KR101960861B1 - 적층 제조 시스템 용 기어 기반 액화기 어셈블리 및 그의 사용 방법 - Google Patents

적층 제조 시스템 용 기어 기반 액화기 어셈블리 및 그의 사용 방법 Download PDF

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다나 알. 핸슨
제임스 더블유. 콤
조나단 비. 히드룬드
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스트래터시스,인코포레이티드
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Abstract

3차원 부품(22)을 인쇄하기 위해 적층 제조 시스템(10)에 사용하기 위한 액화기 어셈블리(20)로서, 상류 압력-생성 스테이지(52) 및 하류 흐름-조절 스테이지(52)를 포함한다. 상기 상류 압력-생성 스테이지(52)는 구동 메커니즘(46), 상기 구동 메커니즘(46)으로부터 받은 소모성 재료(48)를 용융시키도록 구성되어, 용융 재료를 가압 상태로 생성하는 액화기를 포함한다. 상기 하류 흐름-조절 스테이지(52)는 케이싱 어셈블리(64, 66, 68) 및 조절된 압출을 위해 상기 기어 어셈블리(52)를 통해 상기 가압 용융 재료(48)의 흐름을 조절하기 위하여, 상기 내부 캐비티(78, 80) 내에 배치되고 서로 결합된 한 쌍의 기어(74, 76)를 가지는 기어 어셈블리(52)를 포함한다.

Description

적층 제조 시스템 용 기어 기반 액화기 어셈블리 및 그의 사용 방법{GEAR-BASED LIQUEFIER ASSEMBLY FOR ADDITIVE MANUFACTURING SYSTEM, AND METHODS OF USE THEREOF}
본 발명은 3차원(3D) 부품(parts) 및 지지 구조(support structures)를 인쇄 또는 생성하기 위한 적층 제조 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 적층 제조 기술을 이용하여 적층 방식(layer-by-layer manner)으로 3D 부품 및 지지 구조를 인쇄하기 위한 프린트 헤드 압출기(head extruders)에 관한 것이다.
적층 제조 시스템은 하나 또는 그 이상의 적층 제조 기술을 이용하여 3D 부품의 디지털 표현(예를 들면, AMF 및 STL 포맷 파일)으로부터 3D 부품을 생성하거나 인쇄하는데 사용된다. 상업적으로 이용가능한 적층 제조 기술의 예로는, 압출기반(extrusion-based) 기술, 분사(jetting), 선택적 레이저 신터링(selective laser sintering), 파우더/바인더 분사(powder/binder jetting), 전자빔 용융(electron-beam melting) 및 스테레오리소그래픽 공정(stereolithographic processes)이 있다. 이들 기술 각각에 있어서, 3D 부품의 디지털 표현은 초기에 다수의 수평 층으로 슬라이스된다. 각각의 슬라이스된 층에 대해, 툴 경로(tool paths)가 그 다음 생성되고, 이는 특정 적층 시스템이 상기 주어진 층을 인쇄하도록 지침을 제공한다.
예를 들면, 압출 기반 적층 제조 시스템에서, 3D 부품은 유동성 부품재료를 압출하여 적층 방식으로 3D 부품의 디지털 표현으로부터 인쇄될 수 있다. 부품재료는 시스템의 프린트 헤드에 의해 지지되는 압출 팁을 통해 압출되고, 평면 층에서 플래튼 상에 일련의 로드(a sequence of roads)로 적층된다. 압출된 부품재료는 이전에 적층된 부품재료에 융합되고, 온도가 내려가면 굳어진다. 그 다음 기판에 대한 프린트 헤드의 위치가 증가되고, 디지털 표현을 닮은 3D 부품을 형성하기 위해 상기 프로세스가 반복된다.
부품재료로 된 층들을 적층시킴으로써 3D 부품을 제조함에 있어서, 지지 층들 또는 구조(supporting layers or structures)는 일반적으로 생성중인 3D 부품의 공동(cavities) 내에 또는 돌출부 아래에 구축되고, 부품재료 자체에 의해서는 지지되지 않는다. 지지 구조는 부품재료를 적층시키는 것과 동일한 적층 기술을 이용하여 구축될 수 있다. 호스트 컴퓨터는 형성되는 3D 부품의 자유공간 세그먼트 또는 돌출부에 대한 지지구조로서 작용하는 추가적인 기하학적 구조를 생성한다. 그 다음 인쇄 공정 중에 지지 재료가 상기 생성된 기하학적 구조에 따라 적층된다. 제조 중에 지지 재료는 부품재료에 부착되고 인쇄 공정이 완료되면 완성된 3D 부품으로부터 제거될 수 있다.
본 발명의 목적은 3D 부품을 인쇄하기 위한 적층 제조 시스템에 사용하기 위한 액화기 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 3D 부품을 인쇄하기 위한 적층 제조 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 적층 제조 시스템을 이용하여 3D 부품을 인쇄하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 3D 부품을 인쇄하기 위한 적층 제조 시스템에 사용하기 위한 액화기 어셈블리에 관한 것이다. 상기 액화기 어셈블리는 소모성 재료를 공급하도록 구성된 구동 메커니즘; 상기 구동 메커니즘으로부터 공급되는 상기 소모성 재료를 받아 용융시키도록 구성되어, 가압 상태의 용융 재료를 생성하는 액화기; 및 기어 어셈블리를 포함한다. 상기 기어 어셈블리는 상기 액화기로부터 가압 용융 재료를 작동가능하게(operably) 받아들이도록 구성된 유입 개구부를 가지는 케이싱 어셈블리, 상기 유입 개구부로부터 가압 용융 재료를 받아 들이도록 구성된 내부 캐비티, 및 배출 개구부를 포함한다. 또한, 상기 기어 어셈블리는 상기 내부 캐비티 내에 배치되고, 동력(motorized power)으로 회전하도록 구성된 제1 기어, 및 상기 제1 기어와 결합되고 상기 제1 기어의 회전과 반대 방향으로 회전하도록 구성된 제2 기어를 포함하고, 상기 제1 및 제2 기어의 회전은 상기 유입 개구부로부터 배출 개구부로의 가압 용융 재료의 흐름을 조절한다.
본 발명의 또 다른 측면은 3D 부품을 인쇄하기 위한 적층 제조 시스템에 관한 것이다. 상기 적층 제조 시스템은 상류 압력-생성 스테이지 및 하류 흐름-조절 스테이지를 포함한다. 상기 상류 압력-생성 스테이지는 제1 구동 메커니즘, 액화기 및 상기 액화기를 가열하도록 구성된 하나 이상의 히터 어셈블리를 포함한다. 상기 하류 흐름-조절 스테이지는 상기 상류 액화기에 작동가능하게(operably) 연결된 유입 개구부를 가지는 케이싱 어셈블리, 배출 개구부, 및 상기 유입 개구부 및 배출 개구부를 서로 연결하는 내부 캐비티를 가지는 케이싱 어셈블리를 포함한다. 또한, 상기 하류 흐름-조절 스테이지는 상기 케이싱 어셈블리의 내부 캐비티 내에 배치된 한 쌍의 결합된 기어, 상기 케이싱 어셈블리를 가열하도록 구성된 하나 이상의 히터 요소, 및 상기 한 쌍의 결합된 기어 중 적어도 하나의 기어에 작동가능하게 연결된 제2 구동 메커니즘을 포함한다. 또한, 상기 적층 제조 시스템은 상기 제1 및 제2 구동 메커니즘에 작동 가능하게 연결되고, 상기 제1 구동 메커니즘이 소모성 재료를 상기 액화기에 공급하도록 명령하여 가압 용융 재료를 생성하고, 상기 제2 구동 메커니즘이 상기 한 쌍의 결합된 기어를 회전시키도록 명령하여 상기 가압 용융 재료의 흐름을 조절하도록 구성된 콘트롤러 어셈블리를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면은 적층 제조 시스템을 이용하여 3D 부품을 인쇄하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 소모성 재료를 적층 제조 시스템에 의해 유지되는 구동 메커니즘을 이용하여 상기 적층 제조 시스템에 의해 유지되는 액화기에 공급하는 단계, 및 용융 재료를 생성하기 위해 상기 공급된 소모성 재료를 액화기에서 용융시키는 단계를 포함한다. 또한 상기 방법은 상기 용융 재료를 가압 상태로 상기 적층 제조 시스템에 의해 유지되는 기어 어셈블리에 제공하는 단계, 및 상기 용융 재료를 제어된 방식으로(in a controlled manner) 압출하기 위해 상기 기어 어셈블리를 통해 상기 가압 용융 재료의 흐름을 조절하는 단계를 포함한다.
<정의>
본원에서 다르게 특정되지 않는 한, 여기에 사용된 다음의 용어들은 아래의 의미를 가진다:
용어 "축의(axial)" 및 "축 방향으로(axially)"는, 예를 들면, 종방향 길이를 가지는 액화기에 인가된 압력에 관하여, 종방향 길이에 대해 수직한 방향을 지칭한다. 이들 용어는 동심의 축을 필요로 하지 않으며, 직사각형 액화기, 아치형 액화기, 타원형 액화기 등과 같은 비 원통형 액화기에도 적용된다.
용어 "작동가능하게 연결된(operably connected)"은, 서로 작동 가능하게 연결된 물품들과 관련하여, (서로 물리적으로 접촉된) 직접 연결 및 (그들 사이에 배치된, 스페이서와 같은 하나 이상의 부가적인 구성요소를 이용하여 서로 연결된) 간접 연결을 의미한다.
용어 "명령(command)", "명령하는(commanding)" 등은, 장치(예를 들면, 구동 메커니즘, 히터 어셈블리 등)에 명령하는 콘트롤러 어셈블리와 관련하여, 콘트롤러 어셈블리로부터 장치에 제어신호를 직접적으로 및/또는 간접적으로 전달하여(relaying), 상기 장치가 전달된 신호에 따라 동작하도록 하는 것을 의미한다. 상기 신호는 장치 상의 마이크로프로세서로의 통신 신호, 장치를 동작시키기 위해 인가된 전력 등과 같이, 임의의 형태로 전달될 수 있다.
용어 "바람직한/ 선호되는(preferred)", "바람직하게(preferably)", "예시/실시예" 및 "예시적인"은 특정 환경에서 특정 이점을 제공할 수 있는 발명의 실시형태와 관련 있다. 그러나, 동일 또는 다른 환경에서 다른 실시형태 역시 바람직한 또는 예시적인 것이 될 수도 있다. 더욱이, 하나 이상의 바람직한 또는 예시적인 실시형태라는 기재는 다른 실시형태가 유용하지 않다는 것을 의미하는 것이 아니며, 본 발명의 범위에서 다른 실시형태를 배제하고자 하는 것이 아니다.
위에(above)", "아래에(below)", "상부(top)", "하부(bottom)" 등과 같은 방향을 가리키는 용어는 3D 부품의 층 인쇄 방향을 참조하여 기재된다. 하기 실시형태에서, 층 인쇄 방향은 수직한 z-축을 따라 위쪽을 향한 방향이다. 이들 실시형태에서, "위에(above)", "아래에(below)", "상부(top)", "하부(bottom)" 등과 같은 용어는 수직한 z-축에 근거하고 있다. 그러나, 3D 부품의 층들이 수평한 x-축 또는 y-축을 따르는 것과 같이, 다른 축을 따라 인쇄되는 실시형태에 있어서, "위에(above)", "아래에(below)", "상부(top)", "하부(bottom)" 등과 같은 용어는 주어진 축에 대해 상대적인 방향을 의미한다.
"재료를 제공하는"과 같이 "제공하는(providing)"이라는 용어는, 청구항에 기재되었을 때 상기 제공되는 아이템에 대해 특별히 전달 또는 수령될 것을 요구하지 않는다. 상기 "제공하는"이라는 용어는 단지 읽기에 명확하고 용이하도록 할 목적에서 청구항의 후속 요소들에서 언급될 아이템들을 인용하는데 사용된다.
다르게 특정되지 않는 한, 여기서 언급된 온도는 대기압(즉, 1기압)에 기초한다.
"약(about)" 및 "실질적으로(substantially)"라는 용어는 이 분야의 기술자들에게 알려진 예견되는 변동(예를 들면, 측정 한계 및 가변성)으로 인해 측정가능한 값 및 범위와 관련하여 사용된다.
본 발명에 의하면, 3D 부품 등을 적층 방식으로 인쇄하기 위한 가압된 용융 재료의 흐름을 조절할 수 있는 액화기 어셈블리, 적층 제조 시스템 및 이를 이용한 인쇄 방법을 제공할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 압출기를 사용하여 3D 부품 및 지지 구조를 인쇄하도록 구성된 적층 제조 시스템의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 압출기가 구비된 프린트 헤드의 후면 사시도로서, 상기 압출기는 상류 액화기 및 하류 기어 어셈블리를 포함한다.
도 3은 상기 압출기의 정면 사시도이다.
도 4는 상기 압출기의 정면 분해 사시도이다.
도 5는 하류 기어 어셈블리 케이싱의 후면 분해 사시도이다.
도 6a는 하류 기어 어셈블리의 구동 기어에 대한 측면도이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 구동 기어의 전면 단부(front end)를 나타내는 도면이다.
도 7a는 하류 기어 어셈블리의 아이들러 기어의 측면도이다.
도 7 b는 도 7a에 도시된 아이들러 기어의 전면 단부를 나타내는 도면이다.
도 8은 하류 기어 어셈블리의 상부 단면도로서, 구동 기어와 아이들러 기어의 결합을 도시한다.
도 9는 압출기의 전면 개략도로서, 구동 기어와 아이들러 기어의 결합을 도시한다.
도 10은 상기 프린트 헤드와 사용되는 적층 제조 시스템의 콘트롤러 어셈블리를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 선택적인 압출기의 전면 개략도로서, 복수의 상류 액화기를 포함한다.
도 12a는 결합된 구동 및 아이들러 기어의 전면 사시도로서, 상기 구동 및 아이들러 기어 주위에서 두 개 액화기로부터의 흐름 프로파일(flow profiles)을 나타낸다.
도 12b는 도 12a에 도시된 결합된 구동 및 아이들러 기어와 흐름 프로파일에 대한 전면 개략도이다.
도 13a는 상기 결합된 구동 및 아이들러 기어에 대한 전면 사시도로서, 상기 아이들러 및 구동 기어 주위의 두 개 액화기로부터의 선택적인 흐름 프로파일을 나타내고, 상기 두 개의 액화기는 도 12a 및 12b에 도시된 것들에 대해 직교하는 방향을 향하도록 배치된다.
도 13b는 도 13a에 도시된 결합된 구동 및 아이들러 기어와 흐름 프로파일의 상부 개략도이다.
도 14는 비드 폭에 리플(ripples)이 있는 용융재료를 적층시키는 노즐의 사시도이다.
도 15는 시변(time-varying) 신호로 압출기를 구동시키는 동안 용융 재료를 적층시키는 노즐에 대한 사시도이다.
도 16은 명령 신호, 상기 명령 신호의 속도 성분 및 상기 명령 신호의 시변성분에 대한 그래프이다.
도 17은 콘트롤러 어셈블리(38)에 대한 확대 블록도이다.
도 18은 적층된 용융 재료에 리플을 감소시키기 위한 시변 신호를 생성하는 방법에 대한 흐름도이다.
본 발명은 적층 제조 기술을 이용하여 3D 부품 및 지지 구조를 적층 방식으로(in a layer-by-layer manner) 인쇄하기 위해 적층 제조 시스템에 사용하기 위한 프린트 헤드 압출기에 관한 것이다. 위에서 설명된 바와 같이, 상기 압출기는 압력-생성 스테이지로서 기능하는 하나 이상의 상류 액화기, 및 흐름-조절 스테이지로서 기능하는 하류 기어 어셈블리를 포함하고, 여기서 소모성 재료는 하나 이상의 상류 액화기로 공급되어 상기 액화기에서 용융된다. 생성된 용융 재료는 그 다음 상기 하류 기어 어셈블리로 제공된다. 하류 기어 어셈블리에서, 상기 용융 재료는 제어 가능하게(controllably) 펌프되고, 계량 또는 압출 노즐로 공급되고, 여기서 상기 재료는 압출되어 3D 부품 또는 지지 구조의 일련의 로드(a series of roads)를 생성한다.
또한, 본 발명은 적층 제조 시스템의 콘트롤러 어셈블리에 관한 것으로, 상류 액화기(들)의 공급 및 용융 특성에 따라, 상기 하류 기어 어셈블리를 두 개 모드 중 하나로 작동시키도록 구성된다. 제1 실시형태에서, 하류 기어 어셈블리는 바람직하게는 용융 재료를 상기 상류 액화기로부터 낮은 양의 압력에서(at lower positive pressures) 받아들이는 하류 기어 펌프로서 기능한다. 상기 "기어 펌프(gear pump)" 실시형태에서, 콘트롤러 어셈블리는 압출을 위해 상기 하류 기어 어셈블리에게 용융 재료를 능동적으로 펌프 또는 가압하도록 명령할 수 있다.
제2 실시형태에서, 하류 기어 어셈블리는 바람직하게는 용융 재료를 상류 액화기(들)로부터 높은 양의 압력에서(at higher positive pressures) 받아들이는 하류 기어 브레이크로서 기능한다. 상기 "기어 브레이크(gear brake)" 실시형태에서, 콘트롤러는 압출을 위해 하류 기어 어셈블리에게 가압된 용융 재료의 흐름을 제어 가능하게 제한 또는 계량하도록 명령할 수 있다.
양 실시형태에서, 상기 상류 액화기는 바람직하게는 용융 재료의 가압된 흐름을 상기 하류 기어 어셈블리에 생성하고, 상기 하류 기어 어셈블리는 바람직하게는 3D 부품 및 지지 구조를 인쇄하기 위해 상기 용융 재료의 흐름을 조절한다. 특히, 상기 하류 기어 어셈블리는, 움직이는 메니스커스(moving meniscus)를 가지지 않고, 노즐로부터 흐르기 전에 가압될 필요가 있는 용융 재료를 더 작은 부피로 가지며, 재료 계량을 더욱 복잡하게 만드는 용융 상 변화( melt phase change) 및 관련 재료 팽창을 경험하지 않기 때문에, 종래의 액화기에 대해 잠재적으로 더 빠르고 보다 일관된 과도응답(transient response)을 제공할 수 있다. 따라서, 상기 하류 기어 어셈블리는 그 기어와 노즐 사이에 작고 일관된 체적의 가압 재료를 가진다.
본 발명의 액화기 어셈블리는 임의의 적절한 압출 기반 적층 제조 시스템에 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 1은 두 개의 소모성 어셈블리(12)와 함께 사용되는 시스템(10)을 나타내고, 여기서 각각의 어셈블리(12)는 시스템(10)으로 인쇄하기 위한 소모성 필라멘트의 공급물을 유지하는, 용이하게 적재 가능하고 제거 가능하며 교체 가능한 컨테이너 장치이다. 일반적으로, 상기 소모성 어셈블리(12) 중 하나는 부품 재료 필라멘트를 수용하고, 다른 소모성 어셈블리(12)는 지지 재료 필라멘트를 수용한다. 그러나, 상기 양 소모성 어셈블리(12)는 동일한 구조로 이루어질 수 있으며, 어떤 경우에는 두 개의 소모성 어셈블리가 모두 부품 재료 필라멘트를 수용할 수 있다.
도시된 실시형태에서, 각각의 소모성 어셈블리(12)는 컨테이너부(14), 가이드 튜브(16) 및 프린트 헤드(18)를 포함하고, 각 프린트 헤드(18)는 바람직하게는 본 발명의 압출기(20)를 포함한다. 컨테이너부(14)는 만넬라 등의 미국특허공개 2013/0161432호 및 2013/0161442호, 및 배첼더 등의 미국특허공개 2014/0158802호에 설명된 바와 같이, 스풀, 코일 또는 소모성 필라멘트의 다른 형태의 공급 장치(supply arrangement)를 유지할 수 있다.
가이드 튜브(16)는 컨테이너부(14)와 프린트 헤드(18)를 서로 연결하고, 프린트 헤드(18)(및/또는 시스템(10))의 구동 메커니즘은 컨테이너부(14)로부터 소모성 필라멘트의 연속적인 세그먼트를, 가이드 튜브(16)를 통해 상기 프린트 헤드(18)의 압출기(20)로 인출한다. 상기 실시형태에서, 가이드 튜브(16) 및 프린트 헤드(18)는 소모성 어셈블리(12)의 하위 구성요소이고, 시스템(10)으로부터 및 시스템으로 각각의 소모성 어셈블리(12)와 함께 상호 교체될 수 있다. 선택적으로, 하기에 설명되는 바와 같이, 가이드 튜브(16) 및/또는 프린트 헤드(18)(또는 그의 부분)는 소모성 어셈블리(12)의 하위 구성요소가 아니라, 시스템(10)의 구성요소일 수 있다.
시스템(10)은 소모성 어셈블리(12)의 부품 및 지지 재료 필라멘트로부터 3D 부품 또는 모델 및 대응 지지 구조체(예, 3D 부품(22) 및 지지구조(24))를, 층 기반 적층 제조 기술을 이용하여 각각 인쇄하기 위한 적층 제조 시스템이다. 시스템(10)으로 적합한 적층 제조 시스템은 미국 미네소타 에덴 프래리 소재의 스트라타시스 사에 의해 개발된 상표명 "FDM"의 용융 증착 모델링 시스템(fused deposition modeling systems)과 같은 압출 기반 시스템을 포함한다.
도시된 바와 같이, 시스템(10)은 시스템 하우징(26), 챔버(28), 플래튼(30), 플래튼 갠트리(32), 헤드 캐리지(34) 및 헤드 갠트리(36)를 포함한다. 시스템 하우징(26)은 시스템(10)의 구조적인 요소이고, 지지 프레임, 하우징 벽 등과 같은 다중 구조의 하위 구성요소를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 시스템 하우징(26)은 소모성 어셈블리(12)의 컨테이너부(14)를 수용하도록 구성된 컨테이너 베이(container bays)를 포함할 수 있다. 선택적인 실시형태에서, 상기 컨테이너 베이는 시스템(10)이 전체적으로 차지하는 면적(footprint)을 줄이기 위해서 생략될 수도 있다. 이들 실시형태에서, 컨테이너부(14)는 가이드 튜브(16)와 프린트 헤드(18)에 대해 충분한 이동 범위를 제공하면서, 시스템 하우징(26)에 인접하여 설치될 수 있다.
챔버(28)는 3D 부품(22) 및 지지 구조(24)를 인쇄하기 위한 플래튼(30)을 수용하는 밀폐된 환경이다. 챔버(28)는 부품 및 지지 재료가 압출되어 적층된 후에 (예를 들면, 왜곡(distortions) 및 컬링(curling)을 감소시키기 위해) 고화되는 속도를 감소시키기 위하여 (예를 들면, 순환하는 가열 공기를 이용하여) 가열될 수 있다. 선택적인 실시형태에서, 챔버(28)는 생략될 수 있고 및/또는 다른 타입의 생성 환경으로 대체될 수도 있다. 예를 들면, 3D 부품(22) 및 지지 구조(24)는 주변 조건에 개방된 생성 환경에서 구축될 수 있거나 선택적인 구조(예를 들면, 플렉시블 커튼)로 둘러싸일 수도 있다.
플래튼(30)은 그 위에서 3D 부품(22) 및 지지 구조(24)가 적층 방식으로 인쇄되는 플랫폼이며, 플래튼 갠트리(32)에 의해 지지된다. 일부 실시형태에서, 플래튼(30)은 생성 기판(build substrate)과 결합되어 생성기판을 지지할 수 있으며, 이것은 던 등의 미국 특허 7,127,309호에 개시된 바와 같은 플라스틱, 골판지 또는 다른 적절한 재료로 제조된 트레이 기판(tray substrate)일 수 있으며, 증착된 재료를 플래튼(30) 상에 또는 생성 기판 상에 부착시키기 위해 플렉시블 중합체 필름 또는 라이너, 페인터 테이프(painter's tape), 폴리이미드 테이프(예를 들면, 미국 델라웨어 윌밍턴 소재 듀폰 드 니무어스 사(E. I. du Pont de Nemours and Company)의 상표명 KAPTON), 또는 다른 일회용 제품을 포함할 수도 있다. 플래튼 갠트리(32)는 플래튼(30)을 수직한 z-축을 따라 (또는 실질적으로 수직한 z-축을 따라) 이동시키도록 구성된 갠트리 어셈블리이다.
헤드 캐리지(34)는 프린트 헤드(18)와 같은 하나 이상의 이동 가능한(removable) 프린트 헤드를 수용하도록 구성된 유닛이며, 헤드 갠트리(36)에 의해 지지된다. 헤드 캐리지(34)로서 적합한 장치 및 헤드 캐리지(34)에 프린트 헤드(18)를 유지하기 위한 기술의 예시로는, 스완슨 등의 미국 특허 8,403,658호 및 8,647,102호에 개시된 것들이 포함된다. 일부 바람직한 실시형태에서, 각각의 프린트 헤드(18)는, x-y 생성 평면에서 헤드 캐리지(34)에 대한 프린트 헤드(18)의 운동이 방지 또는 제한되지만, 프린트 헤드(18)가 x-y 생성 평면으로부터 제어가능하게 이동되는 것을 허용하 는 방식(예, 서보 작동(servoed), 토글 작동(toggled) 또는 아니면 선형 또는 피벗 방식으로 전환 작동)으로, 프린트 헤드(18)를 확고하게 유지하기 위해서 헤드 캐리지(34)와 결합하도록 구성된다.
헤드 갠트리(36)는 헤드 캐리지(34) (및 유지된 프린트 헤드(18))를 챔버(28) 위의 (실질적으로) 수평한 x-y 평면에서 이동시키도록 구성된 벨트-구동 갠트리 어셈블리이다. 헤드 갠트리(36)로 적합한 갠트리 어셈블리의 예시로는 콤 등의 미국특허공개 2013/0078073호에 개시된 것들이 포함되고, 여기서 헤드 갠트리(36)는 챔버(28) 천장을 정의하는 변형가능한 배플(baffles)(미도시)을 지지할 수도 있다. 선택적인 실시형태에서, 헤드 갠트리(36)는 헤드 캐리지(34) (및 유지된 프린트 헤드(18))를 이동시키기 위해 로봇 액추에이터 등과 같은 임의의 적절한 메커니즘을 이용할 수 있다.
추가적인 선택적 실시형태에서, 플래튼(30)은 챔버(28) 내에서 수평한 x-y 평면에서 이동하도록 구성될 수 있고, 헤드 캐리지(34) (및 프린트 헤드(18))는 z-축을 따라 이동하도록 구성될 수 있다. 플래튼(30)과 프린트 헤드(18) 중 하나 또는 모두가 서로에 대해 이동할 수 있도록 다른 유사한 배열이 사용될 수도 있다. 플래튼(30) 및 헤드 캐리지(34) (및 프린트 헤드(18))는 다른 축들을 따라 배향되도록 구성될 수도 있다. 예를 들면, 플래튼(30)은 수직한 방향을 향하도록 하고, 프린트 헤드(18)는 3D 부품(22) 및 지지 구조(24)를 x-축 또는 y-축을 따라 인쇄할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 플래튼(30) 및/또는 헤드 캐리지(34)(및 프린트 헤드(18))는 극 좌표계와 같이, 비-직교좌표계로 서로에 대해 이동될 수 있다.
상기 설명된 실시형태에서, 가이드 튜브(16) 및 프린트 헤드(18)는 소모성 어셈블리(12)의 하위 구성요소이다. 그러나, 선택적인 실시형태에서, 가이드 튜브(16) 및/또는 프린트 헤드(18)는 소모성 어셈블리(12)의 하위 구성요소 대신에, 시스템(10)의 구성요소일 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 프린트 헤드(18), 및 프린트 헤드(18), 헤드 캐리지(34) 및 헤드 갠트리(36) 사이의 연결구성(connections)으로 적절한 장치에 대한 부가적인 실시예는 크럼프 등의 미국 특허 5,503,785호; 스완슨 등의 미국특허 6,004,124호; 라보시에 등의 미국특허 7,384,255호 및 7,604,470호; 배첼더 등의 미국특허 7,896,209호 및 7,897,074호; 및 콤 등의 미국특허 8,153,182호에 개시된 것들이 포함된다. 예를 들면, 압출기(20)는 선택적으로 기존의 적층 제조 시스템에 새로 장착될 수도 있다.
부가적인 선택적 실시형태(예, 도 10의 아래에 도시)에서, 프린트 헤드(18) 및 압출기(20)의 일부는 시스템(10)의 하위 구성요소일 수 있다. 이 경우, 프린트 헤드(18) 및 압출기(20)의 다른 부분들은, 시스템(10)의 하위 구성요소인 부분들과 결합 (및 이들로부터 제거)될 수 있는, 교체가능한 소모성 어셈블리(12)의 하위 구성요소일 수 있다.
시스템(10)은 시스템(10)의 구성요소와 작동하도록 구성된 하나 이상의 컴퓨터 기반 시스템인, 콘트롤러 어셈블리(38)를 포함할 수도 있다. 콘트롤러 어셈블리(38)는 통신라인(40)을 통해 (압출기(20)를 포함하는) 프린트 헤드(18), 챔버(28)(예, 챔버(28) 용 가열장치가 구비), 헤드 캐리지(34), 플래튼 갠트리(32) 용 모터 및 헤드 갠트리(36) 등, 시스템(10)의 다양한 구성요소 및 다양한 센서, 칼리브레이션 장치, 디스플레이 장치 및/또는 사용자 입력장치와 통신할 수 있다. 일부 실시형태에서, 콘트롤러 어셈블리(38)는 하나 이상의 플래튼(30), 플래튼 갠트리(32), 헤드 갠트리(36) 및 시스템(10)의 다른 적절한 구성요소와 통신할 수도 있다.
부가적으로, 콘트롤러 어셈블리(38)는 통신 라인(42)을 통해 다른 컴퓨터 및 서버 등 외부 장치와, 네트워크 연결(예, 로컬 영역 네트워크(LAN) 연결, 범용 직렬버스(USB) 연결 등)을 통해 통신할 수도 있다. 통신라인(40, 42)은 각각 단일의 신호선으로 도시되었지만, 하나 이상의 전기적, 광학적 및/또는 무선 신호라인 및 중간 제어회로를 각각 포함할 수 있고, 여기서 통신라인(40)의 부분들은 제거가능한(removable) 프린트 헤드(18)의 하위 구성요소일 수도 있다.
일부 실시형태에서, 콘트롤러 어셈블리(38)의 하나 이상의 컴퓨터 기반 시스템은 시스템(10)의 내부에 존재하고, 2차원 프린터에서와 동일 또는 유사한 방식으로 외부 컴퓨터 등으로부터, 사용자가 네트워크 통신 라인(42)을 통해 시스템(10)을 작동시키도록 허용한다. 선택적으로, 콘트롤러 어셈블리(38)는 통신라인(42)을 통해 네트워크를 거쳐 통신할 수 있을 뿐만 아니라, 콘트롤러 어셈블리(38)의 내부 컴퓨터-기반 시스템과 통신할 수 있는, 하나 이상의 외부 컴퓨터 기반 시스템(예를 들면, 데스크탑, 랩탑, 서버-기반, 클라우드-기반, 테블릿, 모바일 미디어 장치 등)을 포함할 수도 있다.
상기 선택적 실시형태에서, 아래에 설명된 콘트롤러 어셈블리(38)의 처리기능은 내부 및 외부의 컴퓨터 기반 시스템 간에 분리될 수 있다. 또 다른 선택적 실시형태에서, 콘트롤러 어셈블리(38)의 상기 컴퓨터 기반 시스템은 모두 시스템(10)(예를 들면, 하나 이상의 외부 컴퓨터들)의 외부에 위치될 수 있고, 통신라인(40)을 통해 시스템(10)과 통신할 수 있다.
인쇄작업 중에, 콘트롤러 어셈블리(38)는 플래튼 갠트리(32)가 챔버(28) 내에서 미리 결정된 높이로 플래튼(30)을 이동시키도록 지시할 수 있다. 그 다음 콘트롤러 어셈블리(38)는 헤드 갠트리(36)가 챔버(28) 위 수평한 x-y 평면 주위로 헤드 캐리지(34)(및 유지된 프린트 헤드(18))를 이동시키도록 지시할 수 있다. 또한, 콘트롤러 어셈블리(38)는 프린트 헤드(18)가 컨테이너부(14)로부터 및 가이드 튜브(16)를 통해서 소모성 필라멘트의 연속적인 세그먼트들을 선택적으로 인출하도록 각각 지시할 수 있다.
그 다음, 하기에 설명되는 바와 같이, 각각의 소모성 필라멘트의 연속적인 세그먼트들은 각 프린트 헤드(18)의 압출기(20)에서 용융되어 용융 물질을 생성한다. 상기 생성된 압출물은 압출기(20)를 나와 플래튼(30) 상에 적층 방식으로(in a layer-by-layer manner) 3D 부품(22) 또는 지지 구조(24)를 인쇄하기 위해 일련의 로드(as a series of roads)로서 적층될 수 있다. 인쇄작업이 완료된 후에, 제조된 3D 부품(22) 및 지지 구조(24)는 챔버(28)로부터 이동될 수 있고, 지지 구조(24)는 3D 부품(22)으로부터 제거될 수 있다. 3D 부품(22)은 이후, 필요한 경우, 하나 이상의 부가적인 후처리 공정을 거칠 수 있다.
도 2는 예시적인 프린트 헤드(18)의 후방 사시도로서, 본 발명에 의한 하우징(44), 구동 메커니즘(46) 및 압출기(20)를 포함하고, 필라멘트(48)와 사용되는 것으로 도시되어 있다. 하우징(44) 및 구동 메커니즘(46)으로 적합한 구성요소의 예시는 라보시에 등의 미국특허 7,604,470호; 배첼더 등의 미국특허 7,896,209호; 7,897,074호; 및 8,236,227호; 스완슨 등의 미국특허 8,647,102호; 쿱 등의 미국 특허공개 2014/0159273호; 및 리빗의 미국 특허공개 2014/0159284호에 개시된 것들을 포함한다. 그러나 압출기(20)는 시스템(10)과 사용하기에 적합한 임의의 프린트 헤드에 편입될 수 있다.
도시된 바와 같이, 압출기는 상류 액화기(50) 및 하류 기어 어셈블리(52)를 포함하고, 여기서 사용된 용어 "상류(upstream)" 및 "하류(downstream)"는 화살표(54)로 표시된 바와 같이 필라멘트 공급 방향을 참조하여 나타내었다. 액화기(50)는 소모성 재료(예, 필라멘트(48))를 받아들여 용융시킴으로써, 기어 어셈블리(52)에 제공될 용융 재료의 가압된 흐름을 생성하도록 구성된 예시적인 액화기이다. 도시된 실시예에서, 액화기(50)는 하나 이상의 열 전도성(thermally-conductive) 재료(예, 스테인레스 스틸)로부터 제조된 리지드 중공 튜브로서, 길이방향 축(58)을 따라 서로 오프셋되어 있는 유입단(56a)과 배출단(56b)을 구비한다.
액화기(50)로 적합한 원통형 기하학적 구조의 예시로는, 크럼 등의 미국특허 5,503,785호; 스완슨 등의 미국특허 6,004,124호; 라보시에 등의 미국특허 7,604,470호; 리빗 등의 미국특허 7,625,200호; 및 배첼더 등의 미국특허 8,439,665호에 개시된 것들이 포함된다. 도시된 바와 같이, 액화기(50)는 약 0.01 인치에서 약 0.03 인치 범위의 예시적인 벽 두께의, 얇은 벽을 가진다. 액화기(50)의 예시적인 내부 직경은 약 0.05 인치에서 약 0.10 인치 범위이다. 액화기(50)의 유입단(56a)과 배출단(56b) 간의 예시적인 길이는 적어도 약 1.5인치이고, 수 인치에 이른다.
선택적인 실시형태에서, 액화기(50)는 리본 필라멘트와 사용되도록 리본 액화기 아키텍처를 가질 수 있다. 여기서, 용어 "리본 필라멘트"는 길이방향을 따라 실질적으로 직사각형, 아치형 및/또는 타원형 단면을 가지는 필라멘트(예, 필라멘트(48))를 의미하고, 배첼더 등의 미국특허 8,236,227호에 개시된 것과 같이, 구동 메커니즘(46)과 결합하기 위한 하나 이상의 표면 트랙(surface tracks)을 선택적으로 포함할 수 있다. 이에 따라, 여기서 사용된 용어 "리본 액화기"는 길이방향을 따라 실질적으로 직사각형, 아치형 및/또는 타원형 내부 채널 단면을 가지는 중공의 액화기(예, 액화기(50))를 지칭한다. 필라멘트(48) 및 액화기(50)에 대한 적절한 리본 필라멘트 및 리본 액화기 아키텍처의 예시는 배첼더 등의 미국특허 8,221,669호; 8,236,227호; 및 8,439,665호에 개시된 것들이 포함된다.
그 밖에 적절한 액화기로는 미국 특허공개 2015/0096717호 및 2015/0097053호에 개시된 것들을 포함한다.
액화기(50)의 유입단(56a)은 시스템(10)에 설치되었을 때 액화기(50)가 하우징(44) 아래에 매달리도록, 하우징(44)에 작동가능하게(operably) 연결된다. 기어 어셈블리(52)는 바람직하게는 액화기(50)의 배출단(56b)에 연결되어, 시스템(10)에 설치되었을 때 기어 어셈블리(52)가 하우징(44) 및 액화기(50) 아래에 매달리도록 이루어진다. 선택적인 실시형태에서, 액화기(50)의 하나 이상의 부분들 및/또는 기어 어셈블리(52)는 하우징(44) 내에 유지될 수 있거나, 또는 하나 이상의 부가적인 구성요소가 액화기(50)의 배출단(56b)을 기어 어셈블리(52)에 작동가능하게 연결할 수 있다. 또한, 기어 어셈블리(52)는 액화기(50)의 배출단(56b)에의 연결에 부가하여, 하우징(44)에 작동가능하게 연결될 수 있다.
구동 메커니즘(46)은 가이드 튜브(16)로부터 필라멘트(48)의 연속적인 세그먼트들을, 콘트롤러 어셈블리(38)로부터의 명령에 기초하여, 모터(60)(예를 들면, 스텝모터)의 동력하에 액화기(50)의 유입단(56a)으로 공급하도록 구성된 필라멘트 구동 메커니즘이다. 구동 메커니즘(46)으로 적절한 장치의 예시로는 라보시에 등의 미국특허 7,384,255호; 및 배첼더 등의 미국특허 7,896,209호에 개시된 것들이 포함된다.
구동 메커니즘(46)과 모터(60)는 도 2에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 액화기(50)의 바로 상류(예를 들면, 하우징(44) 내)에 위치하지만, 선택적인 실시형태에서는 하나 이상의 구동 메커니즘이 예를 들면, 시스템(10) 내의 고정된 위치와 같이, 컨테이너(14)와 액화기(50) 사이에(및 이를 포함하여) 필라멘트(48)의 경로를 따른 임의의 적절한 위치에 배치될 수 있다. 일부 실시형태에서, 스풀 구동 메커니즘(미도시)이 컨테이너(14) 안의 스풀과 결합하기 위해 사용될 수 있고, 이때 스풀은 감겨진 필라멘트(18) 공급물을 유지한다. 이 경우, (필라멘트(18)와 직접 결합하기보다는) 상기 스풀 구동 메커니즘은 스풀을 회전시켜 필라멘트(48)를 가이드 튜브(16)를 통해 및 액화기(50)로 공급한다. 이것은 프린트 헤드(18)의 무게를 줄인다. 게다가, 필라멘트 구동 제어는 압력을 공급할 필요만 있고, 높은 가속도 및 시작/정지시 갠트리 움직임에 용융재료 압출을 조정할 임무를 수행하지 않으므로, 낮은 정확도로 작동할 수도 있다.
또한, 복수의 구동 메커니즘이 함께 사용될 수도 있다. 예를 들면, 제2 구동 메커니즘은 컨테이너(14)로부터 프린트 헤드(18)로 필라멘트(48)를 공급하는데 사용될 수 있다. 그 다음 프린트 헤드(18)에 의해 유지된 제1 구동 메커니즘(예를 들면, 구동 메커니즘(46))은 상기 제1 구동 메커니즘으로부터 공급된 필라멘트(48)를 받아들여 상기 받은 필라멘트(48)를 액화기(50)로 공급할 수 있다. 도시된 바와 같이, 구동 메커니즘(46) 및 모터(60)는 하우징(44)에 고정되고 3D 부품(22)을 인쇄하는 동안 헤드 갠트리(36)에 의해 유지된다. 선택적으로, 구동 메커니즘(46) 및 모터(60)는 하우징(44)에서 떨어진 위치에서 시스템(10)에 고정되어, 3D 부품(22)을 인쇄하는 동안 헤드 갠트리(36)에 의해 운반되는 질량을 감소시킬 수 있다.
도 2에 더 도시된 바와 같이,압출기(20)는 또한 상류 히터 어셈블리(62)를 포함하고, 이는 액화기(50) 길이의 적어도 일부에 열을 전달하도록 구성된 하나 이상의 가열 요소이다. 전달된 열은 액화기 내에 수용된 필라멘트(48)를 용융시킴으로써, 기어 어셈블리(52)로 전달하기 위한 필라멘트(48)의 용융 재료를 생성한다. 히터 어셈블리(62)로 적합한 어셈블리의 예시는 크럼프 등의 미국특허 5,503,785호; 스완슨 등의 미국특허 6,004,124호; 라보시에 등의 미국특허 7,604,470호; 리빗의 미국특허 7,625,200호; 배첼더 등의 미국특허 8,439,665호; 및 스완슨 등의 미국 특허공개 2012/0018924호 및 2012/0070523호에 개시된 것들을 포함한다.
액화기(50)를 이용하여 설명되었지만, 압출기(20)는 가압 용융 재료를 생성하고 가압 용융 재료를 기어 어셈블리(52), 예, 제한 없이 펠렛 및/또는 파우더-공급 스크류-펌프(pellet and/or powder-fed screw-pumps), 필라멘트-공급 스크류-펌프(filament-fed screw-pumps), 슬러그-공급 펌프(slug-fed pumps) 등, 에 제공하기 위해, 선택적으로 다양한 서로 다른 상류 액화기를 포함할 수 있다. 추가 실시형태에서, 액화기(50) 또는 그 대체구성은 프린트 헤드(18)로부터 한층 더 상류에, 예를 들면 고정된 위치에 배치될 수도 있다. 이 실시형태에서, 용융 재료는 가열 도관을 통해 기어 어셈블리(52)로 공급될 수 있다. 이것은 프린트 헤드(18)로부터 액화기를 제거하는데 유용하고, 소모품 비용과 프린트 헤드 무게를 감소시킬 수 있다.
또한, 하기에 설명되는 바와 같이, 단일의 액화기(50)를 이용하여 설명되었지만, 선택적인 실시형태에서, 압출기(20)는 기어 어셈블리(52)에 여러 개의 소모성 재료를 동시에 공급하기 위해 복수의 상류 액화기를 포함할 수 있다. 이것은 기어 어셈블리(52)로 용융 재료의 유량(flow rate)을, 두 배, 세 배 또는 네 배(이상)의 유량으로 증가시키는데 유용하다. 부가적으로, 복수의 상류 액화기의 사용은 하기에 설명되는 바와 같이, 독특한 횡단면 및/또는 재료 특성을 가지는 기어 어셈블리(52)로부터의 압출물을 제공할 수도 있다. 도시된 바와 같이, 구동 메커니즘(46) 및 모터(60)는 하우징(44)에 고정되고, 3D 부품(22)을 인쇄하는 동안 헤드 갠트리(36)에 의해 운반된다. 선택적으로, 구동 메커니즘(46)과 모터(60)는 하우징(44)으로부터 떨어진 위치에서 시스템(10)에 고정되어 3D 부품(22)을 인쇄하는 동안 헤드 갠트리(36)에 의해 운반되는 질량을 감소시킬 수 있다.
도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 기어 어셈블리(52)는 베이스 케이싱(64), 기어 케이싱(66) 및 전면 케이싱(68)을 포함하는 하류의 기어 기반 어셈블리이고, 상기 기어 케이싱(66)은 베이스 케이싱(64)과 전면 케이싱(68) 사이에 볼트(70)로 고정(집합적으로 케이싱 어셈블리(71)로 표시됨)된다. 기어 어셈블리(52)가 블록과 같은 기하학적 구조로 도시되었지만, 선택적인 실시형태에서 기어 어셈블리(52)는 무게 및 체적 치수를 감소 및/또는 미적 품질 등을 위해 임의의 적절한 구성을 가질 수 있다.
도시된 실시예에서, 또한 기어 어셈블리(52)는 베이스 케이싱(64), 기어 케이싱(66) 및 전면 케이싱(68)의 각각을 통해 연장되는 가열 요소(72)를 포함할 수도 있다. 가열 요소(72)는 베이스 케이싱(64), 기어 케이싱(66) 및 전면 케이싱(68)을 상승된 온도로 가열 및 유지하도록 구성된 한쌍의 전기 가열 요소이다. 이것은 수용된 용융 필라멘트 재료가 프린트 헤드(18)가 인쇄하는 중에 기어 어셈블리(52) 내에서 냉각 및/또는 응고되는 것을 방지한다.
더 도시된 바와 같이, 또한 기어 어셈블리(52)는 전면 케이싱(68)의 개구부(78, 80)로 각각 연장되는 구동 기어(74) 및 아이들러 기어(76)를 포함할 수 있다. 하기에 설명되는 바와 같이, 구동 기어(74) 및 아이들러 기어(76)는 기어 어셈블리(52)에 흐름-조절 기능(예를 들면, 펌핑 또는 계량 기능)을 제공하고, 기어 케이싱(66)을 관통하여 베이스 케이싱(64)으로 연장된다. 특히, 구동 기어(74)는 전면 케이싱(68)의 개구부(78) 이상으로 연장되어 모터(4)(예, 스텝모터)와 작동가능하게(operably) 연결되는 샤프트(82)를 포함한다.
구동 기어(74)는 다양한 메커니즘으로 모터(84)에 작동 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들면, 샤프트(82)는 모터(84)의 축에 직접 삽입되어 모터(84)가 직접 구동 기어(74)를 회전시키도록 허용할 수 있다. 선택적으로, 하나 이상의 부가적인 샤프트 및/또는 기어가, 예를 들면, 기어 어셈블리(52)로부터 떨어진 위치에 모터(84)를 위치시키도록, 구동 기어(74)와 모터(84)를 서로 연결할 수 있다. 예를 들면, 모터(84)는 하우징(44)내에 위치되어 하나 이상의 부가적인 샤프트(예, 축(58)에 평행한)를 이용하여 구동 기어(74) 및 기어들, 또는 모터(84)의 회전력을 구동 기어(74)에 전달할 수 있는 다른 결합 메커니즘에 연결될 수도 있다. 이것은 구동 모터(84)가 단순한 직접 구동(direct drive)을 가지고 노즐로부터 일정 거리에 위치될 수 있도록 허용하고, 모터(84)는 냉각 측 또는 비가열 영역(예, 챔버(28)의 외부)에 존재하면서, 노즐이 가열 영역(예, 챔버(28) 내)에 위치되도록 허용하는 가열환경에 사용하는 것을 용이하게 한다.
용융된 재료가 양의 압력(positive pressure)하에 기어 어셈블리(52)에 제공되는 것이기 때문에, 모터(84)는 선택적으로 흐름-조절 기능을 수행하기 위해 저-토크(low-torque) 모터일 수 있다. 이것은 모터(84)가 더 작은 사이즈 및 더 가벼운 무게를 가질 수 있도록 허용함으로써, 프린트 헤드(18)가 더 작고 가벼워지는 것을 허용한다. 이는 따라서 헤드 갠트리(36)가 프린트 헤드(18)를 더욱 효과적으로 이동시킬 수 있도록 허용한다. 상기 저-토크 모터(84) 실시형태에서, 콘트롤러 어셈블리(38)는 모터(60, 84)에 부분적으로 또는 완전히 동기화된 방식으로 기어 어셈블리(52) 내의 용융 재료에 대해 적절한 압력을 유지하도록 명령한다.
추가적인 선택적 실시형태에서, 모터(60, 84)는 구동 메커니즘(46)과 구동 기어(74)를 동작시키는 단일의 모터로서 제공될 수 있다. 상기 실시형태에서, 콘트롤러 어셈블리(38)는 상기 단일의 모터에 구동 메커니즘(46) 및 구동 기어(74)를 동기화된 방식으로 동작시키도록 지시할 수 있다.
아이들러 기어(76)는 구동 기어(74)와 결합된 제2의 기어이지만, 그 외는 기어 어셈블리(52) 내에서 자유롭게 이동할 수 있다. 따라서, 구동 기어(74)의 회전은 기어 케이싱(66) 내에서 아이들러 기어(76)를 반대로 회전시킨다(counter rotate). 이것은 용융 재료를 조절된 방식으로 압출하기 위한 펌핑(pumping) 기능을 생성한다. 선택적으로, 아이들러 기어(76)는, 바람직하게는 모터(82)와 함께 동기화된 동작으로, 콘트롤러 어셈블리(38)의 명령을 받는 독립적인 모터(미도시)와 함께 회전되는 제2의 구동 기어(76)로 대체될 수 있다. 이 경우에, 상기 제2 구동 기어(76)는 전면 케이싱(68)의 밖으로 연장되고, 상기 제2 구동 기어(76)를 상기 독립적인 모터에 서로 연장하는 샤프트를 포함할 수도 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 베이스 케이싱(64), 기어 케이싱(66) 및 전면 케이싱(68)은 가열 요소(72)를 수용하기 위한 측면 개구부(86a, 86b, 86c)를 각각 포함한다. 가열 요소(72)는 바람직하게는 측면 개구부(86a, 86b, 86c)에 고정 방식(예를 들면, 마찰 맞춤 및/또는 고정 나사)으로 수용되어 가열 요소(72)가 케이싱(64, 66, 68)에 대해 빠져버리거나 아니면 이동하는 것을 방지한다.
또한, 베이스 케이싱(64), 기어 케이싱(66) 및 전면 케이싱(68)은 볼트(70)(도 4에는 미도시)를 수용하기 위한 측면 개구부(88a, 88b, 88c)를 각각 포함할 수 있다. 베이스 케이싱(64)의 측면 개구(88a)는 바람직하게는 나사식으로 볼트(70)와 결합하도록 나사산이 형성된다. 이것은 볼트(70)가 케이싱(64, 66, 68)을 함께 확고하게 유지하도록 허용한다. 선택적으로, 기어 어셈블리(52)는 베이스 케이싱(64)의 측면 개구부(88a)의 외부에서 볼트(70)와 나사식으로 결합하도록 외부에 나사산이 형성된 너트(미도시)를 포함할 수도 있다. 다른 대안적인 실시형태에서, 볼트(70)는 반대방향에서 측면 개구부(88a, 88b, 88c)를 관통하여 연장되어, 전면 케이싱(68)이 볼트(70)와 나사식으로 결합되도록 끼워넣어질 수 있다.
도 4에 더 도시된 바와 같이, 액화기(50)의 배출단(56b)은 기어 케이싱(66)의 상부 또는 유입 개구부(90)에 연결될 수 있다. 부가적으로, 기어 어셈블리(52)는 기어 케이싱(66)(도 9의 하부에 가장 잘 나타남)의 하부 또는 배출 개구부(94)에 연결된 노즐(92)을 포함한다. 노즐(92)은 용융 재료를 원하는 로드 폭(road width)으로 압출하도록 구성된 작은 직경의 노즐이다. 노즐(92)의 예시적인 내부 팁 직경은 약 125 마이크로미터(약 0.005 인치)에서 약 760 마이크로미터(약 0.030 인치)까지에 이르는 직경을 포함한다. 일부 실시형태에서, 노즐(92)은 스완슨 등의 미국 특허공개 2014/0048969호에 개시된 바와 같이(참조로 그 내용이 포함됨), 하나 이상의 오목한 홈(recessed grooves)을 포함하여, 다양한 로드 폭을 가지는 로드를 생성할 수 있다.
또한, 노즐(92)은 임의의 적절한 길이-대-직경 비(length-to-diameter ratio)를 가지는 축방향 채널을 가질 수 있다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 노즐(92)은 예를 들면, 약 2:1에서 약 5:1의 길이-대-직경 비를 가진 축방향 채널을 구비하여 높은 흐름 저항을 발생시킬 수 있다. 다른 실시형태에서, 노즐(92)은 예를 들면, 약 2:1에서 약 1:1 미만의 길이-대-직경 비를 가진 축방향 채널을 구비하여 더 낮은 흐름 저항을 발생시킬 수 있다. 따라서, 노즐(92)의 축방향 채널에 대한 적절한 길이-대-직경 비는 약 1:2에서 약 5:1까지의 범위일 수 있고, 낮은 흐름 저저항의 일부 실시형태에서는 약 1:2에서 약 1:1까지 범위의 비가 바람직할 수 있다.
바람직하게는, 유입 개구부(90) 및 배출 개구부(94)는 길이방향 축(58)을 따라 서로 정렬되고, 기어 케이싱(66) 내의 내부 캐비티(96)에서 유체가 서로 통하도록 이루어진다. 내부 캐비티(96)는, 하기에 설명되는 바와 같이, 구동 기어(74)와 아이들러 기어(76)가 필라멘트(48)의 용융 재료를 액화기(50) 및 유입 개구부(90)로부터 배출 개구부(94) 및 노즐(92)로 구동시키기 위해 결합하고 있는 영역이다.
샤프트(82)에 부가하여, 구동 기어(74)는 허브(98) 및 기어(100)를 또한 포함하며, 상기 기어(100)는 톱니(102)를 포함하고, 샤프트(82)와 허브(98) 사이에 길이방향으로 위치한다. 유사하게, 아이들러 기어(76)는 톱니(106)를 가지는 기어(104)를 포함하고, 허브(108, 110) 사이에 길이방향으로 위치한다. 구동 기어(74) 및 아이들러 기어(76)는 스테인레스 스틸과 같이, 기어 어셈블리(52) 내의 상승된 온도를 견딜 수 있는 하나 이상의 금속 및/또는 폴리머 재료로 각각 주조 또는 기계 가공될 수 있다.
또한, 전면 케이싱(68)은, 도시된 실시예에서는 전면 케이싱(68) 전체를 관통하여 연장되는, 허브 개구부(112)를 포함한다. 선택적으로, 아이들러 기어(76)를 위한 허브 개구부(112)는 전면 케이싱(68)을 관통하여 부분적으로만 연장되어, 삽입된 아이들러 기어(76)가 폐쇄된 기어 어셈블리(52)로부터 외부적으로 보이지 않도록 구성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 베이스 케이싱(64)은 또한 허브 개구부(114)를 포함하고, 도시된 실시형태에서 이것은 베이스 케이싱(64)의 전체를 관통하여 연장되지는 않는다. 이는 베이스 케이싱(64)을 통한 용융 재료의 잠재적인 누출을 감소시킬 수 있다. 그러나, 일부 선택적인 실시형태에서, 허브 개구부(114)는 (예를 들면, 제조의 용이성을 위해) 베이스 케이싱(64)을 완전히 관통하여 연장될 수 있다.
베이스 케이싱(64), 기어 케이싱(66) 및 전면 케이싱(68)은 스테인레스 스틸, 청동 합금 등과 같은, 하나 이상의 열전도성 금속 재료로부터 제조될 수 있다. 측면 개구부(86a, 86b, 86c, 88a, 88b, 88c), 유입 개구부(90), 배출 개구부(94), 내부 캐비티(96), 허브 개구부(112, 114) 및 임의의 다른 원하는 개구부 또는 구성은, 필요 시에, 주조 공정(castings steps) 중에 제조되거나 및/또는 케이싱(64, 66, 68) 내에 기계 가공될 수 있다.
어셈블리 중에, 구동 기어(74)의 기어 샤프트(82)는 전면 케이싱(68)의 제1 허브 개구부(112)를 관통하여 삽입될 수 있고, 아이들러 기어(76)의 허브(110)는 전면 케이싱(68)의 다른 허브 개구부(112) 내로 삽입될 수 있다. 기어 케이싱(66)은 구동 기어(74)와 아이들러 기어(76)가 내부 캐비티(96)를 관통하여 연장되도록, 전면 케이싱(68)에 접촉하여(against) 놓여질 수 있다. 특히, 기어(100, 104)는 바람직하게는 내부 캐비티(96)의 벽과 틈새가 없도록(with a tight clearance), 내부 캐비티 내에 위치된다. 그 다음 베이스 케이싱(68)은 허브(98, 108)가 허브 개구부(114) 내로 연장되도록, 기어 케이싱(66)의 마주보는 측면에 접촉하여(against) 놓여질 수 있다.
그 다음 케이싱(64, 66, 68)은 측면 개구부(86a, 86b, 86c)를 관통하여 삽입되는 볼트(70)로 함께 고정될 수 있다. 허브 개구부(112, 114)는 바람직하게는 내부 캐비티(96)의 대향하는 면 상에 서로 정렬되어, 구동 기어(74)와 아이들러 기어(76)가 지나친 마찰 저항없이 케이싱(64, 66, 68)에 대해 회전하도록 허용하되, 용융 재료의 임의의 잠재적인 누출을 최소화 또는 제거하기 위해 틈새가 없도록 한다. 또한, 액화기(50)의 배출단(56b)은 기어 케이싱(66)의 유입 개구부(90)에 고정될 수 있으며, 노즐(92)은 기어 케이싱(66)의 배출 개구부(94)에 고정될 수 있다. 또한, 가열 요소(72)는 측면 개구부(88a, 88b, 88c) 내에 삽입되어 확고하게 유지될 수 있다.
도 6a 및 6b는 구동 기어(74)를 더 나타내고 있으며, 도 7a 및 7b는 아이들러 기어(76)를 더 도시하고 있다. 각각의 기어는 기어 어셈블리(52)에 사용되기에 적합한 임의의 치수를 가질 수 있다. 도시된 실시형태에서, 구동 기어(74)와 아이들러 기어(76)는 동일하거나 실질적으로 동일한 단면 치수를 가지며, 유일한 차이는 구동 기어(74)의 샤프트(82)가 모터(84)와의 연결을 위해 아이들러 기어(76)의 허브(110)보다 길게 되어 있는 것이다.
도 6a 및 6b는 구동 기어(74)의 적절한 치수에 대한 비 제한적인 실시예를 보여준다. 도시된 바와 같이, 샤프트(82)의 길이(82L)는 약 0.3 인치에서 약 0.8 인치까지, 허브(98)의 길이(98L)는 약 0.05 인치에서 약 0.2 인치까지, 기어(100)의 길이(100L)은 약 0.1 인치에서 약 0.2 인치까지의 범위일 수 있고, 구동 기어(74)의 전체 길이(74L)는 상기 길이 82L, 98L 및 100L의 합으로, 예를 들면, 약 0.6 인치에서 약 1.0 인치까지의 범위일 수 있다.
유사하게, 샤프트(82) 및 허브(98)의 각각의 외부 직경(82D, 98D)은 약 0.05 인치에서 약 0.2 인치까지의 범위일 수 있고, 톱니(100) 둘레의 외부 직경(100D)은 약 0.15 인치에서 약 0.2 인치까지의 범위일 수 있다. 도시된 실시형태에서, 외부 직경(82D, 98D)은 동일 또는 실질적으로 동일하며, 상기 외부 직경은 최대 외부 직경을 의미하고, 모서리가 깍여지거나 또는 경사진 모서리는 제외한다. 선택적인 실시형태에서, 외부 직경(82D, 98D)은 서로 다를 수 있다.
도 7a 및 7b는 상응하여 아이들러 기어(76)의 적절한 치수에 대한 비 제한적인 실시예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 기어(104)의 길이(104L)는 약 0.1 인치에서 약 0.2 인치까지의 범위일 수 있고, 각각의 허브(108, 110)에 대한 길이(108L, 110L)는 각각 약 0.05 인치에서 약 0.2 인치까지의 범위일 수 있고, 아이들러 기어(64)의 전체 길이(76L)는 상기 길이 104L, 108L 및 110L의 합으로서, 예를 들면 약 0.3 인치에서 약 0.5 인치까지의 범위일 수 있다.
톱니(106) 주위의 외부 직경(104D)은 약 0.15 인치에서 약 0.2 인치까지의 범위일 수 있고, 허브(108, 110) 각각에 대한 외부 직경(108D, 110D)은 각각 약 0.05 인치에서 약 0.2 인치까지의 범위일 수 있다. 도시된 실시형태에서, 외부 직경(108D, 110D)은 동일 또는 실질적으로 동일하고, 상기 외부 직경은 최대 외부 직경을 의미하고, 모서리가 깍여진 부분이나 또는 경사진 모서리는 제외한다.
추가적인 실시형태에서, 기어(100, 104)의 치수는 동일하거나 또는 실질적으로 동일하다. 즉, 이들 실시형태에서, 길이(100L, 104L)는 동일하거나 실질적으로 동일하고, 외부 직경(100D, 104D)은 동일하거나 실질적으로 동일하다. 그러나, 선택적인 실시형태에서, 외부 직경(100D, 104D)은 서로 상이할 수 있다. 부가적인 실시형태에서, 허브(98, 108)의 치수는 동일하거나 실질적으로 동일하여, 길이(98L, 108L)는 동일 또는 실질적으로 동일하고, 외부 직경(98D, 108D)은 동일 또는 실질적으로 동일하다.
부가적으로, 도 8은 구동 기어(74)와 아이들러 기어(76)의 기어(100, 104)가 기어 케이싱(66)의 내부 캐비티(96) 내에서 서로 결합된 것을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 기어 케이싱(66)은 바람직하게는, 적어도 내부 캐비티(96)에서, 기어(100, 104)의 길이(100L, 104L)와 실질적으로 동일하거나 약간 더 큰, 두께(66T)를 가지도록 구성되어, 기어(100, 104)와 베이스 케이싱(64) 및 전면 케이싱(68) 간에 양호한 측면 밀봉 특성을 제공할 수 있다. 따라서, 기어 케이싱(66)의 두께(66T)로 적절한 치수에 대한 예시는 약 0.1 인치에서 약 0.2 인치까지의 범위일 수 있고, 보다 바람직하게는 길이(100L, 104L)의 약 100% 이상에서 약 105%까지의 범위일 수 있다.
베이스 케이싱(64)은 기어 어셈블리(52)에 대한 원하는 치수에 따라 임의의 적절한 두께(64T)를 가질 수 있고, 두께(64T)는 바람직하게는 허브 개구부(114)의 길이(114L)보다 더 크다. 허브 개구부(114)는, 내부 캐비티(96)에 대해 양호한 밀봉 특성을 제공하고 기어(100, 104)를 서로에 대해 인접하게 위치시키는 한편, 허브(98, 108)가 과도한 저항없이 회전하도록 허용하는 방식으로 허브(98, 108)를 수용할 수 있는 크기인 64T이다. 허브 개구부(114)에 대한 적절한 길이(114L)의 예시는 약 0.05 인치에서 약 0.2 인치까지의 범위일 수 있고, 보다 바람직하게는 길이(98L, 108L)의 100% 이상인 것을 포함한다. 허브 개구부(114)에 대한 적절한 내부 직경(114D)의 예시는 약 0.05 인치에서 약 0.2 인치까지의 범위일 수 있고, 보다 바람직하게는 직경(98D, 108D)의 약 100%보다 큰 값에서 약 105% 까지의 범위일 수 있다.
따라서, 전면 케이싱(68)은 원하는 기어 어셈블리(52)의 치수에 따라 임의의 적절한 두께(68T)를 가질 수 있다. 전면 케이싱(68)에 대한 적절한 두께(68T)의 예시는 약 0.05 인치에서 약 0.2 인치까지의 범위일 수 있다. 허브 개구부(112)는, 내부 캐비티(96)에 대해 양호한 밀봉 특성을 제공하는 한편, 바람직하게는 과도한 저항없이 샤프트(82) 및 허브(110)가 회전하도록 허용하는 방식으로 샤프트(82)와 허브(110)를 수용할 수 있는 크기이다. 허브 개구부(112)에 대한 적절한 내부 직경(112D)의 예시는 약 0.05 인치에서 약 0.2 인치까지의 범위일 수 있고, 보다 바람직하게는 직경(82D, 110D)의 약 100%보다 큰 값에서 약 105%까지의 범위일 수 있다.
도 9는 기어 케이싱(66)의 내부 캐비티(96)내에서 기어(100, 104)의 결합을 더 나타낸다. 인쇄 작업 중에, 콘트롤러 어셈블리(38)(도 1에 도시)는 구동 메커니즘(46)에 (모터(60)를 통해) (도 2에 도시된 바와 같이) 필라멘트(48)의 연속적인 세그먼트들을 액화기(50)(도 2~4에 도시)의 유입단(56a)으로 공급하도록 명령한다. 필라멘트(48)가 화살표(54) 방향으로 액화기(50)를 통과함에 따라, 히터 어셈블리(62)는 수신된 연속적인 세그먼트들을 열적으로 용융시키고, 필라멘트 재료의 상기 용융된 부분은 필라멘트(48)의 용융되지 않은 부분 주위에 메니스커스(meniscus)를 형성한다.
필라멘트(48)의 하방 이동은 점성 펌프(viscosity pump)로서 기능하여 용융 재료를 가압하여 이를 액화기(50)로부터 기어 어셈블리(52)로 밀어 넣는다. 특히, 가압된 용융 재료는, 화살표(116)로 표시된 바와 같이, 액화기(50)의 배출단(56b)으로부터 기어 케이싱(66)의 유입 개구부(90)로 흐른다. 이것은 내부 캐비티(96)의 상부 영역(118)과 유입 개구부(90)를 가압 용융 재료로 채우게 된다. 기어(100, 104)의 결합된 톱니(102, 106)는, 기어가 회전하지 않으면 또는 기어가 회전할 때까지, 받아진 용융 재료가 기어(100, 104) 사이에서 직접 하방으로 배출 개구부(94)내로 흐르는 것을 방지한다.
콘트롤러 어셈블리(38)는 모터(84)가 구동 기어(74)를 화살표(120) 방향으로 회전시키도록 지시하고, 이는 기어(100)의 톱니(102)가 동일한 방향으로 회전하도록 유도한다. 이에 따라, 톱니(102, 106) 사이의 결합은 기어(104)(및 아이들러 기어(76))를 화살표(122) 방향으로 역방향 회전시킨다. 그 다음 용융 재료는 화살표 (126, 128)로 표시된 바와 같이, 톱니(102, 106)와 내부 캐비티(96) 벽 간의 사이 공간(사이 공간(123)으로 언급) 내의 기어(100, 104) 주위에서 내부 캐비티(96)의 더 낮은 영역(124)으로 운반된다. 이러한 방식으로 기어(100, 104) 주위로 용융 재료를 연속적으로 구동하면 하부 영역(124)의 용융 재료가 배출 개구부(94) 및 노즐(92)을 통해 하방으로 밀쳐져 화살표(130)에 의해 표시된 바와 같이 상기 용융 재료가 제어된 방식으로 압출된다.
이해될 수 있는 바와 같이, 3D 부품(22) 또는 지지 구조(24)를 인쇄할 때, 노즐(92)로부터 흐르는 압출물은 일정한, 정상상태(steady-state)의 속도로 거의 유지되지 않는다. 대신, 상기 압출물 유량(flow rate)은 일반적으로, 로드 시작 가속, 로드 정지 감속, 코너링 감속 및 가속, 로드 폭 변경 등과 같은, 다양한 툴 경로 조건을 맞추기 위해 반복적으로 달라진다.
이러한 유량 변화는 일반적으로 콘트롤러 어셈블리(38)로부터의 구동 명령에 기초한, 구동 메커니즘(46)을 이용한 필라멘트(48)의 액화기(50)로의 공급 속도를 조정함으로써 제어된다. 이것은 상응하여 용융 재료에 대한 점성 펌프 동작에 의해 생성되는 압력을 조절한다. 그러나, 콘트롤러 어셈블리(38)가 구동 메커니즘(46)이 액화기(50)내로의 필라멘트(48)의 공급 속도를 변경하도록 명령할 때, 신호 명령과 노즐(56)로부터의 압출 속도가 실제 달라지는 시점 간에는 시간 응답 지연(time response delay)이 있다. 이는 액화기(50)내 점성 펌프 동작과 구동 메커니즘(46)의 모터에서의 응답 제한(response limitations)에 기인한다.
그러나 기어 어셈블리(52)는 용융 재료의 흐름을 조절하기 위해 필라멘트(48)로부터의 점성 펌프 동작에 직접 의존하지 않는다. 대신, 기어 어셈블리(52)는 고도로 제어된 방식으로 용융 재료의 흐름을 조절하기 위해, 노즐(92) 가까이 위치된 기어 기반 메커니즘을 제공한다. 특히, 기어(100, 104)는 기어(100, 104)의 회전에 기초하여, 톱니(102, 106)와 내부 캐비티(96)의 벽 간의 사이 공간(123)에 정확한 체적의 용융 재료를 구동시킬 수 있다. 사이 공간(123)의 가압된 작은 체적은 삼출(ooze)을 감소시킬 수도 있고, 노즐(92)로부터 용융재료의 흐름 제어를 증가시킬 수 있다. 이는 각 사이 공간(123) 내의 용융 재료의 상대적으로 적은 체적으로 인한 것이고, 그 결과 열 팽창(thermal expansion)의 정도가 더 낮아진다. 이러한 특징들은 용융 재료의 체적 유량(volumetric flow rates)에 대해 높은 레벨의 동적 제어를 제공할 수 있다.
도 10은 압출기(20) 및 구동 메커니즘(46)과 함께 사용하는 콘트롤러 어셈블리(38)에 대한 예시적인 아키텍처를 도시한다. 콘트롤러 어셈블리(38)는 유저 인터페이스(132), 메모리 콘트롤러(134), 프로세서(136), 저장 매체(138), 입력/출력(I/O) 콘트롤러(140) 및 통신 어댑터(142)와 같은, 임의의 적절한 컴퓨터 기반 하드웨어를 포함할 수 있다. 또한 콘트롤러 어셈블리(38)는 종래의 컴퓨터, 서버, 미디어 장치 및/또는 프린터 콘트롤러에 포함된 다양한 부가적인 구성요소를 포함할 수 있다.
유저 인터페이스(132)는 콘트롤러 어셈블리(38)를 동작시키도록 구성된 사용자-조작 인터페이스(예, 키보드, 터치 패드, 터치 스크린 디스플레이, 디스플레이 모니터 및 기타 눈, 목소리, 움직임 또는 손-조작 콘트롤 등)이다. 메모리 콘트롤러(134)는 콘트롤러 어셈블리(38)의 구성요소를 저장 매체(138)의 하나 이상의 휘발성 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 접속하는 회로 어셈블리이다. 프로세서(136)는 콘트롤러 어셈블리(38)를, 선택적으로 메모리 콘트롤러(134)와 함께 동작시키도록 구성된, 하나 이상의 컴퓨터 처리 장치이다. 예를 들면, 프로세서(136)는 하나 이상의 마이크로프로세서 기반 엔진 콘트롤 시스템을 포함할 수 있다.
저장 매체(138)는 휘발성 RAM 모듈, 읽기 전용 메모리 모듈, 광학 매체, 자기 매체(예, 하드디스크 드라이브), 솔리드 스테이트 미디어(예, FLASH 메모리 및 솔리드 스테이트 드라이브 등), 아날로그 매체 등과 같이, 콘트롤러 어셈블리(38)를 위한 하나 이상의 내부 및/또는 외부 데이터 저장 장치, 저장 하드웨어 또는 컴퓨터 저장 매체이다. 저장 매체(138)는 처리 프로그램(144), 툴 경로 생성기 및 다른 제어 소프트웨어의 실행 파일 카피를 유지할 수 있고, 시스템(10)으로 인쇄될 하나 이상의 디지털 모델 및/또는 디지털 모델(146)과 같은 디지털 모델을 인쇄하기 위한 툴 경로를 유지할 수 있다. 콘트롤러 어셈블리(38)는 통신 라인(42)으로 디지털 모델(146)을 수신할 수 있고, 디지털 모델(146)은 3D 인쇄를 위해 콘트롤러 어셈블리(38)에 의해 구성되거나 구성가능한 임의의 파일 포맷을 가질 수 있다.
또한, 콘트롤러 어셈블리(38)는 프린트 헤드 등을 동적으로 제어하기 위해 피드백을 사용할 수도 있다. I/O 콘트롤러(140)는, 통신 어댑터(142)를 포함하여 메모리 콘트롤러(134), 프로세서(136) 및 저장 매체(138)를 콘트롤러 어셈블리(38)의 다양한 입력 및 출력 요소와 접속하는 회로 어셈블리이다. 통신 어댑터(142)는 통신 라인(40, 42)으로 통신하도록 구성된 하나 이상의 유선 또는 무선 송신기/수신기 어댑터이다.
위에 간략히 언급된 바와 같이, 콘트롤러 어셈블리(38)는 노즐(92)로부터 용융 재료를 제어가능하게 압출하기 위해 다양한 방식으로 기어 어셈블리(52)를 사용할 수 있다. 예를 들면, 콘트롤러 어셈블리(38)는 사용될 원하는 툴 경로 유량(tool path flow rates)에 기초하여 모터(60, 84)를 위한 동기화된 명령을 생성할 수 있다. 유사하게, 콘트롤러 어셈블리(38)는 액화기(50) 및 기어 어셈블리(52)를 따라 원하는 특정 열 프로파일(thermal profiles)에 따라 어셈블리(62) 및 가열 요소(72)를 가열하기 위한 명령을 생성할 수 있다. 콘트롤러 어셈블리(38)는 이들 명령을 하나 이상의 데이터 파일(예, 데이터 파일(148, 150, 152, 154))로 저장 매체(138) 상에 저장할 수 있고, 상기 데이터 파일(148, 150, 152) 및/또는 파일(154)을 시스템(10)으로 각각의 슬라이스된 층을 인쇄하기 위한 툴 경로 명령(tool path instructions)을 생성하기 위해 사용할 수 있다.
또한, 데이터 파일(148, 150)은 기어 어셈블리(52)가 어떻게 작동할 것인지에 의존할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 기어 어셈블리(52)는 "기어 펌프(gear pump)" 및/또는 "기어 브레이크(gear brake)"로서 작동될 수 있고, 콘트롤러 어셈블리(38)는 기어 어셈블리(52)를 원하면 선택적으로 상기 동작 상태 간에 전후로 전환시킬 수 있다.
기어 펌프 실시형태에서, 기어 어셈블리(52)는 기어 어셈블리(52)로부터의 누출을 방지하기 위해 낮은 양의 압력에서 액화기(50)로부터 가압된 용융 재료를 받아들일 수 있다. 이 경우 모터(84)는 용융 재료를 노즐(92)로 유도하기 위해 화살표(120) 방향으로 샤프트(82)를 회전하기 위한 토크를 인가한다. 액화기(50)의 점성 펌핑(viscosity-pumping) 동작은 용융 재료를 기어 어셈블리(52)에 충분한 양의 압력으로 제공할 수 있어, 기어 어셈블리(52)의 고갈(starvation)을 방지한다. 위에 언급된 바와 같이, 콘트롤러 어셈블리(38)는 기어 어셈블리(52)에서 용융 재료의 충분한 압력을 유지하기 위해, 모터(60, 84)가 부분적으로 또는 완전히 동기화된 방식으로 동작하도록 명령할 수 있다. 비교적, 기어 어셈블리(52) 자체는 제어된 방식으로 노즐(92)로부터 용융 재료의 압출을 바람직하게 조절할 수 있다.
선택적으로, 기어 브레이크 실시형태에서, 기어 어셈블리(52)는 비교적 높은 양의 압력에서 필라멘트(48)의 용융 재료를 받을 수 있고, 여기서 모터(84)는 샤프트(82)가 용융 재료의 가압된 흐름 하에 회전하는 것을 방지하기 위해, 샤프트(82)에 저항성 토크(resistive torque)를 작동가능하게 인가한다. 이 경우 압출이 필요한 때, 콘트롤러 어셈블리(38)는 모터(84)가 샤프트(82) 상의 저항성 토크를 조절가능하게 해제(controllably release)하도록 명령하고, 이는 기어(100, 104)가 회전하여 노즐(92)에 정해진 체적의 용융 재료를 운반하도록 허용한다.
이들 실시형태의 각각에 있어서, 노즐(92)에의 용융 재료의 흐름은 기어(100, 104)의 회전에 의해 지시되고, 이는 압출 속도에 대한 정확한 레벨의 동적 흐름 제어를 조절한다. 부가적으로, 콘트롤러 어셈블리(38)는 기어 어셈블리(52)가 (예를 들면, 모터(84)를 통해서) 툴 경로의 가속 및 감속 단계에서 특정한 동작을 수행하도록 명령할 수 있다. 예를 들면, 콘트롤러 어셈블리(38)는 모터(84)가 툴 경로의 끝에서 삼출 또는 용융 흐름 문제를 감소 또는 제거하기 위해, 썩-백 작동(suck-back operation)을 수행하기 위해 구동 기어(74)의 회전을 역회전시키도록 명령할 수 있다. 일부 실시형태에서, 삼출 또는 용융 흐름 문제는 기어 어셈블리(52) 또는 노즐(92)을 냉각함이 없이 감소 또는 제거될 수 있다. 몇몇 경우에서, 액화기 어셈블리(20)는 사용 간에 퍼지(purge) 또는 사전-상태 작업(pre-condition operation)이 필요없이 조작될 수 있다(즉, 액화기 어셈블리(20)는 표준적인 액화기에 비해 그 압출 이력에 덜 의존적일 수 있다).
또한, 하류 기어 어셈블리(52)는 복수의 상류 액화기와 함께 사용될 수도 있다. 예를 들면, 도 11에 도시된 바와 같이, 기어 어셈블리(52)는 한 쌍의 액화기(50)로부터 가압 용융 재료를 받을 수 있고, 여기서 각각의 액화기(50)는 전용 구동 메커니즘(46) 및 모터(60)(또는 단일의 결합된 모터(60))로부터 각각의 필라멘트(48)를 받을 수 있다. 이 실시형태에서, 콘트롤러 어셈블리(38)는, 화살표(156)에 의해 표시된 바와 같이, 모터(60)를 함께 작동하여 한 쌍의 필라멘트(48)를 상기 평행 액화기들(50)에 공급한다. 이것은 소모성 재료의 공급 속도를 효과적으로 배가시키도록 수행될 수 있다.
각각의 필라멘트(48)는 각각의 액화기(50)에서 (예를 들면, 도시되지 않은, 가열 어셈블리(62)를 통해) 용융되고, 그 다음 화살표(160)에 의해 표시된 바와 같이, 점성-펌프 동작하에 매니폴드(158) 내로 구동된다. 콘트롤러 어셈블리(38)는 가압된 흐름이 동일 또는 개별적으로 선택되도록 허용하면서, 각각의 모터(60)를 부분적으로 또는 완전히 동기화된 방식으로 작동시킬 수 있다. 예를 들면, 콘트롤러 어셈블리(38)는, 필요에 따라, 각각의 액화기(50)로부터의 용융 재료의 가압 흐름이 서로 동일 또는 실질적으로 서로 동일(즉, 약 1:1 체적 유량비)하게 되도록, 서로 비례적이지만 서로 상이(예를 들면, 약 2:1 체적 유량비)하게 되도록, 및/또는 서로에 대해 동적으로 변하도록 지시할 수 있다.
매니폴드(158)는, 도시된 바와 같이, 가압 용융 재료를 각각의 액화기(50)로부터 유입 개구부(90)내로 유도하도록 구성된 중간 어셈블리이다. 따라서, 매니폴드는 액화기(50)의 배출단(56b)과 결합하기 위한 두 개(또는 그 이상)의 유입 포트(162), 기어 케이싱(66)의 유입 개구부(90)와 결합하기 위한 배출 포트(164) 및 유입 포트(162)와 배출 포트(164)를 서로 연결하는 복수의 병합 도관(166)을 포함한다.
유입 포트(162)와 도관(166)의 수는 사용될 액화기의 원하는 수에 따라 달라질 수 있다. 유입 포트(162)와 매니폴드(158)의 도관(166)의 적절한 수의 예시는 2개에서 10개까지의 범위이고, 일부 실시형태에서는 2개에서 6개까지, 다른 실시형태에서는 2개에서 4개까지의 범위이다. 또한, 일부 바람직한 실시형태에서, 액화기(50)에서 기어 어셈블리(52)로 흐르는 동안 용융 재료가 가열된 상태로 유지되는 것을 도모하기 위해, 매니폴드(158)는 히터 어셈블리(167) 등으로 가열된다.
필요한 경우, 매니폴드(158)는 받아들인 용융 재료가 기어 어셈블리(52)에 전달되기 전에 혼합하기 위해, 액티브(active) 또는 스태틱(static) 믹서와 같은, 하나 이상의 혼합 장치를 포함할 수도 있다. 그러나, 복수의 상류 액화기(50)로부터 용융 재료를 받을 때, 기어 어셈블리(52)는 특유의 횡단면(cross sections)을 가지는 노즐(92)로부터 압출물을 생성할 수 있다. 특히, 미리 혼합되지 않은, 유입 개구부(90)로 들어가는 용융 재료 흐름은, 기어(100, 104) 주위를 통과한 후에 그들의 혼합되지 않은 횡단면을 유지하는 것이 발견되었다.
예를 들면, 도 12a 및 12b에 도시된 바와 같이, 혼합되지 않은 한 쌍의 용융 재료(168, 170)의 유입 흐름이 내부 캐비티(96)의 상부 영역(118) 및 유입 개구부(90)에 진입할 때, 기어(100)에 의해 유도되는 상기 재료의 대부분은 재료(170)일 것이고, 기어(104)에 의해 유도되는 재료의 대부분은 재료(168)일 것이다. 유도된 재료(168, 170)가 내부 캐비티(96)의 하부 영역(124)에서 재수렴될 때, 그것들은 경계면(172)에서 소량 혼합되지만, 실질적으로는 그들 각각의 체적을 유지할 것이다. 이러한 각각의 체적은 노즐(92)에서 압출되면서도 지속될 것이므로, 적층되는 로드(roads)도 실질적으로 별개의 횡단면을 가진다.
이러한 현상은 용융 재료가 기어 어셈블리(52)에서 겪는 전단(shear) 및 난류(turbulence)가 낮은 정도이기 때문인 것으로 여겨진다. 이것은 압출물에 재료의 실질적인 분리에 기인한 특유의 특성을 부여할 수 있다. 예를 들면, 압출물의 적층 로드의 일 면은 제1 컬러를 가질 수 있고, 적층 로드의 다른 면은 제2 컬러를 가질 수 있다. 이것은 그 이중 컬러 프로파일로 인해 쉽게 확인될 수 있는 로드들을 생성할 수 있다. 또한, 기어 어셈블리(52) 내의 재료의 양이 비교적 작기 때문에, 본 발명은 압출 재료의 공급원을 변경함으로써 짧은 전이 시간으로 압출되는 재료의 컬러 변경을 허용할 수 있다. 다르게 말하면, 압출 재료의 컬러는 소모성 재료의 공급원을 변경함으로써 신속하게 변경될 수 있다.
또한, 이 현상은 적층 로드의 물리적, 화학적 및 열적 특성을 조정하는데 더 사용될 수 있다. 예를 들면, 적층 로드는 실질적으로 개별적인 횡단면을 유지하는 비정질 및 반-결정성 재료의 쌍으로 생성될 수 있다. 다른 실시형태에서는 서로 다른 강도와 용해도를 가지는 상이한 용해성 지지 재료의 쌍을 포함할 수 있다. 추가적인 실시형태에서는 전기 전도성 물질을 전기 절연 물질과 쌍을 이루도록 할 수 있다. 다양한 다른 재료의 조합이 사용될 수도 있다.
도 13a 및 13b는 기어들(100, 104)과 쌍을 이루는 재료의 변형을 도시한다. 혼합되지 않은 유입 흐름이 도 12a 및 도 12b에 도시된 것들에 직교하도록 향할 때 그러한 흐름(168, 170)은 각각 기어(100) 주위를 통과하고, 기어(104) 주위를 통과하는 것이 발견되었고, 구동된 재료(168, 170)가 내부 캐비티(96)의 하부 영역(124)에 재수렴할 때, 그것들은 그 경계면(174)에서 소량 혼합되지만, 또한 실질적으로 그들의 개별적인 체적을 유지할 것이다. 이 경우에, 경계면(174)은 (도 12a 및 12b에 도시된) 경계면(172)에 직교한다.
도 12a, 12b, 13a 및 13b로부터의 결과가 4개 재료의 배열에 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이 경우, 결과적인 압출물은 그 경계면에서 소량 혼합되면서, 원래 재료의 횡단면 사분면(cross-sectional quadrants)을 가질 것이다. 따라서, 기어 어셈블리(52)는 다양한 개별적 요구에 맞춰 조정될 수 있는 독특한 특성의 재료를 가진 압출물을 생성할 수 있다.
펌프와 브레이크는 때때로 그 출력물의 체적 또는 흐름에 변동 또는 펄스를 겪는다. 따라서, 펌프 또는 브레이크에 의해 출력되는 재료의 양은 펌프 또는 브레이크가 일정한 속력으로 작동하고 있을 때 조차도 시간에 따라 증가 및 감소한다. 적층 제조 시스템 내에서, 펌프 또는 브레이크의 출력에 있어서 그와 같은 변동은 적층된 재료에 비드 폭(bead width) 변동을 초래하고, 이는 또한 "리플(ripple)"로서 지칭된다. 예를 들면, 도 14의 사시도에서, 기어 어셈블리(52)의 노즐(92)은 이전에 적층된 층(1402)으로 이루어지는 기판 상에 용융 재료의 층(1400)을 적층하고, 이전에 적층된 층(1402)은 차례로 제2의 이전에 적층된 층(1404) 상에 적층되어 있다. 도 14의 과장된 형태에 도시된 바와 같이, 적층된 층의 각각은 노즐(92)로부터의 재료 출력에 변동 또는 펄스로 인하여 웨이브진(ripples) 비드 폭(bead width)을 가진다. 예를 들면, 층(1400)은 넓은 폭(1406)으로부터 좁은 폭(1408)으로, 그리고 다시 넓은 폭(1410)으로 달라지는 비드 폭을 포함한다. 넓은 폭(1406, 1410)은 노즐(92)에 의해 압출된 재료의 체적 또는 흐름이 큰 값일 때 형성되고, 좁은 폭(1408)은 노즐(92)에 의해 압출되는 재료의 체적 또는 흐름이 작은 값일 때 형성된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 상이한 층들에 대한 비드 폭의 변동은 일반적으로 서로 정렬되지 않아 거친 표면(rough surface)(1412)을 초래한다.
여러 실시형태에 따라, 비드 폭의 변동을 감소시키는 방법 및 시스템이 제공된다. 특히, 상기 방법 및 시스템은, 그렇지 않으면 압출기(20)의 기계적 특성에 기인해 발생할 수 있는, 노즐에 의해 출력되는 재료의 체적의 변동을 보상하기 위해, 기어 어셈블리(52)의 모터(84)를 제어하는데 사용되는 명령 신호를 변경한다. 특히, 시변 신호(time-varying signal)가 상기 명령 신호에 더해지거나 포함되어, 노즐(92)이 도 15의 사시도에 도시된 층(1500, 1502, 1504)과 같이 비드 폭 리플(bead-width ripple)이 감소된 층을 압출하도록 한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 각각의 층들은 층(1500)의 실질적으로 일정한 비드 폭(1506)과 같이, 실질적으로 일정한 비드 폭을 가진다. 이들 실시형태에서, 서로 다른 층들은 동일한 비드 폭을 가질 필요가 없지만, 단일의 적층된 층의 섹션을 따라서는 비드 폭이 실질적으로 균일하고, 시변 신호가 상기 명령 신호에 포함되지 않을 때 만큼 달라지지는 않는다.
많은 실시형태에 있어서, 명령신호에 시변신호(time-varying signal)를 편입하거나 부가하는 것은 명령신호의 속도 성분에 시변신호를 편입하거나 부가하는 것을 포함한다. 도 16은 모터 명령신호(1604)(실선)의 속도 성분(1600)(파선) 및 시변 성분(1602)(점선)을 보여주는 그래프이다. 속도 성분(1600)은 압출기(20)가 노즐(92)을 통해 노즐(92)과 적층되는 층을 받는 표면 영역(예, 기판, 이전에 적층된 층 또는 트레이 등) 간의 상대 속도 및 가속도에 기초하여 재료를 적층하는 속도를 변경한다. 이 상대적인 속도 및 가속도는 노즐(92)과 같이 재료를 적층하는 구성요소의 움직임, 및/또는 적층되는 재료를 수용하는 표면 영역(기판/기존의 층들/트레이)의 움직임에 기인할 수 있다.
시변 요소(1602)는 구동 기어(74) 및 아이들러 기어(76)와 같은 펌프 부재 또는 브레이크 부재가 상기 압출기에 의해 출력되는 재료의 체적 변화를 감소시키기 위해 움직이는 속력을 변경한다. 예를 들면, 펌프 부재 또는 브레이크 부재가 회전하는 경우의 실시형태에 있어서, 시변 요소는 상기 펌프 부재 또는 브레이크 부재의 회전 속도(rate)를 변경한다. 시변 요소(1602)는 시간에 따라 변하는 주파수와 진폭을 가진다. 일 실시형태에 있어서, 속도 성분(1600)이 증가함에 따라 시변 요소(1602)의 진폭 및 주파수는 모두 증가한다. 예를 들면, 속도 성분(1600)이 상대적으로 낮은 레벨(1606)에 있을 경우 시변 요소(1602)는 도 16에서 상대적으로 긴 파장(1610)으로 표시된 바와 같이, 상대적으로 작은 진폭(1608) 및 상대적으로 낮은 주파수를 가진다. 그러나, 속도 성분(1600)이 더 높은 레벨(1612)에 있을 경우, 시변 성분(1602)은 도 16에서 상대적으로 짧은 파장으로 표시된 바와 같이, 상대적으로 큰 진폭(1614) 및 상대적으로 높은 주파수를 가진다.
도 16에서, 속도 성분(1600), 시변 성분(1602) 및 모터 명령신호(1604)은 연속적인 신호로 표현되었다. 그러나, 이 분야의 숙련된 기술자라면 속도 성분(1600) 및 시변 성분(1602)은 모터 명령신호(1604)에 대해 불연속적인(discrete) 값을 생성하기 위해 개별적으로 함께 더해지는 불연속적인 값으로 구성될 수 있다는 것을 인지할 것이다.
도 17은 속도 성분(1600)과 같은 속도 성분 및 시변 성분(1602)과 같은 시변 성분을 포함하는 모터 명령신호(1716)을 생성하기 위해 사용되는 구성요소를 보여주는 콘트롤러 어셈블리(38)의 확장 블록도를 제공한다.
도 17의 블록도에 도시된 바와 같이, 모터 명령신호(1716)의 속도 성분(1750)은 처리 프로그램(144)의 속도 기반 펌프/브레이크 콘트롤러(1752)에 의해 생성된다. 펌프/브레이크 콘트롤러(1752)는 저장 매체(138)상에 저장된 툴 경로 명령(1758)에서 찾은 상대 노즐 속도 프로파일(1754) 및 상대 노즐 가속도 프로파일(1756)에 기초하여 속도 성분을 생성한다. 상대 노즐 속도 프로파일(1754)은 노즐(92)과 상기 영역(기판, 이전에 적층된 층들/트레이) 사이의 상대 속도를 기술하고, 여기서 상기 노즐은 재료를 적층한다. 상기 상대 속도는 노즐(92)의 움직임, 상기 영역의 움직임 또는 양자의 조합에 기인할 수 있다. 상대 노즐 가속도 프로파일(1756)은 노즐(92)과 노즐이 재료를 적층하는 상기 영역 사이의 상대 가속도를 기술하고, 노즐(92)의 가속도, 상기 영역의 가속도 또는 양자의 조합에 기인할 수 있다.
속도 프로파일(1754) 및 가속도 프로파일(1756)은, 부품의 각 층에 대해 재료가 적층될 경로(paths) 또는 로드(roads)를 정의하는 슬라이스된 부품 모델(1762)에 기초한 처리 프로그램(144)의 툴 경로 생성(1760)에 의해 생성된다. 일 실시형태에 따라, 상기 상대 노즐 속도는 부품의 상이한 부분들에서 달라져 부품의 더 빠른 생성을 허용한다. 예를 들면, 상기 노즐은 부품의 직선 부분들을 따라서는 더 빠르게 이동할 수 있지만, 일반적으로 부품의 곡선 부분들 주위에서는 느려져야 한다. 상대 노즐 속도가 변함에 따라 재료의 흐름 속도 또한 비드 폭(bead width)을 유지하기 위해 달라져야 한다. 상대 노즐 속도가 노즐(92)의 출력 유량(flow rate)의 증가 없이 증가하면, 비드 폭은 얇아질 것이다. 유사하게, 상대 노즐 속도가 노즐(92)의 출력 유량 감소 없이 감소하면, 비드 폭은 두꺼워질 것이다.
모터 명령이 발신될 때와 재료의 유량이 바뀔 때 사이에 지연이 있기 때문에, 일부 실시형태에서 펌프/브레이크 콘트롤러(1752)는 상대 노즐 가속도 프로파일(1756)도 고려한다. 상대 노즐 가속도 프로파일을 사용하여, 펌프/브레이크 콘트롤러(1752)는 모터 명령과 재료의 흐름 변화 사이의 지연을 고려하기 위해 속도 성분(1750)을 조절할 수 있다.
따라서, 펌프/브레이크 콘트롤러(1752)는 노즐의 상대 속도 및 상대 가속도의 변화에 따라 변하는 모터 명령의 속도 성분(1750)을 생성한다. 위에 설명된 바와 같이, 모터 명령이 속도 성분(1750)만 포함하면, 재료의 결과적인 비드 폭은 펌프/브레이크의 기계적인 특성에 기인해서 변할 수 있다. 이러한 비드 폭의 변화를 감소시키고 보상하기 위해서, 처리 프로그램(144)의 리플 보상기(1708)는 펌프 명령(1716)을 생성하기 위해 속도 성분(1750)에 더해지거나 포함될 수 있는 시변 성분(1712)을 생성한다. 특히, 시변 성분(1602)은, 그렇지 않으면 재료를 압출하기 위해 사용되는 펌프 또는 브레이크의 기계적인 특성에 기인할 수 있는, 흐름 변화를 부분적으로 또는 완전히 상쇄하기 위해 설정된 진폭, 위상, 주파수 및 형상을 가진다.
도 18은 적층된 재료에서 리플을 감소시키기 위해 시변 성분(1712)을 생성 및 사용하는 일 실시형태에 따른 방법의 흐름도를 제공한다.
도 18의 단계 1800에서, 입력 운동 인자는 펌프 또는 브레이크의 측정된 회전 속력, 속도 성분(1750), 및/또는 노즐 속도 및 노즐 가속도 프로파일(1754, 1756) 중 하나 이상으로 설정된다. 펌프 또는 브레이크의 회전 속력은 모터 또는 펌프 상의 위치 인코더(position encoder)(1706)로부터 결정될 수 있다. 입력 운동 인자가 펌프 또는 브레이크의 측정된 회전 속력으로 설정될 때, 그 실시형태는 피드백을 사용하여 시변 성분(1712)을 설정하는 것으로 고려된다. 입력 운동 인자가 속도 성분(1750) 또는 노즐 속도 및 가속도 프로파일(1754, 1756)로 설정될 때, 그 실시형태는 운동 예측 또는 추정을 사용하여 시변 성분(1712)을 설정하는 것으로 고려된다. 그와 같은 예측 또는 추정은 시변 성분(1712)이 결정론적으로(deterministically) 생성될 수 있도록 허용한다.
도 18의 단계 1801에서, 펌프/브레이크 부재 또는 모터(84)의 위치(position) 또는 위상(phase)(1700) 및 운동 속도 또는 회전 속력(1702)이 수신된다. 이 값들은 위치 인코더(1706)로부터 인코더 인터페이스(1704)를 통해 수신될 수 있고, 그 값들을 저장 매체(138)에 저장한다. 위치 또는 위상(1700)과 운동 속도 또는 회전 속력(1702)은 펌프/브레이크 부재 및 모터(84)의 현재 상태를 나타낸다. 위치 인코더(1706)는 펌프 부재 또는 모터(84)의 위상/위치 및 운동/회전 속력을 펌프 부재 또는 모터(84) 상의 물리적 또는 광학적 표시를 사용하여 결정할 수 있다. 펌프/브레이크 부재는 구동 기어(74) 및 아이들러 기어(76)와 같은 기어 또는 피스톤 부재, 루트 부재(roots member) 또는 스크류 부재와 같은 다른 타입의 펌프/브레이크 부재일 수 있다. 일부 실시형태에서, 위치 인코더(1706)는 펌프에 대한 연결부 반대쪽의 모터 상에 위치될 수 있다. 한편, 다른 실시형태에서, 위치 인코더는 모터를 펌프에 연결하는 샤프트 상에 위치될 수 있다. 모터가 하나 이상의 기어를 포함하고 위치 인코더(1706)가 모터와 펌프 사이의 샤프트 상에 위치되지 않는 실시형태에서, 위치 인코더(1706) 및/또는 인코더 인터페이스(1704)는 위치 인코더(1706)에 의해 검출된 운동을 측정하여(scale) 위치 인코더(1706)에 의해 검출된 운동과 펌프(1702)에 연결된 샤프트의 운동 사이에 기어 비(gear ratio)를 설명한다.
단계 1802에서, 처리 프로그램(144)의 리플 보상기(1708)는 저장 매체(138) 상에 저장된 보상 맵(1710)으로부터 및/또는 입력 운동 인자에 근거하여, 펌프 명령의 시변 성분에 대한 상대 위상 각(ralative phase angle)을 결정한다. 상기 상대 위상 각은 특정 펌프 부재/모터 위치(1700)(펌프/브레이크 부재의 상태) 및 비드 폭의 리플을 감소시키기 위해 모터(84)에 제공될 펌프 명령의 시변 성분에 대한 특정 위상 사이의 위상 차를 기술한다. 일부 실시형태에서, 상기 상대 위상 각은, 기어 어셈블리(52)에 대한 최상의 상대 위상 각을 확인하기 위해, 기어 어셈블리(52)에 수행되는 테스트에 기반한 보상 맵(1710)에 저장된다. 따라서, 상이한 타입의 기어 어셈블리는 보상 맵(1710)에 저장된 상대 위상 각이 상이한 값을 가질 수 있다. 다른 실시형태에서, 서로 다른 상대 위상 각은 서로 다른 펌프 속력에 대해 사용된다. 그와 같은 실시형태에서, 입력 운동 인자는 현재 또는 예측된 펌프 속력을 결정하는데 사용되고, 이 속력은 상대 위상 각을 계산하는데 사용되거나 보상 맵(1710)으로부터 대응하는 상대 위상 각을 검색하는데 사용된다.
단계 1804에서, 보상 맵(1710)으로부터의 상대 위상 각은 펌프 부재/모터(1700)의 위치/위상에 기초한 시변 성분에 대한 실제 위상 각을 설정하기 위해 리플 보상기(1708)에 의해 사용된다. 특정 일 실시형태에서, 실제 위상 각은 보상 맵(1710)으로부터의 상대 위상 각과 펌프 부재/모터(1700)의 실제 위상의 합이다.
단계 1806에서, 리플 보상기(1708)는 보상 맵(1710)으로부터 주파수-진폭 함수를 검색한다. 주파수-진폭 함수는 펌프 명령의 시변 성분에 대해 주파수 및 진폭을, 입력 운동 인자에 의해 제공된 펌프 부재/모터(1702)의 운동 속력 또는 회전의 예상된 또는 실제 주파수의 함수로서 기술한다. 단계 1808에서, 리플 보상기(1708)는 검색된 주파수-진폭 함수와 입력 운동 인자를 사용하여 펌프 명령의 시변 성분으로 주파수 및 진폭을 설정한다. 일반적으로, 시변 성분에 대한 주파수 및 진폭은 펌프 부재/모터의 운동 속력 또는 회전 또는 주파수가 증가됨에 따라 증가한다. 따라서, 일반적으로, 주파수와 진폭은 모두 입력 운동 인자의 증가와 함께 증가한다.
단계 1810에서, 리플 보상기(1708)는 보상 맵(1710)으로부터 시변 성분에 대한 형상(shape)을 검색한다. 시변 성분에 대해 가능한 형상은 사인 곡선형(sinusoidal), 톱니 및 정사각형 등이 포함된다. 일 실시형태에 따르면, 상기 시변 성분의 형상은 기어 어셈블리의 속성에 의존한다. 다른 실시형태에서, 시변 성분(1712)의 형상은 리플 보상기(1708)에서 고정되고 검색될 필요가 없다.
단계 1814에서, 리플 보상기(1708)는 시변 성분의 위상 각, 주파수, 형상 및 진폭을 사용하여 시변 성분에 대한 현재 값을 결정하고, 이는 펌프 명령(1712)의 시변 성분으로서 저장된다.
단계 1816에서, 처리 프로그램(144)의 가산기(1714)는 시변 성분을 모터 인터페이스(1718)에 제공되는 펌프 명령(1716)에 포함시키기 위해, 펌프 명령(1712)의 시변 성분을 펌프 명령(1750)의 속도 성분과 결합 또는 가산한다. 단계 1818에서, 모터 인터페이스(1718)는 펌프 명령(1716)을 모터(84)에 제공되는 모터 드라이버 신호로 변환한다. 그 다음 리플-보상 명령이 모터(84)에 의해 사용되어 기어 어셈블리(52)를 구동하고 도 15에 도시된 바와 같이 감소된 리플로 재료를 적층한다.
따라서, 단계 1800~1818 동안, 콘트롤러(38)는 위치 인코더의 인코더 신호에 의해 제공되는 펌프 부재/로우터의 상태를 이용하여 시변 성분을 조정한다.
단계 1800~1818는 압출기에 의해 출력되는 적층되는 층의 비드 폭에서의 리플을 감소시키기 위해 시변 신호를 그 안에 가지는 펌프 명령 신호를 함께 표현하는 일련의 펌프 명령(1750)을 제공하기 위해 반복된다. 따라서, 단계 1800~1818를 통해, 콘트롤러(38)는 재료 흐름의 시변 변화를 보상하기 위해, 상기 압출기에 시변 신호를 적용하고, 상기 재료 흐름의 시변 변화는 그렇지 않으면 압출기의 기계적인 특성에 기인하여 발생할 수 있다.
용융 재료가 본 명세서의 다른 부분에서는 설명되었지만, 도 18의 공정 및 도 17의 장치는 예를 들면 실온 및 표준 압력에서 점성 또는 페이스트성(paste-like) 재료를 포함하여 다른 재료에 대해 사용될 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시형태에 관하여 설명되었지만, 이 분야의 숙련된 기술자들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 형태 및 세부사항이 변경될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (16)

  1. 3차원 부품을 인쇄하기 위해 적층 제조 시스템에 사용하기 위한 어셈블리로서,
    소모성 재료를 받아 상기 받은 소모성 재료를 용융하도록 구성되어 가압 상태의 용융 재료를 생성하는 액화기 튜브;
    기어와 상기 기어를 회전시키는 모터를 구비하는 기어 어셈블리를 포함하는 압출기로서,
    상기 기어의 회전은 압출기로부터의 재료의 흐름을 조절하고, 상기 기어 어셈블리는 케이싱을 더 포함하고, 상기 케이싱은 상기 액화기 튜브로부터 상기 가압 용융 재료를 작동 가능하게 받도록 구성된 유입 개구부와, 상기 유입 개구부로부터 상기 가압 용융 재료를 받도록 구성된 내부 캐비티와, 배출 개구부를 구비하며,
    상기 기어는 상기 케이싱의 상기 내부 캐비티 내의 펌프 부재이고,
    상기 기어는 제1 기어이고, 상기 제1 기어와 결합되고 상기 제1 기어의 회전과 역방향으로 회전하도록 구성된 제2 기어를 더 포함하고, 상기 제1 기어 및 제2 기어의 회전은 상기 유입 개구부로부터 상기 배출 개구부로의 가압 용융 재료의 흐름을 조절하도록 이루어진, 압출기; 및
    상기 모터가 상기 기어를 회전시키는 속도를 제어하기 위해 상기 모터에 제어 신호를 제공하는 콘트롤러로서, 상기 콘트롤러는 상기 압출기에 의해 출력되는 재료에 리플(ripples)을 감소시키기 위해 상기 제어신호에 시변(time-varying) 신호를 포함시키는 콘트롤러, 를 포함하는 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배출 개구부에서 상기 케이싱에 작동 가능하게 연결된 노즐을 더 포함하고, 상기 노즐은 상기 용융 재료의 조절된 흐름을 압출하도록 구성된, 어셈블리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이싱은 제1 케이싱과, 상기 제1 케이싱에 고정된 제2 케이싱을 포함하고, 상기 유입 개구부, 상기 내부 캐비티 및 상기 배출 개구부를 구비하는 어셈블리인 것을 특징으로 하는, 어셈블리.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이싱에 고정된 하나 이상의 히터 요소를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 히터 요소는 상기 케이싱을 가열하도록 구성된 어셈블리.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 콘트롤러는, 상기 기어의 측정된 회전 속력, 압출기에 의해 재료가 출력되는 속도를 제어하는 속도 기반 신호, 및 상기 압출기와 상기 재료를 받는 영역 간의 예측된 상대 속도 중에 적어도 하나를 포함하는, 입력 운동 인자에 기초한 시변(time-varying) 신호을 생성하는 어셈블리.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 콘트롤러는, 상기 시변 신호의 주파수가 상기 입력 운동 인자의 증가와 함께 증가하도록, 입력 운동 인자에 기초한 시변 신호을 생성하는 어셈블리.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 콘트롤러는, 상기 시변 신호의 진폭이 상기 입력 운동 인자의 증가와 함께 증가하도록, 입력 운동 인자에 기초한 시변 신호을 생성하는 어셈블리.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 콘트롤러는 상기 시변 신호에 대한 위상 각을 설정함으로써 상기 시변 신호을 생성하는 어셈블리.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 콘트롤러는, 상기 기어의 측정된 회전 속력, 압출기에 의해 재료가 출력되는 속도를 제어하는 속도 기반 신호, 및 상기 압출기와 상기 재료를 받는 영역 간의 예측된 상대 속도 중에 적어도 하나를 포함하는, 입력 운동 인자에 기초하여 상기 시변 신호에 대한 위상 각을 설정하는 어셈블리.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 콘트롤러는, 상기 시변 신호를 상기 압출기와 상기 재료를 받는 영역 간의 상대 속도에 기초하여 상기 압출기에 의해 재료가 출력되는 속도를 제어하는 속도 기반 신호와 결합함으로써, 상기 시변 신호를 상기 제어 신호에 포함시키는 어셈블리.
  11. 3차원 부품을 인쇄하기 위한 적층 제조 시스템으로서,
    상기 적층 제조 시스템은,
    소모성 재료를 받아 상기 받은 소모성 재료를 용융하도록 구성되어 가압 상태의 용융 재료를 생성하는 액화기 튜브;
    기어와 상기 기어를 회전시키는 모터를 구비하는 기어 어셈블리를 포함하는 압출기로서,
    상기 기어의 회전은 상기 압출기로부터의 재료의 흐름을 조절하고, 상기 기어 어셈블리는 케이싱을 더 포함하고, 상기 케이싱은 상기 액화기 튜브로부터 상기 가압 용융 재료를 작동 가능하게 받도록 구성된 유입 개구부와, 상기 유입 개구부로부터 상기 가압 용융 재료를 받도록 구성된 내부 캐비티와, 배출 개구부를 구비하며,
    상기 기어는 상기 케이싱의 상기 내부 캐비티 내의 펌프 부재이고,
    상기 기어는 제1 기어이고, 상기 제1 기어와 결합되고 상기 제1 기어의 회전과 역방향으로 회전하도록 구성된 제2 기어를 더 포함하고, 상기 제1 기어 및 제2 기어의 회전은 상기 유입 개구부로부터 배출 개구부로의 가압 용융 재료의 흐름을 조절하도록 이루어진, 압출기; 및
    상기 모터가 상기 기어를 회전시키는 속도를 제어하기 위해 상기 모터에 제어 신호를 제공하는 콘트롤러로서, 상기 콘트롤러는 상기 압출기에 의해 출력되는 재료에 리플(ripples)을 감소시키기 위해 상기 제어신호에 시변(time-varying) 신호를 포함시키는 콘트롤러, 를 포함하는 적층 제조 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 압출기로부터 상류에 위치한 압력 생성 스테이지를 더 구비하고,
    상기 압력 생성 스테이지는,
    구동 메커니즘;
    상기 액화기 튜브; 및
    상기 액화기 튜브를 가열하도록 구성된 하나 이상의 히터 어셈블리를 포함하는 적층 제조 시스템.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 배출 개구부에서 상기 케이싱에 작동 가능하게 연결된 노즐을 더 포함하고,
    상기 노즐은 상기 용융 재료의 조절된 흐름을 압출하도록 구성된 적층 제조 시스템.
  14. 적층 제조 시스템으로 3차원 부품을 인쇄하기 위한 방법으로서,
    소모성 재료를 받도록 구성된 액화기 튜브에서 상기 소모성 재료를 용융하여 가압 상태의 용융 재료를 생성하는 단계;
    상기 용융 재료를 기어 어셈블리로 밀어 넣는 단계로서, 상기 기어 어셈블리는 기어와 상기 기어를 회전시키는 모터를 구비하고, 상기 기어의 회전은 상기 기어 어셈블리로부터의 재료의 흐름을 조절하고, 상기 기어 어셈블리는 케이싱을 더 구비하고, 상기 케이싱은 상기 액화기 튜브로부터의 가압 용융 재료를 작동 가능하게 받도록 구성된 유입 개구부, 상기 유입 개구부로부터 가압 용융 재료를 받도록 구성된 내부 캐비티, 및 배출 개구부를 구비하며, 상기 기어는 상기 케이싱의 내부 캐비티 내의 펌프 부재이고;
    재료의 흐름에 시간에 따라 변하는 변화를 보상하기 위해 상기 모터가 상기 기어를 회전시키는 속도를 조절하고, 상기 기어 어셈블리에 의해 출력된 재료에 리플(ripples)을 감소시키기 위해, 상기 기어 어셈블리에 시변(time-varying) 신호를 인가함으로써 상기 기어 어셈블리를 제어하는 단계; 및
    상기 용융 재료를 3차원 인쇄 부품의 부분으로서 표면에 압출하는 단계, 를 포함하는 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 시변 신호를 인가하는 것은, 상기 기어 어셈블리에서 기어의 회전 속도를 결정하고 상기 기어의 회전 속도에 기초하여 시변 신호의 주파수를 설정하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 기어 어셈블리를 제어하는 단계는, 재료를 적층하는 노즐과 상기 적층 재료를 받는 영역 간의 상대 속력이 증가함에 따라 재료의 흐름을 증가시키기 위해, 상기 기어 어셈블리의 기어 속력을 변화시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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