KR102362216B1 - 파우더 베드 융합 시스템 - Google Patents

Abstract

파우더 베드 융합 시스템이 개시된다. 일 실시 예에 따른 파우더 베드 융합 시스템은 파우더 공급부와 작업 챔버를 각각 듀얼 이상으로 구성함에 따라, 적층 비용이 감소되고 제품 생산시간이 단축되며, 제품 형상 자유도가 향상되며, 적층 시 열 변형문제를 해소할 수 있다.

Description

파우더 베드 융합 시스템 {Powder bed fusion system}

본 발명은 3D 프린팅 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파우더 베드 융합 기술에 관한 것이다.

일반적으로 3D 프린팅 기술을 적용하여 고분자, 세라믹, 금속, 섬유, 고무 등 다양한 소재를 가공할 수 있으며, 특히 금속의 경우 치과기공물, 인공관절, 금형을 비롯한 실제 부품을 직접 생성할 수 있어 향후 높은 활용성이 기대된다. 이는 금속파우더에 레이저나 전자 빔의 고출력을 인가하여 순간적으로 용융시켜 원하는 형상을 생성하는 원리이다.

일 실시 예에 따라, 파우더 베드 융합 과정에서 불필요한 부분에 파우더가 적층 되고 서포터가 형성되는 문제를 해결하기 위한 파우더 베드 융합 시스템을 제안한다.

일 실시 예에 따른 파우더 베드 융합 시스템은, 서로 분리된 제1 작업 챔버 및 제2 작업 챔버를 포함하는 파우더 베드와, 제1 작업 챔버에 파우더를 공급하는 제1 파우더 공급부와, 제2 작업 챔버에 파우더를 공급하는 제2 파우더 공급부를 포함한다.

파우더 베드는, 제1 작업 챔버 및 제2 작업 챔버에 단차를 둘 수 있다.

파우더 베드는, 제1 작업 챔버 및 제2 작업 챔버가 셀 단위 또는 영역 단위로 분리될 수 있다.

각 파우더 공급부는, 선택적으로 파우더 공급시간 및 공급량 중 적어도 하나를 서로 상이하게 제어하여, 적층이 불필요한 부분에서는 파우더를 공급하지 않고 불필요한 서포터 생성을 차단할 수 있다.

파우더 베드 융합 시스템은, 기계가공 방식과 3D 프린팅 방식이 결합된 이종 적층 시 파우더 공급부와 작업 챔버를 각각 분리하여 제품을 제조함에 따라 적층이 불필요한 부분에서는 파우더 적층 및 서포터 생성을 차단할 수 있다.

일 실시 예에 따른 파우더 베드 융합 시스템에 따르면, 파우더 공급부와 작업 챔버를 듀얼 이상으로 구성함에 따라, 적층 비용이 감소되고 제품 생산시간이 단축되며, 제품 형상 자유도가 향상되며, 적층 시 열 변형문제를 해소할 수 있다.

나아가, 이종 적층 시 불필요한 적층 및 적층 시 열변형 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파우더 베드 융합 시스템의 구성을 도시한 도면,
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이종 적층 시 불필요한 적층을 방지할 수 있는 파우더 베드 융합 시스템을 도시한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파우더 베드 융합(Power bed fusion, PBF, 이하 'PBF'라 칭함) 시스템의 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 적층 제조 공정(additive manufacturing, AM)은 폴리머, 금속, 세라믹 등 다양한 소재를 이용하여 3D 형상에 대한 단면 형상을 높이 방향으로 적층 하여 제작하는 공정이다. 이러한 적층 제조 공정은 항공, 의료, 자동차 등 다양한 산업 분야에 적용되는 부품을 제조하는데 사용되고 있다. PBF 시스템(1)은 금속을 재료로 하는 적층 제조 공정을 사용한다.

PBF 시스템(1)은 종래의 제조 프로세스들로 생성하기 어렵거나 또는 불가능한 일부 형상들을 포함한 기하학적으로 복잡한 형상들을 가진, 작업 피스(build piece)들로 지칭된, 제품들을 생산할 수 있다. PBF 시스템(1)은 작업 피스들을 층 단위로(layer-by-layer) 생성한다. 각각의 층 또는 '슬라이스'는, 파우더를 적층 시키는 것(depositing), 그리고 층의 부분들을 열원에 노출시키는 것에 의해 형성된다. 열원은 그 층에서의 작업 피스의 단면과 일치하는 파우더 층의 용융 영역들(melt area)에 인가된다. 용융된 파우더는 작업 피스의 슬라이스를 형성하기 위해 냉각 및 융합 (fusing) 된다. 각각의 층은 이전 층의 위에 적층 된다. 결과의 제품은 처음부터 끝까지 슬라이스 단위로(slice-by-slice) 조립된 작업 피스이다.

PBF 시스템(1)은 다수의 파우더 공급부와, 다수의 작업 챔버를 가진 파우더 베드를 포함한다. 도 1에서는 2개의 파우더 공급부(10-1, 10-2)와 2개의 작업 챔버(122-1, 122-2)를 도시하고 있으나, 그 수는 복수 개이면 제품의 구조를 포함하여 작업환경에 따라 변경 가능하다.

PBF 시스템(1)은 파우더를 재료로 하는 3D 프린팅 방식으로 제품을 제조하는 것으로, 파우더를 파우더 베드(12)에 공급하는 파우더 공급부(10-1, 10-2)와, 파우더에 열원(14-1, 14-2)을 조사하여 녹여주는 파우더 베드(12)로 구분된다. 파우더 재료로는 나일론, 스테인리스강, 티타늄, 알루미늄, 코발트, 크롬, 강철, 구리 등이 있다. 열원(14-1, 14-2)은 레이저(laser) 또는 전자 빔(electron beam)일 수 있다.

제1 파우더 공급부(10-1)는 제1 파우더 공급 실린더(100-1)와 제1 롤러(110-1)를 포함하고, 제2 파우더 공급부(10-2)는 제2 파우더 공급 실린더(100-2)와 제2 롤러(110-2)를 포함한다. 제1 롤러(110-1)와 제2 롤러(110-2)는 CAD, CAM 등과 연결되어 제어신호에 의해 파우더를 각 작업 챔버(122-1, 122-2)에 도포할 수 있다.

파우더 베드(12)는 제1 작업 실린더(120-1), 제2 작업 실린더(120-2), 제1 작업 챔버(122-1) 및 제2 작업 챔버(122-2)를 포함한다.

제1 작업 챔버(122-1) 및 제2 작업 챔버(122-2)는 단차를 가진다. 즉, 제1 작업 챔버(122-1) 및 제2 작업 챔버(122-2)의 작업 높이가 서로 상이할 수 있다. 제1 작업 챔버(122-1)와 제2 작업 챔버(122-2)는 셀 단위 또는 영역 단위로 분리될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 좌측 영역에 해당하는 제1 작업 챔버(122-1)와 우측 영역에 해당하는 제1 작업 챔버(122-2)로 분리될 수 있다. 제조할 제품의 형상에 따라 제1 작업 챔버(122-1)와 제2 작업 챔버(122-2)의 분리할 셀 또는 영역을 각각 결정할 수 있다.

작업 챔버(122-1, 122-2)의 공간적 분리를 통해 기하학적 형상의 제품 작업 시 생산시간을 절감할 수 있다. 초기 세팅 시 작업 챔버(122-1, 122-2)를 공간적으로 분리함에 따라, 불필요한 서포터 생성을 방지하고, 과도한 적층 구간을 축소시킬 수 있다.

제1 파우더 공급부(10-1)와 제2 파우더 공급부(10-2)는 선택적으로 파우더 공급시간 및 공급량 중 적어도 하나를 서로 상이하게 제어하여 파우더를 공급할 수 있다. 이에 따라, 적층이 불필요한 부분에서는 파우더를 공급하지 않고 불필요한 서포터 생성을 차단할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 제1 파우더 공급부(10-1)를 통해 파우더를 제1 작업 챔버(122-1)에 공급하고 있으나, 일정 시간 이후로는 제2 파우더 공급부(10-2)를 통해서는 파우더를 제2 작업 챔버(122-2)에 공급하지 않음에 따라 제1 작업 챔버(122-1)와 제2 작업 챔버(122-2) 간에 단차가 형성되고, 파우더가 제2 작업 챔버(122-2)의 불필요한 부분에 적층 되고 있지 않음을 확인할 수 있다. 제1 파우더 공급부(10-1)와 제2 파우더 공급부(10-2)의 협업을 통해 제품이 완성된다. 제조할 제품의 형상에 따라 제1 파우더 공급부(10-1)와 제2 파우더 공급부(10-2)의 공급방식을 각각 결정할 수 있다.

이하, PBF 시스템(1)의 동작원리에 대해 설명한다.

제1 파우더 공급부(10-1)의 제1 파우더 공급 실린더(100-1)가 파우더 베드(12)에 제1 롤러(110-1) 등을 이용하여 파우더를 파우더 베드(12)의 제1 작업 챔버(122-1)에 도포해 주고, 제1 작업 챔버(122-1)에 도포된 파우더에 열원(14-1)을 조사하여 굳히고 나면, 제1 작업 실린더(120-1)에 의해 제1 작업 챔버(122-1)가 한 층 아래로 내려가게 된다. 이어서, 제1 롤러(110-1) 등을 이용하여 제1 작업 챔버(122-1)에 파우더를 한 층 도포해주고 또 제1 열원(14-1)을 조사하는 과정을 반복하면서 제품을 만들게 된다. 제1 열원(14-1)이 파우더 베드(12)의 제1 작업 챔버(122-1)에 깔린 파우더를 가열해서 파우더를 융합한다. 융합된 파우더는 제품이 되고, 융합이 안된 파우더는 서포터(Supporter)가 된다. 제1 열원(14-1)은 레이저, 전자 빔 등일 수 있다.

전술한 바와 동일하게, 제2 파우더 공급부(10-2)를 통해 파우더 베드(12)의 제2 작업 챔버(122-2)에 파우더를 도포하고 제2 열원(14-2)을 통해 제2 작업 챔버(122-2)에 깔린 파우더를 가열해서 파우더를 융합하는 과정 또한 동일한 프로세스로 이루어진다. 다만, 제2 파우더 공급부(10-2)가 제1 파우더 공급부(10-1)와 파우더 공급량 및 공급시간이 상이하다는 점, 제2 작업 챔버(122-2)와 제1 작업 챔버(122-1)가 단차를 가진다는 점, 제1 파우더 공급 실린더(100-1)와 제2 파우더 공급 실린더(100-2)가 단차를 가진다는 점, 제1 작업 실린더(120-1)와 제2 작업 실린더(120-2)가 단차를 가진다는 점 등이 상이하다. 전술한 상이한 구성을 통해 적층 구간이 상이하고, 서포터 발생량이 차별화되며, 불필요한 적층 구간 및 서포터가 발생하는 문제를 해결할 수 있다.

적층이 불필요한 부분에도 파우더를 공급하거나 서포터를 적층 하는 경우, 파우더 소비가 크며 작업시간이 오래 소모된다. 이에 비해, 일 실시 예에 따른 PBF 시스템(1)은 파우더 공급부와 작업 챔버를 듀얼 이상으로 구성함에 따라, 적층 비용이 감소되고 제품 생산시간이 단축되며, 제품 형상 자유도가 향상되며, 적층 시 열 변형문제를 해소할 수 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이종 적층 시 불필요한 적층을 방지할 수 있는 파우더 베드 융합 시스템을 도시한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 기계가공 방식과 3D 프린팅 방식이 결합된 이종 적층 방식의 경우, 파우더 공급부와 작업 챔버를 분리하여 제품을 제조함에 따라 적층이 불필요한 부분(200, 300)에서는 파우더 적층을 차단할 수 있다.

이종 적층의 경우, 제품 표면에 이종 소재를 적층 하여 기계적 특성을 강화하거나, 손상된 부품의 보수를 위해 사용할 수 있다. 예를 들어, 이종 적층 시 하단부에 기계가공 방식(예, 단조강)을 사용하여 제품을 제조하고, 상단부는 3D 프린팅 방식을 이용하여 제품을 제조할 수 있다.

기존의 PBF 시스템의 경우는 적층이 불필요한 부분(200, 300)에도 파우더를 분사하여 적층 하거나 서포터를 생성해야 했으나, 일 실시 예에 따른 PBF 시스템에 의하면, 파우더 공급부와 작업 챔버를 듀얼 이상으로 구성함에 따라, 적층이 불필요한 부분(200, 300)에서는 파우더 적층을 차단할 수 있으므로 적층 비용을 감소시키고 열변형을 축소시킬 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 서로 분리된 제1 작업 챔버 및 제2 작업 챔버와, 서로 분리된 제1 작업 실린더와 제2 작업 실린더를 포함하는 파우더 베드;
   제1 작업 챔버에 파우더를 공급하는 제1 파우더 공급부; 및
   제2 작업 챔버에 파우더를 공급하는 제2 파우더 공급부; 를 포함하고
   제1 파우더 공급부는 제1 파우더 공급 실린더와 제1 롤러를 포함하고,
   제2 파우더 공급부는 제2 파우더 공급 실린더와 제2 롤러를 포함하며,
   제1 작업 챔버와 제2 작업 챔버가 단차를 가지고,
   제1 파우더 공급 실린더와 제2 파우더 공급 실린더가 단차를 가지며,
   제1 작업 실린더와 제2 작업 실린더가 단차를 가지는 것을 특징으로 하는 파우더 베드 융합 시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 파우더 베드는
   제1 작업 챔버 및 제2 작업 챔버가 셀 단위 또는 영역 단위로 분리되는 것을 특징으로 하는 파우더 베드 융합 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 각 파우더 공급부는
   선택적으로 파우더 공급시간 및 공급량 중 적어도 하나를 서로 상이하게 제어하여, 적층이 불필요한 부분에서는 파우더를 공급하지 않고 불필요한 서포터 생성을 차단하는 것을 특징으로 하는 파우더 베드 융합 시스템.
5. 제 1 항에 있어서, 파우더 베드 융합 시스템은
   기계가공 방식과 3D 프린팅 방식이 결합된 이종 적층 시 파우더 공급부와 작업 챔버를 각각 분리하여 제품을 제조함에 따라 적층이 불필요한 부분에서는 파우더 적층 및 서포터 생성을 차단하는 것을 특징으로 하는 파우더 베드 융합 시스템.

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