KR20240010709A - 적층 제조용 금속 분말 관리 시스템 - Google Patents
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Abstract
적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. 미사용 금속 분말이 적어도 하나의 센서, 추적기, 또는 광학 장치를 포함하는 폐쇄형 분말 용기에 제공된다. 금속 분말은 적층 제조 시스템으로 이송되며, 금속 분말 층의 일부가 압밀되며, 과잉 금속 분말은 적층 제조 시스템으로부터 상기 분말 용기, 제2 분말 용기, 또는 내부 분말 용기로 이송된다. 미사용 금속 분말 또는 제2 금속 분말이 과잉 금속 분말에 추가되며, 혼합 분말의 품질이 검증되고, 프로세스가 적어도 한 번 반복되며, 상기 단계 중 적어도 하나와 연관된, 분말 물리적 이송 데이터가 데이터 저장소에 수집 및 저장된다. 분말 재료 매개 변수가 측정 및 평가될 수도 있으며, 데이터 저장소에 저장될 수도 있다.
Description
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2021년 3월 1일에 출원된 미국 특허 가출원 제63/155,170호를 우선권 주장하며 그 이득을 주장하는 것으로서, 해당 출원의 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 인용된다.
적층 제조는 일반적으로 재료(들)의 층을 쌓는 방식으로 3D 물체를 제조하는 프로세스에 관한 것이다. 통상적으로, 재료는 분말(예를 들어, 금속 분말)의 형태로 적층 제조 기계로 공급될 수도 있다.
분말은, 가공성에 중요한 것으로 알려진, 즉, 분말을 적층 제조에 적합하게 또는 부적합하게 만드는, 다양한 물리적 및 화학적 특성을 갖추고 있다. 이러한 특성 중 일부는 재료 자체에 내재된 것이긴 하지만, 그 외 다른 특성은 분말의 주변 환경에 의해 영향을 받을 수도 있다. 예를 들어, 분말 속성은 주변 습도, 대기 중의 반응성 가스, 기타 분말 및 이물질과 같은 오염 물질, 정전기력, 및 기타 외부 요인에 의해 영향을 받을 수도 있다. 분말의 특성이 적층 제조된 물품의 속성에 영향을 미치므로, 품질을 고려하여 이러한 요인을 모니터링하고 제어하는 것이 중요하다.
또한, 적층 제조에 있어서의 분말은 프로세스를 통해 두 번 이상 재사용(재활용)될 수도 있다. 분말을 재활용하면 재료 특성 저하 또는 변화가 검출될 수 있으며, 이것은 적층 제조된 물품의 성능과 최종 품질에도 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 실시예는 사용자가 원래의 생산으로부터 적층 제조된 부품에서의 최종 사용까지 금속 분말을 추적하는 것을 가능하게 하는 폐루프 시스템을 포함한다. 이 시스템은 금속 분말을 제어 분위기 하에 유지하며, 오염, 과도한 습도, 분말 산화, 및 기타 원하지 않는 발현에 대한 상세한 추적성, 재료 계보, 및 위험 관리를 위해 디지털 문서화된 품질 제어를 유지한다. 더욱이, 이 시스템을 사용하면 사용자는 순수한(즉, 사용되지 않은) 금속 분말을, 적층 제조 프로세스로부터 재활용되는, 사용된 금속 분말에 추가하거나 조합할 수 있으며, 분말의 품질을 검증할 수 있는 동시에, 재료의 뱃치(batch) 및 하위 배치(sub-batch) 식별 정보까지 추적 가능한 연관된 환경의 모니터링 및 문서화된 품질 제어에 의해 제어 분위기 또는 비활성 분위기 하에 금속 분말을 유지할 수 있다.
본 명세서에 설명된 시스템은 시스템 내부에서 관리되는 금속 분말이 물리적 이송 이력, 환경 조건, 재료 속성 데이터, 프로세스 이력, 및 기타 요인의 임의의 조합에 역으로 연결될 수 있는 고유한 디지털 지문을 갖는다는 이점이 있다. 이를 통해 사용자는 금속 분말 재사용, 분말 폐기, 분말 재시험 등 진행될 방법에 대해 지능적인 결정을 내릴 수 있다.
일 양태에서, 본 발명의 실시예는 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법에 관한 것이다. 이 방법은 적층 제조에 적합한 미사용 금속 분말을 획득하는 단계를 포함하며, 금속 분말은 적어도 하나의 센서, 추적기, 및/또는 광학 장치를 포함하는 폐쇄형 분말 용기에 배치된다. 분말 용기는 자동화된 금속 분말 이송 시스템에 의해 적층 제조 시스템에 연결되어 폐루프로 분말 이송을 수행하며, 자동화된 금속 분말 이송 시스템은 공압식 및/또는 전자식(예를 들어, 프로그래밍 가능한 논리) 제어부에 의해 제어 가능하며, 적층 제조 시스템으로의 계량된 양의 금속 분말의 전달을 제어하도록 구성된다.
금속 분말이 분말 용기로부터 적층 제조 시스템으로 전달된다. 적층 제조 시스템이 작동되어 적층 제조 시스템의 구축용 플레이트(build plate)의 위에 금속 분말의 적어도 하나의 층을 형성한다. 금속 분말 층의 과잉 부분은 분말 형태로 남아 있는 상태로, 적어도 하나의 금속 분말 층의 일부가 압밀된다. 이들 두 단계가 적어도 한 번 반복된다.
과잉 금속 분말은 적층 제조 시스템으로부터 상기 분말 용기, 제2 분말 용기, 또는 내부 분말 용기로 이송된다. 상기 분말 용기, 제2 분말 용기, 또는 내부 분말 용기의 과잉 금속 분말에 미사용 금속 분말이 추가되어 혼합 분말을 형성하며, 혼합 분말의 품질이 검증된다. 금속 분말을 적층 제조 시스템에 연결하는 것으로 시작하는 선행 단계들이 검증된 혼합 분말을 사용하여 적어도 한 번 반복된다. 상기 단계들 중 적어도 하나와 연관된, 분말의 물리적 이송 데이터가 수집되어, 데이터 저장소에 저장된다. 각각의 상기 단계 동안 센서, 추적기, 및/또는 광학 장치에 전자적으로 접근 가능하다.
이하의 특징 중 하나 이상이 포함될 수도 있다. 적어도 하나의 센서는 분말 용기 내의 산소, 분말 용기 내의 온도, 분말 용기 내의 습도, 분말 용기 내의 압력, 분말 용기 내의 분말의 색상, 분말 용기 내의 분말의 형태학, 분말 용기 내에 배치된 분말의 레벨, 분말 용기 내에 배치된 분말의 질량, 및/또는 분말 용기 내에 배치된 분말의 오염 중 적어도 하나를 측정하도록 구성된다.
금속 분말 및 과잉 금속 분말은 각각의 단계 동안 비활성 분위기 하에 유지될 수도 있다.
과잉 금속 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수가 측정될 수도 있다.
검증된 분말을 사용하여 상기 단계들을 반복하기 전에 혼합 분말이 체를 사용하여 체질(sifting) 과정을 거칠 수도 있다.
혼합 분말이 검증 단계 전에 블렌딩될 수도 있다.
분말 용기로부터 적층 제조 시스템으로 금속 분말을 전달하는 단계는 금속 분말을 적층 제조 시스템 내부의 분말 저장 사일로(silo)로 전달하는 단계를 포함할 수도 있으며, 전달된 금속 분말의 양은 적어도 2개의 분말 층을 형성하기에 충분하다.
금속 분말 층의 적어도 일부를 압밀하는 단계는 결합, 소결, 및/또는 용융을 포함할 수도 있다.
혼합 분말의 품질을 검증하는 단계는, (i) 혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 측정 및 평가하는 단계, 및/또는 (ii) 분말의 물리적 이송 데이터를 검토하는 단계를 포함할 수도 있다.
혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수는 데이터 저장소에 저장될 수도 있다.
혼합 분말의 분말 재료 매개 변수는 간극 원소 화학 특성, 치환 원소 화학 특성, 미량 원소 분석, 겉보기 밀도, 탭 밀도(tap density), 입자 크기 분포, 습도, 분말 형상, 분말 형태학, 홀 흐름(Hall flow), 카니 흐름(Carney flow), 체 사양, 포획 가스 함량, 유변학적 안정성 지수, 및/또는 휴식 각도일 수도 있다.
혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 측정하는 단계는 광학 이미지를 촬영하는 단계, 주사 전자 현미경 이미지를 촬영하는 단계, 단면 이미지를 촬영하는 단계, 전기량 적정(coulometric titration)을 수행하는 단계, 및/또는 비중측정법(pycnometry measurement)을 수행하는 단계를 포함할 수도 있다.
분말의 물리적 이송 데이터는 분말 저장 데이터, 적층 제조 시스템의 식별 정보, 금속 분말이 적층 제조 시스템으로 전달된 횟수, 및/또는 분말이 미사용 금속 분말과 혼합된 횟수를 포함할 수도 있다.
상기 단계 중 적어도 하나와 연관된 프로세스 데이터가 수집될 수도 있으며, 데이터 저장소에 저장될 수도 있다. 프로세스 데이터는 압밀 단계 동안의 레이저 전력, 압밀 단계 동안의 레이저 속도, 및/또는 형성된 층의 두께를 포함할 수도 있다. 혼합 분말의 품질을 검증하는 단계는 수집된 프로세스 데이터를 검토하는 단계를 포함할 수도 있다.
폐쇄형 분말 용기는 미사용 금속 분말이 제조 후 선적되는 선적용 분말 용기를 포함할 수도 있다. 위에 설명된 단계를 수행하기 전에 미사용 금속 분말이 선적용 분말 용기로부터 폐쇄형 분말 용기로 이송될 수도 있다.
다른 양태에서, 본 발명의 실시예는 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법에 관한 것으로, 이 방법은 적층 제조에 적합한 제1 금속 분말을 획득하는 단계를 포함하며, 제1 금속 분말은 적어도 하나의 센서, 추적기, 또는 광학 장치를 포함하는 폐쇄형 분말 용기에 배치된다. 분말 용기는 자동화된 금속 분말 이송 시스템에 의해 적층 제조 시스템에 연결되어 폐루프로 금속 분말 이송을 수행하며, 자동화된 금속 분말 이송 시스템은 프로그래밍 가능한 논리 제어부에 의해 제어 가능하며, 적층 제조 시스템으로의 프로그래밍된 양의 금속 분말의 전달을 제어하도록 구성된다.
금속 분말이 분말 용기로부터 적층 제조 시스템으로 전달된다. 적층 제조 시스템이 작동되어 적층 제조 시스템의 구축용 플레이트의 위에 금속 분말의 적어도 하나의 층을 형성한다. 금속 분말 층의 과잉 부분은 분말 형태로 남아 있는 상태로, 적어도 하나의 금속 분말 층의 일부가 압밀된다. 이들 두 단계가 적어도 한 번 반복된다.
과잉 금속 분말은 적층 제조 시스템으로부터 적어도 하나의 과잉 금속 분말 용기 센서, 과잉 분말 용기 추적기, 또는 과잉 분말 용기 광학 장치를 포함하는 과잉 분말 용기로 이송된다. 제2 금속 분말이 과잉 분말 용기에 추가되어 혼합 분말을 형성한다. 과잉 분말 용기 내의 혼합 분말의 품질이 검증된다.
금속 분말을 적층 제조 시스템에 연결하는 것으로 시작하는 선행 단계들이 과잉 분말 용기에 배치된 검증된 혼합 분말을 사용하여 적어도 한 번 반복된다. 상기 단계 중 적어도 하나와 연관된, 분말의 물리적 이송 데이터가 수집되어, 데이터 저장소에 저장된다. 각각의 상기 단계 동안 적어도 하나의 센서, 추적기, 광학 장치, 과잉 분말 용기 센서, 과잉 분말 용기 추적기, 및/또는 과잉 분말 용기 광학 장치 중 적어도 하나에 전자적으로 접근 가능하다.
이하의 특징 중 하나 이상이 포함될 수도 있다. 제1 금속 분말과 제2 금속 분말은 동일한 조성을 가질 수도 있으며, 예를 들어, 단일 뱃치로부터 나올 수도 있다. 제1 금속 분말과 제2 금속 분말이 서로 다른 뱃치로부터 나올 수도 있다. 제1 금속 분말은 미사용 금속 분말일 수도 있다.
적어도 하나의 센서는 분말 용기 내의 산소, 분말 용기 내의 온도, 분말 용기 내의 습도, 분말 용기 내의 압력, 분말 용기 내의 분말의 색상, 분말 용기 내의 분말의 형태학, 분말 용기 내에 배치된 분말의 레벨, 분말 용기 내에 배치된 분말의 질량, 및/또는 분말 용기 내에 배치된 분말의 오염 중 적어도 하나를 측정하도록 구성될 수도 있다.
과잉 분말 용기는 내부 또는 외부 분말 용기를 포함할 수도 있다.
상기 단계들 동안 제1 금속 분말, 제2 금속 분말, 과잉 금속 분말, 및 혼합 분말은 비활성 분위기 하에 유지될 수도 있다.
과잉 금속 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수가 측정될 수도 있다.
검증된 분말을 사용하여 상기 단계들을 반복하기 전에 혼합 분말이 체를 사용하여 체질(sifting) 과정을 거칠 수도 있다.
혼합 분말은 검증 단계 전에 블렌딩될 수도 있다.
분말 용기로부터 적층 제조 시스템으로 금속 분말을 전달하는 단계는 금속 분말을 적층 제조 시스템 내부의 분말 저장 사일로(silo)로 전달하는 단계를 포함할 수도 있으며, 전달된 금속 분말의 양은 적어도 2개의 금속 분말 층을 형성하기에 충분하다.
금속 분말 층의 적어도 일부를 압밀하는 단계는 결합, 소결, 및/또는 용융을 포함할 수도 있다.
혼합 분말의 품질을 검증하는 단계는, (i) 혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 측정 및 평가하는 단계, 및/또는 (ii) 분말의 물리적 이송 데이터를 검토하는 단계를 포함할 수도 있다. 혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수는 데이터 저장소에 저장될 수도 있다.
분말의 물리적 이송 데이터는 분말 저장 데이터, 적층 제조 시스템의 식별 정보, 분말이 적층 제조 시스템으로 전달된 횟수, 및/또는 분말이 제2 분말과 혼합된 횟수를 포함할 수도 있다.
상기 단계 중 적어도 하나와 연관된 프로세스 데이터가 수집될 수도 있으며; 수집된 프로세스 데이터는 데이터 저장소에 저장될 수도 있다. 프로세스 데이터는 압밀 단계 동안의 레이저 전력, 압밀 단계 동안의 레이저 속도, 또는 형성된 층의 두께를 포함할 수도 있다. 혼합 분말의 품질을 검증하는 단계는 수집된 프로세스 데이터를 검토하는 단계를 포함할 수도 있다.
혼합 분말의 분말 재료 매개 변수는 간극 원소 화학 특성, 치환 원소 화학 특성, 미량 원소 분석, 겉보기 밀도, 탭 밀도(tap density), 입자 크기 분포, 습도, 분말 형상, 분말 형태학, 홀 흐름(Hall flow), 카니 흐름(Carney flow), 체 사양, 포획 가스 함량, 유변학적 안정성 지수, 및/또는 휴식 각도일 수도 있다.
혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 측정하는 단계는 광학 이미지를 촬영하는 단계, 주사 전자 현미경 이미지를 촬영하는 단계, 단면 이미지를 촬영하는 단계, 전기량 적정을 수행하는 단계, 및/또는 비중측정법을 수행하는 단계를 포함할 수도 있다.
폐쇄형 분말 용기는 제1 금속 분말이 제조 후 선적되는 선적용 분말 용기를 포함할 수도 있다. 제1 금속 분말은 미사용 금속 분말일 수도 있으며, 위에 설명된 단계들을 수행하기 전에 제1 금속 분말이 선적용 분말 용기로부터 폐쇄형 금속 분말 용기로 이송될 수도 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명의 실시예는 적층 제조용의 연속적인 폐루프 금속 분말 관리 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 자동화된 금속 분말 이송 시스템을 사용하여, 적어도 하나의 센서, 추적기, 또는 광학 장치를 포함하는 호퍼로부터 적어도 하나의 용기 센서, 용기 추적기, 또는 용기 광학 장치를 포함하는 폐쇄형 분말 용기로 적층 제조에 적합한 미사용 금속 분말을 이송하는 단계를 포함한다. 분말 용기는 적층 제조 시스템에 연결되어 폐루프로 분말 이송을 수행한다.
금속 분말이 분말 용기로부터 적층 제조 시스템으로 전달된다. 적층 제조 시스템이 작동되어 적층 제조 시스템의 구축용 플레이트의 위에 금속 분말의 적어도 하나의 층을 형성한다. 금속 분말 층의 과잉 부분은 분말 형태로 남아 있는 상태로, 적어도 하나의 금속 분말 층의 일부가 압밀된다. 이들 두 단계가 적어도 한 번 반복된다.
과잉 금속 분말은 적층 제조 시스템으로부터 상기 분말 용기, 제2 용기, 또는 내부 분말 용기로 이송된다. 상기 분말 용기, 제2 용기, 또는 내부 분말 용기에 미사용 금속 분말이 추가되어 혼합 분말을 형성하며, 혼합 분말의 품질이 검증된다. 금속 분말을 적층 제조 시스템에 연결하는 것으로 시작하는 선행 단계들이 검증된 혼합 분말을 사용하여 적어도 한 번 반복된다. 상기 단계 중 적어도 하나와 연관된, 분말의 물리적 이송 데이터가 수집되어, 데이터 저장소에 저장된다. 이들 각각의 단계 동안 센서, 추적기, 광학 장치, 용기 센서, 용기 추적기, 및/또는 용기 광학 장치에 전자적으로 접근 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 시스템을 예시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 대형 분말 베드(powder bed) 시스템 상에서의 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 시스템을 예시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 감소된 체적의 용기를 활용하는 소형 분말 베드 시스템 상에서의 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 시스템을 예시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 금속 분말 관리 시스템 내부에서 사용될 수 있는 장비의 예들을 예시한 엔지니어링 스케치이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 데이터 전송의 예시적인 구현을 예시한 개략도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 호퍼를 수용하기 위한 베이스 유닛의 사시도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 디캔팅 시스템의 정면도이다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 도킹 스테이션의 정면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐루프 금속 분말 관리 시스템의 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 대형 분말 베드(powder bed) 시스템 상에서의 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 시스템을 예시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 감소된 체적의 용기를 활용하는 소형 분말 베드 시스템 상에서의 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 시스템을 예시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 금속 분말 관리 시스템 내부에서 사용될 수 있는 장비의 예들을 예시한 엔지니어링 스케치이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 데이터 전송의 예시적인 구현을 예시한 개략도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 호퍼를 수용하기 위한 베이스 유닛의 사시도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 디캔팅 시스템의 정면도이다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 도킹 스테이션의 정면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐루프 금속 분말 관리 시스템의 사진이다.
폐루프 금속 분말 관리의 설명 및 장점
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 시스템(100)은, (a) 금속 분말(예를 들어, 원소 원료 또는 사전 합금 처리된 마스터멜트(mastermelt))을 생성하는 데 사용되는 공급 원료, (b) 금속 분말 분무기, (c) 스크리닝(screening) 작업, (d) 생산된 금속 분말의 특성을 확인하기 위한 실험실 테스트, (e) 생산된 금속 분말이 충전된 금속 분말 용기, 예를 들어, 호퍼, (f) 디지털 방식으로 준비된 적층 제조 설계("구축용 파일(build file)"이라고도 함), (g) 적층 제조 기계, (h) 반복 스크리닝, 서로 다른 호퍼 간의 충전 또는 뱃치(batch)의 조합, 및 분말 특성 재시험을 포함할 수도 있는 금속 분말 재활용, 및 (i) 적층 제조 기계에서 금속 분말을 압밀하여 제조된 적층 제조 물품 및 테스트용 시편을 포함한다. 데이터는 이러한 각각의 작업으로부터 수집되며, 예를 들어, 데이터 집계 및 분석 목적으로 기관의 기업 자원 계획(ERP) 또는 중앙 IT 시스템(k)에 연결될 수 있는 클라우드 기반 소프트웨어 시스템(j)에 의해 포획된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 대형 분말 베드 시스템 상에서의 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 시스템(200)은, 금속 분말이 공급되는 생산 시설(210), 미사용된, 사용된(과잉), 또는 블렌딩된(혼합된) 금속 분말이 사전 충전된 용기(220), 예를 들어, 호퍼, 용기를 자동으로 도킹하며 금속 분말을 적층 제조 기계(235)에 반입하기 위한 자동 디캔팅(decanting) 시스템(230), 제어된 환경(240) 하에서 (반(semi))-고갈된 용기에 미사용 금속 분말을 추가하기 위한 분말 추가 스테이션(240), 하나의 용기에서 다른 용기로 금속 분말을 이송하며 원하지 않는 대형 입자 및 원하지 않는 덩어리를 제거하기 위한 체질 스테이션(250), 원료 재활용 생산 스트림(265)으로부터 고가의 폐기물을 추출하기 위한 추출 스테이션(260), 완전히 밀봉된 용기 내부에서 조합된 뱃치의 금속 분말을 블렌딩하기 위한 블렌딩 스테이션(270), 및 용기를 생산 사이클로 반환하기 전에 재료의 품질을 검증하기 위한 조합된/블렌딩된 분말 샘플을 보유한 실험실 테스트기(280)를 포함한다. 각각의 스테이션의 와이파이 아이콘은 데이터가 무선으로 폐루프 시스템 내부의 스마트 장치로부터 전달되어 데이터 저장소, 예를 들어, 중앙 집중식 소프트웨어 데이터베이스에 포획되는 것을 예시한다.
도 2에 도시된 분말 관리 시스템은 일괄 처리(batch processing) 시스템의 일 예이다. 일괄 처리는 제어된 방식으로 적층 제조 시스템에 대해 재료를 순차적으로 추가 및/또는 제거하여, 분말 재료 전체가 원래 재료 로트(lot)로 명확하게 추적될 수도 있는 것을 의미한다. 일괄 처리는 외부에서 혼합되거나 블렌딩된 로트를 적층 제조 시스템에 제공하는 단계를 포함하며, 이에 따라 공급 원료 분말이 구축 사이클 이후 시스템으로부터 제거되어, 시스템의 재충전 전에 시스템 외부의 동일하거나 상이한 뱃치로부터 추가 분말이 보충되며, 체질되며, 및/또는 혼합된다.
연속적인 처리는 내부 분말 재순환 루프를 포함하는 적층 제조 시스템에 재료 뱃치를 추가하는 처리이다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 뱃치로부터 제공되는 외부에 유지된 분말이 각각의 구축 사이클 후에 AM 시스템에 추가된다. 그러나, 충전 후에는 전형적으로, 분말이 시스템으로부터 제거되는 대신 내부 용기에 축적되는 것이 허용된다. 각각의 구축 사이클 후에, 내부 용기로부터 더 많은 분말 공급 원료가 전달되어 새로운 구축 시퀀스가 시작된다. 따라서, 순환 분말이 서로 다른 상대 분율로 혼합되는 점점 더 많아지는 로트 세트를 포함할 수도 있다. 따라서, 어느 한 순간에, 하위 뱃치 또는 로트에 관하여 분말의 정확한 조성은 알 수 없지만, 기계에 삽입된 모든 분말의 원래 로트 식별자는 로트 식별자가 추가될 때 추적될 수도 있다.
내부 용기는 고정된 분말 사일로로서 적층 제조 시스템에 연직 연결되는 호퍼, 빈(bin), 수집기, 또는 기타 베셀(vessel)이다. 내부 용기는 전형적으로, 스테인레스강이나 유사한 재료로 제작된다. 구축 후 축적된 과잉 분말은 AM 시스템 넘침용 빈, 구축용 챔버, 및/또는 분말 제거 공간으로부터 역으로 내부 용기로 재순환되어 다음 구축 준비 시퀀스를 대기한다. 전형적으로, 분말은, 분말이 시스템으로부터 제거되는 일 없이, 내부 용기로 돌아가기 전에 대형 입자를 제거하기 위해 그때그때 즉시 체질된다. 특정 실시예에서, 내부 용기는 적층 제조를 위한 구축용 챔버와 별개의 장비의 내부에 수용되며, 이때의 내부 용기는 분말이 전체 시스템으로부터 제거될 필요가 없도록 폐루프 배관에 의해 연결되어 있는 상태이다. 이러한 다중 장비형 폐루프 시스템은 상업적으로, 예를 들어, 자동 분말 회수 시스템, ICPM, ICM 등으로 지칭될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른, 감소된 체적의 용기를 활용하는 소형 분말 베드 시스템 상에서의 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 시스템(300)은, 금속 분말이 생성되는 생산 시설(210), 미사용된, 사용된, 또는 블렌딩된 금속 분말이 사전 충전된 용기(320), 예를 들어, 호퍼, 더 큰 호퍼로부터 (반)-고갈된 감소된 체적의 제2 용기 내로 금속 분말을 이송("탑-오프(top off)")하기 위한 자동화된 디캔팅 시스템(330), 완전히 충전된 감소된 체적의 제2 용기(340), 원하지 않는 지나치게 큰 입자 및 원하지 않는 덩어리를 제거하기 위한 체질 스테이션(350), 원료 재활용 생산 스트림(365)으로부터 고가의 폐기물을 추출하기 위한 추출 스테이션(360), 사전 충전 용기("진행 중 작업 완료(Work In Progress(WIP) Out)" 재고)용 스테이징(staging) 위치(370), 분말 용기로부터 금속 분말이 반입되는 적층 제조 기계(380), (반)-비워진 용기에 충전되는 기계로부터의 사용 분말의 배출 스트림(385), 사용된 금속 분말이 담긴 용기(390), 사용된 분말 용기("WIP in(진행 중 작업 진행)")용 스테이징 위치(395)를 포함한다. 각각의 스테이션의 와이파이 아이콘은 데이터가 무선으로 폐루프 시스템 내부의 스마트 장치로부터 전달되어 데이터 저장소, 예를 들어, 중앙 집중식 소프트웨어 데이터베이스에 포획되는 것을 예시한다.
예를 들어, 도 1 내지 도 3에 표시된 폐루프 시스템을 사용하면 사용자는 ㅇ일괄 처리 적층 제조 작업 및 연속적 적층 제조 작업을 모두 실행할 수 있으며, 동시에 언제나 금속 분말의 이력을 감사하거나 검색할 수도 있어 안심할 수 있는 "뒷면에서의(behind the scenes)" 추적성을 유지할 수 있다. 시스템은 사용자가 포획한 모든 데이터를 한 곳에 저장하여 분말의 디지털 "지문"과 계보를 생성한다. 데이터에는, 제조 중인 구성 요소 또는 프로세스에 특화될 수도 있는, 통계적 프로세스 제어(SPC), 주요 프로세스 변수(KPV), 주변/환경 정보, 실시간 추적 정보, 분말의 물리적 및 화학적 특성, 및 사용자가 정의한 기타 관련 정보가 포함될 수도 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 명세서에 설명된 시스템은 전체 관리망과 재료 공급원 출처를 확보하기 위해 금속 분말 공장으로부터 내내 이어진 폐루프 수직 통합 공급망이다.
본 발명의 실시예에 사용되는 금속 분말은 미립자 형태로 분해된 원소 금속 또는 둘 이상의 금속의 합금이다. 분말은 단일 금속 원소, 혼합 원소 입자, 또는 사전 합금 처리된 입자를 포함할 수도 있다. 전형적인 금속 및 합금 분말에는 철, 니켈, 코발트, 티타늄, 구리, 알루미늄, 니오븀, 지르코늄, 및 기타 주요 원소를 기반으로 한 분말이 포함된다. 예를 들어, 종래의 합금형 분말은 티타늄-6 알루미늄-4 바나듐("Ti6Al4V")이다. 입자는 구형, 바늘형, 뭉쳐진 형태, 또는 무정형일 수도 있다. 전형적인 입자 크기는 1 ㎛ 내지 250 ㎛의 범위이다. 금속 분말은 가스 원자화, 물 원자화, 플라즈마 원자화, 원심 처리, 및 기타 제조 방법을 사용하여 제조될 수도 있다.
금속 분말 재료는 전체 적층 제조 및 재활용 공정 전반에 걸쳐 분말 운송을 위한 일체형 "베이스 유닛"으로서 유지되는 사전 충전된 호퍼 또는 기타 용기와 같은 용기에 선적된다. 이와 관련하여, 호퍼는, 잉크가 충전될 수 있으며 프린터에 직접 연결될 수 있으며 일단 비워지면 환경 친화적인 폐기, 청소, 또는 새 잉크 보충을 위해 원래 제조 업체로 반환될 수 있는, 잉크젯 프린터의 인쇄 카트리지와 유사하게 작용한다.
폐루프 내부의 제어 분위기 또는 비활성 분위기는 원자화로부터 인쇄 부품에 이르기까지 유지된다. 분위기가 원하는 조건으로부터의 이탈이나 탈출에 대해 모니터링될 수도 있어, 사용자는 작업을 계속할지 여부에 대해 정보 기반 결정을 내릴 수 있다. 예를 들어, 금속 분말이 들어 있는 용기는, 관련 규정에 따라 제작되는 압력 용기를 구성하지는 않는, 최대 0.2 Bar의 압력까지 아르곤 또는 질소와 같은 비활성 가스로 재충전될 수도 있다.
금속 분말은 도 1 내지 도 3에 도시된 프로세스 단계 전반에 걸쳐 생산 시설에 반입되는 시점부터 비활성 분위기와 접촉 상태를 유지하여 인체가 금속 분말에 노출되는 것을 방지하거나 크게 줄인다. 적층 제조에 사용되는 미세 분말은 작업자와 직접 접촉할 경우 호흡 문제, 알레르기 반응, 발암성, 또는 기타 부정적인 영향을 포함하여 건강에 위험을 초래할 수도 있다. 현재 사용 가능한 적층 제조 시스템은 금속 분말이 개방 용기에서 노출되는 하나 또는 복수의 단계를 필요로 한다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 완전 폐루프는 잠재적인 작업자 노출 지점을 모두 제거한다.
도 4를 참조하면, 엔지니어링 도면에는 폐루프 금속 분말 관리 시스템에 사용될 수도 있는 다양한 장비의 사시도가 포함되어 있다. 이 장비는 호퍼(400)과 같은 용기, 디캔팅 시스템(410), 자동화된 금속 분말 이송 시스템(420), 자동화된 혼합 시스템(430), 자동화된 디캔팅 시스템(430), 및 소프트웨어 에코시스템(440)을 포함한다.
적층 제조용의 연속적인 폐루프 금속 분말 관리 방법
도 1 내지 도 3에 도시된 시스템과 같은 폐루프 금속 분말 관리 시스템은 다음과 같은 적층 제조에 사용될 수도 있다.
일 실시예에서, 폐쇄 용기로부터의 금속 분말이 적층 제조에 사용될 수도 있으며, 과잉 금속 분말은 원래의 폐쇄형 용기 내로 이송될 수도 있으며, 미사용 금속 분말이 과잉 금속 분말에 추가되어 혼합 분말(본 명세서에서 블렌딩된 분말이라고도 함)을 만들 수 있으며, 혼합 분말은 이후 적층 제조에 사용될 수도 있다.
특히, 센서, 추적기, 및/또는 광학 장치를 포함하는 폐쇄형 분말 용기에 금속 분말이 배치되는 상태로, 적층 제조에 적합한 미사용 금속 분말이 획득될 수도 있다. 폐쇄형 용기는 미사용 금속 분말이 제조 후 선적되는 선적용 용기일 수도 있다. 대안으로서, 선적용 분말 용기로부터의 미사용 금속 분말이, 예를 들어, 자동화된 도킹 시스템과 같은 자동화된 금속 분말 이송 시스템을 사용하여 폐쇄형 분말 용기 내로 직접 또는 간접적으로 이송될 수도 있다(도 6b 및 관련 설명 참조). 이 실시예에서, 선적용 분말 용기는 센서, 추적기, 및/또는 광학 장치를 포함하며, 폐쇄형 분말 용기는 용기 센서, 용기 추적기, 및/또는 용기 광학 장치를 포함한다.
분말 용기는 적층 제조 시스템에 연결되어 폐루프로 금속 분말 이송을 수행한다. 일부 실시예에서, 분말 용기는 자동화된 금속 분말 이송 시스템에 의해 적층 제조 시스템에 연결되어 폐루프로 금속 분말 이송을 수행하며, 자동화된 금속 분말 이송 시스템은 프로그래밍 가능한 논리 제어부와 같은 공압 제어부 및/또는 전자 제어부에 의해 제어 가능하며, 적층 제조 시스템으로의 계량된 양의 금속 분말의 전달을 제어하도록 구성된다. 자동화된 금속 분말 이송 시스템에 대한 추가의 세부 사항은 도 6a 내지 도 6c와 관련하여 이하 제공된다.
금속 분말이 분말 용기로부터 적층 제조 시스템으로 전달된다. 금속 분말을 전달하는 단계는 분말을 적층 제조 시스템 내부의 분말 저장 사일로로 전달하는 단계를 포함할 수도 있으며, 전달된 금속 분말의 양은 후속 적층 제조 단계 동안 금속 분말의 적어도 2개 층을 형성하기에 충분하다.
적층 제조 시스템이 작동되어 적층 제조 시스템의 구축용 플레이트의 위에 금속 분말의 적어도 하나의 층을 형성한다. 금속 분말 층의 과잉 부분은 분말 형태로 남아 있는 상태로, 적어도 하나의 금속 분말 층의 일부가 압밀될 수도 있다. 압밀에는 결합, 소결, 및/또는 용융이 포함될 수도 있다.
금속 분말 전달 및 압밀 단계가 적어도 한 번 반복된 후, 적층 제조 시스템으로부터의 과잉 금속 분말이 분말 용기 또는 제2 분말 용기(일괄 처리의 경우) 또는 내부 분말 용기(연속적인 처리의 경우) 내로 이송된다. 분말 용기, 제2 분말 용기, 또는 내부 분말 용기에 있는 과잉 금속 분말에 미사용 금속 분말이 추가되어 혼합 분말을 형성한다. 일부 실시예에서는 혼합 분말이 블렌딩될 수도 있다.
혼합 분말의 품질이 검증된다. 혼합 분말을 검증하는 단계는 간극 원소 화학 특성, 치환 원소 화학 특성, 미량 원소 분석, 겉보기 밀도, 탭 밀도(tap density), 입자 크기 분포, 습도, 분말 형상, 분말 형태학, 홀 흐름(Hall flow), 카니 흐름(Carney flow), 체 사양, 포획 가스 함량, 유변학적 안정성 지수, 및/또는 휴식 각도와 같은 혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 측정 및 평가하는 단계를 포함할 수도 있다. 혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 측정하는 단계는 광학 이미지를 촬영하는 단계, 주사 전자 현미경 이미지를 촬영하는 단계, 단면 이미지를 촬영하는 단계, 전기량 적정을 수행하는 단계, 및/또는 비중측정법을 수행하는 단계를 포함할 수도 있다. 혼합 분말의 분말 재료 매개 변수는 데이터 저장소에 저장될 수도 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 데이터 저장소는 메타데이터, 즉, 데이터를 정의하는 데 사용되는 설명자로 분류되고 태그가 지정된 구조화된 및/또는 구조화되지 않은 정보의 디지털 저장소 또는 아카이브이다. 데이터 저장소는 단일 구조의 데이터베이스, 데이터베이스 세트, 데이터 웨어하우스, 데이터 레이크, 및 디지털 정보를 위한 기타 구성 도구일 수도 있거나 이를 포함할 수도 있다.
일부 실시예에서, 과잉 분말의 분말 재료 매개 변수가 측정될 수도 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 혼합 분말의 품질은 분말의 물리적 이송 데이터를 검토함으로써 검증될 수도 있다. 분말의 물리적 이송 데이터는 분말 저장 데이터, 적층 제조 시스템의 식별 정보, 분말이 적층 제조 시스템으로 전달된 횟수, 및/또는 분말이 미사용 분말과 혼합된 횟수를 포함할 수도 있다.
프로세스 데이터가 수집될 수도 있으며, 선택적으로 데이터 저장소에 저장될 수도 있다. 프로세스 데이터는 압밀 단계 동안의 레이저 전력, 압밀 단계 동안의 레이저 속도, 또는 적층 제조 시스템에 의해 형성된 층의 두께를 포함할 수도 있다. 혼합 분말의 품질을 검증하는 단계는 수집된 프로세스 데이터를 검토하는 단계도 포함할 수도 있다.
분말 용기를 적층 제조 기계에 연결하는 것으로 시작하는 상기 단계들은 검증된 혼합 분말을 사용하여 적어도 한 번 반복될 수도 있다. 이들 단계를 반복하기 전에, 혼합 분말이 체를 통해 체질될 수도 있다.
상기 단계 중 적어도 하나와 연관된, 분말의 물리적 이송 데이터가 수집된다.
혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수 및/또는 분말의 물리적 이송 데이터가 데이터베이스에 저장된다.
이들 각각의 단계 동안 센서, 추적기, 광학 장치, 용기 센서, 용기 추적기, 및/또는 용기 광학 장치에 전자적으로 접근 가능하다.
다른 실시예에서, 제1 금속 분말이 적층 제조 시스템에서 압밀된다. 상기 압밀 단계 후, 과잉 금속 분말이 과잉 분말 용기로 이송되며, 제2 금속 분말이 추가되어 혼합 분말을 형성한다. 제1 금속 분말과 제2 금속 분말은 동일한 조성을 가질 수도 있으며, 단일 뱃치, 즉, 분말 제조업체에 의해 제공되는 단일 분무화 열 또는 블렌딩된 로트로부터 나올 수도 있다. 다른 실시예에서는, 제1 및 제2 금속 분말이 서로 다른 뱃치, 즉, 서로 다른 분무화 열 또는 서로 다른 블렌딩된 로트로부터 나온다. 제1 금속 분말은 미사용 금속 분말일 수도 있다.
금속 분말의 실험실 테스트
본 명세서에 설명된 바와 같이 적층 제조에 사용되는 분말은 금속제의 복수의 미립자를 포함한다. 미립자는 100 nm 내지 250 ㎛의, 예를 들어, 15 ㎛ 내지 45 ㎛ 또는 <22 ㎛의 범위의 선택된 평균 입자 크기를 가질 수도 있다.
실험실 테스트는 금속 분말을 적층 제조 기계(예를 들어, 도 1의 단계 (d))로 처음 이송하기 전 및/또는 적층 제조 사이클 이내의 임의의 단계에서 획득된 샘플에 대해 실행될 수도 있다. 실험실 테스트는 금속 분말 보유 샘플을 획득함으로써 수행된다. 샘플의 양은, 예를 들어, 분말 250 g일 수도 있다. 일반적으로, 사용자는 하나의 분말 뱃치를 미사용 뱃치 또는 다른 사용된(과잉) 뱃치(즉, 재활용 분말 또는 미사용 분말과 재활용 분말을 포함하는 혼합 분말)와 블렌딩하거나, 체질하거나, 달리 혼합하는 단계를 포함할 수 있는 재활용 단계 후에 분말을 테스트한다.
사용자는 실험실 테스트를 수행할 작업 단계와 각각의 단계에서 수행할 일련의 테스트를 특정하는 샘플링 계획을 정의할 수도 있다. 테스트 결과는 분말 관리 소프트웨어에 기록되며, 분말의 디지털 스레드(digital thread)와 디지털 지문이 유지되는 것을 보장하기 위해 샘플 식별 정보 세부 사항과 함께 태그가 지정된다. 대안으로서, 테스트 결과가 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)를 통해 실험실 장비로부터 소프트웨어 데이터 저장소로 전송될 수도 있다.
분말에 대해 수집된 실험실 데이터에는 화학 원소 측정, 체 측정 또는 레이저 회절에 의한 입자 크기 분포(PSD), 홀 흐름, 카니 흐름, 휴식 각도, 겉보기 밀도, 탭 밀도, 비중측정, 단면 이미징, 디지털 카메라 이미징, 입자 색상 분석, 광학 현미경 이미징, 공초점 현미경 이미징, 주사 전자 현미경 이미징, 중량 감소에 따른 수분 분석, 전기량 적정, 칼 피셔 적정(Karl Fisher titration), 안정성 지수에 따른 유변학, 기본 흐름 지수; 원형성, 연신율, 볼록성, 또는 종횡비에 따른 형태학; 및 기타 측정치의 임의의 조합이 포함될 수도 있다.
분말을 측정하면 사용자가 금속 분말이 열하되거나 사양을 벗어난 시기를 결정하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 과도하게 산화된 분말, 오염된 분말, 변형되거나 각진 분말을 적층 제조 공정에서 다시 재활용할 경우 품질 관련 위험이 발생할 수도 있다.
금속 분말 관리 시스템 소프트웨어는 분말이 겪었을 수도 있는 다양한 용기 및 기계를 포함하여 전체 수명 주기에 대한 세부 정보와 함께 금속 분말 뱃치에 대한 데이터를 표시한다. 이것은 최종 사용 인쇄 부품의 품질과 관련하여 분말 용기 추적성과 실험실 테스트 결과의 중요성을 강조하며 시각화한다.
비어 있는 분말 용기의 충전
본 발명의 실시예에서, 분말 용기는 호퍼, 베셀, 병, 또는 다른 저장부일 수도 있다. 예를 들어, 용기가 스테인레스강으로 구성된 호퍼일 수도 있으며, 또는 병이 플라스틱으로 구성될 수도 있다. 이 시스템은, 복수의 더 작은 병에 비해, 더 큰 용기를 사용하여 관리하기가 더 쉽다. 예를 들어, 내부 체적이 120L 내지 240L인 호퍼가 다양한 적층 제조 작업에 유용하다. 밀봉된 용기는 금속 분말 흐름에 해로운 습기 침투 위험을 완화한다. 적합한 호퍼는, 예를 들어, 펜실베니아주 필라델피아 소재의 카펜터 애딕티브(Carpenter Additive)로부터 입수 가능한 카펜터 애딕티브 파우더 트레이스(Carpenter Additive PowderTrace™) 호퍼일 수도 있다.
분말 용기에는 다른 베셀로부터 수동으로 또는 자동으로 분말을 이송함으로써 금속 분말이 충전된다. 이 작업은 비활성 분위기와 같은 제어 조건 하에서 수행될 수도 있다. 분말 용기가 충전되고 나면, 용기가 아르곤과 같은 비활성 가스로 다시 채워져 수분이나 산소가 분말과 직접 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
금속 분말의 환경 및 주변 조건 모니터링
본 발명의 실시예에서, 호퍼와 같은 분말 용기 및 체, 블렌더, 적층 제조 기계 이송 라인과 같은 기타 분말 취급 장비는 주변 조건이나 호퍼 내부 환경 조건을 실시간으로 현장에서 모니터링하는 전자 센서를 구비한다. 센서는 산소, 온도, 압력, 습도, 가시 광선 스펙트럼의 카메라를 사용한 분말 색상, 적외선 스펙트럼 색상, 분말 유동성, 분말 형태학, 분말 용기 내 분말 레벨, 분말 용기 내의 분말 질량, 분말의 오염 물질, 및 기타 특성의 임의의 조합을 측정할 수도 있다. 오염 물질은, 예를 들어, 물/습기, 이물질, 기타 분말 합금 등일 수도 있다.
센서로부터의 데이터는 정보를 로그(log)하고 추적성을 보장하기 위해 이 정보를 뱃치 및 호퍼 식별 정보와 함께 저장하는 시설 내의 전자적 수신 허브로 무선으로(예를 들어, 와이파이 신호 또는 저전력 고주파 신호를 통해) 전송된다.
도 5를 참조하면, 와이파이 아이콘은 데이터가 무선으로 폐루프 시스템 내부의 스마트 장치로부터 전달되어 데이터 저장소, 예를 들어, 중앙 집중식 소프트웨어 데이터베이스에 포획되는 것을 예시한다. 이 예시적인 예에서, 금속 분말을 내포한 용기(220), 예를 들어, 호퍼는 온도가 8℃이며 습도가 40%인 물류 영역(500)으로부터 호퍼의 온도가 동일하게 유지되며 습도는 20%로 떨어진 적층 제조 생산 셀(510)로 이동된다. 그러나, 적층 제조 셀(520)의 주변 온도는 28℃로 더 높다. 작업자가 호퍼를 개방하면, 온도차로 인해 금속 분말에 습기가 응결되어 품질에 영향을 줄 수도 있다. 소프트웨어 기반 금속 분말 관리 시스템(530)은 물류 영역(500) 및 적층 제조 생산 셀(510, 520)의 모든 센서를 모니터링하며, 사용자에게 너무 높은 이슬점을 유발할 수 있으므로 호퍼를 "개방하기에 안전"하지 않다는 신호 및 사용자가 X시간을 기다려야 한다는 신호를 제공한다. 온도가 평형을 이루면(535), 예를 들어, X시간 후(25℃의 온도 및 20%의 습도에서), 소프트웨어는 호퍼를 "개방하기에 안전"하며 금속 분말이 적층 제조 기계(235)로 반입될 수 있다는 신호(540)를 제공한다.
일부 실시예에서, 센서 또는 장비는 금속 분말이 사용하기에 안전하거나 이송하기에 안전한 시기를 최종 사용자에게 알려주는 색상의 광과 같은 시각적인 "실행/실행 중지" 신호를 갖추고 있을 수도 있다. 예를 들어, "사용하기에 안전"한 조건은, 다른 위치로부터의 이송 후, 분말 온도가 주변 적층 제조 시설 온도와 평형을 이루는 경우일 수도 있다. 온도차가 너무 크면, 주변 공기의 습도가 이슬점 아래에서 분말을 응축시켜 분말 품질 저하나 원하지 않는 수분 유입을 야기할 수도 있어, 확산 불량(분말의 "클럼핑(clumping)"), 수소 취성 또는 기타 불리한 메커니즘으로 인해 적층 제조된 구성 요소의 속성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 다른 실시예에서는, 시각적 신호가 실험실 데이터 또는 분말 뱃치로부터의 현장 특성화 데이터에서 식별된 잠재적인 품질 편차를 최종 사용자에게 경고한다.
다른 실시예에서는, 분말 용기, 예를 들어, 호퍼가 폐루프 시스템 내부의 임의의 지점에서 분말의 수명주기 전반에 걸쳐 분말 호퍼의 물리적 위치 추적성을 유지하기 위해, 예를 들어, 무선 주파수 식별(RFID) 또는 글로벌 위치 파악 시스템(GPS)을 사용하여 지리적 위치 추적기로서의 역할도 한다.
일부 실시예에서, 분말 용기는 분말의 형태학 및 색상을 실시간으로 모니터링하기 위해 디지털 카메라, 적외선 카메라, 또는 기타 이미징 장비와 같은 광학 장치를 포함할 수도 있다.
자동화된 분말 이송 시스템을 사용하여 적층 제조 기계에 금속 분말 반입
도 6a 내지 도 6c를 참조하여 이제, 금속 분말을 적층 제조 기계(예를 들어, 적층 제조 기계(235))로 자동으로 이송하기 위한 자동화된 금속 분말 이송 시스템이 추가로 상세히 설명된다. 본 발명의 실시예에서, 금속 분말은 적층 제조 기계의 구축용 챔버, 도싱(dosing) 체적, 또는 기계 내부의 별도의 사일로 내로 직접 반입될 수도 있다. 금속 분말 호퍼 또는 기타 분말 용기를 수용하도록 설계된 자동화된 금속 분말 이송 시스템을 사용하여 스테인레스강 금속 분말 호퍼로부터 이송이 발생할 수도 있다.
자동화된 금속 분말 이송 시스템은 표준 어댑터를 사용하여 다양한 적층 제조 장비에 적용 가능하도록 설계된다. 자동화된 금속 분말 이송 시스템의 레이아웃과 설치 공간은 호퍼나 기타 분말 용기의 크기와 일치하며 제조 작업 현장의 바닥 공간 이용을 최소화하도록 설계된다. 자동화된 금속 분말 이송 시스템은 호퍼가 베이스 상에 직각으로 배치될 수 있도록 하기 위한 자가 안내(self-guiding) 특징부가 있는 지게차 차량을 사용하여 호퍼 또는 기타 분말 용기가 반입되는 것을 허용하도록 설계된다. 자동화된 금속 분말 이송 시스템은 호퍼에 대한 밀봉 연결부를 형성한다. 사용자는 프로그래밍 가능한 논리 제어부(PLC)를 통해 적층 제조 기계로 이송될 분말의 양을 특정할 수도 있다. 시스템은 호퍼로부터 적층 제조 기계 내로 진공 이송을 통해 특정된 체적 또는 질량의 금속 분말을 이동시킬 수도 있다.
특히, 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 분말 용기, 예를 들어, 금속 분말 호퍼를 수용하기 위한 베이스 유닛(600)의 사시도이다. 베이스 유닛은, 예를 들어, 120L 내지 240L의 금속 분말을 담을 수도 있는 분말 호퍼를 수용하도록 구성된 2개의 플랫폼 암(610)을 포함한다. 플랫폼 암은 유입 분말 호퍼의 자가 안내를 가능하게 하기 위해 측면과 후면에 수직 섹션(620)(가장자리)을 구비할 수도 있다. 각각의 플랫폼 암은, 예를 들어, 길이가 1 m 내지 2 m이며, 높이가 0.15 m이고, 폭이 0.15 m일 수도 있으며, 스테인리스강과 같은 강성 재료로 형성될 수도 있다. 플랫폼 암은 수직 섹션 사이에 분말 호퍼의 바닥을 배치할 수 있을 만큼 충분히 이격되어 있을 수도 있다. 예를 들어, 2개의 플랫폼 암을 따라 마주보는 2개의 수직 가장자리 사이의 거리는 0.5 m 내지 1 m일 수도 있다.
원추형 가이드(630)는, 호퍼 바닥면의 대응하는 개구와 짝을 이루도록 구성된, 호퍼의 직각 배치를 보장하기 위한 플랫폼 암의 상부면 상에 배치될 수도 있다. 도시된 실시예에는 4개의 가이드가 도시되어 있다. 더 많거나 더 적은 수의 가이드가 포함될 수도 있는 것으로 이해된다.
어댑터 플랜지 끼움구(640)가 베이스 유닛 조립체의 중앙에 배치된다. 어댑터 플랜지는 호퍼의 대응하는 끼움구(fitting)와 짝을 이루도록 구성된다. 2개의 끼움구가 수동으로 또는 자동으로 연결되어 분말 이송이 개시될 수도 있다.
베이스 유닛은 플랫폼 암 아래에 배치된 베이스를 포함한다. 베이스는 플랫폼 암 아래에 배치된 2개의 베이스 부재(650)를 포함할 수도 있다. 2개의 플랫폼 암과 바닥 사이의 거리는 조정될 수도 있다. 플랫폼 암과 베이스 유닛의 베이스 부재가 서로 분리되어, 실시간 중량 측정을 위해 그 사이에 응력 게이지나 스케일을 배치하는 것을 허용할 수도 있다. 적합한 응력 게이지 또는 스케일의 일 예로는 오메가(Omega)에서 제조한 KFH 시리즈 게이지가 있다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 자동화된 디캔팅 시스템(330)을 포함하는 자동화된 금속 분말 이송 시스템의 정면도이다. 자동화된 디캔팅 시스템(330)은 프레임(660), 예를 들어, 프레임의 바닥 부분에 트레이(665)가 배치된 스테인레스강 프레임의 상단에 배치된 도 6a의 베이스 유닛(600)을 포함한다. 관, 밸브, 및 끼움구가 있는 종래의 배관(670)이 베이스 유닛의 어댑터 플랜지와 연결되어 배치되어, 분말 용기의 연결을 허용할 수도 있다.
사용 시에, 프레임 상단 상의 베이스 유닛에 호퍼와 같은 용기(320)가 배치될 수도 있으며, 프레임 바닥 부분의 트레이에 제2 분말 용기(340)가 배치될 수도 있다. 호퍼(320)와 분말 용기(340)는 베이스 유닛의 어댑터 플랜지와 배관을 통해 연결될 수도 있다. 금속 분말은 수동 밸브, 프로그래밍 가능 밸브, 또는 기타 분배 제어 수단을 사용하여 상부 호퍼(320)로부터 하부의 제2 용기(340)로 이송, 즉, "디캔팅"될 수 있다.
이 레이아웃은 비교적 작은 체적의 금속 분말(예를 들어, 120L 미만)을 사용하는 적층 제조 기계용 폐루프 금속 분말 제어를 유지하는 데 유용하다. 예를 들어, 이 자동화된 금속 분말 이송 시스템은 도 3의 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 시스템과 사용될 수도 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서, 도 3에 도시된 자동화된 디캔팅 시스템(330)은, 특정 적층 제조 기계가 특정 유형의 용기를 수용하도록 설계되는 경우 필요할 수도 있는, 더 큰 호퍼로부터 더 작은 용기로의 또는 그 반대의 금속 분말 이송에 사용될 수도 있다. 금속 분말을 원래의 호퍼로부터 적층 제조 기계로 직접 이송하는 대신, 분말이 간접적으로 먼저 대체 용기로 이송된 다음, 적층 제조 기계 구축용 챔버, 도싱 체적부, 또는 기계 내부의 별도의 사일로로 이송된다. 계량된 양의 금속 분말을 호퍼로부터 별도의 용기로 이송하는 것도 공압식 제어부나 전자식 제어부, 예를 들어, 프로그래밍 가능한 논리 제어부(PLC))에 의해 제어될 수도 있다.
도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도킹 시스템(680)을 포함하는 자동화된 금속 분말 이송 시스템의 정면도이다. 이 도킹 시스템에서, 도 6a의 베이스 유닛(610)은 바닥에 배치된다. 베이스 유닛에는 호퍼와 같은 분말 용기(220)가 배치된다. 강성의 또는 유연한 관 조립체(685)가 베이스 유닛의 어댑터 플랜지, 예를 들어, KF 플랜지 어댑터에 장착되며, 적층 제조 기계(도시하지 않음)의 상단에 배치될 수도 있는 금속 분말 진공 유닛(690)이나 공압식 진공 컨베이어에 호퍼를 연결한다. 적합한 금속 분말 진공 유닛은 보크만 게엠베하(Volkmann GmbH)에서 제조한 공압식 진공 컨베이어의 멀티젝터(Multijector®) 라인이다. 제2 금속 분말 진공 유닛(690')이 호퍼의 상단에 배치되어 또 다른 연결 배관 세트(도시하지 않음)를 통해 반환 재료, 예를 들어, 과잉 금속 분말을 수용한다. 이 도킹 시스템은 분말 용기, 예를 들어, 호퍼와 적층 제조 기계 사이에 완전한 폐루프를 유지한다.
이 레이아웃은 더 큰 체적의 금속 분말(예를 들어, 120L 초과)을 사용하는 적층 제조 기계용 폐루프 금속 분말 제어를 유지하는 데 유용하다. 예를 들어, 이 자동화된 금속 분말 이송 시스템은 도 2의 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 시스템과 사용될 수도 있다.
사용 시에, 금속 분말은 기계 상단에 있는 진공 유닛으로 진공을 생성함으로써 적층 제조 기계로 이동된다. 과잉 금속 분말은 호퍼 위의 제2 진공 유닛에 의해 생성된 진공에 의해 적층 제조 기계 밖으로 용기, 예를 들어, 호퍼로 이동될 수도 있다.
적층 제조 기계와 비교하여, 아르곤 배압과 '사전 충전' 호퍼 사이에 압력 불균형이 있을 수도 있다. 압력 균형을 맞추고 과압을 방지하기 위해 파일럿 라인 시스템(pilot-line system)이 분말 이송 기구에 추가될 수도 있다. 더욱이, 자동 도킹 스테이션과 적층 제조 기계 사이에 밀봉 버터플라이 밸브가 추가되어 기계 분위기와의 연동 또는 압력 안전성을 유지할 수 있다. 이 시스템은 금속 분말 이송 중에 스파크가 발생하는 것을 방지하기 위해 정전기를 접지하도록 설계된다. 자가 점검 및 경보 안전 시스템이 자동 도킹 스테이션에 추가되어 원하지 않는 정전기 축적을 사용자에게 경고할 수 있다.
또한 도 2를 참조하면, 자동화된 금속 분말 이송 시스템은 고갈된 분말 질량의 보충 및 완전 충전을 위해 제어 환경(240)에서 미사용 금속 분말 또는 기타 사용된 금속 분말을 내포한 용기가 현장에서 '도킹 호퍼(docked hopper)'에 연결되는 것을 허용한다.
도 7을 참조하면, 사진은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 폐루프 금속 분말 관리 시스템 레이아웃을 나타낸다. 금속 분말 호퍼(220)가 자동 도킹 시스템(680) 상에 위치하며, 강성의 스테인레스강 배관(685)을 통해 적층 제조 기계(235)에 연결된다. 예를 들어, 호퍼와 같은 용기로부터 적층 제조 기계로의 또는 그 반대로의 금속 분말 이송이 2개의 금속 분말 진공 유닛(690, 690')을 사용하여 달성된다. 계량된 양의 금속 분말의 이송은 프로그래밍 가능한 논리 제어부 또는 공압식 제어부와 같은 전자식 제어부(700)에 의해 제어된다.
자동 도킹 스테이션과 적층 제조 기계 사이에 강성 배관이 사용되어 금속 분말 이동 거리와 굴곡 반경을 최소화하여, 막힘을 방지하고, 따라서 가동 시간을 최대화할 수도 있다. 배관에 자성 클램프를 사용하면 유닛을, 방해적인 조립(예를 들어, 기계 상으로의 나사 체결이나 볼트 체결) 없이, 적층 제조 기계에 연결할 수도 있다. 연결 배관은 기계 접근 패널과 간섭하지 않으며 설치 공간을 최소화할 뿐만 아니라 반입 및 반출 작업을 위한 양방향 금속 분말 이동을 허용하도록 설계된다.
금속 분말은 일시적으로 자체 지지되어 용기 내 흐름을 차단할 수 있도록 "브리지(bridge)"될 수 있다. 이것은 원추형 설계의 호퍼 유출구가 없는 분말 장비에서는 위험하므로, 이러한 상황을 피하기 위해 용기가 원추 각도로 설계될 수 있다. 분말은 "코어(core)" 또는 "매스(mass)" 흐름 방식으로, 즉, 용기 구멍의 중앙을 통해(코어) 또는 용기 측면을 따라(매스) 흐를 수 있다. 더 우수한 제어를 위해서는 매스 흐름이 바람직하므로, 호퍼는 다양한 범위의 분말 유형을 갖는 매스 흐름을 촉진하도록 설계되어야 한다. 이것은 출구 구멍으로 이어지는 호퍼 바닥에 가파른 각도를 가짐으로써 달성된다. 용기에 있는 재사용된 금속 분말 뱃치 상단에 미사용 금속 분말을 추가하는 경우, 매스 흐름 시나리오는 "후입-후출"(LILO) 재고 관리 조건을 제공하는 반면, 코어 흐름의 재고 시퀀스는 "후입-선출"(LIFO)이다.
적층 제조 구축 사이클 실행
적합한 적층 제조 방법은, 적층 제조 기술에 관한 ASTM 위원회 F42에서 발행한 STM F2792-12a에 정의된 바와 같은, ASTM에서 식별한 적층 제조의 7가지 범주, 즉, 바인더 분사, 지향성 에너지 증착, 마스크 이미지 투영 기반 광조형, 재료 압출, 재료 분사, 분말 베드 융합, 시트 적층 중 하나일 수도 있다. 더욱이, 파생 및 조합이 사용될 수도 있다. 본 발명의 실시예와 함께 사용하기에 적합한 적층 제조 시스템의 예에는, GE 애디티브(Additive), 레니쇼(Renishaw), SLM 솔루션스(Solutions), 데스크탑 메탈(Desktop Metal) 등이 포함된다.
적층 제조 프로세스 동안, 금속 분말 수명주기 관리 시스템 소프트웨어를 사용하여 주요 프로세스 변수 및 기타 정보가 모니터링, 수집, 저장, 집계, 처리 및 분석될 수도 있다. 예를 들어, 시스템은 적층 제조 기계로부터의 로그 파일 판독값, 온도, 습도, 프로세스 매개 변수(레이저 속도, 해치 간격, 빔 크기, 빔 속도, 레이저 전력, 및 기타 통계값 포함), 기계 공구 경로, 또는 총 입사 레이저 에너지(LPBF 구축 프로세스 내에서의 총 조사 체적에 걸쳐 통합된 레이저 에너지의 양으로서 정의됨)의 임의의 조합을 기록 및 모니터링할 수도 있다.
일 실시예에서, 시스템은 적층 제조 기계로부터의 배기 가스 스트림의 품질을 모니터링하고 기록한다. 예를 들어, 연기 검출 센서를 사용하여 적층 제조 프로세서로부터 발생하는 "그을음(soot)" 또는 탄 입자에 관하여 배기 가스의 품질을 기록할 수도 있다.
사용한 금속 분말의 재활용, 보충, 재시험
적층 제조 사용자의 근본적인 과제는, 특히 금속 분말을 여러 번 사용하려는 경우, 금속 분말 수명주기 관리 전반에 걸친 부품 재현성과 반복성이다. 금속 분말이 재사용되면, 품질이 저하되어 적층 제조된 구성 요소의 품질에 영향을 미칠 수 있다. 각각의 개별 공급원료 재료 및 용례는 사용자가 적절한 재활용 금속 분말의 양을 결정하는 데 사용할 수 있는 일련의 고유한 핵심 프로세스 변수(KPV)를 개발할 것을 필요로 한다. 본 명세서에 개시된 금속 분말 관리 시스템은, 작업이 연속 생산으로 전환될 때 근본적인 KPV가 식별될 수 있도록, 사용자가 광범위한 통계 및 조건을 모니터링한 다음 "빅 데이터" 분석 도구를 사용하는 것을 허용한다.
도 1의 분말 재활용(h) 및 체질 스테이션(250, 350)을 참조하면, 금속 분말 블렌딩 또는 체질은 폐루프의 호퍼 내부에서 또는 호퍼 사이에서 현장에서 개별 단계로서 수행되어 균질한 배치를 생성할 수도 있다. 일 예에서, 사용된 분말은 추출 스테이션(260, 360)에서 체질되며, 걸러진 지나치게 큰 입자는 별도의 호퍼 내부에 배치되어 고가의 폐기물로서 생산 시설이나 폐품 하치장으로 다시 보내진다. 블렌딩 또는 체질 후, 보유 금속 분말 샘플이 획득되어 분말 실험실 테스트를 반복할 수도 있으며, 그 결과는 해당 뱃치의 추적성 정보와 함께 데이터 수집 소프트웨어에 반입된다.
일 실시예에서, 사용된 금속 분말을 내포한 호퍼는, 재사용되기 전에 분말의 수분 함량을 줄이기 위해 동적 진공부를 당겨 호퍼를 배기하면서, 전기 가열 재킷, 오일 재킷을 사용하여 가열되거나, 가열된 오븐 내부에 배치된다.
용기 또는 과잉 분말 용기로의 분말 유도
적층 제조 단계가 완료된 후, 과잉 금속 분말이 호퍼로 돌아갈지, 아니면 과잉 금속 분말 호퍼로 돌아갈지 여부를 결정하여야 한다. 과잉 금속 분말의 운명은 통계적 프로세스 제어, KPV를 통한 모니터링에 의해, 또는 흐름, 유동학, 화학적 성질, 형태학, 다공성, 오염, 수분 함량, 재활용/이송 이력, 적층 제조 프로세스로부터 획득한 프로세스 데이터, 완성된 부품으로부터 획득한 재료 속성 데이터 등을 포함한 분말의 각종 특성을 지속적으로 모니터링하여 결정될 수도 있다. 이러한 결과 측정값 중 하나라도 재활용 전략 내의 어느 시점에서 사양을 벗어나는 경우, 금속 분말은 폐기물 스트림으로의 폐기 및/또는 격리를 위해 호퍼와 같은 과잉 금속 분말 용기로 보내질 수도 있다.
사용자는 특정 용례 및 공급 원료 재료에 따라 다양한 재사용 전략을 가질 수도 있다. 일 실시예에서, 생산 시 금속 분말의 질량이 고갈됨에 따라 블렌딩 및/또는 체질에 의해 추가의 미사용 금속 분말이 추가되어 선택적으로 혼합된다(이를 "미사용 분말 첨가(virgin-add)" 완충(top up) 전략이라고 한다). 다른 실시예에서, 결과의 금속 분말이 사용자가 결정한 사양 조건을 만족하는 경우, 다수의 뱃치의 재사용된 금속 분말이 블렌딩 및/또는 체질에 의해 혼합될 수 있다.
적층 제조 물품 및 시편 테스트
다시 도 1을 참조하면, 금속 분말 관리 시스템은 적층 제조된 샘플 속성에 대한 실험실 테스트로부터 수집된 정보를 수집하고 저장할 수도 있다. 예를 들어, 기계적 인장 속성, 피로 속성, 응력 파열, 열 전도성, 팽창 계수, 미세 구조, 화학적 성질, 부식 속성, 자성, 또는 임의의 기타 재료 데이터가 적층 제조되고 후처리된 샘플로부터 수집될 수도 있다.
일 실시예에서, 금속 분말 관리 시스템은 광범위한 재료 데이터, 재활용 데이터, 적층 제조 프로세스, 및 후처리(예를 들어, 열처리, 화학적 처리, 열간 등압 압축 성형 등) 데이터를 수집한다. 많은 프로세스 사이클에 걸쳐, 시스템은 사용자가 기계 학습, 강화 학습, 및 기타 인공 지능 기술을 포함한 분석을 수행하여 통찰력을 얻고 고성능 결과를 위한 엔드-투-엔드 프로세스(end-to-end process)를 최적화하도록 통계적으로 상당한 양의 데이터 또는 "빅 데이터"를 수집하는 것을 허용한다.
본 발명이 하나 이상의 바람직한 실시예와 관련하여 본 명세서에 상세히 설명되었지만, 본 개시 내용은 단지 예시적인 것으로서 본 발명의 예시일 뿐이며, 단지 본 발명의 완전하고 가능한 개시 내용을 제공할 목적으로만 이루어진 것임을 이해하여야 한다. 전술한 개시 내용은 본 발명을 제한하거나 임의의 이러한 다른 실시예, 개작, 변형, 수정, 또는 등가의 장치를 배제하도록 의도되거나 해석되지 않으며, 본 발명은 본 명세서에 첨부된 청구범위 및 그 등가물에 의해서만 제한된다.
Claims (44)
- a) 적어도 하나의 센서, 추적기, 또는 광학 장치를 포함하는 폐쇄형 분말 용기 내에 배치되는, 적층 제조에 적합한 미사용 금속 분말(virgin metal powder)을 획득하는 단계;
b) 공압식 제어부 또는 전자식 제어부 중 적어도 하나에 의해 제어 가능하며 계량된 양의 금속 분말을 적층 제조 시스템으로 전달하는 것을 제어하도록 되어 있는 자동화된 금속 분말 이송 시스템에 의해, 분말 용기를 적층 제조 시스템에 연결하여, 폐루프로 분말 이송을 수행하는 단계;
c) 분말 용기로부터 적층 제조 시스템으로 금속 분말을 전달하는 단계;
d) 적층 제조 시스템을 작동시켜, 적층 제조 시스템의 구축용 플레이트(build plate)의 위에 금속 분말의 적어도 하나의 층을 형성하는 단계;
e) 금속 분말 층의 과잉 부분이 분말 형태로 남아 있는 상태로, 상기 적어도 하나의 금속 분말 층의 일부를 압밀하는 단계;
f) 단계 d)와 단계 e)를 적어도 한 번 반복하는 단계;
g) 적층 제조 시스템으로부터 상기 분말 용기, 제2 분말 용기, 또는 내부 분말 용기로 과잉 금속 분말을 이송하는 단계;
h) 상기 분말 용기, 제2 분말 용기, 또는 내부 분말 용기의 과잉 금속 분말에 미사용 금속 분말을 추가하여 혼합 분말을 형성하는 단계;
i) 상기 혼합 분말의 품질을 검증하는 단계;
j) 검증된 혼합 분말을 사용하여 단계 b) 내지 단계 i)를 적어도 한 번 반복하는 단계;
k) 단계 a) 내지 단계 j) 중 적어도 하나와 연관된, 분말의 물리적 이송 데이터(powder physical transfer data)를 수집하는 단계; 및
l) 상기 분말의 물리적 이송 데이터를 데이터 저장소에 저장하는 단계
를 포함하며,
각각의 단계 a) 내지 단계 l) 동안 상기 적어도 하나의 센서, 추적기, 또는 광학 장치에 전자적으로 접근 가능한 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는, 분말 용기 내의 산소, 분말 용기 내의 온도, 분말 용기 내의 습도, 분말 용기 내의 압력, 분말 용기 내의 분말의 색상, 분말 용기 내의 분말의 형태학(morphology), 분말 용기 내에 배치된 분말의 레벨(level), 분말 용기 내에 배치된 분말의 질량, 또는 분말 용기 내에 배치된 분말의 오염 중, 적어도 하나를 측정하도록 되어 있는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제1항에 있어서,
단계 a) 내지 단계 l) 동안 비활성 분위기 하에 분말 및 과잉 분말을 유지하는 단계
를 추가로 포함하는. 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제1항에 있어서,
과잉 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 측정하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제1항에 있어서,
단계 b) 내지 단계 i)를 반복하는 단계 j) 전에, 체를 사용하여 혼합 분말을 체질하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제1항에 있어서,
검증 단계 전에 혼합 분말을 블렌딩(blending)하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제1항에 있어서, 상기 분말 용기로부터 적층 제조 시스템으로 금속 분말을 전달하는 단계 c)는, 금속 분말을 적층 제조 시스템 내부의 분말 저장 사일로(powder storage silo)로 전달하는 단계를 포함하며, 전달된 금속 분말의 양은 단계 d) 동안 적어도 2개의 금속 분말 층을 형성하기에 충분한 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 압밀 단계 d)는 결합(binding), 소결, 또는 용융 중, 적어도 하나를 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 혼합 분말의 품질을 검증하는 단계는, (i) 혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 측정 및 평가하는 단계, 또는 (ii) 분말의 물리적 이송 데이터를 검토하는 단계 중, 적어도 하나를 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 데이터 저장소에 저장하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제9항에 있어서, 상기 혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수는, 간극 원소 화학 특성(interstitial element chemistry), 치환 원소 화학 특성(substitutional element chemistry), 미량 원소 분석, 겉보기 밀도, 탭 밀도(tap density), 입자 크기 분포, 습도, 분말 형상, 분말 형태학, 홀 흐름(Hall flow), 카니 흐름(Carney flow), 체 사양, 포획 가스 함량, 유변학적 안정성 지수(rheometry stability index), 및 휴식 각도(angle of repose)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 측정하는 단계는, 광학 이미지를 촬영하는 단계, 주사 전자 현미경 이미지를 촬영하는 단계, 단면 이미지를 촬영하는 단계, 전기량 적정을 수행하는 단계, 또는 비중측정법을 수행하는 단계 중, 적어도 하나를 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 분말의 물리적 이송 데이터는, 분말 저장 데이터, 적층 제조 시스템의 식별 정보, 분말이 적층 제조 시스템으로 전달된 횟수, 및 분말이 미사용 금속 분말과 혼합된 횟수 중, 적어도 하나를 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제1항에 있어서,
단계 a) 내지 단계 j) 중 적어도 하나와 연관된 프로세스 데이터를 수집하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제14항에 있어서,
수집된 프로세스 데이터를 데이터 저장소에 저장하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제14항에 있어서, 상기 프로세스 데이터는, 압밀 단계 e) 동안의 레이저 전력, 압밀 단계 e) 동안의 레이저 속도, 또는 단계 d)에서 형성된 층의 두께 중, 적어도 하나를 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 혼합 분말의 품질을 검증하는 단계는 수집된 프로세스 데이터를 검토하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 폐쇄형 분말 용기는, 미사용 금속 분말이 제조 후 선적되는 선적용 분말 용기를 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제1항에 있어서,
단계 a) 이전에 선적용 분말 용기로부터 폐쇄형 분말 용기로 미사용 금속 분말을 이송하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - a) 적어도 하나의 센서, 추적기, 또는 광학 장치를 포함하는 폐쇄형 분말 용기 내에 배치되는, 적층 제조에 적합한 제1 금속 분말을 획득하는 단계;
b) 공압식 제어부 또는 전자식 제어부 중 적어도 하나에 의해 제어 가능하며 계량된 양의 금속 분말을 적층 제조 시스템으로 전달하는 것을 제어하도록 되어 있는 자동화된 금속 분말 이송 시스템에 의해, 분말 용기를 적층 제조 시스템에 연결하여, 폐루프로 분말 이송을 수행하는 단계;
c) 분말 용기로부터 적층 제조 시스템으로 금속 분말을 전달하는 단계;
d) 적층 제조 시스템을 작동시켜, 적층 제조 시스템의 구축용 플레이트의 위에 금속 분말의 적어도 하나의 층을 형성하는 단계;
e) 금속 분말 층의 과잉 부분이 분말 형태로 남아 있는 상태로, 상기 적어도 하나의 금속 분말 층의 일부를 압밀하는 단계;
f) 단계 d)와 단계 e)를 적어도 한 번 반복하는 단계;
g) 적층 제조 시스템으로부터, 적어도 하나의 과잉 분말 용기 센서, 과잉 분말 용기 추적기, 또는 과잉 분말 용기 광학 장치를 포함하는 과잉 분말 용기로, 과잉 금속 분말을 이송하는 단계;
h) 제2 금속 분말을 과잉 분말 용기에 추가하여 혼합 분말을 형성하는 단계;
i) 과잉 분말 용기의 혼합 분말의 품질을 검증하는 단계;
j) 과잉 분말 용기에 배치된 검증된 혼합 분말을 사용하여 단계 b) 내지 단계 i)를 적어도 한 번 반복하는 단계;
k) 단계 a) 내지 단계 j) 중 적어도 하나와 연관된, 분말의 물리적 이송 데이터를 수집하는 단계; 및
l) 분말의 물리적 이송 데이터를 데이터 저장소에 저장하는 단계
를 포함하며,
각각의 단계 a) 내지 단계 l) 동안 적어도 하나의 센서, 추적기, 광학 장치, 과잉 분말 용기 센서, 과잉 분말 용기 추적기, 또는 과잉 분말 용기 광학 장치 중, 적어도 하나에 전자적으로 접근 가능한 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제20항에 있어서, 상기 제1 금속 분말과 제2 금속 분말은 동일한 조성을 갖는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제21항에 있어서, 상기 제1 금속 분말과 제2 금속 분말은 각각, 단일 뱃치(batch)로부터 얻은 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 제1 금속 분말과 제2 금속 분말은 서로 다른 뱃치로부터 얻은 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 제1 금속 분말은 미사용 금속 분말인 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는, 분말 용기 내의 산소, 분말 용기 내의 온도, 분말 용기 내의 습도, 분말 용기 내의 압력, 분말 용기 내의 분말의 색상, 분말 용기 내의 분말의 형태학, 분말 용기 내에 배치된 분말의 레벨, 분말 용기 내에 배치된 분말의 질량, 또는 분말 용기 내에 배치된 분말의 오염 중, 적어도 하나를 측정하도록 되어 있는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 과잉 분말 용기는 내부 분말 용기 또는 외부 분말 용기를 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제20항에 있어서,
단계 a) 내지 단계 l) 동안 제1 금속 분말, 제2 금속 분말, 과잉 금속 분말, 및 혼합 분말을 비활성 분위기 하에 유지하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제20항에 있어서,
과잉 금속 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 측정하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제20항에 있어서,
단계 b) 내지 단계 i)를 반복하는 단계 j) 전에, 체를 사용하여 혼합 분말을 체질하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제20항에 있어서,
검증 단계 전에 혼합 분말을 블렌딩하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제20항에 있어서, 상기 분말 용기로부터 적층 제조 시스템으로 금속 분말을 전달하는 단계 c)는, 금속 분말을 적층 제조 시스템 내부의 분말 저장 사일로로 전달하는 단계를 포함하며, 전달된 금속 분말의 양은 단계 d) 동안 적어도 2개의 분말 층을 형성하기에 충분한 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 압밀 단계 e)는 결합, 소결, 또는 용융 중, 적어도 하나를 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 혼합 분말의 품질을 검증하는 단계는, (i) 혼합의 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 측정 및 평가하는 단계, 또는 (ii) 분말의 물리적 이송 데이터를 검토하는 단계 중, 적어도 하나를 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제33항에 있어서,
상기 혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 데이터 저장소에 저장하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제20항에 있어서, 상기 분말의 물리적 이송 데이터는, 분말 저장 데이터, 적층 제조 시스템의 식별 정보, 분말이 적층 제조 시스템으로 전달된 횟수, 및 분말이 제2 분말과 혼합된 횟수 중, 적어도 하나를 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제20항에 있어서,
단계 a) 내지 단계 j) 중 적어도 하나와 연관된 프로세스 데이터를 수집하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제36항에 있어서,
수집된 프로세스 데이터를 데이터 저장소에 저장하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - 제36항에 있어서, 상기 프로세스 데이터는 압밀 단계 e) 동안의 레이저 전력, 압밀 단계 e) 동안의 레이저 속도, 또는 단계 d)에서 형성된 층의 두께 중, 적어도 하나를 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제36항에 있어서, 상기 혼합 분말의 품질을 검증하는 단계는 수집된 프로세스 데이터를 검토하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제33항에 있어서, 상기 혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수는 간극 원소 화학 특성, 치환 원소 화학 특성, 미량 원소 분석, 겉보기 밀도, 탭 밀도, 입자 크기 분포, 습도, 분말 형상, 분말 형태학, 홀 흐름, 카니 흐름, 체 사양, 포획 가스 함량, 유변학적 안정성 지수, 및 휴식 각도로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제33항에 있어서, 상기 혼합 분말의 적어도 하나의 분말 재료 매개 변수를 측정하는 단계는, 광학 이미지를 촬영하는 단계, 주사 전자 현미경 이미지를 촬영하는 단계, 단면 이미지를 촬영하는 단계, 전기량 적정을 수행하는 단계, 또는 비중측정법을 수행하는 단계 중, 적어도 하나를 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 폐쇄형 분말 용기는 제1 금속 분말이 제조 후 선적되는 선적용 분말 용기를 포함하는 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 제1 분말은 미사용 분말이며,
단계 a) 이전에 선적용 분말 용기로부터 폐쇄형 분말 용기로 제1 금속 분말을 이송하는 단계
를 추가로 포함하는, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법. - a) 자동화된 금속 분말 이송 시스템을 사용하여, 적어도 하나의 센서, 추적기, 또는 광학 장치를 포함하는 호퍼로부터, 적어도 하나의 용기 센서, 용기 추적기, 또는 용기 광학 장치를 포함하는 폐쇄형 분말 용기로, 적층 제조에 적합한 미사용 금속 분말을 이송하는 단계;
b) 분말 용기를 적층 제조 시스템에 연결하여 폐루프로 분말 이송을 수행하는 단계;
c) 분말 용기로부터 적층 제조 시스템으로 금속 분말을 전달하는 단계;
d) 적층 제조 시스템을 작동시켜, 적층 제조 시스템의 구축용 플레이트의 위에 금속 분말의 적어도 하나의 층을 형성하는 단계;
e) 금속 분말 층의 과잉 부분이 분말 형태로 남아 있는 상태로, 상기 적어도 하나의 금속 분말 층의 일부를 압밀하는 단계;
f) 단계 d)와 단계 e)를 적어도 한 번 반복하는 단계;
g) 적층 제조 시스템으로부터 상기 분말 용기, 제2 분말 용기, 또는 내부 분말 용기로 과잉 금속 분말을 이송하는 단계;
h) 상기 분말 용기, 제2 분말 용기, 또는 내부 분말 용기의 과잉 금속 분말에 미사용 금속 분말을 추가하여 혼합 분말을 형성하는 단계;
i) 상기 혼합 분말의 품질을 검증하는 단계;
j) 검증된 혼합 분말을 사용하여 단계 b) 내지 단계 i)를 적어도 한 번 반복하는 단계;
k) 단계 a) 내지 단계 j) 중 적어도 하나와 연관된, 분말의 물리적 이송 데이터를 수집하는 단계; 및
l) 분말의 물리적 이송 데이터를 데이터 저장소에 저장하는 단계
를 포함하며,
각각의 단계 a) 내지 단계 l) 동안, 적어도 하나의 센서, 추적기, 광학 장치, 용기 센서, 용기 추적기, 또는 용기 광학 장치 중, 적어도 하나에 전자적으로 접근 가능한 것인, 적층 제조용 폐루프 금속 분말 관리 방법.
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