KR100246263B1 - 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법 - Google Patents

돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 최종 대상물의 형상에서 그 대상물이 재료에 의해 직접 지지되지 않고 공간내로 자유 현가(freedy suspended)되는 돌출부를 구비한 3차원 대상물(three-dimensional objects)를 생산하는 공정에 관한 것이다.
대상물과 그 대상물의 밑에 있는 지지 구조물을 헝성하기 위해 재료를 층(layers)으로 성형하는 공정에서, 형성될 대상물의 돌출부 밑에 오는 지지 구조물은 재료를 용착(depositing)에 의해 형성된다. 용이하게 분리할 수 있는 지지 구조물은 대상 구조물의 현가된 부분의 하부면과의 계면을 따라 형성된다. 대상물 재료와 약한 결합부 또는 용해될 수 있는(dissolvable) 결합부를 형성하는 계면 재료를 이용하여, 분리될 수 있는 또는 파열될 수 있는 약한 연결부를 계면을 따라 형성시킨다. 그러한 분리 재료는 별도의 층, 또는 얇은 피복으로 용착될 수 있다.

Description

돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법
제1도는 본 발명에 따른 분배 헤드 및 분배 노즐의 사시도.
제2도는 제1도의 2-2 선을 따라 취한 분배 혜드의 수직 단면도.
제3도는 형성될 대상물에 대한 박리 가능한 지지 구조물의 형태 및 그 구조물을 성형하는 방법을 도시한 개략도.
제4도는 상이한 박리층의 실시예를 형성하는 방법을 도시한 개략도.
제5도는 박리 피복물을 이용하는 또 다른 실시예의 개략도.
제6도는 특정 분배 모드에서의 제1도 및 제2도의 두 분배 팁을 도시한 부분 입면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 분배 헤드 8, 30 : 분배기
12, 34 : 분배 노즐 14, 36 : 배출 팁
8 : 승강 장치 56 : 기판
58, 66, 72 : 모형 60, 68, 74 : 지지 구조물
A : 제1 재료 B : 제2 재료
본 발명은 미리 정해진 형상의 3차원 대상물(three-dimensional object)을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이러한 장치는 모형 또는 대상물의 시제품을 신속하게 제작하는데 유용하게 이용된다. 층으로 용착되는 응고성 재료를 성형하는 시스템을 비롯하여, 이러한 모델링(modeling) 목적을 위한 여러 시스템이 있다. 그러한 종래 기술의 시스템은 스테레오리쏘그래피(stereolithography)와 용착 모델링을 포함한다. 본 출원인의 미국 특허 제5,121,329호에는 원하는 형태가 형성될 때까지 응고성 재료를 반복적으로 층으로 용착시켜 3차원 대상물을 형성시키는 용착 모델링 형태의 시스템이 개시되어 있다.
현존하는 3차원 모델링 또는 시제품 제작 시스템의 단점은 정도의 차이는 있지만 지지층이나 지지 구조물 없이는 자유 공간에서 모형의 형상을 최종 대상물의 최종 형상으로 만들 수 없다는 것이다. 최종 형상의 대상물에 서 모델링 재료에 의해 직접적으로 지지되지 않는 돌출마디 또는 돌출부를 구비한 대상물은, 대상물이 형성됨에 따라, 돌출부를 지지하는 지지 구조물로서의 재료를 용착시키는 것을 필요로 한다.
전술한 미국 특허 제5,121,329호에 개시된 것과 같은 컴퓨터 구동식 장비에서는, 형성될 제품을 초기에 컴퓨터에서 설계하는데, 다층 재료를 용착시켜 원하는 형상의 물품을 만들도록 유체 상태의 재료를 분배하기 위해 모형 베이스 부재 및 모형 재료 분배 헤드용 모터를 구동시키는 구동 신호를 제공하는 데 특별한 소프트웨어가 이용된다. 대상물 형성 공정 중에, 소프트웨어 제어에 의해, 형성될 대상물의 돌출부나 자유 공간부용 지지 구조물로서 작용하는 부가적인 형태를 만드는 방식으로 재료를 베이스나 기판 상에 용착시키기 위하여 이러한 시스템을 이용할 수 있다. 모형이나 대상물을 그러한 지지 구조물에 고정시키면 모형이나 대상물을 성형할 때 생기는 문제점을 해결할 수는 있지만, 형성된 최종 모형이나 대상물에 손상을 입히지 않으면서 대상 구조물 또는 형상물로부터 지지 구조물을 제거하여야 하는 또 다른 문제점이 생기게 된다. 만약 지지 구조물을 원하는 대상물을 성형하는데 사용되는 재료와 같은 재료로 형성한다면, 지지 구조물과 대상물 사이의 결합 강도는 대상물이나 모형 자체의 각 층 사이의 결합 강도 만큼 강할 것이다. 따라서, 대상물로부터 종국적으로 지지 구조물을 제거하기 위해 험을 가하면, 지지 구조물의 일부가 대상물에 남거나 대상물의 일부가 떨어져 나간다. 어떠한 경우에도, 대상물이나 모형은 쓸모없을 정도로까지 파괴되거나 흠집이 생기게 된다.
따라서, 본 발명은, 최종 대상물이 손상되는 것을 피하기 위해, 형성될 대상물 재료와 지지 구조물의 하부 재료와의 사이에 약한 파열성 결합부를 형성시킴으로써, 전술한 문제점을 해결하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은, 모형이나 대상물이 형성되는 동안에 그 모형 또는 대상물을 제위치에 유지하기에 충분한 고정 강도를 가지면서도, 최소의 노력으로 지지 재료를 신속하고도 용이하게 제거할 수 있도록, 대상물/지지체 계면에서 대상물의 재료와 하부의 지지 재료 사이의 계면 결합 강도를 최소화하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 주 목적으로 한다. 이러한 목적을 위해, 모형/지지 구조물 계면에서 그 재료들 사이에 최소의 계면 결합 강도를 제공하고 그에 따라 용이하게 박리되는 결합부를 제공하는 재료가 선택된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 먼저 응고성 제1 재료가 미리 정해진 양식으로 용착되어, 대상물과, 그 대상물의 자유 현수 부분을 위한 별도의 하부 지지 구조물을 형성하며, 이때 대상물과 지지 구조물의 사이에는 대상물의 돌출부의 하측부를 정하는 공간이 마련된다. 대상물용 재료와 상이한 조성을 갖는 박리 가능한 제2 재료가 상기 공간에 용착된다. 그 제2 재료는 대상물과 지지 구조물 계면을 따라 용이하게 분리되는 연결부에서 상기 제1 재료와 약한 파열성 결합을 형성하는 재료로 선택한다. 바람직하게는, 상기 제1 재료 및 제2 재료는 그 재료들을 복수의 층으로 용착함으로써 성형되며, 상기 박리 재료는, 3차원 대상물과 지지 구조물의 복합체에서. 대상물과 지지 구조물의 이격된 층들 사이에서 그 층들과 동일한 높이로 용착된다.
박리 재료가 층으로 용착되는 전술한 실시예에서, 그 박리 재료는 형성된 대상물 재료와 접촉하는 최종 지지층을 제공하며 대상물 및 지지 구조물 모두와 접촉한다. 그러나, 이러한 제2 재료는 제1 모델링의 결합력 또는 대상물 재료 자체의 결합력 보다 실질적으로 약한 결합력으로 대상물 재료와 결합된다. 이에 따라, 지지 구조물은 용이하게 박리될 수 있다.
전술한 실시예에 따라 별도의 박리층을 용착시키는 경우, 다양한 재료를 성공적으로 사용할 수 없다. 재료 조합의 예를 이하에 나열한다. 예를 들어, 대상물 및 지지 구조물을 형성하는 재료로는 폴리아미드(polyamide)와 같이 주위 온도에서 응고하는 열가소성 수지를 사용할 수 있으며, 박리층용 재료로는 탄화 수소 왁스(hydrocarbon wax)를 사용할 수 있다.
박리 재료가 대상물 재료와 하부 지지 구조물 재료 사이에 얇은 피복물(thin coating)로 용착되는 실시예에서, 박리 재료는 모델링 재료와 하부 지지 구조물 사이의 계면에서 그 형상이 모형과 지지체의 구조에서 무시될 수 있을 정도로 얇은 층으로 유동 가능한 형태로 용착된다. 이러한 방법에 있어서도, 모형 또는 대상물을 형성하는 재료로는 폴리아미드와 같은 액상으로 용착되는 열가소성 수지가 바람직하며, 박리 재료로는 플루오르 화학 시약(fluorochemical), 실리콘, 또는 스테아레이트(stearates), 용매나 물에 용해되는 폴리머, 또는 왁스나 폴리머를 포함하는 분산제와 같이 주형으로부터 박리되는 유형의 재료를 사용할 수 있다.
상이한 재료를 분배하기 위한 배출 팁이 각각 마련되어 있는 한 쌍의 분배기를 사용하는 본 명세서에 개시된 장치는 재1 재료로 대상물 또는 모형을 성형하는데 이용될 수 있으며, 제2 재료로 대상물의 지지되는 부분의 하부면과 약하게 결합되는 하부의 지지 구조물을 형성하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 바와 같이, 대상물을 제작하기 위한 재료로는 열가소성 수지 또는 매몰 주조 왁스(investment casting wax)를 이용할 수 있으며. 지지 구조물용 재료로는 접촉 계면에서 대상물 재료와 약하게 결합되는 왁스를 이용할 수 있다.
전술한 공정에 이용되는 장치의 이점은 각각 배출 팁을 구비하는 2개의 분배기가 하나의 분배 헤드에 장착된다는 것이다. 층으로 이루어진 3차원 대상물을 성형하도록, 분배 헤드와 재료 수납 기판을 서로에 대하여 X축, Y축 및 Z축을 따라 이동시키기 위해 제어 가능한 기구가 제공된다. 각 분배기는 팁이 장착된 배출 노즐을 이송한다. 비분배 노즐의 배출 팁이 분배된 재료와 충돌하지 않을 정도의 높이에서, 분배 노즐의 배출 팁 위쪽에 항상 위치하도록, 노즐 중의 하나는 나머지 하나에 대해 수직 방향으로 조절될 수 있는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 개시한 본 발명의 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 이하의 설명에 의해 분명해 질 것이며, 도면 전체를 통해, 동일 구성 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하였다.
제3도 내지 제6도에 도시한 바와 같은 3차원 대상물 성형에 이용되는 지지 구조물 형성 및 제거 시스템은 다양한 종류의 모델링 또는 시제품 제작 시스템에 대하여 사용될 수 있다. 특히, 그러한 시스템은 미국 특허 제5,121,329호에 개시된 시스템과 같이 연속적이고 근접한 층 또는 막을 형성시켜 3차원 대상물을 형성하는 시스템에 응용할 수 있다. 모델링 또는 대상물 형성 공정 중에, 자유 공간에 최종적으로 현수될 모형의 돌출부 아래쪽에 지지 구조물을 필요로 하는 어떠한 시스템에도 본 명세서에 개시된 박리 층 또는 박리 피복 공정을 응용할 수 있을 것이다.
바람직한 재료 용착(deposition) 및 형성 공정은 미국 특허 제5,121,329호에 개시된 형태이다. 제1도 및 제2도에는, 본 명세서에 개시된 바와 같은 지지체 형성 및 제거 방법을 실행하기 위해, 상기 시스템에 이용되며 한 쌍의 분배기(8, 30)가 장착된 분배 해드(2)가 도시되어 있다. 그러한 목적을 위해, 분배 혜드(2)는 제6도에 도시된 바와 같이, 재료를 다중 경로 및 다층으로 용착시켜 미리 정해진 형상의 대상물을 형성시킬 수 있도록, 재료 수납 베이스(66)에 대해 상대적으로 이동할 수 있게 장착되어 있다. 이러한 상대적 이동은 X축, Y축 및 Z축을 따라 이루어져서, 3차원 대상물을 형성하도록 재료를 연속층으로 용착시킬 수 있다. 이러한 상대적인 이동을 달성하기 위해, 상기 미국 특허 제5,121,329호에 개시된 것과 같은 스테퍼 모터 구동식 스크류(stepper motor-driven screws)가 이용될 수 있다. 바람직하게는, 분배 혜드(2)는 X, Y 방향으로 이동할 수 있는 베이스 캐리지(carriage)(4) 상에 장착되고. 상기 X, Y 방향 중의 일방향으로의 이동을 위해 제1도 및 제2도에 도시된 것과 같은 리드 스크류(lead screw)(6)가 이용된다. 캐리지(4)는 리드 스크류(6)의 연장 방향에 수직한 제2 의 방향인 Y 방향으로 이동 할 수 있도록 제2 리드 스크류에 의해 장착된다. 상기 2개의 리드 스크류는 스테퍼 모터와 같이 제어가능한 모터에 의해 구동될 것이다. 바람직하게는, 상기한 상대적 이동은 형성될 물품의 디자인이 먼저 컴퓨터 상에 만들어지는 컴퓨터 제어식 캐드/캠 시스템의 제어에 의해 이루어진다. 재료층을 원하는 형상으로 연속적으로 융착시키고 성형시키기도록 분해 헤드(2)를 예정된 이동 양식에 따라 이동시키기 위해, 컴퓨터내의 3차원 데이타를 리드 스크류용 구동 모터의 제어된 이동으로 전환시키는 소프트웨어가 이용된다. 전술한 바와 같은 실시예에서, 베이스 또는 수납 기판(56)(제6도 참조)은 3차원적인 이동을 위해 수직 또는 Z 방향으로 이동될 수 있다.
바람직하게는, 관형 부재 또는 도관(8) 형상의 제1 분배기가 하나의 재료를 분배하기 위해 제공되어 있다. 공급 재료가 가요성 필라멘트(filament) 또는 스트랜드(strand)와 같은 고체 형태로 재공되는 경우에, 고체 재료를 가열하고 용응시켜 배출 팁(14)이 구비된 분배 노즐(12)로 유체 상태로 공급하기 위하여, 분배기(8)에는 가열 코일(10)이 마련되어 있다. 팁(14)은 분배될 액상 재료용 배출구를 형성한다. 그 재료는 대상물이 형성되거나 모델링되는 제어된 주위 온도와 같이 미리 정해진 조건에서 응고되는 재료일 것이다. 관형 분배기(8)의 수납 단부에는 장착 링(18)에 고정될 캡(16)이 마련되어 있다. 후술하는 이유 때문에, 분배기(8)는 선택적으로 수직 방향으로 조절할 수 있게 장착되고, 바람직하게는 장착 링(18)에 피봇식(Pivotal)으로 연결된다. 이러한 목적을 위해, 대체적으로 수평으로 연장되는 한 쌍의 피봇 핀(20)이 캡(16)의 반대쪽 측면들로부터 돌출하여 장착 링(18)에 고정되어 있다.
숭강 브래킷(lift bracket)(22)이 팁(14)에 근접한 분배기(8)의 반대쪽 단부에 부착되어 있고, 부착판(24)을 이송한다. 도시된 복동식 실린더(28)와 같은 승강 장치에는 부착판(24)에 고정된 피스톤(26)이 구비되어 있다. 실린더(28)는 공기 실린더 또는 유압식 유체 실린더일 수 있다. 이 실린더는 피스톤(20)을 수직 방향으로 신축시킬 수 있도록, 왕복 이동할 수 있는 복동식 실린더이다. 2개의 분배기로부터의 재료 분배를 조절하는 소프트웨어 프로그램의 제어에 의한 그러한 이동은 배출 팁(14)을 상숭 및 하강시킨다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 팁(14)을 이처럼 수직 방향으로 높이 조절하는 것은 제2 분배기(30)와 관련하여 특별한 목적이 있다. 승강 장치(28)는, 전기적으로 작동되었을 때 신장되고 주기적ㆍ반복적으로 피스톤(26)을 이동시키기 위해 스프링 복귀를 이용하는 스프링 하중식 솔레노이드를 비롯하여 다양한 종류의 기구를 포함할 수 있다는 것에 주목해야 한다. 제6도에 도시된 바와 같이, 피스톤(26)은, 팁(14)을 분배기(30)의 팁(36)에 대해 미리 정해진 상승된 높이에 유지하도록 대체로 후퇴되어 있다. 팁(36)이 장착되어 있는 분배기(30)의 분배 단부에는 노즐(34)도 갖추어져 있다. 여기서도, 관형 분배기(30)내로 도입되는 고상(solid)의 공급 물질을 노즐 팁(36)을 통해 분배되는 액체 상태로 용융시키기 위해 가열 코일(32)을 사용하는 것이 바람직하다. 분배기(30)는 장착 캡(31)에 의해 캐리지 헤드(4)에 고정되어 있다.
팁(14, 36)은 미리 정해진 조건에서 응고될 수 있도록 유체 상태로 제공되는 상이한 조성의 재료들의 공급원 또는 공급체에 각각 연결된다. 상기 재료는 펌프 등에 의해 저장용기로부터 액체 상태로 직접 공급될 수도 있다. 미국 특허 제5,121,329호의 제5도에 도시된 바와 같이, 상기 재료는 가요성 필라멘트 또는 스트랜드형의 고체 형태로 초기에 공급될 수도 있다. 가요성 스트랜드는 응고 온도 이상에서 비교적 신속히 용융될 수 있고 수납 베이스나 기판(56) 위로 분배된 후에 응고점보다 약간 낮은 온도에서도 신속히 응고될 수 있는 고상 재료로 만들어 질 것이다. 후술하는 다양한 재료를 비롯하여 열가소성 수지, 왁스 또는 금속으로 된 가요성 스트랜드를 이용할 수 있다. 이러한 스트랜드 또는 필라멘트는 제2도에서 참조 부호 50으로 나타냈으며, 적절한 재료 이송 기구에 의해, 공급 스풀(spool)(도시되지 않음)로부터 관형 도관 및 안내 하우징(54)을 통해 이송된다. 필라멘트(50)를 파지하고 이송시키는 기구로서, 한 쌍의 핀치 롤러(pinch roller)(46)가 효과적으로 이용될 수 있다. 스테퍼 모터(38, 40)에 의해 핀치 롤러(46)르 단속적으로 제어 작동시킬 수 있는데, 각 스테퍼 모터는 각각의 스퍼 기어(42, 44)를 구동시키고, 상기 스퍼 기어를 통해 핀치 롤러(46)로 구동력이 전달된다.
스테퍼 모터(38, 40)는 핀치 롤러(46)를 단속적으로 작동시키는 적절한 소프트웨어에 의해 프로그램으로 제어되어, 특정 분배기(8 또는 30)에 대한 필라멘트 재료를 선택적으로 이송한다. 분배기(8)용 필라멘트(60)에 대해 상기한 재료 이송 기구가 필라멘트를 별도의 공급 스풀로부터 분배기(30)로 이송시키는 데 이용될 수도 있다.
제3도 내지 제5도는, 제작되는 3차원 대상물의 자유 현수된 돌출부 아래에 제거가능한 지지 구조물을 제공하는 상이한 방법들을 도시한다. 제4도는 대상물 또는 또는 모형(58)과 지지 구조물(60) 사이에 분리가능한 파열성 연결부를 마련하기 위해 박리 가능한 제2 재료(B)의 층을 이용하는 특히 유리한 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 대상물(59)과 지지 구조물(60)은 동일한 제1 재료(A)로 만들어진다. 도시된 바와 같이, 대상물(58)은 그 우측에 돌출부를 구비하며, 그 돌출부 하부면은 참조 부호 62로 나타냈다. 지지 구조물(60)의 근접한 상단면은 참조 부호 64로 나타냈다. 면(62)과 면(64)은 이격되어, 그 사이에 박리 가능한 제2 재료(B)가 충전되는 연결부 및 박리 공간을 형성한다.
대상물(58)과, 지지 구조물(60) 및 박리 가능한 제2 재료(B)의 층으로 이루어지는 복합 구조물을 제4도에서 일예로 도시한 것과 같은 3차원 구조로 형성시키기 위하여 제1 재료(A) 및 제2 재료(B)를 다양한 방법으로 용착시킬 수 있다. 본 명세서에 개시된 형태의 분배 장치를 사용하여. 제4도에 도시된 바와 같이, X-Y 평면상의 직선 궤도 또는 경로를 따라, 재료를 배출 팁(14, 36)으로부터 용착시킨다. 기판(56)(제6도 참조)에서 시작하여, Z축을 따라 각각의 높이에서 용착되는 다양한 경로를 따라 분배기(8, 30)로부터 배출된 재료가 층으로 성형된다. 대상물(58)의 돌출 부분 또는 현수 부분이 자유 공간내로 상당히 연장되어 지지채가 요구 될 때까지, 대상물(58)과 지지 구조물(60)을 이루는 층들이 제4도에 도시된 양식으로 성형된다. 그리고 나서, 대상물(58)을 이루는 층 스트립(A-1)이 용착된 후에, 박리 가능한 제2 재료(B)로 된 층 스트립(B-1)이 동일한 높이에서 용착된다. 그 후에, 지지층(A-2)에 동일한 높이에서 용착된다. 원하는 제1 재료(A) 및 제2 재료(B)를 응고성 액상 형태로 공급 및 분배하도록, 스테퍼 모터(38, 40)를 단속적으로 작동시킴으로써 분배기(8, 30)를 제어 가능하게 이용하여 이러한 과정을 계속 실행한다. 용착된 재료를 운반하는 수납 기판(56)을 분배기(2)에 대해 수직으로 조정하여 재료층을 바람직하게는 제4도에 도시한 것과 같은 스트립 형태로 연속적으로 형성함으로써 지지 구조물(60) 및 대상물(58)을 원하는 높이까지 형성한다. 대상물(58)과 지지 구조물(60)의 인접면(62, 64) 사이에 형성된 박리 공간 전체를 연속적으로 충전하도록, 박리층 제2 재료(B)는 Z축을 따른 각각의 높이에서 단속적으로 분배된다. 제4도에 도시된 것과 같은 복합 구조물을 형성한 후에, 지지 구조물(60)을 용이하게 제거할 수 있는데, 왜냐하면 상기 제2 재료(B)에 의해 형성된 연결부는 취약하거나 제거 가능하기 때문이다.
대상물(58)의 돌출부의 하부면(62)을 형성하는 재1 재료(A)와 접촉하는 지지체의 마지막 층을 만들기 위해 제2 재료(B)가 사용된다는 것을 알 수 있을 것이다. 박리 가능한 제2 재료(B)는 돌출부의 외형에 상응하는 층으로서 대상물(58)과 지지 구조물(60) 사이의 공간에 통착된다. 제1 재료(A) 자체의 결합력 보다 실질적으로 약한 결합력으로 대상물 또는 모형의 제1 재료(A)와 결합하도록 제2 재료(B)를 선택한다. 분리시키려는 힘이 지지 구조물(60)에 가해지면, 박리 가능한 제2 재료(B)는 떨어져 나가고, 그 재료의 일부는 대상물(58)의 하부면(62)에 부착된 채 남아 있을 수 있다. 박리 가능한 제2 재료(B)는 대상물 또는 모형의 제1 재료(A)와 약하게 결합되어 있으므로, 대상물에 남아 있는 박리 재료는 모형 또는 대상물에 손상을 입히지 않고 쉽게 제거할 수 있다. 이러한 지지 구조물은 대상물(68)과 지지 구조물(60)의 근접면들(62, 64) 사이의 공간에 의해 정해지는 것과 같이 두께가 0.0001 인치 내지 0.125 인치(2.54×10-4cm 내지 0.3175cm), 바람직하게는 0.005 인치 내지 0.020 인치(0.0127 내지 0.0508cm)의 비교적 얇은 층으로 제2 재료(B)를 제공함으로써 용이하게 제거할 수 있다.
제4도에 대하여 설명한 바와 같이, 형성된 대상물(58)로부터 지지 구조물(60)을 신속하고도 용이하게 제거할 수 있도록 하는 다양한 재료가 이용될 수 있다. 대상물(58)과 지지 구조물(60)을 형성하는데 이용되는 제1 재료(A)는 그 재료가 분배되는 미리 정해진 주위 조건에서 신속히 응고되는 열가소성 재료인 것이 바람직하다. 매몰 주조 왁스(investment casting waxers) 등과 같은 다양한 열가소성 수지가 적합하다. 박리 재료는 탄화수소 왁스 혼합물(hydrocarbon wax blend)일 수 있다. 모형 또는 대상물 제1 재료(A)는 비교적 큰 인장 강도를 갖는다. 예를 들어, 약 2700 p.s.i (189kgf/㎠)의 비교적 높은 인장 강도를 가지는 폴리아미드(polyamide) 모델링 제1 재료(A)를 탄화수소 왁스 혼합물을 포함하는 박리 가능한 제2 재료(B)와 함께 사용하였고. 형성된 대상물(58)과 지지 구조물(60)은 박리 가능한 제2 재료(B)로 형성된 이음매 구역 또는 박리 구역을 따라 서로 분리되어 용이하게 박리된다. 이것은 박리 가능한 재2 재료(B)와 모델링 또는 대상물의 제1 재료(A)와의 큰표면 장력 차이 때문이다. 대상물 및 지지 구조물의 제1 재료(A)의 표면 장력 보다 상당히 작은 박리 가능한 제2 재료(B)의 표면 장력은 그 재료(B)에 의해 형성된 연결부에서의 계면 결합력을 감소시켜, 대상물(68)의 하부면에 거의 손상을 입히지 않고도 지지 구조물(60)을 용이하게 박리시킬 수 있다.
또 다른 예로서, 폴리아미드 모델링 재료와, 수용성 왁스로 된 박리 가능한 제2 재료(B)를 성공적으로 이용할 수도 있다. 이 경우, 상술한 예에서와 같이 계면 결합 강도가 약할 뿐만 아니라, 지지 구조물은 상온의 용수에서 약 5분 정도 경과하면 분리된다. 대상물 및 지지 구조물용의 제1 재료(A)로 비수용성 재료를 사용하고 박리 재료로 수용성 재료를 사용함으로써, 복합 구조물(58-60)을 욕(bath)에 담구어 남아 있는 지지 구조물 재료를 쉽게 분리시킬 수 있다. 이에 따라, 기계적으로 지지 구조물을 제거할 필요가 없다.
또 다른 예로서, 대상물(58) 및 지지 구조물용의 제1 재료(A)는 왁스와 폴리머 혼합물로 만들어 질 수 있고, 박리 공간 또는 연결부에 박리 가능한 제2 재료(B)로서 수용성 왁스를 사용하였다. 이 경우에도. 계면 결합이 매우 약해 지지 구조물을 용이하게 박리시킬 수 있으며, 박리 가능한 제2 재료(B)는 실온의 용수에서 쉽게 용해되므로 지지 구조물(60)을 매우 용이하게 박리시킬 수 있다.
제5도는 제4도와 유사하지만 박리 재료가 대상물(60)과 지지 구조물(68) 사이의 박리선 또는 연결부를 따라 얇은 피복물(70)로 액상 도포되는 점에서 상이한 실시예를 도시하고 있다. 이 경우에도, 대상물과 지지 구조물은 동일한 제1 재료(A)로 만들어진다. 제1 재료(A)는 제4도에 관하여 설명한 것과 같은 방법으로 수직 방향을 따라 층 형태로 쌓인다. 그러나, 이 실시예에서는, 대상물(66)과 지지 구조물(68) 사이의 접촉면에 유동성 작용제(flowable agent)(D)가 도포된다. 이러한 작용제는 대상물과 지지 구조물 사이의 동일한 제1 재료(A)에서 보통 발생하는 분자 결합을 방해하여, 도면 부호 70으로 표시한 접촉면에서 실질적으로 더 약한 결합이 일어나게 한다. 복합 구조물(66, 68)에 인장력이 가해지면, 지지 구조물(68)은 어떠한 잔류 물질도 남기지 않고 모형 또는 대상물의 접촉면에 손상을 가함이 없이 깨끗하고도 용이하게 박리된다. 이러한 시스템에서, 박리 작용제는 그 형상이 대상물 및 지지 구조물의 구조에 영향을 미치지 않을 정도로 얇은 층(D)을 형성한다. 얇은 박리 피복물은 그 두께가 0.002 인치(5.08×10-3cm) 미만인 것이 바람직하다.
박리 피복물(D)로 용액, 유제(emulsion) 및 분산제를 사용할 수 있다. 대상물(66) 및 지지 구조물(68)용의 제1 재료(A)는 제4도에 대하여 설명한 재료들 중 어떠한 것이라도 될 수 있다. 만족할만한 박리 피복물 재료들 중에는 폴리머(예컨대, 아크릴레이트)와 같은 가용성 화합물(solvent-soluble compound), 스테아르산(stearic acid) 및 아젤라산(azelaic acid)과 같은 유기 화합물(organic compound)이 있다. 폴리에틸렌 옥사이드 (Polyethylene oxide) 및 글리콜(glycol)을 주성분으로 하는 폴리머와; 폴리비닐 피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone)을 주성분으로 하는 폴리머와; 메틸 비닐 에테르(methyl vinyl ether) 및 말레산(maleic acid)을 주성분으로 하는 폴리머와; 폴리옥사조린(polyoxazoline)을 주성분으로 하는 폴리머와; 폴리쿠아터늄(Polyquaternium)II와 같은 수용성 폴리머도 박리 피복물로 이용할 수 있다. 종래의 주형 박리 재료(mold release material)도 박리 피복물로서 성공적으로 사용될 수 있다. 그러한 재료로는 플루오르 화학 시약과, 실리콘과, 레시틴(lecithins)과, 스테아레이트(stearates) 등이 있다. 파라핀 등의 왁스, 미세 결정질(microcrystalline) 및 폴리에틸렌과, 폴리머 등을 포함하는 분산계도 박리 펴복물로 사용될 수 있다.
제5도에 도시된 실시예의 도면 부호 70으로 표시한 박리 피복물(D)과 제1 재료(A)의 예로서, 대상물(66) 및 지지 구조물(68)용 제1 재료(A)로는 폴리아미드를 들 수 있고, 박리 피복물로는 실리콘을 들 수 있다. 상기 제1 재료(A)는 약 1000 p.s.i. (70kgf/㎠) 의 인장 강도를 가지고, 대상물과 지지 구조물 사이의 박리 연결부(70)에 실리콘 피복을 하여 성형한 샘플은 그 계면 연결부에서 약 105 p.s.i. (7kgf/㎠) 의 인장 강도를 가지므로, 합성 샘플을 굽히면 샘플은 상기 연결부(70)에서 쉽게 박리된다.
제5도에 도시된 실시예에서, 대상물 및 지지 구조물용의 제1 재료(A)로는 왁스와 폴리머의 혼합물을 이용하고, 박리 피복용으로는 스테아르산(stearic acid) 용액을 이용하는 또다른 재료 조합을 이용할 수도 있다. 제5도에 도시한 바와 같이, 이러한 재료로 성형된 샘플은 그 박리 연결부(70)에서의 인장 강도가 낮기 때문에 제5도에 도시된 것과 같은 합성 구조물은 실험용 고정구로부터 박리된다.
동일한 제1 재료(A)로 형성되는 대상물의 돌출부와 그 돌출부를 받치는 지지 구조를 사이에 박리층 또는 박리 피복물을 사용하는 제4도 또는 제5도의 실시예는 특별한 이점을 갖는다. 첫번째 이점은 수축과 관련한 것이다. 모든 재료는 어느 정도 수축한다. 만약, 대상물 또는 모형 구조물과 이에 인접하는 지지 구조물용으로 수축성에 큰 차이가 료는 재료들을 이용한다면, 2가지 상이한 재료 사이의 박리 연결부를 따라 큰 수축차가 발생할 것이다. 이것은 큰 응력과 연결부 파손 및 대상물의 변형을 야기할 수 있다. 그러한 잠재적인 해로운 영향은 대상 구조물(58 또는 66) 및 지지 구조물(60 또는 68)용으로 동일한 제1 재료(A)를 이용하고 그 사이에 단지 상대적으로 얇은 박리 층 또는 박리 피복물을 형성시킴으로써 최소화 할 수 있다. 상이한 재료들의 용융 온도 및 모델링 온도도 문제가 된다. 재료들은 그 의도하는 기능을 다할 수 있도록, 사용 온도에 대해 양립할 수 있게 선택해야 한다. 따라서, 지지 구조물 재료로서의 가공성 왁스는 크고 두꺼운 지지 구조물을 성형하기 위한 적층 강도를 얻기 위해서는 60℃ 의 비교적 높은 주위 온도를 필요로 하지만, 대상물과 지지 구조물 사이의 계면 또는 박리 영역에서 비교적 얇은 층으로 도포될 때, 그 왁스는 캐스팅(casting) 왁스와 같은 열가소성 대상물 및 지지 구조물의 모델링 온도(30℃) 이하에서도 양호하게 적층될 것이다. 다시 말하자면, 제4도에 도시된 바와 같이 박리 가능한 제2 재료(B)로 된 비교적 얇은 층은 제1 재료 (A)의 모델링 온도에서도 충분히 양호하게 적층될 수 있어, 대상물의 제1 재료(A)를 그 위에 지지하기에 충분한 강도를 가지는 층을 형성한다. 그러한 제2 재료(B)의 박리층에 의해 형성된 비교적 약한 결합 또는 적충은 지지 구조물(60)을 신속하고도 용이하게 박리시키는 데 바람직하다.
제3도에는 제1도, 제2도 및 제6도의 분배 장치를 이용하여 실시할 수 있는 제3 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 제1 재료(A)는 대상물(72)을 형성하는 데 이용되고, 조성이 다른 제2 재료(C)는 지지 구조물(74)을 형성하는 데 사용된다. 그러한 2개의 구조물은 박리 선 또는 박리 연결부(76)를 따라 계면 접촉되어 있다. 이 경우에도, 2개의 재료(A, C)는 제3도 및 재4도에 도시한 바와 같은 긴 스트립 또는 트랙을 형성하는 분배 헤드(2)의 다중 경로에 의해, 층으로 용착된다. 대상물의 제1 재료(A)와 지지 구조물의 제2 재료(C)는 제1 재료(A) 및 제2 재료(B)에 관한 제4도의 설명에서와 같이 조합될 것이다.
제4도와 관련하여 설명한 바와 같이, 상이한 재료가 동일한 수평면 또는 수직 높이, 즉 제4도의 트랙 또는 스트립(A-1, A-2, B-1) 형태로 노즐 팁(14, 36)으로부터 분배될 것이므로, 비분배 노즐 및 그 노즐의 팁이 분배 노즐에 의해 용착된 재료와 간섭되는 문제가 있다. 이러한 문제는, 제1도. 제2도 및 제6도와 관련하여 설명한 바와 같이, 한 분배기 팁의 높이를 다른 분배기 팁의 높이에 대해 수직으로 조정하는 수단을 마련하여 극복할 수 있다. 따라서, 그러한 특징과 관련하여, 분배기(8)는 적어도, 노즐(12) 및 팁(14)이 위치하는 배출 단부에서 숭강 장치(28)에 의해 수직 방향으로 조정될 수 있다는 것을 알 수 있다. 제3도 및 제4도를 참고로 설명하면, 분배기(37)는 제1 재료(A)를 분배하는 데 사용될 수 있고, 분배기(8)는 제2 재료(B 또는 C)를 분배하는 데 사용될 수 있다. 제6도에 도시된 바와 같이, 노즐(12) 및 팁(14)은 대개 승강 장치(28)에 의해 분배기(30)의 배출 팁(36) 위의 상승된 높이에서 유지될 것이다. 그러한 높이 차를 강조하여 제6도에 확대 도시하였다. 팁(36)이 재료를 분배할 때, 팁(14)은 팁(36)보다 1인치(2.54cm) 이하, 최소 1/16 인치(0.159cm) 정도 위에 있기만 하면 된다. 재료가 팁(14)을 통해 분배기(8)로부터 배출될 때, 승강 장치(28)는 피스톤(26) 및 하부 팁(14)을 연장시키도록 작동되어, 그 하부 팁은 상기의 길이(1/16~1인치; 0.159∼2.54cm)만큼 팁(37)의 아래에 온다. 이러한 구조에 의해, 하나의 노즐 팁이 다른 노즐 팁에 의해 분배되는 재료와 충돌할 염려가 없다.
단일 분배 혜드(2)상에서 이송되는 2개의 분배기는 제1도 및 제2도에 도시된 긴 관형 분배기/액화기와 다른 형태일 수도 있는 것에 주목해야 한다. 필라멘트 또는 봉 형태의 용융성 고체를 분배기에 공급하는 대신에, 분배될 재료가 펌프에 의해 저장 용기로부터 액상으로 직접 공급된다면, 가열 코일과 함께 긴 관형 분배기는 불필요할 것이다. 또한, 제5도의 실시예에 관하여 설명하면, 박리 재료로 된 얇은 피복물은 배출 팁으로서 기능하는 바늘을 통해 주입기(syringe)로부터 공급될 수도 있다. 그러한 배출 조립체는 헤드(2)에 장착된 분배기 중의 하나로서 역할을 할 수 있다. 또한, 이 경우에. 대상물 또는 모형 구조물(66)과의 계면에서 지지 구조물(68)의 상부면에 액체를 문질러 바르는 강모(bristle)를 구비한 브러시 팁(brush tip)을 통해 액상 박리 재료가 배출될 수도 있다. 대상물(66) 하부의 근접한 수직면과 이격되어 있는 지지 구조물(68)의 각층의 수직면을 따라 액체 피복물을 도포할 수 있다는 것을 알 수 있다. 그 다음의 근접한 대상물(66)의 제1 재료(A)의 층이 도포되기 전에, 얇은 피복물로 공급된 액상 재료는 응고되며, 적어도 부분적으로라도 경화된다.
선택적으로, 별도의 구조물 재료 및 박리 재료가 다수의 공급 통로를 구비한 단일의 분배 헤드상의 단일 노즐 팁으로부터 분배되도록 할 수도 있다. 그러한 분배 헤드는 미국 특허 제5,121,329호의 제6도 및 제14 칼럼의 제11행 내지 제36행에 도시 및 설명되어 있다. 이러한 분배 헤드에서, 각각의 재료들은 분배 헤드내의 별도의 유동 통로를 통해 필라멘트 또는 봉을 녹인 액체 상태, 또는 저장 용기로부터 액체를 펌핑함으로써 도입된 액체 상태로 공급될 수 있다. 하나의 재료 또는 다른 재료를 선택적ㆍ단속적으로 분배하기 위해, 적절한 유동 조정기를 이용할 수도 있다.
이하의 특허 청구 범위에 의해 정해지는 본 발명의 사상 및 범주내에서도 본원 명세서에서 기술한 장치 및 방법들을 다양하게 변형시킬 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다

Claims (15)

  1. 공간 중에 자유롭게 현수되는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법으로서 ; 응고성 구조재의 제1 재료를 예정된 패턴으로 액상 상태로 분배하여, 3차원 대상물과, 용착 중에 지지를 요하는 상기 대상물의 돌출부의 아래에 놓이는 별도의 3차원 지지 구조물로 이루어지는 3차원 복합체를 형성하는 상기 제1 재료의 복수개의 층을, 상기 대상물과 상기 지지 구조물이 상기 대상물의 돌출부의 하부를 정하는 공간에 의해 분리되는 상태로 용착시키는 단계와; 상기 제1 재료의 분배와 조합되는 다중 경로식 용착 공정에서, 상기 제1 재료를 상이한 조성을 가지는 박리 가능한 제2 재료를 상기 대상물과 지지 구조물 사이의 상기 공간에 상기 제1 재료와 접촉시킨 채 분배하여, 상기 대상물과 지지 구조물 사이의 상기 공간의 용이하게 박리되는 연결부에서 상기 제2 재료가 상기 제1 재료와 파열될 수 있는 약한 결합을 형성하도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 박리 가능한 제2 재료는 상기 공간의 윤곽과 일치하는 층으로서 용착되는 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 박리 가능한 제2 재료를 상기 3차원 복합체의 동일한 수직 높이에서 상기 대상물과 지지 구조물의 근접하고 이격된 층들 사이에 단속적으로 용착시켜 박리층을 복수의 층으로 성형하는 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 박리 가능한 제2 재료를 각 용착 경로에서 수직 방향으로 0.0001 인치 내지 0.125 인치(2.54×10-4cm 내지 0.3175cm)의 두께로 용착시키는 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 구조재의 제1 재료는 열가소성 수지이고, 상기 박리 가능한 제2 재료는 가공성 왁스인 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 구조재의 제1 재료는 매몰 주조 왁스이고, 상기 박리 가능한 제2 재료는 가공성 왁스인 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 구조 지지물의 제1 재료로 형성된 상기 대상물과 지지 구조물의 근접면들과 접하는 공간에 상기 박리 가능한 제2 재료를 얇은 피복물로서 용착시키는 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 얇은 피복물은 상기 대상물과 지지 구조물의 근접면들을 덮기에 충분하고, 상기 근접면들을 형성하는 상기 구조재의 제1 재료로 이루어진 부분들 사이에서 통상적으로 발생하는 분자 결합을 방지하기에 충분하면서도, 무시할 수 있을 정도의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 구조재의 제1 재료는 열가소성 수지이며, 상기 피복물을 형성하는 박리 가능한 제2 재료는 수용성 폴리머인 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 구조재의 제1 재료는 열가소성 수지이고, 상기 피복물을 형성하는 박리 가능한 제2 재료는 용매로 용해될 수 있는 폴리머인 것을 특징으로 향는 들출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 구조재의 제1 재료는 열가소성 수지이며, 상기 피복물을 형성하는 박리 가능한 제2 재료는 실리콘인 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 구조재의 제1 재료는 열가소성 수지이고, 상기 피복물을 형성하는 박리 가능한 제2 재료는 스테아르산 용액인 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 구조재의 제1 재료 및 박리 가능한 제2 재료는, 배출 팁을 각각 구비하고 ''X''축, ''Y''축 및 ''Z''축을 따라 재료 수납 베이스에 대해 상대적으로 이동하도록 하나의 분배 헤드에 장착되는 2개의 별도 노즐로부터 분배되고, 한번에 1개의 노즐로부터만 재료가 분배되도록 상기 구조 지지물의 제1 재료와 박리 가능한 제2 재료의 노즐들로부터의 분배를 제어하는 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 노즐 중의 하나는 수납 배이스에 대해 수직 방향으로 조절될 수 있어, 상기 제1 재료와 제2 재료를 분배하는 공정 중에 상기 하나의 노즐의 높이를 제어 가능하게 조정함으로써, 재료 분배 공정 중에 비분배 노즐은 분배 노즐에 의해 분배되는 재료에 흠집을 남기지 않을 정도로 충분히 높은 위치에서, 항상 상기 분배 노즐 위에 위치되는 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
  15. 공간 중에 자유롭게 현수되는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법으로서 : 응고성 구조재를 미리 정해진 패턴으로 분배하여, 층을 용착하는 중에 지지를 요하는 험수 부분이 있는 3차원 대상물을 형성하는 상기 응고성 구조재의 복수층을 용착시키는 단계와; 상기 제1 재료의 분배와 조합되는 다중 경로식 용착 공정에서, 상기 3차원 대상물의 현수 부분 아래의 공간에 수용성 박리 재료를 상기 제1 재료와 접촉시킨 채 분배하여 상기 대상물에 대한 3차원 지지 구조물을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 박리 재료는 수용성이고 상기 응고성 구조재는 비수용이 어서, 상기 박리 재료는 상기 대상물을 물에 둠으로써 상기 3차원 대상물로부터 쉽게 용해 될 수 있는 것을 특징으로 하는 돌출부를 구비한 3차원 대상물의 제조 방법.
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