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KR20190119154A - 금속 적층 가공을 사용하여 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인들을 제조하기 위한 방법 - Google Patents

금속 적층 가공을 사용하여 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인들을 제조하기 위한 방법 Download PDF

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KR20190119154A
KR20190119154A KR1020197029462A KR20197029462A KR20190119154A KR 20190119154 A KR20190119154 A KR 20190119154A KR 1020197029462 A KR1020197029462 A KR 1020197029462A KR 20197029462 A KR20197029462 A KR 20197029462A KR 20190119154 A KR20190119154 A KR 20190119154A
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KR
South Korea
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flexplane
strain wave
wave gear
metal
gear
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020197029462A
Other languages
English (en)
Inventor
더글라스 씨. 호프만
안드레 엠. 페이트
Original Assignee
캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
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
Application filed by 캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지 filed Critical 캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
Publication of KR20190119154A publication Critical patent/KR20190119154A/ko
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

특수화된 금속 적층 가공 기술들을 사용하는 금속 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인들의 제조를 위한 방법들이 제공된다. 본 방법은 모든 컴포넌트들 ─ 정합 피처들을 갖는 출력 표면, 컵의 얇은 벽, 및 플렉스플라인에 통합되는 치형부들 ─ 을 포함하는, 전체적인 플렉스플라인이 금속 인쇄되는 것을 허용한다. 플렉스플라인은 빌딩 트레이로부터의 제거시에 직접적으로 사용될 수 있다.

Description

금속 적층 가공을 사용하여 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인들을 제조하기 위한 방법
[0001] 본원에 설명되는 본 발명은 NASA 계약 NNN12AA01C 하에서 작업의 수행에서 이루어졌으며, 계약자가 소유권을 유지하기로 선택한 공공 법 96-517(35 USC 202)의 규정들에 따른다.
[0002] 본 발명은 일반적으로 적층 가공 기술을 사용하여 스트레인 웨이브 기어들의 제조를 위한 방법들에 관한 것이다.
[0003] HD들(harmonic drives)로 또한 공지되어 있는 스트레인 웨이브 기어들은 이의 부재들 중 하나의 탄성 휨에 의존하는 기어 시스템들이다. 통상적으로, 스트레인 웨이브 기어는 약간 오프셋된(off-set) 기어 치형부들의 2개의 세트들을 가지며, 이 기어 치형부들의 세트들은 만나고 그리고 기어 컴포넌트들 중 하나의 휨을 통해 토크를 전달한다. 이에 따라, 이러한 기어링 시스템들은 높은 감소 비율들, 높은 중량에 대한 토크 및 체적에 대한 토크 비율들, 영에 가까운 백래쉬(near-zero backlash)(이 백래쉬는 컴포넌트들의 잠재적인 마모를 완화시킴), 및 다른 이익들의 호스트(host)를 제공할 수 있다. 예를 들어, HD들의 유익한 특성들 중 많은 특성들은 로보틱스(robotics) 적용들에서 이들의 사용을 중요하게 하며, 그리고, 실제로 HD들은, 높은 기어 감소들을 달성하기 위한 그리고 힘 전달들을 구동하기 위한 방법으로서 로보틱스들에서 폭넓게 사용된다. 보다 구체적으로, HD들의 유익한 특성들 및 피처들은, 특히, 기어링 시스템에 대한) 1/30 내지 1/320의 고속 감소 비율들을 포함하며, 이는 복합 기구들을 사용하지 않는 높은 효율 기어링; 작동시의 영에 가까운 백래쉬; 극도로 높은 정밀도; 플렉스플라인 컴포넌트에서의 피로 저항 강의 사용으로 인한 높은 토크 능력; 높은 효율; 및 용이하게 조립되는 작은 수의 컴포넌트들을 제공한다. 더욱이, HD들은 매우 작은 형태 인자에서 모든 이러한 벤치마크들을 달성할 수 있고, 매우 경량일 수 있다.
[0004] 다양한 기능성-특정 한정들로 인해, 종래의(heritage) 스트레인 웨이브 기어들은 기계가공을 통해 강으로 주로 제조되었다. 일부 예들에서, 재료 강도가 보다 낮은 제조 비용들을 위해 희생될 수 있을 때, 하모닉 드라이브들은 열가소성 재료들, 예컨대 중합체들로 제조되며, 이 열가소성 재료들은 값싼 사출 성형 공정들을 통하는 것을 포함하는, 구성성분 컴포넌트들의 형상들로 주조될 수 있다.
[0005] 3D 인쇄로서 일반적으로 또한 공지된 금속 적층 가공은, 상업적인 적용들, 예컨대 항공기 및 로켓 엔진들에서의 노즐들의 제조로 신속하게 통합되고 있는 신흥(emerging) 제조 기술이다. 금속 적층 가공의 가장 많은 일반적인 형태들은 분말 베드 시스템들 또는 분말 이송 시스템들에 기초된다. 분말 베드 시스템들에 기초된 3D 인쇄시에, 레이저 또는 전자 빔은 금속 분말의 얇은 층을 용융하고, 그리고 분말에 묻히게 되는 부품을 구성하기 위해 이 얇은 층을 연속적으로 적용한다. 분말 베드 시스템들의 가장 많은 일반적인 형태들은 DMLS(direct metal laser sintering) 또는 SLM(selective laser melting)이다. 이에 반해, 분말 이송 시스템들에 기초된 인쇄 시스템들에서, 금속 분말은 레이저 또는 전자 빔으로 취입되고(blown) 금속 풀(metal pool)로서 증착된다. 또한, 금속이 분말 베드의 부재시에 빌딩 헤드(building head)로부터 직접적으로 증착되는 3D 인쇄 시스템들이 존재한다. 이러한 베드없는 기술들은 DED(directed energy deposition)로 용어가 정해지며, DED의 가장 일반적인 형태는 LENS(laser engineered net shaping)이다.
[0006] 본 발명의 실시예들은 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 용이하게 하기 위한 방법들에 관한 것이다.
[0007] 플렉스플라인들의 제조를 위한 방법들의 많은 실시예들은 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 전체를 단일 피스로서 형성하기 위해 금속 적층 가공 시스템을 사용하며, 여기서 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 원통형 컵(cylindrical cup)이며,
이 원통형 컵은,
원주부를 규정하는 저부, 저부 위에 배치되고 그리고 원통형 체적을 규정하는 컵 벽, 및 컵 벽의 에지의 상부 외부 표면 상에 배치되는 기어 치형부들(gear teeth)을 포함하며,
컵 벽은 0.05 내지 2mm의 두께를 가지며, 그리고
컵 벽은, 컵 벽의 가장 작은 두께보다 적어도 50배 더 큰 높이를 가지며, 그리고
스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 수직 배향으로 제조되어, 저부는 빌드 플랫폼(build platform) 상에 배치되며, 그리고 컵 벽은 제조 동안 항상 금속 적층 가공 시스템의 빌드 플랫폼에 수직으로 배향되며, 그리고 임의의 단일 증착 층에서의 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인들의 특성들은 동일하고 그리고 축방향으로 대칭이다.
[0008] 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 단지 저부에서 제조 동안 지지를 위해 빌딩 플랫폼에 부착되며 그리고 지지 재료는 제조 동안 컵 벽에 추가되지 않는다.
[0009] 여전히 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 피처 크기는 치수가 1mm 미만이다.
[0010] 또 다른 실시예들에서, 금속 적층 가공 시스템은, 분말 베드 융합 인쇄(powder bed fusion printing), 분발 베드 선택적 레이저 용융, 직접 에너지 증착 인쇄, 금속 압출, 융합된 필라멘트 모델링(fused filament modeling), 금속 바인더 제팅(metal binder jetting), 와이어 아크(wire arc) 적층 가공, 초음파(ultrasonic) 적층 가공, 열적 분사 적층 가공, 액체 제팅, 레이저 소결(laser sintering), 전자 빔 프리폼(electron beam freeform), 레이저 용융, 또는 이의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된다.
[0011] 여전히 또 다른 실시예들에서, 컵 벽의 두께는 금속 적층 가공 시스템의 레이저의 스팟(spot) 크기의 15% 내에 있다.
[0012] 여전히 또 다른 실시예들에서, 컵 벽은 금속 적층 가공 시스템 또는 단일의 와이어 증착 압출 공정의 레이저 스캐닝(scanning)의 단일 폭을 사용하여 제조된다.
[0013] 여전히 또 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 특성들, 조성, 또는 미세구조 중 적어도 하나는 빌딩 플랫폼에 평행한 방향으로 균일하지만, 빌딩 플랫폼에 수직한 방향으로 변경된다.
[0014] 여전히 또 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인이 모놀리스형(monolithic) 금속으로 만들어진 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인보다 10% 더 높은 파괴 인성을 가지도록 수평으로 적층된 구조물을 갖는다.
[0015] 여전히 또 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 30 내지 150MPa m1/2의 파괴 인성을 갖는 재료로 제조된다. 이러한 일부 실시예들에서, 재료의 파괴 인성은 빌딩 플랫폼에 수직한 방향을 따라 가변한다.
[0016] 여전히 또 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 탄성 제한은 0.1 내지 2%의 범위를 갖는다.
[0017] 여전히 또 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 동일한 화학적 조성을 가지지만, 빌딩 플랫폼에 수직한 방향을 따라 배치되는 구분되는 물리적인 특성들을 갖는 적어도 2개의 영역들을 포함한다.
[0018] 여전히 또 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 빌딩 플랫폼에 수직한 방향을 따라 배치되는 구분되는 화학적 조성들의 적어도 2개의 영역들을 포함한다.
[0019] 여전히 또 다른 실시예들에서, 기어 치형부들을 포함하는 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 기어 치형부 영역은, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 나머지로부터 화학적으로, 물리적으로, 또는 둘 모두로 구분되는 재료를 포함하며, 그리고 기어 치형부 영역은 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 나머지보다 더 큰 내마모성이 있다.
[0020] 여전히 또 다른 실시예들에서, 기어 치형부들을 포함하는 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 기어 치형부 영역은, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 기어 치형부 영역로부터 화학적으로, 물리적으로, 또는 둘 모두로 구분되는 재료를 포함하며, 그리고 기어 치형부 영역은 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 나머지보다 파괴에 대한 더 큰 내성이 있다.
[0021] 여전히 또 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 플렉스플라인의 제조시에 사용되는 재료는 금속의 베드로부터 보다는 오히려 빌딩 헤드로부터 도입된다.
[0022] 여전히 또 다른 실시예들에서, 금속 적층 가공 시스템은, 분말, 와이어, 용융된 금속, 액체 금속, 바인더에서의 금속, 분해가능한 잉크들에서의 금속, 중합체에 구속된 금속, 시트 금속, 수직 인쇄를 허용하는 임의의 다른 인쇄 형태, 또는 이의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 형태들 중 하나의 재료를 활용한다.
[0023] 여전히 또 다른 실시예들에서, 기어 치형부들은 수직으로 배향되는 만곡부를 갖는다.
[0024] 여전히 또 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은,
기어 치형부들의 표면 및 컵 벽의 내부 표면을 매끄럽게 하기 위한 화학적 처리 단계;
표면 거칠기를 감소시키기 위해 기계적으로 그라인딩하고(grinding), 샌딩하거나(sanding) 폴리싱하는(polishing) 단계;
다른 금속으로의 코팅하는(coating) 단계;
물리적인 특성들, 다공도, 담금질(temper), 침전 성장(precipitate growth), 제조된 바와 같은(as-fabricated) 상태와 비교하여 다른 특성들, 및 이들의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 특성들을 변경하는 열 처리하는 단계; 및
이의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 사후-제조 공정을 겪는다.
[0025] 여전히 또 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은, Fe, Ni, Zr, Ti, Cu, Al, Nb, Ta, W, Mo, V, Hf, Au, Pd, Pt, Ag, Zn, Ga, Mg, 또는 이의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 원소들에 기초하여 합금, 벌크 금속성 유리 또는 금속성 유리 복합재로 제조된다.
[0026] 여전히 또 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 금속 매질 복합재로 제조되며, 그리고 금속 매질 복합재의 체적 분획 또는 화학적 조성, 또는 둘 모두는 빌딩 플랫폼에 평행한 방향으로 균일하지만, 빌딩 플랫폼에 수직한 방향으로 가변한다.
[0027] 여전히 또 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 결정질 금속 합금 및 금속성 유리 합금 둘 모두로 제조되며, 그리고 2개의 재료들은 빌딩 플랫폼에 수직한 지향(directing)으로 번갈아 형성된다(interchanged).
[0028] 여전히 또 다른 실시예들에서, 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 1,500℃보다 더 큰 용융 온도를 갖는 높은 용융 온도 합금으로 제조된다. 이러한 일부 실시예들에서, 높은 용융 온도 합금은 인코넬 또는 리스트(list) ─ Nb, Ta, W, Mo, V, 이의 임의의 조합 ─ 로부터 선택된 원소들 중 하나에 기초되는 합금이다.
[0029] 여전히 또 다른 실시예들에서, 기어 치형부들은, 스트레인 웨이브 기어가 특정한 적용을 위해 보강될 수 있거나 수정될 수 있도록, 휘어지거나 임의의 형상을 가질 수 있다.
[0030] 추가의 실시예들 및 피처들은 뒤따르는 설명에서 부분적으로 제시되고, 그리고 부분적으로 명세서를 검토할 때 당업자에게 명백해질 것이거나, 개시된 청구 대상의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 개시의 본성 및 이점들의 추가적인 이해는, 본 개시의 일부분을 형성하는, 명세서의 나머지 부분들 및 도면들을 참조로 하여 실현될 수 있다.
[0031] 본 발명의 이러한 그리고 다른 특징들 및 이점들은, 첨부 데이터 및 도면들과 연계하여 고려될 때 하기의 상세한 설명에 대한 참조에 의해 더 양호하게 이해될 것이다.
[0032] 도 1은 종래 기술에 따른 통상적인 하모닉 드라이브(harmonic drive)의 설계 및 컴포넌트들을 예시한다.
[0033] 도 2a 내지 도 2d는 종래 기술에 따른 하모닉 드라이브의 작동의 상세한 예시를 제공한다.
[0034] 도 3은 하이브리드 강/BMG 스트레인 웨이브 기어를 도시하며, 여기서 원형 스플라인 및 웨이브 제너레이터 컴포넌트들은 통상적인 강으로 제조되며, 그리고 플렉스플라인은 종래 기술에 따라 BMG의 주조에 의해 제조된다.
[0035] 도 4는 종래 기술에 따라 BMG으로부터의 플렉스플라인 주조에서의 균열들로 이어질 수 있는 유동 선들을 도시한다.
[0036] 도 5는 종래 기술 및 본 발명의 실시예들에 따라 비평탄 만곡부들을 가지는 플렉스플라인 기어 치형부들을 예시한다.
[0037] 도 6a 및 도 6b는 종래 기술에 따라 통상적인 적층 가공 공정들의 다양한 프린트 배향들을 예시하며, 여기서 도 6a는 PBF(powder bed fusion) 금속 적층 가공 시스템의 표준 빌드 플랫폼을 도시하며, 여기서 부품들은 인쇄의 수직(z-방향) 방향 및 수평 방향으로 도시되며; 그리고 도 6b는 분말 베드 융합 프린터를 위한 개략도를 도시하며, 여기서 부품들은 소정의 각도로 경사지며, 그리고 지지 재료는 인쇄하는 동안 부품들에 부가된다.
[0038] 도 7은 금속 인쇄된, 강 플렉스플라인의 저면도의 이미지를 제공하고, 본 발명의 실시예들에 따라 지지 재료의 제거로 초래되는 거친 마감(finish)을 입증한다.
[0039] 도 8은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 플렉스플라인의 이미지를 제공하며, 여기서 화살표는 빌드 플랫폼에 대한 빌딩 방향을 표시한다.
[0040] 도 9a 내지 도 9d는 종래 기술에 따라 플렉스플라인에서 형성되는 균열 전개를 도시하는 이미지들을 제공한다.
[0041] 도 10은 본 발명의 실시예들에 따라 적층 플렉스플라인 구조물의 균열 억제의 개략도를 제공한다.
[0042] 도 11은 실시예들에 따라, 이러한 플렉스플라인들에서 달성될 수 있는 다양한 특성들뿐만 아니라, 플렉스플라인들의 제조를 위해 사용될 수 있는 금속 합금들의 특성들을 도시하는 표를 제공한다.
[0043] 도 12는 본 발명의 실시예들에 따라 완전 조립된 표준 스트레인 웨이브 기어로 포함되는 인쇄된 그대로인(as-printed) 플렉스플라인의 실제 작동을 도시한다.
[0044] 도 13a 내지 도 13d는 종래 기술에 따라 제조되는 종래의 플렉스플라인들의 예들 및 본 발명의 실시예들에 따라 제조되는 플렉스플라인들의 예들을 비교하며, 여기서 도 13a는 인쇄된(왼쪽), 주조된(중앙) 및 기계가공된(오른쪽) 플렉스플라인들의 평면도 및 저부도를 비교하며; 도 13b는 기계가공되고(왼쪽) 그리고 인쇄되는(오른쪽) 마이크로미터 판독들(벽 얇음) 플렉스플라인들을 비교하며; 그리고 도 13c는 인쇄된 플렉스플라인(왼쪽) 및 종래의 기계가공된 플렉스플라인(오른쪽) 상의 치형부들 사이의 거칠기의 차이를 도시하며; 그리고 도 13d는 본 발명의 실시예들을 사용하여 인쇄된 플렉스플라인들(왼쪽 및 중앙)과 통상적인 가열 및 리코팅(recoating) 기술들을 사용하는 플렉스플라인(오른쪽) 사이의 차이를 도시한다.
[0045] 도면들 및 데이터를 참조하면, 하모닉 드라이브들에서의 사용을 위한 금속 플렉스플라인들의 손쉽고 효율적인 제조를 위한 방법들이 제공된다. 본원에 설명되는 본 발명의 실시예들이 개시된 정밀한 형태들에 대해 완전하거나 본 발명을 제한하도록 의도되지 않는 것이 이해될 것이다. 오히려, 설명을 위해 선택된 실시예들은, 당업자가 본 발명을 실시하는 것을 가능하게 하도록 선택되었다.
[0046] 하모닉 드라이브들은 링의 탄성 제한을 초과함(이는 영구적인(즉, 플라스틱) 변형을 유발시킬 것임) 없이 기어 치형부들에 맞물리기 위해 금속들의 탄성 동역학들, 특히 금속 링의 팽창을 이용하도록 개량되었다. 이를 위해, 통상적인 HD는 (도 1에서 도시되는 바와 같이) 3개의 컴포넌트들: 웨이브 제너레이터, 플렉스플라인(또한 “이너 레이스(inner race)”로서 공지됨), 및 원형 스플라인(또한 “아우터 레이스(outer race)”로서 공지됨)으로 만들어진다. 웨이브 제너레이터는, 외부 원주부 내로 구축된 작은 볼-베어링들을 갖는 타원형 캔(can)이고, 그리고 보통 인풋 샤프트(input shaft)에 부착된다. 도면에서 도시되는 바와 같이, 플렉스플라인 자체는, 그의 림에서의 외부 기어 치형부들 및 아웃풋 샤프트(output shaft)에 연결하기 위한 컵의 저부에서의 격막(diaphragm)을 갖는 얇은-벽이 형성된 금속 컵이다. 원형 스플라인은 내부 치형부들을 갖는 링이고, 그리고 보통 케이싱에 고정된다. 원형 스플라인은 플렉스플라인보다 더 많은 (예컨대, 2개 이상의) 치형부들을 가지며, 그리고 그의 직경은 플렉스플라인의 직경보다 약간 더 커서, 이 치형부들이 웨이브 제너레이터 없이 조립되었다면(put together), 이 치형부들은 동심일 것이며, 그리고 이들의 치형부들은 접촉하지 않을 것이다.
[0047] 도 2a 내지 도 2d는 통상적으로 하모닉 드라이브의 작동들을 예시한다. 도시되는 바와 같이, 우선적으로, 플렉스플라인은, 플렉스플라인 치형부들이 웨이브 제너레이터 타원의 장축에서 원형 스플라인의 협동적인 치형부들과 맞물리는 것을 유발시키는 타원형 형상으로의 타원형 웨이브 제너레이터의 모션에 의해 편향되며, 이 때 치형부들은 타원의 단축에 걸쳐 완전히 맞물림해제된다(도 2a). 다음으로, 웨이브 제너레이터가 고정된 원형 스플라인으로 시계 방향으로 회전됨에 따라, 플렉스플라인은 탄성 변형을 겪으며, 그리고 그의 치형부 맞물림 포지션은 원형 스플라인에 대한 회전들에 의해 이동한다(도 2b). 웨이브 제너레이터가 180도로 시계 방향으로 회전할 때, 플렉스플라인은 원형 스플라인에 대해 하나의 치형부에 의해 반시계 방향으로 이동한다(도 2c). 최종적으로, 웨이브 제너레이터가 일회전 시계 방향으로(360도) 회전할 때, 플렉스플라인은 원형 스플라인에 대해 2개 미만의 치형부들만큼 반시계 방향으로 이동하는데, 왜냐하면 플렉스플라인이 원형 스플라인보다 더 적은 치형부들을 가지기 때문이다(도 2d). 일반적인 용어들에서, 이러한 움직임은 출력 파워로서 처리된다. 임의의 대안적인 배열들에서, 플렉스플라인이 고정된 상태로 유지되며, 그리고 원형 스플라인이 출력 토크를 제공하는 데 사용되는 것이 또한 유의되어야 한다.
[0048] 이에 따라, 유추되는 바와 같이, 스트레인 웨이브 기어의 작동은 특히 미묘한 차이가 있고(nuanced), 매우 정밀히 엔지니어링된 기어링 시스템(engineered gearing system)에 의존된다. 따라서, 스트레인 웨이브 기어의 구성 부품들의 기하학적 형상들은 바람직한 작동을 제공하기 위해 극도의 정밀도로 제조되어야 한다. 더욱이, 스트레인 웨이브 기어 컴포넌트들은 바람직한 기능성을 제공할 수 있는 재료들로 제조되어야 한다. 특히, 플렉스플라인은, 스트레인 웨이브 기어가 받을 것으로 예상되는 하중들을 수용하기에 동시에 충분히 강하면서, 매우 빈번한(high-frequency) 주기적 변형을 견디기에 충분히 가요성이어야 한다.
[0049] 스트레인 웨이브 기어들에서의 사용을 위한 필수 특성들을 소유하도록 입증되었던 하나의 재료는 연강(wrought steel)이며, 이는 또한 바람직한 기하학적 형상들로 정밀히 기계가공될 수 있다. 그러나, 강으로부터의 스트레인 웨이브 기어 컴포넌트들의 기계가공은, 특히, 타원형 웨이브 제너레이터들 및 얇은 벽이 형성된 플렉스플라인들의 제조에 대해 어렵고 그리고 매우 값비싸다. 특히, 플렉스플라인의 벽은, 토크를 전달하기에 충분히 기계적으로 여전히 견고하면서, 수백만 번 탄성적으로 플렉싱할 수 있기에 충분히 얇야하 한다. 통상적으로, 플렉스플라인의 벽은 두께가 적어도 <2mm이고, 가장 많은 경우들에서는, 두께가 <1.5mm이고, 많은 경우들에서는 두께가 <1mm이고, 그리고 두께가 0.05mm만큼 낮을 수 있다. 예를 들어, (하모닉 드라이브에 의해 생산된) 대략 50mm의 직경을 갖는 일반적인 CSG-20 스트레인 웨이브 기어에서의 강 플렉스플라인의 벽은 두께가 0.4mm 미만으로 기계가공되어야 한다. 훨씬 더 작은 플렉스플라인들의 다른 예들에서, 벽은 두께가 0.15mm만큼 낮도록 기계가공되어야 한다. 더욱이, 연강 기계가공은 값비싸며, 여기서 컴포넌트들은 빌렛(billet)으로부터 기계가공되어야 하며, 스크랩 폐기물로서 90% 초과의 처음 재료를 남긴다.
[0050] 일부 예들에서, 하모닉 드라이브들은 열가소성 재료들로 제조된다. 열가소성 재료들(예컨대, 중합체들)은 (예컨대, 사출 성형 공정들을 통해) 구성성분 컴포넌트들의 형상들로 주조될 수 있으며, 이에 의해 강-기반 스트레인 웨이브 기어들의 제조에서 통상적으로 구현되는 값비싼 기계가공 공정들을 피한다. 그러나, 열가소성 플라스틱들로 제조된 스트레인 웨이브 기어들은 강으로 제조된 스트레인 웨이브 기어들만큼 강하고 내마모성이 있지 않다.
[0051] Hofmann 등은, 금속 플렉스플라인들이 BMG(bulk metallic glass)으로부터 니어-네트(near-net) 형상으로 주조될 수 있는 것을 최근에 개시했다. (예컨대, 미국 특허 출원 번호 제14/177,608호 참조, 이 출원의 개시는 인용에 의해 본원에 포함됨.) 여기서, BMG는 상대적으로 큰 주조 두께(일반적으로 1mm 초과)로 유리 상태로 급냉될(quenched) 수 있는 복합의, 정밀히 구성된 합금을 지칭한다. 더 구체적으로는, 고도로 정렬된(highly ordered) 원자 구조를 가지는 종래의 금속성 재료들과 완전히 대조적으로, 비정질 합금들(또는 대안적으로 비정질 금속들)로서 또한 공지된 금속성 유리들은 이들의 금속성 구성성분 원소들에도 불구하고, 비정렬된 원자-스케일 구조에 의해 특징화된다. 게다가, 인시츄 복합재(in-situ composite) 또는 BMGMC(bulk metallic glass matrix composite)는 합금으로서 규정되며, 이 합금은, 신속한 냉각(1 내지 1000K/s)시에, 2개 이상의 상들(phases)로 화학적으로 분할하며, 하나의 상은 비정질 매질이며, 그리고 다른 상(들)은 결정질 개재물들이다. 이와 같이, 본원에서 설명되는 본 발명의 실시예들에서, 용어 “ 금속성 유리 기반 재료들”이 BMG들 및 BMGMC들 둘 모두를 의미하는 것으로 이해되는 것이 이해될 것이다. 원칙적으로, 금속성 유리들은, 금속성 유리들이 고도로 유효한 엔지니어링 재료들로서 구현화되는 것이 허용할 수 있는 다수의 유용한 재료 특성들을 통상적으로 보유한다. 예를 들어, 금속성 유리들은 일반적으로 통상적인 금속들보다 훨씬 더 경질이고, 그리고, 일반적으로 세라믹 재료들보다 더 강인하다. BMG들은 또한, 상대적으로 내식성이 있으며, 그리고, 통상적인 유리와는 다르게, BMG들은 양호한 전기 전도성을 가질 수 있다. 중요하게는, 금속성 유리 재료들의 제조는 그 자체가 상대적으로 용이한 처리에 적합하며, 그리고, 특히, 금속성 유리의 제조는, 플렉스플라인을 위해 호프만 등에 의해 입증되는 바와 같이, 사출 성형 공정 또는 임의의 유사한 주조 공정과 호환성이 있을 수 있다. 예를 들어, 도 3은 하이브리드 강/BMG 스트레인 웨이브 기어를 도시하며, 여기서 원형 스플라인 및 웨이브 제너레이터 컴포넌트들은 통상적인 강으로 제조되면서, 플렉스플라인은 BMG로부터 주조된다. 여기서, BMG 주조 부품은 하이브리드 기어박스를 완성하기 위해 다르게 강으로 만들어진 스트레인 웨이브 기어로 직접적으로 끼워맞춤한다.
[0052] 그러나, 호프만 등에 의해 개시된 본 방법에 따른 BMG들의 주조를 통해 플렉스플라인들의 제조는 또한 다수의 단점들을 제시한다. 첫번째로, 주조 공정은 종종, BMG들을 포함하는, 주조되는 재료들의 전체적인 물리적 특성들에 영향을 준다. 구체적으로는, 주조 분사 동안 용융된 재료에서의 난류는 유동 마크들을 남기며(도 4), 그리고, 부품 상의 다른 결함들은 주조되며, 이는, 결국, 보다 약하고 균열하기 쉬운 부품을 초래한다. 사실상, BMG들로 주조되는 플렉스플라인들은 주조 공정에서 유발된 결함들로부터 쉽게 균열된다. 두번째로, 플렉스플라인의 얇은 벽은 주조하기에 매우 어렵다. 일반적으로, 벽의 두께가 1mm 미만이라면, 유체가 이러한 작은 몰드 공극들로 유동하게 하는 것이 어려운데, 이는 이러한 치수의 벽들의 취약성이 몰드 제거 동안의 고장으로 이어질 수 있기 때문이다. 세번째로, 많은 예들에서, 플렉스플라인들의 기어 치형부들은 평탄하지 않지만, 오히려 도 5에서 개략적으로 도시되는 바와 같이, 커브 또는 다른 임의의 형상을 가지는 프로파일을 가질 수 있다. 이러한 예들에서, 플렉스플라인들의 기어 치형부들은 수직 방향으로 약간 휘어지며, 이는 주조 동안 몰드에 갇히게 되는 전체 부품을 초래할 수 있다. 이는, 불가능하지 않다면, 이러한 휘어진 치형부들을 갖는 플렉스플라인들의 주조를 어렵게 만든다. 네번째로, 플렉스플라인을 HD의 로터리 요소들에 장착하기 위해 요구되는 플렉스플라인의 저부의 홀들은 플렉스플라인으로 주조될 수 없고, 이후의 단계로 기계가공되거나 드릴링되어야하며, 이후의 단계는 주조 동안 플렉스플라인들의 제조시에 추가의 단계를 도입한다.
[0053] 플렉스플라인들을 제조하기 위해 탐구되지 않았던 하나의 제조 기술은 금속 적층 가공이다. 비록 이러한 제조 기술이 통상적인 기어들 및 기어 치형부들을 인쇄하기 위해 주지되지만, 금속 적층 가공은 얇은-벽형성된 구조물들의 제조를 위해 부적합한 것으로 여겨졌으며, 여기서 구조물의 높이는, 예컨대 HD 플렉스플라인에서 벽 두께보다 매우 더 크며, 여기서 컵 벽은, 컵 벽의 가장 작은 두께보다 50배 (또는 그 초과) 더 큰 높이를 가질 수 있다. 구체적으로는, 기존의 DMLS 및 SLM 분말 베드 기계들은 빌드의 배향에 따라, 대략 0.04mm 내지 0.2mm의 특징 공차들을 단지 달성할 수 있다. 더욱이, 부품이 인쇄된 배향은 또한, 그의 빌드 품질뿐만 아니라, 그의 기계적인 특성들에 영향을 준다. 이를 위해, 도 6a는, PBF(powder bed fusion) 금속 적층 가공 시스템의 표준 빌드 플랫폼 및 단부 상에 서 있는(standing-on-end) (수직) 빌드 배향(또한 인쇄의 z 방향으로 불림)을 포함하는, 부품들의 다양한 배향들을 도시한다. 또한, 빌드 플랫폼에 평행한 표면들이 지지할 수 없기 때문에, 이 표면들은, 예를 들어, 도 7에서 도시되는 바와 같이, 매우 거친 마감들로 끝난다.
[0054] 이에 따라, 통상적인 기술들의 매끄러운 표면을 달성하기 위해, 분말 베드 금속 적층 가공 기계들에서의 평탄한 표면들은, 도 6b에서 도시되는 바와 같이, 빌드 플레이트에 대한 소정의 각도로 포지셔닝된다. 그 결과, 빌드/인쇄 배향은 플렉스플라인들의 제조시에 상당한 영향들을 갖는다. 구체적으로는, 스트레인 웨이브 기어의 정합 표면들(즉, 웨이브 제너레이터의 저부와 정합하는, 원형 스플라인의 맞물림 표면들 및 웨이브 제너레이터의 치형부들 및 플렉스플라인의 저부 표면)은 평탄하고 그리고 정밀히 마감되어야 하기 때문에, 이러한 기어 컴포넌트들을 적층 가공하는 통상적인 접근법은 저부 표면 마감을 개선하기 위해 (도 6b에서 도시되는 바와 같이) 인쇄 동안 빌드 플랫폼에 대한 소정의 각도로 이 표면들을 경사지게 할 것이다. 그러나, 빌드 플랫폼에 대한 소정의 각도로 플렉스플라인의 치형부들 및/또는 벽들을 인쇄하는 것은 (도 6b에서 도시되는 바와 같이) 지지 구조물들 및 재료들의 사용을 요구한다. 통상적으로 또한 금속이고 그리고 인쇄된 물체에 강하게 부착되는 지지 재료는 사후-제조시에 제거되어야 한다. 결국, 지지 구조물들 및 재료들의 사후-제조 제거는 플렉스플라인의 치형부들 및 벽의 연약한 구조물들에 손상을 줄 수 있고, 그리고 따라서 매우 바람직하지 않다. 더욱이, 컵의 벽에 고착된 상태(stuck)를 유지하는 임의의 지지 재료는 플렉스플라인의 휨 거동을 변경할 것이다. 그 결과, 치형부들 및 컵의 벽은 플렉스플라인들의 제조시에 모든 지지 재료로부터 완전히 자유로워야 한다. 또한, 소정의 각도의 플렉스플라인들의 3D 인쇄는, 플렉스플라인의 기능성에 대해 중요한 완벽한 반경 방향 대칭 및 기어 치형부 만곡부를 달성하는 능력을 방해한다.
[0055] 이러한 통상적인 적층 가공 기술들의 결점들의 결과로서, 금속 적층 가공 기술들은 플렉스플라인들의 제조 및 HD들의 제조 컴포넌트들에 민감한 다른 것에 대해 부적합한 것으로 현재 고려된다. 특히, 플렉스플라인 제조는 적어도 하기의 기하학적 한정들 및 고려사항들을 포함한다: (1) 플렉스플라인의 벽의 극도의 얇음(예컨대, < 2mm 또는 심지어 < 1.0mm, 그리고 0.05mm만큼 낮음), (2) 정합 표면의 필수의 평탄함 및 매끄러움(예컨대, 원형 스플라인 및 웨이브 제너레이터와 맞물려야 하는 표면들), (3) 기어 치형부들의 극도의 기하학적 정밀도(예컨대, 치형부들은 플렉스플라인 컵의 전체적인 반경 방향 (z-축) 대칭 및 <100 마이크로미터의 통상적인 공차로 제조되어야함), (4) 모든 컴포넌트 표면의 기하학적 정밀도에 대한 전체적인 요구(예컨대, 원형 스플라인의 내부 표면 치형부들 및 웨이브 제너레이터의 외부 치형부들). 또한, 특정한 금속 적층 가공 기술들, 예컨대 DED는 종종, 요구되는 치수들의 플렉스플라인 벽 또는 다른 플렉스플라인 피처들을 인쇄하거나, 정확한 형상(예컨대, 1mm 미만)을 갖는 기어 치형부들을 생성하기에 충분히 작은 피처 크기를 달성할 수 없다. 이에 따라, 현재 이용가능한 금속 적층 가공 기술은 금속 플렉스플라인들을 인쇄하기 위해 적합한 것으로 보이지 않는다.
[0056] 본 출원은 특수화된 금속 적층 가공 기술을 사용하여 금속 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인들의 제조를 위한 방법의 실시예들에 관한 것이다. 많은 실시예들에서, 본 방법은, 모든 컴포넌트들(정합 피처들을 갖는 출력 표면, 컵의 얇은 벽, 및 플렉스플라인에 통합되는 치형부들)을 포함하는, 전체적인 플렉스플라인이 금속 인쇄되는 것을 허용한다. 많은 실시예들에서, 플렉스플라인은 빌드 트레이로부터의 제거시에 직접적으로 사용될 수 있다. 이러한 일부 실시예들에서, 인쇄 공정 동안, 플렉스플라인의 벽은, 도 8에서 도시되는 바와 같이, 빌드 플랫폼 상에 수직으로(즉, 적용되고 있는 금속 재료에 수직으로) 배향된다. 또한, 많은 실시예들에서, 표준 빌딩 매개 변수들은, 바람직한 플렉스플라인 벽 얇음 및 정밀히 규정된 기어 치형부들을 달성하도록 수정된다. 많은 실시예들에서, 본 방법은 시판 중인 현재 입수가능한 DMLS, SLM, 또는 다른 시스템들과의 사용을 위해 매우 적합하다. 일부 실시예들에서, 본 방법은 DED 시스템들과 사용될 수 있으며, 여기서 이러한 시스템의 증착 스팟 크기는 바람직한 플렉스플라인의 벽 두께의 15% 내에 있다. 일부 실시예들에서, 금속 인쇄된 플렉스플라인은 기계적인 또는 화학적인 마감 작동을 통해 추가적으로 마감된다. 많은 실시예들에서, 플렉스플라인의 전체는 넷(net) 또는 니어-넷(near-net) 형상으로 금속 인쇄된다. 많은 실시예들에서, 본 출원의 방법에 따라 인쇄된 플렉스플라인의 벽 두께는 0.3mm만큼 낮다. 많은 실시예들에서, 본 출원의 방법은 바람직한 기하학적 형상의 플렉스플라인들의 빠르고, 손쉽고, 낮은 비용, 낮은 폐기물 제조를 허용한다. 일부 실시예들에서, 본 방법은 단일 인쇄로 다수의 플렉스플라인들을 인쇄하는 것을 허용한다. 많은 실시예들에서, 본 출원의 방법은 통상적인 금속 기계가공 기술들과 비교하여, 상당한 비용 절약 및 시간 절약을 야기한다.
[0057] 플렉스플라인들을 금속 인쇄하는 것의 이점들은, 부품 품질이 다소 희생된다하더라도, 플렉스플라인들을 기계가공하는 것과는 대조적으로, 상당하다. 예를 들어, 대략 18개의 50mm의 직경 플렉스플라인들은 표준 빌드 트레이 크기를 갖는 EOS M290 3D 프린터 상에서 6시간 미만의 빌드 시간에서 한 번 인쇄될 수 있다. 이에 반해, 유사한 크기 및 비용의 자동화된 CNC 기계가공 플랫폼은 단지 한 번에 하나의 플렉스플라인을 생성할 수 있으며, 여기서 기계가공 시간은 최대 1시간일 수 있으며, 그리고 스크랩 속도는 빌렛 재료의 90% 초과이다.
적층 가공에 의해 플렉스플라인들을 형성하는 실시예들
[0058] 많은 실시예들은 다음 리스트(list) ─ PBF(powder bed fusion) 인쇄, DED(direct energy deposition) 인쇄, 금속 압출, 융합된 필라멘트 모델링(fused filament modeling), 금속 바인더 제팅(metal binder jetting), 와이어 아크 적층 가공(wire arc additive manufacturing), 초음파 적층 가공(ultrasonic additive manufacturing), 열적 분사 적층 가공(thermal spray additive manufacturing), 액체 제팅(liquid jetting), 레이저 소결(laser sintering), 전자 빔 프리폼(electron beam freeform), 레이저 용융(laser melting) 또는 치형부들에 수직인 빌드 층들 및 위로 향하는 컵과 수직 배향으로 플렉스플라인을 인쇄하는 데 사용될 수 있는 다른 기술, 이의 임의의 조합 ─ 로부터 선택된 재료 증착 방법에 기초하여 시스템들을 인쇄하는 것에 관한 것이다. 이러한 많은 실시예들에서, 금속 적층 가공 시스템은 리스트(분말, 와이어, 용융된 금속, 유체 액체 금속, 바인더에서의 금속, 분해가능한 잉크들에서의 금속, 중합체에 구속된 금속, 시트 금속, 수직 인쇄를 허용하는 임의의 다른 인쇄 형태, 이의 임의의 조합으로부터 선택된 형태들 중 하나로 재료를 활용한다. 많은 실시예들에서, 본 출원의 방법은 플렉스플라인들의 제조에 대해 특히 유리하다.
[0059] 특히, 많은 실시예들에서, 본 출원의 방법은 저부 지지 빌드 플레이트를 넘게 지지 필라들 또는 지지 재료들의 사용을 위한 요구 조건 없이 생산될 2mm 미만의 두께들 내지 0.35mm와 같이 작은 두께들을 갖는 플렉스플라인 벽들을 제조하는 것을 허용한다. 실제로, 2mm 미만의 벽 두께를 갖는 플렉스플라인들을 제조하기 위해 실시예들에 따라 적층 가공 기술들을 사용하는 것은 특히 유리하다. 이러한 실시예들에서, 벽 두께는, 한 번의 레이저 패스와 연관된 용융된 풀이 벽과 대략 동일한 폭이도록 빌드 빔(예컨대, 레이저 스팟)이며, 그리고 열 영향을 받는 영역(또는 공정 영역)은 모든 경우들에서 전체 벽 두께에 걸쳐진다. 이는, 냉각 재료가 고온 재료에 결합되고 있는 경우에, 전체 플렉스플라인 벽이 수개의 패스들 대신에 동시에 처리되고 있으며, 그리고 플렉스플라인 벽의 전체 두께가 한 번에 가열되는 것을 의미한다. 이에 따라, 본 출원의 방법은 금속성 유리 재료들로의 플렉스플라인들의 제조에 대해 특히 유리하다. 특히, 본 방법은, 우수한 특성들을 갖는 플렉스플라인을 야기하는, 다른 열적 제조 기술들로 발생할 수 있는 금속성 유리 재료의 재가열 또는 결정화에 대한 염려들 중 어떠한 것도 없이 완전히 비정질 플렉스플라인 부분의 형성을 허용한다.
[0060] 적합한 공차들에 따라 플렉스플라인들의 적합한 제조를 보장하기 위해, 본 개시에 따른 플렉스플라인 제조 방법들의 많은 실시예들은, 하기의 특정한 제조 매개변수들 중 하나 이상을 포함할 수 있으며, 이 매개변수들은 아래에서 더 상세히 논의될 것이다:
빌드 플레이트(z-방향)에 수직한 수직 방향으로의 플렉스플라인의 벽들의 특정한 배향.
오버행들이 제작 동안 형성되지 않도록, 빌드의 저부에서 플렉스플라인의 컵의 저부를 포지셔닝함.
플렉스플라인 벽의 각각의 층이, 연속적인 시임없는 원으로 그리고 스태킹된(stacked) 층들의 전체적인 적층 구조물이 형성되도록 형성되는 것을 보장함.
하나의 빌드 빔 패스와 연관된 용융된 풀이 벽 두께와 적어도 동일한 크기이기에 충분히 작은 두께로 플렉스플라인의 벽들을 유지함.
광학 부품들이 움직이지 않는 경우들에서, 빌드 빔이 편향될 필요가 없으며 그리고 플렉스플라인의 원형성이 유지될 수 있도록, 빌드 플레이트의 중심에 충분히 가깝게 플렉스플라인을 포지셔닝함.
커스터마이징된 특성들을 갖는 플렉스플라인들의 제조를 허용하기 위해 플렉스플라인 벽의 수직 방향을 따라 재료, 재료 상태, 또는 빌드 매개변수를 변경함.
플렉스플라인 벽들 상에 지나친 응력을 배치하는 것을 회피하기 위해 (예컨대, 통상적인 강 리코터 블레이드들보다 더 연질인) 연질 재료의 적층 가공 장치의 리코터 블레이드(recoater blade)를 형성함. 통상적인 적층 가공 장치에 대한 이러한 수정은, 더 상세히 아래에서 논의되는 바와 같이, 얇은 벽이 형성된 플렉스플라인들이 형성되고 있을 때, 특히 중요하다.
수직 빌드 배향들을 포함하는 실시예들
[0061] 초기 문제로서, 플렉스플라인 적층 가공 방법들의 많은 실시예들은, 플렉스플라인이 상향으로 향하여 인쇄되도록 구성되며, 이 때 얇은 수직 벽은 빌드의 z-축에 평행하다. 비록 빌드 플랫폼에 수직으로 플렉스플라인을 배향하는 것이 오버행들을 회피하도록 하방으로 향하기 위해 플렉스플라인의 저부 컵 정합 표면에 힘을 가하여, 가장 거친 표면을 가지는 정합 표면을 초래하지만, 이러한 수직 빌드 배향은 플렉스플라인들의 적층 가공을 허용하고, 다른 예상치 않은 이점들을 생성한다.
[0062] 예를 들어, 제작 공정 동안 플렉스플라인의 수직 배향은, 저부 상에서를 제외하고, 부품 상의 어느 곳에서나 재료를 지지하기 위한 필요 없이, 기어 치형부들의 정밀한 인쇄를 허용한다. 더욱이, 일부 예들에서, (도 5에서 도시되는 바와 같이) 플렉스플라인의 기어 치형부들이 평탄하지 않으나 오히려 휘어지거나 다른 임의의 형상을 가지는 프로파일을 가질 때, 제조 동안 엄밀히 수직한 배향은 각각의 치형부를 위한 정확히 동일한 피처 크기, 및 따라서 적합하게 기능적인 플렉스플라인들을 갖는, 정확히 동일한 만곡부 및 커브 형상을 달성하기 위해 중요하다. 더욱이, 이전에 논의된 바와 같이, 이러한 비평탄 치형부들은 다른 제조 기술들을 사용하여 형성하기에 어려울 수 있다. 또한, 플렉스플라인이 완전히 원형이어야 하기 때문에, 본 출원의 방법에 따라 수직으로 인쇄하는 것은, 벽이 기어 치형부들 및 아웃풋 샤프트에 동심인(이는 플렉스플라인의 적합한 기능에 대해 중요한 고려사항임) 것을 보장한다. 완전한 원형성을 위한 이러한 요구 조건은, 많은 실시예들에서, 빌드 빔에 편향하고 그리고 따라서 플렉스플라인의 원형성을 유지할 필요를 회피하도록, 인쇄 시스템의 광학 부품이 (예컨대, 분말 베드 융합 프린터들에서와 같이) 이동될 수 없을 때, 실시예들이 빌드 플랫폼의 중심에 가깝게 인쇄될 플렉스플라인로 불린다는 점에서, 매우 크다. 이에 반해, 이러한 시스템들의 빌드 플랫폼의 에지들에 가깝게 인쇄하는 것은, 레이저 빔이 프린트 구역에 도달하도록 구부러지는 것을 요구하며, 이는, 결국, 정밀하게 원형이 아닌 레이저 스팟 크기를 초래한다.
[0063] 게다가, 많은 실시예들에서, 인쇄 동안 플렉스플라인의 수직 배향은 결과적인 플렉스플라인을 위한 보강된 기계적인 특성들에 대해 이점들을 갖는다. 적층 가공의 분야에서 주지되는 바와 같이, 3D 인쇄된 금속 부품에서, 프린트의 z-축을 따라 형성되는 재료는 프린트의 x 또는 y 평면들을 따라 증착되는 재료보다 더 낮은 연성을 갖는다. 그러나, 플렉스플라인의 작동이 수평 방향들로(옆으로) 그의 벽의 휨에 의존하기 때문에, 플렉스플라인의 z-축(즉, 본 발명의 실시예들에 따른 플렉스플라인의 프린트의 방향)을 따른 재료 연성은 플렉스플라인의 전체적인 기능성에 대해 덜 중요함을 지닌다.
[0064] 또한, 많은 실시예들에서, 본 출원의 방법에 따라 인쇄 동안 플렉스플라인의 수직 배향은 파괴 내성이 있는 플렉스플라인들을 생성한다. 특히, 스트레인 웨이브 기어 작동 동안의 플렉스플라인 컵의 휨은 컵에서의 파괴 형성을 촉진하며, 여기서 균열들은, 기어 치형부들로부터 아래로, 컵의 저부를 향해 그리고 기어 치형부들 정렬에 평행하게 형성하는 경향이 있다. 예를 들어, 이러한 파괴 전개는 도 9a 및 도 9b 둘 모두에서 명백하게 보인다. 그러나, 본 출원의 제작 방법은, 복수의 수직으로 적층된 3D 인쇄된 층들(도 10)로 구성되는 효과적으로, 균열 내성 “적층” 구조물인 플렉스플라인을 생성한다. 더 구체적으로는, 본 출원의 제조 공정 동안 수직으로 플렉스플라인을 배향하는 것은 플렉스플라인 컵을 많은 얇은(예컨대, 두께가 대략 20미크론의) 층들로 구성되는 적층 구조물로 회전한다. 여기서, 적층 공정 동안 금속 재료들을 용융하는 것이 증착 층들 사이의 차이들을 완전히 지우지 않는 것, 그리고 흔적 레이어링(evidence layering)이 빌딩의 수직 방향으로 검출가능한 상태를 유지하는 것이 적층 가공의 분야에서 주지되는 것이 유의되어야 한다. 예를 들어, 이러한 효과는 도 8 및 도 13c의 주의 깊은 검사시에 알 수 있다. 이에 따라, 본원에 설명되는 바와 같은 이러한 “적층” 구조물들은, 이 적층 구조물들이 층들을 통해 성장하는 균열에 대한 내성이 있어, 적층체를 통해 균열을 성장시키는 것을 어렵게 하기 때문에 플렉스플라인들을 형성하는 것에 대해 예상외로 유리하다(예를 들어, Vecchio 등으로부터의 Ti-Al3Ti 적층체들 상의 작업을 참조, 이들의 개시는 인용에 의해 본원에 포함됨). 구체적으로, 본 출원의 “적층식” 인쇄된 플렉스플라인은, 모놀리스형 금속 합금으로 전체적으로 만들어진 플렉스플라인들보다 적어도 10% 더 높은 파괴 인성을 갖는다.
[0065] 게다가, 많은 실시예들에서, 본 출원의 수직 제조 방법은 그의 본체를 따라 보다 적은 잠재적인 고장 지점들을 갖는 보다 강한 플렉스플라인을 생성한다. 구체적으로, 많은 실시예들에서, 플렉스플라인이 수직으로 인쇄됨에 따라, 각각의 재료의 증착된 층은, 분발 베드 시스템이 사용될 때, 각각의 개별적인 원주부를 따른 부착/융합 지점들이 없는, 즉 용융된 금속의 하나의 연속적인 레이저 패스로 금속 (링)의 연속적인 가닥으로 증착될 수 있다. 그 결과, 원형 플렉스플라인 벽으로 적층되는 재료 층들에서의 원주부 “파괴들”이 존재하지 않으며, 그리고 따라서, 잠재적인 고장 지점들이 존재하지 않는다. 3D 인쇄 공정들이 다공성이고 유사하게는 결함이 있는 구조물들을 종종 생산하기 위해 당 분야에서 공지되어 있는 것, 그리고, 따라서, 이 구조물들이 잘못되고 약한 플렉스플라인들을 또한 생성하는 것으로 예상되는 것이 여기서 유의되어야 한다. 그러나, 플렉스플라인이 XY-평면에서 플렉스플라인의 컵의 휨에 의해 작동가능하게 로딩되기 때문에, 그리고 이러한 로드가 (본원에서 설명되는 바와 같이) 이들의 개별적인 원주부들에서 제조 실수들을 가지지 않는, 증착된 재료의 연속적인 “링들”의 적층체에 적용되고 있기 때문에, 본 출원의 방법들에 따라 제조된 플렉스플라인들은 예상외로 매우 강한 성능을 입증한다.
[0066] 최종적으로, 빌딩 동안 플렉스플라인을 수직으로 배향시키는 것은, 플렉스플라인의 가장 강한 부분(컵의 저부)이 빌드 플랫폼에 부착되는 것을 구술한다. 가장 많은 인쇄된 플렉스플라인들은, 매끄러운 표면 거칠기에 대한 사후-처리시에 열 처리를 겪어야 할 것이거나, 이 플렉스플라인들을 래핑하는 경향이 있는 다른 표면 처리들에 영향을 주어야 할 것이다. 그러나, 기초부에 플렉스플라인의 가장 견고한 부분을 수직으로 인쇄하고 부착하는 것은, 벽의 임의의 변형을 유발시키지 않고, 이러한 플렉스플라인들이 안전하게 열 처리되는 것을 허용하는데, 왜냐하면 플렉스플라인의 질량의 보다 큰 부분이 플렉스플라인의 보다 연약한 부분들의 과열을 방지하는 플랫폼 저부에 고정된 상태에서 집중된다.
개선된 만곡부를 갖는 기어 치형부들을 포함하는 실시예들
[0067] 이전에 논의된 바와 같이, 종래 기술의 제조 기술들은, 평탄한 프로파일을 가지지 않는 치형부들을 갖는 플렉스플라인들을 형성할 수 있는 경우 불리하다. 실시예들에 따라 인쇄하는 것은, (도 5에서 개략적으로 도시된 바와 같이) 플렉스플라인 상의 치형부들이 평탄하지 않으며, 그러나 오히려 휘어지거나 다른 임의의 형상을 가지는 프로파일을 가지는 것을 허용한다. 많은 실시예들에서, 이러한 기어 치형부들을 포함하는 플렉스플라인들은 제조 어려움들을 회피하기 위해 수직으로 인쇄된다. 예를 들어, 대상물이 소정의 각도로 인쇄되는 적층 가공 기술에서, 각각의 치형부가 동일한 피처 크기를 갖는 동일한 만곡부를 가지는 것이 불가능할 것이다. 이에 따라, 많은 실시예들에서, 기어 치형부들은 평탄하지 않으며, 그러나 만곡부를 갖는다. 구체적으로는, 도 5에서 도시되는 바와 같이, 이는 치형부들이 실제로 수직 방향으로 약간 휘어진 것을 의미한다. 논의되는 바와 같이, 인쇄가, 통상적인 기계가공 없이 기어 치형부들 상에 이러한 만곡부를 추가하기 위한 유일한 방식인 것이 발견되었다. 실시예들에 따른 수직 프린트 배향은 또한, 수평 빌드 구성들과 연관된 문제들 중 일부를 회피한다. 예를 들어, 분말 베드 시스템들로 수평으로 인쇄하는 것은, 통상적으로 약 20미크론인 증착 분말의 층의 가능한 두께에 의해 인쇄가능한 피처 크기를 제한한다. 수직으로 인쇄함으로써, “단차”를 생성하지 않고, 매우 더 미세한 해상도를 달성하는 것이 가능하다. 이는, 플렉스플라인들이 상이하게 배향되었다면 가능하지 않을 것인 플렉스플라인 치형부들 상의 보다 작은 커브들 및 다른 형상들의 형성을 허용한다.
엔지니어링된 열 영향을 받는 영역들을 포함하는 실시예들
[0068] 다양한 실시예들에서, 본 출원의 방법에 따른 플렉스플라인들의 금속 적층 가공은 수직 배향으로 제조된 플렉스플라인들을 포함할 수 있으며, 여기서 플렉스플라인 벽은 층마다 레이저의 단일 패스로 구축되어, 더 양호한 품질의 플렉스플라인들을 제공한다. 구체적으로, 한 번의 레이저 패스와 연관된 용융된 풀이 벽과 대략 동일한 폭이기 때문에, 그리고 열 영향을 받는 영역(또는 공정 영역)이 전체적인 벽 두께에 걸쳐지기 때문에, 플렉스플라인 벽 두께의 전체는, 여러번의 패스들 대신에, 동시에 처리되고 있다. 따라서, 본 출원의 방법은 상황들을 회피하는 것을 허용하며, 여기서 차가운 재료는 고온 재료에 결합되어 있으며, 그리고 따라서, 플렉스플라인 벽의 전체 두께는 한 번에 가열된다. 또한, 금속성 유리 재료들이 사용되는 경우에, 이는, 이것이 이러한 금속성 유리들의 재가열 동안 발생할 수 있는 결정화와 연관된 문제들을 회피하기 때문에 특히 유리하다.
[0069] 많은 실시예들에서, 본 출원의 방법에 따른 플렉스플라인들의 금속 적층 가공은 신속하다. 구체적으로, 본 출원의 방법에 의해 구술된 빌드 플레이트에 대한 플렉스플라인의 정합 표면의 평행한 배향은, 대부분의 금속 증착이 인쇄 공정의 시작에서 발생하는 것을 보장한다. 따라서, 플렉스플라인의 얇은 벽의 구성은 층마다 레이저(이 레이저는, 예를 들어, EOS M290에서 0.38mm만큼 작음)로부터의 단지 한 번의 패스를 요구하도록 구성될 수 있으며, 플렉스플라인의 수직 빌딩은 매우 작은 래스터링(rastering) 시간을 요구하고, 그리고, 따라서, 극도로 신속하다. 또한, 많은 실시예들에서, 기계 매개변수들의 수정은 그 후, 레이저의 스팟 크기와 동일하거나 더 작은 플렉스플라인 벽 두께를 초래하며(그리고 많은 경우들에서, 여기서 컵 벽의 두께는 금속 적층 가공 시스템의 레이저의 스팟 크기의 15% 내에 있음), 이는, 결국, 플렉스플라인이 인쇄 직후 하모닉 드라이브들에서 사용되는 것을 허용한다. 그러나, 일부 실시예들에서, 비례적으로 더 두꺼운 벽들을 갖는 더 큰 직경 플렉스플라인들은 레이저의 한 번 초과의 패스로 제조된다.
커스텀 빌드 매개변수들을 포함하는 적층 가공 기술들의 실시예들
[0070] 많은 실시예들에서, 3D 인쇄 제조 동안의 플렉스플라인의 수직 배향은, 플렉스플라인의 원통형 기하학적 형상에 대한 반경 방향 대칭을 가지는 각각의 인쇄-증착된 층을 초래한다. 따라서, 이러한 실시예들에서, 수직으로 인쇄된 플렉스플라인에서의 각각의 개별적인 증착 층은 층 전체에 걸쳐 지속적으로 연속적으로 재료 특성들을 피처링하며(features), 여기서 재료 특성들은, 예를 들어, 레이저 파워 및 재료 이송 속도와 같은 사용자-규정된 빌딩 매개변수들에 의해 통제된다. 동시에, 3D 인쇄 시스템들은, 재료 미세구조화(material microstructuring)를 통하는 것을 포함하는 인쇄 동안 이들의 증착 방향(z-방향)으로 재료들의 물리적인 특성들에 대한 손쉬운 제어를 허용한다.
[0071] 구체적으로, 예를 들어, 재료의 입자 크기, 인성, 경도, 파괴 인성, 피로 한계, 연성, 및 탄성 계수와 같은 재료 물리적 특성들은 빌딩/증착 매개변수들의 조절들을 통해 프린트의 z-방향으로 제어될 수 있고 그리고 변경될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예들에 따른 z-방향으로 플렉스플라인을 인쇄하는 것은, z-축을 따른 플렉스플라인의 상이한 섹션들이 상이한 기계적인 특성들을 나타내는 것을 허용한다. 예를 들어, 많은 실시예들에서, 보다 큰 입자 크기가 재료의 파괴 인성 및 피로 한계를 개선시키기 때문에, 이러한 특성은 이러한 모드들에 의해 십중팔구 고장나는 플렉스플라인들의 영역 주위에 (인쇄 매개변수들의 조절을 통해) 용이하게 도입되고/증가될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 본 출원의 방법에 따라 제조된 플렉스플라인은 플렉스플라인의 치형부들에 가깝게 보다 높은 내마모성 및 얇은 벽에서 파괴에 대한 보다 높은 내성을 피처링할 수 있다. 그 결과, 금속 기계가공에 기초한 방법들과는 대조적으로, 본 발명의 방법은 “기능적으로 등급이 매겨진(functionally graded)” 특성들을 갖는 플렉스플라인들의 제조를 허용한다.
[0072] 다른 실시예들에서, 플렉스플라인을 인쇄함으로써, 주조(casting) 또는 기계가공 단조된 빌렛들(machining forged billets)로 만들어질 수 없는 미세구조들을 형성하는 것이 가능하다. 구체적으로, 냉각 속도가 매우 높기 때문에, 본 방법의 실시예들은 금속성 유리로 또는 나노결정질(nanocrystalline) 금속으로 적어도 부분적으로 형성되는 플렉스플라인들의 형성을 허용한다. 이에 따라, 플렉스플라인은 다른 방법들로부터 획득될 수 없는 특성들을 가질 수 있다.
가변 재료들을 포함하는 적층 가공 기술들의 실시예들
[0073] 많은 실시예들에서, 본 출원의 인쇄 방법은 DED(directed energy deposition) 시스템들로 연장가능하다. DED 시스템들은 부가의 이익들을 본 출원의 방법에 제공하며, 여기서 DED 시스템들은 인쇄의 z-방향으로 재료 조성을 변경하도록 허용한다. 구체적으로, 분말 베드 프린터들과는 대조적으로, 지향된 에너지 프린터들에서, 금속은 빌드 헤드에 도입되며, 그리고, 따라서, 금속의 조성은 수직한 z-방향으로 변경될 수 있다. 이에 따라, DED 시스템들은 플렉스플라인의 상이한 영역들이 상이한 재료들에 인쇄되는 것을 허용할 것이다. 예를 들어, 도 11의 표는 본 출원의 방법을 사용하여 제조될 수 있는 금속 합금들의 6개의 예들의 특성들을 나타낸다. 이러한 예들은 스테인레스 강 15-5, Ti-6Al-4V, 니트로닉 60 강, Vascomax C300 마에이징(maraging) 강, Zr-기반 벌크 금속성 유리 및 Ti-기반 벌크 금속성 유리 복합재를 포함한다. 표는 또한, 많은 실시예들에 따른 상이한 합금들로 플렉스플라인의 상이한 부분들을 인쇄함으로써 달성될 수 있는 특성들의 조합을 예시한다. 다른 예로서, 적합한 레이저 스팟 크기를 갖는 유사하게 기능하는 시스템 또는 DED가 본 출원의 실시예들에 따라 사용될 때, 내마모성 마에이징 강으로 만들어진 치형부들 및 낮은 밀도의 티타늄 합금으로 만들어진 벽을 갖는 플렉스플라인이 제조될 수 있다. 또 다른 예로서, DED-유형 시스템은 플렉스플라인을 제조하기 위해 일부 실시예들에 따라 사용될 수 있으며, 여기서 TiC는 플렉스플라인의 기어 치형부들 부분의 인쇄 동안 그리고 이 기어 치형부들 부분에 가깝게 Ti로 혼합되어서, 플렉스플라인의 이러한 구역에서 선택적으로 내마모성 복합재를 생성한다. 다른 예로서, 일부 실시예들에서, 플렉스플라인은 본 출원의 방법에 따라 2개의 상이한 재료들로부터 수직으로 인쇄되어서, 304L 합금과 같은 강인강(tough steel)으로 만들어진 벽 및 15-5PH와 같은 내마모성 강으로 만들어진 기어 치형부들을 갖는다. 예시적인 재료들을 위한 특성들의 요약을 제공하는 표는 도 11에 제공되지만, 30 내지 150MPa m1/2의 파괴 인성 및/또는 0.1 내지 2%의 탄성 한계를 가지는 재료들은 실시예들에 따라 플렉스플라인들을 형성할 때 특히 유리한 것으로 나타났다.
색다른 재료들을 포함하는 실시예들
[0074] 많은 실시예들에서, 본 출원의 방법은, 강 플렉스플라인들의 생산시에 사용되는 모든 종래의(heritage) 재료들(마에이징 강, 공구 강, 석출 경화 강, 저탄소강 및 고탄소강을 포함함(하지만, 이에 제한되지 않음))로부터의 플렉스플라인들의 제조를 허용한다. 이에 따라, 본 출원의 방법에 따라 제조된 플렉스플라인들은 동일한 HD 시스템들과 함께 그리고 전통적인 연강 플렉스플라인들과 동일한 설계 매개변수들 내에서 사용될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 본 출원의 방법은, 예컨대 분말보다 더 큰 임의의 형태로 만들어질 수 없는 (예를 들어, 주변 유리 형성 재료들 및 나노결정질 금속들과 같은) 금속 합금들, 또는 합금들을 기계가공하기에 어렵거나 불가능한 플렉스플라인 제조의 통상적인 방법들과 혼합되지 않는 합금들로부터의 플렉스플라인들의 손쉬운 제조를 허용한다.
[0075] 또한, 본 출원의 방법은 최적 재료들보다 더 적게 준비되는 플렉스플라인들의 특정한 특성들을 더 개선하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 인쇄 매개변수들의 조절들은, 예를 들어, 일반적으로 플렉스플라인에서 양호하게 기능하기에 너무 연질일 것인 재료들을 경화시킬 수 있다. 예를 들어, 기계가공하기에 통상적으로 어려운 고강도 금속들, 예컨대 티타늄 및 인코넬은 본 출원의 방법에 따라 플렉스플라인들로 인쇄될 수 있다. 게다가, 일부 실시예들에서, 본 출원의 3D 인쇄 방법은, 통상적으로 기계가공될 수 없고 그리고 넷 형상으로 주조되어야 하는 (비정질 금속들로 또한 공지된) 금속 매질 복합재들 및 벌크 금속성 유리들로부터 플렉스플라인들을 제조하는 데 사용될 수 있다. 게다가, 일부 실시예들에서, 플렉스플라인들은, 기계가공하기에 악명 높게 어려운 내화물(refractory) 또는 다른 높은 용융 온도 재료들, 예컨대, Nb, Ta, Mo, W, 또는 V 합금들로부터 인쇄된다. 이러한 합금들로부터 컴포넌트들을 인쇄하는 능력은 극도로 높은 온도들에서 작동할 수 있는 스트레인 웨이브 기어들의 개량으로 이어질 수 있고 스트레인 웨이브 기어들을 위한 고온 적용들을 가능하게 할 수 있다. 이에 따라, 많은 실시예들에서, 3D 인쇄의 방법은 플렉스플라인들의 제조시에 커스터마이징된 금속들의 사용을 허용하고, 그리고 특히 전통적인 기계가공 방법들과 비교하여 개선된 특정한 특성들 및 제조 비용들을 허용한다.
마감 기술들을 포함하는 실시예들
[0076] 많은 실시예들에서, 본 출원의 금속 적층 가공을 사용하여 만들어진 플렉스플라인은 표면 거칠기를 개선하거나 값싸게 그리고 용이하게 치수 공차를 매칭하기(match) 위해 간단한 마감 작동을 겪을 수 있다. 이에 따라, 본 출원의 방법에 따라 인쇄된 플렉스플라인들은, 매끄러운 표면을 달성하기 위해, 기어 치형부들로부터 거칠기를 단지 제거하기 위해 최소 그라인딩을 포함하는 그라인딩 또는 밀링(milling)을 통해 기계적으로 마감될 수 있다. 게다가, 많은 실시예들에서, 플렉스플라인 표면들은, 에칭(etching)과 같은 화학적 공정; 기계적인 마감 공정, 예컨대 물 블라스팅(blasting); 샌드(sand) 또는 비드(bead) 블라스팅; 이의 임의의 조합을 포함하는(하지만 이에 제한되지 않음) 공정들 중 하나를 사용하여 매끄러워질 수 있다. 많은 실시예들에서, 본 출원의 방법에 따라 수직으로 인쇄되는 플렉스플라인의 반경 방향 대칭은 또한, 사후-제조 처리를 간소화하고 그리고 보다 효율적으로 만든다. 예를 들어, 많은 실시예들에서, 플렉스플라인의 정합 표면은 축방향 대칭을 가지고, 용이하게 레이싱된다(lathed). 많은 실시예들에서, 플렉스플라인의 거친 표면들은, 예를 들어, 전기분해와 같은 화학적 에칭 공정을 사용하여 용이하게 매끄러워지며, 여기서 플렉스플라인의 반경 방향 대칭 및 균일한 두께는 고르고 그리고 효과적인 에칭을 보장한다. 또한, 많은 실시예들에서, 플렉스플라인의 반경 방향 대칭은 또한, 재료의 균일한 양이 제거되는 것을 보장함으로써, CNC(computer numerical control) 밀링 기계로의 사후-제조 기계가공을 간소화한다. 본 출원의 플렉스플라인들의 작동성을 개선시킬 수 있는 사후-제조 처리들의 보다 구체적인 예들은, 기어 치형부들의 표면 및 컵 벽의 내부 표면을 매끄럽게 하기 위한(예를 들어, 50마이크로미터 미만의 크기를 피처링하도록 표면 거칠기를 감소시키기 위한) 화학적 처리 단계; (예를 들어, 240 그릿 샌드 페이퍼(grit sand paper)로의) 샌딩으로의 처리 단계; 표면 거칠기를 감소시키기 위해 기계적으로 그라인딩하는 단계; (예를 들어 적어도 25%만큼 표면 거칠기를 감소시키기 위한) 폴리싱(polishing) 작동 단계; 다른 금속으로의 코팅하는 단계; 및 물리적인 특성들, 다공도, 담금질(temper), 침전 성장(precipitate growth), 제조된 그대로의 상태(as-fabricated state)와 비교하여 다른 특성들, 및 이들의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 특성들을 변경하는 열 처리하는 단계를 포함한다(하지만 이에 제한되지 않음).
[0077] 그러나, 일부 실시예들에서, 플렉스플라인 표면들은 비용을 절약하기 위해 인쇄된 바와 같이 남겨지며, 그리고 플렉스플라인은 그대로 사용된다. 이러한 실시예들에서, 인쇄된 바와 같은 플렉스플라인의 성능이 거친 표면 마감으로 인해 기계가공된 플렉스플라인과 비교하여 더 낮을 것이지만, 이 플렉스플라인은, 생산 비용을 상당히 감소시키기 위해 프린터 바로 밖에서 여전히 사용될 수 있다. 이를 위해, 도 12는, 조립 공정(왼쪽) 및 실시예들에 따라 3D 인쇄되었고 그리고 기계가공 없이 프린터 바로 밖에서 표준 스트레인 웨이브 기어로 조립되었던 완전히 조립된 플렉스플라인의 작동(오른쪽)을 도시한다. 인쇄된 플렉스플라인이 매우 거친 표면을 가지지만, 이 플렉스플라인은 여전히 실제 검사들에서 기능성이 있는 것으로 판명되었다.
[0078] 신규한 금속 증착 기술들이 이용가능함에 따라, 본 출원의 방법은 다른 3D 인쇄 방법들로 연장될 수 있다. 예를 들어, 이용가능한 경우, 본 출원의 방법과 함께 사용되는 고해상 잉크 젯 금속 인쇄 또는 액체 금속 인쇄는, 후처리 없이 인쇄 직후에 활용될 준비가 된 매끄러운 정밀히 실행된 플렉스플라인의 제조를 허용할 것이다. 다른 예로서, 동일한 공정에서 CNC 기계가공과 3D 인쇄 모두를 조합하는 금속 프린터들은 최근 이용가능해졌고, 그리고, 많은 실시예들에서, 본 출원의 방법에 따라 플렉스플라인들을 제조하고 그리고 마감하는 데 사용될 수 있다. 구체적으로, 플렉스플라인은, 단지 위로, 아래로 또는 원형으로 이동할 수 있는 CNC 공구 비트(bit)를 이용하기 위해 이러한 시스템으로의 제조 동안 (본 출원의 방법에 따라) 수직으로 배향될 수 있다.
제조된 플렉스플라인들의 예시적인 실시예들
[0079] 이에 따라, 많은 실시예들에서, 본원에 개시된 방법은 금속 적층 가공을 사용하는 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인들의 손쉽고, 신속하고 그리고 값싼 제조를 허용한다. (예컨대, 높은 재료 공차 및 매끄러운 표면 마감들을 가져야 하는) 스트레인 웨이브 기어들 상에 그리고 구체적으로는 플렉스플라인 컴포넌트들 상에 배치되는 다양한 기능성-특정 한정들로 인해, 그리고 금속 인쇄 능력들의 제한들을 고려하여, 본 출원의 방법은 예상되지 않고 불분명하다. 게다가, 많은 실시예들에서, 본 출원의 방법은 이러한 목적을 위해 이전에 접근불가능한 합금들 및 재료 조성들로부터의 플렉스플라인들의 제조를 허용한다. 또한, 일부 실시예들에서, 본 출원의 방법은 플렉스플라인 구조물 내에 재료 특성들 구배 또는 재료 구성 구배를 허용하며, 이는 종래의 강 기계가공 방법들을 통해 달성하는 것이 가능하지 않다. 많은 실시예들에서, 본 방법은, 절묘하게 얇은 벽들, 정밀하게 넷-형상인 기어 치형부, 및 보강된 기계적인 특성들, 예컨대 보강된 연성을 피처링하는 기능적인 플렉스플라인들을 효과적으로 제조하는 데 사용된다. 또한, 많은 실시예들에서, 본 출원의 방법에 따라 제조된 플렉스플라인들은 사후-생산 기계가공 또는 사후-생산 마감을 거의 요구하지 않거나 전혀 요구하지 않는다. 본원에 개시되는 방법들에 따라 제조되는 플렉스플라인들의 예들이 도 13a 내지 도 13d에서 도시되고 종래의 플렉스플라인들과 비교된다.
[0080] 구체적으로, 도 13a는 인쇄된(왼쪽), 주조된(중앙) 및 기계가공된(오른쪽) 플렉스플라인들의 평면도 및 저면도를 비교하며, 여기서 실시예들에 따라 인쇄된 플렉스플라인은 가장 거친 외형을 가지지만, 기계가공하거나 주조하기에 어려운 금속들로 만들어질 수 있고, 그리고/또는 치형부 방향에 대한 저부에서 특성들의 구배를 가질 수 있다. 도 13b는 기계가공된 강 플렉스플라인의 마이크로미터 판독들(즉, 벽 두께)(0.02인치, 왼쪽) 및 실시예들에 따른 강으로부터 인쇄된 플렉스플라인(0.015인치, 오른쪽)을 비교하고, 그리고 본 출원의 방법이 기계가공 방법들과 동일하거나 심지어 더 얇은 두께를 달성할 수 있는 것을 입증한다. 이러한 낮은 벽 두께가 결코 주조 방법들을 통해 완전히 실현될 수 없는 것이 유의되어야 한다. 최종적으로, 도 13c는 인쇄된 플렉스플라인(왼쪽)의 치형부들과 종래의 기계가공된 플렉스플라인(오른쪽) 상의 치형부들 사이 거칠기에서의 차이를 도시한다. 인쇄된 플렉스플라인의 마감이 매우 더 거칠지만, 이는, 또한, 예상되는 일반적인 고장 모드의 방향에 수직한, 빌드 층들로 형성된 “적층” 구조물을 명백하게 도시하고, 그리고, 따라서, 모놀리스형 재료보다 균열 성장에 대한 더 높은 내성을 암시한다. 또한, 본 출원의 방법은 기계가공을 통해 달성하기 어렵고 그리고 주조를 통해 달성될 수 없는 치형부들에서의 복잡한 만곡부들을 달성하는 것을 허용한다.
[0081] 최종적으로 도 13d는 본 실시예들에 따라 인쇄된 2개의 플렉스플라인들(왼쪽 및 중앙), 및 전체 플렉스플라인 벽이, 플렉스플라인의 벽이 파괴에 대한 내성이 있도록 층을 각각 빌딩하는 동안 전체에 걸쳐 가열되는 것을 보장하고, 그리고 통상적인 경질 강 리코터 블레이드를 사용하는 방식으로, 레이저 특성들이 수정되지 않았던 인쇄된 하나의 플렉스플라인(오른쪽) 을 도시한다. 도시되는 바와 같이, 이러한 조합은 플렉스플라인 벽의 치명적인 고장을 초래할 수 있다.
등가물들의 원칙
[0082] 본 발명의 이러한 설명은 예시 및 설명의 목적들을 위해 나타낸다. 본 발명을 완전한 것으로 또는 설명된 정밀한 형태로 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 그리고 많은 수정들 및 변경들은 위의 교시를 고려하여 가능하다. 실시예들은 본 발명의 원리들 및 그의 실제 적용들을 가장 잘 설명하기 위해 선택되었고 설명되었다. 이러한 설명은, 당업자들이 다양한 실시예들에서 그리고 특정한 사용에 적합한 바와 같은 다양한 수정들과 함께 본 발명을 가장 잘 활용하고 실시하는 것을 가능하게 할 것이다. 본 발명의 범주는 하기의 청구항들에 의해 규정된다.

Claims (25)

  1. 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인(strain wave gear flexspline)을 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 방법은 상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 전체를 단일 피스로서 형성하기 위해 금속 적층 가공 시스템을 사용하는 단계를 포함하며, 상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 원통형 컵(cylindrical cup)이며,
    상기 원통형 컵은,
    원주부를 규정하는 저부, 상기 저부 위에 배치되고 그리고 원통형 체적을 규정하는 컵 벽, 및 상기 컵 벽의 에지의 상부 외부 표면 상에 배치되는 기어 치형부들(gear teeth)을 포함하며,
    상기 컵 벽은 0.05 내지 2mm의 두께를 가지며, 그리고
    상기 컵 벽은, 상기 컵 벽의 가장 작은 두께보다 적어도 50배 더 큰 높이를 가지며, 그리고
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 수직 배향으로 제조되어, 상기 저부는 빌드 플랫폼(build platform) 상에 배치되며, 그리고 상기 컵 벽은 제조 동안 항상 상기 금속 적층 가공 시스템의 빌드 플랫폼에 수직으로 배향되며, 그리고 임의의 단일 증착 층에서의 상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인들의 특성들은 동일하고 그리고 축방향으로 대칭인,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 단지 상기 저부에서 제조 동안 지지를 위해 상기 빌딩 플랫폼(building platform)에 부착되며 그리고 지지 재료는 제조 동안 상기 컵 벽에 추가되지 않는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 피처 크기는 치수가 1mm 미만인,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 적층 가공 시스템은, 분말 베드 융합 인쇄(powder bed fusion printing), 분발 베드 선택적 레이저 용융, 직접 에너지 증착 인쇄, 금속 압출, 융합된 필라멘트 모델링(fused filament modeling), 금속 바인더 제팅(metal binder jetting), 와이어 아크(wire arc) 적층 가공, 초음파(ultrasonic) 적층 가공, 열적 분사 적층 가공, 액체 제팅, 레이저 소결(laser sintering), 전자 빔 프리폼(electron beam freeform), 레이저 용융, 또는 이의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 컵 벽의 두께는 상기 금속 적층 가공 시스템의 레이저의 스팟(spot) 크기의 15% 내에 있는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 컵 벽은 상기 금속 적층 가공 시스템 또는 단일의 와이어 증착 압출 공정의 레이저 스캐닝(scanning)의 단일 폭을 사용하여 제조되는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 특성들, 조성, 또는 미세구조 중 적어도 하나는 상기 빌딩 플랫폼에 평행한 방향으로 균일하지만, 상기 빌딩 플랫폼에 수직한 방향으로 변경되는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은, 상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인이 모놀리스형(monolithic) 금속으로 만들어진 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인보다 10% 더 높은 파괴 인성을 가지도록 수평으로 적층된 구조물을 가지는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 30 내지 150MPa m1/2의 파괴 인성을 갖는 재료로 제조되는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 재료의 파괴 인성은 상기 빌딩 플랫폼에 수직한 방향을 따라 가변하는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 탄성 제한은 0.1 내지 2%의 범위를 가지는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 동일한 화학적 조성을 갖지만, 상기 빌딩 플랫폼에 수직한 방향을 따라 배치되는 구분되는 물리적인 특성들을 갖는 적어도 2개의 영역들을 포함하는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 상기 빌딩 플랫폼에 수직한 방향을 따라 배치되는 구분되는 화학적 조성들의 적어도 2개의 영역들을 포함하는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 기어 치형부들을 포함하는 상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 기어 치형부 영역은, 상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 나머지로부터 화학적으로, 물리적으로, 또는 둘 모두로 구분되는 재료를 포함하며, 그리고 상기 기어 치형부 영역은 상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 나머지보다 더 많은 내마모성이 있는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  15. 제1 항에 있어서,
    기어 치형부들을 배제하는 상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 기어 치형부없는(teeth-less) 영역은, 상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 상기 기어 치형부 영역으로부터 화학적으로, 물리적으로, 또는 둘 모두로 구분되는 재료를 포함하며, 그리고 상기 기어 치형부없는 영역은 상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인의 나머지보다 파괴에 대한 더 많은 내성이 있는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 플렉스플라인의 제조시에 사용되는 재료는 금속의 베드로부터 보다는 오히려 상기 빌딩 헤드로부터 도입되는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 적층 가공 시스템은, 분말, 와이어, 용융된 금속, 액체 금속, 바인더에서의 금속, 분해가능한 잉크들에서의 금속, 중합체에 구속된 금속, 시트 금속, 수직 인쇄를 허용하는 임의의 다른 인쇄 형태, 또는 이의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 형태들 중 하나의 재료를 활용하는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 기어 치형부들은 수직으로 배향되는 만곡부를 가지는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  19. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은,
    상기 기어 치형부들의 표면 및 상기 컵 벽의 내부 표면을 매끄럽게 하기 위한 화학적 처리 단계;
    표면 거칠기를 감소시키기 위해 기계적으로 그라인딩하고(grinding), 샌딩하거나(sanding) 폴리싱하는(polishing) 단계;
    다른 금속으로의 코팅하는(coating) 단계;
    물리적인 특성들, 다공도, 담금질(temper), 침전 성장(precipitate growth), 제조된 바와 같은(as-fabricated) 상태와 비교하여 다른 특성들, 및 이들의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 특성들을 변경하는 열 처리하는 단계; 및
    이의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 사후-제조 공정을 겪는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  20. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은, Fe, Ni, Zr, Ti, Cu, Al, Nb, Ta, W, Mo, V, Hf, Au, Pd, Pt, Ag, Zn, Ga, Mg, 또는 이의 임의의 조합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 원소들에 기초하여 합금, 벌크 금속성 유리 또는 금속성 유리 복합재로 제조되는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  21. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 금속 매질 복합재로 제조되며, 그리고 상기 금속 매질 복합재의 체적 분획 또는 화학적 조성, 또는 둘 모두는 상기 빌딩 플랫폼에 평행한 방향으로 균일하지만, 상기 빌딩 플랫폼에 수직한 방향으로 가변하는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  22. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 결정질 금속 합금 및 금속성 유리 합금 둘 모두로 제조되며, 그리고 상기 2개의 재료들은 상기 빌딩 플랫폼에 수직한 지향(directing)으로 번갈아 형성되는(interchanged),
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  23. 제1 항에 있어서,
    상기 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인은 1,500℃보다 더 큰 용융 온도를 갖는 높은 용융 온도 합금으로 제조되는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 높은 용융 온도 합금은 인코넬 또는 리스트(list) ─ Nb, Ta, W, Mo, V, 이의 임의의 조합 ─ 로부터 선택된 상기 원소들 중 하나에 기초되는 합금인,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
  25. 제1 항에 있어서,
    상기 기어 치형부들은, 상기 스트레인 웨이브 기어가 특정한 적용을 위해 보강될 수 있거나 수정될 수 있도록, 휘어지거나 임의의 형상을 가질 수 있는,
    스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인을 제조하기 위한 방법.
KR1020197029462A 2017-03-10 2018-03-12 금속 적층 가공을 사용하여 스트레인 웨이브 기어 플렉스플라인들을 제조하기 위한 방법 Withdrawn KR20190119154A (ko)

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