KR20240001325A

KR20240001325A - 적층 금속 주조 시스템 및 장치

Info

Publication number: KR20240001325A
Application number: KR1020237043668A
Authority: KR
Inventors: 에밀 바이스; 다비드 샤이네르; 길 라비
Original assignee: 마그누스 메탈 리미티드
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2022-05-19
Publication date: 2024-01-03
Also published as: IL283302B2; IL283302B1; IL283302A; EP4341090A1; US20220371086A1; CN117355417A; WO2022243921A1; JP2024519048A

Abstract

주형 영역 및 객체 영역을 갖는 생산 계층을 구성함으로써 금속 객체의 적층 주조를 위한 시스템 및 방법은 현재의 생산 계층의 주형 영역을 구성하는 주형 구성 유닛; 객체 영역에 용융 금속을 증착시키는 용융 금속 증착기를 포함하는 준비-증착-후처리(PDP) 유닛; 용융 금속 증착기를 고정하는 홀더; 적어도 하나의 유도 가열 유닛; 생산 계층의 수직 스택을 지지하는 빌드 테이블; PDP 유닛과 빌드 테이블 사이의 상대 이동을 제공하는 이동 가능 플랫폼; 및 제조 영역에 용융 금속을 증착시키고, (1) 용융 금속 증착 전에 제조 영역을 사전 증착 온도로 예열하는 것, 및/또는 (2) 용융 금속 증착 후에 제조 영역을 사후 증착 온도로 후가열하는 것을 수행하도록 PDP 유닛을 제어하기 위해 PDP 유닛 및 이동 가능 플랫폼을 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

적층 금속 주조 시스템 및 장치

본 출원은 대체 출원이 2021년 11월 29일에 출원된, 2021년 5월 19일에 출원된 이스라엘 특허 출원 제283302호로부터 우선권을 주장하며, 두 출원 모두 참조로서 본 명세서에 포함된다.

본 발명은 일반적으로 금속 주조에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 적층 금속 주조를 위한 장치에 관한 것이다.

주조 금속 제품에 대한 대부분의 수요는 현재 완전한 주형(mold)을 생산한 후 주형 공동을 용융 금속으로 채우는 전통적인 주조 기술에 의해 충족된다. 일부 경우에, 주형 생산은 주형이 제조되는 주조 패턴을 제작하는 것을 포함한다.

전통적인 금속 주조의 문제점

주조 패턴 및 주형의 생산 및 관리는 전통적인 주조의 비용 및 운행 시간에 크게 기여한다. 패턴과 주형을 제작하는 것은 비용과 시간이 많이 소요되며, 이를 지속적인 주조 작업에 사용하려면 주형과 패턴의 청소, 유지 관리, 수리 및 재조정이 필요하다.

패턴 및 주형의 장기간 보관 및 재고는 상당한 비용 및 관리 부담을 더 초래할 수 있다. 이러한 노력은 특정 주조 금속 부품의 대규모 생산에 대해 정당화될 수 있지만, 애프터마켓 상황에서, 해당 특정 부품에 대한 시장 수요가 감소되는 경우, 해당 부품의 생산을 위한 주형 및 패턴을 유지하는 데 드는 지속적인 간접비를 정당화하기 어려울 수 있다. 부품을 계속 제조하는 데 엄청나게 많은 비용이 들게 되는 경우, 부품 교체 가용성은 일반적으로 기존 재고로 제한된다.

전통적인 주형 기반 주조에는 추가 단점이 있다. 크거나 복잡한 주조에는 종종 여러 개의 주입 컵, 러너(runner), 라이저(riser) 및 연장부를 갖는 주형이 필요하며, 이는 과도한 주형 부피의 상당 부분을 차지하고, 많은 경우 이는 주조에 필요한 용융 금속의 양을 50%까지 증가시킬 수 있다. 잉여 금속은 일반적으로 재용해되어 재사용될 수 있지만, 잉여 금속을 녹이는 데 소비되는 에너지가 낭비된다. 기존 주조의 또 다른 단점은 특히 크거나 복잡한 부품이 항상 단일 부품으로 주조될 수 없으므로, 주조 후 더 작은 부품을 함께 용접 및/또는 볼트 체결해야 할 필요가 있다는 것이다.

기존 주조의 또 다른 단점은 다량의 용융 금속을 처리하고 조작하는 프로세스에 내재된 산업 안전 위험, 수반되는 고온, 및 일반적으로 프로세스에 수반되는 유독성 연기와 관련된다. 제조 인력에 대한 즉각적인 안전 위험과 함께, 오염 및 기타 유해한 환경 영향 문제도 있으며, 이들 모두는 광범위하고 장기적인 결과를 초래할 수 있다.

적층 금속 주조의 장점

전술한 전통적인 주조의 한계는 직접적인 적층 금속 주조를 위한 다양한 기술의 개발을 촉진시켰다. 적층 금속 주조는 이전에 논의된 패턴 및 주형과 연관된 문제 및 제한 사항을 제거할 수 있는 잠재력을 갖고 있으며, 안전을 향상시키고 환경 위험의 영향을 최소화하기 위해 용융 금속을 제한된 지역 환경에서 보다 쉽게 관리할 수 있는 양과 범위로 제한할 수 있다.

현재 적층 제조 시스템은 특히 다음의 출판된 기사에서 설명되어 있다: Merz 등의 "형상 증착 제조(Shape Deposition Manufacturing"(Proceedings of the 1994 International Solid Freeform Fabrication Symposium, 페이지 1-8); Weiss 등의 "이종 구조의 형상 증착 제조"(Journal of Manufacturing Systems, Volume 16, Issue 4, 1997, 페이지 239-248); 및 Amon 등의 "마이크로캐스팅을 이용한 형상 증착 제조: 가공, 열 및 기계적 문제"(Journal of Manufacturing Scine and Engineering, Transactions of ASME, 1998년 8월, 120(3), 페이지 656-665). 추가 관심 사항은 1994년 5월에 형상 증착 제조(Shape Deposition Manufacturing)라는 제목으로 비엔나 공과대학교에서 출판된 Robert Merz의 박사 학위 논문(영어)이다.

현재의 적층 금속 주조 기술의 단점

그러나, 전통적인 주조의 주형 및 패턴 관련 문제를 잠재적으로 해결하는 반면, 현재의 적층 금속 주조 기술은 그 자체의 제한과 한계를 도입한다.

제한된 처리량, 주조 크기 및 제품 품질 문제

생산 흐름의 관점에서, 현재의 적층 금속 주조 기술은 일반적으로 처리량이 제한되어 있으며, 큰 부품 크기와 질량으로 확장하기 어려운 것으로 입증되었다.

추가적으로, 위에서 인용된 Merz 논문에서 언급된 바와 같이, 현재의 적층 금속 제조는 흔히 널리 퍼진 거시적 공극을 포함하는 주조 결함을 특징으로 한다. 이러한 결함으로 인해 적층 주조 제품은 다양한 애플리케이션에 사용하기에 적합하지 않다.

금속 및 금속 소스에 대한 제한

현재, 금속 적층 제조는 일반적으로 직접 증착 기술과 레이저 및 전자 빔을 활용하는 분말 소결(power bed fusion) 기술을 기반으로 한다. 현재 사용되는 기술은 레이저 기반 분말 소결, 레이저 분말 증착, 전자빔 분말 소결, 와이어 전기/플라즈마 아크 증착, 와이어 전자 증착, 지향성 에너지 증착(Directed Energy Deposition, DED) 및 바인더 제팅(Binder jetting) 기술이다. 기타 직접 증착 및 소결 기반 기술은 개발 및 채택의 초기 단계에서 사용할 수 있다. 그러나, 이러한 기술은 용해점이 낮은 금속으로 제한되는 경우가 많으며 때로는 제조업체가 익숙한 원시 금속 원료를 금속 분말 기반 소스로 전환해야 한다.

따라서, 전술한 한계를 극복하고 확립되고 인증된 더 높은 용해점 금속 소스 원료에 기초하여 고품질 및 균일성의 주조 금속 제조에서 경제적이고 효율적인 처리량을 촉진하는 적층 금속 주조 시스템 및 장치가 필요하다. 이러한 목적은 본 발명에 의해 충족된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 생산 계층의 수직 스택을 형성하는 일련의 생산 계층을 구성함으로써 금속 객체를 주조하기 위한 주조 시스템이 제공되며, 여기서 일련의 생산 계층은 주형 영역을 가지며, 일련의 생산 계층은 주형 영역에 의해 정의된 객체 영역(용융 금속 증착을 위한 영역 또는 현재 응고된 용융 금속이 이전에 증착된 영역)을 갖고(즉, 객체 영역은 주형 영역의 주형 공동의 표면에 의해 정의됨), 현재의 생산 계층(즉, 현재 제조 중인 생산 계층)은 수직 스택에서 이전의 생산 계층의 상단 표면(즉, 이전에 제조된 생산 계층의 상단 표면) 위에 구성되며, 시스템은 현재의 생산 계층의 주형 영역을 구성하도록 작동하는 주형 구성 유닛; 현재의 생산 계층의 주형 영역에 의해 정의된 객체 영역에 용융 금속을 증착하도록 작동하는 용융 금속 증착기를 포함하는 준비-증착-후처리(Preparation-Deposition-Post treatment, PDP) 유닛; 용융 금속 증착기에 부착되어 용융 금속 증착기를 고정하기 위한 홀더; 홀더에 부착된 적어도 하나의 유도 가열 유닛; 생산 계층의 수직 스택을 지지하기 위한 빌드(build) 테이블; PDP 유닛과 빌드 테이블 사이의 상대 이동을 제공하는 이동 가능 플랫폼 ― 상대 이동은 진행 방향을 따름 ―; 및 현재의 생산 계층의 객체 영역의 제조 영역에 용융 금속을 증착하고, 용융 금속 증착 전에 제조 영역을 사전 증착 온도로 예열하는 것 및 용융 금속 증착 후에 제조 영역을 사후 증착 온도로 후가열하는 것 중 적어도 하나를 수행하기 위해 PDP 유닛을 제어하도록 PDP 유닛 및 이동 가능 플랫폼을 제어하기 위한 제어기를 포함한다.

본 명세서에서 설명된 다른 실시예와 결합될 수 있는 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 시스템은 이전의 생산 계층의 객체 영역 내 용융 영역과 현재의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역의 고화 파라미터에 영향을 미치기 위해 예열, 가열 및 후가열을 수행하도록 유도 가열 유닛을 제어하는 제어기를 더 포함한다.

관련된 실시예에서, 시스템은 현재의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역을 냉각시키는 파라미터에 영향을 미치기 위해 예열, 가열 및 후가열을 수행하도록 유도 가열 유닛을 제어하는 제어기를 더 포함한다.

유도 가열 유닛은 진행 방향에 대해 선두(leading) 섹션과 후미(trailing) 섹션을 갖는 단일 유도 가열 코일을 포함할 수 있고, 진행 방향을 따라, 선두 섹션은 이전의 생산 계층의 객체 영역의 제조 영역을 예열할 수 있고, 후미 섹션은 현재 생산 계층의 객체 영역의 제조 영역을 후가열할 것이다.

관련된 실시예에 따르면, 유도 가열 유닛은 실질적으로 평면인 원형 형상을 갖는 적어도 하나의 코일을 갖는다.

유도 가열 유닛은 진행 방향에 평행한 장축을 갖는 실질적으로 평면인 타원형 형상을 가질 수 있다. 유도 가열 유닛은 진행 방향에 수직인 장축을 갖는 실질적으로 평면인 타원형을 가질 수 있다.

유도 가열 유닛은 적층 주조 시스템의 작동 동안 원추형 베이스가 제조 영역에 있는 것보다 원추형 정점이 제조 영역에 더 가깝도록 배향된 실질적으로 원추형 형상을 가질 수 있다.

본 명세서에 설명된 다른 실시예와 결합될 수 있는 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 유도 가열 유닛은 하나 이상의 유도 가열 코일 권선을 포함하며, 각 코일 권선은 다중 권선을 포함할 수 있다. 유도 가열 유닛은 유도 가열 코일의 제1 부분에서 제1 권선 밀도(단위 거리당 턴 수) 및 유도 가열 코일의 제2 부분에서 제2 권선 밀도를 갖는 다중 권선을 포함할 수 있으며, 여기서 제2 밀도는 제1 밀도보다 더 높다.

유도 가열 유닛은 빌드 테이블에 수직인 중심축을 가질 수 있다. 유도 가열 유닛은 적층 주조 시스템의 작동 중에 빌드 테이블에 대해 일정 각도로 기울어질 수 있다.

일부 실시예는 유도 가열 유닛에 전력 공급을 제어하는 제어기를 더 포함하며, 여기서 전력 공급을 제어하는 것은 전류 레벨, 전류 진폭, 전류 극성, 타이밍, 기간, 교류(AC) 주파수 및 AC 위상 중 적어도 하나를 제어하는 것을 포함한다.

본 명세서에서 설명된 다른 실시예와 결합될 수 있는 다양한 실시예에서, 용융 금속 유닛은 금속 로드(rod)를 포함하며, 여기서 유도 가열은 로드의 팁(tip)을 녹인다. 본 명세서에서 설명된 다른 실시예와 결합될 수 있는 본 발명의 일부 실시예에서, 용융 금속 유닛은 유도 가열 유닛에 의해 가열되고 용융되는 금속을 수용하기 위한 도가니를 특징으로 한다.

이동 가능 플랫폼은 PDP 유닛을 이동시키는 이동 가능 유닛 및 빌드 테이블을 이동시키도록 구성된 이동 가능 지지대 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

홀더는 용융 금속 증착기를 회전시키기 위한 회전 유닛을 포함할 수 있다. 홀더는 주조 시스템의 작동 중에 금속 소스 로드를 수직축으로 이동시키기 위한 액추에이터를 포함할 수 있다. 홀더는 (홀더에 부착된) 용융 금속 증착기를 고정시킬 뿐만 아니라 홀더는 또한 하나 이상의 유도 가열 유닛을 포함하는 PDP 유닛에도 부착된다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 즉, 용융 금속 증착기는 홀더를 통해 유도 가열 유닛에 물리적으로 연결된다. 따라서, 용융 금속 증착기와 유도 가열기는 홀더에 의해 결합되어 함께 움직이다.

관련된 실시예는 용융 금속 증착기에 새로운 용융 금속을 제공하기 위한 용융 금속 공급기를 제공한다.

주형 구성 유닛은 구축 계획에 의해 미리 정의된 생산 계층의 주형 영역에 주형 재료를 적층적으로 증착하기 위해, 주형 증착 유닛과 유체 연결되어 있는 경화되지 않은 주형 재료의 주형 재료 저장소를 갖는 주형 증착 유닛일 수 있다.

본 명세서에서 설명된 다른 실시예와 결합될 수 있는 본 발명의 일부 실시예에서, 주형 구성은 원격으로 구성된 주형 컴포넌트의 예비를 포함하고 구축 계획에 의해 미리 정의된 생산 계층의 주형 영역에 대한 예비로부터 주형 컴포넌트를 전달하기 위한 주형 전달 유닛을 포함하는 주형 구성 유닛에 의해 달성된다.

시스템은 객체 영역 제조 동안 빌드 테이블 및 적어도 PDP 유닛을 수용하고, 주형 영역 구성 동안 주형 구성 유닛을 수용하기 위한 생산 챔버를 더 포함할 수 있다. 생산 챔버는 객체 영역 생산 동안 제1 온도로 유지될 수 있고, 주형 영역 구성 동안 제1 온도와 다른 제2 온도로 유지될 수 있다. 관련된 실시예에서, 생산 챔버는 불활성 대기 환경을 제공한다.

생산 영역은 객체 영역 생산 동안 불활성 환경으로서 유지될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 구축 계획에 따라 빌드 테이블 상에 생산 계층을 추가로 구성함으로써 객체를 주조하는 방법이 제공되며, 생산 계층은 주형 영역에 의해 정의된 객체 영역을 가지며, 이 방법은 용융 금속 증착기, 용융 금속 증착기를 고정시키기 위한 홀더, 및 상기 홀더에 연결된 유도 가열 유닛을 포함하는 준비-증착-후처리(PDP) 유닛을 사용하여, 구축 계획에 따라 빌드 테이블 상에 현재의 생산 계층의 주형 영역을 구성하는 단계, 및 그 후, PDP 유닛과 빌드 테이블 사이의 상대 이동을 제공하면서 유도 코일에 전력을 공급하면서, 현재의 생산 계층의 객체 영역의 제조 영역에 금속을 증착하기 위해 용융 금속 증착기의 일부를 가열하기 위해, 그리고 이전의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역을 제1 온도로 예열하는 것 및 현재의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역을 제2 온도로 후가열하는 것 중 적어도 하나를 수행하기 위해 유도 코일에 전력을 제공하는 단계를 포함한다.

본 방법은 구축 계획에 따라 구성, 예열, 가열 및 후가열을 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다.

구성하는 단계는 주형 재료 저장소와 유체 연결되어 주형 증착 유닛에 의해 주형 재료 저장소로부터 주형 재료를 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 구성하는 단계는 주형 전달 유닛에 의해 원격으로 제조된 주형 컴포넌트의 예비로부터 구축 계획에 의해 미리 정의된 생산 계층 내 주형 영역으로 원격으로 제조된 주형 컴포넌트를 전달하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법은 전류 레벨, 전류 진폭, 전류 진폭, 전력 레벨, 전류 극성, 타이밍, 듀티 사이클, 역률, 교류(AC) 주파수 및 교류(AC) 위상 중 적어도 하나를 제어함으로써 전력 공급을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

전력을 제공하는 단계는 선택적으로 이전의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역을 예열하기 위한 제1 전력 레벨을 제공하는 단계;

용융 금속 증착기의 일부에 금속을 용융시키기 위한 제2 전력 레벨을 제공하는 단계; 및 선택적으로 현재의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역을 후가열하기 위한 제3 전력 레벨을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

제1 전력 레벨은 이전의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역을 제1 온도로 가열하는 데 필요한 전자기(electromagnetic, EM) 에너지에 기초하여 결정될 수 있고, 제2 전력 레벨은 용융 금속 증착기의 일부에서 금속을 용융하는 데 필요한 EM 에너지에 기초하여 결정될 수 있으며, 제3 전력 레벨은 현재의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역을 가열하는 데 필요한 EM 에너지에 기초하여 결정될 수 있다.

방법은 용융 금속 증착기의 수직 이동을 제공하고 용융 금속 증착기와 이전의 생산 계층의 객체 영역 사이의 작업 거리를 제어하는 단계(본 발명의 다양한 실시예에 따라, 제어기는 작업 거리가 현재의 생산 계층의 주형 영역의 높이보다 더 큰 것을 보장하기 위해 PDP 유닛의 상대 위치를 변경할 수 있을 뿐만 아니라, 생산 계층의 두께에 따라 PDP 유닛의 상대 위치를 변경할 수 있음); 필요한 용융 금속 증착 속도를 결정하는 단계; PDP 유닛과 빌드 테이블 사이의 상대 이동의 속도 및 방향 중 적어도 하나를 제어하는 단계; 용융 금속 증착 프로파일을 결정하고, 용융 금속 증착기의 수직 위치, 용융 금속 증착기의 속도, 및 유도 가열 유닛으로 제공되는 전력 레벨 중 적어도 하나를 제어하는 단계 ― 제어는 용융 금속 증착 프로파일에 기초함 ―; 용융 금속 증착기의 일부 온도를 측정하고, 용융 금속 증착기의 수직 위치, 용융 금속 증착기의 속도, 및 유도 가열 유닛으로 제공되는 전력 레벨 중 적어도 하나를 제어하는 단계 ― 제어는 측정된 온도에 기초함 ―; 미리 주조된 금속층의 예열 중에 유도 가열 유닛에 의해 형성된 예열된 영역의 폭이 예열된 라인의 상단 위에 주조된 용융 금속 라인의 폭보다 5% - 50% 더 넓도록 이전의 생산 계층의 객체 영역 내 영역을 가열하는 단계 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

본 발명으로 간주되는 주제는 명세서의 결론 부분에서 특히 지적되고 명확하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 목적, 특징 및 장점과 함께 구성 및 작동 방법에 관해 첨부 도면과 함께 읽을 때 다음의 상세한 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 적층 주조 시스템의 예시이다.
도 1b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 도 1a의 적층 주조 시스템의 블록도이다.
도 2a-2d는 본 발명의 일부 실시예에 따른 코일 배치의 예시이다.
도 3a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 적층 주조 시스템의 예시이다.
도 3b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 도 3a의 적층 주조 시스템의 블록도이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 금속 객체의 적층 주조 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른 금속 객체의 적층 주조를 위한 시스템 제어 방법의 상세한 흐름도이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 주조 객체의 쿠폰에 대해 수행된 야금학적 평가 결과를 도시한다.
예시의 단순성과 명확성을 위해, 도면에 도시된 요소는 반드시 일정한 비율로 도시될 필요는 없다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 일부 요소의 치수는 명확성을 위해 다른 요소에 비해 과장될 수 있다. 또한, 적절하다고 생각되는 경우, 참조 번호는 대응하거나 유사한 요소를 지시하기 위해 도면 사이에서 반복될 수 있다.

다음의 상세한 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다양한 특정 세부사항이 개괄적으로 설명된다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 특정 세부사항 없이도 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 경우, 잘 알려진 방법, 절차 및 컴포넌트는 본 발명을 모호하게 하기 위해 자세히 설명되지 않았다.

금속 적층 제조 접근방식은 최종 부품의 높은 해상도와 정확성으로 복잡한 설계를 가능하게 하고, 주형 준비 및 사용의 필요성을 없애며, 리드(lead) 타임을 가속화하고, 제조 안전성을 높이는 것을 목표로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 디지털 방식으로 계획되고 제어되는 적층 금속 주조를 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 패턴의 사용이 제거된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 주입 컵, 러너(runner), 라이저(riser) 및 연장부와 같은 추가적인 주형 특징의 사용이 제거된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 적층 제조 개념은 주조를 위한 새로운 방식으로 구현된다. 금속 객체의 제조는 생산 계층별로 실행되는 일련의 여러 작업으로 계획된다. 각 작업에서, 주형 영역과 객체 영역을 포함하는 생산 계층이 구축된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 생산 계층은 생산 영역(구축 테이블에 의해 정의된 X-Y 평면)을 이동하는 전용 생산 유닛 그룹에 의해 빌드 테이블 위에 구축된다. X-Y 생산 평면 위의 생산 유닛의 이동은 연속 이동이거나 이산적(점프 방식)일 수 있다.

생산 작업을 구현하기 위한 생산 유닛 그룹은, 다음의 유닛, 즉

주형 구성 유닛(비제한적인 예에서, 생산 계층의 주형 영역을 위한 경화되지 않은 주형 재료를 증착하기 주형 증착 유닛);

용융 금속 증착 전에 주형 영역을 처리하는 주형 마무리 유닛;

금속 전 증착 유닛(비제한적인 예에서, 표면 처리 및/또는 준비를 위함) ― 금속 전 증착 유닛은 또한 본 명세서에서 "전처리" 유닛으로도 지칭될 수 있음;

생산 계층의 객체 영역을 제조하기 위한 용융 금속 증착 유닛. 객체 영역은 주형 영역에 의해 정의된 영역에 증착됨;

금속 영역을 후처리하는 금속 후처리 유닛; 및

다음의 생산 계층의 생산을 진행하기 전에 생산 계층의 후처리를 위한 생산 계층 후처리 유닛

중 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.

생산 유닛은 로봇 팔, 이동 스테이지, 또는 다른 수단에 의해 이동될 수 있다. 본 발명은 X-Y 모션을 위한 모션 액추에이터의 유형 및 종류에 의해 제한되지 않는다.

다음의 생산 계층으로 진행하기 전에, 빌드 테이블과 생산 유닛의 상대적인 변위가 조정된다. 예를 들어, 빌드 테이블의 높이는 Z 방향으로 조정되거나 생산 유닛 높이를 조정함으로써 조정된다. 이는 다양한 작업과 연계하여 이루어지고, 일부 경우에, 현재의 생산 계층의 두께에 따라 이루어지기도 한다. 본 발명은 Z 모션을 위한 모션 액추에이터의 유형 및 종류에 의해 제한되지 않는다.

생산 유닛의 일부 또는 전부는 연속적인 방식 또는 이산적인 방식(점프)으로 빌드 테이블 위로 이동할 수 있으므로, 복수의 제조 영역 또는 로컬 제조 영역을 정의할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 사전(pre) 금속 증착 유닛, 금속 증착 유닛 및 금속 후처리 유닛은 물리적으로 서로 연결되고 이동 메커니즘을 공유한다. 사전 증착(pre-processing), 증착, 사후 증착(post-processing, post-treatment)의 결합된 모듈은 '금속 PDP 유닛'으로 지칭되며, 여기서 문자 PDP는 "준비(Preparation), 증착(Deposition) 및 후처리(Post-treatment)"를 상징한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 일부 준비 및 후처리 작업은 유도 가열을 사용하여 실현된다. 준비 작업은 제조 영역에 인접한 미리 제조된 생산 계층의 영역을 예열하는 것으로서 이루어질 수 있고, 후처리는 제조 영역에 인접한 전류 생산 계층의 영역을 후가열하는 것으로서 이루어질 수 있다. .

제조 영역, 이전 생산 계층 영역 및 현재 생산 계층 영역은 균일한 방식으로 굳어지는 용융지(melt pool)를 구성한다. 예를 들어, 수 밀리미터(5, 10, 50, 100)에서 최대 수 센티미터(1, 2, 3, 4, 5, 10, 15)의 용융지가 생성된다.

일부 실시예에서, 이동하는 동안 대면적 모델에서 이미 주조된 객체 계층과 다음 객체 계층 사이의 완벽한 접합을 통해 적절한 주조를 위해 금속 가열, 예열 및 후가열의 결합 작업이 필요하다. 이러한 방식으로, 본 발명의 실시예에 따른 적층 주조는 주조 제품 전체에 걸쳐 균일하고 등방성인 미세입자 구조로 균질한 결합을 보장하고, 이전에 인용된 선행 기술 참고문헌에서 언급된 바와 같이 현재의 적층 프로세스의 주조 공극 및 기타 결함을 제거한다.

본 명세서에서 기술된 다른 실시예와 결합될 수 있는 일부 실시예에서, 이전 생산 계층의 영역을 용융시키기 위해 예열이 적용된다. 금속 가열은 금속을 녹이고 적절한 온도에서 증착을 촉진하기 위해 적용된다. 결과적인 금속 영역의 제어된 냉각을 가능하게 하기 위해 후가열이 적용된다.

다양한 작동 측면에 따라, 예열 작동이 생략될 수 있다. 예를 들어, 이전 생산 계층의 표면 산화가 전혀(또는 거의) 발생하지 않는 경우이다. 또한, 일부 경우에, 현재 증착된 재료와 이전에 증착된 계층 사이의 접합이 전적으로 후가열에 기초할 수도 있다.

다양한 작업 측면에 따라, 후가열 단계는 생략될 수 있다. 비제한적인 예에서, 가열 없이, 예를 들어 냉각하거나 추가 가열을 적용하지 않고 원하는 열적 프로파일이 달성될 수 있는 경우가 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 예열, 가열 및 후가열의 파라미터가 제어된다. 예를 들어, 온도, 지속 시간, 열적 프로파일 및 추가 파라미터가 제어되어 용융지의 원하는 냉각 프로파일을 생성할 수 있다.

일부 실시예에서, 사후 증착 처리는 그 자체로 또는 전체 환경 온도 제어와 조합하여 증착된 금속의 결정학적 구조 및 상을 제어하는 데 사용된다. 일부 실시예에서, 일련의 생산 계층 제조 작업이 제공된 후에 추가적인 전체 가열 및/또는 냉각 작업이 부품에 적용된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 일부 준비 및 후처리 작업은 단일 유도 가열 유닛을 사용하여 실현된다. 단일 유도 가열 유닛의 '준비' 또는 '후처리' 기능은 이동 방향에 따라 다르다.

후처리는 냉각으로서 추가로 구현될 수도 있다.

또한, 후처리는 현재의 생산 계층의 영역에 재료를 첨가하는 것을 포함할 수 있다.

후처리는 예를 들어 기계적 및/또는 자기적 수단을 사용한 표면 정렬 또는 평탄화를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 주형('쉘(shell)'이라고도 함)은 생산 계층의 객체 영역이 형상을 나타내는 역할을 한다. 주형 영역의 일부는 객체 재료가 배치될 경계 윤곽을 생성하기 위해 객체 영역을 둘러쌀 수 있다. 주형 영역의 일부는 증착될 때 객체 영역의 돌출 부분에 대한 임시 지지대 역할을 할 수 있다. 유사하게, 주형 영역의 일부는 주형 영역의 돌출 부분을 일시적으로 지지할 수 있다.

본 발명은 주형 유형 및 주형 구축 기술에 의해 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예에 따르면, 주형 영역은 3D(3차원) 프린팅과 같은 적층 기술을 사용하여 빌드 테이블에 직접 배치된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 주형 영역 계층은 빌드 테이블로부터 떨어져서 제조되고 계층별로 빌드 테이블 상에 장착된다.

주형 영역(쉘)의 사용으로 인해, 다른 적층 금속 주조 기술에 비해 더 높은 금속 증착 유량이 실현 가능하다. 각 증착 부분(예를 들어, 드롭(drop))이 주형 영역에 의해 정의된 경계 내에서 흐르도록 함으로써 지속적인 금속 증착이 가능해진다. 결과적으로, 더 높은 생산 처리량이 달성될 수 있다. 예를 들어, 비분말, 주형이 없는 금속 적층 직접 에너지 증착(Direct-Energy-Deposition, DED) 기술에서, 증착 두께는 1, 2 또는 3mm 정도이므로 생산 비율은 20시간에 1-3kg이 된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 20시간 안에 500~1000kg 이상이 증착될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 생산 계층은 제어되고 폐쇄된 환경에서 제조될 수 있고, 빌드 테이블은 - 적층적으로 생성된 생산 계층과 함께 - 생산 챔버 내에 배치된다. 생산 유닛- 전체 또는 일부 -은 폐쇄된 환경에 배치되거나 폐쇄된 환경에 대한 접근이 허용될 수 있다. 폐쇄된 환경 내에 빌드 테이블을 배치하고 폐쇄된 환경 내에서 다양한 생산 작업을 수행함으로써, 더 높은 수준의 생산 제어 및 안전성이 달성될 수 있다.

본 명세서에서 설명된 다른 실시예와 결합될 수 있는 일부 실시예에서, 생산 챔버는 그 내부에서 원하는 온도를 달성하기 위한 하나 이상의 히터를 포함한다. 생산 챔버의 온도는 다음의 고려 사항, 즉

현재의 생산 계층의 객체 영역과 이전 생산 계층의 객체 영역 사이의 온도 차이;

현재의 생산 계층의 주형 영역과 이전 생산 계층의 주형 영역 사이의 온도 차이;

현재의 생산 계층의 주형 영역과 객체 영역 사이의 온도 차이;

주형 영역의 원하는 건조/경화 속도;

객체 영역의 원하는 응고 속도; 및

현재의 생산 계층의 주형 영역 및/또는 객체 영역에 적용될 계획된 열적 전처리 및 후처리

중 하나 이상을 해결하기 위해 조정된다.

본 명세서에서 설명된 다른 실시예와 결합될 수 있는 일부 실시예에서, 빌드 테이블은 하나 이상의 빌드 테이블 히터를 포함하고, 제어기는 빌드 테이블을 미리 결정된 테이블 온도로 가열하고 유지하도록 작동한다. 예를 들어, 회주철(gray iron) 객체의 생산의 경우, 테이블 온도는 섭씨 500 내지 750도 범위에서 일정하게 유지될 수 있다. 관련 실시예에서, 빌드 테이블 히터는 예가열 및/또는 후가열을 위한 열을 제공한다.

일부 실시예에서, 제어기는 주형 영역 구성을 위한 제1 빌드 테이블 온도 및 객체 영역 생산을 위한 제1 빌드 테이블 온도와 다른 제2 빌드 테이블 온도로 빌드 테이블을 가열하도록 추가로 작동한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 부품 제조 중 챔버, 빌드 테이블, 및/또는 부품의 전체 온도가 모니터링되고 제어된다. 예를 들어, 뜨거운 공기를 순환시키기 위해 용광로가 사용될 수 있고, 빌드 테이블이 가열될 수 있으며, 빌드 테이블은 히터 등을 포함할 수 있다. 본 발명은 전체 온도 제어의 유형 및 종류에 의해 제한되지 않는다.

본 발명의 일부 장점

본 발명의 실시예에 따라 생산 챔버 온도, 빌드 테이블 온도 및 주조 온도를 제어함으로써, 다음의 특성 및 특징, 즉 주형 안정성; 단일 생산 계층 내의 주형 영역 사이 또는 상이한 생산 계층의 주형 영역 사이의 상호작용; 거시적으로 그리고 입자 미세구조 모두에서 객체 영역의 균질성; 주조 객체의 등방성 벌크 특성; 및 주조 결함 없음 중 하나 이상이 향상될 수 있다.

본 발명의 일부 실시예에서, 시스템은 개방된 대기 환경에서 작동할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 생산 환경은 생산 작업의 일부 또는 전부 동안 밀봉된 불활성 대기 환경으로 유지될 수 있다. 불활성 대기 환경은 여러 가지 방법으로 실현될 수 있으며, 비제한적인 예로는 밀봉된 생산 챔버, 반밀봉된 생산 챔버 또는 생산 지점에 인접하게 제공되는 밀봉되지 않은 지역 환경의 사용이 포함된다. 본 발명은 불활성 대기 환경의 실현에 의해 제한되지 않는다.

본 발명의 실시예에 따르면, 주형 제거는 모든 생산 계층을 완료한 후 전체적으로 수행된다.

본 발명의 추가 장점 및 이득

이전에 언급된 바와 같이, 현재의 적층 금속 주조 프로세스 중 다수는 제조업체가 원재료의 정규 소스의 사용을 중단하고 분말 금속 소스를 사용하도록 전환하도록 요구한다. 본 발명의 장점은 제조업체가 정규 인증된 원 재료를 입력으로 계속 사용할 수 있다는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은 현재 생산 라인 주조뿐만 아니라 패턴 및 주형 준비에서도 숙련된 인력의 참여 및 감독을 요구하는 주조 작업의 자동화를 용이하게 한다는 점이다. 경험과 숙련된 노동력을 찾기가 더욱 어려워짐에 따라, 본 발명에 의해 지원되는 것과 같은 완전 자동화된 적층 금속 주조 시스템이 점점 더 필요해질 것이다.

이제 본 발명의 일부 실시예에 따른 적층 주조 시스템(100)을 예시하는 도 1a를 참조한다. 적층 주조 시스템(100)은 금속 객체를 적층 제조하기 위한 것이다. 객체는 생산 계층별로 제조되고, 금속 영역(6)과 주형 영역(8)(주형 영역 단면(8A, 8B)에 의해 표시됨)을 포함하는 이전에 주조된 생산 계층(12)이 표시된다. 객체 영역(7A) 및 주형 영역(18)(주형 영역 단면(18Aa, 18B))에 의해 표시됨)을 포함하는 현재의 생산 계층(14)이 표시된다. 생산 계층(14)의 제조 동안, 객체 영역(7A) 및 선택적으로 주형 영역(18)은 순차적인 방식으로 적층적으로 제조되며, 금속 증착 작업 중에, 용융 금속이 제조 영역(fabrication area, FA)에 증착된다.

주형 영역의 구성을 담당하는 시스템 유닛은 도 1a에 도시되지 않았다.

적층 주조 시스템(100)은 금속 PDP(준비 - 증착 - 후처리) 유닛(10)과 PDP 유닛(10)을 홀딩하고 PDP 유닛(10)과 빌드 테이블(4) 사이의 상대 이동을 제공하도록 구성된 이동 가능 플랫폼(40)을 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위해, PDP 유닛(10)은 빌드 테이블(4)에 의해 정의된 이동 평면 상에서 방향 D1을 따라 이동하는 것으로 도시되어 있다. 이동 평면 상에서 방향 D1을 따른 PDP 유닛(10)의 이동 중에, 일련의 제조 영역(FA)이 정의되고, 용융 금속이 그 내부에 증착된다. 예시와 설명의 명확성을 위해, 하나의 제조 영역(FA)만이 명시적으로 표시된다.

일부 실시예에서, PDP 유닛(10)의 이동은 연속적인 이동을 포함할 수 있다. 증착 흐름, 이동 속도 및 기타 요인과 같은 파라미터에 따라, 개별 드롭(drop)이 증착될 수 있다. 더 높은 증착 흐름을 요구하는 다른 파라미터를 갖는 다른 실시예에서, 연속적인 제트 또는 용융 금속 스트림이 증착된다. 추가 실시예에서, 일련의 이동-정지 동작의 계단식 이동을 사용하여 개별 증착이 수행된다.

일부 실시예에서, 평면형 이동은 PDP 유닛(10)을 빌드 테이블에 의해 정의된 평면을 따라 선형으로 행 또는 열로 앞뒤로 주행하는 것을 포함할 수 있다(직교형 이동). 이동 가능 플랫폼(40)은 직각 프레임과 선형 축(도시되지 않음)을 갖는 데카르트 좌표로 구현될 수 있다. 이동 가능 플랫폼(40)은 또한 수직 레일에 부착된 다중 암을 사용하는 델타 시스템으로도 구현될 수 있다. 선택적 컴플라이언스 어셉블리 로봇 암(Selective Compliance Assembly Robot Arm, SCARA), H-bot, CoreXY 등과 같은 다른 모션 기술이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, PDP 유닛(10)의 이동은 표면 위에서 PDP 유닛(10)을 순환시키는 극좌표를 사용하여 실현될 수 있다. 본 발명은 모션 유형 및 기술에 의해 제한되지 않는다.

일부 실시예에서, PDP 유닛(10)은 용융 금속/용융물(9)을 제공하기 위한 용융 금속 증착기를 유지하기 위한 홀더(20)를 포함할 수 있다. 금속 로드(rod)(5)는 비제한적인 예로서 도 1a에 도시되어 있다.

일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 이동 가능 플랫폼을 빌드 테이블(4)에 연결하기 위한 커넥터(46)를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 각 객체 영역, 예를 들어 객체 영역(6, 7)의 두께는 1-30mm일 수 있다.

일부 실시예에서, 빌드 테이블(4) 위에 직접 배치된 제1 제조 생산 계층은 주형 영역(8C)만으로 구성된다.

주형 제조 및 객체 제조 작업 동안, 주형 영역은 객체 영역의 계획된 두께보다 약간 높을 수 있으며, 이는 단면(18A)의 높이와 객체 영역(7)의 상부 표면 사이의 약간의 차이로 도 1a에 도시되어 있다. 주형 영역(18)과 객체 영역(7) 사이의 높이 차이는 객체 영역 제조 동안 금속 유출을 방지하기 위해 또는 동일하거나 인접한 제조 스팟 위의 금속 증착 유닛의 여러 이동에 의해 제조된 또는 이전에 제조된 주형 영역(도 1에 도시되지 않음)에 의해 지지된 객체 영역을 수용하기 위해 제공될 수 있다.

일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 금속 증착 유닛을 이동시키도록 구성된 이동 가능 유닛(45), 및 빌드 테이블(4)을 이동시키도록 구성된 이동 가능 지지대(46) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이동 가능 지지대(46)는 이동 가능 유닛(45) 및 금속 증착 유닛을 기준으로 빌드 테이블(4)을 이동시키도록 구성된다. 일부 실시예에서, 빌드 테이블(4)은 적어도 하나의 축(예를 들어, 수직 방향), 두 개의 축(예를 들어, 수평면), 또는 세 개의 축 모두에서 이동하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예에서, 시스템(100)은 이동 가능 유닛(45) 및/또는 이동 가능 지지대(46)의 이동을 제어함으로써 하나, 둘 또는 세개의 축으로 PDP 유닛(10)과 빌드 테이블(4) 사이의 상대 이동을 제공하도록 구성될 수 있다. 본 발명은 빌드 테이블(4)과 금속 증착 유닛 사이의 상대 이동이 실현되는 방식에 의해 제한되지 않는다.

일부 실시예에서, PDP 유닛(10)은 대칭축 주위로 PDP 유닛(10)의 회전을 제공하는 회전 유닛을 포함한다. 일부 실시예에서, PDP 유닛과 빌드 테이블 사이의 틸트(tilt) 각도가 제공된다. 예를 들어, PDP 유닛(10)은 빌드 테이블에 대해 PDP 유닛(10)의 틸트를 가능하게 하는 틸트 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 유도 가열 유닛을 z축으로 이동시키는 것과 같은 PDP 유닛(10) 내의 유닛의 내부 모션이 또한 가능하다. 본 발명은 회전 이동 및 틸트 각도가 실현되는 방식에 의해 제한되지 않는다.

일부 실시예에서, PDP 유닛은 유도 가열 유닛(30)을 더 포함한다. 관련 실시예에서, 유도 가열 유닛(30)은 (1) 생산 계층(7)의 현재 객체 제조 스팟에 인접한 생산 계층(6)의 미리 제조된 객체 영역(6A)을 제1 온도로 예열하고, (2) 유도 가열 유닛(30)의 일부(30A, 30B)의 내측을 사용하여 금속 로드(5)의 일부를 녹이며, (3) 현재 생산 계층(7)의 객체 영역(7A)을 제2 온도로 후가열하도록 구성된다.

도 1a에 도시된 본 발명의 실시예에서, 전술한 다음의 구성 유닛은 로드(5)와 유도 가열 유닛(30)을 갖는 용융 금속 증착기; 전처리 금속 생산 유닛 - 유도 가열 유닛(30)의 섹션(30A); 금속 증착 생산 유닛 - 유도 가열 유닛(30)의 내부 부분에 의해 가열되는 로드(5), 및 금속 후처리 유닛 - 유도 가열 유닛(30)의 섹션(30B)으로서 실현된다.

진행 방향 D1에 평행한 유도 가열 유닛(30)의 단면(예를 들어, 도 2에 도시된 축 AA)과 관련하여, 특정 실시예는 선두 부분(30A)과 후미 부분(30B)을 갖는 유도 가열 유닛(30)을 제공한다. 선두 부분(30A)은 생산 계층(7)의 현재 객체 제조 스팟(SP)에 인접한 생산 계층(6)의 이전에 제조된 객체 영역(6A)을 제1 온도로 예열하고, 후미 부분(30B)은 현재 생산 계층(7)의 객체 영역(7A)을 제2 온도로 후가열한다.

본 발명에 따르면, 용융 금속(용적 형태 또는 좁은 용융 금속 스트림 형태임)이 이전에 증착되어 응고된 금속과 만나는 제조 영역에 밀접하게 초점을 맞추는 것이 중요하다. 이러한 작은 영역(밀리미터 스케일)은 적층 금속이 주조 객체의 일부가 되는 곳이다. 출원인은 이러한 작지만 중요한 영역에 대한 관심 부족으로 인해 현재의 적층 기술의 단점이 발생할 수 있음을 깨달았다. 현재의 적층 프로세스는 추가된 용융 금속의 열 에너지에 의존하여 이를 이전에 증착된 금속에 접합시키지만, 이는 액상에서 완전히 통합된 고체상으로의 야금학적 변이를 적절하게 제어하기에는 부적절하여 접합 불량, 불규칙한 입자 미세 구조, 이방성 특성 및 기타 주조 결함이 발생한다. 본 발명의 실시예는 적층 용융 금속을 증착할 뿐만 아니라 적층 용융 금속과 응고된 금속의 타깃 영역 모두의 열적 특성을 정밀하게 제어하는 통합 PDP 유닛을 제공함으로써 이러한 문제를 극복한다. 정밀한 제어를 통해 열 충격을 줄이거나 제거할 수 있으며 용융 금속이 기존 금속과 원활하게 통합되고 접합될 수 있다. 이를 수행하기 위해, 본 발명의 실시예는 밀리미터 규모의 작은 영역을 조화롭게 처리하기 위해 증착과 열 가열을 밀접하게 결합하는 PDP 유닛을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 PDP 유닛의 주요 특징은 통합 PDP 유닛 내에서 용융 금속 증착 유닛과 조화된 가열 유닛의 가까운 물리적 근접성을 유지하는 것이다. 이러한 중요한 서브 유닛을 이러한 방식으로 물리적으로 결합함으로써, 독립적인 증착 및 가열 유닛과 연관된 시스템 오류가 최소화되고 타깃 객체 위에서 PDP 유닛의 모션 방향과 속도의 문제가 줄어든다. 타깃 영역의 예열과 적층 용융 금속의 증착하는 사이에 필연적으로 약간의 시간이 경과한다. 본 발명에 따른 PDP 유닛의 가열 유닛에 용융 금속 증착기를 물리적으로 결합하면 이러한 작은 시간 간격에 걸쳐 정밀한 제어가 가능하여 그 영향을 최소화할 수 있다. 관련 파라미터는 용융 금속 증착기의 기하구조(히터 조합) 및 PDP 유닛 모션의 경로, 속도 및 방향을 포함할 수 있다. 본 발명의 관련 실시예에 따르면, 이들 파라미터는 적절하게 구성된 스캐닝 패턴 및 제조 영역에 대한 PDP 유닛의 작업 거리의 세심한 보상에 따라 변경될 수 있어 적층 금속의 기존 금속 객체로의 원하는 접합 및 통합에 좋은 우수한 야금학적 조건을 얻을 수 있다.

작동 중에, 다음 활동은 적용 가능한 경우 여러 제조 영역에 걸쳐 순차적으로 하나의 제조 영역에서 다른 제조 영역으로 수행된다. 각 용융 금속 증착기 유닛은 서로 다른 시간에 제조 영역과 그 주변을 차례로 통과하며, 이동하는 동안, 유도 가열 유닛(30)의 일부(30A)가 생산 계층(6)의 일부를 예열한다. 열은 예열된 영역 부근으로 전달된다. 그 후, 로드(5)가 있는 용융 금속 증착기는 예열된 영역(제조 영역 FA)에 도달하여 금속을 증착한다. 그런 다음, 30B는 이러한 영역 위로 이동하여 후가열한다. 선택적으로, 추가 후처리, 예를 들어 냉각 및 비열 처리 작업이 적용된다.

PDP 유닛이 생산되는 객체 영역 위로 이동함에 따라, 연속적인 용융지 트레일(trail)과 연속적인 용융 금속 증착이 생성될 수 있다. 제조 영역에서, 용융 금속 증착기가 제조 영역 위로 접근하여 이동함에 따라 PDP 유닛의 예열 후에 용융지가 냉각된다. 일부 실시예에서, 용융점 이상의 가열이 제공되어 예열기의 통과와 용융 금속 증착기의 도착 사이의 제조 영역의 이러한 냉각을 보상할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 객체 영역(6A)의 일부는 유도 가열 유닛(30)의 일부(30A)에 의해 용융점 이상의 온도로 예열되고, 객체 영역(6A)의 일부는 (적어도 그 상단 표면에서) 용융되어 대략 1mm 깊이의 용융지를 형성한다. 그런 다음, 로드(5)가 있는 용융 금속 증착기는 용융지(객체 영역(6A)의 예열된 부분) 위로 이동하여 객상 영역(6A)의 예열된 부분의 상단에 용융 금속을 증착한다. 그 후, 유도 가열 유닛(30)의 일부(30B)는 제조 영역 위로 이동한다(이제 후가열을 위한 객체 영역(7A)의 일부를 구성함). 후가열은 현재 증착된 금속을 이전에 증착된 금속 부분에 결합하는 것을 지원할 수 있다. 후가열은 또한 금속의 냉각 프로세스를 제어할 수도 있다.

작동 중에, 제조 영역(FA)에 인접한 객체 영역(6A, 7A)은 국부적으로 액화된다. 용융 금속이 제조 영역(FA)에 증착되는 경우, 증착된 용융 금속은 객체 영역(6A, 7A)에서 이전에 증착된 금속과 혼합되어 이음매 없는 접합을 생성한다. 용융 금속 증착기가 멀리 이동한 후, 증착된 금속은 객체 영역(6A, 7A)으로부터 아래의 이전에 증착된(이제는 응고된) 금속 덩어리로의 열 전달에 의해 냉각된다.

예열 - 금속 증착 - 후가열의 순서가 다중 제조 영역(스팟)에서 수행됨에 따라, 현재의 객체 생산 계층이 응고된다.

유도 가열 유닛(30)은 제어기(도 1b에 도시된 제어기(60))에 의해 제어된다. 제어기(60)는 작동 타이밍, 듀티 사이클, 온도 및 추가 작동 파라미터를 제어할 수 있다. 다양한 실시예에서, 제어기(60)는 디지털 제어 시스템, 아날로그 제어 시스템, 또는 이들의 조합을 통해 구현된다.

본 명세서에서 "제어기"라는 용어는 범용 컴퓨팅, 데이터 처리 장치 및 모바일 데이터 통신/처리 장치뿐만 아니라 전용 제어기, 및 장비, 장치, 시스템 및 데이터 통신/처리 네트워크에 내장된 전용 제어 장치를 포함하여 프로세스를 수행, 작동 및/또는 제어하기 위한 임의의 자동화 장치를 의미한다. 본 발명의 방법은 실행 가능한 명령어, 명령 및/또는 비일시적 데이터 저장 장치에 포함된 소프트웨어 및/또는 펌웨어로 구현된 실행 가능한 프로그램, 서브루틴 및 컴퓨팅/데이터 처리 애플리케이션 형태의 데이터에 따라 제어기 또는 유사한 장치에 의해 수행되거나 또는 그 지시를 받을 수 있다는 것이 이해된다.

일부 실시예에서, 유도 가열 유닛(30)에 대해 생성된 제2 온도는 제1 온도와 동일하다. 다른 실시예에서, 제2 온도는 제1 온도보다 더 높다.

유도 가열 유닛 커넥터(30C, 30D)는 홀더(20) 및/또는 이동 가능 유닛(45)에 연결될 수 있다.

유도 가열 유닛(30)은 다양한 적합한 형상 또는 형태를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 유도 가열 유닛(30)은 도 2a에 도시된 바와 같이 평면형 "팬케이크" 유형의 유도 가열 코일로서 구현된다. 유도 가열 유닛(30)의 중앙 홀은 용융되는 로드(5)의 직경보다 크다. 예를 들어, 유도 가열 코일(30)은 직사각형 단면의 구리 파이프를 갖는 5턴의 팬케이크 코일일 수 있다. 구리 파이프 단면적은 10 × 20mm일 수 있다. 일부 실시예에서, 로드(5) 직경은 약 45mm일 수 있고, 유도 가열 코일(30)의 중앙 홀의 직경은 약 60mm일 수 있다. 다른 실시예에서, 유도 가열 유닛의 홀은 로드(5)보다 클 필요가 없고, 로드(5)의 용융 팁에서 나온 드롭(drop)은 원추형 팁의 표면을 따라 흘러 중앙을 통해 제조 영역으로 떨어진다.

도 2a에 도시된 본 발명의 실시예에 따르면, 유도 가열 유닛(30)은 대칭적으로 구성된 유도 가열 코일로 구성된다. 비제한적인 예로서, 5턴을 갖는 실질적으로 평면형 원형 코일("팬케이크")이 도시된다. PDP 유닛(10)의 일부인 유도 가열 유닛(30)은 생산 평면에서 임의의 방향으로 이동될 수 있다. 대칭적인 배치로 인해, 원형 유도 가열 코일("팬케이크")의 임의의 부분은 PDP 유닛의 진행 방향에 대해 선두 부분(30A) 또는 후미 부분(30B)으로 작동할 수 있다.

도 2b 및 도 2c에서 비제한적인 방식으로 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유도 가열 유닛(30)은 타원형으로 배치되고, 선호되는 축에 대해 대칭을 가지며, 유도 가열 유닛의 선호되는 부분을 진행 방향에 대해 '선두' 및 '후미'로 정의한다. 이러한 구성에서, 유도 가열 유닛 및/또는 PDP 유닛에는 생산 계층 전체를 덮도록 적절한 모션 자유도(예를 들어, 도 2a에 도시된 축 BB 주위)가 제공될 수 있다.

도 2d는 다른 실시예에 따른 유도 가열 유닛(30)의 단면도로서, 유도 가열 유닛(30)은 코일의 더 큰 직경 d₅가 적층 주조 시스템의 작동 동안 제작 영역에 있는 것보다 코일의 더 작은 직경(d₁)이 제조 영역에 더 가깝도록 배향된 실질적으로 원추형 형상을 갖는 코일을 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 유도 가열 유닛(30)은 하나 이상의 생산 계층을 포함할 수 있고, 각각의 생산 계층은 복수의 턴(도시되지 않음)을 포함한다.

일부 실시예에서, 평평한 팬케이크 형상에 의해 정의된 평면(도 2에 도시된 평면 A-A)은 빌드 테이블(도 1a의 요소 4)에 의해 정의된 생산 평면에 평행하다. 유도 가열 유닛(30)의 중심축 B-B는 도 1a 및 도 2에 도시된 바와 같이 평면 A-A에 수직일 수 있다.

또 다른 실시예에서, 유도 가열 유닛(30)은 적층 주조 시스템(100)의 작동 중에 수평면(예를 들어, 생산 계층(6 또는 7)의 상부 표면)에 대해 일정 각도(예를 들어, 1-30도)로 기울어질 수 있다. 이러한 경우, 이동 가능 플랫폼(20)이 기울어진 유도 가열 코일(30)을 이동시키는 경우, 수평면에 더 가깝게 위치된 유도 가열 유닛(30)의 일부가 '선두' 부분으로 작용하여 예열을 제공한다.

또 다른 실시예에서, 유도 가열 유닛(30)은 유도 가열 유닛(30)의 제1 부분에 제1 권선 밀도 및 유도 가열 유닛(30)의 제2 부분에 제1 밀도보다 높은 제2 권선 밀도를 갖는 복수의 편심 권선을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 유도 가열 유닛(30)의 제2 부분에 의해 금속층에 결합되는 에너지 밀도는 동일한 전류에 대해 유도 가열 유닛(30)의 제1 부분에 의해 결합되는 에너지 밀도보다 높을 수 있다.

유도 가열 유닛의 형상은 도넛 형태로 제한되지 않는다. 예를 들어, 유도 가열 유닛(30)은 2개의 헤어핀 코일 세트를 포함하여 30A 및 30B를 2개의 독립적인 유도 가열 유닛으로 만들 수 있다. 다른 예에 따르면, 유도 가열 유닛은 '분할형 n턴' 코일을 포함할 수 있다.

유도 가열 유닛은 자기장 밀도를 증폭시키기 위해 하나 이상의 자속 집속기(magnetic flux concentrator, MFC)를 포함할 수 있다. 자속 집속기(MFC)용 방열판도 사용될 수 있다. 본 발명은 사용될 수 있는 자속 집속기 및 방열판의 유형, 형상 및 디자인에 의해 제한되지 않는다.

일부 실시예에서, 생산 계층(6, 7)으로부터 유도 가열 유닛(30)의 크기, 폭, 높이, 구조, 권선수 및 거리는 유도 가열 코일(30) 및 로드(5)와 생산 계층(6, 7) 사이의 자기 에너지 결합을 제어하기 위해 결정될 수 있다.

예를 들어, 유도 가열 유닛(30)의 중앙 홀의 크기는 로드(5)의 제어된 용융을 제공하기 위해 유도 가열 코일(30)과 로드(5) 사이의 자기 에너지 결합을 최적화하도록 결정될 수 있다.

다른 실시예에서, 유도 가열 유닛(30)이 생산 계층(6, 7)의 표면에 실질적으로 수평으로 위치되는 경우, 유도 가열 코일(30)과 새로운 생산 계층(7) 사이의 에너지 결합은 생산 계층(7)이 생산 계층(6)보다 유도 가열 코일(30)에 더 가깝기 때문에 유도 가열 코일(30)과 이전의 생산 계층(6) 사이의 에너지 결합보다 더 높을 수 있다.

또 다른 실시예에서, 생산 계층(6)과 유도 가열 코일(30) 사이의 에너지 결합을 개선하기 위해, 유도 가열 유닛(30)은 기울어질 수 있고(본 명세서에서 전술한 바와 같음), 유도 가열 코일(30)의 하부면과 생산 계층(6) 사이의 거리를 단축시킬 수 있다.

전술한 실시예에서, 유도 가열 유닛(30)은 단일 유도 가열 코일을 사용하여 구현되는 것으로 설명되었다. 본 발명은 사용되는 유도 가열 코일의 개수에 의해 제한되지 않으며, 다수의 유도 가열 코일이 적절한 수정을 통해 다중 유도 가열 유닛(30)의 다양한 실시예를 구성하는 데 사용될 수 있다.

일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(20)은 주조 시스템(100)의 작동 중에 PDP 유닛(10)을 적어도 2개의 축, 예를 들어 수평 X-Y 평면에서 이동시킬 수 있는 X-Y 빌드 테이블, 로봇 팔, 서보 모터, 기어, 커넥터 등을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 PDP 유닛(10)을 Z 방향으로도 이동시키고, PDP 유닛(10)을 미리 결정된 각도로 기울이는 등을 수행하도록 추가로 구성될 수 있다.

일부 실시예에서, PDP 유닛(10) 내의 유도 가열 유닛(30)의 내부 모션이 제공될 수 있다. 예를 들어, 유도 가열 유닛(30)은 z축으로 이동될 수 있다.

일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 연속적인 직렬 작동을 수행하기 위해 생산 계층 위로 유도 가열 코일(30)을 이동시키도록 구성될 수 있다. 이동 가능 플랫폼(40)은 생산 계층(7)의 객체 영역의 증착 전에 생산 계층(6)의 객체 영역을 예열하기 위해 생산 계층(6)의 객체 영역의 표면 위에서 제1 평면 이동을 수행할 수 있다. 예를 들어, 로드(5)가 부분(30A, 30B)의 내부 측면에 의해 정의된 가열 영역 외부에서 들어올려질 수 있다. 이동 가능 플랫폼(40)은 생산 계층(7)의 객체 영역을 주조하기 위해 용융 금속을 녹이고 증착하기 위해 로드(5)를 내린 후에 생산 계층(6)의 객체 영역 위에서 제2 평면 이동을 수행할 수 있다. 그 다음, 이동 가능 플랫폼(40)은 예를 들어 생산 계층(6, 7)의 객체 영역을 함께 연결하기 위해 로드(5)를 들어올린 후 생산 계층(7)의 객체 영역을 후처리하기 위해 생산 계층(6)의 객체 영역 위에서 제3 평면 이동을 수행할 수 있다.

일부 실시예에서, 홀더(20)는 로드(5)의 균일한 용융을 제공하기 위해 로드(5)를 회전시키기 위한 회전 유닛(예를 들어, 전기 모터 및 기어)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 홀더(20)는 적층 주조 시스템의 작동 중에 로드를 수직축으로 이동시키기 위한 액추에이터를 포함할 수 있다. 액추에이터는 시스템(100)의 작동 중에 로드(5)에 수직 운동을 제공하도록 구성된 임의의 유닛을 포함할 수 있다. 액추에이터는 모터(예를 들어, 전기 모터)로부터의 회전 운동을 로드(5)의 수직 운동으로 전달하도록 구성된 기어 조립체와 모터를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 시스템(100)은 로드 형태의 용융 금속 증착기의 경우 로드(5)가 최소값(예를 들어, 100mm)에 도달할 때 홀더(20)에 새로운 금속 로드(5)를 제공하기 위해 도시되지 않은 공급기를 포함할 수 있다.

본 발명은 사용되는 용융 금속 증착기의 유형에 의해 제한되지 않는다. 설명의 용이함을 위해, 본 발명은 금속 로드(도 1a에서의 요소 5) 형태의 용융 금속 증착기를 참조하여 설명되었지만, 반드시 그런 것은 아니다. 일 실시예에 따르면, 도가니가 사용된다. 도가니는 고체 금속이나 용융 금속을 수용할 수 있다. 도가니는 예를 들어 도 1a에 도시된 유도 가열 유닛(30)에 의해 생성된 열을 수용할 수 있다.

본 발명은 용융 금속 증착기의 형상과 크기에 의해 제한되지 않는다. 설명의 편의를 위해, 본 발명은 용융 금속 증착기에 의한 금속 드롭의 증착을 참조하여 설명되었다. 다른 실시예에 따르면, 용융 금속 증착기는 홈통과 같은 형상을 가질 수 있으며, 이는 액적 증착에 비해 더 넓은 영역에 걸쳐 금속의 더 빠른 증착을 발생시킨다.

일부 실시예에서, 시스템(100)은 적어도 하나의 센서(50), 예를 들어 로드(5)의 팁, 용융 금속(9), 생산 계층(6) 및/또는 생산 계층(7)의 객체 영역의 온도를 측정하기 위한 IR 카메라 또는 고온계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템(100)은 가시 파장 카메라, 고온계, 중량 센서(54)(예를 들어, 로드 또는 도가니 중량 센서 및/또는 빌드 테이블 중량 센서), 입체 비전 센서(예를 들어, 생산 계층 두께 측정용) 등과 같은 다른 센서를 더 포함할 수 있다.

이제, 본 발명의 일부 실시예에 따른 도 1a의 적층 주조 시스템의 블록도인 도 1b를 참조한다. 일부 실시예에서, 시스템(100)은 도 1a를 참조하여 논의된 바와 같이 PDP 유닛(10) 및 이동 가능 플랫폼(40)을 포함할 수 있다. 시스템(100)은 시스템(100)의 제어 가능한 유닛을 제어하기 위한 제어기(60)를 더 포함할 수 있다. 제어기(60)는 본 발명의 실시예에 따른 방법, 코드 및 명령어를 실행하도록 구성된 프로세서(62)와 같은 임의의 처리 유닛을 포함할 수 있다. 방법, 코드 및 명령어는 비일시적 메모리(64)에 저장될 수 있다. 예를 들어, 명령어는 시스템(100)의 다양한 제어 가능한 컴포넌트(예를 들어, 모터, 전원 공급 장치(예: 전원 공급 장치(90)), 센서(예: 센서 50, 52, 54) 등)를 제어하기 위한 것이다. 메모리(64)는 주조 장치(100)의 작동과 관련된 임의의 데이터, 예를 들어 부품 및/또는 주형의 3D 모델을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 외부 장치, 예를 들어 전원 공급 장치(90), 열 센서(50), 카메라(52), 중량 센서(54), 외부 컴퓨팅 장치 등과 통신하기 위한 임의의 입력/출력(I/O) 유닛(66)을 더 포함할 수 있다. I/O 유닛(66)은 임의의 통신 유닛, 사용자 인터페이스 장치 등을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 시스템(100)은 예를 들어 10kHz와 400kHz 사이의 주파수 범위의 AC 전력과 예를 들어 적어도 하나의 유도 가열 코일(30)에 대한 200kW의 최대 전력, 이동 가능 플랫폼(40)의 전자 컴포넌트 및 구동기에 대한 전력, 회전 유닛 및 홀더(20) 및/또는 센서(50)의 수직 모션 액추에이터의 컴포넌트 및 구동기에 대한 전력을 제공하도록 구성된 전원 공급 장치(90)를 더 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 제어기(60)는 적어도 하나의 유도 가열 코일에 대한 전력 공급을 제어하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 공급을 제어하는 것은 전류 레벨, 전류 진폭, 전류 극성, 타이밍, 기간 및 현재의 AC 주파수 중 적어도 하나를 제어하는 것을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 제어기(60)는 금속층(6)을 예열하기 위한 제1 전력 레벨을 유도 가열 코일(30)에 제공하도록 전원 공급 장치(90)를 제어할 수 있다. 비제한적인 예에서, 주조된 금속이 주철이고 유도 가열 유닛이 도 2a에 도시된 바와 같은 경우, 전원 공급 장치(90)는 115kHz에서 30kW를 유도 가열 코일(30)에게 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 유도 가열 유닛(30)에 로드(5)를 녹이기 위한 제2 전력 레벨을 제공하도록 전원 공급 장치(90)를 제어할 수 있다. 비제한적인 예에서, 로드(5)가 45mm 직경의 주철 로드인 경우, 전원 공급 장치(90)는 115kHz에서 40kW를 유도 가열 유닛(30)에게 공급할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 유도 가열 코일(30)에 금속층(7)을 후가열하기 위한 제3 전력 레벨을 제공하도록 전원 공급 장치(90)를 제어할 수 있다. 비제한적인 예에서, 주조된 금속이 주철이고 유도 가열 유닛이 도 2a에 도시된 바와 같은 경우, 전원 공급 장치(90)는 115kHz에서 35kW을 유도 가열 코일(30)로 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 시스템(100) 작동의 다른 측면이 또한 도 4a의 방법과 관련하여 광범위하게 논의된 바와 같이 제어기(60)에 의해 제어될 수 있다.

일부 실시예에서, 시스템(100)은 주형 영역을 제조하기 위한 주형 구성 유닛을 더 포함한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 주형 구성 유닛은 예를 들어 3D(3차원) 프린팅 기술을 사용하여 적층 방식으로 주형 영역을 제조하는 주형 증착 유닛이다. 주형 구성 유닛은 페이스트 형태의 주형 재료 저장소 및 주형 재료 저장소와 유체 연결되어 생산 계층의 주형 영역에 주형 재료를 적층 증착하기 위한 주형 적층 유닛을 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 주형 영역은 예를 들어 모래 또는 세라믹 주형 기술을 사용하여 원격으로 제조된 주형층에 의해 제조될 수 있다. 주형 구성 유닛은 경화되고 완성된 주형 컴포넌트를 예비로부터 건축 계획에 의해 미리 정의된 생산 계층의 주형 영역으로 전달하기 위한 원격으로 제조된 주형 컴포넌트의 예비를 갖는 주형 전달 유닛으로서 실현될 수 있다.

주형 구성 유닛은 이동 가능 유닛에 연결되거나 장착되어 빌드 테이블 위로 이동하고 구축 계획에 의해 미리 정의된 대로 주형 영역을 제조할 수 있다. 본 발명은 주형 구성 유닛의 이동 실현에 의해 제한되지 않는다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 이동 가능 유닛(40)은 주형 영역의 제조를 위해 이동하도록 주형 구성 유닛에 연결될 수 있다.

일부 실시예에서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 주형 증착 유닛(80)을 더 포함할 수 있다. 주형 증착 유닛(80)은 주형 부분, 예를 들어 주형(8)의 주형 부분(8A, 8B)을 증착하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 주형 증착 유닛(80)은 미리 정의된 주형 영역에 주형 재료를 추가로 적층 증착하기 위해 페이스트 형태의 주형 재료 저장소(82)와 주형 재료 저장소와 유체 연결되는 주형 증착 유닛(84)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 주형 증착 유닛(84)은 적어도 하나의 액체 물질을 주입하기 위한 하나 이상의 액체 도입 포트(예를 들어, 노즐, 주둥이 등)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 주형 증착 유닛(84)은 유체 연결될 수 있고 및/또는 주형 재료를 포함하는 주형 재료 저장소(82)를 포함할 수 있다. 추가 실시예에서, 주형 재료 저장소(82)는 주형 재료를 보유하도록 구성된 임의의 탱크, 카트리지 및 매거진일 수 있다. 관련 실시예에서, 주형 재료 저장소(82)는 증착 전에 주형 재료 저장소(82) 내의 주형 재료를 교반하기 위한 교반기를 포함할 수 있다.

특정 실시예에서, 주형 증착 유닛(80)은 이동 가능 유닛(40) 또는 빌드 테이블(4) 위로, 예를 들어, 적어도 두 개의 축으로 주형 증착 유닛(80)을 이동시키기 위한 추가의 이동 가능 유닛(도 1a 내지 도 1b에 도시되지 않음)에 결합될 수 있다.

다양한 실시예에서, 제어기(60)는 도 1a에 도시된 8A, 8B, 18A 및 18B와 같은 주형 부분을 증착하도록 주형 증착 유닛(80) 및 이동 가능 유닛을 제어할 수 있다.

일부 실시예에서, 전원 공급 장치(90)는 주형 증착 유닛(80) 및 이동 가능 유닛으로 전력을 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 주형 재료는 주형 증착 유닛(80)으로부터 증착되거나 인쇄되기에 적합한 임의의 재료를 포함할 수 있거나 또는 바로 그 재료일 수 있고 주형 증착 후에 주형에 주입되는 특정 액체 재료에 대한 형상을 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 주형 재료는 결합제와 혼합되고 상승된 온도에서 용융 금속을 유지하도록 구성된 입상 재료를 포함할 수 있다. 입상 재료는 세라믹 분말(예를 들어, 지르코니아, 알루미나, 마그네시아 등), 모래, 점토, 금속 분말 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 주형 재료는 활성화 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, UV 흡수 입자, 가교제, 열 흡수 입자 등이다.

일부 실시예에서, 다양한 생산 작업은 다양한 온도에서 수행된다. 예를 들어, 제어기(60)는 금속 증착 유닛에 대한 제1 온도를 촉진하고 주형 증착 유닛(80)에 대한 제2 온도를 촉진하는 것이다. 예를 들어, 철 주조의 경우 금속 증착 유닛의 온도는 섭씨 1100도, 1200도, 또는 1300도일 수 있으며, 주형 증착 유닛(80)의 작동 온도는 섭씨 350도, 450도, 600도 정도일 수 있다.

이제 본 발명의 일부 실시예에 따른 적층 주조 시스템(150)을 예시하는 도 3a를 참조한다. 도 1a와 관련하여, 동일한 요소에는 동일한 참조 번호가 부여된다. 시스템(150)은 PDP 유닛(15)의 설계에 있어서 도 1a에 도시된 시스템(100)과 다르다.

적층 주조 시스템(150)은 PDP 증착 유닛(15) 및 PDP 유닛(15)을 지지하고 예를 들어 적어도 두 개의 축을 따라 PDP 유닛(15)과 빌드 테이블(4) 사이의 상대적 이동을 제공하도록 구성된 이동 가능 플랫폼(40)을 포함할 수 있다. 시스템(150)의 이동 가능 플랫폼(40)은 도 1a에 도시된 시스템(100)의 이동 가능 플랫폼(40)과 실질적으로 동일할 수 있다.

PDP 유닛(15)은 이전에 처리된 생산 계층(예를 들어, 생산 계층(6)의 금속 영역)의 주조된 객체 영역의 일부를 예열하기 위한 제1 유도 가열 유닛(32), 금속 로드(5)를 용융시키기 위한 제2 유도 가열 코일(34), 및 현재의 생산 계층(예를 들어, 생산 계층(7))의 현재 객체 영역의 일부를 후가열하기 위한 제3 유도 가열 코일(36)을 포함할 수 있다. 홀더(20)는 시스템(100)의 홀더(20)와 실질적으로 동일할 수 있고 로드(5)를 회전시키기 위한 회전 유닛 및/또는 로드(5)를 수직축으로 이동시키기 위한 액추에이터와 같은 동일한 추가 컴포넌트를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, PDP 유닛(10) 내의 하나 이상의 유도 가열 유닛(32, 34, 36)의 내부 모션이 제공될 수 있다. 예를 들어, 예열 유도 가열 유닛(32) 및/또는 후가열 유도 가열 유닛(36)은 z축으로 이동될 수 있다.

일부 실시예에서, 시스템(100)과 유사하게, 시스템(150)은 새로운 로드(5)를 홀더(20)에 공급하기 위한 공급기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

유도 가열 유닛(32, 34, 36)은 단일 코일 또는 다양한 형상의 다중 코일을 사용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 유도 가열 유닛(32, 34, 36)은 유도 가열 유닛(30)과 관련하여 위에서 개시된 임의의 형상 및 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 유도 가열 유닛(34)은 코일의 베이스가 적층 주조 시스템의 작동 중에 제조 영역에 있는 것보다 코일의 정점이 제조 영역에 더 가까워질 수 있도록 배향된 실질적으로 원추형인 형상을 가질 수 있다. 다른 예에서, 유도 가열 유닛(32, 36)은 도 2a에서 설명된 바와 같은 "팬케이크" 코일을 사용하거나 헤어핀형 코일을 사용하여 구현될 수 있다.

일부 실시예에서, 제1 유도 가열 유닛(32), 제2 유도 가열 유닛(34) 및 제3 유도 가열 유닛(36) 중 적어도 하나는 하나 이상의 코일 권선을 포함할 수 있으며, 여기서 각 코일 권선은 하나 이상의 턴을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 유도 가열 유닛(32)은 제1 유도 가열 유닛(32)의 하부 표면이 빌드 테이블(4)로부터 제1 거리(d)에 위치되도록 조립될 수 있고, 제3 유도 코일(36) 유닛은 도시된 바와 같이 주조 시스템의 작동 중에 빌드 테이블(4)로부터 제1 거리(d)보다 더 큰 제2 거리(D)에 위치된다. 일부 실시예에서, 제2 유도 가열 유닛(34)은 코일의 하부 표면이 주조 시스템의 작동 중에 빌드 테이블(4)로부터 제1 거리(d) 및 제2 거리(D)보다 더 큰 제3 거리(D')에 위치되도록 조립될 수 있다. 일부 실시예에서, D와 d 사이의 높이 차이는 본질적으로 생성 계층(7)의 증착된 객체 영역의 두께와 동일하며, 이에 따라 생산 계층(6)의 이전 객체 영역 위의 유도 가열 유닛(32)의 높이는 본질적으로 생산 계층(6)의 증착된 객체 영역 위의 제3 유도 가열 유닛(36)의 높이와 실질적으로 동일하다. 일부 실시예에서, 유도 가열 유닛들 사이의 높이 차이는 예를 들어 서로 다른 증착된 금속 두께를 가능하게 하기 위해 변경될 수 있다.

다양한 실시예에서, 제조 영역 위의 PDP 유닛의 작동 거리는 변화하는 작동 조건을 수용하도록 조정 가능하다.

일부 실시예에서, 시스템(150)은 시스템(100)의 것과 유사하게 적어도 하나의 열 센서(50)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템(150)은 가시 파장 카메라, 고온계, 중량 센서(예: 로드 중량 센서 및/또는 빌드 테이블 중량 센서), 입체 비전 센서(예: 생산 계층 두께 측정용), 거리 센서(예: d 및 D 측정 및 유지용) 등과 같은 다른 센서를 더 포함할 수 있다.

도 3b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 도 3a의 적층 주조 시스템의 블록도이다. 일부 실시예에서, 시스템(150)은 제어기(60), 전원 공급 장치(90) 및 주형 증착 유닛(80)을 더 포함할 수 있으며, 이는 시스템(100)의 제어기(60), 전원 공급 장치(90) 및 주형 증착 유닛(80)과 실질적으로 동일하다.

일부 실시예에서, 제어기(60)는 전원 공급 장치(90)로부터 제1 유도 코일(32), 제2 유도 코일(34) 및 제3 유도 코일(36) 중 적어도 하나로의 전력 제공을 제어하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 공급을 제어하는 것은 전류 레벨, 전류 진폭, 전류 진폭, 전류 극성 타이밍, 지속 시간 및 현재 AC 주파수 중 적어도 하나를 제어하는 것을 포함할 수 있다. 비제한적인 예에서, 주철을 증착하는 경우, 제1 코일(32)에는 115kHz에서 30kW가 제공될 수 있고, 제2 코일(34)에는 115kHz에서 40kW가 제공될 수 있으며, 제3 코일(36)에는 115kHz에서 35kW가 제공될 수 있다.

이제, 본 발명의 일부 실시예에 따른 금속 객체의 적층 주조 방법(400A)의 흐름도인 도 4a가 참조된다. 방법(400A)은 적어도 하나의 유도 가열 유닛을 사용하는 도 1a에 도시된 시스템(100)에 의해 수행될 수 있다.

단계 402에서, 구축 계획에 따라 빌드 테이블 상에 현재의 생산 계층의 주형 영역을 구성한다. 일부 실시예에서, 방법은 먼저 빌드 테이블(4)의 상단에 제1 주형 부분, 예를 들어 주형 부분(8A)을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제공은 주형 증착 유닛(80)을 사용하여 빌드 테이블(4) 상에 제1 주형 부분(8A)을 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 그러한 경우, 주형 증착 유닛(80)은 생산 계층별로 주형 부분(8A)을 증착(예를 들어, 인쇄)할 수 있다. 다르게는, 미리 형성된 주형 부분(8A)은 빌드 테이블(4) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 미리 형성된 주형 부분(8A)은 세라믹 재료 또는 응축된 모래로 만들어질 수 있다.

단계 410에서, 적어도 하나의 유도 코일에 전력이 제공될 수 있다. 유도 코일(30)은 도 1a에 도시되어 있으며, 단일 유도 가열 유닛의 경우, 용융 금속 증착기 및 홀더(도 1a에 도시된 요소(10, 5, 20))와 함께 PDP 유닛의 일부를 형성한다. 예를 들어, 제어기(60)(도 1b에 도시됨)는 전류 레벨, 전류 진폭, 전류 진폭, 전류 극성 타이밍, 기간 및 현재 AC 주파수 중 적어도 하나에 요구되는 바에 따라 유도 가열 유닛(30)으로 전력을 제공하도록 전원 공급 장치(90)를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 적층 주조 프로세스의 각 단계에서, 제어기(60)는 코일(30)로 서로 다른 전력 레벨을 제공할 수 있다.

적어도 단계 420, 430 및 440이 수행되는 동시에, 단계 450에서, PDP 유닛과 빌드 테이블 사이의 상대적 이동이 제공된다.

단계 420에서, PDP 유닛이 빌드 테이블 위로 이동하는 동안, 이전 생산 계층의 객상 영역 내의 영역을 제1 온도로 예열한다. 예를 들어, 유도 가열 유닛(30)에는 이전의 생산 계층(6)의 영역을 예열하기 위한 제1 전력 레벨이 제공될 수 있다.

일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 생산 계층(6)의 균일한 가열을 보장하기 위해 예열 프로세스 동안 유도 가열 유닛(30)을 평면적으로 이동시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 유도 가열 유닛(30)과 생산 계층(6) 사이에 최적의 자기 에너지 결합을 보장하기 위해 유도 가열 유닛(30)을 수직 방향으로 이동시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 에너지 결합을 최적화하기 위해 평면 이동 진행 방향으로 생산 계층(6)을 향하거나 그로부터 멀어지는 방향으로 유도 가열 유닛(30)을 기울일 수 있다. 일부 실시예에서, 유도 가열 유닛(30)은 미리 기울어질 수 있고, 플랫폼(40)은 유도 가열 유닛(30)에 평면 이동을 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 제공된 전력 레벨, 기간, 이전의 생산 계층(6)과 유도 가열 유닛(30)의 하부 표면 사이의 거리, 유도 가열 유닛(30)의 경사 각도, 및 플랫폼(40)의 평면 속도 중 적어도 하나는 생산 계층(6)을 미리 결정된 제1 온도로 예열하도록 선택될 수 있다.

일부 실시예에서, 미리 결정된 제1 온도는 생산 계층(6)의 금속의 용융 온도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 철 합금의 경우, 결정된 제1 온도는 금속층(6)의 용융 온도보다 50℃ 높을 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 센서(50)(예를 들어, IR 카메라, 고온계 또는 기타)로부터 층(6)의 표면으로부터 취해진 온도 측정값을 수신할 수 있고 제공된 전력 레벨, 기간, 층(6)과 유도 가열 유닛(30)의 하부 표면 사이의 거리, 유도 가열 유닛(30)의 틸팅 각도 및 수신된 측정에 기초한 플랫폼(40)의 평면 속도 중 적어도 하나를 조정할 수 있다.

단계 430에서, 현재의 생산 계층의 객체 영역 내 제조 영역 상에 금속을 증착하기 위해 용융 금속 증착기의 일부를 가열한다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 로드(5)와 같은 용융 금속 증착기는 예를 들어 이전의 생산 계층의 객체 영역의 상단에 새로 주조된 금속 객체 영역을 주조하기 위해 용융될 수 있다. 예를 들어, 전원 공급 장치(90)는 로드(5)의 팁 영역을 녹이기 위해 유도 가열 유닛(30)에 동일한 전력 레벨 또는 제2 전력 레벨을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 전력 레벨은 로드의 팁 영역을 녹이기 위해 필요한 EM 에너지에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 추가적인 파라미터는 로드(5)를 용융시킴으로써 제공되는 용융물(9) 흐름의 유형을 제어할 수 있다. 용융물(9)은 용융 금속의 연속적이고 제어된 흐름으로서 제공될 수 있다. 다르게는, 용융물(9)은 용융된 드롭으로 제공될 수 있다.

단계 440에서, 현재의 생산 계층의 객체 영역의 영역을 제2 온도로 후가열한다. 예를 들어, 유도 가열 유닛(30)에는 현재의 생산 계층(7)의 후가열 영역을 위한 제3 전력 레벨이 제공될 수 있다.

선택적으로, 단계 440에서 추가적인 후처리 활동, 예를 들어 재료 추가, 표면 정렬 또는 평탄화, 냉각 등이 수행될 수 있다.

일부 실시예에서, 제공된 전력 레벨, 기간, 층(7)과 유도 가열 유닛(30)의 하부 표면 사이의 거리, 코일(30)의 틸팅 각도 및 플랫폼(40)의 평면 속도 중 적어도 하나는 층(7)을 미리 결정된 제2 온도로 후가열하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 미리 결정된 제2 온도는 층(7)의 금속의 용융 온도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 철 합금의 경우, 결정된 제2 온도는 층(7)의 용융 온도보다 100℃ 높을 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 센서(50)(예를 들어, IR 카메라, 고온계 또는 기타)로부터 층(7)의 표면으로부터 취해진 온도 측정값을 수신할 수 있고, 제공된 전력 레벨, 기간, 층(7)과 코일(30)의 하부 표면 사이의 거리, 코일(30)의 틸팅 각도, 수신된 측정값에 기초한 플랫폼(40)의 평면 속도 중 적어도 하나를 조정할 수 있다.

일부 실시예에서, 유도 가열 유닛(30)은 로드의 팁을 가열하고 녹이는 동시에 이전의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역을 예열할 수 있다.

일부 실시예에서, 유도 가열 유닛(30)은 로드의 팁을 가열하고 녹이는 동시에 현재의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역을 가열할 수 있다.

일부 실시예에서, 유도 가열 유닛(30)은 로드의 팁을 가열하고 녹이는 동안 그리고 이전의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역을 예열하는 동안 동시에 현재 생산 계층의 객체 영역 내의 영역을 예열할 수 있다.

일부 실시예에서, 홀더(20)는 용융 금속 증착기(예를 들어, 로드(5))에 수직 이동을 제공하도록 제어될 수 있으며, 이에 따라 로드(5)의 용융 팁과 현재 생산 계층 및 이전의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역 사이의 거리를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 거리가 짧을수록 연속적인 흐름을 형성할 확률이 높아진다. 일부 실시예에서, 필요한 용융 유속(예를 들어, 용융 금속의 수량/초)이 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 결정된 용융 유속에 기초하여 로드(5)의 수직 속도(예를 들어, 홀더(20)의 액추에이터를 제어함으로써), 유도 가열 유닛(30)으로 제공되는 전류, 및 유도 가열 유닛(30)으로 제공되는 전력 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

일부 실시예에서, 용융 흐름 프로파일(예를 들어, 연속 흐름, 드롭 등)이 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 결정된 용융 흐름 프로파일에 기초하여, 용융 금속 증착기(예를 들어, 로드(5))의 수직 위치(예를 들어, 홀더(20)의 액추에이터를 제어함으로써), 용융 금속 증착기의 수직 속도, 유도 가열 유닛(들)으로 제공되는 전류 및 유도 가열 유닛(들)으로 제공되는 전력 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

일부 실시예에서, 로드(5) 팁의 온도 및/또는 용융물(9)의 온도는 센서(50)에 의해 지속적으로 측정되거나 가끔 측정될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 예를 들어 로드의 제어된 용융을 보장하기 위해, 로드의 수직 위치, 로드의 수직 속도, 코일로 제공된 전류 및 측정된 온도에 기초하여 코일로 제공된 전력 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

일부 실시예에서, 증착 동안 PDP 유닛(10)의 진행과 함께 형성된 용융 금속 라인의 폭은 예열 동안 요구되는 에너지량에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 이전의 생산 계층의 객체 영역을 예열하기 위해 유도 가열 유닛(30)으로 제공되는 전력량은 예열된 영역의 폭이 예열된 영역의 상단에 증착된 용융 금속 라인의 폭보다 넓도록 결정될 수 있다. 비제한적인 예시에서, 이전의 생산 계층의 객체 영역을 예열하는 동안 유도 가열 유닛에 의해 형성된 예열된 영역의 폭은 용융 금속 영역의 폭보다 5~50% 더 넓다.

일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 층(7)의 균일한 후가열을 보장하기 위해 후가열 프로세스 동안 유도 가열 유닛(30)을 평면적으로 이동시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 유도 가열 유닛(30)과 층(7) 사이의 최적의 자기 에너지 결합을 보장하기 위해 유도 가열 유닛(30)을 수직 방향으로 이동시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 에너지 결합을 최적화하기 위해 평면 이동 진행 방향으로 층(7)을 향하거나 층(7)으로부터 멀어지도록 유도 가열 유닛(30)을 기울일 수 있다. 일부 실시예에서, 유도 가열 유닛(30)은 미리 기울어질 수 있고, 플랫폼(40)은 코일(30)에 평면 이동을 제공할 수 있다.

당업자가 이해하는 바와 같이, 미리 결정된 제1 온도, 용융 온도, 및 미리 결정된 제2 온도는 주조되는 금속의 유형에 따라 달라진다.

일부 실시예에서, 제어기(60)는 시스템(100)을 제어하여(예를 들어, 이동 가능 플랫폼(40) 제어) 단계 420, 430 및 440 중 어느 하나 동안 유도 가열 유닛(30)을 이동시켜서 이전의 생산 계층(6)의 전체 객체 영역을 예열하고, 현재 생산 계층(7)의 전체 객체 영역을 증착하며, 현재 생산 계층(7)의 전체 객체 영역을 후가열할 수 있다.

일부 실시예에서, 시스템(100)은 단계 450 동안 연속적인 방식으로 단계 420, 430 및 440을 수행하는 것을 허용할 수 있다. 예를 들어, 유도 가열 유닛(30)으로 공급되는 전기 AC 전력, 유도 가열 유닛(30)의 내부 권선 위의 로드(5)의 높이 및 층(6, 7) 위의 유도 가열 유닛(30)의 높이, 그리고 전진 모션의 속도는 로드(5)의 온도가 용융 온도 위에 있도록 조정되고, 이전의 생산 계층(6) 영역의 온도는 제1 미리 결정된 온도이며, 현재의 생산 계층(7) 영역의 온도는 제2 미리 결정된 온도이다.

일부 실시예에서, 시스템(100)은 단계 420 및 430을 연속적으로 수행하는 것을 허용할 수 있으며, 이에 따라 유도 가열 장치(30)로 공급되는 전기 AC 전력, 유도 가열 유닛(30)의 내부 권선 위의 로드(5)의 높이, 및 층(6) 위의 유도 가열 유닛(30)의 높이, 그리고 전진 모션의 속도가 로드(5)의 온도가 용융 온도 위에 있도록 조정되고, 층(6) 영역의 온도는 제1 미리 결정된 온도이다. 일부 실시예에서, 시스템(100)은 단계 430 및 440을 연속적으로 수행하는 것을 허용할 수 있으며, 이에 따라 유도 가열 유닛(30)으로 공급되는 전기 AC 전력, 유도 가열 유닛(30)의 내부 권선 위의 로드(5) 높이, 및 층(7) 위의 유도 가열 유닛(30)의 높이, 그리고 전진 모션 속도가 로드(5)의 온도가 용융 온도 위에 있도록 조정되고, 층(7) 영역의 온도는 제2 미리 결정된 온도이다.

이제, 본 발명의 일부 실시예에 따른 금속 객체의 적층 주조를 위한 방법(400B)의 흐름도인 도 4b가 참조된다. 방법(400B)은 도 3a를 참조하여 개시되고 적어도 3개의 유도 가열 유닛(32, 34, 36)을 사용하는 시스템(150)에 의해 수행될 수 있다.

따라서, 방법(400B)은 구축 계획에 따라 빌드 테이블 상에 현재의 생산 계층의 주형 영역을 구성하는 단계 402 후에, PDP 유닛과 빌드 테이블 사이에 상대적 이동을 제공하는 단계 450를 포함한다.

단계 420B에서, 선택적으로, PDP 유닛의 제1 유도 코일로 전력을 제공하고 이전의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역을 제1 온도로 예열한다. 예를 들어, 제어기(60)는 전류 레벨, 전류 진폭, 전류 진폭, 전류 극성, 타이밍, 기간 및 현재 AC 주파수 중 필요한 적어도 하나에서 제1 유도 코일(32)로 전력을 제공하도록 전원 공급 장치(90)를 제어할 수 있다.

단계 430B에서, PDP 유닛의 제2 유도 코일로 전력을 제공하고 현재의 생산 계층의 객체 영역 내의 제조 영역 상에 금속을 증착하기 위해 용융 금속 증착기의 일부를 가열한다.

일부 실시예에서, 유도 가열 유닛(32)에는 이전의 생산 계층(6)의 예열 영역을 위한 제1 전력 레벨이 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 층(6) 내 영역의 균일한 가열을 보장하기 위해 예열 프로세스 동안 유도 가열 유닛(32)을 평면적으로 이동시킬 수 있다.

일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 유도 가열 유닛(32)과 층(6) 내 영역 사이의 최적의 자기 에너지 결합을 보장하기 위해 유도 가열 유닛(32)을 수직 방향으로 이동시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 에너지 결합을 최적화하기 위해 평면 이동 진행 방향으로 층(6)을 향하거나 층(6)으로부터 멀어지도록 유도 가열 유닛(32)을 기울일 수 있다. 일부 실시예에서, 유도 가열 유닛(32)은 미리 기울어질 수 있고, 플랫폼(40)은 유도 가열 유닛(32)에게 평면 이동을 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 제공된 전력 레벨, 기간, 층(6)(또는 그 영역)과 유도 가열 유닛(32)의 하부 표면 사이의 거리, 유도 가열 유닛(30)의 틸팅 각도, 및 플랫폼(40)의 평면 속도 중 적어도 하나는 층(6) 또는 그 부분을 미리 결정된 제1 온도로 예열하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 미리 결정된 제1 온도는 층(6)의 금속의 용융 온도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 철 합금의 경우, 결정된 제1 온도는 층(6)의 용융 온도보다 50℃ 높을 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 센서(50)(예: IR 카메라, 고온계 등)로부터 층(6)의 표면으로부터 취해진 온도 측정값을 수신할 수 있고 제공된 전력 레벨, 기간, 층(6)과 유도 가열 유닛(32)의 하부 표면 사이의 거리, 유도 가열 유닛(32)의 틸팅 각도 및 수신된 측정에 기초한 플랫폼(40)의 평면 속도 중 적어도 하나를 조정할 수 있다.

단계 430B에서, 이전의 생산 계층의 상단에 현재 금속층을 증착하기 위해 용융 금속 증착기(예를 들어, 금속 로드(5))에서 금속을 용융시키기 위한 제2 유도 코일로 전력이 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 전원 공급 장치(90)는 로드(5)의 팁을 녹이기 위해 제2 코일(34)로 제2 전력 레벨을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제어기(60)는 전류 레벨, 전류 진폭, 전류 진폭, 전류 극성 타이밍, 기간 및 현재 AC 주파수 중 적어도 하나에 대해 요구되는 대로 제2 유도 코일(34)로 전력을 제공하기 위해 전원 공급 장치(90)를 제어할 수 있다.

일부 실시예에서, 제2 전력 레벨은 로드의 팁을 녹이는 데 필요한 EM 에너지에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 추가 파라미터는 로드(5)를 녹임으로써 제공되는 용융물 흐름(9)의 유형을 제어할 수 있다. 용융물(9)은 용융 금속의 연속적이고 제어된 흐름으로서 제공될 수 있다. 다르게는, 용융물(9)은 용융된 드롭으로 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 층(7)에 용융물의 제공을 보장하기 위해 증착 프로세스 동안 유도 가열 유닛(34)을 평면적으로 이동시킬 수 있다.

일부 실시예에서, 홀더(20)는 로드(5)에 수직 이동을 제공하도록 제어될 수 있으므로, 도 4a에 도시된 방법(400)의 단계 430에 대해 전술한 바와 같이, 로드(5)의 용융 팁과 이전의 생산 계층(6) 사이의 거리를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 전술한 바와 같이, 결정된 용융물 흐름 프로파일 및/또는 센서(50)와 같은 센서로부터 수신된 측정값에 기초하여 로드의 수직 위치(예를 들어, 홀더(20)의 액추에이터를 제어함으로써), 로드의 수직 속도, 코일로 제공되는 전류 및 코일로 제공되는 전력 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

단계 440B에서, 선택적으로, PDP 유닛의 제3 유도 코일로 전력을 제공하고 현재의 생산 계층의 객체 영역 내의 영역을 제2 온도로 후가열한다. 예를 들어, 제어기(60)는 유도 가열 유닛(36)으로 현재의 생산 계층(7)을 후가열하기 위한 제3 전력 레벨을 제공하기 위해 전원 공급 장치(90)를 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 전류 레벨, 전류 진폭, 전류 진폭, 전류 극성, 타이밍, 기간 및 현재 AC 주파수 중 적어도 하나에 대해 요구되는 바와 같이 제3 유도 가열 유닛(36)로 전력을 제공하기 위해 전원 공급 장치(90)를 제어할 수 있다.

일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 층(7) 또는 그 영역의 균일한 후가열을 보장하기 위해 후가열 프로세스 동안 유도 가열 유닛(36)을 평면적으로 이동시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 유도 가열 유닛(36)과 층(7) 사이의 최적의 자기 에너지 결합을 보장하기 위해 유도 가열 유닛(36)을 수직 방향으로 이동시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 이동 가능 플랫폼(40)은 에너지 결합을 최적화하기 위해 평면 이동 진행 방향으로, 층(7)을 향해 또는 층(7)으로부터 멀어지도록 유도 가열 유닛(36)을 기울일 수 있다. 일부 실시예에서, 유도 가열 유닛(36)은 미리 기울어질 수 있고, 플랫폼(40)은 코일(36)에 평면 이동을 제공할 수 있다.

일부 실시예에서, 제공된 전력 레벨, 기간, 층(7)과 유도 가열 유닛(36)의 하부 표면 사이의 거리, 유도 가열 유닛(36)의 틸팅 각도 및 플랫폼(40)의 평면 속도 중 적어도 하나는 층(7) 또는 그 영역을 미리 결정된 제2 온도로 후가열하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 미리 결정된 제2 온도는 층(7)의 금속의 용융 온도보다 높을 수 있다. 예를 들어, 철 합금의 경우, 결정된 제1 온도는 층(7)의 용융 온도보다 100℃ 높을 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 센서(50)(예를 들어, IR 카메라, 고온계 또는 기타)로부터 층(7)의 표면으로부터 취해진 온도 측정값을 수신할 수 있고, 수신된 측정값에 기초하여 제공된 전력 레벨, 기간, 층(7)과 유도 가열 유닛(36)의 하부 표면 사이의 거리, 유도 가열 유닛(36)의 틸팅 각도 및 플랫폼(40)의 평면 속도 중 적어도 하나를 조정할 수 있다.

일부 실시예에서, 시스템(150)은 유도 가열 유닛(32)이 선택적으로 층(6) 또는 그 영역을 예열하는 PDP 유닛(15)의 진행을 선도하고 이어서 유도 가열 유닛(36)이 이어지도록 단계 450을 수행하는 동안 단계 420B, 430B, 440B를 연속적으로 수행하도록 허용함으로써, 로드(5)의 팁을 연속적으로 녹이고 용융물(9)을 용융시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 현재의 생산 계층(7)의 증착된 객체 영역은 유도 가열 유닛(36)에 의해 즉시 후가열될 수 있다. 따라서, 빌드 테이블에 대한 단일 실행으로, 시스템(150)은 층(6, 7)의 선택적인 예열, 증착 및 선택적 후가열을 수행할 수 있다.

일부 실시예에서, 제어기(60)는 시스템(150)을 제어하여 선택적으로 층(6)의 전체 객체 영역을 예열한 다음, 층(7)의 전체 객체 영역을 증착하고, 그 후 선택적으로 층(7)의 전체 객체 영역을 후가열할 수 있다. 다르게는, 제어기(60)는 시스템(150)을 제어하여 선택적으로 이전의 생산 계층(6)의 영역(예를 들어, 단일 라인)을 예열한 다음, 층(7)의 제1 부분(예를 들어, 라인)을 증착하고 증착된 제1 부분 층(7)을 후가열하도록 할 수 있으며, 추가 영역에 대해 이 프로세스를 반복한다.

일부 실시예에서, 단계 402-450은 층별로 3D 금속 객체를 주조하기 위해 반복될 수 있다.

이제, 본 발명의 일부 실시예에 따른 금속 객체의 적층 주조를 위한 시스템을 제어하는 방법(500)의 흐름도인 도 5가 참조된다. 일부 실시예에서, 방법(500)은 시스템(100 및 150) 모두에 포함된 제어기(60)에 의해 수행될 수 있다. 단계 510에서, 제어기(60)는 다양한 주조 파라미터에 대한 타깃 값을 설정할 수 있다. 예를 들어, 제어기(60)는 단계 513에서 용융물(9)을 증착하기 위한 타깃 질량 흐름 속도 dM/dt을 설정할 수 있다. 다른 예에서, 제어기(60)는 단계 514에서 흐름 유형(예를 들어, 연속, 낙하 등)을 설정할 수 있다. 또 다른 예에서, 단계 516에서, 제어기(60)는 층(6) 또는 그 영역을 예열하기 위해 요구되는 제1 온도 및/또는 층(7) 또는 그 영역을 후가열하기 위한 제2 온도 중 어느 하나를 설정할 수 있다. 일부 실시예에서, 단계 518에서, 제어기(60)는 용융물 흐름(9)에 필요한 온도를 설정할 수 있다.

단계 520에서, 제어기(60)는 하나 이상의 센서로부터 측정값을 수신할 수 있다. 예를 들어, 제어기(60)는 단계 521에서 로드(5)의 팁의 온도를 수신할 수 있다. 다른 예에서, 단계 522에서, 제어기(60)는 빌드 테이블(4)에 대해 로드(5)의 수직 위치/수직 속도를 (예를 들어, 홀더(20)의 액추에이터로부터) 수신할 수 있다. 단계 523에서, 제어기(60)는 예를 들어 로드(9)의 중량을 일시적으로 측정함으로써 중량 센서(54) 및/또는 빌드 테이블(4)로부터 질량 흐름 속도 dM/dt 측정값을 수신할 수 있다. 단계 524에서, 제어기(60)는 카메라(52)로부터 용융물 흐름의 이미지를 수신할 수 있다. 일부 실시예에서, 알려진 이미지 분석 방법을 사용하여, 제어기(60)는 용융물 흐름의 유형 및/또는 폭을 결정할 수 있다. 단계 526에서, 제어기(60)는 예를 들어 센서(50)로부터 층(6) 및/또는 층(7)의 온도 측정값을 수신할 수 있다. 단계 528에서, 제어기(60)는 예를 들어 센서(50)로부터 용융물 흐름(9)의 온도 측정값을 수신할 수 있다.

단계 530에서, 제어기(60)는 단계 520에서 측정된 파라미터를 단계 510에서 설정된 필수 파라미터와 비교할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 비교에 기초하여 시스템(100 및/또는 150)의 하나 이상의 작동 파라미터를 조정할 수 있다. 제어기(60)는 온도를 증가/감소시키기 위해 코일 및/또는 로드와 층 사이의 수직 거리를 증가/감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(60)는 코일에 제공되는 전력을 증가/감소시킬 수 있다. 예를 들어, 제어기(60)는 단계 532에서 제1 전력 레벨, 제2 전력 레벨 및 제3 전력 레벨 중 적어도 하나의 전력/전류를 조정할 수 있다. 다른 예에서, 제어기(60)는 단계 534에서 이동 가능 플랫폼(40) 및/또는 빌드 테이블(4)을 제어함으로써 PDP 유닛(10 또는 15)의 이동(예를 들어, 평면/수직)을 제어할 수 있다. 또 다른 예에서, 제어기(60)는 홀더(20)의 액추에이터를 제어함으로써 로드(5)의 수직 속도(단계 536) 및/또는 수직 위치(단계 538)를 제어할 수 있다.

제조 영역을 가열하는 단계(다중 제조 영역의 가열하는 단계 포함)는 금속 객체의 용융 온도 이상의 사전 증착 온도로 가열하는 단계를 포함하며, 이로써, 다중 제조 영역과 용융 금속의 접합에 영향을 미치는 다중 제조 영역 상에 금속을 증착하기 전에 제조 영역에 용융 금속의 용융지를 생성할 수 있으며, 여기서 각각의 제조 영역은 금속 증착 전 및 금속 증착 동안 불활성 환경에서 유지된다.

주조 방법은 다중 작업 영역의 열 냉각 프로파일에 영향을 미치기 위해 다중 제조 영역에 금속을 증착한 후 다중 제조 영역을 사후 증착 타깃 온도로 가열하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 측면에 따르면, 수직 스택을 형성하는 복수의 생산 계층을 구성함으로써 금속 객체를 주조하기 위한 주조 시스템이 제공되며, 여기서 복수의 생산 계층은 주형 영역을 갖고, 복수의 생산 계층은 주형 영역에 의해 정의된 객체 영역을 가지며, 현재의 생산 계층은 수직 스택의 이전의 생산 계층의 상단 표면 상에 구성되고, 시스템은, 현재의 생산 계층의 주형 영역을 구성하도록 작동하는 주형 구성 유닛; 현재의 생산 계층의 주형 영역에 의해 정의된 객체 영역에 용융 금속을 증착하도록 작동하는 용융 금속 증착기, 용융 금속 증착기를 고정하기 위해 용융 금속 증착기에 부착된 홀더, 홀더에 부착된 적어도 하나의 유도 가열 유닛을 포함하는 준비-증착-후처리(PDP) 유닛; 생산 계층의 수직 스택을 지지하기 위한 빌드 테이블; PDP 유닛과 빌드 테이블 사이의 상대 이동을 제공하는 이동 가능 플랫폼 ― 상대 이동은 진행 방향을 따름 ―; 적어도 용융 금속 증착 전 및 도중에 현재의 생산 계층의 객체 영역의 제조 영역을 불활성 환경으로 유지하기 위한 불활성 가스 유닛 및 제조 영역에 용융 금속을 증착하도록 PDP 유닛 및 이동 가능 플랫폼을 제어하고, PDP 유닛을 제어하여 (1) 용융 금속 증착 전에 제조 영역을 사전 증착 온도로 예열하는 것 및 (2) 용융 금속 증착 후 제조 영역을 사후 증착 온도로 후가열하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 제어기를 포함한다.

본 발명의 측면에 따르면, 주형 영역 및 주형 영역에 의해 정의된 객체 영역을 갖는 다중 생산 계층을 차례로 생산함으로써 금속 객체의 적층 주조를 위한 주조 방법이 제공되며, 현재의 생산 계층의 객체 영역을 생산하기 전에 현재의 생산 계층의 주형 영역을 구성하는 단계; 현재의 생산 계층의 주형 영역에 의해 정의된 객체 영역에 용융 금속을 증착하도록 작동하는 용융 금속 증착기, 용융 금속 증착기에 부착되어 용융 금속 증착기를 고정시키는 홀더 및 홀더에 부착된 적어도 하나의 유도 가열 유닛을 포함하는 준비-증착-후처리(PDP) 유닛을 진행 방향을 따라 이동시키는 단계; 구축 계획에 따라 현재의 생산 계층의 객체 영역에 있는 다중 제조 영역에 미리 결정된 증착 온도로 용융 금속을 증착하는 단계; 및 다중 제조 영역을 가열하는 단계를 포함하며, 여기서 다중 제조 영역을 가열하는 단계는 다중 제조 영역을 금속 객체의 용융 온도 이상의 타깃 사전 증착 온도로 가열하는 단계를 포함하며, 이로써 다중 제조 영역과 용융 금속의 접합에 영향을 미치기 위해 다중 제조 영역 상에 금속을 증착하기 전에 제조 영역에 용융 금속의 용융지를 생성할 수 있으며, 각각의 제조 영역은 금속 증착 전 및 금속 증착 동안 불활성 환경에서 유지된다.

PDP 유닛은 주형 영역의 공동 내에서 금속 증착을 위한 사용과 관련하여 설명되었다. 그러나, PDP 유닛의 사용은 이에 한정되지 않는다. PDP 유닛은 객체 영역과 동일한 생산 계층 상에 구성되지 않은 주형 또는 주형 영역을 사용하여 금속 객체를 주조하는 데 사용될 수 있다. PDP 유닛은 주형 없이 금속 객체를 주조하는 데 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 측면에 따르면, 적층 금속 주조를 위한 준비-증착-후처리(PDP) 유닛이 제공되며, PDP 유닛은 제조 영역에 용융 금속을 증착하도록 작동하는 용융 금속 증착기; 용융 금속 증착기에 부착되어 용융 금속 증착기를 고정하는 홀더; 홀더에 부착된 적어도 하나의 유도 가열 유닛; 진행 방향을 따라 PDP 유닛에 상대적 이동을 제공하는 이동 가능 플랫폼; 및 제조 영역에 용융 금속을 증착시키기 위해 PDP 유닛과 이동 가능 플랫폼을 제어하고 (1) 용융 금속 증착 전에 사후 증착 온도로 제조 영역을 예열하는 것 및 (2) 용융 금속 증착 후에 사후 증착 온도로 제조 영역을 후가열하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 PDP 유닛을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.

제어기는 용융 금속 증착기의 일부를 가열하기 위해 적어도 하나의 유도 가열 유닛을 제어하도록 작동할 수 있다. 제어기는 제조 영역의 금속 상부 표면에 용융지를 생성하도록 적어도 하나의 유도 가열 유닛을 제어하도록 작동할 수 있다. 제어기는 (1) 용융지의 열 파라미터, (2) 제조 영역의 열 파라미터, 및 (3) 제조 영역의 냉각 프로파일 중 하나 이상에 영향을 미치도록 적어도 하나의 유도 가열 유닛을 제어하도록 작동할 수 있다. 제어기는 적어도 하나의 유도 가열 유닛으로 전력을 제공하도록 작동할 수 있다.

제어기는 제조 영역 위의 PDP 유닛의 작업 거리를 변경하도록 작동할 수 있다. 제어기는 (1) 용융 금속 증착기, (2) 홀더, 및 (3) 적어도 하나의 유도 가열 유닛 중 하나 이상의 제조 영역 위의 작업 거리를 변경하도록 작동할 수 있다.

적어도 하나의 유도 가열 유닛은 진행 방향에 대해 선두 섹션과 후미 섹션을 가질 수 있으며, 여기서 진행 방향을 따라, 선두 섹션은 용융 금속 증착 전에 제조 영역을 예열하도록 작동하고 후미 섹션은 용융 금속 증착 후 제조 영역을 후가열하도록 작동한다. 적어도 하나의 유도 가열 유닛은 (1) 실질적으로 원형인 평면 형상; (2) 진행 방향에 평행한 장축을 갖는 실질적으로 타원형의 평면 형상; (3) 진행 방향에 수직인 장축을 갖는 실질적으로 타원형의 평면 형상; (4) 그 정점이 그 베이스가 제조 영역에 있는 것보다 제조 영역에 더 가깝도록 작동 중에 배향된 실질적으로 원뿔형 형상으로 구성된 그룹으로부터 선택된 형상을 갖는 자기 유도 코일을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 유도 가열 유닛은 적어도 하나의 유도 가열 유닛의 제1 부분에 제1 권선 밀도 및 적어도 하나의 유도 가열 유닛의 제2 부분에 제2 권선 밀도를 갖는 복수의 권선을 구비한 자기 유도 코일을 포함할 수 있으며, 제2 밀도는 제1 밀도보다 더 크다. 적어도 하나의 유도 가열 유닛은 빌드 테이블과 직교하거나, 작동 중에 빌드 테이블에 대해 이리 결정된 각도로 기울어져 있는 중심축을 가질 수 있다.

용융 금속 증착기는 (1) 금속 로드(적어도 하나의 유도 가열 유닛은 금속 로드의 팁을 녹이도록 작동함); 및 (2) 용융 금속을 수용하도록 작동하는 도가니(적어도 하나의 유도 가열 유닛은 용융 금속을 용융 상태로 유지하도록 작동함)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 용융 금속 소스를 포함할 수 있다.

PDP 유닛은 용융 금속 증착기에 용융 금속을 제공하기 위한 용융 금속 공급기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 측면에 따르면, 금속 객체를 주조하기 위해 용융 금속 증착기, PDP 유닛용 홀더, 및 홀더에 부착된 적어도 하나의 유도 가열 유닛을 갖는 준비-증착-후처리(PDP) 유닛을 사용하기 위한 주조 방법이 제공되며, 이 방법은, PDP 유닛의 상대 이동을 제공하는 단계; 적어도 하나의 유도 가열 유닛으로 전력을 제공하는 단계: 제조 영역에 용융 금속을 증착하기 위해 용융 금속 증착기를 가열하는 단계; 및 용융 금속을 증착하기 전에 제조 영역을 제1 온도로 예열하는 것 및 용융 금속 증착 후에 제조 영역을 제2 온도로 후가열하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 단계를 포함한다.

주조 방법은 (1) 용융 금속 증착기의 상대적인 수직 이동을 제공하고 용융 금속 증착기와 제조 영역 사이의 거리를 제어하는 단계; (2) 필요한 용융 금속 증착 속도를 결정하는 단계; (3) PDP 유닛의 속도 및 상대 이동 방향 중 적어도 하나를 제어하는 단계; (4) 용융 금속 증착 프로파일을 결정하고, 용융 금속 증착기의 수직 위치, 용융 금속 증착기의 속도 및 적어도 하나의 유도 가열 유닛으로 제공되는 전력 레벨 중 적어도 하나를 제어하는 단계 ― 제어는 용융 금속 증착 프로파일에 기초함 ―; (5) 용융 금속 증착기의 일부 온도를 측정하고, 용융 금속 증착기의 수직 위치, 용융 금속 증착기의 속도, 및 적어도 하나의 유도 가열 유닛으로 제공되는 전력 레벨 중 적어도 하나를 제어하는 단계 ― 제어는 측정된 온도에 기초함 ―; 및 (6) 제조 영역을 후가열하는 단계 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

본 발명은 유도 가열로 구현되는 전처리 및 후처리를 참조하여 설명되었다. 본 발명은 유도 가열에 제한되지 않으며, 예를 들어 플라즈마 또는 토치를 사용하는 다른 가열 기술이 사용될 수 있다.

명세서 전반에 걸쳐 사용된 용어 "금속(metal)" 또는 "금속(metallic)"은 예를 들어 철 합금, 알루미늄 합금, 구리 합금, 니켈 합금, 마그네슘 합금 등의 용융 및 주조에 적합한 임의의 금속 및/또는 금속 합금을 지칭한다. 본 발명은 주조 재료의 유형에 의해 제한되지 않으며, 회주철(gray iron), 덕타일 주철(ductile iron), 강을 포함하는 기타 금속의 적층 주조에도 적용 가능하다.

본 발명의 특정 특징이 본 명세서에 도시되고 설명되었지만, 이제 당업자는 많은 수정, 대체, 변경 및 등가물을 생각할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 사상 내에 속하는 모든 수정 및 변경을 포괄하도록 의도된 것임이 이해되어야 한다.

금속학적 평가

도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 실시예에 따라 생산된 주조 객체의 쿠폰에 대해 수행된 금속학적 평가의 결과를 도시한다.

평가를 위해 각각 1, 2, 3으로 표시된 3개의 주조 금속 객체가 생산되었다. 이들은 각 에지에서 15cm 떨어진 금속 주조 큐브로부터 수직 조각으로 절단되었다. 큐브 주조는 산소 함량이 조절된 대기에서 수행되었다. 기본 층은 0.5cm 두께의 소결된 알루미나 세라믹으로 된 15cm × 15cm 정사각형이었다. 금속은 소결된 알루미나 세라믹으로 된 15cm × 15cm의 중공 정사각형 프레임 주형으로 형성된 주형 공동 내부에 연속적인 층의 수직 스택에 적층적으로 증착되었다. 증착 및 가열은 래스터 스캔(raster scan) 패턴으로 이동 가능한 가열 및 디스펜싱(dispensing) 유닛에 의해 수행되었다.

도 6a는 슬라이스 2의 사진이다. 이러한 면은 원래 주조 큐브의 외부 면(x-z 평면)이었고, 이러한 표면에는 어떠한 마감 처리도 적용되지 않았다. 즉, 예를 들어, 도 6a에서 보이는 희미한 수평선은 주형에 의해 만들어진 인상이다.

도 6b는 슬라이스 2의 후면을 나타내는 사진이다. 이는 슬라이스 2의 내부 면이었으며, 큐브에서 잘려진 후 연마되었다. 도 6c는 슬라이스 2의 사진 사시도이다. 이 사진에서는 연마된 면의 매끄러움을 볼 수 있다.

객체 1과 3은 금속 쿠폰으로 절단되었다: 수평 바닥 쿠폰(좌측, 중앙, 우측); 수평 상단 쿠폰(좌측, 중앙, 우측) 및 수직 쿠폰(좌측, 중앙, 우측). 쿠폰은 32mm의 게이지 길이, 65 내지 70mm의 전체 길이, 1.8 내지 2.45mm의 두께, 4.9 내지 5.5mm의 폭을 갖는다.

1로 라벨링된 주조로부터의 18개의 쿠폰 및 3으로 라벨링된 주조로부터의 17개의 쿠폰의 요소 분석, 기계적 및 강도 테스트가 수행되었다.

요소 분석은 XRF 분광법을 사용하여 수행되었다. 주조와 주조 1과 3 사이의 다양한 쿠폰의 차이 또는 유사성을 검증하기 위해 주요 합금 컴포넌트만이 분석되었다. 도 6d의 표는 대표적인 쿠폰의 요소 분석을 나타낸다. 요소 분석은 상부와 바닥 쿠폰, 좌측, 중앙, 우측 쿠폰 및 주조 1과 3 쿠폰 사이의 유사성을 검증하였다.

기계적 및 강도 시험은 서보 유압 장력 시험기 MTS 370.10에서 수행되었다. 적용된 변형률은 0.14min-1이었다. 기본 길이 25mm의 신장계가 사용되어 변형률 데이터를 측정하고 파단될 때까지 쿠폰에 부착된 상태로 유지되었다.

도 6e 및 도 6f는 모든 쿠폰에 대한 응력-변형(스트레인, strain) 차트이다. 응력-변형 차트는 주철의 일반적인 외관과 유사하다. 기계적 강도 테스트를 통해 상부와 바닥 쿠폰, 좌측, 중간 및 우측 쿠폰 및 주조 1 및 3 쿠폰 사이의 유사성을 검증하였다.

전반적으로, 분석된 부품 1과 3 사이에는 유의미한 차이가 나타나지 않았으며, 이는 주조 부품의 기계적 특성에 있어서 높은 수준의 균일성을 나타낸다.

Claims

수직 스택을 형성하는 복수의 생산 계층을 구성함으로써 금속 객체를 주조하기 위한 주조 시스템으로서,
상기 복수의 생산 계층은 주형 영역을 갖고, 상기 복수의 생산 계층은 상기 주형 영역에 의해 정의된 객체 영역을 가지며, 현재의 생산 계층은 상기 수직 스택의 이전의 생산 계층의 상단 표면 위에 구성되고, 상기 주조 시스템은,
상기 현재의 생산 계층의 주형 영역을 구성하도록 작동하는 주형 구성 유닛;
준비-증착-후처리(Preparation-Deposition-Post treatment, PDP) 유닛 ― 상기 PDP 유닛은,
상기 현재의 생산 계층의 주형 영역에 의해 정의된 객체 영역에 용융 금속을 증착하도록 작동하는 용융 금속 증착기;
상기 용융 금속 증착기에 부착되어 상기 용융 금속 증착기를 고정하기 위한 홀더;
상기 홀더에 부착된 적어도 하나의 유도 가열 유닛
을 포함함 ―;
생산 계층의 수직 스택을 지지하기 위한 빌드(build) 테이블;
상기 PDP 유닛과 상기 빌드 테이블 사이의 상대 이동을 제공하는 이동 가능 플랫폼 ― 상기 상대 이동은 진행 방향을 따름 ―; 및
상기 현재의 생산 계층의 객체 영역의 제조 영역에 용융 금속을 증착하고,
(1) 용융 금속 증착 전에 상기 제조 영역을 사전 증착 온도로 예열하는 것, 및
(2) 용융 금속 증착 후에 상기 제조 영역을 사후 증착 온도로 후가열하는 것
중 적어도 하나를 수행하기 위해 상기 PDP 유닛을 제어하도록 상기 PDP 유닛 및 상기 이동 가능 플랫폼을 제어하기 위한 제어기
를 포함하는, 주조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어기는 상기 용융 금속 증착기의 일부를 가열하기 위해 상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛을 제어하도록 작동하는,
주조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어기는 상기 제조 영역의 금속 상부 표면에 용융지(melt pool)를 생성하기 위해 상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛을 제어하도록 작동하는,
주조 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제어기는,
(1) 상기 용융지의 열 파라미터,
(2) 상기 제조 영역의 열 파라미터, 및
(3) 상기 제조 영역의 냉각 프로파일
중 하나 이상에 영향을 미치기 위해 상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛을 제어하도록 작동하는,
주조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛은 상기 진행 방향에 대해 선두 섹션과 후미 섹션을 가지며, 상기 진행 방향을 따라, 상기 선두 섹션은 용융 금속 증착 전에 상기 제조 영역을 예열하도록 작동하고, 상기 후미 섹션은 용융 금속 증착 후에 상기 제조 영역을 후가열하도록 작동하는,
주조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어기는 제조 영역 위에서 상기 PDP 유닛의 작업 거리를 변경하도록 작동하고, 상기 제조 영역에 대응하는 작업 거리는 상기 주형 영역의 높이보다 더 큰,
주조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어기는,
(1) 상기 용융 금속 증착기,
(2) 상기 홀더, 및
(3) 상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛
중 하나 이상의 제조 영역 위의 작업 거리를 변경하도록 작동하는,
주조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛은,
(1) 실질적으로 원형인 평면 형상;
(2) 상기 진행 방향에 평행한 장축을 갖는 실질적으로 타원형인 평면 형상;
(3) 상기 진행 방향에 수직인 장축을 갖는 실질적으로 타원형인 평면 형상; 및
(4) 베이스가 상기 제조 영역에 있는 것보다 정점이 상기 제조 영역에 더 가깝도록 작동 중에 배향된 실질적으로 원뿔형인 형상
으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 형상을 갖는 자기 유도 코일을 포함하는,
주조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛은 상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛의 제1 부분에 제1 권선 밀도 및 상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛의 제2 부분에 제2 권선 밀도를 갖는 복수의 권선을 구비한 자기 유도 코일을 포함하는,
주조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛은 작동 중에 상기 빌드 테이블에 대해 수직이거나 또는 미리 결정된 각도로 기울어진 중심축을 갖는,
주조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어기는 상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛에 전력을 제공하도록 작동하며, 전력을 제공하는 것은 전류, 전압, 극성, 타이밍, 듀티 사이클, 역률, 교류 주파수 및 교류 위상 중 적어도 하나를 제어하는 것을 포함하는,
주조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 용융 금속 증착기는,
(1) 금속 로드(rod) ― 상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛은 상기 금속 로드의 팁(tip)을 녹이도록 작동함 ―; 및
(2) 용융 금속을 수용하도록 작동하는 도가니 ― 상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛은 상기 용융 금속을 상기 용융 상태로 유지하도록 작동함 ―
로 이루어진 그룹으로부터 선택된 용융 금속 소스를 포함하는,
주조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 용융 금속 증착기로 상기 용융 금속을 제공하기 위한 용융 금속 공급기를 더 포함하는,
주조 시스템.
제1항에 있어서,
생산 계층 제조 동안 상기 빌드 테이블, 상기 주형 구성 유닛 및 상기 PDP 유닛을 수용하는 생산 챔버를 더 포함하며, 생산 계층 제조는 주형 영역 구성, 용융 금속 증착, 예열 및 후가열을 포함하고, 상기 제어기는 상기 현재의 생산 계층의 두께에 따라 상기 생산 챔버에 대해 상기 빌드 테이블의 높이를 변경하도록 작동하는,
주조 시스템.
제14항에 있어서,
상기 생산 챔버는 주형 영역 생산 동안 제1 온도로 유지되고, 용융 금속 증착 동안 상기 제1 온도와 다른 제2 온도로 유지되는,
주조 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제조 영역은 PDP 유닛 작동 동안 생산 챔버의 불활성 대기 환경에서 유지되는,
주조 시스템.
주조 방법으로서,
용융 금속 증착기를 갖는 준비-증착-후처리(PDP) 유닛, 상기 PDP 유닛을 위한 홀더 및 상기 홀더에 부착된 적어도 하나의 유도 가열 유닛을 사용하여 구축 계획에 따라 빌드 테이블 위에 수직 스택을 형성하는 복수의 생산 계층을 순차적으로 구성함으로써 금속 객체를 주조하며, 상기 복수의 생산 계층은 주형 영역을 갖고, 상기 복수의 생산 계층은 상기 주형 영역에 의해 정의된 객체 영역을 가지며, 상기 주조 방법은,
상기 구축 계획에 따라 현재의 생산 계층의 주형 영역을 구성하는 단계 ― 상기 현재의 생산 계층의 주형 영역은 상기 현재의 생산 계층의 객체 영역을 정의함 ―;
상기 PDP 유닛과 상기 빌드 테이블 사이의 상대 이동을 제공하는 단계;
상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛으로 전력을 제공하는 단계 ― 상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛으로 전력을 제공하는 것은,
상기 객체 영역 내 제조 영역 상에 용융 금속을 증착하기 위해 상기 용융 금속 증착기를 가열하고,
용융 금속을 증착하기 전에, 이전의 생산 계층의 객체 영역을 제1 온도로 예열하는 것, 및
용융 금속을 증착한 후에, 상기 현재의 생산 계층의 객체 영역의 영역을 제2 온도로 후가열하는 것
중 적어도 하나를 수행하기 위함임 ―
를 포함하는, 주조 방법.
제17항에 있어서,
전류, 전압, 극성, 타이밍, 듀티 사이클, 역률, 교류 주파수 및 교류 위상
중 적어도 하나를 제어함으로써 전력 공급을 제어하는 단계
를 더 포함하는, 주조 방법.
제17항에 있어서,
상기 전력을 제공하는 단계는,
상기 이전의 생산 계층의 객체 영역 내 영역을 예열하기 위한 제1 전력 레벨을 제공하는 단계;
상기 용융 금속 증착기에서 금속을 녹이기 위한 제2 전력 레벨을 제공하는 단계; 및
상기 현재의 생산 계층의 객체 영역 내 영역을 후가열하기 위한 제3 전력 레벨을 선택적으로 제공하는 단계
를 포함하는, 주조 방법.
제17항에 있어서,
상기 용융 금속 증착기의 수직 이동을 제공하고, 상기 용융 금속 증착기와 상기 이전의 생산 계층의 객체 영역 사이의 거리를 제어하는 단계;
필요한 용융 금속 증착 속도를 결정하는 단계;
상기 PDP 유닛과 상기 빌드 테이블 사이의 상대 이동의 속도 및 방향 중 적어도 하나를 제어하는 단계;
용융 금속 증착 프로파일을 결정하고, 상기 용융 금속 증착기의 수직 위치, 상기 용융 금속 증착기의 속도 및 상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛으로 제공되는 전력 레벨 중 적어도 하나를 제어하는 단계 ― 상기 제어는 상기 용융 금속 증착 프로파일에 기초함 ―;
상기 용융 금속 증착기의 일부 온도를 측정하고, 상기 용융 금속 증착기의 수직 위치, 상기 용융 금속 증착기의 속도 및 상기 적어도 하나의 유도 가열 유닛으로 제공되는 전력 레벨 중 적어도 하나를 제어하는 단계 ― 상기 제어는 상기 측정된 온도에 기초함 ―;
이전에 생산된 계층의 예열 중에 예열된 영역의 폭이 예열된 라인의 상단 위에 생산된 용융 금속 라인의 폭보다 넓도록 상기 이전에 생산된 계층의 객체 영역 내의 영역을 예열하는 단계
중 하나 이상을 더 포함하는, 주조 방법.