KR20180083384A - 3d 인쇄 장치 및 3d 인쇄 장치를 사용하여 대상물을 제조하는 방법 - Google Patents

3d 인쇄 장치 및 3d 인쇄 장치를 사용하여 대상물을 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배출 장치(24)를 갖는 적어도 하나의 인쇄 헤드(22)를 포함하는 3D 인쇄 장치(10)를 사용하여 대상물(40)을 제조하는 공정에 관한 것이며, 여기서 배출 장치(24)는 대상물(40)을 생성하기 위해 인쇄 조성물(42)을 의도된 포지션에 배치하도록 구비된다. 특히, 여기서, 배출 장치(24)의 영역에서, 배출 장치(24)로부터 나오는 인쇄 조성물(42)이 검출되고/되거나 기하학적 측정을 받는 것이 의도된다. 본 발명의 다른 양태는 공정 수행하도록 구비된 3D 인쇄 장치(10)에 관한 것이다.

Description

3D 인쇄 장치 및 3D 인쇄 장치를 사용하여 대상물을 제조하는 방법
본 발명은 적어도 하나의 배출 장치를 갖는 적어도 하나의 인쇄 헤드를 갖는 3D 인쇄 장치를 사용하여 대상물을 제조하는 방법에 관한 것으로, 여기서 배출 장치는 대상물을 적층 제조하기 위해 목표 포지션에 인쇄 재료를 배치하도록 설정된다. 본 발명의 다른 양태는 상기 방법을 수행하도록 설정된 3D 인쇄 장치에 관한 것이다.
프로토타입, 단기 물품, 또는 개별 물품의 제조를 위한 많은 상이한 적층 제조 방법이 종래 기술에서 공지되어 있다. 3D 인쇄라고도 하는 이러한 방법에 공통적인 것은 물품 또는 대상물이 컴퓨터 모델에 기초하여 직접 제조된다는 것이다. 유리하게는, 그에 따라 저렴하고 용이하게 고객 특정 구성 요소를 제조하는 것이 가능하다. 대상물의 제조를 위해, 예를 들어 분말은 경화제를 도포하여 선택적으로 통합되며, 제조될 대상물에 따른 패턴으로 분말에 경화제가 도포된다. 다른 방법은 분말이 정의된 패턴에 따라 원하는 형태로 레이저로 녹아 분말이 통합되는 레이저 소결, 및 대상물이 용융 플라스틱으로부터 층별로 제조되는 용융 필라멘트 제조를 포함한다. 마찬가지로, 액체가 노즐로 드롭별로 방출되고, 예를 들어 UV 방사선의 작용에 의해 경화되는 공지된 방법이 있다.
DE 10 2011 106 614 A1은 3차원 물품의 제조를 위한 방법 및 장치를 개시하는데, 여기서 물품은 원래 상태가 액상이거나 액화될 수 있는 실리콘과 같은 통합 가능한 재료로 구성된다. 액체 재료는 액적의 형태로 배출되고 대상물을 생산하도록 대상물 캐리어 상에 위치된다. 인쇄 스테이지 또는 대상물 캐리어의 가변 정렬, 위치 설정, 및 경사에 의해, 돌출물 및 자체 지지 요소의 특수한 3D 인쇄가 구현된다. 여기에서 인쇄될 대상물은 다축 액추에이터에 의해 정렬되어 인쇄 장치가 항상 인쇄 평면 상에 수직으로 인쇄 복셀(voxel)을 배치할 수 있다.
DE 10 2012 000 664 A1은 인쇄 재료를 방출하기 위한 캐리어 및 압출기를 가지고 구동 시스템을 갖는 3차원 대상물의 제조를 위한 장치를 개시하며, 여기서 캐리어 및 압출기는 3차원 대상물을 제조하기 위해 구동 시스템에 의해 3개의 이동 방향으로 서로에 대해 이동 가능하다. 조정 능력을 개선하기 위해, 다수의 구동 모터가 이동 방향 중 적어도 하나의 이동 방향으로 제공된다.
EP 1 886 793 A1은 액적 크기에 영향을 주고 인쇄 액적의 비행 경로에 영향을 주는 것과 관련된 다양한 양태를 기술한다. 또한, 인쇄 노즐로부터 인쇄 평면까지의 거리는 인쇄 액적의 최적의 분리를 초래하도록 선택된다.
DE 10 2013 003 167 A1은 적층 제조에 의해 3차원 물품을 제조하는 다른 방법에 관한 것이다. 전개 시에, 물품의 구조적으로 상이한 영역이 제조되며, 상이한 영역에서의 전개에 대한 선택된 구성 기준에 따라 공간 구조가 제조된다.
DE 10 2015 110 342 A1은 전도성 요소를 임의의 원하는 몸체에 인쇄하는 또 다른 방법을 기술한다. 노즐 팁과 기판 사이의 거리 크기를 최적화함으로써 액적 위치 설정의 정확도가 개선된다.
그러나, 종래 기술로부터 공지된 장치는 인쇄된 부품의 품질에 영향을 주는 기술적 결함을 갖는다. 종래 기술에서 공지된 적층 방법에 의해 달성 가능한 대상물의 품질은 사출 성형에 의해 제조된 비교할 만한 대상물의 일정한 품질에 도달하지 못했다. 또한, 제조된 대상물의 산업적 사용에 필수 불가결한, 최종 제품의 균일한 품질을 보장하는 것이 공지된 방법으로는 불가능하다.
문제의 요소는 특히 인쇄 노즐로부터의 재료 배출의 변화로 인해 발생하는 오식(misprint), 또는 기포와 같은 결함을 갖는 오식이다. 이러한 종류의 기포는 예를 들어 배치되지 않은(unplaced) 인쇄 재료의 경우에 발생한다.
본 발명의 한 가지 목적은 예를 들어 표면 및 형상 진실성과 관련하여 고품질의 대상물이 제조 가능한, 대상물의 적층 제조를 위한 개선된 방법 및 대응하는 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 제조된 대상물의 균일한 품질이 보장될 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
3D 인쇄 장치를 사용하여 대상물을 제조하는 방법이 제안된다. 3D 인쇄 장치는 적어도 하나의 배출 장치를 갖는 적어도 하나의 인쇄 헤드를 가지며, 여기서 배출 장치는 대상물을 적층 제조하기 위해 목표 포지션에 인쇄 재료를 배치하도록 설정된다. 인쇄 재료는 영구적인 구성 요소의 제조를 위한 재료, 특히 실리콘일 수 있거나, 일시적으로 제조된 부품 또는 영역에 필요한 재료, 특히 예를 들어 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol, PEG)의 형태의 지지 재료일 수 있다.
배출 장치는 배출 축의 방향으로 개별적인 격리된 액적의 형태로, 일련의 액적으로서, 또는 스트랜드(strand)의 형태로 인쇄 재료를 방출하도록 설정된다. 이 형태들 사이에서 흐름 전이가 가능하다. 이 설명의 맥락에서, 배출 장치로부터 배출되어 베이스 플레이트 또는 대상물 상에 배치된 인쇄 재료의 액적은 복셀이라고 지칭된다. 스트랜드는 배출된 인쇄 재료 및 아직 배치되지 않은 인쇄 재료 및 배치된 인쇄 재료 모두를 지칭한다. 배치된 인쇄 재료는 복셀 또는 스트랜드를 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명에 따르면, 배출 장치로부터 빠져나가고 있거나 빠져나간 인쇄 재료는 배출 장치의 영역에서 검출 및/또는 기하학적으로 측정된다. 인쇄 재료는 배출 장치의 영역에서 검출 및/또는 기하학적으로 측정되고, 따라서 측정은 배출 장치의 상태에 관한 결론을 내릴 수 있게 한다. 이는 인쇄 재료가 빠져나가고 있는 동안, 또는 빠져나간 후, 및 배치되기 전에 검출 및/또는 기하학적으로 측정되었음을 의미한다. 액적의 경우, 이는 비행 중에 검출 및/또는 기하학적으로 측정되었음을 의미한다. 배출 장치의 영역에서 인쇄 재료의 측정은 인쇄 재료가 배치된 후에 인쇄 재료에 대한 추가 측정에 의해 보완될 수 있다.
기하학적 측정이란 넓은 의미에서 빠져나간 인쇄 재료의 형태 또는 형상에 대한 지식을 얻는 것을 지칭한다.
이 방법의 일 구성에서, 측정된 기하학적 구조에 기초하여 인쇄 오류가 검출된다. 예를 들어, 액적, 일련의 액적, 또는 스트랜드 형태의 인쇄 재료가 전혀 빠져나가지 않았는지 여부를 확인할 수 있다. 보다 특히, 따라서, 검출 및/또는 기하학적 측정은 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료에 대한 결정을 가능하게 할 수 있다. 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료는 예를 들어 압력 램의 마모 또는 배출 장치의 막힘에 대한 징후일 수 있다. 이것이 용인할 수 없는 정도로 검출되면, 예를 들어 배출 장치를 세정하거나 사용자에게 유지 보수 어드바이스를 내리기 위한 준비가 이루어질 수 있다.
또한, 액적, 액적 시리즈, 및 스트랜드는 액적 형태, 액적 시리즈 형태, 또는 스트랜드 형태를 측정함으로써 보다 정확하게 특징지어질 수 있다. 여기서, 예를 들어 액적 단면 및 스트랜드의 직경을 결정하는 것이 가능하다. 또한, 액적의 체적이 또한 측정될 수 있으며, 이를 통해 주어진 인쇄 재료의 밀도를 고려하여, 액적의 중량을 결정하는 것도 가능하다. 또한, 액적 또는 스트랜드의 회전 대칭의 정도를 결정하는 것도 가능하다. 액적의 경우, 정의된 액적 기하학적 구조부터의 편차를 결정하는 것이 가능하다. 스트랜드의 경우, 정의된 스트랜드 기하학적 구조, 예를 들어 실린더 기하학적 구조로부터의 편차를 결정하는 것이 가능하다. 결과적으로, 예를 들어, 배출 장치로부의 배출 스트랜드의 변형을 야기하는, 스트랜드의 인쇄에서 인쇄 헤드의 잘못된 배출 높이 또는 잘못된 이동 속도를 검출하고 보정하는 것이 또한 가능하다.
기하학적 측정은 추가적으로 또는 대안적으로 인쇄 재료의 원치 않는 중단 특성의 결정, 특히 스트링잉(stringing)의 결정을 또한 포함할 수 있다. 복셀의 인쇄에서, 배출 장치로부터 액적이 분리되기 직전에, 액적이 한쪽은 사실상 구형이지만, 다른 한쪽은 점으로 가늘어지는 형상이 발생한다. 분리 후에, 팁은 더 작아지거나 완전히 사라질 수 있다. 그러나, 특정 조건, 예를 들어 너무 낮은 반응물 온도, 부분적으로 가교 결합된 재료 하에서, 또는 배출 장치의 부 최적 조건 하에서, 특히 잘못된 램 전진 속도, 잘못된 램 회수 속도, 노즐의 잘못된 개방 시간, 또는 잘못된 램 스트로크의 경우에, 팁은 사라지지 않고 넓어져서 액적이 후속하는 액적에 연결됨을 나타낼 수 있는 실(thread)을 형성한다. 이 효과는 스트링잉이라고 지칭된다. 스트링잉은 스트랜드의 경우, 예를 들어, 스트랜드가 층마다 중단되고 다시 시작되는 때에도 존재할 수 있다. 스트링잉이 용인할 수 없는 정도로 검출되면, 예를 들어 배출 장치를 세정하기 위한 준비가 이루어질 수 있다.
바람직한 실시예에서, 배출 장치로부터 배출된 인쇄 재료의 중량이 또한 측정된다. 따라서, 인쇄 공정 중에, 인쇄된 대상물의 계속적인 질량 균형이 성립되는 것이 가능하다. 체적 및 밀도에 의해 결정된 인쇄 재료의 중량은 측정된 중량과 비교될 수 있다. 따라서, 인쇄 작업 중에 이물질이 인쇄 재료에 도입되는 것을 인식할 수 있다. 이물질은 예를 들어 환경으로부터 떠다니는 입자일 수도 있거나, 그렇지 않으면 배출 장치의 응축수 또는 고형 실리콘 침전물에서 나올 수 있다.
상이한 기하학적 구조 또는 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료는 배출 장치가 지닌 문제, 예를 들어 막힌 노즐 또는 인쇄 헤드로 인쇄 재료의 공급 시의 기포를 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서 배출 장치로부터 빠져나간 인쇄 재료의 검출 또는 측정된 기하학적 구조는 인쇄 헤드의 자동 세정을 트리거하는 데 사용된다. 깨끗한 노즐의 경우에만 원하는 복셀, 즉 스트랜드 기하학적 구조가 보장되므로, 세정은 품질 보증을 위한 것이다. 이를 위해, 3D 인쇄 장치는 자동 세정을 가능하게 하는 세정 스테이션을 갖는다.
오류로 배치되지 않은 인쇄 재료가 인식되면, 바람직하게는 인쇄 재료가 배치되어야 할 포지션과 함께 기록된다. 본 발명의 일 실시예는 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료의 재인쇄를 고안한다. 결과적으로, 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료로 인한 불량품이 줄어들 것으로 예상된다. 배치되지 않은 인쇄 재료를 재인쇄하기 위해, 인쇄 헤드는 예를 들어 인쇄 헤드의 세정 후에, 인쇄 헤드를 기록된 포지션으로 다시 이동되고 인쇄 재료의 배출이 반복된다. 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료는 후속하는 층에서의 제어된 다수의 인쇄에 의해 후속하여 또한 배치될 수 있다.
바람직하게는, 배치되지 않은 인쇄 재료의 재인쇄는 경화의 방법 단계에 선행한다. 경화 이전에 배치되지 않은 인쇄 재료의 재인쇄는 재인쇄된 인쇄 재료가 경화되지 않은 인쇄 재료에, 예를 들어 배치된 인접한 인쇄 재료에 결합할 수 있다는 이점을 가지며, 여기서 "인접한"이라는 용어는 예를 들어 동일한 층의 인쇄 재료, 또는 경화 전략에 따라 다수의 층의 인쇄 재료와도 관련된 것일 수 있다. 이를 위해, 사용된 인쇄 재료는 바람직하게는 도포 후에 여전히 자유롭게 유동하여, 배치된 인쇄 재료가 서로 합쳐져, 배치된 인쇄 재료 사이에 매끄러운 전이를 초래할 수 있다.
배치되지 않은 인쇄 재료의 재인쇄에 대안적으로 또는 추가적으로, 오류 메시지 또는 경고 메시지가 발행될 수 있다. 방출 장치의 노화가 오류 메시지의 형태로 기록될 수 있다. 경고 메시지에는 예를 들어 세정이 필요함을 지적하는 사용자를 위한 유지 보수 어드바이스를 포함할 수 있다.
빠져나간 인쇄 재료의 기하학적 구조의 측정 결과는 예를 들어 스크린 및/또는 데이터 캐리어 상에 다른 목적을 위해서도 3D 인쇄 장치의 사용자에게 제공될 수 있다. 따라서, 사용자는 인쇄 재료의 임의의 배출 변화에 적절하게 반응할 수 있는 위치에 놓이게 된다.
일어난 표준 기하학적 구조로부터의 일부 인식된 편차는 장치 제어 시스템에서 자동 보정에 의해 보상될 수 있다. 방법의 일 실시예에서, 인쇄 결과물, 즉 빠져나간 인쇄 재료의 원하는 기하학적 구조는 측정 결과에 기초하여 자동 폐 루프 제어 하에 있다. 본 개시물의 맥락에서, 표준 용어에 따른 폐 루프 제어는 측정 파라미터, 여기서는 균일한 기하학적 구조를 유지하기 위한 동작 파라미터의 자동 변화를 의미하는 것으로 이해된다. 단순화된 용어로, 이는 또한 다음과 같이 설명될 수 있다: 기하학적 구조가 너무 크게 다르면, 기하학적 구조가 다시 원하는 대로 될 때까지 이후에 언급된 파라미터 중 하나 이상이 재조정된다. 이것이 가능하지 않으면, 3D 인쇄 작업은 중지될 수 있다. 후자는 특히 배출 장치의 마모로 인해 인쇄 품질이 변화되는 경우, 또는 오류인 혹은 누락된 인쇄 재료의 경우일 것이다.
배출 장치로부터 빠져나가는 인쇄 재료의 기하학적 구조에 영향을 줄 수 있는 3D 인쇄 장치의 동작 파라미터는 인쇄 헤드의 이동 속도를 포함한다. 스트랜드의 경우 인쇄 헤드의 이동 속도의 증가는 이동 방향의 스트랜드 단면의 감소 및 이동 방향의 스트랜드 단면의 확대에 대응하는 인쇄 헤드의 이동 속도의 감소를 야기할 수 있다.
배출 장치로부터 빠져나간 인쇄 재료의 기하학적 구조에 영향을 줄 수 있는 3D 인쇄 장치의 동작 파라미터는 대상물이 배치되는 베이스 플레이트 위로 배출 높이 또는 도포 높이를 또한 포함한다. 베이스 플레이트 위로 배출 높이의 증가는 스트랜드의 경우에는 부정확한 위치 설정을, 그리고 복셀의 경우에는 궤적 오류를 야기할 수 있다; 베이스 플레이트 위로 배출 높이의 감소는 스트랜드의 경우에는 측 방향 변형을, 그리고 복셀의 경우에는 최대 노즐의 막힘 및 스트링잉 현상을 포함하여 깨끗하지 않은 액적 중단 특성을 야기할 수 있다. 보다 특히, 배치된 인쇄 재료에 배출 장치를 담그는 것은 대부분의 경우에 바람직하지 않다.
배출 장치로부터 빠져나간 인쇄 재료의 기하학적 구조에 영향을 줄 수 있는 3D 인쇄 장치의 동작 파라미터는 인쇄 재료가 받게 되는, 배출 장치에 가해지는 물리적 압력을 추가로 또한 포함한다. "물리적 압력"이라는 표현은 "인쇄"라는 표현과 구별되도록 사용된다. 배출 장치에 가해지는 물리적 압력의 증가는 스트랜드의 경우 및 복셀의 경우 높은 재료 배출을 야기한다. 배출 장치에 가해지는 물리적 압력의 감소는 스트랜드의 경우 및 복셀의 경우 재료 배출의 감소를 야기한다.
재료 저장조의 물리적 공급 압력에도 동일하게 적용된다.
배출 장치로부터 빠져나간 액적의 기하학적 구조에 영향을 줄 수 있는 3D 인쇄 장치의 동작 파라미터는 인쇄 주파수, 또는 액적 혹은 복셀의 배출 속도를 더 포함한다. 인쇄 주파수의 증가는 체적의 감소를, 그리고 인쇄 주파수의 감소는 대응하여 체적의 증가를 야기할 수 있다. 인쇄 주파수는 더 바람직하게는 인쇄 헤드의 이동 속도와 조합하여 조정된다.
복셀 크기에 영향을 주는 분사 노즐의 다른 파라미터는 램 전진 속도, 램 회수 속도, 분사 밸브의 개방 시간, 및 램 스트로크이다. 따라서, 이들 파라미터의 변화에 의해 배출 장치로부터 빠져나간 인쇄 재료의 기하학적 구조의 폐쇄 루프 제어가 마찬가지로 제안된다. 램 형상 및 노즐 조합도 복셀 크기에 영향을 주지만, 이러한 파라미터는 종종 인쇄 중에 변경될 수 없다.
스트랜드 크기 및 인쇄 정확도에 영향을 주는 디스펜서의 다른 파라미터는 유량(flow rate), 공급기 속도, 재료 저장조의 공급 압력, 및 라인 끝에서 재료 수축 특성이다. 따라서, 이들 파라미터의 변화에 의해 배출 장치로부터 빠져나간 인쇄 재료의 기하학적 구조의 폐쇄 루프 제어가 마찬가지로 제안된다.
측정 방법
측정은 바람직하게는 일측, 즉 인쇄 재료의 배출 방향에 대해 직각으로부터 행해져, 예를 들어 빠져나온 액적은 구형 섹션 및 팁형 섹션으로 검출될 수 있다. 카메라에 의한 측정의 경우, 그 시야가 대응하여 향하게 된다. 휘도 측정의 경우, 광 배리어가 대응하게 배열된다.
복셀이 인쇄되면, 스트링잉 및 액적 기하학적 구조를 결정할 수 있도록, 최대 가능한 액적 직경보다 넓은 광 빔이 바람직하다. 스트랜드의 경우, 스트랜드 직경보다 넓은 광 빔으로 측정하는 것이 의미가 있다. 횡단면의 관점에서, 광 빔은 예를 들어 둥근 기하학적 구조로 직경이 0.3mm이고, 사각 기하학적 구조의 경우 0.1mm x 0.3mm이다.
측정은 예를 들어 액적 및 스트랜드의 확인된 속성은 배출 장치의 상태에 대한 충분한 결론을 허용하고 부유 입자와 같은 환경적 영향에 의해 왜곡되지 않도록, 바람직하게는 배출 장치에 가능한 한 가깝게 행해진다. 따라서, 방출 장치로부터의 광 빔의 거리는 바람직하게는 1cm 미만, 바람직하게는 1mm 미만, 특히 바람직하게는 0.1mm 미만이다.
기하학적 측정은 배출 장치의 출구 오리피스의 영역을 커버하는 카메라의 도움을 받아 행해질 수 있다. 카메라의 이미지 주파수는 분사 주파수에 일치하여 모든 액적을 적어도 하나의 카메라 이미지에서 볼 수 있다. 그 경우에 카메라 이미지의 컴퓨터 보조 평가는 액적의 윤곽의 결정 및 이상적인 액적과의 비교를 포함한다. 높은 인쇄 주파수 경우에는 초당 수백에서 수백만 이미지를 갖는 고속 카메라를 사용하는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 그러나, 기하학적 측정은 투과광 동작 또는 반사광 동작에서 적어도 하나의 휘도 측정에 의해 행해진다. 이는 광 수신기에 의해 검출되는 광 이미터에 의한 광 빔의 송신을 수반한다. 본 발명의 이 실시예는 고속 카메라 및 대응하는 이미지 프로세싱의 사용보다 많은 경우에 더욱 유리하다.
투과광 동작에서, 수신기는 이미터와 마주보게 또는 대향하도록 배열된다. 인쇄 재료가 광 빔을 가로지르면, 반사 및 흡수, 즉 수신기에 부딪치는 휘도의 측정 가능한 감소로 인해 그 뒤에 그림자를 생성한다. 시간에 대해 수신된 신호는 "쉐도잉의 함수"라고도 지칭된다. 인쇄 재료의 존재는 수신기에 부딪치는 휘도의 감소로부터 결론지어진다. 시간에 대한 수신된 신호의 보다 정확한 분석은 빠져나간 인쇄 재료의 형상에 대한 결론을 허용한다.
반사광 동작에서, 수신기 및 이미터는 서로에 대해 0°내지 90°의 각도로 배열된다. 0°의 각도에서, 이미터는 동시에 수신기이며, 이는 본 개시물에서 이미터/수신기 유닛이라고도 지칭된다. 여기서 측정 원리는 다음과 같다: 인쇄 재료가 광 빔을 가로지르면, 반사로 인해 측정 가능한 신호를 생성한다. 수신기는 발산된 광의 반사된 부분을 측정한다. 광 경로에서 인쇄 재료의 존재는 수신기에 부딪치는 휘도의 증가로부터 결론지어진다. 시간에 대한 수신된 신호의 보다 정확한 분석은 또한 그 형상에 대한 결론을 허용한다.
예를 들어 다수의 이미터 및/또는 수신기에 의해 다수의 휘도 측정이 수행된다면, 액적의 위치의 상이한 포지션 또는 비직선 비행 경로, 또는 압출된 스트랜드의 상이한 위치를 결정하는 것이 또한 가능하다. 이는 이미터와 수신기의 V 배열(0°보다 크고 90°보다 작은 각도)의 경우에도 결정될 수 있다.
수신된 신호의 평가에서, 시간 경과에 따라 수신된 신호와 기준 신호의 비교가 수행된다. 여기서, 기준 신호는 시뮬레이션 또는 테스트 런으로부터 유래된 신호가 저장된 데이터베이스로부터 올 수 있다. 대안적으로, 기준 신호는 3D 인쇄 장치의 캘리브레이션에서 또는 각각의 경우에 대상물 또는 대상물의 층의 인쇄의 개시 시에 기록된다. 이러한 경우, 시간 경과에 따른 재료 배출의 변화에 반응하는 것이 유리하게 가능하며, 공정은 확립된 동작 파라미터와 독립적으로 진행될 수 있다.
휘도 측정에서의 수신된 신호는 물리적인 측면에서 센서 기하학적 구조를 갖는 액적 형태의 컨벌루션, 즉 1차원 형태에 대응하며,
Figure pct00001
여기서 femp는 액적 형태를 나타내고, g는 센서 기하학적 구조를 나타내고, 여기서 t는 시간을 표시하고, T는 기간을 표시하고, a는 문제의 기간의 선택을 위한 상수를 표시한다.
수신된 신호와 기준 신호의 비교는 전기 공학 필터를 사용하여 또는 공지된 수학적 방법의 도움으로 컴퓨터 보조 방식으로 이루어질 수 있다. 사용되는 전기 공학 필터는 예를 들어 먼저 수신된 신호를 기준 신호와 비교하기 위한 최적의 필터일 수 있다. 그 후, 기준 신호 주위의 허용 오차 대역이 고정되고, 수신된 신호가 허용 오차 대역 내에 있는지 여부가 결정된다. 컴퓨터 보조 비교에서, 예를 들어 수신된 신호 및 기준 신호를 시간에 따라 순차적으로 모델링하기 위해, 먼저 공지된 최적 알고리즘을 사용할 수 있다. 그 다음에, 편차의 정도는 예를 들어 시간 신호를 푸리에 계수 등으로 분해하고, 이들의 비교에 의해 결정될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이를 위해, 편차의 정도는 시간 신호들 사이의 제곱된 차에 대해 적분 또는 합계를 형성함으로써 결정될 수 있다. 편차의 결정은 또한 시간에 대한 미분 또는 신호의 적분의 검사를 포함할 수 있다.
복셀 형태의 인쇄 재료의 경우에, 복셀의 기하학적 측정은 복셀의 인쇄 주파수의 적어도 5배, 바람직하게는 적어도 10배의 스캐닝 레이트로 행해진다. 이는 충분한 데이터가 이용 가능한 것을 보장하여, 빠져나간 인쇄 재료의 기하학적 측정이 의미가 있다.
인쇄 재료
사용되는 인쇄 재료는 바람직하게는 적어도 공정 중에 자유롭게 유동하는 형태이고 배출 후에 경화될 수 있는 재료이다. 후속 경화성은 오식이 검출되는 경우에, 예를 들어 인쇄 헤드의 세정에 뒤이어 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료를 재인쇄하는 공정이 수행될 수 있다는 것을 의미하며, 이 경우, 가교 결합되지 않은 재료는 경화될 때까지 자유 유동을 유지하여, 후속하여 배치된 인쇄 재료가 여전히 세정 이전에 배치된 인쇄 재료에 여전히 결합될 수 있다.
인쇄 재료의 경화는 방사선에 의해 또는 열적 수단에 의해 보다 바람직하게는 위치 선택적 방식으로, 또는 방사선 또는 열적 수단에 의해 전체 지역에 걸쳐 행해지는 것이 바람직하다. 따라서, 제안된 공정에서, 배치된 후에 방사선 또는 열의 작용을 통해 경화될 수 있는 인쇄 재료를 사용하는 것이 바람직하다.
위치 선택적 노출은 열 또는 방사선 소스가 베이스 플레이트에 대해 이동 가능한 방식으로 배열되고 대상물의 선택된 영역에 대해서만 작용한다는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 지역적 노출은 열 또는 방사선 소스가 전체 대상물 또는 대상물의 전체 재료층에 걸쳐 동시에 작용한다는 것을 의미하는 것으로 이해된다.
예를 들어, 제안된 공정의 경우, 화학 방사선의 작용을 통해, 바람직하게는 UV/VIS 방사선의 작용에 의해 경화될 수 있는 인쇄 재료가 사용된다. UV 방사선 또는 UV 광은 100nm 내지 380nm 범위의 파장을 가지고, 한편 가시광(VIS 방사선)은 380nm 내지 780nm 범위의 파장을 갖는다. 바람직하게는, 인쇄 재료에 대한 UV/VIS 방사선의 작용은 노출 유닛을 통해 행해진다.
열적 수단에 의해 경화되는 인쇄 재료의 경우, 위치 선택적 또는 지역적 열 처리를 수행하기 위해 적외선 소스(infrared source, IR)를 사용하는 것이 가능하다.
본 발명의 방법에서, 사용되는 인쇄 재료는 보다 바람직하게는 UV/VIS 유도 첨가 반응을 통해 가교 결합하는 실리콘 고무 재료이다. UV/VIS 유도 가교 결합은 열 가교 결합보다 이점이 있다. 첫째로, UV/VIS 방사선의 강도, 작용 시간, 및 작용 장소가 정확하게 판단될 수 있는데 반해, 배출된 인쇄 재료의 가열(및 후속하는 냉각)은 상대적으로 낮은 열전도성 때문에 항상 지연된다. 실리콘의 본질적으로 매우 높은 열 팽창 계수로 인하여, 열 가교 결합에서 필연적으로 존재하는 온도 구배는 형성되는 대상물의 스케일에 대한 진실성에 악영향을 주는 기계적 응력을 야기하며, 이는 극단적인 경우에 허용할 수 없는 형상의 왜곡을 야기할 수 있다.
UV/VIS 유도 첨가 가교 결합 실리콘 고무 재료는 예를 들어 DE 10 2008 000 156 A1, DE 10 2008 043 316 A1, DE 10 2009 002 231 A1, DE 10 2009 027 486 A1, DE 10 2010 043 149 A1, 및 WO 2009/027133 A2에 기술되어 있다. 가교 결합은 감광성 하이드로실릴화 촉매의 UV/VIS 유도 활성화를 통해 일어나며, 감광성 하이드로실릴화 촉매로는 백금 착물이 바람직하다. 기술 문헌은 광을 배제한 상태로는 거의 비활성이고, 250-500nm의 파장을 갖는 광의 조사로 실온에서 활성인 백금 촉매로 전환될 수 있는 다수의 감광성 백금 촉매를 기술하고 있다. 이의 예는(η-디올레핀)(σ-아릴)백금 착물(EP 0 122 008 A1; EP 0 561 919 B1), Pt(II)-β-디케토네이트 착물(EP 0 398 701 B1), 및(η5-클로펜타디에닐)트리(σ-알킬)백금(IV) 착물(EP 0 146 307 B1, EP 0 358 452 B1, EP 0 561 893 B1)이다. 예를 들어 EP 1 050 538 B1 및 EP 1 803 728 B1에 기술된 바와 같이, MeCpPtMe3, 및 백금 상에 존재하는 기의 치환을 통해 이로부터 도출된 착물이 특히 바람직하다. UV/VIS 유도 방식으로 가교 결합하는 인쇄 재료는 단일 또는 다중 성분 형태로 제제화될 수 있다.
UV/VIS 유도 첨가 가교 결합의 속도는 많은 인자, 특히 백금 촉매의 성질 및 농도, UV/VIS 방사선의 작용의 강도, 파장, 및 지속 시간, 실리콘 고무 재료의 투명도, 반사율, 층 두께, 및 조성, 및 온도에 의존한다.
백금 촉매는 바람직하게는 실온에서 충분히 빠른 가교 결합을 가능하게 하도록 촉매적으로 충분한 양으로 사용된다. 전체 실리콘 고무 재료에 대한 Pt 금속의 함량을 기준으로 0.1중량ppm 내지 500중량ppm, 바람직하게는 0.5중량ppm 내지 200중량ppm, 보다 바람직하게는 1중량ppm 내지 50중량ppm의 촉매를 사용하는 것이 바람직하다.
UV/VIS 유도 방식으로 첨가 가교 결합을 하는 실리콘 고무 재료의 경화를 위해, 파장 240nm 내지 500nm, 보다 바람직하게는 250nm 내지 400nm, 보다 바람직하게는 350nm 내지 400nm, 특히 바람직하게는 365nm의 광을 사용하는 것이 바람직하다. 20분 미만, 바람직하게는 10분 미만, 보다 바람직하게는 1분 미만의 실온에서의 가교 결합 시간을 의미하는 것으로 이해되는 빠른 가교 결합을 달성하기 위해, 10mW/cm2 내지 20,000mW/cm2 사이, 바람직하게는 30mW/cm2 내지 15,000mW/cm2 사이의 전력, 및 150mJ/cm2 내지 20,000mJ/cm2 사이, 바람직하게는 500mJ/cm² 내지 10,000mJ/cm² 사이의 방사선량을 갖는 UV/VIS 방사선 소스를 사용하는 것이 권장된다. 이러한 전력 및 선량 값의 범위 내에서, 최대 2000s/cm² 내지 최소 8ms/cm² 사이의 지역 특정 조사 시간을 달성하는 것이 가능하다.
바람직하게는, 제안된 방법은 엘라스토머 부품, 특히 실리콘 엘라스토머 부품인 대상물의 제조 시에 사용된다. 엘라스토머 부품의 제조를 위해, 상기에서 제안된 인쇄 재료 중 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 엘라스토머, 특히 실리콘 엘라스토머는 3D 인쇄 공정에 특정 요구를 부과하는데, 이들 재료가 예를 들어 열가소성 플라스틱과는 대조적으로 탄성이 있어, 대상물의 제조 중에 변형될 수 있기 때문이다. 또한, 가교 결합되지 않은 재료는 경화될 때까지 자유 유동한다.
본 발명은 또한 제안된 공정에 의해 제조되는 엘라스토머 부품, 특히 실리콘 엘라스토머 부품에 관한 것이다. 엘라스토머 부품은 바람직하게는 전술한 인쇄 재료 중 하나를 사용하여 구성된다. 제안된 공정에 의해 제조된 엘라스토머 부품은 사출 성형에 의해 제조된 엘라스토머 부품의 품질에 상응하거나 심지어 초과할 수 있는 품질에 있어서 주목할 만하다. 동시에, 표면이 원하는 대로 조정될 수 있다. 표면은 예를 들어 특히 규칙적인 구조를 고려하여 구조화될 수 있거나, 매끄럽고 및/또는 완전히 연속적일 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 엘라스토머 부품은 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료의 재인쇄로 인해 또한 임의의 포획된 공기 또는 기포를 갖지 않는다. 따라서, 예를 들어 의료용으로도 적합한, 신뢰 가능한 물리적 속성을 갖는 기계적으로 응력을 가할 수 있는 대상물이 제조될 수 있다. 예를 들어, 광학 렌즈의 경우에 탄성, 또는 매끄러운 속성, 또는 등방성 광학 투명성을 보장하는 것이 가능하다. 또한, 그 기하학적 구조가 주조 방법에 사용되는 몰드에 의해 제한되지 않는다는 것이 엘라스토머 부품의 특징이다. 따라서, 엘라스토머 부품은 언더컷 및/또는 밀폐된 공동을 가질 수 있다. 엘라스토머 부품은 또한 사출 성형 부품, 특히 몰드 절반의 분리 시에 그리고 러너(runner) 시스템에서 발생하는 버(burr)가 없다.
일 실시예에서, 인쇄 헤드의 포지션은 포지션 측정에 의해 지속적으로 결정되고, 인쇄 재료는 인쇄 헤드의 지속적으로 결정된 포지션에 따라 배출 장치에 의해 배치된다. 보다 특히, 베이스 플레이트, 따라서 제조될 대상물에 대한 인쇄 헤드의 상대적 포지션이 확립된다. 바람직하게는, 이를 위해, 포지션은 3개의 공간 방향 X, Y, 및 Z 각각에 대해 결정된다. 포지션은 적어도 베이스 플레이트에 평행한 평면에 있는 공간 방향에 대해 결정된다. 인쇄 재료는 추정된 목표 포지션을 고려해서가 아니라, 확인된 실제 포지션을 고려하여 각각의 경우에 배출 장치를 통해 배출된다.
예를 들어, 대상물의 제조가 중단되는 경우, 인쇄 헤드의 포지션의 지속적인 결정은 유리하다. 이러한 종류의 중단은 예를 들어 사용된 배출 장치를 세정하기 위해 필요할 수 있다. 이를 위해, 인쇄 헤드는 이미 부분적으로 형성된 대상물로부터 제거된 안전한 포지션으로 옮겨질 수 있으며, 거기서 세정이 된다. 예를 들어 세정 중에 인쇄 헤드에 전달되는 힘을 통한 세정 시에 인쇄 헤드의 임의의 포지션 변화는 이전과 같이 지속적으로 결정되고 인쇄 동작이 다시 계속될 때 고려된다. 세정 간격은 바람직하게는 공정되는 인쇄 재료에 따라 조정될 수 있도록 프로그래밍 가능하다.
중단의 다른 이유는 안전 장치의 트리거링일 수 있다. 인쇄 헤드는 움직이는 부품이며, 예를 들어 손이 움직이는 부품에 가까워지면 3D 인쇄 장치의 사용자가 부상 당할 위험이 있다. 따라서, 종래 기술에서는, 사용되는 위치 설정 유닛으로의 전력 공급을 중지시키는 비상 오프 스위치가 통상적이었다. 인쇄 헤드의 관성 때문에 또는 인쇄 헤드에 외부 힘이 가해지기 때문에, 전력 공급이 중지된 후에도 계속 움직일 수 있으므로, 인쇄 헤드의 실제 포지션은 마지막으로 알려진 목표 포지션과 상이할 수 있다. 유리하게는, 비상 오프 스위치가 트리거되더라도 인쇄 헤드의 포지션이 여전히 계속적으로 결정되도록 포지션 측정 유닛의 동작이 계속된다. 이를 위해, 포지션 측정 유닛에 대한 전력 공급기가 위치 설정 유닛의 전력 공급기와 분리되는 것이 바람직하다. 이는 인쇄 헤드가 위치 설정 유닛의 전원 공급기의 복구 후에 목표 포지션으로 다시 안내된다는 점에서 대상물의 끊김없는 계속적인 제조를 가능하게 한다. 유리하게는, 따라서, 특히 그렇지 않았다면 비상 스위치 오프 후에 거부되었을, 복잡하거나 값비싼 3D 대상물을 완성하고 보존하는 것이 가능하다.
인쇄 헤드의 실제 포지션의 지속적인 결정의 다른 이점은 정의된 포지션에 도달하지 못하는 것이 인식될 수 있다는 것이다. 결정된 인쇄 헤드의 실제 포지션이 주어진 허용 오차를 초과한 만큼 상이한 것으로 결정될 때 정의된 목표 포지션에 도달되지 않은 것으로 간주된다. 예를 들어 이는 예컨대 0.1mm 내지 0.5mm 범위로 고정될 수 있다. 예를 들어, 사실상 구형인 복셀의 직경 또는 스트랜드의 직경에 기초하여 복셀 또는 스트랜드의 크기에 대한 허용 오차를 정의하는 것이 마찬가지로 고려 가능하다. 예를 들어, 측정된 포지션이 정의된 기간 내의 임의의 시간에 허용 오차 범위 내의 목표 포지션에 대응하지 않을 때, 포지션에 "도달되지 않은" 것으로 간주될 수 있다. 도달되지 않은 포지션은 예를 들어 제어 유닛으로 다시 통신되고, 그 다음에 정보는 추가로 처리, 예를 들어 기록되고 인쇄 동작의 나머지를 제어하는 데 사용된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 인쇄 재료의 기하학적 구조에 관해 얻은 정보를 사용하는 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료에 대한 설명된 결정에 추가하여, 이러한 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료는 포지션의 지속적인 측정을 통해 또한 결정될 수 있다. 정의된 포지션에 인쇄 헤드가 도달되지 않으면, 정의된 포지션에서 의도한대로 인쇄 재료가 배출되는 것이 가능하지 않다. 이는 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료로서 대상물에도 나타난다. 이러한 방식으로 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료가 인식되면, 이는 바람직하게는 인쇄 재료가 배치되어야 할 포지션과 함께 기록된다. 배치되지 않은 인쇄 재료를 재인쇄하기 위해, 인쇄 헤드는 기록된 포지션으로 다시 이동되고, 배출은 이미 설명된 바와 같이 바람직하게는 인쇄 재료의 경화 전에 반복된다.
3D 인쇄 방법
배출된 인쇄 재료로 대상물을 구성하기 위해, 인쇄 재료는 정의된 방식에 따라 베이스 플레이트 상에 퇴적되어 제1 재료층을 형성한다. 제1 재료층이 형성된 후에, 예를 들어 배출 장치와 베이스 플레이트 사이의 거리가 증가되고 다음 재료층이 전개된다. 이에 추가 재료층이 뒤따르며, 이들 각각은 원하는 대상물이 완료될 때까지 정의된 방식에 따라 퇴적된다.
인쇄 재료는 템플릿으로부터 도출된 방식에 따라 적용된다. 템플릿은 일반적으로 CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어로 설계되었거나, 물품의 3차원 스캐닝으로 만들어졌다. 재료 배출을 위한 방식의 도출을 위해, 소프트웨어는 통상적으로 템플릿의 수평 섹션을 계산하며, 이들 섹션 각각은 재료층에 대응한다. 후속하여, 인쇄 재료가 각각의 층에 어떻게 위치되어야 하는지에 대한 계산이 이루어진다. 여기서 고려되는 것은 인쇄 재료가 복셀의 형태로, 스트랜드의 형태로, 또는 복셀과 스트랜드의 조합으로 배출되는지 여부이다.
적절하다면, 지지 재료의 배치가 또한 방식의 도출에 허용된다. 인쇄 재료가 공간에서 자유롭게 부유하도록 배치될 수 없기 때문에, 제조될 대상물이 공동, 언더컷, 돌출부, 자체 지지 또는 얇은 벽의 부분을 갖는 경우에는 지지 재료의 배치가 필요할 수 있다. 지지 재료는 인쇄 공정 중에 공동을 채우고 그 위에 인쇄 재료를 배치시키고 경화시킬 수 있도록 기초 또는 비계의 역할을 한다. 인쇄 공정이 종료된 후에, 지지 재료는 다시 제거되고 대상물의 공동, 언더컷 및 돌출부, 자체 지지 또는 얇은 벽의 기하학적 구조는 비워진다. 일반적으로, 사용된 지지 재료는 인쇄 재료의 재료와 상이한 재료이다. 대상물의 기하학적 구조에 따라, 지지 재료의 필요한 형상이 계산된다. 지지 재료의 형상의 계산에서, 예를 들어 최소량의 지지 재료를 사용하거나 제품의 스케일에 대한 진실성을 증가시키기 위해 다양한 전략을 사용하는 것이 가능하다. 배출된 지지 재료는 바람직하게는 전술된 다른 인쇄 재료와 마찬가지로 기하학적으로 측정된다. 이를 위해, 별도의 장치가 제공될 수 있다.
수평 섹션으로부터 재료 배출을 위한 방식의 도출에서, 다양한 이동 전략을 사용하는 것이 가능하며, 여기서 이동 전략의 선택은 또한 제조된 대상물의 속성에 영향을 줄 수 있다. 복셀의 형태로 배출하는 경우에, 예를 들어 듀얼 이동 전략, 횡단(xing)("교차") 이동 전략 또는 경계 이동 전략을 사용하는 것이 가능하다.
듀얼 이동 전략에서, 인쇄 헤드는 베이스 플레이트에 대하여 선택된 주 인쇄 방향으로 라인별로 앞뒤로 이동되고, 인쇄 재료는 라인별로 투여된다. 각각의 라인 후에, 인쇄 헤드는 인쇄된 라인과 직각으로 한 라인 너비만큼 더 이동 되고, 그 다음에 인쇄 재료의 배출이 반복된다. 공정은 종래의 잉크젯 프린터의 인쇄와 유사하다.
횡단 이동 전략은 매우 상당히 듀얼 이동 전략과 일치한다. 듀얼 이동 전략과 대조적으로, 주 인쇄 방향은 매 재료층 후에 또는 매 n번째 재료층(여기서 n은 자연수) 후에 90°만큼 회전된다. 이는 재료층의 회전이 인쇄 재료의 균일한 분포를 보장하기 때문에 대상물의 치수 안정성의 보다 정확한 준수를 가져온다.
듀얼 이동 전략과 또한 횡단 이동 전략의 이점은 예를 들어 대상물의 가장자리의 높은 정밀도가 달성될 수 있다는 것이다.
경계 이동 전략에서, 각각의 재료층에 대해, 먼저 대상물의 외주가 제조되고, 후속하여 예를 들어 듀얼 이동 전략 또는 횡단 이동 전략에 의해 둘러싸인 지역이 채워진다. 경계 이동 전략에서, 인쇄될 층의 외주는 인쇄될 층의 내부 또는 대상물의 내부 체적보다 높은 해상도로 보다 작은 복셀로 생성될 수 있다. 제조될 대상물의 내부에서, 제조될 대상물의 기하학적 치수의 정확도 또는 표면 품질에 임의의 영향을 주는 연관된 낮은 해상도 없이, 이를 채우기 위해 보다 큰 복셀을 사용하는 것이 가능하다.
명명된 이동 전략은 기본 패턴이다. 또한, 적절하다면, 동일한 대상물의 범위 내에서 결합 및 변경될 수 있다. 상이한 이동 전략들 사이의 혼합된 형태도 고려 가능하다.
인쇄 재료가 복셀의 형태를 취한다면, 이동 전략의 선택에 추가하여, 재료 배출을 위한 방식의 생성 시에 복셀 오프셋을 포함시키는 것이 또한 가능하다. 이 경우에, 복셀은 층 내에서 직교 패턴으로 엄격하게 정렬되지 않고, 서로 오프셋되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 거의 구형 복셀의 경우에, 매 두 번째 라인이 복셀 직경의 절반만큼 오프셋되어 배치될 수 있다. 이는 직교 그리드와 비교하여 라인 분리를 감소시킬 수 있다. 복셀은 보다 조밀하게 배치되고 표면 품질이 향상된다. 복셀의 오프셋은 가장자리 선명도를 저하시킬 수 있다.
재료층의 평면에 복셀의 오프셋 배치에 추가적으로 또는 대안적으로, 서로 오프셋된 2개의 인접한 평면의 복셀을 배치하는 것이 가능하다.
배출 장치가 상이한 크기의 복셀을 배치하도록 설정되었다면, 특히 대상물의 가장자리의 영역에서, 보다 높은 가장자리 선명도를 달성하기 위해 배치된 인쇄 재료의 크기를 변경하는 것이 추가로 가능하다. 바람직하게는, 복셀이 배치되는 장소 및 그 크기는 대상물의 가장자리가 최대 정확도로 재생되도록 선택된다. 예를 들어, 가장자리 영역에는, 개별 복셀보다는 다수 개의 보다 작은 복셀이 위치된다. 달성 가능한 가장자리 선명도 및/또는 표면 품질이 결과적으로 증가된다.
제조될 대상물의 속성은 인쇄 재료의 배치 시에 사용된 파라미터, 특히 배출 장치의 파라미터의 적절한 선택에 의해 영향을 받을 수 있다. 영향을 받을 수 있는 대상물의 속성의 예는 가장자리 선명도, 표면 품질, 및 치수 안정성이다. 제조될 대상물의 속성은 인쇄의 시작 전에 배출 장치의 구성에 의해 결정된다.
가장자리 선명도는 인쇄 재료가 배치되지 않는 대상물 외부의 영역에 대한 인쇄 재료가 배치되는 대상물에 속하는 영역의 한계의 선명도를 의미하는 것으로 이해된다. 전이가 갑작스러울수록, 가장자리 선명도가 더 높다. 통상적으로, 복셀의 크기 또는 스트랜드의 직경이 감소될 때 가장자리 선명도가 개선된다. 반대로, 복셀의 크기 또는 스트랜드의 직경이 증가될 때 가장자리 선명도가 떨어진다.
표면 품질은 표면의 평활도를 의미하는 것으로 이해된다. 고품질의 표면은 연속적이고 매끄러우며, 오목하거나 불룩한 부분이 없으며, 예를 들어 표면 거칠기 Ra가 0.4μm 미만이다. 이러한 종류의 표면은 예를 들어 사출 성형에 의해 이상적으로 달성된다.
치수 안정성은 대상물의 기하학적 치수의 스케일에 대한 진실성, 즉 템플릿의 치수로부터의 편차가 있다면 단지 작은 편차를 갖는다는 것을 의미하는 것으로 이해된다.
일부 분사 또는 디스펜서 동작 파라미터는 본 발명의 맥락에서, 예를 들어 하나 이상의 재료층 이후에, 또는 심지어 복셀별로, 스트랜드별로, 복셀에서 스트랜드로, 또는 스트랜드에서 복셀로, 각각의 경우에, 예를 들어 심지어 이미 배치된 복셀 및 스트랜드의 알려진 실제 포지션에 따라 인쇄 중에 변경될 수 있으며, 이는 제조될 대상물의 속성의 재조정을 가능하게 한다.
바람직하게는, 복셀 형태의 인쇄 재료의 경우에, 대상물의 가장자리 선명도는 복셀 크기의 조정에 의해 설정되거나 재조정되고, 및/또는 대상물의 표면 품질은 복셀 오프셋의 조정에 의해 설정되고, 및/또는 대상물의 치수 안정성은 3D 인쇄 장치의 이동 전략의 조정에 의해 설정된다. 복셀 크기는 분사 파라미터의 구성에 의해 변경될 수 있다.
바람직하게는, 스트랜드 형태의 인쇄 재료의 경우에, 대상물의 가장자리 선명도 및 표면 품질은 체적 유량의 조정에 의해 설정되거나 재조정되고, 및/또는 치수 안정성은 배출 장치의 이동 전략의 조정에 의해 설정된다. 체적 유량은 디스펜서 파라미터의 구성에 의해 설명된 바와 같이 변경될 수 있다.
체적 유량은 단위 시간당 배출되는 인쇄 재료의 체적을 지칭한다. 스트랜드의 배치 시에, 인쇄 헤드는 베이스 플레이트 또는 대상물에 대해 스트랜드의 배출 중에 배출 장치와 함께 이동한다. 베이스 플레이트 또는 대상물에 배치된 스트랜드의 형상은 체적 유량 및 인쇄 헤드의 순간 속도, 및 베이스 플레이트로부터의 거리, 또는 다른 실시예에서 노즐의 마지막 층으로의 침투 깊이에 의존한다. 따라서, 배치된 스트랜드의 형상이 원하는 형상에 대응하도록 체적 유량을 순간 속도에 맞추기 위해 정의된 양의 인쇄 재료를 배치하는 것이 유리하다.
순간 속도는 예를 들어 인쇄 헤드의 지속적으로 결정된 포지션으로부터 계산될 수 있다, 즉 인쇄 헤드의 포지션은 2개의 시점에서 결정되고, 결정된 포지션들 사이의 차이가 형성되고, 2개의 시점 사이에 경과된 시간에 의해 나누어진다.
경화의 구현을 위해, 경화 전략이 사용된다. 바람직하게는, 인쇄 재료의 경화는 인쇄 재료층의 배치 또는 인쇄 재료의 다수의 층의 배치에 뒤따르거나, 인쇄 중에 바로 행해진다.
인쇄 중에 바로 인쇄 재료를 경화하는 것은 다이렉트 경화 전략이라고 지칭된다. UV/VIS 방사선에 의해 경화 가능한 인쇄 재료가 사용되면, 다른 경화 전략과 비교하여, UV/VIS 소스는 매우 오랜 기간 동안 활성화되고, 따라서 매우 낮은 강도로 작동할 수 있으며, 이는 대상물을 통한 가교 결합을 느리게 한다. 이는 온도 피크로 인해 대상물의 팽창이 발생하지 않기 때문에, 대상물의 가열을 제한하고 실제 스케일의 대상물을 야기한다.
층별 경화 전략에서, 모든 완전한 재료층의 배치에 뒤이어 배치된 재료층의 방사선 유도 가교 결합이 뒤따른다. 이 동작 중에, 새로 인쇄된 층은 아래에 있는 경화된 인쇄된 층에 결합된다. 경화는 인쇄 재료의 배치 직후에 뒤따르지 않으므로, 인쇄 재료는 경화되기 전에 이완할(relax) 시간을 갖는다. 따라서, 인쇄 재료가 서로 합쳐지며, 이는 다이렉트 경화 전략보다 매끄러운 표면을 달성할 수 있음을 의미한다.
n번째 층 경화 전략에서, 절차는 n개의 재료층(여기서 n은 자연수)의 배치 후에만 경화가 행해진다는 것을 제외하고는 층별 경화 전략의 절차와 유사하다. 인쇄 재료의 이완에 이용 가능한 시간이 추가로 증가되며, 이는 표면 품질을 더 개선시킨다. 그러나, 인쇄 재료의 유동으로 인해, 달성 가능한 가장자리 선명도의 감소가 있을 수 있다.
바람직한 실시예에서, 경화 전략은 배치되지 않은 인쇄 재료의 재인쇄와 부합된다. 예를 들어, 배치된 재료층의 가교 결합이 층별 경화 전략 또는 n번째 층 경화 전략에 의해 행해지기 전에, 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료의 재인쇄에 의해 각각의 경우에 재료층의 인쇄가 뒤따를 수 있다.
3D 인쇄 장치
본 발명의 다른 양태는 3D 인쇄 방법에 의한 대상물의 제조를 위한 3D 인쇄 장치를 제공하는 것이다. 3D 인쇄 장치는 적어도 하나의 배출 장치를 갖는 적어도 하나의 인쇄 헤드를 가지며, 여기서 배출 장치는 대상물을 적층 제조하기 위해 인쇄 재료를 목표 포지션에 배치하기 위한 제어 유닛을 갖는다.
3D 인쇄 장치는 본 명세서에서 설명된 방법 중 하나를 실행하도록 설계 및/또는 설정된다. 따라서, 본 방법의 맥락에서 설명된 특징은 3D 인쇄 장치에 대응하여 개시되고, 반대로 3D 인쇄 장치의 맥락에서 설명된 특징은 그 방법에 대응하여 개시된다.
본 발명에 따르면, 3D 인쇄 장치는 배출 장치로부터 빠져나가는 인쇄 재료가 배출 장치의 영역에서 기하학적으로 측정될 수 있도록 배열되고 설정된 적어도 하나의 광학 측정 유닛을 갖는다.
광학 측정 장치는 카메라일 수 있다. 바람직하게는, 카메라의 도움으로, 복셀 인쇄의 경우에 분사 주파수의 규모의 순서대로 이미징이 가능하다. 보다 특히, 적절한 이미지 프로세싱 소프트웨어로 이미지가 평가되는 고속 카메라를 사용하는 것이 가능하다.
대안적으로 그리고 바람직하게는, 광학 측정 유닛은 광학 이미터 및 광학 수신기를 갖는 광 배리어를 포함한다. 여기서, 광 감소 레이저 마이크로미터를 사용하는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 이미터 및 수신기는 인쇄 헤드의 이동 축 상에 적절한 홀더에 의해 배치된다. 대안적으로, 인쇄 헤드 또는 배출 장치 상에 직접 고정하는 것이 가능하다. 광학 측정 장치는 배출 장치의 출구 개구로부터 고정된 거리에 또는 조정 가능한 홀더에 의해 가변 거리에 장착될 수 있다.
다른 실시예에서, 광학 측정 장치는 적어도 하나의 광섬유를 포함한다. 각각의 경우에, 통상적으로 하나의 광섬유가 이미터 및 수신기 각각에 제공된다. 반사광 동작에서, 이는 단일 광섬유가 배출 장치에 연결되는 경우일 수 있으며, 이 경우 이미터/수신기 유닛이 사용된다.
광섬유는 바람직하게는 광 출구 구역이 배출 장치에 통합되거나 부착에 의해 배출 장치에 고정되어, 빠져나가는 광 빔, 예를 들어 레이저 빔이 배출 장치의 출구 또는 액적 또는 스트랜드 채널에서 직접 통합되도록 배열된다. 이 실시예에서, 이미터 및 수신기는 3D 인쇄 장치에서 인쇄 헤드와 독립적으로 배열될 수 있다. 이 변형예는 광섬유가 액적으로부터 매우 작은 거리에 배치될 수 있거나, 통합된 변형에서 0 거리에 배치될 수 있어, 광 빔이 작은 레벨의 외부 영향, 예를 들어 주위에 날아다니고 있는 입자에 노출된다는 이점을 갖는다. 무거운 구성 요소가 3D 인쇄 중에 가속되어야 하는 인쇄 헤드 또는 이동 축 상에 배치될 필요가 없다는 것이 다른 이점이다.
바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 중량 센서가 베이스 플레이트에 할당된다. 중량은 예를 들어 베이스 플레이트의 접촉점에서 전자적으로 측정될 수 있다. 중량 센서는 인쇄된 대상물의 질량 또는 질량 증가를 지속적으로 결정하고 기록할 수 있다. 단일 인쇄 복셀의 질량조차도 베이스 플레이트 상에 인쇄된 몸체의 중량 증가를 측정하여 결정될 수 있다. 빠져나간 인쇄 재료의 액적 인식 및 모니터링과 함께, 인쇄 재료의 임의의 이물질 오염을 인식하는 것이 달성 가능하다. 이물질 오염이 감지되면, 자동화된 메시지 또는 액션이 대응하여 생성되어 실행된다.
중량의 갑작스러운 증가가 베이스 플레이트 상에서 검출되면, 예를 들어 1kg과 같은 특정 중량 한계를 초과하면, 인쇄 공정이 즉시 중단될 수 있다. 이는 인쇄 영역에 승인되지 않은 침입이 있는 경우에 인력 보호 조치이다. 여기서, 인쇄 헤드는 더 이상 이동되지 않으며, 경고 메시지가 발행된다.
바람직한 실시예에서, 3D 인쇄 장치는 또한 인쇄 헤드의 포지션이 지속적으로 결정될 수 있는 포지션 측정 유닛을 가지며, 여기서 포지션 측정 유닛은 배출 장치의 제어 유닛에 연결되고, 여기서 배출 장치는 인쇄 헤드의 지속적으로 결정된 포지션에 따라 인쇄 재료를 배치하도록 설정된다.
3D 인쇄 장치는 인쇄 헤드의 배출 장치로부터의 인쇄 재료의 배출에 의해 대상물이 쌓여 올려지는 베이스 플레이트를 더 포함한다. 여기서, 베이스 플레이트 및 인쇄 헤드는 서로 상대적으로 이동되며, 모두 3개의 공간 방향 X, Y, 및 Z에서 상대적 이동이 가능하다. 이를 위해, 예를 들어, 인쇄 헤드는 X 및 Y 방향으로 이동 가능하도록 배열될 수 있고, 베이스 플레이트는 Z 방향으로 이동 가능하도록 배열될 수 있다. 여기서, 다른 구성이 또한 고려 가능하다; 예를 들어, 베이스 플레이트는 Y 방향으로 이동 가능하도록 배열될 수 있고, 인쇄 헤드는 X 및 Z 방향으로 이동 가능하도록 배열될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 베이스 플레이트 및/또는 인쇄 헤드는 임의의 원하는 공간 배열이 가능하도록 선회 가능하도록(pivotable) 구성될 수 있다.
3D 인쇄 장치에서 다양한 인쇄 재료에 대해 기술적으로 상이한 다수의 배출 장치를 제공하는 것이 가능하다.
각각의 배출 장치는 재료가 배출 장치로부터 배출되는 방향을 정의하는 배출 축을 갖는다. 통상적으로, 배출 축은 베이스 플레이트에 대해 직각을 이루도록 베이스 플레이트를 기준하여 배향된다. 임의적으로, 3D 인쇄 장치는 배출 축의 정렬이 또한 베이스 플레이트에 대해 변경될 수 있도록 구성될 수 있다.
개별 액적의 방출을 위해, 배출 장치는 잉크젯 프린터의 노즐의 방식과 유사하게, 인쇄 재료의 액체 액적을 베이스 플레이트의 방향으로 분출하는 하나 이상의 노즐을 포함할 수 있다. 따라서, 이들 노즐은 분사 노즐로이라고도 지칭된다. 다양한 실시예가 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다. 분사 노즐은 요구 시에만 제어된 방식으로 액적을 방출하도록 설정된다. 분사 노즐의 바람직한 실시예에서, 인쇄 재료의 배출 시에, 상이한 크기의 액적이 생성될 수 있도록 액적의 체적이 영향을 받을 수 있다.
예를 들어, 인쇄 재료가 가열되고, 발생하는 기포의 액적이 분사 노즐에서 나오는 분사 노즐의 가열 요소를 제공하는 것이 가능하며; 이는 버블젯으로 공지되어 있다.
다른 옵션은 전압으로 인해 변형되고, 그 결과 분사 노즐로부터 액적을 분출할 수 있는 피에조(piezo) 요소의 배열이다. 이러한 종류의 잉크젯 인쇄 방법은 종래의 인쇄 및 3차원 물품이 광중합 가능한 잉크로부터 층별로 쌓여 올려지는 이른바 3D 인쇄로부터 본 기술분야의 통상의 기술자에게 원리가 공지되어 있다. 잉크젯 인쇄 또는 멀티젯 3D 인쇄에서 사용되는 바와 같은 이러한 종류의 인쇄 헤드는 통상적으로 예컨대 점도가 50mPa.s 미만인 저점도 인쇄 잉크 또는 인쇄 재료를 투여할 수 있다.
본 발명의 방법에서의 인쇄 헤드에서, 피에조 요소를 갖는 제트 밸브에 기초한 배출 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 이는 수 피코리터(picoliter, pL)의 액적에 대한 액적 체적(2pL는 약 0.035㎛의 액적 직경에 대응함)이 달성될 수 있는 저점도 재료, 및 노즐 직경이 50㎛ 내지 500㎛ 사이인 피에조 인쇄 헤드가 바람직하며 나노리터 범위(1nL 내지 100nL)의 액적 체적이 생성될 수 있는 실리콘 고무 재료와 같은 중점도 재료와 고점도 재료 양자 모두의 배출을 가능하게 한다. 저점도 재료(< 100mPa·s)의 경우, 이 인쇄 헤드는 매우 높은 투여 주파수(약 1-30kHz)로 액적을 퇴적할 수 있는데 반해, 고점도 재료(> 100 Pa·s)의 경우, 유동학적 속성(전단 박화 특성)에 따라 약 500Hz까지의 투여 주파수가 달성될 수 있다. 적절한 분사 노즐은 예를 들어 DE 10 2011 108 799 A1에 기술되어 있다.
인쇄 재료의 스트랜드의 방출을 위해, 인쇄 재료는 저장조 용기, 예를 들어 카트리지, 주사기, 또는 통으로부터 가압 하에 노즐을 통해 스트랜드로 짜내어지고, 대상물을 형성하기 위해 베이스 플레이트 상에 선택적으로 퇴적된다. 이러한 종류의 배출 장치는 본 설명의 맥락에서 디스펜서라고 지칭된다. 압력은 예를 들어, 공기 압력 또는 기계적 수단, 예를 들어 소형 압출기, 피스톤 펌프, 또는 편심 나사에 의해 구축될 수 있다. 다양한 실시예가 본 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다.
배출 장치는 제어 유닛을 갖는다. 제어 유닛은 배출 장치에 의한 인쇄 재료의 배치를 제어한다. 인쇄 재료를 배치하기 위해, 제어 유닛은 방식으로부터 도출된 목표 포지션, 및 바람직하게는 추가적으로 지속적으로 결정된 실제 포지션, 및 더 바람직하게는 추가적으로 또한 다른 입력 파라미터, 예를 들어 인쇄 헤드의 현재 속도를 사용할 수 있다. 제어 유닛은 예를 들어 포지션 측정 유닛 및 배출 장치에 연결된 마이크로제어기를 포함할 수 있다. 제어 유닛은 별도의 유닛으로서 또는 그렇지 않으면 3D 인쇄 장치의 기계 제어 시스템과 조합하여 실행될 수 있다. 기계 제어 시스템은 마찬가지로 마이크로제어기를 포함할 수 있으며, 이 경우 이는 위치 설정 유닛에 연결된다.
위치 설정 유닛은 베이스 플레이트에 상대적으로 적어도 하나의 인쇄 헤드를 위치시키도록 설정되며, 여기서 상대적 포지션은 적어도 3개의 공간 축 X, Y, 및 Z을 따라 조정 가능하고, 가능하게는 또한 회전 가능하다. 위치 설정 유닛은 적어도 하나의 모터를 포함하며, 통상적으로 적어도 하나의 별도의 모터가 모든 조정 가능한 공간 축마다 제공된다. 모터는 예를 들어 전기 모터로서, 특히 스테퍼 모터로서 실행된다.
배출 장치는 제어 유닛에 의해 작동되는 분사 노즐 또는 디스펜서를 갖는다. 일 실시예에서, 3D 인쇄 장치는 인쇄 헤드에 할당되어 구성된 다수의 배출 장치를 갖는다. 여기서, 인쇄 헤드는 다수의 상이한 배출 장치, 예를 들어 하나 이상의 분사 노즐 및 하나 이상의 디스펜서를 가질 수 있다. 이 경우에, 예를 들어, 인쇄 재료는 디스펜서(들)에 의해 대상물의 내부에 빠르게 배치될 수 있고, 대상물의 표면은 분사 노즐(들)로 고품질로 제조될 수 있다. 대안적으로, 인쇄 헤드가 다수의 등가의 배출 장치를 포함하는 것이 고려 가능하다. 이러한 방식에서, 예를 들어, 다수의 대상물이 동시에 적층 제조될 수 있거나, 단일 대상물의 구성 시에 병렬로 다수의 배출 장치로 작업하는 것이 가능하다. 두 경우 모두, 전체적으로 필요한 인쇄 시간이 감소된다.
배출 장치로서 분사 노즐인 경우에, 제어 유닛은 분사 노즐이 복셀을 배출하는 때를 정의한다. 또한, 제어 유닛은 복셀의 크기를 정의할 수 있다.
배출 장치로서 디스펜서인 경우에, 제어 유닛은 디스펜서가 스트랜드의 형태로 인쇄 재료의 배출을 시작하는 때 및 배출이 종료되는 때를 정의한다. 또한, 체적 유량, 즉 어느 시간 내에 얼마나 많은 인쇄 재료가 배출되는지가 제어 유닛에 의해 정의될 수 있다.
지지 재료가 사용된다면, 인쇄 헤드는 지지 재료를 위한 하나 이상의 추가 배출 장치를 가질 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 적절한 배출 장치를 갖는 추가 인쇄 헤드가 지지 재료의 배출을 위해 제공되는 것이 또한 가능하다.
포지션 측정 유닛은 적어도 하나의 인쇄 헤드의 포지션을 지속적으로 결정하도록 설정된다. 이를 위해, 포지션 측정 유닛은 정의된 레이트로 인쇄 헤드의 포지션의 측정을 행하여 그것을 제어 유닛에 송신할 수 있다.
포지션 측정 유닛은 바람직하게는 위치 설정 유닛에 의해 조정 가능한 모든 축 또는 공간 방향을 기준하여 포지션의 측정을 행하도록 설정된다.
포지션 측정 유닛은 적어도 베이스 플레이트에 평행한 평면 내에서 인쇄 헤드의 포지션을 결정하도록 설정된다. 바람직하게는, 공간에서 인쇄 헤드의 포지션을 결정하도록 설정된다.
포지션 측정 유닛은 바람직하게는 모터, 로터리 인코더, 광학 스케일, 특히 유리 스케일, GPS 센서, 레이더 센서, 초음파 센서, LIDAR 센서, 및/또는 적어도 하나의 광 배리어에 적어도 하나의 스텝 카운터를 갖는다. 모터의 스텝 카운터는 특히 비접촉 스위치, 예를 들어 자기 센서, 특히 홀(Hall) 센서로 구성될 수 있다.
3D 인쇄 장치는 바람직하게는 인쇄될 대상물의 템플릿 또는 컴퓨터 모델을 포함하는 주 제어기를 추가로 가지며, 여기서 배출 장치의 제어 유닛 및 주 제어기는 서로 양방향 통신을 위해 설정된다.
주 제어기는 예를 들어 이더넷 또는 WLAN과 같은 데이터 네트워크를 통해, 또는 예를 들어 직렬 연결 또는 USB와 같은 연결을 통해, 예를 들어 제어 유닛과 통신하는 컴퓨터로서 실행될 수 있다.
컴퓨터 모델은 주 제어기에 임의의 데이터 포맷으로 기록될 수 있다. 표준 데이터 포맷은 예를 들어 STL, OBJ, CLI/SLC, PLY, VRML, AMF, STEP, IGES를 포함한다. 설명된 방법의 실행에서, 주 제어기는 모델을 통해 사실상 수평 슬라이스를 제조한다(슬라이싱이라고 함). 이러한 수평 섹션은 후속하여 인쇄 재료가 대상물의 적층 구성을 위해 어떻게 위치되어야 하는지를 기술하는 방식을 계산하는 데 사용된다. 여기서 고려되는 것은 인쇄 재료가 복셀의 형태로, 스트랜드의 형태로, 또는 복셀과 스트랜드의 조합의 형태로 배출되는지 여부이다. 대상물의 형상이 지지 재료의 배치를 필요로 한다면, 주 제어기는 바람직하게는 또한 지지 재료를 배치하기 위한 방식을 생성하도록 설정된다. 지지 재료의 계산 및 배치는 또한 디커플링된 방식으로 행해질 수 있다.
대상물의 제조 중에, 주 제어기 및 제어 유닛은 서로 통신하여, 주 제어기가 검출된 빠져나가는 인쇄 재료, 특히 검출된 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료, 및 인쇄 헤드의 결정된 포지션, 그리고 임의적으로 다른 결정된 파라미터에 따라 방식을 업데이트할 수 있다. 주 제어기는 마찬가지로 발생하는 오류 및/또는 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료에 관한 메시지를 수신할 수 있으며, 이는 대응하여 고려될 수 있다.
인쇄 헤드의 포지션을 주 제어기에 직접 피드백하는 것은 주 제어기가 인쇄 헤드의 이동 경로에 직접 영향을 주게 할 수 있다. 예를 들어, 인쇄 헤드가 인쇄 재료가 배치되는 실제 인쇄 동작 중에 대상물에 대해 일정한 속도로 이동하도록, 대상물 외부에서의 인쇄 헤드를 가속 및 감속시키는 것이 가능하다. 특히 고속에서는, 따라서, 공진 또는 진동을 피하거나 감소시키는 것이 가능하며, 이는 대상물의 보다 높은 품질을 가져온다. 대상물 외부에서의 가속은 유휴 런에서 보다 짧은 불감 시간을 가져오고, 이는 인쇄에 필요한 시간이 감소시키고, 따라서 차례로 대상물당 인쇄 비용을 감소시킨다.
UV/VIS 하에서 경화되는 인쇄 재료가 사용되면, 3D 인쇄 장치는 바람직하게는 UV/VIS 소스를 갖는다. 위치 선택적 노출의 경우에, UV/VIS 소스는 베이스 플레이트에 대해 이동 가능하도록 배열되고 대상물의 선택된 영역만을 조명한다. 전체 지역 노출의 경우, 일 변형예에서, UV/VIS 소스는 전체 대상물 또는 대상물의 전체 재료층이 동시에 노출되도록 구성된다. 바람직한 변형예에서, UV/VIS 소스는 그 광 강도 또는 그 에너지가 가변적으로 조정될 수 있고 UV/VIS 소스가 임의의 시간에 대상물의 단지 하위 영역만을 노출시키도록 설계되며, 임의적으로 상이한 강도의 UV/VIS 광으로 전체 대상물을 노출될 수 있는 방식으로 상기 UV/VIS 소스를 대상물에 대해 이동시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 이를 위해, UV/VIS 소스는 UV/VIS LED 바(bar)로 구성되며, 대상물에 대해 또는 인쇄된 대상물 위로 이동된다.
바람직하게는, 3D 인쇄 장치는 인쇄 헤드의 배출 장치의 자동 세정을 가능하게 하는 세정 스테이션을 또한 포함한다. 인쇄 헤드의 포지션의 지속적인 결정으로 인해, 세정은 또한 대상물의 제조 중에 행해질 수 있다. 이를 위해, 인쇄가 중단되고 인쇄 헤드는 세정 스테이션으로 이동된다. 세정 동작을 수행한 후, 인쇄 헤드는 인쇄 재료가 배치될 다음 포지션으로 정확하게 안내되고 인쇄 동작이 계속된다.
도면이 단지 개략적인 형태로 본 발명의 요지를 도시지만, 도면은 본 발명의 실례를 도시한다. 도면을 참조하여 이하에 도시되고 설명된 실례는 본 발명의 요지에 대해 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 청구항의 범위 내에서 가능한 다수의 변형은 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
도면에서:
도 1은 배출 장치를 작동시키는 방법의 실례의 개략도를 도시하고,
도 2 는 본 발명의 일 실시예에서의 3D 인쇄 장치의 개략적인 설정을 도시하고,
도 3 은 본 발명의 일 실시예에서의 스트랜드 배출 및 스트랜드 측정의 측면도를 도시하고,
도 4는 도 3에 따른 스트랜드 측정의 상면도를 도시하고,
도 5 는 본 발명의 일 실시예에서의 액적 측정의 측면도를 도시하고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에서의 홀더에 배열된 인쇄 헤드 및 광학 측정 유닛의 측면도를 도시하고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에서의 이미터 및 수신기를 갖는 인쇄 헤드의 측면도를 도시하고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에서의 이미터/수신기 유닛을 갖는 인쇄 헤드의 측면도를 도시한다.
다음의 본 발명의 실례에 대한 설명에서, 동일하거나 유사한 구성 요소 및 요소는 동일하거나 유사한 참조 번호로 식별되며, 이 경우 이러한 구성 요소 또는 요소에 대한 반복된 설명은 개별적인 경우에 생략된다.
도 1은 본 발명의 방법의 작동 예의 절차의 개략도를 도시한다. 제조될 대상물에 대한 템플릿이 주 제어기(12)에 기록되어 있다. 주 제어기(12)는 이를 사용하여 대상물을 제조하기 위해 인쇄 재료가 배치되어야 하는 장소를 설명하는 방식을 결정한다. 이 장소는 목표 포지션이다. 이 목표 포지션은 제어 유닛(14)에 송신된다. 제어 유닛(14)은 기계 제어 시스템(16)에 연결된다. 기계 제어 시스템(16)에 의해, 인쇄 헤드(22)를 목표 포지션으로 이동시키기 위해 위치 설정 유닛(18)이 작동된다. 대안적으로, 기계 제어 시스템(16)은 주 제어기 유닛(12)에 직접 연결될 수 있다 (미도시).
인쇄 헤드(22)의 이동은 포지션 측정 유닛(20)에 의해 모니터링된다. 포지션 측정 유닛(20) 및 위치 설정 유닛(18)/인쇄 헤드(22)는 인쇄 헤드(22)의 임의의 포지션 변화가 포지션 측정 유닛(20)에 의해 결정되는 방식으로, 특히 기계적 연결에 의해 서로 커플링된다. 포지션 측정 유닛(20)은 인쇄 헤드(22)의 결정된 포지션을 다시 제어 유닛(14)에 통신한다.
인쇄 헤드(22)는 대상물의 구성을 위해 인쇄 재료를 배치하도록 설치된 배출 장치(24)를 포함한다. 제어 유닛(14)은 배출 장치(24)에 연결되고 인쇄 재료의 배출을 제어한다. 여기서는, 제어 유닛(14)이 포지션 측정 유닛(20)에 의해 지속적으로 결정된 인쇄 헤드(22)의 포지션에 따라 배출 장치(24)를 작동시킨다. 따라서, 인쇄 재료는 예를 들어 인쇄 헤드(22)가 목표 포지션에 있다는 추정 하에서가 아니라, 실제로 결정된 실제 포지션을 고려하여 배치된다.
또한, 인쇄 헤드(22)의 결정된 포지션은 양방향 연결을 통해 제어 유닛(14)에 의해 주 제어 시스템(12)에 피드백될 수 있다. 이는 주 제어 시스템(12)으로 하여금 인쇄 재료가 이미 배치되어 있는 결정된 포지션에 따라 인쇄 재료의 추가 배치를 계획하게 하도록 한다.
또한, 도시된 바와 같이, 포지션 측정 유닛(20)은 또한 인쇄 헤드(22)의 지속적으로 결정된 포지션을 기계 제어 시스템(16)에 통신할 수 있다. 본 방법의 일 변형예에서, 기계 제어 시스템은 인쇄 헤드(22)가 목표 포지션에 도달할 수 없는 경우 이 피드백의 결과로서 오류 메시지를 생성하고 이를 제어 유닛(14)에 송신할 수 있다. 목표 포지션으로부터 포지션 결정 유닛(20)에 의해 결정된 인쇄 헤드(22)의 포지션의 편차가 최소화되는 방식으로 위치 설정 유닛(18)을 작동시키기 위해 폐 루프 제어 회로를 구현하는 것이 마찬가지로 가능하다. 이를 위해, 인쇄 헤드(22)의 실제 포지션은 위치 설정 유닛(18)에 의해 목표 포지션에 대해 지속적으로 재조정될 수 있으며, 이는 본 개시 내용의 맥락에서 정확한 포지션을 차지하기 위한 재조정이라고도 지칭한다.
도 2는 3D 인쇄 장치(10)의 개략도를 도시한다. 3D 인쇄 장치(10)는 제조될 대상물(40)에 대한 템플릿을 포함하고 제어 유닛(14)에 연결된 주 제어 시스템(12)을 포함한다. 3D 인쇄 장치(10)는 대상물(40)이 인쇄 재료(42)의 배치에 의해 적층되어 쌓여 올려지는 베이스 플레이트(30)를 더 포함한다.
인쇄 재료(42)를 배치하기 위해, 도시된 작동 예의 인쇄 헤드(22)는 2개의 배출 장치(24)를 포함한다. 배출 장치(24)는 분사 노즐(28)로서 실행된다. 분사 노즐(28)은 개별 액적 또는 복셀(44)의 형태로 인쇄 재료(42)를 배치한다. 다른 배출 장치(24)는 디스펜서(26)로서 구성되고 스트랜드(46)의 형태로 인쇄 재료(42)를 배치한다.
도 2에 도시된 예에서, 분사 노즐(28) 및 디스펜서(26) 양자 모두는 대상물(40)의 표면을 형성하는 복셀(44)을 배치하기 위해 분사 노즐(28)을 사용하고, 대상물(40)의 내부를 빠르게 채우기 위해 스트랜드(46)를 배치하도록 디스펜서(26)를 사용함으로써, 대상물(40)의 적층 구성을 위해 사용된다.
UV/VIS 방사선의 작용에 의해 경화되는 인쇄 재료(42)가 사용된다면, UV/VIS 광원을 제공하는 것이 바람직하다. 도 2의 실시예에서, 이를 위해, 위치 선택적 방식으로 UV/VIS 광을 발산하는 LED 바(34)가 제공된다. UV/VIS 광으로 베이스 플레이트(30)의 지역을 커버할 수 있도록 하기 위해, LED 바(34)는 이동 가능하도록 설계된다. 열 경화성 인쇄 재료(42)의 경우에는, 대안적으로, 인쇄 재료(42)의 위치 선택적 가열을 위해 설정된 IR 광원을 제공하는 것이 바람직하다. 이를 위해, IR 광원은 특히 인쇄 헤드(22)에 고정될 수 있다. 대안적으로, 가열 가능한 공간이 경화를 위해 사용될 수 있다.
즉 베이스 플레이트(30)에 대한 인쇄 헤드(22)의 위치 설정을 위해, 3D 인쇄 장치(10)는 3개의 위치 설정 유닛(18)을 또한 포함하며, 여기서 이들 위치 설정 유닛(18) 각각은 3개의 공간 축 X, Y, 및 Z 중 하나에서 이동을 가능하게 한다. 이를 위해, 위치 설정 유닛(18) 각각은 이동이 가능하게 되는 축(32)에 연결된다. 도 2에 도시된 실례에서, 이를 위해, 위치 설정 유닛(18) 중 하나는 베이스 플레이트(30)에 할당되고, "Z"로 지정된 공간 방향으로 베이스 플레이트(30)의 이동을 가능하게 한다. 2개의 다른 위치 설정 유닛(18)은 인쇄 헤드(22)에 할당되고, 인쇄 헤드(22)가 "X" 및 "Y"로 지정된 공간 방향으로 이동하는 것을 가능하게 한다. 3개의 위치 설정 유닛(18) 모두는 베이스 플레이트(30)에 대해 3개의 공간 방향 중 임의의 방향으로 인쇄 헤드(22)의 위치 설정을 가능하게 한다. 위치 설정 유닛(18)은 제어 유닛(14)과 차례로 통신하는 기계 제어 시스템(16)에 의해 작동된다.
인쇄 헤드(22)의 포지션을 결정하기 위해, 3D 인쇄 장치(10)는 3개의 포지션 측정 유닛(20)을 갖는다. 포지션 측정 유닛(20)은 베이스 플레이트(30)에 대한 인쇄 헤드(22)의 상대적 포지션이 지속적으로 결정되도록 3개의 공간 방향 X, Y, 및 Z 중 하나에 각각 할당되고, 인쇄 헤드(22) 또는 베이스 플레이트(30)의 이동을 검출한다. 포지션 측정 유닛(20)은 제어 유닛(14)에 연결된다. 또한, 기계 제어 시스템(16)에 대한 연결이 제공될 수 있다.
도 3은 예를 들어 도 2를 참조하여 설명된 3D 인쇄 장치(10)를 사용하는 본 발명의 일 실시예에서 스트랜드 배출 및 스트랜드 측정의 측면도를 도시한다.
여기서, 배출 장치(24)는 예로서 디스펜서(26)를 포함한다. 디스펜서(26)는 베이스 플레이트(30) 상에 스트랜드(46)의 형태로 인쇄 재료(42)를 퇴적시킨다. 퇴적된 스트랜드(46)는 대상물(40)을 형성하는 층(49)을 초래한다. 디스펜서(26)는 대상물(40) 위의 배출 높이(H)에 배열되며, 층(49)의 완료 후에 다시 재조정된다.
여기서 광 배리어의 형태인 본 발명의 광학 측정 유닛(50)이 또한 도시된다. 광학 측정 유닛(50)은 서로 대향하여 배치된 이미터(52) 및 수신기(54)를 포함한다. 이미터(52)는 수신기(54)에 의해 수신되는 광 빔(56)을 발산한다. 측정은 투과광 동작에서 행해진다. 수신기(54)는 이미터(52)에 의해 발산된 광을 수신하며, 이는 인쇄 재료(42)에서 흡수 및 반사의 결과로서 대응하는 비율만큼 감소된다.
광학 측정 유닛(50)은 배출 장치(24)의 영역에서 빠져나가는 스트랜드(46)의 측정을 가능하게 한다. 이를 위해, 광 빔(56)은 배출 장치(24)의 배출 축(35)에 근본적으로 수직으로 위치된다. 광 빔(56)의 수직 배열은 배출된 스트랜드(46)의 단면이 배출 장치(24)의 영역에서 기하학적으로 측정될 수 있게 한다.
베이스 플레이트(30)에 할당된 중량 센서(66)가 개략적인 형태로 또한 도시되어 있다. 중량은 베이스 플레이트(30)의 접촉점에서 전자적으로 측정된다. 중량 센서(66)는 인쇄된 대상물(40)의 질량 증가를 지속적으로 결정하고 기록할 수 있다.
도 4는 도 3에 따른 스트랜드 측정의 상면도를 도시한다.
이미터(52)는 광 빔(56)을 발산하고, 이는 수신기(54)에 의해 수신된다. 광 빔(56)에 존재하는 스트랜드(46)는 그 뒤에 그림자(57)를 발생시킨다. 그림자(57)의 크기는 스트랜드(46)의 기하학적 구조, 보다 구체적으로는 도시된 실례에서 스트랜드(46)의 단면적에 의존한다. 스트랜드(46)의 2개의 단면, 즉 최적으로 원통형인 스트랜드 단면(58) 및 변형된 스트랜드 단면(60)이 도시되어 있다. 인쇄 과정에서 인쇄 헤드(22)의 이동은 예를 들어 도 3에서 명백한 스트랜드(46)의 변형을 초래한다. 대안적으로, 너무 낮은 배출 높이(H)의 경우에 스트랜드(46)의 변형이 발생한다. 그림자(57) 또는 수신기(54)에서의 입사 휘도의 측정에 의해, 허용 가능한 변형 정도가 있는지 여부를 결정할 수 있다. 본 발명에 따르면, 이는 예를 들어 배출 높이(H)를 증가시키거나 인쇄 속도를 늦춤으로써 임의적으로 보정된다.
측정이 이루어지는 광 빔(56)의 너비(b)는 대응하는 의미있는 측정이 가능하도록 스트랜드 직경(d)에 일치한다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에서의 액적 측정의 측면도를 도시한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 3D 인쇄 장치(10)에 의해 배출된 액적(48)이 도시된다. 액적의 이동 방향(v)은 화살표로 표시된다. 이는 배출 축(35)에 근본적으로 대응하며, 그에 수직하는 성분은 인쇄 과정에서 인쇄 헤드(22)의 이동의 결과로서 발생한다.
액적(48)은 구형 섹션(45) 및 팁형 섹션(47)을 포함한다. 구형 섹션(45)에는 최대 직경(D)이 할당된다. 스트링잉의 존재 시에, 팁형 섹션(47)은 매우 연장된다. 비행 중에, 즉 분사 노즐(28)로부터 분리된 후에, 그리고 액적(48)이 복셀(44)을 형성하는 대상물(40)의 이미 인쇄된 부분 또는 베이스 플레이트(30)에 충돌하기 전에, 액적(48)은 광 빔(56)을 통과한다.
도시된 광 빔(56)의 단면은 본 개시물에서 측정 윈도우라고도 지칭된다. 이는 최대 직경(D)에 일치되는 너비(b) 및 높이(h)를 갖는다. 도시된 실례에서, 광 빔(56)의 너비(b)는 액적(48)의 직경보다 다소 더 크게 선택된다. 광 빔(56)의 높이(h)는 광 빔(56)의 너비(b)의 약 1/5로 선택된다. 따라서, 도시된 광 빔은 사실상 일차원 형태이다. 그럼에도 불구하고, 적어도, 배치되지 않은 인쇄 재료를 결정하기 위해, 광 빔(56)에서 액적(48)의 존재가 검출될 수 있고 스트링잉이 검출될 수 있도록, 수신기에서 액적 기하학적 구조를 결정하는 것이 가능하다. 대안적인 실시예에서, 광 빔(56)에 대해 선택된 높이(h)는 더 크다.
도 4 및 도 5로부터 명백한 바와 같이, 액적(48) 또는 스트랜드(46) 주위에 다수의 이미터(52) 및 다수의 수신기(54), 예를 들어 2개 혹은 3개의 이미터(52) 또는 2개 혹은 3개의 수신기(54)를 배열함으로써 액적(48) 또는 스트랜드(46)의 단면을 결정하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 방식으로, 편차는 1차원뿐만 아니라 2차원 또는 3차원에서 검출 가능하여, 액적(48) 또는 스트랜드(46)의 회전 대칭에 관한 결론이 가능하다. 배치되지 않은 인쇄 재료 및 스트링잉을 결정하기 위해, 단지 하나의 이미터(52) 및 하나의 수신기(54)가 충분한데, 중요한 것은 광 빔(56)에서의 인쇄 재료(42)의 존재 및 양이기 때문이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에서의 홀더(62)에 배열된 인쇄 헤드(22) 및 광학 측정 유닛(50)의 측면도를 도시한다. 인쇄 헤드는 이동 축(36)상에서 이동 가능하도록 배열된다. 도 2를 참조하여 설명된 3D 인쇄 장치(10)에서, 이동 축(36)은 그 안에 도시된 y 축(32)에 대응한다. 베이스 플레이트(30)는 인쇄 헤드(22)와 독립적으로 Z 축에서 이동 가능하다.
광학 측정 유닛(50)은 다시, 배출 장치(24)에 가까이에서 빠져나간 인쇄 재료(42)를 측정 할 수 있도록 위치된 이미터(52) 및 수신기(54)를 포함한다. 이미터(52) 및 수신기(54)는 홀더(62) 상에 고정되며, 홀더(62)는 이동 축(36)에 고정된 방식으로 연결된다. 따라서, 인쇄 헤드(22)가 이동 축(36)에 직각인 축을 따라 이동 축(36)과 함께 이동하면, 이미터(52) 및 수신기(54)도 또한 상응하여 이동된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에서의 이미터(52) 및 수신기(54)를 갖는 인쇄 헤드(22)의 측면도를 도시한다. 이미터(52) 및 수신기(54)는 각각 광섬유(64)에 의해 배출 장치(24)에 더 가깝게 된다. 측정은 투과광 동작에서 일어난다. 이미터(52) 및 수신기(54)가 원칙적으로 3D 인쇄 장치(10)상의 어느 곳에도 위치될 수 있고, 인쇄 헤드(22)의 이동의 경우에 반드시 함께 운반될 필요는 없다는 면에서, 이 실시예는 도 6을 참조하여 설명된 실시예에 비해 이점을 갖는다. 여기서, 광섬유(64)의 광 출구 구역은 배출 장치(24)의 배출 개구의 바로 근처에 있다; 예를 들어, 이는 배출 장치(24)의 액적 또는 스트랜드 채널에 통합되거나 배출 장치(24) 상에 부착(미도시)에 의해 고정된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에서의 이미터/수신기 유닛(58)을 갖는 인쇄 헤드(22)의 측면도를 도시한다. 여기서, 광학 측정 유닛(50)은 이미터/수신기 유닛(68)으로 형성되고, 배출 장치(24)에 접근하는 단일 광섬유(64)를 포함한다. 측정은 반사광 동작에서 행해진다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 배출 장치(24)를 구비한 적어도 하나의 인쇄 헤드(22)를 갖는 3D 인쇄 장치(10)를 사용하여 대상물(40)을 제조하는 방법으로서,
    상기 배출 장치(24)는 상기 대상물(40)을 적층 제조하기 위해 목표 포지션에 인쇄 재료(42)를 배치하도록 설정되고,
    상기 배출 장치(24)로부터 빠져나가는 인쇄 재료(42) 및/또는 지지 재료는 상기 배출 장치(24)의 영역에서 검출되고 및/또는 기하학적으로 측정되는, 3D 인쇄 장치(10)를 사용하여 대상물(40)을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배출 장치(24)로부터 빠져나간 상기 인쇄 재료(42)의 중량이 또한 측정되는, 3D 인쇄 장치(10)를 사용하여 대상물(40)을 제조하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배출 장치(24)로부터 빠져나간 상기 인쇄 재료(42)의 측정된 기하학적 구조 및 적절한 경우 측정된 중량은 인쇄 오류, 특히 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료(42), 이물질의 유입, 및/또는 스트링잉을 검출하는 데 사용되는, 3D 인쇄 장치(10)를 사용하여 대상물(40)을 제조하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    검출된 오류로 배치되지 않은 인쇄 재료(42)는 특히 경화의 방법 단계 이전에 재인쇄되는, 3D 인쇄 장치(10)를 사용하여 대상물(40)을 제조하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출 장치(24)로부터 빠져나간 상기 인쇄 재료(42)의 측정된 기하학적 구조에 기초하여, 상기 인쇄 헤드(22)의 세정이 트리거되고 및/또는 유지 보수 어드바이스가 내려지는, 3D 인쇄 장치(10)를 사용하여 대상물(40)을 제조하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배출 장치(24)로부터 빠져나오는 상기 인쇄 재료(42)의 기하학적 구조는 상기 3D 인쇄 장치(10)의 하나 이상의 동작 파라미터에 의해 폐쇄 루프 제어 하에 있고, 상기 파라미터는:
    상기 인쇄 헤드(22) 이동 속도;
    상기 대상물(40)이 적층 제조되는 베이스 플레이트(30) 위로의 배출 높이(H);
    상기 인쇄 재료(42)가 받는, 상기 배출 장치(24)에 퍼져 있는 물리적 압력;
    재료 저장조에서의 물리적 공급 압력; 및
    복셀의 경우에, 인쇄 주파수, 램 전진 속도, 램 회수 속도, 분사 밸브의 개방 시간, 및 램 스트로크와,
    스트랜드의 경우에, 유량, 피더 속도, 및 라인 끝에서 재료의 후퇴 특성으로부터 선택되는, 3D 인쇄 장치(10)를 사용하여 대상물(40)을 제조하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    기하학적 측정은 투과광 동작 또는 반사광 동작에서 적어도 하나의 휘도 측정에 의해 행해지는, 3D 인쇄 장치(10)를 사용하여 대상물(40)을 제조하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 휘도 측정은 시간 경과에 따라 수신된 신호와 기준 신호의 비교의 평가를 포함하고, 상기 기준 신호는 상기 3D 인쇄 장치(10)의 캘리브레이션 또는 상기 대상물(40) 혹은 상기 대상물(40)의 층(49)의 인쇄 시작 시에 기록되는, 3D 인쇄 장치(10)를 사용하여 대상물(40)을 제조하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대상물(40)은 엘라스토머 부품, 특히 실리콘 엘라스토머 부품인, 3D 인쇄 장치(10)를 사용하여 대상물(40)을 제조하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인쇄 헤드(22)의 포지션은 포지션 측정 유닛(20)에 의해 지속적으로 결정되고, 상기 인쇄 재료(42)는 상기 인쇄 헤드(22)의 지속적으로 결정된 포지션에 따라 상기 배출 장치(24)에 의해 배치되는, 3D 인쇄 장치(10)를 사용하여 대상물(40)을 제조하는 방법.
  11. 3D 인쇄 방법에 의해 대상물(40)을 제조하기 위한 3D 인쇄 장치(10)로서,
    상기 3D 인쇄 장치(10)는 적어도 하나의 배출 장치(24)를 갖는 적어도 하나의 인쇄 헤드(22)를 가지고, 상기 배출 장치(24)는 상기 대상물(40)을 적층 제조하기 위해 목표 포지션에 인쇄 재료(42)를 배치하기 위한 제어 유닛(14)을 가지고,
    상기 3D 인쇄 장치(10)는, 상기 배출 장치(24)로부터 빠져나오는 상기 인쇄 재료(42)가 상기 배출 장치(24)의 영역에서 검출되고 및/또는 기하학적으로 측정될 수 있도록 배열되고 설정된 적어도 하나의 광학 측정 유닛(50)을 갖는, 3D 인쇄 장치(10).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광학 측정 유닛(50)은 상기 인쇄 헤드(22)의 이동 축(36)에 배열되는, 3D 인쇄 장치(10).
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 광학 측정 유닛(50)은 적어도 하나의 광섬유(64)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 광섬유(54)의 광 출구 구역은 상기 배출 장치(24)에 통합되거나 부착에 의해 상기 배출 장치(24) 상에 고정되는, 3D 인쇄 장치(10).
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대상물(40)이 적층 제조되는 적어도 하나의 베이스 플레이트(30), 및 상기 베이스 플레이트(30)에 할당된 중량 센서(66)를 갖는, 3D 인쇄 장치(10).
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3D 인쇄 장치는 상기 인쇄 헤드(22)의 포지션이 지속적으로 결정될 수 있는 포지션 측정 유닛(20)을 가지고,
    상기 포지션 측정 유닛(20)은 상기 배출 장치(24)의 상기 제어 유닛(14)에 연결되고,
    상기 배출 장치(24)는 상기 인쇄 헤드(22)의 지속적으로 결정된 포지션의 함수로서 상기 인쇄 재료(42)를 배치하도록 설정되는, 3D 인쇄 장치(10).
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