KR20190126909A - 분말 재료를 이용한 적층 제조용 방법 및 시스템 - Google Patents

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여호수아 셰인만
샤이 이르슈
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스트라타시스 엘티디.
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Abstract

적층 제조를 통해 3-차원 모델을 제조하는 방법은 분말 재료 및 응고성 비-분말 재료를 이용하여 층별 방식으로 그린 블록을 빌딩하는 단계를 포함한다. 그린 블록은 그린 이용성 모델을 포함한다. 응고된 비-분말 재료는 그린 블록으로부터 제거되어 그린 블록으로부터 그린 이용성 모델을 추출하고, 그린 이용성 모델의 밀도는 콜드 이소스태틱 프레싱(CIP)을 적용함으로써 증가한다. 그린 이용성 모델은 이후 소결되어 3-차원 모델을 형성한다.

Description

분말 재료를 이용한 적층 제조용 방법 및 시스템
본 발명은 일부 실시형태에서 적층 제조(additive manufacturing)의 분야에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 이에 제한되지 않지만, 높은 재료 밀도를 갖는 3차원 인쇄 모델을 제조하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
적층 제조에 의해 분말 재료의 연속적인 층으로 고체 물체를 제작하는 다수의 상이한 공정이 공지되어 있다. 일부 공지된 적층 제조 기술은 물체의 3차원(3D) 모델에 기초하여 액체 바인더 재료를 선택적으로 적용하고, 한층씩 분말 재료를 함께 결합하여 고체 구조를 형성한다. 일부 공정에서, 물체는 가열 및/또는 소결되어 빌딩 공정의 종료 시에 재료의 결합을 더욱 강화한다.
선택적 레이저 소결(SLS)은 파워 소스로서 레이저를 이용하여 분말 재료의 층을 소결한다. 레이저는 3D 모델에 의해 특정된 공간에서 포인트들을 겨냥하도록 제어되고, 한층씩 재료를 함께 결합하여 고체 구조를 형성한다. 선택적 레이저 용융(SLM)은 소결 대신에 재료의 완전 용융을 포함하는, SLS와 비슷한 기술이다. SLM은 분말의 용융 온도가 균일할 경우에, 예를 들어 순수 금속 분말이 빌딩 재료로 사용될 경우에 통상적으로 적용된다.
명칭이 "몰딩 공정"이고, 그 내용이 여기에 참고로 도입되는 US 특허 제4,247,508호는 3D 물품을 층으로 형성하는 몰딩 공정을 기술한다. 일 실시형태에서, 재료의 평면형 층이 연속적으로 증착된다. 각 층에서, 다음 층의 증착 전에, 일부의 영역이 응고되어 그 층에서 물품의 그 부위를 특정한다. 각 층의 선택적 응고는 열 및 선택된 마스크를 이용하거나 제어된 열 스캐닝(heat scanning) 공정을 이용하여 달성될 수 있다. 레이저를 이용하여 각 층을 선택적으로 융해하는 대신에, 각 층에 대해 별도의 마스크 그리고 열원이 이용될 수 있다. 마스크는 관련 층 위에 배치되고 열원은 마스크 위에 위치한다. 마스크의 개구를 통과하는 열은 마스크의 개구를 통해 노출된 입자를 함께 융해할 것이다. 직접 열에 노출되지 않은 입자는 융해하지 않을 것이다.
명칭이 "선택적 빔 소결용 다중 재료 시스템"이고, 그 내용이 여기에 참고로 도입되는 US 특허 제5,076,869호는 분말의 층을 선택적으로 소결하여 복수의 소결층을 포함하는 부품을 제조하는 방법 및 장치를 기술한다. 장치는 레이저를 제어하는 컴퓨터를 포함하여 레이저 에너지를 분말에 향하게 해서 소결 물질을 형성한다. 각 단면에 대해, 레이저 빔의 조준이 분말의 층 위로 스캔되고 빔이 스위치 온 되어 단면의 경계 내에 있는 분말만을 소결한다. 완성된 부품이 형성될 때까지 분말이 적용되고 연속적인 층이 소결된다. 바람직하게는, 분말은 상이한 해리 또는 결합 온도를 갖는 복수의 재료를 포함한다. 분말은 바람직하게는 혼합되거나 코팅된 재료를 포함한다.
명칭이 "선택적 소결에 의한 3D 인쇄용 방법 및 장치"이고, 그 내용이 여기에 참고로 도입되는 국제 특허 공개 제WO 2015/170330호는 빌딩 트레이(building tray)에 분말의 층을 제공하는 단계, 층에 다이 컴팩션(die compaction)을 수행하는 단계, 다이 컴팩트된 층을 선택적 레이저 소결 또는 선택적 레이저 용융에 의해 소결하는 단계, 및 3차원 물체가 완성될 때까지 층마다 상기 제공, 다이 컴팩션 및 소결을 반복하는 단계를 포함하는, 3D 인쇄에 의해 물체를 형성하는 방법을 개시한다. 개시된 선택적 소결은 소결될 층의 일부의 네커티브(negative)를 특정하는 마스크 패턴에 의한다.
본원의 일부 실시형태의 일 측면에 따르면, 분말층을 이용한 적층 제조에 의해 형성된 그린 컴팩트(green compact)를 후-처리하는(post-processing) 시스템 및 방법이 제공된다. 일부 예시적인 실시형태에서, 알루미늄 합금 분말은 빌딩 재료로서 사용된다. 선택적으로, 순수 알루미늄, 다른 금속 분말, 분말 세라믹 재료, 분말 플라스틱 중합체 재료 또는 분말 재료의 임의 조합과 같은 다른 재료가 사용될 수 있다. 선택적으로, 층 빌딩 공정의 종료 시에, 그린 컴팩트 블록(block)은 하나 이상의 그린 물체(green object)를 특정하는 그 안에 내장된 패턴을 포함하여 형성된다. 일부 예시적인 실시형태에서, 그린 컴팩트는 콜드 이소스태틱 프레싱(Cold Isostatic Pressing: CIP)에 의해 압축된다. 선택적으로, CIP는 컴팩트, 예를 들어 컴팩트 블록 내에 내장되는 하나 이상의 그린 바디(green body), 예를 들어 그린 물체의 밀도를 증가시키도록 적용된다. CIP는 그린 물체를 형성하는 재료의 밀도를 빌딩 재료의 로트(wrought) 밀도의 약 90-97%로 증가시킬 수 있다. 나머지 3-10%는 공기일 수 있다. 선택적으로, CIP 이전에 그린 바디의 밀도는 빌딩 재료의 로트 밀도의 85-90%일 수 있다.
CIP 후에, 그린 컴팩트 내에 내장된 그린 물체는 주위의 지지 요소(support element)로부터 분리될 수 있고 소결될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태에서, 제2CIP 공정은 소결 이전에 그린 물체들(또는 하나의 그린 물체)의 밀도를 추가로 증가시키도록 적용될 수 있다. 선택적으로, 제2CIP 공정은 그린 컴팩트에서 응고성(solidifiable) 잉크 및 지지 재료가 제거된 후에 그린 물체 자체에 적용된다. 일부 예시적인 실시형태에서, 제2CIP 공정은 물체 형성 재료의 밀도를 로트 밀도의 95% 넘게 그리고 100% 가깝게 증가시킬 수 있다.
일부 예시적인 실시형태의 일 측면에 따르면, 적층 제조를 통해 3-차원 모델을 제조하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 분말 재료 및 응고성 비-분말 재료를 이용하여 층별(layerwise) 방식으로 그린 블록(green block)을 빌딩하되, 상기 그린 블록은 그린 이용성 모델(green usable model)을 포함하는 단계; 그린 블록으로부터 응고된 비-분말 재료를 제거하여 그린 블록으로부터 그린 이용성 모델을 추출하는 단계; 콜드 이소스태틱 프레싱(CIP)을 적용함으로써 그린 이용성 모델의 밀도를 증가시키는 단계; 및 그린 이용성 모델을 소결하여 3-차원 모델을 형성하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 상기 CIP는 그린 이용성 모델을 포함하는 그린 블록에 적용된다.
선택적으로, 상기 CIP는 그린 블록으로부터의 추출 이후에 그린 이용성 모델에 적용된다.
선택적으로, 제1CIP는 그린 이용성 모델을 포함하는 그린 블록에 적용되고, 제2CIP는 그린 블록으로부터의 분리 이후에 그린 이용성 모델에 적용된다.
선택적으로, 그린 이용성 모델은 이용성 모델의 그린 컴팩트이다.
선택적으로, 층별 방식으로 그린 블록을 빌딩하는 단계는, (1) 응고성 비-분말 재료로 패턴을 인쇄하여 그린 이용성 모델의 윤곽(contour)을 트레이스(trace)하는 단계; (2) 상기 패턴 위에 분말 재료를 디스펜싱(dispensing) 및 스프레딩(spreading)하는 단계; 및 (3) 상기 패턴으로 분말층을 컴팩팅(compacting)하는 단계에 의해 층을 빌딩하도록 구성된 적층 제조 시스템을 통해 수행된다.
선택적으로, 상기 분말 재료는 합금 분말, 순수 금속 분말, 세라믹 분말, 중합체 분말 및 이들의 조합 또는 혼합물로부터 선택된다.
선택적으로, 분말 재료는 알루미늄 합금이다.
선택적으로, 상기 응고성 비-분말 재료는 광 경화성 잉크, 왁스, 열 잉크(thermal ink) 및 이들의 조합으로부터 선택된 응고성 잉크이다.
선택적으로, 그린 블록으로부터 응고된 비-분말 재료를 제거하는 단계는 상기 그린 블록을 가열하여 상기 응고된 비-분말 재료를 녹이거나, 태우거나 증발시킴으로써 이루어진다.
선택적으로, 그린 이용성 모델은 그린 지지 요소(green support element)를 제거함으로써 그린 블록으로부터 추출된다.
선택적으로, 그린 블록에 CIP를 적용하는 단계는 웨트-백(wet-bag)에 상기 그린 블록을 삽입하는 단계, 선택적으로 웨트-백으로부터 공기를 제거하는 단계, CIP 챔버에 상기 웨트-백을 배치하는 단계, 및 그린 블록을 포함하는 상기 웨트-백에 이소스태틱 압력을 적용하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 이소스태틱 압력은 2,500 bar까지이다.
선택적으로, 그린 블록으로부터의 추출 이후에 그린 이용성 모델에 CIP를 적용하는 단계는 웨트-백에 쿠션 재료와 함께 상기 그린 이용성 모델을 삽입하는 단계, 선택적으로 웨트-백으로부터 공기를 제거하는 단계, CIP 챔버에 상기 웨트-백을 배치하는 단계, 및 그린 이용성 모델을 포함하는 웨트-백에 이소스태틱 압력을 적용하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 이소스태틱 압력은 두 단계로 적용되는데, 제1단계는 쿠션 재료를 녹여 그린 이용성 모델의 중공 구조 내에서 흐르게 하기에 충분한 제1이소스태틱 압력을 적용하는 단계를 포함하고, 제2단계는 제2이소스태틱 압력을 적용하여 그린 이용성 모델을 컴팩트하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 쿠션 재료는 분말 왁스이고, 제1이소스태틱 압력은 50 bar까지이며, 제2이소스태틱 압력은 2,600 bar까지이다.
선택적으로, CIP 중에 적용되는 온도는 약 40℃이다.
일부 예시적인 실시형태의 일 측면에 따르면, 적층 제조를 통해 3-차원 모델을 제조하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 분말 재료 및 응고성 비-분말 재료를 이용하여 층별 방식으로 그린 블록을 빌딩하되, 상기 그린 블록은 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트 및 지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트를 포함하고, 이용성 모델 및 지지 요소는 응고성 비-분말 재료의 선택적인 증착에 의해 형성된 패터닝 라인에 의해 범위가 정해지는 단계; 그린 블록에 CIP를 적용함으로써 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트의 밀도를 증가시키는 단계; 그린 블록을 가열하여 응고된 비-분말 재료를 제거하는 단계; 지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트를 제거함으로써 그린 블록으로부터 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트를 추출하는 단계; 및 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트를 소결하여 3-차원 모델을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 예시적인 실시형태의 일 측면에 따르면, 적층 제조를 통해 3-차원 모델을 제조하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 분말 재료 및 응고성 비-분말 재료를 이용하여 층별 방식으로 그린 블록을 빌딩하되, 상기 그린 블록은 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트 및 지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트를 포함하고, 이용성 모델 및 지지 요소는 응고성 비-분말 재료의 선택적인 증착에 의해 형성된 패터닝 라인에 의해 범위가 정해지는 단계; 그린 블록에 제1CIP를 적용함으로써 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트의 밀도를 증가시키는 단계; 그린 블록을 가열하여 응고된 비-분말 재료를 제거하는 단계; 지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트를 제거함으로써 그린 블록으로부터 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트를 추출하는 단계; 그린 블록으로부터의 추출 이후에 상기 하나 이상의 그린 컴팩트에 제2CIP를 적용함으로써 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트의 밀도를 추가로 증가시키는 단계; 및 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트를 소결하여 3-차원 모델을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 예시적인 실시형태의 일 측면에 따르면, 적층 제조를 통해 3-차원 모델을 제조하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 분말 재료 및 응고성 비-분말 재료를 이용하여 층별 방식으로 그린 블록을 빌딩하되, 상기 그린 블록은 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트 및 지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트를 포함하고, 이용성 모델 및 지지 요소는 응고성 비-분말 재료의 선택적인 증착에 의해 형성된 패터닝 라인에 의해 범위가 정해지는 단계; 그린 블록을 가열하여 응고된 비-분말 재료를 제거하는 단계; 지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트를 제거함으로써 그린 블록으로부터 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트를 추출하는 단계; 그린 블록으로부터의 추출 이후에 상기 하나 이상의 그린 컴팩트에 CIP를 적용함으로써 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트의 밀도를 증가시키는 단계; 및 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트를 소결하여 3-차원 모델을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 예시적인 실시형태의 일 측면에 따르면, 그린 이용성 모델의 밀도를 증가시키는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 웨트-백에 쿠션 재료와 함께 상기 그린 이용성 모델을 삽입하는 단계, 선택적으로 웨트-백으로부터 공기를 제거하는 단계, CIP 챔버에 상기 웨트-백을 배치하는 단계, 및 상기 웨트-백에 이소스태틱 압력을 적용하여 상기 그린 이용성 모델의 밀도를 증가시키는 단계를 포함한다.
선택적으로, 이소스태틱 압력은 두 단계로 적용되는데, 제1단계는 쿠션 재료를 녹여 그린 이용성 모델의 중공 구조 내에서 흐르게 하기에 충분한 제1이소스태틱 압력을 적용하는 단계를 포함하고, 제2단계는 제2이소스태틱 압력을 적용하여 상기 그린 이용성 모델의 밀도를 증가시키면서 쿠션 재료가 그린 이용성 모델의 구조적 무결성(integrity)을 유지하도록 돕는 단계를 포함한다.
선택적으로, 쿠션 재료는 분말 왁스이고, 제1이소스태틱 압력은 50 bar까지이며, 제2이소스태틱 압력은 2,600 bar까지이다.
일부 예시적인 실시형태의 일 측면에 따르면, 적층 제조를 통해 3-차원 모델을 제조하는 시스템이 제공되는데, 상기 시스템은 인쇄 플랫폼 스테이션(platform station), 분말 디스펜싱 스테이션, 분말 스프레딩 스테이션, 및 컴팩팅 스테이션을 포함하는 적층 제조 시스템; 추가적인 독립형(standalone) 컴팩팅 스테이션; 및 소결 스테이션을 포함한다.
선택적으로, 상기 추가적인 독립형 컴팩팅 스테이션은 CIP 스테인션이다.
선택적으로, 분말 디스펜싱 스테이션 및 분말 스프레딩 스테이션은 단일 분말 전달 스테이션으로 포함된다.
달리 정의되지 않는 한, 여기서 사용된 모든 기술적 및/또는 과학적 용어는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 흔히 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 여기서 기술된 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시형태의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 예시적인 방법 및/또는 재료가 이하에서 기술된다. 상충되는 경우, 정의를 포함한 특허 명세서가 규제할 것이다. 또한, 재료, 방법 및 실시예는 단지 예시적일 뿐이고, 필연적으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명의 일부 실시형태가 첨부 도면을 참고하여 여기서 단지 예로서만 기술된다. 이제 상세하게 도면을 구체적으로 참고할 경우, 도시된 특정사항은 단지 예시적인 것이고 본 발명의 실시형태의 예시적인 논의의 목적을 위한 것으로 강조된다. 이와 관련하여, 도면을 이용하여 이루어진 설명은 본 발명의 실시형태가 어떻게 실시될 수 있는지를 이 분야의 기술자에게 명백하게 한다.
도면에서:
도 1은 본 발명의 일부 실시형태에 따른 예시적인 적층 제조 시스템의 간략화된 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 예시적인 층당(per layer) 빌딩 공정의 간략화된 개략도이다(측면도).
도 3은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 층을 빌딩하는 예시적인 사이클릭(cyclic) 공정의 간략화된 블록도이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 각각 풀린 및 압축된 상태에서의 예시적인 컴팩팅 시스템의 간략화된 개략도이다(측면도).
도 5a 및 5b는 본 발명의 일부 실시형태에 따라 물체를 빌딩하는 층에 형성된 예시적인 패턴의 간략화된 개략도이다(평면도).
도 6은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 CIP 스테이션에서 처리되고 있는 컴팩트된 분말층을 포함하는 그린 블록의 간략화된 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 3-차원 모델을 제조하는 예시적인 방법의 간략화된 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 CIP 스테이션에서 컴팩트되고 있는 이용성 모델의 그린 컴팩트의 간략화된 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일부 실시형태에 따라 이용성 모델의 그린 컴팩트의 CIP 공정 중에 적용된 예시적인 압력의 간략화된 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 3-차원 모델을 제조하는 추가적인 예시적인 방법의 간략화된 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일부 실시형태에 따라 3-차원 모델을 제조하는 다른 예시적인 방법의 간략화된 흐름도이다.
본 발명은 일부 실시형태에서 적층 제조의 분야에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 이에 제한되지 않지만, 높은 재료 밀도를 갖는 3D 인쇄 모델을 제조하는 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "그린 블록" 및 "그린 컴팩트"는 호환 가능하다. 또한 여기서 사용된 바와 같이, "이용성 모델의 그린 컴팩트" 및 "그린 바디"는 호환 가능하다. 여기서 사용된 용어 "물체", "모델" 및 "이용성 모델"은 호환 가능하다.
추가적으로 여기서 사용된 바와 같이, "지지 요소의 그린 컴팩트", "지지 요소", "지지 영역(support area)의 개별 섹션(discrete section)" 및 "개별 섹션"은 호환 가능하다.
여기서 사용된 바와 같이, 용어 "그린 블록", "그린 컴팩트", "이용성 모델의 그린 컴팩트", "그린 바디", "지지 요소의 그린 컴팩트"는 각각 그 주성분이 소결 공정을 거치기 전에 통상적으로 접합된 분말 형태의 결합 재료인 "블록", "컴팩트", "이용성 모델의 컴팩트", "바디", "지지 요소의 컴팩트"를 말한다.
또한, 용어 "마스크", "패턴", "마스크 패턴" 또는 "인쇄 패턴"은 응고성 비-분말 재료, 예를 들어 응고성 잉크로 형성된 패턴을 말하는 것으로 여겨진다.
일부 적층 제조 공정은 분말층 및 이 분말층과 독립적으로 인쇄되거나 증착된 비-분말 응고 재료를 포함하는 그린 블록을 생성한다. 일부 실시형태에서, 그린 블록은 분말층을 컴팩팅함으로써 제조될 수 있는데, 컴팩트된 층의 적어도 일부에 대해, 응고성 비-분말 재료는 컴팩션 전에 증착된다. 그린 블록은 통상적으로 이용성 모델("물체"로도 불림)의 그린 컴팩트, 지지 요소의 그린 컴팩트, 및 비-분말 응고 재료, 예를 들어 잉크제트 인쇄 헤드에 의해 증착되고 제팅(jetting) 후 응고되는 잉크("응고성 잉크"로도 불림)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 응고성 잉크는 모델의 윤곽 또는 형상의 범위를 정하도록 특정 패턴을 따라 증착되고, 블록 내에서 다른 모델 또는 지지 요소의 표면으로부터 그 표면을 분리한다. 일부 실시형태에서, 응고성 잉크는 이전 분말층이 컴팩트된 후에, 적층 제조 공정 중에 3D 프린터에 의해 선택적으로 디스펜스된다. 인쇄 패턴은 경계, 예를 들어 물체 및 주위의 분말 재료 사이의 물리적 분리를 특정할 수 있다. 패턴은 또한 블록 내의 지지 영역을 개별 섹션(discrete section)으로 분할함으로써, 블록으로부터 이용성 모델의 그린 컴팩트를 분리하거나 추출할 때 지지 요소의 제거를 용이하게 할 수 있다. 적층 제조 공정 중에, 다이 컴팩션은 층마다 적용되어 층으로부터 과잉 공기를 제거할 수 있다. 선택적으로, 분말층은 분말이 형성되는 재료의 로트 밀도의 85-90%의 밀도에 도달할 수 있다.
일부 실시형태에서, 패턴은 응고성 비-분말 재료, 예를 들어 응고성 잉크로 인쇄된다. 응고성 잉크는, 여기서 언급된 바와 같이, 주위 온도에서는 고체이고 인쇄의 순간에는 액체인 잉크 재료를 말한다. 응고성 잉크의 비-제한적인 예는 광 경화성 잉크, 왁스, 열 잉크 및 이들의 조합을 포함한다. 여기서 사용되는 열 잉크 및 상 변화(phase change) 잉크는 호환 가능한 용어이며, 실온에서 고체이고, 120℃ 미만의 녹는점, 녹는점 온도 및 120℃의 사이에서 50 cPs 미만의 점도를 가지며, 100℃ 초과의 온도에서 실질적으로 탄소 트레이스 없이 증발되는 재료로서 정의될 수 있다. 실질적으로, 탄소 트레이스 없음은 응고된 잉크의 5 wt% 미만 또는 1 wt% 미만으로서 정의될 수 있다. 열 잉크는 55-65℃ 사이의 녹는 온도 및 약 65-75℃의 작동 온도를 갖고, 점도는 15-17 cPs 사이일 수 있다. 열 잉크는 가열에 대응하여 적거나 없는 탄소 트레이스로 증발되도록 구성된다.
일부 예시적인 실시형태에 따르면, 이용성 모델의 그린 컴팩트는 추가로 후-처리될 수 있고, 예를 들어 소결 이전에 하나 이상의 단계에 걸쳐 추가로 컴팩트되어 과잉 공기를 제거할 수 있다. 후-처리 공정은 콜드 이소스태틱 프레싱(CIP) 공정, 패턴 제거 공정(일반적으로 "탈-왁싱(de-waxing) 공정"으로도 불림) 및 퍼니스(furnace) 소결 공정을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시형태에 따르면, 그린 블록의 빌딩 공정의 종료 시에, 그린 블록의 추가 컴팩션이 CIP 스테이션을 이용하여 달성된다. CIP 스테이션은 소결 이전에 그린 블록 내에 포함된 이용성 모델의 그린 컴팩트의 밀도를 증가시키는데 사용될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태에서, CIP 중에, 그린 블록은 선택적으로 직물로 포장되고 웨트-백에 밀봉될 수 있다. 진공이 웨트-백을 밀봉하기 전에 적용되어 웨트-백으로부터 공기를 제거할 수 있다. CIP는 그린 블록에 함유된 응고성 잉크로 적용될 수 있다. 그런 식으로, 블록 내에 포함된 이용성 모델의 그린 컴팩트의 밀도는 빌딩 재료의 로트 밀도의 약 85-90%부터 약 90-95%까지 증가할 수 있다. 빌딩 재료의 로트 밀도의 95%를 초과하는 밀도에 도달하는 것은 그린 블록에서 응고된 비-분말 재료의 존재로 인해 어려울 수 있는데, 그 이유는 응고된 비-분말 재료는 분말 재료보다 비-압축성이거나 덜 압축성일 수 있기 때문이다.
일부 예시적인 실시형태에 따르면, CIP의 종료 시에, 그린 블록은 "탈-왁싱" 스테이션에 배치될 수 있고, 여기서 응고된 비-분말 재료, 예를 들어 응고된 잉크가 타거나, 액화되거나 증발되도록 하는 온도로 가열될 수 있다(즉, 탈-왁싱 공정). 예를 들어, 약 100-1,000℃, 200-800℃, 300-600℃, 또는 350-500℃ 범위의 온도가 적용될 수 있다. 응고된 비-분말 재료의 제거 후에, 그린 블록에 포함된 이용성 모델의 그린 컴팩트는 지지 요소의 그린 컴팩트를 제거함으로써 그린 블록으로부터 분리되거나 추출될 수 있다. 그린 이용성 모델은 이후 소결될 수 있다.
추가적인 예시적인 실시형태에 따르면, CIP 공정은 탈-왁싱 공정 후에 그리고 소결 이전에 적용됨으로써, 그린 블록으로부터의 분리 또는 추출 후에 그린 이용성 모델의 밀도를 추가로 증가시킬 수 있다. 이 CIP 공정 중에, 그린 이용성 모델은 웨트-백에 삽입될 수 있으며, CIP 공정 중에 모델에 쿠션 작용을 하고 구조적 무결성을 유지하는 것으로 의도되는 재료로 패드(pad)되거나 둘러싸이고 및/또는 충전될 수 있다. 일부 실시형태에서, 쿠션 재료는 왁스, 예를 들어 파라핀 왁스로부터 형성된 분말일 수 있다. 공기는 웨트-백을 밀봉하기 전에 제거될 수 있다. 이 CIP 공정 중에, 압력은 먼저 제1레벨, 예를 들어 쿠션 재료가 녹아 흐르기 시작할 레벨로 상승할 수 있다. 쿠션 재료의 흐름은 크레비스(crevice), 채널, 튜브 또는 오리피스와 같이 물체에 포함된 중공 부분으로 침투를 허용할 수 있어서 물체의 기하구조가 CIP 공정 중에 완전히 지지될 수 있다(즉, 변형으로부터 보호될 수 있다). 쿠션 재료의 점도는 컴팩션 공정 중에 붕괴되려고 하는 물체 내의 필링 포어(filling pore)를 방지하도록 선택될 수 있다. 특정 지연 후에, 압력은 그린 이용성 모델을 컴팩트하는 제2레벨로 추가로 상승할 수 있다. 선택적으로, 이 CIP 공정은 그린 이용성 모델을 컴팩트하여 물체의 분말 입자 사이의 모든 공기를 실질적으로 제거함으로써, 물체 형성 재료가 로트 밀도의 100%의 밀도 또는 100% 밀도에 가깝게, 예를 들어 97% 이상의 밀도를 갖는다.
본 발명의 적어도 일 실시형태를 상세하게 설명하기 전에, 본 발명은 이하의 설명에 기재되고 및/또는 도면 및/또는 실시예에 예시된 구성요소 및/또는 방법의 구성 및 배치의 상세사항에 그 적용이 필연적으로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시형태로 가능하거나 다양한 방식으로 실시 또는 수행될 수 있다.
이하 도면을 참고하면, 도 1은 본 발명의 일부 실시형태에 따른 예시적인 적층 제조 시스템의 간략화된 블록도를 나타낸다. 본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 적층 제조 시스템(100)은 워킹 플랫폼(working platform)(500)을 포함하는데, 그 위에서 빌딩 트레이(200)가 한 번에 한 층씩 그린 블록, 예를 들어 분말층의 블록(15)을 빌딩하기 위해 복수의 스테이션을 통해 진행한다. 통상적으로, 정밀 스테이지(precision stage)(250)가 사이클릭 공정에서 각 스테이션으로 빌딩 트레이(200)를 진행시킨다. 스테이션은 비-분말 응고성 재료의 패턴을 인쇄하는 인쇄 플랫폼 스테이션(30), 분말층을 디스펜싱하는 분말 디스펜싱 스테이션(10), 디스펜스된 분말의 층을 스프레딩하는 분말 스프레딩 스테이션(20), 및 분말의 층 및/또는 인쇄된 패턴을 컴팩팅하는 컴팩팅 스테이션(40)을 포함할 수 있다. 통상적으로 각 층에 대해, 빌딩 트레이(200)는 모든 층들이 인쇄될 때까지 각 스테이션으로 진행하고 이후 공정을 반복한다. 본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 컨트롤러(300)가 워킹 플랫폼(500)에서 각 스테이션의 작동을 제어하고 정밀 스테이지(250)에서 트레이(200)의 위치 선정 및/또는 이동과 각 스테이션의 작동을 조정한다. 통상적으로, 컨트롤러(300)는 메모리 및 처리 능력을 포함하고 및/또는 이들과 관련된다. 선택적으로, 분말 디스펜싱 스테이션(10) 및 분말 스프레딩 스테이션(20)은 단일 분말 전달 스테이션으로 통합된다.
일부 예시적인 실시형태에 따르면, 적층 제조 시스템은 추가적인 컴팩팅 스테이션(60), 예를 들어 CIP 스테이션을 포함한다. 일부 예시적인 실시형태에서, 워킹 플랫폼(500)에서 제조된 그린 블록은 층 빌딩 공정이 완료된 후에 추가적인 컴팩팅 스테이션(60)에서 추가로 압축될 수 있다. 선택적으로, 압축 이전에, 그린 블록은 웨트-백에 배치되고 공기가 웨트-백으로부터 추출된다. 웨트-백은 유체가 침투하지 않는 유연한 인클러저(enclosure), 예를 들어 고무 백이다. 일부 예시적인 실시형태에서, 추가적인 컴팩팅 스테이션(60)은 그린 블록을 압축하는데 사용되고, 또한 이후 그린 블록으로부터 추출된 이용성 모델의 그린 컴팩트를 다시 압축하는데에도 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 퍼니스 소결은 1개 또는 2개의 CIP 공정 이후에 적용될 수 있다. 소결의 온도 및 지속시간은 통상적으로 사용된 분말 재료 및 선택적으로 물체의 크기에 따라 달라진다. 선택적으로 소결은 불활성 가스 환경에서 수행된다. 선택적으로, 불활성 가스원(510)은 질소원이다.
일부 예시적인 실시형태에서, 여기서 기술된 적층 제조 시스템은 개선된 속도에서의 인쇄를 제공한다. 예를 들어, 층당 인쇄 시간은 25-35초 사이일 수 있고, 400층을 포함하는 그린 블록의 예상 빌딩 시간은 약 4시간일 수 있다. 빌딩 트레이(200)에서 만들어진 그린 블록(15)은 복수의 그린 이용성 모델, 예를 들어 1-15개 모델을 포함할 수 있다. 블록의 예시적인 풋프린트(footprint)는 20x20 cm일 수 있다.
소결 스테이션(70) 및 추가적인 컴팩팅 스테이션(60)은 워킹 플랫폼(500)으로부터 분리되는 독립형 스테이션일 수 있다. 선택적으로, 그린 블록(15)은 추가적인 컴팩팅 스테이션(60)으로 그리고 이후에 소결 스테이션(70)으로, 정밀 스테이지(250)를 통하지 않고 수동으로 배치된다. 선택적으로, 각각의 추가적인 컴팩팅 스테이션(60) 및 소결 스테이션(70)은 각 스테이션을 작동시키는 별도의 컨트롤러를 갖는다.
이하, 본 발명의 일부 실시형태에 따른 예시적인 층당 빌딩 공정의 간략화된 개략도를 나타내는 도 2를 참고한다. 도 2는 예시적인 제1층(502) 및 제2층(504) 위에 만들어지고 있는 과정에 있는 예시적인 제3층(506)을 나타낸다. 일부 예시적인 실시형태에서, 패턴(510)은 3-차원 프린터로 층마다 디스펜스된다. 일부 예시적인 실시형태에 따르면, 패턴(510)은 응고성 잉크와 같은 응고성 비-분말 재료로부터 형성된다. 패턴(510)은 이전 층 또는 층들, 예를 들어 층들(504 및 502)에서의 패턴(510)과 물리적으로 접촉할 수 있고, 또는 분말 재료를 포함하는 이전 층의 영역 위에 패턴화될 수 있다. 층당 패턴(510)의 높이는 층의 높이와 실질적으로 동일할 수 있고, 또는 선택적으로 층의 높이보다 짧을 수 있으며, 예를 들어 층(504)에서의 패턴(510)의 일부(510A)일 수 있다.
일부 실시형태에 따르면, 분말(51)은 패턴(510) 위에 그리고 빌딩 트레이(200)의 풋프린트 전체에 걸쳐 스프레드된다. 일부 예시적인 실시형태에서, 분말(51)은 롤러(25)로 스프레드된다. 선택적으로, 롤러(25)는 그 축(24)에 대해 회전하고, 또한 X축을 따라 빌딩 트레이(200) 전체에 걸쳐 이동하도록 작동된다. 일단 분말(51)이 트레이(200)의 풋프린트 전체에 걸쳐 스프레드되면, 컴팩션(520)이 전체 층에 적용되어 층(506)을 컴팩트할 수 있다. 통상적으로, 층(506)의 높이는 공정 컴팩션으로 인해 감소하고, 선택적으로 이전 층들(502 및 504)도 감소한다.
이하, 본 발명의 일부 실시형태에 따라 그린 블록층을 빌딩하는 예시적인 사이클릭 공정의 간략화된 블록도를 나타내는 도 3을 참고한다. 일부 예시적인 실시형태에 따르면, 물체(즉, 이용성 모델의 그린 컴팩트)는 사이클릭 공정에서 그린 블록 내에 한층씩 구성될 수 있다. 사이클릭 공정의 각 사이클은 인쇄 플랫폼 스테이션(30)에서 패턴을 인쇄하는 단계(블록 250), 디스펜싱 스테이션(10) 및 스프레딩 스테이션(20)에서 패턴 위에 분말 재료를 디스펜싱하는 단계(블록 260) 및 스프레딩하는 단계(블록 270), 및 컴팩팅 스테이션(40)에서 패턴을 포함하는 분말층을 컴팩팅하는 단계(블록 280)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 디스펜싱 스테이션(10) 및 스프레딩 스테이션(20)은 "분말 전달 스테이션"으로도 불리는 하나의 단일 스테이션으로 통합된다. 일부 예시적인 실시형태에서, 패턴은 응고성 잉크와 같은 응고성 비-분말 재료로부터 형성된다. 컴팩션은 층마다 다이 컴팩션을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 각 사이클은 한층의 그린 블록을 형성하고 사이클은 모든 층들이 만들어질 때까지 반복된다. 선택적으로, 하나 이상의 층은 패턴을 필요로 하지 않을 수 있어서, 패턴을 인쇄하는 단계(블록 250)가 선택된 층들로부터 제외될 수 있다. 선택적으로, 하나 이상의 층은 분말 재료를 필요로 하지 않을 수 있어서, 분말 재료를 디스펜싱 및 스프레딩하는 단계(블록 260 및 270)가 선택된 층들로부터 제외될 수 있다. 이 사이클릭 공정은 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트, 지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트 및 응고된 비-분말 재료를 포함하는 그린 블록을 생성한다.
이하, 본 발명의 일부 실시형태에 따라 각각 풀린 및 압축된 상태로 도시된 예시적인 다이 컴팩션 스테이션의 간략화된 개략도를 나타내는 도 4a 및 4b를 참고한다. 컴팩팅 스테이션(40)은 층(300)을 컴팩팅하는 컴팩션 압력을 제공하는 피스톤(42)을 포함할 수 있다. 컴팩션 중에, 피스톤(42)은 보어(bore)(49)를 통해 올라갈 수 있고, 선택적으로 워킹 플랫폼(500) 또는 정밀 스테이지(250)에서 로드(rod)(42A)를 밀어낼 수 있으며, 트레이(200) 위에 위치한 표면(45) 쪽으로 빌딩 트레이(200)를 들어올릴 수 있다. 로드(42A)는 피스톤(42)이 이동하여 컴팩션을 달성하는데 필요한 거리를 감소시키는 기능을 할 수 있다.
선택적으로, 일단 층(300)이 표면(45)과 접촉을 이루게 되면, 벽(43)이 층(300) 주위에 가까이 있어서 컴팩션 중에 층(300)의 일정한 풋프린트를 유지시킨다.
빌딩 트레이(200)는 피스톤(42)이 트레이(200)를 상승 및/또는 하강시킴에 따라 리니어 베어링(linear bearing)(46)을 따라 이동하는 하나 이상의 리니어 가이드(linear guide)(41)에 고정될 수 있다. 선택적으로, 트레이(200)는 하나 이상의 압축 스프링(47)에 대항하여 올라간다. 중력뿐만 아니라 스프링(47)은 층(300) 컴팩팅 후에 피스톤(42)을 하강시키도록 할 수 있다.
250 MPa 또는 300 MPa까지의 압력이 적용되어 층을 컴팩트할 수 있다. 통상적으로, 적용된 압력은 공기를 제거하고 층(300)에서의 분말이 탄성 상태를 넘어가도록 함으로써, 층의 영구 변형이 달성된다. 선택적으로, 컴팩션은 층의 상대 밀도를 분말 재료의 로트 밀도의 약 70% 내지 75%로 증가시키도록 한다. 몇몇 합금의 경우, 상대 밀도는 로트 밀도의 90%까지 도달할 수 있다. 선택적으로, 컴팩션은 층의 두께를 25%까지 감소시킨다. 선택적으로, 약 30 - 90 MPa의 컴팩션 압력이 적용된다. 선택적으로, 컴팩션은 실온에서 수행된다.
일부 실시형태에서, 상부 표면(45)은 컴팩션 중에 가열 요소(44)로 가열, 예를 들어 예열될 수 있다. 표면(45)을 가열할 때, 층(300)은 층에 적용된 적은 압력으로도 소성 변형 및/또는 영구 변형에 도달할 수 있다. 선택적으로, 알루미늄 분말의 경우, 상부 표면(45)은 150℃, 예를 들어 150 - 200℃의 온도로 가열된다. 통상적으로, 컴팩션 온도 및 압력 사이에는 트레이드오프(tradeoff)가 있다. 컴팩션 중에 온도를 증가시키면, 낮은 압력에서 소성 변형에 도달할 수 있다. 다른 한편, 상부 표면(45)의 온도를 감소시키면, 높은 압력이 필요할 수 있으므로, 컴팩션의 에너지 효율을 감소시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일부 실시형태에 따라 3-차원 물체를 빌딩하는 층에 형성된 예시적인 패턴의 간략화된 개략도를 나타내는 도 5a 및 5b를 참고한다. 예시적인 실시형태에 따르면, 응고성 비-분말 재료, 예를 들어 응고성 잉크는 물체(750)의 윤곽(150)을 트레이스하고, 또한 패터닝 라인(155)을 갖는 지지 영역을 그린 블록 빌딩 공정의 종료 시에 물체(750)로부터 쉽게 분리될 수 있는 섹션으로 분할한다. 일부 지지 영역은 큰 지지 섹션(710)으로 분할된다. 다른 지지 영역은 작은 지지 섹션(720)으로 분할될 수 있어서(도 5a), 물체(750)의 기하구조를 조심스럽게 고려하고, 그린 블록 빌딩 공정의 종료 시에 물체(750)로부터 지지 섹션(720)의 분리를 용이하게 한다. 일부 예시적인 실시형태에서, 지지 섹션(720)은 원하는 드래프트(draft) 각도를 제공하도록 특정되어 그린 블록으로부터 물체(750)의 추출을 쉽게 할 수 있다. 지지 섹션(720)의 크기 및 형상은 모두 그린 블록으로부터 물체의 추출을 쉽게 하도록 특정될 수 있다. 작은 지지 섹션(720)은 물체(750)의 표면 근처에서 특정될 수 있고, 큰 지지 섹션(710)은 물체(750)의 표면으로부터 이격되어 특정될 수 있다.
이하, 도 5b를 참고하면, 네거티브 마스킹(negative masking)은 특정 지지 영역에 적용될 수 있는데, 여기서 예를 들어 물체(750)에 의해 특정된 캐비티(cavity) 내에서, 전체 응고된 지지 섹션을 제거하는 것은 어려울 수 있다. 네거티브 마스킹은 응고성 비-분말 재료가 제거된 후에 분말 상태로 남아 있을 것이어서 캐비티로부터 쉽게 제거 가능한 지지 섹션(730)을 생성한다(즉, 공정 중에 개별 섹션으로 응고되는 다른 지지 영역과는 대조적이다). 일부 예시적인 실시형태에 따르면, 네거티브 마스킹은 특정 영역(730)에서 응고성 비-분말 재료를 디더링(dithering)함으로써 형성된다. 디더링의 정도는 층에서 응고성 비-분말 재료의 5-50% 사이 또는 5-100% 사이의 범위일 수 있다. 통상적으로, 응고된 비-분말 재료의 파티션(partition)은 물체로부터 네거티브 마스크를 분리한다. 층의 일부 부위는 네거티브 마스크로 패턴화될 수 있고, 반면에 다른 부위는 지지 영역을 개별 섹션(710)으로 분할하는 패턴을 포함할 수 있다. 응고성 비-분말 재료는 또한 층의 영역에 포함되어 그린 블록에 구조적 지지를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 일부 실시형태에 따라 CIP 스테이션에서 컴팩트되고 있는 응고된 비-분말 재료(예를 들어, 응고된 잉크)를 선택적으로 포함하는 컴팩트된 분말 재료를 포함하는 그린 블록의 간략화된 블록도를 나타내는 도 6을 참고한다. 일부 예시적인 실시형태에 따르면, 추가적인 캠팩팅 스테이션(60)은 CIP 챔버(650)를 포함하는 CIP 스테이션인데, 여기서 물체는 챔버(650)에 함유된 유체(615)를 이용하여 웨트-백(620)에 배치된 물체 주위에 실질적으로 균일한 압력(630)을 적용함으로써 캠팩트될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태에서, 적층 제조(AM) 방법으로 만들어진 그린 블록(600)은 캠팩팅 스테이션(60)의 챔버에서 캠팩트된다. 그린 블록(600)은 분말 재료 및 응고된 비-분말 재료, 예를 들어 응고성 잉크를 포함할 수 있다. 캠팩션 중에, 그린 블록(600)은 웨트-백(620)에 삽입된다. 선택적으로 공기는 진공을 이용하여 웨트-백(620)의 부피로부터 추출된다. 그린 블록(600)을 포함하는 웨트-백(620)은 이후 CIP에 의해 컴팩트될 수 있다. CIP는 컴팩션 중에 그린 블록(600)뿐만 아니라 그 안에 내장된 이용성 모델의 비율을 실질적으로 유지할 수 있다. CIP는 약 2,500 bar까지의 압력을 이용하여 그리고 선택적으로 40℃까지의 온도에서 수행될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태에서, 그린 블록(600)은 웨트-백에 삽입되기 전에 직물로 포장된다.
이하, 본 발명의 일부 실시형태에 따라 3-차원 모델을 제조하는 예시적인 방법의 간략화된 흐름도를 나타내는 도 7을 참고한다. 층 빌딩 공정이 수행되어 분말 재료 및 응고된 비-분말 재료, 예를 들어 응고된 잉크를 포함하는 그린 블록을 만들 수 있는데, 여기서 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트 및 지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트는 응고된 비-분말 재료에 의해 그 범위가 정해진다(블록 905). 빌딩 공정의 종료 시에, CIP가 그린 블록에 적용되어 추가적인 컴팩션을 제공할 수 있다(블록 910). CIP 중에, 층 빌딩 공정에 중에 층마다 적용된 단방향성 압력과는 대조적으로, 이소스태틱 압력이 블록을 둘러싸는 액체에 의해 적용될 수 있다. CIP의 종료 시에, 그린 블록은 가열되어 그 안에 포함된 비-분말 응고된 재료를 녹이거나, 태우거나 증발시킬 수 있다(블록 915). 일단 응고된 비-분말 재료가 제거되면, 그린 이용성 모델은 그린 지지 요소로부터 분리될 수 있고(블록 920), 그린 이용성 모델은 소결될 수 있다(블록 925).
이하, 본 발명의 일부 실시형태에 따라 CIP 스테이션에서 컴팩트되고 있는 그린 모델의 간략화된 블록도를 나타내는 도 8, 그리고 이 CIP 공정 중에 적용된 예시적인 압력의 간략화된 그래프를 나타내는 도 9를 참고한다. 선택적으로, 이 CIP 공정은 소결 이전에 그린 모델을 추가로 컴팩트하며, 그린 모델을 포함하는 그린 블록에 제1CIP를 적용하고 상기 블록으로부터 그린 모델을 추출한 후에 일어나는 것으로 의도된다. 선택적으로, 이 CIP 공정 중에, 그린 이용성 모델을 만드는데 사용된 분말에서 실질적으로 모든 공기가 제거됨으로써, 예를 들어 물체를 만드는데 사용된 분말 재료의 100%(또는 적어도 97% 또는 98%) 로트 밀도를 생성할 수 있다. 이 CIP 공정 중에, 그린 이용성 모델은 쿠션 재료(640), 예를 들어 분말 왁스와 함께 웨트-백(620)에 삽입될 수 있고, 공기가 웨트-백(620)으로부터 제거될 수 있다. 이 CIP 공정은 두 단계로 수행될 수 있다. 제1단계를 통해, 웨트-백(620)은 제1압력 레벨(680)(도 9), 예를 들어 50 bar로 가압될 수 있는데, 이 레벨에서 웨트-백(620)의 쿠션 재료(640)가 녹을 수 있다. 일단 쿠션 재료(640)가 녹으면, 이것은 물체 기하구조에 의해 특정된 중공 구조(예를 들어, 채널, 크레비스)로 흘러서, 압축 중에 모델의 구조적 무결성을 유지하는데 도움을 줄 수 있다. 선택적으로, 열이 적용되어 쿠션 재료를 녹일 수 있다. 이 CIP 공정의 제2단계는, 일단 쿠션 재료가 녹고 중공 구조로 스프레드되면, 수행될 수 있다. 일부 예시적인 실시형태에서, 제2단계 중에, 추가적인 압력(690)이 특정 지속시간에 걸쳐 적용되어 그린 모델(750)을 컴팩트한다. 선택적으로, 2,600 Bar까지 적용될 수 있다. 압력(690)이 풀린 후에, 그린 모델은 웨트-백(620)으로부터 제거되고 소결될 수 있다. 일부 실시형태에서, 제1압력 레벨(680)은 1 내지 60분, 2 내지 30분 또는 5 내지 15분의 시간대 중에 적용된다. 분말 형태의 쿠션 재료, 예를 들어 분말 왁스를 이용하고, 상기 분말의 용융이 열에 의해 이루어진 경우, 최대 압력 적용에 도달하는 지연 시간은 단축될 수 있고 1분까지 지속될 수 있다.
이하, 본 발명의 일부 실시형태에 따라 3-차원 모델을 제조하는 추가적인 예시적인 방법의 간략화된 흐름도를 나타내는 도 10을 참고한다. 층 빌딩 공정이 수행되어 분말 재료 및 비-분말 재료, 예를 들어 응고된 잉크를 포함하는 그린 블록을 만들 수 있는데, 여기서 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트 및 지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트는 응고된 비-분말 재료에 의해 그 범위가 정해진다(블록 905). 빌딩 공정의 종료 시에, CIP가 그린 블록에 적용되어 추가적인 컴팩션을 제공할 수 있다(블록 910). CIP 중에, 물체를 형성하는 빌딩 재료의 밀도는 재료의 로트 밀도의 약 85-90% 내지 약 90-97%에 도달할 수 있다. CIP의 종료 시에, 그린 블록은 비-분말 응고된 재료가 녹거나, 타거나 증발되는 온도로 가열될 수 있다(블록 915). 일단 응고된 재료가 제거되면, 하나 이상의 그린 모델은 그린 지지 요소로부터 분리될 수 있다(블록 920). 추출된 그린 모델은 이후 제2CIP 공정을 통해 다시 컴팩트될 수 있다(블록 922). 제2CIP 공정 중에, 모델은 쿠션 재료로 패드되거나 둘러싸이고, 및/또는 충전되어 모델이 구조적 무결성을 보존하는데 도움을 준다. 일부 실시형태에서, 쿠션 재료는 왁스, 예를 들어 파라핀 왁스로 형성된 분말일 수 있다. 이 제2CIP 공정은 제1압력 레벨을 적용하여 쿠션 재료가 녹도록 하는 단계, 및 이후 제2압력 레벨을 적용하여 그린 모델이 컴팩트되어 분말 재료의 로트 밀도의 거의 100%에 도달하도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 연속적인 증가(incremental) 압력이 적용될 수 있다. 제2CIP 공정 후에, 그린 모델은 소결되어 최종 3-차원 모델을 형성할 수 있다(블록 925).
이하, 본 발명의 일부 실시형태에 따라 3D 인쇄 모델을 제조하는 추가적인 예시적인 방법의 간략화된 흐름도를 나타내는 도 11을 참고한다. 층 빌딩 공정이 수행되어 분말 재료 및 비-분말 응고된 재료, 예를 들어 응고된 잉크를 포함하는 그린 블록을 만들 수 있는데, 여기서 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트 및 지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트는 응고된 비-분말 재료에 의해 그 범위가 정해진다(블록 905). 층 빌딩 공정의 종료 시에, 그린 블록은 비-분말 응고된 재료가 녹거나, 타거나 증발되는 온도로 가열될 수 있다(블록 915). 일단 비-분말 응고된 재료가 제거되면, 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트는 지지 요소로부터 분리될 수 있다(블록 920). 추출된 모델은 이후 CIP 공정을 통해 컴팩트될 수 있는데(블록 922), 여기서 추출된 모델은 쿠션 재료로 패드되거나 둘러싸이고, 및/또는 충전되어 모델이 구조적 무결성을 보존하는데 도움을 준다. 일부 실시형태에서, 쿠션 재료는 왁스, 예를 들어 파라핀 왁스로 형성된 분말일 수 있다. 이 CIP 공정은 제1압력 레벨을 적용하여 쿠션 재료가 녹도록 하는 단계, 및 이후 제2압력 레벨을 적용하여 모델이 추가로 컴팩트되어 재료의 로트 밀도의 거의 100%에 도달하도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 대안적으로, 연속적인 증가 압력이 적용될 수 있다. 이 CIP 공정 후에, 그린 모델은 소결되어 최종 3-차원 모델을 형성할 수 있다(블록 925).
용어 "포함한다", "포함하는", "갖는" 및 이들의 활용 형태는 "포함하지만, 이에 제한되지 않는"을 의미한다.
용어 "구성되는"은 "포함하고 이에 제한되는"을 의미한다.
용어 "필수적으로 구성되는"은 조성, 방법 또는 구조가 추가적인 성분, 단계 및/또는 부품을 포함할 수 있지만, 추가적인 성분, 단계 및/또는 부품이 청구된 조성, 방법 또는 구조의 기본적이고 새로운 특성을 실질적으로 변경하지 않는 것을 의미한다.
명확화를 위해 별도의 실시형태로 기술된 본 발명의 특정 특징은 단일 실시형태로 조합으로도 제공될 수 있는 것으로 이해된다. 반대로, 간략화를 위해 단일 실시형태로 기술된 본 발명의 다양한 특징은 별도로, 또는 적합한 하위-조합으로, 또는 본 발명의 다른 기술된 실시형태에 적합한 것으로 제공될 수도 있다. 다양한 실시형태로 기술된 특정 특징은, 그 실시형태가 이들 요소 없이 작동되지 않는 한, 이들 실시형태의 필수적인 특징으로 간주되지 않는다.

Claims (26)

  1. 적층 제조를 통해 3-차원 모델을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은: 분말 재료 및 응고성 비-분말 재료를 이용하여 층별 방식으로 그린 블록을 빌딩하되, 상기 그린 블록은 그린 이용성 모델을 포함하는 단계; 그린 블록으로부터 응고된 비-분말 재료를 제거하여 그린 블록으로부터 그린 이용성 모델을 추출하는 단계; 콜드 이소스태틱 프레싱(CIP)을 적용함으로써 그린 이용성 모델의 밀도를 증가시키는 단계; 및 그린 이용성 모델을 소결하여 3-차원 모델을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 CIP는 그린 이용성 모델을 포함하는 그린 블록에 적용되는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 CIP는 그린 블록으로부터의 추출 이후에 그린 이용성 모델에 적용되는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    제1CIP는 그린 이용성 모델을 포함하는 그린 블록에 적용되고, 제2CIP는 그린 블록으로부터의 분리 이후에 그린 이용성 모델에 적용되는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    그린 이용성 모델은 이용성 모델의 그린 컴팩트인 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    층별 방식으로 그린 블록을 빌딩하는 단계는, (1) 응고성 비-분말 재료로 패턴을 인쇄하여 그린 이용성 모델의 윤곽을 트레이스하는 단계; (2) 상기 패턴 위에 분말 재료를 디스펜싱 및 스프레딩하는 단계; 및 (3) 상기 패턴으로 분말층을 컴팩팅하는 단계에 의해 층을 빌딩하도록 구성된 적층 제조 시스템을 통해 수행되는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분말 재료는 합금 분말, 순수 금속 분말, 세라믹 분말, 중합체 분말 및 이들의 조합 또는 혼합물로부터 선택되는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    분말 재료는 알루미늄 합금인 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응고성 비-분말 재료는 광 경화성 잉크, 왁스, 열 잉크 및 이들의 조합으로부터 선택된 응고성 잉크인 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    그린 블록으로부터 응고된 비-분말 재료를 제거하는 단계는 상기 그린 블록을 가열하여 상기 응고된 비-분말 재료를 녹이거나, 태우거나 증발시킴으로써 이루어지는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    그린 이용성 모델은 그린 지지 요소를 제거함으로써 그린 블록으로부터 추출되는 방법.
  12. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    그린 블록에 CIP를 적용하는 단계는 웨트-백에 상기 그린 블록을 삽입하는 단계, 선택적으로 웨트-백으로부터 공기를 제거하는 단계, CIP 챔버에 상기 웨트-백을 배치하는 단계, 및 그린 블록을 포함하는 상기 웨트-백에 이소스태틱 압력을 적용하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    이소스태틱 압력은 2,500 bar 까지인 방법.
  14. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    그린 블록으로부터의 추출 이후에 그린 이용성 모델에 CIP를 적용하는 단계는 웨트-백에 쿠션 재료와 함께 상기 그린 이용성 모델을 삽입하는 단계, 선택적으로 웨트-백으로부터 공기를 제거하는 단계, CIP 챔버에 상기 웨트-백을 배치하는 단계, 및 그린 이용성 모델을 포함하는 웨트-백에 이소스태틱 압력을 적용하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    이소스태틱 압력은 두 단계로 적용되는데, 제1단계는 쿠션 재료를 녹여 그린 이용성 모델의 중공 구조 내에서 흐르게 하기에 충분한 제1이소스태틱 압력을 적용하는 단계를 포함하고, 제2단계는 제2이소스태틱 압력을 적용하여 그린 이용성 모델을 컴팩트하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    쿠션 재료는 분말 왁스이고, 제1이소스태틱 압력은 50 bar까지이며, 제2이소스태틱 압력은 2,600 bar까지인 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    CIP 중에 적용되는 온도는 약 40℃인 방법.
  18. 적층 제조를 통해 3-차원 모델을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은:
    분말 재료 및 응고성 비-분말 재료를 이용하여 층별 방식으로 그린 블록을 빌딩하되, 상기 그린 블록은 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트 및 지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트를 포함하고, 이용성 모델 및 지지 요소는 응고성 비-분말 재료의 선택적인 증착에 의해 형성된 패터닝 라인에 의해 범위가 정해지는 단계;
    그린 블록에 CIP를 적용함으로써 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트의 밀도를 증가시키는 단계;
    그린 블록을 가열하여 응고된 비-분말 재료를 제거하는 단계;
    지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트를 제거함으로써 그린 블록으로부터 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트를 추출하는 단계; 및
    이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트를 소결하여 3-차원 모델을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 적층 제조를 통해 3-차원 모델을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은:
    분말 재료 및 응고성 비-분말 재료를 이용하여 층별 방식으로 그린 블록을 빌딩하되, 상기 그린 블록은 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트 및 지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트를 포함하고, 이용성 모델 및 지지 요소는 응고성 비-분말 재료의 선택적인 증착에 의해 형성된 패터닝 라인에 의해 범위가 정해지는 단계;
    그린 블록에 제1CIP를 적용함으로써 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트의 밀도를 증가시키는 단계;
    그린 블록을 가열하여 응고된 비-분말 재료를 제거하는 단계;
    지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트를 제거함으로써 그린 블록으로부터 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트를 추출하는 단계;
    그린 블록으로부터의 추출 이후에 상기 하나 이상의 그린 컴팩트에 제2CIP를 적용함으로써 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트의 밀도를 추가로 증가시키는 단계;
    이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트를 소결하여 3-차원 모델을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 적층 제조를 통해 3-차원 모델을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은:
    분말 재료 및 응고성 비-분말 재료를 이용하여 층별 방식으로 그린 블록을 빌딩하되, 상기 그린 블록은 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트 및 지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트를 포함하고, 이용성 모델 및 지지 요소는 응고성 비-분말 재료의 선택적인 증착에 의해 형성된 패터닝 라인에 의해 범위가 정해지는 단계;
    그린 블록을 가열하여 응고된 비-분말 재료를 제거하는 단계;
    지지 요소의 하나 이상의 그린 컴팩트를 제거함으로써 그린 블록으로부터 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트를 추출하는 단계;
    그린 블록으로부터의 추출 이후에 상기 하나 이상의 그린 컴팩트에 CIP를 적용함으로써 이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트의 밀도를 증가시키는 단계;
    이용성 모델의 하나 이상의 그린 컴팩트를 소결하여 3-차원 모델을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  21. 그린 이용성 모델의 밀도를 증가시키는 방법으로서, 상기 방법은 웨트-백에 쿠션 재료와 함께 상기 그린 이용성 모델을 삽입하는 단계, 선택적으로 웨트-백으로부터 공기를 제거하는 단계, CIP 챔버에 상기 웨트-백을 배치하는 단계, 및 상기 웨트-백에 이소스태틱 압력을 적용하여 상기 그린 이용성 모델의 밀도를 증가시키는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    이소스태틱 압력은 두 단계로 적용되는데, 제1단계는 쿠션 재료를 녹여 그린 이용성 모델의 중공 구조 내에서 흐르게 하기에 충분한 제1이소스태틱 압력을 적용하는 단계를 포함하고, 제2단계는 제2이소스태틱 압력을 적용하여 상기 그린 이용성 모델의 밀도를 증가시키면서 쿠션 재료가 그린 이용성 모델의 구조적 무결성을 유지하도록 돕는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    쿠션 재료는 분말 왁스이고, 제1이소스태틱 압력은 50 bar까지이며, 제2이소스태틱 압력은 2,600 bar까지인 방법.
  24. 적층 제조를 통해 3-차원 모델을 제조하는 시스템으로서, 상기 시스템은:
    인쇄 플랫폼 스테이션, 분말 디스펜싱 스테이션, 분말 스프레딩 스테이션, 및 컴팩팅 스테이션을 포함하는 적층 제조 시스템;
    추가적인 독립형 컴팩팅 스테이션; 및
    소결 스테이션을 포함하는 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 추가적인 독립형 컴팩팅 스테이션은 CIP 스테인션인 시스템.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    분말 디스펜싱 스테이션 및 분말 스프레딩 스테이션은 단일 분말 전달 스테이션으로 포함되는 시스템.
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