KR102399637B1 - 저 분산, 고속 응답 혼합 장치 - Google Patents

저 분산, 고속 응답 혼합 장치 Download PDF

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Abstract

혼합 시스템은 10 나노미터 내지 10 마이크로미터 범위의 제1 작동 (working) 물질의 액적을 제조할 수 있는 병렬 액적 분배기, 제1 작동 물질의 액적 유체를 이송하고 제1 유화액을 생성하기 위한 펌프, 유화액을 수용하여 균질 물질을 생성하기 위하여 낮은 복셀 간 혼합을 가지는 소형 혼합기, 및 분배 시스템을 포함한다. 차등 (graded) 물질 분배 방법은 10 나노미터 내지 10 마이크로미터 크기 범위의 제1 작동 물질의 액적을 발생하는 단계, 제1 작동 물질의 액적을 유체에 첨가하여 제1 유화액을 생성하는 단계로서, 제1 작동 물질의 액적 첨가는 유화액에서 구배를 일으키도록 조절되고, 제1 유화액을 혼합하여 균질, 차등 혼합물을 생성하는 단계, 및 균질, 차등 혼합물을 표면에 분배하는 단계를 포함한다.

Description

저 분산, 고속 응답 혼합 장치{LOW DISPERSION, FAST RESPONSE MIXING DEVICE}
본 개시는 고도 점성 물질의 신속 혼합, 더욱 상세하게는 디지털 프린터에서 사용되는 것과 같은 소형 용적에서 고도 점성 물질의 신속 혼합에 관한 것이다.
혼합은 보편적인 문제이고 많은 상이한 접근 방법이 있다. 그러나 고-해상도 디지털 기능성 구배 제조 시스템 (functional gradient manufacturing system)에서 사용에 적합한 접근방법은 거의 없다. 디지털 기능성 구배 시스템은 가변 농도의 상이한 물질들을 가지는 재료를 적층하는 것이다. 통상 사용되는 물질은 고점도를 가진다. 예를들면, 전형적인 UV 경화성 3-차원 인쇄 수지의 점도는 물보다 대략 10 내지 1000 배 더 높다. 열경화성 수지, 또한 전형적으로 물보다 훨씬 높은 점도를 가지고 점도는 단섬유와 같은 보강제 첨가로 더욱 높아진다. 고 해상도를 달성하기 위하여, 물질 비드 또는 액적의 절대 크기는 작다. 고점도 및 소형 기하 구조의 조합은 레이놀즈 수가 1보다 훨씬 작다는 것을 의미한다. 레이놀즈 수는 력에 대한 관성력의 비율이고 결국 주어진 유동 조건에 대한 두 유형의 힘의 상대적 중요성을 정량화한 것이다.
혼합에서 하나의 목표는 반복적 절단, 접기 (folding) 및 신장 조작을 통해 가능한 최단 확산 경로 길이를 창출하는 것, 또는 불용성 고분자 혼련의 경우, 나노-크기의 유화액을 달성하는 것이다. 이는 전형적으로 분배 혼합이라 칭한다. 매우 짧은 확산 경로 길이에서, 전형적으로 미크론 내지 나노미터 크기에서, 물질은 충분히 분배적이고 확산 혼합이 발생된다.
디지털 기능성 구배 제조 시스템에서, 시스템이 물질을 적층할 때 혼합비는 변경된다. 이러한 혼합물 구배를 조절하기 위하여, 혼합은 적층되는 물질 성분들이 복셀 (voxel) (또는 용적성 픽셀) 내에서 혼합되는 방식으로 달성되어야 하지만, 복셀 주변에서 실질적으로 함께 혼합되지 않는다. 본원에서 논의는 유동 상류 및 하류로서 복셀들 간 혼합을 언급하는 것이고, 복셀 내에서의 혼합은 직교류 (cross flow) 혼합으로 특정된다.
현재 접근방법은 정적 라인 (static line) 혼합기, 2축 스크류 혼합기 및 미세유체 혼합기를 포함하지만, 어떤 것도 특징 문제를 해결하지 못한다. 인-라인 정적 혼합기는 다중 신장 및 접기 조작으로 확산 경로 길이를 단축시키지만, 고 분산성 상류 및 하류를 가진다. 2축 스크류 혼합기는 전형적으로 극단적인 점성 유체에 대하여 다중 신장 및 접기 조작의 고분자 콤파운딩을 달성하지만 극히 높은 상류 및 하류 분산을 가진다.
미세유체 혼합기는 유적 분열 (droplet fission), 유동 불안정, 또는 밸브를 이용하여 혼합을 달성하지만, 이들은 전형적으로 상당히 낮은 점도를 가지는 수용성 매체에서 입증되었다. 능동 (Active) 혼합기는 아주 복잡한 개념이다. 이러한 접근방식은 교반 막대, 음향 또는 전기장이 구비된 소형 챔버를 이용하지만, 디지털 기능성 물질 인쇄에서 관심이 있는 고점도 및 소형 스케일에서는 작용하지 않는다.
하나의 실시태양은 혼합 시스템이고, 이는 10 나노미터 내지 10 마이크로미터의 제1 작동 (working) 물질의 유적을 제조할 수 있는 병렬 유적 분배기, 제1 작동 물질의 유적 유체를 이송하고 제1 유화액을 생성하기 위한 펌프, 유화액을 수용하여 균질 물질을 생성하기 위하여 낮은 복셀 내 (low inter-voxel) 혼합을 가지는 소형 (compact) 혼합기, 및 분배 시스템을 가진다.
또 다른 실시태양은 차등 (graded) 물질 분배 방법이고, 이는 10 나노미터 내지 10 마이크로미터 크기의 제1 작동 물질의 유적 발생 단계, 제1 작동 물질의 유적을 유체에 첨가하여 제1 유화액을 생성하는 단계, 이때 제1 작동 물질의 유적 첨가는 유화액에서 구배를 일으키도록 조절되고, 제1 유화액을 혼합하여 균질, 차등 혼합물을 생성하는 단계, 및 균질, 차등 혼합물을 표면에 분배하는 단계를 포함한다.
도 1은 선행 혼합 실시태양을 도시한 것이다.
도 2는 혼합기의 시스템 도면을 도시한 것이다.
도 3-5는 혼합 시스템의 대안 실시태양들을 도시한 것이다.
도 6은 적층 노즐의 실시태양을 도시한 것이다.
도 1은 선행 혼합 공정 (10)을 도시한 것이다. 정적 또는 이축 혼합기에서 주요 조작은 표면적을 창출하는 것이고, 본원에서 분배 혼합으로 칭한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 원 물질 (12), 아마도 고점도 유체는 12 및 14 사이에서 신장된다. 이후 혼합기는 16에서와 같이 물질을 절단하고 적재 또는 18에서와 같이 접어 또는 더욱 가능하게는 양자의 조합으로 표면적을 창출한다. 또 다른 혼합 방법은 분산 혼합이다. 공정은 전형적으로 20에서 물질을 신장하고 물질은 22에서 유적으로 갈라진다. 단일 또는 다중 단계에서 유적은 22에서와 같이 깨지거나 또는 24에서와 같이 합쳐진다. 이러한 단계들의 반복 및 조합으로 대체로 분산이 양호해진다. 예를들면, 유체 혼합물로 개시하여 분배 혼합을 통해 이후 분산 혼합을 거칠 수 있다. 양호한 직교류 분산에 이르는 다중 혼합 단계들은, 때로 유의한 상류 및 하류 분산에 이른다.
소형 유적의 유화액을 직접 생성하고 유화액의 조성을 변경시킴으로써 공정에서 다중 단계를 생략할 수 있다. 이로써 한정적인 상류 및 하류 분산을 가지는 상대적으로 짧은 혼합 단면 (section)이 가능하여 조성에 대한 조절 및 급격한 (sharp) 변화로 균질한 차등 물질을 생성할 수 있다. 조성 변화는 기재 상에 적층을 위한 디지털적 차등 물질을 제공한다.
혼합 물질의 분산성은 용적에 걸친 조성 변화 정도의 측정치로 정의된다. 다양한 통계적 측정으로 유체 도메인에 걸친 분산 정도를 정량화할 수 있다. 이는 전체적인 유체 도메인 또는 도메인의 부분집합에 걸쳐 측정될 수 있다. 예를들면, 혼합되는 복셀, 또는 여러 복셀들 간 분산을 측정할 수 있다.
하기 논의에서, “저 분산”이란 분산계수 1 미만으로 제2 유체에 제1 유체가 분산되는 것을 의미한다. “소형 혼합기”란 작동 용적이 단일 복셀 크기 또는 이하에 가까운 크기의 것이다. “복셀”이란 용적성 픽셀이다. 본원에서 논의되는 소형 혼합기는 ‘낮은’ 복셀-간 (inter-voxel) 혼합, 10% 미만의 복셀 횡단 (cross-voxel) 혼합을 의미한다. 대부분의 픽셀, 또는 그림 요소와 같이, 복셀은 크기에 의존하는 해상도를 가진다. 유적 기반의 적층 시스템, 예컨대 프린터에 있어서, 해상도는 일반적으로 적층되는 유적 크기와 상관된다. 디지털 기능성 구배 제조 기계와 같은 연속 압출 공정에 있어서, 복셀 크기는 압출 단면 (cross section) 및 압출물 조성 변화 속도에 관련된다.
유화액 생성에서 발생되는 하나의 문제는 하나의 물질을 충분히 작은 유적 크기를 가지는 또 다른 물질에 분배하여 추가 혼합이 거의 또는 전혀 필요하지 않은 유화액을 생성하는 것이다. 그러나, 이것은 가능하다. 여러 계산에 의하면 본원 실시태양의 실시 가능성이 지지된다. 100 미크론의 복셀 크기에 대하여, 직경 100 미크론의 반구체를 가정하여 대략 250 피코 리터의 용적을 얻는다. 적층 속도 1 cm/s 또는 10,000 미크론/sec에 대하여, 100-미크론 복셀에 대한 적층 속도는 100 복셀/sec이다. 복셀이 요구에 따라 혼합된 후 즉시 적층되는 가장 극단적인 경우, 혼합기는 복셀을 0.01s 미만으로 혼합할 수 있어야 한다. 그러나, 다중 복셀들을 동시에 혼합하는 것이 가능하다. 다중 복셀들을 혼합하면 적층 시스템의 복잡성 및 크기가 증가하지만, 혼합기에서 성능 요건은 줄어든다.
50% 용적 분율의 물질을 제조하기 위하여, 각각의 물질을 125 피코 리터/sec로 주입할 필요가 있다. 각각의 물질은 다른 유체 또는 최종 혼합물의 일부가 아닌 중성 수송 유체에 직접 주입될 수 있다. 필요한 유적 크기를 추정하기 위하여, 확산율을 계산할 필요가 있다. 예시로서, 70,000 MW 8g/dl 덱스트란 중 플루오레세인 (fluorescein) 염료의 확산도는 대략 4 X 10-10 m2/s로 추정되었다. 혼합 물질의 확산도가 102 배 느리다고 가정하면, 혼합 시간 목표가 0.01 s이라면, 합리적인 확산 길이 추정치는 0.2 미크론이다.
이들 조건에서, 직경 0.2 미크론 이하의 유적을 생산하는 것이 이상적일 수 있다. 요구되는 유적 생산에 필요한 적층 속도를 달성하기 위하여, 매 0.01 초 당 250,000 유적들 또는 2.5 백만 유적/s이 생산되어야 한다.
다수의 소형 유적 분배 기술과는 달리 유적 크기 분포는 일차적으로 중요하지 않다는 점에 주목할 필요가 있다. 이들 유적은 혼합 유체들 간에 표면적 창출에 주로 사용되고 궁극적으로 모두 함께 혼합되어, 단지 총 분배 용적이 정확하다는 것이 중요하다. 높은 변동 계수의 시스템이라도 다수의 유적을 분배하여 이를 달성할 수 있다.
고속, 예컨대 100 kHz 압전 작동기 및 수천의 노즐을 이용하여 초당 2.5 백만 유적이 생성되지만, 복셀에 대한 혼합 조작은 반드시 하나의 복셀에 대한 적층 속도 내에서 이루어질 필요는 없다. 시스템은 다른 확립된 수단을 이용하여 쉽게 접근할 수 있는 감속의 유적 상류를 발생시킨다. 대안으로, 정확한 용적 분율을 달성할 수 있는 더욱 큰 액적을 생성하고 하류 혼합을 이용하여 필요한 표면적 창출을 완료하는 것이 가능하다.
1 미크론 미만의 소형 유적을 생산하는 다수의 방법이 존재한다. 유동 집중 구조, 예컨대 연신 유동 (extensional flow) 또는 신장 유동 (elongational flow)을 이용하여, 미크론 이하의 유적을 생산할 수 있는 구조를 간단하게 조립하여 이를 이용하여 액적을 제조하는 것이 가능하다. 조절 가능하고, 안정적이며 강건한 방식으로 5 미크론 정도의 유적을 생산할 수 있는 유화액 생성을 위한 병렬 노즐들을 참조할 수 있다. 분무 기술 예컨대 전자분무 또는 필라멘트 연신 원자화는 유적 정량을 조정하기 위하여 또 다른 기구가 필요하지만 대량의 더욱 소형 입자들을 생산할 수 있다.
상기 논의는 차등 물질의 디지털 적층을 위하여 신속하고 낮은 축방향 분산 혼합이 달성될 수 있다는 것을 보인다. 2014.12.29자 출원된 미국특허출원번호 14/578,044, “차등, 계층적 물질 구조체의 디지털 조립 시스템”은 이러한 유형의 시스템의 실시태양을 교시한다. 이들 시스템은 전형적으로 도 2에 도시된 바와 같은 일종의 혼합기를 적용한다. 도 2는 디지털 차등 기능성 물질 (DFGM) 프린트 헤드용 유적 혼합기의 실시태양을 도시한 것이다.
유적 혼합기 (30)는 제1 수송 유체 (32) 공급원 (source)을 가진다. 공급원은 탱크, 저장소 또는 기타 용기 (31)일 수 있다. 도 3-5를 참조하여 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 수송 유체는 또한 제2 고분자 물질로 이루어질 수 있다. 저장소 (34)에서 제1 고분자 물질 (36)이 소형 유적 형태로 수송 유체 (32)에 주입된다. 유적 주입은 전형적으로 일종의 능동 배치 시스템 예컨대 펌프 또는 기타 주입기 (37) 조절로 수행된다.
저장소 (34)는 달리 분배 혼합 시스템이 필요한 유화액 생성 시스템의 일부를 나타내고, 이러한 교체는 다중 혼합 단계를 이용하는 것보다 시스템을 더욱 소형 및 고속화한다. 상당한 표면적을 직접 창출함으로써, 분배 단계가 불요하게 된다. 유화액 생성 후, 유화액은 38에서 추가적인 하류 혼합을 진행하고 이후 프린트헤드 (39)에서 분배된다.
이러한 시스템의 실시태양은 다음 형태 중 하나를 취할 수 있다. 도 3 내지 도 5는 상이한 구조의 일부 실시태양을 도시한 것이고, 이는 단지 실시예들이고 청구범위를 한정하지 않는다 것을 이해하여야 한다. 도 3은 2종의 상이한 물질 유적이 혼합 또는 혼련될 수 없는 동일한 불용성 수송 액체에 분산되는 실시태양을 도시한 것이다. 제1 물질 (36)은 저장소 (41)에서 수송 유체에 예비-분산되고 제2 물질 (32)은 저장소 (43)에서 수송 유체에 예비-분산된다. 기어 펌프들로 이루어질 수 있는 펌프 (42, 44)는, 물질을 저장소로부터 공동 채널 (48)로 이송한다. 혼합되는 제1 및 제2 물질 비율은 펌프의 상대 유속으로 조절된다. 50에서 혼합 및 분배 전 선택성 막 (46)은 수송 유체를 제거한다. 수송 유체는 재순환 및 재사용된다.
본 시스템의 이점은 소형 유적 분배 시스템보다 훨씬 더욱 큰 규모로 용이하게 조절되는 분배 시스템을 가지는 것이고 변동이 없는 일관된, 상류 공정은 소형 유적을 생성할 수 있다. 실시예들은 전자분무 또는 필라멘트 연신 원자화기를 포함한다. 이로써 달리 시스템에 공학적 처리가 어려울 수 있는 유적 생성 시스템이 가능하다.
도 4의 실시태양 (40)에서, 제2 유체 (32) 및 제1 유체 (36)는 공동 채널 (48)로 분산된다. 펌프 (42)는 제2 유체를 주입시킨다. 펌프 (44)는 공동 채널에서 액체를 인출하여 하류 혼합 및 분배 (50)로 보낸다. 제1 유체 및 제2 유체의 비율은 기어 펌프 (42)에 대한 제1 유체의 유적 분배 속도를 변경시켜 바꿀 수 있다. 제2 선택적 기어 펌프 (44)의 유속은 제1 펌프 (42) 유속 및 유적 분배기의 유속의 합과 같아야 한다. 일부 실시태양에서, 유체들 중 하나는 보강제, 예컨대 탄소섬유를 가질 수 있다. 보강된 물질의 소형 유적 제조를 피하기 위하여, 바람직한 실시태양은 보강제 부재의 물질을 보강제 존재의 유체에 분배하는 것이다.
도 5는 두 물질의 유적을 수송 유체에 분배하고, 이후 혼합 및 분배 전에 전체 혼합물에서 분리하는 시스템의 실시태양을 도시한 것이다. 도 5에서, 시스템은 2종의 고분자 (32, 36)를 공동 채널 (48)에 분배한다. 펌프 (42)는 능동 배치를 제공하여 유체를 주입하고 혼합된 유체를 분리기를 통해 혼합 및 분배 (50)로 하류로 이동시키고, 본 실시태양에서 분리기는 막 (46) 및 증발기 중 하나로 이루어진다.
액적 분배 정확성 및 정밀성에서 조절 인자들 중 하나는 유적의 핀치 오프 거동 (pinch off behavior)이다. 분배 기구 및 유적이 분배되는 유체의 표면 모두는 이러한 거동에 영향을 준다. 유적이 분배되는 유체를 조절하면 유적이 분배되는 유체 변동으로 인한 시스템 오류 및 시스템의 비-선형성을 줄일 수 있다.
본원에서 관심 대상과 같은 더욱 높은 점성의 유체에 있어서, 유적을 또 다른 액체에 주입하는 방법의 하나는 능동 배치 (positive displacement) 시스템을 이용하는 것이다. 능동 배치 시스템은 일종의 양의 힘 (positive force)을 기타 유체에 주입되는 유체에 인가한다. 하나의 가능성은 모세관 및 소형 피스톤으로 이루어진다. 피스톤은 모세관 내에서 구동되어 유체의 유적을 분배한다. 도 6은 이러한 시스템의 실시예를 도시한 것이다.
분배기 (60)는 내부에서 피스톤 (62)이 운동하는 채널 (64)을 가진다. 단일 유적 시스템은 유체 (68) 흐름을 조절하는 일-방향 밸브 (66)를 추가하여 연속 유적 시스템으로 전환된다. 피스톤은 중립 위치에서 개시된 후 하방 이동하여 표면 (70)에 닿는다. 이는 정확도를 높이고 유적 크기를 줄일 수 있다. 또 다른 유체로 분배할 때, 표면 (70)은 이전 도면의 공동 채널 (48) 바닥, 또는 유체용 저장소일 수 있다. 액적 (74)을 표면에 분배한 후, 피스톤은 채널 (64)에서 화살표와 같이 상향 이동한다. 시스템은 일-방향 밸브 (66)를 통해 새로운 유체 (68)를 당긴다. 분배기에서 유체가 잘못된 방향으로 이동되는 것을 방지하도록 피스톤은 실 (72)를 가질 수 있다.
이러한 방식으로, 더욱 빠르고 소형인 혼합기는 디지털 적층 시스템 또는 프린트헤드의 일부로서 차등 물질을 제공할 수 있다. 서로에 대하여 2종의 물질 흐름을 조절함으로써, 조성이 급격히 변하는 상이한 고분자들의 농도를 조절하여, 원하는 구배를 일으킬 수 있다. 유화액 생성을 위하여 유적 발생기를 사용하면 분배 혼합 필요성이 없어지고 혼합기는 더욱 소형화되고 유체를 더욱 고속으로 혼합하여 시스템에서 전체 용적을 감소시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 혼합 시스템으로서,
    10 나노미터 내지 10 마이크로미터 범위의 제1 작동(working) 물질의 액적을 분배할 수 있는 제1 병렬 액적 분배기로서, 상기 제1 병렬 액적 분배기는 적어도 하나의 채널을 가지며, 각각의 채널은 피스톤을 가지며, 상기 피스톤은 상기 제1 작동 물질의 적하(drops)를 분배하기 위해 상기 채널내에서 이동가능한, 상기 제1 병렬 액적 분배기;
    상기 제1 작동 물질의 액적을 수용하기 위해 수송 유체를 이송하고 제1 유화액을 생성하기 위한 제1 펌프로서, 상기 수송 유체는 제2 작동 물질을 포함하고, 상기 펌프는 상기 수송 유체 내의 상기 제1 작동 물질 대 상기 제2 작동 물질의 비율을 결정하는 상기 수송 유체의 유속을 제어하도록 구성된, 상기 제1 펌프;
    상기 수송 유체 내의 상기 제1 및 제2 작동 물질들을 수용하고, 물질의 균질 복셀을 생성하기 위하여 낮은 복셀 간 (low inter-voxel) 혼합을 가지는 소형 (compact) 혼합기로서, 상기 수송 유체 안으로 수용되는 상기 제1 작동 물질의 액적의 제어 및 상기 수송 유체의 유동의 제어가 디지털 차등 기능성 물질의 생성을 허용하는, 상기 소형 혼합기;
    균질한 차등 혼합물을 생성하기 위하여 상기 수송 유체를 상기 제1 및 제2 작동 물질들로부터 분리하기 위한 유체 분리기; 및
    상기 균질한 차등 혼합물을 분배하기 위한 분배 시스템을 포함하는, 혼합 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유체 분리기는 막 및 증발기 중 하나를 포함하는, 혼합 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 10 나노미터 내지 10 마이크로미터 범위의 제2 작동 물질의 액적을 제조할 수 있고 상기 제2 작동 물질의 액적을 상기 수송 유체안으로 분배할 수 있는 제2 액적 분배기를 더 포함하는, 혼합 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 작동 물질의 액적을 수용하기 위해 상기 수송 유체를 이송하고 제2 유화액을 생성하기 위한 제2 펌프를 더 포함하는, 혼합 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 펌프는 상기 제2 유화액을 생성하기 위하여 상기 제2 물질의 액적이 분산되는 상기 수송 유체를 이송하는, 혼합 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 혼합기는 상기 제1 유화액 및 상기 제2 유화액을 수용하는, 혼합 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 수송 유체는 상기 제2 작동 물질을 상기 제2 작동 물질의 유화액으로서 포함하는, 혼합 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 작동 물질을 이송하기 위해 제2 펌프를 더 포함하는, 혼합 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
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