KR20030072351A - 탄소 나노튜브 복합재 구조물의 신속한 제조 방법 - Google Patents

탄소 나노튜브 복합재 구조물의 신속한 제조 방법 Download PDF

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KR20030072351A
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프레데릭 제이. 허만
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Abstract

본 발명은, 탄소 나노튜브를 포함하는 복합재 재료의 자유형 구조물을 제조하는 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 배출용 어셈블리 및 이 배출용 어셈블리에 동작적으로 결합된 복합재 형성 장치를 포함한다. 배출용 어셈블리는, 예를 들어 고에너지 밀도 방출물, 레이저 방출물 또는 입자선 방출물과 같은 용융제를 분배시킨다. 복합재 형성 장치는 복합재 형성기 및 이 복합재 형성기에 동작적으로 결합된 어레인저를 포함한다. 복합재 형성기는 용융제와 결합되어, 복합재 노드 부재를 형성한다. 복합재 노드 부재는 매트릭스, 및 이 매트릭스를 통해 분산된 탄소 나노튜브로 형성된 섬유 다발을 포함한다. 어레인저는 하나의 노드를 또 다른 노드에 대해 배치시켜 자유형 구조물을 형성한다.

Description

탄소 나노튜브 복합재 구조물의 신속한 제조 방법 {RAPID MANUFACTURING OF CARBON NANOTUBE COMPOSITE STRUCTURES}
본 발명의 배경
본 발명은 일반적으로 신속한 제조 기술을 사용하여 자유형(free-form) 복합재 구조물을 형성하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 하나의 복합재 노드 부재를 서로에 대해 배열시킴으로써 자유형 구조물을 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 추가로 매트릭스, 및 이 매트릭스를 통해 분산된 탄소 나노튜브로 형성된 불연속 섬유 다발을 함유하는 복합재 노드 부재를 형성하는 방법에 관한 것이다.
탄소의 일반적인 3가지 동소체는 다이아몬드, 흑연 및 벅키볼(Buckyball)과 같은 풀러렌(fullerene)이다. 예를 들어, 탄소 나노튜브는 철 및 그 밖의 합금보다 훨씬 더 우수한 기계적 강도 및 변형(strain) 특성을 나타내나, 현존하는 세라믹 또는 중합체 복합재의 밀도 이하의 낮은 밀도 특성을 나타낸다.
이들의 밀도가 낮기 때문에, 종종 고밀도 금속, 세라믹 또는 중합체 매트릭스와 조합시키는 경우에 탄소 나노튜브 복합재를 제조하기 어렵다. 빈번하게는, 이러한 복합재를 형성하는 중에, 중력에 의해 복합재가 당겨져서, 궁극적으로는 경량의 탄소 나노튜브 복합재 재료로부터 고밀도 복합재 재료가 분리된다. 또한, 이들의 정전기적 특성 때문에, 탄소 나노튜브는 복합재 형성 공정 중에 매트릭스 복합재 재료와 균일하게 분산되기보다는 오히려 서로 응집되는 경향이 있다.
복합재 매트릭스 내에서 탄소 나노튜브가 불균일하게 형성되기 쉽기 때문에, 호스트 시스템에 부적절한 복합재가 사용되게 된다. 따라서, 이러한 부적절한 복합재 성분이 시간이 경과함에 따라 다양한 물리적인 인자에 노출됨으로써, 균열, 약화, 마모 및 가능하게는 상기 성분의 파국적 고장(catastrophic failure)이 야기될 수 있다. 또한, 가공후 과정을 부적절한 탄소 나노튜브 복합재에 적용시키면, 파국적 고장이 야기될 가능성이 증가된다. 예를 들어, 기계 가공 및 그 밖의 마감 공정은 전체적인 매트릭스 배열을 손상시킬 수 있는 불필요한 힘 및 컨디션을 이러한 복합재에 부과한다.
금속/세라믹/중합체 매트릭스를 통해 균일하게 분산된 탄소 나노튜브를 포함하는 복합재가 무엇보다도 바람직한 물리적인 특성을 포함하는 특정의 기술적인 이점을 보유한다 하더라도, 이러한 복합재의 제조 방법은 심각한 한계점을 갖고 있다. 말하자면, 탄소 나노튜브가 매트릭스를 통해 균일하게 분산되어 있는 복합재를 형성하는 것은 시간 소비 및 비용적인 측면에서 매우 곤란하다. 예를 들어, 제조 방법은 종종 복합재 재료를 먼저 형성한 다음, 이 재료를 가공하여 호스트 시스템과 함께 사용하기 위한 구조를 형성하는 2단계의 통상 과정을 포함한다.
다수 종래 복합재 형성 기술은 금속/세라믹/중합체 매트릭스를 통해 균일하게 분산된 탄소 나노튜브를 제조하기 위한 요구사항을 충족할 수 없다. 일반적으로 현재의 제조 기술은 열 및 압력을 인가함으로써 이러한 복합재를 형성한다. 유감스럽게도, 열 또는 압력 중 어느 하나를 부적절하게 인가하면, 종종 매트릭스 내에 형성된 탄소 나노튜브의 총 수율이 감소된다. 따라서, 현재의 복합재 제조 기술은 열 또는 압력 중 어느 하나의 부적절한 인가 때문에 매트릭스 내에 형성된 탄소 나노튜브의 수율이 감소된다는 한계점을 안고 있다.
또한, 탄소 나노튜브의 불균일한 분산 이외에도, 일반적인 복합재 형성 공정은 이들의 결정성 및 서로 응집하려는 전기 특성 경향과는 별도로 매트릭스를 통해 탄소 나노튜브를 무작위적으로 정렬시키지 않는다. 이러한 무작위적인 정렬성이 결핍되어 있기 때문에, 시간 경과에 따라 물리적인 힘이 경쟁적으로 가해짐으로 해서 매트릭스 내에서 크랙 형성이 전파되는 것을 완화시키거나 제거시킬 수 없다.
복합재 제조 기술 이외에도, 성분부를 궁극적으로 형성하기 위한 현재의 마감 공정에 의해, 매트릭스 내에서 유효량의 탄소 나노튜브를 추가로 감소시킬 수 있는 열 및 압력이 복합재 재료에 추가로 가해진다. 따라서, 현재에는 매트릭스 내에서 그리고 성분부를 형성하기 위해 복합재 재료를 가공시키는 부가적인 단계를 거치지 않으면서, 최적의 균일한 탄소 나노튜브 수율을 갖는 복합재 성분을 형성하기 위한 장치 및 방법이 존재하지 않는다.
본 발명의 간단한 요약
본 발명에 따르면, 자유형 구조물이 형성되어, 탄소 나노튜브가, 매트릭스 내의 탄소 나노튜브의 수율을 최적화시키도록 가공후 처리를 실시할 필요 없이, 매트릭스 복합재를 통해 제어가능하게 분산된다. 따라서, 신속한 제조 기술을 수행하는 시스템을 통해, 탄소 나노튜브가 용융제와 조합시키기 위한 분말-가스 혼합물의 단일 스트림으로서 무작위적으로 그리고 균일하게 분산된다. 생성되는 복합재는 매트릭스 내에 균일하고 무작위적으로 분산된 탄소 나노튜브의 최적 수율을 향유한다. 일 구체예에서, 상기 탄소 나노튜브는 크랙 형성 및 이에 따라 약화되는 경우에 복합재 재료가 파괴되는 것을 억제시키도록 설계된 소정 길이의 섬유이다. 실제적으로는, 무작위적으로 정렬된, 불연속 탄소 나노튜브 섬유는 넓은 범위의 방향으로 크랙 형성이 전파되는 것을 억제하여, 생성되는 복합재가 다양한 방향으로 로딩시킬 수 있는 능력을 개선시킨다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 자유형 구조물을 제조하기 위한 시스템에는 배출용 어셈블리(discharge assembly) 및 이 배출용 어셈블리와 동작적으로 결합된 복합재 형성 장치를 포함한다. 상기 배출용 어셈블리는, 예를 들어 고에너지 밀도 방출물, 레이저 방출물 또는 입자선 방출물과 같은 용융제를 분배시킨다. 복합재 형성 장치는 복합재 형성기, 및 이 복합재 형성기와 동작적으로 결합된 어레인저(arranger)를 포함한다. 궁극적으로, 복합재 형성기에 상기 용융제가 결합되어 복합재 노드 부재가 형성된다.
복합재 노드 부재는 매트릭스, 및 이 매트릭스를 통해 분산된 탄소 나노튜브로 형성된 섬유 다발을 포함한다. 복합재 노드 부재에 대한 예시적인 일 구체예에서, 탄소 나노튜브로 형성된 불연속 섬유 다발의 길이는 약 10 nm 내지 약 500 마이크론의 범위에 있다. 상기 어레인저는 자유형 구조물을 형성하도록 하나의 노드를 또 다른 노드에 대해 위치시킨다.
본 발명의 기술적인 이점은, 몰드 또는 기계 가공 또는 그 밖의 가공후 조작을 필요로 하지 않고 자유형 구조물을 형성하는, 서로에 대해, 예를 들어 빌딩 블럭의 그것과 유사한 방식으로 정렬된 탄소 나노튜브를 함유하는 노드를 제공한다는 것이다. 형판(template)을 기초로 한 시스템은, 생성되는 자유형 구조물이 침착되는 경우 그것의 크기, 치수화, 공차 및 재료 조성을 제어하고 복합재 노드 부재 다발을 정렬시킨다. 예시적인 일 구체예에서, 탄소 나노튜브로 형성된 섬유는, 예를 들어 강화된 콘크리트의 그것과 유사한 방식으로 매트릭스 및 전체적인 자유형 구조물을 강화시키는 강화 섬유를 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 매트릭스는 금속을 포함한다는 것이 또한 추가되어야 한다. 또한, 예시적인 일 구체예에서, 매트릭스는 금속 합금을 포함한다. 또 다른 예시적인 구체예에서, 매트릭스는 금속간(intermetallic) 화합물을 포함한다. 또 다른 예시적인 구체예에서, 상기 매트릭스는 세라믹을 포함한다. 또 다른 예시적인 구체예에서, 매트릭스는 중합체를 포함한다. 당업자는 탄소 나노튜브 섬유와 조합시키기 위한 매트릭스 재료의 임의 조합물을 용이하게 인지하고 있을 것이다.
또 다른 기술적인 이점에는 제조 시스템을 사용하여 자유형 구조물을 제조하기 위한 컴퓨터 판독가능한 코드를 통해 실행된 프로그램이 포함된다. 상기 프로그램은 복합재 형성 프로그램 코드 및 구조물 형성 프로그램 코드를 포함한다. 복합재 형성 프로그램 코드는 매트릭스 및 탄소 나노튜브로 형성된 섬유 다발을 용융제와 조합시킴으로써 복합재 형성기를 통해 복합재 노드를 형성한다. 구조물 형성 프로그램 코드는 어레인저를 통해 하나의 복합재 노드를 또 다른 복합재 노드에 대해 배열시켜 자유형 구조물을 형성한다.
예시적인 일 구체예에서, 상기 어레인저는 배치용 어셈블리(positioningassembly)를 포함한다. 이러한 배치용 어셈블리는 컴퓨터 판독가능한 코드에 기초한 지시에 따라서 각각의 노드를 이동시킨다. 예시적인 일 구체예에서 이러한 배치용 어셈블리는 자유형 구조물과 관련된 형판을 기억한다.
따라서, 본 발명의 제 1 기술적인 이점은 형판에 따라 각각의 노드를 배열하는 배치용 어셈블리를 포함한다는 것이다.
또한, 본 발명의 제 2 기술적인 이점은 매트릭스 복합재 내에서 탄소 나노튜브를 균일하게 형성하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다는 것이다.
본 발명의 제 3 기술적인 이점은 탄소 나노튜브 복합재를 형성하고 이 복합재를 목적하는 자유형 구조물로 배열시키기 위한 제어 시스템을 포함한다는 것이다.
본 발명의 제 4 기술적인 이점은 성분부에 대해 이미 존재하는 CAD 파일을 기초로 생성되는 성분부를 스케일링하기 위한 제어 시스템 맵핑을 포함한다는 것이다.
본 발명의 제 5 기술적인 이점은 탄소 나노튜브를 그 밖의 분말 재료와 조합시켜서 노드, 또는 목적하는 균일한 복합 재료로 형성된 "비드"를 형성하기 위한, 레이저와 같은 용융제를 포함한다.
본 발명의 제 6 기술적인 이점은 자유형 구조물을 노드 형태(node by node)로 구성하여, 생성되는 구조물을 기계 가공 또는 예비성형품/몰드를 사용하는 것과 같은 제조후 가공을 실시할 필요가 없는 상태에서 스케일링하기 위한 시스템을 포함한다.
본 발명의 그 밖의 일면, 이점 및 신규한 특징은 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도면의 간단한 설명
본 발명 및 본 발명의 이점을 보다 완전하게 이해하도록 하기 위해, 첨부되는 도면과 함께 하기 설명을 참조로 한다:
도 1은 매트릭스와 탄소 나노튜브로 형성된 불연속 섬유 다발을 조합시킴으로써 복합체 노드 부재의 재료 형성을 나타내는 개략도이며;
도 2는 하나의 복합재 노드 부재를 또 다른 노드 부재에 대해 배치시킴으로써 자유형 구조물을 제조하기 위한 본 발명에 따른 시스템을 나타내는 개략도이며;
도 3은 자유형 구조물을 제조하기 위한 시스템의 또 다른 구체예를 나타내는 개략도이며;
도 4는 하나의 복합재 노드 부재를 또 다른 복합재 노드 부재에 대해 침착시킴으로써 자유형 구조물을 형성하는 도 3의 시스템을 나타내는 사시도이며;
도 5는 매트릭스를 통해 분산된 탄소 나노튜브로 형성된 불연속 섬유 다발을 함유하는 복합재 노드 부재를 형성한 다음, 하나의 복합재 노드 부재를 또 다른 복합재 노드 부재에 대해 위치시킴으로써 자유형 구조물을 형성하는 것을 나타내는 등측도(isometric view)이며;
도 6은 자유형 구조물을 제조하기 위한 시스템의 또 다른 구체예를 나타내는 개략도이며;
도 7은 본 발명의 시스템에 의해 수행된 자유형 구조물의 제조 순서를 나타내는 흐름도이며;
도 8은 본 발명의 시스템으로 수행된 복합재 노드 부재 형성 순서를 나타내는 흐름도이다.
바람직한 구체예에 대한 상세한 설명
본 발명의 바람직한 구체예는 도면에 예시되어 있으며, 도면 부호는 다양한 도면의 상응하는 부분을 지칭하는데 사용된 것이다. 도 1은 매트릭스(9)와 탄소 나노튜브(7)를 조합시켜서 복합재(12)를 제조하기 위한 방법(5)의 한 일면을 나타낸다. 복합재(12)를 복합재 노드 부재(89)로 개별적으로 형성시킴으로써 도 5에 도시된 본 발명의 또 다른 일면에서, 자유형 구조물(99)이 상기 방법(5)을 통해 하나의 복합재 노드 부재(89)를 또 다른 복합재 노드 부재에 대해 배열시킴으로써 형성된다. 실제적으로, 복합재 노드 부재는 자유형 구조물을 형성하기 위한 "빌딩 블럭"으로서 작용한다.
도 1에 도시된 바와 같은 예시적인 일 구체예에서, 탄소 나노튜브 섬유(8)는 매트릭스(9)에 의해 제공된 매트릭스 재료(10) 사이에서 분산되어, 전체적인 자유형 구조물을 강화시킨다. 예를 들어, 강화된 콘크리트와 마찬가지로, 탄소 나노튜브 섬유(8)는 철과 같은 강화 재료와 유사한 반면에, 매트릭스 재료(10)는 골재 또는 시멘트의 그것과 유사하다. 또한 마찬가지로, 본 발명의 복합재 노드 부재(89)는 강화된 콘크리트 재료로 형성된 빌딩 블럭과 유사하므로, 다양한 빌딩 블럭이 서로에 대해 배열되어 궁극적으로 구조물을 형성하게 된다.
따라서, 복합재 노드 부재를 구성하고 정렬시켜 구조물을 형성함으로써, 제조후 공정 조작 분야에서의 일반적인 실시가 회피된다. 먼저, 구조물이 종종 몰드로 또는 기계 가공에 의해 제조된 다음, 이들에 제조후 공정 조작이 실시된다. 여기에서, "제조후 공정 조작"이란 초기 제조 단계 외에 필요한 추가 단계를 지칭하는 말로서, 이러한 제조후 공정 조작을 실시하면 구조물이 목적하는 치수 및 공차를 나타내게 된다. 일반적으로, 가공후 조작에는, 제조된 구조물의 목적하는 치수 및 공차를 달성하기 위해 실시되는, 예를 들어 기계 가공, 세척, 연마, 분쇄, 절삭 및 홀 드릴링이 포함된다.
한편, 본 명세서 및 첨부된 청구범위에서 자유형 구조물은 단일 조작 단계로 제조된 구조물을 지칭하는데, 상기 구조물은 요구되는 치수 및 공차 특성을 포함한다. 따라서, 자유형 구조물은 처리시킬 물품이 소정의 치수 및 공차 특성을 갖도록, 몰드, 또는 예를 들어 선반, 밀링 머신을 사용하는 것과 같은 통상의 기계적인 기술을 사용하지 않고 형성된다. 종종, 비용, 시간, 노동력 및 이것의 부가적인 장비 및 설비에 대한 필요성을 대단히 절감시키기 위해서, 자유형 구조물은 예를 들어 기계가공 또는 연마와 같은 어떠한 제조후 공정을 필요로 하지 않거나 최소한으로 필요로 한다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에서는, 자유형 구조물의 제조와 관련된 공정을 신속한 제조 시스템이라고 지칭한다.
도 1을 참조로 하여, 예시적인 일 구체예에서 탄소 나노튜브 섬유(8)는 개별적인 직경 대 길이 비를 나타내도록 구성된다. 예시적인 일 구체예에서, 불연속 탄소 나노튜브 섬유(8) 다발의 길이는 약 10 nm 내지 약 500 마이크론의 범위에 있다. 따라서, 상기 직경 대 길이 비가 최적인 경우에는, 매트릭스(9)를 통해 탄소나노튜브 섬유(8)가 균일하게 분산될 뿐만 아니라, 신속한 제조 기술을 통해 복합재 노드 부재가 형성되거나 최적 길이의 탄소 나노튜브가 제공된다.
매트릭스(9)에 있어서, 일 구체예에서 매트릭스 재료(10)는, 예를 들어 티타늄과 같은 금속을 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 매트릭스 재료(10)는 Ti-6A1-4V와 같은 금속 합금을 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 매트릭스 재료(10)는 감마 TiA1과 같은 금속간 화합물을 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 매트릭스 재료(10)는 Al2O3와 같은 세라믹을 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 매트릭스 재료(10)는 폴리비닐 클로라이드와 같은 중합체를 포함한다. 또한, 당업자는 내부에 분산된 탄소 나노튜브를 수용하기 위한 임의의 적합한 매트릭스 재료를 용이하게 인지하고 있을 것이다.
도 2는 자유형 구조물(28)을 제조하기 위한 시스템(15)의 예시적인 일 구체예를 개략적으로 도시한다. 작동시, 상기 시스템(15)은 하나의 복합재 노드 부재를 또 다른 복합재 노드 부재에 대해 배열시킴으로써 자유형 구조물(28)을 제조한다. 각각의 노드 부재를 배열시키는 것 이외에, 시스템(15)은 먼저 매트릭스를 통해 분산된 탄소 나노튜브로 형성된 섬유 다발로부터 각각의 복합재 노드 부재를 형성한다.
따라서, 도 2의 구체예에 대해서도, 상기 시스템(15)은 나노튜브 분산용 어셈블리(18) 및 매트릭스 분산용 어셈블리(19)를 포함한다. 상기 시스템은 이로부터 용융제를 분배시키기 위한 배출용 어셈블리(20)를 추가로 포함한다. 예를 들어, 예시적인 일 구체예에서, 배출용 어셈블리(20)는 이로부터 고에너지 밀도 레이저 방출물을 포함하는 용융제를 방출시키기 위한 고전력 레이저를 포함한다. 또 다른 예시적인 구체예에서, 배출용 어셈블리(20)는 입자선을 포함하는 용융제를 방출시키기 위한 입자선 장치를 포함한다.
시스템(15)에 의해 용융제를 적용시킴으로써, 복합재 노드 부재는, 나노튜브 분산용 어셈블리(18)로부터의 탄소 나노튜브와 매트릭스 분산용 어셈블리(19)로부터 매트릭스 재료를 조합시켜서 형성된다. 본 시스템(15)은 복합재 노드 부재를 형성하여 궁극적으로 노드 형태로 된 자유형 구조물(28)을 형성하기 위한 방법을 반복한다.
각각의 복합재 노드 부재를 배열시키기 위해, 시스템(15)은, 하나의 노드를 또 다른 노드에 대해 배치시켜 자유형 구조물(28)을 형성하기 위한 어레인저를 포함한다. 상기 어레인저는 배치용 어셈블리(22) 및 상기 배치용 어셈블리(22)에 동작적으로 결합된 이동 제어기(21)를 포함한다. 상기 배치용 어셈블리(22)는 형성 프로그램 코드(24)를 포함한다. 상기 형성 프로그램 코드(24)에는, 궁극적인 자유형 구조물(28)의 크기 치수화, 공차 및 재료 조성에 대해 컴퓨터 판독가능한 형태로 된 지시가 내장되어 있다. 일 구체예에서, 형성 프로그램 코드(24)는, 자유형 구조물을 제조하는데 요구되는 것들 중에서 특히 목적하는 크기 치수화, 공차 및 재료 조성에 따라 각각의 복합재 노드 부재를 배열시키기 위한 지시를 제공하는, 자유형 구조물과 관련된 "컴퓨터 응용 제도(CAD)" 파일을 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 배치용 어셈블리(22)는 형성 프로그램 코드(24)를 통해 자유형구조물(28)과 관련된 형판을 기억한다.
배치용 어셈블리(22)는 자유형 구조물(28)을 형성하기 위한 지시에 대해 다수개의 구성 노드 부재를 배열시키는 구조물 형성 프로그램 코드(25)를 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 상기 구조물 형성 프로그램 코드(25)는 평면, 또는 통상 목적하는 자유형 구조물(28)을 형성하는 "슬라이스"를 따라 다수개의 구성 노드 부재를 배열시킨다. 배치용 어셈블리(22)에 동작적으로 결합된 상기 이동 제어기(21)는 이들이 구성되는 동안에 배치용 어셈블리(22)로부터 수신된 지시에 기초하여 각각의 노드를 배열하기 위해 자유형 구조물(28)을 이동시킨다.
도 3의 구체예를 참조로 하여, 자유형 구조물(49)이 시스템(30)을 통하여 제조된다. 예시적인 일 구체예에서, 배출용 어셈블리(43)는 고에너지 밀도 열 공급원을 포함한다. 상기 시스템(30)은 용융제를 분배시키기 위한 배출용 어셈블리(43)를 포함한다. 예를 들어, 배출용 어셈블리는 전자선 장치, 화학 증기 증착 시스템, 열 분무 장치, 플라즈마 증착 장치 및 분자선 에피텍시(epitaxi) 시스템을 포함한다.
예를 들어, 예시적인 일 구체예에서, 배출용 어셈블리(43)는, 예를 들어 700W의 네오디뮴 이트륨-알루미늄-가네트(Nd:YAG) 레이저와 같은 고전력 레이저를 포함한다. 따라서, 이러한 고전력 레이저가 이의 고에너지 밀도 레이저 방출물을 포함하는 용융제를 방출한다. 예시적인 일 구체예에서, 상기 용융제는 도 3에 도시된 바와 같이 고전력 레이저(43)를 포함하는 배출용 어셈블리와 결합된 광섬유 케이블을 통해 배출용 어셈블리(43)로부터 자유형 구조물(49)쪽으로 전달된다.
상기 시스템(30)은 배출용 어셈블리(43)와 동작적으로 결합된 복합재 형성 장치(35)를 추가로 포함한다. 이 복합재 형성 장치(35)는 복합재 노드 부재를 형성하도록 용융제와 결합시키기 위한 복합재 형성기를 포함한다. 복합재 노드 부재는 매트릭스, 및 이 매트릭스를 통해 분산된 탄소 나노튜브로 형성된 불연속 섬유 다발을 함유한다. 도 3의 예시적인 구체예에 있어서, 복합재 형성기는 가공 챔버(37)를 통해 외부 환경으로부터 고립된 형성 결합 헤드(40)를 포함한다. 상기 가공 챔버(37)는 형성 환경(45) 내에서 형성 결합 헤드(40)를 둘러싸고 있다.
도 3에 도시된 하나의 구체예에 있어서, 형성 결합 헤드(40)는 분말 공급물 분산기(44)로부터의 재료 및 고전력 레이저로부터의 용융제를 수용한다. 구체적으로, 예시적인 일 구체예에 있어서, 분말 공급물 분산기(44)는 분말화된 매트릭스 재료, 및 복합재 노드 부재를 최적으로 형성시키기 위한 불연속적인 길이의 탄소 나노튜브를 포함한다. 그 자체로, 매트릭스 재료 및 탄소 나노튜브는, 형성 결합 헤드(40)에 의해 수행된 복합재 노드 부재 형성 순서를 통해 용융제와 조합된다. 당업자들은 단일 벽 및/또는 복합 벽이 형성된 탄소 나노튜브를 포함하는 탄소 나노튜브의 임의 조합물을 용이하게 인지하고 있을 것이다.
예시적인 일 구체예에서, 형성 결합 헤드(40)는 탄소 나노튜브를 포함하는 불연속 섬유를 매트릭스를 통해 제어가능하게 분산시킨다. 예시적인 일 구체예에서, 상기 형성 결합 헤드(40)는 탄소 나노튜브를 포함하는 불연속 섬유를 매트릭스를 통해서 균일하게 분산시킨다. 예시적인 일 구체예에서, 형성 결합 헤드(40)는 탄소 나노튜브를 포함하는 불연속 섬유를 매트릭스를 통해 다양하게 분산시킨다.
예시적인 일 구체예에서, 섬유 다발은 매트릭스를 결합시키기 위한 강화 섬유를 포함할 수 있다. 예시적인 일 구체예에서, 불연속 섬유 다발의 길이는 약 10 nm 내지 약 500 마이크론의 범위에 있다. 예시적인 일 구체예에서, 상기 매트릭스는 금속을 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 매트릭스는 금속 합금을 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 매트릭스는 금속간 화합물을 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 매트릭스는 세라믹을 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 매트릭스는 중합체를 포함한다.
형성 환경(45)에 의해 자유형 구조물의 최적 형성이 용이해진다는 것을 보증하기 위해, 예시적인 일 구체예에서 상기 시스템(30)은 가공 챔버(37)의 내부와 동작적으로 결합된 환경 제어 시스템(50)을 포함한다. 당업자는, 적어도 예시적인 일 구체예에서의 시스템(30)이 자유형 구조물을 최적으로 형성하기 위해 환경 제어 시스템(50) 및/또는 가공 챔버(37)를 수용하지 않는다는 것을 용이하게 인지하고 있을 것이다.
특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 환경 제어 시스템(50)은 작동 유체를 가공 챔버(37) 내부로 공급하여 형성 환경(45)에 함유된 대기를 형성하기 위한 작동 유체 공급원(51)을 포함한다. 따라서, 작동 유체는 가공 챔버(37) 내부와 연통되는 입구(57)를 통해 상기 작동 유체 공급원(51)으로부터 형성 환경(45)으로 전달된다. 예시적인 일 구체예에서, 상기 작동 유체는 그 중에서도 가공 챔버(37) 내로 도입시키기 위한 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스를 포함한다.
환경 제어 시스템(50)은 형성 환경(45)으로부터 배출되는 폐 유체를 추출하기 위한 일련의 진공 펌프(55)를 포함한다. 상기 용어 "폐 유체"라는 것은 자유형 구조물(49)의 제조로부터 발생되는 목적하지 않는 유체를 지칭한다. 가공 챔버(37) 내부와 연통되는 출구(59)는 진공 펌프(55) 어레이에 의해 구동되어, 형성 환경(45)으로부터의 폐 유체를 제거한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 그런 다음 상기 폐 유체는 출구(59)와 동작적으로 결합된 벤트(vent) 어셈블리(53)를 통해 상기 시스템(30)으로부터 배출된다. 또한, 예시적인 일 구체예에서, 형성 환경(45)에 결합된 피드백 제어 시스템(66)은 환경 제어 시스템(50)에 의해 제공되어, 가공 챔버(37) 내에서 최적의 형성 환경(45)을 유지시킨다.
복합재 형성 장치(35)는 복합재 형성기와 동작적으로 결합된 어레인저를 추가로 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 복합재 형성기가 용융제와 결합되어 복합재 노드 부재를 형성함에 따라, 상기 어레인저는 형성되는 복합재 노드 부재를 또 다른 복합재 노드 부재에 대해 배치시켜서 자유형 구조물(49)을 형성한다.
상기 어레인저는 배치용 어셈블리(60) 및 이 배치용 어셈블리(60)에 동작적으로 결합된 이동 제어기(61)를 포함한다. 이 배치용 어셈블리(60)는 제어 시스템(64)을 포함한다. 제어 시스템(64)은 하나의 노드를 또 다른 노드에 대해 배열시키기 위한 프로그램 순서를 실행한다. 이 제어 시스템(64)은 매트릭스 및 탄소 나노튜브 섬유 다발과 용융제를 결합시켜서 복합재 노드 부재를 형성하기 위한 프로그램 순서를 추가로 포함한다.
구체적으로, 예시적인 일 구체예에서, 제어 시스템(64)에 의해 수행된 프로그램 순서는 복합재 형성 코드를 포함한다. 복합재 형성 코드는 매트릭스와 탄소나노튜브로 형성된 섬유 다발을 조합시킴으로써, 복합재 형성기를 통해 복합재 노드를 형성한다. 또한, 복합재 형성 코드는 섬유 다발과 매트릭스를 균일하게 조합시키기 위한 코드를 포함할 수 있다.
제어 시스템(64)은 어레인저를 통해 하나의 복합재 노드를 또 다른 복합재 노드에 대해 배열시켜서 자유형 구조물을 형성하기 위한 구조물 형성 프로그램 코드를 추가로 포함한다. 더욱이, 예시적인 일 구체예에서, 구조물 형성 프로그램 코드는 형판을 기초로 하나의 복합재 노드를 또 다른 복합재 노드에 대해 배열시키기 위한 코드를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배치용 어셈블리(60)는 제어 시스템(64)과 결합된 대상 파일 기억장치(62)를 추가로 포함한다. 실제적으로는, 대상 파일 기억장치(62)는 자유형 구조물(49)과 관련된 형판을 기억한다. 또한, 대상 파일 기억장치(62)는 컴퓨터-판독가능한 코드를 기초로 자유형 구조물(49)과 관련된 정보를 함유한다. 대상 파일 기억장치(62)에 기억된 정보를 액세싱함으로써, 제어 시스템(64)은 컴퓨터-판독가능한 코드 및/또는 형판에 기초한 지시에 따라 각각의 노드를 이동시킨다.
제어 시스템(64)으로부터의 지시와 함께, 이동 제어기(61)는 각각의 노드를 이동시켜 궁극적으로는 자유형 구조물(49)을 형성시킨다. 상기 이동 제어기(61)는 이동가능한 기부 플랫폼(47)을 구비한 워크테이블(46)을 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 제어 시스템(64)은 이동가능한 기부 플랫폼(47)에 동작적으로 결합되어, 하나의 노드를 또 다른 노드에 대해 용이하게 배열시킨다.
예시적인 일 구체예에서, 제어 시스템(64)은 가공 챔버(37) 주위에 형성 결합 헤드(40)를 배치시켜서, 궁극적으로는 자유형 구조물(49)을 용이하게 제조할 수 있도록 하는 이동 제어기(61)에 의해 제공된 이동 장치(39)에 결합된다. 예시적인 일 구체예에서 이 이동 장치(39)는 형성 결합 헤드(40)에 결합된 로봇을 포함한다.
작동 시에, 제어 시스템(64)은 이동 장치(39)가, 형성 결합 헤드(40)를 워크테이블(46)에 대해 위치시키도록 지시한다. 그런 다음, 이 제어 시스템(64)은 자유형 구조물(49)을 제조하기 위한 형성 환경(45)의 최적 조건 특성을 창출한다. 도 3에 도시된 일 구체예에 있어서, 상기 형성 결합 헤드(40)는 고전력 레이저로부터의 용융제를 분말 공급물 분산기(44)로부터 각각 제공된 매트릭스 및 탄소 나노튜브 다발과 조합시킨다.
특히, 형성 결합 헤드는 용융제, 매트릭스 및 탄소 나노튜브 다발을 단일 스트림(42)으로 조합시킨다. 따라서, 도 4는 단일 스트림으로부터 자유형 구조물(78)을 제조하기 위한 시스템(70)에 대한 사시도를 나타낸다. 상기 시스템(70)은 용융제(75)를 분배시키기 위한 배출용 어셈블리(74)를 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 용융제(75)는 레이저선 방출물을 포함한다. 상기 시스템(70)은 복합재 형성기(72)를 포함하는 침착 형성 장치를 추가로 포함한다.
도 4에서, 복합재 형성기(72)는 스트림(76)으로서 전체적으로 도시된, 매트릭스 및 탄소 나노튜브를 용융제(75)와 결합시켜서 복합재 노드 부재(79)를 형성한다.
예시적인 일 구체예에서, 복합재 형성 장치는 어레인저를 포함한다. 상기어레인저는 하나의 노드를 또 다른 노드에 대해 배치시켜서 도 4의 자유형 구조물(78)을 형성하기 위한 이동 장치 및/또는 이동형 기부 플랫폼을 포함한다. 먼저, 하기 상세하게 논의된 바와 같이, 기판 재료가 용융제(75)와의 결합을 위해 복합재 형성기(72)로부터 배출된다. 따라서, 도 4의 기판(77)이 냉각되어, 워크테이블 상에 형성된다. 실제적으로, 기판은, 각각의 후속적인 복합재 노드 부재가 침착되어 궁극적으로 자유형 구조물(78)을 형성하는 받침대로서 작용한다. 일반적으로, 일단 자유형 구조물이 완성되면, 기판(77), 및 기판과 목적하는 자유형 구조물 사이의 전이 재료(transitional material)가 이들을 사용하기 전에 생성되는 자유형 구조물로부터 제거된다.
도 5는 자유형 구조물(99)을 제조하기 위한 시스템(80)의 상세한 등측도를 나타낸다. 특히, 복합재 노드 부재(89)는 용융제(84)를 매트릭스(87) 및 탄소 나노튜브로 형성된 불연속 섬유(88) 다발과 결합시킴으로서 형성된다. 예시적인 일 구체예에서, 복합재 노드 부재는 용융제를 형성하는 레이저로부터 방출된 에너지에 의해 가열된 무정형의 또는 용융된 용융지(weld pool)로서 특징된다.
상기 복합재 노드 부재가 냉각되고 고화되어, 궁극적으로 자유형 구조물을 형성한다. 예시적인 일 구체예에서, 자유형 구조물(99)은 다른 복합재 노드 부재(91) 상에 침착된 복합재 노드 부재(90)로 된 층으로 형성된다.
각각의 연속적인 층은 제어 시스템에 의해 제공된 정보 및/또는 형판을 기초로 상기 시스템(80)에 의해 구성된다. 복합재 노드 부재(90) 층이 형성되는 동안, 일련의 복합재 노드 부재가 도 5에서 참조 화살표 "t"로 표시된 용융제의 이동 방향을 따라 서로 인접하여 형성된다. 예시적인 일 구체예에서, 재료 및 구조의 연속성을 보증하기 위해서, 용융제로부터 에너지가 제공되어, 형성된 복합재 노드 부재에 인접한 복합재 노드 부재가 부분적으로 용융되어 새로 형성된 복합재 노드 부재와 그 밖의 복합재 노드 부재가 통합된다.
시스템(80)의 작동을 참조로 하여, 기판 층(95)이, 자유형 구조물(99)이 후속적으로 이 위에 침착되는 받침대로서 먼저 침착된다. 일반적으로, 새로 형성된 기판 재료의 무정형 또는 점성 재료에 의해 전이 층(93)이 형성된다. 전이 층(93)이 형성되는 동안에, 산재된 무정형 기판 재료가 상기 시스템(80)을 통해 자유형 구조물(99)을 형성하는 목적하는 복합재 재료와 결합된다. 궁극적으로, 자유형 구조물(99)이 제조된 후에, 전이 층(93) 및 기판 층(95)이 자유형 구조물(99)로부터 제거된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 예를 들어 복합재 노드 부재(90, 91) 층과 같은 각각의 연속적인 복합재 노드 부재 층의 침착은, 이동 방향 "t"를 따라서 용융제(84)를 수용하면서, 복합재 형성 장치(82)의 이동과 관련된다. 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 예시적인 일 구체예에서, 분말 형태의 매트릭스 재료(87)는 탄소 나노튜브로 형성된 불연속 섬유 다발(88)과 혼합되어 단일 스트림을 형성한다. 상기 스트림이 용융제(84)로부터 방출되는 에너지를 수용함에 따라, 복합재 노드 부재(89)가 형성된다. 도 5의 일 구체예에 있어서, 복합재 노드 부재를 최적으로 형성하기 위한 탄소 나노튜브 섬유의 소정 길이는 도 5에 도시된 바와 같은 "d"이다. 예시적인 일 구체예에서, 불연속 섬유 다발의 길이는 약 10 nm 내지 약 500마이크론 사이의 범위에 있다.
도 6의 예시적인 구체예에 있어서, 자유형 구조물(120)은 시스템(100)에 의해 제조된다. 도 3의 시스템(30)과 유사한 측면을 포함한다 하더라도, 도 6의 시스템(100)은 자유형 구조물을 제조하기 위한 상이한 신속 제조 공정을 제공한다. 일반적으로, 시스템(100)은 매트릭스와 탄소 나노튜브 재료가 도 3의 시스템(30)에서와는 상이한 방식으로 용융제와 조합된다는 점에서 다르다.
형성 결합 헤드(40), 및 도 3의 이동 장치(39)에 의해 부분적으로 가해진 이동과는 달리, 도 6의 시스템(100)은 분말층(122)을 함유하는 원료 용기(117)를 포함한다. 상기 분말층(122)은 매트릭스 분말, 및 이 매트릭스 분말을 통해 분산된 탄소 나노튜브로 형성된 섬유 다발을 포함한다. 실제적으로, 고전력 레이저와 같은 배출용 어셈블리(125)는, 예를 들어 포커스 헤드(115)로부터 용융제를 분배시켜, 분말층(122)의 개별 부분을 레이저 선과 같은 용융제에 노출시킨다. 따라서, 자유형 구조물(120)이 분말층(122) 내에서 용융된 부분으로부터 형성된다. 또한, 워크테이블(119)이 제조 중에 자유형 구조물(120)을 배치시키도록 제공될 수 있다는 것이 추가되어야 한다.
그러나, 도 3의 시스템(130)과 유사하게, 도 6의 시스템(100)은 작동 유체 공급원(131), 벤트 어셈블리(133), 진공 펌프(135) 및 피드백(146)을 포함하는 환경 제어 시스템(130)을 포함한다. 또한, 상기 시스템(100)은 제어 시스템(144), 및 이 제어 시스템(144)에 결합된 대상 파일 기억장치(142)를 포함하는데, 이 둘 모두는 배치용 어셈블리(140)에 포함된다. 예시적인 일 구체예에서, 배출용 어셈블리(125)는 고에너지 밀도 공급원을 포함한다. 예시적인 일 구체예에서, 배출용 어셈블리(125)는 고전력 레이저를 포함한다. 또한, 상기 시스템(100)은 형성 환경(113)을 둘러싸는 가공 챔버(111)를 포함한다.
도 7은 도 3의 시스템(30)에 의해 실행된 자유형 구조물의 제조 순서(200)를 나타낸다. 상기 자유형 구조물의 제조 순서(200)는 매트릭스를 통해 분산된 탄소 나노튜브 다발을 포함하는 복합재 노드 부재의 어레이에 의해 형성된 자유형 구조물을 제조하기 위한 예시적인 일 구체예를 나타낸다. 예시적인 일 구체예에서, 탄소 나노튜브 다발은 매트릭스를 통해 제어가능하게 분산된다. 예시적인 일 구체예에서, 탄소 나노튜브 다발은 매트릭스를 통해 균일하게 분산된다. 당업자는, 생성되는 자유형 구조물이 매트릭스를 통해 분산된 탄소 나노튜브를 기초로 복합재 재료를 포함하는 한, 그 밖의 자유형 구조물의 제조 순서를 용이하게 인지하고 있을 것이다.
도 7을 참조로 하여, 자유형 구조물의 제조 순서(200)는 시스템 개시 과정(210), 챔버 제조 과정(220), 로봇 개시 과정(230) 및 침착 과정(240)을 포함한다. 상기 시스템 개시 과정(210)은 단계(211)에 따라 시스템(30)에 매트릭스 및 나노튜브 원료를 공급하는 것을 포함한다. 단계(213)에서, 고전력 레이저(43) 및 도 3의 형성 결합 헤드(40)가 작동개시된다. 단계(215)에서, 환경 제어 시스템(50)의 진공 펌프(55)가 작동개시된다.
챔버 제조 과정(220)은 단계(221)에서 처리 조작을 위해 이동 제어기(61)를 최적으로 배치시키는 것을 포함한다. 단계(223)에서, 가공 챔버(37) 내에 진공이조성된다. 단계(225)에서, 작동 유체가 형성 환경(45)으로 적용된다.
도 7의 로봇 개시 과정(230)은 대상 파일 기억장치(62)를 액세싱하는 것과 이로부터 대상 파일을 복구시키는 것을 포함할 수 있다. 이 대상 파일은 그 중에서도 특히 크기, 치수화, 공차 및 목적하는 자유형 구조물의 재료 조성과 관련된 정보를 포함한다. 단계(233)에서, 기계 판독가능한 코드로 된 지시를 통하여, 목적하는 대상이 분할되어, 어레인저에 의해 수행된 제어 경로와 상응하게 된다. 단계(235)에서, 제어 시스템(64)은 분할된 대상 파일을 형성 결합 헤드(40), 이동 장치를 포함하는 이동 제어기(61) 및 이동가능한 기부 플랫폼(47)으로 전송한다. 제어 시스템(64)으로부터 수신된 정보에 기초하여, 이동 제어기(61)는 단계(237)에서 작동개시된다.
침착 과정(240)은 단계(241)에서 분말 공급물 분산기(44)를 작동개시시켜, 단계(243)에서 용융제의 분배물을 결합시키는 것을 포함한다. 제어 시스템(64)에 의해 수신된 정보에 기초하여, 이동 장치(39)를 포함하는 이동 제어기(61)는 단계(244)에서 복합재 노드 부재의 침착 및 배열을 위한 제어 경로를 추적한다. 단계(245)에서, 침착이 연속적으로 실시되어, 고체 부분 또는 자유형 구조물이 형성된다.
도 8을 참조로 하여, 복합재 노드 부재 형성 순서(300)는 일반적으로 개시 과정(305), 및 이 개시 과정(305)에 동작적으로 결합된 형성 과정(330)을 포함한다. 사용된 신속 제조 기술 및/또는 시스템의 유형에 따라, 개시 과정(305)은 달라진다. 당업자는 탄소 나노튜브를 포함하는 복합재 구조물을 형성하는데 사용된 신속한 제조 방법 및/또는 시스템의 유형을 기초로 그 밖의 적합한 개시 과정을 용이하게 인지할 것이나, 도 8에는 2개의 개시 과정이 도시되어 있다. 구체적으로, 예시적인 일 구체예에서, 도 8에는 도 3의 시스템(30)의 개시 과정(310)이 포함된다. 예시적인 일 구체예에서, 도 8은 도 6의 시스템(100)에 대한 개시 과정(320)을 추가로 포함한다.
개시 과정(310)을 참조로 하여, 분말 형태의 매트릭스 재료가 도 3의 분말 공급물 분산기(44)로 로딩된다. 유사하게, 탄소 나노튜브 섬유는 단계(311)에서의 분산기 시스템과는 달리, 분말 공급물 분산기(44)의 또 다른 분산기 시스템 내로 로딩된다. 단계(315)에서, 분말이 불활성 가스와 같은, 작동 유체 스트림내로 공급된다. 또한, 단계(315)에서, 매트릭스 재료 및 탄소 나노튜브 재료가 조합되어, 유동하는 작동 유체 스트림내에서 혼합된다.
대안적으로, 개시 과정(320)에 있어서, 매트릭스 재료가 작동 유체 스트림 내로 공급되기 전에 단계(321)에서 탄소 나노튜브와 혼합된다. 말하자면, 개시 과정(310)에 의해서는 매트릭스 재료 및 탄소 나노튜브가 작동 유체 스트림 내로 도입되기 전에 원위치(in situ) 조합되는 반면, 개시 과정(320)에 의해서는 매트릭스 재료 및 탄소 나노튜브가 작동 유체 스트림과 함께 도입되기 전에 비원위치(ex situ)에서 조합된다. 따라서, 단계(321)로부터의 매트릭스 재료와 탄소 나노튜브의 혼합물이 단계(323)에서 분말 공급물 분산기(44)로 로딩된다. 단계(325)에서, 매트릭스 재료와 탄소 나노튜브의 혼합물이 유동하는 작동 유체의 스트림 내로 공급된다.
형성 과정(330)에 있어서, 일단 분말-가스 혼합물이 개시 과정(305)을 통해 형성되면, 분말-가스 혼합물이 공급관을 통해 가공 챔버(37)로 운반된다. 단계(334)에서, 도 3의 시스템(30)에 대해서는, 형성 결합 헤드(40)가 분말-가스 혼합물을 다수개의 스트림으로 분할시킨다. 단계(336)에서, 각 스트림이 형성 결합 헤드(40)에 의해 제공된 노즐로 운반된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어 시스템(64)에 의해 결정된 위치에 대해서 각각의 노즐을 빠져나오는 분말-가스 혼합물의 각 스트림이, 레이저선 방출물과 같은 용융제와 조합된다. 단계(338)에서 용융제와 조합된 배출되는 분말의 조합물이 용융된 복합재 노드 부재를 형성하게 된다. 따라서, 단계(340)에서, 생성되는 복합재 노드 부재가 고화되어, 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같은 자유형 구조물을 형성한다.
본 발명을 상세하게 기술하였다 하더라도, 본 발명의 사상 및 범주를 이탈하지 않으면서, 하기 첨부된 청구항에 의해 정의된 바와 같이 다양한 변형, 치환 및 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (27)

  1. 용융제를 분배시키기 위한 배출용 어셈블리(discharge assembly);
    용융제와 결합되어, 매트릭스 및 이 매트릭스를 통해 분산된 탄소 나노튜브로 형성된 섬유 다발을 함유하는 복합재 노드 부재를 형성하는 복합재 형성기; 및
    하나의 노드를 또 다른 노드에 대해 배치시켜서 자유형 구조물을 형성하며 복합재 형성기와 동작적으로 결합된 어레인저(arranger)를 포함하는 복합재 형성 장치를 포함하는, 자유형 구조물을 제조하기 위한 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 복합재 형성 장치가, 용융제를 매트릭스 및 섬유 다발과 조합시켜 복합재 노드 부재를 형성함을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 용융제가 고에너지 밀도 방출물을 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 어레인저가 배치용 어셈블리(positioning assembly)를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 배치용 어셈블리가 자유형 구조물과 관련된 형판(template)을 기억함을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 배치용 어셈블리가 형판을 따라서 각각의 노드를 이동시킴을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 4항에 있어서, 배치용 어셈블리가 컴퓨터 판독가능한 코드에 기초한 지시에 따라 각각의 노드를 이동시킴을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 섬유 다발이 매트릭스를 통하여 제어가능하게 분산됨을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 1항에 있어서, 섬유 다발이 강화 섬유를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 1항에 있어서, 섬유 다발의 길이가 약 10 nm 내지 약 500 마이크론의 범위에 있음을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 1항에 있어서, 매트릭스가 금속을 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 1항에 있어서, 매트릭스가 금속 합금을 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 1항에 있어서, 매트릭스가 금속간(intermetallic) 화합물을 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 1항에 있어서, 매트릭스가 세라믹을 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 1항에 있어서, 매트릭스가 중합체를 포함함을 특징으로 하는 시스템.
  16. 매트릭스; 및
    매트릭스를 통해 분산되며 탄소 나노튜브로 형성된 강화 부재 다발을 포함하는 자유형 복합재 구조물.
  17. 제 16항에 있어서, 강화 부재 다발이 매트릭스를 통해 균일하게 분산됨을 특징으로 하는 자유형 구조물.
  18. 제 16항에 있어서, 강화 부재의 길이가 약 10 nm 내지 약 500 마이크론의 범위에 있음을 특징으로 하는 자유형 구조물.
  19. 복합재 형성기 및 어레인저를 포함하는 제조 시스템을 통해 자유형 구조물을 제조하기 위해 컴퓨터 판독가능한 코드에 의해 수행되는 프로그램 제품으로서,
    매트릭스 및 탄소 나노튜브로 형성된 섬유 다발을 조합시킴으로써 복합재 형성기를 통해 복합재 노드를 형성시키기 위한 복합재 형성 프로그램 코드; 및
    어레인저를 통해 하나의 복합재 노드를 또 다른 복합재 노드에 대해 배열시켜서 자유형 구조물을 형성하기 위한 구조물 형성 프로그램 코드를 포함하는 프로그램 제품.
  20. 제 19항에 있어서, 복합재 형성 프로그램 코드가 매트릭스와 섬유 다발을 균일하게 조합시키기 위한 코드를 포함함을 특징으로 하는 프로그램.
  21. 제 19항에 있어서, 구조물 형성 프로그램 코드가, 형판을 기초로 하나의 복합재 노드를 또 다른 복합재 노드에 대해 배열시키기 위한 코드를 포함함을 특징으로 하는 프로그램 제품.
  22. 복합재 형성 장치를 통해 자유형 구조물을 제조하기 위한 방법으로서,
    매트릭스, 및 탄소 나노튜브로 형성된 섬유 다발을 조합시키는 단계;
    매트릭스와 섬유 다발의 조합물로부터 다수개의 복합재 노드를 형성시키는 단계; 및
    하나의 복합재 노드를 또 다른 복합재 노드에 대해 배열시키는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제 22항에 있어서, 매트릭스와 섬유 다발을 조합시키는 단계가 매트릭스를 통해 섬유 다발을 제어가능하게 분산시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 22항에 있어서, 매트릭스와 섬유 다발을 조합시키는 단계가 매트릭스를 통해 섬유 다발을 균일하게 분산시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 22항에 있어서, 매트릭스와 섬유 다발을 조합시키는 단계가 매트릭스를 통해 섬유 다발을 다양하게 분산시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 22항에 있어서, 매트릭스와 섬유 다발을 조합시키는 단계가 용융제를 매트릭스와 섬유 다발에 가하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 22항에 있어서, 하나의 복합재 노드를 또 다른 복합재 노드에 대해 배열시키는 단계가, 형판을 기초로 각각의 노드를 이동시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
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