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KR20180017081A - 다중 빔 적층 제조 - Google Patents

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KR20180017081A
KR20180017081A KR1020187000360A KR20187000360A KR20180017081A KR 20180017081 A KR20180017081 A KR 20180017081A KR 1020187000360 A KR1020187000360 A KR 1020187000360A KR 20187000360 A KR20187000360 A KR 20187000360A KR 20180017081 A KR20180017081 A KR 20180017081A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
powder
layer
light
build
array
Prior art date
Application number
KR1020187000360A
Other languages
English (en)
Inventor
조셉 델라로사
윌리엄 오'닐
마틴 스파크스
앤드류 페인
Original Assignee
아이피지 포토닉스 코포레이션
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

다중 빔 적층 제조를 위한 시스템 및 방법은, 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성하는 복셀을 형성하기 위해서 분말 재료가 융합될 때까지 선택된 영역 내에서 분말 재료의 층을 노출시키기 위해서 광의 다중 빔(예를 들어, 레이저 광)을 이용한다. 광은 선택된 광원으로부터 발생될 수 있고 적어도 하나의 라인 내의 광학 헤드 내에 배열된 출력 단부를 가지는 광섬유의 어레이 내로 커플링되며, 그에 따라 다중 빔이 광학 헤드에 의해서 동일한 분말 영역에 순차적으로 지향되어 분말 영역을 융합시키기 위한 (예를 들어, 예열, 용융 및 제어된 냉각으로) 다중 빔 순차적 노출을 제공한다. 다중 순차적 빔은 다양한 기술을 이용하여 (예를 들어, 광학 헤드를 이동시키는 것에 의해서) 그리고 다양한 스캔 패턴을 따라서 이동될 수 있고, 그에 따라 복수의 융합 영역은 각각의 구축 층을 형성한다.

Description

다중 빔 적층 제조
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은, 전체가 본원에서 참조로 포함되는, 2015년 6월 10일자로 출원된 미국 특허출원 제62/173,541호의 이익 향유를 주장한다.
본 개시 내용은 적층 제조 그리고 보다 특히 다중 빔 적층 제조에 관한 것이다.
(또한 3-차원적 인쇄로도 공지된) 적층 제조 기술은 거의 모든 형상의 3-차원적 구조물을 제조하기 위해서 이용되어 왔다. 적층 프로세스를 이용할 때, 연속적인 재료의 층이 구조물의 3D 모델을 규정하는 데이터를 기초로 침착되어(deposited) 구조물을 형성한다. 분말 베드 융합(PBF)으로 지칭되는, 일부 방법에서, 구조물을 형성하는 연속적인 층은 분말 재료의 연속적인 층을 침착하는 것에 의해서 그리고 각각의 층의 선택된 영역 내에서 분말 재료를 결합 또는 융합하기 위해서 광 빔(예를 들어, 레이저 광)을 이용하는 것에 의해서 생산된다. 이러한 방법의 예는, 구조물의 각각의 구축 층을 형성하기 위해서 레이저가 선택된 영역 내에서 분말 입자를 소결시키는, 선택적 레이저 소결(SLS), 및 용융된 재료가 경화되어 구조물의 각각의 구축 층을 형성하도록 레이저가 선택된 영역 내에서 분말을 용융시키는, 선택적 레이저 용융(SLM)을 포함한다.
비록 그러한 레이저 적층 제조(LAM) 기술은 성공적이었지만, 선택된 영역으로의 레이저 이동은 종종 구축 속도(build rate) 및 제조 속력이 느려지게 한다. 다중 빔은 속력을 높이기 위한 노력에서 이용되었으나, 분말 층에 걸쳐 다중 빔을 스캐닝하는 것은 각각의 구축 층의 융합된 재료 내의 응력 생성을 초래할 수 있다. 예를 들어, 열 에너지는 열적 부품 응력을 유발할 수 있고, 이는 구축 층이 형성될 때 3-차원적 구조물을 변형시킬 수 있다. 따라서, LAM 기술은, 초합금과 같은 특정 재료와 함께 이용될 때 성공적이지 못하였는데, 이는 열적 응력이 균열을 초래할 수 있기 때문이다. 또한, LAM 기술은, 큰 입자 크기를 가지는 분말 재료와 함께 이용될 때 성공적이지 못하였는데, 이는, 레이저의 파워가 과다한 열적 응력을 유발하지 않고 큰 입자 크기를 용융 및 융합하기에 충분하지 않을 수 있기 때문이다.
또한, 더 빠른 구축 속도는 일반적으로 에너지가 분말 베드(powder bed) 내로 더 빨리 도입될 것(즉, 더 높은 파워)을 필요로 한다. LAM 시스템의 파워를 증가시키는 것은 어려운 문제인데, 이는 광학 요소가 반드시 커져야 하고 더 큰 파워를 견디기 위해서 냉각이 증가되어야 하기 때문이다. 그러한 시스템 내의 스캐닝 거울은, 크기 증가에 따라, 덜 응답적이 되고, 이는 스캐닝 속력을 감소시키고 구축 속력을 감소시킨다. SLM 시스템에서 다중 빔을 이용하기 위한 시도는 성공적이지 못하였는데, 이는 다중 빔으로 동일한 지역을 스캐닝하는 것과 관련된 난제 때문이다.
따라서, 융합된 재료 내의 열적 응력을 감소시키면서 구축 속도가 더 빨라질 수 있게 하는 적층 제조 시스템 및 방법이 요구된다.
실시예에 따라, 복수의 구축 층에 의해서 형성된 3-차원적 구조물을 다중 빔 적층 제조하기 위한 방법이 제공된다. 그러한 방법은: 광원의 어레이 및 광원의 어레이에 각각 커플링된 광섬유의 어레이, 그리고 광섬유의 출력 단부를 포함하는 광학 헤드를 제공하는 단계로서, 광섬유의 출력 단부가 적어도 하나의 라인으로 배열되는, 단계; 분말 층의 각각을 수용하기 위해서 수직으로 그리고 점증적으로 이동되는 분말 베드 지지 시스템 상으로 분말 재료의 분말 층을 전달하는 단계; 및 3-차원적인 구조물의 복셀(voxel)에 상응하는 융합 영역을 생성하기 위해서 분말 영역을 융합시키는 것에 의해서 분말 재료의 각각의 분말 층 내에 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성하는 단계를 포함하고, 각각의 분말 층 내의 분말 재료의 융합 영역은 3-차원적인 구조물의 개별적인 구축 층의 각각을 집합적으로 형성하고, 각각의 구축 층을 형성하는 단계는 각각의 분말 층 내에서 융합시키고자 하는 분말 영역 상에서 가변 세기의 광으로 다중 빔 순차적 노출을 실시하는 단계를 포함하고, 다중 빔 순차적 노출의 각각을 실시하는 단계는 광원의 어레이 내의 광원으로부터 광을 생성하는 단계 및 광의 빔이 광섬유 출력 단부로부터 방출되고 분말 영역을 융합시키기 위해서 분말 영역에 순차적으로 지향되도록 광섬유 출력 단부의 라인을 분말 영역에 걸쳐 이동시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에 따라, 복수의 구축 층에 의해서 형성된 3-차원적 구조물을 다중 빔 적층 제조하기 위한 방법이 제공된다. 그러한 방법은: 분말 베드 지지 시스템에 분말 재료의 분말 층을 전달하는 단계; 구축 층을 집합적으로 형성하는 융합 영역을 생성하기 위해서 분말 영역을 융합시키는 것에 의해서 분말 재료의 분말 층 내에 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성하는 단계로서, 구축 층을 형성하는 단계는 각각의 분말 층 내에서 융합시키고자 하는 분말 영역 상에서 다중 빔 순차적 노출을 실시하는 단계를 포함하고, 다중 빔 순차적 노출의 각각을 실시하는 단계는 분말 영역을 융합시키기 위해서 분말 영역에 가변 세기의 광의 빔을 순차적으로 지향시키는 단계를 포함하는, 구축 층을 형성하는 단계; 및 3-차원적인 구조물의 구축 층의 각각을 형성하기 위해서 분말 층을 전달하는 단계 및 분말 층 내에 구축 층을 형성하는 단계를 반복하는 단계로서, 융합 영역의 각각은 3-차원적인 구조물의 복셀에 상응하는, 반복하는 단계를 포함한다.
추가적인 실시예에 따라, 3-차원적 구조물을 다중 빔 적층 제조하기 위한 방법이 제공된다. 그러한 방법은: 광원의 어레이 및 광원의 어레이에 각각 커플링된 광섬유의 어레이, 그리고 광섬유의 출력 단부를 포함하는 광학 헤드를 제공하는 단계로서, 광섬유 출력 단부가 적어도 하나의 라인으로 배열되는, 단계; 3-차원적인 구조물의 각각의 구축 층을 위한 구축 명령을 수신하는 단계로서, 구축 명령은 적어도 광학 헤드의 위치를 규정하는 광학 헤드 배치 데이터 및 선택된 광원 그리고 선택된 광원에 대한 파워 및 노출 시간을 식별하는 광원 데이터를 포함하는, 단계; 및 가변 세기의 광을 가지는 다중 빔 순차적 노출을 각각의 분말 층 내의 선택된 분말 영역 상으로 제공하여 선택된 분말 영역 내에서 분말 재료를 융합시키기 위해서, 광원 데이터에 따라 선택된 광원을 활성화시키면서, 광학 헤드 배치 데이터에 따라 분말 재료의 분말 층에 대해서 광학 헤드를 이동시킴으로써, 3-차원적인 구조물의 각각의 구축 층을 형성하는 단계로서, 각각의 층 내의 분말 재료의 융합 영역이 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성하는, 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 따라, 다중 빔 적층 제조 시스템은 분말 베드 및 그 내부에 형성된 3-차원적인 구조물을 지지하기 위한 그리고 분말 재료의 다중 분말 층을 수용하기 위해서 분말 베드를 수직으로 그리고 점증적으로 이동시키기 위한 분말 베드 지지 시스템, 그리고 분말 베드를 형성하기 위해서 분말 층의 각각을 전달하기 위한 분말 전달 시스템을 포함한다. 다중 빔 적층 제조 시스템은 또한 광을 생성하기 위한 광원의 어레이, 광원에 커플링된 광섬유의 어레이, 및 광섬유의 출력 단부를 포함하는 다중 빔 광학 헤드를 포함한다. 다중 빔 적층 제조 시스템은, 분말 베드에 전달된 각각의 분말 층 내에서 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성하기 위해서 협력하는, 광원의 어레이, 분말 베드 지지 시스템, 및 분말 전달 시스템을 제어하기 위한 제어 시스템을 더 포함한다. 제어 시스템은 광원의 어레이 내의 선택된 광원으로부터 광을 발생시키기 위해서 광원의 각각을 선택적으로 제어하도록, 그리고 광섬유 출력 단부의 라인을 융합시키고자 하는 분말 영역에 걸쳐 순차적으로 이동시켜 가변 세기를 가지는 다중 빔 순차적 노출을 분말 영역 상에 제공하고 그에 따라 광의 빔이 광섬유 출력 단부로부터 방출되고 분말 영역을 융합시키기 위해서 분말 영역에 순차적으로 지향되어 3-차원적인 구조물의 복셀을 형성하는 융합 영역을 제공하도록 구성된다.
이러한 그리고 다른 특징 및 장점은, 도면과 함께 기재된, 이하의 구체적인 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 개시 내용의 실시예에 따른, 분말형 재료의 층으로부터 3-차원적인 구조물을 형성하기 위해서 이용되는 다중 빔 적층 제조 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 개시 내용의 실시예에 따른, 다중 빔 적층 제조 시스템 내에서 이용하기 위한 1-차원적인 다중 빔 광학 헤드의 개략도이다.
도 2a는 본 개시 내용의 다른 실시예에 따른, 상이한 빔 스폿 크기들 및 간격들을 제공하기 위한 상이한 위치들 내의 화상화 광학기기를 가지는 도 2에 도시된 1-차원적인 다중 빔 광학 헤드의 개략도이다.
도 3은 본 개시 내용의 실시예에 따른, 다중 빔 적층 제조 시스템 내에서 이용하기 위한 2-차원적인 다중 빔 광학 헤드의 개략도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 개시 내용의 실시예에 따른, 다중 빔 광학 헤드로 스캐닝하는 것에 의해서 분말 베드 내에 예시적인 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성하는 것을 도시한다.
도 5a는 본 개시 내용의 실시예에 따른, 다중 빔 분산형 노출로부터 초래되는 빔 스폿 및 용융 볼(melt ball)의 개략도이다.
도 5b는 본 개시 내용의 실시예에 따른, 중첩 다중 빔 분산형 노출로부터 초래되는 빔 스폿 및 용융 볼의 개략도이다.
도 6은 본 개시 내용의 실시예에 따른, 다중 빔 적층 제조 방법을 이용하여 스테인리스 강 및 코발트 크롬 각각의 분말 층을 노출하는 레이저 빔에 대한 노출 시간의 함수로서의 용융 볼 직경의 그래프이다.
도 7a 내지 도 7e는 본 개시 내용의 실시예에 따른, 1-차원적인 다중 빔 분산형 노출을 위한 상이한 스캔 패턴들을 도시한다.
도 7f는 본 개시 내용의 다른 실시예에 따른, 간삽(interleaving) 스캔 라인에 의해서 형성된 스캔 패턴을 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시 내용의 실시예에 따른, 2-차원적인 다중 빔 분산형 노출을 위한 스캔 패턴들을 도시한다.
도 9는 본 개시 내용의 실시예에 따른, 각도형 1-차원적인 다중 빔 분산형 노출을 위한 스캔 패턴들을 도시한다.
도 10은 본 개시 내용의 실시예에 따른, 엇갈린 2-차원적인 다중 빔 분산형 노출을 위한 상이한 스캔 패턴들을 도시한다.
도 11은 본 개시 내용의 실시예에 따른, 다중 빔 적층 제조를 이용하여 형성된 단일 층 중실형(solid) 구조물의 사진이다.
도 12는 본 개시 내용의 실시예에 따른, 다중 빔 적층 제조를 이용하여 형성된 단일 층 형상의 구조물의 사진이다.
도 13은 본 개시 내용의 실시예에 따른, 다중 빔 적층 제조를 이용하여 형성된 다중 층 형상의 구조물의 사진이다.
도 14는 본 개시 내용의 실시예에 따른, 구축 층의 상이한 영역들 내의 상이한 해상도들을 보여주는 구축 층의 상면도이다.
도 15a 내지 도 15c는 본 개시 내용의 추가적인 실시예에 따른, 분말 층이 전달될 때 분말 층을 노출시키기 위해서 분말 전달 시스템에 커플링된 다중 빔 광학 헤드의 상면 개략도이다.
도 16은 본 개시 내용의 다른 실시예에 따른, 분말 층이 전달될 때 분말 층을 노출시키기 위해서 분말 전달 시스템에 커플링된 1-차원적인 각도형 다중 빔 광학 헤드의 상면 개략도이다.
도 17은 본 개시 내용의 다른 실시예에 따른, 분말 층이 전달될 때 분말 층을 노출시키기 위해서 분말 전달 시스템에 커플링된 2-차원적인 엇갈린 다중 빔 광학 헤드의 상면 개략도이다.
도 18은 본 개시 내용의 또 다른 실시예에 따른, 분말 층이 전달될 때 분말 층을 노출시키기 위해서 분말 전달 시스템의 호퍼들(hoppers) 사이에 커플링된 다중 빔 광학 헤드의 측면 개략도이다.
도 19는 본 개시 내용의 다른 실시예에 따른, 다중 빔을 스캐닝하기 위한 다면 거울을 포함하는 다중 빔 레이저 적층 제조 시스템의 개략도이다.
도 20은 본 개시 내용의 다른 실시예에 따른, 다중 빔 스캐닝을 위한 갈보 스캐너(galvo scanner)를 포함하는 다중 빔 레이저 적층 제조 시스템의 개략도이다.
도 21은 본 개시 내용의 또 다른 실시예에 따른, 분말 영역을 조명(irradiate)하기 위해서 그리고 예열, 용융 및 제어된 냉각을 제공하기 위해서 분말 영역에 걸쳐 이동되는 광섬유 출력 단부의 라인의 개략도이다.
도 22는 본 개시 내용의 또 다른 실시예에 따른, 분말 영역을 동시에 조명하기 위해서 그리고 예열, 용융 및 제어된 냉각을 제공하기 위해서 다중 분말 영역에 걸쳐 이동되는 광섬유 출력 단부의 다중 라인을 포함하는 2-차원적인 어레이의 개략도이다.
도 23은 분말 영역을 동시에 조명하기 위해서 그리고 예열, 용융 및 제어된 냉각을 제공하기 위해서 다중 분말 영역에 걸쳐 이동되는 광섬유 출력 단부의 다중 라인을 포함하는 2-차원적인 어레이의 추가적인 실시예의 개략도이다.
본 개시 내용에 따른, 다중 빔 적층 제조를 위한 시스템 및 방법은, 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성하는 복셀을 형성하기 위해서 분말 재료가 융합될 때까지 선택된 영역 내에서 분말 재료의 층을 노출시키기 위해서 광의 다중 빔(예를 들어, 레이저 광)을 이용한다. 광은 선택된 광원으로부터 발생될 수 있고 적어도 하나의 라인으로 광학 헤드 내에 배열된 출력 단부를 가지는 광섬유의 어레이 내로 커플링되며, 그에 따라 다중 빔이 광학 헤드에 의해서 동일한 분말 영역에 순차적으로 지향되어 분말 영역을 융합시키기 위한 (예를 들어, 예열, 용융 및 제어된 냉각으로) 다중 빔 순차적 노출을 제공한다. 다중 순차적 빔은 다양한 기술을 이용하여 (예를 들어, 광학 헤드를 이동시키는 것에 의해서) 그리고 다양한 스캔 패턴을 따라서 이동될 수 있고, 그에 따라 복수의 융합 영역은 각각의 구축 층을 형성한다.
융합하고자 하는 분말 영역 위에 가변 세기를 가지는 다중 빔 순차적 노출을 제공하는 것에 의해서, 응고 속도가 조절될 수 있고, 그에 따라 낮은 다공도 및 감소된 잔류 응력을 초래할 수 있다. 다른 실시예에서, 광섬유 출력 단부의 다중 라인이 상이한 위치들에서 다중 분말 영역 상에 다중 빔 순차적 노출을 제공하도록, 광섬유 출력 단부의 2-차원적인 어레이가 이동될 수 있다. 그에 따라, 빔은, 각각의 다중 빔 노출에 의해서 형성된 융합 영역을 분리하기 위해서 충분히 이격된 다중 빔 순차적 노출로 분산형 노출 패턴을 형성하는 분산형 다중 빔 순차적 노출을 제공할 수 있다. 분산형 다중 빔 순차적 노출을 이용하는 것에 의해서 그리고 특정 스캔 전략을 이용하는 것에 의해서, 다중 빔 적층 제조 시스템 및 방법은, 구축 층 내에서 유발되는 응력을 감소시키면서, 구축 속력을 높일 수 있다.
본원에서 설명된 실시예에 따른, 다중 빔 적층 제조 시스템을 이용하여, 넓은 범위의 3-차원적인 인쇄 또는 신속한 시제품화 적용예를 위해서 그리고 적용예에 따른 다양한 재료로부터 3-차원적인 구조물을 형성할 수 있다. 분말 재료는, 비제한적으로, 금속, 합금, 및 초합금을 포함할 수 있다. 더 구체적으로, 분말 재료는, 비제한적으로, 분말형 Ti-6Al-4V, 니켈 티타늄 또는 니티놀, 니켈계 초합금(인코넬로 공지된 예를 들어, 오스테나이트 니켈-크롬-계 초합금), 알루미늄, 스테인리스 강 및 코발트 크롬을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스테인리스 강 316L 및 코발트 크롬 모두는 양호한 내식성 및 고강도를 제공한다. 스테인리스 강은, 예를 들어, 식품 프로세싱 또는 의료 적용예를 위해서 이용될 수 있는데, 이는 그 멸균 가능성 그리고 피로 및 충격에 대한 내성 때문이다. 코발트 크롬은, 예를 들어, 그 큰 내마모성 및 고강도의 작은 특징부를 형성할 수 있는 능력으로 인해서, 의료용 임플란트를 위해서 이용될 수 있다. 분말 재료는 또한 분말 베드 융합 적층 제조에서 이용하기 위한 공지된 임의의 다른 분말 재료를 포함할 수 있다.
다중 레이저, 특히 섬유 레이저(fiber laser)를 이용할 때 큰 파워를 이용할 수 있기 때문에, 본원에서 설명된 다중 빔 적층 제조 시스템 및 방법을 이용할 때, 분말의 입자 크기는 문제가 되지 않을 수 있다. 다중 빔 적층 제조 시스템 및 방법은, 5 ㎛ 보다 작은 입자 크기 및 30 ㎛ 보다 큰 입자 크기를 포함하는, 비대칭적 입자 크기를 가지는 분말과 함께 이용될 수 있다. 다중 빔 적층 제조 시스템 및 방법은 또한, 예를 들어 50 ㎛ 보다 큰, 큰 입자 크기를 가지는 분말과 함께 이용될 수 있다.
본원에서 사용된 바와 같이, "노출"은 규정된 기간 동안의 광의 노출을 지칭하고, "다중 빔 분산형 노출"은, 빔이 실질적으로 동일한 시간에 상이한 위치들에서 이격된 노출을 제공하도록, 다중 빔을 이용하는 노출을 지칭하며, 그리고 "다중 빔 순차적 노출"은 동일한 위치에서 다중 빔을 이용하는 일련의 노출을 지칭한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "분말 재료"는 분말 베드 융합 적층 제조에서 이용하기에 적합한 입자 형태의 재료를 지칭한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "융합"은 용융 및/또는 소결의 결과로서, 분말 재료의 입자를 단일 구조물로서 함께 조합하는 것을 지칭한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "용융 풀(melt pool)" 및 "용융 볼"이라는 용어는 광 빔에의 노출에 의해서 형성된 용융된 분말 재료의 3-차원적인 영역을 지칭하기 위해서 상호 교환 가능하게 이용된다. "용융 풀" 또는 "용융 볼"은 대체적으로 구형 또는 회전 타원체 형상을 가질 수 있으나, 임의의 특별한 형상으로 제한될 필요는 없다. 본원에서 사용된 바와 같이, "융합 영역"은, "용융 풀" 또는 "용융 볼"을 형성하는 광 빔의 노출의 결과로서 융합된 분말 재료의 영역이고, "분산형 융합 영역"은, 다중 빔 분산형 노출에 의해서 대체로 동시에 형성되고 분리된 "융합 영역"을 지칭한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "복셀"은 3-차원적인 구조물 내의 3-차원적인 공간의 단위이다. "복셀"은 "용융 풀" 또는 "용융 볼" 또는 "융합 영역"에 상응할 수 있으나, 용융 풀 또는 용융 볼 또는 융합 영역과 동일한 크기 및 형상일 필요는 없다.
비록 본원에서 설명된 예시적인 실시예가 주로 금속 분말을 이용한 분말 적층 제조를 위해서 이용되지만, 본원에서 설명된 개념은 레이저 또는 광을 이용하는 다른 재료 및 다른 유형의 적층 제조와 함께 이용될 수 있다. 다른 재료는, 예를 들어, 수지, 플라스틱, 중합체 및 세라믹을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 개시 내용의 실시예에 따른, 다중 빔 적층 제조 시스템(100)이 도시되어 있고 더 구체적으로 설명된다. 다중 빔 적층 제조 시스템(100)은 분말 재료(104)의 연속적인 층에 의해서 형성된 분말 베드(102)를 지지하기 위한 분말 베드 지지 시스템(110) 및 분말 재료(104)의 층을 분말 베드(102) 상으로 전달하기 위한 분말 전달 시스템(120)을 포함한다. 3-차원적인 구조물의 구축 층은 분말 베드(102)의 각각의 분말 층 내에 형성된다.
다중 빔 적층 제조 시스템(100)은 또한 광섬유(132)의 어레이에 커플링된 광원(130)의 어레이 및 분말 베드(102)의 노출된 층을 포함하는 프로세싱 표면(106)에 다중 광 빔(131)을 지향시키도록 광섬유(132)의 출력 단부들을 배열하는 광학 헤드(140)를 포함한다. 분말 베드(102) 상의 노출된 분말 층 내에 구축 층을 형성할 때, 하나 이상의 광 빔(131)에 의한 노출이 노출된 분말 재료를 용융시키고, 이는 분말 재료가 구축 층의 복셀에 상응하는 융합 영역 내에서 융합되게 한다. 그에 따라, 상이한 위치들에서 다중 빔을 이용한 다중 빔 노출은 구축 층의 복수의 복셀을 동시에 형성할 수 있다. 광 빔(131)은 또한, 예열 및/또는 어닐링과 같은, 분말 재료의 용융 및 융합을 돕기 위한 다른 동작을 실시하기 위해서 이용될 수 있다.
도시된 실시예에서, 광학 헤드 이동 시스템(142)은 광학 헤드(140)를 분말 베드(102)에 대해서 이동시키고, 그에 따라 구축 층을 구성하는 복셀을 형성하기 위해서 광 빔(131)이 분말 베드(102) 상의 상이한 위치들로 지향될 수 있다. 광학 헤드 이동 시스템(142)은 광학 헤드(140)를 약 1 내지 2 m/s 범위의 속력으로 이동시킬 수 있으나, 그보다 느리거나 빠른 속력도 가능하다. 제어 시스템(150)은 분말 베드 지지 시스템(110), 분말 전달 시스템(120), 광원(130), 및 광학 헤드 이동 시스템(142)을 협력 제어하여 3-차원적인 구조물의 구축 층의 각각을 형성한다. 특히, 제어 시스템(150)은, 광 빔(131)에 의한 노출이 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성하는 개별적인 복셀을 초래하는 용융 풀 및 융합 영역을 선택적으로 생성하도록, 광원(130)의 선택적인 활성화 동안 (예를 들어, 도트 매트릭스 인쇄기와 유사하게) 스캔 패턴(10)에 따라 분말 층에 걸쳐 광학 헤드(140)가 스캔되게 할 수 있다. 광학 헤드(140)는 또한 광학 헤드 이동 시스템(142)에 대해서 회전될 수 있다.
분말 베드 지지 시스템(110)은, 분말 재료(104)의 각각의 새로운 층을 수용하고, 그에 의해서 분말 베드(102) 및 그 내부에 형성된 3-차원적인 구조물을 둘러싸는 구축 엔벨로프(build envelope)(112)를 형성하기 위해서, 분말 베드(102)를 (예를 들어, 화살표(2)의 방향으로) 하강시킨다. 분말 베드 지지 시스템(110)은, 예를 들어, 피스톤 구동형 지지 플랫폼(미도시)을 포함할 수 있다. 분말 베드 지지 시스템(110)은 각각의 새로운 분말 층의 희망 두께에 상응하는 양 만큼 점증적으로 분말 베드(102)를 하강시킨다. 구축 엔벨로프(112)는 입방체 형상으로 도시되어 있으나, 원통형 형상을 또한 가질 수 있다. 일 예에서, 분말 베드 지지 시스템(110)은 최대 구축 직경이 100 mm이고 높이가 70 mm이며 각각의 분말 층에 대한 해상도가 25 ㎛인 원통형 구축 엔벨로프를 형성한다.
분말 전달 시스템(120)은 분말 재료(104)의 각각의 층을 분말 베드(102) 상으로 확산시키기 위한, 롤러 또는 와이퍼와 같은, 분말 확산기(powder spreader)(122)를 포함한다. 분말 전달 시스템(120)은, 예를 들어, 분말 확산기(122)와 결합되도록 분말 재료를 상향 이동시키는 분말 전달 피스톤(미도시)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 분말 전달 시스템(120)은, 분말 베드(102) 위로부터 분말 재료를 전달하는 하나 이상의 호퍼 또는 유사한 장치를 포함할 수 있다.
분말 베드(102) 및 프로세싱 표면(106)은 프로세싱 챔버(160) 내에 봉입될(enclosed) 수 있다. 프로세싱 챔버(160)는, 광 빔(131)이 챔버(160) 내로 분말 베드(102)까지 전달될 수 있게 하기 위한 프로세싱 창(미도시)을 가지는 기밀 챔버일 수 있다. 프로세싱 챔버(160)는 또한, 분말 재료의 용융 및 융합을 실시할 때 산화 효과를 감소시키기 위해서 대기 제어될 수 있다. 진공 시스템(162)은 프로세싱 챔버(160)로부터 산소를 제거하기 위해서 이용될 수 있다. 가스 공급부(164)는 산소를 대체하기 위해서 아르곤과 같은 불활성 가스를 프로세싱 챔버(160)에 공급할 수 있다.
다중 빔 적층 제조 시스템(100)은 각각의 구축 층에 대한 프로세스-중의 계측(in-process metrology)을 제공하기 위한 광 간섭 단층촬영(optical coherence tomography)(OCT) 시스템(166)을 더 포함할 수 있다. OCT 시스템(166)은, 임의 용융 풀에 관한 크기 및 형상 정보를 획득하기 위해 하나 이상의 노출 위치에서 프로세싱 평면(106)을 화상화하기 위해서, 공지된 OCT 기술을 이용할 수 있다. OCT는 온-라인 단일 지점 간섭측정적(interferometric) 깊이 결정일 수 있다.
광원(130)의 어레이는, 고파워 다중-모드 섬유-커플링된 다이오드 레이저와 같은, 다이오드 레이저의 어레이를 포함할 수 있다. 그러한 다이오드 레이저의 하나의 예는, 105-110 ㎛의 개구, 125 ㎛의 섬유 크래딩 직경 및 250 ㎛의 섬유 버퍼 직경을 가지는 커플링된 광섬유로 974 nm 파장 범위(예를 들어, 958 내지 980 nm) 내의 30 W까지의 출력 파워를 가질 수 있는, IPG Photonics Corp.으로부터 입수할 수 있는 PLD-33 계열이다. 다른 파워 출력(예를 들어, 10, 60, 또는 100 W) 및/또는 다른 파장을 가지는 다른 다이오드 레이저가 또한 이용될 수 있다. 상이한 파워 출력 및/또는 파장의 다이오드 레이저가 또한 동일한 어레이 내에서 이용될 수 있다.
다이오드 레이저의 출력 파워는, 예를 들어, 다이오드 레이저의 구동 전류를 변화시키는 것에 의해서, 변화될 수 있다. 이는, 가변 파워 전달을 실시하기 위해서 각각의 노출 전에 또는 펄스 성형을 실시를 위해서 노출 중에 이루어질 수 있다. 각각의 노출에 의해서 전달되는 에너지는, 예를 들어, 출력 파워, 펄스 지속시간, 펄스 형상, 및 포커스 또는 빔 스폿 크기를 변화시키는 것에 의해서, 변화될 수 있다. 그에 따라, 다중 빔 적층 제조 시스템(100)은 파워 밀도가 조정될 수 있다.
다른 실시예에서, 광원(130)의 어레이는 약 532 nm의 파장의 녹색 섬유 레이저와 같은, 섬유 레이저를 포함할 수 있다. 녹색 섬유 레이저는 피크 파워가 150 kW 초과 및 400 kW 이하인 펄스형(예를 들어, 나노초) 녹색 섬유 레이저, 출력 파워가 50 W 이하인 연속 파동 섬유 레이저, 및 출력 파워가 100 W 이하 또는 500 W 이하인 준-연속 파동(QCW) 섬유 레이저를 포함할 수 있다. 그러한 섬유 레이저의 예는, IPG Photonics Corp.로부터 입수할 수 있는, GLR 계열 단일-모드, 단일-주파수 연속 파동 녹색 섬유 레이저 및 GLPN 계열 고파워, 단일 모드, 준-연속 파동 녹색 섬유 레이저를 포함한다. IR 파장(예를 들어, 1 미크론, 1.5 미크론, 및 2 미크론)과 같은 다른 파장의 다른 섬유 레이저가 또한 다중 빔 적층 제조 시스템(100) 내의 광원(130)으로서 이용될 수 있다. 섬유 레이저는, 예를 들어, 큰 입자 크기 및/또는 높은 용융 온도로 분말 재료를 용융시키기 위해서, 큰 파워를 제공할 수 있다.
이들은 단지, 다중 빔 적층 제조 시스템(100)에서 이용될 수 있는 광원의 몇몇 예이다. 광원(130)의 어레이는, 이용되는 분말 재료를 용융 및 융합하기 위한 충분한 파워의 광을 전달할 수 있는 임의 유형의 광원을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 예를 들어, 큰 파워의 백색 광원으로 충분할 수 있다.
다른 실시예에서, 광원(130)은, 예를 들어, 분말 재료의 용융 및 융합을 돕기 위해서 및/또는 3-차원적인 구조물 상에 마감 표면을 형성하기 위해서, 다른 동작 또는 프로세스를 실시할 수 있는 하나 이상의 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 특별한 프로세싱 동작을 위해서 요구되는 파워 및/또는 빔 특성(예를 들어, 빔 품질 및 스폿 크기)에 따라, 상이한 광원들이 이용될 수 있다. 예를 들어, 작은 세기의 빔 및 큰 포커스된 스폿 크기를 생성하는 하나 이상의 다중-모드 레이저를 이용하여, 분말의 예열 및/또는 융합 영역의 어닐링과 같이, 높은 파워 밀도 및 높은 해상도를 요구하지 않는 프로세스를 실시할 수 있다. 분말 재료 내에서 복셀을 생성하는 용융과 같이, 높은 파워 밀도 및 높은 해상도를 필요로 하는 프로세스를 위해서, 큰 세기 빔 및 작은 포커스된 스폿 크기를 생성하는 단일 모드 레이저가 이용될 수 있다. 예를 들어, 큰 피크 파워를 생성하는, 피코초 또는 펨토초 레이저와 같은, 하나 이상의 극초단 레이저(ultrafast laser)를 이용하여, 3-차원적인 구조물의 표면 상에서 레이저 유도된 주기적 표면 구조물(LIPSS)을 형성할 수 있다.
비록 섬유(132)의 어레이에 각각 커플링된 광원(130)의 어레이를 포함하는 것으로 다중 빔 적층 제조 시스템(100)이 설명되지만, 부가적으로 또는 대안적으로, 시스템(100)은 복수 섬유에 커플링된 단일 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 큰 파워 및 높은 해상도를 요구하지 않는 예열, 어닐링, 또는 다른 프로세스를 위해서 광의 다중 빔을 전달하기 위해서, 단일 레이저가 분할될 수 있고 다중 섬유에 커플링될 수 있다. 다른 실시예에서, 다중 빔 적층 제조 시스템(100)은 광원의 다른 어레이에 또는 다른 단일 광원에 커플링된 하나 초과의 광학 헤드(140)를 포함할 수 있다.
비록 예시적인 실시예는, 다중 빔을 프로세싱 표면(106)에 지향시키도록 광섬유(132)의 출력 단부를 배열하기 위해서 광학 헤드(140)를 이용하지만, 다른 기술 및 시스템을 이용하여 다중 빔을 프로세싱 표면(106)을 향해 지향시켜, 본원에서 설명된 방법에서의 이용을 위해서 프로세싱 표면(106) 상에 빔 스폿의 어레이를 형성할 수 있다. 광의 다중 빔은, 예를 들어, 프로세싱 표면(106)을 향해서 지향된 다른 유형의 (예를 들어, 레이저 용접 헤드와 유사한) 레이저 프로세싱 헤드를 이용하여 및/또는 광 빔을 프로세싱 표면(106)을 향해서 지향시키기 위한 거울 또는 다른 광학적 구성요소를 이용하여, 광원(예를 들어, 레이저 다이오드)을 프로세싱 표면(106)을 향해 지향시키는 것에 의해서, 프로세싱 표면(106)을 향해서 지향될 수 있다.
광학 헤드 이동 시스템(142)은 화살표(6, 8)에 의해서 표시된 바와 같이 적어도 X 및 Y 방향으로 광학 헤드를 이동시키도록 구성된 X-Y 이동 스테이지를 포함할 수 있다. 그러한 광학 헤드 이동 시스템(142)의 하나의 예는 XYZ 스테이지를 가지는 Aerotech® 갠트리 시스템(gantry system)과 같은 CNC 갠트리 시스템을 포함한다. 광학 헤드 이동 시스템(142)의 다른 예는 광학 헤드(140)를 프로세싱 챔버(160) 위에서 이동시키기 위한 인쇄기-스타일의 운반체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 층이 전달될 때 광학 헤드(140)가 분말 층을 스캔하고 노출시키도록, 인쇄기-스타일의 운반체가 분말 전달 시스템(120)에 커플링될 수 있다. 다른 실시예에서, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 다면 거울 또는 갈보 스캐너와 같은 스캐닝 광학기기를 이용하여 빔을 스캐닝함으로써, 빔(131)이 분말 베드(102)에 대해서 이동될 수 있다.
제어 시스템(150)은 분말 베드 지지 시스템(110), 분말 전달 시스템(120), 광원(130), 및 광학 헤드 이동 시스템(142)을 협력 제어하여 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성한다. 제어 시스템(150)은, 예를 들어, 각각의 새로운 구축 층을 형성한 후에 규정된 증분(increment)에 따라 분말 베드(102)를 하강시키기 위해서 분말 베드 지지 시스템(110) 내의 피스톤을 구동하는 스텝퍼 모터를 제어함으로써, 분말 베드 지지 시스템(110)을 제어할 수 있다. 그에 따라, 제어 시스템(150)은 각각의 분말 층 및 그에 따라 각각의 구축 층의 두께를 제어할 수 있다. 제어 시스템(150)은, 예를 들어, 분말 베드(102)의 하강 이후에 분말 베드(102) 위에 각각의 새로운 분말 재료(104)의 층을 확산시키기 위해서 분말 확산기(122)를 구동시키는 구동 모터를 제어함으로써, 분말 전달 시스템(120)을 제어할 수 있다. 제어 시스템(150)은, 규정된 층 두께만큼 분말 베드(102)를 하강시키는 것 그리고 새로운 분말(104)의 층을 분말 베드(102) 상에서 확산시키기 위해서 분말 확산기(122)를 구동하는 것에 의해서, 각각의 구축 층 이후에 분말의 재-층상화를 자동적으로 유발할 수 있다.
제어 시스템(150)은 또한, 예를 들어, 어떠한 광원이 활성화 또는 턴 온될 것인지를 제어하는 것에 의해서, 출력 파워를 제어하는 것에 의해서, 그리고 방출된 광의 지속시간(그리고 그에 따라 노출 시간)을 제어하는 것에 의해서, 광원(130)의 어레이를 제어할 수 있다. 제어 시스템(150)은, 예를 들어, 스캐닝 패턴 또는 전략에 따라 광학 헤드(140)를 위치시키기 위해서 광학 헤드 이동 시스템(142)을 구동하는 X-Y 모터를 제어하는 것에 의해서, 광학 헤드(140)의 이동 및 배향을 더 제어할 수 있다. 그에 따라, 제어 시스템(150)은, 각각의 노출에서, 광이 광원(130)으로부터 선택적으로 생성되게 그리고 광학 헤드(140)로부터 분말 베드(102) 상의 상이한 위치들로 선택적으로 지향되게 할 수 있다.
제어 시스템(150)은 3-차원적인 구조물의 구축 층의 각각, 그리고 그러한 구축 층을 형성하기 위한 베드 지지 시스템(110), 분말 전달 시스템(120), 광원(130), 및 광학 헤드 이동 시스템(142)의 동작을 규정하는 구축 명령(152)을 수신할 수 있다. 구축 명령(152)은, 예를 들어, 화상 슬라이스 데이터, 스캐닝 데이터, 층 두께 데이터, 스캔 스트립 중첩 데이터, 및 에너지 분산 데이터를 포함할 수 있다. 이러한 데이터는 가변적일 수 있고 구축 명령이 생성될 때 규정될 수 있다. 화상 슬라이스 데이터는, 3-차원적인 구조물의 모델을 통한 평면형 슬라이스에 상응하고 3-차원적인 구조물을 형성하는 각각의 구축 층에 상응하는 일련의 2진 화상(binary image)를 규정한다. 스캐닝 데이터는, 다중 빔이 분말 베드(102)의 노출된 층 상의 임의 위치를 선택적으로 노출시킬 수 있도록, 분말 베드(102)에 대한 광학 헤드(140)의 이동의 패턴과 같은 스캔 패턴 또는 전략을 규정한다. 스트립 중첩 데이터는 분말 베드(102) 상의 인접한 스캔 스트립들 사이의 중첩량을 규정한다. 층 두께 데이터는 분말 재료의 각각의 층의 그리고 그에 따라 각각의 구축 층의 두께를 규정한다. 에너지 분산 데이터는, 각각의 선택된 광원에 대한 파워 및 노출 시간을 포함하는, 분말 상의 광의 에너지 분산을 규정한다.
구축 명령(152)은 파일 또는 다른 데이터 구조의 형태일 수 있다. 구축 명령(152)은, 예를 들어, CAD 파일에 의해서 표시되는 바와 같이, 물체의 모델로부터 생성될 수 있다. 구축 명령(152)의 각각의 라인은 광학 헤드(140)의 위치, 해당 위치에서 활성화시키고자 하는 광원(들)의 식별, 및 해당 위치에서 활성화시키고자 하는 식별된 광원(들)의 각각에 대한 노출 시간 및 파워를 포함할 수 있다. 그에 따라, 구축 명령(152)은, 광학 헤드(140)의 다중 위치가 각각의 구축 층 내의 모든 복셀을 생성하도록, 광학 헤드(140)의 각각의 위치에서 다중 복셀을 형성하기 위한 데이터를 제공할 수 있다. 구축 명령(152)은 또한 각각의 구축 층이 형성된 후에 재-층상화를 개시하기 위한 재-층상화 명령을 포함할 수 있다.
제어 시스템(150)은 CNC 컴퓨터(예를 들어, PC) 및/또는 마이크로제어기 회로망을 포함할 수 있다. 일 예에서, CNC 컴퓨터는, 위치 데이터를 획득하고 광학 헤드(140)의 위치를 제어하기 위해서, 라인별로 구축 명령 파일을 판독할 수 있다. CNC 컴퓨터는 광학 헤드(140)가 각각의 위치에 있는 동안 광원(130)을 제어하기 위해서 마이크로제어기에 명령을 전송할 수 있다. CNC 컴퓨터는 또한, 분말을 재-층상화하기 위해서 프로세싱 챔버 내의 피스톤 스텝퍼 모터 및 분말 확산기 모터의 위치를 제어하기 위해서, 분말 베드 지지 시스템(110) 및 분말 전달 시스템(120)에 명령을 전송할 수 있다. 동작의 일 예에서, 마이크로제어기는, 재-층상화 중에 명령 판독을 중단시키기 위해서 CNC 컴퓨터에 비지 신호(busy signal)를 전송할 수 있고 재-층상화가 완료된 후에 준비 신호를 전송할 수 있다. 다른 예에서, 마이크로제어기는 구축 명령을 직접적으로 수신할 수 있고 CNC 컴퓨터가 없는 자율적인 동작을 가능하게 하기 위한 충분한 프로세싱 파워를 가질 수 있다.
도 2를 참조하면, 다중 빔 광학 헤드(240)의 일 실시예는, 각각의 광원(230-1 내지 230-n)(예를 들어, 레이저)에 커플링된 광섬유(232-1 내지 232-n)의 어레이의 단부에서 n개의 광섬유 출력 단부(234-1 내지 234-n)의 1-차원적인 어레이(즉, 단일 라인)를 포함한다. 그에 따라, 1-차원적인 다중 빔 광학 헤드(240)는 1-차원적인 어레이 내에서 n개까지의 광 빔(231-1 내지 231-n)을 생성할 수 있다. 1-차원적인 어레이 내에서 생성된 광 빔(231-1 내지 231-n)의 수 및 패턴은 광원(230-1 내지 230-n)을 선택적으로 활성화시키는 것에 의해서 변화될 수 있다.
1-차원적인 다중 빔 광학 헤드(240)는, 광섬유 출력 단부(234-1 내지 234-n)를 배치하고 이격시키는 섬유 배치 블록(242)을 포함할 수 있다. 광학 헤드(240)는 또한, 인접한 포커스된 빔(231-1 내지 231-n)이 프로세싱 표면(206)에서 이격되도록 빔(231-1 내지 231-n)을 포커스하고 포커스된 빔을 프로세싱 표면(206)에 지향시키는 하나 이상의 화상화 광학기기(244)와 같은 광학기기를 포함할 수 있다. 화상화 광학기기(244)는 모든 빔을 포커스하는 단일 렌즈 또는 각각의 빔을 포커스하는 다중 렌즈(예를 들어, 마이크로렌즈 어레이)를 포함할 수 있다. 따라서, 빔(231-1 내지 231-n)에 의해서 프로세싱 표면에서 분말 층 상에 생성된 빔 스폿은 간격을 가지며, 그러한 간격은, 그에 따라서 이격된 용융 풀 및 융합 영역을 초래한다. 비록 출력 단부들이 실질적으로 동일한 간격으로 도시되었지만, 광학 헤드(240)는 또한 동일하지 않은 간격을 제공할 수 있다.
광섬유 출력 단부(234-1 내지 234-n)는 블록(242) 내에 조밀하게 채워질 수 있고, 예를 들어, 직경이 100 ㎛인 10개의 섬유가 1 mm 내에 조밀하게 채워질 수 있다. 빔 스폿 크기 및 간격은 일반적으로 섬유 코어 직경, 섬유 간격, 및 빔의 포커스에 따라 달라진다. 일부 실시예에서, 포커스된 인접 빔(231-1 내지 231-n)이 프로세싱 표면(206)에서 50 ㎛ 내지 300 ㎛ 범위의 빔 스폿 크기 및 약 150 ㎛ 내지 600 ㎛ 범위의 간격을 가지도록, 화상화 광학기기(244)가 빔(231-1 내지 231-n)을 포커스할 수 있다. 다른 예에서, 단일 모드 레이저를 이용하여 20 미크론 정도로 작은 스폿 크기를 획득할 수 있다. 추가적인 예에서, 100 내지 110 미크론 범위의 코어를 가지는 다중 섬유가 100 내지 110 미크론의 화상화된 스폿 크기를 생성할 수 있다. 섬유가 조밀하게 채워질 때, 빔의 중심 대 중심 간격은 일반적으로 섬유 직경에 상응할 수 있고, 예를 들어, 조밀하게 채워진 10 미크론 섬유는 10 미크론의 중심 대 중심 간격을 제공할 수 있고, 조밀하게 채워진 100 내지 110 미크론의 다중 섬유는 대략적으로 100 내지 110 미크론의 간격을 제공할 수 있다. 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 빔 스폿 크기 및 간격은 프로세싱 표면에 대한 포커스를 조정함으로써 조정될 수 있다.
본원에서 설명된 바와 같이, 다중 빔 적층 제조 시스템 및 방법에서 이용될 때, 1-차원적인 다중 빔 광학 헤드(240)는 (예를 들어, 선형 또는 비-선형 스캔 패턴으로) 상이한 위치들로 이동될 수 있는 한편, 광원(230-1 내지 230-n) 중 하나 이상을 선택적으로 활성화시킬 수 있다. 예를 들어, 광학 헤드(240)의 각각의 위치에서, 광원(230-1 내지 230-n)의 하나 이상이 (예를 들어, 구축 명령에 의해서 규정된 바와 같은) 규정된 시간 및 파워로 턴 온되어, 하나 이상의 빔(231-1 내지 231-n) 및 프로세싱 표면(206) 상의 하나 이상의 빔 스폿을 포함하는 노출 패턴을 생성한다. 예를 들어, 분말 베드 내에 구축 층을 형성하기 위해서 이용될 때, 광원(230-1 내지 230-n) 중 하나 이상이 선택적으로 활성화되어(즉, 조절되어), 구축 층의 복셀에 상응하는 분말 층의 영역을 용융 및 융합시킬 광 빔(231-1 내지 231-n)의 패턴을 생성한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 다중 빔 광학 헤드(240) 및/또는 화상화 광학기기(244)가 상이한 위치들로 이동되어, 프로세싱 표면(206a 내지 206c)에 대한 빔(231)의 포커스를 변화시킬 수 있다. 빔(231)의 포커스를 변화시키는 것은 마크-대-공간 비율(mark-to-space ratio)을 변화시키고, 그에 따라 빔 스폿의 스폿 크기, 간격, 및 파워 밀도를 변화시킨다. 도 2a는 각각의 프로세싱 표면(206a 내지 206c)에 생성된 3개의 상이한 포커스 정도 및 빔 스폿(233a 내지 233c)을 도시한다. 빔이 프로세싱 표면(206a) 상의 포커스 내에 있을 때(즉, 프로세싱 표면(206a)이 포컬 평면 내에 있을 때), 빔 스폿(233a)은 최소화된 스폿 크기 및 최대화된 파워 밀도를 가질 것이나, 그 간격은 크다. 빔이 프로세싱 표면(206b, 206c)에 대해서 탈포커스될 때(즉, 그러한 프로세싱 표면이 포컬 평면을 벗어날 때), 빔 스폿(233b, 233c)은 큰 스폿 크기 및 낮은 파워 밀도 그리고 작은 간격을 가질 수 있다. 따라서, 다중 빔 광학 헤드(240)는 포커스를 조정하여, 높은 파워 밀도 및 해상도를 요구하지 않는 특정 적용예를 위한 중첩 빔 스폿들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 구축 층의 상이한 재료 및/또는 상이한 영역을 위해서 빔 스폿 크기가 변경될 수 있다.
따라서, 분산형 노출 패턴 내의 빔 스폿들 사이의 간격은 프로세싱 표면 상의 빔의 포커싱에 의해서 제공될 수 있고, 간격은 포커스를 변화시킴으로써 조정될 수 있다. 분산형 노출 패턴 내의 빔 스폿들 사이의 간격은 또한 다중 빔 분산형 노출 내의 비-인접 빔을 이용하는 것에 의해서 제공될 수 있다. 예를 들어, 인접한 빔 스폿이 이격되지 않도록 빔이 탈포커스된다면(예를 들어, 도 2a의 빔 스폿(233c)), 노출이 인접 빔을 이용하지 않도록 광원이 선택적으로 활성화될 수 있다.
도 3을 참조하면, 다중 빔 광학 헤드(340)의 다른 실시예는 n x m개의 광섬유 출력 단부(334-1 내지 334-n, 334-m)의 2-차원적인 어레이를 포함한다. 2-차원적인 어레이는 일반적으로 광섬유 출력 단부(334-1 내지 334-n)의 둘 이상의 열(column)(n) 및 광섬유 출력 단부(334-1 내지 334-m)의 둘 이상의 행(m)을 포함한다. 각각의 행 및 열 내의 광섬유 출력 단부(334)는 도시된 바와 같이 정렬될 수 있거나, 엇갈린 빔 스폿을 가지는 노출 패턴을 생성하기 위해서 엇갈릴 수 있다. 비록 2-차원적인 어레이가 직사각형 어레이로서 도시되어 있지만, 2-차원적인 어레이는 다른 형상 및 구성을 가질 수 있다.
1-차원적인 다중 빔 광학 헤드(240)와 유사하게, 광섬유 출력 단부(334-1 내지 334-n, 334-m)는 각각의 광원(도 3에 미도시)에 커플링된 광섬유의 단부에 위치된다. 그에 따라, 2-차원적인 다중 빔 광학 헤드(340)는 2-차원적인 어레이 내에서 n x m개까지의 광 빔(331-1 내지 331-n, 331-m)을 생성할 수 있다. 2-차원적인 어레이 내에서 생성된 광 빔(331-1 내지 331-n, 331-m)의 수 및 패턴은 광원을 선택적으로 활성화시키는 것에 의해서 변화될 수 있다.
2-차원적인 다중 빔 광학 헤드(340)는, 광섬유 출력 단부(334-1 내지 334-n, 334-m)를 배치하고 이격시키는 섬유 배치 블록(342)을 포함한다. 2-차원적인 다중 빔 광학 헤드(340)는 또한 다중 빔(331)을 프로세싱 표면(306)을 향해서 포커스하여 이격된 빔 스폿의 어레이를 형성하기 위해서 화상화 광학기기(344)와 같은 광학기기를 포함한다. 2-차원적인 다중 빔 광학 헤드(340)에 의해서 생성된 인접한 포커스된 빔(331-1 내지 331-n, 331-m)의 간격은 전술한 1-차원적인 다중 빔 광학 헤드(240)의 범위와 동일한 범위 이내일 수 있다. 전술한 바와 같이 포커스 및 빔 스폿 크기 및 간격을 조정하기 위해서, 2-차원적인 다중 빔 광학 헤드(340) 및/또는 화상화 광학기기(344)가 또한 조정될 수 있다.
본원에서 설명된 바와 같이, 다중 빔 적층 가공 시스템 및 방법에서 이용될 때, 2-차원적인 다중 빔 광학 헤드(340)는 (예를 들어, 선형 또는 비-선형 스캔 패턴으로) 상이한 위치들로 이동될 수 있는 한편, 광원 중 하나 이상을 선택적으로 활성화시킬 수 있다. 예를 들어, 광학 헤드(340)의 각각의 위치에서, 광원의 하나 이상이 (예를 들어, 구축 명령에 의해서 규정된 바와 같은) 규정된 시간 및 파워로 턴 온되어, 하나 이상의 빔(331-1 내지 331-n, 331-m) 및 프로세싱 표면(306) 상의 빔 스폿을 포함하는 노출 패턴을 생성한다. 예를 들어, 분말 베드 내에 구축 층을 형성하기 위해서 이용될 때, 광원 중 하나 이상이 선택적으로 활성화되어, 구축 층의 복셀에 상응하는 분말 층의 영역을 용융 및 융합시킬 광 빔(331)의 패턴을 생성한다.
실시예에서, 2-차원적인 다중 빔 광학 헤드(340)는, 분말 베드 상의 분말 층의 표면적 보다 작은 빔의 2-차원적인 어레이를 제공한다. 이러한 실시예에서, 그에 따라, 2-차원적인 다중 빔 광학 헤드(340)는 전체 분말 층에 걸친 노출을 제공하도록 분말 층에 걸쳐 이동 또는 스캐닝된다. 다른 실시예에서, 2-차원적인 다중 빔 광학 헤드(340)는, 분말 베드 상의 분말 층의 전체 표면적을 실질적으로 덮을 정도로 충분히 큰 2-차원적인 어레이를 제공할 수 있다. 이러한 실시예에서, 2-차원적인 다중 빔 광학 헤드(340)는, 빔 스폿의 간격에 따라 작은 수의 국소적인 이동만으로, 분말 층의 전체 표면적을 노출시킬 수 있다.
다른 실시예에서, 다중 빔 광학 헤드는 모듈형일 수 있고 상이한 치수들의 (예를 들어, 1 또는 2 차원적인) 상이한 어레이들을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광섬유 출력 단부를 유지하고 배치하는 섬유 배치 블록들이 함께 연결되도록 구성될 수 있다. 따라서, 광섬유 출력 단부의 다중 1-차원적인 어레이들이 함께 연결되어, 더 큰 1-차원적인 어레이 또는 2-차원적인 어레이를 형성할 수 있거나, 광섬유 출력 단부의 다중 2-차원적인 어레이가 함께 연결되어 더 큰 2-차원적인 어레이를 형성할 수 있다.
비록 본원에서 설명된 실시예가 원형 빔 스폿을 생성하는 원형 횡단면을 가지는 광섬유를 인용하지만, 다중 빔 적층 제조 시스템 및 방법은 또한 정사각형과 같은 다른 횡단면을 가지는 광섬유를 이용할 수 있다. 부가적인 광학기기를 또한 이용하여 빔 스폿의 형상을 변경할 수 있다. 비록 도시된 실시예는 프로세싱 표면을 향해서 수직으로 빔을 지향시키는 광학 헤드를 도시하지만, 광학 헤드는 또한 프로세싱 표면에 대해서 각도를 이루어 빔을 지향시키도록 기울여질 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 개시 내용의 실시예에 따른, 다중 빔 광학 헤드(440)를 이용하여 3-차원적인 구조물(401)의 구축 층을 형성하는 예를 도시한다. 비록 이러한 예가 1-차원적인 다중 빔 광학 헤드(440)를 보여주지만, 2-차원적인 다중 빔 광학 헤드가 또한 동일한 방식으로 이용될 수 있다. 이러한 예에서, 3-차원적인 구조물(401)은 측면 섹션(403a, 403b) 및 상단부 섹션(405)을 가지며, 측면 섹션(403a, 403b) 및 상단부 섹션(405)을 함께 형성하는 일련의 구축 층(408-1 내지 408-7)에 의해서 형성된다. 각각의 구축 층(408-1 내지 408-7)은 복셀로 구성되고, 각각의 복셀은, 다중 빔 광학 헤드(440)로부터 방출된 하나 이상의 빔(431)에의 노출의 결과로서 분말이 융합될 때, 형성된다.
도시된 바와 같이, 연속적인 분말 층(402-1 내지 402-7)이 분말 베드(402) 상에 침착되고, 다중 빔 광학 헤드(440)는 분말 층(402-1 내지 402-7)에 대한 상이한 위치들로 이동되어 하나 이상의 빔(431)으로 선택된 영역 내의 각각의 분말 층을 노출시킴으로써 각각의 구축 층을 구성하는 복셀을 형성한다. 특히, 빔(231)으로부터의 노출은 노출된 영역(즉, 빔 스폿) 내에서 그리고 분말 층을 통해서 분말의 적어도 일부를 용융시켜, 구축 층(408) 내에서 각각의 복셀에 상응하는 각각의 융합 영역(406)을 형성한다. 빔(431)에 의한 각각의 노출로부터의 에너지가 분말 층을 충분히 침투하여, 융합 영역(406)이 이전의 구축 층 내의 동일한 위치에서 임의의 융합 영역 또는 복셀까지 확장되고 그에 접합되게 한다. 예를 들어, 도 4a에 도시된 복셀 또는 융합 영역(406a)은 이전의 구축 층(408-1) 내의 상응하는 복셀과 접합된다. 그에 따라, 분말 층의 두께는 각각의 복셀의 깊이 및 구축 해상도를 결정한다. 일부 구조물의 경우에 또는 구조물의 일부 부분의 경우에, 더 두꺼운 분말 재료의 층이 더 큰 광의 출력 파워와 함께 이용될 수 있다.
도시된 바와 같이, 광학 헤드(440)는, 상응하는 분산형 용융 풀 및 분산형 융합 영역(406)을 형성하기 위해서, 빔(431)을 이용하여 다중 빔 분산형 노출을 실시할 수 있다. 스캔 패턴에 따라 광학 헤드(440)를 이동시키는 것 및 광학 헤드(440)의 복수의 상이한 위치들에서 다중 빔 분산형 노출을 제공하는 것에 의해서, 분산형 융합 영역(406)들이 함께 접합되어 구축 층을 형성할 수 있다. 다시 말해서, 후속 다중 빔 분산형 노출은 분산형 융합 영역들(406) 사이의 공간을 채운다. 분산형 용융 풀 및 융합 영역을 형성하는 것은 구축 속력을 높이기 위해서 다중 빔이 이용될 수 있게 하는 한편, 열적 부품 응력을 감소시키기 위해서 열 에너지를 또한 탈-국소화시킨다. 추후의 시간에 융합 영역 또는 복셀을 접합하는 것은 열 응력이 소산되게 할 수 있다. 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 다양한 스캔 패턴 및 전략을 이용하여 구축 층 내에서 분산형 융합 영역들(406)을 접합할 수 있다. 융합 영역(406)은 단지 설명 목적을 위해서 직사각형 형상으로 도시되었고, 원통형 또는 회전 타원체 형상과 같은 다른 형상을 가질 수 있다.
도 4a 및 도 4b는, 측면 섹션(403a, 403b)에 상응하는 비교적 좁은 스트립을 따라서 분말 층(402-2) 상에서 분산형 노출을 실시하기 위해서 다중 빔(431)을 이용하는 것에 의해서 구축 층(408-2) 내에서 구조물(401)의 측면 섹션(403a, 403b)을 형성하는 것을 도시한다. 도 4c 및 도 4d는, 상단부 섹션(405)에 상응하는 더 큰 면적 위에서 각각의 분말 층(402-5, 402-7)에 걸친 분산형 노출을 실시하기 위해서 다중 빔(431)을 이용하는 것에 의해서 구축 층(408-5, 408-7) 내에서 구조물(401)의 상단부 섹션(405)을 형성하는 것을 도시한다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 다중 빔 분산형 노출(531)은, 빔 스폿 크기(D) 및 간격(S)을 가지는 복수의 이격된 빔 스폿(533a, 533b)을 포함하는 분산형 노출 패턴을 제공한다. 각각의 빔 스폿(533a, 533b)은 상응하는 용융 볼(506a, 506b)(및 융합 영역)을 생성한다. 빔이 가우스 세기 프로파일(Gaussian intensity profile)을 가질 때, 빔의 외측 영역에서의 낮은 에너지는, 빔 스폿보다 작은 크기(예를 들어, 작은 직경(d))를 가지는 용융 볼(506a, 506b)을 초래할 수 있다. 그에 따라, 융합 영역들을 접합하기 위해서, 복수의 다중 빔 분산형 노출이 중첩되고, 그에 따라 용융 볼이 중첩되어 분산형 노출(531)에 의해서 형성된 용융 볼들(506a, 506b) 사이의 공간을 채운다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 용융 볼들(506a, 506b) 사이의 공간은 격자 피치(P)를 가지는 격자 상에서 중첩된 복수의 다중 빔 분산형 노출을 이용하는 것에 의해서 채워질 수 있다. 이는, 분산형 융합 영역들이 후속 분산형 노출에 의해서 함께 접합되게 할 수 있다. 이러한 예에서, 2개의 후속 노출로부터의 2개의 빔 스폿을 이용한 다중 빔 분산형 노출(531)에 의해서 형성된 용융 볼들(506a, 506b) 사이의 공간 내에 2개의 용융 볼이 배치되도록, 격자 피치(P) 및 간격(S)이 정해진다. 그러나, 이는 본 개시 내용을 제한하지 않는데, 이는 피치(P), 간격(S), 빔 크기(D), 용융 볼 크기(d), 및 공간을 채우는 용융 볼의 수가 변경될 수 있기 때문이다. 도 5b는 용융 볼들 사이의 임의의 간극 공기를 최소화하기에 충분한 중첩을 도시하나; 그러한 중첩은 도 5b에 도시된 중첩보다 크거나 작을 수 있다.
용융 풀 또는 용융 볼(506a, 506b)의 크기는 분말 재료의 유형, 광 빔의 파워, 빔 스폿의 크기, 및 노출 시간에 따라 달라질 수 있다. 도 6은 스테인리스 강 316L 및 코발트 크롬에 대한 노출 시간의 함수로서 용융 볼 직경을 도시한다. 이러한 예에서, 광원은 30 W의 파워 및 974 nm의 파장을 가지는 다이오드 레이저이고, 빔은 약 300 미크론의 스폿 크기로 포커스된다. 도시된 바와 같이, 스테인리스 강 316L은, 높은 용융 온도를 가짐에도 불구하고, 주어진 노출 시간에 대해서 코발트 크롬 보다 큰 용융 볼을 형성한다. 따라서, 특별한 분말 재료에 대한 용융 볼 생성 프로세스를 특성화할 때, 흡수 및 비열이 고려되어야 한다.
전술한 바와 같이, 다양한 스캔 패턴을 이용하여 격자 상에서 다중 빔 분산형 노출을 중첩시킬 수 있다. 도 7a 내지 도 7e는 3개의 이격된 빔 스폿의 1-차원적인 어레이를 포함하는 분산형 노출 패턴(733)을 이용한 몇몇 간삽형 스캔 패턴(또는 스캔 전략)을 도시한다. 이러한 분산형 노출 패턴(733)은, 예를 들어, 적어도 3개의 광섬유의 1-차원적인 어레이에 의해서 생성될 수 있다. 다른 수의 빔 스폿을 가지는 분산형 노출 패턴이 다른 수의 광섬유로 생성될 수 있다.
이러한 분산형 노출 패턴(733)은 상응하는 3개의 이격된 용융 볼의 용융 패턴을 생성하고, 이는 3개의 이격된 융합 영역 또는 복셀의 상응하는 패턴을 초래한다. 스캔 영역(735) 내에서 상응하는 분산형 융합 영역들을 함께 접합하기 위해서, 이러한 동일한 분산형 노출 패턴(733)을 이용하여, 후속 다중 빔 분산형 노출이 이루어질 수 있다. 전술한 바와 같이, 용융 볼의 크기는 용융 풀을 생성하는 상응하는 빔 스폿의 크기보다 작을 수 있기 때문에, 후속 다중 빔 분산형 노출에서의 빔 스폿들이 그에 따라 중첩될 수 있다. 또한, 예를 들어, 파워 및/또는 노출 시간을 증가시킴으로써, 빔 스폿보다 큰 용융 풀 또는 용융 볼을 생성할 수 있다.
도 7a 내지 도 7e에 도시된 바와 같이, 각각의 스캔 패턴은 상이한 축들을 따른 광학 헤드에 의한 일련의 국소적인 이동을 포함하고, 그에 의해서 빔 스폿들 사이의 공간을 채우도록 그리고 구축 층의 섹션에 상응하는 스캔 영역(735)을 덮도록, 노출 패턴(733)을 간삽시킨다(interleaving). 스캔 영역(735)의 격자 크기는 노출 패턴(733) 내의 빔 스폿의 수, 빔 스폿들 사이의 간격, 및 스캔 패턴 내의 이동에 따라 달라질 수 있다. 공간을 채우기 위한 3개의 빔 스폿 및 3개의 노출을 가지는 이러한 예에서, 스캔 영역(735)은 길이를 따른 아홉(9)개의 중첩 빔 스폿으로 형성된다. 특히, 도 7a 내지 도 7d는 3 x 9의 격자 크기를 가지는 스캔 영역(735)을 도시하고, 도 7e는 5 x 9의 격자 크기를 가지는 스캔 영역(735)을 도시한다.
도 7a 내지 도 7e의 화살표는, 스캔 영역을 덮을 때까지 각각의 후속 다중 빔 분산형 노출을 생성하기 위한 각각의 국소적인 위치까지 X 및 Y 축을 따른 광학 헤드의 각각의 국소적인 이동의 방향을 나타낸다. 모든 빔이 이러한 위치의 각각에서 노출된다면, 중실형(solid) 구축 층 섹션이 빔 스폿에 상응하는 용융 볼에 의해서 스캔 영역(735) 내에 형성된다. 광원을 선택적으로 활성화시키는 것 및 상이한 위치들의 각각에서 빔 스폿을 선택적으로 생성하는 것에 의해서, 상이한 패턴 또는 형상을 가지는 구축 층 섹션이 스캔 영역(735) 내에 형성될 수 있다. 다중 스캔 영역(735)이 분말 베드에 걸쳐 스캔 스트립을 형성하도록, 이러한 국소적인 이동이 일련의 위치에서 반복될 수 있다. 다중 스캔 스트립이 필요에 따라 (예를 들어, 규정된 스캔 스트립 중첩을 가지고) 중첩되어 전체 분말 층을 덮을 수 있고 완전한 구축 층을 형성할 수 있다.
도 7f는 5개 빔 시스템 내의 간삽화의 추가적인 예를 도시한다. 이러한 예에서, 각각의 문자는 상이한 빔들을 나타내고, 각각의 열은 연속적인 스캔을 나타낸다. 분말 재료는, 이웃하는 스캔 라인들이 동시에 함께 화상화되지 않고, 한번에 하나의 스캔 라인 내에서 융합되고 채워질 수 있다. 다시 말해서, 간삽 기술은 스캔 라인들 사이를 채우기 위해서 인접 또는 근접하지 않는 다중 빔과 함께 이용된다.
간삽은 적층 제조에서 몇몇 장점을 제공할 수 있다. 특히, 간삽은 느린 스캔 방향을 따라 매끄러운 이동으로 화상 프로세스가 진행되게 할 수 있다. 만약 빔 스폿의 근접 어레이가 이용된다면, 빔 스폿은 블록 내에서 화상화될 것이고, 느린 스캔 방향은 어레이의 크기만큼 전방으로 단계적으로 진행될 것이다. 비-근접 어레이 내에서 단일 빔 스폿을 간삽화하는 것에 의해서, 어레이는 작은 단계로 느린 스캔 방향을 따라 단계화될 수 있다.
비-근접 스캔 라인을 간삽화하는 것은 또한 각각의 스캔 라인이 일정한 특성으로 화상화되게 할 수 있다. 인접한 스캔 라인이 동시에 화상화되지 않기 때문에, 인접 지역 내의 기본 재료는 융합되지 않고 그에 따라 저온이다. 금속 분말로 레이저 적층 제조하는 것은 열 전도성 재료 상에서의 열적 프로세스이다. 근접 어레이가 이용된다면, 어레이의 중심은 어레이의 연부보다 상당히 더 고온이 되고, 이는 연부와 다른 중심에서의 화상화 특성을 초래한다. 그에 따라, 연부에 위치되는 융합된 재료는 상이한 성질을 가질 것이고, 예를 들어, 가시적인 스트립을 초래할 것이다. 인접 빔들이 온도에 영향을 미치지 않을 때, 융합된 재료의 구조가 개선된다. 스캔 라인들을 간삽화할 때, 그에 따라, 온도는 빔 스폿 어레이 및 그러한 어레이에 의해서 형성된 스캔 라인에 걸쳐 더 일정하다.
도 8a 및 도 8b는 스캔 영역(835)을 덮기 위해서 2-차원적인 분산형 노출 패턴(833)을 이용하는 간삽형 스캔 패턴(또는 스캔 전략)을 도시한다. 2-차원적인 분산형 노출 패턴(833)은 도 7a 내지 도 7e에 도시된 임의의 간삽형 스캔 패턴에 따라 스캔될 수 있다.
도 9는 각도형의 1-차원적인 분산형 노출 패턴(933)를 이용한 선형 스캔 패턴을 도시한다. 이러한 예에서, 각도형의 1-차원적인 분산형 노출 패턴(933)은 선형 스캔 방향에 대해서 각도를 이루고, 그에 따라 빔 스폿은 후속 노출에서의 인접 빔 스폿에 의해서 중첩될 것이다. 따라서, 각도형의 1-차원적인 분산형 노출 패턴(933)은 하나의 축을 따라서 스캐닝될 수 있고, 빔 스폿들 사이의 공간을 채우기 위한 다른 축을 따른 이동을 필요로 하지 않는다.
도 10은 엇갈린 2-차원적인 분산형 노출 패턴(1033)을 이용한 선형 스캔 패턴을 도시한다. 이러한 예에서, 빔 스폿이 후속 노출에서의 인접 빔 스폿에 의해서 중첩되도록, 빔 스폿들이 엇갈린다. 따라서, 엇갈린 2-차원적인 분산형 노출 패턴(1033)은 하나의 축을 따라서 스캐닝될 수 있고, 빔 스폿들 사이의 공간을 채우기 위한 다른 축을 따른 이동을 필요로 하지 않는다.
도 11 내지 도 13은, 다중 빔 적층 제조 시스템 및 방법의 일 실시예를 이용하여 구축된 구조물을 도시한다. 이러한 물체의 각각은, 5 ㎛ 초과 및 53 ㎛ 미만의 입자 크기를 가지는 스테인리스 강 316L 분말로부터 구축되었다. 시스템은 광학 헤드 내에 1-차원적인 어레이로 배열되고 꽉 채워진 7개의 광섬유에 커플링된 약 974 nm의 파장 및 약 30 W의 파워를 가지는 7개의 다이오드 레이저를 포함하였다.
도 11은 50 x 21 개의 용융 볼(또는 복셀)을 포함하는 단일 층의 중실형 직사각형 구조물을 도시한다. 이러한 단일 층의 중실형 직사각형 구조물은 도 7a에 도시된 스캐닝 전략 및 각각의 다이오드 레이저에 대한 약 5 ms의 노출 시간을 이용하여 구축되었다. 도 12는 "IPG"로고의 레터링(lettering)을 형성하는 단일 층 261 x 64 복셀 구조물을 도시한다. 이러한 구조물은 스캔 스트립들 사이의 2개의 픽셀 중첩 및 각각의 복셀에 대한 5 ms의 노출 시간으로 0.15 mm 피치의 격자 상에 구축되었다. 도 13은 "IPG" 로고의 레터링을 형성하는 다중 층 구조물을 도시한다. 이러한 다중 층 구조물은 스캔 스트립들 사이의 2개의 픽셀 중첩 및 각각의 복셀에 대한 10 ms의 노출 시간으로 0.15 mm 피치의 격자 상의 10개의 구축 층을 이용하여 구축되었다. 누적 응력이 구조물을 왜곡시키는 것을 방지하기 위해서 구축물을 기재에 고정하도록, 다중 층 구조물의 각각의 모서리에서 고정 기둥(anchor pillar)(미도시)을 이용하였다. 잔류 산소를 제거하고 불활성 가스로 다시 채우기 위한 진공 시스템의 이용은 산화를 감소시킬 수 있고 다중 층 구축물 내의 층간 압밀(inter-layer consolidation)을 개선할 수 있다. 예를 들어, 스티칭 중첩(stitching overlap)에서 재-용융이 발생되는 경우에, 산화가 또한 감소될 수 있다.
예를 들어, 상이한 빔 스폿 크기를 이용하는 것에 의해서, 상이한 해상도들을 제공하기 위해서, 다중 빔 적층 제조 시스템 및 방법의 다른 실시예가 이용될 수 있다. 빔 스폿 크기가 작을수록, 더 작은 용융 볼/융합 영역/복셀 및 그에 따른 더 높은 해상도를 일반적으로 생성한다. 빔 스폿 크기가 클수록, 더 큰 용융 볼/융합 영역/복셀 및 그에 따른 더 낮은 해상도를 일반적으로 생성한다. 빔 스폿 크기는, 예를 들어, 전술한 바와 같이 포커스를 조정하는 것에 의해서 제어될 수 있다. 상이한 빔 스폿 크기들 및 해상도들을 제공하기 위해서 상이한 광원 또는 레이저들이 또한 이용될 수 있다. 이러한 실시예는 하나의 큰 빔 및 하나의 작은 빔을 이용할 수 있고 및/또는 다중의 큰 빔 및 다중의 작은 빔을 이용할 수 있다.
일 예에서, 큰 빔 스폿 크기는 400 내지 500 ㎛ 범위일 수 있고, 작은 빔 스폿 크기는 50 내지 70 ㎛ 범위일 수 있다. 큰 스폿은 재료의 벌크를 용융시키기 위해서 이용될 수 있고, 이어서 작은 스폿은 미세한 상세부분 및/또는 연부의 마감을 실시하기 위해서 이용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 큰 다중 kW 레이저가 큰 스폿을 위해서 큰 출력 파워(예를 들어, 500 W 내지 5 kW)에서 그리고 작은 스폿을 위해서 작은 출력 파워(예를 들어, 100 내지 400 W)에서 이용될 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 큰 크기의 빔 스폿(1433)이 구조물(1401)의 내부 영역(1403) 내에서 이용될 수 있고, 작은 크기의 빔 스폿(1435)은 높은 해상도가 바람직한 구조물(1401)의 외부 영역(1405) 상에서 이용될 수 있다. 큰 빔 스폿 크기 및 낮은 해상도를 구조물(1401)의 실질적인 부분 상에서 이용하는 것은 빠른 구축 속도를 가능하게 한다. 연부에 근접하여 작은 빔 스폿(1435) 및 높은 에너지 밀도를 이용하는 것은, 구축될 때, 구조물(1401)의 외부 표면 상에서 더 매끄러운 표면 마감을 제공한다.
추가적인 실시예에서, 도 15a 내지 도 15c에 도시된 바와 같이, 다중 빔 적층 제조 시스템은, 각각의 분말 층이 전달될 때 다중 빔이 분말 베드(1502)를 스캔하도록, 각각의 분말의 층의 전달을 따르는 다중 빔 광학 헤드(1540)를 포함한다. 다중 빔 광학 헤드(1540)는, 예를 들어, 분말 베드에 걸쳐 이동되는 분말 확산기 장치(1520)에 커플링될 수 있다. 예를 들어, 분말 층을 확산시키기 위해서, 화살표(4)에 의해서 표시된 바와 같이, 분말 확산기 장치(1520)가 분말 베드(1502)에 걸쳐 선형 방향으로 이동됨에 따라, 다중 빔 광학 헤드(1540)는, 인쇄기 캐리지와 유사하게, 화살표(8)에 의해서 표시된 바와 같이, 직각 방향으로 전후로 스캔한다.
각각의 위치에서, 광학 헤드(1540)는 분산형 융합 영역(1506)의 패턴(도 15b)을 형성하기 위해서 다중 빔 분산형 노출을 제공할 수 있다. 확산기 장치(1520)가 분말 베드를 가로질러 계속 이동할 때(도 15c) 후속 분산형 노출을 실시함으로써, 분산형 융합 영역들(1506)이 접합되어 구조물(1501)의 구축 층을 형성한다. 분말 층이 전달되는 동안 분말 층을 스캐닝 및 노출하는 것은, 스캐닝 및 노출 프로세스의 시작 전까지 전체 분말 층이 분배되기를 기다려야 할 필요성을 제거하고, 그에 따라 구축 속도를 더 증가시킬 수 있다.
도 16에 도시된 이러한 실시예의 다른 변경예에서, 다중 빔 광학 헤드(1640)는 각도형의 1-차원적인 어레이를 포함한다. 이러한 다중 빔 광학 헤드(1640)는, 분말 확산기 장치(1620)가 분말 베드(1602)에 걸쳐 이동될 때, 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 스캐닝될 수 있는 각도형의 분산형 노출 패턴을 제공한다. 도 17에 도시된 또 다른 변경예에서, 다중 빔 광학 헤드(1740)는 엇갈린 2-차원적인 어레이를 포함한다. 이러한 다중 빔 광학 헤드(1740)는, 분말 확산기 장치(1720)가 분말 베드(1702)에 걸쳐 이동될 때, 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 스캐닝될 수 있는 엇갈린 2-차원적인 분산형 노출 패턴을 제공한다. 노출 패턴의 각도는 또한 용융 풀의 간격을 제어하기 위해서 구축 프로세스 중에 가변적일 수 있고 제어될 수 있다.
도 18에 도시된 추가적인 실시예에서, 다중 빔 광학 헤드(1840)는 분말 전달 시스템에 직접적으로 커플링된다. 이러한 실시예에서, 다중 빔 광학 헤드(1840)는 분말 전달 호퍼(1820a, 1820b) 및 확산기(1822a, 1822b) 사이에 장착된다. 호퍼(1820a, 1820b)가 (예를 들어, 화살표(4)의 방향으로) 분말 베드(1802)에 걸쳐 이동될 때, 분말(1804)이 선행 호퍼(1820b)로부터 방출되고 선행 확산기(1822b)를 이용하여 확산된다. 다중 빔 광학 헤드(1840)는 전술되고 도 15 내지 도 17에 도시된 바와 같이 직각 방향으로 분말 베드를 가로질러 전후로 스캔한다. 분말 베드 지지 플랫폼(1810)은, 구조물(1801)의 각각의 구축 층이 형성된 후에, 분말 베드(1802)를 하강시킨다.
다른 실시예에서, 도 19에 도시된 바와 같이, 다중 빔 적층 제조 시스템(1900)은 본원에서 설명된 임의의 패턴에 따라 다중 빔(1931)을 스캐닝하기 위한 다면 거울(1942)을 포함할 수 있다. 광원(1930)의 어레이는, 다중 빔 광학 헤드(1940)에 의해서 다면 거울(1942)에 지향되는 광을 선택적으로 생성하고, 다면 거울은, 예를 들어 분산형 노출을 실시하는 동안, 분말 베드(1902)에 걸쳐 빔(1931)을 스캔한다. 다면 거울은 50 m/s의 속력으로 빔을 스캐닝할 수 있다. 이러한 실시예에서, 분말 층이 전달됨에 따라 (예를 들어, 분말 확산기의 이동 이후에) 광 빔(1931)이 분말 베드(1902) 위에서 스캐닝될 수 있다. 분말 베드(1902)는 스캐닝 방향에 직각인 방향으로 이동되어, 분말 베드(1902)의 상이한 영역들에 걸쳐 다중 빔(1931)이 스캐닝되게 할 수 있다.
추가적인 실시예에서, 도 20에 도시된 바와 같이, 다중 빔 적층 제조 시스템(2000)은 본원에서 설명된 임의의 패턴에 따라 다중 빔(2031)을 스캐닝하기 위한 갈바노미터 스캐너(2042)를 포함할 수 있다. 갈보 스캐너(2042)는 적어도 한 방향으로 스캐닝하기 위한 하나 이상의 스캔 거울을 포함할 수 있다. 큰 부품의 경우에, 제2 갈보 스캐너가 제공되어 수직 방향으로 스캔할 수 있다. 작은 부품의 경우에, 갈보 스캐너(2042)는 수직 방향으로 스캔하기 위해서 보이스 코일에 의해서 구동되는 압전 거울 또는 스캔 거울을 포함할 수 있다.
광원(2030)의 어레이는, 다중 빔 광학 헤드(2040)에 의해서 갈보 스캐너(2042)에 지향되는 광을 선택적으로 생성하고, 갈보 스캐너는, 예를 들어 분산형 노출을 실시하는 동안, 분말 베드(2002)에 걸쳐 빔(2031)을 스캔한다. 광학 헤드(2040)는 실질적으로 시준된 빔을 갈보 스캐너에 제공할 수 있고 빔 스폿 크기를 변경하기 위해서 하나 이상의 줌 렌즈(미도시)를 포함할 수 있다. F-쎄타(theta) 스캔 렌즈(2045)는 스캐닝할 때 빔(2031)을 분말 베드(2002) 상에서 포커스한다.
이러한 실시예에서, 분말 층이 전달됨에 따라 (예를 들어, 분말 확산기의 이동 이후에) 광 빔(2031)이 분말 베드(2002) 위에서 스캐닝될 수 있다. 분말 베드(2002)가 또한 이동되어, 분말 베드(2002)의 상이한 영역들에 걸쳐 다중 빔(2031)이 스캐닝되게 할 수 있다.
반경방향으로 대칭적인 광학 시스템에서, 상이한 방식(예를 들어, 상이한 패턴들 또는 배향들에서의 상이한 빔의 수)으로 배열된 어레이로, 전술한 바와 같이, 빔의 어레이를 스캔하도록 다중 빔 스캐닝 시스템이 설계될 수 있다. 만약 반경방향으로 대칭적인 시스템이, 예를 들어, 중앙 축으로부터 ± 4 mm의 어레이를 수용하도록 설계된다면, 그러한 빔의 그 8 mm 범위 또는 배향 내에서 얼마나 많은 빔이 생성되는지는 문제가 되지 않는다. 그에 따라, 그러한 시스템에서, 광학기기의 변화가 없이, 어레이가 변화되거나 재구성될 수 있다. 예를 들어, 어레이는 적용예에 맞춤될 수 있다(예를 들어, 재료, 부품의 크기, 등).
다중 빔 적층 제조 시스템 및 방법은, 상이한 그리고 더 효율적인 스캐닝 패턴들을 허용하도록 2-차원적인 어레이로 빔을 제구성할 수 있다. 다중 빔 적층 제조 시스템 및 방법은 부품의 각각의 구축 층을 형성하기 위해서 전후 또는 상하로 스캔할 것을 필요로 하지 않는다. 다중 빔 적층 제조 시스템 및 방법은 부품의 윤곽을 따르는 것에 의해서 구축 층을 스캔할 수 있고(랜덤 액세스 시스템(random access system)으로 지칭됨), 이는 더 효율적일 수 있고 더 빠른 구축 속력을 허용할 수 있다. 그러한 랜덤 액세스 시스템에서, 2-차원적인 어레이가 이용되도록, 그러나 스캔 라인의 배향에 따라서, 빔의 일부만이 화상화되도록, 간삽화가 설정될 수 있다. 예를 들어, 원형 부품의 경우에, (예를 들어, 도 15a 내지 도 15c에 도시된 바와 같이) 전후로 진행하고 부품의 벽의 경계를 가로지를 때에만 빔을 전환(turning)하는 대신에, 어레이가 원형 형상 주위로 스캔될 수 있다. 어레이가 원형 형상 주위로 이동될 때, 어레이는 이동 방향과 상이하게 배향되고, 그에 따라 어레이 내의 빔의 다른 세트가 그에 따른 상이한 시간에 전환될 것이다. 예를 들어, 도 7f에 도시된 바와 같이 간삽화할 때, 어레이 내의 빔의 상이한 세트들이 상이한 시간들에서 각각의 간삽 빔(A 내지 E)에 상응할 수 있다.
2-차원적인 어레이를 가지는 다중 빔 적층 제조 시스템 및 방법은 또한 예열 또는 후열을 각각 하기 위해서 선행 빔 및 후행 빔을 이용할 수 있다. 재료를 예열 및 후열하는 것은 온도 프로파일을 조절하여 재료가 너무 빨리 가열 및 냉각되는 것을 방지한다.
단일의 고에너지 빔이 고정된 레이저 파워에서 분말 영역 상으로 포커스될 때, 금속 분말은 짧은 기간 내에 고체로부터 액체로 전환된다. 그러나, 단일 빔이 이동될 때, 액체 금속은 제어되지 않는 속도로 응고된다. 금속 또는 금속 합금의 응고 프로세스는 그러한 금속 또는 금속 합금의 용융 및 응고에 의해서 형성된 생성물의 공학적 성질에 영향을 미칠 수 있다. 일부 분말 베드 융합 LAM 실험에서, 평균 분말 입자 크기가 20 내지 53 ㎛인 다양한 금속 분말(즉, 스테인리스 강 316L, Ni-계 초합금 Inc625, 및 Co-Cr 합금)을 용융시키기 위해서, 약 65 W의 파워, 약 150 ㎛의 스폿 크기, 및 10 내지 80 mm/s의 스캐닝 속도의 연속 파동(CW) 레이저 다이오드가 이용되었다. 이러한 실험에서, 목적은 30 내지 200 ㎛의 층 두께의 약 120개의 층(예를 들어, 30, 50, 75, 100, 150 및 200 ㎛의 층)을 형성하는 것이었다. 이러한 실험에서, 다공도가 0.2 내지 1.2 부피% 범위인 316L 및 Inc625 분말에 대해서 거의 100% 밀도를 가지는 샘플이 초래되었다. 그러나, Inc625로부터 생성된 일부 샘플은 심각한 균열을 가지는 것으로 관찰되었고, 이는 주로 빠르고 제어되지 않은 응고 속도에 기인하였을 수 있다. 표면 조도 역시 희망 조도 보다 컷다.
융합하고자 하는 분말 영역 위에서 하나의 포커스된 빔 스캐닝을 이용하는 대신에, (예를 들어, 다중 레이저 다이오드로부터의) 더 많은 열원을 제공하기 위해서, 다중 빔이 동일한 분말 영역 위에서 순차적으로 스캐닝될 수 있다. 예를 들어, 레이저 다이오드가 열원으로서 이용될 때, 각각의 다이오드의 레이저 특성(예를 들어, 파워)을 제어하여 예열 및/또는 후열 또는 냉각을 제어할 수 있고, 그에 의해서 응고 속도를 제어할 수 있다. 합금의 응고 속도의 제어는, 고온에서 유지될 수 있는, 큰 내크리프성(creep resistance) 및 내식성과 같은, 개선된 기계적 성질을 가지는 단결정 합금(즉, 입계를 가지지 않는 합금)의 제조를 유도할 수 있다. 그러한 프로세스는, 예를 들어, 터빈 블레이드의 제조에 적합할 수 있다.
동일한 분말 영역을 노출시켜 제어된 응고를 제공하기 위해서 다중 빔을 이용하는 하나의 예시적인 실험에서, Inc625 합금 분말의 예열, 용융 및 제어된 냉각을 제공하기 위해서, 12개의 다이오드의 어레이를 약 40 W까지의 상이한 파워들에서 이용하였다. 분말 입자 크기, 스폿 크기 및 스캔 속력은 단일 빔으로 앞서서 설명한 실험과 동일하였다. 이러한 실험의 예비 결과는, 단일 빔 방법에 의해서 생성된 샘플보다 더 매끄러운 표면 마감 및 0.05% 미만의 다공도를 가지는 샘플을 생성하였다. 그에 따라, 응고 속도를 제어하는 것은 잔류 응력을 감소시킬 수 있고, 이는 LAM 프로세스로부터 실질적으로 균열이 없는 Ni-계 초합금(예를 들어, 오스테나이트 니켈-크롬-계 초합금)을 생산하게 할 수 있다. 다중 빔을 이용하는 것은 또한 각각의 다이오드로부터의 파워의 누적 효과를 초래하였고, 이는 (65 W에 비해서) 40 W의 더 낮은 최대 파워뿐만 아니라 (50 ㎛에 비해서) 200 ㎛의 증가된 층 두께를 가능하게 하였다. 증가된 층 두께를 가능하게 하는 것에 의해서, 융합되는 동일한 분말 영역 상에서 다중 빔 노출이 이용될 때, 구축 속도가 그에 따라 증가될 수 있다.
도 21을 참조하면, 제어된 응고를 제공하기 위한 다중 빔 순차적 노출의 예가 더 구체적으로 도시되고 설명된다. 이러한 예에서, 광섬유의 복수의 출력 단부(2134)는 1-차원적인 어레이를 형성하는 라인으로 배열된다. 이러한 광섬유 출력 단부(2134)는, 예를 들어, 전술한 실시예에서 설명된 바와 같이, 광원(예를 들어, 레이저 다이오드)에 커플링된 광섬유를 가지는 광학 헤드 내에 고정될 수 있다. 광섬유 출력 단부(2134)는 또한 전술한 크기 및 간격을 가질 수 있고, 10 내지 500 ㎛ 범위의 크기 및 0 내지 600 ㎛ 범위의 간격을 가지는 빔 스폿을 생성하도록 구성될 수 있다. 비록 도시된 실시예가 (예를 들어, 12개의 레이저 다이오드에 커플링된) 12개의 광섬유 출력 단부(2134)를 보여주지만, 희망 재료, 속력 및 야금학적 결과에 따라, 다른 수의 섬유 및 다이오드가 이용될 수 있다.
광섬유 출력 단부(2134)의 각각은 커플링된 광원으로부터 발생된 광의 빔을 방출한다. 광원으로부터 광을 발생시키면서, 광섬유 출력 단부(2134)의 라인을 화살표에 의해서 표시된 바와 같은 라인의 방향으로 이동시키는 것에 의해서, 광의 빔이 동일한 분말 영역(2106)에 순차적으로 지향되어 분말 영역을 융합시키기 위한 다중 빔 순차적 노출을 제공한다. 광섬유 출력 단부(2134)의 라인은, 예를 들어, 전술한 바와 같은 이동 스테이지를 이용하여, 라인의 방향으로 분말 영역(2106)에 걸쳐 스캐닝될 수 있다. 이어서, 예를 들어, 래스터 스캐닝(raster scanning)에 의해서, 광섬유 출력 단부(2134)의 라인이 다른 위치로 이동되어 다중 빔 순차적 노출로 분말 층 상의 다른 분말 영역을 융합시킬 수 있고, 그에 의해서 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성할 수 있다.
제어된 응고를 제공하기 위해서, 다중 빔 순차적 노출은, 예를 들어, 상이한 레이저 다이오드 파워들을 이용하는 것에 의해서, 가변 세기의 광을 제공한다. 도 21에 도시된 바와 같이, 가변 세기의 광의 하나의 예는 예열을 위한 낮은 세기, 용융을 위한 높은 세기 및 냉각(또는 후열)을 위한 낮은 세기를 제공한다. 그에 따라, 가변 세기의 광은 재료가 너무 빨리 가열 및 냉각되는 것을 방지하는 온도 프로파일(2140)을 제공할 수 있다. 이러한 예에서, 세기 프로파일(2142)은, 각각의 광섬유 출력 단부(2134)에 커플링된 레이저 다이오드로부터 상이한 파워 레벨들을 제공하는 것에 의해서 생성될 수 있는, 각각의 광섬유 출력 단부(2134)로부터 방출되는 빔의 광의 세기를 나타낸다. 온도 프로파일(2140) 및 세기 프로파일(2142)은 단지 예시적인 목적을 위한 것이고 실제 프로파일을 나타내지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 예열은 라인의 시작에서 하나 이상의 광섬유 출력 단부(2134a)에 의해서 생성될 수 있고, 용융은 라인의 중간에서 하나 이상의 광섬유 출력 단부(2134b)에 의해서 제공될 수 있으며, 냉각은 라인의 단부에서 하나 이상의 광섬유 출력 단부(2134c)에 의해서 제공될 수 있다. 예시된 예에서, 예열은 시작에서 광섬유 출력 단부(2134a)에 걸친 파워의 단계적 증가(예를 들어, 10 W, 20 W, 30 W, 40 W)에 의해서 생성될 수 있고, 가장 큰 파워(예를 들어, 50 W)는 중간에서 광섬유 출력 단부(2134b)에 걸쳐 생성될 수 있으며, 단부에서 광섬유 출력 단부(2134c)에 걸쳐 파워가 단계적으로 감소(예를 들어, 40 W, 30 W, 20 W, 10 W)될 수 있다. 예시된 예에서, 이러한 세기 프로파일은 응고 속도를 제어하기 위해서 예열보다 더 긴 냉각 시간을 제공하지만, 이는 필수적인 요건 또는 제한이 아니다.
비록 하나의 예가 예시되었지만, 다른 온도 프로파일을 생성하는 다른 가변 세기 또는 세기 프로파일이 가능하고, 본 개시 내용의 범위 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 다중 빔 노출은 더 길거나 짧은 예열, 용융 및 냉각 기간을 제공할 수 있거나, 예열 및 용융만을 제공할 수 있거나, 용융 및 냉각만을 제공할 수 있거나, 큰 세기(및 온도) 그리고 작은 세기(및 온도)의 교번적인 기간을 제공할 수 있다. 희망 온도 프로파일은 스캐닝 속력, 재료의 유형, 입자 크기, 특징부 크기(feature size), 및/또는 희망하는 야금학적 결과에 따라 달라질 수 있다.
도 22 및 도 23은 복수의 다중 빔 순차적 노출을 제공하기 위해서 이용되는 광섬유 출력 단부의 2-차원적인 어레이의 실시예를 도시한다. 도 22에 도시된 바와 같이, 광섬유 출력 단부(2234)가 일련의 라인으로 배열되어 다중 빔 순차적 노출을 복수의 상이한 분말 영역(2206) 상에 동시에 제공할 수 있다. 다중 빔 순차적 노출이 분산되어 분산형 융합 영역을 동시에 형성하도록, 라인들이 이격될 수 있다. 도 23에 도시된 바와 같이, 광섬유 출력 단부(2334)가 엇갈린 라인들을 가지는 엇갈린 2-차원적인 어레이로 배열되어, 다중 빔 순차적 노출을 상이한 분말 영역들(2206) 상에 동시에 제공할 수 있다. 광섬유 출력 단부(2234, 2334)가 라인의 방향으로 스캔되어 분산형 융합 영역을 형성하는 다중 빔 순차적 노출을 제공하고, 분산형 융합 영역을 위해서 전술한 스캔 패턴 및/또는 전략(예를 들어, 간삽형 스캔 패턴)을 이용하여 다른 위치로 이동되고 및/또는 스캔될 수 있다.
추가적인 실시예에서, 본원에서 설명된 임의 방법에서 이용하기 위한 빔 스폿의 어레이는, 광원의 어레이에 커플링된 광섬유의 출력 단부의 어레이 이외의 기술을 이용하여 생성될 수 있다. 일 예에서, 광원의 어레이가 프로세싱 표면 위에 배열되어 광 빔을 프로세싱 표면 상으로 지향시키거나 포커스함으로써 빔 스폿의 1 또는 2 차원적 어레이를 형성할 수 있다. 다른 예에서, (예를 들어, 레이저 용접을 위해서 이용되는 유형과 같은) 복수의 레이저 프로세싱 헤드가 프로세싱 표면 위에 배열되어 광 빔을 프로세싱 표면 상에 지향 또는 포커스함으로써 빔 스폿의 1 또는 2 차원적 어레이를 형성할 수 있다. 추가적인 예에서, 거울 및/또는 다른 광학 구성요소를 이용하여 광 빔을 프로세싱 표면에 지향시킴으로써 빔 스폿의 1 또는 2 차원적인 어레이를 형성할 수 있다.
따라서, 본 개시 내용에 따른, 다중 빔 적층 제조 시스템 및 방법은 열적 부품 응력 감소, 균열 감소, 표면 마감 개선 및/또는 구축 속력 개선을 위해서 이용될 수 있다.
본 발명의 원리를 본원에서 설명하였지만, 관련 기술 분야의 통상의 기술자는, 이러한 설명이 단지 예로서 작성된 것이고 본 발명의 범위를 제한하지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본원에서 도시되고 설명된 예시적인 실시예에 더하여, 본 발명의 범위 내에서 다른 실시예가 고려된다. 이하의 청구항에 의한 경우를 제외하고 제한되지 않는, 관련 기술 분야의 통상의 기술자에 의한 변경 및 치환이 본 발명의 범위 내에서 고려된다.

Claims (30)

  1. 복수의 구축 층에 의해서 형성된 3-차원적인 구조물을 다중 빔 적층 제조하기 위한 방법이며:
    광원의 어레이 및 광원의 어레이에 각각 커플링된 광섬유의 어레이, 그리고 광섬유의 출력 단부를 포함하는 광학 헤드를 제공하는 단계로서, 광섬유의 출력 단부가 적어도 하나의 라인으로 배열되는, 단계;
    분말 층의 각각을 수용하기 위해서 수직으로 그리고 점증적으로 이동되는 분말 베드 지지 시스템 상으로 분말 재료의 분말 층을 전달하는 단계; 및
    3-차원적인 구조물의 복셀(voxel)에 상응하는 융합 영역을 생성하기 위해서 분말 영역을 융합시키는 것에 의해서 분말 재료의 각각의 분말 층 내에 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성하는 단계로서, 각각의 분말 층 내의 분말 재료의 융합 영역은 3-차원적인 구조물의 개별적인 구축 층의 각각을 집합적으로 형성하고, 각각의 구축 층을 형성하는 단계는 각각의 분말 층 내에서 융합시키고자 하는 분말 영역 상에서 가변 세기의 광으로 다중 빔 순차적 노출을 실시하는 단계를 포함하고, 다중 빔 순차적 노출의 각각을 실시하는 단계는 광원의 어레이 내의 광원으로부터 광을 생성하는 단계 및 광의 빔이 광섬유 출력 단부로부터 방출되고 분말 영역을 융합시키기 위해서 분말 영역에 순차적으로 지향되도록 광섬유 출력 단부의 라인을 분말 영역에 걸쳐 이동시키는 단계를 포함하는, 구축 층을 형성하는 단계를 포함하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    가변 세기의 광을 가지는 다중 빔 순차적 노출은 예열을 제공하기 위해서 라인의 시작에서 적어도 하나의 광섬유 출력 단부로부터 방출된 적어도 하나의 예열 빔, 용융을 제공하기 위해서 라인의 중간에서 적어도 하나의 광섬유 출력 단부로부터 방출된 적어도 하나의 용융 빔, 및 제어되는 냉각을 제공하기 위해서 라인의 단부에서 적어도 하나의 광섬유 출력 단부로부터 방출되는 적어도 하나의 냉각 빔에 의해서 형성되는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    광원이 레이저 다이오드를 포함하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    레이저 다이오드의 출력 파워는 가변 세기의 광을 제공하기 위해서 10 W 내지 60 W 범위인, 다중 빔 적층 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    광원이 섬유 레이저를 포함하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    광섬유의 출력 단부가 광학 헤드 내에서 1-차원적인 어레이로 배열되는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    광섬유의 출력 단부가 광학 헤드 내에서 2-차원적인 어레이로 배열되는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    광섬유의 출력 단부가 광학 헤드 내에서 2-차원적인 엇갈린 어레이로 배열되는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    다중 빔 순차적 노출을 융합시키고자 하는 각각의 분말 영역 상에서 실시하는 단계는 빔을 래스터 스캐닝하는 단계를 포함하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    분말 재료가 금속 분말을 포함하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    금속 분말이 니켈-계 초합금 분말을 포함하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    금속 분말이 오스테나이트 니켈-크롬-계 초합금 분말을 포함하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    3-차원적인 구조물의 다공도가 0.05 부피% 미만인, 다중 빔 적층 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    광학 헤드는 10 내지 500 ㎛ 범위의 크기 및 0 내지 600 ㎛ 범위의 간격을 가지는 빔 스폿을 생성하도록 구성되는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  15. 복수의 구축 층에 의해서 형성된 3-차원적인 구조물을 다중 빔 적층 제조하기 위한 방법이며:
    분말 베드 지지 시스템에 분말 재료의 분말 층을 전달하는 단계;
    구축 층을 집합적으로 형성하는 융합 영역을 생성하기 위해서 분말 영역을 융합시키는 것에 의해서 분말 재료의 분말 층 내에 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성하는 단계로서, 구축 층을 형성하는 단계는 각각의 분말 층 내에서 융합시키고자 하는 분말 영역 상에서 다중 빔 순차적 노출을 실시하는 단계를 포함하고, 다중 빔 순차적 노출의 각각을 실시하는 단계는 분말 영역을 융합시키기 위해서 분말 영역에 가변 세기의 광의 빔을 순차적으로 지향시키는 단계를 포함하는, 구축 층을 형성하는 단계; 및
    3-차원적인 구조물의 구축 층의 각각을 형성하기 위해서 분말 층을 전달하는 단계 및 분말 층 내에 구축 층을 형성하는 형성하는 단계를 반복하는 단계로서, 융합 영역의 각각은 3-차원적인 구조물의 복셀에 상응하는, 반복하는 단계를 포함하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    다중 빔 순차적 노출의 각각을 실시하는 단계는 광의 빔을 제공하기 위해서 레이저 다이오드로부터 광을 생성하는 단계를 포함하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    광의 빔은 빔 스폿의 1 차원적인 어레이를 형성하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    광의 빔은 빔 스폿의 2-차원적인 어레이를 형성하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    광 빔은 10 내지 500 ㎛ 범위의 크기 및 0 내지 600 ㎛ 범위의 간격을 가지는 빔 스폿을 생성하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  20. 3-차원적인 구조물을 다중 빔 적층 제조하기 위한 방법이며:
    광원의 어레이 및 광원의 어레이에 각각 커플링된 광섬유의 어레이, 그리고 광섬유의 출력 단부를 포함하는 광학 헤드를 제공하는 단계로서, 광섬유 출력 단부가 적어도 하나의 라인으로 배열되는, 제공 단계;
    3-차원적인 구조물의 각각의 구축 층을 위한 구축 명령을 수신하는 단계로서, 구축 명령은 적어도 광학 헤드의 위치를 규정하는 광학 헤드 배치 데이터 및 선택된 광원 그리고 선택된 광원에 대한 파워 및 노출 시간을 식별하는 광원 데이터를 포함하는, 수신 단계; 및
    가변 세기의 광을 가지는 다중 빔 순차적 노출을 각각의 분말 층 내의 선택된 분말 영역 상으로 제공하여 선택된 분말 영역 내에서 분말 재료를 융합시키기 위해서, 광원 데이터에 따라 선택된 광원을 활성화시키면서, 광학 헤드 배치 데이터에 따라 분말 재료의 분말 층에 대해서 광학 헤드를 이동시킴으로써, 3-차원적인 구조물의 각각의 구축 층을 형성하는 단계로서, 각각의 층 내의 분말 재료의 융합 영역이 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성하는, 형성 단계를 포함하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    광원 데이터는 가변 세기의 광을 생성하기 위해서 선택된 광원의 파워를 규정하는 데이터를 포함하는, 다중 빔 적층 제조 방법.
  22. 다중 빔 적층 제조 시스템이며:
    분말 베드 및 그 내부에 형성된 3-차원적인 구조물을 지지하기 위한 그리고 분말 재료의 다중 분말 층을 수용하기 위해서 분말 베드를 수직으로 그리고 점증적으로 이동시키기 위한 분말 베드 지지 시스템;
    분말 베드를 형성하기 위해서 분말 층의 각각을 전달하기 위한 분말 전달 시스템;
    광을 생성하기 위한 광원의 어레이;
    광원에 각각 커플링된 광섬유의 어레이;
    광섬유의 출력 단부를 포함하는 다중 빔 광학 헤드; 및
    분말 베드에 전달된 각각의 분말 층 내에서 3-차원적인 구조물의 구축 층을 형성하기 위해서 협력하는, 광원의 어레이, 분말 베드 지지 시스템, 및 분말 전달 시스템을 제어하기 위한 제어 시스템으로서, 제어 시스템은 광원의 어레이 내의 선택된 광원으로부터 광을 발생시키기 위해서 광원의 각각을 선택적으로 제어하도록, 그리고 광섬유 출력 단부의 라인을 융합시키고자 하는 분말 영역에 걸쳐 순차적으로 이동시켜 가변 세기를 가지는 다중 빔 순차적 노출을 분말 영역 상에 제공하고 그에 따라 광의 빔이 광섬유 출력 단부로부터 방출되고 분말 영역을 융합시키기 위해서 분말 영역에 순차적으로 지향되어 3-차원적인 구조물의 복셀을 형성하는 융합 영역을 제공하도록 구성되는, 제어 시스템을 포함하는, 다중 빔 적층 제조 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    분말 층에 걸쳐 광의 빔을 스캐닝하기 위해서 분말 베드 지지 시스템 상의 분말 층에 대해서 광학 헤드를 이동시키기 위한 광학 헤드 이동 스테이지를 더 포함하는, 다중 빔 적층 제조 시스템.
  24. 제22항에 있어서,
    광섬유의 출력 단부가 1-차원적인 어레이로 배열되는, 다중 빔 적층 제조 시스템.
  25. 제22항에 있어서,
    광섬유의 출력 단부가 2-차원적인 어레이로 배열되는, 다중 빔 적층 제조 시스템.
  26. 제22항에 있어서,
    제어 시스템은 광원의 어레이 내의 선택된 광원의 파워 및 노출 시간을 제어하도록 구성되는, 다중 빔 적층 제조 시스템.
  27. 제22항에 있어서,
    제어 시스템은 분말 층으로부터 3-차원적인 구조물의 각각의 구축 층을 형성하기 위한 명령을 규정하는 구축 명령 파일에 응답하는, 다중 빔 적층 제조 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    구축 명령 파일은, 적어도, 광학 헤드의 위치를 규정하는 광학 헤드 배치 데이터 및 선택된 광원 및 선택된 광원에 대한 파워 및 노출 시간을 식별하는 광원 데이터를 포함하는, 다중 빔 적층 제조 시스템.
  29. 제28항에 있어서,
    구축 명령 파일은 각각의 분말 층의 침착을 제어하기 위한 분말 층 제어 데이터를 더 포함하는, 다중 빔 적층 제조 시스템.
  30. 제22항에 있어서,
    각각의 광원이 다이오드 레이저인, 다중 빔 적층 제조 시스템.
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