KR102619479B1

KR102619479B1 - 복합 재료로부터 3d 물체의 자동화된 제조

Info

Publication number: KR102619479B1
Application number: KR1020237012653A
Authority: KR
Inventors: 거숀 밀러; 이고르 야쿠보브; 모쉬 우잔; 에레즈 짐머만; 솨이 가르티; 니르 드비르
Original assignee: 매시빗 3디 프린팅 테크놀로지스 리미티드
Priority date: 2020-11-22
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2024-01-02
Also published as: US20220410471A1; KR20230062877A; WO2022107122A1; US20220161486A1; JP2024509659A; US11465337B2; EP4247620A1

Abstract

복합 재료로부터 3D 물체를 제조하는 방법이 설명된다. 방법은 멀티스트랜드 필라멘트와 멀티스트랜드 필라멘트를 둘러싸는 요변성 매트릭스 재료를 포함하는 복합 재료를 압출하도록 구성된 압출 노즐의 사용을 포함한다. 불연속 작업 표면의 적어도 일부 위로 공중에 걸쳐 있는 3D 물체 표면 세그먼트를 압출하고 동시에 경화 에너지의 소스를 작동하여 공중에 걸쳐 있는 3D 물체 표면 세그먼트의 강도를 고정하고 강화한다. 공중에 걸쳐 있는 3D 물체 압출 표면 세그먼트는 충분히 단단하고, 맨드릴의 사용 없이 그 형상을 유지한다.

Description

복합 재료로부터 3D 물체의 자동화된 제조

방법 및 장치는 복합 재료로부터 물체의 제조, 특히 3D 물체의 자동화된 제조에 관한 것이다.

복합 재료는 적어도 2개의 개별 성분을 포함하는 재료이다. 전형적으로, 복합 재료는 유리 섬유, 케블라(Kevlar), 탄소 섬유 등과 수지(resin)일 수 있는 섬유 보강재를 포함한다. 수지는 에폭시, 폴리에스테르 수지 또는 비닐 에스테르일 수 있다. 두 성분을 혼합하고 처리할 때, 이들은 기계적 및 화학적으로 본딩하여 라미네이트 부품을 형성한다. 복합 재료의 결합된 물리적 강도와 속성은 개별 재료 성분의 속성 중 어느 하나를 초과한다. 수지는 안료 또는 염료를 포함할 수 있으며, 복합 재료에 원하는 색상을 제공하여 페인팅 공정의 필요성을 줄인다. 가장 자주 사용되는 탄소 및 유리 섬유 강화 복합 재료는 종종 느슨하게 '복합재(composites)'라고 지칭된다.

복합 재료는 3D 물체, 특히 대형 3D 물체의 주요 제조 재료(건축 재료)이다.

라미네이트 층(layer)이 겹겹이 레이업되고, 액체 수지와 결합되며, 하드닝시키는 노동 집약적인 습식 레이업 공정은 여전히 주요 대형 3D 물체 제조 공정이다. 전형적으로, 크고 부피가 큰 3D 복합 물체는 대응하는 수의 몰드를 사용하여 둘 이상의 부품으로 제조된다. 3D 물체를 형성하는 부품이 접합되고, 그 후 진공이 가해지며, 매팅(matting)을 본딩하는 수지가 주입된다. 일단 레진이 하드닝되면, 둘 이상의 부품이 함께 이어져 3D 물체를 형성한다. 인퓨전 기법은 수지 도입 및 하드닝 공정을 단순화하지만, 레이업은 여전히 노동 집약적인 공정이다.

거의 모든 3D 물체, 특히 대형 3D 물체는 추가 제조 단계를 거치게 된다. 3D 물체의 외부 표면은 폴리싱되고, 페인팅되며, 바니시로 코팅될 수 있다. 공정 모두는 여전히 수동적이고, 시간 소모적이며, 비용이 많이 든다.

복합 재료는 여러 가지 이유로 인기가 있다. 재료는 가볍고 높은 강도를 갖는다. 복합재는 거의 모든 환경에 대해 우수한 내성을 갖는다. 제조자가 적합한 몰드나 맨드릴을 가지고 있거나 생산할 수 있다면, 어떤 복합 재료 제조자라도 거의 모든 복합 재료를 생산할 수 있다. 전술한 복합 재료로 만든 3D 물체의 제조 단계는 제조 공정을 늦추고, 제조된 3D 물체 비용을 증가시키며, 복합 재료를 낭비한다.

복합재의 낮은 중량, 환경적 안정성 및 강도 이점에도 불구하고, 노동 집약적이고 시간 소모적인 제조 방법의 고비용은 복합 재료의 성장 및 사용을 방해한다.

정의

복합 재료 시트 라미네이팅은 재료에 추가적인 강도를 제공하기 위해 하나의 복합 재료 시트를 취하여 다른 복합 재료 시트에 라미네이팅하는 공정이다.

아라미드 섬유는 "방향족"과 "폴리아미드"라는 단어의 혼합이다. 아라미드 섬유는 적어도 85%가 2개의 방향족 고리에 직접 부착된 아미드 결합(-CO-NH-)인 섬유에 대한 일반적인 용어이다.

복잡한 형상의 3D 물체는 볼록하거나 오목할 수 있는 곡면, 편평한 표면 및 물체 주체 외부로 돌출되거나, 속이 빈 물체의 경우 3D 물체 내부의 속이 빈 공간 또는 공동으로 돌출될 수 있는 표면을 포함하는 3D 물리적 물체를 의미한다. 표면은 기울어질 수 있고, 상이한 각도로 배향될 수 있으며, 상이한 두께나 크기를 가질 수 있다.

프리프레그(pre-preg)는 에폭시 또는 열가소성 수지와 같은, 열경화성 중합체 매트릭스 재료가 이미 존재하는 "미리 함침된(pre-impregnated)" 복합 섬유 또는 스트랜드이다. 열경화성 매트릭스는 안전하게 취급할 수 있도록 부분적으로 경화된다; 이 B 스테이지 재료는 완전한 경화(curing)를 방지하기 위해 특정 보관 조건을 요구한다.

단부 면 준비(end face preparation)는 제조된 복합 물체 세그먼트의 단부가 다음 복합 물체 세그먼트와의 연결을 위해 준비되는 공정이다. 단부 면 준비는 단부 직경 감소 또는 확장, 플랜징 및 챔퍼링을 포함할 수 있다.

필라멘트 - 섬유 재료의 가장 작은 단위이다. 필라멘트는 인발 및 방적 중에 형성되는 기본 단위이며, 복합재를 위한 섬유 스트랜드로 모인다.

필라멘트 와인딩 - 연속 강화(필라멘트, 와이어, 얀, 테이프 등)가 있는 복합 구조를 제조하는 공정이다. 매트릭스 재료로 이전에 함침되거나 와인딩 중에 함침되어, 필라멘트는 특정 응력 조건을 충족하기 위해 규정된 방식으로 회전 및 제거 가능한 형태 또는 맨드릴 위에 배치된다.

엔드 이펙터는 보통 로봇 암의 단부에 부착된 도구이며, 원하는 기능을 수행하는 도구이다. 기능은 재료 증착, 페인트 스프레이 및 준비된 3D 물체 폴리싱일 수 있다.

본 개시에서 사용된 "로봇 암"이라는 용어는 로봇 암, 갠트리, 캐리지가 있는 레일/가이드, 및 하중을 픽업하고 운반할 수 있는 다른 등가물을 포함한다.

복합 재료로부터 3D 물체를 제조하는 방법이 설명된다. 일 예시에서, 방법은 멀티스트랜드 필라멘트와 멀티스트랜드 필라멘트를 둘러싸는 요변성 매트릭스 재료(thixotropic matrix material)를 포함하는 복합 재료를 압출하도록 구성된 압출 노즐(extrusion nozzle)의 사용을 포함한다. 불연속 작업 표면의 적어도 일부 위로 공중에 걸쳐 있는 3D 물체 표면 세그먼트(3D object surface segment spanning in the air)를 압출하고, 동시에 경화 에너지의 소스를 작동하여 공중에 걸쳐 있는 3D 물체 표면 세그먼트의 강도를 고정하고 강화한다. 공중에 걸쳐 있는 3D 물체 압출 표면 세그먼트는 충분히 단단하며, 맨드릴을 사용하지 않고도 형상을 유지한다.

공간에서의 원하는 배향을 수용하도록 구성된 수용 표면에 의해 종단되는 개별적으로 조정 가능한 지지 칼럼에 의해 형성된 불연속 작업 표면은 제조된 3D 물체를 지지한다. 하나 이상의 로봇 암은 3D 물체의 제조에서 복수의 작동을 수행하기 위해 적절한 픽업 엔드 이펙터 도구를 이동 및 작동한다.

일 예시에서, 3D 물체는 층으로 제조되고, 3D 물체의 각 층은 상이한 재료로부터 압출된다. 일부 예시에서, 공중에 걸쳐 있는 3D 물체 표면 세그먼트를 지지하는 하나 이상의 리브는 표면 세그먼트의 압출과 동시에 압출될 수 있다.

일부 예시에서, 조정 가능한 지지 플랫폼 위에 분포된 금속 또는 중합체 그리드는 3D 물체 복합 재료 증착을 위한 기판 역할을 한다.

복합 재료로부터 3D 물체를 제조하는 방법은 멀티스트랜드 필라멘트를 둘러싸는 요변성 매트릭스 재료로 강화된 멀티스트랜드 필라멘트의 제조를 포함한다. 멀티스트랜드 필라멘트는 편평 스트립 형상일 수 있다. 편평 스트립의 측면에 상이한 다중 코팅이 증착될 수 있다.

복합 재료로부터 3D 물체를 제조하기 위한 장치가 또한 개시된다. 장치는 복수의 개별적으로 조정 가능한 지지 칼럼과 복수의 엔드 이펙터 도구를 작동하도록 구성된 적어도 하나의 로봇 암에 의해 형성된 조정 가능한 지지 플랫폼을 포함한다. 엔드 이펙터 도구는 제조 공정에서 요구될 수 있는 재료 압출 노즐, 그리드 전개 배열(grid spreading arrangement), 페인팅 브러시, 폴리싱 도구 등이 될 수 있다.

장치 및 방법을 이해하고 실제로 어떻게 수행될 수 있는지 보기 위해, 동일한 참조 번호가 동일하거나 유사한 부품을 의미하는 첨부 도면을 참조하여, 오직 비제한적인 예시로서, 이제 예시가 설명될 것이다:
도 1은 복합 재료로부터 3D 물체를 제조하기 위한 본 장치의 예시의 측면도이다;
도 2는 도 1의 C-C 단면이다;
도 3은 도 1의 장치의 열 경화 배열을 예시하는 예시이다;
도 4a는 복합 멀티스트랜드 필라멘트의 현장 준비의 예시이다;
도 4b는 복합 편평 멀티스트랜드 필라멘트의 현장 준비의 또 다른 예시이다;
도 4c는 복합 편평 멀티스트랜드 필라멘트의 현장 준비의 추가 예시이다;
도 4d는 복합 편평 멀티스트랜드 필라멘트의 현장 준비의 추가 예시이다;
도 4e는 스트립의 동일한 측면 상에 상이한 두께의 층으로 코팅된 복합 편평 멀티스트랜드 편평 스트립의 현장 준비의 예시이다;
도 5는 본 장치의 추가 유닛의 제어 및 작동을 예시하는 블록도이다;
도 6은 복합 재료로부터의 볼록하고 오목한 표면 세그먼트를 포함하는 3D 물체를 제조하는 방법의 예시이다;
도 7a는 복합 재료로부터의 볼록하고 오목한 표면 세그먼트를 포함하는 3D 물체의 제조 방법의 또 다른 예시이다;
도 7b는 복합 재료로부터의 볼록하고 오목한 표면 세그먼트를 포함하는 3D 물체의 제조 방법의 추가 예시이다;
도 8a는 지지 그리드를 사용하여 3D 물체를 제조하는 방법을 예시한다;
도 8b는 지지 그리드를 사용하여 3D 물체를 제조하는 방법의 추가 도면이다;
도 9는 3D 물체의 제2 면을 프린팅하기 위해 회전된 도 6의 3D 물체의 예시이다; 그리고
도 10은 부분적으로 제작된 3D 물체에 대한 필라멘트 와인딩을 예시하는 예시이다.

복합재의 중량, 환경적 안정성 및 강도 이점에도 불구하고, 툴링의 고비용 및 노동 집약적이고 시간 소모적인 제조 방법은 복합 재료의 성장 및 사용을 방해한다. 노동 집약적인 작동을 크게 줄이고, 맨드릴이나 몰드의 필요성을 완화하며, 제조된 물체 품질을 유지하는 저비용 제조 공정의 가용성은 산업을 빠르게 발전시킬 것이다.

본 문헌은 복합 재료로부터 거의 모든 3차원 물체를 제조하기 위한 자동화된 방법 및 장치를 개시한다. 자동화된 생산 방식은 조형물, 전시 엑스포넌트, 윈드 로터 블레이드 제조, 날개 및 보트 제조에 적용된다. 제안된 방법은 제조 비용을 줄이고, 더 나은 3D 물체 프로파일 정밀도를 제공한다.

문헌은 또한 멀티스트랜드 코어를 둘러싸는 요변성 매트릭스 재료를 갖는 멀티스트랜드 필라멘트 준비를 개시한다. 요변성 재료에 의한 압출된 멀티스트랜드 코어의 코팅은 결합된 멀티스트랜드 재료의 거의 즉각적인 하드닝을 지원하고, 경화 공정을 단순화한다.

문서는 물체 설치 장소에서 3D 물체의 제조에 적용 가능한 대형 3D 물체 제조를 위한 방법 및 장치를 더 개시한다.

장치

도 1은 복합 재료로부터 3D 물체를 제조하기 위한 장치의 예시의 측면도이다. 장치(100)는 제조된 3D 물체, 예컨대, 지지 플랫폼 상에 배치된 3D 물체(108)를 지지하도록 구성된 조정 가능한 지지 플랫폼(104)을 포함한다. 3D 물체는 복잡한 물체이며, 편평한 표면 및 곡면 세그먼트를 포함한다. 곡면 세그먼트는 볼록하거나 오목한 표면으로 구성될 수 있다. 예컨대, 윈드 로터 블레이드 또는 카누 몸체와 같은 긴 3D 물체를 제조해야 하는 경우, 그 치수는 조정 가능한 지지 플랫폼(104)의 합리적인 치수를 초과할 수 있다. 복수의 개별적으로 조정 가능한 지지 칼럼(116)은 조정 가능한 지지 플랫폼(104)을 형성한다. 장치(100)의 섹션(112)은 또한 연장되거나 길게 된 3D 물체(108)의 조정 가능한 지지 플랫폼(104) 세그먼트 위에 매달린 것을 지지하도록 배열된 여러 개의 개별적이고 조정 가능한 3D 물체 지지 칼럼(116)을 포함한다. 조정 가능한 지지 칼럼(116)은 Z-축을 따라 이동하도록 구성되고, 긴 물체(108)의 조정 가능한 지지 플랫폼(104) 세그먼트 위에 매달린 것을 받아들이는 수용 표면(120)을 포함한다. 조정 가능한 지지 칼럼(116)의 수용 표면(120)은 물체(108)의 재배치를 용이하게 하는, 회전하는 구체(124)가 장착될 수 있다. 수용 표면(120)은 조정 가능한 지지 칼럼(116)의 임의의 수용 표면(120)이 조정 가능한 지원 플랫폼 상의 모든 위치에서 임의의 만곡된 3D 물체를 지지할 수 있도록, 대칭축(204)(Z-축)에 관한 임의의 방향으로 거의 340도 범위(도 2)에서 회전될 수 있다. 일부 예시에서, 수용 표면(120)을 갖는 조정 가능한 지지 칼럼(116)은 특정 3D 물체 제조 요건을 충족하도록 재배치될 수 있다.

조정 가능한 지지 칼럼(116)의 위치 빈도는 장치(100)에 따라 상이할 수 있다. 조정 가능한 지지 칼럼(116)의 회전하는 구체(124)가 삽입된 수용 표면(120) 사이의 거리는 3D 물체(108)의 표면의 최소 처짐(sag)을 지지하도록 선택된다 (도 1). 일부 예시에서, 회전하는 실린더는 회전하는 구체(124)를 대체한다. 모터는 회전하는 실린더에 연결될 수 있고, 제조된 3D 물체 회전과 같은 재배치를 돕기 위해 실린더를 작동시킬 수 있다.

장치(100)는 가이드(140)를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 로봇 암(144)이 가이드(140)와 함께 부착되거나 이동할 수 있다. 전형적으로, 가이드는 3D 물체의 가장 긴 치수와 함께 로봇 암 이동을 지원한다. 하나 이상의 로봇 암(144)은 상이한 작동을 수행하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 복합 재료 압출 노즐(148), 페인트 스프레이 헤드, 3D 물체 폴리싱 장치 및 기타 요구되는 것을 운반한다. 로봇 암(144)은 3개의 방향 또는 축(X, Y 및 Z)에서 복합 재료 압출 노즐(148) 및 로봇 암(144)에 연결된 다른 엔드 이펙터(도구)를 이동시킨다. 로봇 암(144)은 3개의 축 각각을 중심으로 엔드 이펙터의 회전을 지원한다.

일부 예시에서, 장치(100)는 조정 가능한 지지 플랫폼(104 및 112)의 바닥면에서 작동하는 적어도 하나의 로봇 암을 갖는 다수의 로봇 암을 포함할 수 있다. 특정 위치에서 조정 가능한 지지 칼럼(116)의 재배치는 바닥에서 조정 가능한 지지 플랫폼(104 및 112)에 접근하는 로봇 암의 작동을 용이하게 할 수 있다.

재료 압출 과정에서, 조정 가능한 지지 플랫폼(104)은 제조된 3D 물체를 지지한다. 조정 가능한 지지 플랫폼(104)의 폭은 3D 물체의 적어도 하나의 치수를 설정한다. 본 경우에, 조정 가능한 지지 플랫폼(104)의 폭은 1 내지 4 미터 폭일 수 있다. 조정 가능한 지지 칼럼의 수는 제조된 3D 물체의 길이를 조절하는 데 사용될 수 있다.

하나 이상의 경화 방사선 소스(162)는 압출된 필라멘트(166)의 경화를 가속화할 수 있다. 장치(100)(도 1)의 일부 예시는 압출된 재료를 경화하기 위한 다수의 수단을 포함할 수 있다. 경화 소스의 예시는 압출 노즐 부근에 배치된 다수의 자외선 방사선 소스(162)일 수 있다. 추가 예시에서, 경화 방사선 소스는 3D 물체의 방금 압출된 요소에 방사선을 지향하도록 배열될 수 있다.

레이저 빔 또는 레이저 빔의 사용에 기반한 다른 광학 정렬 기구(170)는 조정 가능한 지지 칼럼(116)의 수용 표면(120)의 정렬 및 보정을 위해 이용될 수 있다. 기능은 부지 밖(현장) 3D 물체 제조 설치에 대한 일반적인 정렬 및 보정을 용이하게 한다.

열은 압출된 재료 중 일부를 경화시킬 수 있다. 장치(100)는 몇 개의 IR 소스(304)(도 3) 또는 심지어 3D 물체의 방금 압출된 요소를 가열하도록 배열된 간단한 히터를 포함할 수 있다. IR 소스(304)는 제조된 3D 물체를 따라 로봇 암에 의해 이동된 브리지형 홀더(308) 상에 배열될 수 있다. 대안적으로, IR 소스(304)는 제조된 3D 물체와 함께 IR 소스를 운반하는 갠트리 상에 배치될 수 있다.

압출

도 4a는 미국 특허 출원 공개 번호 2014/0328964, 특허 협력 조약 공개 WO2019/245363 및 유럽 특허 번호 3 231 592에 개시된 것과 유사한 모드로 준비된 강화 멀티스트랜드 필라멘트를 압출하도록 구성된 압출 노즐(404)의 예시이다. 일 예시에서, 강화 멀티스트랜드 필라멘트(406)는 3D 물체의 제조와 함께 제조 현장에서 준비된다. 대안적으로, 제3자에서 미리 준비되고 구입한 멀티스트랜드 필라멘트(프리프레그)를 사용할 수도 있다. 일 예시에서, 강화 필라멘트(406)는 멀티스트랜드 코어(408), 멀티스트랜드 코어를 둘러싸는 매트릭스 재료(412), 및 강화 필라멘트(406)의 신속한 응고를 지원하는 추가 코팅(416)을 포함한다. 추가 코팅(416)은 또한 멀티스트랜드 강화 필라멘트(406)의 표면을 매끄럽게 만든다. 강화 필라멘트의 코어(408)는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 또는 케블라, 즉, 폴리(파라페닐렌 테레프탈아미드) 스트랜드로 구성된 재료 그룹 중 하나일 수 있다. 필라멘트 매트릭스(412)는 이중 성분 에폭시, 속경화 에폭시(fast curing epoxy): 폴리에스테르 수지 또는 비닐 에스테르로 이루어진 재료 그룹 중 하나와 같은 중합체일 수 있다. 에폭시 성분은 압출 전에 혼합 챔버(424)에서 조합되고, 멀티스트랜드 코어 또는 필라멘트와 함께 압출된다.

추가 예시에서, 프리프레그 재료일 수 있는 강화 필라멘트(406)는 매트릭스 재료를 둘러싸는 추가 코팅층(416)을 포함한다. 예컨대, 추가 코팅 재료는 강화 필라멘트(406)의 빠른 응고를 지원하는 양이온 경화성 에폭시 또는 요변성 재료일 수 있다.

현재 개시에서, 강화 멀티스트랜드 필라멘트(406)는 또 다른 코팅 시스템(428)을 더 통과한다. 코팅 시스템(428)은 본래의 멀티스트랜드 필라멘트(402)를 요변성 재료(416)의 층으로 코팅한다. 요변성 재료는 강화 및 코팅된 필라멘트(406)의 거의 즉각적인 하드닝을 지원한다. 요변성 재료는 본 출원 양수인으로부터 입수 가능한 독점적인 광 중합체 재료인 디멘젤(Dimengel)과 같은 것일 수 있다. 화살표(430)는 멀티스트랜드 필라멘트 진행 방향을 나타낸다.

추가 예시에서, 멀티스트랜드 필라멘트는 편평 스트립(434)(도 4b)으로서 준비된다. 스트립(434)은 프리프레그로서 미리 준비될 수 있고, 2개의 롤러(436 및 438)를 통해 공급될 수 있다. 편평 스트립의 장점은 상이한 코팅/재료에 의해 스트립의 각 측면(442-444)에 용이하게 코팅될 수 있고, 코팅된 층 각각이 편평 스트립(434-1)을 형성하는 상이한 두께일 수 있다는 것이다. 예컨대, 측면(442)은 속경화 또는 이중 성분 에폭시로 코팅될 수 있고, 측면(444)은 요변성 재료로 코팅될 수 있다. 스트립(434-1)은 멀티스트랜드 코어 및 코팅 시스템(440)을 제공함으로써 3D 물체 제조 현장에서 준비될 수 있다.

속경화 에폭시는 실린더형 또는 편평 스트립 형상의 강화 필라멘트의 급속 응고를 지원하는 양이온 경화성 에폭시일 수 있다. 요변성 재료는 본 출원의 양수인으로부터 상업적으로 입수 가능한 재료일 수 있다.

앞서 설명된 바와 같이, 강화 필라멘트(434)의 코어는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 또는 케블라, 즉, 폴리(파라페닐렌 테레프탈아미드) 스트랜드로 구성된 재료 그룹 중 하나일 수 있다.

도 4c는 각각의 브러시(446-448)가 동일하거나 상이한 재료로 편평 스트립(434)의 반대 면을 코팅할 수 있는 브러시 코팅 시스템을 예시한다. 도 4d는 재료 스프레이 노즐(450)이 편평 스트립의 반대 면에 상이한 재료(452 또는 454)를 스프레이하는 스프레이 코팅 시스템을 예시한다. 도 4e-1은 상이한 두께의 층(460 및 462)을 형성하는 상이한 방법에 의해 코팅된 편평 스트립의 예시이다. 도 4e-2는 하나 이상의 잉크젯 노즐이 편평 스트립(434)의 동일한 면에 상이한 재료(472-1, 472-2 및 472-3)를 증착하는 예시를 예시한다. 증착된 재료는 같거나 상이한 두께일 수 있다.

압출 노즐(404)(도 4a)은 요변성 재료 멀티스트랜드 필라멘트(406, 434-1 등)에 의해 강화되고 코팅된 것을 압출하여, 3D 물체(108)(도 1)의 편평하고 만곡된 세그먼트를 형성한다. 동일한 양수인 및 발명가의 미국 특허 번호 10,639,846은 압출 노즐 각각이 다른 압출 노즐과 독립적으로 작동하는 다중 노즐 압출 장치를 개시한다. 장치는 3D 물체(108) 또는 이와 유사한 것의 상이한 세그먼트의 동시 프린팅을 지원한다. 예컨대, 육각형, 정사각형, 타원형 및 직사각형과 같은 노즐 단면의 다른 크기 및 형상은 특정 3D 물체 요건에 따라 사용될 수 있다. 압출 노즐(404)(도 4a)의 직경은 전형적으로 2.0-2.5mm일 것이다. 직사각형 또는 타원형 노즐은 폭이 1.0-2.5mm이고, 길이가 5.0-10.0mm일 수 있지만, 다른 더 크거나 작은 크기도 가능하다. 노즐은 교체 가능하여 장치(100)(도 1)가 상이한 구조 표면을 갖는 부품을 제조할 수 있게 허용한다.

멀티스트랜드 필라멘트(406) 및 다른 강화 필라멘트가 압출되거나 코팅되는 공급 속도는 또한 코팅의 두께를 조절할 수 있다. 일 예시에서, 다중 압출 헤드의 사용이 고려된다. 다수의 피더는 다중 압출 헤드를 공급하기 위해 멀티스트랜드를 압출하도록 작동할 수 있다. 장치(100)는 다수의 피더 사이를 번갈아 가며 3D 물체의 상이한 세그먼트에 상이한 멀티스트랜드 필라멘트를 적용할 수 있다.

장치의 추가 유닛

도 5는 장치(100)의 추가 유닛, 이들의 제어 및 작동의 블록도이다. 장치(100)는 장치(100)(도 1)의 작동을 관리하는 제어 컴퓨터(152)를 포함한다. 제어 컴퓨터(152)는 CAD 시스템으로부터 제조될 3D 물체, 예컨대, 3D 물체(108)의 윤곽(프로파일) 및 길이를 수신한다. 컴퓨터(152)는 조정 가능한 지지 칼럼(116)(도 1)의 수용 표면(120)의 각도 및 높이를 조정하여 윤곽 곡률(프로파일)과 3D 물체(108)의 길이를 매칭한다. 제어 컴퓨터(152)는 하나 이상의 로봇 암(144) 움직임, 노즐(148)을 통한 재료 압출 속도, 경화 에너지 레벨, 및 다른 3D 물체 제조 파라미터를 제어한다.

제어 컴퓨터(152)는 요구에 따라 3D 물체 폴리싱 장치(504), 페인트 스프레이 장치(508), 바니시 증착 장치(512) 등의 로봇 암을 제어한다. 로봇 암(144) 또는 이와 유사한 것은 압출 노즐(148) 및 로봇 암에 연결된 다른 엔드 이펙터(도구)를 3개의 방향 또는 축(X, Y 및 Z)으로 이동시키고 엔드 이펙터의 회전을 지원한다.

제어 컴퓨터(152)는 복수의 로봇 암(144)을 동시에 제어하도록 구성될 수 있다; 예컨대, 여러 개의 로봇 암은 상이한 노즐을 통해 상이한 재료의 이동 및 압출을 제어하도록 구성된다; 3D 물체의 상이한 표면 세그먼트와 다른 부분을 동시에 페인팅한다.

로봇 암

로봇 암은 모터에 의해 가동되는 관절에 의해 움직이는 링크의 체인이다. 엔드 이펙터는 보통 체인 끝에 부착된다. 엔드 이펙터는 원하는 기능을 수행하는 도구이다. 로봇 암은 엔드 이펙터를 이곳 저곳으로 움직인다. 현재 설명은 압출된 재료를 증착하고, 페인트를 스프레이하고, 준비된 3D 물체를 폴리싱하는 데 적합한 여러 개의 엔드 이펙터 도구의 사용을 개시한다. 로봇 암은 복수의 교환 가능한 엔드 이펙터 도구를 작동하도록 구성된다. 여러 개의 로봇 암이 동시에 여러 개의 엔드 이펙터 도구를 작동할 수 있다.

동일한 양수인의 미국 특허 번호 8,974,213, 9,162,391, 및 9,527,243은 압출된 층 사이에 금속 또는 중합체 네트 또는 그리드를 삽입함으로써 3D 물체를 보강하는 방법을 개시한다. 다른 예시에서, 적절한 픽업 엔드 이펙터 도구를 갖는 로봇 암(144) 또는 유사한 것이 조정 가능한 지지대(116)의 수용 표면(120) 위에 금속 또는 중합체 그리드(네트)(804)(도 8)를 픽업하고 전개하도록 설정될 수 있다. 적절하게 선택된 메쉬가 있는 이러한 그리드는 압출된 재료의 증착을 위한 편리한 기판을 제공한다.

로봇 암은 컴퓨터(152)에 원하는 피드백을 제공하고 로봇 암 움직임을 조정하는 빌트인 압력 센서, 시각 센서 등을 가질 수 있다.

본 개시에서, 하나 이상의 로봇 암이 레일(140)에 장착되어, 레일의 로봇 암 변위를 지지한다. 적어도 하나의 충돌 감지 센서는 잠재적인 충돌에 대한 로봇 암 변위를 관리하는 컴퓨터를 제공하도록 작동한다.

로봇 암(144)은 조정 가능한 지지 플랫폼의 표면 및 조정 가능한 지지 섹션(112)의 모든 지점에 도달하고, 압출된 3D 물체의 표면 세그먼트에 항상 수직인 노즐(148)을 유지하도록 구성된다. 로봇 암(144)에 장착된 노즐(148)은 X, Y, 및 Z축 각각을 중심으로 적어도 180도 회전할 수 있다. 노즐(148)을 유지하는 로봇 암의 사용은 단일 설정에서 전체 아크/리브(도 7a)의 압출을 지원한다.

복합 재료 3D 물체 제조 과정에서, 로봇 암(144)은 종방향 가이드(140)를 따라 그리고 가로질러 압출 노즐(148)을 이동시키고, 조정 가능한 플랫폼(104 및 112)(도 6) 및 3D 물체의 조정 가능한 지지 표면에 대해 상이한 각도로 강화 필라멘트(도 6 및 7)를 증착한다. 강화 필라멘트는 나선 패턴으로 3D 물체에 적용된다. 나선 각도는 연속 층을 만드는 데 필요한 만큼의 나선을 증착하도록 조정될 수 있다.

속경화 에폭시 매트릭스를 사용하는 강화 필라멘트의 적어도 하나의 층은 연속적인 표면을 형성하도록 나선 패턴으로 3D 물체에 적용될 수 있다. 이중 성분 에폭시의 매트릭스가 있는 멀티스트랜드 필라멘트는 3D 물체의 후속 층을 형성할 수 있다. 이러한 3D 물체 구조는 3D 물체에 추가적인 강도를 제공한다. 최적의 결과 강도를 얻기 위한 층 간 재료의 다른 변경 및 대체는 개시 범위 내에 있다.

예시

도 6은 복합 재료로 만들어진 3D 물체(600)를 압출하는 방법의 예시이다. 3D 물체(600)는 볼록(604) 및 오목(608) 표면 세그먼트를 포함한다. 3D 물체(600)의 모든 표면 세그먼트는 동일한 레벨에서 종단되고, 조정 가능한 지지 플랫폼(104/112)에서 3D 물체(600)의 평면 또는 편평한 표면(602)을 형성한다. CAD 시스템은 제어 컴퓨터(152)에 3D 물체(600)에 관한 정보를 제공한다. 제어 컴퓨터(152)는 지지 칼럼(116)의 모든 수용 표면(120)을 평평하게 하고, 조정 가능한 지지 플랫폼의 편평한 표면을 형성하도록 작동한다.

장치(100)(도 1)는 복합 재료를 압출하여 볼록(604) 및 오목(608) 표면 세그먼트의 아크를 형성한다. 볼록(604) 및 오목(608) 표면 세그먼트의 아크는 조정 가능한 지지 플랫폼(104/112)에 연결된다. 또 다른 예시에서, 편평한 표면(602)을 형성하는 복합 재료의 스트립은 강한 폐쇄 윤곽을 생성할 수 있다. 압출된 재료, 예컨대, 요변성 재료는 노즐(404)을 떠난 직후에 하드닝되고, 편평한 표면(602), 볼록(604) 및 오목(608) 표면을 형성하는 재료의 스트립은 그 무게로 인해 변형되지 않을 만큼 충분히 단단해진다. 공중에 걸쳐 있는 압출된 복합 재료에 의해 형성된 3D 물체 표면 세그먼트(604 및 608)는 충분히 단단하고 공중에 떠 있는 상태로 유지된다. 맨드릴은 3D 물체 표면 세그먼트(604 및 608)의 제조에 사용되지 않았다.

또 다른 예시에서, 장치(100)는 평면(602)의 윤곽을 형성하기 위해 재료의 스트립을 압출한다. 장치(100)(도 1)는 편평한 표면(602)의 윤곽에 연결된 볼록(604) 및 오목(608) 표면 세그먼트의 아크를 계속 압출한다.

편평한 표면(602)의 세그먼트를 형성하는 재료의 스트립은 3D 물체(600)의 윤곽을 강화하는 중간 지지부의 유형이며, 모든 패스(pass)에서 프린팅되지 않을 수 있다.

로봇 암(144)은 3개의 방향 또는 축(X, Y 및 Z)으로 압출 노즐(404)을 이동시키고, 3개의 축 각각을 중심으로 압출 노즐(404)의 회전을 지원한다. 이동 과정에서, 노즐(404)은 강화되고 코팅된 필라멘트(406)를 압출하여 적어도 3D 물체(600)의 세그먼트를 형성한다. 노즐(148)은 노즐(404)과 유사한 이동을 수행하도록 구성된다.

하나의 압출 노즐이 작동할 때, 3D 물체(600)의 세그먼트가 순차적으로 압출된다. 동일한 양수인 및 발명가의 미국 특허 번호 10,639,846은 압출 노즐 각각이 다른 압출 노즐과 독립적으로 작동하는 다중 노즐 압출 장치를 개시한다. 그러한 장치는 3D 물체(600)의 상이한 세그먼트의 동시 프린팅을 지원한다. 본 제조 방법에 따르면, 3D 물체(600)의 제조는 맨드릴 또는 몰드를 요구하지 않는다.

장치(100)는 층의 어셈블리로서 3D 물체(600)의 제조를 지원할 수 있다. 층은 상이한 재료의 층일 수 있다. 예컨대, 층 중 하나는 속경화 에폭시를 사용하고, 다른 층은 이중 성분 에폭시를 사용하여 제조될 수 있다. 단일 압출 헤드를 갖는 장치(100)는 상이한 층을 순차적으로 압출할 것이다. 다수의 압출 헤드가 있는 장치는 상이한 재료의 층을 동시에 압출할 수 있다.

동일한 양수인의 미국 특허 번호 10,328,635는 3D 물체의 제조를 위한 방법 및 장치를 개시한다. 다수의 동일한 3D 물체에 대해, 장치(600)는 적절한 재료를 사용하고 몰드를 제조하도록 구성될 수 있다. 몰드는 동일한 3D 물체의 제조(캐스팅)에 사용될 수 있다. 개시된 방법은 동일한 3D 물체 제조 시간을 절약하고 제조 비용을 줄인다.

도 7a는 복합 재료로부터의 볼록 및 오목 표면 세그먼트를 포함하는 3D 물체의 제조 방법의 또 다른 예시이다. 50mm를 초과하는 높이를 갖고 단절되거나 별개의 조정 가능한 플랫폼 표면(104/112)에 걸쳐 있는 긴 3D 물체 표면 세그먼트의 강도는 내부 지지 벽 또는 리브(704)를 추가함으로써 강화될 수 있다. 내부 지지 리브(704)는 3D 물체(600)의 볼록(604) 및 오목(608) 세그먼트와 동시에 프린팅될 수 있다. 내부 지지 벽 또는 리브(도 7)는 3D 물체의 윤곽을 정확히 따른다. 일부 예시에서, 리브 또는 벽(704)은 완전한 3D 물체 단면을 나타내도록, 즉 360도로 전개되도록, 제조될 수 있다. 360도로 전개되는 리브는 예컨대, 3D 물체의 회전과 같은 3D 물체 재배치를 지원할 수 있다.

내부 지지 벽(도 7b)은 칼럼(710)의 세트 또는 다른 형상일 수 있다. 케이블 또는 튜브의 도입을 지원하는 개구부는 지지 벽에 생성되거나 칼럼(710) 사이에 들어갈 수 있다. 내부 지지 벽 및 칼럼 배치의 위치 및 빈도는 제조된 3D 물체의 무결성을 유지하도록 선택될 수 있다.

또 다른 예시에서, 3D 물체가 편평한 표면을 갖지 않을 때, 장치(100)는 로봇 암(812) 또는 다른 로봇 암을 이용하여 3D 물체 제조를 개시하여, 금속 또는 중합체 그리드(네트)(804)를 조정 가능한 지지 칼럼(116)의 관련 수용 표면(120) 위에 전개할 수 있다. 제어 컴퓨터(152)(도 1)는 CAD 시스템으로부터 3D 물체 데이터를 수신하고 제조된 3D 물체의 곡률 및 길이와 매칭하도록 지지 부재(116)의 모든 수용 표면(120)을 배치하도록 작동한다. 네트 또는 그리드(804)의 사용은 임의의 3D 물체 형상의 압출을 지원한다. 도 8b는 로봇 암(812)에 의한 그리드 기판(804)의 전개를 예시한다.

로봇 암은 3개의 방향 또는 축(X, Y 및 Z)으로 압출 노즐(404)을 이동시키고 3개의 축 각각을 중심으로 압출 노즐(404)의 회전을 지원한다. 이동 과정에서, 노즐(404)은 강화 및 코팅된 필라멘트(406)를 압출하여 3D 물체의 적어도 일부를 형성한다. 제조된 3D 물체는 볼록 또는 오목 표면 세그먼트를 포함할 수 있다.

두 예시에서, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제조된 3D 물체는 3D 물체의 강도 및 기능적 요소를 강화하는 일부 내부 구조를 포함할 수 있다. 벌집(honeycomb)과 같이 제어된 다공성 구조를 가진 복합 재료는 3D 물체의 강도를 강화하는 것으로 알려져 있다. 예컨대, 압출 제어된 다공성 구조는 셀 벽의 가변 피치 및 높이를 가질 수 있다. 예컨대, 윈드 로터 블레이드의 경우, 스파 섹션(spar section)은 블레이드 길이를 따라 피치를 변경하는 벌집 구조를 가질 수 있다.

복합 재료로 만들어진 3D 물체의 제조가 완료되면, 3D 물체(600)(도 9)는 재배치될 수 있는데, 예컨대, 3D 물체의 측면 중 하나에 대해 180도 회전된다. 3D 물체 회전은 지지 칼럼(116)의 적절한 조정 및 로봇 암의 사용에 의해 달성될 수 있다. 물체(600)의 아크(604 및 608)의 반대편으로 향하는 추가적인 볼록 또는 오목 세그먼트(900)가 제조될 수 있다.

3D 물체의 제조가 완료되면, 거의 완성된 3D 물체 어셈블리가 폴리싱되어야 한다. 샌드페이퍼와 패드를 유지하는 하나 이상의 로봇 암은 윈드 로터 블레이드(1000)의 외부 표면을 폴리싱하기 위해 활성화될 수 있다. 유사한 방식으로, 로봇 암은 페인트 스프레이 장치를 조작하고 윈드 로터 블레이드의 표면을 바니시로 페인팅하고 덮는 데 사용될 수 있다.

장치(100)(도 1)는 종래의 에어포일 프로파일의 단면을 갖는 3차원 물체를 제조하는 데 적합하다. 에어포일은 비행기 날개, 윈드 터빈 블레이드 및 다른 3D 물체의 프로파일이며, 볼록한 표면과 오목한 표면을 포함한다. 에어포일과 카누는 상대적으로 긴 물체이다. 현재의 제조 방법은 이러한 긴 3D 물체의 제조를, 물체를 섹션으로 절단하고, 각 섹션을 개별적으로 제조한 다음 하나의 긴 3D 물체로 연결함으로써 제안한다. 적절한 단부 면 준비 후, 그리드의 사용, 필라멘트 와인딩 및 더 강한 재료의 압출에 의해 연결 영역의 강도가 강화될 수 있다.

동일한 양수인의 미국 특허 번호 8,974,213, 9,162,391 및 9,527,243은 압출된 층 사이에 금속 또는 중합체 네트 또는 그리드를 삽입함으로써 3D 물체를 강화하는 방법을 개시한다. 특허에 설명된 방법으로 프린팅된 3D 물체는 균일한 곡률을 가진 표면 또는 편평한 표면 위에 그리드를 전개한다. 물체(600)는 양의 곡률(604) 및 음의 곡률(608)을 갖는 세그먼트(604)를 갖는다. 일 예시에서, 그리드는 제조된 3D 물체 세그먼트에 따라 세그먼트화될 수 있다. 또 다른 예시에서, 상이한 필라멘트 와인딩이 상이한 3D 물체 세그먼트에 적용될 수 있다.

일 예시에서, 3D 물체는 단일 고체 물체로 제조될 수 있다. 또 다른 예시에서, 큰 세그먼트, 예컨대, 3D 물체의 절반(도 6)이 제조된다. 다른 표면 세그먼트(들)를 제조하기 위해, 3D 물체(600)는 재배치될 수 있고, 예컨대, 다른 표면 세그먼트(900)(도 9) 제조를 용이하게 하기 위해 회전될 수 있다. 수용 표면(120)(도 6)의 각도의 변화는 3D 물체의 제2 측면을 프린팅하기 위해 회전된 3D 물체(600)의 회전을 지원한다. 수용 표면(120)의 위치 변경, 롤러의 작동, 로봇 핸드의 사용 등은 3D 물체 재배치 공정에 도움이 될 수 있다.

도 10은 부분적으로 제작된 3D 물체 위의 필라멘트 와인딩을 예시하는 예시이다. 필라멘트 와인딩은 부분적으로 제작된 3D 물체(1000)를 강화하고 3D 물체 재료의 추가 층이 증착될 수 있는 편리한 기판을 제시한다. 3D 물체는 롤러 작동, 로봇 암 사용 및 유사한 공정을 포함하는 상이한 수단으로 필라멘트 와인딩을 위해 재배치될 수 있다.

3D 물체의 제조를 완료하면, 거의 완성된 3D 물체 어셈블리를 폴리싱해야 한다. 샌드페이퍼와 패드를 유지하는 하나 이상의 로봇 암을 활성화하여 예컨대, 윈드 로터 블레이드와 같은 3D 물체의 외부 표면을 폴리싱할 수 있다. 유사한 방식으로, 로봇 암은 페인트 스프레이 장치를 조작하고 윈드 로터 블레이드의 표면을 바니시로 페인팅하고 덮는 데 사용될 수 있다.

본 설명은 첨부된 도면 및 실시예를 참조하지만, 본 설명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

Claims

복합 재료로부터 3D 물체를 제조하는 방법으로서,
멀티스트랜드 필라멘트와 상기 멀티스트랜드 필라멘트를 둘러싸는 순간 하드닝 요변성 매트릭스 재료(instant hardening thixotropic matrix material)를 포함하는 복합 재료를 제공하는 단계;
상기 복합 재료를 압출하도록 구성된 압출 부재를 제공하는 단계; 및
수용 표면에 의해 종단되는 복수의 개별 지지 칼럼을 포함하는 작업 표면을 제공하고, 적어도 개별 작업 표면의 세그먼트를 가로질러 공중에 걸쳐 있는 적어도 하나의 3D 물체 표면 세그먼트를 압출하는 단계를 포함하고,
연관된 개별 지지 칼럼을 종단하는 각각의 수용 표면은 상기 공중에 걸쳐 있는 3D 물체 표면 세그먼트의 배향과 매칭하는 공간에서의 배향을 수용하도록 컴퓨터에 의해 높이 및 각도가 조정가능하게 이동 가능한, 방법.
제1항에 있어서,
상기 공중에 걸쳐 있는 3D 물체 표면 세그먼트의 완전한 경화를 가속화하도록 경화 에너지의 소스를 작동하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 방법은 3D 물체를 캐스팅하기 위한 몰드의 제조를 포함하는, 방법.
강화된 멀티스트랜드 필라멘트를 준비하는 방법으로서,
멀티스트랜드 섬유 코어 재료를 제공하는 단계;
매트릭스 재료 증착 장치를 통해 상기 멀티스트랜드 섬유 코어 재료를 안내하는 단계; 및
매트릭스 재료에 의해 상기 멀티스트랜드 섬유 코어 재료를 덮도록 상기 매트릭스 재료 증착 장치를 작동하는 단계;
상기 멀티스트랜드 필라멘트를 편평 스트립의 형상으로 압출하는 단계; 및
상기 편평 스트립의 측면에 상이한 재료의 다중 코팅을 적용하는 단계를 포함하고,
상기 매트릭스 재료는 상기 멀티스트랜드 필라멘트의 순간 하드닝을 지원하기 위해 공중에서 순간 하드닝하도록 구성되는 요변성 재료인, 방법.
제4항에 있어서,
적용된 상기 상이한 재료의 다중 코팅이 상이한 두께를 갖는, 방법.
제4항에 있어서,
상기 멀티스트랜드 섬유 코어 재료는 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 또는 폴리(파라페닐렌 테레프탈아미드) 스트랜드로 이루어진 재료 그룹 중 적어도 하나인, 방법.
제4항에 있어서,
상기 매트릭스 재료는 이중 성분 에폭시, 아크릴 재료, 속경화 에폭시, 폴리에스테르 수지 및 비닐 에스테르로 이루어진 재료 그룹 중 하나인, 방법.
강화된 멀티스트랜드 필라멘트를 준비하는 방법으로서,
멀티스트랜드 섬유 코어 재료를 제공하는 단계;
매트릭스 재료 증착 장치를 통해 상기 멀티스트랜드 섬유 코어 재료를 안내하는 단계; 및
매트릭스 재료에 의해 상기 멀티스트랜드 섬유 코어 재료를 덮도록 상기 매트릭스 재료 증착 장치를 작동하는 단계;
상기 멀티스트랜드 필라멘트를 편평 스트립의 형상으로 압출하는 단계; 및
상기 편평 스트립 재료의 각 측면에 상이한 조성을 적용함으로써 상이한 특질을 갖는 편평 스트립을 제공하는 단계를 포함하고,
상기 매트릭스 재료는 상기 멀티스트랜드 필라멘트의 순간 하드닝을 지원하기 위해 공중에서 순간 하드닝하도록 구성된 요변성 재료인, 방법.
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