KR20210041542A - 다중-재료 3차원 프린터 - Google Patents

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KR20210041542A
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KR
South Korea
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printing
layer
transfer
build
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KR1020207038127A
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Inventor
필립 유진 로그렌
모르테자 바타니
Original Assignee
케라셀, 인크.
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Publication date
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Abstract

다중-재료 3차원 인쇄 장치가 제공된다. 제공된 장치는 2개 이상의 인쇄 스테이션을 포함한다. 각각의 인쇄 스테이션은 기판, 운반 디바이스, 분산 디바이스, 압축 디바이스, 인쇄 디바이스, 고정 디바이스, 및 유동 재료 제거 디바이스를 포함한다. 장치는 또한, 운반 디바이스를 통해 2개 이상의 인쇄 스테이션과 통신하는 조립 장치를 포함한다. 장치는 또한, 조립 장치와 통신하는 하나 이상의 이송 디바이스를 포함한다. 장치는 또한, 2개 이상의 인쇄 스테이션, 조립 장치 및 하나 이상의 이송 디바이스의 동작을 제어하도록 구성된 컴퓨팅 및 제어 디바이스를 포함한다.

Description

다중-재료 3차원 프린터
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2018년 10월 22일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/167,088호의 우선권을 주장하며, 이는 2018년 6월 7일자로 출원되고 발명의 명칭이 "다중-재료 3D 프린터(MULTI-MATERIALS 3D PRINTER)"인 미국 가출원 제62/682,067호의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 참조로서 포함된다.
본 발명은 2개 이상의 재료의 구조체를 생성하기 위한 3차원 인쇄 시스템 및 관련 방법에 관한 것이다.
3차원 인쇄의 도입은 더 빠르고 더 경제적인 제조 접근법의 잠재성에 대한 고도의 관심을 발생시켰다. 그러나, 현재까지도 그 잠재성은 대부분 충족되지 않았다. 대다수의 3차원 프린터는 데모 부품(demonstration parts) 또는 비기능성 프로토타입(nonfunctional prototypes)을 만드는데 사용된다. 큰 비중으로, 대부분의 데모 부품 또는 비기능성 프로토타입은 최종 부품의 재료 요건이 아닌, 프린터와의 호환성을 위해 주로 선택되는 플라스틱 재료로 제조된다. 고가 부품에 대해서는 주목할만한 예외가 몇 가지 있다. 예를 들어, 조인트 대체물은 에너지 빔 용융(energy beam melting) 3차원 프린터로 제조될 수 있고, 복합 샌드 캐스팅 코어(complex sand casting core)는 분사 바인더(jetted binder) 3차원 프린터로 제조될 수 있다.
이들 3차원 프린터 모두는 분말 베드(powder-bed) 기술을 사용하지만, 원하는 구성으로 분말을 고정하기 위한 상이한 접근법을 갖는다. 양 적용은 모두, 융합 증착 모델링 기계(fused deposition modeling machine)용으로 플라스틱이 그의 용융 및 응고 특성 때문에 선택되거나, 또는 배트 중합 기계(vat polymerization machine)에서 사용되기 위해 중합 특성 때문에 플라스틱이 선택되는 것과 대조적으로, 적용을 위해 선택된 기술적 재료를 사용할 수 있다는 이점이 있다. 분사 바인더 3차원 프린터는 전체 분말 층을 신속하게 증착하고, 인쇄 헤드와 같은 고속 잉크젯(ink jet)으로 원하는 패턴을 고정시킬 수 있다는 이점이 있다. 분사 바인더 타입 3차원 프린터의 가장 중요한 한정 요인은 각 층 내의 단일 재료에 대한 한계다.
따라서, 단일 재료 한계를 해결하기 위해 분말 베드 및 분사 바인더 기술을 이용(leverage)할 수 있는 3차원 프린터를 제공할 필요가 있다.
다중-재료 3차원 인쇄 장치가 제공된다. 제공된 상기 장치는 2개 이상의 인쇄 스테이션을 포함한다. 각각의 인쇄 스테이션은 기판, 운반 디바이스(transportation device), 분산 디바이스(dispersion device), 압축 디바이스(compaction device), 인쇄 디바이스, 고정 디바이스, 및 유동 재료(fluidized material) 제거 디바이스를 포함한다. 상기 장치는 또한, 운반 디바이스를 통해 2개 이상의 인쇄 스테이션과 통신하는 조립 장치를 포함한다. 상기 장치는 또한, 조립 장치와 통신하는 하나 이상의 이송 디바이스(transfer device)를 포함한다. 상기 장치는 또한, 2개 이상의 인쇄 스테이션, 조립 장치 및 하나 이상의 이송 디바이스의 동작을 제어하도록 구성된 컴퓨팅 및 제어 디바이스를 포함한다.
본 개시의 일부 실시예에서, 이송 디바이스는, 기판으로부터, 빌드 기판(build substrate) 중 적어도 하나 상에, 또는 빌드 기판에 이전에 부착된 인쇄 층 스택(stack of printed layers) 중의 하나의 인쇄 층 상에 인쇄 층을 이송하도록 구성된다. 또한, 이송 디바이스는, 기판으로부터 인쇄 층을 제거하도록 구성된 부착 디바이스를 포함하는 픽업 조립체(pick-up assembly)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 부착 디바이스는, 인쇄 층을 기판에 유지하는 힘을 극복하도록 구성된 진공 디바이스 또는 접착 디바이스를 포함한다. 이송 디바이스는, 인쇄 층을 기판으로부터 조립 장치로 이동시키도록 구성된 병진 디바이스(translation device)를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 유동 재료 제거 디바이스는, 진공 디바이스, 파괴 디바이스(disruptive device), 및 에어 나이프(air knife)를 포함한다. 또한, 유동 재료 제거 디바이스는, 기판 상에 증착되고 압축된 모든 유동 재료를 제거하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 고정 디바이스는, IR 방사선, UV 방사선, 및 전자 빔의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 방사(radiant) 에너지 소스를 제공하도록 구성된다. 인쇄 장치는 기판의 폭을 스팬(span)하는 분사 노즐(jetting nozzles)을 갖는 잉크젯 타입의 인쇄 헤드를 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 인쇄 디바이스는, 기판의 폭을 스팬하기 위해 보다 적은 분사 노즐이 요구되는 잉크젯 타입 인쇄 헤드를 포함한다.
일부 실시예에서, 압축 디바이스는, 컴플라이언트 압력 커프(compliant pressure cuff) 또는 롤러(roller) 중 적어도 하나 및 진동을 제공하도록 구성된 정착 디바이스(settling device)를 포함한다. 압축 디바이스는, 유동 재료를 유동 재료의 이론적 밀도의 적어도 40%의 고밀도로 압축하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 추가적인 특징 및 이점은 이하의 설명에서 설명될 것이며, 부분적으로, 일부는 설명으로부터 명백할 것이며, 또는 본 명세서에 개시된 원리의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 발명의 특징 및 이점은 특히 첨부된 청구항에서 지적된 기구의 디바이스 및 조합에 의해 실현되고 얻어질 수 있다. 본 개시의 이들 및 다른 특징은 다음의 설명 및 첨부된 청구항으로부터 완전히 명백해질 것이며, 또는 본 명세서에 설명된 원리의 실시에 의해 학습될 수 있다.
상기 언급된 개시 및 그 이점과 특징을 얻을 수 있는 방식을 설명하기 위해, 위에서 설명된 원리에 대한 더 구체적인 설명이 첨부된 도면에 예시된 특정 예를 참조하여 제시(render)될 것이다. 이들 도면은 단지 본 개시의 예시적인 양태를 도시하며, 따라서 그 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 이들 원리는 다음의 도면의 사용을 통해 추가로 세부적이고 상세하게 기술되고 설명된다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른, 연속 기판을 갖는 인쇄 스테이션 및 조립 장치의 개략적인 표현을 나타낸다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른, 다중-재료 3차원 프린터의 개략적인 표현을 나타낸다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른, 대안적인 캐리어 디바이스를 갖는 인쇄 스테이션 및 조립 장치의 개략적인 표현을 나타낸다.
도 4는 본 개시의 구현에 따른, 각각의 인쇄 스테이션에 의해 2개 이상의 재료의 구조체를 생성하기 위한 프로세스를 설명하는 흐름도를 도시한다.
도 5는 본 개시의 구현에 따른, 전체로서의 3차원 프린터에 의해 2개 이상의 재료의 구조체를 생성하기 위한 프로세스를 설명하는 흐름도를 도시한다.
도 6은 본 개시의 구현에 따른, 시스템 레벨 컴퓨팅 및 제어 디바이스의 개략적인 표현을 나타낸다.
도 7은 본 개시의 구현에 따른, 개별 인쇄 스테이션 제어기의 개략적인 표현을 나타낸다.
도 8은 본 개시의 구현에 따른, 유동 재료 제거 디바이스의 개략적인 표현을 나타낸다.
도 9는 본 개시의 구현에 따른, 이송 디바이스의 대안적인 실시예의 개략적인 표현을 나타낸다.
도 10은 본 개시의 구현에 따른, 부착 디바이스의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 11은 본 개시의 구현에 따른, 부착 디바이스의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 12는 본 개시의 구현에 따른, 부착 디바이스의 대안적인 실시예를 도시한다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명되며, 여기서 동일한 참조 번호는 유사한 또는 동등한 요소를 지정하기 위해 도면 전반에 걸쳐 사용된다. 도면은 축척대로 도시되어 있지 않으며, 이는 단지 본 발명을 예시하기 위해 제공된다. 본 발명의 여러 측면은 예시를 위한 예시적인 적용을 참조하여 아래에서 설명된다. 다수의 특정 세부사항, 관계, 및 방법이 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 제시된다는 것이 이해되어야 한다. 그러나, 통상의 기술자는 본 발명이 특정 세부사항 중 하나 이상 없이, 또는 다른 방법과 함께 실시될 수 있다는 것을 용이하게 인식할 것이다. 다른 경우에서, 잘 알려진 구조 또는 동작은 본 발명을 불명료하게 하는 것을 피하기 위해 상세하게 도시되지 않는다. 본 발명은 일부 동작이 다른 순서로 및/또는 다른 동작 또는 이벤트와 동시에 발생할 수 있기 때문에, 동작 또는 이벤트의 예시된 순서에 의해 제한되지 않는다. 또한, 모든 예시된 동작 또는 이벤트가 본 발명에 따른 방법론을 구현하기 위해 요구되는 것은 아니다.
상기 관점에서, 본 명세서에 개시된 실시예는 2개 이상의 재료의 구조체를 생성하기 위한 3차원 인쇄 시스템 및 연관된 방법에 관한 것이다. 개시된 3차원 인쇄 시스템은 분말 베드 및 분사 바인더 기술을 이용하여 단일 재료 제한을 해결한다. 본 개시는 층으로 구조체를 형성하는 것을 교시하며, 각각의 층은 하나 이상의 재료를 포함한다. 개시된 방법은 또한, 컴퓨터 지원 설계 및 드래프팅(computer-aided design and drafting, CAD) 소프트웨어의 사용을 통해, 각각의 층의 각각의 개별 재료를 패터닝(patterning)하는 단계와, 그 개별 재료 슬라이스를 원하는 3차원 구조체로 결합하는 단계를 교시한다. 각각의 층에서의 각각의 재료가 인쇄될 때, 3차원으로 그리고 2개 이상의 재료로 원하는 구조체를 생성하기 위해, 이전에 인쇄된 층 상에 재료가 순차적으로 적층된다.
융합 증착 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM) 및 압출에 기초한 3차원 프린터는 다수의 재료 또는 매우 유사한 재료의 다수의 컬러를 증착할 수 있지만, 3차원 인쇄를 위한 이들 기술 모두는 매우 느리고 매우 제한된 재료 세트를 제공한다. 본 발명은 종래의 개별 조립 및 감산(subtractive) 성형 공정과 비교하여 비용 경쟁하기에 적합한 재료 증착 속도를 수용하는 분말 베드 및 분사 바인더 기술을 교시한다. 또한, 분사 바인더 기술은 매우 광범위하게 유기 및 무기 재료를 적용할 수 있는, 재료의 유연성을 제공한다.
또한, 종래의 분사 바인더 3차원 프린터는 이전 층 상에 직접 단일 재료의 전체 층을 증착 및 압축하고, 증착된 분말 층에 바인더를 도포함으로써 패턴을 형성하는 것에 의해 3차원 구조체를 빌드한다. 분사 바인더에 의해 제 위치에 고정되지 않은 주어진 층에서의 임의의 분말은, 분말의 후속 층을 수용하기 위해 평탄하고 레벨(level)한 표면을 이어가기 위해 제 위치에 남겨진다. 본 개시는 기판 상의 각각의 층에 대한 각각의 재료를 생성하는 것을 교시하며, 여기서 기판은 이송 디바이스의 일부와 연관될 수 있거나, 또는 이송 디바이스에 부착될 수 있다. 이송 디바이스는, 원하는 3차원 물체(object)를 생성하기 위해 개별적으로 인쇄된 층이 조립되는 조립 장치로부터 분리되어 있을 수 있다. 본 개시는 또한, 각각의 재료에 대한 재료 증착 및 패터닝 시스템(집합적으로 인쇄 스테이션)을 교시한다.
각각의 인쇄 스테이션은 기판 상의 균일하고 조밀한 층에 유동 재료를 분배할 수 있는 분배 디바이스를 포함할 수 있다. 각각의 인쇄 스테이션은, 유동 재료의 이론적 밀도의 적어도 40%의 겉보기 밀도(apparent density)를 갖도록 증착된 유동 재료를 압축할 수 있는 압축 디바이스를 더 포함할 수 있다. 각각의 인쇄 스테이션은 또한, 정밀한 패턴으로 액체 바인더 재료를 분배할 수 있는 인쇄 디바이스를 포함할 수 있으며, 여기서 패턴 및 분배는 완전히 자동화된 방식으로 사전 설정된 CAD 설계에 의해 구동된다. 각각의 인쇄 스테이션은 또한, 액체 바인더 재료에 노출된 유동 재료의 부분을 견고하게 고정하기 위해 액체 바인더 재료를 경화시키도록 구성된 고정 디바이스를 포함할 수 있다. 각각의 인쇄 스테이션은 또한, 인쇄 디바이스에 의해 분산된 액체 바인더 재료에 의해 노출되지 않은, 분산 디바이스에 의해 분산된 유동 재료의 부분을 제거하도록 구성된 재료 제거 디바이스를 포함할 수 있다. 기판은 경화된 액체 바인더 재료, 인쇄 층, 및 조립 장치에 의해 제 위치에 고정된 유동 재료의 부분을 이송하도록 구성될 수 있다. 조립 장치는 또한, 인쇄 층을 빌드 기판 상에, 또는 빌드 기판에 이전에 부착된 인쇄 층 스택 중의 하나의 인쇄 층 상에 정밀하게 이송할 수 있는 이송 디바이스를 포함할 수 있다. 빌드 기판 또는 층 스택 상의 임의의 단일의 완전한 층은, 하나 이상의 인쇄 스테이션으로부터의 인쇄 층을 포함할 수 있으며, 하나의 인쇄 층의 비어 있는 부분이 다른 인쇄 스테이션으로부터의 다른 인쇄 층의 상이한 재료로 정밀하게 채워지도록 정렬된다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른, 연속 기판을 갖는 인쇄 스테이션 및 조립 장치를 개략적으로 도시한다. 인쇄 스테이션은 캐리어 디바이스(12)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 캐리어 디바이스(12)는 재료를 제1 위치로부터 제2 위치로 이송 또는 이동시키도록 구성된 컨베이어를 포함할 수 있다. 컨베이어는 벨트와 2개의 회전 요소(15)를 포함할 수 있으며, 2개의 회전 요소는 벨트를 특정 방향으로 전진시키도록 동일한 방향으로 회전하도록 구성된다. 캐리어 디바이스(12)는 원위 단부 및 근위 단부를 가질 수 있다. 캐리어 디바이스(12)는 원위 단부로부터 근위 단부로 기판(10)을 운반할 수 있다. 기판(10)은 2개의 회전 요소(15)에 의해, 이송 디바이스(76)가 인쇄 층(도 1에 미도시)을 빌드 기판(80)으로 이송할 수 있는 위치로 위치될 수 있다.
캐리어 디바이스(12)의 원위 단부에서 분배 디바이스(20)가 제공될 수 있다. 분배 디바이스(20)는 단순히 유동 재료를 분배하도록 구성된 분배기일 수 있다. 분배 디바이스(20)는 재료 저장부(21) 및 분배 제어기(22)를 포함할 수 있다. 분배 제어기(22)는 기판(10) 상에 증착되는 유동 재료의 양을 정밀하게 측정하도록 구성될 수 있다. 분배 제어기(22)는 또한 증착된 유동 재료의 균일성을 정밀하게 제어하도록 구성될 수 있다.
캐리어 디바이스(12)의 원위 단부 근처에서 압축 디바이스(30)가 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 압축 디바이스(30)는 원통형 튜브로서 설계된 경화된 금속 재료로 구성된 롤러를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 압축 디바이스(30)는 컴플라이언트 압력 커프(compliant pressure cuff), 또는 증착된 유동 재료 및 기판(10)의 평면에 직교하는 제어된 압력을 가하도록 구성된 다른 디바이스를 포함할 수 있다. 압축 디바이스(30)는 또한, 진동을 제공하도록 구성된 정착 디바이스(settling device)를 포함할 수 있다. 압축 디바이스(30)의 진동은 유동 재료의 분포 및 압축을 향상시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 압축 디바이스(30)는 유동 재료를 유동 재료의 이론적 밀도의 적어도 40%의 고밀도로 압축하도록 구성될 수 있다.
캐리어 디바이스(12)의 원위 단부 근처에서 인쇄 디바이스(40)가 제공될 수 있다. 인쇄 디바이스(40)는 정확한 패턴을 유동 재료 내에 고정시키기 위해 액체 바인더 재료를 증착하도록 구성될 수 있다. 정밀한 패턴은, 유동 재료를 연결되고 견고한 매스(mass) 내로 바인딩함으로써 유동 재료 내로 고정될 수 있다. 일부 실시예에서, 인쇄 디바이스(40)는 컴퓨터(미도시)의 직접 제어 하에서 잉크젯 타입 인쇄 헤드일 수 있다. 컴퓨터는 한 세트의 패터닝 명령, 예를 들어, 미리 설정된 CAD 디자인을 사용하여 지시 받을 수 있다.
인쇄 디바이스(40)는 기판(10)의 폭을 스팬하는 분사 노즐을 갖는 잉크젯 타입 인쇄 헤드를 포함할 수 있다. 잉크젯 타입 인쇄 헤드는 또한, 원하는 인쇄 해상도를 달성하기 위해 충분한 밀도로 위치될 수 있다. 유동 재료에 원하는 패턴을 생성하기 위해 잉크젯 타입 헤드는 제 위치에 고정될 수 있고, 각각의 분사 노즐의 기능은 회전 요소(15) 상의 기판(10)의 이동과 조정(coordinated)될 수 있다.
대안적인 실시예에서, 인쇄 디바이스(40)는 기판(10)의 폭을 스팬하기 위해 요구되는 것보다 더 적은 분사 노즐을 포함하는 잉크젯 헤드를 포함할 수 있음에도, 여전히 원하는 해상도를 달성한다. 잉크젯 타입 헤드는 컴퓨터 제어 하에서, 기판(10)의 폭을 가로질러 이동 가능할 수 있고, 잉크젯 타입 인쇄 헤드와 회전 요소(15) 모두의 이동은 유동 재료에서의 원하는 고정된 인쇄 패턴을 달성하도록 조정될 수 있다.
캐리어 디바이스(12)의 중심 근처에서, 고정 디바이스(50)가 제공될 수 있다. 고정 디바이스(50)는 액체 바인더 재료를 응고시켜, 액체 바인더 재료에 노출된 유동 재료를 견고한 고체 패턴으로 고정하도록 구성될 수 있다. 고정 디바이스(50)는 액체 바인더 재료가 고체 상태로 되게 하도록 액체 바인더 재료와 상호 작용할 수 있는 방사 에너지 소스일 수 있다. 일부 실시예에서, 방사 에너지는 IR 방사선, UV 방사선, 전자 빔, 또는 다른 공지된 방사선 타입일 수 있다. 고정 디바이스(50)는 개시된 방사선 타입으로 제한될 필요가 없으며, 이 리스트는 예시적인 실시예를 위해 제시되며, 포괄적인 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 대안적으로, 고정 디바이스(50)는 반응제(reactive agent)를 분산시키기 위한 디바이스를 포함할 수 있다. 반응제는 유동 재료를 견고한 매스로 전환하도록 액체 바인더 재료 및 유동 재료와 반응하도록 구성될 수 있다.
유동 재료 제거 디바이스(60)는 고정 디바이스(50)로부터 하류에 제공될 수 있다. 유동 재료 제거 디바이스(60)는 기판(10) 상에 증착 및 압축되는 모든 유동 재료를 제거하도록 구성될 수 있다. 유동 재료 제거 디바이스(60)는 기판 상에 증착되고 압축된 유동 재료를 제거할 수 있지만, 액체 바인더 재료에 의해 제 위치에 고정되지 않는다. 도 8을 잠시 참조하면, 유동 재료 제거 디바이스(60)가 더 상세하게 도시되어 있다.
유동 재료 제거 디바이스(60)는 인클로저(63)를 포함할 수 있다. 인클로저는 원위 단부 및 근위 단부를 가질 수 있다. 인쇄 층(88)은 기판(10)을 따라 인클로저(63)의 원위 단부로부터 근위 단부로 운반될 수 있다. 인클로저(63)는 압축된 분말(84)을 느슨하게 하기 위한 브러시 또는 프로브와 같은 파괴 디바이스(61)를 포함할 수 있다. 임의의 잔류 분말(86)은 에어 나이프 디바이스(62)에 의해 더 분리될 수 있다. 파괴 디바이스(61)는 제 위치에 고정되지 않은 압축된 분말을 파괴하기에 충분한 파괴 강도를 갖도록 설계될 수 있다. 파괴 디바이스(61)는 도 1의 바인더에 의해 처리되고 고정 디바이스(50)에 의해 고정된 임의의 압축된 분말을 제거하지 않도록 구성된다. 비-고정(non-fixed) 압축 분말(84)이 인클로저(63) 내에서 완전히 제거되고 에어로졸화될 때, 일부 고정 분말(88)은 기판(10)에 부착된 채로 유지될 수 있다. 에어로졸화된 압축 분말(84)은 진공 포트(64)에 의해 기판으로부터 제거될 수 있다. 유동 재료 제거 디바이스(60)의 다른 예시적인 실시예는 본 명세서에 열거된 것보다 많거나 적은 디자인을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 1을 다시 참조하면, 이송 디바이스(76)는 조립 장치에서의 유동 재료 제거 디바이스(60)로부터 하류에 구현될 수 있다. 이송 디바이스(76)는 기판(10)으로부터 인쇄 층(도 2에 부호 90으로 도시됨)을 이동시키도록 구성될 수 있다. 인쇄 층(90)은 기판(10)으로부터 빌드 기판(80)으로, 또는 이전에 위치된 층(91)의 스택 상부로 이동될 수 있다. 이송 디바이스(76)는 또한 픽업 조립체(pick-up assembly)를 포함할 수 있다. 픽업 조립체는 기판(10)으로부터 인쇄 층(90)을 제거하도록 구성된 부착 디바이스(71)를 포함할 수 있다. 부착 디바이스(71)는 기판(10)에 인쇄 층(90)을 유지하는 힘을 극복하기 위한 진공 디바이스 또는 접착 디바이스를 포함할 수 있다. 이송 디바이스(76)는 또한 인쇄 층(90)을 기판(10)으로부터 조립 장치(81)로 이동시키도록 구성된 병진 디바이스(75)를 포함할 수 있다.
도 9를 잠시 참조하면, 이송 디바이스(120)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이송 디바이스(120)는, 부착 디바이스(71)와 연통되어 있을 수 있는 엔드 이펙터(end effector)(78)를 포함할 수 있다. 이송 디바이스(120)는 기판(10) 상의 인쇄 층(90)에 대해 부착 디바이스(71)를 정밀하게 위치시키도록 구성될 수 있다. 엔드 이펙터(78)는 부착 디바이스(71)로 하여금 기판(10)으로부터 인쇄 층(90)을 제거하게 할 수 있다. 기판(10) 정렬 센서(105)와의 조정을 가능하게 하기 위한 정렬 기점(fiducial)(110)을 포함할 수 있다. 엔드 이펙터(78)는 또한, 내부 암(126)에 작용하는 제1 조인트(122)와 외부 암(128)에 작용하는 제2 조인트(124) 사이를 조정하는 동안 부착 디바이스(71)에 대한 정확한 수직 및 회전 이동을 제공할 수 있다.
도 9는 또한 인쇄 스테이션의 대안적인 배열을 도시한다. 일부 실시예에서, 인쇄 스테이션은 단일 열로 배향될 수 있다. 이송 디바이스(120)는 부착 디바이스(71)가 기판 상의 인쇄 층 중 어느 하나에 접근할 수 있게 하는 임의의 위치에 위치될 수 있다. 빌드 플랫폼(80)은 이송 디바이스(120)의 범위 내의 임의의 위치에 위치될 수 있다. 도 1과 관련하여 전술한 바와 같이, 빌드 플랫폼(80)은 엘리베이터 장치를 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 빌드 플랫폼(80)은 고정될 수 있고, 부착 디바이스(71)는 엔드 이펙터(78)를 사용하여 상승 또는 하강될 수 있다.
인쇄 층(90A, 90B, 및 90C) 각각은 3개의 인쇄 스테이션(1)의 제품을 나타내며, 각각은 상이한 재료로 인쇄 층을 생성한다. 다중-재료 제품을 빌드하기 위해, 적어도 2개의 인쇄 스테이션이 요구된다. 그러나, 다중-재료 프린트 시스템에 통합될 수 있는 인쇄 스테이션의 최대 개수는 존재하지 않는다는 것이 주목되어야 한다. 일부 실시예에서, 조립 장치(81)는 빌드 플레이트(80), 정렬 기점(110), 및 엘리베이터 디바이스(100)를 포함할 수 있다(도 1 및 도 3 참조). 빌드 플레이트(80)는 또한, 빌드가 완료된 후에 용이한 해제를 가능하게 하면서 빌드 제품의 위치를 유지하도록 구성된 접착 개질 디바이스(modifying device)(미도시)를 포함할 수 있다. 접착 개질 디바이스는 열적, 전기적, 자기적 또는 기계적 자극에 의해 제1 인쇄 층과 빌드 플레이트(80) 사이의 계면을 자극함으로써 접착을 변형시킬 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 엘리베이터 디바이스(100)는 이전에 위치된 층(91)의 스택 상부의 레벨을 유지하도록 구성된다. 바람직한 실시예에서, 엘리베이터 디바이스(100)는 리드 스크류(lead screw)를 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 엘리베이터 장치(100)는 선형 모터 장치를 포함할 수 있다. 도 9를 다시 참조하면, 정렬 기점(110)은 빌드 플레이트(80) 상에 그리고 이전에 위치된 층(91)의 상부에 인쇄 층의 정밀한 정렬을 용이하게 하기 위해 제공될 수 있다. 정렬 기점(110)은 인쇄 층(90)을 이전에 위치된 층(91)의 스택의 상부와 정밀하게 정렬하기 위해 정렬 센서(105) 및 컴퓨터 제어 시스템과 함께 조정되어 사용될 수 있다. 정렬 기점은 빌드 플레이트(80)의 표면에 통합될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 정렬 기점(110)은 빌드 플레이트(80)의 표면으로부터 돌출할 수 있다. 빌드 플레이트(80)의 또 다른 실시예에서, 정렬 기점(110)은 빌드 플레이트(80)의 표면으로부터 현재의 인쇄 층의 높이에 비례하는 거리만큼 돌출할 수 있다.
부착 디바이스(71)는 또한, 인쇄 층(90)이 미리 위치될 때 정렬 기점(110)과 정렬되는 정렬 센서(105)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 정렬 센서(105) 및 정렬 기점(110)은 정렬 센서(105)가 정렬 기점(110)에 대한 위치를 0.01mm 내에서 감지할 수 있도록 협력하여 설계될 수 있다. 정렬 센서(105)는 광학 센서, 레이저 센서, 자기 센서, 초음파 센서, 또는 기계적 센서일 수 있다. 다수의 정렬 센서 및 연관된 정렬 기점(110)은 부착 디바이스(71), 빌드 플레이트(80), 및 기판(10) 사이의 정밀한 정렬을 위해 정렬 시스템을 구성할 수 있다.
부착 디바이스(71)는 도 10과 관련하여 더 상세하게 설명된다. 부착 디바이스 베이스(71)는 부착 디바이스 베이스(79), 접착 디바이스(73), 및 접착 개질제(modifier)(74)를 포함할 수 있다. 부착 디바이스 베이스(79)는 엔드 이펙터(78)에 연결될 수 있다. 접착 디바이스(73)는 진공 디바이스(미도시) 및 접착 표면 디바이스를 포함할 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 접착제 표면 디바이스는 젤 패드(jell pad), 마이크로 헤어(hair) 디바이스, 또는 정적 전기 디바이스를 포함할 수 있다. 다른 접착 표면 디바이스가 본 명세서에서 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 접착성의 강도는 접착 개질제(74)로 접착 디바이스(73)에 자극을 가함으로써 변형될 수 있다. 예를 들어, 접착 개질제(74)는 접착 디바이스(73)에 열적, 전기적, 자기적 또는 기계적 자극을 인가하도록 구성될 수 있다.
이송 스테이션(70) 또한 기판(10)의 섹션 및 접착 감소 디바이스(68)를 포함할 수 있다. 인쇄 층(90)은 기판(10)의 이동에 의해 이송 스테이션(70) 내로 순환(cycle)될 수 있다. 인쇄 층(90)은 기판(10)의 표면과 접촉하는 고정된 분말의 접착 특성에 의해 기판(10)의 표면에 부착될 수 있다. 기판(10) 또는 개별 플랫폼(11)의 표면은 고정된 분말(88)로 미리 결정된 접착력을 제공하도록 설계될 수 있다. 접착 감소기(68)는, 부착 디바이스(71)로의 인쇄 층(미도시)의 쉬운 이송을 용이하게 하도록 접착력을 감소시키기 위해, 고정된 분말(88)과 기판(10)의 표면 사이의 계면에 자극을 제공할 수 있다. 접착 감소 층(68)에 의해 제공된 자극은 열적, 전기적, 자기적 또는 기계적 자극일 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(10)으로부터 부착 디바이스(71)로의 인쇄 층(90)의 이송은, 접착 디바이스(73)로 지향된(directed) 접촉에 의해 용이하게 될 수 있다. 일부 실시예에서, 기판(10)으로부터 부착 디바이스(71)로의 인쇄 층(90)의 이송은, 접착 개질제(74)의 활성화 또는 접착 감소기(68)의 활성화, 또는 이들의 조합에 의해 용이하게 될 수 있다.
도 11은 부착 디바이스(71)의 다른 실시예를 도시한다. 도 11의 부착 디바이스(71)는 형상 개질제(72)를 더 포함할 수 있다. 형상 개질제(72)는 기판(10)으로부터 접착 디바이스(73)로의 인쇄 층(88)의 이송을 더 용이하게 하기 위해 박리 작용을 제공할 수 있다. 형상 개질제(72)는 미리 형성된 만곡된 구조체를 포함할 수 있다. 만곡된 구조체는 만곡된 표면에 수직으로 가해진 기계적 압력에 의해 평탄화될 수 있는 탄성 재료로 구성될 수 있다. 부착 디바이스(71)의 대안적인 실시예에서, 형상 개질제(72)는 공압, 유압 또는 기계적 힘의 적용에 의해 평평한 표면 또는 만곡된 표면을 형성하도록 변형될 수 있는 조절 가능한 구조체일 수 있다.
도 12는 부착 디바이스(71)의 다른 실시예를 도시한다. 도 12의 부착 디바이스(71)는 둥근 표면을 갖는 부착 디바이스 베이스(79)를 더 포함할 수 있다. 부착 디바이스 베이스(79)는 전술한 바와 같이, 접착 디바이스(73) 및 접착 개질제(73)를 포함할 수 있다. 부착 디바이스(71)는 또한, 부착 디바이스(71)가 인쇄 층(90)을 롤링(roll)하고 박리하도록 구성될 수 있도록 엔드 이펙터(78)를 중심으로 피봇하도록 구성될 수 있다. 박리 작용은 기판(10)으로부터 접착 디바이스(73)로, 그리고 접착 디바이스(73)로부터 이전에 위치된 층으로, 인쇄 층(90)의 이송의 더 양호한 제어를 제공할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 인쇄 스테이션은 연속 웨브를 전개할 수 있다. 연속 웨브는 인쇄 층(90)이 이송 디바이스(76)로 해제된 후에 인쇄 스테이션(1)의 시작으로 복귀하는 재료의 루프(loop)일 수 있다. 연속 웨브는 견고한 폴리머 필름 또는 금속 호일(foil) 롤과 같은 긴 구조체일 수 있다. 연속 웨브는 인쇄 스테이션(1)을 통해 단 한번 통과할 수 있고, 그 후 폐기되거나 복구되기 위해 인쇄 스테이션으로부터 제거될 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른, 다중-재료 3차원 프린터의 개략적 표현을 나타낸다. 3차원 프린터는 다수의 작업 스테이션(work station)을 포함할 수 있다. 각각의 작업 스테이션은 이송 스테이션(70) 및 인쇄 스테이션(1)을 포함할 수 있다. 인쇄 스테이션(1)은 도 1의 기판(10), 회전 요소(15), 분배 디바이스(20), 압축 디바이스(30), 인쇄 디바이스(40), 고정 디바이스(50) 및 유동 유체 재료 제거 디바이스(60)를 포함할 수 있다. 이송 스테이션(70)은 이송 디바이스(76) 및 그의 모든 구성 요소를 포함할 수 있다. 다중-재료 3차원 프린터는 각각의 상이한 재료가 최종 인쇄 부분에 포함되도록 단일 제1 인쇄 스테이션(1)을 포함할 수 있다. 각각의 인쇄 스테이션은, 최종 인쇄 부분의 완전한 층 각각에 하나의 재료를 기여할 수 있다. 또한, 최종 인쇄 부분에서의 각각의 완전한 층은 최소 하나의 재료부터 인쇄 스테이션만큼 많은 재료를 포함할 수 있다. 각각의 재료는 빌드 기판(80) 상으로, 또는 이전에 위치된 층(91)의 스택의 상부에 이송될 수 있고, 빌드 기판(80)과 연관된 정렬 기점과 정밀하게 정렬되어 위치될 수 있다. 정렬은, 인쇄 재료의 상부 표면이 동일 평면 상에 있고 상부 표면 내에 어떠한 후속 재료도 존재하지 않은 경우에 완전하고 정밀한 것으로 고려된다.
도 2는 각각의 인쇄 스테이션(1)에 대한 단일 이송 디바이스(76)를 도시하고, 일부 실시예에서, 이송 디바이스(76)는 각 인쇄 스테이션(1)의 이송 위치(70)에 접근하도록 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 이송 디바이스(76)는 각각의 인쇄 스테이션으로부터 빌드 기판(80) 또는 이전에 위치된 층(91)의 스택의 상부로 인쇄 층(90)을 이송하도록 구성될 수 있다. 이송 디바이스(76)는 빌드 기판(80)과 연관된 정렬 기점과 정밀하게 정렬된 이전에 위치된 층(91)의 스택의 상부로 인쇄 층(90)을 이송하도록 구성될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 이송 디바이스(76)는 각각의 인쇄 스테이션(1)에 대해 제공될 수 있다. 각각의 이송 디바이스(76)는 연관된 이송 위치(70)로부터 빌드 기판(80) 또는 이전에 위치된 층(91)의 스택의 상부로 인쇄 층(90)을 정밀하게 이송하도록 구성될 수 있다.
다른 대안적인 실시예에서, 인쇄 스테이션(1)에 대한 이송 디바이스(76)의 비율은 인쇄 요구와 전략에 기초하여 임의의 수로 변할 수 있다. 이송 디바이스(76)의 개수에 관계없이, 각각의 이송 디바이스(76)는 연관된 이송 위치(70)로부터 빌드 기판(80) 또는 이전에 위치된 층(91)의 스택 상부로 인쇄 층(90)을 정밀하게 이송할 수 있을 수 있다.
다중-재료 3차원 프린터는 또한 단일 조립 장치(81)를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 대상 빌드(subject build)의 모든 층은, 마지막 위에 하나가 적층되며, 각각의 층에는 하나부터 여러 개까지의 상이한 재료가 있으며, 각각의 층의 구성 요소는 그 다음 층에 단단히 접합된다. 최종 구조체는 적어도 2개의 상이한 재료의 모놀리식(monolithic) 구조체를 포함하는 고체 매스일 수 있다. 2개 이상의 별개의 재료 구조체 각각은, 적어도 하나의 다른 별개의 재료 구조체와 인접(contiguous)할 수 있다. 별개의 재료 구조체는 단지 하나의 인쇄 층으로부터의 재료 또는 2개 이상의 인쇄 층으로부터의 재료로부터 제조될 수 있다. 조립 장치(81)는 빌드 기판(80)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 빌드 기판(80)은 빌드 프로세스 전반에 걸쳐 이전에 위치된 층(91)의 스택을 유지하도록 설계된 표면을 구비할 수 있다. 스택을 유지하는 표면은 또한, 빌드 프로세스의 완료 시 빌드 기판(80)으로부터 대상의 제거를 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 조립 장치(81)는 또한, 각각의 인쇄 층의 정확한 배치를 용이하게 하기 위해 위치 기준 기점을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 빌드 기판(80)은 빌드 프로세스 동안 고정된 위치에 위치될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 빌드 기판(80)은 다중-재료 3차원 프린터의 다른 구성 요소에 대해 원하는 높이(elevation)에서 이전에 위치된 층(91)의 스택의 상부 표면을 제공하기 위한 엘리베이터 디바이스(100)를 포함할 수 있다.
다중-재료 3차원 프린터는 또한, 컴퓨팅 및 제어 디바이스를 포함할 수 있다. 컴퓨팅 및 제어 디바이스는, 모든 주요 구성 요소의 동작을 지시 및 조정하기 위해, 예를 들어, 미리 설정된 CAD 설계로부터 인쇄 명령을 해석할 수 있을 수 있다. 원하는 구조체에 필요한 원료가 공급될 때, 컴퓨팅 및 제어 디바이스는 2개 이상의 재료로 이루어진 원하는 3차원 부품을 자율적으로 생성할 수 있다. 컴퓨팅 및 제어 디바이스는 도 6과 관련하여 더 상세하게 후술된다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른, 연속 기판을 갖는 대안적인 인쇄 스테이션 및 조립 장치를 개략적으로 도시한다. 캐리어 디바이스(14)는 개별 플랫폼(11)을 포함할 수 있다. 개별 플랫폼(11)은 이송 디바이스(17)를 통해 빌드 기판(80)을 향해 전진될 수 있다. 개별 플랫폼(11)은 인쇄 스테이션(1)을 통과하여 이송 디바이스(76)로 셔틀(shuttle)할 수 있다. 본 실시예는 연속 웨브를 전개할 수 있다. 연속 웨브는, 인쇄 층(90)이 이송 디바이스(76)로 해제된 후에 인쇄 스테이션(1)의 시작으로 복귀하는 재료의 루프일 수 있다. 연속 웨브는 견고한 폴리머 필름 롤 또는 금속 호일 롤과 같은 긴 구조체일 수 있다. 연속 웨브는 인쇄 스테이션(1)을 통해 단 한번 통과할 수 있고, 그 후 폐기되거나 복구되기 위해 인쇄 스테이션으로부터 제거될 수 있다.
도 4는 본 개시의 구현에 따른, (도 2의) 각각의 인쇄 스테이션(1)에 의해 2개 이상의 재료의 구조체를 생성하기 위한 프로세스(400)를 설명하는 흐름도를 도시한다. 프로세스(400)의 다음의 설명은 도 2의 3차원 프린터의 구성 요소를 참조하여 상세하게 설명된다. 프로세스(400)는 단계 401에서 시작하며, 여기서 다중-재료 물체 디자인은 프린트 두께 층으로 분할된다. 그 후, 층은 단계 402에서 단일 재료 패턴으로 분리된다. 각각의 단일 재료 패턴은 3차원 프린터의 인쇄 스테이션(1)으로 보내질 수 있다. 각각의 인쇄 스테이션(1)은 각각의 단일 재료 패턴에 대해 단계 403 내지 단계 417을 수행할 수 있다.
인쇄 스테이션(1)은 단계 403에서 제1 층을 위한 재료에 대해 인쇄 명령을 수신할 수 있다. 인쇄 스테이션(1)은 다중-재료 물체 디자인의 각각의 층에 대해 단계 403 내지 단계 417을 수행할 수 있다. 단계 404에서, 제1 층을 위한 단일 재료 패턴의 재료는 기판 상에 분산될 수 있다. 단계 405에서, 기판은 압축 장치로 분산 재료를 이동시키도록 인덱싱될 수 있다. 재료는 단계 406에서 압축된다. 단계 407에서, 기판은 인쇄 장치로 분산된 재료를 이동시키도록 인덱싱될 수 있다. 단계 408에서, 바인더는 압축된 재료 상에 미리 결정된 패턴으로 분산될 수 있다. 단계 409에서, 기판은 고정 장치로 패턴화된 재료를 이동시키도록 인덱싱될 수 있다. 단계 410에서, 바인더 패턴은 고정 방사에 의해 고정될 수 있다. 단계 411에서, 기판은 유동 재료 제거 장치로 고정된 패턴을 이동시키도록 인덱싱될 수 있다. 단계 412에서, 바인더에 의해 위치에 고정되지 않은 압축 재료는 제거될 수 있다. 단계 413에서, 기판은 이송 스테이션으로 패턴화되고 고정된 재료를 이동시키도록 인덱싱될 수 있다.
단계 414에서, 컴퓨터 제어 시스템에 의해 지시될 때, 인쇄 층은 빌드 기판(80), 또는 이전에 위치된 층(91)의 스택의 상부로 이송된다. 단계 415에서, 결정이 이루어진다. 특히, 프로세스(400)는 마지막 층이 인쇄되었는지 여부를 결정한다. 단계 415에서 마지막 층이 인쇄된 것으로 결정되면, 프로세스(400)는 인쇄가 종료되는 단계 416으로 진행된다. 대조적으로, 마지막 층은 단계 415에서 인쇄되지 않았고, 프로세스(400)는 단계 417로 진행하여, 다음 층에 대한 인쇄 명령이 전송된다. 단계 417 후에, 프로세스(400)는 단계 404 내지 단계 417을 통해 다시 순환한다.
도 5는 본 개시의 구현에 따른, 3차원 프린터에 의해 2개 이상의 재료의 구조체를 생성하기 위한 프로세스(500)를 설명하는 흐름도를 도시한다. 프로세스(500)의 다음의 설명은 도 2의 3차원 프린터의 구성 요소를 참조하여 상세하게 설명된다. 프로세스(500)는 단계 501에서 시작하며, 여기서 다중-재료 물체 디자인은 프린트 두께 층으로 분할된다. 그 후, 제1 층은 단계 502에서 선택된다. 층 내의 상이한 재료는 단계 503에서 식별된다. 단계 504 내지 단계 506은 층 내에서 식별된 각각의 재료에 대해 수행될 수 있다.
각각의 재료는 단계 504에서 인쇄 스테이션(1)에 할당될 수 있다. 프로세스(500)는 단계 505로 진행하며, 여기서 재료 물체는 각각의 인쇄 스테이션(1)에 의해 생성된다. 단계 506에서, 인쇄된 재료는 빌드 플레이트로 이송될 수 있다. 단계 507에서 3차원 프린터가 마지막 부분을 인쇄하였는지에 대한 결정이 이루어진다. 단계 507에서 마지막 부분이 인쇄되었다고 결정되면, 프로세스(500)는 단계 508로 진행하며, 여기서 인쇄가 종료되고 그 부분이 빌드 플레이트로부터 제거된다. 마지막 부분이 인쇄되지 않은 것으로 결정되면, 프로세스(500)는 단계 509로 진행하며, 여기서 층 상의 마지막 인쇄가 완료되었는지 여부가 결정된다. 층 상의 마지막 인쇄가 완료되었다고 결정되면, 그 후에 프로세스(500)는 단계 510으로 진행하며, 여기서 빌드 플레이트는 다음 플레이트의 두께를 따라 증가된다. 프로세스는 단계 509 및 단계 510으로부터 단계 511로 진행하며, 여기서 다음 층이 선택된다. 이 시점에서 프로세스(500)는 단계 503으로부터 계속된다. 이 프로세스는 마지막 부분이 인쇄될 때까지 계속된다(단계 507에서 "예").
도 6은 본 개시의 구현에 따른, 시스템 레벨 컴퓨팅 및 제어 디바이스(600)의 개략적인 표현을 나타낸다. 컴퓨팅 및 제어 디바이스(600)는 서버, 개인용 컴퓨터, 휴대용 컴퓨터, 씬 클라이언트(thin client), 또는 임의의 적합한 디바이스 또는 디바이스들일 수 있다. 본 개시 및/또는 그 구성 요소는 단일 위치에서의 단일 디바이스, 또는 전기 케이블, 광섬유 케이블, 또는 무선 방식과 같은 임의의 통신 매체를 통해 임의의 적절한 통신 프로토콜을 사용하여 함께 접속되는 단일 또는 다수의 위치에서 다수의 디바이스일 수 있다. 입력 디바이스(602)는, 인쇄 스테이션의 모든 주요 구성 요소의 동작을 지시 및 조정하기 위해, 예를 들어, 미리 설정된 CAD 설계 파일(601)로부터 프린트 명령을 수신할 수 있다. 입력 장치(602)에 연결된 중앙 처리 유닛(604), 출력 디바이스(603), 및 메모리(605)는 2개 이상의 재료로 구성된 원하는 3차원 부품의 3차원 인쇄를 개시하도록 구성된다. 각각의 재료는 사용될 재료의 양에 기초하여 특정 인쇄 스테이션(607(1), 607(2) 내지 607(n))에 할당될 수 있다. 중앙 처리 유닛(604)은 인터페이스 버스(606)를 통해 각각의 인쇄 스테이션과 인터페이스할 수 있다.
도 7은 본 개시의 구현에 따른, 개별 인쇄 스테이션 제어기의 개략적인 표현을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 중앙 처리 유닛(604)은 특정 재료의 인쇄 제품을 인쇄하도록 인쇄 스테이션 제어 유닛(607(1))을 지시할 수 있다. 인쇄 스테이션 제어 유닛(607(1))은 전술한 바와 같이, 인쇄 스테이션(1)의 모든 구성 요소에 대응하는 인쇄 명령을 디바이스 제어기(700)에 전달할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예가 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 보다 넓은 측면에서 본 발명으로부터 벗어나지 않고 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것이 관련 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 청구항의 목적은, 본 발명의 진정한 사상 및 범위 내에 있는 모든 이러한 변경 및 수정을 포함하는 것이다. 전술한 설명 및 첨부된 도면에 제시된 사항은 단지 예시로서 제공되며, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실제 범위는 종래 기술에 기초하여 그들의 적절한 관점에서 볼 때 다음 청구항에서 정의되도록 의도된다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an", "the")는 문맥상 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 형태를 또한 포함하는 것으로 의도된다. 또한, 용어 "포함하는(including)", "포함한다(includes)", "가지는(having)", "갖는다(has)", "갖는(with)" 또는 이들의 변형이 상세한 설명 및/또는 청구항에서 사용되는 한, 이러한 용어는 "포함하는(comprising)"이라는 용어와 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도된다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술적 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어는 관련 기술의 문맥에서의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명시적으로 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 것이다.

Claims (20)

  1. 2개 이상의 인쇄 스테이션 - 상기 2개 이상의 인쇄 스테이션 각각은, 기판, 하나 이상의 운반 디바이스, 분산 디바이스, 압축 디바이스, 인쇄 디바이스, 고정 디바이스, 및 유동 재료 제거 디바이스를 포함함 - ;
    상기 하나 이상의 운반 디바이스를 통해 상기 2개 이상의 인쇄 스테이션과 통신하는 조립 장치;
    상기 조립 장치와 통신하는 하나 이상의 이송 디바이스; 및
    상기 2개 이상의 인쇄 스테이션, 상기 조립 장치 및 상기 하나 이상의 이송 디바이스의 동작을 제어하도록 구성된 컴퓨팅 및 제어 디바이스;를 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이송 디바이스는, 상기 기판으로부터 빌드 기판 중 적어도 하나 상에, 또는 상기 빌드 기판에 이전에 부착된 인쇄 층 스택(stack of printed layers) 중의 하나의 인쇄 층 상에 인쇄 층을 이송하도록 구성되는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 이송 디바이스는, 상기 인쇄 층을 상기 기판으로부터 제거하도록 구성된 부착 디바이스를 포함하는 픽업 조립체(pick-up assembly)를 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 부착 디바이스는, 상기 인쇄 층을 상기 기판에 유지하는 힘을 극복하도록 구성된 진공 디바이스 또는 접착 디바이스 중 적어도 하나를 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 이송 디바이스는, 상기 인쇄 층을 상기 기판으로부터 상기 조립 장치로 이동시키도록 구성된 병진 디바이스를 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 유동 재료 제거 디바이스는, 진공 디바이스, 파괴 디바이스(disruptive device), 및 에어 나이프(air knife)를 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 유동 재료 제거 디바이스는, 상기 기판 상에 증착되고 압축된 모든 유동 재료를 제거하도록 구성되는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정 디바이스는, IR 방사선, UV 방사선, 및 전자 빔의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 방사(radiant) 에너지 소스를 제공하도록 구성되는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 인쇄 디바이스는, 상기 기판의 폭을 스팬(span)하는 분사 노즐(jetting nozzles)을 갖는 잉크젯 타입 인쇄 헤드를 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 인쇄 디바이스는, 상기 기판의 폭을 스팬하기 위해 보다 적은 분사 노즐이 요구되는 잉크젯 타입 인쇄 헤드를 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축 디바이스는, 컴플라이언트 압력 커프(compliant pressure cuff) 또는 롤러(roller) 중 적어도 하나 및 진동을 제공하도록 구성된 정착 디바이스를 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 압축 디바이스는, 유동 재료를 상기 유동 재료의 이론적 밀도의 적어도 40%의 고밀도로 압축하도록 구성되는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 조립 장치는, 빌드 기판, 및 상기 빌드 기판 상에 각각의 인쇄 층의 정확한 배치를 용이하게 하기 위한 위치 기준 기점(position reference fiducial)을 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  14. 2개 이상의 인쇄 스테이션 - 상기 2개 이상의 인쇄 스테이션 각각은, 연속 기판, 하나 이상의 운반 디바이스, 분산 디바이스, 압축 디바이스, 인쇄 디바이스, 고정 디바이스, 및 유동 재료 제거 디바이스를 포함함 - ;
    상기 하나 이상의 운반 디바이스를 통해 상기 2개 이상의 인쇄 스테이션과 통신하는 조립 장치;
    상기 2개 이상의 인쇄 스테이션과 상기 조립 장치 사이에 상기 연속 기판을 위치하도록 구성된 가동 플랫폼(movable platform);
    상기 조립 장치와 통신하는 하나 이상의 이송 디바이스; 및
    상기 2개 이상의 인쇄 스테이션, 상기 조립 장치 및 상기 하나 이상의 이송 디바이스의 동작을 제어하도록 구성된 컴퓨팅 및 제어 디바이스;를 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 이송 디바이스는, 상기 연속 기판으로부터 빌드 기판 중 적어도 하나 상에, 또는 상기 빌드 기판에 이전에 부착된 인쇄 층 스택 중의 하나의 인쇄 층 상에 인쇄 층을 이송하도록 구성되는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 이송 디바이스는, 상기 인쇄 층을 상기 연속 기판으로부터 제거하도록 구성된 부착 디바이스를 포함하는 픽업 조립체를 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 부착 디바이스는, 상기 인쇄 층을 상기 연속 기판에 유지하는 힘을 극복하도록 구성된 진공 디바이스 또는 접착 디바이스 중 적어도 하나를 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 이송 디바이스는, 상기 인쇄 층을 상기 연속 기판으로부터 상기 조립 장치로 이동시키도록 구성된 병진 디바이스를 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 유동 재료 제거 디바이스는, 진공 디바이스, 파괴 디바이스, 및 에어 나이프를 포함하는, 다중-재료 3차원 인쇄 장치.
  20. 다중-재료 3차원 인쇄 장치를 사용하여 2개 이상의 재료의 구조체를 생성하기 위한 방법에 있어서,
    다중-재료 물체(object) 디자인을 적어도 2개의 인쇄 두께 층으로 분할하는 단계;
    상기 적어도 2개의 인쇄 두께 층 각각을 적어도 하나의 단일 재료 패턴으로 분리하는 단계;
    상기 적어도 하나의 단일 재료 패턴을 상기 다중-재료 3차원 인쇄 장치 내의 인쇄 스테이션으로 전송하는 단계;
    기판 상에 상기 적어도 하나의 단일 재료 패턴의 재료를 분산시키는 단계;
    상기 재료가 압축되는 압축 장치로 분산된 재료를 이동시키기 위해 상기 기판을 인덱싱(indexing)하는 단계;
    압축된 재료 상의 미리 결정된 패턴으로 바인더가 분산되는 인쇄 장치로 상기 압축된 재료를 이동시키기 위해 상기 기판을 인덱싱하는 단계;
    고정 방사(fixing radiation)에 의해 상기 바인더 패턴이 고정되는 고정 장치로 패턴화된 재료(patterned material)를 이동시키기 위해 상기 기판을 인덱싱하는 단계;
    바인더에 의해 위치에 고정되지 않은 상기 압축된 재료가 제거되는 유동 재료 제거 장치로 고정된 패턴을 이동시키기 위해 상기 기판을 인덱싱하는 단계; 및
    상기 인쇄 층이 빌드 기판 또는 이전에 위치된 층 스택 상부로 이송되는 이송 스테이션으로, 상기 패턴화된 재료 및 고정된 재료를 이동시키기 위해 상기 기판을 인덱싱하는 단계;를 포함하는, 구조체 생성 방법.
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