KR20150126916A - 나선형 쌓아 올리기를 이용한 입체 인쇄 - Google Patents

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Abstract

단일의 소형 장치를 이용하면서 종래의 비효율성 및 결함을 해결하는 효율적인 3D 인쇄 방법, 장치, 및 시스템이 제시된다. 일부 실시예는 연속 헬리컬 인쇄 공정을 이용하면서, 하나의 중심점 주위에서 대칭되게 회전하는 원형 건조 영역을 이용한다. 일 실시예에서, 물리적 물체를 형성하기 위해 고화용 액상 광 경화성 수지를 건조 플랫폼 상에 부착시킨다. 건조 플랫폼은 연속적으로 회전하며 이와 동시에 프로그램된 방식으로 점진적으로 상승한다. 헬리컬 방식으로 부착되고 결합되는 단일 연속 "층"이 상기 건조 플랫폼 아래에서부터 초점이 맞추어져서 제작된다.

Description

나선형 쌓아 올리기를 이용한 입체 인쇄{3D PRINTING USING SPIRAL BUILDUP}
[관련 출원의 교차 참조]
본 출원은 2013년 3월 12일에 발명의 명칭을 "나선형 쌓아 올리기를 이용한 입체(3D) 인쇄"로 하여 출원된, 커트 더들리(Kurt Dudley)의 미국 가출원 제61/778,285호의 이익을 주장한다. 이 가출원은 그 전체가 본 명세서에 원용되어 포함되지만, 도면, 도표, 개요도, 도해, 및 관련된 설명서에 한정되지 않는다.
[기술분야]
본 출원에서는 중합체 재료, 생물학적 재료, 또는 금속성 재료와 같은 광범위하게 다양한 매체로 입체 물체를 형성하기 위한 방법, 절차, 및 장치에 대해 기술된다. 본 발명의 방법, 절차, 및 장치는 종래의 광조형(sterolithographic) 방식, 광경화 방식, 또는 기타 방식의 입체 물체 형성 기술에 비해서 개선된 점들을 구성하는 방식으로, 중합, 가교 결합, 경화, 소결, 용융, 또는 고화 및 유사한 기술을 사용하여 입체(3D) 구조를 제작할 수 있도록 프로그램된다.
최근, 3D 인쇄는 입체 물체를 예컨대 시제품 제작 및 생산 목적으로 정확하게 형성하는 데 있어서 효과적인 기술로 입증되었다. 가장 일반적인 의미에서, 3D 인쇄는 일반적으로 소망하는 물체의 영상 지도를 생성하는 데에 3D 스캐너 및/또는 컴퓨터 소프트웨어를 이용한다. 그 영상 지도는 이어서 제조 장치가 부가 공정을 통해 플라스틱, 중합체, 생체 재료 또는 수지와 같은 유동성 재료를 퇴적시킬 수 있도록 격자형 구조로 변환된다. 기존의 다양한 3D 인쇄 방법론들은 그 특유의 장점을 제공하고, 또한 그 방법론들 각각은 고유의 단점도 갖는다.
이러한 방법론들 중 한 가지는 찰스 더블유 헐(Charles W. Hull)에 의해 개발된 것으로 믿어지며 예컨대 미국 특허 제4,575,330호에 기재된 광조형(streolithography)이다. 광조형은 입체 물체를 만드는 것을 목표로 하는 것으로서, 유체와 같은 매체의 층을 이전에 형성된 매체의 층에 인접하게 연속적으로 선형 형성하고, 이어서 이들 층을 고체 층으로 형성하기 위해 원하는 입체 물체의 연속하는 절편을 나타내는 단면 데이터에 따라 선택적으로 고화시키는 것에 기초하여 입체 물체를 만드는 것이다. 광조형 기술은, 전형적으로는 용융된 열가소성 또는 선택적으로 고화되는 광 경화성 수지(photopolymer)인, 액체 매체를 사용한다. 열가소성 재료는 낮은 온도에 노출됨으로써 고화되고; 광 경화성 수지는 일반적으로 가교 또는 경화를 일으키는 UV 또는 가시 파장의 방사선(radiation)에 노출됨으로써 고화된다. 이러한 방사선을 광 경화성 재료 상으로 보내는 전형적인 방법은 모터 제어식 스캐닝 미러, 마스크 시스템 또는 레이저를 포함하는데, 여기서 최소의 물리적 해상도는 레이저 빔의 크기, 또는 마스크 내의 화소의 크기이다.
광 경화성 수지계의 수지를 고화시키는 광조형 기반 기계들은, 물리적 갠트리 시스템을 사용하여 X-Y 평면에서 스캐닝되거나 아니면 검류계 또는 회전 다각형 미러와 같은 전자 기계적 구동 방식의 고반사 표면에 의해 지향되는 단일 초점 레이저 포인트를 전형적으로 이용한다. 이 때문에, 인쇄 속도는 층 밀도와 층 체적 모두에 반비례한다.
광 경화성 수지를 고화시키기 위해 상기 "단일 포인트" 타입의 광조형을 사용하는 방법은 헐(Hull)의 미국 특허 제4,575,330호에 기술된 레이저 및 제어 가능한 미러 구성을 사용하는 것을 포함한다. 이 공정은 건조 플랫폼(build platform)을 광 경화성 재료 통 안으로 점진적으로 침지시키는 것을 이용하는데, 여기서 건조 플랫폼을 덮는 재료의 층은 이 재료의 표면을 따라 X/Y 평면으로 방사선을 지향시키는 2 개의 제어 가능한 미러를 이용하여 레이저로부터 나오는 표적 방사선을 통해 고화된다. 여러 영역들이 물체를 나타내는 가상 입체 모델의 절편의 단면 비트맵 이미지로 표현된 단면 데이터에 대응하여 선택적으로 고화된다. 액체 표면 위에 선들이 그어져서 광 경화성 재료가 고화된다. 이 공정은 다음의 원하는 층 높이에 상관된 양만큼 건조 플랫폼을 재료 통 안에서 낮춤으로써 여러 번 반복된다. 새로운 재료가 축조(construction) 영역에 부착(deposit)된 후, 고화 과정이 반복됨으로써 개개의 적층된 층이 형성되어서 입체 물체가 형성된다.
"평면 노출" 유형의 광조형을 이용하는 또 다른 방법은 광조형 공정에 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD: Digital Micromirror Device) 기반의 변형 기술을 사용하는 것이다. 이러한 변형 기술은 인쇄 속도에 있어서 상당한 개선을 제공하며 소정의 층 체적을 위한 층 밀도와는 무관한 일정한 구축 시간을 창출하는데, 왜냐하면 DMD 어레이는 노출될 수 있으며, 층을 생성하기 위해 스캐닝되어야 하는 단일 포인트를 지향시키는 것이 아니라 초점을 맞춘 광의 전체 평면들을 한 번에 지향시킬 수 있기 때문이다. 전형적인 720x480 DMD 어레이는 1회의 층 노출 시에 복셀(voxel)이라고도 알려져 있는 고화된 수지의 345,600개의 개별 "포켓"들 모두를 한 번에 노출시킬 수 있다. 전형적인 층 노출 시간은 다양한 요인에 따라 0.2초 내지 10 초 이상의 범위일 수 있다. DMD 기반 공정은 작은 인쇄 크기에 있어서는 아주 잘 작동할 수 있지만, 임계 층 면적을 초과하게 되면, 층 박리 기구에 의해 발생되는 흡입력이 입체 물체의 조성을 방해할 것이다.
위의 공정들에 몇 가지 제한 사항이 있다. 예를 들어, 해상도는 레이저의 초점 맞춤이 가능한 포인트의 크기에 비례하는데, 해상도를 증가시키기를 원하는 경우에는 더 작은 점의 크기가 사용되어야 한다. 이것은 주어진 영역에 그어지는 선의 총량을 증가시키는 결과를 야기하며, 그 결과 축조 시간이 길어진다. 또한, 플랫폼을 재료 통 안에 침지시키는 공정은 만들어 낼 수 있는 물체의 기능적 크기를 제한하며, 또한 입체 물체를 축조하는 데 있어서 대량의 광 경화성 재료를 노출시키는 것을 필요로 한다.
또한, 유체 표면에 방사선을 쬐는 상기 방법은 액체 표면에 대한 교란에 의해 야기될 수 있는 오류 및 일관된 층 높이와 관련하여 그 고유의 일련의 문제점들을 갖는다. 상기 교란은 진동의 내부 근원과 외부 근원 모두에서 유발될 수 있다. 층 높이와 이에 따른 물체의 수직 해상도도 또한 사용되는 재료의 점도와 표면 장력에 의존한다. 이는 소정의 범주의 재료를 가지고 달성할 수 있는 수직 해상도를 제한한다.
최근에는, 통의 바닥에 부착되는 새롭게 고화되는 층에 의해 유발되는 표면 부착의 추가 인자를 도입하는, 반전식 광조형 공정이 개발되었다. 이러한 부착력은 고화 층의 크기의 함수로서 증가한다. 그러나, 다음의 추가 재료 층의 고화되기 전에 새로운 재료가 배치될 수 있도록 하기 위해서는, 축조 공정을 재개하기 전에, 예컨대 떼어내기(prying), 기울이기, 박리, 및 미끄럼을 이용해서, 접착력은 제거되어야 하고 건조 플랫폼은 끌어올려져야 한다.
접착력 제거를 위한 이들 공정은 통, 건조 플랫폼, 건조 플랫폼을 위한 끌어올림 요소, 및 새로 고화된 형상의 인쇄된 물체를 높은 응력 부하 하에 놓이게 하는데, 상기 응력 부하는 기계와 그의 부품들의 기능적 수명을 감소시킬 뿐만 아니라 축조되는 물체의 변형과 박리를 야기할 수 있다. 큰 면적의 고화 시에 이러한 표면 접착을 줄이고자 하는 방법이 유럽 특허 출원 공개 공보 EP 2419258 A2호에 기술되어 있는데, 이 방법에서는, 단일 층이 개별적으로 고화되어 분리되는 다수의 서브컴포넌트 화상으로 나누어진다. 그러나, 이 방법은 축조 시간을 두 배로 하며, 지지되지 않은 고화될 영역의 양이 증가됨으로써 야기되는 박리로 인해 제품 실패의 가능성을 증가시킨다.
모든 신속한 제조 시스템을 개선시킬 수 있는 공통적인 영역에는, 해상도 증가, 축조 가능한 부품의 확장성 향상, 중공 공동 및 돌출부와 같은 어려운 형상을 축조할 수 있는 능력의 증대, 그리고 작은 주변 지지지부를 갖는 것들과 같은 작고 깨지기 쉬운 형상을 축조하고 유지하는 능력의 증대가 포함된다. 각 층을 축조하는 시간과 총 축조 시간은, 소정의 물체를 축조하는 데 얼마나 오래 걸리는지를 나타내는 것으로서, 일련의 특유의 제한적 인자들을 각각이 고유하게 갖고 있는 모든 시스템에 있어서의 축조 공정의 효율성과 관련된 또 다른 중요한 요소이다. 따라서, 하나의 컴팩트한 장치를 이용하면서도 이러한 종래의 비효율성을 해결하는 효율적인 방법 및 장치가 필요하다.
본 출원에서는, 단일 장치를 이용하여 현존하는 3D 인쇄 시스템의 비효율성과 결함을 해결하는, 효율적인 3D 인쇄를 위한 방법, 장치, 및 시스템이 기술된다. 설명의 편의 및 효율적인 명명법을 제공하기 위해, 본 발명의 특징을 설명 및 포함하는 새로운 기술, 절차 및 장치를 이용하여 입체 구조물을 형성하는 것을 헬리오리소그라피(heliolithography)라고 한다. 헬리오리소그라피는 전통적인 시제품 제작 기술과 관련된 위에서 언급한 고유의 문제점들에 대한 해결책을 제공한다. 이는, 완전히 자동화된 공정을 이용하여 짧은 시간 내에, 입체의 견고한 물리적 제품을 컴퓨터 기반 데이터로부터 직접 제조할 수 있게 하며 매우 높고 정확한 세부 수준으로 재현할 수 있게 한다. 헬리오리소그라피의 특정 양상들은 광조형과 유사하다. 헬리오리소그라피 기반의 공정과 광조형 기반의 공정은 모두가 다양한 재료를 그들의 기본 재료로서 사용할 수 있는데, 그 재료들은, 광 경화성 수지가 충분한 에너지 밀도의 정확하게 지향되고 초점을 맞춘 화학선 광자(actinic photon) 공급원에 노출될 때에 유리 라디칼 중합과 같은, 다양한 고화 기술을 통해 물리적 부품들로 고화된다. 그러나 헬리오리소그라피 기반 공정과 광조형 기반 공정 사이에는 몇 가지 중요한 차이점이 있다.
헬리오리소그라피는 광 경화성 수지 재료와 같은 재료를 나선형 쌓아 올리기(spiral buildup)에 의해 얇은 선들로 연속적으로 고화시키기 위해 위에서 논의된 "단일 포인트" 및 "평면 노출" 개념들을 가장 잘 이용한다. 이 선들이 건조 영역(building area), 예컨대 단일 중심점 둘레에서 대칭되게 회전하는 원형 건조 영역에서 반경으로 배향될 때, 연속 인쇄 공정은 헬리컬(helical) 방식으로 수행될 수 있다. 일 실시예에서 건조 플랫폼(이 위에 고화된 재료가 부착되어서 물리적 물체가 형성됨)이 연속적으로 회전하며 그와 동시에 매우 점진적으로 상승하고, 그 동안에 광 경화성 수지와 같은 고화될 재료가 투명한 플랫폼 상에 얇은 선의 액체로서 부착된다. 상기 플랫폼 아래의 위치에서부터 전달되는 집속된 화학선 방사선의 고정 선이 상기 액체 광 경화성 수지로 지향됨으로써, 이전에 또는 동시에 헬리컬 방식으로 부착된 인접 재료에 부착되어 접합되는 현재의 고화 재료의 단일 연속 "층"이 만들어진다. 대안으로, 헬리오리소그라피는 또한 집속된 방사선의 선이 경화되고 있는 액체 광 경화성 수지 아래에서 프로그램된 방식으로 연속적으로 "회전"하는 동안에 건조 플랫폼을 회전 없이 천천히 높임으로써 구현될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 쌓아 올리기(buildup) 및 경화 공정 동안, 상기 플랫폼은 주기적으로 또는 연속적으로 회전할 수 있고 이와 동시에 화학선 광은 주기적으로 또는 연속적으로 위치를 재설정할 수 있다.
본 발명의 특징들을 포함하는 방법들 및 시스템들은 종래 기술에 의해 달성될 수 있는 것보다 더 빠르고 경제적인 방식으로 대형의 구조적 물체를 인쇄할 수 있는 능력을 유지하면서도 그와 동시에 높은 축조 해상도(construction resolution)를 갖도록 하는 과제를 해결하고자 하는 것이다. 이러한 시스템들은 예컨대 광 경화성 재료와 같은 재료를 부착시키고 고화시키되, 재료의 나선형 쌓아 올리기가 이루어지게 하는 회전 방식으로 부착시키고 고화시키는, 연속적인 방법을 이용할 수 있다.
본 발명의 특징들을 포함하는 장치의 몇몇 실시예에서는, Z 축을 따라 높이를 조절할 수 있는 회전식 건조 플랫폼이 이용된다. 이 건조 플랫폼은, 적어도 하나의 재료 분배기, 적어도 하나의 투명 기판으로서, 예컨대, 이 기판에서는 재료가 흐르며, 고화되는 동안에 건조 플랫폼에 대해 유지되는 것인 투명 기판, 사용되지 않은 재료를 제거하기 위한 적어도 하나의 배출 시스템, 및 고화되지 않은 재료를 수집하고 제거하고 재활용하기 위한 적어도 하나의 잉여 재료 스트리퍼를 포함하는, 적어도 하나의 고화 영역 상으로 낮추어진다. 광중합 공정에서, 투명 기판 아래의 선원(source)으로부터 방출된 전자기 방사선은 기계의 메모리 시스템에 저장된 입체 물체로부터 도출된 포인트 데이터와 일치하는 구체적인 표적 영역의 광 경화성 축조 재료 상으로 지향된다.
광 경화성 수지의 사용에 있어서, 축조 재료와 방사 선원(irradiation source)은 축조 재료의 거의 순간적인 경화를 제공할 수 있도록 선택된다. 고화된 재료는 회전하는 건조 플랫폼에 접착되고, 그 결과 재료가 연속적으로 또는 반연속적으로 나선형으로 쌓아 올려져서, 원하는 입체 물체와 외관이 실질적으로 유사한 물체가 축조된다. 본 발명의 특징들을 포함하는 이러한 공정들을 이용함에 있어서는, 축조 가능한 물체의 수직 해상도는 재료의 연속 나선형 층의 층 높이 또는 층 피치 각에 대응할 수 있고, 또한 투명 기판 상에 유지되는 광 경화성 재료 위에 반전된 건조 플랫폼이 현수되는 상대 거리를 변화시킴으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 이들 및 또 다른 실시예들과 특징들 및 장점들은, 첨부된 도면을 함께 참작하면서 다음의 상세한 설명에 의거할 때, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터 장치의 단면 분해도이다.
도 2는 본 발명의 특징들을 포함하는 도 1의 3D 프린터 장치의 정면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터 장치의 부품들의 단면 분해도이다.
도 4는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 화상 형성 부품의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 z축 승강 스테이지의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터용 건조 플랫폼 장착판의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터 장치를 위한 탈착 가능한 건조 플랫폼 삽입체의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터를 위한 탈착 가능한 건조 플랫폼 삽입체의 저면도이다.
도 9는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터를 위한 확장된 고화 영역/통의 개관적 평면도이다.
도 10은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 기본 재료 저장 및 축조 영역의 부분적 내부 사시도이다.
도 11은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 완전 고화 영역의 사시도이다.
도 12a는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 부품인 건조 챔버 플로어의 중심으로부터 방사상으로 퍼지게 축조되고 있는 하나의 물품을 도시하는 도면이다.
도 12b는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 부품인 건조 챔버 플로어의 중심으로부터 방사상으로 퍼지게 축조되고 있는 중인 다수의 물품들을 도시하는 도면이다.
도 13a는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 단일 축조 쌓아 올리기 영역을 이용하는 연속 나선형 층 축조의 측면도이다.
도 13b는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 다수의 축조 영역을 이용하는 연속 나선형 층 축조 쌓아 올리기의 측면도이다.
도 14는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터 부품를 위한 방사선 선원(radiation source)의 사시도이다.
도 15는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터를 위한 대안적인 방사선 선원의 사시도이다.
도 16은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터를 위한 또 다른 방사선 선원의 확대 사시도이다.
도 17은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터를 위한 제4 방사선 선원의 사시도이다.
도 18은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터를 위한 제5 방사선 선원의 사시도이다.
도 19는 본 명세서에 도시되고 설명된 3D 프린터 장치를 이용하여 제품을 건조하기 위한 특정 실시예의 공정 흐름도이다.
도 20은 본 명세서에 도시되고 설명된 3D 프린터 장치를 이용하여 제품을 건조하기 위한 특정 실시예의 공정 흐름도이다.
도 21은 본 명세서에 도시되고 설명된 3D 프린터 장치를 이용하여 제품을 건조하기 위한 특정 실시예의 공정 흐름도이다.
도 22는 입체 구조물을 인쇄하는 중에 있는 도 1의 3D 프린터 장치의 측면도이다.
본 명세서는 단일의 소형 장치를 이용하면서 종래의 비효율성 및 결함을 해결하는 효율적인 3D 인쇄 방법 및 장치를 설명한다. 그러한 방법 및 3D 제조 장치의 예시로서, 투명 기판 상에 광 경화성 재료를 분배하고, 그 재료를 선택적으로 경화 및 고화시키고, 고화된 생성물을 회수하는 것이 설명된다. 그러나, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서의 교시에 기초할 때에 본 명세서에 기재된 장치 및 기술은 고화를 실행시키기에 적합한 방사 선원과 함께 광 경화성 수지를 사용하는 것에 제한되지 않고 고체 입체 물체가 연속적으로 형성될 수 있도록 급속히 고화될 수 있는 광범위한 범주의 유동성 재료에도 쉽게 적용할 수 있다는 것을 인지할 것이다.
본 명세서 전체에서, 본 명세서 중의 양호한 실시예들과 예시된 예들은 본 발명의 범위에 대한 제한이라기보다는 본보기로서 제공되고 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "발명", "방법", "시스템", "본 발명 방법", "본 발명 시스템" 또는 "본 발명"은 본 명세서에 설명된 본 발명의 특징들을 포함하는 실시예들 중 임의의 실시예와 임의의 균등물을 가리킨다. 또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 "발명", "방법", "시스템", "본 발명 방법", "본 발명 시스템" 또는 "본 발명"의 여러 특징들에 대한 언급은 청구된 모든 실시예 또는 방법이 그 언급된 특징들을 포함해야 한다는 것을 의미하지 않는다.
또한 어떤 요소 또는 특징부가 다른 요소 또는 특징부 "위에" 있거나 또는 "인접해" 있다고 언급될 때, 그것은 다른 요소 또는 특징부 바로 위에 있거나 또는 바로 인접해 있다는 것이거나, 혹은 역시 존재할 수 있는 요소 또는 특징부들을 개재시키고 있다는 것일 수 있음도 이해가 될 것이다. 또한, 하나의 특징부와 다른 특징부와의 관계를 설명하기 위해 "외부", "위", "하부", "아래"와 같은 상대적 용어 및 이와 유사한 용어가 본 명세서에서 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에 묘사된 방향 외의 다른 방향들을 포함하도록 의도되었음이 이해될 것이다.
다양한 요소들 또는 부품들을 설명하기 위해 제1, 제2, 등의 용어가 본 명세서에 사용될 수 있지만, 이들 요소들 또는 부품들은 이들 용어에 의해 제한되어서는 안 된다. 이 용어들은 하나의 요소 또는 부품을 다른 요소 또는 부품과 단지 구별하기 위해서 사용되는 것이다. 따라서, 후술하는 제1 요소 또는 부품은 본 발명의 교시 내용으로부터 벗어남이 없는 상태에서 제2 요소 또는 부품으로 명명될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 용어 "및/또는"은 하나 이상의 관련된 열거 물품들 중 임의의 것 또는 그 열거 물품들의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이지, 본 발명을 한정하려는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태의 표현 및 "상기"는 문맥에서 달리 명시적으로 나타내고 있지 않는 한, 복수 형태도 포함하도록 의도되었다. 예를 들어, 본 명세서에서 방사 선원 또는 재료라고 언급하는 경우, 첫 번째 경우의 용어는 하나의 선원 또는 복수의 방사 선원 또는 방사 선원들의 열을 포함하는 것이고 두 번째 경우의 용어는 하나 또는 다수의 재료 공급원을 포함하는 것으로 이해된다. 용어 "포함한다(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함한다(includes)" 및/또는 "포함하는(including)"이 본 명세서에 사용될 때, 이는 언급된 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 요소들 및/또는 부품들의 존재를 명시하는 것으로서, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 요소들, 부품들 및/또는 이들의 그룹의 존재가 추가되는 것을 배제하지 않음을 이해하게 될 것이다.
추가로 인지하고 있어야 할 점은, "중실" 3D 구조물이라는 언급은 중실형 축조물의 재료를 가리킨다는 것이며, 제작된 입체 제조물은 반드시 중실 구조물이어야 하는 것은 아니고 채워지지 않거나 중공인 공간이 안에 있는 제조물 또는 의도된 경우에는 개구, 기공, 또는 격자형 구조물을 포함할 수 있으며 실제로는 액체 또는 비고체 충전 재료를 둘러싸는 공간을 안에 포함할 수 있다는 것이다.
축조(construction) 절차를 설명하기 위한 용어인 "반전(inverted)" 또는 "반전식 건조(inverted build)"는, 때때로 건조 플랫폼 삽입체(18)에 장착된 입체 구조물의 "기부"라고도 부르는 부분을 구비한 수평으로 조립된 건조 구조물(16, 18) 아래에 현수된 입체 구조물을 건조하는 방법 및 절차를 말한다. 조립된 건조 구조물(16, 18)은 도 22에 도시된 바와 같이 입체 구조물(780)을 인쇄할 때에 축조/고화 영역(20)에서부터 위로 수직 방향으로 상승된다.
일부 실시예에서, 헬리오리소그라피 공정의 기본적인 필수 기능은, 컴퓨터 지원 설계(CAD) 방식의 컴퓨터 프로그램을 이용하여 나선형(spiral) 또는 헬리컬(helical) 구조들로 구획화된 영상 맵을 생성하는, 3D 모델 소프트웨어 파일을 사용해서 수행될 수 있다. 나선형 구조는, 축조 재료를 선택적으로 고화시키기 위해 노출 구역에 방사선을 제어 가능하게 투사시킴으로써 의도하는 인쇄 물체의 고화되는 표면 영역을 따르는 여러 포인트에 대응하는 분획된 이미지들 또는 비트 데이터로 변환될 수 있다.
고화 방법은 자극에 반응하여 액체 또는 유동 상태에서 고체로 변화할 수 있는 임의의 건조 재료를 이용할 수 있다. 예를 들어, 고화는 회전하는 건조 플랫폼 상에 위치된, 방사선이 조사되는 반응성 액상 광 경화성 수지 재료를, 경화 또는 반응시키기 위한 적절한 물리적 특성들을 갖는 방사 선원(radiative source)을 제공한 결과일 수 있다. 일부 실시예에서, 건조 재료는 적어도 하나의 광 개시제(photoinitiator)를 함유하는 광 경화성 수지 용액을 포함한다. 광 개시제는 국부적 방사선 조사 영역에서 빠른 중합을 일으키는 유리 라디칼을 생성하는 특정 파장의 방사선을 흡수한다. 사용할 수 있는 대표적인 화학제는 불포화 폴리에스테르, 스티렌-폴리엔, 티올-아크릴레이트, 및 메타크릴레이트-지환족 에폭사이드를 포함할 수 있다. 대안으로, 기본 중합체의 가교 결합을 유발시키기 위해 제2 반응성 재료가 분배될 수 있다. 또한, 열가소성 물질을 가열하여 액화시키고, 이어서 급속 냉각시켜서 고화시킬 수 있다. 또 다른 대안으로서, 분말 금속 또는 열가소성 물질을 분배할 수 있고, "스폿 용접"에 열원 또는 레이저 빔을 사용한다.
이러한 공정에서 사용되는 광 반응성 재료용의 전형적인 제형은, 하나 이상의 단량체(monomer)(특정의 원하는 특성 및 접착을 제공하는 저중량의 분자), 소중합체(oligomer)(예컨대 증가된 인장 강도, 강성, 및 연신과 같은 추가적인 특성에 기여하는 중간 길이의 중합체 사슬), 광 개시제(중합 공정을 개시하는 유리 라디칼 생성을 유발시키는 감광성 재료), 및 충전제, 안료, 염료, 접착 촉진제, 내마모성 재료, UV 광 안정화제 및 화학적 안정화제 등의 첨가제를 포함한다.
기재된 공정에 사용될 수 있는 광 경화성 수지 제형의 일례는 광개시제, 페닐비스(2,4,6-트리메틸벤조일) 포스핀 산화물 [CH3) 3C6H2CO] 2P (O) C6H5 및 디페닐(2,4,6-트리메틸벤조일) 포스핀 산화물 (CH3) 3C6H2COP (O) (C6H5)2를 1종 이상 2 중량% 내지 8 중량%의 농도로 함유한 1, 6-헥산디올(HOCH2 (CH2) 4CH2OH) 및 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트 (C3H3O). (C2H4O)n.(C3H3O2)와 같은 단량체의 용액을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 특징을 포함하는 예시적인 3D 프린터(10)의 일부 주요 기능 부품들의 단면도 및 정면 사시도를 보여주고 있다. 3D 프린터(10)는 화상 형성 유닛(12), 축조 프레임(construction frame)이라고도 칭하는 z축 승강기 스테이지(14), 건조 플랫폼(build flatform)(16), 및 조립된 건조 플랫폼(도 2에 도시된 바와 같음)이 제공될 수 있도록 건조 플랫폼(16)과 함께 맞추어지게 구성된 건조 플랫폼 삽입체(18)를 포함한다. 본 명세서에서는 건조 플랫폼(16) 및 건조 플랫폼 삽입체(18)를 모두 이용하는 구성을 기재하고 있지만, 본 발명의 특징을 포함하는 방법 및 장치를 사용함에 있어서는 건조 플랫폼 삽입체(18) 없이 건조 플랫폼(16)만을 사용할 수 있다는 것을 알 수 있다. 조립된 건조 플랫폼(16, 18) 아래에는 축조/고화 영역(20), 재료 저장 영역(22), 재료 카트리지/저장조(24), 전자 부품(26), 및 고화 기구(28)가 있다. 이 부품들과 이들의 다양한 부속품들에 대해서는 본 명세서 전반에 걸쳐서 더욱 상세히 설명된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 3D 프린터(10)를 제어할 수 있도록 CPU 및 반도체 메모리 스토리지와 함께 동작할 수 있게 구성된 프린트 프로세서(100)의 메모리에 3D 파일[제작("인쇄 작업(print task)"이라 칭함)하려고 하는 원하는 입체 물체에 대응함]이 로딩된다. 인쇄 작업은 CPU를 통해서 반도체 스토리지로 당해 기술 분야에서 알려진 다양한 방식으로 전송될 수 있다. 예를 들면, 인쇄 작업은 원격 서버 또는 프로그램에서 [이더넷 또는 와이파이 접속부(102)를 통해] 인터넷 프로토콜을 사용하여 전송되거나, 사용자가 제어 인터페이스(104) 및/또는 범용 직렬 버스(USB) 데이터 포트를 사용하여 수동으로 로딩할 수 있다. 제어 인터페이스(104)는 당해 기술 분야에 공지된 임의의 제어 인터페이스일 수 있다. 도시된 실시예에서, 제어 인터페이스(104)는 LCD 터치스크린 인터페이스와 같은 터치스크린 인터페이스이다. 데이터는 기계에 인쇄를 준비시키기 위해 자체 테스트 및 프라이밍(priming) 기능을 수행하는 장치에 업로드될 수 있다. 모터 드라이버(108)는 프린트 프로세서(100)로부터 저전압 신호를 수신하고 또한 프린터 전체에서 사용되는 각종 모터를 적절하게 구동시키는 데 필요한 제어된 전류 신호를 생성함으로써 프린터 프로세서와 협동하여 동작한다. 3D 프린터(10)의 전자 부품 조립체(26) 내의 또 다른 전자 장치는, 전자 부품 조립체(26)의 모든 부품들에 조정된 전력이 제공될 수 있도록 입력 전압을 변형시킬 수 있는 전력 공급 장치(112)를 포함한다. 전력 공급 장치(112)는 콘센트를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 예컨대 배터리 계통 또는 발전기 계통의 전력 공급 장치와 같이 당해 기술 분야에 공지된 임의의 적합한 전력 공급 장치는 본 발명의 범위 내에 속함을 이해할 수 있다.
프린터는 건조 플랫폼(16)과 축조 영역(20)을 포함한다. 건조 플랫폼(16)은 z축 승강 스테이지(14)에 영구적으로 설치되거나, 교체 가능하게, 예를 들면 탈착 가능하게 연결될 수 있다. 건조 플랫폼(16)은 시계 방향 및/또는 반시계 방향으로 회전하거나 아니면 하나 이상의 방향으로 이동할 수 있고, 임의의 규칙적이거나 불규칙적인 다각형을 포함한 다양한 형상을 취하거나, 또는 원형이거나 또는 실질적으로 원형일 수 있다. 건조 플랫폼(16)은 z축 스테퍼 모터(114)를 사용하여 고화 영역(20)을 향해 하강시킬 수 있고, 제작하려는 물체의 원하는 층 높이에 도달하는 때를 결정하기 위해 센서(124)가 사용될 수 있다. 이렇게 해서, 프린터는 먼저 모든 이동 축들이 올바른 시작 위치에 있게 해놓고서 인쇄 사이클을 시작한다. z축에 있어서, 시작 위치는 경화 영역 위의[홈(home) 위치 위의] 1 개 층의 높이가 일반적이다. 그러나, 특정 인쇄 작업에 필요할 때 및/또는 더 새로운 기술이 사용 가능해져서 본 발명에 따른 장치 및 방법에 통합될 때에는 위와 다른 시작 위치들이 지정될 수 있음을 알 수 있다. 회전 축에 있어서, 시작 위치는 상기 홈 위치와 동일하다.
'0'으로 설정하거나 각 축의 시작 위치를 설정하는 홈 설정 과정에서는 각 축의 하드 한계(hard limit)를 결정하기 위해 폐쇄형 피드백 시스템 내에 예컨대 홀 효과 센서와 같은 센서(124)를 사용한다. 홀 효과 센서는 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 전형적으로는 자기장에 응답하여 출력 전압을 변화시키는 변환기를 포함한다. 각 축에 대한 하드 한계는 그 각각의 한계에 위치하는, 홀 효과 근접 센서(124)와 같은, 한 쌍의 선형 센서들로부터 도출될 수 있다. 홀 효과 센서를 사용하는 경우, 하나 이상의 소형 자석(126)이 이동 가능한 z축 캐리지(14)에 내장될 수 있다. 상기 홀 효과 센서는 자속에 직접 비례하는 선형 아날로그 출력을 가지므로, 각 센서는 그 자체의 트리거 전압으로 보정될 수 있다.
하드 한계가 결정되면, 프린터 펌웨어는 홈 위치에 대한 각 축의 현재의 위치를 그 메모리에 유지한다. 프린터에 전원이 공급된 때에, 프린터는 프린터의 전원이 꺼져 있는 동안에 축이 움직인 상황을 보정하기 위해 새로운 인쇄 작업을 받기 전에 각 축을 홈으로 되돌려 보내도록 프로그램될 수 있다. 각 축의 현재 위치는 0에서부터 시작한 모터 단계들의 정수로서 저장될 수 있다. 이러한 구성들에 있어서, "위쪽"으로의 축 이동은 이러한 내부 카운터를 증가시킬 것이며, 아래쪽으로의 축 이동은 카운터를 감소시킬 것이다.
축을 최저 위치 아래로 보내거나 각 축의 길이에 대해 특정되는 최대 허용치를 지나는 모터의 이동을 프린터가 결코 허용하지 않게 프린터를 구성할 수 있도록 소프트 한계(soft limit)도 적절히 적용시킬 수 있다. 축이 이와 같은 미리 설정된 한계치를 초과하게 보내지는 경우, 프린터 제어기는 인쇄 작업을 중단하고 적절한 오류 메시지를 발생시킬 것이다. 또한, 프로그래밍 오류가 늘 있고 프린터가 소프트 한계를 지나 이동하려고 한다면, 각 축에 수립되어 있는 하드 한계는 프린터에 손상이 발생하기 전에 축 이동과 인쇄 작업을 중단시킬 것이고, 이는 적절한 소프트웨어적 재설정의 입력을 필요로 한다.
재료 저장 영역(22)은 교환 가능한 재료 카트리지(24)를 유지할 수 있다. 재료 카트리지에는 카트리지(24) 내의 재료의 양과 카트리지 내의 재료에 대한 기타 세부 사항들을 결정할 수 있도록 3D 프린터(10)에 의해 판독될 수 있는 전자적으로 저장된 정보가 담겨 있다. 카트리지(24) 아래에는, 재료가 분배되기 전에 균일하게 혼합될 수 있도록, 도 10에 도시된 바와 같은 자기 교반 장치(230)와 같은 교반 기구도 또한 구비되어서 위치될 수 있다. 전자 가열 기구 및/또는 팬 및/또는 가습 제어 시스템과 같은 하나 이상의 분위기 제어 기구(119)도 또한 재료 카트리지(24) 내의 축조 재료의 온도를 변경하기 위해서나, 혹은 필요하다면, 예컨대, 분배 전에 원하는 점도에 도달되게 하거나 해로운 수분을 감소시킬 수 있도록, 습기에 대한 노출을 제어하기 위해서 사용될 수 있다. 원하는 재료 온도에 도달하거나 과잉의 습기가 존재하지 않는 때를 모니터하기 위해 열 센서 및/또는 습도 센서도 또한 사용될 수 있다.
도 10을 참조하면, 재료 펌프(115)는 액상 광 경화성 재료와 같은 광 경화성 건조 재료를 재료 저장조(24)로부터 재료 부착기로 이동시키는 데 사용된다. 그 다음에는, 건조 표면 상으로의 적절한 두께의 코팅에 필요한 적어도 최소량의 재료가 분배될 수 있다. 광 경화성 수지와 같은 재료는 소형 펌프에 의해 구동되는 프린터 내부의 배관 시스템에 의해서 인쇄 영역으로 도입될 수 있다. 도 1을 참조하면, 수지가 도입될 때에, 수지는 프린트 헤드 내의 수지 공급 채널 아래로 흘러 경화 영역 위로 흘러서 수지 복귀 채널(117)로 유입된다. 과량의 액상 수지는 수지 복귀 채널(117)로부터 연속적으로 인출되고, 여과되어서, 수지 탱크로 복귀되거나 또는 적절한 경우라면 폐기된다.
그 다음에는, 조립된 건조 플랫폼(16, 18)이 회전해서, 액상 수지를 고화 영역 위로 살포하면서, 광 경화성 수지를 원하는 층 두께로 부착시키고 균일하게 바른다. 일부 실시예에서는, 상기 원하는 두께는 0.001mm 내지 0.1mm의 두께이다. 선택적으로, 기본 광 경화성 수지 안으로 경화 전에 추가 첨가제, 안료, 염료, 및 착색제를 구비한 기본 재료를 주입시키는 데에 보조 재료 분배기가 사용될 수 있다. 대안적 실시예에서, 상기 보조 재료는 고화가 일어날 수 있도록 상기 제1 재료와 반응하는 재료일 수 있다. 본 명세서에서 설명되고 있는 실시예들은 회전 가능한 건조 플랫폼 및 고정형 재료 분배기와 고화 영역을 명시하고 있으나, 재료 분배기와 고화 영역이 고정형 건조 플랫폼 아래에서 회전하게 되는 위와 반대되는 구성도 또한 가능하며, 이 또한 본 출원의 범위 내에 속하게 된다는 것을 알 수 있다. 대안적인 실시예에서, 재료 분배기와, 고화 영역과, 건조 플랫폼은 프로그램된 방식으로 동시에 또는 번갈아 이동할 수 있다.
연속적인 수지 유동이 확립되면, 조립된 건조 플랫폼(16, 18)은 재료 살포기 전역에서 균일한 재료 유동이 확립될 수 있도록 하기 위해 고화 과정이 시작되기 전에 회전하기 시작한다. 조립된 건조 플랫폼(16, 18)의 회전은, z-스테이지(14)에 연결된 하나 이상의 베어링(142)에 현수된 조립된 건조 플랫폼(16, 18)과 스캐너를 모두 회전시키는 기어(138) 그리고 90도로 계합된 중심 축(137)을 구동시키는 가변 속도 모터(136)를 이용하여 수행된다. 건조 플랫폼은 "스핀 업" 시기(spin-up period)라고도 알려져 있는 설정된 회전수 동안 회전하도록 설정될 수 있다. 조립된 건조 플랫폼(16, 18)의 회전은 새로운 재료를 경화 영역 위로 끌어들이는 데 도움이 되며 공기가 갇히지 않도록 하는 데 도움이 된다. 프린터는 회전을 일시 정지시킴이 없이, 광 경화 공정이 시작될 수 있도록 고화 기구를 작동시킴으로써 인쇄 공정을 시작한다.
건조 표면의 계속된 회전(또는 급송 기구 또는 이동하도록 프로그램된 다른 부품들의 이동)에 의해 인쇄 재료가 유리 또는 그 밖의 다른 튼튼하고 투명하며 바람직하기로는 접착력이 낮은 매체인 것이 바람직한 노출/경화 영역(118)에 걸쳐 위로 내보내진다. 노출 구역(118)은 비점착성의 내마모성 코팅으로 처리되어서, 경화된 재료가 그 표면 위로 접착되는 것이 방지되거나 지연된다. 건조 플랫폼과 투명한 축조 표면 사이에 부착된 재료의 세그먼트의 선택적 고화는, 고화 영역의 투명 기판부를 통해 액체 축조 재료 위로 그리고 안으로 방사선을 보내는 데 사용 되는 방사선 선원 및 방사선 지향 기구의 다수의 가능한 조합들 중 하나에 의해 실행된다. 또한, 재료 카트리지(24) 내의 재료 레벨 센서들은 재료의 레벨을 모니터링 하는 데 사용되며, 재료 레벨이 유의미하게 낮아지게 된 경우에는 인쇄 사이클을 정지하거나 느리게 할 수 있다.
프린터의 메모리에 저장된 데이터는, 축조되는 3D 모델의 특정 세그먼트들과 관련된 구조 정보에 대응하는 방식으로 고화되는 광 경화성 수지의 부분들을 투명 기판을 통해 선택적으로 노출시키도록 프로그램된 방식으로, 고화 기구(28)로 전달된다. 연속적인 것처럼 보이는 헬리오리소그라피 공정은 실제로는 건조 플랫폼의 매번의 완전한 회전을 하는 동안 많은 작은 누적 "단계들"을 포함하며, 그 각각의 단계에서는, 건조 플랫폼 삽입체(18)에 충분히 부착시키는 데 필요하며 형성되고 있는 구조물의 이전에 고화된 부분들에 단단히 인접하게 하는 데 필요한 임계적 "경화 정도"(즉, 고화 수준)를 지나서 중합 반응이 진척될 수 있도록 하는 데 소요되는 전형적으로 5 내지 10 밀리초의 작은 시간 동안의 중지가 존재한다. 대안으로서, 건조 플랫폼 삽입체(18)는 그의 하부면에 추가된 탈착 가능한 유지 수단을 포함하는데, 이 유지 수단은 건조되는 제품의 제1 층 위에 통합될 수 있으되, 상기 건조되는 구조물을, 완성 시에는, 상기 건조 플랫폼 삽입체로부터 제거시킬 수 있게 탈착 가능하게 장착시킬 수 있도록 해서 통합될 수 있다. 일부 실시예에서는, 도 8을 참조하면, 반전된 원추와 같은 대안적인 유지 구조체(770)들을 추가할 수 있도록 한 구멍들이 형성되거나, 건조되고 있는 구조물을 추가로 유지시킬 수 있도록 하기 위해 추가적인 구조체(770)들이 추가될 수 있다. 고화되지 않은 재료는 동시에 제거되어 다시 저장조 안으로 재순환된다.
건조되는 구조물 부분이 충분히 고화됨에 따라, 조립된 건조 플랫폼(16, 18)은 고화된 재료를 노출 구역(118)으로부터 연속적으로 제거하고, 축조 영역(20)에 걸쳐 살포되는 새로운 축조 재료를 제공한다. 고화된 재료는 또한 재순환 영역을 향하여 회전하는데, 상기 재순환 영역은, 성장하고 있는 구조물로부터 제거된 후 이어서 여과되고 축조 재료 저장조(24) 안으로 다시 재순환되는, 응고되지 않은 재료를 제거하는, 잉여 재료 스트리퍼와 같은 드레인(132)을 포함하며, 그리고 필요한 경우에는 추가 경화 가구(133)도 포함한다.
건조 공정의 각 추가 단계에 도달될 때에, 수지를 필요한 장소와 필요한 때에 고화시킬 수 있도록 새로운 정보가 경화 기구(133)에 제공된다. 조립된 건조 플랫폼(16, 18)은 회전할 때에 선형 액츄에이터에 의해 연속적으로 올려지는데, 상기 조립된 플랫폼(16, 18)이 매 회전마다 하나의 층의 높이로 올려지도록 하는 비율로 올려진다. 일부 실시예에서, 하나의 층 높이는 구조물의 의도된 경화 부분의 반지름의 수에 대응한다. 예를 들면, 직경(즉, 반경 2 개)을 경화시키는 동안 하나의 재료를 이용하는 실시예에서, 건조 플랫폼이 매번의 180도의 회전을 하는 동안 전체 층이 경화될 것이다. 다수의 경화 구역을 이용하지만 여전히 하나의 재료를 이용하는 일부 실시예에서는, 하나의 층은 덜 회전해도 더 빠르게, 예를 들면, 대략 "360도/(경화 반경의 수)"에서 경화될 수 있다. 리니어 액츄에이터는 스테퍼 모터(146)를 포함하고, 상기 스테퍼 모터는, 회전하게 되면, 리드 스크루 너트(152)와 같은 체결구 수용기에 연결되어 있는 z-스테이지를 올릴 수 있도록, 커플링 장치(148)를 통해 리드 스크루(150)와 같은 체결구에 연결된다. z-스테이지(14)에 장착된 베어링(154) 및 선형 안내 레일(156)은 이러한 수직 이동을 안정시킨다.
이 공정(cycle)은, 나선형으로 부착되고 고화된 재료가 쌓아 올려질 때까지 반복되고, 축조되는 입체 물체는 조립된 건조 플랫폼(16, 18) 아래에 있지만 건조/고화 표면(20) 위에서 완성된다. 이 공정은 누적을 통해 인쇄되는 물체의 전체 높이에 도달될 때까지 연속적으로 반복된다. 이것이 달성되고 경화 기구의 입력 버퍼에 남아 있는 정보가 없게 되면, 경화 기구(광자 공급원)가 닫히고 건조 플랫폼의 회전이 정지된다. 수지 흐름이 차단되고 남아 있는 모든 액체 수지가 다시 재료 카트리지 안으로 배출된다. 기계는 건조 플랫폼을 그의 상한 소프트 한계까지 올리는 작동 시퀀스를 개시하고, 건조 플랫폼을 그의 홈 위치인 '0' 위치까지 회전하게 한다.
본 발명의 특징을 포함하는 방법 및 장치는 기존의 소프트웨어 프린트 모듈을 이용하는 것 외에 스캐닝 장치 및 기타 화상 형성 장치를 이용할 수도 있다. 일부 실시예에서, 물체는 스캐너 플랫폼(139) 상에 배치될 수 있고, 프린터(10)는 스캐닝을 시작하라는 지시를 받을 수 있다. z-스테이지(14)는 스캔을 시작하는 초기 높이까지 물체를 올린다. 물체의 표면에 공지의 기하학적 패턴을 투영시키는 데에 프로젝터 또는 레이저 등과 같은 패턴 화상 형성 장치(206)가 사용될 수 있다. 그 다음에는, 스캐너 플랫폼(139)이 건조 플랫폼의 것과 동일한 가변 속도 모터(136) 및 구동 기어(138)에 의해 회전 구동됨에 따라, 기록 장치(208)가 공지의 기하학적 패턴에 대한 왜곡을 기록할 수 있다. 도려내는 부분(under cuts)과 돌출부(over hangs)를 포함할 수 있게 더 큰 범위의 물체 형상이 생성될 수 있도록 후속하는 패스들을 수행하기 위해, 리니어 액츄에이터를 사용하여 물체의 높이를 상승 또는 하강시킬 수 있다. 이어서 이 정보는 프로세서(100)로 보내지고, 스캔된 물체의 재축조를 위하여 이더넷, 와이파이, 유선 접속부(102)를 통해 컴퓨터 또는 클라우드 시스템으로 전송된다.
여러 가지의 많은 고화 기구들이 본 발명에 따른 방법 및 장치와 함께 사용될 수 있다. 도 1의 장치에 사용되는 고화 기구(28)는, 방사선이 경화 영역의 노출 구역(118)을 통해 보내질 수 있도록 방사선을 교정 및 집속용 광학 기기(222)들을 통해서 모터 제어식 미러 스캐닝 시스템(220) 상으로 보내는, 고출력 다이오드(212, 214)와 같은 임의의 방사선 선원을 포함할 수 있다. 다른 고화 기구에 대해서는 아래에서 또 다시 논의된다.
도 3은 화상 형성 유닛(12), z축 승강기 스테이지(14), 건조 플랫폼(16), 및 조립된 건조 플랫폼(도 2에 도시된 바와 같음)이 형성될 수 있도록 건조 플랫폼(16)과 함께 맞추어지게 구성된 건조 플랫폼 삽입체(18), 축조/고화 영역(20), 재료 저장 영역(22), 및 재료 카트리지/저장조(24)의 분해도를 보여주고 있다. 도 3은 본 출원의 도 1 및 도 2에 도시된 실시예(10) 등과 같이 본 발명의 특징을 포함하는 몇몇 실시예에 따른 정확한 구성으로 정렬된 상기 부품들을 보여주고 있다. 도 4는 전술한 바와 같은 패턴 화상 형성 장치(206) 및 기록 장치(208)를 포함하는 화상 형성 유닛(12)의 확대도를 보여주고 있다. 화상 형성 유닛(12)은 도 1에 도시된 바와 같이 베어링(154)을 통해 z-축 승강기 스테이지(14)에 연결될 수 있다.
도 5는 z-축 승강기 스테이지(14)의 더 구체적인 상세도를 도시하는 것으로, z-축 승강기 스테이지는 이 z-축 승강기 스테이지(14)의 위치를 중계하기 위해 홀 효과 센서와 상호 작용할 수 있는 자석(126), 기어(138)와 90도로 계합된 중심 축(137)을 구동시키는 가변 속도 모터(136), 스캐너 플랫폼(139), 및 체결구 수용기(152)를 포함한다. 상기 부품들은 위에서 설명된 바와 같은 기능을 할 수 있다.
도 6은 건조 플랫폼(16)의 확대도를 보여주고 있다. 도 6에 더 명확하게 도시된 한 가지 양상은 삽입체 수용부(224)이다. 도 7은 건조 플랫폼 삽입체(18)와 삽입 연결부(226)를 보여주고 있다. 도 6에 도시된 것과 같은 건조 플랫폼(16)의 삽입체 수용부(224)는 도 7에 도시된 건조 플랫폼 삽입체(18)의 삽입 연결부(226)와 상호 작용하도록 또는 짝을 이루도록 구성될 수 있고, 그 결과 이들 두 부품들이 (예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이) 조립된 건조 플랫폼(16, 18)에 연결될 수 있다. 이는 건조 플랫폼 삽입체(18)를 장치에서 용이하게 제거하고 교체할 수 있게 한다. 도 8은 건조 재료를 위한 표면적을 증대시키는 구멍(228)들의 열을 포함하는 건조 플랫폼 삽입체(18)의 저면도를 보여주고 있다. 탈착 가능한 건조 플랫폼 삽입체(18) 또는 이 건조 플랫폼 삽입체(18)로의 탈착 가능한 부착물은 완성된 제품에서 분리될 수 있거나, 혹은 완성된 제품의 한 부분으로 남아 있을 수 있다.
도 9는 축조/고화 영역(20)의 확대도를 보여주고 있는 것으로, 상기 축조/고화 영역은 기본 재료 분배기(180), 경화 영역(118), 수지 복귀 채널(117), 재료 살포기(182), 및 과량 재료 스트리퍼와 같은 경화 기구(133)를 포함하고, 이 부품들은 위에서 설명한 것과 같은 기능을 한다.
도 10은 재료 저장 영역(22)과 재료 카트리지 저장조(24)의 확대된 상부 사시도를 보여주고 있다. 또한 도 10에 도시된 것들로는, 제어 인터페이스(104), 재료 펌프(115), 수지 복귀 채널(117), 투명 기판인 노출/경화 영역(118), 분위기 제어 기구(119), 경화 기구(133), 체결구(150)에 장착된 커플링 장치(148), 상기 커플링 장치 내의 선형 안내 레일(156), 기본 재료 분배기(180), 재료 살포기(182), 보조 재료 분배기(184), 및 자기 교반 장치(230)가 있다. 도 10은 또한 기본 재료 분배기(180) 및/또는 보조 재료 분배기(184)를 통해 보조 재료를 급송하도록 구성될 수 있는 첨가제 재료 카트리지(186)도 도시하고 있다.
도 11은 축조 영역(720)의 간결한 사시도를 보여주고 있는 것으로서, 상기 축조 영역은 기본 재료 분배기(180), 재료 살포기(182), 보조 재료 분배기(184), 투명 기판인 노출/경화 영역(118), 수지 복귀 채널(117), 및 경화 기구(133)를 포함한다. 이와 동일한 구조체가 도 12a에 도시되어 있는데, 이 도면은 건조 챔버(21)의 바닥의 중심으로부터 방사상으로 배치된 단일 축조 영역(720)을 보이고 있다. 도 12a는 또한 첨가 재료 카트리지 구조체(186)도 도시하고 있다. 도 12b는 다수의 축조 영역(720)들과 첨가 재료 카트리지 구조체(186)가 건조 챔버(21)의 바닥의 중심으로부터 방사상으로 배치된, 대안적인 구성을 보여주고 있다.
도 13a 및 도 13b는 단일 축조 영역(231) 및 다수의 축조 영역(232) 각각을 위한 나선형 층 인쇄 형태를 예시적인 목적으로 보이고 있는 측면도이다. 다수의 축조 영역을 사용하게 되면, 층이 동시에 생성되는 이점, 또는 축조 영역 각각이 독특한 범주의 재료들을 하나의 층으로 분배해서 고화시킬 수 있게 되는, 이른바 축조 재료의 선택 범위가 더 커지는 확장성의 이점이 추가로 제공된다. 단일 축조 층이 되게 부착시키기 위해서, 축조 기판의 후속 높이는, 만들어지게 되는 나선형 층의 피치와 맞추어질 수도 있고, 각 축조 영역의 일관된 층 두께를 보장할 수도 있다. 그러나, 이것은 원하는 색의 정확도를 달성하는 데에는 필요가 없다. 이 공정은 또한, 건조 플랫폼이 회전은 하지만 1회의 완전한 회전이 달성된 후에만 상승되는 경우에서도 사용될 수 있다. 이것은 동일한 높이의 다수의 축조 영역이 사용되는 경우에는 특정 값이 된다. 이와 같은 경우, 각 재료 세그먼트에 대한 일관된 층 높이는 효율적으로 달성될 수 있다. 실제 작동에 있어서는, 적절한 고화 기술을 이용하여 층들이 형성됨에 따라 나선형으로 놓여지는 인접한 후속 층들을 함께 접착시켜 고화시키므로, 도시되어 있는 확장된 나선형은 결코 발생할 수 없다.
본 발명의 특징을 포함하는 장치 및 방법에 다양한 고화 기구들과 방사선 선원들이 이용될 수 있다. 도 14는 도 1의 고화 기구(28)를 도시하고 있다. 광 경화성 수지가 사용되는 경우, 고화 기구(28)는 고출력 다이오드, LED 또는 레이저(212, 214) 등의 다양한 방사선 선원을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 방사선이 노출 구역(118)으로 보내질 수 있도록 하기 위해, 방사선은 교정 및 집속용 광학 기기(222)들을 거쳐서, 예컨대 모터 드라이브를 사용하여 입사광을 스캔하도록 구성된 제어형 스캐닝 미러 시스템(220)으로 보내진다. 고화 기구(28)에는 DMD 칩 마이크로미러 장치(도시되지 않음)가 추가로 통합될 수 있다.
도 15는 초소형 전자기계 시스템(MEMS) 또는 광 밸브 스위치를 이용하는 고화 기구(235)를 도시하고 있다. 이 도면에는, 전술한 고화 기구(28)와 함께 이용될 수 있으며 광 스위치(240) 조립체 상에 초점을 맞추기 위한 광학 시스템(238)의 도광관/도파관(236)에 결합되는 다이오드와 유사한 고출력 다이오드(212, 214)가 도시되어 있다. 광 스위치(240)는, 중첩 육각형 그리드 시스템에 배치된 원하는 위치를 방사선이 통과하게 하는 기구이다. 온도 제어를 위해 팬 및 히트 싱크(242)와 TEC 온도 제어 시스템(244)도 사용될 수 있다.
도 16은 초고성능(UHP) 수은 증기 램프(248)와 같은 광의의 방사선 선원(246)을 포함하는 대안적인 고화 기구를 도시하고 있다. 이 고화 기구는 방사선을 선원(246)으로부터 LCD 스크린과 같은 디지털 마스크(252)를 향해 집속시키는 볼록 반사기(250)를 사용한다. 디지털 마스크는 픽셀 매트릭스를 따라서 통과하는 방사선을 제어하는데, 상기 픽셀 매트릭스는 그를 통해 흐르는 방사선을 차단 또는 투과시키도록 프로그램되어 있는 것이다.
도 17은 다각형 다면 미러(258)와 같은 모터 제어식 미러와 고출력 다이오드(246)를 포함하는 방사선 선원(254)을 사용하는 또 다른 대안적인 고화 기구이다. 미러가 다이오드에 대해서 회전하거나 또는 이와 반대되는 회전이 이루어짐으로써, 방사선이 미러의 회전 각도에 대응하는 직선 방향으로 스캔된다. 경화 영역(118)의 투명 기판과 같은 노출 구역을 향해 방사선을 반사시키기 위해 45도 보조 미러(260)가 사용된다. 이 보조 미러(260)는 제2 차원의 스캐닝을 제공하도록 모터 제어될 수 있다. 왜곡 및 스캐닝 각도를 보정하기 위해 광학 시스템(262)도 사용된다. 일부 실시예에서, F-세타 광학 시스템이 이용된다.
도 18은 또 다른 대안적인 고화 기구(264)를 도시하는 것으로, 이 고화 기구는 마이크로 LED의 열(266)과 같은 개별적으로 어드레스 가능한 다이오드(265)의 열을 포함하며, 상기 다이오드의 열은 축조 재료의 고화를 독립적으로 제어하는 데 사용될 수 있다. 광학 시스템(268)은 또한 5nm 내지 50㎚의 원하는 포인트 크기로 방사선의 초점을 형성하는 데에도 사용될 수 있다.
하나 이상의 레이저 빔을 사용하기 위한 또 다른 대안이 있을 수 있는데, 상기 레이저 빔은 제어된 주파수의 광의 협폭 핀 포인트 빔을 특정 목표 위치로 보내는 것이 필요할 때에 개별적으로 위치되거나 재위치될 수 있으므로, 이 대안에서는 초점 형성 미러가 필요할 수도 있고 필요하지 않을 수도 있다.
도 22를 참조하면, 본 발명의 특징을 포함하는 장치를 이용하여 특정 제품이 축조되고 있다. 위에서 설명한 스캐닝 기술을 이용하여, 직경이 약 10.5인치 미만이고 높이가 약 9.25인치 미만인 것으로 대략 측정되는 입체 물체의 치수 특징 및 표면 특성이 스캔되었고, 이와 관련하여 스캔된 데이터가 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같은 3D 건조 시스템의 메모리에 저장되었다. 디페닐(2,4,6-트리메틸 벤조일) 포스핀 산화물, 열가소성 폴리올레핀(TPO), 및/또는 페닐비스(2,4,6-트리메틸 벤조일) 포스핀 산화물의 조합을 2% 내지 8% 포함하는, 광 경화성 수지, 바람직하게는 아크릴레이트 메타크릴레이트 수지가 재료 저장 영역(22)에 추가되었다. 광 경화성 수지를 3cc/초 내지 10cc/초 이내에 효과적으로 경화시키는 데 적합한 광원은 폭 또는 직경이 적어도 대략 10.5인치를 상회하는 중합체 조사(약 200 내지 300와트/cm2)를 제공할 수 있도록 하는 마이크로 LED의 열(365nm 내지 385nm)을 포함한다.
중합체는 약 3cc/초 내지 10cc/초의 유량으로 계량되었는데, 이 유량은 투명한 노출 구역을 구비한 12인치 직경의 축조 영역(경화 표면)에 분포된 건조되는 물체의 크기에 따라 달라지고, 상기 투명한 노출 구역은 축조 영역의 작은 부분, 예컨대 폭이 1인치인 부분일 수 있고, 자외선 방사선과 같은 특정 유형의 방사선에 대해 투명하며, 유리로 만들어질 수 있다. 이 노출 구역은, 경화된 중합체가 경화 표면에 접착되는 것을 지연시키거나 방지하기 위해, 예컨대 플루오르화 에틸렌 프로필렌(FEP) 및/또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은, 상업용으로는 테프론®이라고 알려져 있는, 저접착성 재료로 사전에 처리되었다. 결과물인 액체 중합체 필름은 두께가 약 20 미크론 내지 100 미크론이었다. 건조 플랫폼의 회전 속도는 기본적으로는 건조되는 제품의 크기 및 밀도와, 조사 선원의 강도 및 주파수에 따라 달라지는 축조 재료의 고화 속도에 따라 달라진다. 상기 건조 플랫폼을 2 rpm 내지 12 rpm의 속도로 회전시켰다.
축조 속도는 다수의 경화 영역과 다수의 급송 장치를 사용함으로써 향상될 수 있다. 그러나, 구조물의 축조는 구조물의 크기와, 노출 시마다 경화될 수 있는 건조 재료의 두께에 따라 달라진다. 건조 속도를 산출하기 위한 일반식은 다음과 같다.
건조 속도 = 1/(RPM x 반경의 수) x 총 높이/층 높이
따라서, 층 높이가 50마이크론(0.05mm)이고 회전 속도가 5RPM이며 경화 구역이 하나인 상태에서 9인치(228.9mm)의 의도한 높이를 갖는 구조물을 위해서는, 건조 시간이 대략 915.60분으로, 다시 말해 대략 15.26시간([1/5] x [228.9/0.05])으로 추산된다. 그러나, 도 12b에 도시된 바와 같이 4 개의 경화 영역을 갖춘 경우, 건조 시간은 25%로(약 3.8시간으로) 줄어든다. 건조 시간을 더 줄이기 위해, 추가적인 경화 영역들을 건조 재료 여하에 따라 추가할 수 있다.
건조 플랫폼을 회전시키는 방식의 본 명세서에 기술된 방법은, 부착된 광 경화성 재료를 고화시키는 데 사용되는 전자기 방사선에 더 큰 표면적이 노출될 수 있게 하고, 그 결과 개별적인 고화 영역의 물리적 치수보다 더 큰 물체를 축조할 수 있게 되고, 그에 따라 대형 물체의 축조를 가능하게 한다. 고화를 위해 작은 영역을 이용함으로써, 고화 포인트들의 수를 더 작고 더 조밀한 영역으로 응집시켜서 더 높은 해상도 및 출력 밀도를 얻을 수 있고, 이에 따라 회전을 통해 건조 영역의 전체 부분을 조사할 수 있다. 이렇게 감소된 고화 영역은 또한 목표 영역으로 더 큰 농도의 조사가 이루어지게 하는 결과를 가져오며, 이는 축조 재료의 순간적인 경화에 가까운 경화를 제공하는 데 도움이 됨으로써, 물체를 더 빨리 축조할 수 있는 효과를 낳는다.
건조 플랫폼과 또 다른 기판 사이에서 재료를 경화시키거나 아니면 고화시키는 방법은 층 높이의 균일성, 정확도, 및 일관성을 더 높이는 효과를 낳는다. 이 방법은 또한 층을 만드는 동안의 오류, 즉 두 기판 사이에서 적소에 유지되지 않은 재료를 교란시켰을 수도 있는 진동과 같은 외부 요인으로부터 발생할 수 있는 오류를 방지하는 데 도움이 된다. 이 방법은 소형의 초고해상도 컴포넌트들을 축조하는 특별한 이점들을 제공함과 아울러 상기 컴포넌트들이 3D 건조 장치 상의 내부 교란 또는 외부 교란에 의해 변형되거나 왜곡되는 것이 방지될 수 있도록 기계의 신뢰성을 더 높게 바꾸어 주고 있다.
종래의 많은 입체 건조 시스템에서 발견되는 부분 박리의 문제는 수평 방향의 축을 따라(즉, 다음 층이 접촉하는 곳에서) 구조적으로 고유하게 취약한 재료의 연속하는 개별 층들을 형성함으로써 야기될 수 있다. 고화된 재료를 통의 바닥에서 강제적으로 반복해서 분리시키는 것과 층들 간의 부적절한 접착이 조합된 작용으로 인해 하나 이상의 층들의 분리가 유발되어서 실패한 구조물 건조가 야기된다. 특히, 증대된 고화 영역에서의 극적인 변화들을 포함하는 물체는, 그 구조들이 적절한 지지 및 구조적 무결성을 제공하는 능력이 없거나 축조 공정 동안에 구조물에 가해지는 외부의 힘으로 인해, 구조적으로 취약한 영역을 부러뜨리는 결과를 유발하거나, 혹은 고화된 재료가 고도로 밀집되는 영역을 유발할 수 있다. 이들 위치에서 건조 영역을 증대시키면, 위에서 설명한 문제점들을 더 악화시킬 수 있으며, 인쇄된 물체가 박리를 거치면서 부러지게 되는 더 큰 위험을 초래할 수 있다. 본 명세서에 기재된 공정 및 장치는 고화된 재료와 투명한 건조 기판 사이에 감소된 표면 접착력을 제공하고, 그 결과 축조된 섬세한 형상의 무결성을 유지하며, 축조 공정에서 여러 속도를 이용할 수 있는 능력을 향상시킨다.
전체 축조 영역에 비해서 비교적 작은 영역에서 축조 재료를 선택적으로 고화시키는 것을 포함하는 본 발명의 특징을 포함하는 방법들은 접착이 발생하는 물리적 면적을 최소화함으로써 접착력을 감소시키는 역할을 한다. 건조 플랫폼의 회전 운동은 접착력이 누적되는 것을 방지하므로 접착력을 지속적으로 제거하는 역할을 한다. 이는 축조 가능한 영역 중의 작은 일부분만의 재료를 임의의 주어진 시간에 기판에 늘 부착되게 한 상태에서 큰 면적의 축조를 가능하게 한다. 비점착성 재료 구성되거나 처리된 투명 기판은 접착의 효과를 더 감소시킨다.
본 발명의 특징을 포함하는 방법들은 건조 플랫폼을 고화 영역 둘레와 위에서 회전시키는 것을 포함하고, 아울러 고화된 재료를 건조 기판으로부터 분리하기 위한 혁신적인 방법을 제공한다. 건조 플랫폼의 회전에 의해 발생되는 원 운동은 새롭게 고화되는 재료에 대한 손상을 줄이는 우수한 분리 방법을 제공하는데, 왜냐하면 고화된 재료를 투명한 건조 기판으로부터 분리시키거나 미끄러져 나오게 하는 데에 힘이 덜 필요하고 축조된 부분에 힘이 덜 가해지기 때문이다. 이것은, 지지되지 않거나, 작거나, 길거나, 얇거나, 혹은 고립되어 있을 수 있으며 종래의 3D 건조 시스템의 분리 공정에서는 손상될 수 있었을, 매우 섬세한 형상을 축조할 수 있게 한다. z 축을 따라 광 경화성 재료를 상향으로 점진적으로 이동하는 건조 플랫폼 대하여 분배하고 고화시키기 위한 회전 기구를 이용하는 연속 축조 방법 또는 반연속 축조 방법은 적어도 하나의 연속적인 나선형(spiral) 또는 헬리컬(helical) 형상의 층을 생성시키는 결과를 낳는다. 이와 같은 나선형으로 재료 쌓아 올리기는 부품의 박리 위험을 감소시키는 데 도움이 되는 우수한 층간 강도 특성을 갖는 물체를 형성하는 결과를 낳으며, 실패한 구조물 발생을 감소시키는 결과를 낳는다.
반전식 축조 공정은 여러 가지 이점을 제공한다. 몇몇 종래 기술의 시스템에서는, 제1 층을 위에 구비하고 있는 플랫폼 상에서 물체를 건조하고, 후속하는 층들은 이전의 층의 상부에 추가된다. 일부 종래의 시스템은 반전식 건조를 사용할 수 있지만, 본 발명의 반전식 건조 시스템에서, 제1 층은 건조 플랫폼 상에 연속적으로 도포되어 고화된다. 그러나, 상기 제1 층은 또한 건조 공정 동안에 건조 플랫폼으로부터 고체 층으로서 연속해서 제거되고, 새로운 재료가 상기 제1 층과 건조 플랫폼 사이로 공급되되 올려지고 있는 이전의 층이 건조 플랫폼에서 연속적으로 제거되는 동안에 올려지고 있는 층에 부착될 수 있게 공급된다. 이는 비교적 얕은 층의 필요한 재료를 이용하여 큰 면적의 고화가 이루어지게 하고, 이와 동시에 전체 통을 채우는 데 필요한 재료의 양에 비해 적은 양의 재료를 공정 중에 사용할 수 있게 한다. 수직 및 반전식 축조 공정은 과잉 재료를 이전의 고화된 영역으로부터 배출시키는 데에 중력을 이용한다. 구조물 내에 중공 공동을 형성하는 능력은 재료 절감 및 내부 형상을 갖는 물체의 제작과 관련하여 매우 유익하다. 재료 스트리퍼 및 드레인의 사용은 과잉 재료를 재활용을 위해 추가로 더 제거하는 데 도움이 되며, 이에 따라 기계의 경제성이 향상되고, 과잉 재료의 의도하지 않은 경화가 방지됨으로써, 의도된 제품과 더 가깝게 닮아 있고 더 예리한 세부를 가진 물체의 제조가 가능해진다.
진동(oscillation)이라고 부르는 측방의 전후 운동 대신에 축조를 위해 회전 운동을 이용하고 있는 방법은 기계의 증대된 확장성을 제공한다. 진동과 달리, 한 방향으로 연속적으로 운동하는 회전 요소는 진동 운동에 의해 유발되는 운동량을 보상할 필요가 없다. 따라서, 여기에 설명된 회전 기술을 이용하는 기계는 축조 공정 및 작동 속도에 상당히 부정적인 영향을 미칠 수 있는 더 크고 무거운 부품들을 포함할 수 있다. 이 회전식 축조 방법에 있어서, 속도는 축조 체적과 무관하다. 축조 기구의 크기와 건조 플랫폼을 증대시킴으로써, 건조 체적을 더 크게 할 수 있는 가능성이 생길 것이며, 이와 아울러 주어진 체적의 재료를 가지고 비교적 더 빠르게 축조하는 것으로 전환시킬 수 있다.
여기에서는 본 발명의 이상적인 실시예들에 대한 각기 다른 도면과 개략적인 예시를 참조하여 본 발명의 실시예들이 설명된다. 그래서, 예컨대 제조 기술 및/또는 허용 오차의 결과로서, 예시된 것들의 형상으로부터의 변화들이 예상된다. 본 발명의 실시예들은 여기서 예시된 영역들의 특정 형상에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되고, 예컨대 제조의 결과인 형상에 있어서의 편차들을 포함하도록 의도된 것이다.
본 발명의 특징들을 포함하는 장치, 시스템, 및 방법은 주로 액체 계통의 건조 재료를 사용하는 광 조형 공정에 관한 것이다. 본 발명의 기술은, 해상도를 향상시킬 목적, 축조 시간을 더 빠르게 할 목적, 경제적인 재료를 사용할 목적, 그리고 축조되는 물체 안에, 과잉 축조 재료로 채워졌을 중공 공동을 형성시킬 목적을 가지고, 다른 유동성 재료 및 선택적 레이저 소결법(SLS)과 같은 적절한 고화 기술을 이용하는 응용 기술을 취할 수 있다. 이와 같은 실시예는 가열된 축조 재료를 이용할 수 있는데, 이때 상기 가열된 축조 재료는 고화된다. 레이저 다이오드를 사용해서, 적외선 스펙트럼의 방사선을 적외선 방사선에 투명한 축조 기판으로 방출시킨다. 재료 및 건조 챔버(21)에 대한 열 및 분위기 제어는 축조 공정에서 반응하는 재료에 대한 더 많은 제어를 위해 바람직하다.
금속 또는 분말 중합체와 같은 소결 재료를 재료의 열 가열 및/또는 용합을 위한 가열원 및/또는 방사선 선원과 함께 상기 공정에서 사용할 수 있다. 위에서 언급한 공정들의 주된 차이점은 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스로 건조 챔버(21)를 채우는 분위기 제어 시스템 및 적외선 히터와 같은 열 제어 시스템을 추가할 수 있다는 것이다. 축조 재료를 용융 및 융합시키는 데에 레이저 빔이 사용될 수 있다.
유동성 소결성 재료 또는 첨가제도 또한 축조 재료로서, 혹은 축조 재료의 일부로서 사용될 수 있다. 소결성 재료는 이어서 광 경화성 수지 둘레를 경화시키거나, 분말 중합체를 용융 또는 결합시킴으로써 적소에 결합될 수 있고, 이 결과 "미가공 물체(green object)"가 생산된다. 그 다음, 이 미가공 물체는 이를 더 높은 부품 밀도로 변환시키기 위한, 사후 노 처리(post furnace processing) 공정이라고 알려져 있는 추가 단계들을 필요로 하는데, 상기 사후 노 처리 공정은, 결합되는 재료를 증기화 또는 탄화시키는 온도의 노 안에 부품을 배치시키는 것을 포함하는 탈결합을 포함할 수 있고, 고체 구조물이 형성되는 동안 미가공 건조 재료의 형상을 유지할 수 있도록 하기 위해 미가공 건조 재료를 제어된 방식으로 수축 또는 축소(necking)시키는 것을 촉진시킨다.
침투는, 고체이지만 다공성으로 형성된 부품에, 상기 부품 내의 다공성 공극 안으로 채워지게 되는 또 다른 재료를 주입하기 위한 공정이다. 이 주입 재료는 주 축조 재료보다 낮은 융점을 가질 수 있다. 침투에 적합한 그런 재료의 예는 구리이다. 용융 구리는 팽윤을 일으키는 철 분말 입자 내로 확산될 수 있다. 구리의 농도를 제어함으로써, 소결 중의 철의 자연 수축을 상쇄시킬 수 있게 되어 미가공 물체의 부품 치수를 유지하는 데 도움이 된다. 이러한 공정은 생체 적합성 재료로 구조물을 형성하는 데에도 사용될 수 있는데, 이때 생물학적 친화성 임플란트 구조물을 형성하기 위해 상기 구조물에는 또 다른 생체 재료가 주입될 수 있다.
소결 중에 발생할 수 있는 공정인 강화(consolidation)는 제품 수축을 일으켜서 부품 밀도를 증가시킬 수 있게 한다.
충분한 출력의 레이저를 포함함으로써, 축조 재료의 직접적인 열 소결이 가능해지거나, 또는 서로 융해될 수 있으며 건조 플랫폼에 융해될 수 있는 성분을 갖는 제형 내에 함유된 첨가제의 농축이 가능해진다. 이 실시예는 재료와 건조 챔버(21)에 대한 더 많은 열 제어뿐만 아니라, 고화 영역의 피복에 이용되는 분위기를 질소 및 아르곤과 같은 불활성 기체로 조절하기 위한 수단에 대한 더 많은 열 제어도 필요로 하며, 임의의 기상 부산물을 제거하는 방법을 필요로 한다.
소결성 첨가제의 예로는, 17-4 및 15-5 스테인레스 강, 마레이징강, 코발트 크롬, 인코넬 625 및 718, 티타늄 Ti6Alv4, 티타늄 Ti64, 코발트 크롬 합금 Co28Cr6Mo, 니켈 합금 In718이 있다. 이론적으로는, 거의 모든 합금 금속이 이 공정에 사용될 수 있다. 소결은 전형적으로 유도 결합, 액상 소결 및/또는 완전 용융을 포함한다. 이 기술들은 당해 기술 분야에 알려져 있다.
도 19 내지 도 21은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 인쇄 장치를 이용하기 위한 컴퓨터 소프트웨어를 포함할 수 있는 공정 흐름도를 보여주고 있다. 사용자가 시작한 공정(800)을 보여주는 도 19와 관련하여, 이 작업 시간은 OM(Omicron Compiler File) 소프트웨어 또는 기타 적합한 소프트웨어 등의 소프트웨어의 개시를 포함할 수 있는 개시 단계(802)에서 시작된다. 사용자는 일련의 상호 관련된 사용자 작업에 종사할 수 있고 그 작업을 시작할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 3D 형상을 예컨대 기존 데이터 또는 최근에 스캔된 데이터로부터 가져오는 가져오기 단계(804)를 활성화시킬 수 있다. 이 단계에서, 사용자는 사용자가 3D 형상 데이터, 예컨대 .OM 소프트웨어 파일을 저장할 수 있는 저장 단계(806)를 선택해서 개시시킬 수 있다. 대안으로, 또는 저장 단계(806)를 개시시키는 것 이외에, 사용자는 가져온 3D 형상 데이터의 수동 크기 조정/재배치 단계(808)를 개시할 수 있다. 그 다음, 3D 형상 데이터는 자동 조정 단계(810)에서 자동으로 크기 조정/재배치될 수 있다.
어느 지점에서라도, 기존의 파일, 예컨대 저장 단계(806)에서 저장된 기존의 .OM 파일, 또는 수동 조정 단계(808) 및 자동 조정 단계(810)에서 수동 및 자동으로 조정된 파일을 로드 단계(812)의 사용자 인터페이스의 메모리에 로딩시킬 수 있다. 로드 단계(812)에서, 몇 가지 추가 단계를 시작할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 3D 형상 데이터의 하나 이상의 양상을 복제할 수 있는 복제 단계(814)를 개시할 수 있다. 이어서, 사용자는 사용자가 3D 형상 데이터에 대해 색상 및 재료 선택안을 변경 및/또는 적용할 수 있는 적용 단계(816)를 개시할 수 있다. 이어서, 사용자는 사용자가 로컬 3D 프린터를 찾아 연결할 수 있는 연결 단계(818)를 개시시키고, 그 후에 입체 물체 인쇄를 시작하는 인쇄 단계(820)를 개시시킬 수 있다.
설정 과정 및 인쇄 단계(820)에서 입체 물체를 인쇄하기 위한 인쇄 명령을 컴파일링하는 동안, 중실 또는 중공 구조물을 제작하도록 하는 명령이 제공될 수 있고, 물체를 추가로 더 한정하기 위한 추가 단계들이 개시될 수 있다. 사용자는 기존의 중실 물체로부터 그 중실 물체를 대신해서 중공 물체가 제작되는 중공화 단계(822)를 개시시킬 수 있다. 그 다음, 사용자는 중공 또는 껍질이 형성된 제품의 두께가 조절될 수 있는 중공 조정 단계(824)를 개시시킬 수 있다. 중공 모델을 위한 충전이 자동으로 이루어지는 자동 충전 단계(826)도 또한 개시될 수 있다. 마지막으로, 사용자는 추가적인 사용자 정의 인쇄 특정 설정치들을 입체 물체에 적용시키는 사용자 정의(customization) 단계(828)를 시작할 수 있다.
위에서 언급한 예들은 .OM 파일을 참조하고 있지만, 다른 소프트웨어 파일 포맷도 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 사용자는 AMF, STL, PLY, OBJ, 또는 당해 기술 분야에 공지된 임의의 다른 유사한 파일로 포맷된 3D 모델을 가져올 수 있다. 색상 및/또는 재료를 자동 감지하는 지원이 포함될 수 있다. 고유의 가져온 3D 형상 데이터의 각 부분은 변환 매트릭스(원점에서 적용됨)와, 색상 및 재료 선택을 기술하는 메타 데이터와 함께 저장될 수 있다.
본 발명의 특징들을 포함하는 추가 공정 흐름도(850)를 보여주고 있는 도 20을 참조하면, 자동 인쇄 준비(스캔) 공정(852)이 사용자에 의해 개시되거나, 또는 자극에 응답하여, 예컨대 프린터가 켜지거나 컴퓨터 또는 다른 사용자 인터페이스에서 나온 접속 신호를 받은 것에 응답하여 개시된다. 제1 단계(854)에서, 재현될 물체의 지능형 메쉬 강화가 이루어진다. 일부 실시예에서, 슬라이싱 준비 시에 모든 메쉬를 강화시키는 데에 알고리즘이 이용된다. 각각의 색상과 재료에 의해 조직된 별도의 결합된 메쉬들을 제작하는 데에 상기 제1 단계(854)가 사용될 수 있다. 제2 단계(856)에서, 상기 알고리즘은 필요하다면 각 조합된 메쉬에 필요한 임의의 지지 구조체를 자동으로 생성해서 추가할 수 있다. 제3 단계(858)에서, 메쉬의 반경 방향 슬라이싱이 이루어질 수 있다. 이 단계(858)에서, 하나 이상의 알고리즘이 입력 메쉬를 반경 방향으로 슬라이싱하여, 실제 장치를 이용하여 실제 치수로 인쇄할 의도된 구조물을 묘사하는 인코딩된 벡터 데이터를 생성한다. 이 데이터는 저장되고, 나중에 기계-특정 명령으로 컴파일링될 수 있다. 층 높이는 이 단계에서 고려되며, 전체 인쇄 동안 일정한 값으로 미리 설정될 수 있거나 혹은 프린트 전체에 걸쳐 변화한다.
제4 단계(860)에서, 인쇄 작업이 하나 이상의 알고리즘에 의해 컴파일되어서, 프린터에 의해 이용되는 모든 인쇄 정보를 포함하는 하나로 컴파일된 (기계-특정) 인쇄 작업 파일이 생성된다. 제5 단계(862)에서, 기계에 특정될 수 있고 .OM 포맷일 수 있는 컴파일된 인쇄 작업 파일이 프린터로 전송된다.
지금부터는, 인쇄 작업 파일이 컴파일되고 프린터로 전송되는 단계(882) 이후의 공정 흐름(880)[이는 도 20의 제5 단계(862)의 계속이거나, 외부에서 로딩되거나 독립적으로 제공된 인쇄 파일에서부터 직접 진행할 수 있음]의 예를 보여주는 도 21을 참조한다. 제1 단계(884)에서, 알고리즘은 실제 장치에서 나오는 벡터 명령을 프린터에서 사용되는 이진 배열(개별적인 1과 0의 배열)로 변환한다. 제2 단계(886)에서, 상기 프린터의 프린트 프로세서는 데이터 비트를 경화 기구에 모터/미러의 움직임에 일치하는 하드웨어 동기화 속도로 스트리밍한다. 제3 단계(888)에서, 실제 헬리오리소그라피(경화) 공정은 연속적인 컴퓨터 제어식 선택적 고화를 이용하여 발생된다. 제4 단계(890)에서는, 가상 3D 형상을 미러링하는 완성된 물체가 제작된다.

Claims (36)

  1. 구조물을 수직 방향으로 입체(3D) 인쇄하는 3D 인쇄 장치에 있어서,
    축조 프레임(construction frame);
    유동 가능한 건조 재료(build material)를 안에 갖추고 있는 재료 분배기;
    상기 축조 프레임 안에 수평 방향으로 위치된 축조 영역 및 별도의 건조 플랫폼으로서, 축조 영역과 별도의 건조 플랫폼 사이에서 고화된 입체 구조물이 반전식으로 건조되도록 구성되고, 상기 건조 플랫폼은 상기 축조 플랫폼 내에서 수직 방향으로 이동할 수 있으며 회전할 수 있게 구성되어 있는, 축조 영역 및 별도의 건조 플랫폼; 및
    상기 노출 구역 상에 위치된 유동성 재료에 고화용 매체를 보내도록 위치된 고화 기구
    를 포함하고,
    상기 재료 분배기는 상기 유동성 재료를 상기 축조 영역의 상부 표면의 노출 구역 상으로 보낼 수 있게 위치하고,
    상기 건조 플랫폼은 건조 재료가 고화될 때에 상기 축조 영역의 상부 표면 상으로 보내진 건조 재료를 받아서 유지시키도록 구성되며 또한 상기 축조 프레임 내에서 수직 방향으로 상향 이동하고 회전하게 구성된 것인 3D 인쇄 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축조 영역의 상기 노출 구역은 방사선 선원(radiation source)에 대해 투명하고, 상기 고화 기구는 투명한 상기 축조 영역 아래에 위치된 것인 3D 인쇄 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고화 기구가 방사선 선원을 포함하는 것인 3D 인쇄 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 방사선 선원이 하나 이상의 미러를 포함하는 것인 3D 인쇄 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하나 이상의 미러는 움직일 수 있는 것인 3D 인쇄 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 방사선 선원이 하나 이상의 LED를 포함하는 것인 3D 인쇄 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 방사선 선원이 하나 이상의 레이저 다이오드를 포함하는 것인 3D 인쇄 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    제2 재료 분배기
    를 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 투명 기판이 유리를 포함하는 것인 3D 인쇄 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    배출 시스템
    을 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    건조 플랫폼으로부터 과잉 축조 재료를 제거하는 기구
    를 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 축조 영역의 노출 구역에 걸쳐 재료를 균일하게 살포하도록 구성된 재료 살포기
    를 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 건조 플랫폼은 z축을 따라 위로 또는 아래로 이동할 수 있게 구성된 것인 3D 인쇄 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    3D 인쇄 장치의 축조 프레임 내의 공간의 온도를 제어하기 위한 기능부
    를 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    3D 인쇄 장치의 축조 프레임 내의 공간의 조절된 분위기 상태
    를 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 재료 분배기는, 하나 이상의 재료를 공급하고 안내하기 위한 하나 이상의 재료 카트리지를 포함하는 것인 3D 인쇄 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 하나 이상의 재료 카트리지는 제거 가능하고 교체 가능한 것인 3D 인쇄 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    화상 형성 유닛
    을 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  19. 제19항에 있어서,
    상기 화상 형성 유닛은 적어도 하나의 화상 기록 시스템을 포함하는 것인 3D 인쇄 장치.
  20. 입체(3D) 인쇄 장치에 있어서,
    고화 가능한 액체를 공급하는 재료 분배기;
    상기 액체를 고화시키는 재료 고화 기구;
    건조 플랫폼; 및
    상부 표면에 노출 구역을 구비한 축조 영역
    을 포함하고,
    상기 건조 플랫폼과 상기 축조 영역은 상기 노출 구역과 상기 건조 플랫폼의 하부 표면 사이의 공간으로 상기 고화 가능한 재료를 공급하도록 구성되고, 또한 상기 축조 영역과 상기 건조 플랫폼은 실질적으로 평행한 평면에 위치되고,
    상기 건조 플랫폼은 상기 축조 영역에 대해서 회전하도록 구성되며, 또한 상기 건조 플랫폼의 회전에 의해 건조 재료 부분들이 상기 공간으로 보내질 수 있도록 그리고 구조물로 고화된 것이 건조 플랫폼의 하부 표면에 유지될 수 있도록, 상기 건조 플랫폼과 상기 축조 영역 사이의 거리를 연속적으로 증가시키도록 구성된 것인 3D 인쇄 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    제2 재료 분배기
    를 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 노출 구역이 투명 기판을 포함하는 것인 3D 인쇄 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 투명 기판이 유리를 포함하는 것인 3D 인쇄 장치.
  24. 제20항에 있어서,
    배출 시스템
    을 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  25. 제20항에 있어서,
    건조 플랫폼으로부터 과잉 축조 재료를 제거하는 기구
    를 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  26. 제20항에 있어서,
    상기 노출 구역과 상기 축조 영역에 걸쳐 재료를 균일하게 살포하도록 구성된 재료 살포기
    를 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  27. 제20항에 있어서,
    상기 건조 플랫폼은 z축을 따라 위아래로 이동할 수 있게 구성된 것인 3D 인쇄 장치.
  28. 제20항에 있어서,
    3D 인쇄 장치 내의 건조 공간 내의 사전에 결정된 온도를 조정하고 유지하는 온도 제어 시스템
    을 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  29. 제20항에 있어서,
    3D 인쇄 장치 내의 건조 공간 내의 사전에 결정된 분위기 상태를 조정하고 유지하는 제어 시스템
    을 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  30. 제20항에 있어서,
    상기 재료 분배기는, 하나 이상의 재료 용기 및 하나 이상의 재료 용기로부터 재료를 공급하고 안내하기 위한 공급 수단을 포함하는 것인 3D 인쇄 장치.
  31. 제31항에 있어서,
    상기 재료 용기는 제거 가능하고 교체 가능한 것인 3D 인쇄 장치.
  32. 제20항에 있어서,
    화상 형성 유닛
    을 추가로 포함하는, 3D 인쇄 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 화상 형성 유닛은 화상을 캡쳐하고 저장하는 하나 이상의 장치를 포함하는 것인 3D 인쇄 장치.
  34. 3D 구조물을 연속 반전식 건조 절차에 의해 건조하는, 3D 구조물 건조 방법에 있어서,
    a. 건조 플랫폼과 기판 사이에 건조 재료를 부착시키되, 상기 기판 상에 건조 재료가 부착되게 하는 단계;
    b. 건조 재료 부분들이 선택적으로 고화되며 이전에 고화된 건조 재료와 상기 건조 플랫폼에는 접착되지만 상기 기판에는 접착되지 않도록, 상기 건조 재료를 처리하는 단계; 및
    c. 회전시키면서 상기 건조 플랫폼과 상기 기판 사이의 거리를 연속적으로 증가시키는 단계
    를 포함하는, 3D 구조물 건조 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 기판이 유리인 것인 3D 구조물 건조 방법.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 건조 재료를 처리하는 단계는 방사선 선원을 이용하는 것을 포함하는 것인 3D 구조물 건조 방법.
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