KR102520064B1 - 선택적 액체 냉각에 의한 적층 제조 - Google Patents

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Abstract

액화 열가소성 재료를 선택적으로 냉각하여 부품을 적층 제조하는 방법이 개시된다.

Description

선택적 액체 냉각에 의한 적층 제조
본 발명은 적층 제조(additive manufacturing) 방법에 관한 것이다
엔지니어드 열가소성 플라스틱(engineered thermoplastic)을 사용하여 고속 및 고분해능(high resolution)으로 적층 제조하는 것이 어렵다는 것은 잘 알려져 있다. 융합 증착 모델링(fused deposition modeling, FDM) 적층 제조는 엔지니어드 폴리머를 사용하여 생산 제조를 시작했지만, 고분해능 부품에 대해서는 저속으로 인해 어려움을 겪는다. 더 큰 압출 노즐(extrusion nozzle)을 사용하여 훨씬 빠르게 인쇄할 수 있는 FDM 기계는 속도 딜레마를 개선했지만, 저분해능 부품으로 인해 어려움을 겪는다. 광경화 폴리머를 사용하는 디지털 광 처리(digital light processing, DLP) 적층 제조는 고분해능으로 제조 속도를 증가시킬 수 있는 많은 가능성을 보여 주었지만, 생산 제조에 대해 너무 높은 폴리머 비용 및 광 존재 하에서 분해될 수 있는 폴리머로 인해 어려움을 겪는다. 기존의 모든 적층 제조 기술은 레이저, 방사선, 광 등을 사용하여 액체에 에너지를 가하여 이를 중합한다.
본 발명은 고분해능 부품을 고속으로 제조하기 위해 액화 열가소성 플라스틱 층의 선택적 냉각을 사용함으로써 선행 기술에 의해 나타나는 문제를 해결하고자 한다. 본 발명은 액체 폴리머에서 에너지를 제거하여 이를 응고시키는 점에서 선행 기술과 다르다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 열 교환 요소의 매트릭스를 갖거나 이와 접촉하는 빌드 트레이(build tray) 내에 가열된 액화 열가소성 플라스틱의 연속 층이 배치되고, 열 교환 요소 각각은 선택적으로 그리고 독립적으로 가열 및 냉각될 수 있다. 이들 요소는 펠티에 열전 효과(Peltier thermoelectric effect)를 사용하여 냉각 모드와 고온 모드 사이에서 빠르게 작동한다. 펠티에-형 열/냉 접합(hot/cold junction)은 이러한 요소로서 사용될 수 있는 장치의 일례이다. 이들 접합은 현재 3 mm2의 작은 셀에서 산업계에서 이용될 수 있다. 가장 작은 작동 단위 크기인 펠티에 P 및 N 접합 "펠렛(pellet)"은 현재 밀리미터의 단편까지 제조될 수 있으며, 박막 설계로 인해 마이크로미터로 측정되는 열/냉 영역을 곧 형성할 수 있을 것으로 예상된다. 이로써 본 발명은 오늘날 최고의 DLP 프린터의 해상도를 능가할 수 있게 된다.
본 발명의 방법에 따른 제 1 단계에서, 열가소성 플라스틱 층이 빌드 트레이 내에 배치되고, 매트릭스 내의 모든 요소는, 이들 위에 있고 이들과 접촉하는 열가소성 플라스틱 층을 액화시키기 위해 빌드 트레이를 가열하게 된다. 그리고 나서, 냉각된 플래튼(platen)이 액화 열가소성 플라스틱으로 하강하여, 가열/냉각 요소 매트릭스와 플래튼 사이에 액체 계면을 생성한다. 그리고 나서, 가열/냉각 요소 매트릭스는 부품이 형성될 요소만을 냉각시키도록 제어된다. 따라서, 열가소성 플라스틱이 응고되어 제조될 부품의 제 1 층을 형성할 때까지, 선택 영역에서 열가소성 플라스틱을 냉각시키고, 이는 냉각된 플래튼에 융합된다. 이후, 가열/냉각 요소 매트릭스는 가열되어, 냉각된 열가소성 플라스틱의 매우 얇은 박층(thin layer)을 새로 응고된 제 1 층의 바닥에서 액화시키고, 따라서 플래튼이 상승하고 트레이가 액체 열가소성 플라스틱으로 재충전될 때, 냉각되고 응고된 제 1 층은 빌드 트레이에서 방출된다. 플래튼 상에 남겨진 것은 형성되고 있는 부품의 제 1 층이다. 이후, 플래튼은 열가소성 플라스틱의 액화 층 위로 약간만 높게 하강한다. 그리고 나서, 이전에 냉각된 층의 밑면에 새로운 층이 형성될 수 있다. 공정은 완전한 부품이 형성될 때까지 층별로 계속된다.
본 발명은 액체에서, 얼음을 포함하는 고체상으로 변하는 거의 모든 물질로부터 물체를 제조하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 다음 설명은 첨부 도면을 참조한다, 도면에서:
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 장치의 평면도를 도시한다.
도 2a는 도 1에 도시된 장치의 단면도를 도시한다.
도 2b는 빌드 트레이가 일정량의 액체 열가소성 플라스틱으로 충전된, 본 발명의 일 실시형태에 따른 코팅 공정을 도시한다.
도 3은 빌드 트레이가 액화 열가소성 플라스틱 필름으로 충전된, 도 1 및 도 2에 도시된 장치의 단면도를 도시한다.
도 4는 열가소성 플라스틱의 일부가 냉각되고 응고되어 부품의 제 1 층을 형성하는, 도 1 내지 도 3의 장치의 단면도를 도시한다.
도 5a는 액화 열가소성 플라스틱의 박층이 트레이의 바닥에 있고, 따라서 플래튼이 위로 들어올려질 때 부품의 응고된 제 1 층이 빌드 트레이에서 방출될 수 있는, 도 1 내지 도 4의 장치의 단면도를 도시한다.
도 5b는 빌드 트레이가 일정량의 열가소성 플라스틱으로 재충전된, 본 발명의 일 실시형태에 따른 재-코팅 공정을 도시한다.
도 6은 플래튼이 추가로 상승했지만, 여전히 부분의 제 1 층을 유지하고, 부품의 후속 층의 형성을 위해 빌드 트레이가 또 다른 양의 열가소성 플라스틱으로 재충전된, 도 1 내지 도 5의 장치의 단면도를 도시한다.
도 7은 부품의 제 2 층을 생성하기 위해 빌드 트레이 내의 제 2 양의 액체 열가소성 플라스틱의 일부가 냉각되고 응고되는, 도 1 내지 도 6의 장치의 단면도를 도시한다.
도 8은 액화 열가소성 플라스틱의 박층이 트레이의 바닥에 있고, 따라서 플래튼이 위로 들어올려질 때 부품의 응고된 제 2 층이 빌드 트레이에서 방출될 수 있으며, 제 2 층의 상부가 제 1 층의 바닥에 부착된, 도 1 내지 도 7의 장치의 단면도를 도시한다.
도 9는 빌드 트레이가 부품의 제 3 층을 생성하기 위해 선택적으로 냉각되는 제 3 양의 액화 열가소성 플라스틱으로 충전된, 도 1 내지 도 8의 장치의 단면도를 도시한다.
도 1 및 도 2a는 펠티에-형 열/냉 접합(3a-3n)의 어레이를 포함하거나 이와 접촉하는 베이스를 갖는 빌드 트레이(2) 위에 플래튼(1)이 배치된, 본 발명의 일 실시형태에 따른 장치의 평면도 및 단면도를 도시하고 있다. 빌드 트레이(2)는 또한 팬(fan, 2d)을 통해 펠티에 접합(3a-3n)에 열을 주고받는 히트 싱크(heat sink, 2a)를 포함한다. 가열된 리-코터 몸체(re-coater body, 2c)는 액화 열가소성 플라스틱(2b)의 공급을 유지한다. 플래튼(1)은 본 발명의 다양한 단계에 따라 빌드 트레이 위에서 상승 및 하강할 수 있다.
도 2b는 빌드 트레이(2) 상에 박막(4) 형태로 액화 열가소성 플라스틱(2b)을 증착하기 위해 리-코터 몸체(2c)가 빌드 트레이(2)를 가로질러 이동하는 재-코팅 공정을 도시하고 있다. 히트 싱크와 팬은 단순화를 위해 도시하지 않았다.
도 3을 참조하면, 빌드 트레이가 도 2b의 액화 열가소성 플라스틱 필름으로 충전된 후의 본 발명에 따른 방법의 제 1 단계를 도시하고 있다. 리-코터는 단순화를 위해 도시하지 않았다. 플래튼(1)은 이의 바닥면이 열가소성 플라스틱 필름(4)의 상부면과 접촉하도록 조정된다. 열가소성 플라스틱 필름(4)은 펠티에-형 열/냉 접합(3a-3f)에 의해 균일하게 가열된다. 플래튼(1)은 열가소성 플라스틱의 응고 온도 또는 그 이하에서 냉각된다.
도 4에 도시된 다음 단계에서, 열가소성 플라스틱 필름(4)의 일부는 펠티에-형 열/냉 접합(3d-3f)에 의해 액체 상태로 계속 가열되는 반면, 열가소성 플라스틱 필름(4)의 다른 부분은 펠티에-형 열/냉 접합(3d-3f)에 의해 고체 상태로 선택적으로 냉각된다. 이에 의해 생성된 고체 영역(5a-5c)은 적층 제조될 부품의 제 1 층이 된다. 플래튼(1)은 열가소성 플라스틱의 응고 온도 또는 그 이하에서 계속 냉각된다.
제조될 부품의 제 1 층이 응고되고 나면, 전체 가열/냉각 요소 매트릭스는 에너지를 공급받아 열가소성 재료를 가열하여, 응고된 제 1 층과 빌드 트레이의 바닥 사이에 얇은 액체 영역을 생성함으로써, 냉각된 플래튼(1)이 위로 들어올려질 때 제 1 층이 빌드 트레이로부터 분리될 수 있게 한다. 보다 구체적으로, 열가소성 플라스틱 필름(4)은 펠티에-형 열/냉 접합(3d-3f)에 의해 계속 액체 상태로 가열된다. 열가소성 플라스틱 필름(4)은 펠티에-형 열/냉 접합(3a-3c)에 의해 액체 상태로 선택적으로 가열되어 얇은 액체 영역(6a-6c)을 생성한다. 이 시점에서, 플래튼(1)은 트레이(2) 내의 액체 밖으로 고체 영역(5a-5c)을 들어올리기 시작한다. 플래튼(1)은 열가소성 플라스틱의 응고 온도 또는 그 이하로 계속 냉각된다.
도 5b는 열가소성 플라스틱이 프린트되고 있는 물체에 의해 소비됨에 따라 빌드 트레이를 재충전하기 위해 모든 층 사이에서 수행되는 도 2b에서와 같은 재-코팅 단계를 도시하고 있다. 플래튼(1)은 리-코터 몸체(2c)를 통과시키기 위해 상승한다. 빌드 트레이(2) 상에 박막(4) 형태로 액화 열가소성 플라스틱(2b)을 증착하기 위해 리-코터 몸체(2c)는 빌드 트레이(2)를 가로질러 이동하여, 응고된 영역(5a-5c)을 제거함으로써 고갈된 액체를 교체한다.
도 6에 도시된 후속 단계에서, 플래튼(1)은 고체 영역(5a-5c)을 트레이(4) 내의 액체의 표면으로 낮추고, 플래튼(1)이 열가소성 플라스틱의 응고 온도 또는 그 이하로 계속 냉각될 때, 중간 영역(5ab 및 5bc)은 고체 영역(5a-5c) 사이에서 고화되어 부품의 제 1 층을 완성한다. 열가소성 플라스틱 필름(4)은 펠티에-형 열/냉 접합(3a-3f)에 의해 액체 상태로 계속 가열된다.
그리고 나서, 공정은 도 7에 도시된 바와 같이 반복된다. 제 1 층이 생성된(도 4) 동일한 방식으로 부품의 제 2 층을 생성하기 위해 제조 중인 부품의 빌드 패턴에 따라, 매트릭스 내의 다양한 가열/냉각 요소는 에너지를 공급받아 열가소성 플라스틱 액체를 냉각하고, 다른 가열/냉각 요소는 에너지를 공급받아 열가소성 플라스틱 액체를 가열한다.
부품의 제 2/후속 층이 형성/응고되고 나면, 매트릭스의 모든 가열/냉각 요소는 빌드 트레이 내의 열가소성 플라스틱 재료를 가열하여 제 2/후속 층의 바닥과 빌드 트레이 사이에 박층을 생성하고, 따라서 제 1 층이 빌드 트레이에서 분리된(도 5) 동일한 방식으로 또 다른 층을 위한 공간을 확보하기 위해 플래튼은 부품의 응고된 부분과 함께 들어올려질 수 있다. 요소(3a, 3b 및 3c)가 도 7에서 냉각되고 있는 반면, 이들은 얇은 액체 영역(6d, 6e 및 6f)(도 8)을 생성하기에 충분한 가열로 전환됨으로써, 트레이의 재충전 및 또 다른 층의 생성(도 9 참조)을 위한 공간을 확보하기 위해 플래튼은 빌드 트레이에서 부품을 들어올릴 수 있다. 응고된 영역(6a-6c)을 제거함으로써 고갈된 열가소성 플라스틱 액체(4)를 교체하기 위해 재-코팅이 수행된다.
공정은 부품이 필요한 만큼 많은 층을 가질 때까지 계속된다.

Claims (8)

  1. 적층 제조 장치에 있어서, 장치는:
    열 교환 요소의 어레이를 갖는 빌드 트레이로서, 열 교환 요소 각각은 빌드 트레이의 각각의 영역을 독립적으로 그리고 교차적으로 가열 및 냉각시키도록 구성되는, 빌드 트레이와;
    빌드 트레이 내에서 하강 및 상승하는 이동 가능한 플래튼과;
    상기 빌드 트레이와 상기 이동 가능한 플래튼 사이에 이동 가능하도록 장착되고, 열가소성 플라스틱 재료의 연속 층들을 상기 빌드 트레이에 적용하도록 구성되는 가열된 리-코터 몸체;를 포함하고,
    열가소성 플라스틱 재료의 상기 연속 층들은 상기 빌드 트레이의 상기 열 교환 요소에 의해 상기 열가소성 플라스틱 재료를 냉각함으로써 교차적으로 응고되어 다층 부품의 각각의 층을 생성하고, 상기 이동 가능한 플래튼이 빌드 트레이 밖으로 이동할 때 빌드 트레이로부터 응고된 열가소성 플라스틱 재료가 방출되도록 상기 열가소성 플라스틱 재료를 가열함으로써 부분적으로 액화되는, 적층 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    열 교환 요소는 펠티에 열/냉 접합인, 적층 제조 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    플래튼은 가열 또는 냉각되도록 구성되는, 적층 제조 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    빌드 트레이와 플래튼을 둘러싸는 온도 제어 인클로저(temperature controlled enclosure)를 더 포함하는 적층 제조 장치.
  8. 열가소성 플라스틱 물품의 제조 방법으로서, 방법은:
    a) 열 교환 요소의 어레이를 포함하거나 이와 접촉하는 베이스를 갖는 빌드 트레이 내에 액체 열가소성 플라스틱 재료 층을 가열하는 단계로서, 열 교환 요소 각각은 빌드 트레이의 각각의 영역을 독립적으로 가열 또는 냉각시키도록 구성되는, 가열 단계와;
    b) 액체 열가소성 플라스틱 재료의 표면에 냉각된 플래튼을 배치하여, 가열/냉각 요소 매트릭스와 플래튼 사이에 액체 계면을 생성하는 단계와;
    c) 열 교환 요소의 어레이가, 물품이 제조되는 위치에 대응하는 빌드 트레이의 영역을 냉각시키도록 함으로써, 선택된 영역 내에서 액체 열가소성 플라스틱 재료가 냉각 및 응고되도록 하여 물품의 제 1 층을 생성하는 단계와;
    d) 플래튼이 상승할 때, 냉각되고 응고된 열가소성 플라스틱 재료의 박층이 빌드 트레이에서 방출될 수 있을 정도로, 열 교환 요소의 어레이가 이를 액화시키도록 하는 단계와;
    e) 액체 열가소성 플라스틱의 새로운 층으로 빌드 트레이를 재충전하는 단계와
    f) 물품의 제 1 층과 함께 플래튼을 하강시킴으로써, 물품의 제 1 층의 바닥이 액체 열가소성 플라스틱의 새로운 층과 접촉하도록 하는 단계와;
    완전한 물품이 형성될 때까지 단계 a) 내지 단계 f)를 반복하는 단계를 포함하는 방법.
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