KR20180061137A - 적층 제조에서의 재료 디스펜싱 및 압축 - Google Patents

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KR20180061137A
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호우 티. 응
나그 비. 파티반들라
아제이 엠. 조쉬
아샤바니 쿠마르
카시라만 크리슈난
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

부품을 형성하기 위한 적층 제조 장치는 지지체; 지지체 또는 지지체 상의 하부 층 상에 제1 입자들의 층을 전달하기 위한 제1 디스펜서; 제2 입자들이 제1 입자들의 층 내로 침투하도록, 제1 입자들의 층 상에 제2 입자들을 전달하기 위한 제2 디스펜서; 부품의 용융된 층을 형성하기 위해, 제1 입자들 및 제2 입자들을 용융시키기 위한 에너지 소스; 및 제1 디스펜서, 제2 디스펜서, 및 에너지 소스에 결합된 제어기를 포함한다.

Description

적층 제조에서의 재료 디스펜싱 및 압축
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(AM: additive manufacturing)는 원재료(일반적으로, 파우더, 액체, 현탁액, 또는 용해된 고체)로부터 일련의 2차원 층들 또는 단면들로 3차원 개체들이 구축되는 임의의 제조 프로세스를 지칭한다. 대조적으로, 전통적인 머시닝 기술들은 절삭 프로세스들(subtractive processes)을 수반하며, 나무, 플라스틱, 또는 금속의 블록과 같은 스톡 재료(stock material)로부터 절단되는 개체들을 생성한다.
적층 제조에서는 다양한 적층 프로세스들이 이용될 수 있다. 다양한 프로세스들은 완성된 개체들을 생성하기 위해 층들이 퇴적되는 방식, 및 각각의 프로세스에서의 이용에 호환가능한 재료들에 있어서 차이가 있다. 일부 방법들은 층들을 생성하기 위해, 예를 들어, 선택적 레이저 용해(SLM: selective laser melting) 또는 직접 금속 레이저 소결(DMLS: direct metal laser sintering), 선택적 레이저 소결(SLS: selective laser sintering), 용융 퇴적 모델링(FDM: fused deposition modeling)과 같이, 재료를 용해하거나 연화(soften)하는 한편, 다른 방법들은 상이한 기술들, 예를 들어 스테레오리소그래피(SLA: stereolithography)를 이용하여 액체 재료들을 경화(cure)한다.
소결은 작은 그레인들, 예를 들어 파우더들을 용융시키는 프로세스이다. 소결은 통상적으로 파우더를 가열하는 것을 수반한다. 용해와는 대조적으로, 소결에서 이용되는 파우더는 소결 프로세스 동안 액체 위상에 도달할 필요가 없다. 파우더화된 재료가 소결 프로세스에서 녹는점 미만 또는 녹는점 부근의 온도로 가열될 때, 파우더 입자들 내의 원자들이 입자들의 경계들에 걸쳐서 확산되고, 그에 의해 입자들을 함께 용융하여 고체 단편(solid piece)을 형성하게 된다. 소결 온도가 재료의 녹는점에 도달할 필요가 없으므로, 소결은 텅스텐 및 몰리브덴과 같은 높은 녹는점들을 갖는 재료들에 대해 종종 이용된다.
전형적으로, 파우더화된 재료를 소결 또는 용해하기 위한 에너지 소스로서 레이저 빔을 이용하는 종래의 시스템들은 레이저 빔을 파우더화된 재료의 층 내의 선택된 지점 상에 지향시키고, 층에 걸친 위치들에 대해 레이저 빔을 선택적으로 래스터 스캔한다. 제1 층 상의 선택된 위치들 전부가 소결되거나 용해되고 나면, 파우더화된 재료의 새로운 층이 완성된 층의 최상부에 퇴적되고, 프로세스는 원하는 개체가 생성될 때까지 층별로 반복된다.
또한, 전자 빔은 재료 내에 소결 또는 용해를 야기하기 위한 에너지 소스로서 이용될 수 있다. 다시 한 번, 전자 빔은 특정 층의 처리를 완료하기 위해 층에 걸쳐 래스터 스캔될 필요가 있다.
일반적으로, 한 양태에서, 적층 제조의 방법은 지지체 상에 복수의 층을 연속적으로 형성하는 단계를 포함한다. 복수의 층 중에서 한 층(a layer)을 퇴적하는 단계는, 지지체 또는 하부 층 상에 제1 입자들의 층을 디스펜싱하는 단계, 제2 입자들이 제1 입자들의 층 내로 침투하도록 제1 입자들의 층 상에 제2 입자들을 디스펜싱하는 단계, 및 복수의 층 중에서 해당 층(the layer)을 형성하기 위해, 제1 입자들 및 제2 입자들을 용융시키는 단계를 포함한다. 제1 입자들은 제1 평균 직경을 갖고, 제2 입자들은 제1 평균 직경보다 적어도 2배 더 작은 제2 평균 직경을 갖는다.
구현들은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제1 입자들의 층을 디스펜싱하는 단계는 예를 들어 블레이드 또는 롤러를 이용하여, 제1 입자들을 지지체 또는 하부 층에 걸쳐 밀어내는(pushing) 단계를 포함할 수 있다. 제1 입자들의 층을 디스펜싱하는 단계는 회전 롤러 내의 애퍼쳐로부터 제1 입자들을 분출하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 입자들은 지지체에 인접한 파우더 전달 베드(powder delivery bed)로부터 밀어내어질 수 있다. 제2 입자들을 디스펜싱하는 단계는 제2 입자들을 노즐로부터 제1 입자들의 층 상으로 분출하는 단계를 포함할 수 있다. 제2 입자들을 분출하는 단계는 제2 입자들을 함유하는 캐리어 유체를 분사(spraying)하는 단계를 포함할 수 있다. 유체는 증발될 수 있다.
제1 입자들 및 제2 입자들을 용융시키기 전에, 침투된 제2 입자들을 갖는 제1 입자들의 층이 압축될(compacted) 수 있다. 예를 들어, 회전 롤러가 침투된 제2 입자들을 갖는 제1 입자들의 층을 누를 수 있다. 제1 입자들의 층은 제1 평균 직경의 1 내지 4배의 두께로 형성될 수 있다. 제2 평균 직경은 제1 평균 직경보다 적어도 4배 더 작을 수 있다. 제2 평균 직경은 약 100nm 내지 10㎛일 수 있다.
제1 입자들의 층을 디스펜싱하기 전에, 제1 평균 직경보다 적어도 2배 더 작은 제3 평균 직경을 갖는 제3 입자들의 층이 디스펜싱될 수 있다. 제1 입자들의 층은 제3 입자들의 층 상에 디스펜싱될 수 있고, 제1 입자, 제2 입자들, 및 제3 입자들은 복수의 층 중에서 해당 층을 형성하기 위해 용융될 수 있다.
복수의 층을 형성하는 단계는 제1 층 및 제2 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 층을 형성하는 단계는 제1 롤러로 제1 입자들을 횡방향으로 밀어냄으로써 제1 입자들의 제1 층을 디스펜싱하는 단계, 제1 입자들의 제1 층 상에 제2 입자들을 디스펜싱하는 단계, 및 제2 롤러로 제1 입자들의 제1 층 및 제2 입자들을 압축하는 단계를 포함할 수 있고, 제1 롤러 및 제2 롤러는 제1 방향으로 수평하게 이동한다. 제2 층을 형성하는 단계는 제2 롤러로 제1 입자들을 횡방향으로 밀어냄으로써 제1 입자들의 제2 층을 디스펜싱하는 단계, 제1 입자들의 제2 층 상에 제2 입자들을 디스펜싱하는 단계, 및 제1 롤러로 제1 입자들의 제2 층 및 제2 입자들을 압축하는 단계를 포함할 수 있고, 제1 롤러 및 제2 롤러는 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 수평하게 이동한다.
제1 입자들 및 제2 입자들은 레이저 빔을 제1 입자들 및 제2 입자들의 층에 인가함으로써 용융될 수 있다. 제1 입자들 및 제2 입자들은 동일한 재료 조성을 가질 수 있다. 제2 입자들을 디스펜싱하는 단계는 제작된 개체 내에 상이한 밀도의 층들을 제공하기 위해, 제2 입자들의 디스펜싱을 층별로(on a layer by layer basis) 선택적으로 제어하는 단계, 또는 제작된 개체의 층 내에 상이한 밀도의 영역들을 제공하기 위해, 층 내에서의 제2 입자들의 디스펜싱을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 부품을 형성하기 위한 적층 제조 장치는 지지체, 지지체 또는 지지체 상의 하부 층 상에 제1 입자들의 층을 전달하기 위한 제1 디스펜서, 제2 입자들이 제1 입자들의 층 내로 침투하도록, 제1 입자들의 층 상에 제2 입자들을 전달하기 위한 제2 디스펜서, 부품의 용융된 층을 형성하기 위해, 제1 입자들 및 제2 입자들을 용융시키기 위한 에너지 소스, 및 제1 디스펜서, 제2 디스펜서, 및 에너지 소스에 결합된 제어기를 포함한다.
구현들은 이하의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제1 디스펜서는 층에 걸친(span) 제1 영역 내에 제1 입자들의 층을 전달하도록 구성될 수 있고, 지지체의 표면에 평행한 제1 방향으로 횡방향으로 이동하도록 구성된다. 제2 디스펜서는 층에 걸친 제2 영역 내에 제2 입자들의 층을 전달하도록 구성될 수 있고, 제1 방향으로 횡방향으로 이동하도록 구성된다. 제1 디스펜서는 제1 입자들을 지지체의 표면에 평행한 제1 방향으로 횡방향으로 밀어내기 위한 롤러 또는 블레이드를 포함할 수 있다. 제1 디스펜서는 지지체에 인접한 파우더 전달 베드(powder delivery bed)를 포함할 수 있다.
제2 디스펜서는 제2 입자들을 분출하기 위한 노즐 또는 노즐들의 어레이를 포함할 수 있다. 어레이의 노즐들은 제어기에 의해 독립적으로 제어가능할 수 있다. 노즐은 제2 입자들을 함유하는 캐리어 유체를 분사하도록 구성될 수 있다.
롤러는 제1 입자들의 층 및 제2 입자들을 압축하도록 위치될 수 있다. 제1 디스펜서는 제1 입자들을 지지체의 표면에 평행한 제1 방향으로 횡방향으로 밀어내기 위한 제1 롤러를 포함할 수 있고, 장치는 제1 입자들의 층 및 제2 입자들을 압축하기 위한 제2 롤러를 포함할 수 있다. 선형 액츄에이터는 제1 롤러 및 제2 롤러를 제1 방향으로 이동시킬 수 있다. 모터들은 제1 롤러 및 제2 롤러를 회전시킬 수 있다. 선형 액츄에이터는 제1 롤러 및 제2 롤러와 함께 에너지 소스를 이동시키도록 구성될 수 있다. 제1 롤러 및 제2 롤러는 동일한 직경을 가질 수 있다.
제어기는 선형 액츄에이터가 부품의 제2 층의 형성 동안 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 제1 롤러 및 제2 롤러를 이동시켜, 제2 롤러가 제1 입자들을 제2 방향으로 횡방향으로 밀어내고 제1 롤러가 제1 입자들 및 제2 층의 제2 입자들을 압축하게 하도록 구성될 수 있다. 제1 롤러는 제2 롤러보다 큰 직경을 가질 수 있다.
에너지 소스는 레이저일 수 있다. 장치는 지지체를 수직으로 이동시키기 위한 액츄에이터를 포함할 수 있다. 제어기는 액츄에이터에 결합될 수 있고, 액츄에이터가 부품의 층의 형성 동안 지지체를 고정된 수직 위치에 유지하게 하도록 구성될 수 있다. 제어기는 제2 디스펜서가 제2 입자들을 층별로 선택적으로 디스펜싱하여, 제작된 개체 내에 상이한 밀도의 층들을 제공하게 하도록 구성될 수 있다. 제어기는 제2 디스펜서가 층 내에 제2 입자들을 선택적으로 디스펜싱하여, 제작된 개체의 층 내에 상이한 밀도의 영역들을 제공하게 하도록 구성될 수 있다.
제1 입자들은 제1 평균 직경을 가질 수 있고, 제2 입자들은 제1 평균 직경보다 적어도 2배 더 작은 제2 평균 직경을 가질 수 있다. 제2 평균 직경은 약 100nm 내지 10㎛일 수 있다.
본 명세서에 설명된 발명의 주제의 특정 실시예들은 이하의 이점들 중 하나 이상을 실현하도록 구현될 수 있다. 파우더화된 재료의 층들은 용융 전에 증가된 물리적 압축을 달성하고, 이는 최종 층의 물리적 수축을 감소시킬 수 있다. 제작된 부품의 치수 정확도(dimensional accuracy)가 또한 개선될 수 있고, 복수의 기하형상들에 대해 덜 엄격한 소프트웨어 및 프로세스 보상 요건들이 필요할 수 있다. 또한, 복수의 상이한 재료가 디스펜싱될 수 있는 동시에, 파우더화된 층들의 공극률의 수준 및 다른 기계적 기능들을 제어할 수 있다. 기능적 그레이딩(functional grading)은 공극률의 수준을 제어함으로써, 또는 층별로의, 그리고 일부 구현들에 대해서는 층 내에서의 상이한 재료들의 선택적 퇴적에 의해 달성될 수 있다. 접근방식은 다양한 입자 형태론들과 함께 매우 다양한 주요 입자 조성 및 크기들에 맞춰 적응가능할 수 있다.
본 명세서에 설명된 발명의 주제의 하나 이상의 실시예의 상세가 이하의 설명 및 첨부 도면에 제시된다. 발명의 주제의 다른 잠재적인 특징들, 양태들 및 이점들은 설명, 도면 및 청구항들로부터 명백해질 것이다.
도 1a는 예시적인 적층 제조 장치를 도시한다.
도 1b는 예시적인 적층 제조 장치의 상부도를 도시한다.
도 2a - 도 2b는 제2 파우더 입자들을 파우더 층에 도입하기 위한 디스펜싱 및 레이어링(layering)의 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 3은 블레이드를 이용한 파우더 층 내로의 제2 파우더 입자들의 양방향 레이어링 및 압축의 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 4는 한 쌍의 2차 롤러를 이용한 파우더 층 내로의 제2 파우더 입자들의 양방향 레이어링 및 압축의 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 5a - 도 5c는 디스펜싱 노즐과 통합된 하나 이상의 롤러를 이용하여 파우더 입자들의 레이어링 및 압축을 수행하는 예시적인 프로세스를 도시한다.
다양한 도면들 내의 유사한 참조 번호 및 명칭은 유사한 구성요소를 나타낸다.
파우더 입자 크기, 바인더 점성, 액적 크기, 및 프린팅 층 두께는 3D 프린팅 프로세스의 강도 및 표면 품질을 결정하는 요인들이다. 파우더 크기, 및 파우더 입자들의 균질 분산은 3D 프린팅 프로세스에 영향을 준다. 파우더 크기가 지나치게 작은 경우, 파우더 유동성(powder flowability)으로 인해, 파우더는 얇은 층들 내로 확산되지 않을 것이고, 롤러는 파우더를 오버프레스(overpress)할 수 있다.
에너지 소스에 의한 용융 전에 파우더 층들을 압축, 예를 들어 치밀화하면, 프린트된 부품에 대한 요구되는 구조적 완결성 및 치수 정확도를 획득하는 데에 도움을 줄 수 있다. 낮은 파우더 압축 밀도는 용융 프로세스 동안 현저한 공간적 수축을 야기할 수 있고, 이는 제작된 부품에서의 불량한 치수 정확도를 야기할 수 있어, 제작된 부품의 장기적인 구조적 완결성 및 심미성에 영향을 줄 수 있다.
물리적 수축을 처리하고, 용융된 층들 사이의 공극률을 감소시키고, 프린트된 부품의 표면 품질을 획득하기 위한 접근법들은 다양한 과제를 제시한다. 물리적 수축을 처리하기 위해, 구축 평면(build plane)을 따른 공간적 수축의 소프트웨어적 보상이 이용될 수 있다. 또한, 수직 방향 수축을 보상하기 위해, 용융 전에 더 두꺼운 파우더 층이 이용될 수 있다. 마찬가지로, XY 구축 평면을 따른 물리적 수축은 부품 설계의 정정된(예를 들어, 물리적 치수를 연장한) 단면 프로파일들을 통해 보상될 수 있다. 그러나, 이러한 접근법들은 기하학적 복잡성들로 인해 재료들 간에서 전환할 때 일관성을 제공하지 않는다.
용융된 층들의 공극률을 감소시키기 위해, 바이모달(bi-modal) 또는 트리모달(tri-modal)의 분산된 입자들이 이용될 수 있다. 그러나, 레이어링 프로세스 동안 바이모달 또는 트리모달의 분산된 입자들을 이용하면, 입자 집적(particle aggregation)으로 인한 파우더 유동성 과제들이 나타난다. 구체적으로, 이러한 문제는 더 작은 입자 크기들이 분포의 더 큰 비율을 차지할 때 발생할 수 있다. 지지체 상에 큰 입자들의 층을 디스펜싱한 다음, 큰 입자들의 층 상에 작은 입자들을 디스펜싱함으로써, 더 높은 밀도를 갖는 층이 달성될 수 있다. 추가로, 층의 선택적 치밀화(selective densification)는 작은 입자들의 선택적 퇴적에 의해 획득될 수 있다.
도 1a는 예시적인 적층 제조 장치(100), 예를 들어 선택적 레이저 소결 시스템(SLS: selective laser sintering system), 선택적 레이저 용해(SLM: selective laser melting), 또는 전자 빔 용해 시스템을 보여준다. 적층 제조 장치(100)는 개체가 제작되는 파우더 베드를 유지하기 위한 지지체(142), 제1 입자들의 층을 전달하고 또한 제1 입자들의 층 상에 더 작은 제2 입자들을 전달하도록 구성된 파우더 전달 시스템(132), 및 파우더를 용융시키기에 충분한 열을 발생시키기 위한 에너지 소스를 포함한다.
지지체(142)는 지지체(142)의 수직 높이를 제어하는 피스톤(114)에 연결될 수 있다. 파우더의 각각의 층이 디스펜싱되고 용융된 후, 피스톤(114)은 지지체(142) 및 그 위의 파우더의 임의의 층들을 하나의 층의 두께만큼 하강시키고, 그에 의해 어셈블리는 파우더의 새로운 층을 수용할 준비가 된다.
파우더 전달 시스템은 제1 파우더 입자들(104)의 층을 지지체(142) 또는 지지체(142) 상에 사전에 디스펜싱된 층 상에 전달하기 위한 제1 디스펜서, 및 더 작은 제2 파우더 입자들(124)을 제1 파우더 입자들(104)의 외측 층 상에 전달하기 위한 제2 디스펜서를 포함한다. 연속적으로 퇴적되고 용융된 파우더의 층들은 제작된 개체(110)를 형성한다.
제1 파우더 입자들(104)을 위한 재료들은 금속들, 예를 들어 강철, 알루미늄, 코발트, 크롬, 및 티타늄, 합금 혼합물들, 세라믹들, 합성물들(composites), 및 그린 샌드(green sand)를 포함한다.
일부 구현들에서, 제1 디스펜서는 지지체(142)에 인접한 파우더 전달 베드(102)를 지지하기 위한 파우더 전달 플래튼(112)을 포함한다. 벽(146)은 파우더 전달 플래튼(112) 및 파우더 전달 베드(102)를 지지체(142) 및 제작 파우더 베드(fabrication powder bed)(106)로부터 분리시킬 수 있다. 파우더 전달 피스톤(108)은 파우더 전달 플래튼(112)의 수직 움직임을 제어한다. 파우더 전달 피스톤(108)의 수직 움직임은 파우더 전달 베드(102)로부터의 제1 파우더 입자들(104)의 분배(disbursement)를 제어한다. 파우더 전달 피스톤(108)은 파우더 전달 플래튼(112)을 지지체(142) 위에 균일한 두께의 층을 형성하기에 충분한 파우더 입자들을 제공할 높이만큼 수직으로 상향 이동시킨다.
또한, 제1 디스펜서는 파우더 재료(144)의 층을 형성하기 위해 제1 파우더 입자들(104)을 파우더 전달 베드(102)로부터 제작 파우더 베드(106)로 옮기기 위한 파우더 전달 디바이스, 예를 들어 블레이드 또는 롤러를 포함한다. 예를 들어, 블레이드 또는 롤러는 파우더 재료(144)의 층을 형성하기 위해, 파우더 전달 베드(102)로부터의 파우더를 제작 파우더 베드(106)에 걸쳐 밀어낼 수 있다.
파우더 재료의 각각의 층은 단일 입자 두께일 수 있거나, 파우더 재료의 각각의 층은 복수의 제1 파우더 입자들(104)의 적층에 기인하는 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 파우더 재료의 각각의 층은 제1 파우더 입자의 평균 직경의 대략 1 내지 4배의 두께를 가질 수 있다.
디스펜서는 제1 파우더 입자들(104)을 밀어내기 위한 적어도 하나의 롤러를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 구현에서, 적층 제조 장치(100)는 1차 롤러(116) 및 2차 롤러(118)를 포함한다. 1차 롤러(116)는 제1 파우더 입자들(104)을 파우더 전달 베드(102)로부터 제작 파우더 베드(106)로 밀어내서 파우더 재료의 최외측 층을 형성하기 위해, 횡방향으로, 즉 지지체(142)의 표면 및 지지체(142) 상의 파우더 재료의 임의의 층들에 평행하게 이동될 수 있다. 제작 파우더 베드(106)의 최상부 위의 1차 롤러(116)의 높이는 제1 파우더 재료의 요구되는 두께를 전달하도록 설정될 수 있다. 2차 롤러(118)는 디스펜싱된 제2 파우더 입자들(124)을 파우더 재료의 층들의 공극들 내로 압축할 수 있다. 최종 두께가 요구되는 두께, 예를 들어 제1 파우더 입자들의 평균 직경의 1 내지 4배를 초과하는 경우, 프로세스가 반복될 수 있다.
일부 구현들에서, 롤러들 중 하나 또는 둘 다는 예를 들어 롤러의 내부 코어에 걸쳐 냉각제를 통과시킴으로써 롤러 표면의 능동적 온도 제어를 갖는다. 롤러들은 금속, 예를 들어 스테인레스 스틸, 니켈 합금, 티타늄, 또는 세라믹 코팅된 금속으로 이루어질 수 있다. 롤러들은 약 0.05㎛ - 5㎛의 산술 평균(Ra)을 갖는 표면 조도(surface roughness)를 가질 수 있다.
선택적으로, 파우더 입자들, 예를 들어 제1 파우더 입자들(104) 또는 제2 파우더 입자들(124)이 롤러들에 들러붙는 것을 방지하기 위해, 제1 디스펜서는 롤러들 중 하나 이상, 예를 들어 1차 롤러(116) 및/또는 2차 롤러(118)를 세정하기 위한 하나 이상의 블레이드, 예를 들어 블레이드들(120a 및/또는 120b)을 포함한다. 블레이드(들)는 파우더 입자들이 롤러(들)에 들러붙는 것을 방지하기 위해 이용될 때, 롤러들이 회전함에 따라 롤러들로부터 임의의 파우더 입자들을 효과적으로 긁어내도록 롤러들에 아주 근접하게 위치된다. 블레이드들은 대략적으로, 디스펜싱되고 있는 입자들의 최소 직경보다 작은 거리에, 예를 들어 디스펜싱되고 있는 최소 입자들의 직경의 절반보다 작거나 그와 동일한 거리에 있다.
일부 구현들에서, 롤러를 대신하여, 파우더 입자들을 파우더 전달 베드(102)로부터 제작 파우더 베드(106)로 밀어내서 파우더 재료의 층을 형성하기 위해, 블레이드, 예를 들어 도 2b에 도시된 것과 같은 블레이드(204)가 이용된다. 다른 구현들에서, 파우더를 지지체에 인접한 디스펜싱 베드로부터 밀어내는 대신에, 제1 디스펜서는 지지체(142) 위에 위치가능하고 노즐로부터 입자들을 분출하는 디스펜싱 어레이를 포함한다. 예를 들어, 디스펜싱 어레이는 파우더 재료의 층들을 형성하기 위해, 제1 파우더 입자들을 캐리어 유체, 예를 들어 고증기압 캐리어, 예를 들어 이소프로필 알코올(IPA: Isopropyl Alcohol), 에탄올, 또는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP: N-Methyl-2-pyrrolidone) 내에 전달할 수 있다. 캐리어 유체는 층을 위한 소결 단계 전에, 예를 들어 제2 입자들이 디스펜싱되기 전에 증발될 수 있다. 대안적으로, 건식 디스펜싱 메커니즘, 예를 들어 초음파 교반(ultrasonic agitation) 및 가압된 불활성 가스(pressurized inert gas)에 의해 보조되는 노즐들의 어레이가 제1 입자들을 디스펜싱하기 위해 이용될 수 있다.
제2 디스펜서는 제2 파우더 입자들(124)을 제1 파우더 입자들의 층 상에 디스펜싱하기 위한 디스펜싱 어레이(122)를 포함할 수 있다. 제2 파우더 입자들이 더 작기 때문에, 제2 파우더 입자들은 제1 파우더 입자의 층에 침투하여 파우더 층 내의 공극들을 채울 수 있다.
디스펜싱 어레이(122)는 제작 파우더 베드(106) 위에 위치가능할 수 있다. 디스펜싱 어레이(122)는 디지털적으로 어드레싱가능할 수 있다. 즉, 디스펜서는 디지털적으로 어드레싱가능한 어레이 헤드를 갖는다. 디스펜싱 어레이(122)는 예를 들어 서브미크론 입자들 또는 나노 입자들과 같이 상이한 크기들 및 상이한 재료들의 파우더 입자들을 퇴적할 수 있거나, 동일한 크기 또는 동일한 재료의 파우더 입자들을 퇴적할 수 있다.
제2 파우더 입자들(124)은 예를 들어 제1 파우더 입자들(104)의 평균 직경보다 적어도 2배 더 작은, 예를 들어 2 내지 50배 더 작은, 예를 들어 3 내지 10배 더 작은 평균 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 파우더 입자들(124)은 예를 들어 100nm 내지 10㎛의 평균 직경을 가질 수 있다. 디스펜싱 어레이(122)는 노즐로부터 제2 파우더 입자들을 분출하는 마이크로 디스펜싱 어레이 헤드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 디스펜싱 어레이(122)는 캐리어 유체 내에서 제2 파우더 입자들을 디스펜싱할 수 있다. 캐리어 유체는 고증기압 캐리어, 예를 들어 이소프로필 알코올(IPA: Isopropyl Alcohol), 에탄올, 또는 N-메틸-2-피롤리돈(NMP: N-Methyl-2-pyrrolidone)일 수 있다. 디스펜싱 어레이(122)는 층의 소결 전에, 예를 들어 열적 증발(thermal evaporation) 또는 흡입(suction)을 이용하여 캐리어 유체를 제거할 수 있다. 디스펜싱 어레이는 제2 파우더 입자들을 디스펜싱하기 위해, 불활성 가스 제트들, 예를 들어 아르곤, 질소, 또는 혼합된 가스들을 이용하는 건식 디스펜싱 메커니즘, 및/또는 초음파 교반 메커니즘이다.
마이크로 디스펜싱 어레이 헤드는 제2 파우더 입자들이 제1 파우더 입자들의 층에 침투하도록 제어가능할 수 있다. 따라서, 제2 파우더 입자들은 제1 파우더 입자들 사이의 공극들을 채울 수 있다. 결과적으로, 조합된 제1 및 제2 파우더 입자들의 층은 더 높은 밀도를 가질 수 있고, 용융된 재료는 마찬가지로 더 높은 밀도를 가질 수 있다.
추가로, 제2 파우더 입자들이 디스펜싱 어레이(122)에 의해 디스펜싱되는 위치들을 선택적으로 제어함으로써, 제작된 부품의 밀도가 층별로, 그리고 층 내에서 제어될 수 있다.
마이크로 디스펜싱 어레이 헤드는 1 ㎛ 내지 500㎛의 직경들을 갖는 복수의 노즐을 가질 수 있다. 노즐 헤드들은 제작 파우더 베드의 폭에 걸쳐 레이아웃되는 분할된 노즐 헤드들로 이루어질 수 있다. 다른 구현들에서, 마이크로 디스펜싱 어레이는 슬롯 기반 어레이 헤드를 이용한다. 재료 디스펜서는 대략 0.1 - 30m/s의 속도로 제2 파우더 입자들을 퇴적할 수 있고, 디스펜서는 1-50kHz의 펄스 주파수를 이용하거나 이용하지 않고서 입자들을 도입할 수 있다.
제1 및 제2 파우더 입자들은 동일한 재료 조성을 가질 수 있지만, 단순히 상이한 평균 직경들을 가질 수 있다. 대안적으로, 제1 및 제2 파우더 입자들은 상이한 재료 조성을 가질 수 있다. 제2 파우더 입자들을 위한 가능한 재료들은 제1 파우더 입자들에 대해 위에서 나열된 것들을 포함한다. 일부 구현들에 대해, 제1 및 제2 파우더 입자들은 동일한 조성을 갖는다. 일부 구현들에 대해, 예를 들어 금속 부품을 형성하기 위해, 제1 및 제2 파우더 입자들은 금속 합금(alloy) 또는 금속간(intermetallic) 재료를 형성하도록 조합될 조성들을 갖는다. 제2 파우더 입자들은 조합된 제1 및 제2 파우더 입자들의 층의 용적의 약 15-30%를 제공할 수 있다.
적층 제조 장치(100)는 조합된 제1 및 제2 파우더 입자들의 층을 용융시키 위해 열을 생성하기 위한 에너지 소스를 포함한다. 예를 들어, 에너지 소스는 지향된 에너지 빔(128), 예를 들어 레이저 또는 전자 빔을 방출하기 위한 빔 디바이스(126)일 수 있다. 에너지 빔은 파우더 입자들을 함께 용융하여 제작된 개체(110)를 형성하기 위해, 제작 파우더 베드(106) 내에서 지지체(142) 상에 위치된 파우더 재료로 지향된다. 에너지 소스가 레이저인 경우, 레이저는 레이저 헤드, 안전 셔터, 및 미러 어셈블리를 포함할 수 있다.
적층 제조 장치는 목표 영역 내에서 에너지 빔(128)을 지향시키는 빔 포지셔닝 제어 메커니즘, 예를 들어 스캐너 시스템(130)을 포함한다. 빔 포지셔닝 제어 메커니즘은 에너지 빔(128)을 겨냥하고, 에너지 빔(128)을 변조하여 목표 영역 내의 파우더 재료의 층을 선택적으로 용융시키도록 동작한다. 예를 들어, 레이저 빔에 대해, 미러 어셈블리는 에너지 빔의 경로를 따라 배치되는 반면, 정전기적 플레이트들은 전자 빔의 굴절을 제어하기 위해 이용될 수 있다. 대안적으로, 빔(128)은 고정된 채로 남아있을 수 있는 한편, 지지체(142)는 수평으로 옮겨간다. 빔은 에너지 빔(128)을 선택적으로 생성하기 위해 온 또는 오프로 변조될 수 있거나, 에너지 빔(128)은 연속적일 수 있다.
다른 예로서, 에너지 소스는 플래튼(105) 위에 위치된 개별적으로 제어가능한 광원들, 예를 들어 VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser) 칩들의 어레이의 형태로 된, 디지털적으로 어드레싱가능한 열원을 포함할 수 있다. 제어가능한 광원들의 어레이는 어느 광원들이 활성화되는지에 따라 층의 영역들을 선택적으로 가열하는, 예를 들어 풀(full) 2차원 어레이 또는 액츄에이터에 의해 플래튼(105)에 걸쳐 스캐닝되는 선형 어레이일 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 에너지 소스는 조합된 제1 및 제2 파우더 입자들의 전체 층을 동시에 가열하기 위한 램프 어레이를 포함할 수 있다.
도 1b는 적층 제조 장치(100)의 예시적인 상부도를 도시한다. 제어기(138)는 파우더 전달 시스템(132)에 연결되는 드라이브 트레인, 예를 들어 선형 액츄에이터(146) 및 모터들(140a 및 140b)을 제어한다. 제어기는 선형 액츄에이터(146)를 이용하여, 빔 디바이스, 파우더 전달 시스템(132), 및 롤러들, 예를 들어 1차 롤러(116) 및 2차 롤러(118)를 제작 파우더 베드(106)의 최상부면에 평행하게 앞뒤로[화살표(134)에 의하 나타난 방향을 따라] 이동시키도록 구성된다. 모터들(140a 및 140b)은 1차 롤러(116) 및 2차 롤러(118)를 회전시킨다. 예를 들어, 파우더 전달 시스템(132)은 레일들, 예를 들어 레일들(136a 및 136b)에 의해 지지될 수 있다.
도 2a는 제2 파우더 입자들을 파우더 층에 도입하기 위한 디스펜싱 및 레이어링의 예시적인 프로세스를 도시한다. 예를 들어, 적층 제조 장치, 예를 들어 도 1a 및 도 1b의 적층 제조 장치(100)는 프로세스(200)를 수행할 수 있다.
각각의 층을 형성하기 위해, 장치는 파우더 재료(144)의 층을 형성하도록 제1 평균 직경을 갖는 제1 파우더 입자들을 지지체(142) 또는 지지체(142) 상에 이전에 퇴적된 층에 걸쳐 밀어낸다[단계(202)]. 장치는 1차 롤러(116)를 이용하여 제1 파우더 입자들을 밀어낸다. 롤러(116)가 좌측으로부터 우측으로 이동하고 있다고 가정하면, 롤러(116)는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 1차 롤러(116)는 원하는 두께와 등가인 파우더 층 위의 높이, 예를 들어 입자 또는 이중 미소화된 입자(dual-micronized particle)의 높이에 위치될 수 있다. 높이는 약 12㎛ - 25㎛일 수 있다. 1차 롤러(116)는 [화살표(206)에 의해 나타난 방향을 따라] 약 0.1m/s - 10m/s로 지지체(142)를 가로질러 횡단하고, 약 10rpm - 500rpm으로 회전하여, 단일 입자 또는 이중 입자 두께의 층을 생성할 수 있다.
일부 구현들에서, 장치는 제1 평균 직경을 갖는 제1 파우더 입자들을 지지체(142) 또는 지지체(142) 상의 이전에 퇴적된 층에 걸쳐 밀어내기 위해, 1차 롤러(116)를 대신하여, 블레이드, 예를 들어 도 2b의 블레이드(204)를 이용한다. 블레이드(204)는 균일한 단일 입자 또는 이중 입자 층이 생성되도록 지지체(142)의 표면에 대해 약 5도 내지 90도로 기울어지고 지지체(142)의 표면에 평행하게 이동하는, 정면을 향하는 나이프 에지(front-facing knife-edge)를 가질 수 있다.
일부 구현들에서, 층을 형성하기 위해 제1 파우더 입자들을 옮기기 전에, 장치는 제3 파우더 입자들을 플래튼 또는 하부의 이전에 디스펜싱된 층 상에 디스펜싱한다. 제3 파우더 입자들은 얇은 층을 제공할 수 있고, 그 위에 제1 파우더 입자들이 디스펜싱된다. 제3 파우더 입자들은 제1 평균 직경보다 적어도 2배 더 작은 평균 직경을 갖는다. 이것은 제1 파우더 입자들이 제3 파우더 입자들의 층 내로 정착(settle)되는 것을 허용한다. 이러한 기술은 예를 들어 제2 파우더 입자들이 제1 파우더 입자들의 층의 저부까지 침투할 수 없는 경우에 제1 파우더 입자들의 층의 저부에서 개체의 밀도를 증가시킬 수 있다.
일부 구현들에서, 장치는 도 5b에 도시된 바와 같이 1차 롤러(116) 내로 통합된 디스펜싱 어레이(122)를 이용하여 파우더 재료의 층들을 형성하기 위해 제1 평균 직경을 갖는 제1 파우더 입자들을 디스펜싱한다. 통합된 디스펜싱 어레이는 도 5a - 도 5c를 참조하여 아래에 더 설명된다.
장치는 디스펜싱 어레이(122), 예를 들어 마이크로 디스펜싱 어레이 헤드를 이용하여 제2 평균 직경을 갖는 제2 파우더 입자들, 예를 들어 서브미크론 또는 나노 입자들을 제1 파우더 재료의 층 상에 디스펜싱한다[단계(214)]. 디스펜싱된 제2 파우더 입자들은 파우더 재료의 층에 침투한다. 디스펜싱 어레이(122)가 제1 파우더 재료의 층에 걸쳐 횡단하면서 1차 롤러(116) 또는 블레이드(204)를 뒤따르도록, 디스펜싱 어레이(122)는 1차 롤러(116) 또는 블레이드(204) 뒤에 위치된다. 디스펜싱 어레이(122)는 제1 파우더 재료의 층과 접촉하지 않는다.
일부 구현들에서, 제2 디스펜서는 제1 파우더 재료의 층 전체가 지지체(142) 위에 전달된 후에 제2 파우더 입자들을 디스펜싱한다. 대안적으로, 일부 구현들에서, 제2 디스펜서는 제2 파우더 입자들을 디스펜싱되어 있는 제1 파우더 재료의 층의 한 영역에 디스펜싱하지만, 그동안 제1 디스펜서는 제1 파우더 재료를 지지체(142)의 다른 영역 위에 여전히 전달하고 있다. 예를 들어, 마이크로 디스펜싱 어레이 헤드(122)는 1차 롤러(116) 또는 블레이드(204)의 뒤를 따를 수 있다. 일부 구현들에서, 디스펜싱 어레이(122)는 도 5a - 도 5b에 도시된 바와 같이, 2차 롤러(118) 내로 통합될 수 있다. 통합된 디스펜싱 어레이는 도 5a - 도 5c를 참조하여 아래에 더 설명된다.
선택적으로, 장치는 파우더 재료의 층 내의 공극들을 채우기 위해, 디스펜싱된 제2 파우더 입자들을 압축한다[단계(216)]. 예를 들어, 장치는 1차 롤러(116)와 동일한 크기를 가질 수 있거나 1차 롤러(116)보다 작을 수 있는 2차 롤러(118)를 이용할 수 있다. 2차 롤러(118)가 좌측으로부터 우측으로 이동하고 있다고 가정하면, 롤러(118)는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 압축에 더하여, 이것은 또한 제2 파우더 입자들의 임의의 과잉 양을 조합된 층으로부터 밀어낼 수 있다. 제2 롤러는 파우더 층의 수평화(leveling)를 제공하기 위해, 요구되는 압축의 정도에 의존하여 1차 롤러(116)의 흘수선(waterline) 위 또는 아래의 대략 0.1㎛ - 1㎛에 위치될 수 있다. 2차 롤러(118)는 1차 롤러(116) 및 디스펜싱 어레이를 뒤따르는 경로를 횡단한다.
장치는 1차 롤러(116) 및 2차 롤러들(118)에 근접하여 위치된 블레이드들(120a 및 120b)을 사용하여, 입자들이 롤러들에 들러붙는 것을 방지한다[단계(218)]. 블레이드들(120a 및 120b)의 근접도는 대략적으로, 적어도 입자들의 최소 직경보다 작은 거리, 예를 들어 디스펜싱되고 있는 최소 입자들의 직경의 절반보다 작거나 그와 동일한 갭이다. 장치는 입자들이 롤러들에 들러붙는 것을 방지하거나 입자들을 긁어내거나 입자들을 없애기 위해 블레이드들(120a 및 120b)을 이용한다.
장치는 압축된 제1 및 제2 파우더 입자들에 의해 제공되는 파우더 재료의 층을 용융시킨다. 제3 파우더 입자들의 층이 존재하는 경우, 장치는 제1, 제2 및 제3 파우더 입자들에 의해 제공되는 파우더 재료의 층을 용융시킨다.
도 3a 및 도 3b는 파우더 층 내로의 제2 파우더 입자들의 양방향 레이어링 및 압축의 예시적인 프로세스를 수행할 수 있는 장치(300)를 도시한다. 이러한 적층 제조 장치는 도 1a 및 도 1b의 적층 제조 장치(100)와 유사하지만, 1차 롤러 또는 블레이드(204)의 양측에 위치되는 디스펜싱 어레이들(308a, 308b)을 포함한다. 선택적으로, 장치는 1차 롤러 또는 블레이드(204)의 양측에 2차 롤러들(318a, 318b)을 또한 포함할 수 있다. 제1 디스펜서가 파우더 베드를 이용한다고 가정하면, 시스템은 1차 롤러 또는 블레이드(204)의 양측에 위치된 파우더 전달 베드들(102a, 102b)을 포함할 수 있다.
장치는 파우더 재료(144)의 층을 형성하기 위해, 순방향으로[화살표(302)의 방향을 따라] 횡단하고, 제1 평균 직경을 갖는 제1 파우더 입자들을 파우더 전달 베드(102a)로부터 지지체(142) 또는 지지체(142) 상에 이전에 퇴적된 층에 걸쳐 밀어낼 수 있다[단계(304)]. 장치는 롤러 또는 블레이드(204)를 이용하여 제1 파우더 입자들을 밀어낸다. 대안적으로 또는 추가적으로, 장치는 롤러 또는 블레이드(204) 내의 슬롯들 또는 노즐들을 통해 제1 파우더 입자들을 디스펜싱할 수 있다.
예를 들어, 롤러 또는 블레이드가 파우더 재료들의 층을 순방향으로[화살표(302)의 방향을 따라] 횡단할 때 롤러 또는 블레이드(204)의 뒤를 따라가는 순방향 디스펜싱 어레이(308a), 및 반대 방향으로[화살표(310)의 방향을 따라] 이동할 때 롤러 블레이드(204)의 뒤를 따라가는 역방향 디스펜싱 어레이(308b)와 같이, 제2 파우더 입자들을 위한 디스펜싱 어레이(308a, 308b) 및 2차 롤러들(318a, 318b)은 롤러 또는 블레이드(204)의 각 측에 놓인다. 2차 롤러(318a 또는 318b)는 도 1a에 도시된 바와 같이 2차 롤러(118)와 동일한 종류의 롤러일 수 있고, 디스펜싱 어레이들(308a 및 308b)은 도 1a에 도시된 바와 같이 디스펜싱 어레이(122)와 동일한 종류의 디스펜싱 어레이일 수 있다. 제2 파우더 입자들을 위한 디스펜싱 어레이는 블레이드의 각 측에서 2차 롤러들(318a 또는 318b)과 블레이드(204) 사이에 놓인다.
장치는 롤러 또는 블레이드의 뒤를 따르는 디스펜싱 어레이를 이용하여 제2 파우더 입자들을 디스펜싱한다[단계(312)]. 예를 들어, 롤러 블레이드(204)가 좌측으로부터 우측으로 이동하고 있다고 가정하면, 디스펜싱 어레이(308a)가 제2 파우더 입자들을 전달하기 위해 이용될 수 있다. 장치는 뒤를 따르는 2차 롤러(318a 또는 318b)를 이용하여 각자의 방향에서 제2 파우더 입자들을 압축하고, 파우더 층의 최상부면을 평활화한다[단계(314)]. 예를 들어, 롤러 블레이드(204)가 좌측으로부터 우측으로 이동하고 있다고 다시 가정하면, 2차 롤러(318a)가 제1 및 제2 파우더 입자들의 조합된 층을 평활화 및/또는 압축하기 위해 이용될 수 있다.
다음으로, 장치는 방향을 변경하고, 장치가 반대 방향으로 이동함에 따라 이제 롤러 또는 블레이드의 뒤를 따르게 되는 다른 디스펜싱 어레이 및 다른 2차 롤러를 이용하여 상술한 프로세스를 반복한다. 예를 들어, 롤러 또는 블레이드(204)가 우측으로부터 좌측으로 이동하고 있다고 가정하면, 롤러 또는 블레이드(204)는 제1 평균 직경을 갖는 제1 파우더 입자들을 파우더 전달 베드(102b)로부터 지지체(142) 또는 지지체(142) 상에 이전에 퇴적된 층에 걸쳐 밀어낼 수 있고, 디스펜싱 어레이(308b)는 제2 파우더 입자들을 전달하기 위해 이용될 수 있고, 선택적인 2차 롤러(318b)는 제1 및 제2 파우더 입자들의 조합된 층을 평활화 및/또는 압축하기 위해 이용될 수 있다.
장치는 블레이드들(316a 및 316b)을 이용하여, 입자들이 롤러들 상에 쌓이는 것을 방지할 수 있다[단계(320)].
도 4는 한 쌍의 2차 롤러를 이용한 파우더 층 내로의 제2 파우더 입자들의 양방향 레이어링 및 압축의 예시적인 장치 및 프로세스를 도시한다. 이러한 적층 제조 장치는 도 1a 및 도 1b의 적층 제조 장치(100)와 유사하지만, 단일 디스펜서(122) 및 2개의 롤러(318a 및 318b)만을 포함한다. 예를 들어, 적층 제조 장치, 예를 들어 도 1a 및 도 1b의 적층 제조 장치(100)는 프로세스(400)를 수행할 수 있다.
장치는 파우더 재료(144)의 층들을 형성하기 위해, 순방향으로[화살표(402)의 방향을 따라] 횡단하고, 제1 평균 직경을 갖는 제1 파우더 입자들을 지지체(142) 또는 지지체(142) 상에 이전에 퇴적된 층에 걸쳐 밀어낸다[단계(404)]. 장치는 디스펜싱 어레이(122)의 각 측에 2차 롤러(318a, 318b)를 갖는다. 장치는 제1 파우더 입자들을 밀어내기 위해, 앞서가는 2차 롤러를 이용한다. 앞서가는 2차 롤러는 디스펜싱 어레이(122) 앞에 위치되는 반면, 뒤를 따르는 2차 롤러는 디스펜싱 어레이(122) 뒤에 위치되고 디스펜싱 어레이(122)에 의해 횡단되는 경로를 뒤따른다. 예를 들어, 롤러들이 좌측으로부터 우측으로 이동하고 있다고 가정하면, 2차 롤러(318b)가 앞서가는 2차 롤러이고, 파우더 재료의 층들을 형성하도록 제1 파우더 입자들을 밀어내기 위해 이용될 수 있다. 롤러들이 우측으로부터 좌측으로 이동하고 있는 경우에는, 2차 롤러(318a)가 앞서가는 2차 롤러이고, 제1 파우더 입자들을 밀어내기 위해 이용될 수 있다.
장치는 디스펜싱 어레이(122)를 이용하여 제2 파우더 입자들을 디스펜싱한다[단계(412)]. 장치는 디스펜싱 어레이(122)를 추종하는 뒤따르는 2차 롤러를 이용하여, 제2 파우더 입자들을 압축한다[단계(414)]. 예를 들어, 롤러들이 좌측으로부터 우측으로 이동하고 있다고 다시 가정하면, 파우더 재료(144)의 층을 평활화 및/또는 압축하기 위해 2차 롤러(318a)가 이용될 수 있고, 롤러들이 우측으로부터 좌측으로 이동하고 있는 경우, 파우더 재료(144)의 층을 압축 및/또는 평활화하기 위해 2차 롤러(318b)가 이용될 수 있다.
장치는 블레이드들(416a, 416b, 416c, 및 416d)을 이용하여, 입자들이 롤러들 상에 쌓이는 것을 방지할 수 있다[단계(420)].
다음으로, 장치는 반대 방향으로[화살표(418)의 방향을 따라] 횡단한다. 예를 들어, 롤러들이 이전에 좌측으로부터 우측으로 이동하고 있었던 경우, 롤러들은 방향들을 전환하고, 우측으로부터 좌측으로 이동한다.
블레이드들은 2개의 롤러(318a 및 318b)를 대체할 수 있다.
도 5a - 도 5c는 디스펜서와 통합된 하나 이상의 롤러를 이용하여 파우더 입자들의 레이어링 및 압축을 수행하는 예시적인 프로세스를 도시한다. 예를 들어, 적층 제조 장치, 예를 들어 도 1a 및 도 1b의 적층 제조 장치(100)는 프로세스(500)를 수행할 수 있다.
장치는 파우더 재료(144)의 층을 형성하기 위해 제1 평균 직경을 갖는 제1 파우더 입자들을 지지체(142) 또는 지지체(142) 상에 이전에 퇴적된 층에 걸쳐 밀어낸다[단계(502)]. 장치는 1차 롤러(116)를 이용하여 제1 파우더 입자들을 밀어낸다. 1차 롤러(116)는 순방향으로[화살표(508)의 방향을 따라] 횡단한다. 1차 롤러(116)가 좌측으로부터 우측으로 이동하고 있다고 가정하면, 1차 롤러(116)는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 일부 구현들에서, 장치는 파우더 재료의 층들을 형성하기 위해 플래튼에 걸쳐 제1 파우더 입자들을 밀어내지 않는다. 대신에, 장치는 제1 파우더 입자들을 도 5b에 도시된 것과 같은 1차 롤러(116) 내의 애퍼쳐, 예를 들어 통합된 디스펜싱 어레이(506) 또는 통합된 노즐을 통해 디스펜싱한다[단계(504)].
장치는 제2 평균 직경을 갖는 제2 파우더 입자들을, 예를 들어 2차 롤러(118) 내에 통합된 디스펜싱 어레이(510)를 이용하여 애퍼쳐를 통해 디스펜싱한다. 2차 롤러(118)는 파우더 재료의 층들에 걸쳐 횡단하면서 1차 롤러를 뒤따르고, 파우더 재료(144)의 층을 압축 및/또는 평활화한다[단계(518)]. 예를 들어, 롤러들이 좌측으로부터 우측으로 이동하고 있다고 가정하면, 2차 롤러(118)는 파우더 재료(144)의 층을 압축 및/또는 평활화한다.
통합된 디스펜싱 어레이(510), 예를 들어 노즐 또는 스크류 피더(screw feeder)는 제2 파우더 입자들을 디스펜싱하면서 파우더 층과 접촉할 수 있다.
1차 롤러(116)가 예를 들어 통합된 디스펜싱 어레이(506) 또는 애퍼쳐를 통해 제1 파우더 입자들을 디스펜싱하고, 2차 롤러(118)가 제2 파우더 입자들을 도 5b에 도시된 바와 같이 예를 들어 애퍼쳐 또는 통합된 디스펜싱 어레이(510)를 통해 디스펜싱할 때, 장치는 제1 파우더 입자들이 레이어링 프로세스의 각각의 회전 세그먼트에서 제2 파우더 입자들보다 먼저 디스펜싱되도록, 제1 파우더 입자들의 디스펜싱의 시간을 적절하게 정한다. 다른 구현들에서, 듀얼 코어 쉘 롤러(dual-core-shell roller)(514)는 도 5c에 도시된 바와 같이, 제1 파우더 입자를 전달하는 내측 코어(516), 및 제2 파우더 입자들을 디스펜싱하는 외측 클래딩 메커니즘(522)을 포함한다. 이러한 롤러들의 어레이는 레이어링 프로세스 동안 복수의 재료가 요구될 때 더 구현될 수 있다.
장치는 또한 캡쳐 쉴드(capture shield)를 이용하여 퇴적된 영역 내에 디스펜싱된 입자들을 담을 수 있고, 블레이드들(120a 및 120b)을 이용하여, 입자들이 롤러들 상에 쌓이는 것을 방지할 수 있다[단계(520)].
도시된 롤러들 또는 블레이드들(116, 118, 204) 및 디스펜싱 어레이들(122)은 한 유닛으로서 레일들(136a, 136b) 상에서 이동하는 단일 어셈블리 상에 지지될 수 있거나, 각각의 컴포넌트는 레일들(136a, 136b)에 따로따로 슬라이드가능하게 부착될 수 있고, 자기 자신의 액츄에이터에 의해 독립적으로 이동가능할 수 있다. 대안적으로, 디스펜싱 어레이들(122)은 파우더 베드 상의 지정된 위치들에서의 2차 입자 파우더들의 배치를 위해 로봇식 암들에 장착/부착될 수 있다.
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(PEKK) 및 폴리스티렌에 적용가능할 수 있다.
본 명세서는 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 명세서에서 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 하위조합(subcombination)으로 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 하위조합 또는 하위조합의 변형에 관한 것일 수 있다.
다수의 구현예들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 수정이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 다른 구현예들은 청구항들의 범위 내에 있다.

Claims (15)

  1. 부품을 형성하기 위한 적층 제조(additive manufacturing) 장치로서,
    지지체;
    상기 지지체 또는 상기 지지체 상의 하부 층(underlying layer) 상에 제1 입자들의 층을 전달(deliver)하기 위한 제1 디스펜서;
    제2 입자들이 상기 제1 입자들의 층 내로 침투하도록, 상기 제1 입자들의 층 상에 제2 입자들을 전달하기 위한 제2 디스펜서;
    상기 부품의 용융된 층(fused layer)을 형성하기 위해, 상기 제1 입자들 및 상기 제2 입자들을 용융시키기 위한 에너지 소스; 및
    상기 제1 디스펜서, 상기 제2 디스펜서, 및 상기 에너지 소스에 결합된 제어기
    를 포함하는 적층 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 디스펜서는 상기 제1 입자들의 층에 걸친 제2 영역 내에 상기 제2 입자들을 전달하도록 구성되는, 적층 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 디스펜서는 상기 제1 입자들을 상기 지지체의 표면에 평행한 제1 방향으로 횡방향으로 밀어내기 위한 롤러, 또는 상기 제1 입자들을 상기 지지체의 표면에 평행한 제1 방향으로 횡방향으로 밀어내기 위한 블레이드 중 하나 이상을 포함하는, 적층 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 디스펜서는 상기 제2 입자들을 분출하기 위한 노즐을 포함하는, 적층 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 디스펜서는 상기 제2 입자들을 분출하기 위한 노즐들의 어레이를 포함하고, 상기 어레이의 노즐들은 상기 제어기에 의해 독립적으로 제어가능한, 적층 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 디스펜서는 상기 제1 입자들을 상기 지지체의 표면에 평행한 제1 방향으로 횡방향으로 밀어내기 위한 제1 롤러를 포함하고, 상기 장치는 상기 제1 입자들의 층 및 상기 제2 입자들을 압축하기 위한 제2 롤러를 포함하는, 적층 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서, 선형 액츄에이터는 상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러와 함께 상기 에너지 소스를 이동시키도록 구성되는, 적층 제조 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제어기는 상기 선형 액츄에이터가 상기 부품의 제2 층의 형성 동안 상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러를 상기 제1 방향에 반대되는 제2 방향으로 이동시켜, 상기 제2 롤러가 상기 제1 입자들을 상기 제2 방향으로 횡방향으로 밀어내고 상기 제1 롤러가 상기 제1 입자들 및 상기 제2 층의 상기 제2 입자들을 압축하게 하도록 구성되는, 적층 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제2 디스펜서가 상기 제2 입자들을 층별로(on a layer by layer basis) 선택적으로 디스펜싱하여, 제작된 개체 내에 상이한 밀도의 층들을 제공하게 하도록 구성되는, 적층 제조 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제2 디스펜서가 층 내에 상기 제2 입자들을 선택적으로 디스펜싱하여, 제작된 개체의 층 내에 상이한 밀도의 영역들을 제공하게 하도록 구성되는, 적층 제조 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 입자들을 공급하기 위한 제1 저장소(reservoir) 및 상기 제2 입자들을 공급하기 위한 제2 저장소를 포함하고, 상기 제1 입자들은 제1 평균 직경을 갖고, 상기 제2 입자들은 상기 제1 평균 직경보다 적어도 2배 더 작은 제2 평균 직경을 갖는, 적층 제조 장치.
  12. 적층 제조의 방법으로서,
    지지체 상에 복수의 층을 연속적으로 형성하는 단계
    를 포함하고, 상기 복수의 층 중에서 한 층(a layer)을 퇴적하는 단계는,
    지지체 또는 하부 층 상에 제1 입자들의 층을 디스펜싱하는 단계 - 상기 제1 입자들은 제1 평균 직경을 가짐 - ;
    상기 제1 입자들의 층 상에 제2 입자들을 디스펜싱하는 단계 - 상기 제2 입자들은 상기 제1 평균 직경보다 적어도 2배 더 작은 제2 평균 직경을 갖고, 상기 제2 입자들은 상기 제1 입자들의 층 내로 침투함 - ; 및
    상기 복수의 층 중에서의 상기 층(the layer)을 형성하기 위해, 상기 제1 입자들 및 상기 제2 입자들을 용융시키는 단계
    를 포함하는, 적층 제조의 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 입자들 및 상기 제2 입자들은 동일한 재료 조성을 갖는, 적층 제조의 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제2 입자들을 디스펜싱하는 단계는 제작된 개체 내에 상이한 밀도의 층들을 제공하기 위해, 상기 제2 입자들의 디스펜싱을 층별로 선택적으로 제어하는 단계를 포함하는, 적층 제조의 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 제2 입자들을 디스펜싱하는 단계는 제작된 개체의 층 내에 상이한 밀도의 영역들을 제공하기 위해, 층 내의 상기 제2 입자들의 디스펜싱을 선택적으로 제어하는 단계를 포함하는, 적층 제조의 방법.
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