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KR102153404B1 - 프로세스 챔버의 레이저 윈도우의 세정 및/또는 교체를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

프로세스 챔버의 레이저 윈도우의 세정 및/또는 교체를 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR102153404B1
KR102153404B1 KR1020180065628A KR20180065628A KR102153404B1 KR 102153404 B1 KR102153404 B1 KR 102153404B1 KR 1020180065628 A KR1020180065628 A KR 1020180065628A KR 20180065628 A KR20180065628 A KR 20180065628A KR 102153404 B1 KR102153404 B1 KR 102153404B1
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KR
South Korea
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laser window
laser
opening
sealing plate
process chamber
Prior art date
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KR1020180065628A
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English (en)
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KR20180133342A (ko
Inventor
반 바에렌베르 요나스
발켄보르그스 브래울리
Original Assignee
3디 시스템즈 인코오퍼레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

수정된 분위기를 포함하는 외부 벽에 의해 밀폐된 프로세스 챔버, 특히 선택적 레이저 소결(SLS: Selective Laser Sintering)과 같은 기술에 의해 3D 물체의 층상 인쇄를 위한 프로세스 챔버의 레이저 윈도우의 세정 및/또는 교체를 위한 장치가 제공되며, 이 장치는 레이저 윈도우가 설치된 외부 벽의 개구를 특징으로 하고, 이 레이저 윈도우는 프로세스 챔버의 외부에 위치된 레이저 소스로부터의 레이저 빔이 프로세스 챔버 내에 진입할 수 있게 하고, 외부 벽과 이 레이저 윈도우 사이에서 연장되는 외부 밀봉 링이 제공된다.
또한, 밀폐된 프로세스 챔버의 외부 벽의 개구에서 레이저 윈도우를 세정 및/또는 교체하기 위한 방법이 제공된다.

Description

프로세스 챔버의 레이저 윈도우의 세정 및/또는 교체를 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR CLEANING AND/OR REPLACEMENT OF A LASER WINDOW OF A PROCESS CHAMBER}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 특허 출원은 2017년 6월 6일자로 출원되고, 본 명세서에 참조로 통합된 벨기에 특허 출원 제BE2017/5402호에 대한 우선권을 주장한다.
현재의 기술에 따르면, "직접 금속 프린팅(Direct Metal Printing)"(SLM, DMLS 등)과 같은 프로세스를 위한 수정된 분위기를 포함하는 프로세스 챔버 내에 레이저 윈도우가 제공되며, 이 프로세스 챔버에서 레이저 빔에 의한 처리에 의해 금속이 기화된다.
이러한 프로세스는 통상의 숙련자에게 공지되어 있으며, 이를 위해 프로세스 챔버에 필요한 분위기도 마찬가지이다. 원하는 분위기의 공급은 다양한 단계에서 수행되어야 하기 때문에 매우 시간 소모적이다. 예를 들어, 프로세스 챔버는 먼저 산소 등을 전부 제거하기 위해 진공 상태에 배치되어야 한다. 다음에, 공간에 질소 가스를 공급하여 공간을 플러싱한 후, 원하는 불활성 가스를 공급하여 프로세스 챔버 내에 불활성 분위기를 형성하기 전에 다시 질소 분위기의 공간을 진공 상태에 배치한다. 적용된 프로세스에 따라, 프로세스 챔버 내의 분위기는 챔버를 진공 상태로 먼저 배치할 필요 없이 원하는 불활성 가스로 플러싱함으로써 변경될 수도 있다.
여기서, 레이저 윈도우는 프로세스 챔버와 레이저 소스 및/또는 레이저 스캐너 사이에 격벽을 형성하며, 따라서 수정된 분위기를 유지하기 위해 프로세스 챔버가 폐쇄상태로 유지되어야 하는 동안 레이저 빔을 통과시켜야 한다. 따라서, 레이저 소스 및/또는 레이저 스캐너는 일반적으로 프로세스 챔버의 외부에 위치한다.
이러한 프로세스에서 금속의 기화로 인해, 예를 들어 레이저 윈도우가 오염된다. 오염은 레이저 출력의 일부의 흡수를 초래하고, 이에 따라, 레이저 윈도우의 가열을 또한 초래한다. 이로 인해 "열 렌즈 효과(thermal lensing)"라 알려진 바가 발생할 수 있다. 이는 용융 프로세스를 불안정하게 만들고 자체적으로 잔류 다공성과 생성된 작업편의 거칠기의 증가를 발생시킨다.
레이저 윈도우의 오염을 제한하기 위해, 가스 흐름 시스템이 가스 스트림의 연속 여과와 조합하여 레이저 윈도우의 내부에 내장된다.
그럼에도 불구하고, 이는 레이저 윈도우 내부의 오염을 방지할 수 없다. 따라서 예컨대, 장기 프로세스의 경우, 레이저 윈도우를 세정하거나 교체해야 한다. 이를 위해 프로세스는 오랜 시간 동안 중단되어야 한다. 작업자는 내부의 레이저 윈도우를 세정하기 위해 프로세스 챔버를 열어야 하며 이는 또한 수정된 분위기가 이 챔버에 유지될 수 없음을 의미한다. 세정 후에는 이 수정된 분위기를 다시 만들어야 한다.
본 발명은 프로세스 챔버에서 수정된 분위기를 유지하면서 레이저 윈도우의 세정 및/또는 교체를 가능하게 하는 방법 및 장치를 제공함으로써 이를 위한 해결책을 제공하고자 한다.
이를 위해, 레이저 윈도우는 개구에 대해 이동될 수 있고, 장치에는 여기에 첨부된 청구범위에서 요구되는 바와 같이 프로세스 실로 연장되는 밀봉 판이 설치된다.
이 목적을 위해, 밀봉 판은 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동 가능하며, 밀봉 판은 폐쇄 위치에서 외부 벽의 개구를 밀봉하고 개방 위치에서 외부 벽의 개구를 가려지지 않은 상태가 되게 하며, 밀봉 판이 밀봉 위치에 위치될 때 밀봉 판과 개구 주위의 외부 벽 사이에서 프로세스 챔버 내로 연장되는 내부 밀봉 링이 제공되고, 이 밀봉 위치에서 내부 밀봉 링, 밀봉 판 및 레이저 윈도우가 설치된 개구에 의해 경계 지어진 로크 챔버(lock chamber)가 생성되고, 로크 챔버 내의 수정된 분위기의 공급을 위해 입구 및 출구가 로크 챔버 내로 연장된다.
바람직하게는, 장치는 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서, 바람직하게는 개구, 레이저 윈도우 및/또는 외부 벽에 주로 평행하게 밀봉 판을 안내하는 내부 가이드를 포함한다.
장치의 일 실시예에 따르면, 내부 밀봉 링 및/또는 외부 밀봉 링은 팽창 가능한 밀봉부를 포함한다.
또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에서 요구되는 바와 같이 밀폐된 프로세스 챔버의 외부 벽의 개구에서 레이저 윈도우를 세정 또는 교체하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 추가적인 세부 사항 및 이점은 본 발명에 따른 방법 및 장치의 몇몇 특정 실시예에 대한 이하의 설명에 나타나있다. 이 설명은 단지 예로서 제시된 것이며 청구된 보호 범위를 제한하지 않는 것이며, 아래에 사용된 참조 번호는 첨부 도면과 관련된다.
도 1은 레이저 윈도우가 폐쇄 위치에 있고 밀봉 판이 개방 위치에 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 단면의 개략도이다.
도 2는 레이저 윈도우와 밀봉 판이 폐쇄 위치에 있는 도 1과 같은 개략도이다.
도 3은 개방 위치에 있는 레이저 윈도우와 폐쇄 위치에 있는 밀봉 판을 갖는 도 1의 개략도이다.
도 4는 개구를 갖는 프로세스 챔버의 외부 벽의 외측부의 일부의 개략적인 사시도이다.
도 5는 여러 창으로 구성된 레이저 윈도우의 개략도이다.
다양한 도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 부재에 관련된다.
일반적으로, 본 발명은 프로세스 챔버의 레이저 윈도우의 세정 및/또는 교체를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 내부 밀봉 링과 조합하여 프로세스 챔버 내에 로크 챔버를 생성할 수 있고 프로세스 챔버 내의 분위기와 별도로 분위기를 생성할 수 있는 밀봉 판에 관한 것이다. 이 로크 챔버는 레이저 윈도우가 설치된 외부 벽의 개구 주위의 프로세스 챔버에 생성된다. 본 발명은 특히 통상의 숙련자에게 그 자체가 공지된 레이저에 의한 프로세스를 사용하여 3D 물체의 층상 제조를 위한 프로세스 챔버에 있어서의 적용에 관한 것이다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 장치의 실시예의 도면을 도시한다.
프로세스의 실행 동안, 3D 물체가 레이저를 사용하여 층으로 제조되는 경우, 제조 프로세스에 필요한 원하는 수정된 분위기를 생성하기 위해 프로세스 챔버(3)는 완전히 폐쇄된다.
프로세스 챔버(3)의 외부 벽(2)에는 레이저 윈도우(1) 및 외부 밀봉 링(5)에 의해 폐쇄된 개구(4)가 설치된다. 여기서, 밀봉 링(5)은 개구 둘레에서 그리고 레이저 윈도우(1)에 대해 밀접한다.
외부 벽(2)에 레이저 윈도우(1)를 제공함으로써, 레이저 소스(16)는 프로세스 챔버(3)의 외부에 위치될 수 있다. 윈도우(1)는 레이저 빔(15)이 프로세스 챔버(3)에 진입할 수 있게 한다.
프로세스 동안, 레이저 윈도우(1)는 그 내부면(17)에서 오염된다.
내부측(17)에서 레이저 윈도우(1)를 세정하기 위해, 외부 벽(2)의 내부측(18) 상의 개구(4)에는 도 2에 도시된 바와 같이 밀봉 판(6)이 설치된다.
메커니즘(12)에 의해, 밀봉 판(6)은 개구(4)의 전방에 배치된다. 내부 밀봉 링(7)은 개구(4)가 프로세스 챔버(3)로부터 완전히 밀봉되도록 외부 벽(2)과 밀봉 판(6) 사이를 연결한다. 바람직하게는, 내부 밀봉 링(7)은 외부 벽(2)의 내부측(18)에 연결된다.
이는 개구(4) 둘레에 로크 챔버(8)를 생성한다. 이 로크 챔버(8)는 밀봉 판(6), 레이저 윈도우(1) 및 내부 및 외부 밀봉 링(5, 7)에 의해 경계 지어진다.
도 2에 도시된 바와 같이, 예를 들어 힌지를 포함하는 외부 안내 메커니즘(13)에 의해 레이저 윈도우(1)가 개방 위치로 이동되면, 로크 챔버(8)가 개방되고 수정된 분위기가 로크 챔버(8)로부터 소산되지만, 프로세스 챔버(3) 내에서는 수정된 분위기가 유지된다.
여기서, 레이저 윈도우(1)의 내부측(17)은 세정을 위해 접근 가능하게 되고, 그 후, 레이저 윈도우(1)를 폐쇄 위치로 이동시킴으로써 로크 챔버(8)가 다시 폐쇄될 수 있다. 여기에서 레이저 윈도우(1)를 새로운 레이저 윈도우(1)로 대체할 수도 있다.
출구(10) 및 입구(11)는 로크 챔버(8) 내에서 종결된다.
로크 챔버(8)가 다시 폐쇄될 때, 프로세스 챔버(3)의 분위기에 대응하는 수정된 분위기가 로크 챔버(8)에 생성된다.
이를 위해, 출구(10) 및 이것에 연결된 진공 펌프(9)에 의해 로크 챔버(8) 내에 진공이 생성될 수 있으며, 그 후에 로크 챔버(8)는 입구(11)를 통해 원하는 가스로 재충전된다.
대안적으로, 입구(11) 및 출구(10)는 도면에 도시되지 않은, 진공을 생성하고 가스를 다시 공급하는 양자 모두를 위해 사용되는 단일 연결부로 구성될 수도 있고, 이 단일 연결부는 입구 및 출구 역할 사이에서 교번한다.
또한, 이를 위해 로크 챔버(8) 내에 반드시 진공을 생성할 필요 없이, 이 챔버(8)를 입구(11) 및 출구(10)를 통해 원하는 가스로 플러싱하는 것만으로 로크 챔버(8) 내의 분위기를 변화시킬 수도 있다.
마지막으로, 밀봉 판(6)은 도 1에서와 같이 개방 위치로 다시 이동될 수 있다.
전술한 실시예의 변형예에 따르면, 내부 및 외부 밀봉 링(5, 7)은 바람직하게는 밀봉을 위해 팽창되는 팽창 가능한 밀봉 링을 포함한다.
전술한 실시예의 다른 변형예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저 윈도우(1)는 다수의 레이저 팬(1, 1', 1")을 포함하는 어댑터 판(14)으로 구성된다.
전술한 실시예의 또 다른 변형예에 따르면, 내부 및/또는 외부 안내 메커니즘(12 및/또는 13)은 도면에 도시되지 않은 가이드 레일 및 구동 유닛을 포함한다. 구동 유닛은 유압, 공압 및/또는 전기식 등일 수 있다. 바람직하게는, 이들 메커니즘은 외부 벽(2), 개구(4) 및/또는 레이저 윈도우(1)에 주로 평행한 안내를 보장한다.
도 4는 프로세스 챔버(3)의 외부 벽(2)에 배치될 수 있는 본 발명에 따른 장치를 갖는 모듈을 도시한다. 내부 안내 메커니즘(12)은 도면에 도시되지 않은 하나 이상의 가이드 레일(20) 및 구동 피스톤을 포함하며, 이들은 개방 위치와 폐쇄 위치 사이의 개구(4)와 평행한 밀봉 판의 이동을 가능하게 한다. 또한, 이 실시예에서, 개구(4)는 3개의 서브 개구(4', 4", 4"')로 세분된다. 개구(4)는 세분되지 않거나, 더 많거나 더 소수로 세분되어 구현될 수도 있다.
전술한 실시예의 가능한 변형예에 따르면, 외부 안내 메커니즘(13)은 레이저 윈도우(1)가 외부 벽(2)으로부터 쉽게 분리될 수 있게 하는 하나 이상의 체결구(19) 및/또는 제거 가능 힌지를 포함한다.
본 발명은 물론 상술한 장치 또는 방법 또는 첨부 도면에 제안된 실시예에 제한되지 않는다. 예를 들어, 이들 실시예 및 변형예의 다양한 특징이 서로 조합될 수 있다.

Claims (15)

  1. 레이저에 의한 3D 물체의 층상 축조를 위한, 수정된 분위기를 포함하는 밀폐된 프로세스 챔버의 외부 벽 상에 설치된 레이저 윈도우를 갖는 장치이며,
    상기 외부 벽은 레이저 윈도우가 설치된 적어도 하나의 개구를 특징으로 하고, 상기 레이저 윈도우는 프로세스 챔버 외부에 위치한 레이저 소스로부터의 레이저 빔이 개구를 통해 상기 프로세스 챔버 내로 통과하여 3D 물체를 층으로 구축할 수 있게 하고,
    외부 벽과 레이저 윈도우 사이에서 연장되는 외부 밀봉 링이 제공되는 장치이며,
    레이저 윈도우가 개구에 대해 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동 가능하고,
    또한 프로세스 챔버 내로 연장되고 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동 가능한 밀봉 판이 제공되며,
    밀봉 판의 개방 위치에서, 상기 밀봉 판은 외부 벽의 개구를 가려지지 않은 상태가 되게 하고,
    밀봉 판의 폐쇄 위치에서:
    밀봉 판과 외부 벽 사이의 개구 주위에서 프로세스 챔버 내로 연장되는 내부 밀봉 링이 제공되며,
    내부 밀봉 링과 조합하여, 밀봉 판은 프로세스 챔버의 개구를 밀봉하고,
    개구 주위에, 적어도 밀봉 판, 내부 밀봉 링 및 레이저 윈도우에 의해 경계 지어지는 로크 챔버가 생성되고,
    입구 및 출구가 상기 로크 챔버 내의 수정된 분위기의 공급을 위해 로크 챔버 내로 연장되는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 출구에 압력 릴리프 밸브가 설치되고 및/또는 출구가 로크 챔버 내에 진공을 생성하기 위한 진공 펌프에 연결되는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 밀봉 판의 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 밀봉 판을 안내하는 내부 가이드를 포함하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 레이저 윈도우의 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 레이저 윈도우를 안내하는 외부 가이드를 포함하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 내부 밀봉 링 및/또는 외부 밀봉 링은 팽창 가능한 밀봉부를 포함하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 레이저 윈도우는 하나 이상의 레이저 창을 갖는 어댑터 판을 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 제1 단계에서 레이저 윈도우를 개방하고 레이저 윈도우를 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동시키고, 후속하는 제2 단계에서 레이저 윈도우를 개구에 대해 개방 위치로 이동시키도록 밀봉 판을 구동하는 구동 수단이 제공되는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 입구 및 출구는 입구 역할과 출구 역할 사이에서 교번하는 단일 연결 파이프로 이루어지는 장치.
  9. 선택적 레이저 소결(SLS: Selective Laser Sintering)과 같은 기술에 의한 3D 물체의 층상 축조를 위한, 수정된 분위기를 포함하는 밀폐된 프로세스 챔버의 레이저 윈도우의 세정 또는 교체를 위한 방법이며, 프로세스 챔버의 외부 벽은 적어도, 레이저 윈도우가 설치된 개구를 특징으로 하고, 상기 레이저 윈도우는 3D 물체의 층상 축조를 위해 프로세스 챔버 외부에 위치한 레이저 소스로부터의 레이저 빔이 개구를 통해 상기 프로세스 챔버에 진입할 수 있게 하며, 이 방법은:
    레이저 윈도우가 설치된 개구를 완전히 덮도록 레이저 윈도우의 내부측 상에서 밀폐된 프로세스 챔버 내에 밀봉 판을 배치하는 단계;
    외부 벽과 밀봉 판 사이에서 레이저 윈도우로 개구 둘레의 내부 밀봉 링을 폐쇄함으로써 밀폐된 로크 챔버를 생성하는 단계;
    외부 벽 내의 개구에 대해 레이저 윈도우를 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동시키는 단계;
    레이저 윈도우의 내부측을 세정하거나 상기 레이저 윈도우를 새로운 레이저 윈도우로 교체하는 단계;
    외부 벽의 개구 위에 세정된 레이저 윈도우 또는 새로운 레이저 윈도우를 배치하는 단계;
    외부 벽과 레이저 윈도우 사이에서 레이저 윈도우로 개구 주변의 외부 밀봉 링을 폐쇄하는 단계;
    로크 챔버의 분위기를 수정하는 단계;
    레이저 윈도우의 내부측에서 밀봉 판을 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 로크 챔버 내의 분위기의 수정은 불활성 가스의 공급에 의해 수행되는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 로크 챔버 내의 분위기의 수정은 로크 챔버 내에 진공을 생성시킨 다음 불활성 가스를 공급함으로써 수행되는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 밀봉 판의 배치 및 제거는 밀봉 판을 내부 가이드 위로 안내함으로써 수행되는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 밀봉 판의 안내는 외부 벽, 개구 및/또는 레이저 윈도우에 평행하게 수행되는 방법.
  14. 제9항에 있어서, 내부 밀봉 링 및/또는 외부 밀봉 링의 폐쇄는 팽창 가능한 밀봉부를 팽창시킴으로써 수행되는 방법.
  15. 제9항에 있어서, 외부 벽 내의 개구에 대한 레이저 윈도우의 이동은 레이저 윈도우를 외부 가이드 위로 안내함으로써 수행되는 방법.
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