 사이에서 적층되어 결합된 각 층의 결합 부분이 원통형 또는 구형 대상물을 형성하게 된다. 그러한 일 층(7)을 평면도로 나타내는 도 8을 참조하면, 원형 경계(7a) 내부에 있는 원형 영역(7b)이 함께 결합될 것이다. 그러나, 본 발명자들은, 그러한 방안을 사용하여, 심지어 도 7의 결합 해제 단계 S5와 같은 결합 해제 단계를 사용해서는, 대상물의 임의의 표면으로부터 멀리 있는 제조된 대상물의 내부에 위치하는 결합제가 대상물에서 제거되는 것이 어려울 수 있고 또는 결합 해제 단계가 결합제의 분해를 포함하는 경우에는 결합제의 분해 생성물이 제거되는 것이 어려운 것으로 생각하였다. 어떤 특정 이론에 구속되는 것을 원치 않지만, 소결 단계 전에 제조된 대상물의 내부에 남아 있는 잔류 결합제 또는 결합제 분해 생성물은 소결 공정 중에 구성 재료 입자의 표면들 사이의 상호 작용을 억제하여 제조된 제품을 약화시킬 수 있는 것으로 생각된다.

따라서, 본 개시에 따르면, 프린팅될 제품의 내부와 관련되어 있는 각 층 상의 모든 위치에서 결합제를 증착하는 것이 아니라, 본 개시의 구성에서는, 실질적으로 비결합 분말을 에워싸는 제조될 대상물의 표면으로부터 안쪽으로 연장되어 있는 적어도 쉘 영역에 결합제를 증착하게 된다. 예컨대, 그 쉘에 의해 에워싸이는 용적의 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90% 또는 적어도 95%가 제조된 대상물에서 결합되지 않을 수 있다.

도 8에 나타나 있는 바와 같이, 각 층에 대해 이는, 외부 표면(7a)의 전체 내부(7b)를 결합하지 않고 외부 표면(7a)으로부터 내부 표면(7c)까지 연장되어 있는 비교적 얇은 경계 영역만 결합시켜 달성되며, 그래서, 실질적으로 결합되지 않은 분말은 대상물의 의도한 내부를 구성하게 된다. 구체 또는 원통을 제조할 때, 도 8에 따르면, 외부 표면(7a)과 내부 표면(7c) 사이에 형성된 경계 영역(7d)이 고리(7d)를 형성할 수 있다. 그러나, 다른 형상이 프린팅되면, 결합된 경계 영역(7d)은 다른 적절한 형상을 가질 수 있다. 어떤 경우에, 경계 영역(7d)은 최대 및 최소 두께를 가질 수 있고, 또는 예컨대 대상물의 외부 표면(7a)에 수직하게 연장되어 있는 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 쉘은 2mm 미만, 1mm 미만, 0.5mm 미만, 0.25mm 미만, 또는 0.125mm 미만의 두께를 가질 수 있다.

도 8에 나타나 있는 바와 같은 구성을 채택함으로써, 일단 도 1 내지 6에 나타나 있는 공정이 완료되면, 대상물의 내부에 있는 비결합 분말을 둘러싸는 결합된 외부 쉘을 갖는 대상물이 얻어질 것이다. 쉘의 두께를 적절히 조절하여 충분한 강도를 대상물에 주어, 최종 소결 공정을 통해 대상물에 최종 제조 강도가 주어지기 전에 취급 및 정화가 가능하게 된다.

본 개시에 따른 도 1 내지 6에 나타나 있는 공정의 결과를 도 9에서 볼 수 있는데, 여기서, 제조된 대상물(20)은, 대상물을 형성하는 층(7, 8) 중 하나의 평면에서 절단되어 있는 것으로 나타나 있지만, 대상물의 외부 표면(20a)과 쉘의 내부 표면 (20c) 사이에서 연장되어 있는 외부 쉘 부분(20d)을 가지고 있음을 알 수 있으며, 그 쉘(20d) 내부에는, 실질적으로 결합되지 않은 분말이 영역(20b)에 있다. 도 7과 관련하여 설명한 바와 같은 대상물의 결합 해제 및 소결 또는 심지어 결합 해제 단계의 수행이 없는 대상물의 소결의 의해, 결합제가 제공되어 있지 않은 대상물의 내부에서 훨씬 더 강한 소결 결합이 나타날 수 있다. 그러므로, 대상물의 모든 최종 고체 부분에 결합제가 존재하는 대상물과 비교하여 훨씬 더 개선된 기계적 특성이 얻어질 수 있다.

소결 전에 대상물을 정화하고 취급할 수 있도록, 쉘(20d)은 실질적으로 연속적인 것이 바람직한데, 즉 그 쉘에 구멍이 형성되어 있지 않는 것이 바람직하다. 그러나, 어떤 종류의 분말에 대해서는, 메쉬형 쉘에서 작은 구멍이 허용될 수 있고, 제조 중의 분말의 패킹은 내부의 비결합 영역의 분말이 취급 중에 구멍을 통해 떨어지는 것을 방지하기에 충분하다.

본 개시의 개념이 유리하게 적용되는 일 종류의 구성 재료는 순수 금속 또는 50 질량% 이상, 60 질량% 이상, 70 질량% 이상 또는 80 질량% 이상의 철, 티타늄,금, 구리, 은 또는 니켈을 함유하는 합금이다.

본 개시의 개념이 유리하게 적용되는 일 종류의 구성 재료는 순수 금속 또는 밀집 패킹된 육각형 결정 구조를 갖는 합금이다.

실험에 의하면, 본 개시에 따라 제조된 대상물은 종래 기술의 방안에 비해 크게 개선된 것으로 확인되었다. 예컨대, 도 10a 및 10b는 그러한 일 실험의 비교 결과를 나타낸다.

316L 강의 분말을 공기 경화성 결합제로 결합시켜 2개의 입방형 부품을 만들었다. 종래에 따른 공정에서, 전체 입방형 구조는 제조 공정 중에 결합제로 결합되었다. 본 개시에 따른 일 실시예에서, 두께 1 mm의 입방형 쉘을 프린팅하여, 실질적으로 결합되지 않은 분만을 둘러쌌다. 입자 크기는 대략 15 미크론이엿고, 소결 후에, 양 구조는 350℃의 공기에서 결합 해제를 받았고 또한 1370℃에서 소결되었다.

소결 후에 양 구조의 중심부에서 샘플을 채취했다.

도 10a는 본 개시에 따른 공정에 따라 얻어진 조직의 현미경 사진을 나타낸다. 도 10b는 결합제가 프린팅 후에 전체 대상물에 주입되는 공정에 따라 얻어진 미세 조직을 나타낸다. 명확히 알 수 있는 바와 같이, 도 10a는 도 10b와 비교할 때 훨씬 더 감소된 세공 크기를 나타내는데, 이는 정적 및 동적 강도에 있어 경험적으로 관찰된 개선과 일치하는 것이다. 또한, 도 10a에서 밀도는 도 10b의 경우와 비교하여 증가되었다. 각 경우에 미세 조직을 측정해 보니, 도 10a에 나타나 있는 샘플이 얻어진 대상물은 99.7%의 상대 밀도를 나타내고, 반면 도 10b에 나타나 있는 샘플이 얻어진 대상물은 97.9%의 상대 밀도를 나타내었음을 알았다.

Ti6Al4V의 분말로 유사한 공정을 수행했을 때(여기서, Ti6Al4V에 대한 결합 해제는 불활성 아르곤 분위기에서 수행되었고 또한 소결은 1350℃에서 수행되었다는 점을 제외하고는 모든 파라미터는 동일하게 유지되었음), 유사한 결과가 얻어졌는데, 전체 구조에 결합제를 주입하여 만들어진 부품은 91%의 상대 밀도를 가지며,반면 쉘 영역에만 결합제를 제공하여 만들어진 부품은 99.7%의 상대 밀도를 가졌다.

그러므로, 본 개시에서 제시된 방안과 개념을 사용하면 유리한 효과를 얻을 수 있음을 이해할 수 있다.

큰 부품의 경우, 2 mm를 초과하는 비교적 두꺼운 쉘 조차도 예컨대 대상물의 중량 및/또는 질량 때문에, 대상물의 취급 중에 프린팅된 대상물의 구조를 소결 전에 유지하기에는 충분하지 않을 것임을 알 수 있을 것이다. 그러므로, 도 8 및 9를 참조하여 설명한 바와 같이 쉘이 프린팅되는 추가 방안을 사용할 수 있지만, 쉘의 내부를 가로질러 연장되어 있고 결합제로 결합되는 영역으로 형성되는 지지부에 의해 쉘이 내부에서 지지된다. 이는 예컨대, 도 8에 나타나 있는 경계 영역(7d)의 내부 표면(7c)의 일측에서부터 더 멀리 있는 쉘의 내부의 한 점까지 연장되어 있는 지지부를 포함함으로써 달성될 수 있다. 얻어진 내부 구조는 도 9와의 비교를 위해 도 11에 나타나 있는데, 여기서, 외부 표면(30a) 및 쉘(30c)의 내부 표면에서 끝나고 비결합 영역(30b)을 둘러싸는 쉘 영역(30d)을 갖는 대상물(30)은 쉘에 대한 내부 지지를 제공하도록 쉘을 횡단하는 내부 지지 구조(30e)를 또한 갖고 있다.

도 11에서, 내부 지지부는 기둥형 지주로 나타나 있다. 그러나, 지지부가 쉘을 가로질러 쉘의 내부에서 연장되어 있는 결합 재료의 메쉬(3차원 메쉬를 형성할 수 있음)를 형성하는 구성을 포함한 다른 구성도 가능하다. 이러한 구성에서, 메쉬는 규칙적인 또는 반복적인 단위 구조, 예컨대 결정질 또는 세포형 구조를 포함할 수 있고, 다른 구성에서 지지 구조는 섬유 구조와 같은 불규칙적인 구조를 포함할 수 있다.

도 11에 나타나 있는 구성을 채용함으로써, 쉘은 외력에 대해 강화될 수 있고, 쉘 내부에서 내부 지지 구조 사이에서 연장되어 있는 비결합 재료의 영역은 지지 구조의 결합제가 적어도 부분적으로 제거될 수 있게 해준다. 따라서, 취급 또는 자체의 중량 또는 질량으로 인한 변형 또는 손상에 대해 대상물의 구조를 소결 전에 개선하면서, 도 9의 구조와 관련된 이점이 적어도 부분적으로 얻어질 수 있다.

어떤 구성에서, 도 1에 나타나 있는 결합제 증착 유닛(15b)은 2개의 상이한 종류의 결합제를 증착하도록 될 수 있고, 도 11에 나타나 있는 지지 구조(30e)는 쉘(30d)에 사용되는 결합제와는 다른 결합제로 형성될 수 있다. 예컨대, 지지 구조에서 사용되는 결합제는, 쉘(30d)에 사용되는 결합제 보다 약한, 입상 구성 재료의 입자들 간의 결합을 제공할 수 있지만, 쉘(30d)에 사용되는 결합제 보다는 쉽게 분해되고 그리고/또는 제거될 수 있다. 어떤 경우에, 결합제의 양은 쉘과 지지 구조 사이의 단위 층 영역 마다 다를 수 있으며, 그래서 지지 구조에서, 구조의 단위 용적 당 액체 결합제의 양은 쉘 보다 비교적 적다.

어떤 구성에서, 액체 결합제를 증착하지 않는 대안적인 기술(레이저 에너지의 인가에 의한 국부적인 소결, 열의 인가에 의한 국부적인 용융 또는 국부적인 광중합을 포함하여)을 사용하여, 적어도 지지 구조(30e)를 형성하는 구성 재료를 결합할 수 있다. 대안적으로, 지주(30e)는 액체 결합제를 증착하여 결합되면서, 쉘은 액체 결합 외의 다른 방법으로 결합될 수 있다.

이상에서, 적층 가공 장치의 적절한 작동에 의해, 소결되면 개선된 기계적 특성을 얻을 수 있는 대상물이 어떻게 제조될 수 있는지를 설명했다. 추가로, 여기서 개시된 개념은, 제조될 대상물의 형태를 기술하는 대상물 규정 데이타에 의해 규정된 대상물이 종래의 3D 프린팅 장치에서 제조될 때 유리한 특성이 얻어질 수 있도록 그 대상물 규정 데이타를 변환하기 위해 또한 사용될 수 있다.

대상물 데이타를 변환하기 위한 그러한 일 방법을 도 12를 참조하여 설명한다. 도 12는, 동일한 대상물을 나타내는 데이타를 얻기 위해 대상물 데이타(3차원적으로 제조될 대상물을 기술하는 데이타)를 변환시키는 공정에 대한 흐름도를 나타내며, 대상물은 종래의 적층 가공 시스템을 사용하여 제조될 때 소결 후에 본 개시와 관련된 개선된 기계적 특성을 얻을 수 있다.

도 12에 나타나 있는 제 1 공정 D1에서, 대상물 데이타가 얻어진다. 이 대상물 데이타는 컴퓨터 보조 설계(CAD) 소프웨어의 출력일 수 있고, 제조될 대상물을 대상물의 일련의 표면 에워싸기 고체 부분으로서 나타낼 수 있고, 대상물을 기하학적 원시의 미리 정해진 일 세트의 복합체로서 규정할 수 있으며, 또는 대상물을 3D 공간 내의 래스터 그리드에서 대상물을 규정하는 일 세트의 복셀로 나타낼 수 있다. 대안적으로, 대상물 데이타는 대상물을 통과하는 일련의 슬라이스로서 이미 나타날 수 있고, 슬라이스는 대상물을 층으로 분할하고, 각 층은, 3D 프린팅 장치를 제어하기 위해 통상적으로 사용되는 바와 같이, 함께 결합될 규정된 영역을 가지고 있다.

도 12의 방법에서, 제조될 대상물을 나타내는 대상물 데이타를 처리하여 대상물 표면을 식별한다. 이는 다양한 방법으로 이루어질 수 있는데, 이 방법은 입력 데이타가 제공되는 형식에 달려 있다. 예컨대, 다양한 기하학적 원시의 복합체로서 나타나 있는 대상물의 경우, 그들 원시의 표면이 식별될 수 있고, 인접하거나 다른 원시 내부에 있는 원시의 표면은 제거되어 대상물의 전체 표면을 규정할 수 있다. 일련의 표면으로서 나타나 있는 대상물의 경우, 그 일련의 표면을 사용하여 대상물의 표면을 규정할 수 있고, 대상물의 고체 부분 안에 완전히 있거나 다른 표면과 인접하는 표면은 다시 대상물의 표면에서 생략된다.

결합제로 함께 결합될 규정된 영역을 갖는 일련의 슬라이스로서 규정되는 대상물의 경우에, 각각의 슬라이스에 대해 에지 검출 알고리즘을 수행하여 각 영역의 에지를 결정할 수 있고, 그런 다음 각 영역의 에지는 대상물의 표면과 연관될 수 있다. 복셀로 규정되는 대상물의 경에도 유사한 방안을 취할 수 있고, 또는 대안적으로, 메쉬-피팅 방안을 사용하여, 유한 요소 메쉬를 대상물의 외부 표면에 피팅하여 대상물의 표면을 그러한 메쉬로서 규정할 수 있다. 대상물 표면의 식별은 정확할 수 있고 또는 임의의 원하는 정확도에 근접할 수 있다. 대상물의 표면의 식별은, 대상물의 표면을 식별하기 위해 사용되는 기술에 가장 적합한 대상물의 표현을 얻기 위해 대상물의 표현들 사이의 변환을 포함할 수 있다.

그런 다음, 공정 D2에서 얻어진 대상물 표면 데이타는 공정 D3에서 사용되어, 대상물의 표면으로 안쪽으로 연장되어 있고 미리 정해진 어떤 특성을 갖는 쉘을 나타내는 데이타를 생성한다. 예컨대, 쉘은 최소 또는 최대 두께를 가질 수 있고, 또는 쉘은 대상물 표면에 수직인 방향의 정확히 균일한 두께를 가질 수 있다. 쉘을 규정하는 다른 방안은, 웰의 어떤 특성을 얻기 위해 대상물 내부에 있는 하나 이상의 구체, 입방체, 또는 다른 기하학적 원시를 규정하고 그런 다음에 이들 기하학적 대상물 내에 있는 대상물의 일부분을 대상물을 규정하는 데이타로부터 제거하는 것을 포함할 수 있다.

그런 다음, 쉘을 나타내는 데이타는 공정 D4에서 공정으로부터 적절한 형식(예컨대, 앞에서 설명한 공정 D1에 대한 입력에 적절한 형식)으로 출력된다. 어떤 구성에서, 특히, 출력 공정 D4을 직접 사용하여 적층 가공 장치를 제어하는 구성에서, 출력은 대상물의 순차적인 층을 나타내는 일련의 픽셀 이미지로서 제공되며, 이 경우, 쉘의 일부분을 형성하는 픽셀은 대상물의 외측면 및 대상물의 비결합 내부를 나타내는 픽셀과 구별된다.

도 12의 공정은 도 13에 나타나 있는 대상물 데이타 처리 장치(100)에서 실행될 수 있다. 이 시스템(100)은 도 12의 방법을 수행하는데 적합한 데이타 처리 장치이다. 도 13에서, 그 장치(100)는 일련의 개별적인 모듈로서 나타나 있다. 이들 모듈은 독립적인 마이크로프로세서 또는 데이타 처리 유닛과 같은 하드웨어 모듈일 수 있으며, 이는 동일 칩에 통합되거나, 개별적인 기판에 제공되거나 또는 더 큰 데이타 처리 시스템의 개별적인 부품에 제공될 수 있다. 모듈의 대안으로서, 당업계에 알려져 있는 바와 같이 하나 이상의 마이크로프로세서에서 실행되는 소프트웨어 모듈이 제공될 수 있다.

장치(100)는 데이타 저장 유닛(S)으로 나타나 있는 데이타 소스로부터 대상물 데이타를 판독하도록 되어 있는 대상물 데이타 획득 유닛(110)을 갖는다. 그러나, 그 획득 유닛(110)은 예컨대 네트워크 스토어, 다른 데이타 처리 유닛에서 나오는 데이타 스트림으로부터 대상물 데이타를 얻을 수 있고, 또는 예컨대, 당업계에 알려져 있는 바와 같이 레이저 스캐너 또는 다른 대상물 계측 시스템으로부터 판독되는 대상물 데이타를 얻을 수 있다.

획득 유닛(110)에 의해 얻어진 대상물 데이타는 표면 식별 유닛(120)에 전달된다. 표면 식별 유닛(120)은 얻어진 대상물 데이타에 작용하여 대상물의 표면을 식별한다. 그런 다음, 대상물의 표면을 나타내는 데이타는 표면 식별 유닛으로부터 쉘 생성 유닛(130)에 전달되고, 여기서, 대상물의 표면으로부터 안쪽으로 서 있는 쉘을 나타내는 데이타가 생성된다. 생성된 쉘 데이타는 출력 유닛(140)에 전달되고, 여기서 데이타는 적절히 포맷되어 출력된다. 도 13에 나타나 있는 예에서, 대상물 데이타는 네트워크(N)에 출력되지만, 로컬 데이타 스토어 또는 데이타를 취급할 수 있는 다른 장치에도 출력될 수 있다. 일 변형예에서, 출력된 대상물 데이타를 직접 사용하여, 도 1 내지 6과 관련하여 설명했고 나타낸 제조 장치를 제어할 수 있다.

또한, 도 11과 관련하여 설명했고 앞에서 나타낸 결합 쉘 및 내부 지지 부분을 갖는 대상물을 제조하기 위한 대상물 데이타 처리 방법을 생각할 수 있다. 이러한 공정의 일 예가 도 14에 나타나 있는데, 이는 도 12를 참조하여 설명했고 나타낸 유사한 공정과 공통적인 점을 공유한다. 그러나, 도 12에 나타나 있는 바와 같은 쉘 데이타 생성 단계 D3 말고, 도 14의 공정은 쉘 데이타 생성 단계 D3.1, 지지부 데이타 생성 단계 D3.2 및 데이타 결합 단계 D3.3를 포함한다.

쉘 데이타 생성 공정 D3.1에서, 도 12의 공정 D3을 참조하여 설명한 것과 동등한 공정이 수행된다. 그런 다음, 단계 D3.2에서, 적절한 지지 구조를 나타내는 데이타가 미리 정해진 파라미터에 따라 생성된다. 예컨대, 쉘의 내부를 가로지르는 메쉬가 생성될 수 있고, 또는 쉘의 내부에 대한 적절한 지지도를 얻기 위해 지지 칼럼이 무작위로 또는 알고리즘에 따라 배치될 수 있다. 그런 다음, 공정 D3.3에서, 쉘 및 지지부 데이타가 결합되어, 출력 대상물 데이타를 제공한다. 어떤 경우에는, 예컨대, 대상물의 내부에 공동을 제공하여 단계 D3.1와 단계 D3.2를 함께 수행할 수 있으며, 그 공동은, 공동 사이의 그리고 대상물의 외부 표면 사이의 최소 거리에 도달할 때까지 확대된다.

도 13을 참조하여 개시한 바와 같이, 도 14의 공정은 도 13에 나타나 있는 데이타 처리 장치(100)와 유사한 데이타 처리 장치(100)에서 실행될 수 있는데, 여기서 쉘 데이타 생성 유닛(130)은 쉘 데이타 생성 유닛(131), 지지부 데이타 생성 유닛(132) 및 데이타 결합 유닛(133)으로 대체되어 있고, 이들 유닛은 전술한 바와 같이 공정 D3.1, D3.2 및 D3.3의 기능을 각각 수행하도록 되어 있다.

또한, 본 개시의 개념은 범용 컴퓨터에서의 실행 또는 종래의 제조 장치의 제어 시스템에서의 실행을 위해 소프트웨어 모듈로서 배포될 수도 있다. 후자의 경우, 특히 종래의 대상물 데이타는 장치의 사용자에 의해 제공될 수 있고, 그러면, 제조 장치 자체가 본 개시에 따라 표면을 식별하고 쉘 및 선택적으로 지지 구조를 식별하고 또한 대상물을 제조하는 작용을 하게 된다. 데이타 처리 장치는 하드웨어 유닛으로서 또는 예컨대 종래의 제조 장치의 제어 유닛에서 실행되는 소프트웨어로서 종래의 제조 장치의 일부분으로서 제공될 수 있다. 그러한 소프트웨어는 소프트웨어 지시의 기계 판독 가능한 표현을 포함하는 데이타 캐리어로서 배포될 수 있고, 그 소프트웨어 지시가 적절히 구성된 프로세서에 의해 실행되면, 그 프로세서는 본 개시의 개념에 따른 방법을 수행하게 된다.

물론, 위의 개시는 순전히 예시적인 것으로 생각되어야 하고 본 개시는 다양한 공학적 요건을 달성하도록 다양한 요소의 대체, 변화, 생략 또는 추가를 통해 다양한 구성으로 실현될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 본 개시의 이점을 제공할 수 있는 주제의 특정한 조합을 제공한다.

Claims (18)

1. 대상물을 제조하기 위한 적층 가공 방법으로서,
   입상 금속 구성 재료의 연속적인 층을 증착하는 단계; 및
   상기 대상물의 외부를 규정하는 구성 재료의 결합 쉘을 형성하기 위해, 비결합 상태로 유지되는 제 2 영역을 둘러싸는 제 1 영역에 결합제를 증착하여 각 층의 제 1 영역을 선택적으로 결합시키는 단계; 및
   상기 쉘 및 에워싸인 비결합 구성 재료를 쉘의 외부에 남아 있는 구성 재료로부터 분리하는 단계를 포함하는, 적층 가공 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 쉘에 의해 에워싸이는 용적의 적어도 50%, 적어도 60%, 적어도 70%, 적어도 80%, 적어도 90% 또는 적어도 95%가 제조된 대상물에서 결합되지 않은, 적층 가공 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 쉘은 연속적이고 또한 실질적으로 또는 완전히 상기 대상물의 외부를 규정하는, 적층 가공 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 쉘 및 에워싸인 구성 재료가 쉘의 외부에 남아 있는 구성 재료로부터 분리된 후에, 제 1 온도에서 수행되는 결합 해제 공정에서 구성 재료의 결합 영역을 결합 해제하는 단계를 더 포함하고, 상기 제 1 온도는 상기 구성 재료의 융점 보다 낮은, 적층 가공 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제 1 온도는 상기 구성 재료의 융점의 90% 이하, 80% 이하, 70% 이하 또는 60% 이하인, 적층 가공 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   소결 공정에서 상기 쉘 및 에워싸인 구성 재료를 제 2 온도까지 승온시키는 단계를 더 포함하고, 상기 소결 공정에서 쉘 및 에워싸인 구성 재료는 함께 소결되어 대상물을 형성하고, 상기 제 2 온도는 상기 제 1 온도 보다 높은, 적층 가공 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제 2 온도는 상기 구성 재료의 융점의 90% 이하, 80% 이하 또는 70% 이하인, 적층 가공 방법.
8. 제 4 항 또는 제 5 항을 인용하는 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 쉘 및 에워싸인 구성 재료를 쉘 및 에워싸인 구성 재료가 함께 소결되는 제 2 온도까지 승온시키는 단계는, 상기 결합 해제 단계에서 구성 재료의 결합 영역을 결합 해제한 후에 일어나는, 적층 가공 방법.
9. 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 결합 해제 공정은 공기, 환원 분위기, 산화 분위기, 불활성 분위기 또는 촉매 분위기 중의 하나에서 그리고/또는 800 mbar 아래의 압력에서 수행되는, 적층 가공 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합제를 경화시키는 단계를 포함하는, 적층 가공 방법,
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속은 순수 금속 또는 합금에서 선택되고, 상기 순수 금속 또는 합금은 50 질량% 이상, 60 질량% 이상, 70 질량% 이상 또는 80 질량% 이상의 철, 티타늄, 금, 구리, 은 또는 니켈을 함유하는, 적층 가공 방법.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속은 순수 금속 또는 합금에서 선택되고, 상기 순수 금속 또는 합금은 밀집 패킹된 육각형 결정 구조를 갖는, 적층 가공 방법.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합제는 공기 경화성, 열 경화성 또는 UV 경화성인, 적층 가공 방법.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쉘은 2mm 미만, 1mm 미만, 0.5mm 미만, 0.25mm 미만, 또는 0.125mm 미만의 두께를 갖는, 적층 가공 방법.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 적층 가공 방법에 따라 제조된 대상물.
16. 대상물 데이타 처리 방법으로서,
    제조될 대상물을 나타내는 대상물 데이타를 얻는 단계;
    제조될 대상물의 표면 부분을 식별하는 단계;
    식별된 표면 부분에 근거하여 쉘 데이타를 생성하는 단계 - 쉘 데이타는 식별된 표면 부분으로부터 안쪽으로 연장되어 있는 제조될 대상물의 쉘 부분을 나타냄 -; 및
    생성된 쉘 데이타를 출력하는 단계를 포함하는, 대상물 데이타 처리 방법.
17. 실행되면 데이타 프로세서로 하여금 제 16 항에 따른 방법을 수행하게 하도록 구성된 프로그램 명령을 지니는 데이타 캐리어.
18. 대상물 데이타 프로세서로서,
    제조될 대상물을 나타내는 대상물 데이타를 얻도록 작동 가능한 대상물 데이타 획득 유닛;
    제조될 대상물의 표면 부분을 식별하도록 작동 가능한 표면 부분 식별 유닛;
    식별된 표면 부분에 근거하여 쉘 데이타를 생성하도록 작동 가능한 쉘 데이타 생성 유닛 - 쉘 데이타는 식별된 표면 부분으로부터 안쪽으로 연장되어 있는 제조될 대상물의 쉘 부분을 나타냄 -; 및
    생성된 쉘 데이타를 출력하기 위한 쉘 데이타 출력 유닛을 포함하는, 대상물 데이타 프로세서.

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