KR20230117525A - 금속 물체로부터 지지 구조체의 제거가 용이한 금속 액적 토출 3차원(3d) 물체 프린터용 장치 및 작동 방법 - Google Patents

금속 물체로부터 지지 구조체의 제거가 용이한 금속 액적 토출 3차원(3d) 물체 프린터용 장치 및 작동 방법 Download PDF

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에스 힐튼 조슈아
크리슈나 쿠마르 자야발 디네쉬
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Abstract

3차원(3D) 금속 물체 제조 장치는 지지 구조체, 및 지지 구조체에 의해 지지되는 금속 물체의 일부 사이에 그래파이트 계면을 형성하는 고체 그래파이트 도포 장치를 구비한다. 그래파이트 계면을 형성하는 그래파이트는, 액추에이터를 작동시켜 그래파이트 도포를 지지 구조체의 표면으로 이동시키고 지지 구조체의 표면에 대해 장치 내에서 그래파이트 부재를 이동시킴으로써, 지지 구조체에 도포된다.

Description

금속 물체로부터 지지 구조체의 제거가 용이한 금속 액적 토출 3차원(3D) 물체 프린터용 장치 및 작동 방법{A DEVICE AND METHOD OF OPERATION FOR A METAL DROP EJECTING THREE-DIMENSIONAL (3D) OBJECT PRINTER THAT FACILITATES REMOVAL OF SUPPORT STRUCTURES FROM A METAL OBJECT}
본 개시는 물체를 형성하기 위해 용융 금속 액적을 토출하는 3차원(3D)물체 프린터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그러한 프린터에서 금속 물체를 제작하기 위한 지지 구조체의 형성에 관한 것이다.
적층 제조로 또한 알려진 3차원 프린팅은 임의의 가상 형상의 디지털 모델로부터 3차원 고체 물체를 제조하는 공정이다. 많은 3차원 프린팅 기술은 적층 공정을 사용하고, 여기서 적층 제조 장치는 이전에 침착된 층 상에 부품의 연속적인 층을 형성한다. 이들 기술 중 일부는 광중합체 또는 탄성중합체와 같은 UV-경화성 재료를 토출하는 토출기를 사용하는 반면, 다른 기술은 탄성중합체를 용융시키고 열가소성 재료를 물체 층으로 압출한다. 프린터는 전형적으로 하나 이상의 토출기 또는 압출기를 작동시켜, 다양한 형상 및 구조를 갖는 3차원 인쇄 물체를 구성하는 가소성 또는 열가소성 재료의 연속적인 층을 형성한다. 3차원 프린팅 물체의 각 층이 형성된 이후에, 플라스틱 재료는 UV 경화되고 경질화되어 이러한 층을 3차원 프린팅 물체의 아래에 놓인 층에 접합시킨다. 이러한 적층 제조 방법은, 제거 공정, 예컨대 절삭 또는 드릴링에 의해 피가공물로부터 재료를 제거하는 것에 주로 의존하는 전통적인 물체 성형 기술과 구별 가능하다.
최근, 하나 이상의 토출기로부터 용융 금속의 액적을 토출하여 3D 물체를 형성하는 3D 물체 프린터가 일부 개발되었다. 이들 프린터는 와이어 또는 펠릿의 롤과 같은 고체 금속의 공급원을 가지며, 이 공급원은 프린터 내의 베셀의 가열된 리셉터클 내로 고체 금속을 공급하며, 여기서 이 고체 금속이 용융되고 이 용융 금속은 리셉터클을 충전한다. 리셉터클은 비전도성 재료로 제조되며, 그 주위에 전기 와이어가 코일을 형성하도록 감싼다. 전류가 코일을 통과하여 전자기장을 생성하며, 이 전자기장은 리셉터클의 노즐에 있는 용융 금속의 메니스커스를 리셉터클 내의 용융 금속으로부터 분리시키고 노즐로부터 추진되게 한다. 제작 플랫폼은 토출기의 노즐로부터 토출된 용융 금속 액적을 수용하도록 위치하고, 이 플랫폼은, 액추에이터를 작동시키는 제어기에 의해, 플랫폼의 평면에 평행한 X-Y 평면으로 이동한다. 이들 토출된 금속 액적은 플랫폼 상의 물체의 금속 층을 형성하고, 다른 액추에이터는 제어기에 의해 작동되어 토출기와 플랫폼 사이의 거리를 변경하여, 형성되는 금속 물체의 가장 최근에 인쇄된 층과 토출기 사이에 적절한 거리를 유지한다. 이러한 유형의 금속 액적 토출 프린터는 또한 자기유체역학(MHD)프린터로 알려져 있다.
MHD 프린터로 수행되는 인쇄 공정이 액적별 기반으로 실행되기 때문에, 이는 전통적인 제거 제조 기술을 통해 달성될 수 없는 복잡한 3차원(3D) 기하학적 구조를 달리 생성할 수 있다. 이러한 이점에도 불구하고, 물체 상에 돌출 특징부를 형성하기 위해 사용될 수 있는 각도에 대한 한계가 존재한다. 3D 금속 인쇄에서, 물체의 이전 층은 다음 인쇄 층을 위한 지지 베이스로서 작용한다. 신규 층이 T자형 부분의 수평 부분과 같이 직각으로 이전 층을 넘어 단차를 이루면, 특징부는 붕괴되는데, 그 이유는 용융 금속을 처짐없이 굳게하는 충분한 기간에 대해 지지 층이 유지되지 않기 때문이다. 형성되는 물체의 일부가 아닌 지지 구조체는, 다음 물체 층의 돌출 부분의 형성을 지지하기 위해 생성될 수 있어서, 복잡한 형상이 인쇄될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "지지 구조체"는 물체 형성 동안에 물체 층의 토출된 금속 액적을 지지하고 물체의 제조 후에 물체로부터 제거되는 토출 금속 액적의 축적을 의미한다.
3D 금속 물체 재료의 환경은 고온 환경, 예를 들어 475℃ 온도 이상이 전형적으로 겪는 환경이기 때문에, 중합체 재료의 지지 구조체가 사용될 수 없다. 대신에, 물체를 형성하는 동일한 용융 금속이 또한 지지 구조체를 제작하는 데 사용된다. 물체와 지지체가 동일한 금속으로 이루어지기 때문에, 지지체와 물체 사이의 계면에서 층은 서로 강하게 결합한다. 이 강한 결합은 부품으로부터 지지체를 제거하기 위해 툴 및 기계 가공을 필요로 한다. 이러한 유형의 지지체 제거 작업은 3D 금속 물체 제조 공정에 상당한 시간, 노력 및 비용을 추가한다. 고온 환경에서 지지체의 강성 및 내구성을 손상시키지 않으면서 금속 물체의 제조가 완료된 후 지지 구조체의 해제를 용이하게 할 수 있는 것이 유익할 것이다.
3D 금속 물체 프린터를 작동시키는 신규 방법은 고온 환경에서의 지지체의 강성 및 내구성을 손상시키지 않으면서 금속 물체의 제조가 완료된 후에 지지 구조체의 해제를 용이하게 한다. 본 방법은, 토출기 헤드를 작동시켜 용융 금속 액적을 토출하여 부재에 의해 지지되는 지지 층 및 물체 층을 형성하는 단계, 및 그래파이트 도포 장치를 작동시켜 지지 층으로 형성된 지지 구조체의 표면과 물체 층으로 형성된 금속 물체 일부의 표면 사이에 그래파이트 계면을 형성하는 단계를 포함한다.
신규 3D 금속 물체 프린터는 고온 환경에서의 지지체의 강성 및 내구성을 손상시키지 않으면서 금속 물체의 제조가 완료된 후에 지지 구조체의 해제를 용이하게 한다. 신규 3D 금속 물체 프린터는, 용융 금속을 유지하도록 구성된 베셀 내 리셉터클을 갖는 베셀을 갖는 토출기 헤드, 평면 부재, 및 지지 구조체 표면과 토출기 헤드로부터 토출된 용융 금속 액적으로 형성되는 금속 물체의 일부 사이에 그래파이트 계면을 형성하도록 표면에 그래파이트를 도포하도록 구성된 그래파이트 도포 장치를 포함한다.
고온 환경에서의 지지체의 강성 및 내구성을 손상시키지 않으면서 금속 물체의 제조가 완료된 후에 지지 구조체의 해제를 용이하게 하는 3D 금속 물체 프린터 작동 방법의 전술한 양태 및 다른 특징부, 그리고 상기 방법을 구현하는 3D 금속 물체 프린터가 첨부 도면과 관련하여 취한 다음의 설명에서 설명된다.
도 1a는, 고온 환경에서의 지지체의 강성 및 내구성을 손상시키지 않으면서 금속 물체 제조가 완료된 후에 지지 구조체의 해제를 용이하게 하는, 신규 3D 금속 물체 프린터의 측면도이다.
도 1b는 도 1a에 나타낸 신규 3D 금속 물체 프린터의 상부도이다.
도 2a는, 고온 환경에서의 지지체의 강성 및 내구성을 손상시키지 않으면서 금속 물체의 제조가 완료된 이후에 지지 구조체의 해제를 용이하게 하는, 신규 3D 금속 물체 프린터의 대안적인 구현예를 도시한다.
도 2b는 도 2a에 나타낸 신규 3D 금속 물체 프린터의 상부도이다.
도 3은 도 1a, 도 1b, 도 2a 및 도 2b에 나타낸 그래파이트 도포 장치의 개략도이다.
도 4는 도 1a 및 도 2a의 프린터에 의해 형성된 금속 물체, 지지 구조체, 및 개재된 그래파이트 층을 도시한다.
도 5는, 물체 층과 지지 층 사이에 개재된 고체 그래파이트 계면 층을 형성하는, 도 1a 또는 도 2a의 시스템을 작동시키기 위한 공정의 흐름도이다.
도 6은, 고체 그래파이트 계면 층을 갖는 지지 구조체를 형성하지 않는, 종래 기술의 3D 금속 프린터의 개략도이다.
도 7은, 금속 물체의 일부를 서로 별도로 형성하기 위한 종래 기술의 공정 개략도이다.
본원에 개시된 바와 같은 3D 금속 물체 프린터 및 그의 작동에 대한 환경뿐만 아니라 프린터 및 그의 작동에 대한 세부 사항의 전반적인 이해를 위해, 도면을 참조한다. 도면에서, 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 나타낸다.
도 6은 제작 플랫폼 상에 금속 물체를 직접 형성하기 위해 용융 금속의 액적을 토출하는 3D 금속 물체 프린터(100)의 이전에 알려진 일 구현예를 도시한다. 도 6의 프린터에서, 용융 벌크 금속의 액적은 단일 노즐(108)을 갖는 제거식 베셀(104)의 리셉터클로부터 토출되고, 노즐로부터의 액적은 제작 플랫폼(112)에 직접 적용된 자취를 이용해 물체의 베이스 층을 형성한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "제거식 베셀"은 액체 또는 고체 물질을 유지하도록 구성된 리셉터클을 갖는 중공형 용기를 의미하고, 용기는 그 전체가 3D 금속 물체 프린터 내에 설치되고 제거되도록 구성된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "베셀"은 액체 또는 고체 물질을 유지하도록 구성된 리셉터클을 갖는 중공형 용기를 의미하고, 3D 물체 금속 프린터 내의 설치 및 이로부터의 제거를 위해 구성될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "벌크 금속"은 통상적으로 이용 가능한 게이지의 와이어, 매크로 크기 규모의 펠릿, 및 금속 분말과 같은 응집체 형태로 입수 가능한 전도성 금속을 의미한다.
도 6을 더 참조하면, 금속 와이어(120)와 같은 벌크 금속 공급원(116)이 토출기 헤드(140)의 상부 하우징(122)을 통해 연장되는 와이어 가이드(124) 내로 공급되고, 제거식 베셀(104)의 리셉터클 내에서 용융되어, 토출기 헤드(140) 베이스 플레이트(114)의 오리피스(110)를 통한 노즐(108)로부터의 토출용 용융 금속을 제공한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "노즐"은 용융 금속을 함유한 베셀의 리셉터클 내의 체적에 유동적으로 연결된 오리피스를 의미하고, 이는 베셀 내의 리셉터클로부터 용융 금속 액적을 토출하기 위해 구성된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "토출기 헤드"는 3D 금속 물체 프린터의 하우징 및 구성 요소를 의미하며, 이는 금속 물체를 생성하기 위해 용융시키고 토출시키고 용융 금속 액적의 토출을 조절한다. 용융 금속 레벨 센서(184)가 레이저 및 반사 센서를 포함한다. 용융 금속 레벨에서의 레이저의 반사는 반사 센서에 의해 감지되는데, 이는 용융 금속 레벨까지의 거리를 나타내는 신호를 생성한다. 제어기는 이 신호를 수신하고 제거식 베셀(104) 내의 용융 금속의 체적 레벨을 결정하고, 따라서 제거식 베셀의 리셉터클 내의 적절한 레벨(118)에서 유지될 수 있다. 제거식 베셀(104)은 히터(160) 내로 활주되고, 따라서 히터의 내경은 제거식 베셀과 접촉하고, 고체 금속을 용융시키기에 충분한 온도로 제거식 베셀의 리셉터클 내에 고체 금속을 가열할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "고체 금속"은 원소의 주기율표에 의해 정의된 바와 같은 금속, 또는 액체나 기체 형태보다는 고체인 이들 금속을 이용해 형성된 합금을 의미한다. 히터는 제거식 베셀로부터 분리되어 히터와 제거식 베셀(104) 사이에 체적을 형성한다. 불활성 가스 공급부(128)는 가스 공급 튜브(132)를 통해 토출기 헤드에, 아르곤과 같은 불활성 가스의 압력 조절된 공급원을 제공한다. 가스는 히터와 제거식 베셀 사이의 체적을 통해 흐르고, 베이스 플레이트(114) 내의 오리피스(110) 및 노즐(108) 주위에서 토출기 헤드를 빠져나간다. 노즐에 근접한 불활성 가스의 이러한 흐름은, 토출된 액적의 비행 동안에 금속 산화물의 형성을 방지하기 위해 베이스 플레이트(114)에서 용융 금속의 토출된 액적을 주변 공기로부터 단열시킨다. 토출된 금속 액적이 착지하는 표면과 노즐 사이의 간극은, 노즐 주위에서 빠져나가는 불활성 가스가 이러한 불활성 가스 흐름 내의 액적이 착지하기 이전에 소산되지 않을 정도로 충분히 작게 의도적으로 유지된다.
토출기 헤드(140)는 플랫폼(112)에 대한 토출기 헤드를 이동시키기 위해 수직 방향으로 Z-축 트랙 내에 이동식으로 장착된다. 하나 이상의 액추에이터(144)는 베이스 플레이트(114)에 작동 가능하게 연결되어 토출기 헤드(140)를 Z-축을 따라 이동시키고, 하나 이상의 액추에이터(144)는 플랫폼(112)에 작동 가능하게 연결되어 플랫폼을 토출기 헤드(140) 아래의 X-Y 평면에서 이동시킨다. 액추에이터(144)는, 토출기 헤드(140)의 베이스 플레이트(114) 내의 오리피스(110)와 플랫폼(112) 상의 물체 표면 사이에 적절한 거리를 유지시키도록, 제어기(148)에 의해 작동된다. 일부 버전의 시스템(100)에서, 제작 플랫폼은 산화 강으로 필수적으로 구성되는 반면, 다른 형태에서 산화 강은 텅스텐 또는 니켈의 상부 표면 코팅을 갖는다. 플랫폼의 산화 강 버전은 용융 알루미늄에 의해 쉽게 습윤되지 않기 때문에 용융 알루미늄의 베이스 층에 너무 강하게 결합할 가능성이 없다. 이 플랫폼은, 제조된 후에 물체를 제거하는 데 유리하지만 전체 공정 동안 물체의 형성을 지지하기에 충분히 강하지 않을 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 플랫폼의 다른 버전은 용융 알루미늄으로 제작 표면의 습윤을 개선하기 위해 텅스텐 또는 니켈 표면을 플랫폼에 추가한다.
용융 금속의 액적이 플랫폼(112)을 향해 토출됨에 따라 플랫폼(112)을 X-Y 평면에서 이동시키면, 형성되는 물체 상에 용융 금속 액적의 자취를 형성한다. 제어기(148)는 또한, 물체 상에 다른 구조체를 용이하게 형성하기 위해 기재 상에 가장 최근에 형성된 층과 토출기 헤드(140) 사이의 거리를 조절하도록, 액추에이터(144)를 작동시킨다. 용융 금속 3D 물체 프린터(100)가 수직 배향으로 작동하고 있는 것으로 도 6에 도시되어 있지만, 다른 대안적인 배향이 사용될 수 있다. 또한, 도 6에 나타낸 구현예는 X-Y 평면에서 이동하는 플랫폼을 갖고, 토출기 헤드는 Z-축을 따라 이동하지만, 다른 배열도 가능하다. 예를 들어, 액추에이터(144)는 토출기 헤드(140)를 X-Y 평면에서 그리고 플랫폼(112)을 Z-축을 따라 이동시키도록 구성될 수 있거나, 토출기 헤드(140)를 X-Y 평면 및 Z-축 둘 모두에서 이동시키도록 구성될 수 있거나, 플랫폼(112)을 X-Y 평면 및 Z-축 둘 모두에서 이동시키도록 구성될 수 있다.
제어기(148)는 스위치(152)를 작동시킨다. 하나의 스위치(152)는 전원(156)으로부터 히터(160)로 전력을 제공하도록 제어기에 의해 선택적으로 작동될 수 있는 한편, 다른 스위치(152)는 노즐(108)로부터 액적을 토출시키는 전기장의 발생을 위해 다른 전원(156)으로부터 코일(164)로 전력을 제공하도록 제어기에 의해 선택적으로 작동될 수 있다. 히터(160)가 고온에서 다량의 열을 발생시키기 때문에, 코일(164)은 토출기 헤드(140)의 하나(원형)의 벽 또는 그보다 많은(직선 형상) 벽에 의해 형성된 챔버(168) 내에 위치한다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "챔버"는 3D 금속 물체 프린터의 히터, 코일, 및 제거식 베셀이 위치하는, 금속 액적 토출 프린터 내의 하나 이상의 벽 내에 함유된 체적을 의미한다. 제거식 베셀(104) 및 히터(160)는 그러한 챔버 내에 위치한다. 챔버는 펌프(176)를 통해 유체 공급원(172)에 유체 연결되고, 또한 열 교환기(180)에 유체 연결된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "유체 공급원"은 열을 흡수하는 데 유용한 특성을 갖는 액체의 용기를 지칭한다. 열 교환기(180)는 유체 공급원(172)에 복귀를 통해 연결된다. 공급원(172)으로부터의 유체는 코일(164)로부터 열을 흡수하기 위해 챔버를 통해 흐르고, 유체는 교환기(180)를 통해 흡수된 열을 운반하며, 여기서 열은 공지된 방법에 의해 제거된다. 냉각된 유체는, 코일의 온도를 적절한 작동 범위로 유지시키는 데 추가로 사용하기 위해, 유체 공급원(172)으로 복귀된다.
3D 금속 물체 프린터(100)의 제어기(148)는 금속 물체 제조용 프린터를 제어하기 위해 외부 소스로부터의 데이터를 필요로 한다. 일반적으로, 형성될 물체의 3차원 모델 또는 다른 디지털 데이터 모델은 제어기(148)에 작동 가능하게 연결된 메모리에 저장된다. 제어기는 서버 등, 디지털 데이터 모델이 저장된 원격 데이터베이스, 또는 디지털 데이터 모델이 저장된 컴퓨터-판독가능 매체를 통해 디지털 데이터 모델에 선택적으로 접근할 수 있다. 이 3차원 모델 또는 다른 디지털 데이터 모델은, 공지의 방식으로 제어기(148)에 의해 실행되는 기계-준비 명령어를 생성하기 위해 제어기로 구현되는 슬라이서에 의해 처리되어, 프린터(100)의 구성 요소를 작동시키고 모델에 대응하는 금속 물체를 형성한다. 기계-준비 명령어의 생성은, 디바이스의 CAD 모델이 STL 데이터 모델, 다각형 메시 또는 다른 중간 표현으로 변환되는 경우에서와 같이 중간 모델의 생성을 포함할 수 있으며, 이는 이어서 프린터에 의한 물체의 제조를 위해, g-코드와 같은 기계 명령어를 생성하도록 처리될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "기계-준비 명령어"는 컴퓨터, 마이크로프로세서, 또는 제어기에 의해 실행되어 3D 금속 물체 적층 제조 시스템의 구성 요소를 작동시켜 플랫폼(112) 상에 금속 물체를 형성하는 컴퓨터 언어 명령을 의미한다. 제어기(148)는, 노즐(108)로부터의 용융 금속 액적의 토출, 플랫폼(112)의 위치 설정, 및 플랫폼(112) 상의 물체의 표면과 오리피스(110) 사이의 간격 유지를 제어하기 위해, 기계-준비 명령어를 실행한다.
도 6의 프린터로 지지 구조체를 형성하기 위한 종래 기술의 공정이 도 7에 나타나 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 일부 물체 특징부는 인쇄의 시작 시 물체의 본체로부터 분리된 다음 인쇄가 진행됨에 따라 본체에 접합될 수 있다. 공정은, 토출기 헤드가 Z-축 또는 수직 방향을 따라 층별 방식으로 물체 부분(512)뿐만 아니라 지지체(504 및 508)를 형성하기 위해 작동되도록 도면의 좌측에서 시작한다. 물체 부분(512)및 지지체(504 및 508) 사이의 계면(516 및 520)은 공간적 공극이어서, 지지체 및 물체 부분이 서로 결합하지 않는다. 지지체 및 물체 부분의 형성은, 다른 물체 부분(524)을 포함하는 층에 도달할 때까지, Z 방향으로 계속된다. 이 물체 부분과 지지체 사이의 물체/지지 계면(528)은 공간적으로 공극일 수 없는데, 그 이유는 물체 부분(524)이 적절하게 형성될 수 있도록 지지체(504) 상에 안착해야만 하기 때문이다. 도 6의 프린터에서, 지지체 및 물체 부분의 각각의 층은 이러한 계면에서, 물체의 제조가 완료된 후에 서로 분리하는 데 툴 및 기계 가공이 요구되도록 강하게 접합될 수 있다. 지지체(508) 위에 놓인 물체 부분은 지지체 상에 직접 놓이기 때문에, 계면(536)에 관해 동일하다. 공정의 중심 부분에서, 물체 부분(524 및 512)은 수렴하기 시작하고, 가장 우측에 도시된 바와 같이, 이들은 지점(532)에서 만난다. 진행 중 공정의 이러한 부분으로부터, 물체의 형성을 완료하기 위해 단일 물체 층이 Z 방향에서 연속으로 형성된다.
유사한 구성 요소에 대해 유사한 참조 번호를 사용하고, 물체를 이의 형성 동안 안정화시키는 데 사용되지 않는 구성 요소 중 일부를 제거하여, 보다 쉽게 제거되는 지지 구조체를 형성하는 신규 3D 금속 물체 프린터(100')를 도 1a에 나타낸다. 프린터(100')는, 베이스 플레이트(114)에 장착된 그래파이트 도포 장치(194)뿐만 아니라 제어기에 연결된 비일시적 메모리에 저장된 프로그래밍 명령어로 구성된 제어기(148')를 포함한다. 제어기(148')는 지지 구조체에 의해 지지되거나 이를 접촉하는 물체 층을 형성하기 전에, 지지 구조체의 표면에 대해 그래파이트 부재(198)를 문지르기 위해 후술하는 바와 같이 액추에이터(144)와 그래파이트 도포 장치(194)를 작동시키기 위한 프로그래밍 명령어를 실행한다. 그래파이트 층은, 지지 구조체와 지지되는 물체 특징부 사이에서 쉽게 열을 전달한다. 열을 전달하는 능력은, 가열된 플랫폼(112)으로부터 형성되는 물체(190)로 열이 전달되고, 지지 구조체가 층간 접착력을 촉진하고 휨을 감쇠시키기 때문에 중요하다. 물체의 제조가 완료되고 물체가 냉각된 후, 지지 구조체 및 그래파이트 층은 물체로부터 쉽게 깨질 수 있는데, 그 이유는 그래파이트 층이 물체 층에 강하게 결합하지 않기 때문이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "물체 층"은 3D 금속 물체 프린터의 토출기 헤드로부터 토출되어 착지한 후에 동일한 중력퍼텐셜을 갖는 복수의 용융 금속 액적으로 형성된 금속 물체의 평면을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "지지체 층"은 3D 금속 물체 프린터의 토출기 헤드로부터 토출되어 착지한 후에 동일한 중력퍼텐셜을 갖는 복수의 용융 금속 액적으로 형성된 금속 지지 구조체의 평면을 의미한다.
도 1a를 추가로 참조하면, 그래파이트 도포 장치(194)는 토출기 헤드(140)를 유지하는 베이스 플레이트(114)에 장착되어, 베이스 플레이트(114) 그리고 이에따라 토출기 헤드(140)를 이동시키는 동일한 액추에이터(144)가 또한 장치(194)를 이동시킨다. 가열된 제작 플랫폼(112)이 액추에이터(144)에 작동 가능하게 연결되어, 플랫폼은 베이스 플레이트(114) 아래의 X-Y 평면에서 이동할 수 있다. 도 1a에 나타낸 구현예에서, Y-축은 도면의 평면 안과 바깥으로 움직이고 X-축은 도면에서 좌측 및 우측으로 이동한다. 따라서, 제어기(148')는 제어기에 작동 가능하게 연결된 비일시적 메모리에 저장된 프로그래밍 명령어로 구성되어, 제어기로 하여금 액추에이터(144)의 일부를 작동시켜, 지지 표면 또는 물체 표면에 인접한 그래파이트 도포 장치(194)의 그래파이트 부재(198)로 이동시키고, 이어서 장치(194)를 이동시켜 표면에 대해 그래파이트 부재(198)를 문질러서 그래파이트를 표면에 도포시킨다. 도 1a에 나타낸 프린터의 상부도가 도 1b에 제공된다.
유사한 구성 요소에 대한 유사한 참조 번호를 사용하여, 보다 쉽게 제거되는 지지 구조체를 형성하는 신규 3D 금속 물체 프린터(100')의 대안적인 구현예를 도 2a에 나타낸다. 프린터(100")는, 제어기에 연결된 비일시적 메모리에 저장된 프로그래밍 명령어로 구성된 제어기(148')뿐만 아니라, 장치(194)의 독립적인 이동이 구성된 부재(196)에 장착된 그래파이트 도포 장치(194)를 포함한다. 제어기(148')는 지지 구조체에 의해 지지되거나 이를 접촉하는 물체 층을 형성하기 전에, 지지 구조체의 표면에 대해 그래파이트 부재(198)를 문지르기 위해 후술하는 바와 같이 액추에이터(144)와 그래파이트 도포 장치(194)를 작동시키기 위한 프로그래밍 명령어를 실행한다. 그래파이트 층은, 지지 구조체와 지지되는 물체 특징부 사이에서 쉽게 열을 전달한다. 열을 전달하는 능력은, 가열된 플랫폼(112)으로부터 형성되는 물체(190)로 열이 전달되고, 지지 구조체가 층간 접착력을 촉진하고 휨을 감쇠시키기 때문에 중요하다. 물체의 제조가 완료되고 물체가 냉각된 후, 지지 구조체 및 그래파이트 층은 물체로부터 쉽게 깨질 수 있는데, 그 이유는 그래파이트 층이 물체 층에 강하게 결합하지 않기 때문이다.
도 2a를 추가로 참조하면, 그래파이트 도포 장치(194)는 부재(196)에 장착되고, 부재(196)는, 토출기 헤드(140)를 이동시키는 것과 상이한 액추에이터(144)에 작동 가능하게 연결되어, 장치(194)와 토출기 헤드(140)가 서로 독립적으로 이동할 수 있다. 액추에이터 중 일부는 도면에 나타낸 바와 같이 X-Y-Z 공간에서 장치를 이동시키기 위해 부재(196)와 작동 가능하게 연결된다. 따라서, 제어기(148')는 제어기에 작동 가능하게 연결된 비일시적 메모리에 저장된 프로그래밍 명령어로 구성되어, 제어기로 하여금 액추에이터(144)의 일부를 작동시켜, 플랫폼(112) 또는 베이스 플레이트(114)의 이동과 무관하게 X-Y-Z 공간에 부재(196)를 이동시켜서, 그래파이트 도포 장치(194)의 그래파이트 부재(198)는 지지 표면 또는 물체 표면에 인접하게 이동할 수 있고, 이어서 표면에 대해 그래파이트 부재(198)를 문질러서 그래파이트를 표면에 도포하도록 이동할 수 있다. 가열된 제작 플랫폼(112)은 액추에이터(144)의 일부에 작동 가능하게 연결되어, 플랫폼은 X-Y 평면에서 베이스 플레이트(114) 밑으로 이동할 수 있는 반면에, 베이스 플레이트(114)는 수직 방향으로 Z-축을 따라 토출기 헤드의 이동을 위해 액추에이터(144)의 일부에 작동 가능하게 연결되지만, 다른 구성이 전술한 바와 같이 사용될 수 있다. 도 2a에 나타낸 구현예에서, Y-축은 도면의 평면 안과 바깥으로 움직이고 X-축은 도면에서 좌측 및 우측으로 이동한다. 도 1a에 나타낸 프린터의 상부도가 도 1b에 제공된다.
도포 장치(194)는 도 3에 더 상세히 나타나 있다. 장치(194)는 나사형 오목부(308)를 갖는 하우징(304)을 포함한다. 그래파이트 부재(198)는, 하우징(304)의 개구의 직경에 근사한 직경을 갖는 상부 교차 부재(198A)를 갖는 T-형상의 단면을 갖는다. 상부 교차 부재(198A)에 수직인 그래파이트 부재의 연장부(198B)는 하우징(304)의 오리피스(320)를 통해 연장된다. 스프링(316)은 하우징(304) 내 개구에 동심으로 장착되고 나사형 부재(312)는 나사형 오목부(308) 내로 나사 결합되어 부재(312)와 스프링(316) 사이에 상부 교차 부재(198A)를 개재한다. 교차 부재(198A) 및 나사형 부재(312)에 대한 스프링의 바이어스는, 오리피스에 정렬된 그래파이트 부재(198)를 유지시키고, 지지체 또는 물체 표면에 대한 그래파이트 부재(198)의 문지름 동안에 그것을 안정화시켜 고체 그래파이트의 층을 남긴다. 액추에이터(144)는 나사형 부재(312)에 작동 가능하게 연결되고, 그것이 그래파이트 도포 동안 사용됨에 따라 나사형 오목부(308)의 나사형 부재를 양방향으로 회전시켜 연장부(198B)를 전진시키도록 구성된다.
일 구현예에서, 그래파이트 부재는 고체 그래파이트로 제조된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "고체 그래파이트"는, 연마제, 문지름 또는 유사한 마찰 모션으로 표면에 도포되는, 표면 상의 그래파이트 원자 층을 의미한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "문지름"은 표면에 고체 그래파이트를 도포하는 비원형 마찰 모션을 의미한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "그래파이트 도포 장치"는, 고체 그래파이트 부재로부터 그래파이트 부재를 문지르는 표면으로 그래파이트를 전달하는 장치를 의미한다. 층의 두께는 500 μm 이하이다. 지지체 표면 또는 물체 표면의 문지름 압력과 돌기의 조합은 표면에 고체 그래파이트 층을 도포하는 것을 용이하게 한다. 지지체 표면의 돌기 또는 거칠기는, 고체 그래파이트 층의 도포 전에 지지 구조체의 마지막 여러 층 내의 액적의 크기 또는 용융 금속 액적의 간격을 변화시킴으로써, 지지 구조체를 형성하는 3D 프린팅 공정 동안에 변경될 수 있다.
지지 구조체와 물체 부분 사이의 그래파이트 층의 예시가 도 4에 나타나 있다. 이 도면에서, 물체(528) 부분은 지지 구조체(504 및 508)에 의해 지지되며, 그래파이트 계면(550, 554)이 그들 사이에 개재된다. 일단 물체 제조가 완료되고 물체가 냉각되면, 지지 구조체(504, 508) 및 그래파이트 계면(550, 554)은 손으로 또는 경량 파지 툴로 쉽게 제거될 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "그래파이트 계면"은 물체 층의 일부와 물체 층의 일부를 지지하는 지지 구조체의 표면 사이에 개재된 그래파이트 층을 의미한다.
제어기(148')는 프로그래밍 명령어를 실행하는 하나 이상의 범용 또는 전용 프로그래밍 가능 프로세서로 구현될 수 있다. 프로그래밍 기능을 수행하는 데 필요한 명령어 및 데이터는 프로세서 또는 제어기와 연관된 메모리에 저장될 수 있다. 프로세서, 그의 메모리, 및 인터페이스 회로부는 전술된 작동뿐만 아니라 후술되는 작동을 수행하도록 제어기를 구성한다. 이들 구성 요소는 인쇄 회로 카드 상에 제공되거나, ASIC(응용 특정 집적 회로) 내의 회로로서 제공될 수 있다. 회로 각각이 별도의 프로세서로 구현될 수 있거나, 다수의 회로가 동일한 프로세서 상에 구현될 수 있다. 대안적으로, 회로는 대규모 집적(VLSI) 회로 내에 제공된 별개의 구성 요소 또는 회로로 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 회로는 프로세서, ASIC, 별개의 구성 요소, 또는 VLSI 회로의 조합으로 구현될 수 있다. 금속 물체 형성 동안, 생성될 구조체에 대한 이미지 데이터는, 플랫폼(112) 상에 물체를 형성하도록 프린터(100')의 구성 요소를 작동시키는 신호의 발생 및 처리를 위해 스캐닝 시스템 또는 온라인 또는 워크스테이션 연결로부터 제어기(148')를 위한 프로세서(들)로 발신된다.
금속 물체의 부분과 물체 제조용 지지 구조체 사이에 고체 그래파이트 계면을 형성하기 위해 3D 금속 물체 프린터(100')를 작동시키기 위한 공정(300)이 도 5에 나타나 있다. 공정의 설명에서, 공정이 어떤 작업 또는 기능을 수행하고 있다는 진술은, 제어기 또는 범용 프로세서가, 그 작업 또는 기능을 수행하도록 프린터 내의 하나 이상의 구성 요소를 작동시키기 위해 또는 데이터를 조작하기 위해 제어기 또는 프로세서에 작동 가능하게 연결된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장된 프로그래밍 명령어를 실행하는 것을 지칭한다. 위에 언급된 제어기(148')는 그러한 제어기 또는 프로세서일 수 있다. 대안적으로, 제어기는 하나 초과의 프로세서 및 연관된 회로부와 구성 요소로 구현될 수 있으며, 이들 각각은 본 명세서에 기술된 하나 이상의 작업 또는 기능을 형성하도록 구성된다. 또한, 방법의 단계는, 도면에 도시된 순서 또는 처리가 설명되는 순서에 관계없이, 임의의 실현 가능한 시간 순서로 수행될 수 있다.
도 5는 프린터(100' 및 100")로 금속 물체의 제조를 돕기 위해 사용되는 지지 구조체와 금속 물체 부분 사이에 고체 그래파이트 계면을 형성하기 위해 그래파이트 도포 장치(194)를 작동시키는 공정(300)에 대한 흐름도이다. 제어기(148')는 이러한 목적을 위해 도포 장치(194)를 작동시키기 위해 제어기에 작동 가능하게 연결된 비일시적 메모리에 저장된 프로그래밍 명령어를 실행하도록 구성된다. 프린터가 초기화된(블록 304) 후, 프린터는 물체 층 및 지지 층이 있는 경우에 형성하도록 작동된다(블록 308). 다음 층을 인쇄하기 전에, 공정은 물체 층/지지 층 계면이 감지되는지 여부를 결정한다(블록 312). 이러한 계면이 감지되면, 제어기는 그래파이트 도포 장치를 그래파이트를 도포하기 위한 위치로 이동시키기 위해 액추에이터를 작동시키고, 장치를 왕복 방식으로 이동시켜 그래파이트를 계면 영역에 도포하고 그래파이트 계면을 형성시킨다(블록 316). 영역이 그래파이트로 코팅되었을 경우, 물체가 완료될 때까지 물체 층 및 지지 층을 형성하는 공정이 계속된다(블록 320). 블록(316)에서 공정 처리를 수행하기 전에, 공정은, 그래파이트 계면을 형성하기 전에 지지 표면의 돌기를 증가시키기 위해 용융 금속 액적 간격 또는 용융 금속 액적 크기를 변경할 수 있다.
그래파이트 도포 장치를 갖는 3D 금속 물체 프린터 및 이러한 프린터를 작동시키는 방법은 이전에 이용 가능하지 않은 다수의 이점을 제공한다. 이전에 알려진 3D 금속 물체 프린터에서, 지지 구조체의 견고성을 위해 트레이드오프가 고려되어야 한다. 제조 공정이 완료된 후 지지 구조체는 제거를 필요로 하기 때문에, 고가의 기계 가공 등을 필요로 하지 않으면서 그의 제거를 용이하게 하기 위해 지지체를 가능한 한 경량으로 만드는 경향이 있었다. 이러한 경향은, 일부 상황에서, 처짐 등이 없는 물체 연장 특징부를 유지하기에 부적절한 지지 구조체를 생성하였다. 프린터 및 상기 개시된 작동 방법에 의해 생성된 그래파이트 계면은, 기계 가공 없이 제거될 수 있는 강건한 지지 구조체의 형성을 허용한다. 또한, 고체 그래파이트의 도포는, 지지 구조체와 물체 특징부 사이에 분리 계면을 형성하기 위해 이형 재료의 액체 현탁액의 도포에 비하면 상당한 이점인 것으로 고려된다. 금속 물체가 형성되는 환경은 고온이다. 금속 물체 및 지지 구조체는 475℃ 이상의 온도에 있을 수 있다. 15℃ 정도의 작은 온도 강하는 물체 특징부 결함을 야기할 수 있다. 도포기로부터 지지 구조체로의 고체 그래파이트의 전달은 이러한 온도 변화를 초래하지 않는다.
위에 개시된 것의 변형 및 다른 특징부 및 기능, 또는 이들의 대안이 바람직하게는 많이 상이한 다른 시스템, 응용 또는 방법으로 조합될 수 있음을 이해할 것이다. 현재 예측되지 않거나 예상되지 않는 다양한 대안, 수정, 변형 또는 개선이 당업자에 의해 후속하여 이루어질 수 있고, 이는 또한 하기 청구범위에 의해 포함되도록 의도된다.

Claims (24)

  1. 금속 액적 토출 장치로서,
    용융 금속을 유지하도록 구성된 베셀 내에 리셉터클을 갖는 상기 베셀을 갖는 토출기 헤드;
    평면 부재; 및
    상기 토출기 헤드로부터 토출된 용융 금속 액적으로 형성된 금속 물체의 일부와 지지 구조체 표면 사이에 그래파이트 계면을 형성하기 위해 표면에 그래파이트를 도포하도록 구성된 그래파이트 도포 장치를 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 그래파이트 도포 장치는,
    개구를 갖는 하우징;
    상기 하우징의 개구 내의 그래파이트 부재;
    상기 하우징에 작동 가능하게 연결된 제1 액추에이터; 및
    상기 액추에이터에 작동 가능하게 연결된 제어기를 추가로 포함하되, 상기 제어기는,
    상기 제1 액추에이터를 작동시켜 상기 하우징을 상기 표면으로 이동시키고 상기 표면에 대해 왕복 모션으로 상기 그래파이트 부재를 이동시켜 상기 그래파이트 계면을 형성하도록 구성되는, 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 그래파이트 도포 장치는,
    상기 하우징의 개구 내의 부재;
    상기 부재에 작동 가능하게 연결되는 제2 액추에이터; 및
    상기 제2 액추에이터에 작동 가능하게 연결된 상기 제어기를 추가로 포함하되, 상기 제어기는,
    상기 제2 액추에이터를 작동시켜 상기 하우징의 개구 내에서 상기 그래파이트 부재를 이동시켜 상기 개구 외부에서 상기 그래파이트 부재의 단부를 연장시키도록 추가로 구성되는, 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 그래파이트 부재에 대해 상기 하우징의 개구 내에 장착된 스프링을 추가로 포함하되,
    상기 그래파이트 부재의 일부는 상기 부재와 상기 스프링 사이에 개재되는, 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하우징의 개구 내의 나사형 오목부를 추가로 포함하되,
    상기 하우징의 개구 내의 상기 부재는 나사형 부재이고, 상기 제2 액추에이터는 상기 나사형 오목부에서 상기 나사형 부재를 회전시키도록 구성되고,
    상기 제어기는
    상기 나사형 오목부에서 상기 나사형 부재를 회전시키기 위해 상기 제2 액추에이터를 작동시켜 상기 그래파이트 부재를 연장시키도록 추가로 구성되는, 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 그래파이트 부재는 T자형 길이 방향 단면 영역을 갖는, 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제어기는 상기 토출기 헤드에 작동 가능하게 연결되고, 상기 제어기는,
    상기 토출기 헤드를 작동시켜 상기 지지 구조체 표면을 형성하는 토출된 용융 금속 액적 사이의 간격을 변경하도록 추가로 구성되는, 장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 제어기는 상기 토출기 헤드에 작동 가능하게 연결되고, 상기 제어기는,
    상기 토출기 헤드를 작동시켜 상기 지지 구조체 표면을 형성하는 토출된 용융 금속 액적의 크기를 변경하도록 추가로 구성되는, 장치.
  9. 제2항에 있어서, 상기 장치는,
    상기 토출기 헤드 및 상기 하우징이 장착되는 부재를 추가로 포함하되,
    상기 제1 액추에이터는 상기 부재에 작동 가능하게 연결되어, 상기 제1 액추에이터의 작동은 상기 토출기 헤드 및 상기 하우징을 동시에 이동시키는, 장치.
  10. 제2항에 있어서, 상기 장치는,
    상기 토출기 헤드가 장착되는 제1 부재;
    상기 하우징이 장착되는 제2 부재 - 상기 제1 부재는 상기 제2 부재와 상이함 -;
    상기 제2 부재에 작동 가능하게 연결된 제2 액추에이터;
    상기 제1 부재에 작동 가능하게 연결된 제1 액추에이터; 및
    상기 제2 액추에이터에 작동 가능하게 연결되고, 상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터를 작동시켜 상기 토출기 헤드와 상기 하우징을 서로 독립적으로 이동시키도록 구성된 상기 제어기를 추가로 포함하는, 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제어기는,
    상기 제2 액추에이터를 작동시켜 상기 제2 부재를 3차원 공간에서 이동시키도록 추가로 구성되는, 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어기는,
    상기 제1 액추에이터를 작동시켜 상기 토출기 헤드를 평면 내에서 또는 단일 축을 따라 이동시키도록 추가로 구성되는, 장치.
  13. 금속 액적 토출 장치를 작동시키는 방법으로서,
    부재에 의해 지지되는 지지 층 및 물체 층을 형성하기 위해 용융 금속 액적을 토출하도록 토출기 헤드를 작동시키는 단계; 및
    지지 층으로 형성된 지지 구조체의 표면과 물체 층으로 형성된 금속 물체 일부의 표면 사이에 그래파이트 계면을 형성하도록 그래파이트 도포 장치를 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    제1 액추에이터를 작동시켜 상기 그래파이트 도포 장치의 하우징을 상기 지지 구조체의 표면으로 이동시키고 상기 지지 구조체의 표면에 대해 왕복 모션으로 상기 그래파이트 부재를 이동시켜 상기 그래파이트 계면을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 하우징의 개구 내의 부재에 작동 가능하게 연결된 제2 액추에이터를 작동시켜, 상기 하우징의 개구 내에서 상기 그래파이트 부재를 이동시켜 상기 개구 외부에서 상기 그래파이트 부재의 단부를 연장시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2 액추에이터의 작동은,
    상기 그래파이트 부재 주위에서 상기 하우징의 개구 내에 장착된 스프링에 대해 상기 그래파이트 부재의 일부를 압박하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제2 액추에이터의 작동은,
    상기 그래파이트 부재를 연장시키기 위해 나사형 오목부 내에서 상기 부재를 회전시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 그래파이트 부재는 T자형 길이 방향 단면 영역을 갖는, 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 토출기 헤드를 작동시켜 상기 지지 구조체 표면을 형성하는 토출된 용융 금속 액적 사이의 간격을 변경하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 토출기 헤드를 작동시켜 상기 지지 구조체 표면을 형성하는 토출된 용융 금속 액적의 크기를 변경하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  21. 제14항에 있어서, 상기 제1 액추에이터의 작동은,
    상기 토출기 헤드 및 상기 하우징이 장착되는 부재를 이동시켜서, 상기 제1 액추에이터의 작동이 상기 토출기 헤드 및 상기 하우징을 동시에 이동시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 제1 액추에이터를 작동시켜 상기 토출기 헤드를 이동시키는 단계; 및
    제2 액추에이터를 작동시켜 상기 하우징을 상기 토출기 헤드와 독립적으로 이동시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제2 액추에이터의 작동은,
    상기 하우징을 3차원 공간에서 이동시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제1 액추에이터의 작동은,
    상기 토출기 헤드를 평면 내에서 또는 단일 축을 따라 이동시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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