KR100838878B1 - 입체물의 삼차원 인쇄용 조성물 - Google Patents

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데릭 엑스. 윌리암스
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Abstract

삼차원 인쇄 물질 시스템 및 방법은 사무 환경에서 외관 모델 및 소량의 기능성 부품을 생성시킬 수 있다. 상기 방법은 삼차원 물품의 단면부를 축적하고, 레이어-와이즈(layer-wise) 방식으로 개별적인 단면부를 어셈블링하여 최종 물품을 형성시키는 것을 포함할 수 있다. 개별적인 단면부는 잉크-젯 프린트헤드를 사용하여 축적되어 수성 용매 또는 결합제를 접착제 입자 혼합물로 방출시켜, 혼합물 입자를 함께 그리고 이전의 단면부에 결합시킬 수 있다. 결합제는 비수성 유기 단량체 화합물, 음이온성의 이온화가능한 중합체, 양이온성 중합체, 중합체, 수성 콜로이드 또는 유기 용질중 하나 이상을 포함한다.

Description

입체물의 삼차원 인쇄용 조성물 {COMPOSITIONS FOR THREE-DIMENSIONAL PRINTING OF SOLID OBJECTS}
쾌속 조형은 조형 물품(article)의 생산과 소량의 기능성 부품 및 컴퓨터 산출된 디자인 데이타로부터 직접적으로 금속 캐스팅하기 위한 구조용 세라믹 및 세라믹 쉘 몰드를 포함한다. 본원에 참고 문헌으로 인용된 미국 특허 제 4,863,568호에 설명된 바와 같이 선택적 레이저-소결(laser-sintering) 공정을 포함하는 삼차원 물품을 형성시키는 다양한 방법이 있다.
삼차원 인쇄법은 1980년대 초 메사츄세츠 인스터튜트 오브 테크놀로지(Massachusetts Institute of Technology)의 사크스(Sachs) 등에 의해 발명된 공정이다. 공정에 있어서, 잉크-젯 프린트헤드는 분말화된 수용 매체로 구성된 프린트 판상에 액상 잉크 또는 결합제를 증착시키는데 사용된다. 액상 결합제와 고형 분말의 혼합물이 고형화되어 마무리된 물품을 형성한다.
본원에 참고 문헌으로 인용된 미국 특허 제 5,204,055호에는 액상 또는 콜로이드형 결합제 물질을 분말화된 물질 층으로 방출시키기 위한 잉크-젯 프린팅 헤드의 용도를 포함한, 초기 삼차원 인쇄법이 기재되어 있다. 삼차원 잉크-젯 인쇄법(이하 "액상-결합제 방법")은 카운터-롤러를 사용하여 분말화된 물질 층을 표면으로 도포하는 것을 포함한다. 분말화된 물질을 표면에 도포시킨 후, 잉크-젯 프린트헤 드는 액상 결합제를 분말 층으로 방출시킨다. 결합제는 분말 물질의 갭에 침투되고 경화되어, 분말 물질을 고형화된 층으로 결합시킨다. 경화된 결합제는 또한 각각의 층을 이전의 층과 결합시킨다. 제 1 단면부가 형성된 후, 상기 단계를 반복하여, 최종 물품이 형성될 때 까지 연속적으로 단면부를 축적한다. 선택적으로, 결합제는, 증발되어 경화된 결합제를 잔류시키는 담체중에 현탁될 수 있다. 분말화된 물질은 세라믹, 금속, 플라스틱 또는 합성 물질일 수 있으며, 또한 섬유를 포함할 수 있다. 액상-결합제 물질은 유기물 또는 무기물일 수 있다. 사용되는 전형적인 유기 결합제 물질은 폴리카르보실라잔과 같은 세라믹 전구체 또는 중합체 수지이다. 결합제가 최종 물품에 혼입되는 경우, 무기 결합제가 사용된다. 이러한 적용에는 전형적으로 실리카가 사용된다.
잉크-젯 인쇄법에서는, 잉크가 프린팅-판상으로 사출되는 메카니즘에 의해 구별되는 많은 상이한 종류의 프린트헤드가 있다. 가장 큰 두 부류의 프린트헤드로는 "연속류-젯(continuous-jet)" 및 "열전사(drop-on-demand)"가 있다 연속류-젯 프린트헤드에서, 액상 잉크 또는 결합제는 노즐을 통해 연속적으로 배출된다. 점선을 프린팅하기 위해서, 젯은 대안적으로 프린트 판, 또는 프린트 판을 마스킹하는 수집기 판으로 구부러진다. 열전사 프린트헤드에서, 프린트헤드의 작동기가 잉크 또는 결합제의 소적을 프린트 판으로 사출시키게 하는 임펄스(impulse), 가장 일반적으로는 전기 임펄스를 보내어 필요에 따라 잉크 또는 결합제가 사출된다.
열 (버블) 프린트헤드로 액상-결합제 인쇄법을 수행하면 결합제 물질로 클로깅(clogging)되는 스프레이 노즐과 관련된 신뢰성 문제를 나타낸다. 높은 수준의 고형물을 갖는 결합제가 사용될 경우, 클로깅이 발생할 수 있다. 클로깅과 관련된 문제점은 스프레이 노즐 세척을 위해 축적을 빈번하게 중단해야 한다는 점이다; 이러한 문제점은 또한, 부품을 축적하고 기구를 유지시키는데 요구되는 시간 및 노동력을 증가시킨다. 따라서, 액상-결합제 인쇄법이 선택적인 레이저-소결 방법보다 속도 및 비용면에서 향상되었지만, 축적 속도가 감소되고, 노동력 및 장치 유지 비용이 증가되는 신뢰도 문제를 초래한다. 이러한 문제점은 다수의 스프레이 노즐에 의해 나타나는 증가된 인쇄 성능의 이점인 잠재적인 신속함을 방해한다.
삼차원 물체 제작용 물질은 사무 환경에서 소수의 기능성 부품 및 외관 모델 둘 모두를 생성시키는 물질 시스템 및 방법을 유도한다. 물질 시스템은 하나 이상의 고형 충전제 및 액상 결합제 조성물을 포함할 수 있다. 특정 결합제 조성물은 적합한 성분을 갖는 전기기계적 프린트헤드를 사용하여 효과적으로 증착될 수 있다. 제작 방법은 신속하고, 신뢰성이 있으며, 안정적이고, 저렴할 수 있다.
물품은 접찹제 및 하나 이상의 충전제를 포함하는 입자의 혼합물로 이루어 질 수 있다. 접착제는 용매를 포함하는 유체에 의해 활성화될 수 있다. 선택적으로, 결합제는 또한, 유체 및 접착제의 작업 특성을 변형시키거나, 마무리된 물품의 기계적 특성을 향상시키는 다양한 처리 보조제 또는 첨가제를 포함할 수 있다. 입자의 혼합물은 또한, 선택적으로 섬유 입자 및 다양한 처리 보조제를 포함할 수 있다. 활성화된 접착제는 충전제 입자들이 함께 접착되게 하여, 이전에 형성된 인접 층에 접착되게 한다. 접착제는, 섬유 및/또는 충전제상을 접착제로 피복시키고, 유체를 방출시키기 전에 섬유 및 충전제와 혼합되고/거나 유체를 입자의 혼합물로 방출시키기 전에 유체중에 접착제를 용해시키거나 혼합시키므로써 물품에 공급될 수 있다.
이러한 물품을 생성시키는 특정 방법은 하향으로 이동가능한 평면상으로 상기 언급된 혼합물 층을 도포시키는 것을 포함할 수 있다. 물품의 단면부는 활성화 유체, 접착제를 소정의 이차원 패턴으로 입자 혼합물 층으로 방출시키므로써 규정될 수 있다. 유체는 접착제를 활성화시키고, 활성화된 접착제는 입자들이 원래의 고형층에서 함께 접착되도록 한다. 물품의 제 1 단면부가 형성된 후, 이동가능한 표면은 원하는 층 두께에 상응하는 두께로 아래쪽으로 이동할 수 있다. 입자 혼합물의 연속적인 층들이 동일한 방식으로 이전의 층으로 도포된다. 전기기계적 잉크-젯 프린트헤드를 이용하여 유체를 도포시킨 후, 입상 물질의 혼합물의 각각의 연속적인 층을 도포한다.
입상 물질의 혼합물의 층을 증착시키고, 유체를 상기 층으로 방출시키는 것은, 원하는 수의 단면부가 축적되어, 물품을 형성할 때 까지 반복될 수 있다. 물품 형성이 완료된 후, 물품은 일반적으로, 비결합된 입상 물질의 베드로 침수된 채 유지되고, 이러한 상태는 물품이 완전히 건조될 때 까지 유지될 수 있다. 물품의 민감한 특성은 건조 동안 비결합된 입상 물질에 의해 지지된채 유지된다. 그 후, 마무리된 물품이 비결합된 입상 물질의 베드로부터 제거되고, 마무리된 물품에 유착되는 비결합된 과량의 입상 물질은 적합한 세척 방법에 의해 제거될 수 있다. 예를 들어, 과량의 분말은 물품으로부터 진공 제거되고, 송풍 제거되고, 블러싱되어 틈에 남아있던 분말이 제거된다. 또한, 마무리된 물품은 더욱 신속한 건조를 위해 오븐에 넣을 수 있다.
세척 후, 선택적인 후처리 작업은 열처리, 수지 또는 왁스 침투, 페인팅 및 샌딩을 포함할 수 있다. 열처리 및 침투는 마무리된 물품의 강도 및 내구성을 증가시킬 수 있다. 침투는 다공성을 감소시킬 수 있어서, 물품이 방수성을 띠게 하고, 더욱 용이하게 샌딩되게 한다. 물품을 페인팅하는 것은 미적으로 더욱 만족스러운 외형을 갖게할 수 있으며, 또한 최종 물품에 강도 및 방수성을 부여할 수 있다. 샌딩은 표면을 평탄하게 하고, 예를 들어, 표면을 통한 섬유 침투에 의해 초래되는 울퉁불퉁한 표면을 감소시킨다. 부품은 접착 또는 고착될 수 있거나, 후속 몰딩 작업을 위한 패턴으로서 사용될 수 있다.
다양한 물질 시스템 및 방법은 선택적인 레이저-소결 및 액상-결합제 방법에 비해 비교적 복잡한 형태를 신뢰성이 있고, 신속하고, 안정적이고 저렴하게 제작할 수 있다는 이점을 제공한다. 본 발명에 사용된 다양한 물질은 클로깅과 관련된 문제점을 나타내지 않거나 거의 나타내지 않기 때문에, 종래의 방법, 특히 높은 수준의 현탁된 고형물이 결합제에 함유된 방법에 비해 더 높은 신뢰도를 제공할 수 있다. 더 높은 신뢰도는 종래 방법과 비교하여 축적 시간을 감소시킨다. 게다가, 저렴한 기구 및 물질이 사용되기 때문에 종래 방법보다 더욱 경제적으로 구체예가 수행되고 실행될 수 있으며, 물질 및 방법과 관련된 높은 신뢰도는 심지어 추가로의 비용을 감소시킨다. 또한, 비독성 물질이 사용될 수 있기 때문에, 이러한 방법은 통상적인 사무 환경에서 안정적으로 수행될 수 있다.
또한, 유체 조성물을 방출시키는데 전기기계적 잉크-젯 프린트헤드를 사용하므로써, 유체에 열에 민감한 접착제를 혼입할 수 있게 했는데, 이는 전기기계적 잉크-젯 프린트헤드는 전형적으로 대기 온도하에서 작동하기 때문이다. 또한, 온도 변화에 의해서 열화되는 다량의 용해되거나 현탁된 고형물을 갖는 유체는 또한 마찬가지로, 열(thermal) 프린트헤드에 비해 전기기계적 프린트헤드에 의해 더욱 양호하게 조정될 수 있다. 전기기계적 프린트헤드로 고형물 함량이 더 높은 유체를 사용하면, 더욱 희석된 결합제로 형성된 물질보다 덜 수축되고(낮아진 성분 누출로 인해), 더 높은 강도 및 더 큰 용적 안정성을 갖는 물질을 형성시킬 수 있다. 게다가, 활성화 유체에 접착제를 혼입시키고, 유체를 입상 베드로 방출시키면 최종 부품으로 혼입될 접착제의 양을 증가시킬 수 있다.
조성물은 삼차원 프린터에서 선택적으로 입상 물질에 접착되어 입체물을 형성시킨다. 한 구체예에서, 조성물은 비수성 유기 단량체 화합물을 포함한다. 이러한 화합물은 알코올, 에스테르, 에테르, 실란, 비닐 단량체, 아크릴 단량체 또는 메타크릴레이트 단량체중 하나 이상을 포함할 수 있다.
조성물은 용매 및 용질을 포함할 수 있으며, 한 구체예에서, 화합물은 용매이다. 용매는 메틸 알코올, 에틸 알코올, 이소프로판올 또는 t-부탄올과 같은 알코올을 포함할 수 있다. 대안적인 구체예에서, 용매는 에틸 아세테이트, 디메틸 숙시네이트, 디에틸 숙시네이트, 디메틸 아디페이트 또는 에틸렌 글리콜 디아세테이트중 하나 이상을 포함하는 에스테르를 포함한다.
대안적인 구체예에서, 화합물은 입상 물질에서 수지에 대한 용매이다. 수지 는 셸랙, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리스티렌, 스티렌-부탄디엔 공중합체 또는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합제중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 유기산 및 당, 예컨대, 수크로스, 덱스트로스, 말릭산 및 나트륨 시트레이트, 및 기타 화합물 예컨대, 우레아 및 가수분해된 아미노산이 수용액중의 용질로서 사용될 수 있다. 이러한 화합물은 분말중에서 건조에 의해 입상 물질을 함께 결합시키나, 이들 자신의 감지할만한 용매 특성은 갖지 못한다.
단량체 화합물은 혼합된 단량체 비닐-실란을 포함할 수 있으며, 비닐트리이소프로폭시실란을 포함할 수 있다.
아크릴 단량체는 트리(프로필렌 글리콜) 디아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 페닐 에테르 아크릴레이트 또는 1,6 헥산디올 디아크릴레이트중 하나 이상을 포함할 수 있다. 메타크릴 단량체는 1,3 부틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 네오펜틸 글리콜 디메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 1,6 헥산디올 디메타크릴레이트 또는 디(프로필렌 글리콜)알릴 에테르 메타크릴레이트중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 화합물은 약 320-500nm의 파장 및 약 1주울/cm2의 에너지 밀도를 갖는 자외선 방사에 의해 고형의 광개시제와 함께 경화될 수 있다.
입상 물질은 무기 화합물을 포함하는 충전제를 포함할 수 있다. 한 구체예에서, 충전제는 점토, 산화알루미늄, 이산화규소, 알루미늄 실리케이트, 칼륨 알루미늄 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 수산화칼슘, 칼슘 알루미네이트, 칼슘 카보네이트, 나트륨 실리케이트, 산화아연, 이산화티타늄 또는 마그네타이트(magnetite)중 하나 이상을 포함한다. 프린팅 보조제가 충전제에 분산될 수 있다. 프린팅 보조제는 소르비탄 트리올레이트, 소르비탄 모노-올레이트, 소르비탄 모노라우레이트, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노-올레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 대두유, 광유, 프로필렌 글리콜, 플루오로알킬 폴리옥시에틸렌 중합체, 글리세롤 트리아세테이트, 폴리프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 옥타노에이트, 에틸렌 글리콜 데카노에이트, 2,4,7,9-테트라메틸-5-데신-4,7-디올의 에톡시화된 유도체, 올레일 알코올 또는 올레산중 하나 이상을 포함할 수 있다.
입상 물질을 선택적으로 접착시키기 위해 유체와 함께 접착제를 포함할 수 있는 결합제 조성물이 또한 제공되어, 삼차원 프린터에서 입체물을 형성시킨다. 한 구체예에서, 접착제는 비수성 유기 단량체 화합물을 포함할 수 있다.
대안적인 구체예에서, 삼차원 프린터에서 입상 물질을 선택적으로 접착시켜 입체물을 형성시키기 위한 접착제는, 폴리메타크릴산, 폴리메타크릴산 나트륨 염 및 나트륨 폴리스티렌 술포네이트를 포함하는 군으로부터 선택된 화합물로 구성된 음이온성의 이온화가능한 중합체를 포함한다.
다른 구체예에서, 접착제는 양이온 중합체, 예컨대, 폴리에틸렌이민 및 폴리디알릴디메틸암모늄 클로라이드를 포함한다. 또 다른 구체예에서, 접착제는 비이온성 중합체를 포함한다. 중합체는 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트와의 폴리비닐 피롤리돈 공중합체, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 메틸 에테르, 폴리아크릴아미드 또는 폴리-2-에틸-2-옥사졸린중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또 다른 구 체예에서, 접착제는, 폴리메타크릴산, 폴리메타크릴산 나트륨 염, 나트륨 폴리스티렌 술포네이트 및 폴리에틸렌이민으로 구성된 군으로부터 선택된 중합체를 포함한다.
추가의 구체예에서, 접착제는 수성 콜로이드 예컨대, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리스티렌, 천연 고무, 폴리우레탄, 폴리비닐 아세테이트 및 알키드 수지를 포함한다. 또 다른 구체예에서, 접착제는, 나트륨 폴리포스페이트, 나트륨 테트라보레이트, 염화나트륨, 질산암모늄, 황산칼륨, 염화암모늄 및 포름산칼슘로 구성된 군으로부터 선택된 무기 용질을 포함한다.
도면의 간단한 설명
도 1에는 유체를 방출시키기 전에, 물품이 축적될 하향으로 이동가능한 표면상에 증착된 입상 물질의 혼합물의 제 1 층이 개략적으로 도시되어 있다.
도 2에는 소정의 패턴으로 도 1의 입상 물질 층의 일부로 활성화 유체를 방출시키는 전기기계적 잉크-젯 노즐이 개략적으로 도시되어 있다.
도 3에는 성긴 불활성화된 입자에 잠겨진 채, 용기내에 넣어진 도 2에 도시된 일련의 단계로부터 제조된 최종 물품을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 4는 도 3의 최종 물품을 개략적으로 나타낸 도면이다.
상기 및 기타 목적, 특징 및 장점들은, 첨부된 도면에 설명된 바와 같이 유사한 특성들이 동일한 부품에 대해 다른 관점으로 설명된 하기의 더욱 상세한 설명의 구체예로부터 자명하게 될 것이다. 도면은 비례할 필요가 없으며, 단지 본 발명의 원리를 설명하는데 중점을 두고 있다.
상세한 설명
삼차원 인쇄용 물질 시스템은 충전제 및 가능하게는 접착제를 포함하는 입자의 혼합물을 포함한다. 물질 시스템은 또한, 섬유 성분, 접착제의 불균일한 경화 및 삼차원으로 프린팅된 부분에 생성된 왜곡으로 인한 의한 엣지 컬을 감소시키기 위한 프린팅 보조제, 및 추가적인 접착제 및 접착제를 활성화시키는 용매를 포함하는 활성화 유체를 포함할 수 있다. 활성화 유체는 또한, 습윤제, 유량 증가제 및 염료와 같은 처리 보조제를 포함할 수 있다. 유체는 입자 혼합물에서 접착제를 활성화시켜, 물질을 함께 접착적으로 결합시켜 사실상 입체적인 물품을 생성시킨다.
도 1에는 유체가 방출되기 전의, 물품이 축적되는, 하향으로 이동가능한 표면상에 증착된 입상 물질의 혼합물의 제 1 층이 개략적으로 도시되어 있다. 본 방법에 따르면, 입상 물질 층 또는 필름(20)은 용기(24)의 하향으로 이동가능한 표면(22)상으로 도포된다. 입상 물질 층 또는 필름은 임의의 방식으로 형성될 수 있으며, 한 구체예에서는 입상 물질이 카운터 롤러를 사용하여 도포된다. 표면으로 도포된 입상 물질은 충전제 및 가능하게는 접착제를 포함한다.
본원에 사용된 "접착제"는 활성화 유체를 방출시키기 전에 분리된 혼합물 부분 사이에서 혼합 물질과 일차적으로 접착 결합을 형성하는 성분을 의미한다. 접착제는 입자 혼합물 및 활성화 유체 둘 모두에 포함될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "충전제"는 활성화 유체를 도포하기 전에 고형인 성분이며, 이는 사실상 접착제보다는 유체에서 덜 가용성을 띠며, 최종 물품의 구조를 형성한다.
특정 구체예에 있어서, 입자 혼합물은, 최종 물품을 구조적으로 보강하기 위해 첨가된 보강 섬유, 또는 보강 섬유 성분을 포함한다. 입상 물질은 평균 직경이 약 10-300 마이크론인 다수의 입자를 포함할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "섬유" 또는 "섬유 성분"은 활성화 유체를 도포하기 전에 고형인 성분이며, 유체에서 불용성일 수 있으나, 반드시 그럴 필요는 없으며, 최종 물품의 강도를 증가시키기 위해 첨가된다. 보강 섬유 길이는 입자 혼합물 층의 두께와 거의 동일한 길이로 제한된다. 보강 섬유의 길이는 일반적으로, 약 60 내지 약 200 마이크론이며, 총 혼합물의 20 중량% 미만의 양으로 포함된다.
또한, 안정화 섬유는 최종 물품에 입체적인 안정성을 부여하고, 물품 강도를 약간 증가시키기 위해 충전제에 첨가될 수 있다. 입자 혼합물을 카운터 롤러로 스프레딩시키는 것은, 혼합물중의 과량의 안정화 섬유에 의해 초래된 마찰이 증가하여, 충전 밀도가 감소하기 때문에 점점 어려워진다. 안정화 섬유의 양 및 길이 둘 모두를 제한하여 혼합물의 충전 밀도를 증가시켜, 마무리된 부품이 더 큰 강도를 띠게 한다. 안정화 섬유는 총 혼합물의 30 중량% 미만의 양으로 보강 섬유 길이의 반보다 적은 길이로 제한될 수 있다. 최적 값은 예를 들어, 카운터 롤러를 사용한 통상의 실험으로 결정될 수 있다.
또 다른 특정 구체예에서, 유화제 형태의 프린팅 보조제, 예컨대, 소르비탄 트리올레이트(미국 미저리주 세인트 루이스에 소재하는 시그마 케미칼 코.(Sigma Chemical Co.)에서 SPAN 85로서 통상적으로 구입가능)가 입자 혼합물에 첨가되어 프린팅에서의 왜곡을 방지한다. 프린팅 보조제는 혼합물의 미세한 입자가 공중으로 날아가는 것을 방지하는 반면, 유체는 프린팅된 물품을 왜곡하는 프린트헤트로부터 분배된다. 또한, 프린팅 보조제로서 사용되는 레시틴이 사용될 수 있다.
접착제로서 중합체 용액을 사용한 특정 구체예의 입자 혼합물 및 유체(결합제) 조성은 하기 표 1에 제공되어 있다. 접착제로서 콜로이드 현탁액을 사용한 특정 구체예의 입자 혼합물 및 유체(결합제)의 조성은 하기 표 2에 제공되어 있다.
성분 입자 화합물 조성 범위의 예(W/W) 조성 예(W/W) 입자 크기 범위 (㎛)
입자 혼합물
접착제 수크로스 10%-50% 30% 10
보강 섬유 셀룰로스 0%-20% 10% 100
충전제 말토덱스트린(덱스트로스 당량 = 5) 0% 초과-80% 50% <300
안정화 섬유 셀룰로스 0%-30% 10% 60
유체
용매 물 20%-88% 68% N/A
용매 이소프로필 알코올 0% 초과-5% 1% N/A
물-용매 접착제 술포네이트화된 폴리스티렌 10%-50% 25% N/A
습윤제 글리세롤 0%-15% 5% N/A
유량 증가제 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 0%-10% 1% N/A
성분 입자 화합물 조성 범위의 예(W/W) 조성 예(W/W) 입자 크기 범위 (㎛)
입자 혼합물
접착제 수크로스 10%-50% 30% 10
보강 섬유 셀룰로스 0%-20% 10% 100
충전제 말토덱스트린(덱스트로스 당량 = 5) 0% 초과-80% 50% <300
안정화 섬유 셀룰로스 0%-30% 10% 60
유체
현탁 유체 물 20-88% 72% N/A
용매 이소프로필 알코올 0% 초과-5% 1% N/A
콜로이드 접착제 폴리비닐 아세테이트 10%-50% 20% 5-500nm
무기 완충액 아세트산 0%-2% 1% N/A
습윤제 글리세롤 0%-15% 5% N/A
유량 증가제 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 0%-10% 1% N/A
도 2에는 소정의 패턴으로 도 1의 입상 물질 층 일부로 활성화 유체를 방출시키는 전기기계적 잉크-젯 노즐이 개략적으로 도시되어 있다. 유체(26)는 통상적인 메카니즘, 예컨대, 본원에 참고문헌으로 인용된 미국 출원 번호 제 09/416,707호에 더욱 자세히 설명된 바와 같은 컴퓨터-보조된-디자인(이하 "CAD") 시스템으로부터 데이타를 수용하는 주문제작된 소프트웨어에 의해 구동된 열전사(이후 "DOD") 전기기계적 프린트헤드를 사용하여 소정의 이차원 패턴(단지 설명을 위해 도면에서는 원형임)의 입상 물질 층 또는 필름으로 방출된다. 적합한 압전기 프린트헤드의 예로는 제록스(Xerox)(미국 코네티컷 스탠포드)의 텍트로닉스(Tektronix) PHASOR 340 프린트헤드, 피코젯, 인크.(PicoJet, Inc.)(미국 오레곤 힐스보로)의 PJN 320 프린트헤드 및 엡손 아메리카, 인크.(Epson America, Inc.)(미국 오레곤 포틀랜드)의 EPSON 900 프린트헤드를 포함한다. 적합한 솔레노이드 밸브 프린트헤드는 더 리 코.(The Lee Co.)(미국 코네티컷 웨스트브룩)의 1200 Hz INKA 프린트헤드이다.
한 구체예에서, 접착제가 다른 입자들과 혼합되는 경우, 입자 혼합물의 제 1 부분(30)은 유체에 의해 활성화되어, 활성화된 접착제가 입자들을 함께 접착시켜 사실상 입체의 원형 층을 형성하는데, 이는 최종 물품의 단면부가 된다. 본원에서 사용된 "활성화"는 사실상 불활성 상태에서 접착 상태로 변하는 것을 의미한다. 유체가 초기에 입자 혼합물과 접촉하는 경우, 이는 즉시 모세관 작용에 의해 밀착 지점으로부터 외부로 흐르고, 처음 몇 초내에 접착제를 입자 혼합물 중에 용해시킨다. 활성화 유체의 전형적인 소적은 약 50pL의 부피를 가지며, 입자 혼합물과 접촉되면 약 100 마이크론으로 스프레딩된다. 용매가 접착제를 용해시킴에 따라, 유체 점도는 극적으로 증가하고, 밀착 초기 지점으로부터 유체의 추가 이동을 억류한다.
접착제는 분말 혼합물중에서 뿐만 아니라, 방출 전의 활성화 유체중에 용해되거나, 현탁되거나 다른 방법으로 포함될 수 있다. 활성화 유체와 선혼합되는 접착제는 분말 혼합물로 방출되는 경우 미리 활성화될 것이며, 충전제와 다른 입자를 접착시켜 상기 설명된 바와 같은 입체적인 집적된 구조를 형성시킬 것이다.
활성화 유체가 입자 혼합물로 방출된 후 몇 분 내에, 상기 유체(용해되거나 현탁된 접착제를 가짐)는 덜 가용성이고, 약간 다공성인 입자로 침투되어, 충전제와 섬유 사이의 접착 결합을 형성한다. 활성화 유체는 유체 소적 덩어리의 수배의 집적된 덩어리로 입자 혼합물을 결합시킬 수 있다. 유체의 휘발성 성분이 증발함에 따라, 접착제 결합은 경화되고, 충전제 및 선택적으로는 섬유 입자와 단단한 구조로 결합되고, 이는 마무리된 물품의 단면부가 된다.
유체에 노출되지 않았던 입자 혼합물 부분(32)은 이동가능한 표면상에서 고정되지 않고 자유롭게 유동된 채로 유지된다. 비결합된 입자 혼합물은 최종 물품이 형성될 때 까지 제자리에 방치될 수 있다. 비결합되고 고정되지 않은 입자 혼합물을 제자리에 방치하므로써, 물품은 처리동안 지지되어, 지지 구조를 사용하지 않고서 돌출(overhang), 절단(undercut) 및 공동과 같은 특성을 띠게할 수 있다. 최종 물품의 제 1 단면부를 형성시킨 후, 이동가능한 표면은 하향으로 이동된다.
그 후, 예를 들어, 카운터-롤링 메카니즘을 사용하여, 입자 혼합물의 제 2 필름 또는 층을 제 1 층 위로 도포시켜, 견고한 제 1 단면부와 이를 둘러싸는 성긴 입자 혼합물 둘 모두를 덮는다. 유체의 제 2 도포는 상기 설명된 방식에 따라서, 이전의 단면부, 충전제 및 선택적으로 제 2층의 섬유 사이의 접착 결합을 형성하고, 경화시켜 최종 물품의 제 1의 견고의 단면부에 부가된 제 2의 견고한 단면부를 형성한다. 이동가능한 표면은 다시 아래쪽으로 내려간다.
입자 혼합물 층을 도포하고, 유체를 도포하고, 이동가능한 표면을 하향으로 이동시키는 이전 단계들을 최종 물품이 완성될 때 까지 반복한다.
도 3은 고정되지 않은 불활성화된 입자들내에 잠겨진 채 용기내에 담겨진, 도 2에 도시된 일련의 단계들로부터 제조된 최종 물품을 개략적으로 나타낸 도면이다. 최종 물품은 불활성화된 입상 물질 베드(36)에 완전하게 잠겨질 수 있다. 대안적으로, 당업자는 연속적으로 증착시키고, 스무딩시키고 이러한 일련의 층을 프린팅하므로써 이동불가능한 플랫폼으로부터 윗 층에서 물품 층을 축적시키는 방법을 인지하고 있을 것이다.
도 4는 도 3의 최종 물품이 개략적으로 도시된 도면이다. 불활성화된 입상 물질은 송풍 또는 진공에 의해 제거될 수 있다. 최종 물품(38)으로부터 불활성화된 입상 물질을 제거한 후, 세척, 안정화 물질의 침투, 페인팅 등을 포함하는 후-처리가 수행될 수 있다.
본 발명의 방법은 약 250㎛의 외형을 유도할 수 있다. 본 발명의 방법에 의해 달성된 정확도는 약 +/-250㎛이다. 최종 물품의 수축은 길이를 기준으로 하여 약 1%이며, 이는 용이하게 축적되어 정확도를 증가시킨다.
접착제
접착제는 활성화 유체에서의 높은 가용성, 낮은 용액 점도, 낮은 흡습성, 및 높은 결합 강도의 특성을 갖도록 선택된 화합물이다. 접착제는 용매에서 매우 가용성이어서 활성 유체로 신속하고 완전하게 혼입되어야 한다. 낮은 용액 점도로 인해, 용해된 접착제를 갖는 활성화 유체가 분말 베드에서 신속하게 적소로 이동하여 보강 물질과 함께 접착적으로 결합하는 것이 보장된다. 접착제가 천연적으로 고형인 경우, 접착제는 충전제 및/또는 활성화 유체와 혼합되기 전에 및/또는 충전제 입자를 코팅하기 전에 가능한 미세하게 제분될 수 있다. 바람직하지 못한 물품 특성인 "점결(caking)"을 초래할 정도로 미세하지는 않은, 미세 입자 크기는 유효 표면적을 증가시켜 용매에서의 용해를 증가시킨다. 전형적인 접착제 입자 그레인(grain) 크기는 약 5-50㎛이다. 입자 혼합물에 사용된 접착제의 낮은 흡습성은, 공기로부터 과량의 수분을 흡수하여 "점결"을 초래하여서, 불활성화된 분말이 부품의 외면으로 그럴듯하게 접착되어 표면 명확성이 불량하게 되는 것을 피한다.
본 발명에 사용될 수 있는 다양한 유형의 접착제는 하기 "활성 유체" 부분에 추가로 더욱 상세하게 설명되어 있다.
충전제
본 발명의 충전제는 활성화 유체에서 불용성이거나 극히 낮은 가용성을 띠고, 신속한 습윤성, 낮은 흡습성, 및 높은 결합 강도를 갖도록 선택된 화합물이다. 충전제는 경화된 조성물에 기계적 구조를 부여한다. 특히 난용성 충전제 물질이 사용될 수 있지만, 불용성 충전제 물질도 사용될 수 있다. 활성화 유체가 적용된 후에, 접착제가 건조/경화되는 경우, 충전제 입자는 서로 접착적으로 결합된다. 충전제는 실질적으로 최대 약 200㎛에서 최소 약 5㎛의 입자 그레인 크기 분포를 가질 수 있다. 큰 입자 크기는 분말에서의 큰 구멍을 형성하므로써, 구멍을 통해 유체가 신속하게 이동하여 더욱 균등질의 물질을 생성시켜, 최종 물품의 품질을 증진시키는 것으로 여겨진다. 더 작은 입자 크기는 물품 강도를 보강하는 역할을 한다.
본 발명의 충전제로 사용하기에 적합한 화합물은, 접착제가 선택된 군과 동일한 동일한 군으로부터 상기 설명된 가용성, 흡습성, 결합 강도 및 용액 점도 기준을 만족시키는 것으로 선택될 수 있다. 단독으로 또는 혼합되어 사용될 수 있는 이러한 충전제의 예는 전분, 예컨대, 말토덱스트린, 점토, 셀룰로스 섬유, 유리, 석회암 (limestone), 석고, 산화알루미늄, 알루미늄 실리케이트, 칼륨 알루미늄 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 수산화칼슘, 칼슘 알루미네이트 및 나트륨 실리케이트; 금속; 금속 산화물 예컨대, 산화아연, 이산화티타늄 및 마그네타이트(Fe3O4); 카바이드 예컨대, 실리콘 카바이드; 및 보라이드 예컨대, 티타늄 디보라이드를 포함한다. 다른 구체예에서, 단독으로 또는 무기 충전제와 함께 사용될 수 있는 충전제는 석회암이다. 예를 들어, 충전제는 벽토(0-20중량%), 석회암(탄산칼슘)(40-95중량%) 및 유리 구슬(0-80중량%)의 혼합물일 수 있다. 일반적으로, 충전 물질은 건조 분말의 스프레딩 특성과 조합하여, 접착제 성분과 결합할 수 있는 이들의 특성을 기초로 하여 선택된다. 용매 선택은 또한, 어떠한 충전제가 사용될 수 있는지를 결정한다.
보강 섬유
보강 섬유는 불용성이거나, 유체에서 접착제가 용해되는 것 보다 사실상 더 느리게 용해될 수 있다. 보강 섬유는, 분말이 스프레딩되기에 너무 어렵지 않으면서, 최종 물품의 기계적 보강 및 용적 제어를 증가시키기 위해 선택된 경직성 물질이다. 보강 섬유의 습윤성을 증진시키기 위해, 선택된 섬유는 용매에 대해 높은 친화도를 갖는다. 특정 구체예는, 층 두께와 거의 동일한 길이의 섬유를 포함하며, 이는 가장 큰 정도의 기계적 보강을 제공한다. 더 긴 섬유를 사용하면 표면 마무리에 악영향을 미치며, 임의의 길이의 너무 많은 섬유를 사용하면, 분말을 스프레딩시키는 것이 더욱 어렵게된다. 본 발명을 보강하는데 적합한 섬유 물질은 중합체 섬유, 세라믹 섬유, 그래파이트 섬유 및 유리 섬유를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다. 중합체 섬유는 8개 이하의 탄소 원자를 갖는 단량체를 포함하는, 치화된거나 비치환된 직쇄형 또는 분지형 알킬 또는 알켄, 또는 셀룰로스 및 셀룰로스 유도체일 수 있다. 특이적으로 이용가능한 섬유 물질은 셀룰로스 섬유, 실리콘 카르바이드 섬유, 그래파이트 섬유, 알루미노실리케이트 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 유리 섬유, 나일론 및 레이온을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
표 1에 기재된 바와 같이, 보강 섬유 및 안정화 섬유 둘 모두가 셀룰로스일 수 있다. 본 발명과 관련하여 사용하기에 특히 적합하게 하는 셀룰로스의 일부 유용한 특성으로는 낮은 독성, 생분해성, 저렴한 비용 및 매우 다양한 길이에서의 이용가능성이 있다.
접착제, 충전제 및 섬유를 선택할 때 추가적으로 고려해야 할 사항은 최종 물품의 원하는 특성에 의존한다. 마무리된 물품의 최종 강도는, 혼합물 입자들 사이의 접착적 접촉 정도에 크게 의존적이고, 접착제가 경화된 후 물질중에 존속된 빈 구멍의 크기에 의존적이며; 이들 두 요인은 입상 물질의 그레인 크기에 의해 변한다. 일반적으로, 입상 물질의 평균 그레인 크기는 층 두께보다 두꺼워서는 안된다. 그레인 크기의 분포는 입상 물질의 충전 밀도를 증가시키며, 또한 물품의 강도 및 용적 제어 둘 모두를 증가시킨다.
프린팅 보조제
표 1에 기재된 바와 같이, 소르비탄 트리올레이트(SPAN 85)가 전형적인 입자 혼합물에서 프린팅 보조제로서 사용된다. 소르비탄 트리올레이트는 액체이며, 물에서 단지 약간의 가용성을 띤다. 소량을 분말에 첨가하므로써, 소르비탄 트리올레이트는 프린팅전에 분말 그레인 사이의 경미한 접착을 제공하여, 먼지가 형성되는 것을 감소시킨다. 프린팅 후, 소르비탄 트리올레이트는 용해될 때 까지 짧은 시간 동안 불용성 그레인을 함께 연속적으로 접착시킨다. 이러한 결과는, 접착제를 분말중에 용해시키고 재분포시키는데 요구되는 짧은 시간내에 프린팅된 층에서의 왜곡을 감소시키는 경향이 있다. 친수성 등급의 레시틴이 특히 적합하다. 다양한 다른 액체 화합물이 이러한 목적을 위해 사용된다. 특히 약 400의 분자량을 갖는 폴리프로필렌 글리콜(PPG) 및 시트로넬롤이 두 예가 된다. 다른 적합한 프린팅 보조제는 에틸렌 글리콜 옥타노에이트, 에틸렌 글리콜 데카노에이트 및 2,4,7,9-테트라메틸-5-데신-4,7-디올의 에톡시화된 유도체를 포함한다. 소르비탄 트리올레이트는 프린팅 보조제로서 또한 작용하는 레시틴과 혼합되어 사용될 수 있다. 프린팅 보조제로서 사용될 수 있는 다른 액체 성분은 소르비탄 모노-올레이트, 소르비탄 모노라우레이트, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노-올레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 대두유, 광유, 프로필렌 글리콜, 플루오로알킬 폴리옥시에틸렌 중합체, 글리세롤 트리아세테이트, 올레일 알코올 및 올레산을 포함한다.
활성화 유체
본 발명의 유체는 상기 설명된 바와 같은 혼합물의 다양한 입상 성분에 요구되는 용해도에 적합하도록 선택된다. 유체는 접착제가 이 용매중에서 활성인, 특히 가용성인 용매를 포함하며, 처리 보조제, 예컨대, 습윤제, 유량 증가제 및 염료를 포함할 수 있다. 이상적인 용매는, 분말의 접착제 성분을 잘 용해시키고, 충전제 및 섬유 둘 모두를 사실상 거의 용해시키지는 못하는 용매이다. 비록 수성 용매가 일부 장점을 제공하지만, 용매는 수성 또는 비수성일 수 있다. 적합한 용매는 하기 비제한적인 리스트로부터 선택될 수 있다: 물, 메틸 알코올, 에틸 알코올, 이소프로판올, t-부탄올, 에틸 아세테이트, 디메틸 숙시네이트, 디에틸 숙시네이트, 디메틸 아디페이트 및 에틸렌 글리콜 디아세테이트.
미리 혼합된 접착제를 가질 수 있는 활성화 유체는 또한, "결합제"를 의미할 수 있다. 결합제 기능은, 불용성 또는 반가용성 입자 혼합물에 침투되어 그레인을 함께 결합시키는 것이다. 접착제가 포함된 활성화 유체는 하기 부류중 하나에 속할 수 있다: (1) 중합체 용액, (2) 콜로이드 현탁액, (3) 무기 (염) 용액, (4) 유기 단량체 용액, (5) 비수성 액체. 분류 1-4는 수성일 수 있다. 특정 유체 및 접착제의 하기 설명은 제한하고자 하는 것이 아니며, 다른 적합한 화합물이 설명된 화합물 대신에 또는 이들과 혼합되어 사용될 수 있다.
또한, 전기기계적 프린트헤드에서 특히 잘 작용하는 것으로 밝혀진 수계 화합물이 있다. 제 1 카테고리에서, 수용성 중합체는 결합제에 용해되어 비교적 낮은 점도의 용액을 형성시킬 수 있다. 이들 중, 몇 개의 특히 적합한 중합체가 있다. 음이온성의 이온화가능한 중합체, 양이온성 중합체 및 비이온성 중합체가 있다. 음이온성의 이온화가능한 중합체는 폴리메타크릴산, 폴리메타크릴산 나트륨 염, 및 나트륨 폴리스티렌 술포네이트를 포함한다. 양이온성 중합체는 폴리에틸렌이민 및 폴리디알릴디메틸 암모늄 클로라이드를 포함한다. 한 부류로서, 폴리에틸렌이민은 두가지 형태, 즉 선형 또는 분지형이며, 이 둘 모두가 유용하다. 결합제로서 특히 유용한 비이온성의 가용성 중합체는 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트와의 폴리비닐 피롤리돈 공중합체, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 메틸 에테르, 폴리아크릴아미드 및 폴리-2-에틸-2-옥사졸린이다.
전형적인 구체예에서, 저분자량 중합체, 예컨대, 나트륨 폴리스티렌 술포네이트는 물중에 용해되어 약 20 중량%의 고형물을 함유하는 용액을 형성시킨다. 공용매(cosolvent), 예컨대 약 1 내지 5 중량%의 이소프로필 알코올은 용액에서 중합체 사슬 배좌를 조정하므로써 용액의 점도를 변화시킬 수 있다. 습윤제 예컨대, 약 5 내지 10중량%로 사용된 글리세롤은 프린트헤드에서 건조되는 결합제의 성향을 감소시킬 것이다. 다른 용액 변수 예컨대, pH 및 염농도는 흐름 특성을 변형시키기 위해 이용될 수 있다. 첨가된 염, 예컨대, 염화나트륨, 인산나트륨, 황산나트륨 및 황산칼륨은 고분자 전해질을 포함하는 결합제의 점도를 감소시키는 경향이 있다.
제 2 카테고리에서, 물질의 콜로이드 현탁액은 삼차원 인쇄에서 결합제로서 사용될 수 있다. 유기 유액 예컨대, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리스티렌, 스티렌화된 폴리아크릴산, 천연 고무, 폴리우레탄 유액, 폴리비닐 아세테이트 유액 및 알키드 수지 유액이 공정에 적용될 수 있는 물질이다. 또한, 무기 현탁액 예컨대, 콜로이드 알루미나, 점토 및 콜로이드 그래파이트가 모두 상당량의 이러한 기술적으로 중요한 물질을 함유하는 입체 물품에 사용될 수 있다. 용액에 비해 콜로이드를 사용한 경우의 이점은, 매우 많은 함량의 고형 물질이 유체의 점도를 크게 증가시키지 않으면서 현탁될 수 있다는 점이다.
상기 두 부류는 서로 배제될 필요는 없다. 매우 종종, 가용성의 고분자 전해질은 고형 입자의 현탁액을 안정화시키는데 사용될 것이다. 고분자 전해질은 분산된 입자 이외에 마무리된 물품의 구조에 기여할 것이다.
콜로이드 기재 결합제의 전형적인 구체예는 약 30중량% 고형물을 포함하는 폴리비닐 아세테이트를 포함한다. 추가적인 첨가제, 예컨대, 2 내지 5 중량%의 트리에탄올아민이 현탁액의 pH를 조절하는데 사용된다. 또한, 습윤제, 예컨대, 5 내지 10중량%의 글리세롤이 휴지기간 동안 프린트헤드에서 건조되는 유액의 성향을 감소시키는데 사용된다.
제 3 카테고리에서, 무기 용질이 수성 용매중에 용해되고, 결합제로서 프린팅될 수 있다. 유리 형성 용질 예컨대, 나트륨 실리케이트, 나트륨 폴리포스페이트 및 나트륨 테트라보레이트는 마무리된 물품에서 세라믹 결합제를 증착시키는데 사용될 수 있다. 이러한 세라믹 결합제는 후속 열처리에서 유리결합된 세라믹으로 융합될 수 있다. 프린팅될 수 있는 기타 무기 용질은 염화나트륨, 질산암모늄 및 황산칼륨, 염화암모늄, 및 포름산칼슘를 포함한다.
무기 용질은 산-염기 반응에 관여한다. 예를 들어, 인산수소나트륨 용액이 분말화된 칼슘 카보네이트상으로 프린팅될 수 있다. 산 결합제는 알칼리성 분말을 에칭시키고, 분말 그레인을 재결정시키고 함께 결합시켜 인산칼슘을 형성시킨다. 또 다른 예로는 나트륨 실리케이트가 있는데, 이는 결합제 용액에서 프린팅될 수 있으며, 예를 들어, 석고 벽토와 반응하여 칼슘 실리케이트를 형성시킬 수 있다.
제 4 카테고리에서, 단량체 유기 화합물 용액이 삼차원적으로 프린팅된 물품에 있어서 전기기계적 열전사 프린트헤드를 통해 프린팅될 수 있다. 이러한 단량체 유기 화합물들은 일반적으로 여러 넓은 부류로 구분된다: 알코올, 에스테르, 에테르, 실란, 비닐 단량체, 아크릴 단량체 및 메타크릴레이트 단량체.
용매상으로서 작용하고, 또 다른 용매(일반적으로 물)에서 용질으로서 작용하는 것으로 밝혀진 알코올 및 에스테르로는 메틸 알코올, 에틸 알코올, 이소프로판올, t-부탄올, 에틸 아세테이트, 디메틸 숙시네이트, 디에틸 숙시네이트, 디메틸 아디페이트 및 에틸렌 글리콜 디아세테이트가 있다. 이러한 물질은 분말 베드에서 수지용 용매로서 작용한다.
3-D 프린터에서 작용하는 것으로 밝혀진 수지로는 셸랙, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리비닐 아세테이트, 폴리비닐 알코올, 폴리스티렌, 스티렌-부탄디엔 공중합체 및 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체가 있다. 이러한 수지는 충전제와 함께 사용될 수 있거나, 이들 자체로 사용될 수 있다. 특히 적합한 조합은 100중량% 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 분말에 대해 프린팅된 100중량% 디메틸 숙시네이트 결합제이다.
다른 단량체들은 중합을 위한 활성 부위를 함유하고, 혼합된 특성을 갖는다. 중합가능한 단량체 부류로는 비닐 단량체, 아크릴 단량체 및 메타크릴레이트 단량체가 있다. 전형적인 혼합된 비닐-실란 단량체는 비닐트리이소프로폭시실란이다. 아크릴 단량체는 트리(프로필렌 글리콜) 디아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 페닐 에테르 아크릴레이트 및 1,6 헥산디올 디아크릴레이트를 포함한다. 메타크릴레이트는 1,3 부틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 네오펜틸 글리콜 디메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 1,6 헥산디올 디메타크릴레이트 및 디(프로필렌 글리콜) 알릴 에테르 메타크릴레이트를 포함한다.
또한, 잘 프린팅되는 것으로 밝혀진 비공지된 특성을 갖는 일부 배타적인 단량체가 있다. 이들은 SR 521, SR 516 및 CN 131의 명칭으로 엑손 PA의 사르토머 코.(Sartomer Co.)에 의해 제작된다. 이러한 물질은 반응적이며, 광개시제와 혼합될 경우, 자외선을 가하므로써 고형화될 수 있다. 이러한 중합 부류에 특히 적합한 결합제는, 광개시제로서 1중량%의 사르토머 생성물 #KT046과 혼합된 99중량% 네오펜틸 글리콜 디메타크릴레이트이다. 상기 설명된 단량체는 작업을 위해 제조될 수 있지만, 이러한 단량체는 프린트헤드를 통한 적합한 흐름 및 적합한 반응성을 산출한다. 이러한 물질을 경화시키는데 필요한 방사는 363-378nm의 파장 및 1주울/cm2의 에너지 밀도를 갖는 자외선이다. 이러한 혼합물에 특히 적합한 분말은 상기 표 1에 제공되어 있다.
또한, 유기 산 및 당: 수크로스, 덱스트로스, 말릭산 및 나트륨 시트레이트, 및 기타 화합물, 예컨대, 우레아 및 가수분해된 아미노산이 있으며, 이들은 물 용액에서 용질로서 사용될 수 있다. 이러한 화합물은 분말중에서 건조에 의해 결합되며, 이들 자신의 감지할 정도의 용매 특성은 갖지 않는다. 또한, 반응성 단량체 예컨대, 멜라닌-포름알데히드는 액상 용액에서 프린팅되고, 후에 열, 개시제 또는 활성 방사선, 예컨대, 자외선에 의해 중합화될 수 있다.
제 5 부류는 용융된 왁스를 프린팅하도록 설계된 전기기계적 프린트헤드 예컨대, 텍트로닉스 페이저(Tektronix Phasor) 340 프린트헤드(온도 조절을 포함)와 사용될 수 있는 요소이다. 이러한 카테고리에서, 실온 고형물 예컨대, 왁스는 이 자체로 또는 매질로서 물을 대체하여 사용되어 카테고리 1-4에 설명된 제 1 접착제를 운반한다. 왁스 자체는 접착제로서 작용하여 함께 분말 입자를 접합시킨다. 이러한 물질로부터 제형화된 결합제는 승온하에 작동되는 전기기계적 프린트헤드에 적합할 것이다. 이러한 작업 온도에서, 결합제는 유체가 되고, 삼차원 인쇄 공정에 사용될 수 있다.
전형적인 왁스 기재 결합제 제형은 낮은 용융 점도(100 센티푸아즈 미만)를 갖는 왁스 예컨대, 상이한 등급의 천연 미네랄 또는 정제된 왁스를 포함할 것이다. 비제한적인 예로는 카르나우바(carnauba) 왁스, 밀랍(beeswax), 세레신(ceresine), 오조케라이트(ozokerite), 몬탄(montan), 오르커리(orlcury) 왁스, 파라핀 및 미세결정 왁스를 포함한다. 왁스는 화학적으로 변형되어 반응성 기, 예컨대, 알코올, 유기산, 알코올 옥사졸레이트 및 우레탄 유도체를 포함할 수 있다. 용융점, 용융 점도, 강도(toughness) 및 경화 속도와 같은 결합제 특성을 변화시키고, 첨가된 성분과의 양립성을 증가시키기 위해, 왁스는 수지, 오일 및 기타 중합체와 배합되거나 화합될 수 있다. 추가 성분은 로진, 지방산, 지방산염, 모노 및 디글리세라이드, 광유 및 투르펜틴(turpentine)을 포함한다. 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리-2-에틸-옥사졸린, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴아미드 및 폴리비닐 알코올을 포함한다.
제 1 부류(중합체 용액) 및 제 2 부류(무기 용액) 요소에서의 접착제는, 나머지가 실온에 노출되는 경우, 물을 종종 흡수할 것이다. 그러나, 이러한 접착제는 일반적으로, 완전하게 건조되거나 젖은 상태에서 유지되는 경우, 더 높은 신뢰도 및 효능을 갖도록 수행될 것이다. 접착제를 액상 결합제에 혼입시키므로써, 이들은 젖은 상태로 유지되고, 목적하는 신뢰도 및 효율을 나타낼 수 있다.
습윤제
습윤제가 본 발명의 혼합물에 포함되어 프린팅된 물질로부터 용매의 증발을 지연시키고, 프린트헤드 방출 시스템의 건조/클로깅을 방지한다. 용매가 수성인 경우, 글리세롤이 특히 적합한 습윤제이다. 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜 및 프로필렌 글리콜을 포함하나 이에 제한되지는 않는 다른 폴리히드릭 알코올이 증발을 지연시키는 것으로 당해분야에 공지되어 있다. 추가적인 습윤제로는 티오디에탄올, n-메틸 피롤리디논 및 디메틸 히단토인을 포함한다.
유량 증가제
일부 습윤제 특성을 갖는 유량 증가제가 포함될 수 있으나, 이는 주로 유체의 유체역학적 성질 또는 습윤 특성을 변형시켜 프린트헤드에 의해 방출된 유체의 용적을 최대화시킨다. 유량 증가는, 유체의 유량을 증가시켜 프린팅될 층을 두껍게하여서, 최종 물품이 더욱 신속하게 축적되게 하는 점탄성 현상을 나타내는 것으로 여겨진다. 유체와 젯 벽 사이의 마찰을 감소시키거나 유체의 점도를 감소시키므로써 유체의 유량을 증가시키는 특이적 화합물로는 에틸렌 글리콜 디아세테이트 및 칼륨 알루미늄 술페이트를 포함한다. 유량 증가제로서 사용하기에 적합한 기타 화합물은 하기 비제한적인 리스트로부터 선택될 수 있다; 테트라에틸렌 글리콜 디메틸에테르, 이소프로필 알코올, 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 도데실 디메틸암모니오프로판 술포네이트, 글리세롤 트리아세테 이트, 에틸 아세토아세테이트, 및 분자량이 약 30,000 유닛인 폴리비닐 피롤리돈, 폴리에틸렌 글리콜, 폴리아크릴산 및 나트륨 폴리아크릴레이트를 포하하는 수용성 중합체. 이온성 중합체, 예컨대 나트륨 폴리아크릴레이트에 있어서, 유량의 증가는 pH를 변화시킨다. 유량을 증가시키는데 사용될 수 있는 염으로는 황산칼륨, 황산알루미늄칼륨, 인산수소나트륨 및 나트륨 폴리포스페이트를 포함한다.
염료
본 발명의 유체는 염료를 포함하여, 물품을 축적하는 동안 작동자에게 시각적 도움을 제공한다. 염료는 활성화된 분말과 불활성화된 분말 사이를 대조시켜, 작동자가 물품을 축적하는 동안 프린팅된 층을 모니터링하게 한다. 염료는 나프톨 블루-블랙 및 다이렉트 레드(direct red)를 포함하나 이에 제한되지 않는 군으로부터 선택될 수 있다. 유체와 양립가능한 기타 염료들이 사용될 수 있다.
활성 유체에서 추가적인 성분
공용매는 수용액에 첨가되어 용질에 대한 액체의 용해력을 변형시키므로써 용액의 점도를 변화시킬 수 있다. 용액중의 장쇄 분자는 연장된 사슬 또는 콜로이드 구조를 따르게된다. 용매가 용질에 대해 높은 친화도를 갖는 경우, 긴 분자가 스프레딩되어 용액의 점도를 높게 유도할 것이다. 용액에 공용매를 첨가하므로써, 중합체가 다른 용해된 중합체 분자에 덜 강하에 유인되고, 밀착된 볼로 감겨지기 시작할 수 있다. 이는 중합체 용액의 점도를 감소시키고, 더 많은 중합체가 용해되도록 하는 경향이 있다. 공용매는 이소프로판올, 에틸 알코올, 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 부티로락톤 및 아세톤을 포함한다.
결합제의 pH를 조절하는 첨가제, 일반적으로 소위 완충액은 접착제 용액 및 현탁액에 증가된 안정도를 부여할 수 있다. 이러한 물질로는 수산화칼륨, 암모니아, 염화암모늄, 트리에탄올아민, 나트륨 아세테이트, 나트륨 글루코네이트, 황산칼륨, 황산수소칼륨, 황산알루미늄나트륨 및 나트륨 테트라보레이트를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
습윤화 제제는 액체의 표면 장력을 조절하는 물질이다. 이들은 액체 접착제가 프린트헤드 메카니즘의 표면으로 스프레딩하는 것을 조절하는데 사용될 수 있다. 이들은 나트륨 도데실 술페이트, 나트륨 디-옥틸 술포숙시네이트, 에틸 부티레이트, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 폴리에틸렌 글리콜 알킬 에테르 및 나트륨 p-톨루엔 술포네이트를 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
윤활제는, 액제 결합제가 프린트헤드의 노즐을 통과하는 속도를 증가시키는데 사용될 수 있다. 구성 물질에 따라, 글리세롤 트리아세테이트, 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 글리콜, 에틸 아세토아세테이트, 디에틸 숙시네이트 및 나트륨 폴리아크릴레이트와 같은 물질이 사용될 수 있다.
추가적인 물질이 현탁액의 안정도를 증진시키는데 사용될 수 있다. 안정화제는 유화제 예컨대, 소르비탄 트리올레이트, 폴리옥시에틸렌 모노도데실 에테르, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노-올레이트, 및 보호성 콜로이드 예컨대, 폴리옥시에틸렌-코-폴리옥시프로필렌, 폴리비닐 피롤리돈, 폴리아크릴산, 겔라틴 및 아카시아 검을 포함한다.
본 발명의 방법에 사용되는 기구는 신뢰성이 있으며, 저렴하고, 사무 환경에 서 사용하기에 이상적으로 만들어서 유지하기가 용이하다. 본 발명에 사용된 물질은 액체 결합제 방법에서 현재 사용된 것 보다 3D 인쇄에서 더욱 우수한 성능을 달성할 수 있다. 따라서, 기구 보수가 더 적게 요구되며, 기구의 신뢰도는 증가한다. 따라서, 본 발명의 방법은 당해의 방법 보다 더 짧은 축적 시간 및 더 적은 노동력이 요구된다.
당업자는, 본원에 기재된 모든 변수가 예시적인 것이며, 실질적인 변수는 본 발명의 방법 및 물질이 사용되는 특정 적용에 의존적이라는 것을 용이하게 인지할 것이다. 따라서, 상기 구체예는 단지 실례로서 제공된 것이며, 첨부된 청구범위 및 이것의 동등 범위내에서 본 발명이 특정하게 설명된 것 이외의 방식으로 실행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (51)

  1. 삼차원 프린터에서 입체물을 형성하도록 고정되지 않고 자유롭게 유동하는 입상 물질을 선택적으로 접착시키는 유체 조성물로서, 중합가능한 단량체 및 광개시제를 포함하고, 320-500nm의 파장 및 1주울/cm2의 에너지 밀도를 갖는 자외선에 의해 광개시제와 함께 경화되어 고정되지 않고 자유롭게 유동하는 입상 물질의 소정의 위치에 입체물을 형성시키는 유체 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 중합가능한 단량체가 메타크릴레이트 단량체, 아크릴 단량체 또는 비닐 단량체중 하나 이상을 포함하는 유체 조성물.
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  10. 제 2 항에 있어서, 아크릴 단량체가 트리(프로필렌 글리콜) 디아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 페닐 에테르 아크릴레이트 또는 1,6 헥산디올 디아크릴레이트중 하나 이상을 포함하는 유체 조성물.
  11. 제 2 항에 있어서, 메타크릴레이트 단량체가 1,3 부틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 네오펜틸 글리콜 디메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 1,6 헥산디올 디메타크릴레이트 또는 디(프로필렌 글리콜) 알릴 에테르 메타크릴레이트중 하나 이상을 포함하는 유체 조성물.
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  13. 제 1 항에 있어서, 중합가능한 단량체가 고정되지 않고 자유롭게 유동하는 입상 물질중의 수지에 대한 용매인 유체 조성물.
  14. 제 13 항에 있어서, 수지가 폴리스티렌, 스티렌-부타디엔 공중합체 또는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체중 하나 이상을 포함하는 유체 조성물.
  15. 제 1 항에 있어서, 고정되지 않고 자유롭게 유동하는 입상 물질이 무기 화합물을 포함하는 충전제를 포함하는 유체 조성물.
  16. 제 15 항에 있어서, 충전제가 점토, 산화알루미늄, 이산화규소, 알루미늄 실리케이트, 칼륨 알루미늄 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 수산화칼슘, 칼슘 알루미네이트, 칼슘 카보네이트, 나트륨 실리케이트, 산화아연, 이산화티타늄, 유리, 석회암 (limestone) 또는 마그네타이트(magnetite)중 하나 이상을 포함하는 유체 조성물.
  17. 제 15 항에 있어서, 충전제 전반에 프린팅 보조제가 분산된 유체 조성물.
  18. 제 17 항에 있어서, 프린팅 보조제가 소르비탄 트리올레이트, 소르비탄 모노-올레이트, 소르비탄 모노라우레이트, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노-올레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 대두유 (soybean oil), 광유 (mineral oil), 프로필렌 글리콜, 플루오로알킬 폴리옥시에틸렌 중합체, 글리세롤 트리아세테이트, 폴리프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 옥타노에이트, 에틸렌 글리콜 데카노에이트, 2,4,7,9-테트라메틸-5-데신-4,7-디올의 에톡시화된 유도체, 올레일 알코올 또는 올레산중 하나 이상을 포함하는 유체 조성물.
  19. 제 1 항에 있어서, 유체 조성물이 유체와 함께 접착제를 포함하며, 접착제는 중합가능한 단량체를 포함하는 유체 조성물.
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  31. 제 1 항에 있어서, 유체와 함께 접착제 및 중합가능한 단량체를 포함하며, 접착제는 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리스티렌, 천연 고무, 폴리우레탄, 폴리비닐 아세테이트 및 알키드 수지로 구성된 군으로부터 선택된 중합체를 포함하는 유체 조성물.
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  34. 삼차원 물체를 형성시키는 방법으로서,
    고정되지 않고 자유롭게 유동하는 입상 물질의 층을 형성시키고;
    중합가능한 단량체를 포함하는 유체 조성물을 소정의 위치에서 상기 층에 도포시켜 소정의 위치에서 입상 물질을 결합시키는 것을 포함하는 방법.
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  41. 제 34 항에 있어서, 고정되지 않고 자유롭게 유동하는 입상 물질이 수지를 포함하는 방법.
  42. 제 41 항에 있어서, 수지가 폴리스티렌, 스티렌-부타디엔 공중합체 또는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체중 하나 이상을 포함하는 방법.
  43. 제 34 항에 있어서, 고정되지 않고 자유롭게 유동하는 입상 물질이 무기 화합물을 포함하는 충전제를 포함하는 방법.
  44. 제 43 항에 있어서, 충전제가 점토, 산화알루미늄, 이산화규소, 알루미늄 실리케이트, 칼륨 알루미늄 실리케이트, 칼슘 실리케이트, 수산화칼슘, 칼슘 알루미네이트, 칼슘 카보네이트, 나트륨 실리케이트, 산화아연, 이산화티타늄, 유리, 석회암 또는 마그네타이트중 하나 이상을 포함하는 방법.
  45. 제 43 항에 있어서, 충전제 전반에 프린팅 보조제가 분산된 방법.
  46. 제 45 항에 있어서, 프린팅 보조제가 소르비탄 트리올레이트, 소르비탄 모노-올레이트, 소르비탄 모노라우레이트, 폴리옥시에틸렌 소르비탄 모노-올레이트, 폴리에틸렌 글리콜, 대두유, 광유, 프로필렌 글리콜, 플루오로알킬 폴리옥시에틸렌 중합체, 글리세롤 트리아세테이트, 폴리프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜 옥타노에이트, 에틸렌 글리콜 데카노에이트, 2,4,7,9-테트라메틸-5-데신-4,7-디올의 에톡시화된 유도체, 올레일 알코올 또는 올레산중 하나 이상을 포함하는 방법.
  47. 제 34 항에 있어서, 유체 조성물이 중합가능한 단량체 및 광개시제를 포함하는 방법.
  48. 제 34항에 있어서, 중합가능한 단량체가 메타크릴레이트 단량체, 아크릴 단량체 또는 비닐 단량체중 하나 이상을 포함하는 방법.
  49. 제 48 항에 있어서, 아크릴 단량체가 트리(프로필렌 글리콜) 디아크릴레이트, 에틸렌 글리콜 페닐 에테르 아크릴레이트 또는 1,6 헥산디올 디아크릴레이트중 하나 이상을 포함하는 방법.
  50. 제 48 항에 있어서, 메타크릴레이트 단량체가 1,3 부틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 네오펜틸 글리콜 디메타크릴레이트, 부틸 메타크릴레이트, 1,6 헥산디올 디메타크릴레이트 또는 디(프로필렌 글리콜) 알릴 에테르 메타크릴레이트중 하나 이상을 포함하는 방법.
  51. 제 34 항에 있어서, 유체 조성물이 유체와 함께 접착제 및 중합가능한 단량체를 포함하며, 접착제는 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리스티렌, 천연 고무, 폴리우레탄, 폴리비닐 아세테이트 및 알키드 수지로 구성된 군으로부터 선택된 중합체를 포함하는 방법.
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