KR20180036769A - 3차원 프린팅을 위한 시스템 - Google Patents

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KR20180036769A
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그레고리 브루실로브스키
우리 그라치
보아즈 맥스 페렉
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스트라타시스 엘티디.
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Abstract

적층 가공(AM)시스템은 정의된 패턴(defined pattern)으로 재료(material)를 적층하는 캐리지(carriage)와 캐리지로부터 적층된 재료를 수용하는 구축 플랫폼(building platform)을 포함한다. 캐리지는 복수 개의 예열 챔버를 갖는 예열 어셈블리와 복수 개의 프린팅 헤드를 수용하기 위한 복수 개의 슬롯을 갖는 프린팅 블록을 포함한다. 캐리지에는 헤드 슬롯보다 많은 예열 챔버가 설치되어 있다.

Description

3차원 프린팅을 위한 시스템
본 발명은, 일부 실시 예에서, 자유형상 가공(freeform manufacturing)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이에 한정되는 것은 아니나, 3차원 프린팅(3D Printing)에 관한 것이다.
적층가공(Additive Manufacturing, AM)은 물체(object)의 컴퓨터 모델을 이용하여 3차원 물체(3D object)를 제조하는 공정이다. 이러한 공정은 예를 들어, 구상화(visualization), 시연(demonstration) 및 기계적 시제품(mechanical prototyping)을 목적으로 하는 분야와 관련된 디자인뿐만 아니라 빠른 제작을 위한 다양한 분야에서 사용된다.
모든 적층가공(AM) 시스템의 기본 작동은 3차원(3D) 컴퓨터 모델을 얇은 단면으로 슬라이싱(slicing)하는 단계, 그 결과를 2차원 위치 데이터(two-dimensional position data)로 변환하는 단계 및 시스템의 컨트롤러로 데이터를 공급(feeding)하여 적층 방식(layer-wise manner)으로 3차원 구조체(3D structure)를 제작하는 단계로 구성된다.
적층가공(AM)은 3차원 잉크젯 프린팅(3D inkjet printing), 박막적층방식(laminated object manufacturing), 압출적층조형(fused deposition modeling), 그 외의 것들을 포함하는 제조방법에 대한 많은 다른 접근법들을 수반(entails)한다.
3차원 프린팅 공정에서, 예를 들어, 구축 재료(building material) 는 하나 이상의 프린팅 헤드(printing head)를 포함하는 캐리지(carriage)로부터 배출된다. 각각의 프린팅 헤드(printing head)는 한번에 하나의 층(layer)을 형성하도록 지지구조체(supporting structure) 상에 재료(material)가 선택적으로 배출될 수 있는 노즐 세트를 갖는다. 구축 재료(building material)에 따라, 층(layer)들은 캐리지(carriage) 상에 운반되는 적합한 장치(suitable device)를 이용하여 경화(cured)되거나 응고(solidified)될 수 있다. 구축 재료(building material)는 물체를 형성(form)하는 모델링 재료(modeling material), 및 물체가 구축(built)될 때 물체를 지지하는 지지체 재료(support material)를 포함할 수 있다. 캐리지(carriage)가 지지구조체(supporting structure)를 스캔(scan)하고 패턴을 그린다. 다양한 3차원 프린팅 기술들은(three-dimensional printing techniques), 모두 동일한 양수인인, 미국 특허 번호 제6,259,962호, 제6,569,373호, 제6,658,314호, 제6,850,334호, 제7,183,335호, 제7,209,797호, 제7,225,045호, 제7,300,619호, 제7,364,686호, 제7,500,846호, 제7,658,976호, 제7,962,237호, 제8,781,615호 및 제9,031,680호 및 미국 출원 공개 번호 제2013/0040091호 및 제2015/0035186호에서 개시되며, 이러한 내용들은 본원에서 참조로써 병합된다.
예를 들어, “생산 방향 결정을 갖는 고속 제조 장치(Rapid Production Apparatus with Production Orientation Determination)”라는 명칭의 미국 특허 제8,781,615호는 구조 재료(construction material)의 층을 다른 층의 상부에 순차적으로 프린팅 함으로써 물체를 생산하는 방법을 개시한다.
이 방법은 제1 저온에서 구조 재료를 제공하는 단계, 구조 재료를 가열시키기 위해 유동 구조체(flow structure)의 가열된 유동 유로(flow path)를 통해 구조 재료(construction material)를 유동 시키는 단계, 가열된 구조 재료를 프린팅 헤드 내의 가열된 저장조에 전달하는 단계를 포함한다. 이어서 가열된 구조 재료가 저장조로부터 배출되어 층층이(layer by layer) 물체를 형성한다. 일 예에서, 하나 이상의 나선형 유동 채널은 유동하는 재료로 효율적인 열 전달이 가능하도록 충분한 길이를 제공하는데 사용되는 것으로 기술되어 있다.
“액체를 적층하기 위한 시스템 및 방법(System and Method for Depositing Liquids,)”이라는 명칭의 미국 출원 공개 번호 제2015/0035186호는 프린팅 시스템을 위한 프린팅 헤드(printing head)를 기술한다. 프린팅 헤드는 다수의 격실(compartments)을 포함하며, 각각의 격실은 액체를 적층하기 위한 유출포트(outlet port)와 개별적 액체 용기에 개별적으로 연결 가능한 유입포트(inlet port)를 포함한다. 적어도 2개의 격실은 제어 가능하게 서로 유체 연통 하며, 상기 프린팅 헤드는 (i) 각각의 격실의 충전 상태(filling state) 및 (ii) 적어도 2개의 격실 사이의 유체 연통 상태를 나타내는 신호를 발생 시키도록 구성된 센서들의 배열을 포함한다. 선택적으로, 적어도 2개의 격실은 하나의 챔버(chamber)를 점유(occupy)하고, 적어도 하나의 격벽(partition)에 의해 분리되며, 상기 유체 연통은 상기 챔버 내의 액체 통로(liquid passage)를 통해 이루어진다.
"CAD 모델을 이용한 지지체 부피 계산(Support volume calculation for a CAD model,)" 이라는 명칭의 미국 출원 공개 번호 제2004/0006405호는 구축(build)이 시작되기 전 구축 및 지지체 재료(build and supportmaterial)의양을 정확하고 신속하게 추정하고, 보충 재료(replenishment materials)가 필요한 경우 구축이 시작되기 전에 정확하게 예측하고, 시간이 지남에 따라 재료 소모량을 추적하기 위한 방법을 기술한다.
본 발명의 일부 실시예의 일 측면에 따르면, 풀 컬러(full color) 프린팅, 광범위한 기계적 특성을 갖는 프린팅 및/ 또는 상대적으로 적은 프린팅 헤드(printing head)를 사용하여 다양한 상이한 재료의 프린팅을 제공하는 3D 프린터가 제공된다. 선택적으로, 각각의 프린팅 헤드는 프린팅 하는 동안 2개의 다른 재료를 동시에 배출한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 3D 프린터의 캐리지(carriage)는 프린터 캐리지의 크기의 증가 또는 상당한 증가 없이 구조 재료의 범위를 현저히 증가시킬 수 있는 컴팩트(compact)한 디자인을 갖는다.
본 발명의 일부 실시예의 일 측면에 따르면, 복수 개의 예열 챔버를 포함하는 예열 어셈블리; 및 복수 개의 프린팅 헤드를 수용하기 위한 복수 개의 슬롯을 포함하는 프린팅 블록을 포함하는 캐리지; 및 상기 캐리지로부터 적층된 재료를 수용하도록 구성된 구축 플랫폼을 포함하고, 상기 캐리지는 헤드 슬롯 보다 많은 예열 챔버를 갖는 적층가공 시스템을 제공한다.
선택적으로, 상기 프린팅 블록은, 복수 개의 슬롯 중 하나에 설치되는 복수 개의 프린팅 헤드 중 하나와 유체 연통하도록 구성되는 한 쌍의 저장조를 갖도록 형성된다.
선택적으로, 프린팅 블록은 복수 개의 슬롯 각각을 둘러싸는 한 쌍의 저장조를 갖고, 상기 각각의 저장조는 프린팅 블록에 설치된 복수 개의 프린팅 헤드 중 하나와 유체 연통하도록 구성된다.
선택적으로, 각각의 저장조는 복수 개의 프린팅 헤드 중 하나의 개별적 노즐 어레이와 유체 연통하도록 구성된다.
선택적으로, 복수 개의 예열 챔버 각각은 프린팅 블록에 형성된 저장조들 중 하나와 유체 연통한다.
선택적으로, 상기 한 쌍의 저장조는 분리 벽에 의해 분리된다.
선택적으로, 상기 분리 벽은 한 쌍의 저장조 사이에서 선택적인 범람이 가능하도록 구성된다.
선택적으로, 상기 복수 개의 프린팅 헤드는 모든 복수 개의 예열 챔버로부터 재료를 동시에 수용하도록 구성된다.
선택적으로, 상기 시스템은 프린팅 블록의 대향하는 두 표면 측에 설치되는 가열 플레이트를 포함한다.
선택적으로, 복수 개의 예열 챔버 중 적어도 하나는 상기 복수 개의 예열 챔버 중 하나를 통해 재료를 전달하도록 구성된 웜 스크류 채널을 갖는다.
선택적으로, 상기 웜 스크류는 열 전도성 재료로 형성된다.
선택적으로, 상기 재료는 블록 커버 전용 채널을 통해 예열 챔버에서 프린팅 헤드 저장조로 전달된다.
선택적으로, 복수 개의 예열 챔버 각각은 웜 스크류를 갖는다.
선택적으로, 상기 캐리지는 구축 플랫폼 상에 배출된 재료의 층을 경화하도록 구성된 경화 유닛을 갖는다.
선택적으로, 상기 캐리지는 구축 플랫폼 상에 배출된 재료의 층을 평평하게 하도록 구성된 레벨링 장치를 갖는다.
선택적으로, 상기 적층 가공 시스템은 3D 잉크젯 프린터이다.
선택적으로, 상기 예열 어셈블리는 제1 예열 챔버를 포함하는 제1 섹션 및 복수의 제2 예열 챔버를 포함하는 제2 섹션으로 나뉘어 지고, 상기 제1 섹션은 제1 가열 요소에 의해 예열 되며, 상기 제2 섹션은 별도의 제2 가열 요소에 의해 가열된다.
선택적으로, 상기 프린팅 블록은 각각의 슬롯과 연결된 적어도 하나의 저장조를 갖고 상기 프린팅 블록은 프린팅 블록의 다른 저장조에 수용된 재료로부터 프린팅 블록의 저장조 중 하나에 수용된 재료를 열적으로 절연하도록 구성된 개구부를 갖는다.
선택적으로, 예열 어셈블리는 적어도 제1 섹션과 제2 섹션으로 나뉘어지고, 상기 제1 섹션은 제1 예열 챔버를 포함하고 제2 섹션은 제2 예열 챔버를 포함하며, 상기 제1 섹션은 제1 가열 요소에 의해 예열되고 제2 섹션은 별도의 제2 가열 요소에 의해 가열된다.
본 발명의 일부 실시예의 일 측면에 따르면, 개별적 챔버들에서 복수 개의 상이한 재료를 가열하는 단계; 복수 개의 상이한 재료 각각의 내용물을 복수 개의 프린팅 헤드로 동시에 전달하되, 상기 복수 개의 상이한 재료는 복수 개의 프린팅 헤드의 개수를 초과하는 단계; 및 3D 잉크젯 프린팅에 의해 프린팅 헤드로 복수 개의 상이한 재료 전부를 배출하는 단계; 를 포함하는 방법을 제공한다.
선택적으로, 복수 개의 상이한 재료 각각은 프린팅 헤드를 지지하도록 구성된 프린팅 블록에 형성된 한 쌍의 전용 저장조를 통해 프린팅 헤드들로 전달되고, 상기 각각의 저장조는 복수 개의 프린팅 헤드 중 하나와 유체 연통한다.
선택적으로, 상기 방법은 한 쌍의 저장조에서 프린팅 헤드의 개별적 노즐 어레이로 재료를 동시에 전달하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 상기 방법은 블록 커버 전용 채널을 통해 예열기 웜 스크류의 베이스로부터 프린팅 헤드 저장조로 상기 재료를 전달하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 복수 개의 상이한 재료 중 하나는 제1 온도로 가열되고 복수 개의 상이한 재료 중 다른 하나는 제2 온도로 가열된다.
선택적으로, 상기 복수 개의 상이한 재료 중 하나는 지지체 재료이고, 상기 복수 개의 상이한 재료 중 나머지는 모델링 재료이다.
선택적으로, 상기 지지체 재료는 모델링 재료 보다 2 내지 10도 낮은 온도로 가열된다.
선택적으로, 상기 지지체 재료는 가열되어 65°C 에서 유지되고, 상기 모델링 재료는 가열되어 70°C 에서 유지된다.
선택적으로, 복수 개의 재료 중 또 다른 하나는 제3 온도로 가열된다.
달리 정의되지 않는 한, 모든 기술 및 과학 용어는 본 원에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 본 원에 기술된 것들과 유사하거나 동등한 방법 및 재료들이 비록 본 발명의 실시예들에서 실행 또는 테스트 하는 데에 이용될 수 있지만, 이하 예시적인 방법들 및/또는 재료들이 기술된다. 충돌이 있는 경우에, 정의(definitions)를 포함하는, 특허 명세서가 우선한다. 또한, 재료들, 방법들 및 예시들은 단지 예시적일 뿐이며 반드시 제한하려는 것은 아니다.
본 발명의 몇몇 실시예들은, 첨부된 도면들을 참조로, 예시의 방법으로만, 본 원에서 개시된다. 상세한 설명에서 도면을 이제 구체적으로 참조하면, 특정한 도시는 예로써 그리고 본 발명의 실시예에 대한 설명을 목적으로 한 것임을 강조한다. 이와 관련하여, 도면과 함께 취해진 설명은 본 발명의 실시예가 실행될 수 있는 방법을 당업자에게 명백하게 한다.
도면에서,
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따라 적층 가공(AM) 시스템의 간략한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시 예에 따른 캐리지의 예시적인 정면 사시도이다.
도 3A및 3B는 본 발명의 일부 실시 예에 따른 적층 가공(AM) 시스템을 위한 예열기(pre-heater) 내부 구성요소를 나타내는 예시적인 정면 및 배면 사시도이다.
도 4A는 본 발명의 일부 실시예에 따른 프린팅 블록의 사시도이다.
도 4B는 본 발명의 일부 실시예에 따라 프린팅 헤드 슬롯의 길이에 따라 절취한 프린팅 블록의 단면 측 사시도이다.
도 5A 및 5B는 본 발명의 일부 실시 예에 따른 적층 가공(AM)시스템의 프린팅 블록 베이스의 예시적인 사시도 및 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시 예에 따른 예시적인 캐리지의 배면 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일부 실시 예에 따른 적층 가공(AM) 시스템을 위한 예시적인 전자 팩(electronic pack)을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시 예에 따른 예시적인 프린팅 헤드를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일부 실시 예에 따른 프린팅 헤드가 설치된 프린팅 캐리지의 예시적인 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일부 실시 예에 따른 적층 가공(AM) 시스템의 또 다른 프린팅 블록 베이스(printing block base)의 예시적인 평면도이다.
도 11은 본 발명의 일부 실시 예에 따른 두 개의 가열 플레이트가 설치된 프린팅 블록 베이스의 예시적인 사시도 이다.
도 12A 는 본 발명의 일부 실시 예에 따른 적층 가공(AM) 시스템을 위한 예열기 어셈블리(pre-heater assembly)의 표면과 접촉하는 프린팅 블록 어셈블리의 구성요소를 나타내는 배면 사시도이다.
도 12B는 본 발명의 일부 실시 예에 따른 적층 가공(AM) 시스템을 위해 두 개의 섹션(two sections)으로 분리된 예열 어셈블리의 내부 구성요소를 나타내는 배면 사시도이다.
도 13은 본 발명의 일부 실시 예에 따른 또 다른 예시적인 캐리지의 정면 사시도이다.
도 14는 본 발명의 일부 실시 예에 따른 2개의 섹션으로 분리된 적층 가공(AM) 시스템을 위한 또 다른 예열기(pre-heater)의 내부 구성 요소를 나타내는 사시도이다.
도 15는 본 발명의 일부 실시 예에 따른 또 다른 예시적인 캐리지의 정면 사시도이다.
도 16은 본 발명의 일부 실시 예에 따른 2개의 섹션으로 분리된 적층 가공(AM) 시스템을 위한 또 다른 예열기 내부 구성 요소의 사시도이다.
도 17은 본 발명의 일부 실시 예에 따른 프린팅 블록의 다양한 위치에서 시간에 따른 온도 거동을 보여주는 그래프이다.
본 발명은, 일부 실시 예에서, 자유형상 가공(freeform manufacturing)에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 이에 한정되는 것은 아니나, 3차원 프린팅(3D Printing)에 관한 것이다.
본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 적층가공(AM) 시스템은 2개의 다른 공급원으로부터 구축 재료를 단일 프린팅 헤드(single printing head)로 동시에 공급하고 2개의 상이한 공급원으로부터 재료를 상기 단일 프린팅 헤드로 동시에 프린팅하는 것을 제공한다. 일부 예시적인 실시 예에서, 최대 8개의 상이한 재료가 적층가공(AM) 시스템의 캐리지(carriage)에 설치된 4개의 프린팅 헤드(printing head)로 동시에 전달된다. 선택적으로, 3개의 프린팅 헤드는 6개의 다른 색상의 수지를 프린트 하기 위해 작동된다. 그리고, 4번째 프린팅 헤드는 지지체 재료를 프린트 하기 위해 작동된다.
프린팅 헤드로 재료를 전달하기 전에, 각각의 구축 재료는 적층가공(AM) 시스템의 캐리지에서 운반되는 개별적인 예열 챔버에서 예열된다. 각각의 예열 챔버는 유동 물질(flowing material)로 효율적인 열 전달이 가능하도록 충분간 길이를 제공해야 한다. 통상적으로, 캐리지는 컴팩트(compact) 한 구조를 갖는 것이 바람직하며, 따라서 캐리지에 포함될 수 있는 개별적인 예열 챔버의 수가 제한될 수 있다. 본 발명의 발명자들은 구축 재료를 예열하기 위해 요구되는 각각의 예열 챔버의 부피(volume)는 웜 스크류 형상의 러너(worm screw-shaped runner)주위로구축 재료를 보냄으로써 감소될 수 있다는 것을 발견했다. 일부 예시적인 실시 예에서, 예열 챔버의 직경(diameter)과 실질적으로 일치하는 직경을 갖는 웜 스크류 러너(worm screw runner)가 각각의 예열 챔버에 설치된다. 액상의 구축 재료(liquid buildingmaterial)는 웜 스크류(worm screw) 주위의 아래로 흐른다. 각각의 예열 챔버에 필요한 부피를 감소시킴으로써, 보다 많은 예열 챔버가 동일한 크기의 캐리지에 추가될 수 있으므로, 적층가공(AM) 시스템의 소형화가 향상된다. 일부 예시적인 실시 예에서, 예열 시스템은 각각의 섹션(section)을 다른 온도로 동시에 예열하는 것을 제공하기 위해 2개 이상의 열적으로 독립적인 섹션(section)을 포함한다. 선택적으로, 예열 시스템은 지지체 재료 챔버(support material chamber)를 제1 온도로 가열하고, 모델링 재료(modeling material)를 상이한 온도, 예를 들어, 더 높은 온도로 가열하는 것을 제공한다. 선택적으로, 예열 시스템은 각각의 챔버를 미리 정의된 상이한 온도로 가열할 수 있다.
프린팅 헤드는 일반적으로 캐리지로 운반되는 프린팅 블록(printing block)에 설치된다. 본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 프린팅 블록은 각각의 프린팅 헤드를 위한 슬롯뿐만 아니라 각각의 슬롯을 둘러싸는 한 쌍의 저장조(reservoirs)로 형성된다. 본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 각각의 예열 챔버로부터의 유출은 저장조 중 하나로 전달되고 상기 저장조로 공급된 재료는 상기 저장조에 형성된 하나 이상의 출력부를 통해 프린팅 헤드로 전달된다. 일반적으로, 한쌍의 저장조 중 하나를 통해 공급된 재료는 프린팅 헤드의 제1 노즐어레이를 통해 프린팅을 위한 재료로 제공되고, 한 쌍의 저장조 중 다른 하나를 통해 공급된 재료는 상기 프린팅 헤드의 다른 노즐 어레이를 통해 프린팅을 위한 재료로 제공된다. 일부 예시적인 실시 예에서, 한 쌍의 저장조를 분리하는 배플(baffle)은 한 쌍의 저장조 사이에서 재료의 제어된 오버 플로우(overflow)를 허용할 수 있는 크기를 갖는다.
본 발명의 적어도 하나의 실시 예를 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명은 아래에 기재된 설명 및/또는 도면에 도시된 구성요소의 배치 및/또는 방법 및 구성의 세부 사항에 대한 적용에 반드시 제한되는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 발명은 다양한 방법으로 수행되거나 실시될 수 있으며, 다른 실시 예도 가능하다.
본 실시예의 방법 및 시스템은 물체(object)의 형상에 상응하게 형성된 패턴 으로 복수의 층(layer)을 형성함으로써 적층 방식(layer-wise manner)으로 컴퓨터 물체 데이터(object data)에 기초하여 3차원 물체(3D object)를 제조한다. 컴퓨터 물체 데이터는 표준 배열 언어(Standard Tessellation Language, STL) 또는 입체인쇄 윤곽(StereoLithography Contour, SLC) 포맷(format), 가상 현실 모델링 언어(VRML), 첨가 제조 파일(Manufacturing File, AMF) 포맷, 설계 교환 포맷(Drawing Exchange Format, DXF), 다각형 파일 포맷(Polygon File Format, PLY) 또는 컴퓨터-지원 설계(CAD)에 적절한 어떠한 다른 포맷을 포함하지만, 이로 제한되지 않는 어떠한 알려진 포맷일 수 있다.
본 명세서 사용된 “물체(object)”라는 용어는 전체 물체(whole object) 또는 물체의 일부(part)를 의미한다.
각각의 층(layer)은 2차원 표면을 통과하며 스캔하여 패턴화 하는 캐리지를 포함하는 적층 가공(AM) 장치에 의해 형성된다. 스캐닝하면서, 캐리지는 2차원 층 또는 표면 상에 다수의 타겟 위치를 찾아가고, 각각의 타겟 위치 또는 타겟 위치의 그룹에 대해, 상기 타겟 위치 또는 타겟 위치의 그룹이 구축 재료로 채워질 것인지 아닌지를 판단(decision)하고, 어떠한 타입의 구축 재료가 그곳으로 수송될 것인지 판단한다. 상기 판단은 표면의 컴퓨터 이미지에 따라 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시 예에서, 적층 가공(AM)은 3D 프린팅, 보다 바람직하게 3D 잉크젯 프린팅(3D inkjet printing)을 포함한다. 이러한 실시예에서 지지 구조체(supporting structure) 상에서 구축 재료의 층(layer)을 적층(deposit)하기 위한 노즐 세트를 갖는 배출 헤드(dispensing head)로부터 구축 재료는 배출된다. 따라서 상기 적층가공(AM) 장치는 타겟 위치가 점유 되도록 구축 재료를 배출하고, 다른 타켓 위치는 빈 공간(void)으로 남겨둔다. 구축 재료의 타입은 2개의 주요 카테고리, 모델링 재료(modeling material)와 지지체 재료(support material)로 분류될 수 있다. 상기 지지체 재료는 제작 과정(fabrication process)동안 물체의 일부(object part) 또는 물체를 지지하기 위한 구조물(construction) 또는 지지 매트릭스(supporting matrix)를 형성하는 역할 및/또는 예를 들어, 중공 또는 다공성 물체(hollow or porous objects)를 제공하려는 등의 다른 목적으로 제공된다. 지지 구조물(support construction) 또는 매트릭스(matrices)는 예를 들면, 추가의 지지 강도(support strength)를 위한 모델링 재료 성분(modeling material elements)을 추가로 포함할 수 있다.
모델링 재료는 일반적으로 적층 가공(AM)에서 사용하기 위해 제형(formulated)된 조성물(composition)이고, 임의의 다른 물질(substance)과 조합되거나 혼합될 필요 없이 그 자체로 3차원 물체(3D object)를 형성할 수 있다.
최종의 3차원 물체는 모델링 재료 또는 모델링 재료들 또는 모델링 및 지지체 재료의 조합 또는 그들의 변형(예를 들어, 경화 후)의 조합으로 구성된다. 이러한 모든 작동(operation)은 임의 형상 제조(solid freeform fabrication) 분야의 당업자에게 잘 알려져있다.
본 발명의 일부 예시적인 실시 예에서, 물체(object)는 복수 개의 상이한 모델링 재료 예를 들어, 상이한 색상의 수지(different colored resins)를 배출함으로써 제조된다.
재료는 프린팅 헤드를 같이 통과하는 동안 층에 선택적이고 바람직하게 적층(deposit)된다. 층 내의 재료 및 재료의 조합은 물체의 요구되는 특성에 따라 선택된다.
본 발명의 일부 실시예에 따라 적층 가공(AM) 시스템의 간략한 블록도(simplified block diagram)를 나타내는 도 1을 참조한다. 일반적으로, 적층 가공(AM) 시스템(100)은 예를 들어, 잉크젯 프린팅 장치(inkjet printing apparatus)와 같은 3차원 액적 적층 시스템(3D droplet deposition system)이다.
일반적으로, 적층 가공 시스템(100)은 구축 표면(building surface)또는트레이(660)를 스캔하는 캐리지(150)를 포함한다. 일반적으로, 캐리지(150)는 구축 재료를 예열하기 위한 복수 개의 예열 챔버(pre-heat chambers, 130), 트레이(660) 상에 재료(material)를 선택적으로 적층하기 위한 복수 개의 프린팅 헤드(printing heads, 20), 프린트 된 층(layer)을 평평하게(leveling)하기 위한 레벨링 장치(leveling device, 220) 및 프린트 된 층을 경화(hardening)하기 위한 하나 이상의 경화 장치(hardening devices, 210)를 포함하는 예열 어셈블리(pre-heating assembly, 138)를 운반한다. 프린팅 헤드들(20)은 일반적으로 프린팅 블럭(printing block, 120)에 고정된다.
캐리지(150)는 바람직하게 작업 표면(working surface)으로서 사용되는 트레이(660) 위에서 왕복 이동하도록 작동된다. 트레이(660)는 수평으로 배치된다. 종래 기술에 따르면, X-Y-Z 카테시안 좌표계(Cartesian coordinate system)는 X-Y 면이 트레이(660)에 평행하게 선택된다. 일부 예시적인 실시 예에서 사용시, 캐리지(150)는 본 문서에서 X 방향으로 지칭되는 스캐닝 방향(scanning direction)으로 이동하고, 프린팅 헤드(20)는 트레이(660) 위를 통과하는 과정에서 미리 결정된 형상(predetermined configuration)으로 구축 재료를 선택적으로 배출한다. 구축 재료는 일반적으로 한가지 이상의 지지체 재료와 한가지 이상의 모델링 재료를 포함한다. 프린팅 헤드(20)의 경로에 예를 들어, 모델링 재료를 경화장치(210) 중 하나로 경화시키는 경화가 뒤따른다. 방금 적층된 층(layer)에 대해 시작점(starting point)으로 되돌아 가는, 캐리지(150)의 역방향 경로 중에, 미리 결정된 형상에 따라 구축 재료의 추가적인 배출이 수행 될 수 있고, 다른 하나의 경화 장치(210)가 작동된다. 캐리지(150)의 정방향 및/또는 역방향 경로 중에, 형성된 층은 바람직하게, 정방향 및/또는 역방향으로 이동하는 프린팅 헤드(20)의 경로를 따르는 레벨링 장치(220)에 의해 직선화(straightened)될 수 있다. 캐리지(150)가 X 방향을 따라 시작점으로 되돌아오면, 캐리지(150)는 본 문서에서 Y 방향으로 지칭되는 인덱싱 방향(indexing direction)을 따라 다른 위치로 이동할 수 있고, X 방향을 따른 왕복 운동(reciprocal movement)에 의해 동일한 층(same layer)을 계속해서 구축할 수 있다. 대안적으로, 캐리지(150)는 정방향과 역방향 이동 중간에 또는 하나 이상의 정-역방향 이동 후에 Y 방향으로 이동할 수 있다. 단일 층(single layer)을 완성하도록 배출 헤드(dispensing heads)에 의해 수행되는 일련의 스캔(series of scans)은 본 문서에서 단일 스캔 사이클(a single scan cycle)로 지칭된다.
층이 완성 되면, 이후에 프린트 될 층의 원하는 두께(desired tickness)에 따라 트레이(660)는 미리 결정된 Z 레벨(predetermined Z level)까지 Z 방향으로 낮아질 수 있다. 상기 과정은 적층 방식으로 3차원 물체(650)를 형성하기 위해 반복된다. 대안적으로 캐리지(150)는 층의 원하는 두께에 따라 Z방향으로 이동할 수 있다.
컨트롤 유닛(control unit, 640)은 캐리지(150)에 포함된 구성 요소의 작동을 제어한다. 컨트롤 유닛(640)은 일반적으로 제어 동작(controlling operations)을 수행하도록 구성된 전자 회로를 포함한다. 컨트롤 유닛(640)은 컴퓨터 물체 데이터(computer object data), 예를 들어, STL(Standard Tessellation Language) 포맷 또는 이와 유사한 형태로 컴퓨터 판독가능 매체(computer readable medium) 상에 나타난 CAD 구성에 기초한 제조 지시(fabrication instructions)와 관련된 디지털 데이터(digital data)를 전송하는 프로세서(processor, 600)와 통신하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 프로세서(600)는 컴퓨터 물체 데이터를 저장하고 컴퓨터 물체 데이터에 기초한 제조 지시(fabrication instructions)에 관련된 데이터를 저장하기 위한 메모리 유닛(memory unit) 및/또는 메모리 기능(memory capability)을 포함한다. 일반적으로, 컨트롤 유닛(640)은 각각의 프린팅 헤드(20) 또는 노즐 어레이(124)에 인가된 전압(voltage) 및 예열 챔버(130)와 프린팅 블록(120) 양쪽의 구축 재료의 온도를 제어한다.
제조 데이터(manufacturing data)가 컨트롤 유닛(640)에 입력되면, 컨트롤 유닛(640)은 사용자 개입 없이 작동할 수 있다. 일부 실시 예에서, 컨트롤 유닛(640)은 예를 들어, 데이터 프로세서(600)를 사용하거나 또는 유닛(640)과 통신하는 유저 인터페이스(userinterface, 610)를 사용하여 오퍼레이터로부터 추가적인 입력을 수신한다.
작동 중에, 구축 재료는 예열을 위한 예열 챔버(130)로 공급 된 다음 프린팅 블록(120)에 포함된 복수 개의 저장조(125)를 통해 프린팅 헤드(20)에 유입된다. 일부 예시적인 실시 예에서, 한 쌍의 저장조(125)는 각각의 프린팅 헤드(20)를 둘러싸고 한 쌍의 저장조는 상기 프린팅 헤드(20)로 재료를 공급하므로, 두 개의 저장조(125)에 의해 각각의 프린팅 헤드(20)로 유입된다. 본 발명의 일부 일 실시예에 따르면, 캐리지(150)는 프린팅 헤드보다 많은 예열 챔버(130)를 갖고, 적어도 하나의 프린팅 헤드(20)는 두 개의 상이한 예열 챔버(130)로부터의 공급을 동시에 수용한다. 일반적으로, 각각의 예열 챔버(130)는 상이한 저장조(125)로 재료를 전달한다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 각각의 프린팅 헤드(20)는 적어도 두개의 노즐 어레이(124)를 포함하고, 각각의 저장조(125)는 전용 노즐 어레이(124)와 유체 연통한다. 구축 재료를 배출하기 위해, 프린팅 헤드 노즐(124)을 통해 재료의 액적(droplets of material)을 선택적으로 적층 시키도록 전압 신호가 프린팅 헤드(20)에 인가된다. 각각의 헤드(20)의 배출 속도는 노즐(124)의 개수, 노즐의 유형 및 인가된 전압 신호 속도(주파수)에 의존한다. 일부 예시적인 실시 예에서, 각각의 프린팅 헤드(20)(또는 적어도 하나의 프린팅 헤드(20))는 두 개의 상이한 예열 챔버(pre-heat chambers)에서 배출된 구축 재료를 수용하고 각각의 예열 챔버에서 배출된 재료는 전용 노즐 어레이(124)에 의해 배출 된다.
본 발명의 일부 실시 예에 따른 캐리지의 예시적인 정면 사시도를 나타내는 도 2를 참조한다. 캐리지(150)는 프린팅 블록(120), 복수 개의 예열 챔버(130)를 포함하는 예열 어셈블리(pre-heating assembly, 138) (도 1), X 방향에서 블록(block, 150)의 양측에 위치한 한 쌍의 경화 유닛(210), 및 일반적으로 풀리 시스템(pulley system, 225)에 연결되고 풀리 시스템(225)으로 작동되는 레벨링 장치(220)(도 1)를 포함한다. 일반적으로 경화 유닛(210)은 방사선 윈도우(radiation window, 215)를 통해 자외선 빔(ultra-violetbeam)을 방출하는 자외선(UV) 모듈이다.
캐리지(150)로 유입된 구축 재료는 유입구(135)를 통해 예열 어셈블리(138)에 첫번째로 수용된다. 선택적으로, 예열 어셈블리(138)는 최대 8가지의 상이한 재료 예를 들어, 모델링 및 지지체 재료를 수용하기 위한 8개의 유입구(135)를 포함한다. 예열 어셈블리(138)에 수용된 재료는 일반적으로 재료를 프린팅 블록(120)으로 공급하기 전에 정의된 온도로 가열된다. 프린팅 블록(120)은 일반적으로 복수 개의 프린팅 헤드(20)를 포함한다.
본 발명의 일부 실시 예에 따른 적층 가공(AM) 시스템을 위한 예열기(pre-heater) 내부 구성요소의 예시적인 정면 및 배면 사시도를 나타낸 도 3A-3B를 참조한다. 본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 어셈블리(138)의 각각의 챔버(130)는 웜 스크류 형상의 러너(worm screw-shaped runner,131)를포함하며 재료는 챔버(130)를 통해 웜 스크류 형상의 러너(131) 주위로 전달된다. 선택적으로, 어셈블리(138)는 최대 8가지의 상이한 재료를 동시에 수용하기 위한 8개의 챔버(130)를 포함한다. 일반적으로, 웜(131)의 직경과 챔버(130)의 직경은 거의 일치(closely matches)해서, 재료는 웜(131)에 의해 제공된 나선형 경로(spiral path)를 따라 챔버로 유입되어 예열 카트리지(pre-heat cartridge, 136)를 거쳐 챔버(130)의 배출구에 도달한다. 상기 나선형 경로(spiral path)는 재료가 필요로 하는 경로의 길이를 증가시킨다. 이러한 경로의 길이의 증가는 열 교환을 보다 길게 한다.
선택적으로, 웜(131)은 열 전도성 재료(heat conductive material)로 형성되고, 재료와 웜(131) 사이의 접촉은 열 전달(heat transfer)을 향상시킨다. 본 발명자들은 웜(131)은 비교적 작은 풋프린트(small footprint)를 차지하면서 상당히 증가한 재료의 경로 길이를 제공하는 것을 발견했다. 풋프린트를 감소시킴으로써, 더 많은 챔버(130)와 그로 인해 다양한 종류의 구축 재료가 동일한 크기의 캐리지(150)에 포함될 수 있다. 예열 어셈블리(138)를 사용 시 캐리지 크기는 일반적으로 4개의 예열 챔버를 지지하는 반면에, 본 발명자는 캐리지 크기에 8개의 예열 챔버가 적합한(fit on) 것을 발견했다. 일반적으로, 예열 어셈블리(138)는 프린팅 헤드 저장조(printing head reservoirs)로 유입되기 전에 모든 챔버(130)의 내용물(contents) 또는 그 근처를 분사 온도(jetting temperature)로 가열하여 높은 처리량(high throughput)에서 또한 재료가 분사될 수 있다. 선택적으로, 예열 어셈블리(138)는 챔버의 각각 또는 일부를 상이한 온도로 선택적으로 가열할 수 있다.
본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 예열 어셈블리(138)은 어셈블리(138)의 각각의 챔버(130) 안의 내용물을 가열하는 가열 플레이트(heating plate, 132)를 포함한다. 선택적으로, 가열 플레이트(132)는 챔버들(130) 표면 측과 대향하는 표면 상에 열 절연체(133)로 커버된 54와트 히터(54 Watt heater)이다. 일반적으로, 어셈블리(138)는 어셈블리(138)의 온도를 모니터링하기 위한 온도 센서(134)를 추가적으로 갖는다. 일부 예시적인 실시 예에서, 어셈블리(138)에서 열 교환 시간은 플레이트(132)의 온도를 제어함으로써 제어된다. 선택적으로 유입구(135)는 플랜지(flange, 137)를 통해 형성되고 오링(O-ring)으로 밀봉된다.
본 발명의 일부 실시예에 따른 프린팅 블록 어셈블리(printing block assembly)의 부분 사시도를 나타낸 도 4A-4B를 참조하면, 도 4A는 프린팅 블록(printing block)의 사시도를 나타내고 도 4B는 프린팅 헤드 슬롯(printing head slot)의 길이에 따라 절취한 단면 측 사시도를 나타낸다.
본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 예열 어셈블리(138)는 각각의 챔버(130)를 위한 체크 밸브(check valve, 310)를 포함하는 매니폴드(manifold, 320)에 장착된다. 매니폴드(320)는 프린팅 블록(120)으로 재료의 이송(delivery)을 제어하고 또한 챔버(130)가 사용되지 않는 동안 원치 않는 적하(dripping)를 방지한다. 일부 예시적인 실시예에서, 프린팅 블록(120)은 필요한 유입구 양(inlet amounts)을 평가하기 위한 복수 개의 진공 유입구(vacuum inlet, 315)와 함께 설치된다. 선택적으로, 프린팅 블록(120)은 프린팅 헤드(20) 당 하나의 진공 유입구(315)를 포함한다. 대안적으로, 프린팅 블록(120)은 예열 챔버(130) 당 하나의 진공 유입구(315)를 포함한다.
선택적으로, 프린팅 블록(120)은 블록 베이스(block base, 325), 블록 커버(block cover, 335) 및 상부 절연체(top insulator, 330)를 포함하고 이 모두는 각각의 프린팅 헤드(20)를 삽입하기 위한 복수 개의 슬롯(25)을 정의한다. 일반적으로, 각각의 프린팅 헤드는 스프링이 장착된 잠금 스크류(spring loaded lock screws, 345)에 의해 슬롯(25)에 고정되며, 예를 들어, 한 쌍의 스프링이 장착된 잠금 스크류(a pair of spring loaded lock screws, 345)에 의해 슬롯(25)의 양 측의 어느 하나에 고정된다. 일반적으로, 프린팅 블록(120)은 프린팅 블록(120)에 축적된 재료(material accumulated)를 원하는 온도로 유지하기 위해 가열된다. 선택적으로, 가열은 Y 방향을 따라 간격을 두고 대향하도록 마주하는 2개의 블록 측면에 설치된 가열 플레이트(355)에 의해 제공된다. 선택적으로, 가열 플레이트(355)는 44 와트 히터(Watt heater)이다. 일반적으로, 열 레벨(heat level)은 각각의 가열 플레이트(355) 근처에 설치된 블록 온도 센서(350)로 감시된다. 이에 더하여, 복수 개의 서미스터(340)는 프린팅 헤드 슬롯(25)을 둘러싸는 저장조 내의 물질의 온도를 감지한다.
본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 각각의 슬롯(25)은 프린트 블록 베이스(325)에 형성된 두 개의 저장조에 의해 둘러싸여 있다. 저장조는 도 5A 및 5B를 참조하여 보다 상세히 도시되고 설명된다. 선택적으로, 8개의 서미스터(340)는 4개의 슬롯(25)을 둘러싸는 8개의 저장조의 온도를 모니터링 하도록 포함된다. 일반적으로, 프린팅 블록(120)은 또한 안전을 위해 온도 퓨즈(thermal fuse)와 함께 설치된다.
도 4B를 참조하면, 예열 어셈블리(138)에서 나온 재료는 블록 커버(335)에 형성된 전용 채널(360)을 통해 프린팅 블록(120)의 저장조에 도달한다. 일반적으로 챔버(130)에서 배출된 재료는 매니폴드(320) 및 채널(360) 내의 체크 밸브(310)를 통해 Y 방향으로 프린팅 블록(120)을 따라 최대 약 절반 정도 흐른 다음 커버 니플(cover nipple, 370)을 통해 아래로 떨어져 슬롯(25)을 둘러싸는 저장조 중 하나로 들어간다. 프린팅 블록 커버(335)는 각각의 예열 챔버(130)와 프린팅 블록(120) 내의 하나의 저장조를 연결하는 전용 채널을 포함한다. 저장조에 도달한 재료는 슬롯(25)에 설치된 미리 정의된 프린팅 헤드의 노즐 어레이로 공급된다.
본 발명의 일부 실시 예에 따른 적층 가공(AM)시스템의 프린팅 블록 베이스의 예시적인 사시도 및 평면도를 나타낸 도 5A 및 5B를 참조한다. 프린팅 블록 베이스(325)는 프린팅 헤드(20)를 수용하기 위한 복수 개의 슬롯(25)을 포함하며(도 1), 스프링이 장착된 잠금 스크류(345)를 수용하기 위한 복수 개의 홀(29)를 포함하는 프레임(frame, 123) 및 슬롯(25) 내에 프린팅 헤드(20)를 고정하도록 스크류를 수용하기 위한 복수 개의 홀(27)을 포함한다. 본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 각각의 슬롯(25)은 Y 방향을 따라 연장된 한 쌍의 저장조(40), 예를 들어 저장조 40A와 40B 에 의해 둘러 싸여진다. 일반적으로, 각각의 저장조(40A, 40B)는 프레임(123) 아래로 연장된다. 본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 배플 또는 차단 벽(baffle or barrier wall, 30)은 저장조 40A 와 40B를 분리한다.
본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 차단 벽(30)의 높이(height)는 상대적으로 낮아서, 유체 레벨(fluid level)이 벽(30)보다 낮게 정의될 때 각각의 저장조 40A와 40B는 상이한 재료로 채워질 수 있고, 또는 각각의 저장조 40A와 40B 내의 유체 레벨이 벽(30)보다 높게 정의될 때 동일한 재료 또는 재료의 혼합물로 채워질 수 있다. 선택적으로, 서미스터(340)(도 4B)는 각각의 저장조(40)의 레벨을 모니터하고 제어하기 위해 작동된다. 선택적으로, 하나 이상의 레벨 센서(level sensors)는 저장조(40)에 설치되어 저장조 내에 수용된 재료의 레벨을 모니터하고 제어한다. 선택적으로, 지지체 재료를 수용하는 저장조들(40)은 일반적으로 범람되서, 이와 연결된 프린팅 헤드는 지지체 재료를 프린팅하는 것에 완전히 전용된다. 프린팅 헤드(20)에 오직 하나의 재료가 사용될 때, 재료는 프린팅 헤드(20)의 저장조 40A 및 40B 양측 모두로 보내질 수 있고, 또는 오직 하나의 저장조(40)로 보내지고, 그 후 벽(30)을 범람하여 재료가 양측 저장조 40A 및 4B 에 제공된다.
본 발명의 일부 실시 예에 따른 도 5B를 참조하면, 각각의 저장조는 하나 이상의 배출구 예를 들어, 일반적으로 재료가 슬롯(25)에 설치된 프린팅 헤드(20)(도 1)로 유입되는 두 개의 배출구(45)를 갖는 규정된 채널로 형성된다. 선택적으로, 배출구(45)는 Y 방향을 따라 각각의 저장조(40) 예를 들어 40A 및 40B, 의 말단에 위치한다. 본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 저장조 40A는 프린팅 헤드(20)의 제1 노즐 어레이로 재료를 공급하고 저장조 40B는 프린팅 헤드(20)의 제2 노즐 어레이로 재료를 공급한다. 일반적으로, 제1 및 제2 어레이는 중첩되지 않으며, 두 어레이는 동시에 프린팅에 사용된다.
하나의 예시적인 구성에서, 예열 어셈블리(138)는 4개의 프린팅 헤드(20)로 프린트되는 지지체 재료뿐만 아니라 6개의 상이한 색상의 수지를 포함한다.
선택적으로, 8개의 예열 챔버(130) 중 2개의 예열 챔버(130)에는 지지체 재료가 유입되고 나머지 6개의 챔버에는 상이한 모델링 재료 예를 들어, 상이한 색상의 모델링 재료가 유입된다. 이러한 구성에서, 3개의 프린팅 헤드(20)는 6개의 상이한 색상을 프린트 하고, 프린팅 헤드(20) 중 하나는 지지체 재료를 프린팅 하는데 전용으로 사용된다.
본 발명의 일부 실시 예에 따른 예시적인 캐리지의 배면 사시도를 나타낸 도 6 및 적층 가공(AM) 시스템을 위한 예시적인 전자 팩(electronic pack)을 나타낸 도 7을 참조한다. 본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 캐리지(150)의 배면은 케이싱(410)으로 부분적으로 덮인 전자 팩(400)(도 7)을 포함한다. 일반적으로, 전자 팩(400)은 프린팅 헤드 블록 보드(printing head block board, 450), 프린팅 헤드 드라이버(printing head drivers, 430) 및 프린팅 헤드 커넥터(printing head connectors, 440)를 포함한다. 프린팅 헤드 커넥터(440)는 각각의 프린팅 헤드(20)를 프린팅 헤드 드라이버(430)와 연결한다. 프린팅 헤드 드라이버(430)와 함께 프린팅 헤드 블록 보드(450)는 프린팅을 제어하기 위한 회로를 포함한다. 일반적으로, 캐리지(150)는 또한 전자 팩(400)을 냉각시키기 위한 팬(fan, 420)을 포함한다.
본 발명의 일부 실시 예에 따른 예시적인 프린팅 헤드를 나타낸 도 8을 참조한다. 본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 프린팅 헤드(20)는 적어도 제1 노즐 어레이(28A) 및 제2 노즐 어레이(28B)를 갖는 노즐 표면(22)을 포함한다. 일부 예시적인 실시 예에서, 저장조 40A에 수용된 재료는 제1 노즐 어레이(28A)로 전달되고, 저장조 40B에 수용된 재료는 제2 노즐 어레이(28B)로 전달된다. 일부 예시적인 실시 예에서, 프린팅 헤드(20)는 전자 팩(400)에 연결된 단일 프린팅 헤드 보드(single printing head board, 21)를 포함한다. 이중 프린팅 헤드 보드(double printing head board, 21)와 반대로 단일 프린팅 헤드 보드(21)를 사용하면 캐리지(150)의 소형화가 향상된다. 또한 보드는 예를 들어, 똑바로가 아닌 Y-Z 평면을 따라 평평하게, 예를 들어, X-Z 평면을 따라 평평하게, 옆으로 향한다.
본 발명의 일부 실시 예에 따른 프린팅 헤드가 설치된 프린팅 캐리지의 예시적인 사시도를 나타낸 도 9를 참조한다. 프린팅 헤드(20)를 각각의 슬롯(20)에 끼워서 노즐 표면(22)이 프린팅 블록(120) 아래에 있도록 한다. 일 실시 예에서, 프린팅블록(120)은 4개의 프린팅 헤드(20)를 위한 슬롯들을 포함한다.
본 발명의 많은 실시예가 8 개의 예열 챔버(130)와 4개의 프린팅 헤드(20)를 포함하는 블록 카트리지(block cartridge, 150)를 참조하여 설명되었지만, 이들 숫자는 단지 예시일 뿐이고 본 발명은 또한 상이한 개수의 예열 챔버(30) 및 상이한 개수의 프린팅 헤드(20)로 구현될 수 있다.
본 발명의 일부 실시 예에 따른 예시적인 적층 가공(AM) 시스템의 다른 프린팅 블록 베이스의 평면도를 나타낸 도 10 및 예시적인 두 개의 가열 플레이트가 설치된 프린팅 블록 베이스의 사시도를 나타낸 도 11을 참조한다. 일부 예시적인 실시 예에 따르면, 프린팅 블록 베이스(326)는 저장조(40) 내에 저장된 구축 재료의 일부를 제1 온도로 유지하고 저장조(41) 내에 저장된 구축 재료의 나머지 일부를 제2 온도로 유지하는 것을 제공한다. 일반적으로, 프린팅 블록 베이스는 저장조(40)의 구축 재료를 가열하기 위한 제1 가열 플레이트(358) 및 저장조(41)의 구축 재료를 가열하기 위한 제2 가열 플레이트(356)가 함께 설치된다. 일반적으로, 제2 세트의 제1 가열 플레이트(358) 및 제2 가열 플레이트(356)는 또한 프린팅 블록 베이스(326)의 대향 면에 설치된다. 제1 가열 플레이트(358)와 제2 가열 플레이트(356) 사이에는, 플레이트 사이의 열 전달을 감소시키기 위한 컷아웃(cutout, 357)이 배치될 수 있다. 선택적으로, 프린팅 블록(326)은 저장조 40과 저장조 41 사이에 가해진 열이 전달되는 것을 감소 시키는 하나 이상의 공간(24)을 포함한다. 선택적으로, 저장조(41)는 프린팅 블록 베이스(326)의 가장자리에 인접하고 저장조들(40)과 먼 쪽(distal)에 있는 슬롯(26)의 측면을 따르는 단일 저장조(41)이다. 일반적으로, 저장조(41)는 슬롯(26)에 설치된 프린팅 헤드에 재료를 제공한다. 선택적으로, 슬롯26은 슬롯25 보다 체적이 클 수 있다. 저장조 40으로부터 저장조 41을 이격 시키는 것은 열 전달을 감소 시키는데 도움을 줄 수 있다.
일부 예시적인 실시 예에서, 프린팅 블록 베이스(326) 내의 모델링 재료는 제1 온도로 유지하고 지지체 재료는 제2 온도로 유지하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 지지체 재료는 모델링 재료보다 낮은 온도, 예를 들어 2 내지10도 낮은 온도로 유지될 수 있다. 대안적으로, 한 가지 타입의 모델링 재료는 다른 타입의 모델링 재료들과 상이한 온도로 유지되는 것이 바람직할 수 있으며, 한 가지 타입은 저장조(41)로 이송될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 프린팅 블록 베이스(326)는 열적으로 독립된(thermally independent) 2개의 섹션(sections)을 포함할 수 있다. 섹션326A은 슬롯들(25), 저장조들(40) 및 가열 플레이트(358)를 포함하고, 섹션326B는 슬롯(26), 저장조(41) 및 가열 플레이트(356)를 포함한다. 대안적으로, 프린팅 블록 베이스는 열적으로 독립된 2개 이상의 섹션 또는 열적으로 독립된 2개의 섹션을 포함할 수 있으며, 이들은 다른 방식으로 분리되며 예를 들어, 각각의 섹션은 하나 이상의 슬롯과 연결될 수 있다. 선택적으로, 각각의 슬롯과 이에 대응하는 저장조는 상이한 재료가 상이한 온도로 동시에 예열 될 수 있도록 다른 저장조와 열적으로 독립적일 수 있다.
본 발명의 일부 실시 예에 따른 적층 가공(AM) 시스템을 위한 예열기 어셈블리(pre-heater assembly)와 면 접촉하는 프린팅 블록 어셈블리의 구성요소의 배면 사시도를 나타낸 도 12A 및 적층 가공(AM) 시스템을 위해 두 개의 섹션(two sections)으로 분리된 예열 어셈블리의 내부 구성요소의 배면 사시도를 나타낸 도 12를 참조한다. 본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 예열 어셈블리(139)는 제1 온도로 가열된 복수 개의 예열 챔버를 갖는 제1 섹션(139A) 및 제2 온도로 가열된 적어도 하나의 예열 챔버를 갖는 제2 섹션(139B) 를 포함한다. 일부 예시적인 실시 예에서, 플랜지(137)는 또한 제1 섹션(137A)과 제2 섹션(137B)으로 나뉘며, 제1 섹션(137A)을 통해 복수 개의 유입구가 도입되고, 제2 섹션(137B)를 통해 또 다른 유입구(135) 예를 들어, 지지체 재료를 위한 유입구(135)가 도입된다. 일부 예시적인 실시 예에 따르면, 각각의 예열 어셈블리 137A와 137B는 각각의 예열 챔버를 위한 체크 밸브를 포함하는 매니폴드(320)에 장착된다.
일반적으로, 각각의 예열 어셈블리(139A 및 139B)는 그 자체에 가열 플레이트 132A와 132B 및 전용 절연체 133A 와 133B를 각각 포함한다. 일부 예시적인 실시 예에서, 블록 커버(335)는 또한 개별 유닛들(separate units)로 분리된다. 제1 유닛(335A)은 제1 온도에서 재료를 수용하기 위한 블록 베이스(326)의 영역을 커버하고 제2 유닛(335B)은 제2 온도에서 재료를 수용하기 위한 블록 베이스(326)의 영역을 커버한다. 선택적으로, 가열 플레이트(132A)는 예열 챔버(130A)의 전체 길이에 걸쳐서 실질적으로 연장될 수 있는 반면에 가열 플레이트(132B)는 예열 챔버의 일부분에만 걸쳐서 연장될 수 있다. 선택적으로, 가열 플레이트(132B)는 프린팅 블록에 근접하고, 유입구(135)에서 멀리 떨어진 곳에 위치한다. 도시된 예열 어셈블리(139)는 열적으로 독립된 2개의 섹션을 포함한다. 섹션(139A)은 챔버(130A), 가열 플레이트(132A) 및 절연체(insulator, 133A)를 포함하고, 섹션(139B)은 챔버(130B), 가열 플레이트(132B) 및 절연체(133B)를 포함한다. 마찬가지로, 프린팅 블록 어셈블리의 다른 구성요소는 개별적 블록 커버(335) 및 플랜지(137)를 각각 포함하는 열적으로 독립된 2개의 섹션을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 대안적으로, 프린팅 블록 어셈블리(예열 어셈블리139를 포함하는)는 2개 이상의 열적으로 독립된 섹션 또는 2개의 열적으로 독립된 섹션을 포함할 수 있다. 이러한 섹션은 상이한 방식으로 분리되고, 예를 들어, 각각의 섹션은 하나 이상의 재료와 연결될 수 있다. 선택적으로, 각각의 챔버(130)는 다른 챔버와 열적으로 독립적이어서 각각의 재료는 상이한 온도로 예열 될 수 있다.
본 발명의 일부 실시 예에 따르는 또 다른 예시적인 캐리지의 정면 사시도를 나타낸 도 13 및 2개의 섹션으로 분리된 적층 가공(AM) 시스템을 위한 또 다른 예열기(pre-heater)의 내부 구성 요소의 사시도를 나타낸 도 14를 참조한다. 본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 캐리지(550)는 프린팅 블록(120)에 위치한 매니폴드(320)(체크밸브 310을 포함함)와 분리되어 있고 직접 접촉하지 않는 예열 어셈블리(538)를 포함한다. 튜브(tube)는 예열 어셈블리(538A)를 매니폴드(320)에 연결하는데 사용될 수 있다. 일부 예시적인 실시 예에서, 예열기 어셈블리(538)는 제1 온도로 가열된 복수 개의 예열 챔버를 갖는 제1 섹션(538A)과 제2 온도로 가열된 적어도 하나의 예열 챔버를 갖는 제2 섹션(538B)을 포함한다. 일반적으로, 각각의 예열 어셈블리(538A 및 538B)는 각각 그 자체에 가열 플레이트(532A 및 532B)를 포함한다. 선택적으로, 가열 플레이트(532A)는 예열 챔버(130A)의 전체 길이에 걸쳐 실질적으로 연장될 수 있는 반면 가열 플레이트(532B)는 예열 챔버의 일부분에만 걸쳐서 연장될 수 있다. 선택적으로, 가열 플레이트(132B)는 유입구(135)에 인접하도록 위치된다. 도 12A 및 12B를 참조하여 설명된 바와 같이 예열 어셈블리(538)와 매니폴드(320)은 상이한 방식으로 분리된 2개의 열적으로 독립된 섹션 또는 2개 이상의 열적으로 독립된 섹션을 포함할 수 있다. 선택적으로, 각각의 챔버(130)는 다른 챔버들과 열적으로 독립적이어서 각각의 재료는 상이한 온도로 예열될 수 있다.
본 발명의 일부 실시 예에 따른 또 다른 예시적인 캐리지의 정면 사시도를 나타낸 도 15 및 2개의 섹션으로 분리된 적층 가공(AM) 시스템을 위한 또 다른 예열기 내부 구성 요소의 사시도를 나타낸 도 16을 참조한다. 본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 캐리지(650)는 매니폴드(320)(체크 밸브 310을 포함함)에 장착된 예열 어셈블리(638)를 포함한다. 예열 어셈블리(638)는 프린팅 블록(120)으로부터 분리되어 있고 프린팅 블록(120)과 직접 접촉하지 않는다. 매니폴드(320)는 제1 온도로 예열된 재료가 이송되는 제1 섹션(320A)과 제2 온도로 예열된 재료가 이송되는 제2 섹션(320B)로 나뉘어질 수 있다. 튜브는 예열 어셈블리(638)의 매니폴드(320)를 프린팅 블록(120)에 연결하는데 사용될 수 있다. 일부 예시적인 실시 예에서, 예열 어셈블리(538)는 제1 온도로 가열된 복수 개의 예열 챔버를 갖는 제1 섹션(538A) 및 제2 온도로 가열된 적어도 하나의 예열 챔버를 갖는 제 2 섹션(538B)을 포함한다. 일반적으로, 각각의 예열 어셈블리(538A 및 538B)는 각각 그 자체에 가열 플레이트(532A 및 532B)를 포함한다. 선택적으로, 가열 플레이트(532A)는 예열 챔버(130A)의 전체 길이에 걸쳐서 실질적으로 연장되는 반면, 가열플레이트(532B)는 예열 챔버의 일부분에만 걸쳐서 연장될 수 있다. 선택적으로, 가열 플레이트(132B)는 유입구(135)에 인접하도록 위치된다.
도 10 내지 16을 참조하여 예시된 실시 예에 따르면, 캐리지는 제1 세트의 재료를 동시에 가열할 수 있다. 제1 재료, 예를 들어, 모델링 재료를 제 1 온도로 가열하고 제2 재료, 예를 들어 지지체 재료를 제 2 온도로 동시에 가열해서 제1 및 제2 재료 모두가 그 재료에 적합한 온도에서 동시에 각각 적층 될 수 있다. 일부 예시적인 실시 예에서, 동일한 프린팅 블록 베이스가 사용되며, 프린팅 블록 베이스의 풋프린트를 크게 증가시키지 않고도 서로 다른 온도를 제어할 수 있다. 캐리지는 2개 이상의 열적으로 독립된 섹션 또는 2개의 열적으로 독립된 섹션을 포함할 수 있으며, 각각의 섹션은 하나 이상의 재료가 통과하는 것을 포함한다. 선택적으로, 각각의 챔버(130)는 다른 챔버들과 열적으로 독립될 수 있어서 예를 들어 모든 재료를 동시에 프린팅하는 동안 각각의 재료는 상이한 온도로 예열될 수 있다.
이제 본 발명의 일부 실시 예에 따른 프린팅 블록의 다양한 위치에서 시간에 따른 온도 거동을 보여주는 그래프를 나타낸 도 17을 참조한다. 커브(curves, 710)는 슬롯(25)과 저장조 (40)(도 10) 주위의 벽(wall)의 Y축을 따라 2개의 대향 단부(two opposite ends)에서 시간에 따라 측정된 온도를 예시적으로 나타낸다. 커브(720)는 슬롯(26)과 저장조(41)(도 10) 주위의 벽(wall)의 Y축을 따라 2개의 대향 단부(two opposite ends)에서 시간에 따라 측정된 온도를 예시적으로 나타낸다. 나타낸 바와 같이, 슬롯(26)과 저장조(41) 주위의 온도는 원하는 대로 슬롯(25)주위 온도 이하의 일정한 온도로 유지되었다. 또한, 슬롯(25)와 저장조(41) 주위 온도는 또한 원하는 대로 일정한 온도로 유지되었다. 본 발명의 일부 실시 예에 따르면, 특정 실시 예에서, 슬롯(25) 및 저장조(40) 주위의 온도는 약 70℃ 에서 유지되는 반면 슬롯(26) 및 저장조(41) 주위의 온도는 약 65℃ 에서 유지된다.
명확성을 위해 별개의 실시형태로 기술된 본 발명의 특정 특징은 또한 조합으로 또는 단일 실시형태로 제공될 수 있다. 반대로, 간결함을 위해 단일 실시형태로 기술된 본 발명의 다양한 특징은 또한 별개로 또는 적합한 서브-조합으로 또는 본 발명의 다른 기재된 실시형태에서 적합한 것으로 제공될 수 있다. 다양한 실시형태로 기술된 특정 특징은, 실시형태가 이들 구성요소 없이 작동 불가능하지 않는 한, 이들 실시형태의 필수적인 특징인 것으로 고려되지 않아야 한다.

Claims (28)

  1. 복수 개의 예열 챔버를 포함하는 예열 어셈블리; 및
    복수 개의 프린팅 헤드를 수용하기 위한 복수 개의 슬롯을 포함하는 프린팅 블록을 포함하는 캐리지; 및
    상기 캐리지로부터 적층된 재료를 수용하도록 구성된 구축 플랫폼을 포함하고,
    상기 캐리지는 헤드 슬롯 보다 많은 예열 챔버를 갖는 적층가공 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 프린팅 블록은, 복수 개의 슬롯 중 하나에 설치되는 복수 개의 프린팅 헤드 중 하나와 유체 연통하도록 구성되는 한 쌍의 저장조를 갖도록 형성된 적층가공 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 프린팅 블록은 복수 개의 슬롯 각각을 둘러싸는 한 쌍의 저장조를 갖고, 상기 각각의 저장조는 프린팅 블록에 설치된 복수 개의 프린팅 헤드 중 하나와 유체 연통하도록 구성되는 적층가공 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    각각의 저장조는 복수 개의 프린팅 헤드 중 하나의 개별적 노즐 어레이와 유체 연통하도록 구성되는 적층가공 시스템.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 예열 챔버 각각은 프린팅 블록에 형성된 저장조들 중 하나와 유체 연통하는 적층가공 시스템.
  6. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 저장조는 분리 벽에 의해 분리되는 적층가공 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 분리 벽은 한 쌍의 저장조 사이에서 선택적인 범람이 가능하도록 구성된 적층가공 시스템.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 프린팅 헤드는 모든 복수 개의 예열 챔버로부터 재료를 동시에 수용하도록 구성되는 적층가공 시스템.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    프린팅 블록의 대향하는 두 표면 측에 설치되는 가열 플레이트를 포함하는 적층가공 시스템.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수 개의 예열 챔버 중 적어도 하나는 상기 복수 개의 예열 챔버 중 하나를 통해 재료를 전달하도록 구성된 웜 스크류 채널을 갖는 적층가공 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 웜 스크류는 열 전도성 재료로 형성된 적층 가공 시스템.
  12. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재료는 블록 커버 전용 채널을 통해 예열 챔버에서 프린팅 헤드 저장조로 전달되는 적층가공 시스템.
  13. 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수 개의 예열 챔버 각각은 웜 스크류를 갖는 적층가공 시스템.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐리지는 구축 플랫폼 상에 배출된 재료의 층을 경화하도록 구성된 경화 유닛을 갖는 적층 가공 시스템.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐리지는 구축 플랫폼 상에 배출된 재료의 층을 평평하게 하도록 구성된 레벨링 장치를 갖는 적층 가공 시스템.
  16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층 가공 시스템은 3D 잉크젯 프린터인 적층가공 시스템.
  17. 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예열 어셈블리는 제1 예열 챔버를 포함하는 제1 섹션 및 복수의 제2 예열 챔버를 포함하는 제2 섹션으로 나뉘어 지고, 상기 제1 섹션은 제1 가열 요소에 의해 예열 되며, 상기 제2 섹션은 별도의 제2 가열 요소에 의해 가열되는 적층가공 시스템.
  18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프린팅 블록은 각각의 슬롯과 연결된 적어도 하나의 저장조를 갖고 상기 프린팅 블록은 프린팅 블록의 다른 저장조에 수용된 재료로부터 프린팅 블록의 저장조 중 하나에 수용된 재료를 열적으로 절연하도록 구성된 개구부를 갖는 적층가공 시스템.
  19. 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    예열 어셈블리는 적어도 제1 섹션과 제2 섹션으로 나뉘어지고, 상기 제1 섹션은 제1 예열 챔버를 포함하고 제2 섹션은 제2 예열 챔버를 포함하며, 상기 제1 섹션은 제1 가열 요소에 의해 예열되고 제2 섹션은 별도의 제2 가열 요소에 의해 가열되는 적층 가공 시스템.
  20. 개별적 챔버들에서 복수 개의 상이한 재료를 가열하는 단계;
    복수 개의 상이한 재료 각각의 내용물을 복수 개의 프린팅 헤드로 동시에 전달하되, 상기 복수 개의 상이한 재료는 복수 개의 프린팅 헤드의 개수를 초과하는 단계; 및
    3D 잉크젯 프린팅에 의해 프린팅 헤드로 복수 개의 상이한 재료 전부를 배출하는 단계; 를 포함하는 방법.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 복수 개의 상이한 재료 각각은 프린팅 헤드를 지지하도록 구성된 프린팅 블록에 형성된 한 쌍의 전용 저장조를 통해 프린팅 헤드들로 전달되고, 상기 각각의 저장조는 복수 개의 프린팅 헤드 중 하나와 유체 연통하는 방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    한 쌍의 저장조에서 프린팅 헤드의 개별적 노즐 어레이로 재료를 동시에 전달하는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제 20항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서,
    블록 커버 전용 채널을 통해 예열기 웜 스크류의 베이스로부터 프린팅 헤드 저장조로 상기 재료를 전달하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제 20항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 상이한 재료 중 하나는 제1 온도로 가열되고 복수 개의 상이한 재료 중 다른 하나는 제2 온도로 가열되는 방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 복수 개의 상이한 재료 중 하나는 지지체 재료이고, 상기 복수 개의 상이한 재료 중 나머지는 모델링 재료인 방법.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 지지체 재료는 모델링 재료 보다 2 내지 10도 낮은 온도로 가열되는 방법.
  27. 제 25항 또는 제 26항에 있어서,
    상기 지지체 재료는 가열되어 65°C 에서 유지되고, 상기 모델링 재료는 가열되어 70°C 에서 유지되는 방법.
  28. 제 24항 내지 제 27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 재료 중 또 다른 하나는 제3 온도로 가열되는 방법.
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