KR20190136088A - 적층 제조에서의 스캐터 감소 - Google Patents

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KR20190136088A
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나가 이합 나기 엘
존 러셀 버크넬
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디버전트 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

분말 베드 융합 (PBF) 시스템들에서 하전된 분말 입자 스캐터링을 감소시키기 위한 시스템들 및 방법들이 제공된다. PBF 장치는 복수의 분말 입자들을 갖는 분말 재료의 층을 지지하는 구조물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 구조물은 구축 판, 구축 플로어, 구축 피스 등일 수 있다. 장치는 또한, 에너지 빔을 생성하는 에너지 빔 소스 및 층에서 분말 재료의 영역을 융합시키기 위해 에너지 빔을 인가하는 편향기를 포함할 수 있다. 에너지 빔은 분말 입자들을 하전시킬 수 있다. 장치는 또한, 구조물과 하전된 분말 입자들 사이에 전기력을 생성하는 전기 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기 시스템은 구조물에 제 1 전압을 인가하는 전압 소스를 포함할 수 있다.

Description

적층 제조에서의 스캐터 감소
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 "SCATTER REDUCTION IN ADDITIVE MANUFACTURING" 을 발명의 명칭으로 하여 2017년 4월 28일자로 출원된 미국 특허출원 제15/582,493호의 이익을 주장하고, 이는 전부 본 명세서에 참조에 의해 분명히 통합된다.
분야
본 개시는 일반적으로 적층 제조 (additive manufacturing; AM) 에 관한 것으로, 특히, 분말 베드 융합 (powder-bed fusion; PBF) 과 같은, AM 응용들에서 하전된 분말 스캐터링 (charged powder scattering) 을 감소시키는 것에 관한 것이다.
PBF 시스템들은, 종래의 제조 프로세스들로 생성하기 어렵거나 또는 불가능한 일부 형상들을 포함한 기하학적으로 복잡한 형상들을 가진 (구축 피스 (build piece) 들로 지칭된) 구조물들을 생산할 수 있다. PBF 시스템들은 구축 피스들을 층 단위로 (layer-by-layer) 생성한다. 각각의 층 또는 '슬라이스' 는, 분말의 층을 디포짓하는 것 (depositing) 그리고 분말의 부분들을 에너지 빔에 노출시키는 것에 의해 형성된다. 에너지 빔은 그 층에서의 구축 피스의 단면과 일치하는 분말 층의 용융 영역 (melt area) 들에 인가된다. 용융된 분말은 구축 피스의 슬라이스를 형성하기 위해 냉각 및 융합 (fusing) 된다. 프로세스는 구축 피스의 다음 슬라이스 등을 형성하기 위해 반복될 수 있다. 각각의 층은 이전 층의 위에 디포짓된다. 결과의 구조물은 처음부터 끝까지 슬라이스 단위로 (slice-by-slice) 조립된 구축 피스이다.
분말 층을 융합시키는데 사용되는 일부 에너지 빔들은 또한, 분말 입자들의 일부가 층으로부터 스캐터링 (scatter) 또는 날아가 버리게 (fly away) 할 수 있다. 예를 들어, 분말 층에 전자 빔을 인가하면, 분말 입자들의 일부를 하전 (electrically charge) 시킬 수 있다. 분말 입자들 상의 전하들은 서로를 밀어내고 입자들의 일부가 분말 층에서 떨어져 날아가게 하는데, 이는 '스모킹 (smoking)' 으로도 알려진 현상이다. 일부 경우들에서, 스캐터링된 분말은 AM 동작을 방해하고 품질이 나쁜 구축 피스들을 초래할 수 있다.
PBF 시스템들에서 분말 스캐터 (powder scatter) 를 감소시키기 위한 장치들 및 방법들의 여러 양태들이 이하에서 더 완전하게 설명될 것이다.
다양한 양태들에서, 분말 베드 융합을 위한 장치는 복수의 분말 입자들 (particles of powder) 을 갖는 분말 재료의 층을 지지하는 구조물, 에너지 빔을 생성하는 에너지 빔 소스, 및 층에서 분말 재료의 영역을 융합시키기 위해 에너지 빔을 인가하는 편향기를 포함할 수 있다. 에너지 빔은 분말 입자들을 하전시킬 수 있다. 장치는 또한, 구조물과 하전된 분말 입자들 사이에 전기력 (electrical force) 을 생성하는 전기 시스템을 포함할 수 있다.
다양한 양태들에서, PBF 를 위한 장치는 분말 재료 지지 구조물을 포함하는 하나 이상의 구조물들, 분말 재료 지지 표면으로 지향된 에너지 빔 소스, 에너지 빔 소스와 동작가능하게 커플링된 편향기, 및 구조물들 중 적어도 하나에 연결된 전압 소스를 포함할 수 있다.
다른 양태들은 다음의 상세한 설명으로부터 당업자들에게 용이하게 명백해질 것이며, 여기에서는 예시로서 단지 여러 예시적인 실시형태들만이 도시 및 설명된다. 당업자들이 인식할 바와 같이, 모두 본 개시로부터 벗어남 없이, 본 명세서에서 설명된 개념들은 다른 및 상이한 실시형태들이 가능하며, 여러 상세들은 다양한 다른 측면들에서 수정이 가능하다. 이에 따라, 도면들 및 상세한 설명은 제한적이 아니라 사실상 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
다양한 양태들이 이제 첨부 도면들에서, 제한이 아닌 일 예로 상세한 설명에서 제시될 것이다.
도 1a 내지 도 1d 는 상이한 동작 스테이지들 동안의 예의 PBF 시스템을 예시한다.
도 2 는 PBF 에서의 입자 스캐터링의 예를 예시하는 확대도를 도시한다.
도 3 은 분말 스캐터링을 감소시키기 위한 전기 시스템 구현의 다른 예시적인 실시형태를 예시한다.
도 4 는 입자 스캐터링을 감소시키는 예시적인 실시형태를 예시하는 확대도를 도시한다.
도 5 는 분말 스캐터링을 감소시키기 위한 전기 시스템 구현의 다른 예시적인 실시형태를 예시한다.
도 6 은 분말 스캐터링을 감소시키기 위한 전기 시스템 구현의 다른 예시적인 실시형태를 예시한다.
도 7 은 전기장에 의해 야기되는 예의 빔 에러를 예시한다.
도 8 은 빔 보상 시스템을 포함하는 전기 시스템의 예시적인 실시형태를 예시한다.
도 9 는 PBF 시스템에서 분말 스캐터를 감소시키는 방법의 예시적인 실시형태의 플로우 차트이다.
첨부된 도면들과 관련하여 이하에 제시된 상세한 설명은 본 명세서에서 개시된 개념들의 다양한 예시적인 실시형태들의 설명을 제공하도록 의도되고 본 개시가 실시될 수도 있는 유일한 실시형태들을 나타내도록 의도되지 않는다. 이 개시에서 사용되는 용어 "예시적인" 은 "예, 인스턴스, 또는 예시로서 기능하는 것" 을 의미하며, 반드시 본 개시에서 제시된 다른 예시적인 실시형태들에 비해 유리하거나 또는 바람직한 것으로서 해석되어야 하는 것은 아니다. 상세한 설명은 당업자들에게 개념들의 범위를 완전히 전달하는 철저하고 완전한 개시를 제공할 목적으로 특정 상세들을 포함한다. 그러나, 본 개시는 이들 특정 상세들 없이 실시될 수도 있다. 일부 인스턴스들에서, 잘 알려진 구조들 및 컴포넌트들은, 본 개시 전반에 걸쳐 제시된 다양한 개념들을 모호하게 하는 것을 회피하기 위하여, 블록 다이어그램 형태로 도시되거나, 또는 완전히 생략될 수도 있다.
본 개시는 PBF 시스템들에서, 하전된 분말 스캐터링, 즉 스모킹을 감소시키는 것과 관련된다. PBF 시스템은, 예를 들어, 시스템에서의 하나 이상의 구조물들이 하전되어 하전된 분말 입자들과 분말 층 사이에 전기력을 생성할 수 있도록, 구축될 수 있다. 전기력은 하전된 분말 입자들이 분말 층에서 떨어져 날아가지 못하게 할 수 있다. 예를 들어, 구축 피스는, 전하-축적된 분말 입자들이 밀어내지는 대신에 베드로 끌어당겨지게 하기 위해, 구축 피스가 애노드, 또는 의사-애노드 (pseudo-anode) 이도록 하전될 수 있다. 게다가, 하전된 정적 쉴드 (static shield) 들은, 전하-축적된 입자들이 구축 챔버로 끌어당겨지는 것을 방지하기 위하여, 빔 편향을 감소시키기 위해 필드가 거의 균일한, 음전위로 배치될 수 있다. 이들 메커니즘들에 의해 생성된 임의의 편향들은 PBF 시스템의 제어 시스템들에 의해 특징지어질 수 있고, 보상들이 원래의 빔 편향 커맨들에서 제공될 수 있다.
도 1a 내지 도 1d 는 상이한 동작 스테이지들 동안의 예의 PBF 시스템 (100) 을 예시한다. PBF 시스템 (100) 은 금속 분말의 각각의 층을 디포짓할 수 있는 디포지터 (101), 에너지 빔을 생성할 수 있는 에너지 빔 소스 (103), 분말 재료를 융합시키기 위해 에너지 빔을 인가할 수 있는 편향기 (105), 및 구축 피스 (109) 와 같은 하나 이상의 구축 피스들을 지지할 수 있는 구축 판 (107) 을 포함할 수 있다. PBF 시스템 (100) 은 또한 분말 베드 리셉터클 내에 위치된 구축 플로어 (111) 를 포함할 수 있다. 분말 베드 리셉터클의 벽들은 분말 베드 리셉터클 벽들 (112) 로서 도시된다. 구축 플로어 (111) 는, 디포지터 (101) 가 다음 층을 디포짓할 수 있도록 구축 판 (107) 을 하강시킬 수 있고 챔버 (113) 는 다른 컴포넌트들을 인클로징할 수 있다. 디포지터 (101) 는 금속 분말과 같은 분말 (117) 을 담고 있는 호퍼 (hopper) (115), 및 분말의 각각의 층의 상단을 레벨링할 수 있는 레벨러 (119) 를 포함할 수 있다.
도 1a 를 구체적으로 참조하면, 이 도면은 구축 피스 (109) 의 슬라이스가 융합된 후, 그러나 분말의 다음 층이 디포짓되기 전의 PBF 시스템 (100) 을 도시한다. 실제로, 도 1a 는, 예를 들어 50 개의 슬라이스들로 형성된 구축 피스 (109) 의 현재 상태를 형성하기 위해, PBF 시스템 (100) 이 다수의 층들, 예를 들어, 50 개의 층들로 슬라이스들을 이미 디포짓 및 융합한 시간을 예시한다. 이미 디포짓된 다수의 층들은, 디포짓되었지만 융합되지 않은 분말을 포함하는 분말 베드 (121) 를 생성하였다.
도 1b 는 구축 플로어 (111) 가 분말 층 두께 (123) 만큼 하강할 수 있는 스테이지에서의 PBF 시스템 (100) 을 도시한다. 구축 플로어 (111) 의 하강은, 구축 피스 및 분말 베드의 상단이 분말 층 두께만큼 분말 베드 리셉터클 벽 (112) 의 상단보다 더 낮도록, 구축 피스 (109) 및 분말 베드 (121) 가 분말 층 두께 (123) 만큼 낙하하게 한다. 이렇게 하여, 예를 들어, 분말 층 두께 (123) 와 동일한 일관된 두께를 가진 공간이 구축 피스 (109) 및 분말 베드 (121) 의 상단 위에 생성될 수 있다.
도 1c 는 디포지터 (101) 가 구축 피스 (109) 및 분말 베드 (121) 의 상단 위에 생성된 공간에 분말 (117) 을 디포짓할 수 있는 스테이지에서의 PBF 시스템 (100) 을 도시한다. 이 예에서, 디포지터 (101) 는 호퍼 (115) 로부터 분말 (117) 을 방출하면서, 공간을 크로스 오버 (cross over) 할 수 있다. 레벨러 (119) 는 분말 층 두께 (123) 의 두께를 갖는 분말 층 (125) 을 형성하기 위해 방출된 분말을 레벨링할 수 있다. 따라서, PBF 시스템에서의 분말은, 예를 들어, 구축 판, 구축 플로어, 구축 피스 등을 포함할 수 있는 분말 재료 지지 구조물에 의해 지지될 수 있다. 도 1a 내지 도 1d 및 본 개시에서의 다른 도면들의 엘리먼트들은 반드시 일정한 비례로 스케일링하여 그려지는 것은 아니고, 본 명세서에서 설명된 개념들의 더 나은 예시를 목적으로 더 크게 또는 더 작게 그려질 수도 있음에 주목해야 한다. 예를 들어, 분말 층 (125) 의 예시된 두께 (즉, 분말 층 두께 (123)) 는 예의 50 개의 이전에 디포짓된 층들에 대해 사용되는 실제 두께보다 더 크다.
도 1d 는 에너지 빔 소스 (103) 가 에너지 빔 (127) 을 생성할 수 있고 편향기 (105) 가 에너지 빔을 인가하여 구축 피스 (109) 에서 다음 슬라이스를 융합시킬 수 있는 스테이지에서의 PBF 시스템 (100) 을 도시한다. 다양한 실시형태들에서, 에너지 빔 소스 (103) 는 전자 빔 소스일 수 있고, 에너지 빔 (127) 은 전자 빔일 수 있고, 그리고 편향기 (105) 는 융합될 영역들에 걸쳐 스캐닝하도록 전자 빔을 편향시키는 전기장 또는 자기장을 생성할 수 있는 편향 판들을 포함할 수 있다. 다양한 실시형태들에서, 에너지 빔 소스 (103) 는 레이저일 수 있고, 에너지 빔 (127) 은 레이저 빔일 수 있고, 그리고 편향기 (105) 는 융합될 영역들에 걸쳐 스캐닝하도록 레이저 빔을 반사 및/또는 굴절시킬 수 있는 광학 시스템을 포함할 수 있다. 다양한 실시형태들에서, 편향기는 에너지 빔을 위치시키기 위해 에너지 빔 소스를 회전 및/또는 병진시킬 수 있는 하나 이상의 짐벌 (gimbal) 들 및 액추에이터들을 포함할 수 있다. 다양한 실시형태들에서, 에너지 빔 소스 (103) 및/또는 편향기 (105) 는, 에너지 빔이 분말 층의 적절한 영역들에서 오직 인가되도록 편향기가 스캐닝할 때 에너지 빔을 조절 (modulate), 예를 들어, 에너지 빔을 턴 온 및 턴 오프할 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시형태들에서, 에너지 빔은 디지털 신호 프로세서 (DSP) 에 의해 조절될 수 있다.
에너지 빔 (127) 의 인가는 분말 입자들이 분말 층으로부터 날아가 버리게 할 수 있으며, 이는 도 1d 에 스캐터링된 분말 입자들 (129) 로서 도시된다. 상기 언급된 바와 같이, 스캐터링된 분말 입자들 (129) 은 인쇄 동작을 방해할 수 있고 품질이 더 나쁜 구축 피스들을 초래할 수 있다.
도 2 는 PBF 에서의 입자 스캐터링의 예를 예시하는 확대도를 도시한다. 특히, 도 2 는 굵은 화살표의 방향으로 분말 층 (203) 에 걸쳐 스캐닝하는 (즉, 오른쪽으로 스캐닝하는) 에너지 빔 (201) 을 도시한다. 에너지 빔 (201) 이 인가됨에 따라, 분말이 융합된 분말 (205) 로 융합되어 구축 피스 (207) 를 형성한다. 도 2 에 도시된 도면에서는, 지금까지 융합된 현재 슬라이스 (211) 의 부분은 물론, 이전 슬라이스 (209) 의 상단 부분을 볼 수 있다. 에너지 빔 (201) 이 영역을 가열 및 융합시키기 위해 분말 층 (203) 의 영역에 인가됨에 따라, 분말 입자들의 일부가 하전될 수 있다. 이 예에서, 분말 입자들의 일부는 음으로 하전될 수 있고, 이들 하전된 분말 입자들은 "-" 심볼로 표현된다. 예를 들어, 에너지 빔 (201) 은 전자들, 즉, 음으로 하전된 입자들의 빔인 전자 빔일 수 있다. 전자 빔에서의 전자들은, 분말 입자들이 음으로 하전되도록, 분말 입자들에 의해 캡처될 수 있다.
음으로 하전된 오브젝트들은 정전기력으로 인해 서로를 밀어낸다. 도 2 에 예시된 바와 같이, 충분한 음으로 하전된 분말 입자들이 아주 근접하여 있으면, 그들 사이의 밀어내는 정전기력이 중력을 이겨내어, 하전된 분말 입자들의 일부가 분말 층 (203) 으로부터 날아 올라가게 할 수 있다. 이들 분말 입자들은 스캐터링된 분말 입자들 (213) 로서 도시된다.
도 3 은 분말 스캐터링을 감소시키기 위한 전기 시스템 구현의 다른 예시적인 실시형태를 예시한다. 전기 시스템 (300) 은 전압 소스 (301) 및 전압 소스 (303) 를 포함할 수 있다. 이 예에서, 전압 소스 (301) 의 양극 단자는 구축 플로어 (307) 내의 개구를 통해 구축 판 (305) 에 연결될 수 있다. 구축 판 (305) 및 구축 플로어 (307) 는 분말 베드 (309) 및 도전성 구축 피스 (311) 를 지지할 수 있다. 예를 들어, 도전성 구축 피스 (311) 는 금속 또는 다른 도전성 재료로 형성될 수 있다.
이 예에서, 구축 판 (305) 은 도전성일 수 있고 도전성 구축 피스 (311) 에 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도전성 구축 피스 (311) 는 구축 판 (305) 에 융합될 수 있다. 구축 판 (305) 의 전압 소스 (301) 에의 연결은 양전하가 구축 판 상에 그리고 도전성 구축 피스 상에 집전 (collect) 하게 할 수 있다. 양전하는 전기장선 (electric field line) 들 (312) 로 도시된, 전기장을 생성할 수 있다. 이 예에서, 양전하는 도전성 구축 피스 (311) 의 상단에 집전할 수 있기 때문에, 구축 피스의 맨 위의 분말 층을 통한 전기장은, 특히 구축 피스의 상단이 구축 판에서 멀리 떨어져 있다면, 도 3 의 예에서의 전기장과 비교하여 더 강할 수도 있다. 이는 전기 시스템 (300) 이 분말 스캐터를 보다 효율적으로 감소시킬 수 있게 할 수도 있다.
전압 소스 (303) 는 분말을 융합시키기 위해 편향기 (315) 에 의해 스캐닝될 수 있는, 전자 빔을 생성하는데 사용되는 가속 전압 (acceleration voltage) 으로서 전자 빔 소스 (313) 에 인가될 수 있다. 이 경우에, 전압 소스 (303) 의 양극 단자는 전자 빔 소스 (313) 의 애노드이다. 전압 소스 (301) 는 또한, 전압 소스 (301) 가 애노드와 구축 판 (305) 사이에 인가되도록, 전자 빔 소스 (313) 의 애노드에 연결된다. 이렇게 하여, 예를 들어, 전압 소스 (301) 에 의해 인가된 전압은 분말 스캐터를 감소시키고 더 큰 빔 에너지를 위해 빔을 더욱 가속화함으로써 빔 조절 이득을 증가시키는데 도움이 될 수 있다.
도 4 는 입자 스캐터링을 감소시키는 예시적인 실시형태를 예시하는 확대도를 도시한다. 특히, 도 4 는 상기의 도전성 구축 피스 (311) 와 같은 도전성 구축 피스 (400) 의 상단을 예시한다. 에너지 빔 (401) 은 굵은 화살표의 방향으로 분말 층 (403) 에 걸쳐 스캐닝한다 (즉, 오른쪽으로 스캐닝한다). 에너지 빔 (401) 이 인가됨에 따라, 분말은 융합된 분말 (405) 로 융합되어 구축 피스 (400) 를 형성한다. 도 4 에 도시된 도면에서는, 지금까지 융합된 현재 슬라이스 (411) 의 부분은 물론, 이전 슬라이스 (409) 의 상단 부분을 볼 수 있다. 에너지 빔 (401) 이 영역을 가열 및 융합시키기 위해 분말 층 (403) 의 영역에 인가됨에 따라, 분말 입자들의 일부가 하전될 수 있다. 이 예에서, 분말 입자들의 일부는 "-" 심볼로 표현된 바와 같이, 음으로 하전될 수 있다. 예를 들어, 에너지 빔 (401) 은 전자 빔일 수 있고, 전자 빔에서의 전자들은, 분말 입자들이 음으로 하전되도록, 분말 입자들에 의해 캡처될 수 있다.
이 예에서, 도전성 구축 피스 (400) 는, 양전하가 도전성 구축 피스의 상단에 집전하도록, 상기 도 3 에서의 전기 시스템 (300) 과 같은 전기 시스템에 연결될 수 있다. 양전하는 음전하 분말 입자들을 끌어당길 수 있는, 전기장선들 (412) 로서 도시된, 전기장을 생성할 수 있다. 인력은 도 4 에서 양전하와 음전하 사이의 전기장선들 (413) 에 의해 도시된다. 음으로 하전된 분말 입자들 상에 전기장에 의해 가해진 인력은 분말 입자들 사이의 척력보다 더 클 수 있고, 음으로 하전된 분말 입자들은 고정화된 (immobilized) 분말 입자 (415) 로 예시된 바와 같이, 날아 올라가는 것이 방지될 수 있다. 이렇게 하여, 예를 들어, 분말 스캐터링은 감소 또는 제거될 수도 있다.
도 5 는 분말 스캐터링을 감소시키기 위한 전기 시스템 구현의 다른 예시적인 실시형태를 예시한다. 전기 시스템 (500) 은 전압 소스 (501) 및 전압 소스 (503) 를 포함할 수 있다. 이 예에서, 전압 소스 (501) 의 양극 단자는, 구축 판 (507), 분말 베드 (509), 및 구축 피스 (511) 를 지지하는, 구축 플로어 (505) 에 연결될 수 있다. 이 구현에서, 구축 플로어 (505) 는 도전성일 수 있다. 다른 구현들에서, 구축 판 (507) 은 또한 도전성일 수 있다. 다른 구현들에서, 구축 판 (507) 및 구축 피스 (511) 는 또한 도전성일 수 있다. 상이한 전기장들이 분말 스캐터를 감소 또는 제거하기 위해 상이한 구현들에서 생성될 수 있다.
전압 소스 (503) 는 분말을 융합시키기 위해 편향기 (515) 에 의해 스캐닝될 수 있는, 전자 빔을 생성하는데 사용되는 가속 전압으로서 전자 빔 소스 (513) 에 인가될 수 있다. 이 경우에, 전압 소스 (503) 의 양극 단자는 전자 빔 소스 (513) 의 애노드이다. 전압 소스 (501) 는 또한, 전압 소스 (501) 가 애노드와 구축 플로어 (505) 사이에 인가되도록, 전자 빔 소스 (513) 의 애노드에 연결된다. 이렇게 하여, 예를 들어, 전압 소스 (501) 에 의해 인가된 전압은 분말 스캐터를 감소시키고 더 큰 빔 에너지를 위해 빔을 더욱 가속화함으로써 빔 조절 이득을 증가시키는데 도움이 될 수 있다.
도 6 은 분말 스캐터링을 감소시키기 위한 전기 시스템 구현의 다른 예시적인 실시형태를 예시한다. 전기 시스템 (600) 은 전압 소스 (601) 및 전압 소스 (603) 를 포함할 수 있다. 이 예에서, 전압 소스 (601) 의 양극 단자는 구축 플로어 (607) 내의 개구를 통해 비-도전성 구축 판 (605) 내의 도전성 플러그 (604) 에 연결될 수 있다. 비-도전성 구축 판 (605) 및 구축 플로어 (607) 는 분말 베드 (609) 및 도전성 구축 피스 (611) 를 지지할 수 있다. 예를 들어, 도전성 구축 피스 (611) 는 금속 또는 다른 도전성 재료로 형성될 수 있다.
이 예에서, 도전성 구축 피스 (611) 의 처음 몇몇 층들을 인쇄할 때, PBF 시스템은 또한 도전성 구축 피스를 도전성 플러그 (604) 에 연결할 수 있는 도전성 확장부 (conductive extension) (612) 를 인쇄한다. 이렇게 하여, 예를 들어, 전압 소스 (601) 는 양전하가 도전성 구축 피스 상에 집전하게 하기 위해 도전성 구축 피스 (611) 에 연결될 수 있다. 도전성 구축 피스 (611) 상에 집전된 양전하에 의해 생성된 전기장 (미도시) 은 구축 피스의 맨 위의 분말 층들로부터의 분말 스캐터를 감소 또는 제거하는데 도움이 될 수 있다. 양전하가 도전성 구축 피스 (611) 상에 집전되지만, 비-도전성 구축 판 (605) 상에는 집전되지 않기 때문에, 전기장은 구축 판이 하전되는 것을 요구하지 않고 구축 피스에 집중될 수도 있다. 이렇게 하여, 예를 들어, 전압 소스 (601) 에 의해 생성된 전압은 감소될 수도 있다.
전압 소스 (603) 는, 분말을 융합시키기 위해 편향기 (615) 에 의해 스캐닝될 수 있는, 전자 빔을 생성하는데 사용되는 가속 전압으로서 전자 빔 소스 (613) 에 인가될 수 있다. 이 경우에, 전압 소스 (603) 의 양극 단자는 전자 빔 소스 (613) 의 애노드이다. 전압 소스 (601) 는 또한, 전압 소스 (601) 가 애노드와 구축 판 (605) 사이에 인가되도록, 전자 빔 소스 (613) 의 애노드에 연결된다. 이렇게 하여, 예를 들어, 전압 소스 (601) 에 의해 인가된 전압은 분말 스캐터를 감소시키고 더 큰 빔 에너지를 위해 빔을 더욱 가속화함으로써 빔 조절 이득을 증가시키는데 도움이 될 수 있다.
다양한 실시형태들에서, 하나 이상의 도전성 확장부들은 하나 이상의 구축 피스들을 전압 소스에 연결하기 위해 다양한 형상들 및 구성들로 형성될 수 있다. 예를 들어, 다수의 구축 피스들은 도전성 확장부들의 격자 (lattice) 에 의해 연결될 수 있다. 다양한 실시형태들에서, 도전성 확장부가 각각의 구축 피스와 전압 소스 사이에 직접 연결될 필요는 없다. 예를 들어, 제 1 도전성 확장부는 제 1 구축 피스를 전압 소스에 연결 (예를 들어, 도 6 에서와 같이, 도전성 플러그에 직접 연결) 할 수 있고, 제 2 도전성 확장부는 제 1 구축 피스를 직접 제 2 구축 피스에 연결할 수 있다. 이렇게 하여, 예를 들어, 제 2 구축 피스는 제 1 구축 피스를 통해 전압 소스에 연결될 수 있다 (즉, 직접 연결되지 않음).
도 7 은 전기장에 의해 야기되는 예의 빔 에러를 예시한다. 전기 시스템 (700) 은 전압 소스 (701) 및 전압 소스 (703) 를 포함한다. 전압 소스 (701) 의 양극 단자는 구축 플로어 (707) 내의 개구를 통해 도전성 구축 판 (705) 에 연결될 수 있다. 도전성 구축 판 (705) 및 구축 플로어 (707) 는 분말 베드 (709) 및 도전성 구축 피스 (711) 를 지지할 수 있다. 도전성 구축 판 (705) 은 구축 피스에 융합되는 것과 같이, 도전성 구축 피스 (711) 에 전기적으로 연결될 수 있고, 이에 따라 양전하가 도 3 의 예와 유사한 전기장을 생성하기 위해 구축 판 상에 그리고 도전성 구축 피스 상에 집전할 수 있다. 명료성을 목적으로, 전기장선들은 도 7 에 도시되지 않는다.
전압 소스 (703) 는, 분말을 융합시키기 위해 편향기 (717) 에 의해 스캐닝될 수 있는, 전자 빔 (715) 을 생성하는데 사용되는 가속 전압으로서 전자 빔 소스 (713) 에 인가될 수 있다. 이 경우에, 전압 소스 (703) 의 양극 단자는 전자 빔 소스 (713) 의 애노드이다. 전압 소스 (701) 는 또한, 전압 소스 (701) 가 애노드와 구축 판 (705) 사이에 인가되도록, 전자 빔 소스 (713) 의 애노드에 연결된다. 이렇게 하여, 예를 들어, 전압 소스 (701) 에 의해 인가된 전압은 분말 스캐터를 감소시키고 더 큰 빔 에너지를 위해 빔을 더욱 가속화함으로써 빔 조절 이득을 증가시키는데 도움이 될 수 있다.
일부 경우들에서, 다양한 실시형태들에 의해 생성된 전기장은 에너지 빔이 구부러지게 할 수 있다. 이 예에서, 전자 빔 (715) 에서의 전자들은 양으로 하전된 도전성 구축 피스 (711) 로 끌어당겨질 수 있고 구부러질 수 있다. 도 7 은 타겟 스폿 (721) 을 히팅하도록 전자 빔이 제로 전기장에서 취할 경로를 표현하는 제로 필드 빔 (719) 을 도시한다. 에너지 빔 (715) 의 구부러짐 양은 전기장의 강도로부터 결정될 수 있다. 따라서, 편향기 (717) 는 예측된 빔 구부러짐 양을 보상할 수 있고 도 7 에 도시된 바와 같은, 제로 필드 빔 (719) 과는 상이한 방향의 에너지 빔을 목표로 함으로써 타겟 스폿 (721) 을 히팅할 수 있다.
도 8 은 빔 보상 시스템을 포함하는 전기 시스템의 예시적인 실시형태를 예시한다. 도 7 의 예와 같이, 전기 시스템 (800) 은 전압 소스 (801) 및 전압 소스 (803) 를 포함할 수 있다. 전압 소스 (803) 는, 분말을 융합시키기 위해 편향기 (817) 에 의해 인가될 수 있는, 전자 빔 (815) 을 생성하는데 사용되는 가속 전압으로서 전자 빔 소스 (813) 에 인가될 수 있다. 전압 소스 (801) 는 전자 빔 소스 (813) 의 애노드와 구축 플로어 (807) 내의 개구를 통한 도전성 구축 판 (805) 사이에 전압을 인가할 수 있다. 도전성 구축 판 (805) 및 구축 플로어 (807) 는 분말 베드 (809) 및 도전성 구축 피스 (811) 를 지지할 수 있다. 도전성 구축 판 (805) 은 구축 피스에 융합되는 것과 같이, 도전성 구축 피스 (811) 에 전기적으로 연결될 수 있고, 이에 따라 양전하가 도 3 의 예와 유사한 전기장을 생성하기 위해 구축 판 상에 그리고 도전성 구축 피스 상에 집전할 수 있다. 명료성을 목적으로, 전기장선들은 도 8 에 도시되지 않는다.
전기 시스템 (800) 은 추가의 스캐터 감소를 제공하도록 하전될 수 있는 추가적인 구조물들을 가진 시스템을 포함할 수 있다. 이 예에서, 추가적인 구조물들은 전압 소스 (801) 의 음극 단자에 연결될 수 있는 쉴드들 (819 및 820) 을 포함할 수 있다. 음전압은 음전하가 쉴드들 (819 및 820) 상에 집전하게 할 수 있으며, 이는 분말 베드 (809) 의 분말 층에서 음으로 하전된 분말 입자들을 밀어낼 수 있다. 다시 말해서, 추가적인 하전된 구조물들은 분말 층 쪽으로 하전된 분말 입자들을 밀어내는 하전된 분말 입자들과 분말 층 사이의 힘을 야기하는 전기장을 생성할 수 있다. 이렇게 하여, 예를 들어, 하전된 분말 입자 스캐터는 더욱 감소될 수 있다. 다양한 실시형태들에서, 추가적인 구조물들은 편향기와 분말 재료 지지 구조물 사이에 연장되는 수직축 주위에 대칭적으로 배열될 수 있다. 이렇게 하여, 예를 들어, 전자 빔 (815) 의 편향은 최소화될 수도 있다. 다양한 실시형태들에서, 예를 들어, 단일 쉴드는 편향기와 구축 판 사이에 연장되는 수직축을 대칭적으로 둘러싸는 도전성 재료의 링을 포함할 수 있다. 일정한 전압 소스가 링에 인가될 수 있다. 링의 형상은, 예를 들어, 원형, 직사각형, 원환체 (torus) 등일 수 있다. 다양한 실시형태들에서, 링의 형상은 분말 베드의 표면의 형상을 모방할 수 있다.
도 9 는 PBF 시스템에서 분말 스캐터를 감소시키는 방법의 예시적인 실시형태의 플로우 차트이다. PBF 시스템은 구조물 상에 분말 재료의 층을 지지 (901) 할 수 있다. 예를 들어, 분말 층은 분말 베드 및 하나 이상의 구축 피스들의 상단 표면들 상에 디포짓될 수 있고, 분말 베드 및 하나 이상의 구축 피스들은 구축 판에 의해 지지될 수 있다. PBF 시스템은 에너지 빔을 생성 (902) 할 수 있다. 예를 들어, PBF 시스템은 전자 빔을 생성하는 전자 빔 소스를 포함할 수 있다. PBF 시스템은 층에서 분말 재료의 영역을 융합시키기 위해 에너지 빔을 스캐닝 (903) 할 수 있다. 예를 들어, PBF 시스템은 분말 층에 걸쳐 빔을 스캐닝하도록 전자 빔을 편향시키는 편향기를 포함할 수 있다. 에너지 빔은 분말 입자들을 하전시킬 수 있다. PBF 시스템은 구조물과 하전된 분말 입자들 사이에 전기력을 생성할 수 있다. 예를 들어, PBF 시스템은 분말 층으로 하전된 분말 입자들을 끌어당기는 정전기력을 초래하는 전기장을 생성하는, 구축 플로어, 구축 판, 구축 피스 등과 같은 구조물과 전자 빔 소스 사이에 전압을 인가하는 전기 시스템을 포함할 수 있다. 이렇게 하여, 예를 들어, 하전된 분말 스캐터는 감소 또는 제거될 수도 있다.
이전의 설명은 임의의 당업자가 본 명세서에서 설명된 다양한 양태들을 실시할 수 있게 하도록 제공된다. 본 개시 전반에 걸쳐 제시된 이들 예시적인 실시형태들에 대한 다양한 수정들은 당업자들에게 용이하게 명백할 것이다. 따라서, 청구항들은 본 개시 전반에 걸쳐 제시된 예시적인 실시형태들에 제한되도록 의도된 것이 아니라, 언어 청구항들과 일치하는 전체 범위를 따르도록 하기 위한 것이다. 당업자들에게 알려져 있거나 또는 추후에 알려지게 될 본 개시 전반에 걸쳐 설명된 예시적인 실시형태들의 엘리먼트들에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물들이 청구항들에 의해 포괄되도록 의도된다. 더욱이, 본 명세서에서 개시된 어떤 것도, 이러한 개시가 청구항들에서 명시적으로 기재되는지 여부에 상관없이 공중에 전용되도록 의도되지 않는다. 어떠한 청구항 엘리먼트도, 그 엘리먼트가 어구 "~ 위한 수단" 을 사용하여 분명히 기재되지 않는 한, 또는 방법 청구항의 경우에, 그 엘리먼트가 어구 "~ 위한 단계" 를 사용하여 기재되지 않는 한, 35 U.S.C. §112(f) 의 규정들 또는 적용가능한 관할권에서의 유사한 법률 하에서 해석되지 않아야 한다.

Claims (24)

  1. 분말 베드 융합 (powder-bed fusion) 을 위한 장치로서,
    복수의 분말 입자들을 갖는 분말 재료의 층을 지지하는 구조물;
    에너지 빔을 생성하는 에너지 빔 소스;
    상기 층에서 상기 분말 재료의 영역을 융합 (fusing) 시키기 위해 상기 에너지 빔을 인가하는 편향기로서, 상기 에너지 빔은 상기 분말 입자들을 하전시키는, 상기 편향기; 및
    상기 구조물과 하전된 상기 분말 입자들 사이에 전기력을 생성하는 전기 시스템을 포함하는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 시스템은 상기 구조물에 제 1 전압을 인가하는 전압 소스를 포함하는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 편향기와 함께 배열된 하나 이상의 추가적인 구조물들을 더 포함하고, 상기 전압 소스는 상기 하나 이상의 추가적인 구조물들에 제 2 전압을 인가하도록 구성되는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 편향기와 함께 배열된 하나 이상의 추가적인 구조물들을 더 포함하고, 상기 전기 시스템은 상기 하나 이상의 추가적인 구조물들에 전압을 인가하는 전압 소스를 더 포함하는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가적인 구조물들은 상기 에너지 빔에 대한 영향을 감소시키기 위해 상기 편향기와 함께 배열되는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가적인 구조물들에 의한 상기 에너지 빔에 대한 영향을 보상하기 위해 상기 편향기와 함께 동작하는 제어 시스템을 더 포함하는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 편향기는 상기 에너지 빔을 편향시키기 위해 하전되도록 구성되는 쉴드들을 포함하는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 편향기는 상기 분말 재료의 영역을 융합시키기 위해 상기 에너지 빔을 인가하도록 상기 에너지 빔 소스를 위치적으로 (positionally) 제어하도록 구성되는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  9. 분말 베드 융합을 위한 장치로서,
    분말 재료 지지 구조물을 포함하는 하나 이상의 구조물들;
    분말 재료 지지 표면으로 지향된 에너지 빔 소스;
    상기 에너지 빔 소스와 동작가능하게 커플링된 편향기; 및
    상기 하나 이상의 구조물들 중 적어도 하나에 연결된 전압 소스를 포함하는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전압 소스는 상기 분말 재료 지지 구조물에 연결되는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 구조물들은 적어도 하나의 쉴드를 더 포함하고, 상기 전압 소스는 상기 적어도 하나의 쉴드의 각각에 추가로 연결되는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 구조물들은 복수의 쉴드들을 더 포함하고, 상기 전압 소스는 상기 쉴드들의 각각에 연결되는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 쉴드들은 상기 편향기와 상기 분말 재료 지지 구조물 사이에 연장되는 수직축 주위에 대칭적으로 배열되는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 쉴드들에 의한 상기 에너지 빔에 대한 영향을 보상하기 위해 상기 편향기에 동작가능하게 커플링된 제어 시스템을 더 포함하는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 편향기는 쉴드를 포함하는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 편향기는 상기 에너지 빔 소스를 위치적으로 제어하도록 구성되는, 분말 베드 융합을 위한 장치.
  17. 분말 베드 융합의 방법으로서,
    구조물 상에 분말 재료의 층을 지지하는 단계로서, 상기 분말 재료는 복수의 분말 입자들을 갖는, 상기 구조물 상에 분말 재료의 층을 지지하는 단계;
    에너지 빔을 생성하는 단계;
    상기 층에서 상기 분말 재료의 영역을 융합시키기 위해 상기 에너지 빔을 스캐닝하는 단계로서, 상기 에너지 빔은 상기 분말 입자들을 하전시키는, 상기 에너지 빔을 스캐닝하는 단계; 및
    상기 구조물과 하전된 상기 분말 입자들 사이에 전기력을 생성하는 단계를 포함하는, 분말 베드 융합의 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전기력을 생성하는 단계는 상기 구조물에 제 1 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 분말 베드 융합의 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 층과 함께 배열된 하나 이상의 추가적인 구조물들에 제 2 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는, 분말 베드 융합의 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 층과 함께 배열된 하나 이상의 추가적인 구조물들에 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는, 분말 베드 융합의 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가적인 구조물들은 상기 에너지 빔에 대한 영향을 감소시키기 위해 상기 층과 함께 배열되는, 분말 베드 융합의 방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가적인 구조물들에 의한 상기 에너지 빔에 대한 영향을 보상하기 위해 상기 에너지 빔을 보상하는 단계를 더 포함하는, 분말 베드 융합의 방법.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 에너지 빔을 스캐닝하는 단계는 상기 에너지 빔을 편향시키는 단계를 포함하는, 분말 베드 융합의 방법.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 에너지 빔을 스캐닝하는 단계는 에너지 빔 소스를 위치적으로 제어하는 단계를 포함하는, 분말 베드 융합의 방법.
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