KR20220102141A - 직접 에너지 증착에서의 왜곡 완화 - Google Patents
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Abstract
유도 에너지 증착에 의해 물체들, 특히 티타늄 및 티타늄 합금 물체들을 제조하기 위한 만곡된 클램핑 몰드 및 만곡된 클램핑 몰드를 사용하는 시스템들 및 방법들이 제공된다. 방법들은 예비-절곡된 기판을 형성하기 위해 물체가 제조될 기판을 열적으로 예비-절곡하는 단계, 만곡된 클램핑 몰드를 아래에 놓인 지지부로 사용하여 예비-절곡된 기판을 지그에 부착하는 단계, 기판을 예비 가열하는 단계, 및 직접 에너지 증착 기술을 사용하여 예비-가열, 예비-절곡된 기판 상에 물체를 형성하는 단계를 포함한다.
Description
[0001]
본 발명은, 특히 티타늄 및 티타늄 합금 물체들에서, 고체 예비성형체 제작으로서 알려진, 직접 에너지 증착 적증 제조 공정을 사용하여 제조된 금속 물체들에서의 왜곡을 완화하기 위한 디바이스 및 방법에 관한 것이다.
[0002]
티타늄 또는 티타늄 합금들로 만들어진 것들과 같은 구조적인 금속 부품들은 주조, 단조 또는 고체 빌렛(billet)으로부터 기계 가공과 같은 통상적인 제조 방법들에 의해 만들어진다. 이러한 기술들은 종종 기계 가공된 고가의 티타늄 금속의 높은 재료 낭비, 및 금속 부품의 제작과 관련된 큰 리드 시간들(lead times)의 단점을 갖는다.
[0003]
완전히 조밀한 물리적 물체들은 직접 에너지 증착(DED; Directed Energy Deposition), 고속 프로토타이핑(rapid prototyping), 고속 제조, 층상(layered) 제조, 적층 제조(additive layer manufacturing), 성형 금속 증착(shaped metal deposition) 또는 적층 제조(additive manufacturing)로 알려진 제조 기술에 의해 제조될 수 있다. 금속들의 DED는 집중된 열 에너지가 사용되어 재료들이증착되고 있을 때 용융에 의해 재료들을 융합시키는 적증 제조 공정이다. 적증 제조는 거의-순-형상(near-net-shape) 제품들의 층상 빌드-업(layered build-up)에 기인하여 큰 제작 자유도 및 잠재적인 비용 절감을 제공한다. 또한, 동일한 확립된 금속 합금들을 이용하면서 단조와 같은 통상적인 벌크 형성(bulk forming) 공정들의 재료 성질들을 매치(match)하는 것이 바람직하다. DED는 수리, 고속 프로토타이핑 및 저/고 체적(low/high volume) 부품 제작에 사용된다.
[0004]
DED 시스템들은 레이저 비임(laser beam)(LB), 전자 비임(EB), 또는 플라즈마 아크(PA; plasma arc), 가스 텅스텐 아크(GTA; gas tungsten arc) 및 가스 금속 아크(GMA)와 같은 아크-기반(arc-based) 에너지 소스들(sources)과 같은 DED 에너지 소스들의 하나 또는 조합을 사용하는 머신들(machines)의 다수의 카테고리들(categories)을 포함한다. DED 시스템들에 사용되는 금속 공급원료(feedstock)는 전형적으로 분말 및/또는 와이어 형태의 금속을 포함한다. DED는 전형적으로 불활성 가스 하에서(예컨대, 아크-기반 또는 LB 시스템들을 사용하는 DED), 또는 진공(EB 시스템들) 분위기들 내에서 수행된다. 비록 이들은 실제로 채용되는 우세한 방법들이지만, 다른 에너지 소스들, 공급원료들 및 분위기들의 사용은 임의의 조합으로 사용될 수 있다.
[0005]
잔류 응력들은 열 및/또는 기계적과 같은 외부 부하들이 없는 경우에도 탄성체에 존재하는 응력들로서 정의될 수 있다. 국부화된 열 및 냉각 사이클링(cycling)에 기인하여, 열원이 금속 재료를 용융시키고, 각각의 새로운 금속 층을 증착시키고, 이전에 응고된 금속 층들을 재용융시키기 때문에, 다량의 용접-유도 잔류 응력이 발생할 수 있고 금속 예비성형체들의 DED 동안에 축적될 수 있다. 프로세싱(processing) 구역 근처의 불균일한 열 로딩(heat loading)에 의해 야기된 비호환 가능한 탄성 및/또는 소성 변형 필드(strain field)는, 층 상의 층(layer upon layer) 제작 동안 복합 열적으로 유도된 잔류 응력들 및 왜곡의 불가피적 빌드-업(build-up)으로 이어진다. 열 팽창 및 수축은 DED 동안 존재할 수 있는 과도 열적 편위들(transient thermal excursions) 및 가파른 열 구배들의 결과로서 발생할 수 있다. 금속들의 DED 동안 잔류 응력들의 형성 및 이완은 프로세싱 존(processing zone)에 접하는 영역들에서 원하지 않는 소성 변형을 야기할 수 있으며, 이는 애즈-증착된(as-deposited) 예비성형체으로 넘어갈 수 있다. 애즈-증착된 DED 예비성형체에 잠긴 잔류 응력은 작업편이 클램핑 고정물 플랫폼 또는 지그로부터 해제될 때 구조물에 여전히 존재하는 잔류 응력 필드를 자체-평형화하기(self-equilibrate) 때문에, 작업편 내의 공차(tolerance)의 영구적인 손실로 이어질 수 있다. 잔류 응력-유도 된 변형은 더 큰 구성요소들에 대한 더 큰 염려인데, 그 이유는 더 큰 온도 차들이 DED 빌드 업(build up) 공정을 따라 공존하기 때문이다. 엔지니어드(engineered) 구성요소들에서 잔류 응력의 불리한 분포들은 또한 예상치 못한 또는 조기 고장, 즉 파괴 및 피로 경향이 있는 높은 인장 응력들의 영역들로 이어질 수 있다. 응력 경감 열 처리는 보통 DED 제조 시퀀스에 기인하여 애즈-증착된 예비성형체 내에 잠긴 채 남아있는 응력을 경감하는데 사용된다. 그러나, 공차 손실(tolerance loss)은 대부분의 DED 공정들에서 주요 관심사들 중 하나로 남아있다.
[0006]
금속들의 DED 동안 잔류 응력은 전형적으로 제조되고 있는 구성요소의 상이한 영역들이 상이한 열 팽창 및 수축 사이클들을 경험한다는 사실에 기인한다. 결과적인 열 응력은 비가역적인 재료 변형의 불균일한 분포를 초래할 수 있고, 이 변형 중 일부는 재료가 냉각된 후에 유지될 수 있어, 결과적으로 작업편 내에 내부 및 완전하게 자체-평형 응력 필드를 초래할 수 있다. 이 자체-평형(self-equilibration)은 왜곡 또는 뒤틀림으로 인해 공차를 기하학적으로 벗어난 금속 구조들을 초래할 수 있다. DED 프로세싱의 모든 형태들은 적절하게 융합된 경계부들(interface)을 달성하기 위해 새로운 증착된 층의 상부(열원에 노출됨), 새롭게 증착된 층과 이전 층 사이의 경계부, 및/또는 기판에 많은 양의 국부화된 열 전달을 포함한다 .
[0007]
전형적으로, 높은 열 집중을 갖는 열원이 급속 가열을 발생시키기 위해 DED 제조 공정에서 사용된다. 발생된 열은 재료의 열 팽창을 야기할 수 있으며, 이는 항복 강도의 점진적인 감소를 수반할 수 있다. 열원에 의해 발생된 열은 분말 및/또는 와이어 공급원료를 용융시키고 작업편의 일 부분에 용접 풀(weld pool)을 생성하는데 활용된다. 이러한 국부적으로 적용된 에너지는 용접 영역이 전체에 걸쳐 비교적 낮은 온도에서 유지되는 주변 영역에 대해 급격하게 가열되게 하여, 이것이 국부적으로 용융하게 한다. 용융 재료는 하중을 지지하지 않기 때문에, 열원 아래의 응력은 0 에 가깝다. 에너지 적용의 영역, 즉 용융 풀의 바로 근방 및 아래에 놓인 빌드 층들(underlying build layers)의 재료로부터 짧은 거리에서, 재료는 가열되는 결과로서 팽창하지만, 인접한 및 아래에 놓인 더 차가운 재료에 의해 제한되어, 탄성 압축 변형들을 유도한다. 결과적으로, 열원으로부터 인접한 영역들에서의 응력들은 압축이다. 열원의 인접한 영역들 내의 온도들이 높고 재료의 항복 강도가 낮기 때문에, 이들 영역들에서의 응력들은 대응하는 온도들에서 재료의 항복 강도만큼 높을 수 있다. 열 에너지 소스가 에너지 적용 영역으로부터 멀리 이동할 때, 가열 용융된 재료는 냉각되고 고체로서 수축하지만, 수축 금속은 재료의 인접하는 및 아래에 놓인 층들에 의해 기계적으로 억제된다. 계속적인 냉각 시, 물체 내부의 잔류 응력들은 전형적으로 상부 층에서 큰 인장 응력들을 나타내며 분포되고, 여기서 재료는 수축으로부터 방지되고, 아래 압축 응력들을 밸런싱(balancing)한다. 일부 적용예들에서, 상부 층에서 성장하는 인장 응력은 재료의 항복 강도의 크기에 접근할 수 있다. 밸런싱 압축력들에 대해, 왜곡 및 압축 하중들이 임계 좌굴 하중을 초과하면, 금속 구조 부재들의 좌굴이 발생할 수 있다.
[0008]
DED 공정들의 층-바이-층(layer-by-layer) 본질에 기인하여, 각각의 연속적인 층에 의해 부과되는 가열 및 냉각 하층들의 차이들은 재료 팽창과 수축 사이의 공간 경쟁을 야기할 것이며, 궁극적으로 생산되고 있는 물체에서 잔류 응력의 축적을 초래할 것이다. 용융된 금속의 고온 층들이 빌드되고 있는 물체의 이전의 더 차가운 층 상에 증착되기 때문에, 열원으로부터의 열이 작업편을 가로질러 이동할 때, 국부적으로 큰 열 구배 및 상당한 수축이 있어, 양립할 수 없는 변형 필드에 의해 야기된 잔류 응력을 작업편 내로 도입할 수 있다. 층 상의 층의 응고 동안 발생하는 종방향 및 횡방향 수축은 애즈-증착된 예비성형체 내부의 잔류 응력들의 축적(buildup)을 증폭시킬 수 있다. 응력들은 재료의 인장 탄성률, 열팽창 계수, 및 냉각시 수축률의 함수일 수 있다. 만일 이들 양립할 수 없는 변형들로부터 유래하는 응력들이 완성된 물체 내에 남아있고 경감되지 않는다면, 잔류 응력들은 물체의 굽힘, 좌굴 및 회전과 같은 물체의 원치 않는 왜곡을 야기하는 내부 힘을 생성하도록 결합 및 반응할 수 있다. 통상적인 적층 제조 공정 동안 형성될 수 있는 잔류 응력들은 때때로 적층 제조된 물체에서 상당한 왜곡, 부정합, 찢어짐 또는 응력-유발 크랙들의 형성을 야기할 정도로 충분히 크다(도 1a 내지 도 1h 참조).
[0009]
형성된 제품에서의 응력 유도를 측정, 또는 예측하기 위해 모델링하는 방법들이 해당 기술분야에 공지되어 있다[예컨대, 미국 특허 제9,555,475 호(Sidhu 등 (2017)); 제9,950,476 호(Nguyen 등 (2018)) 참조]. 이들 단점들을 해결하기 위해 개발된 종래 기술들은 제한된 성공을 겪었다. 예를 들어, 후속 층의 형성 전에 고형화된 재료를 소성 변형시키기 위한 후-용접 고압 기계적 롤링(post-weld high pressure mechanical rolling)이 사용되고 있다[예컨대, Colegrove 등, 영국 특허 출원 GB2491472 (2012) 참조]. 미국 특허 출원 공개 US2017/0326681 호[Sidhu 등(2015)]에 교시된 것들과 같은 피닝(peening) 공정들이 적층 제조된 부품들의 빌드 동안 증착된 각 금속 층에 대해 왜곡을 완화하는데 유용한 것으로 교시되어 있다. 이들 공정들에서, 하나 이상의 충격 처리 디바이스들이 증착된 층의 적어도 일부분을 냉각 후 소성적으로 변형시키기 위해 작업편 상의 공통 지점을 피닝(peen)하거나 타격하는데 사용된다. 각각의 충격 처리 디바이스는 작업편을 1 회 이상 타격할 수 있고, 20 Hz까지의 주파수에서 타격할 수 있다. 레이저 피닝(laser peening)이 또한 작업편에 잔류 압축 응력을 부과하는데 사용되고 있다[미국 특허 출원 공개 US2014/0367894 Kramer 등 (2014) 참조]. 이러한 방법들은 피닝 또는 롤링 공구들에 의해 액세스될 수 없는 영역들에서 잔류 응력을 경감시켜야 하는 복잡한 형상의 부품들에 적합하지 않다. 이들은 또한 작업편을 제조하기 위한 시간 및 복잡성을 증가시킬 수 있고, 따라서 과도하게 비싸거나 활용하기에 비실용적일 수 있다.
[0010]
이러한 방법들은 또한 층들 사이의 대기 시간을 증가시킬 수 있고, 이는 생산성에 부정적으로 영향을 줄 수 있고 잠재적으로 제작 자유도를 제한할 수 있다. 층 증착 사이의 과도한 냉각은 또한 층들 사이의 온도 차이를 증가시키고 잔류 응력 발생을 더욱 악화시킬 수 있다. 증착된 층을 물리적으로 가공하는 방법들에 있어서, 툴링(tooling)으로부터 오염들은 또한 적층 공정에서 최종 제품의 층들 사이에 임의의 오염물들이 봉입될 수 있기 때문에 우려가 될 것이다.
[0011]
따라서, 전통적인 적층 제조 공정들에서 달성되는 것보다 감소된 또는 최소화된 잔류 응력, 또는 왜곡, 또는 둘 다를 갖는 금속 제품들을 산출하는 적층 제조 시스템에서 금속 증착의 속도로 직접 금속 증착을 수행하는 경제적인 방법에 대한 이 기술분야의 요구가 존재한다. DED 제조된 물체에서 잔류 응력들 또는 균열의 발생을 감소시키는 DED 공정들을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 추가적인 금속 층들이 증착됨에 따라 제조되고 있는 물체의 국부적 왜곡의 발생을 감소시키는 DED 공정들을 제공하는 것이 또한 바람직할 것이다.
[0012]
따라서, 본 명세서에 제공된 실시예들은 관련된 기술분야의 제한들 및 단점들로 인한 문제점들 중 하나 이상을 실질적으로 제거하는 적층 제조 공정들을 사용하여 감소된 또는 최소화된 잔류 응력, 또는 왜곡, 또는 둘 모두를 갖는 작업편들의 생산에 관한 것이다. 구체화되고 넓게 설명된 바와 같이, 개선된 재료 품질을 갖는 제품들을 달성하기 위해 금속 적층 제조 동안 잔류 응력 또는 왜곡 또는 둘 모두를 감소시키거나 또는 최소화하기 위한 디바이스들, 시스템들 및 방법들이 제공된다. 잔류 응력 또는 왜곡의 이러한 감소들을 갖는 DED 제조된 제품들은 증가된 강도, 피로 저항 및 내구성을 나타낸다. 제공된 장치들, 시스템들 및 방법들은 DED 형성된 제품들의 처리량 및 수율을 증가시킬 수 있고, 규정된 공차들 내에서 작업편들을 산출할 수 있다.
[0013]
본 명세서에 제공된 방법들은 잔류 응력 또는 왜곡 또는 둘 모두를 감소 또는 제거할 수 있기 때문에, 방법들은 매체의 DED 형성된 구성요소를 큰 크기(예컨대, 3 m까지)로 제작하는데 사용될 수 있고, 이는 통상적인 적층 제조 공정들을 사용하여 쉽게 생산될 수 없다. 게다가, 통상적인 DED 금속 구조에서 전형적인 많은 양의 잔류 응력, 왜곡 또는 이들의 조합의 감소 또는 제거 때문에, 기하학적으로 공차들 및 사양들 내에 있는 제조된 금속 구조들이 생산될 수 있다.
[0014]
잔류 응력 및 왜곡이 종종 금속들, 특히 안전-중요(safety-critical) 적용예들을 위한 DED 기술들의 메인스트림 수용(mainstream acceptance)에 대한 가장 중요한 장벽들로서 보여질 수 있기 때문에, 잔류 응력 또는 왜곡을 최소화할 수 있는 본 명세서에 제공된 디바이스들, 시스템들 및 방법들은 새로운 시장들을 개방할 수 있거나 또는 DED 생산된 구성요소들의 보다 넓은 수용을 일으킬 수 있다. 본 명세서에 제공된 디바이스들, 시스템들 및 방법들은 또한 DED 금속 구조들 내의 잔류 응력 및 왜곡에 대한 효과적인 제어를 초래할 수 있어서, 기판 및 DED 재료 둘 모두의 재료 활용 효율성들이 개선될 수 있다. 공차들 내에서 DED 생산된 제품들의 생산과 함께, 재료 활용의 이러한 개선들은 더 적은 낭비 및 재작업을 초래할 수 있으며, 이는 DED 제조 비용들을 상당히 감소시킬 수 있다.
[0015]
단일 측면의 금속 구조들의 DED 이전에 소성적으로 예비-절곡된 기판을 형성하기 위해 금속 기판을 예비-절곡하는 것을 포함하는 DED 제조 방법들이 제공된다. 또한, 소성적으로 예비-절곡된 기판을 형성하기 위해 금속 기판을 예비-절곡하는 것, 및 금속 구조들의 DED 이전에 예비-절곡된 기판을 예비-가열하는 것을 포함하는 DED 제조를 위한 방법들이 제공된다. 또한 감소된 잔류 응력 및 왜곡을 갖는 구성요소들을 제조하기 위한 장치가 제공된다. 장치는 금속 분말 및/또는 와이어 공급원료를 용융시키는데 사용되는 통상적인 DED 에너지 공급 소스들과 함께 사용될 수 있다. 장치는 소성적으로 예비-절곡된 기판을 위한 아래에 놓이는 지지 구조로서 만곡된 클램핑 몰드를 포함한다. 또한, 실행될 때 DED 공정이 아래에 놓인 만곡된 클램핑 몰드의 형상을 따르게 하는 CAD-CAM 프로그램 명령들을 사용하여 수정된 통상적인 DED 에너지는 공급 소스들을 사용하는 시스템들이 제공된다.
[0016]
DED 제조된 제품에서 왜곡을 최소화하거나 또는 방지하는 DED 제조를 위한 방법들이 제공된다. 이는 기판의 낭비 및 사용되어야만 하는 증착된 재료의 양을 최소화함으로써와 같이 제조 공정의 효율을 증가시킬 수 있다. 특히, 가장 높은 열적으로 유도된 응력 필드들이 제1 증착된 층들에 도입될 수 있고, 왜곡 효과가 특히 기판 내에서 보여질 수 있기 때문에, 본 명세서에 제공된 방법들은 통상적인 적층 제조 공정들에서 희생되거나 손실되는 기판 재료를 보존할 수 있다. 방법들은 통상적인 방법들에 비해 기판 및 DED 재료 둘 모두의 개선된 재료 활용 효율들을 초래할 수 있다. 본 명세서에 제공된 방법들은 DED 구조들에서의 잔류 응력 및 왜곡에 대한 효과적인 제어를 제공할 수 있다. 이것은 재료 낭비를 감소시킬 수 있고, 완제품에 이르는 원재료의 비율(buy-to-fly ratios) 또는 BTF 비율들은 일치(unity)에 가깝게 운영될 수 있다. 재작업 시간을 감소 또는 제거하는 것뿐만 아니라 재료 낭비를 감소시키는 것은 제조 비용을 상당히 감소시킬 수 있다.
[0017]
만곡된 클램핑 몰드가 제공된다. 만곡된 클램핑 몰드는 하나 이상의 보강 부재에 의해 분리된 2 개 이상의 공동들 및 제1 측면의 주변 주위에 평평한 표면을 갖는 림(rim)을 포함하는 제1 측면; 제1 측면에 대향하고 만곡된 표면을 가지며 너얼들(knurls) 또는 주름들(corrugations)을 포함하는 제2 측면을 포함한다. 만곡된 클램핑 몰드는 세라믹 코팅(ceramic coating)을 포함할 수 있다. 보강 부재는 몰드 강성을 유지할 수 있거나 또는 몰드 변형 저항을 제공하거나 또는 둘 모두일 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 비-자성 금속을 포함하거나 이로부터 만들어질 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 1350 ℃ 이상의 융점을 갖는 금속을 포함하거나 이로부터 만들어질 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 오스테나이트계 스테인리스 강(austenitic stainless steel)이거나 이를 포함하는 금속을 포함하거나 또는 이로부터 만들어질 수 있다. 오스테나이트계 스테인리스 강은 탄소, 크롬, 구리, 망간, 몰리브덴, 니켈, 질소, 인, 실리콘 또는 이들의 임의의 2 개 이상의 조합을 포함할 수 있다. 오스테나이트계 스테인리스 강은 적어도 18 ％ 크롬을 포함할 수 있다. 오스테나이트계 스테인리스 강은 300 시리즈 스테인리스 강일 수 있다. 오스테나이트계 스테인리스 강은 304 스테인리스 강, 309 스테인리스 강, 310 스테인리스 강, 316 스테인리스 강, 318 스테인리스 강, 321 스테인리스 강 또는 330 스테인리스 강 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
[0018]
만곡된 클램핑 몰드의 세라믹 코팅은 임의의 하나 이상의 표면들에 적용될 수 있다. 세라믹 코팅은 지르코늄 디옥사이드, 이트륨 산화물의 첨가에 의해 안정화된 지르코늄 디옥사이드, 이트륨 알루미늄 산화물, 알칼리 토금속 실리케이트, ZrV2O7, Mg3(VO4)2 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 세라믹 코팅은 ZrO2 8Y2O3를 포함할 수 있다. 세라믹 코팅은 0.1 ㎜ 내지 약 5 ㎜의 두께를 가질 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 약 3 ㎜ 내지 약 35 ㎜의 공칭 몰드 편향(nominal mold deflection)을 포함할 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 세라믹 코팅이 적용되는 본드 코트(bond coat)를 포함할 수 있다. 본드 코트는 만곡된 클램핑 몰드의 표면과 세라믹 코팅 사이에 있을 수 있다.
[0019]
또한 금속 작업편을 생산하기 위한 직접 에너지 증착 방법이 제공된다. 방법은 예비-절곡된 기판을 생산하기 위해 제1 용융 공구를 사용하여 기판의 제1 표면 상에 복수의 용융 트랙들을 형성함으로써 열 에너지로 금속 재료의 기판을 예비-절곡하는 단계; 지그에 고정될 때 예비-절곡된 기판을 지지하기 위한 아래에 놓이는 지지 구조로서 본 명세서에 기술된 만곡된 클램핑 몰드를 사용하는 단계, 및 예비-절곡된 기판 및 예비-절곡된 기판을 지지하는 만곡된 클램핑 몰드를 복수의 클램프들을 사용하여 지그에 고정하는 단계를 포함한다. 예비-절곡된 기판 및 만곡된 클램핑 몰드가 지그에 고정된 후에, 방법은, a) 베이스 재료를 형성하도록 기판의 제2 표면 상에 용융된 금속의 층을 증착하고 작업편을 형성하기 위해 베이스 재료 상에 용융된 금속의 후속 층들을 증착할 수 있거나; 또는 b) 베이스 재료를 형성하도록 기판의 제2 표면 상에 금속 분말의 층을 증착하고 기판의 제2 표면 상에서 금속 분말을 용융시키고 작업편을 형성하기 위해 베이스 재료 상에 금속 분말의 후속 층들을 증착하고 분말을 용융시킬 수 있는 적층 제조 공정에 의해 기판의 제2 표면 상에 금속 작업편을 형성하는 것을 포함하고, 여기서 기판의 제2 표면은 기판의 제1 기판에 대향한다. 방법은 기판의 제2 측면에 열 에너지를 적용함으로써 약 400 ℃ 내지 약 900 ℃의 온도로 지그에 고정된 상태에서 예비-절곡된 기판을 예비-가열하는 단계를 포함할 수 있다. 기판을 예비-절곡하는 단계는 기판 내에 열 구배들을 유도하는 단계를 포함할 수 있다. 방법들에서, 레이저 비임, 전자 비임, 플라즈마 아크, 가스 텅스텐 아크, 가스 금속 아크 및 이들의 임의의 조합 중에서 선택된 열원을 포함하는 용융 공구가 사용될 수 있다. 기판의 제1 표면을 예비-절곡(pre-bending)하는 동안, 열 에너지의 적용의 영역이 금속 재료의 융점인 온도, 또는 금속 재료의 융점보다 약 5 ℃ 내지 약 50 ℃ 낮거나 또는 높은 온도에 도달할 수 있다. 기판의 제1 표면의 예비-절곡 동안, 용융 트랙들의 형성은, 기판의 냉각 시에 각각의 용융 트랙들의 중심선에 인장 응력의 형성을 그리고 각각의 용융 트랙들의 중심선에서 떨어진 영역에 압축 응력의 형성을 초래할 수 있다. 용융 트랙의 중심선에서의 인장 응력은 기판의 항복 강도의 약 10 ％ 이내일 수 있다. 용융 트랙의 중심선에서의 인장 응력은 기판의 항복 강도의 크기를 초과할 수 있다.
[0020]
예비-절곡 단계는 용융 트랙의 냉각을 가속시키기 위해 가스 제트 디바이스를 사용하여 용융 트랙들을 향해 냉각 가스를 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 냉각 가스를 용융 트랙들을 향해 지향시키는 것은 기판 내에 열 구배를 형성할 수 있고, 냉각 시에 기판에 잔류 응력을 부과할 수 있다. 가스 분사 디바이스는 약 50 L/min 내지 약 500 L/min의 속도로 용융 트랙들을 향해 냉각 가스를 지향시킬 수 있다. 냉각 가스는 일정한 스트림으로 적용되거나, 또는 간헐적으로 적용되거나, 또는 펄스화된 유동(pulsed flow)으로 적용될 수 있다. 냉각 가스는 아르곤, 헬륨, 네온, 크세논, 크립톤 및 이들의 조합 중에서 선택된 불활성 가스를 포함할 수 있다. 냉각 가스는 100 ℃ 이하의 온도에서 적용될 수 있다. 냉각 가스는 25 ℃ 이하의 온도에서 적용될 수 있다. 가스 분사 디바이스는 냉각 가스의 난류, 냉각 가스의 층류, 또는 냉각 가스의 난류 및 층류의 조합을 생성할 수 있다. 가스 제트 디바이스는 복수의 노즐들을 포함할 수 있고, 노즐들은 냉각 가스를 용융 공구의 열원으로부터 멀어지는 방향으로 지향시킬 수 있고, 적어도 하나의 노즐은 냉각 가스를 용융 트랙의 애즈-응고된(as-solidified) 금속으로 지향시킬 수 있다.
[0021]
본 명세서에 제공된 방법들에서, 용융 트랙들은 서로로부터 등거리로 생산될 수 있다. 용융 트랙들 사이의 거리는 약 10 ㎜ 내지 약 60 ㎜ 일 수 있다. 방법은 기판의 제2 표면 상에 형성될 예비성형체의 각 벽의 중심선을 결정하는 단계; 및 기판의 제2 표면 상에 형성될 예비성형체 또는 작업편의 다수의 벽들의 중심선들로부터 약 10 ㎜ 내지 약 20 ㎜ 떨어진 기판의 제1 표면 상에 용융 트랙들을 위치 설정하는 단계를 포함한다. 다수의 용융 라인들은 기판의 제2 측면 상에 형성될 작업편의 하나 이상의 벽들에 의해 점유된 하나 이상의 영역들에 대응하는 것들 이외의 하나 이상의 위치들에서 제1 표면 상에 형성될 수 있다.
[0022]
방법들에서, 예비-절곡은 균일한 탄소성 절곡부(elasto-plastic bend)를 갖는 예비-절곡된 기판을 형성할 수 있다. 기판의 예비-절곡은 기판이 지그에 클램핑되어 지그로부터 열적으로 절연되어 있는 동안 수행될 수 있다. 기판은 복수의 클램프들을 사용하여 지그에 클램핑될 수 있고, 여기서 하나 이상의 클램프들은 예비-절곡된 기판과 접촉하는 각 표면 상에 절연 코팅을 포함할 수 있다. 절연 코팅은 세라믹 재료, 탄화규소(silicon carbide), 질화규소(silicon nitride), 탄화붕소(boron carbide) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 세라믹 재료는 알루미나, 지르코니아, 티타늄 산화물, 알칼리 토금속 실리케이트, 알루미늄 티타네이트, 지르코늄 디옥사이드, 이트륨 산화물의 첨가에 의해 안정화된 지르코늄 디옥사이드, 이트륨 알루미늄 산화물, ZrV2O7, Mg3(VO4)2 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 절연 코팅의 두께는 0.1 ㎜ 내지 5 ㎜일 수 있다. 클램프는 예비-절곡된 기판과 접촉하는 표면 상에 널링 패턴(knurling pattern) 또는 주름(corrugation)을 포함할 수 있다. 클램프들은 예비-절곡된 기판이 아래에 놓인 만곡된 클램핑 몰드와 완전히 접촉하도록 조여질 수 있다. 각각의 클램프들은 약 10 N·m 내지 약 100 N·m의 토크로 조여질 수 있다. 클램프들은 클램프들이 생산되고 있는 작업편의 벽의 시작(start) 또는 끝(end)에서 만나도록 위치 설정될 수 있다.
[0023]
본 명세서에 제공된 방법에서, 예비-절곡된 기판의 예비-가열은 a) 용융 트랙들을 형성하지만 예비-절곡된 기판의 표면을 용융시키지 않거나; 또는 b) 용융 트랙들을 형성하고 용융 트랙들에서 예비-절곡된 기판의 표면을 융융시키는 조건들 하에서 DED 열원을 포함하는 하나 이상의 용융 공구들을 사용하여 이뤄질 수 있다. 용융 공구의 위치 설정은 작업편을 형성하기 위해 사용된 스탠드오프 포지션보다 큰 스탠드오프 포지션에 있을 수 있다.
[0024]
방법들은, a) 지그에 고정된 예비-절곡된 기판의 제1 긴 에지의 약 10 ㎜ 내지 약 60 ㎜ 내에 및 제1 짧은 에지에 DED 열원을 포함하는 용융 공구를 위치 설정하는 단계; b) 표면에 에너지 적용의 제1 라인을 형성하기 위해 제1 짧은 에지에서 시작하여 표면을 가로질러 대향하는 제2 짧은 에지까지 예비-절곡된 기판의 표면을 가로질러 용융 공구의 DED 열원으로부터 열 에너지를 적용하는 단계; c) 용융 공구의 DED 열원을 제1 짧은 에지로 재위치 설정하고, 에너지 적용의 제1 라인으로부터 그리고 제2 긴 에지를 향해 약 10 ㎜ 내지 약 60 ㎜의 거리 변위시키는 단계; 및 d) 에너지 적용의 라인이 대향하는 제2 긴 에지로부터 약 10 ㎜ 내지 약 60 ㎜의 포지션으로 예비-절곡된 기판의 표면을 가로질러 적용될 때까지 단계 b) 및 c)를 반복하는 단계를 포함한다. 예비-가열은 예비-절곡된 기판의 온도를 약 350 ℃ 내지 약 650 ℃의 온도로 상승시킬 수 있다.
[0025]
금속 작업편의 형성은 금속 재료를 와이어 형태로 제공하는 단계; 베이스 재료를 형성하기 위해 용융된 금속 재료가 기판의 영역 상으로 증착되도록 금속 재료를 가열 및 용융시키기 위해 단일 용융 공구를 사용하는 단계; 용융된 금속 재료의 연속적인 증착물들(successive deposits)이 응고되어 3 차원 물체를 형성하도록 용융 공구의 포지션에 대해 베이스 재료를 미리 결정된 패턴으로 이동시키는 단계;를 포함할 수 있다.
[0026]
금속 작업편의 형성은 a) 와이어의 형태로 금속 재료를 제공하는 단계; b) 기판의 표면의 적어도 일부분을 가열하여 기판 상에 예비 가열된 영역을 형성하기 위해 제1 용융 공구를 사용하는 단계; c) 베이스 재료를 형성하기 위해 용융된 금속 재료가 예비 가열된 영역 상으로 증착되도록 금속 재료를 가열 및 용융시키기 위해 제2 용융 공구를 사용하는 단계; d) 미리 결정된 패턴으로 제1 용융 공구 및 제2 용융 공구의 포지션에 대해 베이스 재료를 이동시키는 단계; e) 베이스 재료 상에 예비 가열된 영역을 형성하기 위해 베이스 재료의 표면의 적어도 일부분을 가열하기 위해 제1 용융 공구를 사용하고 및 베이스 재료 상의 예비 가열된 영역 상으로 금속 재료를 용융하는 제2 용융 공구에 의해 생성된 용융된 금속 재료를 증착하는 단계; 및 f) 베이스 재료 상의 예비 가열된 영역들 상으로 용융된 금속 재료의 연속적인 증착물들이 응고되어 3 차원 물체를 형성하도록 단계들 d) 및 e)를 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
[0027]
방법들은 용융된 금속 재료의 액체-고체 바운더리(liquid-solid boundary)에 인접한 애즈-응고된 재료(as-solidified material)의 표면에 충돌하도록 냉각 가스를 지향시키기 위해, 또는 이들의 임의의 조합을 위해 가스 제트 디바이스를 사용하는 단계; 및 용융된 금속 재료의 연속적인 증착물들이 응고되어 3 차원 물체를 형성하도록 미리 결정된 패턴으로 용융 공구(들) 및 가스 제트 디바이스의 포지션에 대해 베이스 재료를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 제1 용융 공구는 PTA 토치, 레이저 디바이스, 동축 분말 피드(feed) 노즐 레이저 시스템, 전자 비임 디바이스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있고, 제2 용융 공구는 PTA 토치, 레이저 디바이스, 동축 분말 피드 노즐 레이저 시스템, 전자 비임 디바이스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 제1 용융 공구는 제1 PTA 토치를 포함할 수 있고, 제2 용융 공구는 제2 PTA 토치를 포함할 수 있다. 제1 용융 공구는 레이저 디바이스를 포함할 수 있고, 제2 용융 공구는 PTA 토치를 포함할 수 있다. 제1 용융 공구는 PTA 토치를 포함할 수 있고, 제2 용융 공구는 레이저 디바이스를 포함할 수 있다. 제1 용융 공구는 동축 분말 피드 노즐 레이저 시스템을 포함할 수 있고, 제2 용융 공구는 레이저 디바이스를 포함할 수 있다. 제1 용융 공구는 동축 분말 피드 노즐 레이저 시스템을 포함할 수 있고 제2 용융 공구는 PTA 토치를 포함할 수 있다. 제1 용융 공구는 PTA 토치를 포함할 수 있고 제2 용융 공구는 전자 비임 디바이스를 포함할 수 있다. 제1 용융 공구는 전자 비임 디바이스를 포함할 수 있고 제2 용융 공구는 PTA 토치를 포함할 수 있다. 제1 용융 공구는 전자 비임 디바이스를 포함할 수 있고 제2 용융 공구는 레이저 디바이스를 포함할 수 있다. 제1 용융 공구는 레이저 디바이스를 포함할 수 있고 제2 용융 공구는 전자 비임 디바이스를 포함할 수 있다. 제2 용융 공구가 PTA 토치를 포함할 때, PTA 토치는 PTA 토치의 전극이 캐소드(cathode)가 되도록 그리고 금속 재료가 애노드(anode)가 되는 소모성 전극일 수 있도록 직류 전원에 전기적으로 연결될 수 있다.
[0028]
본 명세서에 제공된 방법들에서, 기판을 예비-절곡하는 단계, 예비-절곡된 기판을 예비-가열하는 단계, 및 금속 작업편을 형성하는 단계의 각각을 포함하는 방법들의 모든 단계는 불활성 분위기를 포함하는 폐쇄된 챔버 내부에서 수행될 수 있다. 불활성 분위기는 아르곤, 네온, 크세논, 크립톤, 헬륨 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
[0029]
또한 직접 에너지 증착을 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 예비-절곡된 기판을 고정하기 위한 지그; 예비-절곡된 기판이 지그에 고정될 때 및 지그 사이에 위치 설정될 본 명세서에서 설명된 바와 같은 만곡된 클램핑 몰드; 지그에 예비-절곡된 기판을 고정하기 위한 절연된 클램프들; 베이스 재료의 표면 상에 증착되는 금속 용융 재료로 금속의 소스를 융융하도록 DED 열원을 포함하는 하나 이상의 용융 공구; 액체 용융 풀의 액체-고체 바운더리에 인접한 애즈-응고된 재료에 충돌하도록 또는 이들의 임의의 조합에 냉각 가스를 지향시키는 가스 제트 디바이스; 냉각 가스의 공급부; 및 용융 공구 및 가스 제트 디바이스에 대해 베이스 재료를 위치 설정하고 이동시키기 위한 액추에이터를 포함할 수 있다.
[0030]
본 명세서에 기재된 실시예들의 추가적인 특징들 및 이점들은 후속하는 설명에서 제시될 것이고, 부분적으로 설명으로부터 명백해지거나, 또는 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있다. 예시적인 실시예들의 목적들 및 다른 이점들은 본 명세서의 기재된 상세한 설명 및 청구항들뿐만 아니라 첨부된 도면들에서 특히 지적되는 구조에 의해 실현되고 달성될 것이다.
[0031]
앞선 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 모두 예시적이고 설명하기 위한 것이며, 청구되는 본 발명의 추가의 설명을 제공하도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다.
[0032]
본 발명의 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 실시예들을 예시하며, 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
[0033] 도면들에서:
[0034] 도 1a는 응력 완화 없는 통상적인 DED 적증 제조를 사용하여 생산된 작업편의 사진이다. 도 1b 및 도 1c는 부정합을 도시한다(화살표들은 부정합된 포지션들을 가리킨다). 도 1d, 도 1e 및 도 1f는 작업편의 균열을 도시한다(화살표들은 균열들을 가리킨다). 도 1g 및 도 1h는 작업편의 찢어짐을 도시한다(화살표들은 찢어진 곳들을 가리킨다).
[0035] 도 2a는 리지들(ridge)이 절두체형(frustum-type) 형상, 특히 절두 피라미드(truncated pyramid) 형상인 예시적인 단면 형상을 갖는 주름진 만곡된 표면을 갖는 실시예를 도시하는 만곡된 클램핑 몰드의 측면도이다. 도 2b는 DED 기판(플레이트)과 접촉할 만곡된 표면 상에 파선(도면에서 과장된)으로 세라믹 코팅을 도시하는 동일한 만곡된 클램핑 몰드의 측면도이다. 도면은 또한 공칭 몰드 편향(hmold)을 도시한다. 도 2c는 절두체형, 특히 절두 피라미드 형상인 예시적인 단면 형상(확대된 뷰)을 도시한다.
[0036] 도 3a는 동일한 만곡된 클램핑 몰드의 평면도이다. 도 3b는 동일한 만곡된 클램핑 몰드의 등각 투시도이다.
[0037] 도 4는 X-형상 보강 부재에 의해 분리된 4 개의 삼각형 공동들을 갖고 주변 림을 갖는 만곡된 클램핑 몰드의 저면도이고, 여기서 주변 림 및 X-형상의 보강 부재는 공통 평면을 공유한다. 단지 주변 림과 보강 부재는 만곡된 클램핑 부재가 지그 또는 용접 테이블 상에 배치될 때, 지그 또는 용접 테이블과 같은 클램핑 고정구 플랫폼과 접촉한다.
[0038] 도 5는 예시적인 급속 냉각 가스 분사 디바이스를 도시한다.
[0039] 도 6은 기판을 예비-절곡하기 위해 기판의 제1 측면 또는 후면 상에 생성된 용융 트랙들, 및 기판의 제2 측면 또는 전면 상에 형성된 작업편의 DED 뒷벽(backwall)을 예시한다.
[0040] 도 7a는 기판을 열원을 향해 예비-절곡하기 위해 기판의 후면 또는 제 1 측면의 상부 표면 상에 용융 트랙들을 생성하기 위해 DED 에너지 소스를 이동시키기 위해 사용될 수 있는 예시적인 가열 경로를 예시한다.
[0041] 도 7b는 기판의 뒤집힌 전면 또는 제2 측면 상에 제조될 오버레이된(회색 파선) DED 작업편에 대해, 기판의 후면 또는 제1 측면 상에 가열 경로들에 의해 생성된 열적으로 유도된 예비-절곡 용융 트랙들의 상대적인 포지션들을 개략적으로 예시한다.
[0042] 도 8a는 용융 트랙들을 유도하고 기판을 예비-절곡하기 위해 가열될 때 기판을 초래하는 균일한 종방향 휘어짐(bowing)을 예시한다. 도 8b에서 기판은 거꾸로 뒤집어져 있다. 도시된 기판에서, 플레이트의 평면에 수직인 최대 공칭 기판 편향(410)은 약 15 ㎜이었다. 양 도면들에서 예비-절곡된 기판은 지그(400) 위에 놓여있다.
[0043] 도 9a는 저면도를 예시하고, 도 9b는 측면도를 예시하고, 그리고 도 9c는 예시적인 절연된 고강도 강 클램프의 비스듬히 위에서 본(skewed overhead) 3 차원 도면을 도시한다. 도면들은 클램프가 소성적으로 예비-절곡된 기판 및 지그를 부착하기 위해 사용될 때 절연된 고강도 강 클램프와 예비-절곡된 기판 사이의 전도에 의한 열 유동을 최소화하기 위해 세라믹 코팅으로 코팅될 수 있는 예시적인 표면들을 도시한다.
[0044] 도 10은 예비-절곡된 기판을 지그에 부착하기 위해 절연된 또는 주름진 클램프들을 사용하는 예시적인 클램핑 배열을 예시한다. 예시는 클램프[또는 몇 개의 클램프들 주위에 실선 박스형 윤곽으로 도시된 바와 같이 몇 개의 클램프들이 조합되어 사용될 때 클램핑 엔티티(clamping entity)]의 중심선들이 가능한 어디든지 DED 벽들의 시작/끝 포지션들의 중심선들과 만나도록 클램프들이 위치 설정될 수 있다는 것을 도시한다. 이들 기판 클램핑 제약들은 주로 종방향 잔류 응력들로부터 발생하는 변형 효과들을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 비-최적 클램핑은 클램핑 제약(clamping constraint)의 부족에 의해 야기되는 국부적인 변형 또는 좌굴을 초래할 수 있다. 예시를 위해, 비-최적 클램핑 배열(650)이 도면의 파선 박스로 예시되어 있다. 단지 하나의 클램프가 중심에서 벗어나게 사용되어 베이스플레이트의 상향 이동을 축방향으로 제약한다. 이는 클램프/엔티티의 중심선이 DED 벽의 시작/끝 포지션들의 중심선들을 만나지 않기 때문에, 비-최적 클램핑 배열이다.
[0045] 도 11은 형성될 작업편의 형상의 오버레이(overlay)를 갖는, DED 증착 전에 기판의 전면 상의 희미한 검은색(black faded) 예비-가열 경로들의 상대적인 포지션들을 개략적으로 도시한다. 예시적인 실시예는 상기 열원에 의해 y 방향으로 상기 예비-절곡된 기판의 면을 가로질러 짧은 에지로부터 짧은 에지 방향으로 적용되는 낮은 에너지 밀도의 적용을 도시한다. 도면은 예를 들어 병렬로 실행되는 두 용융 공구들의 예비-가열 시퀀스들 및 공구 경로들을 나타내는 희미한 검은색 파선들과 실선들을 도시한다.
[0046] 도 12a는 기판이 예를 들어 알루미나 절연재의 시트들 또는 다른 기판 지지 메커니즘들을 사용하는 지그로부터 분리되는 통상적인 직접 에너지 증착 구성의 예를 개략적으로 도시하며, 작업편은 층 상의 층 방식으로 제조된다. 이러한 구성은 DED 기판으로부터 지그로의 열 유동을 최소화할 것이고, DED 공정에 의해 발생된 열의 인출을 방지한다.
[0047] 도 12b는 본 명세서에 제공된 만곡된 클램핑 몰드를 사용하여 직접 에너지 증착을 위한 예시적인 구성을 예시한다. 만곡된 클램핑 몰드는 예비-절곡된 기판이 지그에 부착될 때 예비-절곡된 기판을 위한 아래에 놓인 지지 구조로서 작용한다. 만곡된 클램핑 몰드는 만곡된 표면의 상부에 절연 코팅 층을 가지며, 만곡된 클램핑 몰드를 소성적으로 예비-절곡된 기판으로부터 열적으로 격리시킨다. 작업편은 층 상의 층 방식으로 제조된다.
[0048] 도 13a는 임의의 유형의 응력 완화를 겪지 않는 9.5 ㎜의 두께를 갖는 제1 기판 상에 작업편을 형성하는 DED 증착에 의해 야기된 변형을 도시한다. 왜곡은 증착 이전에 기판의 평탄도 프로파일과 비교하여 상향으로 휘어지는 기판의 짧은 에지들에서 분명하였다. 도 13b는 임의의 유형의 응력 완화를 겪지 않는 12.7 ㎜의 두께를 갖는 제2 기판 상의 DED 증착에 의해 야기된 변형을 도시한다. 도 13c는 열적 예비-절곡, 예비 가열 및 DED 프로세싱에 의한 물체의 형성에 사용되는 9.5 ㎜의 두께를 갖는 제3 기판을 도시한다.
[0049] 도 14a는 개별 클램프의 비-최적 셋업(setup)을 도시하는 예시이다. 파선 원들은 불균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역을 나타낸다. 도 14b는 균일한 압력 및 열 전달 분포를 보장하는 클램프/베이스플레이트의 접촉 영역 상으로 균일하게 분포된 하중을 예시하는 개별 클램프의 셋업을 도시하는 예시이다.
[0033] 도면들에서:
[0034] 도 1a는 응력 완화 없는 통상적인 DED 적증 제조를 사용하여 생산된 작업편의 사진이다. 도 1b 및 도 1c는 부정합을 도시한다(화살표들은 부정합된 포지션들을 가리킨다). 도 1d, 도 1e 및 도 1f는 작업편의 균열을 도시한다(화살표들은 균열들을 가리킨다). 도 1g 및 도 1h는 작업편의 찢어짐을 도시한다(화살표들은 찢어진 곳들을 가리킨다).
[0035] 도 2a는 리지들(ridge)이 절두체형(frustum-type) 형상, 특히 절두 피라미드(truncated pyramid) 형상인 예시적인 단면 형상을 갖는 주름진 만곡된 표면을 갖는 실시예를 도시하는 만곡된 클램핑 몰드의 측면도이다. 도 2b는 DED 기판(플레이트)과 접촉할 만곡된 표면 상에 파선(도면에서 과장된)으로 세라믹 코팅을 도시하는 동일한 만곡된 클램핑 몰드의 측면도이다. 도면은 또한 공칭 몰드 편향(hmold)을 도시한다. 도 2c는 절두체형, 특히 절두 피라미드 형상인 예시적인 단면 형상(확대된 뷰)을 도시한다.
[0036] 도 3a는 동일한 만곡된 클램핑 몰드의 평면도이다. 도 3b는 동일한 만곡된 클램핑 몰드의 등각 투시도이다.
[0037] 도 4는 X-형상 보강 부재에 의해 분리된 4 개의 삼각형 공동들을 갖고 주변 림을 갖는 만곡된 클램핑 몰드의 저면도이고, 여기서 주변 림 및 X-형상의 보강 부재는 공통 평면을 공유한다. 단지 주변 림과 보강 부재는 만곡된 클램핑 부재가 지그 또는 용접 테이블 상에 배치될 때, 지그 또는 용접 테이블과 같은 클램핑 고정구 플랫폼과 접촉한다.
[0038] 도 5는 예시적인 급속 냉각 가스 분사 디바이스를 도시한다.
[0039] 도 6은 기판을 예비-절곡하기 위해 기판의 제1 측면 또는 후면 상에 생성된 용융 트랙들, 및 기판의 제2 측면 또는 전면 상에 형성된 작업편의 DED 뒷벽(backwall)을 예시한다.
[0040] 도 7a는 기판을 열원을 향해 예비-절곡하기 위해 기판의 후면 또는 제 1 측면의 상부 표면 상에 용융 트랙들을 생성하기 위해 DED 에너지 소스를 이동시키기 위해 사용될 수 있는 예시적인 가열 경로를 예시한다.
[0041] 도 7b는 기판의 뒤집힌 전면 또는 제2 측면 상에 제조될 오버레이된(회색 파선) DED 작업편에 대해, 기판의 후면 또는 제1 측면 상에 가열 경로들에 의해 생성된 열적으로 유도된 예비-절곡 용융 트랙들의 상대적인 포지션들을 개략적으로 예시한다.
[0042] 도 8a는 용융 트랙들을 유도하고 기판을 예비-절곡하기 위해 가열될 때 기판을 초래하는 균일한 종방향 휘어짐(bowing)을 예시한다. 도 8b에서 기판은 거꾸로 뒤집어져 있다. 도시된 기판에서, 플레이트의 평면에 수직인 최대 공칭 기판 편향(410)은 약 15 ㎜이었다. 양 도면들에서 예비-절곡된 기판은 지그(400) 위에 놓여있다.
[0043] 도 9a는 저면도를 예시하고, 도 9b는 측면도를 예시하고, 그리고 도 9c는 예시적인 절연된 고강도 강 클램프의 비스듬히 위에서 본(skewed overhead) 3 차원 도면을 도시한다. 도면들은 클램프가 소성적으로 예비-절곡된 기판 및 지그를 부착하기 위해 사용될 때 절연된 고강도 강 클램프와 예비-절곡된 기판 사이의 전도에 의한 열 유동을 최소화하기 위해 세라믹 코팅으로 코팅될 수 있는 예시적인 표면들을 도시한다.
[0044] 도 10은 예비-절곡된 기판을 지그에 부착하기 위해 절연된 또는 주름진 클램프들을 사용하는 예시적인 클램핑 배열을 예시한다. 예시는 클램프[또는 몇 개의 클램프들 주위에 실선 박스형 윤곽으로 도시된 바와 같이 몇 개의 클램프들이 조합되어 사용될 때 클램핑 엔티티(clamping entity)]의 중심선들이 가능한 어디든지 DED 벽들의 시작/끝 포지션들의 중심선들과 만나도록 클램프들이 위치 설정될 수 있다는 것을 도시한다. 이들 기판 클램핑 제약들은 주로 종방향 잔류 응력들로부터 발생하는 변형 효과들을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 비-최적 클램핑은 클램핑 제약(clamping constraint)의 부족에 의해 야기되는 국부적인 변형 또는 좌굴을 초래할 수 있다. 예시를 위해, 비-최적 클램핑 배열(650)이 도면의 파선 박스로 예시되어 있다. 단지 하나의 클램프가 중심에서 벗어나게 사용되어 베이스플레이트의 상향 이동을 축방향으로 제약한다. 이는 클램프/엔티티의 중심선이 DED 벽의 시작/끝 포지션들의 중심선들을 만나지 않기 때문에, 비-최적 클램핑 배열이다.
[0045] 도 11은 형성될 작업편의 형상의 오버레이(overlay)를 갖는, DED 증착 전에 기판의 전면 상의 희미한 검은색(black faded) 예비-가열 경로들의 상대적인 포지션들을 개략적으로 도시한다. 예시적인 실시예는 상기 열원에 의해 y 방향으로 상기 예비-절곡된 기판의 면을 가로질러 짧은 에지로부터 짧은 에지 방향으로 적용되는 낮은 에너지 밀도의 적용을 도시한다. 도면은 예를 들어 병렬로 실행되는 두 용융 공구들의 예비-가열 시퀀스들 및 공구 경로들을 나타내는 희미한 검은색 파선들과 실선들을 도시한다.
[0046] 도 12a는 기판이 예를 들어 알루미나 절연재의 시트들 또는 다른 기판 지지 메커니즘들을 사용하는 지그로부터 분리되는 통상적인 직접 에너지 증착 구성의 예를 개략적으로 도시하며, 작업편은 층 상의 층 방식으로 제조된다. 이러한 구성은 DED 기판으로부터 지그로의 열 유동을 최소화할 것이고, DED 공정에 의해 발생된 열의 인출을 방지한다.
[0047] 도 12b는 본 명세서에 제공된 만곡된 클램핑 몰드를 사용하여 직접 에너지 증착을 위한 예시적인 구성을 예시한다. 만곡된 클램핑 몰드는 예비-절곡된 기판이 지그에 부착될 때 예비-절곡된 기판을 위한 아래에 놓인 지지 구조로서 작용한다. 만곡된 클램핑 몰드는 만곡된 표면의 상부에 절연 코팅 층을 가지며, 만곡된 클램핑 몰드를 소성적으로 예비-절곡된 기판으로부터 열적으로 격리시킨다. 작업편은 층 상의 층 방식으로 제조된다.
[0048] 도 13a는 임의의 유형의 응력 완화를 겪지 않는 9.5 ㎜의 두께를 갖는 제1 기판 상에 작업편을 형성하는 DED 증착에 의해 야기된 변형을 도시한다. 왜곡은 증착 이전에 기판의 평탄도 프로파일과 비교하여 상향으로 휘어지는 기판의 짧은 에지들에서 분명하였다. 도 13b는 임의의 유형의 응력 완화를 겪지 않는 12.7 ㎜의 두께를 갖는 제2 기판 상의 DED 증착에 의해 야기된 변형을 도시한다. 도 13c는 열적 예비-절곡, 예비 가열 및 DED 프로세싱에 의한 물체의 형성에 사용되는 9.5 ㎜의 두께를 갖는 제3 기판을 도시한다.
[0049] 도 14a는 개별 클램프의 비-최적 셋업(setup)을 도시하는 예시이다. 파선 원들은 불균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역을 나타낸다. 도 14b는 균일한 압력 및 열 전달 분포를 보장하는 클램프/베이스플레이트의 접촉 영역 상으로 균일하게 분포된 하중을 예시하는 개별 클램프의 셋업을 도시하는 예시이다.
[0050]
이제 본 발명의 실시예가 상세하게 참조될 것이며, 그 예가 첨부 도면들에 예시되어 있다.
[0051]
A. 정의들
[0052]
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련자에 의해 보통 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 달리 언급되지 않는 한, 본 명세서의 전체 개시 내용을 통해 창조되는 모든 특허들,특허 출원들, 공개된 출원들 및 공보들, 웹사이트들 및 다른 공개된 재료들은 그 전체가 인용에 의해 일부로 포함된다. 본 명세서에서의 용어들에 대한 복수의 정의들이 존재하는 경우, 이 섹션의 것들이 우선한다.
[0053]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들 "a," "an" 및 "the"는, 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 복수의 지시대상들을 포함한다.
[0054]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 범위들 및 양들은 "약(about)" 특정 값 또는 범위로서 표현될 수 있다. "약"은 또한 정확한 양을 포함한다. 따라서, "약 5 퍼센트"는 "약 5 퍼센트" 및 또한 "5 퍼센트"를 의미한다. "약"은 의도된 목적 또는 적용예에 대한 전형적인 실험 오차 내에 있다는 것을 의미한다.
[0055]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "선택적(optional)" 또는 "선택적으로(optionally)"는 후속적으로 기술된 이벤트 또는 상황이 발생하거나 발생하지 않는다는 것을 의미하며, 기재는 이벤트 또는 상황이 발생하는 경우들 및 그것이 발생하지 않는 경우들을 포함하는 것을 의미한다. 예를 들어, 시스템 내의 선택적인 구성요소는 시스템 내에 구성요소가 존재하거나 또는 존재하지 않을 수 있다는 것을 의미한다.
[0056]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "조합"은 2 개의 아이템들 또는 2 개 초과의 아이템들 사이의 임의의 연관(association)을 지칭한다. 연관은 공간적일 수 있거나 또는 공통 목적을 위해 2 개 이상의 아이템들의 사용을 지칭할 수 있다.
[0057]
본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어들 "포함하는(comprising)", "포함하는(including)" 및 "함유하는(containing)"은 동의어이고, 포괄적이거나 개방적이다. 각 용어는 추가의, 인용되지 않은 요소들 또는 방법 단계들이 선택적으로 포함될 수 있다는 것을 나타낸다.
[0058]
본 명세서에 사용된 바와 같이, "및/또는"은 그렇게 결합된 요소들, 즉 일부 경우들에는 결합적으로 존재하고 다른 경우들에는 분리되어 존재하는 요소들 중 "어느 하나 또는 둘 모두"를 의미한다. "및/또는"으로 나열된 여러 요소들은 동일한 방식으로, 즉, 그렇게 결합되어 있는 요소들 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. "및/또는" 조항에 의해 구체적으로 식별된 요소들 이외의 다른 요소들은, 구체적으로 식별된 그들 요소들과 관련되거나 관련되지 않아도 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비-제한적인 예로서, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때 "A 및/또는 B"에 대한 언급은, 일 실시예에서 A만(선택적으로 B 이외의 요소들을 포함함)을; 다른 실시예에서 B만(선택적으로 A 이외의 요소들을 포함함)을; 또 다른 실시예에서, A와 B 모두(선택적으로 다른 요소들을 포함함)를; 등을 언급할 수 있다.
[0059]
본 명세서에 사용된 바와 같이, "적층 제조(additive manufacturing)"는 또한 "적층 제작(additive fabrication)" 및 "추가적인 층 제조(additive layer manufacturing)" 및 "고체 예비성형체 제작(solid free form fabrication)" 및 "성형 금속 증착(shaped metal deposition)" 및 "층상 제조(layered manufacturing)"로도 알려져 있고 물체의 층 애프트 층(layer after layer) 제조를 구현하는 적층 공정을 지칭한다. 이 공정은 3D 모델 데이터, 와이어 또는 분말과 같은 금속 공급원료 소스, 금속 소스를 용융시키기 위한 열원(예컨대, 플라즈마 아크, 레이저 또는 전자 비임), 또는 이들의 조합을 채용할 수 있다.
[0060]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "적층 제조 시스템"은 적층 제조를 위해 사용되는 시스템을 지칭한다.
[0061]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "직접 에너지 증착" 또는 "DED"는 열원이 사용되어 재료들, 특히 금속들이 증착되고 있을때 용융에 의해 그들을 융합시키는 증착 제조 공정을 지칭한다.
[0062]
본 명세서에서 상호 교환가능하게 사용되는 용어 "플라즈마 전달 아크 토치" 또는 "PTA 토치"라는 용어는, 전기 아크 방전에 의해 불활성 가스의 스트림을 플라즈마로 가열 및 여기하고, 그런 후 고속으로 노즐 오리피스를 빠져나가는 이온화된 플라즈마 가스의 고도로 시준된 아크 컬럼을 형성하고, 아크의 강한 열을 금속 와이어 또는 기판과 같은 목표 구역으로 전달하도록 오리피스(수축 노즐과 같은)를 통해 전기 아크를 포함하는 플라즈마 가스의 유동을 밖으로 전달할 수 있는 임의의 디바이스를 지칭한다.
[0063]
본 명세서에서 사용되는 용어 "금속 재료"는 3 차원 물체를 형성하기 위해 직접 에너지 증착 공정에 채용될 수 있는 임의의 공지된 또는 생각할 수 있는 금속 또는 금속 합금을 지칭한다. 적합한 재료들의 예들은 티타늄 및 Ti-6Al-4V 합금들과 같은 티타늄 합금들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
[0064]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "열원"은 이로부터 열 에너지가 금속 와이어 또는 금속 분말과 같은 금속 재료, 또는 기판 또는 베이스 재료, 또는 이들의 임의의 조합에 전달될 수 있는 디바이스의 일부분을 지칭한다. 예시적인 열원들은 플라즈마 아크, 레이저 비임 및 전자 비임을 포함한다.
[0065]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "용융 공구"는 DED 적층 제조 공정에서 금속 재료 또는 작업편의 표면의 일부분 또는 둘 모두를 예비-가열 또는 용융하기 위한 열원을 생성하는 디바이스를 지칭한다. 예들은 열원로서 전기 아크 플라즈마를 생성하는 PTA 토치, 열원으로서 레이저 비임을 생성하는 레이저 디바이스, 및 열원으로서 전자 비임을 생성하는 전자 비임 디바이스를 포함한다.
[0066]
본 명세서에서 사용되는 용어 "베이스 재료"는 작업편을 형성하기 위해 용융된 금속이 그 상으로 증착될 목표 재료를 지칭한다. 이는 금속 재료의 제1 층을 증착할 때 기판이 될 것이다. 금속 재료의 하나 이상의 층들이 기판 상으로 증착되었을 때, 베이스 재료는 금속 재료의 새로운 층이 그 상으로 증착될 증착된 금속 재료의 상부 층일 것이다.
[0067]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "작업편"은 직접 에너지 증착을 사용하여 생산되는 금속 몸체 또는 물체를 지칭한다.
[0068]
본 명세서에서 상호 교환가능하게 사용되는 용어 "컴퓨터 보조 설계 모델(computer assisted design model)" 또는 "CAD-모델"은, 기판의 포지션 및 이동을 조절하고, DED 열원 및 금속 분말 공급부 또는 금속 와이어 피더(feeder)와 같은 금속 재료의 소스를 작동시켜서, 물체의 가상 3-차원 모델에 따라 물리적 물체를 빌드하는 것을 초래하는 패턴으로 기판 상으로 금속 재료의 연속적인 증착물들을 융합시킴으로써 물리적 물체가 빌드되는 DED 시스템에 채용될 수 있는, 형성될 물체의 임의의 공지된 또는 생각할 수 있는 가상 3-차원 표현을 지칭한다. 이는, 예를 들어, 먼저 가상 3-차원 모델을 가상 평행 층들의 세트로 분할하고 그런 후 각각의 평행 층들을 가상 준(quasi) 1-차원 조각들의 세트로 분할함으로써 3-차원 모델의 가상 벡터화된 층상 모델을 형성함으로써 획득될 수 있다. 그런 다음, 물리적 물체는 물체의 가상 벡터화된 층상 모델의 제1 층에 따른 패턴으로 기판 상으로 금속 재료 피드의 일련의 준 1-차원 조각들을 증착 및 융합하도록 제어기를 결합함으로써 형성될 수 있다.
[0069]
그 다음, 물체의 가상 벡터화된 층상 모델의 제2 층에 따른 패턴으로 이전의 증착된 층 상으로 용접 가능한 재료의 일련의 유사 1-차원 조각들을 증착 및 융합함으로써 물체의 제2 층에 대한 시퀀스를 반복한다. 반복은 전체 물체가 형성될 때까지 물체의 가상 벡터화된 층상 모델의 각각의 연속적인 층에 대해 층마다 증착 및 융합 공정을 계속한다. 그러나, 본 발명은 본 발명에 따른 배열체의 제어기를 운영하기 위한 임의의 특정 CAD-모델 및/또는 컴퓨터 소프트웨어에 묶이지 않으며, 본 발명은 임의의 특정 유형의 제어기에 묶여지지 않는다. 직접 에너지 증착에 의해 금속 3 차원 물체를 빌드할 수 있는 임의의 공지된 또는 생각할 수 있는 제어기(CAD-모델, 컴퓨터 소프트웨어, 컴퓨터 하드웨어 및 액추에이터 등)가 사용될 수 있다.
[0070]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "냉각 가스"는 용융 트랙들을 향해서와 같이 애즈-응고된 표면에 지향된 가스이고, 애즈-응고된 금속의 냉각 및 응고에 직접적으로 영향을 주고 가속한다. 가스의 온도는 그것이 상호 작용하는 표면을 냉각시키는 임의의 온도일 수 있다. 온도는 100 ℃ 미만, 또는 50 ℃ 미만, 또는 30 ℃ 미만, 또는 25 ℃ 미만, 또는 10 ℃ 미만, 또는 5 ℃ 미만, 또는 0 ℃ 미만, 또는 약 -10 ℃ 내지 약 100 ℃ 또는 약 -5 ℃ 내지 약 90 ℃, 또는 약 0 ℃ 내지 약 80 ℃의 범위일 수 있다. 온도는 약 25 ℃ 이하일 수 있다.
[0071]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "잔류 응력들"은 모든 외부 하중들이 잔류 변형 불균일성으로 인해 제거되는 경우에도 구조에 존재하는 응력들이다. 잔류 응력들은 전형적으로 자체-평형(self-equilibrating)이다.
[0072]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "지그"는 증착 동안 작업편, 몰드 및 클램프들을 제위치에 유지하거나 고정하는데 사용되는 디바이스를 지칭한다. 예를 들어, 지그는 DED 공정 동안 작업편의 기판 또는 다른 부분이 고정될 수 있는 트레이, 받침대 또는 플랫폼을 포함할 수 있다.
[0073]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "예비성형체"는 적층 제조 공정에 의해 생산된 작업편이다. 예비성형체가 최종 마무리된 부품 또는 반-마무리된 부품의 중간체일 수 있다. 예비성형체들은 최종 완성된 제품에 거의-순 형상을 가질 수 있고, 일부, 최소한의 경우, 추가적인 프로세싱을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 예비성형체가 높은 공차 구성들에 대한 최종 마무리 기계 가공을 필요로 할 수 있다.
[0074]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "buy-to-fly 비율" 또는 "BTF 비율"은 구성요소를 제작하는데 사용된 원료의 중량과 마무리된 제품의 중량의 중량 비율을 의미한다. 이 비는 초기 애즈-증착된 DED 예비성형체 형상의 형상이 완성된 구성요소의 형상에 비해 얼마나 근접하는지에 의존할 수 있다. 최종 구성요소를 제작하기 위해 DED 예비성형체로부터 제거될 필요가 있는 재료가 많을수록 BTF 비가 더 높아진다.
[0075]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 기판을 참조하여 "길이" 또는 "길이 방향"은 기판의 3 개의 치수들 중 가장 큰 치수를 따른 방향을 지칭한다.
[0076]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 기판을 참조하여 "폭" 또는 "폭 방향"은, 기판의 3개의 치수들 중 제2 최대값을 따르는 방향을 지칭하고, 전형적으로 하나의 짧은 측면으로부터 나머지 하나의 짧은 측면까지의 측정 값을 지칭한다.
[0077]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 기판을 참조하여 "두께" 또는 "두께 방향"은 기판의 3개의 치수들 중 가장 작은 치수를 따른 방향을 지칭한다.
[0078]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "고강도 강"은 300 MPa 이상의 인장 강도를 갖는 강을 지칭한다.
[0079]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "고강도 저합금 강"은 370 MPa 이상의 인장 강도를 갖는 강을 지칭한다.
[0080]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "초고강도 강"은 780 MPa 이상의 인장 강도를 갖는 강을 지칭한다.
[0081]
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "따뜻한(warm) 성형 온도"는 재결정화, 그레인 성장, 또는 야금 균열을 허용하지 않고 재료의 가단성(malleability)을 최대화하는 재료의 재결정화 온도 미만의 온도이다. 따뜻한 성형 온도는 재료에 따라 약 200 ℃ 내지 약 850 ℃의 범위일 수 있다.
[0082]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "고온 성형 온도"는 재료의 재결정 온도 초과의 온도이다. 고온 성형 온도는 재료에 따라 약 600 ℃ 내지 약 2000 ℃의 범위일 수 있다.
[0083]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "기판의 후면"은 DED 제조 동안 증착 장치로부터 멀리 대면하는 기판의 측면을 지칭한다. 예를 들어, 기판의 후면은 증착 동안 지그를 향해 지향될 수 있다. 기판의 후면은 증착이 그 상에 일어나는 측면의 대향하는 측면이다.
[0084]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "기판의 전면"은 증착 장치에 대면하는 기판의 측면을 지칭한다. 예를 들어, 기판의 전면은 그 상으로 용융 재료가 DED 동안 증착되는 측면일 수 있다. 기판의 전면은 그 상에 작업편이 DED에 의해 형성되는 측면일 수 있다. 기판의 전면은 기판의 후면의 반대 측면이다.
[0085]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "공동"은 덩어리(mass)를 횡단하지 않고 구멍을 형성하는 덩어리 내의 임의의 미충전 공간 또는 보이드(void)를 지칭한다. 공동은 중공-아웃(hollowed-out) 공간 또는 카브드-아웃(carved-out) 공간일 수 있거나, 또는 추가적인 재료를 첨가하여 형성된 공간일 수 있다.
[0086]
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 만곡된 클램핑 몰드의 "공칭 몰드 편향" 또는 "hmold(bow)"는 휘어진 표면(bowed surface)의 중심에서 측정된 휘어진 표면의 최대 높이와 만곡된 클램핑 몰드의 에지의 상부 표면 사이의 차이이다.
[0087]
반대로 명확히 지시되지 않는 한, 하나 이상의 단계 또는 동작(act)을 포함하는 본 명세서에서 청구되는 임의의 방법들에서, 방법의 단계들 또는 동작들의 순서는 방법의 단계들 또는 동작들이 인용된 순서로 반드시 제한되지는 않는다는 것을 또한 이해되어야 한다.
[0088]
B. 만곡된 클램핑 몰드
[0089]
예비성형체를 생산하기 위한 금속들의 통상적인 DED는 예비성형체에 잔류 응력을 도입할 수 있다. 금속들의 DED 동안 잔류 응력은 전형적으로 제조되고 있는 구성요소의 상이한 영역들이 상이한 열 팽창 및 수축 사이클들을 경험한다는 사실에 기인한다. 결과적인 열 응력은 비가역적인 재료 변형의 불균일한 분포를 유발할 수 있고, 이 변형 중 일부는 재료가 냉각된 후에 유지될 수 있고, 작업편 내에 내부 및 완전하게 자체-평형 응력 필드를 초래할 수 있다. 응력은, 만약 완화되지 않는다면, 많은 수의 제조 실패들을 촉진할 수 있다. 도 1a 내지 도 1h에 도시된 바와 같이, 응력 완화(도 1a) 없이 통상적인 DED 적층 제조를 사용하여 생산된 작업편이 부정합(도 1b 및 도 1c), 균열(도 1d, 도 1e, 및 도 1f) 및 찢어짐(도 1g 및 도 1h)을 나타낼 수 있다. 본 발명은 DED에 의해 잔류 응력-프리(stress-free) 및 왜곡-프리(distortion-free) 단일 측면의 금속 구성요소들을 제조하기 위해 예비-절곡된 기판을 위한 아래에 놓이는 지지 구조로서 만곡된 클램핑 몰드를 포함하는 장치, 또는 감소된 잔류 응력 또는 감소된 왜곡을 갖는 금속 구성요소들이 제공된다. 장치는 금속 분말 또는 와이어 공급원료, 또는 이들의 조합을 용융하는데 사용되는 통상적인 DED 열원들과 함께 사용될 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 평평한 또는 평면 표면을 갖는 주변 림을 포함하는 제1 측벽, 하나 이상의 보이드 영역들을 생성하는 공동들 또는 함몰부들 및 하나 이상의 보강 부재들을 포함한다. 평면 주변 및 보강 부재(들)는 공통 평면을 공유한다. 오직 주변 림과 보강 부재(들)이 지그 또는 클램핑 고정구 플랫폼과 접촉하게 된다. 만곡된 클램핑 몰드는 또한 도 2a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 제1 측면에 대향하고, 만곡된 표면을 갖는 제2 측면을 포함한다.
[0090]
사용 시, 클램핑 몰드의 제1 측면은 용접 지그를 향해 지향될 수 있다. 클램핑 몰드의 만곡된 측면은 지그로부터 멀어지게 그리고 예비-절곡된 기판을 향해 지향될 수 있고 예비-절곡된 기판에 대항하여 위치 설정될 수 있다. 주변 림의 평면 표면 및 만곡된 클램핑 몰드의 보강 부재(들)는 지그 표면 상에 평평하게 놓일 수 있다. 예비-절곡된 기판을 지그에 고정하기 위해 하나 이상의 클램프들이 사용될 수 있다. 이는 지그를 향해 가압되는 예비-절곡된 기판을 초래할 수 있어, 예비-절곡된 기판을 지그에 고정하는데 필요한 힘은, 기판과 지그 사이의 지지로서 만곡된 클램핑 몰드를 갖는 상태에서, 클램프들과 지그 사이에 있을 것이다. 실시예들에서, 예비-절곡된 기판은 축방향 하향으로 가압된다.
[0091]
일부 압축 응력은 만곡된 몰드와 예비-절곡된 기판 사이의 접촉으로 인해 만곡된 몰드 상에서 느껴질 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 그 형상을 유지하는 것을 돕기 위해 비틀림 및 변형에 저항하는 강성 재료로 제조될 수 있다. 추가적으로, 만곡된 클램핑 몰드는 열 충격, 부식에 저항성이고 비-자성(non-magnetic)인 재료로 만들어질 수 있다.
[0092]
만곡된 클램핑 몰드는 예비-절곡된 DED 기판에 대한 지지 구조로서 작용할 수 있고, 예비-절곡된 DED 기판과 지그 사이에 위치 설정된다. 예시적인 배열은, 만곡된 클램핑 몰드가 그 상으로 위치 설정되는 최하부 표면으로서 지그를 포함할 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 만곡된 클램핑 몰드의 제1 표면이 지그에 대면하도록 위치 설정된다. 만곡된 클램핑 몰드의 제1 측면의 보강 부재(들) 및 주변 림의 평면 표면은 지그 표면 상에 평평하게 놓일 수 있다. 용융 트랙들이 그 상에 존재할 수 있는 예비-절곡된 기판의 후면(제1 측면)은 지그(제2 측면)로부터 멀어지게 대면하는 만곡된 클램핑 몰드의 측면과 대면하도록 위치 설정된다. 이러한 구성에서, 예비-절곡된 기판의 후면은 만곡된 클램핑 몰드 및 지그의 만곡된 표면을 향해 하향 대면하고 있다. 하나 이상의 클램프들은, 만곡된 클램핑 몰드가 예비-절곡된 기판과 지그 사이에 있는 상태에서, 예비-절곡된 기판을 지그에 고정시킬 수 있다. 예비-절곡된 기판 상에 클램프들에 의해 가해진 힘은 예비-절곡된 기판을 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 제2 측면과 완전히 접촉하게 할 수 있어, 예비-절곡된 기판을 교정하고 그것을 만곡된 클램핑 몰드의 제2 측면의 곡률에 일치하도록 강제할 수 있다. DED 기판의 주변의 적어도 일 부분 주위의 하나 이상의 클램프들은 예비-절곡된 기판을 지그를 향해 하향으로 균일하게 압축할 수 있고 예비-절곡된 기판을 지그에 고정할 수 있다.
[0093]
만곡된 클램핑 몰드는, 기판의 임계 좌굴 응력이 초과되면, 압축 잔류 응력에 의해 생성된 탄성 불안정성(elastic instability)에 의해 야기되는 용접-유도된 좌굴 왜곡(welding-induced buckling distortion)과 같은 변형들을 완화 또는 제거하는 것을 도울 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드의 제2 표면상에 있을 수 있는 열적 절연 또는 만곡된 클램핑 몰드의 제1 표면의 공동들, 또는 이들의 조합 때문에, 만곡된 클램핑 몰드는 큰 국부적인 변형들을 유도할 수 있는 국부적인 온도 구배들의 발전, 및 결과적인 변형 패턴을 최소화할 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 예비-절곡된 기판을 가로질러 열적 및 기계적 균일성을 최적화하기 위해 예비-절곡된 기판과 일관된 경계부를 유지할 수 있다.
[0094]
기판의 치수들은 기판 상에 구성될 하나 이상의 작업편들을 수용하도록 선택된다. 전형적으로, 기판에 대한 만곡된 클램핑 몰드의 크기에 대한 유일한 제한은 만곡된 클램핑 몰드가 기판과 지그 사이에 위치 설정된 상태에서 기판이 지그에 클램핑될 수 있어야 한다는 것이다. 만곡된 클램핑 몰드는 기판과 동일한 크기로 설계될 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는, 기판이 지그에 클램핑될 수 있는 한, 기판보다 0.5 ％ 내지 10 ％ 더 크도록 설계될 수 있다.
[0095]
만곡된 클램핑 몰드는, 만곡된 클램핑 몰드가 기판과 지그 사이에 있는 상태에서 기판이 지그에 클램핑될 때 지그와 접촉하지 않는 한, 기판보다 0.05 ％ 내지 2.5 ％ 더 작도록 설계될 수 있다. 일반적으로, 만곡된 클램핑 몰드가 기판보다 훨씬 더 작다면, 이는 제조 일관성에 영향을 미칠 수 있기 때문에 바람직하지 않을 것이다. 몰드/기판 경계부 영역 외부의 열 조건들은 상이할 수 있고; 특히 서로 접촉하지 않는 영역들은 상이한 열 전달 조건들과, 그 결과 잔류 응력 분포를 경험할 수 있다.
[0096]
만곡된 클램핑 몰드는 에지들보다 중심이 더 두꺼워서, 만곡된 표면의 중심 근처에서 가장 큰 높이를 갖는 만곡된 표면을 초래한다. 본 명세서에 제공된 실시예들에서, 만곡된 클램핑 몰드의 중심에서 또는 그 근처에서 측정된 만곡된 클램핑 몰드의 높이는 약 3 ㎜ 내지 약 60 ㎜, 또는 약 12 ㎜ 내지 약 50 ㎜, 또는 약 15 ㎜ 내지 약 45 ㎜ 범위일 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드의 외측 에지들에서 또는 그 근처에서 측정된 만곡된 클램핑 몰드의 높이는 약 0.5 ㎜ 내지 약 55 ㎜, 또는 약 3 ㎜ 내지 약 45 ㎜, 또는 약 10 ㎜ 내지 약 40 ㎜ 범위일 수 있다. 측면으로부터 볼 때 만곡된 클램핑 몰드의 두께 프로파일은 만곡된 클램핑 몰드의 중심에서 가장 큰 높이를 갖고, 높이는 외측 에지들을 향해 점진적으로 감소되어 만곡된 표면을 형성한다. 만곡된 클램핑 몰드의 단면에 걸친 높이의 차이들은 만곡된 클램핑 몰드의 상부 표면에서 오목한 하향 곡선을 초래한다. 측면에서 볼 때 단면에서, 만곡된 클램핑 디바이스의 형상은 반-단축(semi-minor)이 이의 반-장축(semi-major axis)보다 훨씬 작은 타원의 상측 반부와 유사할 수 있다. 타원은 1 에 가깝지만, 1 보다 작은 편심률을 가질 수 있다(1 의 편심률은 평평한 표면일 것이다).
[0097]
만곡된 클램핑 몰드의 두께는 DED 공정에 통상적으로 사용되는 세라믹 절연체의 시트들로 달성되는 것과 동일하거나 유사한 열적 절연 성질들을 모방하거나 제공하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 알루미나(Al2O3) 절연체의 하나 이상의 시트들 또는 플레이트들은 지그와 같은 클램핑 고정구 플랫폼으로부터 기판을 열적으로 분리하기 위해 통상적인 DED 공정들에 사용된다. 절연체 시트들의 통상적인 사용은 지그에 대한 열 손상의 잠재적인 위험을 감소시키는 한편, DED 공정 동안 보다 균일한 온도 분포에 기여한다. 비록 시트들 또는 플레이트들의 두께가 변할 수 있지만, 통상적으로 사용되는 시트들은 약 3 ㎜ 내지 3.5 ㎜ 두께일 수 있다. 통상적인 DED 공정에서, 세라믹 절연체 시트들의 다수의 시트들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 통상적인 공정들에서, 세라믹 절연체의 약 4 개의 시트들 또는 플레이트들이 약 12 ㎜의 절연체의 층을 제공하기 위해 사용된다. 보다 많거나 더 적은 세라믹 절연체 시트들이 통상적으로 사용될 수 있다. 이러한 알루미나 절연체 플레이트들은 크기로 절단될 수 있지만, 그렇게 함으로써 호흡관 또는 눈 자극을 초래할 수 있는 알루미나의 입자들을 방출할 수 있다. 알루미나 절연체 시트들은 또한 흡습성이 되는 경향이 있어, 초기에 DED 공정의 열 온도 동안 수증기를 방출할 수 있고, 이는 프로세싱 동안 증착 환경의 변동들을 초래할 수 있어, 바람직하지 않다. 기판과 지그 사이에 통상적으로 사용되는 세라믹 절연체 시트들은 또한 취성 및 취약성에 기인하여 사용 후에 폐기되어야 하며, 따라서 DED 제조의 비용에 더해지는 소모품에 해당한다.
[0098]
만곡된 클램핑 몰드는 통상적인 세라믹 절연체 플레이트들과 조합하여 사용될 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 전통적인 세라믹 절연체 플레이트들을 대체할 수 있고, 동일한 높이를 유지하면서 유사한 열적 절연을 제공할 수 있어, DED에 의해 만들어질 피스를 한정하는 열원 또는 CAD-CAM 경로 계획을 제공하는 용융 공구(들)의 셋팅에 대한 최소한의 변화들이 이루어질 필요가 있다. 위에서 논의된 바와 같이, 기계-의존 작동 제한들 이외의 만곡된 클램핑 몰드의 두께에 대한 물리적 제한은 없다. 예를 들어, DED 시스템의 높이 스트로크(stroke)는 사용되는 만곡된 클램핑 몰드의 두께를 좌우할 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드의 두께는, 시스템의 높이 스트로크에 기초하여 작업편의 제조를 위한 충분한 여유를 허용하면서 몰드/지그 경계부에서의 열 유동 감소를 최대화하도록 선택될 수 있다.
[0099]
만곡된 클램핑 몰드는 DED 프로세싱의 전형적인 조건들 하에서 사용하기 위한 충분한 강도 및 온도 저항성을 갖는 임의의 금속으로 구성될 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 내식성 금속으로 만들어질 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 내열성 금속으로 만들어질 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 비-자성 금속으로 만들어질 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 1350 ℃ 이상의 융점을 갖는 금속으로 만들어질 수 있다. 일부 구성들에서, 만곡된 클램핑 몰드는 오스테나이트계 스테인리스 강을 함유한다. 오스테나이트계 스테인리스 강은 탄소, 크롬, 구리, 망간, 몰리브덴, 니켈, 질소, 인, 실리콘 또는 이들의 조합을 함유할 수 있다. 오스테나이트계 스테인리스 강은 적어도 18％ 크롬을 함유할 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 300 시리즈 스테인레스 강으로 만들어질 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 스테인레스 강 시리즈 304, 309, 310, 316, 318, 321 또는 330으로 만들어질 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 등급 AISI 330 스테인레스 강으로 만들어질 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 아크-기반 DED 시스템들에서 용접 아크를 둘러싸는 불균형 자기장 조건들을 피하기 위해 비-자성 금속으로 만들어질 수 있고, 이 조건들는 즉, 자기 아크 블로우(magnetic arc blow)와 같은 다수의 프로세싱 문제들을 야기할 수 있다.
[00100]
DED 공정 동안 기판으로부터 만곡된 클램핑 몰드의 상부 표면으로 열 에너지 전달을 최소화하거나 방지하기 위해, 만곡된 클램핑 몰드는 세라믹 코팅을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, DED 기판(너얼들 또는 주름들을 포함하는 제2 만곡된 표면)과 대면하는 만곡된 클램핑 몰드의 표면 상에 세라믹 코팅이 적용될 수 있다. 세라믹 코팅은 만곡된 표면에 직접 적용될 수 있거나, 또는 세라믹 코팅은 제2 만곡된 표면에 직접적으로 적용되는 본드 코트에 적용될 수 있다. 세라믹 코팅은 몰드의 대향하는 제1 평평한 표면에 직접 적용될 수 있거나, 또는 세라믹 코팅은 제1 평평한 표면에 직접 적용되는 본드 코트에 적용될 수 있다. 세라믹 코팅은 만곡된 클램핑 몰드와 예비-절곡된 기판 사이의 열 접촉을 최소화하거나 방지하기 위해 열적 절연을 제공할 수 있다.
[00101]
세라믹 코팅은 대기압 플라즈마 스프레이(atmospheric plasma spray), 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 전기 영동 증착과 같은 화학적 또는 전기화학적 증착, 또는 전자 비임 물리적 기상 증착과 같은 물리적 기상 증착을 포함하는 임의의 공정을 사용하여 적용될 수 있다. 해당 기술분야에 공지된 임의의 고온 세라믹 코팅이 사용될 수 있다[예컨대, 미국 특허 제4,321,310 호(Ulion 등, 1982), 제5,789,330 호(Kondo 등, 1998), 제5,304,519 호(Jackson 등, 1994); 제6,387,539 호(Subramanian, 2002); 및 제6,998,064 호(Gadow 등, 2006)]. 예시적인 유형의 세라믹 코팅들은 지르코늄 디옥사이드, 이트륨 산화물의 첨가에 의해 안정화된 지르코늄 디옥사이드, 이트륨 알루미늄 산화물, 알칼리 토금속 실리케이트, ZrV207, Mg3(V04)2 및 이들의 조합을 포함한다. 만곡된 클램핑 몰드는 Metco 222A, 231A, 233A, 233B, 233C 및 234A(독일, 프랑크푸르트, Oerlikon Metco로부터 입수 가능)를 포함하는, Metco™ 22xx 및 23xx 분말들과 같이 상업적으로 입수 가능한 것들과 같은 플라즈마 스프레이된(plasma sprayed) ZrO2 8Y2O3과 같은 이트륨 산화물의 첨가에 의해 안정화된 지르코늄 디옥사이드로 코팅될 수 있다. 코팅은 상이한 유형들의 세라믹들의 다수의 층들, 또는 일 유형의 세라믹의 다수의 층들을 포함할 수 있다.
[00102]
만곡된 클램핑 몰드에 사용되는 세라믹 코팅은 통상적인 알루미나 절연체보다 덜 흡습성이도록 선택될 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드에 사용되는 세라믹 코팅은 통상적인 알루미나 절연체에 비해 비-흡습성이도록 선택될 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드를 사용하여 통상적인 세라믹 절연체 시트들을 대체하는 것은, 통상적인 알루미나 세라믹 플레이트들로부터 방출되는 수증기의 양과 비교하여, DED 프로세싱 동안 만곡된 클램핑 몰드의 세라믹 코팅으로부터 챔버 내로 더 적은 수증기가 방출되거나 또는 수증기가 방출되지 않기 때문에, 상당히 더 안정적인 프로세싱 챔버(processing chamber) 분위기를 초래할 수 있다.
[00103]
만곡된 클램핑 몰드는 본드 코트를 포함할 수 있다. 본드 코트는 기판과 세라믹 코팅 사이의 접착력을 증가시킬 수 있는 재료의 코팅이다. 본드 코트는 그것이 적용되는 기판에 내식성을 제공할 수 있다. 본드 코트는 단독으로 또는 세라믹 코팅과 조합하여 사용될 수 있다. 본드 코트는 크롬 및 알루미늄을 포함할 수 있다. 본드 코트는 MCrAlY를 포함할 수 있고, 여기서 M은 Co, Ni, Fe, Cr, Co 및 Ni/Co 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속이다. 일부 적용들에서, 본드 코트는 MCrAlY를 포함하고, 여기서 M은 Ni, Co 또는 이들의 조합이다. 예시적인 본드 코트 재료들은 Amdry™ 962, 9621, 9624, 9625, 963 및 964(독일, 프랑크푸르트, Oerlikon Metco로부터 입수 가능)과 같은 Amdry™ 분말 제품들을 포함한다. 본드 코트는 약 1 내지 250 ㎛의 두께로 존재할 수 있다. 예시적인 실시예들이 도 2c에 개략적으로 도시되어 있다. 리지(120)는 세라믹 코팅(150)으로 후속적으로 코팅되는 본드 코트(155)로 코팅된다.
[00104]
만곡된 클램핑 몰드에 적용된 세라믹 코팅의 두께는 사용되는 세라믹의 유형, 및 기계적 및 열적 부하들을 모두 지지하는 이의 능력에 따라 변할 수 있다. 일부 구성들에서, 전체 세라믹 코팅의 두께는 약 0.1 ㎜ 내지 약 5 ㎜, 또는 약 0.25 내지 약 4 ㎜, 또는 약 0.3 내지 약 3 ㎜일 수 있다. 각각의 증착된 층은 적용될 세라믹 코팅의 전체 양보다 더 얇을 수 있지만, 전체적으로 세라믹의 모든 적용된 층은 함께 적어도 0.1 ㎜, 또는 적어도 0.25 ㎜, 또는 적어도 0.5 ㎜, 또는 적어도 0.75 ㎜, 또는 적어도 1 ㎜, 또는 적어도 1.25 ㎜, 또는 적어도 1.5 ㎜, 또는 적어도 2.0 ㎜, 또는 적어도 2.5 ㎜, 또는 적어도 3.0 ㎜, 또는 적어도 3.5 ㎜, 또는 적어도 4.0 ㎜, 또는 적어도 4.5 ㎜인 세라믹 코팅을 형성할 수 있다. 세라믹 코팅은 0.1 ㎜, 또는 0.25 ㎜, 또는 0.5 ㎜, 또는 0.75 ㎜, 또는 1 ㎜, 또는 1.25 ㎜, 또는 1.5 ㎜, 또는 2.0 mm, 또는 2.5 ㎜, 또는 3.0 ㎜, 또는 3.5 ㎜, 또는 4.0 ㎜, 또는 4.5 ㎜ 또는 5 ㎜의 두께를 가질 수 있다. 세라믹 코팅 층은 예비-절곡된 기판으로부터 만곡된 클램핑 몰드로 전달되는 열을 감소시키는 것을 보조하여, DED 동안 예비-절곡된 기판으로부터 열 손실을 감소시킨다.
[00105]
만곡된 클램핑 몰드와 예비-절곡된 기판 사이의 열적 연통을 더 최소화하거나 방지하기 위해, 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면은 물리적으로 수정될 수 있다. 널링된(knurled) 표면은 세라믹 코팅 층의 적용 전에 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면 내로 절단될 수 있다. 리지들(ridge) 및 홈들(trough)의 조합을 포함하는 주름진 표면은 세라믹 코팅 층의 적용 전에 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면 내로 절단될 수 있다. 하나 이상의 리지들(ridge)의 표면이 널링된 표면을 갖는 리지들 및 홈들의 조합을 포함하는 주름진 표면은 세라믹 코팅 층의 적용 전에 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면 내로 절단될 수 있다. 예시적인 실시예들이 도 2a, 도 2b, 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다. 도 2a에 예시된 실시예는 주름진 상부 표면(110)을 포함하고 리지들(120) 및 홈들(130)의 조합 및 평평한 또는 평면 림(140)을 갖는 하부 표면을 포함하는 만곡된 클램핑 몰드(100)를 도시한다. 만곡된 클램핑 몰드는 도 2b에 도시된 바와 같이 각 측면 상에 에지(115)를 포함할 수 있다. 몰드의 각 측면 상의 에지(115)는 클램핑 동안 플레이트(기판)의 짧은 에지의 하향 이동을 지지 및/또는 제한하는 것을 도울 수 있다.
[00106]
본 명세서에 제공된 실시예들에서, 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면은 너얼들(knurls)을 포함한다. 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면 상의 널링된 표면은 표면 상의 직선 패턴, 대각선 패턴, 다이아몬드 패턴 또는 이들의 조합을 생성할 수 있다. 다이아몬드 널링은 수형(male) 또는 암형 널링(knurling) 패턴을 초래하도록 행해질 수 있다. 수형 다이아몬드 패턴에서, 융기된(raised) 지점들이 생성된다. 암형 다이아몬드 패턴에서, 다이아몬드 함몰부/만입부(impressions)이 생성된다. 널링은 만곡된 클램핑 몰드의 곡률의 아크(arc)에 실질적으로 수직인 곧은 측면들을 각각 갖는 컬럼들(columns)을 초래할 수 있다. 컬럼들은 평면인 상부 표면을 가질 수 있다. 컬럼들은 만곡된 상부 표면을 가질 수 있다. 컬럼들은 정사각형, 직사각형, 원형, 타원형, 마름모꼴, 사다리꼴, 삼각형, 오각형, 육각형, 7각형, 9각형, 10각형, 절두체형 형상, 절두된 피라미드 형상, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있는 단면을 가질 수 있다. 컬럼들은 스페이스에 의해 서로로부터 분리될 수 있다. 컬럼들 사이의 간극은 실질적으로 일정할 수 있다.
[00107]
본 명세서에 제공된 실시예들에서, 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면은 주름들을 포함할 수 있거나, 또는 주름져 있다. 몰드의 만곡된 표면은 교번하는 리지들 및 홈들을 포함하도록 주름질 수 있다. 주름은 만곡된 클램핑 몰드의 하나의 긴 에지로부터 나머지 하나의 긴 에지까지 이어질 수 있다. 주름은 만곡된 클램핑 몰드의 하나의 짧은 에지로부터 나머지 하나의 짧은 에지로 이어질 수 있다(예컨대, 도 3a 및 도 3b 참조). 주름은 만곡된 클램핑 몰드의 곡률의 아크에 수직인 복수의 컬럼들을 초래한다. 만곡된 표면에서 몰드의 주변 에지들은 금속 재료에 의해 윤곽이 만들어질 수 있고, 세라믹 코팅 또는 본드 코트로 코팅되지 않을 수 있다.
[00108]
리지들은 평면의 상부 표면을 갖는 컬럼들일 수 있다. 리지들은 만곡된 상부 표면을 갖는 컬럼들일 수 있다. 그루브들(grooves)은 평면 하부 표면, 또는 만곡된 또는 U-형상 하부 표면을 가질 수 있다. 그루브들은 응력 집중 및 균열 전파에 대해 보호하기 위해 둥근 코너를 포함할 수 있다. 리지들은 각각 그들의 종방향 축을 따라 횡단면을 증가시키는 테이퍼(taper)를 가질 수 있다. 단면에서, 리지들은 사다리꼴 형상을 가질 수 있다. 단면에서, 리지들은 이등변 사다리꼴 형상을 가질 수 있으며, 사다리꼴의 긴 베이스(base)는 리지의 하부를 형성하고, 사다리꼴의 짧은 베이스는 리지의 상부를 형성한다. 단면에서, 리지들은 볼록한 이등변 사다리꼴의 형상을 가질 수 있다. 단면에서, 리지들은 규칙적인 피라미드의 절두체의 형상을 가질 수 있다. 예시적인 리지들이 도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 3b에 도시되어 있다.
[00109]
단면이 절두체형 형상, 특히 절두된 피라미드 형상을 갖는 리지는, 예비-절곡된 기판이 지그에 부착될 때, 예비-절곡된 기판을 지지할 때, 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면으로의 압력의 적용으로 인한 리지의 응력 변형을 회피하면서, 리지의 상부로부터 베이스로 응력들을 전달할 수 있다. 절두체형 형상을 갖는 리지는 DED 공정 동안 적용될 수 있는 적용된 하중들, 힘들 및 모멘트들을 견딜 수 있다. 리지의 플래토(plateau)(상부 평평한 표면)에 작용하는 힘들과 모멘트들은 리지의 베이스, 그리고 궁극적으로는 만곡된 클램핑 몰드의 후면으로 전달될 수 있다. 리지가 절두체형 형상 단면을 가질 때, 리지의 베이스에서 더 큰 표면적에 적용된 하중들을 전달할 수 있다. 리지들 사이의 널링된 표면 또는 홈들은 만곡된 클램핑 몰드가 예비-절곡된 기판과 접촉하게 될 때 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면과 예비-절곡된 기판 사이에 간극들을 형성한다. 간극들은 DED 챔버의 분위기, 또는 열적 절연체로서 작용할 수 있는 아르곤과 같은 비활성 기체로 채워질 수 있다. 아르곤 가스는 매우 효과적인 열적 절연체이다. 고체/가스/고체 경계부들은 상당히 덜 전도성이고, 따라서 예비-절곡된 기판/아르곤 가스/만곡된 클램핑 몰드 사이의 이러한 특정 경계부들은 열적 장벽들로서 효과적으로 작용할 것이다. 따라서, 간극들은 또한 예비-절곡된 기판과 만곡된 클램핑 몰드 사이의 평균 열 전달 계수를 최소화하는 것을 도울 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면 상의 널링된 표면 또는 리지들 및 홈들의 조합은 또한 예비-절곡된 기판과 만곡된 클램핑 몰드 사이의 접촉의 실제 영역을 최소화하며, 추가로 열 전달을 감소시키고, 따라서 예비-절곡된 기판 내의 대부분의 열을 유지하고 지그 또는 용접 테이블로의 열 전달을 피할 수 있다. 따라서, 만곡된 표면 상의 널링된 표면 또는 주름진 표면, 및 만곡된 표면 상의 세라믹 코팅을 포함하는 만곡된 클램핑 몰드 설계는 예비-절곡된 기판으로부터 만곡된 클램핑 몰드로 전도 열 전달을 효과적으로 감소시킨다. 예비-절곡된 기판의 두께에 걸친 열 구배들이 제1 층들의 증착 동안 실질적으로 작을 수 있기 때문에, 금속 예비성형체들의 DED 동안에 발생하는 용접-유도된 잔류 응력은 감소될 것이다. 또한, 티타늄 및 Ti-6Al-4V와 같은 티타늄 합금은 높은 항복 응력 및 비교적 낮은 탄성 계수를 갖기 때문에, 이들 금속들은 실온에서 높은 정도의 스프링백(spring-back)을 나타낸다. 예비-절곡된 기판으로부터 만곡된 클램핑 몰드로 전도 열 전달의 감소는 DED 공정 동안 기판 내의 열 축적을 촉진할 수 있고, 따라서 스프링-백(spring-back)의 정도를 최소화할 수 있다.
[00110]
만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면 상의 널링된 패턴 또는 주름은, 위에서 논의된 바와 같이, 그 표면 상에 세라믹 코팅 층을 가질 수 있다. 세라믹 코팅(150)을 갖는 만곡된 클램핑 몰드(100)를 도시하는 예시적인 실시예가 도 2B에 도시되어 있다. 세라믹은 전형적으로 세라믹 코팅을 형성하기 위해 만곡된 클램핑 몰드의 표면에 적용되기 때문에, 세라믹 코팅은 또한 널링된 패턴의 홈들 또는 주름들의 홈들에 존재할 수 있다. 세라믹 코팅의 두께는 몰드로의 적용의 제한들 및 예비-절곡된 기판 및 기판이 지그에 클램핑될 때 세라믹 코팅에 대한 손상 없이, 축방향 하향 클램핑 힘들을 지지하는 세라믹의 두께의 능력만으로 제한된다. 코팅 기술의 제한들로 인해, 지지부가 지그에 클램핑될 때 세라믹 코팅에 대한 손상 없이 예비-절곡된 기판을 지지하는 세라믹 층의 능력을 유지하면서 세라믹의 보다 두꺼운 층들은 달성하기가 더 어려울 수 있다. 세라믹의 정확한 지지 강도 및 그 열 전도성은 세라믹의 조성에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 이트륨 산화물의 첨가에 의해 안정화된 지르코늄 디옥사이드에 기초한 세라믹의 2 ㎜ 코팅은 기판이 지그에 클램핑될 때 세라믹 코팅에 대한 손상 없이 기판의 양호한 기계적 지지뿐만 아니라 양호한 열적 분리도 제공할 수 있다.
[00111]
만곡된 클램핑 몰드는 쉐이핑 백(shaping back) 구조로서 기능할 수 있다. 실시예들에서, 만곡된 클램핑 몰드는 지지/쉐이핑 백 구조로서 기능할 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 예비-절곡된 기판이 상기 지그에 고정될 때 예비-절곡된 기판과 지그 사이에 위치 설정될 수 있다. 예비-절곡된 기판은 지그에 클램핑될 수 있고, 예를 들어, 기판이 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 상부 표면의 약 95 ％ 내지 100 ％와 접촉해 있는 것과 같이 완전하게 접촉하도록 할 수 있다. DED 제조 공정이 완료될 때, 자체-평형 잔류 응력 상태가 달성되며, 이는 기판을 지그에 유지하는 클램프들을 해제시킨 후 기판 및 기판 상에 빌드된 DED 구조의 상향 회복(스프링-백)을 허용한다. 기판은 클램프들로부터 해제된 후 곧게 펴진다.
[00112]
만곡된 클램핑 몰드의 공칭 몰드 편향[hmold(휘어짐)]은 도 2b에 도시된 바와 같이, 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면의 중심에서의 최대 높이와 만곡된 클램핑 몰드의 에지의 상부 표면 사이의 차이이다. 도 2b에서, 만곡된 표면의 최대 높이(180)와 만곡된 클램핑 몰드의 에지(115) 사이의 차이는 hmold이다. 몰드 길이 비(Lr)는 몰드(Li)의 새로운 x 치수와 원래의 몰드 길이(L0) 사이의 비율이다. 예측된 최대 몰드 편향(hLr)은 공식에 따라 계산되는 몰드 길이 비율(Lr)의 제곱과 공칭 몰드 편향(hmold) 사이의 곱에 대략 비례한다:
Lr = Li / L0
그리고 따라서
hLr 
hmold x Lr 2 .
[00113]
따라서, 635 ㎜ x 190 ㎜(L x W)의 xy 치수들을 갖는 만곡된 클램핑 몰드에 대해, 예측된 최대 몰드 편향(hLr)은 약 3.8 ㎜이다. 1905 ㎜ x 635 ㎜의 xy 치수들을 갖는 만곡된 클램핑 몰드와 같은 더 긴 몰드는 3(Lr = 1905/635 = 3)의 몰드 길이 비 및 3.8 x 32 
34.2 ㎜의 최대 몰드 편향(hLr)을 가질 것이다. 공칭 몰드 편향은 약 3 ㎜ 내지 약 35 ㎜일 수 있다. 따라서 몰드의 편향의 양은 몰드의 특성들에 따라 달라질 수 있다. 더 긴 기판을 수용하기 위해 만곡된 클램핑 몰드가 더 길어질 필요가 있을수록, 곡선형 클램핑 몰드의 편향은 더 높거나 커야 할 필요가 있다.
[00114]
만곡된 클램핑 몰드는 또한 몰드 강성 및 변형 저항성을 여전히 보유하면서 몰드의 하면이 공동들 또는 함몰부들을 포함하도록 설계될 수 있다. 예시적인 설계가 도 4에 도시되어 있다. 만곡된 클램핑 몰드의 하부 표면 상의 비-자성 금속의 세그먼트들은 2 개 이상의 공동들 또는 함몰부들을 생성하도록 기계 가공될 수 있다. 공동들 또는 함몰부들은 보강 부재로서의 역할을 할 수 있는 금속의 밀링되지 않은(unmilled) 영역에 의해 서로로부터 분리될 수 있다. 밀링되지 않은 금속의 영역은 또한 림을 형성하기 위해 몰드의 하부 표면의 주변부 주위에 존재할 수 있다. 이러한 설계는 몰드의 물리적 안정성을 여전히 유지하면서 만곡된 클램핑 몰드를 제작하는데 요구되는 재료의 양을 감소시킨다. 몰드를 형성하기 위해 사용되는 재료의 전체 벌크(full bulk)에 대한 필요성을 감소시킴으로써, 몰드의 중량은 몰드의 구조의 강성을 유지하면서 감소될 수 있다. 원하는 공동들 및 보강 부재들을 달성하기 위해 금속을 밀링(milling)하는 것에 대한 대안으로서, 주조 몰드가 이러한 속성들을 포함하도록 주조함으로써 만곡된 클램핑 몰드를 제작하는데 사용될 수 있고, 원하는 최종 설계를 달성하기 위해 제거될 필요가 있을 재료의 양을 최소화 할 수 있다. 추가로, 보강 부재가, 만곡된 클램핑 몰드의 하부 표면에 별도로 준비된 보강 부재를 부착함으로써와 같이, 추가될 수 있다. 보강 부재는 임의의 적절한 방법을 통해 부착될 수 있다. 예시적인 방법들은 용접, 나사들, 볼트들, 접착제 또는 이들의 조합을 포함한다.
[00115]
공동들은 임의의 형상을 가질 수 있다. 공동들은 4 개의 삼각형 공동들일 수 있고, 공동들을 서로로부터 분리하는 X-형상의 보강 부재를 형성하는 몰드 재료에 의해 분리된다. 예시적인 실시예가 도 4에 도시되어 있다. 도시된 구성에서, 기판은 삼각형 형상의 공동들(160, 162, 164, 166)을 생성하도록 기계 가공되는 한편, X-형상 보강 부재(170) 및 평평한 주변 림(140)을 형성하도록 재료를 남긴다. 평평한 주변 림(140)의 외부 표면 및 X-형상의 보강 부재(170)의 외부 표면은 동일한 평면에 있고, 지그에 고정될 때 지그 표면 상에 평평하게 놓일 수 있다. 공동들은 공동들을 서로로부터 분리하는 H-형상의 보강 부재를 형성하는 몰드 재료에 의해 분리된 4 개의 정사각형 또는 직사각형 공동들일 수 있다. 공동들은 정사각형, 직사각형, 원, 계란형, 타원형, 사다리꼴, 평행사변형, 오각형, 육각형, 7각형, 스타버스트(starburst), 십자형, 다각별, 교차하는 기하학적 형상들, 다각형, 기하학적 형상, 불규칙한 형상, 규칙적인 형상, 대칭 형상, 비대칭 형상 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 임의의 형상일 수 있다.
[00116]
제작에 필요한 비-자성 금속의 양을 감소시킴으로써 달성된 비용 절감에 추가하여, 공동-플러스(plus)-보강 부재-플러스-주변-림 설계는 몇몇 기능적인 이점들을 제공한다. 하나의 장점은 오직 몰드의 하부 표면의 밀링되지 않은 부분들이 고강도 강 지그와 접촉할 것이라는 점이다. 이는 만곡된 클램핑 몰드의 강성을 유지하면서 만곡된 클램핑 몰드로부터 지그로의 전도 열 전달을 감소시킨다. 열 전달에서의 이러한 감소는 또한 예비-절곡된 기판 내의 열 보유에 기여하여, 지그로의 손실을 최소화한다.
[00117]
추가적으로, 만곡된 클램핑 몰드의 하부 표면의 공동들은 대기 또는 아르곤 가스를 보유할 수 있다. 아르곤은 공동들 및 주변 림의 존재로 인해 몰드의 큰 부분 아래의 절연체로서 효과적으로 사용될 수 있다. 아르곤은 매우 효과적인 절연체이다. 만곡된 클램핑 몰드로부터 아래에 놓인 강 지그로의 열의 임의의 유동은 오직 열 구배의 결과로서 전도 열 전달에 의해 고체/고체 접촉 경계부(들)에 있을 것이다. 고체/기체/고체 경계부들이 상당히 덜 열 전도성이기 때문에, 만곡된 클램핑 몰드의 하부 표면 내의 공동들은 만곡된 클램핑 몰드와 지그사이의 열 장벽들로서 효과적으로 작용할 수 있다(예컨대, 공기 또는 불활성 가스 간극들). 공기 또는 불활성 가스 간극들은 베이스플레이트와 클램핑 몰드 사이 및/또는 클램핑 몰드와 지그 사이의 경계부들에서 활용되어 베이스플레이트로부터 지그로의 열 전달을 감소시키는 것을 돕는다. 따라서, 만곡된 클램핑 몰드는 예비-절곡된 기판 내에 더 많은 열을 유지하는데 도움을 줄 수 있고, 이에 의해 추가로 불균일한 온도 분포를 감소시키고 예비-절곡된 기판 내의 열 응력들을 감소시킬 수 있다.
[00118]
만곡된 클램핑 몰드는 높은 내구성을 나타낼 수 있다. 반복된 사용 후에, 만곡된 클램핑 몰드는 누적적으로 축적될 수 있는 일부 열 응력을 경험할 수 있고 [반복된 사용 후에 에지들에서 0.05 ㎜ 내지 약 0.5 ㎜ 리프트(lift)와 같은] 몰드의 약간 작은 정도의 휘어짐 왜곡(bow distortion)을 초래할 수 있다. 반복된 사용 후에 만곡된 클램핑 몰드에서 관찰된 휘어짐 왜곡의 정도는 DED 예비성형체들 상에 생성된 왜곡 완화 효과들을 상당히 변화시킬 것으로 예상되지 않는다. 상이한 물체 설계들은 상이한 크기들의 기판들을 수용하기 위해 상이한 크기들의 만곡된 클램핑 몰드들의 사용을 필요로 할 수 있다. 유사한 기하학적 형상들 및/또는 기판 크기들을 갖는 물체들의 생산을 위해 유사한 만곡된 클램핑 몰드들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유사한 기하학적 구조들 및/또는 기판 크기들을 갖는 물체들은 패밀리들(families)로 그룹화될 수 있고, 동일한 만곡된 클램핑 몰드 설계는 동일한 물체 패밀리 내에서 사용될 수 있다.
[00119]
본 명세서에 제공된 예시적인 만곡된 클램핑 몰드는 자유롭게 세워질 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 지그로부터 분리되어 이격될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 만곡된 클램핑 몰드는 지그 상에 평평하게 놓일 수 있다. 예시적인 클램핑 몰드들은 주변부 주위에 평평한 표면 또는 평면 표면을 갖는 림을 포함할 수 있다. 몰드의 곡률은 세라믹 플레이트들을 사용하여 수행된 초기 시도들에서 수집된 데이터에 기초하여 경험적으로 결정될 수 있다. 세라믹 플레이트들은, 상이한 현재의 곡률들을 생성하는데 사용되는 상이한 크기들로 절단되었고, 만곡된 몰드들에서 준비된 예비성형체들에서의 왜곡을 최소화하는 그들의 능력에 대해 시험되었다. 그런 후 모델링(modeling)이 사용되어, 실험적으로 사용된 곡률이 목표 최종 결과들, 즉, 왜곡 없는 예비성형체에 근접함을 확인하였다. 측면에서 볼 때 단면에서, 만곡된 클램핑 디바이스의 형상은 반-단축이 이의 반-장축보다 훨씬 작은 타원의 상측 반부와 유사할 수 있다. 타원은 1 에 가깝지만, 1 보다 작은 편심률을 가질 수 있다(1 의 편심률은 평평한 표면일 것이다).
[00120]
본 명세서에 제공된 만곡된 클램핑 몰드들은 지그들의 재설계가 보다 간단하게, 즉 더 가볍게, 더 저렴하게 및 더 다목적(versatile)이 되는 것을 허용할 수 있다. 현재의 지그들은 기판을 지그에 직접 클램핑할 때 그리고 DED 동안 마주치는 예상되는 반력들 및 응력들을 수용하도록 오버-설계된다. 만곡된 클램핑 몰드는 이러한 예상된 힘들 및 응력들을 감소시킬 수 있다. 본 명세서에 제공된 만곡된 클램핑 몰드들은 또한 전통적인 클램핑 배열들과 비교하여 클램핑 배열의 수정을 허용할 수 있다. 일부 적용예에서, 만곡된 클램핑 몰드가 사용될 때 기판의 전체 주변부가 지그에 클램핑될 수 있다.
[00121]
C. 직접 에너지 증착의 방법들
[00122]
본 명세서에는 특히 티타늄 및 티타늄 합금 물체들에서 직접 에너지 증착을 사용하여 제조된 물체들에서의 왜곡을 완화 또는 감소시키는 직접 에너지 증착의 방법들이 제공된다. 방법들은 물체가 그 상에 제조될 기판을 열적으로 예비-절곡하는 단계, 예비-절곡된 기판을 본 명세서에 제공된 만곡된 클램핑 몰드에 부착하는 단계, DED 증착 이전에 기판을 예비-가열하는 단계, 및 층별로 금속 층의 증착에 의해 물체를 생성하는 단계를 포함한다. 기판의 예비-절곡은 기판 내의 가파른 관통-두께 열 구배들을 유도하는 것을 포함한다.
[00123]
열적으로 유도된 예비-절곡 단계에 있어서, 열원은 기판의 제1 측면 또는 후면의 표면에 높은 에너지 밀도로 열 에너지를 적용하는데 사용될 수 있다. 열 에너지는 기판 내의 큰 열 구배들을 생성하기 위해 기판의 후면의 한정된 부분들에 적용될 수 있다. 큰 열 구배들은 기판에 높은 잔류 응력 필드를 도입할 수 있다. 열 에너지가 적용될 수 있고, 열 에너지가 적용되었던 표면의 온도의 감소가 이어질 수 있다. 실시예들에서, 가스 제트 디바이스는 냉각 가스를 적용하는데 사용될 수 있다. 냉각 가스의 적용은 냉각 속도를 증가시킬 수 있고, 그에 따라 기판에 부과된 응력을 더욱 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 열원은 PTA 토치와 같은 플라즈마 토치의 전기 아크를 포함할 수 있고, 가스 제트 디바이스는 도 5에 도시된 바와 같이 플라즈마 토치에 대한 지지부에 부착될 수 있다. 도 5에서, 가스 제트 디바이스(200)는 지지부(230)에 부착되고, 가스 제트 디바이스(200)의 노즐들(210)은 PTA 토치(250)에 의해 가열된 영역에 냉각 가스를 적용할 수 있다.
[00124]
대조적으로, 예비-가열 단계에서, 열 에너지는 x, y 및 z 방향들을 따른 온도 구배들을 최소화하기 위해 기판의 표면에 균일하게 적용된다. 열 에너지는 가열 디바이스가 허용할 때 한 기판의 전면에 가능한 한 균일하게 적용된다. 균일한 가열을 제공하는 임의의 가열 디바이스(들) 또는 방법(들)이 예비-가열을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 기판의 표면을 가로질러 열을 적용하도록 위치 설정된 히터를 사용하는 직접 가열이 사용될 수 있다. 가열 디바이스는 적외선 히터, 유도 히터, 저항 히터 또는 이들의 조합일 수 있거나 이들을 포함할 수 있다. 예시적인 히터들은 전도체-인-도관(conductor-in-conduit) 열원, 히터 스트립, 저항 가열 스트립, 적외선 히터, 포지티브 열 계수 세라믹 히터, 후막 세라믹 히터, 저항 와이어 또는 저항 리본 가열 디바이스, 적외선 히터 및 유도 히터를 포함한다. 예비-가열은 또한 기판의 표면에 열 에너지를 적용하기 위해 하나 이상의 용융 공구들을 사용하여 달성될 수 있다. 용융 공구들은 단독으로 또는 적외선 히터, 유도 히터, 저항 히터, 또는 이들의 조합과 함께 사용될 수 있다. 용융 공구(들)은 열원으로서 전기 아크 플라즈마, 레이저 비임 또는 전자 비임을 포함할 수 있고, 동일한 또는 상이한 열원들을 포함하는 복수의 용융 공구들이 사용될 수 있다. 가열 영역은 더 낮은 에너지 밀도들을 사용하여 최대화될 수 있고, 더 큰 영역에 걸쳐 더 많은 열 에너지를 적용한다. 복수의 가열 소스들이 탬덤(tandem)으로, 직렬로 또는 병렬로 사용되어, 기판을 보다 균일하게 가열하기 위해 기판의 전면 표면에 적용된 열 에너지의 다수의 "라인들(lines)"을 생성할 수 있다. 이는 낮은 에너지 밀도 가열을 사용하여 보다 균일하게 기판의 온도를 상승시키는 것을 초래하여, 특히 관통-두께 방향으로 약간의 또는 최소한의 열 구배들을 생성시킬 수 있다. 예비-가열 건조 조업들 동안 하나 이상의 용융 공구들을 사용한 열 에너지의 적용(용융된 금속을 첨가하지 않고 열 적용)은 임의의 초음파/수동 와이프 세정 절차들에 의해 남겨진 임의의 오염물들과 같은, 기판의 표면으로부터 임의의 잔류 오염물들의 효과적인 제거를 초래할 수 있다. 예비 가열은 기판의 목표 온도가 도달될 때까지 수행된다.
[00125]
일부 적용예들에서, 예비 가열 공정에 의해 달성될 목표 온도는 DED 공정 온도, 예컨대 DED 증착 온도, 또는 DED 공정 온도의 약 ± 25 ℃이다. 일부 적용예들에서, 목표 온도는 기판의 소성 변형 온도의 ± 25 ℃ 이내이다. 일부 적용예들에서, 기판이 약 400 내지 900 ℃의 온도를 가질 때까지 예비 가열이 수행된다. 일부 적용예들에서, 기판이 약 500 내지 850 ℃의 온도를 가질 때까지 예비 가열이 수행된다. 다른 저자들은, 유동 응력을 감소시키기 위해 그리고 티타늄 스프링 백을 최소화하는 것을 역시 돕기 위해 200 내지 300 ℃에서 따뜻한 성형이 또한 수행될 수 있다는 보고를 갖는다. 일부 적용예들에서, 기판이 약 595 내지 815 ℃의 온도를 가질 때까지 예비 가열이 수행된다.
[00126]
만곡된 클램핑 몰드는 예비-절곡된 기판이 지그에 클램핑됨에 따라 예비-절곡된 기판에 대한 지지부로서 작용할 수 있다. 다른 이점들 중에서, 만곡된 클램핑 몰드는 보다 일관되고 재현가능한 단부 잔류 응력 분포를 제공하고, 제작 동안 및 제작 후에 작업편의 왜곡을 최소화하는 것을 돕는다.
[00127]
DED는, 특히 관통-두께(z-방향)에서, DED 공정 동안 열 구배 발생을 완화시키기 위해 기판이 예비-가열된 후에(그리고 가열된 상태로 남아 있음) 수행될 수 있다. 제작된 물체에 어떠한 응력도 도입하지 않는 것이 최적이지만, DED 공정들은 효과적으로 용접 공정들이고, 전형적으로 제작 동안 용접-유도 잔류 응력 및 변형(deformation)의 불가피 빌드-업(build-up)을 초래할 것이다 이러한 잔류 응력들 및 변형들을 감소시키는 것은 개선된 치수 정밀도 및 우수한 기계적 특징들을 나타내는 물체들을 초래한다. 방법의 단계들은 아래에서 더 상세히 설명된다.
[00128]
1. 기판들을 예비-절곡
[00129]
본 명세서에 제공된 방법들에서, 기판은 증착 이전에 예비-절곡될 수 있다. 기판의 예비-절곡은 DED 공정의 별도의 단계일 수 있다. 본 명세서에 제공된 방법들에서, 기판을 소성적으로 변형시키고 따라서 기판을 영구적으로 그리고 균일하게 예비-절곡 하기 위해 열 에너지가 기판의 제1 측면에 적용될 수 있다. 실시예들에서, 하나 이상의 자생 용융 트랙들 또는 용접 라인들이, 열 에너지가 기판의 제1 측면의 표면을 가로질러 적용됨에 따라, 형성될 수 있다. 이는 클램프들을 사용하여 기계적 응력에 의해 기판을 물리적으로 구속 및 기계적으로 예비-절곡하는 것과 상당히 다르다. 비록 기계적 예비-절곡이 기판을 절곡하기 위해 사용될 수 있지만, 기계적 응력은 전형적으로 기판 표면의 계획된 세그먼트들의 국부적인 용융을 수반하지 않고 기판 내로 원하는 균일한 소정 변형을 도입하기에 충분하지 않다. 기계적 힘들은 기판이 클램프들로부터 해제된 후에 국부화된 가열을 적용함으로써 도입되는 것과 상이한 응력 재분배 패턴들을 도입한다. 예를 들어, 기계적 힘들 하에서 예비-절곡된 기판이 해제될 때, 기판은 열적 예비-절곡에 의해 달성되는 것보다 훨씬 더 높은 상태로 스프링백된다.
[00130]
실시예들에서, 기판은 제1 측면 및 대향하는 제2 측면을 가질 수 있다. 제1 측면은 DED 제조 동안 지그를 향해 대면하는 측면일 수 있고, 제2 측면은 그 상으로 작업편이 DED에 의해 형성되는 측면일 수 있다. 예비-절곡을 위해, 기판은 제1 측면이 위로 대면하고 후면이 지그를 향해 아래로 대면하는 상태로 지그 상으로 클램핑될 수 있다.
[00131]
기판의 예비-절곡은 기판이 평평한 상태에 있는 동안 수행될 수 있다. 기판의 예비-절곡은 기판이 복수의 클램프들을 사용하여 지그에 견고하게 연결되는 동안 수행될 수 있다. 기판의 예비-절곡은 기판이 지그로부터 열적으로 격리되는 동안 수행될 수 있다. 기판은 기판과 동일한 치수들을 갖는 알루미나 절연체의 하나 이상의 시트들을 포함함으로써 지그로부터 열적으로 격리될 수 있다. 실시예들에서, 알루미나 절연체의 4 개의 시트들이 사용될 수 있다. 지그로부터 기판의 열 격리를 제공할 수 있는 다른 재료들이 사용될 수 있다. 열 절연을 제공하는 세라믹 코팅을 갖는 일련의 리지들 및 홈들을 갖는 주름진 표면과 같은, 만곡된 클램핑 몰드와 유사한 열물리적 특징들을 갖지만, 만곡된 구성 대신에 평평한 구성인 디바이스가 사용될 수 있다. 이러한 디바이스의 사용은 알루미나 절연체 시트들 또는 절연 재료의 다른 시트들을 사용할 필요성을 제거할 수 있다.
[00132]
기판은 기판의 4 개의 에지들 모두를 따라 기판의 전체 주변부 주위에서 클램프들을 사용하여 지그에 클램핑될 수 있다. 일부 적용예들에서, 기판은 오직 기판의 2 개의 대향하는 가장 긴 에지들을 따라 클램프들을 사용하여 지그에 부착될 수 있다. 이 구성은 전기 아크 플라즈마, 레이저, 전자 비임 디바이스, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 열원이 길이 방향으로 기판의 바로 에지까지 가는 것을 허용한다. 클램핑 배열은 에너지가 에지로부터 에지까지 전달되는 것을 허용할 수 있고, 기판의 에지에 대해 끝까지 응력 필드를 생성할 수 있고, 이는 이 특정 영역에서 DED 제조 동안 도입된 후속 잔류 응력들을 밸런싱하는(balancing out) 것을 도울 수 있다.
[00133]
에지까지 또는 에지의 약 5 ㎜ 이내까지 끝까지 강한 열 에너지의 적용은 기판이 뒤틀리는 것을 최소화 또는 방지할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 에지로부터 강한 열 에너지의 적용의 끝까지의 거리가 증가함에 따라, 뒤틀림이 또한 증가한다. DED 열원이 에지에서부터 10 ㎜까지 적용될 때 생성되는 열 응력들은 열원이 에지까지 적용될 때, 또는 열원이 에지로부터 20 ㎜ 떨어진 곳까지만 적용될 때 달성된 것들과 상당히 다르다. 기판의 두께는 걱정거리가 될 응력 형성 없이 용인될 수 있는 에지로부터 떨어진 거리를 고려할 때 거의 차이가 없는 것으로 밝혀졌다. 더 두꺼운 기판들은 더 높은 아크 에너지들(또는 열 입력들)가 예비-절곡 동안 전달되는 것을 필요로 할 수 있어, 더 넓고 더 깊은 융합 프로파일이 달성될 수 있다. 이는, 예를 들어, 횡방향 속도를 감소시키거나, 또는 열 에너지 적용을 증가시키거나, 또는 둘 모두의 조합에 의해 달성될 수 있다. 더 높은 DED 예비성형체 빌드들은 또한 더 짧은 빌드들(builds)와 비교하여 덜 왜곡될 수 있고, 몰드의 곡률 반경이 더 짧은 빌드들에 대해 증가될 수 있다는 것을 의미한다.
[00134]
클램프들은 기판을 지그에 부착하기 위해 사용될 수 있고, 일정한 클램핑 힘이 모든 클램프들에 적용될 수 있다. 이는 클램프들을 지그에 연결하는 볼트들의 토크-제어된 조임에 의해 달성될 수 있다. 15 N·m과 같은 10 뉴턴 미터(N·m) 내지 20 N·m의 힘이 예비-절곡 스테이지 동안 클램프들을 지그에 연결하는 볼트들을 조이기 위해 사용될 수 있다. 더 높은 토크들이 더 두꺼운 기판에 대해 사용될 수 있다.
[00135]
DED 열원은 기판 표면 상에 자생 용융 라인들(autogenous melt lines)을 형성하기 위해 미리-결정된 순서 또는 포지션 또는 둘 모두에서 기판의 표면의 계획된 세그먼트들을 충분히 용융시키기 위해 열 에너지를 발생시킨다. 가스 제트 디바이스는 용융 트랙들을 신속하게 냉각하기 위해 용융 트랙들을 향해 냉각 가스를 지향시키는데 사용될 수 있다. 가열 또는 가열/냉각 열 사이클링(thermal cycling)은 기판 내의 잔류 응력의 제어된 형성 및 발달을 유도할 수 있다. 결과적으로, 기판의 균일한 열적으로 유도된 예비-절곡이 요구되는 바와 같이 미리-결정된 레벨들(levels)로 달성될 수 있거나 또는 제어될 수 있다.
[00136]
DED 열원은 비교적 빠른 속도들로 DED 기판 상으로 용융 트랙들을 유도하기 위해 충분한 열 에너지를 제공하도록 구성될 수 있다. 사용될 때, 가스 제트 디바이스는 기판 표면 상으로 예리한 가열/냉각 사이클을 부과하도록 l00 L/min 내지 200 L/min과 같은 높은 체적의 냉각 가스를 전달할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 전달된 아크 시스템, 및 9.5 ㎜ 내지 10 ㎜의 기판 두께를 사용할 때, 190 Amps의 전류, 25.5 V의 전압 및 10 ㎜/s의 횡단 속도가 대략 3 ㎜ 폭 및 1 ㎜까지의 깊이를 갖는 용융 트랙들을 생성하는데 사용될 수 있다. 이것은 약 485 J/㎜의 아크 에너지 전달에 해당할 수 있다. 에너지 및 횡단 속도는 더 두꺼운 기판에 대해 조정될 수 있다. 예시적인 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 제1 측면(310)을 갖는 기판(300)은 용융 트랙들(350 및 355) 사이의 공간(355)을 갖는 제1 측면(310) 상의 용융 트랙들(350 및 360), 및 기판(300)의 제2 측면(320) 상에 예비성형체(330)의 DED 뒷벽을 갖는 것으로 도시된다.
[00137]
빠른 냉각 속도들을 촉진하는 가스 제트 디바이스로부터의 냉각 가스에 추가하여 신속하게 적용된 높은 온도들은 용융 트랙들 주위에 그리고 (x, y 및 z-방향을 따라) 기판을 향해 매우 가파른 열 구배들의 형성을 초래할 수 있다. 기판의 재료의 재료 항복 강도에 가까운 높은 응력 상태가 달성될 수 있다.
[00138]
용융된 표면을 신속하게 냉각하기 위해 기판의 용융된 표면에 냉각 가스를 전달하도록 구성될 수 있는 임의의 가스 제트 디바이스가 사용될 수 있다. Ti 또는 Ti 합금 재료에 대해, 불활성 가스가 냉각 가스로서 사용될 수 있다. 불활성 가스는 아르곤, 헬륨, 크립톤, 크세논 또는 이들의 조합일 수 있다. 가스 제트 디바이스는 가스 공급원으로부터 적용 영역으로 냉각 가스를 운반할 수 있는 파이프(pipe), 튜브(tube) 또는 다른 도관 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 가스 제트 디바이스는 가스 공급원에 부착된 제1 단부, 및 냉각 가스가 기판 표면 상에, 특히 용융 트랙들의 용융된 금속의 영역에 충돌하도록 기판 상의 원하는 위치로 제2 단부를 빠져나가는 냉각 가스를 지향시키도록 위치 설정 가능한 제2 단부를 포함할 수 있다. 다중 가스 제트 디바이스는 용융 트랙의 냉각을 향상 또는 가속시키는데 활용될 수 있다. 가스 제트 디바이스의 제2 단부는 냉각 가스를 목표 위치로 지향시킬 수 있도록 조정가능하게 위치 설정될 수 있는 하나 이상의 노즐을 포함할 수 있다. 기판의 표면 상에서의 냉각 가스 충돌의 효과는 냉각 가스가 직접적으로 충돌하는 근방에서 최대일 수 있지만, 기판의 주위 영역들은 또한 냉각 가스의 근방에서 온도를 감소시키는데 유리하게 영향을 받을 수 있다. 펄스화된 가스 유동이 냉각 가스를 제공하는데 사용될 수 있다. 완전 난류 가스 유동이 냉각 효율을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 냉각 가스 제트 디바이스들은 해당 기술분야에 공지되어 있다[예컨대, 미국 특허 제4,090,697 호(Perrine, 1978); 제6,390,115 호(Rohwer 등, 2002); 및 제7,381,364 호(Yamashita, 2008) 참조]. 예시적인 가스 제트 디바이스는 2018년 6월 26일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/019,460 호에 설명되어 있다.
[00139]
가스 제트 디바이스의 파이프, 튜브 또는 도관은 DED 증착 동안 존재할 것으로 예상되는 조건들과 양립 가능한 관통 연장하는 채널을 갖는 임의의 재료일 수 있다. 가스 공급원은 압축기 또는 가스 제트 디바이스와 유체 연통하는 고압 가스의 용기와 같은 냉각 가스의 임의의 소스일 수 있다. 가압 가스를 가스 도관에 전달하는 방법들은 해당 기술분야에 공지되어 있다.
[00140]
냉각 가스는 기판 표면에 충돌하도록 가스의 목표 유량을 제공하도록 공급될 수 있다. 가스의 유량은 50 L/분 초과, 또는 100 L/분 초과, 또는 150 L/분 초과, 또는 200 L/분 초과일 수 있다. 가스의 유량은 50 L/분 내지 500 L/분일 수 있다. 가스의 유량은 50 L/분 내지 250 L/분일 수 있다. 가스의 유량은 50 L/분 내지 100 L/분일 수 있다. 유속은 빠른 냉각, 및 따라서 기판 내의 높은 열 및 응력 구배 조건들의 형성을 위해 선택될 수 있다.
[00141]
냉각 가스는 아르곤, 헬륨, 네온, 크세논, 크립톤 및 이들의 조합과 같은 불활성 가스를 포함할 수 있다. 냉각 가스는 일정한 스트림으로 적용될 수 있거나, 또는 간헐적으로 적용될 수 있거나, 또는 펄스화된 유동으로 적용될 수 있다. 적용된 냉각 가스의 온도는 임의의 온도일 수 있다. 냉각 가스 온도는 적층 제조 공정의 분위기 온도일 수 있다. 냉각 가스 온도는 약 100 ℃ 이하의 가스 온도에서 적용될 수 있다. 냉각 가스 온도는 약 실온 이하, 예컨대 약 25 ℃ 이하일 수 있다. 냉각 가스 온도는 약 -10 ℃ 내지 약 80 ℃의 범위일 수 있다.
[00142]
기판의 제2 표면 상에 형성될 예비성형체 또는 작업편에 대해, 기판의 짧은 에지에 평행한 중심선들을 갖는 DED 벽들의 수, 및 기판의 긴 에지에 평행한 중심선들을 갖는 DED 벽들의 수가 결정될 수 있다. 예비성형체 또는 작업편의 다수의 DED 벽들이 기판의 짧은 에지에 평행한 중심선들을 갖는 경우, 용융 트랙들은 기판의 짧은 에지에 평행하게 생성될 수 있다. 일반적으로, 큰 길이-대-폭 종횡비들을 갖는 기판들은 이의 가장 긴 축, 즉 왜곡의 가장 큰 효과가 예상될 수 있는 축을 따라 용융 트랙들이 생성되는 것을 필요로 할 것이다. 예비성형체 또는 작업편의 다수의 DED 벽들이 기판의 긴 에지에 평행한 중심선들을 갖는 경우, 용융 트랙들은 기판의 가장 긴 축에 따른 왜곡의 가장 큰 영향들을 상쇄시키기 위해 기판의 긴 에지에 평행하게 우선적으로 생성될 수 있다.
[00143]
기판의 제1 측면 또는 후면 상에 열적으로 유도된 예비-절곡은, 결과적인 용융 트랙들, 및 용접에 의해 야기된 종방향 및 횡방향 잔류 응력의 전형적인 분포가 기판의 제2 또는 전면 상에 증착될 예비성형체 또는 작업편의 다수의 DED 벽들의 중심선들로부터 약 10 ㎜ 내지 약 20 ㎜ 떨어져 위치 설정되도록, 적용될 수 있다. 기판의 제1 면에 적용된 예비-절곡 성형 기술은 결과적인 용융 트랙들이 기판의 제2 또는 전면 상의 기판의 긴 에지에 평행하게 증착될 작업편의 DED 벽들의 중심선들로부터 약 10 ㎜, 또는 11 ㎜, 또는 12 ㎜, 또는 13 ㎜, 또는 14 ㎜, 또는 15 ㎜, 또는 16 ㎜, 또는 17 ㎜, 또는 18 ㎜, 또는 19 ㎜, 또는 20 ㎜ 떨어져 위치 설정되도록 수행될 수 있다. 용융 트랙들은 이들이 작업편의 DED 벽들의 적어도 영역 아래에 존재할 수 있도록 위치 설정될 수 있다. 예시적인 실시예가 도 6에 도시되어 있다.
[00144]
기판의 제2 측면 상에 증착될 DED 작업편의 형상에 관한 선험적인 지식이 기판의 제1 측면에 적용된 예비-절곡 가열 절차를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 가열 절차는 DED 작업편이 구성될 영역들 하에서 최소 수의 용융 트랙들을 초래하도록 설계될 수 있다. DED 및 용융 트랙들 둘 모두의 조합으로부터 기인하는 최종 집계된 잔류 응력 분포는 용융 트랙들을 예비-절곡 시키지 않는 DED의 원래의 잔류 응력 프로파일[즉, DED 중심선에서 높은 인장 피크 및 떨어져서는 밸런싱 압축 응력들)에 비교될 때 DED의 중심선에서 더 낮은 인장 피크(tensile peak)를 가지며, DED의 중심선으로부터 떨어져서 낮은 밸런싱 압축 응력(lower balancing compressive stresses)을 갖는다.
[00145]
기판 상에 용융 트랙들을 생성하기 위한 열 에너지의 적용을 나타내는 예시적인 실시예가 도 7a에 예시되어 있다. 예시는 기판을 열원을 향해 예비-절곡하기 위해 기판의 후면 또는 제1 측면의 상부 표면 상에 용융 트랙들을 생성하도록 DED 에너지 소스를 이동하는데 사용될 수 있는 예시적인 가열 경로를 개략적으로 도시한다. 검은색 화살표들은 DED 에너지 소스의 방향/경로를 가리키고, XES를 포함하는 원들은 X가 기판(300)의 제1 측면(310)의 표면을 가로질러 1 내지 6 인 시퀀스 X를 가리키고, S는 경로(S)의 시작을 가리키고, E는 에너지 적용의 경로의 끝을 가리키고, 가열 경로를 초래한다. 예시된 패턴에서, 가열은 x 방향(1ES)을 가로질러 상부 에지에서 시작할 수 있고, 그런 후 열원은 기판을 가로질러 절반 미만의 지점까지 y 방향으로 이동될 수 있고 열은 짧은 에지로부터 짧은 에지(2ES)까지 y 방향으로 적용될 수 있다. 이 절차는 3ES, 4ES, 5ES 및 6ES에 대해 반복될 수 있다. 제1 가열 경로(370)는 1ES에 대응한다. 제2 가열 경로(371)는 2ES에 대응한다. 제3 가열 경로(372)는 3ES에 대응한다. 제4 가열 경로(373)는 4ES에 대응한다. 제5 가열 경로(374)는 5ES에 대응한다. 제6 가열 경로(375)는 6ES에 대응한다.
[00146]
미리-결정된 DED 가열/냉각 열 사이클링은 기판 내의 잔류 응력의 제어된 형성 및 발달을 유도할 수 있다. 가스 제트 디바이스(도시되지 않음)를 사용한 냉각 가스의 적용은 냉각을 가속시키는데 사용될 수 있다. 결과적으로, 기판의 균일한 열적으로 유도된 예비-절곡은 미리-결정된 레벨들로 달성/제어될 수 있다.
[00147]
도 7b는, 기판의 역전된 전면 또는 제2 측면 상에 제조될 오버레이된(overlaid)(회미한 파선) DED 작업편 예비성형체(600)에 비해, 기판의 후면 또는 제1 측면 상의 가열 경로들(370 내지 375)(1ES 내지 6ES 로 지시됨)에 의해 생성된 열적으로 유도된 예비-절곡 용융 트랙들의 상대적 포지션들을 개략적으로 예시한다. 용융 트랙들은 가열 경로들에서의 열 에너지의 적용으로부터 기인할 수 있다.
[00148]
용융 공구의 열원은 기판 내로 열 응력을 부과하기 위해 기판 상으로 미리-정해진 위치들에서 용융 트랙들을 형성하도록 기판의 후면을 가열할 수 있다. 열 응력은 기판이 절곡되게 할 수 있다. 기판이 지그에 견고하게 클램핑될 수 있기 때문에, 기판의 절곡은 기판이 지그에 부착되는 동안 분명하지 않다. 일단 클램프가 제거되면, 기판은 지그로부터 멀리 상향으로, 즉 열원의 방향으로 휘어질 수 있다. 균일하게 변형된 예비-절곡된 기판은 휘어짐(bow)의 잘-한정된 반경에 의해 한정될 수 있다. 지그에 대한 클램프들이 제거된 후, 열 에너지 적용에 의해 유발되는 기판 상으로 결과적인 균일한 탄소성 예비-절곡 효과가 도 8a에 예시되어 있다. 결과적인 기판(300)은 지그(400)로부터 멀리 상향으로 만곡되어 공칭 기판 편향을 나타낸다. 도 8b에서 기판은 거꾸로 뒤집어져 있다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 예비-절곡된 기판은 기판의 후면 상에 큰 온도 및 응력 구배들을 유도하기 위해 강한 열 에너지 및 냉각 가스의 적용에 의해 유발되는 균일한 탄소성 절곡(휘어짐)을 갖는다. 도 8b에서, 공칭 기판 편향(410)이 도시된다.
[00149]
열적으로 유도된 기판 예비-절곡 절차는 종방향 잔류 응력 분포를 초래할 수 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같이 열적으로 예비-절곡된 몇몇 예비-절곡된 기판들의 잔류 응력 맵의 비교는 잔류 응력들의 특징적인 분포를 보여주며, 여기서 큰 인장 응력들은 용접 중심선(600 ㎫까지 +σL)에서 발달하고, 더 떨어져서 압축 응력(-300 ㎫까지 -σL)에 의해 밸런싱된다.
[00150]
치수들 635 ㎜ x 190 ㎜ x 9.5 ㎜(LxWxT)을 갖는 기판에 대한 z-방향(hsub = zmax - zmin)을 따른 기판의 공칭 기판 편향[hsub(휘어짐)]은 열적으로 유도된 기판 예비-절곡이 적용된 후 15 ㎜일 수 있다. 이것은 또한 모델링에 의해 검증되었던 측정된 값이다. 기판 길이 비(Lr)는 기판(Li)의 새로운 x 치수와 635 ㎜의 기판 길이(L0) 사이의 비이다. 예측된 최대 기판 변형(hLr)은 공칭 기판 변형(hsub)과 아래 공식에 따라 계산되는 기판 길이 비율(Lr)의 제곱 사이의 곱에 대략적으로 비례한다.
Lr = Li / L0
그리고 따라서
hLr 
hsub × Lr 2 .
[00151]
예로서, 3 의 기판 길이 비를 갖는 더 긴 기판 크기(즉, Lr = 1905/635 = 3)는 열적으로 유도된 기판 예비-절곡이 적용된 후에 15 x 32 = 135 ㎜ 휘어질 것으로 예상된다. 따라서, 기판의 편향의 양은 기판의 특징들에 의존할 수 있다. 기판이 길어질수록, 더 높은/더 큰 편향이 이루어질 필요가 있을 것이다.
[00152]
기판의 후면 상에 용융 트랙들을 생성하기 위해 열 에너지를 제공하기 위한 열원은 용융 트랙들을 형성하기 위해 열 적용 영역에서 기판을 용융시키기 위해 충분한 열 에너지를 전달할 수 있는 임의의 에너지 소스일 수 있다. 사용될 수 있는 예시적인 열원들은 전기 아크 플라즈마, 레이저 비임, 전자 비임, 및 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 구성들에서, 별도의 열원들을 제공하는 2 개 이상의 용융 공구들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 열원을 제공하는 하나의 용융 공구가 기판을 예비-가열하기 위해 사용될 수 있고, 열원을 제공하는 제2 용융 공구가 용융 트랙들을 형성하기 위해 예비-가열된 기판을 용융시키는데 사용될 수 있다. 별도의 열원들을 제공하는 다중 용융 공구들이 사용되는 경우, 이들은 동일할 수 있거나 또는 이들은 서로 다를 수 있다. DED 열원들을 제공하는 다중 용융 공구의 예시적인 조합들은 전기 아크 플라즈마들을 생성하는 2 개의 PTA 토치들, 레이저 비임들을 생성하는 2 개의 레이저 디바이스들, 전자 비임들을 생성하는 2 개의 전자 비임 디바이스들, 전기 아크 플라즈마를 생성하는 PTA 토치 및 레이저 비임을 생성하는 레이저 열원, 전기 아크 플라즈마를 생성하는 PTA 토치 및 전자 비임을 생성하는 전자 비임 열원, 및 전자 비임을 생성하는 레이저 디바이스 및 전자 비임을 생성하는 전자 비임 디바이스를 포함한다.
[00153]
용융 트랙들을 형성하기 위해 열 적용 영역에서 기판의 적어도 일부를 용융시키도록 기판을 가열하기 위해 기판 표면에 충분한 열이 적용될 수 있다. 열원에 의해 전달될 목표 온도는 기판 재료의 용융 온도, 또는 기판의 용융 온도보다 5 ℃ 내지 50 ℃ 더 높은 온도, 또는 기판의 용융 온도보다 10 ℃ 내지 20 ℃ 더 높은 온도일 수 있다. 기판의 국부적인 가열은 열소성 상태에서 높은 응력상태 기판을 생성하도록 기판 내로 응력을 유도하는 것을 도울 수 있고, 기판이 지그로부터 언클램핑(unclamped)될 때, 기판은 예비-절곡 단계들에 의해 부과되는 잔류 응력들을 안정화 또는 밸런싱하기 위해 예비-절곡된 기판을 형성하도록 휘어진다. 가장 높은 응력은 전형적으로 용융 트랙에서 유도될 수 있고, 용융 트랙의 중심선에서 인장 응력 피크를 갖는다. 인장 잔류 응력 피크는 재료의 항복 강도에 가까울 수 있다. 중심선으로부터 떨어진 거리가 증가함에 따라, 잔류 응력은 압축이 된다. 상향 변위(즉, 휘어짐)의 양을 관찰함으로써 충분한 응력이 유도되었는지를 관찰할 수 있다. 변위가 높을수록 더 높은 잔류 응력이 예비-절곡 동안 도입된다. 대부분의 기판들에 대해, 최대 인장 잔류 응력은 베이스 재료의 항복 강도에 가깝다. DED에 대한 이들 용융 트랙들의 순서 및 포지션들은 목표 잔류 응력 재분배를 달성하기 위해 변화될 수 있다.
[00154]
목표 응력을 유도하는데 필요한 기판의 후면 상에 생성된 용융 트랙들의 개수 및 가열의 양은 실험적으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 물체는 제1 기판을 예비-절곡하지 않고 DED를 사용하여 제1 기판 상에 생성될 수 있고, 기판의 결과적인 왜곡이 측정될 수 있다. 제1 기판에 유사한 특징들을 갖는 제2 기판은 그런후 제1 기판에서 측정된 왜곡의 양을 완전히 또는 부분적으로 보상하기 위해 필요한 양으로 제2 기판의 후면 상에 용융 트랙들을 형성함으로써 예비-절곡될 수 있다. 목표 응력을 유도하는데 필요한 기판의 후면 상에 생성된 용융 트랙들의 수 및 가열의 양은 또한 모델링 예측들, 모델링, 계산들 또는 이들의 조합에 기초하여 결정될 수 있다. 모델링은 예컨대 기판 내의 왜곡 및 잔류 응력 발달을 예측하기 위해 사용될 수 있고, 실험들이 모델링 예측들을 확인하기 위해 사용될 수 있다. 시뮬레이션(simulation)들은 또한 실험 데이터와 매우 양호한 일치인 것으로 밝혀졌다. 일부 실시예들에서, 예비성형체의 중심선들로부터 약 10 ㎜ 내지 약 20 ㎜의 용융 트랙들의 미리-결정된 배치에 더하여, 용융 트랙들은 또한 높은 종횡비를 갖는 부품들 상에서 가장 긴 기판 길이를 따라 제조될 수 있다. 정사각형의 비교적 대칭적인 예비성형체 형상이 정사각형 기판 상에 생성될 것으로 가정하면, 기판의 하면(underside) 상으로 크로스 예비-절곡 열 에너지 적용 패턴은 종방향들 및 횡방향들 모두에서 절곡을 유도하는데 사용될 수 있다. 그 결과, 클램핑 몰드는 돔 형상을 취할 수 있다.
[00155]
형성 후, 예비-절곡된 기판은 통상적인 기판과 함께 행해질 수 있는 일관된 방식으로 취급될 수 있다. 일관성을 위해, 예비-절곡된 기판 온도가 선택될 수 있고, 동일한 온도가 유사한 예비성형체들을 형성하는데 사용될 수 있다. 예비-절곡된 기판의 온도는 사용되고 지그에 고정될 때 실온일 수 있다. 예비-절곡된 기판의 온도는 사용되고 지그에 고정될 때 50 ℃ 이상일 수 있다. 통상적인 적층 제조 공정에서, 목표 개수의 예비성형체들을 제조하는데 필요한 기판들의 수가 결정될 수 있고, 충분한 수의 예비-절곡된 기판들이 하나씩 생성될 수 있고, 그런 후 각각 개별적으로 실온과 같은 목표 온도에서 지그에 고정될 수 있다.
[00156]
2. 지그에 예비-절곡된 기판을 고정하는 것
[00157]
기판의 예비-절곡이 완료된 후, 예비-절곡된 기판은 지그 또는 용접 테이블에 부착될 수 있다. 예비-절곡된 기판은, 예컨대 지그에 부착된 클램프들을 사용하여 지그에 부착될 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 예비-절곡된 기판과 지그 사이의 아래에 놓인 지지부로서 사용될 수 있다. 예비-절곡된 기판은 만곡된 클램핑 몰드와 동일한 곡률을 가질 수 있다. 예비-절곡된 기판은 만곡된 클램핑 몰드의 곡률과 상이한 곡률을 가질 수 있다. 예비-절곡된 기판은 용융 트랙들을 갖는 후면이 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면과 접촉해 있을 수 있도록 위치 설정될 수 있다. 지그에 부착된 클램프들은 예비-절곡된 기판을 탄성적으로 변형시키기 위해 예비-절곡된 기판 상에 힘을 가할 수 있다. 클램프들은 만곡된 클램핑 몰드의 곡률에 순응하도록 예비-절곡된 기판을 강제할 수 있다. 클램프들은 고강도 강, 초고강도 강, 또는 고강도 저합금 강 으로 만들어질 수 있다.
[00158]
예비-절곡된 기판을 지그에 고정하는 클램핑이 진행됨에 따라, 예비-절곡된 기판의 곡률은 만곡된 클램핑 몰드의 곡률과 점진적으로 유사해 질 수 있고, 클램핑은 만곡된 클램핑 몰드의 최대 편향과 동일한 예비-절곡된 기판의 곡률을 초래할 수 있다. 충분한 힘이 클램프들에 의해 가해질 수 있어서, 예비-절곡된 기판의 표면이 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면과 완전히 접촉하게 된다. 더 두꺼운 기판이 더 많은 저항을 제공할 수 있고, 따라서 예비-절곡된 기판을 만곡된 클램핑 몰드에 순응시키기 위해 클램프들이 예비-절곡의 탄성 반응을 극복하도록 더 높은 힘을 적용하는 것을 필요로 할 수 있다. 클램프들이 예비-절곡된 기판을 지그에 부착하기 위해 그리고 예비-절곡된 기판을 아래에 놓인 만곡된 클램핑 지지부와 접촉하게 하는데 필요한 힘의 양은 약 10 Nm 내지 약 120 Nm일 수 있다. 예를 들어, 약 9.5 ㎜ 내지 10 ㎜의 두께를 갖는 Ti-6Al-4V 기판에 대해, 단지 40 Nm 의 토크가 클램프에 의해 가해져서 예비-절곡된 기판을 지그에 부착시키고, 예비-절곡된 기판을 만곡된 클램핑 몰드에 순응시킬 수 있다.
[00159]
클램프들은 기판에 초기 조임력을 적용하기 위해 토크가 적용될 수 있고, 기판에 최종 토크를 적용하기 위해 추가적인 토크의 적용이 이어진다. 초기 조임은 클램프들의 순차적인 조임에 의해, 또는 서로 대향하여 위치 설정된 클램프들의 조임에 의해 달성될 수 있다. 예비-절곡된 기판의 곡률은 만곡된 클램핑 몰드의 곡률과 점진적으로 유사해질 수 있다. 예비-절곡된 기판은 최종 토크의 적용 시에 만곡된 클램핑 몰드와 완전히 접촉해 있을 수 있다. 예비-절곡된 기판은 최종 토크의 적용 시에 만곡된 클램핑 몰드의 약 95 ％ 내지 약 100 ％와 접촉해 있을 수 있다.
[00160]
예비-절곡된 기판은, 기판이 만곡된 클램핑 몰드의 만곡된 표면과, 약 95 ％ 내지 약 100 ％의 접촉과 같이, 완전히 접촉해 있을 수 있는 것을 보장하도록 만곡된 클램핑 몰드와 연결될 수 있어, 예비-절곡된 기판과 만곡된 클램핑 몰드 사이의 경계부에서 일관된 열적 및 기계적 조건들을 얻을 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드의 곡률로 인해, 만곡된 클램핑 몰드 없이 지그에 예비-절곡된 기판을 평평하게 부착하는 데 필요한 것보다 훨씬 적은 토크가 클램프들을 통해 기판에 적용될 필요가 있다. 몰드의 곡률은 플레이트-바운더리 조건들에 의해 모방될 수 있다. 기판과 만곡된 클램핑 몰드 사이의 완전한 접촉은 만족스러운 클램핑의 양호한 지시기일 수 있다. 만족스러운 클램핑을 달성하기 위해, (a) 클램프들을 부착하는 볼트의 토크-제어된 조임을 적용함으로써 일관된 클램핑력이 사용될 수 있고; (b) 일정한 치수들이 클램프로부터 선택될 수 있고; (c) 클램핑이 대칭적으로 적용될 수 있고; (d) 클램프들의 적절한 부착에 의해 균일하게 분포된 압력 및 열 전달 분포가 보장될 수 있어 간극들 및 불균일한 압력 적용을 피할수 있고 ; 또는 (e) (a) 내지 (d)의 임의의 조합. 예를 들어, 클램프는 클램프와 베이스플레이트 사이에 균일하게 분포된 것을 보장하기 위해 클램프의 상부 표면과 동일 평면인 접시머리 나사(countersunk screw)를 통해 베이스플레이트에 부착될 수 있다. 클램프들의 하부 및 측면 접촉 면들(facets)은, 그들이 균일한 압력 및 심지어 열 전달 분포를 보장하기 위해 베이스플레이트와 동일 평면에 있고 접촉해 있도록 구성 및 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 14a 및 도 14b를 참조하라. 도 14a의 파선 원들(544, 545, 546, 547, 548 및 549)은 너트(525)를 통해 조정된 접시머리 나사(510) 및 볼트(520)가 클램프(500)를 조정하여 베이스플레이트(550)를 지그의 표면(530)에 부착시키기 때문에 불균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역들을 도시한다. 도시된 예시에서, 베이스플레이트(550)는 알루미나 절연체 플레이트들(540 내지 543)의 층들에 의해 지그의 표면(530)으로부터 절연된다.
[00161]
불균일한 압력 및 열 전달 분포를 피하기 위해, 접시머리 나사(510)는 접시머리 나사(510)의 팁(515)이, 도 14b에 예시된 바와 같이, 클램프(500)의 상부 표면(507)과 동일 높이가 되도록 조정될 수 있다. 그렇게 함으로써 균일한 압력 및 열 전달 분포를 초래할 수 있다. 도 14a의 박스들(575, 576, 577, 578)은, 너트(525)를 통해 조정된 접시머리 나사(510) 및 볼트(520)가 베이스플레이트(550)를 지그의 표면(530)에 부착하도록 클램프(500)를 조정하는 방식으로 인해 달성되는 균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역들을 도시한다. 예시된 실시예들은 베이스플레이트의 상부 및 측면 표면들과 개별적으로 동일 높이에 있어 균일한 압력 및 열 전달 분포를 보장하는 클램프(500)의 하부 접촉 면(505) 및 측면 접촉 면(507)을 도시한다.
[00162]
예비-절곡된 기판이 아애에 놓인 지지부로서 만곡된 클램핑 몰드를 사용하여 지그에 부착될 때, 종방향 잔류 응력의 약간의 재분배가 있을 수 있다. 예를 들어, 용접 중심선에서 +σL 인장 응력 피크는 약 600 ㎫로부터 약 700 ㎫까지 증가될 수 있는 반면, 중심선으로부터 떨어진 -σL 압축 응력은 약 -300 ㎫ 로부터 약 -200 ㎫로 감소할 수 있다.
[00163]
만곡된 클램핑에 대한 예비-절곡된 기판의 클램핑은 탄성 모드에서 일어날 수 있다. 몰드에 대한 기판의 클램핑에 의해 부과된 곡률은, 기판이 이 지점에서 만곡된 클램핑 몰드로부터 언클램핑될 경우 완전히 가역적일 수 있다. 이는 특히 실온에서 높은 스프링백(spring-back)을 갖는 금속으로 만들어진 기판에 대해 특히 그러하다. 클램프들의 힘에 의해 부과되는 탄성 변형은 예비-절곡 단계들로 기판 내로 도입된 소성 변형과 구별될 수 있다.
[00164]
기판을 지그 또는 용접 테이블에 고정하기 위해 사용되는 클램프들은 전형적으로 높은 강도 및 낮은 변형성을 나타내는 재료로 만들어질 수 있다. 강은 이의 높은 강도, 열적 안정성 및 변형에 대한 저항성 때문에 클램프들을 위한 재료로서 사용될 수 있다. 강은 전형적으로 기판보다 높은 열전도도를 가질 수 있다. 많은 기판들에 대해, 클램프들에서 강의 열 전달은 기판보다 훨씬 높은 크기일 수 있다. 클램프들과 기판 사이의 열 전도도의 이러한 차이는 히트 싱크들(heat sinks)로서 작용하는 클램프들을 초래할 수 있다. 히트 싱크들로서, DED 공정 동안, 기판과 직접 접촉하는 클램프들은 클램프들-대-클램프들의 부착 지점에 인접한 또는 그 근방의 기판의 영역들로부터, 그리고 그런 후 클램프들로부터 지그 또는 용접 테이블로 열 에너지의 신속한 유동을 초래할 수 있다. 이는 DED 공정 동안 예비-절곡된 기판 내의 높은 열 구배들의 생성을 초래할 수 있다. 높은 열 구배들은 증착 공정 동안 기판 상에 응력 및 왜곡을 부과할 수 있다.
[00165]
히트 싱크들로서 작용하는 클램프들에 기인한 열 구배들의 형성을 완화 또는 방지하기 위해, 클램프는 열적으로 절연될 수 있다. 열적 절연은 클램프들을 통해 기판으로부터 지그로의 열의 전달을 완화 또는 방지할 수 있다. 절연 코팅이 클램프들의 모든 표면들에 적용될 수 있다. 절연 코팅은 기판과 접촉할 수 있는 클램프의 모든 표면들에 적용될 수 있다. 절연 코팅은 열 에너지를 효과적으로 전달하지 않는 임의의 코팅일 수 있다. 절연 코팅은 세라믹 재료, 탄화규소, 질화규소, 탄화붕소 또는 이들의 임의의 조합으로 만들어질 수 있다. 세라믹 재료는 알루미나, 지르코니아, 티타늄 산화물, 알칼리 토금속 실리케이트, 알루미늄 티타네이트, 지르코늄 디옥사이드, 이트륨 산화물의 첨가에 의해 안정화된 지르코늄 디옥사이드, 이트륨 알루미늄 산화물, ZrV2O7, Mg3(VO4)2 또는 이들의 조합일 수 있거나 또는 포함할 수 있다. 해당 기술분야에 공지된 임의의 고온 세라믹 코팅이 사용될 수 있다 [예컨대, 미국 특허 제4,321,310 호(Ulion 등, 1982), 제5,789,330 호(Kondo 등, 1998), 제5,304,519 호(Jackson 등, 1994); 제6,387,539 호(Subramanian, 2002); 및 제6,998,064 호(Gadow 등, 2006)]. 클램프들은 플라즈마 스프레이된 ZrO2 8Y2O3 와 같은 이트륨 산화물의 첨가에 의해 안정화된 지르코늄 디옥사이드로 코팅될 수 있다. 절연 코팅은 상이한 유형들의 세라믹들, 탄화물들 또는 질화물들 또는 이들의 조합의 다수의 충돌, 또는 일 유형의 세라믹, 탄화물, 질화물 또는 이들의 조합의 다수의 층들을 포함할 수 있다.
[00166]
많은 이러한 재료들은 상업적으로 입수 가능하며, 기술분야에 공지된 다양한 기술들을 사용하여 적용될 수 있다. 예를 들어, 절연 코팅은 대기압 플라즈마 스프레이, 마그네트론 스퍼터링과 같은 전기영동 증착, 화학적 또는 전기화학적 증착, 또는 전자 비임 물리적 기상 증착과 같은 물리적 기상 증착, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 임의의 공정을 사용하여 적용될 수 있다.
[00167]
클램프에 적용되는 절연 코팅의 두께는 사용되는 절연 재료의 유형, 및 압축력의 적용에 의해 손상되지 않고 하중을 지지하는 이의 능력에 따라 변할 수 있다. 일부 구성들에서, 절연 코팅의 두께는 0.1 ㎜ 내지 5 ㎜, 0.25 내지 4 ㎜, 또는 0.3 내지 3 ㎜, 0.4 ㎜ 내지 2 ㎜, 또는 0.5 ㎜ 내지 1.5 ㎜일 수 있다. 절연 코팅은 적어도 0.1 ㎜, 또는 적어도 0.25 ㎜, 또는 적어도 0.5㎜, 또는 적어도 0.75 ㎜, 또는 적어도 1 ㎜, 또는 적어도 1.25 ㎜, 또는 적어도 1.5 ㎜, 또는 적어도 2.0 ㎜, 또는 적어도 2.5 ㎜, 또는 적어도 3.0 ㎜, 또는 적어도 3.5 ㎜, 또는 적어도 4.0 ㎜, 또는 적어도 4.5 ㎜일 수 있다. 절연 코팅은 0.1 ㎜, 또는 0.25 ㎜, 또는 0.5 ㎜, 또는 0.75 ㎜, 또는 1 ㎜, 또는 1.25 ㎜, 또는 1.5 ㎜, 또는 2.0 ㎜, 또는 2.5 ㎜, 또는 3.0 ㎜, 또는 3.5 ㎜, 또는 4.0 ㎜, 또는 4.5 ㎜ 또는 5 ㎜의 두께를 가질 수 있다. 절연 코팅 층은 DED 기판으로부터 지그로의 열 전달을 감소시키고, 그에 의해 DED 기판으로부터 열 손실을 감소시킬 수 있다. 절연 코팅의 예는, DED 기판으로부터 클램프들로 전도 열 전달의 감소를 돕기 위해 클램프들의 접촉 표면들 상으로 플라즈마 스프레이된 0.5 ㎜ 내지 1.5 ㎜ ZrO2·8Y2O3 이다. 이는 증가된 열적 절연 및 낮은 열 전도를 제공할 수 있다.
[00168]
기판으로부터 클램프를 통해 지그로의 열 전달을 추가 감소시키기 위해, 기판과 열 연통하는 클램프의 표면들은 널링된 패턴을 갖도록 수정될 수 있다. 표면의 널링은 기판과 접촉하는 클램프의 표면의 양을 완화시킬 수 있다. 널링은 클램프와 기판 사이의 열 전도의 가능성(chance)를 감소시킬 수 있다. 해당 기술분야에 공지된 임의의 널링 패턴은 기판과 접촉할 수 있는 클램프의 표면 상에 사용될 수 있다. 예시적인 널링 패턴들은 대각선 패턴들, 직선 패턴들, 다이아몬드 패턴들, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 경사진 패턴들(angled patterns)을 포함한다. 널링된 패턴은 또한 그 표면 상에 절연 코팅 층을 가질 수 있다.
[00169]
기판으로부터 클램프를 통해 지그로의 열 전달을 감소시키기 위해, 기판과 열 연통하는 클램프의 표면들은 일련의 리지들 및 홈들을 포함하는 주름진 표면을 갖도록 수정될 수 있다. 주름진 표면은 기판과 접촉하는 클램프의 양을 완화시킬 수 있다. 주름진 표면은 클램프와 기판 사이의 열 전도율의 가능성을 감소시킬 수 있다. 해당 기술분야에 공지된 임의의 주름진 패턴이 사용될 수 있다. 주름들은 클램프의 표면 상의 임의의 방향에 있을 수 있다. 예시적인 구성들은 대각선 주름들, 긴 에지에 평행한 직선 주름,짧은 에지에 평행한 직선 주름,또는 이들의 임의의 조합과 같은 경사진 패턴들을 포함한다. 주름진 표면은 또한 그 표면 상에 절연 코팅 층을 가질 수 있다.
[00170]
코팅 기술의 제한들로 인해, 절연 코팅의 더 두꺼운 층들은 예비-절곡된 기판을 지그에 고정시키는데 필요한 압축력들을 견딜 수 있는 것을 달성하는 것이 더 어려울 수 있다. 절연 코팅의 특정 압축 강도는 절연 코팅의 조성물에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 이트륨 산화물의 첨가에 의해 안정화된 지르코늄 디옥사이드에 기초한 세라믹의 0.5 내지 2.0 ㎜ 코팅은 양호한 열적 절연뿐만 아니라클램프가 지그에 기판을 연결하기 위해 사용될 때 절연 코팅에 대한 손상 없는 양호한 압축 저항성을 제공하는 것으로 밝혀졌다.
[00171]
클램프의 예시적인 구성이 도 9a, 도 9b 및 도 9c에 도시되어 있다. 도 9a는 볼트를 수용하는 구멍(502)과 접시머리 나사를 수용하기 위한 나사 구멍(501)을 갖는 클램프(500)의 저면도를 도시한다. 상부 표면(507)은 베이스플레이트와 접촉 상태에 있을 에지에서 세라믹-코팅된 표면(509)을 포함할 수 있다. 상부 표면(507)은 주름져 있을 수 있다. 도 9b는 하부 접촉 면(505)의 세라믹-코팅된 표면들(509) 및 베이스플레이트와 접촉하게 되는 측면 접촉 면(506)을 도시하는 클램프(500)의 측면도를 도시한다. 도 9c는 클램프(500)의 나사 구멍(501) 및 세라믹-코팅된 하부 접촉 면(505) 및 측면 접촉 면(506)을 도시하는, 클램프(500)의 3-차원도를 도시하는 기울어진 조감도를 도시한다. 동일한 설계를 갖는 클램프들이 사용될 수 있다(예컨대, 모두 동일한 길이, 또는 동일한 폭, 또는 동일한 길이 및 폭을 가짐). 상이한 길이들 및/또는 폭들을 갖는 클램프가 또한 사용될 수 있다.
[00172]
열적으로 절연된 클램프들은 예비-절곡된 기판이 만곡된 클램핑 몰드와 약 95 ％ 내지 약 100％ 접촉과 같은 완전 접촉 상태인 것을 보장하기 위해 예비-절곡된 기판의 전체 주변부 주위에 배치될 수 있다. 오직 절연된 클램프들을 사용하는 것에 대한 예외는 PTA 토치가 열원으로서 전기 아크 플라즈마를 제공하기 위해 DED 용융 공구로서 사용되는 경우일 것이다. 이러한 구성들에서, 하나 이상의 비-절연된 클램프들이 전류를 위한 경로를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 구성에서, 2 개 또는 3 개의 절연되지 않은 클램프들이 전력 공급원들로부터 안정된 전기 전류 경로를 보장하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 구성에서, 하나 또는 2 개의 절연되지 않은 클램프들이 베이스플레이트의 짧은 에지들 상에 위치 설정될 수 있고, 하나의 절연되지 않은 클램프가 가장 긴 베이스플레이트 치수의 중간 섹션에 위치 설정될 수 있다. 다른 구성들이 사용될 수 있다.
[00173]
금속 증착 및 물체 제작 동안 기판 내의 응력 및 왜곡을 완화하기 위해, 클램프들은 클램프들의 중심선들이 가능한 어디서든 DED 스트링들(strings)/벽들의 시작/끝 포지션들에서 만나는 방식으로 기판 상으로 위치 설정될 수 있다. 예시적인 구성이 도 10 에 도시되어 있다. 예시된 구성에서, 클램프들(500)은 기판(300)의 거의 모든 주변부가 지그(400)에 클램핑되도록 예비성형체(600) 주위에 위치 설정되고, 클램프들(500)의 중심선이 가능한 어디서든 예비성형체(600)의 DED 스트링들/벽들의 시작/끝 포지션들의 중심선들과 만나도록 위치 설정된다[클램핑 엔터티들(entities)(610, 615, 620, 625 및 630)로서 예시됨]. 이러한 기판 클램핑 제약들은 증착 동안 주로 종방향 잔류 응력들로부터 발생하는 변형 효과들을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 비-최적 클램핑은 파선 박스 윤곽선(650)에 도시된 바와 같이, 클램핑 제약의 부족에 의해 야기되는 국부적인 변형 또는 좌굴을 초래할 수 있다.
[00174]
상이한 클램핑 배열들이 예비-절곡 동안 사용될 수 있고, DED 프로세싱을 위해 예비-절곡된 기판을 지그에 부착시킬 수 있다. 클램핑 배열들의 차이는, 예비-절곡 동안, DED 열원을 제공하는 용융 공구를 사용하여 기판의 후면으로의 열 에너지 적용이 가장 긴 기판 길이를 따라 균일한 편향(deflection)을 생성하기 위해 기판의 전체-길이 또는 거의 전체-길이에 대한 열원에 의한 증가된 액세스를 요구할 수 있기 때문에 선택될 수 있다. 절연 클램프들은 DED 열원를 제공하는 용융 공구가 기판의 전체-길이에 열 에너지를 적용하는 것을 가능하게 하기 위해서 에지들에서 사용되지 않을 수 있다. 기판의 전면 상의 금속 증착에 의한 물체의 빌드 동안, 절연된 클램프들은 기판의 주변부 주위에, 특히, 잔류 응력 발생으로부터 발생하는 국부적인 변형들을 감소시키는 것을 돕기 위해 DED 벽들의 시작/끝 포지션들에 배치될 수 있다. 클램핑 구성은 (1) 플레이트를 가로질러 대칭을 촉진할 수 있고, (2) 가능한 경우 동일한 기하학적 구조를 갖는 클램프들을 사용할 수 있고, (3) DED 열원을 제공하는 용융 공구에 의해 기판에 원하는 접근을 허용할 수 있고,그리고 (4) 예비-만곡된 기판을 지그에 부착하는데 필요한 토크 요건들을 충족시킬 수 있다.
[00175]
만곡된 클램핑 몰드의 사용은 제조 공정을 상당히 향상시킬 수 있지만, 예비-절곡된 기판의 휘어짐과 대략적으로 일치하는 곡률을 형성하기 위해 절단된 알루미나(Al2O3) 절연체의 통상적인 시트들 또는 플레이트들과 같은 절연 재료의 시트들을 사용함으로써 예비-절곡된 기판의 전면 상에 DED 공정을 수행하는 것이 가능하다. 이는 본 명세서에 제공된 만곡된 클램핑 몰드의 사용보다 상당히 더 작업 집약적이다. 또한, 알루미나 절연체 시트들의 두께 변화, 및 예비-절단된 기판들의 곡률과 일치하도록 미리-절단된 시트들의 층들의 형성으로 인해, 작업편들 사이의 변화들이 발생할 수 있다. 본 명세서에 제공된 만곡된 클램핑 몰드는 여러 번 사용될 수 있는 일관된 물리적 및 기계적 특징을 갖는 몰드를 제공함으로써 이러한 부품-대-부품(part-to-part) 변화를 완화 또는 방지할 수 있다.
[00176] 3. 기판을 예비-가열
[00177] 일단 예비-절곡된 기판이 만곡된 클램핑 몰드 및 절연된 클램프들을 사용하여 지그에 고정되면, 예비-절곡된 기판은 DED 공정을 시작하기 전에 예비-가열될 수 있다. 예비-가열 단계는 기판을 목표 온도까지 전체적으로 균일하게 가열하기 위해 열원으로 기판의 전면의 표면의 대부분을 처리하고, 이어서 예비-절곡된 기판이 여전히 열간인 동안 DED 공정을 사용한 작업편을 빌드하도록 의도된다.
[00178]
더 높은 내부 인장 및 압축 응력들을 생성하기 위해 가파른 열 구배들 및 높은 냉각 속도들이 선택되는 예비-절곡 단계에서 기판의 후면으로 에너지가 적용되는 방식에 반대로, 예비-가열 단계 동안 에너지는 보다 완만한 및 일관된 방식으로 기판의 전면측을 향해 전달된다. 예비-가열 단계 동안, 에너지는 국부적으로 기판 표면을 용융시키지 않는 조건들 하에서 열원을 사용하여 기판의 전면으로 지향될 수 있다. 예비-가열 단계 동안, 에너지는 연속적인 용융 트랙들을 형성하지 않는 조건들 하에서 열원을 사용하여 기판의 전면으로 지향될 수 있다. 근접-균일 가열이 바람직하기 때문에, 열원으로부터의 에너지는 열원을 제공하는 용융 공구의 비교적 낮은 속도들에서 적용될 수 있고, 그리고 열 에너지를 더 낮은 에너지 밀도로 적용하기 위해 더 높은 스탠드오프 거리(기판으로부터 더 멀리)에 위치 설정된 열원을 제공하는 용융 공구로 적용될 수 있다. 추가적으로, 예비-가열 단계는 DED 공정을 사용하여 작업편 빌드 전에 기판을 가열하도록 의도되기 때문에, 가스 제트 디바이스를 사용하여 냉각 가스가 적용되지 않는다. 따라서, 냉각 속도는 예비-절곡 단계에서 일어날 수 있는 냉각 속도보다 상당히 낮다.
[00179]
예비-가열 동안 이러한 더 느린 가열/냉각 사이클은 x, y 및 z-방향을 따라 기판 내의 느린 냉각 속도들 및 낮은 열 구배 형성을 촉진할 수 있다. 예비-가열 동안 에너지의 적용은, 열이 전도에 의해 예비-절곡된 기판 체적 전반에 걸쳐 소산될 수 있기 때문에, 느린 잔류 열 빌드-업을 허용하는 방식으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 낮은 열 구배들은 낮은 에너지 밀도로 기판에 전달될 수 있다. 이러한 조건들은 베이스플레이트를 가로질러 "거의" 균일한 온도 분포를 발생시켜, 전도에 의해 베이스플레이트 체적 전체에 걸쳐 열이 소산됨에 따라 잔류 열의 느린 빌드-업을 허용할 수 있다. 예비-절곡된 기판이 만곡된 클램핑 몰드로부터 열적으로 격리되고, 예비-절곡된 기판을 지그에 고정하는데 절연된 클램프들이 사용되기 때문에, 잔류 열은 기판에 더 쉽게 보유될 수 있다.
[00180]
낮은 에너지 밀도는 기판의 표면을 가로질러 그리고 기판의 두께를 통해 둘 모두에서 거의 균일한 온도 분포를 발생시키기 위해 순차적인 방식으로 기판에 전달될 수 있다. 축적된 열 에너지에 대한 하나의 영역의 노출을 피하기 위해, 에너지의 적용은 기판의 제1 에지에서 시작할 수 있고, 기판의 대향하는 제2 에지가 도달될 때까지 x 방향을 따라 기판의 표면을 가로질러 계속될 수 있다. 그런 후, 열원을 제공하는 용융 공구는 제1 에지로 다시 이동될 수 있고 에너지 적용의 제1 패스(pass)로부터의 y 방향으로 약간의 거리에 재위치 설정될 수 있고 에너지가 x 방향을 따라 적용된다. 이 공정은 예비-절곡된 기판의 온도가 목표 온도에 도달할 때까지 반복된다. 기판에서 온도 분포가 더 균일할수록, 기판에서 발생하는 응력 및 왜곡 영향들을 완화시키기에 더 좋다.
[00181]
예비-가열 동안 에너지 적용을 위한 예시적인 패턴이 도 11에 도시되어 있다. 희미한 검은색 화살표들은 DED 에너지 소스의 방향/경로를 가리키고, XES를 포함하는 원들이 X가 기판(300)의 제2 측면(320)의 표면을 가로질러 1 내지 8 인 시퀀스 X를 가리키고, S는 경로의 시작을 가리키고, E는 에너지 적용의 경로의 끝을 가리키고, 가열 경로를 초래한다. 예시된 패턴에서, 가열은 x 방향을 가로질러 하부 에지에서 시작하며(1ES), 그런 후 열원은 초기 가열 경로로부터 위로 약 1/9 지점까지 y 방향으로 이동되고, 열은 짧은 에지로부터 짧은 에지까지 y 방향으로 적용된다(2ES). 이 절차는 열이 기판(300)의 표면을 가로질러 적용될 때까지 3ES, 4ES, 5ES, 6ES, 7ES 및 8ES에 대해 반복된다. 제1 가열 경로(700)는 1ES에 대응한다. 제2 가열 경로(705)는 2ES에 대응한다. 제3 가열 경로(710)는 3ES에 대응한다. 제4 가열 경로(715)는 4ES에 대응한다. 제5 가열 경로(720)는 5ES에 대응한다. 제6 가열 경로(725)는 6ES에 대응한다. 제7 가열 경로(730)는 7ES에 대응한다. 제8 가열 경로(735)는 8ES에 대응한다. 단일 에너지 소스 또는 복수의 에너지 소스들이 예비-가열 경로들에 사용될 수 있다. 도면은 평행하게 이어지는 2 개의 용융 공구들의 공구 경로들 및 예비-가열 시퀀스들을 나타내는 실선 및 파선 희미한 검은색 라인들을 도시한다. 예시된 실시예가 DED 에너지 소스를 사용하여 가열하는 것을 기술하지만, 다른 에너지 소스들이 사용될 수 있다. 예시적인 대안적인 에너지 소스들은 예컨대, 하나 이상의 레이저들, 하나 이상의 유도 히터들, 또는 레이저, DED 에너지 소스 및 유도 히터 중 임의의 것의 조합을 포함한다. 추가적으로, 유도 가열, 저항 가열 등과 같이 베이스플레이트가 균일하게 가열되는 것을 허용할 수 있는 다른 방법들 및 디바이스들이 사용될 수 있다.
[00182]
예비-가열의 방향은 DED 증착 영역들 아래의 영역들에서 온도 및 체류 시간이 유사할 수 있도록 예비성형체를 형성하는 실제 DED 공정과 동일할 수 있다. 예를 들어, 도 11에 예시된 바와 같이, 예비-가열 열 에너지 적용들의 시작(S) 및 끝(E) 포지션들(희미한 검은색 화살표들로 표시되고 각각은 원으로 레이블이 지정됨)은 DED 공정 동안 금속 증착과 동일한 방향에 있다.
[00183]
열 에너지 적용은 열 에너지를 발생시키는 임의의 소스를 사용하여 적용될 수 있다. 예를 들어, 전기 아크-기반, 레이저 비임 및 전자 비임 열원들은 예비-가열 효과들을 달성하기 위해 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 예비 가열 PTA 토치 및 용융 PTA 토치와 같은 하나 이상의 열 아크 용접 소스들은 기판을 가열하도록 기판을 옆으로 횡단할 수 있다. PTA 토치들은 온도 구배 형성을 완화시키고 총 예비-가열 시간을 감소시키도록 위치 설정될 수 있다. 레이저 에너지 또는 전자 비임 에너지에 기초한 다른 열원들이 또한 동일한 목적을 위해 사용될 수 있지만, 기판의 유사한 가열을 달성하기 위해 적절한 파라미터들의 세트를 사용한다. 예비-가열 열 에너지 적용 영역들 사이의 간격은 열원들에 의해 전달되는 열의 양에 의존할 수 있다. 예비-가열 열 에너지 적용 영역들 사이의 간격은 열원들에 의해 전달되는 열 분포에 따라 달라질 수 있다.
[00184]
예를 들어, 2 개의 PTA 열 전기 아크 플라즈마 용접 토치들이 기판을 가열하기 위해 동시에 옆으로 횡단하여 사용될 수 있다. 2 개의 토치들은 약 20 ㎜ 내지 40 ㎜ 와 같은 서로에 대해 상대적인(고정된) 거리를 가질 수 있다. 구성은 열원 중심선들을 중첩시키지 않고 열이 전달되어 가능하게 균일하게 퍼지는 방식으로 x 방향을 따라 그리고 y 방향을 가로질러 열 에너지를 적용할 수 있다. 한편, 고정된 기판 폭에 대해, 예비-가열의 양은 레이저 에너지 또는 전자 비임 에너지와 같이 이러한 목적을 위해 더 집중된 열원들이 사용될 경우 다를 수 있다. 레이저 또는 전자 비임 스폿들은 기판 상으로 더 넓은 가열 영역들에 영향을 주기 위해 더 크게 설계될 수 있다. 유도 히터들 및 저항 히터들을 포함하는, 다른 방법들 및 디바이스들은 기판이 균일하게 가열되는 것을 허용할 수 있다.
[00185]
DED 열원(들)를 제공하는 용융 공구는 균일한 예비-가열을 수행하기 위해 사용될 수 있다. DED 열원(들)을 제공하는 용융 공구를 사용하여 예비-가열을 수행하는데 사용되는 위치 설정, 시퀀스 및 파라미터들은, 기판에 대한 에너지의 적용이 예비-절곡 단계 동안 기판에 부과된 것보다 더 낮은 열 구배 발생을 초래할 수 있도록 제어될 수 있다. 예비-가열은 기판의 온도를 균일하게 상승시키도록 수행될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 기판의 재료에 따라, 기판의 온도를 약 350 ℃ 내지 약 650 ℃ 범위의 온도로 균일하게 상승시키는 예비-가열이 수행될 수 있다. 예를 들어, Ti를 함유하는 기판들은 약 400 ℃ 내지 약 550 ℃ 범위의 온도로 예비 가열될 수 있다. 일부 Ti 합금들에 대해, 기판은 DED가 수행될 때 열 구배 형성을 완화시키기 위해 약 450 ℃ 내지 약 500 ℃ 범위의 온도로 예비-가열될 수 있다. 예비-가열은 용융된 금속이 작업편을 빌드(build)하기 위해 증착될 때 가열로 인한 임의의 국부적인 응력을 감소시킴으로써 DED 프로세싱 동안 내부 응력 빌드업을 완화시킬 수 있다. 따뜻한 성형 온도 또는 고온 성형 온도와 같은 상승된 온도로 기판을 예비-가열함으로써, DED 작업편 성형 동안 기판 상의 용접 비드의 준비는 0 에 가까운 왜곡을 초래할 수 있고, 이는 용접이 실온에서 기판 상으로 증착될 때 결과적인 열 구배가 두께를 통해 생성된 열 구배보다 상당히 작을 수 있기 때문이다. 예비-가열은 기판 표면을 현저하게 수정 또는 녹이는 것을 의미하지는 않지만, 추가되는 어떠한 금속 없이 용접 라인들의 형성을 초래할 수 있다.
[00186]
기판의 온도를 균일하게 상승시키기 위해 오븐 내에서 지그에 클램핑된 예비-절곡된 기판을 가열하는 것과 같은 간접 가열이 예비-가열을 위해 사용될 수 있다. 일부 적용예들에서, 이것은 실현 가능하거나 실용적이지 않다. 기판/지그 조합을 오븐으로부터 DED 공정이 행해질 수 있는 챔버 내로 이동시키는 데 필요한 시간은 기판으로부터 잔류 열의 상당한 손실을 초래할 수 있어, 예비-가열 단계의 목적을 깰 수 있다. 시스템은 기판을 예비-가열하기 위한 오븐의 사용을 허용하기 위해 증착 챔버를 통해 접근될 수 있는 오븐을 포함하도록 수정될 수 있다.
[00187]
지그에 부착될 때 기판의 표면을 가로질러 열을 적용하도록 위치 설정된 가열 디바이스를 사용하는 직접 가열이 사용될 수 있다. 기판이 증착 전에 균일하게 가열되는 것을 가능하게 하는 임의의 방법(들) 및 가열 디바이스(들)가 사용될 수 있다. 가열 디바이스들은 유도 히터들, 저항 히터들, 또는 이들의 조합들일 수 있거나, 또는 이들을 포함할 수 있다. 예시적인 히터들은 도체-인-도관 열원, 히터 스트립, 저항 가열 스트립, 적외선 히터, 포지티브 열 계수 세라믹 히터, 후막 세라믹 히터, 저항 와이어 또는 저항 리본 가열 디바이스, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있는 유도 히터 및 히터들을 포함한다.
[00188]
4. 작업편을 빌드하기 위한 DED 공정
[00189]
기판이 목표 온도로 예비-가열된 직후에, DED 공정은 기판 상에 작업편을 형성하도록 수행될 수 있다. 기판의 전면 상에 금속 증착에 의한 물체의 빌드 동안, 클램프들은 잔류 응력 발달로부터 일어나는 국부적인 변형들을 감소시키는 것을 돕기 위해 DED 벽들의 시작/끝 포지션들에 보통 위치 설정될 수 있다.
[00190]
예비-절곡된 기판은 예비-가열 전에 지그에 부착된 절연된/절연되지 않은 클램프들을 통해 만곡된 클램핑 몰드와 약 95 ％ 내지 약 100 ％ 접촉과 같은 완전 접촉상태로 될 수 있다. 기판은 만곡된 클램핑 몰드에 의해 지그로부터 열적으로 분리될 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드는 예비-절곡된 기판과 접촉하게 될 수 있는 그의 만곡된 표면 상에 절연 세라믹 층을 포함할 수 있다. 예비-절곡된 기판은 만곡된 클램핑 부재에 접합되지 않는다. 추가로, 이러한 배열로부터 알 수 있는 바와 같이, 예비-절곡된 기판이 지그에 고정되어 있는 동안 작업편은 예비-절곡된 기판의 표면 상에 빌드될 수 있다. 예비-절곡된 기판이 작업편의 부품이 될 수 있는 반면에, 만곡된 클램핑 몰드의 부품은 작업편의 부품이 될 수 없다.
[00191]
비록 예비-절곡된 기판이 휘어짐(bow)을 갖고, 휘어짐을 또한 갖는 만곡된 클램핑에 부착되어 있지만, 예비-절곡된 기판과 지그 사이의 지지부로서 만곡된 클램핑 부재로 지그에 고정된 예비-절곡된 기판의 곡선의 기울기는 전체 증착 조건들에 영향을 미치지 않는다. 만곡된 클램핑 몰드의 곡률 반경은 중력의 영향이 용접 풀 동역학에 악영향을 미치지 않도록 충분히 커서, 만곡된 클램핑 몰드와 접촉하는 예비-절곡된 기판 상으로의 증착은 평탄한 포지션에서 기판 상에 증착되는 경우에 달성되는 것과 유사할 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드의 곡률 반경은 기울기에 의해 야기되는 중력의 영향이 미리-절곡된 기판의 표면 상에 증착되거나 형성되고 있는 액체 용융 풀의 거동에 영향을 미치지 않도록 선택될 수 있다. 게다가, 작업편을 빌드하기 위해 DED 프로세싱에 사용되는 제어기는, 작업편의 제조 동안 DED 공정에 의해 일관된 에너지/프로세싱 조건들이 전달될 수 있도록, 만곡된 클램핑 몰드의 곡률에 z-좌표를 적응시킬 수 있다. CAD-CAM 프로그램 명령들은 전체적인 프로세싱 조건들, 특히 스탠드오프 거리가 영향을 받지 않는다는 것을 보장하기 위해 만곡된 클램핑 몰드의 정확한 형상에 따르는 DED 열원을 제공하는 용융 공구를 초래하도록 실행될 수 있다.
[00192]
DED 공정에 의해 빌트되는 작업편의 설계는 기판의 전면 상에 위치설정될 수 있어서, 용융된 금속의 증착에 의해 형성된 작업편의 다수의 벽들은 기판의 후면 상의 인접한 용융 트랙들 사이에, 그리고 바람직하게는 그로부터 동일하게 이격된다. 이러한 위치 설정 때문에, 작업편의 DED 제조 동안 용융된 구역에서 발생할 수 있는 불균일한 소성 변형 및 높은 인장 응력은 예비-절곡 처리에 의해 부과된 높은 압축력들의 영역에서 일어날 수 있고, 작업편의 용접으로서 형성될 수 있는 압축력들은 예비-절곡 처리에 의해 부과되는 높은 인장 응력의 영역들에서 일어날 수 있다. 따라서, 기판의 후면 상의 용융 트랙들에 대한 기판의 전면상에서의 작업편의 벽들의 위치 설정 때문에, 잔류 응력 필드들은 밸런싱될 수 있고, 애즈-증착된 예비성형체의 전체 왜곡을 완화시킬 수 있다.
[00193]
예비성형체의 형성을 위한 예시적인 증착 패턴이 도 11에 예시된다. 예시된 바와 같이, 예비성형체(600)는, 용융된 금속의 증착에 의해 형성된 작업편 예비성형체(600)의 다수의 벽들, 예컨대 380, 382 및 384가 기판(300)의 후면 또는 제1 측면(310) 상의 인접한 예비 가열 경로들(700, 705, 710, 715, 720, 725, 730 및 735)사이에, 그리고 바람직하게는 그들로부터 동등하게 떨어져 있도록, 기판(300)의 전면 또는 제2 측면(320) 상에 위치 설정된다. 층당(per layer) 예시적인 DED 시퀀스 경로는 박스들(Si 내지 S5)에 의해 순차적으로 표시되고, 화살표들은 층당 DED 방향을 표시한다.
[00194]
본 명세서에 제공된 DED 공정을 사용하여 금속 작업편을 생성하는 방법들에서, 금속 재료의 3 차원 물체는 기판 상으로 금속 재료의 연속적인 증착물을 함께 융합시킴으로써 만들어질 수 있다. 임의의 DED 공정이 작업편을 빌드하는데 사용될 수 있다. DED 공정은 단독으로 또는 조합하여 에너지 소스를 제공하는 하나 이상의 용융 공구들을 사용할 수 있다. 사용될 수 있는 예시적인 용융 공구들은 열원으로서 전기 아크 플라즈마를 제공하는 PTA 토치, 열원으로서 레이저 비임을 제공하는 레이저 디바이스, 열원으로서 전자 비임을 제공하는 전자 비임 디바이스 및 이들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 구성들에서, 열원들을 제공하는 2 개 이상의 용융 공구들이 사용될 수 있다. 예를 들어, DED 열원을 제공하는 하나의 용융 공구는 기판을 예비-가열하기 위해 사용될 수 있고, DED 열원을 제공하는 제2 용융 공구는 예비-가열된 영역 상에 증착될 수 있는 용융된 금속을 형성하기 위해 금속 재료를 용융시키는데 사용될 수 있다. DED 열원들을 제공하는 다중 용융 공구들이 사용되는 경우, 그것들은 동일하거나 또는 그것들은 서로 상이할 수 있다. 다중 용융 공구들의 예시적인 조합은 2 개의 PTA 토치들, 2 개의 레이저 비임 디바이스들, 2 개의 전자 비임 디바이스들, PTA 토치 및 레이저 비임 디바이스, PTA 토치 및 전자 비임 디바이스, 및 레이저 비임 디바이스 및 전자 비임 디바이스를 포함한다.
[00195]
일부 방법들에서, 제1 용융 공구는 기판의 표면 가열을 위해 베이스 재료의 표면의 적어도 일 부분에, 예컨대 금속 재료가 그 상에 증착될 포지션에 에너지를 전달하는데 사용될 수 있다. 이는 DED 공정 동안 열 구배들을 최소화하기 위해 전체 기판의 온도를 목표 온도까지 상승시키는 데 사용되는 예비-가열 단계와 상이하다. 대조적으로, 베이스 재료의 표면 가열을 위해, 그것이 기판 또는 이전에 증착된 금속의 층이든지 간에, 제1 용융 공구는 베이스 재료의 제한된 영역에 고강도 에너지를 전달하여, 에너지 적용의 영역에서 베이스 재료의 온도를 용융 온도의 0.1 ％ 내지 10 ％ 아래와 같은 약간 낮은 온도, 또는 용융 온도로 상승시킨다. 베이스 재료의 표면 가열은 용접 비드 웨팅(wetting) 및 확산(spreading) 특징들을 향상시킬 수 있다. 베이스 재료의 표면 가열은 용접 비드 접촉각들을 향상시킬 수 있다. 베이스 재료의 표면 가열은 표면을 가열된 표면 상에 증착될 용융된 금속에 대해 더욱 수용적이도록 만들 수 있다.
[00196]
제2 용융 공구는 용융된 금속 재료가 제1 용융 공구에 의해 가열된 베이스 재료의 표면 가열된 영역 상으로 증착되도록 금속 재료를 가열 및 용융시키는데 사용될 수 있다. 가스 제트 디바이스는 액체 용융 풀의 표면을 가로질러, 또는 액체 용융 풀의 표면에 충돌하도록, 또는 액체 용융 풀의 액체-고체 바운더리에 인접한 응고된 재료의 표면에 충돌하도록, 또는 이들의 임의의 조합으로 냉각 가스를 지향시키기 위해 사용될 수 있다. 베이스 재료는 용융된 금속 재료의 연속적인 증착물들이 응고되어 3 차원 작업편을 형성하도록 미리 결정된 패턴으로 제1 및 제2 용융 공구들 및 가스 제트 디바이스의 포지션에 대해 이동될 수 있다. 대안적으로, 제1 및 제2 용융 공구들 및 가스 제트 디바이스는 용융된 금속 재료의 연속적인 증착물들이 응고되고 3 차원 작업편을 형성하도록 미리 결정된 패턴으로 베이스 재료의 포지션에 대해 이동될 수 있다.
[00197]
본 명세서에 제공된 방법들에서, 냉각 가스는 아르곤, 헬륨, 네온, 크세논, 크립톤 및 이들의 조합과 같은 불활성 가스일 수 있거나 또는 포함할 수 있다. 냉각 가스는 약 1 L/min 내지 약 300 L/min의 입구에서 측정된 유량을 가질 수 있다. 냉각 가스는 일정한 스트림으로 적용될 수 있거나, 또는 간헐적으로 적용될 수 있거나, 또는 펄스화된 유동으로 적용될 수 있다. 냉각 가스의 유동은 용융 풀의 근처에서 냉각 가스의 난류를 생성하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 가스 제트 디바이스를 통해 유동하는 냉각 가스의 속도는 가스 제트 디바이스를 빠져나가는 냉각 가스가 층류 대신에 난류를 나타내도록 증가될 수 있다. 냉각 가스는 단일 가스 제트 디바이스 상의 복수의 노즐들을 사용하거나 또는 복수의 가스 제트 디바이스들을 사용하여 전달될 수 있어, 냉각 가스의 층류 및 난류의 조합이 용융 풀의 부근에서 지향될 수 있다.
[00198]
적용된 냉각 가스의 온도는 임의의 온도일 수 있다. 냉각 가스 온도는 적층 형성 공정이 수행되는 챔버의 분위기 온도일 수 있다. 냉각 가스 온도는 약 실온 이하, 예컨대 약 25 ℃ 이하일 수 있다. 냉각 가스는 150 ℃ 내지 약 4 ℃ 또는 약- 10 ℃ 내지 약 10 ℃와 같은 냉장 온도일 수 있다.
[00199]
가스 제트 디바이스의 노즐들의 수 및 구성, 및/또는 가스 제트 디바이스들의 수, 및 이들의 구성 및 배치는, 열 에너지 충돌 영역에서 또는 주위에서 이동 방향을 따라 약 5 ㎜ 내지 약 50 ㎜, 또는 약 10 ㎜ 내지 약 40 ㎜, 또는 약 15 내지 약 30 ㎜ 의 거리와 같이, 작업편의 길이를 덮는 냉각 가스를 전달하도록 선택될 수 있다.
[00200]
본 명세서에 제공된 방법들에서, DED 열원을 제공하는 용융 공구는 용융 풀 조건들을 제어하기 위해 가스 제트 디바이스와 조합하여 사용될 수 있고, 가스 제트 디바이스는 약 1200 ℃ 내지 약 600 ℃ 또는 약 1000 ℃ 내지 약 800 ℃의 온도 감소를 초래하는 냉각 가스를 생성한다. 작업편이 Ti 합금으로 형성되는 일부 방법들에서, 1000 ℃ 내지 800 ℃의 온도 감소가 사용될 수 있다.
[00201]
본 명세서에 제공된 방법들은 임의의 적층 제조 시스템에서 수행될 수 있다. 방법들은 불활성 가스가 전기 아크 플라즈마와 같은 단지 열원을 둘러싸거나, 또는 열원을 포함하는 용융 공구를 둘러싸거나, 또는 용융 공구 및 작업편을 둘러싸는 시스템에서 수행될 수 있다. 방법들은 불활성 분위기에서 전체 공정이 수행되는 불활성 분위기를 제공하기 위해 불활성 가스로 채워진 폐쇄된 챔버를 포함하는 시스템에서 수행될 수 있다. 불활성 분위기는 불활성 분위기 증착을 허용하는 아르곤, 크세논, 네온, 크립톤, 헬륨 또는 이들의 조합일 수 있거나 또는 이들을 함유할 수 있다.
[00202]
DED 공정들을 위한 통상적인 기판 구성들과 만곡된 클램핑 몰드를 사용하는 본 명세서에 제공된 공정들 간의 예시적인 차이들이 도 12a 및 도 12b에 예시되어 있다. 도 12a는 통상적인 구성을 예시하고, 여기서 기판(300)은 지그(400)(도시되지 않은 클램프들을 통해)에 고정되지만 기판(300)과 지그(400) 사이에 위치 설정된 알루미나 절연체 플레이트들(540, 541, 542,및 543)에 의해 지그(400)로부터 열적으로 격리된다. 임의의 응력 완화 처리를 겪지 않은 기판(300)은 평평하고, 금속 재료는 예비성형체들(600 및 600')을 생성하기 위해 기판(300)의 상부 표면 상의 DED 공정 동안 증착된다.
[00203]
대조적으로, 도 12b는 세라믹 코팅(150)으로 코팅된 널링되거나 또는 주름진 표면(도면에 도시되지 않음)을 갖는 만곡된 클램핑 몰드(100)를 사용하는 기판 구성의 예시적인 실시예를 예시한다. 예시된 구성에서, 만곡된 클램핑 몰드(100)는 기판(300)이 지그(400)에 고정될 때(도시되지 않은 클램프들을 통해) 기판(300)에 대한 아래에 놓인 지지부로서의 역할을 할 수 있다. 만곡된 클램핑 몰드(100)는, 만곡된 클램핑 몰드(100)가 지그(400)로부터 기판(300)을 열적으로 격리할 수 있기 때문에, 지그로부터 기판을 열적으로 분리시키기 위해 통상적으로 사용되는 임의의 알루미나 절연체 플레이트들, 또는 다른 기판 지지 장치의 사용에 대한 필요를 배제할 수 있다. 기판(300)은 본 명세서에 개시된 응력 완화 공정들을 거칠 수 있어서, 기판(300)의 예비-절곡을 초래할 수 있다. 예비-절곡된 기판(300)은 절연된 클램프들(도시되지 않음)을 사용하여 만곡된 클램핑 몰드(100)에 클램핑될 수 있다. 예시된 곡선은 과장되어 있고; 만곡된 클램핑 몰드(100)의 곡률 반경은 중력의 영향이 용접 풀 동역학에 악영향을 미치지 않도록 충분히 크서, 증착은 평평한 위치에서 증착이 달성되는 것과 유사하다. 금속 재료는 예비성형체들(600 및 600')을 생성하기 위해 기판(300)의 상부 표면 상의 DED 공정 동안 증착된다.
D. 시스템들
[00204]
또한, DED 공정들에 의해 금속 작업편들을 빌드하기 위한 시스템들이 제공된다. 시스템들은 예비-절곡된 기판이 고정되는 지그; 예비-절곡된 기판이 지그에 고정될 때 예비-절곡된 기판의 아래에 놓인 지지부로서 작용할 수 있는 만곡된 클램핑 몰드; 미리-절곡된 기판을 지그에 고정하기 위한 절연된 클램프들; 베이스 재료(제1 층에 대해, 베이스 재료는 기판의 표면일 수 있다; 후속 층들에 대해, 베이스 재료는 이전에 증착된 재료 층의 표면일 것이다)의 표면 상에 증착될 수 있는 금속 용융된 재료로 금속의 소스를 용융시키기 위한 DED 에너지 소스를 포함하는 하나 이상의 용융 공구들; 액체 용융 풀을 가로질러, 또는 액체 용융 풀에 충돌하도록, 또는 액체 용융 풀의 액체-고체 바운더리에 인접하는 응고된 재료 상에 충돌하도록, 또는 이의 임의의 조합으로 냉각 가스를 지향시킬 수 있는 가스 제트 디바이스; 냉각 가스의 공급부; 용융 공구 및 가스 제트 디바이스에 대해 베이스 재료를 위치 설정하고 이동시키기 위한 시스템; 및 형성될 금속 작업편의, 컴퓨터 보조 설계(CAD) 모델과 같은, 설계 모델을 판독할 수 있는 제어기를 포함할 수 있고, 그리고 작업편을 형성하는 금속 재료의 연속적인 증착물들을 형성하기 위해 베이스 재료 상으로 금속 재료를 융합시킴으로써 작업편이 빌드되도록 베이스 재료를 위치 설정하고 이동시키기 위한 시스템의 포지션 및 이동을 조절하기 위해 그리고 용융 공구 및 가스 제트 디바이스를 작동시키기 위해 설계 모델을 채용하는 것을 포함할 수 있다.
[00205]
단일 용융 공구가 사용될 수 있거나, 또는 2 개의 용융 공구들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 단일 예비-가열 전기 아크 플라즈마를 생성하는 제1 예비-가열 토치 및 이중 전기 아크 플라즈마를 생성하는 제2 토치. 2 개의 토치들은 탠덤(tandem) 구성으로 동시에 사용될 수 있다. 예비-가열 아크는 기판의 표면 가열을 위해, 또는 프리컨디셔닝(preconditioning)을 위해 베이스 재료의 표면의 일부분에, 예컨대 금속 DED 재료가 그 상에 증착될 포지션에, 열 에너지를 전달할 수 있다. 추가적으로, 이중 전기 아크 플라즈마는 별도의 전력 공급부에 의해 전력이 공급될 수 있다. 이중 전기 아크 플라즈마는 베이스 재료의 표면 가열된 영역 상으로 금속을 저항 가열 및 용융시키기 위해 사용될 수 있다. 이중 전기 플라즈마 아크들은 금속 와이어 공급원료와 같은 금속 상의 전기 아크 플라즈마 아크의 작용에 의해 생성된 용융된 금속과 작업편의 베이스 재료 사이의 적절한 융합을 보장할 수 있다. 예를 들어, 제2 용융 공구는 이중 전기 아크 플라즈마를 생성하는 토치일 수 있으며, 이에 의해 아크들 중 하나는 토치의 텅스텐 전극과 작업편 사이에서 연소되고(PTA), 그리고 나머지 하나의 아크는 토치의 텅스텐 전극과 와이어 공급원료 사이에서 연소되고[메인 아크(main arc)], 둘 모두는 직선 극성을 사용한다. PTA 전기 아크 플라즈마는 용융된 금속의 융합 특징들을 베이스 재료의 예비 가열된 표면 내로 깊어지게 할 수 있고, 이는 메인(main) 전기 아크 플라즈마와 독립적으로 제어될 수 있다. 메인 전기 아크 플라즈마는 토치와 전류-운반 와이어 공급원료 사이에 확립될 수 있다. 와이어 공급원료는 작업편에 전달되는 PTA 전기 아크 플라즈마의 컬럼에 의해 발생된 열, 및 메인 전기 아크 플라즈마 회로에 의해 발생된 열에 의해 용융될 수 있다. 와이어 공급원료는 작업편 상에 증착될 수 있는 용융된 금속을 생성할 수 있다. 용융된 금속의 액적들로부터의 과열은 베이스 재료의 표면 가열된 영역의 근처에서 용융 풀을 유지할 수 있다. 베이스 재료의 표면 가열은 향상된 융합, 액체 풀의 향상된 습윤 및 확산 특징들로 이어질 수 있고, 따라서 보다 양호한 전체 DED 특징들을 산출할 수 있다. 증착 프로파일과 관련하여, 기판을 표면 가열함으로써, 더 얕은 및 더 넓은 증착 프로파일을 얻는 것이 가능할 수 있다. 개선된 용접 비드 특징들은 베이스 재료에 향한 유리한 용접 비드 접촉각을 갖는 프로파일을 초래할 수 있고, 이는 베이스 재료 및 인접 용접 비드들에 대한 적절한 융합을 촉진할 수 있다. 개선된 용접 비드 및 융합 특징들은 개선된 기계적 완전성을 갖는 제조된 제품을 산출할 수 있다.
[00206]
각각의 용융 공구는 별도로 제어될 수 있으며, 따라서 개별적으로 온도 및 압력의 별도의 필드들을 생성하도록 조절될 수 있다. 이러한 배열의 장점은 베이스 재료의 표면 가열된 영역 상으로 용융될 금속 공급원료에 적용되는 열 에너지의 양이 베이스 재료의 표면에 적용되는 것보다 더 클 수 있어, 베이스 재료의 과열을 회피할 수 있다는 것이다.
[00207]
본 명세서에 제공된 DED 제조 시스템은 용융 공구로서 PTA 토치, 레이저 디바이스, 전자 비임 디바이스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 구성들에서, 베이스 재료 표면에 전기적으로 연결된 제1 PTA 토치는 베이스 재료 상의 목표 증착 영역을 가열하여 표면 가열된 영역을 형성하고, 소모성 전극에 전기적으로 연결된 제2 PTA 토치는 소모성 전극을 가열 및 용융시킬 수 있고, 이는 목표 증착 영역의 표면 가열된 영역 상으로 떨어질 수 있는 용융된 금속의 방울들(drops)을 초래할 수 있다. 일부 구성들에서, PTA 토치는 표면 가열된 영역을 형성하기 위해 베이스 재료 상의 목표 증착 영역을 표면 가열할 수 있고, 레이저 디바이스는 금속 와이어 또는 금속 분말을 가열 및 용융시킬 수 있고, 이는 목표 증착 영역의 표면 가열된 영역 상으로 증착될 수 있는 용융된 금속의 형성을 초래할 수 있다. 일부 구성들에서, PTA 토치는 표면 가열된 영역을 형성하기 위해 베이스 재료 상의 목표 증착 영역을 가열할 수 있고, 전자 비임 디바이스는 금속 와이어를 가열 및 용융시킬 수 있고, 이는 목표 증착 영역의 표면 가열된 영역 상으로 떨어질 수 있는 용융된 금속의 방울들을 초래할 수 있다.
[00208]
일부 구성들에서, 레이저 디바이스는 스폿 가열된 영역을 형성하기 위해 베이스 재료 상의 목표 증착 영역을 스폿 가열할 수 있고, 소모성 전극에 전기적으로 연결된 PTA 토치는 소모성 전극을 가열 및 용융시킬 수 있고, 이는 목표 증착 영역의 스폿 가열된 영역 내로 떨어질 수 있는 용융된 금속의 방울들을 초래할 수 있다. 일부 구성들에서, 제1 레이저 디바이스는 스폿 가열된 영역을 형성하기 위해 베이스 재료 상의 목표 증착 영역을 스폿 가열할 수 있고, 제2 레이저 디바이스는 금속 와이어 또는 금속 분말을 가열 및 용융시킬 수 있고, 이는 목표 증착 영역의 스폿 가열된 영역 상으로 증착될 수 있는 용융된 금속의 형성을 초래할 수 있다. 일부 구성들에서, 레이저 디바이스는 스폿 가열된 영역을 형성하기 위해 베이스 재료 상의 목표 증착 영역을 스폿 가열할 수 있고, 전자 비임 디바이스는 금속 와이어를 가열 및 용융시킬 수 있고, 이는 목표 증착 영역의 스폿 가열된 영역 상으로 떨어질 수 있는 용융된 금속의 방울들을 초래할 수 있다.
[00209]
일부 구성들에서, 전자 비임 디바이스는 스폿 가열된 영역을 형성하기 위해 베이스 재료 상의 목표 증착 영역을 스폿 가열할 수 있고, 소모성 전극에 전기적으로 연결된 PTA 토치는 소모성 전극을 가열 및 용융시킬 수 있고, 이는 목표 증착 영역의 스폿 가열된 영역 상으로 떨어질 수 있는 용융된 금속의 방울들을 초래할 수 있다. 일부 구성들에서, 전자 비임 디바이스는 예비 가열된 영역을 형성하기 위해 베이스 재료 상의 목표 증착 영역을 스폿 가열할 수 있고, 레이저 디바이스는 금속 와이어 또는 금속 분말을 가열 및 용융시킬 수 있고, 이는 목표 증착 영역의 스폿 가열된 영역 상으로 떨어질 수 있는 용융된 금속의 방울들을 초래할 수 있다. 일부 구성들에서, 제1 전자 비임 디바이스는 스폿 가열된 영역을 형성하기 위해 베이스 재료 상의 목표 증착 영역을 스폿 가열할 수 있고, 제2 전자 비임 디바이스는 금속 와이어 또는 분말을 가열 및 용융시킬 수 있고, 이는 목표 증착 영역의 스폿 가열된 영역 상으로 떨어질 수 있는 용융된 금속의 방울들을 초래할 수 있다.
[00210]
일부 구성들에서, DED 제조 시스템은 표면 가열된 영역을 형성하기 위해 베이스 재료의 목표 영역에 에너지(예컨대, 레이저 에너지 또는 플라즈마 전달된 아크, 개별적으로)를 지향시키도록 배열될 수 있는 레이저 디바이스 또는 PTA 토치를 포함할 수 있고, PTA 토치 또는 레이저 디바이스는 베이스 재료의 표면 가열된 영역 위에 위치 설정된 소모성 전극 또는 금속 와이어의 단부 상으로 에너지를 지향하도록 배열될 수 있다. 에너지는 소모성 전극 또는 금속 와이어의 단부를 용융시킬 수 있고, 소모성 전극 또는 금속 와이어의 단부 아래에서 베이스 재료의 표면 가열된 영역 상으로 떨어질 수 있는 용융된 금속의 액적들을 형성한다. 목표 증착 영역으로 에너지를 지향시키는 용융 공구는 베이스 재료와 용융된 금속의 액적들의 용융부(melt-in)를 베이스 재료 내로 깊어지게 함으로써 그 상에 증착된 용융된 금속 재료 사이의 융합을 촉진할 수 있다. 소모성 전극 또는 금속 와이어를 용융시키는데 사용되는 용융 공구는 또한 목표 증착 영역의 스폿 가열된 영역의 근처에서 열 에너지에 기여할 수 있고, 베이스 재료에 지향된 용융 공구에 의해 제공되는 열 에너지에 기여할 수 있다. 용융된 금속의 액적들로부터의 과열은 베이스 재료의 스폿 가열된 영역의 근처에서 용융 풀을 유지하는 것을 도울 수 있다.
[00211]
소모성 전극 또는 금속 와이어는 Al, Cr, Cu, Fe, Hf, Sn, Mn, Mo, Ni, Nb, Si, Ta, Ti, V, W 또는 Zr, 또는 이들의 복합물들 또는 합금들일 수 있거나 또는 이들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 소모성 전극은 Ti 또는 Ti 합금을 함유하는 와이어일 수 있다. 소모성 전극 또는 금속 와이어는 Al, V, Sn, Zr, Mo, Nb, Cr, W, Si 및 Mn의 하나 또는 조합과 조합하여 Ti를 함유하는 티타늄 합금일 수 있거나 또는 이를 함유할 수 있다. 예를 들어, 예시적인 티타늄 합금들은 Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-45Al-2Nb-2Cr, Ti-47Al-2Nb-2Cr, Ti-47Al-2W-0.5Si, Ti-47Al-2Nb-1Mn-0.5W-0.5Mo-0.2Si 및 Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si를 포함한다. 소모성 전극 또는 금속 와이어는 알루미늄, 철, 코발트, 구리, 니켈, 탄소, 티타늄, 탄탈, 텅스텐, 니오븀, 금, 은, 팔라듐, 백금, 지르코늄, 이들의 합금, 및 이들의 조합을 함유할 수 있다. 소모성 전극은 고체 와이어 전극, 코어드(cored) 와이어 전극 또는 스트립 전극을 포함할 수 있다.
[00212]
소모성 전극 또는 금속 와이어의 전형적인 단면은 원형 단면이다. 소모성 전극 또는 금속 와이어의 직경은 약 10 ㎜ 이하일 수 있고, 약 0.8 ㎜ 내지 약 5 ㎜의 범위에 있을 수 있다. 소모성 전극 또는 금속 와이어는 임의의 실질적으로 구현 가능한 단면 치수, 예컨대 1.0 ㎜, 1.6 ㎜, 및 2.4 ㎜, 또는 약 0.5 내지 약 3 ㎜를 가질 수 있다. 소모성 전극 또는 금속 와이어의 피드 속도 및 위치 설정은, 소모성 전극 또는 금속 와이어가 연속적으로 가열되어 베이스 재료의 예비 가열된 영역 위의 의도된 포지션에 도달할 때 용융되는 것을 보장하기 위하여, PTA 토치, 레이저 디바이스, 전자 비임 디바이스, 또는 이의 임의의 조합에 대한 전력 공급의 효과에 따라 제어 및 조절될 수 있다.
[00213]
레이저 디바이스는 베이스 재료에 열 에너지를 전달하여 베이스 재료의 표면 영역을 예비-가열하거나, 또는 금속 와이어를 용융시키기 위해 충분한 에너지의 레이저 비임을 발생시킬 수 있다. 레이저 비임으로부터 에너지를 통한 베이스 재료의 예비 가열은 베이스 재료 내로 용융 특징들을 깊어지게 함으로써 베이스 재료와 용융된 금속 재료 사이의 융합을 촉진할 수 있다. 일부 실시예들에서, 베이스 재료의 적어도 일 부분은 레이저 디바이스의 레이저 비임으로부터 에너지에 의해 용융될 수 있다. 일부 실시예들에서, 충분한 열이 레이저 디바이스의 레이저 비임에 의해 적용되어, PTA 토치, 또는 다른 레이저 디바이스, 또는 전자 비임 디바이스에 의해 생성된 금속 재료가 증착될 포지션에서 베이스 재료 내에 용융 풀을 형성할 수 있다.
[00214]
적합한 레이저 디바이스의 예들은 이테르븀(Yb) 레이저, Yb 섬유 레이저, Yb 섬유 결합 다이오드 레이저, Yb:글래스(glass) 레이저, 다이오드-펌핑된 Yb:YAG 레이저, 네오디뮴-도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(Nd:YAG) 레이저, CO2 레이저, CO 레이저, Nd:글래스 레이저, 네오디뮴-도핑된 이트륨 오르토바나데이트(orthovanadate)(Nd:YVO) 레이저, Cr:루비 레이저, 다이오드 레이저, 다이오드 펌핑된 레이저, 엑시머 레이저, 가스 레이저, 반도체 레이저, 고체-상태 레이저, 염료 레이저, X-선 레이저, 자유-전자 레이저, 이온 레이저, 가스 혼합물 레이저, 화학 레이저 및 이들의 조합물을 포함한다. 바람직한 레이저들은 Yb 레이저들, 특히 Yb 섬유 레이저들을 포함한다. 많은 적용예들에서, Yb 섬유 레이저에 사용되는 파장은 다른 레이저 파장들에 비해 덜 반사적일 수 있다.
[00215]
PTA 토치는, 특히 아크(금속 불활성 가스 용접 또는 MIG-용접)를 확립하기 위해 비-반응성 가스들을 사용하여, 가스 금속 아크 용접(GMAW)과 같은 베이스 재료의 표면 상의 목표 영역을 가열하기 위해, 또는 소모성 전극을 저항 가열 및 용융시키기 위해 전기 아크 플라즈마를 생성할 수 있는 임의의 구성일 수 있다. 소모성 전극은 전기 아크를 사용하여 PTA 토치에 의해 생성된 플라즈마에서 용융되도록 만들어질 수 있고, 용융 소모성 전극은 거의 순 형상의 금속 몸체들에 추가되어 이를 형성하기 위해 작업편 상에서 용융 풀 내로 증착될 수 있다. PTA 토치로부터의 에너지를 통한 베이스 재료의 예비 가열은 베이스 재료 내의 용융 특징들을 깊어지게 함으로써 베이스 재료와 용융된 금속 재료 사이의 융합을 촉진할 수 있다. 일부 실시예들에서, 베이스 재료의 적어도 일 부분은 PTA 토치의 플라즈마로부터의 에너지에 의해 용융될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상이한 PTA 토치 또는 레이저 디바이스에 의해 용융된 금속 재료가 그 상에 증착될 포지션에서 베이스 재료 내에 용융 풀을 형성하기 위해 PTA 토치의 플라즈마에 의해 충분한 열이 적용될 수 있다.
[00216]
용융 트랙들을 유도하여 기판의 열적 예비-절곡, 만곡된 클램핑 몰드의 사용, 및 DED 공정을 사용하여 작업편의 형성 전에 기판의 예비-가열의 조합은, 많은 전통적인 적층 제조된 제품들에서 명백한 내부 잔류 응력들 및 변형들과 관련된 문제들을 상당히 완화시키는 거의 순 형상의 금속 작업편의 형성을 허용한다. 이는 개선된 제조 반복성, 증가된 치수 정밀도, 및 증가된 강도, 피로 저항 및 내구성을 나타내는 제조된 작업편을 초래할 수 있다.
[00217]
E. 예들
[00218]
후속 예들은 단지 예시적인 목적들을 위해 포함되고, 본 명세서에 제공된 실시예들의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
[00219]
예 1
[00220]
635 ㎜ x 190 ㎜ x 9.5 ㎜의 치수들(LxWxT)을 갖고 Ti-6Al-4V로 만들어진 제1 베이스플레이트 기판이 제1 테스트 기판으로 사용되어 잔류 응력 완화 없는 변형을 결정하였다. 기판은 지그 또는 용접 테이블에 클램핑되었고, 작업편은 베이스 재료를 예비-가열하는 제1 PTA 토치, Ti-6Al-4V 와이어를 용융시켜 예비-가열된 베이스 재료 상으로 증착되었던 용융된 금속을 형성하는 제2 PTA 토치를 사용하여 작업편 상에서 생성되었다. 증착의 속도는 7.5 내지 10 ㎜/s이었고, 불활성 가스가 액체 용융 풀의 액체-고체 바운더리에 인접한 애즈-응고된 재료에 충돌하도록 높은 유량으로 냉각 가스를 지향시키기 위해 사용되었다. 증착이 완료된 후, 구성요소가 냉각되었고 지그로부터 제거되었고, 기판이 변형에 대해 검사되었다.
[00221]
왜곡은 증착 이전에 기판의 평탄도 프로파일과 비교하여 상향으로 휘어진 기판의 짧은 에지들에서 분명하였다. 관찰된 변형들은 도 13a에 도시되어 있다.
[00222]
635 ㎜ x 190 ㎜ x 12.7 ㎜의 치수들(LxWxT)을 갖고 Ti-6Al-4V로 만들어진 제2 베이스플레이트 기판dl 제2 테스트 기판으로서 사용되었다. 동일한 작업편이 상술된 바와 동일한 조건들을 사용하여 제작되었다. 도 13b는 어떠한 유형의 잔류 응력 완화를 거치지 않은 12.7 ㎜의 두께를 갖는 기판 상의 DED 증착에 의해 유발된 변형을 도시하고, 증착 이전의 기판의 평탄도 프로파일에 비해 기판의 짧은 에지들에서 상향 휘어짐을 보이고, 좌측 에지가 약 7 ㎜만큼 상향으로 휘어지고 우측 에지가 약 6.0 ㎜만큼 상향으로 휘어져 있다.
[00223]
도 13c는 635 ㎜ x 190 ㎜ x 9.5 ㎜의 치수들(LxWxT)을 갖고 본 명세서에서 설명된 바와 같이 열적 예비-절곡, 예비 가열 및 DED 프로세싱을 거침에 의해서 물체의 형성을 위해 사용되었던 Ti-6Al-4V로 만들어진 제3 베이스플레이트 기판을 도시한다. 기판은 기판의 긴 에지들의 전체 길이들 주위에서 절연된 클램프들을 사용하여 지그에 견고하게 클램핑되지만, 클램프들이 기판의 짧은 에지들로서 사용되지 않았다. 각각 약 3.2 ㎜(RS-1200 Keranova)의 두께를 갖고 기판과 동일한 치수들을 갖는 알루미나 절연체 플레이트들의 4 개의 층이 지그로부터 기판을 열적으로 절연시키도록 기판과 지그 사이에 사용되었다.
[00224]
PTA 토치는 기판 내의 용융 트랙들을 생성하기 위해 기판의 제1 측면에 열 에너지를 제공하는데 사용되었다. DED 및 용융 트랙들의 조합으로부터 결정된, 최종 집계된 잔류 응력 분포는, 예비-절곡 용융 트랙들 없이 DED의 원래의 잔류 응력 프로파일(즉, DED 중심선에서 높은 인장 피크 및 더 멀리 떨어져서 밸런싱 압축 응력들)에 비교될 때, DED의 중심선에서 더 낮은 인장 피크를 가지며, DED의 중심선으로부터 떨어져 낮은 밸런싱 압축 응력을 갖는다. 용융 트랙들을 생성하는데 사용되는 패턴은 도 7a 및 도 7b에 도시되어 있다. 도면에 예시된 바와 같이, DED 열원으로서 작용하는 PTA 토치는 기판의 하나의 에지에 위치 설정되었다. 용융 트랙들 사이의 간격은 생성될 작업편의 형상에서 예측될 수 있다. 예를 들어, 용융 트랙들은 작업편 내의 최종 집계된 잔류 응력 분포를 최소화하기 위해 형성될 작업편의 벽 아래의 영역에 있지 않은 영역들에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 표면 상의 다수의 용융 라인들은 기판의 제2 측면 상에 형성될 작업편의 하나 이상의 벽들에 의해 점유되는 하나 이상의 영역들에 대응하는 것들 이외의 하나 이상의 위치들에 형성될 수 있다. 기판 내에 가장 큰 열 응력들을 유도하기 위해, 높은 에너지 밀도(예컨대, 약 450 J/㎜ 내지 약 550 J/㎜로 전달된 아크 에너지)가 6 내지 16 ㎜/s의 속도로 적용되어 기판의 표면의 일 부분을 신속하게 용융시켜 자생 용접 라인들을 생성하였고, 이는 용접 라인을 향해 높은 유속으로 25 ℃의 온도에서 냉각 가스를 지향시키는 가스 제트 디바이스를 사용하여 신속하게 냉각되어, 그에 의해 용융 트랙의 중심선 근처에서 높은 인장 응력을 갖고 중심선으로부터 먼 거리에서 높은 압축 응력들을 갖는 용융 트랙들을 형성한다. 예시적인 실시예들에서, 9.5 내지 10 ㎜의 기판 두께에 대해, 약 150 A 내지 약 250 A의 전류, 약 20 V 내지 약 30 V의 전압, 및 6 ㎜/s 내지 16 ㎜/s의 횡단 속도를 갖는 단일 열원이 사용되어 대략 3 ㎜ 폭 및 최대 1 ㎜ 깊이의 용융 트랙들을 생성하였다.
[00225]
지그로부터 해방될 때, 예비-절곡된 기판은 상향으로 휘어져서, 도 8a에 도시된 것과 유사한, 약 15 ㎜의 편향을 나타내었다. 그 다음, 이 예비-절곡된 기판은 아래에 놓인 지지부 및 절연된 클램프들로서 만곡된 클램핑 몰드를 사용하여 지그에 부착되어, 예비-절곡된 기판을 지그에 부착시켰다. 예비-절곡된 기판은 용융 트랙들을 갖는 측면이 만곡된 클램핑 몰드를 향하도록 위치 설정되었다. 예비-절곡된 기판의 예비-가열은 DED 금속 증착 동안 베이스플레이트 경계부에서 융합 문제를 야기할 수 있는, 국부적인 용접 트랙들을 생성시키는 위험을 감소시키기 위해 높은 스탠드오프 거리에서 PTA 토치들을 위치 설정함으로써 예비-절곡된 기판 표면에 낮은 에너지 밀도를 전달하는 2 개의 PTA 토치들로 달성되었다. 예를 들어, 예비-가열은 150 내지 250 A의 범위 및 20 내지 30 V의 아크 전압들을 사용하는 2 개의 PTA 토치들을 사용하여 수행되었다. 횡단 속도는 6 내지 12 ㎜/s이었다. 예를 들어, 제1 PTA 토치에 의해 전달된 아크 에너지는 460 J/㎜일 수 있고, 제2 PTA 토치에 의해 전달되는 아크 에너지는 430 J/㎜일 수 있다. 다른 중요한 측면은 예비-절곡 트랙들이 예비-가열에 사용된 것과 비교하여 더 높은 플라즈마 가스 유동으로 수행되었다는 사실이다. 더 높은 플라즈마 가스 유동은 더 높은 에너지 밀도들을 갖는 더 강한 전기 아크들(stiffer electric arc)를 생성한다. 스탠드오프 거리에 관하여, 예비-절곡에 사용된 것과 비교하여 예비-가열 동안 25 ％ 내지 50 ％ 더 높은 스탠드오프 거리, 또는 30 ％ 내지 40 ％ 더 높은 스탠드오프 거리가 사용될 수 있다. 예비-가열 공정 동안 냉각 가스가 사용되지 않았다.
[00226]
기판의 온도가 450 ℃ 내지 550 ℃에 도달된 후, 물체를 형성하기 위한 금속의 DED 증착이 아르곤 불활성 분위기를 함유하는 폐쇄된 챔버 내부에서 수행되었다. DED 공정은 2 개의 PTA 토치들을 사용하였다. 제1 PTA 토치는 예비 가열된 영역을 형성하기 위해 베이스 재료의 목표 영역으로 열 에너지를 지향시키고, 제2 PTA 토치는 (1) 베이스 재료의 예비 가열된 영역 위에 위치 설정된 소모성 전극 또는 금속 와이어의 단부 상으로, 및 (2) 예비 가열된 영역을 향해 열 에너지를 지향시켰다. 제2 PTA 토치로부터의 에너지는 소모성 전극 또는 금속 와이어의 단부를 용융시켰고, 소모성 전극 또는 금속 와이어의 단부 아래에서 베이스 재료의 예비 가열된 영역 상으로 떨어지는 용융된 금속의 액적들을 형성하였다. 공정은 용융된 금속의 액체-고체 바운더리에 인접한 애즈-응고된 재료를 향해 고 유량으로 25 ℃의 온도에서 냉각 가스를 지향시키는 가스 제트 디바이스의 사용을 포함하였다. 증착은 작업편이 완성될 때까지 계속되었다. 작업편은 증착 챔버 내부에서 400 ℃ 이하의 온도로 냉각되도록 허용되었다. 그 다음, 작업편은 증착 챔버로부터 제거되고, 그런 후 예비-절곡된 기판은 지그로부터 제거되었다. 작업자가 작업편을 얼마나 빠르게 제거하는 지에 따라, 예비-절곡된 기판은 200 내지 300 ℃ 또는 그 이하의 온도에서 지그로부터 제거될 수 있다. 이 경우에, 예비-절곡된 기판은 약 250 ℃의 온도에서 지그로부터 제거되었다.
[00227]
도 13c에 도시된 바와 같이, 작업편은 기판의 짧은 에지들에서 작은(단지 약 0.5 ㎜) 상향 이동을 나타내었고, 이는 통상적인 DED 공정들이 사용되었을 때 테스트 기판에서 관찰되는 잔류 응력의 상당한 양이 예비-절곡 및 예비-가열과 조합하여 만곡된 클램핑 몰드를 사용하여 제거되었다는 것을 가리킨다.
[00228]
위에서 설명된 동일한 조건들 하에서 유사한 기판들 및 동일한 작업편 설계를 사용하여 반복성이 시험되었다. 방법은 생성된 모든 3 개의 작업편에 걸쳐 일관된 재현 가능한 결과들을 나타내었다. 작업편 #1 과 작업편 #2 사이의 기판 변형의 편차는 약 0.5 ㎜이었고, 작업편 #2 와 작업편 #3 사이의 기판 변형의 편차는 약 0.1 ㎜이었다.
[00229]
응력 완화 열 처리는 작업편의 전체 치수들에 상당한 영향을 미치지 못했다. 예를 들어, 응력 경감 후에, 플레이트의 더 짧은 에지들에서 대략 0.5 ㎜ 만큼 아주 작은 상향 이동만이 일어났다. 이는 애즈-증착된 상태의 작업편 내의 잔류 응력이 기술된 응력 완화의 결과로서 매우 낮다는 것을 의미한다.
[00230]
해당 기술분야의 숙련자에게 본 발명의 기술사상 또는 범위를 벗어나지 않고 본 발명에서 다양한 수정들 및 변화가 행해질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 본 발명의 수정들 및 변화들을 포함하는 것으로 의도된다.
다음은 설명 및 첨부 도면들에 사용된 참조부호들의 리스트이다.
100 만곡된 클램핑 몰드 372 제3 예비-절곡 가열 경로
105 널링된 또는 주름진 표면 373 제4 예비-절곡 가열 경로
110 상부 표면 374 제5 예비-절곡 가열 경로
115 에지 375 제6 예비-절곡 가열 경로
120 리지 380 예비성형체 벽
130 홈 382 예비성형체 벽
140 평평한 림 384 예비성형체 벽
150 세라믹 코팅 400 지그
155 본드 코트 410 공칭 기판 편향
160 공동 500 클램프
162 공동 501 나선 형성된 구멍
164 공동 502 구멍
166 공동 505 하부 접촉 면
170 보강 부재 506 측면 접촉 면
180 최대 높이 507 클램프의 상부 표면
200 가스 제트 디바이스 509 세라믹 코팅된 표면들
210 노즐들 510 접시머리 나사
230 지지부 515 접시머리 나사의 팁
250 PTA 토치 520 볼트
300 기판 525 너트
310 제1 측면 530 지그의 상부 표면
320 제3 측면 540 알루미나 절연체 플레이트
330 플랫폼의 DED 뒷벽 541 알루미나 절연체 플레이트
350 용융 트랙 542 알루미나 절연체 플레이트
355 용융 트랙들 사이의 공간 543 알루미나 절연체 플레이트
360 용융 트랙 544 비-균일한 압력 및 열의 전달 분포 영역
370 제1 예비-절곡 가열 경로 545 비-균일한 압력 및 열의 전달 분포 영역
371 제2 예비-절곡 가열 경로
546 비-균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역
547 비-균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역
548 비-균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역
549 비-균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역
550 베이스플레이트
575 균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역들을 도시하는 박스
576 균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역들을 도시하는 박스
577 균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역들을 도시하는 박스
578 균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역들을 도시하는 박스
600 예비성형체
600′ 예비성형체
610 클램핑 엔터티
615 클램핑 엔터티
620 클램핑 엔터티
625 클램핑 엔터티
630 클램핑 엔터티
650 비-최적 클램핑 영역
700 제1 예비-가열 가열 경로
705 제2 예비-가열 가열 경로
710 제3 예비-가열 가열 경로
715 제4 예비-가열 가열 경로
720 제5 예비-가열 가열 경로
725 제6 예비-가열 가열 경로
730 제7 예비-가열 가열 경로
735 제8 예비-가열 가열 경로
100 만곡된 클램핑 몰드 372 제3 예비-절곡 가열 경로
105 널링된 또는 주름진 표면 373 제4 예비-절곡 가열 경로
110 상부 표면 374 제5 예비-절곡 가열 경로
115 에지 375 제6 예비-절곡 가열 경로
120 리지 380 예비성형체 벽
130 홈 382 예비성형체 벽
140 평평한 림 384 예비성형체 벽
150 세라믹 코팅 400 지그
155 본드 코트 410 공칭 기판 편향
160 공동 500 클램프
162 공동 501 나선 형성된 구멍
164 공동 502 구멍
166 공동 505 하부 접촉 면
170 보강 부재 506 측면 접촉 면
180 최대 높이 507 클램프의 상부 표면
200 가스 제트 디바이스 509 세라믹 코팅된 표면들
210 노즐들 510 접시머리 나사
230 지지부 515 접시머리 나사의 팁
250 PTA 토치 520 볼트
300 기판 525 너트
310 제1 측면 530 지그의 상부 표면
320 제3 측면 540 알루미나 절연체 플레이트
330 플랫폼의 DED 뒷벽 541 알루미나 절연체 플레이트
350 용융 트랙 542 알루미나 절연체 플레이트
355 용융 트랙들 사이의 공간 543 알루미나 절연체 플레이트
360 용융 트랙 544 비-균일한 압력 및 열의 전달 분포 영역
370 제1 예비-절곡 가열 경로 545 비-균일한 압력 및 열의 전달 분포 영역
371 제2 예비-절곡 가열 경로
546 비-균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역
547 비-균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역
548 비-균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역
549 비-균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역
550 베이스플레이트
575 균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역들을 도시하는 박스
576 균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역들을 도시하는 박스
577 균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역들을 도시하는 박스
578 균일한 압력 및 열 전달 분포의 영역들을 도시하는 박스
600 예비성형체
600′ 예비성형체
610 클램핑 엔터티
615 클램핑 엔터티
620 클램핑 엔터티
625 클램핑 엔터티
630 클램핑 엔터티
650 비-최적 클램핑 영역
700 제1 예비-가열 가열 경로
705 제2 예비-가열 가열 경로
710 제3 예비-가열 가열 경로
715 제4 예비-가열 가열 경로
720 제5 예비-가열 가열 경로
725 제6 예비-가열 가열 경로
730 제7 예비-가열 가열 경로
735 제8 예비-가열 가열 경로
Claims (62)
- 하나 이상의 보강 부재에 의해 분리된 2 개 이상의 공동들 및
제1 측면의 주변부 주위에 평평한 표면을 갖는 림(rim)을 포함하는 제1 측면;
상기 제1 측면에 대향하고, 만곡된 표면을 갖고 너얼들(knurls) 또는 주름들을 포함하는 제2 측면; 및
세라믹 코팅(ceramic coating)을 포함하는, 만곡된 클램핑 몰드(curved clamping mold). - 제1 항에 있어서,
상기 보강 부재가 몰드 강성(mold rigidity)을 유지하거나, 몰드 변형 저항성을 제공하거나, 둘 모두인, 만곡된 클램핑 몰드. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
비-자성 금속을 추가로 포함하는, 만곡된 클램핑 몰드. - 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
1350 ℃ 이상의 융점을 갖는 금속을 추가로 포함하는, 만곡된 클램핑 몰드. - 제3 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 금속이 오스테나이트계 스테인리스 강을 포함하는, 만곡된 클램핑 몰드. - 제5 항에 있어서,
상기 오스테나이트계 스테인리스 강이 탄소, 크롬, 구리, 망간, 몰리브덴, 니켈, 질소, 인, 실리콘 또는 이들의 임의의 2 개 이상의 조합을 포함하는, 만곡된 클램핑 몰드. - 제5 항에 있어서,
상기 오스테나이트계 스테인리스 강이 적어도 18 ％ 크롬을 포함하는, 만곡된 클램핑 몰드. - 제5 항에 있어서,
상기 오스테나이트계 스테인리스 강이 300 시리즈 스테인리스 강인, 만곡된 클램핑 몰드. - 제5 항에 있어서,
상기 오스테나이트계 스테인리스 강이 304 스테인리스 강, 309 스테인리스 강, 310 스테인리스 강, 316 스테인리스 강, 318 스테인리스 강, 321 스테인리스 강 또는 330 스테인리스 강을 포함하는, 만곡된 클램핑 몰드. - 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세라믹 코팅이 지르코늄 디옥사이드(zirconium dioxide), 이트륨 산화물(yhttrium oxide)의 첨가에 의해 안정화된 지르코늄 디옥사이드, 이트륨 알루미늄 옥사이드(yttrium aluminium oxide), 알칼리 토금속 실리케이트(alkaline earth metal silicates), ZrV2O7, Mg3(VO4)2 또는 이들의 조합을 포함하는, 만곡된 클램핑 몰드. - 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세라믹 코팅이 ZrO2 8Y2O3를 포함하는, 만곡된 클램핑 몰드. - 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세라믹 코팅이 0.1 ㎜ 내지 약 5 ㎜의 두께를 갖는, 만곡된 클램핑 몰드. - 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
약 3 ㎜ 내지 약 35 ㎜의 공칭 몰드 편향(nominal mold deflection)을 추가로 포함하는, 만곡된 클램핑 몰드. - 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세라믹 코팅이 그 상으로 적용되는 본드 코트(bond coat)를 추가로 포함하는, 만곡된 클램핑 몰드. - 금속 작업편을 생성하기 위한 직접 에너지 증착 방법으로서,
예비-절곡된 기판을 생성하기 위해 용융 공구를 사용하여 기판의 제1 표면 상에 복수의 용융 트랙들(melting tracks)을 형성함으로써 열 에너지로 금속 재료의 기판을 예비-절곡하는 단계;
제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항의 만곡된 클램핑 몰드를 아래에 놓인(underlying) 지지 구조로서 사용하여 상기 예비-절곡된 기판을 지지하고, 복수의 클램프들을 사용하여 상기 예비-절곡된 기판 및 상기 예비-절곡된 기판을 지지하는 상기 만곡된 클램핑 몰드를 지그에 고정하는 단계; 및
상기 기판의 제2 표면 상에 용융된 금속의 층을 증착시켜서 베이스 재료를 형성하고 상기 베이스 재료 상에 용융된 금속의 후속 층들을 증착하여 작업편을 형성하기 위해 상기 금속 공급원료를 용융시키는 것을 포함하는 적층 제조 공정에 의해 상기 기판의 제2 표면 상에 상기 금속 작업편을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 기판의 제2 표면은 기판의 제1 표면에 대향하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항에 있어서,
상기 금속 공급원료가 분말, 와이어 또는 이들의 조합의 형태의 금속인, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 또는 제16 항에 있어서,
상기 기판의 제2 측면에 열 에너지를 적용함으로써 약 400 ℃ 내지 약 900 ℃의 온도로 상기 지그에 고정된 동안 상기 금속 작업편을 형성하기 전에 상기 예비-절곡된 기판을 예비-가열하는 단계를 추가로 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판을 예비-절곡하는 단계는 상기 기판에 열 구배들을 유도하는 것을 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용융 공구가 레이저 비임, 전자 비임, 플라즈마 아크, 가스 텅스텐 아크, 가스 금속 아크 및 이들의 임의의 조합 중에서 선택된 열원을 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판의 제1 표면을 예비-절곡하는 동안, 열 에너지의 적용의 영역이 상기 금속 재료의 융점인 온도, 또는 상기 금속 재료의 융점보다 약 5 ℃ 내지 약 50 ℃ 낮거나 또는 높은 온도에 도달하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판의 제1 표면의 예비-절곡 동안, 상기 용융 트랙들의 형성이 상기 기판의 냉각 시 각각의 용융 트랙들의 중심선에 인장 응력의 형성 및 각각의 용융 트랙들의 중심선으로부터 떨어진 영역에 압축 응력의 형성을 초래하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제21 항에 있어서,
상기 용융 트랙의 중심선에서의 인장 응력은 상기 기판의 항복 강도의 약 10 ％ 이내인, 직접 에너지 증착 방법. - 제21 항에 있어서,
상기 용융 트랙의 중심선에서의 인장 응력이 상기 기판의 항복 강도의 크기를 초과하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 예비-절곡 단계가 상기 용융 트랙의 냉각을 가속시키기 위해 가스 제트 디바이스를 사용하여 상기 용융 트랙들을 향해 냉각 가스를 지향시키는 단계를 추가로 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제24 항에 있어서,
상기 용융 트랙들을 향해 상기 냉각 가스를 지향시키는 단계가 상기 기판 내에 열 구배를 형성하고, 냉각시 상기 기판에 잔류 응력을 부과하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제24 항 또는 제25 항에 있어서, 상기 가스 제트 디바이스가 약 50 L/min 내지 약 500 L/min의 속도로 상기 냉각 가스를 상기 용융 트랙들을 향해 지향시키는, 직접 에너지 증착 방법.
- 제24 항 내지 제26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 가스가 일정한 스트림으로 적용되거나, 간헐적으로 적용되거나, 또는 펄스화된 유동으로 적용되는, 직접 에너지 증착 방법. - 제24 항 내지 제26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 가스가 아르곤, 헬륨, 네온, 크세논, 크립톤 및 이들의 조합 중에서 선택된 불활성 가스를 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제24 항 내지 제28 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 가스가 100 ℃ 이하의 온도에서 적용되는, 직접 에너지 증착 방법. - 제24 항 내지 제29 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 가스가 25 ℃ 이하의 온도에서 적용되는, 직접 에너지 증착 방법. - 제24 항 내지 제30 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스 제트 디바이스가 상기 냉각 가스의 난류, 상기 냉각 가스의 층류, 또는 상기 냉각 가스의 난류 및 층류의 조합을 생성하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제24 항 내지 제31 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스 제트 디바이스가 복수의 노즐들을 포함하고, 상기 노즐들은 상기 용융 공구의 열원으로부터 멀어지는 방향으로 상기 냉각 가스를 지향시키고, 적어도 하나의 노즐은 상기 용융 트랙의 애즈-응고된 금속(as-solidified material)에 상기 냉각 가스를 지향시키는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제32 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용융 트랙들이 서로로부터 등거리로 생성되는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제33 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용융 트랙들 사이의 거리가 약 10 ㎜ 내지 약 60 ㎜인, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제34 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판의 제2 표면 상에 형성될 예비성형체의 각각의 벽의 중심선을 결정하는 단계; 및
상기 기판의 상기 제2 표면 상에 형성될 상기 예비성형체의 다수의 벽들의 중심선들로부터 약 10 ㎜ 내지 약 20 ㎜ 이격된 상기 기판의 제1 표면 상에 상기 용융 트랙들을 위치 설정시키는 단계를 추가로 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제35 항 중 어느 한 항에 있어서,
기판의 제2 측면 상에 형성될 작업편의 하나 이상의 벽들에 의해 점유된 하나 이상의 영역들에 대응하는 것들 이외의 하나 이상의 위치들에서 제1 표면 상에 다수의 용융선들을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제36 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 예비-절곡이 균일한 탄소성 절곡부(elasto-plastic bend)를 갖는 예비-절곡된 기판을 형성하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제37 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판이 지그에 클램핑되어 상기 지그로부터 열적으로 절연되어 있는 동안 상기 기판의 예비-절곡을 추가로 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제38 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 클램프들이 예비-절곡된 기판과 접촉하게 되는 각각의 표면 상에 절연 코팅을 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제39 항에 있어서,
상기 절연 코팅이 세라믹 재료, 탄화규소, 질화규소, 탄화붕소 또는 이들의 조합을 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제40 항에 있어서,
상기 세라믹 재료가 알루미나, 지르코니아, 티타늄 산화물, 알칼리 토금속 실리케이트, 알루미늄 티타네이트, 지르코늄 디옥사이드, 이트륨 산화물의 첨가에 의해 안정화된 지르코늄 디옥사이드, 이트륨 알루미늄 산화물, ZrV2O7, Mg3(VO4)2 또는 이들의 조합을 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제40 항 또는 제41 항에 있어서,
상기 절연 코팅의 두께가 0.1 ㎜ 내지 5 ㎜인, 직접 에너지 증착 방법. - 제39 항 내지 제42 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 클램프들이 상기 예비-절곡된 기판과 접촉하는 표면 상에 널링 패턴(knurling pattern) 또는 주름을 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제39 항 내지 제43 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 예비-절곡된 기판을 상기 아래에 놓인 만곡된 클램핑 몰드와 완전히 접촉하게 하도록 상기 클램프들을 조이는 단계를 추가로 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제44 항에 있어서,
상기 클램프들 각각이 약 10 N·m 내지 약 100 N·m의 토크로 조여지는, 직접 에너지 증착 방법. - 제39 항 내지 제45 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 클램프들이, 상기 클램프들이 생성되고 있는 상기 작업편의 벽의 시작 또는 끝에서 만나도록 위치 설정되는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제46 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 예비-절곡된 기판의 예비-가열이 하기 조건들 하에서 DED 열원을 포함하는 하나 이상의 용융 공구를 사용하여 행해지고, 상기 조건들은:
a) 용융 트랙들을 형성하지만, 상기 예비-절곡된 기판의 표면을 용융시키지 않거나;
b) 용융 트랙들을 형성하고 상기 용융 트랙들에서 상기 예비-절곡된 기판의 표면을 용융시키는 것인, 직접 에너지 증착 방법. - 제46 항에 있어서,
상기 작업편을 형성하기 위해 사용되는 스탠드오프 포지션(standoff position)보다 큰 스탠드오프 포지션에 상기 용융 공구를 위치 설정하는 단계를 추가로 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제48 항에 있어서,
작업편을 형성하기 위해 DED 증착 이전에 제1 짧은 에지 및 대향하는 제2 짧은 에지 및 제1 긴 에지 및 대향하는 제2 긴 에지를 포함하는 예비-절곡된 기판을 예비-가열하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 예비-가열은:
a) 상기 지그에 고정된 예비-절곡된 기판의 제1 긴 에지의 약 10 ㎜ 내지 약 60 ㎜ 내에 그리고 상기 제1 짧은 에지에 DED 열원을 포함하는 용융 공구를 위치 설정하는 단계;
b) 상기 제1 짧은 에지에서 시작하여 상기 예비-절곡된 기판의 표면을 가로질러 그리고 상기 대향하는 제2 짧은 에지까지의 표면을 가로질러 상기 용융 공구의 DED 열원으로부터의 열 에너지를 적용하여 표면에 에너지 적용의 제1 라인을 형성하는 단계;
c) 상기 제1 짧은 에지에 그리고 상기 에너지 적용의 제1 라인으로부터 상기 제2 긴 에지를 향해 약 10 ㎜ 내지 약 60 ㎜의 거리를 변위시키서 상기 용융 공구의 DED 열원을 재위치 설정하는 단계; 및
d) 에너지 적용의 라인들이 대향하는 제2 긴 에지로부터 약 10 ㎜ 내지 약 60 ㎜의 위치까지 예비-절곡된 기판의 표면을 가로질러 적용될 때까지 단계들 b) 및 c)를 반복하는 단계를 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제48 항 또는 제49 항에 있어서,
가열 디바이스를 사용하여 상기 기판의 전면에 열 에너지를 적용함으로써, 작업편을 형성하는 DED 증착 전에 상기 예비-절곡된 기판을 예비-가열하는 단계를 추가로 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제50 항에 있어서,
상기 가열 디바이스가 적외선 히터, 유도 히터, 저항 히터 또는 이들의 조합을 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제50 항에 있어서,
상기 가열 디바이스가 전도체-인-도관(conductor-in-conduit) 열원, 히터 스트립, 저항성 가열 스트립, 적외선 히터, 포지티브 열 계수 세라믹 히터, 후막 세라믹 히터, 저항 와이어 히터, 저항 리본 가열 디바이스, 적외선 히터, 유도 히터 또는 이들의 조합을 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제52 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 예비-가열이 상기 예비-절곡된 기판의 온도를 약 350 ℃ 내지 약 650 ℃의 온도로 상승시키는, 직접 에너지 증착 방법. - 제16 항 내지 제53 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 작업편의 형성이,
와이어 형태의 금속 공급원료를 제공하는 단계;
용융된 금속 재료가 상기 기판의 영역 상으로 증착되어 베이스 재료를 형성하도록 상기 와이어를 가열 및 용융시키기 위해 단일 용융 공구를 사용하는 단계;
상기 베이스 재료 상으로 용융된 금속 재료의 연속적인 증착물들이 응고되어 3 차원 물체를 형성하도록 미리 결정된 패턴으로 상기 용융 공구의 포지션에 대해 상기 베이스 재료를 이동시키는 단계를 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제16 항 내지 제53 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 작업편의 형성이,
a) 와이어 형태의 금속 공급원료를 제공하는 단계;
b) 상기 기판 상에 예비-가열된 영역을 형성하기 위해 상기 기판의 표면의 적어도 일 부분을 가열하도록 제1 용융 공구를 사용하는 단계;
c) 용융된 금속 재료가 베이스 재료를 형성하기 위해 상기 예비 가열된 영역 상으로 증착되도록 상기 와이어를 가열 및 용융시키도록 제2 용융 공구를 사용하는 단계;
d) 상기 제1 용융 공구 및 상기 제2 용융 공구의 포지션에 대해 상기 베이스 재료를 미리 결정된 패턴으로 이동시키는 단계;
e) 상기 베이스 재료 상에 예비 가열된 영역을 형성하도록 상기 베이스 재료의 표면의 적어도 일 부분을 가열하기 위해 상기 제1 용융 공구를 사용하고, 상기 베이스 재료 상의 상기 예비 가열된 영역 상으로 상기 금속 재료를 용융시키는 상기 제2 용융 공구에 의해 생성된 용융된 금속 재료를 증착하는 단계; 및
f) 베이스 재료 상의 예비 가열된 영역들 상으로 용융된 금속 재료의 연속적인 증착물들이 응고되어 3 차원 물체를 형성하도록 단계들 d) 및 e)를 반복하는 단계를 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제54 항 또는 제55 항에 있어서,
용융된 금속 재료의 표면을 가로질러, 또는 용융된 금속 재료의 표면에 충돌하도록, 또는 용융된 금속 재료의 액체-고체 바운더리(boundary)에 인접한 응고된 재료의 표면에 충돌하도록, 또는 이들의 임의의 조합으로 냉각 가스를 지향시키기 위해 가스 제트 디바이스를 사용하는 단계; 및
상기 용융된 금속 재료의 연속적인 증착물들이 응고되어 3 차원 물체를 형성하도록 미리 결정된 패턴으로 상기 용융 공구(들) 및 상기 가스 제트의 포지션에 대해 상기 베이스 재료를 이동시키는 단계를 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제54 항 또는 제55 항에 있어서,
제1 용융 공구가 PTA 토치, 레이저 디바이스, 전자 비임 디바이스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하고;
제2 용융 공구는 PTA 토치, 레이저 디바이스, 동축 분말 피드(feed) 노즐 레이저 시스템, 전자 비임 디바이스, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제57 항에 있어서,
상기 제1 용융 공구가 제1 PTA 토치를 포함하고, 상기 제2 용융 공구는 제2 PTA 토치를 포함하거나;
상기 제1 용융 공구가 레이저 디바이스를 포함하고, 상기 제2 용융 공구는 PTA 토치를 포함하거나;
상기 제1 용융 공구가 PTA 토치를 포함하고, 상기 제2 용융 공구는 레이저 디바이스를 포함하거나;
상기 제1 용융 공구가 레이저 디바이스를 포함하고, 상기 제2 용융 공구는 동축 분말 피드 노즐 레이저 시스템을 포함하거나;
상기 제1 용융 공구가 PTA를 포함하고, 상기 제2 용융 공구는 토치 동축 분말 피드 노즐 레이저 시스템을 포함하거나;
상기 제1 용융 공구가 PTA 토치를 포함하고, 상기 제2 용융 공구는 전자 비임 디바이스를 포함하거나;
상기 제1 용융 공구가 전자 비임 디바이스를 포함하고, 상기 제2 용융 공구는 PTA 토치를 포함하거나;
상기 제1 용융 공구가 전자 비임 디바이스를 포함하고, 상기 제2 용융 공구는 레이저 디바이스를 포함하거나;
상기 제1 용융 공구가 레이저 디바이스를 포함하고, 상기 제2 용융 공구는 전자 비임 디바이스를 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 제58 항에 있어서,
상기 제2 용융 공구가 PTA 토치를 포함할 때, 상기 PTA 토치는 상기 PTA 토치의 전극이 캐소드(cathode)가 되고 금속성 재료가 애노드(anode)가 되는 소모성 전극이도록 직류 전원에 전기적으로 연결되는, 직접 에너지 증착 방법. - 제15 항 내지 제59 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판을 예비-절곡하는 단계, 상기 예비-절곡된 기판을 예비-가열하는 단계, 및 상기 금속 작업편을 형성하는 단계의 각각은 불활성 분위기를 포함하는 폐쇄된 챔버 내부에서 수행되는, 직접 에너지 증착 방법. - 제60 항에 있어서,
상기 불활성 분위기가 아르곤, 네온, 크세논, 크립톤, 헬륨 또는 이들의 조합을 포함하는, 직접 에너지 증착 방법. - 직접 에너지 증착을 위한 시스템으로서,
예비-절곡된 기판을 고정하기 위한 지그;
예비-절곡된 기판이 지그에 고정될 때 지그 사이에 위치 설정될 제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항의 만곡된 클램핑 몰드;
상기 지그에 예비-절곡된 기판을 고정하기 위한 클램프들;
베이스 재료의 표면 상에 증착되는 금속 용융 재료로 금속의 소스를 용융시키기 위해 DED 열원을 포함하는 하나 이상의 용융 공구;
온도 구배들에 영향을 미치기 위해 액체 용융 풀의 액체-고체 바운더리에 인접한 상기 애즈-응고된 재료(as-solidified material)에 충돌하도록 냉각 가스를 지향시키기 위한 가스 제트 디바이스;
상기 냉각 가스의 공급부; 및
상기 용융 공구 및 상기 가스 제트 디바이스에 대해 상기 베이스 재료를 위치 설정하고 이동시키기 위한 액추에이터를 포함하는, 직접 에너지 증착을 위한 시스템.
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|---|---|---|---|---|
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| US5304519A (en) | 1992-10-28 | 1994-04-19 | Praxair S.T. Technology, Inc. | Powder feed composition for forming a refraction oxide coating, process used and article so produced |
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| JP5061062B2 (ja) * | 2008-08-08 | 2012-10-31 | パナソニック株式会社 | 三次元形状造形物の製造方法 |
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| US9808886B2 (en) * | 2014-01-24 | 2017-11-07 | Lincoln Global, Inc. | Method and system for additive manufacturing using high energy source and hot-wire |
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| GB2531704A (en) * | 2014-10-17 | 2016-05-04 | Airbusgroup Ltd | Method of additive maufacturing and heat treatment |
| GB2533102B (en) | 2014-12-09 | 2018-10-31 | Bae Systems Plc | Additive Manufacturing |
| DE102015117238A1 (de) * | 2015-10-09 | 2017-04-13 | GEFERTEC GmbH | Bearbeitungsmodul für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung |
| US20170173891A1 (en) * | 2015-12-21 | 2017-06-22 | Stratasys, Inc. | Gravitational supports in additive manufacturing system |
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