KR20200034674A - 3d 프린팅 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20200034674A
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맬컴 피터 쿡
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오로라 랩스 리미티드
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Abstract

3차원 물체를 프린팅하기 위한 프린팅 장치는, 가동 표면; 적어도 하나의 제어 암에 선회가능하게 부착되는 프레임을 포함하는 프린팅 헤드로서, 프레임은 프레임과 제어 암 사이의 부착 지점에 배치되는 축 둘레로 회전가능한, 프린팅 헤드; 프레임을 따라서 복수의 위치에 연결되는 복수의 분말 디스펜서로서, 프린팅 헤드가 상기 가동 표면에 대해 상대적으로 이동될 때 가동 표면 상에 복수의 분말 층을 동시에 증착하도록 구성되는, 복수의 분말 디스펜서; 및 적어도 하나의 분말 층 상에 적어도 하나의 에너지 빔을 조사하기 위한 에너지 소오스를 포함한다.

Description

3D 프린팅 방법 및 장치
본 발명은 3D 프린팅 방법 및 장치에 관한 것이다.
좀 더 구체적으로, 본 발명은 고속으로 물체를 제조하도록 구성된 3D 프린팅 방법 및 장치에 관한 것이다.
3 차원(3D) 프린팅된 부분은 연속적인 얇은 물질 층을 쌓음으로써 3D 디지털 이미지로부터 제조되는 물리적 물체로 귀결된다.
전형적으로, 이러한 3D 프린팅되는 부분은 다양한 수단, 예를 들어, 에너지 빔이 조사되어 분말 베드(powder bed)의 상부 층을 용융시켜 기판 또는 기체(substratum) 상에 분말 베드가 용접(weld)되는 분말 베드를 가짐으로써 동작되는, 선택적 레이저 용융(melt) 또는 소결(sintering)에 의해서 가공될 수 있다. 이러한 용융 프로세스는, 완전히 제조될 때까지 점진적으로 부분을 빌드 업하기 위해서 기체에 추가적인 층을 부가하도록 반복된다.
이러한 프린팅 방법은 실행하는 데 있어 상당히 시간 소비적이고, 적정한 크기의 물체를 제조하는 데 며칠, 또는 몇 주가 걸릴 수 있다. 이 문제는 복잡한 구성요소 부분을 포함하는 복잡한 물체의 경우에 심해진다. 이것은 실질적으로 3D 프린터의 유용성을 감소시키고, 현재, 소비자 및 산업분야가 3D 프린팅을 대규모로 채택하는 것을 방해하고 있는 주요한 장벽 중 하나이다.
본 발명은 기존의 3D 프린팅 방법 및 디바이스의 상술된 단점을 적어도 부분적으로 극복하고자 한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 3-차원 물체를 프린팅하기 위한 프린팅 장치로서, 가동 표면; 적어도 하나의 제어 암에 축선회가능하게 부착되는 프레임을 포함하는 프린팅 헤드로서, 프레임은 상기 프레임과 제어 암 사이의 부착 지점에 배치되는 축 둘레로 회전가능한, 프린팅 헤드; 프레임을 따라서 복수의 위치에 연결되는 복수의 분말 디스펜서로서, 프린팅 헤드가 가동 표면에 대해 상대적으로 이동될 때 가동 표면 상에 복수의 분말 층을 동시에 증착하도록 구성되는, 복수의 분말 디스펜서; 및 적어도 하나의 분말 층 상에 적어도 하나의 에너지 빔을 조사하기 위한 에너지 소오스를 포함하는, 프린팅 장치가 제공된다.
에너지 소오스는, 사용 시 두 개 이상의 분말 층 상에 동시에 에너지 빔을 조사할 수 있다.
대안적으로, 다수의 에너지 소오스가 각각의 에너지 소오스로부터의 적어도 하나의 에너지 빔을 조사하도록 사용될 수 있다.
에너지 소오스는, 사용 시 순서대로 각각의 분말 층 상에 에너지 빔을 조사할 수 있다.
프린팅 장치는, 에너지 빔을 분할하여 두 개 이상의 분리된 에너지 빔으로 분할하기 위한 에너지 빔 분할 수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 3-차원 물체를 프린팅하기 위한 프린팅 장치로서, 가동 표면; 프레임을 포함하는 프린팅 헤드로서, 가동 표면 및 프레임이 서로에 대해서 회전가능한, 프린팅 헤드; 프레임을 따라서 복수의 위치에 연결되는 복수의 분말 디스펜서로서, 프린팅 헤드가 가동 표면에 대해 상대적으로 이동될 때 가동 표면 상에 복수의 분말 층을 동시에 증착하도록 구성되는, 복수의 분말 디스펜서; 및 적어도 하나의 분말 층 상에 적어도 하나의 에너지 빔을 조사하기 위한 에너지 소오스를 포함하는, 프린팅 장치가 제공된다.
이제 본 발명은 수반된 도면을 참조하여 예로서 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 3D 프린팅 장치의 측면도이고,
도 2는 도 1의 3D 프린팅 장치의 다른 측면도이고,
도 3은 도 1의 3D 프린팅 장치의 상측 사시도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 3D 프린팅 장치의 측면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 3-차원 물체를 프린팅하기 위한 프린팅 장치(10)가 도시된다. 장치(10)는 가동 표면(12), 및 적어도 하나의 제어 암(18)에 축선회가능하게 부착되는 프레임(16)을 포함하는 프린팅 헤드(14)를 포함하며, 프레임(16)은 프레임(16)과 제어 암(18) 사이의 부착 지점에 배치되는 축(20) 둘레로 회전가능하다.
장치(10)는 프레임(16)을 따라서 복수의 위치에 연결되는 복수의 분말 디스펜서(22)를 더 포함하며, 이 분말 디스펜서(22)는, 프린팅 헤드(14)가 가동 표면(12)에 대해 상대적으로 이동될 때 가동 표면(12) 상에 다수의 분말 층(24)을 동시에 증착하도록 구성된다. 장치(10)는 적어도 하나의 분말 층(24) 상에 적어도 하나의 에너지 빔(28)을 조사하기 위한 에너지 소오스(26)를 더 포함한다.
좀 더 구체적으로, 전체 3 개의 분말 디스펜서(22)가 프레임(16)에 연결된다. 각각의 분말 디스펜서(22)는, 하나 이상의 공급 튜브(미도시)를 통해서 분말, 예를 들어 금속성 분말의 공급부에 연결되는 프레임(16)에 부착된 노즐을 포함한다.
분말 디스펜서(22)는 서로 균등하게 이격되도록 프레임(16) 상에 균일하게 위치된다. 프레임(16)은 한 쌍의 제어 암(18)에 축선회가능하게 부착되고, 프레임(16)이 사용시 축(20) 둘레로, 가동 표면(12)에 대해 상대적으로 각도를 가지고 틸팅되도록 구성된다.
사용 시, 3 개의 분말 디스펜서(22)는 가동 표면(12) 상에 3 개의 분말 층(24)을 동시에 증착하며, 각각의 층(24)은 실질적으로 동일한 두께를 갖는다. 분말 층(24)은, 복수 개의 층 중 각각의 개별 층의 형성이 바로 그 아래에 있는 개별 분말 층보다 약간 더 늦게 시작되도록 엇갈림 방식(staggered manner)으로 증착된다. 이로써 확실하게, 각 층(24)의 맨 위 표면이, 적어도 부분적으로, 층(24)의 동시적 도포 동안 위에 쌓인 분말 층(24)에 의해서 커버되지 않고 노출된다.
에너지 빔(28)은, 레이저 빔, 콜리메이트(collimated) 광 빔, 마이크로-플라즈마 용접 아크, 전자 빔 및 입자 빔 중 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는, 에너지 빔(28)은, 적어도 10 Watts/mm3의 에너지 밀도가 생성되게끔 적절하게 에너지 빔(28)의 초점을 맞추도록 구성되는 집중 수단(미도시)을 갖는다.
에너지 빔(28)이 레이저 빔인 경우에, 레이저 빔은, 0.5 m㎡보다 더 작은 스팟 사이즈로 가동 표면(12) 상으로 초점이 맞춰질 수 있다. 유사하게, 에너지 빔(28)이 콜리메이트 광 빔인 경우에, 광 빔은 1 m㎡보다 더 작은 스팟 사이즈로 가동 표면(12) 상에 초점이 맞춰질 수 있다.
또한, 에너지 빔(28)이 마이크로-플라즈마 용접 아크인 경우에, 마이크로-플라즈마 용접 아크는 1 m㎡ 보다 더 작은 스팟 사이즈로 가동 표면(12) 상에 초점이 맞춰질 수 있다. 이러한 마이크로-플라즈마 용접 아크는 약 0.2 m㎡의 스팟 사이즈로 약 20,000°C의 온도에서 플라즈마 가스의 초점이 맞춰진 빔을 일반적으로 생성할 수 있다.
사용 시, 프린팅 헤드(14)는 분말을 증착하면서 가동 표면(12)에 실질적으로 평행한 측방향으로 전후 이동된다. 예를 들어, 도 1에서 프린팅 헤드(14)는, 프레임(16)이 가동 표면(12)에 대해 시계방향 각도로 틸팅된 상태로 장치(10)의 좌측으로부터 우측으로 이동하는 것이 도시된다. 이러한 구성의 프린팅 헤드(14)가 처음 3개의 분말 층을 증착하는 것이 도시된다.
도 2에서, 처음 3 개의 분말 층은 증착되어 에너지 빔(28)에 의해서 완전히 가공되었고, 프레임(16)이 가동 표면(12)에 대해서 반시계 방향 각도로 틸팅된 상태로 프린팅 헤드(14)가 장치(10)의 우측으로부터 좌측으로 이동되는 것이 도시된다. 이러한 구성의 프린팅 헤드(14)가 처음 3 개의 층 위로 또 다른 3개의 분말 층을 증착하는 것이 도시된다.
분말 층(24)이 증착되는 동안, 에너지 빔(28)은 에너지 소오스(26)로부터 조사되고 각 분말 층(24)의 노출된 맨 위의 표면 상으로 지향되어 분말을 선택적으로 용융시키거나 또는 소결시키며, 이로써 3D 물체의 부분을 형성한다. 이러한 프로세스는, 완료될 때까지 추가적인 층을 부가하여 3D 물체를 점진적으로 빌드 업하는 추가적인 패스(pass)를 위해서 반복된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 에너지 소오스(26)는, 복수의 분말 층(24)이 동시에 증착되는 동안, 에너지 빔(28)이 순차적인 방식으로 복수 개의 층(24)의 각각의 맨 위 층의 노출된 표면의 각각의 위에 선택적으로 지향되게끔 에너지 소오스(26)의 배향이 조절되는 래스터(raster) 방식으로 동작되게끔 구성될 수 있다.
예를 들어, 에너지 빔(28)은 초기에 복수 개 중 맨 아래 분말 층(24)의 맨 위 표면 상에 지향될 수 있다. 이 표면이 에너지 빔(28)에 의해서 충분하게 가공된 후에, 에너지 소오스(26)의 배향은 다음으로, 제2 에너지 빔(28)이 복수 개 중 분말 층(28)의 다음 위에 있는 층의 맨 위 표면 상에 지향되도록 조절된다. 이것은, 다음 패스가 실행되기 전에, 복수 개인 모든 증착된 분말 층이 필요에 따라 충분하게 가공될 때까지 계속된다.
에너지 소오스(26)가 래스터 방식으로 동작되는 실시형태에서, 에너지 빔(28)은, 에너지 소오스(26)가 복수 개의 층 중 다음 층에 대해서 재배향되기 전에, 분말이 가열되거나 에너지를 받아 용융되거나 소결되기에 충분한 시간 동안, 필요에 따라, 각 분말 층의 각 노출된 표면에 조사될 수 있다.
대안적으로, 에너지 빔(28)은, 에너지 소오스(26)가 다음 층에 대해서 재배향되기 전에, 분말이 단지 부분적으로 가열되거나 에너지를 공급받도록 더 짧은 시간 동안 분말의 각 노출된 표면에 조사될 수 있다. 이 방법으로, 에너지 소오스(26)는, 추가적인 에너지가 각각의 되풀이(iteration) 중에 각 노출된 표면에 조사되도록 빠른 방식으로 복수의 층(24)을 통해서 반복적으로 사이클(cylcle)된다. 이로써, 가공되고 있는 각 표면의 온도 또는 에너지는, 분말이 용융되거나 소결되는 온도에 도달될 때까지, 점진적으로 상승된다.
도 1 내지 도 3에 도시되는 실시형태에서, 3 개의 분말 디스펜서(22)는 동시에 가동 표면(12) 상에 3 개의 분말 층(24)을 증착하기 위해 프린팅 헤드(14)에 부착된다. 이로써 프린팅 생산성 레벨이 종래기술의 프린팅 장치 및 방법론과 비교하여 3배 증가된다.
그러나, 대안적인 개수의 분말 디스펜서가 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다(예를 들어, 10 개의 분말 디스펜서). 더욱 일반적으로, N 개의 분말 디스펜서(여기서 N ≥ 2)가 N 개의 분말 층을 동시에 증착하기 위해서 사용될 수 있어, 프린팅 생산성이 N 배 증가될 수 있다.
도 4를 참조하면, 프린팅 장치(10)의 또 다른 대안적인 실시형태가 도시된다. 장치(10)는, 프린팅 장치(10)가 에너지 빔 분할 수단(30)을 더 포함하는 것을 제외하고 도 1 내지 도 3에 도시된 것과 모든 중요한 점에서 동일하다.
에너지 빔 분할 수단(30)은 에너지 소오스(26)로부터 조사되는 단일의 에너지 빔(28)을 복수의 별개로 지향되는 에너지 빔으로 분할하도록 구성된다. 에너지 빔 분할 수단(30)은, 사용 시, 에너지 빔 분할 수단(30)으로부터 조사되는 각각의 지향되는 에너지 빔이 증착되고 있는 상이한 분말 층(24) 상에 동시에 지향되는 점을 제공하는 제어 메커니즘(미도시)과 연동되어 동작된다.
에너지 빔 분할 수단(30)은 빔 분리기(beam splitter)일 수 있다.
에너지 빔 분할 수단(30)은 진동하는 자기장일 수 있다.
당업자에게 명백할 수 있는 다른 수정예 및 변형예는 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
본 발명에 대한 위 설명에서, 표현 언어 또는 필수적인 함축 때문에 문맥상 다르게 요구되는 경우를 제외하고, 단어 '포함하다' 또는 이의 변형형태는 포함적인 의미로 사용된다. 즉, 본 발명의 다양한 실시형태에서 언급되는 특징부의 존재를 명시하나 또 다른 특징부의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

Claims (14)

  1. 3차원 물체를 프린팅하기 위한 프린팅 장치로서,
    가동 표면;
    적어도 하나의 제어 암에 축선회가능하게 부착되는 프레임을 포함하는 프린팅 헤드로서, 상기 프레임은 상기 프레임과 상기 제어 암 사이의 부착 지점에 배치되는 축 둘레로 회전가능한, 상기 프린팅 헤드;
    상기 프레임을 따라서 복수의 위치에 연결되는 복수의 분말 디스펜서로서, 상기 프린팅 헤드가 상기 가동 표면에 대해 상대적으로 이동될 때 상기 가동 표면 상에 복수의 분말 층을 동시에 증착(deposit)하도록 구성되는, 상기 복수의 분말 디스펜서; 및
    적어도 하나의 분말 층 상에 적어도 하나의 에너지 빔을 조사(照射)하기 위한 에너지 소오스를 포함하는,
    프린팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 소오스는 두 개 이상의 분말 층 상에 동시에 에너지 빔을 조사하는, 프린팅 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 에너지 소오스는 차례차례 각각의 분말 층 상에 에너지 빔을 조사하는,
    프린팅 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에너지 빔은 상기 복수 개의 층 중 다음 층에 조사되기 전에, 분말이 가열되거나 에너지를 받아 용융되거나 소결되기에 충분한 시간 동안 각 분말 층에 조사되는, 프린팅 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 에너지 빔은 상기 복수 개의 층 중 다음 층에 조사되기 전에, 상기 분말이 단지 부분적으로 가열되거나 에너지를 받기에 충분한 시간 동안 각 분말 층에 조사되어, 각 표면의 온도 또는 에너지가 분말이 용융되거나 소결되는 시점에 도달될 때까지 점진적으로 증가되는, 프린팅 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프린팅 장치는 에너지 빔을 두 개 이상의 개별 에너지 빔으로 분할하여 지향시키기 위한 에너지 빔 분할 수단을 포함하는, 프린팅 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프린팅 장치는 증착되고 있는 상이한 분말 층 상에 각각 별개의 에너지 빔을 지향시키도록 구성되는 제어 메커니즘을 포함하는, 프린팅 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 에너지 빔 분할 수단은 빔 분리기(beam splitter)인, 프린팅 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임은 상기 프린팅 헤드가 일 방향으로 이동될 때 일 각도로 틸팅되도록 구성되고, 상기 프레임은 상기 프린팅 헤드가 반대 방향으로 이동될 때 실질적으로 반대되는 각도로 틸팅되도록 구성되는, 프린팅 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    각각의 분말 디스펜서로부터 각각의 대응되는 분말 베드(powder bed)까지의 거리가 실질적으로 동일하게 되도록, 상기 프레임이 틸팅되는 상기 각도가 결정되는, 프린팅 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 분말 디스펜서는 서로에 대해서 균일하게 이격되는, 프린팅 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 분말 층은, 상기 복수 개의 층 중 각 층의 형성이 바로 아래에 있는 분말 층의 형성 후에 시작되게끔 하는 엇갈림(staggered) 방식으로 증착되는, 프린팅 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 에너지 빔은 레이저 빔, 콜리메이트 광 빔, 마이크로-플라즈마 용접 아크, 전자 빔 및 입자 빔으로 구성된 군으로부터 선택되는, 프린팅 장치.
  14. 3차원 물체를 프린팅하기 위한 프린팅 장치로서,
    가동 표면;
    프레임을 포함하는 프린팅 헤드로서, 상기 가동 표면 및 상기 프레임이 서로에 대해서 회전가능한, 상기 프린팅 헤드;
    상기 프레임을 따라서 복수의 위치에 연결되는 복수의 분말 디스펜서로서, 상기 프린팅 헤드가 상기 가동 표면에 대해 상대적으로 이동될 때 상기 가동 표면 상에 복수의 분말 층을 동시에 증착(deposit)하도록 구성되는, 상기 복수의 분말 디스펜서; 및
    적어도 하나의 분말 층 상에 적어도 하나의 에너지 빔을 조사하기 위한 에너지 소오스를 포함하는,
    프린팅 장치.
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