KR101906127B1 - 입체 물체 생성 - Google Patents

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Abstract

입체 물체가 생성될 수 있다. 축조 재료의 층에 에너지를 가해서 상기 층의 제 1 부분이 제 1 패턴으로 유착 및 응고되게 할 수 있다. 냉각제가 축조 재료의 상기 층의 제 2 부분에 선택적으로 전달되어서 제 2 패턴의 상기 제 2 부분의 온도를 감소시킬 수 있고, 여기서, 상기 제 1 패턴과 상기 제 2 패턴은 서로 독립적인 것이다.

Description

입체 물체 생성{GENERATING THREE-DIMENSIONAL OBJECTS}
입체 물체를 소량으로 생산하기 위한 잠재적으로 편리한 방법으로서, 입체 물체를 층층이 생성시키는 적층식 제조 시스템(additive manufacturing system)이 제안되었다.
이러한 시스템에 의해 제조된 물체의 품질은 사용되는 적층식 제조 기술의 유형에 따라 크게 달라질 수 있다. 일반적으로, 저가의 시스템을 사용해서는 저 품질 저 강도의 물체를 제조할 수 있고, 반면에 고가의 시스템을 사용하면 고품질 고강도의 물체를 생산할 수 있다.
본 발명의 목적은 입체 물체를 소량으로 생산하기 위한 잠재적으로 편리한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 입체 물체 생성 장치로서, 축조 재료의 층에 에너지를 가해서 그 층의 제 1 부분이 유착 및 응고되게 하는 에너지원; 축조 재료의 층의 제 2 부분 상에 냉각제(coolant agent)를 선택적으로 전달하기 위한 에이전트 분배기(agent distributor); 상기 층의 제 1 부분이 제 1 패턴으로 유착 및 응고되게 상기 층에 에너지를 가하도록 에너지원을 제어하고, 상기 층의 제 2 부분 상에 냉각제를 제 2 패턴으로 선택적으로 전달하도록 에이전트 분배기를 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제 1 패턴과 제 2 패턴은 서로 독립적인, 입체 물체 생성 장치를 제공한다.
일부 실시예들을 다음의 도면과 관련하여 설명한다.
도 1은 일부 실시예에 따른 입체 물체를 생성하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2a는 일부 실시예에 따른 적층식 제조 시스템의 단순화된 등각도이다.
도 2b는 일부 실시예에 따른 적층식 제조 시스템용 히터의 단순화된 등각도이다.
도 3은 일부 실시예에 따른 입체 물체를 생성하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4a 내지 도 4d는 일부 실시예에 따른 축조 재료 층들의 일련의 측단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 일부 실시예에 따른 도 4a 내지 도 4d의 축조 재료 층들의 일련의 평면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 일부 실시예에 따른 도 4a 내지 도 4d의 축조 재료 층들 내의 온도 분포를 보이는 일련의 개략적인 평면도이다.
다음의 용어는 명세서 또는 청구범위에 인용될 때에 다음을 의미하는 것으로 이해된다. 단수 형태의 용어는 "하나 또는 하나 이상"을 의미한다. "구비" 및 "갖는"이라는 용어는 "포함"이라는 용어와 같은 총괄적인 의미를 갖는 것으로 의도되었다.
적층식 제조 기술은 축조 재료의 하나 또는 그 이상의 연속적인 층들의 부분들의 응고를 통해 입체 물체를 생성시킬 수 있다. 축조 재료는 분말계 재료일 수 있고, 생성되는 물체의 특성은 축조 재료의 유형 및 사용되는 응고 기구의 유형에 따라 달라진다.
물체의 특성은 사용되는 축조 재료의 성질, 원하는 입체 물체를 형성시키기 위해 축조 재료를 응고시키는 공정, 및 이러한 공정 중의 축조 재료의 온도에 따라 달라질 수 있다. 그러한 특성에는 예를 들면 표면 거칠기, 정확도, 및 강도가 포함될 수 있다.
유착제(coalescing agent)는, 축조 재료와 유착제의 조합에 적절한 양의 에너지가 가해진 때에 축조 재료가 유착되어 응고될 수 있게 하는 재료이다. 그러나, 일부 실시예에서, 유착제가 전달되었거나 혹은 침투된 축조 재료에 의해 흡수되는 에너지는 축조 재료 주변으로 전파될 수도 있다. 그 에너지는 축조 재료 주변을 가열시키기에 충분할 수 있다. 예를 들어, 상기 에너지는 최신의 층에 적용되면 축조 재료를 통해 횡방향으로, 현재의 층 아래로, 그리고/또는 향후의 층 안으로 전파될 수 있다. 이러한 효과는, 비교적 낮은 열전도율을 가질 수 있는 축조 재료를 사용하는 경우에는 새로운 층이 형성됨에 따라 그 각각의 새롭게 생성되는 층의 표면 아래에 열 저장소가 형성되게 하므로, 악화될 수 있다. 열 저장소 안의 열은 최신의 층에 가해지게 되면 축조 재료를 가로질러서, 최신 층 아래로, 그리고/또는 향후의 층 안으로 서서히 전파된다.
따라서, 축조 재료는 이 축조 재료의 연화 및 접착을 야기하기에 적합한 온도까지 가열될 수 있다. 이 온도는 재료의 융점 위 또는 아래에 있을 수 있다. 이것은 축조 재료 중의 응고를 의도하지 않은 부분들이 후속해서 응고되는 결과를 야기하는데, 이러한 효과를 본원에서는 유착 블리드(coalescence bleed)라 칭한다. 예를 들면, 유착 블리드는 생성된 입체 물체의 전체 정밀도가 감소되는 결과를 가져올 수 있다. 예를 들어, 변형은 물체의 측면으로부터 횡 방향으로 연장되는 변형과, 물체의 바닥에서 아래로 연장되는 변형 등과 같은 입체 부분들을 포함할 수 있다. 또한, 변형에는, 축조 재료 전역에 걸친 바람직하지 않은 온도 분포 또는 열전도 효과에 기인하는 응고에 있어서의 작은 요철이 포함될 수 있다.
따라서, 본 발명은 축조 재료의 적절한 부분에 냉각제(coolant agent)를 전달함으로써 유착 블리드의 영향이 저감되게 하여 입체 물체가 생성될 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 냉각제는 축조 재료의 층의 선택된 부분에 적용될 수 있다. 이것은 과잉의 열이 분산될 수 있게 하여서, 축조 재료의 층이 사전에 설정된 목표 온도 분포, 예컨대 균일 또는 실질적으로 균일한 온도 분포와 일치하는 온도 분포를 갖게 한다. 이것은 냉각제를 전달받은 축조 재료의 일부분의 유착 정도를 감소시킬 수 있다.
도 1은 일부 실시예에 따른 입체 물체를 생성하는 방법을 설명하는 흐름도이다. 블록 102에서, 축조 재료의 층에 에너지가 가해져서 상기 층의 제 1 부분이 제 1 패턴으로 유착 및 응고되게 할 수 있다. 블록 104에서, 냉각제가 축조 재료의 상기 층의 제 2 부분에 선택적으로 전달되어서 제 2 패턴의 상기 제 2 부분의 온도를 감소시킬 수 있고, 여기서, 상기 제 1 패턴과 상기 제 2 패턴은 서로 독립적인 것이다. 냉각제는 예를 들면 에너지를 적용하기 전이나 혹은 후에 전달될 수 있다.
도 2a는 일부 실시예에 따른 적층식 제조 시스템(200)의 단순화된 등각도이다. 도 3의 흐름도를 참조하여 이하에서 더 설명하는 바와 같이, 시스템(200)은 입체 물체를 생성하기 위해 작동될 수 있다.
일부 실시예에서, 축조 재료는 분말계 축조 재료일 수 있다. 본원에 사용된 분말계 재료라는 용어는 건식 및 습식 모두의 분말계 재료, 미립자 재료 및 입상 재료를 포함하는 것으로 의도된다. 일부 실시예에서, 축조 재료는, 예를 들어 약 40%의 공기와 약 60%의 고체 중합체 입자의 비율인, 공기와 고체 중합체 입자의 혼합물을 포함할 수 있다. 한 가지 적합한 재료는 일례로 시그마-알드리치 캄파니 엘엘시(Sigma-Aldrich Co. LLC)에서 입수할 수 있는 나일론 12일 수 있다. 또 다른 적합한 나일론 12 재료는 엘렉트로 옵티칼 시스템즈 에오에스 게엠베하(Electro Optical Systems EOS GmbH)에서 입수할 수 있는 PA 2200일 수 있다. 적합한 축조 재료의 다른 예는, 예를 들면, 분말상 금속 재료, 분말상 합성 재료, 분말 세라믹 재료, 분말상 유리 재료, 분말상 수지 재료, 분말상 고분자 재료 등과, 이들의 조합을 포함할 수 있다. 그러나 본원에 설명된 예는 분말계 재료 또는 위에 열거된 재료 중 임의의 것에 한정되지 않는다는 점을 이해하여야 한다. 다른 예에서, 축조 재료는 페이스트 또는 겔이 될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 적합한 축조 재료는 분말상 반결정질 열가소성 재료일 수 있다. 일부 재료는 낮은 열 전도성을 가질 수 있고, 그 결과 유착 블리드의 위험이 증가될 수 있다. 예를 들어, 일부 나일론은 실온에서 약 0.1 W/mK의 열전도율, 그의 융점에서 약 0.2 W/mK의 열전도율을 가질 수 있다.
적층식 제조 시스템(200)은 시스템 제어기(210)를 포함할 수 있다. 본원에 개시된 작동 및 방법은 그 어떠한 것도 적층식 제조 시스템(200) 및/또는 제어기(210)에서 구현되고 제어될 수 있다.
제어기(210)는 본원의 방법에서 설명한 것과 같은 명령들을 실행하는 프로세서(212)를 포함 할 수 있다. 프로세서(212)는, 예를 들어, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 프로그래머블 게이트 어레이, 주문형 집적 회로(ASIC), 컴퓨터 프로세서 등일 수 있다. 프로세서(212)는, 예를 들어, 칩 상의 다수의 코어, 다수의 칩을 가로지르는 다수의 코어, 다수의 소자를 가로지르는 다수의 코어, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세서(212)는 적어도 하나의 집적 회로(IC), 다른 제어 로직, 다른 전자 회로, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
제어기(210)는 직접적 사용자 상호작용을 지원할 수 있다. 예를 들어, 적층식 제조 시스템(200)은 프로세서(212)에 연결된 사용자 입력 장치(220), 예컨대 키보드, 터치 패드, 버튼, 키패드, 다이얼, 마우스, 트랙 볼, 카드 판독기, 또는 기타 입력 장치 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 적층식 제조 시스템(200)은 프로세서(212)에 연결된 출력 장치(222), 예컨대 액정 디스플레이(LCD), 프린터, 비디오 모니터, 터치스크린 디스플레이, 발광 다이오드(LED), 또는 기타 출력 장치들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 출력 장치(222)는 텍스트 정보 또는 그래픽 데이터를 표시하라는 명령에 응답할 수 있다.
프로세서(212)는 통신 버스(214)를 통해 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(216)와 통신할 수 있다. 이러한 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(216)는 단일 매체 또는 다중 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(216)는 제어기(210)의 ASIC 메모리 및 별도의 메모리 중 하나 또는 이들 둘을 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(216)는 전자식, 자기식, 광학식 또는 다른 물리적 저장 장치일 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(216)는, 예컨대, 랜덤 액세스 메모리(RAM), 정적 메모리, 읽기 전용 메모리, 전기적 소거 및 프로그램 가능 읽기 전용 메모리(EEPROM), 하드 드라이브, 광 드라이브, 저장 드라이브, CD, DVD 등일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(216)는 비일시적 매체일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체(216)는, 프로세서(212)에 의해 실행될 때에 그 프로세서(212)로 하여금 다양한 예에 따라서 본 명세서에 개시된 방법들 또는 작동들 중 하나 이상을 수행하게 하는 컴퓨터 실행 가능 명령(218)들을 저장하거나, 인코딩하거나, 혹은 전할 수 있다. 예를 들어, 상기 명령들은 본원에 기재된 방법들을 수행시키기 위해 시스템(200)의 여러 구성 요소에 하나 이상의 제어 신호를 제공할 수 있다.
시스템(200)은 지지 부재(204) 위에 마련된 축조 재료의 연속적인 층들에 유착제가 선택적으로 전달될 수 있도록 하는 유착제 분배기(202)를 포함할 수 있다. 비제한적인 일 실시예에 따르면, 적합한 유착제는, 예컨대 휴렛팩커드 캄파니(Hewlett-Packard Company)에서 입수할 수 있는 CM997A라고 시중에 알려져 있는 잉크 제형과 같은, 카본 블랙을 포함하는 잉크 형태의 제형일 수 있다. 일 실시예에서 이러한 잉크는 적외선 흡수제를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서 이러한 잉크는 근적외선 흡수제를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서 이러한 잉크는 가시광 흡수제를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서 이러한 잉크는 자외선 흡수제를 추가로 포함할 수 있다. 가시광 증진제를 포함하는 잉크의 예로는 휴렛팩커드 캄파니에서 입수할 수 있는 것으로서 CE039A 및 CE042A라고 시중에 알려져 있는 잉크 등과 같은 염료계 컬러 잉크 및 안료계 컬러 잉크가 있다.
시스템(200)은 지지 부재(204) 위에 마련된 축조 재료의 층에 냉각제가 선택적으로 전달될 수 있도록 하는 냉각제 분배기(206)를 포함할 수 있다. 냉각제는, 이하에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 그 냉각제를 전달받은 축조 재료의 온도를 감소시키는 작용을 할 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각제는 축조 재료의 융점 이하인 비등점을 가지도록 선택될 수 있다. 축조 재료의 표면 온도는 그 축조 재료 표면이 히터(230) 및/또는 에너지원(226)으로부터 가열되었는지 여부에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 냉각제가 축조 재료로 전달될 때에 열이 냉각제로 전달될 수 있게 하는 열 구배가 생성될 수 있도록 하기 위해, 냉각제는 전달될 때에는 축조 재료의 표면 온도 이하의 온도를 갖도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각제는 축조 재료 및 후속한 기화로부터의 빠른 열전달이 유발될 수 있게 하는 적합한 증기압, 적합한 열전도도 및/또는 적합한 증발 엔탈피를 갖도록 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 적합한 냉각 효과를 나타내는 액체와 같은 유체가 냉각제로서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 물을 높은 백분율로 포함하는 냉각제가 적합한 냉각제로 입증되었다. 일부 실시예에서, 냉각제는 착색제가 없는 수성 잉크일 수 있다. 일부 실시예에서, 폴리에틸렌글리콜이 냉각제로 사용될 수 있다. 다른 실시예에서는 그 밖의 다른 형태의 냉각제가 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 지지 부재(204)는 약 10cm x 10cm 내지 약 100cm x 100cm의 범위의 치수를 갖는다. 다른 실시예에서, 지지 부재(204)는 상기 치수보다 더 크거나 혹은 더 작은 치수를 가질 수 있다. 지지 부재(204)는 시스템(200)의 고정 부분일 수 있거나, 혹은 대신에 예를 들어 탈착식 모듈 부분과 같이 시스템(200)의 비고정 부분일 수 있다.
유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)는 열 프린트헤드 또는 피에조 잉크젯 프린트헤드 등과 같은 프린트헤드일 수 있다. 프린트헤드는 다수의 노즐들의 배열을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 시중에서 입수할 수 있는 잉크젯 프린터에서 사용되는 것과 같은 프린트헤드가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 냉각제는 프린트헤드가 아닌 스프레이 노즐을 통해 전달될 수 있다. 그 밖의 다른 전달 기구도 사용될 수 있다.
유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)는 액체와 같은 적합한 유체의 형태일 때의 유착제 및 냉각제를 선택적으로 전달하기 위해, 예를 들어 부착시키기 위해, 사용된다. 일부 실시예에서, 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)는 인치 당 도트(DPI)가 300 내지 1200, 일례로 600DPI인 해상도로 상기 유착제 및 냉각제 액적을 전달하도록 선택될 수 있다. 다른 실시예에서, 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)는 상기 해상도보다 더 높거나 낮은 해상도로 유착제 및 냉각제 액적을 전달할 수 있도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)는 이 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)가 유체 액적을 선택적으로 배출시킬 수 있는 통로인 다수의 노즐들의 배열을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 노즐은 하나 이상의 위치에서 여러 방울의 액적을 밀접하게 연속해서 배출시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 액적은 방울 당 약 10 피코 리터(pi) 정도일 수 있지만, 다른 실시예에서는 이보다 크거나 혹은 작은 액적 크기를 전달할 수 있는 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는 가변 크기의 액적을 전달할 수 있는 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)가 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 유착제 분배기(202)는 냉각제 분배기(206)로부터 전달되는 냉각제의 액적과 동일한 크기이거나, 혹은 이보다 크거나 또는 작은 유착제 액적을 전달할 수 있도록 한 것일 수 있다.
일부 실시예에서, 유착제는 프린트헤드를 통해 전달될 수 있도록 하기 위해 물 또는 다른 적절한 용매 또는 분산제와 같은 액체 담체를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서 프린트헤드는 드롭 온 디맨드(drop-on-demand) 프린트헤드일 수 있다. 다른 실시예에서 프린트헤드는 연속 드롭 프린트헤드일 수 있다.
일부 실시예에서, 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)는 시스템(200)의 일체형 부품일 수 있다. 일부 실시예에서, 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)는 사용자가 교체할 수 있고, 이 경우, 그 분배기들은 시스템(200)의 적절한 유착제 및 냉각제 분배기 수용부 또는 인터페이스 모듈에 탈착 가능하게 삽입될 수 있다.
일부 실시예에서 예컨대 프린트헤드와 같은 하나의 에이전트 분배기(agent distributor)가 유착제와 냉각제 둘 다를 선택적으로 전달하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 하나의 에이전트 분배기의 제 1 세트의 노즐은 유착제를 전달하도록 구성될 수 있고, 그 에이전트 분배기의 제 2 세트의 노즐은 냉각제를 전달하도록 구성될 수 있다.
도 2a에 도시된 실시예에서, 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)는 소위 페이지-와이드(page-wide) 배열 구성에서 지지 부재(204)의 전체 폭에 걸쳐질 수 있게 한 길이를 갖는다. 일 실시예에서, 이는 다수의 프린트헤드의 적절한 배치를 통해 달성될 수 있다. 다른 실시예에서, 지지 부재(204)의 폭에 걸쳐질 수 있게 한 길이를 갖는 노즐 배열을 갖는 하나의 프린트헤드가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)는 상기 길이보다 짧은 길이, 즉 지지 부재(204)의 전체 폭에 걸쳐질 수 없게 한 길이를 가질 수 있다.
유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)는 도시된 y축을 따라 지지 부재(204)의 길이를 가로질러 양방향으로 이동할 수 있게 한 이동 가능한 캐리지에 장착된다. 이것은 1회 통과로 유착제와 냉각제가 지지 부재(204)의 전체 폭과 길이에 걸쳐 선택적 전달될 수 있게 한다. 다른 실시예에서, 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)는 고정될 수 있고, 상기 지지 부재(204)는 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)에 대해 이동할 수 있다.
본원에 사용된 용어 '폭'은 도 2a에 도시된 x축과 y축에 평행한 평면에서 가장 짧은 치수를 일반적으로 나타내는 데 사용되며, 본원에서 사용된 용어 "길이"는 상기 평면에서 가장 긴 치수를 일반적으로 나타내는 데 사용되는 점에 주목해야 한다. 그러나, 다른 실시예에서는 "폭"이라는 용어를 "길이"라는 용어로 교체할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)는 지지 부재(204)의 전체 길이에 걸쳐질 수 있게 한 길이를 가질 수 있고, 상기 이동 가능한 캐리지는 지지 부재(204)의 폭을 가로질러 양방향으로 이동할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)는 지지 부재의 전체 폭에 걸쳐질 수 있게 한 길이는 갖지 않지만, 추가적으로, 도시된 x축에서 지지 부재(204)의 폭을 가로질러서 양방향으로 이동할 수 있다. 이것은 다수 회 통과를 이용해서 유착제와 냉각제가 지지 부재(204)의 전체 폭과 길이에 걸쳐 선택적 전달될 수 있게 한다. 그러나 페이지 와이드 배열 구성 등과 같은 다른 구성은 입체 물체를 더 빠르게 생성시킬 수 있다.
유착제 분배기(202)는 유착제 공급원을 포함하거나, 또는 별도의 유착제 공급원에 연결될 수 있다. 냉각제 분배기(206)는 냉각제 공급원을 포함하거나, 또는 별도의 냉각제 공급원에 연결될 수 있다.
시스템(200)은 축조 재료의 연속하는 층들을 지지 부재(204) 상에 제공하기 위해, 예를 들어, 전달 및/또는 부착하기 위해, 축조 재료 분배기(224)를 추가로 포함한다. 적합한 축조 재료 분배기(224)는 예를 들어 와이퍼 블레이드 및 롤러를 포함할 수 있다. 축조 재료가 호퍼 또는 축조 재료 저장소로부터 축조 재료 분배기(224)로 공급될 수 있다. 도시된 예에서, 축조 재료 분배기(224)는 지지 부재(204)의 길이(y축)에 걸쳐 이동하여 축조 재료 층을 부착시킨다. 전술한 바와 같이, 축조 재료 층이 지지 부재(204) 상에 부착될 것이고, 후속하는 축조 재료 층이 앞서 부착된 축조 재료 층 상에 부착될 것이다. 축조 재료 분배기(224)는 시스템(200)의 고정 부분일 수 있거나, 혹은 대신에 예를 들어 탈착식 모듈 부분과 같이 시스템(200)의 비고정 부분일 수 있다.
일부 실시예에서, 도 2a에 도시된 분배기들에 상대적인 추가적인 유착제 분배기, 냉각제 분배기, 및 축조 재료 분배기가 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템(200)의 분배기들이 동일한 캐리지 상에서 서로 인접하게 혹은 짧은 거리만큼 떨어지게 해서 위치될 수 있다. 다른 실시예에서는 두 개 이상의 캐리지 각각이 하나 이상의 분배기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 분배기는 그 자신의 별도의 캐리지에 위치될 수 있다.
도시된 예에서, 축조 재료의 새로운 층들이 부착될 때에 축조 재료의 가장 최근에 부착된 층의 표면과 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)의 하부 표면 사이에 사전에 설정된 간극이 유지될 수 있도록, 지지 부재(204)는 z축에서 이동 할 수 있다. 그러나 다른 실시예에서는 지지 부재(204)는 z축으로 이동할 수 없고 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)가 z축으로 이동할 수 있다.
시스템(200)은 유착제가 전달되었거나 혹은 침투되어 있는 축조 재료의 부분들을 응고시키기 위해 축조 재료에 에너지를 가하기 위한 에너지원(226)을 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 에너지원(226)은 적외선(IR) 방사원, 근적외선 방사원, 할로겐 방사원, 또는 발광 다이오드이다. 일부 실시예에서, 에너지원(226)은 지지 부재(204) 상에 부착된 축조 재료에 에너지를 균일하게 가할 수 있는 단일의 에너지원일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 에너지원(226)은 다수의 에너지원들의 배열을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 에너지원(226)은 에너지를 축조 재료 층의 전체 표면에 실질적으로 균일하게 적용시킬 수 있도록 구성된다. 이러한 실시예들에서, 에너지원(226)은 비집속형 에너지원(unfocused energy source)이라고 말할 할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 하나의 층 전체에 에너지가 동시에 가해질 수 있는데, 이는 입체 물체가 생성될 수 있는 속도를 증가시키는 데 도움이 될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 에너지원(226)은 에너지를 축조 재료 층의 전체 표면의 일부에 실질적으로 균일하게 적용시킬 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 상기 에너지원(226)은 에너지를 축조 재료 층의 전체 표면 중의 한 조각(strip)에 적용시키도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 실질적으로 동일한 양의 에너지가 궁극적으로는 축조 재료 층의 전체 표면에 걸쳐 적용될 수 있도록, 에너지원이 축조 재료의 층을 가로질러 이동되거나 스캐닝될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 에너지원(226)은 이동 가능한 캐리지 상에 장착될 수 있다.
다른 실시예에서, 에너지원(226)은 이것이 축조 재료 층을 가로질러 이동할 때에 가변량의 에너지를 적용할 수 있다. 예를 들어, 제어기(210)는 유착제가 가해진 축조 재료의 부분들에 에너지를 적용하기 위해서만 에너지원을 제어할 수 있다.
추가 실시예에서, 에너지원(226)은 레이저 빔 등의 집속형 에너지원(focused energy source)일 수 있다. 이 실시예에서, 레이저 빔은 축조 재료 층의 전체 또는 일부를 가로질러 주사하도록 제어될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 레이저 빔은 에이전트(유착제, 냉각제) 전달 제어 데이터에 따라 축조 재료의 층을 가로질러 스캐닝하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔은 유착제가 전달되는 층의 부분들에 에너지를 적용하도록 제어 될 수 있다.
시스템(200)은 지지 부재(204) 상에 부착된 축조 재료를 사전에 설정된 온도 범위 내로 유지시킬 수 있도록 열을 방출시키기 위해 히터(230)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 히터(230)는 임의의 적합한 구성을 구비할 수 있다. 일부 실시예에 따른 적층식 제조 시스템용 히터(230)의 단순화된 등각도인 도 2b에 일 실시예가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 히터(230)는 가열 요소(232)들의 배열을 구비할 수 있다. 상기 가열 장치(232)들 각각은 임의의 적절한 가열 장치, 예를 들면, 적외선 램프 등과 같은 가열램프일 수 있다. 가열 장치(232)는 도 2b에 도시된 바와 같이 직사각형 등의 적절한 형상 또는 형태를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 가열 장치들은 예를 들어 원형, 봉형 또는 구형으로 형성될 수 있다. 그 형태는 축조 재료가 미치는 영역을 향해 균일한 열 분포를 제공하도록 최적화될 수 있다. 각각의 가열 장치(232) 또는 가열 장치(232) 그룹은 축조 재료 표면에 가해지는 국부 에너지 밀도를 가변적으로 제어하기 위해 조정 가능한 전류 또는 전압 공급 장치를 구비할 수 있다.
각각의 가열 장치(232)가 실질적으로 그 자신의 영역, 즉 다른 가열 장치(232)가 떠맡는 영역이 아닌 그 자신의 영역을 향해 열을 방출할 수 있도록, 각각의 가열 장치(232)는 축조 재료 중의 그 자신 각각의 영역에 대응할 수 있다. 예를 들어, 도 2a의 16 개의 가열 장치(232) 각각은 축조 재료의 16 개의 상이한 영역 중의 한 영역을 가열할 수 있고, 여기서 16 개의 영역은 축조 재료의 전체 영역을 집합적으로 망라한다. 그러나 일부 실시예에서 각각의 가열 장치(232)는 인접 영역에 영향을 미치는 얼마간의 열을 약간 적은 범위까지 방출할 수 있다.
히터(230)를 사용함으로써, 유착제가 전달되었거나 침투해 있는 축조 재료의 유착 또는 후속하는 응고가 일어날 수 있도록 하기 위해 에너지원(226)에 의해 가해져야 하는 에너지의 양을 감소시키는 데 도움이 될 수 있다.
시스템(200)은, 예를 들어, 하나 이상의 열전대 또는 하나 이상의 서모파일 등의 지점 비접촉식 온도 센서, 또는 열화상 카메라와 같은, 온도 센서(228)를 추가로 포함할 수 있다. 온도 센서(228)는 온도 값을 포착하기 위한 것이거나, 또는 상기 지지 부재(204) 상의 축조 재료가 미치는 영역에 걸쳐 축조 재료의 각 지점에 의해 방출되는 방사선의 분포를 나타내는 이미지를 포착하기 위한 것일 수 있다. 온도 센서(228)는 제어기(210)에 방사선 분배를 출력할 수 있고, 이는 축조 재료에 걸친 온도 분포를, 축조 재료로 사용되는 재료의 온도와 방사선 강도 사이의 예컨대 흑체 분포 등과 같은 알려진 관계에 기초하여, 결정할 수 있다. 예를 들어, 방사선 분포의 방사 주파수는 적외선(IR) 범위의 특정 값에서 가장 높은 강도를 가질 수 있다. 이것은 축조 재료 전역에 걸친 복수의 온도를 포함하는 온도 분포를 결정하는 데 사용될 수 있다.
에너지원(226), 히터(230) 및 열화상 카메라(228)는 도 2a에서는 지지 부재(204) 위의 특정 위치에 도시되었지만, 이들 각각은 지지 부재(214) 위 또는 둘레의 임의의 적합한 위치에 배치될 수 있다.
제어기(210)는 에이전트(유착제, 냉각제) 제어 전달 데이터(208)에 따라 에이전트(유착제, 냉각제)의 전달을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(210)는 제공된 축조 재료 층으로의 유착제의 선택적 전달을 유착제 전달 제어 데이터를 포함하는 명령에 따라 제어할 수 있다. 추가로, 제어기(210)는 제공된 축조 재료 층으로의 냉각제의 선택적 전달을 냉각제 전달 제어 데이터를 포함하는 명령에 따라 제어할 수 있다. 또한, 제어기(210)는, 예를 들어 에이전트 전달 제어 데이터(208)에 따라 축조 재료 층을 가로질러 이동할 때에 가변량의 에너지를 가할 수 있는 에너지원(226)도 제어할 수 있다.
에이전트 전달 제어 데이터(208)는, 생성되는 입체 물체의 각각의 절편(slice)에 대해서, 유착제 및 냉각제 중 적어도 하나가 전달되는 축조 재료(축조 재료가 있는 경우)의 부분 또는 위치를 정의할 수 있다.
유착제 전달 제어 데이터는 예를 들면 적절한 입체 물체 처리 시스템에 의해 도출될 수 있다. 일부 실시예에서, 입체 물체 처리 시스템은 적층식 제조 시스템(200) 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 명령(218)은, 프로세서(212)에 의해 실행될 때에 그 프로세서(212)로 하여금 본원에 설명된 것과 같은 입체 물체 처리 장치로서 작동하도록 하는 명령을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 입체 물체 처리 시스템은 적층식 제조 시스템(200)의 범위 밖에 있을 수 있다. 예를 들어, 입체 물체 처리 시스템은 상기 시스템(200)과는 별개인 컴퓨터 장치에서 실행될 수 있는 소프트웨어 애플리케이션 또는 소프트웨어 애플리케이션 부분일 수 있다.
일부 실시예에서, 유착제 전달 제어 데이터는 생성될 물체의 입체 모델을 나타내는 물체 설계 데이터에 기초하여, 그리고/또는 물체의 특성을 나타내는 물체 설계 데이터로부터 생성될 수 있다. 상기 모델은 물체의 고형 부분을 한정할 수 있고, 당해 모델의 평행한 평면들의 절편들이 생성되도록 입체 물체 처리 시스템에 의해 처리될 수 있다. 각 절편은 적층식 제조 시스템에 의해 응고될 축조 재료의 각 층의 일부를 형성할 수 있다. 물체 특성 데이터는 밀도, 표면 거칠기, 강도 등과 같은 물체의 특성을 한정할 수 있다.
물체 설계 데이터 및 물체 특성 데이터는, 예를 들면, 사용자가 입력할 때에 입력 장치(220)를 거쳐 사용자로부터, 소프트웨어 드라이버로부터, 컴퓨터 지원 설계(CAD) 애플리케이션과 같은 소프트웨어 애플리케이션으로부터 받거나, 또는 디폴트 또는 사용자 정의 물체 설계 데이터 및 물체 특성 데이터를 저장하는 메모리로부터 얻을 수 있다.
일부 실시예에서, 냉각제 전달 제어 데이터는, 예를 들면, 블록 308에서 논의되는 바와 같이 온도 피드백, 열 처리 모델(thermal process model)에 기초하여 생성될 수 있다.
일부 실시예에서, 물체 처리 시스템은 적층식 제조 시스템(200)의 특성과 관련된 데이터를 얻을 수 있다. 이러한 특성은, 예를 들면, 축조 재료의 층 두께, 유착제의 특성, 냉각제의 특성, 축조 재료의 특성, 에너지원(226)의 특성, 히터(230)의 특성, 및 온도 센서(228)의 특성을 포함할 수 있다.
에이전트 전달 제어 데이터(208)는, 처리되는 축조 재료의 각 층에 대해서, 유착제 및 냉각제 중 적어도 하나가 전달되는 축조 재료 상의 위치들 또는 부분들을 묘사할 수 있다. 일 실시예에서, 유착제 및 냉각제가 전달되는 축조 재료의 위치 또는 부분은 각각의 패턴에 의해 한정된다. 일부 실시예에서, 물체 처리 시스템은, 예컨대 대응하는 타이밍 데이터, 즉 예를 들어 유착제 전달과 냉각제 전달 사이를 참작하기 위해 시간 지연을 한정할 수 있는, 대응하는 타이밍 데이터에 따라서 유착제 및 냉각제를 축조 재료로 전달하는 순서를 결정할 수 있다.
유착제 및 냉각제가 전달되는 밀도는 전술한 특성에 따라 변동될 수 있다. 예를 들어, 유착제가 전달되었거나 침투된 축조 재료 부분이 그에 가해지는 에너지를 받을 때에, 그 부분에 의해 흡수된 에너지는 다른 주변 영역으로 전파된다. 일 실시예에서, 유착제의 특성 및 전달되는 유착제의 양은, 층 두께의 약 1.5배 범위의 구 안에서 에너지가 전파될 수 있도록, 선택될 수 있다. 이것은 충분한 층간 접착뿐만 아니라 축조 재료의 측 방향으로 인접하는 부분들 간의 충분한 접합도 보장하는 데 도움이 될 수 있다. 상기 밀도는 또한 블록 310을 참조하여 논의되는 바와 같이 축조 재료의 온도가 조절될 수 있도록 변동될 수 있다.
이러한 방식으로, 물체 처리 시스템은, 예를 들면, 물체의 충분한 강도는 여전히 유지하면서 유착제의 인접하는 방울들 간의 횡 방향 간격을 증가시킬 수 있는지를 결정할 수 있다. 그렇게 결정함으로써, 축조 재료의 층에 전달될 수 있는 유착제의 평균 밀도를 감소시키고, 그에 따라 물체의 강도에는 영향을 주지 않으면서 유착제 소비를 줄일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 에이전트 전달 제어 데이터는, 축조 재료의 임의의 부분에 대해서, 냉각제가 유착제 전달 전, 전달 중, 및 전달 후 중에서 한 시기, 두 시기, 또는 모든 시기에 전달되어야 하는지 여부를 한정할 수 있다.
도 3을 설명함에 있어서는 도 2a 내지 도 2b, 도 4a 내지 도 4d, 도 5a 내지 도 5d, 및 도 6a 내지 도 6d를 참조한다. 도 4a 내지 도 4d는 일부 실시예에 따른 축조 재료 층들의 일련의 측단면도를 도시하고 있다. 도 5a 내지 도 5d는 일부 실시예에 따른 도 4a 내지 도 4d의 축조 재료 층들의 일련의 평면도를 도시하고 있다. 도 6a 내지 도 6d는 일부 실시예에 따른 도 4a 내지 도 4d의 축조 재료 층들 내의 온도 분포를 보이는 일련의 개략적인 평면도이다.
도 3은 일부 실시예에 따른 입체 물체를 생성하는 방법(300)을 설명하는 흐름도이다. 이 방법은 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 도시된 순서는 일부 단계들이 동시에 일어나도록, 일부 단계들이 추가될 수 있도록, 그리고 일부 단계들이 생략될 수 있도록 변경될 수 있다.
블록 302에서, 제어기(210)는 유착제 전달 제어 데이터와 같은 에이전트 전달 제어 데이터(208)를 얻을 수 있다.
블록 304에서, 축조 재료의 층(402b)이 도 4a 및 도 5a에 도시된 바와 같이 제공될 수 있다. 예를 들어, 제어기(210)는 축조 재료(224)를 앞에서 논의된 바와 같이 y축을 따라 이동하게 함으로써 지지 부재(204) 상에 이전에 완성된 층(402a) 상에 층(402b)이 제공될 수 있도록 축조 재료 분배기(224)를 제어할 수 있다. 완성된 층(402a)은 응고된 부분(408)을 포함할 수 있다. 완성된 층(402a)은 예시를 위해 도 4a 내지 도 4d에 도시되어 있지만, 블록 304 내지 블록 310은 제 1 층(402a)을 생성하기 위해 초기에 적용될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
일부 실시예에서, 제공되는 축조 재료의 층(402b)의 두께는 약 50 내지 약 300 미크론 범위, 약 90 내지 약 110 미크론 범위, 또는 약 250 미크론으로부터 선택된 값을 가질 수 있지만, 다른 실시예에서는 이보다 더 얇거나 혹은 두꺼운 축조 재료 층이 제공될 수 있다. 상기 두께는 제어기(210)에 의해서 예를 들어 에이전트 전달 제어 데이터(208)에 기초하여 제어될 수 있다.
블록 306에서, 축조 재료는 사전에 설정된 온도 범위 내에서 가열 및/또는 유지될 수 있도록 히터(230)에 의해 가열될 수 있다. 상기 사전에 설정된 온도 범위는, 예를 들면, 축조 재료가 유착제(404)의 존재 하에서 접합을 경험하게 되는 온도 이하로 할 수 있다. 예를 들어, 상기 사전에 설정된 온도 범위는 섭씨 약 155도 내지 섭씨 약 160도의 범위일 수 있거나, 또는 섭씨 약 160도에 중심을 둘 수 있다. 유착제가 전달되었거나 침투해 있는 축조 재료의 유착 또는 후속하는 응고가 일어날 수 있도록 하기 위해 에너지원(226)에 의해 가해져야 하는 에너지의 양을 감소시키는 데에 예열이 도움이 될 수 있다. 그러한 가열은 축조 재료가 예를 들어 섭씨 약 90도 내지 섭씨 약 100도의 균일한 기준 온도를 가질 수 있다는 가정에 기초하여 균일하게 가해질 수 있다. 따라서, 가열의 정도는 상기 균일한 기준 온도를 상기 사전에 설정된 온도 범위까지 상승시킬 수 있게 제공된다. 그러나 일부 실시예에서 축조 재료는 실제로는 이 단계에서의 균일한 온도를 가질 수 없다. 따라서, 축조 재료는 이 축조 재료의 하나 이상의 지점에 상기 사전에 설정된 온도 범위 밖에 놓여 있는 불균일한 온도 분포를 가질 수 있다.
블록 308에서, 축조 재료의 온도 분포가 결정될 수 있다. 예를 들어, 열화상 카메라(228) 등의 온도 센서는, 예컨대 축조 재료의 방사선 분포를 나타내는 이미지를 캡처함으로써, 온도 피드백을 얻을 수 있다. 방사선 분포는 축조 재료의 온도 분포(500a)를 예를 들면 앞에서 논의된 방법에 기초하여 결정하기 위해 제어기(210)에 의해 사용될 수 있다. 도 6a의 예에서, 영역(502)은 기준 온도를 가질 수 있고, 영역(506)은 기준 온도보다 높은 각각의 온도를 가질 수 있다. 이러한 불균일성은 이전에 부착된 층의 부분들이 예를 들어 블록 312에서 에너지가 적용되는 동안에 유착 및 응고되는 결과일 수 있다. 이전의 층(402a)이 생성되는 동안에 유착제(406)가 전달되어 있는 영역은 도 6a에 도시된 바와 같이 기준 온도보다 실질적으로 높은 온도를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 제어기(210)는 온도 피드백은 얻지 않고, 오히려 유착제 전달 제어 데이터에 기초하여 열확산을 수학적으로 모델링한 열 처리 모델에 기초하여 온도 분포(500a)를 생성할 수 있다. 이 모델은 유한 요소 해석을 이용하여 열 방정식의 해를 구하는 것을 포함하거나, 또는 임의의 다른 적절한 방법을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(210)는 다양한 입체 물체의 열 확산 특성을 정의하는 조견표를 저장할 수 있다. 따라서, 제어기(210)는 온도 분포(500a)를 생성하기 위해 에이전트 전달 제어 데이터(208)를 적절한 조견표와 대조시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 온도 피드백, 열 처리 모델, 및/또는 조견표의 조합이 사용될 수 있다.
따라서, 제어기(210)는, 온도 피드백, 열 처리 모델, 또는 조견표에 기초하여 결정된 온도 분포(500a)에 기초하여, 냉각제 전달 제어 데이터 등과 같은 에이전트 전달 제어 데이터(208)를 얻을 수 있다.
블록 310에서, 유착제(404) 및 냉각제(406)는 도 4b 및 도 5b에 도시된 바와 같이 축조 재료의 층(402b)의 표면의 하나 이상의 부분들로 선택적으로 전달될 수 있다. 앞에서 논의된 바와 같이, 유착제(404) 및 냉각제(406)는 유착제 분배기(202) 및 냉각제 분배기(206)에 의해 일례로 액적과 같은 유체의 형태로 전달될 수 있다.
유착제(404)의 선택적 전달은, 생성되는 입체 물체 부분이 형성되도록 하기 위해 유착제 전달 제어 데이터와 같은 에이전트 전달 제어 데이터(208)에 의해서 응고되게 한정될 수 있는 층(402b)의 부분들 상에서 한 패턴으로 수행될 수 있다. 냉각제(406)의 선택적 전달은, 냉각제 전달 제어 데이터와 같은 에이전트 전달 제어 데이터(208)에 의해서 냉각제 사용을 통해 온도를 감소시킬 부분들이라고 정의될 수 있는 층(402b)의 부분들 상에서 한 패턴으로 수행될 수 있다.
"선택적 전달(selective delivery)"은 유착제 및 냉각제가 다양한 패턴의 축조 재료의 표면층의 선택된 부분들로 전달될 수 있다는 것을 의미한다. 패턴은 에이전트 전달 제어 데이터(208)에 의해 한정될 수 있다. 유착제(404)의 패턴과 냉각제(406)의 패턴은 서로 독립적일 수 있고, 이것은 유착제(404)와 냉각제(406)가 축조 재료의 각 지점에서 서로 고정된 비율로 제공되지 않을 수 있다는 것을 의미한다.
다양한 실시예에서, 제어기(210)는, 냉각제(406)를 선택적으로 전달하기 위해 냉각제 분배기(202 또는 206)를 제어하기 전, 제어한 후, 및 제어하는 동안 중 어느 한 시기에, 유착제(404)를 선택적으로 전달하기 위해 유착제 분배기(202)를 제어한다. 이러한 실시예들 중 임의의 실시예에서, 유착제(404) 및 냉각제(406) 각각을 전달하는 데에 다른 에이전트 분배기(202, 206)가 사용될 수 있다. 또한, 이러한 실시예들 중 임의의 실시예에서는, 오로지 하나의 에이전트 분배기(202)를 사용해서, 예를 들어, (1) 프린트헤드(202)의 일부 노즐(404)들은 유착제(404)를 전달하는 데 사용하고 동일한 프린트헤드(202)의 다른 노즐들은 냉각제(406)를 전달하는 데 사용하도록 하고, (2) 유착제(404)와 냉각제(406)를 혼합물 또는 용액으로 제조해서 프린트헤드(202)의 적어도 일부 노즐들을 그 혼합물 또는 용액을 전달하는 데 사용하도록 하고, 그리고/또는 (3) 유착제(404)와 냉각제(406)를 혼합하지 않고, 동일한 노즐을 다른 시점에 다른 에이전트(유착제(404), 냉각제(406))를 전달하는 데 사용하도록 할 수 있다.
냉각제(406)는 온도 분포(500a)가 기준 온도보다 높은 온도를 갖는 것으로 나타내고 있는 층(402b)의 부분들로 선택적으로 전달될 수 있다. 냉각제(406)는 전달되기 전에는 예를 들어 섭씨 약 20도 내지 약 60도의 온도, 대략 실온, 또는 섭씨 약 50도의 온도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 온도는 상기 범위, 예컨대 섭씨 약 40도 내지 약 60도 사이의 범위 내에서 실온 이상일 수 있는데, 왜냐하면, 일례로, 냉각제(406)를 분사하는 과정에서 실온으로부터 어느 정도의 가열이 야기될 수 있기 때문이다. 냉각제(406)는 그 냉각제가 전달되는 부분에 있는 축조 재료의 온도를 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 냉각제(406)의 양과 위치는, 온도 분포(500a)에서 사전에 설정한 목표 온도 분포로의 전이를 위해, 예를 들어 도 6a의 영역(506)이 영역(502)과 동일한 온도에 도달하도록 냉각될 수 있게, 선택적으로 전달 될 수 있다. 이 결과, 균일 또는 실질적으로 균일한 영역(502)을 갖는 도 6b의 균일 또는 실질적으로 균일한 온도의 목표 온도 분포(500b)가 생긴다. 다른 실시예에서는, 적절한 변형 감소를 마찬가지로 달성할 수 있는 맞춤식 불균일 온도 분포(custom non-uniform temperature distribution)가 상기 목표 온도 분포를 대신할 수 있다.
유착제(404)가 전달되지 않은 축조 재료의 부분들에 냉각제(406)가 전달되면, 냉각제(406)가 전달된 축조 재료는 그 축조 재료의 융점의 온도 또는 융점 이상의 온도에 도달하는 것이 방지될 수 있다. 일부 실시예에서, 블록 312에서 에너지가 가해질 때에 횡방향 유착 블리드의 영향을 줄이는 데 도움이 될 수 있도록 하기 위해, 냉각제(406)는 (1) 고온 영역과, (2) 유착제(404)가 전달되는 곳에 인접한 영역으로 전달된다. 이는 예를 들면 물체의 가장자리 또는 표면의 선명도(definition) 또는 정밀도를 향상시키고 그리고/또는 표면 거칠기를 감소시키는 데 이용될 수 있다. 따라서, 냉각제(406)는 그 냉각제(406)가 전달되었거나 혹은 침투되어 있는 축조 재료의 일부분의 유착 정도를 감소시키는 역할을 할 수 있다.
유착제(404)가 전달된 축조 재료의 부분들에 냉각제(406)가 전달되는 경우, 그 냉각제(406)는 반드시 용융을 방지하도록 의도되지 않을 수 있지만, 대신에 축조 재료에 열이 바람직하지 않게 축적되는 것은 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 냉각제(406)는, 축조 재료의 융점 미만이며 냉각제(406) 전달 시점의 축조 재료의 온도보다 낮은 비등점을 갖는다. 예를 들어, 냉각제(406)는 섭씨 100도의 비등점을 갖는 물일 수 있고, 축조 재료의 온도는 섭씨 약 160도일 수 있다. 따라서, 냉각제 전달 시에, 냉각제(406)는 그 냉각제(406)가 전달되는 축조 재료의 부분들로부터 열을 흡수할 수 있게 되어, 냉각제(406)가 자신의 비등점을 초과하여 증발하게 된다. 이것은 축조 재료의 상기 부분들의 온도를 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 냉각제(406)는 축조 재료의 현재 온도보다 높은 비등점을 갖는다. 예를 들어, 축조 재료는 현재의 온도가 냉각제(406)의 비등점 이하가 되도록 불충분한 예열을 거치거나 혹은 예열을 거치지 않을 수 있다. 따라서, 냉각제(406)는 뒤에서 논의되는 바와 같이 블록 312에서 축조 재료에 가해진 에너지를 흡수하여 증발할 수 있고, 그에 의해 축조 재료를 냉각시킨다.
일부 실시예에서, 냉각제(406)는 응고되어야 할 축조 재료 부분들의 강도, 예컨대 인장 강도와 같은 기계적 특성을 조절하기 위해서도 가해질 수 있다. 냉각제(406) 전달과 블록 312에서의 에너지 적용 사이에 긴 시간 지연이 있는 경우, 일례로 냉각제(406)가 너무 빨리 증발할 수 있으므로, 냉각제(406)는 기계적 특성에 어떠한 영향도 나타내지 않을 수 있다. 그러나, 그 시간 지연이 단축되면, 유착제(404)가 냉각제(406)와 함께 전달된 축조 재료의 부분들은, 예를 들어 유착제(404)가 전달되었지만 냉각제는 전달되지 않은 부분들에 비해, 더 큰 강도를 나타낼 수 있다. 이러한 효과가 생기는 이유는, 열 구배가 작으면 축조 재료에 낮은 기계적 응력이 생기기 때문이다.
일부 실시예에서, 예컨대, 온도 분포(500a) 중에 임의의 저온 영역이 있는 경우, 온도가 영역(502)의 기준 온도 이하인 경우에는, 유착제(404)는 온도를 높이기 위해서도 전달될 수 있다. 축조 재료 상에 존재하는 유착제(404)는 유착제(404)를 갖고 있는 영역의 축조 재료로 하여금 블록 312에서 제공되는 에너지 적용과 같은 에너지 적용에 응답하여 더 많은 가열을 겪도록 하기 때문에, 과잉 가열이 야기될 수 있다. 이러한 효과를 달성하기 위해, 전달할 유착제(404)의 양과 밀도를 조절할 수 있다.
일부 실시예에서, 유착 및 응고를 위한 유착제(404)를 이미 받은 축조 재료의 부분들을 가열하기 위해 여분의 유착제(404)가 전달될 수 있다. 이러한 실시예에서, 유착제(404)는 유착 목적만을 위해 전달되는 경우보다 더 많은 양과 밀도로 전달될 수 있다.
일부 실시예에서, 유착제(404)는 유착 및 응고가 필요하지 않은 영역에서의 가열을 위해 전달될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 유착을 일으키는 데 필요한 유착제(404)의 임계량 또는 임계 밀도 이하인 양 또는 밀도의 유착제(404)가 전달될 수 있다. 그러나, 상기 전달되는 양 또는 밀도는 유착제(404)가 전달되는 영역의 축조 재료를 가열시키기에는 여전히 충분할 수 있다.
일부 실시예에서, 축조 재료의 온도를 목표 온도 분포에 도달하도록 조절함에는, (1) 냉각시킬 영역에 냉각제(406)를 전달하는 것과, (2) 가온시킬 영역에, 유착에 필요한 양 또는 농도를 초과한 과잉의 유착제(404)를 전달하는 것의 조합이 포함될 수 있다.
도 4c 및 도 5c는 축조 재료의 층(402b)에 실질적으로 완전히 침투되어 있는 유착제(404)를 도시하고 있지만, 다른 실시예에서는 그 침투의 정도를 100% 미만으로 할 수 있다. 침투 정도는 예를 들어 전달되는 에이전트의 양과, 축조 재료의 성질과, 에이전트의 성질 등에 따라 달라질 수 있다. 도 6c는 축조 재료가 균일한 영역(502)을 갖는 실질적으로 균일한 온도 분포(500c)를 여전히 가질 수 있음을 보이고 있다.
블록 310에서, 사전에 설정된 레벨의 에너지가 축조 재료의 층(402b)에 일시적으로 가해질 수 있다. 다양한 실시예에서, 가해지는 에너지는 적외선 또는 근적외선의 에너지, 마이크로파 에너지, 자외선(UV) 광, 할로겐 등, 초음파 에너지 등등일 수 있다. 에너지를 가하는 시간 길이 또는 에너지 노출 시간은, 예를 들면, 에너지원의 특성, 축조 재료의 특성, 유착제의 특성, 및 냉각제의 특성 중 하나 이상에 의존할 수 있다. 사용되는 에너지원의 종류는 축조 재료의 특성, 유착제의 특성, 및 냉각제의 특성 중 하나 이상에 의존할 수 있다. 일 실시예에서, 에너지는 사전에 설정된 시간 길이 동안 가해질 수 있다.
에너지의 일시적인 적용은 유착제(404)가 전달되었거나 침투되어 있는 축조 재료의 부분들을 축조 재료의 융점을 넘어 가열시켜서 유착시킬 수 있다. 예를 들어, 층(402b)의 온도는 섭씨 약 220도에 이를 수 있다. 냉각 후, 유착된 부분들이 응고되어서, 생성시키려는 입체 물체의 부분을 형성하게 된다. 앞에서 설명한 바와 같이, 하나의 그러한 부분(408)은 이전의 것을 반복해서 생성되었을 수 있다. 에너지가 적용되는 동안 흡수된 열은 이전에 응고된 부분(408)으로 전파되어, 그 응고된 부분(408)의 일부를 융점을 넘어서까지 가열시킨다. 이러한 효과는 도 4d에 도시된 바와 같이 응고된 축조 재료의 인접하는 층들 사이에 층간 결합이 강한 부분(410)을 생성하는 데 도움이 된다.
또한, 전달된 냉각제(406)가 에너지 적용 전에는 증발되지 않도록 한 경우, 예를 들어, 불충분한 예열이 있거나 혹은 예열이 없는 경우, 냉각제(406)는 가해지는 에너지를 흡수함으로써 증발되어 축조 재료를 냉각시킬 수 있다. 이는 가해지는 에너지가 층(402b)의 온도를 냉각제(406)의 비등점을 넘어서까지 상승시키기 때문일 수 있다.
유착제(404)가 전달되었거나 침투해 있는 축조 재료에 의해 흡수된 에너지는 또한 축조 재료 주변으로 전파될 수 있으며, 축조 재료 주변을 가열시키기에 충분할 수 있다. 냉각제(406)가 없는 경우에는, 축조 재료가 예컨대 그의 융점을 넘어서까지 가열되거나, 또는 축조 재료가 예컨대 그의 융점 아래에서 가열되되 축조 재료의 연화 및 접합을 일으키기에 적합한 온도까지 가열될 수 있다. 이것은 축조 재료 중의 응고를 의도하지 않은 부분들이 후속해서 응고되는 결과를 야기하는데, 이러한 효과를 본원에서는 앞에서 논의된 바와 같이 유착 블리드(coalescence bleed)라 칭한다. 그러나 앞에서 논의된 바와 같이 냉각제(406) 전달은 유착 블리드를 감소시키는 역할을 할 수 있다.
일부 실시예에서, 에너지 적용은 도 6d의 온도 분포(500d)에 도시된 바와 같이 도 6a의 것들과 유사한 영역(502, 506)들을 포함하는 새로운 온도 불균일성이 나타나게 할 수 있다. 따라서, 후속 층을 처리하는 중에 더 뜨거운 영역(506)들이 냉각될 수 있다.
일부 실시예에서는 앞에서 논의된 바와 같이 에너지를 적용하기 전에 냉각제(406)를 전달하는 대신에, 에너지를 적용한 후에 냉각제(406)를 전달할 수 있다. 에너지가 이미 적용되었을 수 있기 때문에, 유착제(404)가 전달되어 있는 축조 재료의 부분들은 냉각제(406)의 비등점보다 높을 수 있는 예컨대 섭씨 220도의 높은 온도에 있을 수 있다. 따라서, 냉각제 전달 시에, 냉각제(406)는 그 냉각제(406)가 전달되는 축조 재료의 부분들로부터 열을 흡수할 수 있게 되어, 냉각제(406)가 자신의 비등점을 초과하여 증발하게 된다. 이것은 축조 재료의 상기 부분들의 온도를 감소시킬 수 있다.
공급되는 에너지와, 축조 재료와, 유착제(404) 및 냉각제(406)의 조합은, 어떠한 유착 블리드의 영향도 배제하면서, ｉ) 유착제(404)가 전달되지 않은 축조 재료의 부분들이 그에 에너지가 일시적으로 가해질 때에 유착되지 않도록; ⅱ) 오로지 유착제(404)만 전달되었거나 침투해 있는 축조 재료의 부분들이 그에 에너지가 일시적으로 가해질 때에 유착되도록; ⅲ) 오로지 냉각제(406)만 전달되었거나 침투해 있는 축조 재료의 부분들이 그에 에너지가 일시적으로 가해질 때에 유착되지 않도록 하여, 선택될 수 있다.
유착제(404)와 냉각제(406)가 모두 다 전달되었거나 침투해 있는 축조 재료의 부분들은 유착되거나, 혹은 유착되지 않을 수 있으며, 변경된 정도로 유착될 수 있다. 그 변경 정도는, 예를 들어, 축조 재료의 임의의 부분에서의 유착제 및 냉각제의 비율; 유착제 및/또는 냉각제가 축조 재료로 전달되는 패턴; 유착제, 냉각제 및/또는 축조 재료의 화학적 특성; 축조 재료와 유착제 및 냉각제 사이의 화학적 상호 작용; 그리고 에너지가 가해지는 동안의 축조 재료와 유착제 및 냉각제 사이의 화학적 상호 작용 중에서 임의의 것 하나 이상에 의존할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 변경의 정도는 유착제 및 냉각제가 축조 재료로 전달되는 순서에 의존할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 변경의 정도는 유착제 및 냉각제가 축조 재료로 전달되는 타이밍에 의존할 수 있다.
축조 재료의 층이 전술한 바와 같이 처리된 후, 새로운 축조 재료 층들이 앞서서 처리된 축조 재료의 층의 상부에 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 앞서서 처리된 축조 재료의 층은 축조 재료의 후속 층을 위한 지지체로서 작용한다. 이어서 입체 물체를 층층이 생성시키기 위해 블록 304 내지 블록 312의 처리가 반복될 수 있다.
본 명세서(첨부된 청구범위, 요약서, 도면을 포함)에 개시된 모든 특징들 및/또는 개시된 임의의 방법 또는 공정의 모든 단계들은, 그러한 특징들 및/또는 단계들의 적어도 일부가 서로 양립할 수 없는 경우의 조합을 제외하고는, 그 어떠한 조합으로도 결합될 수 있다.
전술한 설명에서, 본원에 개시된 주제를 이해할 수 있도록 하기 위해 다수의 세부 사항들이 기재되었다. 그러나, 실시예들은 이들 세부 사항의 일부 또는 전부가 없어도 실시될 수 있다. 다른 실시예들은 위에서 설명한 세부 사항들로부터의 변경 및 변형을 포함할 수 있다. 첨부된 청구범위는 그러한 변경 및 변형을 포함하는 것으로 의도되었다.

Claims (16)

  1. 입체 물체 생성 장치에 있어서,
    축조 재료의 층에 에너지를 가해서 그 층의 제 1 부분이 유착 및 응고되게 하는 에너지원;
    상기 층의 상기 제 1 부분 상에 유착제(coalescing agent)를 선택적으로 전달하기 위한 제 1 에이전트 분배기(agent distributor);
    상기 층의 제 2 부분 상에 냉각제(coolant agent)를 선택적으로 전달하기 위한 제 2 에이전트 분배기; 및
    제어기를 포함하며,
    상기 제어기는,
    상기 층의 제 1 부분이 제 1 패턴으로 유착 및 응고되게 상기 층에 에너지를 가하도록 에너지원을 제어하고,
    상기 층의 제 1 부분 상에 유착제를 상기 제 1 패턴으로 선택적으로 전달하도록 상기 제 1 에이전트 분배기를, 그리고 상기 층의 제 2 부분 상에 냉각제를 제 2 패턴으로 선택적으로 전달하도록 상기 제 2 에이전트 분배기를 각각 제어하며,
    상기 제 1 패턴과 제 2 패턴은 서로 독립적이고,
    상기 제 2 부분 상에 냉각제를 선택적으로 전달하는 것은, 상기 유착제가 전달된 축조 재료의 부분에 냉각제를 선택적으로 전달하는 것과, 상기 유착제가 전달되지 않은 축조 재료의 부분에 냉각제를 전달하는 것을 포함하고,
    상기 유착제가 전달되지 않은 축조 재료의 부분에 전달된 냉각제는, 에너지가 인가될 때 그 부분이 유착되는 것을 방지하도록 의도되는 것을 특징으로 하는
    입체 물체 생성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    냉각제를 전달하기 전에 축조 재료의 상기 층으로부터, 측정된 온도 분포를 나타내는 온도 피드백을 얻는 온도 센서를 추가로 포함하고, 냉각제는 상기 측정된 온도 분포에 기초하여 선택적으로 전달되는 것을 특징으로 하는
    입체 물체 생성 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 냉각제를 전달하도록 상기 제 2 에이전트 분배기를 제어하기 전에, 열 처리 모델에 기초하여 축조 재료의 상기 층의 온도 분포를 결정하기 위한 것이고, 또한 상기 제어기는 상기 온도 분포에 기초하여 냉각제를 선택적으로 전달하도록 상기 제 2 에이전트 분배기를 제어하기 위한 것임을 특징으로 하는
    입체 물체 생성 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 목표 온도 분포를 달성하기 위해 선택적으로 전달하기 위한 냉각제의 양과 위치를, 냉각제를 선택적으로 전달하기 전의 축조 재료의 온도 분포에 기초하여 결정하기 위한 것임을 특징으로 하는
    입체 물체 생성 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유착제가 전달된 축조 재료의 부분에 전달된 냉각제는, 에너지가 인가 될 때 그 부분에 있어서 상기 축조 재료가 유착되는 것을 방지하지 않고 그 부분의 온도를 감소시키도록 의도되는 것을 특징으로 하는
    입체 물체 생성 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 에이전트 분배기는 상기 층의 제 3 부분에 추가 유착제를 선택적으로 전달하기 위한 것이고,
    상기 제어기는, 에너지가 가해질 때에 상기 층의 상기 제 3 부분이 가온되고 상기 추가 유착제와 축조 재료의 조합으로 인한 상기 제 3 부분의 유착은 야기되지 않게, 상기 층의 상기 제 3 부분 상에 유착제를 선택적으로 전달하도록 상기 제 1 에이전트 분배기를 제어하기 위한 것임을 특징으로 하는
    입체 물체 생성 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    냉각제가 물을 포함하는 것을 특징으로 하는
    입체 물체 생성 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 에너지를 가하도록 에너지원을 제어하기 전에, 냉각제를 선택적으로 전달하도록 제 2 에이전트 분배기를 제어하기 위한 것임을 특징으로 하는
    입체 물체 생성 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는, 에너지를 가하도록 에너지원을 제어한 후에, 냉각제를 선택적으로 전달하도록 제 2 에이전트 분배기를 제어하기 위한 것임을 특징으로 하는
    입체 물체 생성 장치.
  10. 입체 물체를 생성하는 방법에 있어서,
    축조 재료의 층에 에너지를 가해서 그 층의 제 1 부분이 제 1 패턴으로 유착 및 응고되게 하는 단계와;
    상기 층의 제 1 부분에 제 1 패턴으로 유착제를 선택적으로 전달하고, 상기 층의 제 2 부분의 온도를 감소시키기 위해 상기 층의 제 2 부분에 제 2 패턴으로 냉각제를 선택적으로 전달하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 패턴은, 상기 층으로부터의 측정된 온도 분포를 나타내거나 또는 열 처리 모델에 의해 예측된 온도 분포를 나타내는 데이터로부터 도출되고,
    상기 제 1 패턴과 제 2 패턴은 서로 독립적이고,
    상기 제 2 부분 상에 냉각제를 선택적으로 전달하는 것은, 상기 유착제가 전달된 축조 재료의 부분에 냉각제를 선택적으로 전달하는 것과, 상기 유착제가 전달되지 않은 축조 재료의 부분에 냉각제를 전달하는 것을 포함하고,
    상기 유착제가 전달되지 않은 축조 재료의 부분에 전달된 냉각제는, 에너지가 인가될 때 그 부분이 유착되는 것을 방지하도록 의도되는 것을 특징으로 하는
    입체 물체를 생성하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    냉각제를 전달하기 전에 축조 재료의 상기 층으로부터, 상기 측정된 온도 분포를 나타내는 온도 피드백을 얻는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    입체 물체를 생성하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    냉각제를 전달하기 전에, 열 처리 모델에 의해 예측된 온도 분포에 기초하여 축조 재료의 상기 층의 온도 분포를 결정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    입체 물체를 생성하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 유착제가 전달된 축조 재료의 부분에 전달된 냉각제는, 에너지가 인가 될 때 그 부분에 있어서 상기 축조 재료가 유착되는 것을 방지하지 않고 그 부분의 온도를 감소시키도록 의도되는 것을 특징으로 하는
    입체 물체를 생성하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    유착이 요구되는 상기 축조 재료의 기계적 특성을 조절하기 위해 냉각제를 선택적으로 전달하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는
    입체 물체를 생성하는 방법.
  15. 입체 물체를 생성하는 방법에 있어서,
    축조 재료의 층을 전달하는 단계;
    상기 층의 제 1 부분에 유착제를 선택적으로 부착시키는 단계;
    상기 층에 에너지를 가해서, 상기 유착제를 갖고 있는 상기 제 1 부분이 제 1 패턴으로 유착 및 응고되게 하는 단계; 및
    냉각제가 선택적으로 전달되는 위치를 나타내는 데이터에 기초하여 상기 층의 제 2 부분의 온도를 감소시키기 위하여, 상기 층의 제 2 부분에 제 2 패턴으로 냉각제를 선택적으로 전달하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 패턴과 제 2 패턴은 서로 독립적이고,
    상기 제 2 부분 상에 냉각제를 선택적으로 전달하는 것은, 상기 유착제가 전달된 축조 재료의 부분에 냉각제를 선택적으로 전달하는 것과, 상기 유착제가 전달되지 않은 축조 재료의 부분에 냉각제를 전달하는 것을 포함하고,
    상기 유착제가 전달되지 않은 축조 재료의 부분에 전달된 냉각제는, 에너지가 인가될 때 그 부분이 유착되는 것을 방지하도록 의도되는 것을 특징으로 하는
    입체 물체를 생성하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 유착제가 전달된 축조 재료의 부분에 전달된 냉각제는, 에너지가 인가 될 때 그 부분에 있어서 상기 축조 재료가 유착되는 것을 방지하지 않고 그 부분의 온도를 감소시키도록 의도되는 것을 특징으로 하는
    입체 물체를 생성하는 방법.
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