KR100917572B1 - 코팅된 또는 결합된 연마 물품 - Google Patents

Abstract

코팅된 연마 물품(coated abrasive article)은 기판, 및 연마 구조들의 패터닝 세트를 포함한다. 연마 구조들의 패터닝 세트의 각각의 연마 구조는 공학적설계된 마이크로피처(engineered microfeature), 즉 내부 구조 기공, 표면 채널 또는 분열 평면을 갖는다. (코팅된 또는 결합된) 연마 물품은 불충분한 이형 윤곽을 갖는 외면을 포함한다. 연마 물품은 다수의 패터닝 층을 포함하고, 패터닝 층들 중 하나의 층에서, 제1영역은 제1구성물(composition)을 가지고, 제2영역은 제1구성물과 다른 제2구성물을 가진다.

카트리지, 연마제, 마이크로피처, 결합제, 연마 입자, 연마 물품.

Description

코팅된 또는 결합된 연마 물품{Coated or bonded abrasive articles}

본 발명은 일반적으로 연마 물품들을 제조하기 위한 쾌속금형(rapid tooling) 시스템 및 방법에 관한 것이다.

코팅된 연마제들 및 결합된 연마제(bonded abrasive)들과 같은 연마 물품들은 래핑(laping), 연삭가공(grinding) 또는 폴리싱(polishing)에 의해서와 같이 공작물(workpiece)을 기계가공하는 다양한 산업들에 이용된다. 연마 물품들을 이용한 기계가공은 광학 산업들로부터, 자동 인쇄 수리 산업들, 금속 제조 산업들까지 광범위한 산업 범위에 이른다. 이들 예들의 각각에서, 제조 설비들은 각각의 사업 사이클 동안 상당한 양의 연마 물품들을 이용한다.

통상적인 사업 사이클에서, 연마 물품 소비자는 연마제 제조업자로부터 연마물품들의 양을 주문한다. 연마 제조업자는 선택된 그레인(grain) 크기 및 결합 재료를 이용하여 한 뱃치(batch)로서 연마 물품을 제조한다. 그 후에 연마 제조업자는 상이한 그레인 크기 및 결합 재료를 갖는 연마 물품들의 다른 뱃치를 제조할 수 있다.

통상적으로, 특정 그레인 크기를 갖는 뱃치가 이전 뱃치에서 이용된 그레인들 및 입자들로 오염되지 않도록 연마 물품 제조 기기를 완전히 세척하는 것은 어렵다. 거친 그레인 연마 입자들(coarse grain abrasive particles)이 미세한 그레인 연마 뱃치를 오염시킬 때, 오염된 미세한 그레인 연마 뱃치를 이용하면 폴리싱되거나 연삭가공되는 표면들의 긁힘 또는 흠집을 유발한다. 이와 같이, 연마 물품 뱃치들의 교차-오염(cross-contamination)을 제한하기 위해서는 연마 제조업자들이 많은 주의를 기울여야 하고, 이것은 비용 증가를 유발한다.

더욱이, 고객들은 뱃치들로 주문한다. 대량의 이용자들을 위해, 뱃치들로의 주문은 큰 자본 지출과, 일단 뱃치가 회수되면 저장 및 세부 계획 문제들과, 연마 물품 이용을 예상하는 것과 연관된 문제들을 유발한다. 연마 물품들의 사용이 과소평가되면, 소비자는 연마 물품들을 다 소모할 수 있어, 생산성 손실과 수익 손실을 유발한다.

그 외에도, 연마 물품들을 제조하는 종래의 방법들은 지나친 낭비를 유발하고, 그러한 방법들을 통해 형성될 수 있는 연마 물품들의 형상 및 구성이 제한된다. 예를 들면, 코팅된 연마제의 특정한 윤곽(contour)이 요망될 때, 코팅된 연마 재료의 시트는 윤곽에 일치하도록 절삭가공되어, 상당한 양의 이용되지 않은 재료를 허비하도록 남겨둔다. 결합된 연마 물품을 제조할 때, 종래의 방법들은 (ⅰ) 슬러리(slurry)의 뱃치를 준비하고 (ⅱ) 슬러리를 금형으로 쏟아 붓고, (ⅲ) 슬러리를 압착하고 경화하고, (ⅳ) 이형하고(de-molding), (ⅴ) 최종 크기로 다듬는 단계를 포함하는 몰딩 공정을 이용한다. 최종 결합된 연마 물품이 목표 크기보다 작지 않다는 것을 보장하기 위하여, 여분의 인자들(excess factors)이 제조 공정 전반에 이용된다. 예를 들면, 여분의 슬러리는 금형이 완전히 충전되는 것을 보장하기 위해 만들어진다. 그 외에도, 금형은 통상적으로 최종 크기보다 더 크고, 결합된 연마 물품은 다듬는 동작에서 최종 크기로 트리밍(trim)된다. 이와 같이, 코팅된 연마제 및 결합된 연마제 제조 공정 모두에서, 재료가 낭비되고, 최종 연마 물품을 생성하기 위한 부가의 시간 소모 단계들이 수행된다.

따라서, 연마 물품 제조 및 시스템들의 개선들 외에도, 결합된 연마 물품 및 코팅된 연마 물품들을 포함하여 새로운 연마 물품들이 산업에서 계속 요구되고 있다. 예를 들어, 기존의 제조 기술은 연마 물품들의 구조를 제한하고, 공학적설계된{engineered: 이 용어는, '피처(feature: 예를 들어 분열 평면 또는 내부 구조적 기공)가 하나의 패턴으로 형성되어 연마 구조물내에서 패터닝 세트 전체를 통해 일관성 있는 위치 및 방향을 가지는 것'을 의미하며, 연마 구조물의 패터닝 세트에서 임의의 방향 또는 위치를 나타내는 랜덤 피처(random feature)와 대조된다.} 연마제들 및 결합된 연마제들의 맥락에서, 통상적으로 연마 구조들은 원뿔 또는 피라미드 형상 구조들과 같이, 몰딩으로부터 쉽게 분리될 수 있는 구조들로 제한된다.

상술한 내용으로부터 명백한 바와 같이, 연마 산업에서는 연마 물품 구조들뿐만 아니라 개선된 제조 기술을 수용하려고 한다.

하나의 특정한 실시예에서, 코팅된 연마 물품(coated abrasive article)은 기판, 및 연마 구조들의 패터닝 세트를 포함한다. 연마 구조들의 패터닝 세트의 각각의 연마 구조는 공학적설계된 마이크로피처(engineered microfeature)를 갖는다.

다른 실시예에서, 연마 물품은 불충분한 이형 윤곽을 갖는 외면을 포함한다.

또한 다른 실시예에서, 연마 물품은 다수의 패터닝 층을 포함한다. 패터닝 층들중 하나의 층에서, 제1영역은 제1구성물(composition)을 가지고, 제2영역은 제1구성물과 다른 제2구성물을 가진다.

본 개시내용은 첨부 도면들을 참조하여 당업자에게 더욱 잘 이해되고 본원 발명의 다수의 특징들 및 이점들이 명백해진다.

도 1 및 도 2는 연마 물품들의 쾌속금형을 위한 예시적 액침(immersion) 시스템들을 도시한 도면들.

도 3 내지 도 5는 연마 물품들을 제조하기 위한 예시적 인쇄 시스템들을 도시한 도면들.

도 6 및 도 7은 연마 물품들의 쾌속금형을 위한 시스템들에 이용하기 위한 예시적 카트리지들을 도시한 도면들.

도 8 내지 도 19는 예시적 연마 물품들을 도시한 도면들.

도 20 내지 도 21은 연마 물품들을 제조하기 위한 예시적 방법들을 도시한 흐름도들.

상이한 도면들에서 동일한 참조 부호들의 이용은 유사하거나 동일한 항목들을 나타낸다.

하나의 특정한 실시예에서, 본 발명은 임의형상(solid free form) 제작 시스템 및 쾌속금형 시스템과 같은 연마 물품들을 제조하기 위한 시스템에 관련된다. 이 시스템은 계산 회로, 카트리지 및 제작 표면을 포함한다. 카트리지는 시스템에 제거 가능하게 결합되고, 연마 입자들 및 결합제는 카트리지가 시스템과 연결될 때 카트리지로부터 분배될 수 있다. 계산 회로는, 연마 입자들 및 결합제가 연마 물품을 형성하기 위해 제작 표면 또는 기판 상에서 분배되는 패턴의 증착을 제어하도록 구성된다.

다른 예시적 실시예에서, 본 발명은 결합제 및 연마 입자들을 저장하는 카트리지에 관련된다. 카트리지는 연마 물품들의 제조에 이용하기 위한 쾌속금형 시스템에 제거 가능하게 결합되도록 구성된다. 카트리지는 제2결합제 및 제2세트의 연마 입자들을 저장하도록 더 구성될 수 있다.

본 발명은 또한 연마 물품을 형성하는 방법에 관련된다. 이 방법은 쾌속금형 시스템에 연마 물품 디자인 데이터 세트를 제공하는 단계와, 연마 물품 디자인 데이터 세트에 기초하여 연마 물품을 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 제2연마 물품 디자인 데이터 세트를 제공하는 단계와, 제2연마 물품 디자인 데이터 세트에 기초하여 제2연마 물품을 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명은 또한 연마 물품 제조를 용이하게 하는 방법에 관련된다. 이 방법은 카트리지를 회수하도록 구성된 쾌속금형 시스템을 제공하는 단계와, 결합제 및 연마 입자들을 저장하는 카트리지를 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 이용된 카트리지를 회수하는 단계, 결합제 및 연마 입자들로 카트리지를 재충전하는 단계, 및 재충전된 카트리지를 제공하는 단계를 포함한다.

연마 물품들은 코팅된 연마 물품들이거나, 결합된 연마 물품들이 될 수 있다. 코팅된 연마 물품들은 연마층 또는 층들이 기판에 결합되는 물품들을 포함한다. 기판 또는 뒷받침 부재(backing member)는, 연마제 함유층이 증착된 치수적으로 안정된 구성부품으로 작용한다. 연마층의 연마 그레인들은 결합제를 이용하여 뒷받침 부재에 접착된다. 공학적설계 또는 구조화된 연마제들은 통상적으로 코팅된 연마제들보다 개선된 성능을 제공하기 위해 개발되었다. 구성된 연마제들은 미리 구성된 패턴을 따르기 위하여 연마층이 증착된 뒷받침 부재를 이용한다. 이러한 구성된 연마제들은, 일정한 절삭율(sustained cut-rate), 견고한 표면 마무리 및 연장된 수명을 제공하는 것과 같이 종래의 연마 제품들보다 개선된 연삭가공 특성들을 일반적으로 나타낸다.

결합된 연마제들은 일반적으로 구조적 완전성(integrity)을 위한 뒷받침 부재 또는 기판 상에 의존하지 않는 3차원 형태들을 포함한다. 결합된 연마제들은 예를 들면 연삭가공 휠들 및 다른 3차원 연마 물품들을 포함한다. 통상적으로, 결합된 연마제들은 연마 입자들 및 결합제 용액들의 혼합물을 몰딩하여 형성되었다.

본 명세서에 개시된 바와 같이, 코팅된 연마제들 및 결합된 연마제들은 쾌속금형 방법들 및 임의형상 제조 방법들을 통해 형성될 수 있다. 쾌속금형 방법들은 예를 들면, 일정한 절삭율(sustained cut-rate), 견고한 표면 마무리, 이용 수명, 다공성 및 절삭액/부스러기 채널링(channeling)과 같이, 원하는 연삭가공 특성을 갖는 물품을 생성하기 위하여 연마 물품을 한 층씩 형성한다.

쾌속금형 방법들은 액침 방법들 및 인쇄 방법들을 포함한다. 액침 방법들은 일반적으로, 수지 또는 파우더와 같은 빌드(build) 재료들로 충전된 배쓰(bath) 또는 컨테이너를 포함한다. 각각의 빌드층이 형성된 후에 낮아지는 플랫폼 위에 한 층씩 물체(object)가 만들어진다. 경화되지 않은(이하 '비경화'라고 함) 또는 결합되지 않은(이하 '비결합'이라고 함) 빌드 재료의 박층은 연마 물품의 마지막 층 바로 위에 증착되고 패턴에서 부분적으로 결합된다. 예시적 실시예에서, 레이저 또는 UV 광원과 같은 에너지원은 소결 또는 경화하기 위한 재료 내에 결합제를 유발하기 위해 비결합 재료의 층에서의 패턴으로 향해진다. 다른 예시적 실시예에서, 결합제는 빌드 재료의 층들 위의 패턴에 인쇄된다. 그 후에, 물체는 낮아지고, 비결합 재료의 후속층은 이전 층 위에 증착되며, 비결합 재료는 연마 물품을 형성하기 위해 패턴에 다시 응고된다.

예시적 액침 방법들은 액체 방법들 및 파우더 방법들을 포함한다. 예를 들면, 액체 방법들은, 물체가 액체 수지의 풀(pool) 내에서 구성되는 스테레오리소그래피(stereolithography)를 포함한다. 파우더 방법들은 결합제 인쇄 단계 및 선택적 레이저 소결 단계를 포함한다. 예를 들면, 세라믹 재료의 층은 특정한 패턴의 층 위에 결합제를 인쇄함으로써 특정한 패턴으로 결합될 수 있다. 다른 예에서, 파우더 재료는 특정한 패턴의 파우더 재료의 층 위에 레이저 빔을 향하게 함으로써 특정한 패턴으로 소결될 수 있다.

임의형상 형성방법 및 쾌속금형 방법은 또한, 고속 인쇄 방법들을 포함한다. 고속 인쇄 방법들은 일반적으로 기판 위의 패턴으로의 용액의 증착을 포함한다. 하나의 예시적 실시예에서, 연마 물품은 연마 입자들 및 결합제들을 포함하는 용액의 연속 증착에 의해 형성된다. 예시적 인쇄 방법들은 증착 인쇄 방법들 및 압출 방법들(extrusion methods)을 포함한다. 예시적 증착 방법들은 금속 결합 시스템들과 같은 건조 입자 증착 방법들과 액체 경화 가능한 수지 시스템들과 같은 액체 증착 방법들을 포함한다. 압출 방법들은 열가소성 재료의 필라멘트가 용해되어 원하는 패턴으로 증착되는 용융 증착 기계가공(FDM)을 포함한다.

도 1 및 도 2는 연마 물품들을 형성하기 위한 예시적 액침 시스템들(immersion systems)을 도시한다. 도 1에 도시된 시스템(100)은 비경화 수지 및 연마 입자들을 포함하는 비경화 용액(104)의 배쓰(102)를 포함한다. 연마 물품(108)은 플랫폼(106) 상에 형성된다. 레이저 또는 자외선(UV) 에너지원과 같은 에너지원(112)은 용액을 패터닝된 층에서 경화 또는 결합하기 위하여 용액(104)의 표면층을 따라 패턴에 에너지를 향하게 한다. 예를 들면, 레이저는 용액(104)의 표면 상에 패턴을 형성하기 위해 표면층을 가로질러 스캐닝될 수 있다. 다른 예에서, UV 광은 용액(104)의 표면 상에 패턴을 형성하기 위해 마스크를 통해 향하게 된다. 플랫폼(106)은 단편적으로 연속해서 낮아지고, 바 또는 스위퍼(sweeper; 110)는 형성한 연마 물품(108) 위에 비경화 용액의 후속층을 스위핑(sweeping)한다. 에너지의 후속 패턴을 표면층에 향하게 하고, 플랫폼(106)을 낮추고, 이전에 경화된 층 위에 부가의 층을 스위핑함으로써 공정이 계속된다. 연마 물품(108)이 완료되면, 플랫폼(106)은 올려지고, 연마 물품(108)은 용매로 세척되고 린스된다. 하나의 예시적 실시예에서, 물체는 열 또는 UV 방법들을 이용하여 더욱 후속-경화(post-cure)될 수 있다.

용액(104)은 연마 입자들 및 결합제 또는 경화 가능한 수지를 포함한다. 하나의 예시적 실시예에서, 결합제 또는 경화 가능한 수지는 열, 레이저 조사, UV 에너지 조사, e-빔 조사 또는 패터닝된 광 방법들 중 적어도 하나에 응답한다. 에너지 또는 광을 패턴에 조사함으로써, 연마 물품층이 형성될 수 있다. 하나의 예시적 실시예에서, 도 1에 도시된 시스템은 스테레오리소그래픽 시스템을 포함한다.

도 2는 파우더 혼합물을 이용한 예시적 시스템(200)을 도시한다. 컨테이너(202)는 연마 입자들 및 파우더 결합제의 혼합물(204)을 포함한다. 혼합물(204)은 세라믹 파우더들과 같은 결합제들, 폴리아미드 및 폴리스티렌과 같은 중합 재료들, 강철 및 주조 모래를 포함한다. 플랫폼(206)은 연마 물품(208)의 형성을 허용하기 위하여 한 층씩 낮아진다. 플랫폼이 일 인치 이하의 크기(fractions of an inch)만큼 낮아졌으면, 롤러(210)는 컨테이너(202) 내의 연마 물품(208) 및 재료(204) 위에 빌드 재료(build material)를 증착한다. 여분의 재료는 컨테이너(214) 안으로 씻겨져(wipe) 들어가거나 롤링되어 들어갈 수 있다.

에너지원(212)은 연마 물품(208)의 후속층을 형성하기 위해 재료(204)의 표면상에 패터닝된 에너지를 향하게 한다. 하나의 예시적 실시예에서, 에너지원(212)은 재료(204) 및 연마 물품(208) 위의 패턴에 향해진 레이저 광원이다. 대안적으로, 재료(204)는 연마 입자들이다. 결합제 또는 연마제는 형성한 연마 물품의 층을 형성하기 위해, 형성한 연마 물품(208) 및 재료(204) 위의 패턴에 인쇄된다.

이어서, 플랫폼(206)은 후속 패터닝된 층의 형성을 허용하기 위해 낮아진다. 연마 물품(208)이 형성되면, 플랫폼(206)은 올려지고, 연마 물품(208)은 비결합 파 우더로 세척된다. 도 2에 도시된 시스템의 예시적 실시예들은 결합제 인쇄 시스템들 및 선택적 레이저 소결 시스템들(SLS: selective laser sintering systems)을 포함한다.

도 3 내지 도 5는 예시적 인쇄 시스템들을 도시한다. 도 3은 열가소성 재료(308)의 필라멘트가 가열된 압출 헤드(310)를 통해 공급되는 시스템(300)을 도시한다. 플랫폼(302) 및/또는 가열된 압출 헤드(310)는 3차원 연마 물품(304)의 형성을 용이하게 하기 위해 3차원 패턴으로 이동할 수 있다. 스풀(spool; 306)은 필라멘트(308)를 포함하고, 이것은 일시적으로 가열하면 녹는 열가소성 재료 및 연마 입자들을 포함하고 연마 물품(304)의 층들을 형성하기 위해 증착된다. 예시적 열가소성 재료들은 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리카보네이트 및 폴리페닐술폰을 포함한다. 하나의 예시적 실시예에서, 도 3에 도시된 시스템(300)은 용융 증착 기계가공(FDM: fused deposition machining) 시스템이다.

도 4는 파우더가 연마 물품(404) 상의 위치들에서 용융되는 예시적 증착 인쇄 시스템(400)을 도시한다. 플랫폼(402) 및/또는 증착 헤드(406)는 연마 물품(404)의 형성을 용이하게 하기 위해 3차원 패턴으로 한 층씩 이동된다. 하나의 특정한 실시예에서, 고밀도 광원 또는 방사성 열원은 증착 헤드(406)를 통해 향해지고, 파우더는 연마 물품(404)의 표면상에 수렴하기 위해 튜브(408)를 통해 향해진다. 파우더는 연마 물품(404)을 형성하기 위해 패턴에 소결되거나, 용해되거나, 또는 경화된다. 파우더는 연마 입자들 또는 결합제를 포함하는 결합제의 단일 스트림으로서, 또는 하나는 연마 입자들을 포함하고 다른 하나는 결합제를 포함하는 둘 이상의 수렴 스트림(stream)들로서 증착될 수 있다. 예시적 결합제들은 강철, 구리, 티타늄, 또는 알루미늄과 같은 금속들을 포함한다. 하나의 예에서, 공정은, 파우더로 된 금속의 스트림 및 연마제들을 증착하고, 동시에 연마 물품(404)에 파우더를 용융하기 위해 레이저로 증착 영역을 가열하는 단계를 포함한다.

도 5는 연마 물품(504)을 형성하기 위해 연속하는 층들의 인쇄를 포함하는 다른 예시적 증착 인쇄 시스템(500)을 도시한다. 플랫폼(502) 및/또는 인쇄 헤드(506)는 연마 물품(504)을 형성하기 위해 패터닝된 층에서 수지계 용액의 증착을 용이하게 하도록 3차원 패턴으로 이동된다. 이어서 수지계 용액은 연마 물품(504)의 형성을 용이하게 하기 위해 경화된다. 하나의 예시적 실시예에서, 인쇄 방법은 패터닝된 빌드층에서 연마 입자들을 포함하는 UV 경화 가능한 아크릴리드(acrylide) 용액을 인쇄하는 수지계 증착 방법을 포함한다. 후속적으로, 빌드층은 방사선 소스(508)와 같은 에너지원으로부터 UV 광에 노출된다. 하나의 예시적 실시예에서, 인쇄 헤드(506)는, 국부적으로 제어되는 공극율, 공학적설계된 분열 평면(engineered cleavage plane) 및 부스러기 채널들과 같은 원하는 형상들 및 마이크로피처들을 갖는 연마 물품들의 형성을 용이하게 하기 위하여 패턴들에서 하나 이상의 용액들을 증착한다.

도 1 내지 도 5와 관련하여 기술된 시스템들과, 특히 쾌속금형 인쇄 시스템들은 카트리지를 회수하도록 구성될 수 있다. 카트리지는 시스템들에 제거 가능하게 결합될 수 있고 결합제 및 연마 입자들의 장소를 제공할 수 있다. 하나의 예에서, 카트리지는 연마 입자들 및 결합제의 혼합물 또는 용액을 저장하기 위한 컨테이너를 포함한다. 예를 들면, 용액은 액체 결합제 또는 연마 입자들의 슬러리일 수 있다. 대안적으로, 용액은 파우더 결합제 및 연마 입자들의 파우더로 된 혼합물이다. 다른 예시적 실시예에서, 카트리지는 열가소성 결합제 및 연마 입자들을 포함하는 필라멘트 구성물을 저장하기 위한 스풀을 포함한다.

도 6은 인쇄형 쾌속금형 시스템에 이용하기 위한 고속 구조화(rapid structuring) 미디어 카트리지의 하나의 특정한 실시예(600)를 도시한다. 일반적으로, 카트리지는 코팅된 연마 구조 또는 결합된 연마 구조와 같은 연마 구조를 형성하기 위하여 결합제 및/또는 연마 그레인들을 연속하는 층들로서 연속적으로 증착하는 작용을 할 수 있다. 예를 들면, 카트리지(600)는 증착 인쇄 쾌속금형 시스템에 제거 가능하게 결합될 수 있다. 카트리지(600)는 컨테이너(602) 및 분배 노즐(dispensing nozzle; 604)을 포함한다. 카트리지(600)는 또한 재충전 포트(refill port; 606)를 포함할 수 있고, 고유의 식별자(unique identifier: 608)를 포함할 수 있다.

카트리지(600)는 결합제 및 연마 입자들을 저장하도록 구성된다. 하나의 예시적 실시예에서, 결합제 및 연마 입자들은 카트리지 본체에서 컨테이너(602)와 같은 공통 구획에서 함께 조합될 수 있다. 결합제 및 연마 입자들은 노즐(604)과 같은 공통 노즐로부터 분배된다. 결합제가 액체이면, 연마 입자들 및 결합제는 액체 결합제와 고체 연마 입자들의 슬러리와 같은 용액을 형성한다. 결합제가 미립자이면, 연마 입자들 및 결합제는 미립자 혼합물을 형성한다.

하나의 예시적 실시예에서, 결합제는 방사선으로(radiatively) 경화 가능하다. 예를 들면, 결합제는 UV 광과 같은 광을 확산하거나, e-빔, 레이저 소스에 노출되어 경화될 수 있다. 다른 예시적 실시예에서, 결합제 및 연마 입자들의 용액은, 열 경화 및 화학적으로 유도된 경화와 같은 대안적인 방법들을 이용하여 경화가능한 제2결합제를 더 포함할 수 있다.

하나의 예시적 실시예에서, 분배 노즐 또는 오리피스(orifice; 604)는 재료를 분배하도록 선택적으로 제어된다. 예를 들면, 분배 노즐(604)은 인쇄 헤드의 일부를 형성할 수 있다. 이와 같이, 노즐(604)은 용액의 분배를 제어하기 위한 메커니즘들을 포함한다. 예시적 메커니즘들은 가열기-구동식 버블 젯 메커니즘(heater-driven bubble jet mechanism), 정전기 메커니즘 및 압전기 메커니즘을 포함한다. 대안적으로, 오리피스(604)는 카트리지로부터 분리된 인쇄 헤드에 재료를 제공한다.

도 7은 2개 이상의 컨테이너들(702 및 704)을 포함하는 예시적 카트리지(700)를 도시한다. 카트리지(700)는 또한, 하나 이상의 분배 노즐들(706 및 712)과 하나 이상의 재충전 포트들(708 및 710)을 포함한다. 하나의 예시적 실시예에서, 결합제 및 연마 입자들은 컨테이너들(702 및 704)과 같은 전용 구획에서 서로 분리된다. 구획들은 노즐(706)과 같은 공통 노즐을 통해 결합제 및 연마 입자들을 분배하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 카트리지(700)는, 제1결합제 및 제1연마입자들이 하나의 노즐을 통해 분배되도록, 분배하기 전에 제1결합제 및 제1연마입자들을 조합하도록 구성된 분배 구조들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 구획들은 노즐들(706 및 712)과 같은 분리된 노즐들을 통해 결합제 및 연마 입자들을 분배하도록 구성될 수 있다.

다른 예시적 실시예에서, 컨테이너(702)와 같은 컨테이너는 연마 입자들의 제1세트 및 제1비경화(uncured) 결합제를 갖는 용액을 포함한다. 컨테이너(704)에 저장된 제2용액은 제2비경화 결합제를 포함하고 선택적으로 연마 입자들의 제2세트를 포함한다. 하나의 특정한 실시예에서, 제2결합제는 후속-경화 물리적 세기와 같은 후속-경화 물리적 특성들을 나타내며, 이러한 특성들은 제1결합제의 후속-경화 물리적 특성들과는 상이하다. 연마 입자들의 제2세트는 제1연마입자들과는 상이한 구성물, 평균 그레인 크기, 형태, 성능 및/또는 경도(hardness)를 가질 수 있다. 결과적으로, 제1용액으로 생성된 연마 물품들은 제2용액으로 생성된 연마 물품들과는 상이한, 내마모성 및 재료 제거 속도와 같은 성능 특성들을 갖는다. 그 외에도, 제1용액 및 제2용액의 상이한 비율들로 생산된 물품 내의 영역들은 상이한 성능 특성들을 갖는다.

다른 예에서, 연마 물품은 코팅된 연마 물품이다. 카트리지는 메이크 코트(make coat)를 형성하기 위해 제1결합제를, 그리고 사이즈 코트(size coat)를 형성하기 위해 제2결합제를 증착할 수 있다. 카트리지는 또한 제3컨테이너에 제3결합제를 포함할 수 있다. 제3결합제는 예를 들면, 코팅된 연마 물품의 슈퍼사이즈 크기를 형성하도록 증착될 수 있다.

대안적으로, 컨테이너(704)에 저장된 제2용액은 경화제를 포함한다. 예를 들면, 경화제는 중합화, 크로스링크(crosslink) 또는 응고시키기 위한 제1결합제를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제2용액은 제1결합제의 물리적 세기를 변경하거나 연마 입자 뱃치의 밀도를 감소시키는 희석제로서 작용할 수 있다.

다른 예에서, 컨테이너(704)에 저장된 제2용액은 연마 물품에 감압성 접착제 뒷받침(pressure-sensitive adhesive backing)을 형성하기 위한 접착제를 포함한다. 예를 들면, 제2용액은 감압성 접착제 뒷받침을 형성하기 위해 이형막(release film) 상에 증착될 수 있다. 결합제 및 연마 입자들은 연마 물품을 형성하기 위해 접착제 뒷받침 위에 증착될 수 있다. 연마 물품은 이형막으로부터 제거될 수 있고, 연삭가공, 폴리싱 또는 미세화 기기의 표면들 상에 압착될 수 있다.

하나 이상의 재충전 포트들(708 및 710)은 카트리지(700)를 재충전하기 위해 소비자, 서비스 제공자 또는 제조업자에 의해 이용될 수 있다. 하나의 예시적 실시예에서, 소비자는 서비스 제공자 또는 제조업자에게 카트리지가 충전되어야 하는 결합제 및 연마 입자들을 지정할 수 있다. 예를 들면, 소비자는 고유의 식별자(714)를 웹사이트에 기입할 수 있고, 고유의 식별자(714)와 연관된 카트리지(700)가 충전되어야 하는 원하는 결합제 및 연마 입자들을 지정할 수 있다. 그 후에, 소비자는 서비스 제공자 또는 제조업자에게 카트리지(700)를 전송할 수 있다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 카트리지는 3-D 증착 인쇄 장치에 이용하기 위해 구성된다. 다른 실시예들에서, 카트리지는 FDM 시스템, 선택적 레이저 소결 시스템, 또는 금속 증착 시스템에 이용하기 위해 구성된다. 대안적 실시예들에서, 컨테이너들은 열가소성 필라멘트들을 저장하기 위한 스풀들이며, 파우더로 된 혼합물들을 저장하기 위해 구성된다.

다른 예시적 실시예에서, 카트리지들은 쾌속금형 시스템 또는 임의형상 제조 시스템에 선택적으로 결합된다. 예를 들면, 한 구성물을 저장하는 카트리지는 상이한 특성들을 가진 연마 물품들을 생산하기 위한 상이한 구성물을 저장하는 카트리지로 대체될 수 있다.

일반적으로, 파우더 및 필라멘트들이 혼합된 용액들은 연마 입자들의 세트 및 결합제로 형성될 수 있다. 용액의 경우에, 결합제들은 e-빔, 마이크로파, 레이저 및 UV 경화 방법들과 같은 효과적인 방법들을 통해 경화될 수 있는 수지들과 같은 경화 가능한 수지들의 형태를 취할 수 있다. 대안적으로, 결합제들은 촉매 유도 또는 수분 유도 방법들과 같은 화학적 방법들 또는 열적 방법들을 통해 경화 가능하다.

특히 유용한 UV 경화 가능한 결합제 구성물은 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 올리고머(oligomer) 및 모노머의 그룹으로부터 선택된 구성성분들을 포함한다. 유용한 올리고머는 에폭시 아크릴레이트, 지방성 우레탄 아크릴레이트, 방향족 우레탄 아크릴레이트, 폴리에스테르 아크릴레이트, 방향족 산 아크릴레이트, 에폭시 메타크릴레이트들, 및 방향족 산 메타크릴레이트를 포함한다. 모노머들은, 트리메틸로프로판 트리아크릴레이트, 트리메틸롤프로판 트리아크릴레이트, tris(2-하이드록시 에틸) 이소시아누아레이트 트리아크릴레이트, 트리프로필렌 글리콜 다이아크릴레이트, 헥산에디올 다이아크릴레이트, 옥틸 아크릴레이트, 옥틸 아크릴레이트 및 데실 아크릴레이트와 같은, 모노(mono)-, 디(di)-, 트리(tri)-, 테트라(tetra)-, 및 펜타펑셔날(pentafunctional) 아크릴레이트 및 메타크릴레이트를 포함한다. 결합제 제형(formulation)은 분자당 3 이상의 아크릴레이트 그룹들을 포함하는 아크릴레이트 모노머의 상당한 양들을 포함한다. 통상적으로, 상용 제품들은 트리메틸로프로판 트리아크릴레이트(TMPTA) 및 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트(PETA)를 포함한다. 고분자량 아크릴레이트 올리고머 뿐만 아니라 di- 및 tri-펑셔날 아크릴레이트의 상대적인 양들은 처리를 위한 원하는 유동 특성들과 경화 후 최종 제품의 원하는 강도 및 절삭 특성들을 제공하기 위해 다른 구성성분들과 함께 조정될 수 있다.

화학선 광원의 발광력은 임의의 종래의 UV 소스에 의해 제공될 수 있다. 예를 들면, 코팅들 또는 빌드층들은, 인치 폭당 100와트에서 인치 폭당 600와트까지의 범위의 에너지 출력에서 V, D, H 또는 H+ 전구들 또는 그 조합으로부터 발생된 UV 광에 노출될 수 있다.

또한, 결합제와 연마 그레인들 사이의 결합을 개선하기 위해 커플링 작용제(coupling agent)가 이용될 수 있다. 통상적인 커플링 작용제는, 오시 스페셜티스 인코포레이티드(Osi Specialties, Inc.)로부터 구입 가능한 A-174 및 A-1100과 같은 오가노실란(organosilane) 및 오가노티탄산염(organotitanate) 및 지르코알루민산염(zircoaluminate)을 포함한다. 커플링 작용제의 특정 그룹은 아미노 실란 및 메타크릴록시 실란을 포함한다.

경화된 결합제들의 경도 및 강도와 분산의 유동성을 수정하기 위해 충전재(filler)들이 분산에 포함될 수 있다. 유용한 충전재의 예를 들면 칼슘 카보네이트, 나트륨 카보네이트와 같은 금속 카보네이트; 석영, 유리 비즈, 유리 버블과 같은 실리카; 활석, 점토, 칼슘 메탈실리케이트와 같은 실리케이트; 바륨 황산염, 칼슘 황산염, 알루미늄 황산염과 같은 금속 황산염; 칼슘 산화물, 알루미늄 산화물{베이마이트(boehimte) 및/또는 의사-베이마이트(pseudo-boehmite)의 형태와 같이}과 같은 금속 산화물; 및 알루미늄 트리하이드레이트를 포함한다.

분산은 연삭가공 효율성 및 절삭율을 증가시키기 위한 분쇄조제(grinding aid)를 포함할 수 있다. 유용한 분쇄조제는, 예를 들면 나트륨 크리올라이트, 칼륨 테트라플루오로보레이트 등인 할로겐화물 소금과 같은 무기계; 또는 예를 들면 폴리비닐 염화물인 염소로 처리된 왁스와 같은 유기계가 될 수 있다. 특정한 실시예는 1 내지 80미크론 범위, 가장 바람직하게는 5 내지 30미크론 범위의 입자 크기를 가진 크리올라이트 및 칼륨 테트라플루오로보레이트를 포함한다. 분쇄조제의 중량비는 전체 제형(연마 구성성분들을 포함)의 0 내지 50%의 범위 및 가장 바람직하게는 10 내지 30% 범위이다.

상술된 구성요소들 외에도, 다른 구성성분들은 또한, 통상적으로, 벤조인 에테르, 벤질 케탈, α-알콕시-아세토페논, α-하이드록시-알킬페논, α-아미노 알킬페논, 아실 포스핀 산화물, 벤조페논/아민, 티옥산톤/아민, 또는 다른 유리기 발생기와 같은 광개시제(photoinitiator); 흑연, 카본 블랙 등과 같은 정전기 방지제; 발연 실리카와 같은 부유제; 아연 스테아르산염과 같은 안티-로딩(anti-loading) 작용제; 왁스와 같은 윤활제; 침윤제(wetting agent); 염료; 충전재; 점도 조정제(viscosity modifier); 분산제(dispersant); 및 소포제(defoamer)에 부가될 수 있다.

대안적인 쾌속금형 시스템들에서 또는 상술한 결합제들과 조합하여, 다양한 열경화성 중합체들이 이용될 수 있다. 열가소성 및 열경화성 중합체들이 이용될 수도 있지만, 흔히, 열경화성 중합체들이 특히 여분의 열을 발생시키는 커팅 또는 마무리 동작들과 관련하여, 안정한 성질로 인해 강조된다. 특정한 실시예에 따라, 결합제 화합물은 파우더를 포함하며, 통상적으로, 대부분의 파우더 또는 필수적으로 완전한 파우더이다. 어떤 실시예들에서, 액체 열경화성 중합체들이 이용된다. 다른 실시예들에서, 액체 열경화성 중합체들이 파우더를 위해 배제된다. 파우더 형태 열경화성 결합제들은 어떤 실시예들에서는 특히 유리하고, 그러므로, 코팅된 연마제들을 아주 쉽게 형성하기 위한 공정에 포함될 수 있다. 실제로, 파우더로 된 열경화성 결합제의 이용은 구조적(structured) 연마제들을 형성하는데 이용되는 연마제 분산들의 생성에 특히 유리하다. 더욱이, 다른 액체 결합제 시스템들과 함께 파우더 형태의 열경화성 구성성분들을 이용하면 최종 제품에서 개선된 연마 성능을 제공하고, 뿐만 아니라 적어도 부분적으로 분산물 점도의 유리한 변경으로 인해 처리 능력을 개선한 연마제 분산물을 제공하는 것으로 입증되었음을 알았다. 열경화성 중합체의 예를 들면, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 페놀릭 수지, 요소/포름알데히드, 멜라민/포름알데히드, 아크릴 수지, 폴리에스테르 수지, 비닐, 및 그 혼합물을 포함한다. 그러한 수지들은 액체 또는 파우더 형태로 입수할 수 있고, 어떤 특정한 실시예들에서, 파우더 또는 미립자 형태로 이용되는 것이 바람직하다는 것을 이해할 것이다.

다른 실시예들에서, 결합제는 열가소성 물질, 금속 및 수지 코팅된 세라믹과 같은 파우더 빌드 재료들을 포함할 수 있다. 수지 코팅된 세라믹들은 주물사와 같은 수지 코팅된 모래를 포함한다. 이러한 결합제들은 선택적인 레이저 소결 기술들에 유용할 수 있다. 특히, 유용한 분말 금속들은 강철, 구리, 티타늄 및 알루미늄을 포함한다. 분말 금속들은 도 4에 도시된 장치에 의해 수행되는 방법들과 같이 금속 증착 방법들에 이용될 수 있다. 유용한 열가소성 결합제들은 폴리아미드, ABS, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리비닐염화물 및 폴리페닐술폰을 포함한다. 그러한 열가소성 결합제들은 도 3에 도시된 시스템과 같은 FDM 시스템들에서도 또한 이용될 수 있다.

결합제 인쇄 방법들은 기초 재료와 접촉하여 또는 건조를 통해 경화하는 액체 접착제를 이용할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 결합제는 수분(moisture)에 의해 활성화될 수 있다.

연마 그레인들은 알루미나(용융 또는 소결된), 지르코니아, 지르코니아/알루미나 산화물, 실리콘 카바이드, 가닛(garnet), 다이아몬드, 큐빅 붕소 질화물 및 그 조합을 포함하는 알려진 연마 그레인들의 조합 또는 그들 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 특정 실시예들은 알파-알루미나로 주로 구성된 조밀한 연마 그레인들을 이용함으로써 생성되었다. 연마 입자들은 일반적으로, 1 내지 150미크론, 더욱 바람직하게는 1 내지 80미크론의 평균 입자 크기를 가진다. 미세화 및 폴리싱에 응용하기 위해, 평균 입자 크기는 약 1 내지 16미크론, 양호하겐느 약 3 내지 5미크론이 될 수 있다. 그러나, 일반적으로는, 제시된 연마제의 양은, 제형 중량의 약 약 10 내지 약 90%, 양호하게는 30 내지 80% 를 제공한다.

코팅된 연마제 및 공학적설계된 연마 실시예들에서, 뒷받침 부재는, 다양한 중합체 막들, 종이 및 다른 셀룰로오스 재료들을 포함하는 유연하지만 물리적으로 안정한 재료들과, 다양한 중합 포화제들을 가진 폴리에스테르 및 코튼을 포함하는 직물들로 형성될 수 있다. 직물들은 직포(woven) 또는 부직포(non-woven fabric)들이 될 수 있다. 특정한 형태의 뒷받침 부재 또는 기판은 폴리에틸렌 테레프탈염산 막이다. 다른 중합 막들은 폴리카보네이트 막들을 포함한다. 뒷받침 부재들은 연마층과 뒷받침 부재 사이의 접착을 촉진시키기 위하여 애벌 처리될 수 있거나 사전 처리될 수 있다. 대안적으로, 뒷받침 부재는, 감압성 접착제 뒷받침을 갖는 연마 물품들을 제조하는데 이용되는 것과 같이 이형막이 될 수 있다.

하나의 특정한 실시예에서, 쾌속금형 시스템 및 카트리지는 코팅된 연마제 및 공학적설계된 연마 물품들을 형성하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 연마 물품들은 뱃치 주문 및 저장과 연관된 비용이 없이 원하는 대로 주문에 따라 형성될 수 있다. 예를 들면, 쾌속금형 시스템은 개별 패턴들을 갖는 코팅된 연마제들을 형성하기 위해 이용될 수 있다. 도 8 및 도 9는 꽃잎형 구조(petal-like structure; 802 및 906)를 포함하는 예시적 로제트(rosette) 디자인들(800 및 904)을 도시한다. 이러한 디자인들(800 및 904)의 패터닝된 인쇄는, 전체 시트를 인쇄하고 원하는 형상 또는 윤곽을 압인하거나 절삭가공하는데 연관된 부가의 난잡함 또는 낭비 없이 기판 상에 특정한 윤곽의 인쇄를 만들어낸다.

하나의 특정한 예에서, 광학 산업은 렌즈들 및 광 표면들을 연마하는데 유용한 연마 물품들을 제조하기 위해 쾌속금형 시스템들을 이용할 수 있다. 광학 산업에서, 특정 코팅된 시트의 단일 이용은 흔하다. 대안적으로, 페인트 제거 및 샌딩(sanding)에 적용하기 위해, 더 긴 수명이 요구된다. 더 긴 수명을 만들기 위해, 코팅된 연마 물품의 쾌속금형은 다중 층들을 형성하거나 더 강한 결합제를 이용하는 것을 포함할 수 있다.

연마제의 성능 특성들은 코팅된 연마 물품을 가로지르는 위치에 기초하여 제어될 수 있다. 예를 들면, 연마 입자들의 밀도는 접착 물품의 영역들 사이의 상대 속도의 차들에 대해 조정될 수 있다. 도 8에 도시된 연마 물품에서, 연마제 배치(placement)는 안과용 미세화(ophthalmic fining) 응용분야에서와 같이, 곡선 표면 위에 원하는 제거율을 제공하도록 조정될 수 있다. 도 9에 도시된 연마 물품에서, 연마제 배치 및 밀도는 회전 속도에서 차이들을 조정하기 위해 로제트 디자인(904)의 꽃잎형 구조들(906)을 따라 방사적으로 조정될 수 있다. 밀도는 더 큰 연마 밀도가 요구되는 위치들에서 연마제의 부가의 층들을 배치함으로써 조정될 수 있다. 대안적으로, 단위면적당 연마 용액의 드롭들(drops) 또는 픽셀들의 수는 성능 특성들에서 차이들을 생성하기 위해 조정될 수 있다. 상이한 성능 특성들을 갖는 상이한 연마 용액들은 패턴의 상이한 영역들에 또는 연마 물품을 가로지르는 위치에서 양들을 변화시키면서 인가될 수 있다.

성능 특성들을 조정하기 위한 다른 방법은 용액 배치의 패턴들을 조정하는 단계를 포함한다. 도 10은 반경을 따라 연장하는 회전 속도차를 보상하기 위해 국부적 마모율들을 조정할 수 있는 용액 배치의 예시적 패턴을 도시한다. 패턴(1000)에서, 중심(1002) 근처의 라인들 사이의 거리는 외부 에지(1004) 근처의 라인들 사이의 거리보다 더 크다.

공학적설계 및 구조적(engineered and structured) 연마제들로 돌아가서, 공학적설계된 연마 물품들을 형성하기 위한 종래의 방법들은, 피라미드 형상들 및 원뿔 형상들을 포함하는 양으로 경사진 벽(positively sloping wall)들과 같이, 양호한 이형(mold-release) 윤곽들을 갖는 외부 표면들을 갖는 물품들에 일반적으로 한정된다. 일반적으로, 공학적설계되지 않은(non-engineered) 코팅된 연마제들은 주어진 피처(feature)의 두께가 그 피처의 단면에 비해 작기 때문에 2차원으로 간주된다. 반대로, 공학적설계 및 구조적 연마제들 및 결합된 연마제들은 그 피처의 단면에 비해 상당히 두꺼운 피처들을 가지며, 이는 제조시 부가적으로 고려할 사항들이다. 특히, 본 명세서에 기술된 쾌속금형 방법들은 음으로 경사진 벽들 및 수직벽들과 같이, 일반적으로 불량한 이형 특성들을 갖는 외부 표면 윤곽들을 갖는 연마 물품들을 형성하도록 허용한다. 음으로 경사진 벽은 높이가 감소하는 구조체의 중심을 향하여 내부로 경사진 윤곽을 가지고, 양으로 경사진 벽은 높이가 감소하는 구조체의 중심으로부터 바깥쪽으로 경사진 윤곽을 갖는다. 예를 들면, 피라미드는 양으로 경사진 벽을 가지고, 역전된 피라미드는 음으로 경사진 벽을 가진다. 수직벽들은 또한, 공학적설계된 연마제들을 형성하기 위한 종래의 방법들을 이용하여 생산하기 어렵다. 본 명세서에서, 용어 "일반적으로 음으로 경사진(generally negative slope)"은 음으로 경사진 윤곽들 및 수직 윤곽들을 포함하도록 이용되고, 연마 구조들은, 연마 물품의 외부 표면으로부터 연장하는 정규 방향에 대해 -90° 내지 0°의 각도 α(알파)를 따라 연장하는 기울기를 갖는 적어도 하나의 벽을 가진다.

도 11 및 도 12는 연마 구조들(1102)의 어레이 또는 패턴을 포함하는 공학적설계된 연마 물품(1100)의 도면들을 포함한다. 연마 구조들(1102)은 음으로 경사진 벽들(1106)을 포함한다. 결과적으로, 연마 구조들(1102)은 그들이 기판(1108)에 접촉하는 곳보다 더 넓은 상부를 가진다. 그러한 윤곽은 불량한 이형 특성들을 가진다.

일반적으로 음의 기울기를 갖는 부분들을 포함하는 벽들 또는 윤곽들은 불량한 이형 특성들을 나타낸다. 도 13은 기판(1302) 위에 형성된 연마 특성들(1304)의 패턴을 포함하는 연마 물품(1300)의 도면을 포함한다. 연마 구조들(1304)은 음으로 경사진 부분들(1306)을 포함하는 벽들을 가진다.

쾌속금형 방법들은 또한 연마 구조들 내의 통합된 내부 피처(feature)들 또는 마이크로피처(microfeature)들의 형성을 허용한다. 예를 들면 쾌속금형 방법들은 연마 구조들 내에서 및 그 위에 구조적 기공들(structured pores) 및 채널들의 형성을 허용한다.

도 11 및 도 12로 돌아가서, 연마 구조들(1102)의 패턴은 연마 구조들(1102) 사이에 마이크로채널(1104)을 형성한다. 쾌속금형 방법들은 구성된 채널들, 기공들 및 분열 평면들과 같은 마이크로피처들의 형성을 허용한다. 일반적으로, 매크로피처(macrofeature)들은 연마 구조들 자체 내 또는 그 위에 형성된 피처들이다. 예를 들면, 도 11은 연마 구조(1102) 내에서 내부 구조적 기공(internal structured pore)(1110)과 같은 마이크로피처들을 도시하고, 매크로피처 채널(1104)은 연마 구조들(1102) 사이 또는 연마 구조들의 패턴에 의해 형성된다. 연마 물품은 하나 이상의 내부 구조적 기공들의 패턴을 갖는 연마 구조들의 반복 패턴을 포함할 수 있다. 유사하게, 도 13은 연마 구조들(1304) 내의 내부 구조적 기공들(1308)을 도시한다.

내부 구조적 기공(예를 들면 1110 및 1308)은 정확하게 제어된 치수들 및 형상들을 가질 수 있다. 예를 들면, 내부 구조적 기공들은 다각형, 원형 및 불규칙형으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 기하학적 단면들을 갖는다. 다각형은 정사각형, 삼각형, 직사각형, 장사방형, 부등변 사각형 및 오각형을 포함한다. 불규칙 형상들은 예를 들면, "D" 형상, 반원형 및 별 형상을 포함한다. 내부 구조적 기공들은 약 8미크론보다 더 크지 않는 것과 같이, 약 50미크론보다 더 크지 않는 치수 변화도를 가질 수 있다. 치수 변화도는 연마 구조들의 세트 내에서 기공 치수의 변화를 의미한다. 그 외에도 내부 구조적 기공들은 약 8미크론보다 더 크지 않는 것과 같이, 약 50미크론보다 더 크지 않는 위치 변화도(즉, 연마 구조들의 세트 내에서 기공 위치의 변화)를 가질 수 있다. 이러한 예들에서, 마이크로피처 기공들은 구조들에 내부에 있다. 대안적으로 마이크로피처 기공들 및 채널들은 구조의 외부 윤곽에서 형성될 수 있다.

다른 예에서, 쾌속금형은 공학적설계된 분열 평면들과 같이, 마이크로피처들을 가진 연마 구조들을 생성할 수 있다. 예를 들면, 도 14에 도시된 바와 같이, 연마 구조(1404)는 공학적설계된 분열 평면들(1406)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 분열 평면들(1406)은 수평 또는 수직이 아니며 구조를 지나가며 부분적으로 끊어진다. 연마 구조(1404)가 이용 중일 때, 연마 구조(1404)는 분열 평면(1406)을 따라 주기적으로 분열되거나 갈라지도록 디자인되어, 개선된 연마 및 예리한 각도들을 제공한다. 이러한 분열 평면들(1406)은, 연마제가 표면을 접촉하는 표면적을 감소시키도록 또한 이용될 수 있으며, 연마 표면에 의해 발휘되는 압력을 증가시킨다. 도 14에 도시된 예에서, 연마 구조(1404)는 기판(1402) 위에 형성될 수 있다. 대안적으로, 연마 구조(1404)는 결합된 연마 구조로서 형성될 수 있다.

다른 예시적 실시예들에서, 연마 구조물내의 연마 입자들의 농도는 뒷받침 표면에 대해 수직인 거리의 함수로서 가변될 수 있다. 예를 들면, 피라미드 구조에서, 연마 입자들의 농도는 뒷받침에 가까울수록 더 높고 뒷받침으로부터 멀어질수록 더 낮을 수가 있다.

쾌속금형 기술들은 결합된 연마 물품들을 형성하도록 또한 이용될 수 있다. 본 명세서에서도 역시, 쾌속금형 기술들은 마이크로피처들 및 불량한 이형 윤곽들을 가진 연마 물품들을 형성하기 위해 또한 이용될 수 있다.

도 15에 도시된 예시적 실시예에서, 절삭액 채널들(cutting fluid channel; 1502)은 원통 또는 바퀴형 결합된 연마 물품(1500)에 형성될 수 있다. 하나의 예시적 실시예에서, 절삭액 채널들(1502)은 이용중에 표면(1504)을 연마하기 위해 채널들(1502)을 통해 절삭액의 흐름을 촉진하도록 디자인되는 나선형 구조이다. 대안적 실시예는 도 16에 도시되어 있으며, 결합된 연마 물품은 절삭액 채널(1602) 및 부스러기 채널들(1604)을 포함한다. 절삭액 채널(1602)은 표면(1600)에 절삭액의 흐름을 용이하게 하도록 디자인되고, 부스러기 채널들(1604)은 연마 물품이 이용중일 때 표면(1600)으로부터 부스러기 재료를 제거하도록 디자인된다. 부스러기 채널들(1604)은 곡선 단면들 및 일직선이 아닌 단면들을 가지고, 결과적으로, 연마 물품(1600)의 윤곽은 불량한 이형 특성들을 가진다.

하나의 특정한 실시예에서, 연마 물품은 결합된 연마 물품의 외부 표면으로부터 결합된 연마 물품 안으로 연장하는, 부스러기 채널(1604)과 같은 피처를 포함한다. 그 피처는 적어도 약 1.5의 피처 종횡비(feature aspect ratio)를 가지며, 피처 종횡비는 결합된 연마 물품의 외부 표면에서 최소 피처 개구 치수로, 외부 표면으로부터 내쪽으로 연장한 피처의 깊이이다. 예를 들면, 피처 종횡비는 적어도 약 3.5 정도 또는 적어도 약 2.5가 될 수 있다.

절삭액 채널들을 포함하는 연마 물품들의 특정한 실시예들은 그라인드 인터페이스(grind interface)로 냉각액 및 윤활제를 전달시키도록 허용한다. 통상적인 종래 기술의 시스템들은 냉각액이 외부 튜브들을 통해 그라인드 인터페이스로 향하도록 한다. 그러나, 유체는 흔히 충분하게 표면을 윤활하거나 덮지 않는다. 그래서, 표면은 과도하게 뜨거울 수 있고, 여분의 부스러기를 포함할 수 있어서, 불량한 재료 제거율 및 표면 품질을 유발한다. 대조적으로, 본 명세서에 기술된 연마 물품들의 특정한 실시예들은 냉각액 및 윤활유들을 그라인드 인터페이스에 직접 전달하는 절삭액 채널들을 포함한다. 더욱이, 이러한 절삭액 채널들은 연마 물품의 운동(예를 들면 회전)에 의해 표면상에 유체를 강제로 흐르게 하도록 형성될 수 있으며, 연마 물품이 마모된 경우에도 절삭액을 전달할 수 있도록 형성될 수 있다.

도 17에 도시한 바와 같이, 결합된 연마 물품은 상이한 연마 입자들 또는 연마 입자들의 상이한 농도들을 갖는 영역들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 원통 또는 바퀴형 결합된 연마 물품(1700)이 입자 밀도, 다공성, 결합 세기, 탄성 계수 및 압축 계수와 같은 상이한 연마 특성들을 갖는 영역들(1702, 1704 및 1706)과 같은 영역들을 포함할 수 있다. 이 예에서, 영역(1702)은 연마 입자들의 하나의 농도를 가질 수 있고, 영역(1704)은 상이한 농도를 가질 수 있다. 상이한 영역들(1702, 1704 및 1706)은 상이한 비율들로 연마 용액들을 적용함으로써 또는 상이한 연마 용액들을 이용하여 형성될 수 있다. 대안적으로, 영역들은 도 18에 도시된 바와 같이, 연마 물품의 중심으로부터의 거리에 기초하여 변할 수 있다. 상이한 영역들(1802, 1804, 1806 및 1810)은 상이한 비율들로 연마 용액들을 적용함으로써 또는 상이한 연마 용액들을 이용하여 형성될 수 있고, 상이한 연삭가공 및 물리적 속성들을 나타낼 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서, 연마 입자들의 농도는 물품 내의 원하는 마모 패턴들에 기초하거나 중심으로부터의 거리에 기초하여 국부적으로 제어될 수 있다. 그러한 결합된 연마 물품은 패터닝된 층들을 가질 수 있으며, 한 층 내에서, 제1영역은 제1구성물을 가지고, 제2영역은 제1구성물과 상이한 제2구성물을 가진다.

피처들은 개선된 연마 성능을 제공하기 위하여 연마 물품 내에서 조합될 수 있다. 도 19는 구성물의 변동들 및 분열 평면들과 같은 여러 가지 피처들을 포함하는 예를 포함한다. 예를 들면, 연마 물품(1900)은 구성물들(1902, 1910, 1912, 및 1914)을 포함한다. 연마 물품(1900)은 또한 분열 평면들(1906)을 포함한다. 연마 물품이 마모됨에 따라, 연마 물품은 분열 평면들(1906)에서 주기적으로 분열하여 연마 표면(1908)과 같은 연마 표면을 노출한다. 하나의 예시적 실시예에서, 연마 표면(1908)은 초기의 연마 표면(1904)과 대략 동일한 표면적을 가진다. 하나의 특정한 실시예에서, 연마 구성물(1902)은 높은 결합 세기를 가진다. 다른 재료 구성물들(1910, 1912 및 1914)은 힘이 연마 표면에 정상적으로 적용될 때 연마 표면을 지원하는 기능을 한다. 다른 재료 구성물들(1910, 1912 및 1914)은 결합 세기, 탄성, 연마 품질 및 마모율이 변할 수 있다.

일반적으로, 쾌속금형 시스템 및 고속 구조화 미디어 카트리지는, 마이크로피처, 3차원 연마 피처, 절삭액 채널들의 패턴, 부스러기 채널들의 패턴, 내부 보이드(void)들의 패턴 및 배향된 파손 평면들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 피처들을 포함하는 3차원 연마 구조물을 형성하도록 구성될 수 있다.

하나의 특정한 실시예에서, 쾌속금형 시스템 및 제거 가능한 카트리지는 연마 물품들의 소비자에게 주문 제조 성능들을 제공하는데 이용될 수 있다. 이러한 주문 금형은 소비자들이 연마 물품들의 목록을 감소시킬 수 있게 하고 또한 이러한 연마 물품들의 용이한 공급을 보장한다.

다른 예시적 실시예에서, 연마 물품들을 제조하기 위해 쾌속금형을 이용하면 종래의 방법들과 연관된 낭비 및 난잡함을 감소시킨다. 예를 들면, 코팅된 연마 물품은 아래에 있는 기판의 제한된 영역을 코팅함으로써 생성될 수 있다. 이러한 방식으로, 코팅된 연마 물품을 제조하거나 생성하는데 유용한 영역들만이 연마제 및 결합제로 코팅되고, 다른 영역들은 코팅되지 않은 채 남겨둔다. 이러한 경우, 연마제 또는 결합제의 이용은 감소된다.

또 다른 예시적 실시예에서, 연마 물품들에 대한 쾌속금형 및 제거 가능한 카트리지들은 연마 물품들의 교대 실행으로부터 연마 물품의 연마 입자들로의 오염 가능성을 감소시킨다. 소비자들에게는, 소비자에게 관심 있는 연마 입자 크기들 및 연마 입자들만을 가진 용액, 파우더 또는 필라멘트를 포함하는 카트리지가 공급될 수 있다. 특정 결합제 용액 및 원하는 연마 입자의 선택에 의해, 소비자는 오염 또는 난잡함 없이 원하는 연마 물품을 생성할 수 있다.

연마 물품들을 생산하기 위한 쾌속금형 시스템들은 미세화 및 폴리싱 응용을 위한 연마 물품들을 형성하도록 특별히 구성된다. 예를 들면, 이러한 시스템들은, 안과용 렌즈 제작 및 전자공학품 제조와 같은 응용분야를 위한 단일 이용 미세화 연마제(single use fining abrasive)의 주문 제작을 제공한다. 이러한 응용을 위한 연마 입자들은 약 3 내지 5미크론의 평균 입자 크기를 가질 수 있고, 약 16미크론만큼 미세한 층들을 만들 수 있다. 이러한 시스템들은 또한, 보석 세공 응용들 및 폴리싱된 샘플 작성 및 페인트 제거 응용들과 같이, 폴리싱을 위한 연마 물품들을 생산하는데 유용할 수 있다.

소비자측에서의 연마 물품들의 제조는 쾌속금형 시스템 및 연마 구성물들로 충전된 카트리지들을 소비자에게 제공함으로써 용이하게 될 수 있다. 소비자는, 내부 소비를 위해 연마 물품들을 이용하고 연마 물품들을 생산하는 소비자와 같이, 연마 물품들의 내부 소비자가 될 수 있다. 대안적으로 소비자는 판매 및 배포를 위한 연마 물품들을 제조할 수 있다.

도 20에 도시된 예시적 방법에서, 쾌속금형 시스템은 2002에 도시된 바와 같이 소비자에게 제공된다. 예를 들면, 연마 물품들을 제조하는 쾌속금형 시스템은 연마 재료들의 소비자에게 임대 또는 판매될 수 있다. 대안적으로, 연마 물품을 생성하는 쾌속금형 시스템은 예상 고객에게 대여되거나 제공될 수 있다.

연마 입자들 및 결합제를 포함하는 카트리지는 2004에 도시된 바와 같이 소비자에게 제공된다. 예를 들면, 소비자는 특정한 결합제 및 입자 그레인 크기 또는 연마 입자의 그레인 형태를 선택할 수 있다. 연마 용액 제조업자는 특정한 결합제 및 원하는 연마 입자들을 갖는 용액을 갖는 카트리지를 소비자에게 직접 또는 간접적으로 제공할 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서, 소비자는 카트리지를 살 수 있다. 다른 특정한 실시예에서, 소비자는 카트리지에 제공되는 용액, 파우더 또는 필라멘트들을 살 수 있다.

코팅되고 공학적설계된 연마 물품들을 형성하도록 구성될 때, 기판이 도면부호 2005에 도시된 바와 같이 제공될 수 있다. 예를 들면, 기판은 종이, 막, 섬유, 금속 박편(foil) 및 발포체(foam)로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 쾌속금형 시스템은 카트리지를 이용하여 연마 물품을 형성하기 위하여 기판 위에 연마 입자들 및 결합제의 연속층들을 증착하도록 구성될 수 있다.

그 외에도, 소비자에게는, 도면부호 2006에 도시된 바와 같이, 제1결합제 및 제1연마입자들을 연속 패터닝된 층들로서 증착하는 것을 제어하기 위해 쾌속금형 시스템에 의해 동작 가능한 소프트웨어 및 컴퓨터 실행 명령들이 제공될 수 있다. 예를 들면, 소비자에게는 특정한 연마 구조 디자인을 형성할 것을 쾌속금형 시스템에게 명령하도록 구성된 데이터 및 소프트웨어가 제공될 수 있다.

소비자는 원하는 연마 물품들을 제조하기 위하여 카트리지 및 쾌속금형 시스템을 이용한다. 이렇게 하면, 카트리지는 용액, 파우더 또는 필라멘트들이 고갈된다. 하나의 예시적 실시예에서, 제조업자 또는 서비스 제공자는 도면부호 2007에 도시된 바와 같이, 사용한 카트리지를 직접 또는 간접적으로 회수한다.

대안적으로, 소비자는 서비스 제공자 또는 제조업자에게 카트리지를 전송할 수 있다. 하나의 특정한 예에서, 카트리지는 서비스 제공자 또는 제조업자에게 카트리지를 전송하도록 구성 가능한 패키지로 제공될 수 있다. 예를 들면, 카트리지는 패키지에서 US Postal Service, FedEx 또는 UPS와 같은 우편 수송차에 의해 전송될 수 있다. 패키지는 반송 주소 및 반송 우편 영역을 포함할 수 있다. 소비자는 반송하기 위한 패키지를 재구성하고, 카트리지를 삽입하며, 이를 우편 수송차를 통해 전송할 수 있다. 그 이에도, 카트리지는 고유한 식별자를 포함할 수 있다. 소비자는 웹사이트에 로그인하고, 고유한 식별자를 제공하며, 원하는 연마 입자들과 결합제의 형태를 지정할 수 있다. 하나의 실시예에서, 제조업자는 원하는 결합제들 및 연마 입자들을 가진 제2카트리지를 전송한다. 다른 실시예에서, 제조업자 또는 서비스 제공자는 도면부호 2008에 도시된 바와 같이, 원하는 결합제 및 연마 입자들로 카트리지를 재충전한다. 그러나, 카트리지가 마모되었거나 동작 불능인 상태이면, 카트리지는 교체될 수 있다.

이어서, 서비스 제공자 또는 제조업자는 도면부호 2010에 도시된 바와 같이, 재충전된 카트리지를, 카트리지를 보내온 소비자 또는 상이한 소비자와 같은 소비자에게 직접 또는 간접적으로 제공한다. 예를 들면, 서비스 제공자 또는 제조업자는 우편 수송차를 통해 반송 가능한 패키징으로 카트리지를 전송할 수 있다.

소비자의 예상으로부터, 쾌속금형 시스템 및 제거 가능한 카트리지는 연마 물품들의 하나 이상의 디자인들을 생성하는데 이용될 수 있다. 예를 들면, 도 21에 도시된 바와 같이, 연마 물품들의 소비자는 도면부호 2102에 도시된 바와 같이, 쾌속금형 시스템에 제1연마 물품 디자인을 위한 디자인 데이터를 제공한다. 그 후에 소비자는 도면부호 2104에 도시된 바와 같이, 제1연마 물품 디자인 데이터에 기초하여 제1연마 물품을 형성하고, 도면부호 2106에 도시된 바와 같이, 제1연마 물품 디자인 데이터에 기초하여 제2연마 물품과 같은 부가의 연마 물품들을 선택적으로 생성할 수 있다. 소비자는 도면부호 2108에 도시된 바와 같이, 제2연마 물품 디자인을 위한 디자인 데이터의 다른 세트를 제공할 수 있고, 이어서, 도면부호 2110에 도시된 바와 같이, 제2연마 물품 디자인 데이터에 기초하여 제2연마 물품을 형성할 수 있다.

연마 물품들이 제조될 때, 카트리지는 고갈될 수 있다. 소비자는 카트리지를 교체할 수 있고, 계속해서 연마 물품을 생성할 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서, 소비자는 상이한 성능 특성들을 가진 연마 물품들을 생성하기 위하여 상이한 구성을 갖는 카트리지들을 쾌속금형 시스템에서 교환할 수 있다. 에를 들면, 소비자는 결합제의 물리적 세기에 기초하거나, 연마 입자들의 입자 크기 및 내마모성에 기초하거나, 또는 경화된 결합제 및 연마 입자 용액의 내마모성에 기초하여 카트리지를 선택할 수 있다. 소비자는 원하는 성능 특성들을 갖는 연마 물품을 생성하기 위하여 선택된 카트리지를 쾌속금형 시스템에 배치할 수 있다. 빈 카트리지들은 재충전을 위해 서비스 제공자 또는 제조업자에게 제공될 수 있다.

상술한 요지는 예시하기 위한 것일 뿐 제한적인 것으로 간주하여서는 안 되고, 첨부된 청구항들은 모든 이들 수정들, 개선들 및 다른 실시예들을 포함하도록 의도되며, 이들은 본 발명의 참된 범위 내에 있다. 따라서, 법으로 허용되는 최대 범위까지 본 발명의 범위는 다음의 청구항들 및 이들 등가의 광범위하게 허용 가능한 해석에 의해 결정되며, 상술한 상세한 설명에 의해 제약 또는 제한되어서는 안 된다.

Claims (31)

1. 기판; 및 연마 구조들의 패터닝 세트를 포함하고;

   연마 구조들의 패터닝 세트의 각각의 연마 구조는 공학적설계된 분열 평면(cleavage plane)을 갖는 코팅된 연마 물품.
2. 제1항에 있어서, 연마 구조들의 패터닝 세트의 하나의 연마 구조는 공학적설계된 내부 구조적 기공을 포함하는 코팅된 연마 물품.
3. 제2항에 있어서, 상기 연마 구조는 내부 구조적 기공들의 패턴을 포함하는 코팅된 연마 물품.
4. 제3항에 있어서, 상기 내부 구조적 기공들의 패턴은 연마 구조들의 패터닝 세트의 다수의 연마 구조에서 반복되는 코팅된 연마 물품.
5. 제2항에 있어서, 상기 연마 구조의 공학적설계된 내부 구조적 기공은 50미크론 이하의 치수 변화도를 갖는 코팅된 연마 물품.
6. 제5항에 있어서, 상기 연마 구조의 공학적설계된 내부 구조적 기공은 8미크론 이하의 치수 변화도를 갖는 코팅된 연마 물품.
7. 제2항에 있어서, 상기 연마 구조의 공학적설계된 내부 구조적 기공은 50미크론 이하의 위치 변화도를 갖는 코팅된 연마 물품.
8. 제2항에 있어서, 상기 공학적설계된 내부 구조적 기공은 다각형, 원형 및 불규칙 형상으로 이루어진 그룹에서 선택된 기하학적 단면을 갖는 코팅된 연마 물품.
9. 제1항에 있어서, 상기 연마 구조들의 패터닝 세트의 하나의 연마 구조는 부스러기 채널을 포함하는 코팅된 연마 물품.
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