KR20180118763A - 제조시의 금속의 자기유체역학적 증착 - Google Patents
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Abstract
장치들, 시스템들 및 방법들은 물체의 적층 가공의 일부로서 제어된 3차원 패턴과 같은 제어된 패턴을 따라 액체 금속을 분출시키기 위해 액체 금속에 자기유체역학적 힘들을 인가하는 것에 관한 것이다. 자기유체역학적 힘은 액체 금속의 액적들을 분출시키도록 펄스화되어 제작되는 물체의 정밀도에 대한 제어를 제공할 수 있다. 맥동들은 높은 공진 주파수들을 갖는 유체 챔버들에 인가될 수 있어, 상업적으로 실행 가능한 3차원 제작에 적합한 속도들로 액체 금속을 분출시키기에 적합한 고주파수들을 포함하여, 광범위한 주파수들에 걸쳐 액적 분출이 효과적으로 제어될 수 있게 한다.
Description
관련 출원에 대한 상호-참조
[0001] 본 출원은, 35§119(e) 하에서, 2016년 3월 3일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/303,341 호의 이익을 청구하며, 이의 전체 내용들은 인용에 의해 본원에 포함된다.
분야
[0002] 본 명세서에 기술된 장치들, 시스템들 및 방법들은 가공(manufacturing)에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 금속 재료들로 가공하기 위한 자기유체역학적(magnetohydrodynamic; MHD) 시스템에 관한 것이다.
[0003] 전류는 자기장과 조합되어 액체 금속에 MHD 힘들을 부여할 수 있다. 그러한 힘들은 액체 금속을 추진시켜서 금속 물체(metallic object)를 형성할 수 있다. MHD 힘들이 금속 물체를 형성하는데 사용될 수 있지만, 속도, 정밀도, 제어 및 재료 특성들과 관련된 고려사항들은 대규모의 물체 형성을 위한 MHD 힘들의 사용에 대한 과제들을 제시한다. 따라서, MHD 힘들을 사용하여 금속을 제조하기 위한 상업적으로 실행 가능한 기술들에 대한 필요성이 남아있다.
[0004] 장치들, 시스템들 및 방법들은 물체의 적층 가공(additive manufacturing)의 일부로서 제어된 3차원 패턴과 같은 제어된 패턴을 따라 액체 금속을 분출시키기 위해 액체 금속에 자기유체역학적 힘들을 인가하는 것에 관한 것이다. 자기유체역학적 힘은 액체 금속의 액적들(droplets)을 분출시키도록 펄스화되어 제작되는 물체의 정밀도에 대한 제어를 제공할 수 있다. 맥동들은 높은 공진 주파수들을 갖는 유체 챔버들에 인가될 수 있어, 상업적으로 실행 가능한 3차원 제작에 적합한 속도들로 액체 금속을 분출시키기에 적합한 고주파수들을 포함하여, 광범위한 주파수들에 걸쳐 액적 분출이 효과적으로 제어될 수 있게 한다. 일 양태에서, 액체 금속을 분사하기 위한 노즐은, 유입 영역과 배출 영역을 갖는 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징; 하우징에 대해 배치된 하나 또는 그 초과의 자석들 ― 자석의 자기장은 하우징을 통해 지향됨 ―; 및 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버(firing chamber)의 적어도 일부분을 규정하는 전극들을 포함하며, 전류는 적어도 배출 영역의 배출 오리피스에 실질적으로 인접한 지점에 있는 발사 챔버 내로 전극들로부터 전도 가능하고, 전류는 배출 오리피스에 실질적으로 인접한 지점에 있는 발사 챔버에서 자기장과 교차하여 배출 오리피스로부터 액체 금속을 분출시킨다.
[0050] 발사 챔버와 배출 오리피스 사이의 유체 챔버의 체적은 유체 챔버의 전체 체적의 약 10 %보다 작을 수 있다. 발사 챔버의 체적은 유체 챔버의 전체 체적의 약 50 %보다 클 수 있다. 유체 챔버는 약 2 ㎜ 초과 및 약 2 ㎝ 미만의 축방향 길이를 가질 수 있다. 전극들 중 적어도 하나는 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징의 부분과 일체로 형성될 수 있어, 적어도 하나의 전극, 및 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징의 부분이 동일한 재료로 형성될 수 있다. 전극들 중 적어도 하나는 적어도 유체 챔버의 배출 영역을 규정하는 하우징의 부분과 일체로 형성될 수 있어, 적어도 하나의 전극, 및 배출 영역을 규정하는 하우징의 부분이 동일한 재료로 형성된다. 하우징은 전기 전도성 재료의 로드일 수 있고, 전류는 로드의 축방향 치수에 평행한 축을 따라 전극들 사이에서 전도 가능할 수 있다. 발사 챔버는 유입 영역으로부터 배출 영역을 향하는 액체 금속의 이동 방향에 수직인 평면에서 실질적으로 직사각형 단면을 포함할 수 있고, 전극들로부터의 전류는 실질적으로 직사각형 단면을 따라 액체 금속 내로 전도 가능할 수 있다.
[0006] 노즐은 유체 챔버를 따라 배치되고 배출 영역으로부터 이격된 필터를 포함할 수 있다. 전극들 중 적어도 하나는 탄탈륨, 니오븀, 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다.
[0007] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 적층 가공 시스템은, 하우징, 하나 또는 그 초과의 자석들 및 전극들을 포함하는 노즐 ― 노즐은 유입 영역 및 배출 영역을 갖는 유체 챔버를 규정하고, 하나 또는 그 초과의 자석들은 하우징을 통해 자기장을 지향시키고, 전극들은 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하고, 전류는 전극들로부터 전도 가능하여, 전류는 배출 영역의 배출 오리피스에 실질적으로 인접한 지점에 있는 발사 챔버에서 자기장과 교차함 ―; 노즐에 기계적으로 결합된 로봇 시스템; 전극들과 전기적으로 연통하는 전원(electrical power sourc); 및 로봇 시스템 및 전원과 전기적으로 연통하는 제어기를 포함하며, 제어기는, 로봇 시스템을 이동시켜 노즐의 배출 영역을 제어된 3차원 패턴으로 위치시키도록, 그리고 제어된 3차원 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초하여, 전원을 작동하여 전극들에 펄스 전류를 전달해서 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시켜 3차원 물체를 형성하도록 구성된다.
[0008] 펄스 전류의 주파수는 배출 영역의 최대 이동 속도에서 약 5 kHz보다 낮을 수 있다. 펄스 전류는 노즐의 이동 속도에 기초한 주파수를 가질 수 있다. 펄스 전류는 3차원 패턴의 하나 또는 그 초과의 특징부들에 기초한 주파수를 가질 수 있다.
[0009] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 적층 가공 방법은, 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가짐 ―; 노즐을 통해 자기장을 지향시키는 단계; 배출 영역을 제어된 3차원 패턴으로 이동시키는 단계; 및 제어된 3차원 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초하여, 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 펄스 전류를 전도하는 단계를 포함하며, 펄스 전류는 유체 챔버 내의 액체 금속의 공진 주파수보다 낮은 주파수이며, 펄스 전류는 발사 챔버에서 자기장과 교차하는 방향이어서, 전류의 맥동이 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시켜 3차원 물체를 형성한다.
[0010] 펄스 전류는 배출 영역에 실질적으로 인접한 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전도될 수 있다. 유체 챔버 내의 액체 금속의 공진 주파수는 약 10 kHz보다 높을 수 있다. 발사 챔버의 체적은 유체 챔버의 체적의 약 50 %보다 클 수 있다. 액체 금속의 전기 저항률(electrical resistivity)은 발사 챔버를 규정하는 재료의 전기 저항률과 실질적으로 유사할 수 있다.
[0011] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 액체 금속을 분사하기 위한 노즐은, 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징 ― 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가짐 ―; 하우징 상에 지지된 하나 또는 그 초과의 자석들 ― 자석의 자기장은 하우징을 통해 지향됨 ―; 및 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들을 포함하며, 전류는 발사 챔버에서 자기장과 교차하는 방향으로 전극들로부터 발사 챔버 내로 전도 가능할 수 있고, 유체 챔버의 배출 영역을 규정하는 하우징의 부분은 세라믹 재료로 형성된다.
[0012] 세라믹 재료는 알루미나, 사파이어, 루비, 질화알루미늄, 탄화알루미늄, 질화규소, 사이알론들 및 탄화붕소 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 배출 영역으로부터 떨어진 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징의 부분은 금속으로 형성될 수 있다. 배출 영역으로부터 떨어진 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징의 부분은 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들은 금속으로 형성될 수 있다. 전극들 중 적어도 하나는 배출 오리피스로부터 떨어진 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징의 부분과 일체로 형성될 수 있어, 적어도 하나의 전극, 및 배출 오리피스로부터 떨어진 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징의 부분이 동일한 재료로 형성된다. 발사 챔버는 배출 영역의 배출 오리피스에 실질적으로 인접할 수 있다. 발사 챔버의 체적은 유체 챔버의 전체 체적의 약 50 %보다 클 수 있다.
[0013] 전극들은 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버의 적어도 일부분을 따라 배치된 라이닝을 포함할 수 있다. 라이닝은 유체 챔버를 규정하는 하우징의 재료 상에 도금될 수 있다. 라이닝이 배치되는 하우징의 재료는 질화티타늄, 티타늄 알루미늄 질화물, 탄화티타늄, 알루미나, 티타늄 및 탄질화물 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 노즐은 발사 챔버와 열적으로 연통하는 적어도 하나의 히터를 포함할 수 있다. 히터는 발사 챔버의 적어도 일부분 주위에 배치된 유도 코일을 포함할 수 있다. 전극들은 제1 재료로 형성될 수 있고, 하우징은 제2 재료로 형성될 수 있다. 제2 재료는 제1 재료보다 높은 용융 온도를 갖는다. 전극들은 탄탈륨, 니오븀, 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다.
[0014] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 적층 가공 방법은, 유입 영역 및 배출 영역을 갖는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 유체 챔버는 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정됨 ―; 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 단계; 배출 영역을 제어된 패턴으로 이동시키는 단계; 및 제어된 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초하여, 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들을 통해 전류를 전도하는 단계를 포함하며, 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들은 발사 챔버를 통해 이동하는 액체 금속의 전기 저항률과 실질적으로 동일한 전기 저항률을 갖고, 배출 영역을 규정하는 하우징의 부분은 배출 영역을 통해 이동하는 액체 금속의 전기 저항률보다 실질적으로 큰 전기 저항률을 가질 수 있으며, 전극들을 통해 전도된 전류는 발사 챔버에서 자기장과 교차하는 방향을 따라 액체 금속 내로 전도되어 배출 영역으로부터 액체 금속의 적어도 일부분을 분출시킨다.
[0015] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 액체 금속을 분사하기 위한 노즐은, 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징 ― 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가지며, 배출 영역은 배출 오리피스에 인접한 목부(throat)를 가짐 ―; 하우징에 대해 배치된 하나 또는 그 초과의 자석들 ― 자석의 자기장은 하우징을 통해 지향됨 ―; 및 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들을 포함하며, 배출 오리피스에 인접한 하우징의 외부 표면은 전극들에 의해 규정된 발사 챔버의 적어도 일부분에서 안정하게 지지 가능한 액체 금속에 대해 실질적으로 비습윤성일 수 있는 필름을 포함한다.
[0016] 발사 챔버에서 안정하게 지지 가능한 액체 금속과 필름 사이의 접촉각은 약 90°보다 클 수 있다. 목부를 규정하는 하우징의 재료는 발사 챔버에서 안정하게 지지 가능한 액체 금속에 대해 습윤성일 수 있다. 발사 챔버에서 안정하게 지지 가능한 액체 금속은 목부를 규정하는 하우징의 재료보다 필름과 큰 접촉각을 가질 수 있다. 목부는 실질적으로 원통형일 수 있고, 목부의 직경은 배출 오리피스의 직경과 실질적으로 동일할 수 있다. 필름은 배출 오리피스에 인접한 하우징의 부분과 일체로 형성될 수 있다. 필름은 목부를 규정하는 하우징의 부분을 형성하는 재료의 산화물을 포함할 수 있다. 필름은 산화탄탈륨 및 산화크롬 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 필름은 알루미늄, 알루미늄 합금 및 땜납 중 하나 또는 그 초과에 대해 비습윤성일 수 있다.
[0017] 전극들 중 적어도 하나는 전극들 중 적어도 하나에 인접한 하우징의 부분과 일체로 형성될 수 있어, 전극들 중 적어도 하나 및 하우징의 부분이 동일한 재료로 형성된다. 하나 또는 그 초과의 자석들은 자기장이 발사 챔버를 통해 지향되도록 배열될 수 있고, 전극들은 전극들로부터 발사 챔버 내로 전도된 전류가 발사 챔버에서 자기장과 교차하도록 배열될 수 있다.
[0018] 다른 양태에서, 본 명세서에서 고려되는 적층 가공 방법은, 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 유체 챔버는 유입 오리피스 및 배출 오리피스를 갖고, 유체 챔버는 배출 오리피스에 인접한 목부를 가지며, 유체 챔버는 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있음 ―; 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 단계; 및 유체 챔버 내의 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 펄스화하는 단계를 포함하며, 펄스 전류는 발사 챔버에서 자기장과 교차하여 배출 오리피스로부터 액체 금속을 분출시키고, 액체 금속 내로의 전류의 맥동들 동안, 목부는 액체 금속에 의해 습윤되고, 배출 오리피스를 규정하는 하우징의 외부 표면은 액체 금속에 의해 실질적으로 비습윤된다.
[0019] 배출 오리피스를 형성하는 하우징의 외부 표면은 목부를 규정하는 하우징의 재료의 산화물의 필름을 포함할 수 있다. 필름은 산화탄탈륨 및 산화크롬 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 액체 금속과 배출 오리피스를 규정하는 하우징의 외부 표면 사이의 접촉각은 액체 금속과 목부를 규정하는 하우징의 재료 사이의 접촉각보다 클 수 있다. 액체 금속과 배출 오리피스를 규정하는 하우징의 외부 표면 사이의 접촉각은 약 90°보다 클 수 있다. 액체 금속은 알루미늄, 알루미늄 합금 및 땜납 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 펄스 전류는 약 10 kHz 미만의 최대 주파수를 가질 수 있다.
[0020] 상기 방법은 3차원 물체를 형성하기 위해 빌드 표면에 대해 제어된 3차원 패턴으로 하우징을 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
[0021] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 방법은, 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 유체 챔버는 유입 영역과 배출 영역을 가짐 ―; 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 단계; 및 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제1 전류를 전달하는 단계를 포함하며, 제1 전류는 액체 금속에서 자기장과 교차하여 배출 영역에 부착된 메니스커스(meniscus)에 맥동력을 가하는 변동 전류를 포함하며, 배출 영역에 부착된 액체 금속에 대한 맥동력은 배출 영역에 부착된 메니스커스를 바운싱시킨다.
[0022] 배출 영역은 배출 오리피스 및 목부를 포함할 수 있으며, 메니스커스는 목부 및 배출 오리피스 중 하나 또는 그 초과에 부착될 수 있다. 메니스커스에 가해진 맥동력은 메니스커스 상에 형성된 금속 산화물 층을 파괴시키기에 충분한 크기를 가질 수 있으며, 금속 산화물 층은 액체 금속의 금속 산화물을 포함한다. 상기 방법은 하우징 내의 액체 금속 내로의 제1 전류의 전달의 지속기간에 적어도 부분적으로 기초하여, 배출 영역을 통해 액체 금속을 분출시키는 단계를 포함할 수 있다. 액체 금속은 미리정해진 시간 기간 동안 배출 오리피스로부터 분출될 수 있다. 상기 방법은 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제2 전류를 전달하는 단계를 포함할 수 있으며, 제2 전류는 액체 금속에서 자기장과 교차하여 액체 금속을 배출 영역을 통해 분출시켜서 물체를 형성한다. 제2 전류는 제1 전류의 펄스 전류와 상이한 펄스 전류를 포함할 수 있다. 상기 방법은 물체의 제작에 대응하는 제어된 패턴을 따라 배출 영역을 이동시키는 단계를 포함할 수 있으며, 액체 금속 내로 제2 전류를 전달하는 단계는 제어된 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초한다. 제어된 패턴은 3차원 패턴을 포함할 수 있다. 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제2 전류를 전달하는 단계는 제어된 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 전환하는 단계를 포함할 수 있다.
[0023] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 제조 시스템은, 하우징, 자석 및 전극들을 포함하는 노즐 ― 하우징은 유입 영역 및 배출 영역을 갖는 유체 챔버를 적어도 부분적으로 규정하고, 자석은 하우징에 대해 배치되고 자석의 자기장은 유체 챔버를 통해 연장되며, 전극들은 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하고, 전극들은 전극들로부터의 전류가 발사 챔버에서 자기장과 교차하도록 자석에 대해 위치됨 ―; 노즐에 기계적으로 결합되고, 배출 영역을 위치시키도록 이동 가능한 로봇 시스템; 노즐의 전극들과 전기적으로 연통하는 전원; 및 로봇 시스템 및 전원과 전기적으로 연통하는 제어기를 포함하며, 제어기는, 로봇 시스템을 이동시켜 물체의 제작에 대응하는 제어된 패턴을 따라 배출 영역을 위치시키도록, 전극들을 통해 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제1 전류를 전달하도록 ― 제1 전류는 발사 챔버 내의 액체 금속에서 자기장과 교차하여 배출 영역에 부착된 액체 금속의 메니스커스에 맥동력을 생성하는 펄스 전류를 포함함 ―, 그리고 배출 영역의 이동의 제어된 패턴을 따라, 전극들을 통해 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제2 전류를 전달하도록 ― 제2 전류는 액체 금속에서 자기장과 교차하여 액체 금속을 배출 영역을 통해 분출시켜서 물체를 형성함 - 구성된다.
[0024] 제어기는 전극들을 통해 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제3 전류를 전달하도록 추가로 구성될 수 있고, 제3 전류는 액체 금속에서 자기장과 교차하여 제어된 패턴으로부터 떨어진 배출 오리피스의 위치에서 액체 금속을 배출 영역을 통해 분출시킨다. 제어기는 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제1 전류의 전달의 지속기간에 적어도 부분적으로 기초하여 제3 전류를 전달하도록 구성될 수 있다. 제어기는 제1 전류의 전달로부터 제2 전류의 전달로의 전환 사이에 제3 전류를 전달하도록 구성될 수 있다. 제어기는 미리정해진 시간 기간 동안 제3 전류를 전달하도록 구성될 수 있다. 제어된 패턴은 3차원 패턴을 포함할 수 있다.
[0025] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 적층 가공 방법은, 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가짐 ―; 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 단계; 배출 영역을 제어된 3차원 패턴으로 이동시키는 단계; 및 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내에 발사 챔버를 적어도 부분적으로 규정하는 전극들 사이에서 전류를 전달하는 단계 ― 전류는 발사 챔버 내의 액체 금속에서 자기장과 교차하여 액체 금속을 배출 영역으로부터 분출시킴 ―; 및 제어된 3차원 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초하여, 빌드 플레이트 상에 또는 이전에 증착된 금속 층 상에 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 단계를 포함한다.
[0026] 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 단계는 축적물에서 지지 구조체와 3차원 물체 사이의 계면을 형성하는 단계를 포함할 수 있으며, 지지 구조체 및 3차원 물체는 계면보다 낮은 다공성을 갖는다. 계면, 지지 구조체 및 3차원 물체는 동일한 재료로 형성될 수 있다. 계면은 3차원 물체에 비해 취약할 수 있다. 상기 방법은 계면에 대한 압축력 및 전단력 중 하나 또는 그 초과의 인가를 통해 지지 구조체로부터 3차원 물체를 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 단계는 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 속도를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 속도를 변화시키는 단계는 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전달되는 전류의 크기를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 전달하는 단계는 전류를 펄스화하는 단계를 포함할 수 있다. 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 속도를 변화시키는 단계는 전류의 펄스의 크기 및 지속기간 중 적어도 하나를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 단계는 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 온도를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 온도를 변화시키는 단계는 빌드 플레이트 상 또는 이전에 증착된 금속 층 상의 분출된 액체 금속의 축적물의 미리정해진 부분의 다공성을 증가시키기 위해 분출된 액체 금속의 온도를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
[0027] 다른 양태에서, 본 명세서 개시된 컴퓨터 프로그램 제품은 비일시적인 컴퓨터 판독 가능한 매체에 구현된 비일시적인 컴퓨터 실행 가능한 코드를 포함하며, 코드는, 하나 또는 그 초과의 프로세서들 상에서 실행될 때, 하우징의 배출 영역을 제어된 3차원 패턴으로 이동시키는 단계; 전극들에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 전달하는 단계 ― 전달된 전류는 발사 챔버 내의 액체 금속에서 자기장과 교차하여 발사 챔버와 유체 연통하는 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시킴 ―; 및 제어된 3차원 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초하여, 기판 상에 또는 이전에 증착된 금속 층 상에 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 단계를 수행한다.
[0028] 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 단계는 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 속도를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 속도를 변화시키는 단계는 전류의 크기를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 전달하는 단계는 전류를 펄스화하는 단계를 포함할 수 있다. 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 속도를 변화시키는 단계는 전류의 펄스의 크기 및 지속기간 중 적어도 하나를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 단계는 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 온도를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 온도를 변화시키는 단계는 기판 상의 또는 이전에 증착된 금속 층 상의 분출된 액체 금속의 축적물의 미리정해진 부분의 다공성을 증가시키기 위해 분출된 액체 금속의 온도를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
[0029] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 액체 금속을 분사하기 위한 노즐은, 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징 ― 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가짐 ―; 하우징에 대해 배치된 하나 또는 그 초과의 자석들 ― 자석의 자기장은 하우징을 통해 연장됨 ―; 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들 ― 전극들 사이에서 전도된 전류는 발사 챔버 내의 액체 금속에서 자기장과 교차하여 배출 오리피스로부터 액체 금속을 분출시킴 ―; 및 하나 또는 그 초과의 자석들 중 적어도 하나와 하우징 사이에 배치된 단열 층 ― 단열 층은 단열 층이 장착될 수 있는 하우징의 부분의 열전도율보다 작은 열전도율을 가짐 ―을 포함한다.
[0030] 하우징은 전류가 전극들 사이에서 전도되는 방향보다 자기장이 하우징을 통해 연장되는 방향을 따라 더 얇을 수 있다. 하나 또는 그 초과의 자석들은 발사 챔버로부터 약 2 ㎜ 미만에 있을 수 있다. 단열 층은 두께가 약 0.8 ㎜ 내지 약 1.2 ㎜일 수 있다. 단열 층은 실리카 세라믹 및 알루미나-실리카 세라믹 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 단열 층은 자석에 의해 하우징에 가해진 자기력에 의해 제 위치에 유지될 수 있다. 단열 층은 약 0.015 W/m-K 초과 및 약 0.1 W/m-K 미만의 열전도율을 가질 수 있다. 하나 또는 그 초과의 자석들은 하우징으로부터 이격된 히트 싱크(heat sink)와 열적으로 연통할 수 있다. 히트 싱크는 하나 또는 그 초과의 자석들로부터 멀리 열을 운반하기 위해 히트 싱크를 통해 이동 가능한 냉각 유체를 포함할 수 있다. 노즐은 하나 또는 그 초과의 자석으로부터 멀리 열을 운반하기 위해 히트 싱크에 지향된 팬(fan)을 포함할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 자석들은 고정된 자석 및 전자석 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다.
[0031] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 적층 가공 방법은, 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 유체 챔버는 유입 영역과 배출 영역을 가짐 ―; 단열 층을 통해 하우징에 결합된 적어도 하나의 자석의 자기장 강도의 손실과 연관된 온도보다 높은 온도로 액체 금속을 가열하는 단계; 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버를 규정하는 전극들 사이에서 가열된 액체 금속 내로 전류를 전달하는 단계; 및 적어도 하나의 자석으로부터 발사 챔버 내의 가열된 액체 금속 내로 자기장을 지향시키는 단계 ― 자기장은 발사 챔버에서 전류와 교차하여 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시킴 ―를 포함한다.
[0032] 적어도 하나의 자석은 발사 챔버로부터 약 2 ㎜ 미만에 있을 수 있다. 단열 층은 적어도 하나의 자석과 하우징 사이의 자기력을 통해 제 위치에 유지될 수 있다. 상기 방법은 적어도 하나의 자석을 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 자석을 냉각하는 단계는 적어도 하나의 자석과 열적으로 연통하고 하우징으로부터 이격된 히트 싱크를 통해 적어도 하나의 자석으로부터 열을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 자석으로부터 열을 제거하는 단계는 냉각 유체를 히트 싱크를 통해 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 자석으로부터 열을 제거하는 단계는 강제 대류 냉각을 위해 히트 싱크 위로 공기를 강제하는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 자석은 고정된 자석 및 전자석 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 하우징은 전류의 방향을 따라서보다 자기장의 축에 평행한 방향으로 더 얇을 수 있다.
[0033] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 적층 가공 방법은, 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 유체 챔버는 유입 영역과 배출 영역을 가짐 ―; 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 단계; 배출 영역을 제어된 패턴으로 이동시키는 단계; 및 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들 사이에서 전류를 전달하는 단계 ― 전류는 발사 챔버 내의 액체 금속에서 자기장과 교차하여 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시킴 ―; 및 제어된 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초하여, 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 전류를 제어하여 물체를 형성하는 단계를 포함한다.
[0034] 제어된 패턴은 3차원 패턴일 수 있고, 물체는 3차원 물체일 수 있다. 전류는 형성되는 물체의 경계를 따라 펄스 전류가 되도록 제어될 수 있다. 전류는 배출 영역이 형성되는 물체의 경계 내의 편위부를 따라 이동함에 따라 직류 전류가 되도록 제어될 수 있다. 펄스 전류의 주파수는 유체 챔버 내의 액체 금속의 공진 주파수보다 낮을 수 있다. 펄스 전류의 주파수는 배출 영역의 이동 속도에 기초할 수 있다. 펄스 전류의 주파수는 제어된 3차원 패턴의 에지로부터의 거리에 기초할 수 있다. 펄스 전류의 주파수는 배출 영역의 최대 이동 속도에서 약 5kHz보다 낮을 할 수 있다. 펄스 전류로부터 직류 전류로의 전환은 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 질량 유량을 증가시킬 할 수 있다.
[0035] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 컴퓨터 프로그램 제품은 비일시적인 컴퓨터 판독 가능한 매체에 구현된 비일시적인 컴퓨터 실행 가능한 코드를 포함하며, 코드는, 하나 또는 그 초과의 프로세서들 상에서 실행될 때, 노즐의 배출 영역을 제어된 패턴으로 이동시키는 단계; 배출 영역과 유체 연통하는 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들 사이에서 전류를 전달하는 단계 ― 전류는 발사 챔버 내의 액체 금속에서 자기장과 교차하여 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시킴 ―; 및 제어된 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초하여, 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전달되는 전류를 제어하는 단계 ― 전류는 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 제어되어 물체를 형성할 수 있음 ―를 수행한다.
[0036] 전류는 형성되는 물체의 경계를 따라 펄스 전류가 되도록 제어될 수 있다. 전류는 배출 영역이 형성되는 물체의 경계 내의 편위부를 따라 이동함에 따라 직류 전류가 되도록 제어될 수 있다. 펄스 전류의 주파수는 배출 영역의 이동 속도에 기초할 수 있다. 펄스 전류의 주파수는 제어된 패턴의 에지로부터의 거리에 기초할 수 있다. 펄스 전류의 주파수는 배출 영역의 최대 이동 속도에서 약 5 kHz보다 낮을 수 있다.
[0037] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 적층 가공 시스템은, 하우징, 자석 및 전극들을 포함하는 노즐 ― 하우징은 유체 챔버를 적어도 부분적으로 규정하고, 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가지며, 자석은 하우징에 대해 배치되고 자석의 자기장은 하우징을 통해 연장되며, 전극들은 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하고, 전극들은 전극들 사이에서 전달된 전류가 발사 챔버에서 자기장과 교차하도록 자석에 대해 위치됨 ―; 노즐에 기계적으로 결합되고, 배출 영역을 위치시키도록 이동 가능한 로봇 시스템; 노즐의 전극들과 전기적으로 연통하는 전원; 및 전원과 전기적으로 연통하는 제어기를 포함하며, 제어기는, 로봇 시스템을 이동시켜 배출 영역을 제어된 패턴으로 위치시키도록, 전극들로부터 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 전달하도록, 그리고 제어된 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초하여, 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전달되는 전류를 제어하도록 ― 전류는 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 제어되어 물체를 형성할 수 있음 ― 구성된다.
[0038] 전류는 형성되는 물체의 경계를 따라 펄스 전류가 되도록 제어될 수 있다. 전류는 배출 영역이 형성되는 물체의 경계 내의 편위부를 따라 이동함에 따라 직류 전류가 되도록 제어될 수 있다. 펄스 전류의 주파수는 배출 영역의 이동 속도에 기초할 수 있다. 펄스 전류의 주파수는 제어된 패턴의 에지로부터의 거리에 기초할 수 있다.
[0039] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 제조 시스템은, 유체 챔버를 규정하는 하우징 ― 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가짐 ―, 하우징에 대해 배치된 하나 또는 그 초과의 자석들 ― 자석의 자기장은 하우징을 통해 지향됨 ―, 및 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들 ― 전극들은 전극들 사이에서 흐르는 전류가 발사 챔버 내의 액체 금속에서 자기장과 교차하여 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시키도록 자석에 대해 배열됨 ―을 포함하는 노즐; 노즐에 결합되고 배출 영역을 제어된 패턴을 따라 위치시키도록 이동 가능한 로봇 시스템; 및 금속 와이어와 결합 가능한 피더 시스템 ― 피더 시스템은, 액체 금속이 제어된 패턴을 따라 배출 영역으로부터 분출되어 물체를 형성함에 따라, 금속 와이어를 유입 영역을 통해 유체 챔버 내로 지향시키도록 작동 가능함 ―을 포함한다.
[0040] 피더 시스템은 금속 와이어와 결합 가능한 복수의 롤러들을 포함할 수 있고, 복수의 롤러들은 금속 와이어를 유체 챔버 내로 공급하도록 회전 가능하다. 상기 시스템은 유체 챔버와 열적으로 연통하는 히터를 포함할 수 있다. 히터는 유도 히터를 포함할 수 있다. 피더 시스템은 금속 와이어를 가변 속도로 유입 영역 내로 지향시키도록 작동 가능할 수 있고, 가변 속도는 배출 영역으로부터의 액체 금속 분출 속도에 적어도 부분적으로 기초한다. 상기 시스템은 유입 영역을 향해 지향된 센서를 포함할 수 있으며, 센서는 유입 영역의 각각의 측부 상에서 미리정해진 축방향 거리를 따라 금속 와이어와 액체 금속 사이의 계면을 검출하도록 구성되고, 센서는 피더 시스템과 전기적으로 연통하여, 센서로부터 수신된 신호에 기초하여 유입 영역 내로의 금속 와이어의 이동 속도를 변경시킨다. 센서는 유입 영역의 각각의 측부 상에서 미리정해진 축방향 거리를 따라 금속 와이어와 액체 금속 사이의 불연속성을 검출하도록 구성될 수 있다. 유입 영역의 각각의 측부 상에서의 미리정해진 축방향 거리는 유입 영역의 최대 치수의 1/2와 실질적으로 동일할 수 있다. 센서는 머신 비전 및 광학 브레이크-빔 센서 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 유입 영역에 인접한 부스러기 또는 유입 영역 내의 부스러기를 제거하기 위해 유입 영역에 대해 이동 가능한 와이퍼를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 유입 영역에 인접한 부스러기 또는 유입 영역 내의 부스러기를 제거하기 위해 유입 영역에 대해 가압 가스를 분산시키도록 작동 가능한 가압 가스 공급원을 포함할 수 있다. 가압 가스 공급원은 가압 가스를 유입 영역을 통해 배출 영역을 향하는 방향으로 지향시키도록 배열될 수 있다.
[0041] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 제조 방법은, 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버를 향해 금속 와이어를 지향시키는 단계 ― 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가짐 ―; 금속 와이어의 일부분을 액체 금속으로 용융시키는 단계 ― 금속 와이어와 액체 금속 사이의 계면이 유입 영역에 인접함 ―; 전극들에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 발사 챔버로 유체 챔버로부터 액체 금속을 전달하는 단계 ― 발사 챔버는 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내에 있음 ―; 및 발사 챔버 내의 액체 금속에 자기유체역학적 힘을 인가하는 단계를 포함하며, 액체 금속이 자기유체역학적 힘에 의해 배출 영역으로부터 분출될 때, 금속 와이어는 계면에서 금속 와이어와 액체 금속 사이의 연속적인 접촉을 유지하기에 충분한 속도로 유체 챔버 내로 지향된다.
[0042] 계면은 하우징의 외부에 있을 수 있다. 계면은 유입 영역의 각각의 측부 상에서의 미리정해진 축방향 거리 내에 있을 수 있다. 미리정해진 축방향 거리는 유입 영역의 최대 축방향 치수의 약 1/2일 수 있다. 상기 방법은 유입 영역 내의 부스러기 및 유입 영역에 인접한 부스러기를 기계적으로 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 부스러기를 기계적으로 제거하는 단계는 와이퍼를 유입 영역에 대해 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 유입 영역 내의 부스러기 및 유입 영역에 인접한 부스러기를 공압식으로 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 부스러기를 공압식으로 제거하는 단계는 가압 가스를 유입 영역을 통해 배출 영역을 향하는 방향으로 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 유입 영역 내의 부스러기 및 유입 영역에 인접한 부스러기를 전기적으로 제거하는 단계를 포함할 수 있으며, 부스러기를 전기적으로 제거하는 단계는, 전극들 사이의 전류의 펄스를 자기장에 대한 방향으로 지향시켜서, 발사 챔버로부터 유입 영역을 향하는 방향으로 액체 금속 내에 자기유체역학적 힘을 생성하는 단계를 포함한다.
[0043] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 제조 방법은, 전극들에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 발사 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 발사 챔버는 전극들을 지지하는 하우징에 의해 규정된 배출 영역과 유체 연통함 ―; 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 자기장을 지향시키는 단계; 및 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시켜 물체를 형성하기 위해, 발사 챔버에서 자기장과 교차하는 방향으로 전극들로부터 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 전달하는 단계를 포함하며, 전극들 및 액체 금속은 각각의 전극과 액체 금속 사이의 각각의 계면에서 동일한 재료로 형성된다.
[0044] 상기 방법은 배출 영역을 제어된 3차원 패턴으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있으며, 배출 영역은 발사 챔버와 유체 연통하고, 전극들로부터 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 전달하는 단계는 제어된 3차원 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초한다. 상기 방법은 각각의 전극과 액체 금속의 각각의 계면으로부터 떨어져서, 각각의 전극을 냉각시키는 단계를 포함할 수 있으며, 냉각은 각각의 전극에서 각각의 온도 구배를 형성한다. 각각의 전극의 온도 구배는 전극과 액체 금속 사이의 각각의 계면을 하우징에 의해 규정된 각각의 리세스들 내에 유지할 수 있고, 각각의 계면은 액체 금속이 배출 영역으로부터 분출될 때 각각의 리세스 내에 유지된다. 각각의 리세스는 배출 영역을 향하는 액체 금속의 이동 방향에 대해 반경방향으로 연장될 수 있다. 각각의 전극을 냉각시키는 단계는 액체 금속과의 각각의 계면으로부터 떨어진 각각의 전극의 부분을 따라 각각의 전극을 강제 대류 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다. 각각의 전극을 강제 대류 냉각시키는 단계는 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 속도에 적어도 부분적으로 기초하여 냉각 유체의 속도를 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 발사 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계는 하우징에 의해 규정된 유입 영역으로부터 발사 챔버로 액체 금속을 지향시키는 단계를 포함할 수 있고, 유입 영역으로부터 발사 챔버로의 액체 금속의 이동 방향은 발사 챔버에서의 자기장 및 전류와 교차한다. 발사 챔버의 축방향 길이는 유입 영역으로부터 배출 영역까지의 축방향 길이의 절반보다 클 수 있다. 유입 영역으로부터 배출 영역까지의 축방향 길이는 약 2 ㎜ 초과 및 약 2 ㎝ 미만일 수 있다.
[0045] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 액체 금속을 분사하기 위한 시스템은, 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들 ― 전극들 사이의 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류가 전도 가능함 ―; 전극들에 대해 배치된 하나 또는 그 초과의 자석들 ― 자석의 자기장은 발사 챔버를 통해 연장되고 발사 챔버에서 전류와 교차함 ―; 및 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징을 포함하며, 유체 챔버는 유입 영역, 배출 영역 및 리세스들을 가지며, 전극들은 리세스들 내에 배치되어, 발사 챔버가 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내에 있게 하며, 발사 챔버의 최대 반경방향 치수는 발사 챔버에 인접한 유체 챔버의 부분의 최대 반경방향 치수보다 크다.
[0046] 상기 시스템은 유체 챔버 내로 이동 가능한 금속 공급부를 포함할 수 있으며, 금속 공급부와 전극들은 동일한 재료로 형성된다. 상기 시스템은 발사 챔버 내로 이동 가능한 액체 금속을 형성하기 위해 유체 챔버 내에 또는 유체 챔버에 인접하게 금속 공급부와 열적으로 연통하는 열원을 포함할 수 있다. 하우징은 전극들 및 금속 공급부의 재료보다 높은 용융 온도를 가질 수 있다. 각각의 전극의 적어도 일부분은 발사 챔버로부터 멀어지는 방향으로 하우징의 외부로 연장될 수 있다. 상기 시스템은 발사 챔버로부터 떨어진 각각의 전극의 적어도 일부분에 결합된 히트 싱크를 포함할 수 있다. 히트 싱크는 각각의 전극의 적어도 일부분을 냉각시키도록 각각의 전극의 적어도 일부분으로부터 멀리 이동 가능한 유체를 포함할 수 있다. 발사 챔버는 유체 챔버의 축방향 길이의 50 %보다 큰 축방향 길이를 가질 수 있다. 유체 챔버의 축방향 길이는 약 2 ㎜ 초과 및 약 2 ㎝ 미만일 수 있다.
[0047] 본 명세서에 개시된 방법은, 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 유체 챔버는 유입 영역과 배출 영역을 가짐 ―; 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 단계; 정지 상태에 있는 하우징 내의 액체 금속 내로 제1 전류를 전달하는 단계 ― 제1 전류는 액체 금속에서 자기장과 교차하여 액체 금속에 풀백력(pullback force)을 가하고, 풀백력은 배출 영역으로부터 유입 영역을 향하는 방향으로 정지 상태의 액체 금속을 끌어당기기에 충분함 ―; 및 액체 금속 내로 제2 전류를 선택적으로 전달하는 단계 ― 제2 전류는 액체 금속에서 자기장과 교차하여 액체 금속에 발사력을 가하여 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시킴 ―를 포함한다.
[0048] 풀백력은 배출 영역에 부착된, 정지 상태의 액체 금속의 메니스커스를 유지하기에 충분할 수 있다. 배출 영역은 배출 오리피스에 인접한 목부를 가질 수 있으며, 풀백력은 목부 내에 있거나 배출 오리피스에 부착된 메니스커스를 유지하기에 충분할 수 있다. 상기 방법은 배출 영역을 제어된 패턴을 따라 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 제어된 패턴은 제어된 3차원 패턴일 수 있다. 제2 전류는 전체보다 적은 제어된 패턴을 따라 액체 흐름 내로 선택적으로 전달될 수 있다. 제2 전류는 적어도 제어된 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초하여 가변적일 수 있다. 제2 전류는 펄스 전류를 포함할 수 있고, 펄스 전류는 배출 영역으로부터 액체 금속 액적들을 분출시킨다. 액체 금속 내로 제2 전류를 선택적으로 전달하는 단계는, 유체 챔버 내의 액체 금속 내로 발사 펄스를 전도하는 단계, 및 유체 챔버 내의 액체 금속 내로 풀백 펄스를 전도하는 단계를 포함할 수 있으며, 발사 펄스 및 풀백 펄스는 반대 극성들을 갖고, 풀백 펄스는 제1 전류와 동일한 극성을 갖는다.
[0049] 풀백 펄스는 각각의 액적의 분출을 위한 발사 펄스에 선행할 수 있다. 풀백 펄스는 각각의 액적의 분출을 위한 발사 펄스에 후속할 수 있다. 제2 전류는 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 가변적일 수 있다. 액체 금속 내로 제2 전류를 선택적으로 전달하는 단계는 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버를 규정하는 전극들 사이에서 액체 금속 내로 제2 전류를 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 액체 금속 내로 제1 전류를 전달하는 단계는 전극들 사이의 액체 금속 내로 제1 전류를 지향시키는 단계를 포함할 수 있다.
[0050] 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 제조 시스템은, 하우징, 자석 및 전극들을 포함하는 노즐 ― 하우징은 유입 영역 및 배출 영역을 갖는 유체 챔버를 규정하고, 자석은 하우징에 대해 배치되고 자석의 자기장은 유체 챔버를 통해 연장되며, 전극들은 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하고, 전극들은 전극들로부터의 전류가 발사 챔버에서 자기장과 교차하도록 자석에 대해 위치됨 ―; 전극들과 전기적으로 연통하는 전원; 및 전원과 전기적으로 연통하는 제어기를 포함하며, 제어기는, 정지 상태에 있는 하우징 내의 액체 금속 내로 제1 전류를 전달하도록 ― 제1 전류는 액체 금속에서 자기장과 교차하여 액체 금속에 풀백력을 가하고, 풀백력은 배출 영역으로부터 유입 영역을 향하는 방향으로 정지 상태의 액체 금속을 끌어당기기에 충분함 ―; 및 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전극들로부터의 제2 전류를 선택적으로 전달하도록 ― 제2 전류는 액체 금속에서 자기장과 교차하여 액체 금속에 발사력을 가하여 배출 오리피스로부터 액체 금속을 분출시킴 ― 구성된다.
[0051] 상기 시스템은 노즐에 기계적으로 결합되고 노즐의 배출 영역을 위치시키도록 이동 가능한 로봇 시스템을 포함할 수 있으며, 제어기는 로봇 시스템을 이동시켜 배출 영역을 제어된 패턴을 따라 위치시키도록 추가로 구성될 수 있다. 제2 전류는 전체보다 적은 제어된 패턴을 따라 액체 흐름 내로 선택적으로 전달될 수 있다. 제2 전류는 적어도 제어된 패턴을 따르는 배출 오리피스의 위치에 기초하여 가변적일 수 있다. 제어된 패턴은 3차원 패턴일 수 있다. 제2 전류를 선택적으로 전달하는 것은 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 제2 전류를 제어하는 것을 포함할 수 있다.
[0052] 본 명세서에 설명된 시스템들 및 방법들은 첨부된 청구범위에 기재되어 있다. 그러나, 설명의 목적을 위해, 몇 개의 구현예들이 하기의 도면들에 기재되어 있다:
[0053] 도 1은 제조를 위해 금속의 MHD 증착과 함께 사용하기 위한 3차원 프린터의 블록도이다.
[0054] 도 2a는 도 1의 3차원 프린터의 피더 시스템 및 노즐의 등각도이다.
[0055] 도 2b는 도 2a의 피더 시스템 및 노즐의 횡단면의 측단면도이다.
[0056] 도 2c는 도 2a의 노즐의 평면도이다.
[0057] 도 2d는 도 2a의 노즐 내의 액체 금속에서의 MHD 힘의 발생의 개략도이다.
[0058] 도 3은 MHD 힘들의 인가를 통해 액체 금속을 프린팅하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
[0059] 도 4는 MHD 힘들을 통한 액체 금속 분출의 속도를 제어하기 위해 펄스 전류 모드와 직류 전류 모드 사이에서 전류를 제어하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
[0060] 도 5는 부품의 지지 구조체로부터 부품의 분리를 용이하게 하는 하나 또는 그 초과의 다공성 특징부들을 갖는 부품을 형성하기 위해 MHD 힘들을 사용하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
[0061] 도 6은 유체 챔버 내의 정지 액체 금속의 메니스커스를 끌어당기기 위해 MHD 힘을 사용하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
[0062] 도 7a 및 도 7b는 풀백력이 메니스커스에 인가될 때 노즐의 정지 액체 금속의 메니스커스의 위치를 비교하는 일련의 개략도들이다.
[0063] 도 8은 노즐의 배출 영역 내의 정지 액체 금속의 메니스커스를 바운싱시키기 위해 MHD 힘을 사용하는 예시적인 방법(800)의 흐름도이다.
[0064] 도 9는 유체 챔버의 유입 영역을 따라 필터를 포함하는 노즐의 측단면도이다.
[0065] 도 10은 유체 챔버의 유입 영역을 따라 침니부(chimney)를 포함하는 노즐의 측단면도이다.
[0066] 도 11은 팬-냉각식 자석을 포함하는 노즐의 등각도이다.
[0067] 도 12는 하우징의 적어도 일부분과 일체로 형성된 전극을 포함하는 노즐의 단면의 등각도이다.
[0068] 도 13은 하우징 상에 라이닝으로서 형성된 전극들을 포함하는 노즐의 측단면도이다.
[0069] 도 14는 재료들의 조합으로 형성된 노즐 및 하우징을 포함하는 노즐의 단면 등각도이다.
[0070] 도 15는 하우징의 외부 표면 상에 비습윤 필름을 포함하는 노즐의 측단면도이다.
[0071] 도 16은 네크 영역들(neck regions)을 포함하는 노즐의 단면 등각도이다.
[0072] 도 17은 네크 영역들을 포함하는 노즐의 단면 등각도이고, 하우징의 단면이 네크 영역들을 따른다.
[0073] 도 18은 네크 영역들을 포함하는 노즐의 단면 등각도이고, 노즐의 일부분들은 상이한 높이들을 갖는다.
[0053] 도 1은 제조를 위해 금속의 MHD 증착과 함께 사용하기 위한 3차원 프린터의 블록도이다.
[0054] 도 2a는 도 1의 3차원 프린터의 피더 시스템 및 노즐의 등각도이다.
[0055] 도 2b는 도 2a의 피더 시스템 및 노즐의 횡단면의 측단면도이다.
[0056] 도 2c는 도 2a의 노즐의 평면도이다.
[0057] 도 2d는 도 2a의 노즐 내의 액체 금속에서의 MHD 힘의 발생의 개략도이다.
[0058] 도 3은 MHD 힘들의 인가를 통해 액체 금속을 프린팅하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
[0059] 도 4는 MHD 힘들을 통한 액체 금속 분출의 속도를 제어하기 위해 펄스 전류 모드와 직류 전류 모드 사이에서 전류를 제어하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
[0060] 도 5는 부품의 지지 구조체로부터 부품의 분리를 용이하게 하는 하나 또는 그 초과의 다공성 특징부들을 갖는 부품을 형성하기 위해 MHD 힘들을 사용하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
[0061] 도 6은 유체 챔버 내의 정지 액체 금속의 메니스커스를 끌어당기기 위해 MHD 힘을 사용하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
[0062] 도 7a 및 도 7b는 풀백력이 메니스커스에 인가될 때 노즐의 정지 액체 금속의 메니스커스의 위치를 비교하는 일련의 개략도들이다.
[0063] 도 8은 노즐의 배출 영역 내의 정지 액체 금속의 메니스커스를 바운싱시키기 위해 MHD 힘을 사용하는 예시적인 방법(800)의 흐름도이다.
[0064] 도 9는 유체 챔버의 유입 영역을 따라 필터를 포함하는 노즐의 측단면도이다.
[0065] 도 10은 유체 챔버의 유입 영역을 따라 침니부(chimney)를 포함하는 노즐의 측단면도이다.
[0066] 도 11은 팬-냉각식 자석을 포함하는 노즐의 등각도이다.
[0067] 도 12는 하우징의 적어도 일부분과 일체로 형성된 전극을 포함하는 노즐의 단면의 등각도이다.
[0068] 도 13은 하우징 상에 라이닝으로서 형성된 전극들을 포함하는 노즐의 측단면도이다.
[0069] 도 14는 재료들의 조합으로 형성된 노즐 및 하우징을 포함하는 노즐의 단면 등각도이다.
[0070] 도 15는 하우징의 외부 표면 상에 비습윤 필름을 포함하는 노즐의 측단면도이다.
[0071] 도 16은 네크 영역들(neck regions)을 포함하는 노즐의 단면 등각도이다.
[0072] 도 17은 네크 영역들을 포함하는 노즐의 단면 등각도이고, 하우징의 단면이 네크 영역들을 따른다.
[0073] 도 18은 네크 영역들을 포함하는 노즐의 단면 등각도이고, 노즐의 일부분들은 상이한 높이들을 갖는다.
[0074] 이제, 첨부된 도면들을 참조하여 실시예들이 설명될 것이다. 그러나, 상기는 많은 상이한 형태들로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에 기재된 예시 실시예들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
[0075] 본 명세서에 언급된 모든 문헌들은 본원에 그 전체가 인용에 의해 포함된다. 단수형의 물품들에 대한 언급들은, 달리 명시적으로 기술되거나 본문으로부터 명백하지 않는 한, 복수형의 물품들을 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 그 반대도 마찬가지이다. 문법적 접속사들은, 달리 명시적으로 기술되거나 문맥으로부터 명백하지 않는 한, 결합된 절들, 문장들, 단어들 등의 임의의 및 모든 이접적(disjunctive) 접속적(conjunctive) 조합들을 표현하도록 의도된다. 따라서, "또는" 이라는 용어는 일반적으로 "및/또는" 등을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
[0076] 본 명세서에서의 값들의 범위들의 열거는, 본 명세서에서 달리 나타내지 않는 한, 규정하는 것으로 의도되지 않고, 대신에 범위 내에 있는 임의의 값들 및 모든 값들을 개별적으로 지칭하는 것이며, 그러한 범위 내의 각각의 별개 값은 본 명세서에 개별적으로 열거된 것처럼 본 명세서에 포함된다. "약", "대략" 등이라는 단어들은, 수치 값을 수반할 때, 의도된 목적을 위해 만족스럽게 작동하는 것으로 당업자에 의해 이해되는 편차를 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 값들의 범위들 및/또는 수치 값들은 단지 예들로서 본 명세서에 제공되며, 설명된 실시예들의 범위에 대한 제한을 구성하지 않는다. 본 명세서에 제공된 임의의 및 모든 예들 또는 예시적인 표현("예를 들면", "~와 같은" 등)의 사용은 단지 실시예를 보다 잘 나타내도록 의도된 것이며, 실시예들의 범위에 대한 제한을 하지 않는다. 본 명세서 내의 어떠한 표현도 실시예들의 실시에 필수적인 임의의 미청구된 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다.
[0077] 하기의 설명에 있어서, "제1", "제2", "상부", "하부", "위", "아래" 등과 같은 용어들은 편의상의 단어들이지, 제한적인 용어들로서 해석되어서는 안 되는 것으로 이해된다.
[0078] 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "액체 금속"이라는 용어는 액체 형태의 금속들 및 금속 합금들을 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 추가적으로 또는 대안적으로 달리 특정되거나 문맥에 의해 명백해지지 않는 한, 액체 형태의 금속들 및 금속 합금들을 함유하는 임의의 유체를 포함한다.
[0079] 이제 도 1 및 도 2d를 참조하면, 3차원 프린터(100)는 노즐(102), 피더 시스템(feeder system)(104) 및 로봇 시스템(106)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 로봇 시스템(106)은 피더 시스템(104)이 고체 금속(112)을 금속 공급부(113)로부터 노즐(102) 내로 이동시킴에 따라 빌드 챔버(build chamber)(110)의 작업 체적부(108) 내에서 제어된 패턴을 따라 노즐(102)을 이동시킬 수 있다. 하기에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 고체 금속(112)은 노즐(102) 내에서 또는 그에 인접해서 용융되어 액체 금속(112')을 형성할 수 있으며, 노즐(102) 내의 액체 금속(112')에 작용하는 자기장 및 전류의 조합을 통해, 자기유체역학적(MHD) 힘들은 빌드 챔버(110) 내에 배치된 빌드 플레이트(build plate)(114)를 향하는 방향으로 노즐(102)로부터 액체 금속(112')을 분출시킬 수 있다. 노즐(102)이 제어된 패턴을 따라 이동함에 따라 액체 금속(112')의 반복적인 분출을 통해, 물체(116)(예를 들면, 2차원 물체 또는 3차원 물체)가 형성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 물체(116)는 (예를 들면, 노즐(102)이 정지 상태로 유지될 때) 노즐(102) 아래에서 이동될 수 있다. 예를 들면, 제어된 패턴이 3차원 패턴인 경우들에서, 액체 금속(112')은 적층 가공(additive manufacturing)을 통해 물체(116)를 형성하기 위해 노즐(102)로부터 연속적인 층들로 분출될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 피더 시스템(104)은 노즐(102)이 액체 금속(112')을 분출할 때 빌드 재료를 노즐(102)에 연속적으로 또는 실질적으로 연속적으로 제공할 수 있으며, 이는 금속 부품들의 대량 제조를 포함하는 다양한 제조 응용들에서의 3차원 프린터(100)의 사용을 용이하게 할 수 있다. 또한 하기에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, MHD 힘들은, 시간당 약 1 개의 액체 금속 방울로부터 초당 수천 개의 액체 금속 방울들까지의 범위인 속도들로 액체 금속(112')의 드롭-온-디맨드(drop-on-demand) 전달을 제공하고, 특정 경우들에는, 액체 금속(112')의 실질적으로 연속적인 스트림(stream)을 전달하도록, 노즐(102) 내에서 제어될 수 있다. 액적 유동 속도에 대한 그러한 광범위한 제어는 추가적으로 또는 대안적으로 상업적으로 실행 가능한 3차원 제작과 연관된 정밀도 및 속도 목표들의 달성을 용이하게 할 수 있다.
[0080] 일반적으로, 액체 금속(112')은 다양한 상이한 금속들 중 어느 하나 또는 그 초과일 수 있다. 예를 들면, 액체 금속(112')은 일부의 내산화성을 제공하는 금속을 포함할 수 있으며, 이는 빌드 챔버(110) 내의 불완전하게 제어된 환경에서 노즐(102)을 작동시키는 것을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 액체 금속(112')은 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 특히, 액체 금속(112')은 당업계에 공지된 것들 중 어느 하나 또는 그 초과와 같은 알루미늄 주조 합금 및 그것의 변형물들(modifications)을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 액체 금속(112')은 주조들에 통상적으로 사용되지 않는 하나 또는 그 초과의 합금들을 포함할 수 있으며, 이는 응고가 그러한 합금들에서 일어나더라도, 물체(116) 상에 증착된 금속의 결정립 크기(grain size)가 노즐(102)로부터 분출되는 액적의 크기에 의해 제어될 것이기 때문이다. 액체 금속(112')을 형성할 수 있는 금속들의 추가적 또는 대안적인 예들은 탄소강들, 공구강들, 스테인리스강들 및 주석 합금들(예를 들면, 땜납) 중 하나 또는 그 초과를 포함한다.
[0081] 이제 도 1 및 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 노즐은 하우징(202), 하나 또는 그 초과의 자석들(204), 및 전극들(206)을 포함할 수 있다. 하우징(202)은 유입 영역(210), 배출 영역(212) 및 리세스들(recesses)(214)을 갖는 유체 챔버(208)의 적어도 일부분을 규정할 수 있다. 하나 또는 그 초과의 자석들(204)은 하우징(202) 상에 지지될 수 있거나, 그렇지 않으면 하우징(202)에 대해 고정된 위치에서 지지될 수 있고, 자기장("M")이 하우징(202)을 통해 지향된 하나 또는 그 초과의 자석들(204)에 의해 발생된다. 특히, 자기장은 액체 금속(112')이 유입 영역(210)으로부터 배출 영역(212)으로 이동함에 따라 액체 금속(112')과 교차하는 방향으로 하우징(202)을 통해 지향될 수 있다. 추가로 또는 대신에, 전극들(206)은 유입 영역(210)과 배출 영역(212) 사이의, 유체 챔버(208) 내의 발사 챔버(firing chamber)(216)의 적어도 일부분을 규정하도록 하우징(202) 상에 지지될 수 있다. 하기에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 사용시에, 피더 시스템(104)은 고체 금속(112)과 결합할 수 있고, 추가적으로 또는 대안적으로, 액체 금속(112')이 하나 또는 그 초과의 자석들(204) 및 전극들(206)을 사용하여 발생된 MHD 힘들을 통해 배출 영역(212)으로부터 분출됨에 따라 고체 금속(112)을 유체 챔버(208)의 유입 영역(210) 내로 지향시킬 수 있다.
[0082] 특정 구현예들에서, 전원(118)은 전극들(206)과 전기적으로 연통할 수 있고, 전극들(206) 사이에 흐르는 전류("I")를 생성하도록 제어될 수 있다. 특히, 전류("I")는 발사 챔버(216) 내의 액체 금속(112')에서 자기장("M")과 교차할 수 있다. 이러한 교차의 결과가 자기장("M")과 전류("I")의 교차부에 있는 액체 금속(112')에 대한 MHD 힘(또한 로렌츠 힘(Lorentz force)으로 알려짐)이라는 것이 이해되어야 한다. MHD 힘의 방향은 오른손 법칙을 따르기 때문에, 하나 또는 그 초과의 자석들(204) 및 전극들(206)은 액체 금속(112')을 배출 영역(212)을 향해 이동시킬 수 있는 방향과 같은 예측 가능한 방향으로 MHD 힘을 액체 금속(112') 상에 가하도록 서로에 대해 배향될 수 있다. 액체 금속(112')에 대한 MHD 힘은 체적력(body force)으로 알려진 유형이며, 이는 전류("I")가 흐르고 있고 자기장("M")이 존재하는 어는 곳에서도 MHD 힘이 액체 금속(112') 상에 분산된 방식으로 작용하기 때문이다. 이러한 체적력의 응집은 액체 금속(112')의 분출을 초래할 수 있는 압력을 생성한다. 자기장("M") 및 전류를, 서로에 대해 실질적으로 수직하고 유입 영역(210)으로부터 배출 영역(212)으로의 액체 금속(112')의 이동 방향에 실질적으로 수직하게 배향하는 것은 MHD 힘의 사용을 통해 액체 금속(112')을 분출시키기 위해 전류("I")를 가장 효율적으로 사용하게 할 수 있음이 이해되어야 한다.
[0083] 사용시에, 전원(118)은 전극들(206) 사이를 흐르는 전류("I")를 펄스화하도록 제어될 수 있다. 맥동은 발사 챔버(216) 내의 액체 금속(112')에 인가된 MHD 힘에 대응하는 맥동을 생성할 수 있다. 맥동의 임펄스가 충분하면, 발사 챔버(208) 내의 액체 금속(112')에 대한 MHD 힘의 맥동은 대응하는 액적을 배출 영역(212)으로부터 분출시킬 수 있다. 따라서, 액체 금속(112')의 액적들의 드롭-온-디맨드 전달은 전류(I)의 맥동의 주파수를 제어함으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 부품의 각 층의 외주부(outer perimeter)가 프린팅될 때 높은 배치 정밀도가 바람직하다. 이러한 외주부가 직선 또는 낮은 곡률의 곡선인 영역들에서는, 운동 시스템이 빠르게 횡단할 수 있고, 따라서 프린트헤드는 고주파수로 발사될 것이다. 일부의 경우들에서, 운동 시스템의 속도가 가능한 방울 분사의 최대 주파수로 제한될 것이다. 이러한 최대 주파수는 프린트헤드의 디자인, 원하는 액적의 크기 및 다른 요인들에 따라 달라질 것이며, 1 내지 20 킬로헤르츠에서 변할 수 있다. 그러나, 높은 곡률의 외주부의 영역들이 횡단될 때, 가속 요구조건들은 이들 영역들이 보다 낮은 속도로 횡단되고 그에 따라 프린트헤드가 보다 낮은 주파수로 발사되도록 지시할 수 있다. 이것은 특히, 운동 메커니즘이 순간적으로 멈출 수 있고 프린트헤드가 유사하게 발사를 순간적으로 중단할 수 있는 예리한 코너부들에 해당된다.
[0084] 특정 구현예들에서, 펄스 전류("I")는 노즐(102)을 빠져나가는 액체 금속(112')의 액적의 형상을 제어하는 방식으로 구동될 수 있다. 특히, 전류("I")가 오른손 법칙에 따라 자기장("M")과 상호작용하기 때문에, 발사 챔버(216)를 가로지르는 전류("I")의 방향(극성)의 변화는 유입 영역(210)과 배출 영역(212) 사이에서 연장되는 축을 따르는 액체 금속(112')에 대한 MHD 힘의 방향을 변화시킬 수 있다. 따라서, 예를 들어 전류("I")의 극성을 액체 금속(112')의 분출과 연관된 극성에 대해 역전시킴으로써, 전류("I")는 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')에 풀백력(pullback force)을 가할 수 있다.
[0085] 각각의 펄스는 액체 금속(112')의 하나 또는 그 초과의 액적을 노즐(102)로부터 추진시키기 위해 분출 구동 신호를 생성하기 전에 작은 풀백력(배출 영역(212)으로부터의 액체 금속(112')의 분출 방향과는 반대임)을 인가하는 프리차지(pre-charge)를 갖도록 형상설정될 수 있다. 이러한 프리차지에 응답하여, 액체 금속(112')은 배출 영역(212)에 대해 약간 위로 끌어당겨질 수 있다. 이러한 방식으로 배출 오리피스를 향해 약간 위로 액체 금속(112')을 끌어당기는 것은, 액체 금속(112')의 볼러스(bolus)가 배출 오리피스로부터 방출될 때 액체 금속(112')의 볼러스가 배출 오리피스로부터의 보다 깨끗한 분리를 위해 가속될 수 있는 경로를 제공하여, 이동 동안에 보다 잘 거동되는(예를 들면, 안정한) 형상을 갖는 액적을 야기하는 것을 포함하여, 많은 이점을 제공할 수 있다. 유사하게는, 후퇴 운동은 배출 영역(212)을 따라 액체 금속(112')의 표면 장력에 대해 끌어당김으로써 액체 금속(112')의 전방 표면에 효과적으로 스프링 하중을 가할 수 있다. 다음에, 액체 금속(112')이 액체 금속(112')을 분출시키는 MHD 힘을 받을 때, 표면 장력의 힘들은 배출 영역(212)으로부터의 분출을 향해 액체 금속(112')을 가속시키는 것을 도울 수 있다.
[0086] 추가로 또는 대신에, 각각의 펄스는 펄스의 단부에 이어지는 작은 풀백력을 갖도록 형상설정될 수 있다. 그러한 경우들에서, 풀백력은 배출 영역(212)으로부터 분출되는 액체 금속(112')의 이동 방향과 반대이기 때문에, 펄스의 단부에 이어지는 작은 풀백력은 액체 금속(112')의 방출 액적으로부터 배출 영역(212)을 따르는 액체 금속(112')의 깨끗한 분리를 용이하게 할 수 있다. 따라서, 일부 구현예들에서, 전원(118)에 의해 생성된 구동 신호는 액체 금속(112')을 프리차지하기 위한 풀백 신호, 액체 금속의 액적을 방출하기 위한 분출 신호, 및 배출 영역(212)을 따르는 액체 금속(112')으로부터 액체 금속(112')의 방출 액적을 분리시키기 위한 풀백 신호를 갖는 웨이블릿(wavelet)을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전원(118)에 의해 생성된 구동 신호는 각 펄스의 부분들 사이에 하나 또는 그 초과의 드웰들(dwells)을 포함할 수 있다.
[0087] 전류("I")를 고주파수들로 펄스화하는 것은 실행 가능한 3차원 프린팅과 연관된 속도 목표들을 달성하는데 유용할 수 있지만, 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')의 공진 주파수가 액체 금속(112')의 액적들을 분출시키기 위해 전류("I")를 펄스화하는 것과 연관된 상한 주파수를 제한할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들면, 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')의 공진 주파수와 연관된 속도보다 낮은 속도로 전류("I")의 맥동의 속도(및 MHD 힘의 맥동의 관련 속도)를 유지하는 것은, 너무 높거나 너무 낮은 액적 속도들, 너무 높거나 낮은 방울 체적들, 단일 방울 대신에 다수의 방울들의 분출, 및 위성 방울들을 의도치 않게 생성할 가능성을 감소시킬 수 있다. 따라서, 일반적으로, 전류("I")는 제어된 패턴을 따라 배출 영역(212)의 위치 및/또는 속도에 기초하여 변하는 주파수로 펄스화되고, 발사 챔버(208) 내의 액체 금속(112') 내로 전도될 수 있고, 주파수의 상한은 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')의 공진 주파수보다 낮다. 하기에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 노즐(20)은 높은 주입 속도들로의 액체 금속 액적 전달의 정확한 제어를 용이하게 하기 위해 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')의 높은 공진 주파수를 달성하는 쪽으로 지향된 하나 또는 그 초과의 특징부들을 포함할 수 있다.
[0088] 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')의 공진 주파수가 유체 챔버(208)의 전체 축방향 길이(예를 들면, 유입 영역(210)으로부터 배출 영역(212)까지의 축방향 길이)의 함수라는 것을 고려하면, 노즐(102)의 몇 개의 특징부들은, 전류("I")의 맥동 동안에 액체 금속(112') 내의 과도한 주울(Joule) 가열을 회피하기에 충분히 낮게 유지되면서, (고주파수들에서의 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')의 분출을 지원하기 위해) 짧은 전체 축방향 길이에서 MHD 힘을 생성시키는 쪽으로 지향될 수 있다. 즉, 유체 챔버(208)의 전체 축방향 길이는 공진 주파수와 관련된 고려사항들에 의해 제한되기 때문에, 적절한 액적 레이트들(droplet rates), 크기들 및 속도들(velocities)에 대응하는 MHD 힘들을 생성하는데 필요한 전류("I")를 전달하기 위해 유체 챔버(208)의 이용 가능한 축방향 길이를 효율적으로 사용하는 것이 바람직하다.
[0089] 일부 구현예들에서, 유체 챔버(208)의 전체 축방향 길이는 고주파 분출 속도(예를 들면, 제어된 패턴을 따르는 배출 오리피스(218)의 최대 이동 속도에서 약 5 kHz까지의 주파수)를 지원하기에 충분히 높은 공진 주파수(예를 들면, 약 20 kHz)를 생성하기 위해 약 2 ㎜ 초과 및 약 2 ㎝ 미만일 수 있다. 일부의 경우들에서, 실질적으로 액체 금속(112')의 최대 분사 주파수 초과(예를 들면, 약 5 배 초과, 10 배 초과, 또는 그 초과)가 되도록 노즐(102)의 공진 주파수를 증가시키는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 경우들에서, 공진 주파수의 임의의 여기(excitation)는 감쇠시키기 위한 많은 진동들(oscillations)을 가질 것이다. 이것은 액체 금속(112')의 점도가 낮고(예를 들면, 1 내지 5 센티푸아즈(centipoise)의 범위 내) 전형적으로 일정하기 때문에 유리할 수 있다. 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')에서 MHD 힘을 생성하는데 이용 가능한 축 길이를 효율적으로 사용하기 위해, 전극들(206)은, 전극들(206)로부터 발사 챔버(216) 내로 전도된 전류("I")가 배출 영역(212)의 배출 오리피스(218)에 실질적으로 인접한 지점에 있는 발사 챔버(216)에서 자기장("M")과 교차하도록 위치될 수 있다. 배출 오리피스(218)에 실질적으로 인접하게 전류("I")를 도입하는 특정 예로서, 발사 챔버(216)와 배출 오리피스(218) 사이의 유체 챔버(208)의 체적은 유체 챔버(208)의 전체 체적의 약 10 %보다 작을 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전극들(206)에 의해 적어도 부분적으로 규정된 발사 챔버(216)의 축방향 길이는 유입 영역(210)으로부터 배출 영역(212)까지의 유체 챔버(208)의 축방향 길이의 절반보다 클 수 있다. 일부 경우들에서, 유입 영역(210)과 배출 영역(218)의 길이의 합은 유체 챔버(208)의 전체 길이의 약 20 %보다 작을 수 있다.
[0090] 액체 금속(112') 내로 전류("I")를 전도하기 위한 전극들(206)의 사용과 연관된 특정 과제는 액체 금속(112')과 조합하여 사용될 수 있는 적절한 재료의 선택일 수 있다. 일반적으로, 전극들(206)은 용융된 상태로 유지하기 위해 고온들을 필요로 할 수 있는 액체 금속(112')의 존재 하에서 긴 시간 기간에 걸쳐 신뢰성있게 작동할 수 있도록 전극들(206)의 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 따라서, 전극들(206)의 재료는 전극들(206)과 접촉하는 액체 금속(112')의 용융 온도 이상인 용융 온도를 가질 수 있어, 전극들(206)은 노즐(102)의 작동 중에 소모되지 않고, 형성되는 물체(116)의 오염의 가능성을 감소시킬 것이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전극들(206)의 재료는 예를 들어 시간 경과에 따라 재료의 성능을 저하시킬 가능성을 감소시키기 위해 액체 금속(112')과 실질적으로 비반응성일 수 있다(예를 들면, 재료가 액체 금속(112')에 대해 불활성이거나 액체 금속(112')의 존재 하에서 부동태 층(passivation layer)을 형성할 수 있음). 추가로 또는 대신에, 전극들의 재료는 전류("I")의 정확한 방향 및 그에 따른 배출 영역(212)으로부터 분출된 액체 금속(112')의 정확한 방향을 용이하게 하기 위해 액체 금속(112')의 전기 저항률과 실질적으로 유사한 전기 저항률을 가질 수 있다. 따라서, 특정 예로서, 전극들은 액체 금속(112')이 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 경우들에서 탄탈륨 및 니오븀 중 하나 또는 그 초과로 형성될 수 있다.
[0091] 일부 구현예들에서, 전극들(206)은 각각의 전극들(206)과 액체 금속(112') 사이의 각각의 계면에서 액체 금속(112')과 동일한 재료로 형성될 수 있다. 그러한 구현예들은 재료 선택의 문제에 대한 유리한 해결책을 나타낼 수 있는데, 이는 특히 재료 선택의 문제가 상이한 조성의 경제적으로 이용 가능한 재료들을 사용하여 일치시키기 어려운 용융 온도, 반응성 및 전기 저항률 중 하나 또는 그 초과를 갖는 재료들과 관련되기 때문이라는 것이 이해되어야 한다. 특정 예로서, 액체 금속(112')과 동일한 재료의 전극들(206)을 형성하는 것은 액체 금속(112')으로서 강철의 사용을 용이하게 할 수 있다.
[0092] 전극들(206) 및 액체 금속(112')이 동일한 재료로 형성되는 구현예들에서, 각각의 전극(206)은 각각의 전극(206)과 액체 금속(112') 사이의 계면(220)에서 용융된다. 또한, 계면들(220)은, 다른 것들 중에서, 노즐(102)의 정상 작동 동안에 일어날 수 있는 온도 변동들에 응답하여 이동할 수 있다. 따라서, 노즐(102)의 강인한 작동을 용이하게 하기 위해, 계면(220)의 위치는 유체 챔버(208) 내의 미리정해진 영역 내에 있도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 발사 챔버(216)의 최대 반경방향 치수는 발사 챔버(216)에 인접한 유체 챔버(208)의 최대 반경방향 치수보다 넓을 수 있다(예를 들면, 유입 영역(210), 배출 영역(212) 또는 둘 모두보다 넓을 수 있음). 이러한 예에 계속하여, 각각의 계면(220)은 유입 영역(210)으로부터 배출 영역(212)으로 이동하는 액체 금속(112')의 일반적인 유동 경로로부터 떨어진 각각의 리세스(214)의 부분을 따라 있도록 제어될 수 있다.
[0093] 특정 경우들에서, 각각의 계면(220)의 위치를 제어하는 것은 각각의 계면(220)으로부터 떨어진 각 전극(206)의 부분(222)을 냉각시키는 것을 포함할 수 있다. 일반적으로, 전극(206)에서의 결과적인 온도 구배는 액체 금속(112')이 배출 영역(212)으로부터 분출됨에 따라 액체 금속(112')의 유동 경로로부터 멀어지는 방향으로 계면(220)을 이동시킬 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 계면(218)의 위치를 제어하는 것을 용이하게 하기 위해, 노즐(102)은 각 전극(206)의 부분(222)에 결합된 히트 싱크(heat sink)(224)를 포함할 수 있다. 일 예로서, 히트 싱크(224)는 목표 온도를 달성하도록 (예를 들면, 배출 영역(212)으로부터의 액체 금속(112')의 분출 속도에 적어도 부분적으로 기초하여) 선택적으로 제어될 수 있는 강제 대류를 통해 각 전극(206)의 부분(222)을 냉각시킬 수 있다. 보다 특정한 예로서, 히트 싱크(224)는 전극(206)을 냉각시키기 위해 각 전극(206)의 부분(222)으로부터 멀리 이동 가능한 유체(예를 들면, 물)를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 각 전극(206)의 부분(222)이 발사 챔버(216)로부터 멀어지는 방향으로 하우징(202)의 외부로 연장되는 구현예들에서, 히트 싱크(224)는 각 전극(206)의 부분(220) 위로 공기를 이동시키도록 작동 가능한 팬을 포함할 수 있다. 각 전극(206)은 히트 싱크들(224) 각각에 열적으로 결합된 것으로 도시되어 있지만, 전극들(206)은 대안적으로 단일의 히트 싱크에 결합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0094] 일반적으로, 발사 챔버를 가로지르는 전류("I")의 이동 방향은 액체 금속(112')에 가해진 MHD 힘의 방향에 영향을 미칠 수 있고, 따라서 액적 전달의 정밀도에 영향을 미칠 수 있다. 동일한 재료의 전극들(206) 및 액체 금속(112')을 형성하거나, 다른 방식으로 전극들(206) 및 액체 금속(112')의 저항률을 일치시키는 것은 전극들(206) 및 액체 금속(112')의 재료의 저항률의 불일치로부터 생기는 전류("I")의 의도치 않은 오배향(misdirection)의 가능성을 감소시킬 수 있지만, 그럼에도 불구하고, 저항률의 어느 정도의 불일치는 (예를 들면, 재료들의 미세한 차이들을 통해) 사용 중에 존재할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 발사 챔버(208)를 가로지르는 전류("I")의 의도치 않은 오배향의 가능성을 감소시키기 위해, 발사 챔버(208)는 유입 영역(210)으로부터 배출 영역(212)을 향하는 액체 금속(112')의 이동 방향에 수직인 평면에서 실질적으로 직사각형 단면을 갖도록 규정될 수 있다. 실질적으로 직사각형 단면은 최대 치수를 갖지 않기 때문에, 전류("I")는, 바람직한 전류 경로가 형성될 수 있는 최대 치수를 갖는 직사각형이 아닌 단면(예를 들면, 원형 단면)과 비교하여, 실질적으로 직사각형 단면을 따라 보다 균등하게 분포될 가능성이 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0095] 하우징(202)은 물체(116)를 축조하기 위해 필요에 따라 MHD 힘들을 생성하도록 전류("I")를 액체 금속(112')에 인가하기 위해 전극들(206) 및 액체 금속(112')을 지지하는 것과 열적, 화학적 및 전기적으로 양립 가능한 재료로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로는, 전류("I")가 전극들(206)과 액체 금속(112') 사이의 용융 재료의 계면(220)을 통해 액체 금속(112') 내로 지향되는 경우들에서, 하우징(202)의 재료는 전극들(206)과 액체 금속(112') 사이의 계면(218)을 지지하기 위해 전극들(206) 및 액체 금속(112')의 재료보다 높은 용융 온도를 가질 수 있다. 예를 들면, 하우징(202)은 약 550℃ 초과 및 약 1500℃ 미만의 용융 온도를 갖는 액체 금속들을 지지할 수 있는 재료로 형성될 수 있다. 보다 구체적인 예로서, 하우징(202)은 특정 금속들(예를 들면, 강철)의 용융 상태와 연관된 고온들을 견딜 수 있는 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 그러한 세라믹 재료들의 예들은 알루미나, 사파이어, 루비, 질화알루미늄, 탄화알루미늄, 질화규소, 사이알론들(sialons) 및 탄화붕소 중 하나 또는 그 초과를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 추가적으로 또는 대안적으로, 하우징(202)은 하나 초과의 재료로 형성될 수 있는데, 이는 보다 고가인 재료의 특성들이 덜 중요할 수 있고 덜 고가인 재료가 적절한 성능을 제공할 수 있는 하우징(202)의 부분들을 따라 보다 고가인 재료들의 사용을 감소시키는데 유용할 수 있다.
[0096] 히터(226)는 하우징(202)을 따라 지지될 수 있고, 추가로 또는 대신에, 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')을 가열하기 위해 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')과 열적으로 연통할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 고체 금속(112)이 유입 영역(210)을 통해 유체 챔버(208) 내로 이동됨에 따라 히터(226)는 고체 금속(112)을 가열할 수 있다. 히터(226)는, 예를 들어 저항선(예컨대, 스웨덴의 Hallstahammar의 Sandvik AB로부터 입수 가능한 페라이트계 철-크롬-알루미늄 합금인 Kanthal® 및 니크롬 중 하나 또는 그 초과)을 포함하는 저항 가열 회로를 포함할 수 있다. 하우징(202)이 세라믹 재료로 형성되는 구현예들에서, 예를 들어 저항선은 하우징(202) 주위에 직접 감겨질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 저항선은 유체 챔버(208)를 가열하기 위해 하우징(202)의 적어도 일부분에 매립될 수 있다. 특정 경우들에서, 히터(226)는 하우징 내에 삽입된 하나 또는 그 초과의 카트리지 히터들을 포함할 수 있다. 카트리지 히터들은 전형적으로 튜브형 용기 내에, 패키징된 저항 가열 요소를 포함한다. 추가로 또는 대신에, 히터(226)는 하우징(202) 주위에 감겨진 유도 코일을 포함하는 유도 가열 회로를 포함할 수 있다. 복사 히터들, 대류 히터들, 및 이들의 조합들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 히터들의 다른 유형들이 유체 챔버에 열을 전달하는데 추가로 또는 대신에 사용될 수 있다.
[0097] 액체 금속(112')의 액적들의 분사와 연관된 가열 요구조건들은 액체 금속(112')의 조성에 따라 달라질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 특정 구현예들에서, 금속은 실온에서 액체 형태로 있을 수 있어, MHD 힘들이 히터(122)의 사용 없이 액체 금속(112')에 인가될 수 있다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금들의 경우와 같은 일부 구현예들에서, 하우징(202)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 유체 챔버(208) 내에 액체 형태로 있도록 약 600℃(예를 들면, 약 650℃) 초과의 온도로 가열될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 강철의 경우와 같은 특정 구현예들에서, 하우징(202)은 강철이 유체 챔버(208) 내에 액체 형태로 있도록 약 1550℃ 초과로 가열될 수 있다.
[0098] 하나 또는 그 초과의 자석들(204)은 고정된 자석들(fixed magnets)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하나 또는 그 초과의 자석들(204)은 발사 챔버(216)를 가로질러 적절한 자기장을 발생시킬 수 있는 희토류 자석들 또는 임의의 다른 자석 또는 자석들의 그룹을 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 하나 또는 그 초과의 자석들(204)은 추가로 또는 대신에 전자석을 포함할 수 있다. 액체 금속(112') 내에 존재하는 자기장을 증가시키는 것은 전류 펄스의 크기 및 지속기간(duration) 중 하나 또는 그 초과에 대한 요구조건들을 감소시킬 수 있고, 따라서 바람직하다. 자기장의 강도를 증가시키기 위해 영구 자석들의 할바흐(Hallbach) 배열들이 일부 구현예들에서 사용할 수 있다.
[0099] 하나 또는 그 초과의 자석들(204)은 하나 또는 그 초과의 자석들(204)에 의해 생성된 자기장("M")이 실질적으로 전체 유체 챔버(208)에 걸쳐 있도록 크기설정 및 배열될 수 있다. 전극들(206)과 같은 전극들이 액체 금속(112')과 같은 분사되는 액체 금속과 동일한 재료로 형성되는 경우들에서, 자기장("M")은 유체 와전류들의 가능성을 감소시키기 위해, 계면들(220)과 같은 용융 부분의 전체 길이를 따라 확립될 수 있다. 이러한 방식으로, 액체 금속(112') 내에서 유체 와전류들을 형성할 가능성은 유체 챔버(208)에 적게 걸쳐 있는 자기장들로 유체 와전류들을 형성할 가능성에 비해 감소될 수 있다.
[0100] 발사 챔버(208) 내의 액체 금속(112')에서 적절한 MHD 힘들을 생성하는 것과 연관된 과제는 액체 금속(112')이 하나 또는 그 초과의 자석들(204)의 자기 특성들의 저하와 연관된 온도 초과의 용융 온도(예를 들면, 약 150℃ 초과의 온도)를 갖는 응용들에서의 하나 또는 그 초과의 자석들(204)의 열 관리일 수 있다. 구체적으로는, 많은 자석들의 자기장 강도는 자석으로부터 멀어 떨어진 거리에 따라 빠르게 감소한다. 따라서, 발사 챔버(208)에서 충분히 강한 자기장을 생성하기 위해, 하나 또는 그 초과의 자석들(204)을 유체 챔버(208)에 비교적 매우 근접하게(예를 들면, 유체 챔버(208)의 약 2 ㎜ 내에) 배치하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 그러한 경우들에서, 히터(226)는 하나 또는 그 초과의 자석들(204)의 저하된 자기장 강도와 연관된 온도 초과로 발사 챔버(208)를 가열하고 있다. 그러한 온도는, 예를 들어 하나 또는 그 초과의 자석들(204)의 재료의 퀴리 온도(Curie temperature)에 대응할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 그러한 온도는 하나 또는 그 초과의 자석들(204)의 자기장 강도가 약 10 % 초과만큼 감소하는 온도에 대응할 수 있다.
[0101] 하나 또는 그 초과의 자석들(204)의 온도 감도와 자기장 강도의 상충하는 고려사항들의 균형을 잡는 것을 용이하게 하기 위해, 노즐(102)은 단열 층(228)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 단열 층(228)은 얇아서, 약 0.5 ㎜ 초과 및 약 2 ㎜ 미만의 두께를 가지며(예를 들어, 약 0.8 ㎜ 초과 내지 약 1.2 ㎜ 미만의 두께를 가짐), 단열 층(228)이 장착되는 하우징(202)의 부분의 열전도율보다 낮은 열전도율을 가질 수 있다. 예를 들면, 단열 층(228)의 열전도율은 약 0.015 W/m-K 초과 및 약 0.1 W/m-K 미만일 수 있다. 단열 층(228)에 사용하기 적합한 예시적인 재료들은 실리카 세라믹, 알루미나-실리카 세라믹 및 이들의 조합들을 포함할 수 있다.
[0102] 단열 층(228)은 하나 또는 그 초과의 자석들(204)에 의해 형성된 자기장에 의해 하우징(202) 상의 제 위치에 유지될 수 있다. 이러한 방식으로의 그러한 단열 층(228)의 배치는 단열 층(228)을 하우징(202)에 고정시키는 다른 형태들의 필요성을 감소시키거나 제거할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 추가로 또는 대신에, 단열 층(228)이 이러한 방식으로 장착되도록 변형(예를 들면, 드릴 가공)될 필요가 없기 때문에, 하나 또는 그 초과의 자석들(204)의 사용을 통해 단열 층(228)을 장착하는 것은 단열 층(228)의 열적 성능을 보유하는데 유용할 수 있다.
[0103] 추가적으로 또는 대안적으로, 하우징(202)은 전류가 전극들(206) 사이로 전도되는 방향에서보다 하나 또는 그 초과의 자석들(204)의 자기장이 하우징(202)을 통해 연장되는 방향을 따라 더 얇을 수 있다. 즉, 하나 또는 그 초과의 자석들(204)은 하나 또는 그 초과의 자석들(204)의 밀접한 배치를 통해 발사 챔버(216)에 강한 자기장을 생성하는 것을 용이하게 하기 위해 하우징(202)의 보다 얇은 부분을 따라 배치될 수 있다. 전극들(206)은, 예를 들어 전극들(206)을 장착하는 것을 용이하게 하기 위해 하우징(202)의 보다 두꺼운 부분을 따라 배치될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전극들(206)과 액체 금속(112')이 용융 계면(예를 들면, 계면(220))에 의해 분리되는 경우들에서, 하우징의 보다 두꺼운 부분을 따른 전극들의 배치는 발사 챔버(216)에서의 전극들 사이에 보다 큰 간격을 제공하여, 노즐(10)의 작동 과정 동안에 각각의 리세스들(214) 내의 각각의 계면들(220)을 제어하는 것을 용이하게 할 수 있다.
[0104] 특정 경우들에서, 노즐(102)은 하우징(202)으로부터의 열이 하나 또는 그 초과의 자석들(204)의 자기 특성들에 악영향을 미칠 가능성을 감소시키기 위해 하나 또는 그 초과의 자석들(204)과 열적으로 연통하는 히트 싱크들(230)을 포함할 수 있다. 히트 싱크들(230)은 예를 들어, 히트 싱크들(230)이 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')의 온도에 대한 제어를 방해할 가능성을 감소시키면서 하나 또는 그 초과의 자석들(204)로부터 멀리 열을 운반하는 것을 용이하게 하기 위해 하우징(202)으로부터 이격되어 있을 수 있다. 히트 싱크들(230)은 강제 대류를 통해 하나 또는 그 초과의 자석들(204)로부터 멀리 열을 운반할 수 있다. 예를 들면, 냉각 유체(예를 들면, 물)는 냉각을 제공하기 위해 히트 싱크들(230)을 통해 이동 가능할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 노즐(102)은 히트 싱크들(230)에 지향되어 강제 공기 대류 냉각을 제공하는 하나 또는 그 초과의 팬들을 포함할 수 있다. 그러한 경우들에서, 히트 싱크들(230)은 당업계에 공지된 유형의 핀형 히트 싱크들(finned heat sinks)일 수 있다.
[0105] 고속 적층 가공 공정들에서의 노즐(102)의 사용은 시스템(100)을 통해 금속을 이동시켜 유체 챔버(208)에의 액체 금속(112')의 연속적인 또는 실질적으로 연속적인 공급을 제공하는 피더 시스템(104)의 사용을 통해 용이해질 수 있다. 특히, 하기에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 피더 시스템(104)은 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')을 유지하기에 충분한 속도로 고체 금속(112)을 유입 영역(210)을 향해 이동시킬 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 또한 하기에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 피더 시스템(104)은 유입 영역(210) 내에서 또는 그 주위에서 형성된 부스러기(debris)를 제거할 수 있으며, 이는 그러한 부스러기와 연관된 정지시간(downtime) 및/또는 부품 결함들을 감소시키는데 유용할 수 있다.
[0106] 피더 시스템(104)은, 예를 들어 고체 금속(112)과 결합 가능한 복수의 롤러들(232)을 포함할 수 있다. 고체 금속(112)은 금속 와이어 또는 다른 유사한 세장형 형상의 형태일 수 있어, 고체 금속(112)은 복수의 롤러들(232)에 의해 규정된 대응하는 홈들에 결합된다. 사용시에, 복수의 롤러들(232)은 고체 금속(112)을 유체 챔버(208)를 향해 공급하도록 서로에 대해 회전할 수 있다. 특정 구현예들에서, 하우징(202) 및 유체 챔버(208)를 가열하기 위해 히터(226)에 의해 생성된 열은 고체 금속(112)이 유입 영역(210) 부근으로 이동됨에 따라 고체 금속(112)을 용융시킬 수 있다.
[0107] 일부 구현예들에서, 피더 시스템(104)은 고체 금속(112)을 가변 속도로 유입 영역(210) 내로 지향시키도록 작동 가능할 수 있다. 가변 속도는, 예를 들어 배출 영역(212)으로부터의 액체 금속(112')의 분출 속도에 기초할 수 있다. 분출 속도는 배출 영역(212)으로부터의 액체 금속(112') 분출의 실제 양의 측정된 속도일 수 있다(예를 들면, 배출 영역(212)으로부터 분출되는 액체 금속(112')으로 지향된 센서에 의해 측정됨). 추가적으로 또는 대안적으로, 분출 속도는 물체(116)의 제작시에 소정 지점에 대한 물체(116)의 제작 요구조건들을 충족시키는데 필요한 액체 금속(112')의 양에 기초한 추정 속도일 수 있다. 보다 일반적으로, 가변 속도는 추가량의 액체 금속(112')이 피더 시스템(104)에 의해 유체 챔버(208)에 제공될 수 있기 전에 유체 챔버(208)의 액체 금속(112')이 고갈될 가능성을 감소시키는데 유용할 수 있다.
[0108] 일반적으로, 고체 금속(112)은 유입 영역(210) 위 및 하우징(202) 외측의 위치 또는 유입 영역(210) 내의 위치에서 액체 금속(112')으로 용융될 수 있다. 그러나, 고체 금속(112)을 지나치게 유입 영역(210) 내에서 용융시키는 것은 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')에서의 전류("I")의 맥동들과의 간섭을 일으킬 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 추가로 또는 대신에, 고체 금속을 지나치게 유입 영역(210) 외측에서 용융시키는 것은 고체 금속(112)과 액체 금속(112') 사이에 불연속성을 야기할 수 있다. 그러한 불연속성은 액적들의 정확하고 제어된 형성을 방해할 수 있는 유체 챔버(208) 내로의 공기의 도입을 초래할 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 그러한 불연속성은 또한 빌드 챔버의 상부에서의 반사들에 대한 경계 조건을 변경함으로써 분사를 변경할 수 있다는 점에서 바람직하지 않을 수 있다.
[0109] 이러한 경쟁 고려사항들을 고려하면, 시스템(100)은, 일부 구현예들에서, 유입 영역(210)의 각 측부(예를 들면, 유입 영역(210)의 유입 오리피스의 위 및 아래에 있고, 하우징(202) 내로의 진입을 규정함) 상에서 미리정해진 축방향 거리를 따라 고체 금속(112)과 액체 금속(112') 사이의 계면을 검출하기 위해, 유입 영역(210)을 향해 지향된 센서(120)를 포함할 수 있다. 일 예로서, 미리정해진 축방향 거리는 유입 영역(210)의 최대 치수의 1/2와 실질적으로 동일할 수 있다. 따라서, 유입 영역(210)이 유입 영역(210) 및 배출 영역(212)에 의해 규정된 축에 수직인 평면에서 원형 단면을 갖는 경우들에서, 미리정해진 축방향 거리는 유입 영역(210)의 반경과 실질적으로 동일할 수 있어, 센서(120)는 유입 영역(210)의 유입 오리피스 위의 하나의 반경의 미리정해진 거리 이내 및 유입 영역(210)의 유입 오리피스 아래의 하나의 반경의 미리정해진 거리 이내에서 고체 금속(112)과 액체 금속(112') 사이의 계면을 검출할 수 있다.
[0110] 특정 경우들에서, 센서(120)는 피더 시스템(104)과 전기적으로 연통하여 센서(120)로부터 수신된 신호에 기초하여 유입 영역(210) 내로의 고체 금속(112)의 이동 속도를 변경시킬 수 있다. 비제한적인 예로서, 피더 시스템(104)은 고체 금속(112)과 액체 금속(112') 사이의 경계의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 롤러들(232)의 회전 속도를 변경할 수 있다. 이러한 예에 계속하여, 보다 구체적으로는, 롤러들(232)의 회전 속도는 고체 금속(112)과 액체 금속(112') 사이의 계면을 유입 영역(210) 내로 더 이동시키도록 증가되거나 이 계면을 유입 영역(210) 외부로 더 이동시키도록 감소될 수 있다.
[0111] 일부 구현예들에서, 센서(120)는 유입 영역의 각 측부 상의 미리정해진 축방향 거리를 따라 고체 금속(112)과 액체 금속(112') 사이의 불연속성을 검출할 수 있다.
[0112] 센서(120)는 재료의 연속성을 검출하기 위해 당업계에 공지된 다양한 센서들 중 어느 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 예를 들면, 센서(120)는 유입 영역(210)으로 지향된 머신 비전(machine vision)을 포함할 수 있다. 머신 비전은, 예를 들어 고체 금속(112)과 액체 금속(112')의 연속성의 중단 및 고체 금속(112)과 액체 금속(112') 사이의 계면의 위치 중 하나 또는 그 초과를 검출할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 센서(120)는 고체 금속(112)과 액체 금속(112')의 연속성의 중단을 검출하기 위해 유입 영역(210) 근처의 액체 금속(112')을 가로질러 지향된 광학 브레이크-빔 센서(optical break-beam sensor)를 포함할 수 있다.
[0113] 일부 구현예들에서, 유입 영역(210)은 고체 금속(112)이 유입 영역(210)을 향해 이동됨에 따라 액체 금속(112')으로부터 고체 금속(112)을 분리할 가능성을 감소시키기 위해 실질적으로 깔때기 형상을 포함할 수 있다. 실질적으로 깔때기 형상은 예를 들어, 피더 시스템(104), 유입 영역(210) 또는 둘 모두의 이동에 의해 야기되는 유입 영역(210)에 대한 고체 금속(112)의 위치의 약간의 변동을 수용하는데 유용할 수 있다.
[0114] 고체 금속(112)이 유입 영역(210) 부근에서 액체 금속(112')이 될 때, 부스러기가 유입 영역(210)을 따라 또는 그 근처에서 형성될 수 있다. 시간 경과에 따라, 그러한 부스러기의 축적은 액체 금속(112')의 오염, 및 궁극적으로는 제작되는 물체(116)의 오염의 가능성을 증가시킬 수 있다. 따라서, 피더 시스템(104)은 유입 영역(210)에 인접한 부스러기 또는 유입 영역(210) 내의 부스러기를 제거하기 위해 유입 영역(210)에 대해 이동 가능한 와이퍼(wiper)(234)를 포함할 수 있다. 와이퍼(234)는 예를 들어, 유입 영역(210)으로부터 부스러기를 제거하기 위해 하우징(202)을 가로질러 이동 가능한 실질적으로 강성 부재일 수 있다. 특정 구현예들에서, 와이퍼(234)는 (예를 들면, 일상적인 유지보수 스케줄의 일부로서, 물체들의 제작 사이에서, 또는 둘 모두에서) 고체 금속(112)과 액체 금속(112') 사이의 중단 동안에 유입 영역(210)에 대해 이동 가능할 수 있다. 전형적으로, 와이핑 동작(wiping action) 이전에 와이어가 인출될 수 있고, 와이핑 동작은 액체 금속(112')이 노즐(102)로부터 분출되는 동안에는 수행되지 않는다.
[0115] 특정 구현예들에서, 피더 시스템(104)은 유입 영역(210)에 인접한 부스러기 또는 유입 영역(210) 내의 부스러기를 제거하기 위해 유입 영역(210)에 대해 가압 가스를 분산시키도록 작동 가능한 가압 가스 공급원(236)을 포함할 수 있다. 가압 가스는, 예를 들어 빌드 챔버(110)의 환경 내의 가스일 수 있다. 따라서, 빌드 챔버(110)의 환경 내의 가스가 불활성 가스(예를 들면, 질소 또는 아르곤)인 경우들에서, 가압 가스는 동일한 불활성 가스일 수 있다. 특정 구현예들에서, 가압 가스 공급원(236)은 가압 가스를 유입 영역(210)을 통해 배출 영역(212)을 향하는 방향으로 지향시키도록 배열될 수 있다.
[0116] 추가적으로 또는 대안적으로, 유입 영역(210)에 인접한 부스러기 또는 유입 영역(210) 내의 부스러기를 제거하는 것은 MHD 힘들을 사용하여 유입 영역 내의 부스러기 및 유입 영역에 인접한 부스러기를 제거하는 것을 포함할 수 있다. 특정 예로서, 전기 펄스(E)의 극성은 배출 영역(212)으로부터 액체 금속(112')의 분출과 연관된 극성에 대해 역전될 수 있다. 이러한 방향으로 구동되는 전기 펄스(E)의 극성의 경우, 유체 챔버(208) 내의 액체 금속(112')에 가해지는 MHD 힘은 배출 영역(212)으로부터 유입 영역(210)을 향하는 방향이다. 따라서, 충분한 크기를 갖는 전기 펄스(E)를 구동하는 것은 유입 영역(210)을 통해 액체 금속(112')을 분출시키기에 충분한 MHD 힘을 생성할 수 있다. 이러한 방향으로의 액체 금속(112')의 분출은 부스러기를 유입 영역(210)으로부터 멀리 강제하고, 배출 영역(212)의 목부(throat) 내를 포함하여, 유체 챔버(208) 내의 어떠한 위치에도 있을 수 있는 부스러기를 멀리 운반할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0117] 다시 도 1을 참조하면, 로봇 시스템(106)이 빌드 챔버(110)의 작업 체적부(108) 내에서 제어된 패턴을 따라 빌드 플레이트(114)에 대해 노즐(102)을 이동시킴에 따라, 피더 시스템(104)은 고체 금속(112)을 노즐(102)에 공급할 수 있고, 노즐(102)은 액체 금속(112')을 분출할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 빌드 플레이트(114)에 대한 노즐(102)의 이동은, 노즐(102)과 빌드 플레이트(114)의 상대 이동의 임의의 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 하며, 그에 따라 빌드 플레이트(114)가 정지 상태에 있는 동안 노즐(102)의 이동, 노즐(102) 정지 상태에 있는 동안 빌드 플레이트(114)의 이동, 및 빌드 플레이트(114)가 또한 이동하고 있는 동안 노즐(102)의 이동을 포함한다.
[0118] 로봇 시스템(128)은, 당업계에 공지되어 있고 제어된 2차원 패턴, 제어된 3차원 패턴, 또는 이들의 조합들과 같은 제어된 패턴을 따라 구성요소들을 이동시키기에 적합한 다양한 상이한 로봇 시스템들 중 임의의 것일 수 있다. 예를 들면, 로봇 시스템(106)은 빌드 챔버(110) 내의 x-축, y-축 및 z-축에서 독립적으로 이동하기 위해 다수의 선형 제어들을 이용하는 데카르트(cartesian) 또는 x-y-z 로보틱스(robotics) 시스템을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 로봇 시스템(106)은, 특정 구현예들에서, 고정된 모터들 또는 구동 요소들의 디자인 편의성을 제공할 뿐만 아니라, 속도 및 강성의 면에서 상당한 이점들을 제공할 수 있는 델타 로봇들(delta robots)을 포함할 수 있다. 이중 또는 삼중 델타 로봇들과 같은 다른 구성들이 추가적으로 또는 대안적으로 사용될 수 있으며, 다수의 링크기구들(linkages)을 사용하여 운동의 범위를 증가시킬 수 있다. 보다 일반적으로, 특히 진공 또는 유사한 환경 내에서, 노즐(102) 및 빌드 플레이트(114)의 서로에 대한 제어된 위치설정에 적합한 임의의 로보틱스는 빌드 챔버(138) 내에서의 작동, 조작, 운동(locomotion) 등에 적합한 임의의 메커니즘 또는 메커니즘들의 조합을 포함하여, 로봇 시스템(106)의 일부를 형성할 수 있다.
[0119] 액체 금속(112')이 노즐(102)로부터 분출되어 빌드 챔버(110) 내에 물체(116)를 형성할 때, 제작되는 물체(116)의 온도는 물체(116) 상의 액체 금속(112')의 원하는 증착의 달성을 용이하게 하도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 물체(116)의 온도는, 예를 들어 당업계에 공지된 바와 같은 폐쇄 루프 온도 제어를 사용하여 빌드 플레이트(114)를 가열함으로써 제어될 수 있다. 그러나, 빌드 플레이트(114)와 제작되는 물체(116)의 표면 사이의 열적 연통은 물체(116)가 3차원 부품인 경우들에서 연속 층들이 서로의 상부에 축조될 때 감소될 수 있다. 따라서, 시스템(100)은 빌드 챔버(110) 내의 환경을 가열하기 위한 히터(122)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 히터(122)는 빌드 챔버(110) 내의 공기 또는 불활성 가스를 목표 온도로 가열할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 히터(122)는 연결 열 전달을 통해 물체(116)의 목표 온도를 유지하기 위해 가열된 공기를 물체(116) 주위로 순환시키기 위한 팬을 포함할 수 있다.
[0120] 액적들이 금속들과 연관된 높은 열전도율을 갖는 것을 고려하면, 액적들은 물체(116)가 냉각되는 경우에 물체(116) 상에 착지할 때 급속히 동결될 수 있다. 이것은 보이드 공간(void space)을 남기지 않고 제작되는 물체(116)에 합체되는 충돌 액적의 능력을 제한할 수 있고, 이는 결국 완전한 조밀 부품을 제조하는 능력을 손상시킬 수 있다. 따라서, 일반적으로, 빌드 챔버(110) 내의 물체(116)의 온도는 물체(116)에 합체되는 액적의 충돌을 촉진시키도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 물체(116)는, 새로운 액적들이 도달할 때 물체(116)가 고체일 수 있지만 물체(116)가 새롭게 충돌하는 액적들로부터 열을 천천히 추출하도록 고상선 온도보다 약간 낮은 온도로 유지될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 새롭게 충돌하는 액적이 동결되기 전에 어느 정도의 시간을 갖지만 다음 액적들이 발생하기 전에 새롭게 충돌하는 액적이 동결되도록, 부품의 온도가 낮아질 수 있다. 이러한 예에 계속하여, 그러한 온도 제어는 2 개의 액적들이 의도된 것보다 큰 특징부를 형성하도록 합체될 가능성을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 반대로, 그러한 온도 제어는 물체(116)에 해상도를 제공하는 것을 용이하게 할 수 있다. 그러한 온도 제어의 특정 예로서, 액적들이 약 1 kHz의 주파수로 노즐(102)로부터 분출되는 경우, 물체(116)의 온도는 충돌 후에 약 0.1 밀리초 내지 약 0.5 밀리초의 범위의 시간 내에 동결하도록 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 각 액적은 다음 액적이 도달하기 전에 동결되지만, 각 액적은 물체(116) 상에서 퍼지기 위한 약간의 시간을 가지고, 그에 따라 물체(116)에서 의도치 않은 보이드들의 가능성을 감소시킬 것이다. 추가적으로, 새롭게 충돌된 방울을 동결하는데 필요한 시간의 양은 분출되는 액체 금속(112') 및 하우징(202)의 온도를 변화시킴으로써 변경될 수 있다. 예를 들면, 분출되는 액체 금속(112')의 온도를 상승시키는 것은 일반적으로 액적이 동결하는데 필요한 시간의 양을 증가시킬 것이다.
[0121] 추가로 또는 대신에, 액체 금속(112')의 액적들, 물체(116)가 특정 환경들에서 반응성일 수 있기 때문에, 빌드 챔버(110)는 제작에 사용되는 금속과 양립 가능한 실질적으로 불활성 환경이도록 제어된다. 예를 들면, 빌드 챔버(110)는 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 빌드 챔버(116)는 제작을 위한 진공 환경을 제공하기 위해 진공 펌프(130) 또는 유사한 장치로 배기될 수 있는 환경적으로 밀봉된 챔버일 수 있다.
[0122] 일반적으로, 3차원 프린터(100)는 3차원 물체(116)를 제작하기 위해 3차원 프린터(100)의 작동을 관리할 수 있는 제어 시스템(126)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제어 시스템(126)은 노즐(102), 피더 시스템(104), 로봇 시스템(106), 빌드 플레이트(114), 전원(118), 센서(120) 및 히터(122) 중 하나 또는 그 초과와 전기적으로 연통할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 제어 시스템(124)은 제어된 3차원 패턴을 따라 노즐(102)을 이동시키도록 로봇 시스템(106)을 작동시킬 수 있고, 추가적으로 또는 대안적으로, 제어 시스템(124)은, 노즐(102) 및 빌드 플레이트(130) 중 하나 또는 그 초과가 제어된 패턴을 따라 이동됨에 따라, 고체 금속(112)을 유입 영역(210)을 향해 이동시키도록 피더 시스템(104)을 작동시키고, 노즐(102)로부터의 액체 금속(112')의 분출을 제어하도록 전원(118)을 작동시킬 수 있다. 제어된 패턴은, 예를 들어 제어 시스템(124)으로서 사용되는 컴퓨터의 로컬 메모리, 또는 서버 또는 다른 원격 리소스(resource)를 통해 액세스 가능한 원격 데이터베이스와 같은 데이터베이스(128), 또는 제어 시스템(124)에 액세스 가능한 임의의 다른 컴퓨터-판독 가능한 매체에 저장된 모델(126)에 기초할 수 있다. 특정 구현예들에서, 제어 시스템(124)은 사용자 입력에 응답하여 모델(126)을 검색하고, 3차원 프린터(100)에 의한 실행을 위한 기계-준비 명령들을 생성하여 물체(116)를 제작할 수 있다. 보다 일반적으로, 달리 명시되거나 문맥으로부터 명백해지지 않는 한, 제어 시스템(126)은 본 명세서에 설명된 다양한 상이한 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 따라 3차원 프린터(100)의 하나 또는 그 초과의 부분들을 제어하는데 사용될 수 있다.
[0123] 도 3은 MHD 힘들의 인가를 통해 액체 금속을 프린팅하는 예시적인 방법(300)의 흐름도이다. 예시적인 방법(300)은, 예를 들어 본 명세서에 설명된 3차원 프린터들 중 어느 하나 또는 그 초과를 사용하여 수행될 수 있고, 그에 따라 도 1 내지 도 2d와 관련하여 전술한 3차원 프린터(100)를 사용하여 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 예시적인 방법(300)은, 달리 기술되거나 문맥으로부터 명백해지지 않는 한, 본 명세서에 설명된 다른 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 부가하여 또는 그 대신에 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0124] 단계(310)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법은 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 유체 챔버는 본 명세서에 설명된 다양한 상이한 유체 챔버들 중 어느 하나 또는 그 초과일 수 있으며, 그에 따라 본 명세서에 설명된 하우징들 중 어느 하나 또는 그 초과에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있고, 유입 영역 및 배출 영역을 가질 수 있다.
[0125] 단계(320)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법은 노즐을 통해 자기장을 지향시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 자석은 자석의 자기장이 액체 금속을 수용하는 노즐의 부분을 통과하기에 충분히 유체 챔버에 근접하게 위치될 수 있다.
[0126] 단계(330)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법은 제어된 패턴으로 유체 챔버의 배출 영역을 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 배출 영역은, 예를 들어 3차원 프린터(100)에 대해 전술한 로봇 시스템(106)과 같은 로봇 시스템의 작동을 통해 제어된 패턴을 따라 이동될 수 있다. 특정 구현예들에서, 제어된 패턴은 액체 금속의 층들의 연속적인 전달을 통해 3차원 물체를 형성하는데 사용되는 3차원 패턴일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제어된 패턴은, 예를 들어 기판 또는 다른 2차원 표면 상에 패턴 또는 트레이스(trace)를 형성하는데 사용되는 2차원 패턴일 수 있다.
[0127] 단계(340)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법은 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 펄스 전류를 전도하는 것을 포함할 수 있다. 펄스 전류는, 전술한 바와 같이, 발사 챔버에서 자기장과 교차하여 발사 챔버 내의 액체 금속에 MHD 힘을 가할 수 있다. 특히, 전류의 맥동은 자기장과 교차하여 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시켜 물체(예를 들면, 3차원 물체)를 형성할 수 있다. 일반적으로, 펄스 전류의 특성들은 제어된 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초할 수 있다. 예를 들면, 빌드 평면에서 높은 기하학적 곡률을 갖는 부품의 측면에 액체 금속을 분출할 때 펄스 주파수가 보다 낮을 수 있다. 유사하게는, 펄스 크기, 지속기간 또는 둘 모두는 제어된 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초하여, 제어된 패턴을 따르는 위치에 기초한 액체 금속 액적들의 크기를 제어할 수 있다.
[0128] 일반적으로, 펄스 전류는 발사 챔버가 배치되는 유체 챔버 내의 액체 금속의 공진 주파수보다 낮은 주파수로 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전도될 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에 설명된 노즐들의 특징들에 기초하여, 유체 챔버 내의 액체 금속의 공진 주파수는 약 20 kHz보다 클 수 있다. 따라서, 배출 영역(212)이 제어된 패턴을 따라 이동함에 따라, 펄스 전류의 주파수는 물체의 제작과 연관된 정밀도 및 속도 목표들을 달성하기 위해 필요에 따라 20 kHz 미만으로 변경될 수 있다.
[0129] 특정 구현예들에서, 펄스 전류의 주파수는 제어된 패턴을 따르는 배출 영역의 이동 속도에 기초하여 변경될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 로봇 시스템이 배출 영역을 보다 느린 속도로 이동시킬 때, 펄스 전류는 보다 낮은 주파수를 가질 수 있고, 로봇 시스템이 배출 영역을 보다 높은 속도로 이동시킬 때, 펄스 전류의 주파수는 보다 높은 주파수를 가질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 펄스 전류의 주파수는 제어된 패턴을 따르는 배출 오리피스의 위치에 기초할 수 있다.
[0130] 도 4는 MHD 힘들을 통한 액체 금속 분출의 속도를 제어하기 위해 펄스 전류 모드와 직류 전류 모드 사이에서 전류를 제어하는 예시적인 방법(400)의 흐름도이다. 일반적으로, 펄스 전류 모드는 액체 금속의 개별 액적들의 생성을 초래할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이와 비교하여, 직류 전류 모드는 액체 금속의 실질적으로 일정한 스트림의 생성을 초래할 수 있다. 따라서, 펄스 전류와 직류 전류 사이의 전환은 유리하게는 본 명세서에 설명된 3차원 프린터들 중 어느 하나 또는 그 초과를 사용하여 물체의 제작의 정밀도 및 속도 모두에 대한 제어를 제공할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 예시적인 방법(400)은, 달리 기술되거나 문맥으로부터 명백해지지 않는 한, 본 명세서에 설명된 다양한 3차원 프린터들 중 어느 하나 또는 그 초과를 사용하여 구현될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 다른 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 부가하여 또는 그 대신에 구현될 수 있다.
[0131] 단계(410)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(400)은 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 유체 챔버는 본 명세서에 설명된 유체 챔버들 중 어느 하나 또는 그 초과일 수 있으며, 따라서 하우징에 의해 규정될 수 있고, 유입 영역 및 배출 영역을 가질 수 있다.
[0132] 단계(420)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(400)은 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 것을 포함할 수 있다. 자기장은 본 명세서에 설명된 자석들 중 어느 하나 또는 그 초과에 의해 하우징을 통해 지향될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 액체 금속이 고온들(예를 들면, 전형적으로 하나 또는 그 초과의 자석들의 자기 특성들의 상당한 저하와 연관된 약 150℃ 초과 또는 그 초과의 온도들)로 가열될 때라도, 자기장은 하우징 상에 그리고 유체 챔버 내의 액체 금속에 매우 근접하게 지지된 하나 또는 그 초과의 자석에 의해 하우징을 통해 지향될 수 있다.
[0133] 단계(430)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(400)은 제어된 패턴으로 유체 챔버의 배출 영역을 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 제어된 패턴은, 예를 들어 제작되는 물체의 모델에 기초할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 제작되는 모델이 3차원 물체인 경우들에서, 제어된 패턴은 물체의 3차원 모델에 기초한 3차원 패턴일 수 있다.
[0134] 액체 금속의 배치 정밀도에 대한 요구조건들은 제어된 패턴을 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 특정 경우들에서, 보다 큰 정도의 정확도가 제작되는 물체의 경계를 따라 요구될 수 있다. 따라서, 경계 영역을 따라 요구되는 정확도의 달성은 개별 액적들의 분출을 통해 달성될 수 있다. 보다 구체적으로는, 액적 크기, 형상, 속도, 방향 및 냉각과 같은 파라미터들과 같은 파라미터들에 대한 제어는 매우 큰 정밀도로 물체의 표면 상에 금속을 증착하는데 유용할 수 있다. 그러나, 그러한 정밀도는 일반적으로 물체의 제작에 요구되는 시간을 희생시킨다. 다른 예로서, 제작되는 물체의 경계로부터 떨어진 곳(예를 들면, 경계 사이에 규정된 물체의 부분)에는 보다 작은 정도의 정밀도가 요구될 수 있다. 이들 영역들에서, 액체 금속은 유리하게는 시간이 덜 소모되는 기술들을 사용하여 분출되어 물체의 제작에 필요한 시간을 감소시킬 수 있다.
[0135] 단계(440)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(400)은 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들 사이에 전류를 전달하는 것을 포함할 수 있다. 전류는 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시키기에 충분한 MHD 힘을 생성하기 위해 발사 챔버 내의 액체 금속에서 자기장과 교차할 수 있다.
[0136] 단계(450)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(400)은 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 전류를 제어하여 물체를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 일반적으로, 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 전류를 제어하는 것은 제어된 패턴을 따르는 배출 영역의 위치에 기초할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 전류는 형성되는 물체의 경계를 따라 펄스 전류가 되고, 형성되는 물체의 경계 내의 편위부(excursion)를 따라 직류 전류가 되도록 제어될 수 있다. 펄스 전류와 직류 전류 사이의 그러한 전환은, 예를 들어 제작되는 물체의 경계를 따르는 액체 금속 증착의 정확한 제어를 용이하게 하면서, 또한 물체의 경계로부터 떨어진 물체의 신속한 제작을 용이하게 할 수 있다.
[0137] 일반적으로, 펄스 전류의 주파수는 본 명세서에 설명된 펄스 전류를 제어하는 다양한 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 따라 제어될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 펄스 전류의 주파수는 유체 챔버 내의 액체 금속의 공진 주파수보다 낮을 수 있다. 추가로 또는 대신에, 펄스 전류의 주파수는 제어된 패턴을 따르는 배출 영역의 이동 속도에 기초할 수 있다. 특정 구현예들에서, 펄스 전류의 주파수는 제어된 패턴을 따르는 배출 영역의 최대 이동 속도에서 20 kHz보다 낮을 수 있다. 일부 구현예들에서, 펄스 전류의 주파수는 제어된 패턴의 에지로부터의 배출 영역(212)의 거리에 기초할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 배출 영역(212)이 제어된 패턴의 에지에 접근할 때 느려짐에 따라, 펄스 전류의 주파수는 상응하게 감소될 수 있다.
[0138] 펄스 전류로부터 직류 전류로 전환하는 것은 배출 영역으로부터 액체 금속의 질량 유량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 예를 들면, 발사 챔버 내로 직류 전류를 전달함으로써 생성된 MHD 힘들 하에서 액체 금속의 배출 속도는 펄스 전류의 최대 주파수(예를 들면, 유체 챔버 내의 액체 금속의 공진 주파수보다 낮은 최대 주파수)하에서 달성된 액체 금속의 최대 배출 속도보다 클 수 있다. 따라서, 펄스 전류로부터 직류 전류로 전환하는 것은 단지 전류를 펄스화하는 것과 비교하여, 보다 빠른 속도로 액체 금속을 증착시키는 것을 용이하게 할 수 있다.
[0139] 도 5는 부품의 지지 구조체로부터 부품의 분리를 용이하게 하는 하나 또는 그 초과의 다공성 특징부들을 갖는 부품을 형성하기 위해 MHD 힘들을 사용하는 예시적인 방법(500)의 흐름도이다. 즉, 물체는 부품, 및 부품의 지지 구조체를 포함할 수 있다. 예시적인 방법(500)은 부품과 부품의 지지 구조체 사이의 하나 또는 그 초과의 계면들에 하나 또는 그 초과의 다공성 특징부들을 형성하는데 사용될 수 있다. 사용시에, 상기 부품은 하나 또는 그 초과의 다공성 특징부들을 따라 지지 구조체로부터 우선적으로 분리될 수 있다. 예시적인 방법(500)은, 달리 기술되거나 문맥으로부터 명백해지지 않는 한, 본 명세서에 설명된 다양한 3차원 프린터들 중 어느 하나 또는 그 초과를 사용하여 구현될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 다른 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 부가하여 또는 그 대신에 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0140] 단계(510)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(500)은 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 유체 챔버는 본 명세서에 설명된 유체 챔버들 중 어느 하나 또는 그 초과일 수 있으며, 따라서 본 명세서에 설명된 하우징들 중 어느 하나 또는 그 초과에 의해 부분적으로 규정될 수 있고, 유입 영역 및 배출 영역을 가질 수 있다.
[0141] 단계(520)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(500)은 하우징을 통해 자기장을 지향하는 것을 포함할 수 있다. 자기장은 본 명세서에 설명된 자석들 중 하나 또는 그 초과에 의해 하우징 내로 지향될 수 있다.
[0142] 단계(530)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(500)은 제어된 3차원 패턴으로 유체 챔버의 배출 영역을 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 제어된 3차원 패턴은, 예를 들어 부품 및 지지 구조체를 갖는 물체에 대응할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 지지 구조체라는 용어는 제작(프린팅 및 후처리(예컨대, 소결)를 포함함) 중에 부품의 일부분을 지지하는데 사용되는 물체의 임의의 부분을 포함할 수 있으며, 그에 따라 지지 구조체 자체는 다른 부품일 수 있어, 물체가 복수의 부품들을 포함하고 물체 내로의 다공성의 도입이 복수의 부품들의 분리를 용이하게 할 수 있다.
[0143] 단계(540)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(500)은 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버를 적어도 부분적으로 규정하는 전극들 사이에서 전류를 전달하는 것을 포함할 수 있다. 전류는 본 명세서에 설명된 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 따라 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시키기 위해 발사 챔버 내의 액체 금속에서 자기장과 교차할 수 있다. 전류는 펄스 전류 또는 직류 전류 중 하나 또는 그 초과를 사용하여 전달될 수 있다. 예를 들면, 전류는 부품과 지지 구조체 또는 다른 부품 사이의 계면으로부터 떨어진 곳에 직류 전류로서 전달될 수 있으며, 전류는 계면을 따라 펄스 전류로서 전달될 수 있다.
[0144] 단계(550)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(500)은 제작되는 물체의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 물체가 제작되고 있을 때 빌드 플레이트 상에 또는 이전에 증착된 금속 층 상에의 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성. 일반적으로, 다공성은 지지 구조체와 부품 사이의 계면을 형성하도록 제어될 수 있으며, 계면의 다공성은 지지 구조체 및 부품의 다공성보다 높은 다공성을 갖는다. 예를 들면, 지지 구조체, 계면 및 부품은 동일한 재료로 형성될 수 있어, 계면에서의 다공성의 변화가 물체에서 가장 약한 지점을 규정하고, 그에 따라 부품으로부터 지지 구조체의 우선적인 분리 위치를 형성할 수 있다. 특정 경우들에서, 계면은, 예를 들어 지지 구조체 및 부품이 계면에서의 압축력 및 전단력 중 하나 또는 그 초과의 인가를 통해 서로 용이하게 분리될 수 있도록 취약할 수 있다. 특정 경우들에서, 수동력(manual force), 핸드 공구(예를 들어, 펜치)에 의해 인가된 힘, 또는 이들의 조합으로서 충분한 분리력이 제공될 수 있다.
[0145] 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 것은, 예를 들어 유체 챔버의 배출 영역으로부터 분출된 액체 금속 액적들의 속도를 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 일 예로서, 계면은 지지 구조체 및 부품 중 하나 또는 모두의 형성과 연관된 속도보다 낮은 속도로 배출 오리피스로부터 액체 금속을 분사함으로써 형성될 수 있다. 일반적으로, 보다 낮은 속도로 분출된 액체 금속은 보다 높은 속도로 분출된 액체 금속만큼 완전히 목표 재료를 침투시키지 못할 것이다. 그러한 제한된 침투는 증가된 다공성을 초래할 수 있으며, 이는 지지 구조체 또는 다른 부품으로부터 부품을 분리시키는데 유용한 계면을 형성하는 맥락에서 유리할 수 있다.
[0146] 일반적으로, 유체 챔버의 배출 영역으로부터 분출된 액체 금속의 액적들의 속도는 각각의 액적을 형성하는데 사용되는 펄스의 크기 및 지속기간의 함수이다. 따라서, 다공성을 제어하는 것은 계면을 따라 펄스들의 크기 및 지속기간 중 적어도 하나를 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 계면으로부터 떨어진 곳에 물체를 형성하는데 사용된 펄스들의 크기와 비교하여, 계면은 보다 낮은 크기의 임펄스를 갖는 펄스들을 사용하여 분출된 액체 금속 액적들에 의해 형성될 수 있다. 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 속도는, 예를 들어 펄스의 크기 및 지속기간 중 하나 또는 그 초과를 변화시킴으로써 제어될 수 있다.
[0147] 추가적으로 또는 대안적으로, 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 것은 배출 영역으로부터 분출된 액체 금속의 온도를 변화시키는 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 보다 낮은 온도로 분출된 액체 금속 액적들은 보다 높은 온도들로 분출된 액체 금속 액적들이 목표 표면 상에서 응고될 수 있는 것보다 용이하게 목표 표면 상에서 응고될 수 있다. 따라서, 보다 낮은 온도로 분출된 액체 금속 액적들은 목표 표면 상에서 덜 퍼지는 경향이 있고, 그에 따라 증가된 다공성의 영역을 형성할 수 있다. 따라서, 특정 구현예들에서, 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 것은 유체 챔버 내의 액체 금속의 온도를 감소시키는 것을 포함할 수 있다.
[0148] 도 6은 유체 챔버 내의 정지 액체 금속의 메니스커스(meniscus)를 끌어당기기 위해 MHD 힘을 사용하는 예시적인 방법(600)의 흐름도이다. 예시적인 방법(600)은, 달리 기술되거나 문맥으로부터 명백해지지 않는 한, 본 명세서에 설명된 다양한 3차원 프린터들 중 어느 하나 또는 그 초과를 사용하여 구현될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 다른 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 부가하여 또는 그 대신에 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0149] 단계(610)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(600)은 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 유체 챔버는, 예를 들어 본 명세서에 설명된 유체 챔버들 중 어느 하나 또는 그 초과일 수 있으며, 따라서 본 명세서에 설명된 하우징들 중 어느 하나 또는 그 초과에 의해 규정될 수 있고, 유입 영역 및 배출 영역을 가질 수 있다.
[0150] 단계(620)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(600)은 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 것을 포함할 수 있다. 자기장은 본 명세서에 설명된 자석들 중 어느 하나 또는 그 초과에 의해 하우징 내로 지향될 수 있다.
[0151] 단계(630)에 나타낸 바와 같이, 예시적인 방법(600)은 제1 전류를 정지 상태에 있는 하우징 내의 액체 금속 내로 전달하는 것을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 하우징 내의 액체 금속의 정지 상태는 하우징의 배출 부분으로부터의 액체 금속의 분출 사이의 액체 금속의 상태를 포함할 수 있으며, 그에 따라 메니스커스가 하우징의 배출 부분에 부착된(예를 들면, 배출 부분의 목부 내에서 배출 부분에 부착되거나, 배출 부분의 배출 오리피스에 부착되고 하우징의 약간 외부로 연장됨) 액체 금속의 상태를 포함할 수 있다.
[0152] 제1 전류는 액체 금속에 풀백력을 가하는 MHD 힘을 생성시키는 방향으로 액체 금속에서 자기장과 교차하는 방향으로 지향될 수 있다. 예를 들면, 자기장이 일정한 구현예들에서, 제1 전류는 액체 금속에 대한 분출력(ejection force)을 생성하는 극성과 반대인 극성을 가질 수 있다. 전류와 자기장의 상호작용이 오른손 규칙을 따르기 때문에, 분출력과 연관된 극성과 반대인 방향으로 제1 전류를 지향시키는 것은 분출력과 실질적으로 반대인 MHD 힘을 생성하고, 따라서 액체 금속을 끌어당길 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0153] 액체 금속에 가해진 풀백력의 양은 제1 전류의 크기의 함수이다. 전형적으로, 풀백력은, 달리 액체 금속을 크게 이동시키지 않고서, 메니스커스를 이동시키기 위해 유체 챔버 내의 정지 액체 금속의 압력 헤드를 극복하기에 충분하다. 따라서, 일반적으로, 풀백력은 액체 금속을 분출시키는데 필요한 힘보다 상당히 작다. 따라서, 제1 전류의 크기는 일반적으로 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시키는데 사용되는 전류의 크기에 비해 작다. 예를 들면, 제1 전류는 약 1 암페어 초과 및 약 100 암페어 미만(예를 들면, 약 2 암페어 내지 약 20 암페어)의 크기를 가질 수 있다.
[0154] 도 7a 및 도 7b는 풀백력(P)이 메니스커스(702)에 인가될 때 노즐(706)의 정지 액체 금속(704)의 메니스커스(702)의 위치를 비교하는 일련의 개략도들이다. 풀백력(P)은, 예를 들어 도 6의 단계(630)에서 제1 전류에 의해 발생된 풀백력일 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0155] 도 7a에 도시된 바와 같이, 풀백력의 부재시에, 메니스커스(702)는 노즐(706)의 배출 부분(708) 외부로 밀려날 수 있다. 메니스커스(702)는 메니스커스 위의 정지 액체 금속(704)의 중량에 의해 생성된 압력에 의해 배출 부분(708) 외부로 연장될 수 있다. 풀백력의 인가가 없는 경우, 액체 금속(704)의 일부는 특정 조건들 하에서 노즐(706)로부터 그리고 노즐(706)의 하부 표면(710) 상으로 이동할 수 있다. 그러한 이동은 (예를 들면, 의도된 것보다 크기가 큰 액적들을 형성함으로써) 액체 금속(704)의 액적들의 후속 분출을 방해할 수 있다. 따라서, 하부 표면(710) 상으로의 정지 액체 금속(704)의 이동 가능성을 감소시키는 것이 노즐(706)로부터 전달될 수 있는 액적들의 정밀도를 유용하게 향상시킬 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0156] 도 7b에 도시된 바와 같이, 풀백력(P)은 메니스커스(702)를 하부 표면(710)으로부터 멀어지는 방향으로 가압할 수 있다. 따라서, 풀백력(P)은 메니스커스(702)가 하부 표면(710) 상으로 이동할 가능성을 감소시킬 수 있다. 사실상, 액체 금속(704)의 일부가 (예를 들면, 잘못된 액적으로부터) 바닥 표면(710) 상에 축적되면, 풀백력(P)에 의해 확립된 음압(negative pressure)은 액체 금속(704)을 바닥 표면(710)으로부터 노즐(706)의 배출 부분(708) 내로 흡인할 수 있다.
[0157] 예를 들면, 배출 부분(708)은 목부(712) 및 배출 오리피스(712)를 포함할 수 있다. 풀백력(P)은 노즐(706)의 배출 부분(708)에 부착된, 정지 상태의 액체 금속의 메니스커스(702)를 유지하기에 충분할 수 있다. 특정 구현예들에서, 풀백력(P)은 메니스커스(702)를 배출 부분(712)의 목부(712) 내로 당길 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 풀백력(P)은 배출 오리피스(712)에 부착된 메니스커스(702)를 유지할 수 있다.
[0158] 다시 도 6을 참조하면, 단계(640)에 나타낸 바와 같이, 방법(600)은 제2 전류를 액체 금속 내로 선택적으로 전달하는 것을 포함할 수 있다. 제2 전류는 액체 금속에서 자기장과 교차하여 액체 금속에 발사력을 가해서 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시킬 수 있다. 따라서, 예를 들면, 노즐의 배출 영역이 제어된 패턴(예를 들면, 제어된 3차원 패턴)을 따라 이동됨에 따라, 제2 전류는 액체 금속 내로 선택적으로 전달될 수 있다. 예를 들면, 제2 전류는 전체보다 적은 제어된 패턴을 따라 액체 흐름 내에 선택적으로 전달될 수 있어, 배출 영역이 제어된 패턴을 따라 이동됨에 따라 제2 전류가 주기적으로 차단된다. 보다 일반적으로, 제2 전류는 본 명세서에 설명된 다양한 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 따라 액체 금속 내로 지향될 수 있다. 따라서, 제2 전류는, 적어도, 제어된 패턴을 따르는 배출 오리피스의 위치에 기초하여 가변적일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 전류는 펄스 전류, 직류 전류, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제2 전류가 펄스 전류를 포함하는 경우들에서, 공급 경로 내의 액체 금속 내로 제2 전류를 전달하는 것은, 본 명세서에 설명된 다양한 상이한 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 따라서, 공급 경로 내의 액체 금속 내로 발사 펄스를 전도하는 것, 및 (예를 들면, 발사 펄스 이전, 발사 펄스 이후, 또는 둘 모두에서) 공급 경로 내의 액체 금속 내로 풀백 펄스를 전도하는 것을 포함할 수 있다.
[0159] 제2 전류는, 본 명세서에 설명된 다양한 상이한 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 따라서, 유입 영역과 배출 영역 사이의 유체 챔버 내의 발사 챔버를 규정하는 전극들 사이의 액체 금속 내로 선택적으로 전달될 수 있다. 특정 예들에서, 제1 전류를 전달하는 것은 전극들 사이의 액체 금속 내로 지향될 수 있다. 따라서, 보다 일반적으로, 제1 전류 및 제2 전류는 동일한 경로를 따라 액체 금속 내로 전달될 수 있다.
[0160] 특정 구현예들에서, 제1 전류는 액체 금속에 연속적으로 인가될 수 있고, 제2 전류는 제1 전류에 중첩될 수 있다. 제2 전류의 크기가 제1 전류보다 크기 때문에, 액체 금속의 원하는 분출이 일어난다. 제1 전류가 연속적으로 인가되기 때문에, 메니스커스는 제2 전류의 펄스들 사이에서 (예를 들면, 도 7b에 도시된 바와 같이) 끌어당겨질 것이다. 제1 전류가 액체 금속에 연속적으로 인가되는 것으로 설명되었지만, 특정 구현예들에서, 제1 전류는 제2 전류의 분출 펄스 동안에 턴 오프(turn off)되고, 제2 전류의 분출 펄스 직후에 턴 온(turn on)될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0161] 도 8은 노즐의 배출 영역 내의 정지 액체 금속의 메니스커스를 바운싱(bouncing)시키기 위해 MHD 힘을 사용하는 예시적인 방법(800)의 흐름도이다. 예시적인 방법(800)은, 달리 기술되거나 문맥으로부터 명백해지지 않는 한, 본 명세서에 설명된 다양한 3차원 프린터들 중 어느 하나 또는 그 초과를 사용하여 구현될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 다른 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 부가하여 또는 그 대신에 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
[0162] 단계(810)에 나타낸 바와 같이, 방법(800)은 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 유체 챔버는 본 명세서에 설명된 유체 챔버들 중 어느 하나 또는 그 초과일 수 있으며, 따라서 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있고, 유입 영역 및 배출 영역을 가질 수 있다.
[0163] 단계(820)에 나타낸 바와 같이, 방법(800)은 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 것을 포함할 수 있다. 자기장은, 예를 들어 본 명세서에 설명된 자석들 중 어느 하나 또는 그 초과를 사용하여 하우징을 통해 지향될 수 있다.
[0164] 단계(830)에 나타낸 바와 같이, 방법(800)은 유체 챔버 내의 발사 챔버에 있고 유입 영역과 배출 영역 사이에 있는 액체 금속 내로 제1 전류를 전달하는 것을 포함할 수 있다. 일반적으로, 제1 전류는 배출 영역에 부착된 메니스커스에 맥동력을 가하기 위해 액체 금속에서 자기장과 교차하는 변동 전류(fluctuating electric current)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 변동 전류는 실질적으로 정현파 전류(sinusoidal electric current), 펄스 전류, 또는 이들의 조합들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 메니스커스에 대한 맥동력에 응답하여, 메니스커스는 바운싱할 수 있다 ― 즉, 메니스커스가 편향된 후에 완화되는 것을 교대로 함 ―. 예를 들면, 배출 영역은 배출 오리피스 및 목부를 포함할 수 있으며, 메니스커스는 목부 및 배출 오리피스 중 하나 또는 그 초과에 부착될 수 있고, 이러한 위치에서, 메니스커스는 제1 전류에 응답하여 교대 편향을 받을 수 있다.
[0165] 액체 금속들은 심지어 미량 수준(trace levels)의 산소 및 때로는 대기에 존재하는 수증기와 반응함으로써 금속 산화물의 피막(skin)을 형성할 수 있다. 이들 금속 산화물들은 강한 경향이 있고, 충분히 두꺼우면, 소망에 따른 분출을 방해할 수 있다(예를 들면, 분출이 일어나는 것을 방지함). 그러나, 이러한 산화물 피막들은 또한 매우 부서지기 쉽다. 따라서, 제1 전류에 응답하는 메니스커스의 바운싱 이동은, (예를 들면, 필름(film)에 균열들을 도입함으로써) 메니스커스에서의 액체 금속의 표면을 유연하게 유지하고, 그에 따라 필름의 존재가 요구에 따라 액적의 분출을 불가능하게 할 가능성을 감소시키는 것을 용이하게 할 수 있다.
[0166] 제1 전류는 광범위한 주파수들(예를 들면, 메니스커스가 응답할 수 있는 주파수들의 범위)에 걸쳐 전달될 수 있다. 특정 구현예들에서, 제1 전류에 의해 생성된 진동들은 유체 챔버 내의 액체 금속의 제1 공진 주파수 미만으로 유지될 수 있어, 맥동에 대한 적절한 제어가 유지될 수 있게 한다. 그러나, 메니스커스에서 진동들을 여기하기 위해 적은 전류를 사용하는 것이 바람직한 구현예들에서, 제1 전류는 유체 챔버 내의 액체 금속의 공진 주파수 또는 그 근방으로 제공되도록 전달 가능할 수 있다. 전형적인 응용들에서, 진동의 진폭은 유체 챔버의 배출 오리피스의 직경의 약 1 % 초과 및 약 50 % 미만(예를 들면, 약 5 % 초과 및 약 25 % 미만)일 수 있다.
[0167] 일부 경우들에서, 방법(800)은 배출 영역으로부터 메니스커스를 제거하기 위해 배출 영역을 통해 액체 금속을 분출시키는 것을 더 포함할 수 있다. 배출 영역을 통한 액체 금속의 그러한 분출은, 예를 들어 부품으로부터 떨어진 곳에 실행될 수 있다. 일반적으로, 배출 영역을 통한 액체 금속의 그러한 분출은, 특히 메니스커스가 긴 시간 기간 동안 배출 영역에 있는 경우, 메니스커스를 새롭게 하는데 유용할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 특정 경우들에서, 액체 금속은 미리정해진 시간 기간 동안 배출 영역으로부터 분출될 수 있다.
[0168] 단계(840)에 나타낸 바와 같이, 방법(800)은 발사시에 액체 금속 내로 제2 전류를 전달하는 것을 더 포함할 수 있다. 제2 액체 금속은 액체 금속에서 자기장과 교차하여 배출 영역을 통해 액체 금속을 방출하여 물체를 형성할 수 있다. 제2 전류는 제1 전류의 펄스 전류와 상이한(예를 들면, 훨씬더 큰) 펄스 전류를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 제2 전류가 전달되어 액체 금속을 분출시켜서 물체를 형성하기 때문에, 또한 제2 전류는, 본 명세서에 설명된 다양한 상이한 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 따라서, 제어된 패턴(예를 들면, 3차원 패턴)을 따르는 배출 영역의 위치에 기초하여 액체 금속 내로 전달될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 비제한적인 예로서, 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제2 전류를 전달하는 것은 제어된 패턴을 따르는 배출 오리피스의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 전환하는 것을 포함할 수 있다.
[0169] 제1 전류는 제2 전류의 전달 이전에 짧은 기간에 중지될 수 있다. 이러한 짧은 기간 동안에, 제1 전류에 의해 메니스커스에 유도된 진동들은 제2 전류에 응답하여 분출된 제1 액적의 분출 이전에 감쇠될 수 있다. 따라서, 보다 일반적으로, 제2 전류의 전달 직전에 제1 전류를 중지시키는 것은, 제1 전류가 물체의 제작 중에 액체 금속의 제1 분출 또는 액체 금속의 후속 분출들과 간섭할 수 있는 가능성을 감소시킬 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 제1 전류는 유체 챔버와 연관된 프린트헤드가 능동적으로 프린팅하고 있지 않는 기간들 동안(예를 들면, 프린트헤드가 제작되는 물체의 측면들 사이를 이동하고 있는 동안 또는 프린트헤드가 새로운 층이 개시하기를 대기하고 있는 동안) 메니스커스에 전달될 수 있다.
[0170] 특정 구현예들이 설명되었지만, 다른 구현예들이 추가적으로 또는 대안적으로 가능하다.
[0171] 예를 들면, 유입 영역들로부터 부스러기를 제거하는 특정 양태와 관련된 장치들, 시스템들 및 방법들이 설명되었지만, 부스러기 제거의 다른 장치들, 시스템들 및 방법들이 추가적으로 또는 대안적으로 가능하다. 예를 들면, 도 9에 도시된 바와 같이, 노즐(900)은 유입 영역(906) 및 배출 영역(908)을 갖는 유체 챔버(904)의 적어도 일부분을 규정하는 하우징(902)을 포함할 수 있다. 노즐(900)은 유체 챔버(904)를 따라 배치된 필터(910)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 필터(910)는 부스러기가 배출 영역(908)에 도달하여 물체의 제조 중에 분출될 가능성을 감소시키는 최후의 수단의 필터로서 작용할 수 있다. 따라서, 필터(910)는 배출 영역(904)으로부터 이격되어 있을 수 있다. 일 예로서, 필터(910)는 유입 영역(906)을 따라 배치될 수 있다. 일반적으로, 필터(910)는 필터(910)와 접촉하는 용융 금속의 온도를 견딜 수 있는 재료로 형성된 다공성 구조체를 포함할 수 있다. 특정 구현예들에서, 필터(910)는, 유리하게는, 예를 들어 유체 챔버(904) 내에서 이동하는 음향 펄스의 에너지를 흡수함으로써, 필터가 없는 동일한 유체 챔버와 비교하여 유체 챔버(904)의 공진 진동들을 감소시킬 수 있다.
[0172] 이제 도 10을 참조하면, 노즐(1000)은 유입 영역(1006) 및 배출 영역(1008)을 갖는 유체 챔버(1004)의 적어도 일부분을 규정하는 하우징(1002)을 포함할 수 있다. 유입 영역(1006)을 따라, 하우징(1002)은 유체 챔버(1004)로부터 멀어지는 방향으로 하우징(1002)으로부터 연장되는 침니부(chimney)(1010)를 포함할 수 있다. 침니부(1010)는 예를 들어, 유입 영역(1006)을 따르는 액체 금속의 메니스커스가 유입 영역(1006)을 규정하는 하우징의 외부 표면을 습윤시킬 가능성을 감소시킬 수 있다. 따라서, 예를 들면, 하우징(1002)을 따라 습윤성을 감소시킴으로써, 침니부(1008)는 히터(1012)와 같은 하우징(1002) 상에 지지된 구성요소들에 대한 손상의 가능성을 감소시킬 수 있다.
[0173] 다른 예로서, 노즐들이 액랭식 자석들(liquid-cooled magnets)을 포함하는 것으로 설명되었지만, 다른 구현예들이 추가적으로 또는 대안적으로 가능하다. 예를 들면, 이제 도 11을 참조하면, 노즐(1100)은 하나 또는 그 초과의 자석들(1102), 히트 싱크(1104) 및 팬(1106)을 포함할 수 있다. 팬(1106)은 히트 싱크(1004) 위에 공기를 지향시키도록 위치되어, 강제 공기 대류를 통해 열을 하나 또는 그 초과의 자석들(1102)로부터 멀리 운반시킬 수 있다.
[0174] 또 다른 예로서, 노즐들이 유체 챔버를 규정하고 세라믹 하우징 내에 지지되는 금속 전극들을 포함하는 것으로 설명되었지만, 다른 구현예들이 추가적으로 또는 대안적으로 가능하다. 예를 들면, 이제 도 12를 참조하면, 노즐(1200)은 유체 챔버(1206)의 적어도 일부분(예를 들면, 배출 오리피스(1208)로부터 떨어진 유체 챔버의 부분)을 규정하는 하우징(1204)의 부분과 일체로 형성된 전극들(1202)을 포함할 수 있다. 유체 챔버(1206)는 유입 영역(1210) 및 배출 영역(1212)을 가질 수 있다. 전극들(1202)과 일체로 형성된 하우징의 부분은 금속 재료인 것으로 이해되어야 한다.
[0175] 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "일체형"은 재료의 고체 블록 또는 로드와 같은 단일 피스의 재료로 형성되고, 그에 따라 동일한 유형의 재료로 형성된 구성요소들을 포함한다. 예를 들면, 하우징 전극들(1202) 및 하우징(1204)은 로드(예를 들면, 보편적으로 이용 가능한 표준 크기의 로드)로부터 일체로 형성될 수 있어, 전류가 로드를 따라 축방향으로 지향될 수 있고, 자기장이 로드를 통해 반경방향으로 지향될 수 있다. 일반적으로, 유체 챔버(1206)는 일체로 형성된 전극들(1202)과 하우징(1204)으로부터 재료를 제거함으로써(예를 들면, 관통-구멍을 드릴 가공함으로써) 형성될 수 있다. 전극들(1202)과 하우징(1204)을 일체로 형성하는 것은, 예를 들어 열 질량(thermal mass)이 적은 노즐(1200)을 제조하는데 유리할 수 있으며, 이는 유체 챔버(1206) 내의 액체 금속의 온도를 정확하게 제어하는데 유용할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전극들(1202)과 하우징(1204)을 일체로 형성하는 것은, 공급 경로에서의 자기장의 강도가 배출 오리피스(1214)로부터 액체 금속을 분출시키는 MHD 힘들을 생성하기에 충분히 강하도록, 유체 챔버(1206) 내의 액체 금속에 근접하게 하나 또는 그 초과의 자석들을 위치시키는데 유용할 수 있다. 추가로 또는 대신에, 전극들(1202)과 하우징(1204)을 일체로 형성하는 것은, 특정 유형들의 액체 금속들의 분출과 연관된 고온들에서 곤란할 수 있는 상이한 재료들 사이의 계면들의 개수를 감소시킬 수 있다.
[0176] 전극들(1202)과 하우징(1204)의 일부분이 일체로 형성되기 때문에, 전극들(1202)에 의해 형성된 발사 챔버(1218)는 배출 영역(1212)에 실질적으로 인접하여 있고, 특히 배출 오리피스(1214)에 실질적으로 인접하여 있을 수 있다. 전술한 바와 같이, 배출 영역(1212)에 실질적으로 인접한 지점에 있는 유체 챔버(1206) 내로 전류를 전달하는 것은 보다 짧은 유체 챔버(1206)를 형성하는 것을 용이하게 할 수 있고, 이는 결국 공진 주파수를 증가시킬 수 있다. 따라서, 하우징(1204)의 일부분과 전극(1202)을 일체로 형성하는 것은 보다 높은 주파수들로 액체 금속 액적들을 분사하는 것과 관련하여 특정 이익들을 가질 수 있다. 일반적으로, 노즐의 하우징이 금속으로 형성되는 구현예들에서, 액체 금속과 하우징 사이의 저항률을 일치시키는 것은 전극들로부터의 전류가 유동 챔버 내의 액체 금속 주위로 흐를 가능성을 감소시키는데 중요할 수 있다. 따라서, 노즐(1200)의 예에서, 하우징(1204)의 금속의 전기 저항률은 유리하게는 유체 챔버(1206) 내의 액체 금속의 전기 저항률과 실질적으로 일치된다는 것이 이해되어야 한다. 전극들(1202)과 하우징(1204)의 일부분이 일체로 형성되는 구현예들에서, 전극들(1202) 및 하우징(1204)을 형성하는 재료는 유체 챔버(1206)로부터 분출될 액체 금속의 융점보다 높은 융점을 갖는다는 것이 더 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들면, 액체 금속이 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 구현예들에서, 전극들(1202) 및 하우징(1204)을 형성하는 재료는 탄탈륨 또는 니오븀일 수 있으며, 이들 각각은 알루미늄 또는 알루미늄 합금들보다 높은 융점을 갖고, 알루미늄 및 그 합금들과 실질적으로 유사한 전기 저항률을 가지며, 용융 알루미늄과 약한 반응성을 갖는다.
[0177] 하우징(1204)의 적어도 일부분과 전극들(1202)이, 노즐 내에 세라믹 인서트가 있는 경우를 포함하여, 금속으로부터 일체로 형성되는 경우들에서, 전류는 발사 챔버(1218)를 규정하는 금속 측벽들뿐만 아니라, 발사 챔버1218) 내에서 유동하는 액체 금속을 통해 흐를 수 있다. 그러한 경우들에서, 하우징(1204)의 금속 측벽들을 통해 흐르는 전류의 부분은 액체 금속의 분출을 위한 MHD-유도 압력을 생성하는데 기여하지 않는다. 따라서, 특정 구현예들에서, 발사 챔버(1218) 외부로 흐를 수 있는 전류의 양을 감소시키기 위해, 발사 챔버(1206)를 통해 이동하는 자기장(예를 들면, 본 명세서에 설명된 장치들, 시스템들 및 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 따라 형성된 자기장)에 평행한 방향으로 하우징(1204)의 측벽들을 가능한 한 얇게 제조하는 것이 유리할 수 있다.
[0178] 액체 금속과, 발사 챔버를 규정하는 전극들(1202)과 하우징(1204)의 일부분들의 전기 저항률을 가능한 한 가깝게 일치시키는 것이 더 유리할 수 있다. 이러한 전기 저항률들이 이상적으로 일치되는 이상적인 경우에, 전류는, 발사 챔버(1218)의 형상에 관계없이, 발사 챔버(1218)를 통해 균일하게 흐를 것이다. 예를 들면, 유체 챔버(1206) 및 발사 챔버(1218)가 원통형인 경우(예를 들면, 노즐(1200)의 제조를 용이하게 하는데 유용할 수 있음), 전류는 원통형 형상의 축에 수직인 방향으로 흐를 것이다. 그러나, 유체 챔버(1206) 및 발사 챔버(1218)를 규정하는 전극들(1202) 및 하우징(1204)의 재료의 전기 저항률이 액체 금속의 전기 저항률보다 높으면, 전류가 발사 챔버(1218)를 횡단할 때 전류는 발사 챔버(1218)의 중심을 향하여 모여드는 경향이 있으며, 이는 불균일한 전류의 불균일한 펌핑 작용으로 인해 에너지의 일부가 유체 와류들로서 소산되게 함으로써 액체 금속을 분출시키기 위한 MHD의 유효성을 감소시킬 수 있다. MHD의 유효성의 그러한 감소의 가능성을 감소시키기 위해, 발사 챔버(1218)의 단면은 원형이 아닌 직사각형일 수 있다. 그러한 직사각형 단면은, 적어도 발사 챔버(1218)를 통한 전극들(1202) 사이의 전류의 경로에 관계없이 전기 저항에 차이가 없는 것을 제공함으로써, 액체 금속과 발사 챔버(1218)를 규정하는 금속 사이의 전기 저항률의 임의의 불일치의 영향을 감소시키는데 유용할 수 있다.
[0179] 특정 경우들에서, 소정 노즐 내의 액체 금속과 양립 가능한 전극들을 형성하는 재료는 고가일 수 있다. 추가로 또는 대신에, 노즐에의 재료들의 조합의 사용은, 예를 들어 재료 특성들(예를 들면, 전기 저항률, 열전도율, 화학적 반응성 등)의 조합을 유익하게 사용하는데 유용할 수 있다. 따라서, 보다 일반적으로, 본 개시의 노즐들에 있어서 다른 유형들의 재료와 금속들을 조합하는 것이 유용할 수 있다.
[0180] 노즐(1200)의 예로 돌아오면, 배출 오리피스(1214)를 규정하는 배출 영역(1212)의 부분은 배출 영역(1212)을 따라 하우징(1204)에 의해 지지된 세라믹 인서트(1216)로 형성될 수 있다. 세라믹 인서트(1216)는, 예를 들어 알루미나, 사파이어, 루비, 질화알루미늄, 탄화알루미늄, 질화규소, 사이알론들 및 탄화붕소 중 하나 또는 그 초과로 형성될 수 있다. 세라믹 인서트(1216)는 액체 금속이 노즐(1200)로부터 분출될 때 마모를 견디는데 유용할 수 있다. 즉, 특정 경우들에서, 세라믹 인서트(1216)의 재료는 유체 챔버(1206)를 규정하는 재료보다 마모를 보다 양호하게 견딜 수 있고, 그에 따라 노즐(1200)의 장기간 사용에 대해 특정 이익들을 제공할 수 있다. 즉, 하우징(1204) 및/또는 전극들(1202)의 재료는 유체 챔버(1206) 내의 액체 금속에 대해 실질적으로 불활성일 수 있지만, 배출 오리피스를 규정하기에 충분히 불활성일 수는 없는 금속으로 형성될 수 있고, 이는 고속으로 배출 오리피스를 지나서 유동하는 다량의 액체 금속이 금속의 불완전한 불활성을 증대시킬 수 있기 때문이다. 따라서, 배출 오리피스(1214)는 유리하게는 세라믹 인서트(1216)에 의해 규정될 수 있다. 배출 오리피스(1214)가 세라믹 인서트(1216)에 의해 규정되는 것으로 설명되었지만, 특정 경우들에서, 세라믹 인서트(1216)는 생략될 수 있고 배출 오리피스(1214)는 하우징(1204)의 금속 재료에 의해 형성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이제 도 13을 참조하면, 노즐(1300)은 하우징(1302), 및 유체 챔버(1306)의 적어도 일부분을 규정하는 라이닝(lining)(1304)을 포함할 수 있다. 하우징(1302)은, 예를 들어 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 하우징(1302)을 형성하는데 유용한 세라믹 재료들의 예들은 질화티타늄, 티타늄 알루미늄 질화물, 탄화티타늄, 알루미나 및 탄질화티타늄(titanium carbonitride) 중 하나 또는 그 초과를 포함한다. 라이닝(1304)을 형성하는 금속 재료는 유리하게는 노즐(1300)로부터 분출되는 액체 금속과 양립 가능한 금속이며, 그에 따라, 예를 들어 본 명세서에 설명된 다양한 상이한 전극 재료들 중 임의의 것일 수 있다. 하우징과 일체로 형성된 전극들과 비교하여, 라이닝(1304)은 소정의 재료를 적게 사용하여 형성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 금속 재료를 적게 사용하는 것은 라이닝(1304)을 형성하는 재료가 고가인 경우들에서 특히 유리할 수 있다. 예를 들면, 전극들(1308)은 라이닝(1304)에 결합되어 전류를 라이닝(1304)에 전달할 수 있고, 특정 경우들에서, 전극들(1308)은 라이닝(1304)을 형성하는 재료보다 덜 고가인 재료로 형성될 수 있다.
[0181] 특정 구현예들에서, 전극들(1304)은 하우징(1302)의 재료 상에 도금될 수 있다. 예를 들면, 전극들(1304)은 하우징(1302)의 전부 또는 일부분을 따라(예를 들면, 유체 챔버(1306)의 전부 또는 일부분을 따라) 도금될 수 있다. 추가로 또는 대신에, 전극들(1304)은 당업계에 공지된 어느 하나 또는 그 초과의 금속 증착 기술들을 통해 하우징(1302)에 도포될 수 있다.
[0182] 이제 도 14를 참조하면, 노즐(1400)은 전극 섹션(1402) 및 하우징 섹션(1404)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 전극 섹션(1402) 및 하우징 섹션(1404)은 상이한 재료들(예컨대, 상이한 금속들)로 형성될 수 있다. 특정 예로서, 전극 섹션(1402)은 분출될 액체 금속과 접촉하여 상대적인 불활성 및 열적 안정성의 요구조건들을 충족시키는 제1 재료로 형성될 수 있다. 분출될 액체 금속에 따라, 이러한 요구조건들을 충족시키는 제1 재료의 선택은 비교적 고가일 수 있다. 예를 들면, 탄탈륨은 액체 금속이 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 경우들에서 제1 재료로서 사용하기에 적합하다. 그러나, 탄탈륨은 다른 유형들의 금속들에 비해 고가이다. 따라서, 보다 일반적으로, 액체 금속과 접촉하기에 적합한 제1 재료의 작은 피스로서 전극 섹션(1402)을 형성하고, 추가적으로 또는 대안적으로, (카트리지 히터(1406)와 같은, 노즐(1400)과 연관된 보조 구성요소들을 지지하기 위한) 보다 큰 피스로서 하우징 섹션(1404)을 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 하우징 섹션(1404)의 제2 재료는 액체 금속의 온도에서 열적 안정성을 충족시키는 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 하우징 섹션(1404)은 액체 금속과 접촉하지 않기 때문에, 제2 재료에 적합한 재료들은 제1 재료에 적합한 재료들보다 덜 고가일 수 있다. 탄탈륨으로 형성되는 전극 섹션(1402)의 제1 재료의 예로 돌아가면, 하우징 섹션(1404)의 제2 재료는, 예를 들어 구리로 형성될 수 있다. 일반적으로, 전극 섹션(1402)과 하우징 섹션(1404)은 당업계에 공지된 용접 및 브레이징(brazing) 기술들을 통해 서로 결합될 수 있다.
[0183] 이제 도 15를 참조하면, 노즐(1500)은 유입 영역(1506)과 배출 영역(1508) 사이에서 연장되는 유체 챔버(1504)의 적어도 일부분을 규정하는 하우징(1502)을 포함할 수 있다. 전극들(1510)은 유입 영역(1506)과 배출 영역(1508) 사이의 유체 챔버(1504) 내의 발사 챔버(1512)의 적어도 일부분을 규정한다. 특정 경우들에서, 노즐(1500)은 하우징(1502) 및 전극들(1510)이 금속(예를 들면, 일체형 구조체의 일부와 같은 동일한 금속)으로 형성되도록 전체-금속 구성일 수 있다. 배출 영역(1508)은 목부(1514), 및 목부(1514) 및 유체 챔버(1504)와 유체 연통하는 배출 오리피스(1516)를 가질 수 있어, 사용시에, 액체 금속은 유체 챔버(1504)로부터 목부(1514)를 거쳐서 배출 오리피스(1516)를 통해 이동하게 한다. 배출 오리피스(1516)는, 예를 들어 하우징(1502)의 외부 표면(1518)에 의해 규정될 수 있다. 목부(1514)는, 예를 들어 실질적으로 원통형일 수 있고, 목부(1514)의 직경은 배출 오리피스(1516)의 직경과 실질적으로 동일할 수 있다.
[0184] 사용시에, 배출 오리피스(1516)는 유체 챔버(1504) 내에 배치된 액체 금속으로 습윤될 수 있다. 배출 오리피스(1516)에서의 그러한 습윤은 배출 오리피스로부터 액체 금속의 분출에 대한 제어를 향상시킬 수 있다. 그러나, 특정 경우들에서, 이러한 방식으로 배출 오리피스(1516)를 습윤시키는 것은 액체 금속이 배출 오리피스를 넘어서(예를 들면, 하우징(1502)의 외부 표면(1518)을 따라) 의도치 않게 연장될 위험을 증가시킬 수 있으며, 이는 그 자체가 액체 금속의 분출에 대한 제어를 방해할 수 있다. 예를 들면, 하우징의 외부 표면(1518)을 따라 습윤된 액체 금속은 배출 오리피스(1516)로부터 분출되는 액체 금속 액적들에 부착되고, 그에 따라 의도된 것보다 큰 액적들을 생성할 수 있다. 따라서, 노즐(1500)은, 추가로 또는 대신에, 하우징(1502)의 외부 표면을 따라(예를 들면, 배출 오리피스(1516)를 규정하는 하우징(1502)의 외부 표면의 부분을 따라) 필름(1520)을 포함할 수 있다. 필름(1520)은, 예를 들어 배출 영역(1516) 내의 원하는 표면들에 대한 액체 금속의 습윤을 제한하는데 유용할 수 있다.
[0185] 필름(1520)은 전극들(1510)에 의해 적어도 부분적으로 규정된 발사 챔버(1512)를 따라 안정하게 지지 가능한 액체 금속에 대해 실질적으로 비습윤성(예를 들면, 약 90도 초과의 습윤각(wetting angle)을 가짐)일 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 발사 챔버(1512)에서 안정하게 지지 가능한 액체 금속은, 발사 챔버(1512) 내로의 전류의 전달에 있어서의 상당한 저하를 초래하는 정도까지 전극들(1510)을 변경시키지 않고, 발사 챔버(1512)를 따라 지지 가능한 액체 금속을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 비제한적인 예로서, 용융된 형태의 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 땜납이 배출 오리피스(1516)를 통한 분출을 위해 유체 챔버(1504) 내에 지지되는 경우들에서, 필름(1520)은 용융된 형태의 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 땜납에 대해 실질적으로 비습윤성일 수 있으며, 전극들(1510)은 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 땜납의 용융 온도보다 높은 용융 온도를 가지고, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 땜납에 대해 실질적으로 화학적으로 불활성인 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 보다 일반적으로, 필름(1520)의 재료의 선택은 전극들(1510)의 재료의 선택과 관련될 수 있는데, 이는 적어도 각각의 재료가 (예를 들면, 하우징(1502)의 외부 표면(1518)을 상당히 습윤시키지 않고 배출 오리피스(1516)를 통해 액체 금속을 분출시키기 위해 발사 챔버에 MHD 힘을 부여하기 위한) 액체 금속의 분출에 대한 노즐(1400)의 적절한 작동을 위한 액체 금속의 존재시에 특정 특성들을 가져야 하기 때문이다.
[0186] 특정 구현예들에서, 목부(1514)는 발사 챔버 내에 안정적으로 지지 가능한 액체 금속에 대해 습윤성일 수 있다. 따라서, 발사 챔버(1504) 내에 안정적으로 지지 가능한 액체 금속은 목부(1514)를 규정하는 하우징(1502)의 재료보다 필름(1520)과 보다 큰 접촉각을 가질 수 있다. 일 예로서, 필름은 목부를 규정하는 하우징(1502)의 부분을 형성하는 재료의 적어도 하나의 성분의 산화물을 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 하우징이 탄탈륨으로 형성되는 경우들에서, 필름은 산화탄탈륨을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 하우징이 강철로 형성되는 경우들에서, 필름은 산화크롬, 또는 강철의 다른 성분들의 산화물들을 포함할 수 있다.
[0187] 따라서, 사용시에, (예를 들면, 전류가 본 명세서에 설명된 방법들 중 어느 하나 또는 그 초과에 따라 발사 챔버(1504)를 통해 펄스화될 때) 액체 금속은 목부(1514)를 습윤시킬 수 있는 한편, 필름(1520)은 비습윤 상태로 유지된다. 목부(1514)를 습윤시키는 것은, 예를 들어 고속들로 액체 금속의 액적들을 정확하게 분사시키는데 유용할 수 있다. 예를 들면, 목부(1514)를 습윤시키는 것은, 액체 금속이 액체 금속의 액적들의 분출 동안에 목부(1514)를 통해 구동될 때, 액적 형성을 방해할 수 있는 환경 가스(예를 들면, 공기, 질소, 아르곤 등)가 목부(1514) 내에 존재할 가능성을 감소시킬 수 있다. 따라서, 일반적으로, 목부(1514)를 습윤시키는 것은 보다 높은 주파수들로 펄스 전류를 펄스화하는 것을 용이하게 할 수 있으며, 이는 액체 금속이 목부에 습윤되지 않는 노즐과 비교하여, 노즐(1400)로부터의 보다 빠른 액적 분출 속도를 용이하게 할 수 있다.
[0188] 필름(1520)은 하우징(1502)의 외부 표면 상에 다양한 상이한 방법들 중 임의의 것을 통해 지지될 수 있다. 특정 경우들에서, 필름은 하우징(1502)의 외부 표면에 도포된 별도의 재료일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 필름(1520)은 하우징(1502)의 외부 표면(1518)과 일체로 형성될 수 있다. 필름(1520)과 하우징(1502)의 그러한 일체 형성은 작동 중에 필름(1520)과 하우징(1502) 사이의 분리의 가능성을 감소시키는데 유용할 수 있다. 추가로 또는 대신에, 필름(1520)은 하우징(1502)의 외부 표면(1518)의 재료를 산화시킴으로써(예를 들면, 탄탈륨 또는 강철을 산화시킴으로써) 하우징(1502)의 외부 표면(1518) 상에 성장될 수 있다. 또 추가로 또는 대신에, 필름(1520)은 화학적 기상 증착(CVD), 물리적 기상 증착(PVD) 및 당업계에 공지된 다른 방법들을 통해 하우징(1502)의 외부 표면(1518) 상에 증착될 수 있다.
[0189] 다른 예로서, 온도 구배들이 다양한 상이한 형태들의 냉각을 통해 전극들에 형성되는 것으로 기술되었지만, 다른 구현예들이 추가적으로 또는 대안적으로 가능하다. 예를 들면, 이제 도 16을 참조하면, 노즐(1600)은 하우징(1602) 및 전극들(1604)을 포함할 수 있다. 하우징(1602)은 유입 영역(1608) 및 배출 영역(1610)을 갖는 유체 챔버(1606)의 적어도 일부분을 규정할 수 있다. 전극들(1604)은 유체 챔버(1606) 내의 발사 챔버(1612)의 적어도 일부분을 규정할 수 있다. 사용시에, 액체 금속(1614)은 유체 챔버(1504) 내에 배치된다. 일반적으로, 액체 금속(1614)과 접촉하는 전극들(1604)의 재료는 동일하거나 실질적으로 동일한 재료로 형성될 수 있으며, 그에 따라 보다 구체적으로는, 액체 금속(1614)과 전극들(1604) 사이의 계면들(1616)은 용융된 형태의 재료일 수 있다. 일반적으로, 노즐(1600)의 작동은, 달리 나타내거나 문맥으로부터 명백해지지 않는 한, 도 1 및 도 2a 내지 도 2d와 관련하여 전술한 노즐(102)의 작동과 유사할 수 있다.
[0190] 하우징(1602)은 전극들(1604)의 각각의 외부 부분들(1620)과 발사 챔버(1612) 사이에 네크 영역들(neck regions)(1618)을 규정할 수 있다. 특히, 네크 영역들(1616)은 발사 챔버(1612) 및 전극들(1604)의 각각의 외부 부분들(1620)과 비교하여, 감소된 단면 구역을 가질 수 있다. 특정 경우들에서, (예를 들면, 전극들(1604)이 금속으로 형성되고, 하우징(1602)이 세라믹 재료로 형성되는 경우들에서) 전극들(1604)의 재료의 열전도율은 하우징(1602)을 형성하는 재료의 열전도율보다 상당히 높을 수 있다. 그러한 경우들에서, 하우징의 네크 영역들(1618)을 따르는 전극들(1604)의 감소된 단면 구역은 각각의 각자 전극(1604)을 따라 실질적인 온도 구배를 확립하는 것을 용이하게 할 수 있다. 그러한 실질적인 온도 구배는, 예를 들어 각각의 전극(1604)과 액체 금속(1614) 사이의 각각의 계면(1616)의 위치를 제어하는데 유용할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전극들(1604)의 감소된 단면 구역은, 그 구역에서의 불균일한 자기장 또는 불균일한 전류 흐름의 가능성으로 인해 유체 와류들이 발사 챔버(1612) 내에 형성되는 기회를 감소시키는 것을 용이하게 할 수 있다.
[0191] 이제 도 17을 참조하며, 노즐(1700)은 하우징(1702) 및 전극들(1704)을 포함할 수 있다. 하우징(1702)은 유체 챔버(1706)의 적어도 일부분을 규정할 수 있고, 전극들(1704)은 유체 챔버(1706) 내의 발사 챔버(1708)의 적어도 일부분을 규정할 수 있다. 하우징(1702)은 감소된 단면 구역을 갖는 네크 영역들(1710)을 포함할 수 있다. 네크 영역들(1710)의 감소된 단면 구역은 발사 챔버(1708)를 통해 연장될 수 있다. 하우징(1702)의 단면 구역은, 예를 들어 네크 영역들(1710)을 따르는 것을 포함하여, 전극들(1704)의 단면을 따를 수 있다. 도 16의 노즐(1600)과 비교하여, 노즐(1700)은 보다 짧은 길이를 갖는 유체 챔버(1706)의 형성을 용이하게 할 수 있으며, 이는 유리하게는 유체 챔버(1706)와 연관된 공진 주파수를 증가시킬 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 보다 일반적으로, 노즐(1700)은 보다 짧은 유체 챔버들을 형성하는 것을 용이하게 할 수 있고, 따라서 공진 주파수를 여기시키지 않고 보다 높은 주파수들로의 액체 금속의 분출을 용이하게 할 수 있다.
[0192] 이제 도 18을 참조하면, 노즐(1800)은 하우징(1802) 및 전극들(1804)을 포함할 수 있다. 하우징(1802)은 유체 챔버(1806)의 적어도 일부분을 규정할 수 있고, 전극들(1804)은 유체 챔버(1806) 내의 발사 챔버(1808)의 적어도 일부분을 규정할 수 있다. 하우징(1802)은 네크 부분들(1810)을 포함할 수 있다. 전극들(1804), 네크 부분들(1810) 및 발사 챔버(1808)의 각각의 최대 높이들은 각각 서로 상이할 수 있다.
[0193] 상기 시스템들, 장치들, 방법들, 공정들 등은 특정 응용에 적합한 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 실현될 수 있다. 하드웨어는 범용 컴퓨터 및/또는 전용 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있다. 이것은, 내부 및/또는 외부 메모리와 함께, 하나 또는 그 초과의 마이크로프로세서들, 마이크로제어기들, 내장형 마이크로제어기들, 프로그램 가능한 디지털 신호 프로세서들 또는 다른 프로그램 가능한 장치들 또는 처리 회로로의 실현을 포함할 수 있다. 이것은, 추가로 또는 대신에, 하나 또는 그 초과의 주문형 집적 회로들, 프로그램 가능한 게이트 어레이들, 프로그램 가능한 어레이 로직 구성요소들, 또는 전자 신호들을 처리하도록 구성될 수 있는 임의의 다른 장치 또는 장치들을 포함할 수 있다. 또한, 전술한 공정들 또는 장치들의 실현은 C와 같은 구조화된 프로그래밍 언어, C++과 같은 객체 지향 프로그래밍 언어, 또는 프로세서들, 프로세서 아키텍처들, 또는 상이한 하드웨어 및 소프트웨어의 조합들의 다른 유형의 조합의 이기종 조합들(heterogeneous combinations)뿐만 아니라, 상기 장치들 중 하나에서 작동하도록 저장, 컴파일 또는 해석될 수 있는 임의의 다른 고레벨 또는 저레벨 프로그래밍 언어(어셈블리 언어들, 하드웨어 기술 언어들 및 데이터베이스 프로그래밍 언어들 및 기술들을 포함함)를 사용하여 생성된 컴퓨터-실행 가능한 코드를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 다른 양태에서, 방법들은 그 단계들을 수행하는 시스템들에서 구체화될 수 있으며, 다수의 방식들로 장치들에 걸쳐 분산될 수 있다. 동시에, 처리는 전술한 다양한 시스템들과 같은 장치들에 걸쳐 분산될 수 있거나, 모든 기능이 전용의 독립형 장치 또는 다른 하드웨어에 통합될 수 있다. 다른 양태에서, 전술한 공정들과 연관된 단계들을 수행하기 위한 수단은 전술한 하드웨어 및/또는 소프트웨어 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 그러한 모든 치환들 및 조합들은 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
[0194] 본 명세서에 개시된 실시예들은 하나 또는 그 초과의 컴퓨팅 장치들에서 실행될 때 그것의 임의의 단계들 및/또는 모든 단계들을 수행하는 컴퓨터-실행 가능한 코드 또는 컴퓨터-사용 가능한 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품들을 포함할 수 있다. 코드는 프로그램을 실행하는 메모리(예컨대, 프로세서와 연관된 랜덤 액세스 메모리), 또는 디스크 드라이브, 플래시 메모리 또는 임의의 다른 광학, 전자기, 자기, 적외선 또는 다른 장치 또는 장치들의 조합과 같은 저장 장치일 수 있는 컴퓨터 메모리에 비일시적인 방식으로 저장될 수 있다. 다른 양태에서, 전술한 시스템들 및 방법들 중 임의의 것은 컴퓨터-실행 가능한 코드 및/또는 그로부터의 임의의 입력들 또는 출력들을 운반하는 임의의 적합한 전송 또는 전파 매체로 구체화될 수 있다.
[0195] 본 명세서에 설명된 구현예들의 방법 단계들은, 상이한 의미가 명시적으로 제공되거나 달리 문맥으로부터 명백하지 않는 한, 하기의 청구범위의 특허성과 일치하여, 그러한 방법 단계들이 수행되게 하는 임의의 적합한 방법을 포함하도록 의도된다. 그래서, 예를 들어 X의 단계를 수행하는 것은 원격 사용자, 원격 처리 리소스(예를 들면, 서버 또는 클라우드 컴퓨터) 또는 기계와 같은 다른 당사자가 X의 단계를 수행하게 하는 임의의 적합한 방법을 포함한다. 유사하게는, X, Y 및 Z 단계들을 수행하는 것은, 그러한 단계들의 이익을 얻기 위해 X, Y 및 Z 단계들을 수행하도록 그러한 다른 개인들 또는 리소스들의 임의의 조합들을 지시 또는 제어하는 임의의 방법을 포함할 수 있다. 따라서, 본 명세서에 설명된 구현예들의 방법 단계들은, 상이한 의미가 명시적으로 제공되거나 달리 문맥으로부터 명백하지 않는 한, 하기의 청구범위의 특허성과 일치하여, 하나 또는 그 초과의 당사자들 또는 엔티티들(entities)이 단계들을 수행하게 하는 임의의 적합한 방법을 포함하도록 의도된다. 그러한 당사자들 또는 엔티티들은 임의의 다른 당사자 또는 엔티티의 지시 또는 제어 하에 있을 필요는 없고, 특정 관할구역(jurisdiction) 내에 위치될 필요는 없다.
[0196] 전술한 방법들 및 시스템들은 제한이 아니라 예로서 기재되어 있다는 것이 이해될 것이다. 많은 변경들, 추가들, 생략들 및 다른 변형들이 당업자에게 자명할 것이다. 반대되는 명시적인 표시가 없으면, 개시된 단계들은 본 개시의 범위를 벗어남이 없이 변경, 보충, 생략 및/또는 재배열될 수 있다. 또한, 상기의 설명 및 도면들에 있어서의 방법 단계들의 순서 또는 제시는, 특정 순서가 명시적으로 요구되거나 달리 문맥에서 명확하지 않는 한, 열거된 단계들을 수행하는 이러한 순서를 요구하는 것으로 의도되지 않는다. 따라서, 특정 실시예들이 도시 및 설명되었지만, 당업자에게는, 형태 및 상세사항들에 있어서의 다양한 변경들 및 변형들이, 본 개시의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에서 이루어질 수 있고, 법률에 의해 허용 가능한 가장 넓은 의미로 해석되어야 하는 하기의 청구범위에 의해 규정되는 바와 같은 본 발명의 일부를 형성하는 것으로 의도된다는 것이 자명할 것이다.
Claims (188)
- 액체 금속을 분사하기 위한 노즐(nozzle)로서,
유입 영역(inlet region)과 배출 영역(discharge region)을 갖는 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징(housing);
상기 하우징에 대해 배치된 하나 또는 그 초과의 자석들(magnets) ― 상기 자석의 자기장은 상기 하우징을 통해 지향됨 ―; 및
상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버(firing chamber)의 적어도 일부분을 규정하는 전극들(electrodes)을 포함하며, 전류는 적어도 상기 배출 영역의 배출 오리피스(discharge orifice)에 실질적으로 인접한 지점에 있는 상기 발사 챔버 내로 상기 전극들로부터 전도 가능하고, 상기 전류는 상기 배출 오리피스에 실질적으로 인접한 상기 지점에 있는 상기 발사 챔버에서 상기 자기장과 교차하여 상기 배출 오리피스로부터 액체 금속을 분출시키는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제1 항에 있어서,
상기 발사 챔버와 상기 배출 오리피스 사이의 상기 유체 챔버의 체적은 상기 유체 챔버의 전체 체적의 약 10 %보다 작은,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제1 항에 있어서,
상기 발사 챔버의 체적은 상기 유체 챔버의 전체 체적의 약 50 %보다 큰,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제1 항에 있어서,
상기 유체 챔버는 약 2 ㎜ 초과 및 약 2 ㎝ 미만의 축방향 길이를 갖는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제1 항에 있어서,
상기 전극들 중 적어도 하나는 상기 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 상기 하우징의 부분과 일체로 형성되어, 상기 적어도 하나의 전극, 및 상기 유체 챔버의 적어도 하나를 규정하는 상기 하우징의 부분이 동일한 재료로 형성되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제5 항에 있어서,
상기 전극들 중 적어도 하나는 적어도 상기 유체 챔버의 배출 영역을 규정하는 상기 하우징의 부분과 일체로 형성되어, 상기 적어도 하나의 전극, 및 상기 배출 영역을 규정하는 상기 하우징의 부분이 동일한 재료로 형성되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제1 항에 있어서,
상기 하우징은 전기 전도성 재료의 로드(rod)이고, 전류는 상기 로드의 축방향 치수에 평행한 축을 따라 상기 전극들 사이에서 전도 가능한,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제1 항에 있어서,
상기 발사 챔버는 상기 유입 영역으로부터 상기 배출 영역을 향하는 액체 금속의 이동 방향에 수직인 평면에서 실질적으로 직사각형 단면을 포함하고, 상기 전극들로부터의 전류는 상기 실질적으로 직사각형 단면을 따라 액체 금속 내로 전도 가능한,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제1 항에 있어서,
상기 유체 챔버를 따라 배치되고 상기 배출 영역으로부터 이격된 필터(filter)를 더 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제1 항에 있어서,
상기 전극들 중 적어도 하나는 탄탈륨, 니오븀, 또는 이들의 조합으로 형성되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 적층 가공 시스템(additive manufacturing system)으로서,
하우징, 하나 또는 그 초과의 자석들 및 전극들을 포함하는 노즐 ― 상기 노즐은 유입 영역 및 배출 영역을 갖는 유체 챔버를 규정하고, 상기 하나 또는 그 초과의 자석들은 상기 하우징을 통해 자기장을 지향시키고, 상기 전극들은 상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하고, 전류는 상기 전극들로부터 전도 가능하여, 상기 전류는 상기 배출 영역의 배출 오리피스에 실질적으로 인접한 지점에 있는 상기 발사 챔버에서 상기 자기장과 교차함 ―;
상기 노즐에 기계적으로 결합된 로봇 시스템;
상기 전극들과 전기적으로 연통하는 전원(electrical power source); 및
상기 로봇 시스템 및 상기 전원과 전기적으로 연통하는 제어기(controller)를 포함하며, 상기 제어기는,
상기 로봇 시스템을 이동시켜 상기 노즐의 배출 영역을 제어된 3차원 패턴으로 위치시키도록, 그리고
상기 제어된 3차원 패턴을 따르는 상기 배출 영역의 위치에 기초하여, 상기 전원을 작동하여 상기 전극들에 펄스 전류(pulsed current)를 전달해서 상기 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시켜 3차원 물체를 형성하도록 구성되는,
적층 가공 시스템. - 제11 항에 있어서,
상기 펄스 전류의 주파수는 상기 배출 영역의 최대 이동 속도에서 약 5 kHz보다 낮은,
적층 가공 시스템. - 제11 항에 있어서,
상기 펄스 전류는 상기 노즐의 이동 속도에 기초한 주파수를 갖는,
적층 가공 시스템. - 제11 항에 있어서,
상기 펄스 전류는 상기 3차원 패턴의 하나 또는 그 초과의 특징부들에 기초한 주파수를 갖는,
적층 가공 시스템. - 적층 가공 방법으로서,
하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 상기 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가짐 ―;
상기 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 단계;
상기 배출 영역을 제어된 3차원 패턴으로 이동시키는 단계; 및
상기 제어된 3차원 패턴을 따르는 상기 배출 영역의 위치에 기초하여, 상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 펄스 전류를 전도하는 단계를 포함하며, 상기 펄스 전류는 상기 유체 챔버 내의 액체 금속의 공진 주파수보다 낮은 주파수이며, 상기 펄스 전류는 상기 발사 챔버에서 상기 자기장과 교차하는 방향이어서, 전류의 맥동(pulsation)이 상기 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시켜 3차원 물체를 형성하는,
적층 가공 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 펄스 전류는 상기 배출 영역에 실질적으로 인접한 상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전도되는,
적층 가공 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 유체 챔버 내의 액체 금속의 공진 주파수는 약 10 kHz보다 높은,
적층 가공 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 발사 챔버의 체적은 상기 유체 챔버의 체적의 약 50 %보다 큰,
적층 가공 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 액체 금속의 전기 저항률(electrical resistivity)은 상기 발사 챔버를 규정하는 재료의 전기 저항률과 실질적으로 유사한,
적층 가공 방법. - 액체 금속을 분사하기 위한 노즐로서,
유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징 ― 상기 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가짐 ―;
상기 하우징 상에 지지된 하나 또는 그 초과의 자석들 ― 상기 자석의 자기장은 상기 하우징을 통해 지향됨 ―; 및
상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들을 포함하며, 전류는 상기 발사 챔버에서 상기 자기장과 교차하는 방향으로 상기 전극들로부터 상기 발사 챔버 내로 전도 가능하고, 상기 유체 챔버의 배출 영역을 규정하는 상기 하우징의 부분은 세라믹 재료로 형성되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제20 항에 있어서,
상기 세라믹 재료는 알루미나, 사파이어, 루비, 질화알루미늄, 탄화알루미늄, 질화규소, 사이알론들 및 탄화붕소 중 하나 또는 그 초과를 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제20 항에 있어서,
상기 배출 영역으로부터 떨어진 상기 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 상기 하우징의 부분은 금속으로 형성되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제20 항에 있어서,
상기 배출 영역으로부터 떨어진 상기 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 상기 하우징의 부분은 세라믹 재료로 형성되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제20 항에 있어서,
상기 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 상기 전극들은 금속으로 형성되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제20 항에 있어서,
상기 전극들 중 적어도 하나는 상기 배출 영역으로부터 떨어진 상기 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 상기 하우징의 부분과 일체로 형성되어, 상기 적어도 하나의 전극, 및 상기 배출 영역으로부터 떨어진 상기 유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 상기 하우징의 부분이 동일한 재료로 형성되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제20 항에 있어서,
상기 발사 챔버는 상기 배출 영역의 배출 오리피스에 실질적으로 인접한,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제20 항에 있어서,
상기 발사 챔버의 체적은 상기 유체 챔버의 전체 체적의 약 50 %보다 큰,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제20 항에 있어서,
상기 전극들은 상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버의 적어도 일부분을 따라 배치된 라이닝(lining)을 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제28 항에 있어서,
상기 라이닝은 상기 유체 챔버를 규정하는 상기 하우징의 재료 상에 도금되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제28 항에 있어서,
상기 라이닝이 배치되는 하우징의 재료는 질화티타늄, 티타늄 알루미늄 질화물, 탄화티타늄, 알루미나, 티타늄 및 탄질화물 중 하나 또는 그 초과를 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제20 항에 있어서,
상기 발사 챔버와 열적으로 연통하는 적어도 하나의 히터를 더 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제31 항에 있어서,
상기 히터는 상기 발사 챔버의 적어도 일부분 주위에 배치된 유도 코일을 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제20 항에 있어서,
상기 전극들은 제1 재료로 형성되고, 상기 하우징은 제2 재료로 형성되며, 상기 제2 재료는 상기 제1 재료보다 높은 용융 온도를 갖는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제20 항에 있어서,
상기 전극들은 탄탈륨, 니오븀, 또는 이들의 조합으로 형성되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 적층 가공 방법으로서,
유입 영역 및 배출 영역을 갖는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 상기 유체 챔버는 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정됨 ―;
상기 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 단계;
상기 배출 영역을 제어된 패턴으로 이동시키는 단계; 및
상기 제어된 패턴을 따르는 상기 배출 영역의 위치에 기초하여, 상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들을 통해 전류를 전도하는 단계를 포함하며, 상기 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 상기 전극들은 상기 발사 챔버를 통해 이동하는 상기 액체 금속의 전기 저항률과 실질적으로 동일한 전기 저항률을 갖고, 상기 배출 영역을 규정하는 상기 하우징의 부분은 상기 배출 영역을 통해 이동하는 상기 액체 금속의 전기 저항률보다 실질적으로 큰 전기 저항률을 가지며, 상기 전극들을 통해 전도된 전류는 상기 발사 챔버에서 상기 자기장과 교차하는 방향을 따라 상기 액체 금속 내로 전도되어 상기 배출 영역으로부터 상기 액체 금속의 적어도 일부분을 분출시키는,
적층 가공 방법. - 액체 금속을 분사하기 위한 노즐로서,
유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징 ― 상기 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가지며, 상기 배출 영역은 배출 오리피스에 인접한 목부(throat)를 가짐 ―;
상기 하우징에 대해 배치된 하나 또는 그 초과의 자석들 ― 상기 자석의 자기장은 상기 하우징을 통해 지향됨 ―; 및
상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들을 포함하며, 상기 배출 오리피스에 인접한 상기 하우징의 외부 표면은 상기 전극들에 의해 규정된 상기 발사 챔버의 적어도 일부분에서 안정하게 지지 가능한 액체 금속에 대해 실질적으로 비습윤성(non-wetting)인 필름을 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제36 항에 있어서,
상기 발사 챔버에서 안정하게 지지 가능한 액체 금속과 상기 필름 사이의 접촉각은 약 90°보다 큰,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제36 항에 있어서,
상기 목부를 규정하는 상기 하우징의 재료는 상기 발사 챔버에서 안정하게 지지 가능한 액체 금속에 대해 습윤성인,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제38 항에 있어서,
상기 발사 챔버에서 안정하게 지지 가능한 액체 금속은 상기 목부를 규정하는 상기 하우징의 재료보다 상기 필름과 큰 접촉각을 갖는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제38 항에 있어서,
상기 목부는 실질적으로 원통형이고, 상기 목부의 직경은 상기 배출 오리피스의 직경과 실질적으로 동일한,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제36 항에 있어서,
상기 필름은 상기 배출 오리피스에 인접한 상기 하우징의 부분과 일체로 형성되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제36 항에 있어서,
상기 필름은 상기 목부를 규정하는 상기 하우징의 부분을 형성하는 재료의 산화물을 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제36 항에 있어서,
상기 필름은 산화탄탈륨 및 산화크롬 중 하나 또는 그 초과를 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제36 항에 있어서,
상기 필름은 알루미늄, 알루미늄 합금 및 땜납 중 하나 또는 그 초과에 대해 비습윤성인,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제36 항에 있어서,
상기 전극들 중 적어도 하나는 상기 전극들 중 적어도 하나에 인접한 상기 하우징의 부분과 일체로 형성되어, 상기 전극들 중 적어도 하나 및 상기 하우징의 부분이 동일한 재료로 형성되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제36 항에 있어서,
상기 하나 또는 그 초과의 자석들은 상기 자기장이 상기 발사 챔버를 통해 지향되도록 배열되고, 상기 전극들은 상기 전극들로부터 상기 발사 챔버 내로 전도된 전류가 상기 발사 챔버에서 상기 자기장과 교차하도록 배열되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 적층 가공 방법으로서,
유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 상기 유체 챔버는 유입 오리피스 및 배출 오리피스를 갖고, 상기 유체 챔버는 배출 오리피스에 인접한 목부를 가지며, 상기 유체 챔버는 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정됨 ―;
상기 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 단계; 및
상기 유체 챔버 내의 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 펄스화하는 단계를 포함하며, 펄스 전류는 상기 발사 챔버에서 상기 자기장과 교차하여 상기 배출 오리피스로부터 상기 액체 금속을 분출시키고, 상기 액체 금속 내로의 전류의 맥동들 동안, 상기 목부는 상기 액체 금속에 의해 습윤되고, 상기 배출 오리피스를 규정하는 상기 하우징의 외부 표면은 상기 액체 금속에 의해 실질적으로 비습윤되는,
적층 가공 방법. - 제47 항에 있어서,
상기 배출 오리피스를 규정하는 상기 하우징의 외부 표면은 상기 목부를 규정하는 상기 하우징의 재료의 산화물의 필름을 포함하는,
적층 가공 방법. - 제48 항에 있어서,
상기 필름은 산화탄탈륨 및 산화크롬 중 하나 또는 그 초과를 포함하는,
적층 가공 방법. - 제47 항에 있어서,
상기 액체 금속과 상기 배출 오리피스를 규정하는 상기 하우징의 외부 표면 사이의 접촉각은 상기 액체 금속과 상기 목부를 규정하는 상기 하우징의 재료 사이의 접촉각보다 큰,
적층 가공 방법. - 제50 항에 있어서,
상기 액체 금속과 상기 배출 오리피스를 규정하는 상기 하우징의 외부 표면 사이의 접촉각은 약 90°보다 큰,
적층 가공 방법. - 제47 항에 있어서,
상기 액체 금속은 알루미늄, 알루미늄 합금 및 땜납 중 하나 또는 그 초과를 포함하는,
적층 가공 방법. - 제47 항에 있어서,
상기 펄스 전류는 약 10 kHz 미만의 최대 주파수를 갖는,
적층 가공 방법. - 제47 항에 있어서,
3차원 물체를 형성하기 위해 빌드(build) 표면에 대해 제어된 3차원 패턴으로 상기 하우징을 이동시키는 단계를 더 포함하는,
적층 가공 방법. - 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 상기 유체 챔버는 유입 영역과 배출 영역을 가짐 ―;
상기 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 단계; 및
상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제1 전류를 전달하는 단계를 포함하며, 상기 제1 전류는 상기 액체 금속에서 상기 자기장과 교차하여 상기 배출 영역에 부착된 메니스커스(meniscus)에 맥동력(pulsating force)을 가하는 변동 전류를 포함하며, 상기 배출 영역에 부착된 상기 액체 금속에 대한 맥동력은 상기 배출 영역에 부착된 상기 메니스커스를 바운싱시키는(bouncing),
방법. - 제55 항에 있어서,
상기 배출 영역은 배출 오리피스 및 목부를 포함하며, 상기 메니스커스는 상기 목부 및 상기 배출 오리피스 중 하나 또는 그 초과에 부착되는,
방법. - 제55 항에 있어서,
상기 메니스커스에 가해진 상기 맥동력은 상기 메니스커스 상에 형성된 금속 산화물 층을 파괴시키기에 충분한 크기를 가지며, 상기 금속 산화물 층은 상기 액체 금속의 금속 산화물을 포함하는,
방법. - 제55 항에 있어서,
상기 하우징 내의 액체 금속 내로의 상기 제1 전류의 전달의 지속기간에 적어도 부분적으로 기초하여, 상기 배출 영역을 통해 상기 액체 금속을 분출시키는 단계를 더 포함하는,
방법. - 제58 항에 있어서,
상기 액체 금속은 미리정해진 시간 기간 동안 상기 배출 영역으로부터 분출되는,
방법. - 제55 항에 있어서,
상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제2 전류를 전달하는 단계를 더 포함하며, 상기 제2 전류는 상기 액체 금속에서 상기 자기장과 교차하여 상기 액체 금속을 상기 배출 영역을 통해 분출시켜서 물체를 형성하는,
방법. - 제60 항에 있어서,
상기 제2 전류는 상기 제1 전류의 펄스 전류와 상이한 펄스 전류를 포함하는,
방법. - 제60 항에 있어서,
물체의 제작에 대응하는 제어된 패턴을 따라 상기 배출 영역을 이동시키는 단계를 더 포함하며, 상기 액체 금속 내로 제2 전류를 전달하는 단계는 상기 제어된 패턴을 따르는 상기 배출 영역의 위치에 기초하는,
방법. - 제62 항에 있어서,
상기 제어된 패턴은 3차원 패턴을 포함하는,
방법. - 제62 항에 있어서,
상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제2 전류를 전달하는 단계는 상기 제어된 패턴을 따르는 상기 배출 영역의 위치에 적어도 부분적으로 기초하여 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 전환하는 단계를 포함하는,
방법. - 제조 시스템으로서,
하우징, 자석 및 전극들을 포함하는 노즐 ― 상기 하우징은 유입 영역 및 배출 영역을 갖는 유체 챔버를 적어도 부분적으로 규정하고, 상기 자석은 상기 하우징에 대해 배치되고 상기 자석의 자기장은 상기 유체 챔버를 통해 연장되며, 상기 전극들은 상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하고, 상기 전극들은 상기 전극들로부터의 전류가 상기 발사 챔버에서 상기 자기장과 교차하도록 상기 자석에 대해 위치됨 ―;
상기 노즐에 기계적으로 결합되고, 상기 배출 영역을 위치시키도록 이동 가능한 로봇 시스템;
상기 노즐의 전극들과 전기적으로 연통하는 전원; 및
상기 로봇 시스템 및 상기 전원과 전기적으로 연통하는 제어기를 포함하며,
상기 제어기는,
상기 로봇 시스템을 이동시켜 물체의 제작에 대응하는 이동의 제어된 패턴을 따라 상기 배출 영역을 위치시키도록,
상기 전극들을 통해 상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제1 전류를 전달하도록 ― 상기 제1 전류는 상기 발사 챔버 내의 액체 금속에서 상기 자기장과 교차하여 상기 배출 영역에 부착된 상기 액체 금속의 메니스커스에 맥동력을 생성하는 펄스 전류를 포함함 ―, 그리고
상기 배출 영역의 이동의 제어된 패턴을 따라, 상기 전극들을 통해 상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제2 전류를 전달하도록 ― 상기 제2 전류는 상기 액체 금속에서 상기 자기장과 교차하여 상기 액체 금속을 상기 배출 영역을 통해 분출시켜서 물체를 형성함 - 구성되는,
제조 시스템. - 제65 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 전극들을 통해 상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 제3 전류를 전달하도록 더 구성되고, 상기 제3 전류는 상기 액체 금속에서 상기 자기장과 교차하여 상기 제어된 패턴으로부터 떨어진 상기 배출 영역의 위치에서 상기 액체 금속을 상기 배출 영역을 통해 분출시키는,
제조 시스템. - 제66 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 상기 제1 전류의 전달의 지속기간에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 제3 전류를 전달하도록 구성되는,
제조 시스템. - 제66 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 제1 전류의 전달로부터 상기 제2 전류의 전달로의 전환 사이에 상기 제3 전류를 전달하도록 구성되는,
제조 시스템. - 제66 항에 있어서,
상기 제어기는 미리정해진 시간 기간 동안 상기 제3 전류를 전달하도록 구성되는,
제조 시스템. - 제66 항에 있어서,
상기 제어된 패턴은 3차원 패턴을 포함하는,
제조 시스템. - 적층 가공 방법으로서,
하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 상기 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가짐 ―;
상기 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 단계;
상기 배출 영역을 제어된 3차원 패턴으로 이동시키는 단계; 및
상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내에 발사 챔버를 적어도 부분적으로 규정하는 전극들 사이에서 전류를 전달하는 단계 ― 상기 전류는 상기 발사 챔버 내의 액체 금속에서 상기 자기장과 교차하여 상기 액체 금속을 상기 배출 영역으로부터 분출시킴 ―; 및
상기 제어된 3차원 패턴을 따르는 상기 배출 영역의 위치에 기초하여, 빌드 플레이트 상에 또는 이전에 증착된 금속 층 상에 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성(porosity)을 제어하는 단계를 포함하는,
적층 가공 방법. - 제71 항에 있어서,
상기 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 단계는 상기 축적물에서 지지 구조체와 3차원 물체 사이의 계면을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 지지 구조체 및 상기 3차원 물체는 상기 계면보다 낮은 다공성을 갖는,
적층 가공 방법. - 제72 항에 있어서,
상기 계면, 상기 지지 구조체 및 상기 3차원 물체는 동일한 재료로 형성되는,
적층 가공 방법. - 제72 항에 있어서,
상기 계면은 상기 3차원 물체에 비해 취약한,
적층 가공 방법. - 제74 항에 있어서,
상기 계면에 대한 압축력 및 전단력 중 하나 또는 그 초과의 인가를 통해 상기 지지 구조체로부터 상기 3차원 물체를 분리하는 단계를 더 포함하는,
적층 가공 방법. - 제71 항에 있어서,
상기 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 단계는 상기 배출 영역으로부터 분출되는 상기 액체 금속의 속도를 변화시키는 단계를 포함하는,
적층 가공 방법. - 제76 항에 있어서,
상기 배출 영역으로부터 분출되는 상기 액체 금속의 속도를 변화시키는 단계는 상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전달되는 상기 전류의 크기를 변화시키는 단계를 포함하는,
적층 가공 방법. - 제76 항에 있어서,
상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 전달하는 단계는 상기 전류를 펄스화하는 단계를 포함하는,
적층 가공 방법. - 제76 항에 있어서,
상기 배출 영역으로부터 분출되는 상기 액체 금속의 속도를 변화시키는 단계는 상기 전류의 펄스의 크기 및 지속기간 중 적어도 하나를 변화시키는 단계를 포함하는,
적층 가공 방법. - 제71 항에 있어서,
상기 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 단계는 상기 배출 영역으로부터 분출되는 상기 액체 금속의 온도를 변화시키는 단계를 포함하는,
적층 가공 방법. - 제80 항에 있어서,
상기 배출 영역으로부터 분출되는 상기 액체 금속의 온도를 변화시키는 단계는 상기 빌드 플레이트 상의 또는 이전에 증착된 금속 층 상의 상기 분출된 액체 금속의 축적물의 미리정해진 부분의 다공성을 증가시키기 위해 상기 분출된 액체 금속의 온도를 감소시키는 단계를 포함하는,
적층 가공 방법. - 비일시적인 컴퓨터 판독 가능한 매체에서 구체화된 비일시적인 컴퓨터 실행 가능한 코드를 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
상기 코드는, 하나 또는 그 초과의 프로세서들 상에서 실행될 때,
하우징의 배출 영역을 제어된 3차원 패턴으로 이동시키는 단계;
전극들에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 전달하는 단계 ― 전달된 전류는 상기 발사 챔버 내의 액체 금속에서 자기장과 교차하여 상기 발사 챔버와 유체 연통하는 상기 배출 영역으로부터 상기 액체 금속을 분출시킴 ―; 및
상기 제어된 3차원 패턴을 따르는 상기 배출 영역의 위치에 기초하여, 기판 상에 또는 이전에 증착된 금속 층 상에 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 단계를 수행하는,
컴퓨터 프로그램 제품. - 제82 항에 있어서,
상기 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 단계는 상기 배출 영역으로부터 분출되는 상기 액체 금속의 속도를 변화시키는 단계를 포함하는,
컴퓨터 프로그램 제품. - 제83 항에 있어서,
상기 배출 영역으로부터 분출되는 상기 액체 금속의 속도를 변화시키는 단계는 상기 전류의 크기를 변화시키는 단계를 포함하는,
컴퓨터 프로그램 제품. - 제83 항에 있어서,
상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 전달하는 단계는 상기 전류를 펄스화하는 단계를 포함하는,
컴퓨터 프로그램 제품. - 제85 항에 있어서,
상기 배출 영역으로부터 분출되는 상기 액체 금속의 속도를 변화시키는 단계는 상기 전류의 펄스의 크기 및 지속기간 중 적어도 하나를 변화시키는 단계를 포함하는,
컴퓨터 프로그램 제품. - 제82 항에 있어서,
상기 분출된 액체 금속의 축적물의 하나 또는 그 초과의 미리정해진 부분들의 다공성을 제어하는 단계는 상기 배출 영역으로부터 분출되는 상기 액체 금속의 온도를 변화시키는 단계를 포함하는,
컴퓨터 프로그램 제품. - 제87 항에 있어서,
상기 배출 영역으로부터 분출되는 상기 액체 금속의 온도를 변화시키는 단계는 상기 기판 상의 또는 이전에 증착된 금속 층 상의 상기 분출된 액체 금속의 축적물의 미리정해진 부분의 다공성을 증가시키기 위해 상기 분출된 액체 금속의 온도를 감소시키는 단계를 포함하는,
컴퓨터 프로그램 제품. - 액체 금속을 분사하기 위한 노즐로서,
유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징 ― 상기 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가짐 ―;
상기 하우징에 대해 배치된 하나 또는 그 초과의 자석들 ― 상기 자석의 자기장은 상기 하우징을 통해 연장됨 ―;
상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들 ― 상기 전극들 사이에서 전도된 전류는 상기 발사 챔버 내의 액체 금속에서 상기 자기장과 교차하여 상기 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시킴 ―; 및
하나 또는 그 초과의 자석들 중 적어도 하나와 상기 하우징 사이에 배치된 단열 층(thermal insulation layer) ― 상기 단열 층은 상기 단열 층이 장착되는 상기 하우징의 부분의 열전도율보다 작은 열전도율을 가짐 ―을 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제89 항에 있어서,
상기 하우징은 상기 전류가 상기 전극들 사이에서 전도되는 방향보다 상기 자기장이 상기 하우징을 통해 연장되는 방향을 따라 더 얇은,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제89 항에 있어서,
상기 하나 또는 그 초과의 자석들은 상기 발사 챔버로부터 약 2 ㎜ 미만에 있는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제89 항에 있어서,
상기 단열 층은 두께가 약 0.8 ㎜ 내지 약 1.2 ㎜인,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제89 항에 있어서,
상기 단열 층은 실리카 세라믹 및 알루미나-실리카 세라믹 중 하나 또는 그 초과를 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제89 항에 있어서,
상기 단열 층은 상기 자석에 의해 상기 하우징에 가해진 자기력에 의해 제 위치에 유지되는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제89 항에 있어서,
상기 단열 층은 약 0.015 W/m-K 초과 및 약 0.1 W/m-K 미만의 열전도율을 갖는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제89 항에 있어서,
상기 하나 또는 그 초과의 자석들은 상기 하우징으로부터 이격된 히트 싱크(heat sink)와 열적으로 연통하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제96 항에 있어서,
상기 히트 싱크는 상기 하나 또는 그 초과의 자석들로부터 멀리 열을 운반하기 위해 상기 히트 싱크를 통해 이동 가능한 냉각 유체를 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제96 항에 있어서,
상기 하나 또는 그 초과의 자석으로부터 멀리 열을 운반하기 위해 상기 히트 싱크에 지향된 팬(fan)을 더 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 제89 항에 있어서,
상기 하나 또는 그 초과의 자석들은 고정된 자석 및 전자석 중 하나 또는 그 초과를 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 노즐. - 적층 가공 방법으로서,
하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 상기 유체 챔버는 유입 영역과 배출 영역을 가짐 ―;
단열 층을 통해 상기 하우징에 결합된 적어도 하나의 자석의 자기장 강도의 손실과 연관된 온도보다 높은 온도로 상기 액체 금속을 가열하는 단계;
상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버를 규정하는 전극들 사이에서 가열된 액체 금속 내로 전류를 전달하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 자석으로부터 상기 발사 챔버 내의 가열된 액체 금속 내로 자기장을 지향시키는 단계 ― 상기 자기장은 상기 발사 챔버에서 상기 전류와 교차하여 상기 배출 영역으로부터 상기 액체 금속을 분출시킴 ―를 포함하는,
적층 가공 방법. - 제100 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 자석은 상기 발사 챔버로부터 약 2 ㎜ 미만에 있는,
적층 가공 방법. - 제100 항에 있어서,
상기 단열 층은 상기 적어도 하나의 자석과 상기 하우징 사이의 자기력을 통해 제 위치에 유지되는,
적층 가공 방법. - 제100 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 자석을 냉각시키는 단계를 더 포함하는,
적층 가공 방법. - 제103 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 자석을 냉각하는 단계는 상기 적어도 하나의 자석과 열적으로 연통하고 상기 하우징으로부터 이격된 히트 싱크를 통해 상기 적어도 하나의 자석으로부터 열을 제거하는 단계를 포함하는,
적층 가공 방법. - 제104 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 자석으로부터 열을 제거하는 단계는 냉각 유체를 상기 히트 싱크를 통해 이동시키는 단계를 포함하는,
적층 가공 방법. - 제104 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 자석으로부터 열을 제거하는 단계는 강제 대류 냉각을 위해 상기 히트 싱크 위로 공기를 강제하는 단계를 포함하는, 적층 가공 방법. - 제100 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 자석은 고정된 자석 및 전자석 중 하나 또는 그 초과를 포함하는,
적층 가공 방법. - 제100 항에 있어서,
상기 하우징은 상기 전류의 방향을 따라서보다 상기 자기장의 축에 평행한 방향으로 더 얇은,
적층 가공 방법. - 적층 가공 방법으로서,
하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 상기 유체 챔버는 유입 영역과 배출 영역을 가짐 ―;
상기 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 단계;
상기 배출 영역을 제어된 패턴으로 이동시키는 단계; 및
상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들 사이에서 전류를 전달하는 단계 ― 상기 전류는 상기 발사 챔버 내의 액체 금속에서 상기 자기장과 교차하여 상기 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시킴 ―; 및
상기 제어된 패턴을 따르는 상기 배출 영역의 위치에 기초하여, 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 전류를 제어하여 물체를 형성하는 단계를 포함하는,
적층 가공 방법. - 제109 항에 있어서,
상기 제어된 패턴은 3차원 패턴이고, 상기 물체는 3차원 물체인,
적층 가공 방법. - 제109 항에 있어서,
상기 전류는 형성되는 물체의 경계를 따라 펄스 전류가 되도록 제어되는,
적층 가공 방법. - 제109 항에 있어서,
상기 전류는 상기 배출 영역이 형성되는 물체의 경계 내의 편위부(excursion)를 따라 이동함에 따라 직류 전류가 되도록 제어되는,
적층 가공 방법. - 제109 항에 있어서,
상기 펄스 전류의 주파수는 상기 유체 챔버 내의 액체 금속의 공진 주파수보다 낮은,
적층 가공 방법. - 제109 항에 있어서,
상기 펄스 전류의 주파수는 상기 배출 영역의 이동 속도에 기초하는,
적층 가공 방법. - 제109 항에 있어서,
상기 펄스 전류의 주파수는 상기 제어된 패턴의 에지로부터의 거리에 기초하는,
적층 가공 방법. - 제109 항에 있어서,
상기 펄스 전류의 주파수는 상기 배출 영역의 최대 이동 속도에서 약 5kHz보다 낮은, 적층 가공 방법. - 제109 항에 있어서,
상기 펄스 전류로부터 상기 직류 전류로의 전환은 상기 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 질량 유량을 증가시키는,
적층 가공 방법. - 비일시적인 컴퓨터 판독 가능한 매체에 구현된 비일시적인 컴퓨터 실행 가능한 코드를 포함하는, 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
상기 코드는, 하나 또는 그 초과의 프로세서들 상에서 실행될 때,
노즐의 배출 영역을 제어된 패턴으로 이동시키는 단계;
상기 배출 영역과 유체 연통하는 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들 사이에서 전류를 전달하는 단계 ― 상기 전류는 상기 발사 챔버 내의 액체 금속에서 자기장과 교차하여 상기 배출 영역으로부터 상기 액체 금속을 분출시킴 ―; 및
상기 제어된 패턴을 따르는 상기 배출 영역의 위치에 기초하여, 상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전달되는 전류를 제어하는 단계 ― 상기 전류는 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 제어되어 물체를 형성함 ―를 수행하는,
컴퓨터 프로그램 제품. - 제118 항에 있어서,
상기 전류는 형성되는 물체의 경계를 따라 펄스 전류가 되도록 제어되는,
컴퓨터 프로그램 제품. - 제118 항에 있어서,
상기 전류는 상기 배출 영역이 형성되는 물체의 경계 내의 편위부를 따라 이동함에 따라 직류 전류가 되도록 제어되는,
컴퓨터 프로그램 제품. - 제118 항에 있어서,
상기 펄스 전류의 주파수는 상기 배출 영역의 이동 속도에 기초하는,
컴퓨터 프로그램 제품. - 제118 항에 있어서,
상기 펄스 전류의 주파수는 상기 제어된 패턴의 에지로부터의 거리에 기초하는,
컴퓨터 프로그램 제품. - 제118 항에 있어서,
상기 펄스 전류의 주파수는 상기 배출 영역의 최대 이동 속도에서 약 5 kHz보다 낮은, 컴퓨터 프로그램 제품. - 적층 가공 시스템으로서,
하우징, 자석 및 전극들을 포함하는 노즐 ― 상기 하우징은 유체 챔버를 적어도 부분적으로 규정하고, 상기 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가지며, 상기 자석은 상기 하우징에 대해 배치되고 상기 자석의 자기장은 상기 하우징을 통해 연장되며, 상기 전극들은 상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하고, 상기 전극들은 상기 전극들 사이에서 전달된 전류가 상기 발사 챔버에서 상기 자기장과 교차하도록 상기 자석에 대해 위치됨 ―;
상기 노즐에 기계적으로 결합되고, 상기 배출 영역을 위치시키도록 이동 가능한 로봇 시스템;
상기 노즐의 전극들과 전기적으로 연통하는 전원; 및
상기 전원과 전기적으로 연통하는 제어기를 포함하며,
상기 제어기는,
상기 로봇 시스템을 이동시켜 상기 배출 영역을 제어된 패턴으로 위치시키도록,
상기 전극들로부터 상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 전달하도록, 그리고
상기 제어된 패턴을 따르는 상기 배출 영역의 위치에 기초하여, 상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전달되는 전류를 제어하도록 ― 상기 전류는 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 제어되어 물체를 형성함 ― 구성되는,
적층 가공 시스템. - 제124 항에 있어서,
상기 전류는 형성되는 물체의 경계를 따라 펄스 전류가 되도록 제어되는,
적층 가공 시스템. - 제124 항에 있어서,
상기 전류는 상기 배출 영역이 형성되는 물체의 경계 내의 편위부를 따라 이동함에 따라 직류 전류가 되도록 제어되는,
적층 가공 시스템. - 제124 항에 있어서,
상기 펄스 전류의 주파수는 상기 배출 영역의 이동 속도에 기초하는,
적층 가공 시스템. - 제124 항에 있어서,
상기 펄스 전류의 주파수는 상기 제어된 패턴의 에지로부터의 거리에 기초하는,
적층 가공 시스템. - 제조 시스템으로서,
유체 챔버를 규정하는 하우징 ― 상기 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가짐 ―,
상기 하우징에 대해 배치된 하나 또는 그 초과의 자석들 ― 상기 자석의 자기장은 상기 하우징을 통해 지향됨 ―, 및
상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들 ― 상기 전극들은 상기 전극들 사이에서 흐르는 전류가 상기 발사 챔버 내의 액체 금속에서 상기 자기장과 교차하여 상기 배출 영역으로부터 액체 금속을 분출시키도록 상기 자석에 대해 배열됨 ―을 포함하는 노즐(nozzle);
상기 노즐에 결합되고 상기 배출 영역을 제어된 패턴을 따라 위치시키도록 이동 가능한 로봇 시스템(robotic system); 및
금속 와이어와 결합 가능한 피더 시스템(feeder system) ― 상기 피더 시스템은, 상기 액체 금속이 상기 제어된 패턴을 따라 상기 배출 영역으로부터 분출되어 물체를 형성함에 따라, 상기 금속 와이어를 상기 유입 영역을 통해 상기 유체 챔버 내로 지향시키도록 작동 가능함 ―을 포함하는,
제조 시스템. - 제129 항에 있어서,
상기 피더 시스템은 상기 금속 와이어와 결합 가능한 복수의 롤러들을 포함하고, 상기 복수의 롤러들은 상기 금속 와이어를 상기 유체 챔버 내로 공급하도록 회전 가능한,
제조 시스템. - 제129 항에 있어서,
상기 유체 챔버와 열적으로 연통하는 히터를 더 포함하는,
제조 시스템. - 제131 항에 있어서,
상기 히터는 유도 히터를 포함하는,
제조 시스템. - 제129 항에 있어서,
상기 피더 시스템은 상기 금속 와이어를 가변 속도로 상기 유입 영역 내로 지향시키도록 작동 가능하고, 상기 가변 속도는 상기 배출 영역으로부터의 액체 금속 분출 속도에 적어도 부분적으로 기초하는,
제조 시스템. - 제129 항에 있어서,
상기 유입 영역을 향해 지향된 센서를 더 포함하며, 상기 센서는 상기 유입 영역의 각각의 측부 상에서 미리정해진 축방향 거리를 따라 상기 금속 와이어와 상기 액체 금속 사이의 계면을 검출하도록 구성되고, 상기 센서는 상기 피더 시스템과 전기적으로 연통하여, 상기 센서로부터 수신된 신호에 기초하여 상기 유입 영역 내로의 상기 금속 와이어의 이동 속도를 변경시키는,
제조 시스템. - 제134 항에 있어서,
상기 센서는 상기 유입 영역의 각각의 측부 상에서 상기 미리정해진 축방향 거리를 따라 상기 금속 와이어와 상기 액체 금속 사이의 불연속성을 검출하도록 구성되는,
제조 시스템. - 제134 항에 있어서,
상기 유입 영역의 각각의 측부 상에서의 상기 미리정해진 축방향 거리는 상기 유입 영역의 최대 치수의 1/2와 실질적으로 동일한,
제조 시스템. - 제134 항에 있어서,
상기 센서는 머신 비전(machine vision) 및 광학 브레이크-빔 센서(optical break-beam sensor) 중 하나 또는 그 초과를 포함하는,
제조 시스템. - 제129 항에 있어서,
상기 유입 영역에 인접한 부스러기(debris) 또는 상기 유입 영역 내의 부스러기를 제거하기 위해 상기 유입 영역에 대해 이동 가능한 와이퍼(wiper)를 더 포함하는,
제조 시스템. - 제129 항에 있어서,
상기 유입 영역에 인접한 부스러기 또는 상기 유입 영역 내의 부스러기를 제거하기 위해 상기 유입 영역에 대해 가압 가스를 분산시키도록(disperse) 작동 가능한 가압 가스 공급원(source of pressurized gas)을 더 포함하는,
제조 시스템. - 제139 항에 있어서,
상기 가압 가스 공급원은 가압 가스를 상기 유입 영역을 통해 상기 배출 영역을 향하는 방향으로 지향시키도록(direct) 배열되는,
제조 시스템. - 제조 방법으로서,
하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버를 향해 금속 와이어를 지향시키는 단계 ― 상기 유체 챔버는 유입 영역 및 배출 영역을 가짐 ―;
상기 금속 와이어의 일부분을 액체 금속으로 용융시키는 단계 ― 상기 금속 와이어와 상기 액체 금속 사이의 계면이 상기 유입 영역에 인접함 ―;
전극들에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 발사 챔버로 상기 유체 챔버로부터 상기 액체 금속을 전달하는 단계 ― 상기 발사 챔버는 상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내에 있음 ―; 및
상기 발사 챔버 내의 액체 금속에 자기유체역학적 힘을 인가하는 단계를 포함하며, 상기 액체 금속이 상기 자기유체역학적 힘에 의해 상기 배출 영역으로부터 분출될 때, 상기 금속 와이어는 상기 계면에서 상기 금속 와이어와 상기 액체 금속 사이의 연속적인 접촉을 유지하기에 충분한 속도로 상기 유체 챔버 내로 지향되는,
제조 방법. - 제141 항에 있어서,
상기 계면은 상기 하우징의 외부에 있는,
제조 방법. - 제141 항에 있어서,
상기 계면은 상기 유입 영역의 각각의 측부 상에서의 미리정해진 축방향 거리 내에 있는,
제조 방법. - 제143 항에 있어서,
상기 미리정해진 축방향 거리는 상기 유입 영역의 최대 축방향 치수의 약 1/2인,
제조 방법. - 제141 항에 있어서,
상기 유입 영역 내의 부스러기 및 상기 유입 영역에 인접한 부스러기를 기계적으로 제거하는 단계를 더 포함하는,
제조 방법. - 제145 항에 있어서,
상기 부스러기를 기계적으로 제거하는 단계는 와이퍼를 상기 유입 영역에 대해 이동시키는 단계를 포함하는,
제조 방법. - 제141 항에 있어서,
상기 유입 영역 내의 부스러기 및 상기 유입 영역에 인접한 부스러기를 공압식으로(pneumatically) 제거하는 단계를 더 포함하는,
제조 방법. - 제147 항에 있어서,
상기 부스러기를 공압식으로 제거하는 단계는 가압 가스를 상기 유입 영역을 통해 상기 배출 영역을 향하는 방향으로 지향시키는 단계를 포함하는,
제조 방법. - 제141 항에 있어서,
상기 유입 영역 내의 부스러기 및 상기 유입 영역에 인접한 부스러기를 전기적으로 제거하는 단계를 더 포함하며, 상기 부스러기를 전기적으로 제거하는 단계는, 상기 전극들 사이의 전류의 펄스를 자기장에 대한 방향으로 지향시켜서, 상기 발사 챔버로부터 상기 유입 영역을 향하는 방향으로 상기 액체 금속 내에 자기유체역학적 힘을 생성하는 단계를 포함하는,
제조 방법. - 제조 방법으로서,
전극들에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 발사 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 상기 발사 챔버는 상기 전극들을 지지하는 하우징에 의해 규정된 배출 영역과 유체 연통함 ―;
상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 자기장을 지향시키는 단계; 및
상기 배출 영역으로부터 상기 액체 금속을 분출시켜 물체를 형성하기 위해, 상기 발사 챔버에서 상기 자기장과 교차하는 방향으로 상기 전극들로부터 상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 전달하는 단계를 포함하며, 상기 전극들 및 상기 액체 금속은 각각의 전극과 상기 액체 금속 사이의 각각의 계면에서 동일한 재료로 형성되는,
제조 방법. - 제150 항에 있어서,
상기 배출 영역을 제어된 3차원 패턴으로 이동시키는 단계를 더 포함하며, 상기 배출 영역은 상기 발사 챔버와 유체 연통하고, 상기 전극들로부터 상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류를 전달하는 단계는 상기 제어된 3차원 패턴을 따르는 상기 배출 영역의 위치에 기초하는,
제조 방법. - 제150 항에 있어서,
각각의 전극과 상기 액체 금속의 각각의 계면으로부터 떨어져서, 각각의 전극을 냉각시키는 단계를 더 포함하며, 상기 냉각은 각각의 전극에서 각각의 온도 구배를 형성하는,
제조 방법. - 제152 항에 있어서,
각각의 전극의 온도 구배는 상기 전극과 상기 액체 금속 사이의 각각의 계면을 상기 하우징에 의해 규정된 각각의 리세스들 내에 유지하고, 각각의 계면은 상기 액체 금속이 상기 배출 영역으로부터 분출될 때 각각의 리세스 내에 유지되는,
제조 방법. - 제153 항에 있어서,
각각의 리세스는 상기 배출 영역을 향하는 상기 액체 금속의 이동 방향에 대해 반경방향으로 연장되는,
제조 방법. - 제153 항에 있어서,
각각의 전극을 냉각시키는 단계는 상기 액체 금속과의 각각의 계면으로부터 떨어진 각각의 전극의 부분을 따라 각각의 전극을 강제 대류 냉각시키는(forced convection cooling) 단계를 포함하는,
제조 방법. - 제155 항에 있어서,
각각의 전극을 강제 대류 냉각시키는 단계는 상기 배출 영역으로부터 분출되는 액체 금속의 속도에 적어도 부분적으로 기초하여 냉각 유체의 속도를 조정하는 단계를 포함하는,
제조 방법. - 제150 항에 있어서,
상기 발사 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계는 상기 하우징에 의해 규정된 유입 영역으로부터 상기 발사 챔버로 상기 액체 금속을 지향시키는 단계를 포함하고, 상기 유입 영역으로부터 상기 발사 챔버로의 상기 액체 금속의 이동 방향은 상기 발사 챔버에서의 자기장 및 전류와 교차하는,
제조 방법. - 제157 항에 있어서,
상기 발사 챔버의 축방향 길이는 상기 유입 영역으로부터 상기 배출 영역까지의 축방향 길이의 절반보다 큰,
제조 방법. - 제157 항에 있어서,
상기 유입 영역으로부터 상기 배출 영역까지의 축방향 길이는 약 2 ㎜ 초과 및 약 2 ㎝ 미만인,
제조 방법. - 액체 금속을 분사하기 위한 시스템으로서,
발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 전극들 ― 상기 전극들 사이의 상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 전류가 전도 가능함 ―;
상기 전극들에 대해 배치된 하나 또는 그 초과의 자석들 ― 상기 자석의 자기장은 상기 발사 챔버를 통해 연장되고 상기 발사 챔버에서 상기 전류와 교차함 ―; 및
유체 챔버의 적어도 일부분을 규정하는 하우징을 포함하며, 상기 유체 챔버는 유입 영역, 배출 영역 및 리세스들을 가지며, 상기 전극들은 상기 리세스들 내에 배치되어, 상기 발사 챔버가 상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내에 있게 하며, 상기 발사 챔버의 최대 반경방향 치수는 상기 발사 챔버에 인접한 상기 유체 챔버의 부분의 최대 반경방향 치수보다 큰,
액체 금속을 분사하기 위한 시스템. - 제160 항에 있어서,
상기 유체 챔버 내로 이동 가능한 금속 공급부(metal supply)를 더 포함하며, 상기 금속 공급부와 상기 전극들은 동일한 재료로 형성되는,
액체 금속을 분사하기 위한 시스템. - 제161 항에 있어서,
상기 발사 챔버 내로 이동 가능한 액체 금속을 형성하기 위해 상기 유체 챔버 내에 또는 상기 유체 챔버에 인접하게 상기 금속 공급부와 열적으로 연통하는 열원을 더 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 시스템. - 제160 항에 있어서,
상기 하우징은 상기 전극들의 재료보다 높은 용융 온도를 갖는,
액체 금속을 분사하기 위한 시스템. - 제160 항에 있어서,
각각의 전극의 적어도 일부분은 상기 발사 챔버로부터 멀어지는 방향으로 상기 하우징의 외부로 연장되는,
액체 금속을 분사하기 위한 시스템. - 제160 항에 있어서,
상기 발사 챔버로부터 떨어진 각각의 전극의 적어도 일부분에 결합된 히트 싱크를 더 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 시스템. - 제165 항에 있어서,
상기 히트 싱크는 각각의 전극의 적어도 일부분을 냉각시키도록 각각의 전극의 적어도 일부분으로부터 멀리 이동 가능한 유체를 포함하는,
액체 금속을 분사하기 위한 시스템. - 제160 항에 있어서,
상기 발사 챔버는 상기 유체 챔버의 축방향 길이의 50 %보다 큰 축방향 길이를 갖는,
액체 금속을 분사하기 위한 시스템. - 제160 항에 있어서,
상기 유체 챔버의 축방향 길이는 약 2 ㎜ 초과 및 약 2 ㎝ 미만인,
액체 금속을 분사하기 위한 시스템. - 하우징에 의해 적어도 부분적으로 규정되는 유체 챔버 내에 액체 금속을 제공하는 단계 ― 상기 유체 챔버는 유입 영역과 배출 영역을 가짐 ―;
상기 하우징을 통해 자기장을 지향시키는 단계;
정지 상태(quiescent state)에 있는 상기 하우징 내의 액체 금속 내로 제1 전류를 전달하는 단계 ― 상기 제1 전류는 상기 액체 금속에서 상기 자기장과 교차하여 상기 액체 금속에 풀백력을 가하고, 상기 풀백력은 상기 배출 영역으로부터 상기 유입 영역을 향하는 방향으로 상기 정지 상태의 상기 액체 금속을 끌어당기기에 충분함 ―; 및
상기 액체 금속 내로 제2 전류를 선택적으로 전달하는 단계 ― 상기 제2 전류는 상기 액체 금속에서 상기 자기장과 교차하여 상기 액체 금속에 발사력을 가하여 상기 배출 영역으로부터 상기 액체 금속을 분출시킴 ―를 포함하는,
방법. - 제169 항에 있어서,
상기 풀백력은 상기 배출 영역에 부착된, 상기 정지 상태의 상기 액체 금속의 메니스커스를 유지하기에 충분한,
방법. - 제170 항에 있어서,
상기 배출 영역은 배출 오리피스에 인접한 목부를 가지며, 상기 풀백력은 상기 목부 내에 있거나 상기 배출 오리피스에 부착된 상기 메니스커스를 유지하기에 충분한,
방법. - 제169 항에 있어서,
상기 배출 영역을 제어된 패턴을 따라 이동시키는 단계를 더 포함하는,
방법. - 제172 항에 있어서,
상기 제어된 패턴은 제어된 3차원 패턴인,
방법. - 제172 항에 있어서,
상기 제2 전류는 전체보다 적은 상기 제어된 패턴을 따라 상기 액체 흐름 내로 선택적으로 전달되는,
방법. - 제172 항에 있어서,
상기 제2 전류는 적어도 상기 제어된 패턴을 따르는 상기 배출 영역의 위치에 기초하여 가변적인,
방법. - 제169 항에 있어서,
상기 제2 전류는 펄스 전류를 포함하고, 상기 펄스 전류는 상기 배출 영역으로부터 액체 금속 액적들을 분출시키는,
방법. - 제176 항에 있어서,
상기 액체 금속 내로 제2 전류를 선택적으로 전달하는 단계는, 상기 유체 챔버 내의 액체 금속 내로 발사 펄스(firing pulse)를 전도하는 단계, 및 상기 유체 챔버 내의 액체 금속 내로 풀백 펄스(pullback pulse)를 전도하는 단계를 포함하며, 상기 발사 펄스 및 풀백 펄스는 반대 극성들을 갖고, 상기 풀백 펄스는 상기 제1 전류와 동일한 극성을 갖는,
방법. - 제177 항에 있어서,
상기 풀백 펄스는 각각의 액적의 분출을 위한 상기 발사 펄스에 선행하는,
방법. - 제177 항에 있어서,
상기 풀백 펄스는 각각의 액적의 분출을 위한 상기 발사 펄스에 후속하는,
방법. - 제169 항에 있어서,
상기 제2 전류는 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 가변적인,
방법. - 제169 항에 있어서,
상기 액체 금속 내로 제2 전류를 선택적으로 전달하는 단계는 상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버를 규정하는 전극들 사이에서 상기 액체 금속 내로 상기 제2 전류를 지향시키는 단계를 포함하는,
방법. - 제181 항에 있어서,
상기 액체 금속 내로 제1 전류를 전달하는 단계는 상기 전극들 사이의 상기 액체 금속 내로 상기 제1 전류를 지향시키는 단계를 포함하는,
방법. - 제조 시스템으로서,
하우징, 자석 및 전극들을 포함하는 노즐 ― 상기 하우징은 유입 영역 및 배출 영역을 갖는 유체 챔버를 규정하고, 상기 자석은 상기 하우징에 대해 배치되고 상기 자석의 자기장은 상기 유체 챔버를 통해 연장되며, 상기 전극들은 상기 유입 영역과 상기 배출 영역 사이의 상기 유체 챔버 내의 발사 챔버의 적어도 일부분을 규정하고, 상기 전극들은 상기 전극들로부터의 전류가 상기 발사 챔버에서 상기 자기장과 교차하도록 상기 자석에 대해 위치됨 ―;
상기 전극들과 전기적으로 연통하는 전원; 및
상기 전원과 전기적으로 연통하는 제어기를 포함하며,
상기 제어기는,
정지 상태에 있는 상기 하우징 내의 액체 금속 내로 제1 전류를 전달하도록 ― 상기 제1 전류는 상기 액체 금속에서 상기 자기장과 교차하여 상기 액체 금속에 풀백력을 가하고, 상기 풀백력은 상기 배출 영역으로부터 상기 유입 영역을 향하는 방향으로 상기 정지 상태의 상기 액체 금속을 끌어당기기에 충분함 ―; 및
상기 발사 챔버 내의 액체 금속 내로 상기 전극들로부터의 제2 전류를 선택적으로 전달하도록 ― 상기 제2 전류는 상기 액체 금속에서 상기 자기장과 교차하여 상기 액체 금속에 발사력을 가하여 상기 배출 영역으로부터 상기 액체 금속을 분출시킴 ― 구성되는,
제조 시스템. - 제183 항에 있어서,
상기 노즐에 기계적으로 결합되고 상기 노즐의 배출 영역을 위치시키도록 이동 가능한 로봇 시스템을 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 로봇 시스템을 이동시켜 상기 배출 영역을 제어된 패턴을 따라 위치시키도록 더 구성되는,
제조 시스템. - 제184 항에 있어서,
상기 제2 전류는 전체보다 적은 상기 제어된 패턴을 따라 상기 액체 흐름 내로 선택적으로 전달되는,
제조 시스템. - 제184 항에 있어서,
상기 제2 전류는 적어도 상기 제어된 패턴을 따르는 상기 배출 영역의 위치에 기초하여 가변적인,
제조 시스템. - 제184 항에 있어서,
상기 제어된 패턴은 3차원 패턴인,
제조 시스템. - 제183 항에 있어서,
상기 제2 전류를 선택적으로 전달하는 것은 펄스 전류와 직류 전류 사이에서 상기 제2 전류를 제어하는 것을 포함하는,
제조 시스템.
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