KR20230084461A - 적층 제조용 레이저 에너지 전달을 위한 열 보상 - Google Patents

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닝 두안무
제임스 에이. 데무스
앤드류 제이. 베이라미안
이유 쉔
드류 더블유. 키신저
로버트 반 데르 비질
수잔 크라스
조셉 길레스피
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쇠라 테크널러지스 인코포레이티드
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Abstract

제조 시스템에는 제조 재료를 지지하는 프린터 베드가 있는 프린터 챔버와 프린터 챔버에 의해 지지되는 내부 가열 시스템이 포함된다. 내부 가열 시스템은 패턴화된 열 에너지를 프린터 베드 및 지지되는 제조 재료에 전달하도록 구성된다. 외부 가열 시스템은 프린터 챔버에 의해 지지되거나 프린터 챔버 근처에 위치하고 패턴화된 열 에너지를 프린터 베드 및 지지되는 모든 제조 재료에 전달하도록 구성된다

Description

적층 제조용 레이저 에너지 전달을 위한 열 보상
관련 특허 출원에 대한 교차 참조
본 개시 내용은 2020년 6월 15일에 출원된 미국 특허 출원 제63/039,315호의 우선권을 주장하는 특허 출원의 일부이며, 전체 내용이 인용에 의해 본원에 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 열적으로 제어되는 적층 제조를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일 실시예에서 제조 베드, 벽 및 상부는 열 손실을 보상하기 위해 열적으로 제어될 수 있다.
종래의 구성요소 가공은 종종 부품을 형성하기 위해 드릴링, 절단, 또는 연삭에 의한 재료 제거에 의존한다. 이와는 대조적으로, 3D 프린팅이라고도 하는 적층 제조는 일반적으로 부품을 만들기 위해 재료의 레이어 추가에 의한 순차적인 레이어와 관련된다. 3D 컴퓨터 모델부터 시작하여, 적층 제조 시스템을 사용하여 다양한 재료로 복잡한 부품을 만들 수 있다.
파우더 베드 융합(PBF)으로 공지된 하나의 적층 제조 기술은 레이저 또는 전자 빔과 같은 하나 또는 그 추가의 집속 에너지 소스를 사용하여 파우더를 용융하고 이를 아래 레이어에 본딩함으로써 파우더의 얇은 레이어에 패턴을 그려서 점진적으로 3D 프린트 부품을 형성한다. 파우더는 플라스틱, 금속, 유리 또는 세라믹일 수 있다. 이 기술은 매우 정확하며 일반적으로 150-300um만큼 작은 형상 크기를 달성할 수 있다. 전형적으로, 이 공정은 기판 온도가 실온에서 시작하거나 250℃와 같이 적당히 상승된 온도에서 수행된다. 용융점이 약 1400℃인 강철과 같은 재료를 프린트할 때, 레이저는 레이어 프린팅 프로세스 중에 파우더와 기판을 모두 용융하여야 한다. 이 두 구성 요소는 거의 실온에서 시작하기 때문에, 섭씨 1000도 정도의 온도 주기를 거쳐야 한다. 프린트될 레이어의 모든 부분에 대해 이 프로세스를 반복하면, 부품 내부에 열 응력이 형성될 수 있다. 또한 평균 레이저 출력의 양에 따라, 프린팅 프로세스에 대한 이 열 부하는 빌드 플레이트(build plate)의 온도를 증가시킨다. 프린트 과정 중 이러한 온도 상승은 상당할 수 있으며 프린트된 부품 및 부품 형상의 양에 따라 달라진다. 평균 열 부하의 이러한 층간 편차는 3차원 모두에서 공간 의존적 열 변형, 더 높은 잔류 응력, 심지어 프린트된 부품의 균열과 같은 예기치 않은 오류를 유발할 수 있다. 이러한 요소는 완성된 3D 부품의 부품 정확도, 강도, 및 유용성을 감소시킨다.
적층 제조 시스템은 또한 3D 프린트가 프린트 챔버로부터 제거될 때 제어된 프린팅 환경으로부터 3D 프린트가 제거될 것을 요구할 수 있다. 이는 후처리 냉각 및/또는 후속 응력 완화, 어닐링 또는 열처리를 위해 열처리 오븐이 필요한 3D 프린트에 악영향을 미칠 수 있다. 적층 제조 시스템은 프린트 플레이트를 예열하고 및/또는 프린트 챔버에서 프린트하는 동안 프린트를 설정 온도로 유지할 수 있지만, 프린트 챔버 외부에서는 온도 제어를 사용할 수 없는 경우가 많다. 안타깝게도 3D 프린트가 프린트 챔버에서 제거되면, 일반적으로 온도가 제어되지 않고, 많은 시스템에서, 제어되지 않는 공기에 노출된다. 이러한 요소는 3D 프린트의 재료 특성에 영향을 줄 수 있다. 또한 3D 프린트는 종종 너무 뜨거워서 프린트 챔버에서 즉시 제거할 수 없으므로 프린트가 완료된 후 몇 시간 동안 프린트 챔버에 남아 있어야 한다. 이것은 프린트 챔버를 묶고 시스템이 새로운 프린트 작업을 시작하는 것을 방지한다.
고정 또는 카트리지 기반 프린트 챔버를 위한 개선된 열 제어 시스템이 필요하다. 여기에는 등온 조건(isothermal conditions)을 제공하거나 대안적으로 모든 3차원 또는 더 높은 잔류 응력에서 공간 의존적 열 변형과 같은 오류를 줄일 수 있는 패턴화된 열 유속을 제공하는 것이 포함될 수 있다.
제조 시스템은 제조 재료를 지지하는 프린터 베드를 갖는 프린터 챔버 및 상기 프린터 챔버에 의해 지지되는 내부 가열 시스템을 포함한다. 내부 가열 시스템은 패턴화된 열 에너지를 프린터 베드 및 지지되는 제조 재료에 전달하도록 구성된다. 외부 가열 시스템은 프린터 챔버에 의해 지지되거나 프린터 챔버 근처에 위치하며 패턴화된 열 에너지를 프린터 베드 및 지지되는 모든 제조 재료에 전달하도록 구성된다.
일 실시예에서, 프린터 챔버는 카트리지를 더 포함한다.
일 실시예에서, 내부 가열 시스템은 가열 요소 및 냉각 요소 중 적어도 하나를 더 포함한다.
일 실시예에서, 외부 가열 시스템은 적외선 가열 요소를 더 포함한다.
일 실시예에서, 외부 가열 시스템은 가열된 가스 흐름을 더 포함한다.
일 실시예에서, 외부 가열 시스템은 적어도 하나의 지향성 레이저(directed laser)를 더 포함한다.
일 실시예에서, 외부 가열 시스템은 패턴화되지 않은 가열을 제공하기 위해 적어도 하나의 지향성 레이저를 더 포함한다.
일 실시예에서, 외부 가열 시스템은 패턴화된 가열을 제공하기 위해 적어도 하나의 지향성 레이저를 더 포함한다.
일 실시예에서, 외부 가열 시스템은 재활용 광을 사용하는 적어도 하나의 지향성 레이저를 더 포함한다.
일 실시예에서, 센서는 고온계(pyrometer)를 더 포함한다.
일 실시예에서, 센서는 카메라를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 제조 시스템은 프린트 가능한 재료 레이어를 지지하는 프린터 베드를 갖는 프린터 챔버를 포함한다. 기본 레이저 소스는 부품 패턴을 프린트하기 위해 프린터 베드에 있는 프린트 가능한 재료 레이어의 하위 부분에 대해 지시할 수 있다. 보조 가열 시스템은 패턴화된 열 에너지를 프린트 가능한 재료 레이어로 전달하도록 구성된다.
일 실시예에서, 패턴화된 열 에너지는 프린트된 부분 패턴에 의해 적어도 부분적으로 결정된다.
일 실시예에서, 패턴화된 열 에너지는 프린트된 패턴의 일부와 실질적으로 반비례한다.
일 실시예에서, 보조 가열 시스템은 2차 발광 가열 요소를 더 포함한다.
일 실시예에서, 제 2 발광 가열 요소는 아크 램프, 적외선 램프, LED 가열 시스템 및 레이저 가열 시스템 중 적어도 하나를 더 포함한다.
일 실시예에서, 보조 가열 시스템은 프린터 챔버 지지 패턴 가열 요소를 더 포함한다.
일 실시예에서, 프린터 챔버 지지 패턴 가열 요소는 저항성 열 카트리지 어레이, 채널 내의 가열 유체, 전기 제어 플라즈마 소스, 아크 히터, 인덕션 히터, 및 마이크로파 히터 중 적어도 하나를 더 포함한다. 이러한 실시예 모두에서, 냉각 또는 가열 요소는 프린터 베드 또는 주변 구조에 내장되거나 멀리서 투사될 수 있다.
본 개시의 비제한적이고 비포괄적인 실시예는 다음의 도면을 참조하여 설명되며, 달리 명시되지 않는 한 유사한 참조 번호는 다양한 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 지칭한다.
도 1a는 열적으로 제어된 적층 제조 시스템을 예시하고,
도 1b는 프린팅이 시작되기 전에 Z-스테이지에서 열적으로 제어되는 프린트 플레이트를 예시하고,
도 1c는 Z-스테이지가 아래로 이동함에 따라 프린트 플레이트 상의 파우더에 묻힌 프린트된 부분을 예시하고, 매립된 가열 장치는 프린트 플레이트 및 프린트 벽에 위치되고,
도 1d는 열 제어 카트리지 시스템을 예시하고,
도 1e는 패턴화된 가열을 위한 세그먼트형 적외선 히터의 사용을 예시하고,
도 1f는 패턴화된 가열을 위해 세그먼트형 하향식(top-down) 또는 각도 가스 흐름의 사용을 예시하고,
도 1g는 패턴화된 가열을 위한 세그먼트형 교차 베드 가스 흐름의 사용을 예시하고,
도 1h는 패턴화된 가열을 위한 부가 가열 레이저(들)의 사용을 예시하고,
도 1i는 패턴화되지 않은 가열을 위한 부가 가열 레이저(들)의 사용을 예시하고,
도 1j는 패턴화된 가열을 위한 재생된 또는 거부된 광으로부터 유도된 부가 가열 레이저(들)의 사용을 예시하고,
도 1k는 카메라와 고온계를 사용하는 열화상 시스템(thermography system)을 예시하고,
도 2는 열적으로 제어되는 적층 제조 시스템에 대한 공정 흐름을 예시하고,
도 3은 다수의 패턴화되고 인가된 열 부하에 기초한 일정한 열 부하의 실증을 예시한다.
이하의 설명에서, 그 일부를 형성하고 개시가 실시될 수 있는 특정 예시적인 실시예를 예시하는 방식으로 도시되는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 명세서에 개시된 개념을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되며, 개시된 다양한 실시예에 대한 수정이 이루어질 수 있고, 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예가 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한적인 의미로 받아들여져서는 안 된다.
도 1a는 열적으로 제어되는 적층 제조 시스템(1A)을 도시한다. 프린트 챔버(2A)는 파우더 또는 다른 적층 또는 감산 제조 재료를 지지할 수 있는 프린트 플레이트(3A)를 유지한다. 레이저, 전자 빔 또는 다른 지향성 에너지(5A)를 지향시킬 수 있는 프린트 엔진(5A)은 프린트 챔버에 대해 외부에 위치되고 프린트 플레이트 상의 제조 재료를 가열하는데 사용된다. 센서(6A)는 제조 동안 피드백 제어를 교정하거나 제공하는 데 사용될 수 있다.
외부 가열 시스템(7A) 및/또는 내부 가열 시스템(8A)은 프린트 챔버(2A) 온도, 재료 온도 또는 프린트 플레이트 상의 제조된 부품의 온도를 조정하거나 제어하기 위해 사용될 수 있다. 외부 가열 시스템(7A) 및/또는 내부 가열 시스템(8A)은 모두 가열 또는 냉각 요소의 어레이, 세그먼트 구조, 파티션 구조, 스캔 가능한 구조 또는 선택된 온/오프 작동을 사용하여 차별적 또는 패턴화된 가열 또는 냉각을 제공하도록 작동될 수 있다. 일부 실시예에서는 등온 온도가 유지되는 반면, 다른 실시예에서는 패턴화된 가열 시스템을 사용하여 상이한 선택 영역에서 미리 결정된 온도가 선택될 수 있다.
예를 들어, 외부 패턴 가열 시스템은 위로부터 프린트 챔버로 열유속을 유도하는 외부 장착 또는 배치된 조립체의 사용을 포함할 수 있다. 패턴화된 조립체는 하나 또는 그 초과의 가열 램프, 하나 또는 그 초과의 레이저(다이오드, 섬유, 고체 상태 등), 대류 또는 다른 유형의 가열 요소일 수 있다. 패턴화는 정적 마스크, 액정 디스플레이와 같은 공간 광 변조기, 광 밸브, 광학적으로 어드레싱된 광 밸브, 마이크로 미러 어레이, 열 활성화 패턴 공진기를 통해 달성될 수 있다. 열 램프 또는 열 요소와 같은 히터 구성 요소는 많은 요소 배열을 사용하고 배열의 어떤 요소가 켜지고 꺼지는지 제어하고 렌즈, 반사기 등과 같은 광학 장치를 통해 방출을 제어하여 패턴을 생성할 수 있어, 원하는 패턴으로 조명을 베드로 재지향시킨다. 대류 흐름은 제어 시스템에 의해 원하는/결정된 대로 제어된 온도에서 가스가 흐르는 노즐 어레이를 사용하여 패턴화될 수 있다.
일부 실시예에서, 프린팅 프로세스가 실행되는 프린트 플레이트(3A)는 저항 열 카트리지, 냉각 채널 내의 가열된 냉각 유체, 아크와 같은 전기 제어 플라즈마 소스, 인덕션 히터, 마이크로파 히터, 또는 프린트 챔버 내에 장착되거나 프린트 베드 또는 챔버와 접촉하는 다른 열 발생 장치와 같은 내부 히터 요소를 포함한다. 추가로, 프린트 플레이트(3A)는 RTD, 열전대, 고온계 또는 다른 온도 감지 장치와 같은 온도 감지 장치를 포함할 수 있으며, 이는 프린터 제어 시스템과 통신하여 프린트 플레이트에 대한 열 유속을 조절한다. 프린트 벽 높이와 프린트가 진행되는 위치에 따라 가변적으로 제어되는 히터를 제외하고 동일한 논리가 프린트 벽에 적용된다.
센서(6A)는 고온계, 열 카메라 또는 시각 카메라를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 카메라는 가상 윈도우를 제공하기 위해 비디오 및 정지 사진을 찍을 수 있다. 카메라와 조명은 여러 광 파장(예: IR, 가시광선 또는 UV)으로 조명하고 이미지를 촬영할 수 있다. 카메라는 하나 또는 다수의 광 파장에서 다양한 각도의 스틸 이미지 및/또는 비디오 이미지를 기록할 수 있는 여러 카메라의 배열일 수 있다. 조명은 다양한 각도에서 다양한 파장으로 프린트 챔버(2A)와 프린트 플레이트(3A)를 조명하는 하나 또는 많은 조명의 어레이일 수 있다.
일부 실시예에서, 외부 가열 시스템(7A) 및 프린트 엔진(4A) 모두 하나 또는 그 초과의 레이저 소스를 사용할 수 있다. 가능한 레이저 유형은 가스 레이저, 화학 레이저, 염료 레이저, 금속 증기 레이저, 고체-상태 레이저(예: 섬유), 반도체(예: 다이오드) 레이저, 자유 전자 레이저, 가스 동적 레이저, "니켈-형(Nickel-like)"사마륨 레이저, 라만 레이저 또는 핵 펌핑 레이저를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
가스 레이저는 헬륨-네온 레이저, 아르곤 레이저, 크립톤 레이저, 크세논 이온 레이저, 질소 레이저, 이산화탄소 레이저, 일산화탄소 레이저 또는 엑시머 레이저와 같은 레이저를 포함할 수 있다.
화학 레이저는 불화수소 레이저, 불화중수소 레이저, 화학적 산소-요오드 레이저(COIL) 또는 모든 기상 요오드 레이저(Agil)과 같은 레이저를 포함할 수 있다.
금속 증기 레이저는 헬륨-카드뮴(HeCd) 금속-증기 레이저, 헬륨-수은(HeHg) 금속-증기 레이저, 헬륨-셀레늄(HeSe) 금속-증기 레이저, 헬륨-은(HeAg) 금속 증기 레이저, 스트론튬 증기 레이저, 네온-구리(NeCu) 금속-증기 레이저, 구리 증기 레이저, 금 증기 레이저, 또는 망간(Mn/MnCl2) 증기 레이저와 같은 레이저를 포함할 수 있다. 루비듐 또는 기타 알칼리 금속 증기 레이저도 사용될 수 있다. 고체-상태 레이저에는 루비 레이저, Nd:YAG 레이저, NdCrYAG 레이저, Er:YAG 레이저, 네오디뮴 YLF(Nd: YLF) 고체-상태 레이저, 네오디뮴 도핑된 이트륨 오르토바나데이트(Nd: YVO4) 레이저, 네오디뮴 도핑된 이트륨 칼슘 옥소보레이트Nd:YCa40(B03)3 또는 간단히 Nd:YCOB, 네오디뮴 유리(Nd: 유리) 레이저, 티타늄 사파이어(Ti: 사파이어) 레이저, 툴륨 YAG(Tm:YAG) 레이저, 이테르븀 YAG(Yb: YAG) 레이저, 이테르븀:203(유리 또는 세라믹) 레이저, 이테르븀 도핑된 유리 레이저(막대, 판/칩, 및 섬유), 홀뮴 YAG(Ho: YAG) 레이저, 크롬 ZnSe(Cr:ZnSe) 레이저, 세륨 도핑된 리튬 스트론튬(또는 칼슘)불화알루미늄(Ce:LiSAF, Ce:LiCAF), 프로메튬 147 도핑된 인산염 유리(147Pm+3: 유리) 고체-상태 레이저, 크롬 도핑된 크리소베릴(알렉산드라이트) 레이저, 에르븀 도핑된 안데르븀-이테르븀 공동-도핑된 유리 레이저, 3가 우라늄 도핑된 불화칼슘(U:CaF2) 고체-상태 레이저, 2가 사마륨 도핑된 불화칼슘(Sm:CaF2) 레이저, 또는 F-센터 레이저와 같은 레이저를 포함할 수 있다.
반도체 레이저는 GaN, InGaN, AlGalnP, AlGaAs, InGaAsP, GaInP, InGaAs, InGaAsO, GaInAsSb, 납 염, 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL), 양자 캐스케이드 레이저, 하이브리드 실리콘 레이저, 또는 이들의 조합과 같은 레이저 매체 유형을 포함할 수 있다.
작동시, 프린트 플레이트, 프린트 벽 및 프린트 플레이트 위의 가열 장치를 사용하여 프린트 개시를 위한 원하는 열 조건을 적용할 수 있다. 프린팅 프로세스 전반에 걸쳐 프린트된 레이어의 열 부하는 부품 형상에 따라 달라진다. 프린트 플레이트, 프린트 벽에서 가열 장치와 함께 내부 가열 시스템(8A)을 사용하고 프린트 플레이트 위의 외부 가열 시스템(7A)을 추가로 사용하면 현장에서 프린트된 부품의 열 조건을 일시적으로 조절할 수 있다. 일부 실시예에서, 프린트 플레이트, 프린트 벽에서 가열 장치를 갖는 내부 가열 시스템(8A)의 사용 및 프린트 플레이트 위의 외부 가열 시스템(7A)의 추가 사용은 프린트된 부분에서 제자리에서 열 조건의 공간 변조를 제공할 수 있다. 프린트 플레이트, 프린트 벽에 가열 장치가 있는 내부 가열 시스템(8A)의 사용 및 프린트 플레이트 위의 외부 가열 시스템(7A)의 추가 사용은 열 응력을 최소화하기 위해 완성된 프린트된 부품에 필요한 열 조건을 적용하고 부품의 열 이력을 최적화하기 위해 사용될 수 있다.
프린팅 프로세스가 완료되면 가열 장치를 사용하여 부품의 냉각을 제어하거나 덮개/단열재를 프린트 챔버(2A)의 상단에서 닫아 모든 면에서 균일한 냉각 속도를 유지할 수 있다. 프린트 전과 프린트 중에 파우더 또는 기타 제조 재료를 예열하면 동일한 프린트 속도를 달성하는 데 필요한 프린트 에너지를 줄이거나 주어진 고정 프린트 에너지에 대한 프린트 속도를 유사하게 높일 수 있다.
도 1b는 프린팅이 시작되기 전에 Z-스테이지 상에 배치된 열적으로 제어되는 프린트 플레이트를 갖는 시스템(1B)을 보다 상세히 예시한다. 처음에는 프린트 플레이트(2B)에 파우더 또는 프린트된 부분이 없다. 레이저 에너지(14B)는 프린트 플레이트(2B) 상에 프린트될 재료에 대해 지향될 수 있다. 프린트 플레이트(2B)는 프린트 플레이트(2B)의 온도를 제어하기 위한 히터 카트리지(3B) 및 온도 감지 장치를 포함할 수 있다. 대안적으로, 프린트 플레이트는 가열 및 감지 기능을 포함하는 서브 플레이트에 부착되고 열적으로 연결될 수 있다. 이 경우 항목(2B)은 서브 플레이트이고 프린트 플레이트(미도시)는 2B 위에 위치된다. 프린트 플레이트(2B) 아래에서, 단열재(4B)는 열 손실을 줄인다. 단열재(4B) 아래에는 냉각수 흐름 채널(6B)을 포함하는 냉각 튜브 하우징 플레이트(5B)가 있다. 이 냉각수 흐름은 민감하고 정확한 시스템 구성 요소를 과도한 열로부터 보호한다. 전체 프린트 플레이트 조립체는 샤프트(7B)에 의해 z-축 모터에 연결된다. 패턴화된, 패턴화되지 않는 또는 다른 복사 요소로부터의 열 흐름(8B)은 위로부터 프린트 플레이트(2B)에 입사한다. 열 흐름(8B)의 크기는 등온 조건을 더 양호하게 유지하기 위해 레이저 에너지(14B)에 반비례하도록 선택될 수 있다. 프린터 측벽(9B)은 히터 요소(10B)를 포함한다. 프린터 측벽(9B) 외부에는 절연 레이어(11B)가 있으며, 그 외부에는 냉각제 흐름(13B)을 포함하는 프린트 벽 냉각 튜브 측벽(12B)이 있다.
도 1c는 Z-스테이지가 아래로 이동함에 따라 프린트 플레이트 상의 파우더(15C)에 매립된 프린트된 부품(20C)을 갖는 시스템(1C)을 도시하고, 매립된 가열 장치는 프린트 플레이트 및 프린트 벽에 위치된다. 프린트될 재료에 비례하는 레이저 에너지(14C)는 히터 카트리지(3C) 및 프린트 플레이트(2C)의 온도를 제어하기 위한 온도 감지 장치를 포함하는 프린트 플레이트(2C)에 입사된다. 대안적으로, 프린트 플레이트는 가열 및 감지 기능을 포함하는 서브 플레이트에 부착되고 열적으로 연결될 수 있다. 이 경우 항목(2B)은 서브 플레이트이고 프린트 플레이트(미도시)는 2B 위에 위치한다. 프린트 플레이트(2C) 아래에는 단열재(4C)가 열 손실을 줄인다. 단열재(4C) 아래에는 냉각수 흐름 채널(6C)을 포함하는 냉각 튜브 하우징 플레이트(5C)가 있다. 전체 프린트 플레이트 조립체는 샤프트(7C)에 의해 z-축 모터에 연결된다. 패턴화된, 패턴화되지 않은 또는 다른 복사 요소로부터의 열 흐름(8C)은 위로부터 프린트 플레이트(2C)에 입사한다. 열 흐름(8C)의 크기는 레이저 에너지(1C)에 반비례할 수 있다. 프린터 측벽(9C)은 히터 요소(IOC)를 포함한다. 프린터 측벽(9C) 외부에는 절연 레이어(11C)가 있으며, 그 외부에는 냉각수 흐름 채널(13C)을 포함하는 프린트 벽 냉각 튜브 측벽(12C)이 있다. 프린트 플레이트 상의 프린트된 부품(14C)은 프린트 플레이트(2C)에 의해 지지되고 파우더(15C)에 의해 둘러싸여 있다. 프린트 플레이트 내의 히터 카트리지로부터의 전도 열(16C)은 프린트된 부품(20C)에 인가된다. 프린트 벽에 있는 히터 카트리지의 전도성 히터(17C)가 프린트된 부품과 주변 파우더에 적용된다.
도 1d에는 열 제어 카트리지 시스템이 예시된다. 적층 제조 시스템에 유용한 3D 프린트 카트리지(1D)가 부분 단면으로 표시된다. 3D 프린트 카트리지(이하 "카트리지")는 모든 "더티(dirty)" 프린트 기능을 나머지 시스템 및 작업자 환경에서 분리한다. "더티"는 파우더가 존재하거나 프린팅을 위해 처리되거나 그을음이 생성되는 모든 곳을 의미힌다. 카트리지(ID)가 프린트 스테이션, 파우더 스테이션 또는 보관 스테이션과 같은 정합 장비에 연결될 때마다, 정합 장비는 정합되는 정합 장비의 일부에 따라 필요에 따라 카트리지 작동에 필요한 서비스를 공급할 수 있다(예컨대, 프린트 스테이션은 카트리지를 완전히 제어할 수 있는 반면 보관 스테이션은 가열 전력, 가스 재활용, 카메라 및 조명 사용만 제공할 수 있다). 카트리지(1D)는 정합 장비에서 분리될 때 밀봉되도록 설계되었으며 보조 가열 또는 냉각 시스템을 포함하여 카트리지 내에서 정확한 열 조건을 허용할 수 있다.
카트리지(1D)는 분할되거나 패턴화된 내부 히터를 포함할 수 있는 베드 또는 베이스 플레이트(24D) 주위에 구축된다. 새로운 프린트를 위한 신선한 파우더는 전체 용적 프린트에 필요한 모든 파우더를 저장할 수 있는 용량이 있는 파우더 호퍼(2D)에 저장된다. 신선한 파우더는 파우더 도어(23D)를 통해 베이스 플레이트에 계량된다. 파우더 스프레딩 블레이드를 사용하는 파우더 스프레더(4D)에 의해 플레이트를 가로질러 쓸어낸다. 파우더 스프레더 드라이브(5D)는 파우더 스프레더를 프린트 플레이트(12D)를 가로질러 앞뒤로 이동시킨다.
윈도우(3D)는 파우더 또는 가스의 누출에 대해 카트리지(1D)의 상부를 밀봉하고 레이저 빔(미도시)이 이를 통과하여 파우더를 용접하도록 한다. 창(3A)을 사용하면 프린트 플레이트를 로드하고, 프린트를 언로드하고, 카트리지 구성 요소(밀봉부, 스프레더 블레이드 등)를 청소 및 서비스하기 위해 카트리지에 접근할 수 있다. 카트리지(1D)의 내부는 카메라 및 조명(22D)에 의해 조명되고 이미지화될 수 있다. 카메라와 조명은 밀봉된 챔버의 내부 또는 외부에 있을 수 있으며, 사진을 찍고/찍거나 카트리지 내부, 특히 프린트 플레이트의 장면에 초점을 맞추도록 배치할 수 있다. 카메라와 조명을 모션 스테이지에 장착하여 사용자가 프린트 중에 관심 있는 항목을 이동(pan)하거나 줌(zoom)할 수 있다. 이 카메라는 고온계, 동작 감지기, 포토다이오드, 열상 카메라 또는 기타 센서와 같은 2차 프린트 진단 장치와 결합하여 이벤트를 자동으로 감지하고 카메라를 이동/줌하여 관심 위치에 초점을 맞출 수 있다. 일부 실시예에서, 카메라 이미지는 카트리지의 물리적 포트 또는 창을 통해 직접 보는 대신 전자 또는 가상 창에서 조작자가 볼 수 있다.
가스 공급 덕트(6D)에 의해 카트리지에 불활성 가스가 공급되어 각각의 프린트에 가장 적합한 분위기에서 프린트가 수행될 수 있다. 가스 복귀 덕트(7D)가 불활성 가스를 제거한다. 가스는 불순물(그을음, 부유 나노 입자 파우더 등)을 제거하는 HEPA 필터(8D)를 통과한다. 그런 다음 가스는 정합 장비에 설치된 가스 재활용기(미도시)로 이동한다. 카트리지가 정합 장비에서 분리되면, 가스 공급 포트(9D)와 가스 복귀 포트(10D)가 밀봉되어 카트리지 내부의 분위기를 보존한다. 이후 다른 장비로 산소, 수분 등을 제거하여 가스를 정화한다.
Z-축은 각각의 레이어가 프린트된 후 프린트 플레이트를 낮추어 파우더의 새로운 레이어가 펴지고 이어서 프린트될 수 있도록 한다. Z-축 프레임(11D)은 이 설계에서 Z-축 구성 요소를 보유한다. 프린트 플레이트(일명 빌드 플레이트)(12D)는 프린트 중에 파우더가 용접되는 곳이다. 프린트 플레이트 히터(13A)는 프린트 플레이트(12D)용 가열 기구를 포함하고 시일 플레이트(14D)를 절연 및/또는 냉각할 수도 있다. 시일 플레이트(14D)는 파우더를 Z-축 프레임(11D)에 가두는 밀봉부(15D)를 지지한다. Z-축 바닥 플레이트(16D)는 Z-축 프레임(11D)의 하단부를 폐쇄하고 시일(15D)을 지나 미끄러질 수 있는 임의의 파우더를 포함하는 특징을 갖는다. 플런저(17D)에는 Z-축 드라이브와 원격으로 자동으로 정확하게 인터페이스할 수 있도록 인터페이스를 갖는다. 플런저 시일(18D)은 바닥 플레이트(16D)와 정합하고 파우더 및/또는 가스 누출에 대해 카트리지(1D)를 추가로 밀봉한다.
인터페이스 플레이트(19D)는 카트리지에 대한 모든 입력 및 출력(압축 공기, 전력, 입력 및 출력 신호, 가스, 냉각수 등)을 포함한다. 카트리지가 정합 장비에 연결될 때 이러한 모든 연결이 이루어지도록 설계되었다. 인터페이스에는 정합 장비와 결합할 때 각 카트리지를 전자적으로 식별하는 메커니즘도 포함될 수 있다. 롤러(20D)는 카트리지(1D)가 정합 장비의 정합 레일 위로 롤링될 수 있다. 포크리프트 튜브(21D)는 카트리지가 포크리프트로 픽업 및 이동될 수 있게 한다.
일 실시예에서, 카트리지(1D)는 전자적으로 판독 가능한 메모리(25D)와 같은 전자 식별 또는 첨부된 텍스트 또는 바코드와 같은 다른 전자적으로 판독 가능한 표시를 포함할 수 있다. 메모리(25D)는 카트리지에 대한 전자 정보를 제공할 수 있거나 카트리지 구성요소는 그 제조, 모델, 유형, 파우더 유형 또는 유닛, 하위 구성요소 또는 의도된 용도에 대한 기타 정의 세부 사항을 식별하는 데 사용될 수 있다. 이 정보는 프린트할 재료, 원하는 분위기(압력 및 온도) 또는 프린트 엔진이 프린트 카트리지, 하위-카트리지, 또는 하위-조립체를 수용하기 위해 필요에 따라 적응할 수 있도록 기타 프린트 관련 양태에 대해 프린트 엔진에 알리는 데 사용될 수 있다. 유도된 변화는 내부 렌즈 조립체의 자동 교체, 렌즈 조립체의 z-높이/최종 광학 투사 조정, 단위 면적당 출력, 펄스 모양, 펄스 지속 시간, 펄스 반복률, 파장, 공간 펄스 모양, 타일 크기, 타일 내의 공간 에너지 분포와 같은 레이저 매개변수 조정과 같은 작업을 포함할 수 있고, 데이터 진단, 데이터 피드백 알고리즘, 프린트 프로세스 피드백 알고리즘 또는 프린트 프로세스 중에 타일을 내려놓는 방법에 대한 알고리즘 변경을 수정할 수 있다. 프린트 카트리지 또는 하위-카트리지와 연결된 전자 메모리(25D)의 전자 정보는 프린팅이 얼마나 많이 발생했는지에 대한 데이터와 스프레더 주기, Z-축선 조정, 온도 주기, 압력 주기 또는 카트리지 또는 하위 카트리지가 그 과정에서 겪은 기타 속성과 같은 기타 주요 메트릭에 대한 데이터를 수집하기 위해 프린터, 파우더 제거 스테이션, 또는 저장 랙에 의해 판독될 수 있다. 이 정보는 프린트 엔진, 하위 시스템 중 하나, 공장 자동화 시스템, 파우더 제거 스테이션, 카트리지 저장 스테이션, 카트리지 자체, 또는 기타 정합/인터페이싱 장비에 의해 중앙 데이터베이스에 저장될 수도 있다.
도 1e는 프린트 챔버와 함께 사용하기에 적합한 패턴화된 가열을 위한 세그먼트형 적외선 히터의 사용을 지원하는 시스템(IE)를 예시한다. 프린트될 재료에 비례하는 레이저 에너지(17E)는 히터 카트리지(3E) 및 프린트 플레이트(2E)의 온도를 제어하기 위한 온도 감지 장치를 포함하는 프린트 플레이트(2E)에 입사된다. 프린트 플레이트(2E) 아래에는 단열재(4E)가 열 손실을 줄인다. 단열재(4E) 아래에는 냉각수 흐름(6E)을 포함하는 냉각 튜브 하우징 플레이트(5E)가 있다. 전체 프린트 플레이트 조립체는 샤프트(7E)에 의해 Z-축 모터에 연결된다. 패턴화된 복사 요소로부터의 열 흐름(8E)은 위로부터 프린트 플레이트(2E)에 입사한다. 열 흐름(8E)의 크기는 레이저 에너지(17E)에 반비례할 수 있다. 프린터 측벽(9E)은 히터 요소(10E)를 포함한다. 프린터 측벽(9E) 외부에는 절연층(11E)이 있으며, 그 외부에는 냉각제 흐름(13E)을 포함하는 프린트 벽 냉각 튜브 측벽(12E)이 있습니다. 프린트 플레이트 상의 프린트된 부분(14E)은 프린트 플레이트(2E)에 의해 지지되고 파우더(15E)로 둘러싸여 있다. 프린트 플레이트 내의 히터 카트리지로부터의 전도성 열(16E)이 프린트된 부분(20E)에 인가된다. 프린트 벽에 있는 히터 카트리지의 전도성 히터(17E)가 프린트된 부품과 주변 파우더에 적용된다. 이 실시예에서, 적외선 히터(18E)의 다중 세그먼트는 프린트 플레이트(2E) 위에 설치된다. 프린트 플레이트의 일부가 가열될 수 있도록 각각의 세그먼트가 독립적으로 제어된다. 이 메커니즘은 레이어마다 프린트된 표면의 변화로 인해 발생하는 프린트 플레이트의 온도 분포를 공간적으로 조절할 수 있다. 또한 모든 적외선 히터 세그먼트는 함께 작동하여 레이어마다 베드에 전달되는 레이저 에너지의 변화로 인해 발생하는 전체 열 부하 변화를 일시적으로 조절할 수 있다. 히터는 전원(19E)으로부터 전력을 받고 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.
도 1f는 패턴화된 가열을 위해 세그먼트형 하향식 또는 각도 가스 흐름의 사용을 예시한다. 이 실시예에서, 프린트 챔버 및 시스템(1F)의 일반적인 작동은 도 1e에 대해 이전에 기술된 것과 유사하고, 유사한 숫자는 유사한 구조를 나타낸다. 이 실시예에서, 수직 가스 흐름(18F)은 상부 표면에 추가적인 가열을 제공할 수 있다. 세그먼트형 접근 방식을 사용하면, 공간적으로 종속적인 온도를 어느 정도 조정할 수 있다. 이것은 함께 결합된 일련의 단위를 통해 또는 여러 하위 섹션이 있는 하나의 단위에서 달성할 수 있다.
도 1g는 패턴화된 가열을 위한 세그먼트형 교차 베드 가스 흐름의 사용을 예시한다. 이 실시예에서, 프린트 챔버 및 시스템(1G)의 일반적인 작동은 도 1e에 대해 이전에 기술된 것과 유사하고, 유사한 숫자는 유사한 구조를 나타낸다. 이 실시예에서, 수평 가스 흐름(18G)은 상부 표면에 추가적인 가열을 제공할 수 있다. 가스 흐름의 온도는 프린트가 진행됨에 따라 열 부하의 변화에 따라 조절될 수 있다.
도 1h는 시스템(1H)에서 패턴화된 가열을 위한 추가적인 가열 레이저(들)의 사용을 예시한다. 시스템(1H)은 프린트 플레이트(2H), 프린트 플레이트 내부의 히터 카트리지(3H), 프린트 플레이트 아래의 단열재(4H), 냉각 튜브 하우징 플레이트(5H) 및 냉각수를 수용하는 냉각 튜브(6H)를 포함하는 프린트 챔버 시스템을 포함한다. Z-축 샤프트(7H)는 모터에 연결된다. 프린트 벽 또는 측벽(8H)은 히터 카트리지(9H)를 포함한다. 프린트 벽 외부에는 단열재(10H), 측벽/플레이트(1H)를 수용하는 냉각 튜브, 및 냉각수를 수용하는 냉각 튜브(12H)가 있다. 프린트 플레이트 상에 도포된 파우더(14H)에 의해 프린트 플레이트 상에 프린트된 부분(13H)이 형성된다. 열 조건은 프린트 플레이트의 히터 카트리지로부터의 전도열(15H) 및/또는 프린트 벽의 히터 카트리지로부터의 전도열(I6H)을 적어도 부분적으로 사용하여 시스템(1H)에서 유지될 수 있다. 레이저 에너지(17H)는 프린트 타일 충전 비율(print tile fill fraction; 2x2mm - 10x10mm)에 비례할 수 있다.
추가 레이저 소스는 프린트 플레이트의 더 작고 더 특정한 영역을 가열하기 위해 집중된 에너지를 제공한다. 레이저 빔 전달은 고정될 수 있고 전체 플레이트를 채우기 위해 투사하도록 광학 장치를 설정하거나 전체 프린트 플레이트를 스캔할 수 있도록 레이저를 스캐닝 장치에 장착할 수 있다. 레이저는 광학적으로 어드레싱된 광 밸브, DMD 또는 기타 패터닝 장치와 같은 공간 광 변조기를 사용하여 패터닝될 수 있다. 레이저는 빔의 높은 균일성을 허용하기 위해 SLM 전에 균질화되어야 할 수 있다. 균질화기는 반사 튜브, TIR 튜브, 회절 요소, 렌즈릿(lenslet) 어레이, 또는 이와 유사한 것일 수 있다. 균질화기의 기하학적 구조는 일반적으로 정사각형이지만 패턴에 맞도록 구성된 기하학적 모양일 수 있다.
구성요소는 추가적인 레이저 소스(18H)(스캐닝 및/또는 고정 및 패턴화)를 포함한다. 빔(19H)은 레이저 소스로부터 방출되고 레이저 소스(18H)와 레이저 균질화기(21H) 사이의 릴레이 광학 조립체(20H)를 향해 지향된다. 일부 실시예에서, 이미지 릴레이 광학 조립체(34H)는 레이저 균질화기와 광 밸브 사이에 위치된다. 레이저 균질화기로부터 방출된 균질화된 빔(22H)은 445nm 파장에서 광 밸브용 패턴화된 어드레스 광원(23H)으로 지향된다. 패턴화된 어드레스 광원으로부터 방출된 청색 광(24H)은 청색 및 IR 레이저/광원을 동일선상으로 정렬하기 위해 청색/IR 결합기(25H)로 지향된다. 메이크업 열 레이저 광원을 패터닝하기 위한 광 밸브(26H)는 일부 광을 패턴에 포함되지 않은 미사용 광을 거부하기 위한 편광판(27H)으로 통과시킨다. 구성요소는 또한 구성요소(25H, 26H, 27H)와 함께 패터닝 유닛 조립체(29H)를 형성하는 광 밸브 작동을 위한 전기 구동 소스(28H)를 포함할 수 있다. 패터닝 유닛 조립체(29H)로부터의 광은 광 밸브 패턴화된 이미지를 파우더 베드에 중계하기 위해 이미지 중계 광학 조립체(30H)로 지향된다. 터닝 미러(turning mirror)(31H)는 빌드 챔버로 빛을 향하게 하거나 레이저 빛이 가는 곳을 제어하는 데 사용된다. 레이저 빔(32H)은 스캐닝 미러에서 반사되어 프린트 베드의 열 관리를 위해 프린트 베드의 하위 부분에 집중될 수 있다. 대안적으로, 고정 거울에서 반사되는 레이저 빔(33H)은 전체 프린트 베드 영역(또는 그것의 상당 부분)에 초점을 맞출 수 있다.
도 1i는 패턴화되지 않은 가열을 위한 추가 가열 레이저(들)의 사용을 예시한다. 이 실시예에서, 시스템(1I)의 프린트 챔버는 도 1h와 관련하여 이전에 기술된 것과 유사하고, 유사한 숫자는 유사한 구조를 나타낸다. 예시된 바와 같이, 레이저 영역 프린터는 균질화된 이미지 평면(18I)으로부터의 입력을 포함할 수 있다. 레이저는 반사 튜브, TIR 튜브, 회절 광학 장치, 렌즈릿 어레이 또는 유사한 메커니즘을 통해 이 평면에 도달하도록 이미 균질화되었다. 평면(18I)으로부터, 단일 다수 편광 상태를 갖는 빔(19I)은 평면(19I)에서 빔의 크기를 변경하고 광 밸브(26I)에서 빔의 강도 프로파일을 재생성하는 이미지 릴레이 광학 조립체(21I)로 전파된다. 광 밸브(26I)로 가는 도중, 빔(19I)은 또한 프로젝터 유닛(23I)으로부터 방출되는 445nm의 패턴화된 청색 광(24I)을 1000/1064nm의 적외선 빔(19I)과 결합시키는 빔 결합기(25I)를 통과한다. 두 빔 모두 광 밸브(26I)에 입사하여 청색 빔(24I)의 패턴이 편광 공간에서 적외선 빔(19I)으로 전달되도록 한다. 광 밸브(26I)에 의한 이러한 작용은 동적으로 조정 가능한 프로젝터 유닛(23I)에 따른 원하는 패턴으로 빔에 두 개의 주요 편광 상태로부터 형성한다. 편광판(27I)에 부딪히면, 빔은 네거티브 및 포지티브 이미지 모두로 분할된다. 포지티브 이미지는 광학 이미지 릴레이 렌즈 조립체(30I)로 전달되며, 이는 이동 가능한 짐벌 미러(20I)의 반사에 의해 원하는 타일 크기의 프린트 베드에 광 밸브 포지티브 이미지를 릴레이한다. F-세타 광학 장치는 거울(20I)과 프린트 베드 사이의 일부 구성에 존재할 수 있다. 네거티브 이미지는 편광판(27I)에서 반사되어 네거티브 이미지 광을 거부된 광 균질화기(35I)로 광을 결합하는 이미지 릴레이(24I)로 향하게 하는 미러(22I) 상에 입사된다. 어떤 경우에는, 미러(22I)도 다이크로익 필터로서, 1064nm 광을 통과시키고 1000nm 광만 반사시킨다. 이 경우의 목표는 서로 다른 유형의 레이저를 균질화하기 위해 별도의 방법을 사용하는 것이다. 튜브 균질화기는 상대적으로 긴 펄스, 낮은 일관성, 낮은 강도의 빛을 균질화하는 데 적합한 반면 회절 요소는 낮은 발산, 높은 일관성의 광을 균질화하는 데 더 적합하다. 거부된 광 균질화기(35I)의 출력에서, 균질화된 이미지는 거부된 광 균질화기(35I) 출력과 프린트 베드 사이에서 이미지 릴레이 동작을 수행하는 최종 거부된 광 이미지 릴레이로 전달된다. 이 이미지 릴레이는 고정되거나 동적으로 조정되어 초점을 변경할 수 있다. 베드의 작은 부분이 조명되도록 초점이 조밀하거나 베드 전체가 조명되도록 초점이 클 수 있다. 최종 회전 미러(31I)는 보충 열 전달 프로세스를 추가로 수용하기 위해 고정되거나 이동하도록 허용될 수 있다.
도 1j는 패턴화된 가열을 위해 재활용 또는 거부된 광으로부터 유도된 추가적인 가열 레이저(들)의 사용을 예시한다. 이 실시예에서, 시스템(1I)의 프린트 챔버는 도 1h 및 도 1i와 관련하여 이전에 기술된 것과 유사하고, 유사한 숫자는 유사한 구조를 나타낸다. 이 도면은 입력 균질화 이미지 평면(18J)에서 시작하는 레이저 영역 프린터에 대한 구성을 보여준다. 레이저는 이미 반사 튜브, TIR 튜브, 회절 광학 장치, 렌즈릿 어레이 또는 유사한 메커니즘을 통해 이 평면에 도달하도록 균질화되었다. 평면(18J)으로부터, 단일 다수 편광 상태를 갖는 빔(19J)은 평면(19J)에서 빔의 크기를 변경하고 광 밸브(26J)에서 빔의 강도 프로파일을 재생성하는 이미지 릴레이 광학 조립체(21J)로 전파된다. 광 밸브(26J)로 가는 도중에, 빔(19J)은 또한 프로젝터 유닛(23J)으로부터 방출되는 445nm에서 패턴화된 청색 광(24J)을 1000/1064nm에서 적외선 빔(19J)과 결합시키는 빔 결합기(25J)를 통과한다. 두 빔은 청색 빔(24J) 상의 패턴이 편광 공간에서 적외선 빔(19J)으로 전달되도록 하는 광 밸브(26J)에 입사된다. 광 밸브(26J)에 의한 이러한 작용은 동적으로 조정 가능한 프로젝터 유닛(23J)에 따라 원하는 패턴으로 빔에서 2개의 주요 편광 상태를 형성한다. 편광판(27J)에 부딪히면, 빔은 네거티브 및 포지티브 이미지 모두로 분할된다. 포지티브 이미지는 이동 가능한 짐벌 미러(20J)의 반사에 의해 원하는 타일 크기의 프린트 베드에 광 밸브 포지티브 이미지를 릴레이하는 광학 이미지 릴레이 렌즈 조립체(30J)로 전송된다. F-세타 광학은 미러(20J)와 프린트 베드 사이의 일부 구성에 존재할 수 있다. 네거티브 이미지는 편광판(27J)에서 반사되어 네거티브 이미지 광을 거부된 광 균질화기(35J)에 연결하는 이미지 릴레이(24J)로 향하는 거울(22J)에 입사된다. 어떤 경우에는 미러(22J)도 다이크로익 필터로 1064nm 광이 통과하도록 허용하고 1000nm 광만 반사한다. 이 경우의 목표는 서로 다른 유형의 레이저를 균질화하기 위해 별도의 방법을 사용하는 것이다. 튜브 균질화기는 상대적으로 긴 펄스, 낮은 일관성, 낮은 강도의 빛을 균질화하는 데 적합한 반면 회절 요소는 낮은 발산, 높은 일관성의 빛을 균질화하는 데 더 적합하다. 거부된 광 균질화기(35J)의 출력에서, 균질화된 이미지는 제 2 광 밸브 상에 출력된 거부된 이미지 균질화기(35J)를 재생성하는 제 2 패터닝 유닛 조립체로의 이미지 릴레이로 전달된다. 이 새로운 광 밸브의 포지티브 이미지는 거부된 에너지 광 밸브 출력과 프린트 베드 사이에서 이미지 릴레이 작업을 수행하는 최종 이미지 릴레이 광학 장치(38J)로 전송하기 위해 전체 거부된 광 패터닝 유닛 조립체를 통해 전송될 수 있다. 이 이미지 릴레이는 고정되거나 동적으로 조정되어 초점을 변경할 수 있다. 베드의 작은 부분이 조명되도록 초점이 조밀하거나 베드 전체가 조명되도록 초점이 클 수 있다. 최종 회전 미러(31J)는 보충 열 전달 프로세스를 추가로 수용하기 위해 고정되거나 이동하도록 허용될 수 있다.
도 1k는 카메라와 고온계를 사용하는 열화상 시스템을 보여준다. 원하는 경우 프린트의 각각의 레이어에서 상세한 열화상을 얻을 수 있다. 일 실시예에서, 컬러 CCD 또는 CMOS 카메라(7K)는 프린트 기판 또는 프린트 플레이트(5K)의 상부에 프린트된 물품을 포함하는 프린트 베드(4K)를 이미지화하는 데 사용된다. 카메라 7K의 해상도는 레이어 전체에 온도 차이가 있는지 확인하기 위해 프린트된 부품 기능을 분석하기에 충분하도록 선택된다. 예를 들어, 16Mpixel 카메라(4000x4000픽셀)를 선택하면 40cm 베드의 이미지를 촬영하는 데 사용할 수 있으며 명목상 100미크론의 픽셀 해상도를 제공한다. 64Mpixel 카메라(8000x8000)를 사용하여 50미크론 픽셀 해상도를 제공할 수 있다. 작동 시, 적층 제조 시스템의 일부 실시예와 관련된 매우 빠른 속도로 인해 프린트 베드의 평균 온도는 상대적으로 높다. 베드(4K)는 눈에 띄게 빛나거나 적외선 카메라 시스템에서 빛난다. 500℃의 적당한 온도에서도 1050nm에서 700℃에서 가시적으로 볼 수 있는 적색 광선과 유사한 방출을 갖는 흑체 곡선을 생성한다. 대안적으로, FLIR 유형 카메라를 사용할 수 있다. 프린트 베드의 단일 위치(6I)에서 온도를 벤치마킹하기 위해 광학 고온계(2K)를 사용하여 이미지에서 온도를 보정할 수 있다. 고온계로 몇 가지 온도 측정을 수행하고 이를 해당 이미지와 연관시키면 저렴한 비용으로 베드의 공간 온도 프로파일을 생성할 수 있다. 일단 보정되면 고온계는 더 이상 엄격하게 필요하지 않으며 이미지는 베드 온도의 독립형 모니터로 사용할 수 있다. 각각의 재코팅 레이어의 시작과 끝에서 촬영한 이미지를 사용하여 재코팅 균일성, 프린트 상태 및 프린트 온도 균일성을 추적할 수 있다. 온도가 너무 낮거나 높으면 제어 시스템을 사용하여 잠재적으로 공간 의존성으로 표면 가열 수준을 조정하거나 프린트를 위한 원하는 등온 환경을 유지하는 데 필요한 베드/벽 가열 수준을 조정하여 온도 불균일성 또는 전체 진폭을 수정할 수 있다. 전형적으로, 윈도우(3K)는 프린팅 프로세스 동안 프린트 베드(4K)에서 떨어질 수 있는 임의의 파우더, 그을음, 먼지 또는 다른 미립자로부터 이미징 장비(2K 및 7K)를 보호하기 위해 필요하다.
도 2는 열적으로 제어되는 적층 제조 시스템을 위한 공정 흐름(200) 및 선택된 구성요소를 도시한다. 이 실시예에서, 부품 기하학적 구조 및 프린트 열부하 이력(202)이 입력 매개변수로서 제공된다. 피드포워드 제어기(204)는 제어 신호를 능동적으로 생성하기 위해 부품 기하학적 구조 및 프린트 열 부하 이력을 사용한다. 프린트 벽(206)의 히터 카트리지는 프린트된 부품 및 주변 파우더에 가열을 적용한다. 복사 히터(208)는 프린트된 부품 및 주변 파우더에 가열을 적용한다. 프린트 플레이트(210)의 히터 카트리지는 프린트된 부품과 주변 파우더에 가열을 적용한다. 프린트된 부품(212)은 프린트 플레이트에 의해 지지되고 파우더에 의해 둘러싸여 있다. 레이저 에너지(214)가 파우더 레이어(216)에 인가되어 파우더를 용융시키고 응고 공정을 용이하게 한다.
도 3은 프린트된 부품에 대해 실질적으로 등온 조건을 유지하기 위해 균형을 이루는 상이한 소스로부터의 열 부하의 조합과 함께, 프린트 인클로저의 다른 부분에 대한 열 부하의 실증을 예시한다. 등온 제조 조건은 평균 열 부하의 레이어 간 편차를 줄이고, 3차원 모두에서 공간 의존적 열 변형을 방지하거나 줄이고, 더 높은 잔류 응력을 줄이고, 심지어 프린트된 부품의 균열을 방지할 수 있다. 이러한 등온 조건을 제공하는 것은 그래프(300)에 도시된 바와 같이 레이저 에너지로부터 베드 상의 레이어 수 또는 시간의 함수로서 평균 열 부하와 관련하여 보여진다. 베드 상의 전체 열 부하가 일정하도록 패터닝 레이저(들)로부터의 열 부하(306)의 균형을 맞추기 위해 메이크업 에너지(302)가 요구된다(점선 등온 라인(307)). 예를 들어, 아래에서 프린트 플레이트에 열부하(303)가 가해진다. 열부하(304)는 프린트 벽의 1/3 아래 측벽에 있는 히터에 적용된다. 열부하(305)는 프린트 벽의 2/3 아래 측벽에 있는 히터에 적용된다. 이러한 열 부하가 함께 추가되면, 실질적으로 일정한 열 부하(307)가 생성된다. 일부 실시예에서, 열 부하를 제공하는 패턴화된 열 에너지의 양은 프린트된 부품 패턴에 의해 적어도 부분적으로 결정된다. 부가적으로, 공급된 패턴화된 열 에너지는 프린트된 패턴의 비율에 실질적으로 반비례하는 양으로 제공될 수 있다. 전형적으로, (프린트 챔버 또는 프린트 베드에 대해) 부분 또는 레이어 하위 부분을 갖는 비교적 큰 부분을 프린트하는 것은 공급된 패턴 가열 에너지를 거의 필요로 하지 않는 반면, 작은 부분 또는 레이어 하위 부분을 프린트하는 것은 상당한 공급 패턴 가열 에너지를 필요로 할 것이다.
본 발명의 많은 수정 및 다른 실시예는 전술한 설명 및 관련 도면에 제시된 교시의 이점을 갖는 당업자의 마음에 떠오를 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 특정 실시예에 제한되지 않으며, 수정 및 실시예는 첨부된 청구 범위 내에 포함되도록 의도된다는 것이 이해된다. 또한, 본 발명의 다른 실시예는 여기에 구체적으로 개시되지 않은 요소/단계 없이 실시될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 제조 시스템으로서,
    제조 재료를 지지하는 프린터 베드를 갖는 프린터 챔버;
    상기 프린터 챔버에 내장되고 패턴화된 열 에너지를 상기 프린터 베드 및 상기 지지되는 제조 재료에 전달하도록 구성된 내부 접촉 가열 시스템; 및
    패턴화된 열 에너지를 상기 프린터 베드 및 지지되는 임의의 제조 재료에 전달하도록 구성된 상기 프린터 챔버용 외부 가열 시스템;
    을 포함하는, 제조 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프린터 챔버는 카트리지를 더 포함하는, 제조 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 가열 시스템은 가열 요소 및 냉각 요소 중 적어도 하나를 더 포함하는, 제조 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 가열 시스템은 적외선 가열 요소를 더 포함하는, 제조 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 가열 시스템은 가열된 가스 흐름을 더 포함하는, 제조 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 가열 시스템은 적어도 하나의 지향성 레이저를 더 포함하는, 제조 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 가열 시스템은 패턴화되지 않은 가열을 제공하기 위해 적어도 하나의 지향성 레이저를 더 포함하는, 제조 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 가열 시스템은 패턴화된 가열을 제공하기 위해 적어도 하나의 지향성 레이저를 더 포함하는, 제조 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 가열 시스템은 재활용 광을 사용하는 적어도 하나의 지향성 레이저를 더 포함하는, 제조 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 고온계(pyrometer)를 더 포함하는, 제조 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 카메라를 더 포함하는, 제조 시스템.
  12. 제조 시스템으로서,
    프린트 가능한 재료 레이어를 지지하는 프린터 베드를 갖는 프린터 챔버;
    부품 패턴을 프린트하기 위해 상기 프린터 베드 상의 프린트 가능한 재료 레이어의 하위 부분에 대해 지향 가능한 주 레이저 소스; 및
    패턴화된 열 에너지를 상기 프린트 가능한 재료 레이어로 유도하도록 구성된 보조 가열 시스템을 포함하는, 제조 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 패턴화된 열 에너지는 상기 프린트된 부분의 패턴에 의해 적어도 부분적으로 결정되는, 제조 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 패턴화된 열 에너지는 프린트된 패턴에 기초하여 열적 균일성(thermal uniformity)을 제공하도록 조정되는, 제조 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 패턴화된 열 에너지는 상기 프린트 열원의 공간적 열 불균일성을 보상하는데 사용되는, 제조 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 패턴화된 열 에너지는 프린트된 상기 패턴에 기초한 열적 균일성을 제공하기 위해 프린트 동안 여러 번 조정되는, 제조 시스템.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 보조 가열 시스템은 제 2 발광 가열 요소를 더 포함하는, 제조 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 발광 가열 요소는 아크 램프, 적외선 램프, LED 가열 시스템, 또는 레이저 가열 시스템 중 적어도 하나를 더 포함하는, 제조 시스템.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 보조 가열 시스템은 프린터 챔버 지지 패턴 가열 요소를 더 포함하는, 제조 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 프린터 챔버 지지 패턴 가열 요소는 저항성 열 카트리지의 어레이, 채널 내의 가열 유체, 전기 제어 플라즈마 소스, 아크 히터, 인덕션 히터, 또는 마이크로파 히터 중 적어도 하나를 더 포함하는, 제조 시스템.
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