KR20180092970A - 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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KR20180092970A
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Abstract

금속 분야에서 3D 프린터는 이미 알려져 있다. 이러한 프린터에서, 금속 분말이 베이스 플레이트 상에 배출되며 레이저로 특정 지점들이 용접된다. 반복적인 층상 방식을 이용하면, 성형 바디는, 쾌속 조형 분야에서 개별 부품으로서 컴퓨터 모델에 따라 실제적으로 인쇄될 수 있다. 하지만, 금속 분말이 배출되고 난 뒤, 용접 과정이 수행되며, 다수의 이러한 공정이 반복적으로 수행되면 시간이 걸리게 되며, 이에 따라 성형 바디의 제작 속도가 느려지고 시간이 많이 소요된다. 또한, 이러한 공정은, 금속 분말 내에 발생하는 난류로 인해, 단순히, 캐리지를 더 신속하게 이동시킨다 하더라도, 공정 속도가 빨라질 수 없다. 본 발명은 용접 공정이 캐리지 위를 통과하여 직접 수행될 수 있도록, 레이저가 캐리지를 따라 이동됨으로써 이러한 문제점을 해결하기 위한 것이다. 따라서, 캐리지는 난류 발생의 위험 없이도 보다 신속하게 이동될 수 있으며, 특히, 베이스 플레이트를 통과하는 캐리지의 전체 폭에 걸쳐, 재료 챔버와 레이저 요소를 평행하게 배열함으로써, 한꺼번에 수행되는 다층 제공이 가능해진다.

Description

3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는, 캐리지에 대한 높이가 조절될 수 있는 베이스 플레이트, 캐리지 가이드, 베이스 플레이트 위로 금속 분말을 배출하기 위하여 하나 이상의 재료 챔버를 가지며 캐리지 가이드에서 베이스 플레이트를 횡단하여 이동되는 캐리지, 및 배출된 금속 분말을 특정 지점들에 용융시키기 위한 하나 이상의 레이저 요소를 포함하며, 캐리지는 캐리지의 이동 방향으로 교대로 배열되는 재료 챔버와 레이저 요소를 가지는 특징을 가진다.
또한, 본 발명은 이러한 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 상응하는 방법에 관한 것이다.
이러한 해결책은 EP 2502729A1호에 이미 기술되어 있다. 이 문헌에서, 금속 분말은 2개의 인접한 챔버로부터 나오는 점-성형 레이저 빔(point-shaped laser beam)에 제공되는데, 레이저는 하부에 배열된 층(layer)과 함께 융합되어(fuse together) 원하는 형태를 형성할 수 있다. 이는 재료가 필요 시에만 제공된다는 이점을 가진다. 하지만, 특히, 좁다랗고 성장하는 구조물(growing structure)의 경우, 새롭게 제공되는 금속 분말이 떨어지게 될 것이며(trickle down), 그에 따라 전체 구조물 공간 위에 복잡하게 이동되어 점-성형 분포(point-shaped distribution)로 균일한 층을 제공하고, 오직 원하는 지점들에만 레이저를 사용하거나, 혹은 층이 제공되고 난 후에 상이한 공정에서 금속 분말 층을 추가하는 것이 필요한데, 이 때문에 상기 해결책의 속도 이점이 상쇄된다.
반대로, DE 102007029142A1호는, 전압이 제공되면 분말 층이 균일하게 되는, 금속 분말을 광범위하게 제공하는 방법에 대해 기술하고 있다.
금속 분말을 용융하기 위해 레이저가 편향될 수 있는 조절 장치가 DE 102008000030A1호에 기술되어 있다.
US 5,993,554A호는 다중 공급부(multiple feed)에 의해 금속 분말이 제공되는 중앙의 점-성형 레이저 장치에 대해 기술하고 있다.
3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 통상적인 방법은, 절단 방법, 가령, 치핑(chipping) 또는 삭마(ablation)에 의해, 커다란 워크피스(workpiece)로부터 성형 바디를 깎는 단계(carving), 및 상기 공정 동안에 필요하지 않는 부분들을 제거하는 단계로 구성된다. 하지만, 이를 위해 필요한 작업 단계는 특정 한계 내에서만 실제로 자유로운 디자인을 제안한다. 곡선형 보어홀(borehole), 언더컷(undercut), 및 공동(cavity)도 특정 상태 하에서만 가능하며, 일반적으로는, 다수의 개별 부분들로 구성된 성형 바디를 필요로 한다.
추가 방법(addition method)이라고 지칭되는 방법은, 이에 대한 해결책을 제시하는데, 상기 방법에서, 제작되어야 하는 성형 바디는 불필요한 부분들을 제거하는 것이 아니라, 원하는 부분들을 층상 방식으로(layer by layer) 제작함으로써 형성된다. 멀티-젯 모델링(multi-jet modeling)이라고 지칭되는 방법에서, 예를 들어, 다수의 젯(jet)을 가진 프린트 헤드(print head)가 제작되어야 하는 대상(object) 상에서 이동되어, 몰딩 재료(moldable material), 가령, 예컨대, 플라스틱의 개별 방울(droplet)을 원하는 위치에 제공하며, 그 후에, 상기 재료는 그 위치에서 경화된다. 이러한 경화 공정은 예컨대 UV 조사(irradiation)에 의해 수행될 수 있다.
스테레오리소그라피(stereolithography)로 지칭되는 작업은 제작되어야 하는 대상을 액상의 플라스틱 배스(liquid plastic bath)에 적층하며(build up), 각각의 경우, 워크피스 상에 적당한 층 두께가 남겨지도록, 워크피스가 액체 안으로 내려가고 올라오는 방법이다. 액체 플라스틱은, 와이퍼(wiper)를 이용하여, 워크피스 상에서 균일하게 분포된 후, 광 빔(light beam)을 이용하여, 적층되어야 하는 지점들에서 경화되어, 워크피스가 층상 방식으로 제작된다.
처음에 위치되었던 금속성의 성형 바디의 추가 구성에서, 상기 방법과 비슷한 작업이 진행되는데, 이때, 금속 분말은 워크피스 상에서 액체 플라스틱 대신에 얇은 층에 채워지고(filled up), 최상부 층은, 예컨대, 레이저 빔을 이용하여, 원하는 위치에서 용융되어 그 밑에 배열된 층과 함께 융합된다.
이를 위하여, 상기 공정 방법은, 예를 들어, 리프팅 시스템(lifting system)에 의해 금속 분말이 배출되고, 예컨대, 닥터 블레이드(doctor blade) 또는 와이퍼 형태의 분배 장치를 이용하여 제작 영역에 제공되며, 목표 층(planned layer)을 위한 지점들이 융합되고 그 다음 층이 워크피스 상에 적층되도록, 레이저가 새롭게 분포된 분말 층에 충돌된다(impact). 재료와 동일하게, 층을 제공하는 것은, 상당한 시간이 소요되는데, 그 이유는 전체 제작 공간이 분배 장치에 의해 한 번 이상 횡단해야(transverse) 하기 때문이다. 이 경우, 분말 재료의 관성(inertia)으로 인해, 속도는 단지 임의의 원하는 대로 증가될 수 없는데, 이는, 그 외의 경우, 재료의 난류(turbulence)가 발생되고 재료 층이 비-균일하게 제공되어 워크피스에 결함(defect)이 형성되기 때문이다.
개별 워크피스의 제작에 필요한 시간에 따라, 쾌속 조형법(rapid prototyping)이라고 지칭되는 방법이 특히 적합한데, 이는 공구(tool)를 제작하지 않고 상대적으로 적은 효과로도, 임의의 원하는 방법으로 성형된 개별 피스가 제작될 수 있기 때문이다. 하지만, 산업용의 대량 생산을 위해서는, 시간 소모가 상당하기 때문에, 이러한 방법들은, 공지의 형상으로, 장시간의 제품 생산에만 적합하다.
본 발명은, 제작 공정 속도가 현저하게 증가하고 그에 따라 제품의 대량 생산을 위해 공지의 방법들이 효율적이게 되는, 3차원의 금속성 성형 바디(three-dimensional metallic shaped body)를 제작하기 위한 종래의 장치 및 방법들을 향상시키는 데 그 목적이 있다.
상기 목적은, 독립 청구항 제1항에 따른 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치에 의해 구현된다. 이와 유사하게, 상기 목적은, 또 다른 독립 청구항인 청구항 제7항의 특징에 따른 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 방법에 의해 구현된다. 상기 장치 및 방법들의 실시예들이 각각의 독립 청구항들로부터 유도될 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래 기술과 유사하게, 금속 분말(metal powder)로 구성된 층(layer)이 베이스 플레이트(base plate) 위에 배출된다(discharged). 이는 베이스 플레이트에 대해 높이가 조절될 수 있는 캐리지(carriage)를 이용하여 수행되는데, 달리 말하면, 높이-조절식 캐리지 가이드(carriage guide)에 고정되거나 또는 높이-조절식 베이스 플레이트 상에서 이동된다는(run) 것을 의미한다. 이를 위하여, 캐리지는 금속 분말이 베이스 플레이트 위에 배출되는 하나 이상의 재료 챔버(material chamber)를 가진다. 또한, 캐리지는 상기 배출된 금속 분말이 특정 지점(point)들에서 용융되고(melted) 그 밑에 배열된 표면에 융합될(fused) 수 있는 하나 이상의 레이저 요소(laser element)를 가진다.
이에 따라, 레이저 요소는 캐리지 상에 직접 배열되며, 배출되어야 하는 금속 분말을 가진 캐리지가 보다 신속하게 이동될 수 있고, 그 후에, 상기 배출된 분말이 한 라인씩(line by line) 직접 융합될 수 있다. 그에 따라, 끝부분 지점(end point)에 도달하고 난 바로 직후에, 캐리지가 다시 한번 이동될 수 있다. 끝부분 지점에서 대기 시간(waiting period)은, 레이저 공정이 완료되고 난 뒤에, 없어진다(eliminated).
게다가, 캐리지에 제2 재료 챔버가 연결될 수 있으며, 그에 따라, 재료 챔버들과 레이저 요소들은 스트립 형태로(in strips) 교대로 배열될 수 있다(alternate). 그에 따라, 한 예로서, 2개의 재료 챔버들과 레이저 요소가 그 사이에 배열된 경우, 캐리지는 양 방향으로 작동될 수 있으며, 한 방향으로 베이스 플레이트에 걸쳐 이동되는 동안에, 완전한 재료 제공 공정(material application) 공정 및 융합 공정(fusing)을 수행할 수 있다. 이때, 이동 방향에서 앞부분에 배열되어 있는 재료 챔버가, 내부에 함유한 금속 분말을 기존의 금속 분말 층과 워크피스(workpiece)의 상부 에지(top edge)에 먼저 배출하며, 그 뒤에, 앞부분에 배열된 제1 재료 챔버 바로 뒤에 위치된 레이저 요소가 그 지점들에서 워크피스에 방금 배출했던 금속 분말과 바로 융합된다. 상기 공정 동안에, 제2 재료 챔버는 똑같은 이동 중에 추가적인 재료 층을 제공할 수 있으며, 그 뒤, 추가적인 레이저 요소가 바로 뒤따를 수 있다. 이러한 구성은 원하는 횟수만큼 반복될 수 있으며, 캐리지가 반대로 작동될 수 있도록, 특히, 끝부분에 재료 챔버를 배열할 수도 있다.
레이저 요소는 베이스 플레이트의 전체 폭에 제공될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 레이저 요소는 하나 이상의 레이저 및 반사 거울(deflection mirror)를 가지며, 필요 시에, 레이저 라인(laser line) 밑에 위치된 모든 지점들에 도달될 수 있다. 캐리지 밑에 다수의 레이저를 배열함으로써, 레이저가 특정 섹션에 제공되기 때문에, 작동 속도가 증가될 수 있다. 개별 레이저가 제공되는 섹션이 작으면 작을수록, 베이스 플레이트 상에서 캐리지는 더 빠르게 이동될 수 있다.
일반적으로, 레이저는 층상 방식으로(layer by layer) 제작되어야 하는 워크피스의 3차원 모델 플랜을 메모리에 저장하는 프로세스 컴퓨터(process computer)에 의해 조절된다. 이 경우, 프로세스 컴퓨터는 레이저를 한 라인씩 조절하기(line by line control) 위한 명령(command)을 내리는데, 레이저는 원하는 지점들에 도달하도록 자체적으로 조절될 수 있거나, 혹은, 대안으로, 반사 거울과 함께 작동되어, 레이저의 모든 지점들에 도달될 수 있게 이동된다.
재료 챔버들은, 하나 이상의 재료 챔버가 캐리지의 전체 폭에 걸쳐 연장되며 챔버들에서 금속 분말이 균일하게 배출될 수 있도록 한 라인에 위치되게끔 형성되는 것이 특히 바람직하다. 금속 분말을 균일하게 배출하기 위하여, 진동 요소(vibration element)가 재료 챔버들에 연결될 수 있는데(associated), 상기 진동 요소들이 재료를 균일하게 배출되게 만든다. 이러한 진동 요소로서, 압전 진동 요소(piezoelectric vibration element) 뿐만 아니라 편향 요소(eccentric element) 또는 그 밖의 활성체(activator)가 일반적으로 적합하다.
각각의 레이저 요소 영역에 이미징 장치(imaging device)가 연결되며, 상기 이미징 장치는 레이저가 제공되는 영역의 이미지를 기록한다(record). 상기 이미징 장치에 의해, 융합 공정이 정확하게 수행되었는 지를 평가할 수 있는데, 이 경우, 품질 확인(quality assurance)도 수행될 수 있다.
마지막으로, 종래 기술에 알려져 있는 레이저를 추가로 제공할 수 있으며(supplementally provide) 하우징(housing)의 위에 배열하여, 캐리지에 의해 재료가 배출되는 경우, 최종 재료 챔버는, 이동 방향에서, 베이스 플레이트 위에 재료를 배출하여, 마지막으로 배출된 상기 재료 층은 상부에 배열된 추가적인 레이저 요소에 의해 융합될 수 있다.
3차원의 금속 성형 바디를 제작하기 위한 방법은, 금속 분말로 구성된 제1 층이 베이스 플레이트 위에 배출되는 형태를 가진다. 베이스 플레이트 자체가 워크피스의 한 부분이 아닌 경우에는, 다수의 분말 층이 베이스로서 배출될 수 있으며, 레이저에 의한 제1 융합 공정은 베이스 플레이트 위에서 오직 일정한 높이에서만 시작될 수 있다. 반면에, 베이스 플레이트가 워크피스와 연결되어 있는 경우에서는, 제1 금속 분말 층은 특정 지점들에서 베이스 플레이트에 직접 융합될 수 있다.
마찬가지로, 금속 분말 층은 캐리지를 이용하여 층상 방식으로 배출되며, 각각의 층에서 워크피스에 속한 지점들은, 금속 분말이 배출되고 난 바로 직후에, 캐리지와 연결된 레이저 요소들에 의해 융합된다. 복수의 층(multiple layer)의 금속 분말이 제공되고 캐리지가 이동되는 동안에 융합될 수 있다.
금속 분말 층이 배출되는 동안 캐리지가 매번 이동하고 난 뒤에, 베이스 플레이트와 캐리지 사이의 거리는, 캐리지가 올라가거나, 혹은 대안으로 베이스 플레이트가 내려감으로써, 높이가 증가된다. 제작 공정이 종료되고 난 후에, 워크피스는, 베이스 플레이와 함께 또는 베이스 플레이트 없이, 그리고, 융합되지 않은(non-fused) 금속 분말은 전혀 없이, 제거된다. 남는 것은, 프로세스 컴퓨터의 메모리 내에 있는 플랜에 따라 구성된 워크피스이다.
위에서 기술된 본 발명은, 이제, 대표 실시예를 이용하여, 하기에서 매우 상세하게 설명될 것이다.
도면에서:
도 1은 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치의 횡단면도,
도 2는 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 대안의 장치의 횡단면도,
도 3은 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 추가적인 대안의 장치의 횡단면도.
도 1은 3차원의 금속성 성형 바디(8)를 제작하기 위한 장치를 도시한 횡단면도로서, 상기 성형 바디(8)는 금속 분말(metal powder)의 레이저 소결(laser sintering)에 의해 층상 방식(layer by layer)으로 제작된다. 금속 분말은 층상 방식으로 제공되는데, 워크피스(8)와 연결되어야 하는 층의 지점(point)들이 융점(9)에서 용융되어 워크피스(8)에 융합된다(fused).
하지만, 금속 분말의 균일한 제공(application)으로 인해, 워크피스(8)는 상기 공정 동안 금속 분말로 추가로 계속하여 녹아 들어가고, 오직 최상측 가장자리(edge) 만이 보이고 접근할 수 있는 상태로 유지된다. 이 경우, 워크피스(8)는 오래된 금속 분말 층(10)에 위치되며, 제1 금속 분말 층(11)이 캐리지(1)의 제1 재료 챔버(2)로부터 배출된다(discharged). 이 경우, 캐리지(1)는 캐리지(1)의 우측에 도시된 화살표 방향으로 이동되며 재료 챔버(2)로부터 금속 분말을 배출하며, 제1 금속 분말 층(11)을 제공한 바로 직후에, 제1 금속 분말 층(11)에 융점(9)이 설정된다(set). 이는, 캐리지(1) 상에서 제1 재료 챔버(2)와 제2 재료 챔버(3) 사이에 배열되는 제1 레이저 요소(5)를 이용하여 수행된다.
끝 지점(end point)에 도달되고 난 뒤, 제2 재료 챔버(3)를 이용하여, 제1 금속 분말 층(11)에서 반대 이동 방향으로 캐리지의 복귀 경로(return path) 동안, 제2 금속 분말 층이 제1 금속 분말 층(11)에 제공되며, 제1 레이저 요소(5)를 이용하여 일정 융점에서 융합된다.
도 2는, 제1 재료 챔버(2)와 제2 재료 챔버(3)가 함께 도시된, 위에서 언급한 실시예의 대안의 실시예를 도시한 도면으로서, 위에서 언급한 방법으로부터 상이하게, 두 재료 챔버(2, 3)가 동시에 사용된다. 제1 재료 챔버(2)로부터 배출된 제1 금속 분말 층(11)이, 원하는 위치들에서, 레이저 요소(5)에 의해 필요 융점(9)에 융합되며, 캐리지(1)는 실제로 그 뒤를 따라 제2 재료 챔버(3)로부터 배출된 제2 금속 분말 층(12)을 끌어당긴다(pull). 제2 금속 분말 층(12)에 형성된 융점(9)은, 종래 기술에서 제공된 것과 같이, 올라간(elevated) 레이저 요소(7)로부터 융합된다. 캐리지가 상기 형상(configuration)으로 끝 지점에서 기다려야 하지만, 하나가 아니라 2개 이상의 금속 분말 층(11, 12)이 이런 방법으로 한꺼번에(in one pass) 배출되며, 그에 따라 본 방법의 속도가 명백하게 증가된다.
도 3은 위에서 언급한 대표적인 실시예의 추가적인 변형예를 도시한 도면으로서, 캐리지(1)는 3개의 재료 챔버(2, 3, 4)를 가지며 총 3개의 금속 분말 층(11, 12, 13)을 배출한다. 두 인접한 층에 재료를 제공하는 과정 사이에, 레이저 요소(5, 6)에 의해 융합 과정이 수행되는데, 마지막 재료 챔버는, 도 1에 도시된 실시예에 따라, 선택적으로 복귀 경로를 위해 남겨둘 수 있거나, 또는 캐리지(1) 뒤에 융점을 설정하는, 올라간 레이저 요소(7)를 위한 층을 제공할 수 있다. 이 경우, 실질적으로, 캐리지(1)의 임의의 팽창이 구현될 수 있으며, 통과시마다 매우 많은 층이 제공되고 커다란 층 두께를 사용하여, 높이가 개별적으로 조절될 수 있는 재료 챔버와 레이저 요소가 제공될 수 있다.
위에서 기술된 내용은 3차원의 금속성 성형 바디의 제작을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 동시에 가능한 최대한 많은 작업 공정을 수행하여, 캐리지가 이동되는 동안에도, 워크피스의 층상 구조(layer-by-layer construction)로 작업 시간을 줄이기 위하여, 하나 이상의 레이저 요소 뿐만 아니라 하나 이상의 재료 챔버가 캐리지 상에서 캐리지를 따라 이동된다(carried).
1 : 캐리지 2 : 제1 재료 챔버
3 : 제2 재료 챔버 4 : 제3 재료 챔버
5 : 제1 레이저 요소 6 : 제2 레이저 요소
7 : 올라간 레이저 요소 8 : 워크피스
9 : 융점 10 : 오래된 금속 분말 층
11 : 제1 금속 분말 층 12 : 제2 금속 분말 층
13 : 제3 금속 분말 층

Claims (9)

  1. 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치로서, 상기 장치는, 캐리지(1)에 대한 높이가 조절될 수 있는 베이스 플레이트, 캐리지 가이드, 베이스 플레이트 위로 금속 분말을 배출하기 위하여 하나 이상의 재료 챔버(2, 3, 4)를 가지며 캐리지 가이드에서 베이스 플레이트를 횡단하여 이동되는(run) 캐리지(1), 및 배출된 금속 분말을 특정 지점들에 용융시키기 위한 하나 이상의 레이저 요소(5, 6, 7)를 포함하며, 캐리지(1)는 캐리지(1)의 이동 방향으로 교대로 배열되는 재료 챔버(2, 3, 4)와 레이저 요소(5, 6)를 가지는, 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치에 있어서,
    레이저 요소(5, 6)는 캐리지(1)의 전체 폭에 걸쳐 캐리지(1) 밑의 지점들에 조사될 수 있는(irradiated) 복수의 레이저에 의해 형성되며, 재료 챔버(2, 3, 4) 또는 다수의 재료 챔버들로 구성된 재료 챔버 장치(material chamber arrangement)가 캐리지(1)의 전체 폭에 걸쳐 연장되고 캐리지(1)의 전체 폭 밑에서 재료 챔버(2, 3, 4)에 사용가능한(on hand) 상태로 유지되는 금속 분말을 배출하기 위한 하나 이상의 배출구를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 레이저 요소(5, 6)의 레이저의 방향은 자체적으로 조절될 수 있거나 방향이 조절될 수 있는 반사 거울(deflection mirror)을 향해 배열되는 것을 특징으로 하는 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 재료 배출을 균일화하게 하기 위하여, 하나 이상의 진동 요소가 재료 챔버(2, 3, 4)와 연결되는(associated) 것을 특징으로 하는 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치.
  4. 제3항에 있어서, 하나 이상의 진동 요소는 편향 요소(eccentric element) 또는 압전 진동 요소인 것을 특징으로 하는 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 캐리지(1) 밑의 용접 지점(9)들에 배열된 하나 이상의 이미징 장치가 캐리지(1)와 연결되며, 상기 이미징 장치는 평가 장치(evaluation apparatus)와 데이터로 연결되고 하나 이상의 레이저 요소(5, 6)에 의해 조사되는(irradiated) 되는 것을 특징으로 하는 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 배출된 금속 분말의 점용융(point melting)을 위해 추가적인 레이저 요소(7)가 베이스 플레이트 위에서 올라간 상태로(elevated) 배열되는 것을 특징으로 하는 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 장치.
  7. 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 방법으로서, 베이스 플레이트 위의 캐리지 가이드에서 이동될 수 있는 캐리지(1)에 하나 이상의 재료 챔버(2, 3, 4)가 제공되며, 베이스 플레이트를 횡단하여 이동되는 동안 하나 이상의 재료 챔버(2, 3, 4)로부터 금속 분말이 배출되고, 하나 이상의 재료 챔버(2, 3, 4)에 인접한 레이저 요소(5, 6)가 캐리지(1)와 연결되며, 하나 이상의 재료 챔버(2, 3, 4)로부터 베이스 플레이트 위에 배출된 금속 분말은, 레이저 요소(5, 6)와 데이터로 연결된 프로세스 컴퓨터에 의해, 사전결정된 베이스 플레이트 상의 융점(9)에서 용융되고 주위의 재료 층들과 융합되어, 워크피스(8)가 제작되는, 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 방법에 있어서,
    레이저 요소(5, 6)는 캐리지(1)의 전체 폭에 걸쳐 캐리지(1) 밑의 지점들에 조사되는 복수의 레이저에 의해 형성되며, 재료 챔버(2, 3, 4) 또는 다수의 재료 챔버들로 구성된 재료 챔버 장치가 캐리지(1)의 전체 폭에 걸쳐 연장되고, 캐리지(1)의 전체 폭 밑에서 하나 이상의 배출구에 의해 재료 챔버(2, 3, 4)에 사용가능한(on hand) 상태로 유지되는 금속 분말을 배출하는 것을 특징으로 하는 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 방법.
  8. 제7항에 있어서, 베이스 플레이트를 횡단하여 이동되는 동안, 서로에 대해 평행하게 배열된 재료 챔버(2, 3, 4)는 복수의 층에 금속 분말을 배출하고, 금속 분말은 인접한 재료 챔버(2, 3, 4) 사이에 배열된 레이저 요소(5, 6)에 의해 연속 층들 사이에서 용융되고 주위의 재료 층들에 융합되어, 워크피스(8)가 제조되는 것을 특징으로 하는 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 금속 분말은, 베이스 플레이트 위에서 올라간 상태로 배열된 추가적인 레이저 요소(7)에 의해, 캐리지(1)에 의해 완전히 횡단하여 이동된 베이스 플레이트 위의 한 영역에 융합되는 것을 특징으로 하는 3차원의 금속성 성형 바디를 제작하기 위한 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102078813B1 (ko) * 2019-07-29 2020-02-19 주식회사 에스에프에스 3차원 프린터 및 3차원 프린터의 조형 박스 정렬 방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017100816A1 (en) * 2015-12-18 2017-06-22 Aurora Labs Limited 3d printing method and apparatus
DE102019201494A1 (de) * 2019-02-06 2020-08-06 Robert Bosch Gmbh Anlage zur generativen Fertigung eines Bauteils und Verfahren

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5993554A (en) * 1998-01-22 1999-11-30 Optemec Design Company Multiple beams and nozzles to increase deposition rate
DE10235427A1 (de) * 2002-08-02 2004-02-12 Eos Gmbh Electro Optical Systems Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten mittels eines generativen Fertigungsverfahrens
GB2440727A (en) * 2006-08-11 2008-02-13 Rolls Royce Plc Build-up welding apparatus
DE102007029052A1 (de) * 2007-06-21 2009-01-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils basierend auf dreidimensionalen Daten des Bauteils
DE102007029142A1 (de) * 2007-06-25 2009-01-02 3D-Micromac Ag Schichtauftragsvorrichtung zum elektrostatischen Schichtauftrag eines pulverförmigen Werkstoffes sowie Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes
DE102007040755A1 (de) * 2007-08-28 2009-03-05 Jens Jacob Lasersintervorrichtung sowie Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch selektives Lasersintern
JP4258567B1 (ja) * 2007-10-26 2009-04-30 パナソニック電工株式会社 三次元形状造形物の製造方法
DE102008000030A1 (de) 2008-01-10 2009-07-16 Robert Bosch Gmbh Herstellungsverfahren für eine mikromechanische elektrostatische Verstellvorrichtung und mikromechanische elektrostatische Verstellvorrichtung
EP2502729A1 (en) * 2011-03-25 2012-09-26 BAE Systems Plc Additive layer manufacturing
US20140246809A1 (en) * 2013-03-04 2014-09-04 California Institute Of Technology Systems and methods implementing additive manufacturing processes that utilize multiple build heads
US20150064047A1 (en) * 2013-08-28 2015-03-05 Elwha Llc Systems and methods for additive manufacturing of three dimensional structures
DE102013021961A1 (de) * 2013-12-20 2015-07-09 Universität Rostock Stereolithographie- System

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102078813B1 (ko) * 2019-07-29 2020-02-19 주식회사 에스에프에스 3차원 프린터 및 3차원 프린터의 조형 박스 정렬 방법

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