KR20210070390A - 금속 액적 분사 시스템 - Google Patents

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Abstract

적층 제조를 위한 시스템 및 방법, 특히, 이러한 방법 및 장치는 펄스 레이저 또는 다른 가열 장치를 사용하여 도우너 금속 마이크로 와이어로부터 금속 액적을 생성하는데, 이 액적은 응집체로 응고될 때 3D 구조를 형성한다. 금속 마이크로 와이어의 공급부는 피에조 트랜슬레이터에 의해 노즐 영역을 향해 공급되도록 배열된다. 노즐 근처에서, 금속 마이크로 와이어의 단부가 (예를 들어, 레이저 펄스 또는 전기 히터 요소에 의해) 가열되어, 이에 의하여노즐 영역 근처의 금속 마이크로 와이어의 단부는 금속의 액적을 형성하게 된다. 노즐 영역으로부터 분사된 금속의 액적을 수용하도록 수용 기판이 위치된다.

Description

금속 액적 분사 시스템{METAL DROPLET JETTING SYSTEM}
본 출원은 2017년 11월 15일자로 출원된 미국 가출원 제62/586,311호의 우선권을 주장하는 비가출원(NONPROVISIONAL)으로서, 상기 우선권 기초출원은 참조로서 본 명세서에 편입된다.
본 발명은 일반적으로 적층 제조를 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 도우너 마이크로 와이어(donor micro wire)로부터 금속 액적(droplet)을 생성하기 위해 펄스 레이저 또는 다른 가열 장치를 채용함으로서 액적들이 합쳐져 응고되었을 때 3차원(3D) 구조를 형성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이른바 "3D 프린팅" 또는 보다 일반적으로 적층 제조는 컴퓨터 제어 하에 디지털 데이터 파일로부터 3차원 물체를 제조하는 프로세스를 설명하는 데 사용되는 광범위한 용어이다. 다수의 상이한 적층 제조기술이 개발되어 왔으며, 그 중 일부는 레이저를 사용하여 재료, 일반적으로 금속, 폴리머 또는 세라믹 파우더를 용융하는 것을 포함하고 있다. 도 1에 도시된 레이저 유도 전방 이송("LIFT")으로 알려진 최근의 적층 제조 공정은, 투명 기판의 후면(입사 레이저 빔의 관점에서)에 배치된 얇은 금속 포일 또는 필름으로부터 금속 액적을 생성 및 방출한다. 액적을 형성하기 위해, 레이저는 금속 포일이 운반되는 투명 기판을 통해 금속 포일의 작은 영역에 포커싱된다. 레이저에 의한 국소 가열은 금속 포일의 액적이 분사되도록 하며, 액적의 크기는 포일에 입사되는 레이저 빔의 단면에 비례한다. 이렇게 방출된 액적은 간극(일반적으로 수 미크론 정도의 단위)을 가로질러 이동하여 수용 기판 상에 합쳐진다. 예를 들어, Zenou, M. 등의 "고해상도 3D 프린트 구조를 위한 펨토 리터(femto-liter) 금속 액적의 레이저 분사", Scientific Reports 5, 17265; doi: 10.1038(2015) 참조할 수 있다. 이 기술은 프린팅될 물체의 단면에 의해 정의된 형태로 중첩된 금속 액적을 분사함으로써 3D 구조물을 프린팅하는데 적용된다.
적층 제조를 위한 시스템 및 방법, 특히 펄스 레이저 또는 다른 가열 장치를 사용하여 도우너 마이크로 와이어로부터 금속 액적을 생성하는 방법 및 장치가 본 명세서에 기술되며, 상기 액적은 응집체 내에서 고형화될 때 3D 구조를 형성한다.
일 실시예에서, 금속 레이저 분사 시스템은 피에조 트랜슬레이터 및/또는 동력화된 트랜슬레이터에 의해 노즐 영역을 향해 공급되도록 배열된 금속 마이크로 와이어(예를 들어, 직경이 약 10 미크론)의 공급부를 포함한다. 상기 금속 마이크로 와이어는 유리 기판(예를 들어, 용융 석영, 용융 실리카 또는 세라믹 유리)의 관통 구멍 내에서 그 와이어의 길이를 따라 지지되고, 상기 노즐 영역은 관통 구멍의 출구에 위치된다. 레이저는 제어기의 제어 하에서 광 펄스(상기 레이저 광 펄스의 파장에서 투명 또는 거의 투명인 유리 기판에 대하여 예를 들어, IR, UV 또는 가시광)를 상기 금속 마이크로 와이어의 단부가 상기 피에조 트랜슬레이터에 의하여 위치되는 곳인 상기 노즐 영역을 향하여 방출하도록 위치되며, 이에 의하여 상기 노즐 영역 부근의 상기 금속 마이크로 와이어의 단부가 가열되게 된다. 수용 기판은 노즐 영역으로부터 분사된 금속의 액적을 수용하도록 위치된다. 금속 마이크로 와이어를 예열하기 위해 유리 기판의 하나 이상의 측면에 히터가 부착될 수 있다.
바람직하게는, 상기 금속 마이크로 와이어의 공급부는 릴 상에서 운반되는 스풀로 구성된다. 일부 예에서, 상기 금속 마이크로 와이어의 공급부는, 금속 마이크로 와이어의 다수의 스풀로 구성되어, 각각의 스풀은 그 자신의 개별 피에조 트랜슬레이터(및/또는 동력화된 트랜슬레이터) 및 지지 유리 기판 장치와 관련된다. 대안적으로, 상기 금속 마이크로 와이어의 공급부는 다수의 금속 마이크로 와이어 스풀과 상기 금속 마이크로 와이어의 스풀 중 일부 또는 전부에 의해 공유되는 단일의 유리 기판으로 구성될 수 있다. 이들 경우 중 어느 하나 또는 모두에서, 상기 금속 마이크로 와이어의 공급부는 하나 이상의 롤러를 통해 피에조 트랜슬레이터에 의해 노즐 영역을 향해 공급되도록 배열될 수 있다.
상기 피에조 트랜슬레이터는 제어기의 제어하에 전류가 인가 될 때 금속 마이크로 와이어를 규정된 방향으로 이동 시키도록 배열된 하나 이상의 피에조 세라믹을 포함할 수 있다. 일부의 경우에, 상기 피에조 트랜슬레이터는 하나 이상의 길이방향 피에조 액추에이터, 하나 이상의 압전 전단 액추에이터 또는 하나 이상의 튜브 액추에이터를 포함할 수 있다. 금속 마이크로 와이어의 스풀이 중심 축 주위로 운반되는 릴을 회전시키기 위하여 추가적인 피에조 트랜슬레이터가 배치될 수 있으며, 이에 의해 제어기의 제어 하에 노즐 영역을 향해 금속 마이크로 와이어를 풀어낼 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 레이저는 제어기의 제어 하에서 스캐닝 경로 위의 단일의 레이저 빔을 스캔하도록 구성된 스캐닝 레이저 장치에 포함되어, 상기 레이저 빔이 활성화될 때, 상기 레이저 빔이 금속 마이크로 와이어들 각각과 관련된 복수의 노즐 영역들 중 하나에 입사된다. 이러한 스캐닝 레이저 장치는 스캐닝 미러 또는 음향 광학 디플렉터를 포함할 수 있다.
아래에 더 설명되는 바와 같이, 상기 유리 기판은, 상기 금속 마이크로 와이어가 노즐 영역을 향해 공급될 때 금속 마이크로 와이어의 배향을 제1 평면으로부터 제2 평면으로 변경하도록 형상화되는 폼(form)과 관련될 수 있다. 또한, 상기 유리 기판은 금속 마이크로 와이어가 광 펄스에 노출되는 반응 영역을 정의할 수 있다. 예를 들어, 상기 노즐 영역은 이러한 반응 영역의 일부를 구성할 수 있고, 제2 피에조 트랜슬레이터는 상기 노즐 영역에 인접하여 위치될 수 있다. 이러한 반응 영역은 가압된 가스의 도입을 허용하는 가스 입구를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에서, 3D 물품은 건조 중인 물품의 단면에 의해 정의된 형태로 금속 액적을 융합시킴으로써 제조된다. 이러한 방법은, 금속 레이저 분사 시스템의 노즐 영역에 대하여 수용 매체를 이동시키는 동안, 상기 액적을 침착함으로써 수용 매체와 이전에 침착된 금속 액적의 층들 위에 금속 액적의 연속적인 층들을 분포시키는 단계를 포함하고, 상기 금속 레이저 분사 시스템에서는 제어부의 제어 하에 레이저로부터 방출되고 상기 노즐 영역을 향하여 입사하는 레이저 펄스에 의하여 상기 금속 마이크 와이어의 단부가 가열되는 상기 노즐 영역을 향하여 상기 금속 마이크로 와이어가 공급되며, 이에 의하여 상기 노즐 영역 부근의 상기 금속 마이크로 와이어의 단부가 상기 액적을 형성하게 된다. 상기 노즐 영역에 대한 상기 수용 매체의 이동은 연속적인 상기 액적들 사이에서 발생하여 상기 수용 매체 상에 그리고 연속적으로 이전의 분사된 층들 상에 금속의 층들이 형성된다.
이러한 방법에서, 상기 제어기는 상기 레이저가 펄스를 방출하도록 하여, 상기 단면들의 제공된 이미지에 따라 건조 중의 상기 물품의 단면들을 형성하고 수용 매체의 일부가 고체 재료가 필요한 시점에서 상기 노즐 영역 아래에 위치할 때 상기 금속 액적이 분사되도록 보장하기 위하여 필요한 금속의 적용에 상응하는 시간에 상기 금속 액적을 생성하도록 한다. 또한, 각각의 액적이 분사된 후, 다음 레이저 펄스에 대비하여 상기 제어기는 피에조 트랜슬레이터(및/또는 동력화된 트랜슬레이터)가 상기 금속 마이크로 와이어의 일정 양을 상기 노즐 영역으로 전진시키도록 한다. 상기 피에조 트랜슬레이터가 상기 금속 마이크로 와이어의 상기 양을 상기 노즐 영역으로 전진시키는 것과 동시에 또는 대략 동시에, 상기 제어기는 금속 액적이 분사될 다음 위치로 상기 노즐 영역에 대하여 상기 수용 매체가 변위되도록 한다.
일부 실시예에서, 상기 물품은 촬상 장치(imaging device)를 사용하여 그 건조 동안 촬상된다. 금속 액적의 침착 층들이 형성될 때 상기 금속 액적의 침착 층들의 이미지가 따라서 분석되고, 그리고 그러한 평가에 따라 상기 금속 마이크로 와이어 상에 입사되는 레이저 펄스가 제어된다. 대안적으로 또는 추가하여, 건조 동안 건조 중 물품의 그러한 촬상은, 건조 중 물품의 단면 층의 이미지를 수정하기 위한 기초로서 사용될 수 있어, 상기 이미지의 하나 이상의 영역이 상기 이미지의 원래의 버전과 관련된 영역들로부터 조정된다.
상술한 바와 같이, 상기 금속 마이크로 와이어의 공급부는 다수의 금속 마이크로 와이어 스풀로 구성될 수 있고, 상기 레이저는 스캐닝 경로 위에서 스캐닝될 수 있어(예컨대, 미러, 음향 광학 디플렉터를 이용하여) 활성화시에 상기 레이저 펄스가 금속 마이크로 와이어들 각각과 관련된 복수의 노즐 영역들 중 하나에 입사된다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 금속 레이저 분사 시스템으로서, 피에조 트랜슬레이터에 의해 관련된 노즐 영역을 가지는 반응영역을 향하여 공급되도록 배치된 금속 마이크로 와이어 공급부로서, 상기 금속 마이크로 와이어는 폼(form)의 관통 구멍 내에서 그 길이를 따라 지지되고, 상기 노즐 영역은 상기 관통 구멍의 출구에 위치하는, 상기 금속 마이크로 와이어 공급부; 상기 노즐 영역에 인접한 상기 금속 마이크로 와이어의 단부와 접촉하도록 위치된 히터를 포함하여, 상기 노즐 영역 부근의 상기 금속 마이크로 와이어의 단부가 가열되도록 한 상기 히터를 포함하는 금속 레이저 분사 시스템을 제공한다. 이러한 시스템에서, 상기 폼은, 상기 금속 마이크로 와이어가 노즐 영역을 향해 공급될 때 금속 마이크로 와이어의 배향을 제1 평면으로부터 제2 평면으로 변경하도록 형상화될 수 있다. 이러한 시스템의 일부 실시예에서, 제2 피에조 트랜슬레이터(및/또는 동력화된 트랜슬레이터)가 상기 노즐 영역에 인접하여 위치될 수 있고, 상기 히터는 상기 제2 피에조 트랜슬레이터에 의해 금속 마이크로 와이어의 단부를 향해 변위 가능하게 위치된다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 금속 레이저 분사 시스템의 노즐 영역에 대하여 수용 매체를 이동시키는 동안, 상기 액적을 침착함으로써 수용 매체(와 이전에 침착된 금속 액적의 층들) 위에 금속 액적의 연속적인 층들을 침착시키는, 금속 액적의 융합에 의하여 3D 물품을 형성하는 방법을 제공하며, 상기 금속 레이저 분사 시스템에서는 상기 금속 마이크로 와이어의 단부가 히터에 의하여 가열되는 상기 노즐 영역을 향하여 상기 금속 마이크로 와이어가 공급되며, 이에 의하여 상기 노즐 영역 부근의 상기 금속 마이크로 와이어의 단부가 상기 액적을 형성하게 되고, 상기 이동은 연속적인 상기 액적들 사이에서 발생하여 상기 수용 매체 상에 그리고 연속적으로 이전의 분사된 층들 상에 금속의 층들이 형성된다. 상기 금속 마이크로 와이어가 상기 노즐 영역을 향하여 공급될 때 상기 금속 마이크로 와이어는 폼 내의 관통 구멍을 통과할 수 있다. 상기 반응 영역은 상기 폼 내에 배치되어, 상기 관통 구멍을 빠져나갈 때 상기 금속 마이크로 와이어의 일부가 상기 반응 영역 내에 노출된다. 상기 금속 마이크로 와이어의 가열 전에 상기 반응 영역은 가스 입구를 통하여 도입되는 가스로 채워질 수 있다.
상기 히터는 제어기의 제어 하에 작동되고 피에조 트랜슬레이터의 단부에 부착된다. 상기 피에조 트랜슬레이터는, 상기 히터를, 상기 노즐 영역 부근의 상기 금속 마이크로 와이어의 노출 단부와 접하게 하도록 작동되고, 이에 의하여 상기 노즐 영역 부근의 금속 마이크로 와이어의 단부가 가열되어 금속 액적을 형성할 수 있다.
본 발명의 이들 및 추가적인 실시예들은 이하에서 보다 상술된다.
본 발명은 첨부된 도면에서 제한적이지 않은 예에 의하여 설명될 것이다.
도 1은 도 1은 LIFT 적층 제조 공정의 양태를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 레이저 분사 시스템의 일례를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따라 구성된 시스템의 다른 예를 도시한 것으로서, 이들은 그 자신의 피에조 트랜슬레이터(piezo translator) 및 지지 유리 기판 장치와 각각 관련된 다수의 금속 마이크로 와이어 스풀(spool)을 포함한다.
도 4는 다수의 금속 마이크로 와이어 스풀이 단일의 공통 피에조 트랜슬레이터를 공유하는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 시스템의 다른 예를 도시한다.
도 5는 다수의 금속 마이크로 와이어 및 스캐닝 레이저 장치를 포함하는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 것과 유사한 구성이지만,이 예에서는, 스캐닝 레이저 장치가 레이저 빔 분배기(laser beam distribution)로 대체되어 이 빔 분배기는 레이저 빔을 개별 노즐 영역과 각각 연관된 개별 광섬유 전송 라인으로 분배한다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 대한 노즐 영역과 스캐닝 또는 포커싱 장치의 일례의 확대도를 도시한 것이다.
도 8a 내지 8h는 본 발명의 일부 실시예에 따른 금속 액적 분사 공정의 단계들을 도시한 것이다.
도 9는 금속 와이어 위의 반응 영역의 일부가 유리 기판으로 채워지는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 10은 금속 와이어 위의 반응 영역의 일부가 가스 입구를 통해 도입된 고압 가스로 채워지는 본 발명의 실시예를 도시한다.
도 11은 금속 마이크로 와이어의 다수의 스풀의 대향하는 쌍을 포함하고, 그 일부 또는 전부가 다른 종류의 금속일 수 있는, 도 9 및 도 10에 도시된 시스템과 유사한 시스템으로서 공통의 형태를 공유하는 시스템의 평면도이다.
도 12a 및 도 12b는 도 9 및 도 10에 도시된 시스템의 변형예를 도시한 것으로서, 레이저를 피에조 트랜슬레이터의 단부에 위치한 전기 히터로 대체한 것이다.
도 13a 내지 도 13f는 도 12a에 도시된 것과 유사한 시스템에서 금속 액적의 형성을 도시한 것이다.
도 14는 금속 액적을 분사하도록 구성된 장치 내에 금속 마이크로 와이어가 배치된 본 발명을 구현하는 시스템의 다른 예를 도시한 것이다.
본 발명은 하나 이상의 펄스 레이저 또는 다른 가열 장치가 도우너 마이크로 와이어로부터 금속 액적을 생성하는 적층 제조 기술에 관한 것으로,이 액적은 응집체에서 고화될 때 수용 기판 상에 3D 구조를 형성한다. 상기 논의된 LIFT 기술에서, 금속은 약 1 ㎛ 두께의 금속층을 제공하기 위해 플라스틱 호일 상에 열 증발 또는 스퍼터링된다. 금속화 된 포일(예를 들어, 투명 기판 상에 침착된 얇은 금속 층)이 아닌, 본 발명에서와 같이 도우너 마이크로 와이어를 사용하면, 상기 논의 된 LIFT 기술에 비해 개선점을 제공한다. 예를 들어, 금속 마이크로 와이어를 사용함으로써, 금속 호일의 경우와 같이 재료를 낭비하지 않으면서, 필요에 따라, 마이크로 와이어가 그 길이를 따라 연속적으로 액적으로 형성될 수 있기 때문에 폐기물이 더 적게 생성된다. 또한, 금속 마이크로 와이어는 종래의 압출 공정을 통해 비교적 쉽고 저렴하게 형성할 수 있다. 이는 금속 레이저 분사 시스템의 전체 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 레이저 분사 시스템(10)의 제 1 예가 도시되어 있다. 이 예에서, 금속 마이크로 와이어는 릴(16) 상에서 운반되는 스풀(spool)(14)로 구성되고(organized), 하나 이상의 롤러(22)를 통해 피에조 트랜슬레이터(및/또는 동력화된 트랜슬레이터)(20)에 의해 노즐 영역(18)을 향해 공급된다. 상기 금속 마이크로 와이어(12)는 와이어가 구부러지거나 끊어지지 않도록 투명하고 고온에 강한(또는 내성의) 유리 기판(24)의 관통 구멍(34)(테이퍼진 입구를 가질 수 있음) 내에서 그 길이를 따라 지지된다. 유리 기판(26)에 사용될 수 있는 재료의 예는 용융 석영, 용융 실리카 및 세라믹 유리를 포함한다. 노즐 영역(18)은 관통 구멍(34)의 출구에 위치된다. 히터(26)는 금속 마이크로 와이어를 예열하기 위해 유리 기판(24)의 하나 이상의 측면에 부착 될 수 있지만, 다른 실시예에서는 히터가 생략될 수 있다. 레이저(28)는 제어기(30)의 제어 하에서, 바람직하게는 IR 파장으로, 예를 들어 약 1μm 내지 10μm(그러나 UV 또는 가시(visible) 파장일 수 있음)에서 상기 금속 마이크로 와이어의 단부가 피에조 트랜슬레이터(20)에 의해 위치되는 노즐 영역(18)을 향해 펄스를 방출한다. 상기 유리 기판(24)은 레이저 광의 파장에서 투명(또는 거의 투명)하여, 레이저 광에 의해 부여된 에너지는 주로 금속 마이크로 와이어에 의해 흡수되어, 노즐 영역 근처에서 직경이 10 마이크론 단위인 금속 마이크로 와이어의 단부 부분이 매우 빠르게 가열되도록 한다. 레이저 빔에 의해 야기된 금속 마이크로 와이어의 국부 가열은 노즐 영역(18)으로부터 금속 액적이 분사(jet)되도록 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 노즐 영역(18)은 액적(32)이 침착되는 수용 기판에 가깝게 근접할 수 있다. 이러한 방식으로 제조대상 물체의 단면에 의해 형성된 형태로 중첩된 금속 액적을 분사하는 것은 그 물체의 형성을 이끌어낸다.
도 1에는 상세하게 도시되어 있지 않지만, 피에조 트랜슬레이터(20)는 (예를 들어, 제어기(30)의 제어 하에) 전류의 인가시 정의된 방향으로 팽창하는 압전 세라믹을 포함한다. 상기 세라믹이 마이크로 와이어(12)와 접하도록 배향되어 (제어기(30)의 제어 하에 전류를 인가할 시에)세라믹이 팽창할 때, 상기 마이크로 와이어는 (예를 들어, 가장 긴 치수에 평행한) 단일 축을 따라, 예를 들어 마찰에 의하여 결정의 팽창 방향을 따라 이동된다. 일반적으로, 복수의 피에조 트랜슬레이터가 마이크로 와이어를 이동시키는 데 사용될 것이며, 여러 피에조 트랜슬레이터는 그들의 동작이 서로 조정되도록 동시에(또는 거의 동시에) 에너지를 공급받을 수 있다. 따라서, 상기 피에조 트랜슬레이터는 동일한 방향으로 마이크로 와이어에 길이방향 운동을 부여하도록 배치되며, 이동 거리(translation distance)는 피에조 트랜슬레이터에 인가되는 전류의 크기에 비례할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 피에조 트랜슬레이터들의 각각의 활성화 시의 마이크로 와이어의 이동 거리는 수십 나노 미터 내지 수 마이크론 단위이다. 바람직하게는, 마이크로 와이어의 스풀(14)이 유지되는 릴(16)은. 마이크로 와이어가 피에조 트랜슬레이터어에 의해 이동될 때 최소 저항을 제공하기 위해 마찰이 없거나 거의 마찰이 없는 베어링을 구비한 축방향 핀 또는 다른 요소(도시되지 않음) 상에 장착된다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 피에조 트랜슬레이터(들)은, 세라믹의 전기장이 그 세라믹의 편광(polarization) 방향에 평행하게 인가되는 길이방향 피에조 액츄에이터; 세라믹의 전기장이 그 세라믹의 편광 방향에 직교하게 인가되는 압전 전단(shear) 액추에이터; 또는 방사상으로 편광되고 세라믹의 외부 표면에 적용된 전극을 구비하여 그의 편광과 평행한 전기장이 또한 방사 방향으로 진행되는 튜브(tube) 액츄에이터 중 어느 하나일 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 피에조 트랜슬레이터는 금속 마이크로 와이어의 스풀(14)이 그 중심축 주위로 운반되는 릴(16)을 회전시키도록 구성될 수 있어, 상기 금속 마이크로 와이어(12)를 노즐 영역(18)을 향해서 펼쳐나오게 할 수 있다. 그러한 구성은 예컨대 금속 마이크로 와이어가 스풀(14)에서 분리되는 지점과 상기 노즐 영역(18) 사이의 거리가 비교적 짧은 경우 및/또는 금속 마이크로 와이어가 그 길이의 대부분을 따라 지지되어 상기 와이어가 이들 지점 사이에서 구부려지지 않는 경우에 적합하다. 이러한 구성은 상술한 리니어 트랜슬레이터(20)와 조합하여 사용될 수 있으며, 복수의 피에조 트랜슬레이터는 제어기(30)의 제어 하에서 동시에 작동하도록 배열된다.
일 실시예에서, 제어기(30)는 본 명세서에 기술된 바와 같은 방법을 정의하는 컴퓨터 판독 가능 명령어(즉, 컴퓨터 프로그램 또는 루틴)를 실행하는 프로세서를 포함하며, 이 방법은 비 일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에서 인스턴스화되고 실행된다. 이러한 프로세스는 임의의 컴퓨터 언어로 표현될 수 있고 임의의 적합한 프로그램 가능한 논리 하드웨어에서 실행될 수 있다. 본 발명의 방법이 실행될 수 있는 프로세서 기반 제어기(30)는, 전형적으로 정보를 전달하기 위한 버스 또는 다른 통신 메커니즘; 프로세서에 의해 실행될 정보 및 명령을 저장하기 위해 그리고 프로세서에 의해 실행될 명령의 실행 동안 임시 변수 또는 다른 중간 정보를 저장하기 위해 상기 버스에 결합된 RAM 또는 다른 동적 저장 장치와 같은 메인 메모리; 및 프로세서에 대한 정적(static) 정보 및 명령을 저장하기 위해 상기 버스에 연결된 ROM 또는 다른 정적 저장 장치를 포함한다. 정보 및 명령을 저장하기 위해 하드 디스크 또는 솔리드 스테이트 드라이브와 같은 저장 장치가 포함되어 상기 버스에 연결될 수 있다. 서브젝트 제어기는, 일부 경우에, 정보를 사용자에게 표시하기 위해 버스에 연결된 디스플레이를 포함할 수 있다. 그러한 경우에, 영숫자 및/또는 다른 키를 포함하는 입력 장치가, 정보 및 명령 선택을 상기 프로세서로 통신하기 위해 버스에 연결될 수 있다. 커서 제어 장치와 같은 다른 유형의 사용자 입력 장치가 또한 방향 정보 및 명령 선택을 프로세서에 전달하고 디스플레이상의 커서 이동을 제어하기 위해 상기 버스에 포함되고 결합될 수 있다.
제어기(30)는 또한 예를 들어 근거리 통신망(LAN)을 통해 제어기로/로부터의 양방향 유선 및/또는 무선 데이터 통신을 제공하는 프로세서에 연결된 통신 인터페이스를 포함할 수 있다. 통신 인터페이스는 다양한 유형의 정보를 나타내는 디지털 데이터 스트림을 전달하는 전기, 전자기 또는 광학 신호를 송수신한다. 예를 들어, 제어기(30)는 원격 유닛(도시되지 않음)과 네트워킹되어 호스트 컴퓨터 또는 사용자에 의해 작동되는 다른 설비에 데이터 통신을 제공할 수 있다. 따라서, 상기 제어기는 필요한 경우 오류 문제 해결을 돕기 위해 진단 정보를 포함하여 메시지와 데이터를 원격 유닛과 교환할 수 있다.
작동시, 시스템(10)은 건조 중(under construction)인 물체의 단면에 의해 규정된 형태로 금속 액적(32)의 용합에 의해 3D 물품을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 개별 액적의 제 1 층은 수용 매체(도시되지 않음) 위에 분배될 될 수 있다. 이는 연속적인 액적들 사이의 노즐 영역에 대해 수용 매체를 이동시키면서 액적을 침착함으로써 수용 매체 상에 그리고 이전에 연속적으로 분사된 층 상에 비교적 얇고 대략 균일한 금속 층을 형성함으로써 달성될 수 있다. 분사되면 액적은 냉각되고 제자리에서 응고된다.
제어기(30)는 레이저(28)가 펄스를 방출하도록 프로그램되어, 이에 의하여, 제조시에 물품의 단면을 형성하기 위해 필요한 금속의 적용에 상응하는 시간에 액적(32)을 생성하도록 한다. 이것은, 예를 들어, 단면의 이미지를 제공하고, 수용 매체의 일부가 고체 재료가 필요한 지점에서 노즐 영역(18) 아래에 위치될 때 금속 액적이 분사되도록 보장함으로써 수행될 수 있다. 각각의 액적이 분사된 후, 제어기(30)는 레이저 펄스의 다음 적용을 준비하기 위해, 피에조 트랜슬레이터(20)가 일정량의 금속 와이어(12)를 현재 비어있는 노즐 영역으로 전진시키도록 한다. 동시에 또는 대략 동시에, 제어기(30)는 금속 액적이 분사될 다음 위치로 수용 매체를노즐 영역(18)에 대해 변위되도록 할 수 있다. 제조될 물체의 단면 층의 이미지에 대응하는 수용 매체상의 위치에서의 금속 액적의 융합은 그 이미지에 대응하는 형상을 갖는 일체형 금속 층을 형성한다. 또한, 지지 구조물은 물체의 제조 동안 제조되고 나중에 제거될 수 있다. 연속적인 금속 액적 층이 서로의 위에 분사되어 물체를 완성한다.
제조 공정 동안, 예를 들어 적외선 촬상 장치 및/또는 CCD(Charge Coupled Device) 카메라를 사용하여 (순차적으로 또는 연속적으로) 제조 중인 물체의 이미지가 촬영될 수 있다. 금속층이 형성될 때의 이미지를 평가함으로써, 금속 와이어 상에 입사되는 레이저 광이 그에 맞추어 제어될 수 있다. 예를 들어, 제조중인 물품을 만들기 위해 사용된 3D 물품의 단면 층의 이미지는 하나 이상의 촬상 장치에 의해 제공되는 피드백에 따라 조정될 수 있어, 그 이미지의 하나 이상의 영역들이 원본 이미지 버전과 연관된 영역들로부터 조정된다. 이러한 피드백은 하나 이상의 영역에서의 부적절한 금속 침착 및/또는 기존 구조물의 일부와 융합되도록 충분히 냉각되기 전에 금속 액적 변위의 변화를 보상하기 위해 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예에 따라 구성된 시스템(10')의 예를 도시하며, 이 시스템은 복수의 금속 와이어의 스풀들(14a-14n)을 포함하고, 각각의 스풀들(14a-14n)은 각각 자신의 피에조 트랜슬레이터(및/또는 동력화된 트랜슬레이터)(20a-20n) 및 지지 유리 기판 배열(24a - 24n)과 연결되어 있다. 일부 사례에서, 일부 또는 모든 금속 와이어 스풀(14)에 의해 공유되는 단일의 유리 기판(24)이 사용될 수 있다. 비록 상기 도면은 각각 상이한 릴 상에 단지 3 개의 와이어 스풀만을 나타내고, 상이한 종류의 금속의 액적을 방출하기 위해 별개의 인접한 분사 배열로 배치된 각각의 잠재적으로 상이한 재료를 도시하고 있지만, 임의의 수의 릴 및 임의의 종류의 금속 와이어를 갖는 시스템이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 상세하게 도시되지는 않았지만, 10'과 같은 시스템은 하나 이상의 레이저, 예를 들어 각각의 금속 와이어 스풀을 위한 전용 레이저 또는 다양한 금속 와이어 스풀 사이에서 공유되는 더 적은 수의 레이저로 구성 될 수 있다는 것을 인식해야 한다. 또한, 시스템(10)의 구성 요소는 도 2에 도시된 것과 같은 단일 제어기의 공통 제어 하에 있거나, 적절한 프로그래밍, (서로서로 및/또는 원격 유닛과의) 네트워크 통신, 혹은 이 양쪽 모두를 통해 서로 협력하여 동작하도록 구성된 복수의 그러한 컨트롤러의 공통 제어하에 있을 수 있다. 10'과 같은 시스템은 서로 다른 재료가 사용되는 분사 장치 및/또는 스풀이 단일 물체의 제작 속도를 높이는 다중 장치의 존재시 유용하다.
도 4는 다수의 스풀(14a-14n)의 금속 마이크로 와이어가 단일의 공통 피에조 트랜슬레이터(20')를 공유하는 시스템(10'')의 다른 예를 도시한다. 이 구성의 다른 구성 요소들은 도 2 및 도 3과 관련하여 위에서 논의 된 바와 같다.
도 5는 다수의 금속 마이크로 와이어(12a-12n) 및 스캐닝 레이저 장치(40)를 포함하는 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 이 예에서, 다수의 금속 마이크로 와이어(12a 내지 12n)는 공통의 지지 유리 기판 장치(24)를 통해 안내되고, 스캐닝 레이저 장치(40)가 (제어기(30)의 제어 하에) 스캐닝 경로(46) 상의 단일 레이저 빔(44)을 스캐닝하도록 사용되어 (활성화될 때) 상기 빔은 각각의 마이크로 와이어(12a - 12n)와 연관된 원하는 노즐 영역(18a-18n) 중 하나에 입사된다. 레이저 빔의 스캐닝은 스캐닝 미러 또는 다른 장치(예를 들어, 음향 광학 디플렉터)을 사용하여 수행될 수 있다. 상기 레이저는 위에서 논의된 바와 같이 펄스화될 수 있어서, 빔의 스캐닝 동안 연속적으로 작동하지 않도록 한다. 이러한 종류의 스캐닝 장치를 사용함으로써, 다수의 금속 마이크로 와이어 스풀과 함께 단일의 레이저가 사용될 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 것과 유사한 구성을 도시하지만, 이 예에서는, 상기 스캐닝 레이저 장치가, 각각의 노즐 영역(18a-18n)과 연관되어 있는 개별 광섬유 전송 라인(52)으로 상기 레이저 빔(44)을 분배하는 레이저 빔 분배기(50)로 대체된다. 광섬유 분배기는, 금속 액적의 생성을 위해 노즐 영역(18a-18n) 중 선택된 영역에 레이저 펄스를 제공하도록 제어기(30)의 제어 하에서 동작하는 미러, 렌즈, 빔 스플리터, 다이어프램 등의 배열을 포함할 수 있다. 각각의 노즐 영역 근처에서, 광섬유 전송 라인은, 각각의 노즐 영역에서 방출된 레이저 광을 각각의 금속 마이크로 와이어 상에 포커싱하는 포커싱 요소(예를 들어, 렌즈 배열)에서 또는 그 근처에서 종결된다. 이는 단일의 레이저가 다수의 스풀의 금속 마이크로 와이어와 함께 사용될 수 있는 또 다른 방법이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 대한 노즐 영역(18) 및 스캐닝 또는 포커싱 장치의 일례의 확대도를 도시한 것이다. 이 예에서, 레이저 빔(44)은 하나 이상의 포커싱 요소(56)(예를 들어, 렌즈)에 의해 미러(58)에 입사되도록 포커싱되고, 이는 그 포커싱 포인트가 상기 노즐 영역(18) 또는 그 근처에 있도록 상기 빔을 금속 와이어(12) 상에 재지향시킨다. 일부 경우에, 상기 미러는 다수의 금속 와이어(도면에 도시되지 않음)를 가로질러 빔(44)을 스캔하는 스캐닝 미러일 수 있다. 대안적으로, 포커싱 요소(56)가 사용되지 않는 경우, 상기 미러(58)는 노즐 영역(18) 근처의 금속 와이어(12) 상으로 상기 빔(44)을 포커싱하는 포커싱 미러(예를 들어, 오목한 포물선 곡률을 갖는 미러)일 수 있다.
도 8a 내지 도 8h는 본 발명의 일부 실시예에 따른 금속 액적 분사 공정의 단계들을 도시한 것이다. 도 8a에서, 금속 마이크로 와이어(12)는 유리 기판(24)의 관통 구멍 내에 위치하며, 마이크로 와이어의 단부는 노즐 영역(18)에 또는 그 근처에 배치된다. 유리 기판의 온도(Ts)는 환경의 주위 온도(Tambient) 또는 그 부근의 온도이고, 마이크로 와이어의 온도(Tw)는 유리 기판의 온도(Ts)의 온도 또는 그 부근의 온도이다. 와이어에 레이저 펄스가 아직 적용되지 않았으며 가열 요소(26)는 유리 기판에 열을 가하지 않고 있다.
도 8b에서, 히터(26)가 활성화되어 유리 기판(26)을 가열하여 Ts >> Tambient가 되도록 한다. 바람직하게는, 유리 기판(26)은 매우 우수한 열 전도성 및 낮은 열팽창 계수를 가진 재료, 예를 들어 용융 실리카, 용융 석영 또는 세라믹 유리로 제조되므로, 열이 유리 기판을 통해 금속 마이크로 와이어를 가열하기 위해 전도되어 Tw ~> Ts가 되도록 한다. 와이어에 레이저 펄스가 아직 적용되지 않았다.
도 8c에서, Tw가 원하는 온도에 도달하였을 때, 또는 원하는 시간 동안 히터(26)로부터 열을 가한 후, 레이저 펄스(44)가 노즐 영역(180) 부근의 위치에서 금속 마이크로 와이어에 (도시되지 않은 제어기의 제어 하에) 적용된다. 레이저 펄스의 적용은 금속 마이크로 와이어를 그 융점 또는 그 융점 근처의 온도로 가열되도록 하지만, 레이저 펄스가 적용되는 지점 근처의 국부적인 영역에서만 가열된다( 도 8c 내지 도 8d에 도시된 공정 시간이 국소 영역의 크기를 결정할 것이다). 도 8d에 도시된 바와 같이, 레이저 펄스가 계속 인가됨에 따라, 금속 마이크로 와이어의 국부 가열 영역이 증가하여 와이어가 작은 길이방향 범위 상에서 그의 단면 전체에 걸쳐 가열된다. 이 국소 가열의 영역을 생성하는 것을 돕기 위해, 노즐 영역(18) 부근의 유리 기판(24)의 관통 구멍 내에 마이크로 와이어가 위치되었을 때, 레이저 빔(44)은 예를 들어 작은 미러, 이동 가능한 렌즈 또는 다른 스캐닝 장치를 사용하여 제어기의 제어하에 작은 범위의 마이크로 와이어 상에서 스캐닝될 수 있다. 이러한 방식으로 레이저 빔을 스캐닝하는 것은 고정된 빔을 인가하여 형성되는 것보다 더욱 균일한 방식으로 금속 액적을 생성하는 것을 제공할 수 있다. 대안적으로, 금속 마이크로 와이어의 더 큰 범위를 커버하기 위해, 단일 레이저 빔은 다수의 빔으로 분해 및/또는 타원형 또는 다른 단면으로 (예를 들어, 렌즈에 의해) 형성될 수 있다.
도 8e에서, 금속 액적의 방출을 촉진시키기 위해, 레이저 펄스의 에너지는 도 8f에 도시된 바와 같이 일시적으로(briefly) 증가되어 용융 금속이 기화되도록 할 수 있으며, 이에 의하여 노즐(18)을 통해 금속 마이크로 와이어(12)의 나머지로부터 액적(32)을 분리 및 방출시키도록 한다. 금속 액적(32)의 형성시, 레이저 펄스는 중단된다. 이것은 카메라 모니터링 시스템에 의해 제공되는 시각적 피드백 또는 펄스 인가 시간 또는 이 둘 모두에 기초할 수 있다. 예를 들어, 시각적 피드백이 액적(32)이 조기에 형성되어 있음을 나타내지 않는 한, 제어기가 레이저 펄스의 인가를 중단할 수 있는 시점에서, 제어기는 레이저 펄스가 시작된 이래로 일정 시간(Tpulse) 후에 레이저 펄스를 중단하도록 프로그래밍될 수 있다.
도 8g에 도시된 바와 같이, 액적이 형성되어 배출된 후, 레이저 빔(44)은 금속 마이크로 와이어의 단부에 다시 인가되며, 이제 유리 기판 내의 관통 구멍의 단부에서 노즐 영역(18) 위로 약간의 거리만큼 변위된다. 레이저 빔의 초점 변화는 미러, 이동 가능한 렌즈, 또는 다른 스캐닝 장치를 사용하여 알려진 크기의 아크(arc)를 통해 빔을 변위시킴으로써 제어기의 제어 하에 이루어질 수 있다. 금속 와이어의 종점에 레이저를 적용하는 것은 피에조 트랜슬레이터(본 도면에서는 도시되지 않음)가 노즐 영역(18)을 향해 와이어를 이동시키기 위해 활성화되는 것과 동시에 또는 거의 동시에 수행되도록 시간이 정해진다. 이러한 방식으로, 상기 와이어를 가열하는 것은, 레이저 펄스의 이전의 인가 동안 도달된 온도로부터 이제는 다소 냉각된 와이어의 단부가 관통 구멍의 측벽에 부착되지 않도록 하여, 이에 의하여 유리 기판의 관통 구멍 내에서의 와이어의 이동을 지연시킴으로써 병진 이동을 보조한다. 피에조 트랜슬레이터는 제어기의 제어 하에, 도 8h에 도시된 바와 같이, 와이어의 단부가 상기 노즐 영역(18)에 가깝게 하기에 충분한 거리로 상기 와이어를 이동시키도록 작동되며, 상기 공정은 다음 금속 액적에 대해 반복될 수 있다. 이 작업은 일정 시간후의 작동으로 반복되거나, 카메라 모니터링 시스템의 시각적 피드백을 사용하여 수행되거나, 이 둘 모두일 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 금속 분사 시스템을위한 대안적인 장치인 시스템(70 및 70')을 각각 도시한 것이다. 이들 예에서, 금속 마이크로 와이어는 릴(16) 상에 운반되는 스풀(14)로 구성되고, 하나 이상의 롤러(22)를 통해 피에조 트랜슬레이터(20)에 의해 노즐 영역(18)을 향해 공급된다. 이 방식에 따르면, 고온 저항 재료, 예를 들어 열 팽창 계수가 매우 낮은 재료로 만들어진 폼(form)(74)을 상기 금속 와이어(12)가 통과한다. 상기 금속 마이크로 와이어(12)는 상기 고온 저항성 폼(74)의 (테이퍼진 입구를 가질 수 있는) 관통 구멍(76) 내에서 그 길이를 따라 지지되며, 상기 폼(74)은 제1의 수직 평면으로부터 제2의 수평 평면으로 상기 와이어의 배향을 변경하기 위하여 관절식으로 될 수 있다. 폼(74)에 사용될 수 있는 재료의 예는 용융 석영, 용융 실리카 및 세라믹 유리를 포함한다.
상기 폼(74) 내에는 반응 영역(78)이 있다. 반응 영역(78)은 단면이 원통형 또는 장방형일 수 있고, 상기 폼(74)를 통해 연장되며, 와이어(12)가 관통 구멍(76)을 통해 빠져나갈 때 그 와이어가 상기 반응 영역(78) 내에서 상기 폼을 빠져나오도록 양측부에서 와이어(12)를 노출시킨다. 시스템(70)에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 금속 와이어(12) 위의 반응 영역(78)의 부분은 상술한 것과 유사한 특성을 갖는 유리 기판(24)으로 채워진다. 금속 와이어(12) 아래에서, 반응 영역(78)은 테이퍼지거나 직경이 감소되어 노즐 영역(18)이 형성된다. 이 예에서, 반응 영역 측벽의 일부가 제거되고, 피에조 트랜슬레이터(72)로 대체된다. 도 10에 도시된 시스템(70')에서, 금속 와이어(12) 위의 반응 영역(78)의 부분은 가스 입구(80)를 통해 도입되는 고압 가스, 바람직하게는 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스로 채워진다. 금속 와이어(12) 아래에서, 반응 영역(78)은 테이퍼지거나 직경이 감소되어 노즐 영역(18)이 형성된다. 반응 영역 측벽의 일부가 제거되고 피에조 트랜슬레이터(72)로 대체된다. 이 예에서, 내열성 유리 기판 대신에, 얇고 (레이저 펄스의 파장에서) 투명한 막(84)이 상기 반응 영역(78)을 위한 캡(cap)으로서 사용될 수 있다. 상기 투명막은 용융 석영, 용융 실리카 또는 세라믹 유리, 또는 강화 유리와 같은 덜 비싼 재료로 제조될 수 있다. 이 예에서와 같이 반응 영역(78) 내에 가스를 사용하는 것은 반응 영역(78) 내에 노출된 금속 와이어(12) 부분의 산화를 최소화하거나 방지하는데 도움이 된다.
시스템(70 및 70')에서, 레이저(28)는 제어기(30)의 제어 하에서, 바람직하게는, IR 파장의, 예를 들어 약 1nm 내지 10nm의 펄스를, 노즐 영역(18) 위에 노출된 금속 와이어(12)의 부분인, 피에조 트랜슬레이터(20)에 의하여 위치된 금속 마이크로 와이어의 단부를 향하여 방출한다. 레이저 광에 의해 부여된 에너지는 주로 금속 마이크로 와이어에 의해 흡수되어, 상기 노즐 영역 부근의 10 마이크론 단위의 직경을 갖는 상기 금속 마이크로 와이어의 단부를 매우 급속하게 가열되도록 한다. 레이저 빔(44)에 의해 야기된 금속 마이크로 와이어의 국부적 가열은 노즐 영역(18)으로부터 금속(32)의 액적이 분사되게 한다. 이들 도면에는 도시되지 않았지만, 노즐 영역(18)은 액적(32)이 침착되는 수용 기판에 근접할 수 있다. 이 방식으로 제조 대상 물체의 단면에 의해 정의된 형상으로 중첩된 금속 액적을 분사하면 물체의 형성을 초래한다. 70 및 70'과 같은 시스템에서 금속 액적의 형성은 상술한 것과 유사하며, 레이저(28)는 노즐 영역(18)에 인접한 영역에서 와이어를 가열하기 위한 펄스를 위하여 활성화되어 와이어를 녹여 분사될 액적을 형성한다. 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 피에조 트랜슬레이터(72)는 노즐 영역(18)으로부터의 액적의 방출을 보조하기 위해 액적을 형성하는 동안 제어기(30)의 제어 하에서 작동될 수 있고, 그리고/또는 액적의 크기를 제어하기 위하여 레이저에 노출되는 와이어(12)의 양을 제어하도록 조정될 수 있다. 고압 가스(82)가 사용되는 실시예에서, 상기 가스는 마찬가지로 금속 액적(32)을 수용 재료로 향해 방출하는 것을 보조한다.
도 11은 복수의 대향하는 스풀 쌍(14a- 14n)의 금속 마이크로 와이어(12a-12n)를 포함하는 시스템(70'')의 평면도이고, 이들 중 일부 또는 전부는 상이한 종류의 금속일 수 있으며, 도 9 및 도 10에 도시된 것과 유사한 시스템으로 배열되ㅇ어 공통의 폼(76)을 공유한다. 이 예는 유리 기판(24)과 함께 도시되어 있지만, 유사한 시스템이 막(84) 및 연관된 고압 가스 시스템과 함께 사용될 수 있다.
도 12a 및 12b는 도 9 및 도 10에 도시된 시스템의 변형예를 도시한 것으로서, 피에조 트랜슬레이터(72)의 단부에 위치된 전기 히터(84)로 레이저(28)를 대체한 것이다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 금속 마이크로 와이어(12)는 릴(16) 상에서 운반되는 스풀(14)로 구성되고, 하나 이상의 롤러(22)를 통해 피에조 트랜슬레이터(20)에 의해 노즐 영역(18)을 향해 공급된다. 본 방식에 따라, 고온 저항성 재료, 예를 들어 열 팽창 계수가 매우 낮은 재료로 제조된 폼(74)을 상기 금속 와이어(12)가 통과한다. 금속 마이크로 와이어(12)는 고온 저항성 폼(74)의 관통 구멍(76)(테이퍼진 입구를 가질 수 있음) 내에서 그 길이를 따라 지지되며, 상기 폼(74)은 제1의 수직 평면으로부터 제2의 수평 평면으로 상기 와이어의 배향을 변경하기 위하여 관절식으로 이루어질 수 있다. 폼(74)에 사용될 수 있는 재료의 예는 용융 석영, 용융 실리카 및 세라믹 유리를 포함한다.
상기 폼(74) 내에는 반응 영역(78)이 있다. 반응 영역(78)은 단면이 원통형 또는 장방형일 수 있고, 상기 폼(74)를 통해 연장되며, 와이어(12)가 관통 구멍(76)을 통해 빠져나갈 때 그 와이어가 상기 반응 영역(78) 내에서 상기 폼을 빠져나오도록 양측부에서 와이어(12)를 노출시킨다. 도 12a에 도시된 시스템(70')에서, 상기 반응 영역(78)은 가스 입구(80)를 통해 도입되는 고압 가스, 바람직하게는 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스로 채워진다. 이 예에서와 같이 반응 영역(78) 내에 가스를 사용하는 것은 반응 영역(78) 내에 노출된 금속 와이어(12) 부분의 산화를 최소화하거나 방지하는데 도움이 된다. 금속 와이어(12) 아래에서, 반응 영역(78)은 테이퍼지거나 직경이 감소되어 노즐 영역(18)이 형성된다. 반응 영역 측벽의 일부가 제거되고, 피에조 트랜슬레이터(72)로 대체된다.
제어기(30)의 제어하에 작동되는 전기 히터(84)는 피에조 트랜슬레이터(72)의 단부에 부착되고 노즐 영역(18) 근처에서 마이크로 금속 와이어(12)의 노출된 단부와 접하며, 상기 금속 마이크로 와이어의 단부는 피에조 트랜슬레이터(20)에 의하여 위치된다. 상기 전기 히터에 의해 부여된 에너지는 레이저 대신에 노즐 영역(18) 근처의 마이크로 와이어(12)의 단부를 용융시키고 금속 액적을 형성하기 위해 사용된다. 도시되지 않았지만, 노즐 영역(18)은 금속 액적이 침착되는 수용 기판에 근접할 수 있다. 이러한 방식으로 제조대상 물체의 단면에 의해 형성된 형태로 중첩된 금속 액적을 분사하는 것은 그 물체의 형성을 이끌어낸다. 피에조 트랜스듀서(72)는 노즐 영역(18)으로부터의 액적의 방출을 보조하기 위해 액적을 형성하는 동안 제어기(30)의 제어 하에서 작동될 수 있고, 그리고/또는 액적의 크기를 제어하기 위하여 레이저에 노출되는 와이어(12)의 양을 제어하도록 조정될 수 있다. 고압 가스(82)가 사용되는 실시예에서, 상기 가스는 마찬가지로 금속 액적(32)을 수용 재료로 향해 방출하는 것을 보조한다.
도 12b는 도 12a에 도시된 것과 유사한 시스템의 대안적인 구성을 도시한다. 도 12b에 도시된 예에서, 금속 마이크로 와이어는 릴(16) 상에서 운반되는 스풀(14)로 구성되고, 하나 이상의 롤러(22)를 통해 피에조 트랜슬레이터(20)에 의해 노즐 영역(18)을 향해 공급된다. 상기 방식에 따라, 상기 금속 와이어(12)는 고온저항성 재료, 예컨대 매우 낮은 열팽창 계수의 재료로 만들어진 폼(74)을 통과한다. 상기 금속 마이크로 와이어(12)는 그 금속 와이어의 길이방향 평면으로 배향된 고온 저항성 폼(74)의 관통 구멍(34)(테이퍼진 입구를 가질 수 있음) 내에서 그 길이를 따라 지지된다. 폼(74)을 위하여 사용될 수 있는 재료의 예는 용융 석영, 용융 실리카 및 세라믹 유리를 포함한다.
상기 폼(74)의 단부 근처에는 노즐 영역(18)이 있다. 제어기(30)의 제어하에 작동되는 전기 히터(84)는 피에조 트랜슬레이터(72)의 단부에 부착되고 노즐 영역(18) 근처에서 마이크로 금속 와이어(12)의 노출된 단부와 접하며, 상기 금속 마이크로 와이어의 단부는 피에조 트랜슬레이터(20)에 의하여 위치된다. 상기 전기 히터에 의해 부여된 에너지는 레이저 대신에 노즐 영역(18) 근처의 마이크로 와이어(12)의 단부를 용융시키고 금속 액적을 형성하기 위해 사용된다. 도시되지 않았지만, 노즐 영역(18)은 금속 액적이 침착되는 수용 기판에 근접할 수 있다. 이러한 방식으로 제조대상 물체의 단면에 의해 형성된 형태로 중첩된 금속 액적을 분사하는 것은 그 물체의 형성을 이끌어낸다. 피에조 트랜스듀서(72)는 노즐 영역(18)으로부터의 액적의 방출을 보조하기 위해 액적을 형성하는 동안 제어기(30)의 제어 하에서 작동될 수 있고, 그리고/또는 액적의 크기를 제어하기 위하여 레이저에 노출되는 와이어(12)의 양을 제어하도록 조정될 수 있다.
도 13a 내지 도 13f는 도 12a에 도시된 것과 유사한 시스템에서 금속 액적의 형성을 도시한 것이다. 도 12b에 도시된 것과 같은 동일한 작동 원리가 시스템에 적용된다. 또한, 피에조 트랜스듀서(72)의 동작은, 이들 실시예에서 히터 요소(84)가 사용될 필요는 없지만 도 9 내지 도 11에 도시된 시스템에 적용 가능하다. 도 13a에서, 금속 마이크로 와이어(12)는 피에조 트랜슬레이터(20)(도시되지 않음)에 의해 위치되어 상기 금속 와이어의 단부가 노즐 영역(18) 내에 위치하여, 위치 p1에서 가열 요소(84)에 접하게 위치된다. 가열 요소(84)는 피에조 트랜슬레이터(72)의 단부에 부착되어, 피에조 트랜슬레이터(72)가 구동될 때, 가열 요소가 금속 와이어(12)에 대해 길이방향으로 병진 이동하여 이하에서 더 설명되는 바와 같이 금속 와이어(12)의 단부가 변형되게 한다. 도 13a에 도시된 시간에서, 피에조 트랜슬레이터(72)는 활성화되지 않았지만, 전류가 가열 요소(84)에 인가되었다. 결과적으로, 금속 와이어(12)의 단부는 가열되고 있지만, 아직 융점에 도달하지는 않았다. 이 예에서, 반응 영역(78)은 가스 입구(80)를 통해 도입된 고압 가스, 바람직하게는 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스로 채워진다. 반응 영역(78) 내에서 가스의 사용은 반응 영역(78) 내에 노출된 금속 와이어(12) 부분의 산화를 최소화하거나 방지하는데 도움을 주지만, 이는 선택사항이다. 후술하는 바와 같이, 반응 영역 내에 압력을 받는 가스의 존재는 노즐 영역(18)으로부터 금속 액적을 수용 기판을 향해 분사하는 것을 도울 수 있다.
도 13b는 도 13a에 도시된 시간보다 몇 순간 후의 시스템을 도시한다. 첨부 된 그래프에 도시된 바와 같이, 전류가 가열 요소(84)에 일정 시간 동안 인가되어 금속 와이어(12)가 노즐 영역(18) 내에서 그의 길이에 걸쳐 가열되었다. 피에조 트랜스듀서(72)는 아직 활성화되지 않았고, 따라서 가열 요소(84)의 단부는 여전히 위치 p1에 있고 금속 와이어(12)는 아직 변형되지 않았다.
도 13c는 이제 도 13b에 도시된 시간보다 몇 순간 후의 시스템을 도시한다. 가열 요소(84)에 인가된 전류의 크기가 증가하였고, 피에조 트랜스듀서(72)가 활성화되었다. 결과적으로, 금속 와이어(12)의 단부는 더 높은 온도로 가열되어, 피에조 트랜스듀서(72)가 측방향으로 일정 거리 이동되었을 때 도시된 바와 같이 그 단부가 변형되어, 가열 요소의 단부를 이제 p2의 위치에 있게 한다. 금속 와이어의 상승된 온도는, 피에조 트랜스듀서(72)의 단부에서 가열 요소(84)가 위치 p1에서 p2로 이동할 때 변형을 겪을 수 있도록 금속 와이어를 유연하게 만든다. 반응 영역(78) 내에 고압 가스의 존재로 인해, 금속 와이어(12)는 더 낮은 압력(예를 들어 에 있는 노즐 영역(18)을 향해 변형된다. 가열 요소(84)의 이동에 의하여 가열 요소는 그 가열 요소 단부의 단면보다 큰 와이어(12)의 영역들과 접촉하며, 가열 프로세스를 돕는다.
도 13d는 도 13c에 도시된 시간보다 몇 순간 후의 시스템을 도시한다. 피에조 트랜스듀서(72)는 그 이동을 완료함으로써, 뜨겁고 유연하게 된 금속 와이어(12)의 일부가, 고압 가스 및/또는 중력의 영향 하에서 수용기판(도시하지 않음)을 향하여 금속 와이어(12)의 나머지 부분으로부터 분리되어 분사되는 액적(32)을 형성하도록 한다. 상기 가열 요소(84)가 노즐 영역(18)의 단부 또는 그 부근의 위치 p3에 위치하는 것을 특징으로 하는, 측방향 이동의 범위에 피에조 트랜슬레이터가 도달하면, 피에조 트랜슬레이터로의 전류가 차단되어 피에조 트랜슬레이터는 도 13e에 도시된 바와 같이, 원래 위치로 복귀한다. 또한, 가열 요소(84)로의 전류도 차단된다. 일부 실시예에서, 가열 요소(84) 및 피에조 트랜슬레이터(72)로의 전기 펄스의 타이밍은 제어기(30)(여기서는 도시되지 않음)에 의해 시간에 따라 실행되는 프로그램에 의한 시간 기반일 수 있고, 그리고/또는 하나 이상의 카메라(도시되지 않음)에 의해 제공되는 금속 와이어(12)의 상태 및 액적(32)의 형성에 관한 시각적 관찰에 기초한 것일 수 있다.
도 13e 및 도 13f에 도시된 바와 같이, 피에조 트랜슬레이터(72) 및 가열 요소(84)가 원래 위치로 복귀될 때, 금속 마이크로 와이어(12)는 피에조 트랜슬레이터(20)(여기서는 도시되지 않음)에 의해 이동되어 와이어의 단부는 p1에 있는 가열 요소에 인접하여 위치된다. 이러한 시스템 상태로부터, 새로운 금속 액적을 위하여상술한 프로세스가 반복될 수 있다. 그렇게 하기 전에, 수용 기판은 노즐 영역(18)에 대해 재배치되어 다음의 액적이 건조 중인 물체의 형성에 요구되는 것과 일치하는 원하는 위치로 분사될 수 있다.
이제 도 14를 참조하면, 금속 액적의 분사를 야기하도록 구성된 장치 내에 배치된 금속 마이크로 와이어(12)의 다른 예가 도시되어 있다. 이 예에서, 레이저 조사(irradiation)가 제공되는 영역으로 와이어를 공급하는 것과 관련된 장치의 세부 사항은 도시되지 않았지만, 이는 상술된 실시예의 것들과 유사할 수 있다. 또한, 이 예시에서, 마이크로 와이어(12)를 위한 지지 장치(86)는 (레이저 빔의 파장에서) 투명한 부분(88a) 및 비투명한 부분(88b)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 상술한 바와 같은 투명 지지체(24)가 사용될 수 있다. 2 개(또는 그 이상)의 피스 지지 구조물(86)이 사용되는 경우, 그 지지 구조물의 일부는 (예를 들어, 피스의 체결을 보장하기 위하여 나사 가공 또는 부분적으로 나사 가공된) 핀(90)을 사용하여 함께 고정될 수 있다.
우측에 도시된 바와 같이(장치의 저면도), 본 실시예의 관통 구멍(92)은 삼각형 형상을 갖는다. 일 실시예에서, 이 형상은 지지 구조물(86)의 투명 부분(88b)의 가장자리를 따라 "v"형 채널을 노칭(notching)함으로써 제공될 수 있다. 지지 구조물의 두 부분이 이후 결합될 때, 비투명 부분(88b)의 평활면은 삼각형 형상 관통 구멍의 일측을 제공하고, 나머지 두 측부는 투명 부분의 v자형 그루브의 벽에 의해 제공된다. 삼각형 형상의 관통 구멍을 사용함으로써, 지지 장치(86) 내로 마이크로 와이어를 통과시킬 때 금속 마이크로 와이어를 윤활시키기 위하여 오일 또는 그리스를 사용할 수 있다. 이는 지지 장치의 벽에 대한 금속 마이크로 와이어의 마찰 및 접착을 감소시키고, 이러한 윤활유를 사용하지 않은 경우보다 관통 구멍을 통해보다 쉽게 금속 마이크로 와이어를 통과하도록 한다. 윤활제는 적절한 디스펜서(96)를 사용하여 금속 마이크로 와이어가 운송되는 경로를 따르는 관통 구멍의 입구 근처에 적용될 수 있다. 디스펜서는 제어기(이 도면에 도시되지 않음)의 제어하에 작동하여, 필요한 양(예를 들어, 피에조 트랜슬레이터 또는 다른 측정 기기로부터의 피드백에 기초하여 결정될 수 있는)에 따라, 또는 예정된 스케줄에 따라, 또는 이 둘 모두에 따라 매우 소량의 윤활제를 분배할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 순수 금속 및 합금 중 하나 또는 이 둘 모두로 구성된 다양한 금속 마이크로 와이어가 사용될 수 있다. 예를 들어, Al, Au, Ag, Cu, W 또는 Ti, 및/또는 이들의 합금 중 어느 하나로 만들어진 와이어가 사용될 수 있다.
실시 형태 :
1. 금속 레이저 분사 시스템으로서, 트랜슬레이터에 의해 노즐 영역을 향해 공급되도록 배치된 금속 마이크로 와이어 공급부로서, 상기 금속 마이크로 와이어는 유리 기판의 관통 구멍 내에서 그 길이를 따라 지지되고, 상기 노즐 영역은 상기 관통 구멍의 출구에 위치하는, 상기 금속 마이크로 와이어 공급부; 및 제어기의 제어 하에, 금속 마이크로 와이어의 단부가 상기 트랜슬레이터에 의해 위치되는 상기 노즐 영역을 향하여 광 펄스를 방출하도록 위치됨으로써, 상기 노즐 영역 부근의 상기 금속 마이크로 와이어의 단부가 가열되도록 한 레이저를 포함하는 금속 레이저 분사 시스템.
2. 실시 형태 1에 있어서, 상기 노즐 영역으로부터 분사된 금속 액적을 수용하도록 위치된 수용 기판을 추가로 포함하는, 금속 레이저 분사 시스템.
3. 실시 형태 1에 있어서, 상기 금속 마이크로 와이어 공급부는, 릴 상에서 운반되는 스풀로 구성되는 금속 레이저 분사 시스템.
4. 실시 형태 1에 있어서, 상기 금속 마이크로 와이어의 공급부는, 금속 마이크로 와이어의 다수의 스풀로 구성되고, 각각의 스풀은, 그 자신의 개별 트랜슬레이터 및 지지 유리 기판 장치와 관련되는 금속 레이저 분사 시스템.
5. 실시 형태 1에 있어서, 상기 금속 마이크로 와이어의 공급부는 금속 마이크로 와이어의 다수의 스풀로 구성되고 단일 유리 기판이 금속 마이크로 와이어의 스풀 중 일부 또는 전부에 의해 공유되는 금속 레이저 분사 시스템.
6. 실시 형태 1에 있어서, 상기 금속 마이크로 와이어의 공급부는, 하나 이상의 롤러를 통해 상기 트랜슬레이터에 의해 노즐 영역을 향해 공급되도록 배치되는 금속 레이저 분사 시스템.
7. 실시 형태 1에 있어서, 상기 유리 기판은 용융 석영, 용융 실리카 또는 세라믹 유리를 포함하는 금속 레이저 분사 시스템.
8. 실시 형태 1에 있어서, 상기 금속 마이크로 와이어를 예열하기 위해 상기 유리 기판의 하나 이상의 측면에 부착된 히터를 더 포함하는 금속 레이저 분사 시스템.
9. 실시 형태 1에 있어서, 상기 레이저는 약 1μm 내지 10μm의 적외선(IR) 파장으로 광 펄스를 방출하는 금속 레이저 분사 시스템.
10. 실시 형태 1에 있어서, 상기 레이저는 자외선(UV) 파장의 광 펄스를 방출하는 금속 레이저 분사 시스템.
11. 실시 형태 1에 있어서, 상기 유리 기판은 레이저 광 펄스의 파장에서 투명하거나 또는 거의 투명한 금속 레이저 분사 시스템.
12. 실시 형태 1에 있어서, 상기 금속 마이크로 와이어는 대략 10 미크론의 직경을 갖는 금속 레이저 분사 시스템.
13. 실시 형태 1에 있어서, 상기 트랜슬레이터는 상기 제어기의 제어 하에 전류가 인가 될 때 상기 마이크로 와이어를 정해진 방향으로 이동시키도록 배열된 하나 이상의 피에조 세라믹을 포함하는 금속 레이저 분사 시스템.
14. 실시 형태 1에 있어서, 상기 트랜슬레이터는 하나 이상의 길이방향 피에조 액추에이터, 하나 이상의 압전 전단 액추에이터 또는 하나 이상의 튜브 액추에이터를 포함하는 금속 레이저 분사 시스템.
15. 실시 형태 1에 있어서, 금속 마이크로 와이어의 스풀이 중심 축을 중심으로 운반되는 릴을 회전시키도록 배열된 하나 이상의 트랜슬레이터를 더 포함하여, 제어기의 제어 하에 상기 노즐 영역을 향하여 상기 금속 마이크로 와이어가 펼쳐 나오게 되는 금속 레이저 분사 시스템.
16. 실시 형태 1에 있어서, 상기 금속 마이크로 와이어의 공급부는 다수의 금속 마이크로 와이어 스풀로 구성되고, 상기 레이저는 제어기의 제어 하에서 스캐닝 경로 위의 단일의 레이저 빔을 스캔하도록 구성된 스캐닝 레이저 장치에 포함되어, 상기 레이저 빔이 활성화될 때, 상기 레이저 빔이 금속 마이크로 와이어들 각각과 관련된 복수의 노즐 영역들 중 하나에 입사되는,
금속 레이저 분사 시스템.
17. 실시 형태 16에 있어서, 상기 스캐닝 레이저 장치는 스캐닝 미러를 포함하는 금속 레이저 분사 시스템.
18. 실시 형태 16에 있어서, 상기 스캐닝 레이저 장치는 음향 광학 디플렉터를 포함하는 금속 레이저 분사 시스템.
19. 실시 형태1에 있어서, 상기 유리 기판은 상기 금속 마이크로 와이어가 상기 노즐 영역을 향하여 공급될 때 제 1 평면에서 제 2 평면으로 상기 금속 마이크로 와이어의 배향을 변화시키도록 형상화된 폼과 관련되는 금속 레이저 분사 시스템.
20. 실시 형태 19에 있어서, 상기 유리 기판이 금속 마이크로 와이어가 광 펄스에 노출되는 반응 영역을 형성하는 금속 레이저 분사 시스템.
21. 실시 형태 20에 있어서, 상기 노즐 영역이 반응 영역의 일부를 포함하고 제2 피에조 트랜슬레이터가 상기 노즐 영역에 인접하는 금속 레이저 분사 시스템.
22. 실시 형태 20에 있어서, 상기 반응 영역이 가스 입구를 포함하는 금속 레이저 분사 시스템.
23. 건조 중(under construction)인 물품의 단면에 의해 정의된 형태로 금속 액적을 융합하는 것에 의해 3차원(3D) 물품을 형성하는 방법으로서, 상기 방법은
금속 레이저 분사 시스템의 노즐 영역에 대하여 수용 매체를 이동시키는 동안, 상기 액적을 침착함으로써 수용 매체와 이전에 침착된 금속 액적의 층들 위에 금속 액적의 연속적인 층들을 분포시키는 단계를 포함하고, 상기 금속 레이저 분사 시스템에서는 제어부의 제어 하에 레이저로부터 방출되고 상기 노즐 영역을 향하여 입사하는 레이저 펄스에 의하여 상기 금속 마이크 와이어의 단부가 가열되는 상기 노즐 영역을 향하여 상기 금속 마이크로 와이어가 공급되며, 이에 의하여 상기 노즐 영역 부근의 상기 금속 마이크로 와이어의 단부가 상기 액적을 형성하게 되고, 상기 이동은 연속적인 상기 액적들 사이에서 발생하여 상기 수용 매체 상에 그리고 연속적으로 이전의 분사된 층들 상에 금속의 층들이 형성되는,
3차원 물품 형성방법.
24. 실시 형태 23에 있어서,
상기 제어기는 상기 레이저가 펄스를 방출하도록 하여, 상기 단면들의 제공된 이미지에 따라 건조 중의 상기 물품의 단면들을 형성하고 수용 매체의 일부가 고체 재료가 필요한 시점에서 상기 노즐 영역 아래에 위치할 때 상기 금속 액적이 분사되도록 보장하기 위하여 필요한 금속의 적용에 상응하는 시간에 상기 금속 액적을 생성하는,
3차원 물품 형성방법.
25. 실시 형태 24에 있어서, 각각의 액적이 분사된 후, 다음 레이저 펄스에 대비하여 상기 제어기는 트랜슬레이터가 상기 금속 마이크로 와이어의 일정 양을 상기 노즐 영역으로 전진시키도록 하는,
3차원 물품 형성방법.
26. 실시 형태 25에 있어서, 상기 트랜슬레이터가 상기 금속 마이크로 와이어의 상기 양을 상기 노즐 영역으로 전진시키는 것과 동시에 또는 대략 동시에, 상기 제어기는 상기 수용 매체가 금속 액적이 분사될 다음 위치로 상기 노즐 영역에 대하여 변위되도록 하는,
3차원 물품 형성방법.
27. 실시 형태 23에 있어서, 촬상 장치를 사용하여 건조 동안 건조 중 물품을 촬상하는 단계; 금속 액적의 침착 층들이 형성될 때 상기 침착된 층들의 이미지를 평가하는 단계; 및 상기 평가에 따라 상기 금속 마이크로 와이어 상에 입사되는 레이저 펄스를 제어하는 단계를 더 포함하는,
3차원 물품 형성방법.
28. 실시 형태 23에 있어서, 촬상 장치를 사용하여 건조 동안 건조 중 물품을 촬상하는 단계; 상기 촬상 장치에 의하여 제공된 피드백에 따라 건조 중 물품을 생성하는데 사용되는 건조 중 물품의 단면 층의 이미지를 수정하여, 상기 이미지의 하나 이상의 영역이 상기 이미지의 원래의 버전과 관련된 영역들로부터 조정되는 단계를 더 포함하는,
3차원 물품 형성방법.
29. 실시 형태 23에 있어서, 상기 금속 마이크로 와이어의 공급부는 다수의 금속 마이크로 와이어 스풀로 구성되고, 상기 레이저는 스캐닝 경로 위에서 스캔되어, 상기 레이저 펄스가 활성화될 때, 상기 레이저 펄스가 금속 마이크로 와이어들 각각과 관련된 복수의 노즐 영역들 중 하나에 입사되는,
3차원 물품 형성방법.
30. 실시 형태 29에 있어서, 상기 레이저는 미러를 사용하여 스캔되는,
3차원 물품 형성방법.
31. 실시 형태 29에 있어서, 상기 레이저는 음향 광학 디플렉터를 사용하여 스캔되는,
3차원 물품 형성 방법.
32. 실시 형태 23에 있어서, 상기 금속 마이크로 와이어가 유리 기판의 관통 구멍을 통해 상기 노즐 영역 쪽으로 공급되고, 상기 관통 구멍은 상기 노즐 영역에서 종결되는,
3차원 물품 형성 방법.
33. 실시 형태 32에 있어서, 상기 금속 마이크로 와이어를 가열하기 위해 유리 기판을 통해 열이 전도되는,
3차원 물품 형성방법.
34. 실시 형태 23에 있어서, 상기 레이저 펄스가 노즐 영역 근처에 위치된 금속 마이크로 와이어의 작은 범위에 걸쳐 스캔되는,
3차원 물품 형성방법.
35. 실시 형태 34에 있어서, 상기 레이저 펄스가 미러를 사용하여 스캔되는,
3차원 물품 형성방법.
36. 실시 형태 34에 있어서, 상기 레이저 펄스는 이동 가능한 렌즈를 사용하여 스캔되는,
3차원 물품 형성방법.
37. 실시 형태 23에 있어서, 상기 레이저 펄스가 반응 영역 내의 금속 마이크로 와이어에 입사되는,
3차원 물품 형성방법.
38. 실시 형태 37에 있어서, 상기 반응 영역이 가스로 채워지는,
3차원 물품 형성방법.
39. 금속 레이저 분사 시스템으로서, 트랜슬레이터에 의해 관련된 노즐 영역을 가지는 반응영역을 향하여 공급되도록 배치된 금속 마이크로 와이어 공급부로서, 상기 금속 마이크로 와이어는 폼(form)의 관통 구멍 내에서 그 길이를 따라 지지되고, 상기 노즐 영역은 상기 관통 구멍의 출구에 위치하는, 상기 금속 마이크로 와이어 공급부; 상기 노즐 영역에 인접한 상기 금속 마이크로 와이어의 단부와 접촉하도록 위치된 히터를 포함하여, 상기 노즐 영역 부근의 상기 금속 마이크로 와이어의 단부가 가열되도록 한 상기 히터를 포함하는 금속 레이저 분사 시스템.
40. 실시 형태 39에 있어서, 상기 폼은, 상기 금속 마이크로 와이어가 노즐 영역을 향해 공급될 때 금속 마이크로 와이어의 배향을 제1 평면으로부터 제2 평면으로 변경하도록 형상화되는 금속 레이저 분사 시스템.
41. 실시 형태 39에 있어서, 상기 노즐 영역에 인접한 제2 트랜슬레이터를 더 포함하고, 상기 히터는 상기 제2 피에조 트랜슬레이터에 의해 금속 마이크로 와이어의 단부를 향해 변위 가능하게 위치되는 금속 레이저 분사 시스템.
42. 실시 형태 39에 있어서, 상기 반응 영역은 가스 입구를 포함하는 금속 레이저 분사 시스템.
43. 건조 중인 물품의 단면에 의해 정의된 형태로 금속 액적을 융합하는 것에 의해 3차원(3D) 물품을 형성하는 방법으로서, 상기 방법은
금속 레이저 분사 시스템의 노즐 영역에 대하여 수용 매체를 이동시키는 동안, 상기 액적을 침착함으로써 수용 매체와 이전에 침착된 금속 액적의 층들 위에 금속 액적의 연속적인 층들을 분포시키는 단계를 포함하고, 상기 금속 레이저 분사 시스템에서는 상기 금속 마이크로 와이어의 단부가 히터에 의하여 가열되는 상기 노즐 영역을 향하여 상기 금속 마이크로 와이어가 공급되며, 이에 의하여 상기 노즐 영역 부근의 상기 금속 마이크로 와이어의 단부가 상기 액적을 형성하게 되고, 상기 이동은 연속적인 상기 액적들 사이에서 발생하여 상기 수용 매체 상에 그리고 연속적으로 이전의 분사된 층들 상에 금속의 층들이 형성되는,
3차원 물품 형성방법.
44. 실시 형태 43에 있어서, 상기 금속 마이크로 와이어가 상기 노즐 영역을 향하여 공급될 때 상기 금속 마이크로 와이어는 폼 내의 관통 구멍을 통과하는,
3차원 물품 형성방법.
45. 실시 형태 44에 있어서, 상기 반응 영역은 상기 폼 내에 배치되어, 상기 관통 구멍을 빠져나갈 때 상기 금속 마이크로 와이어의 일부가 상기 반응 영역 내에 노출되고, 상기 금속 마이크로 와이어의 가열 전에 상기 반응 영역은 가스 입구를 통하여 도입되는 가스로 채워지는,
3차원 물품 형성방법.
46. 실시 형태 43에 있어서, 상기 히터는 제어기의 제어 하에 작동되고 피에조 트랜슬레이터의 단부에 부착되며, 상기 피에조 트랜슬레이터는, 상기 히터를, 상기 노즐 영역 부근의 상기 금속 마이크로 와이어의 노출 단부와 접하게 하도록 작동되고, 이에 의하여 상기 노즐 영역 부근의 금속 마이크로 와이어의 단부가 가열되어 금속 액적을 형성하는,
3차원 물품 형성방법.
47. 실시 형태 43에 있어서, 상기 금속 마이크로 와이어가 노즐 영역을 향해 공급됨에 따라, 상기 금속 와이어는 상기 와이어의 배향을 제1 평면으로부터 제2 평면으로 변화시키기 위한 관절 형태의 폼 내의 관통 구멍을 통과하는,
3차원 물품 형성방법.
따라서, 적층 제조를 위한 방법 및 장치, 특히 펄스 레이저 또는 다른 가열 장치를 이용하여 도우너 마이크로 와이어로부터 금속 액적을 생성하고, 그 액적은 응집체 내에서 응고될 때 3D 구조를 형성하는, 그러한 방법 및 장치가 기술되었다.

Claims (15)

  1. 금속 레이저 분사(jetting) 시스템으로서,
    트랜슬레이터(translator)에 의해 연관된 노즐 영역을 갖는 반응 영역을 향해 공급되도록 배치된 금속 마이크로 와이어 공급부로서, 상기 금속 마이크로 와이어는 폼(form)의 관통 구멍 내에서 그 길이를 따라 지지되고, 상기 노즐 영역은 상기 관통 구멍의 출구 부근에 위치하는, 금속 마이크로 와이어 공급부; 및
    상기 노즐 영역에 인접한 상기 금속 마이크로 와이어의 단부와 접촉하도록 위치된 히터로서, 상기 노즐 영역 부근의 상기 금속 마이크로 와이어의 단부 부분이 가열되도록 하는, 히터를 포함하는,
    금속 레이저 분사 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폼은, 상기 금속 마이크로 와이어가 상기 노즐 영역을 향해 공급될 때 상기 금속 마이크로 와이어의 배향을 제1 평면으로부터 제2 평면으로 변경하도록 형상화되는,
    금속 레이저 분사 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 영역에 인접한 제2 트랜슬레이터를 더 포함하고, 상기 히터는 상기 제2 피에조(piezo) 트랜슬레이터에 의해 상기 금속 마이크로 와이어의 단부를 향해 변위 가능하도록 위치되는,
    금속 레이저 분사 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응 영역은 가스 입구를 포함하는,
    금속 레이저 분사 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 영역으로부터의 금속 액적(droplet)을 수용하도록 위치된 수용 기판을 더 포함하는,
    금속 레이저 분사 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 마이크로 와이어 공급부는 하나 이상의 스풀(spool)로 구성되고, 각각의 스풀은 연관된 릴(reel) 상에서 운반되고 각자의 트랜슬레이터 및 지지 폼과 연관되는,
    금속 레이저 분사 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 마이크로 와이어 공급부는 금속 마이크로 와이어의 다중의 스풀로 구성되고, 단일 폼은 금속 마이크로 와이어의 상기 스풀의 일부 또는 전부에 의해 공유되는,
    금속 레이저 분사 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 마이크로 와이어를 예열하기 위해 상기 폼의 하나 이상의 측면에 부착되는 히터를 더 포함하는,
    금속 레이저 분사 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 트랜슬레이터는 상기 제어기의 제어하에 전류가 인가될 때 상기 마이크로 와이어를 규정된 방향으로 이동시키도록 배치된 하나 이상의 피에조 세라믹을 포함하는,
    금속 레이저 분사 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    제2 트랜슬레이터는 상기 노즐 영역에 인접한,
    금속 레이저 분사 시스템.
  11. 건조 중(under construction)인 물품의 단면에 의해 규정된 형태로 금속 액적을 융합하는 것에 의해 3차원(3D) 물품을 형성하는 방법으로서,
    상기 방법은 금속 레이저 분사 시스템의 노즐 영역에 대하여 수용 매체를 이동시키는 동안 금속 액적을 침착시킴으로써 상기 수용 매체 및 이전에 침착된 금속 액적의 층들 위에 금속 액적의 연속적인 층들을 분포시키는 단계를 포함하고, 상기 시스템 내에서 금속 마이크로 와이어 공급부가 상기 금속 마이크로 와이어의 단부 부분이 히터에 의해 가열되는 상기 노즐 영역을 향해 공급되어, 상기 노즐 영역 부근의 상기 금속 마이크로 와이어의 단부 부분이 상기 액적을 형성하도록 하고, 상기 수용 매체 상에 그리고 연속적으로 이전에 분사된 층들 상에 금속 층들을 형성하도록 상기 이동이 연속적인 상기 액적들 사이에서 발생하는,
    3차원 물품 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 금속 마이크로 와이어가 상기 노즐 영역을 향해 공급될 때, 상기 금속 마이크로 와이어는 폼 내의 관통 구멍을 통과하는,
    3차원 물품 형성 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 반응 영역은 상기 폼 내에 배치되어, 상기 관통 구멍을 빠져나갈 때 상기 금속 마이크로 와이어의 일부가 상기 반응 영역 내에 노출되고 상기 금속 마이크로 와이어의 가열 이전에 상기 반응 영역이 가스 입구를 통해 유입된 가스로 채워지는,
    3차원 물품 형성 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 히터는 제어기의 제어하에 작동되고 피에조 트랜슬레이터의 단부에 부착되며, 상기 노즐 영역 부근의 상기 마이크로 금속 와이어의 노출된 단부에 상기 히터가 접하게 하도록 피에조 트랜슬레이터가 작동되고, 이에 의해 상기 노즐 영역 부근의 상기 금속 마이크로 와이어의 단부를 가열하고 금속 액적을 형성하는,
    3차원 물품 형성 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 금속 마이크로 와이어가 상기 노즐 영역을 향해 공급될 때, 상기 금속 와이어는 상기 와이어의 배향을 제1 평면으로부터 제2 평면으로 변경하도록 관절형 폼(form)의 관통 구멍을 통과하는,
    3차원 물품 형성 방법.
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