KR20040081368A - 펜 온도 제어 방법 및 ｓｆｆ 시스템 - Google Patents

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닐슨제프리알렌
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캐슬스티븐티
쿠밍스다렐에이치
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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘 피
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Abstract

본 발명은 다수의 펜(112, 114, 116, 118, 120) 및 펜 정보를 평가하고 펜을 제어하여 온도를 감소하도록 구성된 제어기(110)를 포함하는 SFF(solid freeform fabrication) 시스템에 관한 것이다.

Description

펜 온도 제어 방법 및 ＳＦＦ 시스템{METHODS AND SYSTEMS FOR CONTROLLING PRINTHEAD TEMPERATURE IN SOLID FREEFORM FABRICATION}
SFF(Solid Freeform Fabrication)는 견본, 모델 및 작업 툴과 같은 3차원 물체를 생성하는 여러 기법들 중 하나의 기법에 관한 일반적 용어이다. 일반적으로, SFF는 컴퓨터 판독 가능 데이터에 의해 기술되는 물체가 기초 물질로부터 한 층씩(layer-by-layer) 자동으로 형성되는 부가 프로세스이다.
SFF의 여러 주요 형태는 액체 분사 프로세스를 포함한다. 액체 분사를 사용하는 SFF에는 2개의 주 유형(main types)이 있다: 바인더 분사 시스템(binder-jetting systems) 및 벌크 분사 시스템(bulk jetting systems).
바인더 분사 시스템은 평상형 파우더 형성 물질(flat bed of powdered build material) 위로 바인더(binder)를 분사함으로서 물체를 생성한다. 각각의 파우더층은 건 파우더(dry powder) 또는 슬러리(slurry)로서 분산 혹은 확산될 수 있다. 어디서 바인더가 선택적으로 파우더층 내로 분사되든 지, 파우더는 형성되고 있는물체의 단면 혹은 층 내로 바인딩된다.
벌크 분사 시스템은 고형화 가능(solidifiable) 구조 물질 및 고형화 가능 지원 물질(support material)을 플랫폼(flatform) 상에 분사함으로써 물체를 생성한다. 일시적인 지원 물질은 물체 내에 퍼질 수 있게 분배되며 물체와 동일 또는 상이한 물질일 수 있다.
양 경우에, 제조는 전형적으로 한 층씩(layer-by-layer) 형성되고, 각각의 층은 요망하는 최종의 물체의 또 다른 단면을 나타낸다. 인접층은 사전결정된 패턴으로 서로 부착되어 요망하는 물체를 형성한다.
요망하는 물체의 각 층을 선택적으로 형성하는 것에 더하여, SFF 시스템은 물체의 각 층 상에 컬러 또는 컬러 패턴을 제공할 수 있다. 바인더 분사 시스템에서, 바인더는 바인딩 및 컬러링(coloring)의 기능이 통합되도록 컬러링될 수 있다.
상이한 컬러의 다수의 잉크가 액체 분사 장치의 노즐로부터 선택적으로 분사되고 형성 물질 상에 혼합되어 전체 컬러 스펙트럼을 제공하는 잉크젯 기술이 사용될 수 있다. 액체 분사 장치는, 시안(cyan), 마젠타(magenta), 옐로우, 블랙 및/또는 클리어(clear)와 같은 상이한 기초 컬러의 바인더 혹은 형성 물질을 각각 분사하는 다수의 프린트헤드로 구성되기도 한다. 결함을 숨기고 광범위한 요망 색조를 달성하기 위해 각 개별 층 상에서, 통상의 2차원 멀티 패스 컬러 기법(two-dimensional multi-pass color techniques) 및 하프 톤 알고리즘(half-toning algorithms)이 사용될 수 있다.
위에서 설명한 SFF 기법에서는, 액체 분사 프로세스 동안 프린트헤드 내에서 의 온도의 제어가 부족하다. 이들 액체 분사 방법들은 잉크 프린트헤드를 통해 고주파로 다량의 물질을 분사하는 것에 의존하여 물체를 생성한다. TIJ(Thermal Inkjet) 프린트헤드가 액체 분사 제조법에 이용되면, 이 큰 부하는, 프린트헤드가 긴 시간 동안 높은 온도로 작동한다는 열 문제를 야기할 수 있다. 이 높은 온도는 프린트헤드의 수명 및 성능 문제를 야기할 수 있다. 보다 구체적으로, 고온은 프린트헤드 내에서 인터페이스의 열화를 야기할 수 있다. 이는 다양한 인터페이스의 글래스 전이 온도(glass-transition temperature)에 접근하거나 이를 초과할 때 발생할 수 있다. 또한, 고온은 프린트헤드로부터 발화되고 있는 바인더 용액으로부터 용해 기체가 없어지게 할 수 있다. 시간이 경과함에 따라, 이는, 잉크가 노즐에 더 이상 도달할 수 없는, 노즐이 디프라임(de-prime)되는 시점까지 프린트헤드에 기체를 가두어 채우는 결과를 초래한다. 또한, 고온은 노즐로부터 분사되고 있는 드롭이 이상하게 움직이게 하고, 제 2 분사가 분사된 드롭의 추가 스프레이 및 바람직하지 못한 방향성을 야기할 수 있다. 한층 적당한 온도 변화는 드롭의 크기를 변경하여 컬러 또는 특성 변화를 초래할 수 있다. 따라서, SFF 시스템에서 분배 속도를 감소시키는 것 없이 또는 현저히 감소시키기 않으며 펜 온도, 보다 구체적으로 프린트헤드 온도를 제어하는 것이 유용할 것이다. 용어 "펜"은 잉크 공급이 온축 또는 오프축이든 상관없이 잉크 분배 시스템 및 프린트헤드를 가리킨다. 또한, 프린트헤드가 서로 열 분리되어 있는 다수의 프린트헤드 시스템에서, 고장간의 평균시간을 증가시키도록 다수의 프린트헤드간에 부하를 더 고르게 분배시킬 수 있는 것이 유용할 것이다.
본 발명의 실시예의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조하여 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 펜 온도 제어 원리를 구현하도록 구성된 SFF(solid freeform fabrication) 툴의 투시도,
도 2(a), 2(b) 및 2(c)는 각각, 네 개의 물체의 형성 빈 레이아웃(build bin layout)의 평면, 측면 및 단면도,
도 3(a), 3(b) 및 3(c)는 각각, 본 발명의 펜 온도 제어 방법에 따라 스캔 방향을 따라서 물체가 흩어진 도 2(a), 2(b) 및 2(c)의 네 개의 물체의 형성 빈 레이아웃의 평면, 측면 및 단면도,
도 4(a), 4(b) 및 4(c)는 각각, 본 발명의 펜 온도 제어 방법에 따라 z축을 따라서 물체가 흩어진 도 2(a), 2(b) 및 2(c)의 네 개의 물체의 형성 빈 레이아웃의 평면, 측면 및 단면도,
도 5(a), 5(b) 및 5(c)는 각각, 형성 프로세스에서의 도 4(a), 4(b) 및 4(c)의 평면, 측면 및 단면도,
도 6(a), 6(b) 및 6(c)는 각각, 두 개의 무거운 부하 물체(heavy load objects)의 형성 빈 레이아웃의 평면, 측면 및 단면도,
도 7(a), 7(b) 및 7(c)는 각각, 본 발명의 펜 온도 제어 방법에 따라 x-y 평면에서 물체가 회전된 도 6(a), 6(b) 및 6(c)의 두 개의 물체의 형성 빈 레이아웃의 평면, 측면 및 단면도,
도 8(a), 8(b) 및 8(c)는 각각, 본 발명의 펜 온도 제어 방법에 따라 보다 많은 층상에 부하를 분산시키도록 물체가 (z축을 따라서) 회전된 도 6(a), 6(b) 및 6(c)의 두 개의 물체의 형성 빈 레이아웃의 평면, 측면 및 단면도,
도 9(a), 9(b) 및 9(c)는 각각, 세 개의 작은 물체 및 하나의 무거운 부하 물체의 형성 빈 레이아웃의 평면, 측면 및 단면도,
도 10(a), 10(b) 및 10(c)는 각각, 본 발명의 펜 온도 제어 방법에 따라 작은 물체 다음에 무거운 부하 물체가 형성되도록 물체들이 재배치된 도 9(a), 9(b) 및 9(c)의 물체의 형성 빈 레이아웃의 평면, 측면 및 단면도,
도 11은 SFF(solid freeform fabrication) 시스템에서, 필요하면 예측된 펜 온도에 따라 펜 온도 감소 기법이 선택되는 본 발명에 따른 펜 온도 제어 방법의 순서도,
도 12는 SFF 시스템에서, 필요하면, SFF 시스템에 속하는 하나 이상의 파라메터에 따라 하나 이상의 펜 온도 감소 기법이 사용되는 본 발명에 따른 펜 온도 제어 방법의 순서도,
도 13은 SFF 시스템에서, 필요하면, SFF 시스템에 속하는 하나 이상의 파라메터에 따라 프로액티브(proactive) 및/또는 반응성(reactive) 펜 온도 감소 기법이 사용되는 본 발명에 따른 펜 온도 제어 방법의 순서도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 3차원 제조기 102 : 형성 빈
104 : 프린트헤드/운반대 어셈블리 106 : 스캔 축 전달 매체
108 : 확산 축 전달 메카니즘 110 : 제어기
112, 114, 116, 118, 120 : 펜
다음은 본 발명을 수행하는 현재 가장 잘 알려져 있는 모드의 상세한 설명이다. 본 설명은 한정적인 의미가 아니며, 단지 본 발명의 일반적 원리을 설명하기 위한 것이다.
본 발명은 SFF(Solid Freeform Fabrication)에서 펜 온도를 제어하는 다양한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 다양한 방법 및 시스템은 코어(core)(표면이 아닌 부분의 내부)의 외관이 3D 물체에 부적절하다는 사실을 밝히고, 일반적으로, 이용할 수 있는 공간 내에 제조 형성될 물체를 유리한 방법으로 재배치하는 것을 포함한다.
(가령, 클리어, 시안, 마젠타 및 옐로우를 사용하는 4 프린트헤드 시스템에서) 클리어 바인더(clear binder) 밖에서 전혀 보이지 않는 코어를 제조하는 대신에, 본 발명의 다양한 실시예들은, 시스템 내의 코어 내로 컬러 물질을 혼합하여 코어를 생성해서 다른 펜보다 이점이 있다. 용어 "바인더"는 요망하는 제품 내로 형성 물질을 선택적으로 함께 바인딩하기 위해 분사되는 접착제 또는 임의의 기타 물질을 지칭한다. 컬러 물질이 코어 내에서 클리어를 따라서 사용되면, 클리어 펜은 덜 사용되어 그것이 냉각될 기회를 제공한다. 이는 또한, 코어가 다른 펜과 본딩되기 때문에, 펜만의 고장시에도 물체가 비활성으로 남게될 확률을 증가시킨다. 예로서, 본 방법에 따라 코어의 바인딩은 25% C, 25% Y, 25% M 및 25% 클리어와 같은 정비(static ratio)의 컬러 바인더를 사용하여 이루어질 수 있다.
또 다른 실시예에서, 클리어 대 컬러의 비는 현재 온도 및/또는 스와스(swath)의 세부사항에 기초하여 동적으로 판단된다: 예컨대, 제조자는 스와스의 종료시 온도가 어떤 온도일 지 판단하여 필요하면 클리어를 컬러로 대체하여 요망하는 범위 내로 온도를 유지한다.
또 다른 실시예에서, 컬러 선택 알고리즘(또는 프로토콜)은, 각각의 층이 이와 다르게 현재 층상에 분산되지 않는 컬러를 선택하거나 또는 프린트헤드 사용 통계에 기초하여 최소로 사용되는 컬러를 분산하도록 사용된다.
분배 속도의 감소를 저지 또는 완화하는 점에서, 코어를 위해 사용되는 컬러는 바람직하게 스위프 오버스캔(sweep overscan)을 최소화하도록 선택된다. 보다 신속하게 프린트헤드를 감속 가능하게 하기 위해, (가령, 스와스의 방향에 대해 클리어 펜 다음에 배치시키는 것에 의해) 스위프 시간을 장기화하게 만들도록 펜은 교체되지 않아야 한다.
또 다른 실시예에서, 형성 프로세스 동안에 (가령, 온도 익스커션(temperature excursion) 또는 기타 방법을 통해) 디프라임 펜(de-primed pen)이 식별되고 코어는 작동 중인 펜으로 채워진다.
본 발명에 따른, 펜 온도를 제어하는 다른 방법 및 시스템은 코어를 채우기 위한 다수의 모노크롬 펜(monochrome pens)을 사용하는 것을 포함한다. 예를 들어, 통상의 (클리어, 시안, 마젠타 및 옐로우 펜을 이용한) 4 프린트헤드 시스템에 제 2 클리어 펜이 추가되어 5 프린트헤드 시스템을 제공한다. 예로서, 이러한 5 프린트헤드 시스템의 기능성을 채우는 코어를 제어하는 알고리즘 또는 프로토콜은 두 개의 클리어 펜 사이가 50% 분산으로 시작하도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 두 개의 클리어 펜 중 어느 것이 더 달아올라(hotter) 있고, 어느 펜이 덜 달아올라(cooler) 있는지 판단하기 위해 스마트 온도 감지법(smart temperature sensing)(가령, "발화 드롭/델타 T(drops fired/Delta T)" 비)이 사용될 수 있다. 덜 달아올라 있는 펜쪽으로 증착비가 점차 높게 전이되어 양 펜의 수명을 연장시킬 수 있다. 클리어 펜 중 하나가 디프라임되면, 클리어 증착이 100%로 다른 펜으로 전이될 수 있다. 이는 클리어 펜 중 하나가 손실되어도 부품 완전성을 허용하여 형성 손실을 줄인다.
본 발명에 따른 펜 온도를 제어하는 다른 방법 및 시스템은 펜의 시작 온도(starting temperature for the pens)를 감소시키는 것을 포함한다. 보다 나은 증착 정확성을 위해 그리고 델타 T를 감소시키기 위해, 다수의 열형 잉크 분사 프린트헤드는 임계 온도 위에서 동작될 필요가 있는데, 다수의 프린트헤드의 임계 온도는 45도 이상이다. 결과적으로 노즐 밖으로의 제 1 드롭의 보다 나은 드롭 배치를 제공하기 위해, 분배 스와스(dispensing swath)가 시작되어 전에, 프린트헤드에 에너지를 부가하는 ("펄스 워밍(pulse warming)", "블록 가열(block heating)" 또는 트리클 워밍(trickle warming")과 같은) 다양한 기법이 사용될 수 있고, 가령, 70℃인 열 상한치로 프린트헤드가 시작하기 전에는 분배가 덜 이루어질 수 있다. 코어를 분배하는 것에 있어서는 정확성을 덜 고려해서 35℃와 같은 낮은 시작 온도가 용인될 수 있다. 시작 온도가 낮으면, 결과적으로 제 1 드롭은 이상하고 다소 작지만 코어가 보이지 않기 때문에 물체 품질에 실질적으로 영향을 미치지 않는다. 그래서, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 펜의 낮은 시작 온도(low starting temerature)가 사용되어 열 상한치에 도달되기 전에 분배를 더 허용한다. 예로서, 코어 채우기를 제어하는 알고리즘 또는 프로토콜은 코어를 분배하는 펜 중 어느 것이 에지(쉘(shell))에서 사용되지 않거나 적게 사용되는 지를 식별하도록 구성될 수 있다. (10,000과 같은) 소수의 에지 픽셀이 증착되었으면, 정확성 에러가 특별히 두드러지지 않아서 냉각이 허용될 수 있게 된다. 다양한 실시예에서, 알고리즘 또는 프로토콜은 분배 스와스에서 장래에 펜의 에지 및 코드 작업 부하(code workload)가 있을 지를 판단하기 위해 "룩 어헤드(look ahead)"하도록 구성된다.
이들 알고리즘들이 과도한 온도를 여전히 해소하지 못하면, 프린트헤드를 보호하기 위해 추가의 알고리즘을 끌어들일 수 있다. 이들은 스와스를 중단하는 알고리즘과, 스와스의 수를 증가시키는 알고리즘과, 임의의 하나의 스와스 상에서의 밀도를 감소시키는 알고리즘을 포함한다. 이들 방법은 형성 시간을 늦추지만 프린트헤드가 너무 이르게 고장나는 것을 방지할 것이다.
본 발명에 따른 펜 온도를 제어하는 다른 방법 및 시스템은 열 부하(thermal load)를 최적화 또는 제어하기 위해 물체의 레이아웃을 재배치하는 것을 포함한다. 예를 들어, 형성 서버는, 물체들 간에 가로의 갭(horizontal gap)을 제공하여 헤드가 물체들 간에 냉각 시간을 제공하는 방식으로 빈 내에서 물체를 배치하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 단일층 상에 분배되는 조밀한 쉘(shell)의 전체량 또는 코어의 전체량이 임계치 아래로 유지되도록 부품들은 의도적으로 수직축으로 오정렬된다. 다른 실시예에서, 물체의 수직 상부는 다수의 물체가 동일한 층 상에서 종료되도록 정렬된다. 이는, 프린트헤드를 위한 전체 작업 중에 냉각시키는 짧은 중단을 가능하게 만든다.
다른 실시예는 코어 물질의 고체 블록이 가로보다는 세로로 연장되도록 물체를 회전하는 것을 포함한다. 이 기법은 펜 온도와 형성 속도간의 트레이드오프를 포함하기도 하지만, 상이한 축을 따라서 그 치수가 상당히 상이한 물체에 대해 특히 유리하다. 몇몇 경우에, 더 두꺼운 부분(즉, 더 많은 층을 갖는 부분)을 중지시키지 않고 분배하는 것은 (적은 층을 갖는) 더 얇은 부분을 중지시키며 분배하는 것보다 그 형성 속도가 빠르다.
다른 실시예는 하나의 물체의 고상(solid) 코어가 분배되고 있는 동안, 보다 많은 코어 물질을 요구하지 않고, 인접 부품들이 더 작게 및/또는 컬러 증착 상 구조가 되도록 부품들을 혼합(배치)하는 것을 포함한다.
다양한 실시예에서, 형성 프로세스의 컴퓨터 제어는, 부품 표면의 강도 및 평탄성(smoothness)이 최대가 되게 한다; 물체의 세로의 크기는 가로의 크기와 상이한 특성을 갖는다. 다양한 실시예에서, 형성 프로세스는 바람직한 부품 방향, 출력 품질 요구사항의 사양 및 다른 형성 파라메터에 관한 사용자 입력을 고려하여 제어된다.
다양한 실시예에서, 물체 배치는 분배를 실제로 시작하기 전에, 즉, "전처리 단계"로서 발생한다. (온도 변화 대 발화 드롭(drop fired) 및 온도 변화 대 정지 시간과 같은) 펜 및 시스템 성능에 관련된 정보가 분배 프로세스 동안 펜 성능을 예측하기 위해 사용된다.
형성 속도 및 펜 온도간에 트레이드오프를 적절하게 정함로써 결정되는 시스템의 온도 범위 내의 해는 온도를 최소화하는 점에서 가장 좋은 또는 최적의 해일 필요는 없다. 따라서, (빠른 분배를 위한) 조밀 빈(close packed bin)을 생성함으로써 프로세스가 시작되어 임의의 온도 문제를 조사할 수 있다. 문제가 검출되면, 물체는 가로 및/또는 세로로 분리될 수 있다. 가령, 물체의 예비 분석이 (가령, 다른 것들에 비해 하나의 축으로 긴) 물체의 상당한 차원적 바이어스를 나타내는 경우에만 회전이 고려될 필요가 있다. 예컨대, 단일의 최장 차원을 식별하고 최장 차원이 세로 축으로 정렬될 때까지 물체를 회전하는 등 그 층마다의 코어 표면 영역을 최소화하기 위해 물체가 회전되어야 하는 방법을 결정하기 위해 사용된다. 추가의 분석은 예컨대, 물체의 단일의 최장 차원을 식별하여 단일의 최장 차원을 세로축으로 정렬할 때까지 물체를 회전하는 등 그 층간 코어 표면 영역을 최소화하기 위해 물체를 회전시켜야 하는 방법을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 방법 및 시스템은 물체 각각과 연관된 고장 위험 및/또는 물체의 상대적 우선 순위 또는 중요도를 고려하여 "적절(graceful)하게" 또는 고장이 보다 적도록 출력 빈을 배치하는 것을 포함한다. 예로서, 펜 고장 위험이 더 큰 물체는 다른 물체에 대해, 마지막으로 또는 제조 프로세스의 종료 근처에 분배되어서 고장 전에 더 작은 물체가 완전히 분배될 확률을 증가시키도록 배치된다. 즉, 위험성이 큰 물체는 이렇게 식별되어 빈의 상부에 또는 그 근처에 배치되어서 임의의 고장이 완료되어 이러한 물체가 그 아래의 물체에 영향을 미치지 않게 된다. 또한, 예로서, 물체들은, 가장 중요하지 않은 물체가 마지막으로 또는 제조 프로세스의 종료 근처에 분배되도록 배치될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 펜 온도 제어 원리를 구현하도록 구성된 3차원 제조기(100)와 같은 예시의 SFF 툴은 형성 빈(102), 프린트헤드/운반대 어셈블리(104), 스캔 축 전달 매체(106) 및 파우더 확산 축 전달 메카니즘(108)을 포함한다. 3D 물체의 각각의 층이 제조된 후에, (물체가 위치한) 형성 빈(102)은, 다음 물체층이 이전에 형성된 층의 상부에 형성될 수 있도록 z축을 따라서 아래쪽으로 재배치된다. 스캔 축 및 파우더 스프레드 축 전달 메카니즘(106, 108)은 예로서, 프린트헤드/운반대 어셈블리(104)에 부착되고 슬라이드 바를 따라서 각각 x 및 y축으로 이동시키는 동력설비 전달 메카니즘(motorized transport mechanisms)을 포함한다. 또한, 3차원 제조기(100)는 특히, 3D 물체 제조 프로세스 동안에 프린트헤드/운반대 어셈블리(104)의 재배치를 제어하도록 프로그래밍되는 제어기(110)를 포함한다. 제어기(110)는 프린트헤드/운반대 어셈블리(104) 근방에 배치되는 개별 모듈로서 도시되어 있지만, 제어기(110)에 의해 수행되는 동작은, 프린트헤드/운반대 어셈블리(104)에 대해 제어기(110)가 원격으로 배치될 수 있는 다수의 제어기, 프로세서 등간에 분산될 수 있다.
또한, (그 커버가 열린채 도시되어 있는) 프린트헤드/운반대 어셈블리(104)는 다수의 펜을 포함한다. 도시한 실시예에서, 다수의 펜은 도시한 바와 같이 프린트헤드/운반대 어셈블리(104) 내에 구성되는 5개의 카트리지/프린트헤드: 클리어(112), 시안(116), 마젠타(118) 및 옐로우(120)를 포함한다. 본 발명은 5개의 펜을 구비하는 프린트헤드/운반대 어셈블리에 국한되지 않는다. 또한, 본 발명은 프린트헤드/운반대 어셈블리(104) 내에서 클리어, 시안, 마젠타 및 옐로우 펜만 선택하는 것이나 펜의 임의의 특정 순서 또는 공간적 배치에 국한되지 않는다.
또한, 프린트헤드/운반대 어셈블리(104)는 펜 정보를 제어기(110)에 제공하기 위한 (미도시된) 다수의 센서를 포함한다. 예로서, 펜 정보는 펜 온도 정보, (가령, 현재의 펜 사용량, 과거의 펜 사용량 및/또는 장래의 펜 사용량에 관련되는) 펜 사용량 정보 및 (펜이 사용 가능한 지, 진단 테스트를 통과하는 지 등에 관련되는) 펜 기능성/상태 정보 중 하나 이상을 포함한다. 본 발명의 다양한 실시예에서 제어기(110)는 펜 정보를 평가하고 펜을 제어하여 펜의 온도를 감소시키도록 구성(프로그래밍)된다. 그래서, 본 발명의 일 실시예에 따른 SFF 시스템은 다수의 펜 및 펜 정보를 평가하고 펜을 제어하여 펜의 온도를 감소시키도록 구성된 제어기를 구비한 3차원 제조기를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 펜은 상이한 컬러의 잉크 분배 펜을 포함하고, 제어기는 펜 정보에 의존하여 컬러 잉크 분배 펜을 선택적으로 사용함으로써 물체 코어를 분배하도록 구성된다. 또 다른 실시예에서, 펜은 두 개 이상의 클리어 잉크 분배 펜을 포함하고 제어기는 펜 정보에 따라 두 개 이상의 클리어 잉크 분배 펜을 선택적으로 사용함으로써 물체 코어를 분배하도록 구성된다. 또 다른 실시예에서, 제어기는 펜 정보에 따라 펜의 시작 온도를 감소시키도록 구성된다. 그래서, 본 발명에 따른 예시적인 SFF 시스템은 다수의 펜 및 펜에 관련되는 하나 이상의 파라메터를 평가하고 하나 이상의 파라메터에 따라 물체 제조 펜을 선택적으로 사용하여 펜의 온도를 제어하는 수단을 포함하는 3차원 제조기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 SFF 시스템은 다수의 펜, 및 상이한 물체 레이아웃에 따라 서로에 대해 배치되는 다수의 물체를 제조하는 3차원 제조기를 사용하여 펜 온도를 예측하고, 예측된 펜 온도에 따라 형성 작업을 위한 물체 레이아웃 중 하나를 선택하도록 구성된 제어기를 구비하는 3차원 제조기를 포함한다. 다양한 실시예에서, 상이한 물체 레이아웃은 물체들 간에 상이한 간격(spacings)을 제공한다. 다양한 실시예에서, 상이한 물체 레이아웃은 상이한 물체 방향을 제공한다.
예로서, 초기 형성 빈 레이아웃의 (각각 도 2(a), 2(b) 및 2(c)의) 상부, 측면 및 측면도는 서로 인접하여 그리고 z축을 따라서 공통 깊이로 배치되는 네 개의 물체를 도시한다. 도 3(a), 3(b) 및 3(c)에는 본 발명에서 설명한 펜 온도 제어 방법에 따른 스캔 방향을 따라서 물체들이 흩어진 상이한 물체 레이아웃이 도시되어 있다. (예로서, 부품(물체) 스프레딩 알고리즘에 의해 결정되는) 이 레이아웃은 각 스캔 스와스에서 도 2(a), 2(b) 및 2(c)에 도시한 레이아웃보다 냉각 시간을 더 많이 제공한다. 도 4(a), 4(b) 및 4(c)에는 본 발명에서 개시한 펜 온도 제어 방법에 따라 z축을 따라서 물체들이 흩어진 또 다른 예시적인 물체 레이아웃이 도시되어 있다. (예컨대 z축 이동 알고리즘에 의해 결정되는) 이 레이아웃은 z축을따라서 물체들 중 두 개를 이동시킴으로써 쉘 형성 동안의 부하를 분배 또는 분산시킨다. 도 5(a), 5(b) 및 5(c)는 이제 좌측 부품이 분배 코어(저밀도)에 있고 우측 부품이 분배 쉘에 있는 형성 프로세스에서의 도 4(a), 4(b) 및 4(c)의 평면, 측면 및 단면도를 각각 도시한다. 예로서, 1/10 인치 두께의 외부 쉘은 100% 세츄레이션(satuation)되고 코어는 50% 세츄레이션된다.
도 6(a), 6(b) 및 6(c)는 두 개의 무거운 부하 물체의 형성 빈 레이아웃의 평면, 측면 및 단면도를 각각 도시한다. 도 7(a), 7(b) 및 7(c)에는 본 발명에 따른 펜 온도 제어 방법에 따라 x-y 평면에서 물체가 회전된 상이한 물체 레이아웃이 도시되어 있다. (예컨대, 부품 회전 알고리즘에 의해 결정되는) 이 레이아웃은 보다 많은 스와스에 걸쳐 부하를 분산시켜 도 6(a), 6(b) 및 6(c)에 도시한 레이아웃보다 긴 냉각 시간을 제공한다. 또 다른 물체 레이아웃은 물체가 (z축을 따라서) 회전되어 본 발명 펜 온도 제어 방법에 따라서 보다 많은 층에 걸쳐 부하를 분산시킨다. (예컨대, 부품 회전 알고리즘에 의해 결정된) 이 레이아웃은 보다 많은 층에 걸쳐 부하를 분산시켜 도 6(a), 6(b) 및 6(c)에 도시한 레이아웃보다 긴 냉각 시간을 제공한다. 도 8(a), 8(b) 및 8(c)에는 물체가 (z축을 따라서) 회전되어 본 발명의 펜 온도 제어 방법에 따라 보다 많은 층에 걸쳐 부하를 분산시키는 또 다른 물체 레이아웃이 도시되어 있다. (예컨대, 부품 회전 알고리즘에 의해 결정된) 이 레이아웃은 도 6(a), 6(b) 및 6(c)에 도시한 레이아웃보다 긴 냉각 시간을 제공한다.
도 9(a), 9(b) 및 9(c)는 세 개의 작은 물체 및 하나의 큰 부하 물체의 형성빈 레이아웃의 평면, 측면 및 단면도를 각각 도시한다. 이 "비강건한(non-robust)" 레이아웃에서, 무거운 블록은 전체 형성 전반에 큰 부하를 제공하고, 따라서, 무거운 부품이 프린트헤드 고장을 야기하면 작은 부품이 위험에 처한다. 도 10(a), 10(b) 및 10(c)를 참조하면, 본 발명에서 설명한 펜 온도 제어 방법에 따라 작은 물체 다음에 큰 부하 물체가 형성되도록 물체가 배치되는 상이한 물체 형성 빈 레이아웃이 도시되어 있다. 또한, 이 예에서, 무거운 부하 물체 및 작은 물체는 x-y 평면에서 서로에 대해 오프셋되어 있다. (예컨대, 작업 실패 확률 최소화 알고리즘에 의해 결정된) 이 레이아웃은 무거운 큰 부하 부품이 프린트헤드 고장을 야기해도 작은 부품은 이용 가능하도록 작은 부품을 먼저 형성하는 것을 가능하게 한다.
위에서 예시한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에서, 물체 레이아웃은 예측된 펜 온도에 따라 선택된다. 그래서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, SFF 시스템은 다수의 펜을 구비하는 3차원 제조기 및 그 3차원 제조기를 사용하여 상이한 물체 레이아웃에 따라 서로에 대해 배치되는 다수의 물체를 제조하는 펜 온도를 예측하고, 그 예측된 펜 온도에 따라 형성 작업을 위한 물체 레이아웃 중 하나를 선택하여 펜의 온도를 제어하는 메카니즘을 포함한다.
도 11은 SFF 시스템에서 필요하면 예측된 펜 온도에 따라 펜 온도 감소 기법이 선택되는 본 발명에 따른 펜 온도 제어의 예시적인 방법(1100)의 순서도이다. 단계(1102)에서, 형성 평가(build evaluation)가 시작된다. 단계(1104)에서, 물체들은 형성 평가에 있어서 더 큰 크기의 물체가 있다면 상부로 이동되도록배치된다(즉, 더 큰 크기의 물체는 형성 작업의 종료쪽에서 형성되도록 배치된다). 단계(1106)에서, 물체 장치는 단계(1108)에서의 분석을 위한 준비로 층의 각각이 스와스 밀도인 층으로 "분할(sliced)"된다. 단계(1110)에서, 이 특정 물체 장치를 분배하기 위한 펜 온도가 예측된다. 위에서 설명한 바와 같이, 다양한 펜 온도 예측 알고리즘 모델 등이 사용될 수 있다. 펜 온도 모델은 특정 펜의 이전에 관측된 또는 예측된 특성에 기초하여 사전 프로그래밍될 수 있다. 또한 또는 이와 다르게, 펜 온도 모델은 적응적일 수 있고, 즉, 펜 온도 모델은 시간이 경과함에 따라 펜에 대해 "학습(learn)"할 수 있다. 펜 온도를 예측하기 위해, 본 발명의 범주는 임의의 유형의 펜 또는 프린트헤드 동작 동안에 펜 온도에 실제로(또는 잠재적으로 ) 영향을 미치는 기타 정보의 평가를 계획한다.
다음으로, 단계(1112)에서, 분석된 물체 장치를 위한 예측 펜 온도가 그 온도 범위를 초과하는 지를 판단한다. 예측 펜 온도가 그 온도 범위를 초과하지 않으면, 단계(1114)에서, 이 물체 장치를 사용하여 형성 작업이 시작된다. 그러나, 예측된 펜 온도가 그 온도 범위를 초과하면, 프로세싱은, "덜 달아오른(less-hot)" 방식으로 물체들을 재배치하기 위해 하나 이상의 기법들을 사용하는 단계(1116)로 진행한다. 예컨대, 위에서 설명한 바와 같이, 새로운 물체 장치는 x-y 평면에서 부품들을 분산시키고, 선택된 부품을 z-축에서 이동시켜 상이한 층으로 쉘을 분산 및/또는 x 또는 y 평면에 대해 부품을 회전시켜 z로의 보다 많은 층을 가로질러 부하를 분산시킴으로써 생성된다. 단계(1106, 1108, 1110, 1112)는 단계(1112)에서 부정 판단이 이루어질 때까지 반복된다.
그래서, 예로서, 본 발명에 따른 SFF 시스템에서 펜 온도를 제어하는 방법은 SFF 시스템을 사용하여 물체 레이아웃에 따라 서로에 대해 배치되는 다수의 물체를 제조하여 펜 온도를 예측하는 단계와, 예측된 펜 온도에 따라 하나 이상의 펜 온도 감소 기법을 사용하는 단계를 포함한다. 다양한 실시예에서, 물체는 물체의 크기, 적어도 하나의 물체의 우선 순위 및/또는 적어도 하나의 물체와 연관된 작업 실패 확률에 따른 물체 레이아웃으로 배치된다. 다양한 실시예에서, 하나 이상의 펜 온도 감소 기법은 하나 이상의 물체가 분배 층의 x-y 평면 내에서 재배치, 분배 층에 수직인 z-축을 따라서 재배치 및/또는 분배층에 평행한 축에 대해 회전되도록 물체 레이아웃을 변경하는 것을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 물체를 제조하는 방법은 3차원 제조기를 위한 상이한 물체 레이아웃을 위해 펜 온도를 예측하는 단계와, 예측된 펜 온도를 따라 형성 작업을 위한 물체 레이아웃 중 하나를 선택하는 단계와, 선택된 물체 레이아웃에 따라 3차원 제조기를 제어하여 물체를 제조하는 단계를 포함한다.
도 12는 하나 이상의 펜 온도 감소 기법이 사용되는 SFF 시스템에서 필요하면 SFF 시스템에 관련되는 하나 이상의 파라메터에 따라 펜 온도를 제어하는 본 발명에 따른 예시적인 방법(1200)의 순서도이다. 단계(1202)에서, 형성 작업이 시작된다. 단계(1204)에서, "층 X"로서 표시되는 층이 분배된다. 단계(1206)에서, 실제의 펜 순간 온도(pen instantaneous temperature), 평균 온도, 작업 부하 및/또는 스와스 세부사항과 같은 하나 이상의 파라메터가 측정/모니터링되고 단계(1208)에서, 성능에 기초하여 펜 온도가 그 온도 범위를 초과하는 지 여부를 판단하기 위해 평가된다. 펜 온도가 범위를 초과하지 않으면, 단계(1210)에서, 층 X의 "X"가 1 증가되고, 단계(1204)에서, 형성 작업의 다음 층(층 X)이 분배된다. 그러나, 펜 온도가 온도 범위를 초과하면, 프로세싱은, 펜 온도를 감소시키기 위해 하나 이상의 "반응성" 기법이 사용되는 단계(1212)로 진행한다. 예를 들어, 하나 이상의 다음 기법들이 구현된다: 여러 구성요소들(펜들)간에 코어 분배의 부하를 분할하는 기법, 다수의 중복 펜들 간에 코어 내 로딩의 비를 변경하는 기법 및 이용 가능하면, 층 X+1의 쉘 상에서 컬러 사용량에 근거하여(가령, 쉘 내의 특정 펜의 사용량이 임계치 백분율, 가령, 10% 미만이라면) 펜의 시작 온도를 감소하는 기법. 하나 이상의 기법이 사용된 후에, 단계(1204)에서, 다음 층이 분배되고, 위에서 설명한 파라메터 측정/모니터링 프로세스가 완료될 때까지 형성 작업 전반을 통해 계속된다.
도 13은 필요하면, SFF 시스템에 관련되는 하나 이상의 파라메터에 따라 프로액티브 및/또는 반응성 펜 온도 감소 기법이 사용되는 SFF 시스템에서 펜 온도를 제어하는 본 발명에 따른 예시적인 방법(1300)의 순서도이다. 층 X가 단계(1304)에서 분배되기 전에 단계(1302)에서, 펜 온도를 감소시키기 위해 하나 이상의 "프로액티브" 기법이 사용된다. 예컨대, 하나 이상의 다음 기법이 구현된다: 컬러간에 코어 부하 분할 및 다수의 중복 펜들간에 코어 부하 분할. 다음으로, 단계(1306)에서, 층 X+1은 특정 구성요소(펜)가 Y%보다 적은 쉘을 갖는 지 여부가 판단된다. 단계(1306)에서 이 판단이 긍정이면, 단계(1308)에서 추가의 프로액티브 기법, 가령, 이들 제한을 충족시키는 구성요소(들)의 시작 온도를 감소시키는기법이 구현된다. (즉, 특정 구성요소가 소량의 물질만 쉘에 기여하고 있으면, 이러한 구성요소의 온도는 감소될 수 있다). 판단이 긍정이 아니면, 프로세싱은, 실제의 펜 순간 온도, 평균 온도 등이 측정/모니터링되는 단계(1310)로 진행하고, 단계(1312)에서, 성능에 기초하여 펜 온도가 그 온도 범위를 초과하는 지 여부를 판단한다. 판단이 긍정이 아니면, 단계(1316)에서 층 X의 "X"가 1 증가되고 형성 작업은 계속된다. 그러나, 펜 온도가 그 온도 범위를 초과하면, 프로세싱은, 펜 온도를 감소시키기 위해 하나 이상의 "반응성" 기법이 사용되는 단계(1314)로 진행한다. 예를 들어, 코어 로딩의 비가 변경된다. 단계(1314)에서 하나 이상의 기법이 사용된 후에, 프로세싱은 단계(1316)로 이어서 단계(1302)로 진행하고, 위에서 설명한 프로액티브 및/또는 반응성 펜 온도 감소 기법은 형성 작업이 완료될 때까지 전반에 계속 사용된다.
따라서, 예로서, 본 발명에 따른 SFF 시스템에서 펜 온도를 제어하는 방법은 SFF 시스템에 속하는 하나 이상의 파라메터를 평가하는 단계와, 하나 이상의 파라메터에 따라 하나 이상의 펜 온도 감소 기법을 사용하는 단계를 포함한다. 다양한 실시예에서, 하나 이상의 파라메터는 펜 온도 정보(가령, 현재 및/또는 평균 펜 온도 정보), 펜 작업 부하 정보 및 또는 스와스 정보를 포함한다. 다양한 실시예에서, 하나 이상의 펜 온도 감소 기법은 다수의 상이한 컬러의 펜을 사용하여 물체 코어를 분배하도록 SFF 시스템을 제어하는 기법, 다수의 동일한 컬러 펜을 사용하여 물체 코어를 분배하도록 SFF 시스템을 제어하는 기법 및/또는 SFF 시스템과 연관된 펜 시작 온도를 감소시키는 기법을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 물체 제조 방법은 3차원 제조기에 의해 수행되는 제조 작업 동안에 펜 정보를 모니터링하는 단계와, 펜 정보를 평가하여 3차원 제조기의 펜을 제어해서 펜의 온도를 감소시키는 단계를 포함한다.
본 발명이 위에서 바람직한 실시예에 관해 설명되었으나, 위에서 설명한 바람직한 실시예에의 다양한 수정물 및/또는 추가물들이 당업자들에게 명백할 것이다. 본 발명의 범주는 이러한 수정물 및 추가물들까지 확장된다.
분배 속도를 거의 감소시키지 않으며 펜 정보를 평가하고 펜을 제어하여 펜 온도를 감소시킬 수 있다.

Claims (20)

  1. SFF(solid freeform fabrication) 시스템에서 펜 온도를 제어하는 방법(1100)에 있어서,
    물체 레이아웃에 따라 서로에 대해 배치되는 다수의 물체를 제조하기 위해 SFF 시스템을 사용하여 펜 온도를 예측(1110)하는 단계와,
    상기 예측된 펜 온도에 따라 하나 이상의 펜 온도 감소 기법을 사용(1116)하는 단계를 포함하는
    펜 온도 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체는 상기 물체의 크기에 따른 물체 레이아웃으로 배치(1104)되는 펜 온도 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체는 상기 물체들 중 적어도 하나의 우선순위에 따른 물체 레이아웃으로 배치(1104)되는 펜 온도 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 물체는 상기 물체들 중 하나와 연관된 작업 실패 확률에 따른 물체 레이아웃으로 배치(1104)되는 펜 온도 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 펜 온도 감소 기법은,
    상기 물체들 중 하나 이상이 분배층의 x-y 평면에서 재배치되도록 상기 물체 레이아웃을 변경하는 단계를 포함하는
    펜 온도 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 펜 온도 감소 기법은,
    상기 물체들 중 하나 이상이 분배층에 수직인 z축을 따라서 재배치되도록 상기 물체 레이아웃을 변경하는 단계를 포함하는
    펜 온도 제어 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 온도 감소 기법은,
    상기 물체들 중 하나 이상이 분배층에 평행한 축에 대해 회전되도록 상기 물체 레이아웃을 변경하는 단계를 포함하는
    펜 온도 제어 방법.
  8. SFF(solid freeform fabrication) 시스템에 있어서,
    다수의 펜(112, 114, 116, 118, 120)을 포함하는 3차원 제조기(100)와,
    펜 정보를 평가하고 상기 펜(112, 114, 116, 118, 120)을 제어하여 상기 펜의 온도를 감소시키도록 구성된 제어기(110)를 포함하는
    SFF 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 펜 정보는 펜 온도 정보를 포함하는 SFF 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 펜 정보는 펜 사용량 정보(pen usage information)를 포함하는 SFF 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 펜 사용량 정보는 현재의 펜 사용량에 관련되는 SFF 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 펜 사용량 정보는 과거의 펜 사용량에 관련되는 SFF 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 펜 사용량 정보는 장래의 펜 사용량에 관련되는 SFF 시스템.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 펜 정보는 펜 기능성/상태(health) 정보를 포함하는 SFF 시스템.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 다수의 펜(112, 114, 116, 118, 120)은 상이한 컬러의 잉크 분배 펜을 포함하고,
    상기 제어기(110)는 상기 펜 정보에 따라 상기 상이한 컬러의 잉크 분배 펜(112, 114, 116, 118, 120)을 선택적으로 사용하여 물체 코어(object core)를 분배하도록 구성되는
    SFF 시스템.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 다수의 펜은 두 개 이상의 클리어(clear) 잉크 분배 펜(112, 114)을 포함하고,
    상기 제어기(110)는 상기 펜 정보에 따라 상기 두 개 이상의 클리어 잉크 분배 펜(112, 114)을 선택적으로 사용하여 물체 코어를 분배하도록 구성되는
    SFF 시스템.
  17. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어기(110)는 상기 펜 정보에 따라 상기 펜을 위한 시작 온도를 감소시키도록 구성되는 SFF 시스템.
  18. SFF(solid freeform fabrication) 시스템에 있어서,
    다수의 펜(112, 114, 116, 118, 120)을 포함하는 3차원 제조기(100)와,
    상기 3차원 제조기(100)를 사용하여 상이한 물체 레이아웃에 따라 서로에 대해 배치되는 다수의 물체를 제조해서 펜 온도를 예측하고, 상기 예측된 펜 온도에 따라 형성 작업(build job)을 위한 상기 물체 레이아웃 중 하나를 선택하도록 구성되는 제어기(110)를 포함하는
    SFF 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 상이한 물체 레이아웃은 상기 물체들간에 상이한 간격(spacings)을 제공하는 SFF 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 상이한 물체 레이아웃은 상이한 물체 방향을 제공하는 SFF 시스템.
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