KR20180120246A - 조절 가능한 특성들을 갖는 3차원 물체를 생성하기 위한 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

조절 가능한 특성들을 갖는 3차원 물체를 생성하기 위한 장치, 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20180120246A
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카이-주이 장
샤오-춘 루
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샌 드로우 인코퍼레이티드
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Abstract

본 개시물은 3차원 물체를 형성하는 시스템 및 방법을 제공한다. 본 개시물의 기재는 본 명세서에 서술된 재료, 프로세스, 방법 및 시스템을 이용하여 형성될 수 있다.

Description

조절 가능한 특성들을 갖는 3차원 물체를 생성하기 위한 장치, 시스템 및 방법
3차원 프린팅(3D 프린팅)은 다양한 형상 및 크기의 3차원 물체를 만드는 공정이다. 3차원 물체는 모델 디자인을 기초로 형성될 수 있다. 모델 디자인은 컴퓨터, 도면을 통해 형성될 수도 있고, 또는 다른 물체를 기반으로 할 수도 있다.
실리콘, 실리콘 고무, 실리콘화된 아크릴 코크, 폴리우레탄, 경화성 수지를 포함하는 다양한 재료들이 3차원 프린팅에 사용될 수 있다. 3차원 프린팅은 전통적인 방법을 통해 만들기 어려울 수 있는 물체를 효율적으로 형성할 수 있다.
3차원(3D) 프린팅 시스템 및 방법이 이용 가능하지만, 본 명세서에서 특정 3D 프린팅 시스템 및 방법에 관한 다양한 문제들이 인식된다. 예를 들어, 3D 프린팅 시스템 및 방법은 재료 조성, 색상 그래디언트, 밀도 및 경도와 같은 조절 가능한 특성을 가지는 3D 물체를 프린팅할 수 없다. 본 명세서에 제공된 방법 및 시스템은 조절 가능한 특성을 갖는 3D 물체의 형성을 가능하게 한다는 점에서 유리하다.
일 양태에서, 본 개시물은 3차원 물체를 형성하는 방법을 제공하며, 이 방법은: (a) 프린트 헤드의 노즐과 유체 교류하는 믹서와 유체 교류하며, 빌딩 재료(building material)를 포함하는 적어도 2개의 재료 카트리지를 제공하는 단계; (b) 적어도 2개의 재료 카트리지로부터의 빌딩 재료를 이용하여 믹서 내에 제1 혼합물을 생성하는 단계; (c) 믹서로부터의 제1 혼합물을 노즐을 통해 지지체 쪽으로 지향시켜, 지지체 부근에 3차원 물체의 제1 층을 형성하는 단계(여기서, 제1 층은 제1 둘레부 및 제1 둘레부의 내부 영역의 제1 서브 섹션을 포함한다); (d) 적어도 2개의 재료 카트리지로부터의 빌딩 재료를 이용하여 믹서 내에 제2 혼합물을 생성하는 단계; 및 (e) 믹서로부터의 제2 혼합물을 노즐을 통해 지지체 쪽으로 지향시켜, 지지체 부근에 3차원 물체의 제2 층을 형성하는 단계를 포함한다. 여기서, 제2 층은 제2 둘레부 및 제2 둘레부의 내부 영역의 제2 서브 섹션을 포함하고, 제2 서브 섹션의 적어도 일부는 제1 서브 섹션의 적어도 일부분과 인접한다.
몇몇 실시예에서, 이 방법은 (d)-(e)를 적어도 10회 반복하는 단계를 더 포함한다. 몇몇 실시예에서, 이 방법은 (d)-(e)를 적어도 100회 반복하는 단계를 더 포함한다. 몇몇 실시예에서, 이 방법은 (d)-(e)를 적어도 200회 반복하는 단계를 더 포함한다. 몇몇 실시예에서, 믹서는 채널이다. 몇몇 실시예에서, 제1 서브 섹션은 제1 둘레부에 의해 둘러 싸인 영역의 99% 미만이다. 몇몇 실시예에서, 제1 서브 섹션은 제1 둘레부에 의해 둘러 싸인 영역의 75% 미만이다. 몇몇 실시예에서, 적어도 2개의 재료 카트리지는 제1 색상 및 제2 색상의 빌딩 재료를 포함하고, 제1 혼합물은 제1 색상 및 제2 색상과 상이한 제3 색상이다. 몇몇 실시예에서, 제1 색상은 제2 색상과 상이하다.
일부 실시예에서, 빌딩 재료 중 적어도 하나는 실리콘, 실리콘 고무, 폴리우레탄, 플루오로엘라스토머, 아크릴 페이스트, 에폭시 수지 또는 이들의 조합을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 빌딩 재료는 10,000,000센티포이즈(cP) 이하의 점도를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 빌딩 재료는 1,000,000센티포이즈(cP) 이하의 점도를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 빌딩 재료는 100,000센티포이즈(cP) 이하의 점도를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체의 제1 층은 적어도 0.1 밀리미터의 두께를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체의 제1 층은 적어도 0.2 밀리미터의 두께를 갖는다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체의 제1 층은 0.1 밀리미터 내지 100 밀리미터의 두께를 갖는다.
몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 빌딩 재료는 액체 상태이다. 몇몇 실시예에서, 빌딩 재료는 기계적 힘, 공압력, 중력, 삼투압차, 압력차, 또는 이들의 조합에 의해 노즐로 지향된다. 몇몇 실시예에서, 프린트 헤드는 지지체에 대하여 제1 서브섹션으로 이동한다. 몇몇 실시예에서, 노즐은 빌딩 재료를 지지체로 지향시키지 않고 제1 둘레부 내의 제1 서브섹션 위로 이동한다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체는 이방성이다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체는 등방성이다.
몇몇 실시예에서, 3차원 물체의 제1 층 및 3차원 물체의 제2 층은 상이한 적어도 하나의 물리적 특성을 갖는다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 물리적 특성은 충전 밀도, 인장 강도 또는 색상이다. 몇몇 실시예에서, 제1 서브섹션은 3차원 물체의 모델 디자인에 따른다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체는 1주 미만의 시간 기간 내에 형성된다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체는 3일 미만의 시간 기간 내에 형성된다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체는 36시간 미만의 시간 기간 내에 형성된다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체는 10m × 10m × 10m 미만의 크기를 가진다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체는 1m × 1m × 1m 미만의 크기를 가진다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체는 0.5m × 0.5m × 0.5m 미만의 크기를 가진다.
몇몇 실시예에서, 모델 디자인은 3차원 물체의 적어도 10개의 평행한 단면을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 모델 디자인은 3차원 물체의 적어도 100개의 평행한 단면을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 빌딩 재료는 중합체를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체의 제1 층 및 3차원 물체의 제2 층은 동일한 적어도 하나의 물리적 특성을 가진다. 몇몇 실시예에서, 적어도 2개의 재료 카트리지의 빌딩 재료는 상이한 파라미터를 가진다. 몇몇 실시예에서, 상이한 파라미터는 색상 또는 재료 조성을 포함한다.
몇몇 실시예에서, 제2 층을 형성할 때, 3차원 물체의 단면은 100% 채워지지 않는다. 몇몇 실시예에서, 단면을 따라 3차원 물체는 상이한 충전 밀도의 복수의 영역을 가진다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체는 등방성인 충전 밀도를 가진다. 몇몇 실시예에서, 3차원 물체는 이방성인 충전 밀도를 가진다. 몇몇 실시예에서, 이 방법은 3차원 물체의 캐비티를 채우는 단계를 더 포함한다. 몇몇 실시예에서, 캐비티는 3차원 물체의 미리 정해진 물리적 특성을 제공하기 위해 선택된 충전 속도로 채워진다. 몇몇 실시예에서, 미리 정해진 물리적 특성은 경도, 밀도, 인장 강도 및 파단 연신율 중 하나 이상이다.
일 양태에서, 본 개시물은 3차원 물체를 형성하는 방법을 제공하며, 이 방법은: (a) 프린트 헤드의 노즐과 유체 교류하는 하나 이상의 재료 용기로서, 적어도 하나의 빌딩 재료를 포함하는 상기 적어도 하나의 재료 용기를 제공하는 단계; (b) 액체 상태의 적어도 하나의 빌딩 재료를 적어도 하나의 재료 용기로부터 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시켜 지지체 부근에 3차원 물체의 제1 부분을 형성하는 단계로서, 제1 부분은 지지체 부근의 빌딩 재료의 고체화 시 형성되고, 제1 부분은 제1 물리적 특성을 가지는 것인 상기 제1 부분을 형성하는 단계; 및 (c) 액체 상태의 적어도 하나의 빌딩 재료를 적어도 하나의 재료 용기로부터 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시켜 제1 부분 또는 지지체 부근에 3차원 물체의 제2 부분을 형성하는 단계로서, 제2 부분은 빌딩 재료의 고체화 시 형성되고, 제2 부분은 제1 물리적 특성과 상이한 제2 물리적 특성을 포함하는 것인 상기 제2 부분을 형성하는 단계를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 빌딩 재료는 중합체 재료이다. 몇몇 실시예에서, 빌딩 재료는 빌딩 재료에 에너지를 인가한 때 고체화된다. 몇몇 실시예에서, 중합체 재료는 실리콘, 폴리우레탄, 엘라스토머 또는 에폭시를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 엘라스토머는 플루오로엘라스토머이다. 몇몇 실시예에서, 이 방법은 빌딩 재료를 고체화시키기 위해 빌딩 재료에 열 또는 전자기적 에너지를 인가하는 단계를 더 포함한다. 몇몇 실시예에서, 전자기적 에너지는 자외선이다.
몇몇 실시예에서, 이 방법은 액체 상태의 적어도 하나의 빌딩 재료를 적어도 하나의 재료 용기로부터 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시켜 3차원 재료의 제3 부분을 형성하는 단계를 더 포함하고, 제2 부분은 빌딩 재료의 고체화 시 형성된다. 몇몇 실시예에서, 제1 부분 및/또는 제2 부분은 빌딩 재료의 하나 이상의 층을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 제1 물리적 특성 또는 제2 물리적 특성은 충전 밀도, 인장 강도 및 색상으로 이루어진 그룹에서 선택된다.
일 양태에서, 본 개시물은 3차원 물체를 형성하는 방법을 제공하며, 이 방법은 (a) 액체 상태의 적어도 하나의 재료 용기로부터의 적어도 하나의 빌딩 재료를 프린트 헤드의 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시키는 단계, 및 (b) 지지체 부근에 적어도 하나의 빌딩 재료의 고체화 시 가변 충전 밀도로 3차원 물체의 적어도 일부분을 생성하는 단계를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 이 방법은 빌딩 재료가 노즐을 통해 지향되는 속도를 조절하여 3차원 물체의 적어도 일부분의 충전 밀도를 조절하는 단계를 더 포함한다. 몇몇 실시예에서, 주어진 단면에 걸쳐, 3차원 물체는 완전히 채워지지 않는다.
일 양태에서, 본 개시물은 3차원 물체를 형성하는 시스템을 제공하며, 이 시스템은 노즐을 포함하는 프린트 헤드; 노즐과 유체 교류하는 믹서; 빌딩 재료를 포함하도록 구성되어 있고 믹서와 유체 교류 하는 적어도 2개의 재료 용기; 및 적어도 2개의 재료 용기에 동작적으로 연결된 컨트롤러를 포함하고, 이 컨트롤러는 (i) 적어도 2개의 재료 용기로부터의 빌딩 재료를 이용하여 믹서 내에 제1 혼합물을 생성하고; (ii) 믹서로부터의 제1 혼합물을 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시켜 지지체 부근에 3차원 물체의 제1 층을 형성하고(여기서, 제1 층은 제1 둘레부 및 제1 둘레부 내부 영역의 제1 서브섹션을 포함한다); (iii) 적어도 2개의 재료 용기로부터의 빌딩 재료를 이용하여 믹서 내에 제2 혼합물을 생성하고; 그리고 (iv) 믹서로부터의 제2 혼합물을 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시켜 지지체 부근에 3차원 물체의 제2 층을 형성하도록 프로그래밍되어 있다. 여기서, 제2 층은 제2 둘레부 및 제2 둘레부 내부 영역의 제2 서브영역을 포함하고, 제2 서브영역의 적어도 일부분은 제1 서브 영역의 적어도 일부분과 인접한다.
몇몇 실시예에서, 믹서는 채널이다. 몇몇 실시예에서, 믹서는 챔버이다. 몇몇 실시예에서, 프린트 헤드는 제1 서브섹션을 지지체에 대하여 이동시키도록 구성되어 있다. 몇몇 실시예에서, 노즐은 빌딩 재료를 지지체를 향해 지향시키지 않고 제1 둘레부 내의 제1 서브섹션 위로 이동하도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 적어도 2개의 재료 용기는 재료 카트리지이다.
일 양태에서, 본 개시물은 3차원 물체를 형성하는 시스템을 제공하며, 이 시스템은 노즐을 포함하는 프린트 헤드; 적어도 하나의 빌딩 재료를 포함하도록 구성되며, 노즐과 유체 교류하는 적어도 하나의 재료 용기; 및 적어도 하나의 재료 용기에 동작적으로 연결된 컨트롤러를 포함하고, 이 컨트롤러는 (i) 액체 상태의 적어도 하나의 빌딩 재료를 적어도 하나의 재료 용기로부터 노즐을 통해 지지체로 지향시켜 지지체 부근에 3차원 물체의 제1 부분을 형성하고(이 제1 부분은 지지체 부근의 빌딩 재료의 고체화 시 형성되고, 제1 부분은 제1 물리적 특성을 포함한다), 그리고 (ii) 액체 상태의 적어도 하나의 빌딩 재료를 적어도 하나의 재료 용기로부터 노즐을 통해 지지체로 지향시켜 제1 부분 또는 지지체 부근에 3차원 물체의 제2 부분을 형성하도록 프로그래밍되어 있고, 이 제2 부분은 빌딩 재료의 고체화 시 형성되고, 제2 부분은 제1 물리적 특성과 상이한 제2 물리적 특성을 포함한다. 몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 재료 용기는 재료 카트리지이다. 일 양태에서, 본 발명은 3차원 물체를 형성하는 시스템을 제공하며, 이 시스템은 노즐을 포함하는 프린트 헤드; 적어도 하나의 빌딩 재료를 담고 있도록 구성되어 있고 상기 노즐과 유체 교류하는 적어도 하나의 재료 용기; 및 상기 적어도 하나의 재료 용기에 동작적으로 연결된 컨트롤러를 포함하며, 상기 컨트롤러는 (i) 상기 적어도 하나의 재료 용기로부터 액체 상태의 상기 적어도 하나의 빌딩 재료를 상기 프린트 헤드의 상기 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시키고, 그리고 (ii) 상기 지지체 부근에 상기 적어도 하나의 빌딩 재료의 고체화 시 가변 충전 밀도로 상기 3차원 물체의 적어도 일부분을 생성하도록 프로그래밍되어 있다.
본 개시물의 추가적은 양태 및 이점은 아래의 상세한 설명으로부터 당업자들에게 쉽게 이해될 것이며, 여기서 단지 본 개시물의 예시적인 실시예만이 도시되고 서술되어 있다. 이해하는 바와 같이, 본 개시물은 다른 및 상이한 실시예가 가능하며, 그것의 몇 가지 세부사항은 모두 본 개시물을 벗어나지 않고 다양한 명백한 관점에서 변형될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 하고 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다.
(참조에 의한 통합)
본 명세서에 언급된 모든 공개물 및 특허 출원은 각각의 개별 공개물 또는 특허 출원이 참조로서 통합된 것으로 구체적으로 그리고 개별적으로 언급된 것과 동일한 정도로 참조로서 본 명세서에 통합된다.
본 발명의 새로운 특징들은 첨부된 청구항에 상세하게 설명된다. 본 발명의 특징 및 이점의 더 나은 이해는 본 발명의 원리가 사용되는 예시적인 실시예를 나열하는 아래의 상세한 설명과 첨부 도면(본 명세서에서 "도면" 및 "도"라고도 함)을 참조하여 얻어질 것이다.
도 1은 3차원 프린팅 프로세스의 흐름도의 개략도를 도시한다.
도 2는 각각의 주사기로부터 믹서로 빌딩 재료를 이송하는 예시적인 기계 시스템을 보여주는 카트리지 시스템의 전면도를 도시한다.
도 3은 도 2의 주사기 플런저를 지지하는 예시적인 바의 평면도를 도시한다.
도 4는 도 1의 시스템을 이용하는 예시적인 프린팅 프로세스의 개략도를 도시한다.
도 5는 3D 물체를 형성하기 위한 3D 이동 스테이지를 갖는 예시적인 시스템을 도시한다.
도 6은 3D 컬러 프린트의 다른 실시예를 도시한다.
도 7은 예시적인 3D 컬러 프린팅 프로세스를 도시한다.
도 8은 컬러 물체를 제조하기 위한 프로세스의 예시적인 흐름도를 도시한다.
도 9는 3D 프린팅의 일반적인 프로세스의 개략도이다.
도 10은 중간 충전 밀도의 구체의 상부 단면도를 제공한다.
도 11은 높은 충전 밀도의 구체의 상부 단면도를 제공한다.
도 12는 구체의 상부 단면도를 제공한다.
도 13은 전방 및 힐에서 상이한 충전 밀도를 갖는 구두 밑창의 상부 단면도를 제공한다.
도 14는 상이한 충전 밀도의 3층을 갖는 물체의 측 단면도를 제공한다.
도 15는 전방 및 힐에서 상이한 재료를 갖는 구두 밑창의 상부 단면도를 제공한다.
도 16은 상이한 재료의 3층을 갖는 물체의 측 단면도를 제공한다.
도 17은 예시적인 3D 프린팅된 물체의 사진이며, 층 내의 영역의 서브섹션은 벌집 또는 육각형 형상을 포함한다.
도 18은 다른 예시적인 3D 프린팅된 물체의 사진이며, 층 내의 영역의 서브섹션은 정사각형 형상을 포함한다.
도 19는 사람 피부를 모방한 다른 예시적인 3D 프린팅된 물체의 사진이다.
도 20은 본 명세서에 제공된 방법을 구현하도록 프로그래밍된 또는 다른 방식으로 구성된 컴퓨터 제어 시스템을 보여준다.
반 발명의 다양한 실시예들이 여기 도시되고 서술되었으나, 이러한 실시예들이 단지 예로서 제공된 것임을 당업자들에게는 명백할 것이다. 당업자들에게는 본 발명을 벗어나지 않고 다양한 변형, 변경, 및 치환이 발생할 수 있다. 여기 서술된 본 발명의 실시예의 다양한 대안이 채용될 수 있음을 이해해야 한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "서브섹션"은 일반적으로 전체 영역의 100%, 95%, 90%, 80%, 70%, 75%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 또는 10% 미만인 물체의 영역을 지칭한다. 예를 들어, 서브섹션은 전체 영역의 50%이다. 전체 영역은 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 또는 그 이상의 서브섹션과 같은, 복수의 서브섹션을 가질 수 있다. 물체의 각각의 서브섹션은 한 세트의 선택된 재료 특성을 가질 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "층"은 일반적으로 기판과 같은 표면 상의 원자 또는 분자의 층을 지칭한다. 몇몇 경우에, 층은 하나의 에피텍셜 층 또는 복수의 에피텍셜 층(또는 서브 층)을 포함한다. 층은 일반적으로 대략 하나의 단일원자 단일층(ML)에서부터 수십 개의 단일층, 수백개의 단일층, 수천개의 단일층, 수백만개의 단일층, 수십억개의 단일층, 수조개의 단일층 또는 그 이상의 두께를 가질 수 있다. 일례에서, 층은 하나의 단일원자의 단일층보다 큰 두께를 가지는 다층 구조이다. 또한, 층은 복수의 재료 층을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "빌딩 재료"는 일반적으로 3차원(3D) 물체의 적어도 일부분을 생성하기 위해 사용될 수 있는 임의의 재료를 지칭한다. 빌딩 재료는 고체, 반고체, 또는 액체 형태일 수 있다. 빌딩 재료는 수분, 열, 자외선(UV) 광에 의해 또는 다른 접근법에 의해 고체화될 수 있는 액체 형태일 수 있다. 교체 형태일 때, 고체는 입자를 포함할 수 있다. 빌딩 재료는 분말 형태일 수 있다. 빌딩 재료 분말은 대략 5 나노미터(nm), 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm, 100 nm, 200 nm, 300 nm, 400 nm, 500 nm, 1 마이크로미터(μm), 5μm, 10 μm, 15 μm, 20 μm, 35 μm, 30 μm, 40 μm, 45 μm, 50 μm, 55 μm, 60 μm, 65 μm, 70 μm, 75 μm, 80 μm, 또는 100 μm, 또는 그 이상의 단면(예컨대, 직경)을 갖는 개별 입자들을 포함할 수 있다. 이러한 분말은 3D 물체를 형성하기 위해 사용될 수 있는 액체를 생성하기 위해 가열 또는 용융될 수 있다.
본 개시물의 3D 물체를 형성하기 위한 빌딩 재료는 점도, 내구성, 색상, 전도성, 및/또는 저항률과 같은 상이한 특성을 가질 수 있다.
예를 들어, 상이한 색상을 갖는 한 세트의 빌딩 재료가 다양한 색상의 3D 물체를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "지지체"는 3D 물체를 형성하기 위해 사용되는 재료가 그 위에 놓여지는 임의의 워크피스를 지칭한다. 3D 물체는 베이스 상에 직접, 베이스로부터 직접, 또는 베이스 부근에 형성될 수 있다. 3D 물체는 베이스 위에 형성될 수 있다. 지지체는 기판일 수 있다. 몇몇 경우에, 지지체는, 예컨대, 산, 염기 또는 물에서의 용해를 통해 후속하여 제거될 수 있다. 다른 재료(빌딩 재료)는 3차원 물체를 형성할 수 있다. 지지체는 인클로저(예컨대, 챔버) 내에 배치될 수 있다. 인클로저는 원소 금속, 금속 합금(예컨대, 스테인리스 강), 세라믹, 또는 원소 탄소의 동소체와 같은 다양한 유형의 재료로 형성된 하나 이상의 벽을 가질 수 있다. 인클로저는 원형, 삼각형, 정사각형, 직사각형 또는 이들의 부분 형상 또는 조합과 같은 다양한 단면의 형상을 가질 수 있다. 인클로저는 단열될 수 있다. 인클로저는 단열재를 포함할 수 있다. 인클로저는 단열 또는 환경적 절연을 제공할 수 있다. 베이스는 원소 금속, 금속 합금, 세라믹, 탄소의 동소체 또는 중합체를 포함할 수 있다. 베이스는 돌, 제올라이트, 점토 또는 유리를 포함할 수 있다.
수치 또는 수치 범위를 언급할 때 용어 "대략"은 언급되는 그 수치 또는 수치 범위가 실험적 변동 내에서(또는 통계적 실험 오차 내에서) 근사이고, 그러므로 그 수치 또는 수치 범위가, 예컨대, 언급된 수치 또는 수치 범위의 1% 내지 15% 사이에서 변할 수 있음을 의미한다.
인클로저는 공기에 개방될 수 있고, 또는 제어된 환경 내에서 유지될 수 있다. 몇몇 예에서, 인클로저는 비활성 가스(예컨대, Ar, He, N2, Kr, Xe, H2, CO, CO2, 또는 Ne)와 같은 비활성 분위기 하에 있다. 인클로저는 비반응성 가스로 채워질 수 있다.
대안으로서, 인클로저는 진공 하에서 유지될 수 있다. 챔버 내의 압력은 적어도 10-7 Torr, 10-6 Torr, 10-5 Torr, 10-4 Torr, 10-3 Torr, 10-2 Torr, 10-1 Torr, 1 Torr, 10 Torr, 100 Torr, 1 bar, 2 bar, 3 bar, 4 bar, 5 bar, 10 bar, 20 bar, 30 bar, 40 bar, 50 bar, 100 bar, 200 bar, 300 bar, 400 bar, 500 bar, 1000 bar, 또는 그 이상일 수 있다. 인클로저 내의 압력은 적어도 100 Torr, 200 Torr, 300 Torr, 400 Torr, 500 Torr, 600 Torr, 700 Torr, 720 Torr, 740 Torr, 750 Torr, 760 Torr, 900 Torr, 1000 Torr, 1100 Torr, 1200 Torr일 수 있다. 인클로저 내의 압력은 기껏해야 10-7 Torr, 10-6 Torr, 10-5 Torr, 10-4 Torr, 10-3 Torr, 10-2 Torr, 10-1 Torr, 1 Torr, 10 Torr, 100 Torr, 200 Torr, 300 Torr, 400 Torr, 500 Torr, 600 Torr, 700 Torr, 720 Torr, 740 Torr, 750 Torr, 760 Torr, 900 Torr, 1000 Torr, 1100 Torr, 또는 1200 Torr일 수 있다. 몇몇 경우에, 인클로저 내의 압력은 표준 대기압일 수 있다.
3차원 프린팅(3D 프린팅)은 3차원 물체를 형성하는 프로세스를 지칭할 수 있다. 이러한 프로세스는 재료를 추가함으로써 3D 물체가 형성되는 적층 가공(additive manufacturing) 및 재료를 제거함으로써 3D 물체가 형성되는 절삭 가공(subtractive manufacturing)을 포함할 수 있다. 일례에서, 3차원 물체를 형성하기 위해, 빌딩 재료의 복수의 층이 서로 인접하게 순차적으로 적층될 수 있다.
몇몇 경우에, 3차원 물체는 빌딩 재료로 완전히 채워지지 않은 속이 빈 부분, 캐비티 또는 영역을 가질 수 있다. 중공 구조는 생산 및 재료 비용을 줄이는데 유리할 수 있다. 몇몇 경우에, 물리적 특성은 상이하지만 외형은 동일하게 나타날 수 있는 물체를 생성하는 것이 가능할 수 있다. 이것은 3차원 물체의 충진 밀도를 변경함으로써 달성될 수 있다. 이와 대조적으로, 플라스틱, 금속 또는 다른 단단한 또는 강성 재료와 같은 빌딩 재료는 결과적인 3차원 물체의 물리적 특성 또는 매크로 특성을 사용자가 크게 변경하는 것을 허용하지 않을 수도 있다.
모델 디자인은 3차원 물체를 형성하기 위해 지지체 상으로 지향되는 빌딩 재료의 3D 물체 또는 특정 영역 또는 서브섹션의 형성을 안내하기 위해 사용될 수 있다. 모델 디자인은 3D 프린팅 소프트웨어를 이용하는 것과 같이 컴퓨터-생성된 디자인일 수 있다. 빌딩 재료의 층들은 형성된 물체가 3차원 물체의 모델 디자인의 형상을 취할 때까지 순차적으로 적층될 수 있다.
(재료)
3차원 물체는 표면 상에 형성될 수 있다. 이 표면은 평평한 면, 불균일한 면, 용기, 빌드 박스, 박스, 테이블, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
몇몇 경우에, 여기서 사용되는 빌딩 재료는 실리콘, 실리콘 고무, 실리콘화된 아크릴 코크, 에폭시 수지, 폴리우레탄, 플로오로엘라스토머, 경화성 수지 및 대체물을 포함할 수 있다. 빌딩 재료는 단량체, 이합체, 또는 중합체일 수 있다. 또한, 빌딩 재료는 혼합 챔버를 적절한 온도로 가열함으로써 고체화될 수 있고, 용융된 열가소성 가공 재료로 프린트 헤드로 전달될 수 있는 유체 또는 페이스트(paste)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 대안의 실시예에서, 빌드 재료는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 삼원 중합체(ABS), 폴리카보네이트(PC), 폴리(메트)아크릴레이트, 폴리페닐렌 설폰(PPSU), HDPE, 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리락트산(PLA), 또는 이들 중합체 중 적어도 2개의 혼합물, 또는 이들 중합체 중 하나의 적어도 중량비 50%로 구성된 혼합물을 포함할 수 있다. 용어 (메트)아크릴레이트는 여기서 일반적으로 메타크릴레이트, 예컨대, 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트 등 또는 아클릴레이트, 예컨대, 에틸헥실 아클릴레이트, 에틸 아클릴레이트 등 중 하나이거나 또는 이 둘의 혼합물을 지칭한다. 제3 노즐로부터의 제2 빌드 재료와 관련하여, 몇몇 경우에 폴리메타크릴레이트 또는 폴리카보네이트가 사용될 수 있다. 제1 프린팅 헤드로부터의 지지체 재료와 관련하여, 이 시스템은 산-, 염기-, 또는 물- 용해성 중합체를 이용할 수 있다. 빌딩 재료는 아크릴 페이스트, 초콜릿 페이스트, 젤리, 자외선(UV) 광 경화성 수지, 열가소성 또는 실리콘 고체 또는 반고체(예컨대, 분말)일 수 있다.
빌딩 재료는 고체, 액체, 겔, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
빌딩 재료는 실리콘, 실리콘 고무, 실리콘화된 아크릴 코크, 폴리우레탄, 플루오로엘라스토머, 경화성 수지, 또는 고체화 될 수 있는 유체 또는 페이스트를 포함할 수 있다. 빌딩 재료는 단량체, 이량체, 또는 중합체를 포함할 수 있다. 중합체는 에폭시 수지일 수 있다. 몇몇 경우에, 고체화 프로세스는 화학 반응, 방사선, 냉각, 탈수 또는 건조를 포함할 수 있다. 또한, 자연 건조 가능한 재료가 사용될 수 있다. 빌딩 재료는 재료 용기 또는 재료 카트리지 내에 있을 때 액체 상태일 수 있다. 빌딩 재료는 빌딩 재료가 지지체를 향해 지향될 때 고체화하거나 고체화될 수 있다. 지지체 상의 빌딩 재료의 고체화는 3차원 물체의 일부를 형성할 수 있다. 고체화된 빌딩 재료는 빌딩 재료가 액체 상태일 때와는 상이한 제1 물리적 특성을 가질 수 있다. 고체화된 빌딩 재료는 빌딩 재료가 액체 상태일 때와 동일하거나 유사한 제2 물리적 특성을 가질 수 있다.
재료들이 혼합되어 원하는 색상의 유체를 형성할 수 있도록 하기 위해 2 이상의 색상의 재료들이 사용될 수 있다. 3차원 물체를 프린팅하기 위해 사용되는 혼합물은 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 그 이상의 카트리지로부터의 빌딩 재료를 포함할 수 있고, 함께 혼합된 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 그 이상의 상이한 색상의 빌딩 재료들을 포함할 수 있다. 빌딩 재료는 빌딩 재료에 용해 가능한 안료로 착색될 수 있다.
몇몇 경우에, 재료 카트리지는 제1 유형의 빌딩 재료를 포함한다. 몇몇 경우에, 프린터가 적어도 2개의 재료 카트리지를 포함할 때, 2개의 재료 카트리지는 제1 유형의 빌딩 재료 및 제2 유형의 빌딩 재료인 빌딩 재료들을 포함한다. 몇몇 경우에, 프린터가 적어도 2개의 재료 카트리지를 포함할 때, 적어도 2개의 재료 카트리지는 동일한 유형의 빌딩 재료인 빌딩 재료들을 포함한다. 몇몇 경우에, 상이한 카트리지로부터의 빌딩 재료들이 혼합되어 혼합물을 생성할 때, 이 혼합물은 제1 유형의 빌딩 재료 및/또는 제2 유형의 빌딩 재료와 상이한 제3 유형의 빌딩 재료이다. 몇몇 경우에, 3차원 물체는 단일 유형의 빌딩 재료만 이용하여 형성될 수 있다.
몇몇 경우에, 재료 카트리지는 단일 색상의 빌딩 재료를 포함한다. 몇몇 경우에, 프린터가 적어도 2개의 재료 카트리지를 포함할 때, 2개의 재료 카트리지는 제1 색상 및 제2 색상의 빌딩 재료를 포함한다. 몇몇 경우에, 상이한 카트리지로부터의 빌딩 재료들이 혼합되어 혼합물을 생성할 때 그 혼합물은 제1 색상 및 제2 색상과 상이한 제3 색상이다.
3차원 물체를 형성할 때 부드러운 색상 변환이 가능하다. 몇몇 경우에, 제1 혼합물은 제2 혼합물보다 약간만 상이하거나 현저하게 상이할 수 있다. 그러므로, 3차원 물체 내의 색상의 그래디언트를 달성하기 위해 매끄러운 색상 변환이 가능하다.
몇몇 경우에, 빌딩 재료는 결과적인 3차원 물체의 특성을 변경할 수 있는 입자, 오일 또는 물을 포함할 수 있다. 3차원 물체의 물리적 특성은 여기 서술된 방법을 이용할 때 변경될 수 있다. 변경될 수 있는 특성은 강도, 경도, 강성, 유연성, 내구성, 밀도, 인장 강도, 탄성, 파괴 연신율, 및 다른 물리적 또는 화학적 특성을 포함한다. 몇몇 경우에, 3차원 물체의 제1 층, 제1 서브섹션 또는 제1 층의 제1 단면은 3차원 물체의 제2 층, 제2 서브섹션 또는 제2 층의 제2 단면과 비교하여 상이한 적어도 하나의 물리적 특성을 가질 수 있으며, 이 적어도 하나의 물리적 특성은 강도, 경도, 강성, 유연성, 내구성, 밀도, 인장 강도, 탄성, 파괴 연신율, 색상 또는 이들의 조합이다.
몇몇 경우에, 빌딩 재료는 또한 추가의 첨가제, 접착 촉진제, 또는 접착제를 포함할 수 있다. 빌딩 재료는 마이크로파 또는 자기장 또는 전기장에 의해 활성화 또는 가열될 수 있다. 첨가제는 빌딩 재료 챔버에 미리 혼합될 수도 있고, 프린트 헤드에 의한 압출 이전에 다양한 다른 빌딩 재료 챔버와 혼합되는 별도의 챔버 내에 있을 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 빌딩 재료는 다른 빌딩 재료와 접촉할 수 있는 가교제, 개시제, 또는 촉진제를 포함할 수 있다. 접촉하는 동안, 열 반응 또는 다른 활성화와 같은 반응이 일어날 수 있다. 몇몇 경우에, 빌딩 재료의 반응은 결과적인 혼합물의 탄성과 같은 상이한 특성을 가지는 혼합물을 만들어낼 수 있다.
몇몇 경우에, 표면 코팅이 또한 추가될 수 있고, 반응이 후속하여 발생할 수 있는데, 여기서 첨가제는 마이크로파, 열, 플라즈마, UV 광 또는 자기장에 의해 활성화될 수 있다. 몇몇 경우에, 첨가제의 반응은 표면 상에서 일어날 수 있고, 3차원 물체의 표면 상에서만 발생하는 것이 유리하고 바람직할 수 있다.
대안의 실시예에서, 다양한 주사기로부터의 첨가제는 그 자체가 혼합 공정 후 서로 반응할 수 있고, 그러므로 고체화를 촉진하고 그리고/또는 프린팅 공정의 하류의 빌딩 재료가 서로를 향해 나타내는 접착력을 향상시키기 위한 화학적 가교를 제공한다. 다른 실시예에서, 프린팅 공정의 하류에서, 하나 이상의 코팅의 구성성분은 결과적인 물체의 표면 상에 증착될 수 있다.
빌딩 재료는 미립자를 갖는 고체일 수 있다. 빌딩 재료는 개별 입자를 포함할 수 있고, 이 입자들은 구형, 타원형, 입방형, 불규칙 형상 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
빌딩 재료는 실질적으로 균일한 크기의 입자를 포함할 수 있다. 빌딩 재료는 적어도 대략 0.1 마이크로미터, 0.2 마이크로미터, 0.3 마이크로미터, 0.4 마이크로미터, 0.5 마이크로미터, 0.6 마이크로미터, 0.7 마이크로미터, 0.8 마이크로미터, 0.9 마이크로미터, 1 마이크로미터, 2 마이크로미터, 5 마이크로미터, 10 마이크로미터, 20 마이크로미터, 30 마이크로미터, 40 마이크로미터, 50 마이크로미터, 60 마이크로미터, 70 마이크로미터, 80 마이크로미터, 90 마이크로미터, 100 마이크로미터, 200 마이크로미터, 300 마이크로미터, 400 마이크로미터, 500 마이크로미터, 600 마이크로미터, 700 마이크로미터, 800 마이크로미터, 900 마이크로미터, 또는 1 밀리미터의 입자들을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 빌딩 재료는 10 마이크로미터 내지 100 마이크로미터, 20 마이크로미터 내지 90 마이크로미터, 30 마이크로미터 내지 80 마이크로미터, 내지 40 마이크로미터 내지 60 마이크로미터의 입자들을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 빌딩 재료는 대략 50 마이크로미터의 입자들을 포함할 수 있다.
3차원 물체를 형성하는 방법은 빌딩 재료에 복수의 층의 증착을 필요로 할 수 있다. 3차원 물체를 형성하는 방법은 적어도 1 층, 2 층, 3 층, 4 층, 5 층, 6 층, 7 층, 8 층, 9 층, 10 층, 50, 층, 100 층, 200 층, 500 층, 700층, 1000 층, 또는 더 많은 층의 빌딩 재료를 물체를 형성하기 위해 필요로 할 수 있다. 물체는 물체의 형성을 완성하기 위해 1 내지 1000 층의 빌딩 재료, 10 내지 700 층, 100 내지 500 층, 또는 200 내지 400층을 필요로 할 수 있다. 물체는 물체의 형성을 완성하기 위해 10 내지 1000 층의 빌딩 재료, 100 내지 700 층, 200 내지 600 층, 또는 300 내지 500층을 필요로 할 수 있다.
빌딩 재료 층은 표면 상에 균일하게 분포될 수 있다. 빌딩 재료 층은 표면 또는 지지체의 적어도 일부분 상에 특정 두께를 가질 수 있다. 빌딩 재료 층은 적어도 대략 0.001 밀리미터, 0.01 밀리미터, 0.1 밀리미터, 0.2 밀리미터, 0.3 밀리미터, 0.4 밀리미터, 0.5 밀리미터, 0.6 밀리미터, 0.7 밀리미터, 0.8 밀리미터, 0.9 밀리미터, 1 밀리미터, 2 밀리미터, 5 밀리미터, 10 밀리미터, 20 밀리미터, 30 밀리미터, 40 밀리미터, 50 밀리미터, 60 밀리미터, 70 밀리미터, 80 밀리미터, 90 밀리미터, 또는 100 밀리미터의 두께를 가질 수 있다. 빌딩 재료 층은 0.1 밀리미터 내지 10 밀리미터, 0.3 밀리미터 내지 5 밀리미터, 0.4 밀리미터 내지 2 밀리미터, 0.5 밀리미터 내지 1 밀리미터의 두께를 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 3차원 물체는 하나 이상의 층을 포함할 수 있고, 각각의 층의 두께는 동일하거나, 거의 동일하거나 상이할 수 있다.
3차원 물체는 피부 또는 조직을 모방할 수 있고, 적어도 대략 0.001 밀리미터, 0.01 밀리미터, 0.1 밀리미터, 0.2 밀리미터, 0.3 밀리미터, 0.4 밀리미터, 0.5 밀리미터, 0.6 밀리미터, 0.7 밀리미터, 0.8 밀리미터, 0.9 밀리미터, 1 밀리미터, 2 밀리미터, 5 밀리미터, 10 밀리미터, 20 밀리미터, 30 밀리미터, 40 밀리미터, 50 밀리미터, 60 밀리미터, 70 밀리미터, 80 밀리미터, 90 밀리미터, 또는 100 밀리미터의 두께를 가질 수 있다.
빌딩 재료는 대략 100,000,000 센티포이즈(cP), 10,000,000 cP, 1,000,000 cP, 100,000 cP, 10,000 cP, 1000 cP, 900 cP, 800 cP, 700 cP, 600 cP, 500 cP, 400 cP, 300 cP, 200 cP, 100 cP, 50 cP, 10 cP, 9 cP, 8 cP, 7 cP, 6 cP, 5 cP, 4 cP, 3 cP, 2 cP, 1 cP, 또는 그 이하의 점도를 가질 수 있다. 결합 물질은 1000 cP 내지 100 cP, 700 cP, 내지 200 cP, 또는 600 cP 내지 300 cP의 점도를 가질 수 있다.
빌딩 재료는 용기, 병, 컵 또는 그릇에 저장될 수 있다.
몇몇 경우에, 믹서는 채널, 챔버, 튜브 또는 커넥터이다. 몇몇 경우에, 상이한 용기로부터의 빌딩 재료는 기계적 믹서에 의해 혼합될 수 있고, 날개, 털 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
몇몇 경우에, 프린트 헤드는 빌딩 재료를 도입하고 그것을 3차원 물체를 프린트하도록 압출하고, 프린트 헤드 팁의 치수는 프린트된 물체의 해상도를 정의할 수 있다. 몇몇 경우에, 프린트 헤드는 바늘, 노즐, 또는 볼펜 헤드일 수 있다. 프린트 헤드는 재료 선택, 해상도 요건 또는 막힘 방지에 따라 교체 가능하고 또는 교환 가능할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 프린트 헤드 모듈은 빌딩 재료를 혼합하는 능력을 가질 수 있다. 예를 들어, 정적 혼합 노즐은 들어오는 빌딩 재료를 혼합하고 그것을 압출할 수 있는 프린트 헤드 모듈로서 사용될 수 있다. 정적 혼합 노즐은 저렴한 비용으로 용액을 혼합할 수 있고, 노즐 팁의 내경은 (막힘의 가능성을 줄일 수 있는) 큰 노즐과 (프린팅의 정밀도를 증가시킬 수 있는) 작은 노즐 사이에서 최적화될 수 있다.
3차원 물체는 동일하거나 상이할 수 있는 높이, 폭, 및 길이를 가질 수 있다. 3차원 물체는 개별적으로 그리고 독립적으로 대략 0.1 밀리미터, 0.5 밀리미터, 1 밀리미터, 2 밀리미터, 5 밀리미터, 10 밀리미터, 20 밀리미터, 30 밀리미터, 40 밀리미터, 50 밀리미터, 60 밀리미터, 70 밀리미터, 80 밀리미터, 90 밀리미터, 100 밀리미터, 200 밀리미터, 300 밀리미터, 400 밀리미터, 500 밀리미터, 600 밀리미터, 700 밀리미터, 800 밀리미터, 900 밀리미터, 1 미터, 또는 그 이상인 높이, 폭, 또는 길이를 가질 수 있다. 3차원 물체는 대략 20 밀리미터, 50 밀리미터, 100 밀리미터, 200 밀리미터, 300 밀리미터, 400 밀리미터, 500 밀리미터, 600 밀리미터, 700 밀리미터, 800 밀리미터, 900 밀리미터, 1 미터, 2 미터, 3 미터, 5 미터, 10 미터, 또는 그 이상의 높이를 가질 수 있다. 3차원 물체는 대략 20 밀리미터, 50 밀리미터, 100 밀리미터, 200 밀리미터, 300 밀리미터, 400 밀리미터, 500 밀리미터, 600 밀리미터, 700 밀리미터, 800 밀리미터, 900 밀리미터, 1 미터, 2 미터, 3 미터, 5 미터, 또는 10 미터 이상의 폭을 가질 수 있다. 3차원 물체는 대략 20 밀리미터, 50 밀리미터, 100 밀리미터, 200 밀리미터, 300 밀리미터, 400 밀리미터, 500 밀리미터, 600 밀리미터, 700 밀리미터, 800 밀리미터, 900 밀리미터, 1 미터, 2 미터, 3 미터, 5 미터, 또는 10 미터 이상의 길이를 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 3차원 물체는 대략 1m×1m×1m의 크기를 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 3차원 물체는 대략 500 밀리미터×500 밀리미터×500 밀리미터의 크기를 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 3차원 물체는 대략 200 밀리미터×200 밀리미터×200 밀리미터의 크기를 가질 수 있다.
(방법)
일 양태에서, 본 개시물은 3차원 물체를 형성하는 방법을 제공한다. 이 방법은 프린트 헤드의 노즐과 유체 교류하는 믹서와 유체 교류하는 적어도 2개의 재료 카트리지를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 적어도 2개의 재료 카트리지는 빌딩 재료를 포함할 수 있다. 그 다음, 적어도 2개의 재료 카트리지로부터의 빌딩 재료는 믹서 내에 제1 혼합물을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 제1 혼합물은 믹서로부터 노즐을 통해 지지체를 향해 지향되어 지지체 부근에 3차원 물체의 제1 층을 형성할 수 있다. 제1 층은 제1 둘레부 및 제1 둘레부 내부 영역의 제1 서브섹션을 포함할 수 있다. 그 다음, 적어도 2개의 재료 카트리지로부터의 빌딩 재료는 믹서 내에 제2 혼합물을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 그 다음, 제2 혼합물은 믹서로부터 노즐을 통해 지지체를 향해 지향되어 지지체 부근에 3차원 물체의 제2 층을 형성할 수 있다. 제2 층은 제2 둘레부 및 제2 둘레부 내부 영역의 제2 서브섹션을 포함할 수 있으며, 제2 서브섹션의 적어도 일부는 제1 서브섹션의 적어도 일부와 인접한다.
이러한 오퍼레이션은 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 1000 또는 그 이상의 횟수만큼 반복될 수 있다.
다른 양태에서, 본 개시물은 3차원 물체를 형성하는 시스템을 제공한다. 이 시스템은 믹서와 유체 교류하는 노즐을 갖는 프린트 헤드를 포함할 수 있다. 적어도 2개의 재료 카트리지는 믹서와 유체 교류할 수 있다. 적어도 2개의 재료 카트리지는 빌딩 재료를 담고 있도록 구성될 수 있다. 컨트롤러는 적어도 2개의 재료 카트리지에 동작적으로 연결될 수 있다. 컨트롤러는 적어도 2개의 재료 카트리지로부터의 빌딩 재료를 이용하여 믹서 내에 제1 혼합물을 생성하도록 프로그래밍될 수 있다. 컨트롤러는 제1 혼합물을 믹서로부터 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시켜 지지체 부근에 3차원 물체의 제1 층을 형성하도록 프로그래밍될 수 있다. 제1 층은 제1 둘레부 및 제1 둘레부 내부 영역의 제1 서브섹션을 포함할 수 있다. 컨트롤러는 적어도 2개의 재료 카트리지로부터의 빌딩 재료를 이용하여 믹서 내에 제2 혼합물을 생성하도록 프로그래밍될 수 있다. 컨트롤러는 제2 혼합물을 믹서로부터 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시켜 지지체 부근에 3차원 물체의 제2 층을 형성하도록 프로그래밍될 수 있다. 제2 층은 제2 둘레부 및 제2 둘레부 내부 영역의 제2 서브섹션을 포함할 수 있다. 제2 서브섹션의 적어도 일부는 제1 서브섹션의 적어도 일부와 인접할 수 있다.
장치는 3차원 물체를 생성하기 위해 사용될 수 있고 프린트헤드 및 압출 모듈을 포함한다. 압출 모듈은 하나 이상의 카트리지로부터의 빌딩 재료를 프린트헤드로 이송할 수 있다. 카트리지는 탱크, 병, 주사기, 또는 다양한 재료를 담을 수 있는 임의의 용기일 수 있다. 빌딩 재료를 카트리지로부터 프린트헤드로 이송하기 위해 사용되는 힘은 기계적 힘, 공압력, 중력, 삼투압 차, 표면 장력, 자기력, 또는 압력차에 의해 발생되는 힘일 수 있다. 프린트헤드는 프린트되는 물체의 해상도를 결정할 수 있고, 그것은 플라스틱, 금속 또는 다른 재료로 만들어질 수 있다.
몇몇 경우에, 노즐은 제1 둘레부 내의 제1 서브섹션 위로 이동할 때 빌딩 재료를 지지체를 향해 지향시키지 않고 지지체 위로 이동하도록 구성된다. 이러한 이동은 상대 이동일 수 있다. 몇몇 예에서, 노즐이 이동되고 지지체는 고정된다. 대안으로서, 노즐은 고정되고 지지체는 (예컨대, XY 평면을 따라) 이동된다. 다른 대안으로서, 노즐 및 지지체 모두 이동된다.
서브섹션은 제1 둘레부에 의해 둘러싸인 영역의 대략 99%, 95%, 90%, 80%, 75%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 또는 10% 미만일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 물체의 단면은 100% 채워지지 않고, 100%, 99%, 95%, 90%, 80%, 75%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 또는 10% 미만으로 채워질 수 있다.
몇몇 경우에, 방법은 3차원 물체의 캐비티를 충전하는 단계를 더 포함하고, 여기서 캐비티는 3차원 물체의 체적의 기껏해야 99%, 95%, 90%, 80%, 75%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 또는 10%를 구성할 수 있다. 3차원 물체의 캐비티는 적어도 대략 0.01 mm3/s, 0.1 mm3/s, 0.2 mm3/s, 0.3 mm3/s, 0.4 mm3/s, 0.5 mm3/s, 0.6 mm3/s, 0.7 mm3/s, 0.8 mm3/s, 0.9 mm3/s, 1 mm3/s, 2 mm3/s, 3 mm3/s, 4 mm3/s, 5 mm3/s, 6 mm3/s, 7 mm3/s, 8 mm3/s, 9 mm3/s, 10 mm3/s, 100 mm3/s, 500 mm3/s, 1000 mm3/s, 2000 mm3/s, 3000 mm3/s, 4000 mm3/s, 5000 mm3/s, 6000 mm3/s, 7000 mm3/s, 8000 mm3/s, 9000 mm3/s, 10,000 mm3/s, 또는 그 이상의 평균 속도로 충전될 수 있다.
서브섹션은 패턴을 가질 수 있고, 이 패턴은 벌집 형상, 다이아몬드 형상, 정사각형 형상, 원형 형상 또는 이들의 조합을 가질 수 있다. 도 17은 예시적인 3D 프린팅된 물체의 사진이며, 여기서 층 내의 영역의 서브섹션은 벌집 형상 또는 육각형 형상을 포함한다. 도 18은 예시적인 3D 프린팅된 물체의 사진이며, 여기서 층 내의 영역의 서브섹션은 정사각형 형상을 포함한다.
3차원 물체의 단면은 상이한 충전 밀도를 가지는 것으로 언급될 수 있다. 단면은 동일한 충전 밀도, 상이한 충전 밀도 또는 충전 밀도의 그래디언트를 갖는 섹션을 가질 수 있다. 형성된 3차원 물체는 빌딩 재료의 고체화 후 가변 충전 밀도를 가지는 적어도 일부분을 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 3차원 물체의 층 또는 단면의 충전 밀도는 적어도 대략 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 또는 95%일 수 있다.
3차원 물체의 제1 단면은 동일한 3차원 물체의 제2 단면과 동일하거나 실질적으로 유사한 물리적 특성을 가질 수 있다. 대안으로서, 3차원 물체의 제1 단면은 동일한 3차원 물체의 제2 단면과 상이한 물리적 특성을 가질 수 있다.
3차원 물체의 제1 층은 동일한 3차원 물체의 제2 층과 동일하거나 실질적으로 유사한 물리적 특성을 가질 수 있다. 대안으로서, 3차원 물체의 제1 층은 동일한 3차원 물체의 제2 층과 상이한 물리적 특성을 가질 수 있다.
몇몇 경우에, 3차원(3D) 물체의 경도는 쇼어 A 경도계(Shore A Hardness Scale)에 따라 측정될 수 있다. 3D 물체는 적어도 대략 1A, 2A, 3A, 4A, 5A, 6A, 7A, 8A, 9A, 10A, 15A, 20A, 25A, 30A, 40A, 50A, 60A, 70A, 80A, 90A, 100A, 150A, 200A, 또는 그 이상의 경로를 가질 수 있다. 몇몇 경우에, 3D 물체는 기껏해야 대략 200A, 150A, 100A, 90A, 80A, 70A, 60A, 50A, 또는 그 이하의 경도를 가질 수 있다. 경도는 1A 내지 100A, 또는 5A 내지 80A일 수 있다.
몇몇 예에서, 3차원 물체의 층 또는 단면의 충전 밀도는 3차원 물체의 상이한 물리적 특성을 부여할 수 있다. 3차원 물체의 경도는 물체의 충전 밀도와 관련될 수 있다. 예를 들어, 높은 충전 밀도는 낮은 충전 밀도보다 더 우수한 경도를 부여할 수 있다.
몇몇 예에서, 2개의 빌딩 재료 카트리지는 상이한 물리적 특성 또는 파라미터를 가진다. 2개의 빌딩 재료 카트리지는 상이한 색상 또는 상이한 재료 조성의 빌딩 재료들을 가질 수 있다.
도 13은 전방(1305) 및 힐(1301)에서 상이한 충전 밀도를 갖는 구두 밑창의 상부 단면도를 제공한다. 도 14는 상이한 충전 밀도의 3층(1405, 1410, 및 1415)을 갖는 물체의 측 단면도를 제공한다.
몇몇 경우에, 물체는 상이한 빌딩 재료를 포함할 수 있다. 도 15는 전방(1505) 및 힐(1501)에서 상이한 재료를 갖는 구두 밑창의 상부 단면도를 제공한다. 도 16는 상이한 재료의 3층(1605, 1610, 및 1615)을 갖는 물체의 측 단면도를 제공한다.
본 개시물은 또한 하나의 물체 내에 하나 이상의 재료를 이용함으로써 물리적 특성을 변경하기 위한 방법을 제공한다. 예를 들어, 구두 밑창은 구두 밑창의 상이한 부분에 독특한 기계적 특성을 제공하기 위해 3개 재료로 이루어질 수 있다. 대안으로서, 몇몇 경우에, 물체는 상이한 재료의 복수의 층을 가질 수 있다. 본 개시물은 아마도 상이한 구조를 가지는 다중 재료 물체가 하나의 프로세스에서 생성되는 것을 가능하게 한다.
본 명세서에 서술된 3차원 물체는 프린터를 이용하여 형성될 수 있다. 프린터는 빌딩 재료가 그 안에 저장되어 있는 하나 이상의 카트리지를 포함할 수 있다. 하나 이상의 카트리지로부터의 빌딩 재료의 혼합물은 믹서 내에서 형성될 수 있다. 혼합물은 재료의 압출을 위해 노즐 또는 프린트 헤드로 지향될 수 있다. 혼합물은 지지체를 향해 압출될 수 있다. 노즐 또는 프린트 헤드는 연속적으로 빌딩 재료를 압출할 수도 있고, 또는 빌딩 재료를 압출하지 않고 지지체의 섹션들 위로 지나갈 수도 있다.
빌딩 재료의 층은 프린트 헤드 또는 프린트 헤드의 노즐을 통해 지지체 상에 증착될 수 있다. 프린트 헤드의 컴포넌트와 표면 상의 빌딩 재료의 층 사이의 거리는 적어도 1 센티미터(cm), 5 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm, 60 cm, 70 cm, 80 cm, 90 cm, 1 m, 또는 그 이상일 수 있다. 프린트 헤드의 컴포넌트와 빌딩 재료의 층 사이의 거리는 3차원 물체의 형성 과정에 따라 변할 수 있다. 몇몇 경우에, 프린트 헤드의 컴포넌트와 빌딩 재료의 층 사이의 거리는 3차원 물체의 형성 과정에 따라 감소할 수 있다.
빌딩 재료는 빌딩 재료의 저장소 또는 용기에 저장될 수 있다. 저장소는 적어도 대략 10 그램(gr), 100 gr, 200 gr, 500 gr, 750 gr, 1 킬로그램(kg), 2 kg, 5 kg, 10 kg, 또는 그 이상의 빌딩 재료를 담을 수 있다.
프린트 헤드는 적어도 대략 0.01 mm3/s, 0.1 mm3/s, 0.2 mm3/s, 0.3 mm3/s, 0.4 mm3/s, 0.5 mm3/s, 0.6 mm3/s, 0.7 mm3/s, 0.8 mm3/s, 0.9 mm3/s, 1 mm3/s, 2 mm3/s, 3 mm3/s, 4 mm3/s, 5 mm3/s, 6 mm3/s, 7 mm3/s, 8 mm3/s, 9 mm3/s, 10 mm3/s, 100 mm3/s, 500 mm3/s, 1000 mm3/s, 2000 mm3/s, 3000 mm3/s, 4000 mm3/s, 5000 mm3/s, 6000 mm3/s, 7000 mm3/s, 8000 mm3/s, 9000 mm3/s, 10,000 mm3/s, 또는 그 이상의 평균 속도로 빌딩 재료를 분사할 수 있다. 프린트 헤드는 기껏해야 대략 100 mm3/s, 90 mm3/s, 80 mm3/s, 70 mm3/s, 60 mm3/s, 50 mm3/s, 40 mm3/s, 30 mm3/s, 20 mm3/s, 10 mm3/s, 9 mm3/s, 8 mm3/s, 7 mm3/s, 6 mm3/s, 5 mm3/s, 4 mm3/s, 3 mm3/s, 2 mm3/s, 1 mm3/s, 또는 그 이하의 평균 속도로 빌딩 재료를 분사할 수 있다. 프린트 헤드는 대략 0.01 mm3/s 내지 100 mm3/s, 또는 0.1 mm3/s 내지 10 mm3/s의 평균 속도로 빌딩 재료를 분사할 수 있다. 프린터는 프린트 헤드가 빌딩 재료를 분사하는 속도, 또는 빌딩 재료가 지지체를 향하는 속도를 조절할 수 있다. 이 속도는 3차원 물체의 적어도 일부분의 충전 밀도를 조절할 수 있다.
빌딩 재료는 용기, 프린트 헤드, 노즐 또는 펌프로부터 특정 유속으로 빌딩 재료의 층에 도포될 수 있다. 몇몇 경우에, 빌딩 재료는 대략 100 mL/s, 90 mL/s, 80 mL/s, 70 mL/s, 60 mL/s, 50 mL/s, 40 mL/s, 30 mL/s, 20 mL/s, 10 mL/s, 9 mL/s, 8 mL/s, 7 mL/s, 6 mL/s, 5 mL/s, 4 mL/s, 3 mL/s, 2 mL/s, 또는 1 mL/s 이하의 유속으로 도포될 수 있다.
몇몇 경우에, 빌딩 재료는 힘에 의해 노즐로 지향된다. 이 힘은 기계적 힘, 공압력, 중력, 삼투압 차, 압력 차 또는 이들의 조합일 수 있다. 빌딩 재료는 양의 압력 또는 음의 압력을 이용하여 노즐로 지향될 수 있다. 양의 압력은 컴프레서를 이용하여 제공될 수 있다. 음의 압력은 펌프를 이용하여 제공될 수 있다.
몇몇 경우에, 노즐은 지지체에 대하여 영역의 서브섹션으로 이동한다. 몇몇 경우에, 노즐은 지지체를 향해 빌딩 재료를 지향시키지 않고 지지체의 특정 영역 위로 이동하여, 3차원 물체의 층의 개방 영역을 형성할 수 있다.
몇몇 경우에, 본 명세서에 서술된 방법에 따라 생성된 3차원 물체는 재료가 동일할 때에도 상이한 특성을 가질 수 있다. 프린트된 3차원 물체의 물리적 특성을 제어하는 한 방법은 프린트된 물체의 내부 구조를 변경하는 것일 수 있다. 종래의 FDM 3D 프린터는 다양한 내부 구조의 물체들을 생성할 수 있으나, 생성된 열가소성 물체의 물리적 특성은 거의 변하지 않는다. 본 방법은 빌딩 재료로서 점성 재료를 이용할 수 있고, 인쇄된 3차원 물체는 유연할 수 있다. 인쇄된 물체의 밀도, 영률(Young’s module), 인장 강도, 경도, 인성, 또는 기체 투과도는 그것의 내부 구조에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 3D 프린트된 실리콘 물체의 충전 밀도는 그것의 경도 및 영률에 영향을 줄 수 있다. 충전 밀도가 높을수록, 경도 및 영률이 높아진다. 높은 충전 밀도의 물체는 더 많은 빌딩 재료를 필요로 하고 제작에 더 긴 시간이 걸릴 수 있다.
내부 구조는 또한 물체가 외부적으로 등방성으로 보이더라도 이방성 내부 구조를 생성함으로써 프린팅된 물체를 이방성으로 만들 수 있다. 예를 들어, 정방형 내부 구조의 물체는 X 및 Y 방향으로 유사한 기계적 특성을 가진다. 수직 선형 내부 구조(Y 방향을 따른 벽)만 가지는 물체는 X 및 Y 방향으로 이방성인 기계적 특성을 가질 수 있다. 이러한 예를 기초로, 본 명세서에 서술된 방법은 내부 구조를 조절함으로써 이방성의 물리적 특성의 3차원 물체를 생성할 수 있다. 본 개시물은 또한 물리적 특성이 프린트된 물체에 걸쳐 변하는 것을 가능하게 한다. 물체가 일부 딱딱한 부분 및 일부 부드러운 부분을 포함하는 것이 실현 가능하다. 예를 들어, 3D 프린트된 구두 밑창은 구두 밑창을 다양한 밀도를 갖는 한 피스로 구성함으로써 부드러운 뱀프(vamp) 및 단단한 빌드업 부를 가질 수 있고, 이는 제품을 다양한 애플리케이션에 맞추는 것을 가능하게 한다. 이와 유사하게, 물체는 구두 밑창의 공통 구조인 수직 축을 따라 구별되는 구조를 가질 수 있다.
3차원 물체의 층의 특정 영역들은 빌딩 재료를 포함하지 않을 수 있다. 3차원 물체의 디자인은, 예컨대, 경도, 유연성, 내구성, 질감, 및 밀도와 같은, 3차원 물체의 물리적 특성에 영향을 줄 수 있다. 3차원 물체는 이방성일 수 있다. 이러한 이방성 3차원 물체는 상이한 방향에서 측정할 때 상이한 하나 이상의 물리적 특성을 가질 수 있다. 3차원 물체는 등방성일 수 있다. 이러한 등방성 3차원 물체는 상이한 방향에서 측정할 때 동일한 하나 이상의 물리적 특성을 가질 수 있다.
빌딩 재료는 3차원 물체의 층의 둘레부에 도포될 수 있다. 빌딩 재료는 둘레부 내부 영역에 도포될 수 있다. 빌딩 재료는 층의 대략 1%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 99% 이상의 영역에 도포될 수 있다. 몇몇 경우에, 빌딩 재료는 층의 대략 99%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 또는 10% 이하의 영역에 도포될 수 있다. 몇몇 경우에, 빌딩 재료는 층의 5% 내지 90%, 10% 내지 80%, 30% 내지 70%, 40% 내지 60%, 또는 40% 내지 60%에 도포될 수 있다.
프린트 헤드 또는 노즐 헤드와 표면 상의 빌딩 재료의 층 사이의 거리는 빌딩 재료의 단일 층의 적용에 걸쳐 일정하게 유지될 수 있다. 프린트 헤드 또는 노즐 헤드와 표면 상의 빌딩 재료의 층 사이의 거리는 빌딩 재료의 층의 적용마다 상이할 수 있다. 몇몇 경우에, 프린트 헤드 또는 노즐 헤드와 빌딩 재료의 층 사이의 거리는 3차원 물체의 층의 수가 증가할수록 감소한다. 프린트 헤드 또는 노즐 헤드와 표면 상의 빌딩 재료의 층 사이의 거리는 적어도 0.1 밀리미터 (mm), 0.5 mm, 1 mm, 2 mm, 5 mm, 10 mm, 50 mm, 100 mm, 200 mm, 300 mm, 400 mm, 500 mm, 600 mm, 700 mm, 800 mm, 900 mm, 1000 mm, 또는 그 이상일 수 있다.
3차원 물체의 층은 한정된 공간 내부에 또는 용기 내에 형성 또는 부분적으로 형성될 수 있다. 한정된 공간은 수소, 질소, 아르곤, 산소, 이산화탄소, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 한정된 공간 내의 산소 레벨은 100,000 ppm(parts per million), 10,000 ppm, 1000 ppm, 500 ppm, 400 ppm, 200 ppm, 100 ppm, 50 ppm, 10 ppm, 5 ppm, 또는 1 ppm 미만일 수 있다. 한정된 공간은 수증기를 포함할 수 있다. 한정된 공간 내의 물의 양은 100,000 ppm, 10,000 ppm, 1000 ppm, 500 ppm, 400 ppm, 200 ppm, 100 ppm, 50 ppm, 10 ppm, 5 ppm, 또는 1 ppm 미만일 수 있다. 3차원 물체는 대기에 노출된 동안 형성 또는 부분적으로 형성될 수 있다. 대기는 수소, 질소, 아르곤, 산소, 이산화탄소 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 3차원 물체의 층은 용기 내부가 아닌 개방 분위기 하에서 형성될 수 있다. 개방 분위기는 실내 또는 건물 내부일 수 있고, 이 실내 또는 건물의 공기는 대기 공기에 개방된다.
3차원 물체는 적어도 대략 1 분, 2 분, 3 분, 4 분, 5 분, 6 분, 7 분, 8 분, 9 분, 10 분 30 분, 1 시간, 2 시간, 3 시간, 4 시간, 5 시간, 10 시간, 20 시간, 30 시간, 40 시간, 50 시간, 75 시간, 4 일, 5 일, 1 주, 2 주, 3 주, 또는 4 주의 기간 내에 형성될 수 있다. 3차원 물체는 1 분 내지 50 시간, 30 분 내지 30 시간, 1 시간 내지 20 시간, 2 시간 내지 10 시간, 또는 3 시간 내지 10 시간의 기간 내에 형성될 수 있다.
컴퓨터 시스템 또는 컨트롤러는 3차원 물체의 모델을 디자인하기 위해 본 개시물의 방법에서 사용될 수 있다. 컴퓨터 시스템은 물체의 형성 이전에 정보와 함께 미리 프로그래밍될 수 있다. 모델 디자인은 3차원 물체의 형성을 시작하기 전에 생성될 수 있고, 또는 모델 디자인은 실시간으로(즉, 3차원 물체의 형성 프로세스 동안) 생성될 수도 있다. 모델 디자인은 컴퓨터 상에서 생성될 수 있다.
몇몇 경우에, 형성된 3차원 물체는 모델 디자인의 치수로부터의 편차를 가질 수 있다. 형성된 3차원 물체와 모델 디자인의 편차는 기껏해야 1 cm, 9 mm, 8 mm, 7 mm, 6 mm, 5 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm, 1 mm, 90 마이크로미터, 80 마이크로미터, 70 마이크로미터, 60 마이크로미터, 50 마이크로미터, 40 마이크로미터, 30 마이크로미터, 20 마이크로미터, 10 마이크로미터, 5 마이크로미터, 또는 그 이하일 수 있다.
편차는 형성된 3차원 물체와 모델 디자인 사이에 존재할 수 있다. 3차원 물체의 개별 부분은 모델 디자인의 대응 부분으로부터 적어도 대략 0.1%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 99% 벗어날 수 있다.
모델 디자인은 적어도 대략 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 100, 1000, 10,000, 50,000, 또는 100,000 개의 단면을 포함할 수 있다. 모델 디자인은 물체의 1 내지 1000 단면(또는 슬라이스), 10 내지 700 단면, 100 내지 500 단면 또는 200 내지 400 단면을 포함할 수 있다. 모델 디자인은 3차원 물체의 10 내지 1000 단면, 100 내지 700 단면, 200 내지 600 단면, 또는 300 내지 500 단면을 포함할 수 있다. 이러한 단면(또는 슬라이스)은 3D 프린팅 소프트웨어에 의해 생성될 수 있고, 3차원 물체의 모델 디자인에 따를 수 있다.
빌딩 재료의 스트림이 프린트 헤드로부터 압출되는 속도는 적어도 대략 1 mm/초(s), 10 mm/s, 100 mm/s, 200 mm/s, 300 mm/s, 400 mm/s, 500 mm/s, 600 mm/s, 700 mm/s, 800 mm/s, 900 mm/s, 1000 mm/s, 1250 mm/s, 1500 mm/s, 1750 mm/s, 2000 mm/s, 또는 그 이상일 수 있다. 빌딩 재료의 스트림이 프린트 헤드로부터 압출되는 속도는 적어도 대략 1 mm/min, 10 mm/min, 100 mm/min, 200 mm/min, 300 mm/min, 400 mm/min, 500 mm/min, 600 mm/min, 700 mm/min, 800 mm/min, 900 mm/min, 1000 mm/min, 1250 mm/min, 1500 mm/min, 1750 mm/min, 2000 mm/min, 또는 그 이상일 수 있다.
몇몇 경우에, 본 명세서에 서술된 방법은 완전히 자동화된 프로세스일 수 있다. 3차원 물체의 디자인은 컴퓨터 프로그램 또는 소프트웨어로부터 생성될 수 있다. 이러한 디자인은 사용자에 의한 요청 시 생성될 수 있다. 혼합물의 생성은 컴퓨터 시스템에 의해 자동화될 수 있다. 지지체로 혼합물을 지향시키는 것은 자동화 또는 컴퓨터 시스템에 의해 제어될 수 있다. 몇몇 경우에, 본 명세서에 서술된 방법의 단계는 완전히 자동화된 프로세스가 아닐 수도 있고, 작업자가 필요할 수 있다.
몇몇 경우에, 본 명세서에 서술된 프로세스는 프린트 헤드, 빌딩 재료, 및 프린팅 표면을 포함한다. 빌딩 재료는 프린트 헤드가 다른 위치로 이동한 후 프린트헤드로부터 흘러나와 프린팅 표면에 붙을 수 있다. 속이 빈 내부 구조의 3차원 물체를 생성하기 위해, 프린트 헤드는 프린팅 표면의 서브-영역으로만 이동할 수 있다. 대안으로서, 프린트 헤드는 표면의 서브영역에서 빌딩 재료의 흐름을 중단할 수 있다. 몇몇 경우에, 프린팅 표면의 일부분만이 빌딩 재료로 증착된다. 제어 시스템(PC, 모바일 장치, 태블릿, 또는 입력을 취할 수 있는 다른 장치) 내의 파라미터를 조정함으로써, 충전 밀도의 정도가 제어될 수 있고, 그러므로 프린팅되는 3차원 물체의 다양한 물리적 특성을 제공할 수 있다.
도 1은 단일 가열 압출기와 함께 복수의 빌딩 재료 카트리지(11), 믹서(12) 및 프린트 헤드(13)를 포함하는 예시적인 컬러 3D 프린팅 시스템을 도시한다. 카트리지(11)에 저장된 빌딩 재료는 프린트 헤드(13)로 이송되고, 경로를 따라 혼합되고, 그들이 액체 또는 반액체 상태인 때 팁으로부터 침전(deposit)된다. 빌딩 재료는 팁으로부터 압출될 수 있다. 빌딩 재료는 지지체를 향해 액체 형태로(예컨대, 방울) 팁으로부터 흘러나올 수 있다. 이어서, 방울들은, 예컨대, 냉각 시 지지체 부근에서 고체화될 수 있다.
각각의 카트리지(11)는 이송되기 전의 빌딩 재료들을 저장할 수 있다. 하나 이상의 카트리지가, 예컨대, 색상, 경도, 및 밀도와 같은 다양한 특성 또는 파라미터의 유체를 저장하기 위해 사용될 수 있다. 빌딩 재료는 빌딩 재료의 이송을 용이하게 만들기 위해 주사기에 저장될 수 있다. 대안의 저장 장치는 내부의 액체가 필요에 따라 이송될 수 있기만 한다면 튜브, 병, 또는 다른 액체 용기일 수 있다.
시스템은 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 또는 50 개의 카트리지를 포함할 수 있다. 복수의 카트리지가 사용되는 경우에, 카트리지는 상이한 색상 또는 다른 특성(예컨대, 경도 또는 점도)의 빌딩 재료와 같은 상이한 빌딩 재료를 가질 수 있다. 몇몇 예에서, 시스템은 4개의 카트리지를 갖는다. 각각의 카트리지는 적색(또는 마젠타), 황색, 청색(또는 시안), 및 백색(또는 투명) 색상의 빌딩 재료를 가질 수 있다. 시스템이 CMYK 색상 시스템과 유사하도록, 흑색(키) 재료가 백색/투명 재료를 대체하여 사용될 수 있다. 그러나, 3개의 카트리지 시스템 또는 상이한 개수의 카트리지를 갖는 시스템이 사용될 수도 있다.
시스템은 용융을 위한 에너지를 제공하기 위해 단일 압출기를 이용할 수 있다. 단일 압출기는 혼합된 방울들을 증착시켜 연속적인 풀 컬러 물체를 형성할 수 있다. 이와 대조적으로 복수의 압출기를 갖는 종래의 시스템은 각각의 방울들이 너무 크고(데스크탑 잉크젯 프린터에서의 잉크 방울의 크기보다 훨씬 크다), 용융된 플라스틱은 그것이 지지체에 닿으면 즉시 냉각되고 고체화되기 때문에 연속적인 풀 컬러를 제공할 수 없다. 또한, 단일 압출기 접근법은 상이한 색상의 용융된 열가소성의 일반적인 빌딩 재료가 섭씨 200도 이상에서 용융되므로 그것을 취급할 수 있다.
도 2는 압출 동안 대응하는 주사기의 플런저에 의해 방출되는 주사기(21) 내의 빌딩 재료를 도시한다. 주사기(21)의 바닥 부분은 나사산 로드(23)에 연결된 바 형상 컴포넌트(22)와 접촉할 수 있다. 도 3에 상세하게 도시된 바와 같이, 푸셔(33)는 나사산 로드(32)에 고정되고, 로드는 스탭퍼 모터(31)에 의해 구동된다. 도 2에서, 바(22) 및 플런저는 플런저가 점진적으로 이동하여 소량의 빌딩 재료가 이송되게 할만큼 작은 각도만큼 회전할 수 있는 스텝퍼 모터(25)에 의해 나사산 로드가 회전될 때 가이드(24)를 따라 이동한다. 주사기(21)는 라인(27)을 통해 믹서(26)로 빌딩 재료를 이동시킨다.
몇몇 경우에, 4개의 카트리지는 상이한 색상의 빌딩 재료가 프린트 헤드 모듈로 흐를 때 그것을 혼합시키기 위한 믹서에 이어진 튜브에 연결된다. 믹서는 5방향 커넥터(또는 상이한 개수의 개방 단부를 가지는 커넥터)일 수 있다. 대안으로서, 정적 믹서(인라인 믹서와 같은) 또는 액티브 믹서는 믹서의 핵심 구성요소로서 역할할 수 있다. 커넥터의 재료는 그것이 액체 밀봉되기만 한다면 플라스틱, 금속 또는 다른 재료일 수 있다. 커넥터의 한 단부로부터 흘러나오는 색상은 2(이상의) 색상인 들어오는 재료의 상대 유속에 의해 결정된다. 커넥터의 일 단부로부터의 유속은 어떤 색상의 혼합 재료가 흘러나오는지와 관계없이 사용자가 정한 상수일 수 있다. 즉, 다양한 색상의 들어오는 재료의 유속은 사용자 정의된 상수까지 합산될 수 있고, 그들 간의 비율이 흘러나오는 재료의 색상을 제공한다. 믹서와 프린트 헤드 모듈 간의 거리는 3차원 물체를 형성할 때 제어 가능한 팩터일 수 있다. 믹서와 프린트 헤드 모듈 사이의 경로가 짧을 때, 그 짧은 경로를 따라 재료들이 혼합될 시간이 짧아지므로 색상 전환 간의 인터벌이 짧아질 수 있다. 한편, 믹서와 프린트 헤드 모듈 사이의 경로가 클 때 색상 전환 인터벌은 더 커질 수 있고, 이는 우수한 혼합 품질을 수반한다. 모듈들을 연결하기 위해 사용되는 튜브는 색상 전환 간의 지연을 최소화하기 위해 충분히 얇을 수 있고, 노즐의 움직임이 제한되지 않도록 충분히 길어야 한다. 믹서는 프린팅의 품질을 유지하기 위해 일회용으로 설계될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 프린팅 프로세스는 노즐(41)의 프린트 헤드, 지지체, 및 노즐(13)로부터 오는 빌딩 재료를 포함할 수 있다. 일 실시예에서 페이스트 형인 빌딩 재료는 노즐로부터 한 방울(44)씩 오고, 고체화되기 시작한다. 고체화 속도는 방울이 지지체 또는 물체(43)와 접촉할 때 실질적으로 고체화되고 헤드가 재료에 의해 막히지 않도록 프린트 헤드로부터 바로 나온 재료는 액체 유지되도록 제어될 수 있다.
시스템은 스탠드 얼론일 수 있고 다른 시스템과 통합될 수도 있다. 예를 들어, 휴대용 컬러 3D 프린터 실시예는 사용자가 공기 중 또는 용액 내에서 표면 상에 다양한 색상의 3D 물체를 프린트하는 것을 가능하게 한다. 대안으로서, 시스템은 종래의 프린터를 다중 색상 3D 프린터로 변환하기 위해 기존의 3D 프린터에 장착될 수 있다.
도 5에 도시된 다른 실시예에서, 카트리지 모듈 및 믹서(51)는 3D 프린터의 프레임워크에 대하여 고정되고, 프린트 헤드 모듈(52)은 이동 가능하다. 지지체(53)는 프린팅된 3D 물체를 지지하기 위해 사용된다.
도 6은 3D 컬러 프린터의 다른 실시예를 도시한다. 도 6에서, 컬러 3D 프린터는 압출 노즐(15) 및 지지체(14)의 상대적 위치를 정밀하게 한정하는 기계적 시스템, 중합체(17)를 경화시키기 위해 사용되는 조명 시스템 및 축(18 및 19)을 따라 이동하여 물체를 프린팅하는 압출 시스템으로 이루어진다. 카트리지(16)에 저장된 경화 가능한 빌딩 재료는 노즐로 이송되고, 경로를 따라 잘 혼합되고, 팁으로부터 압출된다. 액체의 빌딩 재료의 압출된 방울은 방사선에 비추어져 지지체 상에서 고체화된다. 노즐이 이동하므로, 방울은 지지체 상의 임의의 위치에 프린팅될 수 있고, 그렇게 프린팅된 재료의 구조가 결정될 수 있다. 기계적 시스템은 노즐 및 지지체의 위치를 제어할 수 있고, 몇몇 경우에 적어도 1, 2, 3, 4, 또는 5 개의 모터를 가진다. 지지체는 고체화된 물체에 대한 지지체일 수 있다. 이것은 금속 또는 플라스틱으로 만들어질 수 있고, 지지체와 프린팅된 물체 사이에 최적의 결합력을 만들기 위해 몇몇 코팅이 표면에 도포될 수 있다. 노즐은 y축 모터가 회전할 때 노즐이 y축을 따라 이동하는 방식으로 y축 모터에 의해 제어되는 y축 벨트에 고정된다. y축 벨트는 그것의 견고성을 증가시키기 위해 y축을 따라 로드에 의해 지지될 수 있다. 그 다음, y축 벨트는 y축 벨트 전체가 x축 모터에 따라 x축을 따라 이동할 수 있도록 하기 위해 x축 벨트 상의 휠에 고정된다. 이들 두 모터에 의해 제어되는 벨트 시스템은 노즐의 x 및 y 위치를 결정하고, 그 동안 노즐의 높이는 일정하게 유지된다. 지지체의 z 위치는 z축 모터에 의해 조정되는데, 이것은 모터가 회전할 때 지지체가 나사산 로드를 따라(z축) 이동하도록 지지체에 연결된 나사산 로드에 모터가 동심으로(concentrically) 연결되는 방식으로 수행될 수 있다. 기계 시스템에 사용되는 모터는 스텝퍼 모터일 수 있다. 이러한 스텝퍼 모터는 노즐의 위치가 정밀하게 정해질 수 있도록 그들이 회전할 때 작은 증분을 가질 수 있다. 이 예에서는 이동력이 모터 및 벨트에 의해 제공 및 전달되지만, 기어 시스템 또는 로봇 팔이 대안으로서 포함될 수 있다. 컴포넌트들의 위치를 정밀하게 판정하기 위해 캘리브레이션 장치가 사용될 수 있고, 그것은 충돌 센서, I 센서, 또는 라벨링된 트랙을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 충돌 센서를 사용하면, 노즐은 그것이 센서에 닿을 때까지 x 및 y 축의 경계를 향해 이동할 것이다. 이 점을 원점으로 정의하고, 스텝퍼 모터에 대하여 회전된 각도를 기록함으로써 노즐의 좌표가 추적될 수 있다.
도 6의 실시예에서 사용되는 빌딩 재료는 광-경화성 수지일 수 있고, 대안은 복사, 냉각 또는 건조 시 고체화될 수 있는 유체를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 3 이상의 색상의 재료들이 혼합되어 원하는 색상의 균질의 유체를 형성할 수 있도록 사용되고, 이들은 카트리지에 채워지기 전에 빌딩 재료에 용해될 수 있는 안료에 의해 착색된다. 일반적인 광 경화성 재료가 중합체이므로, 이들 안료는 오일 용해성일 수 있다. 조명 시스템은 노즐로부터 압출된 빌딩 재료를 고체화시키기 위한 방사선 소스를 포함하고, 고체화된 방울은 제조된 아래의 지지체 또는 물체에 부착될 수 있다. 방사선 소스는 광 경화성 수지를 고체화시키기 위해 사용되고, 가능한 옵션은 UV, 가시광선, 및 레이저를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 광원과 프린트된 물체 간의 기하학적 관계는 다양할 수 있다. 유체가 지지체 상에서 고체화되게 하기 위해, 광은 프린트된 방울의 스폿 상에 집중되거나 지지체 전체를 상부로부터 비추거나, 또는 바닥으로부터 비출 수 있다. 방사선 소스는 프린팅 프로세스 동안 온/오프 스위칭 또는 이동하도록 제어될 수 있다.
도 6의 압출 시스템은 혼합 노즐 및 카트리지 시스템을 포함한다. 노즐은 그것이 X-Y 평면 내에서 이동할 수 있도록 y축 벨트 상의 휠에 고정된다. 빌딩 재료가 노즐로 흐르게 하고, 잘 혼합되어 압출되게 하기 위해, 튜브가 노즐에 연결된다. 합리적 비용으로 용액을 혼합하기 위해 정적 혼합 노즐이 사용될 수 있고, 노즐의 내경은 (막힘의 가능성을 줄이는) 큰 것과 (프린팅의 정밀도를 높이는) 작은 것 사이에서 최적화되어야 한다. 사용되는 튜브는 색상 전환 사이의 지연을 최소화하기 위해 충분히 얇아야 하고, 노즐의 움직임이 제한되지 않도록 충분히 길어야 한다.
이제, 카트리지 시스템이 상세하게 설명된다. 상이한 색상의 유체들을 저장하기 위해 수 개의 카트리지가 포함될 수 있다. 이러한 카트리지는 내부의 액체가 필요에 따라 이송될 수만 있다면 주사기, 병, 또는 다른 액체 용기일 수 있다. 몇몇 경우에, 4-카트리지 시스템이 사용될 수 있고, 각각의 카트리지는 적색, 황색, 청색, 및 백색(투명)의 빌딩 재료를 가질 수 있다. 이 예에서, 주사기는 빌딩 재료의 이송을 용이하게 만들기 위해 사용될 수 있다. 주사기는 고체화를 일으키는 방사선에 빌딩 재료가 노출되는 것을 방지하기 위해 어두운 시트 또는 광차단 박스와 같은 조명 블록으로 덮여 있어야 한다. 3개의 카트리지는 상이한 색상의 빌딩 재료들이 노즐을 향한 경로를 따라 잘 혼합되게 하기 위한 다대일(many-to-one) 어댑터(예컨대, 3 대 1 어댑터)에 소프트 튜브를 통해 연결된다. 어댑터의 재료는 그것이 액체 밀봉되기만 한다면 플라스틱 또는 금속일 수 있다. 어댑터의 일 단부로부터 흘러나오는 색상은 3원색인 3개의 들어오는 재료의 상대적 유속에 의해 결정된다. 일 단부로부터의 유속은 어떤 색상의 혼합된 재료가 흘러나오는지와 관계없이 사용자가 정의한 상수이다. 3색의 재료의 유속은 사용자 정의된 상수까지 합산될 수 있고, 이들 간의 비율이 흘러나오는 재료의 색상을 제공한다. 어댑터와 압출 노즐 간의 거리는 제어 가능한 팩터일 수 있다. 어댑터와 노즐 간의 경로가 짧으면, 색상 변화 간의 인터벌이 짧아지지만, 재료가 그 짧아진 경로를 따라 혼합될 시간이 짧아진다. 반면에, 이들 간의 경로가 커지면, 색상 변화 인터벌은 길어지지만, 더 우수한 혼합 품질을 가진다. 빌딩 재료의 이동은 압출 동안 대응 주사기의 플런저에 의해 구동되는데, 그것의 바닥은 나사산 로드 및 얇은 로드에 연결된 바 형상의 컴포넌트에 고정된다. 일 실시예에서, 바는 로드를 위한 홀을 가지고, 나사산 막대에 연결하기 위해 내장된 육각 너트를 가진다. 바에 사용되는 재료는 바가 로드를 따라 이동할 때 휘어지지 않도록 충분히 강해야 한다. 얇은 로드를 따른 바의 매끄러운 이동을 위해 홀 내에 부싱이 고정될 수 있다. 나사산 로드가 스텝퍼 모터에 의해 회전될 때 바 및 플런저는 수직축을 따라 이동하고, 스텝퍼 모터는 플런저가 점진적으로 이동하여 작은 체적의 빌딩 재료가 이송되도록 하기 위해 작은 각도만큼 회전할 수 있다.
프린팅 프로세스는 노즐의 프린트 헤드, 지지체, 및 방사선 소스를 포함한다. 빌딩 재료, 광 경화성 수지는 노즐로부터 한 방울씩 제공될 수 있고, 그것은 방사선에 노출된 때 고체화되기 시작한다. 고체화 속도는 방울이 아래의 지지체 또는 물체와 접촉할 때 거의 고체화되지만, 재료에 의해 헤드가 막히지 않도록 프린트 헤드로부터 바로 나온 재료는 액체로 유지되도록 제어된다. 물체는 한 층씩 프린트되고, 노즐은 재료를 프린트하기 위해 X-Y 평면에서 수평으로 이동할 수 있고, 그 다음 지지체는 층의 두께(사용자 지정 팩터)만큼 z축을 따라 아래로 이동할 수 있고, 그 다음 새로운 X-Y 평면 내에서 동일한 프린팅 프로세스가 이어진다.
도 7은 예시적인 3D 컬러 프린팅 프로세스를 도시한다. 도 7에서, 상기 실시예에 따라 컬러 물체를 제조하기 위한 프로세스의 개략적인 흐름도가 제공된다. 이 프로세스는 3D 프린팅 시스템에 의해 가능해질 수 있다. 사용자는 먼저 3D 물체를 제조하기 위한 요청과 같은 입력을 제공할 수 있다. 이 요청은 재료 및/또는 색상과 같은 3D 물체의 하나 이상의 특성을 포함할 수 있다. 시스템은 이러한 요청을 수신하기 위한 사용자 인터페이스(701)를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(701)에 대한 입력은 시스템과 통신할 수 있는 컴퓨터/스마트폰 상의 소프트웨어 인터페이스일 수 있다. 대안으로서, 사용자 인터페이스(701)에 대한 입력은, 예컨대, SD 카드, 마이크로 SD 카드 또는 플래시 드라이브와 같은 휴대용 저장 장치 상에 데이터를 로딩하기 위한 빌트인 인터페이스일 수 있다. 유저 엔드로부터 데이터를 수신하면, 전기 시스템(702)은 모터 시스템(703)을 제어할 수 있다. 모터 시스템은 기계 시스템이 빌딩 재료를 카트리지로부터 노즐로 그리고 지지체(704)를 향해 이송할 수 있도록 믹서 및 노즐 시스템(708)으로 이동되는, 주사기 시스템(707)으로부터의 빌딩 재료를 포함할 수 있다. 또한, 빌딩 재료는 컬러 3차원 물체(705)를 형성하기 위해 직접 방울(709)로서 지향될 수 있다. 프린트 헤드는 3차원 물체 또는 컬러 3차원 물체(705)를 프린팅하는 동안 지지체에 대하여 이동할 수 있다. UV 광원, 가시광선 광원, 또는 방사선 소스(706)는 지지체 상의 빌딩 재료를 고체화하기 위해 사용될 수 있으며, 조명 시스템에 포함된다. 기계 시스템은 컬러 3차원 물체(705)를 형성하기 위해 사용자 인터페이스(701), 전기 시스템(702), 모터 시스템(703) 및 지지체(704)를 포함할 수 있다. 압출 시스템은 주사기 시스템(707)을 포함할 수 있다.
도 8은 본 명세서에 서술된 시스템을 적용하여 컬러 물체를 제조하기 위한 프로세스의 개략적인 흐름도이다. 사용자는 3차원 물체의 디자인을 입력하기 위해 사용자 인터페이스(801)를 이용한다. 사용자 인터페이스(801)에 대한 입력은 시스템과 통신할 수 있는 컴퓨터/스마트폰 상의 소프트웨어 인터페이스일 수 있다. 대안으로서, 사용자 인터페이스(801)에 대한 입력은, 예컨대, SD 카드, 마이크로 SD 카드 또는 플래시 드라이브와 같은 휴대용 저장 장치 상에 데이터를 로딩하기 위한 빌트인 인터페이스일 수 있다. 사용자 인터페이스(801)로부터 데이터를 수신하면, 전기 시스템(802)은 빌딩 재료의 카트리지 모듈(803)로부터 혼합 모듈(804)로의 이동을 제어할 수 있다. 그 다음, 혼합물은 컬러 3차원 물체(806)를 형성하기 위해 혼합물을 지지체를 향해 지향시키는 프린트 헤드 모듈(805)로 이송될 수 있다.
도 9는 3D 프린트의 일반적인 프로세스의 개략적 도면이다. 도 10은 중간 충전 밀도의 구체의 상부 단면도를 제공하고, 도 11은 높은 충전 밀도의 구체의 상부 단면도를 제공한다. 도 12는 구체의 상부 단면도를 제공한다.
본 개시물의 장치, 시스템 및 방법은 해부학적 모델을 프린트하는데 사용될 수 있다. 3D 프린터는 디지털 파일(*.STL, CT 이미지, 또는 기타)로 로딩될 수 있고, 해부학적 모델은 그에 따라 구성될 수 있다. 이 시스템에 사용되는 재료가 부드럽고 유연하기 때문에, 프린트되는 모델은 감각, 질감, 및 (초음파 이미징과 같은) 이미징 결과의 측면에서 실제 장기와 더 유사하다. 프린트된 모델은 교육 도구, 수술 시뮬레이션 또는 다른 의료용 애플리케이션에 사용될 수 있다.
이 시스템의 대안의 응용은 다중 재료 3D 프린터이다. 각각의 카트리지는 상이한 빌딩 재료를 담고 있을 수 있고, 그러므로 프린터는 카트리지 내의 재료 중 하나 또는 그들(일부 또는 모든 재료)의 혼합물을 갖는 물체를 프린트할 수 있다. 이 기계가 장기 모델을 프린트하기 위해 사용된다면, 다양한 특성(예컨대, 밀도, 색상 또는 경도)을 갖는 재료들이 수 개의 부분을 가지는 장기를 모방하기 위해 사용될 수 있다.
각각의 빌딩 재료는 고체, 반고체, 또는 액체일 수 있다. 고체 또는 반고체 빌딩 재료가 사용된다면, 그러한 빌딩 재료는 지지체 부근으로 증착되기 전에 용융될 수 있다. 용융은 방사(예컨대, 레이저) 및/또는 전도성(예컨대, 저항 가열) 가열 유닛과 같은 하나 이상의 용융 유닛의 도움으로 용이해질 수 있다.
3D 압출 프린터는 프린트로서 빌딩 재료를 도포하기 위한 노즐을 갖는 프린팅 헤드; 용융되어야 할 프린팅 헤드로 공급되며 빌딩 재료를 제공하는 필라민트 스트림; 필라멘트 스트림 상의 프린팅 헤드 상류측의 코팅 유닛; 코팅 유닛과 프린팅 헤드 사이에 위치하는 고정 영역; 및 프린팅 헤드로 들어가기 전에 용융된 필라멘트에 잉크 및 하나 이상의 첨가제를 코팅 조성물에 공급하기 위해 계량 장치가 장착된 복수의 공급 용기를 포함할 수 있다. 혼합 유닛(12)은 프린트 헤드로 공급되기 전에 액체 또는 액화된(즉, 용융된) 조성물을 혼합할 수 있다. 프린트 헤드는 노즐의 하부 영역에 있는 정적 믹서일 수 있다. 빌딩 재료는 착색되지 않을 수 있다. 빌딩 재료는 투명하지 않을 수 있다.
안료를 가진 공급 용기는 블랙과 더불어 컬러 안료 및 잉크 및/또는 원색 또는 첨가제를 담을 수 있다. 안료는 금속 안료일 수도 있고, 또는 형광 안료가 사용될 수도 있다. 센서는 믹서로의 재료의 흐름을 측정하기 위해 제공될 수 있고, 컬러 모니터링 및 프린트 제어를 위한 정보로 최적화된다.
다른 실시예에서, 주사기 대신, 이 시스템은 2D 컬러 잉크젯 프린터용과 같은 컬러 프린팅을 위한 공지된 이동 가능한 카트리지를 사용할 수 있고, 또는 펌핑에 의해 액체가 제거될 수 있는 공급 용기를 포함하거나, 또는 왕복운동 펌프로 클램핑될 수 있는 카트리지를 포함할 수 있다. 이러한 디자인은 그들이 간단하게 그리고 개별적으로 교체 또는 갱신될 수 있도록 하는 것일 수 있다.
이 시스템은 각각의 컬러 음영이 CAD 프로그램으로 입력되도록 설계될 수 있고, 좌표 이외에, 제조 프로세스를 위한 그리고 재료 및 착색제의 형성의 조절을 위한 컬러 정보를 포함하는 파일이 제공되도록 설계될 수 있다. 적절한 파일 포맷의 예는 AMF(Additive Manufacturing File Format)(ASTM F2915-12)에 서술되어 있다. 각각의 컬러 음영은 계량 장치를 조절함으로써 그리고 시스템으로의 공급 용기로부터의 블랙 및 각각의 원색의 제어된 계측에 의해 확립될 수 있다.
다른 실시예는 스트림라인 방식으로 3D 프린트에 디지털 정보를 연결하는 오토데스크의 스파크(Autodesk's Spark)와 함께 작동하며, 이는 프린팅을 위해 사용되는 재료의 범위를 넓히면서도 시행착오없이 프린트를 시각화 및 최적화하는 것을 용이하게 만든다. 3D 프린팅을 위한 스파크의 소프트웨어 플랫폼을 갖는 시스템은 소프트웨어, 하드웨어 및 재료 공급자의 상호 윤용성을 가능하게 한다. 스파크 플랫폼은 개방형이므로 하드웨어 공급자, 앱 개발자, 제품 디자이너는 3D 프린팅의 한계를 더 높이기 위해 그것의 빌딩 블록을 이용할 수 있다.
본 개시물의 방법, 장치 및 시스템은 다양한 사용 및 애플리케이션을 위해 사용될 수 있는 3차원 물체를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 경우에, 3차원 물체의 용도 및 응용은 교육용 모조 피부 물체, 의료용 인공 피부, 몰드 제조, 유연한 도구, 주방 도구, 실리콘 몰드, 고무 프로토타입, 및 의료용 보철을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
컴퓨터는 제한하는 것은 아니지만 지지체의 이동, 빌딩 재료 애플리케이터의 이동 및 프린트 헤드의 이동을 포함하여, 예컨대, 3차원 물체를 만드는 방법과 같은, 본 개시물의 방법의 다양한 양태를 조절 및 제어하기 위해 사용될 수 있다.
(컴퓨터 제어 시스템)
본 개시물은 본 개시물의 방법을 구현하도록 프로그래밍된 컴퓨터 제어 시스템을 제공한다. 도 20은 3차원 물체를 만들도록 프로그래밍 또는 다른 방식으로 구성된 컴퓨터 제어 시스템(2001)을 도시한다. 컴퓨터 제어 시스템(2001)은 제한하는 것은 아니지만 지지체의 이동, 바인딩 재료 도포기의 이동, 바인딩 물질 도포기, 절삭 도구 및 가열 도구의 이동을 포함하여, 예컨대, 3차원 물체를 생성하는 방법과 같은 본 개시물의 방법의 다양한 양태들을 조절할 수 있다. 컴퓨터 제어 시스템(2001)은 전자 장치에 대하여 원격에 위치하는 컴퓨터 시스템 또는 사용자의 전자 장치 상에 구현될 수 있다. 전자 장치는 모바일 전자 장치일 수 있다.
컴퓨터 시스템(2001)은 단일 코어 또는 멀티 코어 프로세서일 수 있고, 또는 병렬 프로세싱을 위한 복수의 프로세서일 수 있는, 중앙 처리 장치(CPU, 본 명세서에서 "프로세서" 및 "컴퓨터 프로세서"라고도 함)(2005)를 포함한다. 컴퓨터 제어 시스템(2001)은 또한 메모리 또는 메모리 위치(2010)(예컨대, 랜덤 액세스 메모리, 판독 전용 메모리, 플래시 메모리), 전자 저장 유닛(2015)(예컨대, 하드 디스크), 하나 이상의 다른 시스템과 통신하기 위한 통신 인터페이스(2020)(예컨대, 네트워크 어댑터), 및 캐쉬, 다른 메모리, 데이터 저장 및/또는 전자 디스플레이 어댑터와 같은 주변 장치(2025)를 포함한다. 메모리(2010), 저장 유닛(2015), 인터페이스(2020, 및 주변 장치(2025)는 마더보드와 같은 통신 버스(실선)를 통해 CPU(2005)와 통신한다. 저장 유닛(2015)은 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장 유닛(또는 데이터 저장소)일 수 있다. 컴퓨터 제어 시스템(2001)은 통신 인터페이스(2020)의 도움을 받아 컴퓨터 네트워크("네트워크")(2030)에 동작적으로 연결될 수 있다. 네트워크(2030)는 인터넷, 인터넷 및/또는 익스트라넷, 또는 인트라넷 및/또는 인터넷과 통신하는 익스트라넷일 수 있다. 몇몇 경우에, 네트워크(2030)는 원격 통신 및/또는 데이터 네트워크이다. 네트워크(2030)는 클라우드 컴퓨팅과 같은 분산형 컴퓨팅이 가능할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 서버를 포함할 수 있다. 몇몇 경우에, 네트워크(2030)는, 컴퓨터 시스템(2001)의 도움을 받아, 컴퓨터 시스템(2001)에 연결된 장치들이 클라이언트 또는 서버로서 행동할 수 있도록 하는 피어-투-피어 네트워크를 구현할 수 있다.
CPU(2005)는 프로그램 또는 소프트웨어로 구현될 수 있는 기계 판독 가능한 명령어들의 시퀀스를 실행할 수 있다. 명령어는 메모리(2010)와 같은 메모리 위치에 저장될 수 있다. 명령어는 CPU(2005)로 보내질 수 있고, 이 CPU는 이어서 CPU(2005)를 본 발명의 방법을 구현하도록 프로그래밍 또는 다른 방식으로 구성할 수 있다. CPU(2005)에 의해 실행되는 동작의 예는 패치(fetch), 디코딩, 실행, 및 라이트백(writeback)을 포함할 수 있다.
CPU(2005)는 집적회로와 같은 회로의 일부분일 수 있다. 시스템(2001)의 하나 이상의 다른 구성요소들도 회로에 포함될 수 있다. 몇몇 경우에, 회로는 주문형 반도체(ASIC: application specific integrated circuit)이다.
저장 유닛(2015)은 드라이버, 라이브러리, 및 저장된 프로그램과 같은 파일을 저장할 수 있다. 저장 유닛(2015)은 사용자 데이터, 예컨대, 사용자 선호 및 사용자 프로그램을 저장할 수 있다. 몇몇 경우에, 컴퓨터 시스템(2001)은 인트라넷 또는 인터넷을 통해 컴퓨터 시스템(2001)과 통신하는 원격 서버 상에 위치하는 것과 같이, 컴퓨터 시스템(2001)의 외부에 있는 하나 이상의 추가 데이터 저장 유닛을 포함할 수 있다.
컴퓨터 시스템(2001)은 네트워크(2030)를 통해 하나 이상의 원격 컴퓨터 시스템과 통신할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템(2001)은 사용자(예컨대, 3차원 물체의 제조를 제어하는 사용자)의 원격 컴퓨터 시스템과 통신할 수 있다. 원격 컴퓨터 시스템의 예는 퍼스널 컴퓨터(예컨대, 휴대용 PC), 슬레이트 또는 태블릿 PC(예컨대, 애플®아이패드, 삼성®갤러시탭), 전화기, 스마트폰(예컨대, 애플®아이폰, 안드로이드 지원 장치, 블랙베리®) 또는 개인 디지털 보조 장치를 포함한다. 사용자는 네트워크(2030)를 통해 컴퓨터 시스템(2001)에 접근할 수 있다.
본 명세서에 서술된 방법은, 예컨대, 메모리(2010) 또는 전자 저장 유닛(2015) 상과 같은, 컴퓨터 시스템(2001)의 전자 저장 위치 상에 저장된 기계(예컨대, 컴퓨터 프로세서) 실행 가능한 코드에 의해 구현될 수 있다. 기계 실행 가능한 또는 기계 판독 가능한 코드는 소프트웨어의 형태로 제공될 수 있다. 사용 중, 코드는 프로세서(2005)에 의해 실행될 수 있다. 몇몇 경우에, 코드는 저장 유닛(2015)으로부터 추출될 수 있고, 프로세서(2005)에 의한 용이한 접근을 위해 메모리(2010) 상에 저장될 수 있다. 일부 상황에서, 전자 저장 유닛(2015)은 배제될 수 있고, 기계 실행 가능한 명령어는 메모리(2010) 상에 저장된다.
코드는 코드를 실행하도록 되어 있는 프로세서를 가지는 기계와 함께 사용하도록 미리 컴파일링 및 구성될 수도 있고, 또는 실행시간 동안 컴파일될 수도 있다. 코드는 코드를 미리 컴파일링되는 방식, 또는 바로 컴파일링되는 방식으로 실행 가능하도록 선택된 프로그래밍 언어로 공급될 수 있다.
컴퓨터 시스템(2001)과 같은 본 명세서에 제공된 시스템 및 방법의 양태는 프로그래밍으로 구현될 수 있다. 이 기술의 다양한 양태는 전형적으로 일종의 기계 판독 가능한 매체상에서 전달된 또는 구현된, 기계(또는 프로세서) 판독 가능한 코드 및/또는 연관된 데이터의 형태로 "제품" 또는 제조품"으로 생각될 수 있다. 기계 실행 가능한 코드는 메모리(예컨대, 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 플래시 메모리) 또는 하드 디스크와 같은 전자 저장 유닛 상에 저장될 수 있다. "저장" 유형 매체는 소프트웨어 프로그래밍을 위해 임의의 시간이 비일시적 저장을 제공할 수 있는 다양한 반도체 메모리, 테이프 드라이브, 및 디스크 드라이브 등과 같은, 컴퓨터 또는 프로세서 등 또는 그것의 연관된 모듈의 임의의 모든 유형의 메모리를 포함할 수 있다. 소프트웨어 전체 또는 일부분은 때때로 인터넷 또는 다양한 다른 원격 통신 네트워크를 통해 통신될 수 있다. 이러한 통신은, 예컨대, 하나의 컴퓨터 또는 프로세서로부터 다른 것으로의, 예컨대, 관리 서버 또는 호스트 컴퓨터로부터 애플리케이션 서버의 컴퓨터 플랫폼으로의, 소프트웨어 로딩을 가능하게 할 수 있다. 그러므로, 소프트웨어 엘리먼트를 지닐 수 있는 다른 유형의 매체는 무선 및 광 랜드라인 네트워크를 통해, 그리고 다양한 에어링크를 통해 로컬 장치들 간의 물리적 인터페이스에 걸쳐 사용되는 것과 같이, 광, 전기 또는 전자기파를 포함한다. 유무선 링크, 또는 광 링크 등과 같이, 그러한 파형을 전달하는 물리적 엘리먼트는 또한 소프트웨어를 탑재한 매체로서 간주될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 비일시적, 유형의 "저장" 매체로 한정되지 않는다면, 컴퓨터 또는 기계 "판독 가능한 매체"와 같은 용어는 실행을 위해 프로세서에 명령어를 제공하는데 참여하는 임의의 매체를 지칭한다.
그러므로, 컴퓨터 실행 가능한 코드와 같이, 기계 판독 가능한 매체는 유형의 저장 매체, 반송파 매체, 또는 물리적 전송 매체를 포함한 다양한 형태를 취할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 비휘발성 저장 매체는 도면에 도시된 데이터베이스 등을 구현하기 위해 사용될 수 있는 것과 같은, 임의의 컴퓨터(들) 등에서의 임의의 저장 장치와 같은, 예컨대, 광 또는 자기 디스크를 포함한다. 휘발성 저장 매체는 컴퓨터 플랫폼과 같은 것의 메인 메모리와 같은 동적 메모리를 포함한다. 유형의 전송 매체는 컴퓨터 시스템 내의 버스를 포함하는 와이어를 포함하여 동축 케이블, 구리선 및 광섬유를 포함한다. 반송파 전송 매체는 무선 주파수(RF) 및 적외선(IR) 데이터 통신 시 발생되는 것과 같은 전기적 또는 전자기적 신호, 또는 음파 또는 광파의 형태를 취할 수 있다. 그러므로, 컴퓨터 판독 가능한 매체의 일반적인 형태는, 예컨대, 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 임의의 다른 자성 매체, CD-ROM, DVD 또는 DVD-ROM, 임의의 다른 광 매체, 천공 카드 종이 테이프, 홀의 패턴을 가지는 임의의 다른 물리적 저장 매체, RAM, ROM, PROM 및 EPROM, 플래시-EPROM, 임의의 다른 메모리 칩 또는 카트리지, 데이터 또는 명령어를 운반하는 반송파, 그러한 반송파를 운반하는 케이블 또는 링크, 또는 컴퓨터가 그것으로부터 프로그래밍 코드 및/또는 데이터를 판독할 수 있는 임의의 다른 매체를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능한 매체의 많은 이러한 형태는 실행을 위해 프로세서에 하나 이상의 명령어의 하나 이상의 시퀀스를 전달하는 것과 관련될 수 있다.
본 발명의 방법 및 시스템은 하나 이상의 알고리즘에 의해 구현될 수 있다. 알고리즘은 중앙 처리 장치(2005)에 의해 실행될 때 소프트웨어에 의해 구현될 수 있다. 예컨대, 알고리즘은 3D 물체의 프린팅을 용이하게 할 수 있다.
(예시)
(예 1)
실리콘 빌딩 재료는 재료 카트리지에 배치되었고, 제2 유형의 실리콘 빌딩 재료는 제2 재료 카트리지에 배치되었다. 두 재료 카트리지로부터의 빌딩 재료들은 믹서에서 대기 온도에서 혼합된다. 이 혼합물은 노즐을 통해 지지체로 지향된다. 혼합물은 3차원 물체의 제1 층을 형성하도록 지지체를 향해 지향되고, 제1 층은 제1 둘레부 및 제1 둘레부 내부 영역의 제1 서브섹션을 포함한다. 제1 둘레부 내부 영역의 제1 서브섹션은 제1 둘레부에 의해 둘러싸인 영역의 99% 미만이다.
제3 유형의 실리콘 빌딩 재료가 제3 재료 카트리지에 배치된다. 제2 및 제3 재료 카트리지로부터의 빌딩 재료는 믹서에서 대기 온도에서 혼합되었다. 이 혼합물은 제3 물체의 제2 층을 형성하도록 노즐을 통해 지지체를 향해 지향되었고, 이 제2 층은 제2 둘레부 및 제2 둘레부 내부 영역의 제2 서브섹션을 포함한다. 제2 둘레부 내부 영역의 제2 서브섹션은 제2 둘레부에 의해 둘러싸인 영역의 99% 미만이고, 제2 서브섹션의 적어도 일부는 제1 서브섹션의 적어도 일부와 인접한다.
이어서, 빌딩 재료의 층들은 층의 개수가 모델 디자인의 단면의 수와 같아질 때까지 적용되었다.
결과적인 3차원 물체의 경도는 빌딩 재료를 변경하지 않고 물체의 충전 밀도를 변경함으로써 변경되었다. 표 1에 나타난 바와 같이, 상이한 충전 밀도, 무게, 및 경도 특성을 갖는, 동일한 실리콘 빌딩 재료를 이용한 3개의 물체가 형성되었다.
샘플 충전 밀도 무게 경도(쇼어 A)
1 30% 3.9g 10A
2 60% 6.2g 25A
3 100% 8.4g 30A
(예 2)
제1 유형의 실리콘 빌딩 재료는 제1 재료 카트리지에 배치되고, 제2 유형의 실리콘 빌딩 재료는 제2 재료 카트리지에 배치된다. 두 재료 카트리지로부터의 빌딩 재료는 믹서에서 대기 온도에서 혼합된다. 이 혼합물은 노즐을 통해 1미터(m)×1m×1m 지지체를 향해 지향된다. 이 혼합물은 3차원 물체의 제1 층을 형성하기 위해 지지체를 향해 지향되며, 제1 층은 제1 둘레부 및 제1 둘레부 내부 영역의 제1 서브섹션을 포함한다. 제1 둘레부 내부 영역의 제1 서브섹션은 제1 둘레부에 의해 둘러싸인 영역의 90% 미만이다.
제3 유형의 실리콘 빌딩 재료는 제3 재료 카트리지에 배치된다. 제2 및 제3 재료 카트리지로부터의 빌딩 재료는 믹서에서 대기 온도에서 혼합된다. 이 혼합물은 3차원 물체의 제2 층을 형성하기 위해 노즐을 통해 지지체를 향해 지향되며, 제2 층은 제2 둘레부 및 제2 둘레부 내부 영역의 제2 서브섹션을 포함한다. 제2 둘레부 내부 영역의 제2 서브섹션은 제2 둘레부에 의해 둘러싸인 영역의 90% 미만이고, 제2 서브섹션의 적어도 일부는 제1 서브섹션의 적어도 일부와 인접한다.
이어서, 빌딩 재료의 층들은 층의 수가 모델 디자인의 단면의 수와 같아질 때까지 적용된다.
원하는 수의 층이 형성된 후, 3차원 물체는 최종 제품으로서 지지체로부터 제거된다.
빌딩 재료 조성물(예컨대, 빌딩 재료 층)을 포함하여, 본 명세서의 재료, 장치, 시스템 및 방법은, 예컨대, 그 전체가 참조로서 본 명세서에 통합된 미국 특허 공개 번호 제2015/0142159호에 서술된 것과 같은, 재료 조성물을 포함하여, 다른 재료, 장치, 시스템 및 방법과 결합되거나, 그것들에 의해 수정될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 본 명세서에 도시되고 서술되었으나, 이러한 실시예들이 단지 예시의 방법으로 제공된 것임이 당업자들에게는 명백할 것이다. 본 명세서에 제공된 특정 예에 의해 본 발명이 제한되는 것은 의도되지 않는다. 본 발명이 앞서 언급한 명세서를 참조하여 설명되었으나, 본 명세서의 실시예의 설명 및 예시는 제한하는 의미로 해석되지 않는다. 본 발명을 벗어나지 않은 다양한 변형, 변경, 및 대체가 당업자들에게 일어날 것이다. 또한, 본 발명의 모든 양태들이 다양한 조건 및 변수에 따라 본 명세서에 제시된 구체적인 묘사, 구성 또는 상대적인 비율로 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 명세서에 서술된 본 발명의 실시예에 대한 다양한 대안들이 본 발명을 실시함에 있어서 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 그러므로, 본 발명은 모든 그러한 대안, 수정, 변형 또는 동등물을 커버하는 것으로 이해되어야 한다. 아래의 청구항의 범위는 본 발명의 범위를 정의하며, 이들 청구항 및 그 동등물의 범위에 속하는 방법 및 구조들이 청구항에 의해 커버되도록 의도되었다.

Claims (68)

  1. 3차원 물체를 형성하는 방법으로서,
    (a) 프린트 헤드의 노즐과 유체 교류하는 믹서와 유체 교류하는 적어도 2개의 재료 카트리지를 제공하는 단계로서, 상기 적어도 2개의 재료 카트리지는 빌딩 재료를 포함하는 것인, 상기 적어도 2개의 재료 카트리지를 제공하는 단계;
    (b) 상기 적어도 2개의 재료 카트리지로부터의 빌딩 재료를 이용하여 상기 믹서 내에 제1 혼합물을 생성하는 단계;
    (c) 상기 제1 혼합물을 상기 믹서로부터 상기 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시켜 상기 지지체 부근에 상기 3차원 물체의 제1 층을 형성하는 단계로서, 상기 제1 층은 제1 둘레부 및 상기 제1 둘레부 내부 영역의 제1 서브섹션을 포함하는 것인 상기 제1 층을 형성하는 단계;
    (d) 상기 적어도 2개의 재료 카트리지로부터의 빌딩 재료를 이용하여 상기 믹서 내에 제2 혼합물을 생성하는 단계; 및
    (e) 상기 제2 혼합물을 상기 믹서로부터 상기 노즐을 통해 상기 지지체를 향해 지향시켜 상기 지지체 부근에 상기 3차원 물체의 제2 층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 층은 제2 둘레부 및 상기 제2 둘레부 내부 영역의 제2 서브섹션을 포함하고, 상기 제2 서브섹션의 적어도 일부는 상기 제1 서브섹션의 적어도 일부와 인접한 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 단계 (d)-(e)를 적어도 10회 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 단계 (d)-(e)를 적어도 100회 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 단계 (d)-(e)를 적어도 200회 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 믹서는 채널인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 믹서는 챔버인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 서브섹션은 상기 제1 둘레부에 의해 둘러싸인 영역의 99% 미만인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 서브섹션은 상기 제1 둘레부에 의해 둘러싸인 영역의 90% 미만인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 서브섹션은 상기 제1 둘레부에 의해 둘러싸인 영역의 75% 미만인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 재료 카트리지는 제1 색상 및 제2 색상의 빌딩 재료를 포함하고, 상기 제1 혼합물은 상기 제1 색상 및 상기 제2 색상과 상이한 제3 색상인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 색상은 상기 제2 색상과 상이한 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 빌딩 재료 중 적어도 하나는 실리콘, 실리콘 고무, 폴리우레탄, 플루오로엘라스토머, 아크릴 페이스트, 에폭시 수지, 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 빌딩 재료 중 적어도 하나는 10,000,000 센티포이즈(cP) 이하의 점도를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 빌딩 재료 중 적어도 하나는 1,000,000cP 이하의 점도를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 빌딩 재료 중 적어도 하나는 100,000cP 이하의 점도를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 물체의 상기 제1 층은 적어도 0.1 밀리미터의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 3차원 물체의 상기 제1 층은 적어도 0.2 밀리미터의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 물체의 상기 제1 층은 0.1 밀리미터 내지 100 밀리미터의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 빌딩 재료 중 적어도 하나는 액체 상태인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 빌딩 재료는 기계적 힘, 공압력, 중력, 삼투압 차, 압력 차, 또는 이들의 조합에 의해 상기 노즐로 지향되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 프린트 헤드는 상기 지지체에 대하여 상기 제1 서브섹션으로 이동하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐은 상기 빌딩 재료를 상기 지지체를 향해 지향시키지 않고 상기 제1 둘레부 내의 상기 제1 서브섹션 위로 이동하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 물체는 이방성인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 물체는 등방성인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 물체의 상기 제1 층 및 상기 3차원 물체의 상기 제2 층은 상이한 적어도 하나의 물리적 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 물리적 특성을 충전 밀도, 인장 강도 또는 색상인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  27. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 서브섹션은 상기 3차원 물체의 모델 디자인에 따르는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 물체는 1주일 미만의 시간 기간 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 3차원 물체는 3일 미만의 시간 기간 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 3차원 물체는 36시간 미만의 시간 기간 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  31. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 물체는 10m×10m×10m 미만의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 3차원 물체는 1m×1m×1m 미만의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 3차원 물체는 0.5m×0.5m×0.5m 미만의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  34. 제 1 항에 있어서, 상기 모델 디자인은 상기 3차원 물체의 적어도 10개의 평행한 단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  35. 제 34 항에 있어서, 상기 모델 디자인은 상기 3차원 물체의 적어도 100개의 평행한 단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  36. 제 1 항에 있어서, 상기 빌딩 재료 중 적어도 하나는 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  37. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 물체의 상기 제1 층 및 상기 3차원 물체의 상기 제2 층은 동일한 적어도 하나의 물리적 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  38. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 재료 카트리지의 빌딩 재료는 상이한 파라미터를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 상이한 파라미터는 색상 또는 재료 조성을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  40. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 층을 형성할 때, 상기 3차원 물체의 단면은 100% 채워지지 않는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  41. 제 1 항에 있어서, 단면을 따라, 상기 3차원 물체는 상이한 충전 밀도의 복수의 영역을 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  42. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 물체는 등방성인 충전 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  43. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 물체는 이방성인 충전 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  44. 제 1 항에 있어서, 상기 3차원 물체의 캐비티를 채우는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  45. 제 44 항에 있어서, 상기 캐비티는 상기 3차원 물체의 미리 정해진 물리적 특성을 제공하기 위해 선택된 충전 속도로 채워지는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  46. 제 45 항에 있어서, 상기 미리 정해진 물리적 특성은 경도, 밀도, 인장 강도 및 파단 연신율 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  47. 3차원 물체를 형성하는 방법으로서,
    (a) 적어도 하나의 빌딩 재료를 포함하며, 프린트 헤드의 노즐과 유체 교류하는 적어도 하나의 재료 용기를 제공하는 단계;
    (b) 상기 적어도 하나의 빌딩 재료를 액체 상태로 상기 적어도 하나의 재료 용기로부터 상기 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시켜 상기 지지체 부근에 상기 3차원 물체의 제1 부분을 형성하는 단계로서, 상기 제1 부분은 상기 지지체 부근에서 상기 빌딩 재료의 고체화 시 형성되고, 상기 제1 부분은 제1 물리적 특성을 포함하는 것인, 상기 제1 부분을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 적어도 하나의 빌딩 재료를 액체 상태로 상기 적어도 하나의 재료 용기로부터 상기 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시켜 상기 지지체 부근에 상기 3차원 물체의 제2 부분을 형성하는 단계로서, 상기 제2 부분은 상기 빌딩 재료의 고체화 시 형성되고, 상기 제2 부분은 상기 제1 물리적 특성과 상이한 제2 물리적 특성을 포함하는 것인, 상기 제2 부분을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  48. 제 47 항에 있어서, 상기 빌딩 재료는 중합체 재료인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  49. 제 47 항 또는 제 48 항에 있어서, 상기 빌딩 재료는 상기 빌딩 재료에 에너지의 인가 시 고체화되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  50. 제 47 항에 있어서, 중합체 재료는 실리콘, 폴리우레탄, 엘라스토머, 또는 에폭시를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  51. 제 50 항에 있어서, 상기 엘라스토머는 플루오로엘라스토머인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  52. 제 47 항에 있어서, 상기 빌딩 재료를 고체화하기 위해 상기 빌딩 재료에 열 또는 전자기 에너지를 인가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  53. 제 52 항에 있어서, 상기 전자기 에너지는 자외선 광인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  54. 제 47 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 빌딩 재료를 상기 액체 상태로 상기 적어도 하나의 재료 용기로부터 상기 노즐을 통해 상기 지지체를 향해 지향시켜 상기 3차원 물체의 제3 부분을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 제3 부분은 상기 빌딩 재료의 고체화 시 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  55. 제 47 항에 있어서, 상기 제1 부분 및/또는 상기 제2 부분은 상기 빌딩 재료의 하나 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  56. 제 47 항에 있어서, 상기 제1 물리적 특성 또는 상기 제2 물리적 특성은 충전 밀도, 인장 강도 및 색상으로 이루어진 그룹에서 선택된 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  57. 3차원 물체를 형성하는 방법으로서,
    (a) 적어도 하나의 빌딩 재료를 액체 상태로 적어도 하나의 재료 용기로부터 프린트 헤드의 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시키는 단계, 및
    (b) 상기 지지체 부근에서의 상기 적어도 하나의 빌딩 재료의 고체화 시 가변 충전 밀도로 상기 3차원 물체의 적어도 일부분을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  58. 제 57 항에 있어서, 상기 3차원 물체의 상기 적어도 일부분의 충전 밀도를 조절하기 위해 상기 빌딩 재료가 상기 노즐을 통해 지향되는 속도를 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  59. 제 57 항에 있어서, 주어진 단면에 걸쳐, 상기 3차원 물체가 완전히 채워지지 않는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  60. 3차원 물체를 형성하는 시스템으로서,
    노즐을 포함하는 프린트 헤드;
    상기 노즐과 유체 교류하는 믹서;
    빌딩 재료를 담도록 구성되어 있고, 상기 믹서와 유체 교류하는 적어도 2개의 재료 용기; 및
    상기 적어도 2개의 재료 용기에 동작적으로 연결된 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 (i) 상기 적어도 2개의 재료 용기로부터의 상기 빌딩 재료를 이용하여 상기 믹서 내에 제1 혼합물을 생성하고; (ii) 상기 제1 혼합물을 상기 믹서로부터 상기 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시켜 상기 지지체 부근에 상기 3차원 물체의 제1 층을 형성하고; (iii) 상기 적어도 2개의 재료 용기로부터의 상기 빌딩 재료를 이용하여 상기 믹서 내에 제2 혼합물을 생성하고; 그리고 (iv) 상기 제2 혼합물을 상기 믹서로부터 상기 노즐을 통해 상기 지지체를 향해 지향시켜 상기 지지체 부근에 상기 3차원 물체의 제2 층을 형성하도록 프로그래밍되어 있고,
    상기 제1 층은 제1 둘레부 및 상기 제1 둘레부 내부 영역의 제1 서브섹션을 포함하고, 상기 제2 층은 제2 둘레부 및 상기 제2 둘레부 내부 영역의 제2 서브섹션을 포함하고, 상기 제2 서브섹션의 적어도 일부는 상기 제1 서브섹션의 적어도 일부와 인접한 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 시스템.
  61. 제 60 항에 있어서, 상기 믹서는 채널인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 시스템.
  62. 제 60 항에 있어서, 상기 믹서는 챔버인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 시스템.
  63. 제 60 항에 있어서, 상기 프린트 헤드는 상기 지지체에 대하여 상기 제1 서브섹션으로 이동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 시스템.
  64. 제 60 항에 있어서, 상기 노즐은 상기 지지체를 향하여 상기 빌딩 재료를 지향시키지 않고 상기 제1 둘레부 내부의 상기 제1 서브섹션 위로 이동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 시스템.
  65. 제 60 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 재료 용기는 재료 카트리지인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 시스템.
  66. 3차원 물체를 형성하는 시스템으로서,
    노즐을 포함하는 프린트 헤드;
    적어도 하나의 빌딩 재료를 담도록 구성되어 있고, 상기 노즐과 유체 교류하는 적어도 하나의 재료 용기; 및
    상기 적어도 하나의 재료 용기에 동작적으로 연결된 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는:
    (i) 상기 적어도 하나의 빌딩 재료를 액체 상태로 상기 적어도 하나의 재료 용기로부터 상기 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시켜 상기 지지체 부근에 상기 3차원 물체의 제1 부분을 형성하고,
    (ii) 상기 적어도 하나의 빌딩 재료를 액체 상태로 상기 적어도 하나의 재료 용기로부터 상기 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시켜 상기 제1 부분 또는 상기 지지체 부근에 상기 3차원 물체의 제2 부분을 형성하도록 프로그래밍되어 있고,
    상기 제1 부분은 상기 지지체 부근에서의 상기 빌딩 재료의 고체화시 형성되고, 상기 제1 부분은 제1 물리적 특성을 포함하고; 그리고 상기 제2 부분은 상기 빌딩 재료의 고체화 시 형성되고, 상기 제2 부분은 상기 제1 물리적 특성과 상이한 제2 물리적 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 시스템.
  67. 제 66 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 재료 용기는 재료 카트리지인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 시스템.
  68. 3차원 물체를 형성하는 시스템으로서,
    노즐을 포함하는 프린트 헤드;
    적어도 하나의 빌딩 재료를 담도록 구성되어 있고, 상기 노즐과 유체 교류하는 적어도 하나의 재료 용기; 및
    상기 적어도 하나의 재료 용기에 동작적으로 연결된 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는:
    (i) 상기 적어도 하나의 빌딩 재료를 액체 상태로 상기 적어도 하나의 재료 용기로부터 상기 프린트 헤드의 상기 노즐을 통해 지지체를 향해 지향시키고, 그리고
    (ii) 상기 지지체 부근에서의 상기 적어도 하나의 빌딩 재료의 고체화 시 가변 충전 밀도로 상기 3차원 물체의 적어도 일부분을 생성하도록 프로그래밍된 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 시스템.

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