KR102555173B1 - 적층 제조에 의해 물리적 물체를 제조하는 방법 - Google Patents

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카린 잔클마이어
죠아치노 라이아
한스 알. 슈나글
안드레아스 허만
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Abstract

본 발명은 적층 제조(additive manufacturing)에 의해 물리적 물체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법에서, 경화성 주 재료가 제공되며, 물체는 경화성 주 재료의 층들을 연속적으로 경화시킴으로써 구축되고, 물체는 물체를 움직이게 하여 여분의 재료 내에 질량 관성력을 생성시킴으로써 물체에서 여분의 재료를 세정하게 된다. 본 발명은 적층 제조에 의한 물체의 제조를 용이하게 한다.

Description

적층 제조에 의해 물리적 물체를 제조하는 방법
본 발명은 적층 제조(additive manufacturing)에 의해 물리적 물체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 물체를 움직이게 하여 여분의 재료에 질량 관성력을 생성시킴으로써 물체에서 여분의 재료를 세정하는 방법에 관한 것이다.
다양한 기술 분야에서, 물리적 물체 또는 기계적 작업물(workpiece)은 적층 제조 공정에 의해 점점 더 제조된다.
그러한 적층 제조 공정은 전형적으로 재료를 이어서 첨가하여 원하는 개별 형상을 생성함으로써 물체를 그 형상으로 구축할(build up) 수 있게 한다. 재료의 제거에 의해 과대 크기의 블랭크(oversized blank)로부터 물체가 기계가공되는 소위 절삭 공정(subtractive process)이 적층 제조 공정에 의해 점점 더 대체된다.
한편 쾌속 조형(rapid prototyping)을 위해 적층 제조 공정이 업계에서 널리 사용되고는 있지만, 많은 분야에서의 최종 제품들의 제조는 여전히 어려운 일이다. 특히 치아 수복재(dental restoration)들을 제조하기 위해서는, 인체에서 사용하기에 적합성이 있는 재료들을 사용하는 것이 일반적으로 필요하게 된다. 또한, 구축 공정에 의해 제조된 치아 수복재는 기계적 안정성에 대한 요구 사항뿐만 아니라 예컨대 색상 쉐이딩(shading) 및 반투명도(translucency)와 관련된 심미감에 대한 기대를 충족시켜야 한다.
일부 적층 제조 공정은 스테레오리소그래피(stereolithography)에 기초한다. 스테레오리소그래피는 일반적으로 광경화성 또는 광중합성 수지를 경화시키기 위해 광을 사용한다. 컴퓨터 지원 설계 및/또는 컴퓨터 지원 제조(CAD/CAM)를 기반으로 한 데이터는 광경화성 수지의 층 상에 광 패턴을 투사하는 데 사용된다. 감광성 수지는 전형적으로 광의 노출의 결과로 응고되고 따라서 패턴을 따라 고형화된 수지의 층이 형성된다. 층들을 연속적으로 적층함에 의해 원하는 3차원 물체가 생성된다. 이에 의해, 패턴은 3차원 물체의 원하는 외형에 따라 제어된다.
전형적으로, 물체와 광경화성 재료 사이의 경계에서, 광경화성 재료 중 일부는 물체를 구축한 후에 물체 상에 존재한다. 전형적으로, 광경화성 재료는 예를 들어 광경화성 재료의 점도에 따라 다양한 양으로 물체 상에 존재한다. 이러한 여분의 재료는 일반적으로 바람직하지 않은데, 그 이유는 그것이 물체의 실제 형상 위에 추가의 구조를 형성하기 때문이며, 광경화성 재료가 종종 점착성이고/이거나 원하지 않는 단량체를 함유할 수 있고/있거나 (그로써) 내구성 구조를 형성하지 않을 수도 있기 때문이다. 그러므로, 현재 그러한 잔류의 광경화성 재료는 종종 후경화되어 물체에 고체 표면을 제공하게 된다. 다른 접근법에 따르면, 물체는 기계적으로 또는 화학 용액의 도움으로 세정되고, 선택적으로 후에 후경화된다.
적층 제조에 의해 제조되는 물체를 세정하기 위한 기존의 접근법은 유용한 결과를 제공하지만, 효율적인 세정을 제공하고 물체에 대한 손상 또는 영향을 피하는 방법에 대한 필요성이 여전히 존재한다. 그러한 방법은, 물체를 구축하기 위한 상이한 화학 재료에 기초하여 작동하는 다양한 상이한 적층 제조 공정에 바람직하게는 사용가능하여야 한다.
본 발명은 적층 제조에 의해 물리적 물체(본 명세서에서, "물체"로 추가로 지칭됨)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 적층 제조에 의해 치아 수복재 또는 치과용 기구를 제조하는 방법에 관한 것일 수 있다.
본 방법은,
(a) 경화성 주 재료를 제공하는 단계;
(b) 경화성 주 재료의 부분들 또는 층들을 연속적으로 경화시킴으로써 물체를 구축하는 단계; 및
(c) 물체를 움직이게 하여, 이에 의해(움직이게 함에 의해) 여분의 경화성 재료에 질량 관성력을 생성시킴으로써 물체에서 여분의 경화성 재료를 세정하는 단계를 포함하며,
여분의 재료는 경화성 주 재료 및 경화성 부 재료 중 적어도 하나에 의해 형성된다. 이는 여분의 재료가 경화성 주 재료에 의해, 경화성 부 재료에 의해, 또는 경화성 주 재료와 경화성 부 재료의 조합에 의해 형성될 수 있음을 의미한다.
본 발명은, 적층 제조에 의해 구축되는 물체에서 원하지 않는 접착되는 여분의 재료, 예를 들어 물체에 접착되는 임의의 경화성 주 재료 또는 경화성 부 재료 중 적어도 일부를 광범위하게 세정할 수 있게 한다는 점에서 유리하다. 특히, 물체의 세정은 비침습적(noninvasive)이고 무접촉적(contact-free)이다. 따라서, 물체는 구조적 손상 또는 기계적 파괴로부터 방지되는데, 예를 들어 이러한 손상 또는 파괴가 세정 도구 또는 세정제에 의해 야기될 수 있기 때문이다. 또한, 세정이 물리적 작용에 기초하기 때문에, 이 세정은 일반적으로 여분의 재료의 화학적 조성과 무관하다. 특히, (화학적 세정 단계가 추가로 적용될 수도 있지만) 화학적 세정을 위한 용매 또는 세정제는 필요하지 않다. 그러므로, 본 발명은 상이한 화학적 기반에 기초한 다양한 경화성 주 재료 및 경화성 부 재료와 함께 사용될 수 있다.
본 명세서에서 언급되는 용어 "질량 관성력"(mass inertial force)은 단위 질량당 힘으로 규정될 수 있고, 따라서 단위 m/s2로 규정될 수 있다. 또한, 질량 관성력은 중력 가속도의 계수(factor)인 G-힘에 의해 표현될 수 있다. 본 명세서의 목적상, 중력 가속도는 9.81 m/s2이다. 결과적으로, 예를 들어 9.81 m/s2의 질량 관성력이 1 G로서 표현될 수 있다.
용어 "경화성 주 재료"는 바람직하게는 물체를 구축하는 데 사용되는 재료의 유형의 비-경화된 재료를 지칭한다. 또한, 용어 "경화성 부 재료"는 물체를 구축하는 재료와 상이한 재료의 비-경화된 재료를 지칭한다. 경화성 부 재료는 구축된 물체에 도포, 예를 들어 마무리(finishing)를 위해 구축된 물체 상에 코팅될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "경화성"은 "중합성"을 포함하거나 그에 대응할 수 있다.
경화성 주 재료 및 경화성 부 재료와, 이에 따른 여분의 재료는 또한 바람직하게는 액체 또는 페이스트이다. 그러므로, 경화성 주 재료 및 경화성 부 재료와 여분의 재료는 또한 유동가능하다. 경화성 주 재료 및 경화성 부 재료는 분말이 아닐 수 있다.
이 여분의 재료는 바람직하게는 물체의 일부를 형성하지 않는다. 특히, 여분의 재료는 물리적 물체를 제조하는 데 사용되는 특정 유형의 적층 제조 공정으로부터 기인할 수 있다. 예를 들어, 물리적 물체를 제조하는 데 사용되는 특정 유형의 적층 제조 공정은 원하지 않는 경화성 주 재료가 물체에 본질적으로 접착되게 할 수 있다. 그러한 접착되는 경화성 주 재료는, 예를 들어, 물체의 외측 표면 상에 필름의 형태로 존재할 수 있다.
본 발명에 따르면, 접착되는 경화성 주 재료 또는 경화성 부 재료 중 적어도 일부는 접착되는 여분의 재료에 작용하는 가속도 힘 또는 질량 관성력의 결과로 물체로부터 바람직하게는 분리되게 된다. 가속도 힘 또는 질량 관성력은 물체를 움직이게 함으로써, 예를 들어 회전시킴으로써 유도된다. "물체로부터 분리되게 하는"이라는 어구는, 그러한 점에서, 접착되는 경화성 주 재료 또는 경화성 부 재료의 부분들이 물체의 외측 표면을 덮는 필름으로부터 분리된다는 것을 포함한다. 따라서, 필름은 본 발명의 세정 단계 (c) 동안 줄어들 수 있다. 접착되는 경화성 주 재료 또는 경화성 부 재료의 매우 얇고 균일한 필름 또는 입자들은 세정 후에 잔류할 수 있음에 유의한다. 그러나, 그러한 잔류하는 필름은 후경화될 수 있으며, 따라서 최종적으로 물체의 일부를 형성할 수 있고 여분의 재료에 속하지 않을 수 있다. 그러므로, 본 발명의 방법은 바람직하게는 단계 (c) 후에 (d) 잔류 경화성 주 재료 또는 경화성 부 재료를 후경화시키는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 후경화 단계는 비-패턴화된 광원, 예를 들어 점 광원(spot light) 또는 면 발광기(surface emitter)를 사용하여 수행된다. 잔류 경화성 주 재료 또는 경화성 부 재료는 물체의 코너에, 예를 들어 물체의 층들의 전이부(transition)에 모이는 경향이 있어서, 잔류 경화성 주 재료 또는 경화성 부 재료는 일단 경화되면 (단차진 외측 표면과는 대조적으로) 매끄러운 외측 표면을 제공하는 데 도움을 주는 것으로 밝혀졌다.
적층 제조는 일반적으로 경화성 주 재료의 연속적으로 광경화되는 부분들 또는 층들에 기초할 수 있다. 적층 제조(또는 적층 제조 공정)는 스테레오리소그래피(SLA), 멀티 제트 모델링(Multi Jet Modeling; MJM) 및 필름 전사 이미징(Film Transfer Imaging; FTI) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이들 적층 제조 공정 모두는 전형적으로 물체를 구축하기 위한 액체 및/또는 페이스트 광경화성 재료를 사용한다.
스테레오리소그래피(SLA)는 경화성 주 재료의 선택된 부분을 광에 의해 노출시킴으로써 경화성 주 재료의 경화되는 부분들, 특히 층들에 전형적으로 기초한다. 스테레오리소그래피는 경화성 주 재료의 부분들을 선택적으로 경화시키기 위해 위치설정가능한 레이저 광 빔을 전형적으로 사용한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 경화성 주 재료의 부분들을 선택적으로 경화시키기 위한 광원으로서 프로젝터(projector)가 사용될 수 있다. 하나의 프로젝터 기반 적층 제조 공정은 디지털 라이트 프로세싱(Digital Light Processing)™(DLP)으로 일반적으로 지칭된다. 스테레오리소그래피 및 프로젝터 기반 적층 제조 공정(DLP 및 다른 것들을 포함함)은 본 명세서에서 "스테레오리소그래피"로 지칭되지만, 적층 제조 분야에서 이들 공정은 대안을 형성하는 것으로 이해될 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 방법은 적층 제조에 의해 물리적 물체를 제조하기 위한 시스템 상에서 수행된다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 개시된 바와 같은 본 발명의 방법을 수행하도록 구성된 시스템에 추가적으로 관한 것일 수 있다. 특히, 본 시스템은 적어도 본 발명의 방법의 단계 (a) 및 단계 (b)를 수행하도록 구성된 적층 제조용 장치를 포함할 수 있다. 또한, 본 시스템은 적어도 본 발명의 방법의 단계 (c)를 수행하도록 구성된 후처리 장치를 포함할 수 있다. 적층 제조용 장치 및 후처리 장치는 서로 독립적으로 작동하도록 구성될 수 있거나(예를 들어, 2개의 별개의 장치의 형태로 시스템을 형성할 수 있거나), 또는 조합하여 작동할 수 있다(예를 들어, 하나의 장치 또는 시스템을 조합하여 형성할 수 있다).
바람직하게는, 본 시스템은 경화성 주 재료를 수용하기 위한 배트(vat)와, 물체를 지지하기 위한 구축 캐리어를 갖는다. 구축 캐리어는 구축 표면을 형성한다. 구축 표면은 바람직하게는 배트의 지지 표면과 평행하다. 배트는 바람직하게는 투명하거나 적어도 투명한 바닥벽을 갖는다. 바닥벽은 바람직하게는 지지 표면을 형성한다. 구축 표면 및 지지 표면은 서로를 향한다. 또한, 구축 표면은 바람직하게는 중력 중심을 향하는 반면, 지지 표면은 반대 방향으로 향한다. 지지 표면은 (그러한 재료가 존재하는 경우) 소정량의 경화성 주 재료를 지지한다. 그러므로, 배트는 경화성 주 재료를 배트 내에 유지하기 위한 원주방향 측벽을 갖는다. 배트 및 구축 캐리어는 바람직하게는 서로에 대해 이동가능하다. 배트 및 구축 캐리어는 바람직하게는 컴퓨터 수치 제어(Computer Numerical Control; CNC)에 의해 서로에 대해 위치될 수 있다. 더욱 상세하게는, 배트 및 구축 캐리어는 바람직하게는 지지 표면 및 구축 표면에 수직인 치수 방향으로 서로에 대해 이동가능하고 위치가능하다. 이러한 치수는 본 명세서에서 "구축 치수"(build dimension)로 추가로 지칭된다. 구축 치수는 물체가 연속적으로 구축되는 치수에 추가로 대응한다.
본 시스템은 전술된 공정들 중 임의의 것에 일반적으로 기초할 수 있다. 특정 실시예에서, 본 시스템은 DLP에 기초하며, 여기서 광원, 특히 이미지 프로젝터가 구축 캐리어의 반대쪽에서 배트 아래에 배열된다. 그러한 시스템에서, 물체는 적층 제조 동안 중력 중심으로부터 멀어지게 이동된다. 또한, 프로젝터는 광을 중력 중심으로부터 멀어지는 방향으로 투사한다. 이미지 프로젝터는 지지 표면을 통해 캐리어를 향하는 이미지의 형태로 광을 투사하도록 특히 배열된다. 광은 바람직하게는 경화성 주 재료 내에 포함된 광개시제에 따라 선택된다. 예를 들어, 이르가큐어(Irgacure)(등록상표) TPO와 같은 아실 포스핀 옥사이드계 광개시제가 경화성 주 재료 내에 포함되는 경우, 이미지 프로젝터는 340 nm 내지 430 nm의 파장의 적어도 UV 광을 바람직하게는 방출한다. 이르가큐어(등록상표) TPO는 전형적으로 350 nm 내지 420 nm의 흡수 스펙트럼을 가지며, 이때 흡수 최대치는 약 381 nm이다. 그러나, 이미지 프로젝터는 추가 파장의 광을 발광하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 이미지 프로젝터는 적어도 380 nm 내지 750 nm의 파장 내의 청색 광 및/또는 380 nm 내지 750 nm의 파장 범위의 백색 광을 방출하도록 구성될 수 있다.
대안적인 시스템은 또한 경화성 주 재료를 수용하기 위한 배트와, 물체를 지지하기 위한 구축 캐리어를 갖는다. 구축 캐리어는 바람직하게는 중력 중심으로부터 멀어지게 향하는 구축 표면을 형성한다. 지지 표면은 소정량의 경화성 주 재료(그러한 재료가 존재하는 경우)를 지지한다. 배트는 경화성 주 재료를 배트 내에 유지하기 위한 원주방향 측벽을 갖는다. 배트 및 구축 캐리어는 바람직하게는 서로에 대해 이동가능하다. 배트 및 구축 캐리어는 바람직하게는 컴퓨터 수치 제어(CNC)에 의해 서로에 대해 위치될 수 있다. 더욱 상세하게는, 배트 및 구축 캐리어는 바람직하게는 구축 표면에 수직인 치수 방향으로 서로에 대해 이동가능하고 위치가능하다. 본 시스템은 배트 위에 배열되는 레이저 광원을 가질 수 있다. 그러한 시스템에서, 물체는 적층 제조 동안 중력 중심을 향해 이동된다. 또한, 레이저 광원은 중력 중심을 향하는 방향으로 광을 투사한다. 전술한 바와 같이, 광은 또한 바람직하게는 경화성 주 재료 내에 포함된 광개시제에 따라 선택된다.
일 실시예에서, 물체를 구축하는 단계 (b)는 경화성 주 재료로부터 층을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 경화성 주 재료로부터의 층은 구축 표면과 지지 표면 사이에 형성된다. 경화성 주 재료의 층이 본 발명의 방법의 단계 (b)에서 정의된 바와 같이 이전에 경화된 경우, 경화성 주 재료로부터의 층은 경화된 층과 지지 표면 사이에 형성된다. 층을 형성하기 위해, 경화성 주 재료는 배트 내에 제공될 수 있고, 구축 캐리어 및 배트는 결정된 위치를 향해 위치될 수 있다. 바람직하게는, 층은 구축 치수를 따라 층 두께를 갖는다. 구축 표면과 지지 표면 사이의 거리는 층 두께에 대응하거나 층 두께를 형성한다. 일단 물체의 하나 이상의 층이 구축되면, 층 두께는 각각의 경화된 층과 지지 표면 사이의 거리에 대응한다. 구축 표면에 가장 가깝게 위치된 경화된 층은 가장 하부의 경화된 층으로 지칭된다. 가장 하부의 경화된 층은 지지 표면을 향하는 표면을 갖는다. 따라서, 경화성 주 재료로부터의 층은, 물체가 적어도 부분적으로 구축되는 경우에, 가장 하부의 경화된 층의 표면과 지지 표면 사이에 형성된다.
추가의 실시예에서, 본 방법은 경화성 주 재료의 층의 체적 요소(volume element)를 경화시키는 단계를 포함한다. 체적 요소는 그 두께가 층 두께에 대응한다. 특히, 경화성 주 재료로부터의 층은 이미지 프로젝터로부터 방출된 광에 노출될 수 있다. 경화되는 체적 요소는 그 형상이 이미지 프로젝터에 의해 경화성 주 재료로부터의 층을 향해 투사되는 이미지에 전형적으로 대응한다. 예를 들어, 이미지 프로젝터에 의해 투사되는 링 형상의 이미지는 층 두께에 대응하는 두께를 갖는 경화된 주 재료의 링을 전형적으로 생성한다. 체적 요소는 구축 치수 둘레에 주연 표면을 형성한다. 이러한 체적 요소는 경화성 주 재료와 자연적으로 접촉한다. 예를 들어, 링 형상의 체적 요소가 이미지 투사에 의해 생성되는 경우에, 그러한 링 형상의 체적 요소는 (이미지의 바깥에 있었고 그에 따라 광에 노출되지 않은) 경화성 주 재료와 접촉하는 대체로 원통형의 주연 표면을 형성한다.
추가 실시예에서, 본 방법은 체적 요소를 구축 치수 방향으로(두께의 치수 방향으로) 이동시키는 단계를 포함한다. 특히, 스테레오리소그래피를 이용하여, 체적 요소는 추가의 경화성 주 재료가 체적 요소 위로 유동할 수 있도록 하강될 수 있고, 또는 대안적으로, 체적 요소는 추가의 경화성 주 재료가 (특히, 체적 요소와 지지 표면 사이에서) 체적 요소 아래로 유동할 수 있도록 상승될 수 있다. 따라서, 경화성 주 재료의 추가의 층이 생성된다.
본 방법은 추가의 체적 요소를 경화시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 추가의 체적 요소는 경화성 주 재료의 추가의 층 내에서 경화된다.
경화성 주 재료의 층의 체적 요소를 경화시키는 단계, 체적 요소를 구축 치수 방향으로 이동시키는 단계, 및 추가의 체적 요소를 경화시키는 단계는 물체가 구축될 때까지 바람직하게는 반복된다.
일 실시예에서, 경화성 부 재료는 경화성 주 재료와 상이하다. 예를 들어, 경화성 부 재료는 경화성 주 재료가 기초로 하는 화학적 조성과 상이한 화학적 조성에 기초할 수 있다. 특히, 경화성 부 재료는 경화성 주 재료의 색상 및/또는 반투명도와 상이한 색상 및/또는 반투명도를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 경화성 주 재료는 광중합성 수지이다. 또한, 경화성 부 재료는 광중합성 수지일 수 있다. 경화는 바람직하게는 광에 의한 경화성 주 재료 및/또는 경화성 부 재료의 조사(irradiation)에 의해 수행된다. 광은, 본 명세서에 명시된 바와 같은 UV 광, 청색 광 또는 백색 광일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 또한, 경화성 주 재료는 광개시제로서 캄포르퀴논을 포함하는 제형에 기초할 수 있다.
일 실시예에서, 경화성 부 재료뿐만 아니라 경화성 주 재료는 각각 광개시제로서 아실 포스핀 옥사이드, 특히 이르가큐어(등록상표) TPO를 포함하는 제형에 기초한다. 경화성 주 재료 및 경화성 부 재료는 추가로 반응성 기로서 (메트)아크릴레이트 모이어티(moiety)를 갖는 단량체에 기초할 수 있으며, 충전제, 염료 및 착색제를 함유할 수 있다.
일 실시예에서, 단계 (c)에서 생성된 질량 관성력은 100 G 이상의 G-힘에 대응한다. 100 G의 질량 관성력이 중간 내지 높은 점성의 광경화성 재료를 제거하기에 적합한 것으로 입증되었다. 당업자는 세정 단계 (c)에 필요한 질량 관성력이 더 낮은 점성 재료에 대해 더 낮을 수 있고 더 높은 점성 재료에 대해 더 높을 수 있음을 인식할 것이다. 질량 관성력은 회전 속도를 조절함으로써 전형적으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 반경은 전형적으로 물체의 크기 및 후처리 장치의 구성에 의해 결정되며, 그 결과 질량 관성력이 물체가 움직이게 되는 회전 속도에 의해 조절될 수 있다. 바람직하게는, 단계 (c)에 따른 움직임은 물체(여분의 재료를 포함함)가 공기(특히, 주위 공기)에 의해 둘러싸인 상태로 수행된다. 이는 여분의 재료가 공기(특히, 주위 공기)와 직접 접촉하는 것을 의미한다.
일 실시예에서, 단계 (c)에서 물체를 움직이게 하는 것은 물체의 회전이다. 따라서, 질량 관성력은 원심력에 의해 생성될 수 있다. 그러므로, 단계 (c)는 물체를 회전시켜 여분의 경화성 재료 내에 원심력을 생성함으로써 물체에서 여분의 경화성 재료를 세정하는 것에 의해 한정될 수 있다.
표 1의 예에서, 본 방법의 단계 (c)에 따라 물체를 움직이게 하였다(특히, 회전시켰다). 물체를 (가장 좌측의 칼럼에 명시된 바와 같은) 상이한 회전 속도로 그리고 상이한 회전축들을 중심으로 회전시켰다. 회전축으로부터 가장 멀리 떨어져 위치된 물체의 지점 또는 영역을 (칼럼 r에 명시된 바와 같은) 반경으로서 측정하였다. 표 1의 마지막 라인에 제공된 예에서, 물체의 회전축이 물체의 바깥에 있도록 물체를 실험실용 원심기에 넣었다. 회전 속도 n은 또한 분당 회전수(round per minute)로부터 초당 회전수로의 변환값으로서 제공된다. (칼럼 a에 제공된) 질량 관성력은 하기 식:
Figure 112020012487042-pct00001
에 의해 결정될 수 있고, G-힘은 하기 식:
Figure 112020012487042-pct00002
에 의해 결정될 수 있다.
[표 1]
Figure 112020012487042-pct00003
여분의 물질의 입자 상의 원심력은 회전 속도와, 상기 입자가 회전축으로부터 위치되는 반경에 좌우되는 것에 유의한다. 따라서, (전형적으로 치아 수복재의 경우인 것처럼) 불균일한 외측 형상을 갖는 물체 상의 여분의 재료는 상이한 원심력에 노출된다. 그러나, 적어도 물체의 회전축으로부터 오프셋되어 위치된 물체의 외측 표면 부분의 대부분의 경우에 상기에 명시된 회전 속도에서 만족스러운 세정 효과가 도달될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 또한, 회전축에 더 가깝게 (또는 회전축 내에) 위치된 물체의 외측 표면 부분들의 경우에, 세정 단계는 물체를 상이한 추가의 회전축을 중심으로 회전시킴으로써 수행될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
그러므로, 본 발명의 단계 (c)에 따른 물체의 회전은 바람직하게는 적어도 제1 회전축 및 제2 회전축을 중심으로 수행된다. 바람직하게는, 제1 및 제2 회전축의 각각에 대한 회전은 다수의 회전(revolution)을 포함한다. 특히, 단계 (c)에 따른 제1 및 제2 회전축의 각각에 대한 회전은 15초 이상, 예를 들어 15초 내지 200초의 기간 동안 수행된다. 이에 의해, 제1 회전축 및 제2 회전축은 상이한 배향을 갖는다. 따라서, 적층 제조에 의해 구축된 물체의 외부 표면에서는 여분의 재료가 효과적으로 세정될 수 있다. 물체의 회전은 복수의 회전축 또는 1개의 치수 방향, 2개의 치수 방향 또는 3개의 치수 방향으로 연속적으로 경사질 수 있는 회전축에 대해 수행될 수 있다. 회전축이 1개의 치수 방향, 2개의 치수 방향 또는 3개의 치수 방향으로 연속적으로 경사질 수 있는 실시예는 짐벌 또는 카단 서스펜션(gimbal or Cardan suspension)에 의해 달성될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 회전축을 중심으로 한 물체의 회전은 동일한 회전 속도로 수행된다.
일 실시예에서, 제1 회전축의 제1 배향 및 제2 회전축의 상이한 제2 배향은 조절가능하거나 조절된다.
일 실시예에서, 물체는 물체로부터 치아 수복재를 제공하기 위한 작업물을 포함한다. 그러므로, 작업물은 물체가 구축되고 세정된 후에 물체의 임의의 추가 구조체가 제거되는 치아 수복재에 대응할 수 있다. 따라서, 작업물은 치아 형상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 작업물은 치과용 크라운(crown), 치과용 브릿지(bridge) 또는 치과용 인레이(inlay)일 수 있다. 물체는 또한 바람직하게는 고정구(fixture) 부분을 포함한다. 고정구 부분은 바람직하게는 치아 수복재의 일부를 형성하지 않는다. 오히려, 고정구 부분은 물체에서 여분의 재료를 세정하기 위한 후처리 장치 내에 물체를 유지하도록 구성될 수 있다. 물체는 작업물과 고정구를 서로 연결하는 하나 이상의 지지 구조체를 추가로 포함할 수 있다. 지지 구조체는 바람직하게는 또한 치아 수복재의 일부를 형성하지 않는다. 그러므로, 치아 수복재를 얻기 위해, 본 방법은 작업물로부터 지지 구조체를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
물체는 지지 구조체들을 통해 하나의 공통 고정구에 배열되는 2개 이상의 작업물들을 추가로 포함할 수 있다. 이는 몇 개의 치아 수복재를 동시에 구축할 수 있게 하고 하나의 물체 그러나 몇 개의 치아 수복재에 대한 세정 단계를 한 번에 수행할 수 있게 한다.
일 실시예에서, 물체는 물체로부터 치과용 기구를 제공하기 위한 작업물을 포함한다. 그러한 치과용 기구는 하나 이상의 치과교정용 브래킷 또는 치과교정용 얼라이너(aligner)와 같은 치과교정용 기구를 포함할 수 있다. 일반적으로, 치과교정용 기구는 환자의 치아를 초기 위치(때때로, "부정 교합"(malocclusion)으로 지칭됨)에서 원하는 최종 위치(때때로, "이상적 위치"로 지칭됨)를 향해 정렬시키기 위해 사용된다.
치과교정용 브래킷은 이 브래킷을 환자의 치아에 부착하기 위한 브래킷 베이스, 및 브래킷 본체에 의해 형성된 슬롯 내에 치과교정용 아치와이어(archwire)를 수용하기 위한 브래킷 본체를 전형적으로 포함한다. 또한, 치과교정용 얼라이너는 환자의 치열의 한 열 내의 몇 개의 치아의 음각 형상(negative shape)을 복제하는 트레이에 의해 형성될 수 있다. 치과교정용 얼라이너는 치아의 음각 형상을 복제할 수 있으며, 이때 이 치아는 환자의 치아의 초기 위치에 비하여 약간 상이한 위치를 갖는다. 따라서, 치과교정용 얼라이너를 치아들 위에 약간의 시간 동안 배치함으로써, 치아는 치과교정용 얼라이너에 나타낸 위치를 향해 가압된다. 치과교정용 기구는 소위 치과교정용 위치설정 트레이 또는 템플릿(template)을 추가로 포함할 수 있다. 치과교정용 위치설정 트레이는, 이 위치설정 트레이의 도움으로 환자의 치아 상에 위치되고 설치될 수 있는 치과교정용 브래킷들을 수용하기 위해 전형적으로 준비된다.
치과교정용 기구는 환자의 치아의 양각 형상(positive shape)을 추가로 복제하여 환자의 치아의 양각 모델을 형성할 수 있다. 양각 모델은, 이 양각 모델 위로 플라스틱 필름을 딥-드로잉(deep-drawing)함으로써 치과교정용 얼라이너 또는 치과교정용 위치설정 트레이를 제조하는 데 사용될 수 있다.
치과용 기구는 치아의 음각 형상을 복제하는 치과용 인상재(impression)를 추가로 포함할 수 있다. 그러한 치과용 인상재는 환자의 치아의 플라스터 모델을 주조하기 위해 또는 이를 수복하기 위한 치과용 재료에 의해 불완전한 치아를 완전하게 하기 위해 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 본 방법은 단계 (c)에 따라 물체를 세정하기 위한 모터 구동식 후처리 장치 내에 물체를 위치시키는 단계를 추가로 포함한다. 후처리 장치는 진탕기(shaker) 또는 원심기일 수 있다.
일 실시예에서, 원심기는 모터와, 이 모터에 의해 구동가능하거나 구동되는 스핀들을 포함한다. 스핀들은 그 위에 물체를 유지하기 위해 제공된다. 따라서, 스핀들은 물체를 수용 및/또는 유지하기 위한 리셉터클(receptacle)로서 간주될 수 있다. 특히, 물체의 고정구 부분은 원심기의 스핀들과 기계적으로 결합하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 고정구 부분은 (바람직하게는, 약간의) 압력 끼워맞춤(press fit)을 통해 스핀들 상에 물체를 밀어넣기 위한 공동을 가질 수 있다. 바람직하게는, 고정구 부분은 2개의 상이한 회전축을 중심으로 한 회전을 위해 스핀들 상에 물체를 밀어넣기 위해 상이한 배향을 따라 연장되는 2개의 공동을 갖는다.
추가의 실시예에서, 원심기는 하나 이상의 홀더가 현수되는 모터 구동가능 로터 또는 모터 구동식 로터를 포함한다. 바람직하게는, 홀더는 로터의 회전 동안 홀더(들)가 원심력의 결과로 반경방향 외향으로 피벗되도록 로터에 피벗식으로 현수된다. 홀더는 원심 작용을 받기 위한 물체를 수용하기 위해 전형적으로 제공된다. 또한, 트레이가 물체를 그 내부에 위치시키고 유지하기 위해 제공될 수 있다. 트레이는 홀더 내에 추가로 유지가능하고/하거나 수용가능할 수 있다.
일 실시예에서, 진탕기는 모터와, 불완전 원형인 경로(non-full-circular path)를 따른 움직임으로 로터의 회전을 변환하기 위한 컨버터를 포함한다. 불완전 원형인 경로는 선형 움직임 또는 부분적 원형 움직임(예를 들어, 360도 미만)일 수 있다. 따라서, 진탕기는 2개의 말단 위치들 사이에서 물체를 움직이게 할 수 있다. 말단 위치에 접근하고 이를 떠날 때, 물체(및, 결과적으로 여분의 재료)는 감속도 및 가속도로 인해 각각 질량 관성력에 노출된다. 유사한 효과가 대안적인 경로 상에서의 움직임에 의해 달성될 수 있다. 그러한 대안적인 경로는 선형(부분적 원형) 움직임과 완전 원형인 움직임의 조합일 수 있다. 예를 들어, 불완전 원형인 경로는 숫자 8(또는 본질적으로 숫자 8과 유사)과 같이 형상화된 경로를 따른 움직임 또는 타원형(또는 본질적으로 타원형)을 따른 움직임일 수 있다. 또한, 대체로 선형 또는 부분적으로 원형인 움직임을 제공하지만 선형(부분적 원형) 움직임의 측방향으로의 추가의 움직임을 가능하게 하는 진탕기가 있다. 그러한 진탕기에서, 불완전 원형인 경로는 비교적 임의적인 측방향 움직임 및 선형(또는 부분적 원형) 움직임으로 구성된다. 본 명세서에 개시된 원리에 기초한 진탕기는, 예를 들어, 아말감(amalgam) 또는 분말 액체 재료를 혼합하기 위한 치과학 분야에서 사용된다.
일 실시예에서, 본 방법은 물체를 트레이 내에 배치하는 단계를 추가로 포함한다. 트레이는 바람직하게는 물체를 수용하기 위한 리셉터클을 포함한다. 리셉터클은 단차진 구성을 갖는 관통-구멍으로서 형성될 수 있다. 따라서, 관통-구멍은 단차부의 일 측에서 더 넓은 부분과, 단차부의 다른 측에서 더 좁은 부분을 따라 연장될 수 있다. 관통-구멍의 단차부는 물체를 그 위에 유지하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 물체의 고정구 부분은 더 넓은 부분에 끼워맞춤되어 관통 구멍의 단차부 상에 놓이도록 크기설정되고 형상화될 수 있는 반면, 물체의 작업물은 관통 구멍의 더 좁은 부분 내에서 또는 그를 통해 연장된다.
추가의 실시예에서, 본 방법은 트레이를 원심기에 배치하는 단계를 포함한다. 트레이는 전술한 바와 같이 원심기의 홀더 내에 배치될 수 있다.
추가의 실시예에서, 본 방법은 원심기에 의해 트레이 내의 물체가 원심 작용을 받게 하는 단계를 포함한다. 이에 의해, 물체에서 여분의 재료가 바람직하게는 세정된다.
본 발명은 또한 물체에서 여분의 재료를 세정하기 위한 원심기의 용도에 관한 것이다. 물체는 적층 제조에 의해 제조된다. 물체는, 예를 들어, 본 명세서에 기술된 바와 같이 스테레오리소그래피, 특히 디지털 라이트 프로세싱에 의해 광중합성 수지에 기초한 적층 제조 공정에 의해 바람직하게는 제조된다. 물체는 바람직하게는 경화된 주 재료로 적어도 부분적으로 또는 부분적으로 형성된다. 경화된 주 재료는 경화성 주 재료를 경화시킴으로써 얻어질 수 있거나 얻어진다. 여분의 재료는 물체에, 특히 물체의 적어도 외부 표면에 접착될 수 있다. 여분의 재료는 경화성 주 재료 및 경화성 부 재료 중 적어도 하나에 의해 형성된다. 일반적으로 요구되지는 않지만, 물체는 경화된 주 재료와 여분의 재료 사이에 경화성 주 재료를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 경화성 주 재료 및 여분의 재료는 물체를 구축하기 위해 사용되는 적층 제조 공정으로부터 자연적으로 기인하는 하나의 필름을 형성할 수 있다. 필름의 (전형적으로, 주요한) 부분은 본 발명의 방법에 따라 세정 단계에 의해 제거가능할 수 있다. 필름의 그러한 제거가능한 부분은 여분의 재료에 대응한다. 반면에, 필름의 나머지(전형적으로, 부차적인) 부분은 (적어도 경제적 관점에서) 제거가능하지 않을 수 있고, 물체의 일부를 형성할 수 있다. 필름의 이러한 나머지 부분은 그것을 적절한 파장의 광에 노출시킴으로써 후경질화 또는 후경화될 수 있다.
본 발명은 또한 원심기에 관한 것이다. 원심기는 본 명세서에서 본 발명의 다른 태양과 함께 또한 개시된 트레이를 포함한다. 트레이는 적층 제조에 의해 제조되는 대응하는 복수의 물체를 수용하기 위한 복수의 리셉터클을 포함한다. 원심기는 적어도 하나의 홀더가 피벗식으로 현수되는 로터를 추가로 포함한다. 또한, 트레이는 홀더 내에 제거가능하게 유지될 수 있거나 또는 유지된다. 원심기는 바람직하게는 물체들이 원심 작용을 받게 하여 여분의 재료에 원심력을 생성함으로써 물체들에서 여분의 재료를 세정하도록 구성된다.
일 실시예에서, 리셉터클은 관통-구멍의 형태로 제공된다. 관통-구멍은 트레이를 통해 연장되고 트레이 내에 각각의 리셉터클 개구를 형성할 수 있다. 바람직하게는, 리셉터클 개구들에 걸쳐있는(span) 수집 용기가 제공된다. 수집 용기는 컵 형상일 수 있고 바람직하게는 개구를 형성할 수 있는데, 그 개구 내에 또는 인접하게 트레이가 배열될 수 있다. 따라서, 수집 용기는 원심 작용을 받음으로써 물체로부터 분리되는 여분의 재료가 수집 용기 내에 수집되도록 배열된다.
일 실시예에서, 트레이는 2개 이상의 광선을 포함하는 원심기의 로터의 균형을 맞추는 것을 가능하게 하는 균형추(counterbalance)를 포함한다. 균형추는 상이한 불균형을 고려하기 위해 제위치에 조절가능할 수 있다. 또한, 균형추는 상이한 불균형을 고려하기 위해 상이한 균형추에 의해 교체가능할 수 있다.
추가의 실시예에서, 트레이, 수집 용기 또는 홀더 중 적어도 하나는 2개의 상이한 회전축을 중심으로 로터에 대해 회전가능할 수 있다. 예를 들어, 홀더는 바람직하게는 로터의 회전축에 수직인 피봇 축을 중심으로 회전가능하다. 그러므로, 홀더는 (회전 공중 그네(chairoplane)와 같이) 회전축의 반경 방향으로의 하나의 치수 방향으로 피봇될 수 있다. 또한, 트레이 및/또는 수집 용기는 피봇 축에 수직인 회전축을 중심으로 회전가능할 수 있다. 따라서, 원심 작용을 받는 동안, 물체는 상이한 회전축들에 대해 배향될 수 있다. 그러므로, 세정 효과가 최대화될 수 있다.
일 실시예에서, 복수의 리셉터클은 적어도 하나의 물체 또는 복수의 물체를 포함한다. 또한, 복수의 리셉터클의 각각에, 하나의 물체가 수용될 수 있다. 그러나, 복수의 리셉터클들 중 일부에만 물체가 수용될 수 있다는 것에 유의한다.
도 1은 본 발명에 사용될 수 있는 적층 제조용 장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 방법을 사용하여 제조될 수 있는 물체의 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 물체의 다른 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심기 상에 부착된 물체의 부분 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심기의 평면도.
도 6은 본 발명에 사용될 수 있는 트레이 조립체(tray assembly)의 사시도.
도 7은 도 6에 도시된 트레이 조립체의 단면 사시도.
도 8은 본 발명에 사용될 수 있는 트레이의 부분 사시도.
도 9는 트레이가 사용되는 원심기의 작동 중의 도 8의 트레이의 부분 사시도.
도 1은 본 발명의 방법에 따른, 적층 제조에 의해 물리적 물체(100)를 제조하기 위한 장치(1)를 도시한다. 이 예에서, 장치(1)는 치아 수복재를 구축하는 데 사용된다. 그러므로, 이 예에서의 물리적 물체(100)는 치아 수복재이다. 치아 수복재는, 예를 들어, 치과용 크라운, 치과용 브릿지, 치과용 인레이 또는 하나 이상의 대체 치아를 포함한다.
장치(1)는 경화성 주 재료가 제공되는 배트(3)를 포함한다. 경화성 주 재료를 제공하기 위해, 장치(1)는 경화성 주 재료를 저장하기 위한 하나 이상의 탱크(도시되지 않음)와 경화성 주 재료의 부분들을 배트(3) 내로 분배하기 위한 수단을 가질 수 있다. 경화성 주 재료는, 원하는 바와 같이, 상이한 치아 색상으로 선택적으로 제공될 수 있다. 이 예에서, 경화성 주 재료는 광경화성 수지(또한 일반적으로 치과용 재료 실무의 분야에서 광중합성 수지로도 지칭됨)이다. 경화성 주 재료는 액체 또는 페이스트(따라서, 유동가능함) 주도(consistency)를 갖는다. 배트(3)는 광 투과성 베이스(2)를 갖는다. 이 예에서, 전체 배트(3)은 투명 재료로 제조된다. 배트(3)에 적합한 재료들에는, 예를 들어, 실리카 유리 또는 폴리카보네이트가 포함된다. 적절한 다른 재료들도 가능하다.
배트(3)는 일반적으로 컵 형상이다. 특히, 배트(3)는 바닥벽(3a)과 측벽(3b)을 가지며, 바닥벽(3a)의 반대쪽에 개구를 형성한다. 본 예에서 배트(3)는 대체로 원형이지만(원형 측벽을 갖지만), 다른 기하학적 구조들도 가능하다.
장치(1)는 스테레오리소그래피에 의해 물체(100)를 구축하도록 일반적으로 구성된다. 이는 물리적 물체가 경화성 주 재료의 부분들, 특히 층들을 연속적으로 경화시킴으로써 구축된다는 것을 의미한다. 그러므로, 각각의 구축된 층은 경화된 주 재료로 이루어진다. 경화된 주 재료는 고체이다(그리고 유동성이 아니다). 층들이 "적층되는"(stacked) 또는 서로에 대해 제공되는 치수는 본 명세서에서 "구축 치수"로 지칭되며 이 도면에서 "B"로 지시된다. 나머지 2개의 치수로의 형상은 경화된 주 재료의 각각의 층의 형상에 의해 제어된다.
경화된 주 재료의 개별 층들의 형상은 경화성 주 재료의 층의 선택된 부분들의 노출에 의해 결정된다. 이는 광원(5)에 의해 수행되는데, 광원은 이 예에서 이미지 프로젝터이다. 이미지 프로젝터는 원하는 두께의 층으로 가상으로 슬라이싱되는 3차원 가상 물체에 기초하여 컴퓨터에 의해 제어된다(특히, 이미지를 제공한다). 이미지 프로젝터는 디지털 라이트 프로세싱™에 기반할 수 있다. 디지털 라이트 프로세싱(DLP)은 반도체 칩 상에 매트릭스로 배열된 마이크로-미러들을 사용한다. 이러한 반도체 칩은 디지털 마이크로미러 장치(Digital Micromirror Device, "DMD")로 알려져 있다. DMD의 전형적인 미러는 약 5 μm 이하의 크기를 갖는다. 각각의 미러는 반도체의 제어에 의해 2개의 위치들 사이에서 이동가능하다. 한 위치에서 미러는 미러 상에 지향된 광을 광 출력부를 통해 반사시키도록 위치되는 반면, 다른 위치에서 미러는 미러 상에 지향된 광이 프로젝터를 빠져나가지 않도록 위치된다. 각각의 미러는, 미러의 수가 투사된 이미지의 해상도에 전형적으로 대응되도록, 투사된 이미지에 하나의 픽셀을 전형적으로 표현한다. 당업자는 다른 프로젝터 기술들 또는 레이저 빔이 본 발명의 장치에 마찬가지로 사용될 수 있음을 인식할 것이다.
광원(5)은 장치(1)의 광 투과성 영역(7) 아래에 배열된다. 광 투과성 영역(7)은 (중력의 방향에 수직하게) 대체로 수평으로 배열되고, 광원(5)은 중력 중심(center of gravity)을 향하는 광 투과성 영역(7)의 그 면 상에 배열된다. 이 예에서, 광 투과성 영역(7)은 이 장치의 하우징(6) 내에 제공된다. 배트(3)는 광 투과성 베이스(2)가 광 투과성 영역(7) 상에 있는 상태로 제거가능하게 배치된다. 그러므로, 광원(5)에 의해 방출되고 하우징(6)의 광 투과성 영역(7)을 통해 투과된 광은 또한 배트(3)의 광 투과성 베이스(2)를 통해 투과된다. 또한, 배트(3)가 장치(1) 내에 제거가능하게 배치되기 때문에, 배트(3)는 다른 배트, 예를 들어 상이한 색상의 경화성 주 재료와 함께 사용하기 위한 배트로 대체될 수 있다.
광 투과성 영역(7) 및 광 투과성 베이스(2)는 투과성이고 투명한 것이 바람직하다. 따라서, 광 투과성 베이스에 투사된 이미지의 이미지 선명도가 최대화될 수 있다. 이는 또한 최대 정확도로 물체를 구축하기 위한 토대가 된다. 다른 예에서 광 투과성 영역 및 광 투과성 베이스는 하나로 조합될 수 있다는 것에 유의한다.
장치(1)는 구축 캐리어(4)를 포함한다. 구축 캐리어(4)는 광원(5) 반대쪽의 광 투과성 영역(7)의 그 면 상에 배열된다. 구축 캐리어(4)는 장치에 의해 구축된 물체를 유지하도록 구성된다. 구축 캐리어(4)는 컴퓨터 제어에 의해 광 투과성 베이스(2)(및 광 투과성 영역(7))에 대해 위치될 수 있다. 특히, 구축 캐리어(4)는 적어도 구축 치수(B) 방향으로 이동가능하다. 다른 예에서, 구축 캐리어는 구축 치수에 수직인 하나 또는 2개의 치수 방향으로 이동가능할 수 있다.
물체(100)는 구축 치수(B) 방향으로 장치(1) 내에 구축된다. 특히, 구축 공정은 먼저 생성된 물체의 일부분 또는 층에 관하여 하향으로(중력의 방향으로) 수행된다. 이는, 물체(100)가 구축됨에 따라 장치(1)가 (중력 중심으로부터 멀어지게 그리고 광 투과성 영역(7)으로부터 멀어지게) 물체(100)를 연속적으로 위로 끌어당긴다는 점에서 달성된다.
구축 캐리어(4)는 지지체(8)를 통해 선형 구동기(9)에 연결된다. 본 예의 선형 구동기(9)는 지지체(8)가 구축 치수(B)의 2개의 방향으로 이동될 수 있도록 지지체(8)에 기계적으로 결합된 스핀들(도시되지 않음)을 갖는다. 선형 구동기(9)는 모터(10) 및 위치 측정 장치를 추가로 갖는다. 따라서, 지지체(8) 및 부착된 구축 캐리어(4)는 컴퓨터 수치 제어(Computer Numerical Control; CNC)를 통해 장치(1)의 제어에 의해 정확하게 위치될 수 있다. 당업자는 이 지지체가 다른 예에서 구축 캐리어로서 그 자체로 구성될 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 당업자는 구축 캐리어가 다른 수단에 의해 선형 구동기와 연결될 수 있음을 인식할 것이다. 추가적으로, 스핀들 구동기 외의 다른 구동기들이 가능하다.
예시된 단계에서, (이 예에서, 치과용 크라운을 포함하는) 물체(100)는 장치(1) 내에 이미 부분적으로 구축된다. 일반적으로, 물체(100)는 구축 캐리어(4)와 광 투과성 베이스(2) 사이의 구역 내에 구축된다. 특히, 물체(100)는 구축 캐리어(4)에 의해 물체(100)의 제1 단부(101)에서 지지 구조체(103)를 통해 지지된다. 도시된 단계에서의 구축 캐리어(4)는 물체(100)의 반대쪽의 제2 단부(102)와 광 투과성 베이스(2) 사이에 공간(12)이 형성되도록 위치된다. 공간(12)은 구축 치수(B) 방향으로 미리 결정된 두께를 갖는다. 또한, 경화성 주 재료(11)가 배트(3) 내에 제공된다. 경화성 주 재료(11)의 양은 미리 결정된 충전 레벨의 경화성 주 재료의 배쓰(bath)가 형성되도록 선택된다. 경화성 주 재료(11)의 충전 레벨은 공간(12)의 두께에 대응되거나 그보다 더 높다. 그러므로, 공간(12)은 전체가 경화성 주 재료(11)로 채워진다. 이 단계에서 이미지 프로젝터(5)는 광 투과성 베이스(2)를 통해 공간(12) 내로 광을 방출하는 데 사용될 수 있다. 광은 바람직하게는 광 투과성 베이스(2)와 평행한 평면에서 2차원 패턴의 형태로 방출된다. 따라서, 광 패턴의 패턴을 따라 경화성 주 재료(11)가 국소적으로 조사된다. 특히, 패턴의 임의의 광 픽셀은 광 픽셀의 광에 노출되는 경화성 주 재료(11)의 부분들이 경화되게 한다. 경화성 주 재료(11)는 광이 공간(12) 내의 경화성 주 재료(11)를 전체적으로 통과할 수 있도록 소정의 정도로 전형적으로 광 투과성이다. 따라서, 경화성 주 재료의 경화에 의해, 경화된 주 재료의 부분들(특히, 층들)이 생성된다. 경화된 주 재료의 이들 부분은 이미 구축되어 더 보완된 물체의 일부가 되었다고 할 만큼 물체(100)와 연결된다. 이러한 단계로부터, 이 보완된 물체는 광 투과성 베이스(2)로부터 후퇴되어 아직 경화되지 않은 경화성 주 재료로 채워질 새로운 공간을 생성할 수 있는데, 이 경화성 주 재료는 물체가 완전히 층상으로 구축될 때까지 계속 추가의 광 패턴에 의해 조사되어 물체를 추가로 보완되게 할 수 있다. 구축 캐리어(4)는 광 투과성 영역(7)을 향하는 유지 표면(retention surface)을 가지며, 이 표면에 물체(100)가 접착된다. 이 유지 표면은 경화된 주 재료의 유지를 제공한다. 경화된 주 재료의 유지는 광 투과성 베이스(2) 상의 경화된 주 재료의 유지보다 더 우수하다. 따라서, 물체를 광 투과성 베이스로부터 멀어지게 당길 때, 이 물체는 광 투과성 베이스로부터 분리되면서 구축 캐리어에 유지되게 한다. 당업자는 구축 캐리어(4) 및 광 투과성 베이스(2)에 대한 재료의 선택, 구축 캐리어(4) 및 광 투과성 베이스(2)의 표면 거칠기의 구성, 유지 요소들의 배열, 또는 이들의 조합을 비롯하여 구축 캐리어에서 경화된 주 재료의 더 양호한 접착력을 제어하는 몇몇 기술적 가능성을 인식할 것이다. 광 투과성 베이스(2)는 선택적으로 비점착성 코팅, 예를 들어 폴리테트라플루오로에틸렌으로 코팅된다. 따라서, 경화된 주 재료가 광 투과성 베이스로부터 느슨해지면서 경화된 부분들이 서로 접착된다. 그러므로, 후퇴 도중 구축된 물체의 임의의 분리를 방지할 수 있다.
물체의 후퇴 도중, 물리학의 특성에 의하면, 배트 내의 경화성 주 재료가 새로 생겨나는 공간 내로 흡입된다(또는 주위 압력에 의해 압착된다). 충전 레벨이 공간의 두께 미만으로 떨어지는 것(이는 물체에 공극을 유발할 수 있음)을 방지하기 위해, 물체의 후퇴에 앞서 및/또는 그와 동시에 배트 내에 경화성 주 재료가 더 제공된다.
일단 물체(100)가 완전히 구축되면, 임의의 지지 구조체(103)가 예를 들어 물체(100)로부터 떨어져 나감으로써 제거된다. 또한, 물체에 접착되는 여분의 (액체 또는 페이스트) 경화성 주 재료가 바람직하게는 제거된다. 여분의 경화성 주 재료는, 물체로부터 연속적으로 당겨지는 경화성 주 재료가 전형적으로 완전히 흘러나오지 않기 때문에, 물체에 접착될 수 있다. 그러한 접착되는 여분의 경화성 주 재료는 경화(후경화)되어 임의의 세정 단계를 절약할 수 있지만, 접착되는 경화성 주 재료가 균일한 층을 형성하지 않을 수도 있는 것으로 밝혀졌다. 그러므로, 접착되는 여분의 경화성 주 재료는 물체의 형상의 정확성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
도 2 및 도 3은 도 2에 기술된 바와 같은 장치 내에서 구축된 물체(100)를 도시한다. 물체(100)는 이 예에서 치과용 크라운인 작업물(104)을 포함하며, 이 작업물은 지지 구조체(103)를 통해 고정구 부분(105)에 연결된다. 작업물(104), 지지 구조체(103) 및 고정구 부분(105)은 경화된 주 재료로부터 구축된다. 고정구 부분(105)은 임의의 소위 후처리 단계에서 물체(100)의 취급 및 재현가능한 위치설정을 가능하게 한다. 그러나, 고정구 부분(105)은 지지 구조체(103)와 같이 소위 망실 부품들을 형성하며, 이는 단지 제조를 위해 사용되고 후에 작업물로부터 제거되는 부품들을 의미한다. 후처리 단계는, 예를 들어, 세정, 후경화, 절단, 연삭 및/또는 작업물(104)(치과용 크라운)로부터의 지지 구조체(103)의 제거를 포함할 수 있다. 이 예에서, 고정구 부분(105)은 미리 결정된 각도 위치에 있는 물체(100)의 재현가능한 위치설정을 가능하게 하는 평탄부(105a)를 갖는다. 또한, 제1 및 제2 공동(105b, 105c)이 고정구 부분(105)에 제공된다. 제1 및 제2 공동(105b, 105c)(도 3 참조)은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 모터 구동식 스핀들 상에 물체(100)를 장착할 수 있게 한다. 당업자는 후처리 장치에서 물체의 위치설정을 가능하게 하는 다른 구조체를 제공할 수 있을 것이다. 예들에는 나사산(thread), 더브테일(dovetail) 구조체, 베이오넷 로크(bayonet lock)의 일부 및 적절한 다른 구조체가 포함된다.
도 4는 원심기(200) 상에 부착된 물체(100)를 도시한다. 원심기(200)는 모터 구동식 스핀들(201)을 갖는다. 특히, 물체(100)는 이 예에서 압력 끼워맞춤에 의해 고정구 부분(105)이 스핀들(201) 상에 있는 상태로 수용된다. 스핀들(201)에 대한 물체(100)의 이동을 방지하기 위한 비틀림 방지 구조체가 압력 끼워맞춤에 대해 대안적으로 또는 추가하여 제공될 수 있다. 또한, 원심기(200)는 스핀들(201)을 구동하기 위한 모터 유닛(202)을 갖는다. 모터 유닛(202)은 전원에 연결되거나 연결가능한 전기 모터(도시되지 않음)를 갖는다. 제어 유닛(203)이 원심기(200)의 일부로서, 또는 모터의 회전 속도를 조절하고 이에 따라 스핀들(201)의 회전 속도를 조절하기 위한 외부 유닛(도시되지 않음)으로서 제공된다.
이 예에서, 물체(100)는 제1 회전축(R1)을 중심으로 회전하도록 스핀들(201) 상에 부착된다. 제1 회전축(R1)은 물체(100)를 통해 연장된다. 이 예에서, 제1 회전축(R1)은 물체의 대칭축에 근사하게 된다. 용어 "근사하게 되는"은 치아 수복재 부분이 정확히 대칭이 아닌 자연 치아 구조물을 전형적으로 복제한다는 사실을 다룬다. 또한, 제1 회전축(R1)은 구축 치수(도 1의 B)와 평행하다.
물체(100)는 회전축(R1)에 대해 경사진 제2 회전축(R2)을 중심으로 회전하도록 스핀들(201) 상의 부착을 위해 (도 2 및 도 3에 도시된 제2 공동(105b)에 의해) 추가로 준비된다. 이 예에서 제1 축(R1)과 제2 축(R2) 사이의 경사각은 50도이다. 적절한 다른 경사각들이 가능하다. 또한, 제2 회전축(R2)은 또한 물체(100)를 통해 연장된다. 따라서, 물체(100)는 이어서 제1 및 제2 회전축(R1, R2)을 중심으로 회전될 수 있다. 물체(100)의 회전은 물체(100)에 접착된 여분의 액체 또는 페이스트 재료가 물체로부터 분리되게 한다. 따라서, 물체(100)에서 여분의 경화성 주 재료를 물리적으로 세정할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이 세정 효과는 전형적으로 경화성 주 재료의 100%가 물체로부터 제거되게 하지는 않지만, 경화성 주 재료의 약 80% 내지 95%가 제거될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 또한, 물체 상에 잔류하는 임의의 경화성 주 재료는 전형적으로 균일한 층을 형성한다. 따라서, 물체의 전체 형상의 정밀도가 최대화될 수 있다.
세정 효과는 질량 관성력, 특히 물체(100)에 접착되는 여분의 재료에 작용하는 원심력에 의해 야기된다. 제1 및/또는 제2 회전축(R1 또는 R2) 상에 위치되는 임의의 여분의 재료는 이론적으로는 그러한 원심력에 의해 영향을 받지 않을 수 있다. 또한, 제1 및 제2 회전축(R1, R2) 중 임의의 것에 가깝게 위치된 임의의 여분의 재료에 가해지는 원심력은 제1 및/또는 제2 회전축(R1, R2)으로부터 더 멀리 떨어져 위치되는 여분의 재료에 가해지는 원심력보다 낮다. 그러나, 다양한 원심력으로부터의 세정 효과에 대한 임의의 영향은 적어도 2개의 회전축(예를 들어, R1, R2)을 중심으로 물체를 회전시킴으로써 최소화될 수 있는 것으로 밝혀졌다.
제1 및 제2 공동(105b, 105c)은, 제1 및 제2 공동(105b, 105c)의 각각의 제1 및 제2 회전축(R1, R2) 각각을 중심으로 하는 물체의 회전이 균형을 이루도록 물체(100)에 대해 바람직하게는 위치되고 배향된다. 바람직하게는, 제1 및 제2 회전축(R1, R2)은 제1 및 제2 공동(105b, 105c)의 중심축을 각각 형성한다. 균형을 이룬 회전에 대한 제1 및 제2 공동(105b, 105c)의 위치 및 배향은 물체의 설계 동안 컴퓨터의 도움에 의해 결정될 수 있다. 또한, 고정구 부분은 회전에 대해 물체의 균형을 맞추기 위해 추가의 구조 및/또는 공극을 구비할 수 있다.
회전 속도는 경화성 주 재료의 물리적 특성(특히, 유동학적 거동) 및 물체의 크기에 따라 선택된다. 이 예에서, 물체(100)는 제1 회전축(R1)의 주위로 약 10 mm의 최대 직경을 갖는다.
(공기 중에서 회전되는) 분당 대략 6500 회전(round)의 회전 속도는 물체의 균형을 이루지 못한 임의의 질량으로부터 발생하는 힘으로 인해 물체에 기계적 손상을 야기하지 않고서도 우수한 세정 효과를 가져왔다. 작업물(104)의 형상으로 인해 본질적으로 존재하는 균형을 이루지 못한 질량이 고정구 부분(105)의 형상에 의해 제공되는 균형추에 의해 보상되는 방식으로 물체가 구축될 수 있다는 것에 유의한다.
이러한 실시예에서의 G-힘은 5 mm(물체의 10 mm 직경을 2로 나눔)의 거리(또는 반경)에서 임의의 지점 또는 영역에 대해 236 G이었다. 회전축으로부터 거리 또는 반경이 2.5 mm인 물체의 영역에서는 여전히 우수한 세정 효과가 있었는데, 이때 G-힘은 여전히 100 G를 초과하였다.
물체(100)는 수집 용기(210) 내에서 회전된다. 이는 물체로부터 배출되는 경화성 주 재료를 수집하기 위한 (그리고 경화성 주 재료가 주변 영역을 오염시키는 것을 피하기 위한) 것이다. 이 예에서의 수집 용기(210)는 공기를 포함한다(비어 있다). 다른 예에서, 물체로부터 임의의 여분의 재료를 제거하기 위해 용매가 수집 용기 내에 제공될 수 있다. 그러나, 그러한 세정은 일반적으로 질량 관성력에 의해 야기되지 않을 수 있으며, 따라서 본 발명의 방법 단계에 추가하여 수행될 수 있다.
제1 및 제2 회전축(R1, R2)의 위치 및 배향이 달리 선택될 수 있음에 유의한다.
도 5는 예시적인 대안의 원심기(300)를 도시한다. 예를 들어, 도시된 예와 같은 원심기 또는 유사한 것들과 같은 원심기가 화학 또는 생화학 실험실에서 사용하기 위해 시판되고 있다. 원심기(300)는 회전(또는 원심 작용)을 위한 하나 이상의 샘플의 수용을 위해 각각 4개의 홀더(302)를 갖는 로터(301)를 갖는다. 로터(301)는 조절가능한 속도로 모터 출력에 의해 회전축(R)을 중심으로 회전가능하다.
이 예에서, 도 6 및 도 7에 더욱 상세히 기술된 바와 같이 각각의 홀더(302) 내에 (종래 기술의 일부가 아닌) 트레이 조립체(310)가 배치된다.
도 6 및 도 7은 트레이 조립체(310)가 수용되는 홀더(302)를 도시한다. 홀더(302)는 상부 단부(319) 및 하부 단부(318)를 갖는다. 또한, 각각의 홀더(302)는 상부 단부와 하부 단부 사이에서 홀더(302)의 치수 방향으로 종축(A)을 갖는다. 홀더(302)는 로터(도 5의 301)에서 회전가능하게 현수된다(이 도면에 도시되지 않는다). 홀더(302)는 회전축(도 5의 R)의 반경방향으로 회전하도록 홀더(302)의 상부 단부에 인접하게 로터에서 현수된다. 따라서, 원심기(300)의 작동 시, 홀더(302)는 원심기의 로터의 회전에 의해 야기되는 원심력의 결과로 홀더의 하부 단부(318)가 반경방향으로 외향하도록 경사진다. 이 경사는 회전 공중 그네의 의자의 반경방향 이동과 같이 상상될 수 있다. 로터의 회전 속도가 제로인 경우, 홀더(302)는 그의 종축(A)에 수직으로(본질적으로, 중력과 일직선으로) 배향된다. 로터의 회전 속도가 높을수록, 종축(A)이 회전축의 반경 방향에 근사하게 되도록 홀더(302)가 더 많이 경사진다. 이 예에서의 홀더(302)는 컵 형상이고, 상부 단부(319)에서 개구(312)(도 7 참조)를 형성한다. 또한, 홀더(302)는 하부 단부(318)에서 폐쇄된다. 따라서, 원심 작용을 받은 물체로부터 빠져나가는 임의의 물질이 홀더 내에 포획될 수 있고, 원심기의 오염이 방지될 수 있다. 그러나, 당업자는 홀더가 사용되는 원심기의 유형에 따라 상이한 형상을 가질 수 있음을 이해할 것이다.
트레이 조립체(310)는 홀더(302)의 개구(312) 내에 또는 그 상에 수용된다. 이 예에서, 트레이 조립체(310)는 트레이(313) 및 수집 용기(315)를 포함한다. 수집 용기(315)는 컵 형상이고, 트레이(313)가 수용되는 소켓(317)을 형성한다. 따라서, 트레이(313) 내에 수용된 물체로부터 멀어지게 원심 작용을 받는 여분의 경화성 주 재료가 수집 용기(315) 내에 포획된다. 이는 원심 작용을 받은 임의의 물체 및 제거된 경화성 주 재료를 포함하는 전체 트레이 조립체(310)를 원심 작용을 받을 새로운 트레이로 대체하는 것을 가능하게 한다. 이로써, 홀더는, 트레이 조립체의 교체성 및 홀더의 세정을 위한 유지보수 중단의 부재 덕택에, 대량 생산이 가능하도록 깨끗하게 유지될 수 있다.
바람직하지는 않지만, 다른 예에서, 유사한 트레이가 홀더(302) 내에 직접 수용될 수 있다는 것에 유의한다.
트레이(313)는 복수의 리셉터클(314)을 갖는다. 이 예에서의 각각의 리셉터클(314)은 관통-구멍을 형성한다. 리셉터클(314)은 구축된 물체(100)가 도 8에 도시된 바와 같이 그 안에 수용되어 유지될 수 있도록 형상화되고 크기설정된다.
이 예에서, 트레이(313) 내의 관통-구멍은, 물체(100)를 유지하고 물체(100)가 관통-구멍을 통과하는 것을 방지하는 리테이너(retainer)를 제공하는 단차부(320)를 갖는 단차진 구성을 갖는다. 단차부(320)는 리셉터클(314)의 관통-구멍의 제1 부분(314a)과 제2 부분(314b) 사이의 전이부에 의해 형성된다. 제1 부분(314a)은 단면이 제2 부분(314b)의 단면보다 더 넓다. 이 예에서, 제1 및 제2 부분(314a, 314b)은 원통형이고, 제1 부분(314a)의 제1 단면은 제2 부분(314b)의 제2 단면보다 더 큰 직경을 갖는다. 물체(100)는 도 2 및 도 3에서 언급된 물체에 대응하고, 따라서 지지 구조체(103)을 통해 고정구 부분(105)에 연결된 작업물(104)을 포함한다. 물체(100)는 작업물(104)이 리셉터클(314) 내로 하향하도록 (중력 중심을 향해) 배치된다. 고정구 부분(105)은 작업물(104)보다 크기가 더 크고, 제1 부분(314a)에 끼워지도록 치수설정된다. 그러므로, 고정구 부분(105)은 리셉터클의 제1 부분(314a) 내에 위치되고, 물체(100)의 나머지는 리셉터클의 제2 부분(314b) 내에 (또는 그를 통해) 돌출된다.
(도시되지 않은) 일 예에서, 하나의 고정구 부분은 복수의(결국에는 상이한) 작업물을 지지할 수 있다. 이러한 예에서, 트레이는 (하나의 작업물만을 갖는 물체를 수용하기 위한 리셉터클에 비하여) 하나 이상의 더 큰 리셉터클을 가질 수 있다.
도 9에서, 원심 작용을 받는 동안 홀더의, 따라서 트레이(313)의 이동(M)이 표시되어 있다. 원심기의 로터의 회전의 결과, 트레이(313)는 원심력으로 인해 경사진다. 로터의 회전 속도 및 트레이를 포함하는 홀더의 중량에 따라, 트레이의 경사는 원심력과 중량의 합력(F)으로 인해 확립된다. (도면에 나타낸 언더컷(undercut)(106)과 같은) 언더컷을 형성하는 작업물로부터의 경화성 주 재료의 제거는 작업물의 경사 조절에 의해 용이하게 될 수 있고, 작업물의 경사는 원심기의 회전 속도에 의해 조절될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 또한, 트레이 및 물체를 포함하는 홀더의 중량이 물체의 설계 중에 이미 결정될 수 있기 때문에, (작업물의 언더컷을 또한 고려하는) 원하는 회전 속도가 (예를 들어, 물체의 설계 동안) 원심 작용을 받기 전에 미리 결정될 수 있는 것으로 밝혀졌다.
이와 관련하여, 물체 내의 임의의 공동은 원심기에서 물체에 작용하는 합력에 대한 공동의 배향에 대해 언더컷을 형성할 수 있다는 것에 유의한다. 따라서, 물체는 상이한 속도로 연속적으로 원심 작용을 받아 상이한 언더컷으로 경화성 주 재료를 제거할 수 있다. 그러므로, 특정 물체가 로딩된 트레이에는 회전 속도 또는 속도들에 관한 데이터가 저장되는 데이터 캐리어(data carrier), 예를 들어 인쇄 라벨(printed label) 또는 RFID 태그(tag)가 구비될 수 있다. 원심기는 데이터 캐리어로부터 판독된 데이터에 따라 원심 작용 프로그램을 자동으로 실행하기 위한 데이터 캐리어용 판독 장치를 가질 수 있다.

Claims (15)

  1. 적층 제조(additive manufacturing)에 의해 물리적 물체를 제조하는 방법으로서,
    (a) 액체 또는 페이스트인 경화성 주 재료를 제공하는 단계;
    (b) 상기 경화성 주 재료의 층들을 연속적으로 경화시킴으로써 상기 물체를 구축하는 단계, 및 구축된 물체에 경화성 부 재료를 도포하는 단계; 및
    (c) 상기 물체를 움직이게 하여 여분의 재료에 질량 관성력을 생성시킴으로써 상기 물체에서 상기 여분의 재료를 세정하는 단계를 포함하며;
    상기 여분의 재료는 상기 경화성 주 재료 및 상기 경화성 부 재료 중 적어도 하나에 의해 형성되고,
    단계 (c)에서 상기 물체를 움직이게 하는 것은 상기 물체의 회전이고,
    상기 회전은 적어도 제1 회전축을 중심으로 수행되는 회전, 및 제2 회전축을 중심으로 수행되는 후속적인 회전을 포함하고, 상기 제1 회전축 및 상기 제2 회전축은 상이한 배향들을 갖는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경화성 부 재료는 상기 경화성 주 재료와 상이한, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 경화성 주 재료는 광중합성 수지이고, 경화는 광에 의한 상기 경화성 주 재료의 조사(irradiation)에 의해 수행되는, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 경화성 주 재료는 광개시제로서 캄포르퀴논을 포함하는 제형에 기초하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    단계 (c)에서 생성된 상기 질량 관성력은 100 G 이상의 G-힘에 대응하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 물체는 상기 물체로부터 치아 수복재(dental restoration)를 제공하기 위한 작업물(workpiece)을 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 물체는 상기 치아 수복재의 일부를 형성하지 않는 고정구 부분을 추가로 포함하고, 상기 고정구 부분은 상기 물체에서 여분의 재료를 세정하기 위한 후처리 장치 내에 상기 물체를 유지하도록 구성되는, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    단계 (c)에 따라 상기 물체를 세정하기 위한 모터 구동식 후처리 장치 내에 상기 물체를 위치시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 물체를 수용하기 위한 리셉터클(receptacle)을 포함하는 트레이(tray) 내에 상기 물체를 배치하는 단계, 상기 트레이를 원심기에 배치하는 단계, 및 상기 원심기에 의해 상기 트레이 내의 상기 물체가 원심 작용을 받게 하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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