KR20160078361A - 물품을 제조하기 위한 방법 - Google Patents

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KR20160078361A
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제임스 브루스 가디너
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레잉 오로케 오스트레일리아 피티와이 리미티드
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Abstract

본 발명은 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 컴퓨터-제어 장치를 이동하여 제1 가상 평면에 제1 비드선을 제조하는 단계, 및 상기 컴퓨터-제어 장치를 이동하여 상기 제1 가상 평면과 교차하는 제2 가상 평면에 제2 비드선을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 제2 비드선의 적어도 일부가 상기 제1 비드선의 적어도 일부와 1-179°의 각도를 이루면서 인접하여 배열된다.

Description

물품을 제조하기 위한 방법{METHOD FOR FABRICATING AN OBJECT}
본 발명은 컴퓨터-제어 장치를 이용한 물품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 컴퓨터-제어 장치에 의하여 형성되는 복수개의 원료 비드선(bead)으로부터 물품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
물품은 오랫동안 '3D 프린팅'으로 알려진, 다양한 '첨삭가공(additive manufacturing)' 기술을 이용하여 제조되어 왔다. 일반적으로, 첨삭가공 기술은 제조하고자 하는 물품의 3차원 컴퓨터 모델을 창안하고, 상기 물품을 제조하기 위하여 컴퓨터-제어 장치를 안내하도록 상기 모델로부터 컴퓨터 명령을 유도하고, 상기 컴퓨터 명령에 따라 연속적인 평면층(planar layers) 내에서 원료를 선택적으로 조작하여 상기 컴퓨터-제어 장치를 작동시키고, 그럼으로써 상기 컴퓨터 모델과 부합되는 기하학적 구조를 갖는 물품을 제조한다.
공지된 첨삭가공 기술은 물품을 견실하게 제조할 수 있지만, 여러가지의 난점들도 가지고 있다. 예를 들면, 물품이 평면층으로부터 제조될 때, 그 평면층들이 전형적으로 약한 기계적인 결합을 하거나 또는 인접한 평면층들 사이에서 충분한 화학적 결합이 부족하다. 평면층들 사이에 이러한 약한 결합으로 인하여, 시간이 지나거나 또는 특별한 하중이나 환경 요인에 의하여 평면층들이 서로로부터 종종 분리되는 '박리현상(delamination)'이 일어난다. 이러한 현상은 외관상 좋지 않을뿐만 아니라 물품의 구조적 결함을 야기할 수 있고, 결국에는 물품을 폐기하거나 또는 수리가 요구되는 결과를 가져오게 된다.
또한, 많이 알려져 있는 첨삭가공 기술은 복수개의 평행하고 직선 형태의 원료 비드선으로부터 물품을 제조한다. 따라서 어떤 하중이 인가되었을 때, 인접한 비드선들의 결합이 끊어지거나 비틀려서 물품이 박리되는 위험이 보다 증가된다.
따라서, 평면층 및/또는 원료의 비드선 사이에 강한 결합을 갖는, 그래서 종래의 기술과 비교하여 덜 박리되는 경향이 있는 물품을 제조하기 위한 방법이나 장치를 제공할 필요가 있다. 본 발명은 종래의 기술분야에서의 난점이 있는 현상황을 피하거나 개선하는 해결책을 제공할 수 있으며 또한 종래 기술에 대안을 제공하는 이점이 있다.
본 발명의 한 구체예에 의하면, 본 발명은 컴퓨터-제어 장치로 물품을 제조하는 방법을 제공하기 위한 것으로, 상기 방법은 상기 장치를 이동하여 제1 가상 평면상에 제1 비드를 제조하는 단계, 및 상기 장치를 이동하여 제1 가상 평면과 교차하는 제2 가상 평면상에 제2 비드선을 제조하는 단계를 포함하며, 적어도 제2 비드선의 일부는 적어도 제1 비드선의 일부에 대하여 1-179°의 각도로 인접하여 배열된다.
본 발명의 다른 구체예에 의하면, 본 발명은 컴퓨터-제어 장치로 물품을 제조하는 방법으로, 상기 방법은 상기 장치를 이동하여 적어도 제1 비드선으로 제1 비평면층(non-planar layer)을 형성하는 단계, 및 상기 장치를 이동하여 제2 비-평면층을 형성하기 위하여 적어도 하나의 제2 비드선을 제조하는 단계를 포함하며, 적어도 하나의 제2 비드선의 적어도 하나의 부분과 적어도 하나의 제1 비드선의 적어도 하나의 부분과 1-179°의 각도로 인접하여 배열된다.
본 발명의 또 다른 구체예에 의하면, 본 발명은 컴퓨터-제어 장치로 물품을 제조하는 방법으로, 상기 방법은 장치를 이동하여 제1 삼차원 커브 비드선을 제조하는 단계, 및 상기 장치를 이동하여 제2 삼차원 커브 비드선을 제조하는 단계를 포함하고, 적어도 제2 삼차원 커브 비드선의 일부는 제1 삼차원 비드선의 일부와 1-179°의 각도로 적어도 하나의 일부가 인접하여 배열된다.
본 발명의 또 다른 구체예에 의하면, 본 발명의 컴퓨터-제어 장치로 물품을 제조하는 방법은, 상기 장치를 이동하여 제1 평면층을 형성하는 적어도 하나의 제1 커브 비드선을 제조하는 단계, 및 제2 평면층을 형성하는 적어도 하나의 제2 커브 비드선을 제조하는 단계를 포함하고, 적어도 하나의 제2 커브 비드선의 적어도 하나의 부분은 적어도 하나의 제1 커브 비드선의 적어도 하나의 부분과 1-179°의 각도로 인접하여 배열된다.
본 발명의 바람직한 구체예가 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시로서 기재되며 첨부된 도면은 다음과 같다:
도 1은 실질적인 평면 물품의 사시도이다;
도 2는 자유형의 원통형 물품의 사시도이다;
도 3은 도2에 도시된 물품의 확대단면도이다;
도 4는 다른 구체예의 자유형 원통형 물품의 사시도이다;
도 5는 또 다른 구체예의 물품의 정면도이다;
도 6은 도 5에 도시된 물품의 확대단면도이다;
도 7은 또 다른 구체예의 물품의 확대단면도이다;
도 8은 또 다른 구체예의 자유형 물품의 정면도이다;
도 9는 또 다른 구체예의 자유형 물품의 확대도이다.
본 발명은 컴퓨터-제어 장치로 복수개의 원료 비드선으로부터 물품을 제조하는 방법에 관한 것으로, 적어도 두 개의 비드선이 서로 1-179°의 각도를 이루면서 인접하고 배열된다. 두 개의 비드선은 서로 교차하는 각각의 가상적인 평면들 상에 제조될 수 있다. 다른 구체예에서는, 두 개의 비드선이 각각의 비평면층들을 형성하도록 제조될 수 있다. 또 다른 구체예에서는, 두 개의 비드선이 삼차원 비드선으로 제조될 수 있다. 또한, 두 개의 비드선은 커브될 수 있고 각각의 평면층들을 형성할 수 있다.
컴퓨터-제어 장치는 물품 기하학적 구조와 관련된 컴퓨터 명령에 의하여 제어된다. 상기 컴퓨터 명령은 일반적으로 컴퓨터-이용 디자인(CAD) 소프트웨어 또는 다른 유사한 소프트웨어를 이용하여 제작된 물품의 삼차원(3D) 컴퓨터 모델로부터 유래된다. 3D 모델은 사용자에 의하여 CAD 소프트웨어를 작동하거나 또는 자동적으로 3D 모델을 발생하는 알고리즘을 실행하는 어플리케이션에 의하거나, 또는 이러한 접근들의 조합에 의해서 제작된다. 컴퓨터 명령은 전형적으로 원료들이 제조되는 복수개의 경로, 종종 물품의 층을 형성하는 하나 또는 그 이상의 경로들을 따라서 3D 모델을 분할하여 유래된다. 경로들(그리고 층들)은 CAD 소프트웨어에 의하여 또는 다른 어플리케이션에 의하여 또는 이것을 수동으로 하여 자동적으로 계산될 수 있다. 다른 한편으로는, 이러한 기술은, 물품에 작동하는 전형적인 힘을 입력하는 사용자와 같은, 사전정의된 기능 패러미터들에 따른 자동 및 수동 입력의 조합에 의하여 달성되는데, 그렇게 함으로써 이러한 힘들의 분석에 근거한 소프트웨어에 의하여 최적화된 평면층의 기하학적 구조가 만들어진다.
도 1은 하나의 물품(1)을 도시한다. 물품(1)은 특정의 영역내에서 원료들을 조작하기 위하여 설계된 컴퓨터-제어 장치(도시되지 않음)를 이용하여 대체적으로 평면인 세 개의 평면층(2-4)으로부터 제조되며, 상기 장치는 물품(1)의 기하구조와 관련된 컴퓨터 명령에 의하여 안내된다. 물품(1)은 기저층(2), 중간층(3) 및 상부층(4)으로 이루어지고, 각각의 상부층은 하부에 형성된 층의 상부에 배열된다. 바람직하게는 상기 장치는 특정한 위치에서 원료들을 선택적으로 적층함으로써 원료를 조작하는 장치이고, 이는 전형적인 용융 적층 모델(Fused Deposition Modeling)이다. 일반적으로, 이러한 설명은 적층에 의하여 원료들을 조작하는 것을 언급하고 있지만, 전형적인 스테레오리소그래피(Stereolithography)와 같은 액체 원료의 선택적인 응고(solidification)/양생(curing)과 같은 다른 방법도 또한 적합하다.
상기 장치는 원료 압출성형 노즐(material extrusion nozzle)과 조작 수단을 고정된 기질(substrate)에 이동시키거나 또는 상기 조작 수단에 대하여 플랫폼을 이동시키거나, 또는 이러한 수단들의 조합에 의하여 특정한 위치 내에서 원료들을 조작하도록 설계된다. 상기 장치는 기저 표면에 대하여 6-축 로보트 암에 의하여 이동되는 조작 수단을 수반하고, 그럼으로써 특정한 위치에서 원료를 적층한다. 다른 한편으로, 상기 장치는 원료의 부분들을 선택적으로 양생하기 위한 원료들의 액체 배스(bath)의 상부 표면에 대하여 이동되는 조작 수단을 수반하고, 상기 원료의 부분들은 형성된 플랫폼에 의하여 (하나 또는 그 이상의 축 주위를 회전하는 것을 포함하여) 지지되고 이동되며, 그럼으로써 상기 조작된 원료들이 상부 표면과 조작 수단에 대하여 이동되어 재배열되도록 한다.
물품(1)의 각각의 층(2-4)은 복수개의 원료 비드선(5-7)으로 이루어진다. 비드선(5-7)은 복수개의 경로를 따라서 원료들을 적층하는 장치(도시되지 않음)에 의하여 형성되고, 각각의 경로들은 각각의 비드선의 세로축과 동일직선상에 있다. 각각의 비드선은 실질적인 액체 또는 용융 원료를 압출하여 형성되고, 다시 냉각하거나 양생하여 고체 비드선을 형성한다.
기저층(2)은 대체로 평행한 비드선(5)의 규칙적인 배열로부터 형성된다. 인접한 층들(3, 4)은 커브된 비드선(6, 7)의 비규칙적인 배열로부터 형성되고, 적어도 비드선(6, 7)의 몇몇은 비-평행하게 배열되고 그리고/또는 인접한 비드선(6, 7)에 대하여 비-동심(non-concentric), 그리고 몇몇은 인접한 비드선(6, 7)으로부터 공간을 두고 떨어져 있다.
서로 다른 방향으로 배열된 원료 비드선(5-7)을 구비한 물품(1)의 평면층(2-4)의 형상은 다른 기능적인 또는 심미적인 요건을 최적화하도록 물품(1)에 인가되는 특정한 하중을 견디는 것과 같은 물품(1)의 기하구조를 가능하게 한다. 예를 들면, 중간층(3)과 상부층(4)의 비드선(6, 7)의 수직 축들은 서로 교차되고, 그리하여 적어도 하나의 비드선(6, 7)의 적어도 일부는 서로 인접하고 서로 1-179°의 각도를 이루면서 배열된다. 유사하게, 기저층(2)의 비드선의 축들(5)은 중간층의 비드선의 축들(6)을 가로질러서 확장된다.
이러한 배열에서, 물품(1)의 가장 약한 영역인 인접한 평면층(2-4) 내의 인접한 비드선(5-7) 사이의 결합은 서로 각을 이루면서 배열되고, 그 약한 결합 영역에 추가적인 지지를 제공하고, 그럼으로써 물품(1)의 강성을 증가하게 한다. 예를 들면, 만일 하중이 물품(1)의 코너(A)에 가해지면, 상기 비드선(5-7)의 배열은 상부층(4) 내의 비드선(7) 사이의 약한 결합 영역들은 서로 교차하고 각을 이루는 중간층(3)의 비드선(6)에 의하여 지지되도록 해준다. 유사하게, 기저층(2)의 비드선(5)은 중간층(3)내의 비드선(6)의 결합 영역을 가로질러서 확장되고, 비드선(6)을 한층 더 지지하게 한다. 그러므로 '직교적층(cross-laminated)' 되거나 엮어진 구조(weaved structure)는 코너(A)에 인가된 하중에 기인하여 평면층(2-4)의 비드선(5-7) 사이의 결합이 파손되는 가능성을 감소하게 한다.
중간층(3)의 비드선(6, 7)과 물품(1)의 휘어진 상부층(4)의 배열은 물품(1)이 사용되는 동안에 나타나는 힘과 같은 다양한 패러미터들의 입력에 기인하여 계산된다. 예를 들면, 물품(1)의 어떤 영역에 상당한 하중이 가해지는 경우, 비드선(6, 7)의 커브는 직교적층의 상당한 각도를 이루도록 배열되고, 이는 적어도 인접한 평면층(3, 4) 내의 몇몇의 인접한 비드선(6,7)의 각도가 90° 범위의 영역이다. 유사하게, 비드선(6, 7)의 다양한 곡률들, 그리고 각각에 관하여 동일한 층(3, 4)내의 비드선(6, 7)의 배열은 평면층(3, 4)을 통하여 또는 평면층들(3, 4) 사이에서 힘을 명확하게 전달하기 위하여 계산될 수 있다.
도 2는 다른 물품(10)의 구체예를 도시한다. 이 물품(10)은 중심층(11), 중간층(12) 및 외부층(13)을 형성하기 위하여 컴퓨터-제어 장치에 의하여 층들(11-13) 로 제조된다. 도 1에 도시된 물품과 유사하게, 물품(10)의 각각의 층(11-13)은 각각의 복수개의 경로들(도시되지 않음)을 따라 상기 장치에 의하여 적층된 복수개의 원료 비드선(14-16)을 포함한다.
중심층(11)은 대체로 링-모양의 비드선(14)의 스택(stack)을 포함하고, 비드선(14)은 각각 복수개의 가상적인 제1 평면들(도시되지 않음), 각각의 상기 가상적인 제1 평면은 인접한 가상 제1 평면으로부터 공간을 두고 이격되고, 또한 바닥 표면(17)에 평행하게 배열되는 각각의 가상적인 제1 평면상에 원료들을 압출하는 장치에 의하여 제조된다.
중간층(12)은 바닥 표면(17)으로부터 멀어지는 방향으로 확장되고, 중심층(11)의 주변 영역과 인접하면서 둘러싸는 복수개의 기둥형(column-like) 비드선(15)을 포함한다. 각각의 기둥형 비드선(15)은 복수개의 각각의 가상적인 제2 평면들(도시되지 않음)을 따라서 원료들이 압출되는 장치에 의하여 제조되고, 각각의 가상적인 제2 평면은 제1 가상 평면들과 대체로 수직하게 교차되고 배열된다.
외부층(13)은 중간층(12)의 주변 영역에 인접하고 둘러싸는 링모양 비드선(16)의 스택을 더 포함하고, 외부층(13)은 서로로부터 공간을 두고 이격되고, 그리고 가상적인 제1 평면들에 대체로 평행하게 배열되는 각각의 복수개의 가상적인 제3 평면들(도시되지 않음)상에 원료들을 압출하는 장치에 의하여 제조된다.
물품(10)의 층들(11-13)의 배열은 강성(strength)/경성(stiffness) 요건에 따라 특히 최적화된다. 중심층(11), 중간층(12), 및 외부층(13)의 비드선(14-16) 방향은 대체적으로 인접한 층의 비드선(14-16)에 대체로 수직하고, 물품의 구조는 비드선(14-16)의 삼차원 격자점을 형성하고, 이는 비드선(14-16)사이에 결합 영역들의 지지를 제공하고, 이는 물품(10) 상에 가해지는 방사상 또는 굽은 힘들에 특히 저항하게 된다.
또한, 중심층(11)과 외부층(13)에서, 각각의 비드선(14, 16)의 시작/종료 위치는 인접한 비드선(14, 16)의 시작/종료에 관하여 시차를 둘 수 있다. 예를 들어, 제1 비드선(14)은 0°에서 시작/종료될 수 있고, 제1 비드선(14)에 인접하며 상부에 있는 제2 비드선(14)은 30°에서 시작/종료될 수 있고, 제2 비드에 인접하고 상부에 있는 제3 비드는 60°에서 시작/종료될 수 있고, 기타 등등이다. 이는 약한 결합인 단일 링-모양 비드선(14, 16)에서 결합을 초래하고, 인접한 링-모양 비드선의 결합으로부터 상쇄되어(offset), 물품(10)의 강성을 더 증가시킨다.
물품(10)을 제조하는 동안에 이용되는 제1, 제2 및 제3 가상 평면들은 가상적인 평면의 표면들이고, 그것은 하나 또는 그 이상의 이러한 가상 평면들이 단일 또는 이중-커브 평면으로 설정되는 것으로 이해된다. 예를 들면, 하나 또는 그 이상의 가상 평면들은 압출성형된 커브로부터 형성될 수 있고, 그렇게 함으로써 2차원 내에 휘어질 수 있다. 다른 한편으로는, 하나 또는 그 이상의 가상적인 평면들은 3-차원 평면으로부터 형성될 수 있고, 그렇게 함으로써 모든 3차원에서 휘어질 수 있다. 가상 평면들이 단일 커브되거나 이중-커브되는 곳에서, 압출성형된 비드선은 평면의 곡률을 따라가게 되고, 그렇게 함으로써 휘어진 비드선을 형성하게 된다.
물품(10)은 바람직하게는 상기 장치에 의하여 적층된 직후에 자신의 무게를 지지할 수 있는 원료로부터 제조되고, 그렇게 함으로써 비드선이 바닥 표면(17)으로부터 수직하게 압출성형되는 것을 가능하게 한다. 이것은 적층 후에 높은 점성과 응고된 원료와, 원료의 온도를 조절함에 의해 또는 장치에 의해서 화학적 또는 화학적 촉매가 원료에 더해짐에 의해 원료가 급속히 처리되도록 조정된 장치, 또는 이것들의 조합이나 다른 방법들에 기인한다. 예를 들면, 상기 장치는 동시에 하나 이상의 원료가 적층되도록 조정될 수 있다. 이들 구체예에서는, 상기 장치가 서로 접촉하여 화학적 결합을 개시하는 원료들을, 예를 들면 에폭시 레신(epoxy resin)과 같은, 함께 적층하는 것을 가능하게 하여, 고체 비드를 형성하는 원료들을 처리하는 것을 가속하게 한다. 다른 한편으로는, 이것은 원료의 양생을 급속히 가속시키기 위하여 설정된 원료들과 공존하는 양생 보조제를 적층하는 것을 수반할 수 있다.
물품(10)의 층(11-13)을 형성하는 장치에 의하여 적층된 원료의 특성은 적층 프로세스 동안에 조정될 수 있고, 그렇게 함으로써 다른 층들과 다른 각각의 층에 의하여 나타나는 특성들을 가능하게 한다. 예를 들면, 각각 층들의 인장 강도, 탄성도, 투과성, 밀도, 내화성이 조절될 수 있다. 이것은 적층되는 원료들의 양을 다양하게 하거나, 노즐 모양 또는 직경을 다양하게 하거나, 빌딩 원료 레저버 내의 복수개의 공급원료를 혼합하거나, 또는 적층하는 순간에 두 개 또는 그 이상의 인접한 적층 노즐로부터 다른 원료들을 적층함에 의하여 달성될 수 있다. 다른 한편으로는, 제조 프로세스 동안에 장치가 원료 공급을 변경함에 의하여 하나의 원료는 다른 것으로 대체될 수 있다. 또한 적층된 원료는 변화도(gradient)에 따라서 적층 프로세스 동안 두 가지 또는 그 이상의 원료들을 혼합하여 다양해질 수 있다. 예를 들면, 이것은 요소의 일면에 적층된 원료가 다른 면에 적층된 원료보다 더 밀도를 가지는 물품이 제조되는 것을 가능하게 한다. 유사하게, 구조에 작용하는 힘들에 관한 물품의 특성을 변경하는 적층 프로세스 동안 원료는 변경될 수 있고, 증가된 하중에 적용되는 요소의 일부의 강성을 증가하게 할 수 있다.
몇몇 응용의 경우에, 물품(10)의 강성은 강화 섬유들(18-20)을 적어도 몇 개의 비드선(14-15)에 병합함으로써 보다 향상된다. 이러한 강화 섬유들(18-20)은 유기 또는 무기 원료로부터 형성될 수 있고, 그러한 것으로는 강철, 폴리머(polymer), 유리, 카본(carbon), 아라미드(aramid), 벡트란(vectran), 코어(coir), 플렉스(flax), 험프(hemp), 아바카(abaca)가 있으며, 또는 비드선은 다른 원료들로부터 형성된 섬유들의 조합을 포함할 수 있다. 강화 섬유들(18-20)은 일반적으로 적층된 원료들보다 경화된 원료들로 형성되거나, 비드선(14-16)의 경성 또는 내성을 증가시키거나, 또는 비드선(14-16)의 전기전도도, 탄성도, 감지 능력들과 같은 다른 특성들을 조절할 수 있다. 강화 섬유들(18-20)은 바람직하게는 비드선(14-16)이 구부러지거나 또는 부러지는 것에 대해 내성이 향상되도록 각각의 비드선의 수직축과 동일 직선상에 배열된다. 섬유는 바람직하게는 비드선(14-16)을 전부 연결하여 비드선(14-16)의 강성을 보다 최적화한다. 선택적으로는, 다른 특성을 갖는 물품의 다른 층을 제조하기 위하여 섬유(18-20)의 수량, 구성 및 원료는 제조 프로세스 동안에 조절될 수 있다. 섬유는 적층하는 지점에서 다른 특성들을 가지도록 변경된 잘린 비-연속적인 가닥들(strands) 또는 섬유들을 포함할 수 있고, 예를 들면 원료들의 매트릭스내에 부착을 개선하기 위한 주름진 또는 휘어진 프로파일들이 있다.
바람직하게는, 상기 장치는 비드선(14-16)을 형성하는 원료들을 적층하는 동안 또는 이전에 원료들 내에 섬유들(18-20)을 자동적으로 통합하도록 조정된다. 연속적인 섬유들(18-20)은 비드선(14-16)으로 통합되고, 섬유들(18-20)은 드럼과 같은 공급원료로부터 풀려지고, 액체 또는 용융 형성 원료 공급으로 통합되고 장치가 비드선(14-16)을 적층하는 것을 종료하면 장치에 의해 자동적으로 절단된다.
도 3은 도 2에 도시한 물품의 확대 단면도이고, 각각의 층(11-13)내의 강화 섬유(18-20)의 방향을 보다 명확히 나타내고 있다. 중심층(11)의 섬유들(18)은 링-모양 비드선(14)의 커브 주위에 배열된다. 중간층(12)의 섬유들(19)은 각각의 기둥-모양 비드(15)의 길이를 따라서 배열되고 각각의 섬유(19)의 단면을 지시하는 복수개의 점들로써 표시된다.
도 4는 다른 물품(30)의 구체예를 도시한다. 물품(30)은 층(31-33) 내의 컴퓨터-제어 장치에 의해서 제조되고, 중심층(31), 중간층(32), 및 외부층(33)을 형성한다.
층들(31-33)은 물품(10)의 층들(11-13)과 유사하게 배열되고, 중심층(31)은 링-모양 비드(34)의 스택을 포함하고, 중간층(32)과 외부층(33)은 바닥 표면(37)으로부터 멀어지는 방향으로 확장되고 기존 제조된 층(31, 32)에 인접하고 둘러싸는 복수개의 기둥 모양의 비드선(35, 36)을 포함한다. 각각의 층(31-33)은 비평면이고 적어도 단일 또는 이중-커브 부분을 구비하고, 그럼으로써 모든 3차원으로 확장된다. 예를 들면, 비드선(35)은 바닥 표면(37)로부터 멀어지는 방향으로 압출성형되어 대체로 회전의 제1 방향에서 중심층(31) 주위를 감싸는 나선형 모양이다. 그 다음에 비드선(36)은 바닥 표면(37)로부터 멀어지는 방향으로 장치들에 의해서 압출성형되어 회전의 제2 방향에서 중간층(32) 주위를 감싸는 대체로 나선 모양을 형성한다. 그것에 의하여 이러한 배열은 적어도 몇 개의 비드선(34-36)이 서로 적어도 하나의 부분과 인접하게 하는 것과 서로 1-179°의 각도로 배열되는 것을 확실하게 한다. 나선 모양 비드선(35, 36)의 압출성형은 바닥 표면(37)에 관한 장치의 제조 수단을 이동함에 의하여 그리고/또는 제조 수단에 관하여 바닥 표면(37)을 이동하거나 회전함에 의하여 실행된다.
도 5는 물품(40)의 구체예의 정면도를 도시한다. 도 2-4에 도시된 물품(10, 30)과 유사하게, 물품(40)은 층(41-43) 내의 컴퓨터-제어 장치에 의하여 제조될 수 있고, 중심층(41), 중간층(42) 및 외부층(43)을 형성한다. 각각의 층(41-43)은 장치에 의하여 적층된 복수개의 비드선(44-46)으로 형성된다.
도 5에 나타난 정면 입면도에 도시된 바와 같이, 비드선(44-46)은 서로 다른 각으로 배열된다. 예를 들면, 중간층(42)과 외부층(43)의 비드선(45, 46)은 중심층(41)의 비드선(44)과 각도 α을 이루면서 형성된다. 중간층(42)의 비드선(45)은 또한 외부층(43)의 비드선(46)과 각도 β를 이루면서 형성된다.
일반적으로, 각도 α, β는 1-179˚ 사이에서 변경되고, 물품(40)의 특성들은 조절되고, 다른 층(41-43)의 비드선(44-46) 사이의 각도 관계는 동일한 층(41-43)에서 인접한 비드선(44-46) 사이의 결합의 강성에 영향을 주고, 물품(40)의 강성과 내구성에 대하여 기여한다.
도 6은 도 5에 도시된 물품(40)의 확대 단면도이고, 비드선(44-46)의 커브 배열을 나타내고 있다.
몇 가지 예에서, 물품(40)은 건축물 또는 유사한 구조에서 기능을 제공하기 위해서, 1㎥ 보다 크며 몇 가지 예에서는 20㎥ 보다도 큰 실제 크기일 수 있다. 시나리오에서, 건축물 원료는 예를 들면 콘크리트 또는 지오폴리머(geopolymer)와 같은 접합성이 있는 원료일 수 있다. 또한, 장치는 그러한 원료를 적층하고 그리고/또는 처리하는 것을 조정할 수 있는데, 예를 들면 적층하기 이전 또는 적층하는 동안에, 원료의 온도를 조절하거나, 또는 화학적 촉매나 다른 처리 보조제를 추가한다.
도 7은 다른 구체예의 물품(50)이 도시되어 있고, 복수개의 상호연결된 브랜칭 섹션(branching sections)(51)과 보이드(voids)(52)가 구비된다. 물품(50)은 층들(53-55)에서 컴퓨터-제어 장치에 의하여 제조되어 왔고, 내부층(53), 중간층(54) 및 외부층(55)를 형성한다. 각각의 층(53-55)은 장치에 의하여 적층되는 적어도 하나의 비드선을 형성한다.
층들(53-55)은 삼차원이고, 비평면층들이고 이는 구조상에, 예를 들면 폼 블럭(foam block), 또는 인 시투(in situ), 그러한 구조물을 수리하기 위한 것, 또는 집합 구조 내의 요소를 자가-지지(self-supporting)하는 독립하여 조작이 가능한(stand-alone) 것으로서 제조된다. 각각의 층(53-55)들의 비드선들은 대체로 물품(50)의 강성을 최적화하기 위한 층을 이전에 제조한 비드선(53-55)의 대체로 수직한 방향에 제조된다. 중간층(54)과 외부층(55)은 부분적으로 각각의 층(54, 55)의 비드선의 방향성을 삽화하기 위하여 부분적으로 제조된 것을 나타낸다. 그러나, 부분적으로 제조된 층들(54, 55)은 물품(50)의 특정한 섹션을 강화하기 위하여 유용하고 이러한 섹션들의 강성 또는 무게를 다양하게 하고, 또는 원료의 성긴 짜임(open weave)을 창안하는 것과 같은 독특한 장식용의 외관을 제공한다.
도 8은 다른 물품(60)의 정면도이다. 물품(60)은 층(61-63) 내에서 컴퓨터-제어 장치에 의하여 제조되고, 내부층(61), 중간층(62), 외부층(63)을 형성한다. 각각의 층(61-63)은 장치에 의하여 적층된 적어도 하나의 비드선으로부터 형성된다. 각각의 비드선은 삼차원 커브이고, '프리폼(freeform)' 브랜치 구조를, 예를 들면 기둥 노드(column node)를 형성한다.
도 9는 물품(70)의 또 다른 구체예의 확대도이다. 물품(70)은 세 개의 층들(71-73)을 형성하기 위하여 컴퓨터 제어 장치에 의하여 형성된다. 두 개의 내부 층들(71, 72)은 외부층(73)과 복수개의 3차원 커브 비드선(74-76)에 의하여 공간을 두고 이격되며, 그것들 사이에 보이드(77)를 형성한다. 삼차원 커브 비드선(74-76)은 세 개의 비평면층들을 형성하는 그룹들 내에서 배열되고, 각각의 층 내에서 비드선들(74-76)의 일부만이 서로 인접한다. 제1 비드(74)선의 그룹은 내부층(72)과 인접한 일반적으로 제1 방향으로 연장되고, 제2 비드선(75)의 그룹들은 제1 노드(78)에서 제1 그룹과 인접하고 일반적으로 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 연장되고, 제3 비드선(76)은 제2 노드(79)에서 제2 그룹(75)과 인접하고, 제3 층(73)은 일반적으로 제1 방향에서 배열된다. 노드들(78, 79)에서 인접한 3차원 커브 비드선들(74-76)의 일부들은 서로 각도를 이루고 배열되며, 그럼으로써 각각의 노드(78, 79)에서 직교-적층 접합(cross-laminated junction)을 형성한다.
3차원 커브 비드선(74-76)은 탄력이 있는 원료로 형성되고, 그럼으로써 층(72, 73)이 서로에 관하여 이동하는 것을 가능하게 한다. 보이드(77)는 물품(70)의 특정한 가스나 열 및/또는 음향 절연 특성에 영향을 주는 원료로 채워질 수 있다.
본 발명의 보호범위에 부합하는 명백한 변화 또는 변형은 모두 본 발명에 의해 이루어질 수 있고, 이는 본 발명의 일부로 간주될 것이다. 비록 본 발명은 특정한 구체예들을 중심으로 설명되었지만, 다른 형태의 가능한 구체예와 그러한 구체예들에 한정되는 것이 아니다.

Claims (20)

  1. 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은,
    상기 컴퓨터-제어 장치를 이동하여 제1 가상 평면에 제1 비드선을 제조하는 단계; 및
    상기 컴퓨터-제어 장치를 이동하여 상기 제1 가상 평면과 교차하는 제2 가상 평면에 제2 비드선을 제조하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 제2 비드선의 적어도 일부가 상기 제1 비드선의 적어도 일부와 1-179°의 각도를 이루면서 인접하여 배열되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 비드선을 제조하는 단계가 상기 제1 가상 평면과 대체로 수직하게 향하는 상기 제2 가상 평면상에 상기 제2 비드선을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하기 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 비드선 및 상기 제2 비드선의 적어도 하나를 제조하는 단계가 상기 각각의 가상 평면이 휘어지고, 상기 각각의 비드선이 각각의 휘어진 상기 가상 평면상에서 제조되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하기 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 비드선 및 상기 제2 비드선의 적어도 하나를 제조하는 단계가 상기 각각의 가상 평면이 3차원 표면이고, 상기 각각의 비드선이 상기 각각의 3차원 표면 상에서 제조되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하기 위한 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 비드선을 제조하는 단계와 상기 제2 비드선을 제조하는 단계가 선택적으로 원료를 적층하는 단계를 더 포함하고, 그럼으로써 각각의 비드선을 형성하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하기 위한 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 선택적으로 원료들을 적층하는 단계가 원료에 강화 섬유들을 선택적으로 추가하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하기 위한 방법.
  7. 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    상기 컴퓨터-제어 장치를 이동하여 제1 비평면층을 형성하도록 적어도 하나의 제1 비드선을 제조하는 단계; 및
    상기 컴퓨터-제어 장치를 이동하여 제2 비평면층을 형성하도록 적어도 하나의 제2 비드선을 제조하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 제2 비드선의 적어도 일부가 상기 제1 비드선의 적어도 일부와 1-179°사이에 각을 이루면서 인접하여 배열되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 비드선과 상기 적어도 하나의 제2 비드선 중의 적어도 하나를 제조하는 단계가 자가-지지(self-supporting) 원료로부터 최소한 하나의 각각의 비드선을 제조하는 단계를 포함하고, 그럼으로써 상기 최소한 하나의 각각의 비드선이 3차원 구조를 유지하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 비드선을 제조하는 단계가 복수개의 제1 비드선을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 복수개의 제1 비드선을 제조하는 단계가 가까운 제1 비드선과 대체로 평행한 적어도 몇 개의 상기 제1 비드선을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 복수개의 제1 비드선을 제조하는 단계가 가까운 제1 비드선과 인접한 적어도 몇 개의 상기 제1 비드선을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.
  12. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 비드선을 제조하는 단계가 이중 곡률을 갖는 상기 제1 층의 적어도 일부를 형성하기 위하여 상기 적어도 하나의 비드선을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.
  13. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 비드선을 제조하는 단계가 제 1층을 적어도 부분적으로 둘러싸는 제2 층을 형성하도록 상기 적어도 하나의 제2 비드선을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.
  14. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 비드선을 제조하는 단계가 상기 제1 층을 적어도 부분적으로 둘러싸는 제2 층을 형성하도록 상기 적어도 하나의 제2 비드선을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.
  15. 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    상기 컴퓨터-제어 장치를 이동하여 제1 삼차원 커브 비드선을 제조하는 단계; 및
    상기 컴퓨터-제어 장치를 이동하여 상기 제1 삼차원 비드선의 적어도 일부와 1-179° 사이의 각도를 이루면서 인접하여 배열되는 적어도 일부를 갖는 제2 삼차원 커브 비드선을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 적어도 하나의 상기 제1 삼차원 커브 비드선과 제2 삼차원 커브 비드선을 제조하는 단계가 자가-지지 원료로부터 상기 각각의 비드선을 제조하기 위한 단계를 더 포함하고, 그럼으로써 상기 각각의 비드선은 삼차원 구조를 유지하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.
  17. 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    상기 컴퓨터-제어 장치를 이동하여 제1 평면층을 형성하도록 적어도 하나의 제1 커브 비드선을 제조하기 위한 단계; 및
    상기 컴퓨터-제어 장치를 이동하여 제2 평면층을 형성하도록 적어도 하나의 제2 커브 비드선을 제조하기 위한 단계;
    를 포함하고, 상기 적어도 하나의 제1 커브 비드선의 적어도 일부와 1-179°사이의 각도를 이루면서 상기 제2 커브 비드선 중의 적어도 일부와 인접하여 배열되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제2 커브 비드선을 제조하는 단계가 복수개의 제2 커브 비드선을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 복수개의 제2 커브 비드선을 제조하는 단계가 가까운 제2 커브 비드선과 비평행하도록 하나 또는 그 이상의 제2 커브 비드선의 적어도 일부를 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.
  20. 제18항에 있어서, 상기 복수개의 제2 커브 비드선을 제조하는 단계가 상기 인접한 제2 커브 비드선과 거리를 두도록 이격된 하나 또는 그 이상의 제2 커브 비드선의 적어도 일부를 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터-제어 장치를 이용하여 물품을 제조하는 방법.





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