KR20090119904A

KR20090119904A - 변성 ａｂｓ 물질을 이용한 ３차원 물체 생성 방법

Info

Publication number: KR20090119904A
Application number: KR1020097019030A
Authority: KR
Inventors: 폴 이. 홉킨스
Original assignee: 스트래터시스,인코포레이티드
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2009-11-20
Also published as: EP2134525A1; CA2678579A1; WO2008112061A1; JP2010521339A; US20090295032A1; CN101641199A

Abstract

압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체(18)의 생성 방법으로서, 변성 ABS 물질을 압출 기반 적층식 증착 시스템의 압출 헤드(12)에 공급하는 단계, 상기 공급된 변성 ABS 물질을 압출 헤드(12) 내에서 압출 헤드(12)의 응답 시간을 향상시키는 조건 하에서 용융하는 단계, 및 상기 용융된 열가소성 물질을 적층식으로 증착하여 3D 물체(18)를 형성하는 단계를 포함한다.

압출, 적층식 증착 시스템, 3차원 물체 형성, 변성 ABS

Description

변성 ＡＢＳ 물질을 이용한 ３차원 물체 생성 방법{METHOD OF BUILDING THREE-DIMENSIONAL OBJECTS WITH MODIFIED ABS MATERIALS}

본 발명은 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원(3D) 물체의 제조에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 변성 ABS 물질(modified ABS materials)을 포함하는 생성 재료(build material)로부터 3D 물체를 제조하는 것에 관한 것이다.

압출 기반 적층식 증착 시스템(예컨대, 미국 미네소타 에덴 프래리에 소재한 스트래터시스 인코포레이티드(Stratasys, Inc.)에 의해 개발된 용융식 증착 모델링 시스템)은 유동성 생성 재료를 압출함으로써 적층식(layer-by-layer)으로 컴퓨터 지원 설계(computer-aided design: CAD) 모델로부터 3D 물체를 생성하는데 사용된다. 생성 재료는 압출 헤드에 의해 지지되는 노즐을 통해 압출되며, x-y 평면의 기부(substrate) 상에 경로의 순서대로 증착된다. 압출된 생성 재료는 앞서 증착된 생성 재료까지 용융되며, 온도 하강 시에 고화된다. 이때, 기부(base)에 대한 압출 헤드의 위치는 z-축(x-y 평면에 수직함)을 따라 증가하며, 다음, CAD 모델과 유사한 3차원 물체를 형성하도록 프로세스가 반복된다.

기부에 대한 압출 헤드의 이동은 컴퓨터 제어 하에서, 3D 물체를 나타내는 생성 데이터(build data)에 따라서 실행된다. 생성 데이터는 초기에 3D 물체의 CAD 모델을 복수의 수평으로 얇게 분할된 층으로 분할함으로써 얻어진다. 이때, 각각의 얇게 분할된 층에 대해, 호스트 컴퓨터는 생성 재료의 로드(roads)를 증착하기 위한 생성 경로를 발생시켜서 3D 물체를 형성한다.

생성 재료의 층을 증착함으로써 3D 물체를 제조함에 있어서, 지지층(supporting layers) 또는 구조(structures)는 전형적으로 생성 중인 물체의 중공(cavities)내에 또는 돌출 부분의 아래에 생성되는데, 이들은 생성재료 자체에 의해 지지되지 않는다. 지지구조는 생성 재료를 증착하는 것과 동일한 증착기술을 사용하여 생성될 수도 있다. 호스트 컴퓨터는 생성되는 3D 물체의 돌출(overhanging) 또는 자유공간(free-space) 세그먼트에 대해 지지 구조로 작용하는 부가적인 구조(geometry)를 생성한다. 이때 지지 재료(support material)가 생성 프로세스 중에 생성된 구조에 따라서 제2 압출 팁으로부터 증착된다. 지지 재료는 제작 중에 생성 재료에 부착되며, 생성 프로세스가 완료되면 완성된 3D 물체로부터 제거된다.

생성 재료는 전형적으로 비뉴턴(non-Newtonian) 유동 특성을 나타내어, 압출 유동의 초기 시작 단계 동안 움직임에 저항하게 된다. 따라서, 비뉴턴 유동 특성으로 인한 압출 헤드의 응답 시간(response time) 한계가 많은 3D 물체에 있어서 공통된 문제가 되었다. 그러한 한계는 증착의 정확도를 감소시킬 수 있으며, 특히 층당 증착되는 생성 재료의 양이 상대적으로 적은 미세 피쳐 구조(fine fiture structures)에서 관찰할 수 있다. 따라서, 생성 재료를 증착하기 위한 압출 헤드의 응답 시간을 개선할 수 있는 3D 물체의 생성 방법이 필요하게 되었다.

본 발명은 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3D 물체 생성 방법에 관한 것이다. 이 방법은 변성 ABS 물질을 압출 기반 적층식 증착 시스템의 압출 헤드에 공급하는 단계와, 압출 헤드 내에 상기 공급된 변성 ABS 물질을 압출 헤드의 응답 시간(response time)을 향상시키는 조건 하에서 용융시키는 단계를 포함한다. 상기 용융된 열가소성 물질은 그 다음 적층식으로 증착되어 3D 물체를 형성한다.

도 1은 압출 헤드(12), 가이드 레일(14), 생성 플랫폼(16), 3D 물체(18) 및 지지 구조(20)를 포함하는 압출 기반 적층식 증착 시스템의 생성 챔버(10)의 사시도이다. 생성 챔버(10)를 포함하는 적절한 압출 기반 적층식 증착 시스템으로는 미국 미네소타 에덴 프래리에 소재한 스트래터시스 인코포레이티드(Stratasys, Inc.)의 제품 명칭 "FDM"으로 판매되고 있는 용융식 증착 모델링 시스템이 포함된다. 압출 헤드(12)는 유동성의 생성 재료 및 지지 재료를 압출하여 3D 물체(18) 및 지지 구조(20)를 적층식으로 생성하도록 구성된 장치이다. 적절한 압출 헤드(12) 장치의 예시가 라보시에(LaBossiere) 등의 미국특허 출원 공개 제2007/0003656호 및 미국특허 출원 제11/396,845호(미국 특허 출원 공개 제2007/0228590호)에 개시되어 있다.

압출 헤드(12)는 생성 챔버(10) 내에서 x축을 따라 연장된 가이드 레일(14) 및 생성 챔버(10) 내에서 y축(미도시)을 따라 연장되는 부가 가이드 레일(미도시)에 의해 지지된다. 가이드 레일(14) 및 부가 가이드 레일은 압출 헤드(12)가 x축 및 y축을 따르는 평면의 어느 방향으로나 이동할 수 있도록 해준다. 생성 플랫폼(16)은 3D 물체(18)와 지지 구조(20)를 생성하기 위한 작업 표면이며, z축을 따라 높이 조절이 가능하다.

3D 물체(18)를 생성하는데 사용되는 생성재료는 압출 헤드(12)로부터 향상된 응답시간으로 압출될 수 있는 변성 ABS (modified ABS) 물질이며, 이로써 증착 프로세스의 정확도를 향상시킬 수 있게 된다. 본 발명에 사용하기 위한 적절한 변성 ABS 물질의 예시로는 아크릴레이트-기재(acrylate-based) 물질과 같이 부가(additional) 모노머, 올리고머 및/또는 폴리머로 변성된 ABS 물질이 포함된다. 상업적으로 구할 수 있는 변성 ABS 물질의 적절한 예시로는 미국 피츠필드에 소재한 제너럴 일렉트릭 컴퍼니(General Electric Co.)의 제품명칭 "CYCOLAC" ABS MG94-NA 1000로 판매되고 있는 메틸메타크릴레이트-변성 ABS/폴리(스티렌-아크릴로니트릴) 혼합물(methylmethacrylate-modified ABS/poly(styrene-acrylonitrile) blends)이 포함된다.

3D 물체(18)는 핀 피쳐(pin feature)(22)와 돌출부(24)를 포함하며, 상기 핀 피쳐(22)는 x-축과 y-축을 따르는 평면에서 평균 횡단면이 작은 다층(multi-layer)의 미세한 피쳐(feature) 구조이다. 핀 피쳐(22)는, 표준 ABS 공중합체(standard ABS copolymer), 예컨대, 미국 미시건 미드랜드에 소재한 다우 케미컬 컴퍼니(Dow Chemical Company)의 제품명칭 "AG700 ABS"로 판매되는 ABS 공중합체로 생성될 때, 관찰가능한 생성의 부정확성을 나타낼 수 있는 미세한 피쳐 구조의 예시이다. 예컨대, 표준 ABS 공중합체(standard ABS copolymer)는 x-축과 y-축을 따르는 평면에서 약 3.0 mm(약 120 밀(mils)) 이하의 적어도 한 폭을 갖는 미세한 피쳐 구조를 생성할 때 눈에 보이는 부정확성을 초래할 것이다. 이는 결국 결과적인 3D 물체의 심미적 및 물리적 품질을 떨어뜨릴 수 있다.

이와 대조적으로, 핀 피쳐(22)는 압출 헤드(12)에서 변성 ABS 물질을 증착함으로써 얻어지는 향상된 응답 시간으로 인하여 더 큰 증착 정확도로 생성된다. x-축과 y-축을 따르는 평면에서 핀 피쳐(22)의 적절한 횡단면 치수로는 폭이 약 3.0mm(약 120 밀(mils)) 이하인 것을 포함하며, 특히 적절한 폭은 약 1.5mm(약 60 밀(mils))에서 약 2.8mm(약 110 밀(mils)) 범위 내의 것이다. 후술되는 처리 조건하에서, 그러한 물질들이 (표준 ABS 공중합체에 비교하여) 더 큰 유사 뉴턴(Newton-like) 특성을 얻을 수 있으며, 따라서 3D 물체(10)를 생성할 때 압출 헤드(12)의 응답 시간을 향상시킬 수 있다. 또한, 변성 ABS 물질은 양호한 층간 점착성 및 부품 강도를 갖는 3D 물체를 제공할 수 있다.

지지 구조(20)는 지지 재료를 사용하여 생성 플랫폼 상에 적층식으로 생성되어, 3D 물체(18)의 돌출 영역(24)을 지지한다. 개선된 응답 시간으로 증착되는 것에 부가하여, 변성 ABS 물질은 미국 미네소타 에덴 프레리 소재의 스트래터시스 인코퍼레이티드(Stratasys, Inc.)의 제품 명칭 "WATERWORKS"와 "SOLUABLE SUPPORTS"로 판매되는 수용성 지지 물질과 사용하기에 적합하다. 또한, 상기 변성 ABS 물질은 미국 미네소타 에덴 프레리 소재의 스트래터시스 인코퍼레이티드(Stratasys, Inc.)의 제품 명칭 "BASS"로 판매되는 분리(break-away) 지지 물질 및 크럼프(Crump) 등의 미국 특허 제5,503,785에 개시된 물질과 사용되기에도 적합하다. 비교적, 표준 ABS 공중합체는 "BASS"-기재 지지 구조에 상당한 점착성을 나타낸다. 변성 ABS 물질은 생성 프로세스 중에는 적절한 점착성을 허용하는 한편, "BASS"-기재 지지 구조로부터 분리되기가 대체로 더 용이하다.

도 2는 3D 물체(18)(도 1에 도시)를 생성하기 위해 변성 ABS 물질을 압출하기 위한 압출 헤드(12)(도 1에 도시)의 생성 라인(26)의 부분 확대도이다. 생성 라인(26)은 공급 튜브(28), 베이스 블록(30), 공급 채널(32), 구동 시스템(34), 액화장치 조립체(liquefier assembly)(36) 및 생성 팁(38)을 포함하며, 이들 구성은 라보시에(LaBossiere) 등의 미국 특허출원 11/396,845호 (미국 특허출원 공개공보 2007/0228590호)에 개시된 것과 동일한 방식으로 배열된다. 공급 튜브(28)는 생성 챔버(10)(도 1에 도시)의 외부에 설치되는 공급원(미도시)으로부터 변성 ABS 물질의 필라멘트(filament)(필라멘트(40)로 지칭)를 받는다. 필라멘트(40)는 베이스 블록(30)의 공급 튜브(28)와 공급 채널(32)을 통해서 연장됨으로써, 구동 시스템(34)이 액화장치 조립체(36)에 필라멘트(40)를 공급하도록 한다.

구동 시스템(34)은 구동 롤러(42)와 아이들러 롤러(idler roller)(44)를 포함하며, 이들은 맞물려 필라멘트(40)를 고정하도록 구성된다. 구동 롤러(42)는 구동 모터(미도시)에 축방향으로 연결되어, 구동 롤러(42)와 아이들러 롤러(44)가 필라멘트를 액화장치 조립체(36)에 공급하도록 한다. 액화장치 조립체(36)는 액화장치 블록(46)과 액화장치 채널(48)을 포함한다. 액화장치 채널(48)은 액화장치 블록(46)을 통해 뻗어있는 채널이며, 구동 시스템(34)에 인접한 입구와 생성 팁(38)에 출구를 갖는다. 압출 채널(48)은 필라멘트(40)가 액화장치 블록(46)을 관통하여 이동할 수 있는 통로를 제공한다. 액화장치 블록(46)은 필라멘트를 액화장치 블록(46)를 따르는 온도 프로파일(thermal profile)에 기초하여 요구되는 유동 패턴으로 녹이기 위한 가열 블록이다. 생성 팁(38)은 액화장치 조립체(36)에 고정된 압출 팁이다. 생성 팁(38)은 변성 ABS 물질의 로드(road)를 증착하기 위한 팁 직경을 가지며, 상기 로드의 폭 및 높이는 부분적으로 팁 직경에 기초한다. 생성 팁(38)의 적절한 팁 직경의 예시는 약 250㎛ (약 10mils)에서 약 510㎛ (약 20mils)이다.

변성 ABS 물질은 (구동 모터로부터) 구동 롤러(42)에 회전력을 인가함으로써 압출 헤드(12)의 생성 라인(26)을 통해서 압출된다. 구동 롤러(42)와 아이들러 롤러(44)의 마찰성 악력(frictional grip)은 상기 회전력을 구동 압력으로 전환시켜 필라멘트(40)로 인가되도록 한다. 구동 압력은 필라멘트(40)를 연속적으로 액화장치 채널(48) 내에 강제로 밀어 넣으며, 이때 변성 ABS 물질이 액화장치 블록(46)에 의해 용융된다. 필라멘트(40)의 녹지 않은 부분은 용융된 변성 ABS 물질이 액화장치 채널(48)과 생성 팁(38)을 관통하도록 밀어 넣는 피스톤 역할을 하며, 이에 의해 용융된 변성 ABS 물질이 압출된다. 필라멘트(40)를 액화장치 채널(48)로 강제로 밀어 넣고 용융된 변성 ABS 물질을 압출하기 위해 필요한 구동 압력은, 변성 ABS 물질의 흐름에 대한 저항력, 구동 롤러(42)의 마찰 내성, 구동 롤러(42)와 아이들러 롤러(44) 간의 악력에 의한 마찰력 및 기타 요인과 같은 다중 요인에 기초하며, 이들 요인들은 모두 구동 롤러(42)와 아이들러 롤러(44)에 의해 필라멘트(40)에 인가되는 구동 압력에 저항하는 요인이 된다.

생성 프로세스 동안, 생성 재료의 압출 유동 특성은 일반적으로 (1) 압출 유속이 0에서 정상상태(steady-state) 유속으로 증가하는 개시(start up) 단계, (2) 정상상태 단계, 및 (3) 압출 유속이 정상상태 유속에서 0으로 감소하는 정지 단계의 세 가지 압출 단계(phase)로 된다. 정상상태(steady-state) 단계 동안, 생성 재료의 압출 유속은 필라멘트(예컨대, 필라멘트(40))에 인가되는 구동 압력과 상기 구동 압력에 대해 상기 논의된 저항력 사이의 차이가 된다. 그러나, 개시 단계 동안, 생성 재료는 초기에는 생성 재료가 압출되기 전에 넘어야 할 압출에 대한 추가 저항력을 나타낸다. 여기에서는 상기 추가 저항력을 생성 재료의 딕소트로픽 문턱값(thixiotropic threshold)이라고 지칭한다.

더 높은 딕소트로픽 문턱값은 전형적으로 압출 유동을 시작하는데 더 큰 구동 압력을 필요로 한다. 이것은 상대적으로 구동 모터가 구동 롤러에 회전력을 인가하는 시점과 압출 유동이 정확히 시작되는 시점 간의 시간을 증가시키며, 이로 인해 압출 헤드의 응답 시간(response time)을 제한하게 된다. 상술한 바와 같이, 그와 같은 응답 시간 제한은 증착 정확도를 떨어뜨릴 수 있으며, 이는 특히 미세한 피쳐 구조에서 관찰할 수 있다. 따라서, 하기하는 바와 같이, 압출 헤드(12)의 응답 시간은 변성 ABS 물질에 대하여 감소된 딕소트로픽 문턱값(Thixiotropic threshold)을 제공할 수 있는 조건 하에서 변성 ABS 물질을 압출함으로써 개선된다.

도 3은 개시 단계 동안 향상된 응답 시간으로 3D 물체(18)(도 1에 도시)를 생성하기 위한 적절한 방법(50)의 순서도이다. 상기 방법(50)은 52~58 단계를 포함하며, 초기에 변성 ABS 물질의 필라멘트를 압출 헤드(12)에 공급하는 단계를 포함한다(단계 52). 일 실시예에서, 상기 변성 ABS 물질은 최대 액화장치 온도(maximum liquefier temperature)에서 약 6.9 MPa (약 1,000 pounds/square-inch (psi)) 이하, 보다 바람직하게는 약 5.2 MPa (약 750 psi) 이하의 구동 압력을 갖는 표준 구조 액화장치(standard geometry liquefier)로부터의 압출 속도 16.4 ㎕/sec (1,000 micro-cubic-inches-per-second (mics))로 압출될 수 있는 정도의 것으로 선택된다.

여기서 사용된 "표준 구조 액화장치(standard geometry liquefier)"라는 용어는 내경이 1.943 mm (0.0765 inches)에서 1.905 mm (0.075 inches) 범위인 액화장치 튜브와, 전체 팁 길이 77.343 +/- 0.254 mm (3.045 +/- 0.010 inches), 내경의 네크(neck) 길이 0.762 +/- 0.051 mm (0.030 +/- 0.002 inches), 팁 단부 랜딩(landing) 내경 0.406 +/- 0.013 mm (0.016 +/- 0.0005 inches)인 생성 팁을 가지는 액화장치로 정의된다. 또한, 여기서 사용된 "최대 액화장치 온도(Maximum liquefier temperature)"라는 용어는 변성 ABS 물질이 2분 동안 변색이나 유동 특성의 변화없이 버틸 수 있는 가장 높은 액화장치 온도로 정의된다. 상기 기준을 충족하는 변성 ABS 물질의 예시로는 상기 논의된 적절한 변성 ABS 물질이 포함된다.

다음, 변성 ABS 물질이 압출 헤드 내에서 용융된다(단계 54). 상술한 바와 같이, 변성 ABS 물질의 필라멘트가 구동 시스템(34)을 사용하여 액화장치 조립체(36)로 공급된다. 액화장치 조립체(36)는 바람직하게는 변성 ABS 물질이 열적으로 안정한 액화장치 피크(peak) 온도를 가지며, 이는 변성 ABS 물질의 딕소트로픽 문턱값(thixiotropic threshold)을 감소시킨다. 액화장치 조립체(36)에 대한 적절한 액화장치 피크 온도의 예시는 약 280℃에서 약 360℃ 범위이며, 특히 적절한 온도 범위는 약 300℃에서 약 340℃이고, 특히 더욱 적절한 온도 범위는 약 300℃에서 약 320℃이다.

다음으로, 용융된 변성 ABS 물질이 압출 헤드(12)로부터 압출되고 (단계 56), 생성 챔버(10) 내에 적층식으로 증착되어 3차원 물체를 생성한다(단계 58). 생성 챔버(10)의 적절한 주변 온도는 약 70℃에서 약 105℃ 범위 내이며, 특히 적절한 주변 온도는 약 80℃에서 약 95℃이다. 상기 적절한 액화장치 피크 온도와 적절한 주변 온도는 표준 ABS 공중합체를 압출하는데 전형적으로 사용되는 대응 온도보다 더 높다. 더 높은 온도는 결과물인 3D 물체(18)에서 부품 강도를 증가시키고 유공성(porosities)을 감소시키는데 유익하다.

결과물인 3D 물체(18)는 증가된 증착 정확도를 나타내며, 이는 특히 핀 피쳐(22)에서 개선된 심미적 품질을 나타내는 것으로부터 관찰될 수 있다. 따라서, 변성 ABS 물질은 고해상도 미세 피쳐 구조를 제공하는데 유리하다. 증착된 후에, 3차원 물체에서 상기 변성 ABS 물질은 바람직하게 실질적으로 열열화(thermal degradation)가 없다. 표준 ABS 공중합체에서 열열화는 전형적으로 증착된 물질에서의 갈색 줄무늬로 관찰될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 3D 물체가 생성되는 것을 나타내는 압출 기반 적층식 증착 시스템의 생성 챔버의 사시도이다.

도 2는 압출 기반 적층식 증착 시스템의 압출 헤드 생성 라인의 부분 확대도이다.

도 3은 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용하여 3D 물체를 생성하는 방법에 관한 순서도이다.

도 4 내지 도 7은 본 발명에 따라 수행된 압출 흐름(extrusion runs)과 비교실시예의 압출 흐름에 대하여, 압출 속도에 대한 구동 압력(drive pressure)을 나타내는 그래프이다.

도 8은 본 발명에 따라 실시된 압출 흐름과 비교실시예의 압출 흐름에 대하여, 압출 속도에 대한 구동 압력을 나타내는 그래프이다.

다음의 실시예에서 본 발명이 보다 상세하게 기술된다. 본 발명의 범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야의 기술자들에게는 자명한 사항이므로, 다음의 실시예는 오로지 설명을 위한 예시이다. 실시예 1~12와 비교실시예 A~D의 압출 흐름(extrusion runs)에 대한 구동 압력(drive pressure)은 액화장치 피크 온도와 압출 유속의 함수로서 결과적인 압출 특성을 비교하기 위하여 정량적으로 측정되었다. 각각의 압출 흐름(extrusion run)은 미국 미네소타에 소재한 스트래터시스 인코퍼레이티드(Stratasys, Inc.)의 제품 명칭 "FDM TITAN"으로 상업적으로 판매되고 있는 용융식 증착 모델링 시스템 상에서 수행되었다. 부속 압출 헤드는 액화장치 튜브 내경이 1.943 mm (0.0765 inches) 에서 1.905 mm (0.075 inches)의 범위 내이고, 전체 팁 길이가 77.343 +/- 0.254 mm (3.045 +/- 0.010 inches)이고, 내경 네크 길이가 0.762 +/- 0.051 mm (0.030 +/- 0.002 inches)인 "TITAN" TI 생성 팁을 포함하였다.

실시예 1~12의 압출 흐름은 미국 메사츄세츠 피츠필드에 소재한 제너럴 일렉트릭 컴퍼니(General Electric Co.)의 제품명칭 "CYCOLAC" MG94-NA1000 ABS로 판매되는 변성 ABS 물질을 사용하여 실시되었다. 비교실시예 A~D의 압출 흐름은 미국 미시건 미드랜드에 소재한 다우 케미컬 컴퍼니(Dow Chemical Company)의 제품명칭 "AG 700 ABS"로 판매되는 표준 ABS 공중합체를 사용하여 실시되었다. 상기 압출 흐름은 상이한 온도와 압출 속도로 실시되었으며, 여기서 실시예 1~4의 압출 흐름은 팁 단부 랜딩 내경 0.254 mm (0.010 inches)로 각각 실시되었으며, 실시예 5~8의 압출 흐름은 팁 단부 랜딩 내경 0.305 mm (0.012 inches)로 각각 실시되었고, 실시예 9~12와 비교실시예 A~D의 압출 흐름은 팁 단부 랜딩 내경 0.406 mm (0.016 inches)로 각각 실시되었다. 표 1에는 실시예 1~12와 비교실시예 A~D의 압출 흐름에 사용된 생성 재료, 팁 직경 및 압출 속도를 나타낸다.

실시예	생성 재료	팁 직경 (mm)	팁 직경 (inches)	압출 속도 (ml/s)	압출 속도 (mics)
실시예 1	MG94-NA1000 ABS	0.254	0.01	16.4	1,000
실시예 2	MG94-NA1000 ABS	0.254	0.01	32.8	2,000
실시예 3	MG94-NA1000 ABS	0.254	0.01	49.1	3,000
실시예 4	MG94-NA1000 ABS	0.254	0.01	65.6	4,000
실시예 5	MG94-NA1000 ABS	0.305	0.012	16.4	1,000
실시예 6	MG94-NA1000 ABS	0.305	0.012	32.8	2,000
실시예 7	MG94-NA1000 ABS	0.305	0.012	49.1	3,000
실시예 8	MG94-NA1000 ABS	0.305	0.012	65.6	4,000
실시예 9	MG94-NA1000 ABS	0.406	0.016	16.4	1,000
실시예 10	MG94-NA1000 ABS	0.406	0.016	32.8	2,000
실시예 11	MG94-NA1000 ABS	0.406	0.016	49.1	3,000
실시예 12	MG94-NA1000 ABS	0.406	0.016	65.6	4,000
비교실시예 A	AG700 ABS	0.406	0.016	16.4	1,000
비교실시예 B	AG700 ABS	0.406	0.016	32.8	2,000
비교실시예 C	AG700 ABS	0.406	0.016	49.1	3,000
비교실시예 D	AG700 ABS	0.406	0.016	65.6	4,000

각각의 압출 흐름에 대해서, 생성 싸이클이 주어진 생성 재료를 압출하도록 개시되었다. 생성 재료는 필라멘트 형상("TITAN" TI 생성 팁 용 표준 필라멘트 직경으로, 예컨대, 약 1.796 mm (약 0.0707 inches))으로 압출 헤드에 공급되었으며, 기어 시스템에 의해 액화장치로 밀어 넣어졌다. 액화장치 피크 온도는 제1레벨(예컨대, 240℃)로 유지되었고, 필라멘트는 정상상태 동작이 얻어질 때까지 밀어 넣어졌다. 그 다음 구동모터의 전력 요구량이 정량적으로 측정되었고, 생성 재료를 압출하기 위해 필요한 대응 구동 압력이 구동모터의 전력 요구량에 기초하여 계산되었다. 상기 절차는 이후 240℃에서 340℃ 범위 내의 다양한 액화장치 피크 온도에 대해 반복되었다.

도 4 내지 도 7은 실시예 1~12(Exs.1~12)와 비교 실시예 A~D(Comp. Exs.A~D)의 압출 흐름에 대하여, 압출 속도에 대한 구동 압력(drive pressure)을 나타내는 그래프이다. 도 4~6의 비교를 통하여 예상대로 구동 압력은 액화장치 피크 온도의 증가, 팁 직경의 감소 및 압출 속도의 증가에 따라 감소하는 것을 알 수 있다. 그러나, 실시예 9~12의 압출 흐름에 대한 비교(도 6에 도시)와 비교 실시예 A~D의 압출 흐름에 대한 비교(도 7에 도시)를 통하여, 동등한 조건하에서, 본 발명에 사용하기 적절한 변성 ABS 물질(MG94-NA1000 ABS)은 표준 ABS 물질(AG700 ABS)에 비교하여 더 낮은 구동 압력에서 압출될 수 있다는 것을 알 수 있다.

도 8은 도 6 및 도 7에서 제공된 데이터에 대한 선택 그래프로, 280℃에서 비교 실시예 A~D(Comp. Exs.A~D)의 압출 흐름, 280℃에서 실시예 9~12(Exs.9~12)의 압출 흐름 및 300℃에서 실시예 9~12(Exs.9~12)의 압출 흐름에 대하여, 압출 속도에 대한 구동압력을 나타내었다. 비교 실시예 A~D의 표준 ABS 공중합체는 약 290℃ 이상의 온도에서 열적으로 안정하지 않으며, 열 열화되는 경향이 있다. 따라서, 300℃에서 비교 실시예 A~D의 압출 흐름은 비교되지 않았다.

도 8에 도시된 바와 같이, 280℃ 및 300℃에서 실시예 9~12의 압출 흐름은 280℃에서 비교 실시예 A~D의 압출 흐름에서 얻어진 것보다 더 낮은 구동 압력으로 수행되었다. 또한, 각 압출 흐름에 대한 점선으로 도시된 것과 같이, 압출 흐름의 지수적 회귀선(exponential regression lines)은 유속 0으로 예측되었다(즉, y축과 교차). y축 교점에서 구동 압력은 해당 액화장치 피크 온도에 대한 생성 재료의 딕소트로픽 문턱값에 대응한다. 이와 같이, 비교 실시예 A~D에 사용된 표준 ABS 공중합체를 압출하기에 적절한 온도인 280℃의 액화장치 피크 온도에서, 표준 ABS 공중합체는 약 6.8 MPa (약 980 psi)의 딕소트로픽 문탁값을 가졌다. 이에 비교하여, 실시예 9~12에 사용된 변성 ABS 물질은 280℃의 액화장치 피크 온도에서 약 3.9 MPa (약 560 psi)의 딕소트로픽 문턱값을 가졌다. 또한, 실시예 9~12에서 사용된 변성 ABS 물질을 압출하기에 바람직한 온도인 300℃의 액화장치 피크 온도에 대하여, 변성 ABS 물질은 약 3.0 MPa (약 430 psi)의 딕소트로픽 문턱값을 가졌다.

따라서, 변성 ABS 물질의 유동 특성은 표준 ABS 공중합체에 비교하여 뉴턴 유동(Newtonian flow)에 더 가깝다. 뉴턴 유동을 나타내는 물질은 선형 압출 흐름 특성을 나타낼 것이고, 구동 압력 0에서 y축과 교차할 것이다(즉, 딕소트로픽 문턱값을 가지지 않는다). 도 8에 도시된 압출 흐름 특성은, 액화장치에서 웨팅 도우넛(wetting doughnuts)이 생성 팁에 더 가까웠고, 생성 재료가 액화장치에서 오랜 기간 고체 상태로 있었고, 전단 변형 층(shear layers)이 액화장치의 벽에 더 가깝게 압박되었다는 등과 같이, 여러 요인으로 인하여 지수 경향(exponential trends)을 나타낸다.

정량적으로, 변성 ABS 물질은 280℃의 액화장치 피크 온도에서 표준 ABS 공중합체의 딕소트로픽 문턱값의 약 60% 보다 낮은 딕소트로픽 문턱값을 가졌다. 또한, 물질을 압출하기에 적절한 온도(즉, 표준 ABS 공중합체에 대해 280℃, 변성 ABS 물질에 대해 300℃)와 비교할 때, 변성 ABS 물질은 표준 ABS 공중합체의 딕소트로픽 문턱값의 약 50% 보다 낮은 딕소트로픽 문턱값을 가졌다. 따라서, 압출 헤드는 변성 ABS 물질에 비하여 표준 ABS 공중합체의 압출 흐름을 개시하기 위해서는 두 배 이상 큰 정적 구동 압력(static drive pressure)을 생성해야 할 필요가 있을 것이다. 따라서, 상기 논의된 동작 조건하에서 변성 ABS 물질을 사용하면 압출 프로세스의 응답 시간을 향상시키고, 이로써 3D 물체를 생성할 때 증착 정확도를 증가시킬 수 있다.

비록 본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 기술자들은 본 발명의 사상 및 범위를 이탈하지 않고 형태와 세부사항에 변경을 가할 수 있다는 것을 인정할 수 있을 것이다.

Claims

압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법으로서,

최대 액화장치 온도에서 표준 구조 액화장치(standard geometry liquefier)로부터 16.4 ㎕/sec의 압출 속도로 압출될 때, 약 6.9 MPa 이하의 구동 압력을 필요로 하는, 변성 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(modified acrylonitrile-butadiene-styrene )(변성 ABS) 물질의 필라멘트(filament)를 압출 기반 적층식 증착 시스템의 압출 헤드에 공급하는 단계;

상기 압출 헤드에서 상기 공급된 변성 ABS 물질을 용융하는 단계; 및

상기 용융된 변성 ABS 물질을 적층식으로 증착하여 3차원 물체를 형성하는 단계를 구비하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 필요한 구동 압력은 약 5.2 MPa 이하인 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 변성 ABS 물질은 메틸메타크릴레이트(methylmethacrylate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 압출 헤드에서 상기 공급된 변성 ABS 물질을 용융하는 단계는 공급된 변성 ABS 물질을 약 300℃에서 약 340℃ 범위 내의 피크 온도에서 용융하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 4에 있어서,

상기 피크 온도는 약 300℃에서 약 320℃ 범위 내인 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 4에 있어서,

상기 3차원 물체는 적어도 하나의 횡단면 크기가 약 3.0 mm 이하인 다층 피쳐(multi-layer feature)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 적층된 변성 ABS 물질은 실질적으로 열열화(thermal degradation)가 없는 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 용융된 변성 ABS 물질은 동일한 조건 하에서 압출될 때 표준 ABS 공중합체의 딕소트로픽 문턱값(thixiotropic threshold)보다 적은 딕소트로픽 문턱값을 갖는 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법으로서,

변성 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(modified acrylonitrile-butadiene-styrene)(변성 ABS) 물질을 압출 기반 적층식 증착 시스템의 압출 헤드에 공급하는 단계;

상기 압출 헤드 내에서 상기 공급된 변성 ABS 물질을 약 300℃에서 약 340℃ 범위 내의 피크 온도에서 용융하는 단계;

상기 용융된 변성 ABS 물질을 상기 압출 헤드로부터 압출하는 단계; 및

상기 용융된 변성 ABS 물질을 적층식으로 증착하여 3차원 물체를 생성하는 단계를 구비하며, 상기 3차원 물체에서 상기 용융된 변성 ABS 물질은 실질적으로 열열화(thermal degradation)가 없는 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 9에 있어서,

상기 피크 온도는 약 300℃에서 약 320℃ 범위 내인 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 9에 있어서,

상기 변성 ABS 물질은 메틸메타크릴레이트(methylmethacrylate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 9에 있어서,

상기 용융된 변성 ABS 물질은 압출 기반 적층식 증착 시스템의 생성 챔버 내에서 증착되며, 상기 생성 챔버는 약 70℃에서 약 105℃ 범위 내의 주변 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 12에 있어서,

상기 생성 챔버의 주변 온도는 약 80℃에서 약 95℃ 범위 내인 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 9에 있어서,

상기 3차원 물체는 적어도 하나의 횡단면 크기가 약 3.0 mm 이하인 다층 피쳐(multi-layer feature)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법으로서,

변성 아크릴로니트릴-부타디엔- 스티렌(modified acrylonitrile-butadiene-styrene)(변성 ABS) 물질을 압출 기반 적층식 증착 시스템의 압출 헤드에 공급하는 단계;

상기 압출 헤드 내에서, 변성 ABS 물질에 대하여 피크 온도에서 용융된 표준 ABS 공중합체에 대한 딕소트로픽 문턱값(thixiotropic threshold)의 약 60% 이하의 딕소트로픽 문턱값을 제공하는 피크 온도에서, 상기 공급된 변성 ABS 물질을 용융하는 단계;

상기 용융된 변성 ABS 물질을 상기 압출 헤드로부터 압출하는 단계; 및

상기 용융된 변성 ABS 물질을 적층식으로 증착하여 3차원 물체를 생성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 15에 있어서,

상기 변성 ABS 물질은 메틸메타크릴레이트(methylmethacrylate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 15에 있어서,

상기 3차원 물체는 적어도 하나의 횡단면 크기가 약 3.0 mm 이하인 다층 피쳐(multi-layer feature)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 15에 있어서,

상기 적층된 변성 ABS 물질은 실질적으로 열열화(thermal degradation)가 없는 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 15에 있어서,

상기 용융된 변성 ABS 물질은 압출 기반 적층식 증착 시스템의 생성 챔버 내에서 증착되고, 상기 생성 챔버의 주변 온도는 약 70℃에서 약 105℃ 범위 내인 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.
청구항 19에 있어서,

상기 생성 챔버의 주변 온도는 약 80℃에서 약 95℃ 범위 내인 것을 특징으로 하는 압출 기반 적층식 증착 시스템을 이용한 3차원 물체 생성 방법.