KR20210134304A - 균일한 평면 표면을 이용하여 3D 인쇄 시스템에서 광 개시 중합 반응(light-initiated polymerization reaction)의 산소 억제를 방지하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

균일한 평면 표면을 이용하여 3D 인쇄 시스템에서 광 개시 중합 반응(light-initiated polymerization reaction)의 산소 억제를 방지하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20210134304A
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마이클 제노우
지브 길란
다니엘 립츠
유발 샤이
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아이오 테크 그룹 엘티디.
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Abstract

반응 표면으로부터 산소를 강제로 분리하여 광 개시 중합 반응의 산소 억제를 방지하는 시스템 및 방법. 일부 실시양태에서, 평탄화 표면(예를 들어, 얇은 투명 필름 및/또는 투명한 평면 표면)을 워크피스(workpiece) 상에 배치된 UV 경화성 재료의 층과 접촉시킨 다음, 상기 UV 재료를 경화시킨 후 상기 평탄화 표면을 상기 워크피스로부터 이동시킴으로써 산소가 퍼징된다.

Description

균일한 평면 표면을 이용하여 3D 인쇄 시스템에서 광 개시 중합 반응(light-initiated polymerization reaction)의 산소 억제를 방지하기 위한 시스템 및 방법
이것은 2018년 12월 11일에 출원된 미국 가출원 번호 62/777,902의 일반 출원(NONPROVISIONAL)이고, 이를 우선권 주장하며 참조로 포함한다.
본 발명은 불활성 기체 흐름(inert gas flow)을 이용하여 반응 표면으로부터 산소를 퍼징(purging)하거나, 강성(rigid) 평면 표면으로 반응 표면을 덮어서 반응 표면으로부터 산소를 강제로 분리함으로써 3D 인쇄 시스템에 의해 사용되는 광 개시 중합 반응의 산소 억제를 방지하는 시스템에 관한 것이다.
많은 적층 제조 또는 소위 3차원("3D") 인쇄 적용은 자외선("UV") 광경화성 중합체를 사용한다. UV 경화 공정은 광개시(photoinitiation), 전파(propagation) 및 종료(termination)의 3단계로 구성된다. 광개시 중에 광개시제는 자외선에 노출되면 자유 라디칼을 생성한다. 이 자유 라디칼은 근처의 단량체와 반응하여 자유 라디칼로 전환한다. 다음으로, 전파 단계에서 자유 라디칼 단량체는 다른 단량체와 결합하여 해당 단량체를 자유 라디칼로 전환한다. 이러한 방식으로 단량체는 중합체 쇄를 형성한다. 이 공정은 종료될 때까지 계속된다. 종료는, 두 개의 쇄가 서로 결합하는 경우 자유 라디칼이 단량체로 이동하거나, 상기 쇄가 단량체가 아닌 환경의 분자와 반응하는 경우를 포함하여 여러 방식으로 발생할 수 있다.
경화를 억제하는 산소와 광 중합체 사이에는 ??칭(quenching)과 스캐빈징(scavenging)의 두 가지 상호 작용이 있다. 광개시제가 자외선에 노출되어 여기되면 자유 라디칼이 생성된다. 분자 산소는 이 자유 라디칼과 쉽게 반응하여 쇄 전파 과정에서 단량체와 반응하는 것을 방지한다. 이것이 ??칭 반응이다. 이 반응은 또한 산소 자유 라디칼을 생성한다. 스캐빈징 반응에서 이 산소 자유 라디칼은 전파하는 중합체 쇄의 일부인 자유 라디칼과 반응한다. 이 반응은 반응성이 낮은 자유 라디칼을 생성하여 중합 과정을 조기에 종료한다. 이 두 공정은 다음과 같이 표현할 수 있다.
??칭 반응: PI* + O2 → PI + O2 *
스캐빈징 반응: R· + O2 * → R-O-O·
이러한 현상으로 인해, 3D 인쇄 공정에서 경화 중에 광중합체가 산소에 노출되면 공기에 노출된 표면에 경화되지 않은 중합체 잔류물이 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시양태에서, 산소는 얇은 투명 필름 및/또는 UV 경화성 재료와 접촉하게 되는 투명 평면 표면을 사용하여 UV 경화성 재료 표면으로부터 퍼징된다. 하나의 예에서, UV 경화성 재료의 층을 갖는 워크피스(workpiece)는 상기 필름과 접촉하도록 들어 올려진다. 필름 장력은 산소 버블(oxygen bubble) 제거를 최적화하기 위해 제어된다. 롤러를 사용하여 버블을 제거할 수도 있다. 투명 평면 표면을 유지하는 아암(arm)이 아래쪽으로 회전하여 플레이트(plate)가 한쪽 끝에서 시작하여 점차 다른 쪽 끝까지 상기 필름 및 상기 UV 경화성 재료와 접촉하게 한다. 이것은 기포(air bubble)의 제거를 추가로 돕는다. UV 경화성 재료와 평탄화 표면 사이의 접촉은 평탄화 표면의 반사율을 측정하는 카메라를 사용하여 모니터링된다. 이 공정은 또한 UV 경화성 재료의 층을 평탄화하여 UV 경화 중에 상기 층 상단의 평면성을 보장한다. 완전한 접촉이 완료된 후, UV 광이 UV 경화성 재료의 층을 경화시킨다. 그런 다음 평탄화 표면이 인쇄물로부터 들어 올려지고 필름이 벗겨진다.
본 발명의 다른 실시양태에서, 강성 플레이트 없이 UV 경화성 재료와 접촉하고 평탄화를 수행하기 위해 장력을 받는 얇은 필름만이 사용된다. 롤러로 상기 필름을 벗기는 동일한 방법을 사용할 수 있다. 또는, 장력 상태의 얇은 필름 없이 UV 경화성 재료와 접촉하고 평탄화를 수행하기 위해 강성 플레이트만 사용할 수 있다.
본 발명의 이들 및 추가 실시양태는 첨부된 도면을 참조하여 아래에 설명되며, 여기서 본 발명은 실시예로서 예시되며 이로써 제한되지 않는다.
도 1a 내지 1c는 인쇄될 물체(도 1a) 위에 UV 경화성 재료의 층이 증착(depositing)되고(도 1b), 이것은 이후 UV광에 노출되어 경화되는(도 1c) 종래의 3D 인쇄 공정의 포인트를 도시한다.
도 2는 UV 경화 공정 동안 중합 공정의 산소 억제를 방지하기 위해 투명 플레이트 및 필름이 사용되는 본 발명의 다른 실시양태에 따라 구성된 UV 경화 시스템을 도시한다.
도 3의 a 및 b는 도 2에 도시된 UV 경화 시스템의 작동 양상을 도시하고, 특히 도 3의 a에서 UV 경화성 재료의 층은 필름 및 플레이트 배열과 접촉하도록 들어 올려져 그 사이의 계면에서 산소를 강제로 배출시키고, 도 3의 b에서는 산소가 제거된 후 UV 경화성 재료의 층이 UV 경화된다.
도 4a, 4b 및 4c는 도 2에 도시된 UV 경화 시스템의 작동 양상을 도시하고, 특히 도 4a에서 투명 플레이트가 워크피스로부터 들어 올려지고 롤러가 필름을 벗겨 내며, 일정한 필름 장력으로(도 4b) 및 일정한 필름 장력 없이(도 4c) 롤러에 의해 필름이 벗겨져 경화된 층으로부터 필름의 작은 박리 각도 또는 경화된 층으로부터 필름의 큰 박리 각도를 각각 초래함을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시양태에 따른 UV 경화 시스템의 작동 과정의 단계를 예시하는 흐름도이다.
도 6의 a 및 b는 경화 전 워크피스의 높이를 측정하고 이전에 보정된 측정치를 사용하여 본 발명의 일 실시양태에 따른 필름에 대한 접촉 거리를 결정하는 높이 센서의 예를 도시한다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시양태에 따라 필름 및 투명 표면(transparent surface)과의 접촉을 제어하기 위해 UV 경화성 층의 높이를 실시간으로 측정하는 높이 센서의 예를 도시한다.
도 8, 9, 11 및 12는 UV 경화 전에 산소를 제거하기 위해 도 2에 도시된 UV 경화 시스템과 관련하여 사용되는 투명 필름 및 투명 표면을 운반하기 위한 어셈블리의 양태를 도시한다.
도 10의 a 내지 d는 도 2에 도시된 UV 경화 시스템에서 필름 접촉을 최적화하기 위한 한 가지 방법의 양태를 예시한다.
도 13, 14a 및 14b는 도 2에 도시된 UV 경화 시스템과 관련하여 사용되는 UV 경화 모듈의 양상을 도시한다.
본 발명의 실시양태는 주위 조건에서 광 개시 중합 반응의 산소 억제를 방지하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명을 자세히 설명하기 전에 개요를 제시하는 것이 도움이 된다. 도 1a, 1b 및 1c에 도시된 일련의 이미지를 참조하면, 물체(10)가 제조되고 있는 많은 3D 인쇄 공정에서 재료 인쇄 시스템(12)은 표면(16) 상에 UV 경화성 재료(14)를 증착하는 데 사용된다. 그 후 이 증착된 재료는 UV 광원(18)으로 경화되어 원하는 부분(10')의 새로운 층을 생성한다. 이 공정은 제작중인 부품이 완료될 때까지 계속된다.
이제 본 발명의 실시양태를 예시하는 도 2 내지 5를 참조하면, UV 경화 시스템(60)에서, UV 공급원(UV source; 26)과 UV 경화성 층(36) 사이에 배치되는, 셀룰로오스, 파라필름(플라스틱 파라핀 필름), 테플론 또는 기타 폴리테트라플루오로에틸렌 기반 중합체 등과 같은 접착 방지 특성의 재료로 만들어진 얇은 투명 필름(62) 및 투명 평면 표면(64)을 사용하여 UV 경화성 층(36)의 표면(54)으로부터 산소가 퍼징된다. 상기 필름(62) 및 표면(64)은 제조 중인 부품을 제조하는데 사용되는 광경화성 재료의 경화가 달성되는 UV 공급원(62)의 하나 이상의 파장에서 투명하다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, UV 경화성 재료(36)가 인쇄 표면 상에 증착된 후, 상기 UV 경화성 재료의 층(즉, 워크피스(34))이 필름(62)과 접촉하도록 들어 올려진다. UV 경화성 재료(36) 표면이 얇은 투명 필름(62)에 대해 눌려서, 산소가 이들 둘 사이의 계면으로부터 강제로 배출된다. 이 공정은 필름 장력을 조정하기 위해 한 쌍(또는 여러 쌍)의 롤러(66)를 사용하여 지원될 수 있으며, 이에 따라 UV 경화성 재료(36)의 표면으로부터 산소 버블을 제거할 수 있다.
UV 경화 시스템(60)의 아암(68)은 투명 표면(64)을 유지하고 도면에 나타낸 바와 같이 축을 중심으로 아래쪽으로 회전하여, 표면(64)이 표면(64)의 한쪽 끝에서 시작하여 다른 쪽 끝까지 점진적으로 계속되는 각도 방식으로 필름(62) 및 UV 경화성 재료(36)와 접촉하게 한다. 그 작용은 힌지(hinge)에서 닫히는 도어(door)의 작용과 유사하며, 힌지 포인트는 필름(62)과 처음 접촉하기 위해 표면(64)의 단부 근처에 있다. 투명 표면(64)의 길이에 걸쳐 필름(62) 전체를 천천히 접촉시키는 이러한 힌지형 방식은 필름(62)과 UV 경화성 재료(36)의 계면으로부터 산소(예를 들어, 기포 형태)의 제거를 추가로 돕는다. 투명 표면(64)은 그 존재가 UV 경화 동안 UV 경화성 재료의 층의 상부의 평탄성을 보장하는 경향이 있기 때문에 평탄화 표면으로 지칭된다. 즉, UV 경화성 재료(36) 위에 놓이고 접촉하는 필름(62)과 접하는 강성 표면인 투명 표면(64)은 중단부(stop) 역할을 하여, UV 경화성 재료의 균일한 층이 UV 공급원으로부터의 광에 노출될 때 UV 경화성 재료의 균일한 층을 보장한다.
필름(62)과 UV 경화성 재료(36)와 평탄화 표면(64) 사이의 접촉은 높이 센서(70)로서 반사율을 측정하는 카메라 또는 다른 센서를 사용하여 확인할 수 있다. 상부에 UV 경화성 재료(36)를 갖는 워크피스가 필름(62)과 접촉하기 때문에, 필름의 반사율이 변경된다. 반사율을 측정함으로써 시스템은 완전한 접촉이 이루어진 시기를 결정할 수 있다.
높이 센서에 대한 몇 가지 옵션이 존재한다. 하나의 예에서, 도 2 내지 도 4a 및 7a에 도시된 바와 같이, 높이 센서는 UV 공급원(26)과 워크피스와 부분 반사 거울 또는 다른 광학 부품(72) 사이의 광 경로(optical pass)의 한 쪽으로 옮겨져 높이 센서에 대한 관심 파장의 반사광(90)이 상기 광 경로에 위치하는 동안 UV 경화성 재료(36)를 경화시키기 위해 관심 파장의 UV 광(48)이 통과하도록 한다. 본 명세서에 설명된 다양한 예에서, 높이 센서는 UV 재료 경화성 층의 광경화를 시작하지 않을 파장의 광으로 작동한다. 예를 들어, 적외선 스펙트럼의 광이 사용될 수 있다. 이제, 상부에 UV 경화성 재료(36)를 갖는 워크피스가 필름(62)과 접촉하고 투명 표면(64)이 그 상부의 위치로 내려감에 따라, 공정은 거울(72)에 의해 필름(62)에서 높이 센서(70) 쪽으로 반사된 광(90)으로부터의 인풋(input)을 받은 높이 센서(70)에 의해 모니터링된다.
필름(62)과 투명 표면(64)과 워크피스(34) 사이의 완전한 접촉이 달성된 후, UV 공급원(26)으로부터의 UV 광(48)은 도 3의 b에 도시된 바와 같이 UV 경화성 재료의 층(36)을 경화시킨다. 거울(72), 투명 플레이트(64) 및 투명 필름(62)은 경화 UV 광의 파장(들)에서 투명(또는 거의 투명)이기 때문에, UV 공급원(26)에 의해 방출된 파장의 광은 비교적 바뀌지 않은 거울(72), 투명 플레이트(64) 및 투명 필름(62)을 통과하고 UV 경화성 재료(36)에 입사한다. UV 경화성 재료의 층(36)이 경화된 후, 공급원(26)으로부터 UV 광이 중단되고 투명 표면(64)은 인쇄물로부터 들어 올려진다.
높이 센서의 대안적인 배열이 도 7b에 도시되어 있다. 이 예에서, 광원(92)은 광 빔(94)이 검출기(96)를 향하도록 한다. 상기 광원 및 검출기는 워크피스가 필름(62)에 접촉하도록 상승하는 경우 광 빔(94)이 검출기(96)로부터 차단되도록 워크피스(34)의 반대 측에 배열된다. 상기 검출기에 도달하는 광의 부재는 워크피스가 적절한 높이로 상승하였고 UV 경화 공정이 시작될 수 있다는 신호로 작용한다. 이 설명에서 단일 높이 센서가 설명되었지만, 실제로는 설명된 실시양태 중 임의의 것에 대해 동시에 사용되는 다중 높이 센서가 있을 수 있고, 조합, 가능하게는 이러한 다중 높이 센서 각각에 의해 제공되는 아웃풋(output)의 가중 조합에 기초하여 평가되는 워크피스와 필름 사이의 상대적 거리가 있을 수 있다.
높이 센서(70)를 위한 또 다른 배열이 도 6의 a에 도시되어 있다. 이 예에서, 높이 센서는 UV 경화 시스템으로부터 원격으로 위치 및 작동되고 경화 공정이 시작되기 전에 워크피스(34)의 높이를 측정한다. 그 다음, 워크피스가 UV 경화 시스템(60)의 작동 영역 내에 들어오고, 이전에 보정된 측정에 기초하여, 도 6의 b에 도시된 바와 같이 필름(64)과 접촉하도록 측정된 높이로부터 필요하다고 간주하는 만큼 상승한다. 또 다른 높이 센서 배열은 워크피스가 필름(62)과 접촉한 시기를 결정하기 위해 하나 이상의 압력 센서 또는 스트레인 게이지(strain gauge)(도시하지 않음)를 사용할 수 있다. 예를 들어, 워크피스가 필름(62)과 접촉하는 경우 필름의 일부 변형이 예상될 수 있다. 필름과 관련된 전도성 스트립(필름의 미작동 영역 내)은 필름이 장력을 받고 있는 경우 변형을 경험할 수 있으며 전도성 스트립을 통해 흐르는 전류 측정치의 결과적인 변화는 워크피스와 필름 사이의 충분한 접촉이 이루어졌음을 나타낼 수 있다.
경화 공정이 완료되고 투명 표면(64)이 제거되면, 필름(62)이 워크피스로부터 제거될 수 있다. 그러나 이 과정에서 새로 경화된 UV 경화 재료의 층이 손상되지 않도록 주의해야 한다. 따라서, 필름이 워크피스에 부착되고 궁극적으로 새로 경화된 UV 경화성 재료의 층이 분리될 때 찢어질 수 있기 때문에, 투명 필름(62)으로부터 단순히 워크피스를 낮추는 대신, 일련의 롤러를 사용하여 워크피스로부터 필름을 벗긴다. 필름과 워크피스 사이의 분리 지점에서 큰 각도를 달성함으로써, 예를 들어, 가로 방향력 또는 다른 힘으로 인한 인쇄물 손상을 방지할 수 있다. 장력을 받는 얇은 필름(62)만이 워크피스(34)와 접촉하고 평탄화를 수행하기 위해 사용되는 본 발명의 실시양태에서도, 투명 표면(64) 없이, 롤러로 필름을 제거하는 이와 동일한 방법이 사용될 수 있다. 또한, 이 방법은 투명 표면(64)만이 워크피스와 접촉하고 필름 없이 평탄화를 수행하는 데 사용되는 실시양태에서 사용될 수 있다.
롤러의 작용에 관한 추가 세부 사항은 도 4a, 4b 및 4c를 참조하여 가장 잘 이해된다. 도 4의 a에서, 투명 표면(64)은 워크피스(34)로부터 들어 올려졌다. 그런 다음 워크피스(34)(즉, 그 상부의 새로 경화된 층)로부터 필름(62)을 분리하기 위해, 필름의 한쪽에 배치된 한 쌍의 롤러(66)가, 상기 롤러가 장착된 아암(도 11의 요소(114))을 올리는 피스톤(도면에는 표시되지 않았지만, 도 11의 요소(112) 참조)에 의해 필름으로부터, 예를 들어, 0.1-3mm 정도 들어 올려진다.
도 4b 및 4c에 도시된 바와 같이, 롤러의 배열은 워크피스(34)의 새로 경화된 층과 필름(62) 사이에 워크피스의 상단 표면에 걸쳐 (도면에 도시된 그림 뒤로 들어가는 방향으로) 횡 방향으로 연장되는 분리선 사이의 각도를 생성한다. 워크피스(34)로부터 분리되는 동안 필름(62)에 장력이 유지된다면, 상기 필름은 도 4b에 도시된 바와 같이 하부 롤러(66l)와 계속 접촉하고 작은 분리 각(74)으로 워크피스로부터 분리될 것이다. 그러나 롤러가 이동함에 따라 필름의 장력이 풀리면, 필름(62)은 도 4c에 도시된 바와 같이 워크피스(34) 상의 동일한 접촉 지점에 부착되고 상부 롤러(66u) 주위로 감긴다. 이것은 필름이 다시 장력을 받을 때 분리 각(76)을 넓힌다.
필름의 박리는 주기적으로 필름의 장력을 풀어줌으로써 최적화된다. 분리 공정 동안, 한 쌍의 롤러(66)가 안착되는 프레임은 워크피스의 반대쪽 단부를 향해 미끄러져 필름(62)을 워크피스로부터 벗겨 낸다. 이 작업이 필름(62)과 워크피스(34)의 표면 사이에 큰 분리 각이 있는 도 4c를 참조하여 설명된 조건하에서 수행될 때, 박리력은 워크피스(34)의 최상층의 좁은 영역에만 적용된다. 이것은 워크피스 표면의 평면(즉, 도 4b 및 4c의 x-y 평면)에서 새로 경화된 층에 최소한의 힘을 가하면서 필름(62)이 워크피스(34)로부터 분리되도록 하여, 워크피스의 새로 경화된 층의 손상을 최소화한다. 따라서, 필름(62)은 워크피스의 새로 경화된 표면 전체로부터 한꺼번에 분리되는 것과는 대조적으로, 워크피스의 한쪽에서 시작하여 다른 쪽에서 끝나는 식으로 워크피스로부터 제거된다. 이것은 최적의 분리를 위해 워크피스로부터 필름을 분리하는 힘을 한 줄로 집중시키고, 분리 전 z 방향으로 새로 경화된 층의 탄성 변형을 최소화한다. 필름은 필름을 위한 테이크업 릴(take up reels)의 모터를 사용하여 이 전체 공정 동안 장력을 받은채 유지될 수 있다(도면에는 표시되지 않았지만 도 8의 요소(104a), (104b) 및 (106a), (106b) 참조).
위에서, 일부 경우에 투명 표면(64)은 워크피스(34)가 필름과 접촉하도록 올린 후에 필름(64) 위의 위치로 낮출 수 있다는 것이 언급되었다. 대안적으로, 도 5의 흐름도에 도시되고 도 7a 및 7b 및 3의 a 및 b에 제안된 바와 같이, 예를 들어, 필름(64) 위의 위치로 투명 표면(64)을 낮춘(72) 다음 UV 경화성 층이 필름과 접촉하도록 워크피스(34)를 올림으로써(74) 층 인쇄 시퀀스가 시작될 수 있다(70). 이 공정은 위에서 논의된 바와 같이 반사율 측정에 따라 높이 센서(70)의 제어하에 있을 수 있다(75). UV 경화(76)가 완료된 후, 투명 표면(64)을 들어 올리고(78) 필름을 워크피스로부터 벗겨낸다(80). 새로 경화된 층을 갖는 워크피스를 제거하거나(82) 추가 층을 인쇄한다.
이제 도 8 내지 12를 참조하면, 본 발명의 실시양태에 따라 사용하기 위한 얇은 투명 필름(62)을 운반하기 위한 어셈블리(100)의 예가 설명된다. 상기 어셈블리는 필름(62)을 운반하기 위해 대향하는 릴(104a, 104b)이 장착된 프레임(102)을 포함한다. 상기 릴은 프로그래밍 가능한 제어기(도시되지 않음)의 제어하에 각각의 모터(106a, 106b), 예를 들어, 스테퍼 모터(stepper motors)에 의해 작동된다. 어셈블리(100)는 또한 회전 아암(68)에 장착된 투명 표면(64)을 지지한다. 상기 회전 아암은 모터(108)에 의해 작동되고 적절한 링키지(110)를 통해 모터에 부착된다. 작동시, 필름(62)은 하나의 릴에서 필름이 풀리고 다른 릴에 감김으로써 UV 경화 공정 사이에서 진행될 수 있다. 이를 통해 장치는 필름을 전진시켜 평탄화 표면을 새로 고치고 교체할 수 있으며 경화 단계 사이의 재료 오염도 방지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 이 실시양태에서 산소는 투명 필름(62) 및 투명 평면 표면(64)을 사용하여 경화될 표면으로부터 퍼징된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 워크피스(34) 상에 UV 경화성 층(36)이 증착된 후, 상기 워크피스는 상기 필름과 상기 표면 쪽으로 들어 올려진다. 상기 워크피스가 상기 필름 및 상기 표면과 접촉하면 기포가 강제로 배출되어 최적의 UV 경화를 위한 산소 없는 환경을 만든다. 기포를 제거하는 이러한 과정은 워크피스(34)의 수직 위치, 필름(62)의 장력 및 필름의 수직 위치를 제어함으로써 최적화될 수 있다. 예를 들어, 도 10의 a에 도시된 바와 같이, 필름(62)의 장력은 필름(62)의 바닥이 대략 워크피스(34)의 중심 위에 위치하도록(예를 들어, 릴(104a, 104b) 및/또는 롤러(66)를 제어함으로써) 풀릴 수 있다. 샘플이 들어 올려짐에 따라, 도 10의 b에 도시된 바와 같이, 필름(62)의 장력이 증가하고 접촉 면적이 점차 넓어져 전체 UV 경화성 층(36)을 덮는다. 이러한 방식으로 상기 필름은 UV 경화성 층에 안착되기 때문에 기포를 측면으로 밀어낸다. 또 다른 가능한 접근 방식은 필름의 높이를 제어하는 것이다. 도 10의 c에 도시된 바와 같이, 필름(62)은 한쪽 면에서 UV 경화성 층(36)과 접촉하게 된다. 다른 한편, 상기 필름은 워크피스 위에 매달려 있다. 그 후, 도 10의 d에 도시된 바와 같이, 필름(62)은, 예를 들어, 롤러(66)의 위치를 제어함으로써 점차 낮아지고, 접촉 영역은 전체 UV 경화성 층(36)을 덮도록 점차 넓어진다.
필름(62)이 워크피스와 완전히 접촉한 후, 투명 표면(64)은 모터(108) 및 아암(68)을 통해 필름(62)과 접촉하도록 내려간다. 투명 표면(64)의 사용은 워크피스(34)의 인쇄 층의 평탄성을 증가시킨다. 그러면 UV 광이 활성화되어 샘플을 경화시킨다.
도 13, 14a 및 14b는 UV 경화 어셈블리(120)의 예를 도시한다. 이 예에서, UV 경화 어셈블리는 각각 하나 이상의 LED를 포함할 수 있는 한 쌍의 UV LED 광 모듈(122a, 122b)을 포함한다. LED는 층(36)에서 UV 경화성 재료를 경화시키기에 적합한 파장의 광을 방출한다. 또한, 카메라(124)가 포함된다. 상기 카메라는 위에서 설명된 방식으로 높이 센서로서 및/또는 제조중인 부품을 이미지화하기 위해 사용될 수 있다. 도 9a는 UV 경화 어셈블리(120)의 저면도(bottom view)를 나타내고 카메라(124)용 조명 유닛(126)을 도시한다. 도 9b에서, 경화를 위해 워크피스가 위치될 프레임(102) 영역 위에 배치된 후드(hood)(130) 내의 UV 경화 어셈블리(120) 배열의 절단면이 도시된다.
일단 경화가 완료되면, 도 11에 도시된 바와 같이, 투명 표면(64)이 워크피스로부터 들어 올려진다. 전술한 바와 같이, 워크피스에 대한 최소한의 손상을 보장하면서 필름으로부터 워크피스를 분리하기 위해, 필름(62)의 한쪽에 배치된 롤러(66)는 롤러(66)가 장착된 아암(114)을 올리는 피스톤(112)에 의해 필름으로부터 약 0.1-3mm 들어 올려진다. 롤러의 배열은 분리 라인에서 필름과 워크피스의 표면 사이에 큰 각도를 생성하므로, 도 12에 도시된 것처럼 롤러(66)가 이동될 때 박리력은 워크피스의 최상층의 좁은 영역에만 적용된다. 이것은 필름(62)이 x-y 평면에서 그 위에 최소한의 힘을 가하면서 워크피스(34) 상의 새로 경화된 재료로부터 분리되도록 하여, 새로 경화된 재료에 대한 손상을 최소화한다. 분리 공정 동안, 롤러(66)가 안착되는 프레임은 제3 롤러(118)를 향해 미끄러진다. 이러한 방식으로, 필름(62)은 워크피스의 전체 표면으로부터 한 번에 분리되는 것과는 반대로 한쪽에서 시작하여 다른 쪽에서 끝나는 식으로 워크피스로부터 제거된다. 이것은 최적의 분리와 분리 전 z 방향에서 최근 경화된 재료의 최소 탄성 변형을 위해 워크피스로부터 필름을 분리하는 힘을 한 줄로 집중시킨다. 릴(104a, 104b) 상의 모터(106a, 106b)는 이 전체 공정 동안 필름(62)에서 장력을 유지한다. 도 4b 및 4c를 참조하여 위에서 언급한 바와 같이, 분리 중에 필름에 장력이 유지되면 필름은 하부 롤러와 계속 접촉하여 작은 분리 각으로 분리된다. 그러나 롤러가 움직일 때 장력이 풀리면 필름이 동일한 접촉점에 달라붙어 상부 롤러를 감는다. 이렇게 하면 필름이 다시 장력을 받을 때 분리 각도가 넓어진다.
본 발명의 다른 실시양태에서, 사용되는 표면은 장력을 받는 필름이 없는 강성 플레이트일 뿐이다. 상기 플레이트는 전술한 실시양태에서와 같이 모터와 링키지를 통해 하강한 다음, 인쇄 면이 접촉하도록 들어 올려진다. 평탄화 및 경화 후, 필요한 경우 또는 다른 후처리 후에, 상기 플레이트를 인쇄 표면으로부터 들어올린다.
본 발명의 또 다른 실시양태에서, 사용되는 표면은 장력이 유지되는 얇은 필름이고 강성 플레이트는 없다. 본 실시양태의 구성 및 작동은 평탄화에 도움이 되는 강성 플레이트의 하강 또는 상승이 없다는 점을 제외하고는 전술한 실시양태와 동일하다.
실시양태:
실시양태 1. 주위 조건(ambient condition)에서 광 개시 중합 반응의 산소 억제를 방지하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 자외선(UV) 광원, UV 경화성 재료의 층을 갖는 워크피스를 수용하기 위한 UV 경화 공간, 및 상기 UV 경화 공간 내에서 상기 UV 광원이 상기 UV 경화성 재료의 층 위로 광을 방출하는 경우 상기 UV 경화성 재료의 UV 경화를 용이하게 하기 위해 상기 UV 경화 공간으로부터 산소를 퍼징하기 위한 수단을 포함하는 시스템.
실시양태 2. 실시양태 1에 있어서, 산소를 퍼징하기 위한 상기 수단이 상기 UV 경화성 재료의 층을 평탄화하기 위해 UV 투명 표면을 포함하는 시스템.
실시양태 3. 상기 실시양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 UV 투명 표면이 장력 상태의 얇은 필름, 고체 재료의 플레이트, 또는 장력 상태의 얇은 필름과 고체 재료의 플레이트의 조합을 포함하는 시스템.
실시양태 4. 상기 실시양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 UV 경화성 재료의 층과 상기 UV 투명 표면 사이의 접촉이 달성되었는지를 결정하기 위한 수단을 더 포함하는 시스템.
실시양태 5. 상기 실시양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 결정 수단이 상기 UV 투명 표면의 반사 특성을 평가하도록 배열된 카메라를 포함하는 시스템.
실시양태 6. 상기 실시양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 워크피스의 경화된 UV 경화성 층과의 접촉으로부터 상기 UV 투명 표면을 제거하기 위한 수단을 더 포함하는 시스템.
실시양태 7. 상기 실시양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 제거 수단이 제거 공정 동안 상기 필름을 장력 상태로 유지하도록 구성된 한 쌍의 롤러를 포함하는 시스템.
실시양태 8. 주위 조건에서 광 개시 중합 반응의 산소 억제를 방지하는 방법으로서, 상기 방법은 제조 중인 물체의 인쇄 표면 상에 자외선(UV) 광 경화성 재료의 층을 증착하는 단계; UV 경화 공간에서 산소를 퍼징하는 단계로서, 상기 UV 경화 공간에서 UV 공급원이 상기 UV 광 경화성 재료의 층 위로 광을 방출하는 경우 상기 UV 경화성 재료의 UV 경화를 용이하게 하기 위해 상기 UV 광 경화성 재료의 층이 위로 있는 상기 제조 중인 물체가 상기 UV 경화 공간 내에 위치하는 단계; 및 상기 제조 중인 물체의 인쇄 표면 상에 배치된 상기 UV 광 경화성 재료의 층의 적어도 일부를 경화시키기 위해 상기 UV 공급원을 활성화하는 단계를 포함하는 방법.
실시양태 9. 실시양태 8에 있어서, 상기 UV 경화 공간으로부터 산소를 퍼징하는 단계가 상기 UV 광 경화성 재료의 층을 증착한 후, 상기 UV 광 경화성 재료의 층이 위에 있는 상기 제조 중인 물체의 인쇄 표면을 UV 투명 평탄화 표면과 접촉하게 하는 단계를 포함하는 방법.
실시양태 10. 실시양태 8 또는 9에 있어서, 상기 UV 광 경화성 재료의 층의 적어도 일부를 경화시킨 후, 상기 평탄화 표면을 상기 제조 중인 물체로부터 옮겨 놓는 단계를 더 포함하는 방법.
실시양태 11. 실시양태 8 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 상기 평탄화 표면이 UV 투명 필름을 포함하고, 상기 평탄화 표면을 상기 제조 중인 물체로부터 옮겨 놓는 단계가 상기 제조 중인 물체의 인쇄 표면 상에 배치된 상기 UV 광 경화성 재료의 층의 경화된 부분으로부터 상기 필름을 벗겨내는 단계를 포함하는 방법.
실시양태 12. 실시양태 8 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 상기 평탄화 표면이 UV 투명 평면 표면을 더 포함하고, 상기 평탄화 표면을 상기 제조 중인 물체로부터 옮겨 놓는 단계가, 상기 제조 중인 물체의 인쇄 표면 상에 배치된 상기 UV 광 경화성 재료의 층의 경화된 부분으로부터 상기 필름을 벗겨내기 전에, 상기 평면 표면을 상기 필름으로부터 들어 올리는 단계를 포함하는 방법.
실시양태 13. 실시양태 8 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 롤러를 사용하여 상기 필름의 장력을 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
따라서, 불활성 기체 흐름을 사용하여 반응 표면으로부터 산소를 퍼징하거나 반응 표면으로부터 산소를 강제로 분리함으로써 광 개시 중합 반응의 산소 억제를 방지하는 시스템이 설명되었다.

Claims (13)

  1. 주위 조건(ambient condition)에서 광 개시 중합 반응(light-initiated polymerization reaction)의 산소 억제를 방지하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 자외선(UV) 광원, UV 경화성 재료의 층을 갖는 워크피스(workpiece)를 수용하기 위한 UV 경화 공간, 및 상기 UV 경화 공간 내에서 상기 UV 광원이 상기 UV 경화성 재료의 층 위로 광을 방출하는 경우 상기 UV 경화성 재료의 UV 경화를 용이하게 하기 위해 상기 UV 경화 공간으로부터 산소를 퍼징(purging)하기 위한 수단을 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 산소를 퍼징하기 위한 상기 수단이 상기 UV 경화성 재료의 층을 평탄화하기 위해 UV 투명 표면(UV-transparent surface)을 포함하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 UV 투명 표면이 장력 상태의 얇은 필름, 고체 재료의 플레이트(plate), 또는 장력 상태의 얇은 필름과 고체 재료의 플레이트의 조합을 포함하는 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 UV 경화성 재료의 층과 상기 UV 투명 표면 사이의 접촉이 달성되었는지를 결정하기 위한 수단을 더 포함하는 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 결정 수단이 상기 UV 투명 표면의 반사 특성을 평가하도록 배열된 카메라를 포함하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 워크피스의 경화된 UV 경화성 층과의 접촉으로부터 상기 UV 투명 표면을 제거하기 위한 수단을 더 포함하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제거 수단이 제거 공정 동안 상기 필름을 장력 상태로 유지하도록 구성된 한 쌍의 롤러를 포함하는 시스템.
  8. 주위 조건에서 광 개시 중합 반응의 산소 억제를 방지하는 방법으로서, 상기 방법은 제조 중인 물체(object)의 인쇄 표면 상에 자외선(UV) 광 경화성 재료의 층을 증착(depositing)하는 단계; UV 경화 공간으로부터 산소를 퍼징하는 단계로서, 상기 UV 경화 공간 내에서, UV 공급원(source)이 상기 UV 광 경화성 재료의 층 위로 광을 방출하는 경우 상기 UV 경화성 재료의 UV 경화를 용이하게 하기 위해 상기 UV 광 경화성 재료의 층이 위에 있는 상기 제조 중인 물체가 상기 UV 경화 공간 내에 위치하는 단계; 및 상기 제조 중인 물체의 인쇄 표면 상에 배치된 상기 UV 광 경화성 재료의 층의 적어도 일부를 경화시키기 위해 상기 UV 공급원을 활성화하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 UV 경화 공간으로부터 산소를 퍼징하는 단계가 상기 UV 광 경화성 재료의 층을 증착한 후, 상기 UV 광 경화성 재료의 층이 위에 있는 상기 제조 중인 물체의 인쇄 표면을 UV 투명 평탄화 표면과 접촉하게 하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 UV 광 경화성 재료의 층의 적어도 일부를 경화시킨 후, 상기 평탄화 표면을 상기 제조 중인 물체로부터 옮겨 놓는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 평탄화 표면이 UV 투명 필름을 포함하고, 상기 평탄화 표면을 상기 제조 중인 물체로부터 옮겨 놓는 단계가 상기 제조 중인 물체의 인쇄 표면 상에 배치된 상기 UV 광 경화성 재료의 층의 경화된 부분으로부터 상기 필름을 벗겨내는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 평탄화 표면이 UV 투명 평면 표면을 더 포함하고, 상기 평탄화 표면을 상기 제조 중인 물체로부터 옮겨 놓는 단계가 상기 제조 중인 물체의 인쇄 표면 상에 배치된 상기 UV 광 경화성 재료의 층의 경화된 부분으로부터 상기 필름을 벗겨내기 전에 상기 평면 표면을 상기 필름으로부터 들어올리는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 롤러를 사용하여 상기 필름의 장력을 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
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