KR102287857B1

KR102287857B1 - 핀 작동 프린트헤드

Info

Publication number: KR102287857B1
Application number: KR1020160052230A
Authority: KR
Inventors: 피터 제이. 니스트롬; 베리 피. 만델; 앤드류 더블유. 헤이스; 준 마; 데이비드 알렌 맨텔; 게리 디. 레딩; 피터 엠. 굴빈
Original assignee: 제록스 코포레이션
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2021-08-09
Also published as: MX2016005843A; TW201641298A; RU2016117893A3; RU2016117893A; KR20160137367A; US9757900B2; US20160339635A1; RU2701996C2; CN106256534B; JP6600274B2; IL245518A0; CA2929424C; CN106256534A; CA2929424A1; JP2016215636A

Abstract

핀 작동 프린트헤드는 재료가 방출되는 복수의 구멍들, 방출될 상기 재료를 보유하기 위한 적어도 하나의 챔버, 상기 챔버를 상기 구멍들에 접속하는 복수의 채널들, 및 상기 구멍들로 들어가서 상기 재료를 상기 구멍들로부터 방출하기 위한 복수의 작동 핀들을 포함한다. 상기 프린트헤드는 상승된 온도에서 10,000cP 이상의 점도를 갖는 재료를 방출하도록 구성된다.

Description

핀 작동 프린트헤드{PIN-ACTUATED PRINTHEAD}

본 발명은 핀 작동 프린트헤드에 관한 것이다.

첨가 제조 공정들(또는 3D 프린팅)은 3-차원 물체를 생성하는 재료의 연속층의 침착을 포함한다. 예를 들어, 잉크 프린트헤드들을 사용함으로써 광경화성 중합체들(photopolymers)을 침착하여 물체를 형성한다. 그러나 가장 최근의 프린트헤드들은 방출될 수 있는 재료들의 점도에 대하여 10-20센티포즈(centipoise: cP)의 상한을 갖는다. 용융 침착 모델링(Fused Deposition Modeling: FDM) 또는 선택 레이저 소결(Selective Laser Sintering: SLS)과 같은 다른 첨가 제조 방법들은 극한 점성 재료들을 사용할 수 있지만, 그들은 제트 분사되는 재료들로 실행될 수도 있는 바와 같이, 침착되는 재료들의 다중 재료 복합체들 또는 상호 혼합체를 제공할 수 없다.

따라서 고점성 재료들을 사용하여 다중 재료 또는 다색 복합체들을 생성할 수 있는 첨가 제조 공정들이 요구되고 있다.

본 발명의 요약은 본 발명 개시의 하나 이상의 실시예들의 일부 양상들의 간략화된 요약을 단순히 제시하려는 것이다. 이 요약은 광범위한 개요도 아니고, 본 발명 교시들의 열쇠 또는 중요 요소들을 식별하기 위해 의도된 것도 아니고, 그 개시의 범위를 정밀하게 설명하려고 의도된 것도 아니다. 오히려 그의 목적은 단지 아래의 상세한 설명에 대한 서론으로서 하나 이상의 개념들을 간략화된 형상으로 나타내기 위한 것이다.

부가적인 목표들과 장점들은 도면들, 상세한 설명, 및 청구범위들의 설명에서 더욱 분명해질 것이다.

전술한 및/또는 다른 양상들 및 본 발명 개시에서 구현되는 유용성들은 재료가 방출되는 복수의 구멍들; 방출될 상기 재료를 보유하기 위한 적어도 하나의 챔버; 상기 챔버를 상기 구멍들에 접속하는 복수의 채널들; 및 상기 구멍들로 들어가서 상기 재료를 상기 구멍들로부터 방출하기 위한 복수의 작동 핀들을 포함하며, 상기 프린트헤드는 상승되는 온도에서 10,000cP 이상의 점도를 갖는 재료를 방출하도록 구성되는, 상기 핀 작동 프린트헤드를 제공함으로써 달성될 수도 있다.

다른 실시예에서, 제1 개방 위치에서, 상기 작동 핀들 각각은 재료가 상기 구멍으로 들어가도록 허용하며, 또한 제2 폐쇄 위치에서, 상기 작동 핀들 각각은 상기 구멍으로 들어감과 동시에 상기 재료를 방출하는 동안 상기 채널 내의 재료가 상기 각 구멍으로 들어가는 것을 차단한다.

다른 실시예에서, 상기 제1 개방 위치에서, 상기 작동 핀들 각각의 시간 기간은 방출되는 상기 재료의 용적을 결정한다.

다른 실시예에서, 구멍 각각은 100㎛와 300㎛ 간의 직경을 갖는 재료의 점적을 방출하도록 구성된다.

다른 실시예에서, 상기 폐쇄 위치에서 상기 작동 핀들 각각은 상기 구멍의 외부 표면을 정의하는 평면을 통과하여 돌출한다.

다른 실시예에서, 상기 작동 핀들의 이동을 안내하기 위한 복수의 핀 챔버들(pin chambers)을 더 포함한다.

다른 실시예에서, 상기 작동 핀들을 이동시키기 위한 복수의 작동기 모듈들(actuator modules)을 더 포함한다.

다른 실시예에서, 상기 작동기 모듈들은 전자석 작동기 및 압전 전기 작동기 중 하나를 포함한다.

다른 실시예에서, 상기 재료는 200℃에서 50,000cP 이상의 점도를 갖는 공업용 중합체(engineering polymer)이다.

다른 실시예에서, 상기 적어도 하나의 챔버는 압력하에서 상기 재료를 보유하도록 구성된다.

다른 실시예에서, 상기 적어도 하나의 챔버는 50psi와 150psi 간의 압력에서 상기 재료를 보유하도록 구성된다.

다른 실시예에서, 상기 적어도 하나의 챔버는 100℃ 이상의 상승되는 온도에서 상기 재료를 보유하도록 구성된다.

다른 실시예에서, 상기 적어도 하나의 챔버는 복수의 챔버들을 포함하며, 각각의 챔버는 복수의 구멍들에 접속되며, 상기 복수의 챔버들 각각은 상기 복수의 구멍들 각각에 재료를 제공한다.

다른 실시예에서, 상기 복수의 챔버들은 복수의 상이한 재료들을 보유하며, 각각의 챔버는 복수의 구멍들에 재료를 제공한다.

다른 실시예에서, 상기 작동기 모듈들은 상기 챔버, 구멍들, 및 재료로부터 격리되며, 그에 의해 상기 챔버, 구멍들, 및 재료를 상기 작동기 모듈들의 온도보다 높은 온도까지 가열하는 것이 가능하다.

다른 실시예에서, 상기 복수의 핀들은 금속성 와이어(metallic wire)를 포함한다.

다른 실시예에서, 상기 복수의 핀들은 상기 방출되는 재료의 상기 핀들의 끝에서부터의 격리를 용이하게 하도록 저 점성 코팅으로 피복된다.

다른 실시예에서, 상기 복수의 작동 핀들은 계단 구성을 가지며, 또한 상기 핀 챔버들은 상기 작동 핀들의 이동을 정지하도록 상기 작동 핀들의 상기 계단 구성과 결합하도록 구성된다.

다른 실시예에서, 상기 복수의 작동 핀들은 계단 구성을 가지며, 또한 상기 핀 챔버들은 밀봉부를 제공하기 위해 상기 작동 핀들의 상기 계단 구성에 결합하도록 구성된다.

다른 실시예에서, 상기 작동기 모듈은 복수의 작동기 모듈들을 포함하며, 또한 상기 구멍은 복수의 구멍들을 포함하며, 각 구멍은 작동기 모듈과 연관되며, 또한, 상기 복수의 작동기들은 그들의 연관된 구멍들 간의 공간보다 더 큰 거리에 서로 격리된다.

다른 실시예에서, 작동 핀 각각의 상기 타이밍은 작동 핀 각각에 의해 방출되는 점적들이 일치하는 사이즈가 되도록 제어된다.

다른 실시예에서, 상기 제1 개방 위치 내의 상기 작동 핀의 시간 기간은 방출되는 점적들이 사이즈에서 변화될 수 있도록 제어된다.

다른 실시예에서, 상기 프린트헤드는 상기 방출 재료가 상기 구멍들로부터 상기 접수 표면까지 이동할 때 공수되도록 상기 방출 재료를 접수하는 표면으로부터 격리된다.

다른 실시예에서, 상기 프린트헤드는 상기 핀들이 상기 방출 재료를 상기 접수 표면으로 운반하도록 상기 방출 재료를 접수하는 표면과 근접 격리된다.

다른 실시예에서, 상기 작동기들은 상기 복수의 핀들을 레버 암(lever arm) 또는 굽힘부 중 하나를 통하여 구동한다.

본 발명 명세서에 병합되어 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 발명 교시들의 실시예들을 예시한다. 본 발명 개시의 실시예들 내의 이들 및/또는 다른 양상들 및 장점들은 이하의 첨부 도면들과 관련하여 취하는 다양한 실시예들의 다음 설명으로부터 명백해지며 또한 좀 더 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 핀 작동 프린트헤드를 예시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 핀 작동 프린트헤드를 예시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 핀 작동 프린트헤드를 예시한다.
도 4는 일 실시예에 따른 작동기 모듈을 갖는 핀 작동 프린트헤드를 예시한다.
도 5A는 일 실시예에 따른 작동기 모듈을 예시한다.
도 5B는 일 실시예에 따른 작동기 모듈을 예시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 핀 작동 프린트헤드 어레이를 예시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 작동기 모듈을 갖는 핀 작동 프린트헤드를 예시한다.
도 8은 일 실시예에 따른 재료 방출 모델을 예시한다.

여기서 주목해야 하는 것은 엄격한 구조적 정밀성, 상세성, 및 크기를 유지하기보다 오히려 본 발명 교시들을 이해하기 위해 도면의 일부 상세한 것들을 간략화하여 도시하였다는 것이다. 이 도면/도형들은 설명을 위한 것으로 제한하기 위한 것이 아니다.

이제 본 발명 개시 내의 여러 실시예들에 대하여 상세히 참고하고, 참고 사항의 예들은 첨부된 도면들 및 도형들에 예시한다. 실시예들은 본 명세서에 개시된 구성 요소, 프로세스 및 장치들을 보다 완전하게 이해하기 위해 설명된다. 주어진 임의의 예들은 예시하는 것이며 한정하려는 것이 아니다. 그러나 본 발명은 이들 특정 세부 사항에 있어 그들 없이도 실시될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예에서, 공지된 방법들, 절차들, 구성 요소들, 회로들 및 네트워크들은 실시예들의 양상들을 불필요하게 모호하지 않도록 하기 위해서 상세히 설명하지 않는다.

본 명세서 및 청구 범위 전체에 걸쳐, 다음 용어들은 문맥이 명백히 달리 지시하지 않는 한 의미는 명시적으로 본원에 연관된다. 본원에서 사용된 문구들 "일부 실시예들에서" 및 "일 실시예에서"는 동일한 실시예(들)를 말할 수도 있지만 반드시 그렇지는 않다. 더욱이 본원에서 사용되는 문구 "다른 실시예에서" 및 “일부 다른 실시예에서"는 상이한 실시예들을 말할 수도 있지만 반드시 그렇지는 않다. 후술하는 바와 같이, 다양한 실시예들은 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 용이하게 조합할 수도 있다.

본원에 사용된 바와 같이, 문맥이 명백히 달리 지시하지 않는 한, 용어 "또는"은 포괄적 연산자이고, 용어 "및/또는"에 상당한다. 용어 "에 기초하여"는 문맥 상 명백히 달리 나타내지 않는 한 배타적이지 않고 또한 설명되지 않은 추가 요소는 추가 요소들에 기초하여 허용한다. 본 명세서에서, "A, B, 및 C 중 적어도 하나"의 인용은 A, B, 또는 C를 포함하는 실시예들, A, B, 또는 C의 다중 실시예들, 또는 A/B, A/C, B/C, A/B/B/B/B/C, A/B/C 등의 조합들을 포함한다. 그 외에도 명세서 전체에 걸쳐 “하나”“일”“그”의 의미는 복수의 참조를 포함한다. “내”의 의미는 "내에서" 및 “위에서”를 포함한다.

비록 용어들 제1, 제2, 등은 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수도 있지만, 이 요소들은 이들로 제한되어서는 않음을 이해할 수 있을 것이다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 것과 구별하기 위해 사용된다. 예를 들어, 제1 물체 또는 단계는 제2 물체 또는 단계를 지칭할 수도 있으며, 마찬가지로, 제2 물체 또는 단계는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 제1 물체 또는 단계를 지칭할 수도 있다. 제1 물체 또는 단계, 상기 제2 물체 또는 단계는 각각 두 물체들 또는 단계이지만, 그들은 동일한 물체 또는 단계를 고려하지 말아야 한다. 상기 용어 "내포한다", “내포하는”“포함한다”및/또는 “포함하는”은 본 명세서에서 사용될 때 명시된 특징들이나 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 부품들의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징들이나 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 부품들 및/또는 그의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하지 않는 것으로 이해될 것이다. 또한, 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "만일"은 문맥에 따라, "때" 또는 “시에”또는 “결정에 응답하여”또는 “검출에 응답하여”를 의미하도록 구속될 수도 있다.

달리 특정하지 않는 한 이후 정의되는 모든 물리적 특성들은 섭씨 20℃ to 25℃에서 측정된다. 용어 “실온”은 달리 특정하지 않는 한 섭씨 25℃를 말한다.

여기서 값들의 임의적인 수치적 범위를 말할 때 그러한 범위들은 언급된 최소 범위와 최대 범위 간의 각각 및 모든 수 및/또는 분율을 포함하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 0.5∼6%의 범위는 5.95%, 5.97%, 및 5.99%까지를 포함하여 0.6%, 0.7% 및 0.9%의 모든 중간 값들을 명시적으로 포함할 수도 있다. 동일한 것은 문맥을 달리 언급하지 않는 한 여기에 언급한 각각의 다른 수치적 특성 및/또는 요소 범위에 적용된다.

일부 실시예에 따른 처리 절차들, 방법들, 기술들, 및 작업 흐름에 주의를 기울인다. 여기에 개시되는 처리 절차들, 방법들, 기술들, 및 작업 흐름에서의 일부 동작들은 조합될 수도 있고 및/또는 일부 동작들의 순서는 변경될 수도 있다.

일 실시예에서, 핀 작동 프린트헤드는 첨가 제조 응용들을 위한 고점성 재료들을 방출하도록 구성된다.

재료는 공업용 중합체들 또는 감광성 중합체들과 같은 고점성 재료들을 포함할 수도 있다. 다른 실시예들에서, 재료(200)는 땜납 페이스트(paste), 접착제, 식품 화합물, 및 기타 고점성 재료들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 방출될 재료는 230℃의 온도에서 500,000cP 이상의 다른 고점도를 갖는 ABS 공업용 중합체를 포함할 수도 있다.

다른 실시예들에서, 핀 작동 프린트헤드는 상승되는 온도에서 고점성 재료를 방출할 수도 있다. 예를 들어, 상승되는 온도에서 방출될 재료는 10,000cP 또는 500,000cP 이상의 점도를 가질 수도 있다. 다른 실시예에서, 방출될 재료는 500,000cP 이상의 점도를 가질 수도 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 핀 작동 프린트헤드를 예시한다. 도 1에 예시된 바와 같이, 핀 작동 프린트헤드는 구멍(110), 챔버(120), 채널(130), 핀 챔버(140), 및 작동 핀(150)을 포함할 수도 있다.

구멍(110)은 프린트헤드(100)의 몸체 내에 한정될 수 있으며, 프린트헤드(100)는 하나 이상의 구멍들(110)을 포함한다. 다른 실시예들에서, 프린트헤드(100)는 하나 이상의 구멍들(110)을 한정하는 구멍 판을 포함할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 구멍들은 서로 간에 1mm 격리되어 있다. 구멍(110)은 50미크론(㎛)과 800미크론 간의 직경을 갖는다. 다른 실시예에서, 구멍(110)은 125미크론과 500미크론 또는 150미크론과 300미크론 간의 직경을 갖는다.

구멍(110)의 직경 및 깊이는 방출될 재료(200)에 따라 한정될 수 있다. 예를 들어, 구멍(110)은 약 200미크론의 직경을 갖는 재료(200)의 점적을 방출하도록 구성된다. 일 실시예에서, 구멍(110)은 100미크론과 300미크론 간의 직경을 갖는 재료(200)의 점적을 방출하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 구멍(110)은 50미크론 이상의 직경을 갖는 재료(200)의 점적을 방출하도록 구성된다.

챔버(120)는 프린트헤드의 몸체 내에 한정될 수도 있으며, 프린트헤드(100)는 하나 이상의 챔버들(20)을 포함한다. 예를 들어, 프린트헤드(100)는 하나 이상의 챔버들(120)을 포함하고 있어 재료(200)의 상이한 타입들을 보유할 수도 있으며, 프린트헤드(100)는 구멍들(110)을 통하여 재료(200)를 방출/프린팅하는 동안 재료(200)의 상이한 타입들을 혼합하도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 물체를 프린팅할 때 프린트헤드(100)는 상이한 재료(200)의 점적들로 분사되는 한 재료(200)의 점적들을 방출할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 다양한 재료(200)로 생성되는 물체는 사용되는 2 이상의 재료(200) 간에 있는 기계적 또는 광학 특성들 또는 그들의 평균치를 가질 수도 있다. 일 실시예에서, 챔버(120)는 방출될 단일 재료(200)를 보유하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 복수의 챔버들(120)은 방출될 복수의 재료들(200)을 보유한다.

프린트헤드(100)는 상이한 색들의 재료들(200)을 보유하고 또한 3D 프린팅 제품의 색을 조정하기 위해 구멍들(110)로부터 방출되는 재료들(200)의 색들을 혼합하도록 구성될 수도 있다. 마찬가지로, 프린트헤드(100)는 상이한 재료 특성들을 갖는 재료들(200)을 보유하도록 그리고 그들이 구멍들(110)로부터 방출될 때 재료들(200)을 조합하여 3D 프린트 제품의 최종 특성들을 조정하도록 구성될 수도 있다.

재료(200)는 그 재료(200)의 방출을 용이하게 하도록 압력하에 유지될 수도 있다. 예를 들어, 챔버(chamber)(120)는 재료(200)의 구멍(110)으로의 흐름을 용이하게 하도록 압력하에서 방출될 재료(200)를 보유하도록 구성될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 100psi의 압력은 100,000cP 재료(200)가 채널(130)을 통하여 구멍(110)으로 흐르게 하여 1000Hz 정도의 사격 주파수(firing frequency)를 지지하는 것을 가능하게 해야 한다. 다른 실시예들에서, 챔버(120) 내의 재료(200)에 인가되는 압력은 재료(200)의 점도, 원하는 사격 주파수, 및/또는 구멍(110) 및/또는 채널(130)을 포함하는 프린트헤드(100) 부품들의 치수에 따라 조정될 수도 있다. 일 실시예에서, 프린트헤드(100)는 50psi와 150psi 간의 압력에서 재료(200)를 보유하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 프린트헤드(100)는 적어도 25psi의 압력에서 재료(200)를 보유하도록 구성된다.

재료(200)는 그 재료(200)의 방출을 용이하게 하도록 상승되는 온도에서 보유될 수도 있다. 예를 들어, 챔버(120)는 재료(200)의 구멍(110)으로의 흐름을 용이하게 하도록 재료(200)를 100℃ 이상에서 보유하도록 구성될 수도 있다. 다른 실시예에서, 프린트헤드(100)는 재료를 200℃ 이상 또는 300℃ 이상까지 가열하도록 구성될 수도 있다.

채널(130)은 프린트헤드(100)의 몸체 내에 한정될 수도 있으며, 프린트헤드(100)는 하나 이상의 채널들(130)을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 채널(130)은 재료(200)를 구멍(110)으로 지향 방출하도록 구성된다. 채널(130)의 치수는 방출될 재료(200)의 특성들에 따라 조정될 수도 있다.

비록 도 1은 일 실시예에 따른 프린트헤드 구성을 예시하지만, 프린트헤드(100)의 다른 구성들도 가능하다. 예를 들어, 도 2 및 도 3은 프린트헤드(100)의 다른 가능한 구성들을 예시한다. 도 2에 예시된 바와 같이, 프린트헤드(100)는 재료(200)를 채널들(130)을 통하여 복수의 구멍들(110)에 제공하는 단일 챔버(120)를 갖도록 구성될 수도 있다. 대안적으로 도 3에 예시된 바와 같이, 프린트헤드(100)는 재료(200)를 채널(130)을 통하여 복수의 구멍들(110)에 제공하는 단일 챔버(120)를 갖도록 구성될 수도 있다. 도 2에 예시된 실시예는 채널들(130) 내의 재료(200)의 흐름 저항을 줄일 수도 있고 또는 채널(130) 내의 재료(200)에 대한 압력 손실을 최소화할 수도 있으며, 또한 고점성 재료들(200)에 대하여 더 큰 흐름 속도를 가능하게 할 수도 있다.

일부 실시예들에서, 각 구멍(110)은 구멍(110) 내에 재료를 방출하도록 작동 핀(150)을 가지며, 각 작동 핀(150)은 작동 핀(150)의 이동을 안내하도록 구성되는 핀 챔버(140) 내에서 이동할 수도 있다.

핀 챔버(140)는 프린트헤드(100)의 몸체 내에 한정될 수도 있으며, 프린트헤드(100)는 하나 이상의 핀 챔버들(140)을 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 핀 챔버(140)는 작동 핀(150)을 구멍(110) 내로 안내하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 핀 챔버(140)는 작동 핀(150)을 채널(130)의 적어도 일부분을 통하여 구멍(110)으로 안내한다. 도 1에 예시된 바와 같이, 핀 챔버(140)는 작동 핀의 계단 구성을 정합하도록 계단 구성을 가질 수 있으므로 작동 핀(150)의 이동을 제한할 수도 있고 또한 핀 챔버(140)의 한 지점에 밀봉부(145)를 제공할 수도 있다. 다른 실시예에서, 밀봉부(145)는 핀 챔버(140)와 작동 핀(150) 간의 직경 오차에 의해 제공될 수도 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이, 핀 챔버(140)와 작동 핀(150) 간의 공간은 고점성 재료(200)가 핀 챔버(140)에 들어가는 것을 방지하면서 작동 핀(150)의 쉬운 이동을 허락하도록 선택될 수도 있다.

작동 핀(150)은 핀 챔버(140)와 구멍(110) 내에서 이동할 수도 있다. 예를 들어, 작동 핀(150)은 전자석들, 압전 장치들 또는 기타 구동 메카니즘들을 통하여 이동될 수도 있다. 작동 핀(150)은 프린트헤드(100)의 채널(130) 내에서 및/또는 밖에 있는 구멍(110) 내에서 재료(200)를 밀도록 구성될 수도 있다.

일 실시예에서, 프린트헤드(100)의 사격 사이클(firing cycle)은 작동 핀(150)의 이동에 의해 정의된다. 예를 들어, 도 1에 예시된 바와 같이, 사격 사이클은 폐쇄 위치 “A”에서 작동 핀(150)으로 시작할 수도 있다. 작동 핀(150)은 구멍(110)내에 위치될 수 있으며 또한 재료(200)의 구멍(110)으로의 임의의 큰 흐름을 방지할 수도 있다. 그 다음 작동 핀이 개방 위치 “B”로 이동할 수도 있어, 작동 핀(150)을 구멍(110) 내에서부터 후퇴시키고 또한 재료(200)의 구멍(110)으로의 흐름을 허용할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 작동 핀(150)은 재료의 구멍(110)으로의 흐름량을 제어하도록 오직 부분적으로만 후퇴할 수도 있다. 마지막으로 작동 핀(150)은 폐쇄 위치 “C”로 후퇴 이동하여 사격 사이클을 완료할 수도 있다. 도 1에 예시된 바와 같이, 폐쇄 위치로 이동하면 작동 핀(150)은 프린트헤드(100)의 밖에 있는 구멍(110) 내로 재료(200)를 밀어줄 수도 있다. 도 8에 예시된 바와 같이, 작동 핀(150)은 구멍(110)의 외부 표면을 통과할 수도 있어 사전에 재료(200)를 구멍(110) 내로 방출할 수도 있다.

일부 실시예들에서, 작동 핀(150)은 와이어로서 구현될 수도 있다. 예를 들어, 작동 핀(150)은 스테인리스 스틸 또는 텅스텐과 같은 금속 와이어로서 200미크론 내지 300미크론 간의 직경을 갖는다. 일 실시예에서, 작동 핀(150)은 100미크론과 500미크론 간의 직경을 갖는다.

작동 핀(150)은 재료(200)를 방출하도록 핀 챔버(140) 및 구멍들(110)을 통하여 이동하도록 구성될 수도 있다. 재료(200)를 방출하도록 작동 핀(150)에 의해 이동하는 거리는 프린트헤드(100)의 구성 및/또는 재료(200)의 특성들에 달려있다. 예를 들어, 작동 핀은 사격 사이클들 동안 1.5mm 이하의 거리 이동하도록 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 작동 핀은 사격 사이클들 동안 1.0mm 이하의 거리 이동할 수도 있다. 다른 실시예에서, 작동 핀(150)은 0.5mm 이하의 거리 이동할 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 작동 핀(150)은 0.4mm와 0.5mm 간에 이동할 수도 있다.

작동 핀(150)은 초당 1m 이상의 속도로 이동할 수도 있다. 일 실시예에서, 작동 핀은 사격 사이클 동안 약 2M/s 이상의 속도로 이동할 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 작동 핀은 사격 사이클 동안 5M/s 이상의 속도로 이동할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 작동 핀은 핀의 단부로부터 점성 재료의 방출을 용이하게 하도록 20M/sec²이상의 속도로 감속할 수도 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 작동 핀(150)의 감속은 작동 핀(150)의 이동을 갑자기 정지하는 단단한 정지 부재들 또는 기타 요소들의 사용을 통하여 용이하게 할 수도 있다.

작동 핀(150)은 약 1000Hz의 사격 주파수를 달성하도록 구성될 수도 있다. 일 실시예에서, 작동 핀(150)의 사격 주파수는 500Hz와 1500Hz 사이이다. 다른 실시예에서, 작동 핀(150)의 사격 주파수는 100Hz와 2000Hz 사이이다.

일 실시예에서, 작동 핀(150)은 FDTS 또는 테프론과 같은 저점성 재료 또는 코팅을 포함하므로 재료(200)의 점성을 작동 핀(150)으로 낮출 수 있다.

프린트헤드(100)는 프린팅되는 물체의 표면으로부터 격리될 수 있으며, 프린트헤드(100)로부터 방출되는 재료(200)는 상기 표면을 향하여 이동하는 동안 구멍(110)으로부터 방출될 때 공수된다. 다른 실시예에서, 프린트헤드(100)는 프린트되는 물체의 표면에 근접하고, 작동 핀(150)은 구멍(110)으로부터 프린트되는 물체의 표면으로 방출 재료를 운반한다.

도 4는 일 실시예에 따른 작동기 모듈을 갖는 핀 작동 프린트헤드를 예시한다. 도 4에 예시된 바와 같이, 프린트헤드(100)는 재료(200)(예시 않됨)를 방출하도록 복수의 구멍(110), 방출될 재료(200)를 보유하기 위한 챔버(120), 복수의 작동 핀들(150), 및 복수의 작동기 모듈들(300)을 포함할 수도 있다. 복수의 챔버들(120)은 프린트헤드(100) 내에 병합될 수 있으며, 여기서 챔버(120) 각각은 상이한 재료를 복수의 구멍들(110)로 인도한다는 것을 이해해야 한다.

작동기 모듈들(300)은 프린트헤드(100) 내에서 작동 핀(150)의 이동을 구동하기 위해 사용될 수도 있다. 일부 실시예들에서, 작동기 모듈들(300)은 작동 핀(150)의 일단에 접속되는 전자석 작동기로서 구현될 수도 있으며, 또한 프린트헤드(100) 내에서 작동 핀(150)을 이동시키도록 구성될 수도 있다.

다른 실시예들에서, 작동기 모듈(300)은 솔레노이드들(solenoid), 작동기 암들(arm) 상에서 당기는 전자석들, 핀 작동기들의 축적된 어레이들(array), 또는 작동 핀들(150)의 이동을 구동하기 위한 다른 메카니즘들로서 구현될 수도 있다. 축적된 피에조 작동기들(piezo actuator)의 어레이들은 고 신뢰성을 제공하며 또한 변형성이 축적된 피에조 작동기로부터 움직임을 증폭하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들어, 도 5A에 예시된 바와 같이, 작동기 모듈들(300)은 축적된 피에조 작동기(310) 및 움직임 증폭(320)을 위한 변형체를 포함할 수도 있다. 도 5b에 예시된 바와 같이, 작동기 모듈들(300)은 작동 핀(150)을 구동하는 전자석(370) 및 선회 암(380)을 포함할 수도 있다. 선회 암(380)은 전자석(370)에 근접하여 선회점(385)에 의해 위치됨으로써 작은 간극에서 강한 전자석 당김력을 생성할 수도 있어, 선회 암(380)의 기장은 작동 핀(150)이 부착되는 단부에서의 움직임을 증폭할 수도 있다.

일부 실시예들에 따른 프린트헤드들(100) 집단의 구성 및/또는 작동기 모듈들(300)의 구성은 프린트헤드(100)를 사용하는 3D 프린팅 시스템의 전체 밀도 및 해상도를 개선하도록 수정될 수도 있다. 예를 들어, 도 6 및 도 7은 작동기 모듈들을 갖는 핀 작동 프린트헤드들의 상이한 구성을 예시한다.

도 6에 예시된 바와 같이, 두 프린트헤드들(100) 각각은 서로 대면하여 엇갈려 위치될 수 있으므로 대면하는 구멍들(110) 간에 1/2 피치의 공간을 갖는 전체 프린팅 어레이(500)를 생성할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 프린팅 어레이(500)는 전체 해상도를 개선하기 위해 통과부분들 간에서 이동될 수도 있다.

다른 실시예들에서, 작동 핀들(150)은 프린트헤드(100)의 방출 구멍들의 해상도 또는 밀도를 개선하기 위해 팬과 같은 구성으로 배치될 수도 있다. 예를 들어, 도 7에 예시된 바와 같이, 복수의 작동 핀들(150)은 일정 각도에서 작동기 모듈들(300) 각각으로부터 구멍들(110)을 갖는 프린트헤드(100)의 집속 영역으로 연장한다. 일부 실시예들에서, 프린트헤드(100)는 안내구들을 포함하고 있어 작동 핀들(150)을 안내할 수 있으므로 구부리거나 굴곡하지 못하게 할 수 있다. 안내구들은 프린트헤드(100) 상에 성형, 가공, 또는 형성될 수도 있다.

일부 실시예들에 따른 프린트헤드(100)에 의해 방출되는 재료(200)의 용적은 작동 핀(150)의 이동에 따라 제어될 수도 있다. 예를 들어, 구멍(110) 및/또는 채널(130)로부터 작동 핀(150)의 후진에 의해 생성되는 빈공간으로 흐르는 재료의 용적은 작동 핀(150)이 후진되는 위치에 체류하는 시간에 달려있다.

도 8은 재료 방출의 모델을 예시한다. 도 8에 예시된 바와 같이, 구멍 영역(810)으로부터 작동 핀(800)의 후진은 처음에 빈공간(820)을 생성한다. 그 다음 방출될 재료는 빈공간(820)으로 흐르고 그에 의해 작동 핀(800)의 이동에 의해 구멍 영역(810)으로부터 방출된다. 작동 핀(800)은 빈공간(820)이 부분적으로만 충전되는 경우조차 재료(830)를 방출할 수도 있다.

일부 실시예들에서, 작동 핀(800)의 후진과 그의 복귀 이동 간의 시간 주기는 재료(830)에 의해 충진되는 빈공간(void)(820)의 비율을 결정한다. 다른 실시예들에서, 재료(830)의 온도, 점도, 및 기타 특성들도 또한, 작동 핀(800)의 이동들 간에 충진되는 빈공간(820)의 비율을 결정한다. 따라서 일부 실시예들에서, 작동 핀(800)의 이동은 방출되는 재료(830)의 사이즈 또는 용적을 조정하도록 제어될 수도 있다. 다른 실시예들에서, 개별 작동 핀(800)의 타이밍은 방출되는 재료(830)의 양을 정상화하는 방법으로서 조정될 수도 있다. 즉, 작동 핀(800)의 타이밍이 조정될 수도 있어 모든 그룹 내의 작동 핀들(800)은 재료(830)의 일관된 또는 동일한 용적들을 방출할 수 있다.

일 실시예에서, 작동 핀(800)이 재료(830)를 방출하도록 이동하는 속도는 재료(830)에 대한 방출 속도를 결정할 수도 있다. 높은 방출 속도는 3D 프린팅 동작하는 동안 점적 위치를 최소화하도록 도움을 줄 수 있는 반면, 더 낮은 방출 속도는 재료(830)가 방출 동작하는 동안 더 많은 구상 점적으로 연합하는 것을 허용할 수도 있다.

도 1에 관하여 채널(130) 내로 연장하는 구멍(110)이 재료(200)로 재 충진하는 범위는 작동 핀(150)의 후진(개방 위치)과 작동 핀(150)의 사격(폐쇄 위치) 간이 시간 주기에 의해 결정될 수 있다. 개방 위치에서 작동 핀(150)의 긴 주기는 채널이 완전 충진하고 또한 방출되는 재료의 양을 최소화하는 것을 허용한다. 더 짧은 주기는 부분적인 재 충전을 허용하게 하고, 또한 방출되는 재료의 양은 재 충진의 비율에 따른다. 따라서 이러한 타이밍 차를 사용함으로써 재료(200)에 대한 가변 점적 사이즈들을 생성할 수도 있다. 일부 실시예들에서, 이 가변은 계조(grayscale)를 생성할 수도 있을 뿐 아니라 각 구멍마다 점적 사이즈를 “표준화(norm)”하기 위해 사용될 수 있다.

일 실시예에서, 프린트헤드(100)는 프린트되는 물체의 표면으로부터 1mm와 10mm 사이 떨어져 있다. 다른 실시예에서, 프린트헤드(100)로부터 방출되는 재료(200)의 점적들은 침착되기 전에 0.5mm와 10mm 사이에서 이동한다.

Claims

재료가 방출되는 복수의 구멍;
100℃ 이상의 상승된 온도(elevated temperature)에서 방출될 상기 재료를 보유하기 위한 적어도 하나의 챔버;
상기 적어도 하나의 챔버를 상기 복수의 구멍에 접속하는 복수의 채널; 및
상기 복수의 구멍으로 들어가서 상기 재료의 점적을 상기 복수의 구멍으로부터 방출하기 위한, 복수의 작동 핀;을 포함하는 핀 작동 프린트헤드로서,
여기서, 상기 프린트헤드는 상기 상승된 온도에서 10,000 cP 이상의 점도를 갖는 재료를 방출하도록 구성되며, 및
상기 적어도 하나의 챔버는 100 Hz 및 2000 Hz 사이의 상기 복수의 작동 핀의 사격 주파수(firing frequency)를 지지하기 위해 25 psi 이상의 압력에서 재료를 보유하도록 구성되는 핀 작동 프린트헤드.
청구항 1에 있어서,
제1 개방 위치에서, 상기 복수의 작동 핀은 재료가 연관된 구멍으로 들어가도록 허용하고, 제2 폐쇄 위치에서, 상기 복수의 작동 핀은 상기 연관된 구멍으로 들어감과 동시에 상기 재료를 방출하는 동안, 연관된 채널 내의 재료가 상기 연관된 구멍으로 들어가는 것을 차단하는 프린트헤드.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 개방 위치에서, 상기 작동 핀의 각각의 시간의 기간은 방출되는 상기 재료의 점적의 용적을 결정하는 프린트헤드.
청구항 2에 있어서,
각각의 구멍은 100 ㎛ 및 300 ㎛ 사이의 직경을 갖는 재료의 점적을 방출하도록 구성되고, 및
상기 복수의 작동 핀의 사격 주파수는 500 Hz 및 1500 Hz 사이인 프린트헤드.
청구항 2에 있어서,
상기 제2 폐쇄 위치에서, 상기 작동 핀의 각각은 상기 구멍의 외부 표면을 정의하는 평면을 통과하여 돌출하는 프린트헤드.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 작동 핀의 이동을 안내하기 위한 복수의 핀 챔버를 추가로 포함하는 프린트헤드.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 작동 핀을 이동시키기 위한 복수의 작동기 모듈을 추가로 포함하고,
상기 복수의 작동 핀은 1 M/s 이상의 속도로 이동하고 20 M/sec²이상의 속도로 감속하는 프린트헤드.
청구항 7에 있어서,
상기 복수의 작동기 모듈은 전자석 작동기 및 압전-전기 작동기 중 적어도 하나를 포함하고, 및
상기 복수의 작동 핀은 5 M/s 이상의 속도로 이동하는 프린트헤드.
청구항 8에 있어서,
상기 적어도 하나의 챔버는 200℃ 이상의 상승된 온도에서 방출될 상기 재료를 보유하고 상기 재료는 200℃에서 50,000 cP 이상의 점도를 갖는 공업용 중합체(engineering polymer)인 프린트헤드.
청구항 9에 있어서,
상기 재료는 230℃에서 500,000 cP 이상의 점도를 갖는 프린트헤드.
청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 챔버는 50 psi 및 150 psi 사이의 압력에서 상기 재료를 보유하도록 구성되는 프린트헤드.
청구항 10에 있어서,
상기 적어도 하나의 챔버는 300℃ 이상의 상승된 온도에서 상기 재료를 보유하도록 구성되는 프린트헤드.
청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 챔버는 복수의 챔버를 포함하고, 상기 복수의 챔버의 각각의 하나는 상기 복수의 구멍 중 하나 이상과 연관되며, 상기 복수의 챔버의 각각의 하나는 상기 연관된 구멍에 재료를 제공하는 프린트헤드.
청구항 13에 있어서,
상기 복수의 챔버는 복수의 상이한 재료를 보유하고, 각각의 챔버는 상기 연관된 구멍에 재료를 제공하는 프린트헤드.
청구항 7에 있어서,
상기 복수의 작동기 모듈은, 상기 적어도 하나의 챔버, 상기 복수의 구멍, 및 재료를 상기 작동기 모듈보다 높은 온도로 가열할 수 있도록, 상기 적어도 하나의 챔버, 상기 복수의 구멍, 및 재료로부터 격리되는 프린트헤드.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 작동 핀은 금속성 와이어를 포함하는 프린트헤드.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 작동 핀은 상기 복수의 작동 핀의 끝에서부터의 상기 방출되는 재료의 격리를 용이하게 하기 위해 저 점성 코팅으로 코팅되는 프린트헤드.
청구항 7에 있어서,
상기 복수의 작동 핀의 이동을 안내하기 위한 복수의 핀 챔버를 추가로 포함하고, 상기 복수의 작동 핀은 계단 구성을 가지며 상기 복수의 핀 챔버는 상기 복수의 작동 핀의 상기 계단 구성과 결합하여 상기 복수의 작동 핀의 이동을 정지하도록 구성되는 프린트헤드.
청구항 7에 있어서,
상기 복수의 작동 핀의 이동을 안내하기 위한 복수의 핀 챔버를 추가로 포함하고, 상기 복수의 작동 핀은 계단 구성을 가지며 상기 복수의 핀 챔버는 상기 복수의 작동 핀의 상기 계단 구성과 결합하여 밀봉부를 제공하도록 구성되는 프린트헤드.
청구항 7에 있어서,
상기 복수의 구멍의 각각은 상기 복수의 작동기 모듈 중 하나와 연관되고, 상기 복수의 작동기 모듈은 그들의 연관된 구멍 사이의 공간보다 큰 거리에서 서로 격리되는 프린트헤드.
청구항 3에 있어서,
상기 복수의 작동 핀의 각각의 하나의 타이밍은 상기 복수의 작동 핀의 각각의 하나에 의해 방출되는 상기 재료의 점적이 일관된 크기가 되도록 제어되는 프린트헤드.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 개방 위치에서 상기 복수의 작동 핀의 각각의 하나의 시간의 기간은 방출되는 상기 재료의 점적이 크기가 변화될 수 있도록 제어되는 프린트헤드.
청구항 1에 있어서,
상기 프린트헤드는 상기 방출되는 재료의 점적이 상기 구멍으로부터 접수 표면까지 이동할 때 공수되도록 상기 방출되는 재료의 점적을 접수하는 표면으로부터 격리되는 프린트헤드.
청구항 1에 있어서,
상기 프린트헤드는 상기 복수의 작동 핀이 상기 방출되는 재료의 점적을 접수 표면으로 운반하도록 상기 방출되는 재료의 점적을 접수하는 표면과 근접 격리되는 프린트헤드.
청구항 7에 있어서,
상기 복수의 작동기는 상기 복수의 작동 핀을 레버 암(lever arm) 또는 굽힘부 중 하나를 통하여 구동하고, 상기 레버 암 또는 굽힘부는 상기 복수의 작동기의 움직임을 증폭하는 프린트헤드.