KR20200072495A - 인터페이스 노드를 사용하는 복합 구조물의 대량 생산을 위한 구조 및 방법 - Google Patents

인터페이스 노드를 사용하는 복합 구조물의 대량 생산을 위한 구조 및 방법 Download PDF

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KR20200072495A
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케빈 로버트 징거
브록 윌리엄 텐호튼
안토니오 버너드 마르티네즈
쥬니어 스티븐 블레어 메시
나렌더 상카르 락슈만
빌 데이비드 크리그
존 파울 거너
이합 나기 엘 나가
데이비드 브라이언 텐호튼
무하매드 파이잔 자파
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디버전트 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

고정밀 인터페이스 노드가 개시된다. 인터페이스 노드는 하나 이상의 복잡하거나 정교한 기능을 포함하는 통합 구조를 포함한다. 인터페이스 노드는 또 다른 부품 도는 링크 노드에 연결될 수 있다. 인터페이스 노드는 대량 생산을 가능하게 하면서 고정밀 기능성을 달성하도록 제조된다. 현재의 적층 제조 기술은 제조되는 고정밀 특징부의 인쇄를 가능하게 하지만, 일반적으로 이는 더 느린 속도에서 수행된다. 그 결과, 일 양태에서, 고정밀 인터페이스 노드를 생성함으로써 유발되는 느린 생산량의 적어도 일부를 극복하기 위해 인터페이스 노드의 크기가 축소된다. 인터페이스 노드가 연결되는 부품과 링크 노드는 기본 특징부와 기능만을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 범주의 부품은 높은 인쇄 속도를 사용하고 따라서 높은 생산량을 사용할 수 있다. 다른 실시형태에서, 이러한 저정밀 부품은 또한, 필요한 높은 처리량을 제공할 수 있는 주조, 단조 등과 같은 비-인쇄 기술, 또는 인터페이스 노드의 기하학적 유연성이 결여된 고정밀 기계 가공 부품을 사용하여 제조될 수 있다. 일 실시형태에서, 인터페이스 노드는 링크 노드를 통해 다른 부품에 연결될 수 있다.

Description

인터페이스 노드를 사용하는 복합 구조물의 대량 생산을 위한 구조 및 방법
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2017년 11월 10일 출원된 "인터페이스 노드를 사용한 복합 구조물의 대량 생산을 위한 구조 및 방법"이라는 제목의 미국 특허 출원 제15/809,913호의 이점을 주장하며, 그 전문이 특별히 본원에 참고로 인용된다.
본 개시는 일반적으로 수송 구조물 및 기타 기계적 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 통합 구조 내에서 부품을 연결하기 위한 인터페이스 노드에 관한 것이다.
3차원(3D) 인쇄로도 알려진 적층 제조(additive manufacturing, AM)는 기판 상에 적층 재료를 증착하고 조작하기 위해 컴퓨터-지원 데이터 모델을 사용하여, 모델에 의해 정의된 특징부를 갖는 3D 구조물을 제조다. 현재 AM 기술의 중요한 장점은, 정확하게 정의된 특성을 갖는 재료를 사용하여 다면적인 기하학적 특징과 복잡한 구조를 갖는 부품을 생산할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 최근의 3D 프린터는 매우 작은 특징부 크기(feature size)와 층 높이(layer height)를 인쇄할 수 있으며, 따라서 매우 미세한 정밀도를 갖는 부품을 만들 수 있다. 또한, PBF-기반, DED, 및 기타 AM 기술에서의 레이저 및 전자-기반 에너지원은 다양한 아주 흔한 금속 및 합금을 사용하여 물체를 인쇄할 수 있다. AM은 또한 설계 특이적이지 않으므로 상당한 설계 유연성을 제공한다. AM은 설계 특이적이지 않기 때문에, 다른 제조 공정으로는 불가능한 기하학적 구조 및 설계 유연성을 제공한다. 단일 성형 부품을 생산하기 위해 일반적으로 사용되는 금형과는 달리, AM은 수많은 형태와 크기를 갖는 물체를 생성할 수 있다. 프린터 크기 사양을 초과하는 매우 큰 물체는 또한 설계 단계에서 분리되고, 병렬로 인쇄되어 결합될 수 있다. 요컨대 AM은 복잡하고 다양한 기계적 구조물의 생산이 중심인 산업 분야에서 빠르게 확산되고 있다.
AM에서 설계자들이 직면하는 한 가지 상충관계는 일반적으로, 3D 인쇄될 부품에 사용하도록 설계된 특징 또는 기능이 더 정교할수록, 예상되는 생산량이 적다는 것이다. 3D 인쇄 부품의 크기가 커질수록 생산량도 줄어든다. 이러한 실질적인 한계는 종종, 복잡한 기하학적 구조를 정확하게 렌더링하기 위해 느린 인쇄 속도에 의존할 수 있고, 큰 구조물을 렌더링하기 위해 더 많은 전체 층을 적용해야 하는 특정 AM 공정에 내재되어 있다. 다른 기술-의존적 요인은, 처리량을 포함하는, 특정 AM 기술의 전체 생산 가치를 결정하는 것과 관련이 있다.
AM은 기계 가공, 밀링, 성형, 단조, 주조 등과 같은 종래의 제조 기술과 대비될 수 있다. 주조 자체는 구조물이 아주 크거나 무거운 경우에도 높은 처리량으로 구조물을 효율적으로 생산할 수 있다. 그러나, 주조 및 다른 종래 기술은 전형적으로 더 복합적인 구조물의 고-처리량 생산에는 경제적으로 적합하지 않다. 이들 구조물은 정교한 내부 특징, 정확한 재료 특성, 엄격한 공차 요건 및/또는 기타 복합적인 내부 구조적 속성을 갖는 구조물을 포함한다. 이러한 유형의 정밀 부품을 생산하기 위해 종래의 제조 기술을 사용하면 비용이 매우 많이 들 수 있다. 예를 들어, 기계 가공 기술은 복잡한 특징을 갖는 매우 정확하고 복합적인 기하학적 구조물을 생성할 수 있다. 그러나, 기계 가공은 본질적으로 비용 효율적이지 않으며, 종종 이러한 복합 구조물의 대량 생산에 의존하는 응용 분야에서는 엄청나게 비싸다. 또한, 공정의 내재된 물리적 한계로 인해, 일부 구조물은 기계 가공을 사용하여 제조될 수 없다. 한 가지 예는, 다양성과 경량성으로 인해 일부 현대식 기계화 기술에 사용되는 격자 구조물을 포함한다. 따라서 다른 대안을 고려해야 한다.
결과적으로, 한편으로는 정교한 특징을 갖는 복합 구조물을 생성할 수 있는 AM의 이점과 능력을 통합하고, 다른 한편으로는 리드 타임을 줄이고 생산 능력을 증가시키는 고-처리량 제조 기술의 장점을 통합함으로써, 두 가지 기술의 결합된 이점을 누리는 구조물을 제조할 수 있는 기술이 필요하다.
인터페이스 노드 및 인터페이스 노드를 사용하는 구조물의 여러 양태가 본원에 개시된다.
일 양태에서, 사용시 AM 기술당 높은 정밀도와 생산량을 달성하기 위해 인쇄 공정을 사용하여, 축소된 크기로 적층 제조된(AM) 인터페이스 노드(IN)는, 고속 생산 공정을 사용하여 적층 제조된 저정밀 부품에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 연결 특징부(connection feature)를 포함한다.
또 다른 양태에서, 사용시 AM 기술당 높은 정밀도와 생산량을 달성하기 위해 인쇄 공정을 사용하여, 축소된 크기로 적층 제조된(AM) 인터페이스 노드(IN)는, 주조 부품(cast component)에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 연결 특징부, 및 기하학적 복합 특징부, 열적 복합 특징부, 다양한 재료 또는 이의 조합을 포함하는 다중-재료 복합 특징부, 또는 복합 공차 요건을 포함하는 세트로부터의 적어도 하나의 고정밀 특징부를 포함한다.
또 다른 양태에서, 사용시 AM 기술당 높은 정밀도와 생산량을 달성하기 위해 인쇄 공정을 사용하여, 축소된 크기로 적층 제조된(AM) 인터페이스 노드(IN)는, 주조 부품에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 연결 특징부, 및 접착제 주입 채널을 포함한다.
또 다른 양태에서, 사용시 AM 기술당 높은 정밀도를 달성하기 위해 인쇄 공정을 사용하여, 축소된 크기로 적층 제조된(AM) 인터페이스 노드(IN)는, 사용시 AM 기술에 비해 낮은 기하학적 유연성을 갖는 고속 생산 공정을 사용하여 고정밀, 낮은 특징부의 기계 가공 부품에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 연결 특징부, 및 기하학적 복합 특징부, 열적 복합 특징부, 다양한 재료 또는 이의 조합을 포함하는 다중-재료 복합 특징부, 또는 복합 공차 요건을 포함하는 세트로부터의 적어도 하나의 고정밀 특징부를 포함한다.
또 다른 양태에서, 사용시 AM 기술당 높은 정밀도를 달성하기 위해 인쇄 공정을 사용하여, 축소된 크기로 적층 제조된(AM) 인터페이스 노드(IN)는, 사용시 AM 기술에 비해 낮은 기하학적 유연성을 갖는 고속 생산 공정을 사용하여 고정밀, 낮은 특징부의 기계 가공 부품에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 연결 특징부, 및 접착제 주입 채널을 포함한다.
또 다른 양태에서, 부품을 제조하는 방법은, 고정밀 특징부를 갖는 인터페이스 노드(IN)를 설계하는 단계와, 생산량을 증가시키기 위해 IN의 크기를 결정하는 단계와, 높은 정밀도를 달성하기 위해, 사용시 AM 기술당 낮은 인쇄 속도를 사용하여 IN을 적층 제조하는 단계, 및 더 높은 생산 속도를 사용하여 제조된 부품에 IN을 연결하는 단계를 포함한다.
고-처리량 제조 부품에 인터페이스 노드를 연결하는 다른 양태는, 예시로서 몇몇 실시형태만 도시되고 기술된 다음의 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 숙련자에게 명백해질 것이다. 본 기술 분야의 숙련자가 알 수 있는 바와 같이, 본원에 양태와 실시형태 및 이의 몇몇 세부사항은 모두 본 발명을 벗어나지 않고 다양한 다른 측면에서 수정될 수 있다. 따라서, 도면과 상세한 설명은 사실상 예시적인 것이며 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 한다.
인터페이스 노드를 사용하여 복합 구조물의 대량 생산을 위한 구조 및 방법의 다양일 양태가 이제 첨부 도면에서 제한이 아닌 예시로서 상세한 설명에 제시될 것이다.
도 1은 3D 프린터를 사용하는 적층 제조 공정의 개념 흐름도이다.
도 2A 내지 도 2D는 다양한 작동 단계 동안 예시적인 분말 베드 융합(powder bed fusion, PBF) 시스템을 도시한다.
도 3A는 예시적인 직접 에너지 증착(Directed Energy Deposition, DED) 시스템을 도시한다.
도 3B는 예시적인 금속 불활성 가스(metal inert gas, MIG) 용접 기반 DED 시스템을 도시한다.
도 4는 연결 특징부를 갖는 종래 방식으로 제조된 부품 및 상보적인 연결 특징부를 갖는 인터페이스 노드를 포함하는 구조물의 측면도이다.
도 5는 인터페이스 노드 상의 수형(male) 연결 특징부를 사용하여 엔진 블록에 결합하기 위한 인터페이스 노드의 사시도이다.
도 6A는 두 개의 인터페이스 노드에 결합되도록 구성된 링크 노드(Linking Node)의 사시도로서, 인터페이스 노드는 섀시(chassis)와 같은 구조물을 형성하기 위한 기초로서 각각의 스패닝 부품(spanning component)에 결합하도록 조립된다.
도 6B는 스패닝 부품 및 링크 노드에 대한 각각의 연결부를 도시하는, 도 6A의 상부 인터페이스 노드의 정면 단면도이다.
도 6C는 인터페이스 노드를 통해 탄소 섬유 튜브(carbon fiber tube)에 결합되고, 분리 특징부(isolation feature)를 사용하여 고-처리량 제조 부품에 결합된 링크 노드의 사시도이다.
도 7A는 엔진 블록으로부터 열 에너지를 소산시키도록 구성된 인터페이스 노드에 연결된 주조 벨 하우징(cast bell housing)의 사시도이다.
도 7B는 주조 변속기 케이스(cast transmission case)의 단부에 결합된 인터페이스 노드의 사시도이다.
도 8은 직접 에너지 증착(DED)를 사용하여 용접 기반 증착을 받고 있는 인터페이스 노드의 정면 단면도이다.
도 9A는 DED 증착을 위해 평평한 상부 영역을 갖는 AM 인터페이스 노드의 정면도이다.
도 9B는 가공 표면을 갖는 AM 인터페이스 노드의 일부의 단면도이다.
도 9C는 대안적인 가공 표면을 갖는 AM 인터페이스 노드의 일부의 단면도이다.
도 9D는 또 다른 대안적인 가공 표면을 갖는 AM 인터페이스 노드의 일부의 단면도이다.
도 9E는 또 다른 대안적인 가공 표면을 갖는 AM 인터페이스 노드의 일부분의 단면도이다.
도 10은 노드를 연결하기 위해 사이에 DED 구조가 성장된 두 개의 인터페이스 노드의 중간 단계의 정면도이다.
도 11은 돌출된 DED 구조를 증착하기 위한 한 쌍의 인터페이스 노드 및 제거 가능한 베이스 플레이트의 정면도이다.
도 12는 본 개시에 따른 부품을 제조하는 예시적인 방법의 흐름도를 도시한다.
첨부된 도면과 관련하여 아래에 제시되는 상세한 설명은 본 발명의 다양한 예시적인 실시형태의 설명을 제공하기 위한 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내기 위한 것은 아니다. 본 개시 전반에 걸쳐 사용된 "예시적인"이라는 용어는 "예, 실례 또는 예시의 역할을 하는"을 의미하며, 반드시 본 개시에 제시된 다른 실시형태보다 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어서는 안 된다. 상세한 설명은 본 기술 분야의 숙련자에게 본 발명의 범위를 완전히 전달하는 철저하고 완전한 개시를 제공하기 위한 특정 세부사항을 포함한다. 그러나, 본 발명은 이러한 특정 세부사항 없이도 실시될 수 있다. 일부 예에서, 본 개시 전반에 걸쳐 제시된 다양한 개념을 모호하게 하는 것을 피하기 위해, 공지된 구조 및 부품은 블록도 형태로 도시되거나 완전히 생략될 수 있다.
본 개시는 일반적으로 부품 또는 링크 노드에 연결되는 인터페이스 노드에 관한 것이다. 인터페이스 노드는 튜브, 구조 패널, 압출물, 판금 및 기타 구조 부재와 같은 스패닝 구조물에 대한 연결부 생성을 포함하여 특정 기능을 수행할 수 있는 고정밀 특징 또는 복합적인 기하학적 구조를 가질 수 있다. 다르게 말하면, 인터페이스 노드는, 하나 이상의 고정밀 특징부를 포함하고 다른 부품 또는 링크 노드에 연결되어 기능성 부품의 다양하고 효율적인 배열을 형성하는 구조물이다.
인터페이스 노드 아키텍처는 다양한 연결 특징부를 사용하여 인터페이스 노드를 다른 부품에 결합할 수 있다. 부품 연결 외에, 인터페이스 노드는 본원에서 링크 노드라고 지칭하는 다른, 일반적으로 3D 인쇄된 노드에 연결될 수 있다. 수송 구조물 또는 기타 기계화 조립체에서 인터페이스 노드를 사용하여 부품의 미리 구성된 네트워크와 링크 노드를 함께 연결하면 많은 장점이 있다. 그 중에서도, 본원의 양태에 개시된 아키텍처는 생산비를 낮추면서 고정밀 및 저정밀 부품 모두의 생산량을 증가시킴으로써 제조 공정을 간소화할 수 있다. 인터페이스 노드 아키텍처는 또한 강력하고 컴팩트하며 본질적으로 신뢰할 수 있고, 따라서 전체 제품 품질을 향상시킬 수 있다.
인터페이스 노드는 일반적으로 고정밀 구조물인데, 이는 이들이 본원에 기술된 바와 같은 하나 이상의 복합 특징부와 기능을 포함함을 의미한다. 종종 인터페이스 노드에 컴팩트하게 통합된 이러한 특징과 기능은 많은 물리적 특성과 특징에 의해 정의될 수 있다. 단일 부품에 통합된 구조물의 복잡한 통합으로 인해, 인터페이스 노드는 복잡한 연결 특징부와 정교한 기능적 성능 모두를 포함할 수 있다. 이러한 특징과 기능으로 인해, 인터페이스 노드는 생산 처리량을 크게 희생하지 않고도 더 큰 저정밀 부품에 원활하게 연결될 수 있다. 구체적으로, 두 가지 부품에서, 인터페이스 노드의 크기는 다른 부품, 또는 대량 소비하는 링크 노드에 비해 감소되어, 인터페이스 노드를 인쇄하는 동안 재료 소비를 줄인다.
상기한 바와 같이, 다른 부품 또는 링크 노드는 또한 이러한 세 가지 구조 유형 사이에 간결한 연결부를 형성하기 위해 인터페이스 노드의 연결 특징부의 더 정교한 네트워크와 연결되도록 구성된 비교적 간단한 연결 특징부를 포함할 수 있다. 이들 부품 및 링크 노드는 더 많은 기본 특징부를 포함하지만, 유리하게는 더 높은 인쇄 속도로 3D 인쇄될 수 있다. 대안적으로, 이들 부품 및 링크 노드는 적합한 비-3D 인쇄 제조 기술을 사용하여 구축될 수 있다. 부품 및 링크 노드를 제조하기 위한 후보 비-3D 인쇄 기술은 고정밀 특징부를 생성할 수 없는 기술을 포함할 수 있다. 유리하게, 이들 부품 및 링크 노드에 정교한 기능이 상대적으로 없기 때문에, 고-처리량 저비용 제조 기술이 종종 이러한 구조물을 생성하기 위한 가능한 대안이 될 수 있다.
일 실시형태에서, 링크 노드는 아래에서 더 기술되는 직접 에너지 증착(DED)과 같은 고속 저정밀 인쇄 공정을 사용하여 3D 인쇄된 금속으로 구성된다. 그러나, 링크 노드는 이에 제한되지 않으며, 다른 방식으로 제조될 수 있다. 링크 노드는 다양한 특징과 기능을 포함할 수 있지만, 인터페이스 노드에 존재할 수 있는 매우 높은 정밀도의 특징부는 없다.
다른 실시형태에서, 인터페이스 노드는 대안적으로 또는 추가적으로 하나 이상의 부품에 직접 부착된다. 부품은 주조 부품, 기계 가공 부품, 이들 기술의 조합을 사용하여 제조된 부품, 또는 다른 종래의 비-3D 인쇄 기술을 사용하여 제조된 부품일 수 있다. 부품은 또한 더 높은 생산 능력의 AM 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 인터페이스 노드가 연결될 수 있는 링크 노드는 많은 경우 다른 부품에 연결하기 위한 다른 특징부를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 구조물은 간결하게 세 가지 범주(인터페이스 노드, 링크 노드, 부품) 중 하나에만 속하지 않을 수 있다. 오히려, 구조물은 때때로 둘 이상의 범주에서 발견되는 특징부를 포함할 수 있다. 이들 구조물은 중첩 부분으로 간주될 수 있다.
상기한 바와 같이, 인터페이스 노드는 또한 주조 또는 기계 가공 부품과 같은 비-3D 인쇄 부품에 연결될 수 있다. 비-3D 인쇄 부품은 인터페이스 노드에 연결되고 및/또는 하나 이상의 전용 기능을 수행하도록 구성된 구조물 및 특징부를 자체적으로 포함할 수 있다. 인터페이스 노드, 링크 노드, 비-3D 인쇄 부품, 및 적용 가능한 경우 중첩 부분을 포함하는 상기한 구조물 각각은 노드 또는 부품과 관련된 연결 특징부를 사용하여 다양한 구성으로 함께 결합될 수 있다.
인터페이스 노드는 하나의 비교적 컴팩트한 부품에 통합된 특정 특징 또는 기능을 포함할 수 있다. 인터페이스 노드, 및 인터페이스 노드가 연결될 수 있는 대응하는 비-3D 인쇄 부품 및 링크 노드는, 본원에 기술된 원리를 사용하여, 유리하게는 대량 생산으로 생성될 수 있다. 따라서, 본원에서와 같이 인터페이스 노드의 복합 특징부가 AM 공정의 속도를 늦추는 경향이 있는 경우에도, 종래의 기술에 비해 인터페이스 노드 인쇄에서 더 많은 생산량이 달성될 수 있다.
이러한 이점은 종래의 또는 현재 AM 기술을 먼저 고려함으로써 이해된다. 차량의 예에서, 기본 특징과 기하학적 구조 및 고정밀 특징과 기하학적 구조를 모두 포함하는 많은 크고 복잡한 구조물이 있다. 이러한 기본 및 고정밀 특징부와 기하학적 구조 모두는 구조물의 다양한 부분에 분산될 수 있다. 제조업체는 이러한 복잡하고 아주 큰 구조물을 3D 인쇄하기 위해 고정밀 AM 기술을 사용할 수 있다. 이러한 접근법은 복합 부분을 또한 포함하는 이러한 대형 구조물에 대한 3D 인쇄 시간이 일반적으로 길다는 단점이 있다. 따라서, 생산량이 감소될 수 있고, 이들 구조물을 인쇄하기 위한 재료 소비가 증가할 것이다.
대안적으로, 종래 또는 현재 기술은 고정밀 부품 또는 구조물을 생성하기 위해 기계 가공을 이용할 수 있다. 상기한 바와 같이, 이들 기술은 엄청나게 높은 비용을 수반할 수 있다. 기계 가공은 또한 자체의 본질적인 결함을 갖는다. 즉, 기계 가공은 복합적인 내부 채널과 격자 구조물을 효율적으로 생성할 수 없다. 대부분의 경우, 이들 구조물은 기계 가공으로 제작될 수 없다.
예시적인 실시형태에서, 본원에 기술된 고급 기술을 이용하는 차량 제조업체는 차량 내에 포함된 구조물(또는 구조물 세트)의 설계를 고려함으로써 상기 이점을 초기에 달성할 수 있다. 구조물은 특정 기능을 수행하기 위해 그 경계 내에 또는 경계를 가로질러 분산된 다양한 기하학적 특징을 포함할 수 있다. 구조물은 또한 대형일 수 있고 상당한 체적을 포함할 수 있다. 이 예시적인 실시형태의 설계 부분 단계에서, 구조물의 고정밀 기능 및 연결 특징부는, 인터페이스(들)에서 떨어진 적절한 위치에서 크기가 감소된, 비교적 컴팩트한 인터페이스 노드(또는 다른 실시형태에서는 다수의 인터페이스 노드)에 통합될 수 있다. 그 결과, 크기가 감소된 인터페이스 노드는 노드의 필요한 기하학적 및 재료 복잡성을 달성하기 위해 고정밀 저속 인쇄 공정을 사용하여 3D 인쇄될 수 있다. 아래에 기술된 분말 베드 융합은 이러한 고정밀 인쇄를 위해 고려되는 AM 기술의 한 그룹일 수 있다. 결과적으로, 상기한 시나리오와는 달리, 고정밀 AM은 원래 기능을 유지하는 비교적 작고 컴팩트화한 구조물로 제한된다. 따라서 생산량은 저하되더라도 크게 저하되지는 않는다.
이 예시적인 실시형태에서, 인터페이스 노드의 나머지 부분에서 그 설계가 분리되는 구조물의 나머지 부분은, 선택에 의해 또는 가끔은 필요에 의해 지정되는 기타 대량의, 가능하면 더 저렴한 생산 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 대량 생산 방법은 직접 에너지 증착(DED)을 포함하거나, 대안적으로 주조, 기계 가공 등과 같은 비-3D 인쇄 방법을 포함할 수 있다.
따라서, 예로서, 차량 내의 복합 구조물은 다른 부품(예를 들어, 비-3D 인쇄 부품 또는 고속 저정밀 AM 기술을 사용하여 인쇄된 부품) 및/또는 링크 노드에 연결되는 하나 이상의 인터페이스 노드의 정확한 네트워크로서 설계되고 제조될 수 있다. 이러한 다른 부품 또는 링크 노드는 또한 예를 들어 인터페이스 노드의 설계에 통합되지 않았거나 다른 목적을 위해 새롭게 설계된 기하학적 특징과 기능을 포함할 수 있다. 이러한 기하학적 특징과 기능은 예를 들어 인터페이스 노드의 더 정교한 연결 특징부에 연결되도록 설계된 비교적 간단한 연결 특징부(예를 들어, 비-나사산 커넥터(non-threaded connector)를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 부품은 주조 부품일 수 있다. 또한, 통합 노드의 설계에서 통합되지 않은 나머지 부품과 구조물에 대한 맞춤형 연결부 또는 우수한 하중 특성을 달성하기 위해, 이 단계에서 링크 노드가 설계되고 이후 3D 인쇄될 수 있다.
상기 설계에 대한 설명은 사실상 예시적인 것임에 주목해야 한다. 예를 들어, 상기 실시형태는 주로 단일 구조물을 논의하지만, 본원에 기술된 기술은 하나 이상의 대응하는 부품, 인터페이스 노드 및 링크 노드와 함께 일련의 또는 다수의 구조물에 동일하게 적용될 수 있다. 응용을 위한 설계 방식은 부품(들)의 특성, 제조 목표 및 기타 요인에 따라 달라질 수 있다.
또한, 설계 공정의 이 단계에서 그리고 대안적으로 또는 인터페이스 노드에 추가하여, 하나 이상의 링크 노드가 적절한 기술(예를 들어, DED)을 사용하여 생성될 수 있다. 링크 노드는, 하나 이상의 인터페이스 노드를, 위에서 논의한 더 큰, 고속 AM 인쇄 또는 비-3D 인쇄 부품과 같은 하나 이상의 다른 부품과 연결하는 것이 주된 목적인 노드 또는 조인트 부재(joint member)이다. 링크 노드의 주요 기능은 인터페이스 노드(들)를 부품(들)과 연결하는 것이지만, 링크 노드는 다른 기능을 수행하기 위한 기본 특징부를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 링크 노드는 인터페이스 노드(들)가 링크 노드를 통해, 고속 인쇄 및 비-3D 인쇄 부품을 포함하는 다른 부품에 쉽게 연결되게 할 수 있는 기본 연결 특징부를 가질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 링크 노드는 인터페이스 노드 내에 포함된 고정밀 고성능 부품이 없다. 그러나 이러한 차이로 인해 일반적으로 더 빠르고 가능하면 더 저렴한 방법으로 링크 노드를 제조할 수 있다.
요컨대, 인터페이스 노드(들)는 고정밀 저속 인쇄 공정을 사용하여, 축소된 크기로 생성될 수 있다. 고유한 특징이 이러한 방법을 가능하게 하는 설계의 부품에 대해 더 낮은 정밀도, 더 유연한 인쇄 방법 또는 비-3D 인쇄 방법이 사용될 수 있다. 인터페이스 노드의 기능적 및 구조적 정교함은 일반적으로 저속 인쇄 공정을 필요로 하지만, 상기한 바와 같은 부품의 분리는 인쇄될 부분의 크기가 실질적으로 축소됨을 의미한다.
간단한 예로서, 인터페이스 노드는 고정밀, 높은 특징부, 저속 인쇄 공정 AM 해결책을 사용하여 생성될 수 있다. 인터페이스 노드는 링크 노드에 용접하기 위한 돌출된 원형 표면과 같은 연결 특징부를 포함할 수 있다. 링크 노드는, 예를 들어 인터페이스 노드와 관련된 모든 기능 및 정밀도를 수용할 수는 없지만 높은 생산량(예를 들어, 고속 AM 또는 기존의 비-3D 방법)을 가능하게 하는 더 빠르고 저렴한 제조 공정을 사용하여 생산될 수 있다. 비-3D 인쇄(또는 고속 인쇄) 부품은 설계 공정 동안 인터페이스 노드의 특징부가 추출되는 원래 구조물(들)의 일부를 포함할 수 있다. 부품은 또한 차량의 또 다른 부품(몇 가지 예만 들면, 변속기 하우징, 내부 패널, 엔진 블록 등)을 포함할 수 있다. 부품은 필요에 따라 재설계될 수 있으며, 이후 링크 노드를 통해 또는 직접 인터페이스 노드에 연결되도록 더 설계될 수 있다. 이러한 기본 설계 체제로부터, 전체 차량 또는 다른 수송 구조물은 모두 링크 노드 또는 부품을 통해 상호 연결된 인터페이스 노드의 정밀 네트워크로서 구성될 수 있다.
설계 단계는 다목적이며 상기 예와는 다른 많은 방식을 포함할 수 있음에 주목해야 한다. 예를 들어, 인터페이스 노드와 링크 노드는 다른 부품에서 도출될 필요가 없다. 다른 실시형태에서, 인터페이스 노드는 하나 이상의 고정밀 특징부를 선택하고 이를 적절한 방식으로 소형 부품에 포함시킴으로써 설계 단계에서 독립적으로 도출될 수 있다. 예를 들어, 인터페이스 노드(및 필요한 경우, 링크 노드)는, 아래에서 도 6A 내지 도 6C를 참조하여 예시되는 바와 같이, 탄소 튜브로 연결된 인터페이스 노드 네트워크를 형성하는 것과 같이 다양한 방식으로 차량의 부분 또는 일부를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
상기한 예로부터 명백한 바와 같이, 특징부가 풍부한 인터페이스 노드의 설계 및 용도를 기반으로 얻어지는 이점은 많다. 일 실시형태에서의 설계는, 특징 또는 재료 특성이 고정밀 저속 인쇄 AM을 필요로 하는 구조물의 특징부를 식별하는 단계를 포함한다. 정밀 특징부가 그렇게 식별되고 나면, 이들은 비교적 작은 체적으로 통합될 수 있으며, 설계의 나머지인 일반적으로 더 큰 부분이 분리된다. 이들 나머지 큰 부분을 식별할 때, 이들은 열 특성, 재료 특성(예를 들어, 응용을 감안한 재료의 특징, 또는 다른 재료의 영향), 또는 다른 고려사향을 또한 다루면서 수송 구조물에 이상적인 적합성을 수용하기 위해 필요에 따라(임의의 기능적 또는 물리적 제약에 따라) 형태가 개조되거나 재구성될 수 있다. 따라서, 이들은 부품 및, 필요하거나 바람직한 경우, 링크 노드의 형태로 더 빠르고 저렴한 방법을 사용하여 제조될 수 있다.
더 정교한 구조적 또는 기능적 특징을 필요로 하는 인터페이스 노드는 특정한 적절한 AM 기술을 사용하여 인쇄될 수 있으며, 인쇄 속도는 이러한 고정밀 구조물의 성공적인 렌더링을 가능하게 하기 위해 충분히 느린 속도로 감소된다. 이들 구조물의 물리적 크기는 대량 생산 속도를 최대화하면서 기능적 유용성 또는 구조적 완전성을 유지하는 목표 부피로 축소되거나 달리 제한될 수 있다. 일 실시형태에서, 구조물은 인터페이스 노드의 인터페이스(들)에 인접하지 않은 영역에서만 크기가 축소된다. 따라서, 인터페이스 부분의 연결 특징부는 규칙적인 크기를 유지한다. 따라서, 더 정교한 기능을 포함하는 통합 구조는 3D 렌더링 속도를 줄일 수 있지만, 인쇄될 구조물 크기의 동시 축소는 생산량의 잠재적 손실을 회복적으로 증가시킬 수 있다. 따라서, 무시할 만큼 최소한은 아니라 하더라도, 생산 속도의 전반적인 희생은 감소될 수 있다.
재료 특성 . 인터페이스 노드는 이들이 연결되는 부품 또는 링크 노드와는 다른 재료 특성을 가질 수 있다. 처리량이 더 높은 기술에서는 사용할 수 없는 특정 재료 특성을 필요로 하는 인터페이스 노드 생산에 저속 인쇄가 사용될 수 있다. 예를 들어, 인터페이스 노드는 링크 노드보다 높은 항복 강도를 필요로 할 수 있다. 이 경우, 주조를 통해 또는 더 빠른 속도의 AM 공정을 통해 링크 노드가 생성될 수 있지만, 인터페이스 노드는 상기한 바와 같이 우수한 재료 특성을 필요로 하기 때문에 이러한 방법으로 생성될 수 없다. 인터페이스 노드의 제조 공정에 영향을 줄 수 있는 재료 특성 요건의 다른 예는 향상된 열전도율, 양호한 극한 강도, 및 양호한 신장률을 포함한다.
이러한 인터페이스 노드를 포함하는 통합 구조는 차량, 버스, 기차, 항공기, 우주선, 위성, 오토바이, 선박, 보트, 대중 교통 구조물 등과 같은 수송 구조물의 제조업체에게 특별한 이점을 제공할 수 있지만, 본 개시는 이에 제한되지 않고, 인터페이스 노드 및 대응하는 구조물은, 수송 구조물이 부분 집합만을 구성하는, 다양한 기계화 조립체에 적용될 수 있다. 본 기술 분야의 숙련자는, AM 및 이에 수반되는 이점이 다양한 산업으로 점진적으로 확장하고 있으며 AM 기술이 이러한 산업의 새로운 기술 개발에서 최첨단 기술을 발전시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 알 것이다.
제조 공정 . 산업, 생성되는 구조물의 유형, 및 잠재적으로 다른 요인에 따라, 특정 유형의 제조 공정이 선호되거나 바람직할 수 있다. 여기에는 적층 제조 및 기존의 절삭 가공(subtractive manufacturing) 기술이 모두 포함된다. 다양한 기술 및 기술의 범주가 본원에서 언급되지만, 본 개시는 이러한 공정에 제한되지 않으며, 본 기술 분야의 숙련자는 수많은 다른 유형의 제조 방법이 가능함을 알 것이다. 일반적으로, 본 개시에서 논의된 유형의 구조물(인터페이스 노드, 부품 및 링크 노드)을 수용하기 위해, 이들은 다양한 종류의 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 일부 비-포괄적인 예는 다음과 같다:
● 고정밀 저-처리량 적층 제조 - 이러한 유형의 제조 공정에는, 이들이 정교한 특징, 복잡한 기하학적 구조 및 다면적인 기능적 성능을 갖는 부품을 인쇄할 수 있다는 점에서 고정밀인 AM 기술이 포함될 수 있다. AM에서는, 특히 낮은 특징부 크기와 작은 층 높이가 포함되는 이러한 세부사항을 렌더링하는 3D 프린터의 경우, 공정은 더 오래 걸리기 때문에, 처리량은 일반적으로 더 낮다. 또한, 이러한 기술이 제공할 수 있는 고정밀 특징부의 유형에 대해 다양한 제한이 있을 수 있다.
● 고정밀, 높은 특징부, 저-처리량 적층 제조 - 이러한 제조 기술 범주에는, 정교한 특징, 복합 기하학적 구조 및 다면적인 기능적 성능을 갖는 부품을 렌더링할 수 있다는 점에서 정밀도가 높은, 특정 분말 베드 융합 3D 인쇄 기술이 포함될 수 있다. 이러한 범주는 또한 높은 특징부 능력을 포함할 수 있는데, 이는 다른 공정에 비해 이들 공정을 사용하여 제조될 수 있는 구조물의 유형에 대한 제한이 비교적 적을 수 있음을 의미한다. 몇 가지 유형의 고정밀 특징부뿐만 아니라 다양한 고정밀 특징부가 이러한 기술의 능력 내에 있을 수 있다. AM에서는, 특히 낮은 특징부 크기와 작은 층 높이가 포함되는 이러한 세부사항을 렌더링하는 3D 프린터의 경우, 공정이 더 오래 걸리기 때문에, 이러한 기술은 일반적으로 처리량이 적다. 이러한 범주는 아래에 제시되는 널리 사용되는 두 가지 비-3D 인쇄 제조 기술과 대비된다.
o 주조 - 주조는, 상기한 바와는 달리, 낮은 특징부 능력을 갖는 저정밀도 기술로 일반적으로 분류되는 비-AM 기술이다. 주조는 다른 장점을 포함할 수 있다. 정밀도 수준과 제한된 특징부 유형 모두에 대한 일반적인 제한으로 인해, 특정 응용에 대해 주조가 적합하지 않을 수 있다. 그러나, 주조는 상기 저-처리량 기술과는 대조적으로, 고-처리량을 사용하여 기본 특징부를 갖는 큰 구조물을 생성할 수 있다. 또한, 주조는 특히 비교적 기본적인 특징부를 갖는 대형 구조물의 경우 비용 효과적일 수 있다. 새로운 구조물마다 새로운 주조가 필요하기 때문에 비용이 증가하고 전체 공정에 더 많은 시간이 소요된다는 점에서, 주조는 많은 구조적 변화를 겪을 것으로 예상되는 구조물에는 적합하지 않다.
o 기계 가공 - 주조와는 달리, 기계 가공 기술은 고정밀 구조를 만드는 데 사용될 수 있지만, 기계 가공은 일반적으로, 더욱 설계-독립적인 공정에 의해 생성될 수 있는 특정 종류의 특징부를 생성할 수 있는 능력이 없다는 점에서 낮은 특징부 공정이다. 기계 가공은 복합적인 내부 채널이나 격자 구조물을 효율적으로 생성할 수 없다. 대부분의 경우 이러한 구조는 가공으로 제작할 수 없다. 또한 기계 가공은 비용이 매우 많이 들 수 있다.
● 고-처리량 인쇄 - 고-처리량을 사용하여 특정 적층 제조 기술이 수행될 수 있다. 한 가지 예는 공정의 속도를 늦추는 분말 베드를 필요로 하지 않는 직접 에너지 증착(DED)을 포함한다. DED는 또한 설계-독립적이며 많은 특징부를 생성할 수 있다. DED는 그러나 일반적으로 정밀도가 낮고, 따라서 기본 특징부(예를 들어, 링크 노드)를 갖는 금속 구조물을 만드는 데 최적일 수 있다.
많은 다른 기술이 이용 가능하며, 특정 종류의 이러한 기술이 본원에 개시되어 있다. 각각은 본 개시의 범위 내에 속하는 구조를 만들기 위한 후보이다. 그러나, 본원에 구체적으로 개시되지 않은 다른 제조 기술도 가능할 수 있다. 예를 들어, 부품을 생성하기 위해 단조가 사용될 수 있다.
설계자의 제조 기술 선택에서 중요한 측면은 공정이 제공할 수 있는 필수 재료 특성이다. 예를 들어, 인터페이스 노드는 설계된 기능을 성공적으로 수행하기 위해 부품 또는 링크 노드의 재료 특성에 비해 실질적으로 다른 재료 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 특정 인터페이스 노드는 열 에너지를 소산시키기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 인터페이스 노드의 재료 특성은, 예를 들어, 링크 노드 또는 주요 기능이 다른 부품에 연결하거나 하중을 전달하기 위한 부품과 크게 다를 수 있다. 따라서, 제조 기술을 선택하는데 있어서, 일반적으로 재료 특성을 고려해야 한다.
본 개시의 일 양태에서, 링크 노드는 인터페이스 노드를 다른 부품에 연결하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 인터페이스 노드는 인쇄되어 링크 노드에 연결될 수 있다. 일 실시형태에서, 링크 노드는 DED 또는 다른 일반적으로 높은 고-처리량 기술을 사용하여 구성될 수 있다. 링크 노드는, 예를 들어, 필요한 크기의 인터페이스를 둘러싸고 이에 안전하게 부착될 수 있는 재료 블록을 포함할 수 있다. 따라서, 링크 노드를 사용하여, 인터페이스 노드는 많은 다양한 유형의 부품에 연결될 수 있다.
상기한 저정밀 부품은 물리적 및 기하학적 기능과 특징을 포함할 수 있으며, 전형적으로 포함한다는 점에 주목해야 한다. 본 개시의 일 양태에서, 고정밀 특징부는 하나 이상의 구조물과의 접속을 위해, 후속 재료 증착을 위한 표면 또는 다른 커넥터와 같은 연결 특징부를 포함할 수 있는, 별도의 관리 가능한 크기의 부품(인터페이스 노드)에 통합된다. 일 실시형태에서, 하나 이상의 다른 구조물은 일반적으로, 주조, 기계 가공 또는 다른 기술을 사용하여 간단하고 비교적 저렴한 비용의 구성을 잘 받아들일 수 있고, 일반적으로 간단한 재설계를 잘 받아들일 수 있는 낮은 정밀도의 기능적 및/또는 구조적 특징부를 포함하는 대형 부품일 수 있다.
수송 구조물의 제조업체가 직면하는 종래의 과제의 일례로서, 일반적으로 수송 구조물(예를 들어, 변속기)의 많은 필수 부품은 미리 결정된 방식으로 형태가 만들어지며, 복합적이고 독특한 특징, 기능 및 기하학적 구조의 네트워크를 포함한다. 차량용 대형 복합 구조물을 설계하고 조립하는 작업을 맡은 가상의 제조업체는 주조 기술을 사용하여 세부적인 내부 기하학적 구조를 갖는 구조물을 생산하려고 시도할 수 있다. 구조물의 크기와 많은 수의 정밀 특징부로 인해, 제조업체는 주조용 금형을 제조하기 위해 상당한 액수의 돈(구조물의 정교함과 크기에 따라 증가할 수 있는 액수)을 투자할 가능성이 있다. 이러한 설계 공정은 일반적으로, 다른 작업 중에서도, 금형 제작을 위한 재료 조달, 금형 설계 평가, 설계 팀으로부터의 피드백의 포함, 및 최종 금형이 구조물을 형성할 수 있을 때까지 피드백을 기반으로 금형 설계를 수정하기 위한 인력을 포함한다. 구조물의 유형과 이의 복잡성, 재료 요건, 공차, 기하학적 구조 등에 따라, 제조업체는 또한 임의의 내부 특징부를 포함하는 구조물의 모든 특징부를 성공적으로 완성할 수 있도록 주조와 함께 사용하거나 공정 동안 어느 시점에 사용하기 위한 다른 제조 기술을 확인하고 정의해야 할 수도 있다. 기계 가공 또는 밀링이 필요할 수 있다. 이러한 경우, 제조 공정은 상당한 제조 설계 및 준비 시간을 수반할 수 있으며, 구조물은 최종 제품이 준비되기 전에 다른 제조 기술을 사용하여 다수의 조립 단계를 거쳐야 할 필요가 있을 수 있다. 요컨대, 프로젝트가 성공적일 수는 있지만, 더 이상 대량 생산으로 높은 처리량을 사용하여 구조물을 생산할 수 없다. 이는 명백한 단점이다.
제조업체는 이후 추가적인 과제에 직면하게 된다. 하나의 잠재적으로 중요한 문제는 구조물에 설계 변경이 필요한 경우이다. 변경의 정교함에 따라, 이는 금형을 최소한으로 변경하는 것을 수반할 수 있으며, 이는 재설계를 수용하기 위한 추가의 지출 및 자원을 초래할 수 있다. 비교적 단순한 변경(예를 들어, 벽을 5 mm 넓히는 것)으로도 변경 위치와 같은 요인에 따라, 재설계는 여전히 복잡할 수 있다.
따라서, 제조업체는 복잡한 제품을 성공적으로 구축할 수 있지만, 이후에 구조물에 필요한 임의의 수정이 복잡하고 비용이 많이 드는 금형 재설계를 수반할 수 있다는 점에서 시간, 비용, 및 상당한 경직성을 희생으로 한다. 요약하면, 이 예에서 명백한 바와 같이, 종래의 제조 기술을 사용한 복합 구조물의 구성은 처리량이 낮은 공정일 수 있으며, 이는 설계가 진화하거나 오류를 수정해야 하는 경우 잠재적인 경직성과 함께 상당한 비용을 초래할 수 있다.
상기한 절차의 잠재적 결함을 인식하여, 제조업체는 대신 전체 구조를 렌더링하기 위해 AM을 사용하려고 시도할 수 있다. 유리하게, 주조 방법과는 달리, AM은 설계 특이적이 아니며, 특정 AM 기술은 매우 정교한 맞춤형 기하학적 구조를 갖는 구조물을 유연하게 생성할 수 있다. 그러나, 이 해결책은 최적이 아닐 수 있다. 구조물이 대형인 상기 예에서, 구조물을 구성하기 위해 필요한 대응하는 재료 덩어리는 필요한 특정 AM 기술의 빌드 챔버(build chamber)에 들어가기에는 너무 클 수 있다. 빌드 챔버(크기가 지속적으로 증가하고 있음)에 맞으면, 구조물의 렌더링은 그럼에도 선택된 많은 AM 기술에서 시간이 많이 걸리며 대량으로 수행될 수 없다. 이 기간 동안, 다른 작업에 대해서는 3D 프린터가 사용될 수 없다.
따라서, 본 개시의 일 양태에서 상기 문제점에 대한 해결책은, 고정밀 특징부, 즉 구조물의 정교한 특징과 속성이 관리 가능한 크기의 인터페이스 노드로 통합되도록 아키텍처를 구성하는 것이다. 인터페이스 노드는 분말 베드 융합 또는 초정밀 인쇄가 가능한 다른 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 기본적으로 AM 인터페이스 노드는 복합 구조물 내의 다양한 하위 부품의 기하학적 구조를 하나의 기능 단위로 모을 수 있다. 일 실시형태에서, 모든 주요 복잡성 및 기능성은 그 하나의 유닛에 구축된다. 반대로, 간단한 기하학적 구조 및 기능을 포함하는 구조물의 나머지 대부분은 종래의 기술 또는 대량 AM 공정을 사용하여 대량으로 생성될 수 있다. 따라서, 인터페이스 노드는 연결 특징부를 직접 사용하거나 본원에 기술된 링크 노드를 통해 주조 구조물과 같은 대형 구조물에 결합될 수 있다. 본 개시의 이 양태는 상당한 유연성을 제공하는데, 이는 본원의 다양한 실시형태에 걸쳐 기술된 다른 장점들 중에서도, 인터페이스 노드에서든 또는 구조물에 대한 더 큰 대응물이든, 두 부품이 더 낮은 비용 및 대량으로 개별적으로 제조될 수 있기 때문에 그리고 AM 공정의 설계-독립적인 특성으로 인해, 설계 변경이 용이하게 수용될 수 있다는 점에서 그렇다. 또한, 인터페이스 노드는 다수의 부품에 부착될 수 있고 다른 부품의 기능을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 설계 유연성이 크게 향상된다.
본 개시의 이 양태의 설계 단계는 관련 기능(및 이의 구조적 부분)을 인터페이스 노드로 통합할 것인지 또는 전통적으로 제조된 부품으로 통합할 것인지에 대한 선택을 설계자에게 제공한다. 예시적인 실시형태에서, 선택은, (i) 전체 생산 공정의 최대 처리량, (ii) 인터페이스 노드 및 전통적으로 제조된 부품을 생산하기 위해 선택된 제조 공정의 상대적 기술 능력, (iii) 각각의 부품에서 쟁점이 되고 있는 구조적 부분의 제조와 관련된 상대적 비용, 및 (iv) 인터페이스 노드 및 전통적으로 제조된 부품이 포함될 전체 시스템 설계, 재설계의 용이성 또는 어려움 및 가능성 등과 같은 다른 고려사항의 최적화를 기반으로 한다.
적층 제조(3D 인쇄) . 다양한 유형의 재료로 구성된 3D 인쇄 부품에 다양한 AM 기술이 사용되었다. 수많은 이용 가능한 기술이 존재하거나 개발되고 있다. 예를 들어, 직접 에너지 증착(DED) AM 시스템은 금속을 녹이기 위해 레이저, 전자 빔 또는 기타 에너지원에서 공급되는 지향성 에너지를 사용한다. 이들 시스템은 분말 및 와이어 공급을 모두 사용한다. 주어진 재료의 와이어가 증착 동안 공급 메커니즘으로부터 배출되는 와이어 공급 시스템은 유리하게 다른 뛰어난 AM 기술보다 높은 증착 속도를 갖는다. 단일 통과 제팅(Single Pass Jetting, SPJ)은 아무런 소모적인 동작 없이 단일 통과로 금속 분말을 도포하고 구조물을 인쇄하기 위해 두 개의 분말 분말 도포기와 하나의 인쇄 유닛을 결합한다. 또 다른 예시로서, 전자 빔 적층 제조 공정은 전자 빔을 사용하여 와이어 공급원료를 통해 금속을 증착하거나 진공 챔버에서 분말 베드 상에 소결시킨다. 원자 확산 적층 제조(Atomic Diffusion Additive Manufacturing, ADAM)는, 플라스틱 바인더 내에서 금속 분말을 사용하여 부품을 층별로 인쇄하는 최근에 개발된 또 다른 기술이다. 인쇄 후, 플라스틱 바인더는 제거되고 전체 부품이 원하는 금속으로 한꺼번에 소결된다.
도 1은 3D 인쇄의 예시적인 공정을 도시한 흐름도(100)이다. 인쇄될 원하는 3D 물체의 데이터 모델이 렌더링된다(단계 110). 데이터 모델은 3D 물체의 가상 디자인이다. 따라서, 데이터 모델은 재료 구성뿐만 아니라 3D 물체의 기하학적 및 구조적 특징을 반영할 수 있다. 데이터 모델은 CAE-기반 최적화, 3D 모델링, 사진측량 소프트웨어 및 카메라 촬영을 포함한 다양한 방법을 사용하여 생성될 수 있다. CAE-기반 최적화는 예를 들어 클라우드-기반 최적화, 피로 분석, 선형 또는 비선형 유한 요소 분석(finite element analysis, FEA) 및 내구성 분석을 포함할 수 있다.
3D 모델링 소프트웨어는 다수의 상업적으로 이용 가능한 3D 모델링 소프트웨어 애플리케이션 중 하나를 포함할 수 있다. 데이터 모델은 적합한 컴퓨터-지원 설계(computer-aided design, CAD) 패키지를 사용하여, 예를 들어 STL 형식으로 렌더링될 수 있다. STL은 상업적으로 이용 가능한 STL-기반 CAD 소프트웨어와 관련된 파일 형식의 한 예이다. CAD 프로그램을 사용하여 3D 물체의 데이터 모델을 STL 파일로 생성할 수 있다. 이에 따라, STL 파일은 파일의 오류가 식별되고 해결되는 공정을 겪을 수 있다.
오류 해결에 이어, 데이터 모델은 슬라이서(slicer)로 알려진 소프트웨어 애플리케이션에 의해 "슬라이스(sliced)"되어 물체를 3D 인쇄하기 위한 명령 세트를 생성할 수 있으며, 명령은 이용될 특정 3D 인쇄 기술과 호환 가능하고 관련된다(단계 120). 수많은 슬라이서 프로그램이 상업적으로 이용 가능하다. 일반적으로 슬라이서 프로그램은, 연속적인 개별 층을 3D 인쇄하여 데이터 모델의 실제 3D 인쇄된 표현을 생성하기 위한 프린터-특정 명령을 포함하는 파일에 따라, 인쇄할 물체의 얇은 슬라이스(예를 들어, 100 미크론 두께)를 나타내는 일련의 개별 층으로 데이터 모델을 변환한다.
3D 프린터 및 관련된 인쇄 명령과 관련된 층은 두께가 평면이거나 동일할 필요는 없다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 3D 인쇄 장비의 기술적 정교함 및 특정 제조 목표 등과 같은 요인에 따라, 3D 인쇄 구조물 내의 층은 비-평면일 수 있고 및/또는 이들의 개별 두께와 관련하여 더 많은 경우 변할 수 있다. 예를 들어, 일부 예시적인 실시형태에서, PBF를 사용하여 빌드 피스(build piece)가 적층 제조될 수 있고, 이후 비-평탄 층 구조 및/또는 다양한 두께를 갖는 층을 사용하여 빌드 피스의 영역을 변경하기 위해 DMD가 적용될 수 있다.
데이터 모델을 층으로 분할하기 위해 사용되는 일반적인 유형의 파일은, 물체를 3D 인쇄하기 위한 명령을 포함하는 수치 제어 프로그래밍 언어인 G-코드 파일(G-code file)이다. G-코드 파일, 또는 명령을 구성하는 다른 파일이 3D 프린터에 업로드된다(단계 130). 이러한 명령을 포함하는 파일은 일반적으로 특정 3D 인쇄 공정과 함께 사용할 수 있도록 구성되기 때문에, 사용되는 3D 인쇄 기술에 따라 많은 형식의 명령 파일이 가능하다는 것이 알 것이다.
다양한 AM 공정은 다양한 특징을 포함할 수 있다. 아래 표 1은 특정 AM 기술 및 이들의 다양한 기능의 예이다.
AM 기술 특징부 크기 인쇄 속도 / 처리량 공급원료
재료 압출 125 미크론 1-3 cm/hr (z축을 따름) 열가소성 재료
액층 광중합 25 미크론 1-3 cm/hr (z축을 따름) 광중합체 재료
재료 제팅 30 미크론 200-300 ml/hr 폴리머
레이저 분말 베드 융합 50 미크론 1-105 ml/hr 분말 금속, 합금, 폴리머
전자 빔 분말 베드 융합 300 미크론 55-80 ml/hr 분말 금속, 합금
강 적층 기계 가공된 크기 300-500 ml/hr 금속/합금 시트 또는 스트립
바인더 제팅(BJ) 60 미크론 1435 ml/hr 복합재, 세라믹을 포함하는 금속, 비금속 분말
직접 에너지 증착(DED) 1000-3000 미크론 3-10 kg/kr 와이어 및 분말 공급 금속 및 합금
원자 확산 적층 제조 40 미크론 2000 ml/hr 금속 사출 성형(MIN) 재료
디지털 광 합성 75 미크론 25-300 cm/hr (z축을 따름) 광중합체
입체-전기화학 증착 25 미크론 15 kg/hr 금속 이온 용액
복합재-기반 적층 제조 기술 40 미크론 737 ml/hr 섬유 강화 복합 시트
단일 통과 제팅 50 미크론 8200 ml/hr 금속 사출 성형(MIN) 재료
인쇄 속도/처리량 컬럼의 단위는 산업에서 사용되는 것을 기반으로 다양하다. 예를 들어, 플라스틱 인쇄는 cm/hr을 사용하고, PBF 시스템은 vol./hr 등을 사용한다. 또한, AM 기술 개발과 함께 인쇄 속도/처리량이 크게 증가할 것으로 예상된다.
어떤 물체가 어떻게 렌더링될 것인지를 지시하는 인쇄 명령 외에도, 물체를 렌더링하기 위해 3D 프린터에 의한 사용에 필요한 적절한 물리적 재료가 임의의 몇몇 종래의 방법 그리고 종종 프린터-특정 방법을 사용하여 3D 프린터에 로딩된다(단계 140). DMD 기술에서, 예를 들어, 하나 이상의 금속 분말이 이러한 금속 또는 금속 합금으로 구조물을 적층하기 위해 선택될 수 있다. 선택적 레이저 용융(selective laser melting, SLM), 선택적 레이저 소결((selective laser sintering, SLS) 및 기타 PBF-기반 AM 방법(아래 참조)에서, 분말을 빌드 플랫폼으로 공급하는 챔버에 재료는 분말로서 로딩될 수 있다. 3D 프린터에 따라, 인쇄 재료를 로딩하는 다른 기술이 사용될 수 있다.
이어서, 재료(들)를 사용하여 제공된 명령을 기반으로 3D 물체의 각각의 데이터 슬라이스가 인쇄된다(단계 150). 레이저 소결을 사용하는 3D 프린터에서, 레이저는 분말 베드를 스캔하고, 구조물이 요구되는 곳에서 분말을 함께 용융하며, 슬라이스된 데이터가 아무것도 인쇄되지 않음을 나타내는 스캐닝 영역은 피한다. 이 공정은 원하는 구조가 형성될 때까지 수천 번 반복될 수 있고, 이후 인쇄된 부품이 제조기로부터 제거된다. 재료 압출 AM 공정에서, 상기한 바와 같이, 모델 및 지지 재료의 연속적인 층을 기판에 적용함으로써 부품이 인쇄된다. 일반적으로, 임의의 적합한 3D 인쇄 기술이 본 개시의 목적을 위해 사용될 수 있다.
또 다른 AM 기술은 분말 베드 융합("PBF")을 포함한다. DMD와 마찬가지로, PBF는 층별로 '빌드 피스'를 생성한다. 각각의 층 또는 '슬라이스'는 분말 층을 증착하고 분말의 일부를 에너지 빔에 노출시킴으로써 형성된다. 에너지 빔은, 층 내의 빌드 피스의 단면과 일치하는 분말 베드의 용융 영역에 적용된다. 용융된 분말은 냉각되고 융합되어 하나의 빌드 피스를 형성한다. 공정을 반복하여 다음 빌드 피스의 슬라이스를 형성할 수 있다. 각각의 층은 이전 층 위에 증착된다. 결과적인 구조물은 밑바닥에서부터 끝까지 슬라이스별로 조립된 빌드 피스다.
도 2A 내지 도 2D는 다양한 동작 단계 동안의 예시적인 PBF 시스템(200)의 각각의 측면도를 도시하고 있다. 상기한 바와 같이, 도 2A 내지 도 2D에 도시된 특정 실시형태는 본 개시의 원리를 이용하는 PBF 시스템의 많은 적합한 예 중 하나이다. 도 2A 내지 도 2D 및 본 개시의 다른 도면의 요소는 반드시 일정한 비례로 도시된 것은 아니지만, 본원에 기술된 개념의 더 나은 예시를 위해 더 크거나 작게 그려질 수 있다. PBF 시스템(200)은, 금속 분말의 각각의 층을 증착할 수 있는 증착기(depositor, 201)와, 에너지 빔을 생성할 수 있는 에너지 빔 소스(203)와, 분말을 융합시키기 위해 에너지 빔을 인가할 수 있는 편향기(deflector, 205), 및 빌드 피스(209)와 같은 하나 이상의 빌드 피스를 지지지할 수 있는 빌드 플레이트(build plate, 207)를 포함할 수 있다. PBF 시스템(200)은 또한 분말 베드 용기 내에 배치된 빌드 플로어(build floor 211)를 포함할 수 있다. 분말 베드 용기의 벽(212)은 일반적으로 분말 베드 용기의 경계를 정의하며, 이는 측면으로부터 벽(212) 사이에 개재되고, 아래의 빌드 플로어(211)의 일부와 접한다. 빌드 플로어(211)는 증착기(201)가 다음 층을 증착할 수 있도록 빌드 플레이트(207)를 점진적으로 하강시킬 수 있다. 전체 메커니즘은 다른 부품을 둘러쌀 수 있는 챔버(213) 내에 있으며, 따라서 장비를 보호하고, 대기 및 온도 조절을 가능하게 하며, 오염 위험을 완화할 수 있다. 증착기(201)는 금속 분말과 같은 분말(217)이 들어있는 호퍼(215) 및 증착된 분말의 각각의 층의 상부를 평평하게 할 수 있는 평탄기(leveler, 219)를 포함할 수 있다.
구체적으로도 도 2A를 참조하면, 이 도면은 빌드 피스(209)의 슬라이스가 융합된 후, 그러나 다음 분말 층이 증착되기 전의 PBF 시스템(200)을 도시하고 있다. 실제로, 도 2A는 PBF 시스템(200)이 예를 들어 150 개의 슬라이스로 형성된 빌드 피스(209)의 현재 상태를 형성하기 위해 다수의 층, 예를 들어, 150 개의 층으로 슬라이스를 이미 증착하고 융합시킨 시간을 도시하고 있다. 이미 증착된 다수의 층은, 증착되었지만 융합되지 않은 분말을 포함하는 분말 베드(221)를 생성하였다.
도 2B는 빌드 플로어(211)가 분말 층 두께(223)만큼 하강할 수 있는 단계에서의 PBF 시스템(200)을 도시하고 있다. 빌드 플로어(211)의 하강은 빌드 피스(209) 및 분말 베드(221)가 분말 층 두께(223)만큼 낮아지도록 하고, 따라서 빌드 피스의 상부 및 분말 베드는 분말 층 두께와 동일일 양만큼 분말 베드 용기 벽(212)의 상부보다 낮다. 이러한 방식으로, 예를 들어, 빌드 피스(209) 및 분말 베드(221)의 상부에 분말 층 두께(223)와 동일한 일정한 두께를 갖는 공간이 생성될 수 있다.
도 2C는 빌드 피스(209) 및 분말 베드(221)의 상부 표면 위에 생성되고 분말 베드 용기 벽(212)에 의해 둘러싸인 공간에서 분말(217)을 증착하기 위해 증착기(201)가 배치된 단계에서의 PBF 시스템(200)을 도시하고 있다. 평탄기(219)는 분말 베드 두께(223)와 실질적으로 동일한 두께를 갖는 분말 층(225)을 형성하기 위해 방출된 분말을 평평하게 할 수 있다(도 2B 참조). 따라서, PBF 시스템에서 분말은, 예를 들어, 빌드 플레이트(207), 빌드 플로어(211), 빌드 피스(209), 벽(212) 등을 포함할 수 있는 분말 지지 구조에 의해 지지될 수 있다. 예시된 분말 층(225)의 두께(즉, 분말 베드 두께(223)(도 2B))는 도 2A를 을 참조하여 위에서 논의한 250 개의 미리 증착된 층을 포함하는 예에 대해 사용된 실제 두께보다 더 크다는 점에 주목해야 한다.
도 2D는 분말 층(225)(도 2C)의 증착에 이어 에너지 빔 소스(203)가 에너지 빔(227)을 생성하고 편향기(205)가 빌드 피스(209)에서 다음 슬라이스를 융합시키기 위해 에너지 빔을 적용하는 단계에서의 PBF 시스템(200)을 도시하고 있다. 다양한 예시적인 실시형태에서, 에너지 빔 소스(203)는 전자 빔 소스일 수 있고, 이 경우 에너지 빔(227)은 전자 빔을 구성한다. 편향기(205)는, 전자빔을 선택적으로 편향시켜, 융합되도록 지정된 영역을 가로질러 전자빔이 주사되도록 하는, 전기장 또는 자기장을 생성할 수 있는 편향 플레이트(deflection plate)를 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 에너지 빔 소스(203)는 레이저일 수 있고, 이 경우 에너지 빔(227)은 레이저 빔이다. 편향기(205)는, 반사 및/또는 굴절을 사용하여 융합될 선택 영역을 스캔하도록 레이저 빔을 조작하는 광학 시스템을 포함할 수 있다.
다양한 실시형태에서, 편향기(205)는 에너지 빔 소스를 회전 및/또는 이동시켜 에너지 빔을 위치시킬 수 있는 하나 이상의 짐벌(gimbal) 및 액추에이터를 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 에너지 빔 소스(203) 및/또는 편향기(205)는 에너지 빔을 조절할 수 있으며, 예를 들어, 에너지 빔이 분말 베드의 적절한 영역에만 적용되도록 편향기가 스캔함에 따라 에너지 빔을 켜고 끌 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시형태에서, 에너지 빔은 디지털 신호 처리기(digital signal processor, DSP)에 의해 변조될 수 있다. PBF 공정은 리-코터 블레이드(re-coater blade)없이도 수행될 수 있음에 주목해야 한다.
직접 에너지 증착(Directed Energy Deposition, DED) . 직접 에너지 증착(DED)은 주로 금속과 합금으로 구조물을 만들기 위해 사용되는 AM 기술이다. 이 기술은 3D 구조물을 만들고 기존 구조물을 수리하기 위해 사용된다. DED는 기존 AM 부품에 재료를 직접 증착하기 위해 사용될 수 있다. DED는 분말 증착기 또는 와이어 공급원료를 통해 재료를 증착한다.
도 3A는 예시적인 직접 에너지 증착(DED) 시스템(300)을 도시하고 있다. 이 예에서, 분말 증착기가 대신 사용될 수 있지만, 빌드 피스용 재료를 공급하기 위해 와이어 공급원료가 사용된다. DED 시스템(300)은 와이어 재료(306)를 방출하기 위한 와이어 공급기(wire feeder, 302)를 포함한다. 와이어 공급기(302)는 다축 아암(multi-axis arm) 상에 장착될 수 있고, 몇몇 다른 AM 기술과는 달리, 일반적으로 다수의 축을 따라 이동할 수 있다. 빌드 피스(314)는, 평평한 표면일 필요는 없고 일부 실시형태에서 노드 또는 다른 부품의 표면 영역을 구성할 수 있는 기판(316) 상에 배치될 수 있다.
도 3A는 전자 빔 건(electron beam gun, 304)(또는 다른 실시형태에서, 고출력 레이저 빔 소스)을 더 포함한다. 전자 빔 건(304)은 고전력 방사선을 통해 와이어 재료(306)를 용융지(310)로 용융시키는 전자 빔(308)을 방출한다. 상기한 바와 같이, 다른 실시형태에서, 전자 빔 건(304) 대신에 상이한 에너지원이 사용될 수 있다. 특히, 전기 아크를 포함하는 다른 에너지원이 또한 가능하지만, 레이저가 사용될 수 있다. 빌드 피스(314)는 기판에서 시작하여 위로 이동하면서 층(320)으로 기판(316) 상에 구축될 수 있다. 와이어 공급기(302)는 다축 아암의 결과로서 와이어 재료(306)를 본질적으로 임의의 각도로부터 목표 표면 상으로 투영할 수 있다. 전자 빔(308)은 와이어 재료(306)가 목표 표면 상에 증착된 직후 이를 향하여 유도되어, 증착된 재료를 용융시키고 용융지(310)를 생성할 수 있다. 용융지(310)는 이후 응고될 수 있다.
빌드 피스의 원하는 형태는 와이어 공급기(302)로부터의 와이어 재료(306)의 공급 속도 및 금속(306)이 표면 상에 증착되는 각도를 제어함으로써 형성될 수 있다. 이 예시적인 실시형태에서, 재료(306)가 와이어 공급기(302)로부터 방출됨에 따라 빌드 피스(314)는 이동 플레이트(322)에 의해 오른쪽에서 왼쪽으로 이동된다. 상기한 바와 같이, 재료(306)의 증착, 용융 및 응고는 빌드 피스(314)를 생성하기 위해 층별로 수행된다.
DED의 하나의 이점은, 이 기술이 다른 부품의 표면 상에 직접 단일 금속 또는 합금 재료의 덩어리를 포함하는 빌드 피스를 생성하기 위해 사용될 수 있다는 것이다. 이러한 균일한 빌드 피스는, 예를 들어, 차량의 충격 구조물과 같이 단단한 금속 부품이 요구되는 차량에서 다양한 용도를 가질 수 있다. 또한 기존 제조 기술과는 달리, DED의 장점에는 정확성과 고해상도 기능이 포함된다. 증착 와이어(306)의 입자 구조는 일반적으로 상당히 정밀하게 제어될 수 있으며, 이로써 상세하고 정확한 특징부를 갖는 빌드 피스를 제조할 수 있다.
현재의 DED 시스템의 구조적 구성은 다양할 수 있다. 예를 들어, 일부 DED 시스템에서, 재료 증착기는 에너지원과 구조적으로 분리되어 있다. 다른 DED 시스템에서, 재료 증착기와 에너지원은 동일한 장치의 일부이다. 후자의 구현의 예는 MIG("금속 불활성 가스") 용접 기반 DED를 포함한다. MIG 용접에서, 공작물과 와이어 전극 사이에 전기 아크(예를 들어, 쇼트 아크, 스프레이 아크 등)가 설정될 수 있다. 아크는 와이어가 용융지에 공급될 때 와이어를 지속적으로 용융시키는 DC 전류 및 전압을 제공한다.
도 3B는 예시적인 MIG 용접 기반 DED 시스템(330)을 도시하고 있다. MIG 시스템(330)은 아크를 생성하기 위한 용접 토치(welding torch, 346)와, 와이어 재료(334)를 제공하기 위한 와이어 재료 소스(344), 및 와이어 재료(334)를 용접 점으로 안내하기 위한 접촉 슬리브(contact sleeve, 332)를 포함할 수 있다. MIG 시스템(330)은 와이어 재료 소스(344)로부터의 와이어 재료(334)를, 일반적으로 임의의 적합한 금속 표면 영역을 포함할 수 있는 기판(342) 또는 다른 공작물 표면 상에 증착할 수 있다.
와이어 재료(334)는 일부 구성에서 와이어 재료 소스(344) 내에 위치하는 전동 릴(motorized reel)에 의해 제공될 수 있다. 와이어 재료(334)는 접촉 슬리브(332)를 사용하여 원하는 용접 점으로 안내될 수 있다. 전기 아크에 의해 생성된 열의 결과로서 와이어 재료(334)는 신속하게 용융된다. MIG 용접 공정 동안, 별도의 압출기(미도시)를 통해 불활성 차폐 가스(336)가 첨가될 수 있다. 이는 산소가 용융지(338)를 관통하는 것을 방지하고, 따라서 잠재적으로 유해한 산화로부터 보호한다. MIG-기반 DED 시스템이 기판(342)의 표면을 따라 계속해서 움직여 금속 재료의 결과적인 층을 증착함에 따라 완성된 용접부 또는 비드(bead, 340)가 생성된다. 도 3B에 기술된 MIG DED 시스템은 전기 아크를 사용하지만, 레이저 및 전자 빔 등을 포함하는 단일 DED 시스템 내에 다른 에너지원이 통합될 수 있다.
AM 인터페이스 노드 및 종래 방식으로 제조된 부품 . 본 개시의 일 양태에서, 종래 방식으로 제조된 부품을 AM 인터페이스 노드와 연결하는 기술이 개시된다. 인터페이스 노드(본원에서 "노드"라고도 함)는 다른 무엇보다도, 다양한 유형의 부품 사이의 인터페이스를 제공하기 위해 사용될 수 있는 노드이다. 이들 실시형태의 목적을 위해, 인터페이스는 인터페이스 노드와 종래 방식으로 제조된 부품 또는 링크 노드 사이에 있을 수 있다. 일부 실시형태에서, 인터페이스 노드는 연결 특징부를 포함하고, 이들 각각은 다른 부품의 상보적인 인터페이스와 접속할 수 있다.
종래 방식으로 제조된 부품은 공구 설계 리드 타임 및 관련 비용을 감소시키기 위해 비교적 간단한 기하학적 구조 및 특징을 가질 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 간단한 기하학적 구조 및 특징은 부품의 고-처리량 제조를 가능하게 한다. 또 다른 예시적인 실시형태에서, 고-처리량 제조 부품은 무겁고 부피가 클 수 있고, 수송 구조물의 조립체 또는 하위조립체 또는 다른 기계화 조립체의 상당 부분을 포함할 수 있다. 인터페이스 노드는 정밀도가 높을 수 있으며, 이는 종래의 수단을 사용하여 제조하는 데 비용이 많이 드는 복잡하고 정교한 구조적 특징과 속성을 구현할 수 있음을 의미한다. 이러한 특징부와 속성은 연결 특징부 및 인터페이스 노드의 다른 속성 모두를 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 고정밀 인터페이스 노드는 특정 열 환경을 견디도록 설계된 특수 재료로 제조될 수 있다. 고정밀 인터페이스 노드의 복합 특징부는 본질적으로 기하학적/구조적이거나, 미세하게 조정된 공차 또는 재료 요건을 포함할 수 있다. 이들은 또한 특정 응용에 바람직한 하나 이상의 재료로 구성된 전문적인 기하학적 구조물을 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이, 복잡한 구조물을 포함하거나 특수 기능을 수행하도록 구성된 고정밀 부품은 일반적으로 낮은 생산량과 관련될 수 있는데, 이는 일반적으로 미세한 세부사항 및 복잡한 기하학적 구조를 정확하게 렌더링하기 위해 더 낮은 생산 속도가 필요하기 때문이다. 낮은 특징부 크기를 사용하는 AM 기술은, 관련된 재료의 세분화된 수준 또는 그 근처에서 변하도록 설계된 미세한 구조물을 생성하는 데 있어서 특히 중요하다.
예시적인 실시형태에서, 고정밀 인터페이스 노드를 인쇄하기 위한 요건의 결과로서의 생산량의 손실은 인터페이스 노드의 크기를 감소시킴으로써 보상될 수 있다. 예를 들어, 수송 구조물 내의 노드는 크기(및 형태)가 다양할 수 있지만, 일반적으로 원하는 범위의 힘, 토크 및 이들의 기능을 감안한 다른 물리적 값을 생성하고 수용하는 다양한 치수 규모를 가질 수 있다. 일 실시형태에서, 인터페이스 노드의 크기는 고정밀 인터페이스 노드를 렌더링하는 데 필요한 더 느린 인쇄 속도에 의해 손실되는 생산량의 적어도 일부를 증가시키기 위해 감소된다. 보다 구체적으로, 인터페이스 노드를 포함하는 실시형태에서, 인터페이스 노드를 제작하기 위해 사용되는 재료의 양은 감소된다. 인터페이스 노드의 실제 인터페이스에서의 전체 크기 및 기능은 유지될 수 있지만, 전체 재료 소비는 줄어든다.
예시적인 실시형태에서, 인터페이스에서 요구되는 인터페이스 노드 부분은 필요한 크기 및 기능으로 인쇄되는 반면, 인터페이스에 필요하지 않은 인터페이스 노드 부분은 대량으로 감소될 수 있다. 이러한 방식으로, 인터페이스를 형성하기 위해 사용되는 재료의 양이 유리하게 제어될 수 있고, 조립체/하위조립체는 전체적으로 더 작은 부피를 가질 수 있다. 이는 적층 제조된 인터페이스 노드를 사용함으로써 가능하다.
본 개시를 읽었을 때 본 기술 분야의 숙련자라면, 저속 및 고속 인쇄, 소량 및 대량 생산, 저정밀도 및 고정밀도, 및 축소된 크기 대 일반 크기의 인터페이스 노드와 같은 다양한 범위의 요인이 다양한 응용으로 인해 발생할 수 있음을 알 것이다. 이들 요인의 예는 본원에 포함되지만, 본 개시를 숙독할 때 본 기술 분야의 숙련자는, 예를 들어, 해당 산업에서 사용되는 표준, 전압, 전류 및 전력 요건(해당되는 경우), 탑승자를 보호하기 위한 수송 구조물에 사용되는 질량, 재료의 다른 부피의 상대적인 특성 및 기능 및 기타 요인을 기반으로 하는 이러한 범위와 인자 및 이러한 범위와 인자에 포함된 변형을 인식할 수 있을 것이다.
인터페이스 노드는 일부 실시형태에서 경량일 수 있고, 경량 인터페이스 노드는 종래 방식으로 제조된 또는 다른 고-처리량으로 제조된 부품에 연결될 수 있다. 이들 후자의 부품은, 예를 들어, 금속 또는 합금으로 구성된 주물, 압출물, 기계 가공 부품 등을 포함할 수 있다. 아래에서 더 논의되는 다른 양태에서, 인터페이스 노드는 재료 증착을 통해 직접, 종래 방식으로 제조된 부품들에 연결될 수 있다.
연결을 달성하기 위해 하나 이상의 연결 특징부가 부품 상에 제공될 수 있다. 또한, 종래 방식으로 제조된 부품은 하나 이상의 연결 특징부를 사용하여 노드에 연결될 수 있다. 이는, 예를 들어, 응용이 노드와 부품 사이에 강한 결합을 필요로 하거나, 응용을 위해 노드 또는 부품의 이동을 방지하는 것을 돕기 위해 더 많은 연결 특징부를 포함하는 것이 바람직한 경우일 수 있다.
일 실시형태에서, 종래 방식으로 제조된 부품은 금속 또는 합금 주물일 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 주조 부품은 알루미늄 또는 플라스틱으로 구성될 수 있다. 상기한 바와 같이, 주물은 무겁고 부피가 클 수 있고, 생산 시간을 촉진하게 하기 위해 비교적 기하학적으로 간단하게 제조될 수 있다. 쟁점이 되고 있는 응용에 대한 주조 부품의 속성이, 기하학적 또는 구조적 복잡성의 복합 영역의 사용, 잘 정의된 특징을 갖는 다수의 재료("다중-재료")의 사용, 구조물의 특정 열 특성(예를 들어, 융점)에 대한 의존도, 구조물에 대한 복잡하고 엄격한 공차 요건(예를 들어, 서로에 대한 하위구조물의 허용된 위치 범위), 및 값 비싼 툴링 또는 툴링의 상당한 변화가 필요한 영역(예를 들어, 설계의 변경/갱신이 정기적으로 필요하거나 수송 구조물의 모델 변경이 빈번한 경우)을 필요로 하는 경우에도 주조 부품의 비교적 간단한 특성이 가능할 수 있다. 주물의 복잡한 영역은 대신 주물과 연결되거나 통합되도록 설계된 AM 인터페이스 노드에 포함될 수 있다. 따라서, 종래 방식으로 제조된 부품의 이들 영역은, 부품 내부 또는 표면에 상관없이, 인터페이스 노드에 포함되거나 이에 의해 완전히 대체될 수 있다.
이 실시형태에서, 경량 인터페이스 노드는 하나 이상의 적합한 AM 기술을 사용하여 주조 부품의 복잡한 영역 및 기능을 간단한 방식으로 채택할 수 있다. 예를 들어, 이들 구조물을 실현하기 위해 주로 금속 재료가 필요한 경우, 임의의 수의 PBF 기술(도 2A 내지 도 2D 참조)을 사용하여 부품을 3D 인쇄할 수 있다. 대안적으로, 플라스틱 재료가 필요한 경우, 재료 압출 AM 시스템 등이 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 주조 부품이 연결 특징부를 포함하는 하나 이상의 노드-주물 인터페이스가 정의될 수 있다. 이는 연결 특징부를 포함할 수 있는 인터페이스 노드 자체에 추가적인 것이다. 연결 특징부의 수 및 유형은 응용에 따라 달라질 수 있지만, 제조된 부품과 인터페이스 노드(들) 사이의 연결은 용접, 기계적 체결, 접착제 접합 및 기타 수많은 메커니즘에 의한 연결을 지지하는 구조를 사용하여 달성될 수 있다. "연결 특징부(connection feature)"라는 용어는 본원에서 부품 사이(예를 들어, 차량 노드와 패널 사이)를 연결하기 위한 물리적 또는 기계적 구조 또는 재료를 광범위하게 포함하기 위한 것이다. 연결 특징부는 복잡한 기계식 커넥터부터, 개구부, 삽입부, 돌출부, 연장부 등과 같이, 부품에 통합된 단순한 형태를 포함하는 매우 간단한 커넥터에 이르기까지 모든 것을 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시형태에서, 제조된 부품에 인터페이스 노드가 접착제로 직접 연결되는 경우, 접착제 및/또는 접착제가 적용되는 표면(들)은 인터페이스 노드 및 제조된 부품 모두에 대한 연결 특징부로 간주될 수 있다. 링크 노드가 사용되는 경우, 인터페이스 노드는 링크 노드 및 필요한 경우 추가 연결 특징부를 사용하여 다른 구조물에 연결될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 인터페이스 노드는 또 다른 부품의 (상보적인) 홈과 접속하기 위한 설부(tongue)를 포함할 수 있다. 설부-홈 연결(tongue-groove connection)은 스냅-인 연결(snap-in connection)을 사용하거나, 접착제로 밀봉될 수 있거나, 또는 추가 커넥터 또는 기계적 고정구를 사용하여 연결을 더 확보할 수 있다. 본 개시의 목적을 위해, 연결을 형성하기 위해 또 다른 부품 상의 또 다른 연결 특징부와 결합하는 것이 적합한 경우 연결 특징부는 상호보완적이다. 일부 경우, 각각의 부품 상의 연결 특징부는 동일하고 여전히 상호보완적인 것으로 간주되어, 연결을 형성하거나 연결 형성을 보조하도록 서로 결합될 수 있다. 일 실시형태에서, 노드와 또 다른 부품 사이의 연결은 두 개 연결 특징부를 사용할 수 있다. 주조 부품 및 인터페이스 노드와 같은 두 개의 구조물이, 단순한 접착제 또는 용접에 의해 연결된 직선 벽을 갖는 경우, 접속하는 벽과 함께 접착제 또는 용접 영역은 연결 특징부 및 상보적인 특징부를 구성하는 것으로 간주될 수 있다. 일 실시형태에서, 노드-주물 연결(들)을 지시하는 세부사항은 주조 부품의 형태 및 다른 특성에 의해 제한될 수 있다.
생성된 구조물은 연결 특징부를 통해 AM 인터페이스 노드에 결합된 하부구조물, 즉 주조 부품(또는 보다 일반적인 실시형태에서는 종래 방식으로 제조된 부품)을 포함할 수 있다. 이러한 구조물(즉, 주조 부품 및 인터페이스 노드)을 사용하는 이점은, 인터페이스 노드의 경우, AM 분말 재료 소비가 실질적으로 감소된다는 것과, 제조 또는 주조 부품의 경우, 주조 부품이 단순하게 유지될 수 있고 일 실시형태에서 시간의 경과에 따라 큰 변화 없이 유지될 수 있기 때문에, 더 빠른 리드 타임으로 부품을 생성하는 것을 포함한다. 이러한 요인은 주목할 만한 처리량으로 수송 구조물 및 기타 기계화 조립체의 대량 생산을 구현할 때 주요 촉매제의 역할을 할 수 있다.
이들 실시형태에서의 주물 제약 및 요건은 컴퓨터 지원 모델링을 사용하여 인터페이스 노드 설계를 위한 입력으로서 사용될 수 있다. 입력은 또한 노드와 주조 부품 사이에 필요한 연결 특징부의 지정을 가능하게 할 수 있다.
도 4는 연결 특징부를 갖는 종래 방식으로 제조된 부품(402) 및 상보적인 연결 특징부를 갖는 AM 인터페이스 노드(406)를 포함하는 구조물(400)의 측면도이다. 부품(402)은 주조 부품으로서 도시되어 있지만, 일반적으로 부품(402)은 비교적 높은 처리량 생산에 적합한 또 다른 종래 기술을 사용하여 기계 가공되거나 제조될 수 있다. 다른 실시형태에서, 부품(402)은 DED와 같은 일반적으로 더 높은 처리량 AM 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 예시적인 실시형태에서, 주조 부품(402)은 다른 재료도 가능하지만, 주조 알루미늄 또는 플라스틱의 부피가 큰 덩어리를 포함한다. 주조 부품(402)은 차량의 충격 구조물과 같은 고밀도 재료의 몸체를 포함하는 구조를 제공하는 데 유용할 수 있다. 그러나, 부품(402)은 이에 제한되지 않으며, 다른 기하학적 구성이 가능하다. 예를 들어, 주조 부품(402)은 중공으로 제조될 수 있고, 결과적으로 또 다른 부품을 위한 커버 또는 더욱 정교한 구조물(예를 들어, 기어 케이스)의 역할을 할 수 있다.
주조 부품(402)의 경계 영역(424)에는 연결 특징부(408 및 410)가 있다. 예시적인 실시형태에서, 연결 특징부(408 및 410)는 주조 부품(402)의 일부이고 부품(402)의 나머지와 함께 주조 또는 기계 가공된다. 다른 실시형태에서, 연결 특징부(408 및 410)는 예를 들어 인터페이스 노드를 포함하는 다른 부품의 일부일 수 있다. 특징부(408 및 410)가 부품(402) 내에 포함되는 이러한 전자의 실시형태에서, 연결 특징부(408 및 410)는 동일한 재료(예를 들어, 알루미늄, 플라스틱 등)로 제조될 수 있으며, 이 경우 그 재료와 동일한 열 제약에 노출된다. 이 사실은 연결 특징부(408 및 410)가 상당한 양의 열 에너지를 포함하는 환경에서 사용될 수 있는지를 결정할 때 고려될 수 있다. 일반적으로, 연결 특징부(408, 410)가 주조 부품(402)의 일부인지 아니지 간에, 이들은 표준 AM 조인트, 다른 AM 인터페이스 노드 등을 포함하는 다른 부품에 연결될 수 있다. 연결 특징부(408 및 410)는 각각의 홈(430a 및 430b)을 포함하기 때문에 음의 특징부이다. 따라서, 이 실시형태에서의 연결 특징부(408 및 410)는 양의 연결 특징부를 사용하는 상보적인 특징부와 결합하도록 구성된다. 연결 특징부(408 및 410)를 갖는 이러한 장래의 결합은 각각의 화살표(420 및 422)로 도시되어 있다.
도 4는 또한 주조 부품(402)의 경계 영역(424)에 인접한 홈 부분(432)을 포함한다. 따라서, 주조 부품(402)에 삽입되는 것은 AM 인터페이스 노드(406)에 대한 연결을 제공하기 위한 음의 연결 특징부다. 인터페이스 노드(406)는 양의 상보적인 연결 특징부, 즉 홈(432)으로 돌출되는 설부를 사용하여 주조 부품(402)에 연결된 것으로 도시되어 있다. 일반적으로, 이 실시형태에서, 노드(406)는 티타늄(Ti) 또는 철(Fe), 또는 주조 부품(402)의 알루미늄 또는 플라스틱과는 다른 특성을 갖는 일부 금속 또는 합금으로 구성될 수 있다. 티타늄 또는 철과 같은 또 다른 화학 원소의 사용은, 인터페이스 노드(406)가 특정 응용에 사용하기 위해 구체적으로 정의된 열 특성을 갖도록 할 수 있다. 예를 들어, 티타늄 또는 철의 융점이 알루미늄의 융점보다 실질적으로 높기 때문에, 노드(406)의 융점은 훨씬 더 높을 수 있다. 이로써 인터페이스 노드(406)는 수송 구조물의 영역 또는 다른 고온의 기계에 연결되더라고 구조적 완전성을 유지할 수 있다. 또한, 적합한 AM 기술을 사용하여, 노드(406)의 열 특성이 신중하게 제어될 수 있다. 주목할 점은, 많은 실시형태에서, 도 4는 일정한 비례로 도시되지 않았고, 주조 부품(402)은 도면에 도시된 것보다 노드(406)에 비해 상당히 더 크고 부피가 클 수 있다는 것이다. (다른 실시형태에서, 차이는 덜 중요하거나 크기가 비슷할 수 있다). 따라서, 이러한 열 요건을 포함하는 전체의 부피가 큰 부품(402)을 구축하는 대신에, 열 특성이 비교적 작은 인터페이스 노드(406)에 포함된다. 상당한 양의 분말이 공정에 절약될 수 있다. 또한, 고가의 티타늄을 불필요하게 대량으로 사용할 필요는 없다.
인터페이스 노드(406)는 인터페이스 노드(406)와 접촉하는 홈(432)에 인접한 부품(402)의 표면 영역과 함께 (상기한 바와 같이) 홈(432)에서 설부 연결을 통해 주조 부품(402)에 연결될 수 있다. 홈(432)을 포함하는 음의 연결 특징부는 적절한 접착제를 통해 인터페이스 노드(406)의 상보적인 양의 연결 특징부와 결합될 수 있다. 이 예시적인 실시형태에서, 유체 채널(416)(하나만 도시됨)을 갖는 정밀 유체 포트가 인터페이스 노드(406) 내에 구축되어 접착제를 공급하고, 반대편에서는 접착제의 분배와 확산을 용이하게 하기 위해 음압을 제공할 수 있다. 인터페이스 노드(406)는 또한 접착제의 적절한 분배를 용이하게 하는 밀봉제를 제공하기 위해 밀봉제 홈(sealant groove, 414a 및 414b) 또는 유사한 구조를 제공할 수 있다. 또한, 스페이서 또는 다른 구조물(미도시)이 인터페이스 노드(406) 상의 연결 특징부 내에 포함되어, 서로 다른 특정 재료가 포함될 때 갈바닉 부식(galvanic corrosion)을 방지할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 채널(416)은 대신, 열 에너지를 멀리 운반하기 위해 주조 부품(402)에 대해 유체를 전달하기 위한, 인터페이스 노드(406) 내의 냉각 채널의 네트워크의 일부일 수 있다. 또한, 인터페이스 노드(406) 자체는 주조 부품(402)으로부터 열을 소산시키도록 구성된 재료로 구성될 수 있다. 이 경우, 인터페이스 노드(406)는 주조 부품(402)에 대한 직접 연결을 수용하기 위해 상당히 높은 융점을 갖는 재료로 제조될 수 있다.
상기 예에서, 인터페이스 노드(406)는 주조 부품(402)으로부터 복잡성을 제거한다. 인터페이스 노드(406)는 주조 부품(402)의 적어도 하나의 영역으로의 통합에 필요한 복합 열적 특징부를 포함한다. 이를 통해 제조업체는 주조를 변경하지 않아도 되고, 또는 어떠한 종래 기술이 사용되더라도 리드 타임을 늘리고 처리량을 줄일 수 있는, 작업에 필요한 복잡성을 추가하지 않아도 된다. 인터페이스 노드(406)는 또한, 주조 부품(402)에 대한 적절한 밀봉을 확보함으로써, 이러한 특징부를 구현하기 위한 주조 부품(402)의 필요성을 줄이거나 제거하기 위해 복합 유체 포트(416) 및 다른 가능한 구조를 포함한다.
인터페이스 노드(406)는 또한 임의의 노드-기반 연결을 구성할 수 있는 추가적인 음의 연결 특징부(412)를 다른 단부 상에 포함한다. 예를 들어, 연결 특징부(412)는 노드(406)를 임의의 적절한 구조에 연결하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 노드(406)는 연결 튜브, 패널 및 다른 구조에 연결될 수 있다. 또한, 노드(406)와 부품(402)으로 구성된 구조물은, 연결 특징부(412)와 유사한 연결 특징부를 통해 함께 연결될 수 있는 둘 이상의 유사한 구조물 또는 네트워크 중 하나일 수 있다.
도 4에 도시된 인터페이스 노드(406)는 다른 실시형태에서 다중-재료 복잡성을 포함할 수 있는데, 이는 다른 유형의 재료로 그리고 잠재적으로 특정 목적을 제공하기 위해 다른 비율로 3D 인쇄될 수 있다는 점에서 그렇다. 도시된 실시형태에서, 노드(406)는, 노드(406)의 구조적 완전성을 유지하고 열원으로부터 부품(402)의 구조적 완전성을 보호하기 위해 더 높은 융점이 바람직할 수 있는 상기한 경우에서와 같이, 열 복잡성을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시형태에서, 인터페이스 노드(406)가 다른 기능, 구조 및 특징뿐만 아니라, 노드(406)가 많은 다른 표준 상호연결부에 연결되게 할 수 있는 (다른 방식으로 부품(402)에 포함되었을 수 있는) 추가 연결 특징부를 포함할 수 있음을 본 기술 분야의 숙련자는 알 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 인터페이스 노드는 제조된 부품에 더 많은 수의 복잡성을 포함할 수 있고, 따라서 이를 제조된 부품에 배치할 필요가 없게 된다. 이러한 능력은, 종래 방식으로 제조되었거나 더 높은 처리량으로 제조된 부품을 구성할 때 수행되어야 할지도 모르는, 잠재적으로 상당한 양의 복잡한 기계 가공을 배제하는 방식으로 AM의 장점을 활용한다. 또한, 예시적인 실시형태에서, 대용량을 포함하는 종래 방식으로 제조된 부품에 대해서는 3D 프린터의 사용이 필요하지 않지만, 노드 자체에 대해서는 AM의 사용이 필요하기 때문에, AM 공정에서 시간 및 재료가 절약될 수 있다. 결과적으로 더 높은 제조 처리량이 달성될 수 있다.
또한, 인터페이스 노드 상의 연결 특징부(412) 및 주조 부품 상의 홈(432)에 의해 정의된 연결 특징부는 설부 및 홈 구조일 필요는 없으며, 다른 연결 특징부도 동일하게 적합할 수 있다. 예를 들어, 대안적인 실시형태에서, 연결 특징부(412)는, 탄소 섬유 연결 튜브로의 연결을 가능하게 하여 인터페이스 노드(406)를 통해 연결 튜브를 주조 부품(402)에 결합시키기 위해, 더 큰 돌출부 내의 더 작은 돌출부와 같은 내경 및 외경을 갖는 한 쌍의 튜브-형 돌출부를 포함할 수 있다. 보다 일반적으로, 연결 특징부(412)가 현재 존재하는 인터페이스 노드의 단부에서, 예를 들어 압출물, 다른 노드, 다른 주물 등을 포함하는 임의의 다른 부품으로의 연결을 가능하게 하도록 특징부가 포함될 수 있다. 상기한 바와 같은 다수의 노드-주조 인터페이스는 수송 구조물용 섀시를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이 실시형태에서, 부품(402)의 유형은 차량의 영역마다 다를 수 있으며, 필요하지 않은 곳에서는 사용되지 않을 수 있다. 다른 실시형태에서, 단일 인터페이스 노드는 다수의 연결을 위한 다수의 인터페이스(412)를 포함할 수 있다.
도 5는 인터페이스 노드(506) 상의 수형 연결 특징부(550)를 사용하여 엔진 블록(502)에 결합하기 위한 인터페이스 노드(506)의 사시도이다. 이 예시적인 실시형태에서, 인터페이스 노드(506)는, 엔진 블록(502) 상의 대응하는 암형 연결 특징부(510)에 각각 결합될 수 있는 예리한 돌출 부재의 형태인 네 개의 수형 연결 특징부(550)(세 개는 볼 수 있음)를 포함한다. 일 실시형태에서, 엔진 블록(502)은 주조 몰드를 사용하여 구성될 수 있고, 수송 구조물의 엔진을 수용하기 위한 쉘(shell)을 포함한다. 이 실시형태에서, 엔진 블록(502)은 일반적으로 임의의 비-3D 인쇄 방법을 사용하여 구성될 수 있다. 엔진 블록(502)은 특정 경우 용접되거나 서로 다르게 연결되는 부분으로 제조될 수 있다.
결국, 인터페이스 노드(506)는 더 높은 처리량 PBF 기술 중 하나, 또는 본 개시에서 확인되는지 여부에 관계없이 일반적으로 임의의 적절한 고정밀 AM 기술을 사용하여 인쇄될 수 있다. 이 예에서, 인터페이스(513)의 크기는 예를 들어 비슷한 엔진 및 변속기 부품을 갖는 수송 구조물에 일반적으로 사용되는 것과 동일한 크기이다. 즉, 인터페이스(513)로부터 떨어진 인터페이스 노드의 다른 부분과는 달리, 인터페이스(513)는 크기가 감소되지 않을 것이다. 인터페이스 노드(506)는 또한, 다른 부품(예를 들어, 구동장치, 변속기 등)에 연결될 수 있는 다른 인터페이스 노드, 링크 노드에 연결하기 위한 연결 특징부일 수 있는 인터페이스 (522a-b) 및 고정밀 나사산 인터페이스(524)를 포함한다. 적절한 실시형태에서, 링크 노드가 사용될 수 있다.
일 실시형태에서, 인터페이스 노드(506)는 인터페이스(513)를 나머지 연결 특징부(522a-b, 524)에 안전하게 부착하기 위해 사용되는 보강 구조물의 네트워크(515)를 포함한다. 보강 구조물의 네트워크(515) 및 연결 특징부(522a-b 및 524)는 일부 실시형태에서 인터페이스 노드(506)의 제조와 관련하여 대량 생산을 수용하기 위해 실질적으로 크기가 감소될 수 있다. 보강 구조물(515)의 네트워크의 기하학적 구조는 토폴로지 최적화에 의해 결정될 것이며, 이러한 기하학적 구조는 종래의 제조 공정을 사용하여 제조하기 어렵거나 불가능한 복합 구조물을 제조하기 위해 적층 제조의 능력을 지렛대로 이용할 것이다. 이 예에서, 하나 이상의 연결 특징부(522a-b 및 524)를 통해 인터페이스 노드(506)에 연결될 수 있는 다른 인터페이스 노드 또는 구조물이 그에 따라 또한 축소될 수 있다. 일 실시형태에서, 부정적인 방식으로 부품의 기능에 물리적으로 영향을 미치지 않는 인터페이스 외부의 인터페이스 노드의 임의의 영역에서 축소가 이루어질 수 있다.
일부 구성에서, 재료가 서로 다른 경우 종래 방식으로 제조된 부품과 인터페이스 노드 사이에 분리를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 분리는 각각의 구조물에 사용되는 재료의 전극 전위차로 인해 발생할 수 있는 갈바닉 부식을 방지하는 것을 보조할 수 있다. 따라서, 예시적인 실시형태는 필요한 간격을 달성하기 위한 구조를 포함할 수 있다.
도 6A는 두 개의 인터페이스 노드(606A 및 606B)에 연결되도록 배열된 링크 노드(613)의 사시도이며, 인터페이스 노드(606A-B)는 섀시와 같은 더 큰 통합 구조를 형성하기 위한 기초로서 각각의 스패닝 부품(616)(도 6A에는 하나만 도시됨)에 결합하기 위해 또한 배치된다. 아래에 도시된 바와 같이, 이 실시형태에서, 인터페이스 노드(606A)는 세 개의 개구부(620) 및 볼트(618)를 포함하는 연결 특징부 및 링크 노드(613)의 평평한 표면(651)에 실질적으로 평행한, 베이스에 있는 적절한 크기 및 형태의 평평한 표면을 갖는다. 인터페이스 노드(606A)의 볼트(618) 및 개구부(620)는 링크 노드(613)의 표면(651)에 내장된 대응하는 개구부(622)와 볼트 체결되도록 구성된다. 따라서, 이 실시형태에서의 인터페이스 노드(606A)는 링크 노드(613)에 단단히 볼트 결합된다. 개구부(620)에서 먼 쪽의 인터페이스 노드(606A)의 반대편에는, 탄소 섬유 강화 폴리머(carbon fiber reinforced polymer, CRFP) 연결 튜브와 같은 스패닝 부분(미도시)과 접속하고 결합하도록 설계된 추가의 원형 연결 특징부(653)와 함께 접착제 주입 포트(642) 및 진공 포트(644)를 포함하는 연결 특징부가 배치된다.
볼트 연결과는 대조적으로, 인터페이스 노드(606B)는 이중-전단(노드-노드) 연결을 통해 링크 노드(613)와 접합되도록 구성된다. 보다 구체적으로, 인터페이스 노드는 베이스에 있는, 링크 노드(613)로부터의 돌출부가 삽입될 수 있는 영역(도 6B)을 포함한다. 링크 노드(613)는 플랜지(604) 형태의 돌출부를 포함한다. 플랜지(604)는 인터페이스 노드(606B)의 보다 정교한 연결 특징부로의 강한 연결을 가능하게 하기 위해 O-링(608 및 609)(또는 다른 밀봉제)과 결합될 수 있다(도 6B 참조). 링크 노드(613)와의 인터페이스에서 먼 쪽의 인터페이스 노드(606B)의 다른 단부에서, 인터페이스 노드(606B)는 인터페이스 노드(606B) 밖으로 연장되는 원형 돌출부(614)를 위한 베이스를 포함할 수 있는 내부 부분(627)을 더 포함한다. 내부 부분(627)과 원형 돌출부는, 접착제 주입 포트(612) 및 진공 포트(610)와 협력하여, 인터페이스 노드(606B)가 스패닝 부품(616)과의 견고한 접착제 접합을 형성할 수 있게 한다(도 6B 참조).
인터페이스 노드(606A-B)는, 필요 이상으로 크지 않은 인터페이스 노드(606A-B)의 물리적 크기를 획정하면서, 각각 튜브(616)와 같은 스패닝 부품을 수용하고 지지하도록 잘 간소화된 윤곽(644A-644B)을 포함한다. 따라서, 이들 인터페이스 노드(606A-B)는 컴팩트하고 특징부가 풍부하도록 설계되었으며, 도 6B(아래에서 논의됨)에 더 도시된 바와 같이, 고정밀 특징부에 의해 수행되는 기능을 수용하기 위해 필요한 크기만을 갖는다. 일 실시형태에서, 스패닝 부품(616)은 밀봉제 및 접착제를 사용하여 인터페이스 노드(606B)와 링크를 형성하도록 구성된 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 연결 튜브이다. 일반적으로, 접착제 주입 포트 및 진공 포트(612, 610)는 (i) 인터페이스 노드(606B)에 대해 스패닝 부품(616)을 고정하고 및 (ii) 링크 노드(313)에 대해 인터페이스 노드(606B)를 고정하기 위해 인터페이스 노드(606B) 내에서의 접착제의 흐름을 가능하게 한다. 따라서, 포트(612 및 610)는 인터페이스 노드(606B)의 대향 단부에서 두 인터페이스 모두에 대한 연결 특징부를 구성한다. 비록 다른 방법을 사용하더라도 링크 노드(613)에 연결되기 때문에, 인터페이스 노드(606A-B)는 링크 노드(613)를 통해 서로 연결되고, 또한 임의의 구조물에 연결될 수 있는 임의의 다른 부품에 연결된다.
링크 노드(613)는 보강 금속 재료의 연장 부분(650), 및 연결된 요소의 몸체를 가로질러 강한 접합 및 적절한 하중 전달을 가능하게 하도록 설계될 수 있는 다른 형태를 포함할 수 있다. 링크 노드(613)는 DED와 같은 고속의 일반적으로 낮은 정밀도의 AM 공정에 의해 생성될 수 있다. 그 결과, 링크 노드(613)가 본질적으로 하중-지지 강도를 포함할 수 있고, 또한 재료 강도로 인해 인터페이스 노드(660A-B)의 신뢰할 수 있는 커넥터가 될 수 있도록 제조 공정에서 서로 다른 금속이 사용될 수 있다.
도 6B는 스패닝 부품 및 링크 노드에 대한 각각의 연결을 도시하고 있는, 도 6A의 상부 인터페이스 노드(606B)의 정면 단면도이다. 인터페이스 노드의 내부가 도시된 단면도인 도 6B를 참조하면, 연결 특징부를 포함하는 정교한 고정밀 특징부가 링크 노드(613)의 실질적으로 낮은 정밀도의 특징부(예를 들어 플랜지(604))보다는 인터페이스 노드(606B) 내부로 컴팩트화된 것이 명백해진다.
도면의 하단에서 시작하여 도 6B를 참조하면, 표면(658)의 단면도가 도시되어 있다. 내경(660)이 제공된다. 이 내경(660)은 다른 실시형태에서 인터페이스 노드(606B)를 통해 연결 튜브(616)로부터 링크 노드(606) 내부로 배선 또는 다른 재료를 보내기 위해 사용될 수 있다. 본 실시형태를 다시 참조하면, 원형 플랜지/설부(604)의 측면은 또한 연결된 상부 노드(606B) 내로 돌출된 것을 볼 수 있다. 플랜지/설부(604)는 별도의 후-처리 작업을 통해 링크 노드가 제조된 후에 기계 가공될 수 있다. 특히, 링크 노드(613)의 연결 특징부는 매우 단순하며, 다시 말해, 더 높은 정밀도의 특징부가 인터페이스 노드(606B)에서 발견될 수 있다. 또한 플랜지 돌출부 사이에 두 개의 원형 O-링(이 단면도에서 원으로 표시됨)을 볼 수 있다. 노드(606B)의 내부 몸체(614)는 또한 단면도에서 볼 수 있으며; 몸체(614)는 사실상 실제로 부분적으로 원통형이며 변형이 있다. 외부 구조물(670)은 일반적으로 노드(606B)를 둘러싸고 이의 기하학적 복잡성은, 부분적으로 주입 포트와 진공 포트(612 및 610)를 보강하고 지지하는 기능 및 강한 하중 지지를 제공하는 기능으로부터 발생한다
상기한 바와 같이, 접착제 주입 포트(610) 및 진공 포트(612)는 이 도면에서 쉽게 볼 수 있다. 이 도면의 중요한 측면은 접착제 주입 포트와 진공의 작용에 의해 내부 전체에 걸쳐 원형으로 분포된 접착제가 구조물(614)과 구조물(670) 사이에 충전된 것을 보여주는 질감(632)이다. 접착제(632)는 표면의 바닥으로 흐르는 것으로 도시되어 있다. 예를 들어, 632A는 접착제가 원형 플랜지의 양면을 포화시키고 O-링(608 및 609)에 의해 추가 이동으로부터 밀봉되는 영역을 나타낸다. 이러한 방식으로, 접착제는 플랜지(604) 주위에 접착제를 위한 여분의 공간을 갖고, 인터페이스 노드(606B)의 플랜지(604) 및 이에 맞도록 구성된 노드(606B)의 내부 부분(A) 사이에 매우 강한 접합을 형성한다.
도 6A의 상단에서, 스패닝 부품(616)을 볼 수 있으며, 이는 본 실시형태에서 탄소 튜브이다. 탄소 튜브는, 탄소 튜브(616)가 삽입되는 노드(606B)의 삽입부(B)의 베이스에서 원형 밀봉제 또는 O-링(636) 상의 내부 돌출부(614) 위에 삽입된다. 내부 돌출부의 상부 주위에 추가 밀봉제 또는 O-링(680)이 배치될 수 있다. O-링(636 및 680)은 유체 접착제가 삽입부(B) 밖으로 그리고 이에 따라 노드(606B) 밖으로 또는 탄소 튜브(616)의 내부로 이동하는 것을 방지하는 역할을 한다. 그러나, 튜브(616)와 튜브(614) 사이의 내부 영역은 접착제로 충전된 큰 표면적을 갖는다. 경화되면, 결과는 돌출부(614)와 튜브(616) 사이의 강한 접합이다.
도 6A 및 도 6B의 실시형태에서 주목할 만한 바와 같이, 삽입부(A 및 B)와 같은 인터페이스 노드(606B)의 상부 및 하부 인터페이스의 연결 특징부와, 복합 보강 접착제 주입 포트 및 진공 포트(612 및 610), 및 내부 돌출부 및 밀봉제인 인터페이스 노드(606B)의 내부 벽의 복잡한 표면적 증가 형태는, 무엇보다도, 접착제의 정확한 흐름을 위해 이상화된 인터페이스 노드의 정교하고 간결한 기능적 특성 및 기하학적 복잡성 모두가 링크 노드(613)의 더욱 간단한 기능 및 특징과 실질적으로 구별될 수 있음을 입증한다. 이러한 특징은 유리하게 인터페이스 노드가 다중-재료 아키텍처를 실현할 수 있게 한다. 또한, 이 실시형태에서의 인터페이스 노드(606B)는, 인터페이스에서 필요한 크기를 유지하면서 링크 노드보다 훨씬 더 컴팩트하다. 따라서, 인터페이스 노드(606B) 및 유사한 노드(606A)는 고정밀 분말 베드 융합 기술을 사용하여 설계-독립적인 생산을 위한 이상적인 후보일 가능성이 높다. 일부 더 낮은 정밀도의 특징 및 기능을 포함하는 링크 노드(613)는 기계 가공 또는 주조될 수 있거나, 대안적으로 DED와 같은 고속 저정밀도 AM 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
이 예의 목적을 위해 두 개의 인터페이스 노드가 도시되어 있지만, 다른 실시형태에서는 두 개 이상의 노드 또는 다른 포트가 사용될 수 있다.
도 6C는 인터페이스 노드를 통해 탄소 섬유 튜브에 결합되고 분리 특징부를 사용하여 고-처리량 제조 부품에 결합된 링크 노드의 사시도이다. 이 예시적인 실시형태에서, 링크 노드(686)는 세 개의 연결부를 갖는다. 두 개는 인터페이스 노드(688A-B)에 대한 연결부이고 나머지 하나는 주조 부품(690)에 대한 연결부이다. 탄소 섬유 튜브(692)는 하나의 단부에서 또 다른 인터페이스 노드(미도시)와 같은 또 다른 구조물에 결합될 수 있는 스패닝 부품이다. 튜브(692)는 도 6B와 관련하여 논의된 방식으로 접착제 주입 포트와 진공 포트(695)에 의해 가능해지는 접착제-접합 연결을 통해 AM 인터페이스 노드(688A)에 연결된다.
인터페이스 노드(688A)는 이 예시적인 실시형태에서 링크 노드(686)에 연결하기 위한 고정밀 나사산을 갖는 원통형 돌출부를 포함하는 3D 인쇄 연결 특징부(697)를 더 포함한다. 링크 노드는 낮은 정밀도의 특징부를 포함할 수 있지만, 연결 특징부(697)와 정합하기 위한 매우 미세한 나사산과 같은 고정밀 특징부를 일반적으로 포함할 수 있기 때문에, "캡티브 너트(captive nut)"(693)가 링크 노드(686)에 내장된 것으로 도시되어 있다. 너트(693)는 3D 인쇄되거나 표준 규격품일 수 있다. 일 실시형태에서, 링크 노드(686)는 내부에 배치된 캡티브 너트(693)와 함께 3D 인쇄된다. 링크 노드(686)가 인쇄되는 동안 캡티브 너트(693) 주위에 적절한 지지대가 인쇄된다. 인터페이스 노드(688A)의 연결 특징부(697)는 이후 캡티브 너트(693)에 삽입될 수 있고, 따라서 인터페이스 노드(688A)는 링크 노드(686)와 함께 단단히 접합될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 캡티브 너트는 적합한 프린터의 경우 링크 노드와 동시-인쇄될 수 있다.
도 6C는 이전 예시에서의 인터페이스 노드(608B)와 유사한 인터페이스 노드(688B)를 추가로 도시하고 있다. 접착제 주입 포트와 진공 포트를 사용하여, 인터페이스 노드(688B)는 위쪽에서 탄소 섬유 튜브(691)와 강력한 경화 접착제 접합을 통해 연결될 수 있고, 아래쪽에서는 링크 노드(686)의 제공된 연결 특징부(가려서 보이지 않음)와 연결될 수 있다. 일 실시형태에서, 연결은 이전 실시형태에서 도시된 바와 같이 인터페이스 노드(688B)에 내장된 정교한 연결 특징부를 갖는 이중-전단 접착 연결이다. 다른 실시형태에서, 연결은 볼트 연결일 수 있다. 인터페이스와 링크 노드 사이의 접합을 달성하기 위해 수많은 다른 유형의 특징부가 고려될 수 있다. 일 실시형태에서, 각각의 인터페이스 및 링크 노드는 함께 용접될 수 있는 연결 특징부를 포함할 수 있다. 도시된 실시형태에서, 탄소 섬유 튜브(691 및 692)는 서로에 대해 실질적으로 직각 방향으로 배향된다.
또한, 도 6C는 링크 노드(686)가 일 실시형태에서 내부 또는 외부 패널일 수 있는 주조 부품(690)에 접합된 것을 도시하고 있다. 부품(690)은 매우 클 수 있으며, 기본적인 구조적 기능 및 특징을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 부품(690)은 부품(690)에 대한 연결 특징부를 포함할 수 있는 삽입부(690A)를 포함한다. 링크 노드(686)는 부품(690)에 접합될 수 있다. 대안적으로, 링크 노드(686)는 부품(690)에 용접되거나 볼트로 고정될 수 있다. 다른 실시형태에서, 링크 노드(686)는 부품(690)에 대한 연결을 생성하기 위해 사용되는 추가 인터페이스 노드에 결합될 수 있다. 이 예시에서, 링크 노드(686)의 기하학적 구조는 하부(698)가 삽입부(690A)에 의해 정의된 영역에 실질적으로 걸쳐지도록 구성된다. 일 실시형태에서, 분리 부재(694)는 링크 노드(686)에 의해 정의된 인터페이스와 주조 부품(690) 사이에 배열된다. 분리 부재(694)의 목적은, 링크 노드(686) 및 주조 부품(690)이 서로 다른 금속으로 구성되는 경우, 재료의 직접적인 접촉을 피하고 갈바닉 부식을 방지하기 위한 것이다. 링크 노드(686)와 주조 부품(602) 사이에 강한 접합을 가능하게 하기 위해, 분리 부재(694)의 부분 사이, 또는 다른 실시형태에서, 이들의 각각의 표면에 접착제가 적용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 접합은 그 대신 다양한 연결 특징부 중 하나를 사용하여 실현될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 주조 부품에 하나 이상의 인터페이스 노드가 직접 연결될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 접착제의 적용 및 경화 이전에, 노드 링크 노드(686)와 부품(690) 사이에 분리 특징부(695)가 삽입되어 링크 노드(686)와 부품(690) 사이에 공간을 제공할 수 있고, 따라서 두 부품 간의 물리적 접촉을 방지함으로써 금속이 서로 다른 경우 갈바닉 부식에 대한 후속 문제를 피할 수 있다. 또한, 일부 실시형태에서, 밀봉제 및 고정을 위한 스탠드오프(standoff)와 같은 다른 특징부가 간격 및 분리 단계에서 사용하기 위해 링크 노드(686) 및/또는 부품(690)에 통합될 수 있다. 이들 단계 모두는 유리하게, 서로 다른 각각의 전극 전위를 갖는 서로 다른 재료가 구조물의 하부구조(노드 및 부품)에 사용될 때 갈바닉 부식의 방지를 도울 수 있다.
일부 실시형태에서, 인터페이스 노드는 수송 구조물 또는 다른 기계 장치 내부의 특정 공간을 수용하기 위해 3D 프린터에 의해 렌더링된 독특한 비대칭 형태를 사용하여 3D 인쇄될 수 있다.
상기한 바와 같은 실시형태에서, 도 6A 내지 도 6C의 기술은 차량의 섀시 내에서의 재료의 사용을 포함할 수 있다. DED-생산 링크 노드는, 토폴로지 최적화 공정이 차량의 부분에서 부품을 연결하기 위한 재료가 바람직하다고 결정하는 임의의 위치에서 구현될 수 있다. 프로그램의 결정 및 뒤이은 제조 공정은 상기한 바와 같은 다양한 부품을 사용하여 분류될 수 있다. 즉, DED 또는 비-3D 인쇄 방법과 같은 더 빠른 AM 방법을 사용하여 더 크고, 낮은 복잡성의 구조물을 제조할 수 있는 반면, 더 복잡한 구조물은 고정밀 AM 공정을 사용하여 축소된 크기로 제조될 수 있다. 필요한 연결 특징부와 함께, 이러한 후자의 절차는 인터페이스 노드를 생성할 수 있다. 상기 도면 및 실시형태에서 상기한 바와 같이, 외부로부터 들어온 부피가 큰 재료가 없는 실시형태에서 간소화된, 컴팩트한 인터페이스 노드의 생성은, 고정밀 인터페이스 노드를 제조하는 동안 효율적인 재료 소비를 가능하게 할 수 있으며, 이는 결과적으로 인쇄 시간을 단축시킬 수 있다. 설계 영역에서 고강도, 경량 구조물이 필요한 경우, 다중-재료 아키텍처도 사용될 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 금속을 사용하는 링크 노드는 DED를 사용하여 인쇄될 수 있다. 인터페이스 노드와 링크 노드를 선택적으로 사용함으로써, 이러한 다중-재료 연결부를 차량에서 실현하고 구현할 수 있다. 도 6A 내지 도 6C에서 논의한 바와 같이 링크 노드에 연결될 수 있는 인터페이스 노드는 요구되는 기계적 성능(강성, 비틀림 강성, 충돌 최적화 등)을 갖는 경량 섀시를 형성하기 위해 탄소 섬유 튜브와 같은 스패닝 부품에 연결될 수도 있다. 이 방법을 사용하여 하중 경로와 그 특성을 조정할 수도 있다.
이러한 절차는 상당한 툴링 및 기계 가공 비용, 및 불필요한 추가의 리드 타임을 일반적으로 특징으로 하는 전통적인 제조 기술에만 전적으로 의존하는 종래의 방법과 대조된다. 또한, 종래의 절차를 사용하면, 대부분의 경우 최적의 하중 경로 분배를 위한 이상적인 구조와 가장 밀접하게 일치하는 섀시를 제조하는 것이 불가능하다. 반대로, 인터페이스와 링크 노드는 하중 경로 및 관련 섀시 특징부의 정확한 실현에 의해 적층 제조의 설계 특이적이지 않은 특징부로부터 이득을 취할 수 있다.
또 다른 예시적인 응용으로서, 수송 구조물은 전통적인 공정(스탬핑, 압출 등)을 사용하여 제조된 충돌 부품을 이용한다. 이러한 종래의 절차 대신, 인터페이스 노드-기반 시설을 사용하여 최적의 하중 경로에 해당하는 복잡한 연결 기반의 기하학적 구조를 구현할 수 있다. 원하는 최적화된 토폴로지에 일치하도록 이러한 부품을 가공하는 데 상당한 시간과 비용을 투자하는 대신, 대량의 종래 수단 또는 대량 인쇄 수단을 통해 비교적 간단한 기하학적 구조를 사용하여 부품을 조달할 수 있다. 부품은 충돌 성능을 해결하기 위해 가장 적합한 최적의 하중 경로를 구현하기 위해 인터페이스 노드를 통해 연결될 수 있다.
본원의 원리 및 기술은 AM 공정을 사용하여 부품 복잡성을 포함하는 종래의 공정 및 노드를 사용하여 간단한 부품을 생성하는 능력을 제조업체에 더 제공한다. 상기한 주조 부품의 예에서, 주조는 툴링 집약적인 제조 공정이다. 또한, 상기한 바와 같이, 기계적 보강재, 냉각 채널 등과 같은 복합 특징부를 갖는 주조 부품을 제조하는 것은 어렵다. AM 인터페이스 노드를 사용하면, 대신 노드 상에서 또는 노드 내에서 복합 특징부를 개발할 수 있고, 이로써 설계자는 종래 방식으로 제조된 특징부의 상대적 단순성을 유지하게 유지할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, AM 인터페이스 노드는 높은 하중을 지탱하는 영역에서 기계적 보강을 증대시키기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 주조 부품 및 인터페이스 노드가 상당한 중력 하중 및 다른 힘을 받을 수 있는 영역에 배치되도록 지정된 경우, 인터페이스 노드는 주조 부품에 더하여 이 하중에 대흥하기 위한 추가 지지를 제공하도록 구성될 수 있다.
도 7A는 출력 구동 샤프트와 관련하여 인터페이스 노드(706)에 연결된 주조 벨 하우징(710)의 사시도이다. 하우징(710)의 인터페이스의 주변을 둘러싸는 인터페이스 노드(706)는 엔진 블록(720)으로부터 열 에너지를 소산시키도록 구성될 수 있다. 도 7A에서, 벨 하우징(710)의 대부분은 주조와 같은 종래의 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 일 실시형태에서, 주조 부품(710)을 포함하는 재료는 알루미늄이지만, 다른 재료도 가능하다.
도 7A의 예에서, 주조 벨 하우징(710)은 하우징(즉, 기어 박스 케이스)이라는 점에서 부품으로서 기능하지만, 샤프트(730)의 타단에서 또 다른 부품에 연결되어 하중을 전달하는 하중 전달 능력도 포함한다. 결과적으로, 주조 벨 하우징(710)은 부품 및 링크 노드 모두인 것으로 간주될 수 있다.
AM 인터페이스 노드(706)는 벨 하우징(710)의 개방 단부를 통해 연결될 수 있다. 인터페이스 노드(706)는 벨 하우징(710)의 단부를 둘러싸고 손가락형(fingerlike) 부재(715)로 단부를 덮는다. 인터페이스 노드(706)는, 적어도 부분적으로, 벨 하우징(710) 및 엔진 블록(720)에 대한 연결 특징부를 위한 다수의 나사산 볼트(725)를 엔진 블록 (720)에 연결하기 위한 표준 크기 인터페이스(714)를 포함한다. 이 실시형태에서, 볼트는 엔진 블록(720) 인터페이스를 둘러싸는 가시 채널로 연장된다. 다른 실시형태에서, 인터페이스 노드(706)는 예를 들어 설부 및 홈 연결, 접합, 용접 또는 다른 적절한 연결 특징부를 통해 부품(720)에 연결될 수 있다.
일 실시형태에서, AM 인터페이스 노드(706)는 티타늄, 강철, 또는 알루미늄 주조 부품인 벨 하우징(710)보다 상당히 높은 융점을 갖는 또 다른 재료 또는 합금과 같은 재료로 3D 인쇄된다. 예를 들어, 순수한 알루미늄의 융점은 약 660℃이다. 강철의 융점은 (탄소 함량과 같은 요인에 따라) 약 1425℃ 내지 1540℃의 범위에 있으며, 티타늄의 융점은 약 1670℃이다. 이들 재료의 각각의 융점은 알루미늄 융점의 적어도 두 배이다.
인터페이스 노드(706)가 부품(710)보다 높은 융점을 갖는 재료로 제조되면, 인터페이스 노드(706)와 부품(710)의 조립체(또는 하위조립체)는 엔진 블록(720)과 같은 상당한 열원을 포함하는 영역에서 제대로 기능할 수 있다. 인터페이스 노드(706)는 또한 열을 소산시키도록 설계된 특징부로 제조될 수 있다. 예를 들어, 인터페이스 노드(706)는 냉각 채널의 복합 네트워크로 구성될 수 있다. 이 실시형태에서, 벨 하우징(710)의 단부의 주변으로부터 연장되고 이를 둘러싸는 손가락형 부재(715)는, 열원(벨 하우징(710))에 연결된 결과로서 축적된 열을 노드 몸체(706)로부터 전달하고 열을 소산시키는 것을 보조할 수 있다. 증가된 표면적은 부재(715)가 없는 열원과 노드(706)에 의한 평면상 접촉에 비해 개선된 열 전달 특성을 제공하기 때문에, 온도 구배는 부재(715)로 인해 더 관리 가능하게 될 수 있다.
다른 구현에서, 인터페이스 노드(706)는, 인터페이스 노드(706) 및 엔진 블록(720) 인터페이스 또는 이 노드가 궁극적으로 부착될 다른 채널 모두에 대한 연결을 확보하기 위해 용접, 기계적 체결, 접착 결합 등과 같은 공정을 지지하기 위한 다른 정교한 특징부를 포함할 수 있다.
도 7B는 주조 변속기 케이스(705)의 단부에 결합된 인터페이스 노드(706i)의 사시도이다. 인터페이스 노드(706i)는 변속기 케이스의 단부 주위에서 주변으로 연장되는 다수의 보강 구조물(728)과, 로드를 통해 다른 부품의 구동 샤프트에 연결할 수 있는 플랜지 도는 내부 나사산 부재와 같은 연결 특징부(788)를 포함한다. 인터페이스 노드(706i)의 강화 구조물은 변속기 케이스(705)와 연결 특징부(788) 사이에 강한 연결을 제공하는 것을 보조할 수 있다. 인터페이스 노드(706i)는 손가락형 부분(791)을 더 포함한다. 부분(791)은 변속기 케이스(705)에 대한 인터페이스 노드의 연결을 확보하기 위해 추가적인 표면적을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 대안적으로, 인터페이스 노드(706i)는 접착제 및 진공 포트와, 인터페이스 노드 내에 구축된 채널(미도시)을 사용하여, 접착제에 의해 주조 변속기 케이스(705)에 연결될 수 있다. 상기한 바와 같이 손가락형 부재(791)는 변속기 케이스(705)에 더 강한 접합을 제공하고 열 에너지를 소산시키도록 작동할 수 있다. 다른 실시형태에서, 인터페이스 노드(706i)는 추가 특징부를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 보강 구조물(728)은 실질적으로 크기가 감소된 반면, 변속기 케이스(705)와의 인터페이스는 실질적으로 동일한 크기를 유지한다.
예시적인 실시형태에서, 부품 상에서 전통적으로 사용되거나 부품과 관련된 복합 또는 고정밀 특징부가 대신 인터페이스 노드에 포함될 수 있다. 이러한 고정밀 특징부는, 부품을 인터페이스 노드에 결합시키기 위한 다양한 연결 특징부와 같은 기하학적 및 구조적 복잡성을 포함할 수 있다.
보다 일반적으로, 이러한 고정밀 특징부는, 예를 들어, 부품 상에 배치되거나 부품 내에 통합된 복잡한 형태, 하위구조물, 또는 패턴, 단독으로 다른 요소와 협력하여, 하나 이상의 기능을 수행하도록 설계된 다수의 곡률 영역 또는 다른 복합 형태를 포함할 수 있다. 예는, 기계, 모터 또는 기타 기계화 장비 및 기계화 조립체에 전통적으로 사용되는 구조물; 맞춤형 패널의 특징부와 같은 특수 부품; 미리 결정된 기능을 수행하기 위해 특정 형태로 구성된 재료 또는 재료의 조합; 링크, 로드, 레일, 손가락 또는 기타 하위구조물의 의도적으로 설계된 어레이의 네트워크와 같은 반복 패턴; 부품 상에 또는 부품 내에 통합된 작거나 미세한 구조물 및 특징부; 및 지정된 기능을 수행하기 위해 일관된 또는 의미 있는 방식으로 구성된 미세 조정된 재료를 포함한다. 기하학적 복합 특징부는 구조적 업데이트, 업그레이드, 개선 또는 부품마다 변경이 필요한 특징부 포함할 수 있으며, 예를 들어, 부품마다 설계 또는 형태가 변경되는 특징부 및 하위구조물을 포함한다. 이러한 특징부 또는 구조물은, 예를 들어, 각각의 부품에 필요한 변화를 제공하기 위해 다양한 세트의 툴링 쉘(tooling shell)이 필요할 수 있기 때문에, 주조 또는 성형 응용에서 처리량 어려움을 야기할 수 있다. 구조적 고정밀 특징부는 또한 전자 회로 및 인덕터, 코일 및 커패시터와 같은 요소를 포함할 수 있다. 이러한 특징부는 또한 집적 회로, 프로세서, 전자 장치, 물리적 입력 특징부(예를 들어 하나 이상의 스위치), 사용자 인터페이스, 디스플레이 등을 포함할 수 있다.
이들 고정밀 특징부는 장착 고정구, 특수 플랜지, 수직 및 수평 나사산 장착 플레이트, 플로팅 너트, 클램프, 나사, 및 구조물을 가로질러 분포될 수 있고 계획적으로 신중한 배치가 필요할 수 있는 추가 세부사항 또는 특히 미세한 기하학적 구조를 포함하는 다른 고정구를 더 포함할 수 있다. 부품 및 링크 노드는 플랜지, 플레이트, 나사, 및 기타 특징부를 포함할 수 있고, 일반적으로 인터페이스 노드는 이러한 구조물에 더 큰 정교함, 더 작은 크기, 특수 또는 맞춤형 하위구조물, 및 고유한 설계-의존적인 특징부를 제공한다. 또한, 인터페이스 노드는 도 6A 및 도 6B의 인터페이스 노드와 같이 조밀한 3D 공간 여백을 갖는 컴팩트한 방식으로 상기 구조물을 제공할 수 있다.
고정밀 특징부는 또한, 구조물 내에 통합되거나 외부에 제공되는 또는 이 둘 모두 가능한, 의도된 회전 또는 병진 운동을 수용하거나 가능하게 하는 기하학적 구조의 하위구조물을 포함할 수 있다. 일반적인 특징부는, 정밀한 배치가 필요한 상황이나 보다 복합적인 추가 유형의 구조물의 어레이에 통합되는 상황에서, 본 기술 분야의 숙련자에게 일반적으로 명백한 바와 같이 고정밀일 수 있다. 예를 들어, 고정밀 특징부는 정확히 정의된 각도 또는 거리를 두고 서로에 대해 배향되어야 하는 부품을 포함하는 것과 같이 엄격한 공차 요건을 요구할 수 있다. 부품은 제대로 작동하기 위해 정확한 범위 또는 거리를 두고 서로에 대해 배치되어야 할 수도 있다. 이러한 부품은 별도의 기계 가공 기술 또는 정밀 AM 기술을 사용하여 제조될 필요가 있을 수 있다.
일반적으로, 특징부를 포함하는 부품이 부품의 나머지 부분을 생성하기 위해 사용된 동일한 제조 공정을 사용하여 (응용에 비해) 허용 가능한 높은 처리량으로 사실상 제조될 수 없는 경우 특징부는 고정밀일 수 있다. 예를 들어, 차량 기어 케이스는 전통적인 주조 기술을 사용하여 제조될 수 있지만, 주조 부품의 구체적으로 정의된 영역에 접착제 또는 음압을 제공하기 위한 내부 채널은, 완성된 기어 케이스에 대해 원하는 처리량을 달성하기 위해 또 다른 방법을 사용하여 별도로 구성되어야 할 수도 있다.
고정밀 특징부의 예는 또한 특정 재료 요건을 갖는 구조물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 구조물의 특정 영역은 특정 유형의 재료 또는 다른 재료의 조합으로 구성될 수 있다. 구조물의 다양한 영역은 구조물의 기하학적 구조, 구조물 및 인접 구조물의 하중 특성, 및 구조물이 사용되고 있는 응용과 관련된 다른 고려사항에 따라 다양한 재료의 사용을 필요로 할 수 있다.
처리량을 손상시킬 수 있는 재료 특성을 포함하는 고정밀 특징부는 강성, 탄성, 연성, 가단성, 경도, 열 내성, 부식 또는 오염에 대한 저항성, 질량, 물리적 안정성 또는 화학적 반응성 또는 저항성 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다양한 특징부의 정밀도는 또한, 특징부가 다양한 융점, 상 변화에 대한 열 제어, 요구되는 열 용량 등을 포함하는 특정 열 특성을 요구하는 정도 및 방식을 포함할 수 있다.
인터페이스 노드 및 AM 부품 . 본 개시의 또 다른 양태에서, AM 인터페이스 노드는 더 높은 처리량의 적층 제조 기술을 사용하여 생성된 부품에 결합될 수 있다. 예를 들어, 이러한 고-처리량 기술은 DED를 포함할 수 있다. 위에서 상세히 기술한 바와 같이, DED는 분말 증착기 또는 와이어 공급원료를 통해 재료를 증착하고, 전기 아크, 레이저 또는 전자 빔과 같은 에너지원으로부터 에너지를 유도하여 재료를 용융 및 고화시킨다. 이들 단계는 원하는 빌드 피스가 형성될 때까지 층별 증착 공정을 사용하여 반복적으로 수행된다. 현재, 사용 가능한 다양한 DED 공정은 PBF를 포함하는 다른 AM 공정에 비해 측정할 수 있는 높은 처리량을 갖는다.
본 개시의 이 양태에서, DED는 주류의 AM 공정을 단독으로 이용하는 것보다 더 높은 순 처리량으로 구조물을 생성하기 위해, 주류의 AM 공정, 예를 들어, PBF와 함께 사용될 수 있다. 주조 및 다른 종래의 제조 기술을 포함하는 이전의 실시형태에서와 같이, 부품으로부터의 복합 특징부를 AM 인터페이스 노드로 통합할 수 있는 능력으로 인해 유사한 장점이 얻어질 수 있다. 또한, 이전의 실시형태에서와 같이, AM 인터페이스 노드는 일반적으로 부피가 크지 않을 수 있다. 대신, 인터페이스 노드는 필요한 구조물과 특징부만을 통합할 수 있는 적절한 크기를 가질 수 있다.
인터페이스 노드는 PBF 또는 다른 AM 공정을 사용하여 제조될 수 있으며, 이로 인해 작은 특징부 크기 및 정확한 인쇄를 갖는 부품이 생성된다. AM은 복합 특징부를 갖는 인터페이스 노드를 유연하고 정확하게 인쇄할 수 있지만, DED를 사용하여 인터페이스 노드에 재료를 증착함으로써 AM과 이의 이점이 크게 향상될 수 있다. 특히, 최종 구조물에 대한 더 높은 생산 능력이 달성될 수 있다. 다음의 실시형태에서, 이전 기술과 유사하게 인터페이스 노드와 인터페이스하기 위한 구조물이 제안된다. 이들 인터페이스 노드는 또한 예를 들어 노드의 다른 영역을 사용하여 다른 구조물(튜브, 패널, 압출물, 다른 노드 등)에 연결하기 위해 적절한 연결 특징부를 사용할 수 있다.
용융지(weld pool) 관리: 일 실시형태에서, 용융지 관리를 위한 복합 특징부가 인터페이스 노드에 통합될 수 있다. 용융지는 일반적으로 용접 금속으로 응고되기 전에 용접에서 용융 금속의 국한된 용적을 의미한다. 도 8은 직접 에너지 증착(DED)을 사용하여 용접-기반 증착을 받고 있는 인터페이스 노드(800)의 정면 단면도이다. 화살표(850)에 인접한 상부 표면은 단면이다. 재료가 DED 빌드 방향 화살표(850)에 의해 도시된 바와 같이 층별로 증착됨에 따라, DED 빌드는 도면에서 수직으로 진행하고 있다. 인터페이스 노드(800)는 평평한 상부 표면(803)을 갖는 베이스(802)를 포함한다. 일반적으로, 용융지가 클수록, 용접부의 신속한 냉각 및 응고로 인한 잔류 응력은 크다. 용접-기반 증착 공정의 제 1 층(840)은, 용접 응력이 관리될 수 있도록 용융지를 제어할 수 있는 인터페이스 노드(800)의 특징부에 대해 수행될 수 있다. 일 실시형태에서, 특징부는 제 1 층(840)이 증착될 수 있는 공동을 포함한다. 이어서, 후속 층(841-844)이 제 1 층(840) 위에 증착될 수 있다.
도 8은 인터페이스 노드가 DED 공정에 의해 형성된 고-처리량 부품(861)과 연결되어야 하는 일부 여백 내에 지정되는 공칭 영역(807)이 인터페이스 노드에 포함된 것을 도시하고 있다. 고-처리량 부품(861)은 일반적으로 인터페이스 노드(800)보다 크지만, 부품(861)은 명확성을 위해 단면도로 도시되어 있고, 따라서 크기 차이는 도면으로부터 명백하지 않을 것이다. 초기 층(840)은 DED-기반 부품(861)이 인터페이스 노드(802)에 연결되는 영역을 한정한다. 일반적으로 그 영역에서 잠재적으로 큰 온도 구배로 인한 잔류 응력을 제어하는 것이 중요하다.
예시적인 실시형태에서, 매끄럽고 평평한 표면을 보장할 수 있게 하기 위해 제 1 층(840) 또는 여러 개의 제 1 층(840-844)에 대해 기계 가공 작업이 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 인터페이스 노드(802)는 더 큰, 고-처리량 부품(861)을 위한 "빌드 플레이트"로서 효과적으로 작용한다. 인터페이스 노드(802)는 증착 공정(850) 동안 용융을 처리하기 위해 특징부에서 공칭 치수(807)보다 큰 치수로 3D 인쇄될 수 있다. 하나의 중요한 설계 고려사항은 인터페이스 노드(802)의 용융 온도이다. 온도는 표면(803)이 증착 공정을 위한 기판 또는 빌드 플레이트로서 기능할 수 있을 정도로 충분히 높아야 한다. 필요한 열 특성을 갖는 인터페이스 노드(802)에 대해 다양한 재료 또는 합금이 선택될 수 있다.
직접 용접: 또 다른 실시형태에서, 인터페이스 노드는 실질적으로 평평한 특징부를 갖고 인쇄될 수 있다. 이러한 특징은 본질적으로 재료 증착을 위해 평평한 표면을 필요로 하는 DED 기술을 위한 빌드 플레이트로서 기능할 수 있다. 도 9A는 DED 증착을 위해 평평한 상부 영역(908)을 갖는 AM 인터페이스 노드(906)의 정면도이다. 에너지원의 와이어 공급원료로부터의 재료는 사실상 빌드 피스(902)를 위한 기판인 상부 영역(908)에서 시작하는 영역(902)에서 층별로 재료를 증착한다. 이전 실시형태에서와 같이, 빌드(950)의 방향은 위쪽 방향으로 수직으로 진행한다.
도 9B는 가공 표면을 갖는 인터페이스 노드(911a-b)의 단면도이다. 이 실시형태에 따르면, 인터페이스 노드(911a-b)의 표면은 복합 가공 표면(920a-b)을 포함하도록 적층 제조되었다. 이들 표면은, 통합 구조(예를 들어, 인터페이스 노드(906ia) 및 이 노드가 DED 공정을 통해 부착되는 부품)의 최적의 기계적 및 재료 성능을 위해 열 영향부(heat affected zone, HAZ)(913a-b)를 더욱 균일하게 분배하도록 작동함으로써 인터페이스 노드(911a-b)와 DED 층(911a-b) 사이의 용접 이음을 크게 개선하도록 구성될 수 있다. 가공 표면(920a-b)에 의해 도시된 바와 같이 인터페이스에서 유효 표면적을 증가시킴으로써, 용접 이음을 혼합 층이 증가한다. 따라서, 인터페이스 노드는 평평한 표면 대신에 특정 실시형태에서 가공 표면을 가질 수 있다. 이들 가공 표면(920a-b)의 두 가지 예시적인 실시형태가 도 9B에 도시되어 있다. 이들 실시형태는 유리하게도, 상당한 양의 베이스 재료가 HAZ가 되는 대신에, 인터페이스 노드(906ia-ib)와 이의 DED 부품 사이의 인터페이스에 HAZ(913a-b)가 최적으로 확산되는 것을 보장한다.
도 9C는 대안적인 가공 표면을 갖는 AM 인터페이스 노드(951)의 일부의 단면도이다. 이 실시형태에서, 이전의 실시형태와 달리, 가공 표면의 특징부는 DED 부품(911c)에 비해 작다. 인터페이스 노드를 생성하기 위해 사용되는 AM 공정의 고정밀 특성으로 인해 이러한 작은 특징부가 가능하다. 더 작은 특징부는 접착을 더욱 촉진시키며, 따라서 인터페이스 노드 표면에 대한 DED 부품(911c)의 용접 및 접합 능력을 향상시킨다.
도 9D는 위로 적층된 손가락으로 구성된 또 다른 대안적인 가공 표면을 갖는 AM 인터페이스 노드(911d)의 일부의 단면도이다. 돌출된 손가락은 두 재료의 서로에 대한 접착을 촉진할 수 있다.
도 9E는 또 다른 대안적인 가공 표면을 갖는 AM 인터페이스 노드의 일부분의 단면도이다. 가공 표면은 초기에는 단단한 표면을 포함하지만, 또 다른 접착-촉진 기술로서, 절단된 수직 부분을 갖는다.
인터페이스 노드 고정: 또 다른 실시형태에서, AM 인터페이스 노드는 더 큰 유연성을 위해 5-축 마운트에 고정될 수 있다. 이 구성은 실질적으로 평평한 특징부를 렌더링하는 DED 기술에 특히 유용하다. 처리량 이점 외에도, 많은 DED 기술은 또한 정밀하고, 복잡한 특징부를 생성할 수 있다. 와이어 공급기(또는 분말이 사용되는 경우 분말-기반 증착기)는 AM 인터페이스 노드에 대해 복합 DED 구조물을 제조할 수 있다. 이러한 복합 DED 구조물은 곡률을 갖는 부품, 더 작은 고해상도 기하학적 특징부를 갖는 부품, 및 필요한 개수 및 유형 및/또는 크기가 실질적으로 변할 수 있는 다른 부품을 포함할 수 있다.
DED 공정을 위한 재료 증착기(들) 및/또는 에너지원(들)을 지지 및 제공하기 위해 프로세서-제어 로봇 팔을 사용함으로써, 재료를 증착하거나 추가의 에너지원을 제공하기 위한 추가적인 자유도가 달성될 수 있다. 로봇 팔은 6-자유도로 이동하도록 프로그래밍되고 설계될 수 있으며, 이에 의해 빌드 공정(950)에 유연성을 더할 수 있다. 프로세서-제어 로봇 팔에 의해 제공되는 이러한 추가적인 자유도는 인터페이스 노드 쌍들 사이의 연결을 포함하는 응용에 특히 유리할 수 있다. 예를 들어, 인터페이스 노드가 추가적인 자유도를 갖는 메커니즘에 고정되는 경우, 전체 빌드 공정은 6-자유도 이상을 가질 수 있음에 주목해야 한다.
다른 실시형태에서, AM과 제조 사이의 하이브리드 공정은, 부품의 와이어 증착 적층 제조 동안, 패널(구부러지거나 평평함), 튜브, 표준화 인터페이스 노드, 보스, 스탠드오프 또는 다른 부품 또는 특징부가 로봇에 의해 배치되어 적층 제조 중인 부품 내에 포함될 수 있도록, 로봇이 사용할 수 있는 다수의 다양한 표준 "브리지 부분(Bridge Part)"을 포함할 수 있다.
이러한 절차와 유사한 것으로서, 벽이 이러한 "브리지 부분"이 되고 와이어 증착이 프로스팅(frosting)이 되는 진저브레드 하우스(gingerbread house)의 구성을 예상할 수 있다. 이는 손으로 만든 부품을 제조하는 방법과 특정 방식으로 유사하지만, 가스와 소모품의 시간과 비용을 절약하기 위해 특정 영역에 걸쳐있는 표준 형태로 자동 수행된다.
도 10은 노드를 연결하기 위해 이들 사이에 성장된 DED 구조물(1002a-b)을 갖는 두 개의 AM 인터페이스 노드(1006a-b)의 중간 단계의 정면도(1000)이다. DED 부품이 도 10에 도시된 바와 같이 두 개의 AM 인터페이스 노드(1006a-b) 사이의 거리에 걸쳐 있어야 하는 경우, DED 증착 공정은 순차적으로 또는 동시에 수행될 수 있다. 상기한 바와 같이, DED 공정은 쟁점이 되고 특징부(이 경우, 각각의 인터페이스 노드(1006a 및 1006b)의 표면(1025a 및 1025b))에 대해 시작하여 인터페이스 노드에 대한 연결을 가능하게 할 수 있다.
순차적 증착 공정을 먼저 참조하면, DED 시스템은 층(1004a)을 증착하여 인터페이스 노드(1006a)의 에지(1025a)에서 초기에 시작하는 구조물(1002a)을 제 1 인터페이스 노드(1006a)로부터 성장시킬 수 있다. (대각선을 갖는 영역(1008a)은 DED를 사용하여 초기에 성장된 구조물(1008a)의 일부를 구성하고, 해당 구조물의 일부인 층(1004a)은 명확성을 위해 도시되어 있다). DED 시스템이 구조물(1002a)의 성장을 완료한 후, 유사한 방식으로 제 2 인터페이스 노드로부터 구조물(1002b)을 성장시킬 수 있다.
도면에서 ①과 ②로 표시된 두 개의 부분을 연결하기 위해, 이후 영역 ③의 두 개의 부분 사이에서 DED 증착 공정이 수행될 수 있다. 추가의 DED 서브시스템이 이용 가능한 경우, 두 개의 DED 서브시스템은 구조물(1002a 및 1002b)을 동시에 성장시킬 수 있다. 부분들(1002a 및 1002b)을 연결하기 위해 영역 ③에서 작은 부분의 재료만이 필요할 수 있도록 충분한 재료가 "동시" 실시형태에서 증착되고 나면, 단일 DED 증착기는 나머지 재료를 증착하고 따라서 고정 인터페이스 노드를 구현하도록 구성될 수 있다. 다른 실시형태에서, 인터페이스 노드(1006a-b)는 자유도를 제공하는 구조물에 고정될 수 있고, 따라서 DED 증착기는 로봇 팔 외에도 부품(즉, 인터페이스 노드(1006a-b) 그 자체)의 배향을 제어함으로써 평평한 표면 상에 재료를 증착할 수 있다.
돌출된 구조물이 필요한 경우, 제거 가능한 베이스 플레이트가 사용될 수 있다. 이 실시형태에서 인터페이스 노드는 이러한 베이스 플레이트를 수용하기 위한 메커니즘을 포함하도록 3D 인쇄될 수 있다. 도 11은 돌출된 DED 구조물의 증착을 가능하게 하는 한 쌍의 인터페이스 노드(1002a-b) 및 제거 가능한 베이스 플레이트(1135)의 정면도이다. AM 인터페이스 노드(1102a-b)는 노드와 3D 인쇄되거나 동시-인쇄될 수 있는 베이스 플레이트(1135)를 지지하기 위한 홈(1165)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 일 실시형태에서, 베이스 플레이트(1135)는 수냉식 구리 재킷을 포함할 수 있다. 베이스 플레이트(1135)는 홈(1165) 내로의 설부(1166)의 삽입을 통해 인터페이스 노드(1102a-b)에 삽입될 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 제 1 또는 여러 개의 제 1 재료 층은 베이스 플레이트와 함께 DED를 사용하여 증착될 수 있다. 인터페이스 노드(1102a-b)는 추가적인 자유도를 갖는 구조물에 고정될 수 있고, DED 공정 동안, 전자 빔, 레이저 등으로부터 방출된 에너지가 베이스 플레이트(1135)로 직접 전달되지 않고 대신에 각각의 선행 용접/재료 비드(1160)에 전달될 수 있도록 이동할 수 있다. 공정은 재료 층(1142)이 노드(1102a-b)와 베이스 플레이트(1135) 위에 증착될 때 구조물(1100x)에서 시작한다. 이 공정은 노드(1102a-b)를 연결하는 평평한 표면이 얻어질 때까지 반복될 수 있다. 이 공정 후에, 베이스 플레이트(1135)는 제거될 수 있고, 증착 공정은 제 1 DED 층(들) 위에서 재개될 수 있다. 공정이 평평한 표면에서 수행될 수 있도록 실질적으로 평평한 표면을 얻기 위해 제 1 층 또는 여러 개의 제 1 층이 기계 가공될 수 있다.
상기 도면에 기술된 공정은 부분적으로 또는 완전히 자동화될 수 있다. 예를 들어, 도 11에 대해, 전체 공정을 자동화하면, 빌드 플레이트(1135)가 이동하여 다수의 구조물이 적은 리드 타임으로 제조될 수 있다.
도 12는 본 개시에 따른 부품을 제조하는 예시적인 방법의 흐름도를 도시하고 있다. 예를 들어, 제품 요구사항, 데이터 모델 또는 제조될 부품의 다른 소스에서 복합 특징부가 식별된다(단계 1202). 이러한 복합 특징부는 예상되거나 알려진 기하학적, 열적 또는 다중-재료 요건 및 엄격한 공차 요건을 포함할 수 있다. 따라서 부품은 복합 특징부를 갖지 않지만, 부품의 비교적 간단한 기하학적 구조 및 부품이 관련 인터페이스 노드 및 잠재적으로 다른 구조에 연결될 수 있게 하는 하나 이상의 연결 특징부를 포함하여 제조된다(단계 1204). 일부 실시형태에서, 부품은 관련된 인터페이스 노드의 영역에서 개별적으로 또는 직접 DED를 사용하여 구성된다.
인터페이스 노드는 또한 PBF 또는 복합 특징부를 포함하는 또 다른 이용 가능한 AM 공정(1206)을 사용하여 적층 제조된다. 부품이 빌드 플레이트로서 인터페이스 노드를 사용하도록 구성된 경우(이 경우 노드는 부품의 생산 이전에 반드시 3D 인쇄됨)를 제외하고, 노드의 AM은 부품 제조 이전, 도중 또는 이후에 이루어질 수 있다.
인터페이스 노드는 상보적인 연결 특징부, 즉 부품 상의 하나의 특징부 및 인터페이스 노드 상의 상보적인 특징부를 사용하여 부품에 연결될 수 있다(단계 1208). 가장 간단한 경우, 연결 특징부는 접착제일 수 있으며, 따라서 이와 같이 노드 및 부품의 연결 특징부는 연결에 내재된 연결 특징부의 상보적인 특성과 동일할 수 있다. 인터페이스 노드 및 부품은 모두 다른 구조물로의 연결을 위해 다른 연결 특징부를 사용하여 구성될 수 있다. 인터페이스 노드와 부품 및 임의의 다른 구조물 간의 연결에는 하나 이상의 연결 특징부가 사용될 수 있다.
AM 인터페이스 노드는 또한 부품의 연결 특징부와 결합되기 위해 사용되는 연결 특징부(들) 외에, 하나 이상의 연결 특징부를 사용하여 튜브, 패널, 압출물, 또 다른 노드, 또는 다른 구조물에 연결될 수 있다(단계 1210). 따라서, 예를 들어, 인터페이스 노드는 차량 섀시 또는 이의 일부에 연결될 수 있는 연결 튜브와 부품을 연결하도록 구성될 수 있다. 부품은 또한 인터페이스 노드에 의해 패널 또는 다른 구조물에 연결될 수 있다.
상기한 설명은 본 기술 분야의 숙련자가 본원에 기술된 다양일 양태를 실시할 수 있도록 제공된다. 본 개시 전반에 걸쳐 제시된 이러한 예시적인 실시형태에 대한 다양한 변형은 본 기술 분야의 숙련자에게 명백할 것이며, 본원에 개시된 개념은 재료의 노드 및 상호연결부를 인쇄하기 위한 다른 기술에 적용될 수 있다. 따라서, 청구항은 본 개시 전반에 걸쳐 제시된 예시적인 실시형태로 제한되는 것이 아니라, 언어 청구항과 일치하는 전체 범위에 따라야 한다. 본 기술 분야의 숙련자에게 알려지거나 나중에 알려질 본 개시에 걸쳐 기술된 예시적인 실시형태의 요소에 대한 모든 구조적 및 기능적 등가물은 청구항에 의해 포함되는 것이다. 또한, 본원에 개시된 그 어떠한 것도 그러한 개시가 청구항에 명시적으로 언급되는지 여부에 관계없이 일반 공중에 개방되기 위한 것은 아니다. 어떠한 청구항 요소도, 그 요소가 명확히 "~하는 수단"이라는 문구를 사용하여 명시되지 않는 한, 또는 방법 청구항의 경우, 요소가 "~하는 단계"라는 문구를 사용하여 명시되지 않는 한, 35 U.S.C. 112(f)의 조항 또는 해당 관할 구역의 유사한 법률에 따라 해석되어서는 안 된다.

Claims (43)

  1. 사용시 적층 제조(additive manufacturing, AM) 기술당 높은 정밀도와 생산량을 달성하기 위해 인쇄 공정을 사용하여, 축소된 크기로 적층 제조된(AM) 인터페이스 노드(IN)로서, 인터페이스 노드(IN)는,
    고속 생산 공정을 사용하여 적층 제조된 저정밀 부품에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 연결 특징부를 포함하는 인터페이스 노드(IN).
  2. 제 1 항에 있어서,
    저정밀 부품은 AM 링크 노드(AM Linking Node)를 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  3. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 링크 노드에 연결되도록 더 구성되는, 인터페이스 노드(IN).
  4. 제 1 항에 있어서,
    축소된 크기는 생산량을 증가시키기 위한 것인, 인터페이스 노드(IN).
  5. 제 1 항에 있어서,
    구조적 특징부, 열적 특징부, 하나 이상의 재료 또는 이들의 조합을 포함하는 다중-재료 특징부, 재료 특성, 또는 공차 요건을 포함하는 복합 특징부의 세트 중 적어도 하나를 더 포함하는 인터페이스 노드(IN).
  6. 제 1 항에 있어서,
    부품은 인터페이스 노드(IN)의 적어도 하나의 연결 특징부와 결합되도록 구성된 연결 특징부를 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  7. 제 1 항에 있어서,
    고속 생산 공정은 직접 에너지 증착(DED)을 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  8. 제 1 항에 있어서,
    연결 특징부는 링크 노드를 통해 저정밀 부품에 결합되는, 인터페이스 노드(IN).
  9. 제 1 항에 있어서,
    축소된 크기는 연결 특징부 이외의 인터페이스 노드(IN) 구조물을 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  10. 제 1 항에 있어서,
    인터페이스 노드(IN)는 저정밀 부품과는 다른 재료를 포함하는 인터페이스 노드(IN).
  11. 제 7 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 증착된 재료와의 용접 이음을 개선하기 위해 표면적을 최대화하도록 구성된 가공 표면을 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  12. 사용시 적층 제조(additive manufacturing, AM) 기술당 높은 정밀도와 생산량을 달성하기 위해 인쇄 공정을 사용하여, 축소된 크기로 적층 제조된(AM) 인터페이스 노드(IN)로서, 인터페이스 노드(IN)는,
    주조 부품에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 연결 특징부, 및
    기하학적 복합 특징부, 열적 복합 특징부, 다양한 재료 또는 이의 조합을 포함하는 다중-재료 복합 특징부, 또는 복합 공차 요건을 포함하는 세트로부터의 적어도 하나의 고정밀 특징부를 포함하는 인터페이스 노드(IN).
  13. 제 12 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 주조(cast) 또는 단조(forged) 링크 노드에 연결되도록 더 구성되는, 인터페이스 노드(IN).
  14. 제 12 항에 있어서,
    적어도 하나의 고정밀 특징부는 다수의 고정밀 특징부를 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  15. 제 12 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 주조 부품 상의 암형 연결 특징부와 결합하기 위한 수형 연결 특징부를 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  16. 제 12 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 주조 부품 상의 수형 연결 특징부와 결합하기 위한 암형 연결 특징부를 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  17. 제 15 항에 있어서,
    수형 연결 특징부는 설부-홈 연결을 위한 설부를 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  18. 제 16 항에 있어서,
    암형 연결 특징부는 설부-홈 연결을 위한 홈을 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  19. 제 12 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 밀봉제 홈을 더 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  20. 제 12 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 접착제 주입 포트 또는 진공 포트로 사용하도록 구성된 적어도 하나의 유체 포트를 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  21. 사용시 적층 제조(additive manufacturing, AM) 기술당 높은 정밀도와 생산량을 달성하기 위해 인쇄 공정을 사용하여, 축소된 크기로 적층 제조된(AM) 인터페이스 노드(IN)로서, 인터페이스 노드(IN)는,
    주조 부품에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 연결 특징부, 및
    접착제 주입 채널을 포함하는 인터페이스 노드(IN).
  22. 제 21 항에 있어서,
    진공 채널을 더 포함하는 인터페이스 노드(IN).
  23. 제 21 항에 있어서,
    인터페이스 노드(IN)와 주조 부품 사이에 분리 특징부를 더 포함하고, 인터페이스 노드(IN)와 주조 부품은 서로 다른 금속을 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  24. 제 21 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 연결 튜브에 연결되도록 더 구성되는, 인터페이스 노드(IN).
  25. 제 23 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 압출물 또는 패널에 연결되도록 더 구성되는, 인터페이스 노드(IN).
  26. 사용시 적층 제조(additive manufacturing, AM) 기술당 높은 정밀도를 달성하기 위해 인쇄 공정을 사용하여, 축소된 크기로 적층 제조된(AM) 인터페이스 노드(IN)로서, 인터페이스 노드(IN)는,
    사용시 AM 기술에 비해 낮은 기하학적 유연성을 갖는 고속 생산 공정을 사용하여 고정밀, 낮은 특징부의 기계 가공 부품에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 연결 특징부, 및
    기하학적 복합 특징부, 열적 복합 특징부, 다양한 재료 또는 이의 조합을 포함하는 다중-재료 복합 특징부, 또는 복합 공차 요건을 포함하는 세트로부터의 적어도 하나의 고정밀 특징부를 포함하는 인터페이스 노드(IN).
  27. 제 26 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 단조 부품에 연결되도록 더 구성되는, 인터페이스 노드(IN).
  28. 제 26 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 링크 노드에 연결되도록 더 구성되는, 인터페이스 노드(IN).
  29. 제 26 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 기계 가공 부품 상의 암형 연결 특징부와 결합하기 위한 수형 연결 특징부를 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  30. 제 26 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 기계 가공 부품 상의 수형 연결 특징부와 결합하기 위한 암형 연결 특징부를 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  31. 제 32 항에 있어서,
    수형 연결 특징부는 설부-홈 연결을 위한 설부를 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  32. 제 30 항에 있어서,
    암형 연결 특징부는 설부-홈 연결을 위한 홈을 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  33. 제 24 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 밀봉제 홈을 더 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  34. 제 26 항에 있어서,
    적어도 하나의 연결 특징부는 접착제 주입 포트 또는 진공 포트로 사용하도록 구성된 적어도 하나의 유체 포트를 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  35. 사용시 적층 제조(additive manufacturing, AM) 기술당 높은 정밀도를 달성하기 위해 인쇄 공정을 사용하여, 축소된 크기로 적층 제조된(AM) 인터페이스 노드(IN)로서, 인터페이스 노드(IN)는,
    사용시 AM 기술에 비해 낮은 기하학적 유연성을 갖는 고속 생산 공정을 사용하여 고정밀, 낮은 특징부의 기계 가공 부품에 연결되도록 구성된 적어도 하나의 연결 특징부, 및
    접착제 주입 채널을 포함하는 인터페이스 노드(IN).
  36. 제 35 항에 있어서,
    인터페이스 노드(IN)와 기계 가공 부품 사이에 분리 특징부를 더 포함하는 인터페이스 노드(IN).
  37. 제 36 항에 있어서,
    인터페이스 노드(IN)와 기계 가공 부품은 서로 다른 금속을 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  38. 제 35 항에 있어서,
    기계 가공 부품은 또 다른 부품에 기계 가공 부품을 연결할 수 있도록 구성된 적어도 하나의 연결 특징부를 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  39. 제 38 항에 있어서,
    또 다른 부품은 연결 튜브, 압출물, 또 다른 노드, 또는 또 다른 기계 가공 부품 중 어느 하나 이상을 포함하는, 인터페이스 노드(IN).
  40. 부품을 제조하는 방법으로서, 방법은
    고정밀 특징부를 갖는 인터페이스 노드(IN)를 설계하는 단계와;
    생산량을 증가시키기 위해 인터페이스 노드(IN)의 크기를 결정하는 단계와;
    높은 정밀도를 달성하기 위해, 사용시 적층 제조(additive manufacturing, AM) 기술당 낮은 인쇄 속도를 사용하여 인터페이스 노드(IN)를 적층 제조하는 단계; 및
    더 높은 생산 속도를 사용하여 제조된 부품에 인터페이스 노드(IN)를 연결하는 단계를 포함하는 방법.
  41. 제 40 항에 있어서,
    인터페이스 노드(IN)를 연결하는 단계는, 높은 인쇄 속도와 높은 생산량을 사용하여 저정밀 노드를 적층 제조하는 단계를 포함하는, 방법.
  42. 제 40 항에 있어서,
    인터페이스 노드(IN)를 연결하는 단계는,
    인터페이스 노드(IN)에 연결 특징부를 추가하는 단계; 및
    연결 특징부를 사용하여 주조 부품에 인터페이스 노드(IN)를 연결하는 단계를 포함하는, 방법.
  43. 제 40 항에 있어서,
    인터페이스 노드(IN)를 연결하는 단계는,
    인터페이스 노드(IN)에 연결 특징부를 추가하는 단계; 및
    연결 특징부를 사용하여 기계 가공 부품에 인터페이스 노드(IN)를 연결하는 단계를 포함하는, 방법.
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