KR102338072B1 - 온도-제어가능한 프린트 헤드를 통해 3차원 모델을 생성하기 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 층 증착 기술에 의해 3차원 모델을 생성하기 위한 방법에 관한 것으로, 미립자 구축 물질은 구축 지역에 도포되고, 그런 후에 감속제를 포함하는 결합제 물질은 프린터에 의해 구축 물질에 선택적으로 도포되고, 열 램프에 의해 소결되고, 프린트 헤드는 능동 및/또는 수동 냉각에 의해 과열로부터 보호된다.

Description

온도-제어가능한 프린트 헤드를 통해 3차원 모델을 생성하기 위한 방법 및 디바이스{METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING THREE-DIMENSIONAL MODELS WITH A TEMPERATURE-CONTROLLABLE PRINT HEAD}

본 발명은 제1항에서 종의 정의에 따라 3차원 모델을 생성하기 위한 방법 및 디바이스에 관한 것이다.

컴퓨터 데이터로부터 3차원 객체를 생성하기 위한 방법은 유럽 특허 명세서 EP 0 431 924 B1에 기재되어 있다. 이 방법에서, 미립자 물질은 플랫폼 상의 얇은 층에 증착되고, 결합제(binder) 물질은 프린트 헤드를 이용하여 미립자 물질 상에 선택적으로 프린팅된다. 결합제가 그 위에 프린팅되는 입자 영역은 함께 고정되고, 결합제, 필요시 추가 경화제(hardener)의 영향 하에 응고된다. 플랫폼은 구축(build) 실린더에 한 층의 두께의 거리만큼 낮아지고, 또한 전술한 바와 같이 프린팅되는 미립자 물질의 새로운 층을 구비한다. 이들 단계들은, 객체의 특정한 원하는 높이가 달성될 때까지 반복된다. 3차원 객체는 이를 통해 프린팅되고 응고된 영역으로부터 생성된다.

완료된 후에, 응고된 미립자 물질로부터 생성된 객체는 느슨한 미립자 물질에 내장되고, 후속적으로 그로부터 제거된다. 이것은 예를 들어, 추출기를 이용하여 이루어진다. 이것은 원하는 객체를 남기고, 이로부터 나머지 전력은 예를 들어 브러슁(brushing)에 의해 제거된다.

다른 분말-지지된 신속 시제품화(rapid prototyping) 프로세스는 유사한 방식, 예를 들어 선택적인 레이저 소결화 또는 전자 빔 소결화로 작용하고, 여기서 느슨한 미립자 물질은 또한 층에 증착되고, 제어된 물리적 복사선 소스의 도움으로 선택적으로 응고된다.

이들 모든 방법은 "3차원 프린팅 방법" 또는 3D 프린팅 방법으로서 아래에 집합적으로 언급된다.

모든 계층화 기법 중에서, 분말형 물질 및 액체 결합제의 공급에 기초한 3D 프린팅은 가장 빠른 방법이다.

폴리머 물질을 포함하는 상이한 미립자 물질은 이들 방법을 이용하여 처리될 수 있다. 하지만, 여기서 단점은, 미립자 물질의 공급 원료가 일반적으로 고체의 밀도의 60%인 특정 분말 밀도를 초과하지 않을 수 있다는 것이다. 그럼에도 불구하고, 원하는 구성요소의 강도는 도달된 밀도에 상당한 정도로 의존한다. 구성요소의 높은 강도에 대해, 그러므로, 액체 결합제의 형태로 미립자 물질의 부피의 40% 이상을 첨가하는 것이 필요하다. 이것은, 단일-방울(single-drop) 공급으로 인할 뿐 아니라, 예를 들어 응고 동안 액체의 양의 부득이한 감소로부터 발생하는 많은 프로세스 문제로 인해, 비교적 시간-소비적인 프로세스이다.

약어가 HSS인 "고속 소결화(high-speed sintering)"로서 당업자에게 알려져 있는 다른 실시예에서, 미립자 물질은 적외선 복사선을 공급함으로써 응고된다. 미립자 물질은 용해 동작을 이용하여 물리적으로 본딩(bond)된다. 무채색 플라스틱에서 열 복사선의 상당히 불량한 흡수는 여기에 이용된다. 하지만, 이러한 흡수는 또한 감속제(moderating agent)로서 알려진 IR 수용체를 플라스틱에 도입함으로써 여러 번 증가될 수 있다. IR 복사선은 예를 들어, 구축 공간에 걸쳐 균일하게 이동되는 로드-형태의 IR 램프를 이용하여, 여러 가지 방식으로 도입될 수 있다. 선택도는 타겟화된 방식으로 IR 수용체를 가지고 특정 층을 프린팅함으로써 달성된다. IR 복사선은 프린팅되지 않은 영역보다 훨씬 더 효율적으로 프린팅되는 영역에서의 입자 물질에 결합된다. 이것은 용해점을 지나는 층에서의 선택적인 가열을 초래하고, 이에 따라 선택적인 응고를 초래한다. 이러한 프로세스는 예를 들어, EP1740367B1 및 EP1648686B1에 기재되어 있다. 이들 공보에서, 간단한 디바이스가 또한 설명되는데, 하지만 이것은 소규모 상에서만 동작하고, 더 큰 구축 공간을 프린팅하는데 적합하지 않은데, 이는 대응하는 온도 관리 시스템이 부족하기 때문이다.

본 발명의 목적은 이에 따라, 스케일가능(scalable) 디바이스를 제공하는 것으로, 이러한 스케일가능 디바이스의 도움으로, HSS 프로세스가 촉진되거나 적어도 종래 기술의 단점을 개선한다.

본 발명에 따른 디바이스는, 미립자 물질의 층이 그 위에 증착되는 구축 평면을 포함한다. 구축 평면은 선형 위치 지정 유닛을 이용하여 구축 공간을 통해 층간에 이동된다. 구축 공간은, 프로세스의 마지막에서 디바이스로부터 제거될 수 있는 예를 들어, 잡 박스(job box)에 의해 한정될 수 있다. 층을 도포하기 위한 디바이스 부분은 프로세스 챔버 내에서 이동한다. 층을 도포하기 위한 디바이스는 예를 들어, 진동 코팅기(DE10216013B4) 또는 역-구동 롤러(EP0538244B1) 또는 간단한 스크래퍼(scraper)일 수 있고, 이것은 20㎛ 내지 300㎛ 두께, 바람직하게 50㎛ 내지 200㎛ 두께인 얇은 층에서 구축 공간에 미립자 물질을 도포한다. 적어도 하나의 노즐을 갖고 UR 수용체로 특정 층을 프린팅하는 프린트 헤드는 또한 프로세스 챔버에 위치된다.

사실상, 제트의 형태 또는 단일 방울의 형태로 구축 공간 상에 벡터-형 방식으로 IR 수용체를 증착하는 것이 가능하다. 적합한 해상도를 달성하기 위해, 제트 또는 방울 크기는 20 내지 200㎛의 범위에 있어야 한다. 더 높은 프로세스 속도를 달성하기 위해, 많은 수의 노즐의 도움으로 단일 방울을 생성하고, 그리드-형 패턴으로 구축 평면에 걸쳐 이동하는 프린트 헤드를 이용하는 것이 유리하다. 스팟(spot) 또는 라인(line)의 형태로 구축 평면의 전체 또는 부분으로서 구축 평면을 조명하는 IR 램프는 또한 프로세스 챔버에 위치된다. 마지막 2가지 경우에, IR 램프는 전체 구축 평면을 조명하기 위해 위치 지정 유닛의 도움으로 구축 공간에 걸쳐 이동해야 한다. 로드-형태의 IR 램프는 유리한 것으로 증명되었는데, 이것은 구축 공간의 전체 폭에 걸쳐 연장하고, 위치 지정 방향으로 비교적 좁은 영역을 비춘다. 코팅기, 프린트 헤드 및 IR 램프를 이동시키기 위한 위치 지정 유닛은 서로 독립적으로 또는 조합하여 설계될 수 있다. 로드의 형태로 내장된 램프는 유리하게 코팅기 유닛의 후방측 상에 위치된다. 이러한 방식으로, 코팅기는 시작 위치로 복귀할 때 광에 대한 노출을 수행할 수 있는 한편, 다른 방향으로의 이동은 아마도, 감소된 램프 전력으로 코팅에 사용된다. 이 실시예에서의 프린트 헤드는 [원문 그대로; 그) 램프 뒤로 더 멀리 다른 이동축 상에 장착될 수 있다.

구축 평면은 바람직하게 구축 실린더에서 이동하는데, 이러한 구축 실린더는 적어도 구축 평면의 측부 상에서 개방되고, 이와 함께 구축 공간을 형성한다. 구축 공간은 유리하게 프린팅 프로세스의 마지막에서 디바이스로부터 제거될 수 있다. 디바이스는 이 후 다른 구축 공간을 삽입함으로써 새로운 계층화 프로세스를 수행할 수 있다.

HSS 프로세스는 미립자 형태의 많은 폴리머 물질, 예를 들어 폴리아미드를 처리하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 그래파이트는 현탁액의 형태인 캐리어 유체(carrier fluid)에서 혼합되는 IR 수용체로서 사용될 수 있다. 이소프로필 알코올, 디메틸 수시네이트와 같고, 제한되어 에틸 알코올 또는 물과 같은 다양한 프린트하기 쉬운 유체는 캐리어 유체로서 적합하다.

프로세스는, 프린팅된 영역에서의 온도가 적어도 짧은 시간 기간 동안 미립자 물질의 용해점보다 높은 방식으로 설정되어야 한다. 폴리아미드 12, 또는 요약하여 PA 12의 경우에, 이러한 온도는 대략 180℃이다. 다른 한 편으로, 프린팅되지 않은 영역에서의 온도는 가능한 한 낮아야 하는데, 이는 폴리머 물질이 낮은 온도에서조차 역행할 수 없게 변할 수 있기 때문이다.

미립자 물질에 도입된 IR 에너지의 양은, 예를 들어 램프 전력에 의해, 또는 로드-형태의 램프가 구축 공간에 걸쳐 이동하는 속도에 의해 설정될 수 있다. 이 방법의 단점은, IR 수용체에 대한 캐리어 유체가 프린팅된 영역에서 증발하고, 이러한 프로세스 동안, 이를 통해 온도가 그 영역에서 감소한다는 것이다. 그러므로, 램프의 도움으로 극복되어야 하는 필요한 온도 차이를 최소화하기 위해 적합한 조치의 도움으로 구축 공간에서의 온도를 더 높은 레벨로 증가시키는 것이 유리하다. 미립자 물질에 대한 손상을 최소화하기 위해 너무 높은 온도의 선택을 피하기 위해 또한 주의되어야 한다. 사실상, 코팅 이전에 미립자 물질을 예열하는 것이 또한 가능하다. 하지만, 미립자 물질이 코팅 동안 그리고 코팅 이후에 주변 온도에 매우 빠르게 적응되고, 다시 열 에너지를 소실시키는 것이 증명되었다. PA 12에 대해 60℃ 내지 120℃의 온도 범위는 구축 공간 대기에 대해 유리한 것으로 증명되었다. 75℃ 내지 95℃의 온도 범위는 더욱 더 유리하다. 미립자 물질이 미리 이들 온도에서의 공기에서 산소와 반응하기 시작하는 것이 가능하다. 그러므로, 보호 가스를 구축 공간에 적용하는 것이 필요할 수 있다. 예를 들어 질소는 보호 가스로서 적합하다; 아르곤과 같은 다른 가스도 또한 사용될 수 있다.

구축 공간에서의 온도를 원하는 레벨로 증가시키기 위해, 디바이스에서 추가 가열 수단을 제공하는 것이 필요할 수 있다. 이것은, 예를 들어 전체 구축 공간을 가능한 한 균일하게 가열하는 구축 공간 위의 IR 방열기(radiator)의 형태로 이루어질 수 있다. 하지만, 또한 프로세스 챔버로부터 공기를 제거하고, 히터 배터리와 같은 대응하는 수단을 이용하여 이것을 가열하고, 타겟화된 방식으로 프로세스 챔버 안으로 다시 송풍하는 것이 인식될 수 있다. 더욱이, 프로세스 챔버에서의 열이 바람직하게 일정한 레벨로 유지되는 경우 유리하다. 이러한 목적을 위해, 온도 제어기가 유리한데, 이것은 온도 센서와 상호 작용으로 구축 공간에서의 가열 수단을 조절한다. 구축 공간 상의 온도 경사는 10℃를 초과하지 않아야 한다. 온도 조절을 간략화하기 위해, 가능한 한 적은 열이 주변 환경에 손실되는 것이 바람직하다. 그러므로, 적합한 조치를 이용하여 프로세스 챔버를 격리하고, 도어와 플랩 상에 대응하는 밀봉부(seal)를 제공하는 것이 필요하다. 이와 동일한 것은 구축 공간에 적용되는데, 이것은 또한 적은 열이 주변 환경에 소실되는 방식으로 설계된다. 이것은 접촉점에서의 대응하는 격리를 포함하는 이중-벽의 설계를 갖는 구축 실린더를 제공함으로써 이루어진다. 사실상, 예를 들어, 구축 실린더 및/또는 구축 플랫폼의 내부 벽의 활성 가열에 의해 구축 공간에서 온도 손실을 보상하는 것이 또한 가능하다. 다른 옵션은 예열된 가스를 구축 공간에 활성적으로 도입하는 것인데, 예열된 가스는 에너지 캐리어로서 작용하고, 열을 미립자 물질 공급 원료에 전달한다. 가스는 예를 들어, 구축 플랫폼에서의 보어(bores)에 의해 도입될 수 있다.

노즐을 통해 유체 스트림을 구축 공간상으로 편향시키는 소위 필라멘트 분배기는 프린트 헤드로서 사용될 수 있다. 유체 스트림은, 예를 들어 용매 현탁액에서의 고체 그래파이트 입자의 형태로 IR 수용체를 포함한다. 노즐은 적합한 프린트 해상도를 위해 0.1 내지 5mm의 직경을 가져야 한다. 밸브는 노즐로부터의 상류에 삽입될 수 있고, 이것은 유체 스트림을 빠르게 스위칭할 수 있다. 노즐은 유체 스트림의 증착의 위치 지정 정밀도를 보장하기 위해 수 mm의 짧은 거리에서 구축 공간에 걸쳐 이동되어야 한다. 필라멘트 분배기는 적어도 2개의 선형 축의 도움으로 벡터-형 방식으로 구축 공간에 걸쳐 이동된다. 운동학은 바람직하게 3개의 선형 축을 갖는 포털(portal)을 포함한다. 사실상, 운동의 다른 운동학, 예를 들어 구축 공간에 걸쳐 필라멘트 분배기를 안내하는 관절형 아암 로봇이 또한 인식가능하다.

하나의 바람직한 실시예에서, IR 수용체는 많은 수의 단일-방울 생성기를 포함하는 프린트 헤드를 이용하여 구축 공간상에 유체 형태로 분배된다. 이러한 유형의 프린트 헤드는, IR 수용체 대신에 결합제가 미립자 물질 상에 층에 분배되는 3D 프린팅을 포함하는 많은 응용으로부터 알려져 있다.

이러한 유형의 방울 생성기는 상이한 원리, 예를 들어 피에조(piezo) 원리 또는 버블젯(bubblejet) 원리에 따라 작용한다. 이들 소위 드롭-온-디멘드(drop-on-demand) 단일 방울 생성기 외에도, 연속 시스템이 또한 알려져 있는데, 여기서 단일 방울의 스위칭가능한 스트림이 생성된다. 사실상, 이들 모든 시스템은 전술한 작업에 적합하다; 하지만, 피에조 시스템은 수명, 성능 및 경제적 실행 가능성에 관해 상당한 장점을 갖는다.

압전 프린팅 시스템은 하나 또는 다수의 개방 노즐을 가지고 작용한다. 노즐 직경은 일반적으로 80㎛ 미만이다. 압력 펄스는 간략하게 압전 엑추에이터의 도움으로 동일하게 작은 펌프 챔버에서 유체에 가해진다. 유체는 노즐에서 상당히 가속되고, 방울의 형태로 그로부터 나온다. 이러한 기능으로 인해, 본 디바이스에 특정한 한계가 부과된다. 따라서, 유체는 비교적 낮은 점도를 가져야 한다. 점도는 바람직하게 20 mPas 미만이어야 한다. 더욱이, 캐리어 유체에서 혼합된 IR 수용체 입자는 프린팅 시스템에서의 가장 좁은 채널 폭보다 훨씬 더 작아야 한다. 그 결과, 입자는 바람직하게 5㎛보다 작고, 더욱 더 바람직하게 1㎛보다 작다. 압력 서지(surge)를 이용하여 프린팅 시스템의 동작 원리로 인해, 모든 채널 및 펌프 챔버가 어떠한 가스 기포도 갖지 않는 유체로 채워지는 것이 필요하다. 동작 동안 이러한 상태를 유지하기 위해, 동작 온도보다 높은 증발 온도를 갖는 캐리어 유체를 선택하는 것, 또는 유체의 위상 전이가 발생하지 않는 방식으로 유체의 온도를 제어하는 것이 필요하다. 더욱이, 압전 엑추에이터는 일반적으로 역전할 수 없는 손상을 지속시키지 않고도 가열될 수 있는 한계 온도를 갖는다. 이 온도는 일반적으로 120℃ 미만이다.

한 편으로, 프린팅 시스템이 프로세스 챔버에서 과도한 IR 복사선에 대해 보호되어야 하고, 다른 한 편으로, 프린팅 시스템의 온도가 프로세스 챔버 온도에 대해 독립적으로 조절되어야 한다는 것이 상기 논의로부터 명백하다.

프린팅 시스템은 대응하는 차폐에 의해 및/또는 복사선 소스에 대한 거리에 의해 IR 복사선에 대해 보호되어야 한다. 이것은 위 및 측부로부터의 복사선 소스를 통해 효율적으로 달성될 수 있다. 하지만, 아래로부터의 복사선에 대해 프린트 헤드를 보호하는 것은 어려운데, 이는 분말 베드(powder bed)로부터 1 내지 5mm, 바람직하게 2 내지 3mm의 매우 짧은 거리에서 이동해야 하기 때문이다. 이러한 짧은 거리는 구축 공간상의 작은 유체 비말(droplet)의 정밀한 위치 지정을 보장하기 위해 필요하다. 이러한 이유로 인해, 고온 구축 공간에 걸쳐 프린트 헤드의 휴지 시간(dwell time)을 가능한 한 짧게 유지하는 것이 필요하다.

전술한 조치에도 불구하고, 40℃ 내지 60℃인 프린팅 시스템의 원하는 온도는 프로세스 챔버의 온도보다 훨씬 더 낮다. 대응하는 냉각 조치는 이를 위해 제공되어야 한다.

이들 조치는 내부 냉각, 외부 냉각 및 분할(partitioning)로 분리된다. 상이한 조치의 조합은 정밀한 조절을 용이하게 한다. 온도를 조절하는 것이 필요한데, 이는 프린트 헤드의 점도가 온도에 크게 좌우되기 때문이다. 다시 프린트 헤드의 분배 용량은 점도에 연결된다. 그 결과, 부정확한 조절은 감속제의 변동 있는 공급을 초래할 수 있다. 이것은 구성요소 비틀림을 초래할 수 있다.

더 상세한 설명을 위해, 본 발명은 도면을 참조하여 바람직한 예시적인 실시예에 기초하여 아래에 더 구체적으로 설명된다.

본 발명은 스케일가능 디바이스를 제공하는 것으로, 이러한 스케일가능 디바이스의 도움으로, HSS 프로세스가 촉진되거나 적어도 종래 기술의 단점을 개선하는 효과를 갖는다.

도 1은 종래 기술로부터 알려진 방법을 도시한 도면.
도 2는 HSS 원리에 따라 동작하는 3D 프린터의 프로세스 시퀀스의 도면.
도 3은 도 2에 따른 프로세스에서 가열된 구축 공간 위에서의 프린트 헤드의 휴지 시간을 도시한 그래프.
도 4는 종래 기술에 따른 프린트 헤드의 구조를 도시한 도면.
도 5는 종래 기술에 따른 프린트 헤드의 온도의 제어를 도시한 도면.
도 6은 내부 또는 외부 프린트 헤드 냉각을 포함하는, 종래 기술에 따른 프린트 헤드의 온도의 제어의 확대도.
도 7은 플러슁(flushing) 또는 노즐 작동에 의한 냉각 프로세스를 도시한 도면.
도 8은 냉각 공기의 흐름 라인의 표시를 갖는, 프린트 모듈의 등각투상도 및 측면도를 도시한 도면.
도 9는 모듈 및 커버 플레이트를 냉각하기 위핸 냉각제 채널의 단면도.
도 10은 부피가 큰 냉각 라인의 도움으로 프린트 헤드를 활성적으로 냉각하기 위한 펠티어 요소의 단면도.
도 11은 증발을 통한 냉각을 위한 표면을 포함하는 프린트 헤드의 단면도.
도 12는 블록도로 분할하는 것을 갖는 바람직한 디바이스의 상부 평면도.
도 13은 분할 벽을 포함하는 하나의 바람직한 실시예의 측면도.
도 14는 상이한 분할 수단을 포함하는 하나의 바람직한 실시예의 상부 평면도.
도 15는 공기 커튼을 포함하는 하나의 바람직한 실시예의 측면도.
도 16은 프린트 헤드 공기 냉각 수단을 포함하는 하나의 바람직한 실시예의 측면도.
도 17은 유체-냉각된 세척 디바이스 및 냉각 블록과 활성 접촉하는 디바이스의 측면도.
도 18은 냉각된 구축 공간 에지를 포함하는 본 발명에 따른 디바이스의 상부 평면도.
도 19는 선형 램프, 세그먼트화된 활성부, 및 이동 속도를 위한 다이어그램을 포함하는 하나의 바람직한 실시예의 상부 평면도.

도 1은 종래 기술에 따른 알려진 디바이스를 도시한다. 이 디바이스는 객체(103)와 같은 바디를 생성하는데 사용된다. 바디(103)는 거의 임의의 복잡도를 가질 수 있다. 디바이스는 3D 프린터로서 아래에 언급된다.

바디(103)를 구성하는 프로세스는, 이동가능 구축 플랫폼(102)이 디바이스(104)에서의 가장 높은 위치로 이동된다는 점에서 시작한다. 적어도 하나의 층 두께는 또한 구축 플랫폼(102)과 코팅기(101)의 하부 에지 사이에 존재한다. 코팅기는 도시되지 않은 축 시스템의 도움으로 구축 공간(111)의 전방에서의 위치로 이동한다. 이러한 위치에서, 미립자 물질의 스톡(113)을 포함하는 코팅기(101)는 진동을 유발한다. 미립자 물질은 갭(112)으로부터 흐른다. 유출 물질(110)은 코팅기(101)의 순방향 이동(106)으로 인해 여전히 비어 있는 층을 채운다.

후속적으로, 또는 심지어 코팅기(101)의 이동 동안, 프린트 헤드(100)는 또한 도시되지 않은 축 시스템에 의해 운동 상태로 설정된다. 후자의 경우는 구불구불한 경로(105)에 따르고, 이것은 구축 공간에 걸쳐 통과한다.

생성될 바디(103)의 단면도에 따라, 프린트 헤드는 결합제(109)의 방울을 분배하고, 이들 영역을 응고한다. 이러한 기본 원리는 사용된 프린트 헤드(100)에 상관없이 동일하게 남아있다. 크기에 따라, 극단적인 경우에, 구불구불한 경로(105)는 간단한 순방향 및 역방향 이동으로 감소된다.

프린팅 이후에, 구축 플랫폼(102)은 방향(108)으로 이동한다. 코팅기(101)를 위한 새로운 층(107)은 이를 통해 생성된다. 층 사이클은, 코팅기(101)가 시작 위치로 복귀할 때 다시 한번 시작한다. 이러한 사이클을 반복적으로 수행하는 것은 마지막에 구성요소[원문 그대로; 바디](103)를 생성한다. 구축 프로세스 이후에, 구성요소[원문 그대로; 바디](103)는 여전히 이를 둘러싸는 느슨한 분말로부터 제거될 수 있다.

미립자 물질의 입자가 소결되는 전술한 응고 프로세스는 이러한 프로세스의 하나의 변경이다. 도 2는 이러한 유형의 방법의 시퀀스를 도시한다. 이것은 전술한 3D 프린터의 확장형이다.

I 아래의 표시는 상기 설명과 유사한 방식으로 발생하는 프린팅 프로세스를 도시한다. 프린트 헤드(100)는 구불구불한 이동을 겪고, 구성요소[원문 그대로; 바디](103)의 영역에서 감속제(109)를 포함하는 방울을 증착한다. 많은 부분에 관해, 디바이스(104)는 3D 프린터와 같이 구성된다. 방울 생성은 바람직하게 압전 원리에 기초하는데, 이는 최대 수명을 갖는 프린트 헤드가 이에 의해 구축될 수 있기 때문이다. 이러한 효과는 특정한 한계 온도(TLimit)까지 사용될 수 있다. 이러한 온도보다 높게, 방울 생성이 분배되거나, 방울 생성기는 역전할 수 없는 손상을 지속한다.

단계 II는 상기 설명으로부터 벗어난다. 감속제에 적응된 복사선(201)을 생성하는 열 램프는 구축 공간에 걸쳐 안내된다. 프린팅된 사이트에 도달할 때, 열은 미립자 물질에 효율적으로 결합되고, 미립자 물질이 소결되도록 한다. 구축 공간의 나머지는 또한 열의 적지 않은 양을 흡수한다.

프로세스 단계 III 및 IV는 다시 3D 프린팅의 설명과 전체적으로 유사하다. 구축 플랫폼(102)은 먼저 방향(108)으로 디바이스(104)로 낮아진다. 코팅기(101)는 새로운 미립자 물질로 층(110)을 채운다.

도 3은 본 발명에 따른 바람직한 디바이스의 상부 평면도를 도시한다. 프린트 헤드(100)는 구불구불한 프린트 헤드 경로(105)를 더 잘 예시하기 위해 생략된다. 프린트 헤드가 구축 공간(111)에 걸쳐 이동의 큰 섹션을 실행한다는 것이 명백하다. 간략하게 하면, 구축 공간은 고정된 온도(T111)를 갖는다. 프로세스의 시작시, 프린트 헤드는 온도(T100 = TBegin)를 갖는다. 도 3은 또한 구축 공간(111)에 걸쳐 프린트 헤드(100)의 휴지 시간의 개략도를 도시한다. 도면은 도 2로부터의 프로세스 단계를 도시한다.

구축 공간이 온도(T111)를 갖는다고 가정하면, 다음의 상태가 발생하고, 이것은 도 3에서의 다른 도면에 도시된다. 프린트 헤드는 구축 공간에 걸쳐 가열된다. 그 후에, 다시 열을 정지(idle) 위치에서의 주변 환경으로 전달할 수 있다. 구축 공간에 걸친 열 흡수와 정지 위치에서의 열 소실에 따라, 시작 온도(TStart)와 구축 공간 온도(T111) 사이의 고정 온도가 설정된다. 더 높은 프린팅 용량이 바람직한 경우, 프린트 헤드가 능동 및/또는 수동 냉각의 도움으로 TLimit보다 높은 과열에 대해 보호되어야 한다는 것이 증명된다. 균일한 분배 용량을 보장하기 위해, 프린트 헤드는 또한 매우 좁은 온도 범위 내에 유지되어야 한다. 40℃ 내지 60℃의 온도는 특히 이 경우에 바람직하다. 경험에 따라, +-2℃의 제어는 양호한 프린트 결과를 전달한다.

도 4는 종래 기술에 따른 프린트 헤드(100)의 구조를 도시한다. 다양한 조립체는 하우징(212)에 일체화된다. 프린트 모듈(400)은 방울 생성(109)에 대해 필수적이다. 이들 프린트 모듈은 노즐, 압전 드라이브, 및 유체를 분배하기 위한 유체 시스템을 포함한다. 히터는 또한 일반적으로 온도 조절을 위해 일체화된다. 이들 모듈(400)은 Dimatix, Xaar, Seico, Epson, Konica 또는 Kyocera와 같은 프린트 헤드 제조업자로부터 종종 구매된다. 내부 구조로의 중재(intervention)가 가능하지 않다. 모듈(400)은 호스에 의해 프린트 유체(408)를 포함하는 저장 탱크(401)와, 밸브(406)와, 필터(407)에 연결된다. 전기 연결은 가열 제어기(413) 및 데이터 전자기기(414)에 존재한다. 연결은 외부(415, 416)에 이어진다. 저장 탱크는 밸브(409, 410 및 411)에 의해 스위칭된 추가 라인에 의해 부압부(underpressure), 과압부(overpressure) 및 재충진 라인에 연결된다. 이들 라인은 외부(417, 418 및 419)로 다시 이어진다.

밑면 상에서, 프린트 헤드는 커버 플레이트(402)에 의해 유체 또는 오염물의 침투에 대해 보호된다. 모듈 및 커버 플레이트는 구축 공간(111)에 걸친 진행 동안 복사선 및 대류의 형태로 열(404)을 흡수한다. 온도가 가열 제어기의 설정값(setpoint)을 초과하면, 온도는 더 이상 일정한 레벨에 유지되지 않을 수 있다.

도 5는 블록도로서 기존의 프린트 헤드의 가열 제어기를 도시한다. 가열 시스템(501) 자체는 전력 제어기(503)에 의해 제어된다. 가열 시스템은 제어기(504)로부터 제어 신호를 수신하고, 제어기(504)는 센서(500)와 함께, 모듈(400)에서 온도를 직접 검출하고, 이에 따라 폐 제어 회로를 구현한다. 주변 부분에 대한 열 전도로 인한 열 손실, 하우징에서의 대류 및 열 복사선 손실은 502에 의해 식별된다. 방울의 온도가 재충진된 유체의 온도보다 높은 경우 에너지는 또한 가열된 유체 방울(109)과 함께 전달된다. 모든 손실은 가열 시스템에 의해 보상되어야 한다. 모듈의 하부 단부에서의 온도는 방울 형성에 적절하다.

도 6은 본 발명에 따른 프린트 헤드의 설계를 도시한다. 부피가 큰 열 흐름(404)은 이 경우에 전술한 변수에 추가된다. 전술한 HSS 프로세스에서, 이러한 열 흐름은 열의 소실된 양보다 더 크다. 프린트 헤드-내부 가열 시스템에 의한 제어는 단지 추가 냉각(600)을 도입함으로써 용이하게 될 수 있다. 냉각 시스템(600)은 본 발명에 따른 모든 바람직한 실시예를 포함할 수 있다.

도 7에 도시된 열 소실의 형태는 또한 600에 의해 커버된다. 사실상, 2가지 옵션이 존재한다. 한 편으로는, 차가운(cold) 프린트 유체는 프린트 헤드를 통해 가압될 수 있다. 이를 위해, 과압부(700)는 모듈(400) 또는 저장 탱크(401)(도 4)에 적용된다. 다량의 유체가 분배되고, 더 차가운 유체는 모듈(400)에 들어간다. 본 발명의 하나의 바람직한 실시예에서, 유체는 격리된(insulated) 라인을 통해 실온에서 구축 공간 외부의 용기로부터 프린트 헤드(100) 또는 프린트 모듈(400)에 들어간다. 이러한 형태의 냉각은 마찬가지로 프린트 헤드의 방울 생성기를 통해 발생할 수 있다. 표준 동작에서와 같이, 과압부(702)는 탱크에 존재한다.

이러한 형태의 냉각의 강도는 프린트 헤드 가열 시스템(501)의 제어기(504)에 의해 확인되어야 한다. 온도가 상향 방향으로 제어 범위를 떠나면, 더 강력한 냉각이 필요하다. 이러한 시나리오는 가열 시스템(501)의 스위칭 시간에 의해 검출될 수 있다.

모듈(400)의 냉각은 또한 하우징을 통해 달성될 수 있다. 이를 위해, 압축된 공기(800)는 아래로부터 열 흡수(404)를 보상하기 위해 하우징으로 흐를 수 있다. 압축된 공기 노즐은 또한, 흐름이 프린트 모듈 상에 수직으로 상승하는 방식으로 배치될 수 있다. 본 발명의 양쪽 실시예에서, 커버 플레이트(402)(도 4)는, 어떠한 미립자 물질도 소용돌이치지 않도록 구축 공간쪽으로 모듈을 밀봉해야 한다.

도 9는 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 도시한다. 이러한 경우에, 소실될 열(404)은 열 전도에 의해 모듈(400)로부터 유체로 전달된다. 이를 위해, 모듈(400) 및 커버 플레이트(402) 상의 접촉 블록(900)은 양호한 열 전달을 용이하게 하는 방식으로 배치된다. 접촉 블록(900)은 냉각 유체(901)가 흐를 수 있는 보어(903)를 갖는다. 연결부(902)는 접촉 블록을 호스 시스템에 연결하고, 이것은 프린트 헤드 및 따뜻한 구축 공간으로부터 통과한다. 호스 시스템은 격리된 설계를 갖는다. 축적하는 열에 따라, 냉각 유체(901)는 수동적으로 또는 능동적으로 냉각된다.

도 10은 마찬가지로 바람직한 디바이스를 도시한다. 이 경우에, 모듈(400)에서의 초과 열(404)은 또한 접촉 블록(1000)을 통해 소실된다. 이 경우에, 접촉 블록(1000)은 부피가 큰 구리 연결부(1001)를 통해 펠티어 요소(1002)와 접촉한다. 펠티어 요소는, 전압이 접촉부(1004)에 인가될 때 프린트 헤드 하우징(412)으로부터 열을 펌핑(pump)한다.

액체의 증발은 또한 냉각을 위해 사용될 수 있다. 도 11은 이러한 유형의 배치를 도시한다. 모듈(400)에서의 열(404)은 열 전도에 의해 커버 플레이트(402)로 소산된다(dissipated). 적합한 증발점을 갖는 유체(1102)는 그것에 지속적으로 재분배된다. 에너지는 스팀(1100)으로부터 취해지고, 방출 시스템(1101)을 이용하여 프린트 헤드 밖으로(out of) 안내되어, 해로운 응축을 방지한다. 예를 들어, 물이 유체로서 선택되면, 약 100℃의 온도가 제어될 수 있다.

도 12는 블록도의 형태로 하나의 바람직한 실시예를 도시한다. 프린트 헤드(100)는 분할부(1200)에 의해 구축 공간으로부터 분리된다. 소결, 하강 및 코팅의 단계(도 3, II, III, IV)에서, 프린트 헤드(100)는 이에 따라 구축 공간(111)으로부터 더 이상 복사선을 흡수하지 않고도 냉각할 수 있다. 대류도 또한 감소된다. 동일한 방식으로, 다른 분할부(1201)는, 프린트 헤드(105)의 통과 동안 정지한 따뜻한 램프(200)로 인해 프린트 헤드(100)에 어떠한 추가 열도 도달하지 않는 것을 보장할 수 있다.

도 13은 본 발명의 하나의 바람직한 실시예의 측면도를 도시한다. 프린트 헤드(100)를 위한 분할부(1300)는 회전가능하게 지지된다. 프린트 헤드(100)는 이에 따라 분할부에 충돌할 수 있고, 구축 공간(111)에 도달할 수 있다. 에너지 교환은 단지 통과할 때만 발생한다. 분할부(1300)는 냉각될 수 있는 프린트 헤드를 위한 챔버를 형성한다. 마찬가지로, 분할부(1301)는 코팅기(101) 및 램프(200)를 위해 설계될 수 있다.

도 13에 도시된 분할부는 또한 도 14에 도시된 바와 같이 능동적인 것으로 설계될 수 있다. 다시 한번, 하나의 분할부(1400)는 프린트 헤드(100)를 위해 제공될 수 있고, 하나의 분할부(1401)는 코팅기(101) 및 램프(200)를 위해 제공될 수 있다. 회전가능하게 지지된 분할부에 비해, 이것은 구축 공간(111)에서의 유닛의 이동에서 제약이 더 적다는 장점을 갖는다. 개방 시간은 또한 매우 짧게 설계될 수 있다. 예를 들어, 공압식 엑추에이터 또는 전기적으로 구동된 스핀들은 드라이브로서 적합하다.

도 15는 분할 수단의 하나의 바람직한 실시예를 도시한다. 이동 부분은 필요하지 않다. 노즐(1501, 1500, 1502)은, 상이한 온도를 갖는 공기가 커튼으로서 구축 공간(111)의 방향으로 흐르도록 한다. 라미나(laminar) 흐름이 설정되면, 공기 질량(1503, 1505 및 1504)의 제한된 혼합이 발생한다. 온도는 대응하는 가열 및 냉각 유닛을 통해 세그먼트에서 제어되고 또한 조절될 수 있다.

본 발명에 따라, 분할에 의해 또는 내부로부터 프린트 헤드(100)를 냉각하는 것이 가능할 뿐 아니라, 프린트 헤드는 또한 외부로부터 냉각될 수 있다. 도 16은 이러한 유형의 설계를 도시한다. 프린트 헤드(100)는 냉각 공기(1601 및 1603)와 플러슁된다. 이 공기는 노즐(1600 및 1602)로부터 방출된다. 냉각 공기의 흐름은 미립자 물질과 상호 작용하지 않아야 한다. 그러므로, 냉각을 분할과 조합하는 것이 특히 바람직하다.

도 17은 외부로부터 프린트 헤드의 냉각의 다른 수단을 도시한다. 프린트 헤드(100)는 열-소실 물질과 직접 접촉하게 된다. 이것은 열을 흡수하는 유체일 수 있다. 이것은 프린트 헤드를 위한 세척 디바이스와 조합될 수 있다. 역-회전 롤러(1700)는 방향(105)으로 이동하는 프린트 헤드(100)와 접촉하게 될 수 있다. 샤워(shower)(1702) 또는 유체-충진된 대야(basin)(1703)에 의해 적셔진 롤러는 프린트 헤드로부터 열을 흡수한다. 양호한 열적으로 전도성 바디(1701)는 또한 프린트 헤드(100)의 커버 플레이트(102) 상으로 가압될 수 있다. 이러한 바디는 다시 예를 들어, 냉각 유체(1704)를 이용하여 수동적으로 또는 능동적으로 냉각된다.

프린트 헤드(100)는 정지 위치뿐 아니라 구축 공간(111)의 에지 상의 경로(105) 상에서 냉각될 수 있다. 이를 위해, 구축 공간 에지(1800)는 구축 공간보다 더 차가워야 한다. 이것은, 구축 공간(111)의 에지(1800)가 냉각 공기(1801)가 흐르는 파이프로서 설계된다는 점에 의해 달성될 수 있다.

도 19 및 도 20(도 20은 존재하지 않음)은 본 발명의 하나의 특히 바람직한 실시예를 도시한다. 도 19는 본질적으로 선형 실시예에서 램프(200)의 설계를 도시한다. 구축 공간(111)의 균일한 예시가 달성된다. 제어로 인해, 프린트 헤드의 직접적인 영향은 최소화될 수 있다. 냉각기 영역이 구축 공간의 에지 상에서 발생할 수 있기 때문에, 균일한 복사선 전력에도 불구하고, 공기 순환으로 인해, 추가 세그먼트(2000)가 여기에 장착될 수 있거나, 전력의 세그먼트화된 제어를 갖는 램프가 사용될 수 있다.

도 19는 또한 선형으로 설계된 램프의 램프 이동의 특히 바람직한 제어를 위한 도면을 도시한다. 구축 공간(111) 상의 대류로 인해, 일정한 전력을 유지하면서, 느린 이동 속도로 에지를 조사하는 것이 지각될 수 있다. 마찬가지로, 전력을 조정하는 것이 가능하다. 램프의 관성은 방법에 한계를 부과한다.

100: 프린트 헤드 101: 코팅기
102: 구축 플랫폼 103: 바디
104: 디바이스 105: 프린트 헤드 경로
106: 코팅기 경로* 107: 구축 층
108: 구축 플랫폼의 방향 109: 미세 방울*
110: 미립자 물질 롤 111: 구축 공간
112: 코팅기 갭 113: 분말 스톡
200: 열 램프 400: 프린트 모듈
401: 저장 탱크 402: 커버 플레이트
403: 가열된 표면 404: 열 전달
406: 밸브 407: 필터
408: 프린팅 유체 409: 부압을 위한 밸브
410: 과압을 위한 밸브 411: 재충진을 위한 밸브
412: 프린트 헤드 하우징 413: 가열 제어기
414: 데이터 전자기기 415: 데이터 전자기기를 위한 공급-쓰루
416: 가열 제어기를 위한 공급-쓰루 417: 부압 라인을 위한 공급-쓰루
418: 과압 라인을 위한 공급-쓰루 419: 재충진 라인을 위한 공급-쓰루
500: 온도 센서 501: 가열
502: 열 소실 503: 전력 제어기
504: 제어기 600: 냉각
700: 과압 701: 과압 제트
702: 부압 800: 흐름, 수평
801: 흐름, 수직 802: 공기 노즐
900: 접촉 블록 901: 냉각 유체
902: 냉각 라인* 903: 냉각 파이프
1000: 접촉 블록
1001: 부피가 큰 열 전도체 1002: 펠티어 요소
1003: 펌핑된 열 1004: 전기 접촉
1100: 스팀 1102: 유체
1101: 스팀 안내 1200: 프린트 헤드 분할부
1201: 코팅기 분할부 1300: 회전가능한 프린트 헤드 분할부
1301: 회전가능한 코팅기 분할부 1400: 이동가능한 프린트 헤드 분할부
1401: 이동가능한 코팅기 분할부 1500: 구축 공간 흐름을 위한 공기 노즐
1501: 프린트 헤드 흐름을 위한 공기 노즐
1502: 코팅기 흐름을 위한 공기 노즐
1503: 프린트 헤드 흐름 1504: 코팅기 흐름
1505: 구축 공간 흐름 1800: 구축 공간 에지
1801: 구축 공간 에지를 위한 냉각 공기
2000: 추가 램프
* 별표로 마킹된 용어는 설명에서의 용어와 매칭하지 않는다.

Claims (16)

1. 계층화 기술에 의해 3차원 모델들을 생성하기 위한 디바이스로서, 미립자 구축(build) 물질이 프로세스 챔버 내의 구축 공간에 도포되고 나서 감속제(moderating agent)가 프린트 헤드의 도움으로 선택적으로 도포되고, 프린팅된 영역들은 상기 구축 공간의 온도를 제어하는 에너지를 공급함으로써 응고되는, 상기 디바이스에 있어서:
   상기 프린트 헤드는 과열되지 않도록 냉각 요소에 의한 능동 또는 수동 냉각에 의해 보호되고, 상기 냉각 요소는 상기 프로세스 챔버의 온도와 관련하여 상기 프린트 헤드의 온도를 독립적으로 조절하며, 상기 냉각 요소는 상기 프린트 헤드의 온도를 상기 구축 공간의 온도보다 낮게 냉각하도록 작용하고,
   프린트 유체의 도움으로 냉각이 일어나거나,
   상기 프린트 헤드의 내부의 감지(sensitive) 부분들 주위에 플러슁되는(flushed) 냉각 공기의 도움으로 냉각이 일어나거나,
   추가 프린트 유체의 도움으로 열을 소실시킴으로써 상기 프린트 헤드의 냉각이 일어나거나, 또는
   펠티어(Peltier) 요소들의 도움으로 냉각이 일어나는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 디바이스는 온도 센서, 온도 제어기, 및 상기 냉각 요소를 포함하는 냉각 및 가열 유닛을 구비하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 프린트 헤드는 분할에 의해 상기 구축 공간의 에너지와 상기 구축 공간 상의 미립자 물질 및 능동 에너지 공급으로부터 보호되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 프린트 헤드는 외부 냉각 수단에 의해 보호되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 프린트 헤드 상의 응축물 형성은 온도 제어에 의해 방지되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 프린트 헤드에는 증발 수단이 배치되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 프린트 헤드는 상기 구축 공간에서 유연하거나 고정된 벽 뒤로 이동하고/이동하거나,
   상기 벽과의 충돌은 상기 프린트 헤드 또는 상기 벽의 센서들에 의해 감지되고/감지되거나,
   상기 분할은 이동가능한 벽을 이용하여 발생하고/발생하거나,
   상기 프린트 헤드는 공기 커튼에 의해 분할되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
8. 제 4 항에 있어서,
   상기 외부 냉각 수단은 상기 프린트 헤드 주위로 흐르는 능동적으로 이동하는 냉각 공기를 포함하거나,
   상기 프린트 헤드는 외부로부터의 유체 또는 냉각 객체(cool object)와 접촉하거나,
   상기 프린트 헤드는 냉각된 챔버에서 수동적으로 냉각되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는 온도 센서, 온도 제어기, 및 상기 프린트 헤드를 냉각하기 위한 상기 냉각 요소를 포함하는 냉각 시스템을 구비하고,
    상기 프린트 헤드는 분할에 의해 상기 구축 공간의 에너지와 상기 구축 공간 상의 미립자 물질 및 능동 에너지 공급으로부터 보호되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는 열 손실을 감소시키기 위해 격리된 구축 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세스 챔버는 격리되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 프린트 헤드는 20 내지 200㎛의 방울 크기를 특징으로 하는, 디바이스.
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 프린트 헤드는 상기 구축 공간 내의 미립자 물질 위로 1 내지 5mm의 거리에서 이동하고, 상기 프린트 헤드는 40 내지 60℃의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
15. 계층화 기술에 의해 3차원 모델들을 생성하기 위한 디바이스로서, 미립자 구축 물질이 프로세스 챔버 내의 구축 공간에 도포되고 나서 감속제가 프린트 헤드의 도움으로 선택적으로 도포되고, 프린팅된 영역들은 에너지를 공급함으로써 응고되는, 상기 디바이스에 있어서:
    상기 프린트 헤드는 과열되지 않도록 능동 또는 수동 냉각에 의해 보호되고, 프린트 유체의 도움으로 상기 냉각이 일어나고, 상기 프린트 유체의 초과량(excess)이 용기로부터 상기 프린트 헤드로 인가되는 것을 특징으로 하는, 디바이스.
16. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스는 +/- 2℃의 상기 프린트 헤드의 온도 제어를 제공하는 것을 특징으로 하는, 디바이스.

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