KR101803663B1 - 구조체의 제조 방법 및 그 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

구조체 형성에서, 형성 중의 구조체층 및 지지 부재층 사이의 오정렬에 의한 형상 정밀도에의 영향이 감소된다. 구조체의 제조 방법은, 준비된 조형층 및 지지 부재 중 적어도 하나로 형성되는 기성면 상에 액체 조형 재료로부터 조형층을 형성하는 단계, 조형층의 상면을 규제하는 규제 부재의 규제면이 조형층의 상면과 접촉하는 동안, 기성면과 규제면 사이를 충전하기 위해 지지 재료를 공급하고 조형층 및 지지 부재의 층을 형성하기 위해 지지 재료를 지지 부재로 고화시키는 단계, 규제 부재를 제거하는 단계, 및 규제 부재의 제거에 의해 노출되는 층의 면 상에 조형층 및 지지 부재의 층을 제공하는 단계를 포함한다.

Description

구조체의 제조 방법 및 그 제조 장치{METHOD FOR MANUFACTURING STRUCTURAL BODY AND MANUFACTURING APPARATUS THEREFOR}
본 발명은 구조체의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.
종래, 광조형(stereolithography)과 같은 적층 방식 입체물 조형 방법(이후, "적층 조형법(들)")으로 지칭됨)이 많은 분야에서 활발하게 사용되어 왔다. 상술된 방법은 각각 입체물의 단면 패턴을 순차적으로 적층하여 임의의 입체물을 형성하는 방법이다. 이들 방법에서, 입체물은 몰드 등을 사용하지 않고 3 차원(설계) 데이터로부터 직접 형성될 수 있다. 따라서, 이들 방법은 예를 들어 적은 수의 입체물이 단시간에 제조되는 것이 매우 요구되는 프로토타입 제작에 빈번히 사용되어 왔다.
적층 조형법의 특징적인 제약으로서, 예를 들어, 필수적인 지지부가 언급될 수 있다. 적층 조형법에서, 층상 패턴이 서로에 대해 적층되기 때문에, 제조 과정에서 예를 들어, 현수된 나무 분기부의 전방 단부와 같이 고립부를 갖는 조형물은 원칙적으로 제조될 수 없다. 상술된 바와 같은 부분을 적층 조형법에 의해 형성하기 위해서는, 최종 상태에서는 불필요한 지지부가 고립부 아래에 형성되고, 조형물이 형성된 이후 몇몇 형태의 방법에 의해 제거되는 것이 필요하다.
지지부의 제거는 기본적으로 사람의 수작업에 의해 실행된다. 적층 조형법에서, 일반적으로, 많은 수의 동일한 조형물을 형성하는 대신, 많은 경우 사용자로부터의 요구 조건에 따라서 상이한 형상을 갖는 조형물이 제조된다. 따라서, 상술된 바와 같은 상이한 형상을 갖는 조형물로부터 지지부를 자동적으로 제거하는 것은 매우 곤란하였다.
지지부 제거의 부담을 경감시키기 위해, 조형물을 형성하는 조형 재료와 상이한 재료로 지지부가 형성되는 방법이 알려져 있다. 이 방법에 따르면, 지지 재료는 용해시키지만 조형 재료는 용해시키지 않는 용해제가 사용되는 경우, 지지부가 용이하게 제거될 수 있다. 또한, 용해되지만 용이하게 제거되지 않는 재료가 사용되는 경우에도, 지지부 제거 부담이 크게 경감될 수 있다.
적층 조형법에서, 우수한 정밀도를 갖는 조형물 형성을 실현하기 위해, 적층되는 각 층의 두께 또한 충분한 정밀도를 갖는 것이 요구된다. 우선적으로 지지부의 용이한 제거를 실현하기 위해, 조형 재료와 상이한 재료로 지지부가 형성되는 경우, 두 개의 유형의 재료로부터 형성되는 패턴은 서로에 대해 높은 정밀도로 정렬되는 것이 필요하다. 패턴이 서로에 대해 잘 정렬되지 않는 경우, 간극이 그 사이에 형성되어 돌출부가 지지되지 않을 수 있다. 또한, 조형 재료 및 지지 재료가 서로 중첩되는 경우, 돌기가 형성될 수 있거나, 조형 재료의 면의 접착성이 저하될 수 있고, 따라서 몇몇 경우 입체물의 강도가 감소될 수 있다. 또한, 균일한 두께를 갖는 층이 상이한 재료로부터 형성되는 경우, 재료 공급에 필요한 정밀도 및 환경 영향에 의해 발생되는 체적 변화의 관점에서, 상당히 긴밀한 제어가 요구된다.
미국 특허 출원 번호 제2001/0042598호는 최종 입체물의 일부의 형상을 갖는 층이 형성된 후, 이 층을 둘러싸도록 지지부가 사용되는 재료가 제공되고, 지지부의 상면이 설계 두께까지 절삭되는 방법을 개시한다. 상술된 방법에 따르면, 후속하여 입체물을 형성하는 재료가 지지부 및 형성 중의 입체물을 형성하는 층 상에 추가로 적층된다.
그러나, 상술된 방법에 따르면, 절삭된 제거 재료가 조형물에 다시 부착하는 경우, 제조되는 입체물의 품질이 몇몇 경우에 충분히 만족되지 않을 수 있다. 또한, 절삭 도중 발생되는 열 및/또는 기계적 응력으로 인해 미세한 조형부가 바람직한 형상을 갖도록 형성되지 않을 수 있는 경우가 몇몇 경우에서 발생할 수 있다. 또한, 매우 정밀한 절삭을 수행하기 위해, 매우 긴 가공 시간이 요구된다.
미국 특허 출원 번호 제2001/0042598호
상술한 문제점을 고려하여, 본 발명은 우수한 형상 정밀도를 갖는 구조체를 각각 제조할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 형성 중의 구조체가 지지 부재에 의해 조형대 상에서 지지되는 동안 구조체를 형성하는 조형층이 적층되는 구조체의 제조 방법이 제공되고, 상술된 방법은 조형층, 지지 부재, 및 조형대 중 적어도 하나로 형성되는 기성면 상에 조형층을 형성하는 액체 조형 재료를 공급하여 조형 재료로부터 조형층을 형성하는 단계, 기성면과 대향하는 조형층의 상면을 규제하는 규제 부재의 규제면이 조형층의 상면과 접촉하는 동안, 조형층의 주연부 주위의 기성면과 규제면 사이의 공간을 충전하기 위해 지지 부재를 형성하는 지지 재료를 공급하고 지지 부재 및 조형층으로 이루어지는 층을 형성하기 위해 지지 재료를 고화시킴으로써 지지 부재를 형성하는 단계, 및 지지 부재 및 조형층으로 이루어지는 층으로부터 규제 부재를 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가 특징은 첨부 도면을 참조하여 예시적인 실시예의 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다.
[도 1] 도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 적층 조형 장치의 일 예를 도시하는 개략도이다.
[도 2a] 도 2a 내지 도 2e 각각은 본 발명의 실시예에 따르는 구조체의 제조 방법의 일 예의 단계를 도시하는 개략적인 단면도이다.
[도 2b] 도 2a 내지 도 2e 각각은 본 발명의 실시예에 따르는 구조체의 제조 방법의 일 예의 단계를 도시하는 개략적인 단면도이다.
[도 2c] 도 2a 내지 도 2e 각각은 본 발명의 실시예에 따르는 구조체의 제조 방법의 일 예의 단계를 도시하는 개략적인 단면도이다.
[도 2d] 도 2a 내지 도 2e 각각은 본 발명의 실시예에 따르는 구조체의 제조 방법의 일 예의 단계를 도시하는 개략적인 단면도이다.
[도 2e] 도 2a 내지 도 2e 각각은 본 발명의 실시예에 따르는 구조체의 제조 방법의 일 예의 단계를 도시하는 개략적인 단면도이다.
[도 3a] 도 3a 내지 도 3d 각각은 본 발명의 실시예에 따르는 구조체의 제조 방법의 일 예의 단계를 도시하는 개략적인 단면도이다.
[도 3b] 도 3a 내지 도 3d 각각은 본 발명의 실시예에 따르는 구조체의 제조 방법의 일 예의 단계를 도시하는 개략적인 단면도이다.
[도 3c] 도 3a 내지 도 3d 각각은 본 발명의 실시예에 따르는 구조체의 제조 방법의 일 예의 단계를 도시하는 개략적인 단면도이다.
[도 3d] 도 3a 내지 도 3d 각각은 본 발명의 실시예에 따르는 구조체의 제조 방법의 일 예의 단계를 도시하는 개략적인 단면도이다.
[도 4] 도 4는 본 발명의 실시예에 따르는 적층 조형 장치의 기능을 도시하는 개념도이다.
[도 5] 도 5의 (a1) 내지 도 5의 (h1) 및 도 5의 (a2) 내지 도 5의 (h2)는 실시예 및 비교예를 비교하여 도시하는 단면도이다.
이후, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예가 설명될 것이다.
실시예
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라서, 조형물, 즉 입체 구조체의 제조 방법을 수행하는 제조 장치인 적층 조형 장치의 일 예를 도시하는 개략도이다. 적층 조형 장치(1)의 안내 샤프트(1000)에는 승강 기구(2000)에 연결된 액체 토출 헤드(3), 및 승강 기구(3000)에 연결되며 UV 램프(13)를 내부에 수용하는 규제 부재(600)가 구비된다. 액체 토출 헤드(3)의 높이 및 규제 부재(600)의 높이는 각각의 승강 기구에 의해 제어될 수 있다. 액체 토출 헤드(3)는 조형 용기(7) 내에 구조체를 형성하는 액체 재료를 토출할 수 있다. 조형대(8) 상에서, 형성 중의 구조체로서 조형층(500)이 적층에 의해 형성되고, 또한, 구조체를 지지하도록 기능하는 지지 부재(6)에 의해 지지된다. 조형대(8)는 그 주연부가 조형 용기(7)에 의해 둘러싸이도록 형성되고, 조형대(8)의 높이는 승강 기구(9)에 의해 제어된다. 지지 부재(6)는 조형 용기(7)의 측면 상부에 설치된 지지부 충전 기구(10)에 의해 조형 용기(7) 내에 지지 재료를 주입함으로써 형성된다. 또한, 토출된 잉여의 지지 재료를 수용하기 위한 지지부 수용부(11)가 조형 용기(7)에 연결된다. 추가로, 각각 조형 패턴을 갖는 층의 적층이 완료된 후, 지지 부재(6)는 지지부 제어 기구(미도시)의 사용에 의해 제거될 수 있다.
이어서, 도 2a 내지 도 3d를 참조하여, 조형 단계가 설명될 것이다. 도 2a 내지 도 3d 각각은 본 발명의 실시예에 따르는 구조체를 제조하는 공정의 단계를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 지지 부재(6)의 상면과 대면하도록 액체 토출 헤드(3)가 안내 샤프트(1000)를 따라서 승강 기구(2000)에 의해 이동된다. 이 단계에서, 제1 층으로서, 지지 부재(6)만으로 이루어지는 층(이형층)이 그 위에 조형 패턴을 직접 설치하지 않고서 조형대(8) 상에 형성되고, 이후 조형층이 지지 부재(6)의 층 상에 적층된다. 상술된 바와 같은 단계에 의해, 구초체가 완료된 이후, 지지 부재(6)의 제거에 의해 구조체가 조형대(8)로부터 분리될 수 있고, 따라서, 구조체가 용이하게 취출될 수 있다. 지지 부재(6)의 이 제1 층은, 규제 부재(600)의 면 및 조형대(8)의 상면이 그 사이에 하나의 층의 두께에 대응하는 간극을 갖도록 설정된 후, 간극이 지지 부재(6)를 형성하는 지지 재료에 의한 주입에 의해 충전되는 방식으로 형성된다. 후속하여, 조형대(8)가 하나의 층의 두께에 대응하는 거리만큼 하강될 때, 제1 층(이형층)이 완료된다. 대안적으로, 이형층을 형성하지 않고, 후술되는 조형층을 형성하기 위한 잉크 패턴(4) 및 지지 재료(5)를 조형대(8)의 면에 직접 제공함으로써 제1 층이 형성될 수도 있다.
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이, 액체 토출 헤드(3)는 화살표 방향으로 이동되면서 구조체의 일부를 형성하는 조형층의 조형 재료로서 기능하는 잉크를 토출하고, 따라서, 잉크 패턴(4)이 지지 부재(6)의 상면에 제공된다. 본 실시예에서, 조형층(500)을 형성하는 재료를 제공하는 방법으로서, 액체를 토출하는 토출구를 갖는 토출 헤드에 의해 잉크가 원하는 위치에서 토출되는 방법이 예에 의해 설명되고, 방법은 이로 한정되지는 않는다. 다른 방법의 예로서, 전자 사진 프린터 또는 디스펜서 등의 디지털 기록 디바이스가 사용될 수 있고, 또한 사용되는 인쇄판을 변경함으로써 인쇄판을 사용하는 오프셋 인쇄 또는 스크린 인쇄 등의 아날로그 유형 패터닝 방법이 사용될 수 있다. 상술된 방법 중에서, 비접촉 패터닝을 수행할 수 있는 잉크젯 방법이 바람직한 패터닝 방법이다. 추가로, 본 실시예에서, 잉크로서, UV 잉크가 사용된다. UV 잉크는 액체의 형태로 공급되며 UV 조사에 의해 고체 플라스틱으로 변경되므로, 경량 및 비교적 튼튼한 특성으로 인해 바람직하다. UV 잉크 외에, 또한 예를 들어, 핫-멜트 잉크 또는 열경화 잉크가 바람직하게 사용될 수 있다. 추가로, 복수의 잉크 패턴 형성 방법을 사용함으로써, 예를 들어, 재료들이 서로 복합화될 수 있거나, 원하는 색이 또한 형성될 수 있다. 게다가, 패터닝과 함께 착색이 동시에 수행될 수도 있다. 추가로, 물론, 이형층은 또한 2층 이상의 두께에 대응하는 두께를 갖도록 제공될 수 있다.
이어서, 액체 토출 헤드(3)가 적층 유닛의 상부로부터 후퇴된 이후, 도 2c에 도시된 바와 같이, 규제 부재(600)가 승강 기구(3000)에 의해 화살표 방향으로 하강된다. 규제 부재(600)와 이형층 사이의 간극이 설계 간극으로 설정되도록 규제 부재(600)가 하강되고, 규제 부재(600)의 규제면은 잉크 패턴(4)의 상면과 접촉하게 된다. 이 단계에서, 조형 재료로서 기능하는 UV 잉크의 양이 적절하게 제어되는 것이 바람직하다. 조형 재료의 양이 지나치게 많은 경우, 패턴의 변형이 우려될 수 있고, 조형 재료의 양이 지나치게 적은 경우, 조형 재료와 규제면 사이의 불충분한 접촉이 몇몇 경우 우려될 수 있으나, UV 잉크의 양이 적절하게 제어되는 경우, 상술된 우려가 감소될 수 있다. 이 단계에서, UV 램프가 규제 부재(600)에 설치되고, UV 잉크는 UV 광의 조사에 의해 경화된다. 대안적으로, 규제 부재(600)는 UV 광이 통과하도록 하는 재료로 형성되고, UV 램프가 규제 부재(600)와 별도로 설치되는 경우, 잉크 패턴(4)은 규제 부재(600)를 통해 UV 광으로부터 조사될 수 있다.
이어서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 이에 따라 형성된 조형층(500)의 상면이 규제 부재(600)에 의해 규제되면서, 지지 부재(6)를 형성하는 유동 상태의 지지 재료(5)가 조형 용기(7) 내에 주입된다. 지지 부재(6)를 형성하는 재료로서, 외측으로부터의 자극에 의해 고체 재료로 변형 가능한 액체 재료가 바람직하다. 게다가, 조형물로부터 용이하게 제거될 수 있는 재료가 바람직하다. 외측으로부터의 자극으로서, 예를 들어, 열, 광, 전력, 자력, 및 진동이 언급될 수 있고, 상술된 것들 중에서, 특히, 열은 재료의 가역성을 용이하게 사용할 수 있는 자극이다. 지지 재료(5)로서, 예를 들어, 파라핀 왁스가 사용되는 경우, 파라핀 왁스의 융점 이상의 온도에서 주입이 수행된 이후, 온도를 융점 이하의 온도로 감소시킴으로써 파라핀 왁스가 고화될 수 있다. 게다가, 지지 부재의 융점이 조형 재료의 융접보다 낮게 설정될 때, 조형이 완료된 이후, 전체 구조부가 지지 부재의 융점 이상 그리고 조형 재료의 융점 이하의 온도에서 유지되는 경우, 지지부가 용이하게 제거될 수 있다.
조형 용기(7)는 조형대(8)의 주연부를 둘러싸는 형상을 갖고 지지 재료(5)의 충전 범위를 규제한다. 용기의 체적은 설계값으로 고정되기 때문에, 용기가 지지 재료(5)에 의해 충전되고 지지 재료(5)가 흘러 넘치는 경우, 주입이 정지될 수 있다. 지지 재료는 조형층(500)이 존재하지 않는 공간으로 자동적으로 유입하기 때문에, 정렬, 층 두께 제어 등은 필요하지 않다. 상술된 바와 같이, 조형층과 동일한 두께를 갖도록 정밀하게 형성되는 지지 부재가 지지 재료의 소모를 억제하면서 형성될 수 있다. 추가로, 조형층(500)의 상면은 규제 부재(600)에 의해 보호되기 때문에, 이후 공급되는 지지 재료가 부착되지 않는다. 따라서, 다음에 형성되는 층에의 부착이 양호하게 될 수 있다.
지지 재료(5)의 주입은 가압 주입 또는 감압 흡인 등의 통상의 액체 전달 방법을 사용하여 수행될 수 있다. 충전 결함을 방지하기 위해, 충전은 온도 조절 기구로서 기능하는 히터(미도시)를 사용하는 가열에 의한 지지 재료의 유동성의 증가에 의해, 예를 들어 초음파 진동자에 의해 생성되는 미소한 고주파 진동에 의해, 또는 감압에 의해 효과적으로 보조될 수 있다.
지지 재료(5)의 주입은 적층 단계마다 수행되는 것이 바람직하지만, 주입은 몇몇 경우 적층 단계마다 수행되지 않을 수 있다. 돌출부를 갖지 않는 형상이 조형물 형성 공정에서 형성되는 경우, 형성 중의 조형물의 강도가 충분하면, 지지부가 사용되지 않을 수 있다. 추가로, 돌출부를 갖는 조형물을 조형하는 경우에도, 돌출부를 갖지 않는 조형층이 서로에 대해 적층될 때 적층은 지지부 주입을 수행하지 않고서 수행될 수 있고, 돌출부를 갖는 조형층이 적층될 때, 복수의 층에 의해 형성되는 공간에 대응하는 양의 지지 재료가 일괄하여 주입될 수 있다. 특히, 층의 두께가 얇고, 지지 재료의 충전이 어려운 경우, 몇몇 경우, 간격을 두고 주입이 수행되는 것이 바람직할 수 있다.
후속하여, 지지 재료(5)가 자연 냉각 등에 의해 지지 부재(6)로 고화될 때, 도 2e에 도시된 바와 같이, 규제 부재(600)가 조형층(500) 및 지지 부재(6)로부터 제거된다. 그 결과, 층이 지지 부재(6) 및 조형층(500)으로부터 형성되고, 층의 상면이 노출된다. 이 상면은 규제 부재(600)의 규제면에 의해 규제되고 규제면에 의해 평탄하게 형성되고, 따라서 조형층(500)과 지지 부재(6) 사이에 실질적으로 단차부가 없는 면이 형성된다.
이 단계에서, 지지 재료(5)가 냉각에 의해 고화되는 재료인 경우, 규제 부재(600) 또는 조형 용기(7)에서의 냉각을 촉진시키는 기구로서, 예를 들어 워터 재킷 등을 설치하는 것이 또한 효과적일 수 있다.
이어서, 조형대(8)가 하나의 층의 두께에 대응하는 거리만큼 하강되는 경우, 다음 층의 적층이 준비된다. 상술된 공정 이후 단계는 다음 층을 적층하는 단계이고, 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 설명된 것과 유사한 재료 및 방법을 사용하는 단계의 설명은 생략될 것이다.
후속하여, 도 3a에 도시된 바와 같이, 액체 토출 헤드(3)는 화살표 방향으로 이동되면서 잉크를 토출하고, 이전 공정에서 준비된 지지 부재(6) 및 조형층(500)으로 형성되는 기성면 상에 잉크 패턴(4)이 제공된다. 새로운 조형층을 형성하는 잉크 패턴(4)은 이전에 형성된 조형층(500)에 대해 돌출하도록 지지 부재(6)의 면 및 조형층(500)의 면 모두로 형성된 기성면 상에 제공된다. 그러나, 항상 돌출 형상이 요구되는 것은 아니고, 잉크 패턴의 형상에 따라서, 잉크 패턴은 몇몇 경우 조형층으로 형성되는 기성면의 일부에만 제공될 수 있다.
이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 규제 부재(600)가 승강 기구(3000)에 의해 화살표 방향으로 하강되고 잉크 패턴(4)의 상면(기성면에 반대측)을 가압하여, 새로운 조형층(500)이 형성된다.
후속하여, 도 3c에 도시된 바와 같이, 조형층(500)의 상면이 규제 부재(600)에 의해 규제되면서 유동 상태의 지지 재료(5)가 조형 용기(7) 내에 주입된다. 조형 용기(7)는 조형대(8)의 주연부를 둘러싸는 형상을 갖고 지지 재료의 충전 범위를 규제한다.
이어서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 규제 부재(600)가 상승되고, 따라서 규제 부재(600)가 조형층(500) 및 지지 부재(6)로부터 제거된다. 그 결과 새로운 지지 재료(6)로 형성된 층의 상면 및 새로운 조형층(500)이 노출된다. 규제 부재(600)의 상승에 관해, 조형대(8)는 하나의 층의 두께에 대응하는 거리만큼 하강되고, 따라서 다음 층의 형성이 준비된다.
층 형성이 미리 정해진 회수를 반복하여 수행되는 경우, 지지 부재에 의해 내포된 구조체가 획득된다. 지지 부재가 마지막으로 구조체로부터 제거되는 경우, 구조체의 형성이 완료된다. 지지 재료가 도 1의 장치와 함께 예로 설명된 파라핀 왁스인 경우, 파라핀 왁스를 융점 이상으로 가열함으로써 지지 부재(6)가 자동으로 제거될 수 있다. 지지 재료로서 가역성 상 변화를 수행하는 재료가 사용되는 경우, 제거된 지지 재료(5)가 재이용될 수 있다.
도 5의 (a1) 내지 도 5의 (h2)는 본 발명의 실시예에 따르는 구조체의 제조 방법의 일 예의 단계 및 비교 실시예의 구조체의 제조 방법의 단계를 개략적으로 도시하는 단면도이고, 또한 층상 패턴의 두께 정밀도가 조형물에 미치는 영향을 설명하는 단면도이다. 도 5의 (a1) 내지 도 5의 (h1)는 비교 실시예에 따르는 적층 방법을 도시하고, 도 5의 (a2) 내지 도 5의 (h2)는 본 발명의 실시예에 따르는 적층 방법을 도시한다.
도 5의 (a1)은 조형 재료로 이루어지는 조형 패턴(54)이 기재(51) 상에 형성된 상태를 도시한다.
이어서, 지지 재료(55)가 조형 패턴(54)의 주연부를 따라서 배치된다(도 5의 (b1)). 이 단계에서, 지지 재료(55)는 조형 패턴(54)에 대해 정밀하게 배치되고, 엄격한 체적 제어가 제공될 필요가 있다.
후속하여, 조형 패턴(54)의 면은 절삭 롤러(52)에 의해 조형 패턴(54)의 설계 두께까지 절삭되어, 면이 평탄화된다(도 5의 (d1)). 이 단계에서, 절삭 스크랩이 조형 패턴 상에 부착되는 것을 방지하는 기구가 요구된다.
이어서, 도 5의 (e1)는 조형 재료 및 지지 재료가 점진적으로 경화되어 체적의 변화가 발생하는 상태를 도시한다. 지지 재료는 조형 재료와 상이한 재료이기 때문에, 체적 변화율이 서로 상이하고, 또한 변형 정도가 서로 상이하다. 조형 재료(54)의 상면 및 지지 재료(55)의 상면 모두 개방되기 때문에, 수축이 막 두께 방향으로 발생하고, 그 결과 조형 재료로 형성되는 조형층(56)과 지지 부재(53) 사이에 단차부가 생성된다.
후속하여, 도 5의 (f1)에 도시된 단계에서, 재료가 다음 층을 형성하기 위해 배치되지만, 얇은 두께를 갖는 지지 부재(53) 상에 조형 재료가 공급되기 때문에, 형성되는 조형물에 변형이 생성된다. 추가로, 도 5의 (g1) 및 도 5의 (h1)에 도시된 단계가 순차적으로 수행될 때, 변형이 증가하는 경향이 있다.
한편, 도 5의 (a2) 내지 도 5의 (h2)는 본 발명의 실시예에 따르는 적층 방법을 도시한다.
도 5의 (a2)는 조형 재료로 이루어지는 조형 패턴(64)이 기재(61) 상에 형성되는 상태를 도시한다.
이어서, 규제 판(62)이 조형 패턴(64)의 상면과 접촉하게 되어 조형 패턴의 두께를 설계 값으로 설정한다(도 5의 (b2)).
후속하여, 지지 재료(65)가 조형 패턴(64)의 주연부를 따라서 배치된다(도 5의 (c2)). 이 단계에서, 지지 재료(65)는 조형 패턴(64)과 정렬되는 것이 특별히 요구되지 않고 충전에 의해 기재(61)와 규제 판(62) 사이에 간단하게 제공될 수 있다.
이어서, 도 5의 (e2)는 조형 재료 및 지지 재료가 점진적으로 경화되어 체적의 변화가 발생하는 상태를 도시한다. 지지 재료는 조형 재료와 상이한 재료이기 때문에, 지지 부재의 체적 변화율은 조형 재료의 체적 변화율과 상이하지만, 조형 패턴(64)의 상면 및 지지 재료(65)의 상면이 규제되기 때문에, 수축은 측면 방향(도면의 측방향)에서만 발생하고, 따라서 막 두께의 정밀도가 유지될 수 있다.
후속하여, 다음 층을 형성하는 재료가 도 5의 (f2)에 도시된 단계에서 배치되지만, 두께 방향(도면에서 종방향)의 정밀도가 유지되기 때문에, 적층은 조형물을 변형시키지 않도록 수행될 수 있다. 추가로, 단계들이 도 5의 (g2) 및 도 5의 (h2)에 도시된 바와 같이 순차적으로 수행되는 경우에도, 적층은 공정의 마지막까지 변형 생성 없이 수행될 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 조형 장치의 제어 시스템의 일 예이다. 전체가 참조 번호 1로 표시되는 조형 장치에서, 참조 번호 2는 전체 시스템의 주 제어부를 형성하는 CPU를 나타내고, CPU(2)는 각 부를 제어한다. 참조 번호 102는 메모리이며, 메모리(102)는 예를 들어 CPU(2)의 기본 프로그램을 저장한 ROM, 및 인터페이스(12)로부터 입력되는 조형물 데이터(103)의 저장 및 데이터 처리를 수행하는 RAM으로 형성된다. CPU(2)가 조형 개시를 지시하는 신호를 수신하는 경우, 조형물 데이터를, 설정 조건과 함께 출력되는 슬라이드 데이터로 변환하는 공정이 개시되고, 이와 동시에 승강 기구(2000), 승강 기구(3000), 액체 토출 헤드(3), 승강 기구(9), 및 지지부 충전 기구(10)의 상태를 확인하는 통신이 수행된다. 조형이 개시 가능하다는 상태가 확인되는 경우, 승강 기구(2000) 및 승강 기구(9)는 위치 검출(101)로부터의 정보에 의해 미리 정해진 위치까지 이동되고, 토출 신호가 액체 토출 헤드(3)로 송신되어 조형이 개시된다. CPU(2)는 또한 UV 램프(13)를 제어한다.
예 1
도 1 내지 도 2e를 참조하여, 본 발명의 예가 설명될 것이다.
도 1에 도시된 장치를 사용하여 적층 조형이 수행된다. 조형물의 데이터는 CAD 데이터 등으로서 미리 형성되고, 미리 정해진 간격으로 슬라이스 데이터로 변환된다. 본 예에서, 25 마이크로미터 간격을 갖는 슬라이스 데이터가 사용되었다.
우선, 조형대(8) 상에 이형층이 형성된 후, 조형대(8)가 상승되어 고정되고, 규제 부재(600)가 그 사이에 25 마이크로미터의 간극을 갖는 상태로 조형대(8) 위에 보유 지지된다. 이어서, 용해된 지지 재료(파라핀 왁스 115F(융점: 47℃); 시판품)가 지지부 충전 기구(10)로부터 주입되고, 따라서 조형대(8)와 규제 부재(600) 사이의 공간에 지지 재료(5)가 충전된다. 온도가 강하하여 지지 재료가 고화된 이후, 규제 부재(600)가 상승되고, 조형대(8)는 하나의 층의 두께에 대응하는 거리(25 마이크로미터)만큼 하강된다. 그 결과, 도 2a에 도시된 상태가 획득된다.
이어서, 액체 토출 헤드(3)의 사용에 의해, 구조체를 형성하기 위해 조형 재료로서 기능하는 UV 잉크로 이루어진 잉크 패턴(4)이 제1 층 슬라이스 데이터에 따라서 상술된 제1 층 상에 공급된다(도 2b). 이 단계에서, 오직 착색 잉크에 의해서는 공급되는 잉크의 체적이 균일하게 제어될 수 없기 때문에, 클리어 잉크를 사용하여, 잉크 체적이 균일하게 제어된다.
잉크 공급 조건
액적 크기: 30 pl
액적들 사이의 공급 간격: 600 dpi
어드레스당 잉크 체적: 150 pl
잉크 조성
안료: 1부
블랙: 카본 블랙
시안: 피그먼트(Pigment) 블루 15
마젠타: 피그먼트 레드 7
옐로우: 피그먼트 옐로우 74
화이트: 산화 티타늄
클리어: 미립자 실리카
스티렌-아크릴산-아크릴산에틸 공중합체: 10부
(산화도: 180, 중량 평균 분자량 4,000)
광경화성 수지: 20부
(수용성 3작용 아크릴레이트)
광반응 개시제: 2부
(수용성 아실포스핀)
디에틸글리콜: 6부
에틸렌글리콜: 3부
계면 활성제: 1부
(아세틸레놀 EH: Kawaken Fine Chemicals Co., Ltd.에 의해 제조됨)
이온 교환수: 잔량부
잉크의 공급이 종료된 후, 규제 부재(600)가 조형대(8) 위쪽으로 이동되고, 조형대와 정렬되고, 이후 하강된다. 추가로, 규제 부재(600)의 면(UV 잉크가 접촉하게 되는 면)은 이형 처리에 의해 가공된 유리로 형성되며, 규제 부재(600) 내에 UV 램프가 배치된다. 규제 부재(600)가 하강되어 하부층의 면으로부터 25 마이크로미터 이격된 위치에서 정지된 이후, UV 조사가 수행되어 UV 잉크를 경화시키고 따라서 조형층(500)이 형성된다(도 2c 참조).
이어서, 지지 재료(5)가 지지부 충전 기구(10)로부터 주입된다(도 2d).
지지 재료(5)가 주입에 의해 충전된 이후, 지지 재료(5)는 냉각에 의해 고화되어 지지 부재(6)를 형성하고, 규제 부재(600)가 상승된다(도 2e).
이 작업 공정이 설계 횟수로 반복 수행되어 구조체를 형성하는 모든 단면층이 서로에 대해 적층된 이후, 온도가 60℃까지 승온될 ‹š, 지지 부재가 용해되고 그 결과 착색된 구조체가 취출될 수 있다.
이에 따라 획득된 구조체는 매우 높은 정밀도로 형성되고, 층들 사이의 박리는 관측되지 않는다.
상술된 실시예 및 예에 따르면, 구조체를 형성하는 층의 면과 지지 부재의 층의 면이 적층 공정에서 우수한 정밀도로 정렬될 수 있고, 따라서 구조체가 우수한 형상 정밀도로 형성될 수 있다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시예에 제한되지 않는다는 점이 이해되어야 한다. 이하의 청구항의 범위는 그러한 변경예 및 등가적 구조예 및 기능예 모두를 포함하도록 가장 광의의 해석에 따라야 한다.
본 출원은 여기에 전체가 참조로 통합된, 2013년 6월 18일 출원된 일본 특허 출원 번호 제2013-127877호의 우선권을 주장한다.

Claims (12)

  1. 형성 중의 구조체가 지지 부재에 의해 조형대 상에서 지지되면서 구조체를 형성하는 조형층이 적층되어 구조체를 형성하는, 구조체의 제조 방법이며,
    상기 조형층, 상기 지지 부재, 및 상기 조형대 중 하나 이상으로 형성되는 기성면 상에 상기 조형층을 형성하는 액체 조형 재료를 공급하여 상기 조형 재료로부터 조형층을 형성하는 단계,
    상기 기성면과 대향하는 상기 조형층의 상면을 규제하는 규제 부재의 규제면이 상기 조형층의 상면과 접촉하는 동안, 상기 조형층의 주연부 주위의 상기 기성면과 상기 규제면 사이의 공간을 충전하기 위해 상기 지지 부재를 형성하는 지지 재료를 액체 상태로 주입하고, 상기 지지 부재 및 상기 조형층으로 이루어지는 층을 형성하기 위해 상기 지지 재료를 고화시킴으로써 지지 부재를 형성하는 단계, 및
    상기 지지 부재 및 상기 조형층으로 이루어지는 층으로부터 상기 규제 부재를 제거하는 단계를 포함하는, 구조체의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 규제 부재를 제거하는 단계 이후, 상기 규제 부재의 제거에 의해 노출되는 상기 조형층 및 상기 지지 부재로 이루어지는 층의 면 상에, 후속하여 적층되는 조형층 및 지지 부재로 이루어지는 층을 제공하는 단계를 더 포함하는, 구조체의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 조형층을 형성하는 단계에서, 상기 조형 재료는 액체를 토출하는 액체 토출 헤드로부터 조형 재료를 토출함으로써 상기 기성면 상에 공급되는, 구조체의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조형 재료는 UV 광 조사에 의해 경화되고, 상기 조형층을 형성하는 단계에서, 상기 조형층은, 상기 기성면에 대향하는 상기 조형층의 면과 상기 규제면이 서로 접촉하는 동안 UV 광에 의해 상기 조형 재료를 조사함으로써 형성되는, 구조체의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 UV 광은 상기 규제 부재의 규제면을 통해 상기 조형 재료 상에 조사되는, 구조체의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    후속하여 적층되는 조형층이 이전에 적층된 조형층으로부터 돌출하지 않는 경우, 상기 지지 재료는 제공되지 않고, 후속하여 적층되는 상기 조형층 다음에 적층되는 조형층이 이전에 적층된 상기 조형층으로부터 돌출하는 경우, 복수의 조형층에 의해 형성되는 공간에 대응하는 양의 지지 재료가 일괄하여 공급되는, 구조체의 제조 방법.
  7. 형성 중의 구조체가 지지 부재에 의해 지지되면서 상기 구조체를 형성하는 조형층이 적층되어 구조체를 형성하는, 구조체 제조 장치이며,
    상기 조형층이 위에 적층되는 조형대,
    조형층 형성 디바이스로서, 조형 재료로부터 조형층을 형성하기 위해, 상기 조형대, 상기 조형대 상의 조형층, 및 상기 조형대 상의 상기 지지 부재 중 하나 이상으로 형성되는 기성면 상에 상기 조형층을 형성하는 액체 조형 재료를 공급하는, 조형층 형성 디바이스,
    상기 조형층 형성 디바이스에 의해 형성된 상기 조형층의, 상기 기성면에 대향하는 상면을 규제하는 규제 부재 및 상기 조형대를 상대적으로 이동시키는 이동 디바이스, 및
    상기 지지 부재를 형성하는 지지 재료를 공급하고, 상기 지지 재료를 고화시킴으로써 지지 부재를 형성하는 지지 부재 형성 디바이스를 포함하고,
    상기 규제 부재의 규제면 및 상기 조형층의 상면이 서로 접촉하는 동안, 상기 지지 부재 형성 디바이스는 상기 조형층의 주연부 주위의 상기 기성면과 상기 규제면 사이의 공간을 충전하기 위해 상기 지지 부재를 형성하는 상기 지지 재료를 액체 상태로 주입하고,
    상기 이동 디바이스는 상기 지지 부재 형성 디바이스에 의해 형성된 지지 부재 및 상기 조형층 형성 디바이스에 의해 형성된 조형층으로 형성되는 층으로부터 상기 규제 부재를 제거하는, 구조체 제조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이동 디바이스에 의해 상기 규제 부재를 제거함으로써 노출되는 상기 지지 부재 및 상기 조형층으로 형성되는 층의 면 상에, 상기 조형층 형성 디바이스 및 상기 지지 부재 형성 디바이스가 후속하여 적층되는 조형층 및 지지 부재로 형성되는 층을 일괄하여 제공하는, 구조체 제조 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 조형층 형성 디바이스는 액체를 토출하는 액체 토출 헤드를 포함하고, 상기 액체 토출 헤드는 토출에 의해 상기 기성면 상에 상기 조형 재료를 공급하는, 구조체 제조 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 조형층 형성 디바이스는 상기 조형 재료 상에 UV 광을 조사하는 디바이스를 더 포함하는, 구조체 제조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 규제 부재는 UV 광이 통과할 수 있는 재료로 형성되고, UV 광을 조사하는 상기 디바이스는 상기 규제 부재의 내측에 제공되는, 구조체 제조 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 조형층 형성 디바이스에 의해 후속하여 적층되는 조형층이 이전에 적층된 조형층으로부터 돌출하지 않는 경우, 상기 지지 부재 형성 디바이스는 상기 지지 재료를 공급하지 않고, 후속하여 적층되는 상기 조형층 다음에 상기 조형층 형성 디바이스에 의해 적층되는 조형층이 이전에 적층된 조형층들로부터 돌출하는 경우, 상기 지지 부재 형성 디바이스는 복수의 조형층에 의해 형성되는 공간에 대응하는 양의 지지 재료를 일괄하여 공급하는, 구조체 제조 장치.
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