KR20180035735A - 개선된 스테레오리소그래피 시스템 - Google Patents

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디에고 카스타논
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포캐스트 리서치 앤 디벨럽먼트 코프.
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Abstract

스테레오리소그래피 시스템은 방출 디바이스 및 방출 디바이스 위에 배치되는 탱크를 포함한다. 탱크는 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽 및 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽을 갖고 제 1 바닥벽과 제 2 바닥벽 사이에 공간이 배치된다. 탱크로부터 떨어져 연장되는 선형 스테이지 및 탱크로부터 떨어져 선형 스테이지를 따라 이동가능한 캐리어 플랫폼이 있다. 또한, 탱크 내의 탱크의 바닥벽에 침윤가능 재료가 있다. 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽과 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽 사이에 배치되는 공간과 유체 냉각 시스템이 유체연통된다.

Description

개선된 스테레오리소그래피 시스템
본 발명은 스테레오리소그래피 시스템, 특히 탱크 - 탱크의 광학적으로 투명한 바닥에 침윤가능 재료(wettable material)가 있음 - 를 포함하는 스테레오리소그래피 시스템에 관한 것이다.
전체 개시가 참조로서 본원에 포함되는 DiSimone 외의 PCT 출원 공개 번호 WO 2014/126837 호는 3차원 객체(object)를 형성하는 방법을 개시한다. 방법은 캐리어, 및 빌드 표면을 갖는 광학적으로 투명한 부재를 제공하는 단계를 포함한다. 캐리어 및 빌드 표면은 이들 사이의 빌드 영역을 규정한다. 빌드 영역은 중합가능(polymerizable) 액체로 채워지고 빌드 영역은 광학적으로 투명한 부재를 통해 조사되어 중합가능 액체로부터 고체 폴리머를 형성함과 동시에 빌드 표면으로부터 캐리어를 멀리 전진시켜 고체 폴리머로부터 3차원 객체를 형성하며, 또한 이와 동시에: (i) 중합가능 액체의 데드존(dead zone)을 빌드 표면과 접촉하도록 연속적으로 유지하고, (ii) 데드존과 고체 폴리머 사이의 중합존의 그래디언트(gradient)를 데드존 및 고체 폴리머 각각과 접촉하도록 연속적으로 유지하며, 중합존의 그래디언트는 부분적으로 경화된(cured) 형태의 중합가능 액체를 포함한다. 방법을 실행하기 위한 장치가 또한 개시된다.
개선된 스테레오리소그래피 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 목표이다.
방출 디바이스 및 방출 디바이스 위에 배치되는 탱크를 포함하는 스테레오리소그래피 시스템이 그에 따라 제공된다. 탱크는 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽 및 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽을 갖고 제 1 바닥벽과 제 2 바닥벽 사이에 공간이 배치된다. 탱크로부터 떨어져 연장되는 선형 스테이지 및 탱크로부터 떨어져 선형 스테이지를 따라 이동가능한 캐리어 플랫폼이 있다. 또한 탱크 내의 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽에 침윤가능 재료가 있다. 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽과 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽 사이에 배치되는 공간과 유체 냉각 시스템이 유체연통된다.
침윤가능 재료는 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽 상에 코팅될 수 있거나 또는 침윤가능 재료는 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽을 덮는 막(membrane)일 수 있다. 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽은 300K에서 20 W/(m x K)보다 큰 열전도율을 가질 수 있다. 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽은 사파이어 글래스 또는 투명한 세라믹 스피넬일 수 있다.
침윤가능 재료는 히드로겔을 포함할 수 있고, 몇몇 예시들에서 히드로겔 및 과산화 수소를 포함할 수 있다. 침윤가능 재료는 수소 공여체(donor) 및 탈산소제(oxygen scavenger)를 포함할 수 있다. 침윤가능 재료는 글리세린을 포함할 수 있다. 침윤가능 재료는 UV 억제제(inhibitor)를 포함할 수 있다. 침윤가능 재료는 초소수성(superhydrophobic) 표면을 가질 수 있다. 침윤가능 재료의 초소수성 표면의 나노구조물은 수직으로 정렬된 표면 또는 계층적으로 구조화된 표면, 또는 이들의 조합일 수 있다. 침윤가능 재료의 초소수성 표면의 나노구조물은, 5 미크론 내지 15 미크론 사이의 상단 직경을 갖고 10 미크론보다 작게 떨어져 이격되는 복수의 돌출부들을 포함할 수 있다. 침윤가능 재료는 교차 라인들을 갖는 패턴으로 도포되는 접착제를 사용하여 탱크의 바닥에 접착될 수 있다.
유체 냉각 시스템은 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽과 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽 사이에 배치되는 공간 내에 공기를 펌핑할 수 있다. 유체 냉각 시스템은 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽과 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽 사이에 배치되는 공간 내에 물을 펌핑할 수 있다. 탱크를 냉각하는 냉각 디바이스가 있을 수 있고 냉각 디바이스는 에어 나이프(air knife)일 수 있다. 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽은 UV LED를 갖는 LCD 모니터 또는 UV OLED를 포함할 수 있다. 탱크는 침윤가능 재료와 유체연통되는 저수조(reservoir)를 더 포함할 수 있다. 다른 예시들에서, 탱크의 광학적으로 투명한 바닥벽 및 방출 디바이스는 통합적일 수 있다. 탱크를 진동시키는 진동기가 있을 수 있다. 진동기는 25 HZ 내지 60 HZ로 진동할 수 있다. 진동기는 압전(piezo) 진동기일 수 있다.
또한 방출 디바이스 및 방출 디바이스 위에 배치되는 탱크를 포함하는 스테레오리소그래피 시스템이 제공된다. 탱크는 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽 및 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽을 갖고 제 1 바닥벽과 제 2 바닥벽 사이에 공간이 배치된다. 탱크로부터 떨어져 연장되는 선형 스테이지 및 탱크로부터 떨어져 선형 스테이지를 따라 이동가능한 캐리어 플랫폼이 있다. 또한 탱크 내의 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽에 실리콘 재료가 있다. 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽과 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽 사이에 배치되는 공간과 유체 냉각 시스템이 유체연통된다. 실리콘 재료는 초소수성 표면을 가질 수 있다. 실리콘 재료의 초소수성 표면의 나노구조물은 수직으로 정렬된 표면 또는 계층적으로 구조화된 표면, 또는 이들의 조합일 수 있다. 실리콘 재료의 초소수성 표면의 나노구조물은, 5 미크론 내지 15 미크론 사이의 상단 직경을 갖고 10 미크론보다 작게 떨어져 이격되는 복수의 돌출부들을 포함할 수 있다. 실리콘 재료는 교차 라인들을 갖는 패턴으로 도포되는 접착제를 사용하여 탱크의 바닥에 접착될 수 있다. 탱크를 진동시키는 진동기가 있을 수 있다. 진동기는 25 HZ 내지 60 HZ로 진동할 수 있다. 진동기는 압전 진동기일 수 있다.
본 발명은 첨부한 도면들을 참조하여, 예시적으로 주어진 실시예들의 다음의 설명으로부터 보다 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 개선된 스테레오리소그래피 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 정면도이다.
도 3은 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 부분 정면도이다.
도 4a는 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 탱크의 사시 단면도이다.
도 4b는 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 탱크 내의 침윤가능 재료의 표면 영역의 확대도이다.
도 5a 내지 도 5d는 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 탱크 내에 있을 수 있는 침윤가능 재료의 표면 영역의 대안적인 실시예들의 확대도들이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 탱크의 평면도들이다.
도 7은 형성되고 있는 객체를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 부분 사시도이다.
도 8은 수지(resin)의 연속적인 경화에 의해 형성되고 있는 객체의 중공부(hollow portion)를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 부분도이다.
도 9는 수지의 연속적인 경화에 의해 형성되고 있는 객체의 중공부를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 다른 부분도이다.
도 10은 수지의 연속적인 층화된(continuous-layered) 경화에 의해 형성되고 있는 비교적 작은 단면을 갖는 객체의 중실부(solid portion)를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 부분도이다.
도 11은 수지의 연속적인 층화된 경화에 의해 형성되는 비교적 작은 단면을 갖는 객체의 중실부를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 부분도이고, 탱크의 바닥부로부터 객체가 빼내어질(pulled away) 때 침윤가능 재료는 유연하다.
도 12는 수지의 연속적인 층화된 경화에 의해 형성되고 있는 비교적 작은 단면을 갖는 객체의 중실부를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 부분도이다.
도 13은 수지의 연속적인 층화된 경화에 의해 형성되고 있는 비교적 작은 단면을 갖는 객체의 중실부를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 다른 부분도이다.
도 14는 수지의 연속적인 층화된 경화에 의해 형성되고 있는 비교적 작은 단면을 갖는 객체의 중실부를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 부분도이며, 객체와 침윤가능 재료 사이에 간격이 있다.
도 15는 수지의 연속적인 층화된 경화에 의해 형성되고 있는 비교적 작은 단면을 갖는 객체의 중실부를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 부분도이며, 객체와 침윤가능 재료 사이의 간격을 수지가 부분적으로 채운다.
도 16은 수지의 연속적인 층화된 경화에 의해 형성되고 있는 비교적 작은 단면을 갖는 객체의 중실부를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 부분도이며, 객체와 침윤가능 재료 사이의 간격을 수지가 부분적으로 채운다.
도 17은 수지의 층화된 경화에 의해 형성되고 있는 비교적 큰 단면을 갖는 객체의 중실부를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 부분도이다.
도 18은 수지의 층화된 경화에 의해 형성되고 있는 비교적 큰 단면을 갖는 객체의 중실부를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 부분도이며, 탱크가 제 1 방향으로 기울어져 있다.
도 19는 수지의 층화된 경화에 의해 형성되고 있는 비교적 큰 단면을 갖는 객체의 중실부를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 부분도이며, 탱크가 제 2 방향으로 기울어져 있다.
도 20은 수지의 연속적인 층화된 경화에 의해 형성되고 있는 비교적 작은 단면을 갖는 객체의 중실부를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 부분도이다.
도 21은 수지의 연속적인 층화된 경화에 의해 형성되고 있는 비교적 작은 단면을 갖는 객체의 중실부를 도시하는, 도 1의 스테레오리소그래피 시스템의 다른 부분도이다.
도 22는 도 1의 스테레오리소그래피 시스템과 함께 사용될 수 있는 탱크의 제 2 실시예의 사시 단면도이다.
도 23은 도 1의 스테레오리소그래피 시스템과 함께 사용될 수 있는 탱크의 제 3 실시예의 사시 단면도이다.
도 24는 도 1의 스테레오리소그래피 시스템과 함께 사용될 수 있는 탱크의 제 4 실시예의 사시 단면도이다.
도 25는 도 1의 스테레오리소그래피 시스템과 함께 사용될 수 있는 탱크의 제 5 실시예의 사시 단면도이다.
도 26은 도 1의 스테레오리소그래피 시스템과 함께 사용될 수 있는 탱크의 제 6 실시예의 사시 단면도이다.
도 27은 다른 개선된 스테레오리소그래피 시스템의 사시도이다.
도 28은 도 27의 스테레오리소그래피 시스템의 탱크의 사시 단면도이다.
도 29는 도 27의 스테레오리소그래피 시스템과 함께 사용될 수 있는 탱크의 제 2 실시예의 사시 단면도이다.
도 30은 도 27의 스테레오리소그래피 시스템과 함께 사용될 수 있는 탱크의 제 2 실시예의 사시 단면도이다.
도 31은 본원에서 개시되는 스테레오리소그래피 시스템들의 컨트롤러들의 로직을 도시하는 흐름도이다.
도면들, 먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 개선된 스테레오리소그래피 시스템(10)이 도시된다. 스테레오리소그래피 시스템(10)은, 스테레오리소그래피 시스템(10)이 원하는 위치로 쉽게 이동되도록 하는 복수의 캐스터(castor)들, 예를 들어 캐스터들(14 및 16) 상에 마운팅되는 하우징(12)을 포함한다. 캐스터들(14 및 16)은 구조 및 기능에 있어서 실질적으로 동일하며, 각각의 브레이크, 예를 들어 캐스터들(14) 중 하나에 대해 호출되는(called out) 브레이크(18)를 각각 갖는다. 브레이크(18)는 지면 상접(ground engaging) 브레이크이며, 스테레오리소그래피 시스템(10)이 원하는 위치에 고정되도록 한다. 하우징(12)은 저부(20) 및 상부(30)를 갖는다. 하우징(12)의 저부(20)는 핸들(24), 및 하우징(12)의 저부(20)에의 접근을 허용하고 제한하는 잠금부(26)가 제공되는 도어(22)를 포함한다. 하우징(12)의 저부(20)에는, 하우징(12)의 저부(20) 내에 공기가 순환되도록 하는 도 1에만 도시된 통풍구(vent)(28)가 또한 제공된다. 마찬가지로, 하우징(12)의 상부(30)는 핸들(34), 및 하우징(12)의 상부(30)에의 접근을 허용하고 제한하는 잠금부(36)가 제공되는 도어(32)를 포함한다. 이 예시에서, 하우징(12)의 상부(30)의 도어(32)에는 광학적으로 투명한 창유리(pane)(38)가 제공된다.
도 3을 참조하면, 하우징(12)의 저부(20) 내에 배치되는 방출(emitting) 디바이스(40)가 있다. 방출 디바이스는, 수지를 경화하거나 또는 중합하는데 사용될 수 있는 임의의 적절한 발광 디바이스일 수 있다. 방출 디바이스 위의 하우징(12)의 상부(30) 내에 배치되는 탱크(42)가 있다. 또한, 하우징(12)의 상부(30) 내에 선형 스테이지(44)가 있다. 선형 스테이지(44)는 탱크(42)로부터 떨어져 수직으로 연장되고, 선형 스테이지(44)를 따라 캐리어 플랫폼(46)이 이동가능하다. 스테레오리소그래피 시스템(10)은, 지금까지 설명된 바와 같이, 객체의 단면들이, 형성되는 객체의 바닥에서 형성되는 “탑다운(top down)” 3차원 프린팅 기술에서 사용되는 일반적인 종래의 스테레오리소그래피 시스템이다.
그러나, 도 4a에 가장 잘 도시된 바와 같이, 스테레오리소그래피 시스템(10)의 탱크(42)는 신규한 구조를 갖는다. 탱크(42)는 광학적으로 투명한 바닥벽(48)을 갖는다. 탱크(42)의 바닥벽(48)으로부터 연장되는 복수의 측벽들, 예를 들어 측벽들(50, 52 및 54)이 있다. 탱크(42) 내의 탱크(42)의 바닥벽(48)에 광학적으로 투명한 침윤가능 재료(56)가 있다. 침윤가능 재료(56)는 침윤될 수 있는, 즉 물을 함유할 수 있는 임의의 재료일 수 있다. 이 예시에서, 침윤가능 재료(56)는 막의 형태에 있고 탱크(42)의 바닥벽(48)을 덮는다. 그러나, 다른 예시들에서, 침윤가능 재료(56)는 탱크(42)의 바닥벽(48) 상에 코팅되거나 또는 형성될 수 있다. 침윤가능 재료(56)는 1 밀리미터 내지 4 밀리미터 사이의 두께를 가질 수 있다.
도 4b는 침윤가능 재료(56)의 표면의 나노구조물을 도시한다. 침윤가능 재료(56)의 표면의 나노구조물은, 원뿔대 형태에 있는 복수의 돌출부들, 예를 들어 침윤가능 재료(56)의 표면을 따라 떨어져 이격되는 돌출부들(58a, 58b 및 58c)을 포함한다. 이 예시에서, 돌출부들(58a, 58b 및 58c)은 10 미크론 내지 20 미크론 사이의 기저 직경 및 5 미크론 내지 15 미크론 사이의 상단 직경을 갖는다. 돌출부들(58a, 58b 및 58c)은 이 예시에서 10 미크론보다 작게 떨어져 이격된다. 침윤가능 재료(56)의 표면의 나노구조물은 침윤가능 재료(56)의 표면을 초소수성으로 만들고, 예시적인 예시들인 도 5a 내지 도 5d에 도시된 바와 같은 대안적인 적절한 형태들을 취할 수 있다. 도 5b에서, 침윤가능 재료의 표면의 나노구조물은 실린더 형태에 있는 복수의 돌출부들을 포함한다. 도 5c 및 도 5d에서, 침윤가능 재료의 표면의 나노구조물은 꽃잎의 나노구조물을 모방한 것이다. 침윤가능 재료(56)의 표면의 나노구조물은 화학 처리 또는 레이저 스컬프팅(sculpting) 또는 포토리소그래피에 의해 제조될 수 있다. 침윤가능 재료(56)의 표면의 나노구조물은 수직으로 정렬된 표면, 또는 계층적으로 구조화된 표면, 또는 이들의 조합일 수 있다. 예를 들어, Teflon® 또는 다른 소수성 재료로 침윤가능 재료(56)의 표면의 나노구조물을 코팅하는 것이 여전히 대안적으로 가능할 수 있다. 당업자는, 초소수성 표면을 구비한 종래의 “탑다운” 스테레오리소그래피 시스템에 실리콘 재료(예를 들어, 층)를 제공하기 위해 이 단락에서 설명된 프로세스와 동일하거나 또는 유사한 프로세스가 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
이제 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 이 예시에서, 침윤가능 재료(56)는 접착제 프라이머(adhesive primer) 또는 시아노아크릴레이트(cyanoacrylate) 접착제와 같은 광학적으로 투명한 접착제(60)에 의해 탱크(42)의 바닥벽(48)(도 6a 내지 도 c에서 도시 생략)에 고정된다. 침윤가능 재료(56)는 도 6a에 도시된 바와 같이 침윤가능 재료(56)의 주변 둘레만 탱크(42)의 바닥벽(48)에 접착될 수 있다. 이는 침윤가능 재료(56)를 유연하게 한다. 침윤가능 재료(56)는 도 6a에 도시된 바와 같이 격자 패턴으로 탱크(42)의 바닥벽(48)에 접착될 수 있다. 이는 침윤가능 재료(65)를 규정된 영역들 내에서만 유연하게 한다. 도 6c에 도시된 바와 같은 원형 패턴들 또는 교차 라인들을 갖는 임의의 다른 적절한 패턴으로 침윤가능 재료(56)를 접착함으로써 유사한 결과가 달성될 수 있다. 당업자는, 실리콘 재료(예를 들어, 층)를 종래의 “탑다운” 스테레오리소그래피 시스템에 접착하여 규정된 영역들 내에서만 실리콘 재료를 유연하게 하기 위해 이 단락에서 설명된 프로세스와 동일하거나 또는 유사한 프로세스가 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
탱크(42)에는, 진동기들(62 및 64)의 형태에 있을 수 있는 액추에이터들이 또한 제공된다. 이 예시에서, 진동기들(62 및 64)은 초음파 변환기들, 특히 압전 액추에이터 또는 진동기들이다. 그러나, 임의의 적절한 진동기가 사용될 수 있다. 진동기들(62 및 64)은 이 예시에서 수직 배향으로 사용되지만 다른 예시들에서 수평 배향으로 사용될 수 있다. 진동기들(62 및 64)은 25 Hz 내지 60 Hz 사이의 주파수들로 진동할 수 있다. 진동기들(62 및 64)은 필요할 때 탱크(42)를 기울이는 기능을 한다. 그러나, 다른 예시들에서 탱크를 기울이기 위해 탱크의 양 측부에 배치되는 모터 구동 선형 액추에이터들과 같은 임의의 적절한 액추에이터들이 사용될 수 있다.
도 7은 스테레오리소그래피 시스템(10)의 탱크(42) 내에서 수지(70)로 형성되는 객체(68)를 도시한다. 방출 디바이스(40)는, 캐리어 플랫폼(46) 상에 객체(68)가 형성됨에 따라 분출(blast) 또는 방출 광(72)을 방출한다. 캐리어 플랫폼(46)은, 방출 디바이스(40)가 분출 또는 방출 광(72)을 방출하고 객체(68)가 형성됨에 따라 탱크(42)로부터 떨어져 상향으로 이동한다. 형성되는 객체 또는 형성되는 객체의 일부에 따라 방출 또는 방사 광의 지속시간(duration) 및 세기(intensity)를 제어하기 위해 컨트롤러(74)가 사용될 수 있다. 객체(68)는 따라서, 탱크(42) 내에서 수지(70)의 연속적인, 연속적인 층화된, 또는 층화된 경화를 사용하여 형성될 수 있다. 스테레오리소그래피 시스템(10)에는 또한, 객체(68)가 형성되고 고온이 발생될 때 탱크(42), 및 탱크(42)의 컨텐츠, 즉 침윤가능 재료(56) 및 수지(70)를 냉각시키기 위한 냉각 팬(76)과 같은 냉각 디바이스가 제공될 수 있다. 냉각 디바이스는 대안적으로 에어 나이프 또는 다른 적절한 냉각 디바이스일 수 있다. 객체(68)가 비교적 고속으로 형성되기 때문에 본원에서 개시되는 스테레오리소그래피 시스템(10)의 동작 동안 고온이 발생된다. 당업자는, 수지가 조사(irradiation)에 의해 경화되거나 또는 중합되어 객체(68)의 단면들을 형성한다는 점이 이해될 것이다.
수지가 경화됨에 따라 열이 생성되기 때문에, 특히 객체(68)가 연속적으로 형성될 때, 가능한 한 많은 열을 배출시키는 것이 바람직하다. 높은 열전도율을 갖는 재료로 탱크(42)의 바닥벽(48)을 형성함으로써, 열이 보다 빨리 배출될 수 있고, 이는 적은 열이 축적된 결과로서 객체(68)의 단면의 사이즈 및 높이가 증가되도록 한다. 또한, 탱크(42)의 바닥벽(48)이 높은 열전도율을 가지면, 침윤가능 재료 및/또는 수지에 일반적으로 기포들이 형성되지 않는다. 침윤가능 재료 및/또는 수지에서의 기포들의 형성은 객체(68)의 형성에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 높은 열전도율을 갖는 광학적으로 투명한 재료로 탱크(42)의 바닥벽(48)을 형성하는 것이 바람직하다. 탱크(42)의 바닥벽(48)을 형성하기 위해 300K에서 25 W/ (m x K)의 열전도율을 갖는 사파이어 글래스가 사용될 수 있다. 탱크(42)의 바닥벽(48)을 형성하기 위해 300K에서 25 W/ (m x K)의 열전도율을 갖는 투명한 세라믹 스피넬이 또한 사용될 수 있다. Starphire™ 글래스와 같은 높은 열전도율을 갖는 저철분(low-iron) 글래스가 또한 사용될 수 있다. 그러나, 탱크(42)의 바닥벽(48)은 25K에서 0.20 W/ (m x K)의 열전도율을 갖는 아크릴 글래스, 또는 25K에서 0.95 W/ (m x K)의 열전도율을 갖는 소다 라임 실리카(soda-lime-silica) 글래스 또는 소다 라임 글래스로 또한 형성될 수 있다.
객체(68)의 중공부(78)의 형성 동안, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(74)는 분출 또는 방출 광(72)의 지속시간을 감소시키고 분출 또는 방출 광(72)의 세기를 증가시킬 수 있다. 분출 또는 방출 광(72)의 지속시간은 중공부(78)의 형성 동안, 경화되는 보다 작은 표면적으로 인해 수지가 경화되거나 중합되는데 더 적은 시간이 필요하기 때문에 감소된다. 그러나, 분출 또는 방출 광(72)의 세기는 중공부(78)의 형성 동안, 객체(68)의 단면들의 연속적인 형성을 통해 객체(68)의 형성을 가속시키기 위해 증가된다. 도 8 및 도 9는 탱크(42)의 바닥벽(48)에 있는 침윤가능 재료(56)와 탱크(42) 내의 수지(70)로 형성되는 객체(68) 사이의 갭(80)을 도시한다. 갭(80)은, 객체(68)가 탱크(42)의 바닥벽(48) 바로 위에서 형성되지 않으므로 일반적으로 객체(68)가 객체(68)의 중공부(78)의 형성 동안 탱크(42)의 바닥벽(48)으로부터 떨어내어지거나(peeled away) 또는 빼내어질 필요성을 없애기 때문에 객체(68)가 연속적으로 형성되도록 한다.
비교적 작은 단면을 갖는 객체(68)의 중실부(82)의 형성 동안, 도 10 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(74)는 분출 또는 방출 광(72)의 지속시간을 증가시키고 분출 또는 방출 광(72)의 세기를 저하시킬 수 있다. 분출 또는 방출 광(72)의 지속시간은 중실부(82)의 형성 동안, 경화되는 보다 큰 표면적으로 인해 수지가 경화되거나 중합되는데 추가적인 시간이 필요하기 때문에 증가된다. 분출 또는 방출 광(72)의 세기는 중실부(82)의 형성 동안, 침윤가능 재료(56)를 건조시킬 수 있는 과열을 최소화하기 위해 저하된다. 도 10 및 도 13은 또한 탱크(42)의 바닥벽(48)에 있는 침윤가능 재료(56)와 탱크(42) 내의 수지(70)로 형성되는 객체(68) 사이의 갭(80)을 도시한다. 갭(80)은 객체(68)의 중실부(82)의 형성 동안, 도 10 및 도 11에 가장 잘 도시된 바와 같이, 객체(68)가 탱크(42)의 바닥벽(48) 바로 위에서 형성되지 않고 객체(68)가 탱크(42)의 바닥벽(48)으로부터 쉽게 빼내어질 수 있기 때문에, 수지(70)의 연속적인 층화된 경화에 의해 객체(68)가 형성되도록 한다. 이는, 침윤가능 재료(56)의 영역(84)에 도시된 바와 같이 침윤가능 재료(56)가 규정된 영역들 내에서 유연할 수 있어서 객체(68)를 빼내기 위해 필요한 힘을 감소시키기 때문이다. 이는 객체(68)의 중실부(82)의 단면들을 형성하는데 필요한 시간을 감소시킨다.
이제 도 14 내지 도 17을 참조하면, 수지가 객체(68)의 바닥부(88)와 탱크(42)의 바닥벽(48) 사이의 간격(86)을 채울때까지 분출 또는 방출 광을 제공하지 않음으로써 객체(68) 내의 기포들의 형성이 또한 방지될 수 있다. 객체(68)의 형성 동안, 도 14에 가장 잘 도시된 바와 같이, 캐리어 플랫폼(46)이 탱크(42)의 바닥벽(48)으로부터 멀리 이동함에 따라 갭(80)과 객체(68)의 바닥부(88) 사이에 일시적으로 간격(86)이 있다. 간격(86)은 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이 거의 일순간에 수지(70)로 채워진다. 그러나, 도 15에 도시된 바와 같이 수지(70)가 간격(86)을 완전히 채우기 전에 객체(68)의 단면이 형성되면, 간격(86)은 객체(68)의 단면의 형성 동안 간격(86) 주변에 있는 수지가 경화됨에 따라 객체(68) 내에 기포를 형성한다. 따라서, 객체(68)의 단면을 형성하기 전에, 도 16에 도시된 바와 같이 간격(86)이 수지(70)로 실질적으로 채워질때까지 기다리는 것이 바람직하다. 이는 다음의 알고리즘을 이용하도록 컨트롤러(74)를 프로그래밍함으로써 달성될 수 있다.
단계 1: 시작
단계 2: 도 14에 도시된 바와 같이 탱크(48)의 바닥부로부터 멀리 객체(68)를 이동시킴.
단계 3: 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 형성되는 객체(68)의 바닥부(88)와 갭(80) 사이의 간격(86) 내로 수지가 흐를 때 일시적으로 광을 방출하지 않음
단계 4: 도 17에 도시된 바와 같이, 형성되는 객체(68)의 바닥부(88)와 갭(80) 사이의 간격(86)을 수지(70)가 채울 때, 수지를 경화하여, 형성되는 객체(68)의 원하는 단면을 형성하도록 광을 방출함
단계 5: 단계 2 반복
도 18 내지 도 21에 도시된 바와 같이, 비교적 큰 단면을 갖는 객체(68)의 중실부(90)의 형성 동안, 객체(68)의 중실부(90)를 미세하게 떨어내기 위해 탱크(42)를 기울이는 것이 바람직할 수 있다. 도 6a 내지 도 6c에 도시된 진동기들(62 및 64)은 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이 캐리어 플랫폼(46)이 탱크(42)로부터 멀리 이동되는 동안 교대로 진동한다. 이는, 도 20에 도시된 바와 같이 객체(68)와 침윤가능 재료(56) 사이의 수지(70)의 흐름을 용이하게 한다. 이어서 도 21에 도시된 바와 같이 객체(68) 영역의 다른 단면이 형성될 수 있다. 캐리어 플랫폼(46)이 재위치되고 객체(68)가 완전히 형성될때까지 프로세스가 반복된다.
진동기들(62 및 64)은, 수지(70)를 경화하거나 또는 중합하기 위해 광이 방출되지 않는 어느 때라도 작동될 수 있다. 진동기들(62 및 64)은 또한 수지(70)의 흐름을 돕는데 사용될 수 있다. 진동기들(62 및 64)은 탱크(42)의 일 측부 상의 진동기가 상향으로 진동하는 동안 탱크의 반대 측부 상의 진동기가 하향으로 진동하도록 위치될 수 있다. 진동기들(62 및 64)은, 형성되는 객체(68)의 단면에 기반하여 가장 효율적인 진동들의 조합을 생성하도록 선택적으로 작동될 수 있다.
도 22는 본원에 개시된 스테레오리소그래피 시스템(10)과 함께 사용될 수 있는 탱크(110)의 제 2 실시예를 도시한다. 탱크(110)는 도 4a에 도시된 탱크(42)와 실질적으로 유사하다. 탱크(110)는 광학적으로 투명한 바닥벽(112)을 갖고, 탱크(110) 내의 탱크(110)의 바닥벽(112)에 침윤가능 재료(114)가 있다. 그러나, 탱크(110)는 탱크(110)의 제 1 측부에 배치되는 액추에이터(116) 및 탱크(110)의 제 2 측부에 있는 힌지 메커니즘(118)을 갖는다. 이 예시에서, 액추에이터(116)는 탱크(110)를 기울이기 위해 힌지 메커니즘(118)을 중심으로 탱크(110)를 피벗하는 모터로 구동되는 선형 액추에이터이다.
도 23은 본원에 개시된 스테레오리소그래피 시스템(10)과 함께 사용될 수 있는 탱크(120)의 제 3 실시예를 도시한다. 탱크(120)는 도 4a에 도시된 탱크(42)와 실질적으로 유사하다. 탱크(120)는 광학적으로 투명한 바닥벽(122)을 갖고, 탱크(120) 내의 탱크(120)의 바닥벽(122)에 침윤가능 재료(124)가 있다. 그러나, 탱크(120)는 침윤가능 재료(124)와 유체 연통되는 저수조(126)를 더 가질 수 있다. 저수조(126) 내에 물이 있을 수 있고, 이 물은 침윤가능 재료를 습하게 유지하기 위해 침윤가능 재료(124)에 인가될 수 있다.
도 24는 본원에 개시된 스테레오리소그래피 시스템(10)과 함께 사용될 수 있는 탱크(130)의 제 4 실시예를 도시한다. 탱크(130)는 도 4a에 도시된 탱크(42)와 실질적으로 유사하지만, 주목할만한 예외는 탱크(140)가 침윤가능 재료로 형성된 광학적으로 투명한 바닥벽(132)을 갖는 점이다.
도 25는 본원에 개시된 스테레오리소그래피 시스템(10)과 함께 사용될 수 있는 탱크(140)의 제 5 실시예를 도시한다. 탱크(140)는 도 4a에 도시된 탱크(42)와 실질적으로 유사하다. 탱크(140)는 광학적으로 투명한 바닥벽(142)을 갖고, 탱크(140) 내의 탱크(140)의 바닥벽(142)에 침윤가능 재료(144)가 있다. 그러나, 탱크(140)에는 입력 도관(input conduit)(154)과 유체 연통되는 펌프(152)를 포함하는 폐루프 수지 재순환부(closed-loop resin recirculation) 및/또는 수지 냉각 시스템(150)이 더 제공된다. 입력 도관(154)은, 입력 도관(154)과 탱크(140) 사이의 유체 연통을 가능하게 하는 3개의 입력 포트들(156a, 156b 및 156c)을 갖는다. 폐루프 수지 재순환부 및/또는 수지 냉각 시스템(150)은 탱크(140)와 출력 도관(160) 사이의 유체 연통을 가능하게 하는 출력 포트(158)를 또한 포함한다. 출력 포트(158)와 펌프(152) 사이에 출력 도관(160)을 따라 배치되는 코일(162)이 있다. 동작시에, 펌프(152)는 수지를 탱크(140)로부터 출력 포트(158)를 통하도록 이끈다. 수지는 출력 도관(160)을 통해 펌프(152)로 흐르고 코일(162)을 통해 흐를 때 냉각될 수 있다. 이어서 펌프(152)는 수지를 입력 도관(154)을 통해 그리고 입력 포트들(156a, 156b 및 156c)을 통해 다시 탱크(140) 내로 펌핑한다. 수지는 수지의 터뷸런스를 최소화하기 위해 분당 약 100mm의 유동률로 탱크(140) 내에서 흐르고 탱크(140)의 바닥벽(142)에 인접하여 탱크(140) 내에서 흐른다. 당업자는, 폐루프 수지 재순환부 및/또는 수지 냉각 시스템이 또한 종래의 “탑다운” 스테레오리소그래피 시스템에서 탱크와 함께 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
도 26은 본원에 개시된 스테레오리소그래피 시스템(10)과 함께 사용될 수 있는 탱크(170)의 제 6 실시예를 도시한다. 탱크(170)는 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽(172a) 및 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽(172b)을 갖는다. 탱크(170)의 제 1 바닥벽(172a) 및 탱크(170)의 제 2 바닥벽(172b)은 서로 이격되고 이들 사이에 공간(173)이 있다. 탱크(170) 내의 탱크(170)의 제 1 바닥벽(172a)에 침윤가능 재료(174)가 있다. 탱크(170)에는 입력 도관(184)과 유체 연통되는 펌프(182)를 포함하는 폐루프 유체 냉각 시스템(180)이 더 제공된다. 입력 도관(184)은, 입력 도관(184)과, 탱크(170)의 제 1 바닥벽(172a)과 탱크(170)의 제 2 바닥벽(172b) 사이의 공간(173) 사이의 유체 연통을 가능하게 하는 입력 포트(186)를 갖는다. 폐루프 유체 냉각 시스템(180)은, 출력 도관(190)과, 탱크(170)의 제 1 바닥벽(172a)과 탱크(170)의 제 2 바닥벽(172b) 사이의 공간(173) 사이의 유체 연통을 가능하게 하는 출력 포트(188)를 또한 포함한다. 출력 포트(188)와 펌프(182) 사이에 출력 도관(190)을 따라 배치되는 코일(192)이 있다. 동작시에, 펌프(182)는 탱크(170)의 제 1 바닥벽(172a)과 탱크(170)의 제 2 바닥벽(172b) 사이의 공간(173) 내로 유체를 펌핑한다. 유체는 탱크(170)의 제 1 바닥벽(172a)을 냉각하고 침윤가능 재료(174)에의 열 데미지를 방지하는데 사용되는 공기 또는 물일 수 있다. 이어서 유체는 출력 포트(188)를 통하도록 이끌리고 출력 도관(190)을 통해 펌프(182)로 흐르며 코일(192)을 통해 흐를 때 냉각될 수 있다. 이어서 펌프(182)는 냉각된 유체를 입력 도관(184)을 통해 그리고 입력 포트(186)를 통해 다시 탱크(170)의 제 1 바닥벽(172a)과 탱크(170)의 제 2 바닥벽(172b) 사이의 공간(173) 내로 펌핑한다. 당업자는, 폐루프 유체 냉각 시스템이 또한 종래의 “탑다운” 스테레오리소그래피 시스템에서 탱크와 함께 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
도 27은 도 7에 도시된 스테레오리소그래피 시스템(10)과 실질적으로 동일한 다른 개선된 스테레오리소그래피 시스템(210)을 도시하지만, 주목할만한 예외는 발광 디바이스(240)가 탱크(220)와 통합되고 스테레오리소그래피 시스템(210)의 냉각 디바이스가 에어 나이프(212)인 점이다. 탱크(220)는 도 28에 매우 상세히 도시되고 일반적으로 도 4a에 도시된 탱크(42)와 유사하다. 탱크(220)는 광학적으로 투명한 바닥벽(222)을 갖고, 탱크(220) 내의 탱크(220)의 바닥벽(222)에 침윤가능 재료(224)가 있다. 그러나, 탱크(220)의 바닥벽(222)은 탱크(220)의 주변 에지를 따라 배치되는 복수의 발광 디바이스들, 예를 들어 발광 디바이스들(226 및 228)을 더 포함한다. 발광 디바이스들은 객체를 형성하기 위한 연속적인 방출 광을 제공한다. 탱크의 바닥벽은, LCD 모니터의 백색 배면광(back lights)이, 발광 디바이스들로서 기능하는 UV LED 광으로 대체되는 변형된 LCD 모니터일 수 있다. 이는, 이전에 LCD 모니터 상에 백색 광으로 투사된 이미지가 이미지의 형태로 객체를 형성하기 위한 분출 또는 분사 UV 광으로 연속적으로 투사되도록 한다. 당업자는, LCD 모니터의 백색 배면광이, 발광 디바이스들로서 기능하는 UV LED 광으로 대체되는 변형된 LCD 모니터가 종래의 “탑다운” 스테레오리소그래피 시스템에서 탱크의 바닥벽으로서 또한 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
도 29는 본원에 개시된 스테레오리소그래피 시스템(10)과 함께 사용될 수 있는 탱크(230)의 제 2 실시예를 도시한다. 탱크(230)는 도 4a에 도시된 탱크(42)와 실질적으로 유사하다. 탱크(230)는 광학적으로 투명한 바닥벽(232)을 갖고, 탱크(230) 내의 탱크(230)의 바닥벽(232)에 침윤가능 재료(234)가 있다. 그러나, 탱크(230)의 바닥벽(232)에 UV 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode; OLED)(236)가 있다. UV OLED는 발광 디바이스로서 기능한다. 당업자는, 발광 디바이스로서 기능하는 UV OLED가 또한 종래의 “탑다운” 스테레오리소그래피 시스템에서 탱크와 함께 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
도 30은 본원에 개시된 스테레오리소그래피 시스템(10)과 함께 사용될 수 있는 탱크(240)의 제 3 실시예를 도시한다. 탱크(240)는, 광학적으로 투명한 바닥벽(242a), 및 발광 디바이스로서 기능하는 UV 유기 발광 다이오드(OLED)의 형태에 있는 제 2 바닥벽(242b)을 갖는다. 탱크(240)의 제 1 바닥벽(242a) 및 탱크(240)의 제 2 바닥벽(242b)은 서로 이격되고 이들 사이에 공간(243)이 있다. 탱크(240) 내의 탱크(240)의 제 1 바닥벽(242a)에 침윤가능 재료(244)가 있다. 탱크(240)에는 입력 도관(254)과 유체 연통되는 펌프(252)를 포함하는 폐루프 유체 냉각 시스템(250)이 더 제공된다. 입력 도관(254)은, 입력 도관(254)과, 탱크(240)의 제 1 바닥벽(242a)과 탱크(240)의 제 2 바닥벽(242b) 사이의 공간(243) 사이의 유체 연통을 가능하게 하는 입력 포트(256)를 갖는다. 폐루프 유체 냉각 시스템(250)은, 출력 도관(260)과, 탱크(240)의 제 1 바닥벽(242a)과 탱크(240)의 제 2 바닥벽(242b) 사이의 공간(243) 사이의 유체 연통을 가능하게 하는 출력 포트(258)를 또한 포함한다. 출력 포트(280)와 펌프(252) 사이에 출력 도관(260)을 따라 배치되는 코일(262)이 있다. 동작시에, 펌프(252)는 탱크(240)의 제 1 바닥벽(242a)과 탱크(240)의 제 2 바닥벽(242b) 사이의 공간(243) 내로 유체를 펌핑한다. 유체는 탱크(240)의 제 1 바닥벽(242a)을 냉각하고 침윤가능 재료(244)에의 열 데미지를 방지하는데 사용되는 공기 또는 물일 수 있다. 이어서 유체는 출력 포트(258)를 통하도록 이끌리고 출력 도관(260)을 통해 펌프(252)로 흐르며 코일(262)을 통해 흐를 때 냉각될 수 있다. 이어서 펌프(252)는 냉각된 유체를 입력 도관(254)을 통해 그리고 입력 포트(256)를 통해 다시 탱크(240)의 제 1 바닥벽(242a)과 탱크(240)의 제 2 바닥벽(242b) 사이의 공간(243) 내로 펌핑한다. 당업자는, 폐루프 유체 냉각 시스템이 또한 종래의 “탑다운” 스테레오리소그래피 시스템에서 탱크와 함께 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
스테레오리소그래피 시스템(210)에는 탱크와 통합된 발광 디바이스들을 제어하는 컨트롤러(214)가 또한 제공된다.
도 31은 본원에 개시된 스테레오리소그래피 시스템들의 컨트롤러들의 로직을 도시하는 흐름도이다. 최적 알고리즘을 실행할 때, 컨트롤러는 객체가 수지의 연속적인, 연속적인 층화된 또는 층화된 경화에 의해 형성되어야 하는지의 여부를 결정한다.
침윤가능 재료
침윤가능 재료(56)는, 도 21 내지 도 29에 도시된 바와 같이 탱크
(42) 내의 침윤가능 재료(56)와 수지 사이의 계면에 갭(80) 또는 “데드존”을 초래하는 히드로겔, 예를 들어 실리콘 히드로겔, 또는 임의의 다른 적절한 침윤가능 재료일 수 있다. 갭(80)은 탱크(42) 내의 침윤가능 재료(56)와 수지 사이의 분자간 척력의 결과일 수 있고/있거나 갭(80)은 수지와 물이 혼합되지 않기 때문에 침윤가능 재료(56)와 수지를 분리시키는 물 층(layer of water)의 결과일 수 있다. 침윤가능 재료(56)와 수지 사이의 분리는, 글리세린이 수지와 혼합되지 않기 때문에 침윤가능 재료(56)에 글리세린을 첨가함으로써 개선될 수 있다. 침윤가능 재료(56)와 수지 사이의 분리는, 침윤가능 재료(56)에 UV 억제제 및 글리세린을 첨가함으로써 더 개선될 수 있다. UV 억제제 및 글리세린의 첨가는, 수지의 매우 얇은 층의 침윤가능 재료(56)와의 사이의 계면에서의 경화를 방지한다.
침윤가능 재료(56) 내의 글리세린 및 UV 억제제의 농도들은 사용되는 수지의 유형에 의존한다. 침윤가능 재료(56) 내의 글리세린의 농도는 히드로겔 기반 침윤가능 재료에 대해 1 vol%만큼 낮을 수 있고, 글리세린 겔 기반 침윤가능 재료에 대해 95 vol%만큼 높을 수 있다. 침윤가능 재료(56) 내의 UV 억제제의 농도는 0.5 vol% 내지 25 vol% 사이일 수 있다. 보다 많은 광개시제들(photoinitiators)을 함유하는 고반응성 수지는 보다 많은 글리세린 및 보다 많은 UV 억제제를 필요로 할 수 있는 반면, 보다 적은 광개시제들을 함유하는 저반응성 수지는 보다 적은 글리세린 및 보다 적은 UV 억제제를 필요로 할 수 있다.
히드로겔 기반 침윤가능 재료들
침윤가능 재료(56)에 사용되는 히드로겔은 임의의 수단에 의해 제조될 수 있고 다음의 일반적인 수단은 예시이다:
수용액에서 10% 내지 70%의 농도를 갖고 MHC(methoxyhydroquinone)를 억제제로서 사용한 수용성 가교제, 예를 들어 메틸렌 비스아크릴아미드(bis-acrylamide)를 갖는 아크릴산 및/또는 아크릴산염의 용액으로 폴리(아크릴산) 히드로겔이 제조될 수 있다. 이는, 저장을 위해 건조되고 분쇄될 수 있는 결정질 탄성겔(gel-elastic) 생산물을 초래할 수 있다.
탈이온수에 희석된 가교제로서의 비스아크릴아미드와 단량체(monomer)로서의 아크릴아미드의 혼합물로서 초흡수성(superabsorbent) 히드로겔이 제조될 수 있다.
라디칼 생성기를 사용하여 폴리에틸렌 글리콜 아크릴산염을 교차 결합시키고 이어서 다량의(volume) MEHQ(monomethylether hydroquinone)를 억제제로서 사용하여 히드로겔을 안정화시킴으로써 폴리에틸렌 글리콜 히드로겔이 제조될 수 있다.
분자의 나선 구조가 형성될 때까지 용액 내의 카파 카라게닌(Kappa-Carrageenan)을 가온(warming)시킴으로써 물리적으로 교차 결합된 히드로겔이 제조될 수 있다. 염(Na+, K+)을 함유하는 용액의 추가적인 사용이 나선 구조를 더 응집시켜 안정적인 겔을 형성할 것이다.
1 중량%의 염화칼슘의 혼합물에 부어진 2 중량%의 알긴산 나트륨의 혼합물로서 알긴산 나트륨 히드로겔이 제조될 수 있다.
광개시제로서 2,2 디메톡시 2 페닐(2,2 dimethoxy-2-phenyl) 아세토페논을 갖는 수용액에 폴리(에틸렌 글리콜)을 용해시킴으로써 패턴화된 폴리(에틸렌 글리콜) 기반 히드로겔이 제조될 수 있다. 원하는 패턴을 획득하기 위한 UV 경화 프로세스 동안 포토리소그래피 기술이 사용된다.
동결 건조된 PEGDA를 물 및 광개시제와 혼합하고 UV 광(365nm)에 노출시켜 히드로겔 구조를 형성시킴으로써 PEGDA 동결 건조 겔이 제조될 수 있다.
특정 응용예에 요구되는 바와 같이 과산화 수소와 폴리비닐 피롤리돈을 혼합하고 UV 광(254nm)을 사용하여 교차 결합시켜 겔 구조들을 형성함으로써 폴리비닐 피롤리돈 기반 히드로겔이 제조될 수 있다.
HEMA 단량체, 과황산 암모늄 및 메타이아황산 나트륨(sodium metabisulfate)과 혼합된 콜라겐 용액을 사용함으로써 콜라겐/HEMA 히드로겔이 제조될 수 있다.
가교제로서 트리프로필렌(tripropylene) 글리콜 디아크릴산염(diacrylate)을, 라디칼 개시제들로서 과황산 암모늄 및 메타이아황산 나트륨을 사용하여 SucMA, 히드록시에틸메타크릴산염을 혼합함으로써 폴리히드록시에틸메타크릴산염 히드로겔이 제조될 수 있다.
폴리히드록시에틸메타크릴산염 히드로겔은 또한 열 중합에 의해 제조될 수 있다. 히드록시에틸메타크릴산염은 가교제로서의 트리메틸 프로판 트리메타크릴산염과, 라디칼 개시제로서의 과산화 벤조일(benzoil)과 중합될 수 있다. 이어서 혼합물은 히드로겔의 특성에 따라 일정 기간 동안 75°C로 가온된다.
40ml 내지 60ml 히드로겔 및 60ml 내지 80ml 과산화 수소의 혼합물을 사용하여 침윤가능 재료를 제조하기 위해 위에서 언급된 히드로겔들 및 20% 내지 50% 농축된 과산화 수소가 사용될 수 있다. 히드로겔 및 과불화탄소의 혼합물을 사용하여 침윤가능 재료를 제조하기 위해 위에서 언급된 히드로겔들이 또한 사용될 수 있다. 이는, 중합을 억제하는 표면층을 갖는 산소가 풍부한 침윤가능 재료를 초래할 수 있다.
수소 공여체 및 탈산소제와 히드로겔의 혼합물을 사용하여 침윤가능 재료를 제조하기 위해 위에서 언급된 히드로겔들이 또한 사용될 수 있다. 히드로겔들의 특정 예시들이 아래에 제공된다.
예시 1: 히드로겔 기반 침윤가능 재료는 1 vol% 아가르(agar), 25 vol% 글리세린, 0.5 vol% MEHQ, 1 vol% 게르만 II(Germane II), 72.5 vol% 탈이온수를 포함할 수 있다.
탈이온수가 혼합 탱크에 첨가되어 양호한 보텍스(vortex)를 보장하고 이어서 MEHQ, 글리세린, 게르만 II, 및 아가르가 서서히 첨가된다. 혼합은 적어도 4시간 동안 일어난다.
히드로겔을 주조하기 위한 준비는, 원하는 양의 혼합물을 95°C로 가열하고 95°C에서 5분 동안 또는 혼합물이 균질해질 때까지 유지함으로써 수행된다. 혼합물은 주형(mould)에 부어지고 24 시간 내지 48 시간 동안 놓여진다.
히드로겔의 더 나은 기계적 강도를 달성하기 위해 아가르의 농도가 증가될 수 있다.
더 나은 기계적 강도를 달성하거나 또는 더 나은 열 저항을 달성하기 위해 글리세린의 농도가 변경될 수 있다.
프린팅 프로세스 동안 수지 중합의 추가 억제를 달성하여 결과적으로 갭 또는 “데드존”을 낮추거나 또는 증가시키기 위해 MEHQ의 농도가 변경될 수 있다.
예시 2: 히드로겔 기반 침윤가능 재료는 1 vol% 아가르, 25 vol% 글리세린, 0.5 vol% MEHQ, 1 vol% 게르만 II(Germane II), 72.5 vol%의 탈이온수에 희석된 15% 농축된 과산화 수소를 포함할 수 있다.
탈이온수가 혼합 탱크에 첨가되어 양호한 보텍스를 보장하고 이어서 MEHQ, 글리세린, 게르만 II, 및 아가르가 서서히 첨가된다. 혼합은 적어도 4시간 동안 일어난다. 주조를 위해 혼합물을 가열하기 직전에 농축된 과산화 수소가 첨가된다.
히드로겔을 주조하기 위한 준비는, 원하는 양의 혼합물을 95°C로 가열하고 95°C에서 5분 동안 또는 혼합물이 균질해질 때까지 유지함으로써 수행된다. 혼합물은 주형에 부어지고 24 시간 내지 48 시간 동안 놓여진다.
프린팅 프로세스 동안 수지 중합의 억제를 증가시키기 위해 과산화 수소의 농도가 변경될 수 있다.
예시 3: 히드로겔 기반 침윤가능 재료는 1 vol% 내지 2 vol% 아가르, 25 vol% 글리세린, 0.5 vol% MEHQ, 1 vol% 게르만 II, 0.4 vol% 내지 2 vol% PVA(polyvinyl alcohol), 69.5 vol% 내지 72.1 vol% 탈이온수를 포함할 수 있다.
탈이온수가 혼합 탱크에 첨가되어 양호한 보텍스를 보장하고 이어서 MEHQ, 글리세린, 게르만 II, 아가르, 및 PVA가 서서히 첨가된다. 혼합은 적어도 4시간 동안 일어난다.
히드로겔을 주조하기 위한 준비는, 원하는 양의 혼합물을 95°C로 가열하고 95°C에서 5분 동안 또는 혼합물이 균질해질 때까지 유지함으로써 수행된다. 혼합물은 주형에 부어지고 24 시간 내지 48 시간 동안 놓여진다.
PVA의 농도는 기계적 특성들을 개선시키기 위해 변경될 수 있다.
프린팅 프로세스 동안 수지 중합의 억제를 증가시키기 위해 탈이온수에 희석된 농축된 과산화 수소가 혼합물에 첨가될 수 있다.
예시 4: 히드로겔 기반 침윤가능 재료는, N,N,N',N'-TMEDA(N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine) 및 산화제, 예를 들어 APS(ammonium persulfate)로 구성된 촉진제(accelerator) 용액을 사용하여 제조된 PEGDA(polyethylene glycol diacrylate)를 포함할 수 있다.
PEGDA는 5% 내지 30% 사이의 알려진 농도로 촉진제 용액에 첨가된다. 이 용액은 N,N,N',N'-TMEDA를 증류수와 10 밀리몰 내지 50 밀리몰 사이의 범위로 혼합함으로써 제조된다. APS 용액은 증류수에 APS를 첨가함으로써 10 밀리몰 내지 50 밀리몰 사이의 농도 범위로 제조된다. 반응은 대략 37°C의 온도에서 2시간 내지 3시간 동안 수행된다.
이 히드로겔 기반 침윤가능 재료의 변형물은 증류수를 과산화 수소로 대체함으로써 제조될 수 있다.
예시 5: 히드로겔 기반 침윤가능 재료는, 중합을 달성하기 위한 광개시제, 예를 들어 Irgacure® 819 페닐비스(phenylbis)(2,4,6-트리메틸벤조일)-포스핀(phosphine) 산화물, Irgacure® 651 (2 2-디메톡시-2-페닐아세토페논), Irgacure® 2959 (1-[4-(2-히드록시에톡시)-페닐]-2-히드록시-2-메틸-1-프로판-1-one) 또는 광개시제의 유효 파장을 고려한 임의의 다른 적절한 광개시제를 사용하여 UV 광 중합에 의해 제조된 PEGDA를 포함할 수 있다.
PEGDA/증류수/광개시제의 혼합은 알려진 양의 PEGDA를 5% 내지 30% 최종 농도로 광개시제(0.05% 내지 2.0%)와 혼합함으로써 달성된다. PEGDA에 광개시제가 첨가되고 이어서 광개시제가 완전히 용해되고 균질해질 때까지 교반하면서 65°C로 가열된다. PEGDA와 광개시제의 혼합물은 증류수를 첨가하고 혼합물이 완전히 용해될 때까지 교반함으로써 최종 양이 취해진다. 이 최종 용액은 10분 내지 20분 동안 UV 광원에 노출되어 히드로겔을 형성한다. 결과적인 히드로겔은 임의의 미반응 화학물질들을 제거하도록 물로 가볍게 헹궈진다.
이 공식의 변형예는 이전에 설명된 동일한 비율들을 사용하여 증류수 대신 과산화 수소를 사용하여 달성된다.
예시 6: 히드로겔 기반 침윤가능 재료는, 중합을 달성하기 위한 광개시제, 예를 들어 Irgacure® 819 페닐비스(phenylbis)(2,4,6-트리메틸벤조일)-포스핀(phosphine) 산화물, Irgacure® 651 (2 2-디메톡시-2-페닐아세토페논), Irgacure® 2959 (1-[4-(2-히드록시에톡시)-페닐]-2-히드록시-2-메틸-1-프로판-1-one) 또는 광개시제의 유효 파장을 고려한 70% 농도로 에탄올에 용해된 임의의 다른 적절한 광개시제를 사용하여 UV 광 중합에 의해 제조된 PEGDA를 포함할 수 있다.
에탄올에 광개시제를 용해시킴으로써 5% 내지 20% 농도의 에탄올/광개시제의 용액이 제조된다. 용액은 광개시제가 용해될 때까지 교반되고 60°C로 가열되어야 한다. 광개시제가 용해되면 온도는 대략 60°C로 유지되어야 한다. 알려진 양의 PEGDA를 증류수에 첨가함으로써 PEGDA(5% 내지 30%)/증류수 용액이 제조된다. 혼합물은 완전히 균질해질 때까지 교반된다. 이어서 PEGDA/증류수 용액에 에탄올 및 광개시제가 1 vol% 내지 5 vol% 범위의 농도로 첨가되고 완전히 균질해질 때까지 교반된다. 이 최종 용액은 10분 내지 20분 동안 UV 광원에 노출된다. 결과적인 히드로겔은 증류수를 사용하여 가볍게 세정된다.
이 제형(formulation)은 또한 혼합물들을 제조하기 위해 증류수 대신 과산화 수소를 사용하여 달성될 수 있다.
예시 7: 히드로겔 기반 침윤가능 재료는 AAm(acrylamide), N,N'-MBAAm(N,N'-methylenebisacrylamide), APS(ammonium persulfate) 및 N,N,N',N'-TEMED(N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine)를 포함한다.
5% 내지 25%의 농도를 갖는 APS 용액이 제조된다. 5% w/v 내지 20% w/v의 농도를 갖는 AAm 및 0.005% w/v 내지 0.020% w/v의 농도를 갖는 N'-MBAAm이 건조 플라스크(flask)에서 혼합된다. 이어서 대응하는 양의 증류수가 첨가되어 원하는 농도를 달성한다. 결과적인 용액은 모든 반응물들이 완전히 용해될 때까지 교반 플레이트에서 자기 막대를 사용하여 저속으로 교반된다. 이어서 APS 용액(0.100% v/v 내지 2.0% v/v) 및 N,N,N',N'-TEMED(0.020% v/v 내지 1.0% v/v)가 첨가되어 중합을 개시한다. 용액은 손으로 5회 내지 7회 부드럽게 교반되어 모든 성분들이 혼합되고 즉시 주형에 부어진다. 중합은 반응 온도에서 120분 내지 180분 동안 일어난다. 결과적인 히드로겔은 6시간 내지 8시간마다 물을 갈면서 3일 동안 증류수에 침지되어 임의의 미반응 단량체들을 제거한다.
단량체 용액을 탈산소화하기 위해 진공 펌프가 사용될 수 있다. 이는, AAm 및 N,N'-MBAAm의 교반 동안 용해된 임의의 산소를 제거하기 위한 것이다.
예시 8: 중합 반응 동안 PEGDA를 사용함으로써 고도의 친수성 구조를 갖는 폴리아크릴아미드 히드로겔이 획득된다. 히드로겔은 다음의 반응물들을 사용하여 합성된다; PEGDA, AAm, N,N'-MBAAm, N,N,N',N'-TEMED 및 APS.
증류수를 사용하여 0.020 몰 내지 0.100 몰 사이의 농도를 갖는 알려진 양의 APS 용액이 제조된다. 0.10 몰 내지 0.50 몰 사이의 N,N,N',N'-TEMED의 용액이 또한 제조된다. APS 용액 및 N,N,N',N'-TEMED 용액은 산화환원(redox) 개시제 시스템이 될 것이다. 반응물들은 다음의 농도들로 증류수에 용해되었다: 5% 내지 30% 사이의 AAm, 5% 내지 30% 사이의 APS 및 1.0% 내지 5.0% 사이의 N,N'-MBAAm. 이어서 PEGDA(2% w/v 내지 30% w/v)가 단량체 용액에 용해되고 완전히 용해될 때까지 서서히 교반된다. PEGDA가 용해되면 N,N',N'-TEMED 용액이 5% v/v 내지 20% v/v 사이의 농도로 첨가되고 손으로 5회 내지 8회 교반된다. 이어서 용액이 즉시 주형에 부어지고 중합이 12시간 동안 수행되었다. 중합이 완료되면 결과적인 히드로겔은 증류수에 잠겨서 임의의 미반응 단량체들을 제거하고 물은 3일 동안 6시간 내지 8시간마다 바뀌었다.
단량체 용액을 탈산소화하기 위해 진공 펌프가 사용될 수 있다.
글리세린 기반 침윤가능 재료들
글리세린 기반 겔은 응용예의 열적 요건들에 따라 변경되는 중량%의 글리세린을 갖는 글리세린의 적절한 용액으로 제조될 수 있다. 침윤가능 재료는 수지를 밀어내고(repel) 고온을 견딜 수 있는 글리세린 겔일 수 있다.
당업자는, 위에서 제공된 많은 상세사항들이 단지 예시적이며 다음의 청구범위를 참조하여 결정될 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되는 것은 아니라는 점을 이해할 것이다.

Claims (36)

  1. 스테레오리소그래피 시스템에 있어서,
    방출 디바이스;
    상기 방출 디바이스 위에 배치되는 탱크 - 상기 탱크는 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽 및 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽을 갖고 상기 제 1 바닥벽과 상기 제 2 바닥벽 사이에 공간이 배치됨 - ;
    상기 탱크로부터 떨어져 연장되는 선형 스테이지 및 상기 탱크로부터 떨어져 상기 선형 스테이지를 따라 이동가능한 캐리어 플랫폼;
    상기 탱크 내의 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽에 있는 침윤가능 재료(wettable material); 및
    상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽과 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽 사이에 배치되는 상기 공간과 유체연통(fluid communication)되는 유체 냉각 시스템을 포함하는, 스테레오리소그래피 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 침윤가능 재료는 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽 상에 코팅되는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 침윤가능 재료는 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽을 덮는 막(membrane)인 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 침윤가능 재료는 히드로겔을 포함하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 침윤가능 재료는 히드로겔 및 과산화 수소를 포함하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  6. 제 1 항, 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 침윤가능 재료는 수소 공여체(donor) 및 탈산소제(oxygen scavenger)를 포함하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  7. 제 1 항, 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 침윤가능 재료는 글리세린을 포함하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  8. 제 1 항, 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 침윤가능 재료는 UV 억제제(inhibitor)를 포함하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 침윤가능 재료는 초소수성(superhydrophobic) 표면을 갖는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 초소수성 표면의 나노구조물은 수직으로 정렬된 표면 또는 계층적으로 구조화된 표면, 또는 이들의 조합인 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 초소수성 표면의 나노구조물은, 5 미크론 내지 15 미크론 사이의 상단 직경을 갖고 10 미크론보다 작게 떨어져 이격되는 복수의 돌출부들을 포함하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽은 300K에서 20 W/(m x K)보다 큰 열전도율을 갖는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽은 사파이어 글래스인 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽은 투명한 세라믹 스피넬인 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 침윤가능 재료는, 교차 라인들을 갖는 패턴으로 도포된 접착제를 사용하여 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽에 접착되는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 냉각 시스템은, 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽과 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽 사이에 배치되는 상기 공간 내에 공기를 펌핑하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 냉각 시스템은, 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽과 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽 사이에 배치되는 상기 공간 내에 물을 펌핑하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 탱크를 냉각하는 냉각 디바이스를 더 포함하는, 스테레오리소그래피 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 냉각 디바이스는 에어 나이프(air knife)인 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽은 UV LED를 갖는 LCD 모니터 또는 UV OLED를 포함하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  21. 스테레오리소그래피 시스템에 있어서,
    방출 디바이스;
    상기 방출 디바이스 위에 배치되는 탱크 - 상기 탱크는 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽 및 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽을 갖고 상기 제 1 바닥벽과 상기 제 2 바닥벽 사이에 공간이 배치됨 - ;
    상기 탱크로부터 떨어져 연장되는 선형 스테이지 및 상기 탱크로부터 떨어져 상기 선형 스테이지를 따라 이동가능한 캐리어 플랫폼;
    상기 탱크 내의 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽에 있는 실리콘 재료; 및
    상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽과 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽 사이에 배치되는 상기 공간과 유체연통되는 유체 냉각 시스템을 포함하는, 스테레오리소그래피 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 실리콘 재료는 초소수성 표면을 갖는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 초소수성 표면의 나노구조물은 수직으로 정렬된 표면 또는 계층적으로 구조화된 표면, 또는 이들의 조합인 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 초소수성 표면의 나노구조물은, 5 미크론 내지 15 미크론 사이의 상단 직경을 갖고 10 미크론보다 작게 떨어져 이격되는 복수의 돌출부들을 포함하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽은 300K에서 20 W/(m x K)보다 큰 열전도율을 갖는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  26. 제 21 항에 있어서, 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽은 사파이어 글래스인 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  27. 제 21 항에 있어서, 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽은 투명한 세라믹 스피넬인 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  28. 제 21 항에 있어서, 상기 실리콘 재료는, 교차 라인들을 갖는 패턴으로 도포된 접착제를 사용하여 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽에 접착되는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 냉각 시스템은, 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽과 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽 사이에 배치되는 상기 공간 내에 공기를 펌핑하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  30. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 냉각 시스템은, 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 1 바닥벽과 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽 사이에 배치되는 상기 공간 내에 물을 펌핑하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  31. 제 21 항에 있어서, 상기 탱크를 냉각하는 냉각 디바이스를 더 포함하는, 스테레오리소그래피 시스템.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 냉각 디바이스는 에어 나이프인 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  33. 제 21 항에 있어서, 상기 탱크의 광학적으로 투명한 제 2 바닥벽은 UV LED를 갖는 LCD 모니터 또는 UV OLED를 포함하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  34. 제 1 또는 제 21 항에 있어서, 상기 탱크를 진동시키는 진동기를 더 포함하는, 스테레오리소그래피 시스템.
  35. 제 34 항에 있어서, 상기 진동기는 25 HZ 내지 60 HZ 사이로 진동하는 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
  36. 제 34 항에 있어서, 상기 진동기는 압전(piezo) 진동기인 것인, 스테레오리소그래피 시스템.
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