KR20210116231A - 금속 액적 토출 3차원(3d) 물체 프린터의 층 접합을 개선하기 위한 모듈형 히터의 동작 방법 및 시스템 - Google Patents

금속 액적 토출 3차원(3d) 물체 프린터의 층 접합을 개선하기 위한 모듈형 히터의 동작 방법 및 시스템 Download PDF

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케이. 헤르만 더글라스
디. 앳우드 크리스토퍼
루이즈 어윈
에이. 브릴 데렉
씨. 후버 린
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Abstract

방법은 형성 중인 3D 금속 물체의 최상부 층의 온도를 최상부 층과 형성될 다음 층 사이의 접합을 촉진하는 온도 범위 내에 유지하도록 3차원(3D) 금속 물체 제조 시스템을 동작시킨다. 시스템의 제어기는 최상부 층의 온도를 적어도 온도 범위의 하한 온도와 비교하고, 센서로부터의 신호에 의해 나타난 온도가 미리결정된 온도 미만일 때 3D 모델 데이터를 사용하여 전기 저항 스위칭 네트워크를 동작시켜 모듈형 히터 내의 가열 요소들에 전력을 선택적으로 제공하여, 형성 중인 3D 금속 물체를 가열한다.

Description

금속 액적 토출 3차원(3D) 물체 프린터의 층 접합을 개선하기 위한 모듈형 히터의 동작 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR OPERATING A MODULAR HEATER TO IMPROVE LAYER BONDING IN A METAL DROP EJECTING THREE-DIMENSIONAL (3D) OBJECT PRINTER}
본 발명은 3차원(3D) 물체 프린터들에 사용되는 액체 금속 이젝터들에 관한 것으로, 더 상세하게는 이젝터들에 의해 형성되는 층들 사이의 접합을 개선하기 위한 모듈형 히터의 사용에 관한 것이다.
적층 제조(additive manufacturing)로도 또한 알려진 3차원 인쇄는 사실상 임의의 형상의 디지털 모델로부터 3차원 입체 물체를 제조하는 공정이다. 많은 3차원 인쇄 기술은 적층 제조 장치가 이전에 침착된 층들 위에 부품의 연속적인 층들을 형성하는 적층 공정을 사용한다. 이들 기술들 중 일부는 ABS 플라스틱과 같은 용융된 재료인 열가소성 재료를 토출하는 이젝터들을 사용한다. 프린터는 전형적으로 하나 이상의 이젝터들을 동작시켜, 다양한 형상들 및 구조들을 갖는 3차원 인쇄 물체를 형성하는 열가소성 재료의 연속적인 층들을 형성한다. 3차원 인쇄 물체의 각각의 층이 형성된 후에, 열가소성 재료는 냉각되고 경화되어 층을 3차원 인쇄 물체의 하부 층에 접합시킨다. 이러한 적층 제조 방법은 절삭 또는 드릴링과 같은 제거식 공정(subtractive process)에 의한 피가공물로부터의 재료의 제거에 주로 의존하는 전통적인 물체-형성 기술들과 구별가능하다.
최근에, 하나 이상의 이젝터들로부터 액체 금속의 액적들을 토출하여 3D 물체를 형성하는 일부 3D 물체 프린터들이 개발되었다. 이들 프린터들은 와이어 또는 펠릿(pellet)의 롤과 같은 고체 금속의 공급원을 가지며, 이들은 가열 챔버 내로 공급되고 그 곳에서 용융되어 액체 금속이 이젝터의 챔버 내로 유동한다. 챔버는 비절연 전기 와이어가 둘레에 감싸지는 비전도성 재료로 제조된다. 전류가 전도체를 통과하여 전자기장을 생성하며, 이는 챔버의 노즐에서 액체 금속의 메니스커스(meniscus)가 챔버 내의 액체 금속으로부터 분리되어 노즐로부터 추진되게 한다. 이젝터의 노즐 반대편에 있는 플랫폼은 제어기가 액추에이터를 동작시키는 것에 의해 플랫폼의 평면에 평행한 X-Y 평면 내에서 이동되어 플랫폼 상에 물체의 층들을 형성하며, 다른 액추에이터가 제어기에 의해 동작되어 이젝터 또는 플랫폼의 위치를 수직 또는 Z 방향으로 변경하여 이젝터와 형성 중인 물체의 최상부 층 사이에 일정한 거리를 유지한다.
현재의 금속 액적 토출 시스템들에서, 금속 물체가 그 상에 형성되는 베이스 플레이트는 약 400℃의 온도로 가열되어, 새로 적용된 층을 이전에 형성된 금속 층에 접합시키기에 유용한 온도에서 금속 물체 층들을 유지한다. 시험은 새로운 층의 용융된 알루미늄 액적들을 이전에 형성된 층에 융합시키는 것이, 수용 표면의 온도가 약 400℃ 내지 약 550℃의 범위에 있을 필요가 있음을 요구한다는 것을 보여주었다. 금속 물체가 베이스 플레이트 위로 높이가 계속 증가함에 따라, 베이스 플레이트의 가열은 물체의 최상부 층의 온도를 토출된 용융된 액적들과 물체의 상부 표면 사이의 양호한 접합을 보장하기 위해 요구되는 범위 내에서 유지할 수 없다. 베이스 플레이트가 물체의 상부 표면을 양호한 접합을 위해 요구되는 범위 내에 유지하기에 적절한 온도로 가열되면, 하부 층들은 그들의 구조적 완전성에 영향을 미치는 온도에 도달할 수 있다. 하부 레벨들의 구조적 완전성에 악영향을 주지 않으면서 최상부 층을 층간 접합을 위한 양호한 범위 내의 온도에서 유지할 수 있는 시스템이 유익할 것이다.
금속 토출 3D 물체 프린터에서 베이스 플레이트 외측의 모듈형 히터를 동작시키는 새로운 방법은 하부 레벨들의 구조적 완전성에 악영향을 주지 않으면서 금속 물체의 최상부 층을 층간 접합을 위한 양호한 범위 내의 온도에서 유지한다. 본 방법은, 센서에 의해, 3D 금속 물체 제조 시스템에 의해 형성 중인 금속 물체의 표면의 온도를 나타내는 신호를 금속 물체의 완료 전에 생성하는 단계, 제어기에 의해, 센서로부터의 신호에 의해 나타난 온도를 미리결정된 온도와 비교하는 단계, 형성 중인 금속 물체에 대해 복수의 독립적으로 제어되는 가열 요소들을 갖는 모듈형 히터를 양방향으로 이동시키기 위해 제어기에 의해 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키는 단계, 및 센서로부터의 신호에 의해 나타난 온도가 미리결정된 온도 미만일 때 3D 금속 물체의 다음 층의 형성 전에 3D 금속 물체를 가열하기 위해 전력을 복수의 가열 요소 내의 가열 요소들에 선택적으로 제공하는 단계를 포함한다.
새로운 모듈형 히터는 하부 레벨들의 구조적 완전성에 악영향을 주지 않으면서 형성 중인 3D 금속 물체의 최상부 층을 층간 접합을 위한 양호한 범위 내의 온도에서 유지하도록 구성된다. 모듈형 히터는, 3D 금속 물체 제조 시스템에 의해 형성 중인 금속 물체의 표면의 온도를 나타내는 신호를 금속 물체의 완료 전에 생성하도록 구성된 센서, 왕복 아암, 왕복 아암의 일 단부에 장착되는 프레임 내에 배열되고 독립적 동작을 위해 구성되는 복수의 가열 요소들, 왕복 아암에 작동식으로 연결되고 적어도 왕복 아암을 양방향으로 이동시키도록 구성되는 적어도 하나의 액추에이터, 모듈형 히터 내의 가열 요소들에 작동식으로 연결되는 전기 저항 스위칭 네트워크, 및 센서, 적어도 하나의 액추에이터, 및 전기 저항 스위칭 네트워크에 작동식으로 연결되는 제어기를 포함한다. 제어기는, (1) 센서로부터의 신호에 의해 나타난 온도를 미리결정된 온도와 비교하도록, (2) 복수의 가열 요소를 양방향으로 이동시키기 위해 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키도록, 그리고 (3) 센서로부터의 신호에 의해 나타난 온도가 미리결정된 온도 미만일 때 3D 금속 물체의 다음 층의 형성 전에 3D 금속 물체를 가열하기 위해 전력을 복수의 가열 요소 내의 가열 요소들에 선택적으로 결합시키는 것으로 전기 저항 스위칭 네트워크를 동작시키도록 구성된다.
하부 레벨들의 구조적 완전성에 악영향을 주지 않으면서 최상부 층을 층간 접합을 위한 양호한 범위 내의 온도에서 유지하도록 금속 토출 3D 물체 프린터를 동작시키는 전술한 태양들 및 다른 특징부들이 첨부 도면과 관련하여 취해진 하기의 설명에서 설명된다.
도 1은 하부 레벨들의 구조적 완전성에 악영향을 주지 않으면서 최상부 층을 층간 접합을 위한 양호한 범위 내의 온도에서 유지하도록 동작하는 모듈형 히터를 갖는 3D 금속 물체 프린터를 도시한다.
도 2는 도 1의 3D 금속 물체 프린터에 의해 형성 중인 물체와 모듈형 히터 사이의 거리의 제어를 위한 왕복 아암에 부착된 모듈형 히터의 사시도이다.
도 3a는 도 2의 모듈형 히터 내의 가열 요소의 만곡된 표면의 저면도이다.
도 3b는 도 2의 모듈형 히터 내의 가열 요소의 평면도이다.
도 3c는 도 2의 모듈형 히터 내의 가열 요소의 측면도이다.
도 3d는 도 3c에 도시된 도면으로부터 90도로 회전된 도 2의 모듈형 히터 내의 가열 요소의 다른 측면도이다.
도 4는 도 3a 내지 도 3d에 도시된 복수의 가열 요소로 구성된 모듈형 히터의 사시도이다.
도 5a는 도 2의 모듈형 히터 내의 가열 요소의 평평한 표면의 저면도이다.
도 5b는 도 2의 모듈형 히터 내의 가열 요소의 평면도이다.
도 5c는 도 2의 모듈형 히터 내의 가열 요소의 측면도이다.
도 5d는 도 5c에 도시된 도면으로부터 90도로 회전된 도 2의 모듈형 히터 내의 가열 요소의 다른 측면도이다.
도 6a는 모듈형 히터가 통합된 액체 금속 이젝터를 둘러싸는 플레이트의 측면도이다.
도 6b는 도 6b의 플레이트의 저면도이고, 도 6c는 도 6b에 도시된 가열 요소 어레이의 대안적인 실시예이다.
도 7은 도 1 및 도 2의 모듈형 히터를 동작시키기 위한 공정의 흐름도이다.
본 명세서에 개시된 장치에 대한 환경뿐만 아니라 장치의 상세 사항의 전반적인 이해를 위해, 도면이 참조된다. 도면에서, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1은 물체의 제조 동안 층들의 접합을 돕기 위해 모듈형 히터(170)를 동작시키는 액체 금속 3D 물체 프린터(100)의 일 실시예를 예시한다. 이 실시예에서, 액체 금속의 액적들이 프린트헤드(104)로부터 토출되고, 이들 액적들은 플랫폼(112) 상에 3차원 금속 물체(108)를 형성한다. 금속의 공급원(160)은 금속 와이어(130)와 같은 형태로 금속을 공급하며, 이는 프린트헤드(104) 내에서 용융되어 프린트헤드 내의 챔버에 액체 금속을 제공한다. 불활성 가스 공급부(164)는 프린트헤드 내의 산화알루미늄의 형성을 방지하기 위해 가스 공급 튜브(144)를 통해 프린트헤드(104) 내의 용융된 금속에 아르곤과 같은 불활성 가스(168)의 압력 조절식 공급원을 제공한다.
프린트헤드(104)는 각각 한 쌍의 수직으로 배향된 부재들(120A, 120B) 내의 Z-축 트랙들(116A, 116B) 내에 이동가능하게 장착된다. 부재들(120A, 120B)은 일 단부에서 프레임(124)의 일 측부에 연결되고, 다른 단부에서 수평 부재(128)에 의해 서로 연결된다. 액추에이터(132)가 수평 부재(128)에 장착되고 프린트헤드(104)에 작동식으로 연결되어 Z-축 트랙들(116A, 166B)을 따라 프린트헤드를 이동시킨다. 액추에이터(132)는 프린트헤드(104)의 하나 이상의 노즐들(도 1에 도시되지 않음)과 플랫폼(112) 상의 물체(108)의 최상부 표면 사이의 미리결정된 거리를 유지하도록 제어기(136)에 의해 동작된다. 비접촉 온도 센서(172)가 제어기(136)에 작동식으로 연결된다. 비접촉 온도 센서(172)는 물체(108)의 최상부 층의 온도를 나타내는 신호를 생성하도록 구성된다.
프레임(124)에는 플랫폼(112)의 이동을 위한 신뢰성 있고 견고한 지지를 제공하기 위해 화강암 또는 다른 튼튼한 재료로 형성될 수 있는 평면 부재(140)가 장착된다. 플랫폼(112)은 X-축 트랙들(144A, 144B)에 부착되고, 따라서 플랫폼(112)이 도면에 도시된 바와 같이 X-축을 따라 양방향으로 이동할 수 있다. X-축 트랙들(144A, 144B)은 스테이지(148)에 부착되고, 스테이지(148)는 Y-축 트랙들(152A, 152B)에 부착되며, 따라서 스테이지(148)는 도면에 도시된 바와 같이 Y-축을 따라 양방향으로 이동할 수 있다. 액추에이터(122A)는 플랫폼(112)에 동작 가능하게 연결되고, 액추에이터(122B)는 스테이지(148)에 동작 가능하게 연결된다. 제어기(136)는 액추에이터들(122A, 122B)을 동작시켜 X-축을 따라 플랫폼을 이동시키고 Y-축을 따라 스테이지(148)를 이동시켜, 프린트헤드(104) 반대편에 있는 X-Y 평면 내에서 플랫폼을 이동시킨다. 용융된 금속(156)의 액적들이 플랫폼(112)을 향해 토출될 시에 플랫폼(112)의 이러한 X-Y 평면 이동을 수행하여 3차원 물체(108)의 층을 형성한다. 제어기(136)는 또한 다음 물체 층의 형성을 가능하게 하기 위해 프린트헤드(104)와 가장 최근에 형성된 층 사이의 수직 거리를 조절하도록 액추에이터(132)를 동작시킨다. 액체 금속 3D 물체 프린터(100)가 수직 배향으로 동작되는 것으로 도 1에 도시되어 있지만, 다른 대안적인 배향들이 채용될 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 실시예는 X-Y 평면 내에서 이동하는 플랫폼을 갖고, 프린트헤드는 Z-축을 따라 이동하지만, 다른 배열들이 가능하다. 예를 들어, 프린트헤드(104)는 X-Y 평면 내에서 그리고 Z-축을 따라 이동하도록 구성될 수 있다. 또한, 프린트헤드(104)는 단지 하나의 노즐을 가지지만, 이는 다른 실시예들에서 다수의 노즐들로 구성된다.
제어기(136)는 프로그래밍된 명령어들을 실행하는 하나 이상의 범용 또는 특수 프로그래밍가능 프로세서들로 구현될 수 있다. 프로그래밍된 기능을 수행하는 데 필요한 명령어 및 데이터는 프로세서 또는 제어기와 연관된 메모리에 저장될 수 있다. 프로세서들, 그의 메모리들, 및 인터페이스 회로부는 전술된 동작들뿐만 아니라 후술되는 동작들을 수행하도록 제어기들을 구성한다. 이들 구성요소는 인쇄 회로 카드 상에 제공되거나, ASIC(application specific integrated circuit) 내의 회로로서 제공될 수 있다. 회로들 각각이 별개의 프로세서로 구현될 수 있거나, 다수의 회로가 동일한 프로세서 상에 구현될 수 있다. 대안적으로, 회로들은 VLSI(very large scale integrated) 회로 내에 제공되는 별개의 구성요소들 또는 회로들로 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에 기술된 회로들은 프로세서들, ASIC들, 별개의 구성요소들, 또는 VLSI 회로들의 조합으로 구현될 수 있다. 물체 형성 동안, 생성될 이미지에 대한 이미지 데이터가, 프린트헤드(104)로 출력되는 프린트헤드 제어 신호의 프로세싱 및 생성을 위해 스캐닝 시스템 또는 온라인 또는 워크 스테이션 접속 중 어느 하나로부터 제어기(136)에 대한 프로세서 또는 프로세서들로 전송된다.
액체 금속 3D 물체 프린터(100)의 제어기(136)는 물체 형성을 위해 프린터를 제어하기 위해 외부 공급원들로부터의 데이터를 필요로 한다. 일반적으로, 형성될 물체의 3차원 모델 또는 다른 디지털 데이터 모델이 제어기(136)에 동작 가능하게 연결된 메모리에 저장되고, 제어기가 디지털 데이터 모델이 저장되는 원격 데이터베이스에 서버 등을 통해 액세스할 수 있거나, 또는 디지털 데이터 모델이 저장된 컴퓨터 판독가능 매체가 제어기(136)에 액세스를 위해 선택적으로 결합될 수 있다. 3차원 모델 또는 다른 디지털 데이터 모델은, 프린터(100)의 구성요소들을 동작시키고 모델에 대응하는 물체를 제조하기 위해 제어기(136)에 의해 실행되기 위한 기계-준비 명령어들을 생성하기 위해 제어기에 의해 사용될 수 있다. 기계-준비 명령어들의 생성은, 물체의 CAD 모델이 STL 데이터 모델, 또는 다른 다각형 메시 또는 다른 중간 표현으로 변환되는 경우에서와 같이 중간 모델들의 생성을 포함할 수 있으며, 이는 이어서 프린터에 의한 물체의 제조를 위한 g-코드와 같은 기계 명령어들을 생성하도록 프로세싱될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "기계-준비 명령어들"은 컴퓨터, 마이크로프로세서, 또는 제어기에 의해 실행되어 3D 금속 물체 적층 제조 시스템의 구성요소들을 동작시켜 금속 물체를 형성하는 컴퓨터 언어 명령을 의미한다. 제어기(136)는 프린트헤드(104)로부터의 금속 액적들의 토출, 스테이지(148) 및 플랫폼(112)의 위치설정뿐만 아니라 프린트헤드(102)와 물체의 최상부 층 사이의 거리를 제어하기 위해 기계-준비 명령어들을 실행한다.
플랫폼(112)은 전술된 바와 같이 플랫폼을 약 400℃의 온도로 유지하기 위해 하나 이상의 가열 요소(도시되지 않음)에 의해 가열된다. 또한, 더욱 상세히 후술되는 모듈형 히터(170)는 제어기(136)에 의해, 일단 물체(108)의 높이가, 플랫폼의 히터가 최상부 표면을 약 400℃ 내지 약 550℃의 온도 범위의 하한으로 유지할 수 없는 거리를 초과하면, 그 온도 범위 내에서 물체(108)의 최상부 표면을 유지하도록 동작된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 모듈형 히터(170)는 왕복 부재(204)의 일 단부에 장착되는 것으로 가상선으로 도시되어 있다. 액추에이터(208)가 제어기(136)에 작동식으로 연결된다. 액추에이터(208)는 제어기(136)에 의해, 양방향 화살표(212)에 의해 나타난 방향으로 부재를 연장시키고 후퇴시키도록 동작된다. 이러한 동작은 모듈형 히터를 플랫폼(112) 상에 형성 중인 물체를 향해 그리고 그로부터 멀어지게 이동시켜 모듈형 히터에 의해 생성되는 열의 세기를 모듈형 히터와 물체 사이의 거리의 함수로서 변화시킨다. 다른 액추에이터(216)는 다른 왕복 아암(220)을 왕복 부재(204)를 향해 그리고 그로부터 멀어지게 이동시키도록 구성된다. 제어기(136)에 의해 이러한 액추에이터를 동작시키는 것은 모듈형 히터를 플랫폼(112) 상의 물체에 대해 수평으로 이동시키게 한다. 또한, 모듈형 히터(170)가 왕복 아암(204)에 배열되는 프레임(도 4)을 장착하기 위한 고정구(224)에는 제어기(136)에 작동식으로 연결된 액추에이터가 제공된다. 이러한 액추에이터는 모듈형 히터를 요우(yaw)(좌우) 운동 및 피치(상하) 운동으로 회전시켜 물체(108)에 대한 모듈형 히터(170)의 각도 배향을 변경시킨다. 일 실시예에서, 프레임의 중심은 왕복 아암(204)의 단부에 장착된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "요우"는 왕복 아암의 종축에 의해 형성된 평면 및 종축에 수직한 수평축 내에서의 각도 회전을 의미하고, "피치"는 왕복 아암의 종축에 의해 형성된 평면 및 종축에 수직한 수직축 내에서의 각도 회전을 의미한다.
모듈형 히터(170)는 도 3a, 도 3b, 도 3c, 및 도 3d에 도시된 가열 요소(304)와 같은 복수의 가열 요소로 구성된다. 도 3a에 도시된 요소(304)의 저부 표면은 전기 절연성 재료(312) 상에 형성되거나 장착되는 전기 저항성 트레이스(308)를 갖는다. 전기 저항성 트레이스(308)는 도 3b에 도시된 가열 요소(304)의 평면도에 도시된 바와 같이 페이지 밖으로 연장되는 전도성 프로브(316)들에 전기적으로 연결된다. 모듈형 히터 내의 가열 요소들 각각에 대한 전도성 프로브들은 도 1에 도시된 바와 같이 전기 저항 스위칭 네트워크(182)를 통해 전원(178)에 작동식으로 연결된다. 제어기(136)는 전기 저항 스위칭 네트워크(182)에 작동식으로 연결되어 스위치들을 동작시키고 네트워크(182) 내의 스위치들에 연결된 저항들을 변화시키며, 스위치들은 모듈형 히터(170) 내의 가열 요소(304)들을 전원(178)에 선택적으로 그리고 서로 독립적으로 연결시킨다. 가열 요소들에 연결된 전기 저항들을 네트워크(182) 내의 스위치들을 통해 독립적으로 변화시킴으로써, 가열 요소들은 상이한 레벨들의 전력으로 동작될 수 있어서, 모듈형 히터 내의 상이한 가열 요소들에 의해 생성되는 적외선(IR) 열의 세기가 변할 수 있게 할 수 있다. 도 3c는 가열 요소(304)의 측면도이고, 도 3d는 도 3c에 도시된 도면으로부터 90도 회전된 가열 요소의 측면도로서, 2개의 프로브들이 관찰자의 관점에서 서로 정렬된다. 도 3d에 도시된 도면은 가열 요소(304)의 표면이 만곡되어 있다는 것을 나타낸다. 이러한 곡률은 가열 요소에 의해 생성되는 열을 집중시킨다. 도 3a 내지 도 3d에 도시된 것과 같은 가열 요소는 아일랜드, P81 H026, 카운티 코르크, 바리데호브, 고트나그로프 소재의 Ceramicx Ltd.로부터 입수가능하며, 1/4 커브드 트로프 요소(Quarter Curved Trough Element)로 알려져 있다.
모듈형 히터(170)의 일 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 이러한 실시예는 프레임(330) 내에 장착된, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 것과 같은 가열 요소(304)들의 어레이이다. 가열 요소(304)들은 열(column)들 및 행row)들의 직사각형 어레이로 배열되지만, 비직사각형 어레이 배열을 포함하는 가열 요소들의 다른 배열들이 사용될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "모듈형 히터"라는 용어는 가열 요소들이 유닛으로서 이동되고 경사지게 배향될 수 있도록 하는 프레임 내의 가열 요소의 배열을 의미한다.
모듈형 히터(170)에 사용될 수 있는 다른 가열 요소(504)가 도 5a 내지 도 5d에 도시되어 있다. 도 5a에 도시된 요소(504)의 저부 표면은 전기 절연성 재료(512) 상에 형성되거나 장착되는 전기 저항성 트레이스(508)를 갖는다. 전기 저항성 트레이스(508)는 도 5b에 도시된 가열 요소(504)의 평면도에 도시된 바와 같이 페이지 밖으로 연장되는 전도성 프로브(516)들에 전기적으로 연결된다. 모듈형 히터 내의 가열 요소들 각각에 대한 전도성 프로브들은 도 1에 도시된 바와 같이 전기 저항 스위칭 네트워크(182)를 통해 전원(178)에 작동식으로 연결된다. 제어기(136)는 전기 저항 스위칭 네트워크(182)에 작동식으로 연결되어 스위치들을 동작시키고 네트워크(182) 내의 스위치들에 연결된 저항들을 변화시키며, 스위치들은 모듈형 히터(170) 내의 가열 요소(504)들을 전원(178)에 선택적으로 그리고 서로 독립적으로 연결시킨다. 가열 요소들에 연결된 전기 저항들을 네트워크(182) 내의 스위치들을 통해 독립적으로 변화시킴으로써, 가열 요소들은 상이한 레벨들의 전력으로 동작될 수 있어서, 모듈형 히터 내의 상이한 가열 요소들에 의해 생성되는 적외선(IR) 열의 세기가 변할 수 있게 할 수 있다. 도 5c는 가열 요소(504)의 측면도이고, 도 5d는 도 5c에 도시된 도면으로부터 90도 회전된 가열 요소의 측면도로서, 2개의 프로브들이 관찰자의 관점에서 서로 정렬된다. 도 5d에 도시된 도면은 가열 요소(504)의 표면이 평평하다는 것을 나타낸다. 이러한 평평한 표면은 가열 요소에 의해 생성된 열장(heat field)을 가열 요소(304)에 의해 생성되는 열장보다 더 넓어지게 한다. 도 5a 내지 도 5d에 도시된 것과 같은 가열 요소는 아일랜드, P81 H026, 카운티 코르크, 바리데호브, 고트나그로프 소재의 Ceramicx Ltd.로부터 입수가능하며, 1/4 플랫 요소 할로우(Quarter Flat Element Hollow)로 알려져 있다.
도 1의 금속 인쇄 시스템과 함께 사용될 수 있는 히터의 다른 실시예가 도 6a 및 도 6b에 도시되어 있다. 프린트헤드(104)는 플레이트(650) 내에 통합되어, 프린트헤드(104)의 이젝터(658)가 플레이트를 통해 연장되고, 이젝터가 금속 액적들을 플랫폼(112)(도 1) 상으로 토출하게 한다. 액추에이터(132)(도 1)는 플레이트(650)에 작동식으로 연결되고, 제어기(136)에 의해 플랫폼(112) 상에 형성 중인 물체에 대해 플레이트를 이동시키도록 동작된다. 단일 가열 요소(654)는 이젝터(658)를 중심으로 일정 형상으로 구성될 수 있으며, 이는 도 6b에서 U 형상이다. 스위치(670)가 제어기(136)에 의해 선택적으로 동작되어 가열 요소(654)를 전원(674)에 연결시켜, 가열 요소를 활성화시키고, 이젝터(658)로부터 토출된 금속 액적들에 의해 형성 중인 물체의 상부 표면을 가열한다. 도 6b에 도시된 이러한 구성의 저면도에서, 히터의 대안적인 버전이 도시되어 있다. 그러한 대안적인 실시예에서, 전술된 것들과 같은 개별 가열 요소들이 플레이트(650) 내에 통합되고, 이들 가열 요소들의 각각은 스위치(670)를 통해 전원(674)에 연결된다. 다시, 제어기(136)는 이들 스위치를 동작시켜 가열 요소(662)들을 전원(674)에 연결시켜 물체의 상부 표면에 인가되는 열의 패턴을 변경시킨다. 즉, 모든 가열 요소가 한 번에 활성화될 수 있거나, 소정 가열 요소들이 활성화될 수 있다. 가열 요소들의 이러한 독립적인 동작은 요소들의 선택적 동작을 가능하게 한다.
도 6c는 플레이트(650) 내의 가열 요소(662)들의 원형 구성의 대안적인 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 가열 요소(662)들의 3개의 동심 링들이 이젝터(658)를 중심으로 하여 위치된다. 제1 링에서, 가열 요소들은 90° 이격되며, 제2 링에서, 가열 요소들은 45° 이격되고, 제3 링에서, 가열 요소들은 30° 이격된다. 이러한 구성은 도 6b에 도시된 단일 링 구성보다 더 다양한 가열 패턴을 가능하게 한다.
모듈형 히터를 갖는 프린터를 동작시키기 위한 공정이 도 7에 도시되어 있다. 공정의 설명에서, 공정이 어떤 작업 또는 기능을 수행하고 있다는 진술은, 제어기 또는 범용 프로세서가, 그 작업 또는 기능을 수행하도록 프린터 내의 하나 이상의 구성요소를 작동시키기 위해 또는 데이터를 조작하기 위해 제어기 또는 프로세서에 작동식으로 연결된 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장된 프로그래밍된 명령어들을 실행하는 것을 지칭한다. 앞서 언급된 제어기(136)는 그러한 제어기 또는 프로세서일 수 있다. 대안적으로, 제어기는 하나 초과의 프로세서와 관련 회로 및 구성요소로 구현될 수 있으며, 이들 각각은 본 명세서에 기술된 하나 이상의 작업 또는 기능을 형성하도록 구성된다. 또한, 방법의 단계들은 도면에 도시된 순서 또는 프로세싱이 설명되는 순서에 관계없이 임의의 실현가능한 시간 순서로 수행될 수 있다.
도 7은, 이전에 형성된 층들의 구조적 완전성에 악영향을 주지 않으면서 프린터에 의해 형성 중인 3D 금속 물체의 최상부 층을 층 접합을 촉진시키는 미리결정된 온도 범위 내에서 유지하도록 때때로 프린터로 불리는 3D 금속 물체 제조 시스템(100)을 동작시키는 공정(600)의 흐름도이다. 공정은 모듈형 히터의 제어기에 의해, 제조 시스템(100)의 프린트헤드를 동작시켜 물체를 형성하는 데 사용되는 3차원 모델 데이터에 액세스하는 것으로 시작된다(블록(604)). 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "3차원 모델 데이터"는 3D 물체의 제조를 위해 3D 슬라이서(slicer)에 의해 생성된 수평 슬라이스들 또는 NC 프로그래밍 명령어들을 의미한다. 각각의 층이 형성된 후에(블록(608)), 온도 센서로부터의 신호가 미리결정된 온도와 비교된다(블록(612)). 센서 신호에 의해 나타난 온도가 미리결정된 온도 이상인 경우, 공정은 각각의 다음 층이 형성된 후에 최상부 층의 온도를 계속 검사한다(블록(608, 612)). 온도가 미리결정된 온도 미만이면, 공정은 물체를 형성하기 위한 데이터를 사용하여 현재의 최상부 층의 위치를 결정한다(블록(616)). 제어기는 모듈형 히터를 이동시키는 액추에이터들을 동작시켜 부분적으로 형성된 물체의 기하학적 형상에 대해 히터를 적절하게 위치시키며(블록(620)), 스위칭 네트워크를 동작시켜 네트워크 내의 적절한 저항을 사용하여 모듈형 히터 내의 가열 요소들 중 적어도 일부를 활성화시켜, 다음 층이 형성되기 전에 최상부 층의 온도를 상승시키기에 적절한 양의 열을 생성하게 한다(블록(624)). 최상부 층의 온도를 검사하고, 모듈형 히터를 위치시키고, 가열 요소들을 적절한 세기들로 선택적으로 동작시키는 공정(블록(608 내지 624))은 물체의 형성이 완료될 때까지 계속된다(블록(628)). 일단 물체가 완전히 형성되면, 공정은 종료된다(블록(630)). 이러한 공정은, 또한, 최상부 표면의 온도를 3D 금속 물체의 최상부 층과 형성될 물체의 다음 층과의 접합을 촉진하기에 효과적인 온도 범위의 상한에 대응하는 미리결정된 온도와 비교하도록 확장될 수 있다. 층 온도가 범위 온도의 이러한 상한을 초과하는 경우, 가열 요소들에 대한 연결 및 저항들은 3D 모델 데이터를 사용하여 조절되어 물체 층들의 온도를 원하는 온도 범위 내에 가져오게 할 수 있다.
위에 개시된 특징부들 및 기능들, 및 다른 특징부들 및 기능들, 또는 이들의 대안들의 변형들이 바람직하게는 많은 다른 상이한 시스템들, 응용들 또는 방법들로 조합될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 다양한 현재 예측되지 않거나 예상되지 않는 이의 대안들, 수정들, 변형들, 또는 개선들이 당업자에 의해 후속하여 이루어질 수 있고, 이들은 또한 하기 청구범위에 의해 포함되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 3차원(3D) 금속 물체 제조 시스템을 동작시키기 위한 방법으로서,
    센서에 의해, 상기 3D 금속 물체 제조 시스템에 의해 형성 중인 금속 물체의 표면의 온도를 나타내는 신호를 상기 금속 물체의 완료 전에 생성하는 단계;
    제어기에 의해, 상기 센서로부터의 상기 신호에 의해 나타난 온도를 미리결정된 온도와 비교하는 단계;
    복수의 독립적으로 제어되는 가열 요소들을 갖는 모듈형 히터를 양방향으로 이동시키기 위해 상기 제어기에 의해 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키는 단계; 및
    상기 센서로부터의 상기 신호에 의해 나타난 온도가 미리결정된 온도 미만일 때 상기 3D 금속 물체의 다음 층의 형성 전에 상기 3D 금속 물체를 가열하기 위해 상기 복수의 가열 요소들 내의 가열 요소들에 전력을 선택적으로 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서로부터의 상기 신호에 의해 나타난 온도가 상기 미리결정된 온도 미만일 때 상기 모듈형 히터를 상기 형성 중인 3D 금속 물체를 향해 이동시키기 위해 상기 제어기에 의해 상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서로부터의 상기 신호에 의해 나타난 온도가 상기 미리결정된 온도 초과일 때 상기 모듈형 히터를 상기 형성 중인 3D 금속 물체로부터 멀어지게 이동시키기 위해 상기 제어기에 의해 상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 미리결정된 온도는 400℃인, 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키는 단계는,
    상기 모듈형 히터의 각도 배향을 요우(yaw) 방향으로 변경시키기 위해 상기 제어기에 의해 상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키는 단계는,
    상기 모듈형 히터의 상기 각도 배향을 피치 방향으로 변경시키기 위해 상기 제어기에 의해 상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키는 단계는,
    상기 모듈형 히터의 상기 각도 배향을 요우 방향으로 변경시키기 위해 상기 제어기에 의해 상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 가열 요소들에 전력을 선택적으로 제공하는 단계는,
    상기 센서로부터의 상기 신호에 의해 나타난 온도가 상기 미리결정된 온도 미만일 때, 상기 3D 금속 물체의 다음 층의 형성 전에 상기 3D 금속 물체를 선택적으로 가열하기 위해 전력을 상기 복수의 가열 요소들 내의 상기 가열 요소들에 선택적으로 결합시키도록 상기 제어기에 의해 전기 저항 스위칭 네트워크를 동작시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전기 저항 스위칭 네트워크를 동작시키는 단계는,
    적어도 하나의 가열 요소에 의해 생성되는 열의 세기를 적어도 하나의 다른 가열 요소에 의해 생성되는 열의 세기에 대해 변경시키기 위해 상기 전기 저항 스위칭 네트워크 내의 적어도 하나의 스위치에 결합된 전기 저항을 변화시키도록 상기 제어기에 의해 상기 전기 저항 스위칭 네트워크를 동작시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어기에 의해 상기 센서로부터의 상기 신호에 의해 나타난 온도를 다른 미리결정된 온도와 비교하는 단계 - 상기 다른 미리결정된 온도는 상기 미리결정된 온도를 초과함 -; 및
    상기 센서에 의해 생성된 상기 신호에 의해 나타난 온도가 상기 다른 미리결정된 온도 초과일 때 상기 제어기에 의해 변경된 상기 전기 저항들에 연결된 상기 가열 요소들에 대해 상기 전력을 감소시키기 위해 3차원 모델 데이터를 사용하여 상기 전기 저항 스위칭 네트워크 내의 모든 스위치들보다는 적은 수의 스위치들에 결합된 상기 전기 저항들을 상기 제어기에 의해 변경시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  11. 3차원(3D) 금속 물체 제조 시스템용 모듈형 히터로서,
    상기 3D 금속 물체 제조 시스템에 의해 형성 중인 금속 물체의 표면의 온도를 나타내는 신호를 상기 금속 물체의 완료 전에 생성하도록 구성된 센서;
    왕복 아암;
    상기 왕복 아암의 일 단부에 장착되는 프레임 내에 배열되고 독립적 동작을 위해 구성되는 복수의 가열 요소들;
    상기 왕복 아암에 작동식으로 연결되고 상기 형성 중인 금속 물체에 대해 적어도 상기 왕복 아암을 양방향으로 이동시키도록 구성되는 적어도 하나의 액추에이터;
    상기 모듈형 히터 내의 상기 가열 요소들에 작동식으로 연결되는 전기 저항 스위칭 네트워크; 및
    상기 센서, 상기 적어도 하나의 액추에이터, 및 상기 전기 저항 스위칭 네트워크에 작동식으로 연결되는 제어기 - 상기 제어기는,
    상기 센서로부터의 상기 신호에 의해 나타난 온도를 미리결정된 온도와 비교하도록;
    상기 복수의 가열 요소들을 양방향으로 이동시키기 위해 상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키도록; 그리고
    상기 센서로부터의 상기 신호에 의해 나타난 온도가 상기 미리결정된 온도 미만일 때 상기 3D 금속 물체의 다음 층의 형성 전에 상기 3D 금속 물체를 가열하기 위해 전력을 상기 복수의 가열 요소들 내의 상기 가열 요소들에 선택적으로 결합시키는 것으로 상기 전기 저항 스위칭 네트워크를 동작시키도록 구성됨 - 를 포함하는, 모듈형 히터.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어기는 추가로,
    상기 센서로부터의 상기 신호에 의해 나타난 온도가 상기 미리결정된 온도 미만일 때 상기 모듈형 히터를 상기 형성 중인 3D 금속 물체를 향해 이동시키기 위해 상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키도록 구성되는, 모듈형 히터.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어기는 추가로,
    상기 센서로부터의 상기 신호에 의해 나타난 온도가 미리결정된 온도 초과일 때 상기 모듈형 히터를 상기 형성 중인 3D 금속 물체로부터 멀어지게 이동시키기 위해 상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시키도록 구성되는, 모듈형 히터.
  14. 제11항에 있어서, 상기 미리결정된 온도는 400℃인, 모듈형 히터.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제어기는 추가로,
    상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시켜 상기 프레임의 각도 배향을 요우 방향으로 변경시키도록 구성되는, 모듈형 히터.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제어기는 추가로,
    상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시켜 상기 프레임의 각도 배향을 피치 방향으로 변경시키도록 구성되는, 모듈형 히터.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제어기는 추가로,
    상기 적어도 하나의 액추에이터를 동작시켜 상기 프레임의 각도 배향을 요우 방향으로 변경시키도록 구성되는, 모듈형 히터.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제어기는 추가로,
    상기 전기 저항 스위칭 네트워크를 동작시켜 상기 전기 저항 스위칭 네트워크 내의 적어도 하나의 스위치에 결합된 전기 저항을 변화시켜, 적어도 하나의 가열 요소에 의해 생성되는 열의 세기를 적어도 하나의 다른 가열 요소에 의해 생성되는 열의 세기에 대해 변경시키도록 구성되는, 모듈형 히터.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제어기는 추가로,
    상기 센서로부터의 상기 신호에 의해 나타난 온도를 다른 미리결정된 온도와 비교하도록 - 상기 다른 미리결정된 온도는 상기 미리결정된 온도를 초과함 -; 그리고
    상기 센서에 의해 생성된 상기 신호에 의해 나타난 온도가 상기 다른 미리결정된 온도 초과일 때 상기 제어기에 의해 변경된 상기 전기 저항들에 연결된 상기 가열 요소들에 대해 상기 전력을 감소시키기 위해 상기 전기 저항 스위칭 네트워크 내의 모든 스위치들보다는 적은 수의 스위치들에 결합된 상기 전기 저항들을 변경시키도록 구성되는, 모듈형 히터.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제어기는 추가로,
    3차원 모델 데이터를 사용하여 상기 전기 저항 스위칭 네트워크를 동작시키도록 구성되는, 모듈형 히터.
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