KR20200055142A - 적층 제조를 위한 선택적 분말 전달 - Google Patents

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KR20200055142A
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라아난 지하비
호우 티. 응
나그 비. 파티반들라
에릭 응
아제이 엠. 조쉬
카쉬프 마크수드
폴 제이. 스테파스
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

적층 제조를 위한 분배 시스템은, 물체를 형성하기 위한 분말을 수용하는 분말 소스, 및 물체가 형성될 플래튼의 최상부 표면 위에서 분말 소스의 기부에 위치되는 노즐들의 어레이를 포함한다. 분말은, 분말 소스로부터 노즐들을 통해 최상부 표면으로 유동한다. 각각의 노즐에서의 개개의 분말 휠이 분말의 유량을 제어한다. 각각의 휠은, 휠의 표면 상의 다수의 트로프들을 갖는다. 모터가 휠을 회전시킬 때, 트로프들은 노즐을 통해 분말을 운반한다. 휠의 회전 속도가 유량을 제어한다. 물체의 중실 부분들의 경우, 휠이 회전하여 분말이 최상부 표면 상에 퇴적될 수 있게 한다. 물체의 빈 부분들의 경우, 휠이 정지상태로 유지되어 분말이 표면으로 유동하는 것을 막는다.

Description

적층 제조를 위한 선택적 분말 전달
본 명세서는, 3D 프린팅으로 또한 알려져 있는 적층 제조(additive manufacturing)에 관한 것이다.
입체 임의형상 제작 또는 3D 프린팅으로 또한 알려져 있는 적층 제조(AM)는 원재료(예컨대, 분말들, 액체들, 현탁액들, 또는 용융된 고체들)를 2차원 층들로 연속적으로 분배하여 3차원 물체들이 구축되는 제조 프로세스를 지칭한다. 대조적으로, 종래의 기계가공 기법들은, 원자재(예컨대, 목재, 플라스틱, 또는 금속의 덩어리)로부터 물체들이 절단되는 절삭 프로세스들을 수반한다.
다양한 적층 프로세스들이 적층 제조에서 사용될 수 있다. 일부 방법들, 예컨대, 선택적 레이저 용융(SLM) 또는 직접 금속 레이저 소결(DMLS), 선택적 레이저 소결(SLS), 융착 적층 모델링(FDM)은 층들을 생성하기 위해 물질을 용융 또는 연화시키는 한편, 다른 방법들, 예컨대 스테레오리소그래피(SLA)는 상이한 기술들을 사용하여 액체 물질들을 경화시킨다. 이러한 프로세스들은, 완성된 물체들을 생성하기 위해 층들이 형성되는 방식, 및 프로세스들에서의 사용에 호환가능한 물질들이 상이할 수 있다.
AM 시스템들은 전형적으로, 분말화된 물질을 소결 또는 용융시키기 위해 에너지 소스를 사용한다. 일단 제1 층 상의 모든 선택된 위치들이 소결 또는 용융되고 이어서 재-응고되면, 완료된 층의 최상부에 새로운 분말화된 물질 층이 퇴적되고, 원하는 물체가 생성될 때까지 층별로 프로세스가 반복된다.
분배 시스템은, 적층 제조 프로세스에서 분말을 분배한다. 분배 시스템은, 물체를 형성하기 위한 분말을 수용하는 분말 소스를 포함한다. 분배 시스템은, 분말 소스의 기부에 위치되는 노즐들의 어레이를 더 포함한다. 노즐들은 하나 이상의 열로 배열되며, 이는 조합되어, 물체가 형성될 플래튼의 최상부 표면의 폭에 걸쳐 있다. 분말은, 분말 소스로부터 노즐들을 통해 최상부 표면으로 유동한다. 각각의 노즐에서의 개개의 분말 휠이 노즐을 통한 분말의 유량을 제어한다. 각각의 휠은, 휠의 표면 상의 다수의 트로프들(troughs)을 갖는다. 모터가 휠을 회전시킬 때, 트로프들은 노즐을 통해 분말을 운반한다. 휠의 회전 속도가 유량을 제어한다. 물체의 중실(solid) 부분들의 경우, 휠이 회전하여 분말이 최상부 표면 상에 퇴적될 수 있게 한다. 물체의 빈 부분들의 경우, 휠이 중단되어 분말이 표면으로 유동하는 것을 막는다.
일 양상에서, 분배 시스템은, 분말 소스, 노즐들의 어레이, 및 분말 휠들의 어레이를 포함한다. 분배 시스템은, 분말로부터 플래튼 상에 물체를 형성하도록 구성되는 적층 제조 장치의 구성요소이다. 분말 소스는, 플래튼의 최상부 표면 위에 분배될 분말을 보유하도록 구성된다. 노즐들의 어레이는 분말 소스에 결합된다. 노즐들의 어레이는, 최상부 표면의 폭의 적어도 일부분에 연속적으로 걸쳐 있는 배열로 위치된다. 각각의 노즐은, 분말이 분말 소스로부터 플래튼의 최상부 표면으로 유동하기 위한 개개의 경로를 제공한다. 각각의 분말 휠은 노즐의 개개의 경로에 위치되고, 개개의 모터에 연결된다. 각각의 분말 휠은 휠의 표면 상의 다수의 트로프들을 갖고, 트로프들은, 분말 휠이 모터에 의해 회전될 때 개개의 경로를 통해 분말 소스로부터 최상부 표면으로 분말을 전달하도록 구성된다. 물체의 중실 부분들의 경우, 분말 휠이 회전하여 분말이 분말 소스로부터 최상부 표면으로 유동할 수 있게 한다. 물체의 빈 부분들의 경우, 분말 휠이 정지상태로 유지되어 분말이 분말 소스로부터 최상부 표면으로 유동하는 것을 막는다.
개시된 기법들은 다음의 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 분말 소스는, 분말 소스의 폭을 따른 패들 휠 또는 교반기를 포함하는 호퍼일 수 있다. 패들 휠 또는 교반기는, 호퍼 내의 분말을 노즐들에 걸쳐 균일하게 배포하도록 구성될 수 있다. 패들 휠 또는 교반기는 조정가능한 회전 속도를 가질 수 있다. 패들 휠 또는 교반기의 회전 속도 또는 기하학적 형상은, 노즐들에 걸친 분말의 배포의 균일성을 제어할 수 있다. 분말 소스는, 분말 소스 내의 분말 수준을 검출하고 분말 수준을 디스플레이 디바이스 또는 제어 디바이스에 제공하도록 구성되는 로드 셀을 포함할 수 있다.
노즐들은, 단일 열로 또는 다수의 엇갈린 열들로 배열될 수 있다. 노즐들은, 분말 소스의 하부 부분, 예컨대, 기부에 위치될 수 있다. 노즐들의 어레이는, 플래튼의 최상부 표면의 길이를 따라 정렬되는 노즐들의 다수의 어레이들 중 하나의 어레이일 수 있다.
분배 시스템은, 노즐들의 어레이의 피치를 조정하도록 구성되는 피치 조정기를 포함할 수 있다. 피치를 조정하는 것은, 물체의 공간 해상도를 변경할 수 있다. 분배 시스템은, 노즐들의 개구들과 최상부 표면 사이의 거리를 조정하도록 구성되는 높이 조정기를 포함할 수 있다. 피치를 조정하는 것과 마찬가지로, 거리를 조정하는 것은 물체의 공간 해상도를 변경할 수 있다.
각각의 분말 휠은, 개개의 노즐의 유입구와 유출구 사이에 위치될 수 있다. 각각의 분말 전달 휠 상의 각각의 트로프는, 휠의 축과 실질적으로 평행할 수 있다. 노즐들의 개구들은, 다양한 구현들에서 다양한 기하학적 형상들을 가질 수 있다. 기하학적 형상들은, 예컨대, 원형들, 직사각형들, 삼각형들, 또는 세장형 슬롯들을 포함할 수 있다.
분말 휠을 구동하는 각각의 모터는, 개개의 스텝퍼 구동기 회로에 의해 제어되는 스텝퍼 모터일 수 있다. 각각의 스텝퍼 모터는 가변 회전 속도를 가질 수 있다. 회전 속도를 조정하는 것은 분말의 유량을 변경한다. 예컨대, 회전 속도가 영(zero)일 때, 유량은 영이다. 일반적으로, 더 높은 회전 속도는 더 높은 유량에 대응한다. 분말 휠들 각각은, 스톨(stall) 조건을 검출하도록 구성되는 회전속도계에 결합될 수 있다.
분배 시스템은, 노즐들 및 분말 소스의 기부에 장착되는 냉각판을 포함할 수 있다. 냉각판은, 노즐들에 대해 일정한 동작 온도를 유지하도록 구성된다. 분배 시스템은, 블레이드를 사용하여 플래튼의 최상부 표면 상의 분말을 평탄화하고 롤러를 사용하여 최상부 표면 상의 분말을 압착시키도록 구성되는 롤러 및 블레이드 조립체를 포함할 수 있다. 분배 시스템은 인클로저를 포함할 수 있다. 인클로저는, 분말 소스, 노즐들, 및 분말 휠들을 수납한다. 인클로저는, 순환 불활성 가스, 예컨대, 질소, 헬륨, 또는 아르곤으로 채워질 수 있다. 불활성 가스는, 산소를 임계 수준 미만으로 배제시킬 수 있다.
전술한 것의 이점들은 다음의 것을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 종래의 분말 분배 시스템과 비교하여, 개시된 기법들은 더 효율적이다. 종래의 건식 분말 리코팅은, 금속 3D 프린팅 시스템들에서 분말 베드 상에 균일한 구역을 형성하기 위한 공간 선택적 분배 및 층상화를 제공하지 않는다. 종래의 3D 프린터들에서, 분말들의 풀은 살포 전에 블레이드 리코터 또는 롤러 전방에 제공된다. 종래의 리코팅 설정의 단점은, 리코팅 프로세스당 분말의 사용이 과도하다는 것이다. 과도한 사용은, 후속하는 회수된 분말이 비산(spatter), 금속 응축, 소결 현상, 산소 오염, 결정학적 특성들의 잠재적 변화들 등에 노출되는 것을 겪게 할 가능성을 증가시킨다. 이러한 효과들은, 분말의 유동성, 융착 거동, 및 최종 부품 품질에 직접적인 영향을 미친다.
개시된 선택적 분말 분배 접근법은, 살포 및/또는 압착을 이용하여, 요구되는 바에 따른 분말의 분배를 허용한다. 개시된 "요구에 따른 분배" 접근법은, 분말 베드 상에 원하는 구축 구역을 형성하기 위해 필요한 경우에만 분말을 분배한다.
따라서, 물체를 형성하는 효율이 증가하고 적층 제조의 전체 처리량이 증가될 수 있다. 개시된 분배 시스템은 여러 경로들을 포함할 수 있고, 이 경로들을 통해, 적층 제조 장치의 플랫폼 상에 병렬로 분말이 분배될 수 있다. 이러한 다수의 이용가능한 경로들은, 구축 플랫폼 상으로의 분말의 배치가 제어될 수 있도록 독립적으로 제어될 수 있다. 따라서, 분배 시스템은, 분말이 필요한 곳에만 분말을 분배할 수 있다. 따라서, 개시된 기법들은, 적층 제조에서 사용되는 고가의 물질, 예컨대, 금속 분말을 낭비하는 것을 감소시키거나 피할 수 있으며, 그에 따라, 비용이 절약된다. 게다가, 개시된 기법들은 고품질의 리코팅된 층을 보장할 수 있으며, 그에 따라, 분말 층 두께 및 압착이 더 균일해지게 된다. 개시된 기법들은, 다양한 레이저처리 조건들 하에서의 더 예측가능한 분말 융착을 허용할 수 있으며, 이는, 최종 제품의 품질을 더 양호하게 할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 주제의 하나 이상의 구현의 세부사항들은, 첨부된 도면들 및 아래의 설명에서 기재된다. 다른 잠재적인 특징들, 양상들 및 이점들은, 설명, 도면들 및 청구항들로부터 명백해질 것이다.
도 1a는, 적층 제조 장치의 일례의 개략적인 측면도이다.
도 1b는, 도 1a의 적층 제조 장치의 개략적인 평면도이다.
도 2는, 적층 제조 장치의 예시적인 분배 시스템을 예시한다.
도 3은, 예시적인 분배 시스템의 평면도이다.
도 4a는, 예시적인 분배 시스템의 예시적인 호퍼-휠 조립체의 정면 사시 단면도이다.
도 4b는, 도 4a의 분배 시스템의 측면 사시 단면도이다.
도 5는, 예시적인 분말 휠을 예시한다.
도 5a 및 도 5b는, 대안적인 분말 휠들을 예시한다.
도 6은, 노즐들에서의 분말 휠들의 예시적인 배열을 예시한다.
도 7은, 예시적인 분배 시스템의 구성요소들을 예시한다.
도 8은, 분말 소스 및 노즐 어레이를 통합하는 예시적인 조립체를 예시한다.
도 9a는, 예시적인 분말 소스 조립체의 단면도이다.
도 9b 및 도 9c는, 예시적인 패들 휠, 기어 박스, 및 구동 메커니즘을 예시한다.
도 10a는, 예시적인 롤러 및 블레이드 조립체의 평면도이다.
도 10b는, 예시적인 롤러 및 블레이드 조립체의 저면도이다.
도 11은, 선택적 분말 전달을 사용하는 적층 제조의 예시적인 프로세스의 흐름도이다.
다양한 도면들에서 동일한 참조 번호들 및 지정들은 동일한 요소들을 표시한다.
적층 제조(AM) 장치는, 구축 플랫폼 상에 분말의 연속적인 층들을 분배하고 융착시킴으로써 물체를 형성할 수 있다. 분말이 분배되는 구축 스테이지 상의 영역을 제어하는 것이 바람직하다. 제어가능한 분배기는, 물체의 기하학적 구조의 제어를 허용할 수 있거나, 간단하게는 물체를 지지하지 않을 구축 플랫폼의 영역들에 분말을 분배하는 것을 피하기 위해 사용될 수 있으며, 그에 따라, 분말의 소모가 감소된다.
본 명세서에서 설명되는 분배 시스템은, 플래튼으로 또한 지칭되는 구축 플랫폼 상에 장치가 분말을 선택적으로 분배할 수 있게 하는, 제어가능하고 이동가능한 구조들을 포함할 수 있다. 임의적으로, 분배 시스템의 제어가능하고 이동가능한 구조들은 또한 분말 분배율의 제어를 가능하게 하며, 이는, 국소화된 정밀한 분배를 위해 낮게 선택될 수 있거나 높은 처리량의 분배를 위해 높게 선택될 수 있다.
적층 제조 장치들
도 1a는, 구축 동작 동안 물체를 형성하기 위해 분말을 분배하기 위한 분배 시스템을 포함하는 예시적인 적층 제조(AM) 장치(100)의 개략적인 측면도를 도시한다. 장치(100)는, 프린트헤드(102) 및 구축 플랫폼(104)(예컨대, 구축 스테이지)을 포함한다. 프린트헤드(102)는 분말(106)을 분배하고, 임의적으로, 플랫폼(104) 상에 분배된 분말(106)을 융착시킨다. 임의적으로, 아래에 설명되는 바와 같이, 프린트헤드(102)는 또한 플랫폼(104)상에 제2 분말(108)을 분배하고/거나 융착시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 프린트헤드(102)는, 플랫폼(104)을 가로지르도록 구성되는 지지부(110) 상에 지지된다. 지지부(110)는, 프린트헤드들이 장착되는 수평으로 연장되는 플랫폼을 포함할 수 있다. 예컨대, 지지부(110)는, 길이방향으로 지칭되는 순방향(109)과 평행한 제1 축을 따라 플랫폼(104)에 걸쳐 이동하도록, 선형 액추에이터 및/또는 모터에 의해 하나 이상의 레일(119)을 따라 구동될 수 있다. 지지부(110)는, 도 1b에 도시된 바와 같이, 2개의 대향하는 측 상에, 예컨대, 2개의 레일(119)에 의해 지지되는 갠트리일 수 있다. 대안적으로, 지지부(110)는, 단일 레일 상에 캔틸레버 배열로 유지될 수 있다.
일부 구현들에서, 프린트헤드(102)는, 폭방향으로 지칭되는 제1 축에 수직인 수평의 제2 축(115)을 따라 지지부(110)를 따라서 이동할 수 있다. 제1 및 제2 축들 둘 모두를 따른 이동은, 프린트헤드(102) 및 그의 시스템들이 지지부(110) 아래의 플랫폼(104)의 상이한 부분들에 도달할 수 있게 한다. 지지부(110)를 따른 프린트헤드(102)의 이동 및 레일들(119)을 따른 지지부(110)의 이동은, 프린트헤드(102)에 대해 다수의 자유도의 이동도를 제공한다. 프린트헤드(102)는, 프린트헤드(102)가 구축 플랫폼(104)의 사용가능 영역(예컨대, 분말이 분배되고 융착될 수 있는 영역) 위에 선택적으로 위치될 수 있도록 구축 플랫폼(104) 위의 그와 평행한 평면을 따라 이동할 수 있다.
프린트헤드(102) 및 지지부(110)는 협력하여 구축 플랫폼(104)의 사용가능 영역을 스캐닝할 수 있어서, 프린트헤드(102)가 필요에 따라 구축 플랫폼(104)을 따라 분말을 분배하여 물체를 형성할 수 있게 된다. 도 1b에 도시된 바와 같은 예에서, 프린트헤드(102)는, 구축 플랫폼(104)을 따라 순방향(109)으로 스캐닝할 수 있다. 프린트헤드(102)가 분말의 층의 제1 스트라이프를 퇴적하기 위해 제1 시간 동안 구축 플랫폼(104)의 제1 단부(111)로부터 제2 단부(113)로 구축 플랫폼(104)에 걸쳐 이동한 후에, 다음이 이어진다. 이어서, 프린트헤드(102)는, 제1 단부(111)로 복귀하고, 수평의 제2 축(115)을 따라 측방향으로 이동하고, 제2 시간 동안 다시 순방향(109)으로 구축 플랫폼(104)에 걸친 이동을 시작하여 제1 스트라이프와 평행한 제2 스트라이프를 구축 플랫폼(104) 상에 퇴적할 수 있다. 프린트헤드(102)가 2개 이상의 상이한 크기의 분말을 분배하는 경우, 프린트헤드(102)는, 플랫폼(104)에 걸친 단일 패스(single pass) 동안 2개 이상의 상이한 분말을 분배할 수 있다.
대안적으로, 지지부(110)는, 플랫폼(104)의 폭에 걸쳐 있는 2개 이상의 프린트헤드를 포함할 수 있다. 이러한 경우에서, 수평의 제2 축(115)을 따른 측방향으로의 프린트헤드(102)의 움직임은 필요하지 않을 수 있다.
프린트헤드(102)는 적어도, 구축 플랫폼(104) 상에 분말(106)을 선택적으로 분배하기 위한 제1 분배 시스템(116)을 포함한다.
장치(100)는 또한, 구축 플랫폼(104) 상의 분말의 층에 선택적으로 에너지를 가하기 위한 에너지 소스(114)를 포함한다. 에너지 소스(114)는 프린트헤드(102)에 통합될 수 있거나, 지지부(110) 상에 장착될 수 있거나, 또는 예컨대, 구축 플랫폼(104)을 지지하는 프레임 상에 또는 구축 플랫폼(104)을 둘러싸는 챔버 벽 상에 별개로 장착될 수 있다.
일부 구현들에서, 에너지 소스(114)는 분말의 층의 작은 영역의 온도를 증가시키는 집속된 에너지의 빔을 생성하는 스캐닝 레이저를 포함할 수 있다. 에너지 소스(114)는, 예컨대, 소결 프로세스, 용융 프로세스, 또는 다른 프로세스를 사용함으로써 분말을 융착시켜 분말이 고체 덩어리의 물질을 형성하게 할 수 있다. 일부 경우들에서, 에너지 소스(114)는 이온 빔 또는 전자 빔을 포함할 수 있다.
에너지 소스들(114)은, 프린트헤드(102)가 순방향(109)으로 전진함에 따라, 에너지 소스들이 분배 시스템(116)에 의해 분배되는 분말의 라인들을 감당(cover)할 수 있도록, 프린트헤드(102) 상에 위치될 수 있다. 장치(100)가 다수의 분배 시스템들을 포함할 때, 프린트헤드(102)는 또한 분배 시스템들 각각에 대한 에너지 소스를 임의적으로 포함할 수 있다. 장치가 다수의 열원들을 포함하는 경우, 에너지 소스들은 각각 열원들 중 하나의 열원의 바로 앞에 위치될 수 있다.
임의적으로, 장치는, 퇴적된 분말의 온도를 상승시키도록 열을 지향시키기 위한 열원(112)을 포함할 수 있다. 열원(112)은, 퇴적된 분말을 그 분말의 소결 또는 용융 온도 미만의 온도로 가열할 수 있다. 열원(112)은, 예컨대, 열 램프 어레이일 수 있다. 에너지 소스(114)는 프린트헤드(102)에 통합될 수 있거나, 지지부(110) 상에 장착될 수 있거나, 또는 예컨대, 구축 플랫폼(104)을 지지하는 프레임 상에 또는 구축 플랫폼(104)을 둘러싸는 챔버 벽 상에 별개로 장착될 수 있다. 열원(112)은, 프린트헤드(102)의 순방향(109)에 대해, 제1 분배 시스템(116) 뒤에 위치될 수 있다. 프린트헤드(102)가 순방향(109)으로 이동함에 따라, 열원(112)은 제1 분배 시스템(116)이 이전에 위치되어 있던 영역에 걸쳐 이동한다.
일부 구현들에서, 열원(112)은 개별적으로 제어가능한 광원들의 어레이의 형태인, 디지털 방식으로 처리가능한 열원이다. 어레이는, 예컨대, 플랫폼(104) 위에 위치된 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL; vertical-cavity surface-emitting laser) 칩들을 포함한다. 어레이는 프린트헤드(102) 내에 있을 수 있거나, 프린트헤드(102)와 별개일 수 있다. 제어가능한 광원들의 어레이는 플랫폼(104)에 걸쳐 스캐닝하도록 구동 시스템의 액추에이터에 의해 구동되는 선형 어레이일 수 있다. 일부 경우들에서, 어레이는 개별적으로 제어가능한 광원들의 서브세트를 활성화시킴으로써 층의 구역들을 선택적으로 가열하는 완전한 2차원 어레이이다. 대안적으로 또는 그에 부가하여, 열원은 분말의 전체 층을 동시에 가열하기 위한 램프 어레이를 포함한다. 램프 어레이는 프린트헤드(102)의 일부일 수 있거나, 장치(100)의 일부이지만 프린트헤드(102)와 별개인 독립적인 열원 유닛일 수 있다.
일부 구현들에서, 구축 플랫폼(104)은 구축 플랫폼(104) 상에 분배된 분말을 가열할 수 있는 가열기를 포함할 수 있다. 가열기는 프린트헤드(102)의 열원(112)에 대한 대안일 수 있거나 그에 부가될 수 있다.
임의적으로, 프린트헤드(102) 및/또는 지지부(110)는 또한, 제1 분배 시스템(116)에 의해 분배된 분말을 압착 및 살포시키기 위해 분배 시스템(116)과 협력하는 제1 스프레더(118), 예컨대, 압착 롤러 또는 평탄화 블레이드를 포함할 수 있다. 스프레더(118)는 실질적으로 균일한 두께를 갖는 층을 제공할 수 있다. 일부 경우들에서, 제1 스프레더(118)는 분말을 압착시키기 위해 분말의 층을 누를 수 있다.
프린트헤드(102) 및/또는 지지부(110)는 또한, 분배 시스템(116)에 의해 분배된 분말뿐만 아니라 장치(100)의 특성들을 검출하기 위한 제1 감지 시스템(120) 및/또는 제2 감지 시스템(122)을 임의적으로 포함할 수 있다.
일부 구현들에서, 프린트헤드(102)는 제2 분말(108)을 분배하기 위한 제2 분배 시스템(124)을 포함한다. 제2 스프레더(126)는 제2 분말(108)을 살포 및 압착시키도록 제2 분배 시스템(124)과 함께 동작할 수 있다. 장치(100), 예컨대, 프린트헤드(102) 또는 지지부(110)는 또한, 제1 열원(112)과 마찬가지로, 구축 플랫폼(104)의 큰 영역들 내의 분말에 열을 지향시키는 제2 열원(125)을 포함할 수 있다.
제어기(128)는, 에너지 소스(114), 열원(112)(존재하는 경우), 및 분배 시스템(116)의 동작들을 조정할 수 있다. 제어기(128)는, 분말(106)을 분배하도록 분배 시스템(116)을 동작시킬 수 있고, 형성될 물체가 되는 작업부재(130)를 형성하기 위해 분말(106)을 융착시키도록 에너지 소스(114) 및 열원(112)을 동작시킬 수 있다.
제어기(128)는, 예컨대, 구축 플랫폼(104) 상에 분배되는 분말(106)의 두께 및 분포를 제어하도록 제1 분배 시스템(116)을 동작시킬 수 있다. 각각의 층의 두께는, 예컨대, 분말 입자들(106)의 평균 직경 또는 층의 높이를 통해 적층되는 분말 입자들(106)의 수에 의존한다. 일부 구현들에서, 분말 입자들(106)의 각각의 층은 단일 입자 두께이다. 일부 경우들에서, 각각의 층은, 다수의 분말 입자들(106)이 서로 차례로 적층되는 것에 기인하는 두께를 갖는다.
일부 구현들에서, 층의 높이는 또한, 분말 입자들(106)의 분포 밀도, 예컨대, 분말 입자들(106)이 얼마나 밀접하게 패킹되는지에 의존한다. 분말(106)의 압착 수준은 분배되는 각각의 층의 두께에 영향을 미칠 수 있다. 분말(106)의 더 높은 수준의 압착은, 더 낮은 수준의 압착에서 동일한 수의 입자들로 형성된 층과 비교하여, 분배된 층의 두께를 감소시킬 수 있다. 더 높은 수준의 압착은 추가로, 층에 걸친 두께의 균일성을 증가시키고 층을 용융시키는 데 필요한 레이저 체류 시간을 감소시킬 수 있다. 각각의 층의 두께 및 분말의 압착은 그 층에 형성되고 있는 물체의 부분의 기하학적 구조에 대한 원하는 해상도를 제어하도록 선택될 수 있다.
각각의 층에 대해 분배되는 분말의 분포, 예컨대, 각각의 층 내의 분말의 위치들은 적층 제조 장치의 구현에 기반하여 달라질 수 있다. 일부 경우들에서, 제1 분배 시스템(116)은, 일부 부분들은 분말을 포함하고 일부 부분들은 분말을 포함하지 않도록, 구축 스테이지에 걸쳐 분말들의 층을 선택적으로 분배할 수 있다. 일부 구현들에서, 제1 분배 시스템(116)은 작업 표면 상에 물질들의 균일한 층을 분배할 수 있다.
분배 시스템들
도 2는, 적층 제조 장치의 예시적인 분배 시스템을 예시한다. 예시적인 분배 시스템은 도 1의 분배 시스템(116)(및/또는 예컨대, 제2 분배 시스템(124))일 수 있다. 분배 시스템(116)은, 적층 제조를 위해 분말을 분배하기 위한 다양한 구성요소들을 수납하는 인클로저(202)를 포함한다. 도 2에서 보이는 구성요소들 중 하나는 분말 소스(131)이다. 도시된 예에서, 분말 소스(131)는, 적층 제조를 위한 원재료, 예컨대, 분말, 예컨대, 금속 분말, 예컨대, 티타늄 분말을 수용할 수 있는 저장소이다. 분말 소스(131)의 저장소는, 예컨대, 자신의 최하부 쪽으로 테이퍼링되고, 예컨대 중력의 영향 하에서, 자신의 내용물을 최하부에서 배출하도록 구성되는 호퍼일 수 있다.
분배 시스템(116)은, 하나 이상의 요(yaw) 및/또는 높이 조정기(206)를 포함할 수 있다. 요 및/또는 높이 조정기들(206) 각각은, 분말이 분배될 플래튼의 최상부 표면으로부터의 분배 시스템(116)의 높이를 조정하고 최상부 표면에 대해 분배 시스템(116)을 평탄화하기 위한 것이다. 예컨대, 분배 시스템(116)은, 플래튼의 최상부 표면에 대한 분배 시스템(116)의 모서리의 높이를 조정하도록 동작가능한, 각각의 코너에 대한 높이 조정기(206)를 포함할 수 있다. 높이 조정기들(206)은, 분배기 조립체의 최하부, 예컨대, 아래에 논의되는 애퍼쳐들이 플래튼의 최상부 표면과 평행하도록, 모서리들의 상대적인 높이를 조정하도록 개별적으로 동작될 수 있다.
분배 시스템(116)은, 지지부 상에 분배 시스템(116)을 유지하도록 지지부에 맞물리는 클램프 또는 브래킷(208)을 포함할 수 있다. 요 및/또는 높이 조정을 제공하기 위해, 클램프 또는 브래킷은, 선형 안내부, 예컨대, 스크류 및 안내 메커니즘에 의해 인클로저(202)에 부착된다. 제어 부재, 예컨대, 노브(knob)가 사용되어 스크류를 돌림으로써 인클로저(202)의 모서리의 높이를 조정할 수 있다. 그러나, 많은 다른 메커니즘들이 가능하다.
분배 시스템(116)은, 불활성 가스 소스, 예컨대, 질소 가스 실린더 또는 펌프에 연결하기 위한 하나 이상의 가스 포트(210)를 포함할 수 있다. 동작 동안, 분배 시스템(116)은, 인클로저(202) 내부의 산소 수준을 임계치 미만의 수준으로 유지하기 위해, 불활성 가스로 플러싱될 수 있다. 분배 시스템(116)은, 분배 시스템(116)의 온도를 임계 온도 미만으로 유지하는 냉각제 소스, 예컨대, 워터 펌프에 연결하기 위한 하나 이상의 냉각제 포트(212)를 포함할 수 있다.
도 3은, 예시적인 분배 시스템(116)의 평면도이다. 이 도면에서, 분말 소스(131)의 최하부에 있는 노즐 어레이(302)의 최상부 측이 보인다. 노즐 어레이(302)는, 분말이, 분말 소스(131)로부터, 분말로부터 물체가 프린팅될 플래튼의 최상부 표면으로 유동할 수 있게 하는 다수의 노즐들을 포함한다. 노즐들은, 예컨대, 노즐(304) 및 노즐(306)을 포함할 수 있다. 노즐(304) 및 노즐(306)의 유입구들이 도 3에서 보인다. 도시된 예에서, 유입구들은 정사각형들이지만, 다른 적합한 형상들, 예컨대, 원형, 육각형, 직사각형 등이 사용될 수 있다. 유입구들은 직경이 10 미크론 내지 1 mm일 수 있다. 어레이(302) 내의 노즐들의 유입구들은 균일한 크기를 가질 수 있다.
노즐들은, 하나 이상의 열을 갖는 배열로 위치될 수 있다. 도시된 예에서, 노즐들은 2개의 열로 배열된다. 분리기(308)는, 열들을 분리하기 위해 저장소 내로 돌출될 수 있다. 열들 내의 노즐들은 엇갈린 배열로 위치되는데, 이 배열에서, 조합되어, 모든 노즐들은 연속적으로 플래튼의 최상부 표면의 폭의 적어도 일부분, 예컨대, 전체 폭을 감당한다. 따라서, 분배 시스템(116)이 플래튼의 최상부 표면의 길이를 따라 스위핑할 때, 노즐 어레이(302)는 최상부 표면의 전체 영역을 스위핑할 수 있다.
노즐 어레이(302) 내의 각각의 노즐은, 분배 시스템(116)이 길이를 따라 스위핑할 때 분말의 유동이 제어될 수 있도록, 개별적으로 제어될 수 있다. 제어된 유동은, 분배 시스템(116)이 프린팅될 물체의 중실인 부분들에만 분말을 분배할 수 있게 한다.
도 4a는, 예시적인 분배 시스템(116)의 예시적인 호퍼-휠 조립체의 정면 사시 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 노즐들(401 및 306)은 분말 소스(131)의 최하부에 위치되며, 이는 이러한 예에서, 호퍼이다. 분말 휠들(402 및 404)은, 노즐들(401 및 306)에 의해 제공되는 통로들에 각각 위치된다. 분말 휠들(402 및 404)은, 모터들(406 및 408)에 각각 결합된다. 모터들(406 및 408)은, 개별적으로 제어가능한 브러시리스 모터들, 예컨대, 스텝퍼 모터들일 수 있다. 분말 휠들(402 및 404)은, 모터들(406 및 408)에 의해 회전될 때, 분말이 노즐들(401 및 306)을 통해 유동할 수 있게 한다. 분말 휠들(402 및 404)의 회전 속도는 유량에 대응하며, 여기서, 한계에 이르기까지, 더 높은 회전 속도는 더 높은 유량에 대응한다. 분말 휠들(402 및 404)은, 회전하지 않을 때, 분말이 노즐들(401 및 306)을 통해 유동하는 것을 막는다.
도 4b는, 도 4a의 분배 시스템의 측면 사시 단면도이다. 분말 휠(404)은 모터(408)에 의해 구동된다. 각각의 노즐은, 노즐의 유입구와 노즐의 유출구 사이에서 노즐 내부에 분말 휠을 갖는다. 노즐 어레이에서의 노즐들의 근접도 및 분말 휠들을 구동하는 모터들의 크기로 인해, 모터들은 서로 나란히 있는 것이 아니라 그룹들로, 예컨대, 쌍들로 또는 세쌍으로 서로 차례로 적층될 수 있다. 게다가, 상이한 노즐 열들을 구동하는 모터들은, 분말 소스(131)의 대향하는 측들 상에 위치될 수 있다.
도시된 예에서, 분말 휠(404)은, 직접 구동을 통해 모터(408)에 의해 구동된다. (도 4b에 도시되지 않은, 도 4a의) 분말 휠(402)은, 전달 메커니즘, 예컨대, 벨트, 기어, 또는 웜 구동부를 통해 모터(406)에 의해 구동된다. 노즐 어레이의 다른 열의 분말 휠들은, 모터들(406 및 408)에 대한 분말 소스(131)의 대향하는 측 상의 모터들(410 및 412)에 의해 유사한 방식으로 구동된다.
도 5는, 예시적인 분말 휠(404)을 예시한다. 분배 시스템의 다른 분말 휠들, 예컨대, 도 4a의 분말 휠(402) 및 도 6의 분말 휠(602)은 유사한 구조를 가질 수 있다.
분말 휠(404)은, 구동 모터에 결합되는 차축(502)을 가질 수 있다. 분말 휠(404)은, 차축(502)의 축을 중심으로 회전할 수 있다. 분말 휠(404)의 활성 부분, 즉, 분말과 접촉할 부분은, 하나 이상의 트로프(504)를 갖는 원통형 표면(506)을 포함할 수 있다. 원통형 표면(506)은, 차축(502)보다 더 큰 직경을 가질 수 있다. 각각의 트로프(504)는, 차축(502)과 실질적으로 평행할 수 있다. 각각의 트로프(504)의 길이는, 노즐, 예컨대, 도 3의 노즐(306)의 폭 또는 직경에 대응할 수 있다. 각각의 트로프(504)의 폭은, 적어도 하나의 분말 입자가 트로프(504)의 폭에 맞춰질 수 있도록, 분배될 분말의 크기에 기반하여 선택될 수 있다. 마찬가지로, 각각의 트로프(504)의 깊이는, 적어도 하나의 분말 입자가 분말 휠(404)의 표면(506)으로부터 돌출됨이 없이 트로프(504)의 깊이에 맞춰질 수 있도록, 분배될 분말에 기반하여 선택될 수 있다. 트로프들 사이의 간격은, 프린팅의 원하는 공간 해상도 및 구동 모터의 속도에 대응할 수 있다.
위에 언급된 바와 같이, 도 5는, 회전 축과 평행하게 연장되고 그에 따라 차축(502)과 평행한 트로프들(504)을 예시한다. 그러나, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 트로프들(504)은, 회전 축을 중심으로 부분적 또는 완전한 나선을 형성하도록 회전 축에 대해 비스듬하게 원통형 표면(506)에 형성될 수 있다. 회전 축과 평행한 축과 트로프 사이의 원통형 표면(506)에 접하는 평면에서의 각도는, 15 내지 45°일 수 있다. 분말 휠(404)이 회전할 때, 분말은, 예컨대 중력 하에서, 트로프들(504) 내로 변위될 것이다. 하나 이상의 트로프(504)는, 원통형 표면(506)과 노즐의 측벽들 사이의 갭을 통해 분말을 운반할 수 있다. 따라서, 분말 휠(404)의 회전은, 분말로 하여금 노즐의 유입구에서 노즐의 유출구로, 그에 따라, 분말 소스로부터 플래튼의 최상부 표면으로 유동하게 할 것이다. 일반적으로, 회전이 빠를수록 유량이 높아진다. 분말 휠(404)이 정지상태일 때, 분말 휠(404)은 분말의 통로를 차단한다. 따라서, 분말 휠(404)의 회전 속도를 제어하는 것은 분말의 유량을 제어한다.
물체의 중실 부분들의 경우, 분말 휠이 회전하여 분말이 분말 소스로부터 최상부 표면으로 유동할 수 있게 한다. 물체의 빈 부분들의 경우, 분말 휠이 정지상태로 유지되어 분말이 분말 소스로부터 최상부 표면으로 유동하는 것을 막는다.
도 6은, 노즐들에서의 분말 휠들의 예시적인 배열을 예시한다. 분말 휠들(402, 404, 및 602)은 노즐들(401, 306, 및 604)에 각각 배치된다. 분말 휠들(402, 404, 및 602)의 직경들은 노즐들(401, 306, 및 604)의 폭들 또는 직경들에 대응한다. 도시된 예에서, 분말 휠들(402, 404, 및 602)은, 최상부에 있는 노즐들(401, 306, 및 604)의 유입구들과 최하부에 있는 노즐들(401, 306, 및 604)의 유출구들 사이에 배치된다. 분말 휠들(402, 404, 및 602)이 회전하고 있지 않을 때, 분말 휠들(402, 404, 및 602)은, 분말이 유입구들로부터 유출구들로 유동할 수 없도록 노즐들(401, 306, 및 604)에서의 경로들을 차단한다. 노즐들(401, 306, 및 604)이 회전할 때, 분말은 트로프들에 의해 유입구들로부터 유출구들로 운반될 수 있다.
도시된 예에서, 유입구들 및 유출구들은 정사각형들이다. 다양한 구현들에서, 유입구들 및 유출구들은 다양한 기하학적 형상들, 예컨대, 정사각형들, 직사각형들, 원형들, 난형들, 세장형 슬롯들 등을 가질 수 있다. 분말 휠들(402, 404, 및 602)과 그들 개개의 노즐들(401, 306, 및 604)의 벽들 사이의 공간 허용도는, 분말 입자들의 직경보다 더 작도록 구성된다. 따라서, 분말은, 트로프들에서만 그리고 분말 휠들(402, 404, 및 602)이 회전하고 있을 때에만 유입구들로부터 유출구들로 이동할 수 있다. 공간 허용도에서의 제한은, 분말이 분말 휠들(402, 404, 및 602)과 벽들 사이의 공간을 통해 누출되는 것을 막는다.
도 7은, 예시적인 분배 시스템(116)의 구성요소들을 예시한다. 분배 시스템(116)은, 분말 소스 조립체(702), 노즐 조립체(704), 및 인클로저(202)를 포함한다. 분말 소스 조립체(602)는, 분말 소스(131), 교반기 유닛(706), 및 제어 및 분말 배포 회로(708)를 포함한다.
노즐 조립체(704)는, 분말 소스 조립체(702)의 기부에 장착된다. 노즐 조립체(704)는, 노즐 어레이(302), 노즐 어레이(302)의 노즐들에 있는 분말 휠들(도시되지 않음), 및 분말 휠들을 구동하기 위한 모터들(710)의 뱅크들을 포함한다. 분말 소스 조립체(702)는, 기부에 장착된 노즐 조립체(704)와 함께, 인클로저(202)에 수납된다.
도 8은, 분말 소스 및 노즐 어레이를 통합하는 예시적인 조립체(800)를 예시한다. 노즐 조립체(604)는, 분말 소스 조립체(702)의 기부에 장착된다. 모터들(710)의 뱅크들은 제어 및 분말 배포 회로(708)에 결합되며, 여기서, 제어 및 분말 배포 회로(708)는, 모터들에 전력을 제공하고 각각의 모터의 회전을 개별적으로 제어한다. 일부 구현들에서, 제어 및 분말 배포 회로(708)는, 분말 휠들의 스톨링을 검출하도록 구성되는 센서들을 포함한다. 예컨대, 각각의 분말 휠은 회전속도계에 결합될 수 있다. 회전속도계는, 예컨대 rpm 단위의 회전 속도를 측정할 수 있다. 분말 휠이, 예컨대, 분말에서의 고르지 않은 크기 또는 덩어리로 인해 스톨링(예컨대, 완전한 정지 또는 감속)된 경우, 대응하는 센서는 스톨링을 검출할 수 있다. 제어 및 분말 배포 회로(708)는, 스톨링의 정보를 제어 디바이스에 제공하여 프린팅을 중단시키거나 디스플레이 디바이스에 제공하여 이상을 사용자에게 통지할 수 있다. 대안적으로 또는 그에 부가하여, 시스템은, 스톨링된 분말 휠로부터의 감소된 분말 전달을 보상하기 위해, 인접한 분말 휠들의 회전율을 증가시켜 바로 인접한 구역들에서의 분말 전달을 증가시킬 수 있다.
도 9a는, 예시적인 분말 소스 조립체(800)의 단면도이다. 분말 소스 조립체(800)는, 분배 시스템(116)의 적어도 일부분을 제공할 수 있다. 측면에서, 분말 소스(131), 예컨대, 호퍼는 깔때기와 같은 형상을 가질 수 있으며, 여기서, 깔때기의 벽들은 노즐 어레이를 향해 하향으로 분말을 안내한다. 특히, 분말 소스는, 깔때기의 좁아지는 부분을 제공하는 상부 부분(930), 및 균일한 폭의 하부 부분(932)을 포함할 수 있다.
측면에서 삼각형 형상을 갖는 분리기(308)는, 분말 소스(131)의 폭에 걸쳐 이어진다. 분리기(308)는, 분말 소스(131)의 기부에 장착되고 호퍼의 하부 부분(932) 내로 상향으로 돌출된다. 분리기는, 노즐들의 열들 사이에 분할되도록 분말을 안내할 수 있다. 분리기(308)는 삼각형 단면을 가질 수 있다.
제어 및 분말 배포 회로(708) 및 모터들(710)의 뱅크들은 깔때기의 목의 양측 상에 위치되고, 분말 소스(131)와 폭 방향으로 정렬된다.
분말 소스(131)는 교반기(902)를 가질 수 있다. 교반기(902)는, 분말의 유동성을 유지하도록 진동(예컨대, 장축을 중심으로 전후로 회전)하는 패들 휠 또는 오거 스크류일 수 있다. 교반기(902)는, 깔때기의 목 부분 내부에 위치되고 분말 소스(131)의 폭을 따라 이어질 수 있다. 교반기(902)는, 활성 노즐들을 통한 분말의 유동이 방해받지 않도록, 분말 소스(131)의 폭을 따라 고르게 그리고 분리기(308)의 측부들 사이에 고르게 분말이 살포되는 것을 돕는다.
도 9b는, 예시적인 패들 휠, 기어 박스, 및 구동 메커니즘을 예시한다. 패들 휠, 기어 박스, 및 구동 메커니즘은 분말 소스(131) 상에 장착될 수 있다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 교반기(902)는 분말 소스(131)의 폭에 걸쳐 이어진다. 패들 휠로서, 교반기(902)는, 회전가능 차축(905)으로부터 외측으로 돌출되는 하나 이상의 패들(904)을 갖는다. 이는, 분말이 노즐들에 고르게 배포되도록 분말 소스(131) 내의 분말을 교반한다.
교반기(902)는 기어 박스(908)에 결합된다. 기어 박스(908)는, 하나 이상의 기어, 벨트, 웜 구동부, 또는 교반기(902)를 회전시키도록 구성되는 다른 구동 메커니즘을 포함한다. 교반기 모터(910)는, 기어 박스(908)를 통해 교반기(902)에 전력을 공급한다.
도 9a로 돌아가서, 냉각판(1000)은, 조립체(800)의 기부에 또는 인클로저(202)의 기부에 장착될 수 있다. 도시된 예에서, 냉각판(1000)은, 조립체(800)의 최하부 표면 상에 장착된다. 냉각판(1000)은 열 교환 요소(1002)를 포함한다. 열 교환 요소(1002)는, 분배 시스템으로부터 열을 운반해 가는 공기 또는 액체 냉각 튜브를 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 열 교환 요소(1002)는, 노즐 어레이에 걸쳐 감겨 있는 수냉식 열 전도 튜브이다. 냉각판(1000)은, 분말 베드 또는 작업 부분으로부터의 열로부터 분배 시스템을 보호하는 것을 돕는다. 대안적으로 또는 그에 부가하여, 조립체(800)는, 분배 시스템을 보호하기 위한 열 차폐부를 포함할 수 있다.
도 10a는, 예시적인 롤러 및 블레이드 조립체(1100)의 평면도이다. 롤러 및 블레이드 조립체(1100)는, 도 2의 분배 시스템(116)의 기부에 장착될 수 있다.
롤러 및 블레이드 조립체(1100)는 캐리지(1102)를 포함할 수 있다. 평탄화 블레이드(1106)를 수납하고 제어하는 평탄화 블레이드 메커니즘(1104)이 캐리지(1102)의 최상부 상에 장착된다. 블레이드(1106)는 스프레더(118 또는 126)(도 1a 참조)를 제공할 수 있다. 게다가, 압착 롤러 조립체(1108)가 캐리지(1102)의 최상부 상에 장착된다. 압착 롤러 조립체(1108)는, 압착 롤러(1110)를 수납 및 제어하도록 구성된다.
도 10b는, 예시적인 롤러 및 블레이드 조립체의 저면도이다. 도 10b에서, 평탄화 블레이드(1106) 및 압착 롤러(1110)가 보인다. 평탄화 블레이드(1106) 및 압착 롤러(1110) 각각은, 도 1a의 스프레더(118)의 동작들을 수행할 수 있다.
분배 시스템들의 동작들
본원에 설명된 분배 시스템들은, 장치의 구축 플랫폼 상으로의 분말의 분배 및 압착을 용이하게 한다. 도 11은, 선택적 분말 전달을 사용하는 적층 제조의 예시적인 프로세스(1200)의 흐름도이다. 프로세스(1200)는, 분배 시스템을 포함하는 AM 장치, 예컨대, 도 1a 및 도 1b의 분배 시스템(116)을 포함하는 장치(100)에 의해 수행될 수 있다.
분말 분배 시스템의 분말 소스, 예컨대, 호퍼는, 물체를 프린팅하기 위한 분말을 수신한다. 분말 소스 내의 교반기는, 분말을 유동가능 상태로 유지하기 위해 분말을 교반한다(1202). 이는, 분말이 노즐들의 어레이에 걸쳐 균일하게 배포되는 것을 허용한다. 노즐들의 어레이는, 분말 소스의 기부에서 분말 소스에 결합된다. 노즐들은, 일정 배열로, 예컨대, 하나 이상의 열로 위치된다. 조합되어, 노즐들은, 물체가 프린팅될 플래튼의 최상부 표면의 폭의 적어도 일부분에 연속적으로 걸쳐 있다.
노즐들은 분말 소스로부터 최상부 표면으로 분말을 분배한다(1204). 분배 동안, 각각의 노즐에서의 개개의 분말 휠이 노즐에 대한 분말의 개개의 유량을 제어한다. 장치는, 분배 시스템을 플래튼의 최상부 표면의 길이에 걸쳐 이동시킴으로써 층을 형성한다.
각각의 분말 휠은, 휠이 회전할 때 분말을 운반하기 위한, 휠의 표면 상의 다수의 트로프들을 가질 수 있다. 각각의 분말 휠은 개개의 모터에 결합된다. 각각의 분말 휠의 트로프들의 기하학적 형상 및 회전 속도는 개개의 유량을 제어한다. 예컨대, 분말 휠을 회전시키는 것은, 분말이, 분말 소스로부터 물체가 요구되는 부분이 중실의 물질을 포함하는 최상부 표면으로 유동할 수 있게 한다. 회전하지 않는 정지상태 분말 휠은, 분말이, 분말 소스로부터 물체가 제조되지 않는 최상부 표면으로 유동하는 것을 막을 수 있다.
냉각판은 분배 시스템 상에 장착되어 분배 시스템을 냉각시킬 수 있다.
임의적으로, 스프레더, 예컨대, 블레이드, 롤러, 또는 둘 모두가 최상부 표면 상에 분배된 분말을 평탄화 및/또는 압착시킨다(1206).
장치는, 평탄화된 분말을 융착시킴으로써 물체의 층을 형성한다(1208). 예컨대, 제어가능한 강도를 갖는 에너지 빔, 예컨대, 레이저 빔이 층 분말에 걸쳐 스캐닝되어, 물체가 제조되는 중실 구역들에 대응하는 분말의 부분들을 선택적으로 융착시킬 수 있다.
일부 구현들에서, 장치는 다수의 분배 시스템들을 갖는다. 분배 시스템들 각각은 상이한 분말을 분배할 수 있다. 적어도 하나의 분말은 금속 분말일 수 있다.
더 일반적으로, 도 1a, 도 1b를 참조하면, 제어기(128)는, 분배 및 압착 동작들을 제어하도록 장치(100), 특히, 분배 시스템(116)을 동작시킬 수 있다. 제어기(128)는, 예컨대, 장치의 사용자 인터페이스 상의 사용자 입력으로부터의 신호들, 또는 장치(100)의 센서들로부터의 감지 신호들을 수신할 수 있다. 사용자 입력은, 형성될 물체를 표시하는 CAD 데이터일 수 있다. 제어기(128)는, 적층 제조 프로세스들 동안 형성되는 구조들의 특성들을 결정하기 위해 그 CAD 데이터를 사용할 수 있다. CAD 데이터에 기반하여, 제어기(128)는, 예컨대, 분말을 분배하기 위해, 분말을 융착시키기 위해, 장치(100)의 다양한 시스템들을 이동시키기 위해, 그리고 시스템들, 분말, 및/또는 작업부재(130)의 특성들을 감지하기 위해, 제어기(128)와 함께 동작가능한 시스템들 각각에 의해 사용가능한 명령어들을 생성할 수 있다.
분말을 분배하고 압착시키는 예시적인 프로세스에서, 분말 입자들은 먼저 도 2의 분말 소스(131)를 통해 로딩된다. 분말 소스(131)는, 분말에 대한 저장소의 역할을 하는 호퍼일 수 있다. 분말 입자들은 분말 소스(131)를 통해 노즐들의 어레이를 향해 이동한다. 노즐들의 어레이에서의 분말 휠들은, 플래튼의 최상부 표면 상의, 분말이 분배되는 곳을 제어한다.
제어기는, 압착의 수준, 분말 분배 위치, 및 분말 분배율을, CAD 데이터에 포함된 그 파라미터들 각각에 대한 원하는 수준들에 기반하여 제어할 수 있다. 이와 관련하여, 제어기는, 분말 휠들, 예컨대, 도 6의 분말 휠들(402, 404, 및 602)을 제어하여 이러한 원하는 파라미터들을 달성할 수 있다. 또한, 제어기는, 분말이 분배될 곳을 제어하기 위해, 형성될 물체의 기하학적 구조를 특정할 수 있는 CAD 데이터를 사용할 수 있다. 제어기는, 구축 플랫폼 위의 분배 시스템의 위치를 제어하여 분말이 분배되는 곳을 제어할 수 있는 한편, 제어기는 또한, 분배 시스템을 따른, 분말이 분배되는 곳을 제어할 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 제어기는 물체를 형성하기 위한 동작들을 수행하기 위해 다른 시스템들을 제어할 수 있다. 이러한 시스템들은, 분배 시스템(116)에 의해 분배된 분말을 융착시키기 위해, 프린트헤드(102), 열원(112), 및 에너지 소스(114)를 포함한다. 분배 시스템(116)이 분말의 층을 분배한 후, 제어기는, 열원(112) 및 에너지 소스(114)가 협력하여 층 내의 분말을 가열 및 융착시키도록 제어할 수 있다. 이어서, 제어기는, 분말의 다른 층을 분배하도록 분배 시스템(116)을 제어할 수 있다.
제어기들 및 컴퓨팅 디바이스들이 이러한 동작들 및 본원에서 설명된 다른 프로세스들 및 동작들을 구현할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 장치(100)의 제어기(128)는, 장치(100)의 다양한 구성요소들, 예컨대, 액추에이터들, 밸브들, 및 전압 소스들에 연결되어 그러한 구성요소들에 대한 제어 신호들을 생성하기 위한 하나 이상의 처리 디바이스를 포함할 수 있다. 제어기는 동작을 조정할 수 있고, 장치(100)로 하여금 위에서 설명된 다양한 기능적 동작들 또는 단계들의 시퀀스를 수행하게 할 수 있다. 제어기는 프린트헤드(102)의 시스템들의 이동 및 동작들을 제어할 수 있다. 제어기(128)는, 예컨대, 제1 및 제2 분말 입자들을 포함하는 공급 물질의 위치를 제어한다. 제어기(128)는 또한, 한 번에 융착될 층들의 그룹 내의 층들의 수에 기반하여 에너지 소스의 강도를 제어한다. 제어기(128)는 또한, 예컨대, 에너지 소스 또는 프린트헤드를 이동시킴으로써, 에너지가 가해지는 위치를 제어한다.
본원에서 설명된 시스템들의 제어기(128) 및 다른 컴퓨팅 디바이스들 부분은, 디지털 전자 회로로 또는 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어, 또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 예컨대, 제어기는 컴퓨터 프로그램 제품, 예컨대, 비-일시적인 기계 판독가능 저장 매체에 저장되는 바와 같은 컴퓨터 프로그램을 실행하기 위한 프로세서를 포함할 수 있다. 그러한 컴퓨터 프로그램(프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션, 또는 코드로 또한 알려져 있음)은, 컴파일 또는 해석되는 언어들을 포함하는 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 작성될 수 있고, 이는 독립형 프로그램 또는 모듈, 컴포넌트, 서브루틴 또는 컴퓨팅 환경에서 사용하기에 적합한 다른 유닛을 포함하는 임의의 형태로 배포될 수 있다.
설명된 시스템들의 제어기(128) 및 다른 컴퓨팅 디바이스들 부분은, 공급 물질이 각각의 층에 대해 퇴적되어야 하는 패턴을 식별하는 데이터 객체, 예컨대, 컴퓨터 지원 설계(CAD) 호환가능 파일을 저장하기 위한 비-일시적인 컴퓨터 판독가능 매체를 포함할 수 있다. 예컨대, 데이터 객체는 STL 포맷형 파일, 3D 제조 포맷(3MF) 파일 또는 적층 제조 파일 포맷(AMF) 파일일 수 있다. 예컨대, 제어기는 원격 컴퓨터로부터 데이터 객체를 수신할 수 있다. 예컨대, 펌웨어 또는 소프트웨어에 의해 제어되는 바와 같은 제어기(128)의 프로세서는, 각각의 층에 대해 특정된 패턴을 융착시키기 위해 장치(100)의 구성요소들을 제어하는 데 필요한 신호들의 세트를 생성하기 위해, 컴퓨터로부터 수신된 데이터 객체를 해석할 수 있다.
본 문서가 많은 특정한 구현 세부사항들을 포함하지만, 이들은 임의의 발명들 또는 청구될 수도 있는 것의 범위에 대한 제한들로서 해석되어서는 안되며, 오히려, 특정 발명들의 특정 실시예들에 특정한 특징들의 설명들로서 해석되어야 한다. 별개의 실시예들의 맥락에서 본 문서에 설명되는 특정 특징들은 또한, 단일 실시예로 조합되어 구현될 수 있다. 역으로, 단일 실시예의 맥락에서 설명되는 다양한 특징들은 또한, 다수의 실시예들에서 별개로, 또는 임의의 적합한 하위 조합으로 구현될 수 있다. 더욱이, 특징들이 특정 조합들로 작용하는 것으로 위에서 설명되고 심지어 처음에 이와 같이 청구될 수 있지만, 일부 경우들에서, 청구되는 조합으로부터의 하나 이상의 특징이 그 조합으로부터 제거될 수 있고, 청구된 조합은 하위 조합 또는 하위 조합의 변형에 관한 것일 수 있다.
도 1a의 프린트헤드는 장치(100)가 물체들을 구축할 수 있게 하는 여러 시스템들을 포함한다. 일부 경우들에서, AM 장치는, 프린트헤드 대신, 독립적으로 동작되는 에너지 소스들, 분배기들, 및 센서들을 포함하는, 독립적으로 동작되는 시스템들을 포함한다. 이러한 시스템들 각각은 독립적으로 이동될 수 있고, 모듈식 프린트헤드의 일부이거나 일부가 아닐 수 있다. 일부 예들에서, 프린트헤드는 분배기들만을 포함하고, 장치는 융착 동작들을 수행하기 위한 별개의 에너지 소스들을 포함한다. 따라서, 이러한 예들에서의 프린트헤드는, 제어기와 협력하여 분배 동작들을 수행할 것이다.
동작들은 단일 크기의 분말 입자들을 포함하는 것으로 설명되지만, 일부 구현들에서, 이러한 동작들은 다수의 상이한 크기들의 분말 입자들로 구현될 수 있다. 본원에 설명된 AM 장치의 일부 구현들은 2개의 유형의 입자들(예컨대, 제1 및 제2 분말 입자들)을 포함하지만, 일부 경우들에서, 부가적인 유형들의 입자들이 사용될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 제1 분말 입자들은 제2 분말 입자들보다 큰 크기를 갖는다. 일부 구현들에서, 층을 형성하기 위해 제2 분말 입자들을 분배하기 전에, 장치는, 제3 분말 입자들을 플래튼 또는 하부의 이전에 분배된 층 상에 분배한다.
금속들 및 세라믹들의 적층 제조를 위한 처리 조건들은 플라스틱들에 대한 것들과 상당히 상이하다. 예컨대, 일반적으로, 금속들 및 세라믹들은 상당히 더 높은 처리 온도들을 요구한다. 따라서, 플라스틱을 위한 3D 프린팅 기법들은 금속 또는 세라믹 처리에 적용가능하지 않을 수 있고, 장비가 동등하지 않을 수 있다. 그러나, 본원에 설명된 일부 기법들은 중합체 분말들, 예컨대, 나일론, ABS, 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK) 및 폴리스티렌에 적용가능할 수 있다.
다수의 구현들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 다음과 같다:
● 프린트헤드의 일부인 것으로 위에서 설명된 다양한 구성요소들, 이를테면, 분배 시스템(들), 스프레더(들), 감지 시스템(들), 열원 및/또는 에너지 소스는, 프린트헤드 대신 갠트리 상에 장착될 수 있거나 갠트리를 지지하는 프레임 상에 장착될 수 있다.
● 분배 시스템(들)은 각각, 엇갈린 구성으로 배열되는 2개 초과의 노즐 열을 포함할 수 있다.
● 분말 소스는, 상이한 구현들에서 상이한 형상들 및 크기들을 가질 수 있다. 분말 소스는, 깔때기 형상의 둥근 용기일 수 있다. 일부 구현들에서, 분말 소스는, 노즐들의 열들에 분말을 공급하는 튜브를 포함할 수 있다.
● 분말이 노즐들을 떠난 후에 최상부 표면 상에 분말을 살포함으로써 폭에 걸친 연속적인 범위가 부분적으로 달성될 수 있다. 따라서, 노즐들은 서로 나란히 바로 옆에 정렬될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.
따라서, 다른 구현들이 청구항들의 범위 내에 있다.

Claims (15)

  1. 분배 시스템으로서,
    플래튼의 최상부 표면 위에 분배될 분말을 보관하도록 구성되는 분말 소스;
    상기 분말 소스에 결합되는 노즐들의 어레이 ― 상기 노즐들의 어레이는, 조합되어, 상기 최상부 표면의 폭의 적어도 일부분에 연속적으로 걸쳐 있는 배열로 위치되고, 각각의 노즐은, 상기 분말이 상기 분말 소스로부터 상기 플래튼의 상기 최상부 표면으로 유동하기 위한 개개의 경로를 제공함 ―; 및
    분말 휠들의 어레이 ― 각각의 분말 휠은, 노즐의 개개의 경로에 위치되고 개개의 모터에 연결되고, 상기 각각의 분말 휠은, 분말 휠의 표면 상의 복수의 트로프들을 갖고, 상기 트로프들은, 분말 휠이 모터에 의해 회전될 때, 상기 분말을 상기 분말 소스로부터 상기 최상부 표면으로 상기 개개의 경로를 통해 전달하도록 구성됨 ― 를 포함하며,
    상기 분배 시스템은, 상기 플래튼 상에 상기 분말로부터 물체를 형성하도록 구성되는 적층 제조 장치의 구성요소인, 분배 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분말 소스는, 상기 분말 소스의 폭을 따라 패들 휠 또는 교반기를 포함하는 호퍼이고, 상기 패들 휠 또는 교반기는, 상기 노즐들에 걸쳐 균일하게 상기 분말을 배포하도록 구성되는, 분배 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 패들 휠 또는 교반기는 조정가능한 회전 속도를 갖는, 분배 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노즐들은 단일 열 또는 복수의 엇갈린 열들로 배열되고, 상기 노즐들은 상기 분말 소스의 기부에 위치되는, 분배 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 노즐들의 어레이는, 상기 플래튼의 상기 최상부 표면의 길이를 따라 정렬되는 복수의 노즐들의 어레이들 중 하나의 어레이인, 분배 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 노즐들의 어레이의 피치를 조정하도록 구성되는 피치 조정기를 포함하는, 분배 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 노즐들의 개구들로부터 상기 최상부 표면까지의 거리를 조정하도록 구성되는 높이 조정기를 포함하는, 분배 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 분말 전달 휠 상의 각각의 트로프는, 휠의 축과 평행하고,
    상기 노즐들의 개구들은 원형들, 직사각형들, 삼각형들, 또는 세장형 슬롯들인, 분배 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 분말 휠은 개개의 노즐의 유입구와 유출구 사이에 위치되는, 분배 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    각각의 모터는 개개의 스텝퍼 구동기 회로에 의해 구동되는 스텝퍼 모터이고, 각각의 스텝퍼 모터는 가변 회전 속도를 갖고, 회전 속도를 조정하는 것은 상기 분말의 유량을 변경하는, 분배 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분말 휠들 각각은, 스톨(stall) 조건을 검출하도록 구성되는 회전속도계에 결합되는, 분배 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 노즐들 및 상기 분말 소스의 기부 상에 장착되는 냉각판을 포함하며, 상기 냉각판은, 일정한 동작 온도를 유지하도록 구성되는, 분배 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 분말 소스, 상기 노즐들, 및 상기 분말 휠들을 수납하는 인클로저를 포함하며, 상기 인클로저는 순환 불활성 가스로 채워지고, 상기 불활성 가스는 산소를 임계 수준 미만으로 배제시키는, 분배 시스템.
  14. 적층 제조 장치에서 분말을 분배하는 방법으로서,
    분말 분배 시스템의 분말 소스에 결합된 노즐들의 어레이에 걸쳐 상기 분말 소스에서 균일하게 분말을 배포하는 단계 ― 상기 노즐들은, 플래튼의 최상부 표면의 폭의 적어도 일부분에 연속적으로 걸쳐 있는 배열로 위치됨 ―;
    상기 분말 소스로부터 상기 노즐들을 통해 상기 최상부 표면으로 상기 분말을 분배하는 단계 ― 상기 분배하는 단계는, 개개의 분말 휠에 의해 상기 노즐들 각각을 통한 상기 분말의 개개의 유량을 제어하는 단계를 포함하고, 각각의 분말 휠은, 개개의 노즐의 유입구와 유출구 사이에 위치되고, 상기 각각의 분말 휠은, 분말 휠의 표면 상에 복수의 트로프들을 갖고, 상기 각각의 분말 휠은 개개의 모터에 결합됨 ―;
    상기 최상부 표면 상에 분배된 상기 분말을 평탄화하는 단계; 및
    평탄화된 분말을 융착시킴으로써 물체의 층을 형성하는 단계 ― 상기 층을 형성하는 단계는, 상기 플래튼의 상기 최상부 표면의 길이에 걸쳐 상기 분배 시스템을 이동시키는 단계를 포함함 ― 를 포함하는, 적층 제조 장치에서 분말을 분배하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 분말을 분배하는 단계는,
    상기 분말이, 상기 분말 소스로부터 상기 물체의 부분이 중실 물질인 최상부 표면으로 유동할 수 있게 하도록 분말 휠을 회전시키는 단계; 및
    상기 분말이, 상기 분말 소스로부터 상기 물체의 부분이 빈 공간인 최상부 표면으로 유동하는 것을 막도록 분말 휠을 중단시키는 단계를 포함하는, 적층 제조 장치에서 분말을 분배하는 방법.
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