KR20240010440A - 수평 적층 제조 시스템 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
수평 배향으로 인쇄하는 와이어 아크 적층 제조 시스템의 시스템 및 방법이 기술된다. 수평 WAAM 3D 프린팅 시스템은 하나 이상의 와이어 피드와 회전하는 수평 빌드 플레이트를 사용하여 공작물에서 동시에 작동하는 하나 이상의 로봇을 구비한 수평 배향의 금속 3D 프린팅 시스템을 포함한다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2022년 7월 15일에 출원된 "Systems for Horizontal Wire Arc Additive Manufacturing and Methods Thereof"이라는 제목의 미국 가특허출원 제 63/368,609 호의 35 U.S.C. § 119(e)에 기초한 이익을 주장한다. 미국 가특허출원 제 63/368,609 호의 개시내용은 모든 목적을 위해 참조에 의해 그 전체가 본원에 포함된다.
본 발명은 일반적으로 수평 인쇄 배향으로 인쇄하는 와이어 아크 적층 제조(arc additive manufacturing; WAAM) 시스템에 관한 것이다.
와이어 아크 적층 제조(WAAM)는 금속 부품의 3D 인쇄 및/또는 보수에 사용되는 제조 프로세스이다. WAAM은 용접 로봇의 선단으로부터 금속 와이어를 공급하면서 이 금속 와이어에 열 에너지를 가하고, 열 에너지에 의해 와이어를 용융시켜 제조되는 컴포넌트의 원하는 형상으로 적층될 수 있게 하는 프로세스이다. WAAM의 인쇄 배향은 통상 수직이고, 각 층이 높이 방향(예를 들면, 바닥으로부터 천장을 향하는 방향)으로 서로 적층된다. 수직 배향은 일반적으로 중력이 층의 각 점에 균일하게 작용하므로 부분적으로는 WAAM의 유일한 실행가능한 인쇄 구성인 것으로 가정된다.
본 발명의 실시형태에 따른 시스템 및 방법은 각 층이 길이 방향(예를 들면, 바닥에 대체로 평행한 방향)으로 서로 적층되도록 WAAM의 수평 인쇄 배향을 구현한다. 수평 WAAM 3D 인쇄 시스템은 하나 이상의 와이어 공급장치 및 회전하는 수평 빌드 플레이트(build plate)를 사용하여 피가공물 상에서 동시에 작동하는 하나 이상의 WAAM 로봇을 구비하는 수평 배향의 금속 3D 인쇄 시스템 또는 시스템의 세트를 포함할 수 있다. 로봇은 선형 레일에 구속될 수 있고 및/또는 수동으로 및/또는 자동으로 유도될 수 있는 이동식 플랫폼으로부터 작동할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는 수직으로 배향된 빌드 평면을 획정하고, 중심점, 및 빌드 평면에 수직으로 배향된 빌드 축선을 갖는 빌드 플레이트 - 이 빌드 플레이트는 중심점을 중심으로 빌드 축선 상에서 회전하도록 구성됨 -; 및 빌드 축선을 따라 배치된 일련의 층으로 빌드 플레이트 상에 용융 재료를 퇴적하여 부품을 형성하도록 구성된 적어도 하나의 프린트 헤드를 포함하는 적어도 하나의 로봇을 포함하는 와이어 아크 적층 제조 시스템을 포함한다.
다른 실시형태에서, 빌드 플레이트는 0.5 인치/분 내지 600 인치/분의 속도로 회전한다.
추가의 실시형태는 포지셔너(positioner)를 더 포함하고, 빌드 플레이트는 포지셔너에 부착되고, 포지셔너 상의 모터가 상기 빌드 플레이트를 회전하도록 구동한다.
추가의 실시형태에서, 빌드 플레이트는 원형이고, 5 피트 내지 18 피트의 직경을 갖는다.
또 다른 실시형태에서, 프린트 헤드는 빌드 플레이트의 상면으로부터 중심점을 중심으로 원주방향으로 90 도 또는 270 도의 위치에 설치된다.
추가의 실시형태에서, 빌드 플레이트의 회전 속도 및 프린트 헤드의 퇴적 속도는 프린트 헤드가 인쇄 중에 일정한 위치에 있도록 조정된다.
추가의 실시형태에서, 프린트 헤드는, 프린트 헤드가 원하는 인쇄 장소에 도달하기 위해 신장되도록, 적어도 하나의 로봇의 신축가능한 암의 일단부에 위치된다.
다른 추가의 실시형태에서, 적어도 하나의 로봇은 인쇄 방향으로 배치된 레일 상에 장착되고, 이로 인해 레일은 부품이 인쇄됨에 따라 적어도 하나의 로봇을 이동시킨다.
또 다른 실시형태에서, 적어도 하나의 로봇은 라이저(riser)를 포함하는 제 1 이동식 플랫폼 상에 장착되고; 적어도 하나의 로봇은 수평방향 및 수직방향으로 자유롭게 이동한다.
추가의 실시형태는 적어도 하나의 로봇을 인쇄를 위한 원하는 장소에 위치시키기 위해 레이저 추적 시스템을 더 포함한다.
다른 실시형태에서, 이동식 플랫폼은 수동 유도식 차량 또는 자동 유도식 차량이다.
또 다른 실시형태는 라이저를 포함하는 제 2 이동식 플랫폼 상에 지지된 제 2 로봇을 더 포함하고; 제 2 로봇은 수평방향 및 수직방향으로 자유롭게 이동한다.
더욱 추가의 실시형태에서, 제 2 로봇은 인쇄 공구, 용접 공구, 기계가공 공구, 검사 공구, 및 이미징 공구로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 공구를 부착하도록 구성된 엔드 이펙터 어셈블리(end effector assembly)를 포함한다.
추가의 실시형태는 제 2 로봇을 원하는 장소에 위치시키기 위해 레이저 추적 시스템을 더 포함한다.
추가의 실시형태에서, 제 2 이동식 플랫폼은 수동 유도식 차량 또는 자동 유도식 차량이다.
또 다른 실시형태에서, 부품은 원통 형상 또는 돔 형상을 갖는다.
다른 추가의 실시형태는 수직으로 배향된 빌드 평면을 획정하고, 중심점, 및 제 2 빌드 평면에 수직으로 배향된 빌드 축선을 갖는 제 2 빌드 플레이트 - 이 제 2 빌드 플레이트는 중심점을 중심으로 빌드 축선 상에서 회전하도록 구성됨 -; 및 빌드 축선을 따라 배치된 일련의 층으로 제 2 빌드 플레이트 상에 용융 재료를 퇴적하여 제 2 부품을 형성하도록 구성된 적어도 하나의 프린트 헤드를 포함하는 제 3 로봇을 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 제 2 빌드 플레이트는 0.5 인치/분 내지 600 인치/분의 속도로 회전한다.
추가의 실시형태에서, 빌드 플레이트 및 제 2 빌드 플레이트는 빌드 축선을 따라 정렬되고, 빌드 플레이트의 빌드 평면은 제 2 빌드 플레이트의 빌드 평면으로부터 반대 방향을 향한다.
추가의 실시형태에서, 제 3 로봇은 인쇄 방향으로 배치된 레일 상에 장착되고, 이로 인해 레일은 제 2 부품이 인쇄됨에 따라 제 3 로봇을 이동시킨다.
다른 추가의 실시형태에서, 제 3 로봇은 라이저를 포함하는 이동식 플랫폼 상에 장착된다.
추가의 실시형태는 포지셔너를 더 포함하고, 빌드 플레이트는 일단부에 부착되고, 제 2 빌드 플레이트는 포지셔너의 반대 단부에 부착된다.
추가의 실시형태에서, 제 2 부품은 원통 형상 또는 돔 형상을 갖는다.
추가의 실시형태는 수직으로 배향된 빌드 평면을 획적하고, 중심점, 및 빌드 평면에 수직으로 배향된 빌드 축선을 갖는 빌드 플레이트 - 이 빌드 플레이트는 중심점을 중심으로 빌드 축선 상에서 회전하도록 구성됨 -; 및 빌드 축선을 따라 배치된 일련의 층으로 빌드 플레이트 상에 용융 재료를 퇴적하여 부품을 형성하도록 구성된 적어도 하나의 프린트 헤드를 포함하는 적어도 하나의 로봇을 포함하는 와이어 아크 적층 제조 시스템을 사용하여 부품을 인쇄하는 것을 포함하는 와이어 아크 적층 제조 방법을 포함한다.
추가의 실시형태에서, 빌드 플레이트는 0.5 인치/분 내지 600 인치/분의 속도로 회전한다.
추가의 실시형태에서, 빌드 플레이트는 원형이고, 5 피트 내지 18 피트의 직경을 갖는다.
또 다른 실시형태에서, 프린트 헤드는 빌드 플레이트의 상면으로부터 중심선을 중심으로 원주방향으로 90 도 또는 270 도의 위치에 설치된다.
다른 추가의 실시형태에서, 빌드 플레이트의 회전 속도 및 프린트 헤드의 퇴적 속도는 프린트 헤드가 인쇄 중에 일정한 위치에 있도록 조정된다.
추가의 실시형태에서, 프린트 헤드는, 프린트 헤드가 원하는 인쇄 장소에 도달하기 위해 신장되도록, 적어도 하나의 로봇의 신축가능한 암의 일단부에 위치된다.
또 다른 실시형태에서, 적어도 하나의 로봇은 인쇄 방향으로 배치된 레일 상에 장착되고, 이로 인해 레일은 부품이 인쇄됨에 따라 적어도 하나의 로봇을 이동시킨다.
다른 실시형태에서, 적어도 하나의 로봇은 라이저를 포함하는 제 1 이동식 플랫폼 상에 장착되고; 제 1 로봇은 수평방향 및 수직방향으로 자유롭게 이동한다.
더욱 추가의 실시형태는 적어도 하나의 로봇을 인쇄를 위한 원하는 장소에 위치시키기 위해 레이저 추적 시스템을 더 포함한다.
추가의 실시형태에서, 제 1 이동식 플랫폼은 수동 유도식 차량 또는 자동 유도식 차량이다.
또 다른 실시형태에서, 이 시스템은 라이저를 포함하는 제 2 이동식 플랫폼 상에 지지된 제 2 로봇을 더 포함하고; 제 2 로봇은 수평방향 및 수직방향으로 자유롭게 이동한다.
추가의 실시형태에서, 제 2 로봇은 인쇄 공구, 용접 공구, 기계가공 공구, 검사 공구, 및 이미징 공구로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 공구를 부착하도록 구성된 엔드 이펙터 어셈블리를 포함한다.
다른 추가의 실시형태에서, 이 시스템은 제 2 로봇을 원하는 장소에 위치시키기 위해 레이저 추적 시스템을 더 포함한다.
다른 실시형태에서, 제 2 이동식 플랫폼은 수동 유도식 차량 또는 자동 유도식 차량이다.
추가의 실시형태에서, 부품은 원통 형상 또는 돔 형상이다.
다른 추가의 실시형태는 이 시스템으로 제 2 부품을 인쇄하는 것을 포함하며, 이 시스템은 수직으로 배향된 빌드 평면을 획정하고, 중심점, 및 빌드 평면에 수직으로 배향된 빌드 축선을 갖는 제 2 빌드 플레이트 - 이 제 2 빌드 플레이트는 중심점을 중심으로 빌드 축선 상에서 회전하도록 구성됨 -; 및 빌드 축선을 따라 배치된 일련의 층으로 제 2 빌드 플레이트 상에 용융 재료를 퇴적하여 제 2 부품을 형성하도록 구성된 적어도 하나의 프린트 헤드를 포함하는 제 3 로봇을 포함한다.
더욱 추가의 실시형태에서, 제 2 빌드 플레이트는 0.5 인치/분 내지 600 인치/분의 속도로 회전한다.
또 다른 추가의 실시형태에서, 빌드 플레이트 및 제 2 빌드 플레이트는 빌드 축선을 따라 정렬되고, 빌드 플레이트의 빌드 평면은 제 2 빌드 플레이트의 빌드 평면으로부터 반대 방향을 향한다.
다른 실시형태에서, 제 3 로봇은 인쇄 방향으로 배치된 레일 상에 장착되고, 이로 인해 레일은 제 2 부품이 인쇄됨에 따라 제 3 로봇을 이동시킨다.
추가의 실시형태에서, 제 3 로봇은 라이저를 포함하는 제 3 이동식 플랫폼 상에 장착되고, 제 3 로봇은 수평방향 및 수직방향으로 자유롭게 이동한다.
또 다른 실시형태에서, 제 2 부품은 원통 형상 또는 돔 형상을 갖는다.
다양한 실시형태의 추가의 특징 및 장점 뿐만 아니라 구조 및 작용은 첨부한 도면을 참조하여 이하에서 상세히 설명한다. 본 명세서에 기재된 특정 실시형태는 제한을 의도하지 않는 것에 유의해야 한다. 이러한 실시형태는 예시의 목적만을 위해 본 명세서에 제공된다. 추가의 실시형태는 본 명세서에 포함된 교시에 기초하여 당업자에게 명백할 것이다.
본 설명은 이하의 도면을 참조하여 보다 완전히 이해될 것이다. 도면은 본 발명의 예시적 실시형태를 포함하며, 본 발명의 범위를 완전히 설명하는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1a 내지 도 1c는 WAAM의 수직 인쇄 배향을 예시한다.
도 2a 내지 도 2d는 실시형태에 따른 WAAM의 수평 인쇄 배향을 예시한다.
도 3은 실시형태에 따른 수평 WAAM 시스템의 부품 파지 설계를 예시한다.
도 4는 실시형태에 따른 수평 WAAM 시스템의 수평 경선(horizontal meridian) 인쇄 위치를 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 실시형태에 따른 수직 인쇄 배향 및 수평 인쇄 배향으로 형성된 부품의 표면 마감 및 인쇄 품질을 예시한다.
도 6a는 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀(print cell)을 예시한다.
도 6b는 실시형태에 따른 다양한 엔드 이펙터 어셈블리를 구비한 인쇄 로봇을 예시한다.
도 7은 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀의 포지셔너 및 빌드 플레이트의 다양한 부품을 예시한다.
도 8a 및 도 8b는 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀의 싱글 빌드 플레이트 포지셔너를 예시한다.
도 9a 및 도 9b는 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀의 듀얼 빌드 플레이트 포지셔너를 예시한다.
도 10a 및 도 10b는 실시형태에 따른 수평 WAAM 시스템의 선형 구성을 예시한다.
도 11a 내지 도 11c는 실시형태에 따른 수평 WAAM 시스템의 하이브리드 선형 레일 및 이동식 구성을 예시한다.
도 12a 및 도 12b는 실시형태에 따른 이동식 플랫폼 상의 인쇄 로봇의 근접도를 예시한다.
도 13은 실시형태에 따른 케이블 관리를 위한 엄빌리컬 방법을 예시한다.
도 14a 내지 도 14i는 실시형태에 따른 수평 인쇄 시스템의 하이브리드 구성의 흐름도를 예시한다.
도 15는 실시형태에 따른 수평 WAAM 시스템의 이동식 구성을 예시한다.
도 16은 실시형태에 따른 이동식 플랫폼의 다양한 구성을 예시한다.
도 1a 내지 도 1c는 WAAM의 수직 인쇄 배향을 예시한다.
도 2a 내지 도 2d는 실시형태에 따른 WAAM의 수평 인쇄 배향을 예시한다.
도 3은 실시형태에 따른 수평 WAAM 시스템의 부품 파지 설계를 예시한다.
도 4는 실시형태에 따른 수평 WAAM 시스템의 수평 경선(horizontal meridian) 인쇄 위치를 예시한다.
도 5a 및 도 5b는 실시형태에 따른 수직 인쇄 배향 및 수평 인쇄 배향으로 형성된 부품의 표면 마감 및 인쇄 품질을 예시한다.
도 6a는 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀(print cell)을 예시한다.
도 6b는 실시형태에 따른 다양한 엔드 이펙터 어셈블리를 구비한 인쇄 로봇을 예시한다.
도 7은 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀의 포지셔너 및 빌드 플레이트의 다양한 부품을 예시한다.
도 8a 및 도 8b는 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀의 싱글 빌드 플레이트 포지셔너를 예시한다.
도 9a 및 도 9b는 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀의 듀얼 빌드 플레이트 포지셔너를 예시한다.
도 10a 및 도 10b는 실시형태에 따른 수평 WAAM 시스템의 선형 구성을 예시한다.
도 11a 내지 도 11c는 실시형태에 따른 수평 WAAM 시스템의 하이브리드 선형 레일 및 이동식 구성을 예시한다.
도 12a 및 도 12b는 실시형태에 따른 이동식 플랫폼 상의 인쇄 로봇의 근접도를 예시한다.
도 13은 실시형태에 따른 케이블 관리를 위한 엄빌리컬 방법을 예시한다.
도 14a 내지 도 14i는 실시형태에 따른 수평 인쇄 시스템의 하이브리드 구성의 흐름도를 예시한다.
도 15는 실시형태에 따른 수평 WAAM 시스템의 이동식 구성을 예시한다.
도 16은 실시형태에 따른 이동식 플랫폼의 다양한 구성을 예시한다.
이제 도면을 참조하여 수평 WAAM의 시스템 및 방법을 설명한다. 수평 WAAM 3D 인쇄 시스템은 하나 이상의 와이어 공급장치 및 회전하는 수직으로 배향된 빌드 플레이트를 사용하여 피가공물 상에서 동시에 작동하는 하나 이상의 WAAM 로봇을 구비하는 수평 배향의 금속 3D 인쇄 시스템 또는 시스템의 세트를 포함할 수 있고, 수직으로 배향된 빌드 플레이트는 바닥에 수직으로 배향되므로 빌드 플레이트 상에서 인쇄되는 구조물은 수평방향으로 바닥에 대해 대체로 평행하게 연장하게 된다. 로봇은 선형 레일에 구속될 수 있고 및/또는 수동으로 및/또는 자동으로 유도될 수 있는 이동식 플랫폼으로부터 작동할 수 있다.
산업 용도의 적층 제조는 고속의 및/또는 대규모의 인쇄 능력을 필요로 할 수 있다. 종래의 WAAM 시스템은 수직 배향으로 인쇄한다. 이러한 종래의 WAAM 시스템에서, 빌드 플레이트는 바닥에 평행하므로 인쇄된 부품은 바닥으로부터 천장을 향하는 방향으로 수직으로 연장한다. 종래의 시스템 설계자는 이러한 "수직" 인쇄가 WAAM 인쇄의 유일한 실행가능한 방법이라고 생각했는데, 부분적으로 이것은 중력이 일반 물체의 층 내의 모든 점에서 동일한 방식으로 작용할 수 있기 때문이었다.
그러나 본 발명자들은 수직 인쇄의 결점을 인식하였다. 이들 결점 중 일부는 본 발명자들이 대형 부품을 고속으로 인쇄하려는 시도를 통해 밝혀졌다. 첫째, 수직 배향으로 제조되는 경우의 인쇄 대상물의 크기는 외부 환경에 의해 제한될 수 있다. 키가 큰 대상물(예를 들면, 20 피트 이상의 높이를 갖는 대상물)을 인쇄하는 경우, 수직 배향 인쇄는 인쇄 인클로저(enclosure)(예를 들면, 천장의 높이)에 의해 제한될 수 있다. 본 발명자들은 대규모 물체의 인쇄에 대응하기 위해 인클로저를 수직방향으로 확장하거나 새로운 장소를 건설할 필요가 있고, 이는 인쇄 비용 및 시간을 증가시킨다는 것을 알게 되었다. 또한, 수직 배향 인쇄는 인쇄 및/또는 검사를 위한 대규모의 인쇄된 대상물에 액세스하기 위한 특별한 설비(특별한 리프트 등)를 필요로 할 수 있다는 것을 알게 되었다. 또한, WAAM을 사용하여 수직 배향으로 인쇄하는 경우, 중력의 효과는 오버행이나 하층의 존재 등의 부품 형상의 성질에 따라 달라진다. 특히, 이들은 중력이 용융물(용접 퍼들(weld puddle))에 영향을 미칠 수 있고, 빌드 층에 불균일을 유발할 수 있다는 것을 발견하였다. 중력의 영향을 상쇄시키기 위해 인쇄 파라미터를 변경할 수 있으나, 이는 인쇄 프로세스를 더 복잡하게 하고, 우수한 인쇄 품질을 달성하기 위해서는 여분의 시간이 필요할 수 있다. 더욱이, 수직 배향으로의 인쇄는 전형적으로 선형 트랙 상의 1 개의 빌드 당 1 개의 인쇄 로봇으로 제약되므로 인쇄 시간이 더 길어진다. 또한 수직으로 배향된 인쇄 시스템은 빌드 플랫폼의 주위에서 동시에 작동하는 복수의 인쇄 로봇을 수용하는 유연성이 부족하는 것을 알게 되었다.
본 명세서에서 설명하는 수평 WAAM 시스템에서, 발명자들은 종래의 이해에 반하여 빌드 플레이트를 대체로 바닥에 수직이 되도록 구성하여 인쇄된 부품이 바닥에 대해 수평방향으로 대체로 평행하게 연장하도록 하였다. 수평 WAAM 3D 인쇄 시스템은, 많은 실시형태에 따르면, 종래의 WAAM 3D 인쇄 시스템 및 방법보다 높은 부품 처리능력으로 대형의 구조물의 금속 적층 제조를 가능하게 한다. 본 발명자들은 수평 WAAM 시스템이 보다 빠른 인쇄 속도, 보다 우수한 인쇄 품질, 및 대규모 대상물에 대응하는 유연성을 가능하게 한다는 것을 예기치 않게 발견하였다. 또한 수평 인쇄에서는 높은 건설 현장이 불필요하고, 수직 인쇄 배향과 관련된 제약이 제거된다는 것도 알게 되었다. 또한 수평 인쇄 배향에서는 인쇄된 대상물에의 액세스성이 더 양호해지고, 인쇄된 제품에 액세스하거나 검사하기 위한 특별한 설비가 불필요하다는 것을 알게 되었다.
여러 가지 실시형태에서, 수평 WAAM 시스템은 인쇄용 기판을 제공하기 위해 회전가능한 수평 빌드 플레이트를 구현한다. 본 명세서에서 "수평 빌드 플레이트"는 수평 인쇄 시스템에서 사용하기 위해 구성되는 빌드 플레이트를 지칭한다. 빌드 플레이트 자체는 수평이 아니다. 오히려, 그 수직 경선은 빌드 플레이트로부터 인쇄되는 부품이 바닥에 대해 평행하게 수평으로 연장하도록 바닥에 대해 수직이다. 인쇄 로봇은 중력에 의한 영향이 인쇄 중에 일정하도록 회전가능한 수평 빌드 플레이트로 인해 특정의 인쇄 위치에 유지될 수 있다. 많은 실시형태는 중력이 용융물(용접 퍼들)을 일관된 방식으로 하방으로 당길 수 있으므로 일부의 수평 인쇄 배향은 수직 인쇄 배향으로 인쇄된 것보다 부품의 표면 마감 및 인쇄 품질이 더 양호해질 수 있다는 본 발명의 인식을 포함한다. 여러 가지 실시형태에서 인쇄 중에 복수의 로봇이 동시에 전개될 수 있다. 로봇은 고정된 레일 상에 및/또는 수동 또는 자동으로 제어되는 이동식 플랫폼 상에 지지될 수 있다. 수평 WAAM 시스템은 재료 퇴적, 공구 교체, 상세한 기계가공 작업, 부품 검사, 및 수정(그러나, 이들에 한정되지 않음)을 포함하는 복수의 동시 제조 작업을 동시에 수행할 수 있게 한다. 다수의 실시형태에서, 수평 WAAM 시스템은 인쇄 작업의 진행 중에 피가공물 상에 2차적 피처의 동시 기계가공을 가능하게 하는 이동식 전문 로봇을 구현한다. 본 발명자들은 수평 WAAM 3D 인쇄 시스템의 크기 및 모듈성은 대규모 금속 3D 인쇄 제품의 제조에 필요한 전체시간을 단축할 수 있다는 것을 알게 되었다.
많은 실시형태에 따른 수평 WAAM 시스템은 인쇄 제품의 전체 체적을 크게 할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 수평 WAAM 시스템은 적어도 15 피트; 적어도 16 피트; 적어도 18 피트; 적어도 20 피트; 적어도 22 피트; 적어도 24 피트; 적어도 26 피트 중 적어도 하나의 치수를 갖는 물체를 인쇄할 수 있다. 수직 WAAM 시스템으로 인쇄된 물체와 달리 수평 WAAM 시스템으로 인쇄된 부품의 크기는 프린터가 배치된 곳의 천장의 높이에 의해 제한되지 않는다. 일부의 실시형태에 따라 수평방향으로 인쇄된 물체는 직사각형, 정사각형, 원통, 원, 일식형(eclipse), 돔, 삼각형, 다각형, 오각형, 육각형, 8각형, 정육면체, 구, 반구, 원뿔, 피라미드, 및 이들의 조합의 형상을 갖는 적어도 하나의 컴포넌트를 가질 수 있다. 여러 가지 실시형태에서 수평 WAAM 시스템은 적어도 50 인치; 적어도 55 인치; 적어도 1 피트; 적어도 5 피트; 적어도 10 피트; 적어도 15 피트; 적어도 20 피트; 적어도 25 피트의 직경의 원통에 상당하는 작동 용적으로 작동할 수 있다. 많은 실시형태에서 수평 WAAM 시스템의 저감된 백래시로 인해 약 0.040 인치; 또는 약 0.040 인치 초과; 또는 약 0.040 인치 미만의 기계 정확도가 가능해진다. 저감된 백래시는 약 0.003 인치 미만; 또는 약 0.003 인치 초과의 기계 반복률을 달성할 수 있다. WAAM 시스템은 약 5.7 rpm, 또는 약 5.7 rpm 초과, 또는 약 5.7 rpm 미만의 회전 속도를 갖는 적어도 하나의 수평 빌드 플레이트를 포함할 수 있다.
수평 WAAM 시스템에는 바람, 배기, 움직이는 물체(기계 또는 사람)(그러나 이것에 한정되지 않음) 등의 환경 영향을 완화시키기 위한 다양한 셋업이 있다. 이러한 셋업의 예에는 수평 시스템을 둘러싸는 인클로저, 펜스(fence), 실시간 동작 검출 및/또는 경고 시스템(그러나 이것에 한정되지 않음)이 포함된다.
수평 WAAM 시스템은 다양한 안전 셋업을 갖는다: E 스톱 버튼 및/또는 키를 수평 WAAM 시스템의 주위에 전략적으로 배치할 수 있으며, 도어 및/또는 패널의 자동 잠금; 조명; 실시간 동작 검출 및/또는 경고 시스템을 가질 수 있다. 안전 및 내진용 지지 구조물을 사용할 수 있다.
수평 인쇄 배향
많은 실시형태는 WAAM 프로세스를 위해 수평 인쇄 배향을 실시한다. 전통적인 이해에 반하여, 본 발명자들은 수평 인쇄가 수직 인쇄의 실행가능한 대체일 뿐 아니라 일부의 실시형태에서는 수직 인쇄를 넘은 이점을 제공한다는 것을 알게 되었다. WAAM의 수직 인쇄에 대한 이러한 이점에는 인쇄 속도의 향상, 구조 안정성의 향상(최종 제품의 기복(waviness)의 저감), 및 낭비성 또는 기생성 질량의 저감(그러나 이것에 한정되지 않음)이 포함된다. 기생성 질량은 컴포넌트의 기능에 유리한 기여를 하지 않는 질량을 지칭한다.
종래의 WAAM 프로세스는 수직 배향으로, 예를 들면, 바닥으로부터 천장을 향하는 방향으로 인쇄한다. 수직 인쇄의 공인된 장점에는 전통성, 양호한 벽 두께 제어/위빙(weaving), 복수의 프린트 헤드의 실시, 및 복잡한 형상의 취급이 상대적으로 용이한 것이 포함된다. 그러나, 본 발명자들은 수직 인쇄에서는 돔의 인쇄나 원통 내부의 리브(rib) 구조의 인쇄 등 위치를 벗어난 인쇄를 달성하기 어려울 수 있다는 것을 알게 되었다. 본 발명자들은 또한 수직 인쇄의 경우 부품 접근성에 기복이 생기기 쉽다는 것을 알게 되었다. 본 발명자들은 또한 수직 인쇄는 수평 인쇄보다 인쇄 속도가 더 느릴 수 있다는 것을 발견하였다. 본 발명자들은 키가 큰 물체를 인쇄하는 경우에는 인쇄 인클로저의 높이에 의해, 예를 들면, 천장의 높이에 의해 제한될 수 있다는 것을 알게 되었다.
도 1a 내지 도 1c는 수직 배향으로 인쇄하도록 구성된 인쇄 시스템을 예시한다. 도 1a는 배럴을 인쇄하는 수직 WAAM의 측면도이다. 도 1b는 수직 WAAM 인쇄의 평면도이다. 도 1c는 복수의 리프트를 구비한 수직 WAAM 인쇄를 예시한다. 이 실시례에서, 배럴은 약 18 피트의 높이를 가질 수 있다. 그러나, 수직 배향에서 최대 가능한 높이는 프린트 셀이 배치되어 있는 방의 천장의 높이에 의해 제한될 수 있다. 또한, 수직 인쇄는 인쇄, 인쇄 후처리, 및/또는 부품 검사 액세스를 위한 특수 리프트 및/또는 갠트리(gantry; 102)를 필요로 할 수 있다. 더욱이, 이러한 수직 인쇄 배향은 로봇(103)의 최적의 위치결정을 달성하기 위해 퍼치(perch; 101)에 전달 메커니즘을 필요로 할 수 있다. 이러한 전달 메커니즘은 전체 구조의 대형화 및 복잡화의 원인이 된다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 수직 인쇄 배향은 또한 부품의 취출 또는 추가의 로봇의 위치결정을 방해할 수 있는 고정된 풋프린트(footprint)를 필요로 한다. 수직방향의 풋프린트가 고정되어 있으므로 배럴(또는 기타 구조물)의 직경을 변경하면 리프트나 지지 구조물의 재설치를 필요로 할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c의 시스템에 대조적으로 본 발명은 수평 인쇄 배향을 사용한다. 여러 가지 실시형태는 수평 인쇄가 인쇄 위치에서 일관된 중력을 제공하여 인쇄 품질 및/또는 속도를 향상시킬 수 있다는 본 발명의 인식을 이용하기 위해 수평 WAAM 인쇄를 실시한다. 이러한 실시형태에서, 프린트 헤드(빌드 헤드라고도 함)는 퇴적 속도를 높이고, 인쇄 층 높이를 보다 양호하게 제어하고, 및/또는 기생성 질량의 추가를 저감시키기 위해 중력을 이용하는 방식으로 빌드 플랫폼에 대해 상대적으로 배향된다. 본 발명자들은 인쇄 프로세스의 안정성의 증가로 인해 수평 인쇄는 전체적인 인쇄 품질을 향상시키는 것을 발견하였다. 본 발명자들은 또한 수평 인쇄는 많은 실시형태에 따라 대형 물체를 인쇄하는 경우에 더 양호한 부품 접근성을 가질 수 있다는 것을 알게 되었다. 적어도 20 피트 높이의 물체를 인쇄하는 경우, 수평 인쇄(지지체의 유무에 무관)는 바닥의 길이에 의해 제한될 수 있으나 천장의 높이에 의해서는 제한되지 않는다. 수평 인쇄는 전체적인 인쇄 체적을 확대할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 WAAM의 수평 인쇄 배향의 실시형태를 예시한다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 수평 인쇄는 도 1a 내지 도 1c의 구성에서 달성가능한 것보다 로봇 도달범위 및 작업 접근성이 더 쉬워질 수 있다. 18-20 피트의 수평 인쇄 배향을 위한 부품 검사 액세스는 사다리 또는 시저 리프트(scissor lift)만을 필요로 할 수 있다. 도 2a는 실시형태에 따라 원통을 수평으로 인쇄하는 고정된 레일 상의 WAAM 인쇄 로봇을 예시한다. 수평 WAAM 시스템(201)은 포지셔너(202), 빌드 플레이트(표면 플레이트, 또는 빌드 표면, 또는 빌드 기판이라고도 함)(203), 선형 레일(205), 및 인쇄 로봇(206)을 포함할 수 있다. 포지셔너(202)는 빌드 플레이트(203)를 고정하여 유지한다. 레일(205)은 이 레일 상에서 인쇄 로봇(206)이 수직이 아닌 수평으로 이동하도록 볼트, 레이드(lathe), 나사, 및/또는 못(그러나 이것에 한정되지 않음)를 포함하는 체결구를 사용하여 바닥에 고정될 수 있다. 레일(205)은 인쇄 부품(204)이 연장함에 따라 인쇄 로봇(206)을 수평으로 이동시킬 수 있다. 이하에서 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 인쇄 로봇(206)은 중력의 영향을 고려하여 인쇄 중에 일 위치에 유지될 수 있다. 인쇄 로봇(206)은 용융 금속 재료(금속 와이어, 금속 합금 와이어, 알루미늄 합금 와이어, 5XXX 시리즈 알루미늄 합금 와이어, 및 2022년 9월 2일에 출원된 미국 특허출원 제 17/929,558 호(참조에 의해 본원에 포함됨)에 기재된 와이어 등)를 빌드 플레이트(203) 상에 퇴적시킨다. 용융 재료가 냉각되어 고화함에 따라, 부품(204)이 한 층씩 형성된다. 빌드 플레이트(203)는 인쇄 중에 회전하므로 인쇄 로봇(206)은 일정한 위치에 유지될 수 있다. 도 2a에서, 원통 배럴(204)이 빌드 플레이트(203) 상에 퇴적되어 있다. 이해되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 특정 용도의 요건에 적절한 경우 수평 WAAM 시스템을 사용하여 다양한 형상 및 기하학적 형상을 인쇄할 수 있다.
도 2b는 실시형태에 따른 돔 구조를 수평으로 인쇄하는 WAAM 인쇄 로봇을 예시한다. 수평 WAAM 시스템(201)은 포지셔너(202), 빌드 플레이트(203), 선형 레일(205), 및 인쇄 로봇(206)을 포함할 수 있다. 포지셔너(202)는 빌드 플레이트(203)를 고정하여 유지한다. 레일(205)은 인쇄 부품(207)이 신장함에 따라 레일 상의 인쇄 로봇(206)이 수평으로 이동하도록 바닥에 고정될 수 있다. 인쇄 로봇(206)은 선형 레일(205) 상에 고정된 상태에서 인쇄 부품(207)의 기하학적 형상에 따라 그 암을 신장하고 및/또는 자체의 리스트(wrist)를 트위스팅(twisting)할 수 있다. 이하에서 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 인쇄 로봇(206)은 중력의 영향을 고려하여 인쇄 중에 일 위치에 유지될 수 있다. 인쇄 로봇(206)은 용융 금속 재료를 빌드 플레이트(203) 상에 퇴적할 수 있다. 용융 재료가 냉각되어 고화함에 따라, 부품(207)이 한 층씩 형성된다. 빌드 플레이트(203)는 인쇄 중에 회전하므로 인쇄 로봇(206)은 일정한 위치에 유지될 수 있다. 도 2b에서, 돔(207)이 빌드 플레이트(203) 상에 퇴적되어 있다. 이해되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 특정 용도의 요건에 적절한 경우 수평 WAAM 시스템을 사용하여 다양한 형상 및 기하학적 형상을 인쇄할 수 있다.
수평 WAAM 인쇄 배향은, 여러 가지 실시형태에 따르면, 수직 인쇄 배향에 비해 기계적 복잡성이 저감된 개선된 로봇 위치결정을 가능하게 하는 이동식 플랫폼의 사용을 가능하게 한다. 도 2c는 실시형태에 따른 원통(배럴)을 수평으로 인쇄하는 WAAM 인쇄 로봇을 예시한다. 수평 WAAM 시스템(211)은 포지셔너(202), 빌드 플레이트(203), 선형 레일(205) 상의 인쇄 로봇(206), 및 이동식 플랫폼(208) 상의 인쇄 로봇(206)을 포함할 수 있다. 포지셔너(202)는 빌드 플레이트(203)를 고정하여 유지한다. 로봇(206)은 고정된 레일(205) 상에서 및/또는 수동으로 또는 자동으로 제어되는 이동식 플랫폼(208) 상에서 작동될 수 있다. 고정된 레일(205) 상의 인쇄 로봇(206)은 인쇄 부품(207)이 신장됨에 따라 수평으로 이동할 수 있다. 이동식 플랫폼(208) 상의 인쇄 로봇(206)은 수평 방향 및 수직 방향으로 자유롭게 이동할 수 있다. 이동식 플랫폼(208) 제어식 인쇄 로봇(206)은 인쇄 중에 유연성을 제공한다. 이동식 플랫폼(208)은 인쇄 로봇(206)을 수직으로 이동시킬 수 있는 라이저를 포함할 수 있다. 이동식 플랫폼(208)은 레이저 교정 시스템 및/또는 물리적 마커를 사용하는 위치결정 시스템(그러나 이것에 한정되지 않음) 등의 위치결정 시스템을 포함하여 인쇄 로봇(206)을 인쇄 부품(204)의 원하는 장소로 이동시킬 수 있다. 로봇은 추가의 인쇄, 기계가공, 연마, 부품 취출 및/또는 임의의 다른 프로세스를 필요로 하는 특정의 장소로 이동할 수 있다. 이동식 플랫폼(208)은 복잡한 기하학적 형상을 포함하는 부품을 인쇄하는 경우 및/또는 추가의 기하학적 형상을 부품 상에 인쇄하는 경우에 유용할 수 있다. 레일(205) 및 이동식 플랫폼(208) 상의 인쇄 로봇(206)은 중령의 영향을 고려하여 인쇄 중에 일 위치에 유지될 수 있다. 빌드 플레이트(203)는 인쇄 중에 회전하므로 인쇄 로봇(206)은 일정한 위치에 유지될 수 있다. 도 2c에는 2 개의 인쇄 로봇이 예시되어 있으나, 이해되는 바와 같이, 고정된 레일 상에 다양한 수의 인쇄 로봇 및 이동식 플랫폼 상의 다양한 수의 인쇄 로봇을 본 발명의 다양한 실시형태에 따라 특정의 용도의 요건에 적절하도록 수평 WAAM 시스템에서 통합시킬 수 있다. 도 2c에서, 원통 배럴(204)이 빌드 플레이트(203) 상에 퇴적되어 있다. 이해되는 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 특정 용도의 요건에 적절한 경우 수평 WAAM 시스템을 사용하여 다양한 형상 및 기하학적 형상을 인쇄할 수 있다.
일부의 실시형태에 따른 수평 WAAM 인쇄 배향은 또한 수직 인쇄 배향으로 달성가능한 것보다 프린트 셀(print cell) 당 더 높은 로봇 밀도를 가능하게 한다. 도 2d는 실시형태에 따라 물체를 수평으로 인쇄하는 복수의 이동식 WAAM 인쇄 로봇을 예시한다. 수평 WAAM 시스템(212)은 포지셔너(202), 빌드 플레이트(203), 및 이동식 플랫폼(208) 상의 인쇄 로봇(206)을 포함할 수 있다. 포지셔너(202)는 빌드 플레이트(203)를 고정하여 유지한다. 로봇(206)은 수동으로 제어(예를 들면, 수동 유도식 차량(MGV) 및/또는 자동으로 제어(예를 들면, 자동 유도식 차량(AGV))되는 이동식 플랫폼(208)을 사용하여 작동될 수 있다. 이동식 플랫폼(208) 상의 인쇄 로봇(206)은 수평 방향 및 수직 방향으로 자유롭게 이동할 수 있다. 수평 풋프린트는 추가의 인쇄, 기계가공, 연마, 및/또는 부품 취출(그러나 이것에 한정되지 않음)을 포함하는 프로시저를 위한 보다 양호한 액세스를 위해 이동식 플랫폼(208)을 통해 모듈화된다. 수평 풋프린트는 MGV 및/또는 AGV로 가변적일 수 있다. 여러 가지 실시형태에서, 수평방향으로 연장하는 레일에 의해 제약되지 않으므로, MGV는 특정의 피처를 인쇄하기 위해 선택된 개선된 로봇 자세를 달성할 수 있다. 이동식 플랫폼(208)은 인쇄 로봇(206)을 수직으로 이동시킬 수 있는 라이저를 포함할 수 있다. 이동식 플랫폼(208)은 레이저 교정 시스템 및/또는 물리적 마커를 사용하는 위치결정 시스템(그러나 이것에 한정되지 않음)을 포함하는 위치결정 시스템을 포함하여 인쇄 로봇(206)을 인쇄 부품(204)의 원하는 장소로 이동시킬 수 있다. 도 2d에는 3 개의 인쇄 로봇이 예시되어 있으나, 이해되는 바와 같이, 이동식 플랫폼 상의 다양한 수의 인쇄 로봇을 본 발명의 다양한 실시형태에 따라 특정의 용도의 요건에 적절하도록 수평 WAAM 시스템에서 통합시킬 수 있다.
열 응력은 수직 및/또는 수평 인쇄 배향에서 약 0.5 인치의 처짐(deflection)을 유발할 수 있다. 벽 두께가 약 0.300 인치이고 길이가 약 18 피트인 직경 약 18 피트의 원통을 이론적으로 무한히 강성인 표면에 수평으로 장착하면 약 0.005 인치의 처짐이 발생한다. 라이저, 테이블탑(tabletop), 포지셔너 등으로 인한 처짐은 추가의 약 0.045 인치의 처짐을 추가하여 총 수평 처짐은 약 0.05 인치가 된다. 이러한 변형을 보상하기 위한 추가의 지지체가 반드시 필요한 것은 아니다. 인쇄 파라미터 또는 빌드 파라미터를 변경하면 인쇄 부품의 벽 두께를 변경할 수 있으므로 부품의 강성을 수정할 수 있다. 여러 가지 실시형태는 빌드 파라미터를 제어함으로써 이러한 경미한 변형을 보정할 수 있다.
그러나, 여러 가지 실시형태에서, 부품 파지 설계는 적절한 빌드 파라미터를 선택하는 대신에 또는 적절한 빌드 파라미터의 선택과 협동하여 수평 인쇄에서 사용될 수 있다. 일부의 실시형태는 카트, 스탠드, 포크 리프트, 시저 리프트, 및/또는 크레인 리프트(그러나 이것에 한정되지 않음)를 포함하는 외부 지지 시스템을 사용하여 인쇄 부품을 지지한다. 크기, 무게, 기하학적 형상, 강도, 및 이들의 조합(그러나 이것에 한정되지 않음) 등의 인쇄 부품의 다양한 속성에 따라 다양한 크기의 지지 시스템을 사용할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 인쇄 중에 인쇄 부품을 지지하기 위해 지지 시스템을 사용할 수 있다. 특정 실시형태에서, 인쇄 부품이 파괴되어 빌드 플레이트로부터 낙하하는 경우에 대비하여 인쇄 부품을 지지하기 위해 카트를 사용할 수 있다. 이러한 지지 시스템은 반드시 구조적인 지지체로서 기능하는 것은 아니고 안전 대책 또는 파국적 상황의 안전장치로서 기능한다. 도 3은 실시형태에 따른 지지 시스템을 구비한 수평 인쇄 부품을 예시한다. 인쇄 부품(302)은 빌드 표면(301) 상에 인쇄될 수 있다. 인쇄 부품(302)은, 예를 들면, 적어도 15 피트 직경의 큰 크기일 수 있다. 안전성을 고려하고 및/또는 손상을 피하기 위해, 포크 리프트(303) 및/또는 차륜식 카트(304) 등의 지지 시스템이 부품을 위한 추가의 지지를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 다른 유형의 지지 시스템을 동시에 인쇄 부품에 결합할 수 있고, 또는 단일 유형의 지지 시스템을 사용할 수도 있다.
수평 경선 인쇄 위치
수평 인쇄 중에, 중력은 원통 부품의 각각의 원주방향 위치의 용접 퍼들 상에 가변적인 영향을 유발할 수 있다. 이러한 원주방향의 가변성은 전형적으로 수직 인쇄 시스템에서는 존재하지 않으며, 이것은 일반적으로 수평 인쇄가 수직 인쇄의 실행가능한 대안으로서 간주되지 않은 이유이다. 수평 금속 3D 인쇄에서 인쇄 속도를 향상시키기 위한 하나의 과제는 가변적인 중력 영향을 보상하는 것이다. 예를 들면, 수평 배향의 금속 3D 인쇄 시스템에서 다른 모든 인쇄 파라미터가 일정하게 유지되는 경우, 원통 빌드 플레이트의 상부로부터 원주방향으로 180도의 위치에 있는 프린트 헤드는 빌드 플레이트의 상부로부터 90도의 위치에 있는 프린트 헤드보다 더 두꺼운 벽을 갖는 원통 제품을 생성할 수 있다.
인쇄 부품 상의 가변적인 중력 영향을 극복하기 위해, 많은 실시형태에 따른 수평 WAAM 인쇄 시스템은, 빌드 플레이트가 바닥으로부터 직상방을 향하는 수직 경선을 갖도록 배향된 경우, 빌드 플레이트 상의 최고점으로부터 약 90도의 위치(즉, 빌드 플레이트가 벽에 장착된 직상방을 향하는 아날로그 시계의 문자판에 개념적으로 비유되는 경우, "3 시" 위치), 약 270 도( "9 시" 위치)의 위치, 및/또는 빌드 플레이트의 중심선 및 빌드 플레이트의 빌드 표면의 법선을 중심으로 원주방향으로 약 90 및 약 270 도의 위치에 하나 및/또는 복수의 프린트 헤드를 위치시킨다. 기재된 프린트 헤드 위치(3 시 위치 및/또는 9 시 위치)는 이하에서 개별적으로 그리고 총괄하여 "수평 경선" 인쇄 위치(들)로 지칭된다. 본 발명자들은 수평 경선 인쇄 위치가 용접 방향을 중력에 정렬시킴으로써 인쇄 안정성을 향상시킬 수 있고, 퇴적 속도를 더 높일 수 있고, 표면 마감을 향상시킬 수 있고, 금속 3D 인쇄 제품을 완성하는 데 필요한 전체 시간을 단축시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 수평 경선 위치는 빌드 플레이트를 회전시킴으로써 생성되는 대규모 원통 및/또는 기타 대칭 부품의 WAAM 인쇄를 가능하게 한다.
많은 실시형태에서, 수평 WAAM 인쇄 시스템은 회전가능한 빌드 플레이트를 포함한다. 수평 경선 시스템은 용접 퍼들에 미치는 중력의 영향이 수평 배향의 각각의 반경방향 위치에서 일정하게 유지되므로 일정한 인쇄 파라미터를 유지하면서 다양한 반경의 원통 부품을 인쇄할 수 있다. 일부의 실시형태는 복수의 프린트 헤드를 사용할 수 있다. 프린트 헤드는 다양한 위치에 위치할 수 있다. 고정된 레일 상의 프린트 헤드는 이 프린트 헤드가 빌드 플레이트 상의 9 시 위치 및/또는 3 시 위치에 배치되도록 수평 경선을 따르는 지점들에 위치할 수 있다. 이동식 플랫폼 상의 프린트 헤드는 수평 경선 상에 위치할 수 있고 및/또는 임의의 원하는 장소로 이동할 수 있다. 각 프린트 헤드의 인쇄 파라미터는 중력 영향의 차이를 처리하기 위해 각각의 위치에서 수정 및 최적화될 수 있다. 이동 속도 및/또는 와이어 공급 속도(그러나 이것에 한정되지 않음) 등의 인쇄 파라미터를 수정하여 중력 영향을 처리하기 위해 원하는 두께를 얻을 수 있다. 수직 배향에서는 이러한 유형의 가변적 반경 작업은 인쇄 열 파라미터를 수정해야 하므로 부품의 처리량이 감소된다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 수평 WAAM 인쇄 시스템의 수평 경선 인쇄 위치를 예시한다. 빌드 플레이트(401)는 시계방향 또는 반시계방향으로 회전할 수 있다. 도 4는 수평 경선, 예를 들면, 9 시 위치에서 인쇄를 용이하게 하기 위해 시계방향으로 회전하는 회전가능한 빌드 플레이트(401)를 예시한다. 용접 토치(402, 403)는 프린트 헤드의 일부이며, 빌드 플레이트(401) 상에 용융 금속 재료를 퇴적시킬 수 있다. 수평 경선 인쇄 위치는 빌드 플레이트의 중심선 및 빌드 플레이트의 빌드 표면의 법선을 중심으로 원주방향으로 빌드 플레이트의 상부로부터 약 90 도(402), 또는 약 270 도(403), 또는 약 90 및 약 270 도(402, 403)에 위치하는 적어도 하나의 용접 토치(또는 프린트 헤드 및/또는 인쇄 로봇)를 포함한다. 용접 토치가 약 90 도 및/또는 약 270 도의 위치에 유지되어 있으나, 404에서 예시된 바와 같이 작은 위치 범위(약 15 도 북쪽 및 약 15 도 남쪽)도 수평 경선 인쇄 위치의 일부임이 이해할 수 있다. 빌드 플레이트는 프린트 헤드가 수평 경선 위치에 유지되는 상태에서 회전할 수 있다.
이해되는 바와 같이, 수평 경선 인쇄 위치는 배럴(그러나 이것에 한정되지 않음) 등의 원통 부품에 대해 바람직한 인쇄 위치일 수 있다. 중력 영향에 의해 유발되는 요철을 최소화하기 위해 다른 형상의 인쇄 부품을 인쇄하는 경우에는 다른 인쇄 위치를 실시할 수 있다. 일부의 실시형태는 발사용 로켓의 돔(그러나 이것에 한정되지 않음)을 포함하는 돔 형상을 인쇄하는 경우에는 수평 경선 인쇄 위치 및 다른 인쇄 위치를 사용한다.
여러 가지 실시형태는 수평 경선 인쇄 위치가 수직 인쇄 배향에서 가능한 것보다 양호한 인쇄 품질을 얻는다는 본 발명의 인식을 제공한다. 본 발명자들은 수평 경선 인쇄 위치가 빌드 방향에 대해 용융물(용접 퍼들)을 하방으로 당기기 위해 중력을 이용함으로써 인쇄 품질을 개선한다는 것을 발견하였다. 이러한 실시형태에서, 수직 배향에서는 용융물 풀이 가변적으로 변형되어 빌드 층의 불균일을 유발하는 데 비해 수평 빌드 배향에서는 수평 경선에서의 중력이 용융물 풀 상에 일정하게 작용하여 보다 매끈하고 보다 일관된 빌드가 얻어지므로 수직 인쇄에 비해 완성된 부품의 빌드 품질이 향상될 수 있다. 더욱이, 수평 실시형태에서는 수평 경선 상의 배향으로 인쇄할 때 중력에 대한 빌드의 배향이 일정하고, 이에 따라 용접 파라미터가 일정하므로 돔 또는 기타 오버행되거나 지지되지 않은 부품 등의 수직 배향에서 형성될 때 중력이 가변적일 수 있는 부품을 보다 쉽게 빌드할 수 있다.
도 5a는 실시형태에 따라 수직으로 인쇄된 물체의 표면 마감을 예시한다. 도 5b는 수평 경선 인쇄 위치로 인쇄된 물체의 표면 마감을 예시한다. 수평 인쇄된 표면은 수직 인쇄된 표면에 비해 더 매끈하고 빌드 비일관성이 더 적다.
회전가능한 빌드 플레이트
많은 실시형태에서, 빌드 플레이트는 수평 인쇄를 용이하게 하도록 회전하므로 인쇄 로봇(및/또는 인쇄 토치)는 일정한 인쇄 위치에 유지될 수 있다. 여러 가지 실시형태에서, 빌드 플레이트의 회전 속도 및/또는 회전 레이트는 수평 인쇄 중에 인쇄 로봇의 퇴적 속도로 조정된다. 빌드 플레이트의 회전 레이트가 높을수록 재료의 더 빠른 퇴적 속도를 달성할 수 있다. 일부의 실시형태는 인쇄 로봇의 퇴적 속도에 기초하여 최적의 빌드 플레이트의 회전 레이트를 선택한다. 여러 가지 실시형태는 빌드 플레이트의 회전 레이트에 기초하여 인쇄 로봇의 최적의 퇴적 속도를 선택한다. 빌드 플레이트는 포지셔너 상에 유지될 수 있다. 특정 실시형태에서, 포지셔너의 드라이버 시스템은 빌드 플레이트의 회전 레이트를 제어한다. 포지셔너는 회전 레이트를 제어하기 위해 드라이버 시스템 내에 적어도 하나의 모터를 가질 수 있다. 빌드 플레이트의 회전 레이트는 금속 재료의 최적의 퇴적 속도를 달성하도록 및/또는 수평 인쇄 중에 인쇄 품질을 보장하도록 선택될 수 있다. 회전 레이트는 빌드 플레이트의 안정된 작업을 유지하기 위해 토크 및/또는 기어비(그러나 이것에 한정되지 않음) 등의 드라이버 시스템의 다양한 파라미터에 적합해야 한다.
빌드 플레이트는 약 0.5 인치/분(ipm) 내지 약 600 ipm의 레이트로 회전할 수 있다. 빌드 플레이트의 회전 레이트의 예에는 약 0.5 ipm 내지 약 1 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 2 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 3 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 4 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 5 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 6 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 7 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 8 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 9 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 10 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 20 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 30 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 40 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 50 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 60 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 70 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 80 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 90 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 100 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 200 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 300 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 400 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 500 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 600 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 500 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 400 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 300 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 200 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 100 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 90 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 80 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 70 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 60 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 50 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 40 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 30 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 20 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 10 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 9 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 8 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 7 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 6 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 5 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 4 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 3 ipm; 또는 약 4 ipm 내지 약 100 ipm; 또는 약 4 ipm 내지 약 90 ipm; 또는 약 4 ipm 내지 약 80 ipm; 또는 약 4 ipm 내지 약 70 ipm; 또는 약 4 ipm 내지 약 60 ipm; 또는 약 4 ipm 내지 약 50 ipm; 또는 약 4 ipm 내지 약 40 ipm; 또는 약 4 ipm 내지 약 30 ipm; 또는 약 4 ipm 내지 약 20 ipm; 또는 약 4 ipm 내지 약 10 ipm; 또는 약 10 ipm 내지 약 100 ipm; 또는 약 20 ipm 내지 약 100 ipm; 또는 약 30 ipm 내지 약 100 ipm; 또는 약 40 ipm 내지 약 100 ipm; 또는 약 50 ipm 내지 약 100 ipm; 또는 약 10 ipm 내지 약 20 ipm; 또는 약 10 ipm 내지 약 30 ipm; 또는 약 10 ipm 내지 약 40 ipm; 또는 약 10 ipm 내지 약 50 ipm; 또는 약 10 ipm 내지 약 60 ipm; 또는 약 10 ipm 내지 약 70 ipm; 또는 약 10 ipm 내지 약 80 ipm; 또는 약 10 ipm 내지 약 90 ipm; 또는 약 10 ipm 내지 약 100 ipm(그러나 이것에 한정되지 않음)이 포함될 수 있다.
다양한 직경의 빌드 플레이트에 대해 다양한 회전 레이트가 선택될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 약 18 피트 직경의 빌드 플레이트는 약 2 ipm 내지 약 600 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 400 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 200 ipm; 또는 약 2 ipm 내지 약 100 ipm의 레이트로 회전할 수 있다. 특정 실시형태에서, 약 5 피트 직경의 빌드 플레이트는 약 0.5 ipm 내지 약 200 ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약(150) ipm; 또는 약 0.5 ipm 내지 약 100 ipm의 레이트로 회전할 수 있다.
수평 WAAM 프린트 셀
많은 실시형태는 수평 WAAM 프린트 셀을 구현하여 수평 인쇄를 달성한다. WAAM 수평 인쇄는 다양한 크기 및 형상의 대형 물체를 인쇄할 수 있다. 여러 가지 실시형태에 따른 인쇄된 물체는 적어도 16 피트; 적어도 18 피트; 적어도 20 피트; 적어도 22 피트; 적어도 24 피트; 적어도 26 피트 중 적어도 하나의 치수를 가질 수 있다. 일부의 실시형태에 따라 수평방향으로 인쇄된 물체는 직사각형, 정사각형, 원통, 원, 일식형, 돔, 삼각형, 다각형, 오각형, 육각형, 8각형, 정육면체, 구, 반구, 원뿔, 피라미드, 및 이들의 조합의 형상을 갖는 적어도 하나의 컴포넌트를 가질 수 있다. 수평 WAAM 셀은 라이저, 포지셔너, 빌드 플레이트(또는 수평 빌드 플레이트, 또는 빌드 표면, 또는 턴테이블, 또는 표면 플레이트, 또는 빌드 기판), 및 적어도 하나의 WAAM 프린터(또는 인쇄 로봇)(그러나 이것에 한정되지 않음)를 포함할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀을 예시한다. WAAM 3D 인쇄 로봇(601)은 고정된 레일(602) 상에서 제어될 수 있다. 수평으로 인쇄된 부품(603)은 빌드 플레이트(604) 상에 지지될 수 있다. 인쇄된 부품은 원통 본체 및 돔 상부를 가질 수 있다. 빌드 플레이트(604)는 포지셔너(605)로 유지될 수 있다. 포지셔너 및 빌드 플레이트는 라이저(606)에 의해 지면 위로 올릴 수 있다.
용접 토치(607)는 인쇄 로봇(601)에 부착된다. 이해되는 바와 같이, 인쇄 로봇의 스핀들은 공구 교체 기능을 가지며, 프린트 헤드, 프린트 토치, 용접 토치, 기계가공 공구, 카메라, 감지 장치, 모니터링 장치, 및/또는 이미징 장치(그러나 이것에 한정되지 않음) 등의 다양한 공구를 부착할 수 있다. 스핀들은 최소량 윤활(MQL), 온도 센서, 및/또는 공기압 록/언록 기능을 가질 수 있다. 많은 실시형태는 수평 WAAM 프린트 셀에 기계가공 기능을 제공한다. 인쇄 로봇은 적어도 20 피트 직경의 배럴 및 돔을 기계가공할 수 있어야 한다. 이동식 플랫폼은 인쇄 로봇에 통합되어 기계가공 기능을 제공할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 2차적 피처의 기계가공 및 돔 기계가공이 달성될 수 있다.
여러 가지 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀용 포지셔너는 적어도 하나의 모터 또는 적어도 2 개의 모터를 가질 수 있다. 모터의 수가 더 많을수록 빌드 플레이트의 회전을 더 빨리 가속시킬 수 있다. 인쇄물의 최대 회전 속도보다 낮은 다양한 원하는 회전 속도까지 가속하는 데 걸이는 시간은 약 0.1 초 미만; 약 0.5 초 미만; 약 1 초 미만; 약 5 초 미만; 약 10 초 미만일 수 있다. 인쇄물의 최대 회전 속도까지의 가속은 약 0.1 초 미만; 약 0.5 초 미만; 약 1 초 미만; 약 5 초 미만; 약 10 초 미만일 수 있다. 포지셔너는 빌드 플레이트의 회전 속도를 약 0.5 ipm 내지 약 600 ipm; 또는 약 0.003 rpm 내지 약 0.75 rpm으로 제어할 수 있고; 및/또는 회전 시간을 약 5 hpr(hours per revolution) 내지 약 45 hpr로 제어할 수 있다. 포지셔너에는 백래시 방지 기능이 내장될 수 있다. 포지셔너는 강, 탄소강, 스테인리스강, 금속 합금, 금속, 및 이들의 조합 등의 재료로 제작될 수 있다. 포지셔너는 페인트로 코팅될 수 있다.
일부의 실시형태에서, 수평 WAAM 셀은 선회 링, 베어링 및/또는 링 기어를 포함할 수 있다. 선회 베어링은 단독으로 또는 조합으로 그리고 임의의 방향으로 작용하는 축방향 하중, 반경방향 하중 및 모멘트 하중을 수용할 수 있는 대형 롤링 베어링이다. 이것은 선회(진동) 운동 뿐만 아니라 회전 운동을 수행할 수 있다. 선회 베어링은 수직 베어링 장치 내에 또는 수평 지지 구조물 상에 장착될 수 있다. 선회 링의 비동시 궤도 수용량(non-simultaneous raceway capacity)은 약 0 파운드 이상의 축방향 하중, 또는 약 0 파운드 축방향 하중; 약 95,000 피트-파운드 이상의 모멘트 하중, 또는 약 95,000 피트-파운드 이하의 모멘트 하중; 및 약 21,000 파운드 이상의 반경방향 하중, 또는 약 21,000 파운드 이하의 반경방향 하중일 수 있다. 선회 링의 치 하중 용량(tooth load capacity)은 약 9,400 파운드 이상, 또는 약 9,400 파운드 노멀 이하일 수 있다. 기동 마찰(start-up friction)은 약 34,000 피트-파운드 미만일 수 있고; 작동 마찰은 약 34,000 피트-파운드 미만일 수 있고; 하중에 의한 처짐은 약 0.1 인치 미만일 수 있다.
여러 가지 실시형태에서, 수평 WAAM 셀은 적어도 하나의 라이저를 포함할 수 있다. 라이저는 강고해야 하며, 빌드 플레이트로부터 적어도 약 12 피트까지 연장하는 질량을 지지할 수 있어야 한다.
많은 실시형태에서, 수평 WAAM 프린트 셀은 수평 인쇄를 가능하게 하는 수평 빌드 플레이트를 구현할 수 있다. 금속 3D 프린터 및 폴리머 3D 프린터는 새로운 인쇄를 시작하기 위해 매끈하고 평탄한 표면을 필요로 한다. 금속 3D 프린터는 적절한 표면 마감(평활도) 및 평탄도를 달성하기 위해 컴퓨터 수치 제어(CNC) 가공된 금속 빌드 플레이트를 전형적으로 사용한다. 금속 3D 프린터의 크기 또는 인쇄 직경이 커짐에 따라, 바람직한 표면 마감 및 평탄도를 달성하기 위한 빌드 플레이트의 종래의 CNC 기계가공은 실현불가능하게 될 수 있다.
특정 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀은 적어도 20 피트 직경의 금속 구조물을 인쇄할 수 있다. 종래의 CNC 기계가공을 사용하여 수평 빌드 플레이트를 구축하는 것은 중대한 과제를 제시한다. 많은 실시형태에서, 수평 빌드 플레이트는 금속 3D 인쇄 로봇 자체의 기계가공 기능을 사용하여 재사용가능한 빌드 플레이트의 요구되는 표면 마감 및 평탄도를 달성할 수 있다. 빌드 플레이트의 스케일은 프린트 셀 로봇의 도달범위에 의해서만 제약될 수 있다. 빌드 플레이트의 베이스는 대형 용접 어셈블리로서 구성되고, 평탄도 및 평활도의 제어는 느슨하다. 여러 가지 실시형태에서, 재사용가능한 빌드 플레이트는 포지셔너 상에 장착될 수 있다. 다수의 실시형태에서, 재사용가능한 빌드 플레이트는 환형 금속 표면을 형성하는 복수의 CNC 가공된 섹션을 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 금속 3D 인쇄 로봇의 인셀(in-cell) CNC 기계가공 기능은 재사용가능한 플레이트를 레이저 스캐너 및/또는 다이얼 인디케이터에 의해 검증될 수 있는 원하는 표면 마감 및 평탄도로 기계가공할 수 있다. 인쇄 작업의 종료시에, 로봇은 특정의 실시형태에 따라 완성된 부품의 베이스를 기계가공하여 이것을 빌드 플레이트로부터 분리할 수 있다. 다음에 3D 인쇄 로봇은 이전의 부품으로부터의 과잉의 재료를 재사용가능한 빌드 플레이트로부터 제거하여 다음 작업을 위한 표면을 준비할 수 있다.
다양한 실시형태에 따른 수평 빌드 플레이트는 종래의 CNC 기계에 관련된 치수 제약을 제거할 수 있고, 보다 대규모의 수평 금속 3D 인쇄 시스템의 구축을 가능하게 할 수 있다. 수평 빌드 플레이트는 빌드 플레이트의 구축을 위해 또는 인쇄 작업 사이의 대규모 외부의 기계가공 작업에 의존하지 않음으로써 프린트 셀 구축 및 부품 제조의 속도를 향상시킬 수 있다.
여러 가지 실시형태에서, 수평 빌드 플레이트는 수평 경선 인쇄 위치(들)에 적합하도록 회전가능하다. 수평 빌드 플레이트는 적어도 20 피트 길이 및 적어도 20 피트 직경의 배럴 섹션의 인쇄 및 적어도 20 피트의 최대 직경의 배럴 섹션의 단부의 완전한 돔 구조물을 인쇄를 지지할 수 있어야 한다. 약 20 피트의 직경의 경우, 빌드 플레이트 강성으로 인한 전체적인 하방으로의 처짐은 약 0.025 인치 미만 또는 약 0.020 인치 미만이어야 한다. 수평 빌드 플레이트는 다음의 기능을 가질 수 있다: a) 인쇄, 부품 취출, 부품 반전 및/또는 부품 재설치 작업을 위한 액세스를 가능하게 하는 것; b) 포지셔너 긴급 정시 시의 하중을 지지하는 것; c) 포지셔너 어셈블리에 특정된 선회 베어링과 조화되는 것; 용접 전류 브러시 또는 등가의 컴포넌트용 인터페이스를 갖는 것; e) 제조가 관리가능하도록 용접된 강 섹션으로 구성되어 있는 것; f) 기계가공된 작업면이부품의 재장착 또는 반전을 위한 클로킹 피처(clocking feature)를 가능하게 하는 것; g) 기계가공된 작업면이 동심 정렬을 가능하게 하는 피처를 가지는 것; h) 어셈블리는 인쇄 작업에 충분히 평탄한 적어도 20 피트 직경의 표면을 가지는 것.
도 6b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다양한 엔드 이펙터 어셈블리를 구비한 인쇄 로봇을 예시한다. 인쇄 로봇(611)은 신장가능 암(612)을 가질 수 있다. 로봇(611)의 신장가능 암(612)은 수평 WAAM 시스템에서 인쇄 및/또는 프로세싱을 위하여 엔드 이펙터 어셈블리(613)를 원하는 장소에 배치할 수 있다. 엔드 이펙터 어셈블리(613)의 예에는 인쇄 공구, 프린트 헤드, 프린트 토치, 용접 토치, 기계가공 헤드, 검사 공구, 모니터링 공구, 및/또는 이미징 공구(그러나 이것에 한정되지 않음)를 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀의 포지셔너의 개관도이다. 포지셔너 구조(701)는 빌드 플레이트(704)에 연결되는 일 표면 상에 서보 어셈블리(707)를 가질 수 있다. 빌드 플레이트(704)를 포지셔너(701) 상에 유지하기 위해 선회 링(702) 및 인터페이싱 플레이트(703)가 사용될 수 있다. 중실의 센터 인터페이스 플레이트(703)는 용접 전류 경로 브러시 및 볼트로 선회 링(702)에 결합될 수 있다. 센터 마운트 인코더 및 브래킷(705)은 구동 시스템(706)과 연결되는 빌드 플레이트(704)의 중심에 배치될 수 있다. 서보 어셈블리(707)의 회전 속도는 빌드 플레이트(704)의 회전 속도를 제어할 수 있다.
도 8a는 본 발명의 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀의 포지셔너 상의 빌드 플레이트를 예시한다. 도 8b는 본 발명의 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀의 포지셔너를 예시한다. 이 포지셔너는 수평 인쇄용으로 하나의 빌드 플레이트를 유지할 수 있다. 빌드 플레이트(801)는 복수의 섹션 부재를 사용하여 조립될 수 있고, 이 부재는 기계가공되어 볼트결합될 수 있다. 복수의 약 12 인치 높이의 알루미늄 I 빔을 전면 도금 및 후면 도금 사이에 사용할 수 있다. 중실의 센터 인터페이스 링은 용접 전류 경로 브러시 및 볼트로 선회 링에 결합될 수 있다.
도 9a는 본 발명의 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀의 포지셔너 상의 2 개의 빌드 플레이트를 예시한다. 도 9b는 본 발명의 실시형태에 따른 수평 WAAM 프린트 셀의 듀얼 빌드 플레이트용 포지셔너를 예시한다. 포지셔너(901)는 2 개의 빌드 플레이트와 2 개의 수평 프린트 셀을 수평 인쇄를 위해 대향 단부 상에 유지할 수 있다. 2 개의 빌드 플레이트는, 예를 들면, 상이한 회전 속도로 개별적으로 조작될 수 있다. 2 개의 빌드 플레이트는 이들 작업을 제어하기 위한 개별 구동 시스템을 가질 수 있다. 포지셔너(901) 내의 기계가공된 플레이트(902)는 높은 계면 평탄도를 가지며, 구동 시스템과 베어링을 포함한다. 기계가공된 플레이트(902)는 용접된 어셈블리 상에 시밍(shimming)될 수 있다. 액세스 사다리(903)는 액세스를 허용하도록 포지셔너(901) 내에 내장될 수 있다. 나사식 레벨링 피트(leveling feet; 904)는 포지셔너(901)의 교정 및 레벨링을 가능하게 한다.
수평 WAAM 시스템의 선형 트랙 구성
수평 WAAM 시스템은 다양한 구성을 가질 수 있다. 여러 가지 실시형태는 수평 WAAM 시스템 내에 적어도 하나의 수평 WAAM 프린트 셀을 포함한다. 일부의 실시형태에서, 복수의 수평 WAAM 프린트 셀은 동시에 작동할 수 있다. 특정의 실시형태는 1 내지 4 개, 또는 나란히 작동하는 4 개를 초과하는 수평 WAAM 프린트 셀을 갖는다. 각각의 수평 WAAM 프린트 셀은 다양한 구성을 가질 수 있다. 일부의 실시형태에서, 인쇄 로봇은 다양한 유형의 WAAM 인쇄 로봇을 포함할 수 있다. 다수의 실시형태에서, 인쇄 로봇은 고정된 레일, 수동 유도식 차량(MGV), 및/또는 자동 유도식 차량(AGV)으로 지지될 수 있다. 여러 가지 실시형태에서, 수평 WAAM 시스템은 고정된 레일 상의 인쇄 로봇; 고정된 레일 상의 그리고 MGV 또는 동력식 푸시 무버 상의 인쇄 로봇; 고정된 레일 및 AGV 상의 인쇄 로봇; 병렬로 지지된 복수의 MGV 및 AGV 상의 인쇄 로봇; 및/또는 고정될 레일이 없는 AGV 상의 인쇄 로봇을 포함할 수 있다. 수평 WAAM 기능에는 외측 주형 라인(OML) 인쇄, 내측 주형 라인(IML) 인쇄, 돔 인쇄, 2차적 피처 인쇄, OML 기계가공, IML 기계가공, 돔 기계가공, 2차적 피처 기계가공, 직렬 인쇄, 및/또는 병렬 인쇄(그러나 이것에 한정되지 않음)가 포함된다.
많은 실시형태에서, 선형 트랙 구성은 병렬로 작동하는 임의의 수의 수평 WAAM 프린트 셀을 가질 수 있다. 선형 트랙 구성의 프린트 셀은 고정된 레일 상에 지지된 로봇을 가질 수 있다. 여러 가지 실시형태에서, 이 로봇은 프린트 헤드, 기계가공 헤드, 검사 공구, 모니터링 공구, 및/또는 이미징 공구(그러나 이것에 한정되지 않음)를 포함하는 적어도 하나의 엔드 이펙터를 포함할 수 있다. 인쇄 부품은 수평 빌드 플레이트 상에 지지될 수 있다. 수평 빌드 플레이트는 고정된 레일 상의로봇에 대해 시계방향 및/또는 반시계방향으로 회전할 수 있다. 로봇은 이동가능한 암을 가질 수 있으며, 이 암에 의해 로봇은 빌드 플레이트의 충분한 영역에 도달하여 회전하는 부품 상에 작업할 수 있다. 로봇은 다양한 엔드 이펙터를 교체하기 위해 공구 교체를 실행할 수 있다. 다양한 엔드 이펙터에 의해 수평 WAAM 시스템은 재료 퇴적, 교정, 공구 교체, 상세한 기계가공 작업, 부품 검사, 및/또는 수정(그러나 이것에 한정되지 않음)을 포함하는 다양한 작업을 실행하게 할 수 있다. 수평 WAAM 기능에는 OML 인쇄, IML 인쇄, 돔 인쇄, OML 기계가공, IML 기계가공, 및 직렬 인쇄(그러나 이것에 한정되지 않음)가 포함된다. 고정된 레일 상의 인쇄 로봇을 구비한 수평 WAAM 시스템은 약 20 피트 내지 약 24 피트의 최대 직경을 인쇄할 수 있다.
도 10a는 실시형태에 따라 고정된 선형 트랙 상의 인쇄 로봇을 구비한 수평 프린트 셀을 예시한다. 각각의 수평 프린트 셀은 약 38 피트 x 61 피트 크기일 수 있고; 또는 약 38 피트 x 61 피트 크기를 초과할 수 있고; 또는 약 38 피트 x 61 피트 크기 미만일 수 있다. 선형 트랙 구성의 각각의 수평 WAAM 프린트 셀은 적어도 20 피트의 직경 및 적어도 25 피트의 길이의 원통을 인쇄할 수 있다.
하나의 고정된 레일은 적어도 하나의 로봇을 지지할 수 있다. 레일은 IML 및/또는 OML 사이의 최적의 도달거리를 위해 배치될 수 있다. 일부의 실시형태에서, 레일은 약 22 피트, 약 22 피트 초과, 또는 약 22 피트 미만의 이동범위를 가질 수 있다. 레일은 ± 0.0008 인치의 반복률을 가질 수 있고, 약 6 ft/초의 속도, 약 6 ft/초 초과의 속도, 또는 약 6 ft/초 미만의 속도를 가질 수 있다. 로봇은 인쇄 공구, 기계가공 공구, 검사 공구, 모니터링 공구, 교정 공구, 및/또는 이미징 공구(그러나 이것에 한정되지 않음)를 포함하는 다양한 엔드 이펙터를 통해 다양한 작업을 수행할 수 있다. 선형 트랙 구성의 공구 교체기를 사용하면 다양한 엔드 이펙터를 교환할 수 있다. 엔드 이펙터의 예에는 빌드 헤드(Fronius 등), 스핀들 헤드(HSD, HiTecho, MYL 등), 방사선 검사(RT) 암, 및 비파괴 평가(NDE) 암(그러나 이것에 한정되지 않음)이 포함된다. 다양한 엔드 이펙터로 인해 수평 WAAM 시스템은 재료 퇴적, 교정, 공구 교체, 상세한 기계가공 작업, 부품 검사, 및 수정(그러나 이것에 한정되지 않음)을 포함하는 다양한 작업을 병행적으로 및/또는 연속적으로 실행할 수 있다.
수평 WAAM 시스템의 선형 트랙 구성의 로봇 및 다양한 기계가공 헤드용의 지지 레일은 광범위한 기계가공 기능을 가능하게 한다. 인쇄 중에 복수의 지지 레일 및 로봇을 셋업함으로써 인쇄 및 기계가공을 병행적으로 실시하여 인쇄 프로세스를 신속화할 수 있다. 로봇은 기계가공 헤드를 보다 넓은 범위에 도달하도록 수평 빌드 플레이트의 주위에서 이동시킬 수 있다. 또한, 다양한 기계가공 헤드에 의해 다양한 기계가공 기능을 추가할 수 있다. 선형 트랙 구성은 자동화된 공구 교체 기능을 가질 수 있다. 기계 스핀들에 의해 박벽 배럴을 평탄하게 기계가공할 수 있다. 추가의 기계가공 기능에는 플랜지 페이싱(flange facing), 약 ½ 인치 플랜지 구멍, 18 피트 직경의 배럴의 프린트 에지(프린트 에지)로부터 약 50 인치 미만의 피처, 및 약 60 인치를 초과하는 직경의 돔 플랜지(그러나 이것에 한정되지 않음)가 포함된다.
로봇은 빌드 플레이트의 충분한 영역까지 이동하여 도달할 수 있고, 회전하는 부품 상에서 작업할 수 있다. 예를 들면, 인쇄 로봇은 약 10 피트 미만의 도달범위, 약 10 피트의 도달범위, 및 약 10 피트를 초과하는 도달범위를 가질 수 있다. 일부의 실시형태에서, 인쇄 로봇은 약 ± 0.003 인치 반복률을 가질 수 있고, 약 10 인치/초의 속도; 약 10 인치/초 초과의 속도; 또는 약 10 인치/초 미만의 속도를 가질 수 있다. 인쇄 로봇 및 수평 레일은 백래시가 저감될 수 있다. 구성 1의 각각의 수평 WAAM 프린트 셀의 기계가공 정확도는 적어도 0.04 인치 정확도 및 약 0.003 인치 반복률을 달성할 수 있다.
수평 WAAM 시스템의 선형 트랙 구성의 인쇄 로봇 및 다양한 프린트 헤드용의 지지 레일은 유연한 인쇄 기능을 가능하게 한다. 로봇은 수평 빌드 플레이트의 주위에서 프린트 헤드를 이동시킬 수 있는 암을 갖는다. 또한, 다양한 프린트 헤드는 다양한 인쇄 기능을 제공한다. 여러 가지 실시형태에 따른 인쇄 로봇은 리브 및 돔 오버행(그러나 이것에 한정되지 않음) 등의 빌드 피처를 가진 대형 배럴(그러나 이것에 한정되지 않음)을 포함하는 대규모의 복잡한 물체를 인쇄할 수 있다. 인쇄된 배럴은 적어도 18 피트의 직경을 가질 수 있다. 수평 프린트 셀은 어댑터 플레이트를 사용하여 약 8 피트 미만의 직경을 갖는 배럴도 지지할 수 있다. 인쇄된 부품은 돔 형상을 가질 수 있다. 인쇄된 내부 리브는 프린트 에지로부터 약 40 인지 미만일 수 있다. 인쇄 로봇은 냉간 및/또는 열간 와이어 퇴적 헤드(참조, 예를 들면, 미국 가특허출원 제63/371838(출원일: 2022년8월 18일), 및 미국 특허출원공개 제 2023/0173601 A1 호(공개일: 2023년6월 8일); 이것의 개시내용은 참조에 의해 포함됨)의 임의의 조합을 사용할 수 있고, 위빙, RSI, x-리스타트, 접촉 대 작업 거리(CTWD) 제어 능력을 가질 수 있다. X 리스타트는 엔드 이펙터가 자동적으로 x축에 정렬하는 것을 포함할 수 있고, 이는 미국 가특허출원 제 63/378,975(출원일: 2022년 10월 10일), 미국 가특허출원 제 63/488,435(출원일: 2023년 3월 3일), 및 미국 가특허출원 제 63/493,683(출원일: 2023년 3월 31일)에 설명되어 있으며, 각각의 개시내용은 참조에 의해 포함된다. 인쇄된 외부의 리브는 18 피트 배럴을 따라 임의의 위치에 있을 수 있다. 레이스웨이 탭(raceway tab)은 18 피트 배럴을 따라 임의의 위치에 있을 수 있다. 이소/오르소 그리드(iso/ortho grid) 등의 피처를 위한 내부 도달범위는 프린트 에지로부터 40 인치 미만일 수 있다.
일부의 실시형태에 따른 수평 WAAM 시스템의 선형 트랙 구성은 유용성 피처 및 안전 피처(그러나 이것에 한정되지 않음)에 관한 지지 시스템을 가질 수 있다. 선형 트랙 구성의 유용성 피처에는 자동화된 헤드 교환; 용접부의 측면 및 전면 카메라 뷰; 스핀들 헤드와의 수동 조정가능한 카메라 뷰; 인시튜 레이저 측정; 로봇, 용접기, 스핀들, 및 환경 센서; X 리스타트 능력; 원격 리스타트; 브릿지 크레인을 통한 부품 취출 및 재장착(그러나 이것에 한정되지 않음)이 포함될 수 있다. 선형 트랙 구성의 안전 피처에는 안전한 공구 교환을 보장하기 위한 근접 센서, 액세스가능한 E-정지(x4), 시스템의 상태를 보여주는 스택 라이트(stack light), 로컬 머신 가딩(local machine guarding), 로컬 아크 보호, 및 소포품 교환, 충전 및/또는 부품 세정을 위한 용이한 액세스(그러나 이것에 한정되지 않음)가 포함될 수 있다.
도 10b은 실시형태에 따른 선형 트랙 상의 인쇄 로봇을 구비한 복수의 수평 프린트 셀의 시스템을 예시한다. 도 10b는 복수의 수평 WAAM 프린트 셀을 병렬로 설치할 수 있음을 도시한다. 듀얼 빌드 플레이트를 구비한 포지셔너는 대향 단부에 2 개의 수평 프린트 셀을 수용할 수 있다. 평행 인쇄를 실시하여 인쇄 효율을 개선할 수 있도록 복수의 포지셔너가 배치될 수 있다. 이 프린트 셀들은 개별적으로 작동될 수 있고, 동일한 및/또는 상이한 인쇄 작업을 수행할 수 있다. 각각의 셀은 펜싱 및 로컬 아크/기계 가딩(그러나 이것에 한정되지 않음) 등의 안전 인클로저를 갖는다. 수평 프린트 셀은 바람, 배기 등의 환경 영향을 완화시키기 위한 셋업, 팬, 및/또는 기타 기계류를 가질 수 있다. 각각의 셀의 후방에는 작업 지지 설비가 배치될 수 있다. 도 10b에는 4 개의 수평 프린트 셀이 예시되어 있으나, 수평 인쇄 시스템에 단일 또는 복수의 수평 프린트 셀을 실장할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
수평 WAAM 시스템의 하이브리드 구성
수평 WAAM 시스템은 선형 레일 상의 로봇 및 이동식 로봇을 포함하는 하이브리드 구성일 수 있다. 로봇은 수평 프린트 셀 내의 선형 레일에 고정될 수 있다. 선형 레일은 인쇄 중에 고정된 레일을 따라 인쇄 로봇을 이동시킬 수 있다. 여러 가지 실시형태는 원하는 인쇄 결과를 달성하기 위해 프린트 셀 내에 정확하게 배치될 수 있는 이동식 플랫폼을 제공한다. 이동식 플랫폼은 다양한 엔드 이펙터의 로봇의 도달범위 내에서 소정의 인쇄 작업에 필요한 많은 것, 그리고 일부의 실시형태에서는 모든 것을 수용할 수 있다. 이동식 시스템은 고정된 레일의 운동학적 제약 없이 제조 기능을 가능하게 한다. 수평 WAAM 프린트 셀의 인쇄 로봇은 고정된 레일, 수동 유도식 차량(MGV), 및/또는 동력식 푸시 무버에 의해 지지될 수 있다. MGV는 수평 인쇄를 실행하도록 다양한 부품을 지지하는 이동식 플랫폼일 수 있다. MGV는 다양한 로봇(인쇄, 기계가공, 검사, 이미징 등), 다양한 엔드 이펙터를 구비한 로봇, 연결 시스템, 전원 시스템, 스캐닝 및 피드백 시스템(그러나 이것에 한정되지 않음) 등의 다양한 컴포넌트를 수용할 수 있다. MGV는 작업 영역의 주위에서 이동할 수 있고, 또한 수동으로 제어될 수 있다. 선형 트랙 구성과 비교하여, 하이브리드 구성은 개별의 이동식 지지 차량 및/또는 카트를 활용하여 보다 우수한 기계 특수화를 가질 수 있다. 하이브리드 구성은 작업가능 영역을 확대할 수 있고, 유연성을 높일 수 있다. 이동성이 더 우수하므로 하이브리드 구성에서는 약 0.04 인치 이하의 인쇄 정확도를 달성할 수 있다. 이동식 플랫폼은 고정된 레일 상의 로봇과 병행하여 작업할 수 있다. 하이브리드 구성의 작업 기능에는 OML 인쇄; IML 인쇄; 돔 인쇄; 2차적 피처 인쇄; OML 기계가공; IML 기계가공; 돔 기계가공; 2차적 피처 기계가공; 직렬 인쇄; 및/또는 병렬 인쇄(그러나 이것에 한정되지 않음)가 포함될 수 있다.
수평 WAAM 시스템의 하이브리드 구성은 작업가능 영역이 확대될 수 있고, 선형 트랙 구성보다 인쇄 능력이 향상될 수 있다. 이동식 시스템은 인쇄, 기계가공, 검사 등을 위해 더 우수한 도달범위를 위해 작업가능 영역 내에서 로봇을 이동시킬 수 있다. 또한, 다양한 프린트 헤드는 다양한 인쇄 기능을 제공한다. 여러 가지 실시형태에 따른 하이브리드 구성은 작업가능 영역 및 인쇄 능력의 향상으로 인해 복잡한 피처를 구비하는 대규모 물체를 인쇄할 수 있다.
많은 실시형태에서는 수평 WAAM 시스템의 하이브리드 구성에서 MGV를 실장한다. MGV는 다양한 유형의 인쇄 로봇, 기계가공 로봇, 및 수평 인쇄를 수행하기 위해 필요할 수 있는 임의의 로봇을 지지할 수 있다. MGV는 연결 시스템, 전원 시스템, 스캐닝 및 피드백 시스템 등의 플랫폼을 포함할 수도 있다. MGV는 이동식이고, 또한 수동으로 이동 및 제어될 수 있다. 여러 가지 실시형태에 따른 MGV는 보다 우수한 기계 특수화 및/또는 최적화, 작업가능 영역의 확대, 유연성 향상, 동등한 정확도, 강성 향상, 및 시스템 다운타임의 감소(그러나 이것에 한정되지 않음)를 포함하는 이점을 갖는다. MGV의 설계상의 고려사항에는 이하의 것이 포함될 수 있다:
- MGV는 프린트 헤드 및 기계가공 헤드 등의 다양한 유형의 엔드 이펙터를 포함할 수 있으므로 로봇은 약 18-20 피트 직경의 부품의 인쇄(열간 및 냉간 와이어 프로세스) 및 기계가공의 둘 모두가 가능하고;
- MGV는 이동식 플랫폼이고, 부품의 중심선(지상 약 13.3 피트)에서 대부분의 작업을 수행하도록; 및/또는 수평 WAAM 시스템에서 인쇄물의 좌측 및 전방에서 작업할 수 있도록 최적의 위치에 배치될 수 있고;
- MGV 상의 로봇은 MGV를 재배치할 필요없이 공구를 교체할 수 있는 공구 교체를 수행할 수 있고;
- MGV는 인쇄마다 필요한 재배치의 횟수를 최소화하기 위해 전체를 관리하는 제어 시스템을 가지며;
- MGV의 로봇은 기계가공 작업을 위하여 견고한 위치에 설치될 수 있고,
- MGV는 모듈식이고, 작업의 진행에 따라 재구성 및 수정이 가능하고;
- MGV 상의 다양한 시스템은 엄빌리컬을 통해 프린트 셀의 나머지 부분에 접속될 수 있고;
- MGV는 기계적으로 안정화되어야 하며, 임의의 하중에서도 경사지거나; 기계가공에 의해 유발되는 진동 하중 하에서 이동하거나; 지진 하중 하에서 미끌어지거나 경사를 이루지 않는다.
- MGV에서의 처짐은 로봇의 처짐의 10%(0.00001 인치/파운드) 이하를 차지한다.
일부의 실시형태에서, 인쇄 로봇은 MGV 상에 지지될 수 있다. 인쇄 로봇을 구비하는 MGV의 최대 길이는 약 12 피트 6 인치일 수 있고, 폭은 약 11 피트일 수 있다. MGV 상의 인쇄 로봇은 인쇄에 필요한 탑재된 모든 기기를 수용한다. 기계가공 설비는 외부에 연결될 수 있다.
여러 가지 실시형태는 공구 교체 기능에 수평 WAAM 시스템의 하이브리드 구성을 제공한다. 공구 교체 기능에 의해 하이브리드 구성은 동일한 로봇을 이용하여 복수의 작업을 수행할 수 있고, 인쇄 속도 및 유연성을 향상시킬 수 있다.
일부의 실시형태에 따른 이동식 플랫폼은 자율형 제조 로봇, 제조 프로세스에 필요한 공구 및 소모품, 지지 공구 및 검사 공구, 및 의도된 작업을 위해 최상의 위치로서 수평 프린트 셀 내에서 이동식 플랫폼을 정확하게 배치하는 방법을 포함하는 제조 플랫폼일 수 있다. 맞춤형 또는 기성품의 자동 유도식 차량("AGV")은 거친 레이저 측량 또는 기타 정밀 배치 방법의 조합을 사용하여 이동식 플랫폼을 들어올려 위치시킬 수 있다. AGV는 이동식 플랫폼을 배치한 후에 자유롭게 공장 내에서 이동하여 추가의 작업을 실행할 수 있다. AGV 및 이동식 플랫폼을 개별의 시스템으로서 유지하면 이동식 플랫폼의 비용 및 부피를 줄일 수 있다.
많은 실시형태에 따른 이동식 플랫폼은 수평 WAAM 3D 인쇄 시스템에서의 선형 레일의 제약에 관련된 최적이 아닌 도달범위의 문제를 해결할 수 있다. 레일 시스템을 제거하면 주어진 작업을 위해 최적의 장소에 이동식 플랫폼을 위치결정함으로써 인쇄된 제품에서 보다 높은 정확도로 보다 빠른 속도로 보다 큰 3D 인쇄된 금속 구조물을 제조할 수 있다. 제조 로봇과 그 공구, 소모품을 이동식 플랫폼에 집중시키면 작업 정지의 원인이 되는 공구 교체 및 부품 검사에 관련된 지연을 피할 수 있다.
도 11a 내지 도 11c는 실시형태에 따른 수평 인쇄 시스템의 하이브리드 구성을 예시한다. 하이브리드 구성의 수평 WAAM 프린트 셀은 2 개의 인쇄 로봇, 즉 고정된 레일 상의 하나의 로봇과 MGV 상의 다른 로봇을 가질 수 있다. 고정된 레일은 선형 트랙 구성의 레일과 유사할 수 있다. 선형 레일 및 이동식 플랫폼 상의 로봇들은 인쇄 작업을 병행하여 실행할 수 있다. 이 로봇은 인쇄 부품의 상이한 부분에서 작업할 수 있다. 인쇄된 배럴은 적어도 18 피트의 직경을 가질 수 있다. 인쇄 물체는 약 50 인치 초과 및/또는 약 50 인치 미만의 폐쇄 직경으로 돔 형태로 할 수 있다. 인쇄 및/또는 기계가공은 하이브리드 구성의 이동성의 증가로 인해 인쇄물을 따라 임의의 장소에서 실시될 수 있다. 인쇄 로봇은 수동으로 또는 자동으로 재배치될 수 있다. 인쇄 로봇은 자동화된 헤드를 가질 수 있고, 공구 교체가 가능하다. 인쇄의 오픈 루프(open-loop) 정확도는 약 0.04 인치; 약 0.04 인치 미만; 및 약 0.04 인치 초과일 수 있다. 인쇄 로봇은 지면 위로 상승될 수 있다. 지면으로부터의 높이는 다음을 위해 최적화될 수 있다:
- 인쇄 체적: 이동하지 않고도 적어도 18 피트 직경의 배럴을 인쇄할 수 있고, 인쇄 당 1 - 3 회만 이동하면 될 수 있음;
- 기계가공 위치 견고성;
- 내부 도달범위: 돔 내부의 약 65 - 85 인치까지 도달할 수 있음.
도 11b는 이동식 플랫폼(MGV 및/또는 AGV) 상의 로봇이 레일에 부착된 로봇보다 더 광범위하게 이동하는 것을 보여준다. 이동식 플랫폼의 위치는 로봇의 도달범위에 영향을 줄 수 있다. 로봇은 신장가능 암을 가질 수 있다. 원형 그림자(1101)는 로봇의 도달범위를 보여준다. 직사각형 그림자(1102)는 이동식 플랫폼의 이동 범위를 보여준다.
도 11c는 하이브리드 구성의 복수의 수평 인쇄 시스템을 나란히 설치하여 병렬로 인쇄할 수 있음을 보여준다. 도 11c에서는 2 개의 하이브리드 수평 시스템이 예시되어 있으나, 하이브리드 구성의 임의의 수의 수평 WAAM 프린트 셀이 동시에 작동할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 12a 및 도 12b는 실시형태에 따른 이동식 플랫폼 상의 인쇄 로봇의 근접도를 예시한다. 인쇄 로봇(1204)은 이동식 플랫폼(1205) 상에 배치될 수 있다. 인쇄 로봇(1204)용의 제어 시스템 및/또는 지지 컴포넌트(1202)도 또한 이동식 플랫폼(1205) 상에 배치될 수 있다. 인쇄 로봇(1204)은 공구 교체 기능을 구비한 엔드 이펙터 어셈블리(1203)를 가질 수 있다. 엔드 이펙터 어셈블리(1203)는 수평 WAAM 시스템에서 인쇄 및/또는 프로세싱을 위하여 엔드 이펙터 어셈블리(1203)를 임의의 원하는 장소에 배치하기 위해 로봇(1204)의 신장가능 암 상에 부착될 수 있다. 이동식 플랫폼(1205)은 수동 유도식 차량 또는 자동 유도식 차량일 수 있다.
도 13은 실시형태에 따른 케이블 관리를 위한 엄빌리컬 방법을 예시한다. 도 13은 고정된 선형 레일 상의 인쇄 로봇 및 이동식 플랫폼 상의 인쇄 로봇을 구비한 수평 인쇄 시스템의 하이브리드 구성을 보여준다. 엄빌리컬 방법에 의해 하이브리드 구성의 설비는 상호연결될 수 있다.
수평 WAAM 시스템에서, 전원, 네트워크, 데이터, 용접 설비, 및 기계가공 설비(그러나 이것에 한정되지 않음) 등의 다양한 컴포넌트가 연결될 수 있다. 여러 가지 실시형태에 따른 엄빌리컬 방법은 케이블 관리를 단순화하기 위해 사용될 수 있다. 시스템이 연결되면, 로봇 및/또는 이동식 플랫폼은 원하는 위치에 배치될 수 있다. 인쇄물의 대략의 위치를 작업에 의해 지정하여 경로 플래너(path planner)에 전달할 수 있다. 이동식 플랫폼(MGV 또는 AGV)은 이것에 포지셔너 위치 좌표 및/또는 축을 제공함으로써 제어할 수 있다. 로봇 및/또는 이동식 플랫폼의 위치특정은 레이저 추적기 및/또는 영구 셀 피두시얼(permanent cell fiducial)(그러나 이것에 한정되지 않음)을 포함하는 장치를 사용하여 달성할 수 있다. 영구 셀 피두시얼에 대한 이동식 플랫폼 및/또는 로봇의 위치는 온보드 비접촉 추적기를 사용하여 특정될 수 있다. 로봇은 실시간으로 점의 좌표 변환을 수행할 수 있다. 교정 검증이 동시에 수행될 수 있다. 제어 소프트웨어가 로봇 경로를 사전에 주행할 수 있다. 로봇이 원하는 장소로 이동(MGV 또는 AGV를 사용함)하면, 인쇄를 시작할 수 있다.
도 14는 실시형태에 따른 수평 인쇄 시스템의 하이브리드 구성의 흐름도를 예시한다. 도 14a는 인쇄 로봇(1401)이 선형 레일(1402) 상에서 수평 WAAM 시스템 내로 이동할 수 있음을 예시하고 있다. 로봇(1401)은 동력식 푸시 무버(Master Mover MT1000+ 등)(그러나 이것에 한정되지 않음) 등의 설비를 사용하여 레일(1402) 상에서 이동할 수 있다. 도 14b는 이동식 플랫폼(1404) 상의 제 2 인쇄 로봇(1403)을 보여주고 있다. 이동식 플랫폼(1404)의 피트(1405)는 하강할 수 있다. 도 14c는 엄빌리컬(1406)이 접속되어 있는 것을 보여주고 있다. 도 14d는 레이저 소스, 카메라, 마커(그러나 이것에 한정되지 않음)를 포함하는 레이저 추적 시스템(1407)을 예시하고 있으며, 이것은 빌드 플레이트(1408)에 대한 제 2 로봇(1403)(및 이동식 플랫폼(1404))의 위치를 특정할 수 있다. 레이저에 의한 위치특정은 AT(960) 레이저 추적기 및 영구 셀 피두시얼(그러나 이것에 한정되지 않음)을 포함하는 장치를 사용하여 달성할 수 있다. 도 14e는 인쇄 로봇이 올바르게 위치특정된 후에 인쇄가 시작되는 것을 보여준다. 물체가 인쇄되었으면 인쇄를 정지할 수 있다. 도 14f는 배럴(1409)(예를 들면, 18 피트 길이의 배럴)의 인쇄가 인쇄의 말기에 달성될 수 있음을 예시한다. 그러면 엄빌리컬을 단절할 수 있다. 도 14g는 이동식 플랫폼의 피트(1405)가 상승될 수 있음을 보여준다. 이동식 인쇄 로봇(1403)는 도 14h에 도시된 바와 같이 다음 위치로 이동할 수 있다. 도 14i는 인쇄 프로세스를 재반복할 수 있음을 예시한다.
수평 WAAM 시스템의 이동식 구성
프로세스 및/또는 퇴적이 연속하여 수행되는 경우에는 퇴적 속도가 더 느려질 수 있다. 많은 실시형태는 이종 에이전트(heterogeneous agent)가 인쇄, 검사, 및/또는 기계가공(그러나 이것에 한정되지 않음)을 포함하는 작업을 자가할당하는 것을 가능하게 하는 분산형 구조를 실장한다. 수평 WAAM 시스템의 완전 이동식 구성은 복수의 이동식 수평 WAAM 프린트 셀을 포함할 수 있다. 복수의 이동식 수평 WAAM 프린트 셀은 동시에 작동할 수 있다. 여러 가지 실시형태에서, 이동식 구성은 병렬로 작업하는 복수의 MGV, AGV, 및 복수의 로봇을 포함할 수 있다. 일부의 실시형태에서, 작업을 병렬화하거나 복잡한 피처를 인쇄하도록 복수의 로봇을 제어할 수 있다. 작업의 병렬화의 이점 중 하나는 제조 시간을 최적화하는 하중 밸런싱이다. 이 구성은 수평 용접에 적용될 수 있으며, 복수의 로봇을 임의의 장소에 배치하여 긴 수평 구조를 인쇄할 수 있다. 도 15는 본 발명의 실시형태에 따른 복수의 이동식 셀을 구비한 수평 WAAM 시스템의 이동식 구성을 예시한다. 도 16은 인쇄 로봇용 이동식 플랫폼의 다양한 구성을 예시한다. 이동식 플랫폼은 수동 유도식 차량 또는 자동 유도식 차량일 수 있다.
균등론
전술한 논의로부터 유추할 수 있는 바와 같이, 위에서 언급한 개념은 본 발명의 실시형태에 따라 다양한 장치로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명이 특정의 양태에서 설명되었으나, 당업자에게는 많은 추가의 수정 및 변형이 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 구체적으로 설명한 것과는 다르게 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 실시형태는 모든 면에서 예시적인 것으로 그리고 한정적이 아닌 것으로 간주되어야 한다. 특히, 본 출원에서 WAAM에 대한 모든 참조는 예시로서 제공된 것이며 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 출원의 발명의 개념은 모든 DED(Directed Energy Deposition) 3D 인쇄 프로세스에 적용할 수 있다. 적절한 원료는 분말 또는 와이어를 포함한다. 관련 에너지원에는 플라즈마, 아크, 레이저 등이 있다.
본 명세서에서 사용되는 단수형 용어("a," "an," 및 "the")는 문맥에서 달리 명시하지 않는 한 복수형 참조어를 포함할 수 있다. 단수의 물체를 언급하는 경우, 이는 "하나 및 오로지 하나"를 의미하는 것이 아니라 오히려 "하나 이상"을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 "약"이라는 용어는 작은 변동을 설명하기 위해 사용된다. 이벤트 또는 상황과 관련하여 사용되는 경우, 이 용어는 이벤트 또는 상황이 정확하게 발생하는 경우 뿐만 아니라 이벤트 또는 상황이 근사치에 가깝게 발생하는 경우를 지칭할 수 있다. 수치 값과 관련하여 사용되는 경우, 이 용어는 그 수치 값의 ± 10% 이하, 예를 들면, ±5% 이하, ±4% 이하, ±3% 이하, ±2% 이하의 변동 범위, ±1 % 이하, ±0.5% 이하, ±0.1 % 이하, 또는 ±0.05% 이하의 변동 범위를 지칭할 수 있다.
또한, 양, 비율 및 기타 수치 값은 본 명세서에서 범위의 형식으로 표시될 수도 있다. 이러한 범위 형식은 편의성 및 간결성을 위해 사용되는 것으로, 범위의 한계로서 명시적으로 기재된 수치 값을 포함하지만 각각의 수치 값 및 하위범위가 명시적으로 기재된 것처럼 그 범위 내에 포함되는 개별 수치 값 또는 하위범위를 모두 포함하는 것으로 융통성있게 이해해야 한다. 예를 들면, 약 1 내지 약 200 범위의 비율은 명시적으로 명시된 한계인 약 1 및 약 200 뿐만 아니라 약 2, 약 3, 및 약 4 등의 개별 비율과 약 10 내지 약 50, 약 20 내지 약 100 등의 하위범위를 포함하는 것으로 이해해야 한다.
Claims (20)
- 와이어 아크 적층 제조 시스템으로서,
수직으로 배향된 빌드(build) 평면을 획정하고, 중심점, 및 상기 빌드 평면에 수직으로 배향된 빌드 축선을 갖는 빌드 플레이트 - 상기 빌드 플레이트는 상기 중심점을 중심으로 빌드 축선 상에서 회전하도록 구성됨 -; 및
상기 빌드 축선을 따라 배치된 일련의 층으로 상기 빌드 플레이트 상에 용융 재료를 퇴적시켜 부품을 형성하도록 구성된 적어도 하나의 프린트 헤드를 포함하는 적어도 하나의 로봇을 포함하는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 빌드 플레이트는 0.5 인치/분 내지 600 인치/분의 속도로 회전하는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 1 항에 있어서,
포지셔너(positioner)를 더 포함하고, 상기 빌드 플레이트는 상기 포지셔너에 부착되고, 상기 포지셔너 상의 모터가 상기 빌드 플레이트를 회전하도록 구동하는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 빌드 플레이트는 원형이고, 5 피트 내지 18 피트의 직경을 갖는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 프린트 헤드는 상기 빌드 플레이트의 상면으로부터 상기 중심점을 중심으로 원주방향으로 90 도 또는 270 도의 위치에 설치되는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 5 항에 있어서,
빌드 플레이트의 회전 속도 및 프린트 헤드의 퇴적 속도는 상기 프린트 헤드가 인쇄 중에 일정한 위치에 있도록 조정되는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 프린트 헤드는, 상기 프린트 헤드가 원하는 인쇄 장소에 도달하기 위해 신장되도록, 상기 적어도 하나의 로봇의 신축가능한 암의 일단부에 위치되는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 로봇은 인쇄 방향으로 배치된 레일 상에 장착되고, 이로 인해 상기 레일은 상기 부품이 인쇄됨에 따라 적어도 하나의 로봇을 이동시키는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 로봇은 라이저(riser)를 포함하는 제 1 이동식 플랫폼 상에 장착되고; 상기 적어도 하나의 로봇은 수평방향 및 수직방향으로 자유롭게 이동하는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 9 항에 있어서,
적어도 하나의 로봇을 인쇄를 위한 원하는 장소에 위치시키기 위해 레이저 추적 시스템을 더 포함하는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 이동식 플랫폼은 수동 유도식 차량 또는 자동 유도식 차량인, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 1 항에 있어서,
라이저를 포함하는 제 2 이동식 플랫폼 상에 지지된 제 2 로봇을 더 포함하고; 상기 제 2 로봇은 수평방향 및 수직방향으로 자유롭게 이동하는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 2 로봇은 인쇄 공구, 용접 공구, 기계가공 공구, 검사 공구, 및 이미징 공구로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 공구를 부착하도록 구성된 엔드 이펙터 어셈블리(end effector assembly)를 포함하는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 2 이동식 플랫폼은 수동 유도식 차량 또는 자동 유도식 차량인, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 부품은 원통 형상 또는 돔 형상을 갖는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 1 항에 있어서,
수직으로 배향된 빌드 평면을 획정하고, 중심점, 및 상기 제 2 빌드 평면에 수직으로 배향된 빌드 축선을 갖는 제 2 빌드 플레이트 - 상기 제 2 빌드 플레이트는 중심점을 중심으로 상기 빌드 축선 상에서 회전하도록 구성됨 -; 및 상기 빌드 축선을 따라 배치된 일련의 층으로 상기 제 2 빌드 플레이트 상에 용융 재료를 퇴적하여 제 2 부품을 형성하도록 구성된 적어도 하나의 프린트 헤드를 포함하는 제 3 로봇을 포함하는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 2 빌드 플레이트는 0.5 인치/분 내지 600 인치/분의 속도로 회전하는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 16 항에 있어서,
상기 빌드 플레이트와 상기 제 2 빌드 플레이트는 상기 빌드 축선을 따라 정렬되고, 상기 빌드 플레이트의 빌드 평면은 상기 제 2 빌드 플레이트의 빌드 평면으로부터 반대 방향을 향하는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 3 로봇은 인쇄 방향으로 배치된 레일 상에 장착되고, 이로 인해 상기 레일은 상기 제 2 부품이 인쇄됨에 따라 상기 제 3 로봇을 이동시키는, 와이어 아크 적층 제조 시스템. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 3 로봇은 라이저를 포함하는 이동식 플랫폼 상에 장착되는, 와이어 아크 적층 제조 시스템.
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