KR20190058292A - 압출기의 각도 방향을 기준으로하여 적층 가공 동안 멀티 노즐 압출기의 속도를 조정하기위한 시스템 및 방법 - Google Patents

압출기의 각도 방향을 기준으로하여 적층 가공 동안 멀티 노즐 압출기의 속도를 조정하기위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

적층 제조 시스템은 압출기와 플랫폼 간 상대적 움직임의 경로를 따라 열가소성 재료의 스와스(swath)를 형성하기 위해 압출기의 적어도 두 개의 노즐을 통해 열가소성 재료의 스와스를 압출하게끔 압출기를 작동시킨다. 경로를 따르는 압출기의 속도는 압출기의 배향 및 압출기와 플랫폼 사이의 상대적 움직임의 경로에 대한 각도를 기준으로 선택된 미리 결정된 속도에 대응한다. 상기 시스템의 제어기는 압출기 및 플랫폼 중 적어도 하나를 압출기 및 플랫폼 중 다른 하나에 대하여 상대적 움직임의 경로를 따라 열가소성 재료의 스와스를 교차 공정 방향에서 인접하게 만들도록 미리 결정된 속도로 이동시키게끔 압출기 및 플랫폼 중 적어도 하나에 작동 가능하게 연결되는 적어도 하나의 액추에이터를 작동시킨다.

Description

압출기의 각도 방향을 기준으로하여 적층 가공 동안 멀티 노즐 압출기의 속도를 조정하기위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR ADJUSTING THE SPEED OF A MULTI-NOZZLE Extruder DURING ADDITIVE MANUFACTURING WITH REFERENCE TO AN ANGULAR ORIENTATION OF THE EXTRUDER}
본 개시 내용은 3차원 물체 프린터들에 사용되는 멀티 노즐 압출기들에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 그러한 압출기들로 상이한 형상들을 형성하는 것에 관한 것이다.
적층 가공이라고도 하는 3차원 프린팅은 사실상 모든 형태의 디지털 모델로부터 3차원 입체 물체를 만드는 공정이다. 많은 3차원 프린팅 기술은 적층 가공 디바이스가 이전에 증착된 층들 위에 부분의 연속적인 층을 형성하는 적층 가공을 사용한다. 이러한 기술들 중 일부는 ABS 플라스틱과 같은 압출 재료를 열가소성 재료로 연화시키거나 용융시킨 후 열가소성 재료를 미리 결정된 패턴으로 방출하는 압출기들을 사용한다. 프린터는 일반적으로 압출기를 작동시켜 다양한 형태 및 구조를 갖는 3차원 인쇄물을 형성하는 열가소성 재료의 연속적인 층을 형성한다. 3차원 인쇄물의 각 층이 형성된 후에, 열가소성 재료는 층을 3차원 인쇄물의 밑에 있는 층에 접합하기 위해 냉각되고 경화된다. 이러한 적층 가공 방법은 절단 또는 천공과 같은 공제 가공(subtractive process)에 의해 작업물로부터 재료를 제거하는 것에 주로 의존하는 전통적인 물체 형성 기술들과 구별된다.
기존의 많은 3차원 프린터는 단일 노즐을 통해 재료를 압출하는 단일 압출기를 사용한다. 프린트 헤드는 3차원 인쇄물에 대한 모델 데이터에 기초하여 미리 결정된 경로로 이동하여 지지 부재의 선택된 위치들 또는 이전에 배치된 3차원 인쇄물의 층들 상에 성형 재료를 방출한다. 그러나, 단지 단일 노즐을 갖는 프린트 헤드를 사용하여 성형 재료를 방출하는 것은 종종 3차원 인쇄물을 형성하는데 상당한 시간을 요구한다. 또한, 노즐 지름이 큰 프린트 헤드는 3차원 인쇄물을 더 신속하게 형성할 수는 있지만 더 세부 물체들의 경우 더 세밀한 형태로 성형 재료를 방출하는 기능이 부족한 반면 더 좁은 지름의 노즐은 3차원 물체를 형성하는데 더 많은 시간을 요구하지만 더 미세한 세부 구조를 형성할 수 있다.
단일 노즐 압출기들의 한계들을 해결하기 위해, 멀티 노즐 압출기들이 개발되었다. 이러한 멀티 노즐 압출기들에서, 노즐들은 공통 면판에 형성되고 노즐들을 통해 압출되는 재료들은 하나 이상의 매니폴드로부터 공급될 수 있다. 단일 매니폴드를 갖는 압출기들에서, 모든 노즐은 동일한 재료를 압출하지만, 매니폴드로부터 각 노즐로의 유체 경로는 노즐을 선택적으로 개폐하도록 작동되는 밸브를 포함할 수 있다. 이러한 기능은 재료를 압출하는 노즐들의 수 그리고 어떤 노즐들이 재료를 압출하고 있는지를 바꿈으로써 노즐들로부터의 열가소성 재료 압출기의 스와스(swath)의 형태가 달라질 수 있게 한다. 상이한 매니폴드들을 갖는 압출기들에서, 각각의 노즐은 매니폴드들 중 하나로부터 노즐을 선택적으로 개폐하도록 작동될 수 있는 밸브를 포함하는 그것의 대응하는 노즐로의 유체 경로로 상이한 재료를 압출할 수 있다. 이러한 기능은 노즐들로부터의 열가소성 재료 압출기의 스와스의 형태뿐만 아니라 스와스시 재료의 조성이 달라질 수 있게 한다. 다시, 이러한 변형들은 재료를 압출하는 노즐의 수 그리고 어떤 노즐들이 재료를 압출하는지를 바꿈으로써 이루어진다. 이러한 멀티 노즐 압출기들은 상이한 재료들이 상이한 노즐들로부터 압출될 수 있게 하고 상이한 압출기 본체들의 움직임을 조정할 필요없이 물체를 형성하는 데 사용된다. 이러한 상이한 재료들은 상이한 색상들, 물리적 성들 및 구성들을 갖는 물체들을 생산하는 적층 가공 시스템의 기능을 향상시킬 수 있다. 또한, 재료를 압출하는 노즐들의 수를 바꿈으로써 생성된 스와스들의 크기를 변경하여 물체 모서리들과 같이 정밀한 형상 형성이 요구되는 영역들에 좁은 스와스들을 제공하고, 내부 영역들과 같이 물체의 영역들을 신속하게 형성하기 위한 더 넓은 스와스들을 제공할 수 있다.
공통 면판에 그것들의 노즐들을 갖는 이러한 멀티 노즐 압출기들에서, 스와스의 형성에는 플랫폼의 XY 축들에 대한 면판의 방향뿐만 아니라 성형 플랫폼에 대한 면판의 움직임도 중요하다. 본 문서에서 사용될 때, "스와스(swath)"는 적어도 하나의 노즐이 열려 있고 임의의 열린 노즐로부터 재료가 압출되는 동안, 멀티 노즐 압출기에서 임의의 열린 노즐로부터 재료를 성형재로서 압출하는 것을 나타낸다. 즉, 다수의 노즐이 열렸지만, 모든 방출된 압출부가 서로 접촉하는 것은 아니라 하더라도, 별개의 압출부들이 스와스를 이룬다. 인접 스와스는 다수의 노즐로부터의 모든 압출이 교차 공정 방향에서 스와스를 가로 질러 인접하여 접촉하는 것이다. 압출기의 몇몇 배향에서, 노즐들의 일부는 압출 된 재료의 인접한 스와스가 형성되는 것을 방지 할 수 있는 방식으로 서로 정렬된다. 도 7에 도시 된 바와 같이, 9개의 노즐을 갖는 종래 공지된 면판이 도시되어 있다. 면판이 도면에 도시된 바와 같이 배향되고 0°-180°(X) 축 또는 90°-270°(Y) 축을 따라 이동될 때, 9개의 노즐 모두가 인접한 스와스를 형성하는데 기여하며 스와스는 그것의 가장 큰 폭을 갖는다. 본 문서에서 사용될 때, "0°-180° 축"이란 용어는 압출기의 면판이 0° 방향 또는 180° 방향 중 어느 하나로 배향되어 움직이는 것을 의미하므로 모든 노즐이 열려 있는 경우 압출기가 생성할 수있는 가장 넓은 인접 스와스가 형성되고, "90°-270° 축"이란 용어는 압출기의 면판이 90° 또는 270° 방향 중 어느 하나로 배향되어 움직이는 것을 의미하므로 모든 노즐이 열려 있는 경우 압출기가 생성할 수 있는 가장 넓은 인접 스와스가 형성된다. 면판이 0°-180° 축 및 90°-270° 축 상에 도시된 바와 같이 배향되어 있지만, 맨 오른쪽 도면에 도시된 바와 같이 이러한 축들 중 하나로부터 18° 회전된 방향들 중 하나로 이동될 때, 9개의 노즐은 서로 정렬되는 3개의 노즐의 3개의 로우가 되고, 스와스는 단지 3개의 노즐 폭이며, 압출된 라인들 사이의 갭들이 스와스를 형성한다. 따라서, 도 7의 면판이 0°, 90°, 180° 및 270° 경로들을 따라 이동될 때 가장 넓은 스와스들이 생성되고 18°, 108°, 198° 및 288° 경로들을 따를 때 스와스들은 가장 좁고 압출된 재료의 비드들은 서로 가장 크게 분리된다. 분리는 면판의 배향 및 압출기와 플랫폼 간 상대적 움직임의 방향이 면판에서의 노즐들이 직교하는 컬럼들과 로우들을 갖는 어레이로 배열하기 때문에 발생한다. 이러한 배열은 컬럼들에서의 노즐들에 의해 형성되는 라인들 간 거리를 줄이므로 라인들이 서로 정렬되고 라인들을 로우에서의 노즐들 간 간격만큼 분리시킨다. 형상 구별이 일반적으로 중요하지 않은 물체의 중심에서, 면판 움직임은 물체 형성 속도가 최대화될 수 있도록 가장 넓은 인접 스와스들을 생성하는 방향들 중 하나인 것이 선호된다. 그러나, 형상 형태들이 더 다양하고 때로는 복잡한 물체의 바깥부분 가장자리들에서; 형상들의 형성을 가능하게 하기 위해서는 더 적은 수의 노즐, 어쩌면 단지 하나의 노즐만 열릴 수 있다. 유감스럽게도, 이러한 유형의 압출기 작동은 물체 형성을 위해 이용 가능한 많은 수의 노즐을 이용하지 않으며 본질적으로 느리다. 따라서, 공통 면판에 다수의 노즐을 갖는 것에 있어서의 많은 속도 이점이 없어지고, 많은 부분에서, 물체의 내부 형성에 걸리는 것보다 더 많은 시간이 물체의 윤곽에 걸릴 수 있다. 물체 외부의 형성에 이용 가능한 수의 노즐을 이용할 수있는 공통 면판에 다수의 노즐을 갖는 3차원 물체 프린터가 유용할 것이다.
새로운 압출기는 압출된 라인들 사이의 갭들에 다수의 노즐을 채워 외부 형상들을 형성할 수 있도록 면판이 이동하는 각도를 기준으로 압출기 움직임의 속도를 조정한다. 상기 장치는 제조 중에 물체를 지지하도록 구성된 플랫폼, 복수의 노즐을 갖는 압출기, 상기 압출기 및 상기 플랫폼 중 적어도 하나에 작동 가능하게 연결되는 적어도 하나의 액추에이터로서, 상기 압출기 및 상기 플랫폼 중 상기 적어도 하나를 상기 압출기 및 상기 플랫폼 중 다른 하나에 대하여 이동시키도록 구성되는, 상기 적어도 하나의 액추에이터, 및 상기 압출기 및 상기 적어도 하나의 액추에이터에 작동 가능하게 연결되는 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 (1) 상기 압출기와 상기 플랫폼 간 상대적 움직임의 경로를 따라 열가소성 재료의 스와스를 형성하기 위해 물체 이미지 데이터 및 압출기 경로 데이터를 기준으로 상기 압출기의 상기 노즐들 중 적어도 두 개의 노즐을 통해 열가소성 재료의 스와스를 압출하게끔 상기 압출기를 작동시키도록, 그리고 (2) 미리 결정된 속도로 상기 상대적 움직임의 경로를 따라 상기 압출기 및 상기 플랫폼 중 상기 적어도 하나를 이동시키게끔 상기 적어도 하나의 액추에이터를 작동하도록 구성되며, 상기 제어기는 상기 열가소성 재료의 상기 스와스를 교차 공정 방향에서 인접하게 만들기 위해 상기 압출기의 면판의 배향 및 상기 압출기와 상기 플랫폼 간 상기 상대적 움직임의 경로에 대한 각도를 기준으로 상기 미리 결정된 속도를 선택한다.
압출기들로부터 압출된 열가소성 재료로 물체들을 형성하는 시스템들의 전술한 측면들 및 다른 특징들은 첨부된 도면들과 관련하여 취해지는, 다음의 설명에서 설명된다.
도 1은 압출기가 압출기에 대한 모션 각도를 기준으로 스와스를 형성하도록 이동되는 속도를 조절하는 적층 가공 시스템을 도시한다.
도 2는복수의 채널을 갖는 단지 하나의 가열기를 갖는 도 1에 도시된 시스템의 대안적인 실시 예의 블록도이다.
도 3은도 1에 및 도 2에 도시된 압출기를 342°-162° 축을 따라 서로 다른 속도들로 작동시켜 압출기에 의해 생성되는 스와스들 간 갭들을 제어하는 것을 예시한다.
도 4는 도 1에 및 도 2에 도시된 압출기를 342°-162° 축을 따라 1/3 공칭 속도로 작동시켜 압출기에 의해 생성되는 스와스들 간 갭들을 제거하는 것을 예시한다.
도 5는 압출기 움직임의 각도를 기준으로 압출기 움직임의 속도를 조절하는 프린터를 작동시키기위한 방법의 흐름도이다.
도 6은 종래 기술의 3차원 물체 프린터의 도해이다.
도 7은 0°, 90° 및 18°로 배향될 때 9개의 노즐 면판에 의해 형성될 수 있는 스와스들을 도시한다.
본원에 개시된 디바이스의 환경뿐만 아니라 디바이스의 세부 사항에 대한 일반적인 이해를 위해, 도면들이 참조된다. 도면들에서, 동일한 참조 부호들은 동일한 요소들을 나타낸다.
본원에서 사용될 때, "압출 재료(extrusion material)"라는 용어는 열가소성 재료를 적층 가공 시스템에서 압출기에 의해 방출되게 형성하도록 연화 또는 용융되는 재료를 나타낸다. 압출 재료들은 3차원 인쇄물의 영구적인 부분들을 형성하는 "성형 재료들(build materials)" 및 프린팅 공정 중에 성형 재료의 부분들을 지지하는 임시 구조들을 형성한 후 프린팅 공정 완료 후 임의로 제거되는 "지지 재료들(support materials)" 양자를 포함하지만 이에 엄격하게 한정되는 것은 아니다. 성형 재료들의 예들은 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 플라스틱, 폴리락트산(PLA), 지방족 또는 반-방향족 폴리아미드(나일론), 현탁된 탄소 섬유 또는 다른 성형재들을 포함하는 플라스틱, 전기 전도성 중합체 및 압출기를 통해 방출하기에 적합한 열가소성 재료를 생성하도록 열처리될 수 있는 재료의 다른 형태를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 지지 재료들의 예들은 고 충격 폴리스티렌(HIPS), 폴리비닐 알코올(PVA) 및 열처리 후 압출될 수 있는 다른 재료들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 압출 프린터에서, 압출 재료는 통상적으로 "필라멘트(filament)"로 알려진 연속적인 가늘고 길 재료로 공급된다. 이러한 필라멘트는 스풀 또는 다른 공급원으로부터 압출 재료 필라멘트를 당기고 압출기 내의 매니폴드에 유체 연결되는 가열기 내로 필라멘트를 공급하는 하나 이상의 롤러에 의해 고체 형태로 제공된다. 예시 된 예들이 가열기들에 필라멘트로 공급되는 압출 재료를 사용하지만, 미립자 또는 구형 볼 압출 재료들과 같은 다른 압출 재료 공급원들이 사용될 수 있다. 가열기는 압출 재료 필라멘트를 연화시키거나 용융시켜 매니폴드로 흐르는 열가소성 재료를 형성한다. 노즐과 매니폴드 사이에 위치한 밸브가 열릴 때, 열가소성 재료의 일부가 매니폴드로부터 노즐을 통해 흐르고 열가소성 재료의 스트림으로 방출된다. 본원에서 사용될 때, 압출 재료들에 적용되는 용어 "용융"은 압출 재료의 상을 연화시키거나 변화시켜 3차원 물체 프린터의 작동 중에 압출기의 하나 이상의 노즐을 통해 열가소성 재료를 압출할 수 있게 하는 압출 재료의 온도에 대한 모든 상승을 나타낸다. 용융된 압출 재료는 또한 본 문서에서 "열가소성 재료(thermoplastic material)"로 표기된다. 당업자들이 인지하는 바와 같이, 어떤 비정질 압출 재료들은 프린터의 작동 중에 순수한 액체 상태로 전이하지 않는다.
본원에서 사용될 때, "압출기(extruder)"라는 용어는 단일 유체 챔버에서 압출 재료를 용융시키고 하나 이상의 노즐에 연결된 매니폴드에 용융된 압출 재료를 제공하는 프린터의 구성요소를 나타낸다. 일부 압출기는 열가소성 재료가 선택적으로 노즐들을 통해 흐를 수 있도록 전기적으로 작동될 수 있는 밸브 어셈블리를 포함한다. 밸브 어셈블리는 하나 이상의 노즐이 독립적으로 매니폴드에 연결되어 열가소성 재료를 압출할 수 있게 한다. 본원에서 사용될 때, "노즐"이라는 용어는 압출기의 매니폴드에 유체 연결되고 열가소성 재료가 재료 수용면을 향해 방출되는 압출기의 오리피스를 나타낸다. 작동 중에, 노즐은 압출기의 공정 경로를 따라 실질적으로 연속적인 선형 스와스의 열가소성 재료를 압출할 수 있다. 제어기는 밸브 어셈블리의 밸브들을 작동시켜 밸브 어셈블리에 연결된 어떤 노즐들이 열가소성 재료를 압출할지를 제어한다. 노즐의 직경은 압출된 열가소성 재료의 라인의 폭에 영향을 미친다. 상이한 압출기 실시 예들은 더 넓은 오리피스들이 더 좁은 오리피스들에 의해 생성되는 라인들의 폭들보다 큰 폭들을 갖는 라인들을 생성하는 오리피스 크기들의 범위를 갖는 노즐들을 포함한다.
본원에서 사용될 때, "매니폴드(manifold)"라는 용어는 3차원 물체 프린팅 작동 중에 압출기의 하나 이상의 노즐에 전달할 열가소성 재료의 공급원을 보유하는 압출기의 하우징 내에 형성된 공동을 나타낸다. 본원에서 사용될 때, 용어 "스와스(swath)"는 3차원 물체 프린팅 작업 중에 압출기가 재료 수용면 상에 형성하는 압출 재료의 임의의 패턴을 나타낸다. 공통 스와스들은 압출 재료의 직선 선형 배열들 및 곡선 스와스들을 포함한다. 일부 구성에서, 압출기는 연속적인 방식으로 열가소성 재료를 압출하여 공정 및 교차 공정 방향들 모두에서 압출 재료의 연속 질량을 갖는 스와스를 형성하지만, 다른 구성들에서는 압출기가 간헐적인 방식으로 작동하여 직선 또는 곡선 경로를 따라 배열되는 더 작은 그룹들의 열가소성 재료를 형성한다. 3차원 물체 프린터는 압출 재료의 상이한 스와스들의 조합들을 사용하여 다양한 구조를 형성한다. 또한, 3차원 물체 프린터의 제어기는 압출기를 작동시켜 압출 재료의 각 스와스를 형성하기 전에 압출 재료의 상이한 스와스들에 대응하는 압출기 경로 데이터 및 물체 이미지 데이터를 사용한다. 후술하는 바와 같이, 제어기는 3차원 프린팅 작업 중에 하나 이상의 노즐을 통해 열가소성 재료의 다중 스와스를 형성하도록 압출기가 이동되는 속도 및 밸브 어셈블리의 작동을 임의로 조정한다.
본원에서 사용될 때, "공정 방향"이라는 용어는 압출기에서 하나 이상의 노즐로부터 압출된 열가소성 재료를 수용하는 재료 수용면과 압출기 사이의 상대적 움직임의 방향을 나타낸다. 재료 수용면은 적층 가공 공정 중에 3차원 인쇄물을 유지하는 지지 부재 또는 부분적으로 형성된 3차원 물체의 표면 중 어느 하나이다. 본원에 기술된 예시적인 실시 예들에서, 하나 이상의 액추에이터는 지지 부재에 대해 압출기를 이동시키지만, 대안적인 시스템 실시 예들은 압출기가 정지 상태로 유지되는 동안 지지 부재를 이동시켜 공정 방향으로 상대적 모션을 생성한다. 일부 시스템은 서로 다른 모션 축들에 대해 두 시스템의 조합을 사용한다.
본원에서 사용될 때, "교차 공정 방향(cross process direction)"이라는 용어는 공정 방향에 수직하고 압출기 면판 및 재료 수용면에 평행 한 축을 나타낸다. 공정 방향 및 교차 공정 방향은 압출기 및 열가소성 재료를 수용하는 표면의 움직임의 상대 경로를 나타낸다. 일부 구성에서, 압출기는 공정 방향, 교차 공정 방향 또는 둘 모두로 연장될 수 있는 노즐들의 어레이를 포함한다. 압출기 내의 인접한 노즐들은 교차 공정 방향으로 미리 결정된 거리만큼 분리되어 있다. 일부 구성에서, 시스템은 라인들이 스와스를 형성할 때 압출기의 노즐들로부터 압출되는 열가소성 재료의 라인들을 분리시키는 대응하는 교차 공정 방향 거리를 조절하기 위해 압출기의 상이한 노즐들을 분리시키는 교차 공정 방향을 조절하도록 압출기를 회전시킨다.
적층 가공 시스템의 작동 중에, 압출기는 3차원 물체 프린팅 공정 중에 열가소성 재료를 수용하는 표면에 관해 직선 경로 및 곡선 경로 양자를 따라 공정 방향으로 이동한다. 또한, 시스템의 액추에이터는 압출기가 열가소성 재료의 각 라인 사이에 미리 결정된 거리들을 두고 열가소성 재료의 둘 이상의 라인을 형성할 수 있게 하기 위해 압출기의 노즐들을 분리시키는 유효 교차 공정 방향 거리를 조정하도록 압출기를 Z축에 대해 임의로 회전시킨다. 압출기는 외측 둘레를 따라 둘 다 이동시켜 인쇄된 물체의 층에 그리고 둘레 내에 2차원 영역의 외벽들을 형성하여 2차원 영역의 전부 또는 일부를 열가소성 재료로 채운다.
도 6은 압출기(108)를 작동시켜 3차원 인쇄물(140)을 형성하도록 구성되는 종래 기술의 3차원 물체 적층 가공 시스템 또는 프린터(100)를 도시한다. 프린터(100)는지지 부재(102), 멀티 노즐 압출기(108), 압출기 지지 아암(112), 제어기(128), 메모리(132), X/Y 액추에이터들(150), 임의적인 Zθ 액추에이터 (154), 및 Z 액추에이터(158)를 포함한다. 프린터(100)에서, X/Y 액추에이터들(150)은 도 6에 도시된 물체(140)와 같은 3차원 인쇄물의 하나의 층을 형성하는 열가소성 재료의 스와스들을 압출하도록 압출기(108)를 X 및 Y 축들을 따라 2차원 평면("X-Y 평면")에서의 서로 다른 위치들로 이동시킨다. 예를 들어, 도 6에서 X/Y 액추에이터들(150)은 지지 아암(112) 및 압출기(108)를 Y축을 따라 이동시키기 위해 아암 및 압출기를 가이드 레일들(113)을 따라 병진시키는 한편 X/Y 액추에이터들(150)은 압출기(108)를 X축을 따라 이동시키기 위해 압출기를 지지 아암(112)의 길이를 따라 병진시킨다. 압출된 패턴들은 층에서의 하나 이상의 영역의 윤곽들 및 열가소성 재료 패턴들의 윤곽 내의 영역들을 채우는 열가소성 재료의 스와스들 모두를 포함한다. Z 압출기(158)는 프린팅 공정 중에 물체가 형성될 때 압출기(108)의 노즐들이 열가소성 재료를 물체(140) 상에 압출하기 적합한 높이에 유지됨을 보장하도록 Z 축에 따른 압출기(108)와 지지 부재(102) 사이의 거리를 제어한다. Zθ 액추에이터(154)는 Z축에 대해 회전하는 압출기(108)의 일부 실시 예에 대해 압출기(108)의 회전 각도를 Z축에 대해 제어한다. 이러한 움직임은 압출기(108)의 노즐들 사이의 간격을 제어하나, 일부 압출기는 제조 공정 중에 회전을 필요로 하지 않는다. 시스템(100)에서, X/Y 액추에이터들(150), Zθ 액추에이터(154) 및 Z 액추에이터(158)는 전기 모터들, 스테퍼 모터들 또는 임의의 다른 적합한 전기 기계 장치와 같은 전기 기계 액추에이터들로 구현된다. 도 6의 프린터에서, 열가소성 재료의 복수의 층으로 형성된 3차원 인쇄물(140)의 형성 중의 3차원 물체 프린터(100)가 도시된다.
지지 부재(102)는 제조 공정 중에 3차원 인쇄물(140)을 지지하는 유리판, 중합체 판 또는 발포체 표면과 같은 평면 부재이다. 도 2의 실시 예에서, Z 액추에이터(158)는 또한 압출기(108)가 물체(140)의 상면으로부터 미리 결정된 거리를 유지함을 보장하기 위해 열가소성 재료의 각 층의 적용 후 지지 부재(102)를 압출기(108)로부터 Z 방향으로 떨어지게 이동시킨다. 압출기(108)는 복수의 노즐을 포함하고 각각의 노즐은 지지 부재(102) 또는 부분적으로 형성된 물체, 예컨대 물체(140)의 표면 상으로 열가소성 재료를 압출한다. 도 6의 예에서, 압출 재료는 압출 재료를 압출기(108)로 공급하기 위해 스풀로부터 풀릴 ABS 플라스틱 또는 다른 적절한 압출 재료 필라멘트의 스풀인 압출 재료 공급원(110)으로부터 필라멘트로 제공된다.
지지 아암(112)은 지지 부재 및 프린팅 작업들 중에 압출기(108)를 이동시키는 하나 이상의 액추에이터를 포함한다. 시스템(100)에서, 프린팅 작업 중에 하나 이상의 액추에이터(150)는 지지 아암(112) 및 압출기(108)를 X 및 Y 축들을 따라 이동시킨다. 예를 들어, 액추에이터들(150) 중 하나는 지지 아암(112) 및 압출기(108)를 Y축을 따라 이동시키는 한편 다른 액추에이터는 압출기(108)를 지지 아암(112)의 길이를 따라 이동시켜 X 축을 따라 이동시킨다. 시스템(100)에서, X/Y 액추에이터들(150)은 임의적으로 압출기(108)를 직선 또는 곡선 경로들 중 어느 하나를 따라 동시에 X축 및 Y축 모두를 따라 이동시킨다. 제어기(128)는 압출기(108)의 노즐들이 열가소성 재료를 지지 부재(102) 상으로 또는 물체(140)의 이전에 형성된 층들 상으로 압출할 수 있게 하는 직선 및 곡선 경로들 양자에서의 압출기(108)의 움직임들을 제어한다. 제어기(128)는 임의적으로 압출기(108)를 X축 또는 Y축을 따라 래스터화된 모션으로 이동시키나, X/Y 액추에이터들(150)은 또한 압출기(108)를 X-Y 평면에서 임의의 직선 또는 곡선 경로들을 따라 이동시킬 수 있다.
제어기(128)는 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA), 주문형 집적 회로(ASIC) 또는 프린터(100)를 작동하도록 구성되는 임의의 다른 디지털 로직과 같은 디지털 논리 디바이스이다. 프린터(100)에서, 제어기(128)는 지지 부재(102) 및 지지 아암(112)의 움직임을 제어하는 하나 이상의 액추에이터에 작동 가능하게 연결된다. 제어기(128)는 또한 메모리(132)에 작동 가능하게 연결된다. 프린터(100)의 실시 예에서, 메모리(132)는 랜덤 액세스 메모리(RAM) 디바이스들과 같은 휘발성 데이터 저장 장치, 그리고 고체 상태 데이터 저장 디바이스들, 자기 디스크들, 광학 디스크들과 같은 비 휘발성 데이터 저장 디바이스들, 또는 임의의 다른 적합한 데이터 저장 디바이스들을 포함한다. 메모리(132)는 프로그램된 명령 데이터(134) 및 3차원(3D) 물체 이미지 데이터(136)를 저장한다. 제어기(128)는 저장된 프로그램 명령들(134)을 실행하여 프린터(100)의 구성요소들을 작동시켜 3차원 인쇄물(140)을 형성하고 물체(140)의 하나 이상의 표면 상에 2차원 이미지들을을 인쇄한다. 3D 물체 이미지 데이터(136)는 예를 들어, 프린터(100)가 3차원 물체 프린팅 공정 중에 형성하는 열가소성 재료의 각 층에 대응하는 복수의 2차원 이미지 데이터 패턴을 포함한다. 압출기 경로 제어 데이터(138)는 X/Y 액추에이터들(150)을 사용하여 압출기(108)의 움직임의 경로를 제어하고 Zθ 액추에이터(154)를 사용하여 압출기(108)의 배향을 제어하기 위해 제어기(128)가 처리하는 일련의 기하학적 데이터 또는 액추에이터 제어 명령을 포함한다. 제어기(128)는 압출기가 열가소성 재료를 압출하여 물체를 형성하는 동안 상기에 언급한 바와 같이 압출기(108)를 지지 부재(102) 위에 이동시키도록 액추에이터들을 작동시킨다.
도 1은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 면판의 구멍들을 통해 복수의 열가소성 재료를 압출하는 압출기(108)를 갖는 적층 가공 시스템(100')을 도시하며, 이는 더 상세하게 후술된다. 프린터(100')는 오브젝트를 형성하기 위해 평면 모션을 사용하는 프린터로 도시되어 있지만, 다른 프린터 아키텍처들은 본 문서에 기술된 바와 같이 입출기 및 압출기의 각도 배향을 참조하여 압출기의 속도를 조절하도록 구성된 제어기와 사용될 수 있다. 이러한 아키텍처들에는 델타 봇(delta-bot), 스카라 로봇 암(SCARA, selective compliance assembly robot arm), 다축 프린터, 비 데카르트 프린터 등이 포함된다. 이러한 대안적인 실시 예들에서의 모션들은 여전히 상기에 정의된 바와 같은 공정 및 교차 공정 방향들을 가지며, 이러한 실시 예들의 압출기들의 노즐 간격은 여전히 교차 공정 방향에 대한 노즐 간격을 정의한다.도면을 간략화하기 위해 도 1에는 단지 하나의 매니폴드(216)만 도시되지만, 압출기(108)는 복수의 매니폴드(216)를 가질 수 있다. 일 실시 예에서, 압출기(108)의 각 매니폴드(216)는 상이한 압출 재료 공급원(110)에 의해 공급되는 상이한 가열기(208)에 일대일 대응으로 작동 가능하게 연결된다. 대안적으로, 각 매니폴드(216)는 도 2의 실시 예(100")에 도시된 바와 같이 복수의 압출 재료 공급원(110)에 의해 공급되는 복수의 채널(232')을 수용하는 단일 가열기(208')에 결합될 수 있다. 도 2의 각각의 채널(232')은 압출기(108)의 매니폴드(216)에 열가소성 재료를 공급하여 각 매니폴드가 다른 매니폴드들이 수용하고 있는 재료와 상이한 재료를 수용할 수 있게 한다. 압출기(108)에서, 각각의 노즐(218)은 압출기(108) 내의 매니폴드들 중 단지 하나의 매니폴드에 유체 연결되므로 각 노즐은 다른 매니폴드들에 연결된 노즐들로부터 압출된 재료들과 상이한 열가소성 재료를 압출할 수 있다. 각각의 노즐로부터의 압출은 밸브 어셈블리(204)의 밸브들을 작동시키는 제어기(128)에 의해 선택적으로 그리고 독립적으로 활성화 및 비활성화된다. 각각의 노즐(218)은 또한 면판(260)의 구멍과 정렬되어 물체의 재료들의 스와스들을 더 유연하게 형성하도록 노즐들을 구성한다.
도 1 및 도 2의 실시 예들에서, 밸브 어셈블리(204)는 압출기(108)의 매니폴드들과 압출기(108)의 매니폴드들에 연결된 각각의 노즐들 사이에 밸브를 위치시킨다. 밸브 어셈블리(204)는 제어기가 압출기(108)의 복수의 노즐로부터 열가소성 재료를 압출할 밸브들을 개폐할 수 있도록 제어기(128)에 작동 가능하게 연결된다. 구체적으로, 제어기(128)는 압출기(108)의 밸브들에 연결된 어셈블리(204)의 상이한 액추에이터들을 활성화 및 비활성화하여 노즐들로부터 열가소성 재료를 압출하고 도 6의 물체(140)와 같은 3차원 인쇄물의 각 층의 상이한 열가소성 재료들의 스와스들을 형성한다.
도 1의 시스템(100')은 또한 압출기(108)의 매니폴드에 연결되는 각 가열기(208)에 대한 압출 재료 디스펜싱 시스템(212)을 포함한다. 각각의 개별 공급원(110)으로부터의 압출 재료는 시스템(100')의 작동 중에 가열기에 연결된 매니폴드 내의 열가소성 재료의 압력을 미리 결정된 범위 내에서 유지하는 속도로 대응하는 가열기(208)에 공급된다. 디스펜싱 시스템(212)은 압출기(108)의 각 매니폴드 내의 열가소성 재료의 압력을 조절하기에 적합한 일 실시 예이다. 도 2의 실시 예(100")에서, 복수의 압출 재료 디스펜싱 시스템(212)은 복수의 압출 재료 공급원(110)과 가열기(208 ')의 채널(232') 사이에 일대일 대응으로 작동 가능하게 연결된다. 또한, 양 실시 예에서, 제어기(128)는 디스펜싱 시스템(212)이 공급원(110)으로부터 공급원에 의해 공급되는 가열기로 압출 재료를 전달하는 속도를 제어하기 위해 각각의 디스펜싱 시스템(212)의 액추에이터에 작동 가능하게 연결된다. 도 2의 디스펜싱 시스템(212)은 도 1의 디스펜싱 시스템(212)으로 구성될 수 있다. 가열기들(208 및 208')은 구동 롤러(224)(도 1)를 통해 가열기(208)에 공급된 압출 재료(220)를 연화 또는 용융시킨다. 액추에이터(240)는 롤러(224)를 구동하고 액추에이터가 롤러(224)를 구동하는 속도를 제어기가 조절할 수 있도록 제어기(128)에 작동 가능하게 연결된다. 롤러(224) 반대쪽의 다른 롤러는 그것이 롤러(224)가 구동되는 회전 속도를 따르도록 프리 휠링(free-wheeling)이다. 도 1은 필라멘트(220)를 가열기(208 또는 208')로 이동시키는 기계식 이전기로서 전기 기계식 액추에이터 및 드라이버 롤러(224)를 사용하는 공급 시스템을 도시하지만, 디스펜싱 시스템(212)의 대안적인 실시 예들은 하나 이상의 액추에이터를 사용하여 기계식 이전기를 회전 오거(auger) 또는 나사 형태로 작동시킨다. 오거 또는 나사는 압출 재료 분말 또는 펠릿 형태의 공급원(110)으로부터 고상 압출 재료를 가열기(208 또는 208')로 이동시킨다.
도 1 및 도 2의 실시 예들에서, 각각의 가열기는 제어기(128)에 작동 가능하게 연결되는 전기 저항성 발열체들과 같은 하나 이상의 발열체(228)를 포함하는 스테인레스 스틸로 형성된 몸체를 갖는다. 제어기(128)는 가열기(208 또는 208') 내의 채널 또는 채널들 내의 압출 재료(220)의 필라멘트를 연화 또는 용융시키기 위해 발열체들(228)을 선택적으로 전류에 연결하도록 구성된다. 도 1 및 도 2는 고체 필라멘트(220)로서 고상으로 압출 재료를 수용하는 가열기(208) 및 가열기(208')를 도시하지만, 대안적인 실시 예들에서는, 가열기들이 고상의 압출 재료를 분말 또는 펠릿화된 압출 재료로서 수용한다. 냉각 핀들(cooling fins)(236)은 가열기로부터 상류 채널들의 열을 감소시킨다. 냉각 핀들(236)에서 또는 그 부근의 채널에서 고체로 남아있는 압출 재료의 일부분은 열가소성 재료가 매니폴드(216)에 대한 연결이 아니라 임의의 개구로부터 가열기를 빠져 나가는 것을 방지하는 채널에서의 밀봉부를 형성하며, 이는 압출 재료가 매니폴드로 들어갈 때 그것을 열가소성 상태로 유지하는 온도를 유지시킨다. 압출기(108)는 또한 압출기 내의 각 매니폴드 내의 열가소성 재료에 대해 상승된 온도를 유지하기 위한 추가 발열체를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 단열재는 압출기 내의 매니폴드들 내의 온도를 유지하기 위해 압출기(108)의 외부 부분들을 덮는다. 다시, 도 2의 노즐들 주위 영역들은 재료를 열가소성 상태로 유지하는 온도로 유지되므로 그것은 면판의 구멍들로 이동하면서 응고되기 시작하지 않는다.
매니폴드들(216) 내의 열가소성 재료의 유체 압력을 미리 결정된 범위 내에서 유지하고, 압출 재료에 대한 손상을 회피하며, 노즐들을 통한 압출 속도를 제어하기 위해, 슬립 클러치(244)가 공급원(110)으로부터 가열기로 필라멘트를 공급하는 각 액추에이터(240)의 구동 샤프트에 작동 가능하게 연결된다. 본 문서에서 사용될 때, "슬립 클러치"라는 용어는 물체를 미리 결정된 설정점까지 이동시키기 위해 물체에 마찰력을 가하는 디바이스를 나타낸다. 마찰력에 대한 미리 결정된 설정점에 대한 범위를 초과할 때, 디바이스는 마찰력을 물체에 더 이상 가하지 않도록 미끄러진다. 슬립 클러치는 롤러(224)에 의해 필라멘트(220) 상에 가해지는 힘이 얼마나 자주, 얼마나 빠르게 또는 얼마나 오래 액추에이터(240)가 구동되든 필라멘트의 강도에 대한 제약 내에서 유지될 수 있게 한다. 이러한 일정한 힘은 필라멘트 구동 롤러(224)의 가장 빠른 예상 회전 속도보다 높은 속도로 액추에이터(240)를 구동함으로써 또는 롤러(224) 상에 엔코더 휠(248)을 놓고 센서(252)로 회전 속도를 감지함으로써 유지될 수 있다. 센서(252)에 의해 생성된 신호는 롤러(224)의 각 회전을 지시하고 제어기(128)는 롤러(224)의 속도를 확인하기 위해 이 신호를 수신한다. 제어기(128)는 또한 액추에이터의 속도를 제어하기 위해 액추에이터(240)에 제공된 신호를 조정하도록 구성된다. 제어기가 액추에이터(240)의 속도를 제어하도록 구성될 때, 제어기(128)는 그것의 평균 속도가 롤러(224)의 회전보다 약간 더 빠르도록 액추에이터(240)를 작동시킨다. 이러한 작동은 구동 롤러(224) 상의 토크가 항상 슬립 클러치 토크의 함수임을 보장한다.
제어기(128)는 롤러(224)의 회전 속도에 대해 액추에이터 출력 샤프트의 약간 더 높은 속도를 확인하는 제어기에 연결된 메모리에 저장된 설정점을 갖는다. 본 문서에서 사용될 때, "설정점"이라는 용어는 제어기가 설정점에 대응하는 파라미터를 설정점에 대해 미리 정해진 범위 내에서 유지하기 위해 구성요소들을 작동시키는 데 사용하는 파라미터 값을 의미한다. 예를 들어, 제어기(128)는 출력 신호에 의해 확인되는 속도로 출력 샤프트를 설정점에 대해 미리 정해진 범위에서 회전시키도록 액추에이터(240)를 작동시키는 신호를 변경한다. 액추에이터에 대해 명령된 속도에 추가하여, 밸브 어셈블리(204)에서 개폐되는 밸브들의 수 및 클러치에 대한 토크 설정점도 필라멘트 구동 시스템(212) 작동에 영향을 미친다. 결과적인 롤러(224)의 회전 속도는 센서(252)에 의해 생성된 신호에 의해 확인된다. 제어기(128) 내의 비례-적분-미분(PID) 제어기는 메모리에 저장된 차동 설정점을 참조하여 이 신호로부터의 오차를 확인하고 제어기에 의해 출력된 신호를 조정하여 액추에이터(240)를 작동시킨다. 대안적으로, 제어기(128)는 슬립 클러치에 대한 토크 레벨을 변경할 수 있거나 제어기(128)는 토크 레벨을 변경하고 제어기가 액추에이터를 작동시키는 신호를 조정할 수 있다.
슬립 클러치(244)는 고정 또는 조정 가능한 토크 마찰 디스크 클러치, 자기 입자 클러치, 자기 히스테리시스 클러치, 페로-유체 클러치, 공기 압력 클러치 또는 영구 자석 클러치일 수 있다. 자기적으로 작동하는 클러치 유형들은 클러치들에 전압을 인가함으로써 조정되는 그것들의 토크 설정점들을 가질 수 있다. 이러한 특징은 클러치 상의 토크 설정점이 인쇄 상태들을 참조하여 변경될 수 있게 한다. "인쇄 상태들(print conditions)"이란 용어는 물체를 적절히 형성하기 위해 매니폴드에 필요한 열가소성 재료의 양에 영향을 미치는 현재 진행 중인 제조 작업의 파라미터들을 나타낸다. 이러한 인쇄 상태들은 압출기에 공급되는 압출 재료의 유형, 압출기로부터 방출되는 열가소성 재료의 온도, 압출기가 X-Y 평면에서 이동되는 속도, 목적물 상에 형성되는 형상의 위치, 압출기가 플랫폼에 대한 이동되는 각도 등을 포함한다.
도 1 및 도 2에 도시된 실시 예들에서, 제어기(128)는 X/Y 액추에이터(150)에 하나 이상의 신호를 전송하여 압출기(108)가 플랫폼(102) 위로 이동되는 속도를 조절하도록 구성된다. 제어기(128)는 압출기(108)가 이동될 경로의 각도 및 압출기 면판이 그 경로를 따라 이동할 때의 배향을 참조하여 압출기(108)의 속도를 조절하도록 구성된다. 압출기(108)가 압출하는 동안 0°-180° 축 또는 90°-270° 축을 따라 어느 하나의 방향으로 이동되고 압출기 면판이 도 7에 도시된 바와 같이 배향될 때, 제어기(128)는 열가소성 재료의 압출을 위해 개방된 노즐들의 수를 기준으로 압출기를 공칭 속도로 이동시킨다. 압출기 면은 이론적으로 모든 개방된 노즐이 모든 모션 경로를 따라 인접한 스와스에 기여하도록 배향될 수 있지만, 실질적인 고려 사항은 그러한 배향을 막을 수 있다. 물체 이미지 데이터 및 압출기 경로 데이터가 압출기 면판에 대한 배향 및 인접한 스와스를 형성하기위한 압출기의 기능을 방해하는 플랫폼에 대한 그것의 모션 경로를 필요로 할 때, 제어기는 이 간섭을 해결하기 위해 압출기가 플랫폼에 관한 그러한 모션 경로를 따라 이동되는 속도를 줄일 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 7에 도시된 면판의 노즐들에 의해 생성되는 스와스 형성 라인들 사이에 생성되는 갭들은 압출기 면판이 도시된 바와 같이 배향되고 압출기 모션 각도가 18°, 108°, 198° 및 288° 경로들 중 하나를 따를 때 최대이다. 도 3은 면판의 노즐들이 도 7의 노즐 배열의 거울 이미지인 압출기 헤드의 동작을 도시한다. 압출기 헤드의 이러한 유형이 72°, 162°, 252° 및 342° 중 하나를 따라 이동될 때, 노즐 어레이의 로우들 및 컬럼들은 서로 직교하고 노즐들은 모든 9개의 노즐이 열려 있을 때 세 개의 별개의 라인을 갖는 스와스를 생성한다. 도 3은 상기한 압출기에 대한 162°-342° 경로를 따라 어느 한 방향의 속도 조절의 효과를 나타낸다. 베이스(304)는 도 7에 도시된 바와 같이 배향되고 이동되는 9-노즐 면판을 갖는 압출기를 사용하여 0°-180°로 인쇄되었다. 대각 스와스들은 세 개의 노즐의 그룹들이 일치하게 정렬되는 162°-342° 경로를 따라 베이스(304) 상에 인쇄된다. 대각 스와스들은 압출기가 162° 경로를 따라 이동함에 따라 스와스들(308, 316 및 324)이 인쇄되고 압출기가 342° 경로를 따라 이동함에 따라 스와스들(312, 320 및 328)이 인쇄되어 308, 312, 316, 320, 324 및 328의 순서로 인쇄된다. 즉, 압출기(108)는도 7의 두 개의 중간 면판에 의해 도시된 바와 같이 배향되고 그것이 어떤 재료도 압출하지 않고 90°로 병진될 경우 그것이 정지 위치로 이를 때까지 162° 경로를 따라 이동된 다음 쌍의 스와스를 형성하기 위한 위치에 이르기 위해 그것이 어떤 재료도 압출하지 않고 90°로 병진될 경우 그것이 다른 정지 위치로 이를 때까지 342° 경로를 따라 복귀된다. 스와스(308 및 312)는 9개의 개방 노즐로 형성되었고, 스와스들(316 및 320)은 6개의 개방 노즐로 형성되었으며, 스와스들(324 및 328)은 세 개의 개방 노즐로 형성된다. 각 대각 스와스는 압출기가 스와스의 왼쪽 부분에서 공칭 속도의 1/3, 스와스의 중앙 부분에서 공칭 속도의 2/3, 스와스의 오른쪽 부분에서 공칭 속도로 이동하여 인쇄된다. 이 예에서의 공칭 속도는 4000mm/min이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상술한 바와 같이 배향된 압출기를 공칭 속도에서 162°-342° 경로를 따르는 이동은 개방 노즐들로부터 방출된 압출된 열가소성 재료의 라인들이 갭들을 채우기에 그리고 교차 공정 방향에서 인접합 스위스를 만들기에 충분히 퍼질 수 있게 하지 않는다. 갭의 크기는 열린 노즐들의 수와 압출기의 속도에 따른다. 각 스와스마다 속도가 감소함에 따라, 압출된 재료의 양과 열가소성 재료의 퍼진 정도는 스와스들의 중앙과 왼쪽 부분들에서 볼 수 있는 바와 같이 증가된다. 도면에 도시된 바와 같이, 162° 경로를 따라 압출기를 이동시킴으로써 형성된 스와스들은 342° 경로를 따라 압출기를 이동시킴으로써 형성된 스와스들과 퍼진 재료의 양이 상이하다. 이러한 차이는 부분적으로 인쇄 순서 그리고 부분적으로 압출기의 오정렬때문일 수 있다. 이 효과는 이동 중인 압출기의 속도를 변경함으로써 어느 정도의 압출기 오정렬을 보상할 수 있음을 나타낸다. 오정렬을 보상하기 위해, 프린터 캘리브레이션 동안 오정렬 파라미터가 결정되고, 그러한 파라미터는 제어기(128)에 작동 가능하게 연결된 메모리에 저장된다. 물체 인쇄 중에, 제어기(128)는 오정렬 파라미터를 참조하여 압출기에 대한 속도를 조정한다. 도 3은 또한 스와스의 폭이 압출기 움직임의 각도와 반드시 독립적인 것은 아니라는 것을 나타낸다. 도면에 도시된 각도의 경우, 스와스의 폭은 이상적으로 회전 각도 + 단일 노즐 폭의 3배에 해당하는 노즐들의 컬럼 간 각격의 3배이다. 회전 각도에서의 간격 폭은 0.865mm이다. 따라서, 도 3에서 스와스들을 형성하기 위해 사용된 회전된 각도에서의 9-노즐 구성에 대해, 스와스의 폭은 대략 3.8mm인 1.265 Х 3이다.
도 4에서, 도 3에 관하여 상술된 바와 같이 배열된 노즐 어레이를 갖는 압출기와 동일한 수의 노즐을 이용하여 162-342° 경로를 따라 다른 일련의 스와스(408, 412, 416, 420, 424 및 428)가 인쇄되었다. 스와스들(408 및 412)은 공칭 속도의 2/3으로 인쇄되고, 스와스들(416 및 420)은 1/2 공칭 속도로 인쇄되며, 스와스들(424 및 428)은 1/3 공칭 속도로 인쇄된다. 다양한 경로 상의 열린 노즐들의 수는 도 3에 관하여 상술한 바와 같이 유지된다. 따라서 각 스와스의 모든 부분은 공칭 속도보다 낮은 속도로 형성되었다. 도 3에서 공칭 속도로 생성된 스프레드들보다 큰 결과적인 스프레드들은, 스와스 내의 라인들 사이에 가장 큰 갭들을 생성하는 각도들에서도, 압출기 속도의 조절이 노즐들의 비 최적 배치를 보상할 수 있고 갭 폭에 관계없이, 압출기 속도는 여러 패스를 사용하여 영역을 인쇄할 필요없이 교차 공정 방향에서 인접한 스와스들을 유지하는 레벨로 감소될 수 있음을 나타낸다. 도 4는 또한 인쇄 방향과 정렬된 개방 노즐들의 수를 증가시킴으로써 라인들 사이의 갭들이 감소될 수 있음을 도시한다. 경험적 실험은 특정 면판 구성에 대해 노즐들을 정렬하는 모든 압출기 모션 각도에 대해 최적 속도들을 설정하는 데 사용된다. 다른 압출기 모션 각도들은 압출기가 공정 방향으로 이동할 때 노즐들 간 간격의 투영에 의존하는 이러한 각도들보다 속도 감소가 덜 필요하다.
도 3 및 도 4에 도시된 결과들은 공칭 압출기 움직임 속도에 관계없이, 더 느린 움직임 속도가 면판의 노즐들을 통해 더 큰 흐름을 가능하게 한다는 것을 보여준다. 공칭 압출기 속도에서 노즐들을 통과하는 흐름은 바람직한 압출기 면판 배향 및 0°, 90°, 180° 및 270°의 움직임 각도들에 대해 설정된 노즐들의 압력을 유지함으로써 가능하게 된다. 이러한 압력은 교차 공정 방향에서 동일한 인접 스와스 폭을 얻기 위해 이러한 움직임 각도들에서 더 빠른 압출기 움직임 속도들에 대해 더 높아야 하고 이러한 움직임 각도들에서 더 낮은 압출기 움직임 속도들에 대해 더 낮아야 한다. 이러한 효과를 달성하기 위해, 충분한 필라멘트가 가열기 내로 공급되어 이러한 각도들에서 적절한 미리 결정된 압력을 유지한다. 압출기가 다수의 노즐이 정렬되는 각도들, 이를테면 도 3 및 도 4에서 스와스들을 형성하기 위해 사용되는 압출기에 대해 72°의 경로들을 따라 배향되고 이동될 때, 필요한 양의 필라멘트를 공급하고 그러한 양의 필라멘트를 압출하기 위해 경험적으로 결정된 속도로 이동시킴으로써 필요한 더 높은 압력이 유지된다. 따라서, 압출기 내의 열가소성 재료 압력과 압출기로부터 압출되는 열가소성 재료의 양 사이에 균형이 유지된다. 압출기의 가열기로 공급되는 필라멘트의 양과 일치하도록 압출기의 속도가 조절되면, 압출된 재료의 양도 압력/압출된 양의 평형을 유지하도록 조정된다.
도 5는 압출기 움직임의 각도를 참조하여 압출기 움직임의 속도를 조정하는 프린터의 동작을 위한 프로세스(500)의 블록도를 도시한다. 이하의 논의에서, 기능 또는 동작을 수행하는 프로세스(500)에 대한 언급은 프린터의 다른 구성요소들과 관련하여 기능 또는 동작을 수행하도록 저장된 프로그램 명령을 실행하기 위한제어기(128)와 같은 제어기의 동작을 나타낸다. 프로세스(500)는 예시적인 목적들을 위해 도 1의 프린터(100') 및 도 2의 프린터(100'')와 관련하여 설명된다.
프로세스(500)는 제어기가 만들어지는 물체의 층의 스와스에 대한 물체 이미지 데이터를 검색하는 것으로 시작한다(블록 504). 제어기는 압출기와 플랫폼 간 움직임의 상대 경로뿐만 아니라 압출기의 움직임 중에 개방될 노즐들의 수를 확인한다(블록 508). 식별된 움직임의 상대 경로에는 압출기 면판이 경로를 따라 이동할 때의 배향을 확인하는 것이 포함된다. 그 다음 프로세스는 상대 경로에 대한 각도를 참조하여 압출기와 플랫폼 간 상대적 움직임에 대한 속도를 확인한다(블록 512). 그 다음 제어기는 열린 노즐들에 대한 매니폴드들에 연결된 가열기 채널들에 필라멘트를 공급하는 압출 재료 필라멘트 공급원들에 대한 필라멘트 이전기들을 작동시키고, X/Y 액추에이터들을 작동시켜 확인된 속도를 참조하여 압출기에 대한 상대 경로를 따라 압출기를 이동시키며, 확인된 노즐을 개방하도록 밸브 어셈블리를 작동시킨다(블록 520). 스와스가 형성되는 동안(블록 524), 제어기는 이러한 구성요소들을 계속해서 작동시킨다(블록 520). 스와스가 완료되면(블록 524), 프로세스는 층이 완료되었는지 여부를 결정하고(블록 528), 완료되지 않은 경우, 층의 다음 스와스에 대한 물체 이미지 데이터를 검색한다(블록 504). 그렇지 않으면, 프로세스는 물체의 최종 층이 형성되었는지 여부를 결정하고(블록 532), 형성된 경우, 프로세스를 정지한다. 그렇지 않으면, 프로세스는 Z축을 따라 플랫폼에 대한 압출기의 위치를 조정하고 다음 층의 인쇄가 발생할 수 있도록(블록 504 내지 528) 다음 층에 대한 물체 이미지 데이터를 검색한다(블록 536).

Claims (9)

  1. 제조 중에 물체를 지지하도록 구성된 플랫폼;
    복수의 노즐을 갖는 압출기;
    상기 압출기 및 상기 플랫폼 중 적어도 하나에 작동 가능하게 연결되는 적어도 하나의 액추에이터로서, 상기 압출기 및 상기 플랫폼 중 상기 적어도 하나를 상기 압출기 및 상기 플랫폼 중 다른 하나에 대하여 이동시키도록 구성되는, 상기 적어도 하나의 액추에이터; 및
    상기 압출기 및 상기 적어도 하나의 액추에이터에 작동 가능하게 연결되는 제어기를 포함하되, 상기 제어기는:
    상기 압출기와 상기 플랫폼 간 상대적 움직임의 경로를 따라 열가소성 재료의 스와스(swath)를 형성하기 위해 물체 이미지 데이터 및 압출기 경로 데이터를 기준으로 상기 압출기의 상기 노즐들 중 적어도 두 개의 노즐을 통해 열가소성 재료의 스와스를 압출하게끔 상기 압출기를 작동시키도록; 그리고
    미리 결정된 속도로 상기 상대적 움직임의 경로를 따라 상기 압출기 및 상기 플랫폼 중 상기 적어도 하나를 이동시키게끔 상기 적어도 하나의 액추에이터를 작동하도록 구성되며, 상기 제어기는 상기 열가소성 재료의 상기 스와스를 교차 공정 방향에서 인접하게 만들기 위해 상기 압출기의 면판의 배향 및 상기 압출기와 상기 플랫폼 간 상기 상대적 움직임의 경로에 대한 각도를 기준으로 상기 미리 결정된 속도를 선택하는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 미리 결정된 속도는 상기 압출기의 공칭 속도 미만인, 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 미리 결정된 속도는 상기 압출기 면판의 상기 배향 및 상기 상대적 움직임의 경로가 상기 면판에서의 상기 노즐들을 직교하는 컬럼들 및 로우들을 갖는 어레이로 배열시키는 각도인 것에 반응하여 상기 압출기의 상기 공칭 속도의 1/2인, 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제어기는 또한:
    상기 압출기가 상기 공칭 속도로 이동할 때 상기 압출기 움직임 경로의 상기 각도가 적어도 두 개의 상이한 노즐로부터 압출된 상기 열가소성 재료 사이에 갭들을 생성하는 것에 반응하여 상기 압출기 움직임에 대한 상기 미리 결정된 속도를 선택하도록 구성되는, 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제어기는 또한:
    상기 열가소성 재료를 압출할 상기 압출기의 다수의 노즐을 선택하도록 구성되되, 선택된 상기 노즐들의 수는 상기 복수의 노즐에서 적어도 두 개의 노즐에서 모든 노즐까지이고;
    선택된 상기 노즐들의 수를 기준으로 상기 미리 결정된 속도를 조정하도록 구성되는, 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어기는 또한:
    상기 압출기에 대한 오정렬 파라미터를 참조하여 상기 상대적 움직임의 경로를 따르는 상기 압출기의 움직임에 대한 상기 미리 결정된 속도를 조정하도록 구성되는, 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어기는 또한:
    상기 물체의 내부 내에 또는 상기 물체의 상기 외부 상에 배치되는 상기 열가소성 재료의 스와스를 기준으로 상기 압출기와 상기 플랫폼 간 상기 상대적 움직임의 경로에 대한 상기 각도를 선택하도록 구성되는, 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제어기는 또한:
    상기 스와스가 상기 물체의 상기 내부에 배치되는 것에 반응하여 상기 압출기와 상기 플랫폼 간 상기 상대적 움직임의 경로에 대한 0°-180° 축 또는 90°-270° 축을 선택하도록 구성되는, 장치.
  9. 제 2 항에 있어서,
    복수의 압출 재료 공급원;
    복수의 채널을 갖는 가열기로서, 상기 가열기의 각 채널은 상기 복수의 채널과 상기 복수의 압출 재료 공급원 간 일대일 대응으로 상기 복수의 압출 재료 공급원에서 단지 하나의 압출 재료 공급원에 작동 가능하게 연결되고 상기 가열기의 각 채널은 상기 복수의 채널과 상기 압출기의 복수의 매니폴드 간 일대일 대응으로 상기 압출기의 단지 하나의 매니폴드에 작동 가능하게 연결되어 각 채널에 의해 생성되는 열가소성 재료가 상기 채널이 작동 가능하게 연결된 상기 매니폴드로 들어갈 수 있게 되는, 상기 가열기;
    복수의 기계식 이전기로서, 각 기계식 이전기는 상기 압출 재료 공급원들 중 하나로부터의 압출 재료를 상기 가열기의 상기 채널들 중 대응하는 하나의 채널로 이동시키도록 구성되고, 각 기계식 이전기는 또한 상기 압출 재료가 상기 가열기의 대응하는 상기 하나의 채널로 공급되는 속도를 독립적으로 제어하도록 구성되는, 상기 복수의 기계식 이전기를 더 포함하며;
    상기 제어기는 또한:
    선택된 상기 노즐들 중 하나에 대응하는 각 기계식 이전기를 작동시켜 압출 재료를 상대적인 압출기 움직임의 상기 미리 결정된 속도를 기준으로 대응하는 상기 매니폴드 내 미리 결정된 압력을 유지하는 미리 결정된 속도로 상기 가열기의 대응하는 상기 채널로 이동시키도록 구성되는, 장치.
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