KR20200042483A - 3d 프린터 - Google Patents

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KR20200042483A
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스티븐 카밀레리
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에퓨젼테크 피티와이 엘티디
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Abstract

본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로, 이는:
Figure pct00011
금속성 분말 제1 프린트 재료를 함유하는 제1 공급기;
Figure pct00012
금속성 분말 제2 프린트 재료를 함유하는 제2 공급기;
Figure pct00013
프린트 재료들을 분사하는 전달 수단;
Figure pct00014
기판을 유지하는 홀더; 및
Figure pct00015
컴퓨터화된 제어기를 포함하며, 컴퓨터화된 제어기는 프린트 재료들이 전달 수단으로부터 분사될 때, 프린트 재료들이 기판 상에 3D 물품을 형성하도록: o 전달 수단과 기판의 상대적 배치; 및 o 각자의 프린트 재료를 각각 전달 수단에 공급하는 제1 공급기 및 제2 공급기를 조정하고, 서로 다른 프린트 재료들 또는 서로 다른 프린트 재료들의 비율들이 3D 물품의 서로 다른 부분들에 사용되기 때문에 물품의 서로 다른 부분들은 서로 다른 특성들을 갖는다.

Description

3D 프린터
본 발명은 3D 프린터에 관한 것이다.
금속성 재료들로 물품들을 만들기 위한 다양한 방법들이 있다. 주조에 의한 생산은 순수한 금속들 및 합금으로 작업할 때 일반적인 기술이다. 이는 금속성 재료를 용융시킨 다음 이를 몰드에 적용하는 것을 수반한다. 용융된 재료는 응고되어 적절한 형상의 물품을 형성한다. 용융된 재료는 균일하기 때문에, 보통은 물품의 다양한 부분들의 강도를 조절하기 위한 유일한 방법은 몰드의 형상 및 구성에 의한 것이다. 다시 말해, 몰드는 완성된 물품의 일부 벽들을 다른 벽들보다 더 두껍게 하도록 성형된다.
금속성 분말들로부터 물품들을 형성하는 것도 또한 공지되어 있다. 보다 구체적으로, 이들은 기판 상에 분사되는 균일하게 혼합된 분말들의 조합으로 생산된다. 그러나 분사는 물품 전반에 걸쳐 균일하며, 따라서 또한, 서로 다른 부분들의 강도를 조절하는 것은 물품의 벽들의 두께를 조절함으로써 달성된다.
성형 후 열처리에 의해 분말 분사된 물품의 특성들을 조정하는 것도 또한 공지되어 있다. 그러나 이것은 물품의 전체 부피 또는 단지 그 외피에만 영향을 미치는 경향이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예의 목적은 벽 두께를 조정할 필요 없이 서로 다른 부분들이 서로 다른 특성들을 갖는 물품을 생산하는 데 적어도 어느 정도 도움이 되는 것이다. 이는 바람직한 실시예에 적용되지만, 보다 광범위하게 표현된 임의의 청구항들의 범위에 대한 제한으로서 간주되지 않아야 한다. 이와 관련하여, 본 발명의 목적 자체는 단순히 유용한 선택을 대중에게 제공하는 것이다.
특징들의 조합과 관련하여 이 문서에서 사용된다면 그리고 그러한 경우에 "포함하는"이라는 용어는 다른 특징들이 있는 옵션을 배제하기 위해 택하게 되지는 않아야 한다. 그러한 특징들은 존재할 수도 있고 또는 존재하지 않을 수도 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 3D 프린터가 제공되며, 이는:
Figure pct00001
금속성 분말 제1 프린트 재료를 함유하는 제1 공급기;
Figure pct00002
금속성 분말 제2 프린트 재료를 함유하는 제2 공급기;
Figure pct00003
프린트 재료들을 분사하는 전달 수단(예컨대, 노즐);
Figure pct00004
기판을 유지하는 홀더; 및
Figure pct00005
컴퓨터화된 제어기를 포함하며, 컴퓨터화된 제어기는 프린트 재료들이 전달 수단으로부터 분사될 때, 프린트 재료들이 기판 상에 3D 물품을 형성하도록:
o 전달 수단과 기판의 (예컨대, 간격 및/또는 각도 면에서) 상대적 배치; 및
o 각자의 프린트 재료를 각각 전달 수단에 공급하는 제1 공급기 및 제2 공급기를 조정하고;
서로 다른 프린트 재료들 또는 서로 다른 프린트 재료들의 비율들이 3D 물품의 서로 다른 부분들에 사용되기 때문에 물품의 서로 다른 부분들은 서로 다른 특성들(예컨대, 강도, 입자, 전기 전도성, 열 전도성, 내식성, 강성, 내마모성, 균열 편향 또는 에너지 흡수 특성들)을 갖는다.
선택적으로, 3D 프린터는 다음과 같다:
o 프린트 재료들은 각각 가스(예컨대, 공기) 스트림으로 수송되고;
o 제어기는 가스 스트림 내의 각각의 프린트 재료의 양을 조정 가능하게 제어하며;
o 전달 수단은 노즐을 포함하고; 그리고
o 제어기는 CAM 파일을 참조하여, 3D 물품이 프린트 재료들로 구축될 때 홀더 및/또는 노즐의 상대적 포지션들 및 분사된 각각의 프린트 재료의 양을 결정한다.
선택적으로, 제어기는 개념상, 형성 전에 물품을 3D 좌표들로 분할하고, 물품이 구축될 때 물품의 각각의 대응하는 실제 좌표로 전달되는 프린트 재료들의 양을 제어한다.
선택적으로, 제어기는 물품의 서로 다른 부분들이 서로 다른 강도, 입자, 전기 전도성, 열 전도성, 내식성, 강성, 내마모성, 균열 편향 또는 에너지 흡수 특성들을 갖도록, 각각의 공급기로부터 공급되는 프린트 재료의 양을 조절한다.
선택적으로, 제1 프린트 재료와 제2 프린트 재료는 서로 다르다.
선택적으로, 전달 수단은 프린트 재료들을 위한 공통 배출구(예컨대, 노즐)를 갖는다.
선택적으로, 제어기는 제1 프린트 재료 및 제2 프린트 재료를 전달 수단으로부터 방출되기 전에 조절된 비율들로 병합시킨다.
선택적으로, 전달 수단은 제1 프린트 재료에 대한 배출구(예컨대, 제1 노즐) 및 제2 프린트 재료에 대한 배출구(예컨대, 제2 노즐)를 갖는다.
선택적으로, 전달 수단은 제1 공급기로부터의 제1 프린트 재료를 제2 공급기로부터의 제2 프린트 재료와는 다른 온도 및/또는 속도로 전달한다.
선택적으로, 어느 한 공급기로부터의 프린트 재료의 속도 및/또는 온도는 제어기에 의해 조절된다.
선택적으로, 3D 프린터는 하나 이상의 각각의 추가 프린트 재료들에 대한 하나 이상의 추가 공급기들을 포함하며, 상기 공급기들은 더 넓은 범위의 프린트 재료들 또는 이들의 혼합물들을 제공하기 위해 상기 제1 공급기 및 상기 제2 공급기와 실질적으로 동일한 방식으로 수행한다.
선택적으로, 프린트 재료들 중 하나 이상은 분말 또는 다른 형태의 비금속성 재료(예컨대, 세라믹 및/또는 중합체)와 조합된 금속성 분말을 포함한다.
본 발명의 추가 양상에 따르면, 이산 합금 조성물들로 구성된 2개 이상의 복잡한 연동 영역들로 이루어진 3차원 금속 물체들을, 합금 조성물이 조성물마다 점진적으로 변화하는 2개 이상의 1차 영역들 사이의 중간 또는 전이 영역들의 옵션으로 제작하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은:
a) 금속성 분말들을 함유할 수 있는 2개 이상의 호퍼(hopper)들;
b) 공지된 질량 유량으로 분말들을 기류로 수송할 수 있는 분말 공급기들 및 튜브들의 시스템;
c) 분말들의 질량 유량을 디지털로 제어하는 방법;
d) 분말들을 수용하는 (예컨대, 당해 기술분야에 공지된 타입의) 저온 분사 노즐;
e) 저온 분사 증착을 받는 타깃 또는 기판;
f) 3d 공간에서 복잡한 툴 경로를 추적하기 위해 공간에서 노즐 및/또는 타깃을 조작하는 방법을 구현하는 모션 시스템;
g) 모션 시스템을 디지털로 제어하는 방법;
h) 기판 상에 증착된 금속 분말의 조성 및 위치를 제어하는 방법으로 이루어지며, 이 방법은:
i. CAM 파일을 사소하지 않은 툴 경로들의 시퀀스로 변환할 수 있는 한 세트의 알고리즘들 ― 이는 저온 분사 노즐에 의해 타깃 상에 증착된 분사된 금속 분말로부터 부분이 생성되게 할 것임 ―;　
ⅱ. 툴 경로를 해석하고 이를 자신이 생성할 CAM 파일 물체의 영역에 연속적으로 관련시킬 수 있는 보조 세트의 알고리즘들;
ⅲ. 툴 경로의 각각의 엘리먼트에 필요한 합금 조성을 결정하기 위해 CAM 파일을 조사하는 보조 세트의 알고리즘들; 및
ⅳ. 합금 조성 요건을 구성 호퍼들로부터의 분말 공급들에 대한 한 세트의 유량 요구로 변환하는 한 세트의 알고리즘들로 이루어진다.
본 발명의 일부 바람직한 실시예들은 이제 첨부 도면들을 참조하여 예로서 기술될 것이다:
도 1은 3D 프린터의 등각도이다.
도 2는 기판 상에 3D 프린팅된 물품의 개략적 측면도이다.
도 3은 프린터에 의해 형성된 기어 휠의 개략적인 예시이다.
도 1을 참조하면, 3D 프린터는 이동 가능한 로봇 암(2)을 통합하는 그립(1)을 포함한다. 프린터는 또한 저온 분사 헤드(3)를 갖는다. 그립(1)은 기판을 유지하고 이를 분사 헤드(3)로부터 분사된 (금속성 분말 형태의) 프린트 재료에 노출시켜 기판 상에 3D 물품을 구축한다. 기판(4)은 프린트 재료의 증분 층들(6)(a-e)로 구축될 때 3D 물품(5)과 함께 도 2에 도시된다. 로봇 암(2)은 물품이 구축될 때 프린트 재료가 올바른 각도 및 간격으로 적용되도록 포지션 및 배향을 조정한다.
(로봇 암을 통한) 그립(1), 기판(4) 및 분사 헤드(3)의 이동은 컴퓨터화된 제어기에 의해 제어된다. 제어기는 생성될 물품에 대한 기하학적 구조 파라미터들(예컨대, 3D 좌표들)로 프로그래밍되며 분사 헤드로부터 프린트 재료가 분출되어 최적의 결과를 위해 올바른 각도, 속도 및 온도로 기판 또는 부분적으로 형성된 물품과 접촉하게 한다.
도 1을 참조하면, 물품의 서로 다른 부분들의 강도를 조절하기 위해, 제어기는 분사 헤드(3)가 물품의 서로 다른 부분들에 대해 서로 다른 특성들을 갖는 분말 금속성 프린트 재료를 분사하게 한다. 보다 구체적으로, 서로 다른 양들 또는 농도들의 분사 재료가 제어기에 의해 서로 다른 3D 좌표들로 지시된다. 결과적으로, 완성된 물품의 서로 다른 부분들은 서로 다른 특성을 갖는다. 이것은 금속성 분말 간에 변경함으로써 또는 분말들의 혼합을 조정함으로써 달성될 수 있다. 이를 가능하게 하기 위해, 제1 분말 공급기(7) 및 제2 전력 공급기(8)가 존재한다. 각각의 공급기로부터의 금속성 분말은 분사 헤드(3)를 통합하는 분사 전달 수단으로 공급된다. 분사 헤드는 노즐 형태일 수 있다.
한 공급기로부터의 분말은 다른 공급기의 분말과 비교하여 경화/설정될 때 더 강하고 더 무겁다. 따라서 물품에서 너무 강할 것이 요구되지 않는 부분들에는 더 가벼운 분말이 사용될 수 있고, 더 강할 것이 요구되는 부분들에는 더 무거운 분말이 사용될 수 있다. 두 극단들 사이의 강도 특성들을 얻기 위해, 제어기는 분말들의 혼합에 대한 비율들을 결정한다. 예로서, 도 3은 프린터에 의해 프린팅된 기어 휠을 예시한다. 스포크(spoke)들(9) 및 주변 기어들(10)은 서로 다른 분사 재료들 또는 분사 재료들의 서로 다른 혼합들로 형성되어 이들에 원하는 특성들을 부여한다.
유사한 방식으로, 프린트 재료들은 예를 들어, 알루미늄 또는 구리 함유 분말들 등과 같은 전기 또는 열 전도성 분사 재료를 다소 사용함으로써, 물품의 서로 다른 부분들에 서로 다른 열 또는 전기 전도성을 부여하도록 선택될 수 있다. 추가 예로서, 부식성 영향들을 받기 더 쉬운 물품의 부분들은 더 많은 비율의 내부식성 재료들 또는 실란트들을 갖는 분말들로부터 형성될 수 있다. 특정 강성, 내마모성, 균열 편향 또는 에너지 흡수 특성들을 요구하는 물품의 부분들에 대해서도 마찬가지이다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 공급기들(7, 8) 중 하나는 알루미늄과 같은 금속성 분말 자체를 가질 수 있고, 다른 다양한 공급기들은 올바른 비율로 추가될 때 합금 6061 또는 합금 7075와 같은 합금들을 제공하도록 알루미늄과 조합할 첨가제 분말들을 가질 수 있다. 합금 6061의 경우, 첨가제 분말은 크롬, 구리, 철, 마그네슘, 망간, 실리콘, 티타늄 및 아연을 포함할 수 있다. 첨가제 분말들은 액상 소결과 같은 다양한 열처리 및 소결 프로세스들을 거쳐 원하는 최종 특성들을 제공할 수 있다. 이러한 프로세스들은 프린팅 이전 또는 이후에 적용될 수 있고, 조성의 국부적 변화들, 예컨대 고 융점 온도 상태로 캡슐화된 저 융점 온도 상태를 이용할 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 제1 공급기(7)의 프린트 재료는 500℃의 온도 및 700m/s의 속도에서 저온 분사로서 적용된 Valimet 6061 알루미늄이다. 제2 공급기(8)에서 프린트 재료를 위한 특히 바람직한 재료는 500℃의 온도 및 700m/s의 속도에서 저온 분사로서 적용되는 MSSA CP 구리이다.
추가 예들을 제공하기 위해, 제1 공급기(7) 내의 분말은 MSSA CP 알루미늄일 수 있고 제2 공급기 내의 분말은 MSSA CP 아연일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들에서, 제어기는 분사된 분말들 또는 이들의 혼합물의 방출을 제어하여 프린팅된 물품에 원하는 입자 배향을 제공한다.
본 발명의 일부 바람직한 형태들이 예로서 설명되었지만 다음의 청구항들을 벗어나지 않고 수정들 및 개선들이 이루어질 수 있다고 이해되어야 한다.

Claims (13)

  1. 3D 프린터로서,
    Figure pct00006
    금속성 분말 제1 프린트 재료를 함유하는 제1 공급기;
    Figure pct00007
    금속성 분말 제2 프린트 재료를 함유하는 제2 공급기;
    Figure pct00008
    프린트 재료들을 분사하는 전달 수단;
    Figure pct00009
    기판을 유지하는 홀더; 및
    Figure pct00010
    컴퓨터화된 제어기를 포함하며, 상기 컴퓨터화된 제어기는 상기 프린트 재료들이 상기 전달 수단으로부터 분사될 때, 상기 프린트 재료들이 상기 기판 상에 3D 물품을 형성하도록:
    o 상기 전달 수단과 기판의 상대적 배치; 및
    o 각자의 프린트 재료를 각각 상기 전달 수단에 공급하는 상기 제1 공급기 및 상기 제2 공급기를 조정하고;
    상기 서로 다른 프린트 재료들 또는 상기 서로 다른 프린트 재료들의 비율들이 상기 3D 물품의 서로 다른 부분들에 사용되기 때문에 상기 물품의 서로 다른 부분들은 서로 다른 특성들을 갖는,
    3D 프린터.
  2. 제1 항에 있어서,
    o 상기 프린트 재료들은 각각 가스 스트림으로 수송되고;
    o 상기 제어기는 상기 가스 스트림 내의 각각의 프린트 재료의 양을 조정 가능하게 제어하며;
    o 상기 전달 수단은 노즐을 포함하고; 그리고
    o 상기 제어기는 CAM 파일을 참조하여, 상기 3D 물품이 상기 프린트 재료들로 구축될 때 상기 홀더 및/또는 노즐의 상대적 포지션들 및 분사된 각각의 프린트 재료의 양을 결정하는,
    3D 프린터.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제어기는 개념상, 형성 전에 상기 물품을 3D 좌표들로 분할하고, 상기 물품이 구축될 때 상기 물품의 각각의 대응하는 실제 좌표로 전달되는 프린트 재료들의 양을 제어하는,
    3D 프린터.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 물품의 서로 다른 부분들이 서로 다른 강도, 입자, 전기 전도성, 열 전도성, 내식성, 강성, 내마모성, 균열 편향 또는 에너지 흡수 특성들을 갖도록, 각각의 공급기로부터 공급되는 프린트 재료의 양을 조절하는,
    3D 프린터.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 프린트 재료와 제2 프린트 재료는 서로 다른,
    3D 프린터.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전달 수단은 상기 프린트 재료들을 위한 공통 배출구(예컨대, 노즐)를 갖는,
    3D 프린터.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제1 프린트 재료 및 상기 제2 프린트 재료를 상기 전달 수단으로부터 방출되기 전에 조절된 비율들로 병합시키는,
    3D 프린터.
  8. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전달 수단은 상기 제1 프린트 재료에 대한 배출구(예컨대, 제1 노즐) 및 상기 제2 프린트 재료에 대한 배출구(예컨대, 제2 노즐)를 갖는,
    3D 프린터.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전달 수단은 상기 제1 공급기로부터의 제1 프린트 재료를 상기 제2 공급기로부터의 제2 프린트 재료와는 다른 온도 및/또는 속도로 전달하는,
    3D 프린터.
  10. 제9 항에 있어서,
    어느 한 공급기로부터의 프린트 재료의 속도 및/또는 온도는 상기 제어기에 의해 조절되는,
    3D 프린터.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 각각의 추가 프린트 재료들에 대한 하나 이상의 추가 공급기들을 포함하며, 상기 공급기들은 더 넓은 범위의 프린트 재료들 또는 이들의 혼합물들을 제공하기 위해 상기 제1 공급기 및 상기 제2 공급기와 실질적으로 동일한 방식으로 수행하는,
    3D 프린터.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프린트 재료들 중 하나 이상은 분말 또는 다른 형태의 비금속성 재료(예컨대, 세라믹 및/또는 중합체)와 조합된 금속성 분말을 포함하는,
    3D 프린터.
  13. 3D 프린터에 의해 프린팅된 3D 물품으로서,
    상기 프린터는 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 따라 형성되는,
    3D 물품.
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