KR20170017941A - 중합성 액체의 왕복 공급을 통한 3차원 프린팅 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 "상향식" 적층식 제조를 통해 3차원 물체를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이 때 고형화할 수 있는(solidifialbe) 액체로 빌드 영역을 재충진하는 것을 증대시키거나 빠르게 하기 위하여, 빌드 표면에 대해 캐리어(112)가 수직으로 왕복 운동한다. 바람직한 실시예에서, 3차원 물체는 연속 유체 계면 제조(continuous liquid interface production, 즉, "CLIP")에 의해 제조된다.
Description
본 발명은 액체 재료로부터 3차원 고체 물체를 형성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 출원은 2015년 2월 18일 출원된 미국 가출원번호 62/117,640, 2014년 8월 11일 출원된 미국 가출원번호 62/035,643 및 2014년 6월 20일 출원된 미국 가출원번호 62/015,119를 바탕으로 한다. 상기 문헌들의 개시 내용은 그 전체가 본원에 참고로 인용된다.
종래의 적층 제조 기술 또는 3차원 제조 기술에서, 3차원 물체의 구성은 단계적으로 또는 층별로 수행된다. 특히, 층 형성은 가시광 또는 UV 광 조사(irradiation)의 작용 하에 광경화성 수지의 고체화(solidification)를 통해 수행된다. 두 가지 기술이 알려져 있다: 하나는 형성되는(growing) 물체의 윗면에 새로운 층이 형성되는 기술이다; 다른 하나는 형성되는 물체의 아랫면에 새로운 층이 형성되는 기술이다.
형성 중인 물체의 윗면에 새로운 층이 형성되는 경우, 각 조사(irradiation) 단계 후에 형성 중인 물체가 수지의 "풀(pool)"에 잠기게 되고, 새로운 수지 층이 코팅되고 새로운 조사 단계가 수행된다. 이러한 기술의 초기 예가 도 3의 헐(Hull)의 미국 특허 제5,236,637호에 나타나 있다. 이러한 "하향식(bottom up)"기술의 단점은, 액체 수지의 (잠재적으로 깊은) 풀(pool)에 형성 중인 물체가 잠겨야 한다는 점 및 액체 수지층을 정밀하게 재구성하여야 한다는 점이다.
형성 중인 물체의 아랫면에 새로운 층이 형성되는 경우, 각 조사 단계 후에 형성 중인 물체를 제조 우물(well)의 바닥 판에서 분리해야 한다. 이러한 기술의 초기 예가 도 4의 헐(Hull)의 미국 특허 제5,236,637호에 나타나 있다. 이러한 "상향식(bottom up)"기술은, 상대적으로 얕은 우물(well) 또는 풀(pool)에서 물체를 들어올림으로써, 물체가 잠기는 깊은 우물(well)이 필요없다는 장점을 가지고 있다. 하지만 상업적으로 구현되는 이러한 "상향식" 제조 기술의 문제점은 바닥 판으로부터 고체화된 층을 분리할 때, 둘의 물리적/화학적 상호 작용 때문에 극도의 주의를 기울여야 하며, 추가적인 기계적 요소가 사용되어야 한다는 것이다. 예를 들어, 미국 특허 제7,438,846호에서는, 제조 표면의 바닥에서 "비파괴적(non-destrucive)"으로 고체화된 물질을 분리하기 위해 탄성분리층(elastic separation layer)이 사용된다. 미국 사우스 다코타(South Dakota) Deadwood 소재 B9Creations사에서 판매하는 B9Creator™ 3차원 프린터와 같은 다른 방법은 슬라이딩 빌드 판(build plate)을 사용한다. 이는 예를 들어, M. Joyce의 미국특허출원 제2013/0292862호 및 Y. Chen et al.의 미국특허출원 제2013/0295212호 (둘 다 2013년 11월 7일 출원); Pan et al.의 J. Manufacturing Sci. and Eng. 134, 051011-1 (Oct. 2012) 를 참조하면 된다. 이러한 방식은 장치를 복잡하게 하고, 제조 속도를 느리게 하며 및/또는 잠재적으로 최종 생성물의 형태를 왜곡시킬 수 있는 기계적인 단계를 도입한다.
미국 특허 제7,892,474호에서는 "하향식" 기술과 관련하여 3차원 물체를 생산하기 위한 연속적 공정이 제안되었지만, 이 문헌은 "상향식" 시스템에서 상기 공정이 어떻게 물체를 어떻게 비파괴적으로 생산하도록 구현할 수 있을지를 설명하지 않는다. 따라서, "상향식" 방법의 제조 공정에서, 기계적 분리 단계를 제거할 수 있는 대안적인 3차원 제조 방법 및 장치가 필요하다.
이하 적층식 제조방법에 의한 3차원 물체의 제조방법, 시스템 및 장치 (관련 제어 방법, 시스템 및 장치를 포함)를 개시한다. 바람직한 (그러나 반드시 필수는 아님) 실시예에서, 상기 방법은 연속적으로 수행된다. 바람직한 (그러나 반드시 필수는 아님) 실시예에서, 3차원 물체는 액체 계면으로부터 생성된다. 여기서, 이들 용어는 제한적 목적이 아닌 편의상 연속적 액체 계면 생산(continuous liquid interface(또는 interphase) production(또는 printing)), 즉 이하 "CLIP" (다양한 표현이 상호 교환적으로 사용됨)으로 칭해질 수 있다. 상기 일 실시예의 개략도가 도 1에 제시되어 있다.
본 발명은
캐리어 및 빌드 표면(build surface)을 가지는 광투명성 부재(member)를 제공하는 단계로서, 상기 캐리어 및 상기 빌드 표면은 그 사이에 빌드 영역(build region)을 정의하게 되는, 광투명성 부재(member)를 제공하는 단계;
상기 빌드 영역에 중합성 액체(polymerizable liquid)를 충진(filling)하는 단계;
상기 중합성 액체로부터 고체 중합체를 형성하기 위하여, 상기 광투명성 부재를 통과하는 빛을 상기 빌드 영역에 연속적으로 또는 단속적으로(intermittently)(예를 들어, 순차적으로 또는 상기 조사 단계와 동시에) 조사하는 단계;
상기 고체 중합체로부터 3차원 물체를 형성하기 위하여, 상기 빌드 표면에서 멀어지는 방향으로(away) 상기 캐리어를 연속적으로 또는 단속적으로 이동(advance)시키는 단계를 포함하는, 3차원 물체를 형성하는 방법을 제공한다.
일부 실시예에서, 조명 단계(illumination)는 순차적으로, 그리고 바람직하게는 후술되는 바와 같이 더 높은 세기(예를 들어, "스트로브" 모드)로 수행된다.
일부 실시예에서, 제조는 후술되는 바와 같이, 베이스 영역(base zone)으로부터 선택적인 전이 영역(transition zone)을 거쳐 바디 영역(body zone)으로 2개 또는 3개의 연속 패턴으로 수행된다.
일부 실시예에서, 중합성 액체로 빌드 영역을 재충진하는 것을 증대시키거나 빠르게 하기 위하여, 캐리어는 빌드 표면에 대해 수직으로 왕복 운동한다.
CLIP의 일부 바람직한 실시예에서, 충진 단계, 조사 단계 및/또는 이동 단계는 (i) 상기 빌드 표면과 접촉하는 중합성 액체 데드 존을 연속적으로 유지하는 단계, 및 (ii) 상기 데드 존 및 상기 고체 중합체 사이에 위치하고, 이들 각각과 접촉하는 중합 기울기 영역 (이는 후술하는 바와 같이, 형성 중인 3차원 물체의 바닥 상의 활성 표면으로 기술될 수도 있음)을 연속적으로 유지하는 단계와 동시에 수행된다. 중합 기울기 영역은 부분적으로 경화된 형태의 중합성 액체를 포함한다. 다르게 말하면, CLIP의 일부 바람직한 실시예에서, 3차원 물체 또는 적어도 그 일부 인접한 부분은 원위치에서 형성되거나 생성된다. 여기서 사용된 "원위치(in situ)"는 화학 공학 분야에서의 의미를 가지며, "제자리에서"의 의미를 갖는다. 예를 들어, 이는 3차원 물체의 적어도 일부가 형성 중일 때 3차원 물체의 형성 중인 부분과 빌드 표면 (일반적으로 개재된 활성 표면 또는 중합 기울기 영역, 및 데드 존을 포함함)이 제 위치에 유지되는 경우 또는 3차원 물체 내의 단층(fault) 선 또는 단층면의 형성을 피하기에 충분하도록 제 위치에 유지되는 경우를 말한다. 예를 들어, 본 발명에 따른 일부 실시예에서, 최종 3차원 물체에서 서로 인접하게 되는 3차원 물체의 다른 부분은 중합 기울기 또는 활성 표면으로부터 또는 중합 기울기 또는 활성 표면 내에 순차적으로 형성될 수 있다. 또한, 3차원 물체의 제1 부분은 중합 기울기에 남아 있거나 활성 표면과 접촉할 수 있는 반면, 제1부분과 인접한 제2부분은 중합 기울기 내에 형성된다. 따라서, 3차원 물체는 (개별 층으로 제조되는 것이 아니라) 중합 기울기 또는 활성 표면으로부터 떨어져서 연속적으로 제조, 성장 또는 생산될 수 있다. 예를 들어 (일부 실시예에서) 적어도 5, 10, 20 또는 30초의 시간 동안, 일부 실시예에서는 적어도 1분 또는 2분의 시간 동안, 데드 존 및 중합 기울기/활성 표면은 제조되는 물체의 일부 또는 전부가 형성되는 동안 유지될 수 있다.
본 발명을 수행하기 위한 장치는:
(a) 받침대;
(b) 상기 받침대와 연동되어 작동하는(operatively asscociated) 캐리어; (상기 캐리어 상에 3차원 물체가 형성된다)
(c) 빌드 표면을 가지는 광투명성 부재; (상기 캐리어 및 상기 빌드 표면은 그 사이에 빌드 영역을 정의한다)
(d) 상기 빌드 표면과 연동되어 작동하고, 고체화 또는 중합(polymerization)을 위해 액체 중합체를 상기 빌드 영역에 공급하도록 갖춰진 액체 중합체 공급부;
(e) 상기 중합성 액체로부터 고체 중합체를 형성하기 위하여, 상기 광투명성 부재를 통과하는 빛을 상기 빌드 영역에 조사하는 광원(radiation source);
(f) 선택적으로, 상기 광투명성 부재 또는 상기 캐리어와 연동되어 작동하는 적어도 하나의 구동부(drive);
(g) 상기 캐리어, 및/또는 선택적으로 상기 적어도 하나의 구동부, 및 상기 광원과 연동되어 작동하고, 상기 고체 중합체로부터 상기 3차원 물체를 형성하기 위하여 상기 빌드 표면에서 멀어지는 방향으로(away) 상기 캐리어를 이동시키는 컨트롤러를 일반적으로 포함한다. 이 때 상기 컨트롤러는 상기 빌드 영역을 상기 중합성 액체로 재충진하는 것을 증대시키거나 빠르게 하기 위하여 상기 빌드 표면에 대해 상기 캐리어를 진동 또는 왕복시키도록 갖춰진다.
B9Creator™ 3차원 프린터에서 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 이 슬라이딩 빌드 표면에 코팅된다. PDMS 코팅은 산소를 흡수하여 미중합(unpolymerized) 수지의 얇은 윤활막을 형성하여 중합 억제제로서 작용함이 알려져 있다. 그러나, PDMS 코팅된 빌드 표면은 형성 중인(growing) 물체 아래에서 표면을 기계적으로 움직여(슬라이딩), 와이퍼 블레이드(wiper blade)로 미중합 수지를 닦아내고 원래의 위치인 형성 중인 물체 아래로 되돌림으로써 산소를 직접 보충한다. 일부 실시예에서는 산소와 같은 억제제를 제공하는 보조 수단(예를 들어, 관련 채널에 대한 압축기)이 제공되지만, 상기 공정은 여전히 표면의 슬라이딩 및 와이핑 공정을 통한 레이어 적층 방식(layer-by-layer approach)을 채택한다. PDMS 코팅이 수지에 의해 팽창될 수 있기 때문에, 이러한 기계적 단계와 함께 수행되는 팽창(swelling)은 PDMS 코팅을 찢거나 손상시킬 수 있다.
본 발명의 비한정적인 실시예 및 특정 실시예는 본원의 도면 및 하기에 기술된 명세서에서 더욱 상세히 설명된다. 본원에 인용된 모든 미국 특허 문헌의 개시 내용은 그 전체가 본원에 참고로 인용된다.
본 발명에 따르면, 빌드 표면에 대해 캐리어가 수직으로 왕복 운동하여 고형화할 수 있는(solidifialbe) 액체로 빌드 영역을 재충진하는 것이 증대되거나 빠르게 된 "상향식" 적층식 제조를 통한 3차원 물체를 제조하는 방법 및 장치가 제공된다.
도 1은 일 실시예에 따른 본 발명의 방법의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 본 발명의 장치의 사시도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명을 수행하기 위한 제어 시스템 및 방법을 예시하는 순서도이다.
도 6은 필름 치수가 3.5인치×17인치인 본 발명의 3인치×16인치의 "높은 종횡비(high aspect)"를 가지는 직사각형 빌드 판(또는 "윈도우") 조립체의 평면도이다.
도 7은 도 6의 빌드 판(build plate)의 전개도로서, 인장 링(tension ring) 및 인장 링 스프링 판을 도시한다.
도 8은 인장 부재가 중합체 필름을 어떻게 잡아당기고(tension) 고정 또는 경직(rigidify)시키는지를 보여주는 도 6 내지 도 9의 빌드 판의 측단면도이다.
도 9는 본 발명의 2.88인치 직경 원형 빌드 판의 상면도이다. 필름 치수의 직경은 4인치일 수 있다.
도 10은 도 9의 빌드 판의 전개도이다.
도 11은 도 7 내지 도 10의 빌드 판의 다양한 대안적인 실시예를 도시한다.
도 12는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 장치의 정면 사시도이다.
도 13은 도 12의 장치의 측면도이다.
도 14는 도 12의 장치의 후방 사시도이다.
도 15는 도 12의 장치와 함께 사용되는 광 엔진 어셈블리(light engine assembly)의 사시도이다.
도 16은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 장치의 정면 사시도이다.
도 17a 내지 도 17c는 타일링된(tiled) 이미지를 나타내는 개략도이다.
도 18은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 장치의 정면 사시도이다.
도 19는 도 18의 장치의 측면도이다.
도 20은 도 18의 장치와 함께 사용되는 광 엔진 어셈블리의 사시도이다.
도 21은 빌드 표면 또는 빌드 판에 대한 캐리어의 위치를 나타내는 본 발명에 따른 공정의 그래프이다. 이 때 캐리어의 이동과 빌드 영역으로의 조사(irradiation)는 연속적으로 수행된다. 캐리어의 이동은 수직축 상에 도시되고, 시간은 수평축 상에 도시된다.
도 22는 빌드 표면 또는 빌드 판에 대한 캐리어의 위치를 나타내는 본 발명에 따른 또 다른 공정의 그래프이다. 이 때 캐리어의 이동과 빌드 영역의 조사는 단계적으로 수행되는 반면, 데드 존 및 중합 기울기가 유지된다. 캐리어의 이동은 수직축 상에 도시되고, 시간은 수평축 상에 도시된다.
도 23은 빌드 표면 또는 빌드 판에 대한 캐리어의 위치를 나타내는 본 발명에 따른 또 다른 공정의 그래프이다. 여기서 캐리어의 이동과 빌드 영역의 조사는 단계적으로 수행되고, 데드 존 및 중합 기울기가 유지되며, 조사 단계 사이에 왕복 운동 단계가 도입되어 빌드 영역으로의 중합성(polymerizable) 액체의 흐름(flow)을 개선시킨다. 캐리어의 이동은 수직축 상에 도시되고, 시간은 수평축 상에 도시된다.
도 24는 상승운동 (즉, 상승운동의 점진적 시작) 동안 발생하는 가속 기간 및 하강운동 동안 발생하는 감속 기간 (즉, 하강운동의 점진적 종료)을 도시하는 도 23의 왕복 운동 단계의 상세도이다.
도 25는 첫번째 베이스 영역(또는 "접착(adhesion)"영역)(base zone), 두번째 전이 영역(transition zone), 및 세번째 바디 영역(body zone)을 통해, 3차원 물체를 제조하는 본 발명의 공정에서 시간(t)에 따른 캐리어의 움직임(z)을 개략적으로 보여주는 그래프이다..
도 26a는 연속적인 이동 및 연속 노광(exposure)에 의해 3차원 물체를 제조하는 과정에서 시간(t)에 따른 캐리어의 움직임(z)을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 26b는 도 26a와 유사한 방식이나 조명(illumination)이 단속적 (또는 "스트로브") 패턴으로 3차원 물체를 제조하는 경우를 도시한 그래프이다.
도 27a는 단속적 (또는 "계단식") 이동 및 단속적 노광에 의해 3차원 물체를 제조하는 과정에서 시간(t)에 따른 캐리어의 움직임(z)을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 27b는 도 27a와 유사한 방식이나 조명이 더 짧은 단속적 (또는 "스트로브") 패턴일 때 3차원 물체를 제조하는 경우를 도시한 그래프이다.
도 28a는 진동 이동 및 단속적 노광에 의해 3차원 물체를 제조하는 과정에서 시간(t)에 따른 캐리어의 움직임(z)을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 28b는 도 28a와 유사한 방식이나 조명이 더 짧은 단속적 (또는 "스트로브") 패턴일 때 3차원 물체를 제조하는 경우를 도시한 그래프이다.
도 29a는 캐리어가 움직이지 않을 때의 지속 시간이 "스트로브" 노광의 지속 기간 정도로 단축된 "스트로브" 제조 패턴의 하나의 세그먼트(segment)를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 29b는 도 29a와 유사하나, 스트로브 조명 기간 동안 캐리어가 천천히 위로 이동하는 것을 경우의 스트로브 패턴의 하나의 세그먼트(segment)를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 2는 일 실시예에 따른 본 발명의 장치의 사시도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명을 수행하기 위한 제어 시스템 및 방법을 예시하는 순서도이다.
도 6은 필름 치수가 3.5인치×17인치인 본 발명의 3인치×16인치의 "높은 종횡비(high aspect)"를 가지는 직사각형 빌드 판(또는 "윈도우") 조립체의 평면도이다.
도 7은 도 6의 빌드 판(build plate)의 전개도로서, 인장 링(tension ring) 및 인장 링 스프링 판을 도시한다.
도 8은 인장 부재가 중합체 필름을 어떻게 잡아당기고(tension) 고정 또는 경직(rigidify)시키는지를 보여주는 도 6 내지 도 9의 빌드 판의 측단면도이다.
도 9는 본 발명의 2.88인치 직경 원형 빌드 판의 상면도이다. 필름 치수의 직경은 4인치일 수 있다.
도 10은 도 9의 빌드 판의 전개도이다.
도 11은 도 7 내지 도 10의 빌드 판의 다양한 대안적인 실시예를 도시한다.
도 12는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 장치의 정면 사시도이다.
도 13은 도 12의 장치의 측면도이다.
도 14는 도 12의 장치의 후방 사시도이다.
도 15는 도 12의 장치와 함께 사용되는 광 엔진 어셈블리(light engine assembly)의 사시도이다.
도 16은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 장치의 정면 사시도이다.
도 17a 내지 도 17c는 타일링된(tiled) 이미지를 나타내는 개략도이다.
도 18은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 장치의 정면 사시도이다.
도 19는 도 18의 장치의 측면도이다.
도 20은 도 18의 장치와 함께 사용되는 광 엔진 어셈블리의 사시도이다.
도 21은 빌드 표면 또는 빌드 판에 대한 캐리어의 위치를 나타내는 본 발명에 따른 공정의 그래프이다. 이 때 캐리어의 이동과 빌드 영역으로의 조사(irradiation)는 연속적으로 수행된다. 캐리어의 이동은 수직축 상에 도시되고, 시간은 수평축 상에 도시된다.
도 22는 빌드 표면 또는 빌드 판에 대한 캐리어의 위치를 나타내는 본 발명에 따른 또 다른 공정의 그래프이다. 이 때 캐리어의 이동과 빌드 영역의 조사는 단계적으로 수행되는 반면, 데드 존 및 중합 기울기가 유지된다. 캐리어의 이동은 수직축 상에 도시되고, 시간은 수평축 상에 도시된다.
도 23은 빌드 표면 또는 빌드 판에 대한 캐리어의 위치를 나타내는 본 발명에 따른 또 다른 공정의 그래프이다. 여기서 캐리어의 이동과 빌드 영역의 조사는 단계적으로 수행되고, 데드 존 및 중합 기울기가 유지되며, 조사 단계 사이에 왕복 운동 단계가 도입되어 빌드 영역으로의 중합성(polymerizable) 액체의 흐름(flow)을 개선시킨다. 캐리어의 이동은 수직축 상에 도시되고, 시간은 수평축 상에 도시된다.
도 24는 상승운동 (즉, 상승운동의 점진적 시작) 동안 발생하는 가속 기간 및 하강운동 동안 발생하는 감속 기간 (즉, 하강운동의 점진적 종료)을 도시하는 도 23의 왕복 운동 단계의 상세도이다.
도 25는 첫번째 베이스 영역(또는 "접착(adhesion)"영역)(base zone), 두번째 전이 영역(transition zone), 및 세번째 바디 영역(body zone)을 통해, 3차원 물체를 제조하는 본 발명의 공정에서 시간(t)에 따른 캐리어의 움직임(z)을 개략적으로 보여주는 그래프이다..
도 26a는 연속적인 이동 및 연속 노광(exposure)에 의해 3차원 물체를 제조하는 과정에서 시간(t)에 따른 캐리어의 움직임(z)을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 26b는 도 26a와 유사한 방식이나 조명(illumination)이 단속적 (또는 "스트로브") 패턴으로 3차원 물체를 제조하는 경우를 도시한 그래프이다.
도 27a는 단속적 (또는 "계단식") 이동 및 단속적 노광에 의해 3차원 물체를 제조하는 과정에서 시간(t)에 따른 캐리어의 움직임(z)을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 27b는 도 27a와 유사한 방식이나 조명이 더 짧은 단속적 (또는 "스트로브") 패턴일 때 3차원 물체를 제조하는 경우를 도시한 그래프이다.
도 28a는 진동 이동 및 단속적 노광에 의해 3차원 물체를 제조하는 과정에서 시간(t)에 따른 캐리어의 움직임(z)을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 28b는 도 28a와 유사한 방식이나 조명이 더 짧은 단속적 (또는 "스트로브") 패턴일 때 3차원 물체를 제조하는 경우를 도시한 그래프이다.
도 29a는 캐리어가 움직이지 않을 때의 지속 시간이 "스트로브" 노광의 지속 기간 정도로 단축된 "스트로브" 제조 패턴의 하나의 세그먼트(segment)를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 29b는 도 29a와 유사하나, 스트로브 조명 기간 동안 캐리어가 천천히 위로 이동하는 것을 경우의 스트로브 패턴의 하나의 세그먼트(segment)를 개략적으로 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예가 도시된 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 많은 상이한 형태로 구체화될 수 있으며, 본 발명이 본 명세서에 설명된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려 이들 실시예는 본 개시가 철저하고 완전하게 통상의 기술자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 수 있도록 제공된다.
동일한 도면부호는 동일한 요소를 지칭한다. 도면에서, 특정 선(line), 층(layer), 구성성분(component), 구성요소(element) 또는 특징의 두께는 발명을 명확하게 설명하기 위해 과장될 수 있다. 점선이 사용된 경우, 달리 명시하지 않는 한 선택적 기능 또는 작동을 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 특정 실시 양태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 본원에서 사용된 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥 상 다르게 지시하지 않는 한 복수 형태를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 "포함하는" 이라는 용어는 명시된 특징, 인티저(integer), 단계, 동작, 구성요소, 구성 성분 및/또는 이들의 그룹 또는 조합의 존재를 나타낼 뿐, 하나 또는 그 이상의 다른 단계, 동작, 구성요소, 구성성분 및/또는 이들의 그룹 또는 조합의 존재 또는 부가를 배제하는 것은 아니다.
본원에 사용된, "및/또는"이라는 용어는 하나 또는 하나 이상의 열거된 연관된 항목의 임의의 가능한 모든 조합을 포함한다. 만약 선택적("또는")인 것으로 해석되는 경우는, 조합되지 않는 경우를 포함한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어 (기술 및 과학 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어와 같은 용어는 명세서 및 특허청구범위에서의 맥락에 맞는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 이하에서 명시적으로 정의된 경우를 제외하고는 이상적이거나 지나치게 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 설명의 간결성 및/또는 명료성을 위해 잘 알려진 기능 또는 구조는 상세히 기술되지 않을 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "위에" 있다고 하거나 다른 구성요소와 "부착", "연결", "결합", "접촉"된다고 언급될 때, 그것은 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "바로 위에" 있거나 다른 구성요소와 "직접적으로 부착", "직접적으로 연결", "직접적으로 결합", "직접적으로 접촉"하는 경우 및/또는 어떤 구성요소와 다른 구성요소 사이에 개재된 또다른 구성요소가 있는 경우를 의미할 수 있다. 반면, 어떤 구성요소가 예를 들어 다른 구성요소의 "바로 위에" 있거나 다른 구성요소와 "직접적으로 부착", "직접적으로 연결", "직접적으로 결합" 또는 "직접 접촉"하는 것으로 언급되는 경우, 어떤 구성요소와 다른 구성요소 사이에는 다른 구성요소가 개재되지 않는다. 또한, 통상의 기술자는 다른 구성(feature)에 "인접하여" 배치된 구조 또는 구성(feature)가 인접 특징요소와 중첩되거나 중첩되는 부분을 가질 수 있음을 이해할 것이다.
본 명세서에서 "하부", "밑", "아래", "상부", "위" 등과 같은 공간적으로 관련된 용어는 다른 구성요소(들)에 대한 구성요소 또는 특징요소의 관계를 쉽게 기술하기 위해 도면에 예시된 바와 같이 사용될 수 있다. 공간과 관련된 용어는 도면에 도시된 방향 및 사용 또는 작동시 장치의 상이한 방향을 포함한 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집힌 경우, 다른 구성요소 또는 특징요소의 "아래" 또는 "밑"에 있는 것으로 기술된 구성요소는 다른 구성요소 또는 특징요소의 "위에" 위치할 것이다. 따라서, 예시적인 용어 "아래"는 위와 아래의 방향 모두를 포괄할 수 있다. 장치는 다른 방향으로 배향 (90도 또는 다른 방향으로 회전됨) 될 수 있고, 본 명세서에서 사용된 공간적으로 상대적인 기술어(descriptors)는 이에 대응되어 해석될 수 있다. 유사하게, 달리 명시하지 않는 한, "상향", "하향", "수직", "수평" 등과 같은 용어는 설명의 목적으로만 사용된다.
제1, 제2 등의 용어는 본 명세서에서 다양한 구성요소, 구성성분, 영역, 층 및/또는 부분(section)을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이들 구성요소, 구성성분, 영역, 층 및/또는 부분은 이러한 용어에 의해 제한되는 것은 아니다. 오히려, 이들 용어는 하나의 구성요소, 구성성분, 영역, 층 및/또는 부분을 다른 구성요소, 구성성분, 영역, 층 및/또는 부분과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 본 명세서에서 제1구성요소, 제1구성성분, 제1영역, 제1층 및/또는 제1부분이라고 칭한 것은, 본 발명의 교시를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2구성요소, 제2구성성분, 제2영역, 제2층 및/또는 제2부분으로 지칭될 수 있다. 공정(operation) (또는 단계)의 순서는 달리 명시하지 않는 한 특허청구범위 또는 도면에 제시된 순서에 제한되지 않는다.
1.
중합성
액체(
Polymerizable
liquids
)
임의의 적합한(any suitable) 중합성 액체가 본 발명을 구현하는데 사용될 수 있다. 액체("액상 수지" "잉크" 또는 간단히 "수지"라고도 함)는 단량체(monomer), 특히 광중합성(photopolymerizable) 및/또는 자유 라디칼(free radical) 중합성 단량체 및 자유 라디칼 개시제(initiator)와 같은 적합한 개시제 및 그 조합을 포함할 수 있다. 이러한 예로는 아크릴(acrylics), 메타크릴산(methacrylics), 아크릴아미드(acrylamides), 스티렌(styrenics), 올레핀(olefins), 할로겐화 올레핀(halogenated olefins), 환형 알켄 (cyclic alkenes), 말레산 무수물(maleic anhydride), 알켄(alkenes), 알킨(alkynes), 일산화탄소(carbon monoxide), 기능성 올리고머(functionalized oligomers), 다기능성 경화 부위(cure sit) 단량체, 기능성 PEG 등 및 이의 조합을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다. 액체 수지, 단량체 및 개시제의 예는 미국특허 제8,232,043호; 제8,119,214호; 제7,935,476호; 제7,767,728호; 제7,649,029호; PCT 특허 WO 2012129968 A1; 중국특허 CN 102715751 A; 일본특허 JP 2012210408 A에 개시된 것을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다.
산 촉매
중합성
액체(
Acid
catalyzed
polymerizable
liquids
)
상술한 바와 같은 일부 실시예에서, 중합성 액체는 자유 라디칼 중합성 액체 (이 경우 억제제는 후술되는 바와 같이 산소일 수 있음)를 포함하고, 다른 실시 예에서 중합성 액체는 산 촉매되거나 양이온 중합된(cationically polymerized) 중합 성 액체를 포함한다. 이러한 실시예에서, 중합성 액체는 에폭시 그룹(epoxide groups), 비닐 에테르 그룹(vinyl ether groups) 등과 같은 산 촉매에 적합한 그룹을 포함한다. 따라서 적당한 단량체는 메톡시에틴(methoxyethene), 4-메톡시스티렌(4-methoxystyrene), 스티렌(styrene), 2-메틸프로프-1-엔(2-methylprop-1-ene), 1,3- 부타디엔(1,3-butadiene) 등과 같은 올레핀(olefins); 옥시란(oxirane), 티에탄(thietane), 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran), 옥사졸린(oxazoline), 1,3,다이옥세판(1,3, dioxepane), 옥세탄-2-온(oxetan-2-one) 등과 같은 헤테로사이클릭 단량체 (heterocycloic monomers, 락톤, 락탐 및 사이클릭 아민 포함) 및 이들의 조합물을 포함한다. 적합한 (일반적으로 이온성 또는 비이온성) 광산발생제(photoacid generator, PAG)는 산 촉매화된 중합성 액체에 포함된다. 이러한 PAG는 예를 들어 디페닐 요오다이드 헥사플루오로포스페이트(diphenyl iodide hexafluorophosphate), 디페닐 요오다이드 헥사플루오로아세네이트(diphenyl iodide hexafluoroarsenate), 디페닐 요오다이드 헥사플루오로 네이트(diphenyl iodide hexafluoroantimonate), 디페닐 p-메톡시페닐트리플레이트(diphenyl p-methoxyphenyl triflate), 디페닐 p-톨레닐 트리플레이트(diphenyl p-toluenyl triflate), 디페닐 p-이소부틸페닐 트리플레이트(diphenyl p-isobutylphenyl triflate), 디페닐 p-테르트-부틸페닐 트리플레이트(diphenyl p-tert-butylphenyl triflate), 트리페닐술포늄 헥사플루오로포스페이트(triphenylsulfonium hexafluororphosphate), 트리페닐술포늄 헥사플루오로아세네이트(triphenylsulfonium hexafluoroarsenate), 트리페닐술포늄 헥사플루오로안티모네이트(triphenylsulfonium hexafluoroantimonate), 트리페닐술포늄 트리플레이트(triphenylsulfonium triflate), 디부틸나프틸술포늄 트리 플레이트(dibutylnaphthylsulfonium triflate) 등 및 이의 혼합물을 포함하는 오늄염(onium salts), 술포늄(sulfonium) 및 요오드늄염(iodonium salts)을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 이는 예를 들어, 미국특허 제7,824,839호; 제7,550,246호; 제7,534,844호; 제6,692,891호; 제5,374,500호; 및 제5,017,461호; 및 Photoacid Generator Selection Guide for the electronics industry and energy curable coatings (BASF 2010)를 참조하면 된다.
하이드로젤
(
Hydrogels
)
일부 실시예에서, 적합한 수지는 폴리(에틸렌 글리콜)(PEG) 및 젤라틴과 같은 광경화성 하이드로젤을 포함한다. PEG 하이드로젤은 성장 요소 (growth factor)를 비롯한 다양한 생물학적 제제를 전달하는데 사용되어 왔다; 그러나, 사슬 성장 중합(chain growth polymerizations)에 의해 가교결합된(crosslink) PEG 하이드로젤이 직면한 큰 과제는, 단백질이 돌이킬 수 없게 손상될 수 있다는 것이다. 광중합된 PEG 디아크릴레이트 하이드로젤(PEG diacrylate hydrogels)로부터 생물학적 물질의 방출을 최대화하는 조건은, 지속된 전달을 허용하는 광중합(photopolymerization) 전에 단량체 수지 용액에 친화성 결합 펩타이드 서열(affinity binding peptide sequence)을 포함시킴으로써 개선될 수 있다. 젤라틴은 식품, 화장품, 제약 및 사진 산업에서 자주 사용되는 생체 고분자이다. 젤라틴은 콜라겐의 열 변성 또는 화학적 및 물리적 분해에 의해 얻어진다. 동물, 물고기 및 인간에서 찾아낸 3가지 종류의 젤라틴이 있다. 한류에서 서식하는 물고기(cold water fish)의 피부에서 얻을 수 있는 젤라틴은 의약 용도에 사용하기에 안전하다. UV 또는 가시광선은 적절하게 변형된 젤라틴을 가교 결합시키는데 사용될 수 있다. 젤라틴을 가교결합시키는 방법은 로즈 벵갈(Rose Bengal)과 같은 염료로부터 얻은 경화 유도체(cure derivatives)를 포함한다.
광경화성
실리콘 수지(
Photocurable
silicone
resins
)
적합한 수지는 광경화성 실리콘을 포함한다. Silopren™ UV 경화 실리콘 고무와 같은 UV 경화 실리콘 고무는 LOCTITE™ Cure Silicone 접착 밀봉제(adhesives sealants)와 같이 사용할 수 있다. 응용 분야에는 광학 기기, 의료 및 수술 장비, 외장 조명 및 내부 조명(enclosures), 전기 커넥터/센서, 광섬유 및 개스킷이 포함된다.
생분해성 수지(
Biodegradable
resins
)
생분해성 수지는 약물을 전달하거나 일시적인 성능 응용을 위해 이식할 수 있는(implantable) 장치, 예컨대 생분해성 나사(screw) 및 스텐트(stent) (미국 특허 제7,919,162호, 제6,932,930호)에 특히 중요하다. 젖산(lactic acid)과 글리콜산 (glycolic acid, PLGA)의 생분해성 공중합체(copolymer)를 PEG 디메타크릴레이트 (PEG dimethacrylate)에 용해시켜, 사용하기에 적합한 투명 수지를 얻을 수 있다. 폴리카프로락톤(polycaprolactone) 및 PLGA 올리고머는 아크릴 또는 메타크릴기로 기능화되어 사용하기에 효과적인 수지가 될 수 있다.
광경화성
폴리우레탄(
Photocurable
polyurethanes
)
특히 유용한 수지는 광경화성 폴리우레탄이다. (1) 지방족 디이소시아네이트 (aliphatic diisocyanate)를 주성분으로 하는 폴리우레탄, 폴리(헥사메틸렌이소 프탈레이트글리콜)(poly(hexamethylene isophthalate glycol)) 및 선택적으로 1,4- 부탄디올(1,4-butanediol)을 포함하는 광중합성 폴리우레탄 조성물; (2) 다기능성 아크릴산 에스테르(polyfunctional acrylic ester); (3) 광개시제; 및 (4) 항산화제는 경질, 내마모성 및 내오염성 물질을 제공하도록 제형화될 수 있다 (미국 특허 제 4,337,130호). 광경화성 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머(elastomer)는 사슬 연장 제로서 광반응성 디아세틸렌 디올(diacetylene diols)을 혼합(incorporate)한다.
고성능 수지(
high
performance
resins
)
일부 실시예에서는 고성능 수지가 사용된다. 이러한 고성능 수지는 전술 및 후술하는 바와 같이 때때로 가열하여 용융시키고/시키거나 점도를 감소시킬 필요가 있다. 이러한 수지의 예로는 미국 특허 제7,507,784호, 제6,939,940호에 기재된 에스테르(esters), 에스테르-이미드(ester-imide) 및 에스테르-아미드 올리고머(ester-amide oligomers)의 액정 중합체(liquid crystalline polymers)로 지칭되는 수지를 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 수지는 종종 고온 열경화성 수지로서 사용되기 때문에, 본 발명에서 이러한 수지는 벤조페논(benzophenone), 안트라퀴논(anthraquinone), 암모늄플루오로논(amd fluoroenone) 개시제 (이의 유도체 포함)와 같은 적합한 광개시제를 추가로 포함하여, 후술하는 바와 같이 광조사(irradiation)시 가교 결합을 개시한다.
기타 수지 예(
Additional
example
resins
)
치과용으로 특히 유용한 수지는 EnvisionTEC 사의 Clear Guide, EnvisionTEC 사의 E-Denstone Material을 포함한다. 보청기 산업에 특히 유용한 수지는 EnvisionTEC 사의 e-Shell 300 Series 수지를 포함한다. 성형/주조 분야에서 가황 고무와 같이 사용되는 특히 유용한 수지는 EnvisionTEC 사의 HTM140IV High Temperature Mold Material를 포함한다. 거칠고 딱딱한 부품을 만들기에 특히 유용한 재료는 EnvisionTEC 사의 RC31 수지를 포함한다. 정밀 주조(investment molding) 분야에서 특히 유용한 수지는 EnvisionTEC 사의 Easy Cast EC500를 포함한다.
기타 수지 성분(
Additional
resin
ingredients
)
액상 수지 또는 중합성 재료는 그 안에 현탁되거나 분산된 고체 입자를 가질 수 있다. 제조되는 최종 생성물에 맞추어 임의의 적합한 고체 입자가 사용될 수 있다. 입자는 금속, 유기물/중합체, 무기물 또는 이들의 복합체 또는 혼합물일 수 있다. 입자는 비전도체, 반도체 또는 도체 (금속 및 비금속 또는 폴리머 도체 포함) 일 수 있다. 입자는 자성체(magnetic), 강자성체(ferromagnetic), 상자성(paramagnetic) 또는 비자성(nonmagnetic)일 수 있다. 입자는 구형, 타원형, 원통형 등을 포함하는 임의의 적합한 형상일 수 있다. 입자는 하기에 기술된 바와 같이 활성 수지 또는 검출 가능한 화합물을 포함할 수 있지만, 이들은 또한 하기에서 논의되는 바와 같이 액상 수지에 용해될 수도 있다. 예를 들어, 자성 또는 상자성 입자 또는 나노 입자가 사용될 수 있다. 수지 또는 중합성 물질은 이온성 계면 활성제(ionic surfactant), 비이온성(non-ionic) 계면 활성제, 블록 공중합체(block copolymer) 등과 같은 분산제를 포함할 수 있다.
제조되는 제품의 특정 목적에 맞추어, 액상 수지는 이에 용해된 안료, 염료, 활성 화합물 또는 약제 화합물, 검출 가능한 화합물 (예를 들어, 형광, 인광, 방사성) 등과 같은 추가 성분을 포함할 수 있다. 이러한 추가 성분의 예로는 단백질, 펩타이드, siRNA와 같은 핵산(DNA, RNA), 당(sugars), 소형 유기 화합물 (약물 및 약제 유사 화합물) 등이 있으며, 이들의 조합을 포함한다.
중합 억제제(
Inhibitors
of
polymerization
)
본 발명에서 사용하기 위한 억제제 또는 중합 억제제는 액체 또는 기체 형태 일 수 있다. 일부 실시예에서는 가스 억제제가 바람직하다. 특정 억제제는 중합되는 단량체(monomer) 및 중합 반응에 의존할 것이다. 자유 라디칼 중합 단량체의 경우, 억제제는 쉽게는 공기와 같은 기체, 산소가 풍부한 기체의 형태로 제공될 수 있는 산소이거나, (이 때 선택적으로 일부 실시예에서는, 가연성을 감소시키기 위해 추가적으로 불활성 기체가 포함되는 것이 바람직하다) 일부 실시예에서는 순수한 산소 가스이다. 단량체가 광산발생제 개시제에 의해 중합되는 경우와 같은 다른 실시예에서, 억제제는 암모니아(ammonia), 미량 아민(trace amines) (예: 메틸 아민(methyl amine), 에틸 아민(ethyl amine), 디메틸 아민(dimethyl amine), 디에틸 아민(diethyl amine), 트리메틸 아민(trimethyl amine), 트리에틸 아민(triethyl amine)등과 같은 디알킬 아민(dialkyl amine) 및 트리알킬 아민(trialkyl amine)), 또는 이산화탄소 및 이의 혼합 또는 조합을 포함할 수 있다.
살아있는 세포를 운반하는
중합성
액체(
Polymerizable
liquids
carrying
live
cells
)
일부 실시예에서, 중합성 액체는 살아있는 세포를 "입자"로서 운반할 수 있다. 이러한 중합성 액체는 일반적으로 수성(aqueous)이며, 산소가 공급될 수 있으며, 살아있는 세포가 개별적인 단계(phase)에 있는 "유화액(emulsion)"으로 간주될 수 있다. 적합한 살아있는 세포는 식물 세포(예: 외떡잎, 쌍떡잎 식물), 동물 세포(예: 포유류, 조류, 양서류, 파충류 세포), 미생물 세포(예: 원핵 생물, 진핵 생물, 원충 등) 등일 수 있다. 세포는 임의의 조직 종류(예: 혈액, 연골, 뼈, 근육, 내분비선, 외분비선, 상피 세포, 내피 세포 등)에 대응하거나 분화된(differentiated) 세포이거나 줄기 세포 또는 전구 세포와 같은 미분화 세포일 수 있다. 이러한 실시예에서, 중합성 액체는 미국 특허 제7,651,683호; 제7,651,682호; 제7,556,490호; 제6,602,975호; 제5,836,313호; 등에 기재된 하이드로젤을 형성하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
2. 장치
본 발명에 따른 장치의 비제한적인 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 이 장치는 전자기선(electromagnetic radiation, 12)을 제공하는 디지털 광 프로세서 (DLP)와 같은 광원(radiation source, 11)를 포함한다. 이때 반사 거울(13)은, 벽(14) 및 견고한 빌드 챔버의 아랫면을 형성하는 빌드 판(15)에 의해 정의되는 빌드 챔버(build chamber)를 조명한다. 빌드 챔버는 액상 수지(16)로 채워진다. 챔버(15)의 바닥은 이하에 더 상세히 설명되는 반투과성(semipermeable) 부재를 포함하는 빌드 판(build plate)으로 구성된다. 형성 중인 물체(17)의 상부는 캐리어(18)에 부착된다. 캐리어는 선형 스테이지(19)에 의해 수직 방향으로 구동되지만, 후술하는 바와 같이 다른 구조가 사용될 수 있다.
빌드 챔버의 액상 수지 풀(pool)을 채우기 위해, 액상 수지 저장소, 배관, 펌프, 액체 레벨 센서 및/또는 밸브가 포함될 수 있다. (명확성을 위해 미도시) 일부 실시예에서는 단순히 중력을 통해 수지를 공급할 수 있다. 관련 배선을 갖춘, 캐리어를 구동하기 위한 구동부/액추에이터 또는 선형 스테이지(명확성을 위해 미도시)는 이미 공지된 기술에 따라 포함될 수 있다. 구동부/ 액추에이터, 광원, 및 일부 실시예의 펌프 및 액체 레벨 센서는 모두 공지된 기술에 따라 적절한 컨트롤러(controller)와 연동되어 작동할 수 있다.
본 발명을 수행하는데 사용되는 빌드 판(15)은 일반적으로 반투과성 (또는 가스 투과성) 부재(semipermeable member)를 포함한다. (반투과성 부재는 전형적으로는 경질 또는 고형, 움직이지 않고/않거나 고정되지만 플렉서블(flexible)할 수 있다) 빌드 판은 단독으로 있거나 하나 또는 그 이상의 추가 지지 기판(예: 클램프 및 유연한 반투과성 물질을 경화시키기 위한 인장 부재)과 조합하여 있을 수 있다. 반투과성 부재는 특정 파장에서 광학적으로 투명한 임의의 적합한 물질로 제조될 수 있다. (또는 사람의 눈에 시각적으로 투명한지 여부를 떠나 광원에 투명할 수 있다. 즉, 어떤 실시예에서는 광투명성인 창(window)이 시각적으로는 불투명할 수 있다)). 이러한 물질은 다공성(porous) 또는 미세다공성 유리(glass) 또는 기체 투과성 경질 컨택트 렌즈의 제조에 사용되는 기체 투과성 경질 중합체를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이는 예를 들어, Norman G. Gaylord, 미국 특허 RE31,406; 및 미국 등록특허 제7,862,176호; 제7,344,731호; 제7,097,302호; 제5,349,394호; 제5,310,571호; 제5,162,469호; 제5,141,665호; 제5,070,170호; 제4,923,906호; 및 제4,845,089호를 참조하면 된다. 폴리에스테르(polyester, 예컨대 Dupont Tejjin Films, Chester, V.A.의 Mylar®), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌(polyethelene), 폴리클로로펜(polychlorophene), 메르캅토 에스테르계 수지(mercapto ester-based resins, 예컨대 New Brunswich, N.J. 소재 Norland Optical Products, Inc.의 Norland 60, Mickleton, N.J 소재 Saint-Gobain Performance Plastics의 porous Tygon® tubing 또는 다른 물질)와 같은 다른 적합한 산소투과성 물질이 이용될 수 있다. 또 다른 예시적인 산소 투과성 물질은 미국 특허 제7,709,544호에 기재되어 있으며, 그 개시 내용은 본원에 참고로 인용되어 있다.
일부 실시예에서, 적합한 산소 투과성 물질은, 유리(glassy) 같고/같거나 비정질인(amorphous) 중합체 및/또는 실질적으로 비팽창성(non-swellable)이 되도록 가교결합된 특징이 있다. 바람직하게는, 반투과성 부재는 중합될 액체 수지 또는 물질에 접촉될 때 팽창하지 않는(즉, "비팽창성"인) 재료로 형성된다. 반투과성 부재에 적합한 재료는 미국 특허 제5,308,685호 및 제5,051,115호에 기재된 것과 같은 비정질 플루오로중합체(fluoropolymers)를 포함한다. 예를 들어, 이러한 플루오로중합체는 유기화된 액상 수지 잉크와 함께 중합될 때 팽창될 가능성이 있는 실리콘보다 특히 유용하다. 낮은 팽창 경향을 갖는 액상(aqueous-based) 단량체 시스템 및/또는 일부 중합성(polymeric) 수지 잉크 시스템과 같은 일부 액체 수지 잉크의 경우, 실리콘 계 윈도우 재료가 적합할 수 있다. 윈도우 재료의 가교 결합 밀도를 증가시키거나 액체 수지 잉크의 분자량을 증가시키는 것을 포함하는 다수의 공지된 변수에 의해, 유기 액체 수지 잉크의 용해도 또는 투과도가 급격하게 감소할 수 있다. 일부 실시예에서, 빌드 판은 본 발명의 장치로부터 분리될 때는 유연성을 가지는 물질의 얇은 막 또는 시트(sheet)로 형성될 수 있지만, 장치 내에 설치되어 (예를 들어, 인장 링과 함께) 클램프되고 인장되는 경우에는 장치 내에서 고정되고 단단하게 된다. 특정 물질은 듀퐁(DuPont)사로부터 상업적으로 입수할 수 있는 테플론 AF® (TEFLON AF) 플루오로중합체를 포함한다. 다른 추가적인 재료는 미국 특허 제8,268,446호, 제8,263,129호; 제8,158,728호; 및 제7,435,495호에 기재된 바와 같은 퍼플루오로폴리에테르 중합체(perfluoropolyether polymers)를 포함한다.
본질적으로 모든 고체 물질 및 전술한 대부분의 물질은, "경질(rigid)"로 간주되는 경우에도 그 형상 및 두께 및 노출된 압력 및 온도와 같은 환경에 따라 본래의 "유연성(flex)"을 갖는다. 또한, 빌드 판과 관련하여 "움직이지 않는(stationary)" 또는 "고정(fixed)"이라는 용어는 공정의 기계적 중단이 발생하지 않음을 의미한다. 또는, 빌드 판의 증분(incremental) 조절을 위한 메커니즘 (예: 중합 기울기 영역을 유도하지 않거나 붕괴시키지 않는 조정)이 제공되거나, 후술하는 바와 같이 빌드 표면이 중합성 액체의 공급을 위해 왕복 운동하는 경우에도, 공정의 기계적 중단을 위한 메커니즘이나 구조(예: 적층형 방법 또는 장치)가 제공되지 않음을 의미한다.
반투과성 부재는 전형적으로 윗면 영역(top surface portion), 아랫면 영역 및 옆면 영역(edge surface portion)을 포함한다. 빌드 표면은 윗면 영역 위에 배치된다. 공급 표면은 윗면 영역, 아랫면 영역 및/또는 옆면 영역 중 하나, 둘 또는 모두의 위에 배치될 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서는 공급 표면이 아랫면 영역 상에 있지만, 공급 표면이 옆면 영역 및/또는 윗면 영역(빌드 표면에 가깝지만 분리되어 있거나 떨어져 있다) 위에 제공되는 다른 구성 방식 역시 일상적인 기술로 구현될 수 있다.
일부 실시예에서, 반투과성 부재는 0.01, 0.1 또는 1mm에서 10mm 또는 100mm 사이 또는 그 이상의 두께를 갖는다 (후술하는 바와 같이 반투과성 부재가 유리와 같은 부가적인 지지판 상에 적층되거나 지지판과 접촉하는지에 관계없이, 이는 제조되는 제품의 크기에 따라 정해진다)
중합 억제제에 대한 반투과성 부재의 투과도는 분위기(atmosphere) 및/또는 억제제의 압력, 억제제의 선택, 제조 비율(rate) 또는 속도 등의 조건에 좌우될 것이다. 일반적으로, 억제제가 산소인 경우, 산소에 대한 반투과성 부재의 투과도는 10 또는 20 Barrer에서 1000 Barrer 또는 2000 Barrer까지, 또는 그 이상일 수 있다. 예를 들어, 150 PSI의 압력 하에서 순수한 산소 또는 고농축된 산소 분위기에서 사용되는 10 Barrer의 투과도를 갖는 반투과성 부재는, 대기 조건에서 산소가 공급되는 경우에 500 Barrer의 투과도를 갖는 반투과성 부재와 실질적으로 동일하게 작용할 수 있다.
따라서, 반투과성 부재는 (0.001, 0.01, 0.05, 0.1 또는 1mm 내지 1, 5, 10 또는 100mm 또는 그 이상의 임의의 적합한 두께를 갖는) 플렉서블 중합체 필름을 포함할 수 있으며, 빌드 판은 중합체 필름과 연결되고, 필름을 (물체가 이동할 때 필름이 물체에 달라붙지 않고, 필름으로부터 탄성적으로 되돌아올(rebound) 수 있도록 적어도 충분히) 고정 또는 강직화(rigidfity)하기 위한 인장 부재(tensioning member)를 포함할 수 있다. (인장 부재의 예: "드럼 헤드"에서처럼 주변 클램프 및 이와 연동되어 작동하는 변형 부재 또는 신축 부재, 복수의 주변 클램프 등 및 이들의 조합을 포함) 필름은 상부 표면 및 하부 표면을 가지며, 상부 표면 상에는 빌드 표면이, 바람직하게는 하부 표면 상에는 공급 표면이 배치된다.
다른 실시예에서, 반투과성 부재는 (i) 중합체 필름층 및 (ii) 상기 필름층의 하부 표면과 접촉하는 경질, 가스투과성, 광투명성 지지 부재를 포함한다. (중합체 필름층 및 지지 부재는 예를 들어, 0.001, 0.01, 0.1, 또는 1mm 내지 5, 10,100mm 또는 그 이상의 임의의 적합한 두께를 갖는다) 지지 부재는 필름층의 하부 표면과 접촉하는 상부 표면을 갖고, 지지 부재는 중합 억제제의 공급 표면으로서 작용할 수 있는 하부 표면을 갖는다. 반투과성 (즉, 중합 억제제에 대해 투과성) 인 물질을 포함하여, 중합 억제제가 빌드 표면을 통과하게 하는 임의의 적합한 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 중합체 필름 또는 중합체 필름층은 예를 들어 TEFLON AF 1600™ 또는 TEFLON AF 2400™ 플루오로중합체 필름 또는 퍼플루오로폴리에테르 (perfluoropolyether, PFPE)와 같은 비정질 열가소성 플루오로 중합체와 같은 플루오로 중합체 필름, 특히 가교결합된 PFPE 필름, 또는 가교결합된 실리콘 중합체 필름일 수 있다. 지지 부재는 다공성 또는 미세다공성 유리를 포함하는 폴리 디메틸실록산(polydmiethylxiloxane) 부재, 경질 가스투과성 중합체 부재 또는 유리 부재와 같은 실리콘 또는 가교결합된 실리콘 중합체 부재를 포함한다. 필름은 접착제 없이 (예를 들어, PFPE 및 PDMS 재료를 사용하여) 경질 지지 부재에 직접 적층 또는 클램핑될 수 있거나, PDMS 층의 상부 표면과 반응하는 실란 커플링제 (silane coupling agents)가 제1중합체 필름층에 접착하는데 이용될 수 있다. UV- 경화성 아크릴레이트-기능성 실리콘은 또한 UV 경화성 PFPE와 경질 PDMS 지지층 사이의 연결층으로서 사용될 수 있다.
캐리어가 장치에 배치될 때, 캐리어는 빌드 표면의 전체 영역 내에서 빌드 표면 상의 "빌드 영역(build region)"을 정의한다. 상술한 조이스(Joyce) 및 첸(Chen)의 장치에서와 같이, 연속적인 층들 사이의 접착을 떼기 위한 측방향(lateral) "드로우(throw)"(예를 들어, X 및/또는 Y 방향으로)가 본 발명에서는 필요하지 않기 때문에, 빌드 영역의 영역 표면이 최대화될 수 있다 (또는 반대로 빌드 영역에 해당하지 않은 빌드 표면의 영역이 최소화될 수 있다). 따라서, 일부 실시예에서, 빌드 영역의 전체 표면적은 빌드 표면의 전체 표면적의 적어도 50, 60, 70, 80 또는 90 퍼센트를 차지할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 다양한 구성요소가 지지 또는 프레임 조립체(20) 상에 장착된다. 지지 또는 프레임 조립체의 특정 디자인은 중요하지 않고 다양한 구성을 취할 수 있지만, 도시된 실시예에서는 광원(11)이 단단히 또는 견고하게 부착된 베이스(21), 선형 스테이지와 연동되어 작동하는 수직 부재(22), 및 벽(14)이 착탈할 수 있거나 완전히 부착되는 (또는 벽이 위에 배치되는) 수평 테이블(23)을 포함하고, 빌드 판은 전술한 바와 같이 빌드 챔버를 형성하도록 영구적으로 또는 착탈할 수 있게 견고하게 고정된다.
상술한 바와 같이, 빌드 판은 경질의 반투과성 부재의 단일의 일체형 부재로 이루어질 수 있거나, 추가적인 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유리는 경질 반투과성 물질에 적층되거나 고정될 수 있다. 또는, 상부(upper portion)의 반투과성 부재는, 중합 억제제를 운반하는 기체를 반투과성 부재에 공급하기 위한 퍼지(purge) 채널을 갖는 투명한 하부 부재에 고정될 수 있다. (전술 및 후술하듯, 기체는 중합되지 않은 액체 물질의 방출 층(release layer)의 형성을 용이하게 하기 위해 반투과성 부재를 통과하여 빌드 표면으로 향함) 이러한 퍼지 채널은 베이스 판을 통해 완전히 또는 부분적으로 연장될 수 있다: 예를 들어, 퍼지 채널은 베이스 판 내로 부분적으로 연장될 수 있지만, 뒤틀림을 방지하기 위해 빌드 표면의 바로 밑의 영역에서 끝난다. 반투과성 부재 내로의 억제제의 공급 표면이 빌드 표면과 동일한 면 또는 반대면, 그 모서리(edge) 부분, 또는 이들의 조합에 위치하는지 여부에 따라 특정 기하학적 구조가 정해질 것이다.
사용된 특정 수지에 따라, 전자 빔 및 이온화 방사선 소스를 포함하는 임의의 적합한 광원(또는 광원의 조합)이 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 광원은 하나 이상의 액티닉(actinic) 광원 및 특히 하나 이상의 자외선 광원이다. 백열등, 형광등, 인광등 또는 발광등, 레이저, 발광 다이오드 및 이의 어레이(array) 등과 같은 임의의 적합한 광원이 사용될 수 있다. 광원은 전술한 바와 같이 컨트롤러와 연동하여 작동하는 패턴 형성 소자(pattern-forming element)를 포함하는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서, 광원 또는 패턴 형성 소자는 디지털 광 처리 (digital light processing, DLP), 공간 변조기(spatial modulator, SLM) 또는 마이크로 전자 기계 시스템 (microelectromechanical system, MEMS) 거울 어레이를 갖는 디지털 (또는 변형 가능한) 마이크로미러 장치(DMD), 마스크(일명 레티클), 실루엣, 또는 이들의 조합일 수 있다. (미국 등록특허 제7,902,526호 참조). 바람직하게는 광원은 액정 광 밸브 어레이 또는 마이크로미러 어레이 또는 DMD와 같은 공간 광 변조 어레이(예를 들어, 일반적으로 적절한 컨트롤러의 제어하에 연동되어 작동하는 디지털 광 프로세서와 함께)를 포함하며, 마스크 없는 중합성 액체의 노광 또는 조사, 예를 들어, 마스크 없는 포토리소그래피(photolithography)를 수행하도록 갖춰진다. (예를 들어, 미국 특허 제6,312,134호; 제6,248,509호; 제6,238,852호; 및 제5,691,541호 참조)
후술하는 일부 실시예에서, X 및/또는 Y 방향으로의 이동이 중합성 액체의 중합 중에 발생하면서, Z 방향으로의 이동과 동시에 X 및/또는 Y 방향으로의 이동이 있을 수 있다 (이것은 Y. Chen 등의 M. Joyce, 또는 상기 문헌에 설명된, 중합성 액체를 보충하기 위한 선행 및 후속 중합 단계 사이의 이동과는 다르다) 본 발명에서, 이러한 이동은 "번인(burn in)" 또는 빌드 표면의 특정 구역에서의 파울 링(fouling)을 감소시키는 것과 같은 목적으로 수행될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예의 이점은, 전술한 조이스(Joyce) 또는 첸(Chen) 장치와 달리 광범위한 측방향(lateral) "드로우(throw)"가 필요하지 않아 반투과성 부재 (즉, 빌드 판 또는 빌드 윈도우)상의 빌드 표면의 크기가 감소될 수 있다는 것이므로, 본 발명의 방법, 장치, 시스템에서의 캐리어 및 물체의 측방향 움직임은, 빌드 영역의 폭(측방향 움직임의 방향)의 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 또는 심지어는 10 퍼센트 이하 또는 미만이다.
일부 실시예에서는 캐리어가 엘리베이터에 설치되어 고정된 빌드 판으로부터 위로 그리고 멀어지는 방향으로 이동하지만, 다른 실시예에서는 역 배열이 사용될 수있다: 즉, 캐리어가 고정될 수 있고 빌드 판이 하강되어 캐리어가 빌드 판에서 멀어지도록 이동시킬 수 있다. 통상의 기술자라면 다양한 상이한 기계적 구성을 통해 동일한 결과를 달성할 수 있을 것이다.
캐리어의 물질의 선택 및 물품이 제조되는 중합체 또는 수지의 선택에 따라, 캐리어에 대한 물체(article)의 접착력은 때로 물체가 다 형성될 때까지 캐리어 상에 물체를 유지하기에 불충분 할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 캐리어는 폴리(염화 비닐) (또는 "PVC") 캐리어보다 낮은 접착력을 가질 수 있다. 따라서, 하나의 해결책은 제조되는 제품이 중합되는 표면 상에 PVC를 포함하는 캐리어를 사용하는 것이다. 이 때의 접착력이 너무 커서 완성된 물체를 캐리어로부터 쉽게 분리하기 어려운 경우, 다양한 테크닉 중 임의의 것을 사용하여 접착력이 더 작은 캐리어에 물체를 고정시킬 수 있다. 이러한 테크닉은 제조 과정에서 물체를 캐리어에 더욱 안전하게 고정시키기 위한 "Greener Masking Tape for Basic Painting #2025 High adhesion"와 같은 접착 테이프를 이용하는 것을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다.
3. 컨트롤러 및 공정 제어(
Controller
and
process
control
)
본 발명의 방법 및 장치는, 예를 들어 방법의 속도 및/또는 신뢰성을 향상시키기 위해, 피드백 및 피드포워드(feed-forward) 제어를 포함하는 공정 제어를 구현하는 공정 단계 및 장치 특징을 포함할 수 있다.
본 발명을 수행하는데 사용되는 컨트롤러는 하드웨어 회로, 소프트웨어, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 컨트롤러는 적절한 인터페이스 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 통해 모니터, 구동부, 펌프 및 다른 구성요소와 연동되어 작동하는 소프트웨어를 실행하는 범용 컴퓨터이다. 여기에 설명된 3차원 프린팅 또는 제조 방법 및 장치의 제어에 적합한 소프트웨어는 ReplicatorG 오픈 소스 3D 프린팅 프로그램, 3D systems의 3DPrint™ 컨트롤러 소프트웨어, Slic3r, Skeinforge, KISSlicer, Repetier-Host, PrintRun, Cura 등을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다.
공정 (예를 들어, 상기 충진, 조사 및 이동 단계 중 하나, 일부 또는 전부) 중에 직/간접적으로, 연속적 또는 단속적으로 모니터링할 공정 파라미터는 조사 세기(irradiation intensity), 캐리어 온도, 빌드 영역(build zone) 내의 중합성 액체, 형성중인 물체의 온도, 빌드 판의 온도, 압력, 진행 속도, 압력, 힘(예를 들어, 캐리어 및 생산되는 제품을 통해 빌드 판에 가해진 힘), 스트레인(strain, 예: 캐리어에 가해지는 스트레인), 방출 층(release layer)의 두께 등을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다.
피드백 및/또는 피드포워드 제어 시스템에 사용될 수 있는 알려진 파라미터는 중합성 액체의 예상 소비량 (예를 들어, 제조되는 제품의 이미 알고 있는 기하학적 구조 또는 부피), 중합성 액체로부터 형성되는 중합체의 분해 온도 등을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다.
모니터링된 파라미터 및/또는 알려진 파라미터에 반응하여 직/간접적으로, 연속적 또는 단계별로 제어하는 공정 조건 (예: 상술한 공정 단계 중 일부 또는 전부)은 중합성 액체의 공급 속도, 온도, 압력, 캐리어의 진행 속도 또는 속도, 조사 강도, 조사 기간 (예: 각각의 "슬라이스(slice)"에 대해) 등을 포함한다.
예를 들어, 빌드 영역 내의 중합성 액체의 온도 또는 빌드 판의 온도는 적절한 온도계(thermocouple), 비접촉 온도 센서(예: 적외선 온도 센서) 또는 기타 적합한 온도 센서를 사용하여 직접 또는 간접적으로 모니터링할 수 있다. 이를 통해 온도가 중합되는 물체의 분해 온도를 초과하는지 여부를 판단한다. 따라서, 공정 파라미터가 컨트롤러를 통해 조절되어 빌드 영역 및/또는 빌드 판의 온도를 감소시킬 수 있다. 이러한 조절을 위한 적절한 공정 파라미터는 냉각기로 온도를 감소시키는 것, 캐리어의 이동 속도를 감소시키는 것, 조사 세기를 감소시키는 것, 조사 노출 기간을 줄이는 것 등을 포함할 수 있다.
또한, 조사 광원 (예를 들어, 수은 램프와 같은 자외선 광원)의 세기를 광 검출기로 모니터링하여 (예를 들어, 사용 중에 통상적인 분해를 통해), 광원으로부터 조사 세기가 감소하는 것을 검출할 수 있다. 감지되면, 공정 파라미터는 세기 감소를 조정하기 위해 컨트롤러를 통해 조절될 수 있다. 이러한 조절을 위한 적절한 공정 파라미터는 히터로 온도를 상승시키고, 캐리어의 이동 속도를 감소시키며, 광원에 전력을 증가시키는 등을 포함할 수 있다.
또 다른 예로서, 제조 시간을 개선하기 위한 온도 및/또는 압력의 제어는 히터 및 냉각기 (개별적으로 또는 서로 조합되어 컨트롤러에 개별적으로 응답) 및/또는 압력 공급 장치 (예를 들어, 펌프, 압력 용기, 밸브 및 이들의 조합) 및/또는 제어할 수 있는 밸브와 같은 압력 해제 메카니즘 (개별적으로 또는 서로 조합되어 컨트롤러에 개별적으로 응답)을 통해 이루어질 수 있다.
일부 실시예에서, 컨트롤러는 최종 생성물의 일부 또는 전부를 제조하는 동안 본원에 기재된(예를 들어, 도 1 참조) 중합 기울기 영역을 유지하도록 구성된다. 특정 구동방식(configuration, 예를 들어, 시간, 이동 비율 또는 속도, 조사 세기, 온도 등)은 특정 중합성 액체 및 생성되는 물체의 성질과 같은 요소에 의존할 것이다. 중합 기울기 영역을 유지하는 구동방식은 미리 결정된 일련의 공정 파라미터 또는 명령을 입력함으로써 경험적으로 수행되거나 일련의 시험 또는 "시행 착오"를 통해 결정될 수 있다. 구동방식은 사전에 결정된 지침을 통해 제공될 수 있다. 구동방식은 적절한 모니터링 및 피드백 (전술한 바와 같은), 이들의 조합 또는 임의의 다른 적절한 방식으로 이루어질 수 있다.
일부 실시예에서, 전술한 방법 및 장치는, 적절한 인터페이스 하드웨어를 갖는 범용 컴퓨터에서 실행되는 소프트웨어 프로그램 (컴퓨터와 전술한 장치 사이의) 에 의해 제어될 수 있다. 상업적으로 이용할 수 있는 다양한 대안들이 있다. "마이크로컨트롤러"는 Parallax Propeller이고, 스테퍼 모터 드라이버(Stepper Motor Driver)는 Sparkfun EasyDriver이고, LED 드라이버는 Luxeon Single LED 드라이버이고, USB-to-시리얼(USB to Serial)은 Parallax USB-to-시리얼 변환기(USB to Serial converter)이며, DLP 시스템은 Texas Instruments LightCrafter 시스템인 구성 요소의 조합의 비제한적인 예시가 도 3 내지 도 5에 기재되어 있다.
4. 일반적인 방법(
general
methods
)
전술한 바와 같이, 본 발명은 (a) 캐리어 및 빌드 판을 제공하는 단계 (상기 빌드 판은 반투과성 부재를 포함하고, 상기 반투과성 부재는 빌드 표면 및 상기 빌드 표면과 떨어져 있는 공급 표면을 포함하며, 상기 빌드 표면과 상기 캐리어는 그 사이에 빌드 영역을 정의하고, 상기 공급 표면은 중합 억제제와 유체 접촉(in fluid contact)한다; 이후 (동시에 및/또는 차례로) (b) 상기 빌드 영역을 중합성 액체로 충진하는 단계 (상기 중합성 액체는 상기 빌드 영역(segment)과 접촉한다), (c) 상기 빌드 영역에서 고체 중합 영역(solid polymerized region)을 만들기 위해, 상기 빌드 판을 통해 상기 빌드 영역을 조사하는 단계 (여기서 액체 필름 방출 층은 상기 고체 중합 영역과 상기 빌드 표면 사이에서 형성된 중합성 액체를 포함하고, 액체 필름에서의 중합은 중합 억제제에 의해 억제된다) 및 (d) 상기 중합 영역 및 상기 상부 영역(top zone) 사이에서 후속(subsequent) 빌드 영역을 만들기 위해, 상기 움직이지 않는 빌드 판 상의 상기 빌드 표면에서 멀어지는 방향으로 상기 캐리어를 이동시키는 단계 (캐리어에 부착된 상기 중합 영역과 함께) 를 포함한다. 일반적으로, 상기 방법은 (e) 이전의 중합 영역에 부착되는 후속 중합 영역을 생성하기 위해 단계 (b) 내지 단계 (d)를, 서로 접착된 중합 영역의 연속적 또는 반복된 증착이 상기 3차원 물체를 형성할 때까지 계속 반복하는 단계를 포함한다.
방출 층의 기계적 방출이 요구되지 않거나, 산소를 보충하기 위한 빌드 표면의 어떠한 기계적 움직임도 요구되지 않기 때문에, 상기 방법은 연속적인 방식으로 수행될 수 있지만, 상기 언급된 개별적인 단계들은 순차적으로, 동시에 또는 이들의 조합으로 수행될 수 있다. 실제로, 단계 속도(rate)는 제조중인 영역의 밀도 및/또는 복잡성과 같은 요인에 따라 시간에 따라 변할 수 있다.
또한, 윈도우 또는 방출 층을 통하여 기계적으로 방출하는 것(release)은 일반적으로 윈도우가 재코팅(recoated) 될 수 있게 하는 다음 조사 단계에 대해 캐리어가 빌드 판으로부터 필요 이상으로 더 멀리 이동한 후 다시 돌아올 것을 요구한다. (예를 들어, "2단 전진 1단 후진"작동), 본 발명의 일부 실시예에서는, 사전에 형성된 탄성 방출 층을 재코팅하거나 "스냅(snapping)"하기 위한 목적으로 윈도우를 움직이게 하지 않고서도 "백업" 단계가 없이 캐리어가 단방향으로 또는 단일 방향으로 이동할 수 있게 된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시예에서, 왕복 운동은 방출을 위한 목적이 아니라, 중합성 액체를 보다 신속하게 충진 또는 펌핑할 목적으로 활용된다.
일부 실시예에서, 이동 단계는 각 단계 또는 증분(increment)에 대해 균일한 증분 (예를 들어, 0.1 또는 1미크론(㎛)에서 10 또는 100미크론까지 혹은 그 이상)으로 순차적으로 수행된다. 일부 실시예에서, 이동 단계는 각 단계 또는 증분에 대해 가변 증분 (예를 들어, 각 증분에 대해 0.1 또는 1미크론에서 10 또는 100미크론까지 또는 그 이상)으로 순차적으로 수행된다. 이동 속도와 함께, 증분의 크기는 부분적으로는 온도, 압력, 생성되는 물체의 구조(예를 들어, 크기, 밀도, 복잡성, 형상 등)에 의존한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 이동 단계는 균일하거나 가변적인 속도로 연속적으로 수행된다.
일부 실시예에서, 이동 속도 (순차적으로 또는 연속적으로 수행되는지에 관계없이)는 초당 약 0.1 내지 10미크론에서 초당 약 100, 1,000 또는 10,000 미크론까지이며, 이 역시 온도, 압력, 생산되는 물체의 구조, 조사 세기 등에 의존한다.
후술하는 바와 같이, 일부 실시예에서 충진 단계는 중합성 액체를 가압 하에 빌드 영역으로 넣음으로써 수행된다. 이러한 경우에, 이동 단계 또는 단계들은 적어도 0.1, 1, 10, 50, 100, 500 또는 1000미크론/초 이상의 속도 또는 누적 또는 평균 속도로 수행될 수 있다. 일반적으로, 압력은 상기 진행 단계의 속도를 상기 단계가 없는 경우의 상기 진행 단계의 최대 반복 속도와 비교하여 적어도 2, 4, 6, 8 또는 10배 증가시키는데 충분할 수 있다. 압력 용기(vessel) 내에 전술한 바와 같은 장치를 봉입하고, 가압 대기 (예를 들어, 공기, 산소가 풍부한 공기, 가스의 혼합물, 순수한 산소 등)에서 공정을 수행함으로써 압력이 제공되는 경우, 10, 20, 30 또는 40 PSI (pound per square inch)에서부터 200, 300, 400 또는 500 PSI 또는 그 이상까지의 압력이 사용될 수 있다. 커다란 불규칙한 물체를 제작할 때는, 제조 시간은 느리지만 대형 고압 용기의 비용 때문에, 높은 압력이 바람직하지 않을 수 있다. 이러한 실시예에서, 공급 표면 및 중합성 액체 모두는 동일한 압축 기체 (예를 들어, 20 내지 95 부피 %의 산소를 포함한다. 이 때 산소는 중합 억제제로서 작용한다)와 유체 접촉할 수 있다.
반면에, 더 작은 물체가 제조되거나, 포트(port) 또는 오리피스(orifice)를 통해 생산될 때 압력 용기로부터 제거되거나 배출될 수 있는 로드(rod) 또는 파이버(fiber) 가 제조될 때, 압력 용기의 크기는 제조되는 물체의 크기에 대해 상대적으로 더 작게 유지될 수 있다. 이때 (필요에 따라) 더 높은 압력이 보다 용이하게 활용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 조사(irradiation) 단계는 일부 실시예에서 패턴화된 조사로 수행된다. 패터닝된 조사는 고정된 패턴일 수 있거나 또는 제조되는 특정 아이템에 따라 상술한 바와 같이 패턴 생성기 (예를 들어, DLP)에 의해 생성된 가변 패턴일 수 있다.
패턴화된 조사가 시간에 걸쳐 일정하게 유지되는 패턴이 아닌 가변적 패턴 일 때, 각각의 조사 단계는 조사의 세기, 중합성 물질에서 염료의 존재 또는 부재, 형성 속도 등을 포함하는 요소에 따라 임의의 적합한 시간 또는 기간(duration) 동안 수행될 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 각각의 조사 단계는 0.001, 0.01, 0.1, 1 또는 10마이크로초, 1분, 10분 또는 100분 이상일 수 있다. 각각의 조사 단계 사이의 간격은 가능한 한 짧은 것이 바람직하다. (예를 들어 0.001, 0.01, 0.1 또는 1마이크로 초에서 0.1, 1 또는 10초까지)
데드 존 및 중합 기울기 영역은 (두 개가 만나는 위치에서) 이들 사이의 엄격한 경계를 갖지 않지만, 중합 기울기 영역의 두께는 일부 실시 예에서 적어도 데드 존의 두께만큼 두껍다. 따라서, 일부 실시예에서, 데드 존은 0.01, 0.1, 1, 2 또는 10미크론 내지 100, 200 또는 400미크론 이상의 두께를 가지고/가지거나 중합 기울기 영역 및 상기 데드 존은 1 또는 2미크론에서 400, 600 또는 1000미크론까지의 두께를 가진다. 따라서, 중합 기울기 영역은 특정 시간의 특정 공정 조건에 따라 두껍거나 얇을 수 있다. 중합 기울기 영역이 얇은 경우, 이는 형성 중인 3차원 물체의 아랫면 상의 활성 표면으로 기술될 수 있으며(여기서 단량체는 3차원 물체 내에서 반응하여 성장하는 중합체 사슬을 계속 형성할 수 있다.) 일부 실시예에서, 중합 기울기 영역 활성 표면은 적어도 5, 10, 15, 20 또는 30초, 5, 10, 15 또는 20분의 시간 동안 (중합 단계가 계속되는 동안) 유지되거나 또는 3차원 물체의 완성까지 유지된다.
상기 방법은 상기 3차원 물체 내에 절단 선(cleavage line, 절단선은 예를 들어 의도적인 절단을 위한 소정의 원하는 위치, 또는 절단의 방지 또는 절단의 감소가 중요하지 않은 상기 물체 내의 위치에 있을 수 있다)을 형성하기에 충분한 시간 동안 상기 중합 기울기 영역을 억제한(disrupt) 다음 상기 중합 기울기 영역을 회복시키는 단계를 더 포함할 수 있다. (예를 들어, 이동 단계의 일시정지 및 재개, 조사 세기의 증가 및 감소, 이의 조합)
일부 실시예에서, 빌드 표면은 평평하다; 다른 빌드 표면은 볼록하게 또는 오목한 커브 형태와 같이 불규칙하거나, 벽(wall) 또는 트렌치(trench)가 형성되어 있다. 어떤 경우든 빌드 표면은 부드럽거나 질감이 있을 수 있다.
커브 형태 및/또는 불규칙한 빌드 판 또는 빌드 표면은, 파이버(fiber) 또는 로드(rod) 형성시, 제조되는 단일 물체에 상이한 물질을 제공하기 위해 사용될 수 있다 (즉, 각각 별도의 액체 공급과 관련된 빌드 표면에 형성된 채널 또는 트렌치를 통해 동일한 빌드 표면에 다른 중합성 액체가 공급된다)
중합성
액체 용
캐리어
공급 채널
중합성 액체가 액체 도관 및 저장 시스템으로부터 빌드 판에 직접 제공될 수 있는 반면, 일부 실시예에서는 캐리어가 그 안에 하나 이상의 공급 채널을 포함한다. 캐리어 공급 채널은 중합성 액체 공급원, 예를 들어 저장소 및 관련 펌프와 유체 연통한다(in fluid communication). 다른 캐리어 공급 채널이 동일한 공급원과 유체 연통하고 서로 동시에 작동할 수 있다. 또는 다른 캐리어 공급 채널은 서로 개별적으로 (예를 들어, 각각 펌프 및/또는 밸브를 통해) 제어될 수 있다. 개별적으로 제어가능한 공급 채널은 동일한 중합성 액체를 함유하는 저장소와 유체 연통할 수 있거나, 다른 중합성 액체를 함유하는 저장소와 유체 연통할 수 있다. 일부 실시예에서 원할 경우, 다른 중합성 액체는 밸브 조립체를 사용하여 동일한 공급 채널을 통해 교대로 공급될 수 있다.
5.
중합성
액체의 왕복 운동 공급(
Reciprocating
feed
of
polymerizable
liquid
)
본 발명의 일 실시예에서, 캐리어는 빌드 영역을 중합성 액체로 재충진을 하는 것을 증대시키거나 빠르게 하기 위하여 빌드 표면에 대해 수직으로 왕복 운동한다 (즉, 양자는 서로에 대해 수직으로 왕복 운동한다).
일부 실시예에서, 상승운동(upstroke) 및 하강운동(downstroke)을 포함하는 수직 왕복 운동 단계는 상승운동의 이동 거리가 하강운동의 이동 거리보다 크고, 이에 따라 동시에 부분적으로 또는 전체적으로 이동 단계를 수행한다 (즉, 캐리어가 빌드 판으로부터 멀어지는 Z 방향으로 캐리어를 이동시킴).
일부 실시예에서는, 상승운동이 점진적으로 가속한다. (즉, 상승운동의 점진적 시작 및/또는 점진적 가속이, 상승운동이 끝날 때까지 또는 하강운동의 시작을 나타내는 방향 전환이 이루어지기까지의 상승운동 전체 시간의 적어도 20, 30, 40 또는 50%의 기간에 걸쳐 일어난다. 다르게 표현하면, 상승운동은 점진적으로 또는 부드럽게 시작한다)
일부 실시예에서는, 하강운동이 점진적으로 감속한다 (즉, 하강운동의 점진적 끝(termination) 및/또는 점진적 감속이, 하강운동이 끝날 때까지 하강운동 전체 시간의 적어도 20, 30, 40 또는 50%의 기간에 걸쳐 일어난다. 다르게 표현하면, 하강운동은 점진적으로 또는 부드럽게 끝나거나 마무리된다)
일부 실시예에서는 상승운동이 갑작스럽게 종료되거나 급격하게 감속하고, 하강운동은 급격한 시작하거나 또는 감속 (예를 들어, 상승운동에서 하강운동까지 이동 방향 또는 벡터의 급격한 변화)하지만, 점진적인 전이(transition)가 도입될 수도 있다. (예: 상승운동과 하강운동 사이의 "안정상태(plateau)" 또는 일시정지의 도입을 통해). 또한, 각각의 왕복 운동 단계는 단일 상승운동 및 하강운동으로 구성 될 수 있지만, 왕복 운동 단계는 복수의 2, 3, 4 또는 5개 이상의 이어지는 왕복 운동 세트를 포함할 수 있으며, 각각의 주파수/진폭은 서로 동일하거나 다를 수 있다.
일부 실시예에서, 수직 왕복 운동 단계는 0.01 또는 0.1초 내지 1초 내지 10초의 총 시간 (예를 들어, 상승운동 및 하강운동의 주기 당) 동안 수행된다.
일부 실시예에서, 상승운동 이동 거리는 0.02 또는 0.2mm (또는 20 또는 200미크론)에서 1 또는 10mm (또는 1000 내지 10,000미크론)이다. 하강운동 이동 거리는 상승운동의 이동 거리와 같거나 그보다 작을 수 있으며, 하강운동 이동 거리가 더 작음에 따라, 캐리어가 빌드 표면에서 멀어지도록 움직이고, 3차원 물체가 서서히 형성된다. 왕복 운동 단계가 다수의 이어진 왕복 운동을 포함하는 경우, 그 세트 내의 모든 상승운동의 총 이동 거리는 바람직하게는 그 세트 내의 모든 하강운동의 총 이동 거리보다 커서, 점차적으로 3차원 물체가 형성된다.
바람직하게는, 수직 왕복 운동 및 특히 이의 상승운동은, 기체 버블(bubble) 또는 기체 포켓을 빌드 영역에 형성시키지 않는다. 대신, 왕복 운동 단계 동안 빌드 영역이 중합성 액체로 채워진 상태를 유지하게 되고, 중합 기울기 영역 또는 구역은 "데드 존(dead zone)" 및 왕복 운동 단계 동안 형성되는 물체와 접촉한 상태를 유지한다. 후술하는 바와 같이, 왕복 운동의 목적은, 왕복 운동이 없을 때의 빌드 영역의 재충진 속도와 비교할 때, 빌드 영역을 재충진하는 것을 증대시키거나 빠르게 하기 위한 것이다. (특히 중합성 액체로 큰 빌드 영역을 재충진하는 경우)
일부 실시예에서, 이동 단계는 1분당 1, 2, 5 또는 10번의 개별 이동(advance) 속도로 분당 300, 600 또는 1000번의 개별 이동 속도로 단속적으로 수행되고, 조사 단계가 진행되는 동안 각각의 공정 후에는 일시정지가 뒤따른다. 하나 이상의 왕복 운동 단계들 (예컨대, 상승운동 및 하강운동)이 각각의 이동 단계 내에서 수행 될 수 있다. 달리 말하면, 왕복 운동 단계는 이동 단계 내에서 중첩될 수 있다.
일부 실시예에서, 개별 이동은 10 또는 50미크론에서 100 또는 200미크론의 각 이동에 대한 평균 이동 거리에 걸쳐 수행된다 (선택적으로, 각각의 수직 왕복 운동 단계에 대한 총 이동 거리, 예를 들어, 상승운동 거리에서 하강운동 거리를 뺀 것의 합을 포함한다).
본 명세서에 기술된 왕복 운동 단계가 전술한 바와 실질적으로 구현되는 본 발명을 수행하는 장치는, 캐리어와 연동된 구동부(drive) 및/또는 광투명성 부재와 연동되어 작동하는 부가적인 구동부, 및 둘 중 하나 또는 모두와 연동되어 작동하는 구동부를 포함하며, 캐리어 및 광투명성 부재가 서로에 대해 왕복 운동하도록 구성된다.
또는, 수직 왕복 운동은 캐리어가 수직 또는 "Z방향"으로 빌드 판으로부터 멀어지는 방향으로 (예컨대 연속적으로 또는 단계적으로) 이동하는 동안 수직 또는 "Z방향"으로 제한된 범위의 상하운동을 할 수 있도록 빌드 표면을 구성함으로써 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 제한된 이동 범위는 수동적으로 부여될 수 있다. 이는 예컨대 점성을 갖는 중합성 액체를 통해 빌드 판을 형성 중인 물체에 부분적으로 접착시킴으로써 달성되는 상향 운동과, 뒤따르는 추, 탄성 등에 의해 달성되는 하향 운동에 의해 달성될 수 있다. (선택적으로 스프링, 완충 장치, 충격 흡수 장치 등을 포함하며, 빌드 판 및 빌드 표면의 상향 또는 하향 운동에 영향을 주도록 구성됨). 다른 실시예에서, 빌드 표면의 이러한 운동은 별도의 구동 시스템(drive system)을 빌드 판과 연동하여 작동시킴으로써 능동적으로 구현할 수 있으며, 구동 시스템은 또한 수직 왕복 운동을 개별적으로 달성하기 위해 컨트롤러와 연동하여 작동된다. 또 다른 실시예에서, 수직 왕복 운동은 빌드 판 및/또는 빌드 표면을 구성함으로써 이루어질 수 있다. 이로 인해, 수직 왕복 운동은 상향 운동 및 하향 운동(so that it flexes upward and downward)을 수행하게 되고, 상향 운동은 점성이 있는 중합성 액체를 통해 빌드 표면을 형성되는 물체에 부분적으로 접착시킴으로써 이루어지고, 이후, 빌드 표면을 바이어스(bias)시키거나 이전 위치로 복귀시키는 빌드 표면의 고유한 강성(stiffness)에 의해 이루어지는 하향 운동이 이루어진다.
단속적인 조명 또는 조사 단계는, 왕복 운동이 능동적으로 또는 수동적으로 달성되는지 여부와 같은 요소에 따라 수직 왕복 운동과 동기화되거나 수직 왕복 운동과 동기화되지 않는 방식으로 수행될 수 있다.
수직 왕복 운동은 캐리어와 빌드 표면의 모든 영역들 (예를 들어, 빌드 표면이 강성인 곳) 사이에서 동시에 수행될 수 있거나, 캐리어와 빌드 표면의 상이한 영역들 사이에서 다른 시간에 수행될 수 있다. (예: 빌드 표면이 인장된(tensioned) 고분자 필름과 같은 유연한 재료인 경우)
6. 광도 증가에 따른 제조 속도 증가(
Increased
speed
of
fabrication
by
increasing
light
intensity
)
일반적으로, 제조 속도는 광도가 증가함에 따라 증가할 수 있음이 관찰되었다. 일부 실시예에서, 빛은 제조 속도를 증가시키기 위해 빌드 영역에 집중 또는 "포커싱"된다. 이것은 대물 렌즈와 같은 광학 장치를 사용하여 수행될 수 있다.
제조 속도는 일반적으로 빛의 세기에 비례할 수 있다. 예를 들어, 시간당 밀리미터 단위의 적층 속도는 밀리와트(mW)/평방 센티미터의 광도와 승수(multiplier)를 곱하여 계산할 수 있다. 승수는 아래에서 논의되는 요소를 포함하여 다양한 요소에 따라 달라질 수 있다. 다양한 범위의 승수가 사용될 수 있다. 낮은 범위에서 승수는 약 10, 15, 20 또는 30일 수 있다. 높은 범위에서 승수는 약 150, 300, 400 이상일 수 있다.
상기 기술된 관계는 일반적으로 1 평방 센티미터 당 1, 5 또는 10밀리와트(mW), 평방 센티미터 당 최대 20 또는 50 밀리와트의 광도에서 고려된다.
빛의 특정 광학 특성이, 제조 속도의 증가를 용이하게 하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, FWHM (Full Width Half Maximum)에서 측정된 365 ± 10 nm의 빛을 제공하기 위해 수은 전구 광원과 함께 대역 통과 필터가 사용될 수 있다. 또 다른 예로서, 대역 통과 필터는 FWHM에서 측정된 375 ± 15 nm의 빛을 제공하기 위해 LED 광원과 함께 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 이러한 공정에 사용되는 중합성 액체는 일반적으로 억제제로서 산소를 갖는 자유 라디칼 중합성 액체 또는 억제제로서 염기를 갖는 산 촉매 또는 양이온 중합성 액체이다. 일부 특정 중합성 액체는 다른 것보다 더욱 신속하게 또는 효율적으로 경화되므로, 더 빠른 속도에 적합하다. 그러나 이는 광도를 더 증가시킬 때 적어도 부분적으로 상쇄될 수 있다.
높은 빛의 세기와 속도에서 억제제가 사용됨에 따라 "데드 존"이 더 얇아질 수 있다. 데드 존이 손실되면 공정이 중단된다. 이러한 경우에, 억제제의 공급은 농축 및/또는 가압된 억제제 분위기, 더 다공성인 반투과성 부재, 더 강력한 억제제(특히 염기가 적용된 경우)를 포함하는 임의의 적합한 수단에 의해 개선될 수 있다.
일반적으로, 보다 낮은 점성을 가지는 중합성 액체는 특히 큰 및/또는 고밀도 단면을 갖는 물체의 제조시 더 빠른 속도에 잘 맞는다 (하지만 이는 적어도 부분적으로는 광도를 증가시킴으로써 상쇄될 수 있음).
50 또는 100센티포이즈(centipoise), 최대 600, 800 또는 1000센티포이즈 이상의 범위의 점도를 갖는 중합성 액체 (HYDRAMOTION REACTAVISC™ 점도계와 같은 적합한 장치로 실온 및 대기압에서 측정 됨). 일부 구체 예에서, 중합 성 액체의 점도는 전술한 바와 같이 중합 가능한 액체를 가열함으로써 바람직하게 감소할 수 있다.
중합성 액체의 점도는 50 또는 100센티포이즈(centipoise), 최대 600, 800 또는 1000센티포이즈(centipoise) 이상일 수 있다. (HYDRAMOTION REACTAVISC ™ Viscometer와 같은 적절한 장치로 실온 및 대기압에서 측정됨) (HYDRAMOTION REACTAVISC™ Viscometer는 Hydramotion Ltd, 1 York Road Business Park, Malton, York YO17 6YA England에서 얻을 수 있다.) 일부 실시예에서, 필요한 경우, 중합성 액체의 점도는 전술한 바와 같이 중합성 액체를 가열함으로써 바람직하게 감소할 수 있다.
큰 및/또는 고밀도 단면을 갖는 물체의 제조와 같은 일부 실시예에서, 전술한 바와 같이 중합성 액체를 "펌핑"하도록 왕복 운동을 도입하고 및/또는 전술한 바와 같이 중합성 액체를 캐리어를 통해 공급하고 및/또는 중합성 액체를 가열 및/또는 가압하여 제조 속도를 개선시킬 수 있다.
7.
타일링
(
tiling
)
빌드 크기가 큰 경우, 해상도와 광도를 유지하기 위해 하나 이상의 광 엔진(light engine)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 각각의 광 엔진은 복수의 "타일링된" 이미지가 빌드 영역으로 투사(project)되도록 이미지 (예를 들어, 픽셀 어레이)를 빌드 영역에 투사하도록 구성될 수 있다. 본원에 사용된 용어 "광 엔진"은 광원, 디지털 마이크로미러 장치와 같은 DLP 장치 및 대물 렌즈와 같은 광학 장치를 포함하는 조립체를 의미할 수 있다. "광 엔진"은 또한 하나 이상의 다른 구성 요소와 연동되어 작동하는 컨트롤러와 같은 전자 장치를 포함할 수 있다.
이는 도 17a 내지 도 17c에 개략적으로 도시된다. 광 엔진 어셈블리(130A, 130B)는 인접한 또는 "타일링된" 이미지(140A, 140B)를 생성한다. 도 17a에서, 이미지는 약간 어긋나있다; 즉, 이미지 사이에 간격이 있다. 도 17b에서, 이미지는 정렬된다; 이미지 사이에 틈이 없고 겹치지 않는다. 도 17c에서, 이미지 (140A 및 140B)의 약간의 중첩이 있다.
일부 실시예에서, 도 17c에 도시된 중첩된 이미지를 갖는 구성은, 예를 들어 미국 특허 제7,292,207호, 제8,102,332호, 제8,427,391호, 제8,446,431호에 일반적으로 논의된 바와 같이 중첩 영역의 "혼합" 또는 "평활화(smoothing)" 및 미국 특허출원공보 제2013/0269882호, 제2013/0278840호 및 제2013/0321475호에 개시되어 있으며, 이들의 개시 내용은 그 전체가 본 명세서에 포함된다.
타일링된(tiled) 이미지는 광도를 줄이지 않고 더 큰 빌드 영역을 허용할 수 있으므로, 큰 물체의 빌드 속도를 향상시킬 수 있다. 3개 이상의 광 엔진 어셈블리 (및 대응하는 타일 이미지)가 사용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예는 적어도 4, 8, 16, 32, 64, 128 이상의 타일링된 이미지를 사용한다.
8. 다중 영역에서의 제조(
Fabrication
in
multiple
zones
)
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 다중 영역 또는 작동 세그먼트(segment of operation)를 통해 3차원 물체를 형성할 수 있다. 이러한 방법은 일반적으로 다음을 포함한다:
(a) 캐리어 및 빌드 표면을 갖는 광투명성 부재를 제공하는 단계 (상기 캐리어 및 상기 빌드 표면은 그 사이에 빌드 영역을 정의하고, 상기 캐리어는 시작 위치에서 상기 빌드 표면에 인접하여 이격되어 배치된다); 이후
(b) 아래 단계를 통해 상기 3차원 물체의 접착 세그먼트(adhesion segment)를 형성하는 단계;
(i) 빌드 영역(build region)을 중합성 액체로 충진하는 단계,
(ii) (예를 들어, 단일 노출에 의해) 광투명성 부재를 통과하는 빛을 빌드 영역에 조사하는 단계,
(iii) 캐리어를 정지 상태로 유지시키거나, 캐리어를 제1누적 전진속도 (first cumulative rate of advance)로 빌드 표면으로부터 멀어지는 방향으로 이동시킴으로써, 중합성 액체로부터 캐리어에 부착된 물체의 고분자 접착 세그먼트(solid polymer adhesion segment)를 형성하는 단계; 이후
(c) 아래 단계를 통해 선택적으로 그러나 바람직하게는 3차원 대상물의 전이 세그먼트(transition segment)를 형성하는 단계
(i) 빌드 영역을 중합성한 액체로 충진하는 단계,
(ii) 상기 광투명성 부재를 통과하는 빛을 상기 빌드 영역에 연속적으로 또는 단속적으로 조사하는 단계, 및
(iii) 제2 누적 전진속도로 상기 빌드 표면으로부터 상기 캐리어를 연속적으로 또는 단속적으로 이동시키거나 (예를 들어, 순차적으로 또는 조사 단계와 동시에), 상기 중합성 액체로부터 상기 접착 세그먼트와 상기 빌드 표면 사이의 상기 전이 세그먼트를 형성하는 단계; 이 때 상기 제2 누적 전진 속도는 상기 제1 누적 전진속도보다 크다; 그리고
(d) 아래 단계를 통해 3차원 물체의 바디 세그먼트(body segment)를 형성하는 단계;
(i) 빌드 영역을 중합성 액체로 충진하는 단계,
(ii) 광투명성 부재를 통과하는 빛으로 빌드 영역을 연속적으로 또는 단속적으로 조사하는 단계; 및
(iii) 제3 누적 전진속도에서 상기 빌드 표면으로부터 상기 캐리어를 연속적으로 또는 단속적으로 이동시키는 단계 (예를 들어, 순차적으로 또는 조사 단계와 동시에 진행) (이를 통해 상기 중합성 액체로부터 전이 영역 표면 사이의 바디 세그먼트가 형성된다.); 이 때 상기 제3누적 전진속도는 상기 제1누적 전진속도 및/또는 상기 제2 누적 전진속도보다 크다.
시작 위치는 위치 범위 중 임의의 위치 (예를 들어, 5 또는 10 밀리미터 이상의 범위) 일 수 있고, 조사 단계 (b) (ii)는 캐리어가 상기 위치 범위 내의 임의의 위치에 있을 때 고체 중합체를 캐리어에 접착시키기 충분한 수준으로 수행된다. 이는 캐리어 및/또는 빌드 표면의 균일성의 변동, 빌드 표면에 인접한 캐리어의 위치 결정에 있어서의 구동 시스템 고유의 변동 등으로 인하여 3차원 물체가 캐리어에 접착하는 데 실패할 가능성을 감소시킨다.
9. 단속적 (또는
스트로브
) 노출을 통한 제조(
Fabrication
with
Intermittent
(
or
Strobe")
illumination
)
전술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 본 발명은 단속적인 주기 또는 버스트 (burst) 조명으로 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 방법은,
캐리어 및 빌드 표면(build surface)을 가지는 광투명성 부재(member)를 제공하는 단계;
상기 빌드 영역에 중합성 액체를 충진하는 단계,
상기 중합성 액체로부터 고체 중합체를 형성하기 위하여, 상기 광투명성 부재를 통과하는 빛을 상기 빌드 영역에 연속적으로 또는 단속적으로(intermittently) 조사하는 단계,
상기 고체 중합체로부터 3차원 물체를 형성하기 위하여, 상기 빌드 표면에서 멀어지는 방향으로(away) 상기 캐리어를 연속적으로 이동시키는 단계를 포함한다.
이러한 동작 모드의 또 다른 실시예는,
캐리어 및 빌드 표면(build surface)을 가지는 광투명성 부재(member)를 제공하는 단계;
상기 빌드 영역에 중합성 액체를 충진하는 단계,
상기 중합성 액체로부터 고체 중합체를 형성하기 위하여, 상기 광투명성 부재를 통과하는 빛을 상기 빌드 영역에 단속적으로(intermittently) 조사하는 단계,
상기 고체 중합체로부터 3차원 물체를 형성하기 위하여, 상기 빌드 표면에서 멀어지는 방향으로(away) 상기 캐리어를 연속적으로 또는 단속적으로 이동시키는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 단속적 조사는 조명이 활성되는 시간 및 조명이 비활성되는 시간이 번갈아 일어나는 주기를 포함한다. 이 때 평균 조명 활성 시간은 평균 조명 비활성 시간보다 작다. (예를 들어, 50, 60, 80% 이하)
일부 실시예에서, 단속적 조사는 조명이 활성되는 시간 및 조명이 비활성되는 시간이 번갈아 일어나는 주기를 포함한다. 이 때 평균 조명 활성 시간은 평균 조명 비활성 시간 이상이다. (예를 들어, 적어도 100, 120, 160 또는 180 %).
이하 이러한 작동 모드의 예를 설명한다. 이러한 특징은 여기에 설명된 다른 특징 및 작동 단계 또는 파라미터와 결합될 수 있다.
10. 제조 제품(
Fabrication
products
)
본 발명의 방법 및 공정에 의해 제조된 3차원 제품은 최종, 완성 또는 실질적으로 완제품이거나, 표면 처리, 레이저 절단, 방전 가공 등과 같은 추가 제조 단계가 예정된 중간 제품일 수 있다. (중간 제품은 동일한 장치 또는 다른 장치에서 부가적인 제조가 수행될 수 있는 제품을 포함한다.) 예를 들어, 단층(fault) 또는 절단 선은 진행중인 "빌드"에 의도적으로 도입될 수 있다. 이는 중합 기울기 영역을 억제하고 다시 복원시킴으로써 가능하다. 이는 완제품의 한 영역을 종결시키기 위해서거나, 또는 단순히 완제품의 특정 영역 또는 "빌드"부가 다른 곳보다 취약하기 때문이다.
대규모 모델 또는 프로토타입, 소형 맞춤 제품, 소형 또는 초소형 제품 또는 장치 등을 포함하는 다양한 제품이 본 발명의 방법 및 장치에 의해 제조될 수 있다. 이러한 예는 의료 장치, 스텐트(stent)와 같은 이식 가능 의료 장치, 약물 전달 저장소, 기능성 구조, 마이크로니들(microneedle) 어레이, 도파관와 같은 파이버(fiber) 및 로드(rod), 마이크로 기계 장치, 마이크로 유체 장치 등을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다.
따라서, 일부 실시예에서, 제품은 0.1 또는 1mm 내지 10 또는 100mm 이상의 최대 높이, 및/또는 0.1 또는 1mm 내지 10mm 또는 100mm 이상의 최대 폭을 가질 수있다. 다른 실시예에서, 제품은 10 또는 100nm (nanometer) 내지 10 또는 100미크론 이상의 최대 높이, 및/또는 10 내지 100nm 내지 10 또는 100 미크론 이상의 최대 폭을 가질 수 있다. 이들은 단지 예시 일 뿐이: 최대 크기 및 폭은 특정 장치의 구조 및 광원의 해상도에 따라 좌우되며, 제조되는 실시예 또는 물품의 특정 목적에 따라 조정될 수 있다.
일부 실시예에서, 제품의 높이 대 폭의 비는 적어도 2:1, 10:1, 50:1 또는 100:1 이상, 또는 폭 대 높이 비는 1:1, 10:1, 50:1 또는 100:1 이상일 수 있다.
일부 실시예에서, 제품은 이하 더 상세히 설명되는 바와 같이, 그 안에 형성된 적어도 하나 또는 다수의 세공(pores) 또는 채널을 갖는다.
본원에 기술된 공정은 다양한 특성을 갖는 제품을 생성할 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서는 제품은 강성이 있다. 다른 실시예에서는 제품은 플렉서블하거나 탄성이 있다. 일부 실시예에서, 생성물은 고체이다; 다른 실시예에서, 생성물은 하이드로젤과 같은 젤(gel)이다. 일부 실시예에서, 제품은 형상 기억 (즉, 구조적으로 결함이 발생하는 지점까지 변형되지 않는 한, 변형된 후에 실질적으로 이전 형상으로 복귀하는 특성)을 갖는다. 일부 실시예에서, 생성물은 단일체(unitary, 즉, 단일 중합성 액체로 형성됨)이고; 일부 실시예에서, 생성물은 복합체 (즉, 둘 이상의 상이한 중합성 액체로 형성됨)이다. 특정 특성은 사용된 중합성 액체(들)의 선택과 같은 요소에 의해 결정될 것이다.
일부 실시예에서, 생성된 제품 또는 물품은 2개의 지지체 사이의 연결(bridging) 요소 또는 하나의 실질적으로 수직인 지지체로부터 돌출하는 캔틸레버된(cantilever) 요소와 같은 적어도 하나의 돌출 형상(또는 "오버행(overhang)"을 갖는다. 본 공정의 일부 실시예의 단일 방향성, 연속성으로 인해, 각 층이 중합되어 실질적으로 완료되고 다음 패턴이 노출되기 전에 실질적인 시간 간격이 발생할 때 층들 사이에 형성되는 단층(fault) 또는 절단 선의 문제점은 실질적으로 감소된다. 따라서, 일부 실시예에서, 상기 방법은 물품과 동시에 제조되는 오버행을 위한 지지체의 수를 감소시키거나 제거하는데 특히 유리하다.
11. 다른 방법 및 장치(
Alternate
methods
and
apparatus
)
본 발명은 바람직하게는 전술 및 후술한 바와 같이 연속 액상 중합에 의해 수행되지만, 일부 실시예에서는 층별(layer-by-layer) 제조를 포함하는 상향식(bottom-up) 3차원 제조를 위한 다른 방법 및 장치가 사용될 수 있다. 이러한 방법 및 장치의 예로는 헐(Hull)의 미국 특허 제5,236,637호, 존(John)의 미국 특허 제7,438,846호, 엘 시블라니(El Siblani)의 미국 특허 제8,110,135호 및 조이스(Joyce)의 미국 특허 출원 공보 번호 제2013/0292862호, Chen et al의 미국 특허 출원 공보 번호 제2013/0295212호가 있다. 이들 특허 및 출원의 개시는 그 전체가 본원에 참고로 포함된다.
본 발명은 하기 비제한적인 실시예에서 보다 상세히 설명되며, 본 발명을 수행함에 포함될 수 있는 특징은 PCT출원 PCT/US2014/015486 (US 2015/0102532에도 공개됨); PCT/US2014/015506 (US 2015/0097315에도 공개됨), PCT/US2014/015497 (US2015/0097316에도 공개됨) 및 J. Tumbleston, D. Shirvanyants, N. Ermoshkin et al., Continuous liquid interface production of 3D Objects , Sciencexpress (16 March 2015)에도 설명되어 있다.
실시예
1
높은 종횡비를 가지는 가변 인장
빌드
판 어셈블리
도 6은 필름 치수가 3.5인치×17인치인 본 발명의 3인치×16인치의 "큰 종횡비(high aspect)"를 가지는 직사각형 빌드 판(또는 "윈도우") 조립체의 평면도이고, 도 7은 이의 전개도이다.
배트 링(vat ring) 및 필름베이스의 안쪽 지름과 비교하여 필름 자체의 더 큰 크기는 도 8의 측단면도에 도시된 바와 같이, 배트 링과 필름베이스 사이에 클램프 된 필름의 가장자리(peripheral) 또는 주변(circumferential) 플랜지(flange) 부분을 제공한다.
가장자리 또는 주변 플랜지 중합체 필름에 하나 이상의 정합 홀(registration holes, 미도시)이 제공되어서, 배트 링과 필름베이스 사이에서 중합체 필름을 정렬하는 것을 도울 수 있다. 배트 링과 필름베이스는 이 중 하나에서 다른 하나로 연장되는 복수 개의 나사(미도시, 일부 또는 전부가 중합체 필름의 주변부의 구멍을 통과함)에 의해 조여져, 그 사이의 중합체 필름을 단단하게 확실하게 클램핑할 수 있다. 또한 전술한 바와 같이 선택적으로 수직 왕복 운동을 채용하는 실시예에서 약간의 유연성을 허용한다.
도 7 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 중합체 필름에 접하고 필름을 고정시켜 필름을 고정하거나 강하게 만드는 인장 링이 제공된다. 상기 인장 링은 사전에 설정되거나 조절할 수 있는 부재일 수 있다. 조정은 그 사이에 중합체 쿠션 또는 스프링 (예를 들어, 판 스프링, 코일 스프링, 웨이브 스프링 등)과 같은 하나 이상의 압축 요소 및 나사 고정 장치와 같은 조절 가능한 고정 장치로 인장 링에 면하는 스프링 판을 제공함으로써 이루어질 수 있다. 이 때 나사 고정 장치 등은 스프링 판으로부터 인장 링을 관통하여 (또는 그 주위에 배치된다) 필름베이스로 통과한다.
중합체 필름은 바람직하게는 0.01 내지 0.05mm 내지 0.1mm 또는 1 mm 이상의 두께의 비정질 열가소성 플루오로중합체와 같은 플루오로 중합체 필름이다. 일부 실시예에서, 두께가 0.0035인치 (0.09mm) 인 Biogeneral Teflon AF 2400 중합체 필름 및 0.004인치 (0.1mm) 인 Random Technologies Teflon AF 2400 중합체 필름이 사용된다.
필름의 장력은 바람직하게는 제조 속도와 같은 작동 조건에 따라 약 10 내지 100 파운드(pound)로 인장 링을 통해 조절된다.
배트 링, 필름베이스, 인장 링 및 인장 링 스프링 플레이트는 금속 (예를 들어, 스테인레스강, 알루미늄 및 알루미늄 합금), 탄소 섬유, 중합체 및 이들의 복합체를 포함하는 임의의 적합한, 바람직하게는 강성 물질로 제조 될 수 있다.
정합 기둥(registration)과 해당하는 소켓은 필요에 따라 배트 링, 필름베이스, 인장 링 및/또는 스프링 판 중 어느 하나에 제공될 수 있다.
실시예
2
원형 가변 인장 원형
빌드
판 어셈블리(
Round
Adjustable
Tension
Round
Build
Plate
Assembly
)
도 9는 본 발명의 2.88 인치 직경 원형 빌드 판의 상면도이며, 도 10은 빌드 판의 전개도이다. 필름 치수는 직경이 4인치 일 수 있다.
구성은 상기 실시예 1에서 주어진 것과 유사한 방식으로, 원주형(circumferential) 웨이브 스프링 어셈블리(wave spring assembly)가 제 위치에 도시되어있다. 필름의 장력은 바람직하게는 상기 실시예 1에서 주어진 것과 동일한 장력으로 조정된다 (제조 속도와 같은 다른 작동 조건에 따라).
도 10은 도 9의 빌드 플레이트의 전개도이다.
실시예
3
조정 가능한
빌드
판의 부가적인
실시예
(
additional
Embodiments
of
Adjustable
Build
Plates
)
도 11은 도 7 내지 도 10의 빌드 판의 다양한 대안적인 실시예를 도시한다. 재료와 장력은 위에서 설명한 것과 같은 방식일 수 있다.
실시예
4
장치의 예시적인
실시예
(
Example
Embodiment
of
an
Apparatus
)
도 12는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 장치(100)의 정면 사시도, 도 13은 측면도, 도 14는 후면 사시도이다. 장치(100)는 프레임(102) 및 인클로저 (enclosure, 104)를 포함한다. 대부분의 인클로저(104)는 도 12 내지 도 14에서 제거되거나 투명하게 도시된다.
장치(100)는 도 2를 참조하여 전술한 장치와 동일하거나 유사한 구성 요소 및 특징 중 몇 개를 포함한다. 도 12를 참조하면, 프레임(102)에 연결된 베이스 판(108) 상에 빌드 챔버(106)가 제공된다. 챔버(106)는 도 2 및 도 6 내지 도 11을 참조하여 위에서 설명된 윈도우(window)들 중 하나와 같은 벽(wall) 또는 배트 링(110) 및 빌드 판 또는 "윈도우"에 의해 정의된다.
도 13을 참조하면, 캐리어(112)는 모터(116)에 의해 레일(114)을 따라 수직 방향으로 구동된다. 모터는 서보 모터(servo motor)와 같은 임의의 적합한 유형의 모터일 수 있다. 예시적인 적절한 모터는 일본 동경 소재 오리엔탈 모터 사(Oriental Motor)로부터 입수 가능한 NXM45A 모터이다.
액체 저장소(118)는 빌드 챔버(106)를 액체 수지로 보충하기 위해 빌드 챔버(106)와 유체 연통한다. 예를 들어, 튜빙(tubing)이 액체 저장소(118)로부터 빌드 챔버(106)로 진행할 수 있다. 밸브(120)는 액체 저장소(118)로부터 빌드 챔버(106) 로의 액체 수지의 흐름을 제어한다. 예시적인 적절한 밸브는 튜빙을 위한 핀치 스타일(pinch-style) 알루미늄 솔레노이드 밸브이다. 이는 조지아 애틀랜타 소재의 McMaster-Carr사로부터 입수할 수 있다.
프레임(102)은 광 엔진 어셈블리(130) (도 15)가 유지 또는 장착되는 레일 (122) 또는 다른 일부 장착 특징을 포함한다. 광원(124)은 도광판 입구 케이블 (126)을 사용하여 광 엔진 어셈블리(130)에 연결된다. 광원(124)은 코네티컷 주 토 링톤 소재의 다이맥스 사(Dymax Corporation)로부터 입수할 수 있는 BlueWave® 200 system과 같은 임의의 적합한 광원일 수 있다.
도 15를 참조하면, 광 엔진 또는 광 엔진 어셈블리(130)는 콘덴서 렌즈 어셈블리(132) 및 디지털 마이크로미러 장치(DMD)(134) 및 광학 또는 투사(projection) 렌즈 어셈블리(136) (대물 렌즈를 포함할 수 있다)를 포함한다. 적합한 DLP 시스템은 Texas, Dallas 소재 Texas Instruments, Inc. 로부터 입수할 수 있는 DLP Discovery™ 4100 시스템이다. DLP 시스템에서 나온 빛은 거울(138)에서 반사되어 빌드 챔버(106)를 조명한다. 특히, "이미지"(140)가 빌드 표면 또는 윈도우에 투영된다.
도 14를 참조하면, 전자부품판 또는 브레드보드(breadboard)(150)가 프레임 (102)에 연결된다. 브레드보드(150)에는 복수의 전기 또는 전자 부품이 장착된다. 컨트롤러 또는 프로세서(152)는 모터(116), 밸브(120), 광원(124) 및 광 엔진 어셈블리(130)를 포함한다. 적합한 컨트롤러는 캘리포니아 Rocklin 소재 Parallax, Inc. 에서 제공하는 Propeller Proto Board이다.
컨트롤러(152)와 연동되어 작동하는 다른 전기 또는 전자 구성 요소는 전원 (154) 및 모터(116)를 제어하기 위한 모터 드라이버(158)를 포함한다.
일부 실시예에서, 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 드라이버 (156)에 의해 제어되는 LED 광원이 수은 램프 (예를 들어, 전술 한 Dymax 광원) 대신에 사용된다. 적합한 전원 공급 장치는 24V, 2.5A, 60W, 스위칭 전원 공급 장치이다. (예: 플로리다, 레이크 파크 소재의 Marlin P. Jones & Assoc, Inc.에서 제공하는 부품 번호 PS1-60W-24(HF60W-SL-24)). LED 광원이 사용되는 경우, 적절한 LED 드라이버는 24V, 1.4A LED 드라이버 (예: 미네소타 도프 리버 폴스의 Digi-Key에서 구입가능한 부품 번호 788-1041-ND)이다. 적절한 모터 드라이버는 NXD20-A 모터 드라이버이며 일본 도쿄 소재 Oriental Motor에서 구입할 수 있다.
도 12 내지 도 15의 장치는 약 5 mW/cm2의 광도로 약 75 mm x 100 mm의 "이미지 크기"를 생성하는데 사용되었다. 도 12 내지 도 15의 장치는 약 100 내지 500mm/hr의 속도로 물체를 제조하는데 사용되었다. 적층 속도는 광도와 물체의 기하학적 구조(geometry)에 달려 있다.
실시예
5
장치의 또 다른
실시예
도 16은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 장치(200)의 정면 사시도이다. 장치(200)는 다음과 같은 차이점을 갖는 장치(100)의 동일한 구성 요소 및 특징을 포함한다.
장치(200)는 레일(222) 또는 도 15에 도시된 광 엔진 어셈블리들(130) 중 2 개가 나란하게 장착될 수 있는 다른 장착 장치(mounting feature)를 포함하는 프레임(202)을 포함한다. 광 엔진 어셈블리(130)는 빌드 스테이션(206)에서 한 쌍의 "타일링된"이미지를 제공하도록 구성된다. 타일 이미지를 제공하기 위한 다수의 광 엔진의 사용은 상술하였다.
도 16의 장치는 약 1mW/cm2의 광도로 약 150mm × 200mm의 타일링된 "이미지 크기"를 제공하는데 사용되었다. 도 16의 장치는 약 50 내지 100 mm/hr의 속도로 물체를 제조하는데 사용되었다. 적층 속도는 광도와 물체의 기하학적 구조에 달려 있다.
실시예
6
장치의 또 다른
실시예
도 18은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 장치(300)의 정면 사시도 이고, 도 19는 이의 측면도이다. 장치(300)는 다음과 같은 차이점을 갖는 장치 (100)의 동일한 구성 요소 및 특징을 포함한다.
장치(300)는 도 20에 도시된 광 엔진 어셈블리(330)가 장치(100)의 광 어셈블리(130)와 상이한 배향으로 장착될 수 있는 레일(322) 또는 다른 장착 장치를 포함하는 프레임(302)을 포함한다. 광 엔진 어셈블리(330)는 콘덴서 렌즈 어셈블리 (332) 및 디지털 마이크로미러 장치(DMD)(334) 및 (대물 렌즈를 포함 할 수 있다) 광학 또는 투사 렌즈 어셈블리(336)를 포함하는 DLP(digital light processing) 시스템을 포함한다. 적합한 DLP 시스템은 Texas, Dallas 소재 Texas Instruments, Inc. 로부터 입수할 수 있는 DLP Discovery™ 4100 시스템이다. DLP 시스템으로부터 방출된 빛은 빌드 챔버(306)를 조명한다. 구체적으로, "이미지"(340)가 빌드 표면 또는 윈도우에 투사된다. 장치(100)와는 대조적으로, 반사 거울은 장치(300)와 함께 사용되지 않는다.
도 18 내지 도 20의 장치는 약 200mW/cm2 및 40mW/cm2의 광도로 약 10.5 mm x 14 mm 및 약 24 mm x 32 mm의 "이미지 크기"를 제공하는데 사용되었다. 도 18 내지 도 20의 장치는 약 10,000 및 4,000mm/hr의 속도로 물체를 제조하는데 사용되었다. 적층 속도는 광도와 물체의 기하학적 구조에 달려 있다.
실시예
7
루아
스크립팅을
이용한 제어 프로그램(
Control
Program
with
Lua
Scripting)
현재의 프린터 기술은 품질 부품 제조를 보장하기 위해 낮은 수준의 제어가 필요하다. 광도, 노출 시간 및 캐리어의 움직임과 같은 물리적 파라미터는 모두 부품의 품질을 보장하도록 최적화되어야 한다. 프로그래밍 언어 "Lua"를 사용하는 Parallax PROPELLER™ 마이크로 컨트롤러와 같은 컨트롤러에 스크립팅 인터페이스를 사용하면 낮은 레벨에서 프린터의 모든 측면을 제어 할 수 있다. (R. Ierusalimschy, Programming in Lua (2013) (ISBN-10 : 859037985X, ISBN-13 : 978-8590379850 참조)
이 예는 루아 스크립팅(Lua scripting)을 이용하여 작성된 예시적인 프로그램으로 본 발명의 방법 및 장치의 제어를 설명한다. 통상의 기술자에게 자명한 명령 또는 그 변형예에 대응하는 프로그램 코드는 사용된 특정 마이크로 컨트롤러에 기초한 공지기술에 따라 작성된다.
개념( Concepts ) . 부품은 연속적으로 인쇄되는 중합체 조각으로 구성된다. 각 슬라이스의 모양은 조명 엔진에 의해 표시되는 프레임에 의해 정의된다.
프레임( Frame ). 프레임은 슬라이스의 최종 출력을 나타낸다. 프레임은 부품의 물리적 형상으로 나타나는 것이다. 프레임의 데이터는 중합체를 경화하기 위해 프린터가 투사하는 데이터이다.
슬라이스( Slice ). 프레임에 출력될 모든 2D 기하학 정보(geometry)는 슬라이스에 결합되어야 한다. 슬라이스는 절차적 기하학 구조(procedural geometry), 3D 모델 슬라이스들 또는 이 둘의 조합으로 구성될 수 있다. 슬라이스 생성 프로세스를 통해 사용자는 모든 프레임의 구성을 직접 제어할 수 있다.
3D 모델 조각( Slice of a 3D Model ). 슬라이스는 부품의 3D 모델에서 파생된 특수한 2D 기하학 정보이다. 이는 윈도우에 평행한 평면과 교차하는 형상을 나타낸다. 부품은 대개 3D 모델을 가져와서 이를 아주 작은 간격의 조각으로 슬라이싱하여 제조된다. 각 슬라이스는 프린터에 의해 연속적으로 해석되고 적절한 높이에서 중합체를 경화 시키는데 사용된다.
절차적 기하학 구조( Procedural Geometry ). 절차적으로 생성된 기하학 구조를 슬라이스에 추가할 수도 있다. 이는 "addcircle", "addrectangle"등과 같은 쉐이프(shape) 생성 함수를 호출하여 수행된다. 각 기능은 해당 모양을 인쇄 윈도우에 투사할 수 있다. 생산된 부품은 수직으로 돌출된 모양 또는 모양의 조합으로 나타난다.
좌표 공간: 스테이지 ( Coordinate spaces : Stage ) 스테이지에서 사용하는 좌표계는 일반적으로 원점이 윈도우에서 1 ~ 20미크론위에 놓인 곳에 조정된다.
좌표 공간: 슬라이스( Coordinate spaces : Slice ) 투사된 슬라이스의 좌표계의 원점은 인쇄 윈도우의 중앙에 위치한다.
빠른 시작(
Quick
Start
)
이하는 슬라이스된 3D 모델에서 부품을 인쇄하는 가장 기본적인 방법이다. 슬라이스된 모델 인쇄는 4가지 주요 부분으로 구성된다: 데이터로드, 프린터 준비, 인쇄 및 종료.
데이터로드 ( Loading Data ). 이 코드 섹션에서 슬라이스 모델 데이터가 메모리로 로드된다. 모델의 파일 경로는 코드의 상수 섹션에서 정의된다. 자세한 내용은 아래 전체 코드를 참조하면 된다.
--모델 로딩
modelFilePath
= "
Chess
King
.
svg
"
numSlices
=
loadslices
(
modelFilePath
)
프린터 준비( Preparing the printer )
인쇄하기 전에 해야 할 두 가지 일이있다. 우선, 릴레이 기능을 사용하여 조명 엔진을 켜야 하며, 해당하는 경우 원하는 유체 높이를 설정해야 한다.
--프린터 준비
relay ( true ) --조명을 켠다
showframe (-1) -- 셋업(setup) 중 아무것도 노출되지 않게 하여야 한다
setlevels (.55, .6)-- 가능하다면 프린터가 약 55 %의 채우기를 유지하도록 유체 펌프를 설정한다
인쇄( Printing ) . 인쇄 프로세스의 첫 번째 단계는 시스템을 교정하고 gotostart를 호출하여 스테이지를 시작 위치로 설정하는 것이다. 다음으로 각 슬라이스를 인쇄하는 for 루프를 시작한다. for 루프의 첫 번째 행은 infoline 명령을 사용하여 사이드 바에 현재 슬라이스 색인을 표시한다. 다음으로는 다음 슬라이스가 경화되어야 하는 높이를 결정한다. 그 값은 nextHeight에 저장된다. 다음으로는 다음 슬라이스가 경화될 필요가 있는 높이로 스테이지를 이동한다. 깨끗한 인쇄를 위해 때로는 산소가 수지로 확산될 때까지 기다릴 필요가 있다. 따라서 0.5초 동안 sleep을 호출한다. (preExposureTime의 정확한 시간은 상수 섹션에서도 정의된다). 그 후에 수지를 실제로 경화시킬 때가 되었으므로 showframe을 호출하고 인쇄할 슬라이스의 인덱스를 전달한다. 이 인덱스는 for 루프에 의해 sliceIndex에 저장된다. 이후, 수지를 경화시키기 위해 exposureTime 만큼의 시간만큼 다시 sleep한다. 다음 프레임으로 이동하기 전에 스테이지가 다음 높이로 이동하는 동안 조명 엔진이 수지를 경화시키지 않도록 showframe (- 1)을 호출한다.
--프린팅 실행
gotostart () - 스테이지를 시작 위치로 이동
for
sliceIndex
=
0,numSlices
-1
do
infoline
(5,
string
.
format
("
Current
Slice
:
%d
",
sliceIndex
))
nextHeight = sliceheight ( sliceIndex) -- 이 프레임을 노출시키기 위해 스테이지가 있어야 할 높이를 계산한다
moveto ( nextHeight , stageSpeed) -- nextHeight로 이동
sleep ( preExposureTime )-- 산소가 수지로 확산할 수 있도록 일정 기간을 기다린다. prepExposureTime 은 상수 섹션에서 기정(predefined)된다.
showframe ( sliceIndex ) -- 노출할 프레임을 보여준다
sleep ( exposureTime )-- 프레임이 노출되는 동안 기다린다. exposureTime은 상수 섹션에서 기정된다
showframe (-1)-- 스테이지가 다음 위치로 이동하는 동안 노출이 되지 않도록 아무것도 보여주지 않는다
end
종료( Shutdown ). 인쇄 프로세스의 마지막 단계는 프린터를 종료하는 것이다. 광 엔진을 끄기 위해서는 relay(false)를 호출한다. 유체 제어를 사용하는 경우 setlevels (0, 0)을 호출하여 밸브가 꺼졌는지 확인한다. 마지막으로 부품를 쉽게 제거 할 수 있도록 인쇄 후 조금 더 스테이지를 움직이는 것이 좋다.
--종료
relay
(
false
)
setlevels
(0,0)
-- 부품을 제거하기 위해 스테이지를 들어올린다
moveby
(25, 16000)
상기에 기초한 완전한 코드 구현 지시가 아래에 설명된다.
--상수
exposureTime = 1.5-- 초(second)
preExposureTime = 0.5 -- 초(second)
stageSpeed = 300 -- mm/hour
--모델 로딩
modelFilePath
= "
Chess
King
.
svg
"
numSlices
=
loadslices
(
modelFilePath
)
--파라미터 계산
maxPrintHeight = sliceheight ( numSlices -1)--프린트의 최고점을 찾는다. 이는 최후의 슬라이스의 높이와 같다. 슬라이스들은 0 인덱스되므로, -1이다.
infoline
(1, "
Current
Print
Info
:")
infoline
(2,
string
.
format
("
Calculated
Max
Print
Height
:
%dmm
", maxPrintHeight))
infoline
(3,
string
.
format
("
Calculated
Est
.
Time
:
%dmin
", (maxPrintHeight/stageSpeed)*60 + (preExposureTime+exposureTime)*numSlices/60))
infoline
(4,
string
.
format
("
Number
of
Slices
:
%d
",
numSlices
))
--프린터 준비
relay ( true ) --조명을 켠다
showframe (-1) -- 설치 중 아무것도 노출되지 않게 하여야 한다
setlevels (.55, .6)-- 가능하다면 프린터가 약 55 %의 채우기를 유지하도록 유체 펌프를 설정한다
--프린팅 실행
gotostart () - 스테이지를 시작 위치로 이동
for
sliceIndex
=
0,numSlices
-1
do
infoline
(5,
string
.
format
("
Current
Slice
:
%d
",
sliceIndex
))
nextHeight = sliceheight ( sliceIndex) -- 이 프레임을 노출시키기 위해 스테이지가 있어야 할 높이를 계산한다
moveto ( nextHeight , stageSpeed) -- nextHeight로 이동
sleep ( preExposureTime )-- 산소가 수지로 확산할 수 있도록 일정 기간을 기다린다. prepExposureTime 은 상수 섹션에서 기정(predefined)된다
showframe ( sliceIndex ) -- 노출할 프레임을 보여줌
sleep ( exposureTime )-- 프레임이 노출되는 동안 대기. exposureTime은 상수 섹션에서 기정된다
showframe (-1)-- 스테이지가 다음 위치로 이동하는 동안 노출이 되지 않도록 아무것도 보여주지 않음
end
--종료
relay
(
false
)
setlevels
(0,0)
-- 부품을 제거하기 위해 스테이지를 들어올림
moveby
(25, 16000)
gotostart : gotostart의 주요 목적은 스테이지를 조정하는 것이다. 이 기능은 제한 스위치(limit switch)가 활성화되었을 때, 원점이 가장 낮은 지점에 있도록 좌표계를 재설정한다. 이 명령을 호출하면 프린터의 제한 스위치가 활성화 될 때까지 스테이지가 아래로 이동한다; 이는 스테이지가 절대(absolute) 최소 높이에 있을 때 발생해야 한다.
gotostart()는 작동 시작을 위해 프린터마다 다른 최대 속도로 스테이지를 이동시킨다.
gotostart ()--초기 속도(default speed)로 원점을 향해 이동
gotostart ( number speed ) 작동 시작을 위해 mm/h 단위의 속도로 스테이지를 이동
gotostart(15000)--15000mm/h로 스테이지를 이동
-speed: mm/h 단위, 스테이지가 시작 지점으로 움직이는 속도
MOVETO
moveto는 사용자가 주어진 속도로 스테이지를 원하는 높이로 향하게 한다. 속도 및 가속도에 대한 안전 상한과 하한이 내부적으로 보장된다.
moveto(number targetHeight , number speed )
moveto (25, 15000)--15,00mm/hr속도로 25mm 위치로 이동
moveto(number targetHeight , number speed , number acceleration )
이 함수는 속도뿐만 아니라 가속도도 정의할 수 있다. 스테이지는 초기 속도로 움직이기 시작한 후 가속도에 의해 증가한다.
moveto (25, 20000, 1e7 ) --1,000,000mm/hr^2 가속도, 15,00mm/hr 속도로 25mm 위치로 이동
moveto(number targetHeight , number speed , table controlPoints , function callback )
이 함수는 기본 버전의 함수와 유사하게 동작한다. 초기 속도와 위치에서 시작하여 제어지점 테이블(control point table)의 가장 높은 지점으로 이동한다. 스테이지가 각 제어지점을 통과하면 콜백(callback)이 호출된다.
function myCallbackFunction ( index )-- 콜백 함수 정의
print
("
hello
")
end
moveto (25, 20000, slicecontrolpoints (), myCallbackFunction )--스테이지를 20,000mm/hr의 속도로 25mm 지점으로 이동, 이 때 slicecontrolpoints()에 의해 생성된 제어지점에서 myCallbackFunction을 호출
moveto ( number targetHeight , number speed , number acceleration , table controlPoints , function callback ) 이 함수는 사용자가 가속도를 제어할 수 있다는 것을 제외하고는 위 함수와 같다. 스테이지는 초기 위치에서 마지막 제어지점까지 계속 가속한다.
function myCallbackFunction ( index )--defining the callback function
print
("
hello
")
end
moveto (25, 20000, 0.5e7 , slicecontrolpoints (), myCallbackFunction )-- 스테이지를 0.5 million mm/hr^2의 가속도, 20,000mm/hr의 속도로 25mm 지점으로 이동, 이 때 slicecontrolpoints()에 의해 생성된 제어지점에서 myCallbackFunction을 호출
- targetHeight: 스테이지가 이동할 원점을 기준으로 한 높이(mm)
- initialSpeed : 스테이지가 움직이기 시작할 초기 속도 (단위: mm / hour)
- acceleration: 스테이지 속도가 초기 속도로부터 증가하는 비율 (단위: mm/hour2)
- controlPoints: 밀리미터 단위의 목표 높이 테이블. 스테이지가 타겟 높이에 도달하면 함수 callback을 호출한다.
- callback: 스테이지가 제어지점에 도달할 때 호출될 함수의 포인터. callback 함수는 스테이지가 도달한 제이지점의 인덱스인 하나의 인수를 취해야 한다.
moveby
moveby는 사용자가 주어진 속도로 원하는 값만큼 스테이지의 높이를 변경할 수 있게 한다. 속도와 가속도에 대한 안전 상한과 하한이 내부적으로 보장된다.
moveby
(
number
dHeight
,
number
initalSpeed
)
1 moveby (-2, 15000)--15,000mm/hr의 속도로 2mm만큼 아래로 이동
moveby
(
number
dHeight
,
number
initialSpeed
,
number
acceleration
)
이 버전의 함수는 속도뿐만 아니라 가속도도 정의할 수 있다. 스테이지는 초기 속도로 움직이기 시작한 다음 목적지에 도달할 때까지 가속된다.
1 moveby (25, 15000, 1e7 )-- 1e7mm/hr^2의 가속도, 15,000mm/hr의 속도로 2mm만큼 아래로 이동
moveby
(
number
dHeight
,
number
initialSpeed
,
table
controlPoints
, function
callback
)
이 함수를 통해 사용자는 함수의 절대 높이 좌표 테이블을 전달할 수 있다. 스테이지가 이러한 타겟 높이 중 하나에 도달하면 함수 'callback'을 호출한다. callback은 도달한 제어지점의 인덱스인 하나의 인수를 취한다.
function myCallbackFunction ( index)-- callback 함수 정의
print
("
hello
")
end
moveby (25, 20000, slicecontrolpoints (), myCallbackFunction )-- 스테이지를 20,000mm/hr의 속도로 25mm 지점으로 이동, 이 때 slicecontrolpoints()에 의해 생성된 제어지점에서 myCallbackFunction을 호출
moveby ( number dHeight , number initialSpeed , number acceleration , table controlPoints , function callback ) 이 함수는 사용자가 가속도를 제어할 수 있다는 것을 제외하고는 위 함수와 같다. 스테이지는 초기 위치에서 마지막 제어지점까지 계속 가속한다.
function myCallbackFunction ( index )-- callback 함수 정의
print
("
hello
")
end
moveby (25, 20000, 1e7,slicecontrolpoints() , myCallbackFunction)-- 스테이지를 1e7mm/hr^2의 가속도, 20,000mm/hr의 속도로 25mm 지점으로 이동, 이 때 slicecontrolpoints()에 의해 생성된 제어지점에서 myCallbackFunction을 호출
- dHeight: 원하는 높이의 변화량 (mm 단위)
- initialSpeed: 스테이지가 움직이기 시작할 초기 속도 (단위: mm / hour)
- acceleration: 스테이지 속도가 초기 속도로부터 증가하는 비율 (단위 : mm/hour2)
- controlPoints: 밀리미터 단위의 목표 높이 테이블. 스테이지가 타겟 높이에 도달하면 함수 callback을 호출한다.
- callback: 스테이지가 제어지점에 도달할 때 호출될 함수의 포인터. callback 함수는 스테이지가 도달한 제이지점의 인덱스인 하나의 인수를 취해야 한다.
광 엔진 컨트롤(
light
engine
control
)
빛
relay는 프린터에서 광 엔진을 켜거나 끄는 데 사용된다. 인쇄를 하기 위해서는 광 엔진이 켜져 있어야 한다. 스크립트가 끝날 때 relay가 꺼져 있는지 확인해야 한다.
relay
(
boolean
lightOn
)
relay ( true )-- 빛을 켠다(turning light on)
-lightOn: false는 광 엔진을 끄고, true는 광 엔진을 켠다
절차적 기하학 구조 추가하기(
ADDING
PROCEDURAL
GEOMETRY
)
이 섹션의 기능은 슬라이스된 파트 파일을 사용하지 않고 도형을 투사하는 것이다. 이 섹션의 모든 함수는 figureIndex라는 선택적 숫자 값을 가진다. 슬라이스의 각 그림(figure)에는 자체 인덱스가 있다. 이 그림은 다른 그림 위에 하나씩 있다. 인덱스가 가장 큰 그림이 '상단'에 표시되어, 그 아래에 있는 그림에 의해 가려지지 않는다. 기본적으로 인덱스는 생성된 순서대로 지정되므로 마지막으로 생성된 그림이 맨 위에 렌더링된다. 그러나 원하는 인덱스를 figureIndex에 전달하여 인덱스를 변경할 수 있다.
이 섹션의 모든 함수에는 sliceIndex 인수가 필요하다. 이 값은 그림이 추가 될 슬라이스의 인덱스이다.
이 절차적 기하학 구조를 생성한다고 해서 그것이 시각적으로 볼 수 있다거나 인쇄 가능하다는 보장은 없다. 아래에서 설명하는 fillmask 또는 linemask와 같은 기능 중 하나를 사용해야 한다.
addcircle
addcircle ( number x , number y , number radius , number sliceIndex ) addcircle은 지정된 슬라이스에 원을 그린다.
addCircle (0,0, 5, 0)--첫번째 슬라이스의 원점에 반지름 5mm의 원을 생성
-x: 원 중심에서 원점까지의 수평 거리 (밀리미터 단위)
-y: 원 중심에서 원점까지의 수직 거리 (밀리미터 단위)
- radius : 밀리미터 단위의 원의 반지름
- sliceIndex : 그림이 추가될 슬라이스의 인덱스
반환값 ( Returns ): 그림의 인덱스(figure index of the figure)
addrectangle
addrectangle ( number x , number y , number width , number height number sliceIndex ) addrectangle 은 지정된 슬라이스에 직사각형을 그린다.
addrectangle (0,0, 5,5, 0)--원점에 왼쪽 상단 모서리가 있는 5mm x 5mm 사각형을 생성
-x: 사각형 왼쪽 위 모서리의 가로 좌표 (밀리미터 단위)
-y: 사각형 왼쪽 위 모서리의 세로 좌표 (밀리미터 단위)
- width : 직사각형의 폭 (단위 : 밀리미터).
- height : 직사각형의 높이 (단위 : 밀리미터).
- sliceIndex : 그림이 추가될 슬라이스의 인덱스
반환값 ( Returns ): 그림의 인덱스
addline
addline ( number x0 , number y0 , number x1 , number y1 , number sliceIndex ) addline 은 선분을 그린다.
addLine (0,0, 20,20, 0)--첫번째 슬라이스의 x 및 y축을 따라, 원점에서부터 20mm 길이의 선을 생성
-x0: 세그먼트의 첫 번째 점의 수평 좌표 (밀리미터 단위).
-y0: 세그먼트에서 첫 번째 점의 세로 좌표 (밀리미터 단위).
-x1: 세그먼트에서 두 번째 점의 수평 좌표 (밀리미터 단위).
-y2: 세그먼트에서 두 번째 점의 수직 좌표 (밀리미터 단위).
- sliceIndex: 그림이 추가될 슬라이스의 인덱스. 반환값 ( Returns ): 그림의 인덱스.
addtext
text ( number x , number y , number scale , string text , number sliceIndex ) addtext는 'x, y'위치에서 시작하여 'scale' 크기의 문자를 지정된 슬라이스에 텍스트를 그린다.
addtext (0,0, 20, " Hello world ", 0)-- 첫번째 슬라이스의 원점에 'Hello World'를 씀
-x: 텍스트 주위의 경계 상자(bounding box) 왼쪽 위 모서리의 수평 좌표 (밀리미터로 측정)
-y: 텍스트 주위의 경계 상자 왼쪽 위 모서리의 세로 좌표 (밀리미터로 측정)
- scale: 글자 크기 (밀리미터), 해석은 기본 운영 체제 (Windows, OSX, Linux 등)에 따라 다를 수 있다.
- text: 슬라이스에 그려지는 실제 텍스트
- sliceIndex: 그림이 추가될 슬라이스의 인덱스. 반환값 ( Returns ): 그림의 인덱스.
2.4
채우기 & 선 제어(
Fill
&
Line
Control
)
2.4.
1 fillmask
fillmask ( number color , number sliceIndex , number figureIndex ) fillmask는 절차적 기하학 구조를 그리는 방법을 제어하는데 사용된다. fillmask는 내부의 전체를 색으로 채우기 위해 문제의 그림을 알려준다.
- color: 0 ~ 255 범위의 숫자일 수 있다. 0이 검은 색이고 255가 흰색인 경우, 중간에 있는 값은 색상 값에 따라 검정과 흰색 사이에 선형적으로 보간된(interpolated) 회색 음영에 해당한다. 0보다 작은 값은 투명한 색을 생성한다.
myCircle = addCircle (0,0,5,0)--색을 채울 원을 생성
fillmask (255, 0, myCircle )--흰색이 채워진 원을 생성
- sliceIndex: 수정할 슬라이스의 인덱스.
- figureIndex: 슬라이스의 어느 그림을 채워야할지 결정하는데 사용된다. 각 그림에는 고유한 인덱스가 있다. figureIndex가 전달되지 않으면, 채우기(fill)가 슬라이스의 모든 그림에 적용된다.
2.4.
2 linemask
linemask ( number color , number sliceIndex , number figureIndex ) linemask는 절차적 기하학 구조를 그리는 방법을 제어하는데 사용된다. linemask는 그림에 특정 색상으로 윤곽선을 그려 넣는다. 윤곽선의 너비는 linewidth 함수로 정의된다.
myCircle = addCircle (0,0,20,0)-- 색을 채울 원을 생성
linemask (255, 0, myCircle)--원의 윤곽선을 흰색으로 세팅
fillmask (150,0, myCircle )-- 원을 회색으로 채우도록 세팅
- color: 0 ~ 255 범위의 숫자일 수 있다. 0이 검은 색이고 255가 흰색인 경우, 중간에 있는 값은 색상 값에 따라 검정과 흰색 사이에 선형적으로 보간된(interpolated) 회색 음영에 해당한다. 0보다 작은 값은 투명한 색을 생성한다.
- sliceIndex: 수정할 슬라이스의 인덱스
- figureIndex: 슬라이스의 어느 그림을 채워야할지 결정하는데 사용된다. 각 그림에는 고유한 인덱스가 있다. figureIndex가 전달되지 않으면, 채우기(fill)가 슬라이스의 모든 그림에 적용된다.
2.4.
3 linewidth
linewidth ( number width , number sliceIndex , number figureIndex ) linewidth는 linemask가 그림의 윤곽선을 그리는 데 사용할 너비를 설정하는데 사용된다.
linewidth (2,0)-- 첫번째 슬라이스의 모든 그림에 대한 윤곽선 너비를 2mm로 설정
- sliceIndex: 수정할 슬라이스의 인덱스.
- figureIndex: 슬라이스의 어느 그림을 채워야할지 결정하는데 사용된다. 각 그림에는 고유한 인덱스가 있다. (자세한 내용은 2.3 (10 페이지) 섹션 참조) figureIndex가 전달되지 않으면, 채우기(fill)가 슬라이스의 모든 그림에 적용된다.
loadmask
loadmask ( string filepath ) loadmask를 사용하면 고급 채우기 제어가 가능하다. 이를 통해 사용자가 비트맵 파일에서 텍스처(texture)를 로드하고 이를 사용하여 전체 그림을 텍스처로 채울 수 있게 한다.
texture = loadmask (" voronoi _ noise . png ")-- 텍스처를 로드.
voronoi_noise.png는 스크립트와 동일한 디렉토리에 있다.
myCircle = addCircle (0,0,20,0)--채우기를 할 원을 생성
fillmask ( texture , 0, myCircle )-- voronoi noise로 원을 채움
- filepath: 이미지 파일에 대한 파일 경로
반환값 ( Returns ): fillmask 또는 linemask 함수에 색상 인수(argument)로 전달할 수 있는 특수 데이터 형식.
프레임(
FRAMES
)
showframe
showframe ( number sliceIndex ) showframe은 인쇄 공정에 필수적이다. 이 함수는 슬라이스에서 프린터로 데이터를 보낸다. 존재하지 않는 프레임에 검은색 프레임을 렌더링하기 위해서는 showframes를 호출한다. 예: showframe (-1)
showframe (2)--세번째 슬라이스를 보여줌
- sliceIndex: 프린터에 보낼 슬라이스의 인덱스
framegradient
framegradient ( number slope ) framegradient는 광도의 차이를 보완한다.
calcframe
calcframe
()
calcframe은 슬라이스의 구조를 분석하여 최종 프레임을 계산한다.
showframe
(0)
calcframe
()
반환값 ( Returns ): 그림의 임의의 점과 가장자리 사이의 가능한 최대 거리
2.5.
4 loadframe
loadframe
(
string
filepath
)
loadframe은 지원되는 비트맵 파일에서 단일 슬라이스를 로드하는데 사용된다.
loadframe (" slice . png ")--slice.png는 스크립트와 동일한 디렉토리에 있다
- filepath : 슬라이스 이미지의 파일 경로
슬라이스(
SLICES
)
addslice
addslice ( number sliceHeight ) addslice는 슬라이스 스택(stack) 끝에 지정된 높이에 새 슬라이스를 생성한다.
addslice (.05)--.05mm 지점에 슬라이스를 추가
addslice
(
number
sliceHeight
,
number
sliceIndex
)
addslice(.05, 2)-- .05mm와 인덱스 2에 슬라이스를 추가. 이를 통해 모든 레이어의 인덱스를 2만큼 더함
addslice는 주어진 높이와 슬라이스 인덱스에 새로운 슬라이스를 생성한다.
- sliceHeight: 슬라이스의 높이 (밀리미터 단위)
- sliceIndex: 슬라이스를 추가해야 하는 인덱스. 반환값 ( Returns ): 슬라이스 인덱스
loadslices
loadslices ( string filepath ) loadslices는 2D 슬라이스 파일에서 모든 슬라이스를 로드하는 데 사용된다.
loadslices (" Chess King . svg ")-- Chess King.svg 파일의 모든 슬라이스를 로드
-filepath: 슬라이스 모델에 대한 파일 경로. 사용할 수 있는 형식은 .cli 및 .svg. 반환값 ( Returns ): 슬라이스의 개수.
sliceheight
sliceheight ( number sliceIndex ) sliceheight는 베이스로부터 슬라이스 높이를 mm 단위로 찾는데 사용된다.
addslice (.05,0)--첫번째 슬라이스를 .05mm로 세팅
sliceheight (0)-- 슬라이스 0의 높이를 확인, 이 경우 .05가 반환되어야 한다
- sliceIndex: 확인할 슬라이스의 인덱스. 반환값 ( Returns ): 슬라이스 높이 (mm).
2.6.
4 slicecontrolpoints
slicecontrolpoints () slicecontrolpoints는 모델의 각 슬라이스에 대한 제어지점을 만드는 도우미 함수이다. 스테이지가 각 슬라이스의 높이에 도달하면 이 제어지점을 moveto 또는 moveby 함수에 전달하여 callback하도록 설정할 수 있다. 이 함수를 호출하기 전에 loadedlices가 호출되었는지 확인해야 한다.
loadslices
("
Chess
King
.
svg
")
controlPoints
=
slicecontrolpoints
()
반환값 ( Returns ): 제어지점의 루아 테이블(Lua table)
TIMING
Sleep
sleep ( number seconds ) sleep은 사용자가 설정된 시간 (초) 동안 프로그램 실행을 일시중지 할 수 있게 한다.
sleep (.5)-- 0.5초간 일시정지(sleeping)
-seconds: 스크립트 실행을 일시중지할 시간(초)
Clock
clock () clock은 현재 시간을 초 단위로 반환한다. 적어도 밀리초(milesecond) 단위로 루아(Lua)에 내장된 시계 기능 대신에 사용해야 한다. 두 번째 카운트의 시작 시간이 시스템에 따라 다르므로, clock은 시간의 차이를 측정하는 수단으로 사용해야 한다.
t1 =
clock
()
loadslices
("
Chess
King
.
svg
")
deltaTime
=
clock
()-t1
반환값 ( Returns ) : 시스템 시간 (초).
유체 제어(
FLUID
CONTROL
)
이 함수들은 유체 제어를 지원하는 프린터 모델과 함께 사용할 수 있다. 스크립트가 실행되기 전에 setlevels(0,0)를 호출하여 펌프가 유체를 배트(VAT, 통)로 펌핑하는 것을 중지시켜야 한다.
getcurrentlevel
getcurrentlevel () getcurrentlevel은 배트(VAT)가 채워진 비율을 반환한다.
print
(
string
.
format
("
Vat
is
%d
percent
full
.",
getcurrentlevel
()*100) )
반환값 ( Returns ): 채워지는 배트(VAT)의 퍼센트를 나타내는, 0에서 1까지의 부동 소수점 숫자(floating point number)
setlevels
setlevels ( number min , number max ) setlevels는 사용자가 배트 내에 얼마나 많은 양의 유체가 있어야 하는지 정의할 수 있게 한다. 유체 높이는 펌프에 의해 자동으로 조절된다. 밸브가 항상 열려 있거나 닫혀 있지 않도록, min과 max의 차이는 0.05보다 커야 한다.
setlevels (.7,.75)--배트의 약 75%가 채워지도록 유지
- min: 유체가 채워져 있어야 하는 배트의 최소 백분율. 0에서 1 사이의 부동 소수점 숫자로 입력된다.
- max: 유체가 채워져 있어야 하는 배트의 최대 백분율. 0에서 1 사이의 부동 소수점 숫자로 입력된다.
사용자 피드백(
User
Feedback
)
2.9.
1 infoline
infoline ( int lineIndex , string text ) infoline을 사용하면 프로그램용 프린터 플랫폼(Programmable Printer Platform)의 사이드 바(sidebar)의 특정 위치에 최대 5 줄의 텍스트를 표시할 수 있다. 이 함수는 사용자가 여러 변수를 한 번에 모니터링 할 수 있게 하는데 사용된다.
infoline
(1,
string
.
format
("
Vat
is
%d
percent
full
.", getcurrentlevel()*100) )
- lineIndex: 행의 인덱스. 인덱스는 1 - 5의 범위에 있어야하며, 1은 맨 위의 행이다.
- text: 행 인덱스에 표시할 텍스트.
글로벌 배열 테이블(
GLOBAL
CONFIGURATION
TABLE
)
인쇄 스크립트가 실행되기 전에 모든 글로벌 변수가 cfg라는 배열 테이블에 로드된다. 이 테이블에 있는 대부분의 데이터는 사용자 스크립트가 실행될 때 프로그램용 프린터 플랫폼(Programmable Printer Platform)이 이미 읽었으므로, 변경하여도 아무런 영향을 미치지 않는다. 그러나 cfg의 xscale, yscale, zscale, xorig 및 yorig 필드에 쓰면(write) 나중에 작성되는 모든 loadslices 및 addlayer 호출에 영향을 주게 된다. 사용자 스크립트가 특정 스케일 및/또는 위치에서 실행되도록 설계된 경우, cfg를 올바른 설정으로 대체하여 프로그램용 프린터 플랫폼에서 스케일 및 위치를 실수로 변경할 수 없도록 하는 것이 좋다.
cfg . xscale = 3 -- 글로벌 설정을 재정의하여 x축의 스케일을 3으로 설정
cfg . yscale = 2 -- 글로벌 설정을 재정의하여 y축의 스케일을 2로 설정
cfg . zscale = 1 -- 글로벌 설정을 재정의하여 z축의 스케일을 1로 설정
cfg . xorig = -2.0 -- 글로벌 설정을 재정의하여 원점을 x축 방향으로 2mm만큼 왼쪽으로 세팅
cfg . yorig = 0.25 -- 글로벌 설정을 재정의하여 원점을 y축 양의 방향으로 .25mm만큼 세팅
cfg의
필드:
- serial port: serial port의 이름 (이 변수를 변경하여도 코드에 영향을 주지 않음)
- xscale: x 스케일
- yscale: y 스케일
- zscale: z 스케일
- xorig: x 원점
- yorig: y 원점
- hw xscale: x 방향 픽셀 해상도 (이 변수를 변경하여도 코드에 영향을 주지 않음)
- hw yscale: y 방향 픽셀 해상도 (이 변수를 변경하여도 코드에 영향을 주지 않음)
유용한
루아
표준 라이브러리(
USEFUL
LUA
STANDARD
LIBRARIES
)
수학 표준 라이브러리에는 형상 계산에 유용한 여러 가지 기능이 있다. 문자열 객체는 정보 문자열 조작을 위한 인쇄에 가장 유용하다. 자세한 내용은 Departamento de Informatica, PUC-Rio, Rua Marques de Sao Vicente, 225; 22451-900 Rio de Janeiro, RJ, Brazil의 LabLua에 문의하면 된다.
실시예
8
연속적인 인쇄를 위한
루아
스크립트 프로그램
이 예제는 연속 3차원 인쇄를 위한 위의 실시예 7에 해당하는 루아 스크립트 프로그램을 보여준다.
--상수
sliceDepth = .05-- mm단위
exposureTime = .225-- 초(second) 단위
--모델 로드
modelFilePath
= "
Chess
King
.
svg
"
numSlices
=
loadslices
(
modelFilePath
)
controlPoints = slicecontrolpoints ()-- 제어지점 생성
--파라미터 계산
exposureTime = exposureTime /(60*60)--시간(hour) 단위로 변환
stageSpeed = sliceDepth / exposureTime--필요 거리/필요 시간
maxPrintHeight = sliceheight ( numSlices -1)--프린트의 최고점을 찾는다. 이는 최후의 슬라이스의 높이와 같다. 슬라이스들은 0 인덱스되므로, -1이다. infoline (1, " Current Print Info :")
infoline
(2,
string
.
format
("
Calulated
Stage
Speed
:
%dmm
/
hr\n
", stageSpeed))
infoline
(3,
string
.
format
("
Calculated
Max
Print
Height
:
%dmm
", maxPrintHeight))
infoline
(4,
string
.
format
("
Calculated
Est
.
Time
:
%dmin
", (maxPrintHeight/stageSpeed)*60))
--moveto와 같이 사용하기 위한 Callback 함수 생성
function
movetoCallback
(
controlPointIndex
)
showframe(controlPointIndex)
end
-- 프린터 준비
relay ( true ) --조명을 켠다
setlevels (.55, .6)-- 가능하다면 프린터가 약 50 %의 채우기를 유지하도록 유체 펌프를 설정
--프린트 실행
gotostart ()--스테이지를 시작 위치로 이동
moveto
(
maxPrintHeight
,
stageSpeed
,
controlPoints
,
movetoCallback
)
--종료
relay
(
false
)
setlevels
(0,0)
--부품을 제거하기 위해 스테이지를 들어올림
moveby
(25, 160000)
실시예
9
실린더(
cylinder
)와 버클(
buckle
) 제어용
루아
스크립트 프로그램
이 예제는 절차적 기하학 구조를 사용하는 두 개의 부속에 대한 루아 스크립트 프로그램을 보여준다.
실린더(Cylinder ):
--상수
exposureTime = 1.5-- 초(second) 단위
preExposureTime = 1 -- 초
stageSpeed = 300 -- mm/hour 단위
sliceDepth
= .05
numSlices
= 700
--모델 생성
radius
= 11
thickness
= 4
smallCircleRad
= 1.4
for
sliceIndex
=
0,numSlices
-1
do
addlayer ( sliceDepth *( sliceIndex +1), sliceIndex )--슬라이스의 두께*이의 인덱스 = 슬라이스의 높이
largeCircle
=
addcircle
(0,
0,radius
,
sliceIndex
)
linewidth
(
thickness
,
sliceIndex
,
largeCircle
)
linemask
(255,
sliceIndex
,
largeCircle
)
for
i=0,2*
math
.
pi
, 2*
math
.
pi
/8
do
addcircle
(
math
.
cos
(i)*
radius
,
math
.
sin
(i)*
radius
,
smallCircleRad
, sliceIndex)
end
fillmask
(
0,sliceIndex
)
end
--파라미터 계산
maxPrintHeight = sliceheight ( numSlices -1)-- 프린트의 최고점을 찾는다. 이는 최후의 슬라이스의 높이와 같다. 슬라이스들은 0 인덱스되므로, -1이다.
infoline
(1, "
Current
Print
Info
:")
infoline
(2,
string
.
format
("
Calculated
Max
Print
Height
:
%dmm
", maxPrintHeight))
infoline
(3,
string
.
format
("
Calculated
Est
.
Time
:
%dmin
", (maxPrintHeight/stageSpeed)*60 + (preExposureTime+exposureTime)*numSlices/60))
infoline
(4,
string
.
format
("
Number
of
Slices
:
%d
",
numSlices
))
--프린터 준비
relay ( true)--조명을 turn light on
showframe (-1) -- 셋업(setup) 중 아무것도 노출되지 않게 하여야 한다
setlevels (.55, .6)-- 가능하다면 프린터가 약 55 %의 채우기를 유지하도록 유체 펌프를 설정
--프린트 실행
gotostart ()--스테이지를 시작 위치로 옮김
for
sliceIndex
=
0,numSlices
-1
do
infoline
(5,
string
.
format
("
Current
Slice
:
%d
",
sliceIndex
))
nextHeight = sliceheight ( sliceIndex )--이 프레임을 노출시키기 위해 스테이지가 있어야 할 높이를 계산
moveto ( nextHeight , stageSpeed)-- nextHeight로 이동
sleep ( preExposureTime )-- 산소가 수지로 확산할 수 있도록 일정 시간을 기다린다. prepExposureTime 은 상수 섹션에서 기정(predefined)된다
showframe ( sliceIndex )-- 노출을 위해 프레임을 보여준다
sleep (1.5)-- 프레임이 노출되는 동안 기다린다. exposureTime은 상수 섹션에서 기정된다
showframe (-1)-- 스테이지가 다음 위치로 이동하는 동안 노출이 되지 않도록 아무것도 보여주지 않는다
end
--종료
relay
(
false
)
setlevels
(0,0)
-- 부품을 제거하기 위해 스테이지를 들어올린다
moveby
(25, 160000)
버클(
Buckle
):
--상수
exposureTime = 1.5-- 초 단위
preExposureTime = 0.5 -- 초 단위
stageSpeed = 300 -- mm/hour 단위
sliceDepth
= .05
numSlices
= 900
--모델 생성
baseRadius
= 11
thickness
= 3
innerCircleRad
= 7.5
for
sliceIndex
=
0,numSlices
-1
do
addlayer ( sliceDepth *( sliceIndex +1))--슬라이스의 두께*이의 인덱스 = 슬라이스의 높이
if ( sliceIndex < 100) then --베이스
addcircle
(0,0,
baseRadius
,
sliceIndex
)
fillmask
(255,
sliceIndex
)
else
-- 안쪽 원
innerCircle
=
addcircle
(0,0,
innerCircleRad
,
sliceIndex
)
linewidth
(
thickness
,
sliceIndex
,
innerCircle
)
linemask
(255,
sliceIndex
,
innerCircle
)
for
i = 0,4*2*
math
.
pi
/8, 2*
math
.
pi
/8
do
x =
math
.
cos
(i)*(
innerCircleRad
+
thickness
)
y =
math
.
sin
(i)*(
innerCircleRad
+
thickness
)
cutLine
=
addline
(
x,y
, -x,-y,
sliceIndex
)
linewidth
(3,
sliceIndex
,
cutLine
)
linemask
(0,
sliceIndex
,
cutLine
)
end
if ( sliceIndex > 800) then -- 팁
r0 =
innerCircleRad
+2
if
(
sliceIndex
< 850)
then
r0 =
innerCircleRad
+ (
sliceIndex
-800)*(2/50)
end
for
i = 0,4*2*
math
.
pi
/8, 2*
math
.
pi
/8
do
ang
= i + (2*
math
.
pi
/8)/2
x =
math
.
cos
(
ang
)*(r0)
y =
math
.
sin
(
ang
)*(r0)
nubLine
=
addline(x,y, -x,-y, sliceIndex)
linewidth
(2,
sliceIndex
,
nubLine
)
linemask
(255,
sliceIndex
,
nubLine
)
end
fillmask
(
0,sliceIndex
,
addcircle
(0,0,
innerCircleRad
-(
thickness
/
2), sliceIndex
))
end
end
showframe
(
sliceIndex
)
sleep
(.02)
end
--파라미터 계산
maxPrintHeight = sliceheight ( numSlices -1)--프린트의 최고점을 찾는다. 이는 최후의 슬라이스의 높이와 같다. 슬라이스들은 0 인덱스되므로, -1이다.
infoline
(1, "
Current
Print
Info
:")
infoline
(2,
string
.
format
("
Calculated
Max
Print
Height
:
%dmm
", maxPrintHeight))
infoline
(3,
string
.
format
("
Calculated
Est
.
Time
:
%dmin
", (maxPrintHeight/stageSpeed)*60 + (preExposureTime+exposureTime)*numSlices/60))
infoline
(4,
string
.
format
("
Number
of
Slices
:
%d
",
numSlices
))
--프린터 준비
relay ( true )--조명을 켠다
showframe (-1) --셋업(setup) 중 아무것도 노출되지 않게 하여야 한다
setlevels (.55, .6)--가능하다면 프린터가 약 55 %의 채우기를 유지하도록 유체 펌프를 설정
--프린트 실행
gotostart ()--스테이지를 시작 위치로 옮김
for
sliceIndex
=
0,numSlices
-1
do
infoline
(5,
string
.
format
("
Current
Slice
:
%d
",
sliceIndex
))
nextHeight = sliceheight ( sliceIndex )-- 이 프레임을 노출시키기 위해 스테이지가 있어야 할 높이를 계산한다
moveto ( nextHeight , stageSpeed )--nextHeight로 이동
sleep ( preExposureTime )-- 산소가 수지로 확산할 수 있도록 일정 시간을 기다린다. prepExposureTime 은 상수 섹션에서 기정(predefined)된다
showframe ( sliceIndex )--노출할 프레임을 보여준다
sleep (1.5)-- 프레임이 노출되는 동안 기다린다. exposureTime은 상수 섹션에서 기정된다
showframe (-1)-- 스테이지가 다음 위치로 이동하는 동안 노출이 되지 않도록 아무것도 보여주지 않는다
end
--종료
relay
(
false
)
setlevels
(0,0)
-- 부품을 제거하기 위해 스테이지를 들어올린다
moveby
(25, 160000)
실시예
10
단속적 조사 및 이동을 통한 연속적 제조
본 발명의 공정은 도 21에 도시되어 있다. 도 21의 수직축은 빌드 표면으로부터 캐리어의 이동을 나타낸다. 이 실시예에서, 수직 이동 또는 이동 단계 (캐리어 또는 빌드 표면, 바람직하게는 캐리어를 구동시킴으로써 수행될 수 있다)는 연속적이고 단방향이며, 조사 단계는 연속적으로 수행된다. 제조되는 물체의 중합은 중합 기울기 영역 또는 활성 표면으로부터 발생하고, 따라서 물체 내의 "층별" 단층(fault)선의 생성이 최소화된다.
본 발명의 다른 실시예가 도 22에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 이동(advance) 단계는 단계적인 방식으로 수행된다. 즉 캐리어와 빌드 표면이 서로로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 단계 사이에 일시정지(pause)가 도입된다. 또한, 조사 단계는 단속적으로 수행되는데, 이 경우에는 이동 단계의 일시정지 기간 동안 수행된다. 중합 억제제가 조사 및/또는 이동의 일시정지 동안 데드 존 및 인접한 중합 기울기 또는 활성 표면을 유지하기에 충분한 양으로 데드 존에 공급되는 경우 중합 기울기는 유지되고, 물체 내의 층들의 형성이 최소화되거나 회피된다. 다르게 말하면, 조사 및 이동 단계가 연속적이 아니더라도, 중합반응은 연속적이다.
억제제를 충분히 공급하는 방식은, 억제제에 대해 충분히 투과성인 투명 부재를 이용하는 것, 억제제의 양을 늘리는 것 (예를 들어, 억제제-농축 및/또는 억제제-가압 분위기로부터 억제제를 공급하는 것) 등 다양한 방식을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다. 일반적으로 3차원 물체의 제조가 빠를수록(즉, 누적되는 진행 속도가 빠를수록), 데드 존 및 인접한 중합 기울기를 유지하기 위해 더 많은 억제제가 필요하게 된다.
실시예
11
중합성
액체의
빌드
영역
충진을
증대시키기 위한 이동 중 왕복 운동을 통한 연속 제조
본 발명의 또 다른 실시예가 도 23에 도시되어 있다. 상기 실시예 10에서와 같이, 이 실시예에서 이동(advance) 단계는 단계적인 방식으로 수행된다. 즉 캐리어와 빌드 표면이 서로로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 단계 사이에 일시정지(pause)가 도입된다. 또한, 상기 실시예 10에서와 같이, 조사 단계는 이동 단계의 일시정지 동안 다시 단속적으로 수행된다. 그러나, 이 실시예에서, 조사의 일시정지 동안 수직 왕복 운동을 도입함으로써, 이동 및 조사의 일시정지 동안 데드 존 및 중합 기울기를 유지하는 능력이 향상된다.
본 발명자들은 조사에서 일시정지 기간 동안 특히 수직 이동 (캐리어 및 빌드 표면을 서로에 대해 멀어지도록 구동시켰다가 다시 반대 방향으로 구동시킴)이 중합성 액체를 빌드 영역으로 충진함으로써 중합성 액체로 빌드 영역의 충진을 증대시킬 수 있음을 발견했다. 이는 더 큰 영역이 조사되거나 더 큰 부분이 제조될 때 유리하며, 빌드 영역의 중앙 부분을 충진하는 것은 그렇지 않았더라면 더 빠를 수 있는 제조 속도를 제한하게 된다
수직 또는 Z축의 왕복 운동은 양방향에서 임의의 적합한 속도 (속도가 양 방향으로 같을 필요는 없다) 로 수행될 수 있지만, 빌드 영역에 가스 버블(bubble)을 형성하지 않도록 왕복 운동할 속도가 작은 것이 바람직하다.
도 23에, 조사(irradiation)시 각각의 일시정지 동안 왕복 운동의 단일 사이클이 도시되어 있지만, 각각의 일시정지 동안 다수의 사이클 (서로 동일하거나 상이할 수 있음)이 도입 될 수 있다.
상기 실시예 10에서와 같이, 왕복 운동 동안 중합 억제제가 데드 존 및 인접한 중합 기울기를 유지하기에 충분한 양으로 데드 존에 공급되는 한, 중합 기울기가 유지되고, 물품 제조 내의 층 형성은 최소화되거나 회피되며, 조사 및 이동 단계는 연속이 아니더라도 중합/제조는 연속으로 유지된다.
실시예
12
왕복 운동 중 상승운동에서의 가속 및 왕복 운동 하강운동에서의 감속을 통한 부품 품질 개선
(
Acceleration
during
Reciprocation
Upstroke
and
Deceleration
during
Reciprocation
Downstroke
to
Enhance
Part
Quality
)
본 발명자들은 상승운동(upstroke) 및 이에 상응하는 하강운동에 제한 속도가 있음을 발견하였다. 이를 초과하는 경우 가공되는 부품 또는 물체의 품질 저하를 일으킨다. (아마도 수지 흐름에 가해지는 측방향 전단력(lateral shear foce)에 의한 중합 기울기 내 연질 영역의 열화로 인한 것). 이러한 전단력을 줄이거나 제작되는 부품의 품질을 높이기 위해서, 본 발명자는 상승운동 중에 점진적인 가속이 일어나고 하강운동 중에 점진적인 감속이 일어나는 가변적인 속도의 도입을 소개한다. (도 24 참조).
실시예
13
다중 영역에서의 제조(
Fabrication
in
Multiple
Zones
)
도 25는 첫번째 베이스 영역(base zone)(또는, "접착"영역), 선택적인 두번째 전이 영역(transition zone) 및 세번째 바디 영역(body zone)을 통해 전술한 바와 같은 방법에 의해 3차원 물체를 제조하는 과정에서 시간에 따른 캐리어의 이동을 개략적으로 도시한다.
3차원 물체를 형성하는 전체 프로세스는 3개의 (또는 2개의) 바로 연속적인 세그먼트 또는 영역으로 나누어진다. 바람직하게는, 구역은 중합 기울기가 구역 사이에서 억제되지 않도록 3개의 구역 사이에서 실질적인 지연 (예를 들어, 5 또는 10초 초과)없이 연속적인 순서로 수행된다.
첫번째 베이스(또는 "접착") 영역은 후속하는 전이 및/또는 바디 영역에서 사용되는 것보다 높은(더 긴 지속 시간 및 / 또는 더 큰 강도) 초기 광 또는 조사 노출을 포함한다. 이것은 공정 시작시, 수지가 캐리어에 안전하게 중합됨을 보장함으로써, 캐리어 표면이 빌드 표면과 완벽하게 정렬되지 않는 문제 및/또는 프로세스 시작시 빌드 표면으로부터 캐리어의 위치 결정이 변하는 문제를 방지하기 위함이다. 캐리어가 초기, 시작 위치에 위치하기 전에 선택적인 왕복 운동 단계 (중합 영역의 내부에 중합성 액체를 초기에 분배 또는 펌핑하기 위한 단계)가 나타난다는 점에 유의해야 한다. 필요한 경우, 가용성 방출 층과 같은 방출 층(미도시)이 캐리어와 초기 중합된 물질 사이에 포함될 수 있음을 유의해야 한다. 일반적으로, 3차원 물체의 작은 부분은 이 베이스 영역 동안 생성된다 (예를 들어, 1, 2 또는 5 부피 퍼센트 미만). 비슷하게 이 베이스 영역의 지속 시간은 일반적으로 베이스 영역, 선택적인 전이 구역 및 바디 영역의 지속 기간 중 작은 부분이다. (예 : 1, 2 또는 5퍼센트 미만) .
공정의 첫번째 베이스 영역 바로 뒤에, 선택적으로 (그러나 바람직하게는) 전이 영역이 있다. 이 실시예에서, 조명 단계(illumination)의 지속 시간 및/또는 강도, 진동 단계에서의 변위는 전술한 바와 같이 베이스 영역에서 수행되는 경우와 비교할 때 더 작다. 전이 영역은 (도시된 실시 예에서) 2번 또는 5번, 50번 또는 그 이상의 진동 단계 및 이에 대응하는 조명 단계를 통해 진행될 수있다. 일반적으로, 3차원 물체의 중간 부분 (베이스 영역 동안 형성되는 것보다 크지만 바디 영역 동안 형성되는 것보다 작음)은 전이 영역 (예: 1, 2 또는 5퍼센트에서 10, 20 또는 40부피%)동안 형성된다. 유사하게, 이 전이 영역의 지속 시간은 일반적으로 베이스 영역의 지속 시간보다 크지만 바디 영역의 지속 시간보다 짧다 (예: 베이스 영역, 전이 영역, 바디 영역의 전체 지속 기간의 1, 2 또는 5퍼센트에서 10,20 또는 40퍼센트까지) (예: 1, 2 또는 5 % 미만)
공정의 전이 영역 (또는 전환 영역이 포함되지 않은 경우 공정의 베이스 영역 바로 다음) 다음에는 3차원 물체의 나머지 부분이 형성되는 바디 영역이 있다. 도시된 실시예에서, 바디 영역은 베이스 영역보다 낮은 양 (및, 만약 전이 영역이 존재하는 경우, 바람직하게는 전이 영역 내의 것보다 낮은 양)의 조명으로 수행되며, 왕복 운동 단계들(선택적이나 어떤 실시예에서는 있는 것이 바람직하다)에서의 변위는 베이스 영역에서의 변위 (및, 만약 전이 영역이 존재하는 경우, 바람직하게는 전이 영역에서의 변위) 보다 작게 수행된다. 일반적으로, 3차원 물체의 대부분, 즉 부피의 60, 80 또는 90% 보다 큰 부분이 전이 영역에서 생성된다. 비슷하게, 이 바디 영역의 지속 시간은 일반적으로 베이스 영역 및/또는 전이 구역의 지속 시간보다 길다 (예를 들어, 베이스 영역, 전이 영역, 바디 영역의 전체 지속 시간의 적어도 60, 80 또는 90%).
이 실시예에서, 다중 구역은 진동 제조 모드와 관련하여 도시되어 있지만, 여기에 설명된 다중 구역 제조 기술은 또한 이하의 실시예에서 더 설명되는 다른 제조 모드에서도 구현될 수 있다. (전이 영역이 포함된 것으로 예시되어 있지만 선택 적임).
실시예
14
단속적 (또는 "
스트로브
") 조명 방식 제조
(
Fabrication
with
Intermittent
(
or
"
Strobe
")
Illumination
)
"스트로브" 작동 모드의 목적은 광원이 켜져 있거나 활성 상태인 시간을 줄이고, (예: 3차원 물체의 제조를 완료하는데 필요한 총 시간의 80, 70, 60, 50, 40 또는 30% 이하로 감소시키는 것) 광원의 세기를 증가시키는 것이다. (활성 조명 또는 조사 시 그러한 감소된 시간없이 동일한 누적 속도로 이동이 수행 될 때 요구되는 세기와 비교하여) 따라서, 빛의 전체 조사량은 실질적으로 동일하게 유지된다. 이렇게 하면 수지가 경화되지 않고, 수지가 빌드 영역으로 흘러 들어가는 데 더 많은 시간을 쓸 수 있게 된다. 스트로브 모드 기술은 이하에서 추가로 논의되는 바와 같이, 연속 모드, 스텝(stepped) 모드 및 진동 모드를 포함하며, 본원에 상술된 임의의 기존의 일반적인 작동 모드에 적용될 수 있다.
도 26a는 연속 모드의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 종래의 연속 모드에서는 이미지가 투사되고 캐리어가 위쪽으로 움직이기 시작한다. 빌드 플랫폼의 높이에 대응하여 생성되는 3차원 물체의 횡단면을 나타내는 간격으로 이미지가 변경된다. 빌드 플랫폼의 동작 속도는 여러 가지 이유로 달라질 수 있다. 예시된 바와 같이, 주 목적이 물체를 빌드 플랫폼에 부착시키는 베이스 영역, 제조되는 전체 물체에 적합한 속도를 가지는 바디 영역, 베이스 영역과 바디 영역 사이의 속도 및/또는 노출량의 점진적 전이가 일어나는 전이 영역이 있다. 경화가 여전히 수행되어, 중합 기울기가 바람직하게 유지되고, 캐리어 (또는 형성중인 물체)가 상술한 바와 같이 중합성 액체와 유체 연통하도록 유지된다. (중합 기울기는 중합 영역의 중합성 액체에서, 층별 단층 선의 형성을 막는다)
도 26b는 스트로브 연속 모드의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 스트로브가 계속되면 광도는 증가하지만, 이미지는 짧거나 단속적인 섬광 부분 동안 투사된다. 증가된 세기는 수지가 더욱 신속하게 경화되도록 하여 경화 중 유동량이 최소화되도록 한다. 섬광 사이의 시간은 수지가 동시에 경화되지 않고 흐르게 한다. 이것은 움푹 들어가는 수지와 같은 움직이는 수지를 고치려고 할 때 생기는 문제를 줄일 수 있습니다. 이것은 이동하는 수지를 경화시키려고 함으로 (예컨대 구덩이(pitting)) 인한 문제점을 감소시킬 수있다.
또한, 스트로브 모드에서 달성되는 광원상의 감소된 듀티 사이클(duty cycle)은 증가된 전력의 단속적 사용을 가능케 한다. 예: 기존의 연속 모드의 세기가 5mW/cm2 인 경우, 세기는 10mW/cm2로 두 배가 될 수 있으며 이미지가 투사되는 시간은 절반으로 줄어들 수 있다. 또는, 세기가 5배 증가하여 25mW/cm2로 유지되고 시간은 이전의 점등 시간의 1/5로 감소될 수있다.
도 27a는 스텝 모드(stepped mode)의 일 실시예를 개략적으로 도시한다: 종래의 스텝 모드에서, 빌드 플랫폼이 고정되어 있는 동안 (또는 조명 사이의 보다 빠른 이동과 비교하여 천천히 움직이는 동안) 이미지가 투사된다. 하나의 높이 증분이 충분히 노출되면, 이미지가 꺼지고 빌드 플랫폼이 약간 위로 이동한다. 이 운동의 속도는 일정할 수 있고, 미경화 수지의 두께가 얇을 때는 속도가 느렸다가, 미경화 수지의 두께가 두께울 때는 속도가 빠르게 되는 것과 같이, 운동의 속도가 가속될 수 있다. 일단 빌드 플랫폼이 새로운 위치에 있게 되면, 다음 횡단면의 이미지는 다음 높이 증분을 충분히 노출시키도록 투사된다.
도 27B는 스트로브 스텝 모드의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 스트로브 스텝 모드에서는, 광도가 증가하고 이미지가 투사되는 시간이 감소한다. 이렇게 하면 수지 흐름에 더 많은 시간을 허용하여 인쇄의 전체 속도를 낮추거나 이동 속도를 줄일 수 있다. 예: 기존의 스텝 모드의 광도가 5mW/cm2이고, 빌드 플랫폼이 1초에 100um씩 움직이고, 이미지가 1초 동안 투사되면, 광도는 10mW/cm2로 두 배가 될 수 있고, 이미지가 투사되는 시간은 0.5초로 감소하고, 이동 속도가 50um/초로 감소되거나 스테이지가 움직이는 시간이 0.5초로 감소할 수 있다. 광도 증가는 5배 또는 그 이상일 수 있고, 이 때 이미지 투사에 할당된 시간은 1/5 또는 그 이하로 줄게 된다.
도 28a는 진동 모드의 일 실시예를 개략적으로 도시한다: 진동 모드에서, 빌드 플랫폼이 정지되어있는 동안 (또는 조명 사이의 보다 빠른 이동과 비교하여 천천히 움직이는 동안) 이미지가 다시 투사된다. 하나의 높이 증분이 경화되면, 이미지가 꺼지고 빌드 플랫폼이 위쪽으로 이동하여 별도의 수지를 빌드 영역으로 당긴 다음, 마지막 경화된 높이 이상의 다음 높이 증분으로 다시 이동한다. 이 운동의 속도는 일정할 수 있고, 미경화 수지의 두께가 얇을 때는 속도가 느렸다가, 미경화 수지의 두께가 두께울 때는 속도가 빠르게 되는 것과 같이, 운동의 속도가 가속될 수 있다. 일단 빌드 플랫폼이 새로운 위치에 있게 되면, 다음 횡단면의 이미지는 다음 높이 증분을 충분히 노출시키도록 투사된다.
도 28b는 스트로브 진동 모드의 일 실시예를 나타낸다. 스트로브 진동 모드에서는 광도가 증가하고 이미지가 투사되는 시간이 단축된다. 이렇게 하면 수지 흐름에 더 많은 시간을 허용하여 인쇄의 전체 속도를 낮추거나 이동 속도를 줄일 수 있다. 예: 기존의 진동 모드의 강도가 5mW/cm2이고 빌드 플랫폼이 1mm 위로 이동하고 1초 후에 이전 높이에서 100um 증가한 지점까지 되돌아오고, 이미지가 1 초 동안 투사되면, 광도는 10mW/cm2로 두 배로 되고, 이미지가 투사되는 시간은 0.5초로 단축되고, 이동 속도를 절반으로 낮추거나 스테이지를 움직이는 시간을 0.5 초로 줄일 수 있다. 광도가 5배 또는 그 이상으로 되면, 이미지 투사에 할당된 시간을 1/5 또는 그 이하로 줄일 수 있다. 도 29의 세그먼트 "A"는 이하에서 더 논의된다.
도 29a는 스트로브 진동 모드의 다른 실시예에서 작동되는 제조 방법의 세그먼트를 도시한다. 이 실시예에서, 캐리어가 정적인 세그먼트의 지속 기간은 스트로브 조명의 지속 시간의 길이에 가깝게 단축되므로, 누적 이동 속도 및 제조속도를 변화시키지 않고 진동 세그먼트의 지속 시간을 (필요에 따라) 길게 할 수 있다.
도 29b는 캐리어가 조명 세그먼트 동안 (진동 세그멘트의 상승운동에 비해 상대적으로 천천히) 이동하는 것을 제외하고는, 도 29의 것과 유사한 스트로브 진동 모드의 다른 실시예의 세그먼트를 나타낸다.
실시예
15
제조 중 공정 파라미터의 변화
(
Varying
of
Process
Parameters
During
Fabrication
)
실시예 13-14의 방법에서, 바디 영역 동안의 작동 조건은 그 영역 전체에 걸쳐 일정한 것으로 도시된다. 그러나, 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 다양한 파라미터가 바디 영역에서 변경될 수 있다.
생산 중에 파라미터를 변경하는 주된 이유는 3차원 물체의 단면 형상 변화이다. 즉, 더 작은 (충진이 쉬운), 그리고 더 큰 (충진이 더 어려운) 동일한 3차원 물체의 세그먼트 또는 부분을 의미한다. 세그먼트(예: 1-5mm 직경 상당)를 채우기 쉽도록 상승운동의 속도는 빠르며 (50-1000m/hr까지) 펌프의 높이는 최소일 수 있다 (예: 약 100 ~ 300um). 보다 큰 단면 세그먼트 (예: 5-500mm 직경 상당)의 경우, 상승운동의 속도는 더 느릴 수 있고 (또는, 1-50mm/hr), 및/또는 펌프 높이는 더 높을 수 있다 (예: 500 내지 5000um). 물론, 특정 파라미터는 조사 강도, 특정 중합성 액체 (염료 및 충전제 농도와 같은 성분을 포함), 사용된 특정 빌드 표면 등과 같은 요소에 따라 달라질 것이다.
일부 실시예에서, 조명되는 단면의 "벌크(bulk)"가 증가함에 따라 (시간 및 강도에 의해 결정되는) 전체 광량은 감소될 수있다. 다른 말로 하면, 작은 영역의 빛은 작은 부분은 더 넓은 영역의 빛보다 더 큰 단위 조사량을 필요로 할 수 있다. 임의의 특정 이론에 구속되지 않고, 이는 중합성 액체의 화학적 키네마틱스(kinematics)와 관련될 수 있다. 이 효과는 더 작은 단면 직경을 가지는 물체(equivalent)에 대한 전체 광량을 증가시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 스텝 또는 펌프 사이의 각각의 높이 증가분의 두께를 변화시킬 수 있다. 이는 해상도를 줄이고 속도를 향상시키기 위함일 수 있다. (즉 더 정밀하거나 좁은 오차를 요구하는 부분을 제조할 때보다, 정밀도가 더 낮거나 더 많은 오차를 허용하는 부분을 제조할 때) 예를 들어, 100um 증분에서 200um 또는 400um 증분으로 변경하고, 증가된 두께의 모든 경화를 한 번에 그룹화할 수 있다. 이 때의 시간은, 대응하는 작은 증분에 대한 전체 시간보다 작거나, 같거나 더 길 수 있다.
일부 실시예에서, 전달되는 광량 (시간 및/또는 광도)은 특히 단면 (물체의 수직 영역) 또는 심지어 동일한 단면 또는 수직 영역 내의 상이한 영역에 따라 변할 수 있다. 이를 통해 특정 형상의 강성 또는 밀도를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 다른 높이 단위로 광량을 변경하거나, 각 높이 증분 조명의 서로 다른 구역의 회색조 비율을 변경하여 이를 수행할 수 있다.
전술한 내용은 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명은 아래의 특허청구범위에 의해 정의되고, 특허청구범위의 균등물도 본 발명에 포함된다.
11: 광원(radiation source)
12: 전자기선(electromagnetic radiation)
13: 반사 거울 14: 벽
15: 빌드 판 16: 액상 수지
17: 물체 18: 캐리어
19: 선형 스테이지 20: 프레임 조립체
21: 베이스 22: 수직 부재
13: 반사 거울 14: 벽
15: 빌드 판 16: 액상 수지
17: 물체 18: 캐리어
19: 선형 스테이지 20: 프레임 조립체
21: 베이스 22: 수직 부재
Claims (29)
- 캐리어 및 빌드 표면(build surface)을 가지는 광투명성 부재(member)를 제공하는 단계로서, 상기 캐리어 및 상기 빌드 표면은 그 사이에 빌드 영역(build region)을 정의하게 되는, 광투명성 부재(member)를 제공하는 단계
상기 빌드 영역에 중합성 액체(polymerizable liquid)를 충진하는 단계;
상기 중합성 액체로부터 고체 중합체를 형성하기 위하여, 상기 광투명성 부재를 통과하는 빛을 상기 빌드 영역에 연속적으로 또는 단속적으로(intermittently) 조사하는 단계;
상기 고체 중합체로부터 3차원 물체를 형성하기 위하여, 상기 빌드 표면에서 멀어지는 방향으로(away) 상기 캐리어를 연속적으로 또는 단속적으로 이동(advance)시키는 단계;를 포함하고,
상기 충진 단계는, 상기 빌드 영역을 상기 중합성 액체로 재충진하는 것을 증대시키거나(enhance) 빠르게 하기 위하여 상기 빌드에 대해 상기 캐리어를 수직으로 왕복 운동시키는 단계를 더 포함하는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 충진 단계, 상기 조사 단계 및/또는 상기 이동 단계는
i) 상기 빌드 표면과 접촉하는 중합성 액체 데드 존(dead zone)을 연속적으로 유지하는 단계 및
ii) 상기 데드 존 및 상기 고체 중합체 사이에 위치하고, 상기 데드 존 및 상기 고체 중합체와 각각 접촉하는 중합 기울기 영역(gradient of polymerization zone)을 연속적으로 유지하는 단계 (상기 중합 기울기 영역은 부분적으로 경화된 형태의 상기 중합성 액체를 포함한다)
와 동시에 수행되는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제3항에 있어서,
상기 광투명성 부재는 반투과성 부재(semipermeable member)를 포함하고,
상기 데드 존을 연속적으로 유지하는 단계는,
상기 데드 존 및 상기 중합 기울기를 유지하기에 충분한 양의 중합 억제제(inhibitor)가 상기 광투명성 부재를 통과하도록 공급함으로써 수행되는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제4항에 있어서,
상기 광투명성 부재는 불소중합체(fluoropolymer)로 구성되는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중합 기울기 영역은 적어도 1분 유지되는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수직 왕복 운동 단계는, 상기 캐리어 하나만을 움직임으로써 수행되는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수직 왕복 운동 단계는, 상기 캐리어 및 상기 빌드 표면이 결합되어 움직임으로써 수행되는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조사 단계는 단속적 조사 단계이고,
상기 단속적 조사 단계는
(a) 상기 수직 왕복 운동과 동기화되거나
(b) 상기 수직 왕복 운동과 동기화되지 않는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수직 왕복 운동 단계는 상승운동(upstroke) 및 하강운동(downstroke)을 포함하고,
상기 상승운동의 이동 거리는 상기 하강운동의 이동 거리보다 커서, 상기 이동 단계를 부분적으로 또는 전체적으로 수행하는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수직 왕복 운동 단계는 상승운동을 포함하고,
상기 상승운동의 속도는 상기 상승운동이 일어나는 기간 동안 가속되는,
3차원 물체를 형성하는 방법. - 제10항에 있어서,
상기 상승운동은 점진적으로(gradually) 시작되는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수직 왕복 운동 단계는 하강운동을 포함하고,
상기 하강운동의 속도는 상기 하강운동이 일어나는 기간 동안 감속되는,
3차원 물체를 형성하는 방법. - 제12항에 있어서,
상기 하강운동은 점진적으로(gradually) 끝나는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 및 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수직 왕복 운동 단계는 0.01초에서 10초의 총 시간 동안 및/또는 0.02mm에서 10mm의 상승운동 이동거리만큼 수행되는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 및 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이동 단계는 단속적으로 분당 1회의 이동에서 분당 1000회의 이동 속력으로 수행되고, 각 이동 후에는 조사 단계가 수행되는 일시정지(pause) 단계가 이어지는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제15항에 있어서,
상기 각 회의 이동의 평균 이동거리는 1미크론 내지 20미크론인, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 빌드 표면은 고정되고, 측방향(예컨대 X 및 Y 방향)으로의 움직임이 없는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 빌드 표면은 고정되고, 수직방향(또는 Z 방향)으로의 움직임이 없는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중합 기울기 영역 및 상기 데드 존의 전체 두께는 1미크론 에서 1000미크론인, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 3차원 물체 내에 절단 선(cleavage line)을 형성하기에 충분한 시간 동안 상기 중합 기울기 영역을 억제하는(disrupt) 단계를 더 포함하는,
3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 빌드 영역의 점성을 줄이기 위해 상기 중합성 액체를 가열하는 단계를 더 포함하는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중합성 액체는 자유라디칼 중합성 액체를, 상기 억제제는 산소를 포함하고; 또는
상기 중합성 액체는 산-촉매 또는 양이온 중합성 액체를, 상기 억제제는 염기를 포함하는, 3차원 물체를 형성하는 방법. - (a) 받침대;
(b) 상기 받침대와 연동되어 작동하는(operatively asscociated) 캐리어; (상기 캐리어 상에 3차원 물체가 형성된다)
(c) 빌드 표면을 가지는 광투명 부재; (상기 캐리어 및 상기 빌드 표면은 그 사이에 빌드 영역을 정의한다)
(d) 상기 빌드 표면과 연동되어 작동하고, 고체화(solidification) 또는 중합 (polymerization)를 위해 액체 중합체를 상기 빌드 영역에 공급하도록 갖춰진 액체 중합체 공급부;
(e) 상기 중합성 액체로부터 고체 중합체를 형성하기 위하여, 상기 광투명성 부재를 통과하는 빛을 상기 빌드 영역에 조사하는 광원(radiation source);
(f) 선택적으로, 상기 광투명성 부재 또는 상기 캐리어와 연동되어 작동하는 적어도 하나의 구동부(drive);
(g) 상기 캐리어, 및/또는 선택적으로 상기 적어도 하나의 구동부, 및 상기 광원과 연동되어 작동하고, 상기 고체 중합체로부터 상기 3차원 물체를 형성하기 위하여 상기 빌드 표면에서 멀어지는 방향으로(away) 상기 캐리어를 이동시키는 컨트롤러;를 포함하고,
상기 컨트롤러는 상기 빌드 영역을 상기 중합성 액체로 재충진하는 것을 증진시키거나 빠르게 하기 위하여 상기 빌드 표면에 대해 상기 캐리어를 진동 또는 왕복시키도록 갖춰진,
중합성 액체로부터 3차원 물체를 형성하는 장치. - 제23항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 고체 중합체로부터 상기 3차원 물체를 형성하도록 갖춰지고,
상기 충진 단계, 상기 조사 단계 및/또는 상기 이동 단계는
i) 상기 빌드 표면과 접촉하는 중합성 액체 데드 존(dead zone)을 연속적으로 유지하는 단계 및
ii) 상기 데드 존 및 상기 고체 중합체 사이에 위치하고, 상기 데드 존 및 상기 고체 중합체와 각각 접촉하는 중합 기울기 영역(polymerization 을 연속적으로 유지하는 단계 (상기 중합 기울기 영역은 부분적으로 경화된 형태의 상기 중합성 액체를 포함한다)
와 동시에 수행되는, 중합성 액체로부터 3차원 물체를 형성하는 장치. - 제23항 또는 제24항에 있어서,
상기 빌드 표면은 실질적으로 고정되거나 움직이지 않는, 중합성 액체로부터 3차원 물체를 형성하는 장치. - 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반투과성 부재는 윗면 영역(top surface portion), 아랫면 영역(bottom surface portion 및 옆면 영역(edge surface portion)을 포함하고,
상기 빌드 표면은 상기 윗면 영역 위에 배치되고,
상기 공급 표면은 상기 윗면 영역, 상기 아랫면 영역, 상기 옆면 영역 중 적어도 어느 하나의 위에 배치되는, 중합성 액체로부터 3차원 물체를 형성하는 장치. - 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광투명성 부재는 반투과성 부재를 포함하는, 중합성 액체로부터 3차원 물체를 형성하는 장치. - 제27항에 있어서,
상기 반투과성 부재는 0.1mm 에서 100mm의 두께를 가지고/가지거나;
상기 반투과성 부재는 산소의 투과도가 적어도 7.5×10-17m2s-1Pa-1 (10 Barrer); 인, 중합성 액체로부터 3차원 물체를 형성하는 장치. - 제27항에 있어서,
상기 반투과성 부재는 불소중합체로 구성되는, 중합성 액체로부터 3차원 물체를 형성하는 장치.
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