KR20200111716A - 섬유-보강된 3d 프린팅 - Google Patents

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Abstract

3D 프린터는 열가소성 매트릭스 재료 내에 비탄성 축방향 섬유 스트랜드를 포함하는 사전 함침된 섬유 복합 필라멘트 (800) 를 공급하기 위한 프린트 헤드 (500) 를 포함한다. 필라멘트 공급부와 가열된 노즐 (2) 사이의 제 1 가열 구역 (1) 은 매트릭스의 용융 온도보다 높게 가열가능하다. 노즐 이후의 통합 요소 (9) 는 필라멘트에 통합 힘을 적용하여 필라멘트를 부품에 부착한다. 노즐은 적어도 매트릭스의 용융 온도로 가열가능하다. 필라멘트는 제 1 가열 구역을 통해 노즐 내로 보내진다. 제 1 가열 구역 이전의 냉각 구역 (6) 은 필라멘트의 온도를 매트릭스의 용융 온도보다 낮게 유지한다. 제 1 가열 구역과 노즐 사이의 히트 브레이크 (7) 는 제 1 가열 구역과 노즐 사이에 온도 갭을 생성한다. 프린트 헤드/통합 요소는 3 자유도로 움직일 수 있다. 본 출원은 또한 부품의 적층 가공 방법에 관한 것이다.

Description

섬유-보강된 3D 프린팅
본 발명은 부품의 적층 가공에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 섬유-보강된 부품의 적층 가공을 위한 방법 및 3 차원 프린터에 관한 것이다.
다음의 배경 기술은 본 발명 이전에 관련 기술에 알려지지 않았지만 본 개시에 의해 제공되는 개시와 함께 통찰, 발견, 이해 또는 개시 또는 연관을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 일부 그러한 기여들은 아래에서 구체적으로 지적될 수 있는 반면, 본 개시에 포함되는 다른 그러한 기여들은 그들의 맥락에서 명백할 것이다.
자동 섬유 배치 (Automatic Fiber Placement: AFP) 는 복합 구조물의 적층 가공을 위한 공정을 말하며, 여기서 연속 섬유들은 층별로 미리 정해진 경로에 정렬되어 구조물을 형성한다. 열가소성 복합재를 이용한 자동화된 섬유 배치는 당업계에 알려져 있다. AFP 기술은 연속 보강 섬유 (탄소, 유리 등) 가 있는 열경화성 및 열가소성 폴리머와 함께 사용된다. AFP 에서, 열가소성 폴리머 원료는 함침된, 사전 제조된 그리고 고화된 섬유 토우 (tow) 의 형태이다. 섬유 토우는 프린팅 헤드를 통해 공급되는데, 여기서 섬유 토우는 매트릭스 폴리머 (즉, 열가소성 폴리머) 의 용융 온도보다 높게 가열된다. 프린팅 헤드는 소정의 3 차원 (X-Y-Z) 경로 상에 섬유의 프린팅을 달성하도록 배치된 로봇에 연결되고, 이어서 최종 부품의 원하는 구조가 형성된다.
융합 필라멘트 제조 (Fused Filament Fabrication: FFF) 는 열가소성 재료의 연속 필라멘트가 사용되는 3 차원 (3D) 프린팅 기술이다. 융합 필라멘트 제조 기술을 사용하여 제조된 3D 프린팅된 물체들의 기계적 특성은, 이들 물체가 전형적으로 폴리머로만 구성되어 있다는 사실 때문에 제한된다. 이러한 제한은 필라멘트를 프린팅하기 위해 폴리머에 절단된 (짧은) 섬유 보강재를 추가함으로써 완화될 수 있지만, 이는 3D 프린팅된 물체들의 기계적 특성을 현저하게 개선시키지는 못한다.
연속 섬유 보강은 플라스틱 복합재에 사용되어 고강도를 제공할 수 있다. 그러나, 융합 필라멘트 제조에서 연속 섬유 보강재를 사용하는 것에 대한 상업적 경험은 지금까지 매우 제한적이다.
US 5936861 A 는 사전 함침된 연속 섬유-보강 원료를 사용하는 단일 노즐 압출에 의한 연속 섬유 보강재의 융합 필라멘트 제조 (FFF) 기술을 개시하고 있으며, 여기서 보강 섬유는 프린팅 장치에 연결된 외부 함침 조에서 프린팅 공정 동안 함침된다. 섬유 보강재는 프린팅 장치 앞에 위치한 외부 함침 장치에서 3D 프린팅 동안 함침된다. 대안적으로, 공동-밀링된 섬유 토우가 사용되는데, 여기서 매트릭스 및 보강 섬유 모두는 매트릭스 섬유가 용융되고 섬유를 함침시키는 3D 프린팅 노즐을 통해 공급되는 동일한 섬유 토우에서 섬유 형태이다.
Ryosuke Matsuzaki 등의 간행물 "노즐내 함침에 의한 연속-섬유 복합재의 3 차원 프린팅(Three-dimensional printing of continuous-fiber composites by in-nozzle impregnation)(과학 보고서 6, 기사 번호: 23058 (2016), doi:10.1038/srep23058, 2016년 3월 11일 온라인 간행 (http://www.nature.com/articles/srep23058)) 은 함침 노즐을 이용하는 장치를 개시하고 있으며, 여기서 섬유들은 특별히 고안된 함침 노즐에서 프린팅 공정 동안 열가소성 폴리머에 의해 함침된다.
US 14491439 및 US 9327453 B2 는 폴리머 매트릭스 및 연속 섬유 보강재를 프린팅하기 위해 이중 압출기를 사용하는 것을 개시하고 있다. 이들은 FFF 를 사용하는 것을 개시하고 있으며, 여기서 연속 섬유들의 3D 프린팅은, 열가소성 폴리머에 의해 함침되고 섬유 프린팅 노즐에서 가열되는 사전 함침된, 사전 제조된 그리고 고화된 섬유 필라멘트를 사용하여 수행된다. 또한 3D 프린터는 매트릭스 재료만을 프린팅하는데 사용되는 또 다른 프린팅 노즐을 포함한다. 섬유 프린팅 노즐은 노즐내 용융 섬유 보강 필라멘트에 플래트닝/아이어닝 힘 (flattening/ironing force) 을 가한다. 플래트닝/아이어닝 힘은 자동 섬유 배치 기술의 통합 힘 (consolidation force) 과 같다.
연속 섬유를 프린팅하는 FFF 방법, 및 AFP 방법 모두는 연속 섬유 보강재를 적용함으로써 층별로 3D 구조를 생성하여 최종 구조를 형성하는데 사용된다. FFF 및 AFP 에서, 열가소성 또는 열경화성 폴리머 매트릭스에 매립된 연속 섬유들은 프린트 헤드를 통해 압출되어 연속 섬유 보강된 3D 구조를 형성한다. 연속 섬유들의 AFP 및 FFF 는 프린팅 물체의 크기와 형태가 다르다. AFP 에서는 일반적으로 매우 큰 물체가 생성되고, AFP 는 일반적으로 중공 구조를 형성하는데 사용되지만 이에 국한되지는 않는다. 다른 한편으로, 연속 섬유들의 FFF 는 임의의 형상의 더 작은 물체를 생성하는데 사용될 수 있다.
연속 섬유의 FFF 및 열가소성 폴리머의 AFP 기술 모두에서, 원료는 함침되고, 사전 제조되고 그리고 고화된 섬유 보강된 토우의 형태이다. 연속 섬유의 FFF 및 열가소성 폴리머의 AFP 기술 모두에서, 원료 토우는 토우가 매트릭스 폴리머의 용융 온도보다 높게 가열되는 프린트 헤드를 통해 공급되며, 그 후 섬유는 층별로 프린트 표면 상에 놓여진다. 연속 섬유의 FFF 및 열가소성 폴리머의 AFP 기술 모두에서, 용융된 섬유는 섬유를 제조되는 부품에 부착시키는 압착 힘 (즉, 통합 힘 및/또는 플래트닝/아이어닝 힘) 을 받는다. AFP 에서 압착/통합 힘은 통합 롤러에 의해 적용되고, 연속 섬유의 FFF 에서 압착/통합 힘은 가열된 섬유 프린팅 노즐 (아이어닝 립) 의 외부 형상에 의해 적용된다. AFP 기술에서 이 힘은 압착/통합 힘이라고 하며, 연속 섬유의 FFF 에서 이 힘은 플래트닝/아이어닝 힘이라고 한다. FFF 및 AFP 는 열가소성 또는 열경화성 폴리머에 매립된 연속 섬유를 압출하고 적층 가공, 즉 3D 프린팅에 의해 이러한 재료로부터 물체를 생성하는데 사용될 수 있다. 연속 섬유를 프린팅하기 위한 기존 3D 프린팅 기술과 자동 섬유 배치 기술간의 차이점은 프린팅된 물체의 크기와 형태에 있다.
FFF 및 AFP 에서, 프린팅된 부품으로의 섬유 압착은 폴리머 표면의 용융 결합에 의해 발생한다. 용융 결합은 친밀한 접촉, 분자 확산 (렙테이션 (reptation) 또는 자기접착) 및 통합의 세 단계로 이루어진다. 친밀한 접촉 단계는 각 표면의 폴리머 매트릭스가 서로 직접 접촉하도록 열 및 압력 하에서 2 개의 표면을 함께 합치는 것을 포함한다. 친밀한 접촉이 달성되면, 폴리머 사슬은 열 진동을 통해 두 층들 (표면들) 사이에서 확산되고, 엉켜서 결합을 형성한다. 최종적으로, 결합 영역은 압력 하에서 냉각되고 응집 결합이 달성된다.
다른 기술은 함침 노즐을 이용하는 장치를 포함하는데, 여기서 섬유는 특별히 설계된 함침 노즐에서 프린팅 공정 동안 열경화성 광경화성 폴리머에 의해 함침되거나 또는 섬유 층들이 서로 포개져 적층된다.
전술한 방법들에도 불구하고, 연속 섬유 보강재의 3D 프린팅을 위한 보다 진보된 기술을 제공할 필요가 있다.
다음은 본 발명의 일부 예시적인 양태의 기본적인 이해를 제공하기 위해 여기에 개시된 특징의 간략화된 요약을 제공한다. 이 요약은 본 발명의 광범위한 개요가 아니다. 이는 본 발명의 핵심/중요 요소를 식별하거나 본 발명의 범위를 설명하려는 것은 아니다. 이의 유일한 목적은 본 명세서에 개시된 일부 개념을 보다 상세한 설명의 서두로서 단순화된 형태로 제시하는 것이다.
일 양태에 따르면, 독립 청구항의 주제가 제공된다. 실시형태들은 종속 청구항에 규정되어 있다.
구현의 하나 이상의 예는 첨부 도면 및 이하의 상세한 설명에서 보다 상세히 설명된다. 다른 특징들은 상세한 설명 및 도면 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시형태들에 의해 본 발명을보다 상세하게 설명할 것이다.
도 1 은 예시적인 실시형태에 따른 3D 프린터를 도시한 개략도이다.
도 2 는 종래 기술의 3D 프린팅 유닛을 도시한 개략도이다.
도 3 은 예시적인 실시형태에 따른 3D 프린팅 유닛을 도시한 개략도이다.
도 4 는 예시적인 실시형태에 따른 3D 프린팅 프로세스를 도시한 흐름도이다.
도 5 는 예시적인 실시형태에 따른 섬유 프린팅 유닛을 도시한 개략도이다.
도 6a 는 예시적인 실시형태에 따른 3D 프린팅된 부품을 도시한 개략도이다.
도 6b 는 예시적인 실시형태에 따른 3D 프린팅된 부품을 도시한 개략도이다.
도 7a 및 7b는 예시적인 실시형태에 따른 3D 프린팅된 구조를 도시한 개략도이다.
도 8a, 8b, 8c 및 8d 는 프린트 헤드의 예시적인 구조를 도시한 개략도이다.
다음의 실시형태들은 예시적이다. 본 명세서가 몇몇 위치에서 "일", "하나" 또는 "일부" 실시형태(들)를 언급할 수 있지만, 이는 각각의 이러한 참조가 동일한 실시형태(들)에 대한 것이거나 그 특징이 단일의 실시형태에 단지 적용되는 것을 반드시 의미하지는 않는다. 다른 실시형태들의 단일 특징들은 또한 다른 실시형태들을 제공하기 위해 결합될 수 있다. 또한, "포함하는", "함유하는" 및 "구비하는" 이라는 단어는 설명된 실시형태들이 언급된 특징들만으로 구성되도록 제한하지 않고 이러한 실시형태들이 또한 특별히 언급되지 않은 특징들/구조들을 포함할 수도 있음을 이해하여야 한다.
일 실시형태는 폴리머 및 폴리머 매트릭스에 매립된 연속/반연속 섬유 보강재로 구성된 3D 프린팅된 물체의 구조 및 이러한 구조의 적층 가공 방법을 개시한다.
도 1 은 3 개의 개별 3D 프린팅 유닛 (즉, 프린트 헤드들), 즉 지지체 재료를 3D 프린팅하기 위한 제 1 프린팅 유닛 (400), 폴리머 필라멘트를 3D 프린팅하기 위한 제 2 프린팅 유닛 (600), 및 복합 섬유 보강 필라멘트 (800) 를 3D 프린팅하기 위한 제 3 프린팅 유닛 (500) 을 포함하는 예시적인 3D 프린터 (300) 를 도시한다. 제 1 프린팅 유닛 (400), 제 2 프린팅 유닛 (600) 및 제 3 프린팅 유닛 (500) 은 X/Y/Z 차원에서 X/Y/Z 축 주위의 가능한 각각의 3D 회전으로 자유롭게 이동할 수 있다 (즉, 각 프린트 헤드 (400, 500, 600) 는 제어가능하고, 프로그래밍가능하며, 3 차원 공간 축에서 작동할 수 있으며, 또한 선택적으로 3 개의 회전 축 주위에서 회전가능하다). 그러나, 프린팅 유닛들의 수는 3 개로 제한되지는 않는다. 대신에, 다른 실시형태들은 예를 들어 폴리머, 복합 섬유 필라멘트 및/또는 지지체 재료(들)를 3D 프린팅하기 위해 2 개 또는 그 이상의 프린팅 유닛들을 포함할 수도 있다. 3D 프린터 (300) 는 제조될 부품 (700) 을 지지하기 위한 가동식 또는 고정식 빌드 압반 (100), 및 제 1, 제 2 및 제 3 프린팅 유닛 (400, 500, 600) 에 작동적으로 연결된 제어기 (200) 를 더 포함한다.
복합 섬유 보강 필라멘트 (800) 를 3D 프린팅하기 위한 예시적인 프린팅 유닛 (500) 의 구조 및 작동이 예를 들어 도 3, 4, 5 및 8a-8c 와 관련하여 이하에 보다 상세하게 설명된다.
도 2 는 열가소성 수지로 사전 함침된 연속 섬유 보강 복합 필라멘트의 3D 프린팅을 위한 압출기를 포함하는, 3D 프린팅을 위한 종래 기술의 솔루션을 도시한다. 섬유 필라멘트 (800) 는 섬유 토우 (3) 의 형태일 수 있고, 필라멘트 드라이브 (4) 는 저온 공급 구역 (6) 을 통해 섬유 복합 필라멘트 (800) 를 가열된 노즐 (11) 내로 보내도록 배열된다. 도 2 의 솔루션에서, 노즐 (11) 은 3D 프린팅중에 3D 프린팅되는 필라멘트 (800) 의 폴리머 매트릭스에 "아이어닝 힘"(즉, 통합 힘) 을 적용하기 위해 "아이어닝 립" 이라 불리는 기하학적 특징을 갖는다. 노즐 (11) 의 선단에 위치한 작은 평평한 영역에 의해 적용되는 이러한 "아이어닝 힘" 은 별도의 압착 롤러를 사용하는 AFP 기술에서 적용되는 통합 힘과 동일하다. 절단기 (5) 는 섬유 보강 필라멘트 (800) 를 절단하여 부품의 개별 구성요소를 형성한다. 도 2 의 상황에서, 압출기에서의 섬유 토우 (3) 와 노즐 (11) 사이의 온도는 Tm (Tm = 폴리머 매트릭스의 용융 온도) 보다 낮게 유지되고, 섬유 보강 복합 필라멘트 (800) 는 6.4×10-3 mm2 보다 크고 1.3 mm2 보다 작은 단면적을 갖는다.
예시적인 실시형태는 실시형태에서 섬유 필라멘트 공급이 상이한 방식으로 구현된다는 점에서 섬유 보강 물체의 3D 프린팅을 위한 종래의 솔루션과 상이하다. 예시적인 실시형태는 또한 실시형태에서 통합 힘이 상이한 방식으로 적용된다는 점에서 섬유 보강 물체의 3D 프린팅을 위한 종래의 솔루션과는 상이하다.
도 3 은 예시적인 실시형태에 따른 3D 프린팅 장치를 도시한다. 도 3 에서, 복합 섬유 보강 필라멘트 (800) 를 3D 프린팅하기 위한 프린팅 유닛 (500) 은 열가소성 매트릭스 재료로 사전 함침된 연속 섬유 보강 복합 필라멘트의 3D 프린팅을 위한 압출기를 포함한다. 섬유 필라멘트 (800) 는 섬유 토우 (3) 의 형태일 수 있고, 필라멘트 드라이브 (4) 는 저온 공급 구역 (6), 제 1 가열 구역 (1) (가열 구역 1) 및 제 1 히트 브레이크 구역 (7) (히트 브레이크 7) 을 통해 섬유 복합 필라멘트 (800) 를 가열된 노즐 (2) (즉, 제 2 가열 구역 (2), 가열 구역 2) 내로 보내도록 배열된다. 가열된 노즐 (2) 은 가열된 노즐 (2) 뒤에 위치된 통합 요소 (9) (통합 링 (9) 일 수 있음) 에 의해 둘러싸여 있다. 통합 링 (9) 은 필라멘트 (800) 를 부품 (700) 에 부드럽게 적용 (프레싱) 하도록 배치된다. 통합 링 (9) 은 가열될 수도 있고 가열되지 않을 수도 있다.
프린팅된 필라멘트 (800) 및 하부 재료의 최종 부착은, 가열되지 않을 수 있고 가열된 노즐 (2) 보다 더 낮게 (프린팅된 부품 (700) 에 더 가깝게) 돌출될 수 있는 통합 링 (9) 에서 발생한다. 압착 후, 필라멘트 (800) 의 통합은 외부 냉각 장치 (도 3 에는 도시되지 않음) 에 의한 부품의 냉각을 포함할 수 있는 냉각 단계 동안 발생한다.
절단기 (5) 는 섬유 보강 필라멘트 (800) 를 절단하도록, 예를 들어 부품 (700) 의 개별 구성요소를 형성하도록 배치된다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 제 1 가열 구역 (1) 은 가열된 노즐 (2) 앞에 위치되며, 사전 함침된 섬유 복합 필라멘트 (800) 는 제 1 가열 구역 (1) 에서 예열되고, 따라서 압출기의 온도는 섬유 토우 (3) 와 가열된 노즐 (2) 사이에서 Tm (Tm = 열가소성 매트릭스 재료의 용융 온도) 보다 낮게 유지되지 않는다 (대신에 가열된 노즐 (2) 이전의 제 1 가열 구역 (1) 에서의 온도는 Tm 보다 높다).
제 1 가열 구역 (1) (가열 구역 1) 은 온도 T ≥ Tm (Tm = 폴리머 매트릭스의 용융 온도) 인 예열 구역이다. 제 1 가열 구역 (1) 은 가열된 노즐 (2) (가열 구역 2) 앞에 위치하고, 제 1 히트 브레이크 구역 (7) 은 제 1 가열 구역 (1) 과 가열된 노즐 (2) 사이에 있다. 가열된 노즐 (2) 과 제 1 가열 구역 (1) 은 별도의 히터들 (도 3 에는 도시되지 않음) 을 가질 수도 있다. 예를 들어, 가열된 노즐 (2) 에서의 온도는 제 1 가열 구역 (1) 에서의 온도보다 높을 수도 있거나, 또는 그 반대일 수도 있다. 가열된 노즐 (2) 에 도달하기 전에 재료 (즉, 폴리머 매트릭스) 를 예열하는 제 1 가열 구역 (1) 은 재료가 가열된 노즐 (2) (가열 구역 2) 에 들어가기 전에 예열되기 때문에 3D 프린팅 프로세스를 가속화할 수 있다. 따라서, 프린팅 처리 속도가 증가될 수 있다.
가열 구역 1 (예열 구역) 은 섬유 필라멘트 층들의 압착을 더욱 개선시키면서 공정 속도를 또한 증가시킬 수 있다. 압착의 개선은, 섬유 필라멘트들이 더 긴 시간 동안 그리고/또는 더 긴 치수 영역에 걸쳐 가열된다는 사실의 결과이다. 가열된 노즐 (2) 전에 가열 구역 (1) (예열) 에서 섬유 (800) 를 둘러싼 폴리머 매트릭스의 더 양호한 예열을 보장함으로써 압착이 개선된다.
통합 링 (9) 은 가열된 노즐 (2) 을 둘러싸도록 배열될 수 있다. 통합 링 (9) 은 섬유 필라멘트 (800) 를 3D 프린팅되는 부품 (700) 에 압착한다. 통합 링 (또는 압착 링) (9) 은 가열된 노즐 (2) 에 부착된 별도의 개체일 수 있다. 부품 (700) 과 가열된 노즐 (2) 사이의 간격은 통합 링 (9) 과 부품 (700) 사이의 간격보다 클 수 있다. 통합 링 (9) 은 (세라믹과 같은) 절연 재료로 형성될 수 있고, 통합 링 (9) 은 가열되지 않을 수도 있다. 대안적으로, 통합 링 (9) 은 금속으로 형성될 수도 있고, 통합 링 (9) 은 (별개의) 히터 (도 3 에는 도시되지 않음) 에 의해 가열될 수도 있다.
통합 링 (9) 은 예열된 (또는 심지어 가열되지 않거나 냉각된) 섬유 필라멘트 (800) 를 부품 (700) 에 초음파 용접하기 위한 용접 헤드로서 기능하도록 배열될 수 있다.
가열 구역 (2) (즉, 가열된 노즐 (2)) 과 통합 링 (9) 사이에 추가적인 히트 브레이크 (8) 가 위치될 수도 있다 (도 5 참조).
도 5 는 일 실시형태에 따른 노즐 시스템/노즐 구성/노즐 유닛 (500) (즉, 프린팅 유닛 (500)) 을 더 상세히 도시한다. 도 5 에 도시된 3D 프린팅 유닛 (500) 은 일 실시형태에 따라 필라멘트 공급, 필라멘트 용융, 가열된 노즐 (2) 을 통한 필라멘트 (800) 의 통과, 및 압착 요소 (압착 링 또는 통합 링 (9) 일 수 있음) 에서의 필라멘트 압착을 달성하도록 구성된다. 압착 링 (9) 은 프린팅 유닛 (500) 의 커버 구조/하우징 (25) 의 기하학적 부분일 수 있다. 따라서 압착 링은 커버 구조/하우징 (25) 또는 임의의 적절한 섹션/부분에 연결된 별개의 부분일 수 있다 (도 8a, 8b, 8c, 8d 참조). 도 5 에 도시된 3D 프린팅 유닛은 통합 링 (9) 및 예열 구역 (즉, 가열 구역 1) 을 포함한다. 프린팅 유닛 (500) 은 또한 절연체 (7, 8, 20) (즉, 예를 들어 공기 또는 액체에 의해 선택적으로 냉각될 수도 있는 히트 브레이크 (7, 8, 20)), 가열 구역 (2) (가열된 노즐 (2)), 예열 구역 (1) 을 위한 열전 소자 (21) (가열 구역 (1) 을 둘러쌈), 가열된 노즐 (2) 을 위한 열전 소자 (24), 에어 갭 (22), 및 예를 들어 공기 또는 액체에 의해 냉각된 히트 싱크 (23) 를 포함할 수도 있다. 절연체 (7) 는 예열 구역 (즉, 가열 구역 (1)) 과 가열 구역 (2) (즉, 가열된 노즐 (2)) 사이에 위치한 히트 브레이크 (7) 에 대응한다. 절연체 (8) 는 가열 구역 (2) (즉, 가열된 노즐 (2)) 과 통합 링 (9) 사이에 위치될 수 있다. 절연체 (20) 는 예열 구역 (즉, 가열 구역 (1)) 이전의 냉각 공급 구역 (6) 에 위치된다.
일 실시형태는 섬유 층이 폴리머 층의 두께와 비교해 동일하거나 상이한 두께를 가질 수 있도록 층상 구조의 3D 프린팅을 가능하게 한다. 단일 섬유 층의 두께는 하나 이상의 폴리머 층과 동일할 수 있다. 바람직하게는, 단일 섬유 층은 여러 폴리머 층과 동일하다. 섬유 (800) 는 폴리머 층/여러 폴리머 층에 의해 형성된 홈에 프린팅될 수 있다.
일 실시형태에서, 두꺼운 섬유 복합 필라멘트 (직경 ≥ 0.9 mm) 가 사용되며, 하나의 섬유 복합 필라멘트 층의 위/아래/주변에 여러 개의 폴리머 층들이 적용될 수 있다. 2 개 초과의 프린팅 유닛/노즐이 사용될 수 있다 (이들 중 적어도 하나는 복합 섬유 보강 필라멘트 (800) 를 3D 프린팅하기 위한 프린팅 유닛 (500), 즉 도 3 의 3D 프린팅 장치이다). 두꺼운 섬유 복합 필라멘트의 직경은 0.9 mm 이상일 수 있다.
일 실시형태에서, 얇은 섬유 복합 필라멘트가 사용될 수 있다. 얇은 섬유 복합 필라멘트의 직경은 0.1 mm - 0.9 mm 일 수 있다. 얇은 섬유 복합 필라멘트의 직경은 폴리머 층의 직경과 동일하거나 그보다 클 수 있다. 후자의 경우, 하나의 섬유 복합 필라멘트 층의 위/아래/주변에 여러 폴리머 층들이 적용될 수 있다.
일 실시 형태에서, 섬유 보강 복합 필라멘트는 열가소성 매트릭스 재료로 사전 함침된다. 복합 섬유 필라멘트 (및 프린팅 유닛 (600) 에 의해 3D 프린팅된 폴리머 필라멘트) 의 매트릭스 재료는 열가소성이며; 따라서 포토 경화가 필요하지 않다.
일 실시형태에서, 사전 함침된 섬유 보강 복합 필라멘트 (800) 는 섬유 보강 복합 필라멘트가 가열된 노즐 (2) 에 들어가기 전에 온도가 매트릭스 재료의 용융 온도보다 높게 설정되는 제 1 가열 구역 (1) 에서 가열된다. 가열 구역 (1) 은 가열된 노즐 (2) 앞에 위치된다. 이 추가 가열 구역 (1) 은 재료가 가열된 노즐 (2) 로 들어가기 전에 가열될 때 3D 프린팅 공정을 가속화할 수 있다. 추가 가열 구역 (1) 에서의 예열은 또한 섬유 필라멘트 가열이 개선됨에 따라 부품의 사전 프린팅된 재료 층들에 대한 프린팅된 섬유 필라멘트의 통합을 개선하는 것을 가능하게 한다. 이는 특히 더 빠른 프린팅 속도가 사용될 때 유리할 수 있다. 추가 가열 구역 (1) 의 온도는 매트릭스 폴리머 재료의 용융 온도보다 높다.
예시적인 방법에서, 섬유 보강 복합 필라멘트 공급 속도가 조정될 수 있다. 섬유 보강 복합 필라멘트 공급 속도는 선형 그리고/또는 일정할 필요는 없다. 섬유 보강 복합 필라멘트의 공급 구역은, 매트릭스 재료가 예열되는 가열 구역 (1) 이 섬유 보강 복합 필라멘트 (800) 의 공급 구역에 위치하기 때문에, 열가소성 매트릭스 재료의 용융 온도 미만으로 전적으로 유지되지 않는다. 섬유 보강 복합 필라멘트 (800) 의 공급 구역은 전적으로 차갑지는 않다. 가열 구역 (1) 과 가열 구역 (2) 사이의 제 1 히트 브레이크 구역 (7) 은 가열되지 않으며, 제 1 히트 브레이크 구역 (7) 의 온도는 가열 구역 (1) 및 가열 구역 (2) 의 온도보다 낮을 수 있다. 히트 브레이크 구역 (7) 은 가열 구역 (1) 과 가열된 노즐 (2) 사이에 온도 갭을 생성하기 위한 것이다. 히트 브레이크 구역 (7)/이에 의해 생성된 온도 갭은 독립적으로 가열 구역 (1) 및 가열된 노즐 (2) 의 온도의 제어를 가능하게 한다.
일 실시형태에서, 지지체 재료 (도 1 참조) 를 위한 프린팅 유닛 (400) 은 최종 3D 프린팅된 부품으로부터 제거될 지지체 재료를 3D 프린팅하도록 배열된다. 폴리머를 위한 프린팅 유닛 (600) 은 3D 프린팅된 부품의 주변부 (표면), 미세한 세부사항 및/또는 얇은 폴리머 충전 구조를 3D 프린팅하도록 배열된다. 복합 섬유 필라멘트를 위한 프린팅 유닛 (500) 은 비교적 높은 층 두께 (전형적으로 폴리머의 것보다 높음) 및 넓은 라인 폭 (전형적으로 폴리머의 것보다 넓지만, 폴리머 라인 폭과 비교하여 동일하거나 얇을 수 있음) 을 갖는 연속 섬유 보강재를 3D 프린팅하도록 배열된다. 연속 섬유 보강재는 열가소성 매트릭스 재료로 사전 함침된 섬유 필라멘트를 포함하는 복합 섬유 필라멘트이다. 프린팅 유닛(들) (400, 500, 600) 의 노즐(들)은 라운딩될 수 있다.
가열된 노즐 (2) 은, 가열되지 않고 절연체 재료로 제조될 수 있는 압착 링 (9) 에 의해 둘러싸인다. 대안적으로, 압착 링 (9) 은 가열될 수도 있고, 금속과 같은 열을 효율적으로 전도하는 재료로 제조될 수도 있다. 가열된 노즐 (2) 과 프린트베드 (빌드 압반 (100)) 또는 사전에 프린팅된 재료 층 (700) 사이의 갭은 프린트베드 (100) 또는 사전에 프린팅된 재료 층 (700) 과 압착 링 (9) 사이의 갭보다 크거나 같을 수 있다.
일 실시형태에서, 폴리머의 3D 프린팅에 사용되는 폴리머 와이어는 연속적인 0.1 mm - 5 mm 직경의 폴리머 필라멘트의 형태일 수 있고, 폴리머를 위한 노즐의 내경은 비교적 작을 수 있고 (일반적으로 0.1 mm - 3 mm), 폴리머의 3D 프린팅된 라인 폭은 미세하다 (일반적으로 0.1 mm - 5 mm). 그러나, 원료 필라멘트는 둥근 와이어와는 상이한 기하학적 형상일 수 있다. 필라멘트의 임의의 단면 형상이 가능하다.
일 실시형태에서, 3D 프린팅을 위한 연속 섬유 보강재는 0.1 mm - 10 mm 의 두께를 갖는 비교적 두꺼운 섬유 복합 필라멘트의 형태이다. 따라서 섬유 복합 필라멘트를 위한 노즐의 내경은 일반적으로 0.1 mm - 20 mm 이며, 섬유 보강재의 3D 프린팅된 라인 폭은 0.2 mm - 40 mm 이다. 그러나, 원료 필라멘트는 둥근 와이어와는 상이한 기하학적 형상일 수 있다. 필라멘트의 임의의 단면 형상이 가능하다.
도 6a, 6b, 7a 및 7b 는 예시적인 실시형태에 따른 3D 프린팅된 부품을 도시하는 단순화된 도면이다.
일 실시형태에서, 가열된 노즐 (2) 을 사용하여 3D 프린팅된 부품에서의 섬유 보강재는 폴리머를 위한 노즐을 사용하여 3D 프린팅된 폴리머 층의 층 두께보다 더 큰 층 두께를 가질 수 있다. 3D 프린팅된 물체 (700) 에서, 단일 복합 섬유 필라멘트 층에 의해 덮인 몇 개의 얇은 폴리머 층이 있을 수 있다 (도 6a 참조). 복합 섬유 필라멘트 층(들)은 또한 3D 프린팅된 부품의 내부에 매립될 수 있다 (도 6a 참조). 3D 프린팅 시간의 대부분은 일반적으로 3D 프린팅되는 부품을 채우는 것에 의해 소비되므로, 3D 프린팅된 부품의 내부 (또는 상부) 에서 복합 섬유 필라멘트 층(들)에 의해 제공되는 복합 섬유 필라멘트 층 두께의 증가는 3D 프린팅 시간을 크게 줄이는 것을 가능하게 한다.
3D 프린팅된 라인의 라인 폭은 해당 압출기 노즐의 직경에 의존하며, 즉, 노즐 직경이 작을수록 더 미세한 라인 폭을 갖는 라인의 3D 프린팅이 가능하고, 노즐 직경이 클수록 더 두꺼운 라인 폭을 갖는 라인의 3D 프린팅이 가능하다.
프린팅 유닛 (400, 600), 폴리머/폴리머 필라멘트 공급물을 위한 노즐 및 지지 재료/지지 재료 공급물을 위한 노즐은 기존 기술 및 시스템을 이용하여 달성될 수 있다. 따라서, 이들은 본 명세서에서 더 상세히 논의될 필요는 없다.
최종 3D 프린팅된 부품 (700) 은 폴리머 섹션, 연속 섬유 보강 섹션 및 추가의 충전 및 지지 구조를 포함할 수 있다.
섬유 필라멘트 프린팅에서, 노즐은 섬유 필라멘트가 배출되는 장치를 지칭한다. 섬유 필라멘트 프린팅에서, 노즐 (2) 을 통해 방출되는 섬유 필라멘트의 속도는 섬유 드라이브 (4) 에 의해 결정된 섬유 토우 (3) 로부터의 필라멘트 공급 속도와 동일하거나, 또는 그보다 느리거나 빠를 수 있다. 노즐 (2) 및/또는 통합 링 (9) 은 단면적을 제한하지 않는다.
일 실시형태에서, (섬유 드라이브 (4) 에 의해 결정되는) 섬유 토우 (3) 로부터의 필라멘트 공급 속도는 짧은 시간 동안 노즐 (2) 을 통한 필라멘트 배출 속도와 동일할 수 있고, 그 후에 섬유 드라이브 (4)/섬유 토우 (3) 는 자유롭게 롤링할 수 있는 한편, 필라멘트 (800) 는 노즐 (2) 을 통해 배출된다.
일 실시형태에서, (섬유 드라이브 (4) 에 의해 결정되는) 섬유 토우 (3) 로부터의 필라멘트 공급 속도는 짧은 시간 동안 노즐 (2) 을 통한 필라멘트 배출 속도와 동일할 수 있고, 그 후에 섬유 드라이브 (4)/섬유 토우 (3) 는 필라멘트를 예압할 수 있는 한편, 필라멘트 (800) 는 노즐 (2) 을 통해 배출된다.
필라멘트는 3 차원 프린팅으로부터의 의미를 유지하는 스풀링된 빌드 재료의 단면적을 지칭하고, 스트랜드는, 예를 들어 매트릭스에 매립되어 전체 복합 필라멘트를 함께 형성하는 개별 섬유들을 지칭할 수 있다.
3D 프린팅 공정 동안, 연속 보강 필라멘트는 빌드 압반 (100) 상에 적용되어 층 (700) 을 형성하여 3 차원 구조를 형성한다. 빌드 압반 (100) 의 위치 및 배향 및/또는 각 노즐의 위치 및 배향은 원하는 위치 및 방향으로 연속 섬유 보강 필라멘트를 디포짓팅시키기 위해 하나 이상의 제어기 (200) 에 의해 제어된다. 각각의 3D 프린팅된 재료 (지지 재료, 폴리머 및 섬유 필라멘트) 의 방향 및 위치는 X, Y 및 Z 방향으로 제어될 수 있고 모두는 이들 각 방향의 주위에서 회전될 수 있다. 위치 및 배향 제어 기구는 구성되는 부품의 층들 (700) 및/또는 빌드 압반 (100) 에 대한 노즐의 상대 위치 또는 속도를 모니터링하기 위해 제어기 (200) 에 대한 위치 및/또는 변위 센서들을 구비하는 갠트리 시스템, 로봇 아암 및/또는 H 프레임을 포함할 수 있다. 제어기(들) (200) 는 노즐 또는 압반 (100) 의 움직임을 제어하기 위해 하나 이상의 X, Y 및 Z 위치/축 주위의 감지된 X, Y 및/또는 Z 위치 및/또는 변위 및/또는 회전, 또는 속도 벡터를 사용할 수 있다.
3 차원 프린터 (300) 는 연속 섬유 보강 필라멘트 (800) 를 절단하여 구조 상에 별개의 구성요소를 형성하도록 제어기 (200) 에 의해 제어되는 절단기 (5) 를 포함할 수 있다. 절단기 (5) 는 예를 들어 절단 블레이드, 또는 레이저일 수 있다.
필라멘트 드라이브 (4) 는 용융되지 않은 필라멘트 (800) 를 (제어기 (200) 에 의해 가변적으로 제어될 수 있거나 그렇지 않을 수도 있는) 공급 속도로 공급 또는 가압하며, 그 후 복합 필라멘트 (800) 의 매트릭스 재료는 도 3 과 관련하여 기술된 바와 같이 가열될 수 있다.
복합 필라멘트 (800) 및 이에 의한 매트릭스 재료는 가열 구역 (1) 에서 가열되는데, 여기서는 온도가 매트릭스 재료의 용융 온도보다 높게 그리고 연속 섬유 보강재의 용융 온도보다 낮게 설정된다.
제어기 (200) 는 3D 프린팅을 달성하기 위해 노즐 (2) 의 위치 및 이동, 공급 속도, 프린팅 속도, 절단기 (5) 및/또는 온도를 제어한다.
부품 (700) 이 완성되면, 최종 부품 (700) 은 빌드 압반 (100) 으로부터 제거될 수 있다. 대안적으로, 보호 코팅을 제공하고 그리고/또는 최종 부품에 도형 또는 이미지를 적용하기 위해 2 차 프린트 헤드를 사용하여 부품 상에 선택적인 코팅이 디포짓팅될 수 있다.
나머지 공간은 공극으로 남겨지거나 폴리머와 같은 별도의 재료로 채워질 수 있다.
가열 구역 (1, 2) 은 예를 들어 열전도성이며, 예를 들어 구리, 스테인리스 강, 황동 등으로 만들어진다.
노즐들 각각은 동일하거나 상이한 노즐 직경을 가질 수 있다.
일 실시형태는 연속 섬유 보강재를 3D 프린팅할 수있는 진보된 3D 프린터를 개시한다. 기존의 3D 프린터 및 방법에 비해 대안적인 방식으로 연속 섬유 보강재를 3D 프린팅할 수 있게 하는 진보된 3D 프린터 및 부품의 적층 가공 방법이 개시된다.
일 실시형태는 종래의 FFF 프린터를 사용하여 3D 프린팅된 것보다 더 강한 3D 프린팅된 물체를 생성할 수 있게 한다. 일 실시형태는 또한 3D 프린팅 시간을 최소화할 수 있다. 일 실시형태에서, 3D 프린팅된 물체는 섬유 보강재에 의해 보강된다. 일 실시형태는 연속 섬유 보강재를 3D 프린팅될 물체에 포함시키는 것을 가능하게 한다.
일 실시형태에서, 3D 프린터 (300) 는 복합 섬유 보강 필라멘트 (800) 를 3D 프린팅하기 위한 프린팅 유닛(들) (500) 및 폴리머 필라멘트를 3D 프린팅하기 위한 프린팅 유닛(들) (600) 을 포함할 수 있지만, 지지 재료를 3D 프린팅하기 위한 프린팅 유닛 (400) 을 포함하지 않을 수도 있다.
일 실시형태에서, 3D 프린터 (300) 는 복합 섬유 보강 필라멘트 (800) 를 3D 프린팅하기 위한 프린팅 유닛(들) (500) 및 지지 재료를 3D 프린팅하기 위한 프린팅 유닛(들) (400) 을 포함할 수 있지만, 폴리머 필라멘트를 3D 프린팅하기 위한 프린팅 유닛 (600) 을 포함하지 않을 수도 있다.
일 실시형태에서, 3D 프린터 (300) 는 복합 섬유 보강 필라멘트 (800) 를 3D 프린팅하기 위한 프린팅 유닛(들) (500) 을 포함할 수 있지만, 지지 재료를 3D 프린팅하기 위한 프린팅 유닛 (400) 을 포함하지 않을 수도 있고, 폴리머 필라멘트를 3D 프린팅하기 위한 프린팅 유닛 (600) 을 포함하지 않을 수도 있다.
복합 섬유 필라멘트는 필라멘트 다발을 함께 결합하는 열가소성 매트릭스 폴리머 및 섬유 보강재로 형성된다. 섬유 보강재는 유리 섬유(들), 탄소 섬유(들), 아라미드 섬유(들), 천연 섬유(들) (예: 케나프, 대마 등), 열가소성 폴리머 섬유(들) (예: 폴리아미드, PLA 등), 및/또는 (단일 복합 섬유 필라멘트에 둘 이상의 상이한 섬유를 함유하는) 하이브리드 섬유(들) 을 포함하는 하나 이상의 얀을 포함할 수 있다. 각각의 얀은 1 내지 1,000,000 개의 개별 섬유들을 함유할 수 있다.
복합 섬유 필라멘트에서 섬유 보강재(들)를 결합하는데 사용되는 매트릭스 재료는 PLA, PGA, PLGA, PLDLA, PCL, TMC, PA, PE, PEEK, PEKK, 다양한 단량체의 코폴리머, 및/또는 다양한 열가소성 폴리머/코폴리머의 블렌드와 같은 열가소성 폴리머를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
폴리머 필라멘트는 PLA, PGA, PLGA, PLDLA, PCL, TMC, PA, PE, PEEK, PEKK, 다양한 단량체의 코폴리머, 및/또는 다양한 열가소성 폴리머/코폴리머/접착제의 블렌드와 같은 열가소성 폴리머를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
지지체 재료는 복합 섬유 필라멘트 및 폴리머 필라멘트에 사용된 폴리머와는 상이한 용매에서 가용성인 임의의 열가소성 폴리머를 함유할 수 있다. 용매는 물, 아세트산, 아세톤, 오일 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 대안적으로, 지지체 재료는 임의의 열가소성 폴리머, 코폴리머 및/또는 프린팅 공정후에 3D 프린팅된 부품으로부터 기계적으로 붕해될 수 있는 블렌드를 함유할 수 있다. 이 경우, 지지체 재료의 용해도에 대한 제한 또는 요구 사항은 없다.
도 4 는 열가소성의 사전 함침된 섬유 복합 필라멘트 (800) 의 3D 프린팅을 위한 예시적인 프로세스를 도시하는 흐름도이다. 도 4 를 참조하면, 부품 (700) 의 적층 가공 방법은 필라멘트 (800) 의 열가소성 매트릭스 재료 내에 연장되는 하나 이상의 비탄성 축방향 섬유 스트랜드를 포함하는 열가소성의 사전 함침된 섬유 복합 필라멘트 (800) 를 공급하는 단계 (401) 를 포함한다. 제조될 부품 (700) 은 가동식 또는 고정식 빌드 압반 (100) 상에 지지된다. 사전 함침된 섬유 복합 필라멘트 (800) 는 3D 프린팅 유닛 (500) 에서 섬유 복합 필라멘트 공급부 (3) 와 3D 프린팅 유닛 (500) 의 가열된 노즐 (2) 사이에서 연장되는 제 1 가열 구역 (1) 에서 가열된다 (402). 제 1 가열 구역 (1) 의 온도는 열가소성 매트릭스 재료의 용융 온도보다 높게 설정된다. 이 방법은 섬유 복합 필라멘트 (800) 의 온도를 유지하거나 섬유 복합 필라멘트 (800) 를 더 높은 온도로 가열하기 위해, 가열된 노즐 (2) 에서 사전 함침된 섬유 복합 필라멘트 (800) 를 가열하는 단계 (404) 를 추가로 포함한다. 가열된 노즐 (2) 의 온도는 매트릭스 재료의 용융 온도보다 높게 설정된다. 열가소성의 사전 함침된 섬유 복합 필라멘트는 가열된 노즐 (2) 로부터 압착 링 (9) 을 통해 압출되고, 프린팅 유닛 (500) 및/또는 압착 링 (9) 및 빌드 압반 (100) 은 복수의 액추에이터에 의해 3 자유도로 서로에 대해 이동된다 (405) (예를 들어, 프린팅 유닛 (500) 및 빌드 압반 (100) 은 3 자유도로 서로에 대해 이동될 수 있다 (405)). 대안적으로, 빌드 압반 (100) 은 고정적이고, 부품 (700) 을 생성하기 위해 필요한 움직임은 프린팅 유닛 (500) 및/또는 압착 링 (9) 을 X, Y 및 Z 방향으로 그리고 가능하게는 이들 축 주위의 모든 가능한 회전으로 이동시킴으로써 생성된다. 압착 링 (9) 은 압출된 섬유 필라멘트 (800) 에 압착력을 가하고, 섬유 필라멘트 (800) 가 이전에 프린팅된 섬유/폴리머/지지 층 (700) 에 단단히 부착되는 것을 보장한다. 압착 링 (9) 다음에는 프린팅된 섬유 층을 냉각시키고 그 응고를 개선시키는 추가 냉각기 유닛이 이어질 수 있다. 하나 이상의 비탄성 축방향 섬유 스트랜드를 포함하는 섬유 복합 필라멘트 (800) 는 선택된 공급 속도로 제 1 가열 구역 (1) 을 통해 가열된 노즐 (2) 내로 보내지고 (406), 공급 속도 및/또는 프린팅 속도가 제어될 수 있다. 섬유 복합 필라멘트 (800) 의 가열은 제 1 가열 구역 (1) 과 가열된 노즐 (2) 사이의 비가열된 히트 브레이크 구역 (7) 에서 중단될 수 있다 (403). 프린팅 공정중에 섬유 복합 필라멘트 (800) 가 통과하는 히트 브레이크 구역 (7) 의 온도는 제어되지 않는다; 제 1 가열 구역 (1) 과 가열된 노즐 (2) 은 히트 브레이크 구역 (7) 에 의해 서로 열적으로 분리(절연)된다. 부품 (700) 을 형성하기 위해, 필라멘트 (800) 는 부품 (700) (예를 들어, 이전에 프린팅된 섬유, 폴리머 또는 지지 층) 또는 빌드 압반 (100) 에 부착된다 (407). 필라멘트 (800) 는, 예를 들어 부품 (700) 이 완료될 때 (409), 공급된 재료가 예를 들어 폴리머 필라멘트/지지체 재료로 변경될 때, 또는 부품 (700) 의 설계가 필요할 때, 절단기 (5) 에 의해 절단될 수 있다 (408).
일 실시형태에서, 가열된 노즐 (2) 이후에 냉각 단계 동안 응고가 발생한다.
도 7a 및 7b 는 예시적인 실시형태에 따른 3D 구조를 도시하는 개략도 (사시 측면도 및 평면도) 이다.
일 실시형태에 따른 프린팅 구조에서 (즉, 3D 프린팅된 부품 (700) 에서), 섬유 보강재는 0.1 mm - 10 mm 두께의 필라멘트로 나타난다. 일 실시형태에서, 가열된 노즐 (2) (즉, 제 2 가열 구역 (2)) 의 내경은 전형적으로 0.1 mm - 20 mm 이고, 프린팅된 라인 폭은 0.2 mm - 40 mm 이다.
(섬유 프린팅 유닛 (500) 을 사용하여 프린팅된) 단일 섬유 보강재는 (폴리머 프린팅 유닛 (600) 을 사용하여 프린팅된) 단일 폴리머 층의 두께보다 더 큰 층 두께를 가질 수 있다. 따라서, 일 실시형태에 따른 방법 및 3D 프린터에 의해 프린팅된 부품 (700) 에서, 하나의 섬유 층만을 커버하는 동일한 높이에 몇 개의 폴리머 층이 존재할 수 있다. 섬유 층은 3D 프린팅된 부품 (700) 의 내부에 매립될 수 있다. 프린팅 시간의 대부분은 일반적으로 프린팅되는 부품 (700) 을 채우는 것에 의해 소비되므로, 부품의 내부의 두꺼운 섬유 층(들)에 의한 층 두께의 증가는 프린팅 시간을 현저하게 줄인다.
부품 (700) 은 4 개의 섹션을 포함할 수 있다: 폴리머 구조(들), 연속 또는 반연속 섬유 보강재, 추가 충전재 및 지지체 재료(들). 3D 프린팅을 수행하기 위해, 3D 모델이 로딩되고, 부품의 섹션에 대해 프린팅 파라미터가 설정된다. 3D 모델이 로딩되고, 파라미터는, 프린팅의 결과로서, 폴리머 구조가 부품의 외부 및 내부 형상을 형성/규정하고 지지체 재료(들)가 부품 (700) 에 대한 지지 구조(들)를 형성하고 섬유 보강재가 부품을 보강하고 추가의 충전재가 부품 (700) 의 섬유층(들)에서 (즉, 프린팅된 섬유 필라멘트들 (800) 사이에서) 빈 공간/영역을 채워서 부품을 완성시키도록 설정된다. 프린팅 파라미터는 예를 들어 각 층의 층 높이를 포함한다.
도 8a, 8b, 8c 및 8d 는 통합 요소 (9) 및 제 1 가열 구역 (1) 을 포함하는 프린트 헤드의 예시적인 구조를 도시하는 개략도이다. 라인 A-A 를 통한 단면이 도시되어 있다.
도 8a 에서, 통합 요소는 프린트 헤드 커버 구조의 고정 부분이다. 도 8a 에 도시된 프린트 헤드 구조는 도 5 에 도시된 구조와 유사하다.
도 8b 에서, 통합 요소는 프린트 헤드 커버 구조의 고정 부분이 아니다; 대신에, 통합 요소는 프린트 헤드 커버 구조와 관련하여 이동가능하다.
도 8c 에서, 통합 요소는 프린트 헤드 커버 구조의 고정 부분이 아니며 (대신에 통합 요소는 프린트 헤드 커버 구조와 관련하여 이동가능하며), 통합 요소 이후에는 추가 부재, 예를 들어 가열 유닛 (26), 냉각기 초음파 용접 헤드 (26) 등이 있다.
도 8d 에서, 통합 요소는 프린트 헤드 커버 구조의 고정 부분이고, 통합 요소 이후에는 추가 부재, 예를 들어 가열 유닛 (26), 냉각기 초음파 용접 헤드 (26) 등이 있다.
그 이외에, 도 8b, 8c 및 8d 에 도시된 프린트 헤드 구조는 도 5 에 도시된 프린트 헤드 구조와 대체로 유사하다.
예 1
섬유 프린팅 및 폴리머 프린팅을 위한 G-코드가 3D 프린팅될 물체의 3D 설계로부터 맞춤형 소프트웨어를 사용하여 작성되었다. 생성된 G-코드에 따라, 연속 섬유 보강재가 3D 프린팅 폴리머 재료에 의해 생성된 홈에 3D 프린팅되었다. 폴리머 재료 및 연속 섬유 보강재를 위해 별도의 프린팅 유닛/노즐이 사용되었다. 사용된 섬유 필라멘트의 직경은 1.8 mm 였다. 섬유 필라멘트는 제조되는 부품에 3D 프린팅된 홈 (높이 0.6 mm, 폭 4.2 mm) 안으로 3D 프린팅되었다. 단일 섬유 층은 전체 홈을 덮었다 (즉, 홈의 높이는 단일 섬유 층의 높이와 동일했다). 섬유 층으로 둘러싸인 영역을 채우기 위해 폴리머 노즐을 사용하여 추가적인 충전 구조가 3D 프린팅되었다. 폴리머 재료는 0.3 mm 층 두께로 3D 프린팅되었다. 따라서, 하나의 섬유 층의 두께는 2 개의 폴리머 층의 두께와 동일하였다 (도 6a 참조).
예 2
섬유 프린팅 및 폴리머 프린팅을 위한 G-코드가 3D 프린팅될 물체의 3D 설계로부터 맞춤형 소프트웨어를 사용하여 작성되었다. 생성된 G-코드에 따라, 연속 섬유 보강재가 폴리머 재료 및 연속 섬유 보강재를 위한 별도의 프린팅 유닛/노즐을 이용하여 3D 프린팅 폴리머 재료에 의해 생성된 홈에 3D 프린팅되었다. 사용된 섬유 필라멘트의 직경은 1.0 mm 였다. 섬유 필라멘트는 제조되는 부품에 3D 프린팅된 홈 (높이 0.3 mm, 폭 2.6 mm) 안으로 3D 프린팅되었다. 단일 섬유 층은 전체 홈을 덮었다 (즉, 홈의 높이는 단일 섬유 층의 높이와 동일했다). 섬유 층으로 둘러싸인 영역을 채우기 위해 폴리머 노즐을 사용하여 추가적인 충전 구조가 3D 프린팅되었다. 폴리머 재료는 0.3 mm 층 두께로 3D 프린팅되었다. 따라서, 하나의 섬유 층의 두께는 하나의 폴리머 층의 두께와 동일하였다 (도 6b 참조).
예 3
섬유 프린팅 및 폴리머 프린팅을 위한 G-코드가 3D 프린팅될 물체의 3D 설계 (3D 모델) 로부터 맞춤형 소프트웨어를 사용하여 작성되었다 (도 7a, 7b 참조). 생성된 G-코드에 따라, 섬유 보강재, 폴리머, 및 지지체 재료가 3D 프린팅되었다. 연속 섬유 보강재는 폴리머 재료, 연속 섬유 보강재, 및 지지체 재료를 위한 별도의 프린팅 유닛/노즐을 이용하여 3D 프린팅 폴리머 재료에 의해 생성된 홈에 3D 프린팅되었다. 사용된 섬유 필라멘트의 직경은 1.8 mm 였다. 섬유 필라멘트는 제조되는 부품에 3D 프린팅된 홈 (높이 0.6 mm, 폭 4.2 mm) 안으로 3D 프린팅되었다. 단일 섬유 층은 전체 홈을 덮었다. 섬유 층으로 둘러싸인 영역을 채우기 위해 폴리머 노즐을 사용하여 추가적인 충전 구조가 3D 프린팅되었다. 폴리머 재료는 0.3 mm 층 두께로 3D 프린팅되었다. 따라서, 하나의 섬유 층의 두께는 2 개의 폴리머 층의 두께와 동일하였다 (도 6a 참조). 지지체 재료는 G-코드에 따라 선택된 영역에 3D 프린팅되었다 (도 7a, 7b 참조).
기술이 진보함에 따라, 본 발명의 개념은 다양한 방식으로 구현될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명 및 그 실시형태들은 전술한 예들에 제한되지 않고 청구범위의 범위 내에서 변할 수 있다.

Claims (15)

  1. 부품 (700) 의 적층 가공을 위한 3 차원 프린터 (300) 로서,
    상기 3 차원 프린터 (300) 는,
    제조될 부품 (700) 을 지지하기 위한 빌드 압반 (100), 및
    열가소성의 사전 함침된 섬유 복합 필라멘트 (800) 의 열가소성 매트릭스 재료 내에서 연장되는 하나 이상의 비탄성 축방향 섬유 스트랜드를 포함하는 필라멘트 (800) 가 로딩된 섬유 복합 필라멘트 공급부를 포함하거나 이 섬유 복합 필라멘트 공급부에 연결된 프린트 헤드 (500) 를 포함하고,
    상기 프린트 헤드 (500) 는,
    상기 섬유 복합 필라멘트 공급부와 가열된 노즐 (2) 사이의 제 1 가열 구역 (1) 으로서, 상기 제 1 가열 구역 (1) 은 상기 사전 함침된 섬유 복합 필라멘트 (800) 를 예열하기 위해 상기 열가소성 매트릭스 재료의 용융 온도보다 높게 제 1 히터에 의해 가열될 수 있는, 상기 제 1 가열 구역 (1),
    상기 섬유 복합 필라멘트 (800) 에 통합 (consolidation) 힘 및/또는 압착 힘을 인가하여 상기 섬유 복합 필라멘트 (800) 를 상기 부품 (700) 에 부착하기 위한, 상기 가열된 노즐 (2) 뒤에 위치된 통합 요소 (9) 로서, 상기 통합 요소 (9) 는 상기 빌드 압반 및 상기 부품의 사전 프린팅된 구조 중 적어도 하나에 대향하고, 상기 가열된 노즐 (2) 은 상기 섬유 복합 필라멘트 (800) 를 가열하기 위해 적어도 상기 매트릭스 재료의 용융 온도로 제 2 히터에 의해 가열될 수 있는, 상기 통합 요소 (9),
    상기 하나 이상의 비탄성 축방향 섬유 스트랜드를 포함하는 상기 섬유 복합 필라멘트 (800) 를 선택된 공급 속도로 상기 제 1 가열 구역 (1) 을 통해 상기 가열된 노즐 (2) 안으로 보내기 (drive) 위한 필라멘트 드라이브 (4),
    상기 섬유 복합 필라멘트 (800) 의 온도를 상기 매트릭스 재료의 용융 온도보다 낮게 유지하기 위한, 상기 필라멘트 드라이브 (4) 와 상기 제 1 가열 구역 (1) 사이에 있는 저온 공급 구역 (6),
    상기 제 1 가열 구역 (1) 과 상기 가열된 노즐 (2) 사이에 온도 갭을 생성하기 위한, 상기 제 1 가열 구역 (1) 과 상기 가열된 노즐 (2) 사이에 있는 비가열된 히트 브레이크 구역 (7) 을 포함하고,
    상기 3 차원 프린터 (300) 는 상기 통합 요소 (9) 를 포함하는 적어도 상기 프린트 헤드 (500) 를 상기 빌드 압반 (100) 에 대해 3 자유도로 이동시키기 위한 복수의 액추에이터를 포함하는, 3 차원 프린터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합 요소 (9) 를 포함하는 상기 프린트 헤드 (500) 는 그의 선택된 축선 주위에서 이동할 수 있고,
    상기 통합 요소 (9) 를 포함하는 상기 프린트 헤드 (500) 는 선택된 회전으로 회전할 수 있고,
    상기 빌드 압반 (100) 은 그의 선택된 축선 주위에서 이동할 수 있고, 그리고/또는
    상기 빌드 압반 (100) 은 선택된 회전으로 회전할 수 있는, 3 차원 프린터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 3 차원 프린터는 상기 제 1 히터 및 상기 제 2 히터, 상기 필라멘트 드라이브 (4), 상기 통합 요소 (9) 를 포함하는 상기 프린트 헤드 (500), 및 상기 복수의 액추에이터에 작동적으로 연결된 제어기 (200) 를 더 포함하고, 상기 제어기 (200) 는 상기 부품 (700) 을 형성하도록 상기 복합 필라멘트 (800) 의 압출을 유발하는 지령을 실행하도록 구성되는, 3 차원 프린터.
  4. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 3 차원 프린터는
    폴리머 필라멘트를 폴리머 압출 노즐내에 공급하도록 구성된 폴리머 드라이브,
    상기 폴리머 필라멘트를 폴리머의 용융 온도보다 높은 온도로 가열하도록 구성된 폴리머 히터를 더 포함하고,
    상기 폴리머 압출 노즐은 상기 부품을 형성하기 위해 상기 폴리머 필라멘트를 압출하도록 구성되는, 3 차원 프린터.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3 차원 프린터는
    지지체 재료를 지지체 재료 압출 노즐내에 공급하도록 구성된 지지체 재료 드라이브,
    상기 지지체 재료를 상기 지지체 재료의 용융 온도보다 높은 온도로 가열하도록 구성된 지지체 재료 히터를 더 포함하고,
    상기 지지체 재료 압출 노즐은 상기 부품 (700) 을 위한 지지 구조를 형성하기 위해 지지체 재료 필라멘트를 압출하도록 구성되는, 3 차원 프린터.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어기 (200) 는 지지체 재료, 폴리머 및 상기 복합 필라멘트 (800) 의 층상 구조의 적층 가공을 유발하는 지령을 실행하는, 3 차원 프린터.
  7. 부품의 적층 가공 방법으로서,
    필라멘트의 열가소성 매트릭스 재료 내에서 연장되는 하나 이상의 비탄성 축방향 섬유 스트랜드를 포함하는 열가소성의 사전 함침된 섬유 복합 필라멘트를 공급하는 단계,
    제조될 부품을 빌드 압반 상에 지지하는 단계,
    섬유 복합 필라멘트 공급부와 가열된 노즐 (2) 사이의 제 1 가열 구역 (1) 에서 상기 사전 함침된 섬유 복합 필라멘트를 예열하는 단계로서, 상기 제 1 가열 구역 (1) 의 온도는 상기 열가소성 매트릭스 재료의 용융 온도보다 높게 설정되는, 상기 사전 함침된 섬유 복합 필라멘트를 예열하는 단계,
    상기 가열된 노즐 (2) 에서 상기 섬유 복합 필라멘트를 가열하는 단계로서, 상기 가열된 노즐의 온도는 상기 매트릭스 재료의 용융 온도보다 높게 설정되는, 상기 섬유 복합 필라멘트를 가열하는 단계,
    상기 섬유 복합 필라멘트 (800) 를 상기 부품 (700) 에 부착하기 위해 상기 가열된 노즐 (2) 에 부착된 통합 요소에 의해 상기 섬유 복합 필라멘트 (800) 에 통합 힘 및/또는 압착 힘을 인가하는 단계,
    상기 통합 요소 (9) 를 포함하는 프린트 헤드 (500) 를 복수의 액추에이터에 의해 상기 빌드 압반에 대해 3 자유도로 이동시키는 단계,
    상기 하나 이상의 비탄성 축방향 섬유 스트랜드를 포함하는 상기 섬유 복합 필라멘트를 선택된 공급 속도로 상기 제 1 가열 구역 (1) 을 통해 상기 가열된 노즐 (2) 안으로 보내는 단계,
    필라멘트 드라이브 (4) 와 상기 제 1 가열 구역 (1) 사이에서 연장하는 저온 공급 구역 (6) 에서 온도를 상기 매트릭스 재료의 용융 온도보다 낮게 유지하는 단계,
    상기 제 1 가열 구역 (1) 과 상기 가열된 노즐 (2) 사이에 온도 갭을 생성하기 위해 상기 제 1 가열 구역 (1) 과 상기 가열된 노즐 (2) 사이의 비가열된 히트 브레이크 구역 (7) 에서 상기 섬유 복합 필라멘트 (800) 의 가열을 중단하는 단계를 포함하는, 부품의 적층 가공 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 부품을 형성하도록 상기 복합 필라멘트의 압출을 유발하는 것을 포함하는, 부품의 적층 가공 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 부품을 형성하도록 폴리머 압출 노즐에 의해 폴리머 필라멘트를 압출하는 것을 포함하는, 부품의 적층 가공 방법.
  10. 제 7 항, 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 부품을 형성하도록 지지체 재료 압출 노즐에 의해 지지체 재료를 압출하는 것을 포함하는, 부품의 적층 가공 방법.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    지지체 재료, 폴리머 및 상기 복합 필라멘트의 층상 구조의 적층 가공을 수행하는 것을 포함하는, 부품의 적층 가공 방법.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    지지체, 폴리머 및 복합 섬유 재료 층들의 층 두께를 변화시킴으로써, 지지체 재료, 폴리머 및 상기 복합 필라멘트의 층상 구조의 적층 가공을 수행하는 것을 포함하는, 부품의 적층 가공 방법.
  13. 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    지지체 재료, 폴리머 및 상기 복합 필라멘트의 자유롭게 배열된 3D 구조의 적층 가공을 수행하는 것을 포함하는, 부품의 적층 가공 방법.
  14. 제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    지지체 재료, 폴리머 및 상기 복합 필라멘트의 자유롭게 배열된 3D 구조의 적층 가공을 수행하는 것을 포함하고, 상기 구조는 지지체, 폴리머 및 복합 섬유 재료의 선택된 영역 두께를 갖는, 부품의 적층 가공 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 3 차원 프린터 또는 제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 부품의 적층 가공 방법에 있어서,
    상기 통합 요소 (9) 는 통합 링 (9) 인, 3 차원 프린터 또는 부품의 적층 가공 방법.
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