KR20170123232A - 레이저 융착을 이용하는 혼성 정전 3-d 프린터 - Google Patents

레이저 융착을 이용하는 혼성 정전 3-d 프린터 Download PDF

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KR20170123232A
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루이즈 어원
제이. 맥콘빌 폴
리우 츄-헹
에이. 윈터스 제임스
엠. 르페브르 제이슨
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제록스 코포레이션
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Abstract

3-D 프린터는 재료의 층들을 중간 전사 표면에 정전기적으로 전사시키도록 위치된 현상 스테이션, 및 중간 전사 표면에 인접한 전사 스테이션을 포함한다. 전사 스테이션은 중간 전사 표면이 전사 스테이션을 통과해서 이동함에 따라서 층들을 수용하도록 위치된다. 또한, 중간 전사 표면에 대해서 상대적으로 이동하는 압반이 포함된다. 중간 전사 표면은 압반 상에 층들의 프리스탠딩 스택을 연속하여 형성시키기 위하여 압반이 전사 스테이션에서 중간 전사 표면 상에 층들 중 하나와 접촉할 때마다 압반에 재료의 층을 전사한다. 융착 스테이션은, 각 층이 전사 스테이션으로부터 압반으로 전사된 후에, 각 층에 광을 인가하도록 위치된다. 융착 스테이션은 층 내 재료의 부분을 소결시키기 위하여 광을 선택적으로 인가한다.

Description

레이저 융착을 이용하는 혼성 정전 3-D 프린터{HYBRID ELECTROSTATIC 3-D PRINTER USING LASER FUSING}
본 명세서에서의 시스템 및 방법은 일반적으로 정전 인쇄 공정을 이용하는 3-차원(3-D) 인쇄 방법에 관한 것이다.
3-차원 인쇄(three-dimensional printing)는 예를 들어 잉크젯(ink-jet) 프린터를 사용하여 대상물을 생성할 수 있다. 많은 시스템에서, 플랫폼은 잉크젯 아래로 이동하여 빌드 재료(build material) 및 지지 재료(support material)의 층을 형성하고, 각 층은 UV 광원을 사용하여 경화된다. 이러한 단계는 층별로 반복된다. 지지 재료는 일반적으로 산-가용성, 염기-가용성 또는 수용성 중합체를 포함하며, 3-D 인쇄가 완료된 후 빌드 재료로부터 선택적으로 세정될 수 있다.
정전기적(전자-사진) 방법은 재료를 (광수용체(photoreceptor) 벨트 또는 드럼과 같은) 중간 표면 상에 전사하는 2-차원 디지털 이미지를 생성하는 잘 알려진 수단이다. 전자-사진 이미지가 전사되는 방식의 발전은 인쇄 시스템의 속도, 효율성 및 디지털 특성을 활용할 수 있다.
예시적인 3-차원(3-D) 프린터는, 다른 구성 요소 중에서, 중간 전사 표면, 상이한 재료를 중간 전사 표면에 정전기적으로 전사하도록 위치된 현상 스테이션, 및 중간 전사 표면에 인접한 전사 스테이션을 포함한다. 전사 스테이션은 중간 전사 표면이 전사 스테이션을 통해서 이동함에 따라서 상이한 재료의 층들을 수용하도록 위치된다. 따라서, 현상 스테이션들과 전사 스테이션은, 중간 전사 표면이 공정 방향으로 이동할 경우, 중간 전사 표면 상의 지점이 먼저 현상 스테이션들을 통과하고 이어서 전사 스테이션을 통과하도록 중간 전사 표면에 대해서 상대적으로 위치된다.
이러한 구조는 또한 중간 전사 표면에 대해서 상대적으로 이동하는 압반을 포함한다. 중간 전사 표면은, 압반이 전사 스테이션에서 중간 전사 표면 상의 층들 중 하나와 접촉할 때마다 압반으로 상이한 재료의 층을 전사시켜 압반 상에 층들의 프리스탠딩 스택(freestanding stack)을 연속하여 형성한다. 또한, 접착 스테이션은 압반(또는 상부에 있는 층들)에 접착제를 공급하도록 위치될 수 있다. 이러한 접착제는 중간 전사 표면으로부터의 층들을 상기 전사 스테이션에서 압반 상의 층들에 전사시키는 것을 촉진시킨다.
또한, 레이저 융착 스테이션(laser fusing station)은 층이 전사 스테이션으로부터 압반으로 전사된 직후에 각 층에 레이저광을 인가하도록 위치된다. 레이저 융착 스테이션은 층 내의 상이한 재료의 부분들(예컨대, 빌드 재료의 부분들)을 함께 융착시키기 위하여 층 내 상이한 재료에 대해서 다르게 레이저광을 선택적으로 인가한다. 그러나, 레이저 융착 스테이션은 층 내 상이한 재료(예컨대, 지지 재료)의 제2 부분에 레이저광을 인가하지 않는다. 따라서, 레이저광은, 지지 재료를 느슨한 미결합 재료(loose, unbound material)로서 남겨 두기 위하여 지지 재료를 가열하는 일 없이, 상이한 재료를 가열하여 빌드 재료의 부분들을 함께 융착시킨다. 레이저광이 인가되는 빌드 재료의 부분들은 층의 전체보다 작다(따라서, 빌드 재료 및 지지 재료의 이들 부분이 층 내 다른 부분이다).
3-D 프린터는 또한 상이한 재료의 지지 재료로부터 상이한 재료의 빌드 재료의 부분들을 분리하기 위하여 층 내 상이한 재료의 지지 재료를 제거하고 3-D 인쇄된 부분을 남겨 두도록 위치된 재료 제거 스테이션을 선택적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 재료 제거 스테이션은 음향 진동기, 용매 세정 장치, 가압 에어 블로워 등을 포함할 수 있다.
이들 및 다른 특징은 이하의 상세한 설명에 기재되거나 이하의 상세한 설명으로부터 명백하다.
다양한 예시적인 시스템 및 방법이 첨부된 도면을 참조하여 아래에 상세히 설명되며, 도면들에서:
도 1 내지 도 5는 본 명세서에서의 인쇄 장치를 부분적으로 도시한 개략적인 단면도;
도 6A 내지 도 6C는 본 명세서에서의 레이저 융착 장치를 예시한 확대 개략도;
도 7은 본 명세서에서의 장치에 의해 형성된 층들의 스택을 예시한 확대 개략도;
도 8 내지 도 19는 본 명세서에서의 인쇄 장치를 부분적으로 예시한 개략적 단면도;
도 20은 본 명세서에서의 3-D 인쇄 장치를 예시한 개략도;
도 21은 본 명세서에서의 인쇄 엔진을 예시한 개략도; 및
도 22는 본 명세서에서의 현상 장치를 예시한 확대 개략도.
전술한 바와 같이, 정전기적 인쇄 공정은 2차원(2-D) 디지털 이미지를 생성하는 잘 알려진 수단이고, 본 명세서의 방법과 장치는 그러한 공정을 3-D 항목(3-D 인쇄)의 생성을 위해 사용한다. 그러나, 정전기적 공정(특히 ITB를 사용하는 것)을 사용하여 3-D 인쇄를 수행할 때, ITB로부터 압반으로 재료를 전사하는 데 사용되는 고온 때문에 열관리가 어려우며, 여기서 ITB는 현상 장치(들)로 복귀하기 전에 냉각된다. 또한, 정전기적 공정을 사용하는 3-D 인쇄에서, 인쇄된 재료가 매우 얇으면 기계적 무결성(mechanical integrity)이 손상될 수 있으며, 전사 공정은 인쇄물에 손상을 줄 수 있는 스트리핑 전단력(stripping shear force)을 부과할 수 있다.
이러한 이슈를 해소하기 위하여, 본 개시내용은 정전 인쇄를 레이저 소결과 조합하는 혼성 구조를 제공한다. 이것은 열가소성 재료, 세라믹 등과 같은 재료들의 층들을 생성하고, 3-D 부분을 생성하기 위하여 레이저를 이용해서 그 층들을 디지털 방식으로 융착시키는 정전기 시스템을 이용하는 것을 포함한다. 본 명세서에서의 장치 및 방법은 상이한 인쇄된 재료를 디지털 방식으로 관리하고 이어서 레이저를 이용해서 기능적/공학적 재료를 소결시키기 위하여 정전 인쇄의 신속한 화상 및 재료 관리 공정을 이용한다. 또한, 이러한 방법 및 장치는 전사 닙(transfer nip)에서 열을 이용하지 않고 그리고 전사후 가열된 롤러 융착을 수행하지 않으며, 이는 재료를 전사 및 융착시키는데 사용되는 고온을 회피한다. 따라서, 본 명세서에서의 과정은 비교적 저온이고, 구조를 냉각시키는데 요구되는 어떠한 정지도 제한하지 않으며(그리고 추가의 냉각 스테이션을 요구하지 않으며), 이는 3-D 인쇄 공정을 더욱 신속하게 하고 장치를 덜 값비싸게 한다.
본 명세서에서의 장치 및 방법은, 각각 상이한 재료에 대해서 하나씩, 일련의 광수용체 스테이션을 이용할 수 있다. 스테이션들의 각각은 중간 전사 벨트(intermediate transfer belt: ITB)에 이미지를 현상하고 정전기적으로 전사한다. 다수의 재료 이미지가 ITB 상에서 단일의 현상된 층으로 합성된다. 현상된 층은 이어서 표면 구축판(압반)에 정전기적으로 또는 압반 상에 접착제를 이용해서 전사되어 현상된 층이 부착된 채로 있게 하는 것을 돕는다. 일단 현상된 층이 압반에 전사되면, 압반은 레이저 소결 스테이션으로 이동한다. 소결 스테이션은 고형 부분을 생성하기 위하여 재료 입자들을 융착시킨다. 일단 소결이 수행되면, 압반은 홈(home)(초기) 위치로 이동하여 이 공정을 반복하고 그 다음 층을 부가한다. 이 공정은 고형 부분이 작성될 때까지 반복된다.
본 명세서에서 제시된 상이한 예들에서, 지지 재료는 레이저에 의해 융착 또는 용융되지 않는 재료의 유형(예컨대, 세라믹, 유리 비드 등)을 포함할 수 있다. , 지지 재료는, 소결에 의하지 않고, 분말 상태로 계속 유지된다. 분말화된 재료는 진동 또는 공기 압력에 의해 기계적으로 제거될 수 있다(그리고 지지 재료는 회수되어 재사용될 수 있다). 대안적으로, 지지 재료는, 빌드 재료에 영향을 미치는 일 없이, 화학적으로(또는 물에 의해) 용해될 수 있다. 또한, 재료 선택은, 융착후 재료 수축 특성의 일치성을 달성하도록 융착 특성인 채로 관리된다.
따라서, 본 명세서에서의 장치 및 방법은 다수의 재료 및 색을 가진 부분 또는 조립체를 생성하고, 새로운 재료 특성을 생성하기 위하여 다수의 재료를 디지털 방식으로 관리하고 조합하며, 그리고 재료마다 레이저 전력을 최적화시키는 능력을 제공하는 것이 가능하다. 이것은 ITB를 가열하지 않음으로써 열 관리 이슈를 제거하고, 그리고 이것은 인쇄를 더욱 신속하게 한다. 이것은 또한 3-D 항목을 보다 신속하게 생성하는 신속한 정전 인쇄 공정을 이용한다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 명세서에서 예시적인 3-차원(3-D) 프린터는, 다른 부품 중에서, 롤러(112) 상에 지지된 중간 전사 벨트(ITB)(110), 제1 인쇄 구성요소(예컨대, 현상 장치(116)) 등과 같은 하나 이상의 인쇄/현상 유닛, 및 제2 인쇄 구성요소(예컨대, 현상 장치(114))를 포함한다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 인쇄 구성요소(116)는, 빌드 재료인 제1 재료(104), 예컨대, (잠재적으로 건조된) 분말 중합체-왁스 재료(예컨대, 하전된 3-D 토너)를 ITB(110)에 정전기적으로 전사하도록 위치된다. 정전기 전사는 전사되고 있는 재료(104)와 벨트 사이의 전하 차이(예를 들어 전하 발생기(128)에 의해 생성됨)에 의해 일어난다. (예를 들어 또한 광수용체일 수 있는) 제2 인쇄 구성요소(114)는 또한 제2 재료(105)(예컨대, 지지 재료)를 ITB(110) 상에서 제1 재료(104)가 위치되는 ITB(110)의 위치에 정전기적으로 전사하도록 위치된다.
도면에서, 빌드 재료(104)와 지지 재료(105)의 조합은 요소(102)로서 도시되어 있고, 때때로 "현상된 층"으로 지칭된다. 빌드 재료(104)와 지지 재료(105)의 현상된 층(102)은 ITB(110)의 이산 영역(discrete area) 상에 있고, 그 층 (및 그와 관련된 지지 요소) 내의 3-D 구조의 구성요소에 대응하는 패턴으로 존재하며, 여기서 3-D 구조가 현상된 층(102)에 의해 구축된다.
도 1에서, 항목(118)은 (음향 진동기 요소(144)를 포함할 수 있는) 압반이고, 항목(142)은 융착 스테이션(예컨대, 레이저)이며, 항목(166)은 접착제 인가 스테이션이고, 항목(148)은 지지 재료 제거 스테이션이다. 또한, 항목(130)은 전사 닙이고, 항목(134) 및 (136)은 각 현상된 층(102)의 선두 에지 및 후미 에지를 나타낸다.
본 명세서에서의 장치는 단지 하나의 현상 장치를 포함할 수 있거나, 또는 다수개를 포함할 수 있다. 따라서, 나머지 도면은 상이한 컬러 빌드 재료(예컨대, 항목(103 및 104))를 중간 전사 벨트(ITB(110))에 정전기적으로 전사하도록 위치된 상이한 컬러 현상 스테이션(152 내지 158)(도 2에 도시됨); 및 빌드 재료가 ITB(110) 상에 위치되는 ITB(110)의 위치에 지지 재료를 정전기적으로 전사하도록 위치된 적어도 하나의 지지 재료 현상 스테이션(150)을 예시한다. 예를 들어, 각각 상이한 현상 스테이션(152 내지 158)은 다른 현상 스테이션(152 내지 158)에 의해 공급된 빌드 재료의 색들과는 다른 빌드 재료의 색을 제공할 수 있다. 현상 스테이션(150)에 의해 제공된 지지 재료의 색은 지지 재료가 이하에 논의되는 바와 같이 최종 구조로부터 궁극적으로 제거되기 때문에 크게 관련되지 않는다.
부가적으로, 압반(118)(표면 또는 벨트일 수 있음)은 ITB(110)에 인접하고 있다. 이 예에서, 압반(118)은 진공 벨트이다. 빌드 재료 및 지지 재료의 패턴화된 층(102)들은 현상 장치(152 내지 158)로부터 중간 전사 벨트(110)로, 그리고 궁극적으로 전사 스테이션(130)에서 압반(118)으로 전사된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전사 스테이션(130)은 ITB(110)에 인접하고 있다. 전사 스테이션(130)은, ITB(110)의 한쪽 측면 상에서, ITB(110)를 지지하는 롤러(112)를 포함한다. 전사 스테이션(130)은 ITB(110)가 전사 스테이션(130)으로 이동함에 따라서 층(102)들을 수용하도록 위치된다. 더욱 구체적으로는, 빌드 재료 현상 스테이션(152 내지 158), 지지 재료 현상 스테이션(150) 및 전사 스테이션(130)은, ITB(110)가 공정 방향으로 이동할 때, ITB(110) 상의 층(102)이 먼저 빌드 재료 및 지지 재료 현상 스테이션(150 내지 158)을 통과하고, 이어서 전사 스테이션(130)을 통과하도록 ITB(110)에 대해서 상대적으로 위치된다.
따라서, 각각 개별의 현상 장치(150 내지 158)에 의해 ITB 상에 패턴으로 인쇄된 빌드 재료 및 지지 재료가 소정 길이를 가진 특정 패턴을 나타내도록 현상된 층(102)에서 함께 합성된다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 현상된 층(102)의 각각은 ITB(110)가 이동하는 공정 방향(ITB(110) 바로 옆에 화살표로 표시됨)을 향해서 배향된 선두 에지(134)와, 당해 선두 에지(134)와는 반대쪽에 있는 후미 에지(136)를 갖는다.
도 3에서 수직 화살표로 나타낸 바와 같이, 압반(118)은 (모터, 기어, 풀리, 케이블, 가이드 등(모두 일반적으로 항목 (118)로 표시됨)을 사용하여) ITB(110)를 향해 이동하여 압반(118)을 ITB(110)와 접촉시킨다. 이에 의해서, ITB(110)는, 압반(118)이 ITB(110)와 접촉할 때마다, 빌드 재료(104) 및 지지 재료(105)의 현상된 층(102) 중 하나를 압반(118)에 전사하여 압반(118) 상에 빌드 재료(104) 및 지지 재료(105)의 현상된 층(102)을 연속적으로 형성한다.
보다 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 전사 닙(130)에서, 전사 닙(130) 내의 현상된 층(102)의 선두 에지(134)는 압반(118)의 대응하는 위치에 전사되기 시작한다. 따라서, 도 3에서, 압반(118)은 현상된 층(102)의 선두 에지(134)가 전사 닙(130)의 롤러의 가장 낮은 곳에 있는 위치에서 ITB(110) 상의 현상된 층(102)과 접촉하도록 이동한다. 그리하여, 이 예에서, 현상된 층(102)의 후미 에지(136)는 아직 전사 닙(130)에 도달하지 않았고, 따라서, 아직 압반(118)에 전사되지 않았다.
도 4에 도시된 바와 같이, 압반(118)은 압반 진공 벨트를 이동 또는 회전시켜 ITB(110)와 동기해서 이동하여(ITB(110)와 같은 속도 및 같은 방향으로 이동하여) 현상된 층(102)이 압반(118)에 번짐 없이 깨끗하게 전사되게 한다. 도 4에서, 현상된 층(102)의 후미 에지(136)는, 아직 전사 닙(130)에 도달하지 못하였고 따라서 압반(118)에 전사되지 못한 유일한 부분이다. 다음에, ITB(110)가 공정 방향으로 움직임에 따라, 압반(118)은, 현상된 층(102)의 후미 에지(136)가 전사 닙(130)의 롤러의 바닥에 도달할 때까지, ITB(110)와 동일한 속도 및 동일한 방향으로 움직이며, 그 지점에서 압반(118)은 도 5에 도시된 바와 같이 ITB(110)로부터 멀리 그리고 융착 스테이션(142)으로 이동한다.
압반(118)은 ITB(110)가 현상된 층(102)의 각각을 압반(118)에 전사시킨 후에 매번 융착 스테이션(142)으로 이동하여 현상된 층(102)의 각각을 (레이저광(146)을 이용해서) 독립적으로 융착시키고 연속하여 현상된 층(102)의 각각을 압반(118)에 그리고 압반(118) 상의 임의의 사전에 전사된 현상된 층(102)에 접합시킬 수 있다. 다른 대안예에서, 압반(118)은 단지 특정 수(예를 들어, 2, 3, 4 등)의 현상된 층(102)이 압반(118) 상에 놓여진 후에 융착 스테이션(142)으로 이동하여, 다수의 현상된 층(102)이 동시에 압반(118)에 그리고 서로 융착될 수 있게 한다.
도 6A 내지 도 6C는 융착 스테이션(142)에서 처리 중인 층(102)들 중 하나를 나타낸다. 더욱 구체적으로, 도 6A에서, 레이저광(146)은 빌드 재료(103 및 104)의 부분을 융착(용융, 소결, 결합, 접합, 바인딩 등)시키지만, 지지 재료(105)를 융착시킬 수 없다. 일례에서, 레이저 융착 장치(142)를 제어하는 시스템은 현상 층(102)을 레이저(142)에 일치시킬 수 있다. 진입하는 이미지의 지식에 따르면, 레이저(142)는 층(102) 내 각각 상이한 재료(103, 104)에 인가된 파워를 최적화시키도록 조정된다.
도 6A에서 상이한 음영으로 표시된 바와 같이, 융착 스테이션(142)은 상이한 에너지 수준의 레이저광(146)을 (예컨대, 상이한 노광 시간, 상이한 파워 수준, 상이한 파장 등을 통해서) 빌드 재료(103, 104)의 상이한 부분에 공급하여, (지지 재료(105)에는 어떠한 레이저광(146)도 인가하는 일 없이, 따라서 지지 재료(105)가 융착되는 것을 방지하여) 상이한 빌드 재료(103, 104)를 별도로 융착시킬 수 있다. 따라서, 레이저광(146)은, 지지 재료(105)를 가열하는 일 없이, 상이한 재료(103, 104)를 별도로 가열하여 빌드 재료(103, 104)의 부분들을 함께 융착시켜 지지 재료(105)를 느슨한 미결합 (예컨대, 분말 또는 과립) 재료로서 남긴다. 레이저광(146)이 인가된 빌드 재료(103, 104)의 부분은 층(102) 내 상이한 재료 전체보다 작다(따라서, 빌드 재료(103, 104) 및 지지 재료(105)의 이들 부분은 동일 층(102)의 상이한 부분들이다).
예를 들어, 상이한 빌드 재료(103 및 104)는 상이한 현상 장치(예컨대 152, 154)에 의해 현상될 수 있고, 따라서 상이한 물리적 및 융착 특성을 가진 상이한 재료를 포함할 수 있다. 따라서, 레이저 융착 스테이션(142)은 잠재적으로 상이한 재료(103, 104)가 함께 결합되도록 층(102)의 상이한 부분들에 상이한 수준의 에너지를 공급할 수 있다. 다른 상황에서, 융착 스테이션(142)은, 융착된 재료를 구별하고 이러한 재료가 상이한 밀도, 상이한 탄성, 상이한 색, 상이한 텍스처 등을 갖도록 하고, 따라서 출력되는 최종 3-D 인쇄 제품에서 항목(103 및 104)을 구별하도록, 동일한 빌드 재료의 상이한 부분(재차 도 6A에서 항목(103 및 104)으로 표시됨)에 상이한 에너지를 인가할 수 있다.
융착된 재료는 수축될 수 있음에 유의해야 한다. 따라서, 빌드 재료(103, 104)가 융착되고, 지지 재료(105)가 융착되지 않은 경우, 이것은 융착 후 빌드 재료와 지지 재료 간의 높이차를 발생할 수 있다. 현상 장치(150 내지 158)는 상이한 융착전 두께를 갖도록 ITB(110) 상에서 층(102)들을 현상함으로써 (예컨대, 융착된 빌드 재료와 융착되지 않은 지지 재료 간의) 이 융착후 높이차를 보상한다. 따라서, 특정 현상 장치(152 내지 158)는, 이러한 재료가 레이저 융착 장치(142)에 의해 융착된 경우 수축될 것임을 알고 있다면, 주어진 층(102) 내의 다른 재료에 비해서, ITB(110) 상에 더 많은 재료(재료의 더 높은 스택)를 침착시킬 수 있다. 이것은, 융착 후, 융착된 부분(103, 104)이 융착되지 않은 부분(105)과 동일한 높이를 갖는 것을 확실하게 해준다. 이것은 인쇄 중인 3-D 물품 내에 형성된 융착된 빌드 재료의 새로운 각 층이 평면으로 되도록 허용하여, 3-D 물품을 바람직하지 않은 변형 없이 유지시키게 한다.
도 6B 및 도 6C는 층(102) 내 재료 모두가 레이저 융착 장치(142)에 의해 (X 및/또는 Y 방향에서, 여기서 전체 층(102)이 레이저광(146)에 노광됨) 블랭킷 노광될 수 있는 것을 예시한다. 이러한 상황에서, 지지 재료(105)는 지지 재료(105)만이 레이저광(146)에 의해 영향받지 않도록(그러나 층(102)의 다른 모든 부분은 레이저광(146)에 의해 융착되도록) 선택될 수 있다. 예를 들어, 지지 재료(105)는, 레이저 융착 장치(142)에 의해 인가되는 레이저광 에너지의 파워의 존재 중에서 융착 또는 용융되지 않는 세라믹, 유리 비드, 모래 등을 포함하는 비소결 가능한 재료일 수 있다.
융착 공정에 관하여, 재료(102)는 이러한 재료(102)들을 그들의 유리 전이 온도와 그들의 용융 온도 사이의 온도로 가열하는 레이저광(146)에 의해 (완전히 용융되는 일 없이) 융착되어, 재료(102)들을 그들의 형상이나 패턴에 영향을 미치는 일 없이 하나로 접합시킴으로써 강고한 구조를 생성할 수 있다. 당업자라면, 빌드 재료 및 지지 재료의 선택은 전력 및 융착 공정의 노광 및 전력과 조화를 이루는 것임을 이해할 것이다. 또한, 다른 융착 과정 및 구성요소들이 사용될 수 있었고, 그리고 이상의 설명은 단지 하나의 제한된 예로서 제시될 뿐이며; 그리고 본 명세서에서의 장치 및 방법은, 현재 공지된 것이든 또는 장래 개발될 것이든지, 그러한 모든 방법 및 구성요소에 적용 가능하다.
따라서, 도 2 내지 도 5의 과정은 다수의 현상된 층(102)을 도 7에 도시된 바와 같이 스택(106)으로 융착시키기 위하여 반복된다. 레이저 융착 스테이션(142)은 현상된 층(102)의 각각 내에서 재료를 함께 융착시킬 뿐만 아니라, 레이저 융착 스테이션(142)은 또한 각 현상된 층(102)을 압반(118)에 가장 최근에 전사된 바로 인접한 현상된 층(102)에 융착시킨다(예컨대, 압반(118) 상에서 서로 접촉하는 층(102)들을 접합시킨다).
도 8은 압반이 전사 닙(130)으로 복귀하기 전에 접착제 인가 스테이션(166)이 접착제를 압반(118)에(또는 그 위의 상부층(102)에) 공급하도록 위치될 수 있다. 이러한 접착제는 중간 전사 표면(110) 상의 층(102)을 전사 스테이션(130)에서 압반(118) 상의 층(102)으로 전사시키는 것을 촉진시킨다. 스테이션(166)에서 인가된 접착제는 지지 재료 또는 빌드 재료에 영향을 미치지 않도록 선택된 임의의 상업적으로 수용 가능한 접착제 제품일 수 있고, 그리고 분무, 롤링, 솔질 등에 의해 인가될 수 있다.
현상된 층(102)의 스택(106)이 성장함에 따라서, 추가의 현상된 층(102)이 도 9에 도시된 바와 같이 스택(106)의 최상부에 형성되고, 이러한 추가의 현상된 층(102)은, 스택(106) 내의 현상 층(102) 모두를 융착시키기 위하여, 도 10에 있어서 레이저 융착 스테이션(142)에 의해 함께 융착된다. 일례에서, 레이저 융착 스테이션(142)은 ITB(110)가 현상된 층(102)의 각각을 압반(118)에 전사시킨 후에 매번 그 후 융착을 수행할 수 있거나, 또는 단지 1회(예컨대, 전체 스택(106)이 완전히 형성된 경우) 등과 같이 덜 빈번하게 융착이 수행될 수 있다. 또한, 도 11은 모든 층이 압반(118)으로 전사되어 융착된 후 프리스탠딩 스택(106)의 축적부 내에서 지지 재료(105) 및 빌드 재료(103, 104)의 부분을 보여주는 오버레이를 도시한다. 이러한 오버레이는 보일 수 있거나 또는 보이지 않을 수 있으며, 그러한 빌드 재료 및 지지 재료가 배치될 수 있는 하나의 예시적인 방법을 보여주기 위해 도시되어 있을 뿐이다.
도 11에 도시된 프리스탠딩 스택(106)의 3-D 구조는 공기 압력, 외부 용매조 등을 이용해서 지지 재료(105)의 수동 제거를 허용하도록 출력될 수 있거나; 또는 자동화 과정은 도 12 내지 도 16에 도시된 바와 같이 진행될 수 있다. 더욱 구체적으로는, 도 12에 도시된 바와 같이, (상부에 프리스탠딩 스택(106)을 가진) 압반(118)은 수집 트레이(160) 위쪽에 위치되도록 이동될 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 음향 진동기(144)는 압반(118) 상에 남아 있는 빌드 재료의 프리스탠딩 부분(103, 104)을 남겨두도록 융착된 빌드 재료(103, 104)로부터 미융착 지지 재료(105)를 진동시켜 제거하도록 작동될 수 있다. 이것은 지지 재료(105)가 수집 트레이(160)에 수집되어 지지 재료 현상 장치(150) 내에서 잠재적으로 재사용될 수 있게 허용한다.
다른 구성에 있어서, 도 14에서, 지지 재료 제거 스테이션(148)은, 압반(118)이 이동함에 따라서, 압반(118) 상에 이제 융착된 3-D 프리스탠딩 스택(106)을 수용하도록 위치된다. 지지 재료 제거 스테이션(148)은 용매, 물 , 공기 등(162)을 인가한다. 지지 재료 제거 스테이션(148)에 의해 인가된 임의의 용매(162)는 빌드 재료(103, 104)에 영향을 미치는 일 없이 지지 재료(105)를 용해시키도록 선택된다. 일례에서, 105 가압된 공기(162)는 (지지 재료가 분말 또는 과립 형태인 채로 남는 경우) 융착된 빌드 재료(103, 104)로부터 지지 재료(105)를 미융착시키도록 블로잉하는데 이용될 수 있다. 재차, 위에서 주지된 바와 같이, 사용된 용매는 빌드 재료(103, 104) 및 지지 재료(105)의 화학적 구성에 따라 달라질 것이다. 도 15는 지지 재료(105)의 약 절반이 잔류하고, 빌드 재료(103, 104)의 일부가 지지 재료(105)의 잔류하는 스택으로부터 돌출되는 과정을 도시한다. 도 16은, 지지 재료 제거 스테이션(148)이 모든 지지 재료(105)를 용해 또는 제거한 후 빌드 재료(103, 104)만을 남겨서 빌드 재료(104)만으로 이루어진 완성된 3-D 구조를 남기는 과정을 도시하고 있다.
도 17 및 도 18은 도 1에 도시된 전사 닙(130) 대신에 평면 전사 스테이션(138)을 포함하는 본 명세서에서의 대안적인 3-D 정전기적 인쇄 구조를 도시한다. 도 17에 도시된 바와 같이, 평면 전사 스테이션(138)은 롤러(112)들 사이에 있고 압반(118)에 평행한 ITB(110)의 평면 부분이다. 도 17에 도시된 바와 같이, 이러한 구조에 의하면, 평면의 전사 스테이션(138)에 접촉하도록 압반(118)이 이동하면, 현상된 층(102)의 전부는 도 3 및 도 4에 도시된 롤링 전사 공정을 피하면서 압반(118) 또는 부분적으로 형성된 스택(106)에 동시에 전사된다. 위에서 논의된 바와 같이, 층(102)은, 도 18에 도시된 바와 같이, 융착 스테이션(142)을 이용해서 선택적으로 레이저 융착된다.
마찬가지로, 도 19에 도시된 바와 같이, 드럼(164)은 ITB(110) 대신에 본 명세서에 기술된 바와 같이 동작하는 다른 모든 구성요소와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 드럼(164)은, 전술한 바와 같이 현상 스테이션(152 내지 158)으로부터 재료를 수용하는 중간 전사 표면일 수 있거나 또는 광수용체일 수 있으며, 그리고 현상 장치(254)로부터 전하의 잠상을 유지하거나 재료를 수용함으로써, 후술하는 광수용체(256)가 작동함에 따라서 작동한다.
도 20은 본 명세서에서의 3-D 프린터 구조(204)의 많은 구성요소를 도시한다. 3-D 인쇄 장치(204)는 컨트롤러/유형의(tangible) 프로세서(224) 및 유형의 프로세서(224) 및 인쇄 장치(204) 외부의 전산화 네트워크에 작동 가능하게 연결된 (입력/출력) 통신 포트(214)를 포함한다. 또한, 인쇄 장치(204)는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 어셈블리(212)와 같은 적어도 하나의 부속 기능적 요소를 포함할 수 있다. 사용자는 그래픽 사용자 인터페이스 또는 제어 패널(212)로부터 메시지, 명령, 및 메뉴 옵션을 수신하거나 그들을 통해 명령을 입력할 수 있다.
입력/출력 장치(214)는 3-D 인쇄장치(204)와의 통신을 위해 사용되고 (미래에 개발될 것이든지 또는 현재 공지되어 있든지에 상관없이 임의의 형태의) 유선장치 또는 무선장치를 포함한다. 유형의 프로세서(224)는 인쇄장치(204)의 다양한 동작을 제어한다. (광학적, 자기적, 커패시터 기반 등일 수 있고 일시적인 신호와는 다른) 비-일시적, 유형의 컴퓨터 저장 매체 장치(210)는 유형의 프로세서(224)에 의해 판독 가능하고, 유형의 프로세서(224)가 실행하는 명령을 저장하여 전산화 장치가 여기에 설명된 것과 같은 다양한 기능을 수행하게 한다. 따라서, 도 20에 도시된 바와 같이, 본체 하우징은 전원(218)에 의해 교류(AC) 전원(220)으로부터 공급된 전력으로 작동하는 하나 이상의 기능적 구성요소를 갖는다. 전원 공급 장치(218)는 공통 전력 변환 유닛, 전력 저장 요소(예를 들어, 배터리 등) 등을 포함할 수 있다.
3-D 인쇄 장치(204)는 전술한 바와 같이 압반 상에 빌드 재료 및 지지 재료의 연속적인 층을 증착하며 (이미지 데이터를 처리하기 위해 특수화되기 때문에 범용 컴퓨터와는 다른) 특수 이미지 프로세서(224)에 동작 가능하게 연결되는 적어도 하나의 마킹 장치(인쇄 엔진(들))(240)를 포함한다. 또한, 인쇄 장치(204)는 (전원(218)을 통해) 외부 전원(220)으로부터 공급되는 전원에 대해서도 작동하는 적어도 하나의 (스캐너(232)와 같은) 부속 기능적 구성요소를 포함할 수 있다.
하나 이상의 인쇄 엔진(240)은 현재 공지되어 있든지 미래에 개발될지에 상관없이 빌드 재료 및 지지 재료(토너 등)를 인가하는 임의의 마킹 장치를 예시하기 위한 것이며, 예를 들어 (도 21에 도시된 바와 같이) 중간 전사 벨트(110)를 사용하는 장치를 포함할 수 있다.
따라서, 도 21에 도시된 바와 같이, 도 20에 도시된 각각의 인쇄 엔진(들)(240)은 하나 이상의 잠재적으로 상이한 (예컨대, 상이한 컬러, 상이한 재료 등) 빌드 재료 현상 스테이션(152 내지 158), 하나 이상의 잠재적으로 상이한 (예를 들어, 상이한 컬러, 상이한 재료 등) 지지 재료 현상 스테이션(150) 등을 이용할 수 있다. 현상 스테이션(152 내지 158)은 개별 정전기 마킹 스테이션, 개별 잉크젯 스테이션, 개별 건식 잉크 스테이션 등과 같이 현재 공지되어 있든지 미래에 개발될지에 상관없이 임의의 형태의 현상 스테이션일 수 있다. 각각의 현상 스테이션(150 내지 158)은 단일 벨트 회전 동안 (잠재적으로 중간 전사 벨트(110)의 조건과 무관하게) 순차적으로 중간 전사 벨트(110)의 동일한 위치에 재료의 패턴을 전사함으로써, 꽉차고 완전한 화상이 중간 전사 벨트(110)에 전사되기 전에 중간 전사 벨트(110)가 이루어야 하는 패스의 횟수를 감소시킨다. 도 21은, 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 회전 벨트(110)에 인접하거나 접촉하는 다섯 개의 현상 스테이션을 도시하고 있지만, 그러한 장치는 임의의 수(예를 들어, 2, 3, 5, 8, 11 등)의 마킹 스테이션을 사용할 수 있었다.
하나의 예시적인 개별 정전기 현상 스테이션(152 내지 158)이 중간 전사 벨트(110)에 인접하여 위치되어 (또는 잠재적으로 접촉하여) 도 22에 도시되어 있다. 각각의 개별 정전 현상 스테이션(152 내지 158)은 내부 광수용체(256) 상에 균일한 전하를 생성하는 그 자체의 충전 스테이션(258), 균일한 전하를 전하의 잠상으로 패턴화하는 내부 노광 장치(260), 및 빌드 또는 지지 재료를 광수용체(256)에 전사하는 잠상과 일치하는 패턴으로 전사하는 내부 현상 장치(254)를 포함한다. 빌드 또는 지지 재료의 패턴은 이어서, 통상 중간 전사 벨트(110)의 반대쪽 상에 있는 전하 발생기(128)에 의해 생성되는 빌드 또는 지지 재료의 전하에 대해서 중간 전사 벨트(110)의 반대 전하에 의해서 광수용체(256)로부터 중간 전사 벨트(110)로 유도된다.
몇몇 예시적인 구조가 첨부된 도면에 예시되어 있지만, 당업자라면 도면이 간략화된 개략적인 예시이고 아래에 제시된 청구범위는 도시되지 않았거나 (또는 잠재적으로 더 적은) 많은 특징을 포함하지만 일반적으로 그러한 장치 및 시스템과 함께 활용된다. 그러므로, 출원인은 아래에 제시된 청구범위가 첨부된 도면에 의해 제한되는 것을 의도하지 않고, 첨부된 도면은 단지 청구된 특징이 구현될 수 있는 몇 가지 방법을 설명하기 위해 제공된다.
미국 특허 제8,488,994호에 나타낸 바와 같이, 전자 사진(electrophotography)을 이용하여 3-D 부품을 인쇄하기 위한 적층 가공 시스템(additive manufacturing system)이 공지되어 있다. 상기 시스템은 표면을 갖는 광전도체 구성요소, 및 광전도체 구성요소의 표면 상에 재료의 층을 현상하도록 구성된 현상 스테이션을 포함한다. 상기 시스템은 또한 화전 가능한 광전도체 구성요소의 표면으로부터 현상된 층을 수용하도록 구성된 전사 매체와, 수용된 층의 적어도 일부로부터 3-D 부분을 인쇄하기 위해 층별로 전사 구성요소로부터 현상된 층을 수용하도록 구성된 압반을 포함한다.
몇몇 예시적인 구조가 첨부된 도면에 예시되어 있지만, 당업자는 도면이 간략화된 개략적인 예시이고 아래에 제시된 청구범위는 도시되지 않았지만 (또는 잠재적으로 더 적은) 많은 특징을 포함하지만 일반적으로 그러한 장치 및 시스템과 함께 활용된다. 그러므로, 출원인은 아래에 제시된 청구범위가 첨부된 도면에 의해 제한되는 것을 의도하지 않고, 첨부된 도면을 단지 청구된 특징이 구현될 수 있는 몇 가지 방법을 설명하기 위해 제공된다.
많은 전산화 장치들이 위에서 논의되어 있다. 칩 기반 중앙처리장치(CPU), 입출력장치(그래픽 사용자 인터페이스(GUI), 메모리, 비교기, 유형 프로세서 등)가 포함된 전산화 장치는 델 컴퓨터(Dell Computers)(미국 텍사스주 라운드록시에 소재) 및 애플 컴퓨터(Apple Computer Co.)(미국 캘리포니아주의 쿠퍼티노시에 소재)와 같은 제조업체에서 제조한 잘 알려진 장치이다. 이러한 전산화 장치는 통상 여기에 설명된 시스템 및 방법의 두드러진 양태에 독자가 집중할 수 있도록 상세한 설명이 생략된 입력/출력 장치, 전원 공급장치, 유형의 프로세서, 전자 저장 메모리, 배선 등을 포함한다. 유사하게, 프린터, 복사기, 스캐너 및 기타 유사한 주변장치는 제록스 코포레이션(Xrox Corporation)(미국 코네티컷주의 노워크시에 소재)에서 수용할 수 있으며, 간결함과 독자의 초점을 위해 이러한 장치의 세부 사항은 논의되지 않았다.
본 명세서에서 사용되는 프린터 또는 인쇄장치라는 용어는 임의의 목적을 위해서 인쇄 출력 기능을 수행하는 디지털 복사기, 북메이킹 머신, 팩시밀리 장치, 복합기 등과 같은 임의의 장치를 포함한다. 프린터, 인쇄 엔진 등의 세부 사항은 잘 알려져 있으며 본 명세서에서 제시된 두드러진 특징에 초점을 맞추기 위해 본 명세서에서 상세히 설명하지 않는다. 본 명세서의 시스템 및 방법은 컬러, 흑백 또는 컬러 또는 흑백 이미지 데이터를 인쇄하는 시스템 및 방법을 포함할 수 있다. 전술한 모든 시스템 및 방법은 정전기적 및/또는 건식 프린터계 및/또는 공정에 특히 적용 가능하다.
본 발명의 목적을 위해, 고착이라는 용어는 코팅의 건조, 경화, 중합, 가교결합, 결합 또는 부가 반응 또는 다른 반응을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 "좌", "우", "수직", "수평", "최상", "바닥", "상부", "하부", "아래", "밑", "밑에 있는", "상부", "위에 있는", "평행", "수직" 등의 용어는 (달리 표시되지 않는 한) 도면에서 배향되고 예시되는 바와 같이 상대적 위치로 이해된다. "접촉", "위", "직접 접촉", "인접", "바로 옆에" 등과 같은 용어는 적어도 하나의 요소가 (설명된 요소를 분리하는 다른 요소 없이) 물리적으로 다른 요소와 접촉함을 의미한다. 또한, 자동화된 또는 자동적이라는 용어는 공정이 (기계 또는 사용자에 의해) 시작되면, 하나 이상의 기계가 임의의 사용자로부터 더 이상의 입력 없이 공정을 수행한다는 것을 의미한다. 본 명세서의 도면에서, 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 항목들을 식별한다.

Claims (10)

  1. 3-차원(3-D) 프린터로서,
    중간 전사 표면;
    재료의 층들을 상기 중간 전사 표면에 정전기적으로 전사시키도록 위치된 현상 스테이션;
    상기 중간 전사 표면에 인접한 전사 스테이션으로서, 상기 중간 전사 표면이 상기 전사 스테이션을 통과해서 이동함에 따라서 상기 층들을 수용하도록 위치된, 상기 전사 스테이션;
    상기 중간 전사 표면에 대해서 상대적으로 이동하는 압반(platen)으로서, 상기 중간 전사 표면은 상기 층들의 프리스탠딩 스택(freestanding stack)을 상기 압반 상에 연속해서 형성시키기 위하여 상기 압반이 상기 전사 스테이션에서 상기 중간 전사 표면 상의 상기 층들 중 하나와 접촉할 때마다 상기 재료의 층을 상기 압반에 전사시키는, 상기 압반; 및
    상기 층이 상기 전사 스테이션으로부터 상기 압반으로 전사된 후에 상기 층에 광을 인가하도록 위치된 융착 스테이션(fusing station)으로서, 상기 층 내 상기 재료의 부분을 소결시키기 위하여 상기 광을 선택적으로 인가하는, 상기 융착 스테이션을 포함하는, 3-차원(3-D) 프린터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 융착 스테이션은 상기 층 내 상기 재료의 제2 부분에 상기 광을 인가하지 않고, 그리고 상기 광은, 상기 제2 부분을 느슨한 미결합 재료(loose, unbound material)로서 남기기 위하여, 상기 제2 부분을 가열하는 일 없이, 상기 부분을 가열하여 상기 부분을 함께 소결시키는, 3-D 프린터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 융착 스테이션은, 상기 층 내 상기 재료의 제2 부분에 상기 광을 인가하지 않고, 상기 부분은 상기 층의 전체보다는 작고, 상기 부분과 상기 제2 부분은 상기 층의 상이한 부분들인, 3-D 프린터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 융착 스테이션은 상기 층 내 상기 재료의 제2 부분에 상기 광을 인가하지 않고, 그리고
    상기 3-D 프린터는 상기 부분을 상기 제2 부분으로부터 분리하기 위하여 상기 제2 부분을 제거하고, 그리고 3-D 인쇄 부분을 남겨두도록 위치된 재료 제거 스테이션을 더 포함하는, 3-D 프린터.
  5. 3-차원(3-D) 프린터로서,
    중간 전사 표면;
    상이한 재료의 층들을 상기 중간 전사 표면에 정전기적으로 전사시키도록 위치된 현상 스테이션;
    상기 중간 전사 표면에 인접한 전사 스테이션으로서, 상기 중간 전사 표면이 상기 전사 스테이션을 통과해서 이동함에 따라서 상기 층들을 수용하도록 위치된, 상기 전사 스테이션;
    상기 중간 전사 표면에 대해서 상대적으로 이동하는 압반으로서, 상기 중간 전사 표면은 상기 층들의 프리스탠딩 스택을 상기 압반 상에 연속해서 형성시키기 위하여 상기 압반이 상기 전사 스테이션에서 상기 중간 전사 표면 상의 상기 층들 중 하나와 접촉할 때마다 상기 상이한 재료의 층을 상기 압반에 전사시키는, 상기 압반; 및
    상기 층이 상기 전사 스테이션으로부터 상기 압반으로 전사된 후에 각각의 상기 층에 레이저광을 인가하도록 위치된 레이저 융착 스테이션으로서, 상기 층 내 상기 상이한 재료의 부분을 소결시키기 위하여 상기 레이저광을 선택적으로 인가하는, 상기 레이저 융착 스테이션을 포함하는, 3-D 프린터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 레이저 융착 스테이션은, 상기 층 내 상기 재료들의 제2 부분에 상기 레이저광을 인가하지 않고, 그리고 상기 레이저광은, 상기 제2 부분을 느슨한 미결합 재료로서 남겨 두도록, 상기 제2 부분을 가열하는 일 없이, 상기 부분을 함께 소결시키기 위하여 상기 부분을 가열하는, 3-D 프린터.
  7. 제5항에 있어서, 상기 레이저 융착 스테이션은, 상기 층 내 상기 재료들의 제2 부분에 상기 레이저광을 인가하지 않고, 상기 부분은 상기 층의 전체보다는 작고, 그리고 상기 부분과 상기 제2 부분은 상기 층의 상이한 부분들인, 3-D 프린터.
  8. 제5항에 있어서, 상기 레이저 융착 스테이션은, 상기 층 내 상기 재료들의 제2 부분에 상기 레이저광을 인가하지 않고, 그리고
    상기 3-D 프린터는 상기 부분을 상기 제2 부분으로부터 분리하기 위하여 상기 제2 부분을 제거하고, 그리고 3-D 인쇄 부분을 남겨두도록 위치된 재료 제거 스테이션을 더 포함하는, 3-D 프린터.
  9. 3-차원(3-D) 프린터로서,
    중간 전사 표면;
    상이한 재료의 층들을 상기 중간 전사 표면에 정전기적으로 전사시키도록 위치된 현상 스테이션;
    상기 중간 전사 표면에 인접한 전사 스테이션으로서, 상기 중간 전사 표면이 상기 전사 스테이션을 통과해서 이동함에 따라서 상기 층들을 수용하도록 위치된, 상기 전사 스테이션;
    상기 중간 전사 표면에 대해서 상대적으로 이동하는 압반으로서, 상기 중간 전사 표면은 상기 층들의 프리스탠딩 스택을 상기 압반 상에 연속해서 형성시키기 위하여 상기 압반이 상기 전사 스테이션에서 상기 중간 전사 표면 상의 상기 층들 중 하나와 접촉할 때마다 상기 상이한 재료의 층을 상기 압반에 전사시키는, 상기 압반; 및
    상기 층이 상기 전사 스테이션으로부터 상기 압반으로 전사된 후에 각각의 상기 층에 레이저광을 인가하도록 위치된 레이저 융착 스테이션으로서, 상기 층 내 상기 상이한 재료의 부분들을 함께 융착시키기 위하여 상기 층 내 상기 상이한 재료에 다르게 상기 레이저광을 선택적으로 인가하는, 상기 레이저 융착 스테이션을 포함하는, 3-D 프린터.
  10. 제9항에 있어서, 상기 레이저 융착 스테이션은, 상기 층 내 상기 재료들의 제2 부분에 상기 레이저광을 인가하지 않고, 그리고 상기 레이저광은, 상기 제2 부분을 느슨한 미결합 재료로서 남겨 두도록, 상기 제2 부분을 가열하는 일 없이, 상기 부분을 함께 소결시키기 위하여 상기 부분을 가열하는, 3-D 프린터.
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