KR102139919B1 - 고분자 분무 적층 방법 및 시스템 - Google Patents

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벡 빅토르
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Abstract

전형적으로 사출성형 공정과 같이 전통적인 제조기술로만 달성될 수 있는 복잡하고 구조적으로 완전한 고해상도 물체들을 광범위한 열가소성수지 재료로 제조할 수 있는 고분자 분무 적층 시스템 및 방법이 개시된다. 고분자 분무 적층 시스템 및 방법은 2개의 발산 표면들, 예컨대 2개의 롤러들 또는 2개의 피스톤들 사이의 유체를 신장시키는 분무 발생기를 이용한다. 신장된 유체는 다수의 액적들로 절단되고 액적 크기 선택기를 선택적으로 포함할 수 있는 전달 시스템을 통해 다중-노즐 어레이 안내된다. 다중-노즐 어레이는 제어되어 분무체를 목표 표면으로 지향시킴으로써, 3차원 물체를 형성한다. 개시된 고분자 분무 적층 시스템 및 방법은 3차원 프린트헤드 및 인쇄 기술에 적용될 수 있다.

Description

고분자 분무 적층 방법 및 시스템{POLYMER SPRAY DEPOSITION METHODS AND SYSTEMS}
본 발명은 고분자 분무 적층 방법 및 시스템에 관한 것이다.
부품 맞춤 제작은 성장 산업이고 광범위한 적용이 가능하다. 전통적으로, 사출성형기계 및 기타 가공 방법들이 물체들 모델 또는 물체들 자체 생성에 이용되었다. 더욱 상세하게는, 유리, 금속, 열가소성수지, 및 기타 고분자들과 같은 가열재료들을 원하는 물체 형상으로 형성되는 사출 몰드에 주입한다. 재료를 몰드에서 냉각시키고 몰드 형상을 취하여 물체를 형성한다. 사출 금형은 고가이고 시간이 소요되며 물체 생성에 있어서 비용 및 시간을 추가하지 않으면 물체 형상 형성 및 변경이 어렵다.
모델들 또는 물체들 자체를 생성하기 위한 사출 금형 변형과 관련한 비용, 시간 및 난해성으로 인하여 적층가공 산업이 출현하였다. 공지된 적층가공기술은 무엇보다도 융착 조형 공정 (FDM), 입체인쇄기술 (SLA), 선택적 레이저 소결기술 (SLS), 및 분사시스템을 포함한다. 공지된 각각의 적층가공기술은 재료, 비용, 및/또는 용량 성능에 제한이 있어 완전한 열가소성수지들을 이용한 소량, 맞춤 제작 및 시제품 생성이 어렵다. 또한, 공지 적층가공기술은 사출성형과 같은 전통적인 기술로 제조되는 품질의 물체의 기계적 특성, 표면마감, 및 형상 복제의 부품을 정확하게 제작할 수 없다.
적층가공이 분야에 따라 충분한 성능의 부품을 제조하지 못하는 상황에서, 저가의 도구들을 이용한 고속 컴퓨터 수치제어 (CNC) 가공 및 고속 사출금형사업이 출현하였다. 그러나, 이러한 기술들은 적층가공기술들보다 더욱 비용이 많이 들고 자체 공정 한계점을 가진다.
산업계에서는, 사출성형과 같이 고가이고, 비-융통성 및 시간 소요되지만 고품질, 물체의 대량 생산이 가능한 전통적인 방법 및 품질은 떨어지고 원하는 구조적 완전성이 결여되고 때로 원하는 재료로 제작이 어렵지만 더욱 고속으로 융통성 있게 물체를 생산할 수 있는 적층가공기술 간에 결정하여야 한다. 예를들면, FDM 및 SLS는 사용 가능한 재료 유형에 제한이 있고 100% 완전하지 않은 물체를 제작한다. 고속 CNC 금형으로는 양호한 형상 사양들 및 마감 품질의 물체들을 제조할 수 있지만, 고가이다. 공지 적층가공기술로 제작된 시제품은 때로 최종 디자인이 선택될 때까지 개선되고, 이 시점에서 사출성형으로 대규모, 고품질의 사출성형제작이 이루어진다. 이러한 다중-단계 생산공정 역시 시간이 소요되고 비용이 많이 든다.
제조 산업은 전통적인 제조기술로 획득되는 것과 같이 복잡하고 구조적으로 완전한 물체들을 제조할 수 있도록 광범위한 열가소성수지 재료 및 형상 해상도 (feature resolution)로 디지털, 적층가공을 이용할 수 있는 제조방법이 요망된다.
도 1A는 본 발명에 의한 고분자 분무 적층 시스템 블록도이다.
도 1B는 본 발명에 의한 고분자 분무 적층 시스템 및 방법을 이용한3차원 물체 생성방법의 단계들을 보인다.
도 2A는 예시적인 2 롤러 분무 발생기를 도시한 것이다.
도 2B는 예시적인 2 피스톤 분무 발생기를 도시한 것이다.
도 3은 이송 채널들을 포함한 예시적 회수 요소를 도시한 것이다.
도 4A는 예시적인 액적 크기 선택기이다.
도 4B는 다른 예시적인 액적 크기 선택기이다.
도 5는 예시적 다중-노즐 어레이 (array)이다.
도 6A 및 6B는 노즐들에 수직하게 기류가 순환되는 예시적 다중-노즐 어레이이다.
도 7은 다른 예시적 다중-노즐 어레이이다.
도 8A는 예시적 고분자 분무 적층 시스템이다.
도 8B는 도 8A에 도시된 예시적 고분자 분무 적층 시스템에서의 노즐이다.
도 9는 분무체를 목표 표면으로 지향시키는 예시적 게이팅 (gating) 메카니즘이다.
도 10A는 도 9에 도시된 게이팅 메카니즘의 오프 위치 (off position)에 있는 개별 노즐을 도시한 것이다.
도 10B는 도 9에 도시된 게이팅 메카니즘의 온 위치 (on position)에 있는 개별 노즐을 도시한 것이다.
개시된 고분자 분무 적층 시스템 및 방법은 더욱 광범위한 열가소성수지 재료로 사출성형 공정에서와 같이 더욱 전통적인 제조기술과 유사한 복잡성 및 구조적 완전성을 가지는 형상 크기 해상도를 가지는 물체를 제조할 수 있는3차원, 디지털, 적층가공기술들의 이점들을 구현한다. 개시된 고분자 분무 적층 시스템 및 방법은 고분자량의 중합체 및 이의 용액 및 기타 열가소성수지, 예컨대 나일론, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리술폰, 및 아세탈로부터 에어로졸을 만들어 3차원 물체들을 생성한다. 고분자 분무 적층 시스템 및 방법은 높은 점-탄성을 가지는 임의의 뉴턴 및 비-뉴턴 유체들을 분무화시킬 수 있다.
도 1A는 분무 발생기 (102), 회수 요소 (104), 다중-노즐 어레이 (106), 및 물체 생산 스테이지 (108)를 포함하는 예시적 고분자 분무 적층 시스템 (100)의 블록도를 도시한 것이다. 분무 발생기 (102)는 유체원 (110)으로부터 유체를 수용하고 다수의 유체 액적들을 발생시켜 분무체를 형성한다. 다수의 유체 액적들은 유체 신장 기술로 발생되고, 여기에서 유체는 신장되어 유체 필라멘트를 형성한다. 유체 필라멘트는 다수의 액적들로 절단되어 분무체를 형성한다.
도 2A 및 2B는 2개의 발산 표면들 사이에 있는 유체를 유체 필라멘트로 신장시키고 유체 필라멘트가 다수의 액적들로 절단되어 분무체를 형성하는 예시적 분무 발생기 방법 및 시스템을 도시한 것이다. 2개의 발산 표면들 사이에서 유체를 신장시키는 기타 적합한 방법은 동-회전 롤러들, 역-회전 롤러들, 링 또는 벨트 장착 롤러들, 및 기타 등을 포함한 다중 롤러들 배열들의 다양한 선택들로 달성될 수 있다.
도 2A는 한 쌍의 역-회전 롤러들 (200, 202)에 의해 신장되는 유체의 진행과정을 보인다. 2개의 롤러들 (200, 202) 사이 공간인 닙 (204)이 형성되고 롤러들 (200, 202)이 역-회전할 때 여기에 유체가 빨려 들어간다. 유체는 닙 (204) 상류측 (206)에 모여있고 닙 (204)를 통과하도록 당겨진다. 닙 (204) 하류측 (208)에서, 유체는 2개의 역-회전 롤러들 (200, 202)의 발산 표면들 사이에서 유체 필라멘트 (210)로 신장된다. 롤러들 (200, 202)이 역-회전할 때, 롤러들 (200, 202) 발산 표면들에 유체 필라멘트 (210)는 그대로 부착되어 있지만, 표면들 사이 공간은 더욱 커진다. 롤러들 (200, 202) 표면들이 서로로부터 멀어지도록 회전될수록 유체 필라멘트 (212)는 더욱 길어지고 얇아진다.
유체 필라멘트 (212)가 유체 필라멘트 (212)에 대한 모세관 파괴점이기도 한 액체 가교가 불안정하게 되는 지점에 이르면, 유체 필라멘트 (212)는 여러 액적들 (214)로 절단되고 과량 유체 (216)는 각각의 롤러 표면에 남겨진다. 과량 유체 (216)는 각자의 롤러 표면으로 후퇴되어 유체 일부가 되고 재순환되어 닙 상류 측에 모이고 롤러들의 다음 회전에서 닙 사이로 다시 당겨진다. 이러한 과정은 반복되어 연속적인 미스트를 제공한다.
도 2B는 한 쌍의 피스톤들 (220, 222) 사이에서 신장되고 궁극적으로 다수의 액적들 (224)로 절단되는 유체 필라멘트로 신장되는 유체 (218) 진행과정을 보인다. 유체 (218)는 피스톤들 (220, 222) 사이에 놓인다. 피스톤들 (220, 222)은 서로 멀어지고 연속하여 변형력이 인가되어 유체 (218)는 피스톤들 (220, 222) 사이에서 신장되어 유체 필라멘트 (226)를 형성한다. 유체 필라멘트 (226)가 더욱 길고 얇게 성장할수록, 유체 필라멘트 (226)는 궁극적으로 모세관 파괴점에 도달되어 다중 액적들 (224)으로 절단되고 과량 유체 (228)는 각각의 피스톤 (220, 222) 표면에 남는다. 또한 도 2B는 유체 필라멘트가 다수의 액적들 (224)로 절단되는 모세관 파괴점에 도달되는 유체 필라멘트의 전구체인 비드-온-스트링 구조 (230)를 보인다. 과량 유체 (228)는 피스톤들 (220, 222)에 모이고 피스톤들 (220, 222)은 다시 합체되고 유체는 다시 신장됨으로써 공정이 반복되어 추가적인 미스트 액적들이 형성된다.
다시 도 1A를 참조하면, 고분자 분무 적층 시스템 (100)은 다중 분무 발생기 (112)를 포함한다. 다중 분무 발생기 (112)는 메인 분무 발생기 (102)와 병렬적으로 액적들을 발생시킬 수 있다. 도 1A에 도시된 예시적 실시태양에서 모든 분무 발생기 (102, 112)는 동일한 유체원 (110)에서 유체를 수용한다. 다중 분무 발생기 (102, 112) 각각은 다수의 액적들을 발생시켜 함께 분무체를 형성한다. 회수 요소 (104)는 다중 분무 발생기 (102, 112)로부터 형성된 분무체를 운반 기체 (carrier gas) 흐름에 동반시킨다.
회수 요소 (104)는 분무 발생기 (102, 112)에 의해 발생되는 액적들을 분무 발생기 (102, 112)로부터 다중-노즐 어레이 (106)로 이송 및 다중-노즐 어레이 (106)로부터 3차원 물체가 만들어지는 목표 표면으로 이송하기에 충분한 속도를 제공할 수 있는 전달 시스템이다. 또한 회수 요소 (104)는 균일한 정상류를 제공하여 액적들이 합체 또는 응집되지 않도록 액적들을 다중-노즐 어레이로 유연하게 이송시킨다.
회수 요소 (104)는 운반 기체 흐름의 온도를 조절할 수 있는 선택적인 온도 조절기 (115)를 포함할 수 있다. 예를들면, 유체는 특정 융점을 가지는 열가소성수지이다. 열가소성수지 액적들이 회수 요소 (104)에 의해 운반 기체 흐름에 동반되면, 온도 조절기 (115)는 운반 기체 흐름 중의 열가소성수지 액적들을 융점 이상으로 온도를 유지하여 열가소성수지 액적들을 액적 형태로 유지한다. 열가소성수지 액적들 온도가 융점 아래로 떨어지면, 액적들은 고화되거나 냉각되어 다중-노즐 어레이 (106)로 덜 효과적으로 또는 전혀 지향될 수 없다. 회수 요소 (104)는 회수 요소 (104) 전체 유로를 따라 운반 기체 흐름에 동반되는 액적들에 균일한 온도를 제공하여 용융 온도를 유지하고 액적들이 다중-노즐 어레이(들)을 통과하도록 보장한다.
예를들면, 도 3은 예시적 회수 요소 (300)를 도시한 것이다. 회수 요소는 고분자 분무체 (304)가 내부에 주행하는 이송 채널 (302)을 가지는 급류 (sheath flow) 구조 (300)일 수 있다. 고분자 분무체 (304)는 때로 고분자 분무체 (304)를 용융 온도 이상으로 유지할 수 있는 온도로 가열되는 공기층 (306)으로 방사상으로 포위된다. 공기층 (306)은 가열 요소 (308), 예컨대 저항성 관 히터로 둘러싸여, 기류 (306) 및 고분자 분무체 (304) 중 하나 또는 모두를 고분자 분무체 (304) 용융 온도 이상의 원하는 온도로 유지시킨다. 도 3에 도시된 바와 같이, 효율성을 높이고 고분자 분무체 (304) 온도 유지에 조력하기 위하여 선택적인 절연체 (310)가 포함된다.
다시 도 1A를 참조하면, 회수 요소 (104)는 또한 액적 크기 선택기 (116)를 포함한다. 액적 크기 선택기 (116)는 다중-노즐 어레이 (106)로 이송되는 액적들의 크기를 제어한다. 다중-노즐 어레이 (106)로 이송되고 3차원 물체를 형성하기 위하여 결국 목표 표면을 향하는 액적들의 크기를 제어함으로써 3차원 물체의 해상도를 조절할 수 있다. 다중-노즐 어레이로부터 목표 표면으로 향하는 더 작은 액적들은 더 높은 해상도의 3차원 물체를 달성할 수 있다. 액적들 크기는 다중-노즐 어레이로 이송되는 액적들의 크기를 조절하는 조정 메카니즘으로 조정될 수 있다. 원하는 3차원 물체 생성에 필요한 액적들의 크기는 분야에 따라 다르며 단일 물체 생성 공정 내에서 조차 다를 수 있다.
일부 예시적 액적 크기 선택기는 유동 매니폴드 기하구조 및 포획 형상들, 와류 집중화 및 분리 기술, 및 정전기 조작을 이용한 관성 충돌을 포함한다. 액적 크기 선택기 유형은 전체 고분자 분무 적층 시스템 (100)의 기하구조 및 처리량에 기초하여 선택될 수 있다.
하나의 예시적 관성 충돌 기술이 도 4A에 도시된다. 좌측 유로 (400)는 각각 상이한 크기를 가지고 유로 (400)에서 분할기 (410) 또는 벽과 같은 굽이 (bend)를 향할 때 상이한 경로 (406, 408)를 취하는 액적들 (402, 404)을 보인다. 더욱 큰 액적들의 관성은 더욱 작은 액적들의 관성보다 더욱 크다. 동반되는 운반 기체 흐름이 벽, 분할기, 또는 기타 장해물을 만날 때, 더욱 큰 액적들은 장애물을 횡단할 수 없거나 덜 효과적이고 따라서 더욱 작은 액적들이 장애물을 극복하고 원하는 유로를 따라 계속 진행할 수 있다.
예를들면, 액적 크기 선택기는 원하는 액적 크기가 동반되는 운반 기체 흐름 (420)을 만들 수 있는 유로 (418) 형성 다중 분할기 (414) 및 벽 (416)을 포함한다. 원하는 크기를 초과하는 액적들은 분할기 (414) 및 벽 (416)으로 형성된 유로 (418)의 기하구조를 따라 꺾일 수 없다. 분할기 (414) 및 벽 (416)의 형상, 길이, 크기, 윤곽, 질감, 재료, 및 기타 특징부들은 원하는 액적 크기를 가지는 운반 기체 흐름 (420)을 만들어지도록 조정될 수 있다.
도 4B는 고분자 분무체 (428)가 분무 발생기 (430)로부터 방출될 때 더욱 소형의 액적들 (426)로부터 더욱 거대한 액적들 (424)을 정착시키기 위하여 중력을 이용하는 다른 유형의 액적 크기 선택기 (422)를 도시한 것이다. 중력으로 인하여 더욱 큰 액적들 (424)은 분무 발생기 (430)로 다시 낙하된다. 일부 경우에는, 낙하된 더욱 큰 액적들 (424)은 고분자 분무 적층 시스템으로 재순환되어 분무 발생기 (430)에 의해 다시 신장되고 새로운 액적들이 될 수 있는 유체일 수 있다. 선택적인 기류 (432)가 더욱 작은 액적들 (426)을 향하여, 이러한 경우는 액적들이 분무 발생기로부터 토출되는 방향에 대하여 수직으로 지향된다. 기류 (432)는 더욱 작은 액적들을 이송 채널을 따라 다중-노즐 어레이를 향하여 지향시킨다. 기류 (432)는 더욱 큰 액적들 (424)이 분무 발생기 (430)로 다시 낙하되는 지점인 분리선 (434) 위에 배치된다.
다시 도 1A를 참조하면, 고분자 분무 적층 시스템 (100)은 분무체를 목표 표면으로 지향시키는 다수의 다중-노즐 어레이 (106, 118)를 포함한다. 고분자 분무 적층 시스템 (100)은 임의의 적합한 개수의 다중-노즐 어레이를 포함한다. 도 1A에 도시된 예시에는 각각 회수 요소 (104)로부터 운반 기체 흐름을 수용하고 액적들을 목표 표면으로 지향시켜 3차원 물체를 형성하는 2개의 다중-노즐 어레이 (106, 118)를 포함한다. 다중-노즐 어레이 개수는 3차원 물체 해상도 및 3D 물체 생성 효율 모두를 증가시킨다. 예를들면, 일부 경우에 제2 다중-노즐 어레이는 구조체 거대 부분을 충전시키는 거친 (coarse) 해상도 노즐을 포함한다. 또 다른 예시에서, 다중-노즐 어레이 개수가 증가하면 형성되는 3차원 물체의 해상도가 증가된다. 또한, 다수의 다중-노즐 어레이 시스템에서, 개별 다중-노즐 어레이는 개별적으로 온 및 오프 조작되어 목표 표면을 향할 때 농도, 액적 크기, 및 운반 기체 흐름 방향을 조절함으로써 형성되는 3차원 물체 해상도를 더욱 정교하게 제어할 수 있다.
임의의 다중-노즐 어레이 시스템에서, 다중-노즐 어레이의 개별 노즐은 온 및 오프 조작되어 목표 표면을 향할 때 운반 기체 흐름의 구조, 농도, 액적 크기, 방향, 기타 등을 더욱 정교하게 제어할 수 있고, 이는 형성되는 3차원 물체의 전체 해상도 및 형상에 영향을 미치고 이를 조절할 수 있다.
일부 예시적 시스템, 예컨대 도 1A에 도시된 고분자 분무 적층 시스템 (100)에서, 다중-노즐 어레이는 유체 재순환기 (120)를 포함한다. 유체 재순환기 (120)는 다중-노즐 어레이 (106)로부터 목표 표면으로 향하지 않는 액적들을 재순환시키고 재순환되는 유체는 유체원 (110)으로 다시 보내진다.
도 5는 각각이 각자의 밸브 (504)를 가지는 다수의 노즐들 (502)을 포함하는 예시적 다중-노즐 어레이 (500)를 도시한 것이다. 운반 기체 흐름은 공압에 의해 다중-노즐 어레이 (500)의 노즐들 (502)을 통과한다. 각각의 노즐 (502)로부터 운반 기체 흐름 유출은 밸브 (504)로 조절된다. 모든 노즐들 (502)의 밸브들 (504)은 동일한 시간에, 그룹으로 또는 개별적으로 온 되어, 운반 기체 흐름을 목표 표면으로 지향시킨다. 각각의 노즐은 장치 해상도에 따라 다르지만 직경이 1 내지 100 미크론인 오리피스를 가진다. 오리피스는 노즐에서 목표 표면으로 향하는 액적들의 용적 및 면적을 제어한다.
예를들면, 각각의 노즐에서 목표 표면으로 향하는 단일 액적만을 또는 소수의 액적들을 허용하는 더욱 작은 오리피스는 목표 표면에 형성되는 3차원 물체 해상도를 증가시킨다. 반대로, 더욱 큰 오리피스로 인하여 대량의 액적들이 노즐로부터 목표 표면으로 배분되어, 해상도를 낮추지만, 인가되는 액적들 용적은 증가된다. 일부 예시에서, 동일한 다중-노즐 어레이 내의 노즐들은 동일한 크기의 오리피스들을 가지고 다른 예시에서는 동일한 다중-노즐 어레이의 노즐들의 오리피스 크기는 상이할 수 있다. 또 다른 예시에서는, 동일한 다중-노즐 어레이에서 노즐들의 오리피스 크기는 조절되어, 이에 따라 형성되는 3차원 물체 해상도는 조정될 수 있다.
도 5를 다시 참조하면, 다중-노즐 어레이는 노즐 (502) 및 밸브 (504) 조합을 통해 목표 표면으로 공압에 의해 운반 기체 흐름을 계속하여 순환시킨다. 노즐들 (502)은 운반 기체 흐름을 이송관 (506)으로 지향시킨다. 시스 기체원 (sheath gas source)은 이송관 (506)을 방사방향으로 둘러싸고 노즐들 근처에서 순환하여 운반 기체 흐름 중에 있는 액적들 냉각을 방지하고 노즐들 (502)로부터 이송관 (506)으로의 누설을 방지하기 위한 시스 기체 (508)를 방출한다.
일부 예시에서, 예컨대 도 6A 및 6B에 도시된 예시적 다중-노즐 어레이들 (600, 602)에서 시스 기류들 (604, 606)은 노즐들 (608, 610)에 수직하다. 도 6A에 도시된 다중-노즐 어레이 (600)에서, 시스 기류 (604)는 밸브들 (612) 축을 따라 노즐들 (608)에 수직하다. 도 6B에 도시된 다중-노즐 어레이 (602)는 노즐들 (610)에 수직하고 또한 밸브들 (614) 축에도 수직한 시스 기류 (604)를 가진다. 도 6A 및 6B에 도시된 예시적 다중-노즐 어레이들 (600, 602)에서, 밸브들 (612, 614)은 사각형으로 도시되는 평면 밸브들이다.
도 7은 다수의 노즐들 (702) 및 각자의 밸브들 (704)을 가지는 대안적 다중-노즐 어레이 (700)를 보인다. 이러한 예시에서, 밸브들 (704)은 노즐들 (702)로부터 엇갈리게 배치되어 노즐들 (702)에 대한 가능한 공간이 확장된다. 밸브들 (704)은 서로 인접하게 배치되고 각각은 각자의 노즐 (702)과 연결된다. 노즐들 (702)은 두 개의 가로줄 (706, 708)에 배열되고 하나의 가로줄 (706)로부터의 노즐들 (702)은 다른 가로줄 (708)로부터 교번되는 노즐들 (702)과 각자의 밸브 (704)에 연결된다. 일부 예시에서 다중-노즐 어레이에서 가능한 물리적 공간에 기초하여 밸브들과 연결되는 임의의 적합한 노즐 배열들이 구현될 수 있다.
도 8A는 분무 발생기 (802), 회수 요소 (804) 또는 전달 시스템, 다중-노즐 어레이 (806), 및 물체 생산 스테이지 (808)를 가지는 예시적 고분자 분무 적층 시스템 (800)을 도시한 것이다. 분무 발생기 (802)는2개의 역-회전 롤러들의 발산 표면들 사이에서 유체를 유체 필라멘트로 신장시키는 2-롤러 (810, 812) 실시태양이다. 분무 발생기 (802)는 거대 액적들 (814) 및 소형 액적들 (816)을 포함한 다수의 액적들을 발생시킨다. 일부 예시에서 분무 발생기에 의해 발생되는 소형 액적들은 ≤ 10 미크론 범위이다. 기류 (818)는 발생된 유체 액적들 (814, 816)이 회수 요소 (804)로 안내되도록 이들을 지향한다.
상기된 바와 같이, 유체는 고도의 점탄성 고분자 및 이의 용액, 예컨대 고온 열가소성수지 용융물 또는 이의 용액을 포함하는 임의의 유체일 수 있다. 임의의 적합한 용매 함량이 유체에 첨가되어 유체 농도 따라서 분무 발생기에 의해 생성되는 액적들 크기를 조절한다.
도 8A에 도시된 예시적 회수 요소 (804)는 급류 구조의 회수 요소 (300) 및 도 3에서 상기되는 절연체를 가지는 절연관, 급류 및 필터를 포함한다. 이러한 회수 요소 (804)는 관성 충돌기를 이용하여 거대 액적들 (814)로부터 소형 액적들 (816)을 분리한다. 회수 요소 (804)는 소형 액적들 (816)을 다중-노즐 어레이 (806)로 이송한다. 다중-노즐 어레이 (806)는 디지털적으로 액적들 방향을 목표 표면 (820)으로 제어한다. 다중-노즐 어레이 (806)를 향하여 직교 기류 (822)가 인가되어 이하 논의되고 도 8B에 도시되는 바와 같이 유체의 단일 액적들은 목표 표면 (820)으로 지향된다. 과량 액적들은 재순환 경로 (840)를 통해 유체원으로 다시 재순환되어 분무 발생기 (802)로 제공된다.
다중-노즐 어레이 (806)로부터 목표 표면 (820)으로 지향되는 각각의 액적들 층을 위하여 물체 생산 스테이지 (808)는 다중-노즐 어레이 (806)에 대하여 병진 이동된다. 다중-노즐 어레이 (806)는3차원 물체의 제1층을 형성하는 제1층의 액적들 (824)을 지향시켜 3차원 물체의 제1 층 (824)이 생성된다. 물체 생산 스테이지 (808)는 다중-노즐 어레이 (806)로부터 수직하게 및 다중-노즐 어레이 (806)로부터 멀어지도록 이동되고 시스템은 액적들 (826)의 제2 층 형성을 대기한다.
고분자 분무 적층 시스템 (800)에 입력되는 3차원 물체에 대한 디지털 정보에 기초하여 물체 생산 스테이지 (808)는 계속하여 다중-노즐 어레이 (806)에 대하여 이동된다. 도 8A에 도시된 예시적 시스템에서, 물체 생산 스테이지 (808)는 다중-노즐 어레이 (806)에 대하여 이동된다. 다중-노즐 어레이 (806), 회수 요소 (804), 및 분무 발생기 (802)는 정치되지만 물체 생산 스테이지 (808)는 시스템이 형성하는 3차원 물체를 상술하는 디지털 정보와 일치되도록 다중-노즐 어레이 (806)에 대하여 이동된다. 다른 예시에서 다중-노즐 어레이는 또한 목표 표면에 대하여 이동될 수 있고 물체 생산 스테이지는 이동되거나 그렇지 않을 수 있다.
도 8B는 유체 액적들을 목표 표면 (820)으로 지향시키는 도 8A의 다중-노즐 어레이의 노즐들 (828) 중 하나를 도시한 것이다. 도 8B는 오리피스 (832) 및 입구 개구 (834)를 가지는 노즐 (828)의 단면도를 도시한 것이다. 압력 (836)이 노즐의 입구 개구 (834)를 통해 노즐에 인가되어 유체의 단일 액적들 (838)은 노즐의 오리피스 (832)를 통과하여 노즐 (828)에서 유출되어 목표 표면 (820)을 향한다. 상기된 바와 같이, 고분자 분무 적층 시스템은 선택적으로 노즐들에 대한 가압 따라서 목표 표면에 대한 유체 액적들의 방향을 제어할 수 있다. 임의의 적합한 기판이 목표 표면으로 적용될 수 있다.
물체 생산 스테이지가 다중-노즐 어레이에 대하여 이동될 때 다중-노즐 어레이 내에서 개별 노즐들은 선택적으로 온 또는 오프 되어 원하는 기하구조의 3차원 물체를 생성할 수 있다. 다중-분사 시스템을 적용하는 통상의 적층가공 방법은 오프 디폴트 이후 잉크 분사를 위하여 온 되거나 그렇지 않을 수 있다. 본원에 개시된 개별 노즐 제어 시스템은 다중-노즐 어레이의 하나 이상의 노즐들로부터 목표 표면을 향하여 토출되는 액적들을 지향시키는 공기 또는 압력에 대한 요청 또는 예정된 버스트 (burst)로 액적들을 연속적으로 분산하는 직교류 (cross-flow) 시스템을 제공한다.
물체 생산 스테이지 (808)는 노즐들, 예컨대 도 8B에 도시된 노즐 (828) 로부터 액적들이 향할 때 목표 표면 (820)을 제어한다. 상기된 바와 같이, 물체 생산 스테이지 (808)는 다중-노즐 어레이 (806)에 수직하게 및 멀어지도록 목표 표면 (820)을 병진 이동하여 3차원 물체의 다중 층들을 하나 하나의 층마다 형성한다. 도 8B는 또한 물체 생산 스테이지 (808)는 다중-노즐 어레이 (806)의 오리피스들의 축과 평행하고 이를 따르는 방향 (838)으로 이동하여 목표 표면 (820)으로 향하는 액적들 각각 층의 형상, 윤곽, 질감 기타 등을 형성할 수 있다는 것을 보인다. 도 8A 및 8B에 도시된 물체 생산 스테이지 (808)는 다중-노즐 어레이 (806)에 대하여 두 방향으로 병진 이동된다. 다른 예시에서, 물체 생산 스테이지는 다중-노즐 어레이에 대하여 임의의 적합한 방향(들)으로 이동될 수 있다.
도 9는 운반 기체 흐름을 목표 표면으로 지향시키는 연속 잉크젯 게이팅 메카니즘을 포함하는 또 다른 실시태양의 다중-노즐 어레이 (900)를 도시한 것이다. 고분자 액적들의 연속 젯 (902)이 다중-노즐 어레이 (900)의 메인 챔버 (904)로부터 메인 챔버 (904)에 있는 제1 노즐 어레이 (906)를 통하여 토출된다. 메인 챔버 (904)에 인가되는 압력으로 액적들은 메인 챔버 (904)로부터 메인 챔버 개구들 (908)을 통해 중간 챔버 (912)로 토출된다. 중간 챔버 (912)의 압력은 메인 챔버 (904) 압력보다 낮아 메인 챔버 (904)로부터 액적들이 중간 챔버 (912)로 유입되고 중간 챔버 (912)로부터 다시 메인 챔버 (904)로의 액적들 유입이 방지된다.
중간 챔버 (912)는 다수의 개구들 (914)을 가지는 제2 노즐 어레이 (910)를 포함한다. 제2 노즐 어레이 (910)의 개구들 (914)은 제1 노즐 어레이 (906) 개구들 (908)과 정렬되어 액적들이 목표 표면 (916)으로 적층되는 경로를 제공한다. 상기된 바와 같이, 고분자 액적들의 연속 젯 (902)은 메인 챔버 (904)에서 중간 챔버 (912)로 토출된다. 그러나, 제2 노즐 어레이 (910)의 개별 노즐들이 온 및 오프 되어 선택적으로 액적들을 중간 챔버 (912)로부터 목표 표면 (916)으로 토출한다. 개별 노즐의 온 또는 오프에 따라, 액적들은 개별 노즐로부터 토출된다. 도 9에 도시된 예시적 메카니즘에서, 제2 노즐 어레이 (910)는 두 개의 동작 중 노즐 경로들 (918)을 가지고 액적들은 “온” 노즐들에서 목표 표면 (916)을 향하여 토출된다.
회수 거터 (130)가 중간 챔버 (910)에 배치된다. 회수 거터 (130)는 제2 노즐 어레이 (910)에서 온 노즐을 통과하지 못하는 제1 노즐 어레이 (906)로부터 수용되는 액적들을 회수한다. 회수된 액적들은 일부 예시에서 재순환되고 분무 발생기에서 재사용된다.
도 10A 및 10B는 각각 오프 위치 및 온 위치에 있는 도 9에 도시된 다중-노즐 어레이의 개별 노즐을 도시한 것이다. 도 10A는 오프 위치에 있는 노즐을 도시한 것이다. 액적들은 제1 노즐 어레이 (906)의 노즐 개구 (908)를 통과하고 고분자 액적들 (922)의 연속 젯이 메인 챔버 (904)로부터 중간 챔버 (912)로 토출된다. 본 예시에서, 제1 노즐 어레이의 개구 (908) 및 제2 노즐 어레이 (910)의 개구 (914)는 서로 엇갈려 있다. 본 예시에서 고분자 액적들 (922)의 젯을 회수 거터 (920)를 향하도록 및 제2 노즐 어레이 (910)의 노즐 개구 (914)로부터 멀어지도록 선택적으로 기체 젯 (924)이 적용된다. 기체 젯 (924)은 제2 노즐 어레이 (910)의 개구 (914)로부터 멀어지도록 제1 노즐 어레이 (906)의 개구 (908)에 대하여 수직하게 향한다. 따라서, 고분자 액적들 (922)의 젯은 노즐이 오프 위치에 있을 때 제2 노즐 어레이 (910) 개구 (914)를 통하여 토출 되지 않는다.
노즐이 온 위치에 있을 때, 고분자 액적들 (922)의 젯은 제2 노즐 어레이 (910) 개구 (914)를 통과하고 목표 표면 (916)에 이른다. 요청에 따라, 지향 공기 펄스 (926)는 노즐이 오프일 때의 기체 젯 (924)와는 반대 방향이지만, 또한 제1 노즐 어레이 (906)의 개구 (908)에 수직하도록 고분자 액적들 (922) 젯 방향을 향하여 안내된다. 배향된 공기 펄스 (926)로 인하여 고분자 액적들 (922)의 젯은 제2 노즐 어레이 (910)의 개구 (914)를 향하여 따라서 목표 표면 (916)을 향하여 지향된다.
목표 표면 (916) 및 주위 압력은 중간 챔버 (912) 및 메인 챔버 (904) 압력보다 낮은 주위 압력이다. 일부 대안적 예시에서, 중간 챔버 (912) 압력은 목표 표면 근처의 주위 압력과 동일할 수 있다. 기체 젯 (924) 및 배향 공기 펄스 (926)는 제1 노즐 어레이 (906) 및 제2 노즐 어레이 (910)와 일치하는 노즐 어레이들 (미도시)에서 분배될 수 있고 액적들을 배분하는 각각의 노즐에 대하여 독립적으로 전환될 수 있다. 임의의 적합한 게이팅 메카니즘은 개시된 고분자 분무 적층 시스템에 포함된다.
본원에 개시되는 고분자 분무 적층 시스템은 3차원 프린터에 대한 프린트헤드에서 구현될 수 있다. 3차원 프린터는 다중 프린트헤드를 포함한다. 일부 다중-프린트 헤드 예시에서, 하나 이상의 프린트헤드(들)가 사용되어 3차원 물체에 대한 지지 재료를 인쇄할 수 있고 또 다른 하나 이상의 프린트헤드(들)가 사용되어 지지 재료 위에 일차 재료를 인쇄할 수 있다. 일부 지지 재료는 3차원 물체가 형성되는 동안 지지체를 제공하지만, 3차원 물체가 완성된 후 용해될 수 있는 용해성 재료일 수 있다.
도 1B는 고분자 분무 적층 시스템을 이용한 3차원 물체 생성방법의 단계들에 대한 블록도를 도시한 것이고, 유체로부터 분무체를 발생하는 단계 (122), 분무체를 회수하는 단계 (124), 분무체를 목표 표면으로 지향하는 단계 (126), 및 지향된 분무체로부터 물체를 생성하는 단계 (128)를 포함한다.

Claims (14)

  1. 고분자 분무 적층 시스템에 있어서,
    유체원으로부터 유체를 수용하고 유체 필라멘트가 분무체를 형성하는 다수의 액적들로 절단될 때까지 2개의 발산 표면들 사이에 있는 유체를 유체 필라멘트로 신장시켜 다수의 유체 액적들을 생성하는 분무 발생기;
    상기 분무 발생기로부터 상기 분무체를 운반하고 상기 분무체를 제 1 방향으로 동반시키는 운반 기체 흐름;
    상기 분무 발생기로부터 상기 분무체를 수용하는 회수 요소;
    동반된 분무체와 상기 운반 기체 흐름을 수용하고 상기 제 1 방향에 수직인 상기 운반 기체 흐름을 목표 표면을 향해 공압으로 지향시키는 직교 기류를 생성하고 상기 동반된 분무체의 적어도 일부 액적들을 상기 목표 표면에 도달시키고 한편에서는 과량 액적들이 상기 유체원으로 다시 재순환되는 다중-노즐 어레이; 및
    상기 다중-노즐 어레이를 제어하여 반복적으로 상기 운반 기체 흐름을 상기 목표 표면에 인가하여 상기 목표 표면에 3차원 물체를 형성하는 물체 생산 스테이지를 포함하는, 고분자 분무 적층 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 유체는 고분자량의 고분자성 유체의 용액인, 고분자 분무 적층 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 분무 발생기는 상기 유체를 2개의 롤러들 사이에서 정의되는 닙(nip)의 상류측으로 당기고 상기 닙의 하류측에서 상기 유체를 상기 2개의 롤러들의 각각의 발산 표면들 사이에서 신장시키는 2개의 롤러들을 포함하는, 고분자 분무 적층 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 분무 발생기는 제1 유체 필라멘트가 다수의 제1 액적들로 절단될 때까지 상기 2개의 발산 표면들 사이에서 상기 유체를 상기 제1 유체 필라멘트로 신장시켜 다수의 제1 유체 액적들을 형성하는 제1 분무 발생기이고, 상기 유체원으로부터 상기 유체를 수용하고 제2 유체 필라멘트가 다수의 제2 액적들로 절단될 때까지 상기 2개의 발산 표면들 사이에 있는 상기 유체를 상기 제2 유체 필라멘트로 신장시켜 상기 다수의 제2 유체 액적들을 형성하는 제2 분무 발생기를 더 포함하고, 상기 다수의 제1 유체 액적들 및 상기 다수의 제2 유체 액적들은 상기 분무체를 형성하는, 고분자 분무 적층 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 유체는 융점을 가지는 열가소성 수지이고, 상기 회수 요소는 상기 운반 기체 흐름 중의 상기 열가소성 수지를 상기 융점 이상의 온도로 유지하는, 고분자 분무 적층 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 회수 요소는 상기 운반 기체 흐름에 있는 상기 분무체로부터 미리 정해진 크기의 액적들을 선택하는 액적 크기 선택기를 포함하는, 고분자 분무 적층 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 회수 요소는 상기 운반 기체 흐름을 방사상으로 포위하는 공기층 및 상기 공기층을 방사상으로 포위하는 가열 요소를 포함하는, 고분자 분무 적층 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 회수 요소는 상기 가열 요소를 방사상으로 포위하는 절연체를 더 포함하는, 고분자 분무 적층 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 다중-노즐 어레이는 다수의 노즐들을 포함하고, 상기 노즐들과 수직한 방향으로 상기 노즐들 주위로 순환하도록 시스 기체(sheath gas)를 방출하는 시스 기체원(sheath gas source)을 더 포함하는, 고분자 분무 적층 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 다중-노즐 어레이는 상기 운반 기체 흐름을 상기 목표 표면을 향해 지향시키는 연속 잉크젯 게이팅 메카니즘(continuous inkjet gating mechanism)을 포함하는, 고분자 분무 적층 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 물체 생산 스테이지는 상기 운반 기체 흐름을 상기 분무체의 냉각 온도보다 높게 유지하고 상기 스테이지를 상기 3차원 물체의 유리 전이 온도(glass transition temperature)보다 낮게 유지하는 온도-제어 하우징에 내장되는, 고분자 분무 적층 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 물체 생산 스테이지는 상기 3차원 물체를 형성하기 위하여 상기 목표 표면에 수직한 방향으로 상기 다중-노즐 어레이에 대하여 이동되는, 고분자 분무 적층 시스템.
  13. 고분자 분무 적층 시스템에 있어서,
    유체원으로부터 유체를 수용하고 다수의 유체 액적들을 생성하는 분무 발생기로서, 상기 유체 액적들은 신장된 상기 유체가 상기 유체의 모세관 파괴점을 초과하고 다수의 유체 액적들로 절단될 때까지 2개의 발산 롤러 표면들 사이에 있는 상기 유체를 신장시켜 생성되는, 상기 분무 발생기;
    상기 유체 액적들을 이송시키는 운반 기체 흐름;
    상기 분무 발생기로부터 상기 다수의 유체 액적들을 수용하고 상기 다수의 유체 액적들을 운반 기체 흐름에 동반시키는 이송 채널로서, 상기 이송 채널은:
    상기 운반 기체 흐름이 주행하는 튜브;
    상기 튜브 내에서 상기 운반 기체 흐름을 방사상으로 둘러싸는 공기 스트림; 및
    상기 튜브를 방사상으로 둘러싸고 상기 튜브 외부에 있는 가열 요소를 갖는, 상기 이송 채널;
    각각 오리피스를 갖는 다수의 노즐들을 갖는 다중-노즐 어레이로서, 상기 다중-노즐 어레이는 상기 이송 채널로부터 상기 운반 기체 흐름을 수용하고 상기 운반 기체 흐름에 수직인 방향에서 상기 노즐들의 상기 오리피스들을 통해 상기 운반 기체 흐름을 공압으로 지향시키는, 상기 다중-노즐 어레이; 및
    상기 운반 기체 흐름이 상기 노즐들을 통해 지향되는 목표 표면에 대해 상기 다중-노즐 어레이의 위치를 제어하는 물체 생산 스테이지를 포함하는, 고분자 분무 적층 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 유체는 고분자량의 고분자성 유체의 용액인, 고분자 분무 적층 시스템.
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