KR20180033530A - 공간적으로 제어된 재료 융합에 의한 적층 제조 - Google Patents

공간적으로 제어된 재료 융합에 의한 적층 제조 Download PDF

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KR20180033530A
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마틴 씨. 펠드만
아나스타시오스 존 하트
크눗 스벤슨
안드레이 비야츠키
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벌컨폼즈 아이엔씨.
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Abstract

적층 재료를 위한 방법 및 장치가 설명된다. 적층 제조를 위한 방법은 구축 표면 상의 재료의 층을, 실질적으로 선형 형상을 가지는 적어도 하나의 라인 레이저를 포함하는, 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체에 노출시키는 단계를 포함한다. 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체가 구축 표면을 가로질러 스캔될 때 재료의 층이 희망 패턴에 따라 융합되게 하기 위해서, 라인 레이저의 세기가 변조될 수 있다.

Description

공간적으로 제어된 재료 융합에 의한 적층 제조
본원에서 설명된 양태는 적층 제조에 관한 것이다.
선택적인 레이저 소결 또는 용융에 의한 적층 제조는, 3-차원적인 물체를 생성하기 위해서 분말 층의 순차적인 융합을 이용하는 프로세스를 나타낸다. 시작을 위해서, 얇은 분말 층이 ('구축 플랫폼'으로 빈번하게 지칭되는) 작업 테이블 상에 배치되고, 그에 따라 적어도 하나의 분말 층이 분말 베드(powder bed)를 형성한다. 이어서, 분말 층의 선택된 지역은 지향성 에너지 공급원, 전형적으로 레이저 빔에의 노출에 의해서 융합된다. 그에 따라, 레이저 빔의 노출 패턴은 3-차원적인 물체의 횡단면을 형성한다. 부품은, 수직 방향으로 적재되는(stacked) 그렇게-형성된 횡단면들의 연속적인 융합을 통해서 구축되고, 각각의 층의 융합의 사이에서 구축 플랫폼은 점진적으로 하향되고 새로운 분말의 층이 구축 표면 상에 피착된다. 레이저 분말-융합 적층 제조의 일반적인 프로세스가, 선택적인 레이저 용융(SLM), 선택적인 레이저 소결(SLS), 및 직접적인 금속 레이저 소결(DMLS)을 포함하는 몇몇 용어에 의해서 공지되어 있고; 다양한 금속, 세라믹, 중합체, 합금, 및 복합체에 적용되었다.
SLM 중에, 용융된 재료의 액체 트랙이 레이저 도트(laser dot)의 스캐닝 궤적을 따라서 형성된다. 이용될 수 있는 레이저 광선의 최대 직경은 희망 최소 피쳐(feature) 크기 또는 구축하고자 하는 부품의 상세부분에 의해서 제한된다. 레이저 빔 스폿 크기 및 피쳐 해상도의 이러한 상호 의존성은 또한 SLM에 의해서 달성될 수 있는 구축 속도 및 품질을 제한한다.
그에 따라, 희망 피쳐 해상도와 함께 더 빠른 프로세스 속도를 달성하기 위해서, 다수의 레이저 빔을 설치하는 것 또는 구축 표면에 걸친 레이저의 스캔 속도를 증가시키는 것이 필요하다. 하나의 기계 내에 통합될 수 있는 다수의 레이저 빔의 수는 기술적 및 경제적 실현 가능성에 의해서 제한된다. 최대 스캐닝 속력은 레이저 파워, 용융-풀 안정성(melt-pool stability), 및 열 전달에 의해서 제한된다.
일 실시예에서, 적층 제조를 위한 방법은 재료의 층을 하나 이상의 레이저 에너지의 투사체에 노출시키는 단계를 포함하고, 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체 중 적어도 하나는 실질적으로 선형 형상을 가지는 라인 투사체이다. 방법은 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체에 대한 재료의 층의 노출에 의해서 재료의 층의 적어도 일부를 융합시키는 단계, 및 희망 형상으로 재료의 층의 일부를 융합시키기 위해서 재료의 층에 대해서 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체를 이동시키는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 적층 제조를 위한 방법은 구축 표면 상에 재료의 층을 제공하는 단계로서, 재료의 층은 제1 용융 온도를 가지는 제1 재료 및 제1 용융 온도보다 높은 제2 용융 온도를 가지는 제2 재료를 포함하는, 단계, 및 제1 및 제2 재료를 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체에 노출시키는 단계를 포함한다. 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체의 적어도 하나는 실질적으로 선형 형상을 가지는 라인 투사체이고, 레이저 에너지의 투사체에 대한 제1 및 제2 재료의 노출은 제1 용융 온도보다 높고 제2 용융 온도보다 낮은 온도까지 제1 및 제2 재료를 가열한다. 방법은 제1 및 제2 재료를 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체에 노출시키는 것에 의해서 제1 재료의 적어도 일부를 융합시키는 단계를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 적층 제조를 위한 장치는 구축 표면, 구축 표면 상으로 재료의 층을 피착시키도록 구성된 재료 피착 시스템, 및 재료의 층을 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체에 노출시키도록 구성된 하나 이상의 레이저 에너지의 공급원을 포함한다. 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체에 대한 재료의 층의 노출은 재료의 층의 적어도 일부를 융합시키고, 레이저 에너지의 하나 이상의 공급원의 적어도 하나는 실질적으로 선형 형상을 가지는 라인 투사체를 형성하도록 구성된다.
본 개시 내용이 이러한 측면으로 제한되지 않기 때문에, 전술한 개념 및 이하에서 설명되는 부가적인 개념이 임의의 적합한 조합으로 배열될 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다. 또한, 첨부 도면과 함께 고려할 때, 본 개시 내용의 다른 장점 및 신규한 특징이 이하의 다양한 비-제한적인 실시예에 관한 이하의 구체적인 설명으로부터 명확해질 것이다.
첨부 도면은 실체 축척(scale)으로 도시되지 않았다. 도면에서, 여러 도면에서 도시된 각각의 동일한 또는 거의 동일한 구성요소가 유사한 번호로 표시되어 있을 수 있다. 명료함을 위해서, 모든 도면에서 모든 구성요소가 표시되어 있지 않을 수 있을 것이다. 도면에서:
도 1은 일 실시예에 따른 적층 제조를 위한 장치의 개략도이다.
도 2a는 실질적으로 '도트' 형상을 가지는 단일 레이저 공급원을 가지는 에너지의 레이저 공급원에 분말 재료의 층을 노출시키는 것에 관한 종래 기술의 개략도이다.
도 2b는 일 실시예에 따라 층 상에 투사될 때 실질적으로 '라인' 형상을 가지는 단일 레이저 공급원을 가지는 에너지의 레이저 공급원에 분말 재료의 층을 노출시키는 것에 관한 개략도이다.
도 2c 및 도 2d는 선형 형상을 가지는 다수의 에너지의 레이저 공급원에 분말 재료의 층을 노출시키는 것에 관한 개략도이다.
도 3a는 일 실시예에 따라 구축 표면 상으로 투사될 때의 레이저 라인의 세기 프로파일의 개략도이다.
도 3b는 일 실시예에 따라 구축 표면 상으로 투사될 때의 레이저 라인의 변조된 세기 프로파일의 개략도이다.
도 3c는 다른 실시예에 따라 구축 표면 상으로 투사될 때의 레이저 라인의 변조된 세기 프로파일의 개략도이다.
도 3d는 추가적인 실시예에 따라 구축 표면 상으로 투사될 때의 레이저 라인의 변조된 세기 프로파일의 개략도이다.
도 3e는 레이저 라인을 투사하는 레이저 라인 공급원의 개략도로서, x 축은 라인의 폭 방향을 나타내고 y-축은 라인의 길이 방향을 나타내는 개략도이다.
도 4a는 층의 일부 지역이 라인에 의해서 선택적으로 융합되는 한편 다른 지역은 미융합으로 유지되는 일 실시예에 따라 분말 층 상으로 투사될 때 공급원이 실질적으로 선형 형상을 가지는 에너지의 레이저 공급원에 대한 분말 재료의 층의 노출의 개략도이다.
도 4b는 일 실시예에 따른 선형 투사체의 위치 대 시간의 개략도이다.
도 5a는 일 실시예에 따른, '바둑판' 패턴을 형성하기 위해서 변조된 선형적으로 성형된 레이저 복사선에 대한 분말 층의 노출에 관한 개략도이다.
도 5b는 일 실시예에 따른, '얼룩말' 패턴을 형성하기 위해서 변조된 선형적으로 성형된 레이저 복사선에 대한 분말 층의 노출에 관한 개략도이다.
도 5c는 일 실시예에 따른, 노출 후의 융합된 지역이 분말 층 상에 원하는 형상을 형성하는, 2개의 후속 스테이지에서의 선형적인 형상의 레이저 복사선에 대한 분말 층의 노출에 관한 개략도이다.
도 6a는 일 실시예에 따라, 층 상에 투사될 때 하나가 실질적으로 '라인' 형상을 가지고 하나가 실질적으로 '도트' 형상을 가지는, 2개의 에너지의 레이저 공급원으로 분말 층을 동시에 노출시키는 것에 관한 개략도이다.
도 6b는 일 실시예에 따라, 라인 투사체 및 도트 투사체의 완전 중첩으로, 하나가 실질적으로 '라인' 형상을 가지고 하나가 실질적으로 '도트' 형상을 가지는, 2개의 레이저 공급원으로부터의 투사체의 개략도이다.
도 6c는 일 실시예에 따라, 라인 투사체 및 도트 투사체의 부분적인 중첩으로, 하나가 실질적으로 '라인' 형상을 가지고 하나가 실질적으로 '도트' 형상을 가지는, 2개의 레이저 공급원으로부터의 투사체의 개략도이다.
도 6d는 일 실시예에 따라, 라인 투사체 및 도트 투사체가 중첩되지 않는, 하나가 실질적으로 '라인' 형상을 가지고 하나가 실질적으로 '도트' 형상을 가지는, 2개의 레이저 공급원으로부터의 투사체의 개략도이다.
도 7a는 일 실시예에 따라, 하나가 변조된 라인 공급원이고 하나가 비-변조 라인 공급원인, 에너지의 2개의 레이저 공급원으로 분말 층을 동시에 노출시키는 것에 관한 개략도이다.
도 7b는 일 실시예에 따라, 변조된 라인 투사체 및 비-변조 라인 투사체의 완전 중첩으로, 하나가 변조된 라인 공급원이고 하나가 비-변조 라인 공급원인, 2개의 레이저 공급원으로부터의 투사체의 개략도이다.
도 7c는 일 실시예에 따라, 변조된 라인 투사체 및 비-변조 라인 투사체의 완전 중첩으로, 하나가 변조된 라인 공급원이고 하나가 비-변조 라인 공급원인, 2개의 레이저 공급원으로부터의 투사체의 개략도이다.
도 7d는 일 실시예에 따라, 변조된 라인 투사체 및 비-변조 라인 투사체의 부분적인 중첩으로, 하나가 변조된 라인 공급원이고 하나가 비-변조 라인 공급원인, 2개의 레이저 공급원으로부터의 투사체의 개략도이다.
도 7e는 일 실시예에 따라, 변조된 라인 투사체 및 비-변조 라인 투사체가 중첩되지 않는, 하나가 변조된 라인 공급원이고 하나가 비-변조 라인 공급원인, 2개의 레이저 공급원으로부터의 투사체의 개략도이다.
도 8은 일 실시예에 따라, 분말의 층 상에 투사될 때 공급원이 실질적으로 선형 형상을 가지는 에너지의 레이저 공급원에 의해서 2개의 상이한 분말 재료로 구성된 층을 노출시키는 것에 관한 개략도이다.
선택적인 레이저 용융(SLM)에 의한 적층 제조 중에 분말 베드 상으로의 레이저 에너지의 공간적 및 시간적 분포는 프로세스의 적절한 제어에 있어서 중요하다. 에너지 분포를 제어할 수 있는 수단은 형성된 기하형태의 정확도 및 달성 가능한 가장 작은 피쳐 크기, 부품의 미세조직 및 밀도, 그리고 구축 속도와 직접적으로 관련되는 프로세스의 생산성을 포함한, 관심 속성에 중요하게 영향을 미친다. 분말-베드로의 레이저 에너지 전달은 레이저 파장, 레이저 파워, 세기 프로파일, 레이저 투사체의 공간적 분포(예를 들어, 공칭 스폿 크기를 포함하는 빔 프로파일), 레이저 펄스 형상, 스캐닝 속력 및 스캐닝 패턴을 포함하는, 속성에 의해서 설명될 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같이, 종래 기술의 레이저 분말-베드 적층 제조 시스템, 전형적으로 SLM 기계는 실질적으로 둥근 빔 형상(이하에서 '도트' 빔으로 지칭됨)을 가지는 하나 이상의 레이저 공급원 만을 이용한다. 전달되는 에너지의 공간적 분포는, 예를 들어, '가우시안(Gaussian)' 또는 '탑 햇(top hat)' 프로파일을 가지도록, 레이저 빔의 세기 프로파일을 '성형'하는 것에 의해서 변조될 수 있다. 최신 기술의 SLM 기계는 전형적으로 20 내지 200 마이크로미터 범위 이내의 범위를 가지는 빔 직경을 갖는다.
그러나, 그러한 빔 프로파일의 매우 국소화된 특성은, 부품이 SLM 방법에 의해서 생산될 수 있는 속도를 제한한다. 레이저 스캐닝 속력을 증가시키는 것에 의해서 프로세스 구축 속도를 증가시키는 것은 큰 레이저 파워를 요구한다. 용융 트랙을 형성하기 위한 충분한 파워를 가지는 빠른 스캐닝 빔의 결과적인 용융 풀은 느린 스캐닝 빔에 비해서 길다랗다. 길이-대-폭의 비가 큰 용융 풀의 불안정성이 구축 표면 상에서 바람직하지 못한 결함을 유발하는 것이 확인되었고, 그러한 결함은, 용융 트랙이 실질적으로 원통형인 트랙 보다 큰 표면 에너지를 각각 가지는 단편들로 분리되기 때문에 형성된다. 그러한 결함의 메커니즘은 (i) 용융체와 주위 분말 사이의 큰 열적 구배에 의해서 유발되는 불안정성, (ii) 냉각 중의 액체 트랙 수축 및 (iii) 액체 금속의 낮은 점도와 함께, 응고의 시간 척도(timescale)에 대한 모세관 유동의 빠른 시간 척도로 인한 용융 트랙의 분리를 포함한다. 충분한 에너지 밀도를 가지는 빠른 레이저 스캔 속력은 더 긴 용융 풀을 초래하고, 그에 따라 볼 형성(balling)이 없이 응고될 수 있는 용융 풀의 형태는, 연속적인 응고 트랙이 형성되는 SLM 레이저 스캔 속력에 대한 상한선을 설정한다.
또한, SLM의 속도는, 입사 레이저 에너지가 구축 표면 상에서 분말 재료의 용융을 유발하는 속도에 의해서 통제된다. 이러한 속도는 레이저 파워를 증가시키는 것에 의해서 증가될 수 있고, 결과적으로 이는 더 빠른 스캔 속도를 허용할 수 있다. 그러나, 구축 속도를 높이기 위해서 큰 파워 밀도가 전달되는 경우에 결과적으로 더 커져야 하는, 구축 표면(즉, 레이저가 입사되는 곳)으로부터의 하향 온도 구배가 존재하여야 한다. 적절한 층 두께를 형성하는 거리인, 구축 표면 아래의 특정 거리에서 분말의 용융을 달성하기 위한 요건은 또한, 구축 표면으로부터의 용융 재료의 증발로 인해서, 더 많은 열이 손실되게 한다. 이러한 증발은, 증기의 속도로 인한 용융 풀 형상에 대한 방해와 함께, 감소된 에너지 효율 및 낮은 표면 품질을 초래한다.
본 발명자는, 선택적인 레이저 용융에서 빠른 속도 및 해상도를 동시에 달성하기 위해서 이러한 한계를 극복하는 적층 제조 프로세스를 발견하였다. 새로운 프로세스는 실질적으로 큰 레이저 파워 및 구축 표면에 전달되는 에너지의 분포에 대한 개선된 제어를 이용할 수 있게 하고, 그에 따라, 스캐닝 속력의 증가 또는 공간적 해상도(즉, 최소 피쳐 크기)의 희생을 필요로 하지 않으면서, 프로세스 속도를 증가시킬 수 있다.
본원에서 설명된 양태는, 본원에서 라인 레이저로 지칭되는, 하나 이상의 에너지의 라인-형상의 레이저 공급원을 이용하는 에너지의 패턴으로 구축 표면을 스캐닝하는 것에 의해서, 공간적으로 선택적인 분말 층의 융합을 통해서, 층별(layer-by-layer) 방식으로 분말-베드로부터 부품을 생산하는 것에 관한 것이다. 희망하는 결과에 따라서, 융합은 고체 상태에서의 구축 표면(예를 들어, 분말 과립, 와이어, 또는 시트)의 요소의 접합을 나타낼 수 있고, 또는 용융, 합착(coalescence), 및 응고에 의해서 이루어질 수 있다. 이러한 것은, 재료 융합이 라인의 길이에 걸쳐 공간적으로 제어되나, 구축 표면 상으로의 라인의 순간적인 투사체의 길이의 전부 또는 상당한 부분에 걸쳐 발생될 것을 필요로 하지 않는 방식으로 실시된다. 본원에서 설명된 일부 양태에 따라, 라인을 따른 분말의 융합은 일반적으로, 기존 방법을 이용할 때 요구되는 바와 같이 다수의 도트 형상의 레이저 공급원을 독립적으로 제어할 필요가 없이, 라인을 따라 임의의 적합한/희망하는 융합 영역의 패턴을 형성하도록 제어될 수 있다.
레이저 에너지의 선형 공급원, 그에 따라 라인 레이저는 그 폭보다 적어도 10배 더 긴, 그 폭보다 적어도 100배 더 긴, 또는 그 폭보다 적어도 1000배 더 긴 길이 치수를 가지는 것으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따라 이용되는 라인 레이저는 10 내지 100 마이크로미터 범위의 폭, 및 0.1 내지 1 밀리미터, 1 내지 10 밀리미터, 1 내지 10 센티미터 범위, 또는 1 미터 정도의 길이를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 길이 및 폭은, 세기가 그 최대 세기의 1/e2에 도달하는 각각의 치수에 의해서 규정될 수 있다. 또한, 분말 베드 상으로 투사될 때, 단일 선형 공급원이 작은 치수 및/또는 작은 에너지 밀도를 가지는 하나 초과의 선형 공급원의 중첩에 의해서 달성될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 각각 길이가 1 센티미터인 10개의 선형 공급원의 중첩이 10 센티미터 길이의 하나의 효과적인 선형 공급원을 형성할 수 있거나, 효과적인 선형 공급원의 길이가 여전히 단지 1 센티미터이나 에너지 밀도는 분말 베드 상으로 투사될 때 라인을 구성하는 10개의 선형 공급원의 합이 될 수 있다. 선형 공급원들의 그러한 중첩은 또한 레이저 에너지의 일련의 평행한 라인을 구축 표면 상으로 투사할 수 있는 능력을 초래할 수 있고, 그에 따라 평행한 라인들 사이의 예시적인 세기 변조의 크기가 또한 각각의 개별적인 라인의 폭 치수에 비교될(comparable) 수 있다. 이러한 방식으로, 선형 공급원들의 중첩을 이용하여 레이저 에너지의 2-차원적인 어레이를 형성할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 라인 레이저를 따른 및/또는 그에 걸친 평균 세기의 분포는 본질적으로 임의의 적합한 방식으로 변경될 수 있고(또한 '변조될' 수 있는 것으로 지칭된다), 그에 따라 국소적인 세기는 영으로부터 최대 값까지의 범위를 갖는다. 그에 따라, 구축 표면 상으로 투사될 때, 실질적인 라인-형상의 레이저 공급원 또는 라인 레이저는 본원에서, 라인을 따른 그리고 그에 걸친 레이저 에너지의 균일한 분포를 가지는 전술한 바와 같은 길이 대 폭의 비를 가지는, 구축 표면 상으로 투사될 때의 레이저 에너지의 패턴으로서 규정될 뿐만 아니라, 라인을 따른 그리고 라인에 걸친 레이저 에너지의 분포가 실질적으로 변조된 것으로서 규정된다. 그러한 라인의 에너지는, 구축 표면 상의 재료(예를 들어, 분말)의 융합이 투사체에 노출된 일부 지역 내에서 발생되지 않는 한편, 재료의 융합이 투사체에 노출된 일부 다른 지역 내에서 발생되는 정도로 변조될 수 있다. 변조의 하나의 예에서, 세기는 라인의 길이를 따라 특별한 영역 내에서 영으로 설정될 수 있고, 다른 영역 내에서 세기는 영 내지 최대 값 사이의 범위일 수 있고, 변동의 공간적 크기는 라인의 폭 치수에 근접한다. 그에 따라, 라인 레이저는, 주어진 스캐닝 속력에서 분말의 융합을 달성하기에 충분할 정도로 큰 에너지를 가지는 라인의 일부 섹션 또는 모든 섹션이, 이러한 개별적인 라인의 섹션들을 그들 내의 라인들로서 또는 그들의 라인들로서 규정할 수 있는 개별적인 종횡비를 가지지 않는 정도까지 변조될 수 있다. 그러나, 융합의 이러한 개별적인 섹션은 여전히 변조된 라인의 섹션이라는 것 그리고 다수의 개별적으로 제어되는 실질적으로 도트 형상인 레이저 공급원이 아니라는 것을 이해하여야 한다. 재료의 임의 영역의 융합은 레이저 투사체에 의해서 해당 영역 상으로 전달되는 에너지, 그리고 재료 및 주위의 매개변수와 함께, 전달의 지속시간에 의해서 결정되고, 그에 따라 융합 또는 그 결여의 프로세스가 변조된 세기뿐만 아니라 본원에서 설명된 다른 프로세스 매개변수에 의해서 제어된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
특정 융합의 경우로서, 전술한 바와 같은, 구축 표면의 복수의 작은 영역의 동시적인 용융은 프로세스가 용융의 높은 공간적 해상도를 달성할 수 있게 하는 한편, 세장형 용융 풀의 불안정성, 볼 형성으로 인한 결함의 형성, 및 프로세스 구축 속도를 높이기 위해서, 큰 파워 밀도 및 스캔 속력과 함께, 복수의 도트 공급원만이 이용될 때 발생되는 큰 온도 구배로 인한 비효율성을 포함하는 현재의 방법의 한계를 극복할 수 있게 한다. 일 실시예에서, 동시에 용융될 수 있는 분말 베드 상의 구분된 위치들(즉, 프로세스에서 임의의 순간에서의 격리된 용융 풀)의 수는, 복수의 독립적으로 제어되는 도트 공급원의 스캐닝에 의해서 형성될 수 있는 격리된 용융 풀의 수를 현저하게 훨씬 더 초과한다.
일 실시예에 따라, 공간적으로 제어되는 재료 융합은, 적어도 하나의 라인 레이저 공급원을 제공하는 것, 그리고 분말 층의 가열, 용융 및 응고를 공간적으로 제어하기 위해서, 구축 표면에 걸친 선형 프로파일의 이동으로 이러한 변조를 조정하면서, 라인의 길이를 따라 세기 프로파일을 변조하는 것에 의해서 달성될 수 있다.
다른 실시예에서, 공간적으로 제어된 재료 융합은 라인의 길이를 따라서 실질적으로 균일한 세기 프로파일을 가지는 적어도 하나의 라인 레이저 공급원을 스캐닝하는 것에 의해서 달성될 수 있고, 라인 공급원의 스캐닝은 적어도 하나의 실질적으로 둥근 (도트) 공급원의 스캐닝과 함께 조정된다. 이러한 복수의 공급원은, 라인에 의해서 실질적으로 가열되는 지역과 도트 공급원에 의해서 실질적으로 가열되는 지역의 적어도 부분적인 중첩이 있는 위치에서만 융합이 발생되도록, 구축 표면 위에서 스캐닝된다. 예를 들어, 라인은 분말을 실질적으로 주변 온도보다 높으나 여전히 용융 온도보다 낮은 온도까지 가열할 수 있고, 이어서 도트는 용융 온도보다 높은 온도로 상승시킬 수 있다. 이러한 경우에, 도트의 평균 스캐닝 속력은 라인의 스캐닝 속력보다 실질적으로 더 빠를 수 있고, 라인의 길이는 도트의 직경보다 실질적으로 길 수 있으나, 반드시 그러할 필요는 없다.
또 다른 실시예는 상이한 용융 온도들을 가지는 적어도 2개의 분말 재료의 공간적 배열을 포함하는 구축 표면의 구성, 및 레이저 에너지에 대한 노출이 표면의 선택된 지역에서 재료의 하나를 용융시키나 양 재료 모두를 용융시키지 않도록, 적어도 하나의 실질적으로 선형인 공급원을 포함하는 레이저 공급원의 스캐닝에 의해서 형성되는 레이저 에너지의 공간적 분포를 제공하는 것을 포함한다. 용융 온도들은 10 ℃만큼, 100 ℃ 만큼, 1000 ℃ 만큼 또는 4000 ℃ 만큼 분리될 수 있다. 양 재료가 금속일 수 있거나, 양 재료가 세라믹일 수 있거나, 하나가 금속이고 다른 하나가 세라믹일 수 있다. 재료는 또한 중합체, 반도체, 또는 이온 화합물일 수 있다. 구축 표면의 용융 온도는 또한 금속 분말과 같은 제1 재료의 균일한 조성을 피착시키는 것, 그리고 이어서, 예를 들어 공정 조성물을 형성하는 것에 의해서, 재료의 조합의 용융 온도를 변경하는 작용을 하는 제2 재료를 국소적으로 피착시키는 것에 의해서 공간적으로 변경될 수 있다.
실시예에 따른 적층 제조를 위한 장치의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 분말 베드(4)를 가지는 작업 테이블(5)이 창(3)을 가지는 챔버(2) 내에 위치되어, 분말 베드가 레이저 공급원(1)에 노출될 수 있게 한다. 레이저 공급원, 또는 레이저 공급원의 광학적 경로 내에 배치된 다른 구성요소는, 챔버의 내부 또는 외부에 배치될 수 있는, 갠트리 시스템(gantry system) 및/또는 하나 이상의 거울 검류계를 포함할 수 있는 거울-기반의 시스템과 같이, 분말 베드에 대한 레이저 빔 투사체의 위치를 변화시키기 위한 수단을 포함한다. 분말 베드와 교차되는 레이저 에너지를 변조 및/또는 성형하는 수단은 빔 변조 장치 및 광 밸브(예를 들어, 격자 광 밸브 및 평면형 광 밸브)를 포함한다. 레이저 공급원으로부터의 제어된 에너지 전달은, 국소적인 가열 및 후속 냉각 시에, 분말 층 내의 선택적인 융합을 가능하게 한다. 이어서, 작업 테이블이 하강되고, 새로운 분말 층이 분말 베드의 상단부 상으로 분배된다. 이러한 실시예에서, 분말 층은, 작업 테이블 영역 내에서 수직 작동형 분말 카트릿지(6)로부터 분말을 확산시키는 메커니즘(8)을 포함하는, 재코팅기 시스템으로 형성된다. 다른 분말 층 형성 방법은 노즐 메커니즘, 잉크젯 피착, 전기-유체 역학적 피착, 또는 초음파 피착에 의한 분말의 피착을 포함할 수 있다. 그에 따라, 3-차원적인 부품은 복수의 연속적으로 융합된 횡단면으로서 제조된다(즉, 적층적으로 제조된다). 횡단면이 평면형일 수 있으나, 반드시 그러할 필요는 없다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 2a는 제어 수단(11)으로 레이저에 의해서 노출된 분말의 층(10)을 포함하는, 복수의 융합된 층으로부터 3-차원적인 물체를 생산하는 종래 기술의 방법을 도시한다. 레이저 공급원(11)은 층(10) 상에서 실질적으로 '도트' 형상인 투사체(12)를 갖는다. 이어서, 층 내의 선택적인 융합은 희망 횡단면 내에서 한정되는 궤적을 따라서 '도트'-형상의 투사체로 분말 층을 스캐닝하는 것에 의해서 달성된다.
도 2b는 분말 융합에 의한 적층 제조에 대한 실시예를 넓게 도시한다. 분말 층(20)은 제어 수단(21)으로 레이저 공급원에 노출되고 레이저 공급원은 층(20) 상에 투사될 때 실질적으로 선형 형상(22)을 갖는다. 레이저 공급원(21)은 라인 투사체(22)의 세기 분포를 변조하기 위한 수단, 예를 들어 라인을 따라 세기를 변조하기 위한 격자 광 밸브(GLV) 또는 라인을 따라 그리고 라인에 걸쳐 세기를 변조하기 위한 평면형 광 밸브(PLV)와 같은 광 밸브를 포함한다. 예시적인 GLV 변조기 시스템은 동적으로 작동되는 큰 반사의 마이크로-리본의 행(row)을 이용하여 투사 라인에 걸친 출력 광 세기를 공간적으로 제어할 수 있는 능력을 이용한다. 구축 표면에 걸친 라인의 스캐닝 중에, 직물 또는 시트와 같은 구축 표면 상에서의 분말 또는 다른 재료 형태의 국소적인 융합을 위해서, 레이저 세기의 선형 분포는 공간적으로 그리고 시간적으로 제어된다. 어떻게 세기가 변조되는지에 대한 추가적인 예가 후술된다. GLV 또는 PLV 변조는 투사된 라인의 세기를 변조하는 단지 2개의 수단이라는 것, 그리고 공간적 광 변조를 위한 다른 수단이 이용될 수 있다는 것이 분명하다. 이러한 것은, 레이저를 국소적으로 튜닝될 수 있는 광학적 전달을 가지는 매체와 교차시키고, 그에 따라 레이저 에너지의 일부만이, 희망하는 공간적 패턴으로, 매체를 통해서 전달되고 구축 표면 상에 입사되게 하는 것을 포함할 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는, 라인 레이저 공급원(31)(도 3e)의 투사체(32)의 세기 프로파일이 그러한 라인을 따라서(y-방향) 변조될 수 있다는 것을 개략적으로 도시한다. 대안적인 실시예에서, 부품(32) 상에 투사될 때 라인 레이저 공급원(31)의 세기 프로파일은 그러한 라인을 따라서(y-방향) 그리고 그러한 라인을 가로질러(x-방향) 변조될 수 있다. 라인 레이저 공급원의 세기 프로파일은 I0(30)에서 가장 균일한 것(도 3a)으로부터 불균일한 것(도 3b)으로 변화될 수 있다. 여기에서, I0(40)에서의 층 노출이 분말의 국소적인 융합을 유발하도록, 설정 매개변수가 선택된다. 동시에, k가 0과 1 사이의 수일 때 0 또는 kI0의 세기로 표시된 것과 같은 작은 세기의 영역(41, 42 및 43)은 상응하는 영역에서 분말이 융합되지 않게 하고, 그에 따라 라인 투사체의 분리된 영역들 내의 분말의 선택적인 융합을 달성할 수 있게 한다. 세기 프로파일의 다른 예는 직사각형 및 사인파형 프로파일(도 3c, 도 3d)을 포함한다.
도 4a는, 세기 프로파일 변조 및 라인 레이저 스캐닝의 조정된, 동시적인 제어가 구축 표면 상에서의 희망하는 공간적 및 시간적 세기 패턴의 생성을 허용하는 것을 도시한다. 라인 레이저(301)는 구축 표면(300) 상으로 변조된 라인(302)을 투사한다. 그에 의해서, 라인 투사체의 세기 프로파일은 x-방향으로 라인의 스캐닝과 함께 조정에서 변조되며, 그에 따라 그 희망 지역(303)이 융합된다. 라인 투사체의 세기 프로파일은, 융합된 지역(303)의 외부 형상이 프로세스에 의해서 제어될 뿐만 아니라 융합된 지역 및 미융합 지역(예를 들어, 304)의 희망 패턴이 내부에 생성될 수 있도록 하는 방식으로 변조될 수 있다. 도 4b는, 시간(t) 중에 x 축을 따른 여기에서 도시된 바와 같은 라인의 스캐닝이 균일한 속력으로 발생될 필요가 없고 심지어 층의 스캐닝 중에 전후로 교번될 수 있다는 것을 도시한다. 이러한 스캐닝 이동은, 예를 들어, 일정 속도 및 사인파형으로 변화되는 속도의 합계일 수 있고, 레이저의 투사체로 인해서 복수의 개별적인 용융 풀이 존재하도록 그리고 하나 이상의 그러한 스캔의 완료가 융합을 희망하는 구축 표면의 전체 영역의 완전한 융합을 초래하도록, 라인을 따른 세기의 변조와 협력하여 발생될 수 있다.
도 5a 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 라인 레이저로 스캐닝할 때 복수의 개별적인 용융 풀을 형성하기 위해서 '바둑판' 패턴이 이용될 수 있다. 이러한 예에서, 노출 패턴은 각각의 층에 대해서 적어도 2개의 스테이지를 포함한다. 제1 스테이지 중에, 레이저 에너지가 공간적 및 시간적으로 변조되어 구축 표면(313) 상의 '311'로 표시된 영역에서만 융합을 유도한다. 제2 스테이지 중에, 횡단면에 따라 필요한 경우에, '312'로 표시된 영역 내에서 적어도 부분적인 융합이 유도된다. 따라서, '바둑판' 패턴은 횡단면을 따른 노출 지역을 위한 마스크로서의 역할을 한다. 시간-변화되는 구축 표면 상의 라인 투사체의 위치, 투사체의 폭, 및 투사체를 따른 세기의 분포는, 희망하는 최종 밀도 및/또는 미세조직을 가지는 구축 표면 상의 재료의 융합을 초래하기 위한 그러한 예시적인 바둑판 패턴을 달성하도록 변경된다. 이러한 경우에, '바둑판'은, 국소적으로 평행한 스캔 라인들의 상대적인 배향이 적층 제조되는 부품의 연속적인 횡단면들 내에서 및/또는 그 사이에서 변화되는, 스캔 패턴의 일반적인 표상이다.
다른 예로서, 도 5b에 도시된 것과 같이, '얼룩말' 패턴으로 에너지를 전달하는 것은 또한 용융 풀 형태의 제어를 허용한다. 제1 스캔 중에, '321'로서 표시된 영역 내에서 융합이 유도된다. '322'로 표시된 지역 내의 융합은, 영역(321)과 중첩될 수 있는 하나의 또는 몇 개의 후속 스캔 중에 유도된다. '도트' 레이저 용융과 대조적으로, 용융 풀의 폭은 레이저 '도트'의 크기에 의해서 설정되지 않고, 라인 레이저를 따른 세기의 변조 및 스캔 매개변수에 의해서 직접적으로 제어된다. 다른 예는, 상이한 스테이지들에서 노출된 지역들 사이의 보다 균일한 고결화(consolidation)를 허용할 수 있는, 후속 스테이지에 대해서 중첩되는 노출 프로파일을 가지는 패턴을 포함한다. 비록 바둑판 및 얼룩말 패턴을 설명하였지만, 얼룩말 패턴(예를 들어, 파동 및 갈매기형 패턴)과 같이 많은 연속적인 용융 풀을 공간적으로 분리하는 또는 바둑판 패턴(예를 들어, 헤링본(herringbone) 패턴)과 같이 작은 불연속적인 용융 풀을 교번화하는(alternate) 다른 패턴이 또한 가능하다.
다수의 선형 공급원의 작용이 전술한 다수의 스테이지와 동일한 방식으로 조정되도록, 다수의 스테이지의 효과가 더 짧은 양의 시간에서 다수의 조정된 선형 공급원을 이용하여 달성될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 6a 내지 도 6d는 '도트' 및 '라인' 형상의 에너지 공급원의 조합을 이용하는 추가적인 실시예를 도시한다. 하나의 예는 분말을 그 융점의 상당한 부분까지 가열하기 위한 레이저 에너지의 선형 형상의 투사체 및 빠른 국소적인 용융을 유발하는 하나 이상의 '도트' 형상의 공급원의 이용이다. 일부 경우에, 이는 선형 투사체와 도트 투사체의 교차 시에 발생될 수 있다. 대안적으로, 이러한 것은, 레이저 공급원들의 교차가 없이, 그러나 분말이 노출들 사이에서 실질적으로 냉각되지 않도록 짧은 시간 간격 이내에, 도트 및 라인 레이저로 지역을 순차적으로 노출시키는 것에 의해서 발생될 수 있다. 도 6a 내지 도 6d에 개략적으로 도시된 바와 같이, 라인 형상의 레이저 공급원(201) 및 도트 형상의 레이저 공급원(202) 모두는 에너지를 분말 베드(200)에 전달하기 위해서 이용된다. 라인 형상의 공급원만으로 분말 층을 노출시키는 것이 분말을 그 용융 온도의 상당한 부분까지 가열하도록, 그리고 도트 공급원의 이용과 같은 별개의 제어된 레이저 에너지 공급원의 이용으로 분말을 그 용융 온도까지 추가적으로 온도 상승시키는 것에 의해서 용융이 공간적으로 제어되도록, 레이저 공급원의 매개변수가 선택될 수 있다. 분말 층 상의 선형 투사체(204) 및 도트 투사체(205)의 근접도(210)가 도 6b 내지 도 6d에 도시되어 있다. 선형 투사체(212) 및 도트 투사체(213)의 완전한 중첩(도 6b)은 도트 투사체의 적어도 일부 내에서 분말 융합을 유발하는 한편, 투사체(222) 및 투사체(223)의 부분적인 중첩(도 6c)은, 예를 들어, 라인 투사체 및 도트 투사체 모두에 노출되는 지역의 교차부의 적어도 일부 내에서 융합을 유발할 수 있다. 투사체(232) 및 투사체(233)가 교차되지 않는 경우에(도 6d) 융합이 선형 투사체(232) 내에서 발생되지 않으나; 전술한 바와 같이, 이러한 경우에, 분말이 라인 투사체에 의해서 유발된 상승된 온도로부터 실질적으로 냉각되지 않도록 하기에 충분한 시간 이내에, 라인 투사체에 의해서 이전에 교차되었던 구축 표면의 지역과 도트 투사체가 교차되는 경우에, 도트 투사체에 의해서 노출된 지역 내에서 융합이 발생될 수 있다. 전술한 실시예에서의 라인 및 도트 공급원의 영향이 반대가 될 수 있다는 것, 예를 들어 도트 공급원이 온도를 상승시키지만 그 융점을 초과하지는 않게 하는 역할을 할 수 있고, 변조된 라인 공급원이 구축 표면의 특정 지역이 용융되게 할 수 있다는 것을 이해하여야 할 것이다.
도 7a 내지 도 7e는 구축 표면(700) 상으로의 변조된 라인 투사체(704)를 가지는 적어도 하나의 레이저 라인 공급원(702) 및 구축 표면(700) 상으로의 비-변조 라인 투사체(703)를 가지는 하나의 레이저 라인 공급원(701)의 조합을 이용한 선택적인 분말 융합에 대한 추가적인 실시예를 도시한다. 하나의 예는 분말을 그 융점의 상당한 부분까지 가열하기 위한 레이저 에너지의 비-변조 선형 형상의 투사체 및 국소적인 용융을 유발하는 하나 이상의 변조된 선형 형상의 투사체의 이용이다. 도 6a 내지 도 6d와 관련하여 전술한 실시예와 유사하게, 이는 비-변조 선형 투사체와 변조된 선형 투사체의 교차 시에 발생될 수 있거나, 분말이 상승된 온도로부터 실질적으로 냉각되지 않도록 하는 충분한 시간 이내의 비-변조 선형 투사체로부터 별개로 발생될 수 있다. 도 7a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 비-변조 라인 형상의 레이저 공급원(701) 및 변조된 라인 형상의 레이저 공급원(702) 모두는 에너지를 분말 베드(700)에 전달하기 위해서 이용된다. 비-변조 라인 형상의 공급원만으로 분말 층을 노출시키는 것이 분말을 그 용융 온도에 근접시키도록, 그리고 변조된 라인 공급원의 이용과 같은 부가적인 에너지가 전달되는 경우에 용융이 발생되도록, 레이저 공급원의 매개변수가 선택될 수 있다. 분말 층 상의 비-변조 선형 투사체(702) 및 변조된 선형 투사체(704)의 근접도(705)가 도 7b 내지 도 7e에 도시되어 있다.
변조된 선형 투사체가 비-변조 선형 투사체 내에 놓이도록(도 7b) 비-변조 선형 투사체(707)와 변조된 선형 투사체(706)를 완전히 중첩시키는 것은 적어도 중첩된 지역의 일부 내에서 분말 융합을 유발한다. 비-변조 선형 투사체가 변조된 선형 투사체 내에 놓이도록(도 7c) 비-변조 선형 투사체(709)와 변조된 선형 투사체(708)를 완전히 중첩시키는 것은 적어도 중첩된 지역의 일부 내에서 분말 융합을 유발한다. 투사체(710) 및 투사체(711)의 부분적인 중첩(도 7d)은, 예를 들어, 적어도 그들의 교차부의 일부 내에서 융합을 유발할 수 있다. 투사체(713) 및 투사체(712)가 교차되지 않는 경우에(도 7e) 융합이 비-변조 선형 투사체(713) 내에서 발생되지 않으나; 전술한 바와 같이, 이러한 경우에, 분말이 비-변조 선형 투사체에 의해서 유발된 상승된 온도로부터 실질적으로 냉각되지 않도록 하기에 충분한 시간 이내에, 비-변조 선형 투사체에 의해서 이전에 교차되었던 구축 표면의 지역과 변조된 선형 투사체가 교차되는 경우에, 변조된 선형 투사체(712) 내에서 융합이 발생될 수 있다.
변조된 라인 또는 도트와 교차되지 않는 분말 상의 비-변조 라인 투사체는 또한 융합이 아닌 열 처리 목적을 위해서 이용될 수 있고, 예를 들어, 층이 융합되었으나 미융합 재료의 다음 층이 아직 도포되기 전에, 잔류 응력을 해소하기 위해서 또는 그 미세조직을 제어하기 위해서 구축 표면을 상승된 온도로 가열하기 위해서 이용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 8은, 상이한 용융 온도들을 가지는 분말들과 같은 적어도 2개의 재료들의 공간적인 배열을 포함하는 구축 표면(801)의 구성을 포함하는 추가적인 실시예를 도시한다. 분말 재료(P1 804, 805, 807)로 이루어진 지역 및 분말 재료(P2 803, 806)로 이루어진 지역을 가지는 그렇게 구성된 구축 표면은, 이어서, 구축 표면(802) 상으로의 선형 투사체를 가지는 적어도 하나의 라인 레이저 공급원(800)으로 스캐닝된다. 주어진 파워 및 스캐닝 속력의 레이저 에너지 공급원에 대한 노출은 분말 재료의 하나가 융합되게 하나 분말 재료 모두가 융합되게 하지는 않는다. 도 8에서, 라인은 구축 표면을 양의 x 방향으로 스캔한다. 지역(806 및 807)을 포함하는 선형 투사체의 좌측의 구축 표면은 레이저에 이미 노출되었으나, 분말 재료(P2)로 이루어진 지역(806) 만이 융합된 반면, 분말 재료(P1)로 이루어진 지역(807)은 노출로 인해서 융합되지 않았다. 지역(803 및 804)을 포함하는 선형 투사체 우측의 구축 표면의 부분은 아직 레이저에 노출되지 않았고 그에 따라 어떠한 지점에서도 융합되지 않았다. 이러한 지역이 레이저에 일단 노출되면, 분말 재료(P2)로 이루어진 지역(803) 만이 다시 융합될 것인 반면, 분말 재료(P1)으로 이루어진 지역(804)은 융합되지 않고 유지될 것이다.
부가적으로, 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서를 이용하여 구축 표면의 온도 및 형태를 모니터링할 수 있고, 그 정보를 이용하여 빔 위치, 빔 세기 프로파일, 분말 베드 온도 및 다른 매개변수를 실시간으로 제어할 수 있다. 감지 수단은 광다이오드 또는 적외선 카메라, 파동 전파 및 반사 센서(예를 들어, 초음파, RF)를 포함할 수 있다. 센서로부터의 정보는, 제어 알고리즘과 조합되어, 레이저 에너지의 공간적 및 시간적 분포를 변조하기 위해서 이용될 수 있다. 예를 들어, 에너지의 변조는 희망 표면 온도를 유지하도록, 문턱값 내에서 온도를 유지하도록, 일차적인 융합 단계 이후에 공극을 제거하기 위해서 국소적으로 재료를 융합시키도록, 그리고 기타 등등을 하도록, 프로그래밍될 수 있다. 피드백 제어 체계는, 부품의 각각의 층의 프로세싱 중에, 구축 표면 상의 희망 전이 온도 필드를 확립하기 위해서, (예를 들어, 선형 노출 패턴 아래 및 그 주위의) 융합이 이루어지는 지역에 근접한 구축 표면의 온도의 공간적 화상화, 그리고 위치의 제어 및 레이저 공급원(들)의 세기 매개변수를 포함한다. 각각의 층의 융합 중에 또는 이후에 구축 표면의 높이를 측정하는 것, 그리고 레이저 공급원의 후속 스캔 패턴 및/또는 다음 층 내에서 전달되는 재료의 양을 결정하는 것에 의해서, 융합된 층의 높이를 모니터링 및 제어하기 위해서, 추가적인 피드백 제어 체계를 이용할 수 있다. 희망 전이 온도 필드는, 예를 들어, 융합시키고자 하는 각각의 층의 희망 횡단면과 상응하도록 프로그래밍될 수 있고, 구축 프로세스의 컴퓨터 시뮬레이션에 의해서 알 수 있다. 전술한 일 실시예에 따라서, 라인과 같은 적어도 하나의 레이저 공급원을 이용하여 구축 표면을 용융 온도 미만의 상승된 온도까지 가열하고, 도트와 같은 제2 레이저 공급원을 이용하여 희망하는 공간적 패턴으로 구축 표면을 용융시킬 수 있으며, 구축 표면의 미리 규정된 지역들이 희망 프로그램에 따라 용융 온도 미만 및 초과에서 유지되도록, 전술한 감지 및 제어 수단을 이용하여 레이저 공급원의 세기 및 위치를 변조할 수 있다.
특별한 실시예에 따라, 구축 표면 상으로 투사된 바와 같은 레이저 라인은 100 마이크로미터 정도로 길 수 있거나, 1 mm 정도로 길 수 있거나, 10 mm 정도로 길 수 있거나, 100 mm 정도로 길 수 있거나, 1 m 정도로 길 수 있다. 그러한 라인의 평균 폭은 1 마이크로미터 정도로 넓을 수 있거나, 10 마이크로미터 정도로 넓을 수 있거나, 100 마이크로미터 정도로 넓을 수 있거나, 1 mm 정도로 넓을 수 있거나, 10 mm 정도로 넓을 수 있거나, 100 mm 정도로 넓을 수 있다. (본원에서 또한 '화소'로서 지칭되는) 개별적으로 변조될 수 있는 그러한 라인의 섹션의 평균 폭은 1 마이크로미터, 10 마이크로미터, 100 마이크로미터, 1 mm, 10 mm 또는 100 mm 정도일 수 있는 한편, 라인의 최대 폭 만큼 넓을 수 있다. 세기가 라인의 길이를 따라서 뿐만 아니라 라인의 폭을 가로질러 변조될 수 없는 추가적인 실시예에서, 화소의 길이는 라인의 최대 폭 보다 짧을 수 있다. 화소는 1 마이크로미터 정도로 길을 수 있거나, 10 마이크로미터 정도로 길 수 있거나, 100 마이크로미터 정도로 길 수 있거나, 1 mm 정도로 길 수 있거나, 10 mm 정도로 길 수 있거나, 100 mm 정도로 길 수 있다. 구축 표면 상으로 투사될 때 그러한 라인의 총 파워는 1 W, 10 W, 100 W, 1,000 W, 10,000 W, 100,000 W 또는 1,000,000 W일 수 있다. 구축 표면에 대한 그러한 라인의 스캐닝 속력은 1 mm/s, 10 mm/s, 100 mm/s, 1 m/s, 10 m/s, 100 m/s 또는 1000 m/s일 수 있다. 비제한적으로, 가스 레이저(예를 들어, 일산화탄소 및 이산화탄소 레이저), 화학적 레이저(예를 들어, COIL 및 AGIL 레이저), 색소 레이저, 솔리드-스테이트 레이저 특히 벌크 레이저 및 섬유 레이저(예를 들어, Nd:YAG, NdCrYAG, Er:YAG)뿐만 아니라, 반도체 레이저(예를 들어, GaN)와 같은, 재료를 프로세스할 수 있는 모든 유형의 레이저가 라인 투사체를 위해서 이용될 수 있다.
구축 표면이 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 평균 폭은 10 mm 정도로 넓을 수 있거나, 100 mm 정도로 넓을 수 있거나, 1 m 정도로 넓을 수 있거나, 10m 정도로 넓을 수 있다. 평균 길이는 폭과 다를 수 있고, 10 mm 정도로 길 수 있거나, 100 mm 정도로 길 수 있거나, 1 m 정도로 길 수 있거나, 10 m 정도로 길 수 있거나, 100 m 정도로 길 수 있다.
금속, 세라믹, 중합체, 합금, 및 복합체와 같은 다양한 재료가 3D 부품을 형성하기 위해서 레이저로 프로세스하기 위한 구축 표면에 도포될 수 있다. 본원에서 금속은, 비제한적으로, 스테인리스 강(예를 들어, 316L 및 17-4), 구조 강(예를 들어, 마에이징 300), 경금속 및 합금( 티타늄, 알루미늄 및 알루미늄-리튬 합금), 초합금(예를 들어, 인코넬 및 하스텔로이와 같은 니켈계 합금), 경질 및 내화 금속(예를 들어, 텅스텐 및 몰리브덴), 귀금속(예를 들어, 금), 열 및 전기 전도적 금속(예를 들어, 구리 및 은)으로 언급될 수 있다. 본원에서, 세라믹은, 비제한적으로, 금속, 준금속 또는 비-금속 원자로 이루어진 무기질, 비-금속 고체로 언급될 수 있다. 예로서, 탄화물, 질화물 및 붕소화물(예를 들어, 텅스텐 및 티타늄 탄화물, 규소 질화물 및 탄화물, 그리고 붕소 질화물)뿐만 아니라, 알루미늄 산화물, 아연 산화물 및 지르코니아와 같은 산화물이 있다. 본원에서, 중합체는, 비제한적으로, 광중합체, 열가소성 물질 및 열경화성 중합체로 언급될 수 있다.
분말로서 구축 표면에 도포되는 재료의 경우에, 그러한 분말 입자는 다양한 크기, 크기 (및 평균 크기) 분포뿐만 아니라, 상이한 기하형태적 형상일 수 있다. 분말 크기 (및 평균 크기) 분포는 1 내지 1000 나노미터, 1 내지 100 마이크로미터, 10 마이크로미터 내지 1 mm의 범위일 수 있다. 또한, 나노구조물이 그러한 분말에 부가될 수 있고, 다시 말해서 기본 재료가 분말이고 제2 재료는, 1 내지 100 nm 범위의 적어도 하나의 치수를 가지는, 탄소 나노튜브(CNT) 또는 나노입자와 같은 나노 구조물일 수 있다. 또한 이러한 나노구조물이 분말의 기본 재료와 상이한 재료일 필요는 없으나, 나노입자는 그 크기로 인해서 낮은(suppressed) 용융/소결 온도를 가질 수 있다.
본 교시 내용을 여러 가지 실시예 및 예와 함께 설명하였지만, 본 교시 내용이 그러한 실시예 또는 예로 제한되지 않을 것이다. 대조적으로, 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 본 교시 내용이 여러 가지 대안예, 수정예 및 균등물을 포함한다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 예이다.

Claims (56)

  1. 적층 제조를 위한 방법이며:
    재료의 층을 하나 이상의 레이저 에너지의 투사체에 노출시키는 단계로서, 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체 중 적어도 하나는 실질적으로 선형 형상을 가지는 라인 투사체인, 단계;
    재료의 층을 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체에 노출시키는 것에 의해서 재료의 층의 적어도 일부를 융합시키는 단계; 및
    희망 형상으로 재료의 층의 일부를 융합시키기 위해서 재료의 층에 대해서 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체를 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    라인 투사체의 세기는 라인 투사체의 길이를 따라 일정한, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    레이저 에너지의 하나 이상의 투사체를 이동시키는 동안 라인 투사체의 길이 및 폭 중 적어도 하나를 변경하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    레이저 에너지의 하나 이상의 투사체 중 적어도 하나가 도트 투사체인, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    레이저 에너지의 하나 이상의 투사체를 재료의 층에 대해서 이동시키는 동안, 도트 투사체를 라인 투사체에 대해서 이동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    라인 투사체에 대한 재료의 층의 노출은 재료의 층의 적어도 일부를 재료의 층의 용융 온도 미만인 제1 온도까지 가열하고, 도트 투사체에 대한 재료의 층의 노출은 재료의 층의 일부를 재료의 층의 용융 온도보다 높은 제2 온도까지 가열하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    라인 투사체의 길이 및 라인 투사체의 폭 중 적어도 하나를 따라서 라인 투사체의 세기를 변조하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    레이저 에너지의 하나 이상의 투사체가 재료의 층에 대해서 이동될 때, 라인 투사체의 세기가 희망 패턴에 따라 변조되는, 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    라인 투사체에 노출된 지역의 약 50% 미만이 재료의 층의 용융 온도 초과의 온도까지 가열되도록, 라인 투사체의 세기가 변조되는, 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    라인 투사체에 노출된 지역의 약 25% 내지 약 75%가 재료의 층의 용융 온도 초과의 온도까지 가열되도록, 라인 투사체의 세기가 변조되는, 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    레이저 에너지의 희망하는 2-차원적인 패턴을 재료의 층에 전달하기 위해서, 라인 투사체의 세기의 변조를 재료의 층에 대한 라인 투사체의 이동과 함께 조정하는 하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    2-차원적인 패턴이 얼룩말 패턴 및 바둑판 패턴 중 적어도 하나인, 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    라인 투사체의 세기가 격자 광 밸브 및 평면형 광 밸브 변조기 중 적어도 하나를 이용하여 변조되는, 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    재료의 층의 일부를 융합시키는 단계가 재료의 층의 일부를 용융시키는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    재료의 층이 분말, 재료의 시트, 및 직물 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    분말이 금속 입자, 세라믹 입자, 및 중합체 입자 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    재료의 층은 분말과 혼합된 나노구조물을 더 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    나노구조물은 플러렌, 탄소 나노튜브, 및 그래핀 시트 중 적어도 하나를 포함하는 탄소-계 나노구조물인, 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    분말은 크기가 0.01 마이크로미터 내지 100 마이크로미터인 입자를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    분말은 크기가 1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터인 입자를 포함하는, 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    분말은 크기가 10 마이크로미터 내지 1 mm인 입자를 포함하는, 방법.
  22. 제1항에 있어서,
    재료의 층을 구축 표면 상에 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    재료의 층을 제공하는 단계는 분말 확산 시스템, 잉크젯 피착 시스템, 전자-유압식 피착 시스템, 및 압출 노즐 중 적어도 하나로 재료의 층을 피착시키는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 제1항에 있어서,
    재료의 층의 적어도 하나의 성질을 측정하는 단계, 및 적어도 하나의 측정된 특성을 기초로, 하나 이상의 레이저 투사체의 세기 및 하나 이상의 레이저 투사체의 이동 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    재료의 층의 적어도 하나의 특성은 광학적 카메라, 광학적 거리 센서, 적외선 센서, 적외선 카메라, 음향 방출 센서, X-레이 방출 센서, 또는 초음파 방출 센서 중 적어도 하나로 측정되는, 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    적어도 하나의 특성이 재료의 층의 온도인, 방법.
  27. 제25항에 있어서,
    적어도 하나의 특성이 재료의 층의 높이인, 방법.
  28. 적층 제조를 위한 방법이며:
    재료의 층을 구축 표면 상에 제공하는 단계로서, 재료의 층은 제1 용융 온도를 가지는 제1 재료 및 제1 용융 온도보다 높은 제2 용융 온도를 가지는 제2 재료를 포함하는, 단계;
    제1 및 제2 재료를 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체에 노출시키는 단계로서, 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체의 적어도 하나는 실질적으로 선형 형상을 가지는 라인 투사체이고, 레이저 에너지의 투사체에 대한 제1 및 제2 재료의 노출은 제1 용융 온도보다 높고 제2 용융 온도보다 낮은 온도까지 제1 및 제2 재료를 가열하는, 단계; 및
    제1 및 제2 재료를 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체에 노출시키는 것에 의해서 제1 재료의 적어도 일부를 융합시키는 단계를 포함하는, 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    제1 및 제 2 재료는 희망하는 형상 및 희망하는 조성 중 적어도 하나에 따라 구축 표면 상에 배치되는, 방법.
  30. 제28항에 있어서,
    제1 및 제2 재료는 금속 분말, 세라믹 분말, 및 중합체 분말 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    제1 재료는 금속 분말을 포함하고 제2 재료는 세라믹 분말을 포함하는, 방법.
  32. 제28항에 있어서,
    레이저 에너지의 하나 이상의 투사체를 재료의 층에 대해서 이동시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  33. 제28항에 있어서,
    제1 및 제2 재료 중 적어도 하나가 나노구조물을 포함하는, 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    나노구조물은 플러렌, 탄소 나노튜브, 및 그래핀 시트 중 적어도 하나를 포함하는 탄소-계 나노구조물인, 방법.
  35. 제28항에 있어서,
    제1 재료 및 제2 재료 중 적어도 하나는 크기가 0.01 마이크로미터 내지 100 마이크로미터인 분말 입자를 포함하는, 방법.
  36. 제35항에 있어서,
    분말은 크기가 1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터인 입자를 포함하는, 방법.
  37. 제35항에 있어서,
    분말은 크기가 10 마이크로미터 내지 1 mm인 입자를 포함하는, 방법.
  38. 제28항에 있어서,
    구축 표면 상에 재료의 층을 제공하는 단계는 분말 확산 시스템, 잉크젯 피착 시스템, 전자-유압식 피착 시스템, 및 압출 노즐 중 적어도 하나로 재료의 층을 피착시키는 단계를 포함하는, 방법.
  39. 제38항에 있어서,
    제1 및 제2 재료가 별개로 구축 표면 상에 피착되는, 방법.
  40. 제B1항에 있어서,
    재료의 층의 적어도 하나의 성질을 측정하는 단계, 및 적어도 하나의 측정된 특성을 기초로, 하나 이상의 레이저 투사체의 세기 중 적어도 하나를 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  41. 제40항에 있어서,
    재료의 층의 적어도 하나의 특성은 광학적 카메라, 광학적 거리 센서, 적외선 센서, 적외선 카메라, 음향 방출 센서, X-레이 방출 센서, 또는 초음파 방출 센서 중 적어도 하나로 측정되는, 방법.
  42. 제41항에 있어서,
    적어도 하나의 특성이 제1 재료 및 제2 재료의 적어도 하나의 온도인, 방법.
  43. 제41항에 있어서,
    적어도 하나의 특성이 재료의 층의 높이인, 방법.
  44. 적층 제조를 위한 장치이며:
    구축 표면;
    구축 표면 상으로 재료의 층을 피착시키도록 구성된 재료 피착 시스템;
    재료의 층을 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체에 노출시키도록 구성된 하나 이상의 레이저 에너지의 공급원으로서, 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체에 대한 재료의 층의 노출은 재료의 층의 적어도 일부를 융합시키고, 레이저 에너지의 하나 이상의 공급원의 적어도 하나는 실질적으로 선형 형상을 가지는 라인 투사체를 형성하도록 구성되는, 하나 이상의 레이저 에너지의 공급원을 포함하는, 장치.
  45. 제44항에 있어서,
    구축 표면이 챔버 내에서 둘러싸이는, 장치.
  46. 제45항에 있어서,
    챔버는 제어된 대기를 가지는, 장치.
  47. 제45항에 있어서,
    재료 피착 시스템이 챔버 내에서 둘러싸이는, 장치.
  48. 제45항에 있어서,
    레이저 에너지의 하나 이상의 공급원이 챔버의 외부에 배치되고, 하나 이상의 공급원으로부터의 레이저 에너지는 챔버의 하나의 표면 내의 창을 통과하는, 장치.
  49. 제44항에 있어서,
    재료 피착 시스템은 분말 확산 시스템, 잉크젯 피착 시스템, 전자-유압식 피착 시스템, 및 압출 노즐 중 적어도 하나를 포함하는, 장치.
  50. 제44항에 있어서,
    재료 피착 시스템은 금속 재료, 세라믹 재료, 중합체 재료, 및 액체 재료 중 적어도 하나를 피착시키도록 구성되는, 장치.
  51. 제44항에 있어서,
    구축 표면은 레이저 에너지의 하나 이상의 공급원에 대해서 이동될 수 있는, 장치.
  52. 제44항에 있어서,
    레이저 공급원의 적어도 하나는 도트 투사체를 형성하도록 구성되는, 장치.
  53. 제44항에 있어서,
    레이저 에너지의 하나 이상의 공급원 중 적어도 하나와 연관되는 세기 변조기를 더 포함하는, 장치.
  54. 제53항에 있어서,
    세기 변조기는 격자 광 밸브 및 평면형 광 밸브 변조기 중 적어도 하나를 포함하는, 장치.
  55. 제44항에 있어서,
    제2 구축 표면을 더 포함하고, 레이저 에너지의 하나 이상의 공급원은 각각의 구축 표면 및 제2 구축 표면 상의 재료를 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체에 노출시키도록 구성되고, 제2 구축 표면은 제1 구축 표면에 대해서 이동 가능한, 장치.
  56. 제44항에 있어서,
    레이저 에너지의 하나 이상의 공급원과 연관되고 구축 표면에 대한 레이저 에너지의 하나 이상의 투사체의 위치를 조정하도록 구성된 거울-기반의 시스템을 더 포함하는, 장치.
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