KR100650089B1 - 3차원 인쇄 물질 시스템과 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3DPTM 3차원 인쇄 물질 시스템과 방법 및 그로부터 제조되는 물품에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 3차원 물품의 단면 부분을 만드는 것과 각각의 단면 부분을 층별로 조립하여 최종품을 형성하는 것을 포함한다. 각각의 단면 부분은 회반죽을 포함하는 미립자 물질에 수성 유체를 전달하기 위해 잉크-젯 인쇄 헤드를 사용하여 제조된다.
회반죽, 미립자 물질, 수성 유체, 원형, 굴곡 강도, 3차원 인쇄 물질, 가속기, 접착제

Description

3차원 인쇄 물질 시스템과 방법{THREE DIMENSIONAL PRINTING MATERIAL SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 일반적으로 고속 원형(prototyping) 기술 및 특별하게는 회반죽(plaster)에 기초한 3차원 인쇄 물질 시스템과 그 방법에 관한 것이다.
고속 원형 분야는 컴퓨터로 연산된 설계 데이터로부터 직접 금속 주조를 위한 세라믹 주형 뿐만 아니라 원형 물품 및 기능 부품들의 생산을 포함한다.
고속 원형에 대해 2가지의 잘 알려진 방법은 선택적 레이저 소결 공정 및 액체 바인더(binder) 3차원 인쇄 공정(3DPTM, 매사추세츠 캠브리지 소재의 MIT 공과대학의 상표)이다. 이 기술들은 3차원 물품을 제조하기 위해 모두 적층(layering) 기술을 사용하는 정도에서 유사하다. 양 방법은 소망하는 물품의 연속적인 얇은 단면을 형성한다. 개개의 단면은 알갱이 꼴 물질의 저면의 평평한 면 위에 알갱이 꼴 물질의 알갱이를 함께 접착함으로써 형성된다. 각 층은 각 층의 알갱이들이 함께 접착되는 것과 동시에 소망하는 3차원 물품을 형성하기 위해 이전에 형성된 층에 접착된다. 레이저-소결과 액체 바인더 기술은 컴퓨터로 연산된 설계 데이터로부터 직접 부품을 만들어 내고 복잡한 결합 구조를 가지는 부품들을 생산할 수 있 기 때문에 유리하다. 또한 3DPTM 방법은 종래의 원형 부품의 가공 또는 품목의 복잡함에 따라 수 주 내지 수 개월까지 걸리는 종래의 "딱딱한" 또는 "부드러운" 치공구(tooling) 기술에 의해 주형 또는 주조된 부품을 생산하는 것 보다 더 빠르고 덜 비쌀 수 있다.
3DPTM 방법은 인베스트먼트 주조를 위한 세라믹 주형을 만들어서 완전-기능 금속 부품을 만들어 내는데 사용되어 왔다. 3DPTM 방법에 대한 추가적인 용도도 고찰되어 왔다.
예를 들면, 3DPTM 방법은 물품이 시각화, 시현 및 기계 원형을 위해 사용될 수 있는 디자인 관련 분야에 유용할 수 있다. 그것은 주조 공정을 위한 패턴을 만드는데 유용할 수 있다. 3DPTM 방법은 예를 들면, 과정 수행 이전에 앞서 예상되는 결과물이 만들어 질 수 있는 약학 및 치의학 분야에서 더욱 유용할 수 있다. 고속 원형으로부터 이익을 얻을 수 있는 사업은 디자인의 시각화가 유용한 다른 회사 뿐만 아니라 건축 회사도 포함한다.
선택적 레이저 소결 공정이 미국 특허 제4,863,568호에 기술되며 참고로 여기에 포함되어 있다. 선택적 레이저 소결 공정은 DTM 코오포레이션에 의해 상업화되었다. 선택적 레이저 소결 과정은 평평한 면 위에 분말의 얇은 층을 펼치는 것을 포함한다. 분말은 기술 분야에서는 카운터-롤링 매커니즘(counter-rolling mechanism)(이하 "카운터-롤러")으로 공지된 선택적 레이저 소결 공정의 용도를 위해 개발된 도구를 사용해서 펼쳐진다. 카운터 롤러를 사용하는 것은 물질의 얇은 층이 이전의 층을 방해함없이 고르게 펼쳐지게 한다. 분말 층이 표면 위에 펼쳐진 후, 레이저가 레이저 에너지를 소정의 2차원 패턴으로 분말상에 레이저 에너지를 향하도록 사용된다. 레이저는 그 에너지가 전달된 지역에서 분말을 소결시키거나 섞는다. 분말은 플라스틱, 금속, 폴리머(polymer), 세라믹 또는 복합재가 될 수 있다. 분말의 연속층은 카운터 롤러를 사용해 이전의 층 위에 펼쳐지고 레이저에 의한 소결과 혼합이 이루어진다. 그 과정은 본질적으로 열적이며 최종품을 형성하기 위해 이전의 층에 대해 레이저에 의해 분말을 함께 소결시키기 위한 충분한 양의 에너지의 전달이 요구된다.
선택적 레이저 소결 과정은 레이저의 고 비용과 사용되는 장치의 복잡성 때문에 비싸다. 게다가 한번에 오직 한번의 레이저가 사용되어서 느린 방법이 된다. 게다가 선택적 레이저 소결 방법에 사용되는 물질은 때때로 적용에 따라서 특별한 조작 또는 공정 설비를 필요로 한다.
여기에 참고로 합체된 미국 특허 제5,204,055호는 액체 또는 콜로이드 바인더 물질을 분말 물질의 층까지 전달하기 위해 잉크-젯 인쇄 헤드의 사용을 포함하는 이전의 3DPTM 방법을 기술한다. 상기 기술(이하 "액체 바인더 방법")은 카운터-롤러를 사용하여 표면에 분말 물질의 층을 적용하는 것을 포함한다. 분말 물질이 표면에 적용된 후, 잉크-젯 인쇄 헤드는 액체 바인더를 분말 층까지 전달한다. 바인더는 분말 물질 사이의 틈새에 스며들어 분말 물질을 접착하여 고체화 층으로 강 화시킨다. 강화된 바인더는 또한 각층을 이전 층에 접착한다. 제1 단면 부분이 형성된 후에 이전 과정이 반복되면서 최종품이 형성될 때까지 연속적인 단면 부분이 만들어진다. 선택적으로 바인더는 강화된 바인더를 남겨 놓고 증발하는 캐리어에서 부유할 수 있다. 분말 물질은 세라믹, 금속, 플라스틱 또는 복합재가 될 수 있고 또한 섬유를 포함할 수도 있다. 액체 바인더 물질은 유기체 또는 무기체일 수 있다. 전형적 유기체 바인더 물질은 폴리머 수지 또는 폴리카보실라존(polycarbosilazone)과 같은 세라믹 프리커서(precursors)이다. 무기체 바인더는 바인더가 최종품에 포함될 때 사용된다; 실리카는 그러한 적용에 전형적으로 사용된다.
국제 공개 제93/25336호, 미국 특허 번호 제5,340,656호 및 미국 특허 번호 제 5,204,055호는 3차원 인쇄를 위한 방법을 공개한다. 분말 물질의 제1층이 제공되어지고 바인더 물질이 분말 물질의 층의 선택된 부분에 놓여진다. 이러한 과정은 결합된 분말 물질의 선택된 부분의 연속적인 층을 제공하도록 반복된다. 결합되지 않은 분말 무질은 제거된다.
레이저보다 잉크-젯 인쇄 헤드를 사용하는 한가지 장점은 바인더를 분말에 전달시키기 위해 사용되며 단일의 인쇄 헤드에 나란히 배열된 다수의 분사 노즐을 구비하는 저가의 인쇄 헤드가 상업적으로 유용하다는 것이다. 선택적 레이저 소결 기계에서 분말에 에너지를 전달하는 오직 하나의 레이저가 종래 사용된다. 수개의 분사 노즐의 조합은 한번에 더 넓은 면적을 인쇄시킴으로써 레이저-소결과 비교해서 액체 바인더 인쇄의 속도를 증가시킨다. 게다가 액체 바인더 인쇄 장치는 레이저의 고 비용과 관련된 빔 반사 광 장치 및 조종 장치의 고비용 때문에 레이저 장치보다 훨씬 덜 비싸다.
그러나, 액체 바인더 인쇄 기술은 분사 노즐이 바인더 및/또는 분말 물질로 인해 막히게 되는 것과 관련된 심각한 신뢰성 문제를 가지고 있다. 막힘은 고 레벨의 부유하는 고체를 가지는 바인더가 사용될 때 발생한다. 막힘과 관련된 문제 는 분사 노즐을 청소하기 위해 빈번한 장치의 중단을 필요로 한다. 막힘 문제는 부품을 만들고 장치를 유지하는데 필요한 시간과 노동을 증가시킨다. 그러므로 액체 바인더 인쇄 기술이 선택적 레이저 소결 과정에 대해 속도 및 비용면에서 개선을 나타냈음에도 불구하고 노동 및 장치 유지 비용을 증가시키며 제조 속도를 떨어뜨리는 신뢰성 문제를 겪고 있다. 이러한 문제는 다수의 분사 노즐에 의해 제공된 증가된 인쇄 능력의 잠재적 속도 이익을 손상시킨다.
상기 언급한 불이익에 더하여 선택적 레이저 소결 및 액체 바인더 기술에 모두 사용되는 분말, 특히 금속 분말은 사무실 환경에서의 사용을 바람직하지 못하게 만드는 안전 문제를 제공한다. 이러한 안전 문제는 예를 들면 피부 접촉 또는 독극물 흡입을 막기 위해 특별한 의상 및 공정 설비를 필요로 하게 할 수 있다. 게다가 독극물 처분에 대한 규칙에 따름으로써 추가적인 비용이 야기될 수도 있다. 이러한 이유로 이 기술들은 건축 및 디자인 회사 또는 병원과 같은 전형적인 사무실 환경에서는 사용이 부적합하게 된다.
치마(Cima)에게 허여된 미국 특허 제5,490,962호는 제어된 생명 작용 인자를 위한 의료 기구를 만들기 위한 고체 자유-형성 기술을 공개한다.
발로우(Barlow)에게 허여된 미국 특허 제5,639,402호는 코팅되거나 또는 폴리머릭 바인더 물질로 혼합된 인산 칼슘 입자를 선택적으로 섞기 위한 방법을 공개한다.
본 발명은 외관 모델 및 사무실 환경에서의 작은 수의 기능성 부품 모두의 생산을 위한 빠르고 안정적이고 안전하면서 저렴한 방법에 대한 요구를 만족시키는 물질 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 빠른 원형이 회반죽을 사용하여 수행될 수 있다는 발견에 기초한다.
본 발명의 일 태양은 회반죽 물품이다. 하나의 실시예에서 본 발명의 특징을 구비한 물품은 미립자 물질과 수성 유체를 포함하는 혼합물의 반응 생성품으로 형성된다. 미립자 물질은 회반죽을 포함한다. 반응 생성품은 수화된 회반죽을 포함하는 본질적으로 고체 원형 물품의 형태로서 수성 유체의 적어도 한 부분과 반응하는 회반죽을 포함한다. 물품은 다수의 본질적으로 고르게 배분된 반응 생성품의 층을 포함한다. 다른 실시예에서, 미립자 물질은 회반죽 및 가속기를 포함한다. 다른 실시예에서, 미립자 물질은 회반죽 및 접착제를 포함한다. 다른 실시예에서, 미립자 물질은 회반죽, 가속기 및 접착제를 포함한다. 다른 실시예에서, 물품은 수화된 회반죽의 적어도 부분에 접착되는 접착제를 포함한다. 수성 유체 및 미립자 물질은 가속기, 접착제 또는 그것들의 조합을 포함할 수 있다. 접착제는 적어도 부분적으로 수용성이며 수화된 회반죽의 적어도 부분에 접착된다. 층의 두께는 약 300nm 미만이다. 생성품은 적어도 1MPa의 굴곡 강도를 가진다.
본 발명의 다른 태양은 빠른 원형의 방법을 포함한다. 한 실시예에서 본 발명의 방법은 회반죽을 포함하는 미립자 물질의 제1층을 제공하고 제1층 위에 수성 유체를 배분하는 것을 포함한다. 적어도 회반죽의 한 부분 및 적어도 수성 유체의 한 부분이 적어도 부분적으로 고체 제1층을 형성하기 위해 반응하는 것이 허용된다. 미립자 물질의 제2층은 적어도 부분적으로 고체 제1층 위에 제공되어지고, 수성 유체는 제2층에 배분된다. 제2층에 포함된 회반죽 및 적어도 수성 유체의 한 부분은 제2층 내의 입자들이 적어도 부분적인 고체 제1층을 포함하는 본질적인 고체 원형 물품을 형성하기 위해 반응하는 정도로 반응하는 것이 허용된다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 제1부분 내의 적어도 입자들이 본질적으로 고체 단일의 물품을 형성하기 위해 결정화되는 정도까지 입자들이 수성 유체와 반응하기에 충분한 양의 수성 유체를 입자의 제1층의 제1부분에 적용하는 것을 포함한다. 입자의 제2층은 제1층 위에 형성된다. 수성 유체는 제2층의 제1부분내의 입자들이 제1층의 제1부분 및 제2층의 제1부분으로부터 본질적으로 고체 단일의 물품을 형성하기 위해 결정화되는 정도까지 입자들이 수성 유체와 반응하기에 충분한 양의 수성 유체를 입자의 제2층의 제1부분에 적용한다.
본 발명의 이러한 및 다른 특징, 측면 및 장점은 이하의 설명 및 청구항을 참고하면 보다 잘 이해될 것이다.
도1은 회반죽 강도와 회반죽의 물 성분 사이의 관계 그래프.
도2는 어떤 유체가 전달되기 전에 물품이 제조되는 하향으로 이용 가능한 표면 위에 적층되는 본 발명의 미립자 물질의 혼합물의 제1층을 개략적으로 도시한 도.
도3은 소정의 패턴으로 도2의 미립자 물질의 층의 부분으로 활성화 유체를 전달하는 잉크-젯 노즐을 개략적으로 도시한 도.
도4는 느슨한 불활성화 입자 안에 여전히 담궈져 있는 동안 용기에 동봉되어 도3에 도시된 일련의 과정으로부터 제조되는 최종품의 모습을 개략적으로 도시한 도.
도5는 도4로부터의 최종품의 모습을 개략적으로 도시한 도.
본 발명은 회반죽을 포함하는 미립자 물질과 수성 유체의 혼합물을 포함하는 3DPTM 물질 시스템에 관한 것이다. 수성 유체는 본질적으로 고체 물품을 형성하기 위해 미립자 물질에 포함된 회반죽을 수화시키는 물을 포함한다. 가속기, 접착제, 유율 강화기, 휴멕탄트(humectants) 및 가시 염료를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 공정 도움이 미립자 물질, 수성 유체 또는 모두 포함하여 추가될 수 있다. 본 발명은 또한 상기 물질 시스템을 사용하는 방법 및 본 발명의 방법에 의해 만들어진 물품에 관한 것이다. 본 발명의 물질 시스템 및 방법은 원형 물품의 형성에 제한되지 않고 원형 물품을 포함한 사무실 환경안에 있는 외관 모델과 작은 수의 기능성 부품을 제조하는데 사용되어질 수 있다. 여기서 사용되는 "원형 물품"이란, 뼈와 같이 비교적 쉽게 생산된 모델 또는, 단순함, 속도 및 경제성의 목적으로 생산 부품이 제조되는 물질과는 전혀 다른 물질로 만들어진 기어, 베어링, 샤프트 등과 같은 생산 부품을 대표하는 것을 정의하는 것을 의미한다. 고속 원형은 일반적으로 기술 분야에 알려져 있다.
회반죽은 종종 파리의 회반죽이 만들어지는 미네랄 석고가 풍부하게 포함된파리 및 그 주변 지역의 토양으로부터 유래된 "파리의 회반죽"으로 불리운다. 회반죽은 다양한 상품명 뿐만 아니라 황산 석회, 반수화한 황산 칼슘, 주조 회반죽, 석고 회반죽, 수화된 황산 석회, 수화된 황산 칼슘 및 치과의 회반죽을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 많은 다른 이름으로도 불리워진다. 여기서 사용되는 "회반죽"이라는 용어는 수성 유체의 적용 전에 분말 형태인 CaSO4ㆍ½H2O의 상당량을 포함하는 다양한 물질을 정의하는 것을 의미한다. "수화된 회반죽" 및 "세트 회반죽"은 여기서 교환적으로 사용되며 셋팅 또는 재수화 후에 CaSO4ㆍ2H2O의 상당량을 포함하는 다양한 회반죽을 포함하는 것을 의미한다. 예를 들면 구조 강도, 셋팅에 필요한 시간 및 셋팅동안 일어나는 부피 변화에 있어 다양한 많은 종류의 회반죽이 상업적으로 이용 가능하다. 전형적으로 상업적으로 이용 가능한 회반죽은 실리카, 분말 석회석, 녹말, 테라 알바(Terra Alba) 및 석회와 같은 요소를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 본 발명에 적합한 상업적으로 이용 가능한 회반죽 물질의 예로는 주조 회반죽, 소조 회반죽 및 스패클링(spackling) 화합물 뿐만 아니라 백색 수화 시멘트, 듀라본드(durabond) 90 및 드라이스톤(drystone)[각각 일리노이주 시카고에 있는 미국 석고(U.S. Gypsum)에서 이용 가능]을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
177°C (350°F) 에서 하소할 때, 석고는 물 결정의 상당량을 잃고 회반죽으로 전환된다. 탈수화 또는 석고의 "하소"는 아래의 반응식(1)에 따라 진행된다.
2(CaSO4ㆍ2H2O) + heat → (CaSO4)2ㆍH2O + 3H2O ↑ (1)
종래의 회반죽 과정은 물에 포화되고 전형적으로 30분이 걸리는 "셋 업(set up)" 을 위해 주형에 부어지는 슬러리(slurry)를 형성하기 위해 회반죽과 물을 활발하고 완전하게 혼합하는 것을 포함한다. 회반죽이 물과 혼합된 후에, 작은 양의 회반죽은 녹지 않고 남겨진 입자들과 함께 결합하면서 결정화하고 서로 결합한다. 결정의 결합은 세트 회반죽의 궁극적인 물리적 강도에 상당 부분 책임이 있다. 종래 회반죽이 셋 업되는 기간동안, 회반죽 셋팅에 대한 어떤 물리적 장애도 최소화되어야 하며, 그렇지 않는다면 석고의 작은 결정들이 완전하게 결합되지 않기 때문에 회반죽은 잠재적 최대 강도를 달성할 수 없을 것이다. 충분한 물과 혼합될 때, 회반죽은 석고의 하소 전에 가졌던 물의 1½부분을 회복하고 석고와 실질적으로 동일한 성분으로 된 고체 물질로 세트된다. 적당히 하소될 때 회반죽은 찬물에서 충분히 불용이고 따뜻한 물에서 약간 녹는다. 예를 들면, 실온에서 대략 회반죽 1 부분이 물의 약 400 부분에서 녹는다. 물과 혼합된 이후 회반죽의 재수화 또는 재결정은 "셋팅"이라 불려지고 다음 식 (2)에 따라 진행된다:
(CaSO4)2.H2O + 3H2O → 2(CaSO4.2H2O) + heat (2)
도1에 도시된 바와 같이 회반죽에 기인한 물품의 강도는 약 93%의 자유 수분이 제거된 후에 대체로 증가한다. 그러므로 결정화 또는 셋팅 이후에 결정화에 필요한 양 이상의 모든 물은 최종품의 강도를 증가시키기 위해 가속된 건조 또는 자연적이며 느린 수분의 증발에 의해 제거된다. 여분의 물이 제거되는 시간은 회반죽의 형태, 회반죽과 물과의 비율, 대기 수분, 온도 및 공기 순환에 따라 달라질 것이다.
상기된 바와 같이, 본 발명의 물질 시스템은 회반죽을 포함하는 미립자 물질과 수성 유체의 혼합물을 포함한다. 본 발명의 목적을 위해, "미립자 물질"은 상당한 양의 회반죽을 포함하여 가속기, 접착제, 유율 강화기, 휴멕탄트, 가시 염료, 섬유 및 주입기와 같은 그러나 이에 제한되지는 않는 다른 물질을 추가적으로 포함할 수 있는 어떤 물질을 정의하는 것을 의미한다. 상기 및 다른 부가 요소의 예는 여기에 전체가 참고로 합체된 1996년 9월 4일 출원된 미국 출원 08/707,693호에서 발견될 수 있다. 일반적으로, 미립자 물질의 입자의 크기는 인쇄되는 층의 두께에 의해 제한된다. 즉, 입자는 바람직하게는 인쇄되는 층의 두께보다 대략 작다. 더 작은 입자를 사용하는 것은 더 작은 외관, 크기, 얇은 층을 사용하는 능력 및 기술 분야에서 "계단 오르기" 효과로 알려진 것을 감소시키기 위한 능력과 같은 장점을 제공할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 물질 시스템은 평균 직경의 범위가 약 10 ㎛ 에서 약 30 ㎛까지 바람직하게는 약 10 ㎛에서 약 100 ㎛까지 더욱 바람직하게는 약 10 ㎛에서 약 50μm까지인 입자을 가지는 미립자 물질을 포함한다.
세트 회반죽의 궁극적 경도와 물리적 강도를 결정하는 가장 중요한 인자 중의 하나는 일반적으로 회반죽과 물의 비율이다. "무거운" 혼합은 회반죽에 대해 작은 물의 비율로 구성되는데 회반죽에 대해 충분한 양의 물이 사용되는 "보통" 혼합으로부터 만들어진 세트 회반죽보다 더 단단하고 무거운 세트 회반죽을 가져온다. 일반적으로 결정화를 위해 100 부분의 회반죽에 대해 약 20 부분의 물이 요구되지만, 회반죽/물 혼합의 만족스런 주입을 달성하기 위해 보통 더 많은 물이 추가된다. 예를 들면, 주입에 적합한 전형적인 회반죽/물 혼합물은 셋팅 후의 회반죽 물품 안에 약 40 부분의 "자유" 수분을 남겨둔 채 100 부분의 회반죽에 대해 약 60 부분의 물의 비율을 포함할 수 있다.
본 발명의 목적을 위해 여기서 사용되는 "수성 유체"는 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 결정되는 미립자 물질에 포함된 회반죽을 완성하기 위한 충분한 물을 포함하는 어떤 유체를 정의하는 것을 의미한다. 일반적으로 회반죽에 대한 물의 비율의 증가는 최종품의 강도를 증가시킨다. 그러므로, 미립자 물질 층에 인쇄된 수성 유체의 양을 최대화하는 것은 최종품의 강도를 일반적으로 증가시키지만, 때로는 인쇄 물품 안의 찌그러짐의 증가되는 양 및/또는 심각성의 댓가를 치룬다. 여기서 사용되는 "찌그러짐"은 구부러짐, 케이킹(caking) 및 블리딩(bleeding)을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 결과적으로, 회반죽에 대한 물의 비율은 바람직한 인쇄 속도 및 허용 가능한 최종품의 찌그러짐의 양을 포함하는 여러가지 요인에 의해 실제적으로 제한된다. 이론적으로 100%의 물이 수성 유체로서 인쇄될 수 있으나, 실제적으로는 노즐이 막힐 수 있다. 그러므로, 회반죽과 반응하기 위한 충분한 양의 물을 유지하면서 수성 유체의 다양한 공정 도움을 포함하는 것이 바람직할 것이다. 바람직하게는 수성 유체에 포함된 물의 양은 약 20% 내지 약 100%의 범위이지만, 유체의 무게의 약 5% 내지 약 99%의 범위가 양호하다. 미립자 물질에 인쇄된 수성 유체의 비율은 바람직하게는 약 5% 내지 약 75% 의 범위이며, 더 바람직하게는 모든 구멍 공간을 포함하여 미립자 물질의 부피에 의해 약 30% 내지 약 70%까지 범위이다.
어떤 순간에는 매우 작은 형상을 인쇄하는 것이 바람직할 수 있다. 인쇄될 형상의 크기는 노즐로부터 분배된 액적의 크기에 의해 부분적으로 결정된다. 일반적으로, 더 작은 노즐은 더 작은 액적 및 더 작은 인쇄될 형상을 가진다. 그러나, 미립자 물질의 층 위에 인쇄된 물의 부피가 감소됨에 따라 더 작은 노즐은 인쇄 속도를 감소시키고 막힘이 또한 발생할 수 있다. 노즐 막힘 발생은 더 큰 액적을 분해하는 더 큰 노즐을 사용함으로써 방지될 수 있다. 다시, 노즐 및 액적의 크기는 최종품의 허용가능한 찌그러짐의 양에 의해 실제적으로 제한된다. 바람직하게는 수성 유체의 각각의 액적은 약 30pl 에서 약 200pl까지의 부피 범위를 가진다. 2개의 상업적으로 이용 가능한 인쇄 헤드는 약 70pl에서 약 90pl까지 및 약 110pl에서 약 130pl까지의 범위의 액적 크기를 제공한다. 전형적으로, 본 발명의 물질 시스템과 방법은 약 75-125 ㎛ 정도의 형상을 생산할 수 있으나, 액적 크기를 변화시킴으로써 더 작은 또는 더 큰 형상이 달성될 수 있다.
일단 수성 유체가 미립자 물질 층에 인쇄되면, 아래에 더욱 상세하게 기술되는 과정, 수성 유체에 함유된 물은 즉시 증발하고 그것이 인쇄된 지점으로부터 발산하기 시작한다. 상기 층에 인쇄되는 수성 유체의 양을 최대화하는 것은 유체가 반응이 일어나는 차량처럼 움직이기 때문에 증발되고 떠나기 전에 유체로부터 회반죽의 재수화를 위한 충분한 물이 나올수 있는 것을 확실하게 해준다. 수성 유체는 유체 액적의 수배 질량만큼 해당되는 양의 미립자 물질을 함께 결합시킬 수 있다. 미립자 물질로 확장되거나 이동하는 각각의 액적의 양은 물과 회반죽의 반응 속도를 포함하는 많은 인자들에 의해 좌우되고 미립자 물질 및/또는 수성 유체에 대한 부가 요소의 추가에 의해 영향받기도 한다.
다른 실시예에서, 미립자 물질, 수성 유체 또는 이들 모두는 하나 또는 그 이상의 공정 도움을 포함한다. 예를 들면, 본 발명에서 회반죽은 가능한 빨리 세트된다는 것이 필수적이다. 그러므로, 빠른 셋팅을 수행하기 위해 가속기가 종종 이용된다. 여기서 사용되는 "가속기"는 회반죽이 세트되는 속도를 증가시키는 어떤 물질을 정의하는 것을 의미한다. 회반죽의 속도를 가속하기 위한 방법의 예는 물속에 녹는 회반죽의 용해도를 증가시키거나 결정 형성을 위한 추가적인 핵 형성 자리를 제공함에 의한 것이 포함되지만, 이에 제한되지는 않는다. 가속기는 회반죽의 강도 특성에 역으로 영향을 줄 수도 있어 일반적으로 종래의 회반죽 공정에서는 희박하게 사용된다. 그러나, 본 발명에서는 회반죽을 빨리 세트한다는 중요성 때문에 가속기가 바람직하다. 적합한 가속기는 테라 알바(Terra Alba), 황산 칼륨, 염화 나트륨, 하소된 회반죽, 알루미늄 또는 칼륨 알루미늄, 석회 및 하소된 석회를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 천연 지면 석고인 테라 알바는 바람직한 가속기이고 석고 결정 형성을 위한 부가적인 핵 형성 자리를 제공함으로써 작용한다. 다른 바람직한 가속기는 황산 칼륨인데, 이는 물 속에서 회반죽의 용해도를 증가시킴으로써 작용하는 것으로 생각된다. 테라 알바와 황산 칼륨은 또한 물품의 최종 강도를 증가시킨다. 한 실시예에서, 회반죽이 세트되는 속도를 증가시키기 위해서 미립자 물질 또는 수성 유체에 적어도 하나의 가속기가 바람직하게는 추가된다. 다른 실시예에서, 회반죽이 세트되는 속도를 증가시키기 위해서 미립자 물질 및 수성 유체에 적어도 하나의 가속기가 바람직하게는 추가된다. 일반적으로 미립자 물질에 대한 가속기의 비율은 회반죽의 종류에 따라 결정된다. 바람직한 실시예에서, 가속기가 미립자 물질에 추가될 때 미립자 물질의 무게의 바람직하게는 약 5% 미만의 양이고 더 바람직하게는 약 3% 미만의 양이며 더욱 바람직하게는 약 2% 미만의 양이다. 가속기가 수성 유체에 추가될 때 수성 유체의 무게의 바람직하게는 약 5% 미만의 양이 더 바람직하게는 약 3% 미만의 양이며 더욱 바람직하게는 약 2% 미만의 양으로 추가된다. 가속기가 미립자 물질 및 수성 유체 모두에 추가될 때 전술한 것과 같은 비율이 바람직하다.
본 발명에서는 회반죽이 가능한 빨리 세트되는 것이 중요하기 때문에 방해 물질(감속기)의 추가는 피해야 한다. 회반죽이 세트되는 속도를 늦추는 것은 충분한 회반죽과 물이 반응하기 전에 너무 많은 수성 유체가 나가거나 물을 증발하게 한다. 그러한 방해 물질의 예로는 붕사, 마쉬멜로우 뿌리, 알코올, 하소된 석회, 설탕, 수수류, 칼륨산 주석산염, 분말된 뿔, 머리카락, 여러가지 유기체 물질 및 구연산 또는 초산을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
다른 실시예에서, 미립자 물질, 수성 유체 또는 양쪽 모두는 접착제 또는 접착제의 조합을 포함할 수 있다. 접착제와 회반죽은 상호 상승 작용을 하여 개개의 물질보다 더 강한 부품을 형성한다. 한 실시예는 최종품의 강도 및 인성을 향상시키기 위하여 미립자 물질 또는 수성 유체에 추가된 적어도 하나의 접착제를 포함한다. 다른 실시예에서는, 적어도 하나의 접착제가 미립자 물질 및 수성 유체에 추가된다. 여기서 사용되는 "접착제"는 수성 유체의 임의의 성분 속에 또는 열에 의해 적어도 약간 녹고 바람직하게는 상당히 녹고 활성화되며, 용해 또는 활성화 전에 적어도 분리되는 물질 입자 사이의 이차 결합을 형성하는 물질을 정의하는 것을 의미한다. 수성 유체의 추가 전에 분리되는 물질의 입자 사이의 주요한 결합은 석고 결정 결합으로 이해되어야 하며, 이는 최종품에 큰 강도를 또한 제공한다. 접착제는 최종품의 품질 및 강도에 기여하기 때문에 접착제의 특별한 종류, 등급 및 입자 사이즈의 선택이 중요하다. 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 일상 경험을 통해 적합한 접착제를 선택할 수 있을 것이다. 미립자 접착제는 전형적으로 약 170 메시(mesh)보다 작고 바람직하게는 약 175메시 보다 작은 소망하는 크기로 걸러지거나 잘게 부숴질 수 있다.
바람직하게는 접착제 또는 접착제의 조합은 적어도 물에 부분적으로 녹고 더 바람직하게는 상당히 물에 녹는다. 회반죽 및 수용성 접착제 사이의 본 발명의 기술에는 접착제 용액으로부터 셋팅 회반죽이 물을 끌어내어서 접착제를 더욱 빠르게 세트시키는 상승 작용의 관계가 있는 것으로 보인다. 수성 유체가 용해되고 부분적으로 용해되고 활성화되고 또는 접착제와 반응하면서 수성 유체의 점성은 급속하게 증가하여 충격의 시작점으로부터 수성 유체의 추가적인 이동을 막는다. 수분 내에 접착제가 용해된 수성 유체는 단지 약간 용해된 회반죽 입자 및/또는 결정화된 석고 결정에 침투하여 그들 사이에 접착제 결합을 형성한다.
상기에 언급된 바와 같이, 접착제 또는 접착제들은 미립자 물질 및/또는 수성 유체에 추가될 수 있다. 본 실시예에서 접착제는 바람직하게는 폴리비닐 알콜[polyvinyl alcohol(PVA)], 폴리비닐 피롤리돈[polyvinyl pyrrolidone(PVP)] 또는 덱스트린(dextrin) 과 같은 그러나, 이에 제한되지는 않는 수용성 수지이다. 최종품에 강도를 증가시키는 것에 더하여 수용성 접착제 수지의 추가는 또한 물에 의하거나 수용성 접착제에 의해 홀로 결합되는 부품과 비교하여 찌그러짐을 감소시킬 수 있다. 상기 언급한 접착제중 임의의 것이 미립자 물질에 추가될 때, 미립자 물질의 접착제의 양은 접착제 및 사용되는 회반죽의 종류에 따라 좌우되고 일상적인 실험에 의해 결정될 수 있다. 접착제 또는 접착제들의 조합이 미립자 물질에 추가되는 실시예에서, 미립자 물질의 무게의 약 50% 미만의 양이 추가되는 것이 바람직하고 약 20% 내지 약 40%의 양이 추가되는 것이 더욱 바람직하다. 접착제 또는 접착제들의 조합이 수성 유체에 추가될 때 유체의 무게의 약 10%의 비율로 추가되는 것이 바람직하다.
도2 및 도3을 참조하면, 본 발명의 물질 시스템을 사용하는 인쇄 방법의 개략도가 제공된다. 상기 방법에 따르면, 미립자 물질(20)의 층은 용기 하방으로 이동 가능한 표면(22) 위에 적용된다. 미립자 물질(20)의 층은 임의의 방법으로 형성될 수 있으며 바람직하게는 카운터-롤러를 사용하여 적용되어 이전에 적용된 임의의 층의 붕괴를 최소화한다. 본 발명의 원형 물품을 제조하는데 사용되는 개개의 층의 두께는 바람직하게는 약 12 ㎛ 내지 약 125 ㎛ 범위이고 더욱 바람직하게는 약 50 ㎛ 내지 약 125 ㎛범위이고 더욱 바람직하게는 역시 약 50 ㎛ 내지 약 75 ㎛ 범위이다. 이론적으로 사용되는 장치의 능력 외에 미립자 물질의 층의 두께에는 제한이 없다. 실제적으로 미립자 물질의 층은 아래에 기술된 대로 층으로 전달될 수 있는 수성 유체의 양에 의해 전형적으로 제한된다.
도3은 2차원 패턴으로 미립자 물질의 층(20)의 부분(30)에 다수의 수성 유체의 액적(26)을 전달하는 잉크-젯 노즐(28)의 개략도이다. 상기 방법에 따르면, 수성 유체(26)는 기술 분야에서 공지된 과정인 컴퓨터 도움 디자인(이하 "CAD")으로부터 데이터를 받는 상용화된 소프트웨어에 의해 구동되는 드랍-온-디맨드(Drop-On-Demand)(이하"DOD") 인쇄 헤드와 같은 편리한 메커니즘을 사용하여 소정의 2차원 패턴(도면에서 오직 설명의 목적을 위해 원형인)으로 미립자 물질의 층에 전달되거나 인쇄된다. 미립자 물질 층의 제1부분(30)에서 미립자 물질 층에 포함된 회반죽과 수성 유체에 포함된 물 사이에서 반응이 시작되어 회반죽의 재수화를 야기한다. 수성 유체 및 미립자 물질의 반응 생성품은 최종품의 단면 부분이 되는 본질적으로 고체 원형 층을 형성한다.
수성 유체에 노출되지 않는 임의의 불용해 또는 미반응 미립자 물질(32)은 이동 가능한 표면 위에 느슨하고 자유-흐름으로 남겨진다. 바람직하게는, 불용해 또는 미반응 물질은 최종품의 형성이 완료될 때까지 제자리에 남는다. 느슨한 미립자 물질을 제자리에 남기는 것은 오버행스(overhangs), 언더컷(undercuts) 및 캐비티(cavities)(도시되지는 않았지만 종래의)와 같은 형상 지지 구조의 사용없이 정의될 수 있도록 하며 과정 중 물품을 지지하는 것을 확실하게 한다. 최종품의 제1 단면 부분의 형성 후에 이동 가능한 표면이 아래에 표시된다.
예를 들면 카운터-롤링 메커니즘을 사용하여 미립자 물질의 제2층이 단단한 제1 단면 부분(30) 및 그것을 둘러싸는 임의의 느슨한 미립자 물질을 덮으면서 제1층 위에 적용된다. 수성 유체의 제2 적용은 최종품의 제1 단단한 단면 부분에 추가되는 제2 단단한 단면 부분을 형성하기 위해 경화할 뿐만 아니라 새롭게 인쇄된 층의 회반죽 및 이전 단면 부분의 일 부분의 회반죽과 함께 반응하는 상기의 방법에 따른다. 이동 가능한 표면은 다시 하방으로 표시된다. 미립자 물질의 층을 적용하고 수성 유체를 적용하며 이동 가능한 표면 하방으로 표시하는 이전 단계는 최종품이 완성될 때까지 반복된다. 대안으로 이 기술 분야에서 당업자라면 연속적으로 적층하고 부드럽게 하고 그러한 일련의 층을 인쇄함으로써 움직일 수 없는 플랫폼으로부터 어떻게 상층의 물품을 제조하는지 알 수 있다. 도4는 완전히 형성된 후의 최종 원통형 물품의 개략도이다. 과정 끝에서 최종품(38)의 오직 상부 면(34)만을 용기에서 볼 수 있다. 최종품은 바람직하게는 불용성 및 미반응 미립자 물질의 베드(36)에 완전히 담궈지고, 다수의 본질적으로 고르게 배분된 층으로부터 제조된다.
도5는 바람직하게는 바람 또는 진공에 의해 불용성 및 미반응 미립자 물질을 제거한 후의 최종 원통형 물품(38)의 개략도이다. 최종품(38)으로부터 불용성 및 미반응 물질이 제거된 후, 청소, 안정 물질의 침투, 페인팅 등을 포함하는 후-과정 처리가 수행될 수 있다.
최종품이 형성된 후, 임의의 추가적인 물 또는 자유 수분은 인쇄 물품의 강도를 증가시키기 위해 제거되어야 한다. 전술한 바와 같이, 회반죽의 강도는 약 93%의 자유 수분이 제거될 때까지 단지 서서히 증가하다가 그 후에 급격이 증가한다. 요구되지는 않지만 과잉 수분은 일반적으로 약 177°C(350°F)를 한계로 하여 적어도 약 52°C(125°F)의 온도로 건조시킴으로써 최종품으로부터 제거될 수 있다. 만약 접착제가 물품에 합체되면, 사용되는 접착제에 따라 결정되는 더 높은 건조 온도가 사용될 수 있다. 알반적으로 접착제가 사용될 때, 최종품의 굴곡 강도는 열을 받는 시간의 양에 따라 증가한다.
최종품이 세트되고 모든 느슨한 주위 회반죽이 제거된 후, 물품은 경도, 강도 또는 인성을 향상시키기 위해 다양한 물질로 침투될 수 있다. 이러한 마무리는 표면 마무리를 개선하고 물이나 용제에 대해 더욱 불침투성이 되게 하면서 부품의 임의의 구멍을 채울 수 있다. 적합한 하드너(hardner)는 녹는 왁스, 바니쉬(varnish), 락커(lacquer), 시아노 아크릴레이트(cyanoacrylate), 폴리 우레탄 및 에폭시를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 물질 시스템 및 방법을 사용해서 형성된 최종품은 미립자 물질과 수성 유체의 반응 생성품의 다수의 고르게 배분된 층을 포함할 것이다. 미립자 물질과 수성 유체의 반응 생성품은 사용되는 미립자 물질에 따라 달라지는 수화된 회반죽의 상당한 양을 바람직하게는 포함한다. 바람직한 실시예에서, 반응 생성품은 가속기, 접착제 또는 양쪽 모두를 포함할 수도 있다. 반응 생성품이 접착제를 포함할 때, 접착제 입자는 미립자 물질에 포함된 입자들의 적어도 한 부분에 접착할 것이다. 본 발명의 방법과 관련하여 상술한 바와 같이 반응 생성품 층은 바람직하게는 각각 약 125㎛ 미만 범위의 두께를 가지고, 더 바람직하게는 약 12㎛에서 약 125㎛까지, 더욱 바람직하게는 약 50㎛에서 약 125㎛까지 그리고 더욱 바람직하게는 약 50㎛에서 약 75㎛의 두께를 가진다. 약 125㎛ 미만의 두께를 가지는 층에 대해서, 층의 균일성은 전형적으로 약 0.001"보다 작게 변한다. 본 발명의 물품의 굴곡 강도는 무엇보다도 미립자 물질과 수성 유체의 배합, 회반죽에 대한 물의 비율 및 임의의 첨가제의 양에 따라 좌우된다. 실제적으로 물품의 강도는 오직 깨짐없이 물품을 다루기 위해 요구되는 최소 강도에 의해 제한된다. 최종품의 바람직한 굴곡 강도는 형성되는 물품의 종류에 따라 좌우되지만, 전형적으로 적어도 약 1Mpa, 더 바람직하게는 적어도 약 5Mpa, 그리고 더욱 바람직하게는 적어도 약 10Mpa이다. 어떤 적용에 있어서는 1Mpa보다 작은 굴곡 강도로 충분할 수 있다.
본 발명의 미립자 물질에 적합한 회반죽을 고르는 것은 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 일상적인 실험에 의해 쉽게 수행될 수 있는 다양한 질적인 평가를 포함한다. 첫째로, 회반죽의 작은 마운드(mound)가 형성되고, 작은 침하(depression)가 마운드에 형성되며, 소량의 물이 상기 침하에 위치 한다. 무엇보다도 물이 회반죽에 확산되는 속도, 물과 혼합 후의 회반죽의 점성 및 물 주위에 멤브레인(membrane)이 형성되는지의 여부에 관하여 시각적 관찰이 이루어진다. 다음으로, 물로 채워진 주사기가 회반죽의 마운드을 소사하는데 사용된다. 약 24시간 후에, 회반죽의 마운드가 시험된다. 회반죽은 물이 주위의 건조 분말로 증발 또는 확산하지 못하게 할 만큼 충분히 빠르게 반응하지 않았기 때문에 그로부터 전부의 물이 증발하는 것은 적합하지 않다. 회반죽과 물은 물이 주위의 건조 분말로 증발 또는 확산되는 것보다 더 빠르게 반응하기 때문에 그것들 안에 형성된 수화된 회반죽의 페블스(pebbles)가 더 적합하다. 수화된 회반죽의 페블스와 로드(rods) 모두가 형성되는 것이 가장 적합하다는 것은 물과 회반죽의 반응 속도가 물이 주위의 건조 분말로 증발 또는 확산하는 속도보다 빠르다는 것을 보여준다. 어떤 경우에 있어서, 수화된 회반죽의 로드는 수축되어 회반죽이 찌그러짐의 문제를 발생하는 것을 가리킬 것이다. 상술한 바와 같이, 다양한 첨가제가 회반죽이 세트되는 속도를 가속시키기 위해 미립자 물질 및/또는 수성 유체에 포함될 수 있다.
회반죽은 퍼짐의 용이를 결정하도록 평가될 수도 있다. 단순 시험 부품이 무엇보다도 굴곡 강도, 찌그러짐, 셋팅 속도, 최적 층 두께 및 회반죽에 대한 물의 최적 비율(또는 미립자 물질에 대한 수성 유체)을 결정하도록 형성될 수도 있다.
3DPTM 방법에 사용되기에 적합한 물질 시스템은 비교적 높은 굴곡 강도 뿐만 아니라 최소의 찌그러짐을 가지는 반응 생성품을 구비하는 것들을 포함한다. 즉, 높은 굴곡 강도의 값을 가지는 반응 생성품은 3DPTM 방법의 사용에 적합하지 않을 수 있는데, 왜냐하면 찌그럼짐은 비교적 좋은 형상이 소망되는 곳에 특별히 적용될 수 있는 완성 인쇄 물품의 정확도를 떨어뜨릴 가능성이 있기 때문이다.
예
적격 심사의 목적으로 물질 시스템의 굴곡 강도를 평가하기 위해 형성되고 사용될 수 있는 시험 부품의 종류를 "브레이크 바(breake bar)"로 부른다. 여기서 사용되는 브레이크 바는 유체가 몇 개의 층에 침투할 때까지 수성 유체의 연속적인 적용이 만들어지는 곳에 미립자 물질의 연속적인 층을 퍼뜨림으로써 형성된다. 브레이크 바는 그런 다음 세트되도록 허용된다. 이러한 바는 5.08 mm(0.2")스트립으로 톱질된다. 물질의 굴곡 강도는 시험 장치로 바를 끊음으로서 메가 파스칼(MPa)의 단위로 결정된다. 물질 시스템의 질적인 평가는 찌그러짐에 대해 부품을 시각적으로 관찰하는 것을 또한 포함한다.
예 1-3
여러가지 물질이 상술한 바와 같이 적격 심사되고 브레이크 바를 형성하기 위해 사용되었다. 브레이크 바 시험의 결과가 표1에 도시된다. 4 가지의 서로 다른 형태의 회반죽 또는 미립자 물질이 사용되었다. 예1에 사용된 수성 유체는 약 95%의 물과 약 5%의 휴멕탄트, 글리세롤을 포함했다. 가속기가 예에서 사용되는 수성 유체에 추가 되어 약 92%의 물과 약 5%의 글리세롤 및 약 3%의 가속기 황산 칼륨을 포함했다. 대부분의 경우, 수성 유체의 추가는 예1 및 예2의 굴곡 강도 측정을 비교함으로써 보여진 대로 물질의 굴곡 강도를 개선시켰다.
표 1
미국 석고 화이트 하이드로칼(White Hydrocal)시멘트 미국 석고 듀라본드90 케르(Kerr) 벨믹스 다이에스톤 (Vemix Diestone) 미국 석고 드라이스톤(Drystone)
예1 0 0.58 0.21 0.41
예2 1.14 0.96 0.63 0.35
예3 2.38
예3에서 사용된 수성 유체는 예2에서 사용된 것과 같은 것이었다. 가속기, 테라 알바가 예1 및 예2로부터 가장 높은 굴곡 강도를 가지는 세트 회반죽에 추가되었다. 회반죽에 대한 가속기의 추가는 표1에 도시된 바와 같이 굴곡 강도를 약 2배로 만들었다.
예 4-6
다음의 실험은 본 발명의 미립자 물질의 수성 유체의 활성화에 의한 부품의 형성 및 미립자 물질 또는 수성 유체에 다른 과정 도움 뿐만 아니라 다양한 가속기 및/또는 접착제를 추가한 결과를 보여준다. 예4는 본 발명의 물질 시스템에 대한 가속기 추가의 영향을 나타낸다. 도5 및 6은 본 발명의 물질 시스템에 대한 접착제 추가의 영향을 나타낸다.
예4-6에서 브레이크 바는 부품의 두께가 약 6 mm 에 이를 때까지 수성 유체의 연속적인 적용이 이루어지는 미립자 물질의 연속적인 층을 펼침으로써 형성되었다. 브레이크 바는 세트되도록 되고 물질의 굴곡 강도는 시험 장치로 바를 끊음으로써 메가 파스칼(MPa)의 단위로 결정되었다. 휨이 브레이크 바의 50.8 mm(2 인치)당 "아칭(arching)"의 양을 측정함으로써 또한 결정되었다.
미립자 물질의 정의를 결정하기 위해 사용되는 제2 시험 부품은 "디파우더링(depowdering)" 바로 불리워지고 브레이크 바와 같은 방법으로 약 6mm의 두께로 인쇄되었다. 이 실험에서 사용된 디파우더링 바는 다양한 직경을 가진 19개 구멍을 포함했다. 디파우더링 바 부품의 인쇄가 완성될 때 결합되지 않은 분말은 구멍에 남아 있었다. 압축 공기의 분사가 구멍으로부터 결합되지 않은 분말을 불어내는데 사용되었다. 분말을 청소하는 구멍이 많아질수록, 미립자 물질의 정의는 더 수용 가능하게 된다.
예 4
1킬로 그램의 미립자 물질이 표 2에 도시된 물질과 비율을 사용하여 준비되었다. 접착제는 회반죽 및 가속기와 함께 손으로 섞기 전에 170 메시 스크린을 통하여 양동이로 여과되었다. 회반죽 및 가속기를 손 섞기한 후에 상기 혼합물은 7.57리터(2갤론)의 혼합 용기와 함께 와링 모델(Waring Model) 34BL22 상업적 혼합기에 놓여져서 30초 동안 "고(high)"로 혼합되었다. 그런 다음 결과적으로 혼합된 혼합물은 덩어리를 제거하기 위해 50메시 스크린을 통해 여과되었다.
표 2
성분 퍼센트 물질/상표명 제조사
회반죽 79.2 화이트 하이드로칼 시멘트 미국 석고
가속기 20.0 덱스트린 스탤리/스타-드리5(Staley/Star-dri5)
가속기 0.8 테라 알바 미국 석고
약 2리터의 수성 유체가 표3에 도시된 양을 사용하여 준비되었다.
표 3
성분 퍼센트 물질/상표명 제조사/등급
물 86.2 증류 폴랜드 스프링(Poland Spring)
휴멕탄트 6.0 글리세롤 알드리치(Aldrich)
유율 강화기 5.0 PVP 알드리치(Aldrich)
가속기 2.0 황산 칼륨 알드리치(Aldrich)
PVP의 용해도 강화기 0.5 이소프로필 알콜 오스코 드러그(Asco Drug)
유율 강화기 0.3 에틸 낙산 알드리치(Aldrich)
브레이크 바와 2개의 디파우더링 바는 미립자 혼합물 및 수성 유체로부터 형성되었다. 브레이크 바 강도는 약 18.5MPa이었다. 브레이크 바는 0.0254mm(0.001")의 휘는 찌그러짐을 가지고 모서리는 비틀려졌다. 디파우더링 바는 약 0.0762mm[3밀(mil)]의 두께를 가진 층과 함께 분말에 대한 수성 유체의 비율이 부피로 약 47%의 비율로 인쇄되었다. 느슨한 분말은 두개의 디파우더링 바 각각의 10/19 및 11/19 구멍으로부터 제거되었다.
상기 결과는 브레이크 바 강도에 대해 미립자 물질 및 수성 유체 양쪽에 가속기 및 접착제를 추가하여 얻는 상승 효과를 보여준다. 그러나 물질 시스템은 인쇄 후의 찌그러짐 때문에 최적은 아니었다.
예 5
1킬로 그램의 미립자 물질이 표4에 도시된 성분과 비율을 사용하여 준비되었다. 접착제는 회반죽 및 가속기와 함께 손으로 섞기 전에 170 메시 스크린을 통하여 양동이로 여과되었다. 회반죽 및 가속기를 함께 손 섞기한 후에 상기 혼합물은 7.57리터(2갤론)의 혼합과 함께 와링 모델 34BL22 상업적 혼합기에 놓여졌다.
표 4
성분 퍼센트 물질/상표명 제조사
회반죽 62.4 화이트 하이드로칼 시멘트 미국 석고
접착제 30.0 PVA 에어 프라덕트/에어볼 203s(Air Products/Airvol 203s)
접착제 7.0 덱스트린 스탤리/스타-드리5
가속기 0.6 테라 알바 미국 석고
약 2리터의 수성 유체가 표5에 도시된 양을 사용하여 준비되었다. 유율 강화기 및 휴멕탄트가 깨끗한 저그(jug)에 추가되고 증류수가 따르며 상기 저그는 성분이 용해될 때까지 덮여지고 흔들어졌다.
표 5
성분 퍼센트 물질/상표명 제조사/등급
물 86.5 증류 폴랜드 스프링
휴멕탄트 6.0 글리세롤 알드리치
유율 강화기 5.0 PVP 알드리치
가속기 2.0 황산 칼륨 알드리치
PVP의 용해도 강화기 0.5 이소프로필 알콜 오스코 드러그
브레이크 바와 2개의 디파우더링 바는 상술한 바와 같이, 미립자 혼합물 및 수성 유체로부터 형성되었다. 브레이크 바의 강도는 상당한 찌그러짐 없이 약 12MPa이었다. 디파우더링 바는 약 0.0762mm(3밀)의 두께를 가지고 인쇄되고 미립자 물질에 대한 수성 유체의 비율이 약 56%의 비율인 층으로 인쇄되었다. 느슨한 분말은 두개의 디파우더링 바 각각의 11/19 및 13/19 구멍으로부터 제거되었다.
예5의 결과는 다시 브레이크 바 강도에 대해 미립자 물질 및 수성 유체 양쪽에 가속기 및 접착제를 추가하는 상승 효과를 다시 보여준다. 그러나 물질 시스템은 인쇄 후의 찌그러짐 때문에 최적은 아니었다.
예 6
1킬로 그램의 미립자 물질이 표 6에 도시된 물질과 비율을 사용하여 준비되었다. 접착제는 회반죽 및 가속기와 함께 손으로 섞기 전에 170 메시 스크린을 통하여 양동이로 여과되었다. 회반죽 및 가속기를 손 섞기한 후에 상기 혼합물은 2갤론의 혼합 용기와 함께 와링 모델 34BL22 상업적 혼합기에 놓여져서 30초 동안 "고(high)"로 혼합되었다. 그런 다음 결과적으로 혼합된 혼합물은 덩어리, 머리카락, 먼지등을 제거하기 위해 50메시 스크린을 통해 여과되었다.
표 6
성분 퍼센트 물질/상표명 제조사
회반죽 79.2 화이트 하이드로칼 시멘트 미국 석고
접착제 17.5 덱스트린 스탤리/스타-드리5
접착제 2.5 셀룰로오즈 젤 에프엠시 아비셀 아르시엔-30(FMC Avicel RCN-30)
가속기 0.8 테라 알바 미국 석고
약 2리터의 수성 유체가 표7에 도시된 양을 사용하여 준비되었다. 가속기, 2개의 유율 강화기, 휴멕탄트 및 유율강화기의 용해도 증가를 위한 물질이 깨끗한 저그(jug)에 추가되고 증류수가 따르며 상기 저그는 성분이 용해될 때까지 덮여지고 흔들어졌다.
표 7
성분 퍼센트 물질/상표명 제조사/등급
물 86.2 증류 폴랜드 스프링
휴멕탄트 6.0 글리세롤 알드리치
유율 강화기 5.0 PVP 알드리치
가속기 2.0 황산 칼륨 알드리치
PVP의 용해도 강화기 0.5 이소프로필 알콜 오스코 드러그
유율 강화기 0.3 에틸 낙산 알드리치
브레이크 바와 2개의 디파우더링 바는 상술한 바와 같이 미립자 혼합물 및 수성 유체로부터 형성되었다. 브레이크 바의 강도는 약 0.0508mm(2밀)의 찌그러짐과 함께 약 8.5MPa이다. 디파우더링 바는 약 0.0762mm(3밀)의 두께를 가지고 미립자 물질에 대한 수성 유체의 비율이 약 49%의 비율인 층으로 인쇄되었다. 느슨한 분말은 두개의 디파우더링바 각각의 8/19 및 7/19 구멍으로부터 제거된다.
예 7-8
예7-8에서 원형 보석류 물품은 예5 및 6에 사용된 물질 시스템을 사용하여 형성되었다. 인쇄된 원형 물품을 위한 공정은 이하에 상세히 기술된다.
예 7
상기 예 5에서 사용된 것과 같은 미립자 물질 및 수성 유체를 사용하여 물품은 Z402 3D 프린터(베타 버젼)를 사용하여 인쇄되었다. 보석류의 원형 조각을 위한 "제조"정보를 담고 있는 *.stl 화일은 시스템의 소프트웨어 인터페이스로 전달되었다. Z402 3DP 프린터는 실험4에서 사용된 미립자 물질로 채워졌다. 소프트웨어의 "인쇄" 버튼이 눌려지고 제조 공정이 개시되었다. 약 0.0762mm(3밀)의 두께를 가지는 미립자 물질의 단일층이 제조 상자의 유동 바닥 위에 적용된다. 약 70pl에서 약 90pl 까지의 액적 크기를 갖는 실험 4에 사용된 수성 유체는 원형 보석류 물품의 단면 모양을 형성하기 위해 미립자 물질의 층 위에 인쇄되었다. 제조 상자의 바닥은 단층의 두께에 의해 낮추어지고 분말의 새로운 층 펼쳐졌다. 상기 공정은 원형 물품의 연속적인 단면을 위해 반복되었다. 완성된 후, 제조 상자는 분말로 채워지고 그 중의 일부는 원형 물품을 형성하고 그 중의 일부는 느슨하게 되었다. 제조가 끝났을 때 여분의 분말은 진공으로 제거되고 물품은 보여지기 위해 베드로부터 올려졌다.
예 8
상기 예 6에서 사용된 것과 같은 미립자 물질 및 수성 유체를 사용하여 보석류 물품은 C2000 3DP 프린터를 사용하여 인쇄되었다. 보석류의 원형 조각을 위한 "제조"정보를 담고 있는 *.stl 화일은 시스템의 소프트웨어 인터페이스로 전달되었다. C2000 3DP 프린터는 실험 2에 사용된 미립자 물질로 채워졌다. 소프트웨어의 "인쇄" 버튼이 눌려지고 제조 공정이 개시되었다. 약 3밀의 두께를 가진 미립자 물질의 단일층이 제조 상자의 이동 가능한 바닥 위에 적용되었다. 약 110pl에서 약 130pl 까지의 액적 크기를 갖는 실험 5에 사용된 수성 유체는 원형 보석류 물품의 단면 모양을 형성하기 위해 미립자 물질의 층 위에 인쇄되었다. 제조 상자의 바닥면은 단일층의 두께에 의해 낮추어지고 분말의 새로운 층은 펼쳐졌다. 상기 공정은 원형 물품의 연속적인 단면을 위해 반복되었다. 완성된 후, 제조 상자는 분말로 채워지고 그 중의 일부는 원형 물품을 형성하고 그 중의 일부는 느슨하게 되었다. 제조가 끝났을 때, 여분의 분말은 진공으로 제거되어지고 물품은 보여지기 위해 베드로부터 올려졌다. 상기 물품은 모래가 뿌려지고 ZR10 시아노아크릴 수지에 의해 침투되며 실험 5의 시험 부품보다 더 단단한 마무리를 하기 위해 약 30분 동안 교정되었다.
이 기술 분야에서 당업자자라면 여기서 나열된 모든 변수는 예시적인 의미만을 가지고 실제 변수는 본 발명의 방법 및 물질이 사용되는 구체적 적용에 좌우된다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 예시된 실시예는 단지 예시의 방법으로 제공되며, 첨부된 청구항 및 그의 균등물의 범위 내에서 본 발명은 특별히 기술된 것과 다르게 실시할 수도 있음을 이해해야 할 것이다.

Claims (46)

  1. 회반죽을 포함하는 미립자 물질과,
    수성 유체와,
    적어도 부분적으로 수용성인 접착제와,
    가속기를 포함하는 혼합물의 반응 생성품을 포함하는 물품이며,
    상기 회반죽은 상기 수성 유체의 적어도 한 부분과 반응하여 수화된 회반죽을 포함하는 본질적인 고체 물품을 형성하고,
    상기 물품은 상기 반응 생성품의 본질적으로 고르게 배분된 다수의 층을 포함하는 물품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수성 유체가 상기 가속기를 구비하는 물품.
  3. 제2항에 있어서, 상기 수성 유체가 상기 수성 유체의 무게의 5% 미만의 상기 가속기를 구비하는 물품.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수성 유체가 상기 접착제를 구비하고, 상기 접착제는 상기 수화된 회반죽의 적어도 부분에 접착되는 물품.
  5. 제4항에 있어서, 상기 수성 유체가 상기 수성 유체의 무게의 10% 미만의 상기 접착제를 구비하는 물품.
  6. 제1항에 있어서, 상기 미립자 물질이 상기 가속기를 구비하는 물품.
  7. 제6항에 있어서, 상기 미립자 물질이 상기 미립자 물질의 무게의 5% 미만의 상기 가속기를 구비하는 물품.
  8. 제1항에 있어서, 상기 미립자 물질이 상기 접착제를 구비하고, 상기 접착제가 상기 수화된 회반죽의 적어도 부분에 접착되는 물품.
  9. 제8항에 있어서, 상기 미립자 물질이 상기 미립자 물질의 무게의 50% 미만의 상기 접착제를 구비하는 물품.
  10. 제1항에 있어서, 상기 미립자 물질 및 상기 수성 유체가 각각 가속기를 구비하는 물품.
  11. 제10항에 있어서, 상기 미립자 물질 및 상기 수성 유체가 각각 상기 접착제를 구비하고, 상기 접착제가 상기 수화된 회반죽의 적어도 부분에 접착되는 물품.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서, 상기 층 각각의 두께가 300㎛ 미만인 물품.
  16. 제1항에 있어서, 적어도 1MPa의 굴곡 강도를 갖는 물품.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 물품을 형성하는 방법이며,
    회반죽을 포함하는 미립자 물질의 제1층을 제공하는 단계와,
    적어도 부분적으로 수용성인 접착제 및 가속기를 추가적으로 포함하는 상기 제1층 상으로 수성 유체를 분배하는 단계와,
    상기 회반죽의 적어도 한 부분 및 상기 수성 유체의 적어도 한 부분이 적어도 부분적으로 고체 제1층을 형성하도록 반응하게 하는 단계와,
    상기 적어도 부분으로 고체 제1층 위에 상기 미립자 물질의 제2층을 제공하는 단계와,
    적어도 부분적으로 수용성인 접착제 및 가속기를 추가적으로 포함하는 제2층 상으로 상기 수성 유체를 분배하는 단계와,
    상기 제2층에 함유된 회반죽 및 상기 수성 유체의 적어도 한 부분이 제2층 내의 입자들이 반응하는 정도로 반응하게 하여 적어도 부분적으로 고체 제1층을 포함하는 본질적인 고체 물품을 형성하도록 하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 미립자 물질이 상기 가속기를 구비하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 미립자 물질이 상기 접착제를 구비하는 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 수성 유체가 상기 가속기를 구비하는 방법.
  23. 제19항에 있어서, 상기 수성 유체가 상기 접착제를 구비하는 방법.
  24. 삭제
  25. 제19항에 있어서, 125 ㎛ 미만의 두께를 가지는 층을 형성하도록 상기 입자들을 고르게 배분함으로써 상기 제1층 및 제2층을 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 미립자 물질을 포함하는 3차원 인쇄 조성물이며,
    상기 미립자 물질은,
    회반죽과,
    제1 접착제와,
    제2 접착제와,
    가속기를 포함하는 3차원 인쇄 조성물.
  30. 제29항에 있어서, 충전제(filler)를 더 포함하는 3차원 인쇄 조성물.
  31. 제29항에 있어서, 상기 가속기는 테라 알바(Terra Alba), 황산 칼륨, 염화 나트륨, 하소된 회반죽, 알루미늄, 칼륨 알루미늄, 석회 및 하소된 석회와 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 3차원 인쇄 조성물.
  32. 제29항에 있어서, 감속기를 더 포함하는 3차원 인쇄 조성물.
  33. 제32항에 있어서, 상기 감속기는 사중붕산염 10수화물 나트륨, 마쉬멜로우 뿌리, 알코올, 설탕, 수수류, 칼륨산 주석산염, 분말된 뿔, 머리카락, 구연산, 초산과 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 3차원 인쇄 조성물.
  34. 제29항에 있어서, 상기 제1 접착제는 덱스트린을 포함하는 3차원 인쇄 조성물.
  35. 제34항에 있어서, 상기 제2 접착제는 셀룰로오스 젤을 포함하는 3차원 인쇄 조성물.
  36. 제29항에 있어서, 상기 조성물은 조성물 무게의 5 % 미만의 가속기를 포함하는 3차원 인쇄 조성물.
  37. 제36항에 있어서, 상기 조성물은 조성물 무게의 2 % 미만의 가속기를 포함하는 3차원 인쇄 조성물.
  38. 제29항에 있어서, 상기 조성물은 조성물 무게의 20 내지 50 %의 제1 접착제를 포함하는 3차원 인쇄 조성물.
  39. 3차원 인쇄를 위한 키트이며,
    3차원 인쇄 조성물과, 수성 유체를 포함하고,
    상기 3차원 인쇄 조성물은 회반죽을 포함하는 미립자 물질과 제1 접착제를 포함하는 키트.
  40. 제39항에 있어서, 상기 3차원 인쇄 조성물은 제2 접착제를 더 포함하는 키트.
  41. 제40항에 있어서, 상기 3차원 인쇄 조성물은 가속기를 더 포함하는 키트.
  42. 제40항에 있어서, 상기 수성 유체는 가속기를 포함하는 키트.
  43. 제42항에 있어서, 상기 수성 유체는 희석제를 더 포함하는 키트.
  44. 제43항에 있어서, 상기 수성 유체는 유속 강화기를 더 포함하는 키트.
  45. 미립자 물질을 포함하는 3차원 인쇄 조성물이며,
    상기 미립자 물질은,
    회반죽과,
    접착제와,
    가속기와,
    충전제를 포함하는 3차원 인쇄 조성물.
  46. 제45항에 있어서, 상기 가속기는 테라 알바, 하소된 회반죽, 알루미늄, 칼륨 알루미늄, 석회, 하소화된 석회, 황산 칼륨 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 3차원 인쇄 조성물.
KR1020017005193A 1998-10-29 1999-09-09 3차원 인쇄 물질 시스템과 방법 KR100650089B1 (ko)

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