KR101967105B1 - 경화제 사전 함침을 구현하는 적층 가공 시스템 - Google Patents

경화제 사전 함침을 구현하는 적층 가공 시스템 Download PDF

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KR101967105B1
KR101967105B1 KR1020180095182A KR20180095182A KR101967105B1 KR 101967105 B1 KR101967105 B1 KR 101967105B1 KR 1020180095182 A KR1020180095182 A KR 1020180095182A KR 20180095182 A KR20180095182 A KR 20180095182A KR 101967105 B1 KR101967105 B1 KR 101967105B1
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stiffener
continuous stiffener
continuous
printhead
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KR1020180095182A
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타일러 비 앨버라도
트레버 데이비드 벗지
라이언 씨 스토켓
존 스왈로우
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씨씨3디 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 복합 구조체를 적층 가공하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 프린트 헤드에 연속 보강재를 배향시키는 단계, 및 프린트 헤드의 내부에서 제 1 매트릭스 컴포넌트로 연속 보강재를 코팅하는 단계를 포함할 수도 있다. 상기 방법은 제 2 매트릭스 컴포넌트로 연속 보강재를 코팅하는 단계, 프린트 헤드의 노즐을 통해 연속 보강재를 배출하는 단계, 및 배출하는 동안에 멀티플 디멘션으로 프린트 헤드를 이동시키는 단계를 더 포함할 수도 있다. 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 제 2 매트릭스 컴포넌트는 연속 보강재 주위에서 매트릭스를 경화시키기 위해 상호작용한다.

Description

경화제 사전 함침을 구현하는 적층 가공 시스템{ADDITIVE MANUFACTURING SYSTEM IMPLEMENTING HARDENER PRE-IMPREGNATION}
본 발명은 일반적으로 제조 시스템에 관한 것이고, 더 구체적으로 경화제 사전 함침 (pre-impregnation) 을 구현하는 적층 가공 시스템에 관한 것이다.
종래의 적층 가공은 컴퓨터의 유도 제어 하에 재료의 층들을 중첩하여 디포짓시킴으로써 삼차원 부품을 형성하는 프로세스이다. 적층 가공의 공통 형태는 압출 적층 모델링 (FDM; fused deposition modeling) 으로서 공지되어 있다. FDM 을 이용하면, 열가소성 수지가 가열된 프린트 헤드를 통과하고 또한 그 프린트 헤드 내에서 액화된다. 재료가 프린트 헤드로부터 배출됨에 따라 프린트 헤드는 미리 정해진 궤적 (공구 경로로도 알려짐) 으로 이동되어, 재료가 중첩되는 이차원 층들의 특정 패턴 및 형상으로 놓이게 된다. 재료는 프린트 헤드를 나온 후에 냉각되어 최종 형태로 경화된다. 최종 형태의 강도는 주로 이차원 층들의 적층에 의해 형성된 삼차원 형상 및 프린트 헤드에 공급된 특정 열가소성 수지의 특성에 인한 것이다.
종래의 FDM 제조에 비해 최근 개발된 개선은 프린트 헤드로부터 배출되는 재료 내에 매립된 연속 섬유들의 사용 (Continuous Fiber 3D Printing-CF3DTM 로도 알려짐) 을 포함한다. 특히, 매트릭스는 프린트 헤드에 공급되고 또한 동시에 동일한 헤드를 마찬가지로 통과하는 하나 이상의 연속 섬유와 함께 배출 (예컨대, 압출 및/또는 인발 (pultruded)) 된다. 매트릭스는 종래의 열가소성 수지, 분말 금속, 액체 매트릭스 (예컨대 UV 큐어가능한 수지 및/또는 2 파트 수지), 또는 이들 중 어느 하나와 다른 공지된 매트릭스의 조합일 수 있다. 프린트 헤드를 나올 때, 매트릭스의 큐어링을 개시 및/또는 완료하기 위하여 큐어 인핸서 (cure enhancer; 예컨대, UV 광, 초음파 방사기, 열원, 촉매 공급부 등) 가 활성화된다. 이러한 큐어링은 거의 즉시 발생하여, 비지지식 구조체를 자유 공간에서 제작할 수 있다. 또한 섬유, 특히 연속 섬유가 구조체 내에 매립될 때에, 구조체의 강도는 매트릭스 의존적인 강도를 넘어서 증대될 수도 있다. 이러한 기술의 예는 2016 년 12 월 6 일자에 Tyler 에 발행된 U.S. 특허 9,511,543 ("543 특허") 에 개시되어 있다.
불투명 섬유 (예컨대, 탄소 섬유), 고밀도 섬유, 고농도 섬유, 직경이 큰 섬유 등을 포함하는 일부 적용들에서, 대응하는 섬유 번들의 중심에 위치한 매트릭스 재료가 충분한 큐어 향상 (예컨대, 충분한 큐어 에너지, 촉매 등) 을 받기 어려울 수 있다. 원인 불명의 경우, 최종 구조체는 강도 및/또는 새그 (sag) 가 원하지 않게 부족할 수도 있다.
개시된 시스템은 전술한 문제들 및/또는 종래 기술의 다른 문제들 중 하나 이상을 해결하는 것에 관한 것이다.
일 양태에서, 본 발명은 복합 구조체를 적층 가공하는 방법에 관한 것이다. 방법은 프린트 헤드에 연속 보강재를 배향시키는 단계, 및 프린트 헤드의 내부에서 제 1 매트릭스 컴포넌트로 연속 보강재를 코팅하는 단계를 포함할 수도 있다. 방법은 제 2 매트릭스 컴포넌트로 연속 보강재를 코팅하는 단계, 프린트 헤드의 노즐을 통해 연속 보강재를 배출하는 단계, 및 배출하는 동안에 멀티플 디멘션으로 프린트 헤드를 이동시키는 단계를 더 포함할 수도 있다. 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 제 2 매트릭스 컴포넌트는 연속 보강재 주위에서 매트릭스를 경화시키기 위해 상호작용한다.
다른 양태에서, 본 발명은 복합 구조체를 적층 가공하기 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 지지부, 및 상기 지지부의 단부에 연결된 프린트 헤드를 포함할 수도 있다. 프린트 헤드는 연속 보강재가 수지 및 촉매 중 하나로 코팅되는 챔버를 갖는 보디를 구비할 수도 있다. 프린트 헤드는, 보디의 배출 단부에 연결되고 또한 수지 및 촉매 모두로 코팅된 연속 보강재를 배출하도록 구성된 노즐을 또한 포함할 수도 있다. 시스템은 지지부 및 헤드와 연통하는 컨트롤러를 더 포함할 수도 있다. 컨트롤러는 선택적으로 복합 구조체에 대한 사양에 따라 노즐로부터 연속 보강재를 배출하는 동안 지지부가 멀티플 디멘션으로 헤드를 이동시키도록 구성될 수도 있다.
추가의 다른 양태에서, 본 발명은 복합 구조체를 적층 가공하는데 사용하기 위한 프리프레그 재료에 관한 것이다. 프리프레그 재료는 연속 보강재, 및 멀티 파트 매트릭스의 촉매를 포함할 수도 있다. 적어도 수지를 마찬가지로 포함하는 멀티 파트 매트릭스는 복합 구조체를 형성하기 위해 연속 보강재 주위에서 큐어가능하다. 보강재는 촉매로 적어도 부분적으로 포화되고, 복합 구조체의 제조 전에 수지를 실질적으로 포함하지 않으며, 또한 보강재는 복합 구조체의 약 35 ~ 70% 를 차지한다. 촉매는 복합 구조체의 약 .1 ~ 10% 를 차지한다.
도 1 은 예시적으로 개시된 제조 시스템의 개략도이고; 그리고
도 2 ~ 도 4 는 도 1 의 제조 시스템과 관련하여 사용될 수도 있는 예시적으로 개시된 헤드들의 개략도들이다.
도 1 은 임의의 원하는 단면 형상 (예컨대, 원형, 다각형 등) 을 가지는 복합 구조체 (12) 를 연속적으로 제조하는데 사용될 수도 있는 예시적인 시스템 (10) 을 도시한다. 시스템 (10) 은 적어도 지지부 (14) 및 헤드 (16) 를 포함할 수도 있다. 헤드 (16) 는 지지부 (14) 에 커플링되어 그에 의해 이동되는 보디 (18), 및 보디 (18) 의 반대쪽 배출 단부에 위치된 노즐 (20) 을 구비할 수도 있다. 도 1 의 개시된 실시형태에서, 지지부 (14) 는 구조체 (12) 의 제작 동안 여러 방향으로 헤드 (16) 를 이동시킬 수 있는 로봇 아암이여서, 구조체 (12) 의 최종 종방향 축선은 삼차원이다. 하지만, 지지부 (14) 가 대안적으로 구조체 (12) 의 제작 동안 여러 방향으로 헤드 (16) 를 마찬가지로 이동시킬 수 있는 오버헤드 겐트리 또는 하이브리드 겐트리/아암일 수 있다는 것이 고려된다. 지지부 (14) 가 6 축 이동가능한 것으로 도시되지만, 동일한 또는 상이한 방식으로 헤드 (16) 를 이동시킬 수 있는 임의의 다른 유형의 지지부 (14) 가 필요 시에 또한 사용될 수 있다는 것이 고려된다. 일부 실시형태들에서, 드라이브는 헤드 (16) 를 지지부 (14) 에 기계적으로 커플링시킬 수도 있고, 동력 또는 재료를 헤드 (16) 에 이동 및/또는 공급하도록 협력하는 컴포넌트들을 포함할 수도 있다.
보디 (18) 는 매트릭스 재료를 수용하거나 그렇지 않으면 함유하도록 구성될 수도 있다. 매트릭스 재료는 큐어가능한 임의의 유형의 매트릭스 재료 (예컨대, 제로 휘발성 유기 화합물 수지와 같은 액체 수지; 분말 금속; 등) 를 포함할 수도 있다. 예시적인 수지는 열경화성 수지, 단일 또는 멀티 파트 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 양이온성 에폭시, 아크릴레이트화 에폭시, 우레탄, 에스테르, 열가소성 수지, 포토폴리머, 폴리에폭사이드, 티올, 알켄, 티올-엔 등을 포함한다. 일 실시형태에서, 보디 (18) 내의 매트릭스 재료는 예를 들어 대응하는 도관 (미도시) 을 통해 헤드 (16) 에 유체 연결되는 외부 디바이스 (예컨대, 압출기 또는 다른 유형의 펌프 (미도시)) 에 의해 가압될 수도 있다. 그러나, 다른 실시형태에서, 압력은 유사한 유형의 디바이스에 의해 보디 (18) 의 내부에서 완전히 생성될 수도 있다. 추가의 다른 실시형태들에서, 매트릭스 재료는 보디 (18) 를 통해 중력 공급 (gravity-fed) 될 수도 있고 그리고/또는 보디 (18) 내에서 혼합될 수도 있다. 일부 예들에서, 보디 (18) 내의 매트릭스 재료는 조기 큐어링을 억제하기 위해 차갑게 그리고/또는 어둡게 유지될 필요가 있을 수도 있지만; 다른 예들에서, 매트릭스 재료는 동일한 이유로 따뜻하게 유지될 필요가 있을 수도 있다. 양자의 상황에서, 보디 (18) 는 이러한 필요성들에 대해 제공되도록 특별하게 구성 (예컨대, 절연, 칠링 (chilled) 및/또는 워밍 (warmed)) 될 수도 있다.
매트릭스 재료는 임의의 개수의 연속 보강재들 (예컨대, 별도의 섬유들, 토우들, 로빙들 및/또는 재료 시트들) 을 코팅하는데, 둘러싸는데 또는 그렇지 않으면 감싸는데 사용될 수도 있고, 보강재와 함께, 복합 구조체 (12) 의 적어도 부분 (예컨대, 벽) 을 구성하는데 사용될 수도 있다. 보강재는 보디 (18) 내부에 (예컨대, 별도의 외부 스풀들 (미도시) 상에) 저장될 수도 있거나, 그렇지 않으면 보디 (18) 를 통해 (예컨대, 외부 스풀들 (21) 로부터 공급됨 (도 2 ~ 도 4 참조)) 통과될 수도 있다. 다양한 보강재들이 동시에 사용될 때에, 보강재는 동일한 유형일 수도 있고, 또한 동일한 직경 및 단면 형상 (예컨대 원형, 정사각형, 평탄형 (flat) 등) 을 가질 수도 있거나, 상이한 직경 및/또는 단면 형상들을 갖는 상이한 유형일 수도 있다. 예를 들어, 보강재는 탄소 섬유, 식물성 섬유, 목재 섬유, 미네랄 섬유, 유리 섬유, 금속 와이어, 광학 튜브 등을 포함할 수도 있다. 용어 "보강재" 는 노즐 (20) 로부터 배출되는 매트릭스 재료 내에 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있는 연속 재료들의 구조적 그리고 비구조적 유형들 모두를 포함하도록 의도된다는 것을 인지해야 한다.
보강재는 보강재가 보디 (18) 를 통과하는 동안 매트릭스 재료에 노출 (예컨대 매트릭스 재료로 코팅) 될 수도 있다. 매트릭스 재료, 건식 보강재 및/또는 매트릭스 재료에 이미 노출된 보강재 (예컨대, 습식 보강재) 는 당업자에게 자명한 임의의 방식으로 보디 (18) 에 이송될 수도 있다.
매트릭스 재료 및 보강재는 적어도 2 개의 상이한 작동 모드를 통해 노즐 (20) 로부터 배출될 수도 있다. 제 1 작동 모드에서, 매트릭스 재료 및 보강재는 헤드 (16) 가 구조체 (12) 의 삼차원 형상을 형성하기 위해 지지부 (14) 에 의해 이동됨에 따라 노즐 (20) 로부터 압출 (예컨대, 압력 및/또는 기계적 힘 하에서의 당김) 된다. 제 2 작동 모드에서, 적어도 보강재는 노즐 (20) 로부터 당김되어, 인장 응력이 배출 동안 보강재 내에 형성된다. 이러한 작동 모드에서, 매트릭스 재료는 보강재에 매달릴 수도 있고, 그럼으로써 또한 보강재와 함께 노즐 (20) 로부터 당김될 수도 있고, 그리고/또는 매트릭스 재료는 당김된 보강재와 함께 압력 하에서 노즐 (20) 로부터 배출될 수도 있다. 매트릭스 재료가 노즐 (20) 로부터 당김되는 제 2 작동 모드에서, 보강재 내의 최종 인장은 구조체 (12) 의 강도를 증가시킬 수도 있으면서, 비지지식 재료의 더 긴 길이가 더 직선형의 궤적을 가지게 한다 (즉, 인장은 구조체 (12) 에 대해 독립된 지지를 제공하기 위하여 중력에 대해 작용할 수도 있다).
보강재는 헤드 (16) 가 앵커 지점 (22) 으로부터 멀어지는 결과로서 노즐 (20) 로부터 당김될 수도 있다. 특히, 구조 형성의 시작 시에, 매트릭스 함침된 보강재의 길이가 노즐 (20) 로부터 당김 및/또는 밀림될 수도 있고, 앵커 지점 (22) 상에 디포짓될 수도 있고, 또한 경화될 수도 있어서, 배출된 재료가 앵커 지점 (22) 에 부착된다. 그 후, 헤드 (16) 는 앵커 지점 (22) 으로부터 멀어지게 이동될 수도 있고, 상대 이동은 보강재가 노즐 (20) 로부터 당김되게 할 수도 있다. 보디 (18) 를 통한 보강재의 이동이 필요 시에 (예컨대, 하나 이상의 내부 및/또는 외부 공급 메커니즘들 (미도시) 을 통해) 보조될 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 하지만, 노즐 (20) 로부터 보강재의 배출 속도는 주로 헤드 (16) 와 앵커 지점 (22) 사이의 상대 이동의 결과일 수도 있어서, 인장은 보강재 내에 형성되어 유지된다. 앵커 지점 (22) 은 프린트 헤드 (16) 가 앵커 지점 (22) 으로부터 멀어지게 이동되는 것에 대신하여 또는 더하여 헤드 (16) 로부터 멀어지게 이동될 수 있다는 것이 고려된다.
하나 이상의 큐어 인핸서 (24; 예컨대, UV 광, 초음파 방사기, 레이저, 히터, 촉매 디스펜서 등) 가 (예컨대, 보디 (18) 의 베이스에서, 보디 (18) 의 내부에서, 보디 (18) 의 외부에서, 또는 그렇지 않으면 노즐 (20) 에 인접하여) 헤드 (16) 부근에 (예컨대, 헤드 (16) 내에, 헤드 (16) 상에 그리고/또는 헤드 (16) 로부터 말미에) 탑재될 수도 있고, 또한 이것이 헤드 (16) 로부터 배출됨에 때라 매트릭스 재료의 큐어 속도 및/또는 품질을 향상시키도록 구성될 수도 있다. 큐어 인핸서 (24) 가 구조체 (12) 의 형성 동안 구조체 (12) 의 내부 및/또는 외부 표면을 에너지 (예컨대, UV 광, 전자기 방사선, 진동, 열, 화학 촉매, 경화제, 또는 개시제 등) 에 선택적으로 노출시키도록 제어될 수도 있다. 에너지는 매트릭스 재료 내에서 일어나는 화학 반응 속도를 증가시키거나, 재료를 소결하거나, 재료를 경화시키거나, 그렇지 않으면 이것이 헤드 (16) 로부터 배출됨에 따라 재료가 큐어되게 할 수도 있다.
컨트롤러 (26) 는 지지부 (14), 헤드 (16) 및 임의의 개수 및 유형의 큐어 인핸서 (24) 를 구비할 수도 있고 이들과 통신가능하게 커플링될 수도 있다. 컨트롤러 (26) 는 시스템(들) (10 및/또는 12) 의 작동을 제어하기 위한 수단을 포함하는 단일 프로세서 또는 다중 프로세서들을 구현할 수도 있다. 컨트롤러 (26) 는 하나 이상의 일반 또는 특수 목적 프로세서들 또는 마이크로프로세서들을 포함할 수도 있다. 컨트롤러 (26) 는 예를 들어 설계 한계, 성능 특성, 작동 명령, 매트릭스 특성, 보강재 특성, 구조체 (12) 의 특성, 및 시스템 (10) 의 각 컴포넌트의 대응하는 파라미터들과 같은 데이터를 저장하기 위한 메모리를 더 포함할 수도 있거나 이와 관련될 수도 있다. 전원 회로, 신호 처리 회로, 솔레노이드/모터 드라이버 회로, 통신 회로, 및 다른 적합한 회로를 포함하는 여러 다른 공지된 회로들이 컨트롤러 (26) 와 관련될 수도 있다. 게다가, 컨트롤러 (26) 는 유선 및/또는 무선 전송을 통해 시스템 (10) 의 다른 구성 요소들과 통신할 수도 있다.
하나 이상의 맵들은 컨트롤러 (26) 의 메모리 내에 저장될 수도 있고 구조체 (12) 의 제작 동안 사용될 수도 있다. 이러한 맵들의 각각은 룩업 테이블, 그래프 및/또는 방정식 형태의 데이터 집합을 포함할 수도 있다. 개시된 실시형태에서, 맵들은 구조체 (12) 내의 상이한 위치에서의 관련 보강재, 관련 매트릭스, 및/또는 큐어 인핸서 (24) 의 원하는 특성을 결정하기 위하여 컨트롤러 (26) 에 의해 사용된다. 특성들은 그 중에서도 구조체 (12) 내의 특정 위치에서 배출되는 매트릭스 및/또는 보강재의 유형, 수량 및/또는 구성을 그리고/또는 원하는 큐어링의 양, 형상 및/또는 위치를 포함할 수도 있다. 그런 다음, 컨트롤러 (26) 는 큐어 인핸서 (24) 의 작동과 노즐 (20) 로부터의 재료의 배출 (재료의 유형, 재료의 원하는 성능, 재료의 가교 요건, 배출 속도 등) 및/또는 지지부 (14) (예컨대, 헤드 (16) 의 위치 및/또는 배향) 의 작동을 연관시킬 수도 있어서, 구조체 (12) 는 원하는 방식으로 제조된다.
일부 적용들에서, 노즐 (20) 로부터 배출되기 전에 헤드 (16) 를 통과하는 각각의 섬유들이 매트릭스 재료로 충분히 코팅되도록 (즉, 적절한 접착 및 큐어링을 보장하기에 충분하게 코팅되도록) 주의해야 한다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 섬유는 보디 (18) 내부에 위치되는 하나 이상의 챔버들 (28) 을 통해 이동하는 동안 매트릭스 재료에 노출될 수도 있다.
도 2 의 실시형태에서, 헤드 (16) 내의 보강재에 적용되는 매트릭스 재료는 멀티 파트 매트릭스이다. 특히, 매트릭스는 제 1 매트릭스 컴포넌트 (예컨대, 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 또는 다른 유형의 수지) 및 적어도 제 2 매트릭스 컴포넌트 (예컨대, 경화제, 촉매, 또는 다른 개시제) 를 포함하고, 이는 제어된 조건 하에서, 함께 반응하거나 반응을 일으켜서 관련된 보강재를 둘러싸는 큐어링된 그리고 경화된 매트릭스를 형성한다. 적어도 두 개의 별개의 챔버들 (28) 은 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 제 2 매트릭스 컴포넌트로 보강재를 별개로 코팅하기 위해 도 2 의 보디 (18) 내부에 위치된다. 이러한 챔버들 (28) 은 헤드 (16) 를 통해 (예컨대, 스풀 (21) 로부터 노즐 (20) 로) 보강재(들)의 이동 방향에 관하여 제 2 챔버 (28b) 와 순차적으로 배열되는 제 1 챔버 (28a) 를 포함한다. 이러한 예에서, 제 1 챔버 (28a) 가 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 제 2 매트릭스 컴포넌트 중 하나를 포함하는 반면, 제 2 챔버 (28b) 가 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 제 2 매트릭스 컴포넌트 중 다른 하나를 포함한다. 본 명세서에서는 보디 (18) 내의 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 제 2 매트릭스 컴포넌트의 순차적인 순서들 모두가 고려된다는 것이 인지되어야 한다.
제 1 매트릭스 컴포넌트 및/또는 제 2 매트릭스 컴포넌트는 수개의 상이한 방식으로 상응하는 챔버(들) (28a, 28b) 에 공급될 수도 있다. 예를 들어, 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 제 2 매트릭스 컴포넌트 중 하나 또는 둘 다는 제트 (30) 를 통해 가스-, 액체- 또는 분말-스트림으로서 (도 4 참조); 공급 입구 (32) 또는 제트 (30) 를 통해 액체 욕 (liquid bath) 으로서; 가압 도관 (34), 공급 입구 (32) 또는 제트 (30) 를 통해 현탁 분말로서; 또는 종래 기술에 공지된 다른 방식으로 제공될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 코팅된 보강재가 제 2 챔버 (28b) 에 진입하기 전에 (그리고/또는 코팅된 보강재가 노즐 (20) 에 진입하기 직전에) 보강재로부터 과잉의 매트릭스 컴포넌트를 제거하기 위하여 제 1 챔버 (28a) 와 제 2 챔버 (28b) (및/또는 제 2 챔버 (28b) 의 하류) 사이에 조절 디바이스 (36) (예컨대, 대향 롤러들, 스퀴지, 와이퍼, 브러쉬, 에어 제트 등) 가 배치될 수도 있다. 이러한 방식으로, 제 2 챔버 (28b) 내부의 매트릭스 컴포넌트의 후속 공급과의, 보강재에 매달리는 임의의 과잉의 매트릭스 컴포넌트의 혼합 (및 제 2 챔버 (28b) 내부의 혼합물의 대응하는 조기 큐어링) 이 억제될 수도 있다. 일부 적용들에서, 기계적인 수단 (예컨대, 촉매 코팅된 보강재를 둘러싸고 또한 제트(들) (30) 로 연장되는 튜브) 이 베이스 매트릭스와 촉매의 사전 혼합을 억제하는데 사용될 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 매트릭스 컴포넌트들의 큐어링은 주로 제 2 챔버 (28b) 내의 원하지 않은 혼합과 관계 없이 매트릭스 컴포넌트들의 온도가 최소 임계값을 초과할 때에만 급속하게 개시 또는 진행될 수도 있다. 이러한 실시형태들에서, 헤드 (16) 의 보디 (18) 는 조기 큐어링을 억제하기 위하여 최소 임계값 미만으로 유지될 수도 있다.
단일 제트 (30) 가 헤드 (16) 를 통과하는 보강재의 축선에 일반적으로 직교하도록 배향되는 것으로 도시되어 있지만, 임의의 개수의 제트들 (30) 이 필요 시에 상이한 각도로 사용 및 배향될 수 있다는 것이 고려된다는 것이 인지되어야 한다. 예를 들어, 제트(들) (30) 는 보강재의 축선에 대해 비스듬한 각도로 그리고 노즐 (20) 을 향해 하향으로 틸팅될 수 있다. 이는 일부 적용들에서 매트릭스 리버저 (28) 에서 촉매의 비산 및 오염을 줄이는 것을 도울 수도 있다. 또한, 퍼지 유체 (예컨대, 광유) 가 필요 시에 제트(들) (30) 를 주기적으로 (예컨대, 제작 이벤트의 시작 및/또는 종료 시에) 통과할 수 있다는 것이 고려된다.
보강재가 제 1 챔버 (28a) 와 제 2 챔버 (28b) 를 통과함에 따라, 보강재는 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 제 2 매트릭스 컴포넌트의 중첩되는 내부 및 외부 층들로 코팅될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 층들은 보강재가 노즐 (20) 에 도달할 때까지 실질적으로 분리된 채로 유지된다. 다른 실시형태들에서, 보강재가 노즐 (20) 에 도달하기 전에, 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 제 2 매트릭스 컴포넌트의 그들의 대응하는 경계들에서의 일부 혼합이 일어난다. 얼마나 많은 혼합이 노즐 (20) 의 상류에서 발생하는 지와 상관 없이, 노즐 (20) 을 통해 배출되고 또한 수렴되는 코팅된 보강재의 기계적 모션이 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 제 2 매트릭스 컴포넌트의 혼합을 향상시킬 수도 있다. 또한 노즐 (20) 을 나올 때에, 증가된 혼합 및 큐어 인핸서 (24) 로부터의 에너지에 대한 노출의 결과로서 큐어링이 시작되거나 가속될 수도 있다. 일부 적용들에서, 노즐 (20) 에서의 두 개의 매트릭스 컴포넌트들의 혼합 (및/또는 혼합된 컴포넌트들의 주변 환경에 대한 노출) 이 완전한 큐어링에 충분할 수도 있으므로, 큐어 인핸서 (24) 가 불필요할 수도 있다는 것이 고려된다. 또한, 노즐 (20) (예컨대, 노즐 (20) 의 팁 단부) 이 필요 시에 경화 속도를 증가시키도록 에너지화 (예컨대 가열, 진동 등) 될 수 있다는 것이 고려된다.
일부 실시형태들에서, 전술한 두 개의 매트릭스 컴포넌트들에 더하여, 첨가제 또는 제 3 매트릭스 컴포넌트가 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 제 2 매트릭스 컴포넌트 중 하나 또는 둘 다로 혼합될 수도 있다. 예를 들어, 첨가제는 필러 및/또는 추가의 또는 상이한 촉매를 포함할 수도 있다. 예를 들어, UV 큐어 개시제 (예컨대, 제 2 매트릭스 컴포넌트와는 상이함) 가 필요 시에 제 1 매트릭스 컴포넌트에 혼합될 수 있다. UV 큐어 개시제는 큐어 인핸서 (24) 로부터 광 에너지에 노출시에, 보강재를 코팅하는 매트릭스 혼합물의 온도를 전술한 최소 임계 온도로 상승시키는데 충분할 수도 있다. 그 후에, 보강재를 코팅하는 혼합물 내의 제 2 매트릭스 컴포넌트는 혼합물 내의 매트릭스 컴포넌트의 전체 및 완전한 큐어링을 유발하도록 트리거링될 수도 있다.
일부 상황들에서, 헤드 (16) 에 공급되는 보강재는 바인딩 (bound), 우븐, 트위스팅, 또는 그렇지 않으면 함께 모아지는 다수의 (예를 들어, 수천 개의) 개별 섬유들을 포함할 수도 있다. 이러한 상황에서, 충분한 양의 제 1 매트릭스 컴포넌트 및/또는 제 2 매트릭스 컴포넌트가 각각의 개별 섬유들을 코팅한다는 것을 보장하기 어려울 수 있다. 이는 대형 토우들 또는 두꺼운 섬유들의 리본들이 고속으로 헤드 (16) 를 통과할 때에 훨씬 더 어려울 수도 있다. 이러한 이유로, 헤드 (16) 는 토우들 또는 리본들의 분리 및/또는 평탄화하는데 도움이 되는 하나 이상의 섬유 티징 (fiber-teasing) 메커니즘들 (38) 을 장착할 수도 있어서, 매트릭스 컴포넌트들은 더 철저하게 그리고/또는 더 빠르게 중심 섬유들로 침투할 수 있다. 메커니즘들 (38) 은 챔버(들) (28) 사이의 그리고/또는 챔버(들) (28) 의 상류에 있는 포지션에서 보디 (18) 의 내부 및/또는 외부에 위치될 수도 있다. 예를 들어, 메커니즘들 (38) 은 브러쉬, 돌출부들의 구불구불한 경로 (tortuous path; 예컨대, 롤러들, 핑거들, 또는 고정 범프들), 에어 및/또는 수지 제트들, 및 다른 유사한 디바이스들을 포함할 수도 있다.
도 3 은 멀티 파트 매트릭스에서 코팅된 보강재들을 배출하도록 또한 구성되는 헤드 (16) 의 대안의 실시형태를 도시한다. 하지만, 이 실시형태에서, 보디 (18) 는 단일 챔버 (28) 를 포함한다. 단일 챔버 (28) 는 첨가제와 관계 없이 전술한 제 1 매트릭스 컴포넌트 또는 제 2 매트릭스 컴포넌트를 홀딩할 수도 있다. 나머지 매트릭스 컴포넌트는 보강재를 이미 코팅할 수도 있고 또한 (예컨대, 스풀 (21) 로부터 그리고/또는 상류 및 외측 코팅 챔버 (미도시) 로부터) 프리프레그 재료로서 헤드 (16) 에 공급될 수도 있다. 즉, 헤드 (16) 는 멀티 파트 매트릭스의 일 부분만을 적용하도록 구성될 수 도 있고, 나머지 파트(들)는 더 이른 시간 그리고/또는 상류 위치에 있는 보강재들에 이미 적용된다. 이러한 실시형태에서, 예를 들어, 건조한, 차가운 그리고/또는 어두운 조건에서 재료가 헤드 (16) 에 공급되기 전에 프리프레그 재료가 재료의 수명을 연장시키는 조건에서 유지되도록 주의해야 한다.
도 4 는 멀티 파트 매트릭스에서 코팅된 보강재들을 배출하도록 또한 구성되는 단일 챔버 헤드 (16) 를 구비하는 다른 실시형태를 도시한다. 도 3 의 실시형태와 같이, 도 4 의 단일 챔버 (28) 는 (첨가제와 관계 없이) 전술한 제 1 매트릭스 컴포넌트 또는 제 2 매트릭스 컴포넌트를 홀딩할 수도 있다. 나머지 매트릭스 컴포넌트는 배출 단부에서 헤드 (16) 로 (예컨대, 제트 (30), 입구 (32) 및/또는 도관 (34) 을 통해) 주입, 분무, 또는 그렇지 않으면 전진될 수도 있다. 일 실시예에서, 나머지 매트릭스 컴포넌트는 노즐 (20) 의 바로 상류에 있는 챔버 (28) 의 배출 단부에서 보디 (18) 로 전진된다. 다른 실시형태에서, 나머지 매트릭스 컴포넌트는 노즐 (20) 에 직접 전진된다. 매트릭스 컴포넌트의 전진 위치는 여전히 노즐 (20) 내의 조기 큐어링을 억제하기에 충분한 하류에서 매트릭스 컴포넌트들의 적합한 혼합을 보장하기 위하여 노즐 (20) 의 팁 단부의 상류에서 충분히 멀리 있어야 한다. 도 4 의 실시형태에서 헤드 (16) 에 공급된 보강재는 필요 시에 다른 재료 (예컨대, 첨가제) 와 사전 함침된 섬유들 또는 건식 섬유들을 포함할 수도 있다는 것이 고려된다.
구조체 (12) 를 제작하는데 사용된 특정 실시형태 (예컨대, 도 2, 도 3 또는 도 4 의 실시형태) 와 관계 없이, 구조체 (12) 는 적어도 세 개의 주요 성분들로 구성될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 성분들은 보강재 (예컨대, 연속 섬유들, 토우들, 리본들, 시트들 등), 제 1 매트릭스 컴포넌트 (예컨대, 에폭시 수지와 같은 수지) 및 제 2 매트릭스 컴포넌트 (예컨대, 경화제, 촉매, 개시제 등) 을 포함할 수도 있다. 그리고 일부 실시형태들에서, 첨가제 (예컨대, UV 큐어 개시제) 가 제조 프로세스에서 임의의 원하는 지점에서 제 1 및/또는 제 2 매트릭스 컴포넌트들에 혼합될 수도 있다. 본 명세서의 목적들을 위해, 보강재는 구조체 (12) 의 (예컨대, 중량 및/또는 체적으로) 약 (예컨대, 엔지니어링 허용오차 내의) 35 ~ 70% 를 포함할 수도 있고; 제 1 매트릭스 컴포넌트는 구조체 (12) 의 약 30 ~ 50% 를 포함할 수도 있고; 또한 제 2 매트릭스 컴포넌트는 구조체 (12) 의 약 .1 ~ 10% 를 포함할 수도 있다. 첨가제를 포함하는 실시형태들에서, 첨가제는 약 0 ~ 10% 를 포함할 수도 있다.
산업상 이용가능성
개시된 시스템은 임의의 원하는 단면 형상, 길이, 밀도 및/또는 강도를 가지는 복합 구조체들을 연속적으로 제조하는데 사용될 수도 있다. 복합 구조체는 동일한 또는 상이한 타입들, 직경들, 형상들, 구성들 및 컨시스트들 (consists) 의 임의의 개수의 상이한 보강재들 및/또는 임의의 개수의 상이한 매트릭스들을 포함할 수도 있다. 시스템 (10) 의 작동은 이제부터 더 상세하게 설명될 것이다.
제조 이벤트의 시작 시에, 원하는 구조체 (12) 에 관한 정보는 시스템 (10) 내로 (예컨대, 지지부 (14), 큐어 인핸서(들) (24), 제트(들) (30), 조절 디바이스(들) (36), 섬유 티징 메커니즘들 (38) 및/또는 임의의 다른 관련된 컴포넌트들의 작동을 조절하는 역할을 하는 컨트롤러 (26) 내로) 로딩될 수도 있다. 이러한 정보는, 그 중에서도, 사이즈 (예컨대, 직경, 벽 두께, 길이 등), 윤곽 (예컨대, 궤적), 표면 특징들 (예컨대, 리지 사이즈, 위치, 두께, 길이; 플랜지 사이즈, 위치, 두께, 길이; 등), 연결부의 기하학적 형상 (예컨대, 커플링들, 티들 (tees), 스플라이스들 등의 위치 및 사이즈), 위치 특정 매트릭스 규정, 위치 특정 보강재 규정, 원하는 큐어 속도, 큐어 위치, 큐어 형상, 큐어량 등을 포함할 수도 있다. 이러한 정보는 필요 시에 제조 이벤트 동안 연속적으로 그리고/또는 상이한 시간에 시스템 (10) 내로 대안으로 또는 추가로 로딩될 수도 있다는 것이 인지되어야 한다.
컴포넌트 정보에 기초하여, 특정 노즐 (20) 및/또는 큐어 인핸서 구성은 헤드 (16) 에 (예컨대, 보디 (18) 의 배출 단부에) 연결될 수도 있고, 하나 이상의 상이한 (예컨대 상이한 사이즈들, 형상들 및/또는 타입들의) 보강재들 및/또는 매트릭스 재료들은 시스템 (10) 내에 선택적으로 설치될 수도 있고 그리고/또는 노즐 (20) 내로 연속적으로 공급될 수도 있다. 대응하는 보강재들 (예컨대, 프리프레그 또는 건식 섬유들, 토우들, 리본들 또는 시트들) 은 (인접한 브러쉬들의 강모 사이에서 그리고/또는 돌출부들 위에서 또는 주위에서) 하나 이상의 섬유 티징 메커니즘들 (38) 및 노즐 (20) 을 통과할 수도 있고, 그 후에 당김 머신 (미도시) 에 그리고/또는 탑재 픽스쳐에 (예컨대, 앵커 지점 (22) 에) 연결된다. 매트릭스 재료의 설치는 챔버(들) (28) 의 충전 및/또는 헤드 (16) 에의 압출기 (미도시) 의 커플링을 포함할 수도 있다.
헤드 (16) 는 컨트롤러 (26) 의 조절 하에 지지부 (14) 에 의해 이동될 수도 있어서, 매트릭스 코팅된 보강재가 대응하는 앵커 지점 (22) 상에 또는 대응하는 앵커 지점 (22) 에 대해 배치될 수 있다. 큐어 인핸서 (24) 는 그런 다음 선택적으로 활성화 (예컨대, 컨트롤러 (26) 에 의해 강도 조절 및/또는 턴 온/오프) 될 수도 있어서, 보강재를 둘러싸는 매트릭스 재료를 경화시키고, 그럼으로써 보강재를 앵커 지점 (22) 에 결합시킨다.
그런 다음, 컴포넌트 정보는 시스템 (10) 의 작동을 제어하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들어, 보강재들은 섬유 티징 메커니즘들 (38) 을 통해 당김될 수도 있고; 분리 및/또는 평탄화될 수도 있고; 제 1 매트릭스 컴포넌트 내에 서브머징 (submerged) 될 수도 있고; 조절 디바이스 (36) 에 의해 수축 (wrung out) 될 수도 있고; 제 2 매트릭스 컴포넌트 내에 서브머징될 수도 있고; 또한 그 후 노즐 (20) 로부터 배출될 수도 있다. 컨트롤러 (26) 는 선택적으로 지지부 (14) 가 이 시점에 원하는 방식으로 헤드 (16) 를 이동시켜서, 최종 구조체 (12) 의 축선이 원하는 궤적 (예컨대, 자유 공간, 비지지식, 3-D 궤적) 을 따르게 한다. 또한, 큐어 인핸서 (24) 는 액체 매트릭스 혼합물의 경화를 개시, 가속, 또는 완료하기 위하여 재료 배출 동안 컨트롤러 (26) 에 의해 선택적으로 활성화된다. 일단 구조체 (12) 가 원하는 길이로 성장하면, 구조체 (12) 는 임의의 원하는 방식으로 헤드 (16) 로부터 분리 (예컨대, 절단) 될 수도 있다.
개시된 시스템들 및 헤드에 여러 수정 및 변형이 이루어질 수도 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 다른 실시형태들은 개시된 시스템들 및 헤드들의 설명 및 실시의 고려로부터 당업자에게 자명해질 것이다. 설명 및 예들은 오로지 예시적인 것으로 간주되어야 하고, 전정한 범위는 이하의 청구항들 및 그들의 등가물들에 의해 나타내어 진다는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 복합 구조체를 적층 가공하는 방법으로서,
    프린트 헤드에 연속 보강재를 배향시키는 단계;
    상기 프린트 헤드의 내부에서 제 1 매트릭스 컴포넌트로 상기 연속 보강재를 코팅하는 단계;
    상기 제 1 매트릭스 컴포넌트와는 상이한 제 2 매트릭스 컴포넌트로 상기 연속 보강재를 코팅하는 단계;
    상기 프린트 헤드의 노즐을 통해 상기 연속 보강재를 배출하는 단계; 및
    배출하는 동안에 멀티플 디멘션 (multiple dimensions) 으로 상기 프린트 헤드를 이동시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 상기 제 2 매트릭스 컴포넌트는 상기 연속 보강재 주위에서 매트릭스를 경화시키기 위하여 상호작용하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 매트릭스 컴포넌트는 수지이고; 그리고
    상기 제 2 매트릭스 컴포넌트는 촉매, 경화제, 및 개시제 중 하나인, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 매트릭스 컴포넌트로 상기 연속 보강재를 코팅하는 단계는 상기 연속 보강재가 상기 제 1 매트릭스 컴포넌트로 코팅된 후에 상기 프린트 헤드의 내부에서 상기 제 2 매트릭스 컴포넌트로 상기 연속 보강재를 코팅하는 것을 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 매트릭스 컴포넌트로 상기 연속 보강재를 코팅하는 단계는 제 1 매트릭스 컴포넌트 챔버의 배출 단부에서 상기 프린트 헤드에 상기 제 2 매트릭스 컴포넌트를 배향시키는 것 또는 상기 노즐에 상기 제 2 매트릭스 컴포넌트를 배향시키는 것 중 적어도 하나를 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 매트릭스 컴포넌트로 상기 연속 보강재를 코팅하는 단계는 상기 연속 보강재가 상기 제 1 매트릭스 컴포넌트로 코팅되기 전에 상기 제 2 매트릭스 컴포넌트로 상기 연속 보강재를 코팅하는 것을 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 매트릭스 컴포넌트로 상기 연속 보강재를 코팅하는 단계는 상기 연속 보강재를 상기 프린트 헤드에 배향시키기 전에 상기 연속 보강재를 코팅하는 것을 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속 보강재가 상기 노즐로부터 배출된 후에, 경화 에너지에 상기 연속 보강재를 코팅하는 상기 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 상기 제 2 매트릭스 컴포넌트의 혼합물을 노출시키는 단계를 더 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 경화 에너지는 UV 광인, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 매트릭스 컴포넌트 및 상기 제 2 매트릭스 컴포넌트 중 적어도 하나로 상기 연속 보강재를 코팅하기 전에 상기 연속 보강재를 분리하는 단계 및 평탄화하는 단계 중 적어도 하나를 더 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 매트릭스 컴포넌트로 상기 연속 보강재를 코팅하는 단계는 상기 제 1 매트릭스 컴포넌트의 욕 (bath) 내에 상기 연속 보강재를 서브머징 (submerging) 하는 것을 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 매트릭스 컴포넌트로 상기 연속 보강재를 코팅하는 단계는 상기 제 1 매트릭스 컴포넌트의 분말 및 가스 중 적어도 하나에 상기 연속 보강재를 노출시키는 것을 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  12. 복합 구조체를 적층 가공하는 방법으로서,
    프린트 헤드에 촉매로 코팅된 연속 보강재를 배향시키는 단계;
    상기 프린트 헤드의 내부에서 상기 촉매와는 상이한 수지로 상기 연속 보강재를 코팅하는 단계;
    상기 프린트 헤드의 노즐을 통해 상기 연속 보강재를 배출하는 단계; 및
    배출하는 동안에 멀티플 디멘션으로 상기 프린트 헤드를 이동시키는 단계
    를 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 촉매로 상기 연속 보강재를 코팅하는 단계; 및
    상기 연속 보강재를 상기 프린트 헤드에 진입시키기 전에 상기 촉매를 적어도 부분적으로 큐어링 (curing) 단계
    를 더 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 연속 보강재가 상기 노즐로부터 배출된 후에, 경화 에너지에 상기 연속 보강재를 코팅하는 상기 수지 및 상기 촉매의 혼합물을 노출시키는 단계를 더 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 경화 에너지는 UV 광인, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 수지로 상기 연속 보강재를 코팅하는 단계는 상기 수지의 욕 내에 상기 연속 보강재를 서브머징하는 것 및 상기 연속 보강재에 수지를 분무하는 것 중 적어도 하나를 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  17. 복합 구조체를 적층 가공하는 방법으로서,
    프린트 헤드의 내부에서 촉매 욕을 통해 연속 보강재를 배향시키는 단계;
    상기 프린트 헤드의 내부에서 수지 욕을 통해 상기 연속 보강재를 배향시키는 단계;
    상기 프린트 헤드의 노즐을 통해 상기 연속 보강재를 배출하는 단계; 및
    배출하는 동안에 멀티플 디멘션으로 상기 프린트 헤드를 이동시키는 단계
    를 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 연속 보강재가 상기 노즐로부터 배출된 후에, 경화 에너지에 상기 연속 보강재를 코팅하는 상기 수지 및 상기 촉매의 혼합물을 노출시키는 단계를 더 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 경화 에너지는 UV 광인, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 촉매 욕 및 상기 수지 욕 중 적어도 하나를 통해 상기 연속 보강재를 배향시키기 전에 상기 연속 보강재를 분리하는 단계 및 평탄화하는 단계 중 적어도 하나를 더 포함하는, 복합 구조체를 적층 가공하는 방법.
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