KR20120063538A - 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 비 실린더형 필라멘트 - Google Patents

압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 비 실린더형 필라멘트 Download PDF

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KR20120063538A
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제이. 새뮤얼 배첼더
윌리엄 제이. 스완슨
에스. 스코트 크럼프
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스트래터시스,인코포레이티드
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Abstract

압출가공 기반 디지털 제조 시스템(10)용 소모성 물질(34)로서, 상기 소모성 물질(34)은 길이(36)와 축방향으로 비대칭적인 상기 길이의 적어도 일부에 대한 횡단면 프로파일(38)을 구비한다. 상기 횡단면 프로파일(38)은 동일한 열제한 최대 체적 유량(maximum volumetric flow rate)에 대하여, 실린더형 액화기에서 실린더형 필라멘트로 얻을 수 있는 응답 시간보다 더 빠른 응답 시간을 압출가공 기반 디지털 제조 시스템(10)의 비 실린더형 액화기(48)에 제공하도록 구성된다.

Description

압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 비 실린더형 필라멘트{NON-CYLINDRICAL FILAMENTS FOR USE IN EXTRUSION-BASED DIGITAL MANUFACTURING SYSTEMS}
본 발명은 3차원(3D) 모델을 생성하기 위한 직접 디지털 제조 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에 사용되기 위한, 모델링 및 지지 물질과 같은 소모성 물질(consumable materials)에 관한 것이다.
압출가공 기반 디지털 제조 시스템(예를 들면, 미국 미네소타주 에덴 프래리 소재의 스트레터시스사(Stratasys, Inc.)에 의해 개발된 융합 침적 모델링 시스템(fused deposition modeling systems))은 3D 모델에 대한 디지털 표현으로부터 액상의 소모성 모델링 재료를 압출하여 적층식으로(layer-by-layer) 3D 모델을 생성하는데 사용된다. 상기 모델링 재료는 압출 헤드에 의해 지지되는 압출 팁을 통해 압출되고, x-y평면 상의 기판(substrate) 위에 일련의 로드(roads)로서 침적된다. 압출된 모델링 재료는 이전에 침적된 모델링 재료에 융합되고, 온도의 하강에 따라 고체화된다. 그 다음, 기판(substrate)에 대한 압출 헤드의 위치를 (x-y 평면에 수직한) z-축을 따라 증가시킨 후, 상기 디지털 표현과 닮은 3D 모델을 형성하기 위한 프로세스가 반복된다.
기판에 대한 압출 헤드의 이동은 상기 3D 모델을 나타내는 생성 데이터에 따른 컴퓨터 제어하에 수행된다. 상기 생성 데이터는 먼저 3D 모델의 디지털 표현을 수평방향으로 분할된 다수의 층으로 분할함으로써 획득된다. 그 다음, 각각의 분할 층에 대해 호스트 컴퓨터가 3D 모델을 형성하기 위한 모델링 재료의 침적 로드(depositing road)용 생성 경로를 생성한다.
모델링 재료를 적층함으로써 3D 모델을 제작함에 있어서, 지지층 또는 구조는 전형적으로 생성중인 객체의 공동(cavities) 내부 또는 돌출부 아래에 만들어지는데, 이들은 모델링 재료 자체에 의해 지지되지 않는다. 지지 구조는 모델링 재료를 침적시키는 것과 동일한 침적 기술을 이용하여 만들어질 수 있다. 호스트 컴퓨터가 형성되고 있는 3D 모델의 돌출 또는 자유공간 부분에 대해 지지 구조로서 작용할 수 있는 부가적인 기하 형상(geometry)을 생성한다. 그 다음 생성 프로세스 동안 소모성 지지 재료를 생성된 기하 형상에 따라 제2 노즐로부터 침적시킨다. 제작 중에 상기 지지 재료는 모델링 재료에 고착되며, 생성 프로세스의 완료 시에는 완성된 3D 모델로부터 제거될 수 있다.
본 발명은 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에 사용되는 소모성 물질(consumable material)을 제공하는 것을 일차적인 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 비정질 특성을 갖는 적어도 하나의 물질을 포함하는 조성물을 포함하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일차적 목적은 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에 사용되는 소모성 물질(consumable material)을 제공하는 데 있다. 상기 소모성 물질은 소정의 길이 및 축방향으로 비대칭인 상기 길이의 적어도 일부에 대한 횡단면 프로파일(cross-sectional profile)을 포함한다. 상기 횡단면 프로파일은 압출가공 기반 디지털 제조 시스템의 비 실린더형 액화기(non-cylindrical liquefier)에 있어서 동일한 열제한(thermally limited) 최대 체적 유량(volumetric flow rate)에 대해 실린더형 액화기(cylindrical liquefier)의 실린더형 필라멘트로 얻어질 수 있는 응답시간보다 더 신속한 응답시간(예컨대, 적어도 50% 더 빠른 응답시간)을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 비정질 특성을 갖는 적어도 하나의 물질을 포함하는 조성을 포함하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질을 제공하는 데 있다. 또한, 상기 소모성 물질은 소정의 길이 및 상기 길이의 적어도 일부에 대한 횡단면 프로파일(cross-sectional profile)을 구비하는 비 실린더형 기하형상을 포함한다. 상기 횡단면 프로파일은
Figure pct00001
의 식을 충족하는 입구 단면적(Ae) 및 유압 직경(hydraulic diameter)(Dh)을 가지는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템의 비 실린더형 액화기와 일치하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 목적은, 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다. 상기 방법은 소정의 시트(sheet) 두께와 적어도 하나의 열가소성 물질을 포함하는 조성을 구비하는 시트를 제공하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 시트를 복수의 비 실린더형 필라멘트(non-cylindrical filament)로 절단하는 단계로서, 상기 복수의 비 실린더형 필라멘트 중 적어도 하나가 소정의 길이 및 상기 길이의 적어도 일부에 대한 횡단면 프로파일(cross-sectional profile)을 갖는 단계를 구비한다. 상기 횡단면 프로파일은
Figure pct00002
의 식을 충족하는 입구 단면적(Ae) 및 유압 직경(Dh)을 갖는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템의 비 실린더형 액화기와 일치하도록 구성된다. 상기 방법은 복수의 비 실린더형 필라멘트의 적어도 일부를 공급 어셈블리에 실질적으로 병렬식으로 로딩(loading)하는 단계를 더 포함한다.
상기한 구성의 본 발명에 의하면, 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에 사용되는 소모성 물질(consumable material)을 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하면 동일한 체적 유량을 갖는 실린더형 액화기로부터 용융 및 압출되는 실린더형 필라멘트와 비교하여 단축된 응답 시간을 갖는 비 실린더형 액화기로부터 용융 및 압출될 수 있는 소모성 물질을 제공할 수 있게 됨으로써, 침적의 정확도 향상 및 생성시간이 단축되는 효과가 있다. 이로써, 3차원 모델 및 대응 지지 구조를 생성하기 위한 프로세스 효율을 향상시킬 수 있게 되는 이점이 있다.
또한, 비정질 특성을 갖는 적어도 하나의 물질을 포함하는 조성을 포함하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질을 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하면, 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질을 제조하는 방법을 제공할 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1은 모델링 및 지지 물질의 비 실린더형 필라멘트로부터 3D모델 및 지지 구조를 생성하기 위한 압출가공 기반 디지털 제조 시스템의 정면도,
도 2는 직사각형 횡단면 프로파일을 갖는 비 실린더형 필라멘트인 리본 필라멘트의 사시도,
도 3은 도 2에서 3-3 선을 따라 취해진 단면도로, 리본 필라멘트의 횡단면 프로파일을 나타내는 도면,
도 4는 리본 필라멘트용 압출가공 기반 디지털 제조 시스템의 압출 헤드 서브어셈블리의 분해 사시도로, 직사각형 액화기가 포함된 압출 헤드 서브어셈블리를 나타내는 도면,
도 5a는 도 4에서 5A-5A 선을 따라 취해진 단면도로, 직사각형 액화기를 통해 리본 필라멘트가 압출되는 것을 나타내는 도면,
도 5b는 도 4에서 5B-5B선을 따라 취해진 단면도로, 직사각형 액화기를 통해 리본 필라멘트가 압출되는 것을 더 나타내는 도면,
도 5c는 도 4에서 5C-5C 선을 따라 취해진 단면도로, 직사각형 액화기의 입구 횡단면 프로파일을 나타내는 도면,
도 6은 직사각형 액화기에 대해 겹쳐 놓여진 복수의 실린더형 액화기를 나타내는 개념도,
도 7은 리본 필라멘트를 형성하는 방법을 나타내는 순서도,
도 8은 리본 필라멘트를 형성하기 위해 사용되는 압출 시트(extruded sheet)의 사시도,
도 9는 압출 시트를 형성하기 위한 시트 압출 시스템의 개략도,
도 10은 압출 시트로부터 리본 필라멘트를 형성하기 위한 필라멘트 제조 시스템의 개략도,
도 11은 도 2에서 3-3 선을 따라 취해진 대안적 단면도로, 단일의 래미네이트(laminated) 표면을 구비한 제1 대안적 리본 필라멘트를 나타내는 도면,
도 12는 도 2에서 3-3 선을 따라 취해진 대안적 단면도로, 두 개의 래미네티트 표면을 구비한 제2 대안적 리본 필라멘트를 나타내는 도면,
도 13은 도 2에서 3-3선을 따라 취해진 대안적 단면도로, 다수의 층을 구비한 두 개의 래미네이트 표면을 갖는 제3 대안적 리본 필라멘트를 나타내는 도면.
본 발명은 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 모델링 및 지지 물질의 비 실린더형 필라멘트와, 상기 비 실린더형 필라멘트를 제조하는 방법 및 시스템을 제공하고자 한다. 다음에 설명되는 바와 같이, 상기 비 실린더형 필라멘트는 동일한 체적 유량(volumetric flow rate)을 갖는 실린더형 액화기로부터 용융 및 압출되는 실린더형 필라멘트와 비교하여 단축된 응답 시간을 갖는 비 실린더형 액화기로부터 용융 및 압출될 수 있는 소모성 물질(consumable materials)이다. 이는 침적의 정확도를 향상시키고 생성시간을 단축시키는데 유용하며, 이로써 3D 모델 및 대응 지지 구조를 생성하기 위한 프로세스 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
여기서 사용되는 바와 같이, "비 실린더형 필라멘트(non-cylindrical filament)"라는 용어는 원형이 아닌(non-circular) 횡단면 프로파일(예컨대, 직사각형 횡단면 프로파일)을 갖는 모델링 또는 지지 물질의 필라멘트를 의미한다. 이것은 원형의(circular) 횡단면 프로파일을 갖는 "실린더형 필라멘트(cylindrical filament)"와 대조적이다. 따라서, 여기서 사용되는 것처럼, "비 실린더형 액화기(non-cylindrical liquefier)"는 비 실린더형 필라멘트를 수용하기 위하여 원형이 아닌 횡단면 프로파일(예컨대, 직사각형 또는 궁형(arcuate)의 횡단면 프로파일)을 갖는 채널을 구비하는 액화기를 의미한다. 이는 "실린더형 액화기(cylindrical liquefier)"가 실린더형 필라멘트를 수용하기 위한 원형의 횡단면 프로파일을 갖는 채널을 구비하는 것과 대조적이다.
도 1은 생성 챔버(12), 플래튼(platen)(14), 갠트리(gantry)(16), 압출 헤드(18) 및 공급원(20, 22)을 포함하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템인 시스템(10)의 정면도이며, 여기서 상기 압출 헤드(18)는 생성 작업 중에 비 실린더형 필라멘트(도 1에 미도시)의 연속된 부분들을 수용하고 용융시키도록 구성된다. 시스템(10) 용으로 적절한 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에는 미국 미네소타주 에덴 프래리 소재의 스트래터시스사가 개발한 융합 침적 모델링 시스템(fused deposition modeling systems)이 포함된다.
생성 챔버(12)는 3D 모델(3D 모델(24)로 표시됨) 및 대응 지지 구조(지지 구조(26)로 표시됨)를 생성하기 위하여 플래튼(14), 갠트리(16) 및 압출 헤드(18)가 수용된 인클로즈드(enclosed) 환경으로 이루어진다. 플래튼(14)은 3D 모델(24) 및 지지 구조(26)가 그 위에서 생성되는 플랫폼이며, 컴퓨터로 조작되는 컨트롤러(컨트롤러(28)로 지칭됨)로부터의 신호에 기초하여 수직방향 z-축을 따라 이동한다. 갠트리(16)는 컨트롤러(28)로부터의 신호에 따라 생성 챔버(12) 내에서 수평방향 x-y평면 상에서 압출 헤드(18)를 이동시키도록 구성된 가이드 레일 시스템이다. 상기 수평방향 x-y 평면은 x-축 및 y-축(도 1에 미도시)에 의해 정의되는 평면이고, 상기 x-축, y-축 및 z-축은 서로에 대해 수직하다. 선택적인 실시예에서, 플래튼(14)은 생성 챔버(12) 내에서 수평방향 x-y 평면에서 이동하도록 구성될 수 있으며, 압출 헤드(18)는 z-축을 따라 이동하도록 구성될 수 있다. 플래튼(14) 및 압출 헤드(18)의 한쪽 또는 양쪽이 서로에 대해 이동가능하도록 하는 것과 같은 다른 유사한 배열이 사용될 수 있음은 물론이다.
압출 헤드(18)는 컨트롤러(28)로부터 공급되는 신호에 기초하여, 적층식으로 플래튼(14) 상에서 3D 모델(24) 및 지지 구조(26)를 생성하기 위하여 갠트리(16)에 의해 지지된다. 압출 헤드(18)는 한 쌍의 비 실린더형 액화기(도 1에 미도시)를 포함하며, 여기서 제1 비 실린더형 액화기는 비 실린더형의 모델링 물질 필라멘트의 연속된 부분들을 수용하고 용융시키도록 구성되고, 제2 비 실린더형 액화기는 비 실린더형의 지지 물질 필라멘트의 연속된 부분들을 수용하고 용융시키도록 구성된다.
상기 비 실린더형의 모델링 물질 필라멘트는 공급원(20)으로부터 통로(30)를 통하여 압출 헤드(18)로 제공될 수 있다. 마찬가지로, 상기 비 실린더형의 지지 물질 필라멘트는 공급원(22)으로부터 통로(32)를 통하여 압출 헤드(18)로 제공될 수 있다. 또한, 시스템(10)은 공급원(20, 22)으로부터 압출 헤드(18)로 상기 비 실린더형 필라멘트를 공급하는 것을 보조하는 추가 구동장치(미도시)를 포함할 수 있다. 공급원(20, 22)은 비 실린더형 필라멘트용 소스(예컨대, 스풀 컨테이너(spooled containers))이고, 바람직하게는 생성 챔버(12)로부터 떨어진 위치에 유지된다. 공급원(20, 22)으로 적절한 조립체가 스완슨 등의 미국특허 제6,923,634호, 콤 등의 미국특허 제7,122,246호 및 탓제스 등의 미국 특허출원 공개공보 제2010/0096485호 및 제2010/0096489호에 개시되어 있다.
생성 작업 중에, 갠트리(16)는 생성 챔버(12) 내에서 압출 헤드(18)를 수평방향 x-y평면 상의 주위 곳곳으로 이동시키고, 상기 비 실린더형 필라멘트는 압출 헤드(18)로 공급된다. 압출 헤드(18)는 상기 수용된 모델링 물질 필라멘트의 연속된 부분들을 열로 용융시키고, 이로써 상기 용융 물질이 3D 모델(24)을 생성하기 위하여 압출될 수 있도록 한다. 마찬가지로, 압출 헤드(18)는 상기 지지 물질 필라멘트의 연속된 부분들을 열로 용융시키고, 이로써 용융물질이 지지 구조(26)를 생성하기 위하여 압출될 수 있도록 한다. 상기 비 실린더형 필라멘트의 용융되지 않은 부분들은 상류에서 상기 각각의 압출 헤드(18)의 액화기로부터 용융 물질을 압출하기 위한 점성 펌프(viscosity-pump) 작용을 갖는 피스톤으로 각각 기능할 수 있다.
상기 압출된 모델링 및 지지 물질은 층 기반 에디티브 기술(layer-based additive technique)을 이용하여 3D 모델(24) 및 지지 구조(26)를 생성하기 위하여 플래튼(14) 상으로 침적된다. 지지 구조(26)는 바람직하게는 3D 모델(24) 층의 돌출 영역에 대하여 z-축 방향을 따라 수직방향으로 지지할 수 있도록 침적된다. 생성 작업이 완료된 후에, 3D 모델(24)/지지 구조(26)의 완성물은 생성 챔버(12)로부터 제거되고, 지지 구조(26)는 3D 모델(24)로부터 제거될 수 있다.
다음에 설명되는 바와 같이, 비 실린더형 필라멘트 및 액화기의 횡단면 프로파일은 상기 비 실린더형 필라멘트가 실린더형 필라멘트 및 액화기에 비하여 단축된 응답시간으로 용융되고 압출 헤드(18)로부터 압출될 수 있도록 허용한다. 이는 3D 모델(24) 및 지지 구조(26)를 생성하기 위한 시스템(10)의 처리 효율을 증대시킨다. 예컨대, 단축된 응답시간은 모델링 및 지지 물질의 침적 로드(deposited roads)에 대해 시작 및 정지 위치의 정확성을 향상시킬 수 있다. 3D 모델(예컨대, 3D 모델(24))의 한 층을 형성하기 위한 생성 작업 중에, 압출 헤드(예컨대, 압출 헤드(18))는 수평방향 x-y 평면으로 이동하고, 융융 모델링 물질을 침적시킨다. 주어진 침적 패턴이 완성된 후에, 상기 압출 헤드는 모델링 물질의 침적을 정지한다. 이것은 필라멘트가 압출 헤드의 액화기로 공급되는 것을 정지함으로써 수행되고, 이로써 필라멘트의 점성 펌프 작용을 중지시키게 된다.
그러나, 압출 헤드가 필라멘트를 액화기로 공급하는 것을 정지하는 시점과 모델링 물질이 실제로 압출 헤드로부터 압출되기 멈추는 시점 간의 응답 시간은 동시적이지 않다. 그 대신, 액화기의 열적 특성, 필라멘트의 성분 및 다음에 설명되는 바와 같은 필라멘트 및 액화기 채널의 횡단면 프로파일과 같은 요인에 기초한 시간 지연이 있다. 마찬가지로, 제로 흐름 상태(zero-flow state)에서 정상상태의 흐름(steady-state flow)으로의 전이와 관련된 응답 시간 지연도 있다. 긴 응답 시간을 요하는 액화기와 필라멘트는 이러한 시간 지연을 증가시키고, 따라서 잠재적으로 침적 정확도를 감소시키게 된다. 하지만 응답 시간을 단축시키는 것은 결과물로서 3D 모델, 특히 섬세한 특징을 포함하는 3D 모델을 생성함에 있어서, 그 심미적 및 구조적 품질을 향상시킬 수 있게 된다.
예를 들면, 시스템(10)의 단축된 응답 시간은 침적 시작점 및 정지점 근처의 적절한 위치에서 갠트리(16)의 가속을 제어할 수 있다. 이는 각 층의 연결부위(seams)를 감추는 능력을 증대시킬 수 있으며, 이는 구성요소의 품질을 향상시킬 수 있다. 부가적으로, 응답 시간은 갠트리(16)가 x-y 평면 상의 코너 주위를 이동할 때 갠트리(16)가 일정한 접선속도(tangential velocity)로부터 얼마나 벗어날 수 있는지 결정한다. 결과적으로, 단축된 응답 시간은 압출 헤드(18)가 더 큰 코너링(cornering) 가속 및 감속을 획득할 수 있도록 해준다. 이는 자동차 경주에서 전체 경주시간을 단축하는데 코너링 능력이 중요한 것과 마찬가지로, 3D 모델 및 지지 구조를 생성하는데 필요한 제작시간을 단축시킬 수 있게 해준다.
설명의 편의를 위하여, 다음의 내용은 직사각형 횡단면 프로파일을 갖는 비 실린더형 필라멘트(리본 필라멘트로 언급됨) 및 상기 리본 필라멘트를 수용하기 위하여 대응하는 직사각형 채널을 구비한 비 실린더형 액화기를 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 본 설명이 실린더형 필라멘트에 비하여 응답 시간을 단축시키는 다양한 다른 횡단면 프로파일을 갖는 비 실린더형 필라멘트에 적용될 수 있음은 물론이다.
도 2는 직사각형 횡단면 프로파일을 갖는 비 실린더형 필라멘트이며 길이(36)를 포함하는 리본 필라멘트(34)의 사시도이다. 길이(36)는 공급원(20 또는 22)(도 1에 도시)에 남아있는 리본 필라멘트(34)의 양에 따라 달라질 수 있는 연속적인 길이이다. 바람직하게는, 리본 필라멘트(34)는 길이(36)를 따라 굽혀질 수 있어, 리본 필라멘트(34)가 공급원(20, 22)(예컨대, 스풀에 감김처리)에 보관될 수 있고, 유연하게 변형이나 파손 없이 시스템(10)을 통하여(예컨대, 통로(30, 32)를 통하여) 공급될 수 있도록 구성된다. 예컨대, 일 실시예에서, 리본 필라멘트(34)는 바람직하게는 t/r보다 큰 탄성 스트레인(elastic strains)을 견딜 수 있으며, 여기서 "t"는 곡면상에서 리본 필라멘트(34)의 단면 두께(예컨대, 도 3에서 두께(42))이고, "r"은 굽힘 반지름(bend radius)(예컨대, 공급원(20 또는 22)에서의 굽힘 반지름 및/또는 통로(30 또는 32)를 통과하는 굽힘 반지름)이다.
리본 필라멘트(34)는 3D 모델(24) 및 지지 구조(26)(도 1에 도시)를 각각 생성하기 위한 다양한 압출가능한 모델링 및 지지 물질로부터 제조될 수 있다. 리본 필라멘트(34) 용 적절한 모델링 물질은 중합체 및 금속성 물질을 포함한다. 어떤 실시예에서는, 적절한 모델링 물질은 열가소성 물질, 비정질 금속 물질 및 그들의 조합과 같이 비정질(amorphous) 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 리본 필라멘트(34)용 열가소성 물질의 적절한 예는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(acrylonitrile-butadiene-styrene, ABS) 공중합체, 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리술폰(polysulfones), 폴리에테르술폰(polyethersulfones), 폴리페닐술폰(polyphenylsulfones), 폴리에테르이미드(polyetherimides), 비정질 폴리아미드(amorphous polyamides), 그들의 개질된 변형물(modified variations)(예컨대, ABS-M30 공중합체), 폴리스티렌(polystyrene) 및 그들의 혼합물을 포함한다. 적절한 비정질 금속 물질의 예시로는 배첼더의 미국 특허출원 공개공보 제2009/0263582호에 개시된 것들이 포함될 수 있다.
리본 필라멘트(34)용 적절한 지지 물질로는 비정질 특성을 갖는 물질(예컨대, 열가소성 물질)이 포함될 수 있으며, 3D모델(24) 및 지지 구조(26)가 생성된 후에 해당 모델링 물질로부터 제거가능한 것이 바람직하다. 리본 필라멘트(34)용 지지 물질의 적절한 예로는, 미국 미네소타주 에덴 프래리 소재의 스트래터시스사로부터 "WATERWORKS" 및 "SOLUBLE SUPPORTS"라는 상표의 상업적으로 입수가능한 수용성 지지물질(water-soluble support materials)과, 스트래터시스사의 "BASS"라는 상표의 상업적으로 입수가능한 분리(break-away) 지지 물질과, 크럼프 등의 미국 특허 제5,503,785호, 롬바디 등의 미국 특허 제6,070,107호 및 제6,228,923호와, 프리드만 등의 미국특허 제6,790,403호, 및 홉킨스 등의 미국 특허출원 공개공보 제2010/0096072호에 개시된 것들이 포함된다.
또한, 리본 필라멘트(34) 조성물은 가소제(plasticizers), 레올로지 개질제(rheology modifiers), 충진제(inert fillers), 착색제(colorants), 안정제(stabilizers) 및 그들의 조합물과 같은 부가적인 첨가물을 포함할 수 있다. 지지 물질로 사용하기 위한 부가적인 가소제로서 적절한 예는, 디알킬 프탈레이트(dialkyl phthalates), 시클로알킬 프탈레이트(cycloalkyl phthalates), 벤질 및 아릴 프탈레이트(benzyl 및 aryl phthalates), 알콕시 프탈레이트(alkoxy phthalates), 알킬/아릴 포스페이트(alkyl/aryl phosphates), 폴리글리콜 에스테르(polyglycol esters), 아디페이트 에스테르(adipate esters), 시트레이트 에스테르(citrate esters), 글리세린의 에스테르(esters of glycerin), 및 그들의 조합물을 포함한다. 충진제로서 적절한 예는 칼슘 카보네이트(calcium carbonate), 마그네슘 카보네이트(magnesium carbonate), 유리 구체(glass spheres), 흑연(graphite), 카본블랙(carbon black), 탄소섬유(carbon fiber), 유리섬유(glass fiber), 탈크(talc), 규회석(wollastonite), 운모(mica), 알루미나(alumina), 실리카(silica), 고령토(kaolin), 탄화규소(silicon carbide), 복합재료(composite materials)(예컨대, 구형의 또는 섬유상의 복합재료) 및 그들의 조합물을 포함한다. 상기 조성물이 부가적인 첨가제를 포함하는 실시예에서, 상기 조성물 중 부가적인 첨가제의 적절한 혼합 농도 범위는 조성물의 전체 중량에 근거하여, 약 1중량%에서 약 10중량%이고, 특히 적절한 농도 범위는 약 1중량%에서 약 5중량%이다.
또한, 리본 필라멘트(34)는 시스템(10)에서 소모성 물질(consumable material)로 사용될 수 있는 물리적 특성을 나타내는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 리본 필라멘트(34) 조성물은 그 길이를 따라 실질적으로 균질(homogeneous)하다. 부가적으로, 리본 필라멘트(34) 조성물은 생성 챔버(12) 내에서 사용되기에 적절한 유리 전이 온도(glass transition temperature)를 나타내는 것이 바람직하다. 대기압에서 리본 필라멘트(34) 조성물에 대해 적절한 유리 전이 온도는 약 80℃이상이다. 다른 실시예에서, 적절한 유리 전이 온도는 약 100℃이상일 수 있다. 추가적인 실시예에서, 적절한 유리 전이 온도는 약 120℃이상인 것을 포함할 수 있다.
또한, 리본 필라멘트(34)는 그 축방향 압축으로 인하여 리본 필라멘트(34)가 액화기 내부에 갇히지 않을 정도로 낮은 압축률(compressibility)을 나타내는 것이 바람직하다. 리본 필라멘트(34) 중합체 조성물에 대한 적절한 영률(Young's modulus) 값은 약 0.2GPa(약 30,000psi(pounds-per-square inch)) 이상인 것을 포함하고, 여기서 영률 값은 ASTM D638-08에 따라 측정된다. 어떤 실시예에서는, 적절한 영률 값이 약 1.0GPa(약 145,000psi)에서 약 5.0GPa(약 725,000psi) 범위 내일 수 있다. 추가적인 실시예에서, 적절한 영률 값은 약 1.5GPa(약 200,000psi)에서 약 3.0GPa(약 440,000psi)의 범위 내일 수 있다.
어떤 실시예에서는, 다음에 설명되는 바와 같이, 리본 필라멘트(34)는 다층 필라멘트(multi-layer filament)일 수 있다. 예컨대, 리본 필라멘트(34)는 서로 다른 물질로 이루어진 외부 층 사이에 배치된 중심층을 포함할 수 있다. 이것은 리본 필라멘트(34)가 다양한 물리적 및 심미적 품질을 나타낼 수 있도록 한다. 추가적인 실시예에서, 리본 필라멘트(34)는 길이(36)를 따라 다양한 위치에서 위상 표면 패턴(Topographical Surface Patterns)을 나타낼 수 있다. 예컨대, 리본 필라멘트(34)는 배첼더 등의 미국 가특허출원 제61/247,078호 및 배첼더 등의 미국 특허출원 제12/612,342호의 "압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 위상 표면 패턴(Topographical Surface Patterns)을 갖는 소모성 물질"에 개시된 바와 같은 위상 표면 패턴을 포함할 수 있다.
도 3은 도 2에서 3-3 부분을 따라 취해진 단면도로, 리본 필라멘트(34)의 프로파일(38)을 나타낸다. 프로파일(38)은 길이(36)를 따른 위치에서 축방향으로 비대칭인(axially asymmetric) 리본 필라멘트(34)의 횡단면 프로파일이다. 도시된 실시예에서, 리본 필라멘트(34)는 길이(36)를 따라 실질적으로 동일한 프로파일(38)을 가짐으로써, 생성 작업 중에 전체 길이(36)가 사용될 수 있도록 한다. 선택적으로, 길이(36)의 하나 이상의 부분들(예컨대, 연장 단부(trailing end segment))은 사용되지 못할 수도 있다.
도시된 실시예에서, 리본 필라멘트(34)는 단면 너비(40)와 단면 두께(42)를 가진다. 바람직하게 너비(40) 및 두께(42)에 대한 적절한 치수는 리본 필라멘트(34)가 압출 헤드(18)의 직사각형 액화기와 일치되도록 하며, 또한 바람직하게는 동일한 체적 유량(volumetric flow rate)을 갖는 실린더형 액화기의 실린더형 필라멘트에 비해서 압출 물질의 응답 시간을 단축시키는 단면 애스펙드 비(cross-sectional aspect ratio)를 제공한다.
예로서 너비(40)에 대한 적절한 치수 범위는 약 1.0밀리미터(약 0.04인치)에서 약 10.2밀리미터(약 0.40인치)이며, 특히 적절한 너비의 범위는 약 2.5밀리미터(약 0.10인치)에서 약 7.6밀리미터(약 0.30인치)이고, 더욱 특히 적절한 너비 범위는 약 3.0밀리미터(약 0.12인치)에서 약 5.1밀리미터(약 0,20인치)이다.
두께(42)는 리본 필리멘트(34)에 적절한 구조적 통일성을 제공하기에 충분한 두께로 구성되는 것이 바람직하며, 이로써 리본 필라멘트(34)가 공급원(20 또는 22)에 보관되는 동안 및 시스템(10)(예컨대, 통로(30 또는 32))을 통하여 공급되는 동안 균열이나 파손될 위험성을 감소시킬 수 있게 된다. 예로서 두께(42)에 대한 적절한 치수 범위는 약 0.08밀리미터(약 0.003인치)에서 약 1.5밀리미터(약 0.06인치)이며, 특히 적절한 두께 범위는 약 0.38밀리미터(약 0.015인치)에서 약 1.3밀리미터(약 0.05인치)이고, 더욱 특히 적절한 두께 범위는 약 0.51밀리미터(약 0.02인치)에서 약 1.0밀리미터(약 0.04인치)이다.
다음에 설명되는 바와 같이, 두께(42)에 대한 너비(40)의 애스펙트 비(aspect ratio) 및 직사각형 액화기의 대응 애스펙트 비는 원형 단면을 갖는 실린더형 필라멘트와 연관된 코어를 효과적으로 제거할 수 있도록 선택될 수 있다. 이로써 리본 필라멘트(34)가 단축된 응답시간으로 직사각형 액화기에서 용융되고 압출될 수 있게 된다.
도 4는 리본 필라멘트(34)와 사용되는 압출 헤드(18)(도 1에 도시)의 적절한 서브어셈블리인 서브어셈블리(44)의 분해 사시도이다. 서브어셈블리(44)는 구동장치(46), 액화기(48) 및 열 블록(50)을 포함한다. 구동장치(46)는 통로(30)(도 1에 도시)로부터 액화기(48)로 리본 필라멘트(34)의 연속된 부분들을 공급하는 필라멘트 구동장치이다. 구동장치(46)는 바람직하게는 컨트롤러(28)(도 1에 도시)와 신호 통신을 함으로써, 컨트롤러(28)가 구동장치(46)가 리본 필라멘트(34)를 액화기(48)로 공급하는 속도를 제어할 수 있도록 한다. 한 쌍의 구동 바퀴로서 나타내었지만, 구동장치(46)는 리본 필라멘트(34)를 액화기(48)에 공급하기 위한 다양한 다른 장치를 포함할 수 있다. 구동장치(46)용 적절한 필라멘트 구동장치의 예는 배첼더 등의 미국 특허출원 공개공보 제2009/0274540호 및 제2009/0273122호에 개시된 것들을 포함한다.
액화기(48)는 상단부(54) 및 하단부(56) 사이에 연장된 채널(52)을 포함하는 비 실린더형 액화기이다. 상단부(54) 및 하단부(56)는 세로방향 축(58)을 따르는 액화기(48)의 대향 단부이다. 채널(52)은 리본 필라멘트(34)가 수용되고 용융되는 직사각형 슬롯이다. 따라서, 상단부(54)에서 채널(52)의 입구는 바람직하게는 리본 필라멘트(34)가 채널(52)에 일치하도록(들어맞도록) 하는 치수로 이루어진다. 이것은 리본 필라멘트(34)가 과도한 마찰 저항없이 채널(52)안으로 미끄러져 들어갈 수 있도록 해준다. 또한, 채널(52)은 바람직하게는 상단부(54)와 하단부(56) 사이에 세로방향 축(58)을 따라 실질적으로 동일한 횡단면 프로파일을 나타낸다. 그러나, 선택적인 실시예에서, 채널(52)의 횡단면 프로파일은 하단부(56)로 갈수록 더 작은 단면적으로 테이퍼지도록 이루어질 수 있다.
또한, 액화기(48)는 하단부(56)에 위치하는 작은 직경을 가지며, 리본 필라멘트(34)의 용융 물질을 원하는 로드 너비(road width)로 압출하도록 구성된 팁인, 압출팁(60)을 포함한다. 압출 팁(60)의 적절한 내부 팁 직경의 예는 약 125마이크로미터(약 0.005인치)에서 약 510마이크로미터(약 0.020인치) 범위 내이다.
열 블록(50)은 액화기(48)의 적어도 일부 주위로 연장되고, 열을 액화기(48) 및 수용된 리본 필라멘트(34)로 전도하는 열 전달 구성요소이다. 열 블록(50)으로 적절한 열 전달 구성요소의 예로서는, 스완슨 등의 미국특허 제6,004,124호, 콤 등의 미국특허 제6,547,995호, 라부아지에 등의 미국 공개공보 제2007/0228590호 및 배첼더 등의 미국 특허출원 공개공보 제2009/0273122호에 개시되어 있는 것들이 포함된다. 선택적인 실시예에서, 열 블록(50)은 열을 생성 및/또는 액화기(48)로 전달하는 다양한 다른 열 전달 구성요소로 대체될 수 있으며, 이로써 세로방향 축(58)을 따라 액화기(48) 내에서 열 경사(thermal gradients)를 형성할 수 있게 된다.
시스템(10)(도 1에 도시)에서의 생성 작업 중에, 리본 필라멘트(34)는 구동장치(46)와 결합하며, 액화기(48)의 채널(52) 내에 로딩된다. 그 다음 콘트롤러(28)는 구동장치(46)가 액화기(48)를 통하여 리본 필라멘트(34)의 연속된 부분들을 구동하도록 제어한다. 리본 필라멘트(34)가 액화기(48)를 통과함에 따라, 열 블록(50)에 의해 생성된 열 경사는 액화기(48) 내에서 리본 필라멘트(34) 물질을 용융시킨다. 구동장치(46)에 의해 구동되는 리본 필라멘트(34)의 용융되지 않은 부분은 상류에서 액화기(48) 벽과 상기 용융되지 않은 부분 사이에서 용융된 물질에 작용하는 점성펌프의 피스톤으로 기능함으로써, 용융 물질을 압출 팁(60)으로부터 압출한다. 그 다음 상기 압출된 물질은 적층식으로 3D 모델(24)을 형성하기 위한 로드(road)로서 침적된다.
상술한 바와 같이, 리본 필라멘트(34)는 동일한 체적 유량(volumetric flow rates)을 갖는 실린더형 액화기로부터 용융되고 압출되는 실린더형 필라멘트와 비교하여 단축된 응답 시간으로 액화기(48)로부터 용융되고 압출될 수 있다. 실린더형 액화기에서, 응답은 RC와 같은 집중 파라미터(lumped parameters)에 의해 지배된다. 따라서, 실린더형 액화기에서 응답 시간은 1/e시간(time)이며, 이는 유량(flow rate)이 새로운 정상상태(steady state) 값의 0%에서 약 63% 이내인 값으로 바뀌는 시간에 해당한다. 이에 비하여, 액화기(48)와 같은 비 실린더형 액화기에서, 응답은 전송선 파라미터(transmission-line parameters)에 의해 지배된다. 따라서, 액화기(48)와 같은 비 실린더형 액화기에서 응답 시간은 약 10%에서 약 90% 유량 변화 사이의 시간을 의미한다.
예컨대, 서브어셈블리(44)의 응답시간은 압출 팁(60)에서 용융물질의 유량이 구동장치(46)가 (콘트롤러(28)로부터 명령으로 인하여) 리본 필라멘트(34)에 인가하는 구동 압력의 변화에 응답하는데 필요한 시간이다. 짧은 응답시간은 결과적인 3D 모델의 심미적 및 구조적 품질 향상을 도모하며, 이는 특히 섬세한 특징을 포함하는 3D 모델을 생성할 때 그러하다. 특히, 짧은 응답시간은 높은 속도로 3D 모델을 생성할 때 필요한데, 이는 응답 시간이 갠트리(예컨대, 갠트리(16))가 코너로 이동할 때 속도를 늦추고 연속하여 코너를 떠날 때 속도를 높이는 정도를 결정할 수 있기 때문이다.
"체적 유량(volumetric flow rate)"은 액화기를 통과하는 열제한 최대 체적 유량(thermally-limited, maximum volumetric flow rate)을 나타내며, 이는 액화기가 압출가능한 상태로 액화한 후 압출할 수 있는 물질의 최대 체적 유량이다. 실린더형 액화기에 대하여, 상기 열제한 최대 체적 유량(Qmax ,c)은 수학식 1에 따라 결정될 수 있다.
Figure pct00003
여기서 k는 실린더형 필라멘트 물질의 열확산율(thermal diffusivity), Lp ,c는 용융물질을 포함하는 실린더형 액화기의 길이이다. 따라서, 오직 이 특성에 기초해서, 체적 유량(Qmax ,c)은 용융물질을 포함하는 실린더형 액화기의 길이를 증가시킴으로써 증가될 수 있다.
그러나, 특정 직경을 갖는 실린더형 액화기에서 유량(Qmax ,c)을 증가시키는 것은 흐름 저항(flow resistance)을 증가시키며, 이에 상응하여 응답시간도 증가하게 된다. 응답시간은 집중 압력변화 시간상수(lumped, pressure change time constant)(τc)에 의해 표시될 수 있으며, 이는 실린더형 액화기와 필라멘트 물질의 흐름 커패시턴스(flow capacitance)와 흐름 저항(flow resistance)의 곱이다. 실린더형 액화기의 흐름 저항(FRc)(pressure/volume/second)은 수학식 2에 따라 결정될 수 있다.
Figure pct00004
여기서, η은 실린더형 필라멘트 물질의 점성률(dynamic viscosity)이고, dc는 실린더형 액화기의 내부 직경이다. 실린더형 액화기의 흐름 커패시턴스(FCc)는 수학식 3에 의해 결정될 수 있다.
Figure pct00005
여기서, B는 필라멘트 물질의 체적 탄성율(bulk modulus)(즉, 균일한 응압에 대한 물질의 저항)이다.
실린더형 액화기의 흐름 저항과 흐름 커패시턴스를 결합함으로써, 집중 압력변화 시간상수(τc)(lumped, pressure change time constant)에 근거한 실린더형 액화기의 응답시간은 수학식 4에 의해 결정될 수 있다.
Figure pct00006
수학식 1과 수학식 4를 결합한 것은 실린더형 액화기에 대한 상기 시간상수(τc) 및 체적 유량(Qmax ,c) 사이의 비례 관례를 나타내고, 이를 수학식 5에 나타내었다.
Figure pct00007
수학식 5에 나타낸 바와 같이, 물질의 체적 유량을 증가시키면 상응하여 응답시간이 증가하게 되고, 이로써 바람직하지 않게 압출 팁에서 용융물질의 압력이 실린더형 필라멘트에 대한 구동압력의 변화에 응답하는데 필요한 시간이 증가하게 된다.
응답시간을 단축하는 잠재적인 기술 중 하나는, 실린더형 필라멘트와 액화기의 직경을 증가시키는 것이다. 그러나, 약 2.5밀리미터(약 0.1인치)보다 큰 직경의 실린더형 필라멘트는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템에서 처리 및 관리하기가 어려워진다. 따라서, 실린더형 액화기의 주어진 체적 내에서, 물질의 체적 유량의 증가는 바람직하지 않게 응답시간을 증가시키게 되고, 그 역의 경우도 마찬가지이다. 이들 경합하는 요인들은 실린더형 액화기에서 획득가능한 응답시간과 체적 유량을 제한하게 된다.
도 5a 및 도 5b는 각각 도 4에서 5A-5A 및 5B-5B 부분을 취한 단면도로, 액화기(48)에서 용융되는 리본 필라멘트(34)를 나타낸다. 도 5a에 나타낸 바와 같이, 열 블록(50)은 액화기(48) 길이의 일부(가열구간(62)으로 표시) 둘레로 연장되고 가열하도록 구성된다. 액화기(48)에 대한 적절한 가열구간(62) 범위는 약 13밀리미터(약 0.5인치)에서 약 130밀리미터(약 5.0인치)이고, 특히 적절한 길이(88) 범위는 약 25밀리미터(약 1.0인치)에서 약 51밀리미터(약 2.0인치)이다.
리본 필라멘트(34)가 액화기(48)의 채널(52) 안으로 유도됨에 따라, 리본 필라멘트(34)의 연속된 부분들이 적어도 압출가능한 상태로 용융되어 채널(52) 내에서 용융물질의 용융물질 풀(melt pool)(64)을 형성하게 된다. 도시된 바와 같이, 용융물질 풀(64)은 하단부(56)와 메니스커스(66) 사이의 축(58)을 따라 연장된다. 따라서, 축(58)을 따라 용융물질 풀(64)을 포함하는 액화기(48)의 길이(길이(68)로 표시)는 하단부(56)와 메니스커스(66) 사이에 연장된다. 액화기(48) 내 메니스커스(66)의 위치는 액화기(48)에 따른 열적 특성, 액화기(48)의 치수, 리본 필라멘트(34) 물질, 리본 필라멘트(34)의 구동속도 등과 같은 요인에 따라 달라질 수 있다. 그러나, 정상상태의 압출이 이루어지는 동안, 메니스커스(66)는 용융물질 풀(64)의 길이가 전형적으로 가열구간(62)보다 짧은 실질적으로 일정한 수준으로 유지될 수 있다.
도 5a와 도 5b에 각각 나타낸 바와 같이, 액화기(48)의 채널(52)은 소정의 단면 너비(너비(70)로 표시)와 단면 두께(두께(72))를 가지며, 여기서 너비(70)는 두께(72)보다 크다. 이를 도 5c에 더 도시하였으며, 채널(52)의 입구 횡단면 프로파일(채널 프로파일(74)로 표시)이 나타나 있다. 상술한 바와 같이, 너비(70) 및 두께(72)에 대한 적절한 치수는 바람직하게 리본 필라멘트(34)가 채널(52)과 일치하도록 허용한다. 또한, 위에서 설명된 것처럼, 채널 프로파일(74)은 바람직하게는 액화기(48)(도 5a 및 5b에 도시)의 가열구간(62)을 따라 실질적으로 동일한 치수를 나타낸다. 그러나, 선택적인 실시예에서, 채널 프로파일(74)은 액화기(48)(도 4, 5a, 및 5b에 도시)의 하단부(56)에 인접해서는 더 작은 단면적으로 테이퍼질 수 있을 것이다. 추가적으로 선택적인 실시예에서, 채널 프로파일(74)은 더 큰 단면적을 가지도록 테이퍼짐으로써 메니스커스 위치에 안정성을 제공할 수도 있을 것이다.
채널 프로파일(74)에서 너비(70) 및 두께(72)에 대한 적절한 치수는 리본 필라멘트(34)가 과도한 마찰없이 채널(52)에 일치하도록 하는 너비를 포함한다. 너비(70)에 대한 적절한 치수 범위의 예는 약 1.0밀리미터(약 0.04인치)에서 약 12.7밀리미터(약 0.50인치)이고, 특히 적절한 너비 범위는 약 3.0밀리미터(약 0.12인치)에서 약 10.1밀리미터(약 0.40인치)이며, 더욱 특히 적절한 너비 범위는 약 3.8밀리미터(약 0.15인치)에서 약 6.4밀리미터(약 0.25인치)이다.
두께(72)에 대한 적절한 치수 범위의 예는 약 0.25밀리미터(약 0.01인치)에서 약 2.5밀리미터(약 0.10인치)이고, 특히 적절한 두께 범위는 약 0.51밀리미터(약 0.02인치)에서 약 2.0밀리미터(약 0.08인치)이며, 더욱 특히 적절한 두께 범위는 약 0.76밀리미터(약 0.03인치)에서 약 1.8밀리미터(약 0.07인치)이다.
이론에 얽매이고 싶지는 않지만, 채널 프로파일(74)의 애스펙트 비(aspect ratio)는 원형 단면을 갖는 실린더형 필라멘트와 연관된 코어를 효과적으로 제거한다고 확신한다. 이것은 액화기(48)가 동일한 액체와 접하는(wetted) 채널 체적(예컨대, 도 5a 및 5b에서 도시된, 길이(68)를 따라 취해진 채널 프로파일(74)의 면적에 해당되는 채널의 체적(52))을 갖는 실린더형 액화기에 비해서 단축된 응답 시간을 획득할 수 있도록 해준다. 너비(70)가 두께(72)에 비하여 크다는 것을 가정하고 리본 필라멘트(34)의 가장자리로부터의 열 확산을 무시하면, 리본 필라멘트(34)의 시간에 따른 온도 특성(time-dependant temperature profile)은 수학식 6에 따라 결정될 수 있다.
Figure pct00008
여기서, Tempa는 액화기(48)에서 가열되기 이전의 리본 필라멘트(34)의 초기 온도, Tempf는 액화기(48)의 온도, Tf는 리본 필라멘트(34)의 두께(즉, 두께(42))(여기서, -Tf<2x<Tf), erfc는 수학식 7에 나타낸 바와 같은 상보 오류함수(complimentary error function)이다.
Figure pct00009
상기 상보 오류함수는 수학식 8에 나타낸 바와 같이 점근 전개(asymptotic expansion)를 가진다.
Figure pct00010
수학식 8로부터 특징적인 최저 차수 시간상수(characteristic lowest-order time constant)가 추출될 수 있으며, 이는 수학식 9로 나타낼 수 있다.
Figure pct00011
열확산율 k로 8.13 mm/s2 (0.320inches/second2)(ABS 물질에 대한 적정치), 리본 필라멘트(34)의 두께(즉, 두께(42)) Tf로 0.76밀리미터(0.03인치), 초기온도 Tempa로 80℃ 및 액화기(48)의 벽 온도 Tempf로 320℃를 대입하여, 수학식 8에서 점근 전개의 앞에서 100개 항을 포함시키면, 상기 최저차수 시간상수로 표현된, 평균온도가 점근 온도(asymptotic temperature)로 절반 정도 이동하는데 걸리는 적정한 시간은 약 0.24초이다. 따라서, 리본 필라멘트(34)를 가열하는데 필요한 시간에 대한 적정한 추정치는 상기 최저 차수 시간 상수(τf)의 약 4배(즉, 4τf)이다. 따라서, 이는 4τf초에 수학식 10에 따라 결정되는 체적의 용융물질을 생산하게 된다.
Figure pct00012
여기서, Wr은 채널(52)의 너비(즉, 너비(70)), Tr은 채널(52)의 두께(즉, 두께(72)), Lp ,r은 용융물질을 포함하는 채널(52)의 길이(즉, 길이(68))이다.
따라서, 직사각형 액화기(예컨대, 액화기(48))에 대해, 열제한(thermally limited) 체적유량(Qmax ,r)은 수학식 11에 따라 결정될 수 있다.
Figure pct00013
수학식 11에 나타낸 바와 같이, 열제한 최대 체적유량(Qmax ,r)은 용융물질을 포함하고 있는 액화기(48)의 길이(즉, 길이(68))에 의해 지배된다. 따라서, 작동길이(operative length)는 액화기의 가열구간(예컨대, 가열구간(62))이라기 보다는 리본 필라멘트(34)의 가열구간이 된다.
실린더형 액화기에 대해 상술된 바와 같이, 직사각형 액화기(예컨대, 액화기(48))에 대한 응답시간도 직사각형 액화기와 리본 필라멘트 물질의 흐름 저항과 흐름 커패시턴스의 곱으로 나타낼 수 있다. 직사각형 액화기에 대한 흐름 저항(FRr)은 수학식 12에 따라 결정될 수 있다.
Figure pct00014
직사각형 액화기에 대한 흐름 커패시턴스(FCr)는 수학식 13에 따라 결정될 수 있다.
Figure pct00015
직사각형 액화기의 흐름 저항과 흐름 커패시턴스를 결합함으로써, 직사각형 액화기에 대한 응답시간(τr)은 수학식 14에 따라 결정될 수 있다.
Figure pct00016
수학식 11과 14의 결합은 직사각형 액화기의 응답시간(τr)과 체적유량(Qmax ,r) 간의 비례관계를 나타내며, 이는 수학식 15에 나타나 있다.
Figure pct00017
수학식 5와 수학식 15를 비교하면, 동일한 열제한(thermally limited) 최대 체적유량(즉, Qmax ,c=Qmax ,r)에 대해, 리본 필라멘트(34)의 너비(40)가 리본 필라멘트(34)의 두께(42)보다 클 때, 액화기(48)에서 리본 필라멘트(34)의 압출을 제어하기 위한 응답시간은 실린더형 액화기의 실린더형 필라멘트에 대한 응답시간보다 작다는 것을 알 수 있다. 동일한 열제한 최대 체적유량(Qmax ,c=Qmax ,r)에 대해, 리본 필라멘트(34)의 프로파일(38) 및 채널(52)의 채널 프로파일(74)의 애스펙트 비는 바람직하게 원형 횡단면 프로파일을 갖는 실린더형 액화기에서 얻어질 수 있는 응답시간보다 적어도 1.5배 빠른 응답시간을 제공한다. 보다 바람직하게, 상기 응답시간은 적어도 2배 더 빠르고, 더욱 바람직하게 적어도 3배 더 빠르다. 따라서, 두께(42)에 대한 너비(40)의 적절한 애스펙트 비의 예는 약 2:1 이상, 특히 적절한 애스팩트 비 범위는 약 2.5:1에서 약 20:1, 더욱 특히 적절한 애스팩트 비 범위는 약 3:1에서 약 10:1, 더더욱 특히 적절한 애스펙트 비 범위는 약 3:1에서 약 8:1을 포함한다.
수학식 5와 수학식 15의 비교는, 도 6에 도시된 바와 같이 일렬로 배열된 다수의 실린더형 액화기를 채널(52)의 채널 프로파일(74)에 비교할 수 있는 슬롯을 형성하기 위해 겹쳐 놓음으로써 시각화될 수 있다. 이는 실린더형 액화기(76) 간의 사이 공간을 무시하면, 실린더형 액화기(실린더형 액화기(76)로 표시)와 채널 프로파일(74)에 대해 동일한 단면적으로 되는 결과가 된다. 따라서, 본 예에서, 각 실린더형 액화기(76)의 직경은 두께(72)와 동일하다. 또한, 용융물질을 포함하는 각각의 실린더형 액화기(76)는 용융물질 풀(64)의 길이(68)와 동일하다고 가정한다. 따라서, 상기 결합된 실린더형 액화기(76)의 액체와 접하는(wetted) 체적은 액화기(48)의 액체와 접하는 체적과 동일하다.
액화기(48)의 응답시간에 대한 실린더형 액화기의 응답시간의 비(τc/τr)가 수학식 16에 나타나 있다.
Figure pct00018
따라서, 수학식 16에 나타난 바와 같이, 동일한 열제한 최대 체적유량(즉, Qmax,c=Qmax,r)에 대해 액화기(48)의 응답시간에 대한 실린더형 액화기의 응답시간의 비는 실린더형 액화기 직경의 제곱을 채널(52) 두께(72)의 제곱으로 나눈 값에 비례한다. 예컨대, 1.78밀리미터(0.070인치)의 직경을 갖는 실린더형 액화기와, 3.05밀리미터(0.120인치)의 너비(70)와 0.813밀리미터(0.032인치)의 두께(72)를 갖는 액화기(48)(즉, 약 4:1의 애스펙트 비)는 실질적으로 동일한 단면적을 갖는다. 따라서, 이 단면적과, 동일한 용융물질 풀의 길이(예컨대, 길이(68)) 및 Qmax ,c=Qmax ,r에 대해서, 수학식 16에 따르면, 응답시간의 비(τr/τc)는 0.32이다. 다시 말하면, 리본 필라멘트(34)를 구비한 액화기(48)에 대한 응답시간은 실린더형 필라멘트와 실린더형 액화기로 얻어지는 응답시간에 비해서 대략 3배 빠르다.
다른 예에서, 1.78밀리미터(0.070인치)의 직경을 갖는 실린더형 액화기와 4.19밀리미터(0.165인치)의 너비(70)와 0.584밀리미터(0.023인치)의 두께(72)(즉, 약 7:1의 애스펙트 비)를 갖는 액화기(48)는 실질적으로 동일한 단면적을 갖는다. 따라서, 이들 단면적과, 동일한 용융물질 길이 및 Qmax ,c=Qmax ,r에 대해서, 수학식 16에 따르면, 응답시간의 비(τr/τc)는 0.167이다. 다시 말하면, 본 예에서 액화기(48) 및 리본 필라멘트(34)에 대한 응답시간은 실린더형 액화기와 실린더형 필라멘트로 얻어질 수 있는 응답시간보다 약 6배 빠르다. 이는 리본 필라멘트(34)와 채널(52)의 애스펙트 비가 증가함에 따라 응답 시간도 증가한다는 것을 나타낸다.
다시 이론에 얽매이고 싶지는 않으나, 이와 같은 응답시간의 단축은 실린더형 액화기의 배열이 직사각형 액화기(48)의 단면적에 실효적인 웹(webs)을 형성하는 부가적인 벽(wall) 부분을 포함함으로써 마찰 저항을 증가시킨다는 것에 기인한다. 상기 증대된 마찰 저항은 채널 프로파일(74)에서는 발견되지 않는다. 따라서, 주어진 열제한 최대 체적유량에 대하여, 액화기(48)는 실린더형 액화기 및 실린더형 필라멘트에 비하여 단축된 응답시간으로 리본 필라멘트(34)를 수용, 용융 및 압출할 수 있게 된다.
상술한 실시예는 직사각형 횡단면 프로파일을 갖는 비 실린더형 필라멘트(즉, 리본 필라멘트(34)) 및 대응 직사각형 채널을 갖는 비 실린더형 액화기(즉, 액화기(48))에 대한 것이었다. 이들 실시예의 횡단면 프로파일은 두께에 대한 너비의 단면 애스펙트 비(즉, 리본 필라멘트(34)의 두께(42)에 대한 너비(40) 및 채널(52)의 두께(72)에 대한 너비(70))에 의해 적절히 특징을 나타낼 수 있다. 그러나, 두께에 대한 너비의 단면 애스펙트 비로 특징을 나타낼 수 없는 횡단면 프로파일을 갖는 비 실린더형 필라멘트 및 액화기가 많이 있다. 따라서, 비 실린더형 필라멘트와 액화기의 횡단면 프로파일을 적절히 특징 지울 수 있는 대안적인 방법을 수학식 17로 나타낸 바와 같이 유압 직경(hydraulic diameter)(Dh)으로 나타낼 수 있다.
Figure pct00019
여기서, Ae는 액화기 채널의 입구에서 횡단면 프로파일의 면적이고, U는 액화기 채널의 액체와 접하는(wetted) 영역의 둘레(perimeter)이다.
실린더형 액화기에 대하여, 수학식 17은 Dh=Dc가 된다. 액화기(48)와 같은 직사각형 액화기에 대하여, 채널(52)이 실질적으로 용융물질로 채워진 경우, Ae=WrTr이고, U=2(Wr+Tr)이며, 유압직경(Dh)은 수학식 18에 의해 표현될 수 있다.
Figure pct00020
따라서, 본 발명의 비 실린더형 필라멘트와 액화기에 대한 적절한 횡단면 프로파일은 바람직하게는 수학식 19에 의해 표현되는 유압직경을 가진다.
Figure pct00021
여기서 P1은 Dh가
Figure pct00022
의 P1 백분율 값보다 작다는 것과 같이 백분율 값이다. 백분율 P1으로 적절한 값은 약 0.95(즉,
Figure pct00023
)를 포함하고, 특히 적절한 백분율 값 P1은 약 0.90(즉,
Figure pct00024
)을 포함하며, 더욱 특히 적절한 백분율 값 P1은 약 0.87(즉,
Figure pct00025
)을 포함한다.
수학식 19는 본 발명의 비 실린더형 필라멘트 및 액화기의 유압직경(Dh)에 대한 적절한 상한치를 나타낸다. 따라서, 본 발명의 비 실린더형 필라멘트 및 액화기에 대한 적절한 횡단면 프로파일도 바람직하게는 수학식 20에 의해 표현되는 유압직경(Dh)을 가진다.
Figure pct00026
여기서, P2는 Dh가
Figure pct00027
의 P2 백분율 값보다 크다는 것과 같이 백분율 값이다. 백분율 P2에 대한 적절한 값은 약 0.40(즉,
Figure pct00028
)을 포함하며, 특히 적절한 백분율 값 P2는 약 0.55(즉,
Figure pct00029
)를 포함하고, 더욱 특히 적절한 백분율 값 P2는 약 0.70(즉,
Figure pct00030
)을 포함한다. 따라서, 본 발명의 비 실린더형 필라멘트 및 액화기에 대한 유압직경(Dh)은 바람직하게는 수학식 19의 기준을 충족하며, 바람직하게는 수학식 20의 기준을 충족하고, 더욱 바람직하게는 수학식 19와 수학식 20의 기준을 충족한다. 이들 값은 액화기(48)와 같은 직사각형 액화기에 대해 상술한 적절한 단면 애스펙드 비에 해당된다. 이에 비해, 실린더형 필라멘트 및 액화기는 약 2.25인 P1과 P2를 각각에 대해 필요로 한다.
도 7 내지 도 11은 압출가공 기반 디지털 제조 시스템(예컨대, 도 1에 도시된 시스템(10))에 사용되기 전에, 리본 필라멘트(34)(도 2 내지 도 4에 도시)와 같은 비 실린더형 필라멘트를 제조하기 위한 적절한 실시예를 나타낸다. 도 7은 리본 필라멘트(34)와 같은 비 실린더형 필라멘트를 제조하기 위한 적절한 방법의 예로서 방법(78)의 순서도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 방법(78)은 단계(80~88)를 포함하고, 먼저 시트(sheet) 압출 시스템에 원료 물질을 공급하는 단계를 포함한다(단계 (80)). 상기 원료 물질은 펠릿(pellets), 로드(rods), 파우더(powders), 입자성 물질(particulates), 블록(blocks), 잉곳(ingots) 등과 같이 다양한 다른 매체(media)의 형태로 생산 시스템에 공급될 수 있다. 원료 물질로서 적절한 조성물은 리본 필라멘트(34)의 모델링 및 지지 물질에 대해 상술된 것들을 포함한다.
시트 압출 시스템으로 공급되면, 원료 물질은 원료 물질의 압출 시트를 생산하기 위하여 용융 및 압출된다(단계(82)). 다음에 설명되는 바와 같이, 상기 압출 시트는 그 후에 복수의 개별적인 리본 필라멘트로 사용 및 분리될 수 있으며, 여기서 고체(solid) 상태의 압출 시트의 두께는 각 리본 필라멘트의 두께와 일치하는 것이 바람직하다. 압출된 후에, 상기 압출 시트는 바람직하게는 상기 압출 시트를 적어도 부분적으로 고체화하기 위하여 냉각된다(단계(84)). 어떤 실시예에서, 상기 시트는, 후술되는 바와 같이, 다층 시트를 형성하기 위하여 다른 물질로 된 추가적인 시트로 코팅될 수 있다.
처리과정 중 이 시점에서, 연속 처리로 상기 시트는 다음의 분리를 위하여 수용되거나(예컨대, 권취 스풀에 감김), 시트 커터(sheet cutter)로 직접 공급될 수 있다. 시트 커터에서, 상기 시트는 길이 방향으로 복수의 리본 필라멘트로 절단될 수 있으며, 이때 적어도 하나의 리본 필라멘트의 횡단면 프로파일은 바람직하게는 상술한 바와 같이 비 실린더형 액화기(예컨대, 액화기(48))와 일치하도록 구성된다(단계(86)). 더욱 바람직하게는, 압출 시트로부터 절단된 각각의 리본 필라멘트가 비 실린더형 액화기(예컨대, 액화기(48))와 일치되도록 구성된다.
절단 후에, 상기 리본 필라멘트는 공급 어셈블리에 로딩된다(단계(88)). 일 실시예에서, 복수의 리본 필라멘트의 로딩 공정은 실질적으로 병렬식으로(in a parallel manner) 수행될 수 있다. 압출 시트로부터 절단된 후에, 상기 리본 필라멘트들은 다수의 권취 스풀(take-up spools)에 실질적으로 연속적인 방식으로 공급된다. 다음, 상기 공급 어셈블리는 3D 모델 및 지지 구조를 생성하기 위하여 하나 이상의 압출가공 기반 디지털 제조 시스템(예컨대, 시스템(10))에 사용될 수 있다.
도 8은 방법(78)의 단계(80, 82, 84)(도 7에 도시)에 따라 제조될 수 있는 압출 시트의 일례인 시트(90)의 사시도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 시트(90)는 복수의 리본 필라멘트(92)로 절단될 수 있으며, 여기서 각각의 리본 필라멘드(92)는 바람직하게는 리본 필라멘트(34)(도 2-4)에 해당된다. 하나의 시트(90)로부터 제조될 수 있는 리본 필라멘트(92)의 수는 시트(90)의 너비(시트 너비(94)로 표시)에 따라 달라질 수 있다. 하나의 시트(90)로부터 압출될 수 있는 리본 필라멘트(92)의 적절한 수의 예는 약 5개에서 약 100개 범위 내이고, 특히 적절한 수의 범위는 약 10개에서 약 50개이다.
시트(90)의 시트 너비(94)는 바람직하게는 버려지는 물질의 양을 최소화할 수 있는 너비이다. 따라서, 절단된 리본 필라멘트(92)는 전체 시트 너비(94)에 걸쳐 연장되는 것이 바람직하다. 그러나, 선택적인 실시예에서, 시트(90)의 시트 너비(94)를 따라 하나 이상의 부분은 버려지거나 재활용될 수 있다. 예컨대, 원하면 시트(90)의 측면 모서리 부분은 버려지거나 재활용될 수도 있다. 시트 너비(94)에 대한 적절한 치수 범위의 예는 약 0.3미터(약 1.0피트)에서 약 1.2미터(약 4.0피트)이고, 특히 적절한 너비 범위는 약 0.46미터(약 1.5피트)에서 약 0.91미터(약 3.0피트)이다.
부가적으로, 고체화된 상태의 시트(90)는 바람직하게는 리본 필라멘트(92)의 원하는 두께(예컨대, 리본 필라멘트(34)의 두께(42))와 실질적으로 동일한 시트 두께(시트 두께(96)로 표시)를 갖는다. 시트 두께(96)에 대한 적절한 치수 범위의 예는 약 0.08밀리미터(약 0.003인치)에서 약 1.5밀리미터(약 0.06인치)이고, 특히 적절한 두께 범위는 약 0.38밀리미터(약 0.015인치)에서 약 1.3밀리미터(약 0.05인치)이며, 더욱 특히 적절한 두께 범위는 약 0.51밀리미터(약 0.02인치)에서 약 1.0밀리미터(약 0.04인치)이다.
압출 및 적어도 부분적으로 고체화된 후에, 시트(90)는 방법(78)의 단계(86)에 따라 리본 필라멘트(92)로 절단될 수 있다. 이와 관련하여 도 8에 각 리본 필라멘트(92) 사이에 위치한 절단선(98)이 표시되어 있다. 압출 시트(90)로부터 절단된 후에, 각각의 리본 필라멘트(92)는 방법(78)의 단계(88)에 따라 공급 어셈블리(예컨대, 스풀) 상으로 로딩될 수 있다. 상기 공정은 원하는 두께의 리본 필라멘트(92)를 얻기 위한 추가적인 치수 재조정 단계의 필요없이, 하나의 압출 시트(90)로부터 다수의 리본 필라멘트(92)가 제조될 수 있도록 해준다. 따라서, 상기 공정에 의해 제조속도가 빨라질 수 있다.
도 9는 시트 압출 시스템(100)의 개략도로, 방법(78)(도 7에 도시)에 따라 압출 시트(예컨대, 도 8에 도시된 시트(90))를 제조하기 위한 적절한 시스템의 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 압출 어셈블리(102), 냉각 드럼(104, 106), 풀리(108, 110) 및 권취 스풀(112)을 포함한다. 압출 어셈블리(102)는 원하는 모델링 및/또는 지지물질(매체(114)로 나타냄)의 원료 물질을 수용하고 압출하도록 구성된다. 압출 어셈블리(102)는 호퍼(116), 열 슬리브(118), 구동 스크류(120) 및 압출 출구(122)를 포함한다. 수직방향 상으로 나타내었지만, 압출 어셈블리(102)(및 시스템(100))는 선택적으로 다양한 방향(예컨대, 수평방향)으로 위치할 수 있다. 작동 중에, 구동 스크류(120)는 매체(114)의 연속된 부분들을 호퍼(116)로부터 열 슬리브(118)로 정의된 압출 샤프트(압출 샤프트(124)로 표시)로 공급한다. 열 슬리브(118)는 매체(114)가 압출 샤프트(112)로 공급됨에 따라 열 에너지를 매체(114)로 전달하게 되고, 이로써 매체(114)를 용융 및 압출 출구(112)로부터 압출시켜 시트(90)를 제조한다.
다음으로 시트(90)는 냉각 드럼(104, 106)과 맞물리게 되고, 이로써 시트(90)의 두께(즉, 시트 두께(96))가 결정된다. 냉각 드럼(104, 106)은 실린더형 드럼으로, 닙(126)에서 시트(90)가 냉각 드럼(104, 106)과 맞물리게 됨에 따라 시트(90)를 냉각할 수 있는 강하된 온도(reduced temperature)로 유지되는 것이 바람직하다. 냉각 드럼(104, 106)의 강하된 온도(reduced temperature)는 시트(90)의 라인 속도(line speed), 시트(90)의 치수 및 성분 등과 같은 요인에 따라 달라질 수 있다. 냉각 드럼(104, 106)의 적절한 온도 범위의 예는 약 40℃에서 약 60℃이다. 상기 온도는 닙(126)을 통과한 시트 두께(96)를 유지시키는 한편, 시트(90)를 적어도 부분적으로 고체 상태로 고체화할 수 있다.
따라서, 냉각 드럼(104)은 시트(90)를 시트 두께(96)로 설정할 수 있는 거리에서 닙(126)에서 냉각 드럼(106)으로부터 분리되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 시트(90)의 연속된 부분들의 두께는 시트(90)로부터 절단될 각 리본 필라멘트(92)의 원하는 두께와 일치할 수 있다. 이것은 각각의 리본 필라멘트(92)가 대응하는 비 실린더형 액화기(예컨대, 액화기(48))와 일치할 수 있도록 함으로써, 상술한 바와 같이 단축된 응답시간을 얻게 한다. 일 실시예에서, 시스템(100)은 또한 실시간으로 시트(90)의 시트 두께를 검출 및 측정하고, 원하는 시트 두께를 얻기 위하여 하나 이상의 공정 파라미터를 조정(예컨대, 라인 속도, 닙 치수 등을 조정)할 수 있도록 구성된 센서 어셈블리(미도시)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서는, 배첼더 등의 미국 가특허출원 제61/247,078호 및 배첼더 등의 미국 특허출원 제12/612,342호 "압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 위상 표면 패턴(Topographical Surface Patterns)을 구비하는 소모성 물질"에 개시된 바와 같은 위상 표면 패턴을 가지는 리본 필라멘트(92)를 제공하기 위하여, 위상 표면 패턴을 시트(90)에 형성할 수 있다. 상기 실시예에서는, 한쪽 또는 양쪽 냉각 드럼(104, 106)이 시트(90)에 위상 표면 패턴을 형성하도록 구성된 텍스처드 외부 표면(textured outer surface)을 포함할 수 있다. 이는 시트(90)가 완전히 고체화되기 전에 위상 표면 패턴을 형성하는데 유용하다. 선택적으로, 시트(90)의 패턴은 텍스처드 표면을 갖는 부가적인 롤러를 사용함으로써 형성될 수도 있으며, 이때 부가적인 롤러는 냉각 드럼(104, 106)의 상류 또는 하류에 위치할 수 있다.
추가적인 실시예에서, 시스템(100)은 시트(90)의 한쪽 또는 양쪽의 주표면을 코팅하기 위하여 하나 이상의 코팅 장치(미도시)를 포함할 수 있다. 예컨대, 시스템(100)은 시트(90)의 한쪽 또는 양쪽 주표면에 소정 물질의 얇은 코팅층을 증착할 수 있는 코로나 방전 장치(corona discharge unit)(미도시)를 포함할 수 있다. 이것은 시트(90) 상에 저 표면 에너지 물질(low-surface energy materials)과 같은 다양한 코팅 물질이 증착될 수 있도록 한다. 저 표면 에너지 물질은 리본 필라멘트(92)가 압출가공 기반 디지털 제조 시스템(예컨대, 시스템(10))의 직사각형 액화기(예컨대, 액화기(48))내로 유도될 때의 마찰 저항을 감소시키는데 유용하다.
다음으로 시트(90)는 풀리(108, 110)를 감아 권취 스풀(112)에 감겨질 수 있으며, 여기서 냉각 드럼(104, 106), 풀리(108, 110) 및 권취 스풀(112) 중 하나 이상은 시트(90) 형성에 적절한 라인 속도를 적용하기 위하여 모터 구동될 수 있을 것이다. 시트(90) 형성을 위한 적절한 라인 속도의 예는 약 1m/min에서 약 20m/min의 범위 내이고, 특히 적절한 라인 속도 범위는 약 5m/min에서 약 15m/min이다. 선택적인 실시예에서, 시트(90)를 권취 스풀(112)로 지향시키기 위하여 추가적인 수의 풀리가 사용될 수 있다. 적절한 길이의 시트(90)가 권취 스풀(112)에 감겨진 후에, 시트(90)는 분리되고, 권취 스풀(112)은 보관되거나, 다음에 설명하는 바와 같이 시트(90)를 각각의 리본 필라멘트(92)로 절단하기 위한 후속 공정을 위해 준비될 수 있다. 선택적인 실시예에서, 시트(90)는 시트(90)를 개별의 리본 필라멘트(92)로 절단하는 절단 장치로 직접 공급될 수 있다. 상기 실시예에서, 권취 스풀(112)은 생략될 수 있으며, 시트(90)는 압출 및 시트(90)의 연속된 부분들을 형성하는 것과 연속한 공정에서 리본 필라멘트(92)로 절단될 수 있다.
도 10은 필라멘트 제조 시스템(128)의 개략도로, 시트(90)로부터 리본 필라멘트(92)를 형성하기 위한 적절한 시스템이다. 시스템(128)은 절단 롤러(cutting roller)(130), 지지 롤러(backing roller)(132), 아이들러 풀리(idler pulleys)(134) 및 권취 스풀(136a-136d)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 시트(90)는 권취 스풀(예컨대, 권취 스풀(112))로부터 또는 연속적인 공정을 위해 시스템(100)으로부터 직접 절단 롤러(130)와 지지 롤러(132)의 닙 교차점(nip intersection)에 공급될 수 있다.
절단 롤러(130)는 시트(90)의 연속 부분들을 각각의 리본 필라멘트(리본 필라멘트(92a-92d))로 절단하는 평행한 복수 개의 얇은 블레이드(blade)를 구비한 실린더형 표면을 포함하는 제1 롤러이다. 따라서, 절단 롤러(130)의 평행 블레이드는 리본 필라멘트(92)의 너비(예컨대, 도 3에 도시된 리본 필라멘트(34)의 너비(40))에 해당하는 갭(gap) 만큼 이격되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 절단 롤러(130)는 절단 작업 중 절단 롤러(130) 및 지지 롤러(132) 사이의 시트(90)를 끌어내기 위하여 모터로 구동되는 것이 바람직하다. 지지 롤러(132)는 시트(90)가 절단 롤러(130) 및 지지 롤러(132) 사이를 통과하여 절단 롤러(130)의 블레이드 표면과 접촉하도록 허용하는 적절한 거리만큼 절단 롤러(130)와 이격되어 있는 제2 롤러이다.
시트(90)로부터 절단된 후에, 각각의 리본 필라멘트(92)(예컨대, 리본 필라멘트(92a-92d))는 바람직하게는 권취 스풀(136a-136d)의 각 스풀로 공급된다. 권취 스풀(136a-136d)은 공급 스풀(20) 및/또는 공급 스풀(22)(도 1에 도시)용 적절한 공급 어셈블리의 예시이다. 리본 필라멘트(92a-92d)는 아이들러 풀리(134)를 이용하여 각각의 권취 스풀(136a-136d)로 제공될 수 있다. 도시된 바와 같이, 아이들러 풀리(134)는 리본 필라멘트(92a-92d)가 지지 롤러(132)를 빠져나가도록 다른 반경 방향에 위치한다. 이것은 리본 필라멘트(92a-92d)가 권취 스풀(136a-136d)에 장전되는 동안 엉키게 될 위험성을 감소시킨다.
또한, 각각의 권취 스풀(136a-136d)은 시트(90)로부터 절단된 상태의 리본 필라멘트(92a-92d)를 각각 권취하기 위하여 모터로 구동될 수 있다. 시스템(128)은 4개의 리본 필라멘트(92) 및 4개의 권취 스풀(136)을 구비하는 것으로 도시되었지만, 절단 롤러(130)는 시트(90)와 리본 필라멘트(92)의 너비에 따라 시트(90)를 어느 적절한 수의 리본 필라멘트(92)로 절단할 수 있다. 그 다음 절단된 리본 필라멘트(92)는 각각의 권취 스풀(136)에 실질적으로 병렬식으로(in a parallel manner) 로딩될 수 있다.
시스템(128)이 단일의 절단 롤러(130)/지지 롤러(132) 쌍을 구비하는 것으로 도시되었지만, 선택적 실시예에서 시스템(128)은 다수 쌍의 절단 롤러/지지 롤러를 포함할 수 있다. 예컨대, 시스템(128)은 절단 롤러(130)와 지지 롤러(132)의 첫 번째 쌍을 포함할 수 있으며, 이들은 시트(90)를 다수의 부분으로 절단할 수 있고, 여기서 각 부분은 다수의 리본 필라멘트(92)를 포함하는 너비를 가진다. 다음으로 각각의 절단된 부분은 부가적인 절단 롤러(130)와 지지 롤러(132) 쌍을 통과할 수 있고, 상기 부가적인 절단 롤러와 지지 롤러 쌍은 주어진 부분을 각각의 리본 필라멘트(92)로 절단한다. 그 다음, 상기 각각의 리본 필라멘트(92)는 상술한 바와 같이 각각의 권취 스풀(136)로 장전될 수 있다. 따라서, 시트(90)는 단일의 절단 단계 또는 다수의 연속적인 절단 과정에서 리본 필라멘트(92)로 절단될 수 있을 것이다.
시트 압출 시스템(100)과 필라멘트 제조 시스템(128)은 건조한 주변환경을 얻기 위해 하우징(미도시) 내에 수용되는 것이 바람직하다. 예컨대, 시스템(100, 128)은 낮은 수분함량을 유지하기 위하여 건조 공기 순환기(dry air circulator) 및/또는 건조제 패키지(desiccant packages)를 각각 포함할 수 있다. 더욱이, 권취 스풀(112, 136)의 각각도 수용된 시트(90)/리본 필라멘트(92)를 보관 및 후속 사용하는 동안 건조하게 유지하기 위하여 건조제 패키지를 포함할 수 있다. 시스템(100, 128) 및 권취 스풀(112, 136)에서의 건조한 환경을 유지하기 위한 적절한 기술은 스완 등의 미국 특허 제6,923,634호, 콤 등의 미국 특허 제7,122,246호 및 탓제스 등의 미국 특허출원 공개공보 제2010/0096485호 및 2010/0096489호에 개시된 것들을 포함한다.
도 11 내지 13은 도 2에서 3-3 부분을 따라 취해진 선택적 단면도로, 본 발명에 의한 다층(multi-layer) 리본 필라멘트를 나타낸다. 도 11에 도시된 바와 같이, 리본 필라멘트(200)는 리본 필라멘트(34)(도 2에 도시)와 유사한 횡단면 프로파일을 가진다. 그러나, 상기 실시예에서 리본 필라멘트(200)는 베이스부(202)와 층(204)을 포함하며, 베이스부(202)는 상부 표면(206) 및 하부 표면(208)을 포함하고, 층(204)은 상부 표면(206) 상에 형성된다. 리본 필라멘트(200)에 대한 적절한 치수는 리본 필라멘트(34)에 대해 설명된 사항들을 포함한다. 따라서, 리본 필라멘트(200)에 대한 적절한 너비의 예(너비(210)로 표시)는 리본 필라멘트(34)의 너비(40)에 대해 위에서 설명된 사항들을 포함한다. 베이스부(202)와 층(204)의 적절한 결합 두께의 예(두께(212)로 표시)는 리본 필라멘트(34)의 두께(42)에 대해 앞서 설명된 사항들을 포함한다.
베이스부(202)를 위한 적절한 물질은 리본 필라멘트(34)에 대해 위에서 설명된 모델링 및 지지 물질을 포함한다. 그러나, 층(204)은 시스템(10)(도 1에 도시)에서의 생성 작업을 도모할 수 있는 베이스부(202)와 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 수용성 지지 물질에 관한 많은 조성물이 상대적으로 취성(brittleness)의 성질을 가지며, 이는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템(예컨대, 시스템(10))을 통해 공급되는 동안 필라멘트 균열을 발생시킬 수 있다. 취성(brittleness)을 감소시키기 위하여, 층(204)은 적어도 부분적으로 수용성인 비 취성 물질(non-brittle material)을 사용한 얇은 코팅층으로 상부 표면(206) 상에 형성될 수 있다. 이것은 리본 필라멘트(200)가 시스템(10)을 통하여 균열이나 파손 없이 공급될 수 있도록 하며, 따라서 시스템(10)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 베이스부(202)의 벌크 물질(bulk material)에 비하여, 얇은 코팅 층(204)은 적은 양의 비 취성 물질을 제공한다. 따라서, 상기 비 취성 물질이 낮은 수용성을 갖는다 하여도, 지지 구조(26)의 전체 성분은 베이스부(202)를 형성하는데 사용되는 벌크 물질과 유사한 수용성을 가지게 되므로, 리본 필라멘트(200) 물질이 여전히 적절한 수용성 지지 물질로서 기능할 수 있도록 해준다.
도 12 및 13은 리본 필라멘트(200)에 대한 대안으로 리본 필라멘트(300, 400)를 나타내며, 여기서 도면번호는 각각 "100", "200"씩 증가한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 리본 필라멘트(300)는 또한 하부 표면(308) 상에 형성된 층(314)을 포함하며, 이로써 베이스부(302)를 층(304)과 층(314) 사이에 위치시키게 된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 리본 필라멘트(400)는 또한 상부 표면(406) 및 층(404) 사이에 배치된 층(416)과, 하부 표면(408) 및 층(414) 사이에 배치된 층(418)을 포함한다. 따라서, 본 발명에 의한 리본 필라멘트는 다수의 층을 포함할 수 있으며, 여기서 각각의 층은 원하는 층의 특성 및 상기 층을 형성하기 위해 이용되는 공정에 따라 동일 또는 서로 다른 물질을 포함할 수 있을 것이다.
리본 필라멘트(200, 300, 400) 각각은 일반적으로 리본 필라멘트(92)에 대해 위에서 설명된 것과 동일한 방식으로 형성될 수 있을 것이며, 상기 방식은 먼저 시스템(100)으로 베이스 시트(예컨대, 시트(90))를 압출시키는 과정을 수반하며, 여기서 상기 베이스 시트는 각각의 베이스부(예컨대, 베이스부(202, 302, 402)) 두께와 동일한 시트 두께를 갖는 것이 바람직하다(도 9에 도시). 다음에 하나 이상의 층이 상기 베이스 시트 표면상에 다양한 코팅 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 상기 층 형성 공정은 베이스 시트를 다수의 리본 필라멘트로 (예컨대, 시스템(128)을 이용하여) 절단하기 전에 수행되는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 각 층은 먼저 주어진 층의 두께에 일치하는 시트 두께를 갖는 추가적인 압출 시트를 생성함으로써 형성될 수 있다. 다음으로, 상기 추가적인 압출 시트는 베이스 시트 상에 래미네이트될 수 있으며 층을 베이스부에 고정시키기 위하여 롤러 사이에서 가열 압착될 수 있다. 상기 실시예에서, 리본 필라멘트(400)의 층(416, 418)은 베이스부(402)에 층(404, 414)을 잘 고정하기 위한 결속 층(tie layer)으로 사용될 수 있다. 상기 래미네이션 공정(lamination process)은 베이스 시트가 권취 스풀(예컨대, 권취 스풀(112))에 감겨 지기 전에 수행되거나, 아니면 선택적으로 상기 베이스 시트가 권취 스풀에 감겨진 후 상기 래미네이션 공정을 위해 뒤에 풀려 질 수 도 있을 것이다.
선택적인 실시예에서, 각 층은 증착 아니면 베이스 시트 표면상에 코팅을 적용함으로써 형성될 수 있다. 예컨대, 상술한 바와 같이 코로나 방전 장치를 이용하여 각 코팅이 증착될 수 있다. 선택적으로, 각각의 코팅은 나이프 코팅 공정(knife coating process) 및 롤러 코팅 공정(roller coating process)과 같은 하나 이상의 종래 코팅 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
추가로 선택적인 실시예에서, 각각의 층은 베이스 시트와 함께 각 층의 시트들을 공동 압출(co-extruding)함으로써 형성될 수 있다. 이것은 층을 형성하기 위한 개별의 래미네이션 또는 코팅 과정을 없애고, 다층 시트의 치수가 시스템(100)으로 (예컨대, 닙(126)에서) 결정될 수 있도록 한다.
래미네이션 및/또는 코팅 공정이 완료된 후에, 다층 시트는 다음으로 시스템(128)에서 개별의 리본 필라멘트(예컨대, 리본 필라멘트(200, 300, 400)로 절단될 수 있다. 각 층의 최종 두께는 주어진 층에 대한 원하는 특성이나 사용되는 래미네이션 또는 코팅 공정에 따라 달라질 수 있다. 리본 필라멘트(200, 300, 400)의 층에 대한 적절한 결합 두께의 예는 리본 필라멘트 두께(즉, 두께(212, 312, 또는 412))의 약 50%까지를 포함하며, 특히 적절한 결합 두께 범위는 리본 필라멘트 두께의 약 1%에서 약 25%까지이고, 더욱 특히 적절한 결합 두께 범위는 리본 필라멘트 두께의 약 5%에서 약 25%까지이다.
리본 필라멘트(200, 300, 400)는 시스템(100, 128)으로 제조될 수 있고, 단축된 응답 시간으로 3D 모델 및/또는 지지 구조를 생성하기 위한 시스템(10)과 사용될 수 있는 다층 리본 필라멘트의 적절한 예를 나타낸다. 상기 다층 특성의 리본 필라멘트(200, 300, 400)는 또한 리본 필라멘트가 압출 시트(예컨대, 시트(90))로부터 형성될 수 있도록 하며, 다양한 다른 물리적 및 심미적 특성을 얻을 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 추가적인 실시예에서, 상기 설명된 실린더형 및 비 실린더형 필라멘트는 중공(hollow) 상태일 수 있다. 플라스틱의 단면적은 손실된 코어만큼 줄어들기 때문에, 중공 필라멘트의 유압 직경(hydraulic diameter)은 물리적 직경 보다 작을 것이다. 따라서, 본 발명에 의한 중공 필라멘트에 대한 적절한 유압 직경의 예는 상기에서 설명된 사항들을 포함한다. 더욱이, 액화기는 또한 중공 필라멘트에 대한 메이팅 코어(mating core)를 포함하여, 압출 물질(extrudate)이 외부뿐만 아니라 내부로부터도 가열되도록 할 수 있다.
중공 필라멘트의 잠재적인 추가 이점은 중공 필라멘트는 혼합기(compounder)로부터 속성 압출가공에 의해 제조될 때, 공급 어셈블리(예컨대, 스풀에 감김처리)에 보관되기 이전에 바람직하게 신속하게 냉각된다는 것이다. 신속한 냉각처리는 속이 찬(solid) 필라멘트의 경우라면 길이를 따라 변할 수 있는 직경에 변화를 초래할 수도 있다. 반면, 중공 필라멘트가 신속하게 냉각되면, 중공 필라멘트의 외부 표면은 더욱 균일하게 되면서 내부 표면은 직경 변화가 생길 수 있다.
실린더형 셸 형태의 중공 필라멘트의 다른 잠재적인 추가 이점은, 필라멘트 구동장치에 순응한다는 것이다. 속이 찬(solid) 필라멘트는 압축이 어려워, 필라멘트 직경이 약간 작거나 크면 구동 롤러 또는 구동 톱니에 너무 적은 또는 너무 큰 마찰(traction)이 생길 수 있다. 그러나, 중공 필라멘트는 유연하게 적응할 수 있기 때문에, 필라멘트 직경에 있어서의 작은 변화량이 중공 필라멘트의 압축량에 있어서의 변화로 보상된다.
중공 필라멘트의 또 다른 잠재적인 추가 이점은 액화기 입구에서 열전도가 감소된다는 점이다. 속이 찬(solid) 필라멘트는 정지 중일 때, 열이 서서히 필라멘트의 중심부에서 상향하여 벽이 상대적으로 차가운 상태인 액화기의 가열 부분 위의 영역으로까지 전도될 수 있다. 필라멘트가 거기서 녹게 되면, 더 차가운 벽에 대해서 굳게 되는 경향이 있는데, 이는 잠재적으로 큰 축력(axial force)이 필라멘트의 이동을 재시동하도록 야기한다. 그러나, 중공 필라멘트는 코어의 부재로 인하여 상향 열전도 속도가 속이 비지 않은 필라멘트에서보다 더 늦춰지게 될 것이다.
바람직한 실시예를 참조하여 본 발명이 설명되었지만, 이 기술분야에서 숙련된 자들은 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않은 채 형상 및 세부사항을 변경할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질(consumable material)로서, 상기 소모성 물질은,
    길이와, 축방향으로 비대칭적인 상기 길이의 적어도 일부에 대한 횡단면 프로파일(cross-sectional profile)을 구비하며,
    상기 횡단면 프로파일은 동일한 열제한(thermally limited) 최대 체적 유량(maximum volumetric flow rate)에 대하여, 실린더형 액화기에서 실린더형 필라멘트로 얻을 수 있는 응답 시간보다 적어도 50% 더 빠른 응답 시간을 압출가공 기반 디지털 제조 시스템의 비 실린더형 액화기(non-cylindrical liquefier)로 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  2. 청구항 1에 있어서,
    비 실린더형 액화기에서 상기 소모성 물질의 응답 시간은 실린더형 액화기에서 실린더형 필라멘트의 응답 시간 보다 적어도 약 2배 더 빠른 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  3. 청구항 2에 있어서,
    비 실린더형 액화기에서 상기 소모성 물질의 응답 시간은 실린더형 액화기에서 실린더형 필라멘트의 응답 시간 보다 적어도 약 3배 더 빠른 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 횡단면 프로파일은 직사각형 기하형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 횡단면 프로파일은 두께에 대한 너비의 단면 애스팩트 비(aspect ratio)가 약 2:1 이상인 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 단면 애스팩트 비의 범위는 약 2.5:1에서 약 20:1인 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 횡단면 프로파일의 너비 범위는 약 1.0밀리미터에서 약 10.2밀리미터까지인 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 소모성 물질은 구성적으로 열가소성 물질(thermoplastic material), 비정질 금속 합금(amorphous metallic alloy) 및 그들의 결합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  9. 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질(consumable material)로서, 상기 소모성 물질은,
    비정질 특성을 갖는 적어도 하나의 물질을 포함하는 조성(composition)과;
    길이와, 상기 길이의 적어도 일부에 대한 횡단면 프로파일(cross-sectional profile)을 구비하는 비 실린더형(non-cylindrical) 기하형상을 구비하며,
    상기 횡단면 프로파일은,
    Figure pct00031
    의 식을 충족하는 입구 단면적(Ae) 및 유압 직경(Dh)을 가지는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템의 비 실린더형 액화기와 일치하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 입구 단면적(Ae) 및 유압 직경(Dh)은,
    Figure pct00032
    의 식을 충족하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 입구 단면적(Ae) 및 유압 직경(Dh)은,
    Figure pct00033
    의 식을 충족하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 횡단면 프로파일은 너비와 두께를 가지는 직사각형 기하형상으로 이루어지며, 상기 너비는 두께보다 더 큰 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 횡단면 프로파일의 너비 범위는 약 1.0밀리미터에서 약 10.2밀리미터까지 인 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 적어도 하나의 물질은 열가소성 물질(thermoplastic material), 비정질 금속 합금(amorphous metallic alloy) 및 그들의 결합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질.
  15. 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
    소정의 시트 두께와 적어도 하나의 열가소성 물질을 포함하는 조성(composition)을 가지는 압출 시트를 제공하는 단계와;
    상기 압출 시트를 복수의 비 실린더형 필라멘트로 절단하는 단계로서, 상기 복수의 비 실린더형 필라멘트 중 적어도 하나는 소정의 길이와 상기 길이의 적어도 일부에 대한 횡단면 프로파일을 구비하며, 상기 횡단면 프로파일은
    Figure pct00034
    의 식을 충족하는 입구 단면적(Ae)과 유압 직경(Dh)을 가지는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템의 비 실린더형 액화기와 일치하도록 구성되는 단계와;
    상기 복수의 비 실린더형 필라멘트 중 적어도 일부를 공급 어셈블리에 실질적으로 병렬식으로(in a parallel manner) 로딩하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질을 제조하는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 입구 단면적(Ae)과 유압 직경(Dh)은
    Figure pct00035
    의 식을 충족하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질을 제조하는 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 횡단면 프로파일은 소정의 너비와 두께를 가지는 직사각형 기하형상으로 이루어지며, 상기 횡단면 프로파일의 두께는 상기 시트 두께와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질을 제조하는 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 횡단면 프로파일의 너비 범위는 약 1.0밀리미터에서 약 10.2밀리미터까지 인 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질을 제조하는 방법.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 압출 시트에 적어도 하나의 위상 표면 패턴(topographical surface pattern)을 형성하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질을 제조하는 방법.
  20. 청구항 15에 있어서,
    상기 압출 시트를 제공하는 단계는, 압출 시트의 베이스부를 압출하는 단계와;
    상기 압출 시트의 베이스 부에 적어도 하나의 층을 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 소모성 물질을 제조하는 방법.
KR1020127010858A 2009-09-30 2010-09-21 압출가공 기반 디지털 제조 시스템용 비 실린더형 필라멘트 KR101380112B1 (ko)

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US12/612,333 US8221669B2 (en) 2009-09-30 2009-11-04 Method for building three-dimensional models in extrusion-based digital manufacturing systems using ribbon filaments
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