KR20190003494A - 적산형 제조에 사용을 위한 입자들의 층들을 형성하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

적산형 제조에 사용을 위한 입자들의 층들을 형성하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

입자 층을 형성하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 층상화 방법은 캐리어 액체와 분위기 가스 사이에 가스-액체 계면에서 정의된 주입 존에 입자들을 주입하는 단계 및 주입 존으로부터 층 형성 존으로 입자 흐름 경로를 따라서 입자들을 다운스트림으로 운반하기 위해 가스-액체 계면을 따라 캐리어 액체의 흐름을 제어하는 단계를 포함한다. 방법은 층 형성 존에 입자들을 축적시켜 가스-액체 계면상에 입자 층을 점진적으로 형성하는 단계 및 층 형성 존으로부터 입자 층을 인출하는 단계를 또한 포함한다. 층상화 방법 및 장치에 의해 형성된 입자 층은 적산형 제조에 의해 3차원 물체를 제조하는데 사용될 수 있다.

Description

적산형 제조에 사용을 위한 입자들의 층들을 형성하기 위한 방법 및 장치
전반적인 기술 분야는 입자 층들의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적산형 제조 애플리케이션들(additive manufacturing application)에 사용에 적절한 입자들의 박층(thin layer)들을 형성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
작은 입자들 또는 분자들, 예를 들어, 초박층들 또는 서브마이크로미터-사이즈의 입자들의 단일 층들과 같은 박층들의 제조, 조립 및/또는 형성을 위한 다양한 기술이 알려져 있다.
Picard의 문헌 WO 1998/053920 A1은 입자들 또는 분자들의 단일 층들을 조제하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 이 문서는 이러한 입자들이 조립되어 단일 층을 형성하는 회전 실린더를 개시한다. 방법의 기본 원칙은 세 가지 상이한 프로세스들의 조합에 기반된다. 제 1 프로세스는 얇은 액체 필름을 사용할 필요로 한다는 것이고, 필름의 두께는 마이크로미터 (㎛) 범위에 있어야 한다. 제 2 프로세스는 가스-액체 계면에서 또는 얇은 액체 필름 그 자체에서 그것들 사이에 흡착을 일으키지 않고 가스-액체 계면에서 입자들의 흡착을 유발하기 위해 얇은 액체 필름 내의 입자들의 전기적 전하들을 제어하는 것이다. 제 3 프로세스는 압축을 위해 에지에 가까이에 입자들을 구동시키는 힘을 생성하기 위해, 얇은 액체 필름이 있는 표면이 이동된다는 것이다. 이 움직임은 얇은 액체 필름을 앞쪽으로 밀어 내고, 액체 점도를 통하여 최종적으로 입자들을 앞쪽으로 밀어내는 표면력을 생성한다.
Schneider et al. 의 문헌들 US 2011/0135834 A1 및 Picard et al. 의 미국 특허 제 7,591,905 B2 는 단일층 및 박막(thin film)들을 형성하는 방법을 개시한다. 양쪽 문헌들에서, 개시된 방법들은 입자를 밀어서 단일 층을 형성하는 구동력으로서 중력의 힘에 의존한다. 이들 방법들 중 어느 것도 움직이는 액체 제어가 없기 때문에 단일 층 품질의 축 방향의 제어를 허용하지 않아서, 움직이는 유체에 의해 입자들에 인가되는 측방 압력 제어로 해결된다. 게다가, 기울어진 평면의 존재는 움직이는 유체의 표면에서 리플(ripple)들 또는 롤링 파(rolling wage)를 생성하는 경향이 있고, 이는 형성되는 초박층 또는 단일 층의 생산 속도 및 품질 및 평탄도(evenness)을 제한 또는 감소시킴으로써 프로세스의 전체 효율에 영향을 미친다. 더욱이, 입자 주입의 단일 포인트의 경우에, 기울어진 평면에서 하향으로 움직이는 동안 리플들이 증가하는 경향이 있으며, 이는 단일 층 품질에 영향을 미치고 생산 속도를 또한 제한한다.
Teulet의 문헌 EP 1 641 580 B1는 레이저에 의해 분말들 (금속성 또는 세라믹)을 소결시키기 위한 층상화 디바이스(layering device)가 개시된다. 디바이스는 한편으로는 작업 존 위에 실린더의 제 1 통로 동안 증착 트레이상에 소정의 양의 분말을 전송 및 분배할 수 있고, 다른 한편으로는, 제 2 통로 동안 실린더의 롤링 움직임에 의해 분말을 압축할 수 있는 홈이 있는(grooved) 실린더에 분말이 제어된 양으로 전달되고 저장되는 것을 허용하는 공급 트레이(feed tray)를 포함한다. 분말은 그런 다음 레이저 빔에 노출된다. 이 구성의 단점은 공급 트레이의 사이즈와 상당한 비용이다. 다른 단점은 작업 존의 길이가 실린더의 유용한 주변부에 의해 제한된다는 사실에서 발생한다. 또한, 서브마이크로미터-사이즈의 입자들, 또는 가벼운 입자들은 일반적으로, 불균일한 층들을 충전하고 생성하는 경향이 있다. 나노미터-사이즈의 입자들의 경우, 이 접근법은 일반적으로 단일 층들을 제공할 수 없거나 입자 패킹의 제어를 허용할 수 없다.
Teulet 의 문헌 WO 2011/007087 A2에는 레이저로 분말을 용융시키기 위한 층상화 디바이스가 개시된다. 이 디바이스는 분말이 저장되는 것을 허용하고 증착 트레이 상에 분말의 양을 분배 및 압축할 수 있는 증착 트레이 및 실린더(들)를 공급할 수 있는 스크레이퍼 시스템(scraper system)에 제어된 양으로 전달되는 것을 허용하는 공급 트레이를 포함한다. 분말은 그런 다음 레이저 빔에 노출된다. 이 구성의 한 가지 단점은 공급 트레이의 사이즈와 상당한 비용 뿐만 아니라 예를 들어, 스크레이퍼 (scraper), 분배 및/또는 압축 실린더(들), 트레이들을 위한 램(ram)들, 및 유사한 것과 같이 제어되어야 할 다수의 툴들로 인해 발생하는 기계의 고유하고 필요한 복잡도이다. 게다가, 입자들을 스크레핑하거나 미는 것은 작업 존 위로 입자들을 밀거나 롤링하는 동안 유동성을 보장하기 위해 그것들을 가능한 한 둥글게 하는 것이 요구된다. 파이버들, 길게된 또는 플레이트러트(platelet)들은 입자 분포의 평탄도를 균등하게 보장하는 데 사용될 수 없다. 둥글지 않은 입자들은 막힘(clogging)과 불균일한 증착물을 만들 수 있으며 최종적으로 제조된 층의 불균일한 압력 밀도 분포를 유발할 수 있다.
Chung et al.의 문헌 US 2005/0263934 A1 호는 레이저에 의해 분말을 소결시키기 위한 층상화 디바이스를 개시한다. 이 디바이스는 분말을 작업 존 부근에 제어된 방식으로 전달되는 것을 허용하는 공급 및 도우징 (dosing) 수단을 포함한다. 공급은 위에 놓인 분말의 스탁(stock)로부터 중력에 의해 일어난다. 스크레이퍼는 분말 덩어리의 두께 조절을 허용하고, 이는 그런다음 사전가열 동작에 노출된다. 회전식 실린더는 그런다음 사전가열된 분말의 양이 작업 존으로 전송되고 분배되는 것을 허용한다. 다량의 분말이 작업 존의 일 측면에서 다른 측면으로 실린더를 운반하는 캐리지의 커버 상에 유사하게 증착될 수 있어서 실린더의 리턴 동안에만 적용된다. 이 구성의 한 가지 단점은 분말의 일부분 (심지어 아주 작은 부분)이 분말의 베드(bed) 위에 캐리지의 통과 동안 커버에 보유되고 이어서 작업 존으로 떨어질 위험이 있다. 이 위험은 산업계 사용의 상황에서 수락될 수 없고 반 데르 발스 (van der Waals)와 정전기력들이 중력보다 훨씬 중요시되는 극 미세, 서브마이크메트릭(submicrometric) 입자들에서 발생할 가능성이 높다. WO 2011/007087 A2에서와 같이, 입자들을 스크레핑하거나 미는 것은 작업 존 위로 입자들을 밀거나 롤링하는 동안 유동성을 보장하기 위해 그것들을 가능한 한 둥글게 하는 것이 요구된다. 게다가, 서브 마이크론 입자들은 매우 얇은 층을 얻기 위해 기계적으로 밀어낼 수 없다.
Pialot et al. 의 문헌 US 2014/0363585 A1 은 레이저에 의해 분말을 소결시키기 위한 층상화 디바이스 및 관련 프로세스를 개시한다. 프로세스는 저장 수단, 공급 수단 및 도우징 수단이 분배 수단과 일체형이며, 분배 수단이 작업 존 위로 이동하는 것을 특징으로 한다. 다시 말하면, 위에 놓인 분말의 스톡에서 중력에 의해 공급이 발생하고, 이는 입자들이 중력에 의해 층상화 디바이스로부터 작업 존까지 아래쪽으로 운반될 만큼 충분히 크고 충분히 조밀(dense)해야만 한다. 그러나, 직경이 수 나노미터 (nm)의 범위에 입자들에 대하여, 중력 효과가 일반적으로 너무 작기 때문에 입자들은 작업 존으로 전달되는 것이 아니라 공기 위에서 부유되어 있는 경향이 있다.
Delisle ef al.의 US 2014/0170012 A1는 부분적으로 소결된 분쇄(pulverant) 재료의 층을 적산형 제조 스테이션에 전달하는 재료 공급 시스템을 포함하는 적산형 제조 장치를 개시한다. 이 문헌은 또한 선택적으로 소결되어 물체를 형성하는 부분적으로 소결된 분쇄 재료의 층들을 사용하여 물체를 형성하는 방법을 개시한다. 분쇄 재료는 작업 존 상에 교대로 쿠폰으로서 연속적으로 증착된 롤링된(rolled) 필름 형태로 제공된다. 이 구성의 한 가지 단점은 작업 존에서의 프로세싱 및 증착 동안에 필름의 어떠한 파열도 없는 것을 보장하기 위해 제한적인 두께 층 및 소결 레벨이 존재한다는 것이다. 더욱이, 이 접근법은 이중 소결을 필요로 하므로, 비용 및 프로세스 요건들을 증가시킨다.
US 2014/0170012 A1과 동일한 기술 분야에서, 매트릭스 재료는 필름을 가져야 한다. 분말 공급 원료와 관련된 어려움을 완화시키려는 몇 가지 알려진 기술이 있다. 예를 들어, 소결페이퍼 (sinterpaper)는 내장된 금속성 소결가능한 분말들을 갖는 종이 파이버로 구성된 상업적으로 이용 가능한 제품이다. 레이저 소결 동안에, 종이 파이버는 연소되어 소결된 금속만 남기게 된다. 그러나, 소결 페이퍼는 탄소성 잔류물을 남기고, 종이 파이버들 전체에 분쇄 재료의 불균일한 분포를 일으킨다.
종래 기술의 다른 난제는 작업 존의 전체 표면적 (길이, 폭)에 걸쳐 분말 층에 균질의 두께 및 밀도를 획득하는 것이 어려울 때가 있고 때로는 불가능하다는 것이다. 게다가, 정전기 및 반 데르 발스 힘과 같은 다른 힘이 중요해지는 작은 입자 사이즈에서, 각각의 층에서의 압축 제어가 어려울 수 있으며, 이로 인해 막힘 및 분말 끈적임이 촉진되고, 차례로 층의 평탄성, 편평도 및/또는 균일성에 영향을 미친다.
종래의 기술에서의 추가 난제는 입자 사이즈 및 밀도가 입자들의 증착된 층을 평평하게 하는 기계 장치에 의해 그리고 중력에 의해 끌어 당겨 지도록 충분히 커야한다는 것이다. 예를 들어 수 나노미터 사이즈와 같이 입자들이 너무 작으면, 중력은 더 이상 입자들에 작용하는 메인 힘이 아니어서 품질, 균일성 및 두께 제어를 갖는 증착을 달성하는 것을 어렵거나 심지어 불가능하게 한다. 일부 경우들에서, 초 미세 분말은 주입 후 공기 분산을 통해 장비 및 심지어 환경을 오염시킬 수 있으므로 운영자들 및 장비에 대하여 잠재적으로 시스템이 위험해 질 수 있다. 또한, 매우 작은 금속들의 입자들은 공기의 산소와 접촉하여 높은 표면 체적비 때문에 인화성 및/또는 폭발성이 되어 공급 트레이 및 전체 시스템을 위험하게 만든다.
따라서, 미립자 층들을 형성하기 위한 기술들의 개발에는 다양한 난제들이 남아있다.
본 명세서는 전반적으로, 적산형 제조 프로세스 및 애플리케이션들에 사용에 적절한 예를 들어, 서브마이크로미터-사이즈의 초박층들 또는 단일 층들과 같은 입자들의 박층을 형성하기 위한 기술들에 관한 것이다.
일 측면에 따라, 입자 층을 형성하기 위한 방법이 제공된다. 상기 층상화 방법은 이하의 상기 단계들을 포함한다 :
캐리어 액체(carrier liquid)와 분위기 가스(ambient gas) 사이의 가스-액체 계면에서 정의된 주입 존에 입자들을 주입하는 단계;
상기 주입 존으로부터 층 형성 존으로 입자 흐름 경로를 따라 상기 입자들을 다운스트림으로 운반하기 위해 상기 가스-액체 계면을 따라 상기 캐리어 액체의 흐름을 제어하는 단계;
상기 가스-액체 계면상에 상기 입자 층을 점진적으로 형성하기 위해 상기 층 형성 존에 상기 입자들을 축적시키는 단계; 및
상기 층 형성 존으로부터 상기 입자 층을 인출하는 단계(withdrawing)를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 층상화 방법은 Langmuir-Blodgett 필름 증착 기술에 수반되는 것들에 유사한 물리적화학적 원리(physicochemical)들을 포함할 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 주입하는 단계는 분말, 분산액, 용액, 현탁액, 이종 혼합물 또는 이들의 조합물로서 상기 주입 존 또는 사이트에 상기 입자들을 주입하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 층상화 방법은 상기 주입하는 단계 전에, 상기 입자들을 현탁액 또는 용매에 현탁 또는 용해시켜 입자 현탁액 또는 용액을 준비하는 단계를 더 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 입자 현탁액 또는 용액은 상기 주입하는 단계 바로 전에 형성될 수 있다. 대안으로, 다른 구현예들에서, 상기 입자 현탁액 또는 용액은 더 일찍 형성되어 그런 다음 필요할 때까지 저장된다. 일부 구현예들에서, 상기 준비하는 단계는 상기 입자 현탁액 또는 용액에 상기 입자들의 농도를 제어하는 단계를 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 현탁액 또는 용매는 상기 캐리어 액체의 표면 장력보다 낮은 표면 장력을 갖는다.
일부 구현예들에서, 상기 주입하는 단계는 상기 주입 존에 상기 입자들의 주입 속도를 제어하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 주입하는 단계는 상기 주입 존내 단일 주입 지점에서 상기 입자들을 주입하는 단계를 포함한다. 다른 구현예들에서, 상기 주입하는 단계는 상기 주입 존내 복수의 이격된 주입 지점들에서 상기 입자들을 주입하는 단계를 포함한다. 추가 구현예들에서, 상기 주입하는 단계는 상기 주입 존내 주입 라인을 따라서 상기 입자들을 주입하는 단계를 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 주입 라인은 상기 입자 흐름 경로에 실질적으로 수직이다.
일부 구현예들에서, 상기 제어하는 단계는 실질적으로 중력 흐름없이 상기 캐리어 액체의 흐름을 제어하는 단계를 포함한다. 이런 구현예들에서, 상기 가스-액체 계면은 전체적으로 상기 중력의 힘에 수직인 수평 평면을 따라서 연장된다.
일부 구현예들에서, 상기 제어하는 단계는 상기 가스-액체 계면으로부터 상기 가스-액체 계면 아래의 동작 깊이까지 아래로 연장되는 상기 캐리어 액체의 상단 부분의 흐름을 제어하는 단계를 포함한다. 보다 상세하게는, 일부 구현예들에서, 상기 캐리어 액체의 상기 상단 부분의 흐름은 상기 가스-액체 계면에 평행한 속도 v에서 움직이고 상기 가스-액체 계면 아래에 거리 d에 위치된 기판의 변위에 의해 야기된다. 이러한 구성에서, 상기 캐리어 액체의 고유 점도 μ로 인해, 상기 움직이는 기판의 변위는 상기 가스-액체 계면을 따라 상기 입자들에 작용하는 측방 힘 F를 생성한다. 일부 구현예들에서, 표면 (A) 를 갖는 입자들의 층에 작용하는 힘 F는 다음과 같이 표현될 수 있다 : F/A = μν/d, 여기서 F/A는 상기 입자들에 작용하는 압력 P를 나타낸다. 예를 들어, 상기 캐리어 액체가 상대적으로 낮은 점도 (예를 들어, 10 센티 푸아즈(centipoises) 미만)에 의해 특징지어지는 비 제한적인 실시예에서, 상기 가스-액체 계면 아래의 상기 움직이는 기판의 깊이 d는 상기 입자들을 효율적으로 상기 층 형성 존으로 전송하기에 충분히 큰 힘 F를 생성하기 위해 밀리미터 또는 그 미만의 크기를 가질 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 캐리어 액체의 상단 부분의 흐름을 제어하는 단계는 상기 입자 흐름 경로를 따라서의 동작 속도 및 동작 깊이에서 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스를 동작시키는 단계를 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스를 동작시키는 단계는 상기 캐리어 액체의 점도에 기초하여 상기 동작 깊이 및 상기 동작 속도 중 적어도 하나를 선택하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스를 동작시키는 단계는 복수의 흐름 제어 디바이스들을 동작시키는 단계를 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 복수의 흐름 제어 디바이스들을 동작시키는 단계는 상기 흐름 제어 디바이스들의 각각을 독립적으로 동작시키는 단계를 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 복수의 흐름 제어 디바이스를 동작시키는 단계는 상이한 동작 속도에서 상기 흐름 제어 디바이스 중 적어도 2 개를 동작시키는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 제어하는 단계는 상기 가스-액체 계면에서의 블라스트 주입(blast injection)의 현상을 제한하는 단계를 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 가스-액체 계면에서의 블라스트 주입 현상을 제한 또는 억제하는 단계는 상기 주입 존에 주입된 상기 입자들의 파 팽창 속도(wave expansion rate)에 따라 상기 가스-액체 계면을 따라 상기 캐리어 액체의 흐름을 조절하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 축적시키는 단계는 상기 층 형성 존에 상기 캐리어 액체의 흐름을 제한하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, 상기 층 형성 존에 상기 입자들을 축적시키는 단계는 상기 층 형성 존에 제어되는 입자 트래픽 잼(traffic jam) 또는 제한 효과를 생성하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 인출하는 단계는 상기 입자 층을 상기 축적시키는 단계와 동시에 그리고 점진적으로 제거하는 단계를 포함한다. 대안으로, 다른 구현예들에서, 상기 인출하는 단계는 상기 입자 층 또는 그 일부가 완전히 형성된 후에만 상기 층 형성 존으로부터 상기 입자 층을 제거하는 단계를 포함한다. 이들 다른 구현들 중 일부에서, 일단 상기 입자 층이 완전히 형성되면, 그리고 상기 제거하는 단계 동안에, 상기 방법은 상기 주입하는 단계를 중지시키고 상기 입자 층을 그것의 업스트림 에지에 반대하는 다운스트림으로 밀어내는 단계를 포함할 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 인출하는 단계는 상기 층 형성 존으로부터 상기 입자 층의 인출 속도를 제어하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 인출 단계는 상기 입자 층의 측방 압력을 제어하는 단계를 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 인출된 입자 층의 측방 압력은 상기 층 밀도를 제어될 수 있고, 리플들, 롤링 파 및 상기 캐리어 액체의 표면에서의 다른 불안정성의 형성을 방지하거나 방지하는 것을 도울 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 입자 층에 상기 측방 압력을 제어하는 단계는 상기 가스-액체 계면을 따라 상기 캐리어 액체의 흐름과 상기 층 형성 존으로부터 상기 입자 층의 인출 속도 사이의 비율을 조정하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 층상화 방법은 상기 층 형성 프로세스의 특정 모니터링을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 시나리오들에서, 이 단계는 상기 입자들의 흐름이나 움직임을 방해하거나 제한하여 상기 층 형성 존에 그것들의 축적을 초래하고, 상기 입자 층의 형성으로 귀결될 수 있는 일종의 "트래픽 잼(traffic jam)" 효과를 모니터링하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 시나리오들에서, 상기 층 형성 프로세스의 모니터링은 상기 입자들 (예를 들어, 분말, 현탁액 또는 용액의 형태로)이 상기 가스-액체 계면에 주입되는 상기 주입 존의 모니터링을 수반할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, 상기 축적 단계는 상기 입자들이 상기 층 형성 존에 축적될 때 상기 입자 흐름 경로를 따라 상기 가스-액체 계면의 프로파일을 모니터링하는 것을 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 층상화 방법은 수동 또는 자동으로, 분위기 가스의 조성, 압력 및 공급 속도 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 더 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 분위기 가스의 조성을 제어하는 단계는 상기 층상화 및/또는 제조 프로세스들 동안에 상기 입자들과 산화 및 다른 원치 않는 화학적 반응들을 방지하거나 또는 적어도 줄이는 관점에서 상기 분위기 가스의 상기 산소 함량을 낮추기 위해 불활성 가스(예를 들어, 질소)를 주입하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 분위기 가스의 조성은 정상 대기에서 단지 불활성 가스로 제어될 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 분위기 가스의 조성은 또한 상기 층상화 및/또는 제조 프로세스들 중에 상기 입자들과의 특정 화학 반응을 유발하거나 촉진시키는 방식으로 제어되거나 대신에 제어될 수 있다. 이러한 시나리오는 상기 특정 화학적 반응을 일으키거나 촉진시키기 위해 상기 분위기 가스에 특정 가스 종을 주입하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 층상화 방법은 상기 분위기 가스에 존재하는 상기 산소와 상기 입자들 사이의 임의의 제어되지 않거나, 강하고, 해로운 또는 바람직하지 않은 반응을 방지하거나 방지하는 도움이 되는 밀폐하여(hermetically) 밀봉된 환경에서 수행될 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 층상화 방법은 대기압에서 수행될 수 있는 반면, 다른 구현예들에서, 상기 층상화 방법은 대기압보다 높거나 낮은 압력에서, 예를 들어 부분 진공에서 수행될 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 층상화 방법은 상기 가스-액체 계면에서 입자를 유지시키기 위해 상기 가스-액체 계면에서 상기 입자들의 평형 표면 친화도를 제어하는 단계를 더 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 평형 표면 친화도를 제어하는 단계는 상기 입자들 및 상기 캐리어 액체 중 적어도 하나의 소수성 또는 친수성을 조절하는 단계를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 캐리어 액체는 물, 수용액, 액체 금속 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 입자들은 금속들, 합금들, 반도체들, 세라믹들, 유전체들, 유기 재료들, 폴리머, 또는 이들의 혼합물로 구성된다.
일부 구현예들에서, 상기 입자들은 직경이 약 1 나노미터와 약 10 나노미터들 사이에 있거나, 또는 직경이 약 10 나노미터들과 약 100 나노미터들 사이에 있거나, 또는 직경이 약 0.1 마이크로미터와 약 1 마이크로미터 사이에 있거나, 또는 직경이 약 1 마이크로미터와 약 10 마이크로미터 사이에 있거나, 또는 직경이 약 10 마이크로미터와 약 100 마이크로미터 사이에 있거나, 또는 직경이 약 0.1 밀리미터와 약 1 밀리미터 사이에 있거나, 또는 직경이 약 1 마이크로미터와 약 100 마이크로미터 사이에 있다. 일부 구현예들에서, 상기 입자들은 직경이 약 1 나노미터와 1 밀리미터 사이에 있다.
일부 구현예들에서, 상기 주입된 입자, 상기 캐리어 액체 및 상기 분위기 가스 사이에 수립된 계면 장력이 주입된 입자들을 상기 가스-액체 계면을 따라 빠르게 확산시킨다. 이런 구현예들에서, 상기 입자의 퍼짐이 발생함에 따라, 상기 가스-액체 계면을 따라 상기 캐리어 액체에 첨가된 흐름은 상기 입자들을 상기 층 제조 존 쪽으로 구동시키는 작용을 한다.
다른 측면에 따라, 입자 층을 형성하기 위한 장치가 제공된다. 상기 층상화 장치는 :
캐리어 액체를 수용학 위한 용기로서 상기 캐리어 액체가 상기 용기내에 존재할 때, 상기 캐리어 액체는 분위기 가스와 가스-액체 계면을 정의하는, 상기 용기;
상기 가스-액체 계면에서 정의된 주입 존에 입자들을 주입하도록 구성된 주입 어셈블리;
상기 용기에 배치된 흐름 제어 어셈블리로서, 상기 캐리어 액체가 상기 용기내에 존재할 때, 상기 흐름 제어 어셈블리는 상기 캐리어 액체에 적어도 부분적으로 잠기고 상기 가스-액체 계면을 따라서 상기 캐리어 액체의 흐름을 제어하도록 구성되고, 상기 캐리어 액체의 흐름은 상기 주입 존으로부터 상기 입자들이 축적되어 상기 가스-액체 계면상에 상기 입자 층을 점진적으로 형성하는 층 형성 존으로 입자 흐름 경로를 따라서 다운스트림으로 상기 입자들을 운반하는, 상기 흐름 제어 어셈블리; 및
상기 층 형성 존으로부터 형성된 상기 입자 층을 인출하도록 구성된 전송 어셈블리를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 주입 어셈블리는 상기 주입 존에 상기 입자들의 주입 속도를 제어하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 상기 주입 어셈블리는 분말, 분산액, 용액, 현탁액, 이종 혼합물 또는 이들의 조합물로서 상기 주입 존에 상기 입자들을 주입하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 상기 주입 어셈블리는 단일 주입기를 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 단일 주입기는 상기 주입 존내 단일 주입 지점에서 상기 입자들을 주입하도록 구성된다. 다른 구현예들에서, 상기 단일 주입기는 상기 주입 존내 주입 라인을 따라서 상기 입자들을 주입하도록 구성된다. 추가 구현예들에서, 상기 주입 라인은 상기 입자 흐름 경로에 실질적으로 수직이다. 대안으로, 상기 주입 어셈블리는 복수의 주입기들을 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 복수의 주입기들은 이격된 주입기들의 선형 어레이를 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 주입 어셈블리는 분무기를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 층상화 장치는 상기 용액/현탁액에 입자들의 농도 (예를 들어, 상기 입자들 용액/현탁액이 상기 주입 바로 전에 준비된 시나리오에서) 및/또는 상기 주입 존에 상기 용액/현탁액의 전달 속도를 제어하도록 구성된 도우즈 또는 레이트 제어부를 포함할 수 있다. 상기 도우즈 제어기의 프로비전은 상기 입자 밀도가 하나의 층 내에서 및/또는 연속적인 층들 사이에서 변화되는 것을 허용할 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 층상화 장치는 상기 주입 존으로 입자들의 주입 전에 상기 입자들을 저장하고 상기 입자들을 상기 주입 어셈블리에 공급하기 위해 상기 주입 어셈블리에 연결된 입자 저장 유닛을 더 포함한다. 예를 들어, 상기 입자 저장 유닛은 분말, 현탁액 또는 용액으로 상기 입자들을 저장할 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 층상화 장치는 상기 용기에 전달되어 상기 입자들이 증착될 상기 캐리어 액체를 저장하기 위한 캐리어 액체 저장 유닛을 포함할 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 흐름 제어 어셈블리는 실질적으로 중력 흐름 없이 상기 가스-액체 계면을 따라서 상기 캐리어 액체의 흐름을 제어하도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 상기 흐름 제어 어셈블리는 상기 형성된 입자 층의 형성 속도, 측방 압력, 균질성 및 밀도 또는 공극률 중 적어도 하나를 제어하도록 동작 가능할 수 있다. 공간적으로 균일한 밀도 또는 측방 압력을 갖는 균질한 층들이 흔히 적산형 제조(additive manufacturing)에 바람직하거나 또는 심지어 필요로 된다는 것이 인식될 것이다. 상기 애플리케이션 또는 용도에 의존하여, 상기 형성된 입자 층들은 조밀(close-packed) 밀도를 가질 수 있거나 또는 특정 공극률을 보일 수 잇다. 일부 구현예들에서, 상기 흐름 제어 어셈블리는 상기 주입 사이트의 다운스트림에 상기 유체 변위를 제어함으로써 입자 현탁액 또는 용액이 상기 가스-액체 계면상의 단일 지점에 주입될 때 발생할 수 있는 블라스트 주입 현상을 조절, 축소, 완화 및/또는 제어하도록 동작 가능하거나 또는 대안적으로 동작할 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 흐름 제어 어셈블리는 상기 층 형성 존에 상기 입자들의 제어되는 축적을 달성 또는 제공하도록 동작 가능할 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 흐름 제어 어셈블리는 상기 가스-액체 계면으로부터 상기 가스-액체 계면 아래의 동작 깊이까지 아래로 연장되는 상기 캐리어 액체의 상단 부분의 흐름을 제어하도록 구성된다. 이런 구현예들에서, 상기 흐름 제어 어셈블리는 상기 캐리어 액체의 변위를 유발하도록 구성되고, 상기 변위는 상기 층 형성 존 쪽으로 상기 주입된 입자들을 비말 동반하는 상기 가스-액체 계면의 움직임으로 귀결된다. 일부 구현예들에서, 상기 가스-액체 계면 아래의 상기 캐리어 액체의 상단 부분의 흐름에 대한 이 제어는 상기 층 형성 존을 향하여 상기 입자들을 지향시킴으로써 그리고 층으로 입자들의 제어된 어셈블리를 촉진시킴으로써 상기 가스-액체 계면에서 상기 입자들에 대한 제어되지 않은 측면 압력 현상을 배제하거나 배제를 도울 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 흐름 제어 어셈블리는 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스를 포함하고, 각각의 흐름 제어 디바이스는 상기 동작 깊이에 위치되고, 상기 가스-액체 계면에 평행한 동작 속도에서 동작된다.
일부 구현예들에서, 상기 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스의 각각의 동작 깊이는 1 센티미터 미만이다.
일부 구현예들에서, 상기 흐름 제어 어셈블리는 상기 가스-액체 계면을 따라서 상기 캐리어 액체의 변위를 제어하는 것 그리고 상기 캐리어 액체에 적어도 부분적으로 잠긴 기판을 움직이는 것 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스는 적어도 하나의 벨트 컨베이어를 포함한다. 각각의 벨트 컨베이어는 한 세트의 롤러들을 포함할 수 있고, 이들 중 적어도 하나는 상기 롤러를 중심으로 한 움직임을 위해 장착된 파워공급되는 롤러, 및 순환(endless) 컨베이어 벨트이다. 상기 애플리케이션에 의존하여, 상기 흐름 제어 어셈블리는 단일 벨트 컨베이어 또는 복수의 벨트 컨베이어들을 포함할 수 있다. 후자의 시나리오에서, 상기 벨트 컨베이어들은 모두 동일한 동작 깊이, 동작 속도, 치수 및/또는 배향을 가질 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 각각의 벨트 컨베이어는 상기 주입 존 및/또는 상기 층 형성 존 아래의 상기 캐리어 액체로 연장될 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 캐리어 액체에 잠긴 복수의 독립적으로 제어되는 벨트 컨베이어들의 프로비전은 상기 형성된 층의, 특히 그것의 상기 에지에서의 균일성을 증강시킬 수 있다. 예를 들어, 비-균일한 층은 상기 가스-액체 계면에서 상기 입자들의 불균일한 주입의 단일 지점으로부터 기인할 수 있다. 특별히, 복수의 독립적으로 제어되는 벨트 컨베이어들의 프로비전은 상기 블라스트 주입의 현상 때문에 일어나는 쇼크(shock) 또는 팽창 파(expansion wave)의 특정되고 증강된 제어를 허용할 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 하나 이상의 움직이는 벨트 컨베이어들은 상기 층이 형성되는 비율 또는 속도, 상기 층 내부의 측방 압력, 상기 층의 두께, 상기 층의 밀도, 및 상기 층 형성 존에서의 입자들의 축적 중 적어도 하나를 제어하도록 동작 가능할 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스는 단일 흐름 제어 디바이스로 구성된다. 대안으로, 다른 구현예들에서, 상기 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스는 복수의 흐름 제어 디바이스들로 구성될 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 복수의 흐름 제어 디바이스들은 상기 입자 흐름 경로에 평행하게 나란한 관계로 연장된다.
일부 구현예들에서, 상기 흐름 제어 디바이스들의 동작 속도는 모두 동일하지 않다. 일부 구현예들에서, 상기 흐름 제어 디바이스들의 각각은 상기 흐름 제어 디바이스들의 나머지로부터 독립적으로 동작된다.
일부 구현예들에서, 상기 흐름 제어 어셈블리는 상기 캐리어 액체에 잠긴 고정된 기판 및 상기 주입 존의 업스트림에 상기 캐리어 액체에 적어도 부분적으로 잠긴 펌프를 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 전송 어셈블리는 상기 입자들은 입자들을 축적하고 상기 가스-액체 계면 상에 점진적으로 상기 입자 층들을 형성하는 장벽을 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 전송 어셈블리는 상기 용기의 다운스트림 단부에 위치된다.
일부 구현예들에서, 상기 전송 어셈블리는 주변 표면을 갖는 회전 실린더를 포함하고, 상기 회전 실린더는 상기 층 형성 존의 다운스트림 단부에 위치되고, 상기 입자 층을 상기 층 형성 존 밖으로 그것의 주변 표면을 따라 운반하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, 상기 회전 실린더상에서 운반되는 상기 입자 층은 적산형 제조 시스템의 작업 존으로 전송될 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 회전 실린더는 상기 입자 층의 내부에서 그것의 전송동안에 일정한 측방 압력을 유지하도록 일정한 각속도로 회전될 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 전송 어셈블리는 컨베이어 벨트를 포함하는 벨트 컨베이어를 포함하고, 상기 벨트 컨베이어는 상기 층 형성 존의 다운스트림 단부에 위치되고, 추가 프로세싱 또는 저장을 위해 상기 입자 층을 상기 층 형성 존 밖으로 상기 컨베이어 벨트를 따라 운반하도록 구성된다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, 상기 벨트 컨베이어상에서 운반되는 상기 입자 층은 적산형 제조 시스템의 작업 존으로 전송될 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 벨트 컨베이어는 상기 입자 층의 내부에서 그것의 전송동안에 일정한 측방 압력을 유지하기 위해 일정한 속도에서 구동될 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 전송 어셈블리는 모세관 브리지를 형성하여 예를 들어 적산형 제조 영역의 작업 존에 앞에서 인출되고, 전송되어 증착된 층들의 최상부에 형성된 층을 부드럽고 매끄럽게 증착할 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 전송 어셈블리는 상기 가스-액체 계면 상에 상기 입자들의 층의 점진적인 형성 및 상기 층 형성 존내 상기 입자들의 축적과 동시에 점진적으로 상기 입자 층을 인출하도록 구성된다. 대안으로, 다른 구현예들에서, 상기 전송 어셈블리는 상기 입자 층 또는 그 일부가 완전히 형성된 후에만 상기 층 형성 존으로부터 상기 입자 층을 인출하도록 구성될 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 층상화 장치는 상기 분위기 가스의 조성, 압력 및 공급 속도 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 분위기 가스 제어 유닛을 더 포함한다.
일부 구현예들에서, 상기 층상화 장치는 상기 주입 존의 적어도 부분적으로 업스트림 위치에 제공되고 상기 입자 흐름 경로를 따라 다운스트림으로 상기 입자들의 흐름을 촉진시키도록 구성된 장벽을 더 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 장벽은 다운스트림을 마주하는 오목한 것이다. 일부 구현예들에서, 상기 장벽은 이동 가능하고 상기 입자 흐름 경로를 따라 다운스트림으로 이동하여 상기 입자 층을 인출하기 위해 상기 전송 어셈블리를 향해 그리고 그것 위로 상기 입자 층을 밀어내도록 구성된다.
일부 구현예들에서, 상기 층상화 장치는 제어 또는 프로세싱 유닛을 포함할 수 있다. 상기 제어 유닛은 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있고, 상기 층상화 장치의 상기 상이한 컴포넌트들 예컨대 상기 주입 어셈블리, 상기 흐름 제어 어셈블리 및/또는 상기 전송 어셈블리를 동작 시키는데 필요한 기능들을 적어도 부분적으로 제어 및 실행하도록 동작 가능할 수 있다. 예를 들어, 상기 제어 유닛은 상기 주입 어셈블리에 의해 전달될 상기 용액/현탁액의 양 및/또는 상기 흐름 제어 어셈블리에 의해 첨가된 흐름 및 측방 압력, 차례로 상기 결과 입자 층의 밀도 및 두께를 제어하도록 동작 가능할 수 있다.
다른 측면에 따라, 3 차원(3D) 물체를 제조하기 위한 적산형 제조 방법이 제공된다. 상기 적산형 제조 방법은 이하의 단계들을 포함한다:
본 출원에 개시된 상기 방법을 이용하여 입자 층을 형성하는 단계;
상기 층 형성 존으로부터 작업 존으로 인출된 상기 입자 층을 전송하는 단계;
상기 작업 존에서 상기 3D 물체를 점진적으로 형성하는 복수의 이산 단면 영역 중 하나를 형성하기 위해 선택적 방식으로 상기 전송된 층의 미리 결정된 부분을 접합시키는 단계; 및
상기 형성하는 단계, 전송하는 단계 및 접합 단계들 복수 회 반복하여 상기 복수의 이산 단면 영역들을 상기 다른 것의 최상부 위에 하나를 적층하여, 상기 3D 물체를 층층으로(layer by layer) 빌드업하는 단계.
일부 구현예들에서, 상기 접합 단계는 전송된 층의 미리 결정된 부분을 함께 소결, 용융, 융합(fusing), 중합(polymerizing), 접착(gluing), 접촉, 병합(merging), 연결, 결합(binding), 본딩 또는 일체 결합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 적산형 제조 방법은 이하의 단계들을 포함할 수 있다: 세정 영역에 상기 제조된 3D 물체를 전송하는 단계; 사용되지 않는 입자들 (예를 들어, 소결되지 않거나 또는 용융되지 않은 입자들)을 물체로부터 제거하기 위해 상기 제조된 3D 물체 (예를 들어, 초음파 배스에서)를 세정하는 단계; 및 예를 들어 상기 적산형 제조 방법의 후속 애플리케이션에 사용을 위해 상기 제조된 3D 물체로부터 제거된 상기 사용되지 않는 입자들을 재활용하는 단계.
일부 구현예들에서, 상기 입자들의 층을 상기 작업 존으로 전송하는 단계는 상기 층이 상기 층 형성 존으로부터 상기 작업 존으로 전송되는 속도를 상기 작업 존이 병진이동되는 속도와 동기화시키는 단계를 포함할 수 있다. 이런 경우에, 상기 층 형성 존과 상기 작업 존 사이의 상대 속도는 상기 층이 상기 작업 존으로 전송되는 속도와 실질적으로 일치하게 된다. 이 동기화는 각각의 층이 연속적인 방식으로 상기 작업 존으로 전송되는 것을 보장하거나 또는 보장하는 것을 돕는다.
일부 구현예들에서, 상기 입자들의 층을 형성하는 단계는 밀도 및/또는 공극률이 특정 적산형 제조 프로세스의 특정 특성 및/또는 요건들에 적합한 입자 층을 획득하는 것을 허용할 수 있다. 예를 들어, 상기 입자들의 층을 형성하는 단계는 상기 3D 물체를 점진적으로 형성하는 이산 단면 영역들에서의 입자 분리 및 밀도에 대한 제어를 허용할 수 있다.
일부 구현예들에서, 상기 적산형 제조 방법은 나노 스케일 입자들로 형성된 입자 층들을 사용할 수 있고, 입자들의 융점이 사이즈 감소에 따라 축소됨에 따라 융점 강하 현상(melting-point depression phenomenon)으로 인해 상기 입자들을 접합 또는 결합하는데 필요한 에너지가 감소되는 특징이 있다.
다른 측면에 따라, 본 출원에 개시된 층상화 장치를 포함하는 적산형 제조 시스템이 제공된다.
일부 구현예들에서, 상기 적산형 제조 시스템은 물체의 3D 프린팅 또는 제조를 허용하기 위해 상기 층상화 장치에 의해 형성된 상기 입자 층들에 대하여 동작할 수 있다. 상기 적산형 제조 시스템은 상기 층상화된 입자들의 접합(예를 들어, 병합, 소결, 용융, 융합, 중합, 접착 또는 결합)을 달성하기 위해 에너지 빔 (예를 들어, 전자기 복사 예컨대 레이저 빔), 입자들의 빔 (예를 들어, 전자 빔) 또는 접착 촉진제 (예를 들어, 폴리머)를 사용할 수 있다. 적산형 제조 프로세스들의 비 제한적인 예들은 선택적 레이저 용융, 직접 레이저 금속 소결, 스테레오리소그래피(stereolithography), 디지털 광 영사, 용융 증착 모델링, 전자 빔 투영 리소그래피 및 전자 빔 용융을 포함한다. 일부 구현예들에서, 상기 적산형 제조 시스템에서 사용되는 상기 층상화된 입자들은은 나노입자들이다.
일부 구현예들에서, 상기 최종 3D 물체는 상기 작업 존으로부터 세정 어셈블리로 이동될 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 세정 어셈블리는 초음파 배스, 재활용 빈(recycling bin) 또는 컨테이너, 입자들의 허브 및 가스 챔버를 포함할 수 있다. 상기 초음파 배스는 제조 지지 플레이트에서 사용되지 않은 입자들 (예를 들어, 소결되지 않거나 또는 융용되지 않은 입자들)를 제거하는 데 사용할 수 있는 반면, 상기 재활용 빈은 후속 재활용을 위해 제거된 사용되지 않은 입자들을 수집하고 저장하는데 사용될 수 있다. 상기 입자들의 허브는 원심 분리 디바이스로 구체화하여, 입자들을 농축하고 상기 초음파 배스로부터 나오는 세정액체의 양을 줄여 추출할 수 있다. 상기 가스 챔버는 예를 들어 정상 대기에서 산소가 없거나 낮은 레벨의 산소를 갖는 분위기로 세정 어셈블리의 분위기 대기를 제어할 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 최종 3D 물체는 제어되는 분위기를 통하여 상기 제조 챔버로 리턴될 수 있다. 일부 구현예들에서, 상기 세정 어셈블리는 상기 적산형 제조 시스템의 별개의 컴포넌트일 수 있다.
다른 측면에 따라, 적산형 제조를 위해 예를 들어 적산형 제조에 의해 3 차원 (3D) 물체를 제조하기 위해, 본 출원에 개시된 층상화 방법 및/또는 층상화 장치에 의해 형성된 입자들 층의 사용이 제공된다.
다른 측면에 따라, 적산형 제조 시스템에 본 출원에 개시된 층상화 장치의 사용이 제공된다.
전술한 단계들 이전, 중간 또는 그 후에 다른 방법 및 프로세스 단계들이 수행될 수 있다는 것에 유의한다. 하나 이상의 단계들의 순서는 또한 상이할 수 있으며, 단계들의 일부는 생략되고, 반복되고 및/또는 결합될 수 있다.
본 설명의 다른 특징부 및 이점들은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시의 방식으로만 주어진 특정 실시예들의 비 제한적인 설명의 판독시 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 통상의 적산형 제조 시스템의 개략도이다.
도 2는 가능한 실시예에 따른 입자 층을 형성하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 3은 적산형 제조 시스템의 개략적인 기능 블록도이며, 적산형 제조 시스템은 층상화 장치의 가능한 실시를 포함한다.
도 4는 가능한 실시예에 따른 층상화 장치의 개략적인 측면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 층상화 장치의 상이한 가능한 실시예들에 사용하기 위한 주입 어셈블리의 유형들의 비 제한적인 예들을 개략도들이다.
도 6은 가스-액체 계면에 평행한 동작 속도 (v)에서 움직이고 가스-액체 계면 아래에 위치된 동작 깊이 (d)에 위치된 흐름 제어 어셈블리의 운동 성분으로 인한 가스-액체 계면의 표면 (A)에 작용하는 측방의 또는 수평 방향 힘 (F)의 개략도이다.
도 7은 층상화 장치의 가능한 실시예의 흐름 제어 어셈블리의 개략적 인 평면도이며, 흐름 제어 어셈블리는 복수의 독립적으로 제어되는 벨트 컨베이어들을 포함한다.
도 8은 가능한 실시예에 따른, 층상화 장치의 흐름 제어 어셈블리의 다른 예의 개략도이다.
도 9a 내지 도 9c는 층상화 장치에 사용하기 위한 업스트림 장벽의 3 가지 예들의 개략도이다.
도 10은 복수의 개구들을 갖는 필터를 포함하는 가능한 실시예에 따른 층상화 장치의 개략적인 사시도이다.
도 11은 가능한 실시예에 따른 층상화 장치의 개략적인 측면도이다.
도 12는 가능한 실시예에 따른 층상화 장치의 개략적인 측면도이다.
도 13은 가능한 실시예에 따른, 이미 형성된 다층 스택의 N 번째 층의 최상부에 N+1 번째 층의 모세관 브리지(capillary bridge)를 사용하여 증착하는 개략적인 측면도이다.
도 14a 내지 도 14e는 가능한 실시예에 따른 입자 층을 형성하기 위한 방법의 단계들을 예시한다.
이하의 설명에서, 도면들에서 유사한 특징부들은 유사한 도면 번호들이 제공되고, 도면들을 과도하게 열거하지 않기 위해, 일부 엘리먼트들은 선행하는 도면들에서 이미 식별된 경우 일부 도면 상에 표시되지 않을 수 있다. 또한, 도면의 엘리먼트들은 반드시 본 실시예들의 엘리먼트들 및 구조를 명확하게 설명하기 위해 강조 되었기 때문에 도면들의 엘리먼트들은 반드시 축척대로 도시되지는 않는다는 것이 이해될 것이다. 특별히, 일부 도면들에 도시된 입자들 및 입자들의 층들은 명확성을 위해 사이즈가 크게 확대되었다는 것에 유의한다.
본 설명은 전반적으로 입자들의 층, 예를 들어 서브마이크로미터-사이즈의 입자들의 초박층 또는 단일 층들을 형성하기 위한 기술들에 관한 것이다.
일부 측면들에서, 입자 층을 형성하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 편의상, 본 발명의 방법 및 장치는 일부 경우들에서 개별적으로 "층상화 방법(layering method)" 로 및 "층상화 장치(layering apparatus)"로 지칭될 수 있다. 일부 구현예들에서, 층상화 방법은 Langmuir-Blodgett 필름 증착 기술에 수반되는 것들과 같은 물리화학적 원리(physicochemical)들을 포함할 수 있다. 층상화 방법 및 장치의 다양한 구현예들이 이하에 설명된다.
본 기술은 보다 빠른 속도로 생산된 균일하고 균질의(homogeneous), 기계적으로 그리고 화학적으로 안정한 얇은 입자 층들을 필요로 하거나 또는 이들로부터 이익을 얻을 수 있는 다양한 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 출원에 개시된 다양한 기술들은 입자 재료 층의 연속적인 증착을 사용하여 3D 물체, 구조 또는 부품을 빌드업하는 입자-기반 적산형 제조 프로세스들에 적용되거나 또는 구현될 수 있다. 이와 관련하여, 본 설명의 다른 측면들은 3D 물체를 제조하기 위한 적산형 제조 방법; 본 출원에 개시된 층상화 장치를 포함하는 적산형 제조 시스템; 적산형 제조를 위해 본 출원에 개시된 층상화 방법 및/또는 층상화 장치에 의해 형성된 입자들의 층의 사용; 및 적산형 제조 시스템에서 본 출원에 개시된 층상화 장치의 사용을 포함한다.
도 1에 관련하여, 3 차원 (3D) 물체 (40)를 제조하기 위한 통상의 적산형 제조 시스템 (1)의 예제의 개략도가 예시된다. 적산형 제조 시스템 (1)은 예를 들어 레이저 소스 (10)에 의해 구현되는 에너지 소스를 포함한다. 레이저 소스 (10)는 레이저 빔 (3)을 방출하도록 동작 가능하다. 작업 존 (4)에 대한 레이저 빔 (3)의 배향은 개별 검류계들 (20)에 의해 제어되는 미러들 (9)을 써서 조절될 수 있다. 입자들 (2) (예를 들어, 분말들)의 상단 층 (11)을 정확한 패턴에 따라 가열하여 입자들(2)의 선택적 용융을 일으키기 위해 작업 존 (4)에서 레이저 빔 (3)을 집속시키기 위해 광학 렌즈 (30)가 제공될 수 있다. 빔 (3)에 의한 입자 층 (11)의 처리 후, 작업 트레이 (60)는 단위 두께만큼 낮아지고 새로운 입자 층으로 커버되어, 물체 (40)를 층층(layer-by-layer) 방식으로 형성하기 위해 이러한 방식으로 계속된다. 사용된 에너지 빔 및 입자들의 유형에 의존하여, 개별 입자 층 (11)의 두께는 수 마이크로 미터 (예를 들어, 1 μm)에서 수백 마이크로 미터 (예를 들어, 500 μm)까지 변화할 수 있다. 3D 물체 (40)의 제조가 완료되면, 즉 그것의 구성에 필요한 수백 또는 수천의 층들이 연속적으로 응고되면, 물체(40)는 작업 존 (4)으로부터 제거될 수 있다.
본 기술로부터 이익을 얻을 수 있는 적산형 제조 프로세스들의 비 제한적인 예들은 에너지 빔 (예를 들어, 레이저 빔과 같은 전자기 복사), 입자들의 빔 (예를 들어, 전자 빔) 및/또는 작업 존 내의 층에 작용하는 접착 촉진제 (예를 들어, 폴리머)를 포함할 수 있으며, 여기서 3D 물체는 다층 구조로서 적층된 입자 층들로부터 층층으로 제조된다. 본 명세서에서, 용어 "접합(joining)"은 소결, 용융, 융합(fusing), 중합(polymerizing), 접착(gluing), 접촉, 병합(merging), 연결, 결합(binding), 부착, 일체 결합 및 임의의 다른 프로세스 또는 프로세스들의 조합에 제한되지 않고 이들을 아우르도록 의도되고, 이들에 의해 입자 층의 입자들이 가역적으로 또는 비가역적으로 결합되어 3D 물체의 하나의 단면 영역 또는 층을 형성할 수 있다. 이러 구현예들에서, 본 기술은 층상화, 즉 3D 물체를 생성하기 위해 에너지 빔, 입자 빔 또는 접착 촉진제에 의해 층층으로 접합되는 입자들의 베드를 준비하기 위한 시스템 및 프로세스를 제공할 수 있다. 그러나, 본 출원에 개시된 층상화 기술들은 적산형 제조 애플리케이션들에 한정되지 않고, 다른 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 이러한 다른 애플리케이션들의 비 제한적인 예들은 증강된 표면 특성 (예를 들어, 접착력, 반발 및/또는 마찰 제어면에서)을 필요로 하거나 이익을 받을 수 있는 광 소자 (예를 들어, 포토닉 크리스탈), 바이오 센서, 바이오 캅터(biocaptor) 및 다른 애플리케이션들의 구현예들을 포함한다.
본 명세서에서, 용어 "입자(particle)"또는 "미립자 물질(particulate matter)"은 호스트 매체에 현탁, 분산, 혼합, 함유 또는 다른 식으로 제공된 임의의 이산의, 개별 덩어리, 구조 또는 상 또는 이들의 임의의 집합을 광범위하게 지칭한다. 예를 들어, 입자들은 분자, 콜로이드, 나노 클러스터 또는 마이크로 클러스터, 파이버, 분말, 폴리머, 혼합체, 입자들의 응집체 또는 이들의 조합일 수 있다. 원칙적으로, 용어 "입자"는 사이즈, 형상, 상 또는 조성과 관련하여 제한되는 것을 의미하지 않는다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 입자들는 액체 매질에 현탁된 고체 입자 들일 수 있고, 한편 다른 실시예들에서는 입자들은 호스트 액체 (예를 들어, 분말)를 사용하지 않고 가스-액체 계면에 직접 주입되는 고체 입자들 일 수 있다. 입자들은 유기, 무기 또는 이들의 일부 조합들일 수 있다. 입자들은 제한없이, 금속, 합금, 반도체, 세라믹, 유전체 재료, 유기 재료, 폴리머, 단백질 및 다른 생물학적 구조, 옥사이드들, 그래핀, 탄소 나노 튜브 및 분자 등을 포함하는 다양한 종류의 재료들로 이루어질 수 있다. 일부 구현예들에서, 층들은 재료들의 조합으로 형성될 수 있고, 상이한 층들은 상이한 조성들을 가질 수 있다. 입자는 구형일 수 있지만, 비 구형 입자들 (예를 들어, 타원형 또는 길게된 입자)도 가능하다.
애플리케이션 또는 용도에 의존하여, 입자들은 사이즈가 6 차수(six orders of magnitude)를 커버하는 아래의 밀리미터 스케일로부터 나노미터 스케일까지의 범위의 평균 입자 사이즈를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 입자들은 나노입자들 또는 마이크로입자들, 또는 이들의 조합이다. 본 명세서에서, 용어 "나노 입자(nanoparticle)"는 나노 스케일로 측정될 수 있는 평균 입자 사이즈를 갖는 입자를 지칭한다. 예를 들어, 비 제한적인 실시예에서, 합성된 나노 입자들은 직경이 약 100nm 미만, 또는 직경이 약 1nm 와 약 100nm 사이, 또는 직경이 약 1nm 와 약 10nm 사이, 또는 약 10 nm 와 약 100 nm 사이의 직경일 수 있다. 본 출원에서 또한 사용되는, 용어 "마이크로입자(microparticle)"는 마이크로 스케일상에서 측정될 수 있는 평균 입자 사이즈를 갖는 입자를 지칭한다. 예를 들어, 비 제한적인 실시예에서, 합성된 마이크로입자들은 직경이 약 0.1 ㎛와 약 100 ㎛ 사이, 또는 직경이 약 0.1 ㎛와 약 1 ㎛ 사이, 또는 직경이 약 1 ㎛와 약 100 ㎛ 사이, 또는 직경이 약 1㎛ 와 약 10㎛ 사이, 또는 직경이 약 10㎛ 와 약 100㎛ 사이 일 수 있다. 이와 관련하여, 당업자는 두 용어 사이의 분할 선 뿐만 아니라 사이즈 범위의 관점에서 "나노 입자"및 "마이크로입자"라는 용어의 정의가 고려되는 기술 분야에 따라 달라질 수 있고 제한하는 것을 의미하지 않은것을 인식할 것이다.
본 명세서에서, 용어 "층(layer)" 및 그 파생어들은 연속적 또는 불연속적인 방식으로 하지의 표면 상에 배치된 입자들의 실질적으로 평편 배열을 광범위하게 지칭하도록 의도된다. 입자의 배열은 폐쇄 포장될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있으며, 균일하거나 균일하지 않을 수 있다. 용어 "층"은 입자들의 단일 층 (즉, 단일 입자 두께 단일 층), 입자들의 다중 층 (즉, 수 개의 입자들의 두께 층) 뿐만 아니라 혼합된 입자, 파이버들 및/또는 분자들의 집합들을 포함하도록 의도된다. 용어 "박층(thin layer)"은 약 1000 ㎛ 내지 약 1 ㎛ 범위의 두께를 갖는 층을 지칭할 수 있는 반면, 용어 "초박층(ultrathin layer)"은 약 1 ㎛ 미만의 두께를 갖는 층을 지칭할 수 있다. 용어 "층"은 표면상에 배치된 이산의 입자들의 앙상블 (ensemble) 및 표면 (예를 들어, 필름) 상에 배치된 혼합 및/또는 상호 작용하는 입자들의 앙상블 둘 모두를 포함하도록 의도된다는 것에 또한 유의한다. 특별히, 용어 "층"은 용어 "필름"을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
도 2에 관련하여, 입자 층을 형성하기 위한 방법 (200)의 실시예의 흐름도가 제공된다. 예를 들어, 도 2의 방법 (200)은 도 4에 예시된 것과 같은 층상화 장치 (100) 또는 다른 층상화 장치 (100)에서 구현될 수 있다.
도 3에 관련하여, 적산형 제조 시스템 (1)의 개략적인 기능 블록도가 예시된다. 적산형 제조 시스템 (1)은 입자들 (2)의 층 (102)을 형성하기 위한 층상화 장치 (100)의 일 예시적인 실시예를 포함한다. 층상화 장치 (100)에 추가하여, 도 3의 적산형 제조 시스템 (1)은 작업 존 (4), 세정 어셈블리 (8) 및 에너지 빔 소스 (10)를 또한 포함한다. 에너지 빔 소스 (10)는 작업 존 (4) 상에 에너지 빔 (3) (예를 들어, 레이저 빔과 같은 광빔 또는 전자 빔과 같은 입자 빔)을 방출하도록 구성된다. 애플리케이션에 의존하여, 에너지 빔 소스 (10) 및 에너지 빔 (3)을 제어하는 방식은 도 1에 예시된 것과 유사할 수도 아닐 수도 있다.
도 4에 관련하여, 입자들 (2)의 층 (102)을 형성하기 위한 층상화 장치 (100)의 비 제한적인 예시적인 실시예가 도시된다. 광범위하게 설명된, 층상화 장치 (100)는 용기 (104), 주입 어셈블리 (106), 흐름 제어 어셈블리 (108) 및 전송 어셈블리(transfer assembly) (110)를 포함할 수 있다. 층상화 장치 (100)의 이들 및 다른 가능한 컴포넌트들의 구조, 구성 및 동작에 관해서는 도 2에 도시된 층상화 방법 (200)의 흐름도와 관련하여 이하에서 더 상세하게 설명될 것이다.
도 4에서, 용기 (104)는 캐리어 액체 (112) (또는 캐리어 유체)를 수용하도록 구성되어, 캐리어 액체 (112)가 용기 (104) 내에 존재할 때 캐리어 액체 (112)는 주위 또는 환경 가스 (116)와 가스-액체 계면 (114) (또는 가스-유체 계면)를 정의한다. 용기 (104)는 캐리어 액체 (112)를 수신 및 수용할 수 있는 임의의 종류의 컨테이너 또는 저장소에 의해 구현될 수 있다. 일 구현예에서, 용기 (104)는 약 40 cm x 25 cm의 표면적 및 약 5 cm의 깊이를 가질 수 있고, 그러나 다른 구현예들은 상이한 치수를 사용할 수 있다. 캐리어 액체 (112)는 표면 장력이 가스-액체 계면 (114)에서 주입된 입자 (2)를 유지하기에 충분히 높은 임의의 액체 또는 유체로 이루어질 수 있다는 것에 유의한다. 예를 들어, 및 제한없이, 캐리어 액체 (112)는 물, 수용액, 액체 금속 (예를 들어, 수은), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
특정 애플리케이션 또는 용도에 의존하여, 분위기 가스(ambient gas) (116)는 상이한 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, 분위기 가스 (116)는 정상적인 공기 일 수 있지만, 다른 구현예들에서 분위기 가스 (116)는 층상화 프로세스 동안에 입자들과 산화 및 다른 원하지 않는 화학 반응들을 방지 또는 적어도 감소시키기 위한 목적으로 정상적인 공기보다 낮은 산소 함량을 가질 수 있다. 일부 구현예들에서, 층상화 장치 (100)는 만약에 있다면, 분위기 가스 (116)의 조성, 압력 및 공급 또는 유량(flow rate) 중 적어도 하나를 제어하도록 동작 가능한 분위기 가스 제어 유닛 (154)을 포함할 수 있다.
계속해서 도 4를 참조하여, 일부 구현예들에서, 가스-액체 계면 (114)은 수평 평면을 따라 연장되는 전체적으로 편평한 표면을 정의한다. 가스-액체 계면 (114)은 캐리어 액체 (112)와 분위기 가스 (116) 사이의 경계에 해당한다. 본 명세서에서, 용어 "수평(horizontal)"은 중력의 방향에 실질적으로 수직으로 연장되는 평면 또는 방향을 지칭한다. 용어 "수평"은 진정한 수평 및 실질적으로 또는 거의 수평을 모두 커버하는 것을 의미한다는 것에 유의한다. 따라서, 일부 구현예들에서, 흐름 제어 어셈블리 (108)는 실질적으로 중력 흐름없이 가스-액체 계면 (114)을 따라 캐리어 액체 (112)의 흐름을 제어하도록 구성되며, 여기서, 용어 "중력 흐름(gravity flow)"은 주로 또는 배타적으로 중력에 의해 야기되는 재료의 하향 흐름을 지칭한다. 일부 구현예들에서, 계면 액체가 중력에 의한 것이 아닌 흐르는 편평한 수평 가스-액체 계면 (114)의 프로비전(provision)은 형성된 층 (102)의 균일성, 품질 및/또는 생산 속도에 악영향을 미칠 수 있는 캐리어 액체 (112)의 표면에서의 리플들, 롤링 파 및 다른 불안정성의 형성을 방지하거나 방지를 도울 수 있다.
도 2에 관련하여, 층상화 방법 (200)은 캐리어 액체와 분위기 가스 사이의 가스-액체 계면에서 정의된 주입 존에 입자들을 주입하는 단계 (202)를 포함한다. 본 명세서에서, 용어 "가스-액체 계면에서(at the gas-liquid interface)"는 가스-액체 계면 위 또는 가스-액체 계면의 약간 아래 모두를 포함하는 것을 의미한다. 애플리케이션에 의존하여, 다양한 주입 구성들이 사용될 수 있다. 주입 구성들의 비 제한적인 예들은 단일 주입 지점에서, 복수의 이격된 주입 지점들 또는 입자 흐름 경로에 수직일 수 있거나 또는 수직이 아닐 수 있는 주입 라인을 따라 입자들을 주입할 수 있다. 일부 구현예들에서, 주입 단계 (202)는 주입 존에서 입자들의 주입 속도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 방법 (200)은 주입 단계 (202) 전에, 입자들을 현탁액 또는 용매에 현탁 또는 용해시켜 입자 현탁액 또는 용액을 준비하는 단계를 포함할 수 있으며, 이는 입자 현탁액 또는 용액에 입자들의 농도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
도 4의 실시예에서, 주입 어셈블리 (106)는 바람직하게 매끈하고 부드러운 방식으로 가스-액체 계면 (114)에서 정의된 주입 존 (118)에 입자 들(2)를 주입하도록 구성된다. 입자들 (2)은 분말, 분산액, 용액, 현탁액, 이질 혼합물 또는 이들의 조합 또는 혼합물로서 주입 존 (118)에 증착될 수 있다. 현탁액 또는 용액의 경우, 입자들(2)이 현탁되거나 용해된 현탁액 또는 용매는 예를 들어 부탄올, 메탄올, 이소프로판올, 아세톤 등과 같은 유기 액체 일 수 있거나 또는 예를 들어 물, 용융된 염, 황산 등과 같은 무기 액체일 수 있다. 일부 구현예들에서, 현탁액 또는 용매는 주입 후에 비교적 빠르게 증발하도록 및/또는 캐리어 액체 (112)에 다량으로 잔존하지 않도록 선택된다. 일부 구현예들에서, 현탁액 또는 용매는 캐리어 액체 (112)의 표면 장력보다 낮은 표면 장력을 갖는다.
이제 도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 특정 애플리케이션 또는 용도에 의존하여, 주입 어셈블리 (106)는 상이한 구성을 가질 수 있다. 도 5a에서, 주입 어셈블리 (106)는 주입 존 (118)의 단일 주입 지점 (158)에서 입자들 (2)을 주입하도록 구성된 단일 주입기 (156)를 포함한다. 도 5b에서, 주입 어셈블리 (106)는 주입 존 (118)에서 실질적으로 연속 적인 주입 라인 (160)을 따라 입자들 (2)을 주입하도록 구성된 단일 주입기 (156)를 포함한다. 주입 라인 (160)은 입자 흐름 경로 (162)에, 즉, 흐름 제어 어셈블리에 의해 캐리어 액체 (112)에 인가되거나 첨가되는 흐름에 수직일 수도 있고 수직이 아닐 수도 있다. 보다 상세하게는, 도 5b에 도시된 단일 주입기(156)의 경우, 입자들 (2)의 주입은 원통형 몸체 부분을 갖는 매니폴드(manifold)의 주변부를 따라 길이 방향으로 정의된 개구 또는 필터를 통해 발생한다. 도 5c에서, 주입 어셈블리 (106)는 주입 존 (118)에서 복수의 이격된 주입 지점들 (158)에서 입자들 (2)을 주입하도록 구성된 이격된 주입기들 (156)의 선형 어레이로서 배열된 복수의 주입기들 (156)을 포함한다. 도 5b에서와 같이, 어레이 주입기들 (156)은 흐름 제어 어셈블리에 의해 캐리어 액체 (112)에 인가되거나 첨가되는 입자 흐름 경로 (162)에 수직으로 정렬된 원통형 몸체 부분을 갖는 매니폴드 내에 제공될 수 있다. 도 5d에 관련하여, 또 다른 구현예들에서, 주입 어셈블리 (106)는 분무기(atomizer) (164), 예를 들어 초음파 분무기를 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 입자들은 통상의 분말 증착 프로세스들이 사용될 수 있는 분말상(powered) 형태의 가스-액체 계면에서 주입될 수 있다는 것에 또한 유의한다. 일부 구현예들에서, 입자들은 캐리어 액체 내부에 주입되고 이어서 캐리어 액체로부터 가스-액체 계면을 향해 흡착되기보다는 가스-액체 계면에 주입 또는 증착된다.
도 4로 돌아가서, 일부 구현예들에서, 층상화 장치 (100)는 주입 어셈블리 (106)에 연결되고 그리고 입자들 (2)을 저장하고 입자들 (2)을 주입 어셈블리 (106)에 공급하도록 구성된 입자 저장 유닛 (120)을 포함할 수 있다. 입자 저장 유닛 (120)은 주입 존 (118)에서의 입자들의 주입 이전에 예를 들어, 분말, 현탁액 또는 용액과 같은 입자들 (2)을 저장할 수 있다. 입자 저장 유닛 (120)으로부터 주입 어셈블리 (106)로 입자들 (2)이 공급되는 것을 허용하도록 입자 저장 유닛 (120)은 주입 어셈블리 (106)에 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있다. 특정 애플리케이션 또는 용도에 의존하여, 입자 현탁액, 용액 또는 분말은 주입 단계 직전 또는 조기에 형성될 수 있으며, 그런 다음 필요할 때까지 입자 저장 유닛 (120)에 저장될 수 있다.
도 4를 계속 참조하여, 일부 구현예들에서, 주입 어셈블리 (106)는 주입 존(118)에 용액/현탁액에 입자들 (2)의 농도 및/또는 용액/현탁액의 전달 속도를 제어하도록 구성된 도우즈(dose) 또는 주입 속도 제어기 (166)를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 도우즈 또는 주입 속도 제어기 (116)는 층 제조 존의 층으로부터 작업 존으로의 층의 작업 존 증착에 따른 선형 속도를 전달하는 층을 제어할 수 있고 및/또는 개별 층들내에 및/또는 연속적으로 형성된 층들 사이에 밀도를 제어할 수 있다. 일부 구현예들에서, 층상화 장치 (100)는 용기 (104)에 전달되는 캐리어 액체 (112)를 저장하기 위한 캐리어 액체 저장 유닛 (미도시)을 포함할 수 있다.
주입 후, 입자들은 일반적으로 가스-액체 계면의 이용 가능한 표면적을 차지하도록 주입 존으로부터 퍼지는 경향이 있다. 이 자연적인 입자 확산은 주입된 입자들, 호스트 액체 (만약에 있다면), 캐리어 액체 및 분위기 가스 사이의 가스-액체 계면에서 수립된 계면 장력에 의해 적어도 부분적으로 야기된다. 본 방법의 일부 구현예들에서, 입자들은 가스-액체 계면의 각각의 측면상의 입자들의 평형 표면 친화도를 제어함으로써 주입 존으로부터 퍼져나갈 때 가스-액체 계면에서 유지된다. 일부 구현예들에서, 입자가 가스-액체 계면 상에서 잔존하도록 하기 위해 캐리어 액체와 입자들의 평형 표면 친화도를 제어하는 것은 캐리어 액체, 만약에 있다면 호스트 액체(예를 들어, 입자들이 현탁되거나 용해된 현탁액 또는 용매) 및 입자들 중 적어도 하나의 소수성 또는 친수성을 조절하는 단계를 수반할 수 있다. 예를 들어, 캐리어 액체가 수용액인 시나리오에서, 주입된 입자들이 가스-액체 계면에서 유지되는 것을 보장하는 것은 입자 및/또는 호스트 액체 (만약에 있다면)의 소수성을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 소수성을 증가시키기 위해 소수성 분자를 입자들에 부착하는 것도 가능할 수 있다. 물론, 주입된 입자들이 캐리어 액체의 표면에 잔존하도록 보장하거나 도움을 주는 다양한 기술들이 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
입자들이 현탁액 또는 용액으로 주입될 때, 현탁액 또는 용매는 캐리어 액체 내로 증발 및/또는 침투할 수 있어서, 증착된 입자들을 가스-액체 계면에 남길 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 완전히 증발하지 않고 형성된 층 위에 또는 층 내부에 원하는 잔류 재료를 남겨 둘 수 있는 현탁액 또는 용매를 선택하거나 제조하는 것도 가능하다. 이러한 잔류 재료는 연속적인 층들이 작업 존(예를 들어, 도 1의 것과 같은 적산형 제조 시스템의 작업 존)에서 다른 층의 최상부에 비파괴적으로 증착되는 시나리오에서 층상화 프로세스 동안에 축적되는 기계적 응력들을 회피하거나 축소 시키는데 유용할 수 있다.
도 2로 돌아가서, 방법 (200)은 또한 주입 존으로부터 층 형성 존으로 입자 흐름 경로를 따라서 입자들을 다운스트림으로 운반하기 위해 가스-액체 계면을 따라 캐리어 액체의 흐름을 제어하는 단계 (204)를 포함한다.
도 4에서, 흐름 제어 어셈블리 (108)는 용기(104) 내에 배치되어, 캐리어 액체 (112)가 용기 (104) 내에 존재할 때, 흐름 제어 어셈블리 (108)가 적어도 부분적으로 캐리어 액체 (112)에 잠기도록 구성되고, 가스-액체 계면 (114)을 따라 캐리어 액체 (112)의 흐름을 제어하도록 구성된다. 흐름 제어 어셈블리 (108)에 의해 생성된 캐리어 액체 (112)의 흐름은 주입 존 (118)에서 층 형성 존(122)으로 입자 흐름 경로 (162)를 따라 입자 (2)를 다운스트림으로 운반하는 역할을 하며, 입자들(2)은 가스-액체 계면 (114) 상에 축적되어 점진적으로 입자 층(102)을 형성한다. 입자 (2)의 확산이 발생함에 따라, 가스-액체 계면 (114)을 따라 캐리어 액체 (112)에 첨가된 흐름은 층 형성 존 (122)을 쪽으로 입자 (2)들을 구동 또는 비말 동반(entrain)하도록 작용한다.
본 명세서에서, 용어 "흐름 제어 어셈블리(flow control assembly)"는 용기 내에 수용된 캐리어 액체에 적어도 부분적으로 잠긴 임의의 적절한 디바이스 또는 디바이스들의 조합을 지칭하는 것으로 광범위하게 해석되어야 하며, 가스-액체 계면 아래에 위치 된 캐리어 액체의 적어도 상단 부분의 다운스트림 흐름을 수립 및 유지하도록(예를 들어, 기계적으로, 유압식으로, 전기적으로 또는 다른 방식으로) 구성되거나 또는 동작 가능하다. 다시 말해서, 도 4에 관련하여, 흐름 제어 어셈블리 (108)는 캐리어 액체 (112)의 변위를 유발하여 층 형성 존 (122)을 향해 입자들 (2)를 비말 동반하는 가스-액체 계면 (114)의 움직임을 야기하도록 구성된다. 일부 구현예들에서, 흐름 제어 어셈블리 (108)는 캐리어 액체 (112)의 상단 부분 (124)의 흐름을 제어하도록 구성되고, 상단 부분 (124)은 가스-액체 계면 (114)으로부터 가스-액체 계면(114) 아래의 동작 깊이(operating depth) (d)로 아래로 연장된다. 일부 구현예들에서, 흐름 제어 어셈블리 (108)는 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스 (128)를 포함하며, 각각의 흐름 제어 디바이스는 동작 깊이 (d)에 위치되고 가스-액체 계면 (114)에 평행한 동작 속도 (v)에서 동작된다. 일부 구현예들에서, 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스 (128)를 동작시키는 것은 캐리어 액체 (112)의 점도 μ에 기초하여 동작 깊이 (d) 및/또는 동작 속도 (v)를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 가스-액체 계면 (114) 아래의 캐리어 액체 (112)의 상단 부분 (124)의 흐름을 제어하는 것은 층 형성 존 (122)을 향하여 입자들(2)을 지향시킴으로써 그리고 입자 층 (102)의 제어된 어셈블리를 촉진시킴으로써 가스-액체 계면 (114)에서 입자들(2)에 대한 제어되지 않은 측면 압력 현상을 배제하거나 배제를 도울 수 있다.
본 명세서에서, 용어 "다운스트림(downstream)"는 일반적으로 입자 흐름 경로를 따라 흐름 제어 어셈블리에 의해 캐리어 액체에 인가되는 흐름의 방향에 대응하는 방향을 지칭하며, 용어 "업스트림(upstream)"은 일반적으로 입자 흐름 경로를 따라 흐름 제어 어셈블리에 의해 캐리어 액체에 인가되는 흐름의 방향에 반대되는 방향을 지칭한다. 보다 상세하게는, 도 4에 관련하여, 주입 존 (118)은 층 형성 존 (122)의 업스트림에 위치된다.
도 6을 참조하면, 일부 구현예들에서, 캐리어 액체 (112)의 상단 부분 (124)의 흐름의 제어는 가스-액체 계면(114) 아래에 동작 깊이 (d)에 위치된 흐름 제어 어셈블리 (108)의 표면 (126) 또는 컴포넌트의 변위에 의해 야기되고, 가스-액체 계면 (114)에 평행한 동작 속도 (v)에서 동작된다. 이러한 구성에서, 캐리어 액체 (112)의 고유 점도 μ로 인해, 컴포넌트 또는 표면 (126)의 변위는 가스-액체 계면 (114)을 따라 입자들(2)에 작용하는 힘 F를 생성한다. 일부 구현예들에서, 가스-액체 계면 (114)의 표면 (A) 영역에 작용하는 힘 F는 다음과 같이 표현될 수 있다 : F/A = μν/d, 여기서 F/A는 입자들(2)에 작용하는 압력 P를 나타낸다. 예를 들어, 캐리어 액체 (112)가 상대적으로 낮은 점도 (예를 들어, 10 센티 푸아즈(centipoises) 미만)에 의해 특징지어지는 비 제한적인 실시예에서, 가스-액체 계면 (114) 아래의 움직이는 기판 (126)의 깊이 (d)는 입자를 효율적으로 층 형성 존으로 전송하기에 충분히 큰 압력 P를 생성하기 위해 1 센티미터보다 작은 수 있다 (예를 들어, 수 밀리미터 이하의 정도). 방정식 F/A = μν/d는 뉴톤 유체에 일반적으로 적용 가능하며, 단지 예시적인 목적을 위해 본 출원에서 제공된다는 것에 유의해야 한다. 실제로, 본 기술들은 일반적으로 뉴톤 및 비 뉴톤 유체들 모두에 적용 가능하다. 게다가, 특정 애플리케이션 또는 용도에 의존하여, 상이한 분석 방정식들 및 모델들이 가스-액체 계면에서 입자들에 작용하는 힘을 설명, 계산 및 분석하는데 사용될 수 있다.
도 4로 돌아가서, 일부 예시적인 비 제한적인 구현예들에서, 흐름 제어 어셈블리 (108)는 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스 (128), 즉 단일 또는 복수의 흐름 제어 디바이스들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스 (128)는 가스-액체 계면 (114) 아래의 동작 깊이 (d)에서 캐리어 액체 (112) 내에 배치된 하나 이상의 벨트 컨베이어들에 의해 구체화될 수 있다. 각각의 벨트 컨베이어는 한 세트의 롤러들 또는 풀리(pulley)들 (130)을 포함할 수 있고, 이들 중 적어도 하나는 롤러 (130)를 중심으로 한 움직임을 위해 장착된 파워공급되는 롤러, 및 순환(endless) 컨베이어 벨트 (132)이다. 일부 구현예들에서, 하나 이상의 움직이는 벨트 컨베이어들 (128)은 층 (102)이 형성되는 비율 또는 속도, 층 (102) 내부의 압력, 층 (102)의 두께, 층 (102)의 밀도, 및 층 형성 존(122)에서의 입자들(2)의 축적 중 적어도 하나를 제어하도록 구성되거나 동작 가능할 수 있다.
도 7에 관련하여, 캐리어 액체 (112)에 잠긴 복수의 독립적으로 제어되는 흐름 제어 디바이스들 (128) (예를 들어, 벨트 컨베이어들)의 프로비전은 형성된 층의 균일성, 특별히 그것의 측방 에지에서의 균일성을 향상시킬 수 있다는 것이 인식될 것이다. 보다 상세하게는, 캐리어 액체 (112)에 잠긴 복수의 독립적으로 제어되는 벨트 컨베이어들 (128)의 프로비번은 층 형성 존 (122)에서 입자들 (2)의 제어된 트래픽 잼(traffic jam) 또는 제한을 생성하기 위해 (따라서 측면 압력 제어) 뿐만 아니라 층상화 프로세스에서의 주입 방법 또는 불평등의 다른 소스들에 기인한 압력 및 축적 불평등을 정정하기 위해 사용될 수 있다. 애플리케이션에 의존하여, 다양한 흐름 제어 디바이스들 (128)은 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 즉, 흐름 제어 디바이스들 (128)은 모두 동일한 동작 깊이, 동작 속도, 치수 및/또는 배향을 가질 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 예를 들어,도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 흐름 제어 디바이스들 (128)이 입자 흐름 경로 (162)와 평행한 나란한 관계로 연장될 때, 용기 (124)의 에지 근처에 위치된 흐름 제어 디바이스들 (128)의 동작 속도가 용기(124)의 중심 근처에 위치된 흐름 제어 디바이스들(128)의 동작 속도와 상이할 수 있다는 것을 유익할 수 있다. 일부 구현예들에서, 상이한 동작 속도 프로파일들이 복수의 흐름 제어 디바이스 (128)에 대해 구상될 수 있다. 일부 구현예들에서, 흐름 제어 디바이스들 (128)의 동작 속도는 주입 파라미터들 (예를 들어, 위치, 단일 지점 대 다중 지점 등)에 기초하여 조절될 수 있다.
도 8에 관련하여, 흐름 제어 어셈블리(108)에 대한 다른 예시적인 구현예가 도시된다. 이 구현예에서, 흐름 제어 어셈블리 (108)는 가스-액체 계면 (114) 아래의 특정 깊이에서 캐리어 액체 (112)에 잠긴 고정된 기판(134) 및 주입 존 (118)의 업스트림에 캐리어 액체 (112)에 적어도 부분적으로 잠긴 펌프 (136)를 포함한다. 고정된 기판 (134)의 상단 표면 (168)과 가스-액체 계면 (114) 사이의 공간은 캐리어 액체 (112)의 상단 부분 (124)에 대응하며, 이는 펌프 (136)의 동작에 의해 움직이며, 입자 (2)들이 축적되고 점진적으로 층 (102)을 형성하는 층 형성 존(122)을 향해 입자들(2)이 함께 비말 동반된다. 예시된 실시예에서, 펌프 (136)는 주입 존 (118)의 업스트림에 고정된 기판 (134)의 상부 표면 (168) 상에 배치된다.
도 4에서, 일부 구현예들에서, 층상화 장치 (100)는 주입 존(118)의 적어도 부분적으로 업스트림에 (즉, 뒤에) 위치된 장벽(barrier) 또는 배면 컴포넌트 (138)를 포함할 수 있고, 입자 흐름 경로 (162)를 따라서 다운스트림으로 입자들 (2)의 흐름을 촉진 시키거나 촉진시키는 것이 가능하도록 구성된다. 도 9a 내지도 9c는 주입 존 (118)에서 입자들 (2)의 단일 주입 지점 (158)의 경우에 업스트림 장벽 (138)에 대한 3 가지 예시적인 형상들을 도시한다. 도면들 9a 및 9b에서, 업스트림 장벽 (138)은 다운스트림을 향하여 오목하게 되고, 전체적으로 업스트림 방향으로 (즉, 입자 흐름 경로 (162)에 반대쪽)으로 주입 지점 (158)으로부터 처음에 방사상으로 바깥쪽으로 움직이는 유입 입자들(2)을 전체적으로 다운스트림 방향(즉, 입자 흐름 경로(162)를 따라서)으로 반사 또는 리다이렉트(redirect)시키도록 동작할 것이다. 도 9a에서, 업스트림 장벽 (138)은 커브지지만 (예를 들어, 포물선), 도 9b에서 업스트림 장벽 (138)은 공통의 에지 (142)에서 만나는 두 개의 시트 부분들 (140)로 만들어진다. 도 9c에서, 업스트림 장벽 (138)은 평평하고 입자 흐름 경로 (162)에 수직이다. 이런 경우에, 업스트림 장벽은 용기의 업스트림 에지 또는 다른 컴포넌트에 의해 구체화될 수 있다.
일부 구현예들에서, 입자들을 주입 존으로부터 층 형성 존으로 운반하기 위해 가스-액체 계면을 따라 캐리어 액체의 흐름을 제어하는 것은 가스-액체 계면에서의 블라스트 주입(blast injection)의 현상을 제한하거나 완화하는 것을 포함할 수 있다. 블라스트 주입은 입자 현탁액 또는 용액이 주입 존의 단일 지점에서 주입될 때 발생할 수 있다. 블라스트 주입이 관측되는 일부 구현예들에서, 입자가 현탁되거나 용해된 현탁액 또는 용매는 가스-액체 계면 또는 그 부근에서 캐리어 액체와의 컨택 지점에서, 증기 압력에 의한 파 팽창 효과(wave expansion effect) 및/또는 다른 물리 화학적 현상을 발생시킨다. 파 팽창 효과는 입자들이 주입 지점에서 현탁액 또는 용매의 유체 역학적 압력을 따르도록 하는 경향이 있다. 결과적으로, 현탁액 또는 용매의 팽창(expansion)은 방사상인 경향이 있어서, 주입 지점으로부터 모든 방향으로 시작하여, 일부 구현예들에서 예를 들어 캐리어 액체를 함유하는 용기 또는 배스(bath)의 다운스트림 단부 또는 에지에서 입자 층의 제조시에 측방 압력의 바람직하지 않은 및/또는 해로운 차이들을 생성한다. 일부 구현예들에서, 가스-액체 계면에서의 블라스트 주입 현상을 제한하거나 포함하는 단계는 예를 들어, 파 확장 속도보다 더 높은 유속(flow velocity)을 갖도록 캐리어 액체의 흐름을 조절함으로써 주입 존에서 주입된 입자들의 파 팽창 비율에 따라 가스-액체 계면을 따라서 캐리어 액체의 흐름을 조절하는 단계를 포함한다. 도 10에 관련하여, 다른 구현예들에서, 주입 존(118)과 층 형성 존 (122) 사이에 필터 (170)를 제공함으로써 블라스트 주입의 현상이 축소되거나 적어도 제어될 수 있다. 예시된 실시예에서, 필터 (170)는 입자 흐름 경로 (162)에 수직하게 배향되고 층 품질을 보장하기 위해 입자들 주입 프로세스에 의해 가스-액체 계면의 주입 교란을 감쇠 시키도록 구성된 개구들 (172)의 선형 어레이를 포함한다. 도 10에 도시된 바와 같은 필터를 제공하는 것은 블라스트 주입의 현상을 제어하는데 유용할 수 있는데, 그것은 층 형성 존을 향해 이송되어 전송되기 전에 자유 전파 용매(free propagation solvent), 파들 및 입자들을 감소시키는 제어된 재밍 효과(jamming effect)로 인한 블라스트 주입에 의해 생성된 계면에서의 파 전파를 축소시키기 때문 이라는 것이 이해될 것이다.
도 2로 돌아가서, 방법 (200)은 층 형성 존에서 입자를 축적시켜 가스-액체 계면 상에 점진적으로 입자 층을 형성시키는 단계 (206) 및 층 형성 존으로부터 입자 층을 인출(withdraw)하는 단계 (208)를 또한 포함한다. 일부 구현예들에서, 축적 단계 (206)는 층 형성 존 (122)에서 캐리어 액체의 흐름을 제한하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 인출 단계 (208)는 점진적으로 수행되고, 축적 단계 (206)와 동시에 수행된다. 다른 구현예들에서, 인출 단계는 입자 층 또는 그의 일부가 완전히 형성된 후에만 수행된다. 이들 다른 구현들 중 일부에서, 일단 입자 층이 완전히 형성되면, 그리고 제거하는 단계 동안에, 방법은 주입 단계를 중지시키고 입자 층을 그것의 업스트림 에지에 반대하는 다운스트림으로 밀어내는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예들에서, 인출 단계는 입자 층의 측방 압력을 제어하는 단계를 포함한다. 입자 층의 측방 압력에 대한 이러한 제어는 가스-액체 계면을 따라 캐리어 액체의 흐름과 층 형성 존으로부터의 입자 층의 인출 속도 사이의 비율을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
도 4에서, 전송 어셈블리 (110)는 형성된 입자 층 (102)을 층 형성 존 (122)으로부터 다른 위치로 인출하도록 구성된다. 전송 어셈블리(110)는 또한 층 형성 존 (122)에서 입자들 (2)이 축적되어 입자 층 (102)을 점진적으로 형성시키는 층상화 장치 (100)의 컴포넌트 또는 장벽일 수 있다. 도 3을 간단히 참조하면, 층상화 장치 (100)는 적산형 제조 시스템 (1)에서 사용될 때, 전송 어셈블리 (110)는 층 형성 존(122)로부터 3D 물체 (40)가 제조될 작업 존(4) 으로 형성된 입자 층 (102)을 인출하도록 구성된다. 또한, 입자 층 (102)을 작업 존 (4)에 효율적으로 증착시키기 위해, 형성된 입자 층 (102)의 전송은 층 전송 속도가 바람직하게는 전송 어셈블리 (110) 와 작업 존 (4)상의 층 수신 영역사이의 상대적 속도와 실질적으로 동일한 것을 보장하도록 시간을 맞출 수 있거나 동기화될 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 또한, 형성된 입자 층 (102)에 인가되는 측방 압력이 전체 전송 프로세스를 통해 실질적으로 일정하게 유지되는 것이 유리하여서, 일정한 층 밀도가 바람직하다.
특정 애플리케이션 또는 용도에 의존하여, 전송 어셈블리 (110)는 층 형성 존 (122)에서 입자들 (2)의 축적과 동시에 가스-액체 계면 (114)상에서 층(102)의 점진적 형성 또는 전체 입자 층 (102) 또는 그 일부가 형성된 후에만 층 형성 영역 (122)으로부터 형성된 입자 층 (102)을 인출할 수 있다.
도 4 및 도 11을 참조하여, 일부 구현예들에서, 전송 어셈블리 (110)는 컨베이어 벨트 (174)를 포함하는 전송 벨트 컨베이어 (144)를 포함할 수 있다. 전송 벨트 컨베이어 (144)는 층 형성 존 (122)의 다운스트림 에지에 위치되고, 벨트 컨베이어 (174)를 따라 형성된 입자 층 (102)을 층 형성 존 (122) 밖으로 또는 다른 프로세싱 또는 저장을 위해 다른 위치로 운반하도록 동작 가능하다. 예를 들어, 다른 위치는 도 3과 같은 적산형 제조 시스템 (1)의 작업 존 (4) 또는 다른 위치일 수 있다. 일부 구현예들에서, 전송 어셈블리 (110)의 벨트 컨베이어 (144)는 그것의 전송 동안에 입자 층 (102) 내부의 일정한 측방 압력을 유지하기 위해 일정한 속도로 구동될 수 있다. 물론, 다른 실시예들에서, 전송 어셈블리 (110)의 벨트 컨베이어 (144)는 일정한 속도로 구동되지 않을 수 있다.
이제 도 12를 참조하여, 또 다른 구현예에서, 전송 어셈블리 (110)는 층 형성 존 (122)의 다운스트림 에지에 위치되고 그것의 주변 표면 (148)을 따라 형성된 입자 층 (102)을 층 형성 존 (122) 밖으로 그리고 추가 처리 또는 저장을 위해 다른 위치로 전송하도록 동작 가능한 회전가능한 실린더(146)을 포함할 수 있다. 다시 도 3에 관련하여, 다른 위치는 적산형 제조 시스템 (1)의 작업 존 (4)일 수 있다. 일부 구현예들에서, 실린더 (146)는 입자 층 (102)의 내부에서 그것의 전송동안에 일정한 측방 압력을 유지하도록 일정한 각속도로 회전될 수 있다.
본 기술에서, 입자 층 (102)은 일반적으로 전송 어셈블리 (110) (예를 들어, 도 11의 전송 벨트 컨베이어 (144) 및 도 12의 회전 가능한 실린더) 상에서 형성되지 않고, 입자 층 (102)은 전송 어셈블리 (110) 업스트림에 제공된 층 형성 존(122)에 대신 형성된다는 것에 유의한다. 다시 말해서, 입자 층 (102)은 일반적으로 그것이 전송 어셈블리 (110)상에서 운반될 때 이미 형성된다.
도 13에 관련하여, 다른 구현예에서, 전송 어셈블리 (110)는 예를 들어, 적산형 제조 시스템의 작업 존(4)에 이전에 인출되어, 전송되고 증착된 층들(102)의 다층 스택 (152)의 최상부에 형성된 입자 층 (102)을 부드럽고 매끄럽게 증착하기 위해 모세관 브리지(capillary bridge) (150)를 형성할 수 있다. 도 13은 또한 이전에 형성된 다층 스택 (152)의 N 번째 층의 최상부 상에 N+1 번째 입자 층의 증착의 개략도를 제공한다.
도면들 14a 내지 14e를 참조하여, 일부 구현예들에서, 흐름 제어 어셈블리 (108)는 가스-액체 계면 (114) 아래에 캐리어 액체 (112)에 잠긴 벨트 컨베이어 또는 고정된 기판을 포함할 필요가 없다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, 가스-액체 계면 (114)상의 제한된 영역 (176)은 전송 어셈블리 (110)의 전송 벨트 컨베이어 (144), 용기 (104)의 측방 측벽들 (178) 및 주입 존 (118)의 업스트림에 위치된 이동가능한 장벽(180) (도 14a)에 의해 범위가 정해질 수 있다. 이동가능한 장벽(180)은 적어도 부분적으로 캐리어 액체 (122)에 잠기며 흐름 제어 어셈블리 (108)의 일부이다. 이러한 제한된 영역 (176)은 층 형성 존 (122) 및 주입 존 (118)을 포함한다. 층 형성 존 (122)에 주입된 입자 (2)들의 축적 동안에, 제한된 영역 (176)이 입자들 (2)에 의해 완전히 덮일 때까지 전송 벨트 컨베이어 (144)는 정지 상태로 유지될 수 있다 (도 14b). 일단 제한된 영역 (176)의 전체 커버리지가 달성되면, 전송 벨트 컨베이어 (144)는 초과 입자들 (2) (즉, 형성된 층 (102))을 층 형성 존 (122) (도 14c) 밖으로 이동 및 운반시키기 시작할 수 있다. 전송 벨트 컨베이어 (144)의 운반 운동은 제한 구역 (176)을 빠져 나가는 입자 층 (102)의 인출 속도가 제한 구역 (176)으로 유입되는 입자들 (2)의 주입 속도와 일치하도록 조정될 수 있다. 층 제조 프로세스의 끝에서, 입자 주입이 중단되고 이동 가능한 장벽 (180)이 가스-액체 계면 (114)을 따라 다운스트림으로 전송 벨트 컨베이어 (144)를 향하여 변위될 수 있어서, 입자 인출 속도 (도 14d)에 동일하게 설정될 수 있는 속도에서 제한된 영역 (176)의 표면적을 점진적으로 축소시킨다. 프로세스는 모든 입자들 (2)이 인출되고 이동가능한 장벽 (180)이 전송 벨트 컨베이어 (144)에 도달할 때 중단될 수 있다 (도 14e).
일부 구현예들에서, 본 기술들은 층 형성 프로세스의 특정 모니터링을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 시나리오들에서, 이 단계는 입자들의 흐름이나 움직임을 방해하거나 제한하여 층 형성 존에 그것들의 축적을 초래하고, 입자 층의 형성으로 귀결될 수 있는 일종의 "트래픽 잼(traffic jam)"효과를 모니터링하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 시나리오들에서, 층 형성 프로세스의 모니터링은 입자들 (예를 들어, 분말, 현탁액 또는 용액의 형태로)이 가스-액체 계면에 주입되는 주입 존의 모니터링을 수반할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예들에서, 축적 단계는 입자들이 층 형성 존에 축적될 때 입자 흐름 경로를 따라 가스-액체 계면의 프로파일을 모니터링하는 것을 포함한다.
일부 구현예들에서, 층상화된 입자들은 밀리미터 스케일에서 나노미터 스케일까지의 평균 사이즈를 가질 수 있으며, 사이즈가 6 차수를 커버한다. 상이한 유형들의 입자들 및 상이한 유형들의 에너지 빔, 입자 빔 또는 접착 촉진제가 예를 들어 형성될 층의 원하거나 또는 요구되는 두께, 기능성, 구조 및/또는 특성들에 의존하여 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 또한, 층상화 장치가 적산형 제조 시스템에서 사용될 때, 주입, 흐름, 층 제조 및 층 전송 단계는 일반적으로 복수의 층상화 스테이지들에 대해 연속적으로 반복된다는 것이 또한 이해될 것이다. 사용되지 않은 입자들을 회수하여 재사용을 위해 저장하는 곳에 세정 어셈블리가 제공될 수 있다.
일부 구현예들에서, 층상화 장치는 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구현되고, 층상화 장치의 상이한 컴포넌트들 예컨대 주입 어셈블리, 흐름 제어 어셈블리 및/또는 전송 어셈블리를 동작 시키는데 필요한 기능을 적어도 부분적으로 제어 및 실행하도록 동작 가능한 제어 유닛 또는 프로세싱 유닛 (미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛은 주입 어셈블리에 의해 전달될 용액/현탁액의 양 및/또는 흐름 제어 어셈블리에 의해 첨가된 흐름 및 측방 압력, 차례로 결과 입자 층의 밀도 및 두께를 제어하도록 동작 가능할 수 있다.
물론, 첨부된 청구 범위의 벗어나지 않고 상기에서 설명된 실시예들에 대한 많은 수정예들이 이루어질 수 있다. 몇몇의 대안 실시예들 및 예제들이 본 출원에 설명되고 예시되었다. 상기에서 설명된 실시예들은 예시적인 것으로 의도된다. 당해 기술의 통상의 기술자는 개별 실시예들의 특징부들, 및 컴포넌트들의 가능한 조합들, 변형들 및 생략들을 이해할 것이다. 당해 기술의 통상의 기술자는 임의의 실시예들이 본 출원에 개시된 다른 실시예들과 임의의 조합으로 제공될 수 있다는 것을 추가로 인식할 것이다. 본 출원에 개시된 기술들은 그것의 중심 특성들에서 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 예제들 및 실시예들은 모든 면에서 예시적이며 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 하며, 본 기술들은 본 출원에 주어진 세부 사항들에 제한되지 않는다. 따라서, 특정 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 첨부된 청구 범위의 범위를 크게 벗어나지 않은 많은 수정예들이 고려될 수 있다.

Claims (74)

  1. 입자 층을 형성하는 방법에 있어서, 상기 방법은 :
    캐리어 액체(carrier liquid)와 분위기 가스(ambient gas) 사이의 가스-액체 계면에서 정의된 주입 존에 입자들을 주입하는 단계;
    상기 주입 존으로부터 층 형성 존으로 입자 흐름 경로를 따라 상기 입자들을 다운스트림으로 운반하기 위해 상기 가스-액체 계면을 따라 상기 캐리어 액체의 흐름을 제어하는 단계;
    상기 가스-액체 계면상에 상기 입자 층을 점진적으로 형성하기 위해 상기 층 형성 존에 상기 입자들을 축적시키는 단계; 및
    상기 층 형성 존으로부터 상기 입자 층을 인출하는 단계(withdrawing)를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 주입하는 단계는 상기 입자들을 분말, 분산액(dispersion), 용액, 현탁액, 이종 혼합물 또는 이들의 혼합물로서 주입하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 주입하는 단계 전에, 상기 입자들을 현탁액 또는 용매에 현탁 또는 용해시켜 입자 현탁액 또는 용액을 준비하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 준비하는 단계는 상기 입자 현탁액 또는 용액에 상기 입자들의 농도를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 청구항 3 또는 4에 있어서, 상기 현탁액 또는 용매는 상기 캐리어 액체의 표면 장력보다 낮은 표면 장력을 갖는, 방법.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입하는 단계는 상기 주입 존에 상기 입자들의 전달 속도를 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입하는 단계는 상기 주입 존내 단일 주입 지점에서 상기 입자들을 주입하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입하는 단계는 상기 주입 존내 복수의 이격된 주입 지점들에서 상기 입자들을 주입하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입하는 단계는 상기 주입 존내 주입 라인을 따라서 상기 입자들을 주입하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 주입 라인은 상기 입자 흐름 경로에 실질적으로 수직인, 방법.
  11. 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 실질적으로 중력 흐름없이 상기 캐리어 액체의 흐름을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 상기 가스-액체 계면으로부터 상기 가스-액체 계면 아래의 동작 깊이까지 아래로 연장되는 상기 캐리어 액체의 상단 부분의 흐름을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 캐리어 액체의 상단 부분의 흐름을 제어하는 단계는 상기 입자 흐름 경로를 따라서의 동작 속도 및 동작 깊이에서 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스를 동작시키는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스를 동작시키는 단계는 상기 캐리어 액체의 점도에 기초하여 상기 동작 깊이 및 상기 동작 속도 중 적어도 하나를 선택하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 청구항 13 또는 14에 있어서, 상기 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스를 동작시키는 단계는 복수의 흐름 제어 디바이스들을 동작시키는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 청구항 13 내지 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 흐름 제어 디바이스들을 동작시키는 단계는 상기 흐름 제어 디바이스들의 각각을 독립적으로 동작시키는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 청구항 15 또는 16에 있어서, 상기 복수의 흐름 제어 디바이스를 동작시키는 단계는 상이한 동작 속도에서 상기 흐름 제어 디바이스 중 적어도 2 개를 동작시키는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어하는 단계는 상기 가스-액체 계면에서의 블라스트 주입(blast injection)의 현상을 제한하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 가스-액체 계면에서의 블라스트 주입 현상을 제한하는 단계는 상기 주입 존에 주입된 상기 입자들의 파 팽창 속도(wave expansion rate)에 따라 상기 가스-액체 계면을 따라 상기 캐리어 액체의 흐름을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 청구항 1 내지 19 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축적시키는 단계는 상기 층 형성 존에 상기 캐리어 액체의 흐름을 제한하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 청구항 1 내지 20 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인출하는 단계는 상기 입자 층을 상기 축적시키는 단계와 동시에 그리고 점진적으로 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 청구항 1 내지 20 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인출하는 단계는 상기 입자 층 또는 그 일부가 완전히 형성된 후에만 상기 층 형성 존으로부터 상기 입자 층을 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  23. 청구항 22에 있어서, 상기 입자 층이 완전히 형성된 후에, 상기 제거하는 단계 동안에, 상기 주입하는 단계를 중단시키고 상기 입자 층을 그것의 업스트림 에지에 반대인 다운스트림으로 밀어내는 단계를 더 포함하는, 방법.
  24. 청구항 1 내지 23 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인출하는 단계는 상기 입자 층의 측방 압력(lateral pressure)을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
  25. 청구항 24에 있어서, 상기 입자 층에 상기 측방 압력을 제어하는 단계는 상기 가스-액체 계면을 따라 상기 캐리어 액체의 흐름과 상기 층 형성 존으로부터 상기 입자 층의 인출 속도 사이의 비율을 조정하는 단계를 포함하는, 방법.
  26. 청구항 1 내지 25 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축적시키는 단계는 상기 입자들이 상기 층 형성 존에 축적될 때 상기 입자 흐름 경로를 따라서 상기 가스-액체 계면의 프로파일을 모니터링하는 단계를 포함하는, 방법.
  27. 청구항 1 내지 26 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분위기 가스의 조성, 압력 및 공급 속도 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  28. 청구항 1 내지 27 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스-액체 계면에서 입자를 유지시키기 위해 상기 가스-액체 계면에서 상기 입자들의 평형 표면 친화도를 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  29. 청구항 28에 있어서, 상기 평형 표면 친화도를 제어하는 단계는 상기 입자들 및 상기 캐리어 액체 중 적어도 하나의 소수성 또는 친수성을 조절하는 단계를 포함하는, 방법.
  30. 청구항 1 내지 29 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐리어 액체는 물, 수용액, 액체 금속 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 방법.
  31. 청구항 1 내지 30 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자들은 금속들, 합금들, 반도체들, 세라믹들, 유전체들, 유기 재료들, 폴리머, 또는 이들의 혼합물로 구성되는, 방법.
  32. 청구항 1 내지 31 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자들은 직경이 약 1 나노미터와 약 10 나노미터 사이인, 방법.
  33. 청구항 1 내지 31 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자들은 직경이 약 10 나노미터와 약 100 나노미터 사이인, 방법.
  34. 청구항 1 내지 31 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자들은 직경이 약 0.1 마이크로미터와 약 1 마이크로미터 사이인, 방법.
  35. 청구항 1 내지 31 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자들은 직경이 약 1 마이크로미터와 약 10 마이크로미터 사이인, 방법.
  36. 청구항 1 내지 31 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자들은 직경이 약 10 마이크로미터와 약 100 마이크로미터 사이인, 방법.
  37. 청구항 1 내지 31 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자들은 직경이 약 0.1 밀리미터와 약 1 밀리미터 사이인, 방법.
  38. 청구항 1 내지 31 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자들은 직경이 약 1 마이크로미터와 약 100 마이크로미터 사이인, 방법.
  39. 입자 층을 형성하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는:
    캐리어 액체를 수용하기 위한 용기로서 상기 캐리어 액체가 상기 용기내에 존재할 때, 상기 캐리어 액체는 분위기 가스와 가스-액체 계면을 정의하는, 상기 용기;
    상기 가스-액체 계면에서 정의된 주입 존에 입자들을 주입하도록 구성된 주입 어셈블리;
    상기 용기에 배치된 흐름 제어 어셈블리로서, 상기 캐리어 액체가 상기 용기내에 존재할 때, 상기 흐름 제어 어셈블리는 상기 캐리어 액체에 적어도 부분적으로 잠기고 상기 가스-액체 계면을 따라서 상기 캐리어 액체의 흐름을 제어하도록 구성되고, 상기 캐리어 액체의 흐름은 상기 주입 존으로부터 상기 입자들이 축적되어 상기 가스-액체 계면상에 상기 입자 층을 점진적으로 형성하는 층 형성 존으로 입자 흐름 경로를 따라서 다운스트림으로 상기 입자들을 운반하는, 상기 흐름 제어 어셈블리; 및
    상기 층 형성 존으로부터 형성된 상기 입자 층을 인출하도록 구성된 전송 어셈블리를 포함하는, 장치.
  40. 청구항 39에 있어서, 상기 주입 어셈블리는 상기 주입 존에 상기 입자들의 전달 속도를 제어하도록 구성된, 장치.
  41. 청구항 39 또는 40에 있어서, 상기 주입 어셈블리는 분말, 분산액, 용액, 현탁액, 이종 혼합물 또는 이들의 조합물로서 상기 주입 존에 상기 입자들을 주입하도록 구성된, 장치.
  42. 청구항 39 내지 41 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입 어셈블리는 단일 주입기를 포함하는, 장치.
  43. 청구항 42에 있어서, 상기 단일 주입기는 상기 주입 존내 단일 주입 지점에서 상기 입자들을 주입하도록 구성된, 장치.
  44. 청구항 43에 있어서, 상기 단일 주입기는 상기 주입 존내 주입 라인을 따라서 상기 입자들을 주입하도록 구성된, 장치.
  45. 청구항 44에 있어서, 상기 주입 라인은 상기 입자 흐름 경로에 실질적으로 수직인, 장치.
  46. 청구항 39 내지 41 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입 어셈블리는 복수의 주입기들을 포함하는, 장치.
  47. 청구항 46에 있어서, 상기 복수의 주입기들은 이격된 주입기들의 선형 어레이를 포함하는, 장치.
  48. 청구항 39 내지 41 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입 어셈블리는 분무기(atomizer)를 포함하는, 장치.
  49. 청구항 39 내지 48 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입자들을 저장하고 상기 입자들을 상기 주입 어셈블리에 공급하기 위해 상기 주입 어셈블리에 연결된 입자 저장 유닛을 더 포함하는, 장치.
  50. 청구항 39 내지 49 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 제어 어셈블리는 실질적으로 중력 흐름 없이 상기 가스-액체 계면을 따라서 상기 캐리어 액체의 흐름을 제어하도록 구성되는, 장치.
  51. 청구항 39 내지 50 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 제어 어셈블리는 상기 가스-액체 계면으로부터 상기 가스-액체 계면 아래의 동작 깊이까지 아래로 연장되는 상기 캐리어 액체의 상단 부분의 흐름을 제어하도록 구성된, 장치.
  52. 청구항 51에 있어서, 상기 흐름 제어 어셈블리는 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스를 포함하며, 각각의 흐름 제어 디바이스는 상기 동작 깊이에 위치되고, 상기 가스-액체 계면에 평행한 동작 속도에서 동작되는, 장치.
  53. 청구항 52에 있어서, 상기 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스의 각각의 동작 깊이는 1 센티미터 미만인, 장치.
  54. 청구항 52 또는 53에 있어서, 상기 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스는 적어도 하나의 벨트 컨베이어를 포함하는, 장치.
  55. 청구항 52 내지 54 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스는 단일 흐름 제어 디바이스로 구성되는, 장치.
  56. 청구항 52 내지 54 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 흐름 제어 디바이스는 복수의 흐름 제어 디바이스들로 구성되는, 장치.
  57. 청구항 56에 있어서, 상기 복수의 흐름 제어 디바이스들은 상기 입자 흐름 경로에 평행하게 나란한 관계로 연장되는, 장치.
  58. 청구항 56 또는 57에 있어서, 상기 흐름 제어 디바이스들의 동작 속도는 모두 동일하지 않는, 장치.
  59. 청구항 56 내지 58 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흐름 제어 디바이스들의 각각은 상기 흐름 제어 디바이스들의 나머지로부터 독립적으로 동작되는, 장치.
  60. 청구항 51에 있어서, 상기 흐름 제어 어셈블리는 상기 캐리어 액체에 잠긴 고정된 기판 및 상기 주입 존의 업스트림에 상기 캐리어 액체에 적어도 부분적으로 잠긴 펌프를 포함하는, 장치.
  61. 청구항 39 내지 60 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전송 어셈블리는 상기 입자들은 입자들을 축적하고 상기 가스-액체 계면 상에 점진적으로 상기 입자 층들을 형성하는 장벽을 포함하는, 장치.
  62. 청구항 39 내지 61 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전송 어셈블리는 주변 표면을 갖는 회전 실린더를 포함하고, 상기 회전 실린더는 상기 층 형성 존의 다운스트림 단부에 위치되고, 상기 입자 층을 상기 층 형성 존 밖으로 그것의 주변 표면을 따라 운반하도록 구성된, 장치.
  63. 청구항 39 내지 61 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전송 어셈블리는 컨베이어 벨트를 포함하는 벨트 컨베이어를 포함하고, 상기 벨트 컨베이어는 상기 층 형성 존의 다운스트림 단부에 위치되고, 상기 입자 층을 상기 층 형성 존 밖으로 상기 컨베이어 벨트를 따라 운반하도록 구성된, 장치.
  64. 청구항 39 내지 63 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전송 어셈블리는 상기 가스-액체 계면 상에 상기 입자들의 층의 점진적인 형성 및 상기 층 형성 존내 상기 입자들의 축적과 동시에 점진적으로 상기 입자 층을 인출하도록 구성된, 장치.
  65. 청구항 39 내지 63 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전송 어셈블리는 상기 입자 층 또는 그 일부가 완전히 형성된 후에만 상기 층 형성 존으로부터 상기 입자 층을 인출하도록 구성된, 장치.
  66. 청구항 39 내지 65 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분위기 가스의 조성, 압력 및 공급 속도 중 적어도 하나를 제어하도록 구성된 분위기 가스 제어 유닛을 더 포함하는, 장치.
  67. 청구항 39 내지 66 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입 존의 적어도 부분적으로 업스트림에 위치되고 상기 입자 흐름 경로를 따라 다운스트림으로 상기 입자들의 흐름을 촉진시키도록 구성된 장벽을 더 포함하는, 장치.
  68. 청구항 67에 있어서, 상기 장벽은 다운스트림을 마주하는 오목한 것인, 장치.
  69. 청구항 67 또는 68에 있어서, 상기 장벽은 이동 가능하고 상기 입자 흐름 경로를 따라 다운스트림으로 이동하여 상기 입자 층을 인출하기 위해 상기 전송 어셈블리를 향해 그리고 그것 위로 상기 입자 층을 밀어내도록 구성된, 장치.
  70. 3 차원(3D) 물체를 제조하기 위한 적산형 제조 방법에 있어서,
    청구항 1 내지 38 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 입자 층을 형성하는 단계;
    상기 층 형성 존으로부터 작업 존으로 인출된 상기 입자 층을 전송하는 단계;
    상기 작업 존에서 상기 3D 물체를 점진적으로 형성하는 복수의 이산 단면 영역 중 하나를 형성하기 위해 선택적 방식으로 상기 전송된 층의 미리 결정된 부분을 함께 접합시키는 단계; 및
    상기 형성하는 단계, 전송하는 단계 및 접합시키는 단계들 복수 회 반복하여 상기 복수의 이산 단면 영역들을 상기 다른 것의 최상부 위에 하나를 적층하여, 상기 3D 물체를 층층으로(layer by layer) 빌드업하는 단계를 포함하는, 방법.
  71. 청구항 39 내지 69 중 어느 한 항의 장치를 포함하는 적산형 제조 시스템.
  72. 적산형 제조에 의해 3 차원 (3D) 물체를 제조하기 위한 청구항 1 내지 38 중 어느 한 항의 방법에 의해 형성된 입자 층의 용도.
  73. 적산형 제조에 의해 3 차원 (3D) 물체를 제조하기 위한 청구항 39 내지 69 중 어느 한 항의 장치에 의해 형성된 입자 층의 용도.
  74. 적산형 제조 시스템에서 청구항 39 내지 69 중 어느 한 항의 장치의 용도.
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