KR20160102420A - 가속화된 처리 속도로 3차원 프린팅을 수행하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가속화된 처리 속도로 3차원 프린팅을 수행하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

가속화된 처리 속도로 3차원 프린팅을 수행하기 위한 방법 및 장치 {DEVICE AND METHOD FOR 3Ｄ PRINTING METHODS, WITH ACCELERATED EXECUTION}

본 발명은 증가된 처리 속도로 3차원 모델을 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

컴퓨터 데이터로부터 3차원 물체를 제조하기 위한 방법은 유럽 특허 명세서 EP 0 431 924 B1 호에 설명된다. 이 방법에서, 미립자 재료가 플랫폼(platform)에 박층으로 도포되며, 결합제 재료가 프린트 헤드를 사용하여 미립자 재료 위에 선택적으로 프린트된다. 결합제가 상부에 프린트되는 미립자 구역은 결합제의 영향하에서 그리고 필요하다면 추가의 경화제의 영향하에서 함께 고착되고 고화된다. 플랫폼은 그 후에 한 층 두께의 거리만큼 빌드 실린더(build cylinder)의 내부로 하강되고 전술한 대로 또한 프린트되는 미립자 재료의 새로운 층이 제공된다. 이들 단계는 물체의 일정한 바람직한 높이에 도달될 때까지 반복된다. 그에 의해서 3차원 물체가 프린트되고 고화되는 구역으로부터 제조된다.

완료된 이후에, 고화된 미립자 재료로부터 제조되는 물체는 느슨한 미립자 재료 속에 묻히고 그 후에 그로부터 제거된다. 이는 예를 들어, 추출기를 사용하여 수행된다. 이는 원하는 물체만을 남기며, 예를 들어, 수동 솔질에 의해 그로부터 분말 퇴적물이 제거된다.

모든 적층 기술(layering techniques) 중에서, 분말 재료에 기초하고 액체 결합제의 공급에 기초한 3D 프린팅이 가장 빠른 방법이다.

이러한 방법은 자연 생물학적 천연 재료, 폴리머, 금속, 세라믹 및 모래(배타적인 목록이 아님)를 포함하는 상이한 미립자 재료를 처리하는데 사용될 수 있다.

DE 10 2010 015 451 호에 설명된 경사 프린팅 방법은 특히 경제적이다. 이 경우에, 미립자 재료는 "분말 케이크(powder cake)"의 형태로 컨베이어 벨트 상에 쌓아 올려진다. 프린팅 구역과 언팩킹 구역(unpacking area)이 형성된다. 장치는 연속적으로 작동하며 그 작동은 언팩킹 공정에 의해 중단되지 않는다.

적층 가공(additive manufacturing) 방법은 원형(prototype)을 만드는데 더 이상 독점적으로 사용되지 않는다. 대신에, 종래의 툴-기반 제조 방법이 더 비용-효과적인 일괄 제한(batch limits) 방법이 상승 추세에 있다.

그러나 오늘날까지, 적층 가공은 단지, 대략 10,000개까지의 동일한 부품을 생산하는 소량 생산(small batch) 범위에서만 연속 생산을 위해 매력적으로 선택되었다. 용적 용량(volume capacity)으로도 또한 지칭되는 3D 프린팅 기계에서의 제조 시간은 중요한 비용 요소이다. 현재 공지되고 시장에서 이용 가능한 3D 프린팅 기계는 다른 공지된 기술 및 제조 방법과 경제적으로 경쟁하기 위해서 대량 생산하기에는 너무 낮은 용적 용량을 가진다.

종래 기술로부터 공지된 3D 프린팅 기계 및 방법은 사용될 수 있는 재료와 품질 특성 측면에서 수년간 많이 개선되었다. 그러나 동일한 품질 표준을 유지하면서 용적 용량을 증가시키기 위한 만족할만한 접근법은 아직까지 발견되지 않았다. 또한, 처리 속도를 증가시키기 위한 방법에 관한 이전의 제안은 어려움이 입증된 많은 상이한 매개변수를 조화시키고 조정해야 하기 때문에, 더 높은 배치 생산 또는 심지어 대량 생산의 요건을 만족시킬 수 없다. 오늘날까지, 이러한 문제는 비록 제작자들이 현재, 수십 년간 3D 프린팅 방법으로 작업하고 있지만, 해결되지 않은 채로 남아있다.

따라서 대량 배치(large batches)의 용적 및 품질 요건을 만족시키는 동시에, 3D 프린팅의 장점을 사용하기 위해서 이용될 수 있는 3D 프린팅 방법 및 대응하는 프린팅 기계에 대한 필요성이 오랫동안 있어 왔다.

그러므로 본 발명의 하나의 목적은 분말-층 기반 3D 프린터 및 3D 프린팅 방법의 제조 성능을 상당히 증가시키는데 사용될 수 있는 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.

다른 목적은 높은 품질 표준을 유지하는 동시에, 3D 프린팅 기계 및 방법의 용적을 증가시키고자 하는 것이다.

끝으로, 하나의 목적은 종래 기술의 단점을 감소 또는 본질적으로 제거하거나 이를 전체적으로 극복하고자 하는 것이다.

위에서 예시된 문제점을 해결하고자 하는 다수의 시도는 종래 기술로부터 공지되어 있으나, 이들은 현재까지 진정으로 만족할만한 접근법을 제공하지는 못하고 있다.

선택적인 레이저 소결법 또는 FDM 방법과 같은 경쟁하고 있는 방법에 비해서, 분말-층 기반 3D 프린팅은 속도가 빨라질 때 더 우수하다. 첫째로, 이는 코터(coater) 기술로 인한 것이며, 그 도움으로 구성요소 중량의 상당한 부분이 분말 형태로 신속하게 도포된다. 둘째로, 이는 수천 개의 개별 제어 가능한 노즐을 갖는 잉크-젯 프린트 헤드의 사용으로 인한 것이다.

시스템의 고속화를 향한 하나의 접근법은 개별 구성요소의 이동 속도를 증가시키는 것이다. 코터의 경우에, 이는 시스템을 통한 처리량의 증가를 의미한다. 그러나 이러한 종류의 절차는 미립자 재료의 몇몇 특성으로 인해 제한된다. 속도가 일정량을 넘어서 증가되면, 하부 층은 코터에 의해 손상된다.

프린트 속도를 증가시킬 때 동일한 접근법이 채택된다. 그러나 여기에도 또한 제한 요소가 존재한다. 예를 들어, 0.5 m/s보다 훨씬 큰 속도는 피에조-기반(piezo-based) 잉크-젯 프린트 헤드에 흔치않은데, 이는 프린트 이미지의 에지 선명도가 상당히 악화되기 때문이다.

프린트 헤드의 크기는 또한, 시스템 속도에 커다란 영향을 주는 요소이다. 빌드 공간(build space)에 대해 소형인 프린트 헤드는 모든 구역을 커버하는 사행(meandering) 방식으로 빌드 공간 위로 안내될 수 있다. 이는 일반적으로 상당한 양의 적층 시간을 소요한다. 프린팅 폭을 배가하는 것은 시스템 디자인에 따라서 프린트 시간을 거의 절반으로 줄일 수 있다. 한 번의 직선 통과(pass)로 전체 빌드 공간을 프린트할 수 있는 프린트 헤드는 종래 기술에 따르면 흔하다.

그러나 이에 의해 달성될 수 있는 용적 용량은 진정한 대량 생산에 불충분하다.

본 발명에 사용된 다수의 용어가 아래에서 더 상세히 설명된다.

본 발명의 의미 내에서, "3D 프린팅 방법"은 3차원 몰드로 구성요소의 제작을 촉진시키고 설명된 공정 구성요소와 징치에 호환되는 종래 기술로부터 공지된 모든 방법에 관한 것이다. 특히, 이는 분말-기반 방법, 예를 들어 SLS(선택적 레이저 소결법)이다.

본 발명의 의미 내에서, "선택적 결합제 도포" 또는 "선택적 결합제 시스템 도포" 또는 "선택적 결합제 유체 도포"는 성형체의 요건에 따라서 각각의 미립자 재료 도포 중에 또는 불규칙적으로 발생할 수 있으며 성형체의 제조를 최적화할 목적으로, 즉 각각의 미립자 재료 도포 이후에 비선형적으로 그리고 비동기적으로 발생할 수 있다. 따라서 "선택적 결합제 도포" 또는 "선택적 결합제 시스템 도포"는 개별적으로 그리고 성형체의 제조 과정 중에 설정될 수 있다.

본 발명의 의미 내에서, "성형체(molded body)" 또는 "구성요소" 또는 "3D 성형 부품" 또는 "모델(model)"은 본 발명에 따른 방법 및/또는 본 발명에 따른 장치의 도움으로 제조되고 변형성을 갖지 않는 모든 3차원 물체이다.

필요한 구성요소를 포함하는 임의의 공지된 3D 프린팅 장치는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 "장치(device)"로서 사용될 수 있다. 일반적인 구성요소는 코터, 빌드 공간, 빌드 공간 또는 다른 구성요소를 이동시키기 위한 수단, 주입 장치 및 가열 수단 그리고 당업자에게 공지되고 따라서 여기서 더 구체적으로 목록화될 필요가 없는 다른 구성요소를 포함한다.

분말-기반 3D 프린팅에 공지된 모든 재료, 특히 모래, 세라믹 분말, 금속 분말, 플라스틱, 목재 미립자, 섬유 재료, 셀룰로오스 및/또는 락토스 분말이 "미립자 재료"로서 사용될 수 있다. 미립자 재료는 바람직하게, 건조된 자유-유동 분말이지만, 응집성의 단단한 분말이 또한 사용될 수 있다.

"빌드 공간(build space)"은 미립자 재료의 반복된 코팅에 의한 빌드 공정 중에 미립자 재료 공급원료가 성장하는 기하학적 장소이다. 빌드 공간은 일반적으로 기저부, 빌딩 플랫폼, 벽과 개방 커버 표면, 및 빌드 평면에 의해 확정된다.

본 발명의 의미 내에서 "장치 수단(device means)"은 코터, 프린트 헤드, 빌딩 플랫폼, 제어 유닛, 잡 박스(job box), 가이드 레일, 구동 수단 등과 같은, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 본 발명에 따른 장치에 포함되는 모든 수단이다.

본 발명의 의미 내에서 "처리 유닛(process unit)"은 바람직하게 함께 배열되거나 연결되고 바람직하게 동일하거나 조절된 속도 및 배열 또는 방향으로 함께 이동되는 코터와 프린트 헤드와 같은 장치 수단의 조합일 수 있다.

본 발명의 의미 내에서 "빌드 컨테이너(build container)"는 빌드 공간을 완성한다. 그러므로 빌드 컨테이너는 기저부, 벽 및 개방된 접근 구역, 그리고 빌드 평면을 가진다. 빌드 컨테이너는 항상 3D 프린팅 장치의 프레임에 대해 이동하지 않는 부품을 포함한다. 제거 가능한 빌드 컨테이너는 거의 연속적으로 기계를 작동시키는 것을 가능하게 한다. 제1 빌딩 작업 중인 부품이 언팩되는 동안, 새로운 부품이 제2 빌딩 컨테이너 내의 기계에서 프린트될 수 있다.

이러한 공개에서, "코터"는 미립자 재료를 저장, 주입 및 동시에 평탄화와 매끄러움을 가능하게 하는 기술적 유닛을 지칭한다. 본 발명에 따라서, 3D 프린팅 장치는 다중 코터를 가질 수 있다. 다중 코터는 특정 기능 유닛을 공유할 수 있다. 이러한 종류의 장치 부품은 "코터 수단"으로서 또한 지칭된다.

이러한 공개에서, "주입 장치", "프린트 헤드" 및 "잉크-젯 프린트 헤드"는 용어, 선택적 고화 유닛과 동의어의 이름이다. 이는 주로, 결합제 유체의 미세-방울의 형태인 매트릭스-형 데이터를 디지털 제어 신호에 기초하여 빌드 공간에 적용할 수 있는 시스템을 의미한다. 그러나 레이저-기반 방법은 또한 이러한 종류의 고화 유닛을 나타낼 수 있다. 이러한 종류의 장치 부품은 "프린팅 수단"으로서 또한 지칭된다.

"라인 헤드(line head)"는 적어도 전체 빌드 공간만큼 넓고 해상도에 따라서 액체 또는 "정보(information)"로 이러한 빌드 공간을 커버할 수 있는 프린트 헤드를 지칭한다.

"정보(information)"는 추상명사이다. 본 발명에 따른 방법에서, "정보"는 국소 결합일 수 있다. 이는 액체 또는 에너지의 공급으로 인해 발생할 수 있다. 용어, 정보는 단지 특성이 위치에서 변경되기 때문에 사용된다. 그 특성은 종종 강도이다. 그러나 이는 강제적인 것은 아니다.

"프린팅 및 코터 평면"은 현재 진행 중인 빌딩 공정의 위치에 대한 추상명사이다. 주입 유닛과 코터가 거의 하나의 높이에 공유 부품을 갖는 위치선정 유닛의 장치에서 구조적으로 이동되기 때문에, "프린팅 및 코터 평면"은 본 설명에서 새로이 분배된 층의 상부 에지에 위치되는 것으로 보인다.

본 발명의 의미 내에서 "빌딩 플랫폼"은 프린팅 및 코터 평면에 대해 이동한다. 이러한 상대 이동은 빌딩 공정 중 다수의 층 두께에서의 중단 이동으로 발생한다. 이는 실제 층 두께를 규정한다. 전술한 경사식 프린팅 방법에서, 빌딩 플랫폼은 컨베이어 벨트이다. 여기서 공급량은 층 두께와 동일하지 않다.

"경사식 프린터(inclined printer)"는 코팅 및 프린팅이 수평에 대해 경사진 평면에서 발생하는 3D 프린팅 장치이다. 그에 의해서 분말 케이크가 생성되며, 이는 스텝 컨베이어를 사용하여 한 층 한 층 프린팅 구역으로부터 빼내어진다. 금속 필라멘트는 그 후에 언팩킹 구역에서 종료된다. 그 구성요소는 여기서 제거되지만, 프린터는 계속해서 제조한다. 이러한 설명은 용어 "경사식 프린팅 방법"에도 유사하게 적용된다.

본 발명의 의미 내에서 "한 층 한 층 진행되는(proceed layer by layer)"은 잡 박스 또는 다른 수평 빌드 평면에서 한 층의 두께만큼 빌드 공간을 하강시키거나 한 층의 두께만큼 빌드 공간 위에 위치된 장치 부품을 상승시키는 공정을 지칭한다. 연속적인 방법에서, "한 층 한 층 진행되는"은 미립자 재료의 새로운 층이 도포되며 따라서 층 도포 및 선택적인 결합제 유체 도포가 연속적으로 발생하도록 한 층의 두께만큼 도포된 빌드 재료(프린트 기계에서의 빌드 재료 블록)가 이동하는 것을 지칭한다. 이는 빌딩 플랫폼에 대해 경사지게 발생할 수 있다.

본 발명자는 현재 만족할만한 수준의 품질에서 용적 용량을 상당히 증가시키는 것을 가능하게 하는 해법을 찾았다.

본 발명자는 본 발명에 따라서, 코팅 및 프린팅 작동이 병행된다는 점에서 종래 기술에 따른 접근법으로부터 공지된 한계들을 제거할 수 있다. 이들 작동이 본질적으로 동시에 수행되면, 다중 코터와 프린트 유닛을 연속적으로 배치하고 다중 층을 도포하며 한 번의 통과로 이들을 선택적으로 고화시키는 것이 가능하다. 이러한 목적을 위해서, 제조된 제품의 품질에 부정적인 영향을 끼치는 속도의 증가 또는 다른 측정이 필요 없다.

바람직한 특정 실시예가 아래에서 예시된다.

일 양태에서, 본 발명은 적층 기술에 의해서, 특히 빌드 재료가 규정된 층으로 빌드 공간에 도포되며, 결합제 유체가 빌드 재료에 선택적으로 분배되며, 빌드 공간이 일정량만큼 이동되며, 원하는 물체가 제조될 때까지 이들 단계가 반복되며, 도포 및 분배 단계가 본질적으로 동시에 발생되는 것에 의해서 3차원 모델을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 이러한 방법의 실행으로 인해서, 성형 부품에 대한 허용 가능한 품질에서 더 높은 용적 속도가 유리하게 달성될 수 있다.

다른 장치 수단과 호환 가능한 적합한 장치 수단이 다양한 재료를 도포하고 분배하는데 사용된다. 미립자 빌드 재료는 바람직하게 코터의 도움으로 도포되고/되거나 결합제 유체는 프린트 헤드의 도움으로 분배된다.

본 발명에 따른 방법에서, 코터 및 프린트 헤드는 바람직하게 함께 배열되며 프린트 헤드 장치 수단은 규정된 거리를 두고, 바람직하게 300mm 내지 1,000mm, 더 바람직하게 50mm 내지 300mm의 거리에 코터 장치 수단의 뒤에, 더욱더 바람직하게는 거리를 두지 않고 곧바로 배치된다.

본 발명에 따른 방법에서, 상이한 장치 수단이 동일한 속도 또는 상이한 속도로 이동되도록 구동 수단을 0.02 m/s 내지 1 m/s의 속도로 구동 및 이동시키는 구동 수단이 바람직하게 제공된다.

본 발명에 따른 방법은 코터 및 프린트 헤드 장치 수단의 위치선정에 대해 상이한 방식으로 발생할 수 있다. 이들 장치 수단, 및 가능하다면 다른 장치 수단은 빌드 공간 위로 이동된 이후에 그들의 출발점으로 복귀할 수 있다. 대안으로, 전방 운동 및 복귀 운동이 사용된다. 장치 수단의 후방 이동 및 복귀 운동은 고속으로, 바람직하게 0.5 m/s 내지 5 m/s의 속도로 발생한다.

대안의 특정 실시예에서, 도포 및 분배가 전방 운동뿐만 아니라 복귀 운동으로 발생하며, 대응하는 속도로 실시된다.

하나의 바람직한 방법에서, 다중 층이 한 번의 통과로 쌓아 올려질 수 있도록 바람직하게 각각 2 내지 20개, 더 바람직하게 4 내지 15개의 다중 코터 및 주입 유닛 장치 수단이 사용된다. 다중 장치 수단은 바람직하게, 전방운동과 복귀운동의 한 번의 통과로 다중 층을 형성한다.

본 발명에 따른 방법은 바람직하게, 다중 장치 수단 또는 처리 유닛의 도움으로 연속 작동하는 컨베이어 유닛에 다중 층을 쌓아 올린다.

본 발명에 따른 방법은 기본 방법으로서 경사식 프린팅 방법, 배치 방법 및/또는 연속 방법을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 양태는 적어도 2개, 바람직하게 3 내지 20개의 프린팅 수단 및 그로부터 하류에 위치되는 적어도 2개, 바람직하게 2 내지 20개의 코터 수단을 포함하는 적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하기 위한 장치를 더 포함한다.

다른 양태에서, 본 발명은 적어도 2개의 코터 수단 및 적어도 두 개의 프린팅 수단을 포함하는 적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.

장치의 이러한 양태는 또한, 조합 방식으로 실시될 수 있다.

청구범위 제11항 또는 제12항에 따른 장치는 프린팅 수단 및 코터 수단이 동일한 축선 상에 배치되는 것을 특징으로 한다. 그 장치는 바람직하게, 프린팅 수단과 코터 수단 사이에 1 내지 2의 비율을 가진다. 그 수단은 바람직하게, 프린팅 수단의 전후에 또는 양 측면에 적어도 하나의 코터 수단을 또한 포함한다.

프린팅 수단은 임의의 적합한 방식으로 설계되고 다른 장치 수단과 조정될 수 있다. 프린팅 수단은 바람직하게 라인 헤드로서 설계된다. 프린팅 수단 및 코터 수단은 바람직하게 0.02 m/s 내지 1 m/s의 속도로 이동된다.

본 발명에 따른 장치에서, 프린팅 수단 및 코팅 수단은 이들이 전방 운동과 복귀 운동으로 작동하도록 배치될 수 있다. 프린팅 수단 및 코팅 수단은 상이한 평면에서, 바람직하게 높이에서, 바람직하게 Z축선 상에서 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 장치에서, 프린팅 수단 및 코터 수단은 오프셋되게 배치되며, 바람직하게 이들은 이들이 서로의 위에 층을 도포하고 분배할 수 있도록 배치된다.

본 발명에 따른 장치는 경사식 프린터, 배치 프린터 또는 연속 작동 프린터로서 설계될 수 있다.

이는 또한, 연속 작동 컨베이어 유닛을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 바람직하게, 경사식 프린터로서 설계되고/되거나 상기 장치는 수직 카루우젤(carousel)로 또는 휠과 같은 방식으로 배치된다.

다른 적합한 특정 실시예가 아래에서 예시된다.

본 발명에 따라서, 시스템은 본질적으로, 잉크-젯 프린팅의 도움으로 모델을 층으로 쌓아 올리는데 사용된다. 종래 기술에 따른 순서는 다음과 같다: 분말 층이 빌딩 플랫폼에 도포되고 평탄화된다. 그 후 유체가 3D 모델의 층 데이터에 따라서 층에 프린트된다. 프린트된 구역은 하나 또는 다수의 특성(강도, 수용성 등)을 변화시킨다. 그 재료는 종종 액체 결합제(예를 들어, 접착제) 내의 결합제 성분으로 인해 고화된다. 분말 성분 형태의 결합제가 또한 통상적이다. 빌딩 플랫폼은 프린팅 처리 이후에 하강되며, 이러한 공정은 처음부터 다시 시작한다.

이들 단계는 구성요소가 제조된 분말 케이크에 완전히 제공될 때까지 반복된다.

본 발명에 따른 방법은 미립자 재료의 층이 도포되는 동안에 제조되는 층에서 프린팅이 이미 발생하고 있다는 사실로 인해 종래 기술과 상이하다. 오직 코팅과 오직 프린팅만이 홀로 발생하는 단계가 물론 제공된다. 그러나 본 발명에 따라서 동시 작동 단계가 항상 존재한다.

이러한 형태의 절차는 사용되는 코터 기술과 일치되게 도입되어야 한다. 예를 들어, 종래 기술에 따른 장치의 경우 빈번한 일이지만 진동이 가해지면, 프린트 헤드로의 그의 이동은 구조적으로 배제되어야만 한다.

이러한 병행성(parallelism)은 프린팅 작업을 위한 시간이 코팅 작업을 위한 시간에 거의 흡수될 수 있게 한다.

이러한 병행성을 활용하는 본 발명에 따른 장치는 소위 라인 헤드를 유리하게 포함한다. 이러한 라인 헤드는 단일 통과로 전체 빌드 공간을 프린트할 수 있다. 따라서 프린트 헤드는 코터 직후에 작동하여 층을 완성할 수 있다. 종래 기술에 따른 장치와는 대조적으로, 복귀 운동은 빈 하중 상태, 즉 코팅이나 프린팅 없이 수행된다. 최대 이동 속도가 사용될 수 있다.

처리 가속화의 더욱 양호한 사용이 본 발명에 따라서 달성될 수 있게 하기 위해서, 제2 코터가 설치될 수 있다. 이러한 장치에서, 프린트 헤드는 두 개의 코터에 의해 일정 범위만큼 둘러싸인다. 따라서 프린팅과 동시에 코팅이 장치의 전방 및 복귀 운동으로 발생할 수 있다.

이러한 종류의 장치에서 적층 시간은 보통, 단지 가능한 코팅 속도만큼 시간을 단축시키는 방향으로 제한된다. 재료 시스템에 따라서 예를 들어, 최대 0.333 m/s가 달성될 수 있다. 1층/3초의 빌드 비율은 1미터의 빌드 공간에 대한 결과일 것이다. 300㎛의 층 두께 및 1m의 코터 폭은 대략 0.1 l/s의 용적 용량을 야기한다. 이들은 360l/h에 대응한다. 종래 기술에 따른 장치에서, 대략 40초가 이러한 크기의 층에 대해 통상적이다. 결과적으로, 용적 용량은 10배 더 낮다.

코팅과 프린팅 공정을 병행하는 가장 큰 이득은 프린트 유닛과 코터 유닛을 엇갈리게 배치하는 능력에 있다. 2개의 코터와 1개의 프린트 헤드를 포함하는 전술한 장치는 또한, 4개의 코터와 3개의 프린트 헤드를 갖도록 설계될 수 있다. 코터와 프린트 헤드는 서로에 대해 높이가 오프셋되며 각각 그룹을 이뤄서 하나의 층을 쌓아 올린다.

이러한 종류의 프린터는 한 번의 통과로 두 개의 층을 쌓아 올린다. 위의 계산에 따라서, 적층 시간은 1.5 초로 감소된다. 용적 용량은 720 l/h로 증가한다.

유닛의 수는 원칙적으로, 제한이 없다. 따라서 하나의 프린터는 또한, 8개 초과의 코터와 7개 초과의 프린트 헤드를 갖출 수 있다. 적층 시간은 이제 1초 미만으로 떨어진다. 용적 용량은 1 ㎥/h를 초과한다.

연속적으로 작동하는 프린팅 장치는 또한, 아주 많은 수의 프린트 헤드와 코터 유닛을 사용함으로써 제조될 수 있다. 이러한 장치는 더 이상 빌드 컨테이너를 채우지 않고 컨베이어 벨트에서 작동할 것이다. 제조 원리는 공보 DE 10 2010 015 451 호에 설명된 것과 유사할 것이다. 용적 용량은 1미터의 폭과 대략 1,500 코터와 프린트 유닛을 갖는 장치에서 540,000 l/h이다.

이러한 종류의 장치는 작동주기 시간에 대하여 종래 제조 방법과 문제없이 경쟁할 수 있을 것이다.

이러한 종류의 장치에 대한 높은 투자 비용은 결국, 처리 유닛을 위한 위치선정 유닛의 사용에 의해서 감소될 수 있다. 처리 유닛은 연속적으로 안내되고 적층 구역 밖에 유지될 수 있다. 회전하는 체인 드라이브 또는 처리 유닛에 맞춰진 휠이 이러한 종류의 시스템에 적합하다.

도면의 간단한 설명이 선호되는 특정 실시예로 나타난다.

도 1은 단면 등각도로서 분말-기반 3D 프린터의 구성요소를 개략도로 도시하며,
도 2는 종래의 3D 프린팅 공정의 순서에 대한 다이어그램을 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 코팅 및 프린팅 공정을 병행하는 프린팅 공정의 예시를 도시하며,
도 4는 본 발명에 따른 전방 운동과 복귀 운동으로 프린팅 중인 장치를 도시하며,
도 5는 본 발명에 따른 엇갈림 배열된 코터와 프린트 헤드를 포함하는 장치를 도시하며,
도 6은 본 발명에 따른 7개의 프린트 헤드와 8개의 코터를 포함하는 장치를 도시하며,
도 7은 본 발명에 따른 가동 유닛을 포함하는 장치를 도시하며,
도 8은 본 발명에 따른 컨베이어 벨트에서 작동하는 장치를 도시하며,
도 9는 본 발명에 따른 장치를 도시하며,
도 10은 본 발명에 따른 장치를 도시한다.

본 발명에 따른 시스템은 분말-기반 3D 프린팅을 위주로 도시된다. 기계 공학은 본 발명에 따른 요건을 만족시키도록 보강된다.

종래 기술에 따른 장치는 분말 코터(101)(도 2)를 가진다. 그에 의해서 미립자 재료가 빌딩 플랫폼(102)에 도포되어 평평하게 된다(도 3a 참조). 도포된 미립자 재료는 넓은 범위의 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 모래, 세라믹 분말, 금속 분말, 플라스틱, 목재 미립자, 섬유 재료, 셀룰로오스, 락토스 분말 등이 사용될 수 있다. 이들 재료의 유동 특성은 터무니없이 변할 수 있다. 상이한 코터 기술은 건조된 자유-유동 분말과 응집성의 단단한 분말로부터 유체-기반 분산물로의 적층을 허용한다. 분말 층(107)의 높이는 빌딩 플랫폼(102)에 의해 결정된다. 빌딩 플랫폼의 높이는 한 층이 분배된 이후에 낮아진다. 다음 코팅 작업 중에, 낮아진 결과만큼의 용적이 채워지며 넘치는 것은 평평해진다.

코팅 공정 이후에, 액체가 잉크젯 프린트 헤드(100)(도 2b)의 도움으로 그 층 위에 프린트된다. 프린트 이미지는 장치의 현재 빌드 높이에서 구성요소의 섹션에 대응한다. 유체는 미립자 재료와 부딪쳐서 그 속으로 천천히 확산한다.

그 후에, 그 층은 선택적으로 가열될 수 있다(도 2c). 이러한 목적을 위해서, 예를 들어, IR 방출기(200)가 빌드 공간 위를 통과할 수 있다. 이러한 IR 방출기는 코팅 시스템의 축선과 연결될 수 있다. 액체 결합제의 일부는 가열 공정 중에 증발된다. 화재 위험이 있는 액체의 경우에, 증발 재료는 즉각적으로 추출된다.

이러한 선택적인 가열 공정 이후에, 빌딩 플랫폼(102)은 제공된 층의 높이만큼 하강된다. 층의 형성, 프린팅, 가열 및 하강의 단계가 이제, 원하는 구성요소(103)가 완전히 제조될 때까지 반복된다.

도 3은 본 발명에 따른 방법의 핵심 사상을 도시한다. 코터(101)는 프린트 헤드(100)가 바로 뒤따른다. 프린트 헤드는 종래 기술에 따른 장치에서처럼 생겨나는 구성요소를 고화시킨다.

본 발명에 따른 장치는 진동이 코터로부터 프린트 헤드로 전달될 수 있는 환경을 고려한다. 이런 목적을 위해서, 진동을 감소시키거나 기계의 구성요소 전반으로 진동의 전파를 방지하는 구조적 대책이 제공된다.

본 발명의 이러한 특정 실시예에서, 복귀 운동이 고속으로 발생한다. 따라서 코팅 작동의 경우에서보다 훨씬 더 고속이 달성될 수 있다. 그 속도가 코팅 작동 중에 최대 0.3 m/s지만, 종래 기술에 따른 구성요소를 사용하여 1 m/s 초과의 복귀 운동으로 횡단될 수 있다.

총 적층 시간이 코팅 통과의 시간과 복귀 운동의 시간으로 구성되기 때문에, 적층 시간은 상당히 감소한다. 그 차이는 프린팅 통과의 시간 빼기 복귀 운동의 시간이다.

본 발명에 따라서, 유휴 시간(idle time)을 추가로 감소시키는 장치가 바람직하다. 이들 유휴 시간은 미립자 재료와 유체의 재충전 작동 시간이다. 미립자 재료와 유체는 가요성 호스, 파이프 또는 홈 시스템을 통해서 유닛으로 공급된다. 그에 의해서 소요된 재료가 진행 중인 공정 중에 대체될 수 있다.

프린트 헤드 세정 시스템이 또한 적응되어야 한다. 이는 용량의 증가를 수용하도록 빌드 공간의 방향으로의 1회 통과 중에 세정 작동을 가능하게 해야 한다.

프린팅 및 코팅 공정이 끝난 이후에, 빌딩 플랫폼은 일 층의 두께만큼 하강되며 공정이 다시 시작된다.

본 발명은 또한 소위 경사식 프린터로서 설계될 수 있다. 이 경우에, 코팅 및 프린팅 작동은 공보 DE 10 2010 015 451 호에 설명된 바와 같이, 수평에 대하여 경사진 평면에서 발생한다. 병행성이 또한 여기서 발생할 수 있다. 일 층의 두께만큼 하강하는 공정은 컨베이어 벨트를 횡단하는 것으로서 설계된다.

복귀 운동은 공정 속도의 의미에서 미사용 시간 기간을 나타낸다. 그러므로 코터 유닛은 본 발명에 따른 장치에 추가될 수 있다. 코터는 이제 프린트 헤드로부터 상류 및 하류에 배치된다. 빌딩 플랫폼은 복귀 운동 이전에 일층 두께만큼 하강된다. 그리고 이는 또한 완료된 통과 이후의 전방 운동 이전에 발생한다.

이러한 장치는 전방 운동 및 복귀 운동에 의한 동시 코팅 및 프린팅을 위해 사용될 수 있다. 그 결과로 층당 상기 시간이 추가로 감소된다. 코팅 속도에서 통과를 위한 시간이 또한 계산되어야 한다.

본 발명의 의미 내에서, 프린터(100) 및 코터(101) 유닛은 하나의 처리 유닛으로 조합될 수 있다. 코터는 전방 및 복귀 운동이 사용될 예정이라면 프린터에 추가될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 처리 유닛은 일층 두께만큼 오프셋될 수 있다. 단일 통과 중에 두 개의 층을 동시에 쌓아 올리는 것이 이제 가능하다. 이는 전방 및 복귀 운동으로 가능하다. 전방 및 복귀 운동을 위한 적층 시간은 각각의 처리 유닛에 대해 절반으로 축소된다.

종래 기술에 따른 프린터에 비교한 특별한 특징은 빌드 컨테이너의 에지에서 발생한다. 여기에서 복귀 운동 중에 가장 낮은 프린트 헤드보다 더 높은 층이 쌓아 올려진다. 그러므로 시스템은 외측으로 보다 멀리에 위치된 웰(well)의 내부로 분말을 밀어냄으로써 프린터 헤드와 반대로 미립자 재료를 유지할 수 있는 코터가 가장 낮은 프린트 헤드로부터 상류에 위치되는 방식으로 설계되어야 한다.

이러한 종류의 장치는 거의 임의로 확장될 수 있다. 도 5는 전방 및 복귀 운동을 위한 4개의 처리 유닛의 시스템을 도시한다. 이러한 장치는 7개의 프린트 헤드와 8개의 코터를 포함한다.

통과당 층(n)과 코터의 수(b) 또는 프린트 헤드의 수(d) 사이의 관련성은 다음과 같다:

d = n·2 - 1

b = n·2.

이러한 관련성은 이러한 종류의 장치에 대규모 투자가 필요함을 나타낸다. 비용-집약적 구성요소는 통과 중에 미사용 상태를 유지한다. 이동 방향으로 중심부로부터 외측으로 포함되는 프린트 헤드(100) 및 코터(101)는 작동하지 않는다. 사용 시간은 결과적으로 50%이다.

개별 구성요소 - 코터(101) 및 프린트 헤드(100) - 가 이동될 수 있게 설계함으로써 이러한 상황을 고려하는 것이 가능하다. 각각의 소자에 대해 두 개의 한계 위치를 형성하는 것으로 충분하다. 이러한 종류의 이동 장치는 충분히 사용되지 못하는 코터(101)와 프린트 헤드(100)의 사용에 비해서 비용-효과적인 설계를 가질 수 있다. 다른 효과로서, 처리 시스템의 폭이 감소되며, 전체 장치가 공간 절약되게 설계될 수 있다.

많은 수의 처리 유닛(100,101)을 사용하는 것은 본 발명의 다른 실시예(도 8)를 가능하게 한다. 필요한 빌드 공간 높이에 의해 요구되는 만큼 많은 유닛이 배치되었다면, 프린팅은 전술한 경사식 프린터의 원리와 유사하게 컨베이어 벨트(800)에서 발생할 수 있다.

이러한 원리에 따라서, 거기에는 더 많은 유휴 시간이 없다. 용적 용량(V_Point)은 이동 속도(v), 프린트 폭(b) 및 빌드 공간 높이(h)에 의해 쉽게 계산될 수 있다:

V_Point = b·h·v

이러한 종류의 장치에서, 처리 유닛을 포함하는 처리 시스템은 보수유지를 위해 컨베이어 벨트(800)의 반대로 회전되어야 한다. 이러한 작동 중에, 제2 처리 시스템은 상당한 작동 중지시간이 발생하지 않도록 회전될 수 있다.

전술한 바와 같이, 이러한 문제와 고투자 비용은 연속 시스템에 처리 유닛을 분배함으로써 완화될 수 있다(도 9). 경사식 프린터 원리가 기본으로 사용되며, 이는 또한 종래 장치가 기본으로서의 역할을 하는 것도 가능하다. 이러한 설명으로부터 벗어난, 병행 원리는 후방 및 전방 운동을 갖는 처리 유닛에 의해 실시될 수 없다. 유닛의 전방 운동 이후에, 유닛은 상승되고 적층 구역 위로 다시 이동된다. 프린트 헤드 및 코터 세정 스테이션은 이러한 구역에 장착될 수 있다. 드라이브(900)는 체인 또는 벨트에 의해 실행될 수 있다. 정밀한 가이드가 적층 구역에 사용된다.

이러한 장치에서의 층 두께는 각각의 처리 유닛에 대해 별도로 설정될 수 있다. 따라서 모든 유닛은 장치의 빌드 각도에 평행하게 이동될 수 있다.

처리 유닛은 또한, 휠(1000)에 배치될 수 있다. 유닛은 휠 방향으로 상대적으로 회전될 수 있다. 따라서 처리 유닛은 공간에서 항상 수직하다. 강성 연결이 또한 가능하다. 그러나 위치-관용성(position-tolerant) 처리 유닛이 사용되어야 한다. 이는 프린트 헤드가 모든 공간 위치에서 기능을 다해야 하며, 분말 코터가 적어도 층 제조 구역에서 미립자 재료로 충전되어야 함을 의미한다. 체인을 갖는 시스템에 비해서, 이러한 장치는 더 간단한 디자인을 가질 수 있다. 미립자 재료의 안식각(angle of repose)을 고려하기 위해서, 휠은 일반적으로 매우 커다란 디자인을 가져야 한다.

전술한 특징은 전술한 바와 같은 그들의 특별한 조합으로뿐만 아니라, 이들 특징의 어느 하나가 본 발명에 따라서 여기서 설명된 다른 특징의 어느 하나와 또한 조합되거나 또는 이들이 그의 모두와 또는 그의 일부와 조합될 수 있다고 이해되는 본 발명의 일부이다.

100 : 프린트 헤드
101 : 코터
102 : 빌딩 플랫폼
103 : 구성요소
104 : 빌드 컨테이너
105 : 프린트 헤드 경로
106 : 코터 경로
107 : 분말 층
108 : 빌딩 플랫폼 이동 방향
109 : 주입 방울
110 : 분말 롤
111 : 빌드 공간 경계선
112 : 코터 간극
113 : 코터 스톡(coater stock)
200 : IR 방출기
800 : 컨베이어 벨트
900 : 연속 위치선정 유닛
1000 : 처리 유닛을 포함하는 휠

Claims (10)

1. 적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하는 방법에 있어서,
   미립자 빌드 재료가 규정된 층으로 빌드 공간에 도포되며, 결합제 유체가 빌드 재료에 선택적으로 도포되며, 빌드 공간이 일정한 양만큼 이동되며, 이들 단계는 원하는 물체가 제조될 때까지 반복되며, 도포 및 분배 단계가 본질적으로 동시에 발생하는 것을 특징으로 하는
   적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 미립자 빌드 재료는 코터의 도움으로 도포되고/되거나 결합제 유체는 프린트 헤드의 도움으로 도포되는 것을 특징으로 하는
   적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   프린트 헤드 장치 수단은 규정된 거리에, 바람직하게 1,000mm 내지 300mm의 거리에, 더 바람직하게 300mm 내지 50mm의 거리에, 더욱 더 바람직하게는 직접적으로 코터 장치 수단을 뒤따르는 것을 특징으로 하는
   적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 장치 수단은 0.02 m/s 내지 1 m/s의 속도로 이동되며, 바람직하게 상이한 장치 수단이 동일한 속도 또는 상이한 속도로 이동되는 것을 특징으로 하는
   적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 장치 수단은 후방으로 이동되며, 상기 장치 수단의 복귀 운동은 고속으로, 바람직하게 0.5 m/s 내지 5 m/s의 속도로 발생하는 것을 특징으로 하는
   적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 도포 및 분배는 전방 운동 및 복귀 운동에 의해 발생하는 것을 특징으로 하는
   적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하는 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   바람직하게 각각 2 내지 20개, 더 바람직하게 4 내지 15개의 다중 코터 및 주입 유닛 장치 수단은 한 번 통과로 다층을 형성하는 것을 특징으로 하는
   적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하는 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   다중 장치 수단은 전방 운동과 복귀 운동 모두의 한 번 통과로 다층을 형성하며, 바람직하게 다층 장치 수단은 연속적으로 작동하는 컨베이어 유닛에 다층을 쌓아 올리는 것을 특징으로 하는
   적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   경사식 프린팅 방법, 배치 방법(batch method) 및/또는 연속 방법이 기본 방법으로서 사용되는 것을 특징으로 하는
   적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하는 방법.
10. 적어도 2개, 바람직하게 3개 내지 20개의 프린트 수단, 및 그로부터 하류에 배치되는 적어도 2개, 바람직하게 2개 내지 20개의 코터 수단을 포함하며, 바람직하게는 적어도 2개의 코터 수단 및 적어도 2개의 프린트 수단을 가지는 적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하는 장치에 있어서, 바람직하게
    상기 프린트 수단 및 상기 코터 수단이 동일한 축선 상에 배치되며, 바람직하게
    상기 프린트 수단이 라인 헤드로서 설계되며, 바람직하게
    상기 프린트 수단 및 상기 코터 수단이 0.02 m/s 내지 5 m/s의 속도 이동될 수 있으며, 바람직하게
    상기 프린트 수단 및 상기 코터 수단은 이들이 전방 운동뿐만 아니라 복귀 운동으로 작동할 수 있도록 배치되고 설계되며, 바람직하게
    상기 프린트 수단 및 상기 코터 수단이 상이한 평면에서, 바람직하게 높이에서, 바람직하게 Z 축선에서 조절될 수 있으며, 바람직하게
    상기 프린트 수단 및 상기 코터 수단은 이들이 서로의 상부에 다층을 도포하고 분배할 수 있도록 오프셋 방식으로 위치, 바람직하게 배치되며, 바람직하게
    상기 장치가 연속적으로 작동하는 컨베이어 유닛을 가지며, 바람직하게
    상기 장치가 경사식 프린터, 배치 프린터 또는 연속 작동 프린터로서 설계되며, 바람직하게
    상기 장치가 경사식 프린터로서 설계되고/되거나 상기 장치 수단이 수직 카루우젤로 또는 휠과 같은 방식으로 배치되는 것을 특징으로 하는
    적층 기술에 의해서 3차원 모델을 제조하는 장치.
    

Images