KR20180043303A - 적층 제조를 위한 파우더 전달 - Google Patents

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KR20180043303A
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호우 티. 응
라아난 제하비
나그 비. 파티반들라
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

장치는 플래튼, 및 플래튼 위에 놓인 디스펜싱 시스템을 포함한다. 디스펜싱 시스템은 파우더 소스를 포함한다. 디스펜싱 시스템은 플래튼의 최상부면에 걸쳐 연장되는 파우더 컨베이어, 파우더 컨베이어의 길이방향 축을 따라 동축으로 배열된 링들, 및 튜브의 길이를 따라 연장되는 캡 플레이트를 더 포함한다. 파우더 컨베이어는 파우더 소스로부터 파우더를 수용하도록 구성된다. 파우더 컨베이어는 파우더를 이동시키도록 구성된다. 링들은 파우더를 담기 위해 파우더 컨베이어를 둘러싸는 튜브를 형성한다. 각각의 동심 링은 링 개구를 포함한다. 각각의 링은 독립적으로 회전가능하도록 구성된다. 캡 플레이트는 캡 플레이트 개구를 포함한다. 링 개구 및 캡 플레이트 개구가 정렬될 때, 파우더는 튜브로부터 링 개구 및 캡 플레이트 개구를 통해 디스펜싱된다.

Description

적층 제조를 위한 파우더 전달
본 명세서는 3D 프린팅이라고도 알려져 있는 적층 제조(additive manufacturing)에 관한 것이다.
입체 임의형상 제작(solid freeform fabrication) 또는 3D 프린팅이라고도 알려져 있는 적층 제조(additive manufacturing)(AM)는 원재료(예를 들어, 파우더, 액체, 현탁액, 또는 용해된 고체)를 2차원 층들로 연속적으로 디스펜싱하여 3차원 개체들이 구축되는 제조 프로세스를 지칭한다. 대조적으로, 전통적인 머시닝 기술들은 개체들이 스톡 재료(stock material)(예를 들어, 나무, 플라스틱, 또는 금속의 블록)로부터 절단되는 절삭 프로세스들(subtractive processes)을 포함한다.
적층 제조에서는 다양한 적층 프로세스들이 이용될 수 있다. 일부 방법들은 층들을 생성하기 위해, 예를 들어, 선택적 레이저 용해(selective laser melting)(SLM) 또는 직접 금속 레이저 소결(direct metal laser sintering)(DMLS), 선택적 레이저 소결(selective laser sintering)(SLS), 용융 퇴적 모델링(fused deposition modeling)(FDM)과 같이, 재료를 용해하거나 연화(soften)하는 한편, 다른 방법들은 상이한 기술들, 예를 들어 스테레오리소그래피(stereolithography)(SLA)를 이용하여 액체 재료들을 경화(cure)한다. 이러한 프로세스들은 완성된 개체들을 생성하기 위해 층들이 형성되는 방식, 및 프로세스들에서의 이용에 호환가능한 재료들에 있어서 차이가 있을 수 있다.
종래의 시스템들은 파우더형 재료를 소결 또는 용해하기 위해 에너지 소스를 이용한다. 제1 층 상의 선택된 위치들 전부가 소결 또는 용해된 다음, 재고체화되고(re-solidified) 나면, 파우더형 재료의 새로운 층이 완성된 층의 최상부에 퇴적되고, 프로세스는 요구되는 개체가 생성될 때까지 층별로 반복된다.
일 양태에서, 개체를 형성하기 위한 적층 제조 장치는 형성되고 있는 개체를 지지하기 위한 플래튼; 플래튼 위에 놓인(overlying) 디스펜싱 시스템; 및 파우더의 용융된 부분을 형성하기 위해, 플래튼의 최상부면 상에 디스펜싱된 파우더에 에너지를 인가하기 위한 에너지 소스를 포함한다. 디스펜싱 시스템은 플래튼의 최상부면 위에 디스펜싱될 파우더를 유지하도록 구성된 파우더 소스, 및 플래튼의 최상부면에 걸쳐 연장되는 파우더 컨베이어를 포함한다. 파우더 컨베이어는 파우더 소스로부터 파우더를 수용하도록 구성된 근위 단부(proximal end)를 포함한다. 파우더 컨베이어는 파우더 컨베이어 내에서 운반되는 파우더를 파우더 컨베이어의 길이를 따라 이동시키도록 구성된다. 디스펜싱 시스템은 파우더 컨베이어의 길이방향 축을 따라 동축으로(coaxially) 배열된 링들을 또한 포함한다. 링들은 파우더 컨베이어를 둘러싸는 튜브를 형성하고, 파우더를 담도록 구성된다. 각각의 동심 링은 적어도 하나의 링 개구를 포함한다. 디스펜싱 시스템은 튜브의 길이를 따라 연장된 캡 플레이트를 또한 포함한다. 캡 플레이트는 적어도 하나의 캡 플레이트 개구를 포함한다. 각각의 링은 각각의 동심 링의 적어도 하나의 링 개구가 적어도 하나의 캡 플레이트 개구와 정렬되게 또는 정렬되지 않게 이동가능하도록 독립적으로 회전가능하게 구성된다. 적어도 하나의 링 개구 및 적어도 하나의 캡 플레이트 개구가 정렬될 때, 파우더는 적어도 하나의 링 개구 및 적어도 하나의 캡 플레이트 개구를 통해 튜브로부터 디스펜싱된다.
특징들은 이하의 것들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 파우더 컨베이어는 파우더 컨베이어 내에서 운반되는 파우더를 파우더 컨베이어의 길이를 따라 이동시키기 위해 파우더 컨베이어의 길이방향 축에 대해 회전가능할 수 있다. 파우더 컨베이어는 파우더 컨베이어의 길이방향 축과 동축인 스크류 컨베이어(screw conveyor)를 더 포함할 수 있고, 스크류 컨베이어는 스크류 컨베이어가 회전할 때, 스크류 컨베이어가 파우더 컨베이어 내에서 운반되는 파우더를 파우더 컨베이어의 길이를 따라 이동시키도록, 파우더 컨베이어의 길이방향 축에 대해 회전가능할 수 있다.
스크류 컨베이어는, 스크류 컨베이어가 길이방향 축에 대해 제1 방향으로 회전할 때, 스크류 컨베이어가 파우더를 길이방향 축을 따라 파우더 컨베이어의 근위 단부로부터 멀리 운반하도록 구성될 수 있다. 스크류 컨베이어는, 스크류 컨베이어가 길이방향 축에 대해 제2 방향으로 회전할 때, 스크류 컨베이어가 파우더를 길이방향 축을 따라 파우더 컨베이어의 근위 단부를 향해 운반하도록 더 구성될 수 있다. 적층 제조 장치는 스크류 컨베이어를 구동하기 위한 모터, 및 모터에 결합된 제어기를 더 포함할 수 있다. 제어기는 스크류 컨베이어로 하여금, 개체를 형성하기 위한 파우더의 디스펜싱 동안 제1 방향의 회전과 제2 방향의 회전 사이에서 교대하게 하도록 구성될 수 있다. 스크류 컨베이어는 스크류 컨베이어가 제1 방향으로 회전할 때 파우더를 압축하도록 구성될 수 있다. 제어기는 스크류 컨베이어로 하여금 디스펜싱 전에, 파우더가 튜브의 실질적으로 전체를 따라 연장될 때까지 제1 방향으로 회전하게 하도록 구성될 수 있다.
각각의 링은 그 링 주위에 각도 이격된(spaced angularly) 둘 이상의 위치를 포함할 수 있고, 각각의 위치는 하나 이상의 개구를 갖고, 개구들의 개수 및 개구 크기의 개별적 조합을 갖는다. 각각의 링은 상이한 위치가 적어도 하나의 캡 플레이트 개구와 정렬되도록 위치들 사이에서 이동가능할 수 있다. 조합은 각각의 동심 링의 적어도 하나의 캡 플레이트 개구를 더 정의할 수 있다. 조합은 각각의 동심 링에 대해 적어도 하나의 캡 플레이트 개구의 위치, 및 개구들의 개수를 더 포함할 수 있다.
파우더 컨베이어의 원위 단부(distal end)는 플래튼의 최상부면에 걸쳐 연장될 수 있다. 파우더 컨베이어의 원위 단부는 파우더가 원위 단부를 통해 파우더 컨베이어를 빠져나가는 것을 방지하도록 폐쇄될 수 있다. 적어도 하나의 캡 플레이트 개구는 캡 플레이트의 길이방향 축을 따라 연장되는 슬롯을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 캡 플레이트 개구는 각각의 링에 대해 둘 이상의 개구를 포함할 수 있다. 튜브는 캡 플레이트를 둘러쌀 수 있거나, 캡 플레이트는 튜브를 둘러쌀 수 있다.
각각의 동심 링의 구동 시스템은 파우더 컨베이어의 길이방향 축으로부터 오프셋되고 파우더 컨베이어의 길이방향 축에 평행한 회전 축을 갖는 모터를 포함할 수 있다. 구동 시스템은 모터의 회전 축에 대한 모터의 회전이 파우더 컨베이어의 길이방향 축에 대한 동심 링의 회전을 야기하도록 모터에 연결되는 링키지 시스템(linkage system)을 더 포함할 수 있다. 동심 링들 각각의 구동 시스템의 모터는 개별적 샤프트 길이를 포함할 수 있다. 각각의 동심 링의 구동 시스템은 동심 링을 오거 컨베이어(auger conveyor)의 길이방향 축에 대해 회전시키기 위해 자기장을 발생시키도록 구성된 솔레노이드를 포함할 수 있다.
디스펜싱 시스템은 제1 디스펜싱 시스템일 수 있다. 파우더는 제1 파우더일 수 있다. 적층 제조 장치는 플래튼의 최상부면 위에 디스펜싱될 제2 파우더를 수용하도록 구성된 제2 디스펜싱 시스템을 더 포함할 수 있다. 제2 파우더는 제1 파우더의 직경보다 작은 직경을 포함할 수 있다.
에너지 소스는 파우더에 에너지를 인가하도록 구성된 가열기들을 포함할 수 있다. 가열기는 적어도 하나의 링 개구 및 동심의 적어도 하나의 캡 플레이트 개구를 통해 디스펜싱되는 파우더에 에너지가 선택적으로 인가되도록 어드레싱가능할 수 있다.
다른 양태에서, 디스펜싱된 시스템은 플래튼의 최상부면에 걸쳐 디스펜싱될 파우더를 유지하도록 구성된 파우더 소스를 포함한다. 디스펜싱 시스템은 플래튼의 최상부면에 걸쳐 연장되는 파우더 컨베이어를 더 포함한다. 파우더 컨베이어는 파우더 소스로부터 파우더를 수용하도록 구성된 근위 단부를 포함한다. 파우더 컨베이어는 파우더 컨베이어 내에서 운반되는 파우더를 파우더 컨베이어의 길이를 따라 이동시키도록 구성된다. 디스펜싱 시스템은 파우더 컨베이어의 길이방향 축을 따라 동축으로 배열된 링들을 또한 포함한다. 링들은 파우더 컨베이어를 둘러싸고 파우더를 담도록 구성된 튜브를 형성한다. 각각의 동심 링은 적어도 하나의 링 개구를 포함한다. 디스펜싱 시스템은 튜브의 길이를 따라 연장된 캡 플레이트를 포함한다. 캡 플레이트는 적어도 하나의 캡 플레이트 개구를 포함한다. 각각의 링은 각각의 동심 링의 적어도 하나의 링 개구가 적어도 하나의 캡 플레이트 개구와 정렬되게 또는 정렬되지 않게 이동가능하도록 독립적으로 회전가능하게 구성된다. 파우더는 적어도 하나의 링 개구 및 적어도 하나의 캡 플레이트 개구가 정렬될 때, 적어도 하나의 링 개구 및 적어도 하나의 캡 플레이트 개구를 통해 튜브로부터 디스펜싱된다.
상술한 것의 이점들은 이하의 것을 포함할 수 있지만, 그에 한정되지는 않는다. 개체를 형성하는 효율, 및 적층 제조의 전체적인 수율의 증가는 증가될 수 있다. 디스펜싱 시스템은 파우더가 적층 제조 장치의 플랫폼 상에 병렬로 디스펜싱될 수 있는 수 개의 경로를 포함할 수 있다. 이러한 복수의 이용가능한 경로는 구축 플랫폼 상에의 파우더의 배치가 제어될 수 있도록 독립적으로 제어될 수 있다.
본 명세서에 설명된 발명의 주제의 하나 이상의 구현의 상세가 이하의 설명 및 첨부 도면에 제시된다. 다른 잠재적 특징들, 양태들 및 이점들은 설명, 도면 및 청구항들로부터 명백할 것이다.
도 1a는 적층 제조 장치의 일례의 개략적 측면도이다.
도 1b는 도 1a의 적층 제조 장치의 개략적 상부도이다.
도 2는 프린트헤드의 정면 사시 컷어웨이 도면이다.
도 3a는 디스펜싱 시스템의 정면 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 디스펜싱 시스템의 정면 사시 단면도이다.
도 3c는 도 3a의 디스펜싱 시스템의 확대된 정면 사시 단면도이다.
도 3d는 도 3a의 디스펜싱 시스템의 하부도이다.
도 3e는 도 3a의 디스펜싱 시스템의 정면도이다.
도 3f는 도 3a의 디스펜싱 시스템의 상부도이다.
도 3g는 도 3a의 디스펜싱 시스템을 위한 파우더 컨베이어의 확대된 상부 컷어웨이 도면이다.
도 4a는 디스펜싱 시스템을 위한 링의 하부 사시도이다.
도 4b는 도 4a의 링의 하부도이다.
도 5a는 디스펜싱 시스템을 위한 캡 플레이트의 하부 사시도이다.
도 5b는 도 5a의 캡 플레이트의 하부도이다.
도 6a 내지 도 6f는 디스펜싱 시스템을 위한 링 및 캡 플레이트의 상이한 구성들의 정면 단면도들이다.
다양한 도면들 내의 유사한 참조 번호 및 명칭은 유사한 구성요소를 나타낸다.
적층 제조(AM) 장치들은 구축 플랫폼 상에 파우더의 연속적 층들을 디스펜싱하고 용융시킴으로써 개체를 형성할 수 있다. 구축 스테이지 상에서 파우더가 디스펜싱되는 영역의 제어가 바람직하다. 예를 들어, 제어가능한 디스펜서는 개체의 기하형상의 제어를 허용할 수 있거나, 간단하게는 개체를 지지하지 않을 구축 플랫폼의 영역들 내에서의 파우더의 디스펜싱을 회피하여 파우더의 소비를 감소시키기 위해 이용될 수 있다.
아래에 설명되는 디스펜싱 시스템은 장치가 구축 플랫폼 상에 파우더를 선택적으로 디스펜싱할 수 있게 하는 제어가능하고 이동가능한 구조물들을 포함할 수 있다. 선택적으로(optionally), 디스펜싱 시스템의 제어가능하고 이동가능한 구조물들은 또한 파우더 디스펜싱 속도(powder dispensing rate)의 제어를 가능하게 하고, 그러한 파우더 디스펜싱 속도는 국부화되고 정밀한 디스펜싱을 위해서는 낮게 선택될 수 있고, 또는 높은 수율의 디스펜싱을 위해서는 높게 선택될 수 있다.
적층 제조 장치
도 1a는 구축 동작 동안 파우더를 디스펜싱하여 개체를 형성하기 위한 디스펜싱 시스템을 포함하는 예시적인 적층 제조(AM) 장치(100)의 개략적 측면도를 보여준다. 장치(100)는 프린트헤드(102) 및 구축 플랫폼(104)(예를 들어, 구축 스테이지)을 포함한다. 프린트헤드(102)는 파우더(106)를 디스펜싱하고, 선택적으로, 플랫폼(104) 상에 디스펜싱된 파우더(106)를 용융시킨다. 선택적으로, 아래에 설명되는 바와 같이, 프린트헤드(102)는 또한 플랫폼(104) 상에 제2 파우더(108)를 디스펜싱 및/또는 용융시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 프린트헤드(102)는 플랫폼(104)을 횡단(traverse)하도록 구성된 갠트리(gantry)(예를 들어, 플랫폼, 지지체)(110) 상에 지지된다. 갠트리(110)는 수평으로 연장된 지지체를 포함할 수 있고, 그 위에 프린트헤드들이 장착된다. 예를 들어, 갠트리(110)는 전방 방향(109)에 평행한 제1 축을 따라 플랫폼(104)을 가로질러 이동하도록, 선형 액추에이터 및/또는 모터에 의해 레일들(119)을 따라 구동될 수 있다. 일부 구현들에서, 프린트헤드(102)는 제1 축에 수직한 수평 제2 축(115)을 따라 갠트리(110)를 따라 이동할 수 있다. 제1 및 제2 축 둘 다를 따른 이동은 프린트헤드(102) 및 그 시스템들이 갠트리(110) 아래의 플랫폼(104)의 상이한 부분들에 도달하는 것을 가능하게 한다. 갠트리(110)를 따른 프린트헤드(102)의 이동, 및 레일들(119)을 따른 갠트리(110)의 이동은 프린트헤드(102)의 이동도(mobility)의 복수의 자유도(degrees of freedom)를 제공한다. 프린트헤드(102)가 구축 플랫폼(104)의 사용가능한 영역(예를 들어, 파우더가 디스펜싱되고 용융될 수 있는 영역) 위에 선택적으로 위치될 수 있도록, 프린트헤드(102)는 구축 플랫폼(104)보다 높고 구축 플랫폼에 평행한 평면을 따라 이동할 수 있다.
프린트헤드(102) 및 갠트리(110)는 구축 플랫폼(104)의 사용가능한 영역을 스캐닝하기 위해 협력할 수 있고, 그에 의해 프린트헤드(102)가 개체를 형성하는 데에 필요한 대로 구축 플랫폼(104)을 따라 파우더를 디스펜싱할 수 있게 한다. 도 1b에 도시된 것과 같은 예에서, 프린트헤드(102)는 구축 플랫폼(104)을 따라 순 방향(109)으로 스캐닝할 수 있다. 프린트헤드(102)는 파우더의 층의 제1 스트라이프를 퇴적하기 위해 제1 시간 동안 구축 플랫폼(104)의 제1 단부(111)로부터 제2 단부(113)까지 구축 플랫폼(104)을 가로질러 이동한다. 다음으로, 프린트헤드(102)는 제1 단부(111)로 복귀할 수 있고, 수평 제2 축(115)을 따라 횡방향으로 이동할 수 있으며, 제1 스트라이프에 평행하게 구축 플랫폼(104) 상에 제2 스트라이프를 퇴적하기 위해 제2 시간 동안 구축 플랫폼(104)을 가로질러 다시 전방 방향(109)으로의 이동을 시작할 수 있다. 프린트헤드(102)가 2가지 이상의 상이한 크기의 파우더를 디스펜싱하는 경우, 프린트헤드(102)는 플랫폼(104)을 가로지르는 단일 패스(single pass) 동안 2가지 이상의 상이한 파우더를 디스펜싱할 수 있다.
대안적으로, 갠트리(110)는 플랫폼(104)의 폭에 걸친 둘 이상의 프린트헤드를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 수평 제2 축(115)을 따른 횡방향으로의 프린트헤드(102)의 움직임은 필요하지 않을 수 있다.
프린트헤드(102)의 컷어웨이 도면을 보여주는 도 1a 및 도 2를 참조하면, 프린트헤드(102)는 구축 플랫폼(104) 상에 파우더(106)를 선택적으로 디스펜싱하기 위해 제1 디스펜싱 시스템(116)을 적어도 포함한다.
장치(100)는 구축 플랫폼(104) 상의 파우더의 층에 선택적으로 에너지를 추가하기 위한 에너지 소스(114)를 또한 포함한다. 에너지 소스(114)는 프린트헤드(102)에 통합될 수 있거나, 갠트리(110) 상에 장착될 수 있거나, 예를 들어 구축 플랫폼(104)을 둘러싸는 프레임 상에, 또는 구축 플랫폼(104)을 둘러싸는 챔버 벽 상에 별도로 장착될 수 있다.
일부 구현들에서, 에너지 소스(114)는 파우더의 층의 작은 영역의 온도를 증가시키는 포커싱된 에너지의 빔을 발생시키는 스캐닝 레이저를 포함할 수 있다. 에너지 소스(114)는 예를 들어 소결 프로세스, 용해 프로세스, 또는 다른 프로세스를 이용하여 파우더를 용융시켜서, 파우더가 재료의 고체 덩어리를 형성하게 할 수 있다. 일부 경우들에서, 에너지 소스(114)는 이온 빔 또는 전자 빔을 포함할 수 있다.
에너지 소스들(114)은, 프린트헤드(102)가 전방 방향(109)으로 전진할 때, 에너지 소스들이 디스펜싱 시스템(116)에 의해 디스펜싱되는 파우더의 라인들을 커버할 수 있도록, 프린트헤드(102) 상에 위치될 수 있다. 장치(100)가 복수의 디스펜싱 시스템을 포함할 때, 프린트헤드(102)는 디스펜싱 시스템들 각각에 대한 에너지 소스를 선택적으로 또한 포함할 수 있다. 장치가 복수의 열 소스를 포함하는 경우, 에너지 소스들은 열 소스들 중 하나의 바로 앞에 각각 위치될 수 있다.
선택적으로, 장치는 퇴적된 파우더의 온도를 상승시키도록 열을 지향시키기 위한 열 소스(112)를 포함할 수 있다. 열 소스(112)는 퇴적된 파우더를 파우더의 소결 또는 용해 온도보다 낮은 온도로 가열할 수 있다. 열 소스(112)는 예를 들어 열 램프 어레이일 수 있다. 에너지 소스(114)는 프린트헤드(102)에 통합될 수 있거나, 갠트리(110) 상에 장착될 수 있거나, 예를 들어 구축 플랫폼(104)을 둘러싸는 프레임 상에, 또는 구축 플랫폼(104)을 둘러싸는 챔버 벽 상에 별도로 장착될 수 있다. 열 소스(112)는 프린트헤드(102)의 순 이동 방향(109)에 대해서 제1 디스펜싱 시스템(116) 뒤에 위치될 수 있다. 프린트헤드(102)가 전방 방향(109)으로 이동할 때, 열 소스(112)는 제1 디스펜싱 시스템(116)이 이전에 위치되어 있던 영역을 가로질러 이동한다.
일부 구현들에서, 열 소스(112)는 개별적으로 제어가능한 광원들의 어레이의 형태로 된, 디지털적으로 어드레싱가능한 열 소스이다. 어레이는 예를 들어 플랫폼(104) 위에 위치된 수직 공동 표면 발광 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser)(VCSEL) 칩들을 포함한다. 어레이는 프린트헤드(102) 내에 있을 수 있거나, 프린트헤드(102)로부터 분리될 수 있다. 제어가능한 광원들의 어레이는 플랫폼(104)을 가로질러 스캐닝하기 위해 구동 시스템의 액추에이터에 의해 구동되는 선형 어레이일 수 있다. 일부 경우들에서, 어레이는 개별적으로 제어가능한 광원들의 부분집합을 작동시킴으로써 층의 영역들을 선택적으로 가열하는 완전한 2차원 어레이이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 열 소스는 파우더의 전체 층을 동시에 가열하기 위한 램프 어레이를 포함한다. 램프 어레이는 프린트헤드(102)의 일부일 수 있거나, 장치(100)의 일부이지만 프린트헤드(102)로부터는 분리된 독립적인 열 소스 유닛일 수 있다.
일부 구현들에서, 구축 플랫폼(104)은 구축 플랫폼(104) 상에 디스펜싱된 파우더를 가열할 수 있는 가열기를 포함할 수 있다. 가열기는 프린트헤드(102)의 열 소스(112)에 대한 대안일 수 있거나 열 소스(112)에 추가될 수 있다.
선택적으로, 프린트헤드(102) 및/또는 갠트리(110)는 디스펜싱 시스템(116)에 의해 디스펜싱된 파우더를 압축하고 분산시키기 위해 먼저 디스펜싱 시스템(116)과 협력하는 제1 스프레더(118), 예를 들어 롤러 또는 블레이드를 또한 포함할 수 있다. 스프레더(118)는 실질적으로 균일한 두께를 갖는 층을 제공할 수 있다. 일부 경우들에서, 제1 스프레더(118)는 파우더를 압축하기 위해 파우더의 층을 누를 수 있다.
프린트헤드(102) 및/또는 갠트리(110)는 디스펜싱 시스템(116)에 의해 디스펜싱된 파우더뿐만 아니라 장치(100)의 속성들을 검출하기 위해 제1 감지 시스템(120) 및/또는 제2 감지 시스템(122)을 또한 선택적으로 포함할 수 있다.
일부 구현들에서, 프린트헤드(102)는 제2 파우더(108)를 디스펜싱하기 위해 제2 디스펜싱 시스템(124)을 포함한다. 제2 스프레더(126)는 제2 파우더(108)를 분산 및 압축하기 위해 제2 디스펜싱 시스템(124)과 함께 동작할 수 있다. 장치(100), 예를 들어 프린트헤드(102) 또는 갠트리(110)는 제1 열 소스(112)와 마찬가지로 구축 플랫폼(104)의 큰 영역들 내의 파우더에 열을 지향시키는 제2 열 소스(125)를 또한 포함할 수 있다.
제어기(128)는 에너지 소스(114), 열 소스(112)(존재하는 경우), 및 디스펜싱 시스템(116)의 동작들을 조정할 수 있다. 제어기(128)는 파우더(106)를 디스펜싱하기 위해 디스펜싱 시스템(116)을 동작시킬 수 있고, 파우더(106)를 용융시켜 형성될 개체로 되는 워크피스(130)를 형성하기 위해 에너지 소스(114) 및 열 소스(112)를 동작시킬 수 있다.
제어기(128)는 예를 들어 구축 플랫폼(104) 상에 디스펜싱되는 파우더(106)의 분포 및 두께를 제어하기 위해 제1 디스펜싱 시스템(116)을 동작시킬 수 있다. 각각의 층의 두께는 예를 들어 파우더 입자들(106)의 평균 직경, 또는 층의 높이를 통해 적층되는 파우더 입자들(106)의 개수에 의존한다. 일부 구현들에서, 파우더 입자들(106)의 각각의 층은 단일 입자 두께이다. 일부 경우들에서, 각각의 층은 복수의 파우더 입자(106)가 서로의 최상부에 적층되는 것에 기인하는 두께를 갖는다.
일부 구현들에서, 층의 높이는 파우더 입자들(106)의 분포 밀도, 예를 들어 파우더 입자들(106)이 얼마나 조밀하게 패킹되는지에 또한 의존한다. 파우더(106)의 압축의 레벨은 디스펜싱되는 각각의 층의 두께에 영향을 줄 수 있다. 파우더(106)의 더 높은 레벨의 압축은 더 낮은 레벨의 압축에서 동일한 개수의 입자들로 형성된 층에 비교하여, 디스펜싱된 층의 두께를 감소시킬 수 있다. 더 높은 레벨의 압축은 층에 걸쳐서 두께의 균일성을 더 증가시킬 수 있고, 층을 용해하는 데에 필요한 레이저 체류 시간(laser residency time)을 감소시킬 수 있다. 각각의 층의 두께, 및 파우더의 압축은 그 층 내에 형성되고 있는 개체의 부분의 기하형상에 대해 요구되는 해상도를 제어하도록 선택될 수 있다.
각각의 층에 대해 디스펜싱되는 파우더의 분포, 예를 들어 각각의 층 내에서의 파우더의 위치들은 적층 제조 장치의 구현에 기초하여 달라질 수 있다. 일부 경우들에서, 제1 디스펜싱 시스템(116)은 일부 부분들은 파우더를 포함하고 일부 부분들은 파우더를 포함하지 않도록 구축 스테이지에 걸쳐서 파우더들의 층을 선택적으로 디스펜싱할 수 있다. 일부 구현들에서, 제1 디스펜싱 시스템(116)은 작업 표면 상에 재료들의 균일한 층을 디스펜싱할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 디스펜싱 시스템(116)은 파우더 호퍼(powder hopper)(131) 내에 파우더(106)를 수용한다. 다음으로, 파우더(106)는 채널(136)을 통해 이동한다. 파우더 호퍼(131)는 파우더로 채워질 수 있고, 그에 의해 파우더 호퍼(131)는 디스펜싱 동작 동안 채널(136)을 위한 파우더 소스의 역할을 한다. 제1 디스펜싱 시스템(116)은 채널(136)로부터 연장되는 수 개의 이용가능한 개구 또는 홀 중 하나 이상을 통해 구축 플랫폼(104) 상에 파우더(106)를 디스펜싱한다. 홀들 또는 개구들은 선택적으로 개방가능할 수 있다. 구체적으로, 채널(136)은 개구들을 포함하는, 선택적으로 제어가능하고 이동가능한 링들, 예를 들어 회전가능한 링들에 의해 형성될 수 있다. 링들이 공통의 중심 원통 축을 따라 적층될 때, 그 링들은 튜브를 통한 애퍼쳐에 대응하는 채널(136)을 갖는 튜브의 형상을 함께 이룰 수 있다. 링들이 회전할 때, 개구들은 공통의 원통 축 주위에서 각도 이동(move angularly)한다.
제어기(128)는 파우더가 디스펜싱되면서 통과하는 링을 제어하기 위해 링 구동 메커니즘들(138)을 선택적으로 작동시킬 수 있다. 각각의 링이 복수의 개구를 포함하는 경우들에서, 제어기는 복수의 개구 중에서, 파우더를 디스펜싱할 때 통과할 하나 이상의 개구를 선택하기 위해 링 구동 메커니즘들(138) 각각을 또한 작동시킬 수 있다.
링 상의 특정 각도 위치에 있는 개구의 각각의 그룹은 파우더가 상이한 속도로 디스펜싱되도록 크기가 정해질 수 있고 치수가 정해질 수 있다. 링들의 회전, 및 그에 따른 파우더가 디스펜싱될 때 통과할 개구 또는 개구들의 선택은, 제어기(128)로 하여금 파우더가 구축 플랫폼(104) 상에 디스펜싱되는 속도를 선택할 수 있게 한다.
제1 디스펜싱 시스템(116)을 이용하면, 제어기는 분포 및 구축 플랫폼(104) 상에서의 파우더의 분포를 제어할 수 있다. 제1 디스펜싱 시스템(116)은 구축 플랫폼(104) 또는 파우더의 최상위 층 상에 디스펜싱된 층 내에서의 파우더의 분포를 제어할 수 있다. 일부 경우들에서, 제1 디스펜싱 시스템(116)은 구축 플랫폼(104) 또는 파우더의 최상위 층 상에의 파우더의 선택적 디스펜싱을 달성하기 위해 개구들 중 하나를 통해 파우더를 디스펜싱할 수 있다. 일부 경우들에서, 제1 디스펜싱 시스템(116)이 한 번에 구축 플랫폼(104)의 더 큰 영역에 걸쳐 파우더를 디스펜싱할 수 있도록, 제1 디스펜싱 시스템(116)은 하나보다 많은 개구를 통해(예를 들어, 링들 각각 내의 홀을 통해) 파우더를 디스펜싱할 수 있다.
다음으로, 제1 스프레더(118)는 구축 플랫폼(104)에 걸쳐 파우더를 분산시킬 수 있다. 스프레더는 실질적으로 균일한 두께를 갖는 층을 제공할 수 있다. 일부 구현들에서, 제1 스프레더(118)는 플랫폼(104)을 가로질러 병진하는(translates) 블레이드이다. 일부 경우들에서, 제1 스프레더(118)는 플랫폼(104)을 가로질러 구르는 롤러 또는 회전 실린더이다. 스프레더(118)는 시계 방향 및/또는 반시계 방향으로 구를 수 있다.
선택적으로, 프린트헤드는 제2 파우더를 전달하기 위해 제2 디스펜싱 시스템(124)을 포함할 수 있다. 제2 디스펜싱 시스템(124)은 파우더 호퍼(134) 내에 파우더(108)를 수용한다. 다음으로, 파우더(108)는 채널(136)을 통해 이동한다. 제1 디스펜싱 시스템(116)과 마찬가지로, 제2 디스펜싱 시스템(124)은 파우더가 그를 통해 디스펜싱되는 홀들을 포함하는 링들을 회전시킴으로써, 구축 플랫폼(104)을 통해 파우더가 디스펜싱되는 속도를 제어할 수 있다. 제1 디스펜싱 시스템(116)으로부터 디스펜싱되는 파우더가 요구되는 분포 밀도를 갖도록, 제2 디스펜싱 시스템(124)은 또한 파우더를 압축할 수 있다.
제2 디스펜싱 시스템(124)이 존재한다면, 그 제2 디스펜싱 시스템은 제1 파우더(106)와는 다른 속성들을 갖는 제2 유형의 파우더(108)의 전달을 가능하게 한다. 제1 파우더 입자들(106)은 제2 파우더 입자들(108)에 비해 예를 들어 2배 이상으로 큰 평균 직경을 가질 수 있다. 제2 파우더 입자들(108)이 제1 파우더 입자들(106)의 층 상에 디스펜싱될 때, 제2 파우더 입자들(108)은 제1 파우더 입자들(106)의 층에 침투하여, 제1 파우더 입자들(106) 사이의 공극들을 채운다. 제1 파우더 입자들(106)보다 작은 제2 파우더 입자들(108)은 더 높은 해상도, 더 높은 소결 전 밀도(pre-sintering density), 및/또는 더 높은 압축률을 달성할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 장치(100)가 두가지 유형의 파우더를 포함하는 경우, 제1 파우더 입자들(106)은 제2 파우더 입자들과는 다른 소결 온도를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 파우더는 제2 파우더보다 낮은 소결 온도를 가질 수 있다. 그러한 구현들에서, 에너지 소스(114)는 파우더의 층 전체를 제1 입자들은 용융되지만 제2 파우더는 용융되지 않게 되는 온도로 가열하기 위해 이용될 수 있다.
일부 구현들에서, 제어기(128)는 제1 및 제2 파우더 입자(106, 108)를 상이한 영역들에 선택적으로 전달하기 위해 제1 및 제2 디스펜싱 시스템(116, 124)을 제어할 수 있다.
복수의 유형의 파우더가 이용되는 구현들에서, 제1 및 제2 디스펜싱 시스템(116, 124)은 형성될 개체의 부분의 해상도 요건에 따라, 제1 및 제2 파우더 입자들(106, 108)을 각각 선택된 영역들 내로 전달할 수 있다.
파우더를 위한 재료들은 예를 들어 강철, 알루미늄, 코발트, 크롬, 및 티타늄과 같은 금속들, 합금 혼합물들, 세라믹들, 조성물들, 및 그린 샌드(green sand)를 포함한다. 2가지 상이한 유형의 파우더들을 갖는 구현들에서, 일부 경우들에서, 제1 및 제2 파우더 입자들(106, 108)은 상이한 재료들로 형성될 수 있는 한편, 다른 경우들에서, 제1 및 제2 파우더 입자들(106, 108)은 동일한 재료 조성을 갖는다. 장치(100)가 금속 개체를 형성하도록 동작되고 2가지 유형의 파우더를 디스펜싱하는 예에서, 제1 및 제2 파우더 입자들(106, 108)은 금속 합금(metal alloy) 또는 금속간(intermetallic) 재료를 형성하도록 조합되는 조성들을 가질 수 있다.
장치(100)가 상이한 소결 온도들을 갖는 2가지 상이한 유형의 파우더를 디스펜싱하는 경우, 제1 및 제2 열 소스(112, 125)는 상이한 온도 또는 가열 설정점들(set points)을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 파우더(106)가 제2 파우더(108)보다 낮은 온도에서 소결될 수 있는 경우, 제1 열 소스(112)는 제2 열 소스(125)보다 낮은 온도 설정점을 가질 수 있다.
일부 구현들에서, 구축 플랫폼(104)은 고정되고, 프린트헤드(102)는 파우더의 연속적인 층들을 디스펜싱하기 위해 수직 방향으로 이동한다. 일부 구현들에서, 구축 플랫폼(104)은 구축 동작들 동안 상향 또는 하향 이동될 수 있다. 예를 들어, 프린트헤드(102)가 디스펜싱된 각각의 연속적인 층과 동일한 수직 높이를 유지할 수 있도록, 구축 플랫폼(104)은 각각의 층이 제1 디스펜싱 시스템(116)에 의해 디스펜싱될 때마다 하향 이동될 수 있다. 구축 플랫폼(104)이 프린트헤드(102)로부터 멀리 이동할 수 있도록, 제어기(128)는 구축 플랫폼(104)에 연결된 구동 메커니즘, 예를 들어 피스톤 또는 선형 액추에이터를 동작시켜, 구축 플랫폼(104)의 높이를 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 구축 플랫폼(104)은 고정된 수직 위치로 유지될 수 있고, 각각의 층이 퇴적된 후에 갠트리(110)가 상승될 수 있다.
제어기(128)는 프린트헤드(102), 및 그 서브시스템들, 예컨대 열 소스(112), 에너지 소스(114), 및 제1 디스펜싱 시스템(116)의 동작들을 포함하여, 장치(100)의 동작들을 제어한다. 제어기(128)는 존재한다면, 제1 스프레더(118), 제1 감지 시스템(120), 제2 감지 시스템(122), 제2 디스펜싱 시스템(124), 및 제2 스프레더(126)를 또한 제어할 수 있다. 제어기(128)는 예를 들어 장치의 사용자 인터페이스 상의 사용자 입력으로부터의 신호들, 또는 장치(100)의 센서들로부터의 감지 신호들을 또한 수신할 수 있다.
제어기(128)는 CAD 데이터를 수신 및/또는 생성하는 컴퓨터 이용 설계(computer aided design)(CAD) 시스템을 또한 포함할 수 있다. CAD 데이터는 형성될 개체를 나타내고, 본 명세서에 설명되는 바와 같이, 적층 제조 프로세스들 동안 형성되는 구조물들의 속성들을 결정하기 위해 이용될 수 있다. 제어기(128)는 CAD 데이터에 기초하여, 예를 들어 파우더(106)를 디스펜싱하기 위해, 파우더(106)를 용융시키기 위해, 장치(100)의 다양한 시스템들을 이동시키기 위해, 및 시스템들, 파우더, 및/또는 워크피스(130)의 속성들을 감지하기 위해, 제어기(128)와 함께 동작가능한 시스템들 각각에 의해 사용가능한 명령어들을 생성할 수 있다.
제어기(128)는 예를 들어 장치의 다양한 컴포넌트들을 이동시키는 구동 메커니즘들에 제어 신호들을 전송할 수 있다. 일부 구현들에서, 구동 메커니즘들은 디스펜서들, 롤러들, 지지 플레이트들, 에너지 소스들, 열 소스들, 감지 시스템들, 센서들, 디스펜서 어셈블리들, 디스펜서들, 및 장치(100)의 다른 컴포넌트들을 포함하는 이러한 상이한 시스템들의 병진 및/또는 회전을 야기할 수 있다. 드라이브 메커니즘들 각각은 장치의 컴포넌트들의 이동을 가능하게 하기 위해 하나 이상의 액추에이터, 링키지, 및 다른 기계적 또는 전자기계적 부품을 포함할 수 있다.
일부 경우들에서, 제어기(128)는 프린트헤드(102)의 이동을 제어하고, 또한 프린트헤드(102)의 개별 시스템들의 이동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(128)는 프린트헤드(102)가 갠트리(110)를 따라 특정 위치로 이동하게 할 수 있고, 제어기(128)는 프린트헤드(102)의 에너지 소스(114)를 프린트헤드(102)를 따라 이동시키도록 별개의 구동 메커니즘을 구동하기 위해 별개의 제어 신호를 전송할 수 있다. 프린트헤드(102)가 구축 플랫폼(104)의 상이한 영역들 위에 위치될 수 있도록, 장치(100)는 구축 플랫폼(104)을 따라 갠트리(110)를 이동시키는 구동 메커니즘을 더 포함할 수 있다.
제어기(128)는 또한 본 명세서에 설명된 이동가능하고 제어가능한 링들, 및 디스펜싱 시스템(116) 내에 포함된 파우더 컨베이어를 포함하여, 디스펜싱 시스템(116)의 개별 구조물들을 제어할 수 있다. 제어기(128)는 파우더의 전달 속도들, 파우더의 압축 레벨은 물론, 구축 플랫폼(104) 상에서 파우더가 디스펜싱되는 위치들을 조절하기 위해 디스펜싱 시스템(116)을 제어할 수 있다.
디스펜싱 시스템들
도 3a 내지 도 3g는 디스펜싱 시스템(116)[및/또는 예를 들어 제2 디스펜싱 시스템(124)]의 다양한 도면들을 도시한다. 도 3a에 도시된 디스펜싱 시스템(116)의 사시도에 도시된 바와 같이, 디스펜싱 시스템(116)은 디스펜싱 시스템(116)에 의해 디스펜싱될(그리고 아마도 압축될) 파우더를 수용하기 위한 파우더 호퍼(131)를 포함한다.
또한, 디스펜싱 시스템(116)의 사시 단면도를 도시하는 도 3b를 참조하면, 파우더는 파우더 호퍼(131)를 통해 채널(136) 내로 이동한다. 디스펜싱 시스템(116)의 컨베이어 구동 메커니즘(139)은 파우더가 채널(136)의 입구(142)와 채널(136)의 폐쇄 단부(144) 사이에서 이동하게 하는 파우더 컨베이어(140)를 구동할 수 있다. 파우더 컨베이어(140)는 오거 스크류(auger screw)일 수 있다.
컨베이어(140)는 채널(136) 내에서 파우더를 운반하도록 회전할 수 있다. 예를 들어, 오거 스크류의 회전은 파우더를 채널(136)을 통해 전방 방향으로 구동할 수 있다.
일부 구현들에서, 컨베이어(140)는 회전하는 것을 대신하여, 채널(136) 내에 파우더를 분산시키기 위해 채널(136)을 따라 병진한다. 일부 구현들에서, 컨베이어(140)는 채널(136) 내에서 파우더를 분산시키기 위해 발진(oscillates) 또는 진동(vibrates)한다.
일부 구현들에서, 컨베이어 구동 메커니즘(139)은 구동 모터(141)를 포함할 수 있다. 구동 모터(141)는 컨베이어 구동 메커니즘(139)이 컨베이어(140)로 하여금 채널(136) 내의 파우더에 높은 레벨의 압력을 가하게 하는 것을 가능하게 하는 높은 토크의 구동 모터일 수 있다. 일부 구현들에서, 구동 메커니즘(139)은 구동 모터로부터 컨베이어(140)로 토크를 전달하는 기어들, 링키지들, 및 다른 힘 및 토크 전달 디바이스들을 더 포함할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 디스펜싱 시스템(116)의 채널(136)의 확대된 사시 단면도가 도시되어 있다. 일련의 고리형 링들(146)이 컨베이어(140)를 둘러싼다. 링들(146)을 통한 애퍼쳐들은 파우더가 통과하여 이동하는 채널(136)을 정의한다. 구체적으로, 링들(146)의 내측 표면은 채널(136)을 형성한다. 따라서, 파우더가 채널(136)을 통해 이동하고 있을 때, 파우더는 링들(146)의 내측 표면에 접촉한다. 고리형 링들(146) 각각은 컨베이어(140)의 길이방향 축(162)과 동심인 중심을 갖는다. 일부 구현들에서, 컨베이어(140)는 채널(136)을 통해 파우더를 이동시키기 위해 이러한 길이방향 축(162)에 대해 회전한다.
각각 링(146)의 예의 하부 사시도 및 하부도인 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 링들(146) 각각은 링(146)의 내측 표면으로부터 외측 표면으로 링(146)을 통과하는 개구(148)를 포함한다.
일부 구현들에서, 링들(146) 각각은 링(146) 주위의 상이한 각도 위치들에서 이격된 복수의 개구(148)를 포함한다. 개구들(148)은 크기, 형상, 및 수량에서 차이가 있을 수 있다. 예를 들어, 링들(146) 각각은 상이한 크기들의 복수의 개구를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 링(146) 상의 상이한 각도 위치들 중 하나 이상이 복수의 개구를 포함할 수 있다. 도 4a 및 도 4b에는 3개의 개구(148)가 도시되어 있지만, 일부 경우들에서, 링(146)은 단 2개, 또는 4개, 또는 그보다 많은 개구들을 가질 수 있고, 그러한 개구들은 각각 상이한 크기를 갖는다. 각각의 링은 동일한 패턴의 개구들을 가질 수 있다. 일부 경우들에서, 링들(146)은 각각 동일 크기의 단일 개구(148)를 갖는다. 원형 개구들(148)에 대해, 개구들(148)의 직경은 예를 들어 10 마이크로미터 내지 100 마이크로미터일 수 있다.
또한, 디스펜싱 시스템(116)의 하부도를 도시하는 도 3d를 참조하면, 캡 플레이트(150)는 링들(146) 아래에 위치된다. 캡 플레이트(150)는 채널(136)을 따라 연장되고, 링들(146)에 의해 제공되는 채널(136)의 부분의 결합된 길이를 따라 연장된다. 캡 플레이트는 개구들(152)을 포함한다. 캡 플레이트(150)의 개구들(152) 각각은 링들(146) 중 상이한 것에 대응할 수 있다. 개구들은 길이방향 축에 평행한 라인 상에 배열될 수 있다.
각각의 개구(152)는 대응하는 링(146)의 개구(148)보다 크거나 작을 수 있다. 일부 경우들에서, 캡 플레이트(150)의 예의 하부 사시도 및 하부도를 보여주는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 개구들(152) 전부가 동일한 크기를 가질 수 있다. 개구들(152)은 서로 정렬될 수 있고, 균등하게 이격될 수 있다.
원형 개구들로서 설명되지만, 개구들(148) 및 개구들(152)은 슬롯들, 슬릿들, 또는 다른 적절한 형상들일 수 있다. 일부 경우들에서, 개구들(148) 및/또는 개구들(152)은 직사각형 또는 타원형일 수 있다. 캡 플레이트(150)가 각각의 링(146)에 대해 적어도 하나의 캡 플레이트 개구씩 수 개의 캡 플레이트 개구(152)를 포함하는 것으로 설명되었지만, 일부 경우들에서, 캡 플레이트(150)는 링들 전부 또는 링들 중 수 개의 아래로 연장되는 단일 슬롯을 포함한다. 슬롯은 채널의 길이방향 축에 평행하게 연장될 수 있다. 예를 들어, 캡 플레이트(150)는 둘 이상의 슬롯을 포함할 수 있고, 각각의 슬롯은 링들 중 두 개 이상에 대응한다. 일부 경우들에서, 캡 플레이트는 링들 전부를 가로질러 연장되는 하나의 슬롯을 포함한다. 일부 구현들에서는 슬롯이 균일한 폭을 갖지만, 다른 경우들에서는 슬롯들의 폭이 다르다.
링들(146)은 캡 플레이트(150)의 위에서 캡 플레이트에 인접하며, 따라서 링들(146)의 개구들(148)은 캡 플레이트(150)의 개구들(152)과 정렬될 수 있다. 구체적으로, 각각의 링(146)은 자신의 개구(148)가 캡 플레이트(150) 내의 대응되는 개구와 정렬될 수 있도록 회전될 수 있다. 도 3e는 디스펜싱 시스템(116)의 정면 단면도를 보여주고, 도 3f는 디스펜싱 시스템(116)의 상부 단면도를 보여준다. 디스펜싱 시스템(116)은 링 구동 메커니즘들(138)을 포함하고, 그러한 메커니즘들 각각은 링들(146) 중의 대응하는 링에 연결된다.
일부 구현들에서, 모터가 링들(146) 중 하나가 회전하게 할 수 있도록, 링 구동 메커니즘들(138) 각각은 모터(156) 및 링키지 시스템(158)을 포함할 수 있다. 링키지 시스템(158)은 모터(156)의 토크를 그와 연관된 링(146)에 대한 회전력으로 전환하기 위해, 기어들, 링키지들, 암들, 및 다른 힘 및 토크 전송 요소들을 포함할 수 있다. 모터(156)는 자신에 연관된 링(146)을 그 링의 중심에 대해 양방향으로 회전시키도록 동작될 수 있다. 일부 구현들에서, 모터들이 동일한 평면 표면 상에 각각 장착될 수 있도록, 모터들(156)의 샤프트 길이들은 달라질 수 있다. 일부 구현들에서, 링 구동 메커니즘들(138) 각각, 또는 모터들(156) 각각은 링들 중 2개 이상의 링을 동시에 회전시키기 위해 링들(146) 중 2개 이상을 동작시킬 수 있다.
링 구동 메커니즘들(138)은 링들(146)의 중심들에 대해 링들(146)을 회전시킨다. 링들(146)의 중심은 컨베이어(140)의 길이방향 축(162)과 일치할 수 있다. 따라서, 링들(146)이 회전할 때, 링들(146)에 의해 형성되는 채널(136)은 형상 및 크기를 실질적으로 유지할 수 있다.
일부 구현들에서, 링들은 자기 구동 메커니즘(magnetic drive mechanism)에 의해 구동된다. 자기 구동 메커니즘은 링들을 회전시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 자기 구동 메커니즘은 자기 구동 메커니즘의 극성에 따라 링의 개구를 폐쇄 또는 개방한다. 자기 구동 메커니즘은 솔레노이드를 포함할 수 있다. 제어기는 링들(146) 중 하나의 자성 또는 강자성 재료와 상호작용하는 전자기장을 발생시키도록 솔레노이드를 제어할 수 있다. 전자기장은 컨베이어(140)의 길이방향 축(162)에 대해 링(146)을 구동시킬 수 있다.
각각의 링(146)에 대해, 제어기[예를 들어, 도 1b에 도시된 장치(100)의 제어기(128)]는 링(146)의 회전 위치를 설정하기 위해 링(146)의 대응 링 구동 메커니즘(138)을 제어할 수 있다. 링(146)의 회전 위치는 캡 플레이트(150)의 대응 개구(152)에 대한 링(146)의 개구(148)의 위치를 결정한다. 도 4a, 도 4b, 도 5a, 및 도 5b에 관련하여 도시되고 설명된 예들에서, 각각의 링(146)은 복수의 개구(148)를 갖고, 캡 플레이트(150) 내에 하나의 대응 개구(152)를 갖는다.
제어기는 링 구동 메커니즘들(138) 중 하나를 동작시켜, 그 링 구동 메커니즘(138)에 연관된 링(146)으로부터 파우더를 디스펜싱할 수 있다. 제어기는 링(146)의 개구들(148) 중 하나가 캡 플레이트(150) 내의 대응 개구(152)와 정렬되도록 링(146)을 회전시키기 위해 링 구동 메커니즘(138)을 동작시킬 수 있다. 개구(148)가 대응 개구(152)와 정렬될 때, 링들(146)의 집합에 의해 형성되는 채널(136)을 통해 이동하는 파우더는 개구(148) 및 대응 개구(152)를 통해 이동할 수 있다. 그러므로, 그 파우더는 캡 플레이트(150)를 통해 이동할 수 있고, 구축 플랫폼[예를 들어, 도 1a 및 도 1b에 도시된 장치(100)의 구축 플랫폼(104)] 상에 디스펜싱될 수 있다.
또한, 제어기는 연관된 링(146)으로부터 파우더가 디스펜싱되지 않도록 링 구동 메커니즘(138)을 동작시킬 수 있다. 제어기는 또한 링(146)의 개구들(148)이 캡 플레이트(150) 내의 대응 개구와 오정렬되도록 링(146)을 회전시키기 위해 링 구동 메커니즘(138)을 동작시킬 수 있다. 개구들(148 및 152)이 오정렬되면, 채널(136) 내의 파우더는 캡 플레이트(150)의 바디에 의해 차단되고, 링(146)을 통과할 수 없는데, 왜냐하면 각각의 개구들(148, 152)이 파우더를 위한 경로를 제공하지 않기 때문이다. 그러므로, 파우더는 해당 링(146)에 대응하는 채널(136)의 부분으로부터 디스펜싱되지 않는다.
링(146)이 링 주위의 상이한 각도 위치들에서 복수의 개구(148)를 포함하는 경우들에서, 제어기는 채널(136)로부터 링(146)을 통해 디스펜싱되는 파우더의 속도를 제어하기 위해, 수 개의 개구들 중에서, 각자의 개구(152)에 정렬할 개구들(148) 중의 하나를 선택할 수 있다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 복수의 개구(148)가 상이한 크기들을 갖는 경우, 더 큰 크기의 개구들은 더 작은 크기의 개구들보다 큰 속도로 파우더를 디스펜싱할 수 있다. 마찬가지로, 더 작은 크기의 개구들은 더 큰 크기의 개구들보다 낮은 속도로 파우더를 디스펜싱할 수 있다. 채널(136)로부터의 파우더 디스펜싱 속도를 제어하기 위해, 제어기는 크고 작은 복수의 개구(148) 중에서, 개구들(148) 중 어느 것을 캡 플레이트(150)의 대응 개구들(152)과 정렬할지를 선택할 수 있다.
일부 구현들에서, 제어기는 파우더 디스펜싱 속도를 제어하기 위해 개구(148)와 캡 플레이트(150) 내의 대응 개구(152)의 부분적인 정렬을 야기할 수 있다. 링(146)이 복수의 개구(148)를 갖는 경우들에서, 제어기는 개구들(148) 중 하나와 캡 플레이트(150) 내의 대응 개구(152)가 서로에 대해 부분적으로 정렬된 위치들에 있도록 링 구동 메커니즘(138)을 동작시킬 수 있다. 부분적으로 정렬된 위치들에서, 링(146)의 개구(148) 및 캡 플레이트의 개구(152)는 파우더가 채널(136)의 일부분으로부터 디스펜싱되는 것을 가능하게 한다. 그러나, 부분적인 정렬은 개구(148) 및 대응 개구(152)가 완전하게 정렬된 경우에 해당 부분으로부터 디스펜싱되는 파우더의 속도에 비교하여, 채널(136)의 해당 부분으로부터 디스펜싱되는 파우더의 속도를 감소시킬 수 있다. 예를 들어 도 4a 및 도 4b에 도시된 것과 같은 링(146)은 3개의 개구(148)를 갖지만, 제어기는 개구들(148)을 캡 플레이트 내의 개구(152)와 부분적으로 정렬시킴으로써 3개보다 많은 파우더 디스펜싱 속도 중에서 선택할 수 있다.
일부 구현들에서, 링(146)은 단일 개구(148)만을 가질 수 있다. 일부 구현들에서, 링(146)이 단일 개구만을 갖더라도, 제어기는 단일 개구(148)와 캡 플레이트(150)의 개구(152) 사이의 정렬의 양을 제어함으로써 파우더 디스펜싱 속도를 여전히 변조할 수 있다. 링(146)이 단일 개구만을 갖는 일부 구현들에서, 제어기는 파우더의 디스펜싱을 위해 단순히 이진 온/오프 상태(binary on/off state)를 제공하도록 구성된다.
제어기는 또한 복수의 링(146)으로부터의 파우더의 동시적인 디스펜싱을 위해, 링들(146) 각각의 회전 위치를 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어기는 복수의 링을 선택할 수 있고, 따라서 채널(136)을 따라 파우더가 디스펜싱될 복수의 위치를 선택할 수 있다. 일부 경우들에서, 제어기는 넓은 영역에 걸쳐서 다량의 파우더를 디스펜싱할 수 있다. 이와 관련하여, 제어기는 링들(146) 중 몇 개 또는 전부를 회전시켜, 그러한 링들의 개구들(148)이 대응되는 개구들(152)과 완전히 정렬되게 할 수 있다. 이러한 구성에서, 제어기는 캡 플레이트(150)의 개구들(152) 각각으로부터 파우더를 디스펜싱할 수 있고, 따라서 디스펜싱 시스템(116)이 넓은 영역에 걸쳐서 다량의 파우더를 디스펜싱하는 것을 가능하게 한다.
일부 경우들에서, 제어기는 링들(146)의 부분집합으로부터 파우더를 디스펜싱함으로써, 국부화된 또는 제한된 영역 내에 적은 양의 파우더를 디스펜싱할 수 있다. 제어기는 링들(146)의 부분집합을 제어하여, 그러한 링들의 개구들(148)이 캡 플레이트(150) 내의 대응 개구들(152)과 정렬되게 할 수 있다. 나머지 링들(146)에 대해, 제어기는 그러한 링들을 제어하여 그 링들의 개구들(148)이 캡 플레이트(150) 내의 대응 개구들(152)과 오정렬되게 할 수 있다. 이러한 구성에서, 디스펜싱 시스템(116)은 개구들(148)이 캡 플레이트(150) 내의 대응 개구들(152)과 정렬되는 위치들에 있는 링들(146)을 통해서만 파우더를 디스펜싱한다.
개구들(152)을 통해 디스펜싱될 파우더를 이동시키는 컨베이어(140)는 나선형 블레이드들(160)을 갖는 스크류 컨베이어 또는 오거 컨베이어일 수 있다. 나선형 블레이드들(160)은 나선형 스크류 블레이드들일 수 있다. 스레드들이 파우더를 푸싱할 때, 파우더는 채널(136)을 따라 이동할 수 있다. 나선형 블레이드들(160)은 링들(146)의 중심들과 일치할 수 있는 오거 컨베이어의 길이방향 축(162)에 대해 회전할 수 있다. 컨베이어 구동 메커니즘(139)은 오거 컨베이어를 회전시키기 위한 토크를 제공할 수 있다. 오거 컨베이어가 회전할 때, 나선형 블레이드들(160)은 채널(136) 내에 포함되어 있는 파우더를 푸싱하고, 그에 의해 파우더가 채널(136)을 통해 이동할 수 있다. 오거 컨베이어는 오거 컨베이어의 길이를 따라 파우더를 이동시킬 수 있다. 이와 관련하여, 오거 컨베이어는 파우더를 이동시킬 수 있고, 파우더가 채널(136)의 길이를 따른 채널(136)의 상이한 부분들로부터 디스펜싱되는 것을 가능하게 할 수 있다. 이러한 상이한 부분들은 상이한 링 개구들(148) 및 상이한 캡 플레이트 개구들(152)에 대응할 수 있다. 일부 구현들에서, 오거 컨베이어는 스레드들이 파우더를 위한 푸싱 표면(pushing surface)의 역할을 하는 리드 스크류(lead screw)를 포함한다.
파우더는 컨베이어(140)의 길이방향 축(162)을 따라 양방향으로 이동될 수 있다. 예를 들어, 디스펜싱 동작 동안, 제어기는 회전의 방향을 교대시키도록 오거 컨베이어를 제어할 수 있다. 이러한 전후 움직임(back and forth motion)은 파우더의 디스펜싱에 있어서 더 효과적일 수 있다.
일부 경우들에서, 제어기는 파우더가 채널(136)로부터 구축 플랫폼 상에 디스펜싱되기 전에 파우더를 압축하도록 컨베이어(140)를 제어할 수 있다. 일부 구현들에서, 도 3g에 도시된 바와 같이, 컨베이어(140)의 단부(144)가 폐쇄될 수 있다. 채널(136)이 파우더로 채워질 때, 컨베이어(140)는 파우더의 벌크 이동(bulk movement)을 야기하지 않고서 파우더를 단부(144) 쪽으로 푸싱할 수 있다. 오히려, 채널(136)이 파우더로 채워지므로, 컨베이어(140)는 파우더의 압축을 야기할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 링(146)의 특정 예에 대해 다양한 크기들의 복수의 링 개구(148)를 도시하고, 도 5a 및 도 5b는 각각의 링(146)에 대해 하나의 캡 플레이트 개구(152)를 도시하지만, 다른 구현들에서, 링 개구들의 개수, 링마다의 대응 캡 플레이트 개구들의 개수, 링 개구들의 크기, 및 캡 플레이트 개구들의 크기의 조합은 달라질 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 각각의 링(146)에 대해 균일한 캡 플레이트 개구(152)를 도시하지만, 일부 구현들에서, 각각의 링에 대한 캡 플레이트 개구 또는 개구들은 크기 및 수량에 있어서 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 단일 링에 대한 캡 플레이트 개구들의 집합은 2개 이상의 캡 플레이트 개구를 포함할 수 있는 한편, 단일 링에 대한 캡 플레이트 개구들의 다른 집합은 단일 캡 플레이트 개구만을 포함할 수 있다.
도 6a 내지 도 6f는 링 개구 또는 링 개구들, 및 캡 플레이트 개구 또는 캡 플레이트 개구들을 통과하는 절개선(section line)을 따라 취한 정면 단면도들을 보여준다. 따라서, 이러한 도면들은 특정 링(146)에 대한 링 개구 또는 개구들, 및 그 링에 대한 캡 플레이트(150) 내의 대응 캡 플레이트 개구 또는 개구들을 도시한다. 링(146)은 길이방향 축(162)을 중심으로 캡 플레이트(150)에 대해 회전하는데, 예를 들어 캡 플레이트(150)가 디스펜서에 대해 정지되어 유지되는 동안(전체 디스펜서가 구축 플랫폼을 가로질러 횡방향으로 이동하고 있을 수 있음) 링(146)이 회전한다. 아래에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 링(146)의 회전은 파우더가 링(146)에 의해 형성되는 채널(136)의 일부분으로부터 디스펜싱되는 것을 가능하게 한다. 이러한 도면들 각각에는 단 하나의 링(146)이 도시되어 있지만, 채널(136)은 다양한 크기 및 수량의 링 개구들을 가질 수 있는 일련의 링들에 의해 정의된다.
일부 구현들에서, 특정 링(146)의 복수의 링 개구(148) 모두는 대응 캡 플레이트 개구(152)보다 작다. 따라서, 링 개구들(148)의 크기는 링(146)으로부터의 파우더 디스펜싱 속도를 결정할 수 있다. 일부 경우들에서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 링(146)의 링 개구들 중 일부는 대응 캡 플레이트 개구보다 작은 한편, 링(146)의 링 개구들 중 일부는 대응 캡 플레이트 개구(152)보다 크다. 구체적으로, 링 개구들(600A 및 605A)은 캡 플레이트 개구(615A)보다 작고, 링 개구(610A)는 캡 플레이트 개구(615A)보다 크다. 링 개구(600A) 또는 링 개구(605A)가 캡 플레이트 개구(615A)와 정렬될 때, 파우더 디스펜싱 속도는 링 개구들(600A, 600B)의 크기[예를 들어, 개구들(600A, 600B)의 면적]에 비례할 수 있다. 대조적으로, 링 개구(610A)가 캡 플레이트 개구(615A)와 정렬될 때, 캡 플레이트 개구(615A)가 링 개구(610A)보다 작으므로, 파우더 디스펜싱 속도는 캡 플레이트 개구(615A)의 크기에 기초한다. 따라서, 캡 플레이트 개구(615A)는 파우더 디스펜싱 속도에 대한 상한을 결정할 수 있다.
일부 구현들에서, 도 6b에 도시된 바와 같이, 링 개구들의 개수는 3개보다 많을 수 있다. 예를 들어, 링(146)은 5개의 링 개구, 구체적으로 링 개구들(600B, 605B, 610B, 615B, 620B)을 가질 수 있다. 링 개구들 각각은 상이한 크기를 갖는다. 도 6b는 링 개구들(600B, 605B, 610B, 615B)을 캡 플레이트(150) 내의 캡 플레이트 개구(625B)보다 작은 것으로 도시한다. 그리고, 링 개구(620B)는 캡 플레이트 개구(625B)보다 크다. 이러한 예에서, 캡 플레이트 개구(625B)는 가장 큰 링 개구(620B)보다 작지만, 디스펜싱 시스템 내의 다른 링들에 대해, 가장 큰 링 개구는 캡 플레이트 개구보다 작을 수 있다. 디스펜싱 시스템 내의 다른 링들에 대해, 링 개구들 중 1개, 2개, 3개, 4개, 또는 전부가 캡 플레이트 개구보다 작을 수 있다.
도 3a 내지 도 3g와 관련하여 설명된 예들은 제어기가 하나의 링 개구를 제어하여 하나의 캡 플레이트 개구와 정렬, 오정렬, 또는 부분 정렬하게 하는 것을 나타내지만, 일부 경우들에서, 제어기는 2개 이상의 캡 플레이트 개구와 정렬하도록 링 개구를 제어할 수 있다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 링(146)은 3개의 링 개구(600C, 605C, 610C)를 갖고, 캡 플레이트(150)는 5개의 캡 플레이트 개구의 집합(615C)을 갖는다. 캡 플레이트 개구들 각각은 동일한 크기를 가질 수 있다.
링 개구(605C)가 도 6c에 도시된 바와 같이 파우더를 디스펜싱하기 위해 캡 플레이트 개구들의 집합(615C)과 정렬될 때, 링 개구(605C)는 집합(615C)의 캡 플레이트 개구들 중 3개와 정렬될 수 있다. 링 개구(600C)가 캡 플레이트 개구들과 정렬될 때, 링 개구(600C)는 집합(615C)의 캡 플레이트 개구들 중 하나와 정렬될 수 있다. 링 개구(610C)가 캡 플레이트 개구들과 정렬될 때, 링 개구(610C)는 집합(615C)의 캡 플레이트 개구들 중 5개와 정렬될 수 있다. 따라서, 제어기는 링 개구들 중 하나와 정렬된 캡 플레이트 개구들의 개수에 기초하여, 링(146)으로부터의 파우더 디스펜싱 속도를 제어할 수 있다.
일부 경우들에서, 링(146)은 집합(615C)의 모든 이용가능한 캡 플레이트 개구와 정렬될 수 있는 단 하나의 개구를 갖는다. 예를 들어, 링(146)은 가장 큰 링 개구(610C)만을 가질 수 있다. 제어기는 링(146)을 도 3a 내지 도 3g에 관련하여 설명된 것과 같이 단일 개구와 부분적으로 정렬하는 대신에, 링 개구(610C)를 집합(615C)의 캡 플레이트 개구들 중 하나 이상과 정렬시키도록 링(146)을 제어할 수 있다. 제어기는 링(146)을 통한 파우더 디스펜싱 속도를 제어하기 위해, 링 개구(610C)와 정렬되는 캡 플레이트 개구들의 개수를 선택할 수 있다.
일부 구현들에서, 단일 링 내의 다양한 크기의 링 개구들을 대신하여, 링(146)은 동일한 크기의 링 개구들을 가질 수 있다. 도 6d에 도시된 바와 같이, 링 개구들은 링 개구들의 복수의 집합(600D, 605D, 및 610D)으로 배열될 수 있다. 집합들 각각은 캡 플레이트 개구(615D)와 정렬될 수 있다. 도 6d에 도시된 예에서, 집합들(600D, 605D, 610D) 각각은, 캡 플레이트 개구(615D)와의 정렬에 의해, 링 개구들 전부가 캡 플레이트 개구(615D)를 통해 파우더를 디스펜싱하는 것이 가능해지게 하도록 이격되고 크기가 정해진 링 개구들을 갖는다. 파우더 디스펜싱 속도를 제어하기 위해, 제어기는 집합들(600D, 605D, 610D) 중 어느 것을 캡 플레이트 개구(615D)와 정렬할지를 제어할 수 있다. 일부 구현들에서, 집합 내의 링 개구들 중 일부는 캡 플레이트(150)에 의해 차단될 수 있다.
링(146)이 캡 플레이트(150) 내에 또는 캡 플레이트 위에 포함된 것으로 설명되었거나, 캡 플레이트(150)가 링(146)을 둘러싸는 것으로 설명되었지만, 일부 구현들에서, 링(146)이 캡 플레이트(150)를 둘러쌀 수 있다. 일부 경우들에서, 캡 플레이트(150)가 하프 튜브(half-tube)인 것을 대신하여, 캡 플레이트는 캡 플레이트 개구들을 갖는 플레이트, 또는 캡 플레이트 개구들을 갖는 빔이다. 일부 구현들에서, 캡 플레이트(150)는 일련의 링들(146)에 의해 둘러싸인 풀 튜브(full tube)이다. 예를 들어, 도 6e에 도시된 바와 같이, 캡 플레이트(150)는 회전하는 링(146)에 의해 둘러싸인 풀 튜브이다. 캡 플레이트는 캡 플레이트 개구들의 집합(600E)을 포함하고, 링(146)은 3개의 링 개구(605E, 610E, 615E)를 포함한다. 도 3a 내지 도 3g, 및 다른 곳에 관련하여 설명된 예들과는 대조적으로, 도 6e의 예에서, 링 개구들(605E, 610E, 615E)이 캡 플레이트 개구들의 집합(600E)과 오정렬될 때, 링(146)은 파우더가 채널(136)로부터 디스펜싱되는 것을 차단한다.
다른 예에서, 도 6f에 도시된 바와 같이, 링(146)은 단일 개구(600F)를 갖고, 캡 플레이트(150)는 단일 개구(605F)를 갖는다. 링(146)은 캡 플레이트(150)를 또한 둘러싼다. 제어기는 링(146)으로부터의 파우더 디스펜싱 속도를 제어하기 위해, 캡 플레이트 개구(605F)와 정렬되는 링 개구(600F)의 양을 제어할 수 있다.
도 6a 내지 도 6f에 도시되고 그에 관련하여 설명된 이러한 상이한 예들은 개구 크기 및 수량에 관련하여 가능한 조합들의 개수의 범위에 한정되지는 않지만, 링 개구들 및 캡 플레이트 개구들의 상이한 크기들 및 수량들의 조합들의 예를 도시한다.
본 명세서에 설명된 디스펜싱 시스템들[예를 들어, 도 1a 및 도 1b의 제1 디스펜싱 시스템(116)]은 복수의 홀을 통한 파우더의 병렬 디스펜싱을 제공하도록 동작될 수 있다. 디스펜싱 시스템은 또한 층 내의 국부화된 영역 내에 파우더를 디스펜싱하기 위해, 홀들의 부분집합을 통해 선택적으로 디스펜싱할 수 있다. 파우더의 선택적 디스펜싱은, 형성될 개체가 전체 구축 플랫폼에 걸쳐지지 않는 경우들에서 적층 제조 장치가 파우더 사용을 감소시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 홀들의 개별적 제어를 가짐으로써, 디스펜싱 시스템은 선택적 디스펜싱을 여전히 달성하면서도 파우더의 층들을 급속하게 디스펜싱할 수 있다.
디스펜싱 시스템들의 동작들
본 명세서에 설명된 디스펜싱 시스템들은 장치의 구축 플랫폼 상에의 파우더의 디스펜싱 및 압축을 용이하게 한다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 제어기(128)는 디스펜싱 및 압축 동작들을 제어하기 위해, 장치(100), 구체적으로는 디스펜싱 시스템(116)을 동작시킬 수 있다. 제어기(128)는 예를 들어 장치의 사용자 인터페이스 상의 사용자 입력으로부터의 신호들, 또는 장치(100)의 센서들로부터의 감지 신호들을 수신할 수 있다. 사용자 입력은 형성될 개체를 나타내는 CAD 데이터일 수 있다. 제어기(128)는 적층 제조 프로세스들 동안 형성되는 구조물들의 속성들을 결정하기 위해 그 CAD 데이터를 이용할 수 있다. CAD 데이터에 기초하여, 제어기(128)는 예를 들어 파우더를 디스펜싱하기 위해, 파우더를 용융시키기 위해, 장치(100)의 다양한 시스템들을 이동시키기 위해, 및 시스템들, 파우더, 및/또는 워크피스(130)의 속성들을 감지하기 위해, 제어기(128)와 함께 동작가능한 시스템들 각각에 의해 사용가능한 명령어들을 생성할 수 있다.
파우더를 디스펜싱 및 압축하는 예시적인 프로세스에서, 도 3a를 참조하면, 파우더 입자들은 먼저 파우더 호퍼(131)를 통해 로딩된다. 도 3b를 참조하면, 파우더 입자들은 파우더 호퍼(131)를 통해 채널(136)의 입구(142)를 향해 이동한다. 파우더 호퍼(131)는 파우더를 위한 저장소일 수 있다. 디스펜싱 동작들 동안, 파우더 호퍼(131)는 그에 의해 파우더 컨베이어(140) 및 채널(136)을 위한 파우더 소스의 역할을 한다.
장치의 제어기는 파우더 컨베이어(140)를 구동하기 위해 컨베이어 구동 메커니즘(139)을 제어할 수 있다. 파우더 컨베이어(140)가 구동하고 있을 때, 입구(142)에 있는 파우더 입자들은 폐쇄 단부(144)를 통해 운반된다. 파우더 컨베이어(140)는 파우더 입자들이 채널(136)을 실질적으로 채울 때까지 파우더의 운반을 계속할 수 있다.
일부 구현들에서, 제어기는 파우더 입자들이 채널(136)을 실질적으로 채웠다고 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 컨베이어 구동 메커니즘(139)을 속도 제어 모드로 동작시킬 수 있고, 특정 임계값을 초과하는 전력 레벨이 파우더 입자들이 채널(136)을 채웠음을 나타낸다고 결정할 수 있다. 제어기는 파우더 입자들이 채널(136)을 채웠다고 결정하면, 컨베이어 구동 메커니즘(139)이 동작되는 전력 레벨에 기초하여 압축의 양을 제어할 수 있다. 일부 경우들에서, 채널(136)은 파우더 입자들의 패킹(packing)의 양을 검출할 수 있는 광학 센서들, 힘 센서들, 또는 다른 적절한 센서들을 포함할 수 있고, 그러한 패킹의 양은 결국 파우더 입자들의 압축의 양을 나타낼 수 있다. 파우더의 예비 압축은 디스펜싱 시스템(116)에 의해 구축 플랫폼 상에 디스펜싱되는 각각의 연속적인 층 내에, 또는 그러한 연속적인 층 사이에 디스펜싱되는 파우더의 균일성이 더 커지는 것을 가능하게 할 수 있다.
제어기가 링 구동 메커니즘들(138)을 동작시키기 전에, 링들(146)은 자신들의 개구들(148)이 캡 플레이트(150)의 개구들(152)에 대해 오정렬된 위치에 있도록 각각 초기 설정될 수 있다. 이러한 구성에서, 파우더는 링들(146) 중 어느 것으로부터도 디스펜싱될 수 없다. 제어기가 파우더 입자들이 채널(136)을 실질적으로 채웠고/거나 파우더 입자들을 요구되는 압축 수준까지 압축했다고 판정한 때, 제어기는 도 3c, 도 3d 및 도 3e에 도시된 바와 같이 링 구동 메커니즘들(138)을 작동시켜, 링들(146)을 회전시킬 수 있다. 구체적으로, 제어기는 링들(146) 각각으로부터의 파우더 디스펜싱 속도를 제어하기 위해 캡 플레이트(150)에 대한 링들(146)의 회전 위치들을 변경할 수 있다.
각각의 링(146), 및 그에 대응되는 캡 플레이트 개구들 또는 개구는 링 개구들 및 캡 플레이트 개구들의 구성, 예를 들어 도 6a 내지 도 6d의 예들에 설명된 구성들 중 하나를 가질 수 있다. 링들(146), 및 대응 캡 플레이트 개구 또는 개구들은 각각 다른 링들 및 캡 플레이트 개구들의 구성과는 다른 구성일 수 있다. 제어기는 링 개구들 및 캡 플레이트 개구들의 정렬을 변경하기 위해 링들(146)을 회전시킬 수 있다.
제어기는, 예를 들어 링들(146) 및 캡 플레이트 개구들(152)의 구성들 각각에 대한 저장된 데이터에 기초하여, 링들(146) 각각으로부터의 파우더 디스펜싱 속도를 설정할 수 있다. 저장된 데이터는 예를 들어 링들(146) 각각의 개구들(148) 및 캡 플레이트의 개구들(152)의 크기들, 위치들, 및 다른 기하형상에 관한 정보를 포함할 수 있다. 제어기는 파우더 컨베이어(140)에 의해 제공되는 토크, 및 개구들(148, 152)의 기하학적 특징들에 기초하여, 캡 플레이트(150)의 특정 개구와 정렬된 링들(146)의 특정 개구의 조합으로부터의 파우더의 예상 전달 속도를 계산할 수 있다.
링들의 회전 위치의 이러한 제어는, 제어기가 파우더가 디스펜싱될 채널(136)을 따른 위치들뿐만 아니라 파우더 디스펜싱 속도를 설정하는 것을 가능하게 한다. 제어기는 파우더가 링들(146) 전부로부터 디스펜싱되고, 따라서 장치의 구축 플랫폼 상에의 파우더의 넓은 병렬 디스펜싱을 가능하게 하도록, 링들(146)을 제어할 수 있다. 제어기는 또한 링들(146) 중 일부로부터만 파우더가 디스펜싱되도록 링들(146)을 제어할 수 있다. 그러므로, 제어기는 채널(136)의 일부분을 따라서만 발생하도록 파우더 디스펜싱을 국부화할 수 있다.
제어기는 압축의 레벨, 파우더 디스펜싱의 위치, 및 파우더 디스펜싱의 속도를, CAD 데이터 내에 포함된 그러한 파라미터들 각각의 요구되는 레벨들에 기초하여 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 제어기는 이러한 요구되는 파라미터들을 달성하기 위해, 링 구동 메커니즘들(138) 및 컨베이어 구동 메커니즘(139)을 제어할 수 있다. 더욱이, 제어기는 파우더가 어디에 디스펜싱될지를 제어하기 위해, 형성될 개체의 기하형상을 지정할 수 있는 CAD 데이터를 이용할 수 있다. 제어기는 파우더가 어디에 디스펜싱될지를 제어하기 위해 구축 플랫폼 위에서의 디스펜싱 시스템의 위치를 제어할 수 있는 한편, 제어기는 또한 파우더가 디스펜싱 시스템을 따라 어디에 디스펜싱되는지를 또한 제어할 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 제어기는 개체를 형성하기 위한 동작들을 수행하기 위해 다른 시스템들을 제어할 수 있다. 이러한 시스템들은 디스펜싱 시스템(116)에 의해 디스펜싱되는 파우더를 용융시키기 위해, 프린트헤드(102), 열 소스(112), 및 에너지 소스(114)를 포함한다. 디스펜싱 시스템(116)이 파우더의 층을 디스펜싱한 후, 제어기는 층 내에서 파우더를 가열 및 용융시키기 위해 협력하도록 열 소스(112) 및 에너지 소스(114)를 제어할 수 있다. 다음으로, 제어기는 파우더의 다른 층을 디스펜싱하기 위해 디스펜싱 시스템(116)을 제어할 수 있다.
제어기들 및 컴퓨팅 디바이스들은 이러한 동작들, 및 본 명세서에 설명된 다른 프로세스들 및 동작들을 구현할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 장치(100)의 제어기(128)는 장치(100)의 다양한 컴포넌트들, 예를 들어 액추에이터들, 밸브들, 및 전압 소스들에 연결되어, 그러한 컴포넌트들에 대한 제어 신호들을 발생시키는 하나 이상의 처리 디바이스를 포함할 수 있다. 제어기는 동작을 조정할 수 있고, 장치(100)가 위에서 설명된 다양한 기능적 동작들 또는 단계들의 시퀀스를 수행하게 할 수 있다. 제어기는 프린트헤드(102)의 시스템들의 이동 및 동작들을 제어할 수 있다. 제어기(128)는 예를 들어 제1 및 제2 파우더 입자들을 포함하는 피드 재료의 위치를 제어한다. 제어기(128)는 또한 한 번에 용융될 층들의 그룹 내의 층들의 개수에 기초하여 에너지 소스의 강도를 제어한다. 제어기(128)는 또한 예를 들어 에너지 소스 또는 프린트헤드를 이동시킴으로써 에너지가 가해질 위치를 제어한다.
제어기(128), 및 본 명세서에 설명된 시스템들의 다른 컴퓨팅 디바이스 부분은 디지털 전자 회로망으로, 또는 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어, 또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제어기는 컴퓨터 프로그램 제품 내에, 예를 들어 비일시적 머신 판독가능한 저장 매체 내에 저장된 대로의 컴퓨터 프로그램을 실행하기 위한 프로세서를 포함할 수 있다. 그러한 컴퓨터 프로그램(프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션 또는 코드로도 알려져 있음)은 컴파일 또는 해석된 언어를 포함하는 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 작성될 수 있고, 독립형 프로그램(stand-alone program)으로서, 또는 모듈, 컴포넌트, 서브루틴, 또는 컴퓨팅 환경에서 이용하기에 적합한 다른 유닛으로서 배치되는 것을 포함하여, 임의의 형태로 배치될 수 있다.
제어기(128), 및 설명된 시스템들의 다른 컴퓨팅 디바이스 부분들은 각각의 층에 대해 피드 재료가 퇴적되어야 하는 패턴을 식별하는 데이터 개체, 예를 들어, 컴퓨터 이용 설계(CAD) 호환가능한 파일을 저장하기 위한 비일시적 컴퓨터 판독가능한 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 데이터 개체는 STL 포맷 파일(STL-formatted file), 3D 제조 포맷(3D Manufacturing Format)(3MF) 파일, 또는 적층 제조 파일 포맷(Additive Manufacturing File Format)(AMF) 파일일 수 있다. 예를 들어, 제어기는 원격 컴퓨터로부터 데이터 개체를 수신할 수 있다. 예를 들어 펌웨어 또는 소프트웨어에 의해 제어되는 제어기(128) 내의 프로세서는 각각의 층에 대해 지정된 패턴을 용융시키도록 장치(100)의 컴포넌트들을 제어하는 데에 필요한 신호들의 집합을 생성하기 위해, 컴퓨터로부터 수신된 데이터 개체를 해석할 수 있다.
본 문서는 다수의 구체적인 구현 세부사항을 포함하고 있긴 하지만, 이들은 임의의 발명의 범위 또는 청구될 수 있는 것에 대한 제한으로서 해석되어서는 안 되고, 특정 발명의 특정 실시예들에 특정한 특징들의 설명으로서 해석되어야 한다. 본 문서에서 별개의 실시예들의 맥락에서 설명되는 일부 특징들은 단일 실시예 내에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시예의 맥락에서 설명되는 다양한 특징들은 또한 다수의 실시예들에서 따로따로, 또는 임의의 적절한 서브컴비네이션으로 구현될 수 있다. 더욱이, 위에서는 특징들이 소정의 조합들로 작용하는 것으로서 설명될 수 있고, 심지어는 처음에 그와 같이 청구될 수 있지만, 청구되는 조합으로부터의 하나 이상의 특징은 일부 경우들에서는 조합으로부터 배제될 수 있고, 청구되는 조합은 서브컴비네이션 또는 서브컴비네이션의 변형에 관한 것일 수 있다.
도 1a의 프린트헤드는 장치(100)가 개체들을 구축할 수 있게 하는 수 개의 시스템을 포함한다. 일부 경우들에서, AM 장치는 프린트헤드를 대신하여, 독립적으로 동작되는 에너지 소스들, 디스펜서들, 및 센서들을 포함하여, 독립적으로 동작되는 시스템들을 포함한다. 이러한 시스템들 각각은 독립적으로 이동될 수 있고, 모듈러 프린트헤드의 일부이거나 일부가 아닐 수 있다. 일부 예들에서, 프린트헤드는 디스펜서들만을 포함하고, 장치는 용융 동작들을 수행하기 위한 별개의 에너지 소스들을 포함한다. 그러므로, 이러한 예들에서의 프린트헤드는 디스펜싱 동작들을 수행하기 위해 제어기와 협력할 것이다.
동작들은 단일 크기의 파우더 입자들을 포함하는 것으로 설명되지만, 일부 구현들에서, 이러한 동작들은 복수의 상이한 크기의 파우더 입자들로 구현될 수 있다. 본 명세서에 설명되는 AM 장치의 일부 구현들은 2가지 유형의 입자(예를 들어, 제1 및 제2 파우더 입자)를 포함하지만, 일부 경우들에서, 추가의 유형의 입자들이 이용될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 제1 파우더 입자들은 제2 파우더 입자들보다 큰 크기를 갖는다. 일부 구현들에서, 층을 형성하기 위해 제2 파우더 입자들을 디스펜싱하기 전에, 장치는 제3 파우더 입자들을 플래튼 또는 하부의 사전에 디스펜싱된 층 상에 디스펜싱한다.
금속들 및 세라믹들의 적층 제조를 위한 처리 조건들은 플라스틱들을 위한 것들과 상당히 다르다. 예를 들어, 일반적으로, 금속들 및 세라믹들은 상당히 더 높은 처리 온도들을 필요로 한다. 따라서, 플라스틱을 위한 3D 프린팅 기술들은 금속 또는 세라믹 처리에 적용가능하지 않을 수 있고, 장비는 등가가 아닐 수 있다. 그러나, 본 명세서에 설명된 일부 기술들은 폴리머 파우더들, 예를 들어 나일론, ABS, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(LEKK) 및 폴리스티렌에 적용가능할 수 있다.
다수의 구현들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 수정이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들면, 이하와 같다:
● 디스펜싱 시스템(들), 스프레더(들), 감지 시스템(들), 열 소스 및/또는 에너지 소스와 같이, 위에서 프린트헤드의 일부로서 설명된 다양한 컴포넌트들은 프린트헤드 내부를 대신하여, 갠트리 상에 장착될 수 있거나, 갠트리를 지지하는 프레임 상에 장착될 수 있다.
● 디스펜싱 시스템(들)은 2개 이상의 파우더 컨베이어, 예를 들어 2개 이상의 스크류 컨베이어 또는 오거 컨베이어를 각각 포함할 수 있다.
● 캡 플레이트는 캡 플레이트를 링들에 대해 회전시키는 구동 메커니즘을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 캡 플레이트는 링들에 대해 병진할 수 있다. 링들에 대한 캡 플레이트의 이동은 링들의 개구들 및 캡 플레이트의 개구들의 정렬 및 오정렬을 더 용이하게 할 수 있다.
● 캡 플레이트는 구축 플랫폼 상에의 파우더의 더 정밀한 전달을 가능하게 하는 캡 플레이트 개구들 각각에 대한 노즐들을 포함할 수 있다.
따라서, 다른 구현예들은 청구항들의 범위 내에 있다.

Claims (15)

  1. 개체를 형성하기 위한 적층 제조(additive manufacturing) 장치로서,
    형성되고 있는 개체를 지지하기 위한 플래튼;
    상기 플래튼 위에 놓인(overlying) 디스펜싱 시스템 - 상기 디스펜싱 시스템은,
    상기 플래튼의 최상부면 위에 디스펜싱될 파우더를 유지하도록 구성된 파우더 소스,
    상기 플래튼의 상기 최상부면 위로 연장되는 파우더 컨베이어 - 상기 파우더 컨베이어는 상기 파우더 소스로부터 파우더를 수용하도록 구성된 근위 단부(proximal end)를 포함하고, 상기 파우더 컨베이어는 상기 파우더 컨베이어 내에서 운반되는 파우더를 상기 파우더 컨베이어의 길이를 따라 이동시키도록 구성됨 - ,
    상기 파우더 컨베이어의 길이방향 축을 따라 동축으로(coaxially) 배열되고, 상기 파우더 컨베이어를 둘러싸고 상기 파우더를 담도록 구성된 튜브를 형성하는 복수의 링 - 각각의 동심 링은 적어도 하나의 링 개구를 포함함 - , 및
    상기 튜브의 길이를 따라 연장되는 캡 플레이트 - 상기 캡 플레이트는 적어도 하나의 캡 플레이트 개구를 포함하고, 각각의 링은 각각의 동심 링의 적어도 하나의 링 개구가 상기 적어도 하나의 캡 플레이트 개구와 정렬되게 또는 정렬되지 않게 이동가능하도록 독립적으로 회전가능하게 구성되고, 상기 적어도 하나의 링 개구와 상기 적어도 하나의 캡 플레이트 개구가 정렬될 때, 상기 파우더는 상기 튜브로부터 상기 적어도 하나의 링 개구 및 상기 적어도 하나의 캡 플레이트 개구를 통해 디스펜싱됨 - 를 포함함 - ; 및
    상기 파우더의 용융된 부분을 형성하기 위해, 상기 플래튼의 상기 최상부면 상에 디스펜싱된 상기 파우더에 에너지를 인가하기 위한 에너지 소스
    를 포함하는 적층 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파우더 컨베이어는 상기 파우더 컨베이어 내에서 운반되는 파우더를 상기 파우더 컨베이어의 길이를 따라 이동시키기 위해 상기 길이방향 축에 대해 회전가능한, 적층 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 파우더 컨베이어는 상기 파우더 컨베이어의 상기 길이방향 축과 동축인 스크류 컨베이어(screw conveyor)를 더 포함하고, 상기 스크류 컨베이어는 상기 스크류 컨베이어가 회전할 때, 상기 스크류 컨베이어가 상기 파우더 컨베이어 내에서 운반되는 파우더를 상기 파우더 컨베이어의 길이를 따라 이동시키도록, 상기 파우더 컨베이어의 상기 길이방향 축에 대해 회전가능한, 적층 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스크류 컨베이어는, 상기 스크류 컨베이어가 상기 길이방향 축에 대해 제1 방향으로 회전할 때, 상기 스크류 컨베이어가 상기 파우더를 상기 길이방향 축을 따라 상기 파우더 컨베이어의 상기 근위 단부로부터 멀리 운반하고, 상기 스크류 컨베이어가 상기 길이방향 축에 대해 제2 방향으로 회전할 때, 상기 스크류 컨베이어가 상기 파우더를 상기 길이방향 축을 따라 상기 파우더 컨베이어의 상기 근위 단부를 향해 운반하도록 구성되는, 적층 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스크류 컨베이어를 구동하기 위한 모터, 및 상기 모터에 결합된 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 스크류 컨베이어로 하여금, 상기 개체를 형성하기 위한 상기 파우더의 디스펜싱 동안 상기 제1 방향의 회전과 상기 제2 방향의 회전 사이에서 교대하게 하도록 구성되는, 적층 제조 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제어기는 상기 스크류 컨베이어로 하여금, 상기 디스펜싱 전에, 파우더가 상기 튜브의 실질적으로 전체를 따라 연장될 때까지 상기 제1 방향으로 회전하게 하도록 구성되는, 적층 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서, 각각의 링은 그 링 주위에 각도 이격된(spaced angularly) 복수의 위치를 포함하고, 각각의 위치는 하나 이상의 개구를 갖고, 개구들의 개수 및 개구 크기의 개별적 조합을 갖는, 적층 제조 장치.
  8. 제7항에 있어서, 각각의 링은 상이한 위치가 상기 적어도 하나의 캡 플레이트 개구와 정렬되도록 위치들 사이에서 이동가능한, 적층 제조 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 조합은 각각의 동심 링의 적어도 하나의 캡 플레이트 개구를 더 정의하고, 상기 조합은 각각의 동심 링에 대한 상기 적어도 하나의 캡 플레이트 개구의 위치, 및 개구들의 개수를 더 포함하는, 적층 제조 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 파우더 컨베이어의 원위 단부(distal end)는 상기 플래튼의 상기 최상부면에 걸쳐 연장되고, 상기 파우더가 상기 원위 단부를 통해 상기 파우더 컨베이어를 빠져나가는 것을 방지하도록 폐쇄되는, 적층 제조 장치.
  11. 제1항에 있어서, 각각의 동심 링의 구동 시스템은,
    상기 파우더 컨베이어의 상기 길이방향 축으로부터 오프셋되고 상기 파우더 컨베이어의 상기 길이방향 축에 평행한 회전 축을 갖는 모터, 및
    상기 모터의 회전 축에 대한 상기 모터의 회전이 상기 파우더 컨베이어의 상기 길이방향 축에 대한 상기 동심 링의 회전을 야기하도록 상기 모터에 연결되는 링키지 시스템(linkage system)
    을 포함하는, 적층 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 복수의 링 각각의 상기 구동 시스템의 상기 모터는 별개의 샤프트 길이를 포함하는, 적층 제조 장치.
  13. 제1항에 있어서, 각각의 동심 링의 구동 시스템은 상기 동심 링을 상기 파우더 컨베이어의 상기 길이방향 축에 대해 회전시키기 위해 전자기장을 발생시키도록 구성된 솔레노이드를 포함하는, 적층 제조 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 에너지 소스는 상기 파우더에 에너지를 인가하도록 구성된 복수의 가열기를 포함하고, 상기 복수의 가열기는 상기 에너지가 상기 적어도 하나의 링 개구 및 동심의 상기 적어도 하나의 캡 플레이트 개구를 통해 디스펜싱되는 파우더에 선택적으로 인가되도록 어드레싱가능한, 적층 제조 장치.
  15. 디스펜싱 시스템으로서,
    플래튼의 최상부면에 걸쳐 디스펜싱될 파우더를 유지하도록 구성된 파우더 소스;
    상기 플래튼의 최상부면 위로 연장되는 파우더 컨베이어 - 상기 파우더 컨베이어는 상기 파우더 소스로부터 파우더를 수용하도록 구성된 근위 단부를 포함하고, 상기 파우더 컨베이어는 상기 파우더 컨베이어 내에서 운반되는 파우더를 상기 파우더 컨베이어의 길이를 따라 이동시키도록 구성됨 - ;
    상기 파우더 컨베이어의 길이방향 축을 따라 동축으로 배열되고, 상기 파우더 컨베이어를 둘러싸고 상기 파우더를 담도록 구성된 튜브를 형성하는 복수의 링 - 각각의 동심 링은 적어도 하나의 링 개구를 포함함 - ; 및
    상기 튜브의 길이를 따라 연장되는 캡 플레이트 - 상기 캡 플레이트는 적어도 하나의 캡 플레이트 개구를 포함하고, 각각의 링은 각각의 동심 링의 적어도 하나의 링 개구가 상기 적어도 하나의 캡 플레이트 개구와 정렬되도록 또는 정렬되지 않도록 이동가능하도록 독립적으로 회전가능하게 구성되고, 상기 적어도 하나의 링 개구와 상기 적어도 하나의 캡 플레이트 개구가 정렬될 때, 상기 파우더는 상기 튜브로부터 상기 적어도 하나의 링 개구 및 상기 적어도 하나의 캡 플레이트 개구를 통해 디스펜싱됨 -
    를 포함하는 디스펜싱 시스템.
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