KR20150124974A - 택 및 본드 접착제 시스템과 레이어드 오브젝트 제조 방법 - Google Patents

택 및 본드 접착제 시스템과 레이어드 오브젝트 제조 방법 Download PDF

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KR20150124974A
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필립 키이난
핀탄 맥코르맥
코노 맥코르맥
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엠코 테크놀로지즈 리미티드
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Abstract

삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하기 위한 레이어드 오브젝트 제조 시스템에서 사용하는 접착제 공급 장치가 제공되는데, 상기 장치는 각각 임시 부위와 영구 부위를 포함하는 복수의 오브젝트 미디어 레이어에 접착제를 도포하도록 구성된다. 제1 접착제는 임시 부위에 도포되고, 제2 접착제는 영구 부위에 도포된다. 제1 및 제2 접착제의 조성, 제1 및 제2 접착제를 이용하여 복수의 개별적인 오브젝트 미디어 레이어를 본딩하기 위한 본딩 모듈 및 상기 본딩 모듈을 포함하는 엘오엠 시스템이 더 제공된다. 또한, 엘오엠 오브젝트의 셀프-위딩 방법이 제공된다.

Description

택 및 본드 접착제 시스템과 레이어드 오브젝트 제조 방법 {Tack and bond adhesive system and method for layered object manufacture}
본 출원은 적층된(layered) 또는 레이어 오브젝트 제조(Layer object manufacturing, LOM)에 관한 것이고, 특히 장치에 관한 것이며, 특히 택 및 본드 접착제(tack and bond adhesive) 시스템과 레이어드 오브젝트 제조 방법에 관한 것이다.
래피드 프로토타이핑(rapid prototyping)은 재료의 제거나 삭제에 의하는 종래의 기계 가공 방법이라기보다는, 오브젝트가 재료의 부가로 제작될 수 있다는 점에서, 컴퓨터에 의해 제어되는 적층 패브리케이션(additive fabrication)으로 정의된다. "래피드"라는 용어는 상대적인 용어이기는 하지만, 사용되는 방법과 모델의 사이즈나 복잡한 정도에 따라, 완성된 삼차원의 물건을 제조하는 데에 몇 시간에서 며칠이 걸린다는 점에서, 기술적인 범위 내에서는 특정한 의미를 갖는 것으로 이해될 것이다. 래피드 프로토타이핑의 일반적인 분야에서 사용되는 알려진 방법들이 많이 있는데, 레이어드 오브젝트 제조(LOM)는, 연속적으로 함께 붙여지고 칼이나 레이저 커터로 모양을 내기 위해 잘리게 되는, 접착제가 코팅된 종이, 플라스틱 또는 금속 라미네이트를 연속적으로 레이어링(layering)하는 것과 관련된 래피드 프로토타이핑(RP)의 형태 중의 하나이다.
복수의 미디어 오브젝트 레이어(media object layer)가 형성된 후, 프로파일링(profiling)과 레이어 본딩(layer bonding) 공정이 수행된다. 복수의 레이어는 함께 본딩(bond)된 뒤, 프린팅된 미디어 스택(media stack)으로부터 원하지 않는 서포트 재료(support material)를 제거하여, 삼차원(3D)으로 프린팅된 오브젝트를 드러내 보이는 프로파일링이나 위딩(weeding) 공정이 수행된다.
엘오엠(LOM) 래피드 프로토타이핑에서, 초기에 엘오엠 오브젝트에는 두 개의 부위(region)가 있다. 즉, 엘오엠 오브젝트는 레이어가 함께 본딩되어 최종적인 삼차원의 오브젝트를 구성하는 영구 부위(permanent region)와, 추후에 "위딩되(weeded)어" 최종적인 삼차원 오브젝트로부터 떼어내고 제거하는 임시 부위(temporary region)를 포함한다. 일반적인 엘오엠 제조에서, 접착제는 롤(roll) 상의 미디어에 미리 도포된다. 도 1은 접착제가 롤 상의 미디어에 미리 도포되는 종래의 엘오엠 어셈블리(LOM assembly) 공정을 도시하는 다이어그램이다. 접착제는 접촉하는 레이어(6)가 함께 본딩되게 하는 가열된 롤러(2)에 의해 활성화된다. 프리즘(4)을 통해 레이저 빔(3)을 조사하는 레이저 유닛(5)은 필요 없는 재료를 제거할 수 있게 한다.
종이 기반(paper based)의 원재료를 사용하는 현 엘오엠 시스템이서, 종이는 롤 형태로 제공된다. 종이 롤은 하면에 접착제가 이미 존재하는 채로 제공될 수 있다. 이 경우, 접착제는 열 및/또는 압력에 의해 활성화되어, 앞선 레이어 상에서 본드를 형성할 수 있다. 다른 방식으로, 접착제는 재료가 롤로부터 끌어당겨질 때 재료의 하면에 도포될 수 있다. 하지만, 롤 재료를 사용함에 따른 많은 단점이 있다. 예를 들어, 기계는 종종 특별하게 제조된 재료의 롤과만 작동될 수 있는데, 이를 얻기 위해서는 비용이 많이 들거나 교체하기가 어려울 수 있다. 원재료 롤을 매일 사용함에 따른 단점도 있다. 예를 들어, 롤은 미리 도포된 접착제 때문에, 피딩 메커니즘(feeding mechanism)에서 걸리거나 막히게 될 수 있다. 이와 함께, 필요 없는 재료는 파트가 만들어질 때 동일한 접착력으로 함께 접착되기 때문에, 필요 없는 재료를 제거하는 것이 매우 어려울 수 있다. 이는, 오브젝트를 빼내기 위해 끌(chisel)과 다른 날카로운 도구를 종종 필요로 하기 때문에, 필요 없는 부분을 제거하는 "위딩" 중 파트에 손상을 입히게 된다.
US 2011/0094441 A1에서, 접착제는, 접착제로 채워진 오목부를 구비하고, 기판과 접하게 되어 기판 상에 각각의 지점에 조절되는 양의 접착제를 전달하는 휠에 의해 미디어에 도포된다. 이 시스템은 디지털 방식으로 엘오엠 어셈블리의 영구적으로 본딩되는 부위에는 더 높은 글루 도트 프린팅 밀도(glue dot printing density)를 적용하고, 임시적인 서포트 부위에는 더 낮은 도트 밀도를 적용할 수 있다.
종이 레이어들 사이에 접착제를 도포하는 다른 방법으로는, 시트의 작업 영역 전체에 코팅을 하는 방법이 있는데, 이는 앞서 지적한 바와 같이 완성된 파트의 후처리 중, 필요 없는 재료를 제거할 때 상당한 어려움이 발생한다. 또한, 시트 상의 특정한 위치에 놓였을 때, 이들 위치에서의 접착을 방지하는 물질을 사용하는 방법이 있다. 이 기술은 초기에 시트 전체를 코팅함으로써, 실질적으로 접착제가 낭비되는 단점이 있다.
최근의 엘오엠 시스템은 솔벤트 기반(solvent based)으로 물에 녹지 않아, 예를 들어 처리를 위한 환경적인 문제가 발생하는 접착제를 종종 사용한다는 것이 더욱 주목된다. 하지만, 높은 함수율을 갖는 물 기반(water-based)의 접착제는 엘오엠 시스템에 적용하기에 좋지 않은 종이의 래핑(wrapping)과 왜곡(distortion)과 같은 문제가 더 발생하기 때문에, 이러한 솔벤트 기반의 접착제가 오늘날까지 엘오엠에서 사용되고 있다.
따라서, 래피드 프로토타이핑을 위한 엘오엠 시스템에서, 본딩 및 필요 없는 재료를 제거하는 것과 관련된 많은 문제들이 다루어질 필요가 있다.
따라서, 본 교시는 청구항 1에서 구체화되는 바와 같은 접착제 공급 장치를 제공한다.
다른 측면에 따르면, 청구항 10에 의해 제공되는 바와 같은 오브젝트의 오브젝트 미디어 레이어(object media layer)의 다른 부위에 제1 접착제와 제2 접착제를 도포하기 위한 엘오엠 시스템이 제공된다. 또한, 본원은 청구항 31에 따른 본딩 모듈(bonding module)을 제공한다. 또한, 청구항 37에 따른 컬레이터(collator)를 포함하는 엘오엠 시스템이 제공된다. 또한, 청구항 40에 따른 방법이 제공된다. 또한, 청구항 46에 따른 접착제가 제공된다. 유리한 특징들은 종속항에서 제공된다.
접착제는 접착제가 도포되는 레이어의 임시적인 본딩(bonding)을 제공하는 택 접착제를 포함한다.
복수의 오브젝트 미디어 레이어에 접착제를 도포하여, 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하기 위한 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템에서 사용하는 접착제 공급 장치에 있어서, 각각의 오브젝트 미디어 레이어는 임시 부위와 영구 부위를 포함하고, 상기 장치는 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위에 제1 접착제를 도포하고, 오브젝트 미디어 레이어의 영구 부위에 제2 본딩 접착제를 도포하도록 구성된다.
일 구성에서, 상기 장치는 하나 이상의 프린트 헤드(printhead)를 포함한다. 하나 이상의 프린트 헤드는 제1 접착제와 제2 접착제를 동시에 같이 프린팅하도록 구성될 수 있다. 또는, 상기 장치는 단일의 프린트 헤드를 포함할 수 있다. 하나의 프린트 헤드나 여러 프린트 헤드는 잉크젯(inkjet) 프린트 헤드를 포함할 수 있다. 상기 장치는 삼차원의 오브젝트 미디어 레이어로부터 이격되어 접착제를 도포하도록 구성될 수 있다. 각각의 프린트 헤드는 접착제를 프린팅할 때, 오브젝트 미디어 레이어의 폭을 가로질러 스캐닝하도록 구성되는 프린트 헤드 캐리지(printhead carriage)를 포함할 수 있다. 각각의 프린트 헤드는 페이지-와이드 어레이 프린트 헤드(page-wide array print head)를 포함한다. 상기 장치는 제1 접착제와 제2 접착제를 오브젝트 미디어 레이어 상의 특정한 위치에, 미리 정해진 양만큼 프린팅하도록 구성될 수 있다.
다른 구성에서, 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하기 위한 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템이 제공되는데, 상기 시스템은 오브젝트의 오브젝트 미디어 레이어에 접착제를 도포하기 위한 접착제 공급 장치를 포함하고, 각각의 오브젝트 미디어 레이어는 임시 부위와 영구 부위를 포함하며, 접착제 공급 장치는 제1 접착제와 제2 접착제를 오브젝트 미디어 레이어의 다른 부위에 도포하도록 구성된다.
일 구성에서, 제1 접착제는 임시적인 택 접착제(tack adhesive)이고, 접착제 공급 장치는 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위에 제1 접착제를 도포하도록 구성된다. 제2 접착제는 영구적인 본드 접착제(bond adhesive)일 수 있고, 접착제 공급 장치는 오브젝트 미디어 레이어의 영구 부위에 제2 접착제를 도포하도록 구성된다.
제1 접착제는 본딩 및 프로파일링하는 동안 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위를 임시적으로 본딩하기 위해 도포될 수 있다. 제1 접착제는 접착제가 도포된 복수의 오브젝트 미디어 레이어가 미리 정해진 온도 이상으로 가열될 때, 녹아서 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위들 사이의 경계면으로부터 흘러나오도록 구성될 수 있다.
다른 구성에 따르면, 접착제가 도포된 레이어의 임시적인 본딩을 제공하기 위한 택 접착제를 포함하는 접착제가 제공된다.
엘오엠(LOM) 시스템이나 접착제의 일 구성에서, 택 접착제는 단일의 고체 왁스를 포함한다. 선택적으로 왁스는 밀랍(beeswax)을 포함한다. 선택적으로, 택 접착제는 탈이온수(deionised water) 내에서 왁스 입자의 마이크로 에멀션(microemulsion)을 포함한다. 선택적으로, 왁스는 파라핀 왁스(paraffin wax), 밀랍 또는 카나우바 왁스(Carnauba wax)를 포함한다. 선택적으로, 택 접착제는 스테아르산(stearic acid)을 더 포함한다. 선택적으로, 택 접착제는 10 내지 11 사이의 pH를 갖는다. 선택적으로, 택 접착제는 분리 가능(releaseable)하거나 비활성화될 수 있거나 제거될 수 있도록 구성되는 임시적인 접착제이다.
일 측면에서, 제2 접착제는 오브젝트 미디어 레이어의 영구 부위를 서로 영구적으로 본딩하기 위한 본드 접착제를 포함한다. 선택적으로, 본드 접착제는 탈이온수(deionised water) 내에서 에틸렌 비닐 아세테이트 코-폴리머 글루(ethylene vinyl acetate(EVA) co-polymer glue) 에멀션 입자의 마이크로 에멀션을 포함한다. 본드 접착제는 탈이온수 내에서 약 5%의 고체 EVA를 포함할 수 있다. 본드 접착제는 약 1.66mPa·s의 점도를 가질 수 있다. 선택적으로, 본드 접착제는 약 53.65mN·m-1의 표면 장력을 갖는다.
일 구성에서, 각각의 제1 접착제와 제2 접착제는 50mPa·s 미만의 점도를 갖는다. 또는, 각각의 제1 접착제와 제2 접착제는 1 내지 10mPa·s 이내의 범위의 점성을 갖는다. 각각의 제1 접착제와 제2 접착제는 34mN·m-1 초과의 표면 장력을 가질 수 있다. 제1 접착제와 제2 접착제는 잉크젯 프린팅되도록 구성될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템에서, 복수의 개별적인 오브젝트 미디어 레이어를 본딩하여, 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하기 위한 본딩 모듈(bonding module)이 제공되는데, 각각의 오브젝트 미디어 레이어는 제1 택 접착제가 도포되는 임시 부위와 제2 본드 접착제가 도포되는 영구 부위를 포함하고, 본딩 모듈은 접착제가 도포되는 복수의 오브젝트 미디어 레이어를 가열하기 위한 히팅 엘리먼트(heating element)를 포함한다.
히팅 엘리먼트는 접착제가 도포된 복수의 오브젝트 미디어 레이어를 미리 정해진 온도 이상으로 가열하여, 제1 접착제가 녹아서 임시 부위들 사이의 경계면으로부터 흘러나오게 하고, 제2 접착제가 본드 부위를 영구적으로 함께 본딩하게 하도록 구성될 수 있다. 본딩 모듈은 복수의 오브젝트 미디어 레이어를 스태킹(stacking)하기 위한 빌드 테이블(build table)을 포함할 수 있는데, 빌드 테이블은 오브젝트 미디어 레이어와 히팅 엘리먼트가 접촉하도록 이동할 수 있게 형성된다. 히팅 엘리먼트는 핫플레이트(hotplate)를 포함할 수 있다. 미리 정해진 온도는 최소한 80℃일 수 있다.
본딩 모듈은 본 명세의 접착제 공급 장치(adhesive dispensing device)를 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 복수의 프린팅된 개별적인 미디어 레이어를 모아, 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하도록 구성된 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템이 제공되는데, 상기 시스템은
복수의 프린팅된 개별적인 미디어 레이어를 조립하여, 삼차원의 오브젝트를 형성하도록 구성된 컬레이터를 포함하고,
컬레이터는 청구항 1 내지 9 중의 어느 접착제 공급 장치와 청구항 31 내지 36 중의 어느 본딩 모듈을 포함한다.
상기 시스템은 컬레이션(collation)에 앞서, 복수의 각 오브젝트 미디어 레이어를 프린팅하기 위한 잉크 프린팅 모듈(ink printing module)을 포함할 수 있다. 컬레이터는 복수의 미디어 레이어의 개별적인 하나가 프로파일링되게 하여, 삼차원의 오브젝트에서 원하는 삼차원의 모양이 되게 하도록 구성되는 프로파일링 모듈(profiling module)을 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템에서 복수의 개별적인 오브젝트 미디어 레이어를 본딩하여 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하는 방법이 제공되는데, 각각의 오브젝트 미디어 레이어는 임시 부위와 영구 부위를 포함하고, 상기 방법은
제1 택 접착제를 복수의 각 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위에 도포하는 것;
제2 본드 접착제를 복수의 각 오브젝트 미디어 레이어의 영구 부위에 도포하는 것;
오브젝트 미디어 레이어를 서로의 위에 배치하여, 오브젝트를 형성하는 것;
오브젝트 미디어 레이어를 미리 정해진 온도 이상으로 가열하여, 제1 접착제가 녹게하고, 냉각되는 동안 재응고되게 하여 임시적인 본드 부위를 형성하는 것;
오브젝트 미디어 레이어를 택 접착제의 녹는점 이상으로 가열하여, 택 접착제가 모세관 작용에 의해 본딩 부위(bonding region)들 사이층으로부터 이동하게 하는 것; 및
임시 부위를 엘오엠 오브젝트로부터 떼어내는 것을 포함한다.
상기 방법은 오브젝트 미디어 레이어를 미리 정해진 온도 이상으로 가열하여, 제2 본드 접착제가 영구 부위를 영구적으로 본딩하여, 완성된 엘오엠 오브젝트를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 제1 접착에서 사용되는 왁스의 녹는점 이상으로 오브젝트 미디어를 가열하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 80℃ 이상의 온도로 오브젝트 미디어 레이어를 가열하고, 온도를 그 수준에서 택 접착제가 이동하기 위한 충분한 시간을 보장하는 기간 동안 유지시키는 것을 포함할 수 있다.
제1 접착제를 가열하는 것은 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위들의 디본딩(debonding)을 일으키는 제1 접착제의 모세관 이동을 발생시킨다. 오브젝트 미디어 레이어는 종이 시트를 포함할 수 있다.
도 1은 롤 상의 미디어에 접착제가 미리 도포되고, 접착제가 가열된 롤러에 의해 활성화되어, 접촉되는 레이어가 서로 본딩되는 종래의 엘오엠 어셈블리 공정을 도시하는 다이어그램이다.
도 2는 엘오엠 오브젝트 미디어 레이어에서, 택 및 본드 접착제 부위를 도시하는 다이어그램이다.
도 3은 본 교시에 따른 레이어 오브젝트 제조(LOM) 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 4는 본 교시의 실시예에 따른 컬레이터 모듈의 블록 다이어그램이다.
도 5는 잉크나 접착제를 프린팅할 때, 오브젝트 미디어 레이어의 폭을 가로질러 스캐닝하도록 구성되는 전형적인 프린트 헤드를 도시한다.
도 6은 페이지-와이드 어레이 프린트 헤드를 도시한다.
도 7은 본 교시의 실시예에 따른 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템에서, 복수의 개별적인 오브젝트 미디어 레이어를 본딩하여, 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하는 공정을 도시하는 플로우 차트이다.
도 8은 종이 상에 프린팅된 물 내에서 왁스 마이크로 에멀션의 사진이다.
도 9는 종이 상에 프린팅된 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 마이크로 에멀션의 사진이다.
도 10은 본딩 및 열적으로 라미네이팅을 한 후에, 두 레이어를 떼어내려고 한 결과, 본딩된 부위의 종이가 떨어진 예의 사진이다.
본 명세에서 사용되는 구성되는/구성하는 이라는 단어는 언급되는 특징, 정수, 단계 또는 구성의 존재를 특정하기 위한 것이지, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 구성 또는 그 그룹의 존재나 추가를 배제하기 위한 것은 아니다.
도면을 참조하면, 도 2 내지 4를 시작으로, 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하기 위한 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 접착제 공급 장치(560)를 포함한다.
도 2는 엘오엠 오브젝트의 오브젝트 미디어 레이어(100)에서, 택과 본드 접착 부위를 나타내는 다이어그램이다. 도 2를 참조하면, 엘오엠 오브젝트(1000)의 오브젝트 미디어 레이어(100)는 삼차원의 오브젝트(1000)를 형성하는 과정에서 제거되거나 위딩되는 부위인 이른바 임시 부위(105)와 레이어가 축조되거나 본딩되어, 최종적인 삼차원의 오브젝트(1000)를 형성하는 영구 부위(110)를 포함한다.
본 명세에서, 엘오엠 오브젝트를 만드는 과정에서 사용하기 위한 두 종류의 다른 접착제(400)가 제공된다. 제1 접착제(405)는 임시 부위(위딩되는 부위)(105)를 태킹(tacking)하기 위해 임시 부위에 도포되고, 제2 접착제(410)는 복수의 삼차원의 오브젝트 미디어 레이어의 영구 부위(110)를 본딩하기 위해 영구 부위(110)에 도포된다.
도 2 내지 4를 참조하면, 상기 시스템과 접착제 공급 장치는 오브젝트 미디어 레이어(100)에 접착제를 도포하도록 구성되고, 제1 접착제(405)를 오브젝트 미디어 레이어(100)의 임시 부위(105)에 도포하는 것과, 제2 접착제(410)를 오브젝트 미디어 레이어(100)의 영구 부위(110)에 도포하는 것을 포함한다.
제1 접착제(405)는 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하기 위한 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템에서, 복수의 오브젝트 미디어 레이어(100)의 임시 부위(105)를 임시적으로 본딩하거나 태킹하기 위해 제공된다. 제1 접착제(405)는 미디어 레이어(100)에 도포되었을 때 본딩을 제공한다. 제1 접착제(405)는 실온과 시스템 장치의 작동 온도를 포함하는 범위의 온도에서 본딩을 제공한다. 제1 접착제(405)는 일반적인 실내, 대기 또는 작동 압력에서 본딩을 제공한다. 제1 접착제는 태킹 접착제(405)이다. 임시적인 또는 태킹 접착제를 사용함으로써, 오브젝트의 임시 부위를 위딩하는 것이 가능해지고 용이해진다. 태킹 접착제는 임시적인 본딩을 제공하도록 구성된다. 태킹 접착제는 필요 시, 본딩제(bonding agent)로서의 효력이 없어지거나 본드를 분리 가능하게 하거나 제거될 수 있도록 구성된다. 태킹 접착제는 임시 부위(105)가 더 이상 함께 본딩될 필요가 없을 때, 비활성화될 수 있거나 분리 가능하거나 제거될 수 있다. 태킹 접착제(405)가 비활성화되거나 효력이 없어지거나 분리되거나 제거될 때에는 임시 부위에 더 이상 본딩을 제공하지 않는다. 태킹 접착제(405)는 축조된 오브젝트의 임시 부위(105)를 위딩하는 단계를 위해 효력이 없어지거나 제거될 수 있다.
본 명세의 실시예에 따른 바람직한 예의 구성에서, 태킹 접착제(405)는 미리 설정된 온도 이상이 가해지면, 비활성화되거나 제거되도록 구성된다. 태킹 접착제(405)는 접착제(405)가 도포된 복수의 오브젝트 미디어 레이어(100)에 열이 가해지면, 녹아서 미디어 레이어(100)의 임시 부위(105)들 사이의 경계면으로부터 흘러나오도록 구성된다. 태킹 접착제(405)는 접착제가 프린팅된 복수의 오브젝트 미디어 레이어가 미리 설정된 온도 이상으로 가열될 때, 녹아서 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위(105)들 사이의 경계면으로부터 흘러나오도록 구성된다.
택 접착제를 비활성화시키거나 제거하기 위해, 열이나 미리 설정된 최소값이 가해지지만, 다른 구성들이 사용되는 것으로 여겨질 수도 있다. 예를 들어, 접착제(405)는 낮은 온도가 가해지거나 미리 설정된 압력이 가해지면 비활성화되도록 구성될 수 있다. 또는, 다른 적절한 비활성화 방법이 제공될 수 있다.
본 명세에 따르면, 제2 접착제는 복수의 오브젝트 미디어 레이어(100)의 본드 부위(110)를 영구적으로 본딩하기 위해 제공된다. 제2 접착제는 본드나 영구 본드 접착제이다. 제2 영구 본드 접착제를 사용하여 함께 본딩된 본드 부위(110)는 미리 설정된 온도 이상이 가해지더라도 본딩된 채로 존재한다. 일 구성에서, 제2 영구 본드 접착제는 태킹 접착제의 본드를 분리 가능하게 하는 열이 가해지더라도 영향을 받지 않는다. 다른 구성에서, 제2 접착제의 본드는 열이 가해지면 증대될 수 있다. 본드는 미리 설정된 온도 이상의 열이 가해지면 더 강해질 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 시스템은 엘오엠 시스템에서, 복수의 개별적인 오브젝트 미디어 레이어를 본딩하여, 삼차원의 오브젝트를 형성하기 위한 레이어 본딩 모듈(550)을 포함한다. 각각의 오브젝트 미디어 레이어는 제1 태킹 접착제(405)가 도포되는 임시 부위(105)와 제2 본드 접착제(410)가 도포되는 영구 부위(110)를 포함한다.
도 4를 참조하면, 레이어 본딩 모듈(550)은 접착제가 프린팅된 복수의 오브젝트 미디어 레이어(100)를 가열하기 위한 히팅 엘리먼트(555)를 포함할 수 있다.
도 2, 3 및 4를 참조하면, 복수의 프린팅된 개별적인 미디어 레이어(100)를 모아, 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하기 위한, 본 명세에 따른 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템의 작동이 묘사된다. 상기 시스템은 복수의 프린팅된 개별적인 미디어 레이어를 모으도록 구성되는 컬레이터를 포함하고, 컬레이터는 접착제 공급 장치와 본딩 모듈을 포함한다. 엘오엠 시스템은 컬레이션 전에, 복수의 오브젝트 미디어 레이어(100)를 프린팅하기 위한 잉크 프린터와 같은 프린팅 모듈을 더 포함할 수 있다. 도 3은 본 교시의 실시예에 따른 레이어 오브젝트 제조(LOM) 시스템(500)의 블록 다이어그램이다.
도 3에서, 종이와 같은 미디어는 종이 피드 메커니즘(510)을 통해 프린팅 모듈(520)로 공급될 수 있다. 미디어는 프린팅 모듈(520)에서 잉크나 그와 같은 것으로 프린팅될 수 있다. 복수의 오브젝트 미디어 레이어(100)는 컬레이터 모듈(530)에서 프로파일링되고 본딩되어, 완성된 삼차원의 칼라 오브젝트(1000)를 생산한다.
도 4는 본 교시의 실시예에 따른 컬레이터 모듈(530)의 블록 다이어그램이다. 도 4를 참조하면, 컬레이터 모듈(530)은 별도의 프로파일링 모듈(540)과 레이어 본딩 모듈(550)을 각각 포함할 수 있다. 레이어 본딩 모듈(550)은 본 교시에 따른 접착제 공급 장치(560)와 접착제가 프린팅된 복수의 오브젝트 미디어 레이어(100)를 가열하기 위한 히팅 엘리먼트(555)를 포함할 수 있다. 접착제 공급 장치(560)는 잉크젯 공급 장치일 수 있다.
본 교시의 맥락에서, 각각의 미디어 레이어(100)는 구별되는 물리적인 요소나 독립체로 여겨질 수 있다. 이에 따라, 각각 집어져 놓이거나 시스템에서 다른 방식으로 이송될 수 있다. 엘오엠 시스템(500)은 복수의 미디어 레이어(100)를 프린팅하도록 구성된 프린팅 모듈(510)과 복수의 개별적인 미디어 레이어(100)를 모아, 삼차원의 오브젝트(1000)를 형성하도록 구성된 컬레이터 모듈(530)을 포함할 수 있다. 각각의 미디어 레이어(100)는 개별적으로 또는 독립적으로 프린팅될 수 있다. 컬레이터 모듈(530)은 개별적인 삼차원의 오브젝트 미디어 레이어를 자르고, 개별적인 레이어를 서로 본딩하여 완성된 삼차원의 오브젝트(1000)를 형성하기 위한 프로파일링 모듈(540)과 레이어 본딩 모듈(550)을 포함한다.
프린팅 모듈(520)은 컬레이터(530)와 별도의 프로세싱 모듈로 제공되거나 일체형일 수 있다.
컬레이터 모듈(530)은 복수의 미디어 레이어(100)의 개별적인 하나를 본딩하도록 구성된 레이어 본딩 모듈(550)을 포함할 수 있다. 레이어 본딩 모듈(550)은 레이어(100)를 함께 본딩하기 위해 접착제(400)를 사용하도록 구성될 수 있다. 접착제는 본 교시에 따른 접착제 공급 장치(560)를 사용하여 공급된다. 컬레이터 모듈(530)은 복수의 미디어 레이어(100)의 개별적인 하나를 프로파일링되게 하여, 삼차원의 오브젝트(1000)에서 원하는 삼차원의 모양이 되도록 구성되는 프로파일링 모듈(540)을 포함할 수도 있다. 프로파일링 모듈(540)과 레이어 본딩 모듈(550)은 컬레이터 모듈(530) 내에서 하나의 프로파일링 및 레이어 본딩 모듈로 통합될 수 있다.
프린팅 모듈(520)은 대용량의 인풋 및 아웃풋 트레이(input and output tray)를 구비하고, 양면 프린팅 유닛(duplex unit)을 표준으로 갖춘 사무용 프린터일 수 있다. 프린팅 모듈(520)은 프린팅 공정이 프로파일링 및 본딩 공정에 바로 앞서도록 컬레이터 모듈(530)과 통합될 수도 있다. 프린팅 모듈(520)은 컬러 프린팅 모듈일 수 있다. 프린팅 모듈(520)은 접착제 공급 장치(560)와 같은 프린터일 수도 있는데, 컬러 잉크와 접착제 잉크는 각자의 전용 프린팅 채널과 잉크 서플라이(ink supply)를 사용하여 각각 공급된다. 다만, 프린팅 모듈과 접착제 공급 장치는 별개의 프린팅 장치인 것이 바람직하다.
본 명세는 본딩 및 프로파일링하기 위한 시스템과 방법을 제공하고, 특히 복수의 오브젝트 미디어 레이어(100) 각각을 서로 본딩하기 위한 본딩 방법을 제공한다. 앞서 언급한 바와 같이, 엘오엠 래피드 프로토타이핑에서, 초기에 엘오엠 오브젝트에는 두 부위가 있다. 즉, 엘오엠 오브젝트는 레이어가 함께 본딩되어 최종적인 삼차원의 오브젝트를 구성하는 영구 본드 부위(110)와 임시 택 부위(105)를 포함한다. 택 부위(105)는 추후에 "위딩되어", 최종적인 삼차원의 오브젝트(1000)로부터 떼어내어 제거한다. 본 교시는 각각의 오브젝트 미디어 레이어(100)의 임시 부위(105)와 영구 부위(110)에 다른 접착제가 도포되는 것을 제공한다.
서로 다른 두 종류의 접착제(400)는 택 접착제(405)와 본드 접착제(410)를 포함한다. 택 접착제(405)의 목적은 커팅 프로세스의 동작이 잘리는 레이어를 흩뜨리지 않도록, 즉 잘리는 레이어가 커팅 중에 들어올려지거나 찢어지는 것을 방지하도록 라미네이션(lamination) 및 커팅 공정 동안 레이어(100)를 임시적으로 함께 본딩하거나 택(tack)하는 것이다. 엘오엠 공정이 완료되면, 택 접착제(405)는 후술할 후속 공정에 의해 제거될 수 있다. 임시 부위(105)는 도 3에서 부호 "1"로 표시되어 있다.
본드 접착제(410)의 목적은 오브젝트 미디어 레이어(100)를 서로 영구적으로 본딩하는 것이다. 본드는 바람직하게는 위딩 공정과 추후에 삼차원의 오브젝트(1000)를 다루는 동안 상기 레이어(100)가 서로 떼어지지 않을 만큼 충분히 강하다. 영구 부분(110)은 도 2에서 부호 "2"로 표시되어 있다.
본 명세의 상기 시스템과 방법은 임시 택 접착제(405)와 영구 본드 접착제(410) 모두가 본 교시에 따른 접착제 공급 장치(560)에 의해 동시에 같이 프린팅될 수 있는 것을 제공한다.
접착제 공급 장치(560)는 오브젝트 미디어 레이어(100) 상의 특정한 위치에 접착제(405, 410)를 특정한 부피로 차등적으로 도포할 수 있는 제어 수단을 포함할 수 있다. 이는 감소된 양의 접착제가 사용되는 것이 유리하도록 하는 특정한 위치에 접착제를 제어하여 공급할 수 있게 하고, 접착제가 필요한 위치에 분명히 도포될 수 있도록 보장한다.
이와 관련하여, 접착제 공급 장치(560)는 오브젝트 미디어 레이어(100) 상의 특정한 위치(105, 110)에 택 접착제(405)와 본드 접착제(410)를 프린팅하도록 구성된 접착제 프린터를 포함할 수 있다. 접착제 공급 장치(560)는 목표로 하는 위치(105, 110)에 특정한 양으로 제어된 접착제를 도포하거나 프린팅하도록 구성될 수 있다. 상기 양은 조절될 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 본 교시는 래피드 프로토타이핑을 위한 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템에서 사용하는 접착제 공급 장치를 제공한다. 도 4를 참조하면, 본 교시에 따른 접착제 공급 장치(560)는 컬레이터 모듈(530)에 포함될 수 있다. 접착제 공급 장치(560)는 삼차원의 오브젝트 미디어 레이어(100)에 접착제를 도포하기 위해 공급한다. 상기 장치(560)는 삼차원의 오브젝트 미디어 레이어(100)의 임시 부위(105)를 태킹하기 위해 제1 접착제를 도포하고, 삼차원의 오브젝트 미디어 레이어(100)의 영구 부위를(110) 본딩하기 위해 제2 접착제를 도포하도록 구성된다. 접착제 공급 장치(560)는 하나 이상의 잉크젯 프린트 헤드를 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 장치는 둘 이상의 유체를 동시에 프린팅할 수 있도록 공급되는 단일의 프린트 헤드를 포함한다. 프린트 헤드는 오브젝트 미디어 레이어(100)와 접촉하지 않고, 기판 상에 하나 이상의 접착제 레이어를 신속하게 놓아두기 위한 속도로 앞, 뒤로 스캐닝될 수 있다. 프린트 헤드는 접착제를 공급할 때, 오브젝트 미디어 레이어(100)의 폭을 가로질러 스캐닝하도록 구성되는 프린트 헤드 캐리지를 포함할 수 있다. 또는, 프린트 헤드는 페이지-와이드 어레이 프린트 헤드를 포함할 수 있다. 도 5는 잉크나 접착제를 프린팅할 때, 오브젝트 미디어 레이어(100)의 폭을 가로질러 스캐닝하도록 구성된 전형적인 프린트 헤드 캐리지(600)를 도시한다. 도 5를 참조하면, 프린트 헤드 캐리지(600)는 제1 택 접착제(605)와 제2 본드 접착제(610)를 공급하도록 구성될 수 있다. 도 6은 역시 제1 택 접착제(605)와 제2 본드 접착제(610)를 공급하도록 구성될 수 있는 페이지-와이드 어레이 프린트 헤드(700)을 도시한다.
태킹과 본딩를 위해 사용되는 접착제(405, 410)는 바람직하게는 잉크젯 프린팅에 적합하도록 이루어질 수 있다. 접착제는 접착제의 점도가 일반적으로 50mPa·s보다 작고, 바람직하게는 1-10mPa·s 이내의 범위에 있도록 구성될 수 있다. 접착제의 표면 장력은 접착제가 오브젝트 미디어 레이어의 다공성 표면을 통해 흡수되어 표면 상에 본딩하기 위해 이용할 수 있는 접착제가 줄어들지 않게끔 도포되도록, 바람직하게는 34N·m-1보다 크다. 표면 장력의 바람직한 범위는 34-50N·m-1 이내의 범위이다.
본 명세에 따른 태킹 접착제는 다른 조성으로도 공급될 수 있을 것으로 이해된다.
택 접착제(405)는 다음을 포함하는 사항과 특징을 고려하여 조성된다.
- 접착제는 녹는점 이상으로 가열되면 액체가 되도록 조성될 수 있다.
- 접착제는 잉크젯 프린팅될 수 있도록 충분히 낮은 점도를 가질 수 있다.
- 접착제는 왁스를 포함할 수 있다.
- 왁스는 요구되는 후처리 온도에 따라 선택될 수 있다.
- 접착제는 마이크로 에멀션을 포함할 수 있다.
- 접착제는 탈이온수 내에서, 왁스 입자의 마이크로 에멀션을 포함할 수 있다.
- 접착제는 스테아르산을 더 포함할 수 있다.
- 택 접착제는 글리콜(glycol)을 더 포함할 수 있다.
- 접착제는 셀룰로스(cellulose-based) 기반의 종이에 놓였을 때, 표면 장력이 비교적 높을 수 있다.
- 접착제는 프린팅에 적합하다.
- 접착제는 잉크젯 프린트 헤드를 이용하는 프린팅에 적합하다.
본 명세의 실시예의 바람직한 예의 구성에 따르면, 다른 종류의 택 접착제는 다음을 포함하여 사용될 수 있다.
a) 100% 고체 왁스 조성
택 접착제는 밀랍과 같은 단일의 고체 왁스를 포함할 수 있다. 왁스는 녹는점 이상으로 가열되었을 때 액체가 되고, 잉크젯 프린팅되기에 충분히 낮은 점도를 갖도록 조성될 수 있다.
b) 물 내에서 왁스 입자의 마이크로 에멀션
택 접착제는 탈이온수 내에서 왁스 입자의 마이크로 에멀션을 포함할 수도 있다. 이 조성은 높은 잉크 온도를 필요로 하지 않으므로, 실시하기에 더 단순할 수 있다. 마이크로 에멀션을 형성하기 위해, 100g의 탈이온수가 90℃까지 가열될 수 있고, 60g의 고체 왁스 조각이 첨가될 수 있다. 혼합물은 고속의 전단 교반 블레이드(shear mixing blade)를 이용하여 10,000rpm으로 60초 동안 교반된 후, 냉각될 수 있다. 왁스의 양은 10%의 왁스 대 90%의 물 내지 60%의 왁스 대 40%의 물 이내의 범위에서 변할 수 있다. 왁스 알갱이가 왁스 조각으로 대체될 수 있듯이, 고체 왁스는 왁스 조각으로 대체될 수 있다. 전단 속력은 3,000rpm 내지 15,000rpm으로 조절될 수 있고, 교반 시간은 10초 내지 300초로 조절될 수 있다. 왁스는 요구되는 후처리 온도에 따라 선택될 수 있다. 이와 관련하여, 왁스는 파라핀 왁스, 밀랍 또는 카르나우바 왁스를 포함할 수 있다. 이들 왁스의 녹는점을 나타내는 표가 다음에 제공된다.
종류 녹는점(℃)
파라핀 46-68
밀랍 62-64
카르나우바 82-86
그 결과, 탈이온수의 매트릭스(matrix) 내에서 왁스 입자의 마이크로 에멀션이 생성된다.
마이크로 에멀션은 스테아르산을 더 포함할 수 있다. 스테아르산을 첨가하면 마이크로 에멀션의 pH가 pH 10-11 사이로 조정되어, 마이크로 에멀션을 안정화시키고, 왁스 입자의 크리밍, 응집 또는 침강을 방지할 수 있다.
택 접착제는 글리콜을 더 포함할 수 있다. 글리콜을 첨가한 효과는 접착제를 공급하기 위해 사용되는 프린트 헤드가 더 오래동안 개방된 상태로 있을 수 있다는 것이다. 글리콜은 프린트 헤드에서 택 접착제의 성능을 향상시키기도 한다. 즉, 접착제는 프린트 헤드 노즐에서 더 오래동안 마르지 않게 있을 수 있다.
수행된 실험에서, 카르나우바 왁스 에멀션의 특성은 잉크젯 프린팅될 수 있는 것으로 측정되었다. 상기 에멀션의 점도는 4.76mPa·s였고, 표면 장력은 35.42mN·m-1였다. 그에 따른 왁스 마이크로 에멀션 접착제는 셀룰로오스 기반의 종이에 놓여졌을 때, 비교적 높은 표면 장력을 가졌고 약 70°의 접촉각을 이루었다. 도 8은 종이 형태의 오브젝트 미디어 레이어 상에서, 프린팅된 물 내에서 왁스 에멀션의 사진이다.
앞서 언급한 바와 같이, 왁스 마이크로 에멀션은 두 잉크 유체 통로를 갖도록 형성된 종래의 잉크젯 프린터를 이용하여, 종이 미디어를 가로질러 프린트 헤드를 스캐닝함으로써 프린팅될 수 있다. 왁스 마이크로 에멀션은 구 형상의 방울로 유지된 채로 오브젝트 미디어 레이어 상에 놓여질 수 있다. 물은 마이크로 에멀션 방울로부터 즉시 증발되기 시작할 것이고, 왁스 입자는 하나로 합쳐져 (초기 방울의 부피가 28 피코리터(picoliter)일 때) 직경이 약 50마이크론(micron)이고, 높이가 약 20마이크론인 작은 디스크를 형성하기 시작할 것이다.
본드 접착제 조성은 에틸렌 비닐 아세테이트 코-폴리머 글루 에멀션의 마이크로 에멀션과 탈이온수를 희석시켜 얻을 수 있다. 비율은 글루와 물이 1 대 9일 수 있다. 혼합물은 완전히 교반될 수 있다. 이는 물 내에서 EVA 입자의 마이크로 에멀션과, 특히 물 내에서 5%의 EVA 고체를 야기한다. 이 용액의 점도는 1.66mPa·s로 측정되었고, 표면 장력은 53.65mN·m-1로 측정되었다. 따라서, 그에 따른 마이크로 에멀션은 높은 표면 장력을 갖고, 셀룰로오스 기반의 종이 상에 프린팅되었을 때 약 80°의 접촉각을 이룬다. 이러한 물 내에서 왁스 마이크로 에멀션의 범위는 표면 장력이 34.5mN·m-1 내지 72mN·m-1의 값의 범위를 갖도록 실험실에서 준비되었다. 높은 표면 장력 값은 유체의 분사를 돕기 위해 유체가 갖는 역압력을 줄이는 데에 필요할 수 있다. 65°에서 90° 사이의 다양한 접촉각이 제공되었다. 도 9는 종이 상에 인쇄된 EVA 마이크로 에멀션의 사진이다.
도 7은 본 교시의 실시예에 따른 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템에서, 복수의 개별적인 오브젝트 미디어 레이어를 본딩하여, 삼차원(3D)의 오브젝트를 형성하는 방법이나 과정(800)을 나타내는 플로우차트이다. 앞서 잉크나 그와 같은 것으로 프린팅될 수 있는 복수의 오브젝트 미디어 레이어(100)는, 앞서 설명한 택 또는 임시 부분(105)과 본드 부분(110)을 각각 포함한다. 도 7을 참조하면, 택 접착제(405)와 본드 접착제(410)는 각각 오브젝트 미디어 레이어 n의 임시 부위(105)와 영구 부위(110)에 도포된다(810). 접착제는 앞서 설명한 잉크젯 프린팅 접착제 공급 장치(560)를 이용하여 도포될 수 있다. 오브젝트 미디어 레이어(100)는 다른 하나의 위에 배치된다(820). 오브젝트 미디어 레이어(100)는 각각의 레이어에 접착제가 도포됨으로써 다른 하나의 위에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 오브젝트 미디어 레이어(100)는 앞서 접착제가 도포된 오브젝트 미디어 레이어(100)의 위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 오브젝트 미디어 레이어 n+1은 단계 '820'에서 도시되는 바와 같이, 택 및 본드가 도포된 레이어 위에 배치될 수 있다. 부분적으로 완성된 레이어드 엘오엠 축조 스택(build stack)은 가장 최근에 단계 '830'에서 가열된 플레이트로 압력을 받아, 가장 최근에 도포된 레이어가 아래에 있는 레이어와 긴밀하게 접촉할 수 있게 된다. 가열은 택 접착제가 부분적으로 녹아, 택 접착제가 흘러서 위에 있는 미디어 레이어와 아래에 있는 미디어 레이어 사이의 중간층으로 있게 한다. 글루드 레이어가 80℃로 가열된 면과 2초 동안 접촉되게 하면, 택 접착제(605)의 왁스가 부분적으로 녹아 흐르게 할 수 있다. 레이어를 가열원으로부터 제거하는 동안 왁스는 두 레이어 사이에서 택을 형성하도록 재응고될 수 있다. 본드 접착제 레이어는 훨씬 더 강한 본딩력을 생성한다. 실험에서는 본드 접착제 레이어가 따로 떼어지면, 본드 부위의 종이 섬유가 찢어지는 것으로, 즉 글루 본드가 떨어지기 전에 종이 자체가 떨어지는 것으로 나타났다. 도 10은 본딩 및 열적으로 라미네이팅을 한 후에 두 오브젝트 미디어 레이어를 떼어내려고 한 결과, 본딩된 부위의 종이가 떨어진 사진이다. 단계 '840' 후에 축조 과정이 완료되면, 엘오엠 스택 전체는 택 접착제의 녹는점 이상인 5℃ 내지 30℃ 사이의 온도인 가열 오븐에 놓인다. 단계 '850'을 참조하면, 엘오엠 스택은 열이 엘오엠 스택을 완전히 침투함으로써 가열 오븐 내에서 열적으로 완전히 젖게 된다. 시간은 도포된 택 접착제의 양, 사용된 접착제의 함수량, 엘오엠 스택의 높이 및 가열 시간을 포함하는 다수의 변수에 따라 달라진다. 다만, 가열 시간은 일반적으로 작은 스택 오브젝트인 경우 10분 이내, 큰 스택 오브젝트인 경우 1시간 이상일 수 있다.
연장된 가열 시간은, 택 접착제를 녹게 하고, 택 부위로부터 멀리 흐르게 하며, 모세관 작용에 의해 본딩된 오브젝트로부터 이동하게 한다. 따라서, 택 레이어의 본딩력(bonding force)은 느슨해지고, 택 부위 미디어는 쉽게 떼어져, 오브젝트가 거의 스스로 위딩되게 한다. 이러한 방식으로, 오브젝트 미디어 레이어(100)의 임시 부위(105)는 함께 부착되지 못하여, 추후에 떼어냄 또는 위딩 공정이 가능하게 한다. 결국, 본딩된 영구 부위(110)를 포함하는 완성된 엘오엠 오브젝트는 택(tack)되거나 분리된 임시 부위(105)로부터 떼어진다(840).
엘오엠 스택의 중심부와 외부 환경이 일정한 온도를 갖게 함으로써, 엘오엠 레이어 스택의 온도를 약 90℃로 유지하여, 영구 본드 접착제 부위(110)는 높은 온도에서 더 많은 물이 증발되어 강화되는 경향이 있다.
반면, 제1 택 접착제(405)는 낮은 점도의 유체가 되게 녹아 모세관 작용에 의해 프린팅된 부위로부터 벗어나 이동한다. 일반적으로, 제1 택 접착제(405)는 영구 본드 접착제(410)가 이미 자리를 차지한 영구 본드 부위(110)로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있다.
그 결과, 택 부위(105)의 레이어(100)는 모든 구조적 일체성을 잃어 저절로 떼어지거나 스스로 위딩되려는 경향이 있고, 영구적으로 본딩된 오브젝트(1000)로부터 떨어진다.
레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템에서, 복수의 개별적인 오브젝트 미디어 레이어를 본딩하여, 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하는 방법이 제공되고, 상기 방법은
제1 택 접착제를 복수의 각 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위에 도포하는 것,
제2 본드 접착제를 복수의 각 오브젝트 미디어 레이어의 영구 부위에 도포하는 것,
오브젝트를 형성하기 위해 오브젝트 미디어 레이어를 서로의 위에 배치하는 것,
오브젝트 미디어 레이어를 미리 정해진 온도 이상으로 가열하여, 제1 접착제를 녹게 하고, 냉각하는 동안 재응고되어 임시적인 본드 부위를 형성하는 것,
오브젝트 미디어 레이어를 택 접착제의 녹는점 이상으로 가열하여, 택 접착제가 모세관 작용에 의해 본딩 부위의 중간층으로부터 이동하게 하는 것, 및
임시 부위를 엘오엠 오브젝트로부터 떼어내는 것을 포함한다.
오브젝트 미디어 레이어를 미리 정해진 온도 이상으로 가열하면, 제2 본드 접착제가 영구 부위를 영구적으로 본딩하여, 완성된 엘오엠 오브젝트를 형성하게 된다.
열은 오브젝트 미디어 레이어를 제1 접착제에서 사용된 왁스의 녹는점 이상의 온도로 가열하기 위해 가해진다. 본 명세에 따른 바람직한 구성에서, 가열 단계는 오브젝트 미디어 레이어를 80℃ 이상의 온도로 가열하는 것을 포함한다. 제1 접착제를 가열하면, 제1 접착가 모세관 이동하게 되고, 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위들이 디본딩된다. 본 명세의 실시예에 따른 바람직한 구성에서, 제1 접착제는 임시 접착제이고, 오브젝트 미디어 레이어는 종이 시트를 포함하며, 가열하면 제1 임시 접착제가 모세관 이동하게 되어, 종이 시트들이 디본딩된다.
미디어, 오브젝트 미디어 레이어 및 레이어라는 용어는 호환 가능하게 사용되었다. 상기 용어는 삼차원의 패브리케이션 공정에서 사용되는 기판과 관련된다. 본 출원의 바람직한 구성에서, 이는 종이나 셀룰로스 종이이다. 다만, 다른 종류의 미디어가 채택될 수 있는 것으로도 여겨지며, 폴리머 필름, 금속 호일(foil), 세라믹 파우더 함침 종이 시트, 금속 파우더 함침 시트, 폴리머 파우더 함침 시트, 수용성 종이, 왁스로 이루어진 기판 등을 포함할 수 있다.
본 교시는 영구적으로 본딩된 엘오엠 오브젝트로부터 임시적인 지지 재료를 제거하는 문제를 해결한다. 이는 전체 엘오엠 레이어 스택이 택 접착제의 녹는점 이상으로 가열될 때, 빌드 오브젝트의 임시 부위나 임시적인 지지 레이어를 분리하도록 구성된 임시 접착제를 사용함으로써 얻어진다. 이는 택 접착제가 흘러서, 임시 지지 레이어들의 경계면으로부터 떠나게 한다. 본 교시는 임시적인 지지 구조를 뜯어내어, 엘오엠 오브젝트를 드러내 보이기 위해 힘을 사용할 필요를 유리하게 제거한다. 더욱이, 본 교시의 본딩 모듈은 지지 재료로부터 엘오엠 오브젝트를 떼어내는데 필요한 공정을 가속시키도록 유리하게 구성된다. 또한, 본 교시는 위딩하거나, 엘오엠 오브젝트 재료를 부주의하게 제거하는 동안 엘오엠 오브젝트가 손상될 가능성을 감소시킨다.
본 발명은 몇 가지 예시적인 구성을 참조로 묘사되었지만, 이는 본 발명의 교시를 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남 없이 변형될 수 있는 구성으로만 제한하기 위한 것은 아닌 것으로 이해될 것이다. 이 처럼, 본 발명은 첨부된 청구항을 고려하여 필요하다고 간주되는 범위 내에서만 제한되는 것으로 이해될 것이다.

Claims (46)

  1. 복수의 오브젝트 미디어 레이어(object media layer)에 접착제를 도포함으로써, 삼차원의(3D) 오브젝트(object)를 형성하기 위한 레이어드 오브젝트 제조(layered object manufacturing, LOM) 시스템에 사용되는 접착제 공급 장치(adhesive dispensing sevice)에 있어서, 각각의 오브젝트 미디어 레이어는 임시 부위(temporary region)와 영구 부위(permanent region)를 포함하고, 상기 장치는 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위에 제1 접착제를 도포하고, 상기 오브젝트 미디어 레이어의 영구 부위에 제2 접착제를 도포하는 접착제 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 프린트 헤드(printhead)를 포함하는 접착제 공급 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 프린트 헤드는 상기 제1 및 제2 접착제를 동시에 같이 프린팅하도록 구성되는 접착제 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    단일의 프린트 헤드를 포함하는 접착제 공급 장치.
  5. 제2항 내지 4항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 하나의 프린트 헤드 또는 복수의 프린트 헤드는 잉크젯(inkjet) 프린트 헤드를 포함하는 접착제 공급 장치.
  6. 제1항 내지 5항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 장치는 상기 삼차원의 오브젝트 미디어 레이어로부터 이격되어 상기 접착제를 도포하도록 구성되는 접착제 공급 장치.
  7. 제2항 내지 6항 중 어느 하나에 있어서,
    각각의 상기 프린트 헤드는 상기 접착제를 프린팅할 때, 오브젝트 미디어 레이어의 폭을 가로질러 스캐닝하도록 구성되는 프린트 헤드 캐리지(printhead carriage)를 포함하는 접착제 공급 장치.
  8. 제2항 내지 7항 중 어느 하나에 있어서,
    각각의 상기 프린트 헤드는 페이지-와이드 어레이 프린트 헤드(page-wide array print head)를 포함하는 접착제 공급 장치.
  9. 제1항 내지 8항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 오브젝트 미디어 레이어의 특정한 위치에, 미리 정해진 양의 상기 제1 및 제2 접착제를 프린팅하도록 구성되는 접착제 공급 장치.
  10. 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하기 위한 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템에 있어서, 상기 시스템은 오브젝트의 오브젝트 미디어 레이어에 접착제를 도포하기 위한 접착제 공급 장치를 포함하고, 각각의 오브젝트 미디어 레이어는 임시 부위와 영구 부위를 포함하며, 상기 접착제 공급 장치는 상기 오브젝트 미디어 레이어의 다른 부위에 제1 및 제2 접착제를 도포하도록 구성되는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 접착제는 임시 택 접착제(temporary tack adhesive)이고, 상기 접착제 공급 장치는 상기 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위에 상기 제1 접착제를 도포하도록 구성되는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  12. 제10항 또는 11항에 있어서,
    상기 제2 접착제는 영구 본드 접착제(permanent bond adhesive)이고, 상기 접착제 공급 장치는 상기 오브젝트 미디어 레이어의 영구 부위에 상기 제2 접착제를 도포하도록 구성되는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  13. 제10항 내지 12항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 접착제는 본딩(bonding) 및 프로파일링(profiling) 동안, 상기 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위를 임시적으로 본딩하기 위해 도포되는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  14. 제10항 내지 13항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 접착제는 접착제가 도포된 복수의 상기 오브젝트 미디어 레이어가 미리 정해진 온도 이상으로 가열되었을 때, 녹아서 상기 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위들 사이의 경계면으로부터 흘러나오도록 구성되는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  15. 제11항 내지 14항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 택 접착제는 단일의 고체 왁스를 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 왁스는 밀랍(beeswax)을 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  17. 제11항 내지 14항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 택 접착제는 탈이온수 내에서 왁스 입자의 마이크로 에멀션(microemulsion)을 포함하는 레이어드 오브젝트 시스템.
  18. 제15항 내지 17항 중 어느 하나에 있어서
    상기 왁스는 파라핀 왁스(paraffin wax), 밀랍 또는 카르나우바 왁스(Carnauba wax)를 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  19. 제11항 내지 18항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 택 접착제는 스테아르산(stearic acid)을 더 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  20. 제11항 내지 19항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 택 접착제는 10 내지 11 사이의 pH를 갖는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  21. 제11항 내지 20항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 택 접착제는 분리 가능하거나 비활성화될 수 있거나 제거될 수 있도록 구성되는 임시적인 접착제인 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  22. 제10항 내지 21항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제2 접착제는 상기 오브젝트 미디어 레이어의 영구 부위를 서로 영구적으로 본딩하기 위한 본드 접착제를 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 본드 접착제는 탈이온수에서 에틸렌 비닐 아세테이트 코-폴리머 글루(ethylene vinyl acetate(EVA) co-polymer glue) 에멀션 입자의 마이크로 에멀션을 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  24. 제22항 또는 23항에 있어서,
    상기 본드 접착제는 탈이온수에서 약 5%의 EVA 고체를 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  25. 제22항 내지 24항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 본드 접착제는 약 1.66mPa·s의 점도를 갖는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  26. 제22항 내지 25항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 본드 접착제는 약 53.65mN·m-1의 표면 장력을 갖는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  27. 제10항 내지 26항 중 어느 하나에 있어서,
    각각의 상기 제1 및 제2 접착제는 50mPa·s 미만의 점도를 갖는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  28. 제10항 내지 27항 중 어느 하나에 있어서,
    각각의 상기 제1 및 제2 접착제는 1 내지 10mPa·s 이내의 범위의 점도를 갖는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  29. 제10항 내지 28항 중 어느 하나에 있어서,
    각각의 상기 제1 및 제2 접착제는 34mN·m-1 초과의 표면 장력을 갖는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  30. 제10항 내지 29항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 및 제2 접착제는 잉크젯 프린팅되도록 구성되는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  31. 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템에서, 복수의 개별적인 오브젝트 미디어 레이어를 본딩하여, 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하기 위한 본딩 모듈(bonding module)에 있어서, 각각의 상기 오브젝트 미디어 레이어는 제1 택 접착제가 도포되는 임시 부위와 제2 본드 접착제가 도포되는 영구 부위를 포함하고, 상기 본딩 모듈은 접착제가 도포되는 복수의 상기 오브젝트 미디어 레이어를 가열하기 위한 히팅 엘리먼트를 포함하는 본딩 모듈.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 히팅 엘리먼트는 접착제가 도포된 복수의 상기 오브젝트 미디어 레이어를 미리 정해진 온도 이상으로 가열하여, 상기 제1 접착제가 녹아서 상기 임시 부위들 사이의 경계면으로부터 흘러나오게 하고, 상기 제2 접착제가 상기 본드 부위를 영구적으로 함께 본딩하게 하도록 구성되는 본딩 모듈.
  33. 제31항 또는 32항에 있어서,
    상기 본딩 모듈은 복수의 상기 오브젝트 미디어 레이어를 스태킹(stacking)하기 위한 빌드 테이블(build table)을 포함하고, 상기 빌드 테이블은 상기 오브젝트 미디어 레이어와 상기 히팅 엘리먼트가 접촉하도록 이동할 수 있게 구성되는 본딩 모듈.
  34. 제31항 내지 33항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 히팅 엘리먼트는 핫플레이트(hotplate)를 포함하는 본딩 모듈.
  35. 제32항 내지 34항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 미리 정해진 온도는 최소한 80℃인 본딩 모듈.
  36. 제31항 내지 35항 중 어느 하나에 있어서,
    제1항 내지 9항 중 어느 하나에 의한 상기 접착제 공급 장치를 포함하는 본딩 모듈.
  37. 프린팅된 복수의 개별적인 미디어 레이어를 모아, 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하도록 구성되는 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템에 있어서, 상기 시스템은
    상기 삼차원의 오브젝트를 형성하기 위해 프린팅된 복수의 개별적인 상기 미디어 레이어를 모으도록 구성되는 컬레이터(collator)를 포함하고,
    상기 컬레이터는 제1항 내지 9항 중 어느 하나에 의한 상기 접착제 공급 장치와 제31항 내지 36항 중 어느 하나에 의한 상기 본딩 모듈을 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  38. 제37항에 있어서,
    컬레이션(collation)에 앞서, 복수의 각 상기 오브젝트 미디어 레이어를 프린팅하기 위한 잉크 프린팅 모듈(ink printing module)을 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  39. 제37항 또는 38항에 있어서,
    상기 컬레이터는 복수의 상기 미디어 레이어의 개별적인 하나를 프로파일링(profiling)되게 하여, 상기 삼차원의 오브젝트에서 원하는 삼차원의 모양이 되게 하도록 구성되는 프로파일링 모듈(profiling module)을 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  40. 레이어드 오브젝트 제조(LOM) 시스템에서, 복수의 개별적인 오브젝트 미디어 레이어를 본딩하여, 삼차원의(3D) 오브젝트를 형성하는 방법에 있어서, 각각의 상기 오브젝트 미디어 레이어는 임시 부위와 영구 부위를 포함하고, 상기 방법은
    제1 택 접착제를 복수의 각 상기 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위에 도포하는 것;
    제2 본드 접착제를 복수의 각 상기 오브젝트 미디어 레이어의 영구 부위에 도포하는 것;
    상기 오브젝트 미디어 레이어를 서로의 위에 배치하여, 상기 오브젝트를 형성하는 것;
    상기 오브젝트 미디어 레이어를 미리 정해진 온도 이상으로 가열하여, 상기 제1 접착제를 녹게 하고, 냉각하는 동안 재응고되어 임시적인 본드 부위를 형성하게 하는 것;
    상기 오브젝트 미디어 레이어를 상기 택 접착제의 녹는점 이상으로 가열하여, 상기 택 접착제가 모세관 작용에 의해 상기 본딩 부위의 중간층으로부터 이동하게 하는 것; 및
    상기 임시 부위를 엘오엠(LOM) 오브젝트로부터 떼어내는 것을 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 오브젝트 미디어 레이어를 미리 정해진 온도 이상으로 가열하는 것은 상기 제2 본드 접착제가 상기 영구 부위를 영구적으로 본딩하여, 완성된 엘오엠 오브젝트를 형성하게 하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  42. 제40항 또는 41항에 있어서,
    상기 오브젝트 미디어 레이어를 상기 제1 접착제에 사용된 왁스의 녹는점 이상으로 가열하는 것을 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  43. 제40항 내지 42항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 오브젝트 미디어 레이어를 80℃ 이상의 온도로 가열하고, 온도를 그 수준에서, 상기 택 접착제가 이동하기 위한 충분한 시간을 보장하는 기간 동안 유지시키는 것을 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  44. 제40항 내지 43항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제1 접착제를 가열하는 것은 상기 제1 접착제가 상기 오브젝트 미디어 레이어의 임시 부위들의 디본딩(debonding)을 유도하는 모세관 이동을 하게 하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  45. 제40항 내지 44항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 오브젝트 미디어 레이어는 종이 시트를 포함하는 레이어드 오브젝트 제조 시스템.
  46. 접착제가 도포되는 레이어에 임시적인 본딩을 제공하는 택 접착제를 포함하는 접착제.
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