KR101413485B1 - 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기 - Google Patents

압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기 Download PDF

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에스. 스코트 크럼프
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스트래터시스,인코포레이티드
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Abstract

열 전달 구성요소(40)로부터 열에너지를 전달받도록 구성된 외부 액화기부(66)와, 상기 외부 액화기부(66)에 의해 적어도 부분적으로 경계가 결정되는 채널(72)을 구비하는 리본 액화기(38)로서, 상기 채널(72)은 리본 필라멘트(44)를 수용할 수 있는 치수로 구성되며, 상기 리본 액화기(38)는 채널(72)에 수용된 리본 필라멘트(44)를 전달받은 열 에너지를 이용하여 적어도 압출가능한 상태로 용융시켜 융융물질의 흐름을 제공하도록 이루어진다. 또한, 상기 채널(72)의 치수는 리본 액화기(38)에 연결된 압출 팁(52)에서 용융물질의 흐름이 축방향으로 비대칭적인 흐름으로부터 실질적으로 축방향으로 대칭적인 흐름으로 정합되도록 구성된다.

Description

압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기{RIBBON LIQUEFIER FOR USE IN EXTRUSION-BASED DIGITAL MANUFACTURING SYSTEMS}
본 발명은 3차원(3D) 모델을 생성하기 위한 직접 디지털 제조 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에 사용되는 압출 헤드 액화기에 관한 것이다.
압출가공 기반 디지털 제조 시스템(예를 들면, 미국 미네소타주 에덴 프래리 소재의 스트레터시스사(Stratasys, Inc.)에 의해 개발된 융합 침적 모델링 시스템(fused deposition modeling systems))은 3D 모델에 대한 디지털 표현으로부터 액상의 소모성 모델링 재료를 압출하여 적층식으로(layer-by-layer) 3D 모델을 생성하는데 사용된다. 상기 모델링 재료는 압출 헤드에 의해 지지되는 압출 팁을 통해 압출되고, x-y평면 상의 기판(substrate) 위에 일련의 로드(roads)로서 침적된다. 압출된 모델링 재료는 이전에 침적된 모델링 재료에 융합되고, 온도의 하강에 따라 고체화된다. 그 다음, 기판(substrate)에 대한 압출 헤드의 위치를 (x-y 평면에 수직한) z-축을 따라 증가시킨 후, 상기 디지털 표현과 닮은 3D 모델을 형성하기 위한 프로세스가 반복된다.
기판에 대한 압출 헤드의 이동은 상기 3D 모델을 나타내는 생성 데이터에 따른 컴퓨터 제어하에 수행된다. 상기 생성 데이터는 먼저 3D 모델의 디지털 표현을 수평방향으로 분할된 다수의 층으로 분할함으로써 획득된다. 그 다음, 각각의 분할 층에 대해 호스트 컴퓨터가 3D 모델을 형성하기 위한 모델링 재료의 침적 로드(depositing road)용 생성 경로를 생성한다.
모델링 재료로 적층함으로써 3D 모델을 제작함에 있어서, 지지층 또는 구조는 전형적으로 생성중인 객체의 공동(cavities) 내부 또는 돌출부 아래에 만들어지는데, 이들은 모델링 재료 자체에 의해 지지되지 않는다. 지지 구조는 모델링 재료를 침적시키는 것과 동일한 침적 기술을 이용하여 만들어질 수 있다. 호스트 컴퓨터가 형성되고 있는 3D 모델의 돌출 또는 자유공간 부분에 대해 지지 구조로서 작용할 수 있는 부가적인 기하 형상(geometry)을 생성한다. 그 다음 생성 프로세스 동안 소모성 지지 재료를 생성된 기하 형상에 따라 제2 노즐로부터 침적시킨다. 제작 중에 상기 지지 재료는 모델링 재료에 고착되며, 생성 프로세스의 완료 시에는 완성된 3D 모델로부터 제거될 수 있다.
본 발명은 구동장치 및 열 전달 구성요소를 구비한 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기(ribbon liquefier)를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은, 리본 액화기가 외부 표면과 내부 표면을 구비한 외부 튜브를 포함하며, 상기 외부 튜브의 외부 표면은 열 전달 구성요소와 결합되도록 이루어진, 구동장치 및 열 전달 구성요소를 구비한 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에서 3차원 모델을 생성하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 목적은 구동장치 및 열 전달 구성요소를 구비한 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기(ribbon liquefier)를 제공하는 데 있다. 상기 리본 액화기는 상기 열 전달 구성요소로부터 열에너지를 전달받도록 이루어진 외부 액화기부와, 적어도 부분적으로 상기 외부 액화기부에 의해 경계가 정해지는 채널을 포함한다. 상기 채널은 리본 필라멘트(ribbon filament)를 수용할 수 있는 치수(dimensions)로 구성되며, 상기 리본 액화기는 전달된 열 에너지로 채널에 수용된 리본 필라멘트를 적어도 압출가능한 상태로 용융시켜, 용융 물질의 흐름을 제공할 수 있도록 구성된다. 부가적으로, 상기 채널의 치수는 상기 리본 액화기에 연결된 압출 팁 내에 용융 물질의 흐름을 축방향으로 비대칭적인 흐름으로부터 실질적으로 축방향으로 대칭적인 흐름으로 정합시킬 수 있도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 목적은, 리본 액화기가 외부 표면과 내부 표면을 구비한 외부 튜브를 포함하며, 상기 외부 튜브의 외부 표면은 열 전달 구성요소와 결합되도록 이루어진, 구동장치 및 열 전달 구성요소를 구비한 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기를 제공하는 데 있다. 또한, 상기 리본 액화기는 상기 외부 튜브 내에 배치되고 외부 표면을 구비한 코어부 및 상기 외부 튜브와 코어부 사이에 배치된 삽입 구성요소(shim component)를 포함한다. 상기 삽입 구성요소는 삽입 구성요소의 세로방향 길이를 따라 연장된 틈(gap)을 가지며, 상기 틈은 외부 튜브의 내부 표면과 코어부의 외부 표면 사이의 채널을 정의한다. 상기 채널은 리본 필라멘트를 수용할 수 있는 치수(dimensions)로 구성되며, 상기 코어부의 외부 표면은 구동장치가 리본 필라멘트와 결합될 때 리본 필라멘트를 지지할 수 있도록 이루어진다.
본 발명의 또 다른 목적은 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에서 3차원 모델을 생성하는 방법을 제공하는 데 있다. 상기 방법은 리본 액화기의 채널을 통해 리본 필라멘트를 구동하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 리본 액화기는 상기 채널의 경계를 적어도 부분적으로 결정하는 외부 액화기부를 더 포함한다. 또한, 상기 방법은 용융물질의 흐름을 제공하기 위하여 상기 채널 내에서 리본 필라멘트를 적어도 압출 가능한 상태로 용융시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 채널의 치수(dimensions)는 상기 용융물질의 흐름을 축방향으로 비대칭적인 흐름으로 정합시킨다. 또한, 상기 방법은 상기 리본 액화기의 압출 팁으로부터 상기 용융물질의 흐름을 압출하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 용융물질의 흐름은 상기 압출 팁 내에서 실질적으로 축방향으로 대칭적인 흐름이 된다.
상기한 구성의 본 발명에 의하면, 구동장치 및 열 전달 구성요소를 구비한 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기(ribbon liquefier)를 제공할 수 있게 된다.
또한, 리본 액화기가 외부 표면과 내부 표면을 구비한 외부 튜브를 포함하며, 상기 외부 튜브의 외부 표면은 열 전달 구성요소와 결합되도록 이루어진, 구동장치 및 열 전달 구성요소를 구비한 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기를 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하면, 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에서 3차원 모델을 생성하는 방법을 제공할 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 리본 액화기와 결합된 리본 필라멘트를 사용함으로 인하여 모델링 및 지지 물질의 용융 및 압출이 단축된 응답시간으로 이루어질 수 있게 됨으로써, 침적의 정확도 향상 및 생성시간이 단축되는 효과가 있다. 이로써, 리본 액화기를 이용하여 3D 모델 및 대응 지지구조의 생성 프로세스에 대한 효율성이 증가되는 이점이 있다.
도 1은 수용된 리본 필라멘트 및 지지물질을 용융시키기 위한 리본 액화기를 포함하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템의 정면도,
도 2는 구동장치 및 열 블록과 결합된 리본 액화기가 포함된 압출 헤드의 서브어셈블리에 대한 상부 사시도,
도 3은 포트가 구비된 외부 튜브를 포함하는 리본 액화기의 사시도,
도 4a는 도 3에서 4A-4A 선을 따라 취해진 단면도,
도 4b는 도 3에서 4B-4B 선을 따라 취해진 단면도,
도 4c는 도 3에서 4C-4C 선을 따라 취해진 단면도,
도 5는 리본 액화기의 분해 사시도,
도 6은 리본 필라멘트를 수용, 용융, 압출하기 위하여 회동가능한 풀리가 구비된 구동 장치가 구비된 리본 액화기의 측면도,
도 7은 리본 필라멘트를 수용, 용융, 압출하기 위하여 회동가능한 나선 샤프트 장치(threaded rotatable shaft mechanism)가 구비된 구동 장치가 선택적으로 구비된 리본 액화기의 측면도,
도 8a는 이완된 굽혀지지 않은 상태의 리본 필라멘트 단면도,
도 8b는 굽혀진 상태의 리본 필라멘트 단면도,
도 9는 상부가 개방된 배열(open-top arrangement)을 구비하는 제1 대안적 리본 액화기의 사시도,
도 10은 리본 필라멘트를 수용하기 위하여 궁형이 아닌(non-arcuate) 채널이 구비된 제2 대안적 리본 액화기를 나타내는, 4C-4C 선을 따라 취해진 선택 단면도.
본 발명은 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기(ribbon liquefier)를 제공하고자 하며, 본 발명에서 상기 리본 액화기는 모델링 및/또는 지지 물질(support materials)의 리본 필라멘트(ribbon filaments)를 수용하도록 구성된다. 여기서 사용되는 "리본 필라멘트(ribbon filaments)"라는 용어는 직사각형 및/또는 필름(film) 형상의 단면과 같이, 비실린더형 기하형상(non-cylindrical geometry)을 갖는 한 가닥의 물질을 의미한다. 이는 원형의 횡단면 프로파일(cross-sectional profile)을 갖는 "실린더형 필라멘트(cylindrical filament)"와 대조적이다. 리본 액화기와 결합된 리본 필라멘트의 사용은 모델링 및 지지 물질의 용융 및 압출이 단축된 응답시간을 가지고 이루어질 수 있도록 한다. 이는 침적의 정확도 향상 및 생성시간의 단축에 유용하며, 따라서 리본 액화기를 이용하여 3D 모델 및 대응 지지구조의 생성 프로세스에 대한 효율성을 증가시키게 된다.
도 1은 생성 챔버(12), 플래튼(platen)(14), 갠트리(gantry)(16), 압출 헤드(18) 및 공급원(20, 22)이 구비된 압출가공 기반 디지털 제조 시스템(10)의 정면도이며, 여기서 상기 압출 헤드(18)에는 상기 시스템(10)으로 생성 작업 중에 리본 필라멘트들(도 1에는 미도시)의 연속된 부분들을 용융시키기 위한 하나 또는 그 이상의 리본 액화기(도 1에는 미도시)가 포함될 수 있다. 상기 시스템(10)으로 적절한 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에는 미국 미네소타주 에덴 프래리 소재의 스트래터시스사가 개발한 융합 침적 모델링 시스템이 포함된다.
생성 챔버(12)는 3D 모델(3D 모델(24)로 표시됨) 및 대응 지지 구조(지지 구조(26)로 표시됨)를 생성하기 위하여 플래튼(14), 갠트리(16) 및 압출 헤드(18)가 수용된 인클로즈드(enclosed) 환경으로 이루어진다. 플래튼(14)은 3D 모델(24) 및 지지 구조(26)가 그 위에서 생성되는 플랫폼이며, 컴퓨터로 조작되는 컨트롤러(컨트롤러(28)로 지칭됨)로부터의 신호에 기초하여 수직방향 z-축을 따라 이동한다. 갠트리(16)는 컨트롤러(28)로부터의 신호에 따라 생성 챔버(12) 내에서 수평방향 x-y평면 상에서 압출 헤드(18)를 이동시키도록 구성된 가이드 레일 시스템이다. 상기 수평방향 x-y 평면은 x-축 및 y-축(도 1에 미도시)에 의해 정의되는 평면이고, 상기 x-축, y-축 및 z-축은 서로에 대해 수직하다. 선택적인 실시예에서, 플래튼(14)은 생성 챔버(12) 내에서 수평방향 x-y 평면에서 이동하도록 구성될 수 있으며, 압출 헤드(18)는 z-축을 따라 이동하도록 구성될 수 있다. 플래튼(14) 및 압출 헤드(18)의 한쪽 또는 양쪽이 서로에 대해 이동가능하도록 하는 것과 같은 다른 유사한 배열이 사용될 수 있음은 물론이다.
압출 헤드(18)는 컨트롤러(28)로부터 공급되는 신호에 기초하여, 적층식으로 플래튼(14) 상에서 3D 모델(24) 및 지지 구조(26)를 생성하기 위하여 갠트리(16)에 의해 지지된다. 압출 헤드(18)는 바람직하게는 리본 액화기를 각각 포함하는 서브어셈블리(30, 32)를 포함한다. 따라서, 서브어셈블리(30)는 제1 리본 액화기(도 1에 미도시)로 모델링 물질 리본 필라멘트의 연속한 부분들을 수용 및 용융시키도록 구성되고, 서브어셈블리(32)는 제2 리본 액화기(도 1에 미도시)로 지지 물질 리본 필라멘트의 연속한 부분들을 수용 및 용융시키도록 구성된다.
상기 모델링 물질 리본 필라멘트는 통로(34)를 통해 공급원(20)으로부터 서브어셈블리(30)로 제공될 수 있다. 유사하게, 상기 지지물질 리본 필라멘트는 통로(36)을 통해 공급원(22)으로부터 서브어셈블리(32)로 제공될 수 있다. 또한, 시스템(10)은 공급원(20, 22)으로부터 서브어셈블리(30, 32)로 리본 필라멘트를 공급하는 것을 보조하는 추가 구동장치(미도시)를 포함할 수 있다. 공급원(20, 22)은 모델링 및 지지 물질 리본 필라멘트용 소스(예컨대, 스풀 컨테이너(spooled container))이고, 바람직하게는 생성 챔버(12)로부터 떨어진 위치에 유지된다. 공급원(20, 22)으로 적절한 조립체가 스완슨 등의 미국특허 제6,923,634호, 콤 등의 미국특허 제7,122,246호 및 탓제스 등의 미국 특허출원 공개공보 제2010/0096485호 및 제2010/0096489호에 개시되어 있다.
생성 작업 중에, 갠트리(16)는 생성 챔버(12) 내에서 압출 헤드(18)를 수평방향 x-y평면 상의 주위 곳곳으로 이동시키고, 리본 필라멘트는 서브어셈블리(30, 32)로 계속 공급된다. 서브어셈블리(30)는 공급받은 모델링 물질 리본 필라멘트의 연속된 부분들을 열로 용융시키고, 이로써 용융 물질이 3D 모델(24)을 생성하기 위하여 압출될 수 있도록 한다. 마찬가지로, 서브어셈블리(32)는 지지 물질 리본 필라멘트의 연속된 부분들을 열로 용융시킴으로써, 용융물질이 지지 구조(26)를 생성하기 위하여 압출될 수 있도록 한다. 리본 필라멘트의 용융되지 않은 부분들은 상류에서 상기 각각의 서브어셈블리(30, 32)로부터 용융 물질을 압출하기 위한 점성 펌프(viscosity-pump) 작용을 갖는 피스톤으로 각각 기능할 수 있다.
그 다음 상기 압출된 모델링 및 지지 물질은 층 기반 에디티브 기술(layer-based additive technique)을 이용하여 3D 모델(24) 및 지지 구조(26)를 생성하기 위하여 플래튼(14) 상으로 침적된다. 지지 구조(26)는 바람직하게는 3D 모델(24) 층의 돌출 영역에 대하여 z-축 방향을 따라 수직방향으로 지지할 수 있도록 침적된다. 이는 3D 모델(24)이 다양한 기하형상으로 생성될 수 있도록 해준다. 생성 작업이 완료된 후에, 3D 모델(24)/지지 구조(26)의 완성물은 생성 챔버(12)로부터 제거되고, 지지 구조(26)는 3D 모델(24)로부터 제거될 수 있다.
도 2는 압출 헤드(18) 서브어셈블리(30)의 상부 사시도이며, 서브어셈블리(30)에 관한 다음의 설명은 서브어셈블리(32)(도 1에 도시)에도 동일하게 적용될 수 있을 것이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 서브어셈블리(30)는 리본 액화기(38), 열 블록(thermal block)(40) 및 구동장치(42)를 포함하며, 상기 구동장치(42)는 리본 액화기(38)를 통해 리본 필라멘트(44)의 연속된 부분들을 공급한다. 도시된 실시예에서, 리본 액화기(38)는 상단부(48)와 하단부(50) 사이에 연장되는 연속된 환상 튜브(annular tube)들을 포함한다. 상단부(48)와 하단부(50)는 리본 액화기(38)의 세로방향 축(46) 상의 대향 단부이며, 여기서 상단부(48)는 굽혀진 상태(flexed state)의 리본 필라멘트(44)를 전달받는다. 서브어셈블리(30)가 시스템(10)(도 1에 도시됨) 상에 장착될 때, 세로방향 축(46)은 수직방향 z-축에 해당된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 리본 액화기(38)의 환상 튜브는 구동장치(42) 및 열 블록(40)을 관통하여 세로방향 축(46)을 따라 연장된다.
또한, 리본 액화기(38)는 압출 팁(52)을 포함하며, 상기 압출 팁은 하단부(50)에 위치하는 작은 직경의 팁으로 리본 필라멘트(44)의 용융 물질을 원하는 로드 너비(road width)로 압출하도록 구성된다. 일 실시예에서, 압출 팁(52)은 하단부(50)에서 하나 또는 그 이상의 환상 튜브에 제거 가능하게 고정됨으로써, 다양한 압출 팁(52)을 교환하여 사용할 수 있도록 할 수 있다. 예컨대, 압출 팁(52)의 적절한 내부 팁 직경은 약 125마이크로미터(약 0.005인치)에서 약 510마이크로미터(약 0.020인치) 범위 내이다.
열 블록(40)은 리본 액화기(38)의 적어도 일부 주위로 연장되고, 열을 리본 액화기(38) 및 수용된 리본 필라멘트(44)로 전도하는 열 전달 구성요소이다. 열 블록(40)으로 적절한 열 전달 구성요소의 예로서는, 스완슨 등의 미국특허 제6,004,124호, 콤 등의 미국특허 제6,547,995호, 라부아지에 등의 미국 공개공보 제2007/0228590호 및 배첼더 등의 미국 특허출원 공개공보 제2009/0273122호에 개시되어 있는 것들이 포함된다. 선택적인 실시예에서, 열 블록(40)은 세로방향 축(46)을 따라 열 경사(thermal gradients)를 생성하는 다양한 서로 다른 열 전달 구성요소로 대체될 수 있을 것이다.
구동장치(42)는 지지 플레이트(54), 베이스 블록(56) 및 풀리(58)를 포함하고, 풀리(58)는 지지 플레이트(56)와 베이스 블록(56) 사이에 회동 가능하게 고정된다. 지지 플레이트(54)와 베이스 블록(56)은 구동장치(42)를 지지하는 구성요소이며, 지지 플레이트(54)와 베이스 블록(56) 중 한쪽 또는 양쪽 모두는 압출 헤드(18)(도 1에 도시)에 고정될 수 있다. 풀리(58)는 내측에 나사산이 형성된 표면(도 2에 미도시)을 이용하여 리본 액화기(38)를 관통하여 리본 필라멘트(44)의 연속 부분들을 구동하는 회동가능한 구성요소이다. 적절한 구동장치(42)용 필라멘트 구동장치의 예시가 배첼더 등의 미국 특허출원 공개공보 제2009/0274540호 및 제2009/0273122호에 개시되어 있다.
도 1에 도시된 시스템(10)에서 생성 작업 중, 리본 필라멘트(44)는 리본 액화기(38)와의 정렬을 위해 수축 상태로 굽혀지는 것이 바람직하다. 상기 굽혀진 리본 필라멘트(44)는 그 다음 상단부(48)에서 리본 액화기(38)로 장전되어(화살표(60)로 표시됨) 상기 내측에 나사산이 형성된 풀리(58)의 표면에 결합된다. 다음에 풀리(58)는 콘트롤러(28)(도 1에 도시)에서 제공되는 신호에 기초하여 회전된다(화살표(62)로 표시됨). 풀리(58)는 풀리(58)의 내측 나사산이 형성된 표면의 회전에 따라 회전하며, 이는 리본 액화기(38)를 통화여 리본 필라멘트(44)의 연속된 부분들을 구동하게 된다.
리본 필라멘트(44)가 리본 액화기(38)를 통과함에 따라, 열 블록(40)에 의해 생성된 열 경사(thermal gradient)는 리본 액화기(38) 내에서 리본 필라멘트(44) 물질을 적어도 압출가능한 상태로 용융시킨다. 구동장치(42)에 의해 구동되는 리본 필라멘트(44)의 용융되지 않은 부분들은 상류에서 리본 액화기(38)의 벽과 용융되지 않은 부분들 사이에서 용융된 물질에 작용하는 점성 펌프의 피스톤으로 기능함으로써, 용융 물질을 압출 팁(52)으로부터 압출한다. 그 다음 상기 압출된 물질은 적층식으로 3D 모델(24)을 형성하기 위한 로드(road)로서 침적된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 리본 액화기(38)의 상단부(48)는 구동장치(42)에 대해 세로방향 축(46)을 따라 상류의 위치에 위치한다. 이와 같이, 리본 필라멘트(44)는 구동장치(42)와 결합하기 이전에 입구 영역(입구 영역(64)으로 표시됨)에서 리본 액화기(38)로 들어가고, 구동장치(42)와 결합 중 및 후에 계속적으로 리본 액화기(38)에 의해 지지될 수 있다. 이는 압출 헤드(18)에 있어서 생성 작업이 방해되는 위험을 감소시키고, 리본 필라멘트(44)가 버클링(buckling)으로 지지되기 때문에 더 높은 구동력이 얻어지도록 할 수 있다.
리본 액화기(38) 및 리본 필라멘트(44)의 횡단면 프로파일(cross-sectional profile)은 실린더형 필라멘트 및 액화기와 비교하여 단축된 응답시간으로 리본 필라멘트(44)를 용융시켜 압출 헤드(18)로부터 압출될 수 있도록 한다. 미국 가특허출원 제61/247,067호 및 미국 특허출원 제12/612,333호 "압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 비실린더형 필라멘트"에서 논의된 바와 같이, 리본 액화기(38) 및 리본 필라멘트(44)의 횡단면 프로파일은 원형 단면을 갖는 실린더형 필라멘트와 연관된 코어를 효율적으로 제거한다고 확신한다. 이는 단축된 응답시간으로 리본 필라멘트(44)를 용융시켜 압출 헤드(18)로부터 압출시킬 수 있으며, 이로써 3D 모델(24) 및/또는 지지 구조(26)를 생성하기 위한 시스템(10)의 처리 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
예를 들면, 단축된 응답시간은 모델링 및 지지 물질의 침적 로드(deposited road)에 대한 시작과 정지점 위치의 정확도를 향상시킬 수 있다. 3D 모델(예컨대 3D 모델(24))의 한 층을 형성하기 위한 생성 작업 중에, 압출 헤드(예컨대, 압출 헤드(18))는 수평방향 x-y 평면상에서 이동하여 용융된 모델링 물질을 침적시킨다. 주어진 침적 패턴이 완성된 후에, 상기 압출 헤드는 상기 모델링 물질의 침적 작업을 중지한다. 이 작업은 필라멘트가 압출 헤드의 액화기로 공급되는 것을 중단함으로써 수행되며, 이로써 필라멘트의 점성 펌프 작용을 중단시킨다.
그러나, 압출 헤드로부터 액화기로 필라멘트의 공급이 중지되는 시점과 압출 헤드로부터 모델링 물질의 압출이 실제 멈추는 시점 간의 응답시간은 동시적이지 않다. 그 대신, 액화기의 열적 특성, 필라멘트의 성분 및 아래에서 논의되는 바와 같은 필라멘트 및 액화기 채널의 횡단면 프로파일과 같은 요인에 기초한 시간 지연이 있다. 마찬가지로, 제로 흐름 상태(zero-flow state)에서 정상상태의 흐름(steady-state flow)으로의 전이와 관련된 응답 시간 지연도 있다. 긴 응답시간을 요하는 액화기와 필라멘트는 이와 같은 시간 지연을 증가시키고, 따라서 잠재적으로 침적 정확도를 감소시키게 된다. 하지만, 응답 시간을 단축시키는 것은 결과물로서의 3D 모델, 특히 섬세한 특징들을 포함하는 3D 모델을 생성함에 있어서, 그 심미적 및 구조적 품질을 향상시킬 수 있게 된다.
예를 들면, 시스템(10)의 단축된 응답 시간은 침적 시작점 및 정지점 근처의 적절한 위치에서 갠트리(16)의 가속을 제어할 수 있다. 이는 각 층의 연결부위(seams)를 감추는 능력을 증대시킬 수 있으며, 이것은 구성요소의 품질을 향상시킬 수 있다. 부가적으로, 응답시간은 갠트리(16)가 x-y평면 상의 코너 주위를 이동할 때 갠트리(16)가 일정한 접선속도(tangential velocity)로부터 얼마나 벗어날 수 있는지 결정한다. 결과적으로, 단축된 응답시간은 압출 헤드(18)의 더 큰 코너링(cornering) 가속 및 감속을 가능하게 한다. 이는 자동차 경주에서 전체 경주시간을 단축하는데 코너링 능력이 중요한 것과 마찬가지로, 3D 모델 및 지지 구조의 생성에 필요한 제작시간을 단축시킬 수 있게 해준다.
도 3은 외부 튜브(66), 코어 튜브(68) 및 삽입 구성요소(70)를 포함하는 리본 액화기(38)의 분해 사시도이다. 도시된 바와 같이, 삽입 구성요소(70)는 외부 튜브(66)와 코어 튜브(68)의 사이의 원주 상에 배치되어, 외부 튜브(66), 코어 튜브(68) 및 삽입 구성요소(70)가 상단부(48) 및 하단부(50) 사이의 세로방향 축(46)을 따라 연장되는 채널(72)의 경계를 정하도록 이루어진다. 다음에 설명되는 바와 같이, 채널(72)은 리본 필라멘트(44)(도 2에 도시)를 수용하는 리본 액화기(38)의 부분이다.
외부 튜브(66), 코어 튜브(68) 및 삽입 구성요소(70)는 다양한 물질로 제조될 수 있으며, 열 블록(40)으로부터의 열 에너지 및 생성 챔버(12)(도 1에 도시)의 어떠한 상승된 온도에도 견딜 수 있는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 외부 튜브(66), 코어 튜브(68) 및 삽입 구성요소(70)의 적절한 제조 물질로는 스테인레스 스틸과 같이 열 도전성, 금속 물질이 포함될 수 있다.
외부 튜브(66)는 외부 표면(74)을 포함하는 리본 액화기(38)의 외부 액화기부이며, 상단부(48)와 하단부(50) 사이에 세로방향 축(46)을 따라 연장된다. 도시된 실시예에서, 외부 튜브(66)는 원통형 단면을 가진다. 선택적인 실시예에서, 외부 튜브(66)를 다른 기하형상의 단면을 갖는 튜브로 대체하는 것도 가능하다. 따라서, 여기서 사용된 바와 같이, "튜브"라는 용어는 실린더형, 타원형, 다각형(예를 들면 직사각형, 정사각형 기하), 축방향으로 테이퍼진 기하형상 등과 같이 다양한 중공의 기하형상을 포함한다. 외부 표면(74)은 리본 액화기(38)를 따라 열경사를 생성하는 열 블록(40)과 접촉하는 외부 튜브(66) 부분이다. 열경사는 리본 필라멘트(44)에 세로방향 축을 따른 온도 특성을 생성하며, 리본 액화기(38)를 통하여 리본 필라멘트(44)가 구동됨에 따라 리본 필라멘트(44)의 연속적인 부분들을 용융시킨다.
도 3에 더 도시된 바와 같이, 외부 튜브(66)는 또한 포트(76)와 가열 구간(heated length)(78)을 포함한다. 포트(76)는 입구 영역(64)과 가열 구간(78) 사이의 외부 튜브(66)를 관통하는 측면 개구이다. 다음에 기술하는 바와 같이, 포트(76)는 리본 필라멘트(44)가 채널(72)에 장전된 후에, 풀리(58)(도 2에 도시)가 리본 필라멘트(44)에 결합하도록 한다. 이것은 풀리(58)의 내측에 나사산이 형성된 표면이 리본 필라멘트(44)를 가열 구간(78)을 향하여 구동하도록 허용한다.
포트(76)의 치수는 리본 필라멘트(44) 및 사용되는 구동장치(예컨대, 구동장치(42))에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 세로방향 축(46)을 따른 포트(76)의 길이(포트 구간(80)으로 표현됨)는 풀리(58)의 내측에 나사산이 형성된 표면의 치수에 따라 달라질 수 있다. 포트 구간(80)의 적절한 길이는 약 1.25밀리미터(약 0.05인치)에서 약 25.0밀리미터(약 1.0인치)의 범위이며, 특히 적절한 길이(64)는 약 5.1밀리미터(약 0.2인치)에서 약 12.7밀리미터(약 0.5인치) 범위 내이다.
가열 구간(78)은 외부 튜브(66)를 따라 열 블록(40)(도 2에 도시)에 의해 생성된 열경사가 리본 필라멘트(44)를 용융시키기 위해 존재하는 영역이다. 바람직하게, 가열 구간(78)은 포트(76) 아래에 외부 튜브(66)의 세로방향 길이를 따라 연장됨으로써, 리본 필라멘트(44)가 풀리(58)와 결합된 채 용융되는 것을 방지한다. 따라서, 가열 구간(78)은 포트(76)와 하단부(50)/압출 팁(52) 사이의 외부 튜브(66)의 세로방향 길이를 따라 연장되는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 압출 헤드(18)(도 1에 도시됨)는 열경사가 포트(76)에서 리본 필라멘트(44)에 영향을 끼칠 위험을 더욱 감소시키기 위하여, 냉각 공기를 상단부(48) 및/또는 포트(76)를 향하여 보내도록 구성된 에어플로 매니폴드(airflow manifold)(미도시)를 더 포함할 수 있다.
포트(76)와 하단부(50) 사이에 존재할 가열 구간(78)(길이(82)로 표시됨)의 적절한 치수는 열 블록(40)의 열 전달 특성, 외부 튜브(66)의 물질 및 두께, 리본 필라멘트(44)의 구동속도, 물질, 두께에 따라 달라질 수 있다. 길이(82)에 대한 적절한 예는 약 13밀리미터(약 0.5인치)에서 약 130밀리미터(약 5.0인치) 범위 내이고, 특히 적절한 길이(88)는 약 25밀리미터(약 1.0인치)에서 약 51밀리미터(약 2.0인치)의 범위 내이다.
코어 튜브(68)는 리본 액화기(38)의 코어부이며, 상단부(48)와 하단부(50) 사이의 외부 튜브(66) 내에 위치한다. 도시된 바와 같이, 코어 튜브(68)는 포트(76)에서 노출되는 외부 표면(84)을 포함한다. 중공 튜브로서 나타내었지만, 코어 튜브(68)를 대신하여 비 중공의 충전 코어(filled core) 부분들과 같은 다양한 코어부가 선택적으로 사용될 수 있다. 이들 실시예는 구동장치(40)와 결합될 때 리본 필라멘트(44)의 측면 지지를 강화하는데 유리할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 코어부로 중공 튜브(예컨대, 코어 튜브(68))를 사용하면 리본 액화기(38)의 중량을 감소시키는데 유리하며, 그 안에 전기 및/또는 열 소자를 수용시킬 수 있게 된다. 예컨대, 세로방향 축(46)을 따라 열경사를 생성함에 있어서 열 블록(40)을 보조하기 위하여, 하나 또는 그 이상의 추가적인 열 전달 구성요소(미도시)가 코어 튜브(68) 내부에 고정될 수 있다. 이들 실시예에서, 코어 튜브(68)는 구동장치(42)와 결합될 때 리본 필라멘트(44)를 지지하기에 충분한 벽 두께(예컨대, 적어도 약 0.25밀리미터(약 0.01인치))를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 상술한 바와 같이, 외부 튜브(66), 코어 튜브(68)는 서로 다른 단면 기하형상을 갖는 튜브로 대체될 수 있을 것이다.
삽입 구성요소(70)는 외부 튜브(66)와 코어 튜브(68) 사이에 고정되는 C형의 구성요소이며, 상단부(48)와 하단부(50) 사이에 연장된다. 다음에 설명되는 바와 같이, 삽입 구성요소(70)는 상단부(48)와 하단부(50) 사이에 연장되는 틈(gap)을 포함하며, 실질적으로 포트(76)와 정렬된다. 외부 튜브(66)와 코어 튜브(68) 사이의 삽입 구성요소(70) 틈은 채널(72)의 경계를 결정하며, 상기 채널은 궁형(arcuate) 단면을 가지고 실질적으로 포트(76)와 정렬한다. 이와 같은 배열은 리본 필라멘트(44)가 채널(72)을 관통하여 연장되도록 하면서, 구동장치(42)가 리본 필라멘트(44)와 결합하도록 허용한다. 여기서, 포트(76)에서 외부 표면(84) 부분은 구동장치(42)와 결합될 때 리본 필라멘트(44)에 대한 측면 지지 수단으로 기능할 수 있다.
서브어셈블리(30)(도 1 및 2에 도시)의 제작중에, 리본 액화기(38)는 열 블록(40)의 내부에 고정되어 포트(76)가 열 블록(40) 위로 연장되도록 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이것은 가열 구간(78)을 포트(76) 아래의 위치로 바람직하게 제한할 수 있다. 리본 액화기(38)는 다양한 방식으로 열 블록(40) 내부에 고정될 수 있다. 일 실시예에서, 열 블록(40)은 열 블록(40) 내 직접 접근을 허용하도록 분리(또는 그렇지 않으면 개방)될 수 있을 것이다. 그 경우 리본 액화기(38)는 열 블록(40) 내에 삽입될 수 있을 것이며, 열 블록(40)은 리본 액화기(38)의 외부 튜브(66)와 열 블록(40) 간의 양호한 열도전성 접촉을 제공하도록 재조립(또는 그렇지 않으면 폐쇄)될 수 있을 것이다. 또한, 압출 팁(52)은 하단부(50)에서 외부 튜브(66)에 고정될 수 있다. 또한, 포트(76)에서 내측에 나사산이 형성된 풀리(58) 표면이 리본 액화기(38)와 결합하도록, 리본 액화기(38)는 구동장치(42)에 고정될 수 있을 것이다.
동작 중에, 채널(72)의 치수(dimensions)는 리본 필라멘트(44)의 용융 물질의 흐름이 축방향으로 비대칭적인 흐름에 정합하도록 이루어질 수 있으며, 상기 예에서 축방향으로 비대칭적인 흐름은 궁형 패턴의 흐름(arcuate-patterned flow)이다. 그러나, 압출 팁(52)에 이르게 되면, 상기 용융물질의 흐름은 압출을 위하여 실질적으로 축방향에 대칭적인 흐름으로 변하게 된다. 이것은 용융물질의 흐름이 액화기 내부 및 압출 팁에서 축방향으로 대칭적인 흐름으로 남아 있는 실린더형 액화기와 대조적이다.
도 4a-4c는 도 3에서 4A-4A, 4B-4B 및 4C-4C 선을 각각 따라 취해진 단면도이다. 도 4a에 도시된 부분은 입구 영역(64)을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 외부 튜브(66)는 외부 튜브(66)의 내부 직경(내부 직경(86d)으로 표시)을 결정하는 내부 표면(86)을 더 포함한다. 내부 직경(86d)으로 적절한 평균 직경은 약 3.8밀리미터(약 0.15인치)에서 약 10.2밀리미터(약 0.40인치) 범위 내이며, 특히 적절한 직경 범위는 약 5.1밀리미터(약 0.20인치)에서 약 7.6밀리미터(약 0.30인치)이다.
상응하여, 외부 표면(74)은 외부 튜브(66)의 외부 직경(외부 직경(74d)로 표시)을 결정한다. 외부 직경(74d)은 외부 튜브(66)의 벽 두께 및 내부 직경(86d)에 따라 달라질 수 있으며, 외부 튜브(66)가 구동장치(42)의 지지 플레이트(54), 풀리(58) 및 베이스 블록(56)(도 2에 도시)을 통하여 삽입되어, 지지 플레이트(54) 및 베이스 블록(56)의 한쪽 또는 양쪽에 의해 수용되도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 액화기 튜브(66)의 적절한 평균 벽 두께(즉, 외부 직경(74d)과 내부 직경(86d) 간의 차이)의 예시로는 약 1.3밀리미터(약 0.05인치)에서 약 7.6밀리미터(약 0.30인치) 범위 내이며, 특별히 적절한 두께 범위는 약 2.5밀리미터(약 0.10인치)에서 약 5.1밀리미터(약 0.20인치)이다.
도 4a에 더 도시된 바와 같이, 코어 튜브(68)의 외부 표면(84)은 코어 튜브(68)의 외부 직경(외부 직경(84d)으로 표시)을 결정한다. 따라서, 외부 튜브(66)의 내부 직경(86d)과 코어 튜브(68)의 외부 직경(84d) 간의 차이는 채널(72)의 두께(채널 두께(88)로 표시)를 결정한다. 채널 두께(88)의 적절한 치수 범위는 약 0.25밀리미터(약 0.01인치)에서 약 2.5밀리미터(약 0.10인치)이며, 특히 적절한 두께 범위는 약 0.51밀리미터(약 0.02인치)에서 약 2.0밀리미터(약 0.08인치)이며, 더욱 특히 적절한 두께 범위는 약 0.76밀리미터(약 0.03인치)에서 약 1.8밀리미터(약 0.07인치)이다. 채널(72)은 삽입 구성요소(70)의 틈(gap)에 의해 부분적으로 경계가 정해지기 때문에, 삽입 구성요소(70) 또한 채널 두께(88)에 대응하는 두께를 갖는다.
또한, 도시된 실시예에서, 채널(72)은 삽입 구성요소(70)의 틈을 가로질러 연장되는 궁형의 너비를 가지며, 바람직하게는 굽혀진 상태의 리본 필라멘트(44)의 치수에 대응한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 궁형의 너비는 채널(72)의 반지름 방향으로 동심점(radially-concentric point)으로부터의 각도(각도(α)로 표시)로 측정될 수 있다. 각도(α)에 대한 적절한 각도 범위는 약 30도에서 약 180도이며, 특히 적절한 각도 범위는 약 45도에서 약 130도이고, 더욱 특히 적절한 각도 범위는 약 60도에서 약 90도이다.
선택적으로, 채널(72)의 너비는 궁형 기하보다는 직사각형 기하형상에 기초하여 측정될 수 있다. 채널(72) 너비에 대한 적절한 치수 범위는 약 1.0밀리미터(약 0.04인치)에서 약 12.7밀리미터(약 0.50인치)이며, 특히 적절한 너비 범위는 약 3.0밀리미터(약 0.12인치)에서 약 10.1밀리미터(약 0.40인치)이고, 더욱 특히 적절한 너비 범위는 약 3.8밀리미터(약 0.15인치)에서 약 6.4밀리미터(약 0.25인치)이다.
상술한 바와 같이, 리본 액화기(38)와 리본 필라멘트(44)의 애스펙트 비(aspect ratio)는 원형 단면을 갖는 필라멘트 원료(feedstock)와 관련된 코어를 효과적으로 제거할 수 있도록 선택될 수 있다. 이는 리본 액화기(38)가 동일한 체적 유량(volumetric flow rate)을 갖는 실린더형 액화기와 비교하여 단축된 응답시간을 얻을 수 있도록 한다. 특히, 미국 가특허출원 제61/247,067호 및 미국특허출원 제12/612,333호 "압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 비실린더형 필라멘트"에 개시된 바와 같이, 높은 애스펙트 비는 응답속도를 단축하는데 특히 적절하다. 따라서, 채널 두께(88)에 대한 채널(72) 너비의 적절한 애스펙트 비에 대한 예는 약 2:1 이상의 애스펙트 비를 포함한다.
어떤 상황에서 지나치게 큰 애스펙트 비는 외부 표면(84)과 리본 필라멘트(44)에 바람직하지 않게 높은 부하가 걸리게 하여, 리본 필라멘트(44)와 채널(72) 사이에 마찰저항(frictional drag)을 증가시킬 수 있다. 따라서, 채널 두께(88)에 대한 채널(72) 너비의 특히 적절한 애스펙트 비 범위는 약 2.5:1에서 약 20:1이며, 더욱 특히 적절한 애스펙트 비 범위는 약 3:1에서 약 10:1이고, 더욱더 특히 적절한 애스펙트 비 범위는 약 3:1에서 약 8:1이다.
실린더형 액화기와의 추가적인 구별점은 주어진 액화기 내에서 열 에너지가 발산되는 규모(dimension)를 비교함으로써 알 수 있다. 열 에너지는 실린더형 액화기 내에 수용된 실린더형 필라멘트에 2차원으로 방사되며, 여기서 약 50%의 열 에너지가 제1차원으로(예컨대, x-축을 따라), 그리고 약 50%의 열 에너지가 제2차원으로(예컨대, y-축을 따라) 발산된다. 그러나 이에 비교하여, 리본 액화기에서는 대부분의 열 에너지가 단일의 차원을 따라 액화기(38) 내의 리본 필라멘트(44)로 발산된다. 사실상, 이와 같은 단일 차원 발산은 리본 필라멘트(44)와 액화기(38)의 애스펙트 비에 따라 증가한다. 따라서, 상기 설명된 적절한 애스펙트 비에 대해서는, 적어도 약 60%의 열 에너지가 단일 차원으로 발산되며, 더욱 바람직하게는 적어도 약 65%의 열 에너지가 단일의 차원으로 발산되고, 더욱더 바람직하게는 적어도 약 70%의 열 에너지가 단일의 차원으로 발산된다.
일 실시예에서, 코어 튜브(68)의 외부 표면(84) 및/또는 외부 튜브(66)의 내부 표면(86)은 리본 필라멘트(44)의 이동 마찰(sliding friction)을 감소시키기 위하여 연마 및/또는 광택을 낼 수 있다. 부가적인 실시예에서, 입구 영역(64)에서 내부 표면(86) 및 외부 표면(84)의 하나 또는 그 이상의 부분들은 리본 필라멘트(44)와의 마찰을 더욱 감소시키기 위하여 저 표면에너지 코팅(low-surface energy coating)을 포함할 수 있다. 적절한 코팅 물질에는 불화 폴리머(예컨대, 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethenes), 불화 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylenes), 및 퍼플루오르알콕시 폴리머(perfluoroalkoxy polymers)), 다이아몬드상 카본(diamond-like carbon) 및 그들의 조합 구성이 포함된다.
도 4b에 도시된 부분은 설명된 실시예에서 실질적으로 채널(72)과 정렬되는 궁형 너비를 가지는 포트(76)를 나타낸다. 선택적인 실시예에서, 채널(72)의 궁형 너비는 포트(76)의 너비보다 더 클 수 있다. 포트(76)의 궁형 너비의 각도(각도(β)로 표시됨)는 내측에 나사산이 형성된 풀리(58) 표면과의 결합 및 채널(72)의 궁형 너비에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 각도(β)에 대한 적절한 각도 범위의 예는 약 30도에서 약 180도이며, 특히 적절한 각도 범위는 약 45도에서 약 130도이고, 더욱 특히 적절한 각도 범위는 약 60도에서 약 90도이다.
도 4c에 도시된 부분은 가열 구간(78)을 나타내고, 설명된 실시예에서는 가열 구간(78)에서 채널(72)은 입구 영역(64)(도 4a에 도시됨)과 포트(76)(도 4b에 도시됨)에서와 동일한 치수로 이루어진다. 따라서, 본 실시예에서 채널(72)은 상단부(48) 및 하단부(50) 사이의 세로방향 축(46)을 따라 실질적으로 동일한 치수로 이루어진다. 선택적인 실시예에서, 채널(72)의 두께(채널 두께(89)로 표시됨) 및/또는 궁형 너비는 세로방향 축(46)을 따라 변화할 수 있다. 예를 들면, 가열 구간(78)을 따라 하단부(50)를 향하여 하방으로 내려감에 따라 채널 두께(89) 및 채널(72) 너비 중 한쪽 또는 양쪽이 점차 감소할 수 있다.
채널 두께(89)에 대한 적절한 평균 두께의 예시는 채널 두께(88)(도 4a에 도시됨)에 대해 앞서 설명된 것들을 포함할 수 있으며, 여기서 채널 두께(89)는 채널 두께(88)와 동일하거나 하단부(50)를 향하여 세로방향 길이(46)를 따라 하방으로 내려감에 따라 점차로 감소할 수 있다. 마찬가지로, 궁형 너비에 대한 적절한 각도(각도(θ)로 표시됨)의 예시는 각도(α)(도 4a에 도시됨)에 대해 설명된 것들을 포함하며, 여기서 각도(θ)는 각도(α)와 동일하거나 하단부(50)를 향하여 세로방향 길이(46)를 따라 내려감에 따라 점차 감소할 수 있다.
도 5는 리본 액화기(38)의 분해 사시도로서, 리본 액화기(38)를 제조하는 기술을 나타낸다. 리본 액화기(38)는 먼저 코어 튜브(68)의 외부 표면(84) 둘레로 삽입 구성요소(70)를 삽입함으로써(예컨대, 화살표(90)로 나타낸 바와 같이, 코어 튜브(68)를 삽입 구성요소(70) 안으로 슬라이딩시킴으로써) 제조될 수 있다. 삽입 구성요소(70)는 마찰 고정(friction fitting), 접착 화합물(adhesive compounds) 및/또는 용접 공정과 같이 다양한 방식으로 외부 표면(84)의 둘레에 고정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 삽입 구성요소(70)는 채널(72)의 경계를 부분적으로 결정하는 틈(틈(92)으로 표시됨)을 포함한다. 부가적으로, 리본 액화기(38)의 하단부(50)에서 삽입 구성요소(70) 부분은 압출 팁(52) 내부에 들어맞도록 테이퍼진 형상으로 이루어지며, 틈(92)은 또한 상응하여 궁형 너비가 좁아질 수 있다. 또한, 코어 튜브(68)는 리본 액화기(38)의 하단부(50)에서 원추 팁(94)을 가지며, 원추 팁은 또한 삽입 구성요소(70)와 압출 팁(52) 내부에 들어맞도록 테이퍼진 형상으로 이루어진다. 원추 팁(94)은 또한 용융 물질이 코어 튜브(68)의 중공 보어(bore) 영역으로 역류하는 것을 방지하기 위하여 밀봉 팁으로 구성하는 것이 바람직하다.
다음, 조립된 코어 튜브(68)/삽입 구성요소(70)는 외부 튜브(66)로 삽입(화살표(96)로 나타냄)되며, 틈(92)은 포트(76)와 정렬되도록 하는 것이 바람직하다. 외부 튜브(66)는 코어 튜브(68)/삽입 구성요소(70)의 둘레에 마찰 고정, 접착 화합물 및/또는 용접 공정과 같이 다양한 방식으로 고정될 수 있다. 이로써 코어 튜브(68)의 외부 표면(84), 외부 튜브(66)의 내부 표면(86) 및 틈(92)에서의 삽입 구성요소(70)에 의해 경계가 정해지며, 상단부(48)로부터 하단부(50)의 압출 팁(52)까지 연장되는 채널(72)이 마련된다.
선택적으로, 외부 튜브(66), 코어 튜브(68), 삽입 구성요소(70)는 다양한 방식으로 조립될 수 있다. 예컨대, 삽입 구성요소(70)는 외부 튜브(66) 내에 코어 튜브(68)가 삽입되기 전에 외부 튜브(66) 내에 삽입될 수도 있다. 또한, 코어 튜브(68)가 먼저 외부 튜브(66) 내에 삽입되고, 그 다음 삽입 구성요소(70)가 외부 튜브(66) 및 코어 튜브(68) 사이에 삽입될 수도 있다. 추가적으로, 압출 팁(52)은 하단부(50)에서 제거 가능하게 외부 튜브(66)에 고정(예컨대, 외부 튜브(66)에 나사로 고정)될 수 있다. 부가적인 선택적인 실시예에서, 외부 튜브(66), 코어 튜브(68), 삽입 구성요소(70) 중 하나 또는 그 이상이 순차적으로 조립되는 개별적인 구성요소 보다는 일체로 함께 형성(예컨대, 압출(extruded) 또는 주조(cast))될 수도 있을 것이다. 다음으로 결과물인 리본 액화기(38)가 상술한 바와 같이 압출 헤드(18)의 서브어셈블리(30)에 설치된다.
상술한 바와 같이, 채널(72)의 치수(dimensions)는 리본 필라멘트(44)의 용융 물질의 흐름이 축방향으로 비대칭적인 흐름인 궁형 패턴의 흐름에 정합하도록 구성된다. 그러나, 도 5에 나타낸 바와 같이, 압출 팁(52) 및 원추 팁(94)의 치수(dimensions)는 용융물질의 흐름을 압출 팁(52)으로부터 압출을 위하여 궁형 패턴의 흐름에서 축방향으로 대칭적인 흐름으로 변화시키는 치수를 제공한다. 이는 용융물질의 흐름이 액화기와 압출 팁 내에서 축방향으로 대칭적인 흐름으로 남아있는 실린더형 액화기와 대조적이다.
도 6은 3D 모델(24)(또는 선택적으로 도 1에 도시된 지지 구조(26))을 생성하기 위하여 리본 필라멘트(44) 물질을 용융시키고 압출하기 위한 구동 장치(42)(도 2에 도시됨)의 풀리(58)가 구비된 리본 액화기(38)의 측면도이다. 열 블록(40), 구동 장치(42)의 지지 플레이트(54) 및 베이스 블록(56)은 설명의 편의를 위하여 도 6에서 생략되었다. 도시된 바와 같이, 풀리(58)는 내측에 나사산이 형성된 풀리(58) 표면인 내부 표면(98)을 포함하며, 포트(76)에서 리본 필라멘트(44)와 결합된다. 내부 표면(98)용 내측에 나사산이 형성된 표면의 적절한 예가 배첼더 등의 미국 특허출원 공개공보 제2009/0274540호 및 제2009/0273122호에 개시되어 있다.
3D 모델(24)을 형성하기 위한 생성 작업 중에, 리본 필라멘트(44)는 상단부(48)에서 액화기(38)의 채널(72)에 장전된다. 상술한 바와 같이, 리본 필라멘트는 채널(72)의 궁형 단면에 실질적으로 정렬되도록 만곡된 단면을 갖도록 구부려지는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 리본 필라멘트(44)는 공급원(20)(도 1에 도시됨)에서 및 통로(34)(도 1에 도시됨)를 통해 공급되는 동안에는 이완된 굽혀지지 않은 상태일 수 있다. 리본 액화기(38)의 상단부(48)에 도달하면, 리본 필라멘트(44)는 원하는 만곡된 단면으로 굽혀져(예를 들면, 수동으로 구부려져) 채널(72)로 공급될 수 있다. 리본 필라멘트(44)의 연속된 부분들이 채널(72)로 당겨져 들어갈 때, 채널(72)의 궁형 단면은 리본 필라멘트(44)의 연속된 부분들을 자동적으로 구부려 채널(72)의 치수에 일치되도록 할 수 있다.
풀리(58)의 회전은 내부 표면(98)이 리본 필라멘트(44)의 연속된 부분을 가열 구간(78)을 향하여 채널(72)을 통해 세로방향 축(46)을 따라 하방으로 구동하도록 허용한다. 가열 구간(78)에서 채널(72)을 관통하여 통과하는 동안, 열 블록(40)(도 2에 도시)에 의해 생성된 열경사는 리본 필라멘트(44) 물질을 압출 가능한 상태로 용융시킨다. 용융되지 않은, 가열 구간(78)으로부터 상류에 위치한 리본 필라멘트(44)의 연속된 부분은 풀리(58)와 내부 표면(98)에 의해 구동되며, 용융되지 않은 부분과 채널(72) 사이의 용융된 물질에 작용하는 점성 펌프가 구비된 피스톤으로 기능함으로써, 압출 팁(52)을 통하여 리본 필라멘트(44)의 용융 물질을 압출한다. 상술한 바와 같이, 채널(72)의 단면 치수, 특히 상술된 적절한 애스펙트 비 범위 내의 단면 치수는 리본 필라멘트(44) 물질이 단축된 응답 시간으로 압출될 수 있도록 한다. 다음으로, 압출된 물질은 적층식으로 3D 모델(24)을 생성하기 위한 로드(roads)로서 침적된다.
상술한 바와 같이, 입구 영역(64)은 풀리(58)에 대해 세로방향 축(46)을 따라 상류 위치에 배치된다. 이와 같이, 리본 필라멘트(44)는 내부 표면(98)에 결합하기 전에 채널(72)에 들어가며, 내부 표면(98)과 결합 중 및 결합 후에는 코어 튜브(68)(도 3~5에 도시됨)의 외부 표면(84)에 의해 계속 지지된다. 이것은 독립적인 구동장치와 액화기가 구비된 압출 헤드에 발생할 수 있는 잠재적인 문제점(예컨대, 정렬 및 버클링)을 효과적으로 제거함으로써, 압출 헤드(18)(도 1에 도시)에서 생성 작업이 방해될 위험성을 감소시킨다.
도 7은 3D 모델(24)을 생성하기 위하여 리본 필라멘트(44) 물질을 용융 및 압출하기 위한 선택적인 필라멘트 구동 장치의 회동가능한 샤프트(100)가 구비된 액화기 튜브(32)의 측면도이다. 열 블록(40)(도 2에 도시)은 설명의 편의를 위하여 도 7에서 생략되었다. 본 실시예에서, 회동가능한 샤프트(100)는 포트(76)에서 리본 필라멘트(44)와 결합된 외측에 나사산이 형성된 표면인 나사산 표면(threaded surface)(102)을 포함한다. 회동가능한 샤프트(100)의 회전은 나사산 표면(102)이 리본 필라멘트(44)의 연속된 부분들을 가열 구간(78)을 향하여 채널(72)을 통해서 세로방향 축(46)을 따라 하방으로 구동하도록 허용한다. 다음으로 리본 필라멘트(44) 물질이 가열 구간(78)의 채널(72)에서 용융됨으로써, 3D 모델(24)을 적층식으로 생성하기 위하여 용융 물질이 압출 팁(52)으로부터 압출되도록 한다.
또한, 본 실시예에서, 입구 영역(64)은 나사산 표면(102)에 대하여 세로방향 축(46)을 따라 상류의 위치에 배치된다. 이로써, 리본 필라멘트(44)는 나사산 표면(102)과 결합하기 전에 채널(72)로 들어가게 되고, 나사산 표면(102)과 결합 중 및 결합 후에는 코어 튜브(68)(도 3~5에 도시됨)의 외부 표면(84)에 의해 계속적으로 지지된다. 이것은 독립적인 구동 장치 및 액화기를 구비하는 압출 헤드에 발생할 수 있는 잠재적인 문제점(예컨대, 정렬 및 버클링)를 효과적으로 제거한다. 따라서, 리본 액화기(38)는 다양한 서로 다른 구동 장치와 사용하기 적절하며, 이때 구동 장치는 리본 필라멘트(44)가 코어 튜브(68)에 의해(예컨대, 포트(76)에서) 지지된 후에 리본 필라멘트(44)와 맞물릴 수 있다.
도 8a 및 8b는 세로방향 축(46)(도 2에 도시)에 대해 수직한 평면에서 취해진 리본 필라멘트(44)의 단면도로서, 도 8a는 이완된 굽혀지지 않은 상태의 리본 필라멘트(44)를 나타내고, 도 8b는 굽혀진 상태의 리본 필라멘트(44)를 나타낸다. 도 8a에 나타낸 바와 같이, 리본 필라멘트(44)는 너비(104)와 두께(106)를 가지며, 일반적으로 이들은 채널 두께(88)와 채널(72)의 궁형 너비에 상응한다(도 4a에 도시). 또한, 리본 필라멘트(44)는 공급원(20)(도 1에 도시)에 남아 있는 리본 필라멘트(44)의 양에 따라 달라질 수 있는 연속된 길이를 가진다.
너비(104)는 채널(72)의 치수 및 리본 필라멘트(44)가 어느 정도 굽혀져 있는지에 따라 달라질 수 있다. 너비(104)에 대한 적절한 치수 범위는 약 1.0밀리미터(약 0.04인치)에서 약 10.2밀리미터(약 0.40인치)이며, 특히 적절한 너비 범위는 약 2.5밀리미터(약 0.10인치)에서 약 7.6밀리미터(약 0.30인치)이고, 더욱 특히 적절한 너비 범위는 약 3.0밀리미터(약 0.12인치)에서 약 5.1밀리미터(약 0.20인치)이다.
두께(106)에 대한 적절한 치수(dimensions)는 바람직하게는 리본 필라멘트(44)가 구부려진 상태로 채널(72)에 삽입되는 것을 허용한다. 예컨대, 두께(106)는 바람직하게는 리본 필라멘트(44)가 축방향으로 (화살표(108)로 나타낸 바와 같이) 수축상태로 구부려지고, 공급원(20)에서 그 길이를 따라 리본 필라멘트(44)가 감기도록 굽혀지며, 통로(34)(도 1에 도시)를 통해 리본 필라멘트(44)를 공급할 수 있도록 충분히 작다. 예컨대, 일 실시예에서 리본 필라멘트(44)는 바람직하게는 t/r보다 큰 탄성 스트레인(elastic strains)을 견딜 수 있으며, 여기서, "t"는 곡면 상의 리본 필라멘트(44)의 단면 두께(예컨대, 두께(106)) 이고, "r"은 굽힘 반지름(bend radius)(예컨대, 공급원(20 또는 22)에서의 굽힘 반지름 및/또는 통로(34 또는 36)를 통과하는 굽힘 반지름)이다.
두께(106)는 리본 필라멘트(44)에 적절한 구조적 통일성을 제공하기에 충분한 두께로 구성하는 것이 바람직하며, 이로써 리본 필라멘트(44)가 공급원(20 또는 22)에 보관되는 동안 및 시스템(10)을 통해(예컨대, 통로(30 또는 32)를 통해) 공급되는 동안 균열 또는 파손될 위험을 감소시킬 수 있다. 두께(106)에 대한 적절한 치수 범위의 예로서는 약 0.08밀리미터(약 0.003인치)에서 약 1.5밀리미터(약 0.06인치)가 될 수 있으며, 특히 적절한 두께 범위는 약 0.38밀리미터(약 0.015인치)에서 약 1.3밀리미터(약 0.05인치)이고, 더욱 특히 적절한 두께 범위는 약 0.51밀리미터(약 0.02인치)에서 약 1.0밀리미터(약 0.04인치)이다.
또한, 리본 필라멘트(44)는 도 8b에 도시된 바와 같이, 리본 필라멘트(44)가 채널(72)과의 정렬을 위해 구부려질 때, 상단부(48)의 채널(72) 애스펙트 비에 실질적으로 일치하는 두께(106)에 대한 너비(104)의 애스펙트 비를 갖는 것이 바람직하다. 두께(106)에 대한 너비(104)의 적절한 애스펙트 비의 예시로는, 약 2:1 이상의 애스펙트 비가 포함되며, 특히 적절한 애스펙트 비의 범위는 약 2.5:1에서 약 20:1이고, 더욱 특히 적절한 애스팩트 비의 범위는 약 3:1에서 약 10:1, 및 더더욱 특히 적절한 애스펙트 비의 범위는 약 3:1에서 약 8:1이다.
리본 필라멘트(44)는 3D 모델(24) 및 지지 구조(26)(도 1에 도시)를 각각 생성하기 위한 다양한 압출가능한 모델링 및 지지 물질로부터 제조될 수 있다. 리본 필라멘트(44)용 적절한 모델링 물질은 중합체 및 금속성 물질을 포함한다. 어떤 실시예에서는, 적절한 모델링 물질은 열가소성 물질, 비정질 금속 물질 및 그들의 조합과 같이 비정질(amorphous) 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 리본 필라멘트(44)용 열가소성 물질의 적절한 예는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(acrylonitrile-butadiene-styrene, ABS) 공중합체, 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리술폰(polysulfones), 폴리에테르술폰(polyethersulfones), 폴리페닐술폰(polyphenylsulfones), 폴리에테르이미드(polyetherimides), 비정질 폴리아미드(amorphous polyamides), 그들의 개질된 변형물(modified variations)(예컨대, ABS-M30 공중합체), 폴리스티렌(polystyrene) 및 그들의 혼합물을 포함한다. 적절한 비정질 금속 물질의 예시로는 배첼더의 미국 특허출원 공개공보 제2009/0263582에 개시된 것들이 포함될 수 있다.
리본 필라멘트(44)용 적절한 지지 물질로는 비정질 특성을 갖는 물질(예컨대, 열가소성 물질)이 포함될 수 있으며, 3D모델(24) 및 지지 구조(26)가 생성된 후에 해당 모델링 물질로부터 제거가능한 것이 바람직하다. 리본 필라멘트(44)용 지지 물질의 적절한 예로는, 미국 미네소타주 에덴 프래리 소재의 스트래터시스사로부터 "WATERWORKS" 및 "SOLUBLE SUPPORTS"라는 상표의 상업적으로 입수가능한 수용성 지지물질(water-soluble support materials)과, 스트래터시스사의 "BASS"라는 상표의 상업적으로 입수가능한 분리(break-away) 지지 물질과, 크럼프 등의 미국 특허 제5,503,785호, 롬바디 등의 미국 특허 제6,070,107호 및 제6,228,923호와, 프리드만 등의 미국특허 제6,790,403호, 및 홉킨스 등의 미국 특허출원 공개공보 제2010/0096072호에 개시된 것들이 포함된다.
또한, 리본 필라멘트(44) 조성물은 가소제(plasticizers), 레올로지 개질제(rheology modifiers), 충진제(inert fillers), 착색제(colorants), 안정제(stabilizers) 및 그들의 조합물과 같은 부가적인 첨가물을 포함할 수 있다. 지지 물질로 사용하기 위한 가소제로서 적절한 예는, 디알킬 프탈레이트(dialkyl phthalates), 시클로알킬 프탈레이트(cycloalkyl phthalates), 벤질 및 아릴 프탈레이트(benzyl 및 aryl phthalates), 알콕시 프탈레이트(alkoxy phthalates), 알킬/아릴 포스페이트(alkyl/aryl phosphates), 폴리글리콜 에스테르(polyglycol esters), 아디페이트 에스테르(adipate esters), 시트레이트 에스테르(citrate esters), 글리세린의 에스테르(esters of glycerin), 및 그들의 조합물을 포함한다. 충진제로서 적절한 예는 칼슘 카보네이트(calcium carbonate), 마그네슘 카보네이트(magnesium carbonate), 유리 구체(glass spheres), 흑연(graphite), 카본블랙(carbon black), 탄소섬유(carbon fiber), 유리섬유(glass fiber), 탈크(talc), 규회석(wollastonite), 운모(mica), 알루미나(alumina), 실리카(silica), 고령토(kaolin), 탄화규소(silicon carbide), 복합재료(composite materials)(예컨대, 구형의 또는 섬유상의 복합재료) 및 그들의 조합물을 포함한다. 상기 조성물이 부가적인 첨가제를 포함하는 실시예에서, 상기 조성물 중 첨가제의 적절한 혼합 농도 범위는 조성물의 전체 중량에 근거하여, 약 1중량%에서 약 10중량%이고, 특히 적절한 농도 범위는 약 1중량%에서 약 5중량%이다.
또한, 리본 필라멘트(44)는 시스템(10)에서 소모성 물질(consumable material)로 사용될 수 있는 물리적 특징을 나타내는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 리본 필라멘트(44) 조성물은 그 길이를 따라 실질적으로 균질(homogeneous)하다. 부가적으로, 리본 필라멘트(44) 조성물은 생성 챔버(12) 내에서 사용되기에 적절한 유리 전이 온도(glass transition temperature)를 나타내는 것이 바람직하다. 대기압에서 리본 필라멘트(44)에 대해 적절한 유리 전이 온도는 80℃이상이다. 다른 실시예에서, 적절한 유리 전이 온도는 약 100℃이상일 수 있다. 추가적인 실시예에서, 적절한 유리 전이 온도는 약 120℃이상인 것을 포함할 수 있다.
또한, 리본 필라멘트(44)는 그 축방향 압축으로 인하여 리본 필라멘트(44)가 액화기 내부에 갇히지 않을 정도로 낮은 압축률(compressibility)을 나타내는 것이 바람직하다. 리본 필라멘트(44) 중합체 조성물에 대한 적절한 영률(Young's modulus) 값은 약 0.2GPa(약 30,000psi(pounds-per-square inch)) 이상인 것을 포함하고, 여기서 영률 값은 ASTM D638-08에 따라 측정된다. 어떤 실시예에서는, 적절한 영률 값이 약 1.0GPa(약 145,000psi)에서 약 5.0GPa(약 725,000psi) 범위 내일 수 있다. 추가적인 실시예에서, 적절한 영률 값은 약 1.5GPa(약 200,000psi)에서 약 3.0GPa(약 440,000psi)의 범위 내일 수 있다.
리본 필라멘트(44)용 적절한 리본 필라멘트 및 리본 필라멘트(44)를 제조하는 적절한 기술에 대한 추가적인 예는 미국 가특허출원 제61/247,067호 및 미국 특허출원 제12/612,333호의 "압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 비실린더형 필라멘트"에 개시된 것들과, 미국 가특허출원 제61/247,078호 및 미국 특허출원 제12/612,342호의 "압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 위상 표면 패턴(Topographical Surface Patterns)을 갖는 소모성 물질"에 개시된 바와 같은 위상 표면 패턴을 갖는 리본 필라멘트를 포함한다.
도 9 및 도 10은 리본 액화기(38)(도 2-7에 도시)에 대한 대안적인 리본 액화기의 적절한 예를 나타내며, 여기서는 상술된 실시예가 다음의 예에 동등하게 적용된다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 리본 액화기(138)는 리본 액화기(38)에 대한 제1 대안이며, 여기서 대응 참조번호는 "100"씩 증가한다. 본 실시예에서, 입구 영역(64) 및 포트(76)에 대응하는 입구 영역 및 포트는 생략되었다. 그 대신, 코어 튜브(168)는 상단부(148)에서 외부 튜브(166) 및 삽입 구성요소(170) 이상으로 연장된다. 본 실시예에서, 구동장치(예컨대, 구동장치(42))는 채널(172) 위에 있는 코어 튜브(168)의 외부 표면(184)에서 리본 필라멘트(44)와 결합할 수 있다. 이로써 리본 액화기(38)에 대해 상술된 것과 마찬가지 방법으로, 외부 표면(184)이 리본 필라멘트(44)의 측면 지지체로서 기능하면서, 구동장치가 리본 필라멘트(44)의 연속된 부분들을 채널(172) 안으로 구동할 수 있게 된다.
도시된 실시예에서, 채널(172)의 입구 및 하단부(150) 사이에 존재하는 가열 구간(178)에 대한 적절한 치수(길이(182)로 표시)는 열 블록(40)(도 2에 도시)의 열 전달 특성, 외부 튜브(166) 물질과 두께 및 리본 필라멘트(44)의 두께, 물질 및 구동속도에 따라 달라질 수 있다. 길이(182)에 대한 적절한 길이의 예는 길이(82)(도 3에 도시)에 대해 상술된 사항들을 포함한다.
선택적인 실시예에서, 삽입 구성요소(170)는 또한 코어 튜브(168)와 함께 상방으로 연장될 수 있다. 부가적인 선택적인 실시예에서, 외부 튜브(166), 코어 튜브(168) 및 삽입 구성요소(170) 중 하나 이상은 배첼더 등의 미국 특허출원 공개공보 제2009/0273122호에 논의된 바와 같은 스트레인 게이지(strain guage)를 포함할 수 있다. 이는 외부 튜브(166), 코어 튜브(168) 및/또는 삽입 구성요소(170)에 인가된 부하를 모니터링하는데 유용하다.
도 10은 리본 액화기(238)의 단면도로, 리본 액화기(38)(도 2-7에 도시) 및 리본 액화기(138)(도 9에 도시)에 대한 부가적인 대안이다. 상기 단면도는 도 3에서 4A-4A 부분에 해당하며, 대응 참조번호는 "200"씩 증가된다. 도시된 바와 같이, 리본 액화기(238)는 채널(272)의 경계를 결정하는 외부 튜브(266), 코어부(268) 및 삽입 구성요소(270)를 포함하며, 여기서 채널(272)은 궁형 단면 보다는 직사각형 단면을 갖는다.
외부 튜브(266), 코어부(268), 삽입 구성요소(270) 및 채널(272)에 대한 적절한 치수는 위에서 리본 액화기(38)의 각 구성요소에 대해 논의된 사항들을 포함한다. 예컨대, 외부 표면(274)의 너비(너비(274w)로 표시), 외부 표면(284)의 너비(너비(284w)로 표시) 및 내부 표면(286)의 너비(너비(286w)로 표시)에 대한 적절한 평균값은 외부 직경(74d), 외부 직경(84d) 및 내부 직경(86d)(도 4a에 도시)에 대해 위에서 각각 논의된 사항들을 포함한다. 외부 튜브(266), 코어부(268) 및 삽입 구성요소(270)의 치수는 x-축 및 y-축을 따라 실질적으로 동일하거나(즉, 도 10에 도시된 바와 같이 정사각형 단면), 리본 액화기(238)의 특별한 설계에 따라 달라질 수도 있다(예컨대, 직사각형). 따라서, 채널(272)의 너비(너비(272w)로 표시)에 대한 적절한 예는 채널(72)의 궁형 너비에 대해 상술된 것들을 포함하며, 채널(272)의 두께(두께(272t)로 표시)에 대한 적절한 예는 두께(88)(도 4a에 도시)에 대해 상술된 것들을 포함한다.
도시된 실시예에서, 코어부(268)는 중공 보어(hollow bore) 영역을 가지기보다는 충진되어 있다. 이것은 버클링(buckling)이나 변형(deforming)없이 코어부(268)가 구동장치(예컨대, 도 2에 도시된 구동장치(42))로부터 외부 표면(284)에 인가되는 측면 스트레스에 견딜 수 있게 하는데 유용하다. 선택적인 실시예에서, 코어부(268)는 적절한 벽 두께를 갖는 중공 코어로 이루어질 수도 있다.
리본 액화기(238)는 앞의 도 8a에 도시된 바와 같이, 이완된 굽혀지지 않은 상태의 리본 필라멘트(44)를 전달받도록 이루어진 본 발명 리본 액화기의 예로서 적절하다. 리본 액화기(238) 및 리본 필라멘트(44)의 치수(dimensions)는 또한 원형 단면을 갖는 실린더형 필라멘트와 연관된 코어를 효과적으로 제거할 수 있다. 이로써 리본 액화기(238)는 또한 동일한 체적 유량(volumetric flow rate)을 갖는 실린더형 액화기에 비하여 단축된 응답시간을 얻을 수 있게 된다.
부가적으로, 채널(272)의 치수는 리본 필라멘트(44)의 용융 물질의 용융 흐름이 직사각형 패턴의 흐름에 정합하도록 구성되며, 이는 또한 축방향으로 비대칭적인 흐름으로 된다. 그러나, 압출 팁(252)(미도시)에 도달하면, 상기 용융 흐름은 도 5의 리본 액화기(38)에 대해 앞서 논의된 바와 동일한 방식으로 압출을 위하여 실질적으로 축방향으로 대칭적인 흐름으로 바뀐다. 이것은 또한 용융 흐름이 액화기 및 압출 팁에서 축방향으로 대칭적인 흐름으로 변함없는 실린더형 액화기와 대조적이다.
본 발명의 추가적인 실시예에서, 상기 논의된 실린더형 및 비 실린더형 필라멘트는 또한 중공형태일 수 있다. 플라스틱의 단면적은 손실된 코어만큼 감소하기 때문에, 중공 필라멘트의 유압 직경(hydraulic diameter)은 또한 물리적인 직경보다 작을 수 있다. 따라서, 본 발명의 중공 필라멘트에 대한 적절한 유압 직경에 대한 예는 앞서 논의된 사항들을 포함한다. 또한, 액화기는 중공 필라멘트에 대한 메이팅 코어(mating core)를 포함하여, 압출물질(extrudate)이 외부뿐만 아니라 내부로부터도 가열되도록 할 수 있다.
중공 필라멘트의 잠재적인 추가 이점은 중공 필라멘트는 혼합기(compounder)로부터 속성 압출가공에 의해 제조될 때, 공급 조립체(예컨대, 스풀에 감김처리)에 보관되기 이전에 바람직하게 신속하게 냉각된다는 것이다. 신속한 냉각처리는 속이 찬(solid) 필라멘트의 경우라면 길이를 따라 변할지 모르는 직경에 변화를 초래할 수도 있다. 반면, 중공 필라멘트가 신속하게 냉각되면, 중공 필라멘트의 외부 표면은 더욱 균일하게 되면서 내부 표면은 직경 변화가 생길 수 있다.
실린더형 셸 형태의 중공 필라멘트의 다른 잠재적인 추가 이점은, 필라멘트 구동장치에 순응한다는 것이다. 속이 찬(solid) 필라멘트는 압축이 어려워, 필라멘트 직경이 약간 작거나 크면 구동 롤러 또는 구동 톱니에 너무 적은 또는 너무 큰 마찰(traction)이 생길 수 있다. 그러나, 중공 필라멘트는 유연하게 적응할 수 있기 때문에, 필라멘트 직경에 있어서의 작은 변화량이 중공 필라멘트의 압축량에 있어서의 변화로 보상된다.
중공 필라멘트의 또 다른 잠재적인 추가 이점은 액화기 입구에서 열전도가 감소된다는 점이다. 속이 찬(solid) 필라멘트는 정지 중일 때, 열이 서서히 필라멘트의 중심부에서 상향하여 벽이 상대적으로 차가운 상태인 액화기의 가열 부분 위의 영역으로까지 전도될 수 있다. 필라멘트가 거기서 녹게 되면, 더 차가운 벽에 대해서 굳게 되는 경향이 있는데, 이는 잠재적으로 큰 축력(axial force)이 필라멘트의 이동을 재시동하도록 야기한다. 그러나, 중공 필라멘트는 코어의 부재로 인하여 상향 열전도 속도가 속이 비지 않은 필라멘트에서보다 더 늦춰지게 될 것이다.
바람직한 실시예를 참조하여 본 발명이 설명되었지만, 이 기술분야에서 숙련된 자들은 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않은 채 형상 및 세부사항을 변경할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기로서,
    열 전달 구성요소로부터 열에너지를 전달받고, 내부 표면을 가지는 외부 액화기부;
    상기 외부 액화기부 내에 배치되고 외부 표면을 가지는 코어부;
    상기 외부 액화기부와 상기 코어부 사이에 배치되는 삽입 구성요소로서, 상기 삽입 구성요소는 삽입 구성요소의 세로방향 길이를 따라 연장된 틈을 가지는 삽입 구성요소;
    상기 외부 액화기부의 내부 표면, 상기 삽입 구성요소의 틈 및 상기 코어부의 외부 표면에 의해 적어도 부분적으로 경계가 정해지는 채널로서, 상기 채널은 리본 필라멘트를 수용할 수 있는 치수를 가진 유입단과 유출단을 가지며, 상기 리본 액화기는 상기 채널에 수용된 리본 필라멘트를 전달받은 열에너지로 적어도 압출가능한 상태로 용융시켜 용융물질의 흐름을 제공하고, 상기 채널의 치수는 상기 용융물질의 흐름을 채널 내에서 축방향으로 비대칭적인 흐름(axially-asymmetric flow)에 정합시키도록 이루어진 채널; 및
    상기 채널의 유출단에서 상기 외부 액화기부로부터 연장되는 압출 팁으로서, 상기 압출 팁의 치수는 상기 용융물질의 흐름을 상기 채널에서의 축방향으로 비대칭적인 흐름에서 상기 압출 팁으로부터의 압출을 위하여 축방향으로 대칭적인 흐름(axially-symmetric flow)으로 정합시키도록 이루어진 압출 팁;을 구비하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 액화기부는 열에너지를 상기 채널에 수용된 리본 필라멘트에 전달하도록 이루어지되, 적어도 60%의 열에너지가 리본 필라멘트를 통하여 리본 필라멘트의 일 단면 차원(one cross-sectional dimension)으로 발산하도록 하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 채널의 치수는 두께에 대한 너비의 애스펙트 비(aspect ratio)가 2:1 이상인 너비와 두께를 갖는 단면을 정의하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 두께에 대한 너비의 애스펙트 비가 2.5:1에서 20:1의 범위 내인 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 액화기부는 구동장치가 채널에 수용된 리본 필라멘트와 결합하기 위한 접근성을 제공하는 포트(port)를 구비하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 채널의 치수는 궁형 단면(arcuate cross-section)을 정의하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 궁형 단면은 반지름 방향으로 동심 점(radially-concentric point)으로부터 소정의 각도로 연장되는 궁형 너비(arcuate width)를 가지며, 상기 각도는 30도에서 180도 범위 내인 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 리본 액화기.
  8. 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에서 3차원 모델을 생성하는 방법으로서,
    리본 액화기의 채널을 통해 리본 필라멘트를 구동하는 단계로서, 상기 리본 액화기는 내부 표면을 구비하는 외부 액화기부, 상기 외부 액화기부 내에 배치되고 외부 표면을 가지는 코어부, 상기 외부 액화기부와 코어부 사이에 배치된 삽입 구성요소를 더 구비하고, 상기 삽입 구성요소는 상기 삽입 구성요소의 세로방향 길이를 따라 연장된 틈을 가지며, 상기 외부 액화기부의 내부 표면, 상기 삽입 구성요소의 틈 및 상기 코어부의 외부 표면은 채널을 정의하도록 이루어진 단계;
    용융물질의 흐름을 제공하기 위하여 상기 채널 내의 리본 필라멘트를 적어도 압출가능한 상태로 용융시키는 단계로서, 상기 채널의 치수는 상기 용융물질의 흐름을 축방향으로 비대칭적인 흐름(axially-asymmetric flow)으로 정합시키도록 이루어진 단계; 및
    상기 리본 액화기의 압출 팁으로부터 용융물질의 흐름을 압출하는 단계로서, 상기 용융물질의 흐름은 압출 팁 내에서 축방향으로 대칭적인 흐름(axially-symmetric flow)을 갖는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에서 3차원 모델을 생성하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 채널의 치수는 직사각형 단면을 정의하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에서 3차원 모델을 생성하는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 직사각형 단면은 소정 너비와 두께를 가지며, 상기 두께에 대한 너비의 애스펙트 비(aspect ratio)는 2:1 이상인 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에서 3차원 모델을 생성하는 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 두께에 대한 너비의 애스펙트 비는 2.5:1에서 20:1의 범위 내인 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에서 3차원 모델을 생성하는 방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 채널 내의 리본 필라멘트를 용융시키는 단계는,
    열에너지를 상기 채널 내에 수용된 리본 필라멘트에 전달하는 단계로서, 적어도 60%의 열에너지가 리본 필라멘트를 통하여 리본 필라멘트의 일 단면 차원(one cross-sectional dimension)으로 발산하도록 하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에서 3차원 모델을 생성하는 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    적어도 70%의 열에너지가 리본 필라멘트의 일 단면 차원(one cross-sectional dimension)으로만 발산하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에서 3차원 모델을 생성하는 방법.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 채널의 치수는 궁형 단면(arcuate cross-section)을 정의하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에서 3차원 모델을 생성하는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 궁형 단면은 반지름 방향으로 동심 점(radially-concentric point)으로부터 소정 각도로 연장되는 궁형 너비(arcuate width)를 가지며, 상기 각도는 30도에서 180도 범위 내인 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에서 3차원 모델을 생성하는 방법.
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