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KR102126243B1 - 3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 그 제조 장치 - Google Patents

3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 그 제조 장치 Download PDF

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KR102126243B1
KR102126243B1 KR1020177008411A KR20177008411A KR102126243B1 KR 102126243 B1 KR102126243 B1 KR 102126243B1 KR 1020177008411 A KR1020177008411 A KR 1020177008411A KR 20177008411 A KR20177008411 A KR 20177008411A KR 102126243 B1 KR102126243 B1 KR 102126243B1
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South Korea
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suction nozzle
suction
powder
cutting device
layer
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사토시 아베
마사타카 다케나미
이사무 마쓰모토
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파나소닉 아이피 매니지먼트 가부시키가이샤
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Abstract

"공구 파손 트러블" 등의 문제를 감소시킬 수 있는 분말 소결 적층법을 제공하는 것이다. 본 발명의 제조 방법은, (i) 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 과정, 및 (ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 형성하고, 상기 새로운 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 과정에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 반복하여 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서, 고화층 및/또는 3차원 형상 조형물을 얻은 후에 고화층 및/또는 3차원 형상 조형물의 표면에 절삭 디바이스로 표면 절삭 처리를 행하는 과정을 적어도 1회 포함하고, 표면 절삭 처리에 앞서, 고화층 및/또는 3차원 형상 조형물의 주위의 분말을 흡인 노즐에 의해 흡인 제거하고, 또한, 흡인 제거 시에는, 흡인 노즐의 선단 레벨 A가 절삭 디바이스의 선단 레벨 B보다 낮은 위치가 되도록 선단 레벨 A과 상기 선단 레벨 B의 상대적인 위치 관계를 변경하고, 또한, 흡인 노즐 및 절삭 디바이스가 서로 인접하여 설치된 상태에서 흡인 노즐을 흡인 제거에 사용하는 것을 특징으로 하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법이다.

Description

3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 그 제조 장치 {PRODUCTION METHOD AND PRODUCTION DEVICE FOR THREE-DIMENSIONALLY SHAPED MOLDED OBJECT}
본 발명은 3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 그 제조 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 분말층의 소정 개소(箇所)에 광빔을 조사(照射)하여 고화(固化)층을 형성하는 것을 반복 실시함으로써 복수의 고화층이 적층 일체화된 3차원 형상 조형물을 제조하는 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.
종래부터, 분말 재료에 광빔을 조사하여 3차원 형상 조형물을 제조하는 방법(일반적으로는 "분말 소결 적층법"이라고 함)이 알려져 있다. 이러한 방법에서는, 이하의 과정 (i) 및 (ii)를 반복하여 3차원 형상 조형물을 제조하고 있다(특허문헌 1 또는 특허문헌 2 참조).
(i) 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사함으로써, 이러한 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 과정.
(ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 깔아 마찬가지로 광빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 과정.
분말 재료로서 금속 분말이나 세라믹 분말 등의 무기질의 분말 재료를 사용한 경우에는, 얻어진 3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용할 수 있다. 한편, 수지 분말이나 플라스틱 분말 등의 유기질의 분말 재료를 사용한 경우에는, 얻어진 3차원 형상 조형물을 모델로서 사용할 수 있다. 이와 같은 제조 기술에 따르면, 복잡한 3차원 형상 조형물을 단시간에 제조할 수 있다.
분말 재료로서 금속 분말을 사용하고, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 금형으로서 사용하는 경우를 예로 든다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 먼저, 소정의 두께 t1의 분말층(22)을 조형 플레이트(21) 상에 형성한 후 (도 1 (a) 참조), 광빔을 분말층(22)의 소정 개소에 조사하여, 조형 플레이트(21) 상에서 고화층(24)을 형성한다(도 1 (b) 참조). 그리고, 형성된 고화층(24) 상에 새로운 분말층(22)을 깔아 다시 광빔을 조사하여 새로운 고화층을 형성한다. 이와 같이 반복하여 고화층을 형성하면, 복수의 고화층(24)이 적층 일체화된 3차원 형상 조형물을 얻을 수 있다. 최하층에 상당하는 고화층은 조형 플레이트 면에 접착한 상태로 형성될 수 있으므로, 3차원 형상 조형물과 조형 플레이트와는 서로 일체화된 상태가 되어, 그대로 금형으로서 사용할 수 있다.
광빔의 조사로 얻어지는 3차원 형상 조형물은, 그 표면이 비교적 거칠고, 일반적으로 수 100㎛ Rz 정도의 표면 거칠기를 가지고 있다. 이것은, 고화층 표면에 분말이 부착되기 때문이다. 고화층 형성 시에는, 광빔·에너지가 열로 변환되므로, 조사 분말이 일단 용융되고 나서 냉각 과정에서 분말끼리가 융착한다. 이때, 광빔이 조사되는 지점의 주변의 분말 영역의 온도도 상승할 수 있으므로, 그 주변의 분말이 고화층 표면에 부착된다. 이러한 부착 분말은 3차원 형상 조형물에 "표면 거침"을 초래하게 되므로, 3차원 형상 조형물의 표면을 절삭 가공할 필요가 있다. 즉, 얻어지는 3차원 형상 조형물의 표면을 전체적으로 절삭 가공에 맡길 필요가 있다.
일본 공표특허공보 평1-502890호 일본 공개특허공보 제2000-73108호
분말 소결 적층법의 절삭 가공 처리에 있어서, 본 발명자들은 조형물 주위에 분말이 존재하면, 공구 파손 트러블이 더 많이 생길 수 있다고 하는 현상을 발견하였다(도 14 (a) 참조). 특정한 이론에 구속되는 것은 아니지만, 조형물 표면과 절삭 공구 사이에 분말이 말려 들어가 절삭 공구에 걸리는 부하가 증가하는 것이 요인의 하나로서 생각된다.
또한, 조형물 주위에 분말이 존재하면, 조형물 표면에 불필요한 부하가 초래되어 조형물의 표면 평활성이 손상될 수 있다고 하는 현상도 발견하였다(도 14 (b) 참조). 이것도, 조형물 표면과 절삭 공구와의 사이의 분말의 말려 들어감이 원인 중 하나로 생각된다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 즉, 본 발명의 과제는 "공구 파손 트러블" 등의 문제를 감소시킬 수 있는 분말 소결 적층법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, (i) 및 (ii)의 과정에서 분말층 형성 및 고화층 형성을 반복하여 행하여, 이하와 같은 (a)∼(c)의 특징을 갖는 3차원 형상 조형물의 제조 방법이 제공된다.
(i) 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 과정.
(ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 형성하고, 그 새로운 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 과정.
(a) 고화층 및/또는 3차원 형상 조형물을 얻은 후에 고화층 및/또는 3차원 형상 조형물의 표면에 절삭 디바이스로 표면 절삭 처리를 행하는 과정을 적어도 1회 포함한다.
(b) 표면 절삭 처리에 앞서서는, 고화층 및/또는 3차원 형상 조형물의 주위의 분말을 흡인 노즐로 흡인 제거한다.
(c) 흡인 제거 시에는 "흡인 노즐의 선단 레벨 A"와 "절삭 디바이스의 선단 레벨 B"의 상대적인 위치 관계를 변경한다.
바람직한 일 태양에서는, 절삭 디바이스의 선단 레벨 B가 흡인 노즐의 선단 레벨 A보다 위쪽이 되도록 절삭 디바이스의 형태를 바꾸고, 그에 따라, "흡인 노즐의 선단 레벨 A"와 "절삭 디바이스의 선단 레벨 B"의 상대적인 위치 관계를 변경한다. 예를 들면, 절삭 디바이스가, 주(主)축대, 툴링(tooling) 및 절삭 공구를 포함하여 이루어지는 경우, 툴링 및 절삭 공구 대신에 더미·툴링(dummy tooling)만을 주축대에 장착한 상태로 해도 된다. 그리고, 이러한 "더미·툴링만을 주축대에 장착한 상태"로 흡인 노즐의 흡인 제거를 실시한다. 더미·툴링은, 예를 들면, 툴링과 동일한 종류의 툴링이어도 된다. 다른 방법으로서, 툴링 및 절삭 공구를 주축에서 분리한 상태로 하고, 이러한 "툴링 및 절삭 공구를 주축에서 분리한 상태"에서 흡인 노즐의 흡인 제거를 실시해도 된다.
다른 바람직한 태양에서는, "흡인 노즐의 선단 레벨 A"가 "절삭 디바이스의 선단 레벨 B"보다 아래 레벨이 되도록 흡인 노즐을 구동시켜, "흡인 노즐의 선단 레벨 A"와 "절삭 디바이스의 선단 레벨 B"의 상대적인 위치 관계를 변경한다.
다른 바람직한 태양에서는, 흡인 제거 시에 있어 "가장 최근에 형성된 분말층"과 "흡인 노즐의 선단 레벨 A" 사이의 이격 거리는 5㎜ 이내로 한다.
다른 바람직한 태양에서는, 흡인 노즐과 절삭 디바이스가 서로 인접하여 설치된 상태로 되어 있고, 이와 같이 서로 인접한 상태에서 흡인 노즐의 흡인 제거를 실시한다.
본 발명에서는, 상기 제조 방법을 실시하기 위한 3차원 형상 조형물의 제조 장치도 제공된다. 이러한 본 발명의 제조 장치는 분말층 형성 수단, 광빔 조사 수단, 조형 테이블, 흡인 노즐, 및 절삭 디바이스를 포함하여 이루어진다. 분말층 형성 수단은 분말층을 형성하기 위한 수단이다. 광빔 조사 수단은, 고화층이 형성되도록 분말층에 광빔을 조사하기 위한 수단이다. 조형 테이블은 그 위에 분말층 및/또는 고화층이 형성되게 되는 테이블이다. 흡인 노즐은 분말층의 적어도 일부의 분말을 흡인 제거하기 위한 기구이다. 그리고, 절삭 디바이스는 고화층 및 상기 고화층으로 형성되는 3차원 형상 조형물에 대해 표면 절삭 처리를 행하기 위한 기계이다. 특히 본 발명의 제조 장치에서는 "흡인 노즐의 선단 레벨 A"와 "절삭 디바이스의 선단 레벨 B"의 상대적인 위치 관계를 변경할 수 있도록 구성되어 있다.
본 발명의 제조 장치의 바람직한 일 태양에서는, 절삭 디바이스가 주축대, 툴링 및 절삭 공구를 포함하여 이루어지고, 이러한 툴링과 바꿀 수가 있는 더미·툴링을 별도 구비하고 있다.
다른 바람직한 태양에서는, 흡인 노즐의 축과 절삭 디바이스의 축이 거의 평행하게 되도록 흡인 노즐 및 절삭 디바이스가 서로 인접하여 배치되어 있다.
본 발명에 따르면, 고화층 및/또는 3차원 형상 조형물의 주위의 분말이 표면 절삭 처리에 앞서 흡인 제거되므로, "조형물 표면과 절삭 공구 사이에 분말이 말려 들어감에 기인한 공구 파손 트러블"을 감소시킬 수 있다. 또한, 조형물 표면과 절삭 공구 사이의 분말 말려 들어감을 줄일 수 있으므로, 절삭 처리 시에 조형물 표면에 미치는 부하를 감소시킬 수 있어, 조형물의 표면 평활성을 향상시킬 수 있다.
분말의 흡인 제거는 흡인 노즐에 의해 분말층에 국소적으로 행할 수 있으므로, 효율적으로 행할 수 있고, 3차원 형상 조형물의 제조 시간에 대한 영향은 적다. 특히 본 발명에서는 "흡인 노즐의 흡인 제거"가 절삭 디바이스에 의해 저해되지 않기 때문에, 이 점에서 더욱 효율적인 흡인 제거가 가능해진다. 구체적으로는, 흡인 제거 처리에서 흡인 노즐을 수평 이동시켜 조작할 때(예를 들면, 흡인 노즐을 조형물의 단면 윤곽을 따라 주회(周回)하도록 수평 이동시키는 경우), 절삭 디바이스와 조형물과의 충돌을 회피할 수 있다.
도 1은 분말 소결 적층법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 분말 소결 적층법을 실시하기 위한 장치를 모식적으로 나타낸 사시도이다(도 2 (a): 절삭 기구를 구비한 광 조형 복합 가공기, 도 2 (b): 절삭 기구를 구비하지 않은 장치).
도 3은 분말 소결 적층법이 행해지는 태양을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 분말 소결 적층법을 표면 절삭 처리와 병행하여 실시하는 장치(광 조형 복합 가공기)의 구성을 모식적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 광 조형 복합 가공기의 동작의 흐름도이다.
도 6은 광 조형 복합 가공기에 의한 프로세스를 경시(經時)적으로 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 개념(본 발명의 제조 방법의 개념/본 발명의 제조 장치의 구성 개념)을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에서의 "흡인 노즐"을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 흡인 노즐 및 절삭 디바이스의 배치 태양을 나타낸 모식도이다.
도 10은 "절삭 디바이스의 형태를 바꾸는 태양"을 설명하기 위한 모식도이다.
도 11은 "더미·툴링을 사용하는 태양"에 관련한 모식도이다.
도 12는 "흡인 노즐에 대해 적극적으로 조작을 행하는 태양"을 설명하기 위한 모식도이다.
도 13은 본 발명에 관련한 실증 실험을 설명하기 위한 도면·그래프이다.
도 14는 본 발명자들이 발견한 현상을 설명하기 위한 도면·사진 도이다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 도면에서의 각종 요소의 형태·치수 등은 어디까지나 예시이며, 실제의 형태·치수를 반영하는 것은 아닌 것에 유의하기 바란다.
본 명세서에서 "분말층"이란, 예를 들면, "금속 분말로 이루어지는 금속 분말층" 또는 "수지 분말로 이루어지는 수지 분말층"을 가리키고 있다. 또한 "분말층의 소정 개소"란, 제조되는 3차원 형상 조형물의 영역을 실질적으로 의미하고 있다. 따라서, 이러한 소정 개소에 존재하는 분말에 대해 광빔을 조사함으로써, 그 분말이 소결 또는 용융 고화되어 3차원 형상 조형물을 구성하게 된다. 또한 "고화층"이란, 분말층이 금속 분말층인 경우에는 "소결층"을 실질적으로 의미하고 있고, 분말층이 수지 분말층인 경우에는 "경화층"을 실질적으로 의미하고 있다.
본 명세서에서 "위(쪽)"이란 조형물의 제조 시에 고화층이 적층되는 방향을 실질적으로 의미하고 있는 한편, "아래(쪽)"이란, 상기 "위(쪽)"과 정반대 방향(즉, 연직 방향)을 실질적으로 의미하고 있다.
[분말 소결 적층법]
먼저, 본 발명의 제조 방법의 전제가 되는 분말 소결 적층법에 대해 설명한다. 설명의 편의상, 재료 분말 탱크로부터 재료 분말을 공급하고, 스퀴징·블레이드(squeezing blade)를 사용하여 재료 분말을 고르게 하여 분말층을 형성하는 태양을 전제로 하여 분말 소결 적층법을 설명한다. 또한, 분말 소결 적층법을 사용할 때는 조형물의 절삭 가공도 병행하여 행하는 복합 가공의 태양을 예로 들어 설명한다(즉, 도 2 (b)가 아니라 도 2 (a)에 나타낸 태양을 전제로 함). 도 1, 도 3 및 도 4에는, 분말 소결 적층법과 절삭 가공을 실시할 수 있는 광 조형 복합 가공기의 기능 및 구성이 나타나 있다. 광 조형 복합 가공기(1)는 분말층 형성 수단(2), 조형 테이블(20), 조형 플레이트(21), 광빔 조사 수단(3), 및 절삭 수단(4)을 주로 구비하고 있다. 분말층 형성 수단(2)은 금속 분말 및 수지 분말 등의 분말을 소정의 두께로 까는 것에 의해 분말층을 형성하기 위한 것이다. 조형 테이블(20)은, 외주가 벽(27)으로 에워싸인 조형 탱크(29) 내에서 상하로 승강할 수 있는 테이블이다. 조형 플레이트(21)는 조형 테이블(20) 상에 배치되어 조형물의 토대가 되는 플레이트이다. 광빔 조사 수단(3)은 광빔(L)을 임의의 위치에 조사하기 위한 수단이다. 절삭 수단(4)은 조형물 표면(특히 측면)을 깎기 위한 기계 가공 수단이다.
분말층 형성 수단(2)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, "외주(外周)가 벽(26)으로 에워싸인 재료 분말 탱크(28) 내에서 상하로 승강하는 분말 테이블(25)")과 "조형 플레이트 상에 분말층(22)을 형성하기 위한 스퀴징·블레이드(23)"를 주로 포함하여 이루어진다. 광빔 조사 수단(3)은, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, "광빔(L)을 발하는 광빔 발진기(30)"와 "광빔(L)을 분말층(22) 상에 스캐닝(주사)하는 갈바노미러(31)(스캔 광학계)"를 주로 포함하여 이루어진다. 광빔 조사 수단(3)에는, 광빔 스폿의 형을 보정하는 빔 형상 보정 수단(예를 들면, 한 쌍의 원통형 렌즈(cylindrical lens)와, 이러한 렌즈를 광빔의 축선 주위에 회전시키는 회전 구동 기구를 포함하여 이루어지는 수단)이나 fθ 렌즈 등이 구비되어 있어도 된다. 절삭 수단(4)은 "조형물의 주위를 깎는 밀링 헤드(40)"와 "밀링 헤드(40)를 절삭 개소로 이동시키는 XY 구동 기구 41(41a, 41b)"를 주로 포함하여 이루어진다(도 3 및 도 4 참조).
광 조형 복합 가공기(1)의 동작을 도 1, 도 5 및 도 6을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 5는 광 조형 복합 가공기의 일반적인 동작 흐름을 나타내고, 도 6은, 광 조형 복합 가공기의 프로세스를 모식적으로 나타내고 있다.
광 조형 복합 가공기의 동작은, 분말층(22)을 형성하는 분말층 형성 단계(S1), 분말층(22)에 광빔(L)을 조사하여 고화층(24)을 형성하는 고화층 형성 단계(S2), 및 조형물의 표면을 절삭하는 표면 절삭 단계(S3)로 주로 구성되어 있다. 분말층 형성 단계(S1)에서는, 최초에 조형 테이블(20)을 Δt1 내린다(S11). 이어서, 분말 테이블(25)을 Δt1 올린 후, 도 1 (a)에 나타낸 바와 같이, 스퀴징·블레이드(23)를 화살표 a의 수평 방향으로 이동시킨다. 이로써, 분말 테이블(25)에 배치되어 있었던 분말을 조형 플레이트(21) 위로 이송시키면서(S12), 소정 두께 Δt1으로 고르게 하여 분말층(22)을 형성한다(S13). 분말층의 분말로서는, 예를 들면, "평균 입경(粒徑) 5㎛∼100㎛ 정도의 철 분말" 및 "평균 입경 30㎛∼100㎛ 정도의 나일론, 폴리프로필렌, ABS 등의 분말"을 들 수 있다. 다음에, 고화층 형성 단계(S2)로 이행하고, 광빔 발진기(30)로부터 광빔(L)을 방출하여(S21), 광빔(L)을 갈바노미러(31)에 의해 분말층(22) 상의 임의의 위치에 스캐닝한다(S22). 이로써, 분말을 용융시키고, 고화시켜 조형 플레이트(21)와 일체화된 고화층(24)을 형성한다(S23). 광빔(L)으로서는, 예를 들면, 탄산 가스 레이저(500W 정도), Nd:YAG 레이저(500W 정도), 광섬유 레이저(500W 정도) 및 자외선 등을 들 수 있다. 광빔(L)은 공기 중을 전달시키는 것에 한정되지 않고, 광섬유 등으로 전송시켜도 된다.
고화층(24)의 두께가 밀링 헤드(40)의 공구 길이 등으로부터 구한 소정 두께가 될 때까지 분말층 형성 단계(S1)와 고화층 형성 단계(S2)를 반복하여, 고화층(24)을 적층한다(도 1 (b) 참조). 그리고, 새롭게 적층되는 고화층은, 소결 또는 용융 고화를 할 때, 이미 형성된 하층을 이루는 고화층과 일체화하게 된다.
적층한 고화층(24)의 두께가 소정의 두께가 되면, 표면 절삭 단계(S3)로 이행한다. 도 1 및 도 6에 나타낸 바와 같은 태양에서는 밀링 헤드(40)를 구동시킴으로써 절삭 단계의 실시를 개시하고 있다(S31). 예를 들면, 밀링 헤드(40)의 공구(볼 엔드밀)가 직경 1㎜, 유효 날 길이 3㎜인 경우, 깊이 3㎜의 절삭 가공이 가능하므로, Δt1가 0.05㎜이면, 60층의 고화층을 형성한 시점에서 밀링 헤드(40)를 구동시킨다. XY 구동 기구 41(41a, 41b)에 의해 밀링 헤드(40)를 화살표 X 및 화살표 Y 방향으로 이동시키고, 적층한 고화층(24)으로 이루어지는 조형물에 대해 표면 절삭 처리를 행한다(S32). 그리고, 3차원 형상 조형물의 제조가 여전히 종료되지 않은 경우에는, 분말층 형성 단계(S1)로 되돌아가게 된다. 이후, S1 내지 S3을 반복하여 또한 고화층(24)의 적층을 계속함으로써, 3차원 형상 조형물의 제조를 행한다(도 6 참조).
고화층 형성 단계(S2)에서의 광빔(L)의 조사 경로와, 표면 절삭 단계(S3)에서의 절삭 가공 경로는, 미리 3차원 CAD 데이터로부터 작성하여 둔다. 이때, 등고선 가공을 적용하여 가공 경로를 결정한다. 예를 들면, 고화층 형성 단계(S2)에서는, 3차원 CAD 모델로부터 생성한 STL 데이터를 등(等)피치(예를 들면 Δt1을 0.05㎜으로 한 경우에는 0.05㎜ 피치)로 슬라이스한 각각의 단면의 윤곽 형상 데이터를 사용한다.
[본 발명의 제조 방법]
본 발명은 전술한 분말 소결 적층법 중에서도, 표면 절삭 처리 시의 태양에 특징을 가지고 있다.
본 발명의 제조 방법은, 고화층 및/또는 3차원 형상 조형물을 얻은 후에 이들 표면(특히 측면)에 절삭 디바이스로 표면 절삭 처리를 행하는 과정을 적어도 1회 포함하고 있다. 본 발명에서는, 이러한 표면 절삭 처리에 앞서 고화층 및/또는 3차원 형상 조형물의 주위의 분말을 흡인 노즐로 제거하는 것을 실시하고, 이러한 흡인 제거 시에 흡인 노즐과 절삭 디바이스와의 상대적인 위치 관계를 변경한다(도 7 참조).
더욱 구체적으로는, 본 발명에서는 "흡인 노즐의 선단 레벨 A"와 "절삭 디바이스의 선단 레벨 B"의 상대적인 위치 관계를 흡인 제거 처리에 앞서 변경한다. 즉, 분말의 흡인 제거에 앞서 "흡인 노즐의 흡인구부(吸引口部)"와 "절삭 디바이스의 절삭 측 부품"의 수직 방향 레벨(높이 레벨)을 상대적으로 변경한다.
본 발명에 말하는 "흡인 노즐"이란, 광의로는 분말층의 분말을 흡입할 수 있는 디바이스를 의미하고 있다. "노즐"이므로, 분말의 흡입에 제공하는 부분이 통 형태(특히 세통(細筒) 형태)를 가지고 있는 것이 바람직하다(이러한 관점에서, 본 발명에서의 흡인 노즐은 "통형 흡인 디바이스"라고 할 수 있다). 예를 들면, 도 7에 나타낸 바와 같이, 흡인 노즐(60)은 세통부(62)와 그 세통부에 접속된 흡인 기구(64)로 적어도 구성될 수 있다.
흡인 노즐의 세통부는, 그 내경(內徑)이 바람직하게는 0.5∼18㎜, 더욱 바람직하게는 1.5㎜∼15㎜, 한층 더 바람직하게는 1.8㎜∼10㎜로 되어 있다. 또한, 흡인 노즐의 세통부(62)는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 선단 측이 더 협착(狹窄)한 형태를 가지고 있는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 협착 부분의 내경은, 바람직하게는 0.5㎜∼5㎜, 더욱 바람직하게는 0.5㎜∼3㎜로 되어 있다. 이와 같이 세통부의 선단이 협착한 형태로 되어 있으면, 흡인 시의 유속(흡인구부의 분말 유속)이 빨라지므로, 흡인 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 흡인 노즐의 세통부(62)는 연결 호스(66)를 통하여 흡인 기구(64)에 접속되어 있는 것이 바람직하다. 흡인 기구(64)는, 예를 들면, 사이클론 집진기이어도 되고, 연결 호스(66)는 예를 들면 플렉시블 호스이어도 된다.
본 발명에 말하는 "절삭 디바이스"란, 고화층 및 그로부터 얻어지는 3차원 형상 조형물의 표면(특히 측면 부분)에 대해 표면 절삭 처리를 행할 수 있는 기계를 실질적으로 의미하고 있다. 예를 들면, 절삭 디바이스는, 범용의 수치 제어(NC: Numerical Control) 공작 기계 또는 그것에 준하는 것이다. 특히, 절삭 공구(엔드밀, end mill)를 자동 교환 가능한 머시닝 센터(machining center, MC)인 것이 바람직하다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 이러한 절삭 디바이스(70)는, 예를 들면, "주축대(72)", "주축대에 장착된 툴링(74)" 및 "툴링에 장착된 절삭 공구(76)"를 적어도 포함하여 이루어진다. 절삭 디바이스의 툴링(74)은 주축대(72)와 절삭 공구(76) 사이에 설치되는 것이며, 절삭 공구(76)의 유지 고정에 이바지한다(이러한 관점에서, 본 발명에서의 툴링은 "공구 유지구"라고도 할 수 있다). 절삭 디바이스의 절삭 공구(76)는 엔드밀, 예를 들면, 초경(超硬) 소재의 날이 두 개인 엔드밀, 스퀘어 엔드밀(square end mill), 래디우스 엔드밀(radius end mill) 등이어도 된다.
그리고, 절삭 디바이스의 "선단 레벨 B"란, 직접적 및 간접적으로 절삭에 이바지하게 되는 기계 부품에서의 하단부 레벨을 실질적으로 의미하고 있다. 더욱 구체적으로는, 절삭 디바이스 중 주축대, 툴링 및 절삭 공구 등이 구비된 부분에 상당하는 "절삭 측 부품"에서의 하단부 레벨을 의미하고 있다.
본 발명에 있어서, 흡인 노즐과 절삭 디바이스는 서로 인접하여 설치되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 흡인 노즐(60)의 축(60a)과 절삭 디바이스(70)의 축(70a)이 거의 평행하게 되도록 흡인 노즐(60) 및 절삭 디바이스(70)가 서로 인접하고 있는 것이 바람직하다. "흡인 노즐의 축"이란, 예를 들면, 흡인 노즐의 세통부의 길이 방향 축을 의미하는 한편, "절삭 디바이스의 축"이란, 예를 들면, 절삭 공구의 길이 방향 축, 툴링 또는 더미·툴링의 길이 방향 축 또는 주축의 중앙 축을 의미하고 있다. 그리고, "서로 인접하고 있다"라는 것은, 예를 들면, 흡인 노즐(60)의 축(60a)과 절삭 디바이스(70)의 축(70a)과의 이격 거리 G 또는 G'(도 9 참조)가 바람직하게는 10㎜∼40㎜, 더욱 바람직하게는 15㎜∼30㎜로 되어 있는 것을 의미하고 있다.
표면 절삭 처리에 앞서 행해지는 흡인 제거 시에는, 흡인 노즐을 예를 들면, 수평 방향으로 움직이도록 조작한다. 즉, 흡인 노즐의 높이 레벨(고화층의 적층 방향을 따른 수직 방향의 위치 레벨)을 실질적으로 변경하지 않고 흡인 노즐을 이동시킨다. 환언하면, "가장 최근에 형성된 분말층 및/또는 고화층"의 위쪽에서 흡인 노즐을 이동시키지만, 그 분말층 및/또는 고화층에 대한 수직 방향의 이격 거리를 바꾸지 않고 흡인 노즐을 이동시킨다. 전술한 바와 같이 흡인 노즐과 절삭 디바이스가 서로 인접하여 설치되어 있는 경우에는, 수평 방향으로 절삭 디바이스와 인접한 설치 상태에서 흡인 노즐이 흡인 제거에 사용되게 된다.
본 발명의 제조 방법에서는, 흡인 제거에 앞서 "흡인 노즐의 선단 레벨 A"와 "절삭 디바이스의 선단 레벨 B"의 상대적인 위치 관계를 변경하지만, 이러한 변경은, 예를 들면, 절삭 디바이스의 형태를 변경함으로써 행해도 된다. 더욱 구체적으로는, "절삭 디바이스의 선단 레벨 B"가 "흡인 노즐의 선단 레벨 A"보다 위쪽이 되도록 "절삭 디바이스의 형태를 바꾸고, 그에 따라, "흡인 노즐의 선단 레벨 A"와 "절삭 디바이스의 선단 레벨 B"의 상대적인 위치 관계를 변경해도 된다. 어디까지나 예시에 지나지 않지만, "절삭 디바이스의 선단 레벨 B"가 "흡인 노즐의 선단 레벨 A"보다 0(0을 포함하지 않음)㎜∼15㎜ 위쪽, 바람직하게는 2㎜∼10㎜ 위쪽이 되도록 이들 상대적인 위치 관계를 변경해도 된다.
본 발명에 말하는 "절삭 디바이스의 형태를 바꾼다"는 것은, 흡인 제거에 앞서 절삭 디바이스의 외(外)윤곽이 전체로서 변경되도록 변화시키는 것을 의미하고 있다. 예를 들면, 절삭 디바이스의 구성 요소를 적극적으로 변경함으로써, 절삭 디바이스의 외윤곽을 전체로서 변경하는 것을 의미하고 있다.
"절삭 디바이스의 형태를 바꾸는 태양"은 절삭 디바이스의 구성 요소를 부분적으로 분리한 상태로 함으로써 달성해도 된다. 예를 들면, 절삭 디바이스가 주축대(72), 툴링(74) 및 절삭 공구(76)를 포함하여 이루어지는 경우, 도 10 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, "툴링(74) 및 절삭 공구(76)를 주축대(72)에서 분리한 상태"로 해도 된다. 환언하면, "툴링(74) 및 절삭 공구(76)를 주축대(72)에서 분리한 상태"로, 흡인 노즐에 의한 흡인 제거를 실시해도 된다. 이러한 경우, 흡인 제거 처리의 전에, 절삭 기계의 주축대(72)에서 툴링(74) 및 절삭 공구(76)를 분리하고, 그 분리한 상태를 유지하여 흡인 제거를 계속하여 실시한다. 툴링(74) 및 절삭 공구(76)를 분리하면, 절삭 디바이스의 전체 레벨이 흡인 노즐의 선단 레벨 A보다 위쪽이 된다. 즉, 노출된 주축대(72)의 하면의 레벨이 흡인 노즐의 선단 레벨 A보다 위쪽에 위치하므로, 절삭 디바이스에 의해 저해되지 않고 "흡인 노즐의 흡인 제거"를 효율적으로 실시할 수 있게 된다. 그리고, 흡인 노즐과 절삭 디바이스가 서로 인접하여 설치되어 있는 경우, 절삭 디바이스의 주축 테이블과 인접한 상태에서 흡인 노즐이 흡인 제거에 사용되게 된다.
"절삭 디바이스의 형태를 바꾸는 태양"은, 도 10 (a) 및 (c)에 나타낸 바와 같이, 툴링(74) 및 절삭 공구(76) 대신에 "더미·툴링(74')만을 주축대(72)에 장착한 상태"에 의해 달성해도 된다. 즉, "더미·툴링(74')만을 주축대(72)에 장착한 상태"로, 흡인 노즐에 의한 흡인 제거를 실시해도 된다. 이것은, 흡인 제거 시에는 더미·툴링에 엔드밀 등이 설치되어 있지 않은 상태로 되어 있음(툴링의 단면(端面)으로부터 아래쪽에 아무것도 설치되어 있지 않은 절삭 디바이스가 되어 있음)을 의미하고 있다.
본 발명에서의 "더미·툴링"이란, 절삭 공구를 유지하기 위한 툴링이 아니고, 흡인 노즐과 절삭 디바이스와의 상대적인 위치 관계를 변경하기 위한 툴링을 의미하고 있다. 즉, 흡인 노즐과 절삭 디바이스의 상대적인 위치 관계의 변경에 오로지 이바지하는 툴링이 본 발명에서의 더미·툴링에 상당한다.
더미·툴링의 태양으로는, 흡인 제거 조작에 앞서, 절삭 기계의 주축대(72)에서 툴링(74) 및 절삭 공구(76)를 분리한 후, 더미·툴링(74')을 주축대(72)에 장착한다. 더미·툴링(74')을 주축대(72)에 설치한 후, 그 상태에서 흡인 제거를 계속하여 실시한다. 더미·툴링(74')만을 주축대에 장착한 상태로 함으로써, 절삭 디바이스의 전체 레벨이 흡인 노즐의 선단 레벨 A보다 위쪽이 된다. 즉, 더미·툴링(74')의 하면의 레벨이 흡인 노즐의 선단 레벨 A보다 위쪽에 위치하므로, 절삭 디바이스에 의해 저해되지 않고 "흡인 노즐의 흡인 제거"를 효율적으로 실시할 수 있다. 그리고, 흡인 노즐과 절삭 디바이스가 서로 인접하여 설치되어 있는 경우, 절삭 디바이스의 더미·툴링과 인접한 상태에서 흡인 노즐이 흡인 제거에 사용되게 된다.
도 11을 참조하여 상세하게 설명한다. 표면 절삭 처리 시에는 소정 거리 P("절삭 시의 툴링"과 "가장 최근에 형성된 고화층"과의 갭) 이상의 길이를 적어도 가지는 절삭 공구를 사용한다(예를 들면, 툴 번호나 절삭 공구 길이 등은 일정한 것으로 한다). 이로써, 고화층의 측면에 대하여 바람직하게 표면 절삭 처리를 행할 수 있다. 흡인 노즐은, 그 선단 레벨이 적어도 "가장 최근에 형성된 분말층"보다 위쪽이 되도록 설치한다(즉, "가장 최근에 형성된 고화층"보다 위쪽이 되도록 설치한다). 한편, 더미·툴링이 사용되는 경우, 주축에 장착된 더미·툴링에 대하여, 그 하단부와 "가장 최근에 형성된 고화층"과의 갭 H가 "흡인 노즐의 선단"과 "가장 최근 형성된 분말층"과의 갭 I보다 커지는 것이 요구된다. 환언하면, 그와 같은 형태에 이바지하게 되는 사이즈(축 방향 치수)를 더미·툴링은 가지고 있다.
더미·툴링(74')은, 주축에 장착되면, 그 하부 레벨이 흡인 노즐의 선단 레벨 A보다 위쪽이 되는 것이면, 그 종류에 특별히 제한은 없다. 이 점에서, 더미·툴링(74')의 축 방향 치수는, 사용에 필요한 이상으로 길지 않는 것이 바람직하고, 예를 들면, 툴링(74)(즉, 표면 절삭 처리에 사용되는 툴링)과 같은 축 방향 치수이어도 된다.
어디까지나 예시에 지나지 않지만, 더미·툴링(74')은, 툴링(74)과 동일한 종류이어도 된다. 즉, 더미·툴링(74')이 표면 절삭 처리 시에 사용되는 툴링과 동일한 종류의 것이어도 된다. 예를 들면, 더미·툴링(74')으로서, 표면 절삭 처리 시에 사용하는 툴링을 그대로 이용해도 된다.
본 발명의 제조 방법에서는, 흡인 노즐에 대하여 적극적으로 조작을 행하여 "흡인 노즐의 선단 레벨"과 "절삭 디바이스의 선단 레벨"의 상대적인 위치 관계를 변경해도 된다(도 12 참조). 더욱 구체적으로는, "흡인 노즐의 선단 레벨 A"가 "절삭 디바이스의 선단 레벨 B"보다 아래 레벨이 되도록 흡인 노즐을 구동시키고, 그에 따라, "흡인 노즐의 선단 레벨 A"와 "절삭 디바이스의 선단 레벨 B"의 상대적인 위치 관계를 변경해도 된다. 어디까지나 예시에 지나지 않지만, "흡인 노즐의 선단 레벨 A"가 "절삭 디바이스의 선단 레벨 B"보다 0(0을 포함하지 않음)㎜∼15㎜ 아래쪽, 바람직하게는 2㎜∼10㎜ 아래쪽이 되도록 이들 상대적인 위치 관계를 변경해도 된다.
이러한 경우, 흡인 노즐은 승강 가능하게 되어 있고, 흡인 제거에 앞서 흡인 노즐을 강하시킨다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 흡인 제거 조작에 앞서 "흡인 노즐의 선단 레벨"이 "절삭 디바이스의 선단 레벨"보다 아래 레벨이 될 때까지 흡인 노즐을 하강시킨다. 흡인 노즐은, 그 하강 레벨이 유지된 상태에서 흡인 제거에 사용된다. 이와 같이 흡인 노즐에 대하여 적극적으로 조작을 행함으로써도, 절삭 디바이스에 의해 저해되지 않고 "흡인 노즐의 흡인 제거"를 더욱 효율적으로 실시할 수 있다.
"절삭 디바이스의 형태를 바꾸는 태양"이든, "흡인 노즐에 대하여 적극적으로 조작을 행하는 태양"이든, 본 발명에서는, 흡인 노즐의 흡인구를 분말층의 표면에 가까이 대어 바람직하게 흡인 제거를 실시할 수 있다. 특히, 흡인 제거 시에는 "흡인 노즐의 선단 레벨 A"와 "가장 최근에 형성된 분말층" 사이의 이격 거리를 흡인 제거에 특히 바람직한 것으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, "흡인 노즐의 선단 레벨 A"와 "가장 최근에 형성된 분말층" 사이의 이격 거리(적층 방향을 따른 이격 거리)는, 5㎜ 이내, 즉 0(0을 포함하지 않음)∼5㎜로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 이러한 이격 거리는 1㎜ 이내, 즉 0(0을 포함하지 않음)∼1㎜로 하는 것이고, 한층 더 바람직하게는 0.4㎜∼1.0㎜ 정도로 한다. 이것은, 도 13에 실증되어 있는 바와 같이, 흡인 노즐의 선단 레벨 A를 "가장 최근에 형성된 분말층"에 더욱 가까이 갖다 댄 상태에서 흡인 노즐을 이동시키면, 고화층 주위의 분말을 효율적으로 제거할 수 있기 때문이다. 그리고, "가장 최근에 형성된 분말층"과 "가장 최근에 형성된 고화층"은, 흡인 제거 전에 있어서, 이들의 상면이 거의 동일 면으로 되어 있다. 따라서, "흡인 노즐의 선단 레벨 A"와 "가장 최근에 형성된 분말층" 사이의 이격 거리는, "흡인 노즐의 선단 레벨 A"와 "가장 최근에 형성된 고화층"는 사이의 이격 거리와 같은 의미이다.
흡인 노즐과 절삭 디바이스가 서로 인접하여 설치되어 있는 경우에는, 절삭 디바이스의 길이 방향 축(예를 들면, 주축)으로부터 소정량 오프셋한 위치에 흡인 노즐이 설치되어 있게 된다. 이러한 경우, 흡인 처리 시의 흡인 노즐의 이동 경로는 절삭 디바이스의 주축과 흡인 노즐 사이의 오프셋 양을 고려한 경로가 되어도 된다. 즉, 흡인 노즐의 흡인 경로가, 절삭 공구의 이동 경로로부터 "절삭 디바이스의 주축과 흡인 노즐 사이의 오프셋 양"만큼 시프트한 경로가 되는 것이어도 된다. 이로써, 표면 절삭 처리를 행하는 고화층 측면의 주위의 분말만 국소적으로 제거할 수 있다.
본 발명에 따르면, 표면 절삭 처리에 앞서 고화층 및/또는 3차원 형상 조형물 주위의 분말이 흡인 노즐에 의해 흡인 제거되므로, 조형물 표면과 절삭 공구 사이의 분말 말려 들어감에 기인한 공구 파손 트러블을 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 공구 파손까지의 평균 기간을 80∼400% 정도 증가시킬 수 있다(어디까지나 예시에 지나지 않지만, 어떤 조건 하에서의 "공구 파손 평균 간격"이 30∼50시간 정도에서부터 약 140∼150시간 정도까지 증가할 수 있다). 또한, 조형물 표면과 절삭 공구 사이의 분말 말려 들어감을 줄일 수 있으므로, 절삭 처리 시에 조형물 표면에 미치는 부하를 감소시킬 수 있어, 조형물의 표면 평활성을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 표면 절삭 가공이 행해진 개소의 표면 거칠기 Rz를, 바람직하게는 6㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 5㎛ 이하, 한층 더 바람직하게는 4㎛ 이하로 할 수 있다. 여기서 "표면 거칠기 Rz"란, 거칠기 곡선(본 발명에서 말하면 "고화층 표면의 단면 형상 프로파일")에 있어서 평균선에서부터 "가장 높은 산정부까지의 높이"와 "가장 낮은 골저부까지의 깊이"를 모두 더함으로써 얻어지는 거칠기 척도를 의미하고 있다.
본 발명의 제조 방법에서는, 흡인 노즐을 예를 들면, 수평 이동시키도록 조작하지만, 흡인하는 개소의 분말층 두께(깊이)에 따라, 흡인 조건(예를 들면, 흡인량이나 노즐의 이동 속도 등)을 적절히 바꾸어도 된다. 이에 대해 예시하면, 분말층 두께가 더 큰 경우(즉, 흡인 제거해야 할 개소의 분말층이 더 깊은 경우), 흡인 노즐의 흡인량을 더 크게 해도 된다. 분말층 두께가 더 큰 경우(즉, 흡인 제거해야 할 개소의 분말층이 더 깊은 경우)에는, 흡인 노즐의 주사 속도를 감소해도 된다.
또한, 흡인하는 개소에 근접하는 조형물의 형상에 따라 흡인 조건(예를 들면, 흡인량이나 노즐의 이동 속도 등)을 적절히 바꾸어도 된다. 이에 대해 예시하면, 조형물의 외곽부의 근방에서의 흡인 개소와 같이 주위에 분말층이 "광범위하게" 존재하는 개소(즉, 주위에 분말이 비교적 많이 존재하는 개소)에서는, 흡인 노즐의 흡인량을 더욱 크게 해도 된다. 한편, 조형물의 리브부의 근방에서의 흡인 개소와 같이 주위에 분말층이 "좁게" 존재하는 개소(즉, 주위에 분말이 비교적 적게 존재하는 개소)에서는, 흡인 노즐의 흡인량을 더 작게 해도 된다. 마찬가지로, 조형물의 외곽부의 근방에서의 흡인 개소와 같이 주위에 분말층이 "광범위하게" 존재하는 개소에서는, 흡인 노즐의 주사 속도를 더욱 감소시켜도 된다. 한편, 조형물의 리브부의 근방에서의 흡인 개소와 같이 주위에 분말층이 "좁게" 존재하는 개소에서는, 흡인 노즐의 주사 속도를 더욱 증가시켜도 된다.
[본 발명의 제조 장치]
다음에, 본 발명의 제조 방법의 실시에 바람직한 장치에 대하여 설명한다. 이러한 장치는, 도 1, 도 2, 도 4, 도 5 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 분말층 형성 수단(2), 광빔 조사 수단(3), 조형 테이블(20), 흡인 노즐(60)을 포함비하여 이루어진다. 전술한 [분말 소결 적층법]에서 설명한 바와 같이, 분말층 형성 수단(2)은 분말층을 형성하기 위한 수단이고, 광빔 조사 수단(3)은 고화층이 형성되도록 분말층에 광빔을 조사하기 위한 수단이다. 또한, 조형 테이블(20)은 분말층 및/또는 고화층이 형성되는 토대가 되는 것이다. 흡인 노즐(60)은 분말층의 분말을 흡인하기 위한 것이다. 이러한 장치의 동작도 포함하여, "분말층 형성 수단(2)", "조형 테이블(20)", "광빔 조사 수단(3)", "흡인 노즐(60)" 등에 대해서는, 전술한 [분말 소결 적층법] 및 [본 발명의 제조 방법]에서 설명하고 있으므로, 중복을 피하기 위해 설명을 생략한다.
특히, 본 발명의 제조 장치는, 흡인 노즐의 선단 레벨 A와 절삭 디바이스의 선단 레벨 B의 상대적인 위치 관계를 변경할 수 있도록 구성되어 있다. 여기서 말하는 "상대적인 위치 관계를 변경할 수 있도록 구성되어 있다"는 것은, 분말의 흡인 제거에 앞서 적극적으로 절삭 디바이스의 형태를 변경할 수 있게 되어 있든가, 또는 흡인 노즐이 승강 가능하게 되어 있는 것을 실질적으로 의미하고 있다. "적극적으로 절삭 디바이스의 형태를 변경하는 것이 가능하게 되어 있다"는 것은, 예를 들면, 절삭 디바이스가, 주축대, 툴링 및 절삭 공구를 포함하여 이루어지는 경우, 이러한 툴링과 교체 가능인 더미·툴링을 구비하고 있는 것으로 되어 있다. 즉, 절삭 공구를 유지하기 위한 툴링이 아니고, 흡인 노즐과 절삭 디바이스의 상대적인 위치 관계를 변경하기 위한 툴링을 별도 구비하고 있다. 또한, "흡인 노즐이 승강 가능하게 되어 있다"는 것은, 예를 들면, 구동 기구를 이용함으로써 흡인 노즐을 승강 이동할 수 있도록 되어 있다.
더욱 구체적으로는, 상기와 같이 적극적으로 절삭 디바이스의 형태를 변경하는 것이 가능하게 되어 있는 경우, 그에 따라, 절삭 디바이스의 선단 레벨 B가 흡인 노즐의 선단 레벨 A보다 위쪽이 되도록 절삭 디바이스의 형태를 변경할 수 있다. 마찬가지로, 상기와 같이 흡인 노즐이 승강 가능하게 되어 있는 경우, 그에 따라, 흡인 노즐의 선단 레벨 A가 절삭 디바이스의 선단 레벨 B보다 아래 레벨이 되도록 흡인 노즐을 구동시킬 수 있다.
본 발명의 제조 장치에서는, 흡인 노즐과 절삭 디바이스가 서로 인접하여 설치되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 흡인 노즐(60)의 축(60a)과 절삭 디바이스(70)의 공구 축(70a)이 거의 평행하게 되도록 흡인 노즐(60) 및 절삭 디바이스(70)가 서로 인접하여 설치되어 있는 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로는, 흡인 노즐의 세통부(62)의 길이 방향 축과, 절삭 디바이스의 절삭 공구의 길이 방향 축이 거의 평행하게 되도록 흡인 노즐 및 절삭 디바이스가 설치되는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 "거의 평행"이란, 완전히 "평행"이 아니어도 되고, 그것에서 약간 벗어난 태양(예를 들면, 도 9에 나타낸 각도 α가 0°∼10°정도가 되는 태양)이어도 되는 것을 의미하고 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명했으나, 본 발명의 적용 범위 중 전형적인 예를 예시한 것에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 각종 개변(改變)이 행해질 수 있음을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 이하의 변경 태양·추가 태양을 생각할 수 있다.
상기에서는, "절삭 디바이스의 형태를 바꾸는 태양"과 "흡인 노즐에 대해 적극적으로 조작을 행하는 태양"을 별개로 설명하였으나, 본 발명에서는 그 2개의 태양을 병렬적으로 실시해도 된다. 즉, "절삭 디바이스의 형태를 바꾸는 태양"을 실시하고 또한, "흡인 노즐에 대해 적극적으로 조작을 행하는 태양"도 실시해도 된다.
본 발명에서는, 흡인 노즐로 흡인 제거한 분말은 조형물의 제조에 다시 이용해도 된다. 즉, 흡인 제거한 분말을 재활용해 되고, 예를 들면, 흡인 제거한 분말을 자동 체로 쳐서, 재료 분말 탱크로 되돌려도 된다. 본 발명에 있어서는, 흡인 노즐에 의한 흡인 제거는 고화층 형성시 및/또는 표면 절삭 처리 시에도 실시해도 된다. 즉, 고화층 형성 중이나 표면 절삭 처리 중에도 분말의 흡인 제거를 행해도 된다. 이러한 변경 태양에서는, 고화층 형성 시에 발생하는 연기(fume)를 제거할 수 있거나 표면 절삭 처리 시에 발생하는 부유 분말이나 절삭 부스러기(절삭분) 등을 부가적으로 또는 대체적으로 흡인 제거할 수 있거나 한다.
본 발명에서는, 흡인 노즐에 의한 흡인 제거 시에 챔버 내의 불활성 가스 주입량을 증가시켜도 된다. 왜냐하면, 흡인 제거 시에는 분위기 가스(예를 들면, 질소 가스를 포함하는 가스)가 흡인 노즐에 흡입되어, 챔버 내의 산소 농도가 상승할 수 있기 때문이다. 즉, 불활성 가스 주입량을 증가시킴으로써, 흡인 제거 시에 불활성 가스 분위기를 바람직하게 유지할 수 있다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 3차원 형상 조형물의 제조 방법을 실시함으로써, 각종 물품을 제조할 수 있다. 예를 들면, "분말층이 무기질의 금속 분말층이며, 고화층이 소결 층이 되는 경우"에서는, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 플라스틱 사출 성형용 금형, 프레스 금형, 다이캐스팅(diecasting) 금형, 주조(鑄造) 금형, 단조 금형 등의 금형으로서 사용할 수 있다. 또한, "분말층이 유기질의 수지 분말층이며, 고화층이 경화층이 되는 경우"에서는, 얻어지는 3차원 형상 조형물을 수지 성형품으로서 사용할 수 있다.
[관련 출원의 상호 참조]
본 출원은, 일본 특허출원 제2013-144281호(출원일: 2013년 7월 10일, 발명의 명칭: "3차원 형상 조형물의 제조 방법 및 그 제조 장치")에 기초한 파리 조약상의 우선권을 주장한다. 상기 출원에 개시된 내용은 모두, 이 인용에 의해, 본 명세서에 포함되는 것으로 한다.
1: 광 조형 복합 가공기
2: 분말층 형성 수단
3: 광빔 조사 수단
4: 절삭 수단
19: 분말/분말층(예를 들면, 금속 분말/금속 분말층 또는 수지 분말/수지 분말층)
20: 조형 테이블(지지 테이블)
21: 조형 플레이트
22: 분말층(예를 들면, 금속 분말층 또는 수지 분말층)
23: 스퀴징용 블레이드
24: 고화층(예를 들면, 소결층 또는 경화층) 또는 그로부터 얻어지는 3차원 형상 조형물
25: 분말 테이블
26: 분말 재료 탱크의 벽 부분
27: 조형 탱크의 벽 부분
28: 분말 재료 탱크
29: 조형 탱크
30: 광빔 발진기
31: 갈바노미러
32: 반사 미러
33: 집광 렌즈
40: 밀링 헤드
41: XY 구동 기구
41a: X축 구동부
41b: Y축 구동부
42: 툴 매거진
50: 챔버
52: 광투과 창
60: 흡인 노즐
62: 흡인 노즐의 세통부
64: 흡인 기구
66: 연결 호스
70: 절삭 디바이스
72: 주축대
74: 툴링
76: 절삭 공구
100: 본 발명의 제조 장치의 개념도
L: 광빔

Claims (14)

  1. (i) 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 상기 소정 개소의 분말을 소결 또는 용융 고화시켜 고화층을 형성하는 과정, 및
    (ii) 얻어진 고화층 상에 새로운 분말층을 형성하고, 상기 새로운 분말층의 소정 개소에 광빔을 조사하여 고화층을 더 형성하는 과정
    에 의해 분말층 형성 및 고화층 형성을 반복하여 행하는 3차원 형상 조형물의 제조 방법으로서,
    상기 고화층을 얻은 후에 상기 고화층의 표면에 절삭 디바이스로 표면 절삭 처리를 행하는 과정을 적어도 1회 포함하고,
    상기 표면 절삭 처리에 앞서, 상기 고화층의 주위의 분말을 흡인 노즐에 의해 흡인 제거하고, 또한
    상기 흡인 제거 시에는, 상기 흡인 노즐의 선단 레벨 A가 상기 절삭 디바이스의 선단 레벨 B보다 낮은 위치가 되도록 상기 선단 레벨 A와 상기 선단 레벨 B의 상대적인 위치 관계를 변경하고, 또한
    상기 흡인 노즐 및 상기 절삭 디바이스가 서로 인접하여 설치된 상태에서 상기 흡인 노즐을 상기 흡인 제거에 사용하며,
    상기 흡인 노즐의 흡인 경로가, 상기 절삭 디바이스의 이동 경로로부터, 상기 절삭 디바이스의 주축과 상기 흡인 노즐과의 사이의 오프셋 양(offset amount)만큼 시프트된 경로로 이루어지고,
    상기 분말층이 광범위하게 존재하는 개소와 상기 분말층이 좁게 존재하는 개소와의 사이에서 상기 흡인 노즐의 흡인 조건을 변경시키는,
    3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    가장 최근에 형성된 분말층에 대한 이격 거리를 변경함이 없이 상기 흡인 노즐을 이동시키는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 흡인 제거에서는, 가장 최근에 형성된 분말층과 상기 흡인 노즐의 상기 선단 레벨 A와의 사이의 이격 거리를 1 mm 이내로 하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡인 노즐을 상기 3차원 형상 조형물의 단면 윤곽을 따라 주회하도록 수평 이동 시키는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분말층이 광범위하게 존재하는 개소에 대해서는 상기 흡인 노즐의 주사 속도를 상대적으로 감소시키는 한편, 상기 분말층이 좁게 존재하는 개소에 대해서는 상기 흡인 노즐의 주사 속도를 상대적으로 층가시키는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 흡인 노즐의 세통부는, 그 선단이 협착하는 형태로 되어 있는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 절삭 디바이스의 형태를 변경함으로써 상기 선단 레벨 A와 상기 선단 레벨 B의 상기 상대적인 위치 관계를 변경하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 절삭 디바이스가, 주축대, 툴링 및 절삭 공구를 포함하여 이루어지고,
    상기 툴링 및 상기 절삭 공구 대신에 더미·툴링만을 상기 주축대에 장착한 상태로 하고, 상기 상태에서 상기 흡인 제거를 실시하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 더미·툴링이 상기 툴링과 동일한 종류의 툴링인, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 절삭 디바이스가, 주축대, 툴링 및 절삭 공구를 포함하여 이루어지고,
    상기 툴링 및 상기 절삭 공구를 상기 주축으로부터 분리한 상태로 하고, 상기 상태에서 상기 흡인 제거를 행하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 흡인 노즐의 상기 선단 레벨 A가 상기 절삭 디바이스의 상기 선단 레벨 B보다 아래 레벨이 되도록 상기 흡인 노즐을 구동시킴으로써, 상기 선단 레벨 A와 상기 선단 레벨 B의 상기 상대적인 위치 관계를 변경하는, 3차원 형상 조형물의 제조 방법.
  13. 3차원 형상 조형물의 제조 장치로서,
    분말층을 형성하기 위한 분말층 형성 수단,
    고화층이 형성되도록 상기 분말층에 광빔을 조사하기 위한 광빔 조사 수단,
    상기 분말층 및/또는 상기 고화층이 형성되게 되는 조형 테이블,
    상기 분말층 중 적어도 일부의 분말을 흡인 제거하기 위한 흡인 노즐, 및
    상기 고화층 및 상기 고화층으로 형성되는 상기 3차원 형상 조형물에 표면 절삭 처리를 행하기 위한 절삭 디바이스
    를 포함하여 이루어지고,
    상기 흡인 노즐의 선단 레벨 A가 상기 절삭 디바이스의 선단 레벨 B보다 낮은 위치가 되도록 상기 선단 레벨 A와 상기 선단 레벨 B의 상대적인 위치 관계를 변경할 수 있는 구성을 가지고, 또한
    상기 흡인 노즐의 축과 상기 절삭 디바이스의 축이 거의 평행하게 되도록 상기 흡인 노즐 및 상기 절삭 디바이스가 서로 인접하여 배치되어 있으며, 또한
    상기 흡인 노즐의 흡인 경로는, 상기 절삭 디바이스의 이동 경로로부터, 상기 절삭 디바이스의 주축과 상기 흡인 노즐과의 사이의 오프셋 양(offset amount)만큼 시프트된 경로로 이루어지고,
    상기 분말층이 광범위하게 존재하는 개소와 상기 분말층이 좁게 존재하는 개소와의 사이에서 상기 흡인 노즐의 흡인 조건을 변경시키는,
    3차원 형상 조형물의 제조 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 절삭 디바이스가, 주축대, 툴링 및 절삭 공구를 포함하여 이루어지고, 상기 툴링와 바꿀 수가 있는 더미·툴링을 별도 구비하고 있는, 3차원 형상 조형물의 제조 장치.
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