KR20180022671A - 적층식 제조 장치 및 방법 - Google Patents

적층식 제조 장치 및 방법 Download PDF

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KR20180022671A
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Abstract

적층식 제조를 위한 침착 장치(100) 및 방법이 개시된다. 상기 침착 장치(100)는 재료와 액체 담체의 콜로이드 현탁액을 저장하기 위한 적어도 하나의 저장소(16), 및 상기 저장소(16)와 유체 연통하는 복수의 노즐(12)을 포함하는 적어도 하나의 프린트 헤드(10)를 포함하며, 각 노즐(12)은 상기 콜로이드 현탁액의 액적을 기판(46) 상에 침착시키도록 구성된다. 상기 침착 장치(100)는 상기 적어도 하나의 프린트 헤드(10)에 인접하게 배치된 건조 수단(22)으로서, 상기 건조 수단(22)은 침착된 액적(36)에 제1 에너지 펄스를 선택적으로 공급하여 상기 침착된 액적(36)으로부터 상기 액체를 증발시키도록 구성된, 상기 건조 수단; 및 상기 건조 수단(22)에 인접하게 배치된 용융 수단(30)으로서, 상기 용융 수단(30)은 제2 에너지 펄스를 선택적으로 공급하여 상기 건조 수단(22)에 의해 건조된 액적(36) 내의 상기 재료를 용융시키도록 구성된, 상기 용융 수단을 더 포함한다.

Description

적층식 제조 장치 및 방법
본 발명은 적층식 제조에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 적층식 제조에 사용하기 위한 잉크젯 방식의 침착 장치(deposition apparatus) 및 방법에 관한 것이다.
적층식 제조는 층으로 3차원 물품을 형성(build up)하는 공정이다. 통상적으로, 대량 생산과 조화하는 율(rate)로 둘 이상의 유형의 재료를 사용하여 물품을 제조하는 것은 어렵다. 여러 유형의 적층식 제조 디바이스가 있다. 하나의 이러한 유형은 잉크젯 침착 장치이다. 잉크젯 침착 장치에서, 3차원 물품은 다수의 노즐로부터 재료와 액체 담체(liquid carrier)의 콜로이드 현탁액의 액적(droplet)을 기판 상에 침착시키는 것에 의해 층층이 형성된다.
잉크젯 유형의 침착 장치에 의해 침착된 재료를 융합(fusing)시키기 위한 다양한 방법이 개발되어 왔다. 열 융합 방법에서, 재료의 블랭킷 층(blanket layer)이 침착되고 나서 융합이 필요한 위치에 융합제(fusing agent)가 첨가된다. 이후, 이 층을 가열하여 융합제에 의해 느슨한 재료를 결합시킨다. 그러나, 열 융합 기술은 상대적으로 느리고 높은 온도를 필요로 하며, 결과적으로 복잡한 다중 재료 부품을 제조하는 비용이 높다.
광 융합 방법에서, 각 층을 침착한 후 레이저 또는 고파워 제논 플래시 램프(flashlamp)를 사용하여 각 층을 조사하여 액체 담체를 증발시키고 모든 침착된 액적 내 재료의 입자들을 함께 융합시킨다. 그러나, 이러한 신속한 건조 및 용융은 액체 담체를 신속히 끓게 하여 이에 따라 재료를 비산(splatter)시킨다. 그 결과, 생성된 물품은 층들이 일관적이지 않은 것으로 인해 고품질이 아니며, 최종 물품에서 달성될 수 있는 선명도를 감소시킨다. 열 융합 기술에서와 같이, 광 융합 방법은 또한 한번에 단일 재료로 구성된 하나의 층을 침착시키는 것으로 제한된다.
본 발명의 양태는 적층식 제조를 위한 종래 기술의 방법 및 장치에 내재된 하나 이상의 단점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 적층식 제조에 사용하기 위한 침착 장치로서, 상기 침착 장치는, 재료와 액체 담체의 콜로이드 현탁액을 저장하기 위한 적어도 하나의 저장소(reservoir); 상기 저장소와 유체 연통하는 복수의 노즐을 포함하는 적어도 하나의 프린트 헤드로서, 각 노즐은 상기 콜로이드 현탁액의 액적을 기판 상으로 침착시키도록 구성된, 상기 적어도 하나의 프린트 헤드; 상기 적어도 하나의 프린트 헤드에 인접하게 배치된 건조 수단으로서, 상기 건조 수단은, 제1 에너지 펄스를 침착된 액적으로 선택적으로 공급하여 상기 침착된 액적으로부터 상기 액체를 증발시키도록 구성된, 상기 건조 수단; 및 상기 건조 수단에 인접하게 배치된 용융 수단으로서, 상기 용융 수단은 제2 에너지 펄스를 선택적으로 공급하여 상기 건조 수단에 의해 건조된 액적 내 상기 재료를 용융시키도록 구성된, 상기 용융 수단을 포함하는, 상기 침착 장치가 제공된다.
상기 건조 수단은 복수의 개별적으로 제어 가능한 건조 요소를 포함할 수 있고, 상기 건조 요소들 각각은 상기 노즐들 각각과 정렬되고; 상기 용융 수단은 복수의 개별적으로 제어 가능한 용융 요소를 포함할 수 있고, 상기 용융 요소들 각각은 상기 노즐들 각각과 정렬된다.
상기 제1 에너지 펄스 및 상기 제2 에너지 펄스는 각각 복수의 서브-펄스를 포함할 수 있다.
상기 침착 장치는, 복수의 저장소; 및 복수의 프린트 헤드를 더 포함할 수 있고, 각 저장소는 콜로이드 현탁액 내에 상이한 재료를 저장하고, 각 프린트 헤드는 상기 복수의 저장소 각각과 유체 연통하는 복수의 노즐을 포함할 수 있다.
각 프린트 헤드의 상기 노즐들은 2개 이상의 행으로 배열될 수 있고, 여기서 인접한 행들의 상기 노즐들은 서로 오프셋되어 있다.
상기 제1 및 제2 에너지 펄스의 지속 시간은 압력파가 상기 액적의 중심으로부터 상기 액적의 에지(edge)로 주행하는데 드는 시간보다 더 작을 수 있다.
상기 제2 에너지 펄스의 시간 및 세기 프로파일은 상기 재료 및 하부 기판이 상기 제2 에너지 펄스에 의해 용융된 후에 켄칭(quenched)되도록 가파른 후미 에지(sharp trailing edge)를 갖도록 구성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 프린트 헤드, 상기 건조 수단, 및 상기 용융 수단은 상기 건조 수단 및 상기 용융 수단 각각을 상기 적어도 하나의 프린트 헤드와 공간적으로 정렬시키도록 구성된 위치설정 수단을 포함할 수 있다.
상기 침착 장치는, 상기 재료와 하부 기판의 열 특성에 기초하여, 상기 제2 에너지 펄스의 상기 시간 및 세기 프로파일을 제어하여, 상기 침착된 액적들 중 상기 액적 내 상기 재료를 용융시키면서 상기 기판을 미리 결정된 깊이로 용융시키도록 구성된 용융 제어 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 침착 장치는, 상기 제1 에너지 펄스의 시간 및 세기 프로파일을 제어하여, 상기 제1 에너지 펄스가 상기 액적들 내 상기 액체를 상기 액체의 끓는점 미만의 온도로 가열하도록 구성된 건조 제어 수단을 더 포함할 수 있다. 상기 건조 제어 수단은, 상기 제1 에너지 펄스의 상기 시간 및 세기 프로파일을 제어하여, 상기 제1 에너지 펄스가 상기 액체의 플래시 증발(flash evaporation)을 발생시키도록 구성될 수 있다.
상기 건조 수단은 상기 적어도 하나의 프린트 헤드의 양측에 배치된 제1 및 제2 건조 유닛을 포함할 수 있고, 상기 용융 수단은 상기 제1 및 제2 건조 유닛의 양측에 배치된 제1 및 제2 용융 유닛을 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 적층식 제조 방법으로서, 복수의 노즐을 포함하는 프린트 헤드를 제어하여 재료와 액체 담체의 콜로이드 현탁액의 복수의 액적을 기판 상으로 침착시키는 단계; 복수의 개별적으로 제어 가능한 건조 요소를 제어하여 제1 에너지 펄스를 침착된 액적에 선택적으로 공급하여 상기 침착된 액적으로부터 액체를 증발시키는 단계; 및 복수의 개별적으로 제어 가능한 용융 요소를 제어하여 제2 에너지 펄스를 선택적으로 공급하여 상기 건조 수단에 의해 건조된 액적 내 상기 재료를 용융시키는 단계를 포함하는, 상기 적층식 제조 방법이 제공된다.
상기 적층식 제조 방법은, 상기 복수의 용융 요소를 제어하여, 상기 침착된 액적들 중 액적 내 재료를 용융시킬 때, 상기 침착된 액적들 중 상기 액적 아래에 있는 상기 기판의 일부를 선택적으로 용융시켜, 상기 액적 내 상기 재료를 상기 기판에 융합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 적층식 제조 방법은 제1 재료의 콜로이드 현탁액을 포함하는 복수의 제1 액적을 침착시키는 단계; 상기 건조 요소들을 제어하여 상기 제1 액적들 내에 침착된 상기 재료를 건조시키는 단계; 상기 제1 액적들 내에 침착된 상기 재료에 인접하게 복수의 제2 액적을 침착시키는 단계로서, 상기 복수의 제2 액적들은 상기 제1 재료와 상이한 제2 재료의 콜로이드 현탁액을 포함하는, 상기 복수의 제2 액적을 침착시키는 단계; 및 상기 건조 요소들을 제어하여 상기 제2 액적들 내에 침착된 상기 재료를 건조시키는 단계; 및 상기 용융 요소들을 제어하여 상기 침착된 제1 및 제2 재료를 함께 용융시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 적층식 제조 방법은 복수의 제1 액적을 침착시키는 단계; 상기 건조 요소들을 제어하여 상기 제1 액적들 내에 침착된 상기 재료를 건조시키는 단계; 상기 제1 액적들 내에 침착된 상기 재료의 상부에 복수의 제2 액적을 침착시키는 단계; 상기 건조 요소들 및 용융 요소들을 제어하여, 상기 제1 액적들 내에 침착된 상기 재료를 용융시키지 않고, 상기 제2 액적들 내에 침착된 상기 재료를 건조 및 용융시키는 단계; 및 상기 제1 액적들 내에 침착된 상기 재료를 제거하여 상기 제2 액적들 내에 침착된 상기 재료 아래에 빈 공간(void)이 남게 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 실행될 때, 본 명세서에 개시된 임의의 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램 명령을 저장하도록 배열된 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공된다.
이제 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 침착 장치의 시스템 다이어그램을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 프린트 헤드 조립체를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층식 제조 공정의 흐름도를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4d는 에너지 펄스의 시간 및 세기 프로파일의 예들을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 침착 장치의 시스템 다이어그램을 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 침착 장치의 조감도를 도시한다.
도면에서, 동일한 참조 부호는 전체에 걸쳐 동일한 특징부를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 침착 장치(100)가 도시되어 있고 이 침착 장치는 적층식 제조 공정을 사용하여 3차원 물품을 제조하기 위한 프린트 헤드 조립체(34)를 포함한다. 물품을 생산하기 위한 설계 명령은 미리 생성되어 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장될 수 있다.
프린트 헤드 조립체(34)는 침착 유닛(18), 건조 유닛(22), 및 서로 인접하게 배치된 용융 유닛(30)을 포함한다. 본 실시예에서, 침착 유닛(18), 건조 유닛(22), 및 용융 유닛(30)은 X 방향으로 인접하고, 이 X 방향은, 침착 동안, 재료가 침착되는 기판(46)과 프린트 헤드 조립체(34) 사이의 상대적인 운동 방향이다.
침착 유닛(18)은 프린트 헤드(10)에 결합된 저장소(16)를 내부에 포함한다. 저장소(16)는 적절한 도관(14)에 의해 프린트 헤드(10)에 결합된다. 도관(14)은 저장소(16)와 프린트 헤드(10)의 상대적인 운동을 허용하도록 가요성일 수 있고, 또는 저장소(16)와 프린트 헤드(10)가 서로에 대해 고정된 채 유지되어야 한다면 강성일 수 있다. 본 실시예에서, 도관은 가요성 튜브(14)를 포함한다. 가요성 튜브(14)는 저장소(16)로부터 침착 영역을 향하여 배치된 노즐(12)로 연장된다. 프린트 헤드(10)는, 예를 들어, 도 1의 Y 방향으로 선형으로 배열된 128개 이상의 노즐(12)을 포함할 수 있고, 여기서 프린트 헤드 조립체(34)와 기판(46) 사이의 상대적인 운동 방향은 X 방향이고, 기판(46)은 프린트 헤드 조립체(34)로부터 Z 방향으로 이격되어 있다. 본 실시예에서, 각 노즐(12)은 액적의 직경의 수 배보다 더 큰 거리만큼 가장 가까운 이웃 노즐(12)로부터 분리된다. 본 실시예에서, 노즐 간격(또는 피치)은 대략 300㎛이지만, 다른 실시예에서는 상이한 노즐 간격이 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 프린트 헤드(10)는 Y 방향으로 연장되는 하나의 노즐 행을 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 프린트 헤드(10)는 제1 노즐(12) 행으로부터 X 방향으로 이격된 하나 이상의 추가적인 노즐(12) 행을 포함할 수 있다. 복수의 노즐(12) 행이 제공될 때, 행들은 2개의 노즐(12)이 X 방향으로 서로 직접 마주하지 않도록 스태거(staggered)될 수 있다.
저장소(16)는 물품을 제조하기 위한 재료와 액체 담체의 콜로이드 현탁액을 포함한다. 예를 들어, 액체 담체는 물이거나 또는 알콜과 같은 용매일 수 있다. 이 재료는 유기 재료 또는 무기 재료일 수 있다. 이 재료는 폴리머, 화합물 또는 합금의 형태일 수 있다. 이 재료는 세라믹, 금속, 플라스틱의 입자들을 포함할 수 있고, 또는 액체 담체에 현탁되고 노즐(12)을 통해 액적 형태로 침착될 수 있는 임의의 적절한 건축 재료(construction material)를 포함할 수 있다. 저장소(16)는, 침착 유닛(18)의 외측에 배치된 더 큰 1차 저장소에 연결되어 제1 저장소로부터 콜로이드 현탁액을 수용하는 2차 저장소일 수 있다. 예를 들어, 저장소(16)는 침착 유닛(18)과 병렬로 이동하는 레일과 같은 병진 가능한 지지 부재 상에 배치된 1차 저장소에 연결될 수 있다. 지지 부재는, 저장소(16)가 프린트 헤드 조립체(34)와 동기적으로 이동할 수 있도록 프린트 헤드 조립체(34) 위에 있거나 또는 프린트 헤드 조립체의 측면에 있을 수 있다. 대안적으로, 침착 유닛(18)이 이동하는 동안 제1 저장소는 정지한 채 유지될 수 있다. 나아가, 일부 실시예에서, 프린트 헤드 내의 2차 저장소는 생략되어, 프린트 헤드가 외부 1차 저장소로부터 직접 콜로이드 현탁액을 수용할 수 있다.
프린트 헤드(10)는 노즐(12)로부터 액적(36)으로 토출되는 콜로이드 현탁액을 유도하는 구동 기구를 포함한다, 예를 들어, 구동 기구는 압전 구동기 또는 열 구동기일 수 있다. 각 노즐(12)은 콜로이드 현탁액의 액적(36)을 기판(46) 상에 토출한다. 본 실시예에서, 각 액적(36)은 통상적으로 30 마이크로미터(㎛)이지만, 다른 실시예에서는 상이한 액적 크기가 사용될 수 있다. 구동 기구는 액적(36)에 침착되는 재료의 유형에 따라 각 액적의 직경을 설정하도록 제어될 수 있다.
추가적인 실시예에서, 침착 유닛(18)은 복수의 프린트 헤드(10)를 포함한다. 복수의 프린트 헤드(10)가 제공될 때, 프린트 헤드(10)들 중 다른 것은 다른 저장소(16)에 결합되거나, 또는 동일한 저장소에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 침착 유닛(18)은 복수의 저장소(16)를 더 포함하고, 각 저장소는 복수의 프린트 헤드(10)들 각각에 결합되고, 각 저장소는 액체 담체 내에 현탁된 다른 재료를 포함한다. 전술한 바와 같이, 일부 실시예에서, 복수의 저장소(16)는 침착 유닛(18) 자체에 제공되지 않고 프린트 헤드(10)에 결합될 수 있다. 복수의 프린트 헤드(10)와 저장소(16)가 설치될 때, 프린트 헤드 조립체(34)는 복수의 재료로 이루어진 물품을 제조할 수 있다.
각 프린트 헤드(10)는 프린트 헤드들이 서로에 대해 공간적으로 정렬될 수 있도록 프린트 헤드 조립체(34)에 대한 프린트 헤드(10)의 위치를 검출하기 위한 광학 위치설정 기구(44)를 더 포함할 수 있다. 프린트 헤드들을 정렬하기 위한 위치설정 기구는 잉크젯 유형의 디바이스 분야에서는 잘 알려져 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 여기서 반복하지 않는다. 그러나, 간단히 설명하면, 광학 위치설정 기구(44)는 레이저 빔과 같은 광 빔을 송신하고, 이 광 빔의 반사를 검출하여 프린트 헤드(10)의 위치를 결정하도록 배열될 수 있다. 이것은 단지 하나의 이러한 위치설정 기구의 일례이고 다른 적절한 위치설정 기구가 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 침착 유닛(18)이 장착된 운동 스테이지(52)는 각 프린트 헤드(10)를 X 및/또는 Y 방향으로 병진시킴으로써 프린트 헤드(10)를 정렬하도록 제어될 수 있다.
본 실시예에서, 각 건조 유닛(22) 및 용융 유닛(30)은 광학 위치설정 기구(44)를 더 포함하고, 프린트 헤드(10)들 중 하나로부터 침착된 액적과 별도로 그리고 독립적으로 정렬된다. 건조 유닛(22) 및 용융 유닛(30)은 또한 운동 스테이지(52) 상에 장착되고, 이에 의해 정확한 위치설정이 수행될 수 있다. 다시 말해, 건조 유닛(22) 및 용융 유닛(30)은 광학 위치설정 기구(44) 및 운동 스테이지(52)를 사용하여 프린트 헤드(10)와 정렬되도록 교정된다. 운동 스테이지(52)는 바람직하게는 X 방향, Y 방향, Z 방향, 및 피치 및 요우(yaw)(X 축 및 Y 축 주위로의 회전)의 위치를 제어하도록 구성된 5-축 위치설정 기구이다.
액적이 침착되는 기판(46)은 제조되는 물품의 이전 층일 수 있다. 다시 말해, 물품이 n개의 침착된 재료 층을 포함하는 경우, 기판(46)은 층(n-1)이다. 대안적으로, 기판(46)은 완성된 물품의 일부를 형성하지 않는 베이스 층일 수 있다. 인쇄될 기판(46)은 고안정성 베이스 판(42) 상에 장착된다. 일 실시예에서, 베이스 판(42)은 정밀 수직 운동 기구를 구비하여, Z 방향을 따라 횡단할 수 있다. Z 방향을 따라 베이스 판의 주행 한계는 제조될 수 있는 물품의 높이를 제어한다. 나머지 치수 한계들은 Y 방향으로 노즐(12)의 범위 및 X 방향으로 프린트 헤드 조립체(34)의 주행 한계에 의해 한정된 표면에 의해 한정된다.
추가적인 실시예에서, 베이스 판(42)은 Y 방향을 따라 정밀 운동 기구를 추가로 구비한다. 이 실시예에서, 인쇄 가능 영역은 Y 방향을 따라 베이스 판(42)의 주행 한계에 의해서만 제한된다.
나아가, 일부 실시예에서, 베이스 판(42)은 노즐(12)들 사이의 이격보다 더 작은 Y 방향으로의 거리만큼 베이스 판(42)을 이동시키도록 구성된 마이크로-운동 기구에 연결될 수 있다. 이에 의해 인접한 노즐들에 의해 이전에 침착된 2개의 액적 사이의 위치에 액적이 침착될 수 있어서 더 높은 해상도가 달성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 판(42)은 노즐 간격의 절반과 동일한 거리만큼 이동되어 2x 해상도 증가를 달성할 수 있다.
프린트 헤드 조립체(34)는 X 방향으로 인쇄 가능한 영역에 걸쳐 거의 일정한 속도로 이동하도록 구성된다. 통상적으로, 프린트 헤드 조립체(34)는 초당 1 m/s의 속도로 이동하지만, 다른 속도도 가능하다.
건조 유닛(22)은 복수의 건조 요소를 포함한다. 각 건조 요소는 에너지 소스(24)에 의해 생성된 에너지를 방출하도록 구성된, 집속 렌즈(focussing lens)와 같은 에너지 방출부(28)를 포함한다. 에너지 소스(24)는 다양한 형태로 에너지를 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 에너지 소스는 이온 빔 소스, 전자 빔 소스, 또는 전자기 복사선 소스일 수 있다. 에너지 소스(24)는 액체 담체를 증발시킴으로써 침착된 액적(36) 내의 재료를 건조시키는데 사용된다. 예를 들어, 에너지 소스(24)는 비간섭성 또는 간섭성 전자기 복사선의 펄스들을 생성 및 방출하도록 구성된 광자 에너지 소스(24)일 수 있다. 본 실시예에서, 광자 에너지 소스(24)는 고파워 적외선 발광 다이오드(LED)이고, 에너지 방출부(28)는 전자기 복사선의 펄스를 침착된 액적 상으로 집속하도록 구성된 집속 렌즈이다. 그러나, 다른 실시예에서, 다른 유형의 에너지 소스가 전술한 바와 같이 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 에너지 소스(24)는 광섬유 케이블 또는 광 파이프와 같은 광 가이드(50)에 의해 각 집속 렌즈(28)에 결합된다.
일부 실시예에서, 건조 요소(24)의 수는 각 대응하는 프린트 헤드(10) 상의 노즐(12)의 수와 동일하다. 건조 유닛(22)이 프린트 헤드(10)와 정렬되고 프린트 헤드 조립체(34)가 X 방향으로 이동할 때 각 렌즈(28)가 노즐(12)들 중 대응하는 노즐로부터 침착된 액적(36) 바로 위에 있도록 집속 렌즈(28)가 위치된다. 본 실시예에서, 건조 유닛(22)은, 에너지 소스(24)에 의해 생성된 건조 에너지 펄스의 광축이 대응하는 침착된 액적(36)의 중심과 정렬될 수 있도록 적어도 5-축 조정을 제공하도록 구성된 운동 스테이지(52) 상의 프린트 헤드 조립체(34)에 장착된다. 이에 의해 각 침착된 액적(36)이 에너지 소스(24)들 중 대응하는 에너지 소스에 의해 생성된 건조 에너지 펄스에 의해 개별적으로 조명될 수 있다.
각 건조 요소는, 기판 상에 침착된 재료를 용융 없이 건조시키기 위해 에너지 펄스를 생성하도록 개별적으로 제어가능하다. 건조 에너지 펄스에 대한 예시적인 시간 및 세기 프로파일이 도 4a 내지 도 4d에 도시되어 있다. 여기서, 용어 "시간 및 세기 프로파일"은 세기 대 시간의 플롯을 말한다. 도 4a는 건조 에너지 펄스의 세기가 순간적으로 피크로 가서 시간 기간(T) 동안 그 레벨에 유지되고 나서 기간의 종료시 순간적으로 0으로 감소하는 박스 함수를 도시한다. 다시 말해, 에너지 소스(24)는 시간 기간(T)의 종료시 턴오프된다. 도 4b는 건조 에너지 펄스의 세기가 순간적으로 피크로 가고 나서 시간 기간(T)에 걸쳐 점차적으로 0으로 감소하는 램프-다운 함수를 도시한다. 도 4c는 건조 에너지 펄스의 세기가 시간 기간(T)에 걸쳐 느리게 증가하는 램프-업 함수를 도시한다, 시간 기간의 종료시 예를 들어 에너지 소스를 턴오프하는 것에 의해 건조 에너지 펄스가 차단된다. 도 4d는 빗살 모양(comb) 함수를 도시한다. 여기서, 건조 에너지 펄스는, 복수의 서브-펄스를 포함하고, 각 서브-펄스는, 예를 들어, 박스 함수의 형태를 취한다. 서브-펄스들을 합산한 기간은 전술한 바와 같은 시간 기간(T)과 같다.
추가적인 실시예에서, 건조 유닛(22)은 프린트 헤드 노즐의 수보다 더 작은 수의 건조 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 건조 유닛(22)은 전술한 바와 동일한 형태를 취하는 단일 건조 요소만을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 건조 유닛(22)은 각 개별 액적을 선택적으로 조명하기 위해 Y 방향으로 이동 가능하도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 건조 유닛(22)은 기판(46)을 가로 질러 래스터(raster)하도록 구성될 수 있다. 노즐로부터 토출된 직후, 기판과 접촉하기 전에, 각 액적의 직경은, 노즐 형상, 토출 공정 및 액적의 특성에 의해 규정된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 액적은 기판(46) 상에 착륙한 후에 확산된다. 통상적으로 기판 상에 침착된 상태의 액적의 직경은 공기 중 액적(36)의 직경의 1.25 내지 2배이다. 본 실시예에서, 각 집속 렌즈(28)는 각 건조 요소가 액적 크기에 비해 큰 영역을 조명하도록 구성된다. 이것은 액적 내의 모든 액체가 건조 에너지 펄스에 의해 가열 및 증발되는 것을 보장한다. 예를 들어, 가우시안 빔의 형태를 취하는 건조 에너지 펄스의 FWHM(Full Width Half Maximum)은 침착된 액적의 직경의 1.25 내지 2배일 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 각 건조 요소는, 예를 들어, 액적이 용융 유닛(30)에 도달하기 전에 주위 온도가 액적의 에지 둘레에 임의의 잔류 액체를 증발시킬 만큼 충분히 높을 때 더 작은 영역을 조명할 수 있다.
용융 유닛(30)은 복수의 용융 요소를 포함한다. 용융 요소들은 재료가 액체 담체를 증발시킴으로써 건조된 후 재료를 용융시키기 위해 집속 렌즈(48) 및 에너지 소스(32)를 포함한다. 선택적으로, 건조된 재료 아래의 기판(46)의 일부는 또한 재료가 기판(46)에 접합되도록 용융될 수 있다. 이 공정은 침착된 재료가 기판에 융합되기 때문에 융합이라고 지칭될 수도 있다. 침착된 재료를 기판에 융합시키기 위해, 기판은 비교적 얕은 깊이, 예를 들어, 약 0.1㎛로 용융될 수 있다. 에너지 소스(32)는 건조 유닛(222)을 참조하여 전술한 바와 같은 형태들 중 임의의 형태를 취할 수 있다. 에너지 소스(32)는 건조 에너지 펄스보다 더 높은 세기를 갖는 에너지 펄스를 생성하도록 구성된다. 추가적으로, 에너지 소스(32)는 간섭성 전자기 복사선을 생성하여 방출하도록 구성된 고강도 광자 에너지 소스(32)일 수 있고, 예를 들어 고파워 레이저 다이오드일 수 있다. 간섭성 전자기 복사선이 바람직하지만, 전술한 바와 같이 비간섭성 전자기 복사선이 생성될 수 있다. 대안적으로, 용융 유닛(30)은 멀티플렉서에 의해 복수의 집속 렌즈(48)에 결합된 단일 에너지 소스(32)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 각 고강도 광자 에너지 소스(32)는 광섬유 케이블을 통해 각 집속 렌즈(48)에 결합된다. 고강도 광자 에너지 소스(32)의 수는 각 대응하는 프린트 헤드(10) 상의 노즐(12)의 수와 같다. 용융 유닛(30)이 프린트 헤드(10)와 정렬되고 프린트 헤드 조립체(34)가 음의 X 방향으로 이동할 때, 각 렌즈(48)가 상관된 노즐(12)로부터 침착된 액적(36) 바로 위에 있도록 집속 렌즈(48)가 위치된다.
본 실시예에서, 각 용융 요소는 개별적으로 제어가능하다. 에너지 소스(32)에 의해 생성된 용융 에너지 펄스 또는 빔의 시간 및 세기 프로파일은 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 이전에 설명된 형태들 중 임의의 형태를 취하도록 프로그래밍 가능하다. 유리하게는, 도 4c에 도시된 바와 같이, 용융 에너지 펄스의 시간 및 세기 프로파일은 가파른 후미 에지를 갖도록 프로그래밍 가능하다. 다시 말해, 용융 에너지 펄스는 용융된 재료를 빠르게 냉각시켜 용융된 재료 및 선택적으로, 용융된 하부 기판(46)을 켄칭하도록 급격히 종료된다.
추가적인 실시예에서, 용융 유닛(30)은 전술한 바와 같은 형태를 취하는 노즐의 수보다 더 적은 수의 용융 요소, 예를 들어, 단 하나의 용융 요소를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 용융 유닛(30)은 각 개별 액적을 선택적으로 조명하기 위해 Y 방향으로 이동하도록 구성된다. 다시 말해, 용융 유닛(30)은 기판(46)을 가로 질러 래스터하도록 구성된다.
용융 유닛(30)은, 각 고강도 에너지 소스(32)로부터의 광축이 대응하는 침착된 액적(36)의 중심과 정렬될 수 있도록 적어도 5-축 조절을 제공하도록 구성된 운동 스테이지 상의 프린트 헤드 조립체(34)에 장착된다. 이에 의해 액체 담체가 건조 유닛(22)에 의해 증발된 후에 각 침착된 액적(36)이 고강도 에너지 소스(32)에 의해 생성된 용융 에너지 펄스(이는 복수의 서브-펄스를 포함할 수 있음)에 의해 개별적으로 조명될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 건조 유닛(22)은 프린트 헤드(10)로부터 X 방향으로 이격된다. 건조 유닛(22)은 재료가 침착되는 동안 프린트 헤드 조립체(34)가 기판(46)에 대해 이동하는 방향으로 프린트 헤드(12)를 따라가도록 배치된다. 용융 유닛(30)은 또한 건조 유닛(22)으로부터 X 방향으로 이격되고, 재료가 침착되는 동안 프린트 헤드 조립체(34)가 기판(46)에 대해 이동하는 방향으로 건조 유닛(22)을 따라가도록 배치된다. 건조 유닛(22)과 용융 유닛(30) 사이의 분리는 침착 동안 기판(46)에 대한 침착 유닛(18)의 상대 속도에 따라 및/또는 침착되는 재료 및 액체 담체의 열적 특성에 따라 결정될 수 있다.
프린트 헤드 조립체(34)의 구성 요소들은 사용자 입력 디바이스에 결합된 제어기(20)에 의해 제어된다. 제어기(20)는 제어 명령을 저장하기 위한 메모리를 포함한다. 제어기(20)는 프린트 헤드 조립체(34), 프린트 헤드(들)(10), 건조 유닛(22) 및 용융 유닛(30)의 위치를 제어하도록 구성된다. 추가적으로, 제어기(20)는 노즐(12)로부터 액적(36)이 토출되는 공간 위치 및 율, 및 에너지 소스(24 및 32)에 의해 생성된 건조 및 용융 에너지 펄스의 시간 및 세기 프로파일을 제어한다. 시간 및 세기 프로파일은 시간의 함수로서 에너지 세기의 척도이다.
본 실시예에서, 제어기(20)는 침착되는 재료 및 액체 담체의 열적 특성 및 액적이 침착된 기판(46)의 열적 특성에 기초하여 건조 에너지 펄스의 시간 및 세기 프로파일을 선택하여 액체 담체를 끓는점 미만의 온도로 가열하도록 구성된다. 이것은 비산 없이 액체 담체를 증발시킨다. 일부 실시예에서, 건조 에너지 펄스의 시간 및 세기 프로파일은 액체 담체의 플래시 증발을 야기하도록 프로그래밍될 수 있다. 플래시 증발은 액체를 과열된 상태로 가열하는 공정이다.
또한, 본 실시예에서, 제어기(20)는 침착되는 재료 및 기판(46)의 열 특성에 기초하여 용융 에너지 펄스의 시간 및 세기 프로파일을 선택하여 하부 기판(46)을 침착된 재료를 통해 미리 결정된 깊이까지 용융시키도록 구성된다. 기판과 새로이 침착된 재료를 모두 용융시킴으로써, 액적 내 재료가 기판에 융합되어 최종 물품의 구조적 완전성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 용융 동작은 또한 융합 동작이라고도 지칭될 수 있다. 미리 결정된 깊이는 0.1 마이크로미터 정도일 수 있다. 융합 동작 동안 기판이 용융되는 깊이를 제어함으로써, 최종 물품의 3D의 물리적 및 기계적 특성이 고정밀도로 조절될 수 있다.
대안적으로, 후술되는 바와 같이, 하부 기판(46)을 용융시키는 것은 필수적인 것은 아니다. 예를 들어, 기판(46) 위로 슬라이딩할 수 있는 이동 가능한 또는 가요성인 층을 생성하는 것이 바람직할 수 있고, 이 경우, 하부 기판(46)에 재료를 융합시키지 않고 새로이 침착된 층의 재료가 용융될 수 있다.
동작시, 프린트 헤드 조립체(34)가 요구되는 재료에 따라 제어기(20)에 의해 결정된 지정된 영역 위에 위치될 때 상이한 프린트 헤드(10)들이 활성화된다. 프린트 헤드(10)들이 상이한 공간 위치들 위에 있을 때 복수의 프린트 헤드(10)는 상이한 재료들의 콜로이드 현탁액의 액적(36)들을 동시에 토출할 수 있다. 프린트 헤드(10)가 이후 통과할 때, 다수의 개별 재료 구성 요소를 포함하는 복잡한 3차원 구조물을 생성하기 위해 상이한 패턴의 액적들이 토출될 수 있다.
게다가, 특정 프린트 헤드(10)에 대응하는 재료가 침착되는 지정된 영역 위에 각 프린트 헤드(10)가 있을 때를 제어기(20)가 정확히 결정할 수 있도록 위치 피드백 기구들이 프린트 헤드 조립체(34)에 병합될 수 있다. 제어기(20)는 또한 위치 피드백 기구를 사용하여, 건조 유닛(22)이 특정 재료의 침착된 액적 위에 있을 때를 결정하고, 각 에너지 소스(24)를 제어하여 액체 담체를 증발시키는데 필요한 에너지를 전달할 수 있다. 유사하게, 제어기(20)는 위치 피드백 기구를 사용하여, 용융 유닛(30)이 특정 재료의 침착된 액적 위에 있을 때를 결정하고 각 광자 소스(32)를 제어하여 적절한 시간 및 세기 프로파일을 갖는 에너지의 적어도 하나의 펄스를 전달하여, 침착된 액적에 남아있는 콜로이드 클러스터를 용융 및 융합시키고, 액상 담체가 증발된 후, 하부 기판(46)의 얇은 표면 층을 용융시키고 용합시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 침착된 재료를 기판(42)에 융합시키기 위해 하부 기판(46)의 표면 층이 용융 동작 동안 용융될 필요가 있는 경우, 기판은 0.1 마이크로미터 정도의 깊이로 용융될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 프린트 헤드 조립체(34)가 도시되어 있다. 도 2에서, X-Y 평면에서의 프린트 헤드의 단면도가 도시되어 있다. 본 실시예에서, 침착 유닛(18)은 각 도관(144)에 의해 각 저장소(16)에 각각 연결된 복수의 프린트 헤드(10)를 포함한다. 각 저장소(16)는 콜로이드 현탁액 내에 상이한 재료를 포함할 수 있다. 프린트 헤드(10)는 서로 근접하게 위치되고, 프린트 헤드 조립체(34)와 재료가 침착될 기판 사이의, 침착 동안, 상대적인 운동 방향인 X 방향으로 인접해 있다. 각 프린트 헤드(10) 내의 노즐 수와 동일한 개수의 집속 렌즈(28, 48)를 각각 갖는 단일 건조 유닛(22) 및 단일 용융 유닛(30)은, 프린트 헤드(10)와 정렬될 수 있도록 Y 방향으로 조정 가능하도록 구성된다. 대안적인 실시예에서, 집속 렌즈(28, 48)의 개수는 노즐(12)의 개수보다 더 적고, 건조 유닛(22) 및/또는 용융 유닛(30)은 개별 액적을 순차적으로 차례로 조명하도록 Y 방향으로 횡단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상이한 재료를 침착시키기 위한 프린트 헤드(10)들은 프린트 헤드 조립체(34) 내의 상이한 공간 배열로 제공될 수 있다. 예를 들어, 프린트 헤드(10)는, 도 2에 도시된 바와 같이 X 방향으로 인접할 수 있거나 또는 대안적으로 Y 방향으로 인접할 수 있다. 그러나, X 방향으로 행으로 프린트 헤드(10)를 배열하면, 전체 프린트 헤드 조립체(34)가 동일한 영역 상에 상이한 재료들을 침착시키기 위해 Y 방향으로 병진 이동하는 것이 회피된다는 점에서, 프린트 헤드(10)를 Y 방향으로 행으로 배열하는 것보다 장점을 제공한다. 따라서, 도 2를 참조하여 설명된 실시예는 기판(46) 위를 프린트 헤드 조립체(34)가 한번 통과하여 상이한 유형의 재료들을 침착시킬 수 있다.
이제 도 1에 도시된 침착 장치(100)를 사용하여 물품을 제조하는 공정을 도 3을 참조하여 설명한다.
제1 단계(300)에서, 교정 과정이 수행된다. 단지 예로서, 교정은 다음과 같을 수 있다:
a. 프린트 헤드 조립체(34)를 침착 장치(100)의 미리 결정된 영역으로 이동시키고, 교번하는 (다시 말해, 하나 건너 하나의) 노즐(12)로부터 인쇄하여 단일 액적 행을 생성한다.
b. 건조 유닛(22)이 침착된 액적 위에 있도록 프린트 헤드 조립체(34)를 이동시키고 운동 스테이지에 공간 조정을 활성화하여 각 건조 에너지 펄스의 광축을 각 침착된 액적(36)의 중심과 정확히 정렬한다.
c. 용융 유닛(30)이 침착된 액적(36) 위에 있도록 프린트 헤드 조립체(34)를 이동시키고 운동 스테이지에 공간 조정을 활성화하여 각 용융 에너지 펄스의 광축을 각 침착된 액적(36)의 중심과 정확하게 정렬한다.
d. 프린트 헤드 조립체(34)를 다른 미리 결정된 영역으로 이동시키고 다른 세트의 교번하는 노즐(12)로부터 인쇄하여 단일 액적 행을 생성한다.
e. 건조 유닛(22)이 새로이 침착된 액적 위에 있도록 프린트 헤드 조립체(34)를 이동시키고, 이전의 정렬이 미리 결정된 한계 내에 유지되는지를 체크(check)하고, 만약 유지되지 않은 경우, 운동 스테이지에 공간 조정을 활성화하여 각 건조 에너지 펄스의 광축을 각 새로이 침착된 액적(36)의 중심과 정확히 정렬한다.
f. 용융 유닛(30)이 새로이 침착된 액적(36) 위에 있도록 프린트 헤드 조립체(34)를 이동시키고, 이전의 정렬이 미리 결정된 한계 내에 유지되는지를 체크하고, 만약 유지되지 않은 경우, 운동 스테이지에 공간 조정을 활성화하여 각 용융 에너지 펄스의 광축을 각 새로이 침착된 액적(36)의 중심과 정밀하게 정렬한다.
g. 정렬이 한정된 정밀 한계를 향해 수렴할 때까지 반복적으로 단계(a) 내지 단계(f)를 반복한다.
교정 단계(300)는 각 프린트 작업의 시작시에 수행될 수 있다. 대안적으로, 교정 단계(300)는 침착 장치(100)가 처음 전원이 켜지거나 사용자에 의해 요청될 때 수행될 수 있다.
단계(302)에서, 미리 결정된 위치에 침착될 재료의 유형이 제어기(20)에 의해 결정된다. 재료는 제어기(20)의 메모리에 저장된 설계 명령에 따라 선택된다. 제어기(20)는 필요한 재료에 따라 프린트 헤드(10)를 선택한다.
제어기(20)는 프린트 헤드 조립체(34)를 제어하여 선택된 프린트 헤드(10)가 미리 결정된 위치 위에 있도록 X 축을 따라 이동시킨다. 단계(304)에서, 선택된 프린트 헤드(10)에 연결된 저장소(16)로부터 콜로이드 유체가 선택된 프린트 헤드(10) 상의 하나 이상의 노즐(12)로부터 토출되고, 미리 결정된 위치에서 베이스 판(42)에 고정된 기판(46) 상에 침착된다.
건조 유닛(22)이 미리 결정된 위치에서 이전에 침착된 액적(36) 위에 위치될 때까지 프린트 헤드 조립체(34)는 X 축을 따라 계속 이동하도록 제어된다. 단계(306)에서, 건조 유닛(22) 내의 대응하는 에너지 소스(24)가 작동되어 특정 양의 에너지를 전달하여 침착된 액적(36) 내의 액체 담체를 증발시켜 재료의 콜로이드 입자의 클러스터가 뒤에 남는다. 특정 양의 에너지는 전술한 바와 같이 건조 에너지 펄스로 전달되고, 재료의 결정된 유형에 기초한다. 전술한 바와 같이, 건조 에너지 펄스는 단일 펄스일 수 있고, 또는 도 4d에 도시된 바와 같이 복수의 서브-펄스를 포함할 수도 있다.
용융 유닛(30)이 콜로이드 재료의 클러스터 위에 위치될 때까지 프린트 헤드 조립체(34)는 X 방향을 따라 계속 이동하도록 제어된다. 단계(308)에서, 용융 유닛(30) 내의 대응하는 에너지 소스(32)가 특정 양의 에너지를 전달하여 콜로이드 입자의 클러스터를 용융시키도록 작동된다. 입자가 위치된 하부 기판(46)에 콜로이드 입자를 융합시키는 것이 요구될 때, 에너지 소스(32)는 콜로이드 입자 및 하부 기판의 클러스터를 용융시키도록 구성된다. 용융 에너지 펄스의 지속 시간 및 세기는 재료의 결정된 유형 및 기판(46)의 조성 및 하부 기판(46)의 요구되는 용융될 깊이에 따라 제어된다. 이 용융 융합은 콜로이드를 하부 기판(46)의 작은 부분과 함께 액체 실체(liquid entity) 내로 접합시킨다. 전술한 바와 같이, 용융 에너지 펄스는 단일 펄스일 수 있거나 또는 도 4d에 도시된 바와 같이 복수의 서브-펄스를 포함할 수 있다.
선택적으로, 용융 에너지 펄스의 시간 및 세기 프로파일은 침착된 재료가 켄칭되도록 가파른 후미 에지를 갖도록 구성된다. 용융 에너지 펄스를 즉시 종료하면 용융된 재료 및 기판(46)을 급속히 냉각시켜 나노-결정 물품으로 응고된다.
일시적 지지 구조의 구성과 같은 일부 구현예에서, 용융 단계(308)를 수행할 필요는 없다. 이에 의해 상부 구조가 완성될 때 침착된 재료가 기판으로부터 용이하게 제거될 수 있다. 예로는, 예를 들어, 힌지가 달린 뚜껑이 있는 박스를 제조하거나, 또는 지붕이 자체적으로 지지할 수 있기 전에 지붕이 침착될 수 있는 구조물을 제조하는 것이다. 다시 말해, 건조 단계(306)가 수행될 수 있고 이후 프린트 헤드 조립체(34)는 명령 시퀀스에서 그 다음 침착 영역으로 이동할 수 있다. 이러한 방식으로, 건조 요소는 제1 액적들 내에 침착된 재료를 용융시키지 않고 복수의 제1 액적들 내에 침착된 재료를 건조시키도록 제어될 수 있다. 이어서, 복수의 제2 액적이 제1 액적 내에 침착된 융합되지 않은 재료의 상부에 침착될 수 있다. 이후, 건조 요소 및 용융 요소가 전술한 바와 같이 정상적인 방식으로 제2 액적 내에 침착된 재료를 건조 및 용융시켜, 제2 액적들 내의 재료로부터 안정한 자체 지지 구조물을 생성시키도록 제어될 수 있다. 침착 공정이 종료시, 예를 들어 액체 또는 기체의 제트를 사용하여 제1 액적으로부터 분말 같은 융합되지 않은 재료를 쉽게 제거하여, 제2 액적들 내에 침착된 융합된 재료 아래에 빈 공간을 남길 수 있다.
일부 구현예에서, 3차원 물품 내에 3차원 물품의 일부가 이동하거나 가요성 수 있게 하는 2차원 구조를 형성하는 것이 필요할 수 있다. 이를 달성하기 위해, 복수의 제1 액적은 용융되지 않고 침착되고 건조된다. 이어서, 복수의 제2 액적은 제1 액적을 침착한 것으로부터 남아 있는 재료의 상부에 침착되고, 건조되고, 제1 액적으로부터 건조된 재료에 융합된다. 다시 말해, 프린트 헤드(10)가 제1 통과시에 침착된 재료는 하부 기판(46)에 융합되지 않고 나중 층에 융합되어 기판(46) 위에서 자유롭게 슬라이딩할 수 있는 표면을 구성한다.
유리하게는, 본 발명은 3차원 물품에 합금을 침착할 수 있다. 여기서, 콜로이드 현탁액 내에 제1 유형의 재료를 함유하는 제1 액적이 제1 프린트 헤드(10)로부터 침착되고 건조된다. 이후, 콜로이드 현탁액 내 상이한 유형의 재료를 함유하는 제2 액적이 제1 액적이 건조된 후에 남아 있는 재료의 상부에 제2 프린트 헤드(10)로부터 침착된다. 이어서, 제2 액적은 건조되고, 그 내에 포함된 재료가 제1 재료 및 선택적으로 하부 기판(46)에 융합된다. 따라서, 프린트 헤드 조립체가 한번 통과시 하나의 유형의 재료를 다른 유형의 재료에 융합시킬 수 있다.
대안적으로, 제2 액적은 베이스 판(42)을 이동시킴으로써 건조된 제1 액적에 인접하게 침착될 수 있다. 이후 제2 액적은 건조된다. 이어서, 건조된 제1 및 제2 액적 내의 재료는 용융 에너지 펄스에 의해 기판(46)에 융합된다. 따라서, 상이한 재료들이 액적 직경 정도의 미세 길이 스케일로 제어되어 분포된 3차원 물품의 단일 층을 생성하는 것이 가능하다.
단계(310)에서, 제어 명령에 기초하여 3차원 물품이 완성되었는지 여부가 결정된다. 물품이 완성되었다면, 또는 다시 말해, 최종 층이 침착되었다면, 공정이 종료된다. 물품이 완성되지 않은 경우, 베이스 판(42)은 Z 방향으로 아래쪽으로 이동하고, 물품이 완성될 때까지 기판(46) 상의 X-Y 평면 상에 재료를 침착시키기 위해 단계(302 내지 310)가 반복된다.
프린트 헤드 조립체(34)의 주행 한계에서, 또는 하나의 완전한 재료 층이 침착된 후에, 프린트 헤드 조립체(34)는 미리 결정된 시작 위치로 복귀한다. 프린트 헤드 조립체(34)가 미리 결정된 시작 위치로 복귀하는 동안, 베이스 판(42)은 X-Y 평면 위에 침착된 재료의 두께와 같은 양만큼 Z 방향을 따라 낮아진다.
실제로, 프린트 헤드(들)(10), 건조 유닛(22) 및 용융 유닛(30) 사이의 유한한 분리로 인해, 건조 유닛(22)이 침착된 액적의 제1 행 위에 위치되기 전에 둘 이상의 액적 행이 X-Y 평면을 따라 침착된다. 이것은, 대응하는 건조 유닛(22)에 의해 침착된 액적을 증발시키는 공정에 이어서 용융 유닛(30)에 의해 융합 접합을 수행하는 공정에 영향을 미치지 않는다.
산업 응용에서 사용되는 침착 장치(100)의 경우, 프린트 헤드 조립체(34)는 1 m/s 정도의 속도로 이동할 수 있다. 2개의 인접한 침착된 액적(36)은 X 방향으로 약 100 ㎛ 만큼 분리될 수 있다. 따라서, 프린트 헤드 조립체(34)는 100 ㎲ 내에 침착된 액적(작업 영역)들 사이의 영역 위로 이동할 것이다. 건조 에너지 펄스의 통상적인 지속 시간은 10 ㎲ 정도일 수 있고, 용융 에너지 펄스의 지속 시간은 약 1 ㎲일 수 있다. 그러므로, 프린트 헤드 조립체(34)의 이동은 에너지 소스가 작업 영역을 가로질러 이동하는 시간에 비해 에너지 소스(24, 32)를 인가하는 시간이 짧기 때문에, 증발 및 융합 공정의 위치설정 정확도에 크게 영향을 미치지 않을 것이다. 또한, 건조 및 용융 에너지 펄스의 지속 시간은 압력파가 침착된 액적의 중심으로부터 침착된 액적의 에지로 주행하는데 드는 시간에 비해 바람직하게는 짧다. 이 시간은 침착되는 재료의 소리의 속력과 관련이 있고, 재료의 '소리의 시간'이라고 지칭될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 침착 장치(200)를 도시한다. 많은 양태에서, 침착 장치(200)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 침착 장치(100)와 실질적으로 동일하고, 공통 특징에 대한 설명은 본 명세서에서 반복되지 않을 것이다. 도 1에 도시된 특징에 추가하여, 침착 장치(200)는 하나의 추가적인 건조 유닛(222) 및 하나의 추가적인 용융 유닛(230)을 포함한다. 추가적인 건조 유닛(222) 및 추가적인 용융 유닛(230)은 침착 유닛(18)에 대하여 건조 유닛(22) 및 용융 유닛(30)의 것과 미러 방식으로 배열된다. 이 실시예는, X-축을 따라 양의 방향 및 음의 방향을 모두 스캔하면서 재료를 침착, 건조 및 용융시킬 수 있기 때문에 양방향 인쇄를 가능하게 한다. 대조적으로, 도 1 및 도 2의 장치는 단일 방향으로 스캔하면서 새로운 재료 층만을 침착할 수 있지만, 이 방향으로의 주행 한계에 도달하면 프린트 헤드 조립체는 인쇄가 재개되기 전에 시작 지점으로 복귀해야 한다. 비교하면, 단방향 인쇄에 따른 것보다 더 빨리 물품을 건축할 수 있으므로 양방향 인쇄가 더 효율적이다.
나아가, 도 4에 도시된 것과 같은 양방향 침착 장치(200)가 사용될 때, 선두 건조 유닛(222)(또는 주행 방향에 따라 22)은 침착이 일어나기 전에 이 기판(46)을 예열하는데 선택적으로 사용될 수 있다. 다시 말해, 기판(46)은 일반적으로 실온에서 유지될 수 있지만, 제 자리에서 건조 펄스를 사용하면 침착이 일어날 지점에서 기판(46)을 국부적으로 가열할 수 있다. 이것은 침착 후에 액체 담체를 증발시키는 데 필요한 시간 및/또는 에너지 세기를 감소시킨다. 추가적인 실시예에서, 추가적인 용융 유닛(230)은 존재하지 않을 수 있다. 이러한 실시예에서, 양방향 인쇄는 가능하지 않을 수 있지만, 선두 건조 유닛은 침착 이전에 기판(46)을 국부적으로 가열하는데 여전히 사용될 수 있다.
도 5의 프린트 헤드 조립체(234)는 도 6에 보다 상세히 도시되어 있다. 여기서, 침착 유닛(18)의 양측에 건조 유닛(22, 222)이 배치되는 것을 다시 나타낸다. 용융 유닛(30, 230)은 침착 유닛(18)을 향하는 측과 반대쪽 각 건조 유닛(22, 230) 측에 배치된다.
일부 예시적인 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 원리를 벗어나지 않고 이들 예시적인 실시예에 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이므로, 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위에 의해 한정된다.

Claims (17)

  1. 적층식 제조에 사용하기 위한 침착 장치(deposition apparatus)로서,
    재료와 액체 담체의 콜로이드 현탁액을 저장하기 위한 적어도 하나의 저장소;
    상기 저장소와 유체 연통하는 복수의 노즐을 포함하는 적어도 하나의 프린트 헤드로서, 각 노즐은 상기 콜로이드 현탁액의 액적을 기판 상에 침착시키도록 구성된, 상기 적어도 하나의 프린트 헤드;
    상기 적어도 하나의 프린트 헤드에 인접하게 배치된 건조 수단으로서, 상기 건조 수단은 침착된 액적에 제1 에너지 펄스를 선택적으로 공급하여 상기 침착된 액적으로부터 상기 액체를 증발시키도록 구성된, 상기 건조 수단; 및
    상기 건조 수단에 인접하게 배치된 용융 수단으로서, 상기 용융 수단은 제2 에너지 펄스를 선택적으로 공급하여 상기 건조 수단에 의해 건조된 액적 내의 상기 재료를 용융시키도록 구성된, 상기 용융 수단을 포함하는, 침착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 건조 수단은 복수의 개별적으로 제어 가능한 건조 요소를 포함하고, 상기 건조 요소들 각각은 상기 노즐들 각각과 정렬되고;
    상기 용융 수단은 복수의 개별적으로 제어 가능한 용융 요소를 포함하고, 상기 용융 요소들 각각은 상기 노즐들 각각과 정렬되는, 침착 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 에너지 펄스 및 상기 제2 에너지 펄스 각각은 복수의 서브-펄스를 포함하는, 침착 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 저장소; 및
    복수의 프린트 헤드를 더 포함하고,
    각 저장소는 콜로이드 현탁액 내에 상이한 재료를 저장하고,
    각 프린트 헤드는 상기 복수의 저장소 각각과 유체 연통하는 복수의 노즐을 포함하는, 침착 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 프린트 헤드의 상기 노즐들은 2개 이상의 행으로 배열되고, 인접한 행들에 있는 상기 노즐들은 서로 오프셋되어 있는, 침착 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 에너지 펄스의 지속 시간은 압력파가 상기 액적의 중심으로부터 상기 액적의 에지(edge)로 주행하는 데 드는 시간보다 더 작은, 침착 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 에너지 펄스의 시간 및 세기 프로파일은 상기 재료 및 하부 기판이 상기 제2 에너지 펄스에 의해 용융된 후에 켄칭(quenched)되도록 가파른 후미 에지(sharp trailing edge)를 갖도록 구성되는, 침착 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 프린트 헤드, 상기 건조 수단 및 상기 용융 수단은 상기 건조 수단 및 상기 용융 수단 각각을 상기 적어도 하나의 프린트 헤드와 공간적으로 정렬하도록 구성된 위치설정 수단을 포함하는, 침착 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료 및 하부 기판의 열적 특성에 기초하여 상기 제2 에너지 펄스의 시간 및 세기 프로파일을 제어하여 상기 침착된 액적들 중 상기 액적 내 상기 재료를 용융시키면서 상기 기판을 미리 결정된 깊이까지 용융시키도록 구성된 용융 제어 수단을 더 포함하는, 침착 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 에너지 펄스의 시간 및 세기 프로파일을 제어하여, 상기 제1 에너지 펄스가 상기 액적들 내의 상기 액체를 상기 액체의 끓는점 미만의 온도로 가열하도록 구성된 건조 제어 수단을 더 포함하는, 침착 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 건조 제어 수단은 상기 제1 에너지 펄스의 상기 시간 및 세기 프로파일을 제어하여 상기 제1 에너지 펄스가 상기 액체의 플래시 증발(flash evaporation)을 야기하도록 구성된, 침착 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 건조 수단은 상기 적어도 하나의 프린트 헤드의 양측에 배치된 제1 및 제2 건조 유닛을 포함하고, 상기 용융 수단은 상기 제1 및 제2 건조 유닛의 양측에 배치된 제1 및 제2 용융 유닛을 포함하는, 침착 장치.
  13. 적층식 제조 방법으로서,
    복수의 노즐을 포함하는 프린트 헤드를 제어하여 재료와 액체 담체의 콜로이드 현탁액의 복수의 액적을 기판 상에 침착시키는 단계;
    복수의 개별적으로 제어 가능한 건조 요소를 제어하여 침착된 액적에 제1 에너지 펄스를 선택적으로 공급하여 상기 침착된 액적으로부터 상기 액체를 증발시키는 단계; 및
    복수의 개별적으로 제어 가능한 용융 요소를 제어하여 제2 에너지 펄스를 선택적으로 공급하여 상기 건조 수단에 의해 건조된 액적 내의 상기 재료를 용융시키는 단계를 포함하는, 적층식 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 침착된 액적들 중 액적 내 상기 재료를 용융시킬 때, 상기 복수의 용융 요소를 제어하여 상기 침착된 액적들 중 상기 액적 아래의 상기 기판의 일부를 선택적으로 용융시켜 상기 액적 내 상기 재료를 상기 기판에 융합시키는 단계를 더 포함하는, 적층식 제조 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    제1 재료의 콜로이드 현탁액을 포함하는 복수의 제1 액적을 침착시키는 단계;
    상기 건조 요소들을 제어하여 상기 제1 액적들 내에 침착된 상기 재료를 건조시키는 단계;
    상기 제1 재료와 상이한 제2 재료의 콜로이드 현탁액을 포함하는 복수의 제2 액적들을 상기 제1 액적들 내에 침착된 상기 재료에 인접하게 침착시키는 단계;
    상기 건조 요소들을 제어하여 상기 제2 액적들 내에 침착된 상기 재료를 건조시키는 단계; 및
    상기 용융 요소들을 제어하여 침착된 상기 제1 및 제2 재료를 함께 용융시키는 단계를 포함하는, 적층식 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    복수의 제1 액적을 침착시키는 단계;
    상기 건조 요소들을 제어하여 상기 제1 액적들 내에 침착된 상기 재료를 건조시키는 단계;
    상기 제1 액적들 내에 침착된 상기 재료의 상부에 복수의 제2 액적을 침착시키는 단계;
    상기 건조 요소들 및 용융 요소들을 제어하여, 상기 제1 액적들 내에 침착된 상기 재료를 용융시키지 않고, 상기 제2 액적들 내에 침착된 상기 재료를 건조 및 용융시키는 단계; 및
    상기 제1 액적들 내에 침착된 상기 재료를 제거하여 상기 제2 액적들 내에 침착된 상기 재료 아래에 빈 공간이 남게 하는 단계를 포함하는, 적층식 제조 방법.
  17. 실행될 때, 청구항 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램 명령들을 저장하도록 배열된 컴퓨터 판독 가능 저장 매체.
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