KR101505694B1 - 균일 흐름 고압 프린팅 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고압 프린팅 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 고압 프린팅 시스템은 프린팅 헤드의 채널 업스트림(channel upstream)의 적어도 일부에서 기 설정된 프린팅 압력으로 프린팅 유체(printing fluid)를 프린팅하는 고압 프린팅 헤드; 상기 프린팅 유체의 균일한 흐름을 제공하며 적어도 하나의 압력 밸브에 의해 서로 연결된 복수의 압력 실린더와 프린팅 유체 입구를 포함하는 압력 시스템; 및 상기 압력 시스템의 출구와 상기 고압 프린팅 헤드 사이에 연결되며, 압력 밸브의 밸브 작동을 댐핑(damping)하는 댐퍼(damper)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

균일 흐름 고압 프린팅 시스템{Constant flow high pressure printing system}
본 발명은, 예컨대 유럽 특허 제1,545,884호에 개시된 종류와 유사한, 고압 프린팅 시스템에 관한 것이다.
고압을 이용함으로써, 높은 점성도를 갖는 유체(예컨대, 프로세싱시 500mPa.s의 점성도를 갖는 점성 유체)의 프린팅이 가능해 졌다. 가능한 새로운 물질로는 예컨대 UV-큐어링(curing) 폴리머(polymers)와 같은 점성 폴리머(viscous polymers)를 들 수 있으며, 이는 특정 안료(pigment) 및 세라믹과 같은 필터를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 본 발명에 따른 장치를 이용함으로써, 이러한 점성 물질이 예컨대 신속한 프라토타이핑(prototyping) 방식에 따라 3차원 객체의 프린팅을 위해 사용될 수 있다. 또한, 발광 폴리머(light-emitting polymers) 및 분산제(dispersions)(입자들을 포함하는 액체; 슬러리(slurries) 등)가 본 발명의 실시예에 따라 연속적으로 프린팅될 수 있다. 이제는 또한 10~40 중량 퍼센트(%)의 분산제를 연속적으로 프린팅하는 것이 가능해 졌다. 다른 응용에 있어서는, 유체의 스트림(stream)을 형성하는 작은 유체 방울(droplet)을 제공할 수 있다.
고압 프린팅 시스템은, 예측가능한 방식으로 작은 유체 방울들을 소정의 타 이밍에 원하는 위치로 제어하기 위하여, 안정한 유체 방울 형성에 크게 영향을 받는다. 일반적으로, 프린팅 헤드는 프린팅 압력의 변화에 민감한데, 프린팅 압력 변화는 프린팅 압력을 제공하는 압력 시스템에 의해 야기된다. 그런데, 종래의 압력 시스템, 특히 피스톤(piston) 구동 압력 시스템은 허용 범위를 넘어서는 프린팅 압력의 변화를 나타내는 것이 관찰되었다. 또한, 프린팅 유체의 점성도(viscosity) 변화는 유체 방울(drop)의 편차를 일으킬 수 있는데, 이는 종래기술의 문제점에 해당된다.
본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것이다. 이를 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 청구항 제1항의 특징들을 포함하는 고압 프린팅 시스템이 제공된다. 특히, 본 발명에 따른 고압 프린팅 시스템은, 프린팅 헤드의 채널 업스트림(channel upstream)의 적어도 일부에서 기 설정된 프린팅 압력으로 프린팅 유체(printing fluid)를 프린팅하는 고압 프린팅 헤드; 상기 프린팅 유체의 균일한 흐름을 제공하며 적어도 하나의 압력 밸브에 의해 서로 연결된 복수의 압력 실린더와 프린팅 유체 입구를 포함하는 압력 시스템; 및 상기 압력 시스템의 출구와 상기 고압 프린팅 헤드 사이에 연결되며, 압력 밸브의 밸브 작동을 댐핑(damping)하는 댐퍼(damper)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 프린팅 헤드의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고압 프린팅 시스템의 개략적인 구성도이다.
이하에서는 첨부 도면 및 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 참고로, 하기 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 연속적인 제트 프린팅(jet printing) 기술을 이용하여 플레이트(plate) 또는 시트(sheet) 형상의 기판(substrate)(6)에 유체 물질(fluid matetial)(4)을 프린팅하는 고압 프린팅 장치(high pressure printing apparatus)(2)를 개략적으로 도시한 것이다. 고압 프린팅 장치(2)는 고압 프린팅 헤드(12)를 포함하고, 고압 프린팅 헤드(12)는 15~3000bar 범위에서 프린팅 헤드의 채널 업스트림(channel upstream)의 적어도 일부에서 프린팅 압력으로 프린팅 유체(printing fluid)를 프린팅하도록 구현된다. 또한, 고압 프린팅 장치(2)는 프린팅 유체의 입구 채널(inlet channel)(41) 및 출구 채널(outlet channel)(42)을 구비하는 압력 시스템(pressure system)(40)을 포함한다.
압력 시스템(40)의 출구 채널(42)은 댐퍼(damper)(43)와 연결된다. 그리고, 댐퍼(43)의 출구는 채널(channel)(10)을 통해 프린팅 헤드(12)에 연결된다. 프린팅 헤드(12) 내의 채널은 적어도 하나의 유출 개구부(outflow opening)(예컨대, 노즐(nozzle))(14)을 포함하고, 이를 통해 유체 물질(4)은 소정 압력 하에서 작은 유체 방울들로 제트 분사(jet breaking)되며, 이후에 이들 유체 방울들은 선택적으로 편향되거나(deflected) 또는 직진되어 기판(6)에 프린팅된다. 이 경우, 유출 개구부(14)의 직경은 15~300 마이클론(micron) 범위가 바람직하다.
본 실시예에서, 채널(10)은 유출 개구부(14)의 다운스트림(downstream) 부분을 포함하고, 여기에는 코크(cock)(15)가 구비된다. 코크(15)를 오픈(open)하면, 채널에 있는 플러싱(flushing) 물질/잉크(ink)가 프린팅 헤드(12)로 흘러나오게 된다.
도시된 고압 프린팅 장치(2)는 연속적인 제트 타입(jet-type) 프린트이며, 이에 의해 프린트될 유체 방울들(drops)의 연속적인 스트림이 형성된다. 그러나, 본 발명은 드롭-온-디맨드(drop-on-demand) 타입의 프린트 시스템에도 적용될 수 있으며, 이 경우 유체 방울들은 프린팅 헤드가 작동할 때 유출 개구부를 통해 분출된다. 작은 유체 방울들로 제트 분사(jet breaking)을 형성하기 위하여, 고압 프린팅 장치(2)는 유출 개구부의 물질(4) 업스트림(upstream) 압력을 변화시키는 압력 조절 메커니즘(pressure regulating mechanism)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 고압 프린팅 장치(2)는 재료(6)에 대한 유체 방울들의 프린트 위치를 제어하기 위하여 2 방향에서 유체 방울들을 편향(deflect)시킬 수 있는 조향 시스템(directing system)(16.1)(16.2)을 포함한다. 유체 방울들의 편향을 위하여, 조향 시스템(16.1)(16.2)은 예컨대 전극(charge electrode)을 구비할 수 있으며, 이에 의해 유체 방울들이 전하(electric charge)를 가질 수 있게 된다. 또한, 조향 시스템(16.1)(16.2)은 예컨대 커패시터(capacitor)를 구비할 수 있으며, 이에 의해 하전된(electrically charged) 유체 방울들의 경로가 편향될 수 있 다. 더 나아가, 고압력 프린트 장치(2)는 특정 유체 방울들을 캡쳐(capture)할 수 있는 수집 거터(collecting gutter)(18)를 포함할 수 있으며, 이에 의해 캡쳐된 유체 방울들은 기판(6)에 프린트되지 않게 된다.
압력 생성 수단(pressure generating means)(40)이 15~3000bar 범위의 프린팅 압력을 제공하기 위해 구비된다. 따라서, 예컨대 300~800mPa.s 범위의 고점성(high-viscous) 물질(4)이 소정 압력 하에서 유출 개구부(14)의 방향으로 채널을 통해 통과된다. 상기 압력 하에서, 저장소(reservoir)에 저장되어 있는 점성 유체(4)는 채널(10)을 통해 프린팅 헤드(12)의 유출 개구부(14)로 이동하게 된다. 그리고, 점성 유체(4)는 유출 개구부(14)를 통해 기판(6)으로 이동하게 된다.
도 1을 참조하면, 고압 프린팅 장치(2)는 점성 유체(4)를 원하는 온도로 조절하기 위한 히팅 엘리먼트(heating element)(34)를 구비하는 것이 바람직하다. 점성 유체(4)의 온도을 조절함으로써, 유체의 점성도(viscosity)가 (어느 정도의 범위에서) 조절될 수 있다. 히팅 엘리먼트는 프린팅 헤드(12)의 채널(10) 내부 또는 근처에 구비될 수 있다.
도 2는 도 1의 댐퍼(damper)(43)와 연결되어 있는 압력 시스템(pressure system)(40)의 상세 구성도이다. 통상, 압력 시스템(40)은 복수의 압력 실린더(presure cylinder)(44,45)를 포함한다. 압력 실린더(44,45)는 프린팅 유체(4)의 균일한 흐름을 제공하기 위하여 통합 방식(coordinated manner)으로 작동을 위해 제어된다. 이러한 압력 시스템(40)으로는 크로마토그래피(chromatography)를 위한 공지의 HPLC(High Pressure Liquid Chromatography) 펌프를 사용할 수 있다. 압력 시스템(40)에서, 압력 실린더(44,45)는 적어도 하나의 압력 균등화 밸브(equalizing pressure valve)(46)를 통해 서로 연결된다. 상기 밸브(46)는 2개의 실린더의 압력을 동일하게 유지시키는 기능을 수행한다. 즉, 실린더(44)의 압력이 실린더(45)의 압력보다 높은 경우, 압력 균등화 밸브(46)를 열면 압력이 동일하게 된다. 유사한 밸브(46)가 또한 입구(inlet)(41)에 위치할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 비록 압력 시스템(40)이 생성 압력값에 대해 작은 리플(ripple)을 형성하고 이것이 시스템을 통해 전파(propagation)되어 프린팅 헤드(12)에서 프린팅 유체의 안정한 유체 방울 형성을 방해할 수 있지만, 대체적으로 일정한 유체 흐름을 제공할 수 있다. 리플(ripple)의 전파를 방지하기 위하여, 압력 시스템(40) 출구와 고압 프린팅 헤드(12) 사이에 댐퍼(43)가 연결되며, 이는 압력 밸브(46)의 밸브 작동을 댐핑(damping)한다. 특정 실시예에서, 댐퍼(43)는 50 bar 이상의 작동 압력(working pressure)을 갖는 유체를 사용할 수 있다. 이러한 유체 댐퍼는 적절한 고압의 프린팅 압력 범위에 유용하며, 일반적으로는 압력 변화를 흡수하는 고압 액체(49)에 의해 강화된(reinforced) 벽(wall)(48)을 갖는 가이딩 채널(guiding channel)(47)을 포함한다. 그러나, 프린팅 헤드(12)와 프린팅 유체(4)의 크기(dimensioning) 및 점성도(viscosity)로 인하여, 프린팅 압력은 댐퍼(43)의 범위를 벗어나 상당히 떨어질 수 있으며, 이에 의해 적절한 댐핑력(damping power)을 약하게 할 수 있다. 그러므로, 바람직하게는, 댐퍼(43)에 과압 밸브(overpressure valve)(50)가 결합될 수 있으며, 이는 압력 시스템(40)의 업스트림 압력 체계(pressure regime)와 프린팅 헤드(12)의 다운스트림 압력 체계를 분리하고 댐퍼(43)의 압력을 유용한 작동 범위로 유지시킨다. 통상적으로, 과압 밸브는 50~600bar 범위(예컨대, 600bar)의 압력에 의해 작동한다. 따라서, 과압 밸브에 의해, 댐퍼는 유용한 작동 범위로 유지되며, 다운스트림 압력은 점성도 및 기하학적 특성에 따라서 어떠한 값이 될 수 있다. 이와 같은 구성을 이용함으로써, 프린팅 헤드(12)의 다운스트림 압력의 변화에 실질적으로 영향을 받지 않고 프린팅 유체의 흐름을 생성할 수 있는 균일 흐름 시스템(constant flow system)이 제공될 수 있다.
전술한 특징들 외에도, 바람직하게는, 프린팅 유체(4)를 캡쳐(capture)하고 캡쳐된 유체를 압력 시스템(40)으로 재순환시키는 재순환 회로(recirculation circuit)(51)를 포함할 수 있다. 예컨대, 수집 거터(collecting gutter)(18)가 파이프 등을 이용하여 재순환 펌프(recirculation pump)(52)에 연결될 수 있다. 프린팅 유체가 고점성 물질이기 때문에, 바람직하게는, 재순환 펌프의 출구는 매우 짧고 낮은 임피던스(impedance)로 압력 시스템(40)의 프린팅 유체 입구에 직접 연결되며, 이는 압력 시스템(40)의 캐비테이션(cavitation)을 방지한다. 그러므로, 재순환 펌프(52)는, 점성 물질을 보다 효과적으로 펌핑(pumping)하도록 압력 시스템(40)에 초기 압력(initial pressure)을 제공하고 캐비테이션 또는 다른 에너지 임펜딩 효과(energy impending effect)를 방지하는, 부스터(booster)로서 기능한다. 물론, 부스터 시스템은 프린팅 유체의 재순환없이 제공될 수 있다. 그리고, 압력 시스템(또는 프린팅 헤드(12)를 향하는 흐름 회로(flow circuit)의 다른 적절한 부분)은 온도 조절기(temperature regulator), 특히 실내 온도(room- temperature)보다 높은 일정 온도를 제공하는 히터(heater)(54)를 구비할 수 있다. 따라서, 프린팅 유체의 점성도는 보다 효과적으로 제어될 수 있으며, 특히 프린팅 물질은 원하는 점성도로 액화(liquefied)될 수 있다. 주요 온도는 15~360℃ 범위가 될 수 있으며, 특히 18~150℃가 될 수 있다.
전술한 바를 참조하면, 채널의 유체 물질(이는 분출시 150mPa.s의 점성도 및 프린팅 온도를 가짐)에 수압 및/또는 기압으로 인가되는 소정 압력은 15~600bar 정도가 될 수 있다. 그러나, 소정 압력은 100~3000bar 정도가 될 수도 있다. 이 경우, 평균 노즐 크기(average nozzle size)를 조절하여, 150mPa.s의 점성도 및 프린팅 온도를 갖는 물질이 본 발명에 따른 장치를 이용하여 연속적으로 프린팅될 수 있다. 그리고, 소정 압력은 200~3000bar 정도가 될 수도 있다. 이 경우, 평균 노즐 크기를 조절하여, 300~400mPa.s의 점성도 및 프린팅 온도를 갖는 물질이 본 발명에 따른 장치를 이용하여 연속적으로 프린팅될 수 있다. 더 나아가, 소정 압력은 300~3000bar 정도가 될 수도 있다. 이 경우, 평균 노즐 크기를 조절하여, 500~600mPa.s의 점성도 및 프린팅 온도를 갖는 물질이 본 발명에 따른 장치를 이용하여 연속적으로 프린팅될 수 있다. 또한, 소정 압력은 400~3000bar 정도가 될 수도 있다. 이 경우, 평균 노즐 크기를 조절하여, 700~800mPa.s의 점성도 및 프린팅 온도를 갖는 물질이 본 발명에 따른 장치를 이용하여 연속적으로 프린팅될 수 있다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징들을 변경하지 않고서 다른 구체적인 다양한 형태로 실시할 수 있는 것이므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
그리고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 특정되는 것이며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 고압 프린팅 시스템에 있어서,
    프린팅 헤드의 채널 업스트림(channel upstream)의 적어도 일부에서 기 설정된 프린팅 압력으로 프린팅 유체(printing fluid)를 프린팅하는 고압 프린팅 헤드;
    상기 프린팅 유체의 균일한 흐름을 제공하며 적어도 하나의 압력 밸브에 의해 서로 연결된 복수의 압력 실린더와 프린팅 유체 입구를 포함하는 압력 시스템; 및
    상기 압력 시스템의 출구와 상기 고압 프린팅 헤드 사이에 연결되며, 상기 적어도 하나의 압력 밸브의 밸브 작동을 댐핑(damping)하는 댐퍼(damper)를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 압력 밸브는 상기 복수의 압력 실린더 중 하나의 실린더의 압력이 다른 실린더보다 높은 경우 상기 복수의 압력 실린더의 압력을 동일하게 유지시키도록 기능하는 압력 균등화 밸브인 것을 특징으로 하는 고압 프린팅 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 댐퍼는 프린팅 압력보다 높은 작동 압력(working pressure)을 가지며, 상기 댐퍼의 작동 압력을 제공하는 과압 밸브(overpressure valve)를 구비하는 것을 특징으로 하는 고압 프린팅 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 댐퍼는 50bar 이상의 작동 압력을 갖는 유체 댐퍼인 것을 특징으로 하는 고압 프린팅 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 과압 밸브는 50~600bar 범위의 압력에 의해 작동하는 것을 특징으로 하는 고압 프린팅 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프린팅 압력은 15~3000bar 범위의 압력인 것을 특징으로 하는 고압 프린팅 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프린팅 압력은 200~3000bar 범위의 압력인 것을 특징으로 하는 고압 프린팅 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프린팅 압력은 300~3000bar 범위의 압력인 것을 특징으로 하는 고압 프린팅 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프린팅 압력은 400~3000bar 범위의 압력인 것을 특징으로 하는 고압 프린팅 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    프린팅 유체를 캡쳐(capture)하고 상기 캡쳐된 유체를 상기 압력 시스템으로 재순환시키는 재순환 회로(recirculation circuit)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 프린팅 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 압력 시스템의 프린팅 유체 입구와 직접 연결된 부스팅 시스템(boosting system)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 프린팅 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 압력 시스템은 프린팅 유체의 온도를 제어하는 온도 조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 프린팅 시스템.
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