KR20180067525A - 적어도 하나의 기능 요소를 포함하는 복합체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20180067525A
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베른트 그론데
토마스 퇴플
로미 패터스
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프라운호퍼-게젤샤프트 츄어 푀르더룽 데어 안게반텐 포르슝에.파우.
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Abstract

본 발명은 성형체 내에 적어도 하나의 기능 요소가 통합되는 복합체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 성형체는 특히 이식물, 인공 보조기, 산업 부품 또는 재료-, 부품- 및/또는 구조 시스템 모니터링을 위해 다기능적으로 이용 가능한 센서 플랫폼일 수 있다.

Description

적어도 하나의 기능 요소를 포함하는 복합체 및 그 제조 방법
본 발명은 성형체 내에 적어도 하나의 기능 요소가 통합되는(integrated) 복합체(composite body) 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 성형체는 특히 이식물, 인공 보조기, 산업 부품 또는 재료-, 부품- 및/또는 구조 시스템 모니터링을 위해 다기능적으로 이용 가능한 센서 플랫폼일 수 있다.
적층(additive) (발생적) 제조 방법은 최근 30년간 상당한 진보를 이루었으며, 이는 재료의 다양성, 생산성, 정확도 및 재료 특성에 관련한다. 이러한 이유로 발생적(generative) 방법은 복합 부품들의 대량 생산을 위해서도 점점 더 많이 사용되고 있다. 특히 금속 재료용 레이저빔 용융과 같은 분말 베드 기반 방법은 예컨대 밀링 또는 주조와 같이 시리즈별로 동일한 종래 제조 방법의 특성을 가지며 시리즈별로 동일한 재료로 기하학적면에서 복잡한 공작물 및 공구를 제조할 수 있기 위한 최대의 가용 수단이다.
성형체는 분말형의 용융 가능한 재료에서 국소적으로 정의된 에너지 입력을 이용하여 층상으로 위치 선택적으로 고착되면서 적층식으로 제조된다. 이러한 에너지 입력은 에너지 빔, 특히 레이저 빔 또는 전자빔에 의해 수행된다. 이를 위해 공지된 방법 명칭은 "Selective Laser Melting(SLM: 선택 레이저 용융), "Laser Melting(레이저 용융), "레이저 용융", "레이저 포밍", "레니저 큐징(lasercusing)" 또는 "직접 금속-레이저-소결(DMLS)", "Electron Beam Melting(EBM: 전자 빔 용융)"이 있다. 이하, 이 방법은 빔 용융으로 총괄하겠다.
빔 용융 설비에서 3차원 몸체는 적층 원리에 따라 제조될 수 있고, 이때 에너지 입력에 의해, 예컨대 레이저 빔에 의해 개별 분말 층들(Layer)이 차례로 위치 선택적으로 용융되며 경화하여 고체 성형체가 된다. 이때 슬라이드 장치에 의하여 재료 분말, 예컨대 분말 저장 챔버를 통해서 제공되는 재료 분말은 공정 챔버 내의 구성 플랫폼에 걸쳐 분배될 수 있는데, 슬라이드 장치가 수평으로 주행하여 통상적으로 20 ㎛ 내지 150 ㎛ 두께의 재료 분말층이 프로그래밍 가능하게 소정의 방식으로 도포됨으로써 그러하다. 이후, 하나 이상의 레이저 빔은 예컨대 섬유 레이저 또는 다이오드 레이저를 이용하여 도포된 분말층의 용융될 영역들을 선택적으로 스캐닝한다. 이러한 층의 국소적 용융이 종결된 후, 공정 챔버의 구성 플랫폼은 선택된 층 두께만큼 하강함으로써, 추가 층이 도포될 수 있고, 따라서 공작물이 층상으로 제조될 수 있다.
분말형 재료의 레이저 빔 용융에 의해 공작물/성형체의 적층 제조를 하기 위한 이와 같은 장치 및 방법은 WO 98/24574 A1으로부터 공지되어 있다.
이와 같은 성형체를 제조하기 위한 그러한 매우 유연한 방법은 빔 용융에 의해 일반적으로 매우 높은 온도가 발생한다.
성형체 내에 또는 성형체에 추가 부재가 통합되어야 할 때, 한 제조 공정 내에서 복합물의 제조는 거의 불가능하다.
그러므로 본 발명의 과제는 복합체의 성형 및 제조를 위한 방법을 제공하되, 금속 분말로부터 빔 용융에 의해 발생적으로 제조되는 성형체 내에 적어도 하나의 기능 요소가 통합될 수 있으면서, 이때 높아진 온도가 각 기능 요소의 기능성 저하를 야기하지 않는 그러한 복합체의 성형 및 제조를 위한 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제는 적어도 하나의 기능 요소 및 성형체를 포함하는 복합체에 의하여 해결되되, 적어도 하나의 기능 요소는 적어도 하나의 윤곽 부재를 갖는 적어도 하나의 금속 또는 세라믹 지지 구조물과 연결되어 배치되고, 적어도 하나의 기능 요소는 적어도 부분적으로, 세라믹 재료로 구성된 적어도 하나의 단열성 층 및 그 위에 배치되며 금속 또는 금속 산화물로 구성된 적어도 하나의 열 전도성 층에 의해 둘러싸임으로써 해결된다. 금속 분말의 빔 용융에 의하여 발생적으로 제조되는 성형체는 적어도 하나의 기능 요소, 및 적어도 하나의 윤곽 부재를 갖는 지지 구조물을 완전히 둘러싼다. 적어도 하나의 윤곽 부재 중에 적어도 하나는 점착 결합 방식(adhesive bond)으로 성형체와 연결된다.
복합체는 마찬가지로, 성형체를 위한 기능 요소의 아키텍쳐 및 구성이, 한편으로 성형체의 외부로부터 기능 요소로 에너지 흐름 및 전달이 가능하고 다른 한편으로 기능 요소와 성형체 사이에 에너지 흐름 및 에너지 전달이 기본적으로, 그리고 특히 열 및/또는 기계적 후처리 방법, 특히 접합- 및 압축 방법을 포함 및 배제하는 빔 용융을 이용하여 성분적 통합이 이루어진 후에 기능을 유지하면서 가능한 방식으로 이루어진다는 것을 특징으로 한다. 후처리 방법은 한편으로 기능 요소의 화학적 및 물질적 성분이 성형체를 통과하여 성형체 주변의 환경으로 발산되는 것 및 다른 한편으로 성형체 주변의 매질 또는 영향에 대하여 기능 요소의 물질적, 화학적 및 부식 기술적 분리를 보장한다. 이는 성형체의 기계적 또는 외상성(traumatic) 변형 시에도 보장되어야 한다. 이로부터 성형체의 열 및/또는 기계적인 후처리 또는 성형체의 구성 방식/아키텍쳐의 조정이 필요하다. 결과적으로, 기능 요소는 밀봉적으로/기밀 상태로 성형체 내에 삽입됨으로써, 기능 요소를 위해 복합체 외부의 환경 영향에 대하여 화학적 및 기계적 보호(예컨대 압력- 또는 마모 보호)가 보장된다. 또한, 기능 요소 둘레에서의 성형체는 외부 환경 영향으로부터 기능 요소의 열적 보호를 나타낸다. 반대로, 성형체는 화학적 및/또는 기계적 및/또는 열적 배리어로 작용할 수 있어서, 복합체 주위의 환경을 기능 요소의 화학적 및/또는 기계적 및/또는 열적 영향으로부터 보호한다.
성형체 내에 기능 요소가 일반적인 형상맞춤(form-fit) 및/또는 점착 결합 방식으로 통합되는 것 외에, 2개 부재 서로 간의 상호 작용 또는 2개 부재와 환경 간의 상호 작용을 우선적으로 목적하거나 예컨대 압전 액추에이터와 같은 기능 요소의 점착 결합 및/또는 형상맞춤 방식의 결합을 목적하거나 또는 이러한 결합을 위한 카운터베어링 또는 클램핑 장치의 보장을 목적하는 실시 형태도 가능하고, 모놀리식 형상맞춤 및 점착 결합 방식의 임베딩은 불필요하며, 오히려 진동 전달에 방해가 된다. 기능 요소는 성형체 내에 통합되되, 이러한 기능 요소는 한편으로 적어도 하나의 치수 부분에서 성형체에 대해 이동 가능하고 다른 한편으로 완전히 채워지지 않은 체적(volumes)(예컨대 공기, 보호 가스 또는 용융되지 않은 분말 재료)을 포함하도록 통합될 수 있다.
이러한 통합 결합은 기능 요소와 성형체 사이에 에너지 전달(energy transport)의 형태로 구배(gradient) 전달 또는 물리적 균형을 생성하기 위한 구배 균등화가 가능하도록 형성되어야 한다. 그러므로 예컨대 우선 성형체의 표면 또는 소정 면적의 표면에서 고체음으로부터 실내 소음(room noise)으로 변환되는 진동 및 고유 응력차의 형태로 기계 에너지의 커플링(coupling)이 이루어질 수 있다. 기능 요소의 적어도 하나의 기하학적 자유도 보장 및 예컨대 텅앤그루브 연결(tongue and groove connection)을 이용하여 빔 용융에 의해 형상맞춤, 힘에 의한 결합(force-fit) 및 점착 결합 방식으로 연결되는 성형체로의 힘 전달 통로(corridor)를 보장함으로써, 전술한 견지에서의 소정의 구배 전달이 가능하게 된다. 열적 에너지 커플링의 경우 마찬가지로 모놀리식 형상맞춤 및 점착 결합 방식의 임베딩은 필요하지 않다. 예컨대 기능 요소 내에서 변환에 의해 생성되는 열 에너지는 주변의 단열부를 포함하는 소위 단열된 열 도체(열 터널) 또는 공기 또는 보호 가스(써모스 플라스크 효과) 또는 성형체 내의 용융되지 않은 분말을 통하여 성형체 내의 및/또는 성형체 표면의 다른 기능 요소들로 열적 평형 생성의 견지에서 전달될 수 있어서, 전체 성형체의 발열이 발생하지 않거나 근소한 수준으로만 발생한다. 이는 마찬가지로, 변환하는 기능 요소의 잔류자기(remanence) 및 병진 힘을 포함하는 전기/전자기 에너지가 전기 절연되는, 예컨대 세라믹으로 피복되는(ceramic sheathed) 전기적 통전 구간을 통하여 성형체 내부 및/또는 성형체 표면 위의 국소적인 기능 영역들로 커플링되는 것에도 해당한다. 언급한 모든 경우에서, 열, 전기적 또는 기계적으로 피복되며 자유도가 제한된 전달체를 통하여 기능 요소와 성형체 내의 또는 표면의 국소적 면적 사이에 에너지적 평형이 에너지 평형의 견지에서 형성된다. 성형체 내에서 또는 성형체의 표면에서의 다른 기능 요소들 및/또는 성형체의 국소적 면적 그 자체는 1차적인 에너지 변환 및/또는 신호 생성적인 기능 요소에 대한 일종의 소비재(consumer) 또는 부하(load)를 나타낸다. 각 경우에 1차적 기능 요소는 성형체 또는 다른 2차적 기능 요소들에 영향을 미치고, 성형체 주변의 환경에 영향을 미친다. 이는 또한 역으로도 적용되므로, 액추에이터 방식의 기능 요소는 센서 방식의 기능 요소가 될 수 있다.
또한, 본 발명의 과제는 복합체의 제조 방법에 의해 해결되되, 우선 적어도 하나의 기능 요소는 금속 또는 세라믹 지지 구조물과 연결되고, 이후 적어도 하나의 기능 요소는 열 용사(thermal spraying)를 이용하여 적어도 부분적으로 세라믹 재료 소재의 단열성 층에 의해 둘러싸이는 방식으로 이러한 층을 구비하고, 이후 마찬가지로 열 용사를 이용하여 그 위에 금속 또는 금속 산화물 소재의 열 전도성 층이 도포되고, 이후 이제까지 제조된 유닛을 수용하기 위한 리세스 및 적어도 하나의 빔 용융 구역을 포함하는 부분 몸체가 금속 분말의 빔 용융에 의하여 발생적으로 층상으로 제조되며, 이후 이제까지 제조된 유닛은 부분 몸체 내에 형상맞춤 및/또는 힘에 의한 결합방식으로 리세스 내에 장착되며, 이때 지지 구조물은 간접적 또는 직접적으로 윤곽 부재들을 통해 및/또는 빔 용융 구역을 포함한 돌기들(nubs)을 통해 점착 결합 방식으로 부분 몸체와 연결되고, 마지막으로 마찬가지로 금속 분말의 빔 용융에 의하여 발생적 및 층상으로 부분 몸체에 적어도 하나의 추가적 부분 몸체가 상부에 구성됨으로써, 모놀리식 성형체가 제조되는 것에 의하여 해결된다.
빔 용융 시, 에너지 빔의 구동 및 그 초점 이동은, 각각의 기능 요소를 위해 특이적인(specific) 최대 온도가 성형체의 제조 중에 초과되지 않도록 이루어져야 할 것이다. 에너지 빔의 초점 내에서의 에너지 밀도, 초점의 피드 속도, 용융 궤적들의 간격, 분말 층들의 각각의 층 두께 및/또는 조사 패턴(illumination pattern)은, 기능 요소의 특이적 최대 온도에 도달하지 않을 정도로 영향을 받을 수 있다. 기능 요소에 인접한 영역들 내에서는 적어도 10% 만큼, 바람직하게는 적어도 20% 만큼 감소한 에너지 입력으로 작업이 이루어지는 것이 유리하다.
빔 용융 공정은 유리하게는, 예컨대 기계적 진동- 또는 응력 변화가 적절한 기하학적 자유도에 의하여 에너지 흡수 및 -변환 기능 요소로부터 성형체로 보장될 수 있도록 수행된다.
중공(hollow)은 동시에 적절한 물질적 연결 지점(용융 구역 또는 통합 구역)을 포함하는 성형체 내부의 통합 공간일 수 있다. 지지 구조물은 이에 상응하여 하나 이상의 윤곽 부재를 구비한다.
기능 요소를 이를 둘러싸는 성형체와 함께 형상맞춤으로 모놀리식 피복하는 것을 고의적으로 생략함으로써, 충진되지 않거나 조밀하게 충진되지 않은 중공 또는 사이 공간이 생성되고, 이러한 공간은 추가적 단열 효과를 낼 수 있다. 예컨대 볼트부(vault)를 형성하는 피복(sheathing) 선택 시와 같이 성형체의 구성 및 제조 단계를 선택함으로써, 안정적인 형상맞춤 방식의 연결 영역들 및 이와 동시에 단열적인 영역들이 형성될 수 있다. 성형체에서의 통합적 용융 구역과 기능 요소의 지지 구조물의 통합적 용융 구역 간의 배치 구성은 연결 인터페이스로서 형성되되, 연결 인터페이스의 영역에서 열 에너지 입력이 열적으로 더 감응한 기능 요소로부터 멀어지면서 열 전도성이 더 강한 성형체의 연결부로 안내되도록 형성될 수 있으며, 기능 요소의 영역에 비해 연결 인터페이스에서 성형체의 재료 비율이 더 높음으로써 그러하다. 이러한 효과는, 성형체로 가는 연결 인터페이스의 영역 내에서, 예컨대 표면에서 지지 구조물의 기하학적 형상이 지지 구조물의 내부에서보다 낮은 열 전도 계수 및/또는 축열 계수를 가질 때 증대될 수 있는데, 즉 지지 구조물은 이에 상응하는 구배와 연관된다. 지지 구조물이 마찬가지로 별도로 빔 용융에 의해 제조되면, 추후의 연결 인터페이스의 영역 내에서 구조는, 형상맞춤, 힘에 의한 결합 및 점착 결합이 가능한 방식으로 형성될 수 있다. 빔 용융 시, 미세 구조(microstructure)(결정형, 재료 유형, 합금)는 빔 용융 구역의 양 측면에서, 즉 기능 요소의 윤곽 부재의 영역 및 성형체 내에서 적당하게 동일해야 할 것이다. 지지 구조물의 연결 인터페이스 영역은 기능 요소의 지지 구조물의 나머지 부분보다 현저히 낮은 열 전도성을 가질 수 있는데, 이러한 나머지 부분은 기능 요소의 열 감응 부분들을 수용한다. 이는, 전술한 바와 같이 지지 구조물이 예컨대 세라믹으로 구성되고 인터페이스 영역만 금속으로 코팅됨으로써 달성될 수 있는데, 이러한 코팅은 예컨대 열 용사에 의해 가능하다.
이러한 구성적 양태들에 따라 빔 용융 공정의 제조 흐름이 조정된다. 연결 영역 내에서 형상맞춤, 힘에 의한 결합 및 점착 결합 방식으로 연결된 복합물의 품질은 빔 용융 시 본질적으로 공정 진행에 따라 좌우된다. 연결 인터페이스뿐만 아니라 충진되지 않거나 조밀하게 충진되지 않은 기능 요소를 위한 중공 또는 사이 공간에서 구축될 층들의 균일한 분말 도포가 유지되어야 할 것이다. 그러한 면적(체적)이 분말로 채워지지 않거나 조작자에 의해 단열성의 분말- 또는 구체 혼합물(과립, 입자 등)에 의해 채워져, 예컨대, 보다 양호한 열적 단열을 얻거나 최대 허용 온도, 예컨대 용융점 도달 전에 기능 요소를 보호해야 할 경우, 분말 또는 노출된 기능 요소 표면의 용융이 필요하지 않은 영역 내에서 체적 에너지 입력은 국소적으로 정의되어 감소할 수 있다. 체적 에너지 입력은 이 영역에서 완전히 감소하지 않아야 할 것인데, 이로 인하여 금속 분말의 용융된 영역들과 용융되지 않은 영역들 간의 응력 구배가 용융 공정 중에 나타나지 않게 하기 위해 그러하다. 체적 에너지 입력의 감소는 인터페이스의 기능 유지(형상맞춤결합, 힘에 의한 결합 및 점착 결합) 및 성형체 및 임베딩된 기능 요소의 기능 유지를 위해 항상 제한된다(즉, 체적 에너지 입력의 감소는 사용된 벽 두께, 재료, 성형체의 디자인에 따라 좌우됨). 예컨대 레이저 출력, 피드 속도, 용접 궤적들의 간격, 조사 패턴 및/또는 층 두께와 같이 체적 에너지에 대한 국소적으로 정의되는 공정 제어가 유리하고, 이는 한편으로 국소적으로 정의된 분말 용융 및 다른 한편으로 용융 베드를 둘러싸는 기능 요소 표면 영역의 국소적으로 정의된 응력 감소 열 처리를 가능하게 한다. 이는 일반적으로 설비- 및 공정 제어에 의해 목적에 맞게 달성될 수 있다. 전술한 견지에서 국소적으로 정의된 공정 제어는 각각 현재 용융될 분말층에서 2차원적으로 중요할 뿐만 아니라, 또한 이전 및 이후의 분말층들에서 체적 에너지 입력의 변동에 의해 소정의 방식으로 변화할 수 있다. 이러한 응력 감소 열 처리는 예컨대 공정 제어를 포함하고, 이때 도포되는 금속 분말 및/또는 그 아래 위치하는 이미 용융된 층들은 새로 도포되는 금속 분말층의 빔 용융 전에 예열된다. 이는, 이미 용융된 층들이 예컨대 안쪽으로 개방된 프레임들을 나타내고 빔 용융 공정이 사선으로(diagonal) 프레임 부분들 위에서 수행될 때 매우 중요하며, 이러한 프레임 부분들은 대부분 그 아래 다른 물질과 열적으로 연결되어 있다. 따라서, 개방된 프레임이 위, 아래에서 밀폐되게 할 수 있다. 이미 용융된 층의 예열은 새로운 금속 분말층의 도포 전 또는 후에 수행될 수 있다. 체적 에너지 입력의 감시(모니터링) 및 실제 용융 구역의 감지, 그리고 이로부터 발생하는 통합 정도에 의해, 다시 체적 에너지 입력은 적시에(in a timely manner) 국소적으로 정의되어 자기 제어형으로(self-regulating) 조정될 수 있다. 그러한 적시 모니터링 및 빔 용융 공정 제어를 위해, 서로 상이한 물리적 측정 원칙을 갖는 2개의 측정 방법을 동시에 사용하는 것이 매우 유리한데, 이러한 측정 방법은 쌍방 간에 영향을 미치지 않으며, 예컨대 진행 중인 용융 공정의 광학적 및 음향적 검출 및 특성 규정과 같다.
기능 요소로서 바람직하게는 액추에이터 및/또는 에너지 변환 부재, 특히 전기, 전자기, 기계 음향, 운동학적, 열적 및/또는 다른 변환 시스템이 사용될 수 있다.
상이한 기능성을 가지는 주변의 성형체와 기능 요소를 통합하기 위해, 연속하는 공정 단계의 가변적 순서가 유리하다. 그러므로 예컨대, 성형체 내에 기능 요소가 통합되는 경우에, 예컨대 이식물 또는 인공 보조기 또는 산업 부품 또는 재료-, 부품- 및/또는 구조 시스템 모니터링을 위해 다기능적으로 이용 가능한 센서 플랫폼의 경우에, 적층 제조 공정은 적어도 2개의 단계로 나눠지는 것이 유리하고, 이로써 성형체는 별도로 제조되는 복수의 부분 몸체로부터 제조될 수 있다. 성형체의 제조 공정은 중단 없이 적층적으로, 빔 용융을 이용하여 수행될 수 있는데, 예컨대 틈새, 그루브, 슬롯 등과 같이 연결 인터페이스 및 지지 구조물을 포함하는 기능 요소(들)를 위한 수용 공간이 구성되고 고유의 형상맞춤, 힘에 의한 결합 및 점착 결합이 이루어질 수 있을 때까지 그러하다. 기능 요소가 이전의 별도 임베딩 공정에 의해 이미 열적으로 보호되어 있으면, 기능 요소와 부분 몸체 간의 연결 후에 성형체는 빔 용융을 이용하여 계속 생성될 수 있고, 빔 용융을 이용하여 제조되는 적어도 하나의 추가적 부분 몸체는 지지 구조물에 의해 기능 요소와 이미 연결되어 있는 부분 몸체와 점착 결합 방식으로 연결될 수 있다. 점착 결합 방식의 연결은 빔 용융 시 달성될 수 있다. 그러나 납땜, 용접 또는 단조도 가능하다. 성형체 내에 기능 요소가 임베딩되는 것이 부분 몸체들의 제조에 의해 수행되면, 부분 몸체들은 별도의 반제품 또는 기능 유닛(예컨대 모놀리식으로 체적 피복된 부분 몸체)을 나타낸다. 부분 몸체들은 추가 부분 몸체들에 또는 다른 성형체에 예컨대 액추에이터, 센서 또는 모니터링 시스템으로서 용접되거나, 납땜되거나, 주조성형되거나 기계적으로 접합되거나 접착될 수 있다.
기능 요소가 돌출 부분 없이 내부 공간 내에 통합될 수 있거나 그 형상에 따라 언더컷에 연관되어야 하는 경우, 빔 용융 설비 기술의 조정이 필요하다. 본 발명에 따르면, 조작적으로 로봇에 의해 제어되는 재료 분말 이송 시스템, 및 구성 플랫폼을 수용하기 위한 3D 이동식 및/또는 회전식 제조 테이블 부재 및/또는 3D 이동식 레이저 빔 가이드- 및 포밍 시스템이 사용되어야 한다. 구성 플랫폼 및/또는 재료 분말 이송 및/또는 레이저의 3D 가이드 가능성은, 보다 복잡한 성형체, 더욱이 언더컷 부분을 포함하는 성형체를 형상화할 수 있고 기능 요소의 임베딩 또는 재구축이 보다 양호하게 수행될 수 있다는 특별한 이점이 있다.
또한, 구성 플랫폼 및/또는 재료 이송 및/또는 레이저의 그러한 3D 가이드 가능성에 의해, 유리하게도, 빔 용융 시 분말 베드 표면 위로 부분적 및/또는 전체적인 돌출 부분을 포함하여, 즉 수직 방향으로 돌출 부분을 포함하여 임베딩되거나 재구축될 수 있다. 이때, 세라믹 또는 금속 보조- 및 유지 구조물의 통합도 마찬가지로 유리할 수 있는데, 이러한 구조물은 임시로 사용되고 국소적 영역의 용융 후 다시 제거될 수 있다.
그러므로 기능 요소는 예컨대 이전에 마찬가지로 적층 제조된 동일한 재료 소재의 슬리브 내에 동일한 방법으로 통합될 수 있다. 기능 요소 및 슬리브는 점형, 선형 또는 면형으로 서로 연결될 수 있다. 이러한 슬리브는 기능 요소 없이 별도로 재료 압축적으로 열적 방법에 의해, 예컨대 열간 등압 성형(HIP)에 의해 전처리되는 것이 유리할 수 있다. 이후, 기능 요소는 슬리브 내에 비-절대적으로 형상맞춤 및/또는 힘에 의한 결합 방식으로 취부될 수 있고(유격, 충격흡수대(crumple zone), 변형구역), 성형체와의 연결 인터페이스를 통해서만 형상맞춤, 힘에 의한 결합 및/또는 점착 결합 방식으로 연결되어 있을 수 있다. 기능 요소가 통합되는 성형체를 열을 이용하지 않고 기계적으로 추가 압축할 수 있고, 이는 예컨대 냉간 단조를 이용하여 가능한데, 이는 예컨대 최적으로 힘을 흡수하는 층 또는 물질 구역을 조절하기 위함이며, 이러한 구역은 기능 요소를 과도한 기계적 변형으로부터 보호한다. 이러한 방식으로 예컨대 성형체는 기능 요소의 통합 및 적층 제조 완료 및 경우에 따라서 이후에 수반되는 필요한 강도, 강성 및 안정성 보장을 위한 추가 접합 공정 후에 압축될 수 있어서, 기능 요소는 기능 손상적으로 변형되지 않는다. 이 경우 성형체의 특정한 영역들에서, 예컨대 연결 인터페이스와 소정의 간격을 두어 국소적으로 정의된 압축이 유리하게도 가능하다. 별도 체적의 개별적인 기계적 특성에 의해 예컨대 공간적으로 재료 특성이 조절될 수 있어서, 예컨대 부하를 지지하는 영역들이 힘을 흡수하면서 기능 요소 영역을 빙 둘러 이어질 수 있고, 이때 성형체의 전체 안정성 및 기능 요소의 기능이 저하되지 않는다.
이식물 또는 인공 보조기 또는 산업 부품 또는 전체 성형체으로서 재료-, 부품- 및/또는 구조 시스템 모니터링을 위해 다기능적으로 이용 가능한 센서 플랫폼의 형상으로 성형체 내에 기능 요소를 통합하기 위해, 예컨대, 성형체가 적어도 2개의 분할된(segmented) 부분 몸체로부터 제조되고, 이러한 부분 몸체들은 적층 제조되고 적층적으로 또는 종래 방식으로 접합될 수 있는 것이 유리하다. 전체 성형체의 개별 체적은 접합 공정 전에 예컨대 별도의 열 및/또는 기계적 처리 방법을 거칠 수 있어서, 목적에 맞게 재료 특성을 조절할 수 있다.
성형체가 적어도 2개의 부분 몸체로 구성되고, 이러한 부분 몸체들은 발생적으로 제조되고 추후에 부분 몸체들 중 하나에 기능 요소가 통합된 후 서로 접합되는 것이 유리할 수 있다. 이는 예컨대 용접 또는 단조를 이용하여 수행될 수 있다. 또한, 성형체가 적어도 2개의 부분 몸체로 구성되고 제1 부분 몸체에 기능 요소가 통합된 후 모든 추가 부분 몸체들이 제1 부분 몸체 상에 발생적으로 빔 용융을 이용하여 구성되며, 성형체가 완전히 제조될 때까지 이와 같이 구성되는 것이 유리할 수 있다. 기능 요소의 지지 구조물의 대향하는 해당 연결 인터페이스들(텅, 앵커 등)을 위해 성형체 측면에서 전술한 연결 인터페이스들(그루브, 슬롯, 틈새 등)을 포함하는, 기능 요소를 수용하기 위해 양측에서 개방/관통된 캐비티를 갖는 성형체의 중간 부분 몸체가 별도로 적층식으로 구성되면, 이러한 중간 부분 몸체의 상측 또는 하측에 기능 요소가 장착, 기계적 고정 및 배치된 후 각각의 적층적 제조 공정이 계속될 수 있고, 이때 우선 서로 인접하거나 나란히 위치한 연결 인터페이스들의 각각의 상부 또는 하부의 연결 인터페이스가 연결될 수 있다. 기능 요소를 포함하는 수용부는 부분적으로 또는 완전히 형상맞춤, 점착 결합 및/또는 힘에 의한 결합 방식으로 세그먼트 방식으로 상부에 구성될 수 있다. 이로써 기능 요소의 양측에서 적층적으로 제조된 부분 몸체와 관련하여 형상맞춤, 힘에 의한 결합 및/또는 점착 결합 방식의 연결이 가능하다.
따라서 지지 구조물에 적어도 하나의 윤곽 부재가 형성될 수 있다. 성형체에 또는 성형체의 제조를 위한 부분 몸체에, 윤곽 부재(들)에 대해 보완적인 윤곽이 형성될 수 있어서, 지지 구조물을 포함한 기능 요소의 장착 시 적어도 하나의 형상맞춤 방식의 연결이 획득될 수 있다. 성형체 또는 부분 몸체 내에 윤곽 부재(들) 및 윤곽(들)을 적절하게 치수 결정하면, 추가적으로 프레스핏(press-fit) 형태로 힘에 의한 결합 방식의 연결이 달성될 수 있다. 이때 매우 중요한 것은, 기능 요소의 지지 구조물의 적어도 하나의 윤곽 부재가 성형체와의 적어도 하나의 점착 결합 방식의 연결을 포함함으로써, 복합체의 액추에이터 방식 및/또는 센서 방식의 기능성이 확실하게 보장되는 것이다.
본 발명의 현저한 이점은 적층적 제조 방법에서 예컨대 커버 구성, 스크류 구조물 또는 다른 구성적인 끼움 고정 및 사전 응력 도입(prestress) 단계를 생략한다는 것인데, 기능 요소로서 예컨대 압전 액추에이터의 사전 응력 도입 및 끼움 고정이 직접적으로 성형체 내의 수용부 형상에 의해 수행되지 않고, 예컨대 마찬가지로 매우 유리하게 빔 용융으로 사전 제조된 지지 구조물의 형상에 의해 수행될 때 그러하다.
기능 요소가 반제품으로서 성형체의 부분 몸체 내에 임베딩되어, 이후 반제품/부분 몸체가 복합체의 제조에 통합되는 것이 유리할 수 있다.
별도의 윤곽 부재/인터페이스를 포함하는 지지 구조물은, 기능 요소가 예컨대 열 에너지 컨버터인 경우 생략될 수 있는데, 기능 요소와 성형체 사이에 직접적인 구배 전달이 필요하지 않기 때문이다. 연결 인터페이스는 그러한 경우에 현저히 크게 또는 상이하게 치수 결정될 수 있다.
기능 요소를 위한 주변의 반제품으로서 예컨대 그 표면에 융기부들 및 함몰부들이 포함된 슬리브가 사용되면, 성형체와의 연결은 융기부들의 영역에서만 수행될 수 있다. 따라서 대면적으로 미충진되며 열적 단열 특성을 가진 중공들이 획득될 수 있어서, 기능 요소로부터 열 에너지가 주변의 성형체에 도달하고, 반대로 성형체로부터 기능 요소로 도달하는 것이 용이하지 않다(써모스 플라스크 효과). 기능 요소가 볼트 형상으로 상부에 구성되고, 중공이 형성되며 예컨대 텅앤그르부 연결부와 같은 인터페이스들(Interfaces)의 영역 내에서만 형상맞춤, 힘에 의한 결합 및/또는 점착 결합 방식의 통합이 수행되면서, 동일한 효과가 구현될 수 있다.
기능 요소(액추에이터 또는 센서)의 기능 유지 임베딩을 가능하게 하기 위해, 빔 용융 공정 시 에너지 입력은 국소적으로 제한되어야 한다. 또한, 현재 용융될 영역들과 이미 용융 및 고착된 영역들 간의 온도 구배가 너무 높지 않게 하여, 응력이 감소하도록 주의해야 한다. 마찬가지로, 공간적-시간적으로 조정된/가변적인 에너지 입력이 유리할 수 있다. 이는 예컨대 기능 요소가 직접적으로, 즉 그 위에 구성되는 것, 또는 볼트 형상으로 상부에 구성되는 실시 형태에서 중요할 수 있는데, 예컨대 에너지 빔의 에너지 입력이 기능 요소와의 간격이 커지면서 증가하고 기능 요소의 근방에서 감소하면서 그러하다(짧은 간격 = 낮은 에너지 입력, 넓은 간격 = 높은 에너지 입력). 에너지 입력의 치수 결정은, 점착 결합 방식의 연결이 여전히 제공되도록 선택되어야 할 것이다. 그럼에도 불구하고 점착 결합 방식의 연결이 더 높은 에너지 입력을 필요로 하면, 그 아래 위치한 온도 감응 영역, 즉 기능 요소가 배치되어 있는 영역은 더 두꺼운 열 분배층으로 피복될 수 있어서, 기능 요소를 포함한 성형체 또는 부분 몸체 내의 더 큰 영역으로 열 입력이 분배되고, 이로써 국소적으로 정의되어 감소한다. 기능 요소의 종류 및 작용 방식 및 주변의 성형체의 형상에 따라, 기능 요소를 포함한 부분 몸체 내에서의 열적인 보호 피복 시스템 및 적층 제조 시의 에너지 입력은 서로 맞춰져야 할 것이다. 이는 구성적으로 고려될 수 있는데, 텅앤그루브 방식으로 점착 결합 방식의 용접 시 에너지 입력이 적절하게 영향을 받으면서 그러하다. 기능 요소를 포함한 성형체 또는 부분 몸체의, 프레임 기능을 충족하는 외부 영역에서 재료비율이 높으므로, 열 에너지 입력의 대부분은 프레임 영역에 전달될 수 있고, 기능 요소에 전달될 수 없다. 따라서, 열은 배출될 수 있고, 즉 기능 요소의 지지 구조물과의 접촉이 방지될 수 있다. 유리하게는 예열된 분말 및 부품으로 공정 진행이 수행될 수 있다. 이는 예컨대 구성 플랫폼 가열, 복사 가열, 유도 가열 또는 구성 챔버 가열에 의해 수행될 수 있다.
다른 유리한 실시예들은 종속항들로부터 추론될 수 있다.
본 출원에서 "특이적 최대 온도"는, 각각의 관련 부재가 최대로, 이러한 부재가 그 기능이 손상받지 않을 온도, 즉 온도 상승으로 인한 부하의 종료 후 사용 목적에 맞게 완전히 제 기능을 할만큼의 그러한 온도로 부하를 받는 것으로 이해해야 한다.
본 발명을 통해, 성형체 내에서 응력 변화를 검출할 수 있다. 이를 위해 유리하게는 액추에이터 방식으로 작용하는 적어도 하나의 기능 요소 및 센서 방식으로 작용하는 적어도 하나의 기능 요소가 성형체 내에 통합되고, 이때 액추에이터 방식으로 작용하는 적어도 하나의 기능 요소는 성형체에 진동을 여기하고(고체음) 센서 방식으로 작용하는 적어도 하나의 기능 요소는 진동을 검출한다. 이러한 방식으로 성형체 내에서 시간상 변화하는 응력 상태가 검출될 수 있다. 따라서, 기계적인 부품 상태를 모니터링하고 부품 오류를 조기에 예측할 수 있다.
이하, 본 발명은 도면들을 참조로 하는 실시예들에서 더 상세히 설명된다. 도면은 다음과 같다:
도 1은 본 발명에 따라 제조된 부재의 일 예시를 도시한 2개의 도면으로, 기능 요소는 지지 구조물을 이용하여 형상맞춤, 힘에 의한 결합 방식 및 점착 결합 방식으로 성형체와 연결된다.
도 2는 성형체와 형상맞춤, 힘에 의한 결합 및 점착 결합 방식으로 연결되는 지지 구조물의 일 예시를 도시한 도면으로, 기능 요소의 도면은 생략되었다.
도 3a는 주변의 층 시스템을 포함한 기능 요소의 일 예시를 도시한 단면도이다.
도 3b는 지지 구조물과 기능 요소의 복합물을 도시한 측면도이다.
도 3c는 가능한 빔 용융 구역을 도시한 도면이다.
도 3d는 일부분으로 도시된 성형체 내에 지지 구조물을 포함한 기능 요소가 장착된 도면이다.
도 4a는 윤곽 부재들을 포함한 지지 구조물의 2개 도면이다.
도 4b 내지 4d는 형상맞춤 및/또는 점착 결합 방식의 연결을 위한 융기부들(점형 또는 선형으로, 축방향 또는 반경 방향으로 배치됨)을 각각 2개의 도면으로 도시한다.
도 5는 기능 요소가 성형체의 볼트 아치(vaulted arch)에 의해 재구축되는 일 예시를 복수의 도면으로 도시한다.
도 6은 기능 요소가 성형부의 2개의 볼트 아치에 의해 재구축되는 일 예시를 복수의 도면으로 도시한다.
도 7a는 3부분으로 구성된 실시 형태의 관내 인공삽입물(endoprosthesis)을 도시한다.
도 7b는 2부분으로 구성된 실시 형태의 관내 인공삽입물을 도시한다.
도 8은 빔 용융 구역에서 빔 용융을 위해 사용된 에너지 빔의 피드 동작을 도시한 개략도이다(기능 요소의 윤곽 부재 및 성형체의 연결 영역).
도 9는 성형체의 제조 시 조사 패턴의 개략도이다.
도 10은 기능 요소들 위에 커버층들의 형성 시 공간-시간적으로 가변적인 에너지 입력으로 이동하는 에너지 빔의 가능한 조사 패턴을 도시한다.
도 11은 이미 성형체 내에 장착된 기능 요소의 윤곽 부재 상부에 커버층의 형성 시 에너지 빔을 이용한 공간-시간적으로 가변적인 조사를 위한 다양한 가능성을 도시한 도면이다.
도 1에는 기능 요소(1)를 포함한 복합체에 대한 2개의 단면도가 도시되어 있으며, 기능 요소는 지지 구조물(3)의 윤곽 부재들(3.1)의 영역 내에서 성형체(2)와 형상맞춤 및 점착 결합 방식으로 연결되어 있다. 바람직하게는, 지지 구조물(3)은 성형체(2)와 동일한 금속으로 형성되고, 성형체는 금속 분말로부터 층상으로 빔 용융에 의해 발생적으로 제조되었다. 기능 요소(1)는 바람직하게는 형상맞춤 방식으로 지지 구조물(3)과 연결되고, 지지 구조물은 관통부들/리세스들을 구비한다(도 2 참조). 빔 용융 구역(3.2)은 통합 구역들을 나타내며, 이 구역에서 빔 용융에 의하여 기능 요소(1)의 지지 구조물(3)의 윤곽 부재들(3.1)과 성형체(2) 사이에서 점착 결합 방식으로 연결이 이루어진다.
도 2에 따르면 지지 구조물(3)의 서로 대향된 2개의 정면측에 윤곽 부재들(3.1)이 제공되고, 이러한 윤곽 부재들은 발생적 제조 시 성형체(2)의 재료로 둘러싸임으로써, 윤곽 부재들(3.1)의 영역 내에서 형상맞춤 및 점착 결합 방식의 복합물이 달성될 수 있다. 성형체(2)의 제조 및 이 영역 내에서 이러한 연결이 형성될 때, 에너지 입력에 영향을 미치되, 기능 요소(1)가 열, 즉 고온에 의해 저하되는 것을 방지할 수 있도록 영향을 미치는 것이 필요하다. 에너지 입력은, 소정의 기능 요소(1)를 위해 특이적인 최대 온도가 각각의 기능 요소(1)에서 방지되도록 제한되고 영향을 받아야 한다. 이때, 지지 구조물(3)의 열 전도도가 고려되어야 할 것이다.
도 3a에는 성형체(2) 내에 통합되기 위해 제공되는 기능 요소(1)가 복수의 층들을 포함하여 단면도로 도시되어 있다. 기능 요소(1)는 지지 구조물(3)(미도시)과 연결되고, 지지 구조물은 양측에서 윤곽 부재들(3.1)을 포함한다. 기능 요소(1)는 제1 세라믹 층(4)에 의해 둘러싸이고, 이러한 제1 세라믹 층은 예컨대 지르콘산화물 또는 알루미늄산화물로 구성된다. 이러한 제1 세라믹 층(4) 상에 추가적 세라믹 층(6)이 형성되고, 추가 세라믹 층은 유리하게는 세라믹으로, 예컨대 골시멘트(bone cement)로 구성될 수 있다. 층들(4, 6)은 열적 단열체를 형성하고, 추후의 빔 용융 시 기능 요소(1)를 너무 큰 열 입력으로부터 보호한다. 추가적 세라믹 층(6) 상에 금속 층(7)이 제공되고, 금속 층은 몰리브댄으로 구성될 수 있다. 금속 층(7)은 다시 2개의 정면측에서 개방되는 티타늄 소재의 슬리브(8)에 의해 둘러싸이는데, 이러한 정면측에서 윤곽 부재들(3.1)이 돌출한다. 이 예시에서 티타늄이 선택되는 이유는, 지지 구조물(3)을 포함한 기능 요소(1)의 복합물이 통합되어야 할 성형체(2)가 마찬가지로 티타늄으로 구성되기 때문이다.
한편으로 단열을 위해, 다른 한편으로 보다 양호한 열 분배 또는 축열을 위해 제공되는 전체 층들은 열 용사를 이용하여, 특히 플라즈마 용사를 이용하여 형성될 수 있다. 따라서 예컨대 몰리브댄으로 이루어진 온도 분배 금속층(7)은 50 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위의 층 두께로 도포될 수 있다. 보호가스 및 냉각 가스로서 바람직하게는 아르곤 또는 다른 적합한 비활성 가스가 사용될 수 있다. 이 경우 열 용사를 위해 반드시 진공이 필요하지 않을 수 있다. 냉각 가스는 질소일 수 있다. 한편, 열 코팅 방법으로서 열 용사는 진공 조건하에 수행될 수도 있다.
도 3b에는 도 3a에 도시된 기능 요소(1)가 지지 구조물(3)의 윤곽 부재들(3.1)과 함께 측면도로 도시되어 있다. 도 3c에는 윤곽 부재들(3.1)과 점착 결합 방식의 연결을 위해 가능한 다양한 열 용융 구역들(3.2)이 도시되어 있다(2개의 변형예가 평면도 및 측면도로 도시되어 있음). 도 3d는 성형체(2) 내에 장착되는 기능 요소(1)를 도시하고, 빔 용융 구역들(3.2) 내에서 슬리브(8) 및 윤곽 부재들(3.1)만이 도시되어 있다.
도 4a-4d는 복수의 예시를 각각 2개의 도면으로 도시하고, 이러한 예시에서 기능 요소(1)는 바깥쪽으로 돌출하는 지지 구조물(3)의 윤곽 부재들(3.1) 사이의 영역 내에서 외부의 세라믹 층(4)에 의해 둘러싸여 있다.
도 4a에는 세라믹 층(4)은 단순한 중공 실린더이다. 도 4b에 도시된 예시는 도 4a에 따른 예시에 비해, 세라믹 층(4) 상에 2개의 종방향 돌기(4.1)가 전체 길이에 걸쳐 도포되어 있다는 점에서 상이하다. 도 4b에 따르면 이러한 종방향 돌기들(4.1)은 정확히 윤곽 부재들(3.1) 사이에 위치하나, 이는 반드시 그러해야 하는 것은 아니다. 다른 실시예들에서 2개보다 많은 수의 종방향 돌기들(4.1)이 세라믹 층(4)의 둘레에 걸쳐 분포하며 배치될 수 있다. 도 4c에 도시된 예시에서 개별 돌기들(4.2)은 이산 간격을 두어 세라믹 층(4)의 전체 표면 위에 배치된다. 도 4d에는 복수의 반경 방향 돌기들(4.3)이 원형 링 형태로 세라믹 층(4)의 전체 표면에 걸쳐 분포하며 배치된다. 전체 돌기들(4.1, 4.2, 4.3)은 성형체(2)와의 보다 양호한 물질적 통합을 위해 역할함과 동시에 간격 유지 기능을 충족하는데, 이후의 절차에서 세라믹 층(4)과 성형체(3) 사이에 열적 단열 공간이 고의적으로 조성될 때 그러하다. 횡단면에서 돌기들(4.1, 4.2, 4.3)은 바람직하게는 사다리꼴인데, 성형체(2)와 최적의 점착 결합 방식의 연결이 형성될 수 있게 하기 위함이다. 또한, 빔 용융 구역들(3.2)의 영역 내에서 돌기마다 볼트 형상의 상부 구조물이 최적으로 구현될 수 있다. 적용 경우에 따라 돌기들(4.1, 4.2, 43)은 유리하게는 세라믹 또는 금속으로 구성될 수 있다. 이로써 간격 유지- 및 용융 기능이 구현될 수 있다.
도 5는 복수의 도면으로, 기능 요소(1)가 이미 사전 제조된 부분 몸체(2.1) 내에 장착된 예시를 도시한다. 그 위에 추가 부분 몸체(2.2)는 발생적으로, 제1 부분 몸체(2.1)와 동일한 재료로부터 층상의 빔 용융에 의해 제조되며 기능 요소(1)를 둘러싼다. 이 예시에서 기능 요소(1)는 미도시된 지지 구조물(3) 및 마찬가지로 상세히 도시되지 않은 기능 요소의 모든 층들과 함께 동일 평면으로 부분 몸체(2.1) 내에 장착됨으로써, 부분 몸체(2.2)에는 볼트 형상으로 기능 요소(1)가 상부에 구성된다. 도 5에 따르면, 기능 요소(1)의 외부 표면과 부분 몸체(2.2) 사이에 중공(5)이 잔류한다. 이러한 중공(5)에 의해 열적 단열이 달성될 수 있어서, 부분 몸체(2.2)의 발생적 제조 시 열은 기능 요소(1)에 도달하지 않거나 감소한 온도로 도달한다. 또한, 중공(5)은 용융되지 않은 분말로 충진되어 있을 수 있다. 기본적으로, 성형체(2)는 발생적으로 중단없이 구성될 수 있으며, 즉 우선 제1 부분 몸체(2.1)와 동시에 윤곽 부재들(3.1) 또는 돌기들(4.1, 4.2, 4.3)을 포함한 기능 요소(1)가 연결되고, 이후 동시에 부분 몸체(2.2)의 추가 구성이 이루어짐으로써, 하나의 빔 용융 공정에서 성형체(2)가 생성된다. 지지 구조물(3)과 성형체(2)의 형상맞춤 및 점착 결합 방식의 연결은 도 1 및 도 2에 따른 예시에서와 같이 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 예시는 도 5에 따른 예시에 비해, 부분 몸체(2.2)에 2개의 볼트 아치가 형성되고, 이때 2개의 볼트 아치 사이의 브리지는 지지 구조물(3)과의 적어도 점착 결합 방식의 연결을 위해 사용될 수 있는 점에서 상이하다. 이를 위해 도 3c를 참조하는데, 첫 번째 2개의 도면에서 빔 용융 구역들(3.2)이 표시되어 있다. 이와 유사하게 도 6에 따른 미도시된 변형예에서는, 볼트 아치들의 브리지가, 배치된 종방향 돌기(4.1)와의 점착 결합 방식의 연결부 위에 구성된다.
도 7a, 7b는 지지 구조물(3)을 포함한 기능 요소(1)가 통합될 수 있는 성형체(2)의 일 예시로서 관내 인공삽입물을 도시한다. 관내 인공삽입물은 마찬가지로 빔 용융에 의해 발생적으로 제조될 수 있다. 관내 인공삽입물은 티타늄 또는 티타늄 합금 또는 코발트-크롬 합금으로 제조될 수 있다.
도 7a로부터 유추되는 바와 같이, 관내 인공삽입물은 복수의 스테이지에서 발생적으로 제조될 수 있다. 중간 도면에 도시된 바와 같이, 우선 중간 부분(9.2) 내에 리세스(9.3)가 잔류하고, 이러한 리세스 내에는 기능 요소(1)가 도 7b에 따른 기능 요소의 지지 구조물(3) 및 윤곽 부재들(3.1)과 함께 장착되고, 형상맞춤 방식으로 연결될 수 있다. 이후, 중간 부분(9.2) 상에 상부 부분(9.1)은 빔 용융을 이용하여 구성되고, 중간 부분(9.2) 및 상부 부분(9.1)으로 이루어져 제조된 복합물은 180°만큼 회전하고, 이후 하부 부분(9.4)은 빔 용융을 이용하여 점착 결합 방식으로 이러한 중간 부분(9.2) 및 상부 부분(9.1)으로 이루어진 복합물 상에 조성된다. 개별 구성 단계 사이에 각각의 부분 몸체 및 복합체는 예컨대 연삭과 같은 종래의 가공 단계들을 거칠 수 있다. 따라서, 이와 같이 제조되는 관내 인공삽입물은 기능 요소(1)를 완전하게 둘러싸는 모놀리식 성형체(2)로 구성되고, 이때 상부 부분(9.1), 중간 부분(9.2) 및 하부 부분(9.4)은 선택된 제조 공정에 의하여 이러한 부분들의 경계면에서 거의 점착 결합 방식으로 용융되어 있다. 이후, 기능 요소(1)가 통합된 관내 인공 삽입물이 열에 의하지 않고 기계적으로 추가 압축될 수 있다. 이는 예컨대 최적으로 힘을 흡수하는 층 또는 물질 구역 둘레에서 냉간 단조에 의해 가능하고, 이러한 층 또는 물질 구역은 기능 요소(1)를 과도한 기계적 변형으로부터 보호한다. 이러한 후처리는 전체적으로 또는 선택적으로만 관내 인공삽입물의 부분 영역들에서 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, 관내 인공삽입물은 기능 요소(1)의 통합 및 적층 제조 완료 후, 그리고 경우에 따라서 이후에 수반되는 필요한 강도, 강성 및 안전성 보장을 위한 추가 접합 공정 후에 압축되되, 기능 요소(1)는 기능을 손상시키지 않는 방식으로 변형되도록 압축될 수 있다. 이 경우, 관내 인공삽입물의 특정한 영역들에서 국소적으로 정의된 압축이 예컨대 연결 인터페이스와 소정 간격을 두어 유리하게 가능하다. 별도 체적의 개별적 기계적 특성에 의해 공간적으로 재료 특성이 조절될 수 있어서, 부하를 지지하는 영역들이 기능 요소 영역을 빙 둘러 힘을 흡수하면서 이어질 수 있고, 이때 성형체(2)의 전체 안전성 및 기능 요소(1)의 기능이 저하되지 않는다. 도 7b에는 성형체(2)가 하부 부분(9.4) 및 상부 부분(9.1)(도 7a에 도시됨)으로 구성되는 변형예가 도시되어 있다. 도 7a와 달리 리세스(9.3)를 포함한 별도의 중간 부분(9.2)이 제조되지 않는다. 하부 부분(9.4)은 리세스(9.3)를 포함하여, 생략되는 중간 부분(9.2)의 높이를 제외하고(도 7a 참조) 구성된다. 리세스(9.3)는 위쪽으로만 개방되도록 형성됨으로써, 기능 요소(1)는 형상맞춤 방식으로 리세스(9.3) 안으로 취부될 수 있고, 이때 기능 요소(1)의 지지 구조물(3)과 하부 부분(9.4)은 힘에 의한 결합 및 점착 결합 방식으로 통합된다. 마지막으로, 기능 요소(1)가 점착 결합 방식으로 통합된 하부 부분(9.4) 상에 상부 부분(9.1)이 구성된다.
도 8을 참조하면, 윤곽 부재(3.1)를 부분 몸체(2.1)와 점착 결합 방식으로 연결하기 위해, 빔 용융 구역(3.2)의 영역 내에서 에너지 빔의 초점의 피드 동작이 얼마나 적합하게 수행될 수 있는지를 알 수 있다. 빔 용융 구역(3.2)의 모든 층들에서 수행되는 조사(illumination)는 각각 교번적으로 바뀌며 서로 반대 방향인 초점의 피드 동작 방향을 포함하는 궤적으로 수행될 수 있다. 대안예로서 바람직하게는 특정한 소정의 개수, 예컨대 10개의 층들이 조사될 수 있고, 이후 임의로 조사될 수 있다. 이러한 층들은 직접적으로 윤곽 부재들(3.1) 위에 형성된다. 그러나 기본적으로, 지지 구조물(3)에 의한 열 전도에 의하여 기능 요소(1)에서 특이적인 최대 온도가 초과되는 것은 방지되어야 한다.
도 9를 참조하면, 기능 요소(1) 위의 층들이 조사되고 빔 용융에 의하여 각각의 기능 요소(1) 둘레에 폐쇄형(closed) 성형체(2)가 제조될 때, 조사 패턴으로서 에너지 빔의 초점의 피드 동작이 어떻게 선택될 수 있는지를 알 수 있다. 숫자 1 내지 10으로 각 층들의 세그먼트들을 조사하는 각 순서가 표시되고, 화살표를 이용하여 초점의 피드 동작 방향이 화살표로 표시되어 있다.
도 10은, 기능 요소(1) 또는 기능 요소(1)의 열 감응 부분들 또는 영역들에 근접하고 및/또는 열 전도에 의해 매우 취약해진 영역들(13, 14)에서 빔 용융 시 80%가 되도록 감소한 에너지 입력이 어떻게 달성될 수 있는지를 보여줄 것이다. 이때, 기능 요소(1)의 표면으로부터의 간격이 준수되어야 하는데, 이러한 간격에서 특이적 최대 온도는 기능 요소(1)에서의 열 전도에 의해 방지된다. 상부에, 옆에 또는 더욱이 기능 요소(1)와 간격을 두어 배치된 영역들(11, 12)에서 부분 몸체(2.2)는 100% 에너지 입력으로 제조될 수 있는 것을 알 수 있다. 반면, 기능 요소(1)의 바로 위에 배치되는 부분 몸체(2.2)의 영역들(13, 14)은 본원에서 최대 80%에 불과하게 감소한 에너지 입력으로 제조되고, 이러한 에너지 입력은 간격이 증가하면서 다시 100%가 되도록 제어될 수 있다. 또한, 서로 다른 수준으로 에너지 입력이 감소하는 것은 유리하게는 층 내부에서도 수행될 수 있다.
도 10의 상부 도면에서 대안적으로 특정한 영역들에서 에너지 입력의 이동하는 초점의 바람직한 피드 동작 방향들이 평면도에서 화살표로 표시되어 있다. 영역들(11, 12) 내에서 완전한 100% 에너지 입력이 수행될 수 있는 반면, 영역들(13, 14) 내에서 적어도 기능 요소(1)의 근방 영역에서 에너지 입력은 80%가 되도록 감소해야 할 것이다.
도 11을 참조하면, 윤곽 부재들(3.1)과 성형체(2) 사이에 형성되거나 형성될 형상맞춤 및 점착 결합 방식의 연결부 위 및/또는 아래에 배치되는 영역들(10) 내에서 부분 몸체들(2.1)의 제조 시, 영역들(11 또는 12) 내에서와 상이한 에너지 빔의 초점의 피드 동작에 의하여 열 입력이 수행될 수 있는 것을 알 수 있다.
빔 용융을 이용하여 복합체 제조 시, 100W - 2000W의 범위의 레이저 출력, 500 mm/s - 5000 mm/s의 범위의 레이저 빔의 초점의 피드 속도로 작업이 이루어질 수 있다. 연속적으로 도포되는 개별 분말층들의 층 두께는 20 ㎛ - 200 ㎛의 범위에서 지켜져야 할 것이다. 이러한 개별 분말층들을 이용하여 각각 국소적으로 정의된 발생적 구성이 이루어진다. 이러한 용융 궤적의 중심들 마다 나란히 형성되는 용융 궤적들 간의 간격은 해치 간격(hatch distance)으로 표시되며 50 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있다. 체적 에너지 밀도는 10 J/㎣ - 200 J/㎣의 범위에서 유지되어야 하는데, 이로써 각 분말의 용융 시 초점의 적합한 출력 밀도가 달성될 수 있다.
도 10에 도시된 예시에 따른 100% 에너지 입력이 달성되어야 하면, 재료 TiAl6V4는 예컨대 100 W의 레이저 출력, 600 mm/s의 레이저 빔의 초점의 피드 속도로, 각각 30 ㎛의 분말층 두께 준수 시, 105 ㎛의 해치 간격 및 53 J/㎣의 체적 에너지 밀도로 작업이 이루어질 수 있다.
액추에이터-센서-컨버터 변형예에서, 예컨대 추가적 응집된(agglomerated) 형상 기억 액추에이터들의 열 또는 열전기 또는 전기화학적 활성화를 위한 기능 요소(1)로서의 열 액추에이터(thermal actuator)에서 자유 진동하는 기능 요소(1)가 필요하지 않거나 유리하지 않으면, 기능 요소(1)는 기능 요소의 표면에서 주변의 성형체(2)와 형상맞춤 및 점착 결합 방식으로 연결 또는 본딩이 될 수 있거나 그러해야 한다. 이와 같은 실시 형태에서 세라믹으로 피복된 기능 요소(1)는 성형체(2)와 동일한 성분의 티타늄층으로 피복되고, 이러한 티타늄 층은 빔 용융을 이용하여 동일 성분의 티타늄 합금의 성형체(2)와 용융되며 결합될 수 있다. 이때 원하지 않는 티타늄산화물 생성 및/또는 질화물 생성을 방지하기 위해, 진공 하에서 열 용사 공정이 수행되어야 할 것이다. 이러한 티타늄산화물 및/또는 질화물 생성은 상용성(compatibility) 결여로 인하여 형상맞춤 및 점착 결합 방식의 연결을 방지하거나 전반적으로 취약하게 만든다.
대안적으로, 세라믹 피복된 기능 요소(1)는 150 ㎛ 이하의 소정의 거친 티타늄층으로 열에 의해 오버몰딩될 수 있고, 이미 사전에 적층 제조되며 동일 성분 물질 또는 합금으로, 특히 티타늄 또는 티타늄 합금으로 구성된 슬리브(8) 안으로 밀어질 수 있으며, 이러한 슬리브는 경우에 따라서 사전에 열적으로 후처리 및 압축되었다. 이로써 진공 용사 없이 이후의 통합적인 빔 용융 시 최적의 점착 결합, 형상맞춤 방식의 결합 및/또는 힘에 의한 결합이 가능하다. 슬리브(8)는 제조- 및 조립상의 이유로 바람직하게는 종방향으로 슬롯이 절개되어 형성될 수 있다.
열 용사 시 세라믹으로 피복된 열 감응적 기능 요소(1)(액추에이터, 센서 및/또는 다른 변환 부재)를 보호하기 위해, 구동- 또는 공정 진행은 적절하게 조정되어야 할 것이다. 예컨대 120℃의 최대 온도가 영역 내에서 또는 직접적으로 기능 요소(1)에서 지켜져야 할 시, 이는 이후의 스프레이 매개변수 및 냉각 조건에 의해 영향을 받을 수 있다.
열적으로 단열성인 폐쇄형 층 또는 열적 층이 형성될 때까지, 복수의 개별 층들에서 수 회의 오버스프레잉(overspraying) 시 스프레이 사이클 마다 분말 이송율의 감소 또는 증가가 이루어진다. 회전 스프레잉 방법에서 이는 10 ㎛ - 50 ㎛의 범위의 층 두께를 갖는 오버스프레잉일 수 있다. 일반적으로 폐쇄형 층의 형성을 위해 3개의 스프레이 이행 구간이 필요하다. 더 낮은 분말 이송율로 2개의 오버스프레잉이 수행될 수 있다. 이후 유지 시간을 준수하되, 온도 감소가 30℃ 내지 40℃ 범위의 온도에 도달할 때까지 그러하다. 이 온도에 도달한 후, 더 높은 분말 이송율로 추가 오버스프레잉이 수행되고, 이를 통해 폐쇄형 층이 형성된다. 이후 다시 30℃ 내지 40℃ 범위의 온도가 되도록 온도 감소가 수행되되, 열 용사 또는 발열을 야기할 수 있는 추가 가공 단계에 의하여 추가 층이 수행되기 전에 그러하다.
이후의 오버스프레잉 전에, 기능 요소(1) 및 그 위에 형성되는 하나 이상의 세라믹 층(들)의 응력 감소 가열이 예컨대 50℃가 되도록 수행될 수 있다. 오버스프레잉 시 단시간 동안 작용하는 온도 구배는 기능 요소(1)의 영역 내에서 60℃ 내지 70℃ 미만의 온도, 즉, 합산 시 120℃ 미만의 온도(절대 온도)에 도달한다.
비활성 보호 가스는 용사 방향에 대해 직각으로 이송될 수 있고, 적어도 유사한 크기의 영역을 오버플로우해야 할 것이다. 열 용사 시 빔은 이 영역에 작용한다. 보호 가스 스트림은 발생한 온도에 따라 영향을 받고, 발열 시 이에 상응하여 체적 스트림은 증가할 수 있다. 보호 가스는 시간당 40 내지 50 표준입방미터(standard cubic meter)로 5 bar 내지 6 bar 범위의 압력으로 적어도 하나의 노즐을 통하여 이송될 수 있다. 유리하게는, 보호 가스는 2개의 노즐을 통하여 서로 다른 방향으로부터 이송될 수 있다.
기능 요소(1)와 주변의 성형체(2) 사이에서 형상맞춤 및 점착 결합 방식으로 연결되는 것 외에, 힘에 의한 결합 방식의 연결이 에너지의 구배 전달을 위해 필요할 시, 예컨대 음향 컨버터에서 기능 요소(1)의 표면은 연결 인터페이스를 제외하고 성형체(2)와 형상맞춤 및 점착 결합 방식으로 연결되지 않아야 할 것이다. 이 경우 기능 요소의 세라믹 주조된 조립체 상에 열 용사를 이용하여 열적 단열성 세라믹 산화물층(4) 이후에 예컨대 50 ㎛ 내지 200 ㎛의 온도 분배 금속층(7)이 용사될 것이다.
1 기능 요소 2 성형체
2.1 부분 몸체(하부 몸체, 통합/임베딩을 위해 개방되어 있음)
2.2 부분 몸체(상부 몸체, 통합/임베딩 후 닫힘)
3 지지 구조물 3.1 윤곽 부재
3.2 빔 용융 구역 4 세라믹 층
4.1 종방향 돌기 4.2 개별 돌기
4.3 반경방향 돌기 5 중공
6 추가 세라믹 층 7 금속층
8 슬리브 9.1 상부 부분
9.2 중간 부분 9.3 리세스
9.4 하부 부분 10 영역
1 내지 14는 세그먼트들의 조사의 각 순서를 나타낸다.

Claims (25)

  1. 적어도 하나의 기능 요소(1) 및 성형체(2)를 포함하는 복합체로서,
    - 상기 적어도 하나의 기능 요소(1)는 적어도 하나의 윤곽 부재(3.1)를 포함하는 금속 또는 세라믹 지지 구조물(3)과 연결되어 배치되고,
    - 상기 적어도 하나의 기능 요소(1)는 적어도 부분적으로, 세라믹 재료로 구성된 적어도 하나의 단열성 층 및 그 위에 배치되며 금속 또는 금속 산화물로 구성된 적어도 하나의 열 전도성 층에 의해 둘러싸이고, 그리고
    - 금속 분말의 빔 용융에 의하여 발생적으로 제조되는 성형체(2)는 상기 적어도 하나의 기능 요소(1) 및 상기 적어도 하나의 윤곽 부재(3.1)를 포함한 지지 구조물(3)을 완전히 둘러싸고, 이때 상기 적어도 하나의 윤곽 부재(3.1) 중에 적어도 하나는 상기 성형체(2)와의 점착 결합 방식의 연결을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지 구조물(3)은 바깥쪽으로 돌출하는 적어도 하나의 윤곽 부재(3.1)를 포함하고, 상기 윤곽 부재는 상기 성형체(2)의 빔 용융 구역(3.2) 안으로 물려 들어가며 배치되는 것을 특징으로 하는 복합체.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 지지 구조물(3)은 적어도 부분적으로, 바람직하게는 상기 윤곽 부재(3.1)의 영역 내에서 금속 코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는 복합체.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기능 요소(1)는 액추에이터 및/또는 센서 및/또는 에너지 변환 부재인 것을 특징으로 하는 복합체.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 전도성 층은 상기 성형체(2) 보다 높은 용융 온도를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체.
  6. 청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 윤곽 부재(3.1)는 적어도, 상기 빔 용융 구역(3.2)에 인접하는 영역들에서 상기 성형체(2)의 금속으로부터 또는 상기 성형체(2)를 구성하는 재료의 산화물로부터 또는 성형체 재료와 점착 결합 방식으로 연결될 수 있는 금속 또는 금속 합금으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 복합체.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 기능 요소(1) 및/또는 상기 지지 구조물(3)은 상기 성형체(2)와 다른 물리적 및/또는 화학적 특성 및 상이한 잔류자기 또는 상이한 격자 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 빔 용융 구역(3.2) 내에서 상기 윤곽 부재(3.1) 및 상기 성형체(2)는 그 경계면들에서 적합한 미세 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합체.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 열 전도성 층은 슬리브(8)인 것을 특징으로 하는 복합체.
  10. 청구항 9에 있어서,
    슬리브(8)와 성형체(2) 간의 연결은 점착 결합 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합체.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기능 요소(1)는 단열성 층들을 통하여 상기 지지 구조물(3)과 형상맞춤, 힘에 의한 결합 및/또는 점착 결합 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 복합체.
  12. 청구항 1에 있어서,
    부분 몸체(2.1, 9.2)가 제공되고, 상기 부분 몸체 내에서 상기 지지 구조물(3)은 이러한 지지 구조물의 적어도 하나의 기능 요소(1)와 함께 배치되고, 상기 적어도 하나의 윤곽 부재(3.1)를 통해 점착 결합 방식으로 연결되고, 상기 부분 몸체(2.1, 9.2)는 추가 부분 몸체(2.2, 9.1)에 의해 볼트 형상으로 그 상부가 구성되고, 부분 몸체(2.1) 및 추가 부분 몸체(2.2)는 점착 결합 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 복합체.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기능 요소(1)의 외부 피복면 및 인접한 성형체(2)의 내벽 사이에 돌기들(4.1, 4.2, 4.3)이 제공됨으로써, 단열성 특성으로 가지며 점착 결합 방식으로 용융되지 않은 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는 복합체.
  14. 복합체의 제조 방법으로,
    - 적어도 하나의 기능 요소(1)는 금속 또는 세라믹 지지 구조물(3)과 연결되고,
    - 이후 상기 적어도 하나의 기능 요소(1)는 열 용사를 이용하여 적어도 부분적으로, 세라믹 재료로 구성된 단열성 층에 의해 둘러싸이는 방식으로 이러한 층을 구비하고,
    - 이후 마찬가지로 열 용사를 이용하여 그 위에 금속 또는 금속 산화물로 구성된 열 전도성 층이 도포되고,
    - 이후 이제까지 제조된 유닛을 수용하기 위한 리세스(9.3) 및 적어도 하나의 빔 용융 구역(3.2)을 포함하는 부분 몸체(2.1, 9.2)가 금속 분말의 빔 용융에 의하여 발생적으로 층상으로 제조되고,
    - 이후 상기 이제까지 제조된 유닛은 상기 부분 몸체(2.1, 9.2) 내에서 형상맞춤, 힘에 의한 결합 및/또는 점착 결합 방식으로 상기 리세스(9.3) 안에 장착되고, 상기 지지 구조물(3)은 직접적 또는 간접적으로 윤곽 부재들(3.1)을 통해 및/또는 빔 용융 구역(3.2)을 포함한 돌기들(4.1, 4.2, 4.3)을 통해 상기 부분 몸체(2.1, 9.2)와 점착 결합 방식으로 연결되고, 그리고
    - 마지막으로 마찬가지로 금속 분말의 빔 용융에 의하여 발생적으로 층상으로 상기 리세스(9.3)에는 적어도 하나의 추가 부분 몸체(2.2, 9.1, 9.4)가 상부에 구성됨으로써, 모놀리식 성형체(2)가 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    빔 용융 시 에너지 빔, 특히 레이저 빔 또는 전자빔은, 상기 각각의 기능 요소(1)의 기능 유지를 위해 특이적인 최대 온도가 상기 성형체(2)의 제조 중에 초과되지 않을 정도로 구동되고 그 초점이 이동하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 에너지 빔의 초점에서의 에너지 밀도, 상기 초점의 피드 속도, 용융 궤적들의 간격, 분말층들의 각 층 두께 및/또는 조사 패턴은 상기 특이적인 최대 온도가 상기 기능 요소(1)에서 도달하지 않을 정도로 영향받는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 청구항 14 내지 청구항 16에 있어서,
    상기 도포된 금속 분말 및/또는 그 아래 이미 용융된 층들은 상기 도포되는 금속 분말층의 빔 용융 전에 예열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 청구항 14 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기능 요소(1)의 온도 감응 부분들의 근방에서 에너지 입력은 구조 및 기능을 유지하면서 최대로 감소하고, 간격이 증가하면서 에너지 입력의 감소가 줄어드는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 성형체(2)는 복수의 부분 몸체들(2.1, 2.2 또는 9.2, 9.1, 9.4)로부터 제조되고, 상기 부분 몸체들은 발생적으로 빔 용융에 의하여 제조되고 점착 결합 방식으로, 특히 빔 용융 시 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 청구항 14에 있어서,
    상기 단열성 층 및/또는 열 전도성 층은 서로 포개어 형성되는 복수의 개별 층들을 포함하여 열 용사에 의하여 형성되고, 냉각을 위한 유지 상(holding phase)이 준수되고 및/또는 상기 열 용사는 진공 조건하에 또는 바람직하게는 냉각에 도달 가능하게 해주는 비활성 보호 가스를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 청구항 14에 있어서,
    상기 성형체(2) 및 내부에 위치하며 인접하는 층들은 빔 용융에 의하여 점착 결합 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 청구항 14에 있어서,
    상기 성형체(2)는 적어도 부분적으로 상기 윤곽 부재들(3.1)로부터 시작하여 빔 용융을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 청구항 14에 있어서,
    상기 적어도 하나의 코팅된 기능 요소(1)의 외부 윤곽 및 성형체(2) 사이에 점착 결합 방식으로 용융되지 않은 공간이 형성되고, 상기 공간은 단열성 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 청구항 15에 있어서,
    상기 용융될 성형체(2) 또는 그 아래 위치하는 구성 플랫폼 및/또는 금속 분말의 이송 및/또는 상기 에너지 빔의 가이드는 3D로 이동식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 청구항 14 내지 청구항 24 중 어느 한 항에 있어서,
    체적 에너지 입력의 감시 및/또는 제어 및/또는 빔 용융 공정의 제어는 쌍방간 영향을 미치지 않는 서로 다른 물리적 측정 원칙을 바람직하게는 광학적 및 음향적으로 구현하는 2개의 측정 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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