KR20180125007A - 3차원(3d) 적층 제조에 있어서의 분말 제공 - Google Patents

3차원(3d) 적층 제조에 있어서의 분말 제공 Download PDF

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KR20180125007A
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케네쓰 알 윌리암스
마이클 에프 클로프펜스테인
브렌트 이왈드
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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
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Abstract

예시적 실시예에서, 3차원(3D) 물체의 적층 제조를 위한 빌드 분말을 제공하는 방법은 3D 물체를 생산하기 위해 투입 분말을 혼합 분말로 혼합하는 것을 포함한다. 혼합하는 동안, 각각의 투입 분말의 재료 강도값을 결정할 수 있다. 각각의 투입 분말의 재료 강도값에 기초하여, 혼합 분말의 특정 재료 강도를 얻도록 투입 분말의 비율을 계산할 수 있다. 이어서, 투입 분말의 공급 속도를 상기 비율에 따라 조정할 수 있다.

Description

3차원(3D) 적층 제조에 있어서의 분말 제공
적층 제조 프로세스(additive manufacturing process)는 디지털 모델로부터 패턴화된 재료의 층상(layer by layer) 축적 및 통합을 제공함으로써 3차원(3D) 물체를 생산할 수 있다. 예를 들어, 3D 인쇄에 있어서, 연속적인 재료층의 디지털 방식으로 패턴화된 부분이 소결, 압출 및 조사를 포함하는 프로세스를 통해 용화(fusing), 바인딩(binding) 또는 고화에 의해 함께 결합될 수 있다. 이러한 시스템에 의해 생산된 물체의 품질, 강도 및 기능은 사용된 적층 제조 기술의 유형에 따라 다를 수 있다.
이제, 첨부 도면을 참조하여 여러 예들을 기술할 것이다.
도 1은 공급부 공급 속도의 실시간 조정으로 특정 재료 강도의 분말 혼합물을 생산할 수 있도록, 인-라인 어세이(in-line assay)가 다수의 공급부로부터의 분말의 재료 물성을 평가할 수 있는 3D 적층 제조 시스템의 일 예의 사시도를 도시한다.
도 2는 단일의 인-라인 어세이가 혼합 빌드 분말의 재료 강도를 측정 및 제어하도록 적용되는 3D 적층 제조 시스템의 대안적인 예의 사시도를 도시한다.
도 3 및 도 4는 3차원(3D) 물체를 인쇄하는 예시적 방법(300 및 400)을 도시하는 흐름도이다.
도면 전반에 걸쳐, 동일한 도면부호는 유사하지만 반드시 동일한 것은 아닌 요소를 가리킨다.
일부 적층 제조 프로세스에 있어서, 분말형 빌드 재료가 플랫폼 상에 층상으로 적층되고 함께 용화되어 3차원(3D) 물체를 형성할 수 있다. 용화는 열을 가해 재료를 소결하거나 재료를 완전히 용해시킴으로써 분말형 빌드 재료를 함께 바인딩하는 것을 포함할 수 있다. 각 층에 있어서 분말형 재료의 선택된 부분을 가열하여 이 선택된 부분을 3D 물체의 단면 내로 용화시킬 수 있다. 분말형 재료의 선택된 부분의 가열은 또한, 이 선택된 부분을 미리 용화되어 있던 하부 단면층에 용화(즉, 바인딩)시킬 수 있다. 일부 예에서, 각 분말층의 선택된 부분의 가열은 레이저를 사용하여 이루어짐으로써 분말을 용해시키거나 소결할 수 있다. 일부 예에서, 분말의 선택된 부분의 가열은 액체 융제를 적용한 후 분말을 용화 에너지에 노출시킴으로써 이루어질 수 있다. 액체 융제는 용화 에너지를 흡수하여 분말의 선택된 부분을 소결점 또는 완전 용해점까지 가열할 수 있다.
어느 경우든, 각각의 분말층에 있어서의 빌드 분말의 비-용화 부분은 용화된 3D 물체 주위에 잔존할 수 있다. 비-용화 분말은 소결이나 용해를 일으키기에 충분히 높은 온도까지 가열되지 않았다. 그러나, 비-용화 분말은 상당량의 열이 가해졌으며, 이로 인해 비-용화 분말이 느슨하게 결합된 케이크-형 구조를 가질 수 있게 되는데, 이러한 구조는 다시 분말로 부서져서 재생되거나 재활용될 수 있다. 재활용 분말은 새로운 분말과 혼합되어 다시 후속 3D 인쇄 작업에 사용되어 추가적인 3D 물체를 형성할 수 있다. 이 프로세스를 통해, 종종 분말은 수차례 사용 및 재활용된다. 각각의 재생에 있어서, 분말은 상당한 열을 받고, 이어서 냉각된다. 여러 주기의 가열 및 냉각은 분말의 강도를 포함한 분말의 일부 재료 물성을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 따라서, 재활용 분말은 최대 재료 강도보다 어느 정도 낮은 반면, 완전히 새로운 분말은 최대 재료 강도인 것으로 간주될 수 있다.
선택적 레이저 소결(selective laser sintering; SLS) 장치 및 3D 인쇄 장치와 같은 적층 제조 장치의 상용자는 3D 물체를 생산하는데 사용되는 분말형 빌드 재료의 강도를 인식하는데 관심을 갖는다. 일부 3D 인쇄 작업에서는, 최대 강도를 갖는 물체를 생산하기 위해 완전히 새로운 분말을 사용하는 것이 중요할 수 있지만, 다른 작업의 경우에는 새로운 분말과 재활용 분말의 혼합물을 사용하여 최대 강도보다 어느 정도 낮은 강도를 갖는 물체를 생산하는 것이 허용될 수 있다. 분말화 빌드 재료와 관련된 비용 으로 인해, 특정 3D 인쇄 작업의 경우 적절한 재료 강도를 유지하면서 가능한 많은 재활용 분말을 사용하는 것이 경제적으로 유리하다. 그러나, 재활용 분말의 공급은 종종 재활용 횟수가 상이하거나 그리고/또는 재활용 횟수가 알려지지 않은 분말의 혼합물을 포함한다. 이러한 불확실성으로 인해, 특정 3D 인쇄 작업에 있어 소정의 재료 강도를 달성하기 위해 재활용 분말과 새로운 분말의 체적 혼합이 어떤 비율로 사용되어야 하는지 소정의 정확성을 갖고 판정하고자는 하는 시도가 존재한다.
따라서, 본 명세서에 기술된 일부 예에서, 적층 제조 장치 및 방법은 다중 투입 분말의 혼합에 대한 제어를 통해 3D 물체의 특정 재료 강도를 만족하는 재료 강도를 갖는 혼합 분말을 생산할 수 있다. 일부 예에서, 혼합될 임의적이고 비균질의 분말형 빌드 재료를 함유할 수 있는 다수의 분말 공급부 각각의 공급 출력에 인-라인 어세이를 배치한다. 각각의 어세이는 예를 들어, 순람표(look up table)를 통해 분말의 재료 강도와 상관될 수 있는 분말의 재료 물성을 지속적으로 실시간으로 평가한다. 분말의 강도를 평가하고 상기 강도와 상관될 수 있는 재료 물성의 일 예로는 분말의 스펙트럼 흡수력이 있다. 3D 물체의 사용자-지정 재료 강도 및 각각의 공급부로부터의 상이한 분말에 대해 결정되는 재료 강도를 사용하여, 3D 물체의 특정 재료 강도를 얻게 되는 분말 혼합물을 생성하게 될 각각의 공급부로부터의 분말 공급 속도를 제어하도록 비율이 계산될 수 있다. 각각의 분말 공급부로부터 혼합되는 분말의 재료 강도의 지속적인 결정은 진행 중인 계산이 분말 공급 비율을 갱신할 수 있도록 한다. 지속적으로 갱신되는 비율은 각각의 공급부로부터 유입하는 분말의 공급 속도의 지속적인 조정을 가능하게 한다.
일부 예에서, 각각의 분말 공급부의 공급 출력부에 배치되는 인-라인 어세이 대신, 단일의 인-라인 어세이가 혼합 분말 출력부에 배치될 수 있다. 단일의 인-라인 어세이는 지속적으로, 혼합 분말의 재료 강도와 상관될 수 있는 혼합 분말의 재료 물성(예를 들어, 스펙트럼 흡수력)을 실시간으로 평가한다. 혼합 분말로 이루어진 지속적 강도 측정은 각각의 공급부로부터 유입되는 분말의 양을 지속적으로 조정하는데 사용될 수 있는 분말 공급율의 진행 중인 계산이 분말 혼합물로부터의 바람직한 재료 강도를 얻을 수 있도록 한다.
특정 예에서, 3차원 물체의 적층 제조용 빌드 분말(build powder)을 제공하는 방법은, 3D 물체를 생산하기 위해 투입 분말을 혼합 분말로 혼합하는 것과, 혼합하는 동안, 각각의 투입 분말의 재료 강도값을 결정하는 것을 포함한다. 각각의 투입 분말의 재료 강도값에 기초하여, 혼합 분말의 특정 재료 강도를 얻도록 투입 분말의 비율을 포함한 비율을 계산한다. 상기 비율에 따라 투입 분말의 공급 속도를 조정한다.
다른 예에서, 3차원 물체를 생산하기 위한 장치는, 다수의 분말 공급부로부터의 다수의 투입 분말을 혼합하는 블렌더와, 각각의 투입 분말의 재료 물성을 측정하도록 각각의 공급부와 연관되는 어세이를 포함한다. 장치의 제어기는 측정된 상기 재료 물성을 사용하여 다수의 분말 공급부에 대한 공급 속도의 비율을 결정함으로써 특정 재료 강도를 갖는 혼합 분말을 얻는다. 각각의 공급부와 연관된 분말 유동 디스펜서가 상기 비율에 따라 공급 속도를 조정한다.
다른 예에서, 비-일시적 기계 판독가능한 저장 매체는 3차원(3D) 적층 제조 장치의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 장치가, 3D 물체에 대한 특정 재료 강도를 수신하도록 하는 명령을 저장한다. 장치는 다수의 투입 분말을 혼합하여 상기 3D 물체용의 분말 혼합물을 형성하고, 각각의 투입 분말의 재료 강도를 결정한다. 각각의 투입 분말의 재료 강도 및 상기 3D 물체에 대한 특정 재료 강도에 기초하여, 장치는 각각의 투입 분말의 투입 비율을 조정함으로써 상기 특정 재료 강도를 갖는 분말 혼합물을 형성한다.
도 1은 인-라인 어세이가 다수의 공급부로부터의 분말의 재료 물성을 평가하여 공급부 공급 속도의 실시간 조정으로 특정 재료 강도의 분말 혼합물을 생산할 수 있는 3D 적층 제조 시스템(100)의 일 예의 사시도를 도시한다. 예시된 예에서, 3D 적층 제조 시스템(100)은 3D 인쇄 시스템(100)을 포함한다. 그러나, 선택적 레이저 소결을 채용하는 시스템과 같은 다른 3D 적층 제조 시스템이 역시 고려된다.
예시적인 3D 인쇄 시스템(100)은 3D 물체(도 1에 도시되지 않음)가 인쇄될 수 있는 작업 공간(104)에 대한 바닥으로서의 역할을 할 수 있는 이동식 인쇄 플랫폼(102) 또는 빌드 플랫폼(102)을 포함한다. 작업 공간(104)은 빌드 플랫폼(102) 주위에 고정 벽(105)(전방 벽(105a), 측벽(105b), 후방 벽(105c), 측벽(105d)으로 예시됨)을 포함할 수 있다. 고정 벽(105) 및 플랫폼(102)은 3D 물체의 인쇄 동안, 작업 공간(104) 내로 층상으로 쌓이는 다량의 분말형 빌드 재료를 수용할 수 있다. 이러한 설명을 위해, 그리고 3D 인쇄 시스템(100)의 다른 요소 및 기능의 예시를 돕기 위해, 작업 공간(104)의 전방 벽(105a)은 투명한 것으로 도시된다. 인쇄 동안, 작업 공간(104) 내 빌드 체적은 액체 융제 및 용화 에너지(방사선)를 가하여 처리되는 분말의 층에 의해 형성되는 3D 물체 전체 또는 일부를 포함할 수 있다. 빌드 체적은 또한 작업 공간(104) 내에서 3D 물체를 둘러싸고 지지하는 미-처리 분말을 포함할 수 있다.
빌드 플랫폼(102)은 작업 공간(104) 내에서, 각각 상향 화살표(106) 및 하향 화살표(108)로 표시된 것과 같이 상방 및 하방의 방향으로 이동 가능하다. 3D 물체의 인쇄가 개시되면, 빌드 플랫폼(102)은 분말형 빌드 재료(112)의 제 1 층이 플랫폼(102) 상에 쌓이고 처리될 때, 작업 공간(104)의 상단을 향해 상방 위치에 위치될 수 있다. 분말의 제 1 층이 처리된 후, 플랫폼(102)은 공급원(110)으로부터의 분말형 빌드 재료(112)의 추가 층이 플랫폼(102) 상에 쌓이고 처리될 때, 하방의 방향(108)으로 이동할 수 있다.
예로 든 3D 인쇄 시스템(100)은 분말형 빌드 재료(112)의 공급원(110)을 포함한다. 분말형 빌드 재료(112)는 이하 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 상이한 분말 공급부(116)로부터의 다수의 상이한 분말을 혼합함으로써 형성될 수 있는 혼합 분말(112)을 포함한다. 혼합 분말(112)은 3D 물체를 생산하기에 적합한 다양한 재료로 이루어진 분말형 재료를 포함할 수 있다. 이러한 분말형 재료에는 예를 들어, 중합체, 유리, 세라믹스(예를 들어, 알루미나, Al2O3), 수산화인회석, 금속 등이 포함될 수 있다. 인쇄 시스템(100)은, 스프레더(114)를 사용하여 공급원(110)으로부터의 혼합 분말(112)을 작업 공간(104) 내로 확산시켜 분말(112)을 빌드 플랫폼(102) 위의 층 및/또는 미리 쌓여 있던 다른 분말의 층 위로 제어가능하게 확산시킬 수 있다. 스프레더(114)는 예를 들어, 롤러, 블레이드 또는 다른 유형의 재료 확산 장치를 포함할 수 있다. 비록 예시되지는 않지만, 일부 예에서는, 혼합 분말(112)을 플랫폼 상에 공급하는 동안 빌드 플랫폼(102) 위로 공급원 및 스프레더를 운반하기 위해, 캐리지(carriage)가 공급원(110) 및/또는 분말 스프레더(114)와 연관될 수 있다.
혼합 분말(112)을 공급원(110)에 제공하기 위해, 예로 든 3D 인쇄 시스템(100)은 다수의 분말 공급부(116)(공급부(116a 및 116b)로 예시됨)를 포함한다. 도 1의 예에서, 2개의 분말 공급부(S1 및 S2)가 도시되고 "116a" 및 116b"로 예시된다. 그러나, 다른 예에서, 추가 분말 공급부가 사용될 수 있다. 각각의 분말 공급부(116)는 3D 인쇄 프로세스에서 이전에 사용되지 않았던 새로운 분말이거나 또는 사용된 분말과 수회에 걸쳐 재사용된 분말의 혼합물일 수 있는 재활용 분말인 빌드 분말을 수용한다. 일부 예에서, 공급부(116) 내 재활용 분말의 조성은, 앞선 3D 인쇄 작업의 가열 및 냉각 주기를 통해 분말이 재활용된 횟수에 대해 공급의 개시로부터 종료시까지 현저하게 다양한 분말의 비균질 혼합물일 수 있다. 각각의 분말 공급부(116)는 각각의 공급부(116)로부터 공급원(110) 내로의 분말의 유동율을 제어하기 위해 연관된 분말 유동 디스펜서(118)를 포함한다. 유동 디스펜서(118)는 회전식 샤프트 또는 블레이드, 또는 공급부(116)로부터의 분말의 지속적이고 제어가능한 유동을 가능하게 하는 다른 서보 기구를 포함한 다양한 방식으로 시행될 수 있다.
각각의 유동 디스펜서(118)는 어세이 장치(120) 또는 본 명세서에서 대안적으로 언급되는 바와 같이 간략하게 어세이(120)를 통해 각각의 공급부(116)로부터 공급원(110) 내로 분말을 분배한다. 각각의 어세이 장치(120)(어세이 장치(120a 및 120b)로 예시됨)는 분말이 공급부로부터 공급원(110) 내로 이동할 때 지나갈 수 있는 큐벳(cuvette)과 같은 투명하거나 광학적으로 투명한 통과 챔버(122)(챔버(122a 및 122b)로 예시됨)를 포함한다. 통과 챔버(122)는 자외(UV)선에 광학적으로 투명하고, 분말이 챔버를 통과할 때 각각의 자외선 광원(124)(자외선 광원(124a 및 124b))으로부터의 자외선이 분말에 충돌되도록 허용한다. 챔버(122) 내에서 분말을 통과하는 자외선은 광도계(126)에 의해 검출될 수 있다.
광도계(126)(광도계(126a 및 126b)로 예시됨)는 챔버(122) 내에서 분말 샘플을 통과하는 자외선의 양을 검출할 수 있다. 일부 예에서, 광도계(126)는 포토다이오드 검출기, 전하 결합 소자(CCD) 또는 유사한 다른 광각 장치를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 광도계(126)는 표적 광 파장에서 작동할 수 있으며, 또는 특정 파장에서 검출할 수 있도록 필터로 일정 파장의 범위에서 작동할 수 있다. 광도계(126)에 의해 이루어진 광의 측정은 챔버(122) 내에서의 분말의 투과도의 측정이다. 측정된 투과도는, 분말에 의해 흡수된 광의 양에 대한 지표인 분말의 흡광도를 결정하는데 사용될 수 있다. 따라서, 투과도는 샘플을 통과하는 광의 양으로서 직접적으로 측정될 수 있는 분말의 물성인 반면, 흡광도는 샘플에 의해 흡수되는 광의 양으로서 간접적으로 측정되는 분말의 물성이다. 일부 예에서는, 챔버(122) 내에서 분말 샘플로부터 반사되는 광으로부터 반사도도 측정될 수 있다. 반사도는 또한, 흡광도를 결정하는 방식처럼 측정될 수 있는 분말의 물성이다. 분말의 흡광도는 예를 들어, 후술하는 바와 같이 순람표를 통해 분말의 재료 강도와 상관될 수 있다.
각각의 자외선 광원(124)은 특정 파장 또는 파장 범위에서 광선살(beam of light)을 전송한다. 일부 예에서, 자외선 광원(124)은 특정 파장 또는 파장 범위에서 자외선을 발하는 UV LED(발광 다이오드)를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 자외선 광원(124)은 상기 광원이 특정 파장 또는 파장 범위에서 광선살을 전송할 수 있도록 하는 요소(개별적으로 도시되지 않음)를 포함하는 분광계로서 작용할 수 있다. 예를 들어, 각각의 자외선 광원(124)은 100 내지 400 나노미터의 넓은 파장 범위를 포함하는 UV 스펙트럼의 광을 제공하는 UV 램프 또는 전구를 포함할 수 있다. 일부 예에서, UV 램프 또는 전구는 280 내지 315 나노미터의 파장을 포함하는 UVB 범위와 같은 보다 제한적인 범위의 UV 광을 제공할 수 있다. 자외선 광원(124) 내 분광기 렌즈는 프리즘을 통과하는 빔에 자외선을 집중시켜 자외선을 여러 파장으로 분열시킬 수 있다. 그 후, 자외선 광원(124) 내 파장 선별기가 파장을 여과하여 자외선의 특정 파장이 자외선 광원(124)으로부터 발산될 수 있도록 할 수 있다.
다른 예에서, 분말 공급부(116)에 의해 공급되는 분말 재료의 유형에 따라, 광원(124)으로부터 발해지는 광의 파장이 변경될 수 있다. 본 명세서에 기술된 예들과 같은 일부 예에서, 광원(124)으로부터 발해지는 광의 파장은 대략 310 나노미터의 UVB 범위 내에 있을 수 있다. 대략 310 나노미터의 파장에서, 공급부(116)로부터의 폴리아미드 12(PA-12) 분말은 흡광도에 있어 증가된 반응을 나타내는 것으로 보였다. 따라서, PA-12 분말의 경우에, 대략 310 나노미터 파장의 자외선의 사용은 다른 파장보다 정밀한 흡광도 측정을 제공할 수 있다. 다른 예에서, 공급원(116)으로부터의 상이한 유형의 분말 또는 빌드 재료는 상이한 파장에서 흡광도 증가를 나타낼 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일단 공급원(116)으로부터 분말이 분배되고 어세이 장치(120)에 의해 평가되면, 분말은 3D 물체를 인쇄하는 3D 인쇄 시스템에서의 사용을 위해, 블렌더(128)를 통과하고 혼합 분말(112) 내로 혼합되고 공급원(110) 내에 쌓이게 된다. 다른 예에서, 블렌더(128)는 에어 블렌더, 회전식 샤프트 또는 블레이드 혼합기, 또는 다수의 분말을 균질의 분말 혼합물(112)로 혼합할 수 있는 몇몇 다른 적합한 분말 블렌더로서 실행될 수 있다.
전술된 바와 같이, 3D 물체의 인쇄는 빌드 플랫폼(102) 상에 분말(112) 층을 쌓고 처리하는 것을 포함한다. 분말(112) 층의 처리는 액체 작용제 디스펜서(130)로 액체 작용제를 층 상에 도포하는 것을 포함한다. 다른 유형의 액체 디스펜서도 가능하지만, 본 명세서에 도시되고 기술된 예로 든 디스펜서(130)는 융제 또는 다른 액체를 분말 베드(powder bed)로 선택적으로 운반하기 위해 빌드 플랫폼(102) 위에 스캔될 수 있는 드롭-온-디멘드(drop-on-demand) 프린트헤드(130)를 포함한다. 드롭-온-디멘드 프린트헤드의 예에는 액체 분사 노즐의 열(array)을 포함하는 열전사 잉크젯 및 압전식 잉크젯 프린트헤드가 포함된다. 일부 예에서, 프린트헤드(130)는 이 프린트헤드(130)가 빌드 플랫폼(102)의 전체 깊이(132)에 걸쳐 연장되도록 하는 길이 치수를 갖는다. 따라서, 프린트헤드(130)는 이 프린트헤드(130)가 빌드 플랫폼(102) 위로 한번 스캔하는 것에 의해 분말 베드의 페이지-너비 또는 플랫폼-너비 커버리지가 가능하게 할 수 있다.
도 1은 프린트헤드(130)의 스캐닝 운동(화살표 방향(133)으로 도시됨)의 일 예를 도시한다. 일부 예에서, 플랫폼(102) 상의 분말 층 상에 액체 작용제를 도포하는 동안, 빌드 플랫폼(102) 위로 프린트헤드(130)를 운반하기 위해 캐리지(도시되지 않음)가 프린트헤드(130)와 연관될 수 있다. 일부 예에서, 프린트헤드(130)는 점선으로 프린트헤드에 대한 점선 표시(134)에 의해 예시된 바와 같이, 플랫폼(102) 위를 스캔하도록 제어될 수 있다. 도 1의 예에서는 도시되어 있지 않지만, 인쇄 동안, 프린트헤드(130)가 작업 공간 위를 스캔하고 상기 물체의 층 상에 융제 또는 다른 액체의 액적(136)을 배출할 때, 3D 물체의 일부는 작업 공간(104) 내에 있을 것이다.
프린트헤드(130)로부터의 배출에 적합한 융제의 예에는 복사 흡수제를 포함한 수성 분산제가 포함된다. 복사 흡수제는 적외선 흡수재, 근적외선 흡수재 또는 가시광 흡수재일 수 있다. 일부 예에서, 융제(136)는 복사 흡수제로서 카본 블랙을 포함하는 잉크-형 편성일 수 있다. 염료계 및 안료계 착색 잉크가 가시광 흡수재를 포함하는 잉크의 예이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 예로 든 3D 인쇄 시스템(100)은 복사 공급원(138)과 같은 용화 에너지 공급원을 포함한다. 복사 공급원(138)은 작업 공간(104) 내 분말의 층에 복사선(R)를 인가하여, 분말의 가열 및 융해를 용이하게 할 수 있다. 융제(136)는 프린트헤드(130)에 의해 분말의 층에 선택적으로 도포되어 복사선(R)의 흡수를 향상시키고 흡수된 복사선을 열 에너지로 전환시킬 수 있는데, 이러한 열 에너지는 분말 입자의 경화(예를 들어, 용화, 바인딩, 소결)를 일으키기에 충분하도록 분말의 온도를 상승시킬 수 있다. 복사 공급원(138)은 적외선, 근적외선, 자외선 또는 가시광을 발하는 발광 다이오드(LED) 또는 경화 램프로서, 또는 특정 파장을 갖는 레이저로서와 같이 다양한 방식으로 실현될 수 있다. 복사 공급원(138)은 인쇄 프로세스에 사용되는 융제 및/또는 분말의 유형에 어느 정도 의존할 수 있다. 일부 예에서, 복사 공급원(138)은 캐리지(도시되지 않음)에 부착될 수 있고, 작업 공간(104)을 가로질러 스캔될 수 있다.
추가로, 예로 든 3D 인쇄 시스템(100)은 예시의 제어기(140)를 포함한다. 제어기(140)는 개략적으로 전술한 바와 같이 3D 물체의 인쇄를 용이하게 하도록 인쇄 시스템(100)의 다양한 작업, 예를 들어 작업 공간(104) 내로 분말을 제어가능하게 확산시키고, 분말의 일부에 융제(136)를 선택적으로 도포하고, 분말을 복사선(R)에 노출시키는 작업을 제어할 수 있다. 추가로, 제어기(140)는 분말 유동 디스펜서(118)를 제어하여 공급부(116)로부터 공급원(110)으로의 분말의 유동율을 제어함으로써 혼합 분말(112)의 특정 재료 강도를 얻을 수 있는데, 이에 대한 보다 상세한 내용은 후술한다.
예로 든 제어기(140)는 프로세서(CPU)(142) 및 메모리(144)를 포함할 수 있다. 제어기(140)는 추가적으로, 3D 인쇄 시스템(100)의 다양한 구성요소와 통신하고 이들 구성요소를 제어하기 위한 다른 전자기기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 이러한 다른 전자기기에는 예를 들어, 별도의 전자 구성요소 및/또는 ASIC(주문형 집적 회로)가 포함될 수 있다. 메모리(144)는 휘발성 메모리 구성요소(즉, RAM) 및 비휘발성 메모리 구성요소(예를 들어, ROM, 하드디스크, 광디스크, CD-ROM, 자기 테이프, 플래시 메모리 등) 양자를 포함할 수 있다. 메모리(144)의 구성요소는, 기계 판독가능한 코드화 프로그램 명령, 데이터 구조, 프로그램 명령 모듈, JDF(작업 정의 포맷), 3MF 포맷화 데이터 및 다른 데이터 및/또는 3D 인쇄 시스템(100)의 프로세서(142)에 의해 실행 가능한 명령의 저장을 위해 제공될 수 있는 비일시적, 기계 판독가능한(예를 들어, 컴퓨터 판독가능한) 매체를 포함한다.
메모리(144)에 저장되는 실행가능한 명령의 예에는 빌드 모듈(146) 및 분말 제어 모듈(148)과 연관되는 명령이 포함되며, 저장된 데이터의 예에는 물체 데이터(150)가 포함된다. 일반적으로, 모듈(146 및 148)은 공급부(116)로부터의 분말의 유동율을 제어하여 특정 재료 강도를 갖는 혼합 분말(112)을 제공하는 것을 포함하여, 3D 인쇄 시스템(100)이 작업 공간(104) 내에서 3D 물체를 인쇄하는데 관련된 작업을 수행할 수 있도록 하기 위해 프로세서(142)에 의해 실행가능한 프로그래밍 명령을 포함한다. 이러한 작업에는 예를 들어, 각각 도 3 및 도 4와 관련하여 후술되는 방법(300 및 400)의 작업이 포함될 수 있다.
일부 예에서, 제어기(140)는 컴퓨터와 같은 호스트 시스템으로부터 물체 데이터(150)를 수신할 수 있다. 물체 데이터(150)는 예를 들어, 3D 인쇄 시스템(100) 상에서 인쇄될 3D 물체 모델 또는 3D 인쇄 작업을 규정하는 물체 파일을 나타낼 수 있다. 빌드 모듈(146)로부터의 명령 실행 시, 프로세서(142)는 물체 데이터(150)로부터 3D 물체 모델의 각각의 단면 슬라이스에 대한 인쇄 데이터를 생성할 수 있다. 인쇄 데이터는 예를 들어, 어디서 융제가 분말에 도포되는지 그리고 분말을 용화시키기 위해 융제가 어떻게 인가되는지를 규정할 수 있다. 프로세서(142)는 분말의 각 층을 처리하기 위해 인쇄 시스템(100)의 구성요소를 제어하는데 인쇄 데이터를 사용할 수 있다. 따라서, 물체 데이터는 스프레더(114)에 의해 공급원(110)으로부터 빌드 플랫폼(102) 상으로 분말(112)을 확산시키는 작업, 프린트헤드(130)에 의해 분말의 층 상에 융제를 도포하는 작업, 복사 공급원(138)에 의해 분말의 층에 복사선을 인가하는 작업 등을 제어하기 위한 명령 및/또는 명령 매개변수를 생성하는데 사용될 수 있다.
분말 제어 모듈(148)은 3D 인쇄 시스템(100)이 특정 3D 물체에 대한 특정 강도를 만족하는 재료 강도를 갖는 분말 혼합물을 준비할 수 있도록 하는 실행가능한 명령을 추가로 포함한다. 모듈(148)로부터의 명령을 실행하는 프로세서(142)는 사용자 인터페이스(152)를 통해 3D 물체에 대한 사용자 지정 재료 강도를 수신할 수 있다. 대안적으로, 데이터(150)로부터의 3D 인쇄 작업은 3D 물체에 대한 특정 재료 강도를 포함할 수 있다. 분말 혼합물(112)은 다수의 공급부(116)로부터 분배되는 분말의 재료 물성(예를 들어, UV 스펙트럼 흡광도)를 측정함으로써, 그리고 측정된 물성에 기초하여 공급부(116)로부터의 공급 속도를 조정함으로써 특정 재료 강도를 얻도록 제어될 수 있다. 프로세서(142)는 어세이 장치(120)를 제어하는 명령을 실행하여 각각의 분말의 투과도를 측정한다. 투과도는 흡광도로 전환되고 난 후 예를 들어 분말 제어 모듈(148) 내에 저장된 순람표를 통해 재료 강도와 상관된다. 특정 재료 강도 및 다수의 공급부(116)로부터의 분말 각각에 대해 결정된 재료 강도를 사용하여, 프로세서(142)는 각각의 공급부(116)로부터 분배되는 분말의 공급 속도를 제어하기 위한 비율을 계산할 수 있다.
예시적 설명으로서, 인쇄 시스템(100)이 2개의 분말 공급부(116a 및 116b)를 갖는다고 가정하면, 상기 시스템은 사용자 인터페이스(152)를 통해 다음 3D 인쇄 작업을 위해 40 메가파스칼(MPa)의 사용자 지정 재료 강도를 수신한다. 공급부(116)로부터 분배되는 투입 분말에 대해 측정된 투과도 값이 각각의 투입 분말의 재료 강도를 결정하는데 사용될 수 있다. 2개의 투입 분말의 재료 강도가 공급부(116a)로부터 46 MPa이고 공급부(116b)로부터 38 MPa인 것으로 가정하면, 비율이 아래와 같이 결정될 수 있다:
Figure pct00001
여기서, x는 공급부(116a)에 의해 공급되는 분말의 퍼센트이고, 1-x는 공급부(116b)에 의해 공급되는 분말의 퍼센트이다. 따라서, 본 예에서, 공급부(116)로부터의 분말 공급 속도 비율은 공급부(116a)로부터 25% 및 공급부(116b)로부터 75%일 것이다. 이러한 분말 투입의 비율은 분말 혼합물(112) 및 분말 혼합물(112)로부터 인쇄되는 3D 물체에 있어 40 MPa의 사용자 지정 재료 강도를 얻을 것이다.
도 2는 혼합 빌드 분말의 재료 강도를 측정 및 제어하기 위해 단일의 인-라인 어세이가 적용된 3D 적층 제조 시스템(100)의 대안적인 예의 사시도를 도시한다. 시스템(100)은 도 1의 시스템(100)에 대해 전술한 바와 동일하거나 유사한 방식으로 작용한다. 그러나, 다수의 분말 공급부(116)로부터의 분말의 각각을 측정하는데 사용되는 별개의 어세이 장치(120) 대신, 단일 어세이 장치(120)는 투입 분말로부터 혼합된 최종 분말 블렌드(112)에 대해서만 재료 물성(예를 들어, 투과도)를 측정하는데 사용된다. 분말 혼합물(112)의 측정된 재료 물성은 순람표를 통해 분말 혼합물(112)의 재료 강도와 상관될 수 있다. 사용자 인터페이스(152)를 통한 사용자로부터의 특정 재료 강도는 예를 들어, 분말 혼합물(112)의 현재 측정된 재료 강도와 지속적으로 비교될 수 있고, 각각의 공급부(116)로부터 혼합되는 분말의 비율은 분말 혼합물(112)의 측정된 강도가 특정 재료 강도와 동일해 지도록 조정될 수 있다. 본 예에서, 분말 공급부(116) 중 하나는 해당 분말의 최대 강도를 갖는 새로운 분말을 갖는다.
도 3 및 도 4는 3차원(3D) 물체를 인쇄하는 예시적 방법(300 및 400)을 도시하는 흐름도이다. 방법(300 및 400)은 도 1 및 도 2에 대해 전술한 예들과 관련있고, 방법(300 및 400)에 나타난 작업의 상세는 이러한 예들의 관련 설명에서 찾을 수 있다. 방법(300 및 400)의 작업은 도 1에 도시된 메모리(144)와 같은 비-일시적, 기계 판독가능한(예를 들어, 컴퓨터/프로세서 판독가능한) 매체 상에 저장된 프로그래밍 명령으로서 실현될 수 있다. 일부 예에서, 방법(300 및 400)의 작업의 실시는 메모리(144)에 저장된 프로그래밍 명령을 판독하여 실행시키는, 도 1의 프로세서(142)와 같은 프로세서에 의해 이루어질 수 있다. 일부 예에서, 방법(300 및 400)의 작업의 실시는 ASIC 및/또는 다른 하드웨어 구성요소 자체만 사용하여 이루어지거나 또는 프로세서(142)에 의해 실행가능한 프로그래밍 명령과 함께 사용하여 이루어질 수 있다.
방법(300 및 400)은 둘 이상의 구현예를 포함할 수 있으며, 방법(300 및 400)의 상이한 구현예가 도 3 및 도 4의 각각의 흐름도에 있는 모든 작업을 채용하지 않을 수도 있다. 따라서, 방법(300 및 400)의 작업이 각각의 흐름도 내 특정 순서로 존재하지만, 이들 표시의 순서는 작업이 실제로 구현될 수 있는 순서에 대해, 또는 작업 전체가 구현될 수 있는지에 대해 제한을 두고자 하는 것은 아니다. 예를 들어, 방법(400)의 하나의 구현예는 하나 이상의 후속 작업을 행하지 않고서 다수의 초기 작업의 실행을 통해 달성될 수 있는 반면, 방법(400)의 다른 구현예는 작업 전체의 수행을 통해 달성될 수 있다.
이제, 도 3의 흐름도를 참고하면, 3차원(3D) 물체의 적층 제조용 빌드 분말을 제공하는 예시적 방법은 블록(302)에서, 3D 물체를 생산하기 위해 투입 분말을 혼합 분말로 혼합하는 것으로 시작된다. 일부 예에서, 투입 분말을 혼합 분말 내로 혼합하는 것은 제 1 분말 공급부로부터의 새로운 분말을 제 2 분말 공급부로부터의 재활용 분말과 혼합하는 것을 포함한다. 블록(304)에서 볼 수 있는 바와 같이, 혼합 동안, 각각의 투입 분말의 재료 강도가 결정될 수 있다. 재료 강도를 결정하는 것은 블록(306)에서 볼 수 있는 바와 같이, 투입 분말의 재료 물성값을 측정하는 것과, 미리 결정된 순람표를 통해 재료 물성값을 재료 강도값과 상관시키는 것을 포함할 수 있다. 블록(308)에서 볼 수 있는 바와 같이, 재료 물성값을 측정하는 것은 투입 분말에 자외선을 지향시키는 것과, 투입 분말의 투과도 값을 결정하도록 투입 분말을 통과하는 자외선의 양을 광도계로 검출하는 것과, 투과도 값을 흡광도 값으로 전환하는 것을 포함할 수 있다. 각각 블록(310 및 312)에서 볼 수 있는 바와 같이, 일부 예에서, 특정 재료 강도는 3D 물체의 상이한 부분에 상이한 재료 강도를 부여하는 특정 재료 강도 프로파일을 포함하고, 투입 분말의 비율을 계산하는 것은 3D 물체의 인쇄 동안, 3D 물체의 각각의 상이한 부분에 대한 투입 분말의 비율을 다시 계산하는 것을 포함한다.
방법(300)은 블록(314)에서 볼 수 있는 바와 같이, 혼합 분말의 특정 재료 강도를 얻도록 투입 분말의 비율을 계산하는 것을 포함하며, 계산은 각각의 투입 분말의 재료 강도값을 기초로 한다. 일부 예에서, 특정 재료 강도는 3D 인쇄 장치의 사용자 인터페이스를 통해 수신될 수 있다. 상기 방법은 블록(316)에서 볼 수 있는 바와 같이, 사용자 인터페이스를 통해 변경된 특정 재료 강도를 수신하는 것과, 블록(318)에서 볼 수 있는 바와 같이, 변경된 특정 재료 강도를 얻도록 투입 분말의 비율을 다시 계산하는 것을 포함할 수 있다. 이어서, 투입 분말의 공급 속도는 블록(320)에서 볼 수 있는 바와 같이, 다시 계산된 비율에 따라 조정될 수 있다. 각각 블록(322, 324 및 326)에서 볼 수 있는 바와 같이, 일부 예에서, 상기 방법은 적어도 하나의 투입 분말의 변경된 재료 강도값을 결정하는 것과, 변경된 재료 강도값에 기초하여 분말 혼합물의 특정 재료 강도를 얻도록 투입 분말의 비율을 다시 계산하는 것과, 다시 계산된 비율에 따라 투입 분말의 공급 속도를 조정하는 것을 포함할 수 있다.
이제, 도 4의 흐름도를 참고하면, 3D 물체의 적층 제조용 빌드 분말을 제공하는 예시적 방법은 3D 물체에 대한 특정 재료 강도를 수신하는 것으로 시작된다. 특정 재료 강도는 예를 들어, 사용자 인터페이스를 통해 또는 3D 물체용 물체 파일을 통해 수신될 수 있다. 일부 예에서, 3D 물체에 대한 특정 재료 강도를 수신하는 것은 3D 물체의 상이한 부분에 대한 상이한 재료 강도를 지정하는 3D 물체에 대한 강도 프로파일을 수신하는 것을 포함할 수 있다. 블록(404)에서 볼 수 있는 바와 같이, 방법(400)은 3D 물체용 분말 혼합물을 형성하도록 다수의 투입 분말을 혼합하는 것을 포함한다. 상기 방법은 블록(406)에서 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 투입 분말의 재료 강도를 결정하는 것을 포함한다. 일부 예에서, 재료 강도를 결정하는 것은 블록(408)에서 볼 수 있는 바와 같이 각각의 투입 분말의 흡광도를 측정하는 것을 포함할 수 있다. 흡광도를 측정하는 것은 블록(410 및 412)에서 볼 수 있는 바와 같이, 분말이 통과하는 투명 챔버 내로 미리 결정된 파장의 자외선을 전송하는 것과, 챔버 내에서 분말을 통과하는 자외선을 광도계로 검출하는 것을 포함할 수 있다.
재료 강도를 결정하는 것은 또한, 블록(414)에서 볼 수 있는 바와 같이, 재료 강도를 갖는 각각의 투입 분말의 흡광도를 계산하는 것을 포함할 수 있다. 각각의 투입 분말의 재료 강도 및 3D 물체에 대한 특정 재료 강도에 기초하여, 각각의 투입 분말의 투입 비율은 블록(416)에서 볼 수 있는 바와 같이, 특정 재료 강도를 갖는 분말 혼합물을 형성하도록 조정될 수 있다.

Claims (15)

  1. 3차원(3D) 물체의 적층 제조용 빌드 분말(build powder)을 제공하는 방법에 있어서,
    3D 물체를 생산하기 위해 투입 분말을 혼합 분말로 혼합하는 것과,
    혼합하는 동안, 각각의 투입 분말의 재료 강도값을 결정하는 것과,
    각각의 투입 분말의 재료 강도값에 기초하여, 혼합 분말의 특정 재료 강도를 얻도록 투입 분말의 비율을 계산하는 것과,
    상기 비율에 따라 투입 분말의 공급 속도를 조정하는 것을 포함하는
    적층 제조용 빌드 분말 제공 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 투입 분말의 변경된 재료 강도값을 결정하는 것과,
    상기 변경된 재료 강도값에 기초하여, 분말 혼합물의 특정 재료 강도를 얻도록 투입 분말의 비율을 다시 계산하는 것과,
    다시 계산된 비율에 따라 투입 분말의 공급 속도를 조정하는 것을 더 포함하는
    적층 제조용 빌드 분말 제공 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    3D 인쇄 장치의 사용자 인터페이스 및 3D 물체를 규정하는 물체 데이터 중 하나를 통해 상기 특정 재료 강도를 수신하는 것을 더 포함하는
    적층 제조용 빌드 분말 제공 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 사용자 인터페이스를 통해 변경된 특정 재료 강도를 수신하는 것과,
    상기 변경된 특정 재료 강도를 얻도록 상기 투입 분말의 비율을 다시 계산하는 것과,
    다시 계산된 비율에 따라 투입 분말의 공급 속도를 조정하는 것을 더 포함하는
    적층 제조용 빌드 분말 제공 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 특정 재료 강도는 3D 물체의 상이한 부분들에 대해 상이한 재료 강도를 부여하는 특정 재료 강도 프로파일을 포함하고,
    상기 투입 분말의 비율을 계산하는 것은 3D 물체의 인쇄 동안, 3D 물체의 상이한 각 부분에 대한 투입 분말의 비율을 다시 계산하는 것을 포함하는
    적층 제조용 빌드 분말 제공 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    재료 강도를 결정하는 것은,
    투입 분말의 재료 물성값을 측정하는 것과,
    상기 재료 물성값을 미리 결정된 순람표(look up table)를 통해 재료 강도값과 상관시키는 것을 포함하는
    적층 제조용 빌드 분말 제공 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    투입 분말의 재료 물성값을 측정하는 것은,
    상기 투입 분말에 자외선을 지향시키는 것과,
    투입 분말의 투과도 값을 결정하도록 투입 분말을 통과하는 자외선의 양을 광도계로 검출하는 것과,
    상기 투과도 값을 흡광도 값으로 전환하는 것을 포함하는
    적층 제조용 빌드 분말 제공 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    투입 분말을 혼합 분말로 혼합하는 것은 제 1 분말 공급부로부터의 새로운 분말을 제 2 분말 공급부로부터의 재활용 분말과 혼합하는 것을 포함하는
    적층 제조용 빌드 분말 제공 방법.
  9. 3차원(3D) 물체를 생산하기 위한 적층 제조 장치에 있어서,
    다수의 분말 공급부로부터의 다수의 투입 분말을 혼합하는 블렌더와,
    각각의 투입 분말의 재료 물성을 측정하도록 각각의 공급부와 연관되는 어세이(assay)와,
    측정된 재료 물성을 사용하여, 특정 재료 강도를 갖는 혼합 분말을 얻도록 상기 다수의 분말 공급부에 대한 공급 속도의 비율을 결정하는 제어기와,
    상기 비율에 따라 공급 속도를 조정하도록 각각의 공급부와 연관된 분말 유동 디스펜서를 포함하는
    적층 제조 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    각각의 어세이는,
    투명 챔버로서, 상기 투명 챔버를 통해 분말이 공급부로부터 상기 블렌더로 통과하는, 상기 투명 챔버와,
    상기 챔버 내로 자외선을 전송하는 자외선 광원과,
    상기 챔버 내에서 분말을 통과하는 자외선을 검출하는 광도계를 포함하는
    적층 제조 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 자외선 광원은 미리 결정된 파장 범위로 자외선을 전송하는 여과식 자외선 광원을 포함하는
    적층 제조 장치.
  12. 명령을 저장하는 비-일시적 기계 판독가능한 저장 매체에 있어서,
    상기 명령은,
    3차원(3D) 적층 제조 장치의 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 적층 제조 장치가,
    3D 물체에 대한 특정 재료 강도를 수신하고,
    상기 3D 물체용의 분말 혼합물을 형성하도록 다수의 투입 분말을 혼합하고,
    각각의 투입 분말의 재료 강도를 결정하고,
    각각의 투입 분말의 재료 강도 및 상기 3D 물체에 대한 특정 재료 강도에 기초하여, 상기 특정 재료 강도를 갖는 분말 혼합물을 형성하도록 각각의 투입 분말의 투입 비율을 조정하도록 하는
    비-일시적 기계 판독가능한 저장 매체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    각각의 투입 분말의 재료 강도를 결정하는 것은,
    각각의 투입 분말의 흡광도를 측정하는 것과,
    각각의 투입 분말의 흡광도를 재료 강도와 상관시키는 것을 포함하는
    비-일시적 기계 판독가능한 저장 매체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    흡광도를 측정하는 것은,
    분말이 통과하는 투명 챔버 내로 미리 결정된 파장 범위의 자외선을 전송하는 것과,
    상기 챔버 내에서 분말을 통과하는 자외선을 광도계로 검출하는 것을 포함하는
    비-일시적 기계 판독가능한 저장 매체.
  15. 제 12 항에 있어서,
    3D 물체에 대한 특정 재료 강도를 수신하는 것은 3D 물체의 상이한 부분에 대한 상이한 재료 강도를 지정하는 3D 물체용 강도 프로파일을 수신하는 것을 포함하는
    비-일시적 기계 판독가능한 저장 매체.
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