KR20210057212A - 적층 제조 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

방사선에 노출되면 중합될 수 있는 재료를 담기 위한 용기(1); 빌드(build) 표면(92)을 가지며, 용기에 대해 움직일 수 있게 장착되거나 장착될 수 있는 빌드 플랫폼(9); 및 개별적으로 어드레스 가능한 방사선 방출 또는 전달 요소의 어레이를 포함하는 프로그램 가능한 방사선 모듈(10)을 포함하는 적층 제조 장치가 개시되는 바, 어레이에 있는 요소의 선택적인 활성화에 의해 어레이는 미리 결정된 패턴을 갖는 방사선을 발생시키도록 되어 있고, 프로그램 가능한 방사선 모듈은 빌드 표면(92)에 인접해 있는 또는 빌드 표면(92) 상의 미리 경화된 구조에 인접해 있는 미경화 재료를 확대 없이 미리 결정된 패턴으로 조사(irradiating)하도록 위치되거나 위치될 수 있다 적층 제조 장치를 이용하는 적층 제조 방법도 개시된다.

Description

적층 제조 장치 및 방법{ADDITIVE MANUFACTURING DEVICE AND METHOD}
본 발명은 미세한 분해능으로 큰 대상물의 고속 인쇄를 가능하게 하는 입체리소그래픽 적층 제조 방법 및 이 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다.
전형적인 입체리소그래픽 적층 제조 장치는 방사선원 및 특정 패턴에 따라 그 방사선을 중합가능 재료의 층 상으로 보내기 위한 수단을 포함한다. 방사선에 의해 이 재료는 중합되는데, 즉 적어도 부분적으로 고화된다. 일반적인 종류의 스테레오리소그래픽 적층 제조 기계는, 전자기 스펙트럼의 자외선 또는 근자외선 범위에 있는 평행화된 방사선 비임을 방출하는 레이저를 이용한다. 이러한 적층 제조 장치로 3차원 부품을 제조하는 공정은 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다:
1. 거울, 렌즈 또는 광학 요소의 어셈블리를 사용하여, 미리 결정된 패턴에 따라 레이저 비임을 보낸다. 이러한 종류의 기계에는, 광학 어셈블리가 레이저 비임의 방향을 변경할 수 있도록 전자적으로 작동되어 움직일 수 있는 적어도 하나의 거울 또는 렌즈가 있다.
2. 레이저 비임이 중합가능 재료의 층에 부딪히는 점이 스캔 경로를 띠라 이동하여, 중합이 필요한 모든 영역이 중합을 일으키기에 충분히 긴 시간 동안 레이저 비임에 의해 조명된다.
3. 주어진 재료 층에 있는 원하는 영역 각각이 중합되면, 기계적 및/또는 전기적 요소의 어셈블리가 마지막으로 중합된 층의 위에 그러한 중합가능 재료의 새로운 층을 형성할 수 있고 사이클이 반복된다.
각 층은 미리 결정된 다른 패턴을 가질 수 있고 레이저 비임은 각 영역을 그러한 패턴으로 중합하는데에 필요한 경로를 따라 이동할 수 있어, 적층 제조 장치를 사용하여 변하는 단면의 3차원 대상물이 제조될 수 있다.
종래 기술의 입체리소그래픽 적층 제조 방법의 주요 단점은 느리다는 것이다. 레이저 비임은 중합이 필요한 재료 층의 모든 영역을 조명하도록 경로를 따라 이동해야 한다. 일정한 폭과 일정한 이동 속도를 갖는 레이저 비임의 경우, 대상물을 인쇄하는데에 필요한 시간은 그 대상물의 치수 및 주어진 층에 있는 피쳐(feature)의 밀도 또는 수에 따라 선형적으로 증가한다. 스캐닝 레이저 입체리소그래픽 인쇄 장치는 어떤 최대 스캐닝 속도를 달성할 수 있는데, 즉 인쇄 가능한 영역이 두배이면, 스캐닝 레이저는 그 영역의 한 층을 경화시키는데에 2배로 길어질 것이다.
전술한 스테레오리소그래픽 공정의 일 발전은, 레이저 비임 및 광학 어셈블리가 디지털 마이크로미러 장치(DMD) 투사 장치로 대체되어 전자적으로 어드레스 가능한 반사기를 사용하여 단색 이미지를 얻을 수 있는 것이다. 이러한 적층 제조 장치는 "점-점" 인쇄와는 달리 "층-층" 인쇄의 가능성을 주는데, 즉 고속 인쇄를 가능하게 한다. 전형적인 시스템은 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 갖는 오버헤드 투사기 및 적어도 일부의 자와선 광을 방출하는 광원을 필수적으로 포함한다. 투사기는 광작용 수지의 층 상에 이미지(예컨대, 흑색 상의 백색 배경, 여기서 적어도 부분적으로 자외선인 빛에 의해 백색 영역이 조명된다)를 투사하며, 그래서 이미지의 백색 영역이 입사 UV 광에 의해 경화될 것이다. 현재, 1920 x 1080 픽셀까지의 분해능을 갖는 DMD 칩이 제조될 수 있어, 매우 빠른 층별 인쇄가 가능하게 되고, DMD 기반 투사 시스템의 패턴 이미지의 단일 노출에 의해, 중합가능 재료의 1920 x 1080 픽셀(2백만개 이상) 작은 영역에서 중합이 일어날 수 있지만, 레이저 기반 시스템에서는, 레이저 비임의 끝에 있는 단일 점은 2백만개의 점들을 개별적으로 조명하면서 경로를 따라 이동해야 한다.
DMD-칩 기반 인쇄 방법의 주요 단점은, 그러한 장치로 인쇄될 수 있는 최대 대상물의 크기는 제한된다는 것인데, 투사되는 영역이 커지면(스케일링되면), 두 가지의 단점이 있게 될 것이다:
1. 어드레스 가능한 픽셀의 수는 최대 2백만 개로 고정되어 있으므로, 큰 대상물이 인쇄될 경우, 투사되는 이미지는 신장 된다. 1 m x 2 m의 빌드(build) 크기에 대해 이미지를 스케일링하기 위해, 각 픽셀이 신장된 약 1 mm x 1 mm를 차지할 것인데, 이는 3D 인쇄되는 대상물의 분해능에 대해 허용가능한 것 보다 훨씬 더 조대한 것이다.
2. 투사되는 이미지가 큰 빌드 크기에 대해 스케일링되면 경화 시간(중합이 일어나는데에 필요한 노출 시간)이 크게 증가하게 된다. 동일한 광원(예컨대, 단일 벌브(bulb))으로부터 방출되는 빛은 넓은 표면적에 걸쳐 분산되어야 하는데, 빌드 크기가 스케일 업될 때마다, 주어진 양의 광작용 수지에 입사하는 단위 시간 당 광자의 총 수는 감소된다.
본 발명은 전술한 단점들 중의 하나 이상을 극복하거나 적어도 유용한 대안을 제공하고자 한다.
어떤 실시 형태는 적층 제조 장치에 관한 것으로, 이 장치는,
방사선에 노출되면 중합될 수 있는 재료를 담기 위한 용기;
빌드(build) 표면을 가지며, 상기 용기에 대해 움직일 수 있게 장착되거나 장착될 수 있는 빌드 플랫폼; 및
개별적으로 어드레스 가능한 방사선 방출 또는 전달 요소의 어레이를 포함하는 프로그램 가능한 방사선 모듈을 포함하고,
상기 어레이에 있는 요소의 선택적인 활성화에 의해 상기 어레이는 미리 결정된 패턴을 갖는 방사선을 발생시키도록 되어 있고,
상기 프로그램 가능한 방사선 모듈은 상기 빌드 표면에 인접해 있는 또는 빌드 표면 상의 미리 경화된 구조에 인접해 있는 미경화 재료를 확대 없이 미리 결정된 패턴으로 조사(irradiating)하도록 위치되거나 위치될 수 있다.
다른 실시 형태는 적층 제조 방법에 관한 것으로, 이 방법은,
방사선에 노출되면 중합될 수 있는 재료로 용기를 적어도 부분적으로 충전하는 단계;
개별적으로 어드레스 가능한 방사선 방출 또는 전달 요소의 어레이를 포함하는 프로그램 가능한 방사선 모듈을 제공하는 단계;
빌드 표면을 갖는 빌드 플랫폼을 제공하는 단계;
상기 빌드 표면과 프로그램 가능한 방사선 모듈 사이에 중합가능 재료의 미경화 층이 형성되도록 용기에 대해 빌드 플랫폼을 위치시키는 단계; 및
미리 결정된 패턴을 갖는 상기 미경화 층을 중합하기 위해 상기 프로그램 가능한 방사선 모듈의 어레이의 요소를 선택적으로 활성화시켜 확대 없이 상기 미리 결정된 패턴을 갖는 방사선으로 중합가능 재료의 미경화 층을 조사하는 단계를 포함한다.
프로그램 가능한 방사선 모듈로 생성되는 패턴화된 방사선에 의해, 용기 안에서 중합가능 재료의 층별 경화가 가능하게 되어, 스캐닝 레이저를 사용하는 종래 기술의 장치 보다 3차원 구조의 더 빠르고 더 스케일링 가능한 제조가 가능하게 된다. 특히, 달성가능한 인쇄 속도는 층 두께 및 분해능에 독립적이다. 많은 다른 3D 인쇄 기술에 내재하는 문제는, 원하는 분해능과 원하는 인쇄 속도 간에 균형을 잡을 필요가 있다는 것인데, 사용자가 더 미세한 수직 방향 분해능(예컨대, 얇은 층의 2배)을 요구하면, 인쇄 작업은 2배의 시간이 걸릴 것인데, 이는 인쇄 속도가 스캐닝 레이저 이동할 수 있는 속도에 의해 제한되기 때문이다. 본 발명의 실시 형태에서, 층을 두배로 얇게 하면, 각 층은 길이의 절반 보다 작은 광 펄스로 경화될 수 있음을 의미한다(경화될 중합가능 재료의 부피의 절반이기 때문에). 그러므로, 대상물에 대한 전체적인 인쇄 작업 기간은 층 두께에 독립적이다. 동일한 원리가 X - Y 분해능에 적용되는데, 이 분해능은 방사선 모듈의 어드레스 가능한 어레이의 분해능(예컨대, 인치 당 점으로 측정됨)에 의해서만 제어된다.
스캐닝 레이저 시스템에 대한 추가적인 이점은 운동 부품이 감소된다는 것이다. 스캐닝 레이저가 없으므로, 빌드 테이블은 기계적으로 작동되는 유일한 요소이고, 그 결과 비용이 낮아지고 내구성이 더 크게 돤다.
또한, 확대 없이(즉, 실질적으로 1:1 의 배율로) 미경화 유체를 조사함으로써, DLP 투사 기반 시스템의 어떤 단점을 피할 수 있다. 특히, 더 큰 인쇄 크기로 스케일 업하기 위해, DLP 투사기는 투사되는 영역을 증가시킬 필요가 있고, 그래서 단위 면적 당 조명 세기가 낮아져 경화 시간이 길어지게 된다.
어떤 실시 형태에서, 프로그램 가능한 방사선 모듈은 개별적으로 어드레스 가능한 방사선 전달 요소의 어레이를 포함하는 액정 디스플레이(LCD)를 포함하고, 이 경우 방사선 전달 요소는 LCD의 픽셀이다. LCD 유닛은 DLP 투사기 보다 저렴한 정도의 크기이므로 LCD를 사용하는 것이 특히 유리하다.
바람직하게는, LCD는 단색 LCD 이다. 인쇄용으로, 자외선(UV) 또는 진 보라(TV) 범위의 빛이 가장 효과적인데, 각각의 광자가 비교적 많은 양의 에너지를 지니고 있기 때문이다. 이들 광자의 파장은 약 300 ∼ 450 nm 이다. 컬러 LCD에 있는 모든 서브 픽셀 필터(R, G 및 B)는 그러한 파장의 빛의 대부분이 그 필터를 통과하는 것을 방지하는데, 즉 통상적인 LCD를 투과하는 유효 광자의 세기는 최소이다. 이러한 이유로, 단색 LCD(어떠한 컬러 필터도 갖지 않음)를 사용하는 것이, 훨씬 더 짧은 경화 시간을 주는(투과되는 광자가 더 많음) 것으로 밝혀졌다.
이제, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 비제한적인 예로만 설명한다.
도 1 은 본 발명의 어떤 실시 형태에 따른 적층 제조 장치의 분해 단면도를 나타낸다.
도 2 는 도 1 의 장치의 단면도를 나타내는 것으로, 그 장치의 빌드 플랫폼이 더 나타나 있다.
도 3 은 사용 중에 있는 도 1 및 2 의 장치를 나타내는 것으로, 3차원 대상물의 제 1 층이 중합되고 있다.
도 4 는 사용 중에 있는 도 1 및 2 의 장치를 나타내는 것으로, 대상물의 다음 층이 중합되고 있다.
도 5a, 5b 및 5c 는 어떤 실시 형태에 따른 적층 제조 장치를 도시하는 것으로, 완성된 모델이 박리로 빌드 플랫폼으로부터 분리되어 있다.
도 5d 및 5e 는 다른 실시 형태에 따른 적층 제조 장치를 도시하는 것으로, 완성된 모델이 박리로 빌드 플랫폼으로부터 분리되어 있다.
도 6a 및 6b 는 다른 실시 형태에 따른 적층 제조 장치를 도시하는 것으로, 완성된 모델이 전단(shearing)으로 빌드 플랫폼으로부터 분리되어 있다.
도 6c 및 6d 는 또 다른 실시 형태에 따른 적층 제조 장치를 도시하는 것으로, 완성된 모델이 전단으로 빌드 플랫폼으로부터 분리되어 있다.
도 7 은 실시 형태에 따른 적층 제조 장치를 위한 예시적인 제어 시스템의 블럭도이다.
도 8 은 도 7 의 제어 시스템의 소프트웨어 요소의 블럭도이다.
도 9 는 어떤 실시 형태에 따른 적층 제조 공정의 흐름도이다.
도 10 은 다른 실시 형태에 따른 적층 제조 공정의 흐름도이다.
어떤 실시 형태에서, 적층 제조 장치는 방사선원(예컨대, 400 ∼ 700 nm의 파장을 갖는 가시광을 방출하는 스트로보스코픽 광원)을 포함하며, 그 위에는 액정 디스플레이, 예컨대, 확산성을 갖는 하나 이상의 시트를 갖는 디퓨저 어셈블리가 장착되고, 그 다음에는 서로 직각을 이루는 2개의 편광판이 있으며, 이 편광판 사이에는 액정 층이 있다. 액정 디스플레이(LCD) 어셈블리는 유리 또는 투명한 플라스틱 판 및 투명 실리콘 또는 다른 경화 억제 또는 저마찰 재료의 층으로 덮힐 수 있다.
상기 구성으로, 전체 층이 스트로보스코픽 광의 단일 펄스에 노출되지만 스캐닝 레이저는 경화될 전체 폭을 스캐닝해야 하므로, 스캐닝 레이저 시스템을 초과하는 인쇄 속도를 얻을 수 있다. 현재 설명하는 실시 형태에서, 층 당 인쇄 속도는 각 층에 있는 경화 대상 피쳐(feature)의 수(또는 표면적)에 달려 있다. 스캐닝 레이저와는 달리, 현재 설명하는 실시 형태에서는, 전체 고체 층을 경화시키는데에 동일하게 긴 광 펄스가 사용되는데, 그 영역 내의 작은 공간을 경화시키는데도 그렇기 때문이다. LCD 판은 현재 매우 큰 크기(미터 오더의 길이와 폭 치수로) 및 점점 높아지는 해상도(1600 만개의 픽셀을 초과함)로 제조될 수 있으며, 따라서 적어도 일부 실시 형태의 층별 인쇄 기술이 더 양호하게 스케일링 가능하고 DMD 기반 시스템 보다 더 미세한 해상도로 더 큰 대상물을 인쇄할 수 있다.
이제 도 1 을 참조하면, 본 발명의 어떤 실시 형태에 따른 적층 제조 장치(100)의 개략적인 사시도가 나타나 있다. 이 적층 제조 장치(100)는 중합가능한 재료(40)를 담기 위한 용기(1)를 포함한다. 이 용기(1)는 투명한 하측벽(11), 측벽(102) 및 용기(1)의 투명한 하측벽(11)과 측벽(102) 사이의 시일(2)을 갖는다. 시일은 현장에서 경화되어 용기를 시일링하는 에폭시와 같은 재료로 형성되지만, 고무(예컨대, 니트릴 또는 비톤) O-링 또는 가스켓과 같은 고체 시일일 수도 있다. 바람직하게는, 용기(1)는 직사각형 또는 정사각형 내부 영역을 규정하는 4개의 측벽을 갖지만, 물론 단일의 원통형 측벽 또는 다른 구성을 가질 수도 있다.
상기 장치(100)는 용기(1)에 구조적 강도를 제공하는 강성적인 투명 부재(3)를 더 포함할 수 있는데, 하측벽(11)이 충분히 튼튼하다면 물론 그 부재는 생략될 수 있다. 강성적인 투명 부재(3) 아래에는, 제 1 편광자 판(4)과 제 2 편광자 판(6) 사이에 액정 디스플레이(LCD)(5)가 있다. 제 1 편광자 판(4)의 편광 방향은 제 2 편광자 판(6)의 편광 방향에 수직이다. 제 2 편광자 판(6) 아래에는 광학 어셈블리(7)가 제공될 수 있는데, 이는 광원(8)에서 오는 빛을 확산시키거나 평행하게 만들거나 반사시키거나 또는 굴절시킬 수 있는 다양한 광학 요소를 포함할 수 있다. 일반적으로, 광학 어셈블리(7)는 확산 및 평행화 요소를 포함한다.
상기 LCD(5), 편광자(4, 6), 광원(8) 및 광학 어셈블리(7)는, 용기(1)의 투명한 하측벽(11)에 부착되는 프로그램 가능한 방사선 모듈(10(도 2)의 일 부분을 형성하며, 그 방사선 모듈은 설계된 패턴을 갖는 용기(1) 내의 수지 층을 경화시키는 패턴화된 방사선 비임을 발생시키도록 구성될 수 있다. LCD(5)의 픽셀은 장치(100)의 제어 시스템에 의해 스위치 온 또는 오프될 수 있는 개별적으로 어드레스 가능한 요소를 구성하며, 상기 제어 시스템은 LCD(5)에 연결된다(도 7 에 나타나 있는 바와 같이). 픽셀이 활성화되면(스위치 온으로 되면), 빛이 그 픽셀을 투과할 수 있고, 픽셀이 비활성화되면(스위치 오프되면) 빛을 차단하다. 따라사, LCD(5)의 픽셀은 방사선의 원하는 패턴을 만들기 위해 제어 시스템에 의해 프로그램될 수 있는 개별적으로 어드레스 가능한 광 투과기이며, 비활성 픽셀은 마스킹 요소로서 작용하게 된다.
상기 LCD(5)는 바람직하게는 단색 LCD이다. 컬러 LCD 에서, 각 픽셀은 3개 또는 4개의 개별적으로 어드레스 가능한 서브 픽셀로 구성되며, 각 서브 픽셀은 좁은 파장 대역 빛을 통과시킬 수 있는 컬러 필터를 갖는다. 컬러 LCD에 있는 다색백색 역광은 400 ∼ 700 nm 사이의 모든 파장을 내보내며, 컬러는 이 백색 광을 적색, 녹색 및 청색(R, G, B) 필터링되는 서브 픽셀에 선택적으로 통과시켜 생성된다. 인쇄용으로는, 자외선(UV) 또는 진 보라(TV) 범위의 빛이 가장 효과적인데, 각각의 광자가 비교적 많은 양의 에너지를 지니고 있기 때문이다. 이들 광자의 파장은 약 300 ∼ 450 nm 이다. 컬러 LCD에 있는 모든 서브 픽셀 필터(R, G 및 B)는 그러한 파장의 빛이 그 필터를 통과하는 것을 방지하는데, 즉 통상적인 LCD를 투과하는 유효 광자의 세기는 최소이다. 이러한 이유로, 단색 LCD(어떠한 컬러 필터도 갖지 않음)를 사용하는 것이, 훨씬 더 짧은 경화 시간을 주는(투과되는 광자가 더 많음) 것으로 밝혀졌다.
어떤 실시 형태에서, 상기 방사선 모듈은 LED 또는 OLED 디스플레이와 같은, 어레이로 된 개별적으로 어드레스 가능한 광 방출기 판을 포함할 수 있다. LCD(5)와 유사하게, 원하는 방사선 패턴을 만들기 위해 선택된 광 방출기가 주어진 시간에 작용하도록 상기 판은 제어기에 의해 프로그램될 수 있다. 이들 실시 형태에서, 방사선 모듈의 개별적으로 어드레스 가능한 요소 자체는 개별적인 방사선원을 위한 마스크로서 작용하는 것이 아니라 원하는 경화 패턴으로 방사선을 방출한다. 원리적으로 LED 및 유기 LED는 중합 가능한 유체의 특정한 경화 요건에 부합하기 위해 특정 파장의 빛(가시광, UV, IR)을 방출하도록 설계될 수 있다. 이들 실시 형태에서, 디스플레이 판 자체가 광원이므로 그와 같은 "역광"이 필요 없고 또한 별도의 광원과 LCD 사이에 광학 어셈블리가 또한 필요 없으므로, 상기 적층 제조 장치는 더 컴팩트하게 만들어질 수 있다.
도 1 에 나타나 있는 구성에서, 방사선 모듈(10)은 용기(1)의 하측벽(11) 및 측벽(102)에 부착된다. 그러나, 대안적인 실시 형태에서, 방사선 모듈(10)은 용기(1) 내부에 위치되거나 또는 그에 일체화될 수 있다. 예컨대, 측벽(102) 및 하측벽(11)은, 함께 용접되어 용기(1)를 형성하는 알루미늄 판일 수 있고(이 경우 하측벽(11)은 분명 투명하지 않음), 그리고 방사선 모듈(10)은 용기(1) 내부에 배치될 수 있다. 방사선 모듈(10)의 정상부에 투명한 시일링 층을 배치하여, 예컨대, 중합 가능한 재료가 방사선 모듈(10) 안으로 누출되는 것을 방지할 수 있다.
LCD(5)의 픽셀 어레이의 크기는 투명한 하측벽(11)의 실질적으로 전체 표면적을 덮도록 될 수 있고, 그래서 투명한 하측벽(11) 위의 실질적으로 전체 용적이 인쇄 가능한 용적이된다. 대안적인 실시 형태에서, 픽셀 어레이는 투명한 하측벽(11)의 표면적 보다 작은 표면적을 덮을 수 있다. 예컨대, 픽셀은 빌드 플랫폼(build platform)(9)의 빌드 표면(92)의 표면적과 같거나 그 보다 약간 큰 표면적을 가질 수 있고, 그래서 빌드 표면(92)의 주변은 픽셀 어레이의 주변 내측에 끼워지게 된다.
이제 도 2 를 참조하면, 상기 적층 제조 장치(100)가 다층 대상물을 제조할 수 있게 해주는 기계적 어셈블리가 더 상세히 나타나 있다. 도 2 에 나타나 있는 바와 같이, 상기 장치(100)는 빌드 표면(92)을 갖는 빌드 플랫폼(9)을 포함한다. 빌드 표면(92)은 용기(1)의 하측벽(11) 쪽을 향한다. 빌드 플랫폼(9)은 용기(1) 내부에서 하측벽(11)과 방사선 모듈(10)의 상방에서 매달려 있다.
빌드 플랫폼(9)은 기계적 어셈블리(20)에 의해 하측벽(11)의 상방에서 용기(1)에 대해 수직 상하방으로 움직일 수 있으며, 그 기계적 어셈블리는 볼 스크류, 리드 스크로, 벨트 구동 기구, 체인 및 스프로켓 기구 또는 이들의 조합물 및 정밀 스텝퍼 모터(21)를 포함할 수 있다, 일 바람직한 실시 형태에서, 운동 기구는 나사 로드 및 스텝퍼 모터(21)를 포함하는데, 이 스텝퍼 모터는 장치(100)의 제어 시스템(200)의 마이크로제어기(270)(도 7)에 의해 구동된다. 조합된 기계적 어셈블리(20)와 스텝퍼 모터(21)는, 측벽(102)에 지지되는 프레임(22)에 고정되거나 연결된다. 프레임(22)은 견고한 지지 및 빌드 플랫폼(9)의 수직 위치에 대한 기준점을 제공한다. 리드 스크류 또는 벨트 핏치 및 스텝퍼 모터의 분해능(일 회전 당 스텝)의 적절한 선택을 통해 더 큰 정밀도(약 1㎛까지)를 얻을 수 있다.
도 3 및 4 는 3차원 대상물(42)을 위한 일 예시적인 빌드 과정을 도시한다. 도 3 에서, 용기(1)는 중합 가능한 수지와 같은 중합 가능한 재료(40)로 부분적으로 충전되어 있다. 다음에, 기계적 어셈블리(20)를 작동시키는 스텝퍼 모터(21)를 사용하여 빌드 플랫폼이 용기(1) 내부에서 상방으로 이동하여, 빌드 플랫폼의 하측 표면(92)과 용기(1)의 투명한 하측벽(11) 사이에 상기 중합 가능한 재료의 얇은 층(30)이 형성된다. 이 층(30)은 z 축을 따른 원하는 분해능에 따라 선택되는 두께를 갖는다. 일단 미경화 재료(30)의 층이 형성되면, 방사선 모듈(10)이 용기(1)의 투명한 하측벽(11)을 통해 층(30)을 미리 결정된 패턴(전술한 바와 같음)으로 조사하여, 미리 결정된 패턴으로 중합가능 재료(30)의 얇은 층의 원하는 영역을 선택적으로 중합한다.
투명한 하측벽(11)은 경화 억제 또는 비점착성 코팅을 가질 수 있는데, 그래서 중합된 재료는 그 하측벽에 부착되지 않는다. 특히, 상기 코팅은, 투명한 하측벽(11)과 중합된 재료 사이의 마찰 및/또는 부착이 빌드 표면(92)과 중합된 재료 사이의 마찰 및/또는 부착 보다 작도록 선택될 수 있다. 따라서, 스텝퍼 모터(21)가 상기 어셈블리(20)를 작동시켜 대상물(42)의 다음 층의 경화를 위해 빌드 플랫폼(9)이 상방으로 이동하면, 중합 재료는 하측벽(11)에의 부착으로 인해 자유롭게 끌어 당겨지는 대신에 빌드 플랫폼(9)과 함께 이동하는 경향이 있다.
어떤 실시 형태에서, 실리콘 시트가 투명한 하측벽(11) 상에 제공될 수 있다. 인쇄된 대상물(42)의 경화된 부분은 빌드 플랫폼에 부착되는 경향이 있고(빌드 플랫폼은 바람직하게는 경화된 재료가 잘 부착되는 알루미늄, 아크릴, 폴리카보네이트 또는 다른 플라스틱으로 만들어지므로), 상기 재료는 실리콘 시트에 부착되지 않는다. 실리콘 시트가 투명하고 비소모성이기 때문에 바람직하다. 비점착성 코팅은 바람직하게는 가능한 얇게 만들어지는데, LCD(마스크)와 경화 대상 재료(수지/중합체/접착제) 사이의 층이 더 얇다라는 것은, LCD로부터 나온 투과 광이 수지/중합체/접착제에 도달하기 전에 덜 발산되며 그 결과 물리적인 인쇄 분해능이 LCD(마스크) 분해능에 더 가깝게 됨을 의미한다.
다른 실시 형태에서, 상기 재료가 경화 개시제로서 사용되는 빛의 파장에 대해 투과적이고 또한 액정 디스플레이 분해능과 물리적인 인쇄 분해능 사이의 실질적인 분해능 손실을 방지하도록 충분히 얇게 만들어질 수 있다면, 미시건의 Chem-Trend LP CHEMLESAE(등록 상표)와 같은 이형제를 포함하는 액체 코팅, 또는 폴리우레탄, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 불소처리된 에틸렌 프로필렌(FEP) 또는 라텍스와 같은 고체 시트 또는 코팅이 사용될 수 있다. FEP가 대부분의 경화 파장에서 PTFE 보다 더 투과적이므로 특히 바람직하다.
코팅이 사용되는 경우, 그 코팅은 방사선 모듈(10)의 픽셀에 의해 발생된 비임이 코팅을 통과하면서 굴절할 때 그 비임의 발산을 최소화하도록 선택되어야 한다. 특히, 빛이 경화될 중합가능 재료의 층에 도달하는 지점에서, 그 비임은 픽셀 표면적의 4배 보다 작은 영역을 덮어야 한다(예컨대, 50 x 50 미크론의 픽셀을 갖는 LCD의 경우, 그 픽셀을 통과하는 빛은 층에 도달 할 때 100 x 100 미크론 보다 크지 않아야 한다). 상기 비임은 더 크면 이웃 픽셀에 의해 발생된 비임을 25 미크로 이상으로 겹칠 것인데, 즉 절반 이상으로 이웃 픽셀 안으로 들어가며, 그래서 이웃 픽셀은 더 이상 분해가능하지 않게 된다. 바람직하게는, 상기 코팅(들)으로 인해, 경화 층에서 픽셀 비임은 LCD 픽셀 표면적의 1.2 배 이하인 표면적을 갖게 된다. 이는 코팅을 매우 얇게 만들고 또한 빛이 LCD를 통과하기 전에 그 빛을 평행하게 만들어 달성될 수 있으며, 그래서 LCD 픽셀을 통과하는 비임은 덜 발산된다. 예컨대, PTFE 또는 FEP 시트가 코팅으로서 사용되면, 그 시트는 약 70 ㎛의 두게를 가질 수 있다. 50 ㎛ 미만의 두께도 사용될 수 있다. 일반적으로, 픽셀간 거리(LCD의 분해능) 이하의 코팅 두깨가 바람직하다
도 3 관련하여 설명한 바와 같이 층의 중합이 완료된 후에, 기계적인 어셈블리(20)는 정밀 스텝퍼 모터(21)에 의해 작동되어, 빌드 플랫폼(9)이 프레임(22) 상의 기준점에 대해 작은 양(원하는 층 두깨와 같음) 으로 상방으로 상승되며, 그래서 중합된 마지막 층과 용기의 투명한 하측벽(11)의 정상 표면 사이에 공극이 형성된다. 이 공극은 주변의 중합가능 재료(중력하에서 상기 공극 안으로 유입함)로 신속히 충전되며, 그래서 그러한 재료의 새로운 얇은 층이 중합된 마지막 층의 바닥 표면과 용기(1)의 투명한 하측벽(11)의 정상 표면 사이에 존재하게 된다. 중합가능 재료의 이 새로운 층은 아래쪽에서 방사선 모듈(10)에 의해 조사되어(irradiated), 도 4 에 나타나 있는 바와 같이, LCD(5)의 작용 영역(32)에 의해 규정된 방사선 패턴을 사용하여 원하는 영역(즉, 그 영역에 있는 픽셀이 작용 상태에 있음으로 해서 노출되어 있는 영역)이 선택적으로 중합된다. 수지(40)가 소비됨에 따라, 새로운 수지가 추가되어 용기(1)를 보충하게 된다. 각각의 다음 층에 대해 이 과정을 반복하고 원하는 영역(32)이 임의의 형상 또는 많은 형상을 갖게 함으로써, 상기 적층 제조 장치는 용기(1)의 경계 내에서 또한 기계적인 어셈블리(20)가 허용하는 빌드 플랫폼(9)의 운동 범위 내에서 임의의 형상, 치수 또는 복잡성을 갖는 3차원 대상물을 제조할 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 상기 장치(100)는, 빌드 표면이 빌드 플랫폼(9)의 하측 표면이 아닌 상측 표면에 있도록 구성될 수도 있다. 이들 실시 형태에서, 프로그램 가능한 방사선 모듈(10)은 용기(1)의 정상부에 위치된다. 빌드 과정 중에, 빌드 플랫폼(9)은 빌드 표면이 용기(1) 내의 유체 레벨의 정상에 있는 상태에서 출발하고, 용기(1) 내부에서 하강하여 경화된 재료의 얇은 층을 형성하고, 그런 다음 그 층은 전술한 바와 같이 방사선 모듈(10)에 의해 원하는 패턴으로 경화된다. 빌드 플랫폼(9)은 원하는 층 두께의 단계로 점진적으로 하강하게 되며, 각 층이 각각의 원하는 층 패턴으로 경화된다. 이들 대안적인 실시 형태의 장치는, 사용시 용기(1)는 적어도 최종 대상물(42)의 높이까지 중합가능 재료로 충전될 필요가 있다는 점을 제외하고, 구성면에서는 도 1 내지 4 에 나타나 있는 장치(100)와 매우 유사하다. 이런 구성에서 빌드 표면은 용기(1) 및 방사선 모듈(10)의 정상 표면으로부터 이격되어 있을 수 있기 때문에, 비점착성 코팅이 정상 표면에 필요하지 않을 수 있다.
도 1 ∼ 4 의 장치(100)에서, 전술한 바와 같이, 투명한 하측벽(11)은 경화 억제 또는 비점착성 코팅을 가질 수 있어, 층이 경화될 때, 경화된 층을 투명한 하측벽(11)으로부터 분리시켜 다음 층이 경화될 수 있도록 빌드 플랫폼(9)은 단순히 위로 이동될 수 있다. 비점착성 코팅이 제공되지 않으면, 도 5a 내지 도 5e 및 도 6a 내지 도 6e 에 도시되어 있는 바와 같이, 가장 최근에 경화된 층을 용기 또는 방사선 모듈로부터 분리시키기 위한 대안적인 기구가 사용될 수 있다.
도 5a 에서, 적층 제조 장치(500)는 중합가능 유체(51)를 담는 대야(basin)(50) 형태의 용기를 포함한다. 하측 빌드 표면(71)을 갖는 빌드 플랫폼(70)이 대야(50) 내부에 잠겨 있다. 기계적 어셈블리(20)와 스텝퍼 모터(21)는 대야(50)와는 별개인 지지 프레임에 장착될 수 있다는 점을 제외하고, 빌드 플랫폼(70)은 전술한 것과 유사한 기구에 의해 대야(50)에 의해 수직으로 이동될 수 있다. 중합가능 유체(51)의 얇은 층이 빌드 표면(71)과 프로그램 가능한 방사선 모듈(60)의 접촉 표면 사이에 형성되며, 그 방사선 모듈은 적절한 파장의 패턴화된 빛을 방출시켜 유체(51)의 중합(경화)을 개시할 수 있다. 방사선 모듈(60)은 예컨대 전술한 방사선 모듈(10)과 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 대야(50)는 점(53) 주위로 회전가능하다. 유체(51) 층이 경화되어 인쇄된 대상물(52)의 일 부분을 형성한 후에, 도 5b 애 나타나 있는 바와 같이 대야(50)는 점(53) 주위로 회전하여, 최근에 경화된 층을 방사선 모듈(60)의 면에서 "박리"시킨다. 방사선 모듈(60)이 대야(50)와 별개이면(대야(50)는 투명한 하측벽을 가짐(전술한 바와 같이)), 대야(50)의 회전 운동에 의해, 최근에 경화된 층이 대야의 투명한 내부 바닥면에서 박리된다. 어떤 실시 형태에서는, 대야(50)가 회전가능하지 않고, 빌드 플랫폼(70)이 그의 지지부 주위로 회전 가능할 수 있다.
도 5c 에 나타나 있는 바와 같이, 상기 장치(500)를 사용하여 주어진 대상물(52)을 인쇄하는데에 필요한 중합가능 유체(51)의 양은 비교적 작은데, 방사선 모듈(60)이 대야 아래에 장착되어 위쪽으로 조사할 때, 경화 과정은 항상 대야(50)의 바닥에서 일어나기 때문이다. 인쇄 작업 중에 중합가능 유체(51)가 소비됨에 따라, 예컨대 추가적인 유체가 용기(50) 안으로 펌핑되어 그 용기(50)에 추가될 수 있다. 레벨 센서(미도시)를 사용하여, 추가적인 유체가 필요하다는 피드백 신호를 장치(500)의 제어 시스템(200)(도 7)에 제공할 수 있고, 그리고 제어 시스템(200)은 마이크로제어기(270)를 통해 펌프(미도시)를 작동시켜 원하는 양의 유체를 용기(50) 안으로 펌핑하게 된다.
도 5d 의 구성에서, 일 대안적인 적층 제조 장치는 중합가능 유체(51)를 담는 대야(50)를 포함하고, 그 유체의 얇은 층이 미지막으로 중합된 층과 방사선 모듈(60)의 접촉 표면 사이에 형성되며, 그 방사선 모듈은 중합가능 유체(51)에 부분적으로 잠기고 위쪽에서 얇은 중합가능 유체 층을 조사한다. 주어진 유체 층이 중합된 후에, 마지막으로 중합된 층을 방사선 모듈의 접촉 표면에서 박리시키기 위해 방사선 모듈(60)은 점(54) 주위로 회전할 수 있다. 도 5a 내지 5c 의 구성의 경우 처럼, 대야(50)가 회전 가능하지 않고, 빌드 플랫폼(70)이 그의 지지부 주위로 회전할 수 있다.
도 5d 및 5e 의 구성에서, 인쇄된 대상물은 빌드 플랫폼(70)의 빌드 표면(71) 위에 위치되며, 그래서 인쇄된 대상물(52)의 중량은, 마지막으로 경화된 층을 방사선 모듈(60)의 접촉 표면으로부터 분리(박리)시키는데에 도음이 된다(방해하는 거이 아니라).
이제 도 6a 내지 6c 를 참조하면, 적층 제조 장치(600)의 다른 실시예가 나타나 있는데, 이 장치는 도 5a 내지 5c의 대야(50)와 비교하여 증가된 폭의 대야(50)를 갖는다. 대야(50)는 제 1 영역(602)을 갖는데, 대상물(52)을 형성하기 위해 유체(51)의 얇은 층을 연속적으로 중합하기 위해 방사선 어셈블리(60)가 상기 제 1 영역 아래에 위치된다. 대야(50)는 또한 제 1 영역(602) 보다 큰 깊이를 갖는 제 2 영역(602)을 갖는다.
상기 장치(600)는 수직 및 수평 모두로 움직일 수 있는 빌드 플랫폼(70)을 포함한다. 유체(51)의 한 층이 제 1 영역(602)에서 아래쪽에서 조사되어 중합된 후에, 빌드 플랫폼(70)은 제 1 영역(602) 보다 큰 깊이를 갖는 대야(50)의 영역(604)으로 옆으로 이동하게 된다. 대안적으로, 영역(604)이 빌드 플랫폼(70) 바로 아래에 위치될 때까지 대야(50)와 방사선 모듈(60)이 옆으로 움직이는 중에(예컨대, 대야(50)와 방사선 모듈이 연결되어 있는 병진 스테이지 상에서) 빌드 플랫폼(70)은 정지 상태로 유지될 수 있다. 이러한 기구는, 최근에 중합된 층과 방사선 모듈(60)의 접촉 표면 사이의 부착력은 주로 수직방향 힘이라는 사실, 즉 인쇄된 대상물(52)을 접촉 표면에서 떨어진 상태에서 대야(50)의 더 깊은 영역(604) 안으로 옆으로 슬라이딩시킴으로써 훨씬 더 작은 마찰이 나타난다는 사실을 이용한다.
일단 플랫폼(70) 및 인쇄된 대상물(52)이 더 깊은 단부(604)에 도달하면, 수직 방향 부착력은 더 이상 존재하지 않고 빌드 플랫폼(70)은 원하는 거리로 상방으로 이동할 수 있다. 그 후, 플랫폼은 대야의 얕은 영역(602)으로 되돌아가(옆으로), 마지막으로 중합된 층과 방사선 모듈(60)의 접촉 표면 사이에 중합가능 유체의 얇은 층이 다시 형성되며, 이 새로운 층이 중합될 수 있다.
도 6c 에 나타나 있는 바와 같이, 주어진 대상물(52)을 인쇄하는데에 필요한 중합가능 유체(51)의 양은 비교적 작은데, 방사선 모듈(60)이 대야 아래에 장착되어 상방으로 조사할 때 경화 과정은 항상 대야(50)의 바닥에서 일어나기 때문이다. 따라서, 대야(50) 보다 실질적으로 더 큰 높이를 갖는 대상물(52)이 인쇄될 수 있다. 전술한 바와 같이, 장치(600)의 제어 시스템(200)의 레벨 센서를 사용하는 피드백 제어 하에서 추가적인 유체(51)가 용기(50) 안으로 펌핑될 수 있다.
이제 도 6d 및 6e를 참조하면, 적층 제조 장치(650)의 또 다른 실시 형태에서, 중합가능 유체(51)를 담는 대야(50)는 제 1 영역(652) 및 제 1 영역(652) 옆에 배치되는 제 2 영역(654)을 가지며, 제 2 영역은 제 1 영역(652) 보다 얕다. 상기 징치(650)는 수직으로 움직일 수 있는 빌드 플랫폼(70) 및 옆으로 (슬라이딩) 이동할 수 있는 방사선 모듈(60)을 포함한다. 방사선 모듈(60)은 제 1 영역(652)에서 상방에서 중합가능 유체(51)를 조사하여, 빌드 플랫폼(70)의 상측 빌드 표면(71) 상에서 대상물(52)을 층층히 형성한다. 중합가능 유체(51)의 얇은 층이 먼저 중합된 층과 방사선 모듈(60)의 접촉 표면 사이에 형성된다. 이 층이 상방으로부터 조사를 받아 경화된 후에, 방사선 모듈(60)은 옆으로 얕은 영역(654)으로 이동할 수 있고(도 6e), 그 후에, 빌드 플랫폼(7)이 원하는 층 두께에 대응하는 원하는 거리로 하방으로 대야(50) 안으로 이동할 수 있다. 방사선 모듈(60)이 슬라이딩하여 그의 원래의 위치(652)로 되돌아갈 때, 미중합 유체의 새로운 층이 바닥 접촉 표면과 마지막으로 중합된 층의 정상부 사이에 형성된다.
방사선 모듈(10) 또는 방사선 모듈(60)의 방사선원은, 가시광선, UV 광 또는 적외광 또는 X 선과 같은 다른 화학작용 방사선과 같은, 중합가능 재료(40 또는 51)를 경화시키는데에 적합한 어떠한 방사선원이라도 될 수 있다. 방사선원은 임의의 적절한 치수를 가질 수 있고 또한 예컨대 적어도 LCD 판(5)의 일 영역에서 방사선원을 평행하게 하거나 보내는 어떤 수의 광학 요소라도 가질 수 있다. 방사선원은 움직이거나 정지되어 있을 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 방사선원은 가시광(400 ∼ 700 nm)원이다. 일부 실시 형태는 방사선원으로서 백색 LED 스트로보스코픽 램프를 포함하는데, 이들 램프는 460 및 550 nm 에서 피크 강도를 갖기 때문이다. 이는 그러한 백색 광은 생성될 수 없기 때문인데, 대신에 LED가 청색광(460 nm)을 발생시키고 인광체 내부 코팅이 이를 부분적으로 흡수하고 녹색광(550 nm)을 발하며, 그래서 조합된 방출이 사람의 눈에 백색광으로 보이게 된다. 이 광원은 가시광 중합가능 재료에 적합하다. 다른 실시 형태에서, 방사선원은 300 ∼ 450 nm 에서 방출할 수 있다.
어떤 실시 형태에서, UV 광이 방사선원으로 사용될 수 있다. 유리하게는, UV 광자가 가시광 광자 보다 더 높은 에너지를 가지며, UV 광으로 경화되는 많은 중합체가 이용가능하다. UV 광이 방사선원으로 사용되는 경우, LCD 가 아닌 동적 마스크 발생기를 사용하는 것이 필요할 수 있는데, 왜냐하면 액정은 자외선 광에 노출되면 악화될 수 있기 때문이다. 대안적인 동적 마스크 발생기는 전기습윤 디스플레이, 투과성 전기이동 디스플레이, 및 물리적 마스크를 연속적으로 발생시키기 위한 프린터(예컨대, 투명한 연속적인 (리본) 레이저 또는 잉크젯 인쇄)를 포함한다.
전술한 적층 제조 장치의 제어 시스템(200)의 일 실시예가 도 7 에 나타나 있다. 이 제어 시스템(200)은, 비휘발성 저장부(예컨대, 하드 디스크 또는 고체 상태 디스크)(204), 랜덤 액세스 메모리(RAM)(206), 적어도 하나의 프로세서(208), 및 외부 인터페이스(210, 212, 214, 218)(모두 버스(216)으로 서로 연결됨)를 포함하여, 표준적인 컴퓨터 부품을 포함하는 컴퓨터 시스템(201)을 포함할 수 있다. 외부 인터페이스는 유니버셜 시리얼 버스(USB) 인터페이스(210), 및 시스템(210)을 인터넷과 같은 통신 네트워크(220)에 연결하는 네트워크 인터페이스 커넥터(NIC)(212)를 포함하고, 이를 통해 사용자 컴퓨터 시스템(240)은 제어 시스템(200)과 통신하여 사용자가 장치(100)와 상호 작용할 수 있다. 사용자 컴퓨터 시스템(240)은 인텔 IA-32 기반 컴퓨터 시스템과 같은 표준적인 데스크탑 또는 랩탑 컴퓨터 시스템, 또는 스마트폰 또는 타블렛 컴퓨터와 같은 모바일 컴퓨팅 장치일 수 있다. 제어 시스템(100)은 NIC 212 를 통해 또는 USB 인터페이스(210) 중의 하나에 연결되는 또는 보안 디지털(SD) 인터페이스(미도시)와 같은 대안적인 인터페이스에 연결되는 저장 장치로부터 입력 데이터를 받을 수 있다.
어떤 실시 형태에서, 사용자는 디스플레이, 키이보드 및 마우스 또는 인터페이스(210) 중의 하나 및 추가적인 디스플레이 어댑터(미도시)를 통해 연결되는 다른 입출력 장치에 의해 컴퓨터 시스템(201)과 직접 상호 작용할 수 있다. 대안적인 실시 형태에서, 컴퓨터 시스템은 예컨대 디스플레이 어댑터(미도시)에 의해 버스(216)에 연결되는 터치스크린 입출력 장치를 포함할 수 있다. 이들 실시 형태에서, 사용자 컴퓨터 시스템(240)은 불필요할 수 있다. 외부 인터페이스(들)(210)를 통해 연결되는 네트워크 연결부(220) 또는 SD 카드 또는 USB 저정부에 의해 3D 모델 파일이 컴퓨터 시스템(201)에 로딩될 수 있고, 사용자는 예컨대 컴퓨터 시스템(201)의 터치스크린 인터페이스를 통해 적층 제조 장치에서 직접 슬라이싱 과정을 제어할 수 있다.
상기 시스템(201)은 디스플레이 어댑터(214)를 또한 포함할 수 있는데, 이는 LCD(5)와 통신하는데에 사용된다. 디스플레이 어댑터(214)는 예컨대 고선명도 다매체 인터페이스(HDMI), 비디오 그래픽 어레이(VGA) 또는 디지털 비쥬얼 인터페이스(DVI)일 수 있다.
저정 매체(204)는 리눅스 마이크로소프트 윈도우와 같은 운영 시스템(224)과 같은 다수의 표준 소프트웨어 모듈, 및 적어도 하나의 프로세서(208)가 다양한 작업(USB 인터페이스(들)(210) 및/또는 네트워크를 통해 3D 모델(형성될 대상물을 나타냄)에 관한 입력 데이터를 받는 것; 입력 데이터를 처리하여 일련의 층 패턴을 발생시키는 것; 및 디스플레이 어댑터(214)를 통해 층 패턴을 LCD(5)(또는 대안적으로, 다른 종류의 동적 마스크 발생기 또는 LED 또는 OLED 디스플레이)에 연속적으로 전달하고 마이크로제어기(270)가 적층 제조 장치의 기계적, 전기적 및/또는 광학적 요소를 작동시키록 신호를 보내는 것을 포함하여)을 수행하도록 하는 지령을 포함하는 하나 이상의 모듈(208)을 가질 수 있다. 어떤 실시 형태에서, 3D 모델 데이터는 STL, STEP 또는 다른 3D 벡터 파일 포맷에 제공될 수 있고, 모듈(들)(202)로 처리하기 위한 저장 매체(204)에 저장될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 입력된 3D 모델 데이터는 사용자 컴퓨터 시스템(240)으로부터 또는 통신 네트워크(220)를 통해 층별로 수신되며 RAM(206) 또는 모듈(들)(202)로 처리하기 위한 저장 매체(204)에 저장될 수 있다.
시스템(201)에 의해 수행되는 처리는 도 7 에 나타나 있는 바와 같이 컴퓨터 시스템(201)과 관련되어 있는 저장 매체(204)에 저장되는 하나 이상의 소프트웨어 모듈 또는 요소(202)의 프로그래밍 지령의 형태로 실행된다. 그러나, 대안적으로 처리는, 예컨대 적용 특정 집적 회로(ASIC)와 같은 하나 이상의 전용 하드웨어 요소 및/또는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)와 같은 구성가능한 하드웨어 요소를 위한 구성어 데이터의 형래로 부분적으로 또는 전체적으로 실행될 수 있다.
일 실시예에서, 도 8 에 나타나 있는 바와 같이, 소프트웨어 요소(202)는 마스터 제어 요소(280)를 포함하는데, 이 요소는 제어 시스템(200)의 제어를 받는 적층 제조 공정의 전체 흐름을 조정한다. 마스터 제어 요소(280)는 기계적 작동 요소(286)와 통신하여, 이 작동 요소는 제어 신호를 발생시켜, 마이크로제어기(270)를 통해 펌프 또는 모터와 같은 적층 제조 장치의 기계적 부품을 구동시킨다. 마스터 제어 요소(280)는 또한 광학 제어 요소(288)와도 통신하는데, 이 광학 제어 요소는 제어 신호를 발생시켜, (마이크로제어기(270)를 통해) 방사선 어셈블리(10 또는 60)의 방사선원을 턴온 또는 턴오프시키고 조사(irradiation)의 기간 및 세기를 제어한다.
마스터 제어 요소(280)는 3D 모델 데이터와 같은 사용자 입력 데이터, 및 빌드 표면에 대한 대상물의 위치 및 배향, 동일한 뱃치(batch) 인쇄에서 복수 대상물의 배치, 및 원하는 인쇄층 두께(예컨대, 얼마나 많은 슬라이스를 생성시킬 필요가 있는지를 결정함)와 같은 빌드 파라미터를 받을 수 있다. 입력 테이터는 모델 처리 요소(282)에 보내지고, 이 처리 요소는 상기 빌드 파라미터에 따라 3D 모델 데이터를 "슬라이스"하여 일련의 2차원 이미지 파일을 생성하고, 이 파일은 예컨대 저장 매체(204)에 저장될 수 있다. 모델 처리 요소는 GnexLab, EnvisionLabs Creation Workshop, Slic3r 또는 FreeSteel와 같은 알려져 있는 슬라이싱 소프프웨어를 포함할 수 있다. 일단 슬라이싱 작업이 모델 처리 요소(282)에 의해 수행되면, 출력된 슬라이스는 마스터 제어 요소(280)에 의해 디스플레이 제어 요소(284)에 전달되고, 이 디스플레이 제어 요소는 제어 신호를 LCD(5)에 보내어, 디스플레이 제어 요소(284)에 의해 전달되는 이미지 슬라이스에 대응하는 패턴에 따라 픽셀 어레이(256)가 개별 픽셀을 턴온 또는 턴오프시킨다.
인쇄 작업 중에, 슬라이스(이미지 파일)는 디스플레이 제어 요소(284)에 의해 (디스플레이 어댑터(214)를 통해) LCD(5)의 스칼라 보드(252)에 전달된다. 스칼라 보드는 디스플레이와 상호 접속하는 널리 사용되는 표준적인 방법이다. 일반적으로, 스칼라 보드는 상용 LCD 모니터 또는 텔레비젼 내부에 전자 장치 어셈블리의 일 부분으로서 내장된다. 스칼라 보드(252)는 디지털 신호(HDMI 또는 DVI) 또는 아날로그 신호(VGA)로부터 이미지 또는 비디오 파일을 저전압 차동 신호(LVDS)에 보내고, 이 신호는 LCD(5)의 내부 제어 보드(254)에 의해 해석가능하다. 내부 제어 보드(254)는 디스플레이 제어 요소(284)로부터 받는 입력 이미지에 따라 픽셀 어레이(256)의 픽셀을 스위치 온 또는 오프시킨다.
인쇄 중에, 컴퓨터 시스템(201)은 USB 또는 시리얼 인터페이스(예컨대, RS-232 인터페이스)를 통해, 적층 제조 장치의 모든 다른 액츄에이터를 구동시킬 수 있는 마이크로제어기(270)와 상호접속한다. 예컨대, 마이크로제어기(270)는 스텝퍼 모터(21), 방사선 모듈(10 또는 60)의 광원, 추가적인 중합가능 매체(40 또는 51)를 용기(1 또는 50) 안으로 펌핑하기 위한 하나 이상의 펌프(미도시), 용기(50) 및/또는 빌드 플랫폼(70) 및/또는 방사선 모듈(60)의 운동을 구동시키기 위한 선형 또는 회전 운동 액츄에이터 등을 구동시킬 수 있다. 마이크로제어기(270)는 용기 내의 중합가능 재료를 위한 레벨 센서, 빌드 플랫폼 높이 센서, 용기(50) 및/또는 빌드 플랫폼(70) 및/또는 방사선 모듈(60)을 위한 측방 슬라이딩 이동 엔드 스탑 센서(들), 수직 엔드 스탑 센서, 온도 센서, 지지부(22)를 위한 햇치 폐쇄 센서 등과 같은 다양한 센서로부터의 입력을 판독할 수 있다.
각 층(슬라이스 이미지 파일)이 디스플레이 제어 요소(284)로부터 스칼라 보드(252)에 보내지고 필요한 경화 시간 동안 디스플레이(5)에 투사된 후에(경화 시간은 빌드 파라미터 중의 하나로서 제공될 수 있고 그리고/또는 광원의 세기와 방출 스펙트럼 및 중합가능 매체의 특성에 따라 결정됨), 마스터 제어 요소(280)가 적절한 타이밍 및 순서로 기계적 작동 요소(286) 및 광학적 제어 요소(288)에 지시하여 신호를 마이크로제어기(270)에 보내게 하고, 그 마이크로제어기는 신호를 해석하여 다양한 모터, 펌프 및 광원을 원하는 순서로 구동시킬 수 있다.
도 5a 내지 5c의 적층 제조 장치(500) 또는 도 5d 및 5e 의 적층 제조 장치(550)를 사용하여 실행할 수 있는 적층 제조 방법이 도 9 에 나타나 있다. 단계 810 에서, 기계적 작동 요소(286)는 마이크로제어기(270)에 신호를 보내어 빌드 플랫폼(70)을 그의 출발 위치로 이동시킨다. 필요하다면, 단계 820 에서, 방사선 어셈블리(60)가 출발 위치로 이동되어(마찬가지로, 기계적 작동 요소(286)를 통해), 중합가능 재료의 얇은 층이 빌드 플랫폼(70)의 빌드 표면과 방사선 어셈블리(60) 사이에 형성된다.
단계 830 에서, 방사선 어셈블리(60)의 방사선원이 광학 요소(288)에 의해 스위치 온되고, 전술한 바와 같이, LCD(5)의 픽셀 어레이(256)가 형성될 대상물의 제 1 이미지 슬라이스에 대응하는 원하는 패턴에 따라 디스플레이 제어 요소(284)에 의해 제어된다. 방사선 어셈블리(60)가 LED 픽셀 어레이를 포함하는 실시 형태에서는, 디스플레이 제어 요소(284)가 단순히 LED 픽셀로부터 직접 원하는 패턴을 투사할 수 있으므로, 방사선원은 별도로 스위치 온될 필요는 없다. 패턴화된 방사선의 결과, 중합가능 재료의 얇은 층이 방사선에 노출되는 영역에서 중합된다(단계 840).
일단 얇은 층이 원하는 방식으로 경화되면, 픽셀 어레이(256) 및/또는 방사선원은 디스플레이 제어 요소(284) 및/또는 광학 요소(288)에 의해 스위치 오프된다(단계 850). 다음, 단계 860 에서, 용기(50) 표면 또는 방사선 어셈블리(60) 표면에 있는 접촉 표면으로부터 경화된 층을 분리시키기 위해 방사선 어셈블리(60) 및/또는 용기(50)가 힌지(53) 주위로 빌드 플랫폼(70)에 대해 회전할 수 있다(또는 그 반대로).
장치(500 또는 550)를 위치시켜 대상물의 다음 층을 중합시키기 위해, 단계 870 에서, 빌드 플랫폼(70)을 원하는 층 두께와 같은 양 만큼 방사선 어셈블리(60)에 대해 수직으로 이동시키기 위해, 기계적 작동 요소(286)가 마이크로제어기(270)를 통해 빌드 플랫폼(70)의 액츄에이터 또는 방사선 어셈블리(60)의 액츄에이터에 제어 신호를 보낸다. 이리하여, 미리 경화된 층과 방사선 어셈블리(60) 사이에 남아 있는 공극을 중합가능 재료의 새로운 얇은 층이 메꾸게 된다. 형성될 대상물의 각 층에 대해 단계 820 ∼ 880가 반복된다. 마지막으로, 단계 890 에서, 사용자가 완성된 대상물을 빌드 표면으로부터 쉽게 제거할 수 있는 위치로 빌드 플랫폼70)을 이동시키기 위해, 기계적인 작동 요소(286)가 빌드 플랫폼(70)의 액츄에이터에 신호를 보낼 수 있다.
예컨대 도 6a 내지 65c의 적층 제조 장치(600) 또는 도 6d 및 6e 의 적층 제조 장치(650)에 의해 실행될 수 있는 적층 제조 방법의 대안적인 실시 형태가 도 10 에 나타나 있다.
방법(900)은 많은 점에서 방법(800)과 유사하다. 단계 910 에서, 기계적 작동 요소(286)는 마이크로제어기(270)에 신호를 보내어 빌드 플랫폼(70)을 그의 출발 위치로 이동시킨다. 필요하다면, 단계 920 에서, 방사선 어셈블리(60)가 출발 위치로 이동되어(마찬가지로, 기계적인 작동 요소(286)를 통해), 중합가능 재료의 얇은 층이 빌드 플랫폼(70)의 빌드 표면과 방사선 어셈블리(60) 사이에 형성된다.
단계 930 에서, 방사선 어셈블리(60)의 방사선원이 광학 요소(288)에 의해 스위치 온되고, 전술한 바와 같이, LCD(5)의 픽셀 어레이(256)가 형성될 대상물의 제 1 이미지 슬라이스에 대응하는 원하는 패턴에 따라 디스플레이 제어 요소(284)에 의해 제어된다. 방사선 어셈블리(60)가 LED 픽셀 어레이를 포함하는 실시 형태에서는, 디스플레이 제어 요소(284)가 단순히 LED 픽셀로부터 직접 원하는 패턴을 투사할 수 있으므로, 방사선원은 별도로 스위치 온될 필요는 없다. 패턴화된 방사선의 결과, 중합가능 재료의 얇은 층이 방사선에 노출되는 영역에서 중합된다(단계 940).
일단 얇은 층이 원하는 방식으로 경화되면, 픽셀 어레이(256) 및/또는 방사선원은 디스플레이 제어 요소(284) 및/또는 광학 요소(288)에 의해 스위치 오프된다(단계 950).
다음, 단계 960 에서, 전술한 바와 같이, 용기(50) 표면 또는 방사선 어셈블리(60) 표면에 있는 접촉 표면으로부터 경화된 층을 전단(shearing) 운동으로 분리시키기 위해, 기계적인 작동 요소(286)가 작동 신호를 보내어 방사선 어셈블리(60) 및/또는 용기(50)를 빌드 플랫폼(70)에 대해 옆으로 이동시킨다(또는 그 반대로).
장치(500 또는 550)를 위치시켜 대상물의 다음 층을 중합시키기 위해, 단계 970 에서, 빌드 플랫폼(70)을 원하는 층 두께와 같은 양 만큼 방사선 어셈블리(60)에 대해 수직으로 이동시키기 위해, 기계적 작동 요소(286)가 마이크로제어기(270)를 통해 빌드 플랫폼(70)의 액츄에이터 또는 방사선 어셈블리(60)의 액츄에이터에 제어 신호를 보낸다. 이리하여, 미리 경화된 층과 방사선 어셈블리(60) 사이에 남아 있는 공극을 중합가능 재료의 새로운 얇은 층이 메꾸게 된다. 형성될 대상물의 각 층에 대해 단계 920 ∼ 980가 반복된다. 마지막으로, 단계 990 에서, 사용자가 완성된 대상물을 빌드 표면으로부터 쉽게 제거할 수 있는 위치로 빌드 플랫폼(70)을 이동시키기 위해, 기계적인 작동 요소(286)가 빌드 플랫폼(70)의 액츄에이터에 신호를 보낼 수 있다.
특정 실시 형태를 설명하고 예시했지만, 당업자라면, 첨부된 청구 범위에 규정되어 있는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다양한 수정과 전술한 실시 형태의 특징들의 조합이 가능함을 알 것이다.

Claims (14)

  1. 적층 제조 장치로서,
    방사선 노출시 중합될 수 있는 재료를 담기 위한 용기로서, 상기 용기는 측벽들 및 용기의 바닥에 투명한 하측벽을 구비하는 것인, 용기;
    빌드(build) 표면을 갖는 빌드 플랫폼으로서, 상기 빌드 표면은 빌드 표면 상에 대상물이 형성되도록 배치되고, 상기 빌드 플랫폼은 상기 투명한 하측벽으로부터 상방으로 이동하도록 되어 있는 것인, 빌드 플랫폼;
    동적 마스크 요소 및 방사선원을 포함하고, 상기 용기의 바닥 아래에 배치되는 프로그램 가능한 방사선 모듈; 및
    상기 용기의 바닥과 상기 프로그램 가능한 방사선 모듈 사이에 배치되는 강성 투명 부재로서, 상기 프로그램 가능한 방사선 모듈 및 상기 강성 투명 부재는 상기 용기의 투명한 하측벽 및 측벽들에 부착되고, 상기 방사선원은 상기 동적 마스크 요소의 선택적인 활성화에 의해 미리 결정된 패턴을 갖는 방사선을 생성하도록 구성될 수 있는 것인, 강성 투명 부재
    를 포함하고, 상기 프로그램 가능한 방사선 모듈은 상기 빌드 표면과 상기 투명 하측벽 사이의 미경화 재료의 층을 조사하도록 배치되어, 상기 미경화 재료의 층은 경화시 상기 대상물의 층을 형성하도록 상기 투명 하측벽 및 상기 빌드 표면과 접촉하는 것인 적층 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동적 마스크 요소는 개별적으로 어드레스 가능한 요소들의 어레이를 포함하는 것인 적층 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 동적 마스크 요소는 액정 디스플레이(LCD)를 포함하는 것인 적층 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 LCD는 단색 LCD인 것인 적층 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용기는 상기 투명한 하측벽에 부착된 비점착성 층 또는 중합 억제 층을 포함하는 것인 적층 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용기와 상기 빌드 플랫폼 간의 상대적인 회전을 가능하게 하는 회전 기구를 더 포함하는 적층 제조 장치
  7. 제1항에 있어서,
    상기 용기는 상기 프로그램 가능한 방사선 모듈이 인접하여 배치되는 경화 영역 및 상기 경화 영역에 인접해 있는 분리 영역을 포함하고, 상기 분리 영역은 경화 영역의 깊이와는 다른 깊이를 가지며,
    상기 적층 제조 장치는 상기 빌드 플랫폼이 상기 경화 영역으로부터 상기 분리 영역으로 이동 가능하도록 상기 빌드 플랫폼의 상대적인 위치를 변경하는 선형 병진 이동 기구를 더 포함하는 것인 적층 제조 장치.
  8. 적층 제조 방법으로서,
    방사선 노출시 중합될 수 있는 재료로 용기를 적어도 부분적으로 채우는 단계로서, 상기 용기는 측벽들 및 용기의 바닥에 투명한 하측벽을 구비하는 것인, 채우는 단계;
    빌드 표면을 갖는 빌드 플랫폼을 제공하는 단계로서, 상기 빌드 표면은 빌드 표면 상에 대상물이 형성되도록 배치되고, 상기 빌드 플랫폼은 상기 투명한 하측벽으로부터 상방으로 이동하도록 되어 있는 것인, 빌드 플랫폼을 제공하는 단계;
    동적 마스크 요소 및 방사선원을 포함하는 프로그램 가능한 방사선 모듈을 제공하는 단계로서, 상기 용기의 바닥 아래에 상기 프로그램 가능한 방사선 모듈을 배치하는 단계를 포함하는 것인, 프로그램 가능한 방사선 모듈을 제공하는 단계; 및
    상기 용기의 바닥과 상기 프로그램 가능한 방사선 모듈 사이에 강성 투명 부재를 제공하는 단계로서, 상기 프로그램 가능한 방사선 모듈 및 상기 강성 투명 부재는 상기 용기의 투명한 하측벽과 측벽들에 부착되는 것인, 강성 투명 부재를 제공하는 단계
    를 포함하고, 상기 프로그램 가능한 방사선 모듈을 제공하는 단계는, 상기 빌드 표면과 상기 투명한 하측벽 사이의 미경화 재료의 층을 조사하도록 상기 프로그램 가능한 방사선 모듈을 배치하는 단계를 포함하여, 상기 미경화 재료의 층이 경화시 상기 대상물의 층을 형성하도록 상기 투명한 하측벽 및 상기 빌드 표면과 접촉하는 것인 적층 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 동적 마스크 요소는 개별적으로 어드레스 가능한 요소들의 어레이를 포함하는 것인 적층 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 동적 마스크 요소는 액정 디스플레이(LCD)를 포함하는 것인 적층 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 LCD는 단색 LCD인 것인 적층 제조 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 용기는 상기 투명한 하측벽에 부착된 비점착성 층 또는 중합 억제 층을 포함하는 것인 적층 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 용기와 상기 빌드 플랫폼 간의 상대적인 회전을 가능하게 하는 회전 기구를 제공하는 단계
    를 더 포함하는 적층 제조 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 용기는 상기 프로그램 가능한 방사선 모듈이 인접하여 배치되는 경화 영역 및 상기 경화 영역에 인접해 있는 분리 영역을 포함하고, 상기 분리 영역은 경화 영역의 깊이와는 다른 깊이를 가지며,
    상기 적층 제조 방법은 상기 빌드 플랫폼이 상기 경화 영역으로부터 상기 분리 영역으로 이동 가능하도록 상기 빌드 플랫폼의 상대적인 위치를 변경하는 선형 병진 이동 기구를 제공하는 단계를 더 포함하는 것인 적층 제조 방법.
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