KR20180061340A - 부가식 제조를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

코팅되어야 하는 다른 층에 적층되어야 하는 분말을 예비 가열하는 장치 및 방법을 통해, 방법은 현저하게 시간 단축될 수 있다.

Description

부가식 제조를 위한 장치 및 방법
본 발명은 부가식 제조(additive manufacturing)를 위한 장치, 및 대응하는 제조 방법에 관한 것이다.
생성형 제조 방법(generative manufacturing method) 또는 부가식 제조 방법은 높은 기하학적 복잡성을 갖는 구성요소들의 제작에 대한 새로운 접근법을 제시한다. 이는 제조가 화학적 및/또는 물리적 공정에 의해 분말 또는 액체와 같은 무형상 또는 형상 중립적 재료로부터의 가상 데이터 모델에 기초하여 실행된다는 사실을 특징으로 한다.
터빈 제작 및 터빈 수리의 맥락에서, 선택적 레이저 용융(SLM), 레이저 금속 증착(LMD), 또는 전자 빔 용융(EBM)과 같은 빔 용융 방법이 특히 중요한데, 그 이유는 이들이 금속성 재료를 가공하기 위해 사용될 수 있는 방법이기 때문이다.
용융 빔을 통한 에너지 입력이 매우 국소화되고, 분말형 시작 재료에 의한 열 소산이 매우 빈약하므로, 고온 균열 형성을 촉진하는 가파른 열 구배가 발생한다. 특히, 로터 블레이드(rotor blade), 스테이터 베인(stator vane), 및 연소기 구성요소에 대해 사용되는 고온 합금은 전형적으로 용접이 어렵고, 레이저 기반 방법을 사용한 가공 시에 고온 균열이 나타날 경향이 강하며, 결과적으로 그렇게 얻어진 구성요소들은 높은 결함율을 갖는다.
또한, 상이한 재료들, 특히 금속과 세라믹을 가공할 때, 가파른 온도 구배는 문제점을 제시하고, 이는 생성형 방법에 의해 이러한 재료 부류들 서로 간의 현장 결합을 방해한다.
고려되는 재료들의 낮은 용접성으로 인해, 높은 부하를 받는 구성요소들은 현재 인베스트먼트 주조(investment casting)에 의해서만 제작된다.
현재 시험되는 대부분의 개념에서, SLM/EBM과 같은 분말 베드(powder bed) 공정에서의 생성형 공정은 높은 온도에서 수행되고, 따라서 신속한 냉각 및 관련된 고온 균열이 방지될 수 있다. 높은 γ' 분율을 갖는 니켈계 합금의 경우에, 예를 들어 1273K의 예비 가열 온도가 유리하고, 1073K의 더 낮은 예비 가열 온도는 이미 현저하게 더 높은 균열 형성으로 이어진다. 공정 챔버를 가열하기 위해, 저항 가열, 유도 가열, 또는 IR 방사기에 의한 가열이 사용된다.
방사기 가열의 경우에, 가열은 가공되어야 하는 층의 적층 후에야 수행되고, 이는 기술적으로 실현하기 어렵다. 코일이 레이저 빔으로 진입하지 않아야 하는, 구성 공간 내에서의 이동 가능한 코일에 의한 신속한 가열 또한 기술적으로 힘든 것으로 보인다.
가열된 기부판의 경우는 실제로 실현하기가 매우 간단하지만, 증가하는 구성 높이에서, 용융된 재료 및 분말의 다양한 층들을 가로질러, 최상위 분말 층 내의 실제 온도와 원하는 예비 가열 온도 사이에서 상당한 편차가 발생할 수 있다.
본 발명의 과제는 전술한 문제점을 해결하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제1항에서 청구되는 바와 같은 장치 및 청구항 제4항에서 청구되는 바와 같은 방법에 의해 달성된다.
종속항들은 추가의 장점을 얻기 위해, 원하는 대로 서로 조합될 수 있는 추가의 유리한 조치들을 열거한다.
도면 및 설명은 단지 본 발명의 예시적인 실시예를 제시한다.
본 발명에서, 종래 기술과는 다르게 분말의 1차 가열이 SLM 또는 EBM 설비의 가공 챔버 내에서 뿐만 아니라, 이미 분말의 스크레이핑(scraping) 이전에, 즉 분말이 가공 챔버 내에서 미세 층으로서 평면 분배되기 전에 발생해야 한다. 예비 가열된 분말은 그 다음 바람직하게는 전체 세라믹 와이퍼(solid ceramic wiper) 또는 세라믹 코팅 와이퍼(ceramic-coated wiper)에 의해 고온 상태로 가공 챔버 내에서 분배되고, 그 다음 빔 용융에 의해 직접 가공된다.
분말은 분말 공급 용기로부터, 새로운 분말 층을 적층하기 위해 요구되는 분말의 양이 작은 가열 챔버 내로 계량 공급되도록 가열되어야 한다. 분말 분취량은 그 다음 바람직하게는 유도 가열을 사용하여, 요구되는 공정 온도로 가열된다. 가열된 분말은 그 다음 적합한 메커니즘, 바람직하게는 이러한 경우에 스플레시-플레이트(splash-plate) 장치에 의해, 세라믹 스크레이퍼 블레이드(ceramic scraper blade) 또는 세라믹 인발 프레임(ceramic drawing frame)을 따라 균등하게 위치된다. 고온 분말의 와이핑 및 생성형 가공은 그 다음 일반적으로 진행한다.
높은 γ' 분율을 갖는 니켈계 합금과 같은, 매우 높은 예비 가열 온도에서의 적용의 경우에, 분말 베드의 잔여부에 대한 큰 온도 차이로 인한 제1 분말 층의 신속한 냉각의 위험이 있다. 대응하는 더 집중적인 예비 가열은 이러한 경우에 가능하지 않은데, 그 이유는 금속 입자가 가열 챔버 내에서의 소결될 위험이 있기 때문이다.
그러나, 이러한 경우에, 본 발명의 특히 유리한 실시예에서, 예비 가열된 분말의 적층을 기부 또는 분말 베드의 저항식 가열과 조합하는 것이 가능하다. 저항식 기부 가열은 전체 분말 베드 내의 온도 수준을 상승시키고, 이는 예비 가열된 제1 분말 층의 신속한 냉각을 방지한다. 기부 가열에 대한 적합한 목표 온도를 선택함으로써, 예비 가열된 분말의 스크레이핑 및 레이저 용융 중에, 예비 가열 온도가 공정에 대해 해로운 온도 범위, 특히 높은 γ' 분율을 갖는 니켈계 합금에 대해 973K - 1173K로 진입하지 않는 것을 달성하는 것이 특히 가능하다.
예로서, 0.5m2 x 0.5m2의 구성 챔버 표면적 및 20㎛의 층 두께의 경우에, 5cm3 정도의 분말 체적이 새로운 분말 층을 적층할 수 있도록 가열되어야 한다. 분말의 체적 밀도가 5g/cm3인 것으로 가정되면, 이는 25g의 분말에 대응한다.
구성 챔버 내로의 분말의 분배 이전에 금속성 분말 원재료의 예비 가열, 및 저항식 분말 베드 가열이 있거나 없는, SLM 공정에서의 분말 처리 및 적층 시스템의 적합한 적응의 통합에 진보성이 있다.
이는 특히 다음의 장점들을 생성한다:
- (생성형 제작의 종료 후의 더 짧은 냉각 시간으로 인한) 완전한 구성 챔버 가열과 비교하여 더 짧은 가공 시간,
- (특히, 방사 가열과 비교하여) 단순화된 예비 가열 장치로부터 생성되는 비용 절감,
- 예비 가열 온도의 더 정밀한 제어의 결과인 더 양호한 구성요소 품질,
- 지금까지 생성식으로 가공될 수 없었던 화합물 (즉, 특히 낮은 용접성을 갖는 화합물)을 가공하는 가능성,
- 매우 다양한 재료에 대한 적용 가능성; 재현가능한 대량 생산에 적합함.
도 1은 본 발명에 따른 장치(1)를 도시한다.
도면 및 설명은 단지 본 발명의 예시적인 실시예를 제시한다.
종래 기술에서와 같이, 장치(1)는 분말 베드(7)가 축조되는 이동 가능한 플랫폼(movable platform)(4)을 갖는다. 플랫폼(4)은 분말의 새로운 층을 적층할 수 있도록 하나의 방향(Z 방향)으로 하향 이동될 수 있다. 제작되어야 하는 구성요소(10)는 분말 베드(7) 내에서 존재하거나 생성된다.
공정 챔버(31) 내에서, 에너지 빔(13), 특히 레이저(29)의 레이저 빔(13), 및 대응하는 스캐너(34)가 구성요소(10)를 형성하기 위해 분말을 층층이 선택적으로 압축, 즉 소결 또는 용융시키기 위해 사용된다.
종래 기술에서와 같이, 와이퍼(25)는 플랫폼(4)이 특정 값만큼 하강되면, 새로운 층으로서 분말(28)을 적층하기 위해 사용된다.
그러나, 본 발명에 따르면, 이러한 새롭게 적층되는 분말(28)은 예비 가열된다. 이는 다양한 방식으로 행해질 수 있다.
종래 기술에 따라 전체 분말 저장소(16)를 예비 가열하는 다른 가열 장치가 제시될 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 분말 저장소(16)로부터의 분말이 하나의 분말 층에 대해 적층되어야 하는 분말량으로서 예비 가열 챔버(19) 내에서 선택적으로 예비 가열되고, 선택적으로 대응하는 분배기(22)에 의해 공정 챔버(31) 내로 도입됨으로써, 와이퍼(25)에 의해 분말 층으로서 공정 챔버(31) 내로 도입될 수 있다.
분배기(22) 및 예비 가열 챔버(19)는 또한 함께 조립체로서 설계될 수 있다.
선택적으로, 공정 챔버는 또한 다양한 방식으로 기존의 분말 베드(7)를 가열할 수 있고, 유도 가열이 금속 분말의 경우에 특히 적합하다.

Claims (5)

  1. 적어도, 이동 가능한 플랫폼(4) 및 분말 저장소(16)를 갖는 부가식 제조를 위한 장치(1)이며,
    플랫폼(4) 상에서는 분말 층을 위한 연속적으로 추가되는 분말(28)을 사용하여 분말 베드(7)가 점진적으로 축조될 수 있고, 분말 베드(7) 내에서는 제작되어야 하는 구성요소(10)가 단계적으로 제작되고, 분말 베드(7)는 공정 챔버(31) 내에서 에너지 빔(13)에 의해, 특히 레이저 빔(13)에 의해 선택적으로 압축될 수 있고, 상기 분말 저장소로부터 분말(28)이 분말 베드(7)의 새로운 분말 층을 위해 층층이 적층될 수 있는, 부가식 제조를 위한 장치(1)에 있어서,
    새로운 분말 층을 위해 적층되어야 하는 분말(28)을 예비 가열하는 수단(19)이 존재하는 것을 특징으로 하는, 부가식 제조를 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 분말 저장소(16)로부터의 분말은 예비 가열 챔버(19) 내에서 선택적으로 예비 가열되고, 선택적으로 분배기(22)에 의해 공정 챔버(31) 내로 도입됨으로써, 가열된 분말(28)은 기존의 분말 베드(7) 위에서 분말 층으로서 분배될 수 있는, 부가식 제조를 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기존의 분말 베드(7)에 대한 다른 가열 장치가 장치(1) 내에 존재하는, 부가식 제조를 위한 장치.
  4. 특히 제1항, 제2항, 또는 제3항에 따른 장치(1)에 의해, 부가식 제조를 위한 장치 내에서의 구성요소(10)의 부가식 제조를 위한 방법이며,
    공급되어야 하는 분말 층에 대해 요구되는 분말(28)이 예비 가열되고, 그 다음 에너지 빔(13)에 의해 선택적으로 압축되는, 부가식 제조를 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서, 기존의 분말 베드(7)가 가열되는, 부가식 제조를 위한 방법.
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