KR102493373B1 - 인쇄된 물품 제조 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

상이한 크기의 입자를 갖는 제품을 형성하기 위한 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 상기 제품의 적어도 제1 부분을 제1 재료로 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 상기 제품의 적어도 제2 부분을 제2 재료로 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제2 그룹의 인쇄 헤드를 유지하도록 구성된 적어도 하나의 인쇄 헤드 영역을 포함한다. 상기 기술된 시스템은 또한 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료를 분포시키기 위해 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 제2 그룹의 인쇄 헤드를 조절하도록 구성된 프로세서를 포함할 수 있다. 개시된 시스템을 사용하여 잉크젯 인쇄에 의해 개체를 제조하는 방법 또한 개시되어 있다.

Description

인쇄된 물품 제조 시스템 및 방법

관련된 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2017년 4월 20일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/487,670호의 우선권의 이익을 주장하며, 이는 본원에 참조로 포함된다.

기술 분야

본 개시내용은 일반적으로 상이한 크기의 입자를 갖는 제품을 형성하기 위한 시스템에 관한 것이다. 일 실시예에서, 상기 시스템은 제품의 상이한 섹션 또는 부분을 적층 인쇄하도록 구성된 하나 이상의 인쇄 헤드를 유지하는 인쇄 헤드 영역 및 상기 인쇄 헤드를 조절하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 본 개시내용은 또한 예컨대 상기 개시된 시스템을 사용함으로써 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

3차원(3D) 잉크젯 인쇄 공정은 직접 금속 레이저 소결 또는 선택적인 레이저 소결(각각 DMLS 및 SLS)과 같은 적층 제조 공정으로 간주된다. 잉크젯 인쇄 공정은 플라스틱, 금속 또는 세라믹 개체를 인쇄하기 위해 사용된다. DMLS 또는 SLS와 달리, 잉크젯 공정으로 인쇄된 금속 또는 세라믹 개체는 최종 소결 스테이지를 필요로 하는 "녹색" 개체로 간주된다. 녹색 부분의 기계적 성질은 완전히 소결된 부분보다 열등하므로, 금속 또는 세라믹 3D 잉크젯 인쇄는 전형적으로 적어도 두 가지 유형의 재료인 모델 재료 및 지지대 재료 사용을 필요로 한다. 모델 재료 및 지지대 재료는 잉크젯 가능한 잉크이다. 모델 재료는 원하는 개체를 형성하기 위해 사용되는 반면, 지지대 재료는 개체의 적어도 일부에 대한 원하는 지지대 구조물을 형성하기 위해 사용된다. 그러한 지지대 구조물은 인쇄 동안에 또는 모델이 그 자체 지지를 위해 적절한 기계적 강도에 도달할 때까지 개체를 지지하도록 구성된다. 지지대 재료의 사용은 모델이 채널 또는 다른 공극을 함유하거나, 또는 음의 각도로 인쇄되어야 할 경우 특히 바람직하다. 모델이 자체-지지 스테이지에 도달하면, 지지대 구조물이 제거된다.

3D 인쇄에서 근본적인 과제 중 하나는, 자체-지지 스테이지에 도달하기 전에 인쇄된 모델에 필요한 기능적 지지대를 제공하고 모델에서 지지대 재료의 교차-오염을 최소화하면서 여전히 그 후에도 제거될 수 있는 지지대 구조물을 인쇄 가능하게 하는 지지대 재료를 개발하는 것이다. 따라서, 지지대 재료는 모델 재료의 다양한 성질과 상용성이어야 한다. 예를 들어, 본 개시내용의 한 양상에 따르면, 아래에 보다 상세히 설명될 바와 같이, 지지대 구조물의 소결 온도는 모델 재료의 소결 온도보다 높아야 한다는 것은 중요하다.

지지대 재료는 인쇄 직후 또는 소결 후에 인쇄-후 공정(post-printing process) 동안에 제거해야 한다. 지지대 제거는 화학적, 기계적 또는 열적으로 수행될 수 있다. 지지대를 제거하기 위해 사용된 방법에 상관없이, 인쇄된 모델을 고체 금속 또는 세라믹 조각으로 전환하기 위해서는 일부 인쇄-후 처리 단계를 필요로 한다. 인쇄 스테이지 후에 그리고 모델이 자체-지지 스테이지에 도달하기 전에 지지대를 제거하는 것과 관련된 한 가지 문제는, 제거 공정이 인쇄된 부분의 무결성에 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 이 스테이지에서, 인쇄된 부분은 쉽게 파괴될 수 있다.

잉크젯 인쇄를 위한 모델 재료와 지지대 재료의 조합 및 본 개시내용에 개시된 그러한 재료를 조합하는 방법은 종래 기술의 단점을 해결한다. 본 개시내용은 또한 상기 기술된 하나 이상의 문제 및/또는 종래 기술의 다른 문제를 극복하기 위해 그러한 잉크를 제조하는 신규하고 독창적인 방법을 제공한다. 특히, 본 개시내용은 잉크젯 인쇄에 의한 제품의 제조에 도움이 되거나 최종 인쇄된 모델의 결과를 개선하기 위해, 또는 이들 둘 다를 위해 모델과 지지대 잉크 사이의 파라미터를 조정하는 것에 관한 것이다.

상기 요구를 부분적으로 해결하기 위해, 본 개시내용은 제품을 형성하기 위한 시스템에 관한 것이다. 일 실시예에서, 상기 시스템은 제품의 적어도 제1 부분을 제1 평균 입자 크기를 갖는 제1 재료로 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제1 그룹의 인쇄 헤드를 보유하도록 구성된 적어도 하나의 인쇄 헤드 영역을 포함한다. 제1 평균 입자 크기는 제1 소결 특성을 부여하기 위해 선택된다. 본원에 기술된 시스템은 또한 제품의 적어도 제2 부분을 제2 평균 입자 크기를 갖는 제2 재료로 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제2 그룹의 인쇄 헤드를 포함한다. 제2 평균 입자 크기는 제2 소결 특성을 부여하기 위해 선택된다.

본원에 기술된 시스템은 또한 제품의 원하는 성질을 반영하는 정보를 수신하고, 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 제2 그룹의 인쇄 헤드를 조절하여 제1 재료 및 제2 재료를 층별 기준(layer-by-layer basis)으로 분포시켜 제품의 원하는 성질을 반영하는 정보에 기초하여 제품의 상이한 부분에 상이한 특성을 부여하도록 구성 가능한 적어도 하나의 프로세서를 포함한다.

본 개시내용은 또한 잉크젯 인쇄에 의해, 예컨대 개시된 시스템을 사용함으로써 개체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 일 실시예에서, 상기 방법은 개체 재료를 분사하여 제1 소결 온도를 갖는 제품 구조물을 형성하는 단계를 포함한다. 제품 구조물을 형성하는 것과 동시에 또는 그 전에, 상기 방법은 입자를 포함하는 지지대 재료를 분사하여 지지대 구조물을 형성하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 상기 지지대 구조물은 제품 구조물을 지지하는 방식으로 분사된다. 일 실시예에서, 지지대 재료는 개체 재료의 소결 온도보다 큰 소결 온도를 갖는다. 분사된 개체와 분사된 지지대는 함께 녹색 부분을 구성한다. 상기 방법은 녹색 부분을 제1 소결 온도 이상 및 제2 소결 온도 미만의 온도로 가열하여 분사된 지지대를 실질적으로 소결시키지 않으면서 분사된 개체를 적어도 부분적으로 소결시키는 단계 및 적어도 부분적으로 소결된 개체로부터 실질적으로 소결되지 않은 지지대를 제거하는 단계를 추가로 포함한다.

상기 논의된 주제를 제외하고, 본 개시내용은 이하에 설명된 것들과 같은 다수의 다른 특징을 포함한다. 전술한 설명 및 하기 설명 둘 다는 단지 예시이다.

첨부된 도면은 본 명세서에 포함되며 본 명세서의 일부를 구성한다.
도 1은 본 개시내용에 따른 적층 제조(additive manufacturing) 장치의 예를 도시한다.
도 2a 내지 2f는 분말 층을 분무하는 단계(도 2a); 유체를 증발시켜 1 내지 5 μm의 일정한 크기의 분말 층을 제공하는 단계(도 2b); 원하는 모델 영역에서 나노 분말을 잉크 분사하는 단계(도 2c); 상기 모델 영역을 경화시키는 단계(도 2d); 그 후 큰 분말을 분무하는 추가 층을 적용하는 반복적인 단계(도 2e), 및 나노-분말을 잉크 분사하는 단계(도 2f)를 포함하는, 본 개시내용의 실시예에 따른 적층 제조 공정의 예를 도시한다.
도 3은 잉크젯 인쇄에 의해 컬러 무기 개체의 인쇄를 허용하는 복수의 색조 헤드(tint head)를 포함하는 본 개시내용의 실시예에 따른 프린터 헤드 조립체를 도시한다.
도 4a 내지 4c는 착색제 입자, 예를 들어, 안료, 또는 지르코니아와 같은 구조적 입자와 혼합된 안료(도 4a), 또는 지르코니아 입자에 매립된 안료(도 4b)를 포함하는, 본 개시내용의 실시예에 따른 잉크 분산액을 도시한다. 도 4c는 제거된 구조적 입자를 도시한다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따라 제조된 컬러 층 아래에 백색 층을 갖는 착색된 큐브를 도시한다.
도 6a는 재료의 소결 온도 대 입자 크기를 도시하는 그래프이다. 도 6b는 분말 재료와 관련된 4개의 소결 스테이지의 상대 밀도 대 소결 온도를 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 개시내용에 따른 SiO₂ 지지대 잉크를 제조하기 위해 사용되는 성분의 3원 상 다이아그램이다.
도 8은 모델 및 지지대 재료를 갖는 동일 반응계 레이저 시스템의 개략도를 도시한다.
도 9a 및 9b는 분산제 증발 전(도 9a) 및 후(도 9b)의 입자 재료를 나타내는 개략도이다. 도 9a는 저온에서 분산 분자로 랩핑한 입자를 나타내는 개략도이다. 도 9b는 고온에서 그러나 소결 미만에서 분산 분자를 손실한 후에 남은 입자를 나타내는 개략도이다.
도 10a 내지 10d는 다양한 형태 및 크기를 갖는, 특히 단일크기의 분산액(도 10a), 다중크기의 분산액(도 10b), 단일크기 및 다중크기의 분산액(도 10c), 및 열 처리 후 도 5c의 단일크기 및 다중크기의 분산액(도 10d)을 갖는 분말의 충진 밀도를 나타내는 개략도이다.
도 11a 내지 11f는 소결 동안 지지대 재료와 모델 재료 사이의 수축률 차이 때문에 높은 응력 및 변형률과 관련된 모델 부분의 분리 및 변형을 나타내는 개략도이다.
도 12a 및 12b는 본 개시내용에 따른 상이한 재료로 인쇄된 개체의 다이아그램이다. 도 12a는 벌크 재료 위의 코팅을 도시하는 반면, 도 12b는 벌크 재료 위에 있는 함침된 층 위의 코팅을 도시한다.
도 13a는 본 개시내용에 따른 재료의 혼합으로 구축된 개체를 표현한 것이다. 도 13b는 도 13a의 개체의 확대된 구획으로, 개체가 대안적 재료의 혼합으로 구성되는 방법을 도시한다.
도 14는 모델 재료에 지지대 재료를 침투시킴으로서 본 개시내용에 따른 복잡한 개체를 제조하는 흐름도이다.

본 개시내용은 일반적으로 잉크젯 인쇄에 의한 제품의 제조에 도움이 되기 위해 모델과 지지대 잉크 사이의 파라미터를 조정하는 것에 관한 것이다. 모델과 지지대 잉크 사이의 파라미터를 유리하게 조정하기 위한 다수의 통합된 기술 뿐만 아니라 시스템도 개시되어 있다. 이에는 다음을 포함한다:

ㆍ 소결 후 지지대 제거를 용이하게 하기 위해 지지대 전에 모델 소결을 보장하기 위해 소결 온도를 조정함. 아래에 보다 상세히 기술된 바와 같이, 이것은 재료 선택, 입자 크기, 입자 분포 또는 이들의 조합에 의해 수행될 수 있다.

ㆍ 인쇄부터 녹색 스테이지, 갈색 스테이지 및 최종 소결에 이르기까지 온도 범위에 걸쳐 모델에서의 변형률과 균열을 피하기 위해 모델과 지지대 구조물 사이의 수축을 제어함.

ㆍ 재료를 선택하거나 이 결과를 달성하는 데 도움이 될 첨가제를 사용함으로써 모델과 지지대 구조물 사이의 교차 오염을 감소시킴.

ㆍ 모델과 지지대 면적 둘 다를 신속하고 효율적으로 커버하기 위해 모델과 지지대 잉크 둘 다의 입자 크기를 제어함으로써 인쇄 속도를 증가시킴.

다음은 본원에 기술된 다양한 실시예의 일반적인 설명으로, 특히 개시된 프린터, 인쇄 시스템(들), 잉크(들) 및 잉크 시스템(들), 그러한 시스템 및/또는 잉크를 사용하여 제품을 제조하는 방법, 및 상기로부터 제조된 생성된 제품에 관한 것이다. 이제 본 개시내용에 따라 구현된 이들 전술한 실시예에 대해 상세히 언급할 것이며, 그 예는 첨부된 도면에 나타내었다. 가능한 한 동일한 참조 번호가 동일하거나 유사한 부분을 언급하기 위해 도면 전체에 걸쳐 사용될 것이다.

프린터

일 실시예에서, 적층 제조 장치가 개시되어 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "적층 제조 장치"란 용어는 개체가 생성될 때까지 연속적인 재료 층을 내려놓음으로써 디지털 모델로부터 개체를 생성할 수 있 는 임의의 장치 또는 시스템을 광범위하게 포함한다. 도 1은 본원에 기술된 바와 같이 다양한 구현이 실시될 수 있는 적층 제조 장치(100)의 예를 도시한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 적층 제조 장치(100)는 다음을 포함할 수 있다: 인쇄 영역(102), 적어도 하나의 인쇄 헤드(106)를 지지하는 인쇄 헤드 홀더(104), 인쇄 헤드(106)와 잉크 저장소(110)를 상호연결하는 적어도 하나의 도관(108), 에너지 공급원(112), 냉각 팬(114), 쉴드(116), 레벨링 장치(118), 및 컨트롤러(120).

인쇄 영역(102)은 적층 제조 공정에서 구성될 개체를 지지하기 위한 베이스로서 사용될 수 있다. "인쇄 영역"이란 용어는 적층 제조 장치(100)로부터 분배된 재료의 다층을 보유할 수 있는 임의의 강성 표면을 갖는 영역을 포함한다. "인쇄 트레이" 및 "인쇄 테이블"이란 용어는 또한 본 개시내용에서 인쇄 영역을 참조하여 상호교환적으로 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 인쇄 영역(102)은, 예를 들어, 열 전도성 재료를 포함할 수 있거나, 인쇄 영역(102)은 금속으로 만들어진 트레이를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 인쇄 영역(102)은 최근에 인쇄된 층을 고형화시키는데 도움을 주기 위해 또는 잉크 액체 성분의 적어도 일부의 증발을 가속화하기 위해 필요한 개체 온도로 데워질 수 있다. 대안적인 실시예에서, 인쇄 영역(102)은 절연 재료를 포함할 수 있는데; 예를 들어, 인쇄 영역(102)은 목재, 플라스틱, 또는 절연 세라믹을 포함할 수 있다. 두 실시예에서, 인쇄 영역(102)은 개체의 온도를 유지할 수 있으며, 최근에 인쇄된 층을 가열하는 것은, 예를 들어, 할로겐 램프, I.R 램프, UV 램프, 레이저, 플래시-램프 또는 마이크로파 공급원과 같은 에너지 공급원(112)을 사용함으로써 위로부터 직접 열 조사하여 달성될 수 있다.

일 실시예에서, 인쇄 영역(102)은 트레이 홀더(또는 "척(chuck)")에 부착 가능한 인쇄 트레이일 수 있다. 트레이 홀더는 필요한 경우 트레이를 가열하기 위한 가열 장치를 포함할 수 있다. 트레이 홀더는 트레이가 진공 또는 클리핑 지그(clipping jig)를 포함하는 임의의 수단에 의해 부착되는 강성의 평평한 열 전도성 표면(커버된 가열된 수단에 의해 임의로 가열됨)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 홀더는 노출된 가열 수단, 예를 들어, 트레이를 직접 가열하는 방사 램프를 둘러싸는 보유 프레임(holding frame)으로 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 인쇄 트레이는 대체 가능하다. 예를 들어, 인쇄가 완료되면, 작업자는 프린터에서 인쇄된 개체가 있는 트레이를 제거하고 프린터에 깨끗한 트레이를 설치하고, 새 인쇄 세션을 시작할 수 있다.

일 실시예에서, 트레이는 단단해야 한다. 이것은 트레이 홀더로부터 트레이를 분리하는 동안에 구부러지는 것을 방지하기 위해 필요하다. 일 실시예에서, 트레이 홀더는 평평할 수 있다. 이것은 트레이 홀더 표면과 트레이 사이에 양호한 부착을 가능하게 하기 위해 그리고 또한 인쇄된 개체와 직선 레벨링 장치 사이의 양호한 정렬을 보장하기 위해 바람직하다. 트레이는 열 전도성이어야 하며 너무 무겁지 않아야 한다. 일 실시예에 따르면, 트레이는 알루미늄으로 만들어지고, 약 3 내지 12 mm 범위의 두께를 갖는다.

"인쇄 영역"이란 용어는 "인쇄 표면"이란 용어와 혼돈되어서는 안된다. "인쇄 표면"이란 용어는 새로운 층이 인쇄될 표면을 지칭한다. 인쇄 공정의 시작시에, 인쇄 영역(102)은 인쇄 표면일 수 있는데, 이는 제1 층이 그 위에 직접 인쇄될 수 있기 때문이다. 그러나, 모든 후속 층(예를 들어, 제2 층)은 이전에 증착된 층들의 상부에 인쇄될 것이다. 따라서, 제2 층의 경우, 제1 층은 인쇄 표면이며, 제3 층의 경우, 제2 층은 인쇄 표면 등이다. 도 1에 도시된 예에서, 인쇄 표면(122)은 이전에 증착된 층이며, 새로운 층(124)은 현재 인쇄 표면(122)의 상부에 인쇄되는 층이다. 새로운 층(124)은 모든 인쇄 패스 동안 Z-방향을 따라 구축되며 "상부층" 또는 "최근 층(most-recent layer)"으로도 지칭된다.

본원에 기술된 본 개시내용의 양상에 따르면, 모델은 지지대 상에 인쇄되는데, 여기서, 상기 지지대는 강성의 안정성, 지지된 부분 재료(모델)와의 적절한 인터페이스, 및 모델로부터의 분리 용이성을 포함하여 바람직한 성질을 나타낸다. 또 다른 양상에 따르면, 지지대 구조물은 또한 트레이로부터 분리될 수 있어야 한다. 일 실시예에 따르면, 지지대 구조물은 부분과 트레이 사이에 구축된다는 점에 주목해야 한다. 트레이로부터 인쇄된 부분을 용이하게 분리할 수 있도록 하기 위해, 매우 소수의 지지대 층(예를 들어, 1 내지 10)은 후속적으로 증착된 층과 상이할 수 있다. 일 실시예에서, 이들 소수의 층은 지지대 재료만을 포함한다.

다른 실시예에서, 소수의 층들은 특정 혼합물 또는 지지대 재료와 모델 재료와의 조합을 포함한다. 일 실시예에서, 모델 재료는 컬럼 구조물에 첨가될 수 있다. 소수의 가장 낮은 층의 혼합물은 위의 층에서의 혼합물과 상이할 수 있으며, 둘 다 부분 근처의 지지대 구조물의 혼합물과는 상이할 수 있다. 이러한 아키텍처에 대한 보다 상세한 설명은 본원에 참조로 인용된 미국 특허 출원 제15/029,815호에 기재되어 있다.

최종 인쇄된 개체의 무결성에 도움을 주기 위해, 인쇄된 개체는 균일하고 고르게 냉각될 수 있다. 일 실시예에서, 이것은 인쇄된 개체가 원하는 온도에 도달할 때까지 단열된 냉각 박스와 같은 냉각된 환경에서, 새로운 인쇄된 개체가 있는 인쇄 트레이를 그 위에 유지함으로써 수행될 수 있다.

본 개시내용의 실시예와 일관되게 그리고 도 1을 다시 참조하면, 적층 제조 장치(100)는 인쇄 표면(122)으로부터 이격된 적어도 하나의 인쇄 헤드(106)를 유지하기 위한 인쇄 헤드 홀더(104)를 포함할 수 있다. "인쇄 헤드 홀더"라는 용어는 적어도 하나의 인쇄 헤드(106)를 인쇄 표면(122)으로부터 고정된 거리에서 또는 인쇄 영역(102)으로부터 변하는 거리에서 보유 또는 유지하기에 적합한 임의의 구조물을 포함한다. 적층 제조 공정이 재료의 연속 층이 놓여지는 것을 포함하기 때문에, 개체의 높이는 점진적으로 증가하고 있다. 일 실시예에서, 각 층이 놓여진 후에, 인쇄 영역(102)은 적어도 하나의 인쇄 헤드(106)와 인쇄 표면(122) 사이의 고정된 거리를 유지하기 위해 Z-방향으로 조금 더 낮게 이동한다. 대안적인 실시예에서, 각 층이 놓여진 후에, 인쇄 헤드 홀더(104)는 적어도 하나의 인쇄 헤드(106)와 인쇄 표면(122) 사이의 고정된 거리를 유지하기 위해 Z-방향으로 조금 더 높게 이동한다. 일례에서, 인쇄 헤드(106)와 인쇄 표면(122) 사이의 고정된 거리는 0.5 내지 5 mm 사이의 임의의 값일 수 있다. 또 다른 대안적인 실시예에서, 각 층이 놓여진 후에, 인쇄 영역(102)은 Z-방향으로 조금 더 낮게 이동하며 인쇄 헤드 홀더(104)는 적어도 하나의 인쇄 헤드　(106)와 인쇄 표면(122) 사이의 고정된 거리를 유지하기 위해 Z-방향으로 조금 더 높게 이동한다. 단순성을 위해, 하기의 논의는 인쇄 트레이가 정지되어 있는 동안 인쇄 헤드(106)가 이동하는 것으로 가정할 것이다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 인쇄 트레이는 인쇄 헤드(106) 아래로 이동하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예에 따르면, 인쇄 헤드 홀더(104)는 단일 인쇄 헤드(106) 또는 복수의 인쇄 헤드(106)를 지지할 수 있다. "인쇄 헤드"란 용어는 선형 어레이 또는 플레이트로 조직되고 일반적으로 하나로서 함께 제조되는 복수의 노즐을 지칭한다. 인쇄 헤드(106)가 적층 제조 장치(100)에 연결될 경우, 복수의 노즐은 개체를 층별로 형성하기 위해 잉크 저장소(110)로부터 잉크를 분배하도록 구성된다. 적어도 하나의 인쇄 헤드(106)는 제1 모델 재료를 분배하기 위한 제1 노즐 그룹 및 제1 재료와 상이한 제2 모델 재료를 분배하기 위한 제2 노즐 그룹을 포함하는 복수의 노즐을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 인쇄 헤드는 다수의 노즐 세트를 포함하고 관리하는 능력을 특징으로 하지만, 각 인쇄 헤드는 모델이든 지지대이든 한 가지 유형의 잉크에 의해 공급된다. 본원에 사용된 바와 같이, "개체"란 용어는 조합된 모델 및 지지대 구조물을 기술하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 제1 재료는 모델을 인쇄하기 위해 사용될 있으며, 제2 재료는 지지대를 인쇄하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 실시예의 전형적인 경우는 원하는 개체가 2개의 상이한 재료로 이루어지는 경우이다. 또 다른 실시예에서, 제1 재료는 원하는 개체를 제조하기 위해 사용되는 개체 재료일 수 있으며, 제2 재료는, 예를 들어, 개체의 "음으로" 경사진 벽을 지지하기 위해 인쇄 동안에 일시적으로 사용되는 지지대 재료일 수 있다. 전형적으로, 인쇄 헤드(106)는 새로운 층(124)의 종축 Y에 실질적으로 수직인 X-방향으로 새로운 층(124)을 스캔할 수 있다. 각 개체는 수천개의 인쇄된 층으로부터 구성될 수 있기 때문에, 전형적으로 수천개의 사이클이 필요하다. 각 사이클이 복수의 인쇄 헤드(106)로부터의 다수의 인쇄를 포함하는 경우, 사이클의 수는 수천에서 수백 이하로 감소될 수 있다. 또한, 적층 제조 장치(100)는 동일한 구동으로 다수의 개체를 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 상이한 인쇄 헤드(106)는 상이한 노즐 크기를 갖는 인쇄 재료에 대해 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 인쇄 헤드는 개체 재료를 분배하기 위해 사용될 수 있으며, 제2 인쇄 헤드는 지지대 재료를 분배하기 위해 사용될 수 있다. 또 다른 에로서, 제1 인쇄 헤드는 제1 크기의 노즐을 가질 수 있으며, 제2 인쇄 헤드는 제1 크기와 상이한 제2 크기의 노즐을 가질 수 있다.

일부 실시예에서, 적층 제조 장치(100)는 인쇄 헤드(106)를 잉크 저장소(110)와 상호연결하는 적어도 하나의 도관(108)을 포함할 수 있다. "도관"이라는 용어는 일반적으로 액체 또는 가스의 수송을 위해 이를 통과하는 통로를 갖는 바디를 지칭한다. 적어도 하나의 도관(108)은 인쇄 헤드(106)와 잉크 저장소(110) 사이의 상대적 이동을 가능하도록 유연할 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 도관(108)은 잉크를 인쇄 헤드(106)에 공급하기 위해 잉크 저장소(110)와 인쇄 헤드(106)를 상호연결하는 공급 도관, 및 인쇄 헤드(106)로부터 배출되지 않은 잉크의 적어도 일부를 잉크 저장소(110)로 역으로 순환시키기 위해 인쇄 헤드(106)와 잉크 저장소(110)를 상호연결하는 리턴 도관(미도시)을 포함할 수 있다. "잉크 저장소"란 용어는 잉크가 인쇄 헤드(106)로 전달될 때까지 잉크를 저장하도록 구성된 임의의 구조물을 포함한다. 일부 실시예에서, 잉크 저장소(110)는 잉크 내의 고체 입자 응집을 방지하거나 잉크 내에 이미 존재하는 경우 응집물을 파괴하기 위해 초음파 또는 충격파를 잉크로 보내도록 구성된 하나 이상의 탱크 및 초음파-기반 요소를 포함할 수 있다. 또한, 적층 제조 장치(100)는 컨트롤러(120)에 의해 작동되고 적어도 하나의 인쇄 헤드(106), 적어도 하나의 도관(108) 및/또는 잉크 저장소(110) 내의 압력을 제어하기 위해 적어도 하나의 도관(108)을 따라 위치되는 복수의 밸브(미도시)를 포함할 수 있다. 유사한 잉크 시스템에 대한 보다 상세한 설명은 본원에 참조로 인용된 미국 특허 출원 제15/921,279호에 기재되어 있다.

단일 잉크를 분배하는 단일 인쇄 헤드와 특정 잉크에 대해 하나 이상의 인쇄 헤드를 사용하는 것이 전형적이지만, 각각 별도의 노즐 어레이에서 상이한 잉크를 분배하는 다중-노즐 어레이 잉크젯 헤드를 사용하는 것도 가능하다.

잉크젯 인쇄 적층에 사용되는 제3 인쇄 헤드

다양한 실시예에서, 인쇄된 개체의 색상 또는 기계적 성질과 같은 최종 개체의 성질을 개선시키기 위해, 하나 이상의 첨가 재료가 인쇄 또는 소결 단계와 같이 최종 제품의 처리시에 도움을 주기 위해 잉크에 첨가될 수 있거나, 별도의 헤드로부터 인쇄될 수 있다. 일 실시예에서, 첨가제 단독 또는 적절한 용매에 용해된 첨가제를 분배하는 적어도 하나의 별도의 헤드가 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 2개의 별도의 인쇄 헤드를 사용하여 인쇄된 모델 또는 지지대 이외의 재료를 증착시키기 위해 사용되는 이 헤드는 "제3 인쇄 헤드" 또는 "애디티브 헤드(additive head)"로 지칭한다. 첨가제의 유형에 대한 보다 상세한 논의는 아래에 제공된다. 첨가제가 별도의 헤드로 인쇄되기 때문에, 첨가제와 상용성이지 않을 수 있는 표적 잉크에 첨가제를 용해시키는 문제는 없다. 또한, 첨가제 헤드를 사용하면 개체의 상이한 영역에서 상이한 양의 첨가제를 분배하는 것이 가능하다.

프린터용 가열 공급원 . 일부 실시예에 따르면 그리고 도 1을 참조하면, 개시된 적층 제조 장치(100)는 에너지 공급원, 예를 들어, 에너지 공급원(112)을 포함할 수 있다. "에너지 공급원"이란 용어는 적층 제조 장치(100)에 의해 인쇄되는 개체에 에너지를 공급하도록 구성된 임의의 장치를 포함한다. 예를 들어, 새로운 층(124)에 방사선 또는 열 형태의 공급 에너지를 사용하여 분산제 재료 및 다른 유기 첨가제를 증발시키고 임의로 개체 입자들 사이의 적어도 부분 소결을 개시할 수 있다. 일례에서, 에너지 공급원(112)은, 동일 반응계 탈지(debinding) 또는 소결을 야기하거나 새로 형성된 층(124)에 적어도 부분 소결을 야기하기 위해, 새로운 층(124)을 따라 라인을 조사 또는 스캔하도록 구성된 램프 또는 레이저와 같은 작은 스폿 크기의 에너지 공급원을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 에너지 공급원(112)은 부분적 또는 전체적 동일 반응계 탈지 또는 소결을 개시하기 위해 새로 형성된 층(124)의 영역을 커버하도록 구성된 플래시-램프를 포함할 수 있다. 본 개시내용의 이러한 양상에 따르면, 에너지 공급원(112)은 지지대 잉크 소결을 피하기 위해 모델 잉크만을 선택적으로 소결하도록 구성될 수 있다. 그러한 선택성은 지지대 잉크에서보다 모델 잉크에서 더 많이 흡수되는 파장으로 새로운 층(124)을 조사함으로써 및/또는 조사된 파장으로 그 에너지 흡수를 증가시키는 모델 잉크에 안료를 첨가함으로써 달성될 수 있다.

제1 실시예에서, 에너지 공급원(112)은 웜 트레이를 형성하기 위해 인쇄 영역(102)과 통합될 수 있다. 인쇄된 개체가 새로운 층(124)까지 일정하게 유동하는 열보다 낮게 가열되는 경우, 그리고 재료의 열-유동 저항 때문에, 개체의 바닥에서 고온 및 개체의 상부 표면에서(Z 축을 따라) 저온으로 온도 구배가 구축된다. 웜 트레이의 온도는 상부층의 온도를 일정하게 유지하도록 인쇄 동안 개체의 중간 높이에 따라 더 높이 제어될 수 있다. 그러한 절차의 단점은, 하부층을 고온으로 가열하면 분산제 및 다른 첨가제에서 발견되는 것과 같이 유기 분자를 불리하게 변형시켜 이는 유기물이 탄소 및 다른 잔류물로 붕해될 수 있다는 점이다. 또 다른 단점은, 하부층에 남아있는 잔류 액체가 증발하여 높은 가스상 압력을 초래하여 재료가 부서지거나 균열이 생길 수 있다는 점이다. 일반적으로, 건조 후 층들 사이의 온도 차이를 만드는 것을 권장하지 않는데, 이는 균열이 층들의 상이한 열 팽창으로 인해 균열이 발생할 수 있기 때문이다.

도 1에 도시된 제2 실시예에서, 방사 에너지 공급원(112)은 인쇄되는 개체 위에 위치할 수 있다. 에너지 공급원(112)에 의한 직접 가열은 새로운 층(124)의 일정한 온도를 보장할 수 있다. 에너지 원(112)은 인쇄 헤드(106) 옆에 위치할 수 있으며, 열 방사선, 예를 들어, 전자기 방사선을 생성할 수 있다. 중간 마지막 층 아래의 다공성 바디가 액체 캐리어의 일부를 흡수하기 때문에, 마지막 층을 건조시키는 것은 층별로 점점 더 어려워진다. 따라서, 열 공급원의 강도는 마지막 층 중간 높이 Z의 함수로서 증가되어야 한다. 대안적으로, 열 공급원은 개체의 높이의 함수로서 X 또는 Y 방향을 따라 점점 더 느리게 이동해야 한다.

제3 실시예에서, 에너지 공급원(112)은 새로운 층(124) 상에 일정 각도로 열풍 스트림을 송풍하도록 구성된 애퍼처(aperture)를 포함할 수 있다. 열풍 취입의 사용은 새로운 층(124)의 온도를 증가시킬뿐만 아니라 마지막 층 위의 증발된 액체 캐리어의 분압을 감소시켜 새로운 층(124)으로부터 액체 캐리어(및 일부 경우에, 분산 제제 및 다른 유기 물질)의 증발에 도움을 주기 위한 것이다. 또한, 가열 및/또는 증발 성능을 최대화하기 위해 제1, 제2 및 제3 실시예들 중 임의의 것의 조합이 사용될 수 있다.

냉각 장치 . 상기 언급된 바와 같이, 새로운 층(124)을 가온시키는 것은 적층 제조 공정의 일부일 수 있다. 그러나, 일부 실시예에서, 나머지 인쇄된 개체는 새로운 층(124)과 동일한 온도로 유지되지 않아야 한다. 따라서, 적층 제조 장치(100)는 최근에 인쇄된 층에 저장된 열을 주변 공기로 소산시키기 위한 냉각 팬(114)을 포함할 수 있다. 최근에 인쇄된 층을 냉각시키는 한가지 이유는, 잉크 방울이 액체 캐리어의 비점보다 높은 온도(예를 들어, 30℃까지)로 표면에 떨어지는 경우, 물방울이 120℃의 표면에 떨어지는 경우에서와 같이 이들은 표면에 부착되기 보다는 폭발할 수 있기 때문이다. 따라서, 나머지 개체는 새로운 층(124)의 온도와 동일한 온도로 유지될 필요는 없고, 단지 일정하고 균일한 온도로 유지되어야 한다. 예를 들어, 이전에 인쇄된 층이 냉각 팬(114)을 사용하여 비교적 낮은 온도(예를 들어, 약 230℃)로 유지될 수 있는 경우, 새로운 층(124)은 캐리어 액체(예를 들어, 새로운 층(124)은 약 500℃로 가온될 수 있다)의 비점보다 높은 온도로 가온될 수 있다.

열 쉴드 . 일부 실시예에서, 적층 제조 장치(100)는 또한 쉴드(116)와 같은 열 버퍼를 포함할 수 있다. 본 개시내용의 맥락에서, 열 쉴드는 노즐 어레이를 부분적으로 덮고 노즐로부터 인쇄 영역으로의 인쇄를 용이하게 하기 위해 개구를 갖는 플레이트를 지칭한다. 인쇄된 개체가 실온(예를 들어, 약 25℃)에 비해 상대적으로 뜨겁(예를 들어, 약 230℃)기 때문에 인쇄 헤드(106)는 인쇄 영역으로부터 나오는 열과 연기로부터 보호되어야 한다. 일 실시예에서, 쉴드(116)는 인쇄 헤드(106)와 인쇄된 개체 사이의 열 배리어를 제공하기 위해 인쇄되는 동안(예를 들어, 10 내지 50℃) 개체의 온도에 비해 상대적으로 낮은 온도로 유지될 수 있다.

레벨링 장치 . 상이한 노즐의 상이한 분사력을 포함하는 공정 조건에서의 변화는 새로운 층(124)이 완전히 평평하지 않을 수 있다는 것이다. 액체 표면 장력의 결과로서, 층의 가장자리가 완전히 날카로워지지 않을 수 있다. 따라서, 적층 제조 장치(100)는 또한 새로운 층(124)을 평평하게 하고/하거나 새로운 층(124)의 하나 이상의 가장자리를 날카롭게 하는 레벨링 장치(118)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 레벨링 장치(118)는 수직 또는 수평 그라인딩 롤러 또는 커팅 롤러를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 레벨링 장치(118)는 레벨링의 분진 산출물을 흡입하기 위한 분진 펌프 및 분진 필터(126)를 포함할 수 있다. 인쇄 공정 동안, 레벨링 장치(118)는 층이 분배되고 고형화되는 동안 새로운 층(124) 상에서 작동할 수 있다. 일례에서, 레벨링 장치(118)는 상부층의 높이의 재료의 약 5% 내지 20%가 박리될 수 있다. 일부 실시예에서, 레벨링 장치(118)는 캐리어 액체가 증발한 후에 잉크와 만나며 새로운 층(124)은 적어도 부분적으로 무수이고 고체이다.

제어 및 처리 장치 . 기술된 적층 제조 장치(100)는 디지털 모델로부터 임의의 개체를 생성할 수 있다. 그렇게 하기 위해, 적층 제조 장치(100)는 상이한 인쇄 구성요소의 작동을 제어하기 위해 컨트롤러(120)와 같은 처리 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 컨트롤러(120)는 적층 제조 장치(100)의 작동 방법을 결정하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 프로세서는 입력 또는 입력들에 대해 논리 연산을 수행하는 전기 회로를 갖는 임의의 물리적 장치를 구성할 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 프로세서는 하나 이상의 집적 회로, 마이크로칩, 마이크로컨트롤러, 마이크로프로세서, 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽 처리 장치(GPU), 디지털 신호 프로세서(DSP), 필드-프로그램 가능한 게이트 어레이(FPGA), 또는 명령을 실행하거나 논리 연산을 수행하기에 적합한 다른 회로의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 프로세서에 의해 실행되는 명령은, 예를 들어, 컨트롤러(120)와 통합되거나 이에 내장된 메모리로 사전-로딩될 수 있거나, 별도의 메모리에 저장될 수 있다. 메모리는 RAM(random Access Memory), ROM(Read-Only Memory), 하드 디스크, 광 디스크, 자기 매체, 플래시 메모리, 다른 영구, 고정 또는 휘발성 메모리, 또는 명령을 저장할 수 있는 임의의 다른 장치를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 메모리는 비주얼 코드와 관련된 제품을 나타내는 정보를 저장하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 컨트롤러(120)는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 각 프로세서는 유사한 구성을 가질 수 있거나 또는 프로세서는 서로 전기적으로 연결되거나 분리된 상이한 구성일 수 있다. 예를 들어, 프로세서는 별도의 회로일 수 있거나 단일 회로에 통합될 수 있다. 하나 이상의 프로세서가 사용되는 경우, 프로세서는 독립적으로 또는 협력적으로 작동하도록 구성될 수 있다. 프로세서는 전기적으로, 자기적으로, 광학적으로, 음향적으로, 기계적으로 또는 상호작용을 허용하는 다른 수단에 의해 결합될 수 있다.

인쇄 센서 . 기술된 적층 제조 장치(100)는 인쇄 공정이 계획대로 진행되도록 하기 위해 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 적층 제조 장치(100)는 또한 이미지 센서(128)와 같은 이미저(imager)를 포함할 수 있다. "이미저" 또는 "이미지 센서"라는 용어는 근적외선, 적외선, 가시광 및 자외선 스펙트럼에서의 광학 신호를 검출하고 전기 신호로 변환할 수 있는 장치를 지칭한다. 전기 신호는 검출된 신호에 기초하여 이미지 또는 비디오 스트림(즉, 이미지 데이터)를 형성하기 위해 사용될 수 있다. "이미지 데이터"라는 용어는 근적외선, 적외선, 가시광, 및 자외선 스펙트럼에서의 광학 신호로부터 검색된 임의의 데이터 형태를 포함한다. 이미지 센서의 예는 반도체 전하-결합 장치(CCD), 상보적 금속-산화물-반도체(CMOS)에서의 능동 픽셀 센서, 또는 N-형 금속-산화물-반도체(NMOS, Live MOS)를 포함할 수 있다. 일부 경우, 이미지 센서(128)는 인쇄 영역(102)을 캡처하도록 구성된 카메라의 일부일 수 있다.

소결 온도, 모델과 지지대 구조물 사이의 수축, 및 모델과 지지대 구조물 사이의 교차 오염을 조정하기 위한 조성물 및 방법을 포함하여, 본 발명의 발명자들이 최종 인쇄된 모델을 개선하기 위해 발견한 조성물 및 방법이 다음에 기술된다.

잉크 조성물

도 1에 나타낸 적층 제조 장치(100)는 하나 이상의 유형의 잉크를 인쇄하도록 구성될 수 있다. "잉크"라는 용어는 원하는 패턴으로 인쇄 표면(122) 상의 증착을 위해 의도된 임의의 유체를 포함한다. 따라서, "잉크"라는 용어는 모델, 지지대, 또는 존재하는 경우, 제3 인쇄 헤드로부터의 적층 인쇄를 위한 재료를 포함한다. 이들 상이한 잉크는 또한 "모델 재료", "지지대 재료", "적층 제조 제료", "인쇄 재료" 및 "인쇄 액체"로 지칭될 수 있다. 이들 용어들은 본 개시내용에서 상호교환적으로 사용될 수 있다.

주어진 부분에 복수의 모델 잉크를 인쇄하는 것은 선택적인 레이저 소결 인쇄에 대한 제트 인쇄의 독특하고 매우 중요한 특성이다. 조합은 픽셀 스케일에서(이때, 그 결과 실질적으로 재료는 균일하게 혼합된다) 또는 상이한 재료를 포함하는 부분의 상이한 영역을 생성함에 의한 거시적 스케일에서 미세 혼합으로 수행될 수 있다. 조합된 재료 인쇄에서, 프린터는 복수의 IDS(잉크 전달 시스템) 및 복수의 헤드, 분사된 재료당 적어도 하나의 헤드를 포함한다. 이 기술은 PCT_Friedman_3D 입자 Printing_4619/20_ Chapter 17에 명시되어 있으며 이는 참조로 포함된다. 본 개시내용과 일관되게, 적합한 잉크의 일부 예는 다음 특성을 포함할 수 있다.

입자 크기, 재료 및 형상 . 본원에 기술된 잉크는 금속(예를 들어, 철, 스테인레스 강, 구리, 은, 금, 티탄 등), 세라믹 재료, 금속 산화물, 산화물(예를 들어, SiO₂, TiO₂, ZrO₂, BiO₂), 금속 탄산염, 금속 탄화물, 탄화물(예를 들어, WC, Al₄C₃, TiC), 금속 합금(예를 들어, 스테인레스 강, 티탄, Ti64), 질화물, 무기 염, 중합체 입자, 및 캐리어 액체 중 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 원하는 재료의 고체 입자의 분산액을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 고체 입자는 규소, 알루미늄, 티탄, 이트륨, 코발트, 구리, 철, 아연, 마그네슘, 지르코니아, 이들의 조합 또는 합금으로부터 선택된 금속 및 메탈로이드를 포함한다.

다양한 실시예에서, 입자는, 인쇄 동안 필요한 공간 해상도를 유지하거나,(소결 후) 필요한 재료 특성을 유지하거나, 분배 헤드의 한계를 만족시키기 위해 미크론 크기(약 0.5 μm 내지 약 50 μm) 또는 나노크기(약 5 내지 약 500 나노미터)이다. 예를 들어, 분배 인쇄 헤드가 직경 30 μm의 노즐을 포함하는 경우, 입자 크기는 바람직하게는 2 μm 이하여야 한다. 본 개시내용의 맥락에서, "모델 재료" 또는 "모델 잉크"라는 용어는 일반적으로 모델을 구성하기 위해 사용되는 고체 재료 또는 입자를 지칭하는 반면, "지지대 재료" 또는 지지대 잉크"는 일반적으로 지지대 구조물을 구성하기 위해 사용되는 재료 또는 고체 입자를 지칭하며, 이는 전형적으로 모델에 일시적으로 부착된다.

입자 크기는 또한 높은 인쇄 해상도에 중요하다. 일반적으로, 입자 크기는 인쇄된 이미지 맵에서 픽셀 크기의 대략 1/4을 초과하지 않아야 하지만, 예상될 수 있는(대략 10개 입자의) 일부의 응집 때문에, 입자 크기는 1/10 픽셀 크기를 초과하지 않아야 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 픽셀 크기가 15 미크론인 경우, 입자는 1.5 미크론보다 작아야 한다. 이 비는 다른 픽셀 크기 및 입자 크기와 일치해야 한다.

일 실시예에서, 모델에서 고체 입자는 일반적으로 연속적인 다중모드 입자 크기 분포를 갖는다. 그러나, 특별한 경우, 상기 분포는 이중모드 분포와 같이 불연속이다. 일 실시예에서, 지지대 재료 중 고체 입자는 단일모드 입자 크기 분포를 갖는다. 그러한 분포는 배관 및 헤드에서의 더 나은 유동(헤드 막힘을 감소시킴), 및 고온에서 소결에 대한 감소된 경향을 포함하여 다중모드에 비해 이점이 거의 없다. 본원에 기술된 입자 크기는 표준 측정 기술을 사용하여 결정된 평균 입자 직경이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 평균 입자 크기는 주사 전자 현미경(SEM)으로 건조 모델 분말을 검사하여 결정될 수 있다. 평균 입자 직경은 무작위로 선택된 입자의 직경의 평균 값일 수 있으며, 여기서, 입자 직경은 고정된 방향으로 측정된 Feret 직경이다.

인쇄 속도를 증가시키기 위해 입자 크기 조정 . 일 실시예에서, 본 발명자들은 모델과 지지대 영역 둘 다를 커버하는 빠른 인쇄 부피를 달성하기 위해 크고 덜 고가의 입자(1 내지 5μm)를 사용하고 이어서 모델 영역 상에서만 바인더 인쇄에서 작은 나노-입자를 특징으로 하는 잉크를 분사하는 것을 기술한다. 도 2를 참조하면, 보다 작은 나노-크기의 잉크가 분사되는(도 2b) 큰 미크론 크기의 분말(도 2a)의 조합의 사용은 보다 빠르고 비용 효율적으로 인쇄하는 능력을 제공한다는 것을 발견하였다. 이 실시예에서, 크고 저렴한 1 내지 5 μm의 입자를 사용하면 모델과 지지대 영역 둘 다를 덮기 위해 빠르게 인쇄하고 이어서 모델 영역 상에서만 바인더에 작은 나노-입자를 잉크 분사할 수 있다.

도 2a를 참조하면, 제1 단계는, 예를 들어, 더 큰 노즐을 갖는 잉크젯 인쇄 헤드, 공기, 유체 또는 전기 분무를 통해 또는 와이어 로드 코팅에 의해 또는 또 다른 방법에 의해 1 내지 5 um 크기의 분말을 갖는 분말의 분산액을 분무/확산하는 단계를 포함하는 프로세스가 기술되어 있다. 도. 2b에 나타낸 바와 같이, 이 스테이지에서, 트레이는 분말의 분산액으로 코팅된 다음, 분산 유체를 증발시킨다. 분산 유체를 증발시킨 후, 나노-크기의 분말은 도 2c에 나타낸 바와 같이 모델에서 잉크젯 인쇄된다. 도 2d에 나타낸 바와 같이, 바인더를 사용한 열 경화 또는 동일 반응계일 수 있거나 아닐 수 있는 부분-소결 공정에 의한 경화 단계가 이어진다. 증착 단계는 도 2e 및 도 2f에 나타낸 바와 같이, 원하는 두께 및 프로파일을 얻기 위해 필요한 만큼 다수회 반복된다.

일 실시예에 따르면, 1 내지 5 um 크기의 분말을 갖는 분말의 분산액인 큰 입자 크기의 분산액은 작은 나노-입자 잉크와 동일한 재료를 포함할 수 있다. 비제한적인 소수의 예로서, 크고 작은 입자들은 316 또는 임의의 다른 것과 같은 스테인레스, 실리카, 임의의 합금, 지르코니아 및 다른 금속 또는 세라믹 재료일 수 있다. 이러한 실시예에 따르면, 탈지 단계 또는 임의의 사전-소결 단계 동안, 작은 입자가 넥킹(necking)을 생성하는 경향으로 인해 모델 영역에 녹색 또는 갈색 영역이 생성될 것이므로, 다소 경화 또는 임의의 다른 기계적 특성을 제공하여 모델 영역은 자체-지지되는 반면, 큰 입자만을 갖는 지지대 영역은 보다 분리 가능한 구조물로 남을 것이다. 또 다른 실시예에 따르면, 큰 크기의 입자 및 작은 크기의 입자는 상이한 재료일 수 있다. 하나의 비제한적인 예는 큰 크기의 지르코니아 입자 분산액 및 스테인레스 또는 구리 나노 입자이다. 또 다른 비제한적인 예에 따르면, 큰 크기의 입자는 WC일 수 있으며 작은 크기의 입자는 스테인레스 또는 구리일 수 있다.

지지대 잉크 . 본원에 기술된 지지대 재료는 다성분 재료를 형성하기 위해 완제품의 필수 부분으로서 남아있을 수 있다. 대안적으로, 지지대 재료는, 일단 개체가 인쇄되면, 전형적으로 소결과 같은 열 처리를 포함하는 임의의 인쇄 후 공정 전에 제거된다. 대안적으로, 지지대 잉크로 인쇄된 지지대 구조물은 인쇄 후 공정 동안 인쇄된 개체와 함께 남을 수 있다. 이러한 경우, 지지대 잉크의 지지대 구조물은 소결 공정 후 제거 가능하도록 충분히 연성 및/또는 취성으로 남아야 한다. 최종 개체의 금속 조성은 초기 잉크의 금속 조성과 유사하거나 근접하지만, 일부 실시예에서, 인쇄 공정 동안 일부 재료의 손실로 인해 시작 조성과는 상이할 수 있다.

지지대 재료의 상세한 기술은 본원에 참조로 포함된 WO2015056232 A1(특허 출원 번호 PCT/IB2014/065402)에 기술되어 있다. 본원에 개시된 실시예에 따른 지지대 잉크는 예를 들어, 캐리어 비히클에 분산된 고체 입자, 분산 제제(분산제) 및 본원에 기술된 첨가제를 포함하는 화학 물질(chemical entity)을 포함한다.

지지대 잉크를 위한 고체 입자 . 일 실시예에서, 지지대 재료는 하나 이상의 유형의 재료 및/또는 입자 크기의 입자를 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 하나 이상의 유형의 입자가 함께 혼합될 수 있다. 특별히 나타내지 않으면 입자 크기는 직경으로 나타낸다. 기술된 바와 같이, 입자는 직경이 나노미터 규모, 예를 들어(대략 10 nm 내지 500 nm 미만, 예컨대 400 nm, 또는 300 nm)에서 서브미크론(대략 0.5 μm 내지 대략 1 μm), 미크론(최대 50 μm)까지의 범위이며, 지지대의 일반적인 특징을 제공한다. 선택적으로, 고체 입자는 물, 염기성 또는 수성 산성 용액에 혼화성이거나 적어도 부분적으로 가용성이다.

다양한 실시예에서, 지지대 재료의 고체 입자의 입자 크기는 1.0 미크론 이하, 적어도 2.0 미크론, 적어도 10.0 미크론, 적어도 20.0 미크론, 또는 최대 50.0 미크론이다. 일 실시예에서, 지지대 재료의 고체 입자의 입자 크기는 1.0 미크론 내지 50 미크론, 예컨대 1.0 미크론 내지 5.0 미크론 범위이다. 또한, 모델 잉크에서 고체 재료의 입자 크기는 0.5 미크론 이하, 예컨대 0.4 미크론 이하, 0.3 미크론 이하, 0.2 미크론 이하, 0.1 미크론 이하 50 nm, 예컨대 10 nm이다. 일 실시예에서, 모델 입자의 입자 크기는 10 nm 내지 0.5 미크론 범위이다.

다양한 실시예에서, 고체 입자는 하나 이상의 금속 또는 세라믹 재료, 산화물, 탄화물, 질화물 또는 탄산염을 포함한다. 고체 입자로서 사용될 수 있는 그러한 산화물 및 탄산염의 비제한적인 예는 산화규소(실리카- SiO₂), 산화알루미늄(Al₂O₃ - 알루미나), 산화티탄(TiO₂ - 티타니아), 산화이트륨(Y₂O₃ - 이트리아), 산화코발트(CoO), 산화구리(CuO), 산화철(Fe₂O₃), 산화아연(ZnO), 산화마그네슘(MgO), 산화지르코늄(ZrO₂ - 지르코니아), 탄산철(FeCO₃), 및 유기 또는 무기 염을 포함한다.

일 실시예에서, 지지대 재료는 FeCO₃ 입자를 포함한다. FeCO₃은 500 내지 700℃ 범위의 온도에서 산화철과 CO₂로 열분해되는 취성 물질이다. 철을 함유하는 모델 잉크에 대한 지지대 구조물을 제공하기 위해 FeCO₃ 분말을 용액에 분산시켜 잉크젯 인쇄 헤드로부터 기재 상으로 증착될 수 있는 분사 가능한 잉크를 형성 할 수 있다. FeCO₃ 입자는 시판 중인 분산제를 사용하여 캐리어 액체에 분산될 수 있다. FeCO₃의 사용과 관련된 다른 이점은 산화철로의 화학적 분해 동안 그 크기를 감소시킨다는 점이다. 산화철은 용이하게 제거될 수 있을뿐만 아니라, 모델에서 산화철 오염물은 소결 동안 금속성 Fe로 전환될 수 있다. 그 결과, 모델 조각은 오염에 의해 영향을 받지 않는 기계적 성질로 생산될 수 있다.

염 지지대 . 또 다른 실시예에서, 지지대는 다른 재료 또는 입자, 예를 들어, 실리카 또는 유기 또는 무기 염과 혼합된 동일한 모델 입자를 포함하며 이는 지지대 입자의 소결을 억제한다. 이 지지대 재료의 이점은 실수로 모델을 오염시키는 잔류 지지대 재료의 일부가 동일한 모델 재료를 포함한다는 점이다. 염을 기반으로 한 지지대 재료는 염당 물의 높은 용해력으로 인해 물로 용이하게 씻을 수 있다는 사실을 포함하여 다수의 장점이 있다. 사실,(녹색 또는 갈색 스테이지에서) 소결 전에 지지대의 제거를 달성하면, 상기 부분이 다공성이기 때문에, 물은(그 외부 표면뿐만 아니라) 전체 모델 재료를 통해 유동하며 대부분의 부분에서 오염 염을 씻어낸다. 따라서, 모든 오염이 방지된다. 일 실시예에서, 녹색 스테이지 지지대 제거를 용이하게 하기 위해, 무기 염이 유기 염보다 바람직할 수 있는데, 이는 후자가 승온에서 손상될 수 있기 때문이다.

또 다른 실시예에서, 지지대는 단지 염을 포함한다. 모델 재료의 첨가가 필요한 경우, 인쇄 맵 기준으로 인쇄 동안 첨가가 수행될 수 있다. 그러한 경우, 혼합은 모델과 지지대 픽셀을 인터레이싱함으로써 균질하게, 또는 지지대 매트릭스에서 모델 픽셀 그룹의 아일랜드를 인쇄함으로써 비균질하게 수행될 수 있다. 이 기술은 지지대 재료의 생산을 단순화할뿐만 아니라 인쇄되는 각 모델 재료 유형에 대한 개별 지지대를 제조할 필요도 제거한다. 이 기술의 추가의 이점은 인쇄된 부분으로부터의 거리의 함수로서 비를 제어하는 가능성을 포함하여, 지지대에서 염과 모델 재료 사이의 비를 결정할 때 유연성을 허용한다는 점이다.

염 지지대는 액체 중 염 용액으로 또는 염 입자 분산액으로 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 염은 또한 입자, 예컨대 실리케이트 나노입자, 및 무기 또는 유기 염 입자 또는 그의 용액의 조합일 수 있다.

일 실시예에서, 지지대 잉크는 불용성 염 입자를 포함하며, 여기서 상기 염은 무기 또는 유기일 수 있다. 이들 무기 또는 유기 염의 입자 크기는 10 내지 800 nm, 예컨대 50 내지 600 nm, 또는 심지어 100 내지 500 nm 범위일 수 있다. 불용성 염 입자는 물 또는 잉크 용매 혼합물(모델과 지지대 둘 다)에 불용성이라는 의미이다. 다시 말해, 염 지지대 잉크는 염이 불용성인 제1 용매를 특징으로 한다. 그러한 지지대를 제거하기 위해, 소결 전이든 또는 후이든 모든 스테이지에서, 염이 가용성인 제2 용매가 사용된다. 염 지지대 제거 용매인 제2 용매는, 예를 들어 분무, 인쇄된 부분의 분사와 같은 상이한 형태로 또는 인쇄된 부분을 수용액(aqua solution)의 욕에 침지시킴으로써 적용될 수 있다. 제2 용매를 함유하는 상기 수용액 욕은 인쇄된 부분 위로 수성 매체의 유동을 증가시키거나 수성 매체에 기계적 진동 또는 펄스를 생성시킴으로써 구성된 기계적 요소에 의해 지지대의 제거를 향상시킬 수 있다. 또 다른 양상에 따르면, 인쇄된 부분은 지지대의 제거를 향상시키기 위해 진동 트레이 상에 위치될 수 있다.

캐리어 액체 . 이전에 기술된 입자는 "캐리어" 또는 "용매"로도 불리는 캐리어 액체에 분산될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 후속 층이 아래의 고체 재료 상에 분배되도록 인쇄 후에 캐리어 액체가 즉시 증발할 수 있다. 따라서, 인쇄 동안 개체의 상부층의 온도는 캐리어 액체의 비점과 필적 가능해야 한다. 인쇄 동안 열 전력을 감소시키기 위해, 비점이 너무 높아서는 안되는 것이 바람직하다. 분사 능력을 가능하게 하기 위해, 주로 캐리어 액체의 점도에 의존하는 잉크의 점도는 너무 높아서는 안된다. 또한, 액체의 표면 장력은 분사 헤드 요건과 호환되어야 한다. 일 실시예에서, 적절한 캐리어 액체는 100 내지 250℃의 비점, 24℃에서의 3 내지 30의 점도, 20 내지 70 밀리-뉴턴/m의 표면 장력을 갖는다.

또 다른 실시예에서, 상부층의 온도는 액체 캐리어의 비점보다 훨씬 높아서 캐리어 액체 중의 분산제 또는 다양한 첨가제와 같은 다른 유기 물질의 증발을 촉진한다.

용해된 모델 재료 . 개체를 구성하는데 사용될 마이크로 또는 나노 크기의 입자 형태의 고체 재료의 적어도 일부는 캐리어 액체에 용해될 수 있다. 예를 들어, Ag 입자 외에, 캐리어 액체에 용해된 Ag 유기 화합물의 분획을 포함하는 은(Ag) 입자의 분산액. 인쇄 후 및 소성 동안, Ag 유기 화합물의 유기 부분은 금속 은 원자가 잘 퍼지게 하면서 증발한다. 용해된 은을 포함하는 잉크는 Dyesol Inc.(USA)(2020 Fifth Street #638, Davis CA 95617)로부터의 상업용 DYAG100 전도성 은 인쇄 잉크와 같이 쉽게 구입 가능하다.

분산 제제 . 입자 분산액을 유지하기 위해. 분산제로도 공지되어 있는 분산 제제는 캐리어 액체에 입자를 분산시키는 것에 도움을 줄 수 있다. 분산제는 업계에 공지되어 있으며, 종종 일종의 중합체 분자이다. 일반적으로, 분산 분자는 고체 입자의 표면에 부착되어(즉, 입자를 랩핑) 입자가 서로 응집되는 것을 억제한다. 하나 초과의 고체 입자 종이 분산액에 분산되는 경우, 모든 고체 입자 종에 대해 동일한 분산제 물질을 사용하는 것이 바람직하여 상이한 분산제 물질 사이의 상용성 문제가 회피된다. 분산 제제는 또한 안정한 분산액이 형성되도록 캐리어 액체에 용해될 수 있어야 한다.

분산 제제는 또한 안정성 목적을 위해 액체 캐리어와 상용성이어야 한다. 예를 들어, 수계 잉크에서, 안정화는 분산액의 pH를 변화시키는 것과 같은 표면 성질의 적절한 제어에 의해 달성될 수 있다. 안정제(즉, 분산 제제)는 공유 결합 또는 물리적 흡착에 의해 입자의 표면에 결합 될 수 있음에 주목해야 한다.

분산 제제의 추가 역할은 인쇄 동안 인식된다. 인쇄 동안, 분사 및 건조 후, 분산 제제는 입자를 서로 접착 및 결합시키는 것에 도움을 준다. 이것은 입자가 액체 캐리어에 분산될 경우 분산 제제의 반대 역할을 한다. 추가의 결합이 필요한 경우, 특정한 결합 첨가제가 잉크 분산액에 첨가된다.

본원에 사용될 수 있는 분산 제제의 비제한적인 예는 다음을 포함한다: Disperbyk 180, Disperbyk 190, Disperbyk 163(BykChemie로부터의), Solsperse 39000, Solsperse 33000, Solsperse 35000(Lubrizol로부터의), Rheosperse3020, 3450, 3620(Coatex(Arkema)로부터의), Efka 7701, Efka 7731, Efka7732(BASF로부터의). 이온성 분산 제제는, 예를 들어, SLS(나트륨 라우릴 설페이트), CTAB(세틸테트라암모늄 브로마이드), AOT(디옥틸설포석시네이트) 및 지방산, 예컨대 올레산을 포함한다. 종래의 입자 잉크는 Sun Chemicals Ltd.(485 Berkshire Av, Slough, UK)로부터의 상업용 SunTronic Jet Silver U6503과 같이 쉽게 구입 가능하다.

상기 분산 제제는 모델 입자의 1 내지 10 중량% 범위의 양으로 발견될 수 있다. 분산제의 정확한 양은 상기 제제의 분산력 및 혼합 도구의 품질 및 또한 건조 물질의 부착 성질에 의존한다. 이들은 모두 점도와 같은 생성된 잉크의 성질에 영향을 미칠 수 있다.

분산 제제의 제거 . 분산 제제는 또한 임의의 원하는 처리 후 단계 전 또는 동안에, 구체적으로 사전-소결 또는 소결과 같은 인쇄된 개체에 대한 열 처리 동안 인쇄된 개체로부터 제거될 수 있도록 해야 한다. 프린터의 뜨거운 환경에서 인쇄 동안 분산제의 부분 제거가 일어날 수 있다. 그러한 경우, 부분 소결이 일어나 분산 제제의 결합력을 대체한다. 소결과 관련된 다양한 문제에 대한 보다 상세한 논의는 아래에 제공된다.

표면 개질제 . 표면 개질제는 표면 장력, 내스크래치 성 및 인쇄된 개체와의 인터페이스 특성과 같은 성질에 영향을 미치는 물질이다. 예시적인 표면 개질제는 셀룰로오스 중합체, 예컨대 에틸 셀룰로오스, 카복시메틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필메틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트를 포함한다. 다른 표면 개질제는(Butvar로부터의) 폴리부티랄을 포함할 수 있다. 아래에 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 표면 개질제는 색상 또는 내마모성을 추가하는 것과 같이 완성된 모델에 원하는 특성을 생성한다. 표면 개질제는 또한 모델로부터 지지대의 분리를 용이하게 하거나 또는 지지대와 모델 사이에 배리어를 제공하여 교차 오염을 감소시키는 것과 같이 인쇄된 개체의 처리를 개선할 수 있다.

지지대 잉크에 존재할 경우, 표면 개질제는 점도와 같은 원하는 잉크 성질에 따라, 상기 지지대 잉크의 대략 0.1 내지 대략 5 중량%일 수 있다.

개질제로서 사용되는 첨가제 . 본원에 사용된 바와 같이, "첨가제"는 인쇄 및 소결 공정 동안 표적 입자의 인쇄에 도움을 주거나 녹색 부분을 경화시키거나 불리한 현상을 방지하기 위해 잉크에 첨가되는 물질을 지칭한다. 다양한 실시예에서, 인쇄 또는 소결 단계와 같은 최종 제품의 처리에, 또는 인쇄된 개체의 색상 또는 기계적 성질과 같은 최종 개체의 성질에 도움을 주기 위해 하나 이상의 첨가제 물질이 잉크에 첨가될 수 있다. 일 실시예에서, 첨가제 단독 또는 적절한 용매에 용해된 첨가제를 분배하기 위한 적어도 하나의 별도의 인쇄 헤드가 존재한다. 본원에 사용된 바와 같이, 모델 또는 지지대 이외의 재료를 증착하는데 사용되는 이 헤드는 "애디티브 헤드"로 지칭된다. 이 경우, 첨가제와 상용성이지 않을 수 있는 표적 잉크에 첨가제를 용해시키는 문제는 없다. 또한, 애디티브 헤드의 사용은 개체의 상이한 영역에 상이한 양의 첨가제의 분배를 가능하게 할 수 있다.

모델 표면에 착색시키기 위해 사용되는 첨가제 . 다양한 실시예에서, 원하는 색상을 부여하기 위해 하나 이상의 첨가제 재료가 인쇄된 개체의 표면에 증착될 수 있다. 예를 들어, 첨가제를 추가로 또는 이를 과잉 사용하여 이익을 얻을 수 있는 하나의 영역은 모델의 주변 영역이다. 첨가제는 주변에서만 요구되는 특정 색상일 수 있다.

상이한 크기의 입자를 갖는 제품을 형성하기 위한 시스템

일 실시예에서, 상이한 크기의 입자를 갖는 제품을 형성하기 위한 시스템이 기술되어 있다. 이 시스템은 제1 평균 입자 크기를 갖는 제1 재료로 제품의 적어도 제1 부분을 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제1 그룹의 인쇄 헤드를 보유하도록 구성된 적어도 하나의 인쇄 헤드 영역을 포함하며, 여기서 제1 평균 입자 크기는 소결시에 제1 구조적 특성을 부여하도록 선택된다. 일 실시예에서, 제1 부분은 인쇄된 제품의 코어 또는 필수 부분을 포함한다. 예를 들어, 보철 치아가 인쇄되면, 인쇄된 치아의 코어 또는 필수 부분은 외부층(들)과 반대로 치아의 코어를 포함할 것이다.

이 시스템은 또한 제2 평균 입자 크기를 갖는 제2 재료로 제품의 적어도 제2 부분을 적층 인쇄하도록 구성 가능한 적어도 하나의 제2 그룹의 인쇄 헤드를 포함하며, 여기서 제2 평균 입자 크기는 소결시에 제1 구조적 특성과 상이한 제2 구조적 특성을 부여하도록 선택된다. 일 실시예에서, 제2 부분은 인쇄된 제품의 주변 부분을 포함한다. 예를 들어, 보철 치아가 인쇄되면, 인쇄된 치아의 주변 부분은 코어 구조물과 반대로 치아의 외부층(들)을 포함할 것이다.

일 실시예에서, 제1 재료 및 제2 재료는 상이한 평균 입자 크기 및 상이한 소결 온도를 갖는 것 이외의 동일한 화학적 또는 결정 구조와 같이 실질적으로 동일하다. 또 다른 실시예에서, 제1 재료 및 제2 재료는 서로 상이한 화학적 및/또는 결정 구조를 갖지만 실질적으로 동일한 소결 온도를 갖는 것과 같이 실질적으로 상이하다.

이 시스템은 제품의 원하는 성질을 반영하는 정보를 수신하고, 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 제2 그룹의 인쇄 헤드를 조절하여 제1 재료 및 제2 재료를 층별 기준으로 불균일하게 분포시켜 제품의 원하는 성질을 반영하는 정보에 기초하여 제품의 상이한 부분에 상이한 구조적 특성을 부여하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 프로세서는 제품의 원하는 성질을 달성하기 위해 제1 및 제2 재료의 분포를 결정하도록 구성된다.

본원에 사용된 바와 같이, "인터레이스(interlace)"는 서로 간격을 두고 배치되어(interspersed), 제1 재료 및 제2 재료가 제품의 상이한 부분에서 분리되기보다는 증착시에 단일 구조를 형성하도록 혼합된다. 단일 구조는 제1 재료 및 제2 재료의 중량 또는 부피의 관점에서 상이한 양을 포함할 수 있는 것으로 인식된다. 예를 들어, 인터레이싱을 통한 상이한 재료 사이의 비율은 제품의 원하는 성질에 따라 제품의 상이한 부분에서 변한다. 일 실시예에서, 인쇄 헤드는 제1 및 제2 재료를 무작위로 인터레이스하지 않으며 그러한 재료를 증착하여 특정 효과를 달성한다. 예를 들어, 적어도 하나의 프로세서는 제1 그룹의 인쇄 헤드와 제2 그룹의 인쇄 헤드가 제1 및 제2 재료를 서로 디지털 방식으로 인터레이스하여 원하는 성질을 갖는 인쇄된 제품을 달성하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 본원에 기술된 시스템은 두 가지 재료 중 적어도 하나가 다른 재료로 스며들도록 재료를 증착시킨다. 이 실시예에서, 제1 재료를 제2 재료에 스며들게 하거나 그 반대의 경우, 인쇄된 제품에서 스트링의 웹이 형성되도록 하는 것과 같이, 하나 이상의 스트링이 형성되도록 한다.

원하는 성질은 각 층에서 제1 및 제2 재료의 양 및/또는 분포를 변경함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 프로세서는 제1 층에서 제2 재료보다 많은 제1 재료를 포함하고, 제2 층이 제1 재료보다 더 많은 제2 재료를 포함하도록 제1 및 제2 재료의 분포를 결정하도록 구성될 수 있다. 각 층에서 제1 및 제2 재료의 양 및/또는 분포를 변경하면 개체 코어를 포함하는 제1 부분 및 개체의 주변을 포함하는 적어도 제2 부분을 인쇄할 수 있다.

변경되거나 부여될 수 있는 제품의 전형적인 원하는 성질은 열적, 기계적, 화학적 또는 물리적 성질을 포함한다. 열적 성질의 비제한적인 예는 소결 온도, 열 팽창 계수, 수축 계수, 열 전도도 및 열 확산율을 포함한다. 원하는 기계적 성질의 비제한적인 예는 내마모성, 취성, 연성, 탄성, 강성, 인성 및 항복 강도를 포함한다. 물리적 성질의 비제한적인 예는 밀도, 경도 및 색상을 포함한다. 화학적 성질의 비제한적인 예는 안정성, 내식성 및 내산화성을 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이, 화학적 "안정성"은 물질이 환경에서 또는 정상적인 사용 동안 특별히 반응성이 없다는 것을 의미한다. 예를 들어, 재료가 예상되는 적용 조건 하에 공기, 물, 수분, 열, 용매 등에 불활성이면 재료는 안정한 것으로 간주될 수 있다. 마찬가지로, 예상되는 사용 조건 또는 정상적인 환경 조건에서 부식, 분해, 중합, 연소 또는 폭발할 수 있는 재료는 불안정한 것으로 간주될 수 있다. 상술한 것의 임의의 조합은 제1 및 제2 재료 및 각각의 양을 교호로 인쇄된 제품에 부여할 수 있다.

이전에 기술된 바와 같이, 제품의 원하는 성질은 다양한 화학적 또는 기계적 성질을 포함할 수 있는데, 이때 제품의 수축 계수 또는 심지어 제품의 특정 부분만이 구체적으로 언급된다. 일 실시예에서, 예컨대 소결 온도 및 수축 계수 중 적어도 하나를 조정함으로써 인쇄된 모델 부분과 인쇄된 지지대 사이의 치수 수축을 감소시키거나 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 일 실시 예에서, 인쇄된 모델과 인쇄된 지지대 사이의 치수 수축의 차이는 15% 미만, 예컨대 10% 미만, 또는 5% 미만이다.

일 실시예에서, 지지대 잉크 또는 모델 잉크 중 적어도 하나는 화학적 조성, 입자 크기, 입자 크기 분포 또는 이들의 조합을 갖는 고체 입자를 포함하며, 이는 인쇄된 모델 부분이 지지대 재료보다 낮은 온도에서 소결되도록 한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 인쇄된 모델 부분은 지지대 구조물의 온도보다 적어도 100℃, 예컨대 150℃ 또는 심지어 적어도 200℃ 낮은 온도에서 소결된다.

지지대 잉크 및 모델 잉크에서 고체 입자의 입자 크기, 입자 크기 분포 또는 이들의 조합은 인쇄된 모델이 지지대 재료의 온도보다 낮은 온도에서 소결되도록 변형될 수 있다. 예를 들어,지지대 잉크에서 고체 물질의 입자 크기는 모델 잉크에서 고체 재료의 입자 크기보다 더 크다. 일 실시예에서, 지지대 잉크에서 고체 재료의 입자 크기는 1.0 미크론 이상이고, 모델 잉크에서 고체 재료의 입자 크기는 0.5 미크론 이하이다. 일 실시예에서, 지지대 잉크는 단일-모드 입자 크기 분포를 갖는 고체 입자를 포함하며, 모델 잉크는 다중-모드 입자 크기 분포를 갖는 고체 입자를 포함한다. 마찬가지로, 지지대 잉크는 제2 잉크에 대한 고체 입자의 충진 밀도보다 낮은 충진 밀도를 갖는 고체 입자를 포함할 수 있다.

이전에 기술된 바와 같이, 본 개시내용에 따라 사용될 수 있는 잉크는, 규소, 알루미늄, 티탄, 이트륨, 코발트, 구리, 철, 아연, 마그네슘, 지르코니아, 이들의 조합 또는 합금과 같은 금속 및 메탈로이드의 산화물 또는 탄산염의 하나 이상의 고체 입자를 포함하는 지지대 구조물을 잉크젯 인쇄하기 위한 하나 이상의 지지대 잉크; 및 모델 부분을 잉크젯 인쇄하기 위한 모델 잉크를 포함하며, 여기서 지지대 잉크 또는 모델 잉크 중 적어도 하나는 인쇄된 모델과 인쇄된 지지대 사이의 치수 수축의 차이를 감소 또는 제거하기 위한는 성질을 나타낸다. 일 실시예에서, 지지대 잉크의 산화물 또는 탄산염의 하나 이상의 고체 입자는 SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Y₂O₃, CoO, CuO, ZnO, MgO, ZrO₂, FeCO₃, 및 이들의 조합을 포함한다.

일 실시예에서, 모델 잉크는 철, 구리, 은, 금, 및 티탄으로부터 선택된 금속, SiO₂, TiO₂, BiO₂로부터 선택된 금속 산화물, WC, Al₄C₃, TiC로부터 선택된 금속 탄화물, 스테인레스 강, 및 티탄계 복합체로부터 선택된 금속 합금으로 만들어진 고체 입자를 포함한다.

일 실시예에서, 지지대 잉크 또는 모델 잉크 중 적어도 하나는 분산제, 유동화제, 바인더 또는 이들의 조합으로부터 선택된 첨가제를 추가로 포함하며, 여기서 상기 첨가제는 잉크에 함유된 고체 입자 사이의 공극을 제어하기에 충분한 양으로 발견된다.

일 실시예에서, 기술된 시스템의 인쇄 헤드 영역은 제3 그룹의 인쇄 헤드를 보유하도록 구성된다. 이 제3 그룹의 인쇄 헤드는 제1 및 제2 인쇄물(printed material)을 일시적으로 지지하기 위해 제거 가능한 지지대 재료를 적층 인쇄하도록 구성 가능하다. 상기 언급된 바와 같이, 하나 이상의 첨가제 재료는 인쇄 또는 소결 단계와 같은 최종 제품의 처리에 도움을 주기 위해 잉크에 첨가될 수 있거나, 또는 별도의 헤드로부터 인쇄되어 인쇄된 개체의 색상 또는 기계적 성질과 같은 최종 개체의 성질을 개선시킬 수 있다.

개시된 시스템(들)을 사용하여 상이한 크기의 입자를 갖는 제품을 형성하는 방법

또한 본원에는 기술된 시스템을 사용하여 잉크젯 인쇄에 의해 제품을 제조하는 방법이 개시된다. 예를 들어, 본원에 기술된 잉크젯 인쇄에 의해 개체를 제조하는 방법은 입자를 포함하는 개체 재료를 분사하여 제1 소결 온도를 갖는 제품 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 제품 구조물을 형성하는 것과 동시에 또는 그 이전에, 상기 방법은 입자를 포함하는 지지대 재료를 분사하여 지지대 구조물을 형성하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 상기 지지대 구조물은 제품 구조물을 지지하는 방식으로 분사된다. 일 실시예에서, 지지대 재료는 개체 재료의 소결 온도보다 큰 소결 온도를 갖는다. 분사된 개체와 분사된 지지대는 함께 녹색 부분을 구성한다. 상기 방법은 제1 소결 온도에서 또는 그 이상에서 그리고 제2 소결 온도 미만의 온도로 녹색 부분을 가열함으로써 분사된 지지대를 실질적으로 소결하고 적어도 부분적으로 소결된 개체로부터 실질적으로 소결되지 않은 지지대를 제거하지 않으면서 분사된 개체를 적어도 부분적으로 소결시키는 단계를 추가로 포함한다.

본원에서 사용된 바와 같이, "실질적으로 소결되지 않은"이란, 지지대 입자가 아직 함께 융합되어 치밀한 고체 조각을 형성하지 않는 한, 입자 사이에 약간의 부착이 존재한다면 지지대 입자가 실질적으로 이산되거나 용이하게 분리된 상태를 유지하는 것을 의미한다.

언급된 바와 같이, 본원에 사용될 수 있고 구체적으로 개시된 방법에 사용될 수 있는 하나 이상의 고체 입자는 SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Y₂O₃, CoO, CuO, ZnO, MgO, ZrO₂, FeCO₃, 및 이들의 조합을 포함한다. 유사하게, 개시된 방법에 사용될 수 있는 모델 잉크는 철, 구리, 은, 금, 및 티탄으로부터 선택된 금속, SiO₂, TiO₂, BiO₂로부터 선택된 금속 산화물, WC, Al₄C₃, TiC로부터 선택된 금속 탄화물, 스테인레스 강, 및 티탄계 복합체로부터 선택된 금속 합금으로 만들어진 고체 입자를 포함한다.

상기 방법은, 인쇄된 모델의 소결이 지지대 재료의 소결 온도보다 적어도 100℃ 낮게 발생하는 것과 같이, 지지대 재료의 소결 온도보다 낮은 온도에서 인쇄된 모델을 소결하는 단계를 추가로 포함한다.

일 실시예에서, 소결은 단일 단계, 다중 단계로 또는 레이저 사용을 통해 수행될 수 있다. 소결이 레이저를 사용하여 발생하는 경우, 레이저 소결은 레이저와 조합하여, 예컨대 마이크로파 에너지, 플라즈마 에너지, 또는 고에너지 램프를 포함하는 외부 에너지 공급원에 의해 적어도 하나의 외부 에너지 공급원을 추가로 포함한다.

일 실시예에서, 상기 방법은 특정 온도 및 시간 동안 녹색 개체 열 처리하여 이론 밀도의 70 내지 85% 범위의 밀도를 갖는 부분 소결된 모델을 형성하는 단계를 추가로 포함한다.

표면 성질을 변화시키기 위해 사용되는 첨가제 . 일 실시예에서, 상기 방법은 지지대 또는 모델에 적어도 하나의 첨가제를 첨가하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서, 상기 첨가제는 지지대 잉크 또는 모델 잉크와 함께 증착되거나, 별도의 프린터 헤드를 사용하여 증착된다. 첨가제는 모델의 표면에 별도의 프린터 헤드와 함께 증착되어 최종 모델의 적어도 하나의 성질을 변화시킬 수 있으며, 여기서, 상기 적어도 하나의 성질은 인쇄된 개체의 색상 또는 기계적 성질로부터 선택된다. 예를 들어, 모델의 표면에 증착된 첨가제는 금속 또는 중합체를 포함하는 적어도 하나의 내마모성 층을 형성할 수 있다. 금속의 비제한적인 실시예는 이의 코발트, 티탄, 텅스텐 및 탄화물을 포함하고, 상기 중합체는 테트라에톡시실란(TEOS) 및 3-글리시딜옥시프로필트리메톡시실란(GLYMO)으로부터의 졸-겔 유래된 실리카 및 하이브리드 필름을 포함한다.

일 실시예에서, 첨가제는 완성된 모델과의 복합체를 형성할 중합체를 포함할 수 있으며, 잉크에 첨가하여 인쇄하는 동안 또는 이후에 침윤 방법을 통해 모세관 작용에 의해 인쇄된 모델 재료에 첨가된다. 예를 들어, 중합체는 폴리아닐린 알코올(PAN)을 포함할 수 있으며, 인쇄된 모델은 금속 탄화물을 포함한다.

일 실시예에서, 상기 방법은 지지대 재료와 모델 재료 사이에 인터페이스 층을 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 인터페이스 층은 지지대 재료와 모델 재료의 조합을 포함한다. 예를 들어, 인터페이스 층은 FeCO₃을 포함한다.

일 실시예에서, 상기 방법은 적어도 하나의 기계적, 화학적 또는 열 처리 단계에 의해 모델 재료로부터 지지대 구조물을 제거하는 단계를 추가로 포함한다.

이전에 기술된 바와 같이, 애디티브 헤드 조립체는 도 3에 나타낸 몇개의 헤드 또는 대안적으로 몇개의 잉크 유형을 수용하여 분사하는 헤드를 포함할 수 있다. 이 헤드 조립체에 필요한 잉크는 각각 몇개의 잉크 탱크 및 배관에 저장되는 몇개의 잉크 유형을 포함할 수 있다.

착색된 인쇄된 부분을 제조하기 위한 시스템 및 방법

일 실시예에서, 잉크는 선택적으로 벌크 재료를 위한 잉크를 포함해야 하며, 이는 구조적 잉크, 백색 잉크 및 착색된 잉크이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 캐리어 액체에 고체 입자의 분산액을 포함해야 하는데, 가능한 예외는 용매에 용해된 착색제를 포함하는 착색된 잉크이다. 예로서 그리고 도 4a에 나타낸 바와 같이, 일 실시예에서, 벌크의 잉크는 캐리어 액체에 지르코니아 분산액을 포함할 수 있다. 착색된 잉크는 황색, 적색 및 청색 무기 안료와 혼합된 지르코니아를 포함할 수 있다. 도 4a를 참조하면, 잉크 분산액은, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 착색제 입자(안료), 또는 구조적 입자(지르코니아)와 혼합된 안료, 또는 지르코니아 입자에 매립된 안료를 포함할 수 있다.

또 다른 예에서, 벌크 재료는 강철을 포함할 수 있으며, 백색 잉크는 지르코니아를 포함하며, 착색된 잉크는 컬러 인쇄에 사용되는 4개의 CMYK 잉크: 시안, 마젠타, 옐로우 및 키(검정)를 포함한다. 이 실시예에서, CMYK 입자 안료는 유리 입자와 혼합될 수 있으며, 여기서 상기 유리 입자는 소결될 경우 광택이 있는 투명한 코팅을 형성한다. 도 5를 참조하면, 착색된 잉크 분산액에서 구조적 입자의 롤은 착색된 영역 대 벌크 영역의 동일한 층 두께를 달성하기 위해 요구되는 바와 같이 잉크에서 적절한 고체 부피 비율을 생성하기 위해 사용된다. 이 실시예에서, 구조적 입자는 충전제로 간주될 수 있다.

일 실시예에서, 모델 표면에 색상을 추가하는 방법은 다음을 포함한다:

ㆍ 개체의 형상과 표면 색상을 포함하여 필요한 개체의 3D 디지털 재현을 발생시키거나 수신함. 색상은 표면의 점마다 다를 수 있으며, Munsell　색상 시스템(색조, 채도, 명도), CIE XYZ(삼자극 값) 또는 CIELAB(a*, b*, L*) 또는 번호가 매겨진 코드 시스템, 또는 다른 색상 시스템으로 표현될 수 있다;

ㆍ 프린터에서 이용 가능한 잉크 색조의 세트(CMYK 감산 시스템 색조, 또는 스폿 색상 또는 다른 것들)로 색상을 분리함;

ㆍ 개체 표면의 임의의 색상 스폿을 구성하는 착색된 픽셀의 수 및 상대적 비율을 계산함;

ㆍ 도 5에 나타낸 바와 같이, 각각의 색조를 개체의 표면에 가까운 픽셀에 디지털 방식으로 할당함;

ㆍ 인쇄 동안 기재에서 개체의 방향을 결정하고 필요한 지지대 구조물을 디지털 방식으로 추가함;

ㆍ 디지털 개체를 슬라이싱함;

ㆍ 각각의 픽셀에 할당된 잉크 유형에 따라 각각의 헤드가 분사되는 동안 개체를 층별로(슬라이스) 인쇄함. 주변에서 착색된 영역에서 층의 두께는 대부분의 층의 두께와 유사해야 하며, 일부 경우에, 이와 동일해야 함에 주목해야 한다. 인쇄된 개체는 "녹색 개체"로 불린다; 그리고

ㆍ 개체 재료의 완전한 소결까지 오븐에서 녹색 개체를 소성시킴;

대안적인 실시예에서, 개체를 포함하는 벌크 재료가 백색이 아닌 경우, 상기 방법은 착색된 픽셀 아래에서 개체의 주변에 백색 층을 추가하는 단계를 포함한다. 채도가 높은 색상(saturated color)이 필요하거나, 개체의 표면 상의 색상이 스폿마다 다를 경우, 컬러 층 뒤의 층은 적어도 백색이어야 한다(도 5). 또한, 착색된 잉크(존재하는 경우)의 구조적 입자가 투명한 것이 필수일 수 있다.

일 실시예에서, 색조는 소결 동안 개체의 소성 온도와 상용성인 무기 착색제(안료)를 포함한다. 또한, 착색된 잉크는 착색제 또는 건축 자재와 혼합된 착색제를 포함할 수 있다. 건축 자재는 지르코니아와 같은 벌크의 것과 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 벌크가 강철을 포함한다면, 착색된 잉크는 유리를 포함한다.

착색된 외부층이 벌크와 상이한 재료를 포함하는 경우, 예컨대 벌크가 금속이고 착색된 층이 세라믹인 경우, 잉크를 포함하는 입자의 크기는 두 재료의 소결 온도가 요구된 허용오차 내에서 동일하도록 조정될 수 있다. 착색된 잉크가 유리 입자를 포함할 때, 유리가 다양한 산화물 분자의 균질한 혼합물을 포함하는 경우, 유리의 실제 조성은 벌크의 것과 동일한 소결 온도로 제형화 될 수 있다. 예를 들어, 유리는 소량의 산화 납을 실리카 재료에 첨가함으로써 실리카의 소결 온도를 1600℃ 내지 1300℃로 감소시킴으로써 제형화 될 수 있다.

일 실시예에서, 인쇄 색조 잉크 및 구조적 잉크는 전체 층에 걸쳐 균일한 층 두께를 보장하기 위해 동일한 컬러 픽셀에 있다. 착색된 잉크 이외에 또는 그 대신에, 제조된 개체에 광택을 추가하기 위해 소결 후에 투명한 광택이 있는 잉크가 증착될 수 있다.

착색된 보철 부분을 제조하기 위한 시스템 및 방법

기술된 공정은, 예를 들어, 인공 치아를 제조하기 위해 치과 산업에 유리할 수 있다. 일 실시예에서, 인공 치아 또는 크라운의 일반적인 색상은 회백색 또는 갈색을 띤 백색과 같이 흐릿하다. 그러한 색상을 맞추기 위해, 인공 치아 또는 크라운은 지르코니아계 잉크를 사용하는 것과 같은 개시된 방법을 사용하여 인쇄될 수 있는 반면, 착색된 잉크는 지르코니아와 혼합되거나 매립된 안료를 포함한다. 일 실시예에서, 개시된 공정을 사용하여 제조되며 본원에 기술된 바와 같이 착색되며 도 3 내지 도 5에서와 같이 그래픽으로 나타내는 인공 치아 또는 크라운이 기술되어 있다.

보철 치아를 제조하기 위한 시스템 . 상기의 관점에서, 보철 치아 부분과 같은 신체 임플란트 또는 보철을 부가적으로 제조하기 위한 시스템이 또한 기술되어 있다. 가장 간단한 실시예에서, 상기 시스템은 적어도 하나의 인쇄 헤드 영역 및 적어도 프로세서를 포함한다. 인쇄 헤드 영역은 금속 입자를 갖는 제1 잉크로부터 3차원 금속 코어를 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제1 그룹의 인쇄 헤드; 및 세라믹 입자를 갖는 제2 잉크로부터 상기 금속 코어를 둘러싸는 세라믹 외부 코팅을 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제2 그룹의 인쇄 헤드를 유지하도록 구성된다. 또한, 적어도 하나의 프로세서는 금속 및 세라믹으로 구성되는 맞춤형 보철 치아 부분을 인쇄하기 위한 명령을 수신하도록 구성된다. 상기 프로세서는 제1 그룹의 인쇄 헤드는 인쇄 영역에서 3차원 금속 코어를 적층 인쇄하고 동시에 제2 그룹의 인쇄 헤드는 인쇄 영역에서 세라믹 외부 코팅을 적층 인쇄하도록 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 제2 그룹의 인쇄 헤드를 제어하도록 추가로 구성된다.

일 실시예에서, 수신된 명령은 전체 실제 치아를 나타내는 3차원 데이터를 포함하며, 적어도 하나의 프로세서는 실제 치아를 정확하게 재생하도록 구성된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상기 프로세서는 보철 치아 부분의 세라믹 외부 코팅이 전체 실제 치아와 동일한 치수를 갖도록 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 제2 그룹의 인쇄 헤드의 분포를 제어하도록 구성된다.

또한, 적어도 하나의 프로세서는 금속 코어의 높이가 세라믹 외부 코팅의 높이보다 높도록 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 제2 그룹의 인쇄 헤드를 제어하도록 추가로 구성될 수 있다.

또한, 적어도 하나의 프로세서는 금속 코어가 세라믹 외부 코팅으로부터 돌출된 나사형 금속 부분을 갖도록 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 제2 그룹의 인쇄 헤드를 제어하도록 추가로 구성될 수 있다.

기술된 프로세서는 본원에 기술된 다양한 재료를 유연하게 인쇄할 수 있도록 한다. 예를 들어, 상기 프로세서는 금속 또는 세라믹을 동일한 또는 별도로 별개 층으로 인쇄하도록 인쇄 헤드를 구성할 수 있다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 프로세서는 3차원 금속의 후속 층이 증착되기 전에 3차원 금속 코어의 층에 대응하는 세라믹 외부 코팅의 층을 인쇄하도록 추가로 구성된다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 프로세서는 제1 그룹의 인쇄 헤드와 제 2 그룹의 인쇄 헤드가 금속과 세라믹을 서로 디지털 방식으로 인터레이스하도록 추가로 구성된다.

보철 치아의 나사형 부분을 인쇄하기 위해 사용될 수 있는 추가의 인쇄 헤드가 또한 기술되어 있다. 이 실시예에서, 적어도 하나의 인쇄 헤드 영역은 나사형 금속 부분을 제조하기 위해 제거 가능한 지지대 재료를 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제3 그룹의 인쇄 헤드를 보유하도록 구성된다.

금속이 고형화된 후 세라믹 층을 인쇄하는 방법이 또한 기술되어 있다. 이 실시예에서, 기술된 시스템은 최근에 증착된 잉크를 고형화시키기 위해 인쇄 영역에 열을 제공하도록 구성된 열 공급원을 추가로 포함할 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 프로세서는 3차원 금속 코어의 층이 적어도 부분적으로 고형화된 후에 3차원 금속 코어의 층에 대응하는 세라믹 외부 코팅의 층을 인쇄하도록 추가로 구성된다.

열에 의해 유도된 응력 문제를 피하기 위해, 금속 코어 및 세라믹 외부 코팅 층은 동일하거나 실질적으로 동일한 소결 온도를 공유한다. 이전에 기술된 바와 같이, 이는 예컨대 금속 및 세라믹 재료에 대해 상이한 입자 크기를 사용함으로써 최종 제품의 다양한 부분을 인쇄하는데 사용되는 잉크의 입자 크기를 조작함으로써 달성될 수 있다. 일 실시예에서, 세라믹 입자의 평균 입자 크기는 금속 코어 및 세라믹 외부 코팅이 소결 온도 또는 수축 계수를 실질적으로 공유할 수 있도록 금속 입자의 평균 입자 크기보다 클 수 있다.

이 실시예에 사용된 프로세서는 보철 치아 부분의 착색에 관한 3차원 색상 정보를 포함하는 명령을 수신한다. 또한, 상기 프로세서는 실제 치아의 색상 분포를 시뮬레이션하기 위해 픽셀 단위로 다양한 색상이 증착되도록 복수의 인쇄 헤드가 세라믹 외부 코팅을 인쇄하도록 구성된다. 일 실시예에서, 복수의 인쇄 헤드는 상이한 색상으로 세라믹을 인쇄하도록 구성되며, 여기서 적어도 하나의 프로세서는 3차원 색상 정보에 따라 상이한 색상으로 세라믹의 증착을 제어하도록 추가로 구성된다. 예를 들어, 복수의 인쇄 헤드는 비구조적 안료를 인쇄하도록 구성되며, 여기서 적어도 하나의 프로세서는 이전에 기술된 CMYK 잉크와 같이, 3차원 색상 정보에 따라 세라믹 외부 코팅 상의 비구조적 안료의 분포를 제어하도록 추가로 구성된다.

일 실시예에서, 본원에 기술된 복수의 인쇄 헤드는 기계적 또는 미적 개선을 제공하는 재료를 증착하도록 추가로 구성될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 복수의 인쇄 헤드는, 예컨대 보철 치아의 표면에 유리를 증착함으로써 소결 후에 광택이 있는 투명한 코팅을 제공하기 위해 증착하도록 추가로 구성된다.

보철 치아 부분을 제조하기 위한 시스템을 추가로 참조하면, 실제 치아를 나타내는 3차원 데이터를 수신하기 위한 인터페이스가 기술되어 있다. 일 실시예에서, 3차원 데이터는 치아의 실제 착색(coloring)을 나타내는 3차원 색상 정보를 포함한다. 기술된 시스템은 캐리어 액체에서 제1 색상의 제1 재료를 분사하도록 구성된 적어도 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 캐리어 액체에서 제2 색상의 제2 재료를 분사하도록 구성된 적어도 제2 그룹의 인쇄 헤드를 지지하도록 구성된 적어도 하나의 인쇄 헤드 영역을 포함한다. 일 실시예에서, 상기 시스템은 캐리어 액체에서 제3 색상의 제3 재료를 분사하도록 구성된 적어도 제3 그룹의 인쇄 헤드를 추가로 포함한다. 제1 재료, 제2 재료 및 제3 재료 중 적어도 하나는 적층 분사된 층이 보철 치아 부분을 형성할 수 있도록 구조적이다.

본원에 기술된 시스템은 3차원 색상 정보를 포함하는 3차원 데이터에 액세스하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 추가로 포함한다. 3차원 색상 정보를 사용하여 치아 부분의 색상 분포를 디지털 렌디션(digital rendition)을 생성하는데, 상기 디지털 렌디션은 분사된 보철 치아 부분에서 실제 치아의 색상 분포를 디지털 방식으로 시뮬레이션하기 위해 적어도 제1 그룹의 인쇄 헤드, 적어도 제2 그룹의 인쇄 헤드 및 적어도 제3 그룹의 인쇄 헤드를 제어하기 위한 명령을 구성한다.

적어도 하나의 프로세서는 보철 치아 부분을 분사하기 위해 제1, 제2 및 제3 그룹의 인쇄 헤드를 제어하도록 추가로 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 프로세서는 적어도 제1 그룹의 인쇄 헤드, 적어도 제2 그룹의 인쇄 헤드 및 적어도 제3 그룹의 인쇄 헤드로부터의 색상의 혼합물을 허용하여 실제 치아의 색상 분포를 시뮬레이션한다. 일 실시예에서, 인쇄된 보철 치아 부분은 세라믹 외부 코팅과 디지털 방식으로 인터레이스된 금속 코어를 갖는다. 제1, 제2 및 제3 재료 중 임의의 것 또는 모두는 본원에 기술된 세라믹 재료와 같은 세라믹을 포함하는 것으로 인식된다. 다른 실시예에서, 제2 및 제3 재료는 실질적으로, 또한 이전에 본원에서 기술된 바와 같이 비구조적 안료를 포함할 수 있다.

기술된 시스템을 사용하여 보철 치아를 제조하는 방법 . 보철 치아 부분을 부가적으로 제조하기 위한 방법이 또한 기술되어 있다. 일 실시예에서, 상기 방법은 3차원 금속 코어인 금속 입자를 갖는 제1 잉크로부터 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제1 그룹의 인쇄 헤드를 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 세라믹 입자를 갖는 제2 잉크로부터 금속 코어를 둘러싸는 세라믹 외부 코팅을 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제2 그룹의 인쇄 헤드를 제공하는 단계를 추가로 포함한다.

또 다른 실시예에서, 상기 방법은, 금속 및 세라믹으로 구성되는 맞춤형 보철 치아 부분을 인쇄하기 위한 명령을 수신하고, 제1 그룹의 인쇄 헤드는 인쇄 영역에서 3차원 금속 코어를 적층 인쇄하고 동시에 제2 그룹의 인쇄 헤드는 인쇄 영역에서 세라믹 외부 코팅을 적층 인쇄하도록 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 제2 그룹의 인쇄 헤드를 제어하는 단계를 포함한다.

최종 제품 성질을 향상시키기 위한 첨가제를 인쇄하기 위한 제3 인쇄 헤드.

언급된 바와 같이, 최종 제품의 처리에 도움을 주기 위해, 예컨대 최종 물체의 성질을 향상시키기 위해 하나 이상의 첨가제 재료가 잉크에 첨가될 수 있다. 개선될 수 있는 성질의 비제한적인 예는 인쇄된 개체의 색상 또는 기계적 성질을 포함한다.

모델 표면에 내마모성 층 추가 . 내마모성 층은 보철 치아 또는 정형 외과 이식 가능한 및 다양한 산업 부품의 맥락에서 설명될 수 있지만, 그 사용은 단지 예시이며 제한적이거나 배타적인 것은 아니다. 보철 치아 이외에 광범위한 인쇄물은 내마모성 층으로부터 이익을 얻을 수 있다. 일 실시예에서, 애디티브 헤드는 생성된 개체의 내마모성을 증가시키는 첨가제 재료를 증착하는데 사용될 수 있다. 본 발명자들은 첨가제를 인쇄된 모델 재료에 통합함으로써 내마모성 층이 달성될 수 있음을 발견하였다. 비제한적인 예는 WC를 스테인레스 강에, WS₂ 또는 C60을 스테인레스에 추가하거나, WC/Co 매트릭스를 사용하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, WC 또는 WS₂는 매트릭스에 제3 상으로서 첨가되어 생성 된 제품의 마찰 및 내마모성을 감소시킬 수 있다. 또한, WS₂는 인쇄물에 첨가되어 윤활, 접착, 파괴 인성 및 변형 에너지 방출 속도를 향상시킬 수 있다. 일 실시예에서, 애디티브 헤드는 탄화텅스텐을 포함하는 분산액에 첨가되는 코발트 입자의 분산액을 포함하는 재료를 인쇄할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 내마모성 층은 에폭시/졸-겔의 복합체를 포함할 수 있다. 이들 재료를 증착시키기 위해, 졸-겔 원료와 결합된 졸-겔 또는 에폭시가 인쇄된 개체의 표면에 인쇄된다. 이들 재료들은 용매를 손실하면 100 내지 200℃에서 경화된다. 일 실시예에서, 이들 재료들은 특정 조건 하에서 추가 가열에 노출될 때 세라믹 처럼 될 것이다. 이론에 결부되지 않지만, 그러한 조건은 전형적으로 졸-겔의 중량 손실을 초래하여 열 영역이 거의 없을 가능성이 있다. 예를 들어, 약 250℃까지, 제1 증발은 졸-겔 매트릭스에서 물 분자와 화학적으로 덜 강하게 결합된 용매에서 발생한다. 가교 유기 그룹/쇄의 추가 분해/열분해는 약 300℃에서 발생하며 650℃까지 계속된다. 500℃ 이상에서, 축합 반응을 통한 3D Si-O-Si 망상구조의 형성이 시작되어 실리카 코팅이 발생한다.

본원에 기술된 GLYMO-TEOS 조합은 단독으로 또는 가교결합제(PVP)와 같이 이를 더 경화시키기 위해 첨가제와 함께 사용될 수 있다. 본 발명자들은, 중합체가 잉크젯 기술에 의해 비교적 용이하게 분사되고, 원하는 최종 제품에 도움이 되는 환경이기 때문에, 개시된 방법에서 이들 재료가 바람직하다는 것을 발견하였다. 일 실시예에서, 상기 공정은 인쇄된 개체의 뜨거운 표면에 이들 중합체를 분사하는 단계를 포함하며, 이는 경화(curing) 및 경화(hadrening)를 용이하게 한다. 그 결과 조밀하고 투명하며 내스크래치성의 코팅이 형성된다.

이들 중합체-유형 재료를 제조하는 절차는 문헌[Wu et al., A Study Towards Improving Mechanical Properties of Sol-Gel Coatings for Polycarbonate, Thin Solid Films, Volume 516, Issue 6, 2008, Pages 1056-1062]에 기재되어 있으며, 이는 본원에 참조로 포함된다.

모델과 지지대 사이의 배리어 추가 . 또 다른 실시예에서, 애디티브 헤드는 교차 오염을 방지하고/하거나 지지대 제거를 개선하기 위해 완충제/배리어를 생성하는 첨가제를 증착하는데 사용될 수 있다. 이 실시예는 첨가제로서 FeCO₃의 사용과 관련하여 이전에 기술되었다. 예를 들어, 일 실시예에서, FeCO₃은 철 기반 금속 합금의 3D 인쇄를 위한 지지대 재료로서 사용될 수 있다. 이전에 논의된 바와 같이, FeCO₃은 500 내지 700℃의 온도에서 산화철과 CO₂로 열분해되는 취성 물질이다. 철을 함유하는 모델 잉크를 위한 지지대 구조물을 제공하기 위해 FeCO₃ 분말을 용액에 분산시켜 잉크젯 인쇄 헤드로부터 기재 상에 증착될 수 있는 분사 가능한 잉크를 형성 할 수 있다. 분사 및 건조 외에도, 3D 인쇄 공정은 상이한 노즐의 구축 속도 변화로 인한 높이 변화를 감소시키기 위한 레벨링 단계를 포함한다. 레벨링 단계는 종종 롤러에 의해 수행되며, 이는 모델과 지지대 사이의 교차 오염을 일으킬 수 있다. 따라서, 지지대 재료는 인쇄 후 열 처리 동안 제거 가능해야 하거나 지지대 오염물을 재료 매트릭스에 통합할 수 있어야 한다.

일 실시예에서, FeCO₃은 스테인레스 강과 같은 철 및 철 합금의 지지대 재료로 사용될 수 있다. 인쇄 후, 모델과 함께 지지대를 열 탈지를 위해 그리고 FeCO₃ 분해를 위해 노(furnace)에 넣는다. 탈지는 주로 500℃ 미만의 온도에서 발생해서 FeCO₃ 분해는 CO₂가 인쇄된 부분을 떠날 수 있는 일부 개방 기공 구조가 이미 존재하는 스테이지에서 발생한다. 남아 있는 산화철은 부피가 작고 취성인 상태로 남아 있다. 열 분해 후, 지지대 및 모델 부분은 실온으로 냉각되어야 하고, 남아 있는 산화철은 브러시 또는 기류에 의해 기계적으로 용이하게 제거될 수 있다. 지지대 제거 후, 모델은 소결 노로 보내진다.

언급된 바와 같이, FeCO₃ 지지대의 한가지 장점은 모델의 오염이 분해 단계 동안 산화철로 전환된다는 점이다. 수소 분위기 또는 성형 가스(5% H2, 95% N₂)에서 소결하는 동안, 산화철은 금속성 철로 환원된다. 따라서, 오염물은 모델 재료의 일부로 전환된다. 낮은 농도의 오염물로 인해 소량의 철(≤2 중량%)의 첨가는 모델 재료, 예를 들어 스테인레스 강 316, 316L, 17-4 또는 314의 화학량론을 크게 변화시키지 않는다.

일 실시예에서, 기재된 배리어/완충제 층의 두께는 0.1 내지 0.3 μm 범위일 수 있다. 그러한 방식으로, 개체의 표면 상의 지지대 재료와 모델 재료의 혼합이 방지될 수 있다.

모델 영역에 첨가제를 공급함으로써 복합체 형성 . 일부 실시예에서, 첨가제는 원하는 효과에 따라 모델 영역에 균질하거나 비균질하게 공급될 수 있다. 예를 들어, 인쇄 스테이지 후 그리고 예를 들어 녹색 또는 갈색 부분으로의 완전한 소결 전에, 모세관 작용에 의해 인쇄된 개체의 개방 다공도에 또 다른 재료를 첨가하여 복합 재료를 제조하는 것이 바람직할 수 있다.

일 실시예에서, 폴리아닐린 알코올(PAN) 중합체는(잉크에 첨가함으로써) 인쇄 동안 또는 이후에 침투 방법을 통해 모세관 작용에 의해 인쇄된 모델 재료에 첨가될 수 있다. 이러한 특정 방법은 고압 충전을 사용하며, 중합체 충전이 없는 개체보다 강도가 높은 복합 재료를 생성할 것이다. PAN은 소결 공정에 참여할 것이며 탄화되어 금속과 탄소의 복합 재료를 생성할 것이다. PAN이 WC 인쇄된 샘플에 첨가될 경우 이 공정을 사용하여 제조된 복합체 유형의 비제한적인 예가 제시되어 있다. 여기서, 생성 된 복합체는 더 낮은 밀도 및 증가된 탄성을 가질 것인데, 이는 PAN은 WC에 탄소를 손실하지 않으면서 탄화시킬 것이기 때문이다.

일반적으로, 탄소 섬유는 탄소 원자에 의해 함께 결합된 긴 분자 스트링을 특징으로 하는 유기 중합체인 PAN으로부터 제조된다. 섬유는 다음을 포함하는 여러 공정 단계에 의해 제조된다: 방사, 안정화, 탄화 및 최종 처리. 섬유가 탄화되기 전에, 이들은 선형 원자 결합을 보다 열적으로 안정한 사다리 결합으로 전환하기 위해 화학적으로 변경될 필요가 있다. 이것은 공기 중에서 섬유를 약 200℃로 30 내지 120분 동안 가열함으로써 달성된다. 이것은 섬유가 공기로부터 산소 분자를 픽업하여 원자 결합 패턴을 재배열하도록 한다. 기술된 공정에서, 인쇄는 200℃에서 수행되므로, PAN이 사용된다면, 추가 처리 단계가 필요하지 않다.

소결 - 모델과 지지대 사이의 파라미터 조정

본 개시내용과 일관되게, 인쇄 공정이 완료된 후에, 개체를 소결을 위해 오븐에 넣을 수 있다. 일부 실시예에서, 개체는 완료될 때까지 소정의 온도로 오븐에서 소성될 수 있다. 소결 공정은 다음의 소성 단계를 포함할 수 있다:

ㆍ 모든 유기 물질을 연소시키기 위한 초기 가온화 단계(warming);

ㆍ 존재하는 경우, 코발트와 같은 무기 첨가제를 액화시키기 위한 추가 가온화 단계; 및

ㆍ 입자를 소결시키기 위한 최종 가열 단계.

기술된 가열 단계 중 일부는 진공을 가하고, 압력을 가하고, 산화를 방지하기 위해 불활성 기체를 첨가하고, 재료로 확산되어 반응할 수 있는 다른 가스, 예를 들어 바디로부터 산소를 제거하는 것에 도움을 주는 수소를 첨가하는 것을 포함할 수 있다.

입자의 소결 온도는 무엇보다 입자 크기의 함수이다. 나노 입자와 마이크로 입자의 혼합은 부분 소결을 향상시킬 수 있는데, 이는 나노 입자가 더 낮은 온도에서 용융되는 경향이 있기 때문이다. 이것은 지지대 재료보다 낮은 온도에서 소결될 모델 잉크를 설계하려는 경우에 특히 관련이 있을 수 있다. 분산 제제를 제거함으로써, 분산 제제 입자에 의한 간섭 또는 오염 없이 모델 입자 간의 소결이 진행될 수 있다. 또한, 분산 제제를 제거하면, 생성된 고형화된 3D 구조물을 약화시킬, 인쇄된 개체 내에 분산 제제 입자의 "섬(island)"의 형성이 방지된다. 중합체 분산제 및 다른 비휘발성 화합물은 전형적으로 인쇄 후 공정 동안 연소되거나 소성된다.

일 실시예에서, 본 개시내용은 지지대 전에 모델 소결을 보장하기 위해 입자 크기 및 소결 온도가 선택되는 메커니즘을 제공하며, 이는 소결 후 지지대 제거를 용이하게 한다. 소결된 모델로부터 소결되지 않은 지지대의 용이한 제거를 허용하도록 모델과 지지대 재료 사이의 소결 온도를 제어하는 이러한 메커니즘은 실리카 지지대로 예시된다. 실리카 지지대는 균일한 큰 입자 크기로 구성된다.

소결 동안, 소결된 입자는 실질적으로 부착되어 입자들 사이에 위치된 공극을 채우고 밀도를 증가시킨다. 거시적 결과는 예를 들어, 15 내지 60 부피%로 실질적으로 수축된다. 따라서, 특정 온도에서 하나의 재료만이 수축한다면, 다른 재료와 분리되어 두 재료가 분리되어 재료 중 적어도 하나가 손상될 가능성이 있다. 이 문제를 피하기 위해, 일 실시예에서, 상이한 재료의 소결 온도 및 수축 계수는 실질적으로 동일해야 한다.

소결 온도 및 지지대 재료 . 지지대 재료의 롤은 (a) 모델의 "네가티브" 벽을 지지하기 위해, 그리고 (b) 모델 주위에 보호용 엔벨로프를 추가하기 위해 2중으로 되어 있다. 일 실시예에서, 지지대 재료는 모델을 소결하기 전에 모델로부터 제거되지 않는다. 이 실시예에서, 상기 언급된 복합 재료의 요건과 달리, 지지대 재료는 모델 재료와 실질적으로 상이한(보다 높은) 소결 온도를 필요로 한다. 따라서, 모델 재료의 부분 또는 완전 소결은 지지대 재료의 소결이 거의 또는 실질적으로 없이 일어나므로, 모델을 손상하지 않고 강성 소결된 모델 재료로부터 연성 또는 취성 또는 가용성 지지대 재료를 제거할 수 있다. 또한, 이 실시예는 모델에 비해 충분히 높은 융점을 갖는 지지대 재료를 선택함으로써, 또는 제어된 입자 크기 및/또는 입자 크기 분포에 의해 개별 잉크 조성물의 소결 온도를 조정함으로써, 또는 상이한 재료의 형상 불규칙성 정도를 제어함으로써 달성될 수 있다.

마지막 실시예를 통한 지지대의 예는 직경이 약 1 미크론인 구형 실리카 입자를 포함하며, 스테인레스 강 잉크에 대한 지지대로서 작용하는 잉크이다. 표 1의 재료 간의 비교를 참조한다.

재료	융점 (℃)	입자 크기 분포(nm)	입자 형상	다음과 같이 제공됨
스테인레스 강	1350	10-500	불규칙하고, 날카로운 가장자리	모델
실리카	1600	900-1000	구형	지지대

임의의 양상으로부터, 모델은 지지대의 소결 온도(대략 1560℃)보다 훨씬 낮은 온도(대략 1250℃)에서 소결될 것을 알 수 있다. 상기 표에 나타낸 바와 같이, 입자의 소결 온도는 입자의 크기 및 화학적 함량에 의존한다. 입자 크기가 1 미크론보다 훨씬 작은 경우, 예컨대 0.1 미크론보다 작은 경우, 소결 온도는 입자 크기가 감소함에 따라 실질적으로 감소한다. 따라서, 2개의 상이한 융점의 2개의 재료 A 및 B가 동일한 온도에서 소결되어야 하는 경우, 2개의 동일한 소결 온도를 얻도록 적어도 하나의 재료(예를 들어, 재료 B)의 입자 크기를 조정할 수 있다. 도 6a는 입자 크기에 대한 재료의 소결 온도를 나타내는 이러한 아이디어를 그래프로 도시한다. 도 6b는 소결 온도에 대한 재료의 상대 밀도를 그래프로 도시한다. 일 실시예에서, 모델 재료는 지지대 재료의 소결 온도보다 적어도 100℃ 낮은, 예컨대 지지대 재료의 소결 온도보다 적어도 150℃ 낮은, 적어도 200℃ 낮은, 적어도 250℃ 낮은, 또는 적어도 300℃ 낮은 온도에서 소결된다.

따라서, 동일한 소결 온도를 얻기 위한 일 실시예는 다른 재료와 실질적으로 유사한 소결 온도를 얻기 위해 적어도 하나의 재료의 입자 크기 및/또는 입자 크기 분포를 제어하는 것이다. 또 다른 실시예는 입자 형상을 제어하는 것이다. 형상이 보다 규칙적일수록(예를 들어 구형 형상), 소결 온도가 커진다.

단일 스테이지의 소결 . 앞서 논의한 바와 같이, 하나의 대안적인 실시예에서, 본 발명자들은 소결 온도에서의 큰 차이에 기반하여 인쇄된 물품을 제조하는 방법을 발견했다. 이것은 모델 재료를 소결하기에 충분히 높은 단일 가열 단계를 허용하지만, 지지대 재료를 소결하지는 않는다. 이 방법으로 손상 없이 기본(및/또는 랩핑) 지지대 구조물로부터 이를 제거할 수 있는 충분한 무결성을 갖는 모델이 생성된다. 이 실시예는 모델과 지지대 잉크 사이의 소결 온도의 차이를 이용한다.

두 스테이지의 소결 . 분말 재료와 관련된 다수의 소결 스테이지의 상대 밀도를 나타내는 그래프인 도 6b를 다시 참조한다. 이 실시예에서, 지지대 재료는 모델 재료가 사전-소결 스테이지에 도달한 후, 분말 입자가 서로 접촉하고 넥킹이 시작되는 지점에서, 그러나 실질적인 수축이 시작되기 전에 제거될 것이다. 상기 공정은 소결 전에 부분에서 유기 성분을 제거해야 할 때 MIM 산업에서 사용되는 2-스테이지 탈지 및 소결 공정과 유사하다. 예시적인 2 스테이지 소결 공정은 다음을 포함한다:

ㆍ 인쇄 기판으로부터 인쇄된 개체를 제거하는 단계;

ㆍ 지지대 구조물의 일부가 위치한 개체를 제1 오븐에 넣고, 입자들 사이에서 넥킹을 시작하는 온도로 가열하는 단계. 사전-소결로 불릴 수 있는 이 스테이지는 또한 개체를 탈지할 것이다;

ㆍ 개체를 냉각시키고, 냉각된 부분을 세정 포트로 이동시켜 개체로부터 지지대 구조물을 제거하는 단계; 및

ㆍ 제2 소결 스테이지를 위해 개체를 고온 오븐에 넣는 단계. 이 스테이지에서, 개체는 완전한 소결을 달성하기 위해 가열된다.

소결의 초기 스테이지에서, 분말 입자는 서로 연결되며, 이들 사이에 넥킹이 형성된다. 이 스테이지에서, 재료는 느슨한 분말 단계에서보다 훨씬 단단하고 훨씬 덜 취성이지만 수축이 거의 발생하지 않는다. 또한, 저온 때문에, 지지대 재료는 그것이 소결되기 시작하는 지점에 도달하지 못하므로, 기계적 또는 물리적 또는 화학적 수단으로 제거하는 과정은 비교적 쉽다. 사전-소결 스테이지에서 지지대 재료를 제거하면, 지지대 재료를 완전히 제거하기 위해 상기 부분의 가공 및 취급의 사용을 허용한다. 또한, 소결 스테이지 전에 지지대를 제거하여 균열을 방지할 수 있다. 소결 공정 전에 지지대를 제거하지 않으면 지지대 재료가 소결되기 시작하여 제거가 훨씬 더 어려워 질 수 있다.

실온으로부터 제1 스테이지 오븐 온도로의 온도 범위로 소결하는 2 스테이지 소결의 경우 모델과 지지대 재료 사이에 수축의 차이가 없거나 거의 없다는 요구는 제한적이라고 언급할 가치가 있다. 일 실시예에서, 2-단계 공정을 사용하는 것이 보다 경제적 일 수 있는데, 이는 비교적 저렴한 저온 노에서 긴 탈지 공정이 이루어질 수 있기 때문이다. 고가의 고온 소결로를 빠르고 고온 소결 단계에만 남겨둔다.

앞서 논의된 바와 같이, 탈지 스테이지 동안 지지대의 소결을 보장하지 않는 한가지 방식은 모델 재료보다 더 큰 크기 및 보다 규칙적인 형상 및 "더 좁은" 입자 크기 분포 및 더 높은 융점을 갖는 지지대 재료를 사용하는 것이다. 이것은 앞서 논의된 바와 같이 강 나노-입자를 포함하는 잉크를 지지하기 위해 하나의 미크론 구형 실리카 입자를 포함하는 지지대 재료의 사용으로 예시된다. 그러한 지지대 잉크는 알킬 실리케이트의 가수분해 및 알코올 용액에서의 실리카 산의 후속 축합에 의해 균일한 크기의 구형 실리카 입자의 제어된 성장을 허용하는 화학 반응의 시스템에 의해 제조될 수 있다. 암모니아는 형태학적 촉매로 사용된다. 이 공정에서 얻어진 입자 크기는 직경이 0.05 ㎛ 내지 2 ㎛ 미만으로 제어될 수 있다. 직경의 불균일성이 10% 미만이다.

예로서, 약 60 nm 크기(다분산된)의 크기를 갖는 SiO₂ 입자는 약 900℃에서 소결된다. 보다 큰 입자, 예를 들어 미크론 범위를 사용함으로써, 입자는 모델 부분의 소결 온도보다 상당히 높은 1550℃에서 소결될 것이다. 따라서, 미크론 범위의 입자를 포함하는 지지대는 모델 입자가 소결되어 단단한 구조를 형성하지만 지지대 입자는 형성하지는 못하게 한다. 소결 온도 및 생성된 미세구조물에서의 차이는 인쇄된 및 소결된 모델이 손상 없이 지지대 구조물로부터 제거될 수 있도록 한다.

공지된 습식 화학 기술을 사용하여 예컨대 다음과 같은 것이 제어된 맞춤형 성질을 가진 미크론 크기의 SiO₂ 입자를 제조할 수 있다: 기하학; 다공성 수준; 및 밀도, 예를 들어, 밀도가 감소된 중공 구체. 입자 크기 제어에 사용될 수 있는 제어된 파라미터의 비제한적인 예는 Si 전구체 성질; 실리카를 제조하는데 사용된 물/에탄올 비, 반응 시간 및 온도; 및 pH 제제 유형. 시스템을 기술하는 공정은 문헌[W. Stoeber, A. Fink, E. Bohn, Controlled growth of monodispersed spheres in the micron size range, J. Colloid and Interface Sci. 26(1968) 62-69]에서 발견할 수 있으며, 이는 본원에 참조로 포함된다.

SiO₂ 물질에 대한 입자 크기에 대한 Si 전구체 성질, 수분 함량, 및 에탄올 비의 효과를 예시하기 위해, 본 발명자들은 도 7에 나타낸 3원 상 다이아그램 내의 다수의 변수를 시험하였다. 하기 반응 조건을 사용하였다: 20℃의 온도, 12시간의 교반 및 pH~11.

SiO₂ 전구체 물질은 9 wt% SiO₂ 함량을 포함하며, 25℃에서의 12.2 cPs의 점도, 1.12 g/cc의 밀도, 및 32 mN/m의 표면 장력을 나타낸다.

표 2는 에탄올/물 비 및 실리카 함량의 변화에 따라 입자 크기가 어떻게 변하는지를 나타낸다.

[표 2]

동일 반응계 탈지 및 소결. 일 실시예에서, 탈지 및 소결 동안 수축과 관련된 문제를 해결하기 위한 방법이 개시되어 있다. 특히, 본 발명자들은 공정 처리량을 개선하고 녹색 또는 갈색 바디의 균열을 제거하고 인쇄 후 탈지 공정을단축시키는 동일 반응계 탈지 및 소결 공정을 발견하였다.

현재 공정에서, 각 인쇄된 층은 순차적 층을 분사하기 전에 경화된다. 전형적으로 경화는 금속 잉크의 액체 캐리어를 증발시켜 녹색 부분을 생성함으로써 달성될 수 있다. 액체 캐리어를 증발시키고 구체적이고 정확한 장소에서 분사된 방울을 고정시키기 위해, 인쇄는 전형적으로 뜨거운 표면에서 발생하며 추가의 가열을 사용하여 액체 캐리어를 완전히 증발시킨다. 추가의 가열은 송풍기, 램프, 조명 및 흡인으로 이루어진 시스템에 의해 수행될 수 있다.

개시된 공정에서 나노 입자가 사용되는 경우, 나노 입자의 융점은 전형적으로 약 200 내지 400℃의 범위이다. 따라서, 가열 척(chuck) 또는 램프를 사용하는 것과 같은 단순한 외부 에너지에 의해 기판 또는 이전 층에서 소결이 일어난다. 그러나, 미크론 및 서브-미크론의 입자 크기가 사용되는 경우, 전형적인 금속의 융점은 벌크 물질과 일치하여 가열 척 또는 램프와의 소결 또는 심지어 부분 소결을 배제한다. 특히, 에너지 플럭스(Watt/m²)는 소결을 시작하기에 충분하지 않다. 그 결과, 샘플에 낮은 총 에너지 플럭스를 제공하기 위해 단시간 프레임에서 높은 에너지 플럭스가 필요하다. 이것은 레이저, 마이크로파 또는 플래시 광 소결에 의해 달성될 수 있는데, 이는 그러한 시스템은 단시간 내에 높은 에너지 플럭스(Watt)를 제공할 수 있으며, 이는 표면 온도를 적절한 소결 수준으로 증가시킬 것이기 때문이다.

일 실시예에서, 미크론 및 서브-미크론 금속 입자를 포함하는 완전히 소결된 부분을 달성하기 위해, 탈지 및 소결 절차로 이루어진 인쇄 후 공정이 사용될 수 있다. 레이저 라인 스캐너를 사용하여 동일 반응계 공정을 사용하여 분말을 소결할 수 있지만, 이 공정은 스캐닝 시간으로 인한 낮은 처리량에 의해 제한된다.

동일 반응계 소결의 이러한 제한을 피하기 위해, 인쇄 공정 후 갈색 또는 완전히 소결된 부분을 얻기 위한 프로세스가 본원에 기술되어 있다. 기존의 레이저 라인 스캐닝 기술과 달리, 플래쉬라이트 또는 마이크로파 에너지를 포함하는 라인 스캔 레이저 또는 전체 영역 소결이 본원에 기술되어 있다. 이 공정에서, 모델 및 지지대로서, 여기서 지지대는, 예를 들어, 지지대용 세라믹 재료 및 모델용 금속 분말을 사용하여 그 재료 특성으로 인해 소결되지 않는다. 또 다른 예는 모델 영역에서 나노입자 도핑을 사용하는 것일 수 있다.

도 8은 본 개시내용의 일 실시예에 따른 모델 및 지지대 재료를 갖는 동일 반응계 레이저 시스템의 개략도이다. 소결을 위한 외부 에너지 사용은 마이크로파일 수 있다; 샘플에서 전하 롤러 압연에 의해 또는 고에너지 램프로부터 플래시 광에 의해 생성되는 플라즈마.

개시된 방법에서, 인쇄된 금속 잉크 층의 직접 선택적 가열이 발생하며, 이는 공정 온도가 높아져서 따라서 보다 짧은 시간에 소결 성능이 우수해진다. 제안된 공정은 다음과 같다:(i) 잉크 및 지지대를 인쇄하고,(ii) 기판 바닥으로부터 열을 사용하고/하거나 램프 시스템을 갖는 송풍기를 사용함으로써 낮은 에너지 플럭스로,(iii) 이어서 레이저 스캐너로 또는 추가의 유기 물질을 제거하는 중간-범위 에너지 플럭스를 갖는 또 다른 에너지로(아래 명세서 참조) 및(iv) 최종적으로 입자를 소결 온도를 짧은 시간 동안 고에너지로 동일한 장치(예를 들어, 레이저)를 사용함으로써 액체 캐리어를 제거한다.

일 실시예에서, 탈지 공정은 더 긴 시간(최대 10 mm/초의 공정 속도) 동안 낮은 강도를 포함하여 본원에 기술되고 예시된 레이저로 수행될 수 있다. 탈지 공정 목표는, 모델 표면을 300 내지 400℃로의 가열을 필요로 하는, 열분해에 의해 인쇄된 잉크의 유기 성분을 제거하는 것이다. 단시간에 고에너지에 의해 소결하는 경우, 산화를 피하기 위해 소결 시간은 밀리초 범위여야 한다. 소결 동안, 금속 입자는 표면 에너지 힘에 의해 구동되는 서로 다른 것과 연결되기 시작한다. 샘플의 갈색 강도를 달성하기 위해 유기 성분의 일부를 제거한 후 부분적으로 소결하는 방법이 기술되어 있다. 완전한 탈지 및 소결을 달성하기 위해 노 소결이 이어질 수 있다. 인쇄 공정에서 빠른 소결은 산화를 제거할 수 있다. 그러나, 산화 환경이 없는지 확인하기 위해, 질소, 아르곤 또는 수소와 같은 불활성 가스 또는 이러한 가스의 일반적인 조합이 시스템에 추가될 수 있다. 이 소결 방법에 사용된 레이저에 관해서는, 약 10 내지 20 KW/cm²의 강도, ~ 10 내지 100 um의 라인 폭, 및 ~ 3 내지 300 cm 라인 길이를 갖는 808 nm 파장을 생성하는 라인-어레이 레이저가 기재되어 있다. 일 실시예에서, ~1 내지 20 msec의 전형적인 펄스 지속 시간을 갖는 CW 또는 펄스 레이저가 사용될 수 있다.

상기 논의된 바와 같이, 소결된 재료는 그 구성 입자들 사이의 다공성 및 공극의 제거와 관련된 통합으로 인해 소결 동안 실질적으로 수축된다. 따라서, 모델만이 특정 온도에서 소결 및 수축된다면, 비-수축 지지대 재료로부터 박리된다. 일 실시예에서, 이 박리를 상기 모델로부터 지지대를 제거하기 위한 수단으로서 사용하는 것이 가능하다. 이 특징은 모델 바디 밖에서 우세할 때마다 유용하다. 대조적으로, 지지대가 실질적으로 모델로 둘러싸인 경우, 이 특징은, 지지대가 필요에 따라 모델이 수축되는 것을 방지하고 소결시에 모델이 파손될 수 있기 때문에 옵션이 아니다.

다시 말해, 상기 비제한적인 다양한 예에 대해 픽셀 수준에 따라 픽섹에 상이한 재료의 디지털 적용에 추가하여, 예컨대 픽셀의 응고, 증발, 넥킹, 탈지 또는 소결 수준을 제어함으로써, 필요한 국부적 또는 벌크 성질을 달성하기 위해 동일한 픽셀별 수준으로 하나 이상의 상보적 디지털 열 처리를 제공하는 능력. 이 양상에 따르면, 인쇄된 픽셀은 녹색, 갈색, 소결된 픽셀, 또는 가열된, 탈지된, 넥킹된, 부분 소결된 또는 완전 소결된 것과 같은 그 중간 어디든 되도록 처리될 수 있다. 상이한 열 처리는 특정 재료에 대한 상이한 기계적 성질을 제공할 수 있기 때문에, 본 발명의 양상에 따라 픽셀 수준에서 디지털 열 처리를 제공하는 능력은 모델 구조, 지지대 구조물을 가로질러 또는 이들 사이의 인터페이스에서 상이한 기계적 성질의 분포를 허용한다. 예를 들어, 모델 픽셀은 동일 반응계 열 처리에 노출될 수 있으며 이는 모델 영역을 갈색 영역으로 만들 것이며, 반면 지지대 픽셀은 동일 반응계 열 처리 없이 또는 열 처리에 노출시킬 수 있으며 이는 이러한 지지대 픽셀을 녹색 영역으로 변환시킬 것이다. 대안적으로, 예를 들어, 일부 지지대 픽셀은 동일 반응계 열 처리에 노출될 수 있으며, 이는 다른 지지대 픽셀을 녹색 스테이지에서 유지하면서 지지대를 강화하기 위해 이들 픽셀을 갈색 픽셀로 만들 것이다. 또 다른 예에 따르면, 지지대와 모델 사이의 경계층에 있는 픽셀은 동일 반응계 열 처리에 노출될 수 있으며 이는 지지대와 모델 사이의 분리를 더 용이하게 하거나, 지지대와 모델 영역 사이의 수축 계수에서의 차이에 대한 민감도를 감소시키고, 균열을 방지하기 위해 이들을 녹색 픽셀로 만들 것이다. 또 다른 예에 따르면, 일부 모델 픽셀은 모델 내 변형 방출 영역으로 작동하도록 이들 픽셀을 녹색 픽셀로 만들기 위해 동일 반응계 디지털 열 처리에 노출될 수 있는 반면, 다른 모델 픽셀은 갈색 픽셀 또는 부분 소결된 픽셀로 이들 픽셀을 전환되도록 디지털 동일 반응계 열 처리에 노출될 수 있다.

수축 - 모델과 지지대 사이의 파라미터 조정

처리 동안 잉크 수축 제어 . 상기 논의의 관점에서 그리고 본 개시내용의 양상에 따르면, 동일한 모델에서 다른 모델 잉크를 사용하는 경우 유사한 수축 계수를 공유하는 모델 잉크를 사용하여 복합체 또는 다성분 개체를 형성하는 것이 유리하다. 그러한 수축 계수 유사성은 부분의 가열 및 소결 스테이지에 따른 온도 범위에 있어야 한다. 제1 실질적인 수축은 첨가제가 증발될 때(진공을 뒤로 남겨둔 상태) 탈지 동안 발생하며 제2 수축은 소결 동안 발생한다. 일 실시예에서, 수축은 녹색 상태에서 또는 수축이 3% 미만, 예컨대 2% 미만 또는 심지어 1% 미만인 탈지 공정 후에 지지대를 제거함으로써 제어된다.

탈지 동안 수축 . 일 실시예에서, 탈지 스테이지 동안 수축의 차이는 수축을 방지함으로써 방지될 수 있다. 이것은 공정 전체에 걸쳐 오븐에서 진공을 유지함으로써 수행 될 수 있다. 부분을 둘러싼 진공 때문에, 첨가제 손실 뒤에 남겨진 내부 진공은 그렇지 않으면 수축을 초래할 수 있는 압력을 발생시키지 않는다. 제2 실시예는(예를 들어, 증발 또는 붕해 및 증발에 의해) 첨가제가 개체를 떠나는 경우 입자가 친밀한 접촉이 될 때까지 서로를 향해 이동하며, 첨가제에 의해 미리 점유된 빈 부피가 따라서 최소화된다는 제안에 기초한다. 그러나, 첨가제가 없는 경우에도 가장 가까운 구조에서 입자들 사이에 빈 공간이 많기 때문에 첨가제가 차지하는 모든 부피가 사라지는 것은 아니다. 예를 들어, 균일한 반경의 구형 입자의 경우, 가장 가까운 구조의 빈 공간은 전체 부피의 30% 초과이다. 입자 크기가 서로 상이한 경우, 빈 공간이 더 작을 수 있다. 이 실시예에서, 손실된 첨가제(예를 들어, 유기 물질)의 양은 첨가제 손실 동안 두 재료가 동일한 양만큼 수축되도록 적절하게 제어된다. 첨가제의 주요 부분이 바인더인 경우, 이 스테이지는 탈지 스테이지이다.

소결 동안 수축 . 탈지 전에, 바인더와 다른 첨가제는 입자를 서로 분리시킨다. 탈지 후에, 입자는 단지 별개의 지점에서 서로 접촉한다. 소결 동안, 입자가 서로 용융되어 입자 표면들 사이의 공극이 사라지고 이로써 재료가 수축한다. 따라서, 수축량은 소결 전에 입자들 사이의 빈 공간의 양에 의존한다.

일 실시예에서, 각 재료의 입자는 크기와 형상이 서로 실질적으로 동일하다. 이 실시예는 입자 부피에 대한 빈 공간의 비율이 규모가 변하지 않는다는 사실에 기초한다. 또 다른 실시예에서, 규모가 상이할 수 있는 것을 제외하고는, 실질적으로 동일한 두 재료의 크기 및 형상 분포가 기술되어 있다. 또 다른 실시예는 두 재료에서 동일한 상대적 빈 공간을 갖도록 작은 입자를 큰 입자와 혼합함으로써 재료에서 상대적 빈 공간을 제어하는 것에 관한 것이다. 이 실시예는 작은 입자가 큰 입자 사이에 빈 공간을 채우고 따라서 빈 공간을 감소시킨다는 사실에 의존한다.

파손 및 균열을 방지하기 위해, 첨가제가 손실되는 온도가 상이한 재료에서 실질적으로 동일하여 동일한 수축이 동시에 발생하는 것이 중요할 수 있다.

첨가제를 사용한 수축 제어 . 이전에 언급된 바와 같이, 동일한 온도에서 둘 이상의 모델 재료가 소결되는 것이 바람직한 일 실시예에서, 조성의 변형은 재료들 사이의 상이한 수축률로 인한 문제를 피하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 모델 재료가 소결 동안 상이한 양으로 수축될 수 있는 데, 이것은 각각의 입자들 사이의 공극이 상이할 수 있기 때문인 것으로 알려져 있다. 공극 크기에 영향을 미치는 파라미터들 중 하나는 입자에 첨가되고 혼합되는 손실된 재료의 양이다. 손실된 재료는 입자 소결 온도보다 작은 온도에서 증발되거나 붕해 및 증발된다. 손실된 재료가 증발하는 경우, 입자 재료는 입자들 사이에 큰 갭이 남게 된다. 소결 동안 입자는 서로 더 가까이 이동하고 갭을 막아, 재료가 수축된다. 따라서, 수축 계수는 손실 재료의 첨가량에 의해 제어될 수 있다.

이전에 기술된 바와 같이, 상이한 첨가제, 즉 분산재, 분사 개선재 및 바인딩재가 잉크 제형에 자연적으로 포함될 수 있다. 세 가지 물질 중 하나 이상은 일반적으로 소결 전에 열 처리 기간 동안 손실된다. 일반적으로, 모든 유기 물질이 손실된다. 따라서, 입자들 사이의 공극의 양 또는 크기는 첨가된(첨가제) 물질의 양을 제어함으로써 제어될 수 있다.

분산제 증발 전후의 입자 재료를 나타내는 도 9를 참조한다. 도 9a는 저온에서 분산 분자(904)로 랩핑된 입자(902)를 나타낸다. 도 9b는 종종 유기 물질을 포함하는 분산 분자를 고온에서 그러나 소결 이하에서 손실한 후에도 남아 있는 입자(902)를 나타낸다.

충진 밀도로 수축률 제어 . 일 실시예에서, 수축량은 또한 입자의 물리적 형상을 변화시킴으로써 변형될 수 있다. 예를 들어, 입자가 구형 입자에 비해 입방형일 경우 상이한 충진 분율(본원에서 "충진 밀도"로 지칭된)이 존재한다. 구형 입자의 충진 한계는 대략 64%이다. 일 실시예에서, 복수의 입자가 매우 높은 충진 밀도로 패킹되도록 특정 입자 분포를 선택할 때, 충진 밀도를 100%에 근접한 값으로 증가시키기 위해 광범위한 입자 크기의 혼합을 사용할 수 있다.

인쇄된 분말의 충진율(packing factor)은 입자의 형상과 크기 분포에 의존한다. 이것은 결정 격자에 분자 또는 원자를 충진하는 것과 유사하다. 단일 크기의 느슨한 분말 범위에 대한 전형적인 범위의 충진율은 0.5 내지 0.7이다. 예를 들어, 결정 격자에서, 간단한 원자 큐브에 대한 충진율은 대략 0.52이고; 체심 입장 구조(BCC: body-centered cube)의 경우 0.68이며, 면심 입방 구조(FCC: Face-centered cube)의 경우 0.74이다. 한편, 다양한 크기의 분말이 존재한다면, 작은 분말은 더 큰 분말 사이의 공간에 적합할 것이다.

도 10a는 단일 크기의 큰 입자와만 관련된 모델 분말에 대한 낮은 충진 밀도를 나타낸다. 대조적으로, 도 10b는 다중-모드 입자 크기 분포와 관련된 모델 분말에 대한 더 높은 충진 밀도를 나타낸다. 도 10b에서, 보다 작은 입자는 보다 큰 입자들 사이의 공극을 채울 수 있다. 이중-모드 입자 크기 분포와 관련된 이 효과의 결과로서, 분말은 더 높은 충진 밀도를 가지며, 이는 보다 낮은 충진 밀도를 갖는 분말에 비해 수축이 적은 인쇄된 모델을 초래한다. 일 실시예에서, 인쇄된 모델은 최대 밀도로 각 축에서 10% 미만으로 수축될 것이다. 본 발명자들은 입자 수축, 충진 밀도 및 바인더 제거를 제어함으로써 낮은 변형 면적을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 이 논의에 따르면, 입자는 첨가제 물질을 포함하는 엔벨로프에 매립된 고체 표적 입자를 포함하며 이는 나중에 탈지 단계 동안 연소된다는 점에 주목해야 한다.

본 발명자들은 모델 분말 및 지지대 분말에 대해 상이한 입자 크기 분포를 사용하는 것이 각 모델 및 지지대 영역, 및 모델과 지지대 사이의 보다 낮은 변형 영역에 대해 보다 바람직한 수축 프로파일을 초래할 수 있음을 발견하였다. 일 실시예에서, 이는 도 10c에 나타내는데, 이에는 높은 충진 밀도를 초래하는 다중-모드 입자 크기 분포를 갖는 모델 분말, 및 더 낮은 충진 밀도를 초래하는 단일-모드 입자 크기 분포를 갖는 모델 분말이 기술되어 있다. 낮은 충진 밀도를 갖는 지지대 재료와 조합하여 사용되는 경우 높은 충진 밀도를 갖는 모델 재료는 탈지 동안 지지대에 더 낮은 응력을 초래할 것이라는 것을 밝혀냈다. 탈지 동안, 지지대 재료와 관련된 더 낮은 충진 밀도는 지지대 입자가 다른 위치로 자유롭게 이동할 수 있도록 하는 반면, 모델은 수축하는데, 이는 바인더의 손실이 지지대 재료에서 더 자유로운 부피를 초래할 것이기 때문이다. 예를 들어, 일 실시예에서,(대략 0.5의 충진 밀도를 달성하기 위해) 실질적으로 동일한 입자 크기를 갖는 지지대 재료는 바인더가 제거될 경우 50% 초과의 유리 부피를 초래할 것이다. 이것은 소결 동안 모델로부터 실질적으로 모든 응력을 방출할 것이다. 도 10d 참조.

일 실시예에서, 3D 인쇄물에서 모델과 지지대 재료 사이의 수축률을 상쇄시키는 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 소결 동안 지지대 재료와 모델 재료 사이의 수축률 차이 때문에 높은 응력 및 변형률과 관련된 모델 부분의 제어되지 않은 분리 및 변형을 피하려고 한다. 도 11a 내지 11f를 참조하면, 지지대 재료보다 더 높은 수축률을 갖는 모델 잉크용 분말을 선택하면 소결의 초기에 변형률을 유발할 것이며(도 11a), 소결 동안 제어되지 않은 분리는 생성된 인쇄된 물품의 변형을 초래할 것이다(도 11c). 한편, 지지대 재료보다 낮은 수축율을 갖는 모델 잉크용 분말을 선택하면, 소결의 초기에 다시 변형률을 유발할 것이며(도 11b), 소결 동안 고압축 응력은 다시 생성된 인쇄된 물품의 변형을 초래할 것이다(도 11d). 그 결과, 일 실시예에서, 도 11e, 11f에 나타낸 바와 같이, 소결 동안 응력을 최소화하기 위해 모델과 지지대 재료의 수축률과 균형을 이루고 가능한 정도로 일치시키는 것이 바람직하다.

개시된 잉크 조성물, 그러한 조성물을 제조하는 방법 및 그러한 조성물을 사용하는 방법은 재료의 복합체와 같은 3D 인쇄 개체에 적용할 수 있다. 그러한 개체 및 복합체는 지지대, 본 개시내용에 따른 복수의 모델 잉크를 사용하는 모델 상에 인쇄하고, 인쇄 후 단계에서 지지대 구조물을 제거함으로써 제조될 수 있다. 또 다른 방법은 모델 재료가 지지대 재료에 의해 침투된 상태로 또는 그 반대로 완성된 개체에 지지대 구조물을 유지하는 단계를 포함할 수 있다.

상이한 재료로 구축된 개체의 개략도를 나타내는 도 12a 및 12b를 참조한다. 종종 필요한 개체는 코어 재료와 같은 개체의 상이한 부분에 있는 상이한 재료와 더 많은 코팅 층을 포함한다. 일 실시예는 제1 개체(1200 및 1201)의 벌크 재료(1202)를 나타내며, 제1 개체의 외부 표면에서 코팅 재료(1204)로 적층(코팅)된다.

도 12b에 나타낸 바와 같이, 일 실시예에서, 벌크 재료(1202) 상에 다중 층(1204 및 1206)이 존재한다. 대안적인 기술에서, 한 층은 하나의 재료에 의해 인쇄될 수 있으며 또 다른 층은 또 다른 재료에 의해 인쇄될 수 있다. 특별한 경우란 개체의 외부 표면에서 또는 개체와 상부 층 사이에서 코팅-유사 재료(1206)의 함침-유사의 경우이다. 함침-유사는 개체 표면으로부터의 거리가 증가함에 따라 함침 재료 및 벌크 재료의 비율의 점진적 감소를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 구배가 변화함에 따라 색상, 열 또는 기계적 성질과 같은 다른 기능을 달성하는 기능적으로 등급이 매겨진 재료를 생산할 수 있다.

이제 도 13a를 참조하면, 본 개시내용에 따른 재료의 혼합으로 구축된 개체의 표현이 나타내어져 있다. 이 실시예에서, 개체(1300)는 전체 개체 또는 개체의 일부에 두 가지 이상의 재료의 혼합을 포함한다. 개체(1300)는 제1 재료(1304)와 제2 재료(1306)의 혼합물을 포함한다. 도 13b를 참조하면, 개체(1300)의 섹션이 확대될 때(1310), 재료의 혼합은 각 픽셀(1312 및 1314)이 대체 재료(1304 및 1306)로 이루어짐을 알 수 있다.

혼합된 재료를 인쇄하기 위한 방법 및 시스템

주어진 층의 위치에서 본 개시내용에 따른 재료의 혼합으로 개체를 인쇄하기 위한 하나의 기술은 층의 특정 픽셀에 하나의 재료를 분배하고 다른 픽셀에 다른 재료를 분배함으로써 수행될 수 있다. 복수의 잉크 및 잉크 헤드는 개체 재료와 개체 지지대 사이의 인쇄를 구별하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 하나의 잉크는 개체와 지지대 구조물(층별) 둘 다를 구축하기 위해 사용될 수 있는 반면, 또 다른 잉크는 개체 또는 지지대 중 하나에만 속하는 층 부분에만 분배되어, 두 재료의 기계적 특성의 차이가 발생된다. 이 차이는 완성된 개체에 개선되고 원하는 성질을 부여하거나, 개체로부터 지지대의 인쇄 후 제거를 용이하게 하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 잉크, 예컨대 WC 입자는 개체와 지지대 층 부분 둘 다를 인쇄하는데 사용될 수 있다. 제2 잉크, 예컨대 코발트 물질 또는 입자는 층의 개체 부분에서만 분배될 수 있다. 인쇄가 완료될 때 그리고 인쇄된 복합체가 오븐에서 소성된 후에, 두 재료 사이에 실질적인 차이가 발생되는 반면(WC 입자의 지지대만이 소결되지 않은 채로 유지됨), 개체는 소결되거나 코발트에서 WC의 고체 매트릭스로 적어도 형성된다. 이 차이로 개체에서 지지대를 제거할 수 있다.

혼합 재료를 인쇄하기 위한 시스템. 나타낸 바와 같이, 적어도 2개의 상이한 재료로부터 복합 3차원 제품을 형성하기 위한 적층 제조 시스템이 기술되어 있다. 일 실시예에서, 상기 시스템은 제1 개체 재료의 층을 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제1 그룹의 인쇄 노즐 및 제2 개체 재료의 층을 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제2 그룹을 보유하도록 구성된 적어도 하나의 인쇄 헤드 영역을 포함한다. 일 실시예에서, 제1 개체 재료는 금속이며, 제2 개체 재료는 세라믹이다.

상기 기술된 시스템은 복합 3차원 제품을 인쇄하기 위한 명령을 수신하고 명령에 따라 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 제2 그룹의 인쇄 헤드를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 제2 그룹의 인쇄 헤드는 다수의 추가적 층으로부터 제품을 순차적으로 형성하도록 제어되어, 제1 그룹의 노즐 및 제2 그룹의 노즐은 제1 개체 재료 및 상기 제2 개체 재료를 픽셀 단위(pixel-by-pixel basis)로 공통 층에 각각 증착시키고, 이후 제1 개체 재료 및 제2 개체 재료를 후속 층에 각각 증착시킨다. 일 실시예에서, 후속 층은 제1 개체 재료 픽셀 위의 제2 개체 재료 픽셀 및 제2 개체 재료 픽셀 위의 제1 개체 재료 픽셀 중 적어도 하나를 포함한다.

일 실시예에서, 컨트롤러는 제1 개체 재료 및 제2 개체 재료가 인터페이스되도록 구성된다.

일 실시예에서, 컨트롤러는 제1 개체 재료 내에 제2 개체 재료의 적어도 일부를 캡슐화하도록 구성된다.

일 실시예에서, 제1 그룹의 노즐은 제1 잉크 조성물로부터 제1 개체 재료의 층을 적층 인쇄하도록 구성 가능하며, 제2 그룹의 노즐은 제2 잉크 조성물로부터 제2 개체 재료의 층을 적층 인쇄하도록 구성 가능하다. 일 실시예에서, 제1 잉크 조성물 및 제2 잉크 조성물은 액체 형태로 함께 분사되고 결합될 때 제1 잉크와 제2 잉크 사이에 실질적으로 상 분리가 없고 실질적으로 확산이 없도록 선택되는 분산 제제를 포함한다.

일 실시예에서, 제품은 녹색 부분이며, 여기서 상기 녹색 부분은 바인더를 2 부피% 내지 20 부피%, 예컨대 4 부피% 내지 15 부피%, 또는 5 부피% 내지 10 부피% 범위의 양으로 포함한다.

일 실시예에서, 녹색 부분은 고체 입자를 50 부피% 내지 70 부피%, 예컨대 55 내지 65 부피% 범위의 양으로 포함한다.

일 실시예에서, 녹색 부분은 2% 내지 20% 범위, 예컨대 5% 내지 10% 범위의 다공도를 갖는다.

또 다른 실시예에서, 도 14에 흐름도가 도시되어 있는데, 완성된 제품의 필수 부분으로 유지되는 지지대를 사용하여 복합체를 제조할 수 있다. 이 실시예에서, 지지대는 다공성 모델에 침투하여 복합 재료를 생성할 수 있다. 지지대를 제거할 필요가 없기 때문에, 이 방법은 단일 소결 단계를 사용하여 제조될 수 있는 재료를 허용함으로써 처리를 단순화하고 복합체를 제조하는 비용을 절감시킨다. 또한, 생성된 소결된 복합체는 개선된 물리적 및 화학적 성질을 나타낼 수 있다.

혼합된 재료를 인쇄함으로써 복합체를 형성하는 방법. 도 14를 참조하면, 예시적인 공정(1400)은 지지대(1408)로서 금속 산화물 상에 모델(1406)을 형성하는 인쇄 단계(1405)로 시작한다. 그 다음 단계(1410)는 금속 산화물이 산소를 제거하고 화합물을 금속으로 환원시키도록 500 내지 800℃ 범위의 온도로 인쇄된 물품을 가열하는 단계를 포함한다. 금속 산화물의 분해는 모델이 또 다른 금속에 의해 둘러싸이도록 한다. 이어서, 더 높은 온도에서의 계속된 가열(1415)은 모델로 이어지며 치수의 변화 없이 지지대 입자(1412)가 소결되기 시작한다. 그 결과 갈색 부분(1414)이 형성된다. 마지막으로, 더 높은 온도 에서(1420), 지지대 금속은 용융되고 다공성 모델 내로 침투하여, 모델 재료와 지지대 금속(1425)의 복합 재료를 형성할 것이다.

일 실시예에서, 탄화텅스텐(WC)으로 제조된 모델 및 산화코발트(CoO)로 제조된 지지대를 포함하는 복합체가 개시되어 있다. 이 실시예는 CoO가 다음 방식으로 500℃ 초과의 산화물을 손실할 것이라는 사실을 이용한다: Co₃O₄→CoO→Co. 또한, 입자 형상(날카로운 가장자리)으로 인한 기하학 변화 없이 900℃ 이상에서 WC는 소결을 시작할 것으로 알려져 있다. 다시 말해, WC는 원형이 아니기 때문에, 나노미터의 10분의 1보다 큰 입자들은 900℃에서 경화되기 시작할 것인데, 이는 입자의 날카로운 가장자리가 가까운 입자의 표면에 연결되기 시작하고 입자들 사이에 물리적으로 연결되기 때문이다.

온도가 1400℃에 도달하면, 코발트는 WC의 고유한 기공 내로 침투하여 복합 재료를 생성할 것이다.

한 단계의 소결 공정 이외에, 이 방법은(지지대 재료를 폐기하는 것과 대조적으로) 지지대 재료의 사용을 포함하여 다수의 다른 유리한 성질을 갖는다. 이 공정은 또한 지지대와 모델 재료 사이의 오염 없이 모델과 지지대 재료의 많은 조합을 사용할 수 있도록 한다. 예를 들어, 금속 산화물 또는 탄산 제1철로부터 지지대 잉크를 제조하는 것이 매우 용이하다는 것을 밝혀냈다.

일 실시예에서, WC를 포함하는 모델 재료 및 탄산 제1철을 포함하는 지지대 재료가 개시되어 있다. 탄산 제1철은 800℃에서 상태를 산화 제1철로 변화시킨 다음, 900℃ 이상에서 산화물을 손실할 것으로 알려져 있다. 1500℃에서의 추가의 열 처리로 Fe는 철이 WC로 침투할 수 있도록 할 것이다.

WC를 포함하는 모델 재료는 산화구리 및 산화코발트를 포함한 금속 산화물과 같은 다양한 지지대 재료와 함께 사용될 수 있다. 산화철 또는 산화코발트와 같은 공융(eutectic) 산화물 재료로부터 추가의 지지대 옵션이 선택될 수 있다. 고온(예컨대 >500℃)에서, 산화물은 분해될 것이다. 온도가 더 증가함에 따라 침투가 일어날 것이다.

동시 인쇄 및 착색을 위한 적층 인쇄 시스템

이전에 기술된 바와 같이, 개시된 시스템(들)은 복합체를 포함하는 3차원 부분을 인쇄할 수 있도록 하며, 이는 착색된 외부 코팅을 인쇄하여 원하는 색상을 갖는 제품을 제공함으로써 추가로 변형될 수 있다. 이 실시예에서, 착색된 구조적 입자를 사용하여 제품을 동시에 인쇄하고 착색하기 위한 적층 인쇄 시스템이 추가로 기술되어 있다.

제품을 동시 인쇄 및 착색하기 위한 시스템. 상기 설명은 이 실시예 및 하기 논의와 관련이 있다. 일 실시예에서, 하기를 유지하도록 구성된 적어도 하나의 인쇄 헤드 영역을 포함하는 시스템이 기술되어 있다: 제1 색상의 제1 착색된 구조적 재료를 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제1 그룹의 인쇄 헤드; 및 제1 색상과 상이한 제2 색상의 제2 착색된 구조적 재료를 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제2 그룹의 인쇄 헤드.

일 실시예에서, 본원에 기술된 시스템은, 제품의 원하는 구조적 성질 및 색상 성질을 반영하는 정보를 수신하고, 제품이 적층 형성됨에 따라, 착색된 입자들이 원하는 색상 성질을 시뮬레이션하기 위해 제어된 비율로 혼합되도록 제품의 원하는 구조적 성질 및 색상 성질을 반영하는 정보에 기초하여 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 제2 그룹의 인쇄 헤드를 조절하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 추가로 포함한다.

본원에 기술된 시스템은 제1 색상 및 제2 색상과 상이한 적어도 제3 색상의 적어도 제3 착색된 구조적 재료를 사용하여 적층 인쇄하도록 구성 가능한 적어도 제3 그룹의 인쇄 헤드를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 착색된 구조적 재료, 제2 착색된 구조적 재료, 및 제3 착색된 구조적 재료는 소결 후에 시뮬레이션된 원하는 색상 성질이 발생하도록 소결 가능하다.

일 실시예에서, 적어도 제3 착색된 구조적 재료를 사용하여 적층 인쇄 가능하도록 구성 가능한 적어도 제3 그룹의 인쇄 헤드는 다수의 서브그룹을 포함하며, 각 서브그룹은 상이한 착색된 구조적 재료를 사용하여 적층 인쇄하도록 구성 가능하다.

제1 착색된 구조적 재료, 제2 착색된 구조적 재료, 및 적어도 제3 착색된 구조적 재료는 이전에 본원에 기술된 바와 같이 세라믹 입자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 세라믹 입자는 Al₂O₃, TiO₂, Y₂O₃, CoO, CuO, ZnO, MgO, ZrO₂, 및 FeCO₃ 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 착색된 구조적 재료, 제2 착색된 구조적 재료, 및 적어도 제3 착색된 구조적 재료는 이전에 본원에 기술된 것들을 포함한다. 예를 들어, 제1, 제2 및 제3 착색된 구조적 재료는 금속 입자, 예컨대 적어도 하나의 금속, 금속 산화물, 탄화물, 및 철, 구리, 은, 금, 티탄, SiO₂, TiO₂, BiO₂, WC, Al₄C₃, TiC, 스테인레스 강, 및 티탄계 복합체로부터 선택된 금속 합금을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 제1 착색된 구조적 재료, 제2 착색된 구조적 재료, 및 적어도 제3 착색된 구조적 재료는 합성 구조적 입자, 예컨대 이전에 본원에 기술된 것들을 포함한다. 예를 들어, 상기 합성 구조적 입자는 폴리아닐린 알코올(PAN) 중합체, 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체로부터 선택된 공중합체, 에틸 셀룰로오스, 카복시메틸 셀룰로오스, 하이드록시프로필메틸 셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트로부터 선택된 셀룰로오스 중합체 및 폴리부티랄을 포함할 수 있다. 상기 공중합체는 졸-겔 유래된 실리카, 테트라에톡시실란(TEOS) 및 3-글리시딜옥시프로필트리메톡시실란을 포함할 수 있다.

원하는 표면 색상을 갖는 개체를 형성하기 위한 적층 제조 시스템으로서, 상기 시스템은 하기를 유지하도록 구성된 적어도 하나의 인쇄 헤드 영역을 포함한다: 내부 코어 부분 및 외부 표면 부분을 갖는 3차원 개체를 인쇄하도록 구성 가능한 제1 그룹의 인쇄 헤드; 및 코어의 착색과 상이한 착색을 갖는 색상 코팅을 외부 표면 부분 상에 증착하도록 구성 가능한 제2 그룹의 인쇄 헤드(여기서, 상기 제2 그룹의 인쇄 헤드는 복수의 상이한 색상을 증착하도록 구성된다).

이 적층 제조 시스템은 개체의 원하는 형상 및 개체의 표면에 걸쳐 변하는 색상 음영을 갖는 원하는 표면 착색을 포함하는, 개체의 3D 디지털 재현을 수신하고, 원하는 표면 착색에서 색상 음영을 식별하기 위해 원하는 표면 착색을 분석하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 추가로 포함할 수 있다.

상기 프로세서는 추가로, 3차원 개체를 적층 형성하도록 제1 그룹의 인쇄 헤드를 제어하고, 3차원 개체의 적층 형성 동안에, 제2 그룹의 인쇄 헤드를 제어하여 개체의 표면에 걸쳐 변하는 색상의 혼합물을 증착시켜 원하는 가변적 표면 착색에 대응하는 색상 음영을 개체의 표면에 걸쳐 시뮬레이션하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 적어도 하나의 프로세서는 픽셀 단위로 원하는 착색을 분석하고, 제2 그룹의 인쇄 헤드가 원하는 착색으로 픽셀 단위로 시뮬레이션하기 위해 다양한 색상을 증착하도록 구성된다. 예를 들어, 제2 그룹의 인쇄 헤드는 CMYK [시안, 마젠타, 옐로우 및 키(블랙)] 색조로 분리된 복수의 인쇄 헤드를 사용하여 착색된 세라믹 재료를 인쇄하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 그룹의 인쇄 헤드는 코어를 금속으로부터 인쇄하도록 구성된 금속 서브그룹 및 금속 코어에 인접하여 외부 표면을 세라믹 재료로부터 인쇄하도록 구성된 세라믹 서브그룹을 포함한다. 예를 들어, 상기 금속 서브그룹은 스테인레스 강, 및 티탄, Ti64 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 세라믹 서브그룹은 SiO₂, TiO₂, ZrO₂, BiO₂ 중 적어도 하나를 인쇄하도록 구성된다.

일 실시예에서, 제2 그룹의 인쇄 헤드는 유리 재료와 같은 소결 후에 광택이 있는 투명한 코팅을 제공하기 위한 재료를 증착하도록 구성 가능하다. 이 실시예에서, 제1 그룹의 인쇄 헤드는 내부 코어를 인쇄하기 위해 구성된 제1 서브그룹 및 외부 표면 부분을 인쇄하기 위해 구성된 제2 서브그룹을 포함한다. 적층 제조 시스템이 보철 치아를 인쇄하기 위해 사용되는 경우, 제1 그룹의 인쇄 헤드는 보철 치아의 내부 코어를 인쇄하기 위해 구성된 제1 서브그룹 및 보철 치아의 외부 표면 부분을 인쇄하기 위해 구성된 제2 서브그룹을 포함한다.

본 개시내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 잉크젯 인쇄 기술을 사용하여 티탄 부분을 형성하는 개시된 잉크 및 방법에 대해 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 대안적인 구현은 본원에 개시된 명세서 및 실시를 고려하여 당업자에게 명백할 것이다. 본 명세서 및 예는 예로만 간주되도록 의도된다.

Claims (88)

1. 제품을 형성하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
   하기를 유지하도록 구성된 적어도 하나의 인쇄 헤드 영역:
   상기 제품의 적어도 제1 부분을 제1 평균 입자 크기를 갖는 제1 재료로 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제1 그룹의 인쇄 헤드로서, 여기서 상기 제1 평균 입자 크기는 제1 소결 특성을 부여하도록 선택되는, 제1 그룹의 인쇄 헤드; 및
   상기 제품의 적어도 제2 부분을 제2 평균 입자 크기를 갖는 제2 재료로 적층 인쇄하도록 구성 가능한 제2 그룹의 인쇄 헤드로서, 여기서 상기 제2 평균 입자 크기는 제2 소결 특성을 부여하도록 선택되는, 제2 그룹의 인쇄 헤드;
   하기를 수행하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서:
   상기 제품의 원하는 성질을 반영하는 정보를 수신하고;
   상기 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 상기 제2 그룹의 인쇄 헤드를 조절하여 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료를 층별 기준(layer-by-layer basis)으로 분포시켜 상기 제품의 원하는 성질을 반영하는 정보에 기초하여 상기 제품의 상이한 부분에 상이한 특성을 부여하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서;를 포함하고,
   상기 적어도 하나의 프로세서는 증착시에 상기 제1 재료와 상기 제2 재료가 서로 인터레이스(interlace)되도록 추가로 구성되는, 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 제품의 원하는 성질을 달성하기 위해 상기 제1 및 제2 재료의 분포를 결정하도록 구성되는, 시스템.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제품의 원하는 성질은 열적, 기계적, 화학적, 전기적 또는 물리적 성질을 포함하는, 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제품의 원하는 성질은 열 팽창 계수, 열 전도도, 열 확산율, 내마모성, 취성, 연성, 탄성, 강성, 인성, 항복 강도, 색상, 밀도, 경도, 내부식성 및 내산화성, 및 이들의 조합을 포함하는, 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 소결 특성은 소결 온도 및 수축 계수 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 프로세서는 상기 제1 재료 및 상기 제2 재료를 중량 또는 부피에 의해 결정될 때 상이한 양으로 분포하도록 상기 제1 그룹의 인쇄 헤드 및 상기 제2 그룹의 인쇄 헤드를 조절하도록 구성되는, 시스템.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 재료 및 상기 제2 재료는 적어도 하나의 원소를 공유하지만 상이한 평균 입자 크기 및 상이한 소결 온도를 갖는, 시스템.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 재료 및 상기 제2 재료는 서로 상이한 화학적 성질을 갖지만 동일한 소결 온도를 갖는, 시스템.
   
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,
    상기 인터레이스된 재료는 단일 구조를 형성하는, 시스템.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 인터레이스를 통한 상이한 재료 사이의 비율은 상기 제품의 원하는 성질에 따라 상기 제품의 상이한 부분에서 변하는, 시스템.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 두 재료 중 적어도 하나는 다른 재료로 스며들어(wick) 다른 재료 내에 하나 이상의 스트링을 형성하는, 시스템.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 인쇄 헤드 영역은 제3 그룹의 인쇄 헤드를 보유하도록 추가로 구성되는, 시스템.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 제3 그룹의 인쇄 헤드는 제1 및 제2 인쇄물(printed material)을 일시적으로 지지하기 위해 제거 가능한 지지대 재료를 적층 인쇄하도록 구성 가능한, 시스템.
    
15. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 제1 부분은 상기 제품의 코어를 포함하며, 상기 적어도 제2 부분은 상기 제품의 주변을 포함하는, 시스템.
    
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