KR20190033639A - 적층 가공을 위한 금속 분말 공급원료 및 그 제조를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

적층 가공을 위한 금속 분말 공급원료 및 그 제조를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

적층 가공용 금속 분말 공급원료를 제조하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 일 구현예에서, 방법은 적층 가공 시스템의 제1 분말 공급기로부터 제1 공급원료를 1차 수집하는 단계, 적층 가공 시스템의 제2 분말 공급기로부터 제2 공급원료를 2차 수집하는 단계(제1 공급원료 및 제2 공급원료 중 적어도 하나는 금속 입자를 포함함), 제1 공급원료 및 제2 공급원료를 혼합하여 이에 의한 금속 분말 블렌드를 제조하는 단계, 및 적층 가공 시스템의 성형 공간에 금속 분말 블렌드를 제공하는 단계를 포함한다.

Description

적층 가공을 위한 금속 분말 공급원료 및 그 제조를 위한 시스템 및 방법
본 발명은 적층 가공을 위한 금속 분말 공급원료 및 그 제조를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
적층 가공(additive manufacturing)은 "절삭 가공(subtractive manufacturing) 방법과는 대조적으로 3 차원 모델 데이터로부터 대상을 제조하기 위해 보통 한층 한층씩 재료를 결합하는 공정"으로 정의된다 ("적층 가공 기술을 위한 표준 용어"라는 제목의 ASTM F2792-12a). 적층 가공 부품을 제조하기 위해 바인더 분사, 분말 적층 용융(powder bed fusion) 또는 지향성 에너지 증착과 같은 적층 가공 기술에 분말이 사용될 수 있다. 때로는 금속 기반 적층 가공 부품을 제조하기 위해 금속 분말이 사용된다.
광범위하게, 본 발명은 적층 가공에 사용하기 위한 맞춤형 금속 분말 공급원료, 및 이를 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 하나의 양태에서, 금속 분말 공급원료는 적어도 제1 입자 유형("제1 입자")의 제1 체적 및 제2 입자 유형("제2 입자")의 제2 체적을 포함할 수 있다. 맞춤형 금속 분말 공급원료는 추가의 입자 유형 및 체적(제3 체적, 제4 체적 등)을 포함할 수 있다. 제1 입자 및 제2 입자 중 적어도 하나는 그 내부에 적어도 하나의 금속을 갖는 금속 입자를 포함한다. 일 구현예에서, 제1 입자 및 제2 입자는 모두 금속 입자를 포함하고, 이 입자의 금속은 각 입자의 체적에 대해 동일하거나 상이 할 수 있다. 아래의 섹션 B에서 더 상세히 설명하는 바와 같이, 맞춤형 금속 분말 공급원료는 적절한 적층 가공 장치에서 현장에서 제조될 수 있다.
도 1a는 접착 헤드를 사용하는 분말 베드 적층 시스템의 일 구현예의 개략도이다.
도 1b는 레이저를 사용하는 분말 베드 적층 가공 시스템의 다른 구현예의 개략도이다.
도 1c는 다중 분말 공급기 및 레이저를 사용하는 분말 베드 적층 가공 시스템의 다른 구현예의 개략도이다.
도 2는 맞춤형 금속 분말 브렌드를 제조하기 위한 다중 분말 공급기를 사용하는 분말 베드 적층 가공 시스템의 다른 구현예의 개략도이다.
도 3a 내지 3f는 제1 영역(400) 및 제1 영역과 상이한 제2 영역(500)을 갖는 적층 가공 제품의 개략적인 횡단면도이고, 여기에서, 제1 영역은 제1 금속 분말을 통해 제조되고, 제2 영역은 제1 금속 분말과 상이한 제2 금속 분말을 통해 제조된다.
도 4는 일반적으로 균질한 미세구조를 갖는 적층 가공 제품(1000)의 개략적인 횡단면도이다.
도 5a 내지 5d는 금속 또는 금속 합금의 제1 영역(1700) 및 이와 상이한 상의 제2 영역(1800)을 갖는 단일 금속 분말로부터 제조된 적층 가공 제품의 개략적인 횡단면도이고, 도 5b 내지 5d는 도 5a에 도시된 원래의 적층 가공 제품에 비해 변형된 횡단면을 도시한다.
광범위하게, 본 발명은 적층 가공에 사용하기 위한 맞춤형 금속 분말 공급원료, 및 이를 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 하나의 양태에서, 금속 분말 공급원료는 적어도 제1 입자 유형("제1 입자")의 제1 체적 및 제2 입자 유형("제2 입자")의 제2 체적을 포함할 수 있다. 맞춤형 금속 분말 공급원료는 추가의 입자 유형 및 체적(제3 체적, 제4 체적 등)을 포함할 수 있다. 제1 입자 및 제2 입자 중 적어도 하나는 그 내부에 적어도 하나의 금속을 갖는 금속 입자를 포함한다. 일 구현예에서, 제1 입자 및 제2 입자는 모두 금속 입자를 포함하고, 이 입자의 금속은 각 입자의 체적에 대해 동일하거나 상이 할 수 있다. 아래의 섹션 B에서 더 상세히 설명하는 바와 같이, 맞춤형 금속 분말 공급원료는 적절한 적층 가공 장치에서 현장에서 제조될 수 있다.
A. 금속 분말 공급원료
본원에 사용된 "금속 분말"은 하기에서 설명되는 복수의 금속 입자를 포함하는 물질(선택적으로 일부 비금속 입자를 가짐)을 의미한다. 금속 분말의 금속 입자는 사전 선택된 물성 및/또는 사전 선택된 조성(들)을 가질 수 있으며, 그에 따라 맞춤형으로 적층 가공 제품의 제조를 용이하게 한다. 금속 분말은 적층 가공을 통해 맞춤형 제품을 제조하기 위해 금속 분말 베드에서 사용될 수 있다. 이와 유사하게, 금속 분말의 임의의 비금속 입자는 사전 선택된 물성 및/또는 사전 선택된 조성(들)을 가질 수 있으며, 이에 의해 적층 가공에 의한 맞춤형 적층 가공 제품의 제조를 용이하게 한다. 비금속 분말은 적층 가공을 통해 맞춤형 제품을 제조하기 위해 금속 분말 베드에서 사용될 수 있다.
본원에 사용된 "금속 입자"는 하나 이상의 금속을 포함하는 입자를 의미한다. 금속 입자는 하기에서 설명되는 바와 같이, 단일 금속 입자, 다중 금속 입자 및 금속-비금속(M-NM) 입자일 수 있다. 금속 입자는 일례로서 가스 분무법을 통해 제조될 수 있다.
본원에 사용된 "입자"는 분말 베드의 분말에 사용하기에 적합한 크기(예를 들어, 5 마이크론 내지 100 마이크론의 크기)를 갖는 미세한 물질 조각을 의미한다. 입자는, 예를 들어 가스 분무법을 통해 제조될 수 있다.
본 특허 출원의 목적상, "금속"은 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 리튬(Li), 임의의 유용한 알칼리 토금속 원소, 임의의 유용한 전이 금속 원소, 임의의 유용한 전이후 금속 원소 및 임의의 유용한 희토류 원소 중 하나이다.
본원에서 사용되는 유용한 알칼리 토금속 원소는 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca) 및 스트론튬(Sr)이다.
본원에서 사용되는 유용한 전이 금속 원소는 하기 표 1에 나타낸 금속 중 임의의 금속이다.
표 1 - 전이 금속
Figure pct00001
본원에서 사용되는 유용한 전이후 금속 원소는 하기 표 2에 나타낸 금속 중 임의의 금속이다.
표 2 - 전이후 금속
Figure pct00002
본원에서 사용되는 유용한 희토류 원소는 스칸듐, 이트륨 및 임의의 15개의 란탄 계열 원소이다. 란탄 계열은 란타늄에서 루테튬까지, 원자 번호 57에서 71까지인 15개의 금속 화학 원소이다.
본원에서 사용되는 비금속 입자는 본질적으로 금속을 포함하지 않는 입자이다. 본원에서 사용되는 "본질적으로 금속을 포함하지 않는"은 그 입자가 불순물을 제외하고 어떠한 금속도 포함하지 않는다는 것을 의미한다. 비금속 입자는 예를 들어, 특히 질화붕소(BN) 및 탄화붕소(BC) 입자, 탄소계 중합체 입자(예를 들어, 단쇄 또는 장쇄 탄화수소(분지형 또는 비분지형)), 탄소 나노튜브 입자 및 그래핀 입자를 포함한다. 비금속 재료는 적층 가공 제품의 제조 또는 최종 처리를 돕기 위해 비입자 형태일 수도 있다.
일 구현예에서, 금속 입자의 적어도 일부는 본질적으로 단일 금속("단일 금속 입자")으로 이루어진다. 단일 금속 입자는 본질적으로 제품을 제조하는 데 유용한 임의의 하나의 금속, 예컨대 앞서 정의된 임의의 금속으로 이루어질 수 있다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 알루미늄으로 이루어진다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 구리로 이루어진다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 망간으로 이루어진다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 실리콘으로 이루어진다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 마그네슘으로 이루어진다. 일 구현 예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 아연으로 이루어진다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 철로 이루어진다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 티타늄으로 이루어진다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 지르코늄으로 이루어진다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 크롬으로 이루어진다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 니켈로 이루어진다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 주석으로 이루어진다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 은으로 이루어진다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 바나듐으로 이루어진다. 일 구현예에서, 단일 금속 입자는 본질적으로 희토류 원소로 이루어진다.
또 다른 구현예에서, 금속 입자의 적어도 일부는 다중 금속("다중 금속 입자")을 포함한다. 예를 들어, 다중 금속 입자는 앞서 금속의 정의에 열거된 임의의 금속들 중 2종 이상을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 다중 금속 입자는 본질적으로 알루미늄 합금으로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 다중 금속 입자는 본질적으로 티타늄 합금으로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 다중 금속 입자는 본질적으로 니켈 합금으로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 다중 금속 입자는 본질적으로 코발트 합금으로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 다중 금속 입자는 본질적으로 크롬 합금으로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 다중 금속 입자는 본질적으로 강으로 이루어진다.
일 구현예에서, 금속 분말의 금속 입자의 적어도 일부는 금속-비금속(M-NM) 입자이다. 금속-비금속(M-NM) 입자는 적어도 하나의 비금속과 함께 적어도 하나 이상의 금속을 포함한다. 비금속 원소의 예는 산소, 탄소, 질소 및 붕소를 포함한다. M-NM 입자의 예는 금속 산화물 입자(예를 들어, Al2O3), 금속 탄화물 입자(예를 들어, TiC), 금속 질화물 입자(예를 들어, Si3N4), 금속 붕화물(예를 들어, TiB2) 및 이들의 조합을 포함한다.
맞춤형 금속 분말 공급원료의 금속 입자 및/또는 비금속 입자는 맞춤화된 물성을 가질 수 있다. 예를 들어, 분말의 입도, 입도 분포 및/또는 입자의 형상이 사전 선택될 수 있다. 일 구현예에서, 적어도 일부 입자의 하나 이상의 물성은 밀도(예를 들어, 벌크 밀도 및/또는 탭 밀도), 금속 분말의 유동성 및/또는 금속 분말 베드의 공극 부피%(예를 들어, 금속 분말 베드의 기공률) 중 적어도 하나를 제어하기 위해 조절된다. 예를 들어, 입자의 입도 분포를 조정함으로써, 분말 베드 내의 공극이 제한될 수 있고, 그에 의해 분말 베드의 공극 부피%가 감소될 수 있다. 결과적으로, 이론 밀도에 가까운 실제 밀도를 갖는 적층 가공 제품이 제조될 수 있다. 이와 관련하여, 금속 분말은 상이한 크기 분포를 갖는 분말의 블렌드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 분말은 제1 입도 분포를 갖는 제1 입자와 제2 입도 분포를 갖는 제2 입자의 블렌드를 포함할 수 있으며, 제1 입도 분포와 제2 입도 분포는 서로 다르다. 금속 분말은 제3 입도 분포를 갖는 제3 입자, 제4 입도 분포를 갖는 제4 입자 등을 더 포함할 수 있다. 따라서, 특히 중간 입도, 평균 입도 및 입도 표준 편차와 같은 크기 분포 특성은 상이한 입도 분포를 갖는 상이한 금속 분말의 블렌딩을 통해 조절될 수 있다.
일 구현예에서, 최종 적층 가공 제품은 제품 이론 밀도의 98% 이내의 밀도를 구현한다. 다른 구현예에서, 최종 적층 가공 제품은 제품 이론 밀도의 98.5% 이내의 밀도를 구현한다. 또 다른 구현예에서, 최종 적층 가공 제품은 제품 이론 밀도의 99.0% 이내의 밀도를 구현한다. 다른 구현예에서, 최종 적층 가공 제품은 제품 이론 밀도의 99.5% 이내의 밀도를 구현한다. 또 다른 구현예에서, 최종 적층 가공 제품은 제품 이론 밀도의 99.7% 이내, 또는 그 이상의 밀도를 구현한다.
맞춤형 금속 분말 공급원료는 적층 가공 제품을 제조하기 위해 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자 및/또는 비금속 입자의 임의의 조합을 포함할 수 있으며, 선택적으로 사전 선택된 물성을 가질 수 있다.
예를 들어, 금속 분말은 제1 유형의 금속 입자와 제2 유형의 입자(금속 또는 비금속)의 블렌드를 포함할 수 있으며, 제1 유형의 금속 입자는 제2 유형과 상이한(조성이 상이하거나, 물리적으로 상이하거나, 모두 상이한) 유형이다. 금속 분말은 제3 유형의 입자(금속 또는 비금속), 제4 유형의 입자(금속 또는 비금속) 등을 더 포함할 수 있다. 금속 분말은 적층 가공 제품의 적층 가공 동안 동일한 금속 분말일 수 있거나, 또는 금속 분말은 적층 가공 공정 중에 달라질 수 있다.
B. 적층 가공
전술한 바와 같이, 맞춤형 금속 분말 공급원료는 적어도 하나의 적층 가공 작업에 사용된다 본원에 사용된 "적층 가공"은 "Standard Terminology for Additively Manufacturing Technologies(적층 가공 기술에 대한 표준 용어)"라는 제목의 ASTM F2792-12a에 정의된 바와 같이, "절삭 가공 방법과는 대조적으로 3D 모델 데이터로부터 대상을 제조하기 위해 보통 한층 한층씩 재료를 결합하는 공정"을 의미한다. 본원에 기술된 적층 가공 제품은 특히 바인더 분사, 지향성 에너지 증착, 재료 분사 또는 분말 적층 용융과 같이 입자를 이용하는 ASTM 표준에 기재된 임의의 적절한 적층 가공 기술을 통해 제조될 수 있다.
일 구현예에서, 적층 가공 제품(예를 들어, 맞춤형 적층 가공 제품)을 생성하기 위하여 금속 분말 베드가 사용된다. 본원에 사용된 "금속 분말 베드"는 금속 분말을 포함하는 베드를 의미한다. 적층 가공 중에, 상이한 조성의 입자가 용융(예를 들어, 급속 용융)된 후 (예를 들어, 균질 혼합의 부재 하에) 응고될 수 있다. 따라서, 균질 또는 비균질 미세구조를 갖는 적층 가공 제품이 생성될 수 있다.
금속 분말 베드 배열을 사용하여 맞춤형 적층 가공 제품을 제조하기 위한 하나의 접근법이 도 1a에 도시되어 있다. 도시된 접근법에서, 시스템(100)은 분말 베드 성형 공간(110), 분말 공급기(120) 및 분말 스프레더(160)를 포함한다. 분말 공급기(120)는 분말 저장조(121), 플랫폼(123), 및 플랫폼(123)에 연결된 조정 장치(124)를 포함한다. 조정 장치(124)는 플랫폼 저장조(121) 내에서 플랫폼(123)을 상하로 이동시키도록 (도시되어 있지 않은 제어 시스템을 통해) 조정 가능하다. 성형 공간(110)은 성형 저장조(151), 성형 플랫폼(153) 및 성형 플랫폼(153)에 연결된 조정 장치(154)를 포함한다. 조정 장치(154)는 분말 공급기(120)로부터의 금속 분말 공급원료(122) 수령 및/또는 맞춤형 3-D 금속 부품(150)의 제조가 용이하게 하기 위해, 성형 저장조(151) 내에서 성형 플랫폼(153)을 상하로 적절히 이동시키도록 (미도시된 제어 시스템을 통해) 조정 가능하다.
분말 스프레더(160)는 제어 시스템(미도시)에 연결되고 분말 저장조(121)에서 성형 저장조(151)로 이동하여 사전 선택된 양(들)의 분말 공급원료(122)를 성형 저장조(151)에 공급하도록 작동 가능하다. 도시된 구현예에서, 분말 스프레더(160)는 롤러이고, 분말 공급원료(122)의 사전 선택된 체적(128)를 수집하기 위해 시스템의 분배면(140)을 따라 롤링 및 분말 공급원료(122)의 사전 선택된 체적(128)를 성형 저장조(151)로 이동(예를 들어, 분말 공급원료를 가압/롤링시킴으로써) 시키도록 구성된다. 예를 들어, 플랫폼(123)은 분말 공급원료(122)의 사전 선택된 체적(128)이 분배면(140) 위에 놓이는, 적절한 수직 위치로 이동될 수 있다. 이에 상응하여, 성형 공간(110)의 성형 플랫폼(153)은 분말 공급원료(122)의 사전 선택된 체적(128)을 수용하도록 하강될 수 있다. 분말 스프레더(160)가 분말 저장조(121)의 입측(도 1a의 좌측)으로부터 출측(도 1a의 우측)으로 이동함에 따라, 분말 스프레더(160)는 분말 공급원료(122)의 사전 선택된 체적(128)의 대부분 또는 전부를 수집할 것이다. 분말 스프레더(160)가 분배면(140)을 따라 진행함에 따라, 분말의 수집된 체적(128)은 성형 저장조(151)로 이동되어 금속 분말 층의 형태로 그 내부에 분배될 것이다. 분말 스프레더(160)는 금속 분말 공급원료의 층을 생성하기 위해, 금속 분말 공급원료(122)의 수집된 체적(128)을 성형 저장조(151)로 이동시킬 수 있고, 분배면(140)과 동일면 상으로 수집된 체적(128)을 이동시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 분말 스프레더(160)는 성형 저장조(151) 내에 수집된 분말(128)을 충진/치밀화할 수 있다. 분말 스프레더(160)는 원통형 롤러로서 도시되어 있지만, 스프레더는 직사각형(예를 들어, 스퀴지가 사용될 때)과 같은 임의의 적절한 형상일 수 있다. 이와 관련하여, 분말 스프레더(160)는 그의 구성에 따라, 금속 분말 공급원료(122)의 적절한 수집 체적(128)을 성형 저장조(151)로 롤링. 가압, 긁어 내거나 또는 다른 방식으로 이동시킬 수 있다. 또한, 다른 구현예(미도시)에서 호퍼 또는 유사한 장치를 사용하여 분배면(140) 및/또는 직접적으로 성형 저장조(151)에 분말 공급원료를 제공할 수 있다.
분말 스프레더(160)가 분말의 수집된 체적(128)을 성형 저장조(151)에 분배한 후, 분말 스프레더(160)는 성형 저장조(151)로부터, 중립 위치 또는 분말 저장조(121) 입측 상류(도 1a의 좌측)와 같은 위치로 멀리 이동될 수 있다. 다음으로, 시스템(100)은 접착제를 성형 저장조(151)에 저장된 분말의 수집된 체적(128)에 선택적으로 제공(예를 들어 분사)하기 위하여 접착제 공급기(130) 및 그에 대응하는 접착제 헤드(132)를 사용한다. 구체적으로, 접착제 공급기(130)는 3-D 부품의 3-D 컴퓨터 모델 및 제어기(190)를 갖는 컴퓨터 시스템(192)에 전기적으로 연결된다. 분말의 수집된 체적(128)이 성형 저장조(151)에 제공된 후, 접착제 공급기(130)의 제어기(190)는 컴퓨터(192)의 3-D 컴퓨터 모델에 따라, 접착제 헤드(132)를 적절한 X-Y 방향으로 이동시켜 접착제를 분말 체적 상에 분사한다.
접착제 분사 단계가 완료되면, 성형 플랫폼(153)은 하강될 수 있고, 분말 공급 플랫폼(123)은 상승될 수 있으며, 이 공정은 다층 맞춤형 3-D 부품(150)이 완성될 때까지 다수의 수집된 체적(128)이 분말 스프레더(160)를 통해 성형 저장조(151)에 연속적으로 제공되며 반복된다. 필요에 따라, 접착제가 분사된 임의의 분말을 경화(예를 들어, 부분적으로 경화)시키기 위해 하나 이상의 분사 작업 사이에 가열기(미도시)가 사용될 수 있다. 이어서, 최종 맞춤형 3-D 부품(150)은 성형 공간(110)으로부터 내보내질 수 있고, (접착제가 실질적으로 분사되지 않은) 과잉 분말(152)은 "그린" 맞춤형 3-D 부품(150)만을 남기고 제거된다. 이어서, 최종 그린 맞춤형 3-D 부품(150)은 노 또는 다른 적절한 가열 장치에서 가열되어, 부품을 소결하거나/또는 부품으로부터 (예를 들어, 접착제 공급기로부터의) 휘발성 성분을 제거할 수 있다. 일 구현예에서, 최종 맞춤형 3-D 부품(150)은 금속 분말 공급원료의 (예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이) 균질 또는 거의 균질한 분포로 이루어진다. 선택적으로, 최종 맞춤형 3-D 부품(150)을 제조하기 위해 성형 기판(155)이 사용될 수 있고, 이 성형 기판(155)은 최종 맞춤형 3-D 부품(150)에 통합될 수 있거나, 또는 맞춤형 3-D 부품(150)으로부터 배제될 수 있다. 성형 기판(155) 자체는 (3-D 부품과 상이하거나 동일한) 금속 또는 금속 제품이거나, 또는 다른 재료(예를 들어, 플라스틱 또는 세라믹)일 수 있다.
전술한 바와 같이, 분말 스프레더(160)는 금속 분말 공급원료(122)의 수집된 체적(128)을 분배면(140)을 통해 성형 저장조(151)로 이동시킬 수 있다. 또 다른 구현예에서, 성형 공간(110) 및 분말 공급기(120) 중 적어도 하나는, 성형 공간(110)의 하나 이상의 외부 면과 분말 공급기(120)과 접촉하도록 횡방향(예를 들어, X-방향)으로 이동하도록 작동할 수 있다. 결과적으로, 분말 스프레더(160)는 성형 저장조(151)와 분말 저장조(121) 사이에 임의의 개재면이 없는 경우, 금속 분말 공급원료(122)의 사전 선택된 체적(128)을 성형 저장조(151)로 직접 이동시킬 수 있다.
언급된 바와 같이, 분말 공급기(120)는 분말 저장조(151) 내에서 플랫폼(123)을 상하로 이동시키도록 (미도시된 제어 시스템을 통해) 조정 가능한 조정 장치(124)를 포함한다. 일 구현예에서, 조정 장치(124)는 나사 또는 다른 적절한 기계 장치의 형태이다. 다른 구현예에서, 조정 장치(124)는 유압 장치이다. 마찬가지로, 성형 공간의 조정 장치(154)는 기계적 장치(예를 들어, 나사) 또는 유압 장치일 수 있다.
전술한 바와 같이, 분말 저장조(121)는 금속 분말 공급원료(122)를 포함한다. 이 분말 공급원료(122)는 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자, 비금속 입자 및 이들의 조합물을 포함할 수 있기에, 여기에는 단일 금속 입자, 다중 금속 입자 및/또는 M-NM 입자가 존재한다. 따라서, 맞춤형 3-D 금속-함유 부품이 제조될 수 있다. 일 구현예에서, 분말 공급원료(122)의 적어도 50 부피%는 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자 및 이들의 조합물을 포함한다. 다른 구현예에서, 분말 공급원료(122)의 적어도 75 부피%는 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자 및 이들의 조합물을 포함한다. 다른 구현예에서, 분말 공급원료(122)의 적어도 90 부피%는 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자 및 이들의 조합물을 포함한다.
일 구현예에서, 분말 공급원료(122)는 충분한 양의 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자, 비금속 입자, 및 이들의 조합물을 포함하여 알루미늄계 3-D 부품을 제조한다. 일 구현예에서, 분말 공급원료(122)는 충분한 양의 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자, 비금속 입자, 및 이들의 조합물을 포함하여 티타늄계 3-D 부품을 제조한다. 일 구현예에서, 분말 공급원료(122)는 충분한 양의 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자, 비금속 입자, 및 이들의 조합물을 포함하여 코발트계 3-D 부품을 제조한다. 일 구현예에서, 분말 공급원료(122)는 충분한 양의 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자, 비금속 입자, 및 이들의 조합물을 포함하여 니켈계 3-D 부품을 제조한다. 일 구현예에서, 분말 공급원료(122)는 충분한 양의 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자, 비금속 입자, 및 이들의 조합물을 포함하여 철계 3-D 부품을 제조한다. 알루미늄계 부품은 대부분의 구성 요소로 알루미늄을 포함한다. 티타늄계 부품은 대부분의 구성 요소로 티타늄을 포함한다. 코발트계 부품은 대부분의 구성 요소로 코발트를 포함한다. 니켈계 부품은 대부분의 구성 요소로 니켈을 포함한다. 철계 부품은 대부분의 구성 요소로 철을 포함한다. 일 구현예에서, 3-D 부품은 알루미늄 합금이다. 다른 구현예에서, 3-D 부품은 티타늄 합금이다. 다른 구현예에서, 3-D 부품은 코발트 합금이다. 다른 구현예에서, 3-D 부품은 니켈 합금이다. 일 구현예에서, 3-D 부품은 스틸이다.
하나의 접근법에서, 분말 공급원료(122)는 충분한 양의 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자, 비금속 입자, 및 이들의 조합물을 포함하여 금속 매트릭스 복합 3-D 부품을 제조한다. 금속 매트릭스 복합물은 M-NM 및/또는 비금속 특성을 갖는 금속 매트릭스를 갖는다. 일 구현예에서, 분말 공급원료(122)는 충분한 양의 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자, 비금속 입자, 및 이들의 조합물을 포함하여 산화물 분산 강화 3-D 금속 합금 부품을 제조한다. 일 구현예에서, 3-D 금속 부품은 10 wt% 이하의 산화물을 함유하는 알루미늄 합금이다. 일 구현예에서, 3-D 금속 부품은 10 wt% 이하의 산화물을 함유하는 티타늄 합금이다. 일 구현예에서, 3-D 금속 부품은 10 wt% 이하의 산화물을 함유하는 니켈 합금이다. 이와 관련하여, 금속 분말 공급원료는 M-O 입자(M은 금속이고 O는 산소임)를 포함할 수 있다. 적합한 M-O 입자는 특히 Y2O3, Al2O3, TiO2, 및 La2O3를 포함한다.
도 1b는 일반적으로 도 1a와 동일한 구성을 이용하지만, 3-D 제품(150')을 제조하기 위해, 접착 시스템 대신 레이저 시스템(188)(또는 전자빔)을 사용한다. 따라서, 도 1a의 모든 구현예 및 설명은 접착제 공급기(130)를 제외하고는 도 1b의 구현예에 적용된다. 대신에, 레이저(188)는 3-D 부품의 3-D 컴퓨터 모델 및 적절한 제어기(190')를 갖는 컴퓨터 시스템(192)에 전기적으로 연결된다. 분말의 수집된 체적(128)이 성형 저장조(151)에 제공된 후, 레이저(188)의 제어기(190')는 컴퓨터(192)의 3-D 컴퓨터 모델에 따라 분말 체적의 선택분을 가열하면서 적절한 X-Y 방향으로 레이저(188)를 이동시킨다. 이렇게 함으로써, 레이저(188)는 형성될 제품의 액상선 온도 초과의 온도로 분말의 일부를 가열하여 용융 풀을 형성할 수 있다. 레이저는 후속적으로 (예를 들어, 제어기(190')를 통해) 이동 및/또는 전원 차단될 수 있으며, 이에 의해 적어도 초당 1,000℃의 냉각 속도로 용융 풀을 냉각시키고, 최종 맞춤형 3-D 부품(150')의 일부를 형성한다. 일 구현예에서, 냉각 속도는 적어도 초당 10,000℃ 이다. 다른 구현예에서, 냉각 속도는 적어도 초당 100,000℃ 이다. 다른 구현예에서, 냉각 속도는 적어도 초당 1,000,000℃ 이다. 레이징 공정이 완료되면, 성형 플랫폼(153)이 하강될 수 있고, 다층 맞춤형 3-D 부품(150')이 완성될 때까지 이 공정이 반복된다. 전술한 바와 같이, 최종 맞춤형 3-D 부품은 성형 공간(110)으로부터 내보내질 수 있으며, (실질적으로 레이저 처리되지 않은) 과잉 분말(152')이 제거된다. 전자빔이 레이저(188)로 사용될 때에는, 냉각 속도가 적어도 (본질적으로 또는 제어된 냉각을 통해) 초당 10℃일 수 있고, 이에 의해 최종 맞춤형 3-D 부품(150')의 일부를 형성한다.
일 구현예에서, 성형 공간(110)은, 성형 공간(110)의 성형 저장조(151)의 하나 이상의 부분, 또는 그 내부에 수용된 분말 또는 레이저화물을 의도적으로 가열할 수 있는 가열 장치(미도시)를 포함한다. 일 구현예에서, 가열 장치는 성형 저장조(151)의 하부 영역을 가열한다. 다른 구현예에서, 가열 장치는 성형 저장조(151)의 하나 이상의 측면 영역을 가열한다. 다른 구현예에서, 가열 장치는 성형 저장조(151)의 적어도 하부 및 측면 영역을 가열한다. 가열 장치는, 예를 들어, 레이저 처리된 3-D 부품(150')의 냉각 동안, 냉각 속도 제어 및/또는 잔류 응력(들) 완화에 유용하게 사용될 수 있다. 따라서, 일부 금속 제품에 대해 높은 수율이 구현될 수 있다. 일 구현예에서, 레이저 처리된 3-D 부품(150')의 하나 이상의 부분 내에, 제어된 국부 온도 구배를 형성하기 위하여 제어 가열 및 냉각이 사용된다. 제어된 국부 온도 구배는, 예를 들어, 최종 레이저 처리된 3-D 부품(150') 내의 맞춤형 텍스처를 촉진할 수 있다. 도 1b의 시스템은 본원에 기술된 임의의 금속 분말 공급원료를 사용할 수 있다. 추가적으로, 최종 맞춤형 3-D 부품(150')을 제조하기 위해 성형 기판(155')이 사용될 수 있고, 이 성형 기판(155')은 최종 맞춤형 3-D 부품(150')에 통합될 수 있거나, 또는 맞춤형 3-D 부품(150')으로부터 배제될 수 있다. 성형 기판(155') 자체는 (3-D 부품과 상이하거나 동일한) 금속 또는 금속 제품이거나, 또는 다른 재료(예를 들어, 플라스틱 또는 세라믹)일 수 있다.
다른 접근법에서, 여기에서 도 1c를 참조하면, 맞춤형 금속 3-D 제품의 제조를 용이하게 하기 위해, 복수의 분말 공급기(120a, 120b)가 복수의 분말 공급원료(122a, 122b)를 성형 저장조(151)에 공급하는 데 사용될 수 있다. 도 1c의 구현예에서, 제1 분말 스프레더(160a)는 제1 분말 공급기(120a)의 제1 분말 공급원료(122a)를 성형 저장조(151)로 공급할 수 있고, 제2 분말 공급기(160b)는 제2 분말 공급기(120b)의 제2 분말 공급원료(122b)를 성형 저장조(151)에 공급할 수 있다. 제1 및 제2 분말 공급원료(122a, 122b)는 맞춤형 금속 3-D 제품의 제조를 용이하게 하기 위해, 임의의 적합한 양 및 임의의 적절한 순서로 제공될 수 있다. 일 특정예로서, 도 1a 또는 1b와 관련하여 전술한 바와 같이, 3-D 제품의 제1 층은 제1 분말 공급원료(122a)를 사용하여 제조될 수 있다. 도 1a 또는 1b와 관련하여 전술한 바와 같이, 3-D 제품의 제2 층은 제2 분말 공급원료(122b)를 사용하여 이어서 제조될 수 있다. 결과적으로, 맞춤형 금속 3-D 제품이 제조될 수 있다. 일 구현예에서, 제2 층은 제1 층 위에 놓인다(예를 들어, 도 3a에 나타낸 제1 영역(400) 위에 중첩된 제2 영역(500)). 다른 구현예에서, 제1 및 제2 층은 다른 재료에 의해 분리된다(예를 들어, 제3 재료의 제3 층).
다른 예로서, 제1 분말 스프레더(160a)는 구체적으로 및 의도적으로 갭을 남기고 제1 공급원료(122a)를 성형 저장조(151)에 부분적으로만 제공할 수 있다. 이어서, 제2 분말 스프레더(160b)는 적어도 부분적으로 갭을 채우며 제2 공급원료(122b)를 성형 저장조(151)에 제공할 수 있다. 레이저(188)는 이들 제1 및 제2 롤링 작동과 관련하여 임의의 적절한 시간(들)에서 이용될 수 있다. 결과적으로, 다중 영역 3-D 제품은 (예를 들어, 도 3b에서 나타낸 바와 같이) 제2 영역(500)에 측면 방향으로 인접한 제1 영역(400)으로 제조될 수 있다. 실제로, 시스템(100'')은 도 3a 내지도 3f에 도시된 구현예 중 임의의 것을 생성하기 위하여, 성형 공간(110), 분말 공급기(120a, 120b) 및 분말 스프레더(160a, 160b)를 적절히 작동시킬 수 있다.
제1 및 제2 분말 공급원료(122a, 122b)는 (예를 들어, 속도/효율 목적을 위해) 동일한 조성을 가질 수 있지만, 일반적으로 상이한 조성을 갖는다. 적어도 하나의 제1 및 제2 분말 공급원료(122a, 122b)는 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자, 비금속 입자 및 이들의 조합물을 포함하기에, 여기에는 적어도 하나의 단일 금속 입자, 다중 금속 입자 및/또는 M-NM 입자가 존재한다. 따라서, 맞춤형 3-D 금속-함유 부품이 제조될 수 있다. 일 구현예에서, 제1 및/또는 제2 분말 공급원료(122a, 122b)의 적어도 50 부피%는 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자 및 이들의 조합물을 포함한다. 다른 구현예에서, 제1 및/또는 제2 분말 공급원료(122a, 122b)의 적어도 75 부피%는 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자 및 이들의 조합물을 포함한다. 다른 구현예에서, 제1 및/또는 제2 분말 공급원료(122a, 122b)의 적어도 90 부피%는 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자 및 이들의 조합물을 포함한다.
제1 및/또는 제2 분말 공급원료(122a, 122b)의 임의의 조합물이 맞춤형 금속 3-D 제품을 제조하는데 사용될 수 있다. 하나의 접근법에서, 제1 공급원료(122a)는 제1 조성 블렌드를 포함하고, 제2 공급원료(122b)는 제1 조성과 상이한 제2 조성 블렌드를 포함한다. 그러나, 각각의 제1 및 제2 분말 공급원료(122a, 122b)는 여전히 적어도 하나의 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, 및/또는 M-NM 입자를 포함한다. 하나의 접근법에서, 제1 조성 및 제2 조성은 적어도 부분적으로 중첩되고, 제1 및 제2 공급원료(122a, 122b)는 하나 이상의 공통 금속 원소를 포함하며, 이 금속 원소는 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, 및/또는 M-NM 입자에 포함된다. 다른 접근법에서, 제1 조성 및 제2 조성은 중첩되지 않고, 제1 및 제2 공급원료(122a, 122b)는 단일 금속, 다중 금속 또는 M-NM 입자 내에 동일한 금속 원소를 포함하지 않는다.
위의 도 1a 또는 1b의 접근법과 마찬가지로, 분말 스프레더(160a, 160b)는 원통형으로 도시되어 있지만, 분말 스프레더(160a, 160b)는 직사각형 또는 다른 임의의 적절한 형상일 수 있다. 이와 관련하여, 분말 스프레더(160a, 160b)는 그의 구성에 따라 공급원료(122a, 122b)를 성형 저장조(151)로 롤링, 가압, 긁어 내거나 또는 다른 방식으로 이동시킬 수 있다. 또한, 선택적으로, 최종 맞춤형 3-D 부품(150")을 제조하기 위해 성형 기판(155")이 사용될 수 있고, 이 성형 기판(155")은 최종 맞춤형 3-D 부품(150")에 통합될 수 있거나, 또는 맞춤형 3-D 부품(150")으로부터 배제될 수 있다. 성형 기판(155") 자체는 (3-D 부품과 상이하거나 동일한) 금속 또는 금속 제품이거나, 또는 다른 재료(예를 들어, 플라스틱 또는 세라믹)일 수 있다. 비록 도 1c는 레이저(188)를 사용하는 것으로 도시되어 있지만, 도 1c의 시스템은 대안적으로 도 1a와 관련하여 전술한 바와 같은 접착제 시스템을 사용할 수 있다.
도 2는 다중 분말 공급원료(222)를 제조하기 위한 시스템(200)의 개략도이다. 도시된 구현예에서, 시스템(200)은 도 1a 내지 도 1c와 관련하여 전술한 바와 같이, 분말 베드 성형 공간(110)에 다중 분말 공급원료를 제공하는 것으로 도시되어 있지만, 시스템(200)은 임의의 적합한 적층 가공 방법을 위한 다중 성분 분말을 제조하는데 사용될 수도 있다.
도 2의 시스템(200)은, 도 1a 내지 도 1c와 관련하여 전술한 바와 같이, 복수의 분말 공급기(220-1, 220-2, ..., 220-n)및 이에 상응하는 복수의 분말 저장조(221-1, 221-2, ..., 221-n), 분말 공급원료(222-1, 222-2, ..., 222-n), 플랫폼(223-1, 223-2, ..., 223-n), 및 조정 장치(224-1, 224-2, ..., 224-n)를 포함한다. 마찬가지로, 성형 공간(210)은 도 1a 내지 도 1c와 관련하여 전술한 바와 같이, 성형 저장조(251), 성형 플랫폼(253), 및 성형 플랫폼(253)에 연결된 조정 장치(254)를 포함한다.
분말 스프레더(260)는 제1 위치(202a)와 제2 위치(202b) 사이에서 (양방향으로) 이동할 수 있도록 작동 가능하며, 제1 위치는 제1 분말 공급기(220-1)의 상류이고, 제2 위치(202b)는 마지막 분말 공급기(220-n) 또는 성형 공간(210)의 하류이다. 분말 스프레더(260)가 제1 위치(202a)에서 제2 위치(202b)를 향해 이동함에 따라, 제1 분말 공급기(220-1)로부터의 제1 공급원료(222-1)의 적절한 체적, 제2 분말 공급기(222-2)로부터의 제2 공급원료(220-2)의 적절한 체적 등을 수집하여 수집된 체적(228)을 생성한다. 제1 내지 최종 공급원료(220-1 내지 220-n)의 체적 및 조성은 맞춤형 3-D 제품 또는 그 일부의 제조를 용이하게 하기 위해 각각의 롤링 사이클마다 조정 및 제어될 수 있다.
예를 들어, 제1 분말 공급기(220-1)는 이의 공급원료(222-1)로서 제1 금속 분말(예를 들어, 단일 금속 분말)을 포함할 수 있고, 제2 분말 공급기(220-2)는 이의 공급원료(222-2)로서 제2 금속 분말(예를 들어, 다중 금속 분말)을 포함할 수 있다. 분말 스프레더(260)가 제1 분말 공급기(220-1)의 상류로부터 분배면(240)을 따라 제2 분말 공급기(220-2)의 하류로 이동함에 따라, 분말 스프레더(260)는 금속 분말(222-1, 222-2)의 제1 및 제2 체적을 수집하여 제2 분말 공급기(220-2)의 하류에 맞춤형 분말 블렌드(228)을 생성할 수 있다. 분말 스프레더(260)가 성형 저장조(251)를 향해 이동함에 따라, 제1 및 제2 분말은 (예를 들어, 텀블링, 상부면(240)에 진동(예를 들어, 선택적인 진동 장치(275) 또는 다른 혼합/교반 수단을 통하여)을 가함에 의해)) 혼합될 수 있다. 분말 스프레더(260)가 제2 위치(202b)를 향해 이동함에 따라, 후속적인 분말 공급원료(222-3(미도시) 내지 222-n)가 이용되거나 (예를 들어, 분말 공급기(들)의 상부 폐쇄에 의해) 배제될 수 있다. 궁극적으로, 최종 분말 공급원료(222 = 2221+2+..n)는 분말 베드 성형 공간(210)에서의 사용과 같은 적층 가공에 제공될 수 있다. 이어서, 도 1b와 관련하여 전술한 바와 같이, 최종 맞춤형 3-D 부품(250)의 일부를 제조하기 위해 레이저(188)가 사용될 수 있다.
시스템(200)의 유연성은 특히 도 3a 내지 3f, 도 4, 및 도 5a 내지 5d에 도시된 임의의 제품의 현장 제조를 용이하게 한다. 임의의 적합한 조성 및 임의의 적합한 입도 분포를 갖는 임의의 적합한 분말이 시스템(200)의 공급원료(222-1 내지 222-n)로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 것과 같은 균질한 3-D 제품을 제조하기 위해, 일반적으로 각각의 롤링 사이클에 대해 동일한 체적 및 조성을 사용할 수 있다. 도 3a 내지 3f에 도시된 바와 같은 다중 영역 제품을 제조하기 위해, 분말 스프레더(260)는 동일하거나 상이한 분말 공급기로부터 상이한 체적(들)의 공급원료를 적절히 수집할 수 있다. 일례로서, 도 3a의 적층 제품을 제조하기 위해, 제1 롤링 사이클은 제1 공급기(220-1)로부터의 공급원료(222-1)의 제1 체적, 및 제2 공급기(220-2)로부터의 공급원료(222-2)의 제2 체적을 수집한다. 후속 사이클 및 제2의 상이한 층을 제조하기 위해, 제1 분말 공급기(220-1)의 높이는 제1 공급원료(222-1)의 상이한 체적을 제공할 수 있도록 (플랫폼을 통해) 조정될 수 있다(제2 분말 공급기(220-2)의 높이는 동일하게 유지되거나 또는 변경될 수 있다). 결과적으로, 후속 사이클에서 이용되는 제1 공급원료의 상이한 체적으로 인해, 상이한 분말 블렌드가 생성되어, 상이한 재료 층을 생성하게 된다.
대안으로서, 목적하는 재료 층들을 생성하기 위하여, 분말 스프레더(260)가 적절한 분말 공급기(220-2 내지 220-n)로부터의 재료만을 수집하도록 시스템(200)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 분말 스프레더(260)는 적절한 분말 공급기를 배제(예를 들어, 배제를 위하여 비선형으로 이동)하도록 제어될 수 있다. 다른 예로서, 분말 공급기(220-1 내지 220-n)는 선택적으로 작동 가능한 뚜껑 또는 마개를 포함할 수 있으며, 시스템(200)은 분말 스프레더(260)와의 통신을 통해 이러한 뚜껑 또는 마개를 선택적으로 폐쇄함으로써, 임의의 적절한 사이클 동안 임의의 적절한 분말 공급기(220-1 내지 220-n)를 배제할 수 있다.
분말 스프레더(260)는 제1 위치(202a)에서 제2 위치(202b)로, 또는 그 사이의 임의의 위치로 이동하도록 적절한 제어 시스템을 통해 제어될 수 있다. 예를 들어, 하나의 사이클 이후, 제1 공급원료(222-1)를 전적으로 배제하면서 제2 공급원료(222-2)의 적절한 체적을 수집하는 것을 용이하게 하기 위하여, 분말 스프레더(260)는 제1 분말 공급기(220-1)의 하류, 및 제2 분말 공급기(220-2)의 상류 위치로 복귀할 수 있다. 또한, 분말 스프레더(260)는 적층 가공 작업을 위해 적절한 양의 공급원료(222-1 내지 222-n)를 수집하기에 적절하도록 선형 또는 비선형 방식으로 이동될 수 있다. 또한, 다수의 롤러가 공급원료(222-1 내지 222-n)를 이동 및/또는 혼합하는데 사용될 수 있다. 마지막으로, 2개 이상의 분말 공급기(222-1 내지 222-n)가 도 2에 도시되어 있지만, 2개의 분말 공급기(222-1 내지 222-2)가 또한 유용할 수 있다.
C. 도 1a 내지 도1c 및 도 2의 장치 및 시스템으로 제조 가능한 적층 가공 3-D 금속 제품의 비제한적 예
전술한 바와 같이, 도 1a 내지 1c 및 도 2에 설명된 적층 가공 장치 및 시스템은 임의의 적합한 금속 함유 3-D 제품을 제조하는데 사용될 수 있다. 일 구현예에서, 최종 맞춤형 3-D 금속 제품을 제조하기 위해 적층 가공 공정 전체에 걸쳐 동일한 일반 분말이 사용된다. 예를 들어, 여기에서 도 4를 참조하면, 최종 맞춤형 제품(1000)은 적층 가공 공정 중에 일반적으로 동일한 금속 분말을 사용하여 생성된 단일 영역을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 금속 분말은 단일 금속 입자로 이루어진다. 일 구현예에서, 금속 분말은 단일 금속 입자와 다중 금속 입자의 혼합물로 이루어진다. 일 구현예에서, 금속 분말은 단일 금속 입자 및 M-NM입자로 이루어진다. 일 구현예에서, 금속 분말은 단일 금속 입자, 다중 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 일 구현예에서, 금속 분말은 다중 금속 입자로 이루어진다. 일 구현예에서, 금속 분말은 다중 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 일 구현예에서, 금속 분말은 M-NM 입자로 이루어진다. 이들 구현예의 임의의 구현예에서, 비금속 입자가 금속 분말에 선택적으로 사용될 수 있다. 이들 구현예의 임의의 구현예에서, 금속 분말을 제조하기 위해 단일 금속 입자, 다중 금속 입자, M-NM 입자 및/또는 비금속 입자의 다수의 상이한 유형이 사용될 수 있다. 예를 들어, 단일 금속 입자로 이루어진 금속 분말이 단일 금속 입자의 다수의 상이한 유형을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 다중 금속 입자로 이루어진 금속 분말이 다중 금속 입자의 다수의 상이한 유형을 포함할 수 있다. 다른 예로서, 단일 금속 및 다중 금속 입자로 이루어진 금속 분말이 단일 금속 및/또는 다중 금속 입자의 다수의 상이한 유형을 포함할 수 있다. M-NM 및 비금속 입자에도 유사한 원칙이 적용된다.
하나의 구체적인 예로서, 여기에서 도 5a 내지 5d를 참조하면, 단일 금속 분말은 (a)M-NM 입자 및 (b)비금속 입자(예를 들어, BN 입자) 중 적어도 하나의 블렌드(1) 및 (a)단일 금속 입자 또는 (b)다중 금속 입자 중 적어도 하나의 블렌드(2)를 포함할 수 있다. 단일 분말 블렌드는 큰 체적의 제1 영역(1700) 및 작은 체적의 제2 영역(1800)을 갖는 본체(1500)를 제조하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 영역(1700)은 (예를 들어, 단일 금속 입자 및/또는 다중 금속 입자로 인해) 금속 또는 금속 합금 영역을 포함할 수 있고, 제2 영역(1800)은 (예를 들어, M-NM 입자 및/또는 비금속 입자로 인해) M-NM 영역을 포함할 수 있다. 도 5b 내지 5d에 도시된 바와 같이, 제조 후 또는 제조 중, 제1 영역(1700)과 제2 영역(1800)을 포함하는 적층 가공 제품이 (예를 들어, 압연, 압출, 단조, 연신, 압축 중 하나 이상에 의해) 변형될 수 있다. 최종 변형된 제품은 예를 들어, 평면 슬립을 제한할 수 있는 제1 영역(1700)과 M-NM 제2 영역(1800) 사이의 계면으로 인해, 더 높은 강도를 구현할 수 있다.
대안적으로, 최종 맞춤형 제품은 적어도 두 개의 개별적으로 생성된 별개의 영역을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 3-D 제품을 제조하기 위해 상이한 금속 분말 유형이 사용될 수 있다. 예를 들어, (예를 들어, 도 1c 및 도 2에 도시된 바와 같이) 제1 금속 분말 공급기는 제1 금속 분말을 포함할 수 있고, 제2 금속 분말 공급기는 제1 금속 분말과 상이한 제2 금속 분말을 포함할 수 있다. 제1 금속 분말 공급기는 3-D 제품의 제1의 층 또는 부분을 제조하는 데 사용될 수 있고, 제2 금속 분말 공급기는 3-D 제품의 제2의 층 또는 부분을 제조하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 여기에서 도 3a 내지 3f를 참조하면, 제1 영역(400) 및 제2 영역(500)이 존재할 수 있다. 제1 영역(400)을 제조하기 위해, 성형 저장조의 제1 부분(예를 들어, 층)은 제1 분말 공급기로부터의 제1 금속 분말을 포함할 수 있다. 제2 영역(500)을 제조하기 위해, 성형 저장조 금속 분말의 제2 부분(예를 들어, 층)은 제1의 층과 상이한(구성적으로 및/또는 물리적으로 상이한) 제2 금속 분말 공급기로부터의 제2 금속 분말을 포함할 수 있다. 제3의 별개 영역, 제4의 별개 영역 등이 제조될 수 있다. 따라서, 적층 가공 공정 동안 금속 분말의 전체적인 조성 및/또는 물성이 사전 선택되어, 맞춤형 조성 및/또는 미세 구조를 갖는 맞춤형 금속 또는 금속 합금 제품이 얻어질 수 있다.
하나의 양태에서, 제1 분말 공급기의 제1 금속 분말은 단일 금속 입자로 이루어진다. 제1 금속 분말은 제1 금속 분말 베드 층에 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제1 영역(400)을 생성할 수 있다. 순차적으로, 제2 분말 공급기의 제2 금속 분말은 제2 금속 분말 베드 층으로 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제2 영역(500)을 (예를 들어, 도 1c 또는 도 2에 따라) 생성하거나, 성형 저장조에 제공되기 이전에 (예를 들어, 도 2에 따라) 제1 금속 분말과 혼합될 수 있다. 일 구현예에서, 제2 금속 분말은 다른 유형의 단일 금속 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자 및 다중 금속 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자, 다중 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 다중 금속 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 다중 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 M-NM 입자로 이루어진다. 이들 구현예 중 임의의 구현예에서, 제2 영역을 생성하기 위해, 비금속 입자가 제2 금속 분말에 선택적으로 사용될 수 있다.
다른 양태에서, 제1 분말 공급기의 제1 금속 분말은 다중 금속 입자로 이루어진다. 제1 금속 분말은 제1 금속 분말 베드 층에 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제1 영역(400)을 생성할 수 있다. 순차적으로, 제2 분말 공급기의 제2 금속 분말은 제2 금속 분말 베드 층으로 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제2 영역(500)을 (예를 들어, 도 1c 또는 도 2에 따라) 생성하거나, 성형 저장조에 제공되기 이전 (예를 들어, 도 2에 따라) 제1 금속 분말과 혼합될 수 있다. 일 구현예에서, 제2 금속 분말은 다른 유형의 다중 금속 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자와 다중 금속 입자의 혼합물로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자 및 M-NM 입자의 혼합물로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자, 다중 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 다중 금속 입자 및 M-NM 입자의 혼합물로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 M-NM 입자로 이루어진다. 이들 구현예 중 임의의 구현예에서, 제2 영역을 생성하기 위해, 비금속 입자가 제2 금속 분말에 선택적으로 사용될 수 있다.
다른 양태에서, 제1 분말 공급기의 제1 금속 분말은 M-NM 입자로 이루어진다. 제1 금속 분말은 제1 금속 분말 베드 층에 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제1 영역(400)을 생성할 수 있다. 순차적으로, 제2 분말 공급기의 제2 금속 분말은 제2 금속 분말 베드 층으로 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제2 영역(500)을 (예를 들어, 도 1c 또는 도 2에 따라) 생성하거나, 성형 저장조에 제공되기 이전 (예를 들어, 도 2에 따라) 제1 금속 분말과 혼합될 수 있다. 일 구현예에서, 제2 금속 분말은 다른 유형의 M-NM 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자 및 다중 금속 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자, 다중 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 다중 금속 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 다중 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 이들 구현예 중 임의의 구현예에서, 제2 영역을 생성하기 위해, 비금속 입자가 제2 금속 분말에 선택적으로 사용될 수 있다.
다른 양태에서, 제1 금속 분말 공급기의 제1 금속 분말은 단일 금속 입자와 다중 금속 입자의 혼합물로 이루어진다. 제1 금속 분말은 제1 금속 분말 베드 층에 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제1 영역(400)을 생성할 수 있다. 순차적으로, 제2 분말 공급기의 제2 금속 분말은 제2 금속 분말 베드 층으로 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제2 영역(500)을 (예를 들어, 도 1c 또는 도 2에 따라) 생성하거나, 성형 저장조에 제공되기 이전 (예를 들어, 도 2에 따라) 제1 금속 분말과 혼합될 수 있다. 일 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자와 다중 금속 입자의 또 다른 혼합물로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자, 다중 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 다중 금속 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 다중 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 M-NM 입자로 이루어진다. 이들 구현예 중 임의의 구현예에서, 제2 영역을 생성하기 위해, 비금속 입자가 제2 금속 분말에 선택적으로 사용될 수 있다.
다른 양태에서, 제1 금속 분말 공급기의 제1 금속 분말은 단일 금속 입자와 M-NM 입자의 혼합물로 이루어진다. 제1 금속 분말은 제1 금속 분말 베드 층에 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제1 영역(400)을 생성할 수 있다. 순차적으로, 제2 분말 공급기의 제2 금속 분말은 제2 금속 분말 베드 층으로 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제2 영역(500)을 (예를 들어, 도 1c 또는 도 2에 따라) 생성하거나, 성형 저장조에 제공되기 이전 (예를 들어, 도 2에 따라) 제1 금속 분말과 혼합될 수 있다. 일 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자 및 M-NM입자의 또 다른 혼합물로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자 및 다중 금속 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자, 다중 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 다중 금속 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 다중 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 M-NM 입자로 이루어진다. 이들 구현예 중 임의의 구현예에서, 제2 영역을 생성하기 위해, 비금속 입자가 제2 금속 분말에 선택적으로 사용될 수 있다.
다른 양태에서, 제1 금속 분말 공급기의 제1 금속 분말은 단일 금속 입자, 다중 금속 입자 및 M-NM 입자의 혼합물로 이루어진다. 제1 금속 분말은 제1 금속 분말 베드 층에 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제1 영역(400)을 생성할 수 있다. 순차적으로, 제2 분말 공급기의 제2 금속 분말은 제2 금속 분말 베드 층으로 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제2 영역(500)을 (예를 들어, 도 1c 또는 도 2에 따라) 생성하거나, 성형 저장조에 제공되기 이전 (예를 들어, 도 2에 따라) 제1 금속 분말과 혼합될 수 있다. 일 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자, 다중 금속 입자 및 M-NM 입자의 또 다른 혼합물로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자 및 다중 금속 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 다중 금속 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 다중 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 M-NM 입자로 이루어진다. 이들 구현예 중 임의의 구현예에서, 제2 영역을 생성하기 위해, 비금속 입자가 제2 금속 분말에 선택적으로 사용될 수 있다.
다른 양태에서, 제1 금속 분말 공급기의 제1 금속 분말은 다중 금속 입자와 M-NM 입자의 혼합물로 이루어진다. 제1 금속 분말은 제1 금속 분말 베드 층에 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제1 영역(400)을 생성할 수 있다. 순차적으로, 제2 분말 공급기의 제2 금속 분말은 제2 금속 분말 베드 층으로 사용되어 맞춤형 3-D 금속 본체의 제2 영역(500)을 (예를 들어, 도 1c 또는 도 2에 따라) 생성하거나, 성형 저장조에 제공되기 이전 (예를 들어, 도 2에 따라) 제1 금속 분말과 혼합될 수 있다. 일 구현예에서, 제2 금속 분말은 다중 금속 입자 및 M-NM입자의 또 다른 혼합물로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자 및 다중 금속 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 다중 금속 입자로 이루어진다. 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 단일 금속 입자, 다중 금속 입자 및 M-NM 입자로 이루어진다. 또 다른 구현예에서, 제2 금속 분말은 M-NM 입자로 이루어진다. 이들 구현예 중 임의의 구현예에서, 제2 영역을 생성하기 위해, 비금속 입자가 제2 금속 분말에 선택적으로 사용될 수 있다.
따라서, 도 1a 내지 1c 및 도 2의 시스템 및 장치는, 도 3a 내지 3f, 도 4 및 도 5a 내지 5d에 도시된 임의의 단일 또는 다중 영역 제품과 같은 다양한 적층 가공 3-D 금속 제품(알루미늄계, 티타늄계, 코발트계, 니켈계, 및 철계 3-D 금속 제품을 포함하는 임의의 적합한 금속을 포함하며, 적층 가공 3-D 금속 제품의 적어도 제1 영역은 이들 금속 기반 제품 중 하나를 포함함)을 제조하는데 유용할 수 있다.
본원에 기술된 신규 기술의 다양한 구현예가 상세히 설명되었지만, 이러한 구현예의 변형 및 변경이 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백하다. 그러나, 이러한 변형 및 변경은 본원에 개시된 기술의 사상 및 범위 내에 있음이 명백하게 이해되어야 한다.

Claims (23)

  1. 적층 가공 시스템의 제1 분말 공급기로부터 제1 공급원료를 1차로 수집하는 단계;
    상기 적층 가공 시스템의 제2 분말 공급기로부터 제2 공급원료를 2차 수집하는 단계(상기 제1 공급원료 및 상기 제2 공급원료 중 적어도 하나는 금속 입자를 포함함);
    상기 제1 공급원료 및 상기 제2 공급원료를 혼합하여 금속 분말 블렌드를 제조하는 단계; 및
    상기 금속 분말 블렌드를 상기 적층 가공 시스템의 성형 공간에 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1차 수집 단계는 롤러를 통해 상기 제1 공급원료를 기계적으로 가압하는 단계를 포함하고, 상기 제2차 수집 단계는 상기 롤러를 통해 상기 제2 공급원료를 기계적으로 가압하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 롤러를 통해 상기 제1 공급원료를 상기 제2 공급원료 방향으로 가압하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제공 단계는,
    상기 블렌딩된 공급원료를 상기 제2 분말 공급기의 하류로부터 상기 성형 공간으로 가압하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1차 수집 단계는,
    상기 제1 분말 공급기의 플랫폼의 높이를 조절하여, 상기 제1차 수집 단계를 위한 제1 체적의 상기 제1 공급원료를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1차 수집 단계 후, 상기 플랫폼의 높이를 이동시켜, 제3 공급원료를 제공하는 단계를 포함하되, 상기 제3 공급원료는 제2 체적의 상기 제1 공급원료인 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 분말 공급기로부터 상기 제3 공급원료를 3차로 수집하는 단계;
    상기 제2 분말 공급기로부터 제2 공급원료를 4차로 수집하는 단계; 및
    상기 제3 공급원료와 상기 제2 공급원료를 혼합하는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2차 수집 단계 및 상기 제4차 수집 단계는 동일한 체적의 상기 제2 공급원료를 수집하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 분말 블렌드를 사용하여 상기 적층 가공 시스템의 상기 성형 공간에서 맞춤형 3-D 금속 제품을 제조하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 3-D 금속 제품은 알루미늄계 3-D 제품, 티타늄계 3-D 제품, 코발트계 3-D 제품, 니켈계 3-D 제품, 및 철계 3-D 제품 중 하나인 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 3-D 금속 제품은 알루미늄 합금 3-D 제품, 티타늄 합금 3-D 제품, 코발트 합금 3-D 제품, 니켈 합금 3-D 제품, 및 스틸 3-D 제품 중 하나인 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 3-D 금속 제품은 금속 매트릭스 복합 3-D 제품인 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 3-D 금속 제품은 M-O 입자(M은 금속이고 O는 산소임)를 함유하는 산화물 분산 강화 3-D 금속 합금인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 산화물 분산 강화 3-D 금속 합금 제품은 산화물 분산 강화를 촉진시키기에 충분한 양의 산화물을 포함하되, 상기 산화물 분산 강화 3-D 금속 합금 제품은 10 wt% 이하의 산화물을 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 M-O 입자는 Y2O3, Al2O3, TiO2, La2O3, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  16. 제1 분말 공급원료를 분배하기 위한 제1 분말 저장조를 갖는 제1 분말 공급기;
    상기 제1 분말 공급기의 하류에 있는 제2 분말 공급기(상기 제2 분말 공급기는 제2 분말 공급원료를 분배하기 위한 제2 저장조를 가짐); 및
    분말 스프레더를 포함하되, 상기 분말 스프레더는,
    (a) 상기 제1 분말 공급기로부터 상기 제1 분말 공급원료를 수집하고,
    (b) 상기 제2 분말 공급기로부터 상기 제2 분말 공급원료를 수집하고;
    (c) 적어도 제1 분말 공급기로부터 제2 분말 공급기로 이동하고,
    (d) 상기 제1 분말 공급기 및 상기 제2 분말 공급기 중 적어도 하나로부터 적층 가공 제품을 성형하기 위한 성형 공간(상기 성형 공간은 상기 제2 분말 공급기의 하류에 있고, 상기 성형 공간은 분말 공급원료를 수용하기 위한 성형 저장조를 포함함)으로 이동하도록 구성된 적층 가공 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 분말 공급기, 상기 제2 분말 공급기 및 상기 성형 공간과 관련된 분배면을 포함하되,
    상기 수집을 하는 장치는 상기 제1 분말 공급원료 및 상기 제2 분말 공급원료 중 적어도 하나와 함께 상기 분배면을 따라 이동하도록 구성되는 적층 가공 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 분말 공급기는,
    상기 제1 저장조 내에 배치되고, 상기 제1 저장조 내에서 종방향으로 상하로 이동하도록 구성된 제1 플랫폼을 포함하되,
    상기 제1 저장조는 상기 제1 분말 공급원료를 수용하도록 구성되며,
    상기 제1 플랫폼은 제어기에 의해 상기 분배면에 대해 제어된 체적의 상기 제1 분말 공급원료를 제공하도록 제어 가능한 적층 가공 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 분배면은 상기 제1 플랫폼 위에 배치되는 적층 가공 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 분말 스프레더는 상기 분배면을 따라 상기 제1 저장조에서 상기 제2 저장조로 이동하도록 구성되는 적층 가공 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 분말 스프레더는 상기 분배면을 따라 상기 제2 저장조에서 상기 성형 저장조로 이동하도록 구성되는 적층 가공 시스템.
  22. 제20항에 있어서, 상기 제2 저장조와 상기 성형 저장조 사이에 배치된 진동 장치를 포함하는 적층 가공 시스템.
  23. 제17항에 있어서, 상기 분배면은 평면이고, 상기 분말 스프레더에 대한 상부 작업면을 정의하는 적층 가공 시스템.
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