KR20190113844A - 회전 구성 요소와 개선된 광원을 이용하는 3d 프린팅 - Google Patents

회전 구성 요소와 개선된 광원을 이용하는 3d 프린팅 Download PDF

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KR20190113844A
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커트 더들리
제임스 테르시니
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오렌지 메이커 엘엘씨
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Abstract

단일의 콤팩트한 디바이스를 이용하면서 종래의 비효율성을 해결하는 효율적인 3D 프린팅을 위한 방법, 디바이스 및 시스템이 설명된다. 일부 실시예는 연속적인 헬리컬 프린팅 프로세스를 이용하여 단일의 중심 지점 주위에서 대칭적으로 회전하는 원형 형상의 빌드 영역을 이용한다. 일부 실시예에서, 수직 캐비티 표면 발광 레이저(vertical-cavity surface-emitting lasers: VCSEL)는 프린트 재료를 경화시키기 위한 에너지 소스로서 이용된다. VCSEL은 프린트 헤드와 통합될 수 있고, 엇갈린 또는 선형일 수 있는 어레이를 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, VCSEL(및 대응하는 프린트 헤드)은 회전 빌드 영역에 독립적으로 회전할 수 있는 회전 플랫폼에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 열전 냉각기 및/또는 유체 냉각기가 VCSELS에 냉각을 제공할 수 있다.

Description

회전 구성 요소와 개선된 광원을 이용하는 3D 프린팅
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 가출원 제62/448,905호의 우선권을 주장한다. 본 출원은 또한 2013년 3월 12일 출원된 미국 가출원 제61/778,285호의 이익을 주장하는, 2014년 3월 12일 출원된 미국 특허 출원 제14/207,353호(현재, 미국 특허 제9,321,215호)의 분할 출원인, 2016년 4월 1일 출원된 미국 특허 출원 제15/088,365호의 일부 계속 출원이다. 이들 출원의 각각은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있다.
발명의 분야
폴리머 재료, 생물학적 재료 또는 금속 재료와 같은 광범위한 매체로부터 3차원(3D) 오브젝트(object)를 형성하기 위한 방법, 절차 및 디바이스가 본 명세서에 설명된다. 방법, 절차 및 디바이스는 종래의 스테레오리소그래피 기술, 광경화 기술 또는 다른 3D 오브젝트 형성 기술에 비해 개선을 구성하는 방식으로, 중합, 가교, 경화, 소결, 용융 또는 고화 및 유사한 기술을 이용하여 원하는 3차원(3D) 구조체를 생성하도록 프로그래밍된다.
최근에, 3D 프린팅은 예로서 프로토타이핑(prototyping) 및 제조를 위해, 3D 오브젝트를 정확하게 형성하기 위한 효과적인 기술인 것으로 입증되었다. 그 가장 일반적인 의미에서, 3D 프린팅은 통상적으로 3D 스캐너 및/또는 컴퓨터 소프트웨어를 이용하여 원하는 오브젝트의 이미지 맵을 생성한다. 그 이미지 맵은 이어서 그리드형 구조로 변환되어 제조 디바이스가 적층 프로세스(additive process)를 통해 플라스틱, 폴리머, 생체 재료 또는 수지와 같은 유동성 재료를 퇴적시킬 수 있게 되는데, 이 유동성 재료는 동시에 고화되어 3D 오브젝트를 생성한다. 고유한 장점을 제공하고 또한 각각 그 고유의 단점을 갖는 다양한 기존의 3D 프린팅 방법론이 있다.
하나의 이러한 방법론은 찰스 더블유. 헐(Charles W. Hull)에 의해 개발된 것으로 인정되고 있고, 예를 들어 미국 특허 제4,575,330호에 설명되어 있는 스테레오리소그래피이다. 스테레오리소그래피는 고체층을 형성하기 위해 원하는 3차원 오브젝트의 연속적인 슬라이스(slice)를 표현하는 단면 데이터에 따라, 이전에 형성된 매체의 층에 인접한 유체형 매체의 층의 연속적인 선형 형성 및 이들 층의 선택적 고화에 기초하여 3차원 오브젝트를 생성하는 것을 목표로 한다. 스테레오리소그래피 기술은 통상적으로 선택적으로 고화되는 포토폴리머 또는 용융된 열가소성 물질인 액체 매체를 이용한다. 열가소성 물질은 저온에 대한 노출에 의해 고화되고, 포토폴리머는 이를 일반적으로 UV 또는 가시 파장의 방사선에 노광하여 폴리머를 가교하거나 경화하게 함으로써 고화된다. 이 방사선을 광경화성 재료로 지향하기 위한 통상적인 방법은 모터 제어형 스캐닝 미러, 마스크 시스템 또는 레이저를 포함하는데, 여기서 최소 물리적 해상도는 레이저 빔의 크기이거나, 또는 마스크 내에서 픽셀의 크기이다.
포토폴리머 기반 수지를 고화하는 스테레오리소그래피 기반 기계는 통상적으로 물리적 갠트리 시스템을 이용하여 X-Y 평면에서 스캐닝되거나 또는 그렇지 않으면 갈바노미터 또는 회전 다각형 미러와 같이 전기기계적으로 구동되는 고도의 반사 표면에 의해 지향되는 단일의 포커싱된 레이저 지점을 이용한다. 이로 인해, 프린트 속도는 층 밀도와 층 체적에 반비례한다.
포토폴리머를 고화하기 위해 "단일 지점" 유형의 스테레오리소그래피를 이용하는 방법은 레이저를 이용하는 것을 포함하고, 제어 가능한 미러 구성은 헐의 미국 특허 제4,575,330호에 설명되어 있다. 이 프로세스는 광경화성 재료의 통(vat) 내에 빌드 플랫폼(build-platform)을 점증적으로 잠수시키는 것을 이용하고, 여기서 빌드 플랫폼을 커버하는 재료의 층은 재료의 표면을 따라 x/y 평면에서 방사선을 지향시키는 2개의 제어 가능한 미러를 이용하여 레이저로부터 타겟화된 방사선을 통해 고화된다. 오브젝트를 표현하는 가상의 3차원 모델의 슬라이스의 단면 비트맵 이미지로 표현된 단면 데이터에 대응하여 소정 영역이 선택적으로 고화된다. 광경화성 재료를 고화시키기 위해 액체 표면 위에서 라인을 추적한다. 프로세스는 다음의 원하는 층 높이에 관련되는 양만큼 빌드 플랫폼을 재료의 통 내로 하강함으로써 다수회 반복된다. 새로운 재료가 구성 영역 위에 퇴적된 후에, 고화의 프로세스는 개별 적층된 층을 형성하여 3차원 오브젝트를 형성하기 위해 반복된다.
"평면 노광"형 스테레오리소그래피를 이용하는 다른 방법은 스테레오리소그래피 프로세스에 대한 디지털 마이크로미러 디바이스(Digital Micromirror Device: DMD) 기반 변형예의 이용이다. DMD 어레이는 층을 생성하기 위해 스캐닝되어야 하는 단일 지점이 아니라 한 번에 포커싱된 광의 전체 평면을 노광하고 지향할 수 있기 때문에, 이들 변형예는 프린트 속도의 상당한 개선을 제공하고 주어진 층 체적에 대해 층 밀도에 독립적인 일정한 빌드 시간(build time)을 생성한다. 통상적인 720×480 DMD 어레이는 복셀(voxel)이라고 또한 알려져 있는 345,600개의 고화된 개별 수지의 "포켓"을 단일층 노광에서 한 번에 노광할 수 있다. 통상적인 층 노광 시간은 다양한 인자에 따라 0.2 내지 10 초 이상의 범위일 수 있다. DMD 기반 프로세스는 작은 프린트 크기에 매우 양호하게 작용할 수 있지만, 일단 임계 층 영역을 초과하면, 층 박리 메커니즘에 의해 생성된 흡입력으로 인해 3D 오브젝트의 축적을 억제할 것이다.
상기 프로세스에는 몇 가지 제한이 있다. 예를 들어, 해상도는 레이저의 포커싱 가능한 지점 크기에 비례하고, 해상도를 증가시키도록 요구되면, 더 작은 지점 크기가 이용되어야 한다. 이는 주어진 영역에서 추적될 총 라인의 수를 증가시키는 결과를 초래하여, 더 긴 구성 시간을 야기한다. 부가적으로, 재료의 통 내에 플랫폼을 잠수시키는 프로세스는 생성될 수 있는 오브젝트의 기능적 크기로 제한되며, 또한 3D 오브젝트를 구성하기 위해 많은 양의 광경화성 재료의 노광을 필요로 한다.
더욱이, 유체 표면에 방사선을 실시하는 상기 방법은 액체 표면으로의 교란으로부터 유발될 수 있는 에러 및 일관적인 층 높이와 관련하여 그 자체의 문제의 세트를 제기한다. 이들 교란은 진동의 내부 소스 및 외부 소스 모두로부터 발생할 수 있다. 층 높이, 및 이에 따른 오브젝트의 수직 해상도는 또한 이용되는 재료의 점도 및 표면 장력에 의존한다. 이는 주어진 범위의 재료로 얻을 수 있는 수직 해상도를 제한한다.
최근에, 통의 저부에 점착하는 새롭게 고화된 층으로부터 발생하는 부가의 표면 점착의 인자를 도입하는 반전 스테레오리소그래피 프로세스가 개발되었다. 이 점착력은 고화된 층의 크기의 함수로서 증가한다. 그러나, 구성 프로세스가 재개될 수 있기 전에, 점착력은 제거되어야 하고, 예를 들어 지레 작용(prying), 기울이기(tilting), 박리(peeling) 및 활주(sliding)의 이용을 통해, 재료의 다음의 부가의 층의 고화 전에 새로운 재료가 배치되게 하도록 빌드 플랫폼(build platform)이 상승되어야 한다.
점착력의 제거를 위한 이들 프로세스는 통, 빌드 플랫폼, 빌드 플랫폼용 상승 요소 및 프린팅된 오브젝트의 새롭게 고화된 기하학 구조를, 기계 및 기계 구성 요소의 사용 수명을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 구성되는 오브젝트의 변형 및 층간 박리를 유발하는 높은 응력 부하 하에 놓이게 한다. 대면적 고화에서 표면 점착을 감소시키는 방법은 유럽 특허 출원 EP 2419258 A2호에 설명되어 있는데, 여기서 단일층은 개별적으로 고화되고 분리되는 서브 구성 요소 이미지로 분해된다. 그러나, 이 방법은 구성 시간을 두 배로 늘리고 고화될 비지지 영역(unsupported area)의 양을 증가시킴으로써 유발된 층간 박리에 기인하는 제품 파괴의 가능성을 증가시킨다.
모든 신속 제조 시스템이 개선될 수 있는 공통 영역은 해상도의 증가, 구성 가능한 부품의 확장성의 향상, 중공 캐비티 및 돌출부와 같은 어려운 기하학 구조를 구성하는 능력의 증가, 주변 지지를 거의 갖지 않는 것들과 같은 작고 취약한 기하학 구조를 구성하고 보존하는 능력의 증가를 포함한다. 개별 층을 구성하는 시간과 총 구성 시간은, 그 각각이 주어진 오브젝트를 구성하는 데 얼마나 오래 소요될 것인지를 지시하는 그 자체의 고유 제한 인자의 세트를 가져야 하는 모든 시스템의 구성 프로세스의 효율에 관한 다른 중요한 인자이다. 따라서, 단일의 콤팩트한 디바이스를 이용하면서 이들 종래의 비효율성을 해결하는 효율적인 방법 및 디바이스가 요구된다. 부가적으로, 3D 프린터에 이용되는 종래의 광원은 그 자체의 한계를 갖고, 더 고속의 경화 시간을 허용하는 개선된 광원이 또한 바람직하다.
단일의 디바이스를 이용하여 현재 존재하는 3D 프린팅 시스템의 비효율 및 결함을 해결하는 효율적인 3D 프린팅을 위한 방법, 디바이스 및 시스템이 여기에 설명된다. 설명의 용이성을 위해 그리고 효율적인 명명법을 제공하기 위해, 본 발명의 특징들을 설명하고 포함하는 새로운 기술, 절차 및 디바이스를 이용하는 3D 구조체의 형성은 헬리오리소그래피(heliolithography)라 칭한다. 헬리오리소그래피는 전통적인 프로토타이핑 기술과 연관된 전술된 고유 문제에 대한 해결책을 제공한다. 이는 완전히 자동화된 프로세스를 이용하여 짧은 시간에 3차원의 중실의 물리적 제품이 컴퓨터 구동 데이터로부터 직접 제조되고 매우 정확하고 높은 레벨의 상세로 재현되게 한다. 헬리오리소그래피의 특정 양태는 스테레오리소그래피와 유사하다. 헬리오리소그래피 기반 프로세스 및 스테레오리소그래피 기반 프로세스는 그 기본 재료로서 다양한 재료를 이용할 수 있고, 이들 재료는 정밀하게 지향되고 포커싱된 충분한 에너지 밀도의 화학선 광자 소스에 대한 노광 시에 포토폴리머의 자유 라디칼 중합과 같은 다양한 고화 기술을 통해 물리적 부분으로 고화된다. 그러나, 헬리오리소그래피 기반 프린팅 프로세스와 스테레오리소그래피 기반 프린팅 프로세스 사이에는 몇 가지 주요 차이점이 있다.
헬리오리소그래피는 전술된 "단일 점" 및 "평면 노광" 개념을 최대로 이용하여 나선형 축적에 의해 얇은 라인으로 포토폴리머 재료와 같은 빌딩 재료(building material)를 연속적으로 고화한다. 이들 라인이 빌드 영역에서, 예를 들어 단일 중심 지점을 중심으로 대칭적으로 회전하는 원형 빌드 영역에서, 반경으로서 배향될 때, 연속적인 프린팅 프로세스는 헬리컬 방식으로 수행될 수 있다. (고화된 재료가 물리적 오브젝트를 형성하기 위해 퇴적되는) 빌드 플랫폼은 일 실시예에서 매우 점진적인 방식으로 연속적으로 회전되고 동시에 상승되고, 반면 포토폴리머와 같은 고화될 재료는 투명한 플랫폼 상에서 얇은 라인으로 액체로서 퇴적된다. 플랫폼 아래의 위치로부터 전달된 포커싱된 화학선 방사선의 고정 라인은 액체 포토폴리머 내로 지향되어 이제 헬리컬 방식으로 인접한 이전에 퇴적된 재료 또는 동시에 퇴적된 재료에 퇴적되어 접합된 고화된 재료의 단일의 연속적인 "층"을 생성한다. 대안적으로, 헬리오그래피는 또한 포커싱된 방사선의 라인이 프로그래밍된 방식으로 아래에서 "스핀"하는 동안 회전 없이 빌드 플랫폼을 저속으로 상승시킴으로써 또한 구현될 수 있어, 액체 포토폴리머를 연속적으로 경화한다. 다른 실시예에서, 플랫폼은 주기적으로 또는 연속적으로 회전될 수 있고 동시에 화학선 광은 축적 및 경화 프로세스 중에 주기적으로 또는 연속적으로 재배치될 수 있다.
본 발명의 특징들을 포함하는 방법 및 시스템은 종래 기술에 의해 달성될 수 있는 것보다 더 고속의 더 경제적인 방식으로 큰 구조적 오브젝트를 프린팅하는 능력을 여전히 보존하면서 동시에 높은 구성 해상도를 갖는 문제를 해결하는 것을 추구한다. 이러한 시스템은 재료의 나선형 축적을 야기하는 회전 방식으로, 재료, 예를 들어 광경화성 재료를 퇴적하고 고화하기 위한 연속 방법을 이용할 수 있다.
본 발명의 특징들을 포함하는 장치의 일부 실시예에서, Z-축을 따라 제어될 수 있는 고도를 갖는 회전 빌드 플랫폼이 이용된다. 이 빌드 플랫폼은 적어도 하나의 재료 분배기, 예를 들어, 재료가 그로부터 유동하고 고화 중에 빌드 플랫폼에 맞대어 유지되는 적어도 하나의 투명 기판, 미사용 재료를 제거하기 위한 적어도 하나의 배출 시스템 및 미고화된 재료의 수집 및 제거 및 재순환을 위한 적어도 하나의 과잉 재료 스트리퍼를 포함하는 적어도 하나의 고화 영역 상으로 하강된다. 광중합 프로세스에서, 투명 기판 아래의 소스로부터 방출된 전자기 방사선은 기계 메모리 시스템에 저장된 3차원 오브젝트로부터 유도된 점 데이터와 일치하는 구체적으로 타겟화된 영역에서 광경화성 구성 재료 상에 지향된다.
포토폴리머의 사용 시에, 구성 재료 및 조사 소스 모두는 구성 재료의 거의 즉각적인 경화를 제공하도록 선택된다. 고화된 재료는 회전 빌드 플랫폼에 점착되어, 원하는 3차원 오브젝트와 외관이 실질적으로 유사한 오브젝트를 구성하기 위해 재료의 연속 나선 축적 또는 반연속 나선 축적을 야기한다. 본 발명의 특징들을 포함하는 이 프로세스를 이용하는 데 있어서, 구성 가능한 오브젝트의 수직 해상도는 재료의 연속적인 나선형 층의 층 높이 또는 층 피치 각도에 대응할 수 있고 투명 기판 상에 유지되는 광경화성 재료 위에 역 빌드 플랫폼이 현수되어 있는 상대 거리를 변경함으로써 제어될 수 있다.
일부 실시예에서, 수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL; vertical-cavity surface-emitting laser)가 고효율 광원으로서 이용된다. 이들 VCSEL은 프린트 헤드와 같은 재료 분배 구성 요소에 합체될 수 있고, VCSEL 어레이의 회전이 경화를 맞춤화할 수 있게 하기 위한 회전 구성 요소를 갖도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 열전 냉각기(TAC) 및/또는 유체 기반 냉각기는 냉각을 제공하기 위해 VCSEL과 함께 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 수직 배향으로 구조체를 3차원(3D) 프린팅하기 위한 디바이스는 구성 영역 및 재료 분배기 내에 유동성 빌드 재료를 갖는 재료 분배기를 포함할 수 있다. 재료 분배기는 유동성 재료를 구성 영역의 상부 표면의 노광 구역 상에 전달하도록 위치될 수 있다. 이 디바이스는 재료 분배기 상의 또는 재료 분배기에 인접한 하나 이상의 수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL) 칩을 또한 포함할 수 있고, VCSEL 칩은 노광 구역 상에 위치된 유동성 재료를 고화시키기 위해 방사선을 전달하도록 위치된다.
다른 실시예에서, 수직 배향으로 구조체를 3차원(3D) 프린팅하기 위한 디바이스는 구성 프레임, 재료 분배기 내에 유동성 빌드 재료를 갖는 재료 분배기, 및 구성 프레임 내에 수평으로 위치되고 그 사이에서 고화되는 3D 구조체의 역 빌드를 위해 구성된 구성 영역 및 개별 빌드 플랫폼을 포함할 수 있다. 빌드 플랫폼은 구성 프레임 내에서 수직으로 이동 가능하고 구성 프레임 내에서 회전하도록 구성될 수 있고, 재료 분배기는 유동성 재료를 구성 영역의 상부 표면의 노광 구역 상에 전달하도록 위치될 수 있다. 디바이스는 노광 구역에 위치된 유동성 재료를 선택적으로 고화시키기 위해 방사선을 전달하도록 위치된 하나 이상의 수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL) 칩을 또한 포함할 수 있고, 빌드 플랫폼은, 빌드 재료가 고화함에 따라 구성 영역의 상부 표면 상에 전달된 빌드 재료를 수용하고 보유하고 구성 프레임 내에서 수직으로 상향으로 이동하고 회전되도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 수직 배향으로 구조체를 3차원(3D) 프린팅하기 위한 디바이스는 구성 프레임, 재료 분배기 내에 유동성 빌드 재료를 갖는 재료 분배기, 및 구성 프레임 내에 수평으로 위치되고 그 사이에서 고화되는 3D 구조체의 역 빌드를 위해 구성된 구성 영역 및 개별 빌드 플랫폼을 포함할 수 있다. 빌드 플랫폼은 구성 프레임 내에서 수직으로 이동 가능하고 구성 프레임 내에서 회전하도록 구성될 수 있고, 재료 분배기는 유동성 재료를 구성 영역의 상부 표면의 노광 구역 상에 전달하도록 위치될 수 있다. 디바이스는 노광 구역에 위치된 유동성 재료를 고화시키기 위해 방사선을 전달하도록 위치된 하나 이상의 수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL) 칩을 또한 포함할 수 있고, 재료 분배기는 고정된 베이스에 관하여 회전하도록 구성된 회전 테이블 상에 있고, 빌드 플랫폼은, 구성 영역의 상부 표면 상에 전달된 빌드 재료를 수용하고 고화를 유지하고 구성 프레임 내에서 수직으로 상향으로 이동하고 회전되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 추가적인 실시예, 특징 및 장점은 첨부 도면과 함께 취한 이하의 상세한 설명에 기초하여 당 기술 분야의 숙련자에게 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터 디바이스의 분해 단면도이다.
도 2는 본 발명의 특징들을 포함하는 도 1의 3D 프린팅 디바이스의 정면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터 디바이스의 구성 요소의 분해 단면도이다.
도 4는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 이미징 구성 요소의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 z-축 엘리베이터 스테이지의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 특징을 포함하는 3D 프린터용 빌드 플랫폼 부착 플레이트의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터용 착탈식 빌드 플랫폼 인서트의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터용 착탈식 빌드 플랫폼 인서트의 저면도이다.
도 9는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터용 확장된 고화 영역/통의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 기재 저장 및 구성 영역의 부분적인 내부 사시도이다.
도 11은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 완전한 고화 영역의 사시도이다.
도 12a는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터 구성 요소의 빌드 챔버 플로어의 중심으로부터 방사하여 구성되고 있는 단일의 아이템을 도시하고 있다.
도 12b는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 빌드 챔버 플로어의 중심으로부터 방사하여 구성 중인 다수의 아이템을 도시하고 있다.
도 13a는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 단일의 구성 축적 영역을 이용하는 연속적인 나선형 층 구성의 측면도이다.
도 13b는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터의 다수의 구성 영역을 이용하는 연속적인 나선형 층 구성 축적의 측면도이다.
도 14는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터 구성 요소를 위한 방사선 소스의 사시도이다.
도 15는 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터를 위한 대안적인 방사선 소스의 사시도이다.
도 16은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터를 위한 다른 방사선 소스의 확대 사시도이다.
도 17은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터를 위한 제4 방사선 소스의 사시도이다.
도 18은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린터를 위한 제5 방사선 소스의 사시도이다.
도 19는 본 명세서에 도시되고 설명된 3D 프린터 디바이스를 이용하는 제품 축적에 대한 특정 실시예에 대한 프로세스 흐름도이다.
도 20은 본 명세서에 도시되고 설명된 3D 프린터 디바이스를 이용하는 제품 축적에 대한 특정 실시예에 대한 프로세스 흐름도이다.
도 21은 본 명세서에 도시되고 설명된 3D 프린터 디바이스를 이용하는 제품 축적에 대한 특정 실시예에 대한 프로세스 흐름도이다.
도 22는 프로세스에서 3D 구조체가 프린팅되고 있는, 도 1의 3D 프린터 디바이스의 측면도이다.
도 23a는 본 발명의 특징들을 포함하는 제1 VCSEL 칩 구성 실시예의 정면 단면도를 도시하고 있다.
도 23b는 본 발명의 특징들을 포함하는 제2 VCSEL 칩 구성 실시예의 정면 단면도를 도시하고 있다.
도 24a는 본 발명의 특징들을 포함하는 제3 VCSEL 칩 구성 실시예의 정면 단면도를 도시하고 있다.
도 24b는 본 발명의 특징들을 포함하는 제4 VCSEL 칩 구성 실시예의 정면 단면도를 도시하고 있다.
도 25는 본 발명의 특징들을 포함하는 통합된 VCSEL 어레이를 갖는 프린트 헤드의 실시예의 정면 사시도를 도시하고 있다.
도 26은 본 발명의 특징들을 포함하는 회전 가능 프린트 헤드 플랫폼 구조체의 실시예를 형성하기 위해 회전 구성 요소와 합체된 도 25의 프린트 헤드를 도시하고 있다.
도 27은 도 26의 회전 가능 프린트 헤드 플랫폼 구조체의 측면도를 도시하고 있다.
도 28은 본 발명의 특징들을 포함하는 VCSEL 기반 광원의 변형예의 평면 정면 사시도를 도시하고 있다.
도 29는 본 발명의 특징들을 포함하는 VCSEL 광원 프린팅 시스템에 대한 예시적인 작동 구성의 개략도를 도시하고 있다.
본 개시내용은 단일의 콤팩트한 디바이스를 이용하면서 종래의 비효율성 및 결점을 해결하는 효율적인 3D 프린팅을 위한 방법 및 디바이스를 설명한다. 이러한 방법 및 3D 제조 디바이스의 예시로서, 투명 기판 상에서의 광경화성 물질의 분배, 이러한 재료의 선택적 경화 및 고화 그리고 고화된 제품의 회수가 설명된다. 그러나, 당 기술 분야의 숙련자는, 본 명세서의 교시에 기초하여, 본 명세서에 설명된 장치 및 기술이 고화를 실행하는 데 적합한 조사 소스와 함께 포토폴리머의 이용에 한정되지 않으면서, 중실 3차원 오브젝트의 연속적인 형성을 위해 신속하게 고화될 수 있는 광범위한 유동성 재료에 즉시 적용 가능할 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
본 개시내용 전체에 걸쳐, 본 명세서의 바람직한 실시예 및 예시된 예는 본 개시내용의 범주에 대한 한정이 아니라 예시로서 제공된다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "발명", "방법", "시스템", "본 발명의 방법", "본 발명의 시스템" 또는 "본 발명"은 본 명세서에 설명된 본 발명의 특징들 및 임의의 등가물을 포함하는 실시예 중 임의의 하나를 지칭한다. 더욱이, 본 명세서 전체에서 "발명", "방법", "시스템", "본 발명의 방법", "본 발명의 시스템" 또는 "본 발명"의 다양한 특징(들)의 언급은 모든 청구된 실시예 또는 방법이 언급된 특징(들)을 포함해야 하는 것을 의미하는 것은 아니다.
요소 또는 특징이 다른 요소 또는 특징의 "위에" 또는 "인접하여" 있는 것으로 언급될 때, 이는 또한 존재할 수도 있는 다른 요소 또는 특징 또는 개재 요소 또는 특징 바로 위에 또는 인접하여 있을 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다. 더욱이, "외부", "위", "하부", "아래" 및 유사한 용어와 같은 상대적인 용어는 본 명세서에서 다른 특징에 대한 하나의 특징의 관계를 설명하기 위해 사용될 수도 있다. 이들 용어는 도면에 도시되어 있는 배향에 추가하여 상이한 배향을 포함하도록 의도된다는 것이 이해된다.
용어 제1, 제2 등은 본 명세서에서 다양한 요소 또는 구성 요소를 설명하기 위해 사용될 수도 있지만, 이들 요소 또는 구성 요소는 이들 용어에 의해 한정되지 않아야 한다. 이들 용어는 하나의 요소 또는 구성 요소를 다른 요소 또는 구성 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에 설명되는 제1 요소 또는 구성 요소는 본 발명의 교시로부터 벗어나지 않고 제2 요소 또는 구성 요소로 명명될 수 있다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "및/또는"은 연관된 리스트 아이템의 하나 이상의 임의의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 한정하도록 의도된 것은 아니다. 본 명세서에 사용될 때, 단수 형태는 문맥상 명백히 달리 지시되지 않으면, 복수 형태를 마찬가지로 포함하도록 의도된다. 예를 들어, 본 명세서가 "하나의" 방사선 소스 또는 "하나의" 재료를 언급할 때, 이 문구는 제1 예에서 단일의 소스 또는 복수의 방사선 소스 또는 방사선 소스의 어레이를 포함하고, 제2 예에서, 재료의 단일의 소스 또는 다수의 소스를 포함한다는 것이 이해된다. 용어 "포함한다", "포함하는", "구비한다" 및/또는 "구비하는"은 본 명세서에서 사용될 때, 언급된 특징, 완전체, 단계, 작동, 요소 및/또는 구성 요소의 존재를 상술하지만, 하나 이상의 다른 특징, 완전체, 단계, 작동, 요소, 구성 요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다는 것이 또한 이해될 수 있을 것이다.
"중실" 3D 구조체에 대한 언급은 중실이 되는 구성의 재료를 칭하고, 제조된 3D 제품이 반드시 중실 구조체일 필요는 없으며, 내부에 미충전된 공간 또는 중공 공간을 갖는 제품을 포함할 수도 있고, 또는 의도되면, 개방형, 다공성 또는 격자형 구조체이고 실제로는 액체 충전 재료 또는 비고체 충전 재료를 둘러싸는 공간을 포함할 수도 있다는 것이 또한 인식되어야 한다.
구성 절차를 설명하기 위해, 용어 "반전된" 또는 "반전된 빌드(inverted build)"는, 때때로 빌드 플랫폼 인서트(18)에 부착된 3D 구조체의 "베이스"라 칭하는 부분을 갖는 수평 조립된 빌드 구조체(16, 18) 아래에 현수된 3D 구조체를 빌드하는 방법 및 절차를 칭한다. 조립된 빌드 구조체(16, 18)는 도 22에 도시되어 있는 바와 같은 3D 구조체(780)를 프린팅할 때, 구성/고화 영역(20)으로부터 그 위로 수직으로 상승한다.
일부 실시예에서, 헬리오리소그래피 프로세스의 기본 필수 기능은 3D 모델 소프트웨어 파일의 이용을 통해 수행될 수 있는데, 이는 컴퓨터 지원 설계(computer assisted drawing: CAD)형 컴퓨터 프로그램을 이용하여 나선형 구조 또는 헬리컬 구조로 구분된 이미지 맵을 생성한다. 나선형 구조는 구성의 재료를 선택적으로 고화하기 위해 노광된 영역 상의 방사선의 제어 가능한 투영에 의해 고화될 의도된 프린팅된 오브젝트의 표면 영역을 따른 지점에 대응하는 분할된 이미지 또는 비트 데이터로 변환될 수 있다.
고화 방법은 자극에 응답하여 액체 상태 또는 유동성 상태로부터 고체로 변화하는 것이 가능한 임의의 빌드 재료를 이용할 수 있다. 예를 들어, 고화는 회전 빌드 플랫폼 상에 위치된 조사된 반응성 액체 포토폴리머 재료를 경화 또는 반응시키기에 적절한 물리적 특성을 갖는 방사 소스를 제공한 결과일 수 있다. 일부 실시예에서, 빌드 재료는 적어도 하나의 광개시제를 함유하는 포토폴리머 용액을 포함한다. 광개시제는 특정 파장에서 방사선을 흡수하여 국소 조사된 영역에서 신속한 중합을 유발하는 자유 라디칼을 생성한다. 사용될 수 있는 대표적인 화학물은 불포화 폴리에스테르, 스티렌-폴리엔, 티올-아크릴레이트, 및 메타크릴레이트-시클로지방족 에폭사이드를 포함할 수 있다. 대안적으로, 1차 폴리머의 가교를 유발하기 위해 제2 반응성 재료가 분배될 수 있다. 또한, 열가소성 물질은 가열되어 액화되고 이어서 급속 냉각하여 고화될 수 있다. 또 다른 대안으로서, 분말 금속 또는 열가소성 물질이 분배될 수 있고 열원 또는 레이저 빔의 사용에 의해 "스폿 용접"될 수 있다.
이러한 프로세스에 사용되는 광반응성 재료의 통상적인 제형은 하나 이상의 모노머(특정 원하는 특성 및 점착성을 제공하는 저중량의 분자), 올리고머(증가된 인장 강도, 강성 및 연신율과 같은 부가의 특성에 기여하는 중간 길이의 폴리머 체인), 광개시제[중합 프로세스를 개시하기 위해 자유 라디칼 생성을 트리거링(triggering)하는 감광성 재료], 및 충전제, 안료, 염료, 점착 촉진제, 내마모성 재료, UV 광 안정제 및 화학적 안정제와 같은 첨가제를 포함한다.
설명된 프로세스에 사용될 수 있는 포토폴리머 제형의 일 예는 1,6-헥산디올(HOCH2(CH2) 4CH2OH) 및 하나 이상의 광개시제를 갖는 폴리에틸렌 글리콜 디아크릴레이트(C3H3O). (C2H4O)n. (C3H3O2), 페닐비스(2,4,6-트리메틸벤조일)-포스핀옥사이드 [CH3) 3C6H2CO] 2P(O) C6H5 및 2 내지 8 중량%의 농도에서 디페닐(2,4,6 트리메틸 벤조일) 포스핀 옥사이드(CH3) 3C6H2COP(O)(C6H5)2와 같은 모노머의 용액을 포함한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 특징들을 포함하는 예시적인 3D 프린터(10)의 주요 기능적 구성 요소의 일부의 단면도 및 정면 사시도를 각각 도시하고 있다. 3D 프린터(10)는 이미징 유닛(12), 구성 프레임이라고도 또한 지칭되는 z-축 엘리베이터 스테이지(14), 빌드 플랫폼(16)과 함께 끼워져서 조립된 빌드 플랫폼(도 2에 도시되어 있는 바와 같음)을 제공하도록 구성되는 빌드 플랫폼 인서트(18)를 포함한다. 본 개시내용은 빌드 플랫폼(16) 및 빌드 플랫폼 인서트(18) 모두를 이용하는 구성을 설명하고 있지만, 본 발명의 특징들을 포함하는 방법 및 디바이스의 이용은 빌드 플랫폼 인서트(18) 없이 빌드 플랫폼(16)을 단독으로 이용할 수 있다는 것이 이해된다. 조립된 빌드 플랫폼(16, 18) 아래에는 구성/고화 영역(20), 재료 저장 영역(22), 재료 카트리지/저장조(24), 전자 구성 요소(26) 및 고화 메커니즘(28)이 있다. 이들 구성 요소 및 이들의 다양한 서브 구성 요소는 본 개시내용 전체에 걸쳐 더 상세히 설명된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 3D 프린터(10)를 제어하기 위해, CPU 및 솔리드 스테이트 메모리 저장 장치와 함께 작동하도록 구성된 프린트 프로세서(100)의 메모리 내에 3D 파일[생성될 원하는 3D 오브젝트에 대응함("프린트 작업")]이 로딩된다. 이 프린트 작업은 당 기술 분야에 공지된 다양한 방식으로 CPU를 통해 솔리드 스테이트 저장 장치 내로 전달될 수 있다. 예를 들어, 이는 인터넷 프로토콜을 이용하여[이더넷 또는 WiFi 접속(102)을 통해] 원격 서버 또는 프로그램으로부터 전송될 수 있고, 또는 제어 인터페이스(104) 및/또는 범용 직렬 버스(universal serial bus: USB) 데이터 전송 포트를 이용하여 사용자에 의해 수동으로 로딩될 수 있다. 제어 인터페이스(104)는 당 기술 분야에 공지된 임의의 제어 인터페이스일 수 있다. 도시되어 있는 실시예에서, 제어 인터페이스(104)는 LCD 터치스크린 인터페이스와 같은 터치스크린 인터페이스이다. 데이터는 프린팅을 위해 기계를 준비하기 위해 자체 테스트 및 프라이밍 기능을 수행하는 장치에 업로딩될 수 있다. 모터 드라이버(108)는 프린트 프로세서(100)로부터 저전압 신호를 수신하고 프린터 전체에 걸쳐 이용되는 다양한 모터를 적절하게 구동하는 데 필요한 제어된 전류 신호를 생성함으로써 프린트 프로세서와 함께 작동한다. 3D 프린터(10)의 전자 구성 요소 조립체(26) 내의 다른 전자 기기는 전자 구성 요소 조립체(26)의 모든 구성 요소에 조절된 전력을 제공하도록 전압 입력을 변환할 수 있는 전원(112)을 포함한다. 전원(112)은 콘센트를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 당 기술 분야에 공지된 임의의 적합한 전원, 예를 들어 배터리-기반 전원 또는 발전기-기반 전원이 본 개시내용의 범주 내에 있는 것으로 이해된다.
프린터는 빌드 플랫폼(16) 및 구성 영역(20)을 포함한다. 빌드 플랫폼(16)은 영구적으로 설치되거나 또는 교체 가능할 수 있는데, 예를 들어 z-축 엘리베이터 스테이지(14)에 제거 가능하게 연결될 수 있다. 빌드 플랫폼(16)은 시계 방향 및/또는 반시계 방향으로 회전 가능하거나 또는 다른 방식으로 하나 이상의 방향으로 이동 가능하고, 임의의 규칙적 다각형 또는 불규칙적 다각형을 포함하는 다양한 형상을 가질 수 있거나 원형 또는 실질적으로 원형일 수 있다. 빌드 플랫폼(16)은 z-축 스텝퍼 모터(114)를 사용하여 고화 영역(20)을 향해 하강될 수 있고, 생성될 오브젝트의 원하는 층 높이에 도달했을 때를 결정하기 위해 센서(124)가 사용될 수 있다. 프린터는 이어서 모든 이동 가능한 축이 정확한 시작 위치에 있는 것을 먼저 보장함으로써 프린트 사이클을 개시할 것이다. z-축의 경우, 시작 위치는 통상적으로 경화 구역 위(홈 위치 위)의 하나의 층 높이이다. 그러나, 다른 시작 위치가 특정 프린트 작업에 필요에 따라 그리고/또는 새로운 기술이 이용 가능해지고 본 발명에 따른 디바이스 및 방법에 합체됨에 따라 지정될 수 있는 것으로 이해된다. 회전축의 경우, 시작 위치는 홈 위치와 동일하다.
'0' 또는 각각의 축의 시작 위치를 설정하는 호밍 프로세스(homing process)는 폐쇄-피드백 시스템에서 홀 효과 센서와 같은 센서(124)를 이용하여 각각의 축의 하드 한계(hard limits)를 결정한다. 홀 효과 센서는 당 기술 분야에 공지되어 있고, 통상적으로 자기장에 응답하여 그 출력 전압을 변화시키는 트랜스듀서를 포함한다. 각각의 축에 대한 하드 한계는 각각의 한계에 위치된 홀 효과 근접도 센서(124)와 같은 한 쌍의 선형 센서로부터 구동될 수 있다. 홀 효과 센서를 이용할 때, 하나 이상의 소형 자석(126)이 이동 가능한 z-축 캐리지(14)에 매립될 수 있다. 센서는 자속에 정비례하는 선형 아날로그 출력을 갖기 때문에, 각각의 센서는 자신의 트리거 전압으로 캘리브레이팅될 수 있다.
하드 한계가 결정되면, 프린터 펌웨어는 그 홈 위치에 대한 각각의 축의 현재 위치를 그 메모리에 유지한다. 프린터가 전원이 온(on)될 때, 이는 예를 들어 프린터가 전원이 오프된 동안에 축이 이동되었던 상황을 보상하기 위해, 새로운 프린트 작업을 수락하기 전에 각각의 축을 리호밍(re-home)하도록 프로그래밍될 수 있다. 각각의 축의 현재 위치는 0으로부터 정수의 모터 스텝으로서 저장될 수 있다. 이들 구성에서, 축을 "위로" 이동하는 것은 이 내부 카운터를 증가시킬 것이고, 축을 하향 이동하는 것은 내부 카운터를 감소시킬 것이다.
프린터는 축을 최저 위치 아래로 또는 각각의 축 길이에 특유한 최대 허용 값을 초과하여 보내게 될 모터 운동을 절대 허용하지 않게 되도록 프린터를 구성하기 위해 소프트 한계가 또한 도입될 수 있다. 축이 이들 사전 설정된 한계를 초과하도록 지시를 받으면, 프린터 제어기는 프린트 작업을 중단하고 적절한 에러 메시지를 발행할 것이다. 또한, 프로그래밍 에러가 발생하여 프린터가 소프트 한계를 지나서 이동하려고 시도하면, 각각의 축 내에 빌드된 하드 한계는 임의의 프린터 손상이 발생하기 전에 축 이동 및 프린트 작업을 중단할 것이어서, 적절한 소프트 리셋의 입력을 필요로 한다.
재료 저장 영역(22)은 교체 가능한 재료 카트리지(24)를 보유할 수 있다. 재료 카트리지는 카트리지(24) 내의 재료의 양 및 카트리지 내의 재료에 대한 다른 상세를 결정하기 위해 3D 프린터(10)에 의해 판독될 수 있는 전자식으로 저장된 정보를 포함한다. 도 10에 도시되어 있는 바와 같은, 자기 교반 디바이스(230)와 같은 교반기 메커니즘이 또한 포함될 수 있고, 재료가 분배되기 전에 균일하게 혼합되는 것을 보장하도록 카트리지(24) 아래에 위치될 수 있다. 전자 가열 메커니즘 및/또는 팬 및/또는 가습 제어 시스템과 같은 하나 이상의 분위기 제어 메커니즘(119)은 또한 재료 카트리지(24) 내의 구성 재료의 온도를 변경하거나 또는 예를 들어, 분배 전에 원하는 점도에 도달하거나 유해한 습기를 감소시키기 위해 필요에 따라 습기에 대한 노출을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 원하는 재료 온도가 도달하거나 또는 과잉의 습기가 존재하지 않을 때를 모니터링하기 위해 열 센서 및/또는 습도 센서가 또한 사용될 수 있다..
도 10을 참조하면, 재료 펌프(115)가 액상 광경화성 재료와 같은 광경화성 빌드 재료를 재료 저장조(24)로부터 재료 퇴적기로 이동시키는 데 사용될 수 있다. 빌드 표면 상의 적절한 두께 코팅을 위해 필요한 적어도 최소량의 재료가 이어서 분배될 수 있다. 포토폴리머 수지와 같은 재료가 소형 펌프에 의해 구동되는 프린터의 내부 배관 시스템에 의해 프린트 영역에 도입될 수 있다. 도 1을 참조하면, 수지가 도입됨에 따라, 이는 프린트 헤드에서 수지 공급 채널을 따라 아래로 유동하고 경화 구역에 걸쳐 그리고 수지 복귀 채널(117) 내로 유동한다. 과잉의 액체 수지는 수지 복귀 채널(117)로부터 연속적으로 당겨지고, 필터링되고 수지 탱크로 복귀되거나 적절한 경우 폐기된다.
조립된 빌드 플랫폼(16, 18)은 이어서 회전될 수 있는데, 이는 고화 영역에 걸쳐 액체 수지를 확산시키고, 포토폴리머를 원하는 층 두께로 퇴적하고 균일하게 확산시킨다. 일부 실시예에서, 원하는 두께는 0.001 내지 0.1 mm의 두께이다. 2차 재료 분배기는 선택적으로 부가의 첨가제, 안료, 염료, 착색제를 갖는 1차 재료를 경화 전에 1차 포토폴리머 내에 주입하기 위해 사용될 수 있다. 대안 실시예에서, 2차 재료는 고화를 실행하기 위해 제1 재료와 반응하는 재료일 수 있다. 본 명세서에 설명된 실시예는 회전 가능한 빌드 플랫폼 및 고정 재료 분배기 및 고화 영역을 설명하고 있지만, 역 구성도 또한 가능할 것이고 본 출원의 범주 내에 있으며, 여기서 재료 분배기 및 고화 영역은 고정 빌드 플랫폼 아래에서 회전한다는 것이 이해된다. 대안 실시예에서, 재료 분배기, 고화 및 빌드 플랫폼은 프로그래밍된 방식으로 동시에 또는 대안적으로 이동될 수 있다.
연속적인 수지 유동이 설정되면, 조립된 프로세스 플랫폼(16, 18)은 고화 프로세스가 개시되기 전에 회전하기 시작하여 재료 확산기를 가로지르는 균일한 재료 유동을 설정한다. 조립된 빌드 플랫폼(16, 18)의 회전은 z-스테이지(14)에 연결된 하나 이상의 베어링(142) 상에 현수된 조립된 빌드 플랫폼(16, 18) 및 스캐너 모두를 회전시키는 90도로 맞물린 기어(138)를 갖는 중앙 샤프트(137)를 구동하는 가변 속도 모터(136)의 사용에 의해 수행된다. 빌드 플랫폼은 "스핀 업(spin-up)" 주기라고도 또한 칭하는 설정된 회전수 동안 스핀하도록 설정될 수 있다. 조립된 빌드 플랫폼(16, 18)의 회전은 경화 구역에 걸쳐 새로운 재료를 끌어당기는 것을 돕고 공기가 포획되지 않는 것을 보장한다. 회전을 일시 정지하지 않고, 프린터는 고화 메커니즘을 활성화함으로써 프린팅 프로세스를 시작하여 광경화 프로세스를 시작한다.
빌드 표면의 계속적인 회전(또는 이송 메커니즘 또는 이동하도록 프로그램된 다른 구성 요소의 이동)은 바람직하게 유리 또는 다른 견고하고 투명하며 바람직하게는 낮은 점착성 매체인 노광/경화 구역(118)을 가로질러 프린트 재료를 전진시킨다. 노광 구역(118)은 비점착성 및 내마모성 코팅으로 처리될 수 있는데, 이는 경화된 재료가 그 표면에 점착하는 것을 방지하거나 지연시킨다. 빌드 플랫폼과 투명한 구성 표면 사이에 퇴적된 재료 세그먼트의 선택적 고화는 방사선과, 고화 영역의 투명한 기판 부분을 통해 액체 구성 재료 상으로 그리고 액체 구성 재료 내로 방사선을 지향하는 데 사용된 방사선 지향 메커니즘의 다수의 가능한 조합 중 하나에 의해 수행된다. 재료 카트리지(24) 내의 재료 레벨 센서는 또한 재료 레벨을 모니터링하는 데 사용되고, 재료 레벨이 심각하게 낮아지면 프린트 사이클을 일시 정지하거나 저속화하는 것이 가능하다.
프린터의 메모리에 저장된 데이터는 프로그래밍된 방식으로 고화 메커니즘(28)으로 전송되어, 구성되는 3D 모델의 특정 세그먼트에 관한 구조적 정보에 대응하는 방식으로 고화된 포토폴리머의 부분을 투명 기판을 통해 선택적으로 노광한다. 연속적인 것으로 보이는 헬리오리소그래피 프로세스는 실제로 빌드 플랫폼의 각각의 전체 회전에 대해 다수의 작은 누적 "단계"를 포함할 수 있어, 빌드 플랫폼 인서트(18)에 충분히 부착되고 형성되고 있는 구조체의 이전에 고화된 부분에 견고하게 인접하는 데 필요한 임계 "경화도"(즉, 고화의 레벨)를 지나 중합 반응이 진행하게 하기 위해 요구되는 통상적으로 5 내지 10 밀리초의 짧은 시간 동안 각각의 단계에 일시 정지한다. 대안으로서, 빌드 플랫폼 인서트(18)는, 일단 완료되면 빌드 플랫폼 인서트로부터의 그 구조체의 제거 가능한 부착을 허용하기 위해 빌드되고 있는 제품의 제1 층 상에 합체될 수 있는 그 하부면에 추가된 제거 가능한 보유 수단을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 도 8을 참조하면, 구멍이 역 원추와 같은 대안적인 보유 구조체(770)를 추가하도록 성형될 수 있거나 또는 부가의 구조체(770)가 추가되어 빌드되는 구조체의 추가 보유를 제공할 수 있다. 미고화 재료는 동시에 제거되어 저장조로 다시 재순환된다.
빌드되는 구조체의 일부가 충분히 고화됨에 따라, 회전 조립된 빌드 플랫폼(16, 18)은 고화된 재료를 노광 구역(118)으로부터 연속적으로 제거하고 구성 영역(20)을 가로질러 확산하는 새로운 구성 재료를 제공한다. 고화된 재료는 또한, 동시에, 필요하다면 이후에 필터링되어 다시 구성 재료 저장조(24), 및 다른 경화 메커니즘(133) 내로 재순환되는 성장 구조체로부터 임의의 미고화 재료를 제거하는 과잉 재료 스트리퍼와 같은 배출구(132)를 포함하는 재순환 영역을 향해 회전된다.
빌드 프로세스의 각각의 부가의 단계에 도달함에 따라, 새로운 정보가 필요한 경우에 그리고 필요할 때 수지를 고화하기 위해, 경화 메커니즘(133)에 제공된다. 조립된 빌드 플랫폼(16, 18)이 회전함에 따라, 조립된 플랫폼(16, 18)이 각각의 회전에 대해 하나의 층 높이로 상승되도록 하는 비율로 선형 액추에이터에 의해 계속 상승된다. 일부 실시예에서, 하나의 층 높이는 구조체의 의도된 경화 단편의 반경의 수에 대응한다. 예를 들어, 직경(즉, 2개의 반경)을 경화시키면서 하나의 재료를 이용하는 실시예에서, 전체 층은 빌드 플랫폼의 매 180도 회전 중에 경화될 것이다. 다수의 경화 영역을 이용하지만 여전히 단일 재료를 이용하는 일부 실시예에서, 단일 층은 예를 들어 대략 360도/(경화 반경의 수)에서, 적은 회전으로 더 빠르게 경화될 수 있다. 선형 액추에이터는, 회전될 때 리드 스크류 너트(152)와 같은 체결구 수용체와 연결된 z-스테이지를 상승시키기 위해, 커플링 디바이스(148)를 통해 리드 스크류(150)와 같은 체결구에 커플링되는 스텝퍼 모터(146)를 포함한다. z-스테이지(14)에 장착된 베어링(154) 및 선형 가이드 레일(156)은 이러한 수직 이동을 안정화시킨다.
이 사이클은, 나선형으로 퇴적되고, 고화된 재료가 축적되고, 조립된 빌드 플랫폼(16, 18) 아래에 있지만 구성/고화 표면(20) 위에 현수되어 구성된 3차원 오브젝트가 완성될 때까지 반복된다. 이 프로세스는 누적식으로, 프린트된 오브젝트의 전체 높이가 도달될 때까지 연속적인 방식으로 반복된다. 이것이 달성되고 경화 메커니즘이 그 입력 버퍼에 남아있는 정보를 갖지 않으면, 경화 메커니즘(광자 소스)이 셧오프(shut off)되고 빌드 플랫폼의 회전이 정지된다. 수지 유동이 셧오프되고 모든 남아있는 액체 수지가 재료 카트리지로 다시 배출된다. 기계는 빌드 플랫폼을 그 상위 소프트 한계로 상승시키는 모션 시퀀스를 개시하고 플랫폼의 회전을 그 홈 '0' 위치로 유도한다.
기존의 소프트웨어 프린트 모듈을 이용하는 것에 추가하여, 본 발명의 특징들을 포함하는 방법 및 디바이스는 또한 스캐닝 및 다른 이미징 유닛을 이용할 수 있다. 일부 실시예에서, 오브젝트는 스캐너 플랫폼(139) 상에 배치될 수 있고 프린터(10)는 스캐닝을 개시하도록 지시될 수 있다. z-스테이지(14)는 스캔을 개시하기 위해 오브젝트를 초기 높이로 상승시킨다. 프로젝터, 또는 레이저와 같은 패턴 이미징 디바이스(206)가 오브젝트의 표면 상에 공지의 기하학적 패턴을 투영하는 데 사용될 수 있다. 기록 디바이스(208)는 이어서 스캐너 플랫폼(139)이 빌드 플랫폼과 동일한 가변 속도 모터(136) 및 구동 기어(138)에 의해 회전 구동됨에 따라 이 공지의 기하학적 패턴에 왜곡을 기록할 수 있다. 오브젝트의 높이는 언더컷 및 오버행을 포함하는 오브젝트 기하학 구조의 더 큰 커버리지(coverage)를 생성하기 위해 후속의 패스를 수행하도록 선형 액추에이터를 사용하여 상승 또는 하강될 수 있다. 이 정보는 이어서 프로세서(100)로 송신되고 이더넷, WiFi 또는 유선 접속(102)을 통해 스캐닝된 오브젝트의 재구성을 위해 컴퓨터 또는 클라우드 시스템으로 전송된다.
다수의 상이한 고화 메커니즘이 본 개시내용에 따른 방법 및 디바이스와 함께 이용될 수 있다. 도 1의 디바이스에 사용되는 고화 메커니즘(28)은 고출력 다이오드(212, 214)와 같은 임의의 방사선 소스를 포함할 수 있는데, 방사선은 보정 및 포커싱 광학계(222)를 통해 경화 구역의 노광 구역(118)을 통해 방사선을 지향시키기 위해 모터 제어형 미러 스캐닝 시스템(220) 상으로 지향된다. 다른 고화 메커니즘이 이하에 더 설명된다.
도 3은 이미징 유닛(12), z-축 엘리베이터 스테이지(14), 빌드 플랫폼(16), 빌드 플랫폼(16)과 함께 끼워져서 조립된 빌드 플랫폼(16, 18)(도 2에 도시되어 있는 바와 같음)을 형성하도록 구성되는 빌드 플랫폼 인서트(18), 구성/고화 영역(20), 재료 저장 영역(22), 및 재료 카트리지/저장조(24)의 분해도를 도시하고 있다. 도 3은 본 출원의 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 실시예(10)와 같은 본 발명의 특징들을 포함하는 일부 실시예에 따른 정확한 구성으로 정렬된 이들 구성 요소를 도시하고 있다. 도 4는 전술된 바와 같이 패턴 이미징 디바이스(206) 및 기록 디바이스(208)를 포함하는 이미징 유닛(12)의 확대도를 도시하고 있다. 이미징 유닛(12)은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 베어링(154)을 통해 z-축 엘리베이터 스테이지(14)에 연결될 수 있다.
도 5는 z-축 스테이지(14)의 위치를 릴레이(relay)하기 위해 홀 효과 센서와 상호 작용할 수 있는 자석(126), 90도로 맞물린 기어(138)를 갖는 중앙 샤프트(137)를 구동하는 가변 속도 모터(136), 스캐너 플랫폼(139) 및 체결구 수용체(152)를 포함하는 z-축 엘리베이터 스테이지(14)의 더 상세한 도면을 도시하고 있다. 이들 구성 요소는 전술된 바와 같이 기능할 수 있다.
도 6은 빌드 플랫폼(16)의 확대도를 도시하고 있다. 도 6에 더 명확하게 도시되어 있는 일 양태는 인서트 수용부(224)이다. 도 7은 빌드 플랫폼 인서트(18) 및 인서트 연결부(226)를 도시하고 있다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같은 빌드 플랫폼(16)의 인서트 수용부(224)는 도 7에 도시되어 있는 빌드 플랫폼 인서트(18)의 인서트 연결부(226)와 상호 작용하거나 정합하여, 2개의 구성 요소가 조립된 빌드 플랫폼(16, 18)에 연결될 수 있게 하도록(예를 들어, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이) 구성될 수 있다. 이는 빌드 플랫폼 인서트(18)가 디바이스에서 즉시 제거되고 교체될 수 있게 한다. 도 8은 빌딩 재료를 위한 증가된 표면적을 허용하는 구멍(228)의 어레이를 포함하는 빌드 플랫폼 인서트(18)의 저면도를 도시하고 있다. 제거 가능한 빌드 플랫폼 인서트(18) 또는 빌드 플랫폼 인서트(18)에 대한 제거 가능한 부착부는 완전한 제품으로부터 분리되거나 완전한 제품의 단편으로서 잔류할 수 있다.
도 9는 1차 재료 분배기(180), 경화 구역(118), 수지 복귀 채널(117), 재료 확산기(182) 및 과잉 재료 스트리퍼와 같은 경화 메커니즘(133)을 포함하는 구성/고화 영역(20)의 확대도를 도시하고 있는데, 이들 구성 요소는 전술된 바와 같이 기능한다.
도 10은 재료 저장 영역(22) 및 재료 카트리지 저장조(24)의 확대 평면 사시도를 도시하고 있다. 또한 도 10에는, 제어 인터페이스(104), 재료 펌프(115), 수지 복귀 채널(117), 투명 기판인 노광/경화 구역(118), 분위기 제어 메커니즘(119), 경화 메커니즘(133), 체결구에 부착된 커플링 디바이스(148), 커플링 디바이스 내의 선형 가이드 레일, 1차 재료 분배기(180), 재료 확산기(182), 2차 재료 분배기(184) 및 자기 교반 디바이스(230)가 도시되어 있다. 도 10은 또한 1차 재료 분배기(180) 및/또는 2차 재료 분배기(184)를 통해 2차 재료를 이송하도록 구성될 수 있는 첨가제 재료 카트리지(186)를 도시하고 있다.
도 11은 1차 재료 분배기(180), 재료 확산기(182), 2차 재료 분배기(184), 투명 기판인 노광/경화 구역(118), 수지 복귀 채널(117) 및 경화 메커니즘(133)을 포함하는 구성 구역(720)의 요약 사시도를 도시하고 있다. 동일한 구조체가 빌드 챔버(21)의 플로어의 중심으로부터 방사하는 단일의 구성 구역(720)을 도시하고 있는 도 12a에 도시되어 있다. 도 12a는 또한 첨가제 재료 카트리지 구조체(186)를 도시하고 있다. 도 12b는 다수의 구성 구역(720) 및 첨가제 재료 카트리지 구조체(186)가 빌드 챔버(21)의 플로어의 중심으로부터 방사하는 대안 구성을 도시하고 있다.
예시의 목적으로, 도 13a 및 도 13b는 각각 단일의 구성 영역(231) 및 다수의 구성 영역(232)에 대한 나선형 층 프린팅 구성의 측면도이다. 다수의 구성 영역의 사용은 또한 동시 층 생성의 이점 또는 더 넓은 범위의 구성 재료 옵션에 대한 확장된 능력을 제공하며, 여기서 각각의 구성 영역은 고유한 범위의 재료를 단일 층으로 분배 및 고화시킬 수 있다. 단일 구성 층 내에 퇴적하기 위해, 구성 기판의 후속의 높이는 또한 생성될 나선형 층의 피치와 정합하고 각각의 구성 영역에서 일정한 층 두께를 보장할 수 있다. 그러나, 이는 원하는 색상 정확도를 달성하기 위해 필요한 것은 아니다. 이 프로세스는 또한 빌드 플랫폼이 회전하지만 1회의 완전한 회전이 달성된 후에만 상승되는 경우에 이용될 수 있다. 이는 동일한 높이의 다수의 구성 구역이 이용되는 경우 특히 가치가 있다. 이러한 경우에, 각각의 재료 세그먼트에 대해 일관적인 층 높이가 효율적으로 달성될 수 있다. 실제 작동에서는, 적절한 고화 기법을 통해, 인접한 후속의 층들이 형성됨에 따라 나선형 레이다운(laydown)의 인접한 후속 층들을 점착하여 함께 고화하기 때문에 도시되어 있는 확장된 나선이 결코 발생할 수 없다.
다양한 고화 메커니즘 및 방사 소스가 본 발명의 특징들을 포함하는 디바이스 및 방법과 함께 이용될 수 있다. 도 14는 도 1의 고화 메커니즘(28)을 도시하고 있다. 포토폴리머가 이용될 때 고화 메커니즘(28)은 고출력 다이오드, LED 또는 레이저(212, 214)와 같은 다양한 방사선 소스를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 방사선은 보정 및 포커싱 광학계(222)를 통해 그리고 노광 구역(118)을 통해 방사선을 지향시키기 위한 모터 드라이브의 사용에 의한 것과 같이 입사광을 스캐닝하도록 구성된 제어형 스캐닝 미러 시스템(220) 상으로 지향된다. 고화 메커니즘(28)은 DMD 칩 마이크로미러 디바이스(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.
도 15는 마이크로 전기기계 시스템(MEMS) 또는 광 밸브 스위치를 이용하는 고화 메커니즘(235)을 도시하고 있다. 광 스위치(240) 조립체 상에 포커싱하기 위해 광학 시스템(238)에서 도광로/도파로(236)에 커플링된, 전술된 고화 메커니즘(28)과 함께 이용될 수 있는 다이오드와 유사한 고출력 다이오드(212, 214)가 도시되어 있다. 광 스위치(240)는 중첩하는 육각형 그리드 시스템에 배열된 원하는 위치에서 방사선이 통과할 수 있게 하는 메커니즘이다. 팬 및 히트 싱크(242) 및 TEC 온도 제어 시스템(244)이 또한 온도 제어를 위해 이용될 수 있다.
도 16은 초고성능(UHP) 수은 증기 램프(248)와 같은 보드 방사선 소스(246)를 포함하는 대안적인 고화 메커니즘을 도시하고 있다. 이 메커니즘은 소스(246)로부터 LCD 스크린과 같은 디지털 마스크(252)를 향해 방사선을 포커싱하기 위해 볼록 반사기(250)를 이용한다. 디지털 마스크는 그를 통과하는 방사선을 차단 또는 투과하도록 프로그래킹된 픽셀 매트릭스에 따라 통과하는 방사선을 제어한다.
도 17은 고출력 다이오드(256) 및 다각형 다면 미러(258)와 같은 모터 제어형 미러를 포함하는 방사선 소스(254)를 이용하는 다른 대안적인 고화 메커니즘이다. 미러는 다이오드와 관련하여 회전되거나 또는 다이오드가 미러에 관련하여 회전하여, 그 회전 각도에 대응하는 선형 방향으로 방사선을 스캐닝한다. 45도 2차 미러(260)가 경화 구역(118)의 투명 기판과 같은 노광 구역을 향하여 방사선을 반사시키기 위해 사용된다. 이 2차 미러(260)는 2차원 스캐닝을 제공하도록 모터 제어될 수 있다. 광학 시스템(262)은 또한 왜곡 및 스캐닝 각도를 보정하기 위해 사용된다. 일부 실시예에서, F-세타 광학 시스템이 이용된다.
도 18은 구성 재료의 고화를 제어하기 위해 독립적으로 사용될 수 있는 마이크로-LED 어레이(266)와 같은, 개별적으로 어드레스 가능한 다이오드(265)의 어레이를 포함하는 다른 대안적인 고화 메커니즘(264)을 도시하고 있다. 광학 시스템(268)은 또한 방사선을 5 내지 50 nm의 원하는 점 크기로 포커싱하는 데 사용될 수 있다.
제어된 주파수 광의 좁은 핀 지점 빔을 특정 타겟 위치에 전달하기 위해 레이저 빔이 필요에 따라 개별적으로 위치되거나 재배치될 수 있기 때문에, 또 다른 대안은, 포커싱 미러를 필요로 하거나 필요로 하지 않을 수도 있는 하나 이상의 레이저 빔을 사용하는 것일 수 있다.
도 22를 참조하면, 본 발명의 특징들을 포함하는 디바이스를 이용하여 특정 제품이 구성된다. 전술된 스캐닝 기술을 이용하여, 직경이 약 10.5 인치 미만이고 높이가 약 9.25 인치 미만인 3차원 오브젝트의 치수 특징 및 표면 특성이 스캐닝되었고 이와 관련하는 스캐닝된 데이터가 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 3D 빌드 시스템의 메모리에 저장되었다. 광 포토폴리머, 바람직하게는 디페닐(2,4,6 트리메틸 벤조일) 포스핀 옥사이드, 열가소성 폴리올레핀(TPO) 및/또는 페닐비스(2,4,6-트리메틸 벤조일) 포스핀 옥사이드의 2 내지 8%의 조합을 포함하는 아크릴레이트 메타크릴레이트 수지가 재료 저장 영역(22)에 첨가되었다. 적어도 약 10.5"의 폭 또는 직경(대략 200-300 watts/cm2)에 걸쳐 폴리머의 조사를 제공하기 위해 마이크로 LED(365 내지 385 nm)의 어레이를 포함하는 3 내지 10 cc/초 내에 포토폴리머를 효과적으로 경화시키기에 적절한 광원이 마련된다. 하나 이상의 수직 캐비티 표면 발광 레이저(vertical-cavity surface-emitting lasers: VCSEL)를 이용하는 광원을 포함하는 부가의 광원이 본 명세서에서 더 상세하게 설명된다.
폴리머는, 투명 노광 구역을 갖는 12 인치 직경의 구성 영역(경화 표면) 상에 분포되어 빌드되는 오브젝트의 치수에 의존하는 초당 약 3 내지 10 cc의 속도로 계량되었고, 이는 예를 들어, 유리로 제조될 수 있는 UV 방사선과 같은 특정 유형의 방사선에 투명한 1 인치 폭의 부분인, 구성 영역의 더 작은 부분일 수 있다. 이 노광 영역은 경화 표면으로의 경화된 폴리머의 점착을 지연시키거나 방지하기 위해, 테플론(Teflon)®으로서 상업적으로 공지된 플루오르화 에틸렌 프로필렌(FEP) 및/또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 저점착성 재료로 미리 처리되었다. 생성된 액체 폴리머 필름은 두께가 약 20 내지 100 ㎛이었다. 빌드된 플랫폼의 회전 속도는 주로 빌드되고 있는 제품의 크기 및 밀도 및 구성 재료의 고화 속도에 의존하는데, 이 고화 속도는 이어서 조사 소스의 강도 및 주파수에 의존한다. 플랫폼은 2 내지 12 rpm의 속도로 회전되었다.
구성 속도는 다수의 경화 영역 및 다중 이송의 사용에 의해 향상될 수 있다. 그러나, 구조체의 구성은 구조체의 크기 및 노광 당 경화될 수 있는 빌드 재료의 두께에 의존한다. 빌드 속도를 추정하기 위한 일반적인 식은 다음과 같다.
Figure pct00001
이에 따라, 50 미크론(0.05 밀리미터)의 층 높이, 5 RPM의 회전 속도 및 단일의 경화 구역을 갖는 9 인치(228.9 밀리미터)의 의도된 높이를 갖는 구조체의 경우, 빌드 시간은 약 915.60 분으로 추정되는데, 이는 대략 15.26 시간([1/5] * [228.9/.05])이다. 그러나, 도 12b에 도시되어 있는 바와 같은 4개의 경화 구역에서는, 빌드 시간이 25%(대략 3.8 시간)로 단축된다. 빌드 재료에 따라, 부가의 경화 구역이 추가되어 빌드 시간을 더욱 감소시킬 수 있다.
빌드 플랫폼을 회전시키는 본 명세서에 설명된 방법은, 퇴적된 광경화성 재료를 고화시키는 데 사용되는 전자기 방사선에 더 큰 표면적이 노출되게 하여 개별 고화 영역의 물리적 치수보다 더 큰 오브젝트를 구성함으로써, 더 큰 오브젝트의 구성을 허용한다. 고화를 위해 작은 면적을 이용함으로써, 고화 지점의 수를 더 작고 더 조밀한 영역으로 집중시킴으로써 더 높은 해상도 및 전력 밀도가 얻어질 수 있으며, 이는 회전을 통해 빌드 영역의 전체 부분을 조사할 수 있다. 이러한 감소된 고화 영역은 또한 타겟화된 영역에 더 큰 농도의 방사선을 생성하는데, 이는 구성 재료의 거의 즉각적인 경화를 제공하여, 오브젝트의 더 빠른 구성을 달성하는 것을 돕는다.
빌드 플랫폼과 다른 기판 사이에서 재료를 경화시키거나 다른 방식으로 고화시키는 방법은 더 큰 층 높이 균일성, 정확성 및 일관성을 얻게 된다. 이 방법은 또한, 층 생성 중에, 2개의 기판 사이에서 적소에 유지되지 않은 재료를 달리 교란할 수도 있는 진동과 같은 외부 인자로부터 발생할 수 있는 에러를 방지하는 것을 돕는다. 이는 소형의 초고해상도 구성 요소를 구성하는 데 있어 특정 이점을 갖는 기계의 더 큰 신뢰성으로 변환되어, 이들 구성 요소가 3D 빌드 디바이스의 내부 교란 또는 외부 교란에 의해 변형되거나 왜곡되는 것을 방지할 수 있게 된다.
다수의 종래의 3D 빌드 시스템에서 보여지는 부분 층간 박리의 문제는 그 수평축(여기서, 후속 층들이 접촉함)을 따라 본질적으로 구조적으로 취약한 연속적인 개별 재료층을 형성함으로써 유발될 수 있다. 통 바닥(vat floor)으로부터 고화된 재료를 강제적으로 반복적으로 분리하는 것과 층들 사이의 부적절한 점착의 조합된 작용은 하나 이상의 층이 분리되게 하여 구조체 빌드의 실패를 유발할 수 있다. 특히, 증가된 고화의 영역에서 극적인 변화를 포함하는 오브젝트는 적절한 지지 및 구조적 완전성을 제공하지 못하는 구조체의 무능력 및 구성 프로세스 중에 구조체에 인가된 외력에 기인하여 고화된 재료의 매우 조밀한 영역 또는 구조적으로 취약한 영역의 파괴를 야기할 수 있다. 이들 위치에서 빌드 영역을 증가시키는 것은 전술된 문제를 더욱 악화시킬 수 있고 층간 박리를 통한 프린트된 오브젝트 파괴의 더 큰 위험을 야기한다. 본 명세서에 설명된 프로세스 및 디바이스는 고화된 재료와 투명 빌드 사이에 감소된 표면 점착성을 제공하고, 그 결과 구성되는 섬세한 기하학 구조의 완전성을 보존하고 구성 프로세스에서 속도를 사용하는 능력을 향상시킨다.
전체 구성 면적에 상응하는 비교적 작은 면적에서 구성 재료를 선택적으로 고화시키는 것을 포함하는 본 발명의 특징들을 포함하는 방법은, 점착을 발생시키는 물리적 면적을 최소화함으로써 점착력을 감소시키는 역할을 한다. 빌드 플랫폼의 회전 모션은 점착력이 형성될 때 이 점착력을 계속 제거하여 점착력 축적을 방지하는 역할을 한다. 이는, 구성 가능한 영역의 작은 부분만이 임의의 주어진 시간에 기판에 대한 재료의 점착을 받게 되는 넓은 영역의 구성을 허용한다. 투명 기판은 비점착성 재료로 구성되거나 처리되어, 점착 효과를 더 감소시킨다.
본 발명의 특징들을 포함하는 방법은 고화 영역을 중심으로 그 위에서 빌드 플랫폼을 회전하여, 빌드 기판으로부터 경화된 재료를 분리하는 혁신적인 방법을 제공하는 것을 포함한다. 회전 빌드 플랫폼에 의해 발생된 원형 모션은, 투명 빌드 기판으로부터 고화된 재료를 분리 또는 활주 제거하기 위해 더 적은 힘이 필요하고 구성된 부분에 더 적은 힘이 인가되기 때문에, 새롭게 고화된 재료에 대한 손상을 감소시키는 우수한 분리 방법을 제공한다. 이는 지지되지 않거나, 작거나, 높거나, 얇거나 또는 격리될 수 있고, 종래 기술의 3D 빌드 시스템의 분리 프로세스에서 달리 손상될 수 있는 매우 섬세한 기하학 구조의 구성을 허용한다. z-축을 따라 점진적으로 상향으로 이동하는 빌드 플랫폼에 대해 광경화성 재료의 분배 및 고화를 위한 회전 메커니즘을 이용하는 연속 구성 또는 반연속 구성을 위한 방법은 적어도 하나의 연속 나선형 형상 층 또는 헬리컬 형상 층의 생성을 야기한다. 재료의 이러한 나선형 축적은, 부분 층간 박리의 기회를 감소시키고 불량 구조체의 더 낮은 발생을 야기하는 것을 보조하는 우수한 층간 강도 특성을 갖는 오브젝트의 형성을 유발한다.
역 구성 프로세스(inverted construction process)는 몇 가지 이점을 제공한다. 다수의 종래 기술 시스템에서, 오브젝트는 플랫폼 상에 제1 층을 갖고 플랫폼 상에 빌드되고 후속 층들이 이전의 층의 상부에 추가된다. 일부 종래의 시스템은 역 빌드(inverted build)를 이용할 수도 있지만, 본 발명의 역 빌드 시스템에서, 제1 층은 빌드 플랫폼에 계속 적용되어 고화된다. 그러나, 제1 층은 또한 빌드 프로세스 중에 빌드 플랫폼으로부터 고체층으로서 연속적으로 제거되고, 새로운 재료가 빌드 플랫폼으로부터 연속적으로 제거되면서 상승하는 이전의 층에 점착되도록 제1 층과 빌드 플랫폼 사이에 이송된다. 이는 필요한 재료의 비교적 얕은 층으로 큰 면적의 고화를 허용하여, 전체 통을 충전하는 데 필요한 재료의 양에 비교하여 프로세스 중에 더 적은 재료가 사용되는 것을 허용한다. 수직 및 역 구성 프로세스는 이전에 고화된 영역으로부터 과잉의 재료를 배출하기 위해 중력을 이용한다. 구조체 내에 중공 캐비티를 형성하는 능력은 재료 절약 및 내부 기하학 구조를 갖는 오브젝트의 생성과 관련하여 매우 유리하다. 재료 스트리퍼 및 배출구를 사용하면 재순환을 위해 과잉의 재료를 추가로 제거하여, 기계의 경제성을 개선시키고 과잉 재료의 의도하지 않은 경화를 방지하는 것을 돕는데, 이는 의도된 제품과 더 밀접하게 유사하고 더 뚜렷한 상세를 갖는 오브젝트의 생성을 허용할 수 있다.
진동이라 칭하는 바와 같은 측방향 전후 모션 대신에, 구성을 위해 회전 운동을 이용하는 방법은 기계의 확장성을 향상시킨다. 진동과 달리, 일 방향으로 연속 운동하는 회전 요소는 진동 운동으로부터 발생하는 운동량을 보상하지 않는다. 따라서, 설명된 회전 기술을 이용하는 기계는, 구성 프로세스 및 작동 속도에 달리 상당한 부정적인 영향을 미칠 수 있는 더 크고 무거운 구성 요소를 포함할 수 있다. 이 회전 구성 방법에서 구성 속도는 구성 체적에 독립적이다. 구성 메커니즘 및 빌드 플랫폼의 크기를 증가시키는 것은 더 큰 가능한 빌드 체적을 야기할 것이어서, 주어진 재료의 체적으로부터 비교적 더 고속의 구성으로 변환된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예의 상이한 도면 및 개략도를 참조하여 본 명세서에서 설명된다. 이와 같이, 예를 들어, 제조 기술 및/또는 제조 공차의 결과로서 도시의 형상으로부터의 변형이 예상된다. 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시되어 있는 영역의 특정 형상에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 예를 들어 제조로부터 발생하는 형상의 편차를 포함하는 것으로 고려된다.
본 발명의 특징들을 포함하는 디바이스, 시스템 및 방법은 주로 액체계 빌딩 재료를 이용하는 스테레오리소그래픽 프로세스에 관한 것이다. 본 발명의 기술은 해상도 향상, 더 빠른 구성 시간, 경제적인 재료 사용, 그리고 다른 기술로는 과잉의 구성 재료로 충전될 것인, 구성된 오브젝트 내에 중공 캐비티를 형성하는 능력을 위해, 다른 유동성 재료 및 선택적 레이저 소결(SLS)과 같은 적절한 고화 기술을 사용하는 용례를 가질 수 있다. 이러한 실시예는 이후에 고화되는 가열된 구성 재료를 이용할 수 있다. 적외선 스펙트럼에서 방사선을 방출하는 레이저 다이오드를 이용하며 또한 구성 기판은 적외선 방사선에 투명하다. 재료 및 빌드 챔버(21)에 대한 열적 제어 및 분위기 제어는 구성 프로세스에서 반응하는 재료에 대한 더 큰 제어를 위해 바람직하다.
금속 또는 분말 폴리머와 같은 소결된 재료는 재료의 열적 가열 및/또는 융합을 위한 가열 및/또는 방사선 소스와 함께 상기 프로세스에 사용될 수 있다. 앞서 언급된 프로세스와의 주요 차이점은, 아르곤 또는 질소와 같은 불활성 가스 및 적외선 히터와 같은 열 제어 시스템으로 빌드 챔버(21)를 충전할 것인 분위기 제어 시스템의 추가가 가능할 수 있다는 것이다. 레이저 빔은 구성 재료를 용융하고 융합하는 데 사용될 수 있다.
소결 가능한 유동성 재료 또는 첨가제가 또한 구성 재료로서 또는 그 일부로서 사용될 수 있다. 소결 가능한 재료는 이어서 주변 포토폴리머의 경화 또는 "미가공의 오브젝트"의 생성을 야기하는 분말 폴리머의 용융 또는 바인딩에 의해 적소에 결합될 수 있다. 상기 미가공의 오브젝트는 이어서, 바인딩 재료를 기화하거나 탄화하고 중실 구조체를 형성하는 동안 그 형상을 유지하기 위한 미가공의 빌드 재료의 제어된 수축 또는 넥킹(necking)을 촉진하는 온도에서 노 내에 밀도를 더 높인 부분을 배치하는 것을 포함하는 디바인딩(debinding)을 포함할 수 있는 후 노처리(post furnace processing)로서 알려져 있으며 더 높은 부분 밀도를 생성하도록 미가공의 오브젝트를 변환하기 위한 부가의 단계를 필요로 한다.
중실이지만 다공성으로 형성된 부분에 다른 재료를 주입하여 부분의 다공성 공극을 충전하는 프로세스인 침윤이 행해진다. 주입된 상기 다른 재료는 메인 구성 재료보다 낮은 용융점을 가질 수 있다. 침윤에 적합한 하나의 이러한 재료의 예는 구리이다. 용융 구리는 철분 입자 내로 확산되어 팽윤을 유발할 수 있다. 구리 농도를 제어함으로써, 소결 중에 철의 자연 수축을 오프셋하여 미가공의 오브젝트의 부분 치수를 보존하는 것을 돕는 것이 가능하다. 이러한 프로세스는 또한 생체 적합성 재료로부터 구조체를 형성하는 데 이용될 수 있는데, 이 구조체에는 이때 생체 적합성 임플란트 구조체를 형성하기 위해 다른 생체 재료가 주입될 수 있다.
통합은 부분 밀도를 증가시키기 위해 제품 수축을 야기하는, 소결 중에 발생할 수 있는 프로세스이다.
충분한 전력의 레이저를 포함함으로써, 구성 재료의 직접 열적 소결 또는 그 구성 요소가 서로 빌드 플랫폼에 융합하는 것이 가능한 분배된 제형 내에 포함된 첨가제의 농축이 가능하다. 본 실시예는, 재료 및 빌드 챔버(21)의 더 큰 열적 제어뿐만 아니라 질소 및 아르곤과 같은 불활성 가스로 고화 영역의 블랭킷팅을 이용하는 분위기를 조절하기 위한 수단 및 임의의 가스 부산물을 제거하는 방법을 필요로 한다.
소결 가능한 첨가제의 예는 17-4 및 15-5 스테인리스 강, 마레이징 강, 코발트 크롬, 인코넬 625 및 718, 티타늄 Ti6Alv4, 티타늄 Ti64, 코발트 크롬 합금 Co28Cr6Mo, 니켈 합금 In718이고, 이론적으로 거의 임의의 합금 금속이 이 프로세스에서 사용될 수 있다. 소결은 통상적으로 유도 결합, 액상 소결 및/또는 완전 용융을 포함한다. 이들 기술은 당 기술 분야에 공지되어 있다.
도 19 내지 도 21은 본 발명의 특징들을 포함하는 3D 프린팅 디바이스를 이용하기 위한 컴퓨터 소프트웨어를 포함할 수 있는 프로세스 흐름도를 도시하고 있다. 사용자 개시 프로세스(800)를 도시하고 있는 도 19에 관련하여, 세션은 OM(Omicron Compiler File) 소프트웨어 또는 다른 적합한 소프트웨어와 같은 소프트웨어의 개시를 포함할 수 있는 개시 단계(802)에서 시작된다. 사용자는 일련의 관련된 사용자 작업에 참여하고 이를 개시할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 가져오기 단계(804)를 활성화할 수 있으며, 여기서 사용자는 예를 들어 기존 데이터 또는 최근에 스캐닝된 데이터로부터 3D 기하학 구조를 가져온다. 이 단계로부터, 사용자는 저장 단계(806)를 개시하도록 선택할 수 있는데, 여기서 사용자는 예를 들어, OM 소프트웨어 파일과 같은 3D 기하학 구조 데이터를 저장할 수 있다. 대안적으로, 또는 저장 단계(806)를 개시하는 것에 추가하여, 사용자는 가져온 3D 기하학 구조 데이터의 수동 리사이징/재배치 단계(808)를 개시할 수 있다. 3D 기하학 구조 데이터는 이어서 자동 조정 단계(810)에서 자동으로 리사이징/재배치될 수 있다.
임의의 시점에, 기존 파일, 예를 들어 저장 단계(806)에서 저장된 기존의 OM 파일 또는 수동 조정 단계(808) 및 자동 조정 단계(810)로부터 수동 및 자동으로 조정된 파일은 로드 단계(812)에서 사용자 인터페이스의 메모리에 로딩될 수 있다. 로드 단계(812)로부터, 몇 가지 부가의 단계가 개시될 수 있다. 예를 들어, 사용자는 복제 단계(814)를 개시할 수 있으며, 여기서 3D 기하학 구조 데이터의 하나 이상의 양태가 복제될 수 있다. 사용자는 이어서 적용 단계(816)를 개시할 수 있고, 여기서 사용자는 3D 기하학적 데이터에 색상 및 다른 재료 옵션을 변경 및/또는 적용할 수 있다. 사용자는 이어서 연결 단계(818)를 개시할 수 있고, 여기서 사용자는 로컬 3D 프린터를 찾아 연결할 수 있고, 그 후에 사용자는 프린트 단계(820)를 개시할 수 있으며, 여기서 3D 오브젝트는 프린트를 시작한다.
셋업 프로세스 및 프린트 단계(820)에서 3D 오브젝트를 프린팅하기 위한 프린팅 지시를 컴파일링하는 동안, 중실 구조체 또는 중공 구조체를 생성하기 위한 지시가 제공될 수 있고 오브젝트를 더 정의하기 위해 부가의 단계가 개시될 수 있다. 사용자는 중공화 단계(822)를 개시할 수 있고, 이에 의해 기존의 중실 오브젝트로부터 대신 그리고 기존의 중실 오브젝트 대신에 중공 오브젝트가 생성된다. 사용자는 이어서 중공도 조정 단계(824)를 개시할 수 있고, 이에 의해 중공 또는 쉘이 있는 제품의 벽 두께가 조정될 수 있다. 자동화 충전 단계(826)가 또한 개시될 수 있고, 중공 모델에 대한 충전이 자동으로 이루어진다. 마지막으로, 사용자는 맞춤화 단계(828)를 개시할 수 있고, 여기서 부가의 맞춤화된 프린트 특유 세팅이 3D 오브젝트에 적용된다.
위에 인용된 예는 구체적으로 OM 파일을 언급하고 있지만, 다른 소프트웨어 파일 포맷이 이용될 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, 사용자는 AMF, STL, PLY, OBJ 또는 당 기술 분야에 공지된 임의의 다른 유사한 파일로서 포맷된 3D 모델을 가져올 수 있다. 색상 및/또는 재료를 자동 검출하기 위한 지원이 포함될 수 있다. 가져온 고유한 3D 기하학 구조 데이터의 각각의 단편이 변환 매트릭스(원점으로부터 적용됨) 및 색상 및 재료 선택을 기술하는 메타데이터와 함께 저장될 수 있다.
이제 본 발명의 특징들을 포함하는 추가 프로세스 흐름도(850)를 도시하고 있는 도 20을 참조하면, 자동화된 프린트 준비(스캔) 프로세스(852)는 사용자에 의해 개시되거나 또는 자극에 응답하여 개시되는데, 예를 들어 프린터는 컴퓨터 또는 다른 사용자 인터페이스로부터의 접속 신호의 수신 시에 전원이 온된다. 제1 단계(854)에서, 재현되는 오브젝트의 지능형 메시 통합이 발생한다. 일부 실시예에서, 슬라이싱을 위한 준비 시에 모든 메시를 통합하기 위해 알고리즘이 이용된다. 이 제1 단계(854)는 색상 및 재료에 의해 각각 편성된 개별 조합된 메시의 제조에 이용될 수 있다. 제2 단계(856)에서, 알고리즘은, 필요하다면, 각각의 조합된 메시를 위해 필요한 임의의 지지 구조체를 자동으로 생성하고 추가할 수 있다. 제3 단계(858)에서, 메시의 반경방향 슬라이싱이 발생할 수 있다. 이 단계(858)에서, 하나 이상의 알고리즘은 입력 메시를 반경방향으로 슬라이스하고 실제 단위를 이용하여 실제 치수로 프린팅될 의도된 구조체를 기술하는 인코딩된 벡터 데이터를 생성할 수 있다. 이 데이터는 저장되고 이후에 기계 특유 명령어로 컴파일링될 수 있다. 이 단계에서 층 높이가 고려되고, 전체 프린트를 위한 상수 값으로서 사전 설정되거나 프린트 전체에 걸쳐 변할 수 있다.
제4 단계(860)에서, 프린트 작업은 하나 이상의 알고리즘에 의해 컴파일링되어 프린터에 의해 이용되는 모든 프린트 정보를 포함하는 단일의 컴파일링된(기계 특유의) 프린트 작업 파일을 생성한다. 제5 단계(862)에서, 기계에 특정될 수 있고 .OM 포맷일 수 있는 이 컴파일링된 프린트 작업 파일은 프린터로 전송된다.
이제 프린트 작업 파일이 컴파일링되어 프린터로 전송되는 단계(882)[도 20의 제5 단계(862)의 연속일 수 있거나 또는 외부에서 로딩된 또는 독립적으로 제공된 프린트 파일로부터 직접 진행될 수 있음] 후의 프로세스 흐름(880)의 예를 도시하고 있는 도 21을 참조한다. 제1 단계(884)에서, 알고리즘은 실제 유닛으로부터의 벡터 명령어를 프린터에 의해 이용되는 이진 배열(개별의 1 및 0의 어레이)로 변환한다. 제2 단계(886)에서, 프린터의 프린트 프로세서는 모터/미러 운동과 일치하는 하드웨어 동기화된 속도로 데이터 비트를 경화 메커니즘으로 스트리밍(streaming)한다. 제3 단계(888)에서, 연속적인 컴퓨터 제어 선택적 고화를 이용하여 실제 헬리오그래피(경화) 프로세스가 발생한다. 제4 단계(890)에서, 가상 3D 기하학 구조를 미러링하는 완성된 물리적 오브젝트가 생성된다.
본 개시내용은 이제 다수의 독특한 장점을 갖는 VCSEL 광원을 이용하는 다양한 구성을 설명할 것이다. 다양한 3D 프린팅 기술은 중합 프로세스를 국소적으로 시작하기 위해 1 내지 100 미크론 직경의 작은 스폿에 포커싱되는 직접 방출된 단일 횡방향 모드에서의 광개시를 기초로 한다. 에너지는, 통상적으로 이에 한정되는 것은 아니지만, 관심 파장에서 효율적으로 흡수하여 자유 라디칼을 생성하는 유기 분자인 광개시제에 의해 흡수되는데, 이는 이어서 반응의 나머지 - 전파 단계, 가교 및 후속 종료를 촉진한다. 상이한 광개시제는 효율적인 개시가 발생하게 하기 위해 상이한 여기 파장을 필요로 할 수도 있다. 이는 직렬 고화 프로세스를 필요로 하고, 정밀하게 전달될 수 있는 에너지의 양을 제한한다.
액체 프리폴리머(pre-polymer) 시스템의 중합, 분말 재료의 소결, 경화성 결합제를 갖는 분말, 폴리제트 기술 등을 포함하는 3D 프린팅 기술은 대략 수십년 동안 존재해 왔고, 확장성의 한계에 도달했다. 스케일링을 위한 제한 인자는 임의의 주어진 시점에서 고화될 수 있는 재료의 양을 포함하는데, 이는 일반적으로 스캐닝되는 점 소스로 수행되는 정밀한 양으로 전달될 수 있는 에너지의 양과 커플링된다. 이 접근법에 의해, 현재 층의 모든 영역을 커버하기 위해 스폿 크기가 점대점으로 직렬로 스캐닝되어야 하기 때문에 프린트 속도는 복잡성에 반비례한다.
일부 시스템은 픽셀 평면을 한 번에 노광하기 위해 기울일 수 있는 미러의 직선형 어레이로 이루어진 디지털 마이크로미러 디바이스(Digital Micromirror Device: DMD) 칩을 이용한다. 이는 경화의 병렬화를 달성하고 전체 층이 특정 단면에 관계 없이 동일한 시간만큼 노광될 수 있지만, 경화 영역으로 전달되는 에너지 밀도는 역 제곱 함수이며 에너지는 빌드 면적의 제곱근으로서 감소한다. 실제로, 이는 DMD 칩의 전력 취급 한계와 조합되어, 과도하게 긴 층 노광 시간을 필요로 하지 않으면서 단일 이미지에서 노광될 수 있는 경화 영역의 크기를 제한한다.
대조적으로, 개시된 VCSEL 구성은 에너지를 경화 영역 내로, 픽셀 대 복셀로 정밀하게 지향하기 위해 VCSEL을 이용함으로써 반도체의 어레이를 이용하여 경화의 병렬화 및 무한하게 확장 가능한 에너지 입력 모두를 달성한다. 이들 VCSEL 어레이는 표준 반도체 배치 제조 및 처리 기술을 이용하여 빌드(build)되고, 종래의 에지 발광 레이저 시스템과 비교할 때, 광 엔진 확장성, 신뢰성 및 처리의 용이성에 있어서 상당한 진보를 나타낸다. 부가적으로, 광은 바람직하게는 칩으로부터 경화 구역 내로 1:1 배율비(또는 기타)로 직접 커플링되고, 그 결과 작은 소스로부터 큰 영역으로 광을 투영하기 위해 복잡한 광학 시스템을 필요로 하지 않는다. 결과적인 시스템은 극단적으로 콤팩트하고 광역학적으로 단순화된다.
대부분의 고상 레이저는 에지 발광 구조체 다양성이 있는데, 이는 벽개(cleaving) 및 조립의 대응하는 어려움으로 인해 큰 선형 영역을 조립하는 데 이바지하지 않는다. 대조적으로, VCSEL은 단일 다이 상에서 임의의 크기, 형상 및 양의 어레이로 성장되고, 이어서 개별 칩 "타일"로 다이싱될 수 있고, 이 타일은 이어서 임의의 크기의 심리스(100% 충전 인자) 선형 어레이를 제공하도록 함께 조립될 수 있다. 반도체 레이저는 기판("에피") 상에서 서로 상하로 성장된 반도체 재료의 층을 포함한다. VCSEL 및 에지-이미터의 경우에, 이 성장은 통상적으로 분자 빔-에피택시(MBE) 또는 금속-유기-화학-기상 증착(MOCVD) 성장 반응기 내에서 수행된다. 성장된 웨이퍼는 이어서 개별 디바이스를 생성하기 위해 이에 따라 처리된다.
그러나, VCSEL은 반도체 레이저, 더 구체적으로는 모놀리식 레이저 공진기를 갖는 레이저 다이오드이고, 여기서 방출된 광은 칩 표면에 수직인 방향으로 디바이스를 떠난다. 공진기(캐비티)는 2개의 반도체 브래그 미러(분산형 브래그 반사기 레이저)로 실현된다. 이들 사이에는, (통상적으로) 다수의 양자 우물과 단지 수 마이크로미터의 총 두께를 가진 활성 영역(이득 구조)이 있다. 대부분의 경우에, 활성 영역은 수십 밀리와트로 전기적으로 펌핑되고 0.5 내지 5.0 mW 범위의 출력 전력을 발생시키거나 또는 다중 모드 디바이스의 경우 더 높은 전력을 발생한다. 전류는 종종 링 전극을 통해 인가되며, 이 링 전극을 통해 출력 빔이 추출될 수 있고, 전류는 그 주위에 절연 재료를 갖는 전기 전도성(도핑된) 미러층을 이용하여 공진기 모드의 영역에 구속된다. VCSEL에서, 활성층은 교번적인 고굴절률과 저굴절률의 반도체의 다수의 1/4 파장 두께의 반도체층으로 구성된 2개의 고도의 반사 미러(분산형 브래그 반사기 또는 DBR) 사이에 끼워져 있다. 이들 미러의 반사율은 통상적으로 99.5 내지 99.9%이다. 그 결과, 광은 층에 대해 수직으로 진동하고 디바이스의 상부(또는 하부)를 통해 빠져나간다. 전류 및/또는 광학 구속은 통상적으로 특정 용례에 대해 알루미늄 농후층의 선택적 산화, 이온 주입, 또는 심지어 모두를 통해 달성된다. VCSEL은 예를 들어, "접합부 다운(junction-down)" 납땜이 더 효율적인 히트 싱킹을 위해 요구되는 경우에 (에피/공기 계면에서의) "상부 발광" 또는 (투명 기판을 통한) "하부 발광"을 위해 설계될 수 있다.
대조적으로, 에지 이미터는 웨이퍼로부터 다이싱되고 벽개된 바아(bar)로 구성된다. 공기와 반도체 재료 사이의 높은 굴절률 대비로 인해, 2개의 벽개된 파셋은 미러로서 작용한다. 따라서, 에지 이미터의 경우에, 광은 층에 평행하게 진동하고 옆으로 빠져나간다. VCSEL과 에지 이미터 사이의 이 단순한 구조적 차이는 중요한 의미를 갖는다.
VCSEL은 여전히 웨이퍼 형태에 있는 동안 성장되고, 처리되고, 테스트되기 때문에, 병렬 디바이스 처리를 수행할 수 있는 능력으로부터 발생하는 상당한 규모의 경제성이 존재하며, 이에 의해 장비 이용률 및 수율이 최대화되고 셋업 시간 및 노동량이 최소화된다. VCSEL의 경우(도 1 참조), 미러와 활성 영역은 에피텍셜 성장 동안 Y 축을 따라 순차적으로 적층된다. VCSEL 웨이퍼는 이어서 에칭 및 금속화 단계를 거쳐 전기 접점을 형성한다. 이 시점에, 웨이퍼는 개별 레이저 디바이스가 합격-실패 기초로 특징화되는 테스트로 진행한다. 마지막으로, 웨이퍼는 다이싱되고 레이저는 더 높은 레벨의 조립(통상적으로 95% 초과) 또는 스크랩(통상적으로 5% 미만)으로 비닝(binning)된다.
간단한 Fabry-Perot 에지 이미터에서, 성장 프로세스는 또한 Y 축을 따라 발생하고, 뿐만 아니라 미러 코팅이 이후에 Z 축을 따라 도포됨에 따라 활성 영역을 생성한다. 에피텍셜 성장 후에, 웨이퍼는 금속화 단계를 거치고, 이후에 X 축을 따라 벽개되어, 일련의 웨이퍼 스트립을 형성한다. 웨이퍼 스트립은 이어서 적층되고 코팅 고정구 내에 장착된다. 웨이퍼 스트립의 Z 축 에지는 이어서 디바이스 미러를 형성하도록 코팅된다. 이 코팅은, 임의의 코팅 불완전성이 치명적 광학 손상(catastrophic-optical-damage: COD)으로 인한 디바이스의 조기 고장 및 치명적인 고장을 야기할 것이기 때문에, 에지 이미터의 중요한 처리 단계이다. 이 코팅 단계 후에, 웨이퍼 스트립은 다이싱되고 이어서 캐리어 상에 장착되는 이산 레이저 칩을 형성한다. 마지막으로, 레이저 디바이스가 테스트된다.
VCSEL은 더 적은 재료를 소비하는데, 3" 웨이퍼의 경우, 레이저 제조자는 약 15,000개의 VCSEL 디바이스 또는 유사한 전력 레벨의 약 4,000개의 에지 이미터를 제작할 수 있다는 것을 이해하는 것이 또한 중요하다. 이들 장점에 추가하여, VCSEL은 또한 낮은 임계 전류(수 마이크로암페어), 낮은 노이즈 작동 및 고속 디지털 변조(10 Gb/s)와 같은 우수한 동적 성능을 나타내고 있다. 더욱이, VCSEL은 저전력 인가 - 최대 수 밀리 와트 - 에 구속되었지만, 이들은 대형 2D 어레이를 처리함으로써 매우 높은 전력을 생성하는 고유한 잠재력을 갖는다. 수천개의 이미터를 갖는 2D VCSEL 어레이는 수백 와트의 총 광학 출력을 방출할 수 있다. 대조적으로, 에지 이미터는 2D 어레이로 처리될 수 없다.
에지 발광 반도체 레이저와 비교하여, VCSEL의 중요한 실제 장점은, 성장 직후, 즉 웨이퍼가 벽개되기 전에 이들이 테스트되고 특징화될 수 있다는 것이다. 이는 조기에 품질 문제를 식별하고 즉시 반응하는 것을 가능하게 한다. 더욱이, VCSEL 웨이퍼를 광학 요소의 어레이(예를 들어, 시준 렌즈)와 조합하고 이어서 모든 VCSEL마다 광학 요소를 개별적으로 장착하는 대신에 이 복합 웨이퍼를 다이싱하는 것이 가능하다. 이는 레이저 제품의 저렴한 대량 생산을 허용한다. VCSEL의 특징은 높은 광학 강도에 의해 손상될 수 있는 파셋이 없기 때문에 수명이 길다.
측면으로부터 방출되는 종래의 반도체 레이저와는 달리, VCSEL은 표면으로부터 방출하는데, 이는 디바이스의 어레이의 온-웨이퍼 테스트(on-wafer testing)를 허용한다. 이는 다수의 장점을 제공한다. VCSEL의 레이징 파장은 짧은(1 내지 1.5-파장 두께) Fabry-Perot 캐비티에 의해 고정되기 때문에, 매우 안정적이다. 에지 이미터에 대조적으로, VCSEL은 단일 종방향 모드에서만 작동할 수 있다. VCSEL 3" 웨이퍼가 캐비티 파장에 대해 2 nm의 표준 편차 미만으로 생성되도록 성장 기술이 개선되었다. 이는 어레이의 요소 사이에서 적은 파장 편차(1 nm 미만의 반치전폭 스펙트럼 폭)를 갖는 VCSEL 2D 어레이의 제조를 허용한다. 대조적으로, 에지 이미터 바아 스택은, 파장을 안정화하기 위한 고유 메커니즘이 없기 때문에, 바아로부터 바아로 상당한 파장 편차를 겪게 되어, 넓은 스펙트럼 폭(3 내지 5 nm의 FWHM)을 야기한다. VCSEL 내의 방출 파장은 에지 이미터에서보다 온도 편차에 대략 5 배 덜 민감하다. 그 이유는 VCSEL에서, 레이징 파장이 단일의 종방향 모드 캐비티의 광학 두께에 의해 정의되고 이 광학 두께의 온도 의존성이 최소이기 때문이다(캐비티의 굴절률 및 물리적 두께는 온도에 대해 약한 의존성을 가짐). 다른 한편으로, 에지 이미터에서의 레이징 파장은 온도에 훨씬 더 강한 의존성을 갖는 피크-이득 파장에 의해 정의된다. 그 결과, 고전력 어레이(가열 및 온도 구배가 중요할 수 있음)의 스펙트럼 선폭은 에지 이미터 어레이(바아 스택)에서보다 VCSEL 어레이에서 훨씬 더 좁다. 또한, 섭씨 20도의 온도 변화에 걸쳐, VCSEL의 방출 파장은 (에지 이미터의 경우 대략 7 nm에 비해) 1.4 nm 미만만큼 변할 것이다.
에지 이미터에 비해 VCSEL 구성을 이용함으로써 제공되는 부가의 장점은, VCSEL이 섭씨 80도까지의 온도에서 신뢰적으로 작동할 수 있기 때문에, 이들이 냉장 없이 작동될 수 있다는 것이다. 따라서, 이 접근법으로 냉각 시스템은 매우 작고 강건하며 휴대 가능하다. 에지 이미터는 냉각수 유동을 위해 유지되어야 하는 바아 대 바아 사이의 간극 때문에, 약 500W/cm2의 최대값을 전달하는 반면 VCSEL은 이제 대략 1200 W/cm2를 전달하고 가까운 미래에 2 내지 4 kW/cm2를 전달할 수 있다. VCSEL은 원형 빔을 방출한다. 적절한 캐비티 디자인을 통해, VCSEL은 단일 횡방향 모드(원형 가우스)로 또한 방출할 수 있다. 이 간단한 빔 구조는 (에지 이미터와 비교하여) 커플링/빔 성형 광학계의 복잡성과 비용을 상당히 감소시키고, 섬유 또는 펌핑된 매체에 대한 커플링 효율을 증가시킨다. 이는 저전력 시장에서 VCSEL 기술의 핵심 장점이었다. VCSEL은 치명적인 광학 손상(COD)을 받게되지 않기 때문에, 그 신뢰성은 에지 이미터보다 훨씬 높다. VCSEL의 전형적인 FIT 값(10억 디바이스-시간에서의 고장)은 10 미만이다. VCSEL은 라인 결함과 같은 전통적인 에지 발광 다이오드의 고장 모드를 갖지 않는다.
VCSEL의 제조성은 이 기술의 주요 장점이었다. COD(치명적인 광학 손상)에 관련된 복잡한 제조 프로세스 및 신뢰성 문제로 인해, 에지 이미터는 낮은 수율을 갖는다(에지 이미터 980 nm 펌프 칩 제조자는 통상적으로 2" 웨이퍼에서 대략 500개의 칩만 얻음). 다른 한편으로, VCSEL의 수율은 90%를 초과한다(2" 웨이퍼로부터 대략 5000개의 고전력 칩에 대응함). 실제로, 그 평면형 속성으로 인해, VCSEL 제조는 표준 IC 실리콘 처리와 동일하다. 전통적인 반도체 제조 장비의 사용은 제조 비용을 낮게 유지하는 것을 가능하게 한다. 또한 VCSEL이 검출기 및 다른 회로와 호환 가능하기 때문에, 이는 양호한 통합 능력을 허용한다. VCSEL은 여전히 웨이퍼 형태에 있는 동안 또한 테스트되고 연소될 수 있는데, 이는 제조 수율을 높이고 비용을 낮춘다. 고전력 인가의 경우, VCSEL의 주요 장점은 이들이 모놀리식 2D 어레이로 직접 처리될 수 있다는 것인데, 반면에 이는 에지 이미터에서는 불가능하다는 것이다(단지 1D 모놀리식 어레이만 가능함). 게다가, 복잡하고 열적으로 비효율적인 장착 방안이 에지 이미터 바아를 스택으로 장착하기 위해 요구된다. "접합부 다운(junction-down)" 구성으로 대형 고전력 VCSEL 2D 어레이의 장착은 간단하여(마이크로프로세서 패키징과 유사함), 열이 단지 수 미크론의 AlGaAs 재료만을 횡단해야 하기 때문에, 열 제거 프로세스를 매우 효율적이게 한다. 0.16 K/W 미만의 기록 열 임피던스가 5 mm×5 mm 2D VCSEL 어레이에서 입증되었다. 간단한 처리 및 히트 싱킹 기술에 의해, 동등한 에지 이미터 바아 스택보다 2D VCSEL 어레이를 패키징하는 것이 훨씬 더 용이해진다. 설정된 기존의 실리콘 산업 히트 싱킹 기술은 초고전력 어레이를 위한 열 제거에 사용될 수 있다. 이는 고전력 모듈의 비용을 상당히 감소시킬 것이다. 현재, 레이저 바아의 비용은 DPSS 레이저의 지배적인 비용이다.
VCSEL의 가장 일반적인 방출 파장은 GaAs/AlGaAs 재료 시스템으로 얻어진 바와 같은, 750 내지 980 nm(종종 약 850 nm)의 범위에 있다. 그러나, 1.3, 1.55 또는 심지어 2 ㎛ 초과의 더 긴 파장이 희석 니트라이드(GaAs상의 GalnNAs 양자 우물)로 그리고 인듐 포스파이드(InP 상의 InAlGaAsP)에 기초하는 디바이스로부터 얻어질 수 있다. 이 파장의 이용은, 이들 파장에서 자유 라디칼을 생성하는 적절한 광개시제로 열 경화, 소결, 용융 또는 광경화하는 데 채용될 수 있다. 결정 비선형 프로세스를 통한 고조파 발생은, 달리 반도체로부터 직접 생성되지 않을 수도 있는 다른 더 짧은 파장을 생성할 수 있다. KTP, MgO, PPLN 등과 같은 비선형 결정을 사용하면, 변환은 강도에 비례하며 결정 구조는 결정 내의 위상의 변화하는 주기성을 통해, 결정의 광학 공진의 조절을 허용하여 상이한 출력 파장을 달성한다. 주어진 VCSEL의 경우, 단순히 비선형 결정을 변경하는 것은 출력 파장을 변경할 수 있다. 예를 들어, 808 nm 소스는 간단히 결정 재료를 변경함으로써 404 nm 출력으로 두 배가 되거나, 269 nm 출력으로 세 배가 될 수 있고, 또는 976 nm 소스는 488 nm로 두 배가 될 수 있다. 마이크로 LED와 같은 다른 고상 직접 방출 소스는 전력 및 빔 품질 또는 가간섭성 출력 기능에 있어서 제한되어 있다. 마이크로 LED는 통상적으로 방출 표면으로부터의 램버시안 강도 분포를 가질 것인데, 이는 광을 집광하고 시스템 내로 작은 스폿을 지향시키기 위해 높은 NA를 갖는 집광 및 포커싱 옵션을 필요로 한다. VCSEL 레이저는 완벽한 점 소스에 훨씬 더 가까운 실현을 나타내고, 고가의(높은 NA/높은 집중) 광학 시스템을 필요로 하지 않으면서 작은 스폿 크기로 효율적으로 시준되고 포커싱될 수 있다.
저전력 VCSEL의 높은 빔 품질에 추가하여, 중요한 양태는 에지 발광 레이저 다이오드와 비교하여 낮은 빔 발산 및 대칭성 빔 프로파일이다. 이는 매우 높은 개구수를 가질 필요가 없는 간단한 렌즈로 출력 빔을 시준하는 것을 용이하게 한다. VCSEL 소스가 이상적인 광원에 훨씬 더 가깝다는 사실에 기인하여, VCSEL 이미터 다이의 상부에 배치된 동등한 중심간 피치를 갖는 비교적 저가의 광학계(마이크로렌즈 어레이 또는 등가물)가 적절한 포커싱된 스폿을 생성하는 데 사용될 수 있다.
3D 프린팅 시스템에 통합된 VCSEL 구성을 이용하는 특정 실시예가 이제 설명될 것이다. 이들 광원 각각은 본 명세서에 개시된 임의의 3D 프린팅 시스템을 포함하는 3D 프린팅 시스템에 이용되고 통합될 수 있고 앞서 개시된 광원을 대체할 수 있다. 도 23a 및 도 23b는 칩 레벨 VCSEL 광원과 제어 드라이버 사이의 예시적인 구성의 칩 레벨 단면도를 도시하고 있다. 도 23a 및 도 23b는 공통 기판(1004) 상에 하나 이상의 VCSEL 이미터(1002)(3개가 도시되어 있음)를 포함하는 VCSEL 칩(1000)을 도시하고 있다. 제어 드라이버(1006)는 VSCEL 칩(1000)의 외부에 있지만 통신 가능하게 커플링된다. VSCEL 칩(1000) 및 제어 드라이버(1006) 모두는 공통 열 확산 기판(1008)에 접합된다. 도 23a 및 도 23b의 모두에서, 제어 드라이버(1006)는 VCSEL 칩(1000)의 외부에 있고 직접 물리적 접촉하지 않는다. 도 23a에서, 제어 드라이버(1006)는 하나 이상의 와이어 본드(1020)(2개가 도시되어 있음)에 의해 양 접점(1010)에 전기적으로 통신 가능하게 커플링된다. 도 23b에서, 제어 드라이버(1006)는 하나 이상의 전도성 브리지(1030)(하나가 도시되어 있음)에 의해 양 접점(1010)에 전기적으로 통신 가능하게 커플링된다. 특정 드라이버 구성은 본 명세서에서 또한 더 구체적으로 설명된다.
도 24a 및 도 24b는 VCSEL 광원과 제어 드라이버 사이의 예시적인 구성의 칩 레벨 단면도를 도시하고 있다. 도 24a 및 도 24b는 공통 기판(1104) 상에 하나 이상의 VCSEL 이미터(1102)(3개가 도시되어 있음)를 포함하는 VCSEL 칩(1100)을 도시하고 있다. 제어 드라이버(1106)는 VSCEL 칩(1100)에 통신 가능하게 커플링된다. 양 VSCEL 칩(1100)이 있다. VCSEL 칩(1100)은 열 확산 기판(1108)과 열 전달한다. 도 23a 및 도 23b와 대조적으로, 제어 드라이버(1106)는 VCSEL 칩(1100)과 직접 물리적으로 접촉한다. 도 24a에서, 제어 드라이버(1006)는 VCSEL 칩(1100)과 적층된다. 도 24b에서, 제어 드라이버(1106)는 기판(1104)에 통합된다. 도 24b의 통합된 모놀리식 드라이버(1106)는 비용 효과적인 통합 패키지를 제공하였다.
VCSEL 기술을 사용하여, 드라이버는 외장형(예를 들어, CMOS ASIC)일 수 있거나 또는 완전히 모놀리식 구조체를 위해 GaAs 웨이퍼에 직접 통합될 수 있다. 이는 통합 유연성, 감소된 비용, 더 적은 상호 접속부, 증가된 신뢰성의 견지에서 이점을 제공한다. 온도 감지 접합부는 또한 다이 내에 통합되어 정밀한 파장 조절/안정화를 위해 이미터 온도의 정밀한 피드백 및 제어를 허용할 수 있다. 이는 효율적인 2차 고조파 발생(SHG) 프로세스를 보장하기 위한 용례를 갖는다. 어레이를 따라 산재하여 배치된 온도 감지 접합부의 다른 이점은 이미터를 면밀히 모니터링하고 제어하는 능력을 포함한다. 칩 전체에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 특정 이미터 또는 이미터 그룹을 오버드라이브(overdrive)하는 능력이 있다.
일부 실시예에서, VCSEL 칩 상의 다수의 이미터 각각은, 메인 시스템 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA)의 직렬 저전압 차동 신호(LVDS)를 통해 제어되는 특수화된 n-채널 정전류 입출력(I/O) 확장기로서 기능하는 구성 가능한 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 응용 주문형 집적 회로(ASIC) 드라이버 칩으로의 직접 접속을 통해 채널마다 개별적으로 어드레싱된다. CMOS 드라이버 칩은 메인 FPGA에 전류의 10-비트 제어 및 해당 전류의 기간의 10-비트 제어로 각각의 채널을 제어하여, 채널 당 총 20 비트의 노광 제어를 야기하는 인터페이스를 제공한다.
도 25는 하나 이상의 VCEL(1202)이 그 위에 배열되어 있는(복수의 어레이로 도시되어 있음) 프린트 헤드(1200)를 도시하고 있다. 도 25에 도시되어 있는 실시예에서, VSCEL은 엇갈린 어레이로 배열된다. 프린트 헤드(1200)는 본 명세서에서 전술된 임의의 재료 분배기(180, 184)와 유사한 구조, 재료 및 구성을 포함할 수 있다. 프린트 헤드(1200)는 도 23a 내지 도 24b를 참조하여 전술된 기판(1004, 1104)과 유사할 수 있는 VSCEL 기판(1204)을 더 포함할 수 있다. 프린트 헤드(1200)는 VSCELS(1202)에 근접하고 통신 가능하게 접속될 수 있는 도 23a 내지 도 24b를 참조하여 전술된 VSCEL 드라이버(1006, 1106)와 유사한 VSCEL 드라이버(1206)를 더 포함할 수 있다. 프린트 헤드(1200)는 도시되어 있는 실시예에서, 드라이버 랜덤 액세스 메모리(RAM)(1208) 및 플래시 메모리(1210)를 포함하는 메모리를 또한 포함할 수 있다. 프린트 헤드(1200)는 VCSEL 기능에 대한 추가적인 제어를 제공하기 위한 FPGA(1212)를 또한 포함할 수 있다. 프린트 헤드(1200) 상의 메모리 및 처리 구성 요소는 프린트 헤드 인쇄 회로 기판(PCB)에 통합될 수 있다.
어레이 내의 VCSEL 칩은 예를 들어 도 25에 도시되어 있는 바와 같이 서로 단을 이룰 수도 있고, 그리고/또는 칩 내의 개별 VCSEL 이미터는 서로 엇갈릴 수 있다. VCSEL 칩 및 이미터의 엇갈림은 설계된 광학계, 이미터 크기 및 에너지, 충전 인자, 광학 시스템, 스폿 크기, 냉각, 타일링 전략, 고장난 또는 비활성인 이미터 극복과 같은 인자에 맞게 설계되고 최적화될 수 있다. 대안적으로, VCSEL 칩은 엇갈리지 않은 또는 선형 어레이로 구성될 수 있다.
도 25의 프린트 헤드(1200)는 고출력 VSCEL 어레이가 경화 시스템으로서 이용될 때 냉각을 제공하는 데 유용한 냉각 요소를 또한 포함할 수 있다. 프린트 헤드(1200)의 일부 냉각 요소는 열전 냉각기(TEC)(1214), 펠티에 냉각기, 및 온도 변화를 감지하고 TEC(1214)를 제어하는 드라이버와 전기적으로 통신할 수 있는 열 전도 모듈(1216)을 포함할 수 있다. 도 25에 도시되어 있는 실시예에서, VSCEL 이미터 구역에서 발생된 열은 VSCEL 기판(1204)을 통해 히트 싱킹 메커니즘 내로 흡인될 수 있다. 일부 예의 히트 싱킹 메커니즘은 예를 들어 마이크로채널 플레이트, 펠티에 냉각기, 공기 열 교환기, 또는 다른 히트 싱킹 방법을 포함한다. 전술된 바와 같이, TEC(1214)는 도 25의 실시예에서 이용되는 히트 싱킹 메커니즘이다.
프린트 헤드(1200)에 대한 열 부하는 시변적이고 프린트-특정적이다. 예를 들어, 단일의 이미터 또는 1,000개의 이미터는 임의의 주어진 순간에 물리적으로 경화된 폴리머에서 데이터의 일부를 복제하기 위해 활성일 수 있다. 국소 온도에 대한 정밀한 지식은 주어진 오브젝트에 대한 프린트 속도의 최적화를 허용한다. 열 관리 시스템은 VCSEL 칩(1202)의 접합부 온도가 작동 중에 좁은 온도 범위 내에 유지되어 안정적인 파장 및 효율적인 SHG를 보장하기에 충분한 타임스케일로 변화하는 열 부하에 응답할 수 있다. CMOS ASIC 드라이버는 더 관대한 열 작동 윈도우를 가져, 접합부 온도가 125℃ 미만으로 유지되는 것을 요구한다.
냉각 피드백 루프의 시간 상수를 감소시키기 위해 TEC를 이용하는 것은 시스템이 변화하는 열 부하에 전기적으로 훨씬 더 빠르게 반응하고 일정한 칩 온도를 유지하게 한다. 시스템의 일반적인 모델이 구성되고 대기열에 있는 어레이 데이터 및 VCSEL 이미터의 열 전달 기능과 함께 실행 시간에 사용되어 폐루프 시스템 내로 열 제어를 피드포워드(feed-forward)하고 엄격한 응답 시간을 달성하는 것을 도울 수 있다.
이는 적절한 온도를 유지하기 위해 시스템이 냉각제 루프에 의존하지 않고 - 단지 TEC의 고온 단부에 존재하는 양에 관계 없이 시스템으로부터 열을 제거하기 위한 것임을 의미한다. 시스템을 가로지르는 열 저항을 최소화하고 열 제어 루프 응답 시간을 최대화하기 위해, 이미터와 최종 열 제거부 사이의 열 계면의 수가 절대 최소값으로 유지된다. 각각의 열 계면은 일부 실시예에서, 0.001" 이하의 층을 포함하는 고품질 열 페이스트 또는 에폭시와 결합된다. TEC 기반 시스템의 다른 이점은 프린트를 처음 시작할 때 최적의 효율적인 SHG를 위해 VCSEL 칩을 섭씨 75도까지 예열하는 능력이다. 시스템 - VCSEL 접합부 온도를 통한 열 흐름에 대한 엄격한 실시간 제어는 이상적으로 켈빈 온도로서 5도 이내로 제어되어야 한다. 정확한 피드백을 보장하기 위해 온도 센서의 배치에 주의를 기울여야 한다. 일부 실시예에서, 온도 감지 접합부는 최대 정확한 피드백을 위해 VCSEL 다이에 직접 통합되어야 한다.
도 26은 회전 가능한 프린트 헤드 플랫폼 구조체(1300)에 통합되어 있는 도 25의 프린트 헤드(1200)를 도시하고 있다. 회전 가능한 프린트 헤드 플랫폼 구조체(1300)는 프린트 헤드(1200)에 커플링된 프린트 헤드 메인 인쇄 회로 기판(PCB)(1302), 메인 랜덤 액세스 메모리(1304), 마이크로프로세서(1306), 2차 제어기(1308)(예를 들어, Flexray® 제어기), 및 하나 이상의 TEC 제어기(1312)에 커플링된 TEC 제어기 PCB(1310)를 포함할 수 있다. 이들 구조체 각각은, 회전 모터(1316) 및 회전 테이블(1318)을 이용하여 회전 가능한 구성을 형성하기 위해 상기 특징들을 갖고 구성될 수 있는 고정 베이스(1314)에 장착될 수 있다.
회전 모터(1316) 및 회전 테이블(1318)은 본 명세서에서 빌드 플랫폼(16)의 회전 구성과 유사한 회전 구성을 포함할 수 있다. 결과적인 회전 VCSEL 어레이는 회전 시스템의 방사상부 상의 동시의 지점에서 필요한 에너지 밀도를 제공하여, 더 빠른 프린팅 및 상 변화를 유도하기 위해 더 높은 에너지 레벨로 더 큰 범위의 재료를 고화하는 능력을 허용한다. 개별 회전식 스캐닝 시스템 상의 프린트 헤드(1200)는 더 넓은 영역을 노광하거나, 또는 회전 빌드 플레이트(전술됨)의 회전 속도를 증가시키지 않고 시스템의 프린트 속도를 증가시킨다. 이는 프린트 속도를 희생하지 않고, 점착성 제거, 재료 분포 또는 다른 인자에 대한 빌드 플레이트의 회전 속도가 최적화될 수 있게 한다. 이는 또한, 충분히 높은 에너지가 최적화된 빌드 플레이트 속도를 넘어 얻어지면, 이 에너지가 이제 회전 스캐닝을 통해 이용될 수 있는 경우에, 더 큰 에너지 VCSELS가 사용될 수 있게 한다. 회전 광원은 또한 다수의 고정 위치 극성으로 배열된 어레이를 가질 필요성을 제거하는데, 이는 회전 광원의 위치가 이제 구성 가능하기 때문에, 기계의 비용을 감소시키고 가능한 경화 구역 영역의 수를 증가시킨다. 일부 재료는 빌드 플레이트가 이동하기 전에 고정되는 데 필요한 더 긴 경화 반응을 가질 수도 있는 연속 모션 및 반연속 모션의 프린팅을 허용한다.
본 개시내용은 VCSEL 어레이의 형태의 회전 빌드 플레이트 및 회전 방사선 소스에 초점을 맞추고 있지만, 여기에 개시된 회전 방사선 소스는 회전 빌드 플랫폼, 예를 들어 고정 빌드 플레이트가 없는 3D 프린팅 시스템에서 이용될 수 있다는 점을 주목하는 것이 중요하다. 더욱이, 회전 방사선 소스 및 회전 빌드 플레이트는 개별적으로 또는 함께 제어될 수 있고, 그 자신의 연관된 드라이버를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 회전 방사선 소스 및 회전 빌드 플레이트는 회전 특성 및 각도 특성 및/또는 상이한 속도를 포함하는 상이한 특성을 갖도록 구성될 수 있다.
회전 광원은 또한 단순한 파이(pie) 형상 또는 방사상이 아닌, 사용되는 형상으로서 다양한 경화 구역 기하학 구조 대한 옵션을 가능하게 한다. 점도 또는 입자 크기, 점착 특성에 기초하는 유체 역학을 고려하여 상이한 재료를 위해 최적화된 상이한 경화 구역 기하학 구조를 갖는 개별적인 아일랜드(island) 또는 상이한 통은 다수의 재료에 대한 매우 다양한 통 분할을 허용한다[이는 단일의 갈보(galvo) 또는 투영 시스템을 갖는 레이저와 같은 고정 VCSEL 또는 선형 또는 직선 광원과 비교됨].
도 27은 프린트 헤드(1200), 고정 베이스(1314), 회전 모터(1316), 회전 테이블(1318), 다중 채널 슬립 링(1402) 및 회전 베어링(1404)을 포함할 수 있는 도 27의 회전 가능한 프린트 헤드 플랫폼 구조체(1300)의 측면 프로파일도를 도시하고 있다. 도 27에서 알 수 있는 바와 같이, 회전 모터(1316)는 고정 베이스(1314)에 대해 회전 테이블(1318)에 회전 모션을 부여하도록 구성된다. 회전 테이블(1318)은 회전 베어링(1404)을 통해 고정 베이스(1314)에 회전 가능하게 부착된다. 전력 및 신호는 다중 채널 슬립(1402)을 통해 회전 가능한 프린트 헤드 플랫폼 구조체(1300)로 전달된다.
일부 실시예에서, 회전 가능한 프린트 헤드 플랫폼 구조체(1300)는 프린트 헤드(1200)의 열 전도 모듈의 액체 냉각을 위한 유체 전달 시스템을 더 포함하는데, 여기서 냉각 유체, 예를 들어 물 또는 임의의 공지된 냉각 유체가 예를 들어, 유체 냉각 저장조(1407)로부터 회전 유체 커플링(1406)을 통해 안내된다. 도 27에 도시되어 있는 실시예와 같은 일부 실시예에서, 이용된 히트 싱크 시스템은 TEC일 뿐만 아니라, 대신에 하이브리드 열전/유체 냉각 시스템이다. 이 하이브리드 시스템에서, VCSEL 어레이에 의해 생성된 열은 그 열 분산기 서브마운트를 통해 TEC 모듈 히트 펌프의 저온측으로 확산된다. VCSEL 열 확산기 서브마운트의 기하학 구조는 FEA 기술을 이용하여 최적화되어 최적의 열 처리량 및 심지어 온도 프로파일을 보장할 수 있다. 하나 이상의 열전-냉각식 서브마운트 모듈은, 그 고온측이 광학 및 전자 설계 고려 사항에 따라 더 큰 수냉식 베이스 블록 상에 있는 상태로 위치된다. 회전 유체 커플링이, 프린트 헤드가 회전하는 동안, 그 액체 냉각을 허용한다. 냉각 유체는 내부 이미터보다 더 많은 열을 발생할 것인 외부 이미터에 가장 차가운 유체가 도입되게 하도록 프린트 헤드(1200)의 외부 부분 내로 펌핑될 수 있다.
프린트 헤드에 통합되고 프린트 헤드로부터 분리되어 있는, 본 발명의 특징들을 포함하는 다수의 상이한 VCSEL 어레이 구성이 가능하다. 도 28은 8-구역 광 엔진 구조체를 특징으로 하는 광 엔진(1500)을 도시하고 있다. 광 엔진(1500)은 그 위에 VCSEL 어레이(1504)가 배열되어 있는 아암(1502)(8개가 도시되어 있음)을 포함한다. 광 엔진(1500)은 전술된 프린트 헤드(1200)와 동일한 냉각 특징부 및/또는 회전 특징부를 갖도록 구성될 수 있다.
다양한 전체 작동 제어 방안이 본 발명의 특징들을 포함하는 VCSEL 광원의 실시예와 함께 이용될 수 있다. 도 29는 시스템 마스터 제어기(1602), 예를 들어 프로세서와 통신하는 메모리와 같은 컴퓨팅 디바이스가 다양한 서브 시스템 및 제어기에 명령을 송신하고 사용자 및 기계 입력을 수신하고 프린트 헤드 서브 시스템에 프린트 특유 데이터를 전달하도록 구성되는, 예시적인 작동 구성(1600)을 도시하고 있다. 일부 실시예에서, 시스템 마스터 제어기(1602)는 고속 직렬 버스(1603)를 통해 다른 서브 시스템 및 제어기와 통신 가능하게 커플링된다. 로드/언로드 서브 시스템(1604)은 기계에 대한 빌드 플레이트의 로딩 및 언로딩을 취급하도록 구성된다.
프린트 헤드 서브 시스템(1606)은 시스템 마스터 제어기로부터 프린트 관련 데이터를 수신하고, 이 정보를 처리하여 개별 이미터 펄스를 생성하고, 어레이의 열 상태를 감지하고, 프린트 헤드 마이크로제어기 또는 시스템 마스터 제어기로 정보를 피드백하도록 구성된다. 이 정보는 어레이 온도를 조절하기 위해 처리되어 사용된다. 프린트 헤드 서브 시스템(1606)은 시스템 마스터 제어기로부터 프린트 데이터를 수신하고, 로컬 메모리에 프린트 데이터를 저장하고, VCSEL 드라이버에 데이터를 송신한다(VCSEL 드라이버는 이 데이터를 원하는 3d 오브젝트와 연관된 재료를 고화하는 개별적으로 어드레스 가능한 이미터에 대한 펄스 명령으로 변환함). 프린트 헤드 서브 시스템(1606)은 또한 열 센서를 이용하고 프린트 헤드 드라이버 FPGA 및 프린트 헤드 서브 시스템 마이크로제어기에 정보를 릴레이한다. 이 정보는 마이크로제어기에서 처리되거나 시스템 마스터 제어기로 전달되어 프린트 헤드의 작동을 조절할 수 있다. FPGA, 프린트 헤드 마이크로제어기 또는 시스템 마스터 제어기로부터 조정 명령을 수신하는 TAC 냉각기 제어기에 의해 TAC 냉각기의 전압 조절을 통해 조절이 이루어진다. 일부 실시예에서, Flex Ray® 제어기와 같은 2차 제어기(1308)와 유사한 2차 제어기가 시스템 마스터 제어기와 정보를 송수신한다.
프린트 헤드 모션 제어기(1608)는 빌드 플레이트의 회전 및 선형 전진을 제어하기 위한 프린트 레벨 데이터를 수신하고, 빌드 플레이트 세타(build plate theta) 및 z-액세스 거리를 모니터링하기 위해 위치 센서로부터 정보를 수신하고, 토크 데이터를 수신하도록 구성된다. 빌드 플레이트 서브 시스템(1610)은 빌드 플레이트에 제어를 제공하도록 구성된다. 수지 통 제어기(1612)는 디바이스의 프린트 재료 저장부를 제어하고 모니터링하도록 구성된다.
본 발명이 특정한 바람직한 구성을 참조하여 상세히 설명되었지만, 다른 버전이 가능하다. 본 발명의 실시예는 다양한 도면에 도시되어 있는 호환 가능한 특징들의 임의의 조합을 포함할 수 있고, 이들 실시예는 명시적으로 도시되어 있고 설명된 것들에 한정되어서는 안 된다. 따라서, 본 발명의 사상 및 범주는 전술된 버전에 한정되어서는 안 된다.
상기 설명은 첨부된 청구범위에 표현된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주 내에 있는 모든 수정 및 대안적인 구성을 포괄하도록 의도되며, 본 개시내용의 어떠한 부분도 임의의 청구범위에 설명되지 않으면, 명시적으로 또는 암시적으로, 공공 영역에 전용되는 것으로 의도되지 않는다.

Claims (20)

  1. 수직 배향으로 구조체를 3차원(3D) 프린팅하기 위한 디바이스로서,
    구성 영역;
    재료 분배기 내에 유동성 빌드 재료(build material)를 갖는 재료 분배기로서, 상기 재료 분배기는 유동성 재료를 상기 구성 영역의 상부 표면의 노광 구역 상에 전달하도록 위치되는 것인 재료 분배기;
    상기 재료 분배기 상의 또는 상기 재료 분배기에 인접한 하나 이상의 수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL; vertical-cavity surface-emitting laser) 칩으로서, 상기 VCSEL 칩은 방사선을 전달하여 상기 노광 구역에 위치된 유동성 재료를 고화시키도록 위치되는 것인 VCSEL 칩
    을 포함하는 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 재료 분배기는 프린트 헤드를 포함하는 것인 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 VCSEL 칩은 VCSEL 칩의 어레이를 포함하는 것인 디바이스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 VCSEL 칩의 어레이는 엇갈린 배향으로 있는 것인 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 VCSEL 칩 중 적어도 하나는 상기 하나 이상의 VCSEL 칩 중 상기 적어도 하나를 제어하도록 구성된 VCSEL 드라이버에 통신 가능하게 접속되는 것인 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 VCSEL 드라이버 및 상기 하나 이상의 VCSEL 칩 중 상기 적어도 하나는 공통 기판을 공유하는 것인 디바이스.
  7. 제6항에 있어서, 상기 VCSEL 드라이버는 상기 공통 기판과 일체형인 것인 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 재료 분배기는 고정 베이스에 관하여 회전하도록 구성된 회전 테이블 상에 있는 것인 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하나 이상의 VCSEL 칩에 냉각을 제공하도록 구성된 열전 냉각기(TEC; thermoelectric cooler)
    를 더 포함하는 디바이스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 재료 분배기가 회전함에 따라 상기 재료 분배기를 냉각하도록 구성된 회전 유체 커플링을 포함하는 유체 기반 냉각기 시스템
    을 더 포함하는 디바이스.
  11. 수직 배향으로 구조체를 3차원(3D) 프린팅하기 위한 디바이스로서,
    구성 프레임;
    재료 분배기 내에 유동성 빌드 재료를 갖는 재료 분배기;
    상기 구성 프레임 내에 수평으로 양자 모두 위치되는 구성 영역 및 개별 빌드 플랫폼으로서, 그 사이에서 고화되는 3D 구조체의 역 빌드(inverted build)를 위해 구성된 구성 영역 및 개별 빌드 플랫폼에 있어서, 상기 빌드 플랫폼은 상기 구성 프레임 내에서 수직으로 이동 가능하고 구성 프레임 내에서 회전하도록 구성되고, 상기 재료 분배기는 유동성 재료를 상기 구성 영역의 상부 표면의 노광 구역 상에 전달하도록 위치되는 것인 구성 영역 및 개별 빌드 플랫폼;
    노광 구역 상에 위치된 유동성 재료를 선택적으로 고화시키기 위해 방사선을 전달하도록 위치된 하나 이상의 수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL) 칩
    을 포함하고,
    상기 빌드 플랫폼은, 상기 빌드 재료가 고화함에 따라 상기 구성 영역의 상부 표면 상에 전달된 상기 빌드 재료를 수용 및 보유하고 상기 구성 프레임 내에서 수직으로 상향으로 이동하며 회전되도록 구성되는 것인 디바이스.
  12. 제11항에 있어서, 상기 하나 이상의 VCSEL 칩 중 적어도 하나는 상기 하나 이상의 VCSEL 칩 중 상기 적어도 하나를 제어하도록 구성된 VCSEL 드라이버에 통신 가능하게 접속되는 것인 디바이스.
  13. 제12항에 있어서, 상기 VCSEL 드라이버 및 상기 하나 이상의 VCSEL 칩 중 상기 적어도 하나는 공통 기판을 공유하는 것인 디바이스.
  14. 제13항에 있어서, 상기 VCSEL 드라이버는 상기 공통 기판과 일체형인 것인 디바이스.
  15. 제11항에 있어서, 상기 재료 분배기는 고정 베이스에 관하여 회전하도록 구성된 회전 테이블 상에 있는 것인 디바이스.
  16. 수직 배향으로 구조체를 3차원(3D) 프린팅하기 위한 디바이스로서,
    구성 프레임;
    재료 분배기 내에 유동성 빌드 재료를 갖는 재료 분배기;
    상기 구성 프레임 내에 수평으로 양자 모두 위치되는 구성 영역 및 개별 빌드 플랫폼으로서, 그 사이에서 고화되는 3D 구조체의 역 빌드를 위해 구성된 구성 영역 및 개별 빌드 플랫폼에 있어서, 상기 빌드 플랫폼은 상기 구성 프레임 내에서 수직으로 이동 가능하고 구성 프레임 내에서 회전하도록 구성되고, 상기 재료 분배기는 유동성 재료를 상기 구성 영역의 상부 표면의 노광 구역 상에 전달하도록 위치되는 것인 구성 영역 및 개별 빌드 플랫폼;
    노광 구역에 위치된 유동성 재료를 고화시키기 위해 방사선을 전달하도록 위치된 하나 이상의 수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL) 칩으로서, 상기 재료 분배기는 고정된 베이스에 관하여 회전하도록 구성된 회전 테이블 상에 있는 것인 VCSEL 칩
    을 포함하고,
    상기 빌드 플랫폼은, 상기 구성 영역의 상부 표면 상에 전달된 상기 빌드 재료를 수용하고 고화되는 빌드 재료를 유지하며 상기 구성 프레임 내에서 수직으로 상향으로 이동하고 회전되도록 구성되는 것인 디바이스.
  17. 제16항에 있어서, 상기 빌드 플랫폼 및 상기 회전 테이블의 회전은 독립적으로 제어되도록 구성되는 것인 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 빌드 플랫폼 및 상기 회전 테이블은 상이한 속도를 갖도록 구성되는 것인 디바이스.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 하나 이상의 VCSEL 칩에 냉각을 제공하도록 구성된 열전 냉각기(TEC)
    를 더 포함하는 디바이스.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 재료 분배기가 회전함에 따라 상기 재료 분배기를 냉각하도록 구성된 회전 유체 커플링을 포함하는 유체 기반 냉각기 시스템
    을 더 포함하는 디바이스.
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