KR20190042649A - 국부적 열 사이클을 이용한 3d 부품의 인쇄 방법 - Google Patents

국부적 열 사이클을 이용한 3d 부품의 인쇄 방법 Download PDF

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KR20190042649A
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Abstract

적층 제조 시스템으로 3D 부품을 인쇄하는 방법으로서, 부품의 제1 부분을 인쇄하는 단계와, 다가오는 툴 경로를 따라 상기 부품의 제1 부분을 재료 고유의 결합 온도 이상 및 재료의 열화 온도 미만인 온도로 예열하는 단계를 포함한다. 상기 부품 표면을 따르는 온도가 재료 고유의 결합 온도 이상 및 재료의 열화 온도 미만으로 유지되는 동안, 예열된 툴 경로를 따라 제1 부분 상에 재료를 압출하여 새로 압출된 로드를 형성한다. 상기 방법은 상기 예열 단계에 의해 부여된 열을 제거하여 열적으로 안정된 온도에 도달하도록 상기 예열된 툴 경로를 따라 새롭게 압출된 로드를 냉각시키는 단계를 포함하며, 상기 예열, 압출 및 냉각은 10초 내에 수행된다.

Description

국부적 열 사이클을 이용한 3D 부품의 인쇄 방법
본 발명은 일반적으로 적층 제조(additive manufacturing)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다축 로봇 빌드 시스템(multiple axis robotic build system)에 관한 것이다.
적층 제조 또는 3D 인쇄는, 일반적으로 3차원(3D) 물체가 상기 물체의 컴퓨터 모델을 이용하여 구축되는 적층 제조 공정이다. 전형적인 작업은 물체의 3차원 컴퓨터 모델을 얇은 단면으로 슬라이싱하는 단계; 그 결과물을 2차원 위치 데이터로 변환하는 단계; 및 하나 이상의 적층 제조 기술을 이용하여 층별 적층 방식(layerwise manner)으로 3차원 구조를 제조하는 프린터를 제어하기 위해 상기 데이터를 공급하는 단계;를 포함한다. 적층 제조는 제조 방식에 있어서, 용융 적층 모델링, 잉크 분사, 선택적 레이저 소결, 파우더/바인더 분사, 전자-빔 용융, 전자사진 이미징 및 스테레오리소그래픽 공정을 포함하는, 많은 다양한 접근법들을 수반한다.
적층 제조 기술은 프로토타이핑(prototyping)에 사용될 수 있고 (수년간 이 분야에 사용되어 옴), 최종 사용 부품 생산에도 사용될 수 있다. 최종 사용 부품 생산을 위해, 네트-형상 부품(net-shape parts) 또는 니어-네트 형상 부품(near-net shape parts)(즉, 소스 데이터 파일로 제공되는 디지털 이미지에 매우 가깝게 매칭되고, 이에 따라 부품의 크기 및 형상에 대해 원하는 공차(tolerances)를 달성하기 위해 후-인쇄 공정(post-print processing)이 거의 없거나 전혀 요구되지 않는 부품되는 부품)을 인쇄하는 것이 바람직하다.
용융 적층 모델링 시스템에서, 3D 프린터는 부품의 디지털 표현으로부터 생성되는 툴 경로를 따라 유동성 부품 재료를 압출함으로써 층별 적층 방식으로 3D 인쇄 부품을 생성한다. 상기 부품 재료는 시스템의 프린트 헤드에 의해 운반되는 압출 팁을 통해 압출된다. 압출된 부품 재료는 이전에 적층된 부품 재료에 융착되고(fused) 온도가 떨어지면 응고된다. 일반적인 프린터에서, 상기 재료는 빌드 평면(build plane)을 정의하는 기판 상에 생성된 일련의 로드로서(as a sequence of roads) 평면 층으로 적층된다. 기판에 대한 프린트 헤드의 위치는 인쇄 축(빌드 평면에 수직)을 따라 증가되고, 이어서 상기 프로세스가 디지털 표현을 닯은 인쇄 부품을 형성하기 위해 반복된다.
부품 재료의 층을 적층하여 인쇄된 부품을 제조함에 있어서, 지지 층(supporting layers) 또는 구조는 일반적으로 생성 중인 인쇄 부품의 돌출부 아래 또는 캐비티 내에 생성되고, 이들은 부품 재료 자체에 의해 지지되지 않는다. 지지 구조(support structure)는 부품 재료를 적층하는 것과 동일한 적층 기술(deposition techniques)을 이용하여 제조될 수 있다. 호스트 컴퓨터는 형성되는 인쇄 부품의 돌출부 또는 자유 공간 세그먼트에 대한 지지 구조로 작용하는 추가적인 기하학적 구조(geometry)를 생성한다. 그 다음, 지지 재료가 인쇄 공정 중에 상기 생성된 기하학적 구조에 따라 적층된다. 상기 지지 재료는 제조 중에 부품 재료에 부착될 수 있고, 인쇄 공정이 완료된 때 완성된 인쇄 부품으로부터 제거될 수 있다.
선택적인 지지 구조로 층별 적층 방식(layer-by-layer)의 인쇄를 사용하면 긴 구축 시간과 추가적인 후 처리 및 많은 양의 지지 재료가 필요한 부품으로 될 수 있다. 또한, 층별 적층 방식으로 생성된 부품은 적어도 일부 산업 분야에서 사용하기에 충분한 품질과 강도의 부품을 여전히 제공할 수는 있지만, 인쇄될 수 있는 기하학적 구조에 있어서 제한적이다.
본 발명은 적층 제조 시스템으로 3D 부품을 인쇄하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면은 적층 제조 시스템으로 3D 부품을 인쇄하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 부품의 제1 부분을 인쇄하는 단계, 및 재료 고유의 결합(bonding) 온도 이상의 온도 및 상기 재료의 열화(degradation) 온도 미만의 온도로 다가오는(upcoming) 툴 경로를 따라 부품의 제1 부분을 예열하는 단계를 포함한다. 재료는 상기 부품 표면을 따르는 온도는 재료 고유의 결합 온도 이상 및 재료의 열화 온도 미만으로 유지되는 한편, 예열된 툴 경로를 따라 제1 부분 상에 재료를 압출함으로써, 새로 압출된 로드를 형성한다. 상기 방법은 열적으로 안정된 온도에 도달하도록 예열 단계에 의해 부여된 열을 제거하기 위해 상기 예열된 툴 경로를 따라 새롭게 압출된 로드를 냉각하는 단계를 포함하며, 상기 예열, 압출 및 냉각은 10초 내에 수행된다.
본 발명의 또 다른 측면은 적층 제조 시스템으로 3D 부품을 인쇄하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 상기 부품의 제1 부분을 인쇄하는 단계와, 다가오는 툴 경로를 따라 상기 부품의 상기 제1 부분을 재료 고유의 결합 온도 이상 및 상기 재료의 열화 온도 아래의 온도로 예열하는 단계를 포함한다. 그 다음, 재료는 부품 표면을 따르는 온도는 재료 고유의 결합 온도 이상 및 상기 재료의 열화 온도 아래로 유지하면서 상기 예열된 툴 경로를 따라 제1 부분 상에 압출됨으로써 새로 압출된 로드를 형성하며, 상기 새롭게 압출된 로드는 부품의 상기 제1 부분에 결합된다.
<정의>
여기서 사용되는 다음의 용어는 다르게 명시되지 않는 한 하기의 의미를 가진다.
용어 "바람직한", "바람직하게는", "예시(실시예)" 및 "예시적인"은 특정 환경 하에서 특정 이점을 제공할 수 있는 본 발명의 실시형태를 지칭한다. 그러나, 다른 실시형태들 또한 동일하거나 다른 상황 하에서 바람직하거나 예시적인 것일 수 있다. 또한, 하나 이상의 바람직한 또는 예시적인 실시형태의 기재는 다른 실시형태가 유용하지 않다는 것을 의미하지 않으며, 본 발명의 범위에서 다른 실시형태를 제외시키고자 의도하는 것이 아니다.
"위(above)", "아래(below)", "상부(top)", "하부(bottom)" 등과 같은 방향(directional orientation)은 3D 부품의 층 인쇄 방향을 참조하여 기재되었다. 다음에 나타낸 실시형태에서, 층 인쇄 방향은 수직한 z-축을 따라 위쪽 방향이다. 이들 실시형태에서, "위(above)", "아래(below)", "상부(top)", "하부(bottom)" 등은 수직한 z-축 방향에 기반한다. 그러나, 수평한 x-축 또는 y-축을 따르는 것과 같이 3D 부품의 층들이 다른 축을 따라 인쇄되는 실시형태에서, "위(above)", "아래(below)", "상부(top)", "하부(bottom)" 등은 상기 주어진 축에 대한 것이다.
"재료를 제공하는 단계"와 같이 "제공하는(providing)"이라는 용어는 청구항에 기재될 때, 제공되는 아이템에 대해 어떤 특정 전달 또는 수신을 필요로 하는 것은 아니다. 오히려, 상기 "제공하는"이라는 용어는 읽기에 용이하고 명확하게 하기 위한 목적에서 단지 청구항의 후속 요소에 참조될 아이템을 기재하는데 사용된다.
달리 특정되지 않는 한, 여기서 언급되는 온도는 대기압(즉, 1 기압)에 기초한다.
"약(about) 또는 대략" 및 "실질적으로(substantially)"라는 용어는 이 기술분야의 기술자들에게 알려진 예상되는 변동(예컨대, 측정 한계 및 가변성)으로 인하여 여기서는 측정가능한 값 및 범위에 대하여 사용된다.
"니어-네트 부품(near-net part)" 이라는 용어는 초기 인쇄 후에 최종 형상에 매우 근접하도록 인쇄된 부품을 지칭한다. 니어-네트 부품은 소스 데이터 파일로서 제공되는 디지털 이미지와 밀접하게 일치하고, 이에 따라 부품의 크기 및 형상에 대해 원하는 공차를 달성하기 위해 후-인쇄 공정이 거의 필요치 않거나 전혀 요구되지 않는다
"오븐 밖에서(out of oven)"라는 용어는 온도가 제어되는 환경 챔버 내에 둘러싸여지지 않은 빌드 환경을 지칭하고, 환경 챔버의 범위(confines) 밖에서 사용 및 작동되는 것을 지칭한다.
평면 툴 경로들(planar tool paths) 또는 2D 라는 용어는 전통적인 층-방식 용융 적층 모델링 3D 프린터 또는 현재 개시되는 적층 제조 시스템에서 이용되는 평면층에서의 툴 경로들이다.
용어 3D 툴 경로는 자유 공간 내의 임의의 방향으로의 툴 경로이다.
용어 종래의(전통적인) 층-방식 용융 적층 모델링 3D 프린터 또는 인쇄 시스템은 인쇄 축을 따라 점진적으로 하강하는 빌드 기판에 의해 정의되는 2D 툴 경로를 갖는 인쇄 평면에서 실질적으로 인쇄한다. 일부 예에서, 전통적인 층-방식 용융 적층 모델링 3D 프린터 또는 인쇄 시스템은 상기 인쇄 평면 약간 밖으로 재료를 이동 및 압출하는 능력을 갖는다.
로봇 용융 적층 모델링(robotic fused deposition modeling) 3D 프린터 또는 인쇄 시스템은 로봇 아암을 이용하여 프린트 헤드 또는 압출기를 운반하고, 2D 툴 경로 및 3D 툴 경로 내에서 재료를 압출할 수 있다.
용어 "다가오는 툴 경로(upcoming tool path)"는 부품의 후속 부분(subsequent portion) 상으로 재료의 압출 로드를 인쇄하기 위해 사용되는 툴 경로이다.
용어 "재료 고유의 결합 온도(material specific bonding temperature)"는 이전에 인쇄된 부품 부분을 형성하는 재료가 동일한 재료 또는 제2 재료에 결합할 수 있는 온도이다.
용어 "열화 온도(degradation temperature)"는, 열화 온도가 온도와 상기 온도에서의 시간에 의존하는 경우 상기 재료가 열화되는 온도이다.
용어 "열 사이클(thermal cycle)"은 재료 고유의 결합 온도 이상의 온도로 툴 경로를 따라 이전에 인쇄된 재료를 예열(pre-heating)한 후, 예열된 툴 경로 및 상기 툴 경로를 따라 새로 압출된 재료를 열적으로 안정한 온도 아래로 급속 냉각하는 것을 의미한다.
용어 "급속(rapid)"은 약 10 초 이하의 지속기간을 갖는 열 사이클을 의미한다.
열적으로 안정한 온도는 비정질 중합체(amorphous polymer)에 대해 유리 전이 온도 미만 및 반-결정성 중합체(semi-crystalline polymer)에 대한 용융 온도 미만의 온도를 의미한다.
수동 냉각이라는 용어는 주변 공기로 냉각하는 것을 의미한다.
용어 능동 냉각은 열적으로 안정된 온도보다 높은 부품의 영역들 및 압출 재료를 냉각 유체를 사용하여 냉각시키는 것을 의미한다.
본원에 참조된 모든 인용 특허 및 인쇄 특허 출원은 전체적으로 참고 문헌으로 포함된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 로봇 빌드 시스템의 사시도이다.
도 2는 도 1의 시스템의 확대 사시도이다.
도 3은 도 1의 시스템 상에 인쇄되는 부품의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 경사진 빌드 플랫폼을 가지는 도 1의 시스템 상에 인쇄되는 도 3의 부품의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예를 이용하여 인쇄된 부품의 사시도이다.
도 6은 도 5의 부품의 일부에 대한 확대 사시도이다.
도 7A는 본 발명의 일 실시예를 이용하여 인쇄된 다른 부품의 사시도이다.
도 7B는 평면 층별 적층방식(planar layer-by-layer manner)으로 인쇄된 추가 부분을 갖는 도 7A 부품의 사시도이다.
도 8은 도 7A의 부품의 일부에 대한 확대 사시도이다.
도 9는 종래 기술의 인쇄 방법에 따른 부품 및 지지 구조의 단면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 부품과 같은 부품을 인쇄하는 본 발명의 실시예의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 인쇄된 부품을 포함하여 강성(strengths) 및 취약성(weaknesses)을 보여주는 일련의 부품을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 부품 및 포인트 투 포인트(point to point) 지지 구조물의 정면도이다
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
본 발명의 시스템 실시예는 6 축에서의 로봇 아암의 이동 및 2 축에서의 빌드 플랫폼(10)의 이동을 이용하여, 지지 구조의 필요없이, 용융 적층(deposition) 모델링 부품의 인쇄 방향이 부품의 기하학적 구조에 기초하여 결정될 수 있도록 허용한다. 부품의 기하학적 구조에 기초하여 인쇄 방향을 정의하면 합성 인쇄 재료(composite print material)에서 섬유의 강도 및 방향성과 같은 부품 특성을 보다 효과적으로 제어할 수 있으며 짧은 시간에 고품질 부품을 인쇄할 수 있으며 후인쇄 공정(post printing process)이 덜 필요하다.
본 발명의 실시예는 층별 인쇄 작업을 변경하고 압출 재료의 정확한(true) 3차원 인쇄를 가능하게 하여 추가적인 마무리 공정의 필요없이 적층 제조가 니어-네트(near-net) 부품 구조에 적용될 수 있도록 하는 자동화된 부품 제조를 제공한다. 경우에 따라 부품은 단일 재료로 인쇄된다. 다른 경우, 부품은 둘 이상의 재료를 사용하여 인쇄되어, 상업적 가치가 높은 합성 부품(composite part)이 될 수 있다. 다른 예들에서, 재료 조성물은 다양한 부품 특성의 전달을 위해 부품 생성물의 일 단부에서 다른 단부에 이르기까지 혼합되거나 변화될 수 있다.
도 1은 3차원(3D) 부품을 제조하는데 사용될 수 있는 다축 로봇 빌드 시스템 (100)의 사시도이다. 시스템(100)은 일 실시예에서 6개의 축을 따라 이동할 수 있는 로봇 아암(102)을 포함한다. 예시적인 로봇 아암은 독일 아우크스부르크(Augsburg)의 쿠카 로보틱스(KUKA Robotics)에서 제조한 산업용 로봇이다. 6개의 이동축이 고정 베이스로부터의 로봇 아암(102)에 대해 논의되었지만, 부가적인 축 또는 다른 이동도 본원에서 벗어나지 않고 본 발명의 실시예와 함께 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 로봇 아암(102)은 부가적인 자유도를 제공하기 위해 레일 또는 갠트리(gantry) 상을 이동하도록 장착될 수 있다.
로봇 아암(102)은 필라멘트 공급원료, 분말 또는 펠릿 공급원료 등으로부터 부품을 인쇄하기 위해, 제한되지 않고 단지 예시로서, 압출 헤드(104)와 같은, 프린트 헤드(104)를 운반한다. 일부의 경우에, 공급 원료는 중합체 또는 공중합체이고, 이들은 선택적으로 유리 또는 탄소섬유와 같은 제2 재료 및 충격 개질제와 함께 적재될 수 있다. 그러나, 본 발명은 중합체 재료로 부품을 인쇄하는 것에 국한되지 않는다. 본 발명에 따라 인쇄될 수 있는 소모성 재료는, 예시로서 유기, 무기 및 합성 재료를 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예와 함께 사용할 수 있는 합성 재료는 탄소 섬유가 충진된 나일론, 섬유 강화 열가소성 수지(thermoplastics), 섬유유리 강화 열가소성 수지, 쵸핑된(chopped) 또는 연속된 합성 섬유 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 프린트 헤드(104)는 Bosveld 등의 미국특허 제8,955,558호에 개시된 바와 같은 스크류 압출기를 이용하는 프린트 헤드; 미국특허 제6,004,124호에 개시된 바와 같은 점성-펌프 액화기; Batchelder 등의 미국특허 제8,439,665호에 개시된 바와 같은 리본 액화기; 또는 Hjelsand 등의 WO2016/014543 A1에 개시된 것과 같은 기어-펌프 액화기를 사용하는 프린트 헤드 일수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 대표적인 소모성 재료는 공동 소유된 Batchelder 등의 미국특허 제7,122,246호; Mikulak 등의 미국특허 제8,801,990호 및 제8,920,697호; Bosveld 등의 미국특허 제8,955,558호; 및 Batchelder 등의 미국특허 제8,221,669호에 개시되어 있다.
일 실시예에서 2개의 회전축을 따라 이동 가능하고, z-축 둘레로 회전, 및 x-축 둘레로 틸팅(회전) 가능한 빌드 플랫폼(106)이 제공된다. y-축으로의 틸팅(회전) 및 다양한 이동(translations)과 같은 부가적인 회전축이 다른 빌드 플랫폼(106)과 함께 제공 될 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상이한 운동 축을 갖는 다양한 빌드 플랫폼이 본원에서 벗어남이 없이 본 발명의 실시예와 함께 사용될 수 있다. 연장부(110)를 갖는 빌드 플랫폼(106)이 빌드 플랫폼(106)의 부근에서 로봇 아암(102) 및 프린트 헤드(104)의 이동에 대해 더 많은 자유도를 제공하기 위해 일 실시예에서 제공된다. 빌드 플랫폼(106)은 또한 2축 이동을 하는 고정 유닛 대신, 6축 이동을 제공할 수 있는 부가적인 로봇 아암을 포함할 수도 있다.
컨트롤러(108)는 프린트 헤드(104)의 인쇄 동작뿐만 아니라 로봇 아암(102) 및 빌드 플랫폼(106)의 이동을 제어하기 위한 소프트웨어 및 하드웨어를 포함한다.
압출기(104)가 그 위에 배치된 로봇 아암(102)은 본 발명의 일 실시예에서 빌드 플랫폼(106)과 조합하여 사용된다. 시스템(100)의 8개(또는 그 이상)의 이동 축들은, 예를 들어, 평면에서 인쇄하는 용융 적층 모델링 시스템으로 이전에는 인쇄될 수 없었거나, 지지 구조의 사용 없이는 인쇄될 수 없었던, 복잡한 기하학적 형상을 갖는 부품의 생성 및 인쇄를 가능하게 한다. 고정된 베이스로부터의 상기 로봇 아암(102)에 대해 6개의 이동 축이 논의되었지만, 레일, 이동 가능한 플랫폼 등 상에 빌드 플랫폼 또는 로봇 아암을 장착함으로써, 더 넓은 또는 더 긴 인쇄 능력 또는 확장된 이동 범위를 제공하는 것과 같은, 부가적인 이동이 본 발명을 벗어남이 없이 본 발명의 실시예들과 함께 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 로봇 아암(102)은 추가적인 이동 범위를 제공하기 위해 레일 또는 갠트리(gantry) 상을 이동하도록 장착될 수 있다. 또한, 상이한 이동 플랫폼을 갖는 상이한 테이블이 본 발명을 벗어나지 않고 본 발명의 실시예와 함께 사용될 수 있다. 이러한 추가적인 이동 플랫폼은 트러니언 테이블(trunnion tables), 크래들, 레일 또는 갠트리 장착 이동 플랫폼 등을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니며 단지 예시일 뿐이다.
제조되는 부품의 상이한 부분에 대해 상이한 재료를 사용하여 인쇄하거나 새로운 툴(tool)이 필요할 때, 자동화된 툴 변경이 사용될 수 있다. 이러한 자동화된 툴 변경은 예를 들면 추가적인 적층 제조, 절삭 제조(subtractive manufacturing), 마무리, 검사 및 부품의 조립을 예시로 포함하되 이에 한정되지 않는 부가적인 작업을 가능하게 한다. 툴 변경 랙이 도 1에서 도면 부호(122)로 개략적으로 도시되었고, 예를 들면, Comb 등의 미국특허 제8,926,484호에 개시된 바와 같이 구성될 수 있다. 랙(122)과 같은 툴 변경 랙은 추가적인 툴, 압출기, 절삭 요소(subtractive elements) 등을 수용할 수 있다. 예시적인 절삭 요소는 Batchelder의 미국특허 공개 제20150076739호에 개시된 바와 같은 엑시머 레이저 장치와 같은 라디에이션 방출 장치를 제한없이 포함할 수 있다. 도면에서는 어느 한 부분에 위치하는 것으로 도시되었으나, 툴 변경 랙(122)은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 로봇 아암에 접근 가능하다면 그 밖의 다른 위치에 배치될 수 있다.
생성된 툴 경로는 로봇 아암(102)의 동작을 제어하기 위해 사용된다. 그러나, 압출 헤드의 제어 또한 생성된 툴 경로를 따라 재료를 정확하게 퇴적(deposit)시키는데 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예는 프린트 헤드(104)가 구비된 로봇 아암(102)의 이동의 타이밍을 프린트 헤드(104)로부터의 압출에 동기화시킨다. 본 발명의 실시예는 로봇 아암(102)의 이동 및 생성된 툴 경로에 기초한 로봇 동작, 팁 세척, 팁 교체 및 프린트 헤드(104)의 다른 동작과 함께 인쇄의 속도 증가 또는 감속, 압출 속도 변경을 제공한다. 예를 들면, 프린트 헤드(104)로부터의 압출은, Comb 등의 미국특허 제6,054,077호; 및 Comb의 미국특허 제6,814,907호, 제6,547,995호 및 제6,814,907호에 개시된 방식으로 로봇 아암(102)의 이동과 동기화될 수 있다.
예를 들면, 부품의 코너 주변에서 인쇄할 때, 부품의 정확한 퇴적(deposition)을 제공하기 위해 로봇 아암(102)의 속도 및 압출 유속(flow rate)은 감소될 수 있다. 그러나, 직선 툴 경로를 따라 인쇄할 때, 로봇 아암(102)의 속도 및 압출 유속은 인쇄되는 부품의 치수 정확성을 유지하면서 증가될 수 있다. 또한 부품의 인쇄 품질에 영향을 미치지 않는 3D 압출 부품 볼륨의 내부 영역에서, 재료는 보다 빠른 속도로 더 두꺼운 비드(beads)로 압출될 수 있다. 따라서, 중공의 3D 부품, 희박한 밀도로 채워진(sparse-filled) 내부 볼륨을 갖는 3D 부품 및 또는 견고한(solid) 3D 부품이 인쇄되는 3D 부품의 품질에 영향을 미치지 않으면서 증가된 속도와 압출 유속으로 인쇄될 수 있다. 희박한 밀도로 채워진 내부 볼륨은 얇은 벽 구조에 원하는 강성(stiffness)을 부여하기 위해 인쇄될 수 있는 충전 패턴(infill patterns)을 포함한다. 충전 패턴은 부품 전체에 걸쳐 균일하거나 부품의 층들 또는 영역들 내에서 변할 수 있다. 두 가지 유형의 충전 패턴이 평면 툴 경로를 사용하는 용융 적층 모델링 3D 인쇄에서 일반적이며 3D 툴 경로 인쇄에도 사용될 수 있다: (1) 외측 부품 윤곽의 내부를 채우기 위해 짧은 평행한 선분(parallel line-segments)을 사용하는 방향-평행 충전(direction-parallel infills); 및 (2) 내부를 채우기 위해 외측 부품 윤곽을 연속적으로 오프셋(offset)하는 윤곽 충전(contour infills). 이들 선분(line segments) 사이의 간격(space)을 변경하여 재료 밀도를 변경할 수 있으므로, 희박한 밀도에서 중간밀도로, 완전히 치밀한 밀도 범위로 충전할 수 있게 된다.
로봇 아암(102) 및 빌드 플랫폼(106)의 다축 이동(multiple axes of motion)은 단지 하나의 단일 빌드 평면으로 배향(orientation)되지 않는 부품의 인쇄를 허용한다. 인쇄 중에 변경되는 빌드 평면을 사용하면, 원하는 경우 인쇄되는 3D 부품이 지지를 위해 중력을 이용하도록 허용한다. 3D 부품을 인쇄하는데 중력을 이용하면 중력의 영향 때문에 중력의 영향을 보상하기 위한 지지 구조의 필요성이 감소되거나 제거된다. 이것은 부품을 제조하는데 드는 시간을 단축시키고 부품의 후 처리 시간을 단축시킨다. 또한, 로봇 아암(102) 및 프린트 헤드(104)의 사용은 빌드 기판이 방향 변경시 거꾸로 인쇄하는 것(upside-down printing)을 허용하며, 이때 프린트 헤드 압출은 빌드 프로세스의 적어도 일부 동안 중력과 반대로 될 수 있다.
바람직하게는, 로봇 아암(102) 및 빌드 플랫폼(106)에 대한 다축 이동은 전체 부품에 이르기까지의 단일의 연속적인 3D 툴 경로를 포함하여, 3D 부품을 인쇄하기 위한 복잡한 툴 경로를 사용할 수있다. 본 실시예의 다축 시스템(100)과 함께 이용 가능한 것과 같은, 단일의 3D 툴 경로는 계단식 변위(층 에일리어싱)(stair-stepping (layer aliasing)), 이음매, 지지체에 대한 필요성 등과 같은, 전통적인 적층 제조형 인쇄에 있어서의 문제를 감소시킨다. 또한, 동일한 평면에 모두 인쇄되는 여러 층으로 제조할 부품을 슬라이스할 필요없이, 부품의 기하학적 구조가 인쇄 방향을 결정하는데 이용될 수 있다. 따라서, 부품의 강도와 일관성이 향상되고보다 효율적이고 연속적인 툴 경로로 인해 제조 시간이 단축된다. 상기 부품은 "니어-네트(near-net)" 인쇄라고도 알려진, 추가 밀링(milling) 또는 제조가 필요없는 충분한 정확도로 인쇄될 수 있다. 연속적인 툴 경로는 또한 압출기가 시작 및 정지 할 필요가 없기 때문에 압출기를 통과하는 용융 수지 흐름의 일관성 및 정확성을 향상시킬 수 있다.
일부 부품은 하나의 연속적인 3D 툴 경로를 이용하여 인쇄할 수 있지만, 다축 시스템은 평면 툴 경로를 사용하는 3D 부품 및 3D 툴 경로와 평면 또는 2D 툴 경로의 조합을 사용하는 3D 부품을 인쇄하는데에도 사용될 수 있다. 또한, 시스템(100)은 중공 부품, 희박한 밀도로 채워진 부품 및 견고한 부품을 인쇄할 수 있다. 평면 또는 2D 빌드 경로를 이용할 때, Hopkins 등의 미국 특허 제8,349,239호, 제8,974,715호 및 제9,724,866호에 개시된 방법과 툴 경로를 이용하여 인쇄되는 3D 부품의 부분의 둘레에 이음매가 최소화 될 수 있다. 본 시스템(100)은 통상적인 압출 기반 적층 제조 시스템보다 압출 유속(extrusion flow rates)을 높이고, 제조 시간을 단축하고, 더 큰 빌드 외피(envelopes)를 갖는 다양한 3D 부품을 인쇄하는데 필요한 능력 및 유연성을 제공한다.
본 발명의 실시예는 툴 경로를 따라 인쇄하기 위해 열 관리(thermal management)를 사용한다. 일 실시예에서, 프린트 헤드의 전방에 있는 툴 경로의 국부적인 예열(pre-heating)이 사용된다. 국부적인 예열 작업의 사용은 제어된 열 챔버 환경의 제거 또는 빌드 환경에서의 온도 감소를 가능하게 한다. 일 실시예에서, 국부적인 예열은 예열기(120)를 이용하여 수행된다. 일 실시예에서, 예열기(120)는 프린트 헤드(104) 상에, 전방 또는 근방에 위치되어 프린트 헤드와 후속 툴 경로 앞의 3D 부품의 이전에 인쇄된 부분 상에 툴 경로의 국부 예열을 제공한다. 또 다른 실시예에서, 예열기(120)는 인쇄 영역을 고려하여 프레임 등의 위와 같은 위치에서 프린트 헤드로부터 떨어져 위치된다. 3D 부품의 이전에 인쇄된 부분의 툴 경로를 따른 국부적인 예열은, 레이저 예열, 고온 가스 예열 및 인덕션 예열, 마이크로파 예열 및 초음파 예열을 포함하는 적절한 예열 장치를 사용하는 예열기로 수행될 수 있으며, 이는 예시에 불과하고 이에 제한되는 것은 아니다. 예열기(120)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 프린트 헤드 및 툴 경로를 고려하여 그 밖의 다른 위치, 예를 들면 제2 로봇 아암 등에 배치될 수 있는 것이 이해될 것이다. 예열은 새로운 재료가 (제1 부분 또는 상기 제1 부분 상에 컨포멀하게(conformally) 인쇄되는 제2 부분에 대해 단일의 툴 경로를 따르는 것과 같이) 인쇄될 중간의(intermediate) 부품 표면을 재료의 기존 재료에의 양호한 접착을 위해 충분히 가열하도록 기여한다. 부품 강도는 그러한 다층 가열 처리로 조정될 수 있다. 예열은 제1 및 제2 부분을 포함하여, 제조되는 부품의 임의의 부분에 대해 수행될 수 있다.
압출되는 비드의 크기 및 로봇 아암(102)상의 프린트 헤드의 속도에 따라, 예열기(120)에 의해 부여되는 상기 부품에의 열의 양 및 열 침투 깊이가 다를 수 있다. 예를 들어, 작은 비드(smaller bead)로 상대적으로 빠른 속도로 움직이는 경우에는, 열이 이전에 인쇄된 층으로의 유의미한(significant) 침투없이 부품의 표면에 전달된다. 부품으로의 열의 침투가 최소화되는 경우, 방금 압출된 재료의 냉각에 대한 필요성은 요구되거나 요구되지 않을 수도 있다. 그러나 큰 비드(larger beads)를 느린 속도로 압출하는 경우에는 열이 인쇄되는 부품으로 침투하기 쉽다. 시간이 지남에 따라, 그 열이 인쇄중인 부품에서 제거되지 않으면 열이 축적되어 부품이 열적으로 불안정해지고 변형된다.
일부의 경우에, 부품의 이전에 인쇄된 부분은 새로 압출된 층이 이전에 인쇄된 부분에 적절한 접착을 하지 못하게 하는 온도로 냉각될 수 있다. 이러한 경우에 새로운 압출 층을 적층하기 직전에, 국부적인 가열이 유리 전이 온도(Tg) 보다 높고 재료를 열적으로 열화(degrade)시키는 데 필요한 온도 및 시간 아래의 범위로 재료를 가열하는데 이용된다. 상한값의 범위는 시간 및 온도에 따른 열-열화 동역학 임계값(TDKT, thermal-degradation kinetics threshold)이다.
TDKT는 해중합화(depolymerization), 백본 체인 절단(backbone chain scission), 펜던트-그룹 스트리핑(pendant-group stripping), 중합체 가교 결합 및/또는 산화 공정에 의한 것과 같은 중합체 재료의 열적 열화(thermal degradation) 속도를 정의하는 시간-온도 파라미터이다. 재료의 열적 열화는 유리 전이 온도, 용해 특성, 물리적 외관, 접착 성질 등을 변화시키는 것과 같은 재료의 원하는 물리적 특성을 감소시킬 수있다. 이러한 효과로 인해 인쇄중인 부품에 결함이 발생할 수 있다.
TDKT 반응 속도는 전형적으로 1차 아레니우스(Arrhenius) 방정식을 따르며, 이는 시간에 대해 실질적으로 선형이며 온도에 지수적이다. 예를 들어, 선택된 지속시간 동안 선택된 상승된 온도에 노출된 재료의 경우, 소량(예: 약 10 ℃)으로 노출 온도를 높이거나 노출 지속 시간을 약 50 % 줄이는 것(예: 유속(flow rate))을 두 배로 늘림)은, 지지 재료 조성에 따라 특정 네트 열 효과(particular net thermal effects)가 다를지라도, 지지 재료에 대해 네트의(net) 거의 동일한 열 반응 속도를 얻을 수 있다. 경우에 따라서는 주변 공기를 이용한 수동 냉각이 압출 비드 및 부품 부분의 온도를 열적 불안정 및/또는 늘어짐(sagging)을 방지하는 안정된 온도로 낮추는 데 적합하다. 인쇄 속도 및 압출 속도와 함께, 국부적인 능동 냉각이 부품을 열적으로 균형시키기 위해 적용될 수 있다. 국부적인 냉각은 냉각 가스 또는 이에 한정되는 것은 아니나 액체 질소와 같이 가스로 상 전이되는 냉각 액체를 포함하는 냉각 유체를 이용하여 제공된다. 일 실시예에서, 프린트 헤드 근방에 장착된 냉각 팬(130)에 의해 방금 인쇄된 부품 재료 위로 주위 공기를 이동시킨다. 일부 실시예 및 일부 툴 경로에 따라서, 단일의 툴 경로가 틀 경로의 이전 부품 위로 프린트 헤드의 또 다른 통과(pass) 전에 자체적으로 냉각하기에 충분한 시간을 갖지 않은 부품(300)의 영역을 가로 지르기 때문에, 국부적인 냉각이 채택될 수 있다. 일 실시예에서 국부적인 냉각은 공지된 툴 경로 및 기하학적 구조에 기초하며, 이는 일부 기하학적 구조는 툴 경로가 복귀되기 전에 충분히 냉각되지 않을 가능성이 높기 때문이다.
재료가 열적으로 안정하게 되는 온도는 비정질 재료로부터 반-결정성(semi-crystalline) 재료까지 다양하다. 비정질 재료는 온도가 Tg 미만일 때 안정해진다. 반-결정성 재료는 특정 재료에 대한 용융 온도 Tm 미만의 온도에서 안정적이다.
새로운 비드(bead) 또는 로드(road)의 적층(deposition) 직전에 이전 로드를 국부적으로 예열하고, 이후 후 냉각을 통해 그 예열 에너지를 제거하는 것을 신속하게 순환 방식으로 행하는 것은, 부품 변형을 증가시키지 않으면서 z-방향으로 층들의 접착력을 상당히 증가시킨다.
인쇄 방법은 기존의 제1 부품 부분의 상부에 부품의 추가 부분을 인쇄하는 단계를 포함하고, 일부 실시예에서는 상이한 축을 따라 인쇄할 수 있다. z-축과 같은 인쇄 축을 가로 지르는 것, 예를 들면, 재료의 솔리드(solid) 층이 기존 층에 일치하여(conformally) 인쇄되는 것은, 강성있는(strong) 구조를 제조할 수 있다.
오븐 밖의 환경(out-of-oven environment) 대신 제어된 빌드 환경이 본 발명의 실시예와 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 그러나 열 관리를 제공하기 위한 국부 가열 및 냉각이 많은 인쇄 응용 분야에서 허용될 수 있다. 압출 볼륨 레이트(extrusion volume rates)와 제조 구성이 커짐에 따라, 제어된 챔버 냉각이 항상 실행 가능하지는 않다.
본 발명의 실시예는 합성 인쇄 재료와 함께 사용될 수 있다. 합성 재료는 금속 또는 다른 재료보다 많은 이점을 제공할 수 있기 때문에, 다양한 산업에서 합성 재료의 사용이 증가하고 있다. 합성 재료는 일반적으로 철강 등으로 만들어진 전통적인 부품보다 무게가 덜 나간다. 예를 들어, 이에 한정되는 것은 아니지만, 운송, 오일 및 가스, 의료 등 일부 산업 분야에서는, 합성 재료가 강하면서도 가벼운 구조를 만들기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 이전의 적층 제조 시스템은 노동 집약적인 공정 및 기하학적 구조의 한계로 인해 제약을 받았다.
본 발명의 실시예에 의해 제공되는 바와 같이, 합성 재료로 인쇄하는 것은 연료 소비 감소, 작업 비용 감소 등에 직접적으로 영향이 있는 더 가벼운 부품 무게로 제조할 수 있게 해준다. 합성 부품을 인쇄하는 것은, 고가의 기계 설비 교체(retooling) 없이 주문제작, 어셈블리 통합, 토폴로지 개선, 툴링 비용 및 스크랩 감소로 인한 전체 부품 비용 감소, 재고 확보를 위한 전기간(lifetime) 부품 구매의 제거 등을 가능하게 한다. 인쇄에 사용되는 합성물의 특성은 컬(curl)의 양을 감소시키고 강도를 증가시켜 인쇄할 수 있게 한다. 본 발명의 실시예를 이용하여 3D 인쇄가 열가소성 수지(thermo-plastics)로 수행되면, 온도 제어를 통한 컬 보상이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 적용될 수 있다. 컬 제어는 여기서 더 이상 논의되지 않는다.
합성물은 또한 압출 이전 또는 압출 중에, 열가소성 수지(thermoplastic) 재료에 혼입된 쵸핑된(chopped) 섬유, 짧은 섬유, 중간 섬유 및 전장의 연속 섬유와 같은, 합성물 내에 섬유 함량을 갖는, 강화된(reinforced) 부품을 인쇄하는 능력을 제공한다. 합성 재료 및 제공되는 다축 로봇 빌드 시스템(100)을 사용하여 정확한(true) 니어-네트(near-net) 3D 인쇄를 달성할 수 있다. 예를 들면, 단일의 툴 경로를 따라 제어된 압출로, 프린트 헤드(104)의 거의 모든 방향에서 인쇄가 수행될 수 있다. 또한, 섬유의 방향이 부품의 상이한 부분에 대해 또는 부품의 상이한 하부 구조에 대해 설정될 수 있기 때문에, 인쇄가 부품에 부가적인 강성을 제공하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 로봇 이동을 위해 CAD 시스템에 의해 생성된 툴 경로의 통합은 생성되는 이동 경로에 대한 압출 프로토콜로 변환된다. 즉, 일단 로봇 이동 경로가 생성되면 생성된 연속적인 툴 경로를 따라 적절히 인쇄하도록 인쇄 파라미터를 조정하기 위해 압출 제어가 사용된다. 이러한 파라미터는 인쇄 속도, 압출 속도 등을 포함하지만, 이들은 예시일 뿐이고 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2는 각각 z-축 및 x-축에 대한 빌드 플랫폼(106)의 회전을 나타내는 화살표(202, 204)를 갖는, 축 맵(200)을 보여주는 시스템(100)의 일부에 대한 확대도이다. 다축 로봇 아암(102) 및 다축 빌드 플랫폼(106)의 사용은 적어도 일부 인쇄되는 지지 재료 대신에, 인쇄되는 부품의 방향이 중력에 의존하도록 허용한다. 구체적으로, 인쇄되는 부품은, 다축 빌드 플랫폼(106)에 의해, 인쇄되는 부품의 형상(features)이 지지체의 부재로 인해 늘어짐 또는 실패될 가능성을 감소시키도록 인쇄될 수 있도록 배향될 수 있다. 공기 흐름 소스가 새로 적층된 툴 경로 영역을 향할 때, 부품이 더 빨리 냉각되고 복잡한 형상을 더 빠르게 제조할 수 있다. 시스템(100)과 같은 시스템으로 인쇄되는 부품의 예시가 아래에서 설명되며, 하나 이상의 연속적인 3D 툴 경로로 인쇄된 중공 부품, 일 부분은 3D 툴 경로로 인쇄되고 다른 부분은 평면 툴 경로로 인쇄된 부품을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 시스템(100)이 솔리드 부품, 중공 부품, 희박한 밀도로 충전된 부품 및 이들의 조합을 인쇄하는 경우, 예시된 3D 부품은 예시적인 것이고 본질적으로 제한되는 것은 아니다. 일반적인 용융 적층 모델링 타입 인쇄 시스템에서 지지체를 필요로 하는 일부 열가소성 니어-네트 부품은 중력을 고려한 배향을 필요로 하지 않을 수도 있지만, 빌드 플랫폼(106)의 기울임 없이 로봇 아암(102)의 이동으로 직접 인쇄될 수 있다.
도 3은 부품(300)을 제조하는 공정중인 다축 로봇 빌드 시스템(100)을 도시한다. 이 실시예에서 부품(300)은 빌드 플랫폼(106), 연장부(110) 및 빌드 시트(310) 상에 구축된다. 빌드 시트(310)는, Comb 등의 미국특허 제5,939,008호에 개시된 바와 같이, 예를 들면 진공력에 의한 밀착(adherence)과 같은 것에 의해 빌드 플랫폼(106)에 제거 가능하게 부착되어 있다. 빌드 시트(310)는 부품(300)을 제조하기 위한 제거 가능한 기판을 제공한다. 다른 인쇄 기초가 공지되어 있고 시트 기판 대신에 사용될 수 있다. 예를 들면, Dunn 등 미국특허 제7,127,309호에 개시된 바와 같이 플라스틱, 골판지 또는 다른 적절한 재료로 제조된 트레이 기판일 수 있고, 또한 플렉서블 중합체 필름 또는 라이너, 마스킹 테이프(painter's tape), 폴리이미드 테이프 또는 압출된 재료를 빌드 플랫폼(106)에 부착시키기 위한 다른 일회용 제조품을 포함할 수 있다.
부품(300)은 일 실시예에서 연속적인 3D 툴 경로로 인쇄된다. 즉, 부품(300)의 일부 또는 전체가 일련의 슬라이스된 층들이 아닌 단일의 툴 경로를 사용하여 인쇄될 수 있다. 예를 들어, 인쇄는 높이가 점차 증가하면서도 프린트 헤드(104)로부터 단일의 연속적인 재료의 압출로 인쇄되는 나선형 패턴일 수 있다. 예를 들면, 부품(300)을 인쇄하기 위해, 로봇 아암(102)이 움직일 수 있고, 빌드 플랫폼(106)은 정지된 상태일 수 있다. 그러나, 빌드 플랫폼(106)은 점차적으로 z축으로 증가하면서, x-y 평면을 회전할 수 있다.
로봇 아암(102)과 빌드 플랫폼(106)의 이동의 조합은 지지 구조를 사용하지 않고, 통상적으로 지지 구조를 사용하는 부품을 포함하여, 부품 또는 변화하는 빌드 방향의 부품의 인쇄를 제공하도록 만들어질 수 있음이 이해될 것이다. 또한 압출 속도의 변화가 부품을 니어 네트(near net)로 정확하게 인쇄하기 위해 부품의 기하학적 구조에 기초하여 로봇 아암(102) 또는 빌드 플랫폼(106)의 움직임, 또는 로봇 아암(102)과 빌드 플랫폼(106) 모두의 움직임과 동기화될 수 있음을 이해할 수 있다.
로봇 아암(102)에 대한 이동 축 뿐만 아니라 빌드 플랫폼(106)의 다수의 축을 따르는 이동을 통해, 특정 선택된 방향으로 인쇄되는 부품을 배향하는 능력은, 서로에 대해 수직한 것으로 제한되지 않는 서로 다른 방향으로 배향되는 축을 포함하는, 다수의 축을 따른 부품의 인쇄를 허용하는 본 발명의 실시예를 제공한다. 이러한 상이한 축은 연속적인 섬유 또는 공지 섬유 배향을 함유하는 것과 같은 합성 재료의 사용과 함께, 개선된 강도로 더 높은 연속성을 갖는 부품의 인쇄를 허용한다. 즉, 본 발명의 실시예에서, 부품의 제1 부분은 하나의 축, 예를 들면 x-축을 따르는 인쇄 재료의 배향으로 인쇄될 수 있고, 동일한 부품의 제2 부분은 제2 축, 예를 들면 z-축을 따르는 인쇄 재료의 배향으로 인쇄될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 다른 축을 따라 이미 놓여진 재료 상에 재료의 층을 컨포멀하게(conformally) 인쇄하는 능력을 제공한다.
도 4는 부품(300)의 제1 부분(302)의 인쇄 후에, 본 실시예에서 돔형 부분을 포함하는 부품(300)의 인쇄를 더 도시한다. 부분(302)은 단일의 3D 툴 경로 인쇄 작업으로 이 실시예에서 형성된다. 부분(302)이 인쇄되는 툴 경로의 단부(306)가 도 5에 도시되어 있다. 부품(300)의 제1 부분(302)의 인쇄 후에, 빌드 플랫폼(106)은 부품(300)의 제2 부분(304)의 인쇄를 허용하도록 x-축을 중심으로 회전된다. 제2 부분(304)은 일 실시예에서 그 인쇄 방향이 제1 부분(302)의 인쇄 방향에 실질적으로 수직한, 일련의 리브(ribs)이다. (부품(300)의 추가 도면은 도 5 및 도 6 참조). 본 발명의 실시예는 하나의 축을 따라 부품의 제1 부분을 인쇄하고, 상기 제1 부분(302)과 다른 제2 축을 따라 부품의 제2 부분을 컨포멀하게 인쇄하는 것을 허용한다. 부분(302)에 대한 부분(304)의 컨포멀 인쇄(conformal printing)는 부분 접촉 엣지(308)를 따른다. 접촉 엣지(308)는 부분(304)이 부분(302)에 처음 컨포멀하게 인쇄되는 엣지이다.
이 분야의 기술자는 부품의 이전에 생성된 부분 상에 추가된 부품의 제2 부분은 일반적으로 온도가 상이하여, 접착(adherence)과 관련하여 문제가 있다는 것을 이해할 것이다. 빌드 공간의 온도 제어는 여기에 설명 된 바와 같이 일반적으로 상기 두 부분 사이의 강한 밀착성을 허용하기 위해 사용된다. 제1 부분(302) 상에 인쇄되는 제2 툴 경로 부분(304)의 재료의 적층 이전에 국부적인 예열 소스(예를 들면, 예열기(120))의 사용을 통해, 제2 부분(304)에 대한 툴 경로를 따르는 표면의 예열 또는 어닐링 처리가 수행된다. 예열에서부터 인쇄까지 거리 및/또는 시간에 대한 몇몇 범위가 본 명세서에 기재되지만, 이 분야의 기술자는 상이한 재료는 상이한 온도 및 가열 및 냉각 속도를 가지며, 시간 범위의 결정은 재료에 의존하며, 그러한 결정은 본 발명의 범위 및 당업자의 기술 범위 내에 있다는 것을 인정할 것이다.
도 5-8은 본 발명의 장치 및 방법 실시예를 사용하여 인쇄된 대표적인 부품을 나타낸다.
도 5 및 도 6은 부품(300)의 추가 세부 사항을 도시한다. 제1 부분(302)에 대한 툴 경로는 일 실시예에서 단일의 툴 경로이다. 제2 부분(304)에 대한 툴 경로는 일 실시예에서 단일의 3D 툴 경로이다. 전형적으로 적층 제조 시스템에서 다수의 슬라이스된 층들로 인쇄될 필요가 있는 부분을 포함하는, 부품의 일 부분에 대한 단일의 3D 툴 경로 인쇄 작업에서, 전체 부분은 단일의 경로로 인쇄된다.
부품(300)에서, 예를 들어, 부분(302)은 화살표(320)로 표시된 일반적인 축에서 단일의 3D 툴 경로로 인쇄된다. 그 다음, 부분(302)의 인쇄 후에, 부분(304)은 상이한 단일의 툴 경로 인쇄 작업으로 부분(302)에 컨포멀하게 인쇄된다. 부분(304)은 화살표(330)로 표시된 일반적인 축으로 인쇄된다. 그러나, 상기 부분들 중 특정 부분들은 동일한 축을 따라 인쇄될 수 있음에 주목해야 한다. 진정한(true) 3D 인쇄의 본질은 이러한 인쇄를 허용하는데, 이는 이동 범위를 확장하기 위한 로봇 또는 빌드 플랫폼의 추가 이동으로 보완된 상기 로봇의 6축 이동이, 부품의 기존 존재하는 부분 상에의 부품의 컨포멀한 부분의 인쇄를 포함하여, 먼저 압출된 재료에 대해 상이한 방향으로 인쇄하는 것을 허용하기 때문이다.
도 7A 및 도 8을 참조하면, 부품(700A)은 부품(300)과 유사한 방식으로 인쇄되고, 제1 부분(702)은 나선형으로 단일의 3D 툴 경로를 사용하여 먼저 인쇄되고, 로봇 아암(102), 프린트 헤드(104) 및 빌드 플랫폼을 사용하여 인쇄되며, 상기 부품(700A)은 축 맵(710)에 대해 배향된다. 제1 부분(702)의 인쇄가 완료된 후에, 제2 부분(704)이 접촉 엣지(708)에서 시작하여 제1 부분(702)에 컨포멀하게 제1 부분(702) 상에 인쇄된다. 부품(700A)은 원래의 z-축 둘레로 회전되는 동안, 부품(700A)의 제2 부분(704)은 일 실시예에서 부품(700A)이 x-축을 따라 경사지고, 프린트 헤드(104)가 회전된 z-축을 따라 나선형으로 단일의 툴 경로를 인쇄하면서(예를 들어, 축 맵(810)에 도시된 바와 같이, zoriginal로부터 x-축 중심으로 zrotated 축을 90도로 정렬시키기 위해 x-축 중심으로 회전) 인쇄된다. 경로의 명백한 단부(706)에 도달되면, 프린트 헤드의 재-레지스터레이션(re-registration)이 필요없이 프린트 헤드(104)는 원래의 x-축(이제는 z-축)으로 인덱싱되고, 부분(704)의 방금 인쇄된 부분 위로 단일의 툴 경로상의 인쇄가 다시 계속된다. 이러한 방식으로, 명백한 단부(706)는 툴 경로의 끝이 아니고, 인쇄가 계속되는 동안 툴 경로의 일부일 뿐이다.
도 7B를 참조하면, 제1 부분(702) 및 제2 부분(704)이 연속적인 3D 툴 경로를 사용하여 구축되는 경우에, 부품(700B)은 부품(700A)과 관련하여 설명된 것과 유사한 방식으로 인쇄된다. 부품(700B)은 복수의 평면 층(712)으로 구성된 실질적으로 견고한(solid) 베이스를 포함한다. 각각의 층은 베이스 둘레에 압출된 경계(714) 및 래스터(raster) 툴 경로(716)를 이용하여 채워진 실질적으로 견고한 내부 영역을 포함한다. 인쇄되는 3D 부품의 부분의 경계(714)에서 이음매(seam)는 Hopkins 등의 미국 특허 제8,349,239호, 제8,974,715호 및 제9,724,866호에 개시된 툴 경로 및 방법을 이용하여 최소화될 수 있다.
도 7B는 시스템(100)이 연속적인 3D 툴 경로, 평면 툴 경로 및 이들의 조합으로 부품의 부분들을 인쇄하기 위해 사용되는 것을 도시한다. 부품들 또는 부품들의 부분은 인쇄되는 부품의 기하학적 구조 및 특징에 따라 중공, 희박한 밀도로 충전(sparse filled) 및 견고한 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 부품을 인쇄하는 방법은 단일의 툴 경로를 따르는 제어된 압출 및 인쇄 전 툴 경로의 국부적인 예열을 이용하여, 적어도 2 축으로 움직일 수 있는 빌드 플랫폼 상에서 6 축으로 움직일 수 있는 로봇 아암을 사용하여 단일의 툴 경로를 따라 부품을 인쇄하는 단계를 포함한다. 부품의 제2 부분을 인쇄하는 단계는, 제1 축과 다른 제2 축에서의 인쇄를 포함하여, 부품의 제1 부분 상에 컨포멀하게 수행된다. 컨포멀하게(conformally) 인쇄하는 것이 의미하는 바는 제2 부분의 적어도 제1 층이 제1 부분의 표면에 일치한다(conform to)는 것이다.
본 발명의 방법은 툴 경로, 툴 속도 및 패턴에 따라 제어된 압출을 사용하여, 부품의 일 부분을 정렬된 방향으로 생성하는 것과, 이후 상이한 축을 따라 부품의 다른 부분을 정렬된 방향으로 형성하는 것을 포함한다.
일 실시예에 따른 인쇄는 생성될 부품의 기하학적 구조를 분석하는 것과, 단일의 툴 경로 또는 다수의 툴 경로를 따라 생성하기 위해 기하학적 구조에 대한 분석에 기초하여 인쇄 축을 선택하는 것을 포함한다. 이렇게 함으로써 인쇄 중 부품의 방향이 중력에 의존하도록 제어되어 부품을 인쇄하는데 일반적으로 사용되는 지지체가 필요하지 않다.
본 발명의 실시예에서, 인쇄는 윗면이 아래로 되는 것(upside down)을 포함하여, 임의의 배향으로 프린트 헤드(104)를 이용하여 수행될 수 있다. 이것은 인쇄 중의 프린트 헤드에 대한 빌드 플랫폼의 방향을 결정하기 위해 부품의 기하학적 구조가 사용되도록 한다. 제조하는 동안, 상술한 바와 같이 팬(130)으로 냉각하는 것과 같은 방식으로 최근에 압출된 재료로 향하도록 되는, 주변 또는 냉각 공기(또는 다른 가스) 흐름 또는 액체 질소와 같이 공정 온도에서 가스로 변형되는 냉각 액체와 같은 냉각 유체를 사용하는 것이 유리하다. 더 높은 기류 또는 다른 강제 가스는 보통 제조 중 중력에 반대되는 형상들에 대해 더 빠른 응고를 가능하게 한다. 냉각 유체를 사용하면 인쇄되는 부품이 열적으로 안정된 온도로 유지되기 때문에 보다 높은 압출 속도를 가능하게 한다.
재료의 압출이 뒤따르는, 툴 경로를 따르는 예열을 사용하는 것은 국부적인 영역으로 열을 전달한다. 냉각 유체는 부품 인쇄의 열 관리를 위해 국소 영역에서 열을 제거하는데 사용될 수 있다.
프린트 헤드(104)로 임의의 방향으로 인쇄하는 것은 인쇄되는 부품의 기하학적 구조가 인쇄 경로를 결정하도록 허용한다. 즉, 부품을 인쇄하기 위해 다수의 슬라이스된 층들을 사용하는 일반적인 층별 적층방식 인쇄는 부품이 상당한 양의 지지체를 필요로 하거나 층별 적층방식 접근은 부품이 그 목적에 충분한 구조적 형태를 가지는데 실패하는 상황을 초래할 수 있다. 또한, 복잡한 부품은 전통적인 층별 적층 방식 인쇄 공정으로 인쇄하는 것이 매우 어려울 수 있는데, 이는 지지 구조가 적절하게 지지를 못하거나 완성된 부품이 품질 표준을 충족시킬 수 없기 때문이다.
예를 들면, 도 9의 단면도에 도시된 부품(900)과 같이 보다 복잡한 형상의 니어- 네트(near-net) 부품들은, 전통적인 적층 방식을 사용하여 인쇄될 때는, 매우 시간 소모적이며 지지체에 의존적이다. 머플러 파이프 또는 다른 만곡 중공 파이프와 같은 길다란 관형 부재인 부품(900)을 인쇄하는 층별 적층방식에서, 층별 인쇄 방법은 층 선(layer lines)(902)으로 표시된 다수의 층으로 상기 부품을 슬라이스할 것이다. 각각의 층에 대해, 부품의 바닥(904)에서 시작하여, 실제 부품(900)의 부분이 섹션(906)에 표시된다. 나중의 층 높이에서 부품의 나중 부분들을 위한 지지 구조들이 또한 적층되어야 한다. 지지 구조는 바닥(904)에서 제1 층의 섹션들(908)에 교차-해칭으로 도시되어 있다. 지지 구조(908)는 섹션(910, 912, 914)과 같이 층별 적층 인쇄 공정에서 나중에 인쇄될 부품(900)의 부분들을 지지하기 위해 사용된다. 지지 구조는 전형적으로 상이한 재료를 사용하여 인쇄되기 때문에, 부품(900)의 바닥(904)에서의 제1 층은 섹션(906)에 대한 부품 재료 및 섹션(908)에 대한 지지 재료를 사용하여 인쇄될 것이다.
부품 재료와 지지 재료 사이의 변경은 일반적으로 프린트 헤드를 스와핑함으로써 달성되고, 이는 지지 재료의 인쇄가 시작되기 전에, 프린트 헤드를 부품에서 멀리 이동시키는 것, 프린트 헤드 자체를 스와핑 하는 것, 새로운 프린트 헤드에서 재료를 제거하는 것 및 새로운 프린트 헤드를 상기 부품에 레지스터링 하는 것을 하나 이상 포함한다. 각 층에서 모든 수반 작업과 함께 적어도 하나의 프린트 헤드의 스와핑 공정이 수행된다. 부품(900)의 거의 모든 층에 대해, 부품 재료 및 지지 재료 모두가 인쇄될 필요가 있음을 볼 수 있다. 이는 인쇄 시간, 재료 비용 및 후처리 시간 및 비용을 증가시킨다. 또한, 특히 910 및 912에서 표시된 층에서, 인쇄 층들은 인쇄에서 가장 적합하다고 여겨지는 부품(900)의 윤곽을 따르지 않는다. 즉, 부분 (910, 912)에서, 부품 재료의 층들은 그 부분에서 부품(900)의 길이 방향 축에 실질적으로 평행하다. 이로 인해 부품 모서리에서 계단식 변위(stairstepping)(층 엘리어싱) 문제가 발생할 뿐만 아니라 부품(900)의 전반적인 강도와 품질이 저하될 수 있다.
부품(900)과 같이 적층 제조를 위해 슬라이싱 될 때, 평면 툴 경로로는 니어-네트 방식으로 적절히 제조하는 것이 어려운, 예를 들면, 계단식 변위(층 엘리어싱) 및 강도에 문제가 있는 부품은 본 발명의 실시예를 이용하여, 예를 들면, 3D 연속 툴 경로를 사용하여 전체적으로 일정한 강도를 가지도록 인쇄될 수 있다. 도 10은 시스템(100)을 사용하여 부품(900)을 인쇄하는 실시예를 도시한다. 본 발명의 실시예는, 도 10에 도시된 바와 같이 지지 구조 없이 동일한 부품(900)의 인쇄를 가능하게 한다. 또한, 본 발명의 실시예에 의해 가능해진 단일의 3D 툴 경로는, 프린트 헤드의 나선형 툴 경로가 재료 적층의 구조적으로 견고한 방향(sound orientation)과 일치되게 정렬될 수 있기 때문에, 일관된 종 방향 강도를 갖는 부품(900)의 제조를 가능하게 한다. 도 10에서, 다축 로봇 빌드 시스템(100)은 부품(900)을 그 바닥에서부터 시작하여, 부품(900)의 외부를 따르고(trace) 관형 부품의 길이 방향 축을 따라 정렬되는 단일의 나선형 툴 경로를 사용하여 부품(900)을 인쇄한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 계단식 변위(층 엘리어싱) 및 지지체의 필요를 감소시키거나 제거하는 프린트 헤드(104)의 툴 경로를 사용하여 영역(912)이 인쇄됨으로써, 부품(900)을 적은 재료를 사용하여 그 기하학적 구조를 따라 더 빠르게 인쇄하여 부품(900)이 일관되고(consistent) 튼튼하게 제조된다. 본 발명의 실시예는 존재하는 부품 상에의 압출 및 상이한 방향에서의 압출을 포함하여, 인쇄 재료에서의 섬유의 배열(alignment) 및 배향(orientation) 뿐 아니라, 층의 조성(composition)을 이용하여, 대부분의 기하학적 형상에 대해 균일하고 일관된 강도를 제공하거나, 빌드 패턴, 밀도 또는 조성을 변화시킴으로써 부품 부분들 내의 강도 또는 유연성을 구체적으로 변화시킴으로써, 인쇄되는 부품의 강도를 변화시키는데 이용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의해 용이하게 제조될 수 있는 또 다른 대표적인 부품은, 예를 들면, 부품의 표면에 수직한 내부 격자 구조를 갖는 부품이다. 본 발명의 실시예들은 로봇 아암과 빌드 플랫폼 사이의 8축 이동을 사용하여 그러한 부품의 인쇄를 가능하게 한다. 표준 용융 적층 모델링 기술 및 기계로 인쇄하기 쉽지 않은, 본 발명의 방법 및 장치 실시예를 사용하여 인쇄될 수 있는 부품의 예는, 그 단부에서 위로 휘어진 부품과 같은 비행기 날개의 날개 팁(wing tips)을 포함한다. 이는 날개의 내부 구조에 허니콤 격자(honeycomb lattice)를 종종 포함하여 구조적으로 튼튼하여야 하며, 상기 격자 구조는 날개의 내부 부분에 대해 적절한 방향으로 특정하게 정렬된다.
도 11은 현재의 층별 용융 적층 모델링 인쇄 기술의 한계를 도시한다. 부품(1110)은 응력 포인트(stress points)와 브레이크 포인트(break points) 주변에 응력 및 강도 필요가 있는 부품을 보여준다. 금속 부품은 부품(1120)에 도시된 바와 같이, 사용에 적합한 강도 및 응력 성능을 제공한다. 합성물 적층 부품(composite laminate part)(1130)은 또한 응력 및 강도 시험을 통과한다. 층들이 부품(1140)에서 화살표 (1142)를 따라 그리고 부품(1150)에서 화살표(1152)를 따라 인쇄되는 층별 적층 방식 압출 공정으로 인쇄된 부품(1140, 1150)은 응력 또는 강도 시험 중 하나에서는 실패하고 다른 시험은 통과한다. 현재 용융 적층 모델링 인쇄 시스템의 층별 적층방식 인쇄 모델은 단일의 빌드 평면에 국한되며 다수 축 또는 다수의 빌드 평면을 따라 인쇄함으로써 부품 품질 또는 빌드 공정을 최적화하는 것을 허용하지 않는다. 그러나, 화살표(1162)로 표시된 바와 같이 모든 방향으로 이동하는 툴 경로를 갖는 다수의 축을 따르는 본 발명의 실시예를 사용하여 인쇄된 부품(1160)은, 요구 조건을 만족시키는 강도 및 응력 파라미터를 제공하기 위해 합성물(composites) 및 인쇄 방향을 정렬하는 본 발명의 실시예의 기능으로 인해, 강도 및 응력 시험을 통과할 수 있는 완성된 부품을 제공한다.
국부 냉각과 함께 또는 국부 냉각 없이, 다수의 자유도로 인쇄하면 좁은 포인트 투 포인트 지지 구조의 사용을 허용한다. 예를 들면, 도 12는 부품(1200)과 지지 표면(1210) 사이(1202) 및 부품 상의 별개의 지점 사이(1204)에 각각 고정된 지지 구조를 도시한다. 1202 및 1204와 같은 얇은 지지 구조는 층별 적층방식 인쇄 작업에서는 가능하지 않다. 이러한 얇은 지지 구조는 신속하게 인쇄 가능하며 전통적인 지지 구조만큼 많은 재료를 사용하지 않는다. 1204와 같은 내부 구조체(Interpart structures)는, 예를 들면, 빌드 평면 위로부터 구축된 완전한 전통적인 지지 구조를 사용함이 없이 부품의 부분들에 대한 응압(compression) 또는 늘어짐(sagging)을 줄이는데 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예는 오븐 또는 다른 가열된 인클로져의 외부에서 인쇄할 수 있다. 도 1의 실시예는, 오븐 밖의 환경(out-of-oven environment)으로 도시된다. 오븐 밖에서의 인쇄와 같이, 오븐에 한정되지 않은 인쇄 환경에서는 미완료 부품의 평형 온도는 환경 온도와 대략 동일하다. 이것은 오븐 내 인쇄와는 달리, 이전에 인쇄된 재료에 대한 새로운 재료의 접착력뿐만 아니라 다른 빌드 특성이 달성될 수 있는 윈도(window)를 상당히 줄일 수 있다.
그러나 재료 층들 사이의 결합을 증가시키기 위해 툴 경로를 따라 부품의 이전에 인쇄된 부분을 국부적으로 가열한 다음, 툴 경로를 따라 재료를 압출하는 것과 같은 인쇄 기술이, 빌드 챔버를 포함하는 가열된 빌드 환경에서 사용될 수 있다. 또한 툴 경로를 따라 최근에 압출된 재료의 국부적인 냉각이 인쇄되는 부품의 열 안정성을 유지하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예는, 예를 들면 레이저 시스템, 가스 제트 시스템, 또는 레이저 및 가스 제트 시스템의 조합을 사용하여, 부품의 부분들에 대한 예열(pre-heating)을 사용한다. 다시 도 1을 참조하면, 도시된 바와 같이, 히터(120)는 선택적으로 여기서 설명된 바와 같이 예열(pre-heating) 가스 제트, 레이저 히터 또는 이들의 조합일 수 있다. 예열을 사용하면, 빌드 특성과 부품 인쇄에 필요한 접착력이 향상될 수 있다. 이러한 향상은 오븐 내에서의 빌드 품질과 유사하거나 더 나은 부품의 오븐 밖에서의 생성을 가능하게 한다. 또한 이러한 기능 향상으로 오븐 밖에서의 부품 제조를 위한 새로운 재료군의 사용을 가능하게 한다.
예열이 레이저 예열기를 사용하여 수행될 때, 광학 에너지는 새로운 비드(bead)가 적층되기 직전, 또는 실질적으로 직전에, 이전에 인쇄된 층의 작은 영역에 인가된다. 일 실시예에서, 이것은 새로운 층과 이전 층들 사이에서 공유되는 계면의 더 차가운 면을 예열하고, 새로운 층과 이전 층 사이의 접착력을 향상시킨다. 이 예열은 또한 오븐 밖의 환경에서는 자신에 잘 접착되지 않거나 전혀 접착되지 않을 고온 재료의 사용을 가능하게 한다.
일 실시예에서 레이저 소자들의 어레이가 사용될 수 있다. 미리 계산되고 알려진 툴 경로 및 층 평면 형상이 사용되는 본 발명의 실시예에서, 이러한 레이저 소자의 어레이가 단일의 레이저 소스 대신에 사용될 수 있다. 이러한 구성에서, 전체 레이저 어레이의 각각의 소자는 필요한 곳에서만 레이저 가열을 적용하도록 사용될 수 있다. 이는 인접한 툴 경로가 과열되는 것을 방지할 수 있는데, 특히 프린트 헤드가 일반적으로 완전한 냉각을 허용하지 않는 시간 범위 내에 부품 상의 거의 동일한 지점으로 신속하게 복귀하는 밀집하게 채워진 래스터 패턴(tightly packed raster patterns)에서 인접한 툴 경로의 과열을 방지할 수 있다. 또한, 레이저 출력을 변화시킴으로써, 예열로부터 얻어지는 접착력을 제어할 수 있다. 레이저 에너지는 특정 최대 온도에 의해 구속되지 않기 때문에, 레이저 예열은 인쇄에 사용된 고분자 화합물이 열화가 일어나기 전에 도달할 수 있는 최대 온도에 의해서만 제한된다.
예열이 가스 제트를 사용하여 이루어질 때, 집중된 고속의 고온 공기 흐름이 예를 들면 프린트 헤드 바로 앞의 적층 경로로 열을 전달한다. 레이저 시스템에 유사한 에너지 입력이 얻어질 수 있다. 그러나 최대 온도는 제한될 수 있다. 즉, 고온 가스가 특정 온도에서 도입될 수 있고, 부품 온도가 가스 온도를 초과할 위험이 없다. 일 실시예에서 가스의 선택은 불활성 가스이다. 예열을 위해 원하는 온도에 따라 공기 또는 기타 가스가 사용될 수 있다. 공기 이외의 가스, 일 실시예에서 불활성 가스를 사용함으로써, 비활성 환경에서 중합체 열화의 가능성이 감소되기 때문에 국부적으로 공기 기반 환경에서보다 더 높은 온도가 달성될 수 있다.
또한, 가스 제트 예열기의 설계 및 성능에 따라, 상이한 온도의 상이한 가스 또는 동일한 가스를 갖는 그러한 제트를 사용하여 인쇄 전 또는 인쇄 후 냉각을 제공할 수 있다. 방향적으로 제어된 가열 및 냉각을 동시에 허용하는, 가스 제트 어레이가 또한 제공될 수 있다. 상온 또는 차가운 공기/가스를 사용하여 가스 제트 또는 가스 제트 어레이로 강제 대류를 적용함으로써, 압출 직전 또는 직후에 재료 비드가 급속으로 냉각될 수 있다. 액체 질소를 포함하지만 이에 한정되지 않는, 다른 유체가 이전에 적층된 재료를 냉각시키기 위해 사용될 수 있다. 후 냉각(Post- cooling)은 예를 들면, 부품 인쇄에 소요되는 시간을 줄이기 위해 래스터 패턴과 같이 큰 비드 직경의 압출이 짧은 복귀 시간으로 사용되는 것을 가능하게 하고, 증가된 브리징 거리(bridging distances); 특히 예열과 결합될 때 맞춤 접착력(tailored adhesion); 및 재료 형태(morphology)의 제어를 가능하게 한다. 예냉(Pre-cooling)은 예를 들면, 접착력을 감소시킴으로써 부품 내의 특정 지점에서 부품의 약한 지점(weak points) 또는 불량 지점(failure points) 생성을 가능하게 한다.
일 실시예에서 비드 예냉(precooling)은 부품 내의 특정 지점(spot)에서 접착이 진행되는 것을 의도적으로 방해할 수 있는 가능성을 가지고 부품이 인쇄되도록 허용한다. 이것은, 예를 들어, 물체의 다른 보다 중요한 영역(critical area) 대신 에너지를 특정 불량 위치로 보내 불량(failure)을 완화하는데 필요할 수 있는 것과 같이 의도적으로 약한 접착 영역을 부품 자체에 도입하는데 사용될 수 있다. 이것은 또한 제조 이후에, 나중에 구멍과 같은, 브레이크아웃(break-out)을 위한 국부 영역을 목표로 사용될 수도 있다. 또한, 이것은 예를 들면 물체와 지지체로 사용될 모델의 다른 구조 사이의 접착력을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 일부 구성에서는 모델 재료가 이전에 인쇄된 자료에 충분히 접착된다. 그러나, 적층 이전에 부품의 한 표면을 의도적으로 냉각시킴으로써, 공통 인터페이스는 양호한 접착을 위한 최상의 온도를 달성하지 못할 것이다. 이것은 지지 인터페이스로서 모델링하기 위해 이들 모델에서 맞춤(tailored) 접착력의 형성을 허용한다.
적층 전에 부품의 일부 또는 툴 경로의 일부를 국부적으로 예열하는 것은 3D 인쇄 작업에서 여러 가지 다른 재료가 사용될 수 있도록 한다. 오븐에서 상승된 온도로 전체 물체를 유지하는 대신, 오븐 환경 밖에서 짧은 시간에 걸쳐 재료를 얕은 깊이(small depths)로 예열함으로써, 여러 재료가 함께 인쇄될 수 있다. 이는 일 실시예에서 두 재료 중 하나를 두 재료 중 다른 하나의 양립 가능한 온도범위(compatible temperature range)로 국소 예열하는 것에 의해 가능하게 되고, 오븐에서 인쇄할 때 사용되는 온도처럼 사용 불가능한 온도 범위에서 접착이 진행될 수 있도록 한다. 동일한 부품에서 하나의 열가소성 재료로부터 다른 열가소성 재료로 변경하는 것은 전형적으로 제어된 온도의 오븐 환경에서는 가능하지 않다. 왜냐하면 각각의 재료는 재료 용융 특성과 관련된 특정한 빌드 온도 범위를 필요로 하기 때문이다. 예열 및/또는 예냉을 통한 국부적인 빌드 온도 제어를 사용함으로써 재료 적층에서의 변경이 중간 제조(mid-build)에서 행해질 수 있다. 제한되지 않고 단지 예시로서, 오븐 밖에서의 실시예에서 국부적인 예열은 구조 재료(structural material) 상에 엘라스토머를 인쇄하는 것을 허용할 수 있고, 이들 재료는 모두 서로 다른 온도 범위에서 충분히 접착하는 재료이다. 온도가 국부적으로 상승하기 때문에, 온도 제어는 단시간에 수행될 수 있어 부품 안정성이 유지된다.
일 실시예에서, 에너지원을 받아들이는 정도를 변경시키기 위해 첨가제가 인쇄 재료에 첨가된다. 제한되지 않고 단지 예시로서, 첨가제는 카본블랙 및/또는 염료를 포함한다. 첨가제는 일 실시예에서 특정 조건 하에서 특정 방식으로 행하는 인쇄 재료를 생성하는데 사용된다. 첨가제의 사용은 동일한 부품에서 다른 재료의 사용을 더욱 용이하게 한다. 이러한 재료 튜닝(tuning)은 예를 들면, 레이저 에너지의 특정 파장이 서로 다른 재료에 다른 영향을 가지도록 허용한다. 예를 들어, 레이저 소스가 대상 인쇄 재료가 에너지를 흡수하는 파장에서 에너지를 방출하는 경우, 상기 재료는 첨가제 없이 그 베이스 재료와 다르게 반응할 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 예열 소스(pre -heating source)의 방출 파장이 알려져 있고, 첨가제의 사용을 통해, 인쇄될 재료가 첨가제의 사용과 같은 방법으로 변형되어 가열 에너지 소스의 수용 또는 거부의 범위가 다른 재료를 생성한다. 이러한 변형은 예를 들면, 특정 파장 또는 파장 범위에서 에너지를 흡수 또는 거부하도록 재료를 조정한다. 가시광선 파장, 적외선 파장, 자외선 파장 등으로의 튜닝이 첨가제의 사용으로 수행될 수 있다. 다양한 파장 에너지에 대한 재료의 반응은 예를 들면 다양한 물리적 및 화학적 특성에 의존한다. 또한, 서로 다른 재료들은 다양한 첨가제에 대해 다르게 반응하며, 추가 튜닝을 허용할 수 있다. 첨가제는 예를 들면, 인쇄 재료의 흡수율(absorptivity), 전도도(conductivity), 비열용량(specific heat capacity) 등을 조절하는데 사용될 수 있다. 따라서 재료의 튜닝은 다른 용융 및 접착 온도를 갖는 재료들이 국부 예열 및 예냉의 보조로 오븐 밖의 환경에서 결합되도록 할 수 있다.
또 다른 실시예는 부품 또는 부품의 부분의 부품 특성을 결정하기 위해 국부적 예열 및/또는 예냉을 사용한다. 예를 들면, 부품 구조, 최소 복귀 시간, 인쇄 비드 크기 등에 따라, 예열 및/또는 예냉은 잔류 응력(residual stress)을 국부화시킬 수 있다. 예를 들면, 사전-응력(pre-stress) 포인트가 내부에 생성되어 있거나, 예비/후 가열 및 냉각이, 예를 들면, 작은 비드에 대해서는 냉각 시간을 연장하고, 및/또는 큰 비드에 대해서는 냉각 시간을 감소시키도록, 비드에 대한 온도 파일을 튜닝함으로써 잔류 응력을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 오븐 내 제조에서는 이와 같은 것을 수행할 수 없다.
일부 실시예에서는 예열기(pre-heaters) 및 후 가열기(post-heaters), 및 예냉기(pre-coolers) 및 후 냉각기(post-coolers)가 프린트 헤드에 근접하여 도시되어 있지만, 예열기 및 후 가열기, 및 예냉기 및 후 냉각기의 배치는 본 발명의 범위 내에서 변형될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
최소 복귀 시간(minimum return time)은 하나의 층 상의 일 지점에서 비드의 적층과 다음 층 상의 동일한 지점에서 비드의 적층 사이의 시간이다. 부품을 제작하는 동안, 열은 전도와 대류로 적층되는 비드로부터 이전 층과 환경으로 각각 전달된다. 작은 비드 직경과 충분히 큰 부품들에 대해, 새롭게 적층된 비드로부터의 열은 새로운 재료가 그 위에 쌓일 때까지 충분히 다른 곳으로 옮겨진다.
최소 복귀 시간은, 수지가 다음 층이 적층되기 전에 그 주변으로 충분한 에너지 전달 시간이 없는 경우, 증가된 제조 압출 속도뿐 아니라 작은 피쳐(feature) 및 니어-네트 부품 생성에 있어서 일 인자(factor)가 되었고, 비드 크기가 큰 경우에 있어서도 그러하다. 실제로, 충분히 작은 피쳐 또는 비드 크기가 큰 경우, 부품 내에서의 온도 폭주(temperature runaway)가 가능하다. 이 경우 이전 층들의 온도가 반복되는 적층에 따라 증가한다. 이로 인해 최신 층의 냉각 속도가 점차 느려지고 이전 층들의 잠재적 이동성이 발생한다. 이전 층들은 자체 적층 후에 형상이 유효하게 고정되어 있어야 한다. 일부 프린터에서는, 이전에 적층된 층이 새로운 층을 증착하기 전에 임계 온도(critical temperature)보다 충분히 낮도록 복귀 시간을 인위적으로 길게 한다.
그러나 이것은 작은 비드보다 훨씬 큰 열 용량(thermal mass)을 운반하는 큰 비드에 대해서는 실현 가능하지 않을 수 있다. 피쳐 크기에 관계없이 매우 큰 비드 직경의 경우 최소 복귀 시간이 수십 초에서 수 분으로 길어지기 때문에 특히 작거나 보통 크기의 피쳐인 경우 전체 제작 시간이 크게 증가한다. 이러한 큰 직경의 비드는 긴 냉각시간을 필요로 할 뿐만 아니라 그들은 응고되기 전에 변형되거나 그들 자체의 무게로 늘어질 수 있을 만큼 충분히 긴 시간 이동 가능한 상태로 남아 있을 수 있어, 다시 실패를 초래한다. 큰 직경의 비드에 대한 급속 냉각은 비드 및 피쳐 크기의 범위를 넓히므로, 그들의 사용을 가능하게 한다.
본 발명의 실시예는 급속한 국부적인 냉각으로 열의 축적에 대응한다. 적층 직후에 열(일 실시예에서는 특정 양의 열)을 신속하게 제거함으로써, 최소 복귀 시간이 단축되어, 작은 피쳐의 신속한 제작 및 큰 직경의 비드의 사용을 가능하게 하고, 궁극적으로 잠재적인 부품 실패를 감소 또는 실패 없는 왜곡 감소를 실현하면서 제작 시간을 단축시킨다. 일 실시예에서, 제거되는 열의 양은 변형에 대항하여 부품을 냉각시키기에 충분하지만, 접착을 방해하는 정도로는 아니다.
국부적인 냉각이 존재할 때, 일 실시예에서는 국부적인 가열도 사용된다. 국부적인 가열은 접착을 촉진하므로 국부적인 냉각은 이를 방지한다. 따라서, 적층 전에 국부 예열은 접착성을 증가시키고, 국부적인 급속 냉각은 비드 형상을 고정시키고 최소 복귀 시간을 감소시킨다.
주위 공기를 송풍기에 의해 송풍하는 것에 비해 가스 제트를 이용하여 후 냉각하는 것은 오븐 내 인쇄 환경보다, 지지되지 않거나 아래 비드 영역(underneath bead regions)의 더 큰 브리징(bridging) 거리를 허용한다. 더 효과적인 가스 제트 냉각을 사용하면 비드가 더 빨리 응고되어 브리징 거리가 더 확장될 수 있다. 브리징을 위해, 다가오는 교차점의 예열이 브리지 결합 위치(bridge union site)에서 충분한 접착력을 유지하기 위해 적용된다. 더 큰 열용량(thermal mass)을 가지므로 큰 직경의 비드를 급속으로 냉각시키는 기능은 더 얇은 비드보다 더 천천히 냉각되는 최소 리턴 시간을 줄이고 부품 무결성을 증가시킨다. 이것은 현재의 지지 구조뿐만 아니라 여기에 설명된 택(tack) 지지체와 같은 새로운 유형의 지지 구조에 대해서도 사용을 감소시키고 빌드 시간을 단축할 수 있다.
반-결정질 중합체 또는 반-결정질 중합체를 포함하는 합금의 경우, 비 결정도(relative crystallinity)는 온도 및 온도 변화율의 함수이다. 일반적으로, 느린 냉각 공정은 더 빠른 냉각 공정보다 비 결정도가 높아진다. 하나의 후 냉각 실시 예는 최근에 압출된 물질을 그 결정화 범위를 신속하게 지나도록 유도하여, 더 천천히 냉각된 재료와 비교하여 상대적으로 비결정질이 되도록 한다. 반대로, 예를 들면, 레이저 예열기, 가스 젯 예열기 또는 이들의 조합과 같은 예열기를 사용하는 후 가열(post-heating)의 사용은 재료가 더 오랫동안 더 높은 온도로 유지되어 보다 많은 결정영역(crystallite)을 형성할 수 있게 한다.
본 발명은 툴 경로를 따라 인쇄된 부품 부분의 국부적인 급속 열 사이클(localized rapid thermal cycling), 압출된 재료를 부품의 이전에 압출된 부분에 접착시키기 위해 가열된 툴 경로를 따르는 재료의 압출, 및 열적으로 안정한 온도로 압출된 재료 및 3D 부품의 이전에 인쇄된 부분을 냉각, 을 허용한다. 급속 열 사이클은 경우에 따라 10초 안에 완료된다. 다른 예에서, 열 사이클은 5초 미만 및 심지어 1초 미만으로 완료된다.
열 사이클(thermal cycle)은 이전에 인쇄된 재료를 툴 경로를 따라 재료의 Tg를 초과하고 TDKT 미만의 온도 범위로 가열하는 공정을 포함한다. 그 다음 재료는 이전에 압출된 재료의 가열된 툴 경로 상에 압출된다. 압출된 재료 및 부품의 예열된 부분은 그 다음 실질적으로 동일한 툴 경로를 따라 개시된 시간 프레임에서 재료에 대해 열적으로 안정한 온도로 냉각된다. 비정질(amorphous) 중합체 재료에 대해 열적으로 안정한 온도는 Tg 미만이며, 반-결정질(semi-crystalline) 재료에 대해 열적으로 안정한 온도는 용융 온도 Tm 미만이다.
일부의 경우, 주위 공기로 충분히 냉각되는 경우도 있는데 이는 수동 냉각으로 지칭된다. 다른 경우에, 냉각 유체가 최근에 압출된 재료 및 예열된 부품 재료를 냉각시키는데 사용되며, 이는 능동 냉각으로 지칭된다.
급속 열 사이클을 이용하면 부품을 빠른 속도로 인쇄하고 치수 정확성을 높일 수 있다. 열 사이클은 본 발명의 시스템(100)과 함께 이용되는 것으로 개시된다. 그러나 열 사이클은 또한, 전통적인 층별 용융 적층 모델링 3D 프린터 또는 인쇄 시스템의 온도 제한으로 인해 사용될 수 없는, 고온 재료가 국부적인 가열 및 냉각으로 사용될 수 있도록 허용되는 경우에, 온도가 제어된 챔버를 포함할 수 있는 전통적인 층별 용융 적층 모델링 3D 프린터 또는 인쇄 시스템에서도 이용될 수도 있다.
도 13은 적층 제조 시스템으로 3D 부품을 인쇄하는 방법(1300)의 흐름도이다. 방법(1300)은 블록(1302)에서, 제1의 3D 툴 경로를 따라 부품의 제1 부분을 인쇄하는 단계를 포함한다. 블록(1304)에서, 부품의 제2 부분이 제2의 3D 툴 경로를 따라 부품의 제1 부분의 표면에 컨포멀하게(conformally) 인쇄된다.
도 14는 다축 로봇 빌드 시스템으로 3D 부품을 인쇄하는 다른 방법(1400)의 흐름도이다. 방법(1400)은 블록(1402)에서, 6 자유도로 움직이는 로봇 아암에 장착된 압출기로 3D 툴 경로를 따라 부품을 인쇄하는 단계를 포함한다. 블록(1404)에서, 상기 부품은 인쇄 동안 로봇 아암의 움직임과 독립적으로 인쇄되는 부품의 기하학적 구조에 기초하여 배향된다.
도 15는 3D 부품의 오븐 밖에서의 인쇄방법(1500)의 흐름도이다. 방법(1500)은 블록(1502)에서 6 자유도를 갖는 로봇 아암 상에 압출기를 제공하는 단계, 블록(1504)에서 두 개의 회전축으로 움직일 수 있는 빌드 평면을 제공하는 단계를 포함한다. 블록(1506)에서 상기 부품의 제1 부분은 제1의 3D 툴 경로를 따라 압출된다. 블록(1508)에서 상기 부품의 제2 부분은 제2의 3D 툴 경로를 따라 부품의 제1 부분의 표면에 컨포멀하게 압출된다. 부품의 제2 부분을 압출하는 단계는 부품의 제2 부분의 제2의 3D 툴 경로의 부분 상에 압출하기 이전에, 상기 툴 경로의 그 부분을 국부적으로 예열하는 단계를 포함한다.
도 16은 3D 부품을 인쇄하는 다른 방법(1600)의 흐름도이다. 방법(1600)은 블록(1602)에서 3D 부품의 일부를 압출하는 단계와, 블록(1604)에서 3D 부품의 다음 층이 이에 따라 인쇄될 툴 경로의 부분을 예열하는 단계를 포함한다. 블록(1606)에서 추가적인 부품 재료는 새로 압출된 재료와 이전에 압출된 재료 사이의 접착력을 증가시키기 위해 상기 예열된 툴 경로를 따라 압출된다.
본 발명의 실시예가 다축 인쇄 시스템과 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 실시예는 적층(additive) 및 절삭(subtractive) 제조 공정과도 함께 사용될 수 있음을 이해되어야 한다. 본 발명의 장치 및 방법의 실시예는 부품의 부분들을 상기 부품의 이전에 인쇄된 존재하는 부분들 상에 컨포멀하게 인쇄하는 것을 포함하여, 단일의 툴 경로 또는 여러 개의 단일 툴 경로를 따라, 인쇄될 부품의 기하학적 구조와 인쇄 공정을 정렬(align)하기 위해, 포지셔너, 크래들, 갠트리 등과 로봇의 조합을 사용하는 정확한(true) 3D 인쇄 공정을 제공한다.

Claims (32)

  1. 적층 제조 시스템으로 3D 부품을 인쇄하는 방법으로서,
    상기 부품의 제1 부분을 인쇄하는 단계;
    상기 부품의 제1 부분을 다가오는(upcoming) 툴 경로를 따라 재료 고유의 결합 온도 이상 및 상기 재료의 열화 온도 미만으로 예열하는 단계;
    상기 부품 표면을 따르는 온도가 재료 고유의 결합 온도 이상 및 상기 재료의 열화 온도 미만으로 유지되는 동안, 상기 예열된 툴 경로를 따라 상기 제1 부분 상에 재료를 압출함으로써, 새롭게 압출된 로드(road)를 형성하는 단계; 및
    예열 단계에 의해 부여된 열을 제거하여 열적으로 안정한 온도에 도달하도록, 상기 예열된 툴 경로를 따라 새롭게 압출된 로드를 냉각시키는 단계를 포함하고,
    상기 예열, 압출 및 냉각이 10초 내에 수행되는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 예열, 압출 및 냉각이 5초 내에 수행되는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 예열, 압출 및 냉각이 1초 내에 수행되는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 부품이 비정질 중합체로 인쇄될 때, 상기 재료 고유의 결합 온도가 비정질 중합체의 유리 전이 온도보다 높고 상기 열적으로 안정한 온도가 비정질 중합체의 유리 전이 온도 미만인 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 부품이 반-결정질(semi-crystalline) 중합체로 인쇄될 때, 상기 재료 고유의 결합 온도가 상기 반-결정질 중합체의 용융 온도 보다 높고 상기 열적으로 안정한 온도가 상기 반-결정질 중합체의 용융 온도 미만인 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 툴 경로는 평면 툴 경로인 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 툴 경로는 3D 툴 경로인 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 예열은 가스 제트 가열기에 의해 수행되는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 예열은 레이저 소스 가열기에 의해 수행되는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 예열은 하이브리드 가스 제트 및 레이저 예열기로 수행되는 방법.
  11. 청구항 1에 잇어서,
    상기 냉각은 냉각 유체를 이용한 능동 냉각인 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 열적으로 안정한 온도는 3D 부품의 벌크 온도 또는 대략 벌크 온도인 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 부분은 제1 재료로 인쇄되고, 상기 제2 부분은 상기 제1 재료와 상이한 제2 재료로 인쇄되는 방법.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 네트(net) 또는 니어-네트(near-net) 부품을 생성하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 오븐 밖의 환경에서 수행되는 방법.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은 가열된 환경에서 수행되는 방법.
  17. 적층 제조 시스템으로 3D 부품을 인쇄하는 방법으로서,
    상기 부품의 제1 부분을 인쇄하는 단계;
    상기 부품의 제1 부분을 다가오는(upcoming) 툴 경로를 따라 재료 고유의 결합 온도 이상 및 재료의 열화 온도 미만으로 예열하는 단계;
    상기 부품 표면을 따르는 온도가 재료 고유의 결합 온도 이상 및 상기 재료의 열화 온도 미만으로 유지되는 동안, 상기 예열된 툴 경로를 따라 상기 제1 부분 상에 재료를 압출함으로써, 새롭게 압출된 로드(road)를 형성하고, 상기 새롭게 압출된 로드가 상기 부품의 제1 부분에 결합되는 단계를 포함하는 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 방법은 오븐 밖의 환경에서 수행되는 방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 방법은 가열 환경에서 수행되는 방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 예열은 가스 제트 가열기를 사용하여 수행되는 방법.
  21. 청구항 17에 있어서,
    상기 예열은 레이터 소스 가열기를 사용하여 수행되는 방법.
  22. 청구항 17에 있어서,
    상기 예열은 하이브리드 가스 제트 및 레이저 예열기를 사용하여 수행되는 방법.
  23. 청구항 17에 있어서,
    상기 예열은 광학 가열기를 사용하여 수행되는 방법.
  24. 청구항 17에 있어서,
    상기 예열 단계에 의해 부여된 열을 제거하여 열적으로 안정한 온도에 도달하도록, 상기 예열된 툴 경로를 따라 새롭게 압출된 로드를 냉각시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 냉각은 가스 제트 냉각기를 사용하여 수행되는 방법.
  26. 청구항 24에 있어서,
    상기 예열, 압출 및 열적으로 안정한 온도로의 냉각은 5초 내에 완료되는 방법.
  27. 청구항 24에 있어서,
    상기 예열, 압출 및 열적으로 안정한 온도로의 냉각은 1초 내에 완료되는 방법.
  28. 청구항 24에 있어서,
    상기 부품이 비정질 중합체로 인쇄될 때, 상기 재료 고유의 결합 온도가 비정질 중합체의 유리 전이 온도보다 높고 상기 열적으로 안정한 온도가 비정질 중합체의 유리 전이 온도 미만인 방법.
  29. 청구항 24에 있어서,
    상기 부품이 반-결정질(semi-crystalline) 중합체로 인쇄될 때, 상기 재료 고유의 결합 온도가 상기 반-결정질 중합체의 용융 온도 보다 높고 상기 열적으로 안정한 온도가 상기 반-결정질 중합체의 용융 온도 미만인 방법.
  30. 청구항 17에 있어서,
    상기 방법은 로봇 아암에 장착된 툴(tools)에 의해 수행되는 방법.
  31. 청구항 30에 있어서,
    생성되고 있는 부품을 부품의 기하학적 구조에 기초하여 중력의 영향을 상쇄(counteract)하도록 위치시키기 위해, 상기 부품을 상기 로봇 아암에 대해 적어도 2 자유도로 움직일 수 있는 빌드 플랫폼으로 배향시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  32. 청구항 31에 있어서,
    상기 빌드 플랫폼을 배향시키는 단계는,
    상기 빌드 플랫폼을 중심 축을 중심으로 회전시키는 것과, 상기 빌드 플랫폼을 실질적으로 수직으로부터 실질적으로 수평한 평면으로 기울이는 것을 포함하는 방법.
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