KR20200130443A - 고속 압출 3-d 프린팅 시스템 - Google Patents

고속 압출 3-d 프린팅 시스템 Download PDF

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윌리엄 제이. 3세 맥니쉬
블레이크 테이펠
찰스 브랜던 스위니
에릭 존 조빅
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에센티움, 인크.
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Abstract

3차원 프린터 및 프린팅 방법은 공급 시스템으로 공급원료 상에 제1 압출력을 인가함으로써 가열된 배럴을 구비하는 프린트 노즐에 공급원료를 공급하는 단계; 공급원료를 용융시키기 위해 제1 온도에서 가열된 배럴에서 공급원료를 가열하는 단계; 및 용융된 공급원료를 지지 테이블 상에 증착하는 단계를 구비하며, 상기 제1 압출력 및 제1 온도는 초당 120 입방 밀리미터(mm3/s) 이하의 체적 유량을 제공하도록 선택된다.

Description

고속 압출 3-D 프린팅 시스템
본 개시내용은 2018년 3월 21일자로 출원된 미국 가출원 62/646,019호의 이익을 주장하며, 그 교시는 본원에 참조로 편입된다.
본 개시내용은 일반적으로 3차원(3D) 프린팅 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게 고속 압출 3D 프린팅 시스템에 관한 것이다.
본 섹션의 설명은 단지 본 개시내용에 관련된 배경 정보를 제공하며, 종래 기술을 구성하거나 구성하지 않을 수 있다.
3차원(3D) 프린팅은 디지털 모델로부터 직접 프로토타입 또는 생산 부품을 포함할 수 있는 3D 모델을 생성하기 위한 첨가제 제조 공정이다. 첨가제 제조는 CAD(computer aided design) 또는 애니메이션 모델링 소프트웨어로부터 가상 블루프린트를 취하고, 3D 모델을 프린팅하기 위한 가이드라인으로서 사용하기 위한 3D 프린터를 포함하는 3D 프린팅 시스템에 대한 디지털 단면으로 가상 블루프린트를 슬라이스하는 공정이다. 복합 재료의 층은 최종 3D 모델이 프린팅될 때까지 액적 또는 연속 비드에 연속적으로 증착된다. 이들 층은 프린팅된 3D 모델의 형상을 생성 및 유지하기 위해 융합(fused)으로도 알려진 공동으로 용접된다.
융합 필라멘트 제조(Fused Filament Fabrication: FFF) 및 융합 증착 모델링(Fused Deposition Modeling: FDM)과 같은 압출 증착 공정을 이용하는 3D 프린팅 시스템을 위해, 열가소성 복합 필라멘트는 가열된 압출 노즐을 통해 적용된다. 산업 제조 섹터에서 ME 3D 프린팅 기술의 광범위한 채택을 방지하는 주요 제한 요인 중 하나는 느린 빌드 속도이다. 프린터 이동 속도, 프린트 헤드 속도를 관리하는 펌웨어, 및 프린터 헤드를 통한 압출 재료의 체적 유량은 빌드 속도에 영향을 미치는 요인이다. 공지된 3D 프린팅 시스템은 필라멘트를 "푸싱(pushing)"(주어진 속도에서의 토크)에 인가될 수 있는 파워에 의해 제한된다. 예를 들어, FFF/FDM 프린팅의 속도는 작은 0.4 내지 2.0mm 직경의 포트를 통해 점탄성 용융 중합체를 가압하는 능력에 의해 제한되었다.
3D 프린팅 시스템의 속도, 정확도 및 제어를 향상시켜 3D 부품을 프린팅하는 효율 및 생산성을 증가시키는 것이 바람직하다. 따라서, 현재의 3D 프린팅 시스템이 그 의도된 목적을 달성하지만, 새롭고 개선된 3D 프린팅 시스템 및 보다 신속하고 정확한 3D 부품을 제조하기 위한 방법이 요구된다.
본 개시내용의 일부 관점에 따르면, 3D 프린터로 프린팅하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 제1 압출력(extrusion force)을 가하여 공급원료를 배럴에 공급하는 단계; 상기 배럴 내의 상기 공급원료를 제1 온도로 가열하여 상기 공급원료를 용융시키는 단계; 및 용융된 공급원료를 지지 테이블 상에 증착하는 단계를 포함하며, 상기 제1 압출력 및 제1 온도는 초당 120 입방 밀리미터(mm3/s) 이하의 체적 유량을 제공하도록 선택된다.
다른 관점에서, 상기 방법은 상기 배럴의 액화기 부분에서 상기 공급원료를 용융시키는 단계를 더 포함하며, 배럴 온도는 20℃ 내지 600℃ 범위이다.
다른 관점에서, 상기 공급원료는 필라멘트이고, 상기 방법은 상기 필라멘트를 상기 배럴에 공급하기 위해 상기 필라멘트를 회전가능한 피드 호브(rotatable feed hob)와 결합시키는 단계를 더 포함한다.
다른 관점에서, 상기 회전 가능한 피드 호브는 구동 모터에 결합된 구동 샤프트 상에 장착된다.
다른 관점에서, 상기 방법은 상기 구동 모터에 의해 상기 구동 샤프트에 인가되는 토크를 측정하는 단계를 더 포함한다.
다른 관점에서, 상기 토크는 상기 구동 모터에 공급되는 전류를 측정함으로써 측정된다.
다른 관점에서, 상기 제1 공급 속도 및 상기 제1 온도는 마스터 점도 곡선(master viscosity curve)으로부터 선택되고, 상기 마스터 점도 곡선은 다양한 공급 속도 및 다양한 배럴 온도에서 취해진 센서 측정으로부터 유도된 복수의 점도 측정으로부터 연산된다.
다른 관점에서, 상기 센서 측정은 압출력 측정, 인코더 측정, 및 온도 센서 측정을 구비한다.
또 다른 관점에서, 상기 방법은 초당 0.1℃ 내지 초당 60℃ 범위의 속도로 상기 배럴 온도를 감소시키는 단계를 더 포함한다.
또 다른 관점에서, 상기 방법은 상기 제1 압출력을 감소시킴으로써 용융된 공급원료의 증착을 일시정지 또는 정지시키는 단계를 구비한다.
본 개시내용의 일부 관점에 따르면, 3차원 프린터가 제공된다. 상기 프린터는 제어 시스템; 상기 제어 시스템에 전기적으로 결합된 가열 요소를 포함하는 배럴로서, 상기 제어 시스템은 배럴 온도를 선택하도록 구성되는, 상기 배럴; 및 상기 배럴에 공급원료를 공급하도록 구성되는 공급 시스템으로서, 공급 시스템에 의해 상기 공급원료에 인가되는 압출력을 선택하도록 구성되는, 상기 공급 시스템을 포함하고, 상기 제어 시스템은 초당 120 입방 밀리미터(mm3/s) 이하의 체적 유량을 제공하는 배럴 온도 및 압출력을 선택하도록 구성된다.
추가적인 관점에서, 상기 공급 시스템은 구동 샤프트를 포함하는 구동 모터; 상기 구동 샤프트에 결합되고 공급원료와 결합하도록 구성된 피드 호브; 상기 구동 모터에 의해 인가된 압출력을 측정하도록 구성된 제어 시스템에 전기적으로 결합된 토크 센서; 및 상기 구동 샤프트의 속도를 측정하도록 구성된 제어 시스템에 전기적으로 결합된 인코더를 구비한다.
다른 관점에서, 온도 센서가 상기 배럴에 부착되고 상기 제어 시스템에 결합된다.
다른 관점에서, 상기 제어 시스템은 다양한 공급 속도로 상기 공급원료를 압출하는 것으로부터 유도된 복수의 점도 측정에 기초하여 마스터 곡선을 연산하도록 구성되고, 상기 다양한 공급 속도는 상기 인코더, 상기 온도 센서에 의해 측정된 온도, 및 상기 토크 센서에 의해 측정된 각각의 공급 속도 및 각각의 온도를 위한 압출력에 의해 측정된다.
다른 관점에서, 상기 토크 센서는 상기 구동 모터에 인가되는 전류를 측정하도록 구성된 전류 센서이다.
또 다른 관점에서, 상기 3차원 프린터는 냉각 시스템을 더 구비하고, 상기 냉각 시스템은 상기 배럴 온도를 0.1℃ 내지 60℃ 범위의 비율로 감소시키도록 구성된다.
본 개시내용의 일부 관점에 따르면, 3차원 프린터를 교정하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 공급 속도의 범위를 성취하기 위해 다양한 압출력으로 프린터 노즐을 통해 공급원료 재료를 압출함으로써 공급원료 공급속도 스위프(feedstock feed rate sweep)를 수행하는 단계; 각각의 공급 속도에서 공급원료 점도를 유도하는 단계; 다양한 배럴 온도 및 하나 이상의 공급 속도에서 배럴을 구비하는 프린터 노즐을 통해 상기 공급원료를 압출하는 단계; 각각의 배럴 온도에서 상기 공급원료 점도를 유도하는 단계; 각각의 공급 속도 및 각각의 배럴 온도 설정에서 유도된 공급원료 점도로부터 상기 공급원료에 대한 마스터 점도 곡선을 연산하는 단계; 및 최대 빌드 레이트(maximum build rate)를 제공하기 위한 공급 속도 및 온도를 선택하는 단계를 구비한다.
추가적인 관점에서, 각각의 공급 속도는 구동 샤프트의 회전 속도를 측정하도록 구성된 인코더에 의해 측정된다.
추가적인 관점에서, 각각의 압출력은 상기 구동 샤프트에 결합된 구동 모터와 관련된 토크 센서에 의해 측정된다.
추가적인 관점에서, 각각의 배럴 온도는 상기 배럴에 장착된 온도 센서에 의해 측정된다.
본원에 기술된 도면은 단지 예시 목적만을 위한 것이며, 어떠한 방식으로도 본 개시내용의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1은 전단 박화 재료(A) 및 뉴턴 유체(B)에 대한 대표적인 점도 대 전단 속도 그래프이다.
도 2는 본 개시내용의 3차원 프린터 헤드 및 지지 테이블의 일 관점의 사시도이다.
도 3은 본 개시내용의 프린트 노즐의 일 관점의 사시도이다.
도 4는 도 3의 배럴의 단면도이다.
도 5a는 본 개시내용의 z-축 플레이트 조립체 및 프린트 노즐의 일 관점의 사시도이다.
도 5b는 도 5a의 z-축 플레이트 조립체 및 프린트 노즐의 배면 사시도이다.
도 5c는 도 5a 및 5b의 z-축 플레이트 조립체의 플렉셔의 상부 사시도이다.
도 6a는 구동 모터, 피드 플레이트 및 피드 호브의 관점을 구비하는 공급 시스템의 일부의 측면 사시도이다.
도 6b는 구동 모터, 피드 플레이트, 아이들 조립체 및 수신기의 관점을 구비하는 공급 시스템의 일부의 측면 사시도이다.
도 7a는 본 개시내용의 피드 호브의 일 관점의 측면 사시도이다.
도 7b는 면 플레이트(face plate)가 없는 도 7a의 피드 호브의 측면 사시도이다.
도 7c는 도 7b의 피드 호브의 단면도이다.
도 8a는 본 개시내용의 아이들 조립체의 일 관점의 전방 사시도이다.
도 8b는 도 8a의 아이들 조립체의 단면도이다.
도 9는 크로스 바아 및 아이들 조립체 조정 노브를 도시하는 본 개시내용의 프린터 헤드의 일 관점의 전방 분해 사시도이다.
도 10은 본 개시내용의 아이들 조립체의 조정 노브의 일 관점의 배면도이다.
도 11a는 본 개시내용의 센서 조립체의 일 관점의 단면도이다.
도 11b는 도 14a의 센서 조립체의 분해도를 도시한다.
도 12는 본 개시내용의 힘 센서의 배치 관점를 도시하는 도 2 의 프린터 헤드의 단면도이다
도 13은 본 개시내용의 프린터 헤드를 위한 제어 시스템의 일 관점의 개략도를 도시한다.
도 14는 비드 압출(beaded extrusion)의 개략적인 라인 도면이다.
도 15는 전단 속도가 거의 뉴턴 흐름을 나타내는 영역으로 증가함에 따라 점도 감소를 나타내는 대표적인 점도 대 전단 속도 로그 그래프이다.
도 16은 압출 속도가 증가함에 따라 압출력의 초기 감소 및 그 후 압출력의 증가를 나타내는 대표적인 압출력 대 압출 속도 그래프이다.
도 17은 유동학적 특성화 방법을 나타내는 흐름도이다.
하기 설명은 사실상 단지 예시적인 것이며, 본 개시내용, 적용 또는 용도를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 예시된 실시예는 도면을 참조하여 개시되며, 도면에서 동일한 번호는 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다. 도면은 반드시 축척대로 도시된 것은 아니며, 일부 특징은 특정 특징의 상세를 보여주기 위해 과장되거나 최소화될 수 있다. 개시된 특정 구조적 및 기능적 세부사항은 제한적인 것으로 해석되도록 의도되지 않고, 개시된 개념을 실시하는 방법에 대한 당업자에게 교시하기 위한 대표적인 기초로서 해석되도록 의도되지 않는다.
융합 필라멘트 제조(FFF) 및 융합 증착 모델링(FDM) 프린터와 같은 공지된 재료 압출(ME) 3D 프린터의 프린팅 속도는 공급원료 재료가 압출기 노즐을 통해 유동할 수 있는 속도에 의해 제한된다. 압출기 노즐을 통한 공급원료 재료 유동의 속도는 필라멘트 상의 이용가능한 압출력 및 공지된 3D 프린터가 생성할 수 있는 노즐의 가열 파워에 의해 제한된다.
놀랍게도, 재료 압출(ME) 3D 프린터의 속도 및 정확도는 원료 물질의 유동이 높은 전단 속도에서 유지되고, 따라서 전단 박화 영역에서 유지되어 압출기 노즐을 통한 비교적 고속의 압출을 가능하게 하는 재료 압출 파라미터를 선택함으로써 상당히 증가될 수 있으며, 압출 속도는 초당 120 입방 밀리미터(mm3/s)까지의 범위(예컨대, 1 mm3/s 내지 120 mm3/s의 범위, 그 안의 모든 값 및 범위를 포함함)의 체적 유량으로 표현된다. 선택된 재료 압출 파라미터는 평균 전단 영역(유동 속도에 따라 가변적일 수 있음); 압출력; 유동 속도; 유동 체적(유동 속도에 따라 가변적일 수 있음), 온도; 압출력; 및 평균 용융 온도(변수)를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 그 관점에서, 3D 프린터는 프린팅 공정에서 폐루프 제어를 제공하기 위해 다양한 센서를 이용하여 이들 파라미터를 측정한다. 추가의 관점에서, 3D 프린터는 또한 이들 파라미터에 기초하여 특정 재료에 대한 프로세스 윈도우를 매핑하고 결정하는데 사용된다.
임의의 특정 이론에 얽매이지 않고서, 중합체 유동학적 거동의 이해는 많은 중합체가 충분히 높은 물질 유동 속도, 특정 중합체에 따른 속도로 가공될 때 전단 박화 거동을 경험한다는 것을 기대한다. 변형 및 유동은 각각 스트레인(strain) 및 변형율(strain rate)로 지칭되며, 외부 힘 또는 응력의 영향 하에서 본체가 이동하는 거리를 나타낸다. 전단 박화(shear thinning)는 전단 스트레인(shear strain) 하에서 점도가 감소하는 유체의 비-뉴턴 거동(non-Newtonian behavior)이다. 점도는 전단 스트레인에 대한 전단 응력으로서 정의된다. 전단 응력은 일부 평균 전단 영역(단위 Pa 또는 N/m2)에 걸친 압출력으로서 가열된 영역에서 프린터 노즐 배럴 직경 위에 통합될 수 있다. 평균 전단 영역은 평균 유동 속도의 방사상 위치인 단면적(노즐 내부로부터의 오프셋)의 영역이다. 전단 스트레인은 유동 체적(단위 1/s)에 걸친 평균 유동 속도로서 가열된 영역 내의 프린터 노즐 배럴 직경 위에 통합될 수 있다. 도 1은 전단 속도가 증가함에 따라 전단 박화 재료-A에 대해, 전형적으로 3D 프린팅 시스템에서 사용되는 중합체 재료를 포함하여, 전단 박화 재료-A에 대한 점도 대 전단 속도 그래프를 도시한다. 전단 박화 재료는 전단 속도가 증가함에 따라 점도 변화를 나타내지 않는 뉴턴 유체-B와 비교된다.
재료 압출(ME) 3D 프린터의 정상적인 작동을 위해 전단 박화 계획(shear thinning regime)이 접근가능하도록 충분한 가열 속도 및 압출력이 이용될 수 있는 3D 프린팅 시스템 및 방법이 본 명세서에 개시된다. 주어진 공급원료의 원하는 전단 박화 영역에서 작동하도록, 즉 공급원료가 프린터 노즐(12)을 통과할 때 101 Pa*s 내지 104 Pa*s의 범위 내와 같은 용융 상태에서 104 Pa*s 미만의 비교적 낮은 점도를 나타내는 경우, 3D 프린터 압출기는 유량(전단) 및 온도 파라미터 공간(즉, 공급 속도 범위 및 온도 범위에 걸쳐 재료를 특성화하는 것), 및 펌웨어(제어 시스템)는 체적 처리량을 조정하고 최대화하기 위해 저점도 영역에서 프린트하도록 구성된다. 전단 박화를 나타내는 공급원료 물질, 예컨대 열가소성 물질, 실록산, 수지(1-및 2-부분 시스템), 및 다른 비-뉴턴 유사플라스틱은 상대적으로 개선된 처리량을 위해 선택된 조건 하에서 억제된 유동 시스템(파이프/노즐)을 통해 압출될 수 있다. 재료는 전단 박화가 달성되는 프로세싱 윈도우를 개선하거나 넓히기 위해 첨가제, 가공 또는 제형에 의해 개질될 수 있다.
다양한 관점에서, 3D 프린터는 일반적으로 가열된 압출기 노즐, 노즐에 공급원료를 제공하고, 공급 속도를 제어하는 공급 시스템, 프린팅될 때 압출물을 지지하기 위한 지지 테이블, 및 노즐 및 프린팅 부품 온도의 조절을 돕는 냉각 시스템을 포함하는 프린터 헤드를 구비한다. 프린팅하는 방법에 있어서, 공급원료를 프린터 헤드에 공급하고, 그 다음 프린트 노즐에서 용융시키고, 지지 테이블 상에 증착시켜 3차원 성분을 형성한다. 특정한 관점에서, 압출물, 즉 용융된 공급원료가 지지 테이블 상에 퇴적될 때, 압출물의 온도는 냉각 시스템에 의해 감소되고, 냉각 시스템을 사용하지 않고서 비교적 빠른 속도로 압출물을 고화시킨다.
도 2는 본 개시내용의 일부 관점에 따른 3차원 프린터 헤드(10)를 포함하는 3차원 프린터(1)를 도시한다. 3차원 프린터 헤드(10)는 프린트 노즐(12)을 구비한다. 전술한 바와 같이, 프린터 헤드(10)는 또한 도시된 관점에서 필라멘트를 프린트 노즐(12) 내로 공급하기 위한 공급 시스템(14)을 구비한다. 공급원료(22)는 전술한 재료를 포함하며, 그 예는 열가소성 재료, 또는 엘라스토머 블록을 포함하는 열가소성 코폴리머와 같은 적어도 부분적으로 열가소성 재료를 포함한다. 따라서, 재료의 비제한적인 예는 폴리에스테르, 폴리에테르 에테르 케톤, 폴리에틸렌, 열가소성 엘라스토머 등을 포함한다. 더욱이, 공급원료 재료는 재료의 기계적, 화학적 또는 점탄성 특성을 변화시킬 수 있는 다양한 개질제를 포함할 수 있다. 대안적으로, 액체 실리콘 고무 또는 폴리우레탄을 포함하는 1-및 2-부분 가교 중합체와 같은 다른 재료가 사용될 수 있다. 또한, 공급원료는 필라멘트, 분말 또는 액체로서 제공될 수 있다.
관점에서, 프린트 노즐(12)은 z-축 플레이트 조립체(16)에 장착되고, z-축 플레이트 조립체(16)는 프린트 노즐(12)이 공급 시스템(14)과 독립적으로 지지 테이블(20)에 대해 z-축, 위 및 아래로 이동할 수 있게 한다. 대안적으로, 프린트 노즐(12)은 고정 방식으로 프린터 헤드(10)에 장착될 수 있다.
또한, 복수의 센서가 제공된다. 센서 조립체(18)의 일 관점은 도 2에 도시되어 있으며, 이러한 관점에서 지지 테이블(20)에 대한 프린트 노즐(12)의 위치를 측정한다. 또한, 본 명세서에서 추가로 논의되는 구동/압출기 모터 동력, 구동 회전 속도 및 배럴 온도를 모니터링하기 위해 추가의 센서가 제공된다. 이러한 센서는 또한 유사한 센서 조립체(18)에 장착될 수 있다.
도 3은 프린트 노즐(12)을 도시한다. 프린트 노즐(12)은 배럴(30)을 구비한다. 관점에서, 본 명세서에서 액화기로도 지칭되는 배럴(30)의 일부는 배럴(30) 내의 개구(32)를 통과하는 필라멘트(22)(도 2 참조) 또는 다른 공급원료를 용융하도록 가열된다. 개구(32)는 배럴(30)의 길이를 공급 단부(34)로부터 배출 단부(36)(도 3에 도시)까지 연장한다. 배럴(30)의 단면이 도 4에 도시되어 있다. 배럴(30)은, 액화기를 제공하는 배럴 섕크(42)의 하부(40) 둘레에 다수 회로 감긴 히터 코일(38)을 구비한다. 300 GHz 내지 3 THz의 적외선 스펙트럼에서의 전자기 방사선 및 0.03 GHz 내지 300 GHz의 마이크로파 스펙트럼, 인덕션, 전기 히터 밴드와 같은 추가적인 또는 대안적인 가열 요소 및 배럴을 가열하는 방법이 사용될 수 있다. 절연체(44)는 배럴 섕크(42) 및 히터 코일(38) 또는 다른 가열 요소 주위에 제공되는데, 이는 히터 코일(38)과 배럴(30) 사이에 전기 절연을 제공한다. 절연체(44)는 배럴(30) 상에 랩핑되거나, 코팅되거나, 또는 다른 방식으로 증착되는 세라믹, 유리섬유 또는 다른 재료의 하나 이상의 층을 구비할 수 있다. 또한, 배럴 생크(42)의 표면(50)에 형성된 채널(48)에서 배럴(30)에 장착될 수 있는 온도 센서(46)가 제공되어, 센서(46)가 개구(32)를 형성하는 배럴(30)의 내벽(51)에 근접하게 위치한다. 가열 요소(38)는 참조부호 13으로 도시된 바와 같이 제어 시스템(400)에 전기적으로 결합된다.
관점에서, 배럴(30)은 넥부(52) 위아래의 배럴(58, 60)의 영역에 비해 감소된 직경을 갖는 배럴(30)의 상부(54) 내의 넥부(52)를 더 구비한다. 관점에서, 넥부(52)는 배럴(30)의 하부(40)로부터 배럴(30)의 상부(54)로의 열의 전달을 감소시키기 위해 열 브레이크(heat break)를 제공할 수 있다. 또한, 넥부(52)는 프린트 노즐 클램프(64)(도 2에 도시)에 프린트 노즐(12)을 고정하는 것을 돕고, 특히 노즐 클램프(64)에 대해 z-방향으로 배럴(30)의 운동을 방지할 수 있다. 배럴(30)은 또한 배럴(30)의 배출 단부(36)에 대해 단부 팁(69)을 유지하는 단부 캡(67)을 구비한다. 관점에서, 배출 단부(36)에 근접한 배럴(30)의 외부 표면(70)은 감소된 직경 영역(72)에 인접한 배럴(30)의 영역(60)에 비해 감소된 직경 영역(72)을 나타낸다.
도 3을 다시 참조하면, 노즐 클램프(64)는 클램핑 프레임(66) 및 클램프 플레이트(68)를 구비하며, 그 사이에서 배럴(30)이 유지된다. 클램프 플레이트(68)는 클램프 플레이트(68) 및 클램핑 프레임(66)과 결합하는 스크류와 같은 하나 이상의 기계적 패스너(74)에 의해 클램핑 프레임(66)에 부착된다. 또한, 클램핑 프레임(66)은 하나 이상의 기계적 패스너(미도시)에 의해 z-축 플레이트 조립체(16)에 부착된다. 관점에서 격리 필름(78)은 클램핑 프레임(66)의 적어도 3개의 측부 주위에 배치되어 배럴(30)로부터 z-축 플레이트 조립체(16)에 전달되는 것으로부터 전기 절연을 제공할 수 있다. 격리 필름(78)은, 예를 들어 클램핑 플레이트, 섬유 유리 시트, 에폭시 시트, 또는 다른 절연 재료의 시트 상에 증착된 세라믹 코팅으로부터 형성될 수 있다.
또한, 프린트 노즐(12)은 히터 코일(38)과 온도 센서(46)를 제어 시스템(400)에 전기적으로 결합시키는 와이어 리드(82, 84)(도 2에 도시)를 보유하기 위한 케이블 클램프(80)를 구비한다(도 15 참조). 백킹 플레이트(86)는 또한 케이블 클램프(80)와 클램핑 프레임(66) 사이에 제공될 수 있다. 다른 관점에서, 도시된 바와 같이, 백킹 플레이트(86)는 와이어 리드(82, 84)를 위한 지지 선반(88)을 제공하도록 "L" 형상이다. 관점에서, 케이블 클램프(80) 및 백킹 플레이트(86)는 기계적 패스너(90)에 의해 클램핑 프레임(66)에 부착되고, 기계적 패스너(90)는 케이블 클램프(80), 백킹 플레이트(86), 및 클램핑 프레임(66) 내의 보어(92)를 통과한다.
도 5a 및 5b는 z-축 플레이트 조립체(16)에 장착된 프린트 노즐(12)을 도시한다. 도시된 관점에서, z-축 플레이트 조립체(16)는 대향하는 제1 및 제2 수직 측벽(98, 100) 및 대향하는 제1 및 제2 수평 측벽(102, 104)에 의해 프레임화된 개구(96)를 형성하는 플레이트(94)를 구비한다. 제2 하부 수평 측벽(104)은 프린트 노즐(12)을 수용하기 위한 리세스(106)를 그 내부에 형성한다. 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, z-축 플레이트 조립체가 z-축에서 이동하도록 구성되는 경우, 측벽(104)은 피드 플레이트(112) 상에 형성된 레지(ledge)(110)에 대해 충돌할 수 있다.
도 5a 내지 5c를 참조하면, z-축 플레이트 조립체(16)는 제1 및 제2 플렉셔(flexures)(120, 122)를 더 구비한다. 플렉셔(120, 122)는 도 6에 도시된 바와 같이 z-축 플레이트 조립체(16) 및 피드 플레이트(112)를 고정하는 호환성 부재이다. 관점에서, 플렉셔는 청색 스프링강으로 형성되지만, 다른 금속, 금속 합금 또는 폴리머 재료가 사용될 수 있다. 재료 선택 및 두께는 원하는 양의 스프링력을 조정하도록 조절될 수 있다. 예를 들어, 청색 스프링강의 경우, 플렉셔는 0.25mm와 같은 모든 값 및 범위를 포함하는 0.10 mm 내지 1.00 mm 범위의 두께를 나타낼 수 있다. 플렉셔(120, 122)는 블록(124)(명확성을 위해 모두가 라벨링되지 않음) 및 기계적 패스너(126)(명확성을 위해 일부가 라벨링됨)를 사용하여 z-축 플레이트(94) 및 피드 플레이트(112)에 고정된다. 플렉셔(120, 122)는 플레이트(94, 112)와 블록(124) 사이에 배치되고, 기계적 패스너(126)는 블록(124)을 z-축 플레이트(94) 및 피드 플레이트(112)에 부착한다.
플렉셔(120, 122)는 "C" 형상을 취하는 것으로 도시되어 있지만, 다른 구성이 가정될 수 있다. 또한, 도시된 관점에서, "C" 형상 플렉셔(120, 122)의 기다란 아암(123)이 피드 플레이트(112)에 부착되지만, 각각의 플렉셔(120, 122)를 위해 대안적인 배치도 고려된다. 2개의 플렉셔가 z-축 플레이트 조립체(16)와 피드 플레이트(112) 사이에서 연장되는 것으로 도시되어 있지만, 3개 내지 8개의 플렉셔의 범위에서와 같이, 3개 이상의 플렉셔가 제공될 수 있다. 또한, 각각의 안정화 블록이 적어도 2개의 기계적 패스너, 예를 들어 스크류에 의해 피드 플레이트(112)에 그리고 적어도 3개의 기계적 패스너, 예를 들어 스크류에 의해 z-축 플레이트 조립체(16)에 고정되는 것으로 도시되어 있지만, 하나 이상, 예컨대 최대 4개의 기계적 패스너가 안정화 블록(124)을 z-축 플레이트 조립체(16) 및 피드 플레이트(112)에 결합하는데 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 크로스-바아(140)는 z-축 플레이트(94)에 의해 형성된 개구(96) 내에 고정되고, z-축 플레이트(94)는 크로스-바아(140) 및 피드 플레이트(112)에 대해 이동한다. 크로스-바아(140)는 너트 및 볼트 조립체와 같은 정합 패스너(142)를 사용하여, 또는 피드 플레이트(112)와 결합하는 스크류를 통해 고정될 수 있다. z-축 플레이트 조립체(16)가 z-축에서 이동하면, 크로스-바아(140)는 z-축 플레이트 조립체(16)의 이동을 제한할 수 있다.
도 6a 및 6b를 참조하면, 공급원료(22)를 필라멘트 형태로 공급하기 위한 공급 시스템(14)의 관점이 도시되어 있지만, 예를 들어 분말 또는 액체 공급원료를 노즐로 공급하도록 다른 공급 시스템(14)이 사용될 수 있다. 이러한 관점에서, 공급 시스템(14)은 필라멘트(22)를 필라멘트 카트(미도시) 또는 다른 필라멘트 공급원으로부터 당긴다. 분말 또는 액체를 노즐에 공급하는 시스템은 공급원료를 배럴(30) 내로 이송하는 것을 돕기 위해 프린트 노즐(12)의 배럴(30) 내에 오거(auger)를 구비할 수 있다.
공급 시스템(14)은 일반적으로 구동 모터(152), 구동 모터(152)에 장착된 피드 호브(154), 피드 플레이트(112)에 장착된 아이들 조립체(156), 및 피드 플레이트(112)에 장착된 리시버(158)를 구비한다. 도 6a를 참조하면, 관점에서, 지지 플레이트(159)가 구동 모터(152)와 피드 플레이트(112) 사이에 제공된다. 지지 플레이트(159)는 피드 호브(154), 아이들 조립체(156), 리시버(158), z-축 플레이트 조립체(16), 프린트 노즐(12) 및 센서 조립체(18)(본 명세서에서 후술됨)를 포함하여, 피드 플레이트(112)와, 그에 부착된 다양한 구성요소의 기계적 안정화를 제공할 수 있다.
구동 모터(152)는 그로부터 연장하는 구동 샤프트(160)(도 6b에 도시)를 구비하며, 구동 샤프트(160)는 피드 호브(154)에 수용된다. 관점에서, 구동 모터(152)는 서보-모터이다. 피드 호브(154)는 구동 샤프트(160)에 대해 비회전 방식으로 구동 샤프트(160)에 장착되어, 피드 호브(154)가 구동 샤프트(160)와 함께 회전한다. 관점에서, 구동 모터(152)는, 예를 들어 전류 센서(도 13에 도시된 164), 토크 센서(도 13에 도시된 166), 또는 전류 센서 및 토크 센서 양자를 포함하는 복수의 센서를 구비하여, 피드 호브(154)에 의해 필라멘트(22)에 인가된 압출력을 측정한다. 관점에서, 토크 센서(166)는 생략될 수 있고, 전류 센서(164)는 토크를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 필라멘트(22)의 선형 및 체적 유량이 유도될 수 있는 구동 샤프트(160) 또는 피드 호브(154)의 회전 속도를 측정하기 위해 인코더(도 6a 및 13에 도시된 168)가 제공된다. 하나 이상의 와이어 리드(170)는 센서를 도 13에 도시된 제어 시스템(400)에 전기적으로 결합시킨다. 또한, 다른 관점에서, 도 13에 도시된 제어 시스템에 전기적으로 결합될 수 있는 하나 이상의 와이어 리드(172)를 통해 구동 모터(152)에 파워가 제공된다.
구동 샤프트(160)는 구동 샤프트(160)의 표면(176)에 형성된 홈(174)을 구비하며, 이러한 홈은 피드 호브(154)의 하나 이상의 로킹 특징부(178)를 수용한다. 도시된 바와 같이, 로킹 특징부는 피드 호브(154)를 통해 구동 샤프트(160)의 홈(174) 내로 연장되는 한 쌍의 세트 스크류(178)이지만, 다른 실시예에서, 로킹 특징부(178)는 내부 표면(180)(예컨대, 도 7a 참조)으로부터 연장되는 치형부일 수 있거나, 또는 다월 핀(dowel pin)의 세트가 피드 호브(154)를 통해 구동 샤프트(160)의 홈(174) 내로 연장될 수도 있다.
도 7a, 7b 및 7c를 참조한다. 피드 호브(154)는 면 플레이트(182), 백 플레이트(184), 구동 치형 플레이트(186, 188), 및 플레이트(182, 184, 186, 188)를 구동 샤프트(160)에 부착하기 위한 호브 백킹(190)을 구비한다. 전술한 바와 같이, 관통 홀(192, 194)은 외부 표면(196)으로부터 내부 표면(180)까지 호브 백킹(190)에 제공되고, 세트 스크류(178)가 삽입된다; 스크류(178)는 호브 백킹(190)을 구동 샤프트(160)에 결합시킨다. 도시된 바와 같이, 2개의 구동 치형 플레이트(186, 188)이 제공되어 필라멘트(22)와 결합한다. 단지 2개의 플레이트(186, 188)만이 도시되어 있지만, 플레이트 두께 및 필라멘트 기하학적 형상에 따라 1개 내지 4 개의 구동 치형 플레이트가 제공될 수 있다. 특정 관점에서, 구동 치형 플레이트(186, 188)는 구동 치형 플레이트(186, 188)의 주변부(200) 내에 형성되는 홀수 개의 치형부(198)를 구비한다. 예를 들어 와이어 방전 가공(와이어 EDM)을 사용하여, 그 안의 모든 값 및 범위를 포함하는 1개 내지 300개 플레이트의 범위에서 복수의 구동 치형 플레이트가 형성될 수 있다. 홀수의 치형부가 형성되는 경우, 플레이트가 기계가공될 때 전후로 적층된다고 가정하면, 플레이트(186, 188)를 다시 후방으로 배치함으로써 치형부(198)가 오프셋될 수 있다. 관점에서, 구동 치형 플레이트(186, 188)는 그 안의 모든 값 및 범위를 포함하는 500 nm 내지 1 마이크로미터의 크기이다. 면 플레이트(182), 백 플레이트(184) 및 구동 치형 플레이트(186, 188)는 다월 핀(206)에 의해 서로에 대해 위치된다. 그 다음, 플레이트(182, 184, 186, 188) 및 호브 백킹(190)은 면 플레이트(182)로부터 호브 백킹(190)으로 피드 호브(154)를 통해 연장되는 보어(212)를 통해 삽입되는 너트 및 볼트 조립체와 같은 하나 이상의 기계적 패스너(210)를 사용하여 고정된다.
도 6b, 8 및 8b에 도시된 바와 같이, 필라멘트가 공급원료(22)로서 사용될 때, 공급 시스템(14)은 아이들 조립체(156)를 더 구비한다. 아이들 조립체(156)는 필라멘트(22)를 피드 호브(154)에 대해 프린트 노즐(12)의 배럴(30) 내로 안내하는 것을 돕는다. 아이들 조립체(156)는 아이들 호브(222)가 스핀들(226) 상의 아이들 아암 바디(224)에 현수되는 아이들 호브(222)를 구비하여, 아이들 호브(222)가 스핀들(226) 주위에서 회전한다. 일 관점에서, 베어링(228)은 스핀들(226) 상에 배치되고 아이들 호브(222)는 베어링(228) 상에 놓인다. 베어링(228)은 일 관점에서 볼 베어링을 구비하지만, 대안적인 베어링이 사용될 수 있다. 아이들 호브(222)는 아이들 호브(222)의 주변부(232)에 채널(230)을 형성하는 것을 포함하며, 이는 일반적으로 프린터 헤드(10)에 사용되는 많은 필라멘트(22)의 기하학적 구조를 수용할 수 있다. 달리 말하면, 채널(230)의 폭은 프린터 헤드(10)에 사용되는 다수의 필라멘트(22)의 두께와 동일한 크기 또는 더 클 수 있지만, 일부 경우에, 필라멘트(22)는 채널(230)보다 클 수 있다. 스핀들(226)은 아이들 아암 바디(224)의 제1 단부(240)에 근접한 아이들 아암 바디(224)에 홈(238)을 형성하는 2개의 돌출부(234, 236)에 장착된다.
아이들 아암 바디(224)는 피봇, 이 경우에 제1 단부(240)와 대향하는 제2 단부(246)에 근접한 스크류(244)를 중심으로 회전하는 편심 캠(242) 상에서 주행 및 회전한다. 아이들 아암 바디(224)가 피봇(244)을 중심으로 회전함에 따라, 아이들 아암 바디(224)는 상하로 이동하여, 아이들 호브(222)를 상하로 이동시킨다. 아이들 호브(222)의 이러한 상하 이동은 필라멘트(22)를 죄측 또는 우측으로 조종한다. 필라멘트(22)를 좌측 또는 우측으로 조종하는 능력은 공급 단부(34)에서 배럴(30)의 내부벽(50)을 가격하는 필라멘트(22)에 의해 야기되는 드래그를 감소시키는데 조력한다. 필라멘트(22)의 드래그에 영향을 줄 수 있는 인자는, 예를 들어 필라멘트(22)의 두께, 듀로미터(durometer) 및 굴곡 특성을 포함한다. 한 쌍의 세트 스크류(250)는 캠 개구(254)를 통해 아이들 아암 바디(224) 내로 연장되는 보어(252)에 제공된다. 세트 스크류(250)는 편심 캠(242)에 인접한다.
리프 스프링(256)은 아이들 아암(204)의 제2 단부(246)에 인접한 아이들 아암(204)의 제1 단부(257)에 부착된다. 관점에서, 리프 스프링(256)은 하나 이상의 기계적 패스너를 사용하여 부착된다. 리프 스프링(256)은 아이들 호브(222)까지 아래로 연장되고, 특정 관점에서, 아이들 아암 바디(224)의 길이(Li)보다 같거나 더 긴 길이(Ls)를 나타낼 수 있다. 도 9 에 도시된 바와 같이, 리프 스프링(256)은 제2 단부(259)(도 2에 도시)에서 제2 편심 캠(260)에 대해 바이어스된다. 제2 편심 캠(260)은 피봇점, 본 예에서 스크류(262) 주위에서 회전한다. 제2 캠(260)은 리프 스프링(256)과 접촉하는 복수의 멈춤쇠(264)를 구비하며, 멈춤쇠(264)의 크기는 캠의 주변부 주위에서 변한다. 관점에서, 도 6b 및 도 9에 도시된 조정 노브(266)는 제2 편심 캠(260)에 의해 리프 스프링(256)에 인가된 바이어스를 조정하는데 사용되며, 더 큰 멈춤쇠(264)는 리프 스프링(256)에 대해 더 큰 바이어스를 인가한다. 조정 노브(266)는 제2 편심 캠(260)으로부터 연장되는 보유 브라켓(268) 상에 장착된다. 도 10을 참조하면, 보유 브라켓(268)은 노브(266)의 후방(272)으로부터 연장되는 허브(270)에 수용되고, 허브(270)의 내벽(274)에 대해 바이어스된다. 또한, 보유 브라켓(268)은 허브(270)의 내벽(274)과 연동하는 기계적 특징부를 구비한다. 예를 들어, 1개 또는 2개의 보유 브라켓(268)은 허브(270)의 내벽(274)에 형성된 하나 이상의 홈과 맞물리는 치형부를 구비할 수 있다. 또한, 제3 편심 캠(261)이 제공된다. 제2 편심 캠(260)은 제3 편심 캠(261)과 함께 공지된 오프셋으로 설정될 것이다. 사용자는 필라멘트를 구동하는데 필요한 힘에 대해 기존의 편심을 조정할 수 있다. 이는 프린터 헤드(10)로부터 프린터 헤드(10)로 리프 스프링(256)에 인가되는 힘의 일관성을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 도 6b에 도시된 수신기(158)는 또한 공급 시스템(14)에 제공된다. 수신기(158)는 피드 호브(154)와 아이들 조립체(156) 사이에서 필라멘트(22)를 안내하는 세장형 부재이며, 이는 필라멘트(22)가 피드 호브(154) 및 아이들 조립체(156)에 대해 마찰되거나 걸리게 되는 것을 방지하는데 조력할 수 있다.
프린터 헤드(10)는 또한 피드 플레이트(112)에 대한 z-축 플레이트(94)의 높이를 결정하는 하나 이상의 센서를 구비한다. 도 11a 및 11b를 참조하여, 도 2는 전기기계 온/오프 위치 센서(300), 이 경우 푸시 버튼 스위치 또는 리미트 스위치를 구비하는 센서 조립체(18)의 일 관점을 도시하며, 상기 스위치는 스위치(302)와 접촉하여 작동하는 z-축 플레이트 조립체(16)에 의해 트리거된다. 전기기계 온/오프 위치 센서(300)에 추가적으로, 또는 대안적으로 전기기계 위치 센서(300)에 추가적으로, 자기 센서 또는 광학 스위치와 같은 다른 선형 위치 센서가 사용되어 피드 플레이트(112)에 대한 z-축 플레이트(94)의 위치를 연속적으로 추적할 수 있다. 이러한 센서는 선형 인코더, 선형 가변 차동 변압기, 홀 효과 센서, 유도 센서, 압전 변환기 등을 포함할 수 있다. 특정 관점에서, 전기기계 위치 센서(300)와 조합하여 연속적인 위치 센서(304)(도 2에 도시)가 사용된다. 전기기계 위치 센서(300)는 전기기계 위치 센서(300)를 제어 시스템(400)에 전기적으로 결합시키는 와이어 리드(306)를 구비한다(도 13 참조).
도시된 바와 같이, 센서 조립체(18)는 추가로 피드 플레이트(112)에 결합된 센서 브래킷(310)을 구비하지만, 일부 변형예에서, 센서 브래킷(310)은 z-축 플레이트(94)에 결합되는 것이 이해될 수 있다. 센서 브래킷(310)은 전기기계 위치 센서(300)가 통과하는 개구(312)를 그 내에 구비한다. 개구(312)의 바닥 단부(314)에서, 레지(ledge)(316)가 개구(312) 내로 연장된다. 레지(316) 상에는, 스프링(318)이 전기기계 위치 센서(300) 주위에 위치된다. 보유 블록(320)은 스프링(318) 상에 놓이고, 특정 관점에서, 스프링(318)은 보유 블록(320)의 베이스(322) 내의 채널 내로 삽입되고, 스프링(318) 또는 그 양자에 결합된다.
전기기계 위치 센서(300)는 보유 블록(320) 내의 보어(324)를 통해 삽입된다. 보유 블록(320)은 전기기계 위치 센서(300) 및 보유 블록(320) 양자와 결합하는 기계적 패스너(326)를 이용하여 센서에 고정된다. 관점에서, 기계적 패스너(326)는 보유 블록(320) 내의 보어(323) 내의 나사산(미도시)과 정합하는 나사산을 구비하고 전기기계 위치 센서(300)에 대해 힘을 인가하는 세트 스크류이다. 또 다른 관점에서, 기계적 패스너(326)가 보유 블록(320) 내에 완전히 수용되고, 즉 기계적 패스너(326)가 보유 블록(320)으로부터 돌출하지 않아, 보유 블록은 개구(312)의 대향하는 상단부(330)와 레지(316) 사이의 개구(312) 내에서 자유롭게 이동할 수 있다.
또한, 조정 노브(332)는, 예컨대 개구(312)와 조정 노브(332)의 베이스(334)의 억지 끼워맞춤에 의해 개구(312) 내에 결합되거나 또는 조정 노브(332)의 베이스(334) 상에 위치된 나사산과 정합함으로써 개구(312) 내에 결합된다. 조정 노브(332)의 베이스(334)는 보유 블록(320)과 접하고, 유지 블록(320) 및 스프링(318)을 레지(316)에 대해 바이어스시킨다. 조정 노브(332)를 상하로 이동시킴으로써, z-축 플레이트(94)에 대한 보유 블록(320) 및 센서(300)의 위치는 상하로 조정될 수 있다. 도시된 바와 같이, 조정 노브(332)는 도시된 관점에서 베이스(334)의 외경 및 개구(312)의 단부(314)보다 큰 외경을 나타내는 파지부(336)를 구비한다. 그러나, 조정 노브(332)는, 대안적으로 조정 노브(332)의 베이스(334)와 동일하거나 더 작은 파지부(336)를 나타낼 수 있다. 더욱이, 조정 노브 파지부(336)가 대체로 원통형인 것으로 도시되어 있지만, 조정 노브 파지부(336)는 육각형 프리즘, 팔각형 프리즘 등과 같은 다면체 프리즘 형상을 포함하는 다른 구성을 나타낼 수 있다.
도시된 관점에서, 개구(312)의 직경은 개구(312)의 길이를 따라 변화하고, 개구(312)의 직경은 상단부(330)로부터 바닥 단부(314)로 변한다. 상단부(330)에서 그리고 그에 근접한 개구(312)의 제1 부분(338)는 직경이 더 크고, 개구의 길이 중간(340)에서 또는 그에 근접한 개구(312)의 제2 부분(342)에서 더 작은 직경으로 전이하고, 또한 레지(316)에 의해 형성된 개구(312)의 제3 부분(344)에서 더 작은 직경으로 전이한다. 전이 영역(340)에서, 개구는 절두 원추형이다. 그러나, 대안적으로, 개구(312)는 제1 및 제2 부분(338, 342)을 통해 동일한 직경을 나타낼 수 있거나, 또는 제1, 제2 및 제3 부분(338, 342, 344)을 통해 개구의 전체 길이를 따라 동일한 직경을 나타낼 수 있다.
관점에서, 도 12에 도시된 바와 같이, 힘 센서(350)는 z-축 플레이트(94)의 수평 측벽(98) 상에 또는 크로스-바아(140) 내에 배치되고, 크로스-바아(140)와 z-축 플레이트 사이의 힘을 측정하도록 배열된다. 도시된 관점에서, 힘 센서(350)는 수평 측벽(98)의 포켓(352) 내에 배치되고; 대안적으로 수평 측벽(98)의 하부면 상에 배치될 수 있다. 대안적으로, 힘 센서(350)는 전기기계 위치 센서 대신에 전술한 바와 같이 센서 조립체에 배치될 수 있다. 또 다른 관점에서, 힘 센서(350)는, 예를 들어 버튼 힘 센서 또는 커패시턴스 센서와 같은 스트레인 게이지이다.
도 2를 다시 참조하면, 3D 프린터는 냉각 시스템(460)을 더 구비한다. 도시된 바와 같이, 냉각 시스템은 냉각 팬(462)을 구비한다. 냉각 팬 속도는 제어 시스템(400)에 의해 제어되고 측정된다. 관점에서, 모터(466)에 공급된 전류가 측정되고, 선택적으로 회전 인코더(464)가 팬 속도를 결정하는데 사용된다. 외부 공기 공급부(468)가 선택적으로 제공될 수 있다.
히터 코일(38)과 같은 가열 요소의 조합은 100℃ 내지 550℃ 내의 모든 값 및 범위를 포함하는 20℃ 내지 600℃ 범위의 배럴(30) 온도를 제공할 수 있게 한다. 냉각 시스템(460)은 초당 0.5℃ 내지 초당 60℃의 모든 값 및 범위를 포함하는 초당 60℃까지의 비율로 배럴(30) 온도를 감소시키게 한다.
도 13은 프린터 헤드(10)를 제어하기 위한 하드웨어, 펌웨어 및 소프트웨어를 구비하는 제어 시스템(400)을 도시한다. 제어 시스템(400)은 버스, 전기 와이어 리드, 또는 하나 이상의 무선 컴포넌트(Wi-Fi, 블루투스 등)와 같은 하나 이상의 통신 링크(406)를 통해 프린터 헤드(10), 지지 테이블(20) 및 냉각 시스템(460)의 다양한 컴포넌트(152, 14/16, 12)에 결합된 하나 이상의 프로세서(404)를 구비한다. 하나 이상의 프로세서가 존재하는 경우, 프로세서(404)는 분산 또는 병렬 처리 프로토콜을 수행하며, 프로세서(404)는, 예를 들어 주문형 집적 회로를 구비할 수 있고, 프로그램가능한 게이트 어레이는 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 그래픽 처리 유닛, 물리 처리 유닛, 디지털 신호 프로세서, 또는 프론트-엔드 프로세서를 구비할 수 있다. 프로세서(404)는, 예를 들어 필요한 경우 동작을 수행하기 위해 다른 디바이스 및 컴포넌트와 협력하는 동작, 행위, 작업, 기능, 또는 단계를 수행하기 위한 코드 또는 명령을 실행하도록 프로그램되는 것으로 이해된다.
전술한 바와 같이, 구동 모터(152), 전류 센서(164), 토크 센서(166) 및 회전 인코더(168)는 모두 전기적으로 결합되거나, 대안적으로 제어 시스템(400)에 무선으로 결합될 수 있다. 또한, 전기기계 온/오프 위치 센서(300), 연속 위치 센서(304) 및 힘 센서(350)를 포함하는, 공급 시스템(14) 및 z-축 플레이트 조립체(16)와 관련된 센서는 또한 제어 시스템(400)에 전기적으로 결합되거나, 대안적으로 제어 시스템(400)에 무선으로 결합될 수 있다. 또한, 프린트 노즐(12)의 온도 센서(46) 및 히터 코일(38), 또는 다른 가열 요소가 또한 제어 시스템(400)에 결합된다. 또한, 지지 테이블과 관련된 연속 위치 센서(418) 및 지지 테이블(20)과 관련된 스텝 모터(420)는 구동 모터 또는 스테퍼 모터와 같은 피드 플레이트(112)에 대해 z-축을 통해 상하로 지지 테이블(20)을 이동시킨다. 또한, 모터(466) 및 선택적인 회전 인코더(464)를 구비하는 냉각 시스템은 제어 시스템(400)에 결합된다.
다양한 관점에서, 센서는 용융 유동 및 점도를 측정하는데 이용된다. 관점에서, 구동 모터(152)는 필라멘트 또는 다른 공급원료(22)를 주어진 공급 속도, 예를 들어 초당 입방 밀리미터(mm3/s)로 공급하도록 프로그램되며, 이는 필라멘트 상에 압출력을 가함으로써, 예를 들어 구성요소(2)의 기하학적 구조에 기초한다. 또한, 회전 인코더(168)는 피드 호브(154) 또는 구동 샤프트(160)의 회전 속도를 측정하도록 제공된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 인코더는 공급 원료(22)로서 사용될 때 압출 모터 또는 필라멘트 상에 사용될 수 있다. 그 속도에서 필라멘트(22)를 공급하기 위한 힘은 (필라멘트(22)에 대한 슬립이 없다고 가정하면) 피드 호브(154) 상의 모터에 의해 인가된 힘과 토크로부터 결정될 수 있다. 힘 및 토크는 직접적으로 결정될 수 있거나, 또는 구동 모터(152)에 공급되는 전류, 구동 휠 축 상의 토크 센서, 노즐 클램프(64) 상의 힘 측정 센서, 또는 배럴(30) 내부의 압력 변환기에 기초한 하여 상관관계를 사용하여 결정될 수 있다.
예를 들어, 특정 개수에 관여되지 않고서, 모터가 Amp당 2 Nm의 힘을 공급하고, 2 Amp가 모터에 공급되는 경우, 4 Nm의 힘이 가해진다. 그 다음, 이러한 측정은 구동 치형 플레이트(186, 188)의 반경에 의해 분할되어 필라멘트(22)에 인가된 힘에 도달한다. 또한, 배럴(30) 및 단부 팁(69)의 기하학적 구조가 고려될 수 있다. 이러한 측정으로부터, 전단 점도(shear viscosity), 즉 전단 응력(영역에 대한 힘) 및 전단 변형(변위)이 알려져 있다면, 전단 유동에 대한 저항이 결정될 수 있다. 또한, 온도 센서(46)가 배럴(30) 온도를 측정함에 따라 온도가 공지된다. 따라서, 상기 언급된 측정과, 필라멘트의 배럴 온도 및 공급 속도의 조절에 기초하여 주어진 공급원료 재료에 대한 3D 프린터에 의해 유동 프로파일이 개발될 수 있다.
임의의 특정 이론에 관여되지 않고서, 당업자에게 이해되는 바와 같이, 많은 열가소성 중합체 물질 또는 부분 열가소성 공-중합체(중합체 사슬에 어느 정도의 가교결합을 포함)뿐만 아니라 일부 가교결합 중합체 시스템을 위해, 온도가 배럴에서 증가하고 중합체 온도가 증가함에 따라, 점도가 적어도 물질이 열적으로 열화되기 시작하는 지점까지 감소할 수 있다. 또한, 필라멘트에 가해지는 힘 또는 필라멘트에 힘이 가해지는 속도의 증가는 필라멘트가 배럴을 통과하는 지점까지 전단 박화로 알려진 점도를 감소시켜 신속하게 용융시킬 수 있다.
공급원료에 가해진 열과 힘의 조합은 공급원료(22)가 프린트 노즐(12)을 통해 유동하여 지지 테이블(20) 상에 증착될 수 있게 한다. 그러나, 배럴(30)의 개구(32)를 통한 공급원료(22) 상의 드래그와, 예컨대 필라멘트가 수축되도록 하는 필라멘트 카트리지로부터 공급될 때 필라멘트 상의 당김과 같은 공급원료에 작용하는 힘은 상기한 힘 결정에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 힘 센서(350)에서 검출된 힘은 상기 결정된 힘 측정치를 변경 또는 조정하는데 사용될 수 있다.
전술한 프린터 헤드(10)를 사용하여 3차원 구성요소(2)(도 2 참조)를 형성하기 위해 공급원료를 증착하는 방법이 또한 본 명세서에 개시되어 있다. 공급원료(22)는 배럴(30)의 액화기 부분(40)에서 배럴(30) 내로 공급되고, 공급원료(22)는 공급원료(22)에 인가된 압출력과 조합하여 공급원료(22)의 점도를 감소시켜 공급원료(22)를 지지 테이블(20) 상으로 압출하도록 가열된다. 공급원료(22)는 지지 테이블(20) 상의 복수의 순차적인 층에 증착되며, 각각의 층은 3차원 구성요소(2)가 형성될 때까지 다음 층의 증착 전에 적어도 부분적으로 응고된다.
또 다른 관점에서, 필라멘트(22)가 공급원료로서 사용되어 필라멘트(22)를 배럴(30) 내로 공급하는 경우, 필라멘트(22)는 피드 호브(154)의 구동 치형부(198)에 의해 결합되고, 아이들 조립체(156)에 의해 피드 호브(154)에 대해 바이어스된다. 구동 모터(152)는 피드 호브(154)를 회전시켜서 필라멘트(22)를 프린트 노즐(12)의 배럴(30) 내로 강제한다. 배럴(30) 내에서, 필라멘트(22)는 필라멘트(22)의 점도를 감소시키기에 충분한 온도로 가열된다. 피드 호브(154)에 의해 필라멘트(22)에 인가된 힘으로 인해, 필라멘트(22)는 배럴(30)을 빠져나갈 때 전단 박화를 추가로 받아 점도를 추가로 감소시킬 수 있다. 필라멘트(22)는 프린트 노즐(12)을 빠져나와 지지 테이블(20) 상의 복수의 순차적인 층에 증착되며, 각각의 층은 3차원 구성요소(2)가 형성될 때까지 다음 층의 증착 전에 적어도 부분적으로 응고된다.
관점에서, 공급원료(22)가 프린트 노즐(12) 내로 공급되는 속도는 제어 시스템(400)에 의해 결정되며, 제어 시스템(400)은 또한 실제 공급원료 공급 속도를 측정하고, 모터 전류 및 토크를 조정하여 원하는 공급 속도를 달성한다.
따라서, 주어진 폴리머 재료 시스템에 대한 전단 박화 계획은 본 명세서에 개시된 3D 프린터를 사용하여, 또는 대안적으로 다른 유동학적 측정 방법에 부가하여, 식별되고 맵핑될 수 있다. 관점에서, 주어진 유량 및 온도에 대한 전단 박화 계획으로 점도 감소를 달성하기 위해 액화기(40)에 의해 공급원료(22)에 열이 가해지며, 이에 따라 주어진 양의 압출기 전력에 대해 더 큰 유량을 허용한다. 서멀 커플(46)에 의해 제공된 노즐(Tnozzle)에서의 온도, 전류 센서(164) 또는 토크 센서(166)로부터 유도된 노즐(Pnozzle)에서의 압력, 및 선택적으로 노즐 온도로부터 측정되거나 유도될 수 있는 압출(Text)의 온도는 점성 거동을 맵핑하고 전단 박화 계획에 머무는데 사용된다. 2가지 별개의 맵이 생성될 수 있는데, 하나는 전단 박화 계획에서의 점도를 성취하기 위한 것이고, 다른 하나는 전단 박화 계획에서의 점도를 유지하기 위한 것이다. 3D 프린터의 제어 시스템(400)은 사전 정의된 툴 경로 및 중합체에 대한 압출 속도 및 온도 설정점을 얻고, 사전 설정된 교정 데이터로부터 전단 박화를 제공하는데 필요한 공급 속도 및 온도를 연산하고, 그 다음 필요한 경우 툴 경로를 조정함으로써 전단 박화 계획(Tnozzle, Pnozzle을 통해) 하에서 작동하도록 설계된다.
놀랍게도, 기존의 FFF 및 FDM 프린터의 능력을 넘어서는 속도로 작동할 때, 프린트 품질은 속도에 따라 개선된다는 것을 발견하였다. 또한, 압출력은 일관되고 예측가능한 지점에서 상당히 떨어진다. 속도가 증가함에 따라, 도 14에 도시된 바와 같이 압출된 재료(450) 상에 파형 또는 비드 패턴이 형성되는데, 이는 프린팅된 3D 부품과 구조적 일체성 문제를 제공하지 않는다. 또한, 처짐(chuddering)으로서 언급되는 파형 패턴은 포트를 통한 전단 박화(점도의 금속한 감소)로 인한 포트 저항의 급격한 하강에 의한 가압/탄성 용융물의 방출로 인한 것일 수 있다. 또한, 융기는 포트 출구에서 아마도 스틱-슬립(stick-slip)될 수 있다. 파형 또는 비드형 패턴을 회피하기 위해, 프린터의 공급 속도가 감소될 수 있다. 상기 언급된 바와 같이, 매끄러움, 재료, 재료 첨가제, 출구 플레어(exit flare), 팁에서의 가열 등의 처짐량을 감소 또는 제거하기 위해 하기의 파라미터가 개별적으로 또는 조합하여 조정될 수 있다. 상기 언급된 바와 같이, 3D 프린팅 시스템은 공급원료(22)의 전단-박화 계획에서 작동하도록 설계되며, 여기서 재료는 3000 l/s 이상, 예컨대 3,000 내지 10,000 l/s의 전단 속도, 예컨대 그 안의 모든 값 및 범위를 나타낸다. 3차원 프린팅 시스템은 0.4mm 직경의 노즐 개구를 갖는 최대 70 mm3/s 근방의 비교적 높은 토크, 예컨대 0.4mm 직경의 노즐 개구를 갖는 50 mm3/s 내지 65 mm3/s 범위의 토크를 이용하도록 설계되며, 그 안의 모든 토크 값 및 범위를 포함한다. 전단 박화 유동의 정도는 인코더(168)에 의해 측정된 주어진 공급 속도에 필요한 전력량에 의해 감지될 수 있으며, 이는 W/mm3/s에 직접적인 상관관계에 있어야 한다. 압출기 동역학은 전단 박화 공정을 점프 스타트하기 위해 사용될 수 있다. 가열 전에 냉간 재료를 프리-스트레싱하는 것은 압출 속도를 증가시키기 위해 전단 박화로의 전이를 가속시킬 수 있다. 또 다른 관점에서, 용융물은 고성능 압출기 모터를 사용하여 펄스화된 힘으로 충격을 받을 수 있으며, 여기서 추가적인 힘이 펄스로 인가될 수 있다. 또한, 헤드 손실(head loss)로 알려진 저항은 전단 박화 유동과 뉴턴 유동 사이의 차이가 흐름과 비-흐름 시나리오 사이의 더 큰 갭을 가능하게 할 수 있고, 이에 따라 오프일 때 흐름(ooze)/블리드(bleed)를 제한하는 효과적인 수단이 되는 것으로 이해된다. 이는 냉각 시스템(460)에 의해 배럴(30) 온도의 감소를 필요로 할 수 있다.
프린팅을 시작 및 정지시키기 위해, 공지된 FDM 프린터는 필요할 때 압출을 끄기 위해 필라멘트를 수축시킨다. 필라멘트의 수축은 실제로 압출 유동을 역전시킨다. 필라멘트가 수축된 후에 압출 흐름을 다시 시작하는 것은 안정화하기 위해 시간이 걸리고, 결과적으로 재시작시 압출된 재료의 품질을 감소시킨다. 본 명세서에 기술된 공정에서, 전단 박화 영역에서 작동할 때, 프린팅 공정은 단순히 구동 모터(152)에 의해 압출 재료에 가해지는 힘/압력을 감소시킴으로써 일시정지 또는 정지될 수 있다. 본 명세서의 공정은 공지된 3D 프린팅 공정에 의해 나타나는 것으로 이해되는 것보다 프린팅 공정의 개시 및 정지가 더 신속하게 되도록 한다.
전단-박화 중합체가 용융되고 상당한 전단 변형 하에 놓일 때, 이들의 점도는 종종 떨어진다. 압출기 구동 모터(152)의 노력(힘)은 용융물이 배럴(30)의 배출 단부(36)에서 박화된 계획으로 진입하고 그리고/또는 압출물이 배럴(30)의 에지 아래에서 마멸되기 때문에 더 높은 압출 속도 및 공급 속도로 떨어질 수 있다. 전단 박화 영역에서 작동하는 본 공정은 보다 낮은 용융 온도의 사용을 가능하게 할 수 있다. 감소된 온도는 프린팅된 부품의 감소된 열적 왜곡을 가능하게 한다.
x, y방향으로의 프린트 헤드(12)의 이동은 1 내지 2000 mm/s의 모든 값 및 범위를 포함하여 최대 2000 mm/s까지 도달하도록 고려되며, 가속도와 파워에 의해 이러한 속도에 비교적 일정하게 도달한다. 시작 요건은, 압출기 상에서의 힘의 12x 증가; 압출기 반응성에서의 2차 크기 개선; 3x 가속도 및 상부 속도; 비교적 빠른 반응 및 정확한 온도 제어; 및 구동 모터(152)의 토크에 의해 측정된 바와 같은 배럴(30)로부터의 힘/압력 피드백과 같은 많은 순방향-탐색 성능 요건을 포함한다.
파이프(배출 단부(36)에서의 배럴(30)의 개구(32))에서 점성 유체의 층류 유동을 위한 하겐-푸아죄유의 법칙(Hagen-Poiseuille law)에 따라, 체적 유동은 구동 압력, 즉 토크에 선형이고, 배출 단부(36)에서 배럴(30)의 개구(32)의 반경의 제4 파워로 증가하며, 파이프 길이와 반비례하며, 주어진 유동 속도에 대한 압력은 길이, 유량 및 점성에 선형이고, 배출 단부(36)에서의 배럴(30)의 개구(32)의 직경의 제4 파워와 반비례한다. 따라서, 배출 단부(36)에서의 배럴(30)의 개구(32) 내의 유동의 순간 점도가 이십년 동안 아래로 구동되면, 유동 속도를 지지하는데 필요한 압력은 동일한 이십년 동안 감소되어야 한다.
하겐-푸아죄유는 하기 식으로 표시되는 것으로 이해된다: P=k*Q*mu, 여기서 P는 압력이고, k는 기하학 상수이고, Q는 체적 유동 속도이고, mu는 점도이다. 이러한 수학식으로부터, 점도가 감소함에 따라 압력이 감소한다는 것이 이해된다. 이러한 법칙은 층류, 비압축성, 및 뉴턴 유동에 적용가능하다. 낮은 압출 속도에서, 전단 박화 공급원료(22)의 유동 및 점도는 뉴턴 유동 것에 접근할 수 있다. 도 15를 참조하면, 전단 박화 재료의 점도에 대한 전단 속도의 효과를 나타내는 경우, 점도가 상대적으로 낮아 뉴턴 거동에 접근하여, 하겐-푸아죄유당 비교적 높은 유량을 허용하는 영역에서 작동하는 것이 바람직하다.
10 mm3/s 내지 100 mm3/s의 체적 유량에서 용융된 공급원료(22)의 점도는 레이놀즈수를 비교적 낮게 유지하기에 충분하며, 이는 층류 유동을 나타낸다. 재료가 박화된 계획으로 전단되고 유량이 증가함에 따라 레이놀즈수가 증가한다. 파이프 내의 유동을 위한 다르시-웨스트바흐 공식(Darcy-Weisbach formulation)에 따라, 이는 결국 대략 평균 유동 속도의 제곱과 함께, 경계 드래그 및 난류 유동 효과로부터 배압(back-pressure)을 증가시킬 수 있다. 다르시-웨스트바흐는 하기의 수학식으로 표현되는 것으로 이해된다: P=K*v2, 여기서 K는 기하학 및 재료 특성 상수이고, v는 평균 유동 속도이다.
하겐-푸아죄유 및 다르시-웨스트바흐를 중첩시키는 경우, 도 16에 도시된 바와 같은 압출력 대 유량 플롯이 나타날 수 있다. 이러한 플롯에서, 압출 속도가 증가함에 따라, 압출기 힘은 감소하며, 이는 열 및 전단 박화 효과로 인한 점도의 감소에 기인한다. 그러나, 압출 속도가 계속 증가함에 따라, 압출기 힘은 다시 증가하기 시작한다. 이는 배럴에서 더 적은 체류 시간 때문일 수 있고, 공급원료의 용융을 방지하고 점도를 증가시킬 뿐만 아니라, 평균 유량에 의해 유도된 효과 및 레이놀즈수의 증가에 기인할 수 있다. 플롯 상의 하이라이트된 영역(A)은 바람직한 작동 영역을 제공한다.
배럴(30)의 배출 단부(36) 내의 0.4 ㎜ 개구(32)를 통해 20 N/mm3/s 내지 40 N/mm3/s로 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 압출에 필요한 힘의 감소가 관찰되었다. 또한, 배출 재료 뒤의 공동을 남기는 비교적 높은 압출 속도(~60 mm3/s) 하에서 배럴(30)의 배출 단부(36) 내의 0.4 ㎜ 개구(32)로부터 유동의 (간헐적인, 비제어의) "분출(jetting)"이 관찰되었다. 이러한 간헐적 분사는 (공급원료(22)의 고체 부분과 공급원료(22)의 용융 부분이 액화기(40)에서 만나는) 고상선(solidus) 앞의 압축된(점탄성) 용융물의 압력 형성, 배럴(30)의 배출 단부(36)를 위한 헤딩(heading)일 수 있으며, 이는 배럴(30)의 배출 단부(36)에서의 점도의 큰 감소에 의해 신속하게 방출(고상선보다 빠르게)된다. 이는 저점도 용융물이 방금 있었던 비교적 낮은 압력 영역을 생성하며, 이는 고상선으로 충전하고, 공정을 반복한다. 전단 박화 계획으로부터 램프-업(ramp-up) 또는 램프-다운(ramp-down)의 일부로서 이러한 효과를 완화시키는 하나의 방법은 고상선과 포트 사이에 더 큰 체적의 용융물을 생성하는 것이다. 이러한 용융물 체적은 상기한 하겐 및 다르시 수학식에서 기하 상수(geometry constant)의 일부가 될 수 있다.
본 개시내용은 주어진 프린팅 작업에 대한 작동 파라미터를 설정하는데 사용되는 재료 유동 교정 데이터 세트를 수행하기 위해 3D 프린터 압출기 하드웨어 및 제어 시스템(400) 펌웨어 런-타임 절차의 조합을 제공한다. 데이터 수집 단계는 개별 프린터에 대한 각각의 프린트 전에 수행될 수 있거나, 또는 개별 3D 프린터 상에서 개별 시간에 수행될 수 있고, 재료 처리 조건은 후속 프린터 제어 시스템(400) 및 펌웨어 모듈 상으로 디지털 방식으로 전송될 수 있다. 하드웨어 및 인에이블링 소프트웨어의 이러한 조합은 시간당 500g까지의 범위에서, 예를 들어 시간당 1g 내지 시간당 500g 범위의 상당히 더 높은 압출 속도로 동작하도록 설계된 제품 솔루션을 포함하며, 이는 데이터 구동 동작 조건 때문에 시간당 200g 내지 시간당 400g 범위 내의 모든 값 및 범위를 포함한다. 그러나, 재료의 밀도는 이들 숫자에 영향을 미칠 수 있으며, 따라서 상기 주어진 숫자는 1.15 g/cm3의 밀도를 나타내는 재료에 기초한다는 것을 이해해야 한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 압출 속도 및 체적 유량은 공급원료(22)가 프린트 노즐(12)을 통해 압출되는 속도로서 이해될 수 있다. 그러나, 코너에서 느려지고, 층들 사이에서 느려짐에 의해, 프린팅 동안의 프린트 속도 또는 질량 처리량 속도는 압출 속도의 60 내지 99%와 같은 모든 값 및 범위를 포함하는 압출 속도의 20 내지 99%와 같이 비교적 작을 수 있다.
압출 공정은 3가지의 주요 요소, 즉 압출 프린터 헤드(10) 상의 하드웨어, 유동학적 특성화 절차, 및 제어 시스템(400) 세팅에 대한 데이터 분석 번역에 의해 가능하게 된다. 3D 프린터 하드웨어는 모세관-흐름 스트레인-제어 용융 레오미터에서 종종 발견되는 구성요소를 포함한다. 레오미터(rheometer)는 기하학적 구성의 관심 재료를 포함하고, 그 주위의 환경을 제어하고, 광범위한 응력, 스트레인 및 스트레인 속도를 적용하고 측정하는 정밀 기구로서 이해된다. 이는 폴리머 유동, 정확한 스트레인(변위) 측정 시스템, 및 응력(힘) 측정 시스템을 확립하도록 적어도 폴리머 액화기 및 노즐로 구성되며, 또한 본 명세서에 기술된 3D 프린터에 포함된다. 전술한 바와 같이, 스트레인 측정 시스템은 피드 호브(154), 또는 구동 샤프트(160), 또는 직접 필라멘트 인코더 상의 인코더(168)를 구비할 수 있다. 배럴(30)의 기하학적 형상과 결합될 때, 정확한 스트레인 및 전단 속도 측정이 연산될 수 있다. 응력 측정 시스템은 전류 센서(164), 압출 모터(152) 상의 토크 센서, 구동 휠 축 상의 토크 센서, 노즐 마운트 상의 힘 측정 센서, 또는 노즐 내부의 압력 변환기를 구비할 수 있다.
센서에 의해 수집된 데이터로부터, 또는 별개의 하드웨어(다른 프린터 단독으로 또는 레오미터 상에서 수집된 데이터와 조합하여) 상에서 획득된 데이터로부터, 압출 맵핑이 개발되어 전단-박화 계획 내외로 전이를 유도하는데 사용된다. 유동학적 특성화 절차는 재료 공급 속도(전단 속도)를 수행하고, 다양한 중합체 공급원료 물질의 전단 응력 응답을 기록하는 것을 포함한다. 다양한 온도에서의 추가적인 스위핑은 마스터 곡선이 시간-온도 중첩을 사용하여 주어진 재료 시스템에 대해 연산되게 한다. 이러한 데이터로부터, 다양한 제어 알고리즘이 연산되어 프린터 펌웨어를 구성하고 최대 빌드 레이트에 대한 재료 흐름 특성을 최적화할 수 있다.
유동학적 특성화 방법이 도 17에 도시되어 있으며, 블록(A)을 참조하면, 공급원료(22)를 다양한 압출력으로 프린트 노즐(12)을 통해 압출시켜 공급원료(22)를 다양한 압출력으로 압출시켜 공급 속도의 범위를 달성하고 인코더(168) 및 구동 모터(152) 토크 측정으로부터 공급원료(22) 점도를 유도함으로써 중합체 공급원료 물질의 공급원료(22) 공급 속도(전단 속도) 스위프(sweep)를 수행하는 단계; 블록(B)를 참조하면, 다양한 배럴(30) 온도 설정에서 프린트 노즐(12) 배럴(30)을 통해 하나 이상의 압출력으로 공급원료(22)를 압출하고 각각의 온도 설정에 대해 인코더(168) 및 구동 모터(152) 토크 측정으로부터 공급원료(22) 점도를 유도함으로써 다양한 배럴 온도에서 배럴(30)을 통해 압출되는 중합체 공급원료(22)의 전단 응력 응답을 기록하는 단계; 블록(C)을 참조하면, 시간-온도 중첩을 사용하여 주어진 공급원료(22)에 대한 마스터 점도 곡선을 연산하는 단계; 블록(D)을 참조하면, 마스터 곡선으로부터 제어 알고리즘을 연산하는 단계; 블록(E)을 참조하면, 연산된 제어 알고리즘을 사용하여 프린터 제어 시스템(400)을 구성하는 단계; 및 블록(F)을 참조하면, 테스트된 공급 속도 및 온도 조건에서 그 특정 재료에 대한 가장 빠른 이용 가능한 빌드 레이트로서 이해될 수 있는 최대 빌드 레이트에 대한 공급원료(22) 흐름 특성을 최적화하는 단계를 구비한다. 재료를 특성화함에 있어서, 보정은 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 유동학적 곡선에 대해 이루어질 수 있으며, 이러한 보정은 모세관 유동 측정법에 적용되는 것을 포함할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 전단 박화를 위한 조건을 생성하는데 필요한 성능을 초과하여, 프린트 노즐(12) 및 히터 요소/히터 코일(38)은 본 명세서의 프로세스를 유지 및 제어하도록 응답한다.
변수들의 조합은 전술한 공급원료(22)의 전단-박화 계획에서 작동하는 유동을 생성하도록 배열되며, 이는 하기의 변수에 제한되지 않지만, 0.8g/cm3 내지 1.6g/cm3 범위(그 안의 모든 값 및 범위를 포함함)의 물질 밀도; 104 Pa*s 미만의 범위(그 안의 모든 값 및 범위를 포함함)에서 프린트 노즐(12)을 빠져나갈 때의 물질 용융 점도; 구동 모터 토크로부터 유도된 1N 내지 100N 범위(그 안의 모든 값 및 범위를 포함함)의 압출기 힘; 3W 내지 100W 범위(그 안의 모든 값 및 범위를 포함함)의 히터 코일(38) 파워; 20℃ 내지 600℃ 범위(그 안의 모든 값 및 범위를 포함함)의 배럴(30) 온도; 모든 값 및 범위를 포함하는 단부 팁(69) 형상; 0.2 내지 5 mm의 범위(그 안의 모든 값 및 범위를 포함함) 내의 단부 팁(69) 직경; 0.2 내지 5 mm 범위(그 안의 모든 값 및 범위를 포함함)의 단부 팁(69) 길이; 배럴(30) 개구(32) 형상; 1 mm 내지 10 mm 범위(그 안의 모든 값 및 범위를 포함함)의 배럴(30) 개구(32) 직경; 및 1 내지 150 mm 범위(그 안의 모든 값 및 범위를 포함함)의 배럴(30) 개구(32) 길이가 있다. 변수의 정확한 조합이 구현될 때, 3D 프린터(10)는 단위 체적 유동당 압출기 힘(N/mm3/s)이 2.44e-4 N/mm3/s 이하의 범위 내에 있는 영역에서 작동할 수 있으며, 이는 당해 기술 분야에서 현재 실시 하에 있는 것으로 이해된다. 상기 파라미터 및 범위는 3D 프린터 헤드를 교정하기 위한 파라미터를 선택하는데 사용될 수 있다.
또한, 본 개시내용은 시스템이 적절한 전단-박화 계획으로 압출되는지를 결정하고, 하드웨어 변화(포트 크기)에 대한 추천을 포함하는 전단-박화 압출을 유지하기 위해 상기한 변수에 대한 보정을 행하는 감지 시스템 및 연산 알고리즘을 제공한다.
관점에서, 작동 범위는 유동 저항이 임의의 유체에 대한 (대략 정사각형) 유동 속도에 따라 증가하는 것으로 가정하여 정의될 수 있다. 또한, 동적 점도가 FFF/FDM 프린터에 의해 나타나는 것으로 이해되는 점도의 약 1/10th으로 감소되는 중합체 용융 유동 계획에서 바람직하며, 이는 또한 ~35mm3/s 또는 150g/시간 이하로 작동하도록 이해된다. 또한, 프린팅 질량 처리율, 즉 프린팅 동안의 실제 처리량은 상당히 낮을 수 있음이 이해될 수 있다.
배럴(30) 온도는 유속의 변화에 의해 교란될 수 있음을 알 수 있다. 전단 박화 계획에서 작동을 유지하기 위해, 툴 경로에 의해 한정된 속도 프로파일은 제어 알고리즘에 의해 알려지고 제어 변수 설정점을 최적화하는데 사용된다.
전단 박화 계획은 비교적 작은 직경의 배럴(30) 개구(32)에 대해 배럴(30) 내의 기하학적 변수에 크게 의존하는 것으로 이해되고, 전단의 양은 비교적 큰 직경의 배럴(30)의 개방에 대한 것보다 주어진 유량에 대해 더 높다. 이와 같이, 배럴(30) 개구(32) 크기에 따라 전체 계획에서 변화가 있을 것이다. 사용자 입력에 의해 또는 자동 교정에 의해, 전단 박화 동작을 위한 공칭 유량을 수신하는 시스템이 제공되며, 그 후 그 계획에서 동작하도록 진행한다. 보다 점성인 유동을 통해 일부 종류의 "램프(ramp)"가 있을 수 있다. 이러한 흐름을 신속하게 램프하고, 전단-박화 계획 내에 있을 때를 감지하기 위한 수단이 또한 제공된다.
본 개시내용은 특정의 바람직한 구체예 및 변형예를 기술하였다. 본 명세서를 읽고 이해할 때 다른 변형 및 변경이 다른 사람에게 발생할 수 있다. 따라서, 본 개시내용은, 본 개시내용을 수행하기 위해 고려되는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예(들)에 제한되지 않고, 본 개시내용은 첨부된 청구범위 내에 속하는 모든 실시예를 포함할 것이다.

Claims (20)

  1. 3D 프린터로 프린팅하는 방법에 있어서,
    제1 압출력(extrusion force)을 가하여 공급원료를 배럴에 공급하는 단계;
    상기 배럴 내의 상기 공급원료를 제1 온도로 가열하여 상기 공급원료를 용융시키는 단계; 및
    용융된 공급원료를 지지 테이블 상에 증착하는 단계
    를 포함하며,
    상기 제1 압출력 및 제1 온도는 초당 120 입방 밀리미터(mm3/s) 이하의 체적 유량을 제공하도록 선택되는,
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배럴의 액화기 부분 내에서 상기 공급원료를 용융시키는 단계를 더 포함하며,
    상기 배럴의 온도는 20℃ 내지 600℃의 범위에 있는,
    방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공급원료는 필라멘트이고, 상기 방법은 상기 필라멘트를 상기 배럴에 공급하기 위해 상기 필라멘트를 회전가능한 피드 호브(rotatable feed hob)와 결합시키는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회전가능한 피드 호브는 구동 모터에 연결된 구동 샤프트에 장착되는,
    방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 구동 모터에 의해 상기 구동 샤프트에 인가되는 토크를 측정하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 토크는 상기 구동 모터에 공급되는 전류를 측정함으로써 측정되는,
    방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압출력 및 상기 제1 온도는 마스터 점도 곡선(master viscosity curce)으로부터 선택되고,
    상기 마스터 점도 곡선은 다양한 공급 속도 및 다양한 배럴 온도에서 취해진 복수의 센서 측정으로부터 유도된 복수의 점도 측정으로부터 연산되는,
    방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 센서 측정은 압출력 측정, 인코더 측정, 및 온도 센서 측정을 포함하는,
    방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배럴의 온도를 초당 0.5℃ 내지 초당 60℃ 범위의 속도로 감소시키는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압출력을 감소시킴으로써 용융된 공급원료의 증착을 일시정지 또는 정지시키는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  11. 3-차원 프린터에 있어서,
    제어 시스템;
    상기 제어 시스템에 전기적으로 결합된 가열 요소를 포함하는 배럴로서, 상기 제어 시스템은 배럴 온도를 선택하도록 구성되는, 상기 배럴; 및
    상기 배럴에 공급원료를 공급하도록 구성되는 공급 시스템으로서, 공급 시스템에 의해 상기 공급원료에 인가되는 압출력을 선택하도록 구성되는, 상기 공급 시스템
    을 포함하고,
    상기 제어 시스템은 초당 120 입방 밀리미터(mm3/s) 이하의 체적 유량을 제공하는 배럴 온도 및 압출력을 선택하도록 구성되는,
    3-차원 프린터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 공급 시스템은, 구동 샤프트를 구비하는 구동 모터; 상기 구동 샤프트에 결합되고 상기 공급원료와 결합하도록 구성된 피드 호브(feed hob); 상기 구동 모터에 의해 인가된 압출력을 측정하도록 구성된 제어 시스템에 전기적으로 결합된 토크 센서; 및 상기 구동 샤프트의 속도를 측정하도록 구성된 상기 제어 시스템에 전기적으로 결합된 인코더를 포함하는,
    3-차원 프린터.
  13. 제12항에 있어서,
    온도 센서가 상기 배럴에 부착되고 상기 제어 시스템에 결합되는,
    3-차원 프린터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 다양한 공급 속도로 상기 공급원료를 압출하는 것으로부터 유도된 복수의 점도 측정에 기초하여 마스터 곡선을 연산하도록 구성되고,
    상기 다양한 공급 속도는 상기 인코더, 상기 온도 센서에 의해 측정된 온도, 및 상기 토크 센서에 의해 측정된 각각의 공급 속도 및 각각의 온도를 위한 압출력에 의해 측정되는,
    3-차원 프린터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 토크 센서는 상기 구동 모터에 인가되는 전류를 측정하도록 구성된 전류 센서인,
    3-차원 프린터.
  16. 제11항에 있어서,
    냉각 시스템을 더 포함하고,
    상기 냉각 시스템은 0.1℃ 내지 60℃ 범위의 비율로 상기 배럴 온도를 감소시키도록 구성되는,
    3-차원 프린터
  17. 3차원 프린터를 교정하는 방법에 있어서,
    공급 속도의 범위를 성취하기 위해 다양한 압출력으로 프린터 노즐을 통해 공급원료 재료를 압출함으로써 공급원료 공급속도 스위프(feedstock feed rate sweep)를 수행하는 단계;
    각각의 공급 속도에서 공급원료 점도를 유도하는 단계;
    다양한 배럴 온도 및 하나 이상의 공급 속도에서 배럴을 구비하는 프린터 노즐을 통해 상기 공급원료를 압출하는 단계;
    각각의 배럴 온도에서 상기 공급원료 점도를 유도하는 단계;
    각각의 공급 속도 및 각각의 배럴 온도 설정에서 유도된 공급원료 점도로부터 상기 공급원료에 대한 마스터 점도 곡선을 연산하는 단계; 및
    최대 빌드 레이트(maximum build rate)를 제공하기 위한 공급 속도 및 온도를 선택하는 단계
    를 포함하는,
    방법.
  18. 제17항에 있어서,
    각각의 공급 속도는 구동 샤프트의 회전 속도를 측정하도록 구성된 인코더에 의해 측정되는,
    방법.
  19. 제18항에 있어서,
    각각의 압출력은 상기 구동 샤프트에 결합된 구동 모터와 관련된 토크 센서에 의해 측정되는,
    방법.
  20. 제17항에 있어서,
    각각의 배럴 온도는 상기 배럴에 장착된 온도 센서에 의해 측정되는,
    방법.
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