KR20210010457A - 저감 장치의 구성요소를 제작하기 위한 방법 - Google Patents

저감 장치의 구성요소를 제작하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

저감 장치의 구성요소를 제작하기 위한 방법이 개시된다. 상기 방법은, 저감 장치의 반응 챔버를 규정하는 구성요소의 최적화된 유한 요소 표현을 규정하기 위해 지정된 구성요소 특성에 기초하여 구성요소의 3D 모델 표현을 메싱하는 것과, 최적화된 유한 요소 표현을 제작하는 것을 포함한다. 이러한 방식으로, 그 성능을 모델링할 수 있는 저감 장치의 구성요소의 3D 모델이 생성될 수 있다. 저감 장치의 작동에 영향을 미치는 구성요소의 특정 특성이 규정될 수 있다. 다음에, 해당 특성은 메싱을 사용하여 해당 특성을 갖는 구성요소의 최적화된 유한 요소 표현을 생성하는데 사용될 수 있다(메싱은 기하학적 물체를 유한 요소의 세트로서 표현하는 작동이라는 것이 이해될 것임). 다음에, 최적화된 유한 요소 표현이 제작되어, 필요한 특성을 갖는 구성요소를 신뢰성있게 제조할 수 있다.

Description

저감 장치의 구성요소를 제작하기 위한 방법
본 발명은 저감 장치(abatement apparatus)의 구성요소를 제작하기 위한 방법에 관한 것이다.
저감을 수행하기 위한 저감 장치는 알려져 있으며, 예를 들어 반도체 또는 평판 디스플레이 제조 산업에서 사용되는 제조 프로세스 툴로부터의 배출 가스 스트림을 처리하는데 전형적으로 사용된다. 그러한 제조 동안에, 잔류 과불화 화합물(PFC) 및 다른 화합물이 프로세스 툴로부터 펌핑된 배출 가스 스트림에 존재한다. PFC는 배출 가스로부터 제거하기 어렵고, 환경으로의 PFC의 방출은 비교적 높은 온실 활동(greenhouse activity)을 갖는 것으로 알려져 있기 때문에 바람직하지 않다.
알려진 저감 장치는 열을 사용하여 배출 가스 스트림으로부터 PFC 및 다른 화합물을 제거한다. 전형적으로, 배출 가스 스트림은 PFC 및 다른 화합물을 함유하는 질소 스트림이다. 유도 히터, 플라즈마 또는 연소가 배출 스트림을 처리하기 위한 열을 발생시키는데 사용된다. 예를 들어, 연소 구성체에서, 연료 가스가 배출 가스 스트림과 혼합되고, 그러한 가스 스트림 혼합물은 유공성 가스 버너의 출구 표면에 의해 측방향으로 둘러싸인 연소 챔버로 이송된다. 연료 가스 및 공기는 출구 표면에서의 무화염 연소(flameless combustion)에 영향을 미치도록 유공성 버너에 동시에 공급되며, 유공성 버너를 통과하는 공기의 양은 버너로의 연료 가스 공급물뿐만 아니라 연소 챔버 내로 분사되는 가스 스트림 혼합물 내의 모든 가연성 물질을 소비하기에 충분하도록 요구된다.
저감 장치는 배출 스트림 처리에 도움이 되지만, 저감 장치의 제작은 문제가 될 수 있다. 따라서, 저감 장치를 제작하기 위한 개선된 기술을 제공하는 것이 요망된다.
제 1 양태에 따르면, 저감 장치의 반응 챔버를 규정하는 구성요소의 최적화된 유한 요소 표현을 규정하기 위해 지정된 구성요소 특성에 기초하여 구성요소의 3D 모델 표현을 메싱(meshing)하는 것과, 최적화된 유한 요소 표현을 제작하는 것을 포함하는 방법이 제공된다.
제 1 양태는 저감 장치의 구성요소를 제작하기 위한 기존 기술의 문제가 구성요소가 복잡하고 저감 장치의 작동이 규정하기 어렵다는 것이라는 점을 인식하고 있다. 따라서, 방법이 제공된다. 상기 방법은 저감 장치 또는 그 구성요소를 제작하기 위한 것일 수 있다. 상기 방법은 구성요소의 3차원(3D) 모델 표현 또는 정의를 메싱하는 단계를 포함할 수 있으며; 3D 모델은 적어도 저감 장치의 반응 챔버를 규정한다. 메싱은 구성요소의 지정되거나 규정된 특성에 기초하거나, 그에 응답하여 수행될 수 있다. 메싱은 지정된 구성요소 특성에 기초하여, 구성요소의 최적화된 유한 요소 또는 셀룰러 표현을 규정하거나 생성할 수 있다. 즉, 3D 모델 표현의 메싱은 구성요소의 유한 요소 표현을 생성할 뿐만 아니라, 유한 요소 표현 자체는 해당 구성요소에 필요한 특성에 기초하여 최적화될 수 있다. 상기 방법은 최적화된 유한 요소 표현으로부터 구성요소를 제작하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 그 성능을 모델링할 수 있는 저감 장치의 구성요소의 3D 모델이 생성될 수 있다. 저감 장치의 작동에 영향을 미치는 구성요소의 특정 특성이 규정될 수 있다. 다음에, 해당 특성은 메싱을 사용하여 해당 특성을 갖는 구성요소의 최적화된 유한 요소 표현을 생성하는데 사용될 수 있다(메싱은 기하학적 물체를 유한 요소의 세트로서 표현하는 작동이라는 것이 이해될 것임). 다음에, 최적화된 유한 요소 표현이 제작되어, 필요한 특성을 갖는 구성요소를 신뢰성있게 제조할 수 있다.
일 실시예에서, 메싱하는 것은 적어도 하나의 유한 요소로 메싱하는 것을 포함한다. 따라서, 3D 모델 표현은 하나 이상의 유한 요소로 메싱될 수 있다.
일 실시예에서, 메싱하는 것은 복수의 유한 요소로 메싱하는 것을 포함한다. 따라서, 3D 모델 표현은 하나 초과의 유한 요소로 메싱될 수 있다.
일 실시예에서, 메싱하는 것은 3D 모델 표현을 충전하기 위해 유한 요소를 피팅하는 것을 포함한다. 따라서, 유한 요소는 3D 모델 표현을 충전하거나 매핑(mapping)하거나 덮도록 피팅될 수 있다.
일 실시예에서, 피팅하는 것은 말단 제약조건(terminal constraint)에 기초하여 3D 모델 표현을 충전하기 위해 유한 요소를 피팅하는 것을 포함한다. 따라서, 유한 요소는 얼마나 잘 피팅되는지에 대한 제약조건을 전제로 하여 3D 모델 표현을 충전하거나 매핑하거나 덮도록 피팅될 수 있다.
일 실시예에서, 말단 제약조건은 3D 모델 표현의 표면을 넘어서는 유한 요소의 돌출을 방지하는 것을 포함한다. 따라서, 말단 제약조건은 3D 모델 표현의 표면 또는 경계를 넘어서거나 지나가는 유한 요소의 돌출 또는 연장을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방법은 3D 모델 표현의 표면을 넘어서는 유한 요소의 돌출을 방지하기 위해 유한 요소의 조합을 선택하는 것을 포함한다. 따라서, 모델 표현의 표면 또는 경계를 넘어서는 유한 요소의 돌출 또는 연장을 방지하는 유한 요소의 상이한 조합이 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방법은 3D 모델 표현의 표면을 넘어서는 유한 요소의 돌출을 방지하기 위해 유한 요소를 절두(truncating)하는 것을 포함한다. 따라서, 유한 요소는 3D 모델 표현의 표면 또는 경계를 넘어서는 돌출 또는 연장을 방지하도록 절두되거나 절단되거나 세분화될 수 있다.
일 실시예에서, 각각의 유한 요소는 규칙적이다.
일 실시예에서, 각각의 유한 요소는 다면체이다.
일 실시예에서, 각각의 유한 요소는 에지에 의해 연결된 면을 포함한다.
일 실시예에서, 면은 개방되는 것 및 적어도 부분적으로 충전되는 것 중 하나이다. 따라서, 면은 충전되지 않거나 충전되거나 부분적으로 충전될 수 있다.
일 실시예에서, 에지는 유한 요소를 규정하는 스캐폴드(scaffold)를 제공한다. 따라서, 에지는 유한 요소를 형성하는 스캐폴드 또는 골격(skeleton)을 제공하거나 규정할 수 있다.
일 실시예에서, 면 및 에지 중 적어도 하나는 평면형 및 곡선형 중 하나이다.
일 실시예에서, 3D 모델 표현은 구성요소의 표면을 규정한다.
일 실시예에서, 3D 모델 표현은 구성요소의 외부면을 규정한다.
일 실시예에서, 메싱하는 것은 지정된 구성요소 특성에 기초하여 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함한다. 따라서, 유한 요소가 충전되는 양 또는 정도는 지정된 구성요소 특성에 기초하여 또는 그에 응답하여 조정되거나 선택된다.
일 실시예에서, 메싱하는 것은 유한 요소 사이의 유체 연통을 조정하기 위해 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함한다. 따라서, 유한 요소가 충전되는 양 또는 정도는 유한 요소 사이의 유체 연통의 양을 제어하도록 변경되거나 선택될 수 있다. 완전히 충전된 유한 요소는 유체 연통을 제공하지 않는 반면, 부분적으로 충전되거나 완전히 충전되지 않은 유한 요소는 유체 연통을 허용한다는 것이 이해될 것이다.
일 실시예에서, 충전을 조정하는 것은 유한 요소의 면을 적어도 부분적으로 충전하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 충전을 조정하는 것은 유한 요소에 의해 규정된 보이드(void)를 적어도 부분적으로 충전하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 충전을 조정하는 것은 유한 요소의 에지의 두께 또는 종횡비를 변경하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 지정된 구성요소 특성은 투과도(permeability)를 규정하고, 메싱하는 것은 상기 투과도를 제공하기 위해 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 지정된 구성요소 특성은 구성요소의 복수의 영역 각각에서의 투과도를 규정하고, 메싱하는 것은 해당 영역에서의 투과도를 제공하기 위해 구성요소의 복수의 영역 각각에서 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함한다. 따라서, 구성요소의 상이한 영역, 부분, 구역 또는 체적부에는 상이한 투과도가 할당될 수 있고, 해당 영역 내의 유한 요소의 충전은 유체 유동을 허용하거나 제한하고 해당 투과도를 제공하기 위해 해당 영역에서 조정되거나 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 투과도는 수용 투과도(receiving permeability)를 포함한다. 따라서, 투과도는 구성요소 내로 유동이 일어나는 속도일 수 있다.
일 실시예에서, 투과도는 내부 투과도(internal permeability)를 포함한다. 따라서, 투과도는 구성요소 내에서 유동이 일어나는 속도일 수 있다.
일 실시예에서, 투과도는 방출 투과도(emitting permeability)를 포함한다. 따라서, 투과도는 구성요소 밖으로 유동이 일어나는 속도일 수 있다.
일 실시예에서, 충전을 조정하는 것은 투과도를 제공하기 위해 유한 요소에 의해 규정된 보이드를 적어도 부분적으로 충전하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 충전을 조정하는 것은 투과도를 제공하기 위해 유한 요소의 에지의 두께를 변경하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 지정된 구성요소 특성은 다공도를 규정하고, 메싱하는 것은 상기 다공도를 제공하기 위해 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 지정된 구성요소 특성은 구성요소의 복수의 영역 각각에서의 다공도를 규정하고, 메싱하는 것은 해당 영역에서의 다공도를 제공하기 위해 구성요소의 복수의 영역 각각에서 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함한다. 따라서, 구성요소의 상이한 영역, 부분, 구역 또는 체적부에는 상이한 다공도가 할당될 수 있고, 해당 영역 내의 유한 요소의 충전은 유체 유동을 허용하거나 제한하고 해당 다공도를 제공하기 위해 해당 영역에서 조정되거나 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 충전을 조정하는 것은 다공도를 제공하기 위해 유한 요소의 면을 충전하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 지정된 구성요소 특성은 구성요소를 통한 유체 유동을 규정하고, 메싱하는 것은 상기 유체 유동을 제공하기 위해 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 지정된 구성요소 특성은 구성요소로부터의 유체 유동을 규정하고, 메싱하는 것은 상기 유체 유동을 제공하기 위해 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 유체 유동은 층류 유체 유동 및 난류 유체 유동 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에서, 지정된 구성요소 특성은 구성요소의 복수의 영역 각각에서의 유체 유동을 규정하고, 메싱하는 것은 해당 영역에서의 유체 유동을 제공하기 위해 구성요소의 복수의 영역 각각에서 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함한다. 따라서, 구성요소의 상이한 영역, 부분, 구역 또는 체적부에는 상이한 유체 유동이 할당될 수 있고, 해당 영역 내의 유한 요소의 충전은 해당 유체 유동을 제공하기 위해 해당 영역에서 조정되거나 선택될 수 있다.
일 실시예에서, 지정된 구성요소 특성은 구조 몸체(structural body)를 규정하고, 메싱하는 것은 상기 구조 몸체를 제공하기 위해 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함한다. 따라서, 유한 요소는 구성요소 내에서 구조 몸체를 규정하도록 충전될 수 있다.
일 실시예에서, 구조 몸체는 저감 장치 내에서 구성요소를 밀봉하기 위한 밀봉 표면을 포함한다.
일 실시예에서, 지정된 구성요소 특성은 부재(member)를 규정하고, 메싱하는 것은 상기 부재를 제공하기 위해 유한 요소의 충전 구성을 조정하는 것을 포함한다. 따라서, 유한 요소는 함께 부재 또는 요소를 형성하도록 충전될 수 있다.
일 실시예에서, 부재는 구조 및 열적 부재 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에서, 열적 부재는 구성요소의 열 전도도를 제어하도록 구성된다.
일 실시예에서, 구조 부재는 구성요소에 기계적 보강을 제공하도록 구성된다.
일 실시예에서, 지정된 구성요소 특성은 구성요소의 소정 위치에서의 재료를 규정하고, 메싱하는 것은 최적화된 셀룰러 구조물을 제공하기 위해 상기 재료로 제조된 유한 요소를 지정하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 재료는 촉매 반응을 지원하도록 위치된다.
일 실시예에서, 3D 모델 표현은 원통형, 벨(bell) 또는 골무(thimble) 및 다면체 형상 중 적어도 하나를 갖는 구성요소를 규정한다.
일 실시예에서, 3D 모델 표현은 일정한 두께 및 가변 두께 중 하나의 두께의 벽을 갖는 구성요소를 규정한다.
일 실시예에서, 제작하는 것은 적층 제조하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 메싱하는 것은 구성요소의 유한 요소 표현을 규정하기 위해 구성요소의 3D 모델 표현을 메싱하는 것과, 최적화된 셀룰러 요소 표현을 제공하기 위해 지정된 구성요소 특성에 기초하여 구성요소의 셀룰러 요소 표현을 최적화하는 것을 포함한다.
제 2 양태에 따르면, 제 1 양태의 방법에 의해 형성되는, 저감 장치의 반응 챔버를 규정하는 구성요소가 제공된다.
다른 특정의 바람직한 양태는 첨부된 독립 청구항 및 종속 청구항에 제시되어 있다. 종속 청구항의 특징은 청구범위에 명시적으로 제시된 것 이외의 조합으로, 그리고 적절하게 독립 청구항의 특징과 조합될 수 있다.
장치 특징이 기능을 제공하도록 작동가능한 것으로 설명되는 경우, 이것은 그러한 기능을 제공하거나 그러한 기능을 제공하도록 적합화되거나 구성되는 장치 특징을 포함한다는 것이 이해될 것이다.
이제, 본 발명의 실시예가 첨부 도면을 참조하여 추가로 설명될 것이다:
도 1은 일 실시예의 주요 단계를 나타내는 흐름도이고,
도 2의 (A) 및 (B)는 실시예들에 따른 구성요소의 특징을 도시하는 개략도이다.
실시예들을 보다 상세하게 논의하기 전에, 먼저 개요가 제공될 것이다. 실시예들은 사전규정된 작동 특성을 갖는 저감 장치의 구성요소를 신뢰성있게 제조하기 위한 기술을 제공한다. 구성요소의 3D 모델이 생성되고, 해당 구성요소의 특성(예컨대, 구성요소 내부로의, 구성요소 외부로의, 그리고/또는 구성요소를 통한 유체 유동 특성과, 구성요소의 구조적, 열적, 화학적 및/또는 물리적 요구사항 등)이 규정된다. 이러한 특성은 해당 특성을 포함하는 구성요소의 유한 요소 표현을 제공하기 위해 3D 모델을 메싱할 때 사용된다. 다시 말해서, 구성요소의 유한 요소 표현을 생성할 때, 각 유한 요소가 충전되는 정도 및 무엇으로 충전되는지에 영향을 미치기 위해 구성요소의 특성이 지정될 수 있다. 예를 들어, 구성요소의 소정 영역의 표면의 다공도는 해당 표면을 구성하는 유한 요소의 충전된 면들의 수를 제어함으로써, 그리고/또는 해당 면들의 정점을 연결하는 에지의 두께를 변경함으로써 제어될 수 있다. 마찬가지로, 구성요소의 소정 영역의 투과도는 해당 영역의 유한 요소가 충전되는 정도를 변경함으로써 제어될 수 있다. 또, 그러한 충전은 유한 요소의 정점을 연결하는 에지의 두께를 변경함으로써 달성될 수 있다. 전체 구조 부재는 천장면, 리브(rib) 또는 플랜지(flange) 등과 같은 해당 구조 부재를 규정하기 위해 유한 요소를 충전함으로써 형성될 수 있다. 구성요소를 제작하는데 사용되는 재료를 제어함으로써 구성요소의 상이한 영역에 대한 물리적 또는 화학적 특성을 변경하는 것이 가능하다. 예를 들어, 일부 영역에서는 높은 전도성 재료가 사용되고, 다른 영역에서는 높은 절연 재료가 사용될 수 있다. 마찬가지로, 일부 영역에서는 기계적으로 강한 재료가 사용될 수 있고, 다른 영역에서는 덜 강한 재료가 사용될 수 있다. 그러면, 구성요소를 제조하기 위해 이러한 유한 요소 표현이 제작될 수 있다. 구성요소는 전형적으로 적층 제조(additive manufacturing)를 사용하는 유한 요소 표현으로 구성되며, 이는 유한 요소 표현이 그러한 적층 제조 기술에 적합한 모듈식 빌딩-블록(modular building-block)을 제공하기 때문이다.
도 1은 일 실시예의 주요 단계를 나타내는 흐름도이다. 명백한 바와 같이, 설명의 편의상 단계들이 순차적인 것으로 나타나 있지만, 많은 단계들은 사용되는 구현예에 따라 반복적으로 또는 병행하여 수행될 수 있다. 처리 단계는 전형적으로 이들 단계를 수행하도록 프로그래밍된 컴퓨터(도시되지 않음)에 의해 수행된다. 제작은 전형적으로 컴퓨터(도시되지 않음)의 제어하에서 작동하는 적층 제조 장치(도시되지 않음)에 의해 수행된다.
3D 모델 생성
단계 S1에서, 컴퓨터 상에서 실행되는 모델 프로세서를 사용하여 저감 장치의 구성요소의 3D 공간 모델이 생성된다. 다양한 상이한 모델링 기술, 표현 또는 포맷이 3D 공간에서 구성요소를 표현하는데 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 구성요소의 형상을 규정하는 표면, 에지, 정점 및/또는 점이 3D 공간 모델에서 지정될 수 있다. 그러한 모델을 도시하는 개략도가 도 2의 (A) 및 (B)에 도시되어 있다. 도 2의 (A)에서, (1)은 비다공성 밀봉 표면/에지를 나타내고; (2)는 매끄러운 내부면을 나타내고; (3) 선택적인 다공도를 갖는 외부면을 나타내고; (4)는 복사 열 전달을 최소화하기 위한 선택적 "바인딩(binding)" 및 구조물에 매설된 촉매 재료를 갖는 조성 구배를 나타내고; (5)는 솔리드(solid)를 나타내고; (6)은 다공성 재료를 나타내며; (7)은 노즐을 나타낸다. 도 2의 (B)는 벨 형상이고, (8)은 단계적인 다공도(graded porosity)를 나타낸다. 모델은 반응 챔버를 위한 슬리브(sleeve)와 같은 저감 장치의 일부의 모델일 수 있다. 또한, 모델은 통상적으로 조합된 반응 챔버 및 헤드 조립체와 같은 별도의 구성요소로 형성되는 보다 큰 부분의 모델일 수 있다.
메싱
단계 S2에서, 3D 공간 모델은 하나 이상의 상이한 유한 요소 또는 셀룰러 구조물을 사용하는 메싱 프로세서에 의해 메싱된다. 또, 다양한 상이한 기술이 그러한 메싱을 수행하는데 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 셀룰러 구조물은 전형적으로 다각형이 그 에지에서 연결된 다면체로 형성된다. 메싱 시에, 하나 초과의 유형의 다면체가 사용될 수 있다. 또한, 사용되는 다면체의 크기는 필요에 따라 변경될 수 있다. 셀룰러 구조물은 구성요소를 제작하는데 사용되는 적층 제조 기술에 가장 적합한 것에 기초하여 선택될 수 있다.
메싱 시에, 셀룰러 구조물이 3D 공간 모델의 표면 또는 경계를 넘어서 연장되지 않도록 지정할 수 있는 말단 제약조건이 규정될 수 있다. 이를 달성하기 위해, 메싱 프로세서는 상이한 셀룰러 구조물의 조합을 선택하고, 그리고/또는 이를 달성하기 위해 그 크기를 변경할 수 있다. 일부 상황에서, 메싱 프로세서는 그러한 말단 제약조건을 달성하기 위해 셀룰러 구조물을 절두하거나 세분화할 수 있다.
메싱 프로세서가 3D 공간 모델을 셀룰러 구조물로 충전하면, 처리는 단계 S3으로 진행된다.
특성 할당
단계 S3에서, 구성요소의 전부 또는 보다 전형적으로는 일부에 대한 특성이 할당된다. 예를 들어, 특정 영역의 다공도가 규정될 수 있거나, 소정 영역을 가로지르는 다공도 구배가 규정될 수 있다. 유사하게, 소정 영역을 통한 투과도 또는 소정 영역을 통한 투과도 구배가 규정될 수 있다. 마찬가지로, 소정 영역의 기계적 강도 또는 열 전도도가 규정될 수 있다. 일부 상황에서, 특정 영역의 화학적 특성 또는 재료가 규정될 수 있다.
이러한 특성에 의해, 메싱 프로세서는 셀룰러 구조물이 충전되는 방법과 함께, 각 셀룰러 구조물에 필요한 재료를 결정한다. 예를 들어, 소정 영역에서 낮은 다공도가 요구된다면, 해당 영역의 다공도를 감소시키기 위해, 해당 영역의 셀룰러 구조물은 충전될 수 있고, 그리고/또는 충전된 구성요소의 표면을 형성하는 면을 가질 수 있으며, 그리고/또는 해당 셀룰러 구조물을 규정하는 에지의 보다 큰 두께를 가질 수 있다. 반대로, 보다 높은 다공도가 요구된다면, 해당 영역의 다공도를 증가시키기 위해, 해당 영역의 셀룰러 구조물은 충전되지 않을 수 있고, 그리고/또는 충전되지 않은 구성요소의 표면을 형성하는 면을 가질 수 있으며, 그리고/또는 해당 셀룰러 구조물을 규정하는 에지의 감소된 두께를 가질 수 있다. 구성요소의 몸체의 영역을 통한 투과도를 조정하기 위해 유사한 접근법이 해당 몸체 내의 셀룰러 구조물에 사용될 수 있다. 마찬가지로, 열적 특성은 복사 열 전달을 조정하기 위해 면을 선택적으로 충전(또는 블라인딩(blinding))함으로써 조정될 수 있다.
이들 기술은, 예를 들어 밀봉 표면 또는 에지, 보강 스트럿, 연결 플랜지, 나사산, 관통 구멍 또는 다른 기계적 구조물을 제공하는 솔리드 구조물(solid structure)을 구성요소 내에 생성할 뿐만 아니라, 구성요소에 대한 정확한 열적 특성 또는 열 경로를 제공하는 구조물을 제공하는데 사용될 수 있다.
하나 초과의 재료가 셀룰러 구조물을 형성하는데 이용가능한 경우, 이들 재료는 또한 해당 특성을 달성하기 위해 메싱 프로세서에 의해 지정될 수 있다. 마찬가지로, 구성요소의 상이한 위치에 정확한 화학적 특성을 제공하기 위해 상이한 재료가 지정될 수 있다.
단계 S4에서, 최적화된 메시가 규정된다. 최적화된 메시에서의 각 셀룰러 요소는 충전되거나 충전되지 않는 것으로 지정되고, 충전되는 경우, 충전 정도가 지정된다. 상이한 재료가 지정될 수 있는 경우, 최적화된 메시에서의 각 셀룰러 요소는 지정된 재료로 형성되도록 규정된다.
단계 S5에서, 구성요소는 예를 들어 3D 프린팅과 같은 적층 제조 기술을 사용하여 제작된다.
실시예들은 출구 표면이 매끄럽도록 제어된 다공도 및 기하구조를 갖는 인쇄된 원통형 버너 구조물을 제공하며, 버너는 강인하고, 청소가능하고, 세척가능하며, 가스 유동(메탄/프로판 등)에 적합하다. 배면측(가스가 진입하는 곳)에는, 원하는 가스 유동을 제공하도록 설계/맞춤화될 수 있는 셀룰러 구조물이 있다. 열 전도도 및 복사에 의한 열 손실을 제어하기 위해 내부 블라인드 표면이 또한 포함된다. 다른 설계 추가사항은 플리넘(plenum)에 대해 직접 삽입 및 밀봉할 수 있는 솔리드 영역(전형적으로 상부 및 하부/밀봉 표면에 있는 링)을 갖는 것이다. 이러한 설계 고려사항에 의해, 구조물의 전체 기하구조가 변경될 수 있으며, 이에 의해 벨 형상의 프로파일(예를 들어, 로켓 버너)을 갖거나, 사각형 또는 사다리꼴 형상을 가질 수 있다. 가스의 유동을 제어하고, 즉 필요한 경우 가스의 유동을 난류 또는 층류로 만들기 위해 기하학적 특징부가 추가될 수 있다. 버너의 다른 특징은 열적 및 화학적 이유(외측의 세라믹으로부터 내측의 금속)로, 촉매 특성을 제어하는데 사용될 수 있는 단계적인 조성(재료), 즉 버너 두께 또는 표면의 중간에 있는 귀금속을 갖는 것이다.
실시예들은 주조되거나 시트로 제조될 수 없기 때문에 종래에는 제조하는 것이 불가능한, 플리넘과 인터페이싱하는 특징부, 즉 다기능 층을 제공한다. 주요 장점은 구조/기하구조/조성(재료 밀도, 격자) 및 유동 경로가 제어될 수 있다는 것이다. 이것은 버너 노즐이 원하는 곳에 배치될 수 있고 종래식으로 다시 주조/제조해야 하는 어려움/비용 영향 없이 설계가 반복될 수 있다는 것을 의미한다. 실시예들에서, 알고리즘이 폼(foam) 또는 셀룰러 기하구조/격자 구조에 사용된다. 설계는 요구사항에 기초하여 출력 체적, 가스 부하 등과 같은 상이한 응용에 맞춤화될 수 있다.
실시예들은 맞춤형 전체 형상/기하구조, 용도에 따른 맞춤형 크기, 다층 구성, 격자/폼 구조 변동, 외피(outer skin) 다공도(기하학적 형상, 예를 들어 원형, 삼각형, 육각형 메시 간격 그리드(grid) 위치설정)를 제공한다. 사용되는 재료(금속, 세라믹, 중합체 합금)는 모두 변경될 수 있다. 노즐 구성, 위치 및 수량은 변경될 수 있다. 노즐을 슈라우딩(shrouding)하고, 유동을 지향시키며, 난류 및 층류 유동을 촉진하는 내부 특징부가 필요한 곳에 제공될 수 있다. 내부 채널이 열을 추출/관리하도록 포함될 수 있다. 보강 구조물/리브가 필요한 곳에 강도를 제공하도록 포함될 수 있다.
실시예들은 버너 라이너(burner liner) 및 유도 열 서셉터(induction heat susceptor)와 같은 저감 장치의 3D 프린팅 구성요소를 위한 기술을 제공한다. 이 기술은 유도 가열 저감 시스템을 위한 서셉터 또는 유공성 버너로서 사용하기 위한 다공성 가스 제어 요소를 제조하는데 사용될 수 있다. 이 기술은, 1) 3D 컴퓨터 지원 설계(Computer Aided Design; CAD) 환경, 예를 들어 카티아(Catia)에서 솔리드 형상을 모델링하는 것; 2) 전환가능한 포맷(transferable format), 예를 들어 STEP 파일로 형상을 내보내는 것; 3) 솔리드 형상의 망상 폼 모형(reticulated foam replica)을 생성하는 메싱 패키지로 불러오는 것; 4) 전환가능한 포맷, 예를 들어, 3D 프린팅을 위한 STEP 파일로 폼 형상을 내보내는 것을 포함한다.
메싱 패키지는 전형적으로 기본 구조를 생성하기 위해 섬유 두께, 다공도, 인치당 기공과 같은 "고수준" 파라미터를 수용한다. 메시 체계(입방체, 사면체 등)는 선택가능하거나, 하나의 유형이 선호/최적화된다. 하류 종단은 전형적으로 연속적이고, 즉 댕글링 단부(dangling end)를 갖지 않는다. 상류면의 완전히 폐색된 영역은 전형적으로 고정구(fixture) 내에 피팅하기 위한 장착 표면으로서 규정된다. 상류면의 부분적인 폐색은, 선택된 셀면(cell face)을 폐쇄함으로써, 전형적으로 유동을 제어하고, 따라서 버너의 일부에 대한 소성 속도(firing rate)를 제어하는데 사용된다. 상이한 구역은 상이한 다공도를 갖는 것으로 규정될 수 있다.
인쇄에 관심있는 재료, 즉 Fe-Cr-Al-Y "페크랄로이(fecralloy)", 314 스테인리스강은 버너를 위한 기본 재료이다. 유도 가열을 위한 0Cr27Al7Mo2 또는 "페로몰리브덴(ferromolybdenum)"과 같은 보다 고온 재료.
실시예들에서, 다공성 형상은 전산 유체 역학(computational fluid dynamics; CFD) 패키지, 예를 들어 Star CCM+에 로딩된 후에, 다공성 재료의 유동 특성을 모델링하도록 "메시를 메싱"한다. 이것은 유동이 선택적으로 폐색된 면의 하류에서 어떻게 전개되는지 이해하는데 특히 적합하다. 마찬가지로, 버너의 "실제 조건"하에서의 배면 온도를 모델링하는 것이 유용할 수 있다. 종합해서, 이들 정보는 다공성 층의 두께를 최적화하여 궁극적으로 재료를 절약할 수 있게 한다.
실시예들은 하기 중 하나 이상을 갖는 버너 라이너를 제공한다: 매끄러운 하류 표면; 댕글링 섬유 단부가 없는 것; 강인하고, 청소가능하며, 세척가능한 것; 잔류 산소를 갖는 표면-소성 속도 범위에 적합한 것; 제어된 유동-속도/표면-소성 속도를 제공하도록 선택적으로 블라인딩된 배면, 또한 (원통형 버너의 경우) 상부 및 하부의 결합 또는 밀봉 표면; 벨-마우스(bell-mouth)를 생성하기 위한 유동 채널에 대한 개량; 전도도/불투명도 제어를 통한 제어된 배면 온도; 가시선 광학 블라인드(line-of-sight optical-blindness)를 달성하기 위해 구조물을 통해 규칙적인 패턴으로 선택적으로 블라인딩하여, 복사 열 전달을 최소화하는 것.
본 발명의 예시적인 실시예가 첨부 도면을 참조하여 본원에서 상세하게 개시되었지만, 본 발명은 정확한 실시예에 한정되지 않는다는 것과, 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해 규정된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 변경 및 변형이 당업자에 의해 거기에서 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.
1 : 비다공성 밀봉 표면/에지
2 : 매끄러운 내부면
3 : 선택적인 다공도를 갖는 외부면
4 : 복사 열 전달을 최소화하기 위한 선택적 "바인딩" 및 구조물에 매설된 촉매 재료를 갖는 조성 구배
5 : 솔리드
6 : 다공성 재료
7 : 노즐
8 : 단계적인 다공도

Claims (24)

  1. 방법에 있어서,
    저감 장치의 반응 챔버를 규정하는 구성요소의 최적화된 유한 요소 표현을 규정하기 위해 지정된 구성요소 특성에 기초하여 상기 구성요소의 3D 모델 표현을 메싱하는 것과,
    상기 최적화된 유한 요소 표현을 제작하는 것을 포함하는
    방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메싱하는 것은 적어도 하나의 유한 요소로 메싱하는 것을 포함하는
    방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 메싱하는 것은 상기 3D 모델 표현을 충전하기 위해 상기 유한 요소를 피팅하는 것을 포함하는
    방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 피팅하는 것은 말단 제약조건에 기초하여 상기 3D 모델 표현을 충전하기 위해 상기 유한 요소를 피팅하는 것을 포함하는
    방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 말단 제약조건은 상기 3D 모델 표현의 표면을 넘어서는 상기 유한 요소의 돌출을 방지하는 것을 포함하는
    방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 3D 모델 표현의 표면을 넘어서는 상기 유한 요소의 돌출을 방지하기 위해 상기 유한 요소의 조합을 선택하는 것을 포함하는
    방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 3D 모델 표현의 표면을 넘어서는 상기 유한 요소의 돌출을 방지하기 위해 상기 유한 요소를 절두하는 것을 포함하는
    방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메싱하는 것은 상기 지정된 구성요소 특성에 기초하여 상기 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함하는
    방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메싱하는 것은 상기 유한 요소 사이의 유체 연통을 조정하기 위해 상기 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함하는
    방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 충전을 조정하는 것은,
    유한 요소의 면을 적어도 부분적으로 충전하는 것과,
    유한 요소에 의해 규정된 보이드를 적어도 부분적으로 충전하는 것과,
    유한 요소의 에지의 두께를 변경하는 것 중 적어도 하나를 포함하는
    방법.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지정된 구성요소 특성은 투과도를 규정하고, 상기 메싱하는 것은 상기 투과도를 제공하기 위해 상기 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함하는
    방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 충전을 조정하는 것은 유한 요소에 의해 규정된 보이드를 적어도 부분적으로 충전하는 것과, 상기 투과도를 제공하기 위해 유한 요소의 에지의 두께를 변경하는 것 중 적어도 하나를 포함하는
    방법.
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지정된 구성요소 특성은 다공도를 규정하고, 상기 메싱하는 것은 상기 다공도를 제공하기 위해 상기 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함하는
    방법.
  14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지정된 구성요소 특성은 상기 구성요소를 통한 유체 유동을 규정하고, 상기 메싱하는 것은 상기 유체 유동을 제공하기 위해 상기 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함하는
    방법.
  15. 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지정된 구성요소 특성은 상기 구성요소로부터의 유체 유동을 규정하고, 상기 메싱하는 것은 상기 유체 유동을 제공하기 위해 상기 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함하는
    방법.
  16. 제 8 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지정된 구성요소 특성은 구조 몸체를 규정하고, 상기 메싱하는 것은 상기 구조 몸체를 제공하기 위해 상기 유한 요소의 충전을 조정하는 것을 포함하는
    방법.
  17. 제 8 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지정된 구성요소 특성은 부재를 규정하고, 상기 메싱하는 것은 상기 부재를 제공하기 위해 상기 유한 요소의 충전 구성을 조정하는 것을 포함하는
    방법.
  18. 제 8 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지정된 구성요소 특성은 상기 구성요소의 소정 위치에서의 재료를 규정하고, 상기 메싱하는 것은 최적화된 셀룰러 구조물을 제공하기 위해 상기 재료로 제조된 유한 요소를 지정하는 것을 포함하는
    방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 재료는 촉매 반응을 지원하도록 위치되는
    방법.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3D 모델 표현은 원통형, 벨 및 다면체 형상 중 적어도 하나를 갖는 상기 구성요소를 규정하는
    방법.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3D 모델 표현은 일정한 두께 및 가변 두께 중 하나의 두께의 벽을 갖는 상기 구성요소를 규정하는
    방법.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제작하는 것은 적층 제조하는 것을 포함하는
    방법.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메싱하는 것은 상기 구성요소의 유한 요소 표현을 규정하기 위해 상기 구성요소의 3D 모델 표현을 메싱하는 것과, 최적화된 셀룰러 요소 표현을 제공하기 위해 상기 지정된 구성요소 특성에 기초하여 상기 구성요소의 셀룰러 요소 표현을 최적화하는 것을 포함하는
    방법.
  24. 저감 장치의 반응 챔버를 규정하는 구성요소에 있어서,
    제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 형성되는
    구성요소.
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