KR20220083892A - 스테레오리소그래피에 의한 성형체의 제조 방법 - Google Patents

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헨드릭 존
외르크 에베르트
카이 리스트
존야 바움가르트너
말테 하르트만
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이보클라 비바덴트 아게
테크니셰 우니베르시태트 빈
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Abstract

본 발명은 스테레오리소그래피에 의한 광중합성 성형 재료의 층별 응고에 의한 성형체의 제조 방법에 관한 것으로, a) 성형 재료는 용기(2)의 평면형의 투명한 저부에 분배되고, b) 용기(2)는 용기 저부(3)에 평행한 방향으로 닥터 블레이드(4)로 상대적으로 이동되고, 닥터 블레이드는 용기 저부(3) 위에서 조정 가능하게 위치 설정되도록 현수되어, 분배된 성형 재료가 닥터 블레이드(4) 아래로 이동되어 용기 저부에 대한 닥터 블레이드(4)의 위치 설정에 의해 미리 정해진 균일한 층 두께를 갖는 매끄러운 층(20)을 형성하며, c) 매끄러운 층(20)은, 용기 저부(3) 아래에 위치하는 노출 유닛(6)과 높이가 조정 가능하게 용기 위에 현수된 성형 플랫폼(8) 사이의 영역으로의 용기(2)의 상대 이동에 의해 형성되고, d) 성형 플랫폼은, 성형 재료를 변위시키는 동안, 갭 내에 남아 있는 층이 미리 정해진 층 두께가 되도록, 용기 저부에 대해 제어된 방식으로 하강하며, e) 층은 현재 층을 위한 윤곽 내에서 노출 유닛(6)의 제어된 작동에 의해 공간적으로 선택된 방식으로 응고되며, f) 성형 플랫폼(8)이 융기하고, 성형 재료가 용기 저부에 분배되며, 단계 b) 내지 f)가, 성형체가 상하로 응고되는 복수 개의 층에 의해 성형될 때까지 반복되는 것인 성형체의 제조 방법에 있어서, 용기 저부(3)에 대해 닥터 블레이드(4)를 위치 설정하는 것은, 최종적으로 미리 정해진 균일한 층 두께가 성형 플랫폼(8)을 하강시키는 것에 의해 설정되는 미리 규정된 층 두께보다 두꺼워지지만, 미리 규정된 층 두께를 50 % 넘게 초과하지는 않도록 하는 방식으로 조정되는 것을 특징으로 하는 성형체의 성형 방법에 관한 것이다.

Description

스테레오리소그래피에 의한 성형체의 제조 방법{METHOD FOR GENERATIVE BUILDING OF SHAPED BODIES BY STEREOLITHOGRAPHY}
본 발명은 스테레오리소그래피(stereolithography)에 의한 점성 광중합성 성형 재료의 층별 응고에 의한 성형체의 제조 방법에 관한 것이다.
성형 재료는 유기물 기반의 세라믹 슬러리일 수 있거나 - 즉, 세라믹 입자로 채워진 유동성 광중합성 재료일 수 있고, 여기서 세라믹 입자의 양이 증가함에 따라 점도가 증가함 - 또는 높은 점성의 광 경화성 복합재 또는 광중합체로 구성될 수 있다. 세라믹 슬러리를 성형 재료로 사용하면, 성형체로서 그린 바디(green body)가 생성되고, 이러한 그린 바디는 그 후 세라믹 본체에 디바인딩되고(debinding) 소결됨으로써 추가로 처리된다. 본 발명은 특히 치아 수복물의 생산 분야에 적용 가능하다.
치아 수복물에 대한 심미적으로 만족스러운 결과를 얻기 위해, 위치 의존적 방식으로 다양한 성형 재료로 작업하고 그리고/또는 위치 의존적 방식으로 다양한 착색으로 작업하는 것이 종종 바람직하다. 세라믹 슬러리로부터 그린 바디를 층별로 제조하기 위한 기존의 스테레오리소그래피 공정을 통해, 현재의 층을 응고한 후, 제조 중에 있는 몸체를 제조 영역 밖으로 이동시키고, 안료를 포함하는 광중합체를 잉크젯 프린팅 방법을 사용하여 마지막 경화된 층에 선택적으로 도포하는 것이 알려져 있다. 이러한 공정은 예를 들어 WO 2013/182547 A1으로부터 공지되어 있으며, 여기서 드럼 형상의 캐리어가 사용되며, 이 캐리어 상에 4 개의 성형 플랫폼이 서로 90° 거리로 그 둘레 주위에 배열된다. 작업 스테이션은 마찬가지로 90° 거리로 드럼 형상의 캐리어 주변에 분포되어 있다. 작업 스테이션 중에는, 그 아래에 노광 유닛이 위치되어 있는 투명한 바닥을 갖는 뱃(vat), 마지막 경화된 층에 안료로 충전된 광중합체를 인쇄하기 위한 잉크젯 프린터, 및 각인된(imprinted) 안료 충전 광중합체를 공간 선택적으로 응고시키기 위한 추가 노광 유닛이 존재한다. 드럼 형상의 캐리어는 성형 플랫폼의 각각의 하나가 작업 스테이션 중 하나의 구역에 있고 그 안에서 처리되도록 회전 가능하게 장착된다. 각 작업 스테이션에서 작업 단계가 완료된 후, 드럼 형상의 캐리어가 90° 회전되어, 성형 플랫폼의 각 부분에서 다음 작업 단계가 다음 작업 스테이션에서 수행될 수 있다. 이러한 공정에서 작업 단계들은 여러 성형 플랫폼 상에서 부품들에 대해 병렬로 수행될 수 있지만, 공정은 매우 시간이 많이 걸리며, 여기서 작업 스테이션 사이에서 성형 플랫폼의 기계적 이동 중에 많은 시간이 소요된다.
대안적으로 층을 형성하는데 다른 재료가 사용될 수 있으며, 이러한 다른 재료는 다른 뱃에 준비되어 유지된다. 이 경우 성형 플랫폼은 다른 뱃에 있는 다른 성형 재료로 경화될 층의 하위 영역을 연속적으로 응고시키기 위해 후속적으로 다른 뱃으로 하강된다. 이러한 공정은 DE 10 2007 010 624 B4에 설명되어 있다. 교차 오염(상이한 성형 재료를 갖는 뱃으로 성형 재료의 일정 양을 이송)을 방지하기 위해, 부품이 다음 뱃의 다른 성형 재료로 하강되기 전에, 부품이 그 위에 현수되어 있는 상태로 성형 플랫폼이 들어 올려진 후 부품을 세척하는 것이 필요하다. 따라서, 성형 재료를 변경할 때마다 세척 절차를 수행하는 것이 필요하므로, 이 방법도 시간이 많이 걸린다. 또한, 서로 다른 뱃들 사이를 변경하는데 필요한 운송에도 시간이 많이 걸린다.
DE 10 2011 117 005 B4는 단일 슬러리 층이 연속적으로 증착되고 층별로 응고되는 생성 제조 방법에 기초하는 세라믹 치과 수복물의 제조 방법에 관한 것이다. 슬러리 층을 증착한 후, 이 층의 층 두께는 닥터 블레이드에 의해 감소되어, 평활한 층이 생성되고, 그 후 잉크-액체의 공간 선택적 증착이 수행된다. 이러한 잉크는, 착색제 외에도, 착색 및 응고가 동시에 발생하도록 슬러리 층의 응고를 유발하는 화학 반응을 트리거하는 개시제를 또한 포함한다.
US 5,975,323 B2는 일반적으로 생성 3D 인쇄 방법에 관한 것으로서, 여기서 뱃 내의 액체가 레이저 또는 다른 에너지원에 의해 공간 선택적 방식으로 응고되는 생성 방법이 또한 언급되어 있다. 설명된 방법은 특히 층들이 서로의 위에 선택적으로 형성된다는 것을 강조하며, 여기서 서로의 위에 있는 층들에 의해 생성된 볼륨은 서로 인접하여 놓인 복수의 컬럼(columns)으로 구성되며, 각 컬럼은 서로의 위에 놓인 복수의 복셀 요소들(voxel elements) 또는 복셀들(볼륨 픽셀들)로 구성되며, 여기서 각 컬럼에서 각 복셀 요소의 착색/투명도는 선택적 방식으로 생성된다. 단일 복셀 요소의 개별 착색 및 각 복셀 요소에 대한 개별 색상 적용과 관련한 구체적인 세부 사항은 설명되어 있지 않다.
EP 2 337 667 B1은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 방법을 개시하고 있다. 이 방법에서는, 점성 광중합성 성형 재료가 뱃의 평면형의 투명한 바닥 상에 분배된다. 닥터 블레이드는 뱃 바닥 위에 조정 가능한 위치 설정으로 매달려 있다. 뱃은 닥터 블레이드에 대해 뱃 바닥의 평면에 평행한 방향으로 이동되어, 분배된 성형 재료가 닥터 블레이드 아래에 그리고 이를 지나서 이동되도록 푸시되고, 이에 의해 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 위치 설정에 의해 미리 결정되는 균일한 층 두께를 갖는 평활화된 층이 형성된다. 이것은 예를 들어 뱃 바닥이 회전하지 않는 닥터 블레이드 아래로 이동되도록 뱃 바닥에 수직인 회전축을 중심으로 뱃를 회전시킴으로써 달성될 수 있다. 분배된 성형 재료는 닥터 블레이드의 상류에 축적되고, 축적된 성형 재료 중 일부만이 닥터 블레이드 아래의 갭을 통과하여, 이러한 통과하는 성형 재료가 미리 결정된 균일한 층 두께의 평활한 층으로 형성된다. 평활화된 층은, 뱃의 상대적인 이동에 의해, 뱃 바닥 아래에 위치된 노광 유닛과 뱃 위에 높이 조정 가능한 방식으로 매달려 있는 성형 플랫폼 사이의 구역으로 이동된다. 그 후, 성형 플랫폼은 평활화된 층으로부터 성형 재료를 변위시키면서 정밀하게 제어된 방식으로 뱃 바닥에 대해 하강되어, 성형 플랫폼과 뱃 바닥 사이의 간격에 남아있는 층은 성형 플랫폼의 하부 표면(또는 마지막 경화된 층의 하부 표면)과 뱃 바닥까지의 거리에 의해 결정되는 미리 결정된 층 두께로 설정된다. 이러한 방식으로, 미리 결정된 층 두께는 높은 세차 운동에 의해 설정될 수 있다. 그 후, 미리 결정된 층 두께를 갖는 층은 응고될 현재 층의 원하는 윤곽 내에서 노광을 수행하기 위해 노광 유닛의 제어된 작동에 의해 공간 선택적 방식으로 노광에 의해 응고된다. 마지막으로, 성형 플랫폼을 상승시키고, 성형 재료를 뱃 바닥 상에 분배하고, 서로의 위에 선택적으로 응고되는 복수의 층에 의해 성형체가 형성될 때까지, 위에서 설명된 단계들을 반복한다.
본 발명의 목적은 높은 점도의 성형 재료에 대해서도 빠르고 정밀하게 수행될 수 있도록 이러한 방식으로 수행될 수 있는 위에서 설명한 유형의 방법을 제공하는 것이다. 또한, 성형체의 연속적으로 응고된 층이 공간 선택적 방식으로 착색될 수 있다면 바람직할 것이다.
이러한 목적은 본원의 청구항 제 1 항의 특징을 포함하는 방법에 의해 달성된다. 바람직한 실시예는 종속 청구항에 제시되어 있다.
따라서, 스테레오리소그래피에 의한 광중합성 성형 재료의 층별 응고에 의한 성형체의 제조 방법이 제공되고,
a) 성형 재료가 뱃의 평면형의 투명한 바닥 상에 분배되고,
b) 뱃는 뱃 바닥의 평면에 평행한 방향으로 닥터 블레이드에 대해 상대적으로 이동되고, 상기 닥터 블레이드는 뱃 바닥 위에서 조정 가능하게 위치 설정되도록 매달려 있고, 이에 의해 분배된 성형 재료가 닥터 블레이드 아래로 이동되어, 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 위치 설정에 의해 미리 결정된 균일한 층 두께를 갖는 평활화된 층을 형성하고,
c) 평활화된 층은, 뱃의 상대적인 이동에 의해, 뱃 바닥 아래에 위치된 노광 유닛과 높이가 조정 가능하게 뱃 위에 매달려 있는 성형 플랫폼 사이의 구역으로 제공되고,
d) 성형 플랫폼은 제어된 방식으로 뱃 바닥에 대해 하강되어, 성형 재료를 변위시키는 동안, 갭에 남아 있는 층이 미리 규정된 층 두께로 형성되고,
e) 층은 현재 층에 대해 요구되는 윤곽 내에서 노광 유닛의 제어된 작동에 의해 공간 선택적 방식으로 응고되고,
f) 그 후 성형 플랫폼은 상승되고, 성형 재료가 뱃 바닥 상에 분배되고, 상하로 응고된 복수의 층에 의해 성형체가 제조될 때까지 단계 b) 내지 f)가 반복된다.
본 발명에 따르면, 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 위치 설정은 최종적인 미리 결정된 균일한 층 두께가 성형 플랫폼을 하강시킴으로써 설정되는 미리 규정된 층 두께보다 두꺼워지지만, 미리 규정된 층 두께를 50 % 넘게 초과하지는 않도록 하는 방식으로 조정된다. 다른 말로 하면, 뱃 바닥 상에 분배된 성형 재료는, 조정된 위치 설정에 의해 뱃 바닥 위에 매달려 있는 닥터 블레이드에 대한 상대적인 이동에 의해, 성형 플랫폼을 하강시킴으로써 설정되는 미리 규정된 층 두께보다 크지만 이미 이에 가까운(최대 50 % 더 높은) 미리 결정된 균일한 층 두께를 갖는 층으로 이미 형성되었다.
뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 위치 설정에 의해 결정되는 층 두께가 성형 플랫폼에 의해 설정되는 미리 규정된 층 두께를 특정 정도까지 초과할 때 유리한데, 왜냐하면 이러한 방식으로, 어떤 경우에도, 닥터 블레이드에 의해 미리 결정된 층 두께의 규정에 부정확성 또는 공차(특히 미리 결정된 층 두께의 국부적 부족)가 발생하더라도, 규정될 층의 영역의 모든 곳에, 모든 곳에서 미리 규정된 층 두께가 성형 플랫폼을 하강시킴으로써 여전히 설정될 수 있도록 충분한 성형 재료가 존재하는 것이 보장되기 때문이다. 다른 말로 하면, 뱃 바닥까지의 갭이 미리 규정된 층 두께로 설정된 경우 성형 플랫폼의 하부 표면(또는 마지막 경화된 층의 하부 표면)이 전체 영역에 걸쳐 성형 재료와 접촉하도록 모든 곳에 충분한 성형 재료가 존재한다. 많은 성형 재료, 특히 점도 값이 낮거나 또는 중간인 재료의 경우, 미리 결정된 균일한 층 두께가 문제없이 층의 전체 영역에 걸쳐 구현될 수 있다. 점도 값이 더 높은 성형 재료의 경우, 층의 영역에서 위치의 함수로서의 실제 층 두께 값이 실제로 층 두께 값의 분포가 되도록 층의 영역에 걸쳐 실제 층 두께의 특정 변이가 있을 수 있고, 이러한 분포는 매우 좁고, 평균 층 두께 주변에서 매우 작은 반치전폭을 갖는다. 이러한 경우, "미리 결정된 균일한 층 두께"는 두께 분포의 평균 층 두께로 간주된다; 또한 이러한 경우에는 두께 분포의 표준 편차가 평균 층 두께에 비해 어떤 경우에도 작기 때문에, "균일한 층 두께"라는 명칭이 정당화되고 기술적으로 의미가 있다. 이러한 경우, 미리 결정된 균일한 (평균) 층 두께는 성형 플랫폼을 하강시킴으로써 설정되는 미리 규정된 층 두께보다 약간 더 높게, 예를 들어 분포의 3 표준 편차만큼 더 크게 설정되어, 실제로 층의 영역에 걸친 모든 위치에서 성형 플랫폼은, 설정될 미리 규정된 층 두께로 하강될 때, 성형 재료와 접촉하게 된다. 대안적으로, 미리 결정된 층 두께는 또한 미리 규정된 층 두께에 더 가까울 수 있고, 성형 플랫폼이 하강될 때 성형 재료를 측면 방향으로 변위시킴으로써 영역에 걸친 층 두께의 잠재적인 변이의 보상이 달성될 수 있다.
성형 재료가 닥터 블레이드에 의해 미리 규정된 층 두께를 최대 50 %만큼 초과하는 매우 낮은 미리 결정된 층 두께를 갖는 층으로 형성된다는 사실로 인해, 닥터 블레이드에 의해 형성된 미리 결정된 균일한 층 두께가 이미 성형 플랫폼에 의해 설정되는 미리 규정된 층 두께에 가깝고, 그 결과 성형 플랫폼이 뱃 바닥을 향해 하강될 때 갭으로부터 소량의 성형 재료만이 변위되기만 하면 되는 것이 보장된다. 이와 관련하여, 높은 점도 성형 재료를 사용할 때, 성형 플랫폼을 하강시키고, 높은 점도 성형 재료가 변위되어야 하는 나머지 갭으로부터 성형 재료를 변위시키기 위해 높은 힘이 필요하다는 점을 고려해야 한다. (예를 들어, 뱃 바닥의 파손 또는 다른 고장을 방지하기 위해) 가해질 수 있는 최대 힘이 뱃 재료에 의해 제한되는 경우, 힘을 제한하기 위해 성형 플랫폼은 천천히 하강되어야 한다. 이러한 이유로, 미리 규정된 층 두께를 설정하기 위해 성형 플랫폼을 하강시키는 것은 높은 점도 성형 재료의 경우 오랜 시간이 걸린다. 반대로, 변위될 성형 재료의 최대량을 감소시키면 이를 위해 필요한 시간이 감소된다. 닥터 블레이드에 의해 분배된 성형 재료를 성형 플랫폼에 의해 설정되는 미리 규정된 층 두께의 최대 150 %의 균일한 미리 결정된 층 두께의 층으로 형성한 결과 변위될 성형 재료의 최대 양에 대한 엄격한 제한은 따라서 성형 플랫폼을 하강시킴으로써 층 두께를 빠르게 설정할 수 있고, 이에 따라 더 짧은 사이클 시간을 허용한다.
성형 플랫폼에 의해 미리 규정된 층 두께를 설정할 때 변위되는 적은 양의 성형 재료는, 미리 규정된 층 두께를 설정하기 위해 더 많은 양의 성형 재료가 변위되는 상황에 비해, 층의 응고 후 성형 플랫폼을 들어 올리기 위한 더 낮은 분리력이 필요하다는 추가 이점을 갖는다. 성형 플랫폼을 들어 올릴 때, 필요한 분리력은 음압을 극복해야 하는데, 왜냐하면 성형 플랫폼을 들어 올릴 때 제조되고 있는 부품의 하부 표면과 뱃 바닥 사이에 생성되는 볼륨은 유입 공기로 채워져야 하기 때문이다. 변위된 성형 재료의 양이 많은 경우, 이 변위된 재료는 성형 플랫폼 및 제조되고 있는 부품 주위에 장벽을 형성하며, 이 장벽은 성형 플랫폼이 상승될 때 뱃 바닥 위의 증가하는 볼륨으로 환경 공기의 흐름을 차단한다. 변위된 성형 재료의 양을 최소화함으로써, 뱃 바닥 위의 증가하는 볼륨으로의 공기의 유입이 개선되어, 이에 따라 성형 플랫폼을 들어 올리기 위한 분리력이 감소된다.
미리 규정된 층 두께를 설정하기 위해 성형 플랫폼을 하강시키면 많은 양의 성형 재료가 변위되는 경우, 이것은 또한 스테레오리소그래피에 의해 제조된 부품의 치수의 정밀도, 특히 z 방향(뱃 바닥의 평면에 수직인 방향)의 정밀도에 부정적인 영향을 미친다. 본 발명의 경우와 같이, "바텀-업(bottom-up)" 공정에서, 응고될 층은 성형 플랫폼(또는 이미 하나 이상의 층이 응고된 경우 제조되고 있는 부품의 하부 표면)과 뱃 바닥 표면 사이에 끼워진다. 이 갭의 높이는 응고될 층의 미리 규정된 층 두께를 결정한다. 이 영역에서, 선택된 노광 파라미터(강도 및 노광 시간)에서 광의 투과 깊이 및 성형 재료에 따라 더 깊은 경화 깊이가 유발되더라도, 최대 경화 깊이는 갭 높이(미리 규정된 층 두께)에 의해 결정된다. 현재 응고될 층이 이전에 경화된 마지막 층을 넘어 측면 방향으로 돌출하는 경우, 현재 응고될 층의 층 두께를 설정하는 동안 변위된 성형 재료는 현재 응고될 층이 마지막 경화된 층을 넘어 돌출하는 해당 부분에도 도달하고, 이로 인해 현재 응고될 층의 이러한 측면 돌출 부분에서 2 개의 많은 양의 재료 및 2 개의 높은 층 두께가 발생된다. 노광의 실제 경화 깊이는 항상 미리 규정된 층 두께보다 크므로, 이들 부분에서 재료의 응고는 마지막 응고된 층의 깊이 구역에서 z 방향으로 미리 규정된 층 두께를 넘어 발생하고, 이로 인해 z 방향으로 몇 개의 층 두께의 크기 정도로 정밀도가 저하될 수 있다(오버사이즈). 변위된 성형 재료의 최소화, 즉, 성형 플랫폼에 의해 설정되는 미리 규정된 층 두께에 대한 닥터 블레이드에 의한 미리 결정된 층 두께의 최적의 근사치는, 따라서 제조될 부품의 정밀도를 또한 향상시킨다. 일반적으로, 닥터 블레이드의 위치 설정에 의해 결정되는 미리 결정된 층 두께가 성형 플랫폼에 의해 설정되는 미리 규정된 층 두께에 근접하게 함으로써, 변위된 성형 재료의 양을 가능한 한 낮게 유지하는 것이 유리하다.
제조 공정이 끝나면, 항상 일부 변위된 과잉의 경화되지 않은 성형 재료가 제조 부품 상에 존재한다. 따라서, 특히 부품이 디바인딩 및 소결과 같은 열 후처리 단계를 거칠 때, 세척 절차가 필요하다. 생성 제조 공규정 맥락에서 세척 절차는 사소하지 않다. 복잡한 형상을 갖는 부품의 경우, 상당한 노력을 기울여야만 액체를 세척하기 위해 작은 갭 또는 공동에 접근할 수 있다. 또한, 모노머 혼합물을 제거할 수 있는 능력이 좋은 용매는 특정 상황 하에서 부품의 표면을 손상시킬 수 있으며, 현탁액(슬러리)의 경우 미립자 충전재가 표면 상에 남아있을 수 있다. 제조 공정 중에 변위된 성형 재료의 양을 가능한 한 낮게 유지함으로써, 결국 부품에 부착되는 과잉의 성형 재료의 양도 가능한 한 낮게 유지되어, 세척 절차의 복잡성을 완화시킬 수 있다. 이러한 측면은 부품이 상이한 재료로 제조되고 부품이 제조 공정 중에 상이한 성형 재료를 갖는 뱃들 사이에서 변경되는 경우 더욱 관련성이 있는데, 왜냐하면 이러한 경우에는 제조되고 있는 부품이 다른 성형 재료를 갖는 다음 뱃으로 이송되기 전에 원칙적으로 각각의 재료 변경 시 세척을 수행해야 하기 때문이다. 층 두께 설정 시 변위되는 성형 재료의 양을 실질적으로 최소화하는 경우, 다음 뱃에서 다른 성형 재료와 접촉하게 되는 부품 상에 부착된 성형 재료의 작은 잔류물에 의한 사소한 오염이 허용될 수 있는 경우, 재료 변경 시 세척이 생략될 수 있다.
바람직하게는, 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 위치 설정은 생성된 미리 결정된 균일한 층 두께가 성형 플랫폼을 하강시킴으로써 설정되는 미리 규정된 층 두께의 110 내지 130 % 범위에 있도록 조정된다.
바람직한 실시예에서에서, 뱃 및 닥터 블레이드의 서로에 대한 상대적인 이동은 닥터 블레이드를 정지된 상태로 매달리도록 유지하면서 뱃 바닥에 대해 센터링되어 수직인 회전축을 중심으로 뱃를 회전시킴으로써, 또는 정지된 상태로 유지된 뱃에 대해 위에서 언급된 축을 중심으로 닥터 블레이드를 회전시킴으로써 수행된다. 정지된 닥터 블레이드 및 회전 가능한 뱃의 경우, 뱃 바닥은 원형 디스크의 형상을 가질 수 있으며, 회전축은 디스크 중심을 통해 연장된다. 정지된 닥터 블레이드는 회전축에 대해 반경 방향으로 배향된 방향 구성 요소를 가지며, 회전축에 반경 방향으로 가장 가까운 지점으로부터 반경 방향 외측 방향으로 연장된다.
바람직한 실시예에서, 뱃 바닥 위의 닥터 블레이드의 위치 설정은 닥터 블레이드의 하부 에지와 일치하는 직선에 의해 규정된다. 이 직선은 닥터 블레이드 하부 에지의 반경 방향으로 회전축에 가장 가까운 지점에서 뱃 바닥까지 최소 거리를 갖는다. 직선의 위치 설정은 직선과, 직선과 교차하는 뱃 바닥에 평행한 평면 사이에 규정되는 슬로핑 각도(sloping angle)에 의해 규정되며, 이는 0°보다 크고 15°보다 작다. 0°보다 큰 슬로핑 각도는 하부 에지에서 뱃 바닥까지의 수직(뱃 바닥에 수직) 거리가 반경 방향으로 회전축에 가장 가까운 지점에서 최소 거리로부터 증가하고, 회전축에 대한 반경 방향 거리가 증가함에 따라 증가하는 결과를 가져온다.
닥터 블레이드는 뱃 바닥에 대해 경사각으로 배향되는 평면을 규정하는 평면형의 닥터 블레이드를 포함할 수 있고, 상기 경사각은 0° 내지 90°이다. 바람직하게는, 평면형의 닥터 블레이드는 뱃 바닥에 대해 경사지고, 여기서 경사각은 바람직하게는 30° 내지 75°의 범위이고, 닥터 블레이드의 하부 에지가, 상대적인 이동의 방향으로, 닥터 블레이드의 상부 에지 뒤에서 뒤따르도록 뱃 바닥과 닥터 블레이드 사이의 이동 방향에 대해 규정된다.
뱃 및 닥터 블레이드의 상대적인 회전 운동에 대안적으로, 뱃 및 닥터 블레이드의 상대적인 운동은 또한 뱃의 선형 시프팅 또는 닥터 블레이드의 선형 시프팅에 의해 수행될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 뱃 바닥 위의 닥터 블레이드의 위치 설정은 닥터 블레이드의 하부 에지와 일치하는 직선에 의해 규정되고, 상기 직선은 뱃 바닥에 평행하게 일정한 거리로 러닝(running)하는 것이 바람직하다.
전체 뱃 바닥이 보이드(void) 없이 성형 재료로 적셔지고 이에 따라 성형 재료가 뱃 바닥 전체를 코팅하도록 보장하기 위해, 성형 재료 및 뱃 바닥 표면을 계면 장력에 대해 조정하는 것이 유용할 수 있다. 이는 소포제 또는 텐사이드(tensides)와 같은 첨가제를 사용하여 성형 재료의 표면 장력을 설정함으로써 그리고/또는 예를 들어 실레인화(silanizing)에 의해 뱃 바닥의 표면을 수정함으로써 달성될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 평활화된 얇은 층의 표면은, 성형 플랫폼을 하강시키기 전에 그리고 위치 의존적 노광 전에 중간 단계에서, 선택된 착색제의 위치 의존적 도포에 의해 착색된다.
바람직하게는 부품의 색상 및 반투명도를 조정하기 위한 착색제는 다음과 같이 실제 사용되는 성형 재료에 따라 달라진다:
a) 광중합체가 성형 재료인 경우: 염료 분자를 포함하는 용액 및/또는 안료를 포함하는 현탁액,
b) 유리 세라믹을 포함하는 슬러리가 성형 재료인 경우: 유기 매질에 분산된 착색 안료, 특히 산화물, 주석 산화물 또는 지르코늄 산화물,
c) ZrO2 슬러리가 성형 재료인 경우: 질산염의 염류 용액(수용액 또는 다른 용매 기반) 또는 에탄올에 용해된 아세틸 아세토네이트의 염류 용액.
바람직한 실시예에서, 착색제는 잉크에 용해 및/또는 분산되고, 잉크젯 인쇄 방법에 의해 평활화된 층 상에 도포된다.
바람직한 실시예에서, 착색제는 광 경화성 또는 열 경화성이고, 평활화된 층에 공간 선택적으로 도포된 후, 전자기 복사에 의해 고정되고, 여기서 고정에 사용되는 전자기 복사는 성형 재료의 광개시제의 흡수 스펙트럼 밖에 있다.
바람직한 실시예에서, 폴리 테트라 플루오르 에틸렌으로 제조된 닥터 블레이드가 사용되며, 뱃의 둘레 측벽을 위해 폴리 테트라 플루오르 에틸렌으로 제조된 측벽이 사용된다.
뱃 바닥으로서 바람직하게는 뱃 바닥을 향하는 표면에 에틸렌 테트라 플루오로 에틸렌 필름이 결합된 유리 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)로 제조된 디스크가 사용된다.
본 발명은 이제 도면의 실시예를 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치의 구성 요소의 개략적인 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 방법을 수행하는 동안 4 개의 후속 단계의 시퀀스로서 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치의 개략적인 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 수행하는 동안 4 개의 후속 단계의 시퀀스로서 대응하는 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치의 뱃 바닥 및 닥터 블레이드를 관통하는 단면의 상세도.
도 5는 뱃 바닥 및 닥터 블레이드의 도 4의 평면(A-A)으로부터의 부분 단면의 평면도이고, 우측은 이러한 구성 요소의 위에서 본 평면도.
도 6은 닥터 블레이드와 뱃 사이의 상대적인 이동을 수행하기 위한 대안적인 실시예에 대한 도 5에서와 같은 대응하는 도면.
도 7은 그 위에 평활화된 성형 재료 층을 갖는 뱃 바닥의 일부의 단면도.
도 8은 뱃 바닥의 일부가 잉크젯 프린터 아래의 위치로 이동된, 도 7에 대응하는 단면도.
도 9는 뱃 바닥의 일부는 이미 잉크젯 프린터의 영역을 떠났고 뱃 위에 성형 플랫폼이 배치되고 뱃 바닥 아래에 노광 유닛이 배치되는 제조 영역을 향해 이동하는 상태에 있는, 도 7에 대응하는 단면도.
도 10은 뱃 바닥의 일부는 여기서 성형 플랫폼 아래의 제조 구역으로 이동된, 도 7에 대응하는 단면도.
도 11은 성형 플랫폼을 하강시킨 후 그리고 착색제가 도포된 성형 재료의 규정된 층의 노광 동안의 도 10에 대응하는 단면도.
도 12는 노광의 완료 및 성형 플랫폼을 상승시킨 후의 도 10 및 도 11에 대응하는 단면도.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치의 필수 구성 요소의 개략적이고 매우 단순화된 사시도를 도시한다. 장치는 회전 가능한 뱃(2)을 포함하는데, 이 회전 가능한 뱃는 단순화의 이유로 원형 디스크를 실제로 둘러싸고 있는 측벽이 없는 원형 디스크 형태의 뱃 바닥(3)으로 도시된다. 뱃 바닥(3)은 적어도 노광 유닛(6)이 제조 영역을 노광할 수 있는 구역에서 투명하다. 노광 유닛(6)의 반대편에는 수직으로 이동 가능한 성형 플랫폼(8)이 뱃 바닥(2) 위에 배치된다. 제조 중인 부품(10)이 성형 플랫폼(10)에 현수되어 있다.
닥터 블레이드(4)는 뱃 바닥(3) 위에 조정 가능하게 위치 설정되어 매달려 있다. 뱃(2)은 수평 뱃 바닥(3)의 원형 디스크의 중심으로부터 연장되는 수직 연장 회전축을 중심으로 회전 가능하다. 제어 유닛(도시되지 않음)의 제어 하에 뱃(2)을 회전시키고 제어 유닛에 의해 결정된 위치에서 뱃를 정지시키는 회전 드라이브(도시되지 않음)가 제공된다. 화살표로 표시된 뱃(2)의 회전 방향과 반대 방향으로, 점성 성형 재료를 위한 분배 장치(도 1에 도시되지 않음)가 닥터 블레이드(4)의 상류에 배치되고, 상기 분배 장치는 점성 성형 재료를 분배한다. 이것은 예를 들어 구동되는 피스톤이 출력 스파우트를 통해 성형 재료를 전달할 수 있는 카트리지일 수 있다. 뱃(2)의 회전으로 인해, 성형 재료가 닥터 블레이드(4) 앞에 축적된다. 뱃(2)의 회전으로 인해, 분배된 성형 재료의 일부는 닥터 블레이드(4) 아래 및 이를 지나서 이동되어, 이에 따라 뱃 바닥(3)에 대한 닥터 블레이드(4)의 위치 설정에 의해 결정되는 미리 결정된 균일한 층 두께를 갖는 평활화된 층(20)을 형성한다.
닥터 블레이드(4)에 대해 둘레 방향으로 약 90° 변위된 곳에, 잉크젯 프린터(12)가 뱃(2) 위에 이동 가능하게 지지된다. 잉크젯 프린터(12)는, 뱃(2)의 회전을 정지시킨 후, 평활화된 층(20)의 미리 결정된 구역에 공간 선택적 방식으로 착색제를 도포하는데 사용되어, 다음 응고될 층에 대해 요구되는 위치 의존적 착색을 얻을 수 있다.
잉크젯 프린터(12)에 의해 인쇄 공정을 완료한 후, 뱃(2)은 90° 더 회전되어, 잉크젯 프린터에 의해 착색제가 도포된 평활화된 층(20)의 영역이 노광 유닛(6)과 성형 플랫폼(8) 사이의 구역으로 이동된다. 그런 다음, 성형 플랫폼(8)은 성형 플랫폼의 하부 표면(성형 플랫폼에서 응고될 제 1 층의 경우) 또는 제조 중인 부품(10)의 마지막 경화된 층의 하부 표면이 미리 결정된 층 두께와 같은 뱃 바닥에 대한 거리에 있는 정도로, 제어 유닛의 제어 하에 뱃 바닥(3)의 표면에 대해 하강되어, 성형 재료가 갭으로부터 변위되고, 미리 규정된 층 두께를 갖는 나머지 층이 생성된다. 본 발명에 따르면, 뱃 바닥(3) 위의 닥터 블레이드(4)의 위치 설정은 평활화된 층(20)이 미리 규정된 층 두께에 이미 가깝고, 적절하다면, 단지 약간만 미리 규정된 층 두께를 초과하는 방식으로 설정된다. 이 목적을 위해, 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 위치 설정은, 닥터 블레이드를 통과한 후 생성되는 미리 결정된 균일한 층 두께는 성형 플랫폼을 하강시킴으로써 설정되는 미리 규정된 층 두께의 100 % 내지 150 % 범위에 있도록, 조정된다. 위에서 설명된 바와 같이, 성형 플랫폼을 하강시킴으로써 층 두께를 설정하는 동안 변위되는 성형 재료의 양이 적고 이상적으로는 무시할 정도로 적다면 몇 가지 이점이 있다.
뱃 바닥에 대해 성형 플랫폼을 제어된 방식으로 하강시킴으로써 미리 규정된 층 두께를 설정한 후, 갭에 규정된 착색제로 각인된 성형 재료의 층은 공간 선택적 방식으로 뱃 바닥을 통해 노광 유닛(6)에 의해 노광되고, 이에 따라 응고된다. 그 후, 성형 플랫폼은, 제조되고 있는 부품(10)이 그 위에 현수된 상태로, 상승되어 현재 응고된 층이 뱃 바닥(3)으로부터 분리되고 들어 올려진다.
잉크젯 프린터(12) 및 노광 유닛(6)의 작동은 제어 유닛(도시되지 않음)에 의해 제어되고, 이 제어 유닛에는 제조될 성형체의 3 차원 형상 데이터가, 특히 연속적으로 응고될 개별 층의 윤곽 형상 데이터 및 응고될 각각의 층의 영역에서의 착색제의 분포 데이터로서 또한 저장되어 있다.
도 2는 도 1에 도시된 것과 같은 장치에서의 방법 단계의 시퀀스를 위에서 본 개략적인 평면도로 도시하고, 여기서 시퀀스는 본 발명에 따른 방법의 수행 동안 일련의 4 개의 작업 단계를 예시한다. 도 2의 왼쪽 에지에 표시된 제 1 단계에서, 뱃는 뱃 바닥(3)에 수직인 수직 회전축을 중심으로 반시계 방향으로 회전된다. 동시에, 예를 들어 미립자 세라믹 재료로 채워진 광중합성 재료와 같은 성형 재료는 예를 들어 카트리지로부터, 닥터 블레이드(4)의 상류에서 회전 방향으로 뱃 바닥으로 분배되어, 닥터 블레이드(4)에서 성형 재료(18)의 특정 테일 백(tailback)이 발생한다. 뱃 바닥(3)의 회전으로 인해, 성형 재료는 닥터 블레이드(4) 아래에서 닥터 블레이드를 지나 이동되고, 여기서 닥터 블레이드(4)는 뱃 바닥 위에 조정 가능하게 위치 설정되어 매달려 있어, 닥터 블레이드의 하부 에지에 의해, 뱃 바닥(3)에 대한 닥터 블레이드(4)의 위치 설정에 의해 결정되는 미리 결정된 균일한 층 두께를 갖는 평활화된 층(20)이 형성된다. 평활화된 층(20)은 닥터 블레이드(4)에 대해 반시계 방향으로 90°만큼 이동되는 잉크젯 프린터(12) 아래의 영역으로 뱃의 회전에 의해 이동된다. 나중에 추가 층을 응고시키기 위한 제조 영역이 되는 평활화된 층(20)의 구역이 잉크젯 프린터(12) 아래의 영역에 도달하자마자, 뱃는 정지된다. 이 단계에서, 성형 재료의 층은 공간 선택적 방식으로 착색제로 각인된다. 착색제의 도포의 결과는 도 2의 좌측에서 두 번째 도면에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서 인쇄된 문자 DLP는 공간 선택적 방식으로 각인된 도포된 착색제를 상징하도록 의도된다(물론, 치과용 제품을 제조하는 방법에서는, 일반적으로 문자와 같은 개별 착색된 구조가 도포되지 않고, 오히려 연속적으로 변화되는 착색이 적용된다). 잉크젯 프린터(12)가 이동 가능하게 매달려 있는 것은 십자 화살표로 표시되며, 여기서 잉크젯 프린터는 제어 유닛(도시되지 않음)에 의해 제어되는 제어된 방식으로 이동되어 제조 구역에서 공간 선택적 착색의 적용을 구현할 수 있다.
그 후 뱃는 다시 반시계 방향으로 90° 회전되고, 그 후 다시 정지되며, 여기서 이 상태는 도 2의 오른쪽에서 두 번째 도면에 도시된다. 이 회전으로 인해, DLP로 표시되는, 이전 단계에서 착색제가 도포된 구역은 닥터 블레이드(4) 반대편의 노광 유닛(6)에 도달하고, 거기에서, 미리 규정된 층 두께를 설정하기 위한 성형 플랫폼을 하강시킨 후, 노광에 의해 공간 선택적 방식으로 응고된다. 이것은 도 2에서 닥터 블레이드(4)의 반대편 그리드로 표시되며, 상기 그리드는 노광 유닛의 화소(픽셀)를 나타낸다. (도 2의 도면에서는 성형 플랫폼 아래의 제조 영역이 계속 보이도록 하기 위해 성형 플랫폼이 생략되었다.) 노광과 동시에 6시 위치에 있는 습식 성형 재료 층의 다음 제조 영역에는 DLP로 상징되는 착색제가 각인된다. 회전 단계 동안 닥터 블레이드(4)는 미리 결정된 균일한 층 두께를 갖는 평활화된 층(20)을 계속 형성한다. 도 2의 도면에서는 도시의 이유로 인해 뱃 바닥 위의 노광 유닛 위에 실제로 배치된 성형 플랫폼이 생략되어 노광 유닛의 노광 영역을 볼 수 있다는 점이 다시 주목된다.
도 2의 오른쪽 에지에 도시된 상태로의 전이 시, 뱃 바닥(3)의 추가 90° 회전이 발생하고, 여기서 닥터 블레이드(4)는 미리 결정된 균일한 층 두께를 갖는 평활화된 층(20)을 계속해서 형성하였다. 90° 회전되고 뱃 바닥의 회전이 정지된 후, 잉크젯 프린터(12)는 다음 제조 영역에서 다시 착색제를 도포하고 있으며, 도 2의 오른쪽에서 두 번째 도면에서 이전에 착색제로 각인된 제조 영역은 이제 도 2의 오른쪽 에지의 도면에서 볼 때 3시 위치에 있는 노광 유닛의 구역에 있으며, 성형 플랫폼(도시되지 않음)을 하강시킨 후, 노광된다. 이 예에서는 문자 DLP에 대응하는 영역이 노광되어 응고되었다고 가정한다.
오른쪽에서 두 번째 도면에서 노광된 영역 DLP는 도 2의 오른쪽 에지에 도시된 후속 방법 단계에서 12시 위치로 회전되었으며, 거기에서 문자 시퀀스 DLP가 있는 영역으로 도시되고, 여기서 이 영역의 응고 후에 성형 플랫폼이 다시 상승되었기 때문에, 뱃 바닥을 볼 수 있으며, 이로써, 성형 플랫폼은 도 2에 도시되어 있지 않으므로, 층(20)에서 응고된 층의 나머지 네거티브 이미지가 남아 있는데, 즉, 문자 시퀀스 DLP의 형태로 방금 응고된 층과 함께 성형 플랫폼을 상승시킨 후, 이 영역은 층(20)에서 네거티브 이미지 또는 보이드로 남아 있다.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 수행하는 동안 도 2에 대응하는 방법 단계의 시퀀스를 도시하고, 여기서 이 방법을 수행하기 위한 장치는 도 2에 도시된 장치와 다음과 같은 점에서 다르다. 도 3에는 도 2에 도시되지 않은 성형 재료 분배 장치(30)가 도시되어 있으며, 여기서 이 성형 재료 분배 장치는 다른 성형 재료를 갖는 2 개의 카트리지를 포함한다. 카트리지는 선택된 성형 재료 혼합물을 준비하고 혼합물을 분배하는 공통 혼합 장치에 연결된다. 이 경우 닥터 블레이드(4)는 이중 또는 트윈 닥터 블레이드로 구성되는데, 즉, 2 개의 평행한 닥터 블레이드를 포함하며, 이들 2 개의 평행한 닥터 블레이드 사이에 공동이 형성되어 바닥이 개방된다. 성형 재료는 혼합 장치에 의해 2 개의 닥터 블레이드 사이의 공동으로 직접 전달된다. 회전 방향에 대해 하류에 있는 닥터 블레이드의 위치 설정이 다시 설정되어, 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드(4)의 위치 설정에 의해 결정되는 미리 결정된 균일한 층 두께를 갖는 평활화된 층(20)이 형성된다.
12시 위치에 진공 닥터 블레이드(34)가 장착되며, 이 진공 닥터 블레이드는 마찬가지로 바닥이 개방된 공동을 사이에 갖는 이중 또는 트윈 닥터 블레이드로 형성된다. 진공 닥터 블레이드(34)의 공동은 3시 위치에서 노광 단계 및 성형 플랫폼을 들어 올린 후 남겨진 나머지 성형 재료가 흡입되도록 부압 하에 유지된다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 평활화된 층(20)을 형성하기 위한 조정 가능한 닥터 블레이드의 일 실시예가 설명되고, 상기 층(20)은 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드(4)의 위치 설정에 의해 결정되는 미리 결정된 균일한 층 두께를 갖는다. 도 5의 우측의 도면에는, 뱃 바닥(3)을 위에서 본 개략적인 평면도가 도시되어 있다. 여기에서 닥터 블레이드(4)의 종 방향은 원형 뱃 바닥(3)의 회전축에 가까운 시작 지점으로부터 반경 방향으로 바깥쪽 방향으로 원형 뱃 바닥(3)의 외주에 가까운 단부 지점까지 연장된다. 도 4에는 뱃 바닥(3) 및 닥터 블레이드(4)의 일부의 단면도가 도시되어 있으며, 여기서 단면의 평면은 도 5에서 볼 수 있는 닥터 블레이드(4)의 반경 방향 종 방향 연장부에 수직이다. 도 4의 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 닥터 블레이드(4)의 블레이드는 뱃 바닥(3)에 수직으로 배향되지 않고, 뱃 바닥(3)에 대해 경사져서 뱃 바닥에 대한 경사각(κ)을 형성한다. 경사각은 예각이며, 바람직하게는 30°내지 75°의 각도 범위에 있으며, 여기서 닥터 블레이드(4)는 이 경사각(κ)으로 경사져서, 경사각은 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드(4)의 상대적인 이동 방향에서 닥터 블레이드(4)의 하부 에지가 닥터 블레이드(4)의 상부 에지 뒤에서 뒤따르도록 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 상대적인 이동 방향에 대해 배치된다. 도 4를 참조하면, 이는 뱃 바닥(3)에 대한 닥터 블레이드(4)의 상대적인 이동 방향이 우측으로 향하고 있다는 것을 의미하고, 여기서 이 경우 닥터 블레이드(4)의 하부 에지는 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 상대적인 이동 동안 상부 에지 뒤에서 뒤따른다. 뱃 바닥(3)에 대한 닥터 블레이드(4)의 이동 방향으로 닥터 블레이드(4)의 앞에 뱃 바닥 상에 분배된 성형 재료가 축적된다. 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 위치 설정이 조정되어, 뱃 바닥과 닥터 블레이드의 하부 에지 사이의 갭을 통과하는 성형 재료의 부분은 뱃 바닥(3)에 대한 닥터 블레이드의 위치 설정에 의해 결정되는 바와 같은 미리 결정된 균일한 층 두께(DN)를 갖는 평활화된 층(20)으로 형성된다. 설명된 경사각은 깔때기 효과를 유발하는데, 즉, 성형 재료는, 경사진 닥터 블레이드의 상대적인 이동에 의해, 닥터 블레이드의 하부 에지와 뱃 바닥 사이의 갭을 향해 가압된다.
회전 가능한 뱃(2) 및 비-회전식 닥터 블레이드(4)를 갖는 여기에 설명된 장치의 실시예의 경우, 추가 각도를 조정하는 것이 유리하며, 이는 도 5와 관련하여 이제 설명될 것이다. 도 5는 도 4의 평면(A-A)에서 취해진 평면도를 도시하는데, 즉, 보기 방향은 x 방향이며, 닥터 블레이드(4)의 측면을 향한다. 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드(4)의 위치 설정은 닥터 블레이드(4)의 하부 에지와 일치하는 직선의 코스에 의해 규정된다. 닥터 블레이드(4)의 하부 에지와 일치하는 직선은 회전 가능한 뱃(2)에 대해 본질적으로 반경 방향으로 연장되지만, 그러나 뱃 바닥(3)의 표면에 평행하지는 않고, 뱃 바닥의 표면에 대해 슬로핑 각도(α)로 경사지며, 상기 슬로핑 각도(α)는 0°보다 크고 15°보다 작아서, 닥터 블레이드(4)의 하부 에지에서 뱃 바닥(3)까지의 거리는, 최소 거리에서 시작하여, 회전축으로부터의 반경 방향 거리가 증가함에 따라 증가한다. 이러한 슬로핑 각도(α)의 조정은 회전하는 뱃에 필요한데, 왜냐하면 반경 방향 거리가 증가함에 따라 성형 재료가 분배되는 면적이 증가하므로, 회전축으로부터의 반경 방향 거리가 증가함에 따라 성형 재료의 양이 증가될 필요가 있기 때문이다. 다른 말로 하면, 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 하부 에지의 상대 속도는 회전축에 대한 반경 방향 거리의 선형 증가 함수이므로, 더 큰 반경 방향 거리에서 상응하는 더 많은 성형 재료가 필요하며, 이는 닥터 블레이드에 대한 뱃 바닥의 상대적으로 더 빠른 속도로 인해, 더 넓은 영역에 걸쳐 분배된다. 닥터 블레이드의 상류에서 재료는 성형 재료가 반경 방향 범위에서 분배되는 전체 길이를 따라 닥터 블레이드에 축적되는 것이 관찰되었다. 또한, 회전축으로부터 더 큰 반경 방향 거리에 회전 뱃를 포함하는 이러한 실시예에서, 층 두께는 닥터 블레이드의 하부 에지에서 뱃 바닥까지의 거리에 의해 결정되지만, 그러나 회전축에 대한 반경 방향 거리에 의존하는 갭 폭은 갭 폭보다 낮은 닥터 블레이드의 반경 방향 외부 구역에 있는 생성된 층 두께와 동일하지 않는 것으로 밝혀졌다. 오히려, 표면 장력과 관련된 성형 재료의 점탄성 및 뱃 바닥 상의 접착 거동과 같은 재료 특성은 반경 방향 거리가 더 큰 영역에서 성형 재료가 닥터 블레이드의 하부 에지와 뱃 바닥 사이의 갭 폭에 의해 거기에서 결정되는 것보다 더 얇은 층으로 더 멀리 당겨지는 효과의 원인이 된다. 이를 위해서는, 점도, 표면 장력 및 접착 특성이 상이한 다른 성형 재료로 변경되는 경우, 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 위치 설정은 원하는 미리 결정된 균일한 층 두께가 분배된 성형 재료의 전체 영역에서 생성되도록 조정되어야 한다. 이와 관련해서, 조정 가능하게 매달려 있는 닥터 블레이드를 사용할 때 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 최적의 위치 설정을 다소 빠르게 찾을 수 있는 것으로 밝혀졌고, 이와 같이 매달려 있는 구성은 작동 드라이브를 사용하여 닥터 블레이드 하부 에지의 높이 및 슬로핑 각도를 지속적으로 조정할 수 있게 하여, 닥터 블레이드의 위치 설정을 변경함으로써, 원하는 층이 형성될 때까지 그 위치 설정을 변경함으로써 닥터 블레이드의 위치 설정을 빠르게 조정할 수 있게 한다.
성형 재료의 변위를 유발하는 성형 플랫폼을 하강시킴으로써 설정되는 미리 규정된 층 두께는 일반적인 제조 공정에서 20 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위에 있고, 미리 규정된 층 두께는 예를 들어 50 ㎛일 수 있다. 미리 규정된 층 두께보다 높지만 미리 규정된 층 두께보다 50 % 이하 더 높은 닥터 블레이드에 의해 미리 결정된 균일한 층 두께를 생성하기 위해, 뱃 바닥(3)에 대한 닥터 블레이드(4)의 하부 에지의 최소 거리를 조정할 수 있고 작동 중에 조정된 위치 설정이 변경될 위험 없이 정확하고 재현 가능한 방식으로 도 4 및 도 5와 관련하여 위에서 설명된 2 개의 각도를 조정할 수 있는 조정 가능하게 매달려 있는 닥터 블레이드를 구현하는 것이 필요하다. 이것은 예를 들어 고 정밀도로 테이블 위치를 조정하도록 구성되고 닥터 블레이드를 위한 결합된 현탁액을 형성하는 두 개의 위치 설정 테이블을 사용하여 달성될 수 있다. 위치 설정 테이블은 서로 결합된다. 위치 설정 테이블 중 하나는 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 하부 에지의 최소 거리를 조정하는 역할을 하고, 다른 하나는 고니오미터(goniometer)를 통해 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 하부 에지의 슬로핑 각도(α)(도 4 참조)를 조정한다.
도 6에는 닥터 블레이드(4)와 뱃 바닥(3)의 상대적인 이동을 구현하는 대안적인 실시예가 도시되어 있다. 이 경우, 위에서 본 평면도(z 방향에서 본 도면)로서 도 6의 오른쪽에 도시된 직사각형 뱃 바닥(3)이 사용된다. 이 경우, 뱃는 도 6의 오른쪽 도면에서 화살표로 표시된 x 방향으로 선형으로 이동 가능하다. 도 6의 왼쪽에는, 닥터 블레이드 및 뱃 바닥의 측면(시야 방향 = x 방향)으로부터의 평면도가 도시되어 있다. 이 경우, 닥터 블레이드(4)는 그 하부 에지가 뱃 바닥(3)의 표면에 평행하게 연장되도록, 그리고 닥터 블레이드(4)의 하부 에지에서 뱃 바닥(3)까지의 거리가 조정 가능하도록 매달려 있다. 이 경우, 닥터 블레이드의 하부 에지에서 뱃 바닥까지의 상대 속도가 모든 곳에서 동일하기 때문에, 닥터 블레이드의 하부 에지에서 뱃 바닥까지의 거리는 모든 곳에서 동일하다. 닥터 블레이드의 하부 에지에서 뱃 바닥까지의 거리는 닥터 블레이드(4)에 의해 형성되는 미리 결정된 균일한 층 두께와 동일하다.
도 6의 오른쪽에서 볼 수 있는 바와 같이, 분배된 성형 재료의 테일 백(18)이 뱃의 이동 방향으로 닥터 블레이드(4) 앞에 형성되고, 한편 이동 방향으로 닥터 블레이드(4) 뒤에는 미리 결정된 균일한 층 두께를 갖는 평활화된 층(20)이 형성된다. 많은 유형의 성형 재료에 대해 닥터 블레이드 뒤의 평활한 제조물의 실제로 생성된 층 두께는 닥터 블레이드의 하부 에지와 뱃 바닥 사이의 갭 폭과 정확히 같지는 않고, 층 두께는 많은 경우에 약간 더 작은 것으로 관찰되었다. 이와 관련하여, 또한, 예를 들어 제어 유닛에 의해 제어되는 작동 드라이브를 사용하여 닥터 블레이드의 하부 에지의 위치 설정을 변경함으로써, 뱃 바닥에 대한 닥터 블레이드의 올바른 위치 설정을 빠르게 찾을 수 있고, 이와 같이 닥터 블레이드를 올바르게 위치 설정하면 원하는 미리 결정된 균일한 층 두께가 생성되는 것으로 밝혀졌다.
도 7 내지 도 12에는, 본 발명의 방법을 수행하는 동안 방법 단계의 시퀀스에 대한 또 다른 표현이 도시되어 있다. 도 7은 닥터 블레이드(4)가 미리 결정된 균일한 층 두께를 갖는 평활화된 층(20)을 이미 형성한 뱃 바닥(3)의 일부에 대한 개략적인 평면도를 도시한다. 이러한 평활화된 층은 뱃의 회전에 의해 뱃의 회전이 정지되는 잉크젯 프린터(12) 아래의 구역으로 이동된다. 이 스테이지는 공간 선택적 방식으로 착색제(22)를 도포하는 잉크젯 프린터(12)의 이동 및 작동이 도시되어 있는 도 8의 평면도에 도시된다. 잉크젯 프린터 작동이 종료된 후, 뱃는 더 회전되고, 여기서 도 9는 이러한 회전 스테이지 동안 뱃의 평면도를 도시하고, 여기서 착색제가 이전에 제공된 층(20)의 영역이 도시되어 있다. 뱃의 회전은 각인된 층 영역이 성형 플랫폼(8)과 노광 유닛 사이의 제조 구역에 도달할 때까지 계속된다. 이러한 상태가 도 10에 도시되어 있다. 본 방법의 이 단계에서, 현재 제조되고 있는 부품(10)의 마지막 경화된 층의 하부 표면과 뱃 바닥의 표면 사이의 거리가 미리 규정된 층 두께와 같을 때까지, 성형 플랫폼(8)은 제어 유닛에 의해 제어되는 드라이브에 의해 하강된다. 이 단계는 도 11에서 완료되고, 그 후 뱃 바닥(3) 위의 현재 규정된 층은 노광 유닛의 제어된 작동에 의해 공간 선택적 방식으로 응고된다. 이러한 방식으로 노광에 의해 경화되는 층은, 진행 중인 중합에 의해, 이전에 마지막으로 경화된 층에 단단히 부착되어, 두 개의 층이 단단히 부착되고, 결국 서로 단단히 연결된 층들의 성형체로 이어진다.
노광 단계가 종료된 후, 성형 플랫폼(8)은 도 12에서 다시 상승되어, 도 11에서 이전에 경화된 마지막 층과 함께 그 위에 현수되어 있는 부품(10)이 뱃 바닥에서 들어 올려진다. 빈 구역 또는 구멍은, 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 마지막으로 경화된 층의 구역에서 뱃 바닥에 남아 있다. 이러한 구역들은 뱃가 회전되고 빈 구역이 닥터 블레이드 앞의 성형 재료의 분배 영역에 도달하면 다시 채워진다.
닥터 블레이드, 뱃 바닥, 및 뱃 측벽의 재료를 선택할 때, 다음 사항이 고려되어야 한다. 닥터 블레이드 및 뱃 측벽에 대해, PTFE(폴리 테트라 플루오로 에틸렌)가 가장 적합한 재료이다. PTFE는 표면 에너지가 낮기 때문에 처리될 성형 재료와 직접 접촉하는 모든 구성 요소에 유리하다. 이 경우 처리될 성형 재료는 닥터 블레이드 또는 뱃 측면 벽에 부착되지 않는다. 반면에, 폴리카보네이트 또는 폴리아미드와 같은 다른 플라스틱 재료의 닥터 블레이드를 사용할 때, 코팅의 빈 존이 관찰되었다.
닥터 블레이드가 뱃의 측벽과 직접 접촉하게 되는 상황이 발생하는 경우, PTFE의 우수한 슬라이드 특성이 발효되어, 뱃의 회전 메커니즘의 차단이 일반적으로 발생하지 않는다. PTFE는 용매, 반응성 성분 및 현탁액의 착색제에 대해 화학적으로 불활성이다. PTFE의 강성 그리고 연마 세라믹 현탁액에 대한 내마모성은 실험에서 찢어짐 및 마모 효과가 관찰되지 않을 정도로 충분하다.
뱃 바닥에 대한 재료를 선택할 때 두 가지 측면이 고려되어야 한다. 먼저, 뱃 바닥은 충분한 강성을 가져야 한다. 둘째, 표면은 매우 매끄럽고 평면이어야 한다. 셋째, 뱃 바닥 표면은 성형 재료 현탁액에 의해 젖을 수 있어야 한다. 이러한 측면에서, 성형 재료의 접촉각 및 점도가 중요하다. 이러한 요구 사항은 PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트, 두께: 3 mm)와, 그 위에 ETFE(에틸렌 테트라 플루오로 에틸렌, 두께: 80 ㎛) 필름의 조합으로 가장 잘 충족되었다. 뱃 바닥의 경우 PMMA 대신에 유리 또는 유사한 재료를 또한 고려할 수 있다. 뱃 바닥에 대한 재료 선택에 대한 제한은 노광을 위한 투명성 및 스테레오리소그래피 제조 공정 중 당기는 힘에 관한 추가 요구 사항으로 인해 발생한다. 본 발명과 관련하여 사용되는 ETFE 필름에는 PMMA 지지 디스크 상의 ETFE 필름의 기포 없는 평면 접합을 허용하는 자체 접착면이 제공된다. 고 정밀도로 평면인 이러한 방식으로 형성된 뱃 바닥은 닥터 블레이드를 사용하여 고 정밀도로 얇은 성형 재료 층을 형성하기 위한 전제 조건 중 하나이다. PTFE와 같이, ETFE도 또한 ETFE 필름과 접촉하는 사용되는 화학 물질에 대해 불활성이다. ETFE와 함께 본 발명과 관련하여 사용되는 성형 재료 제형과 조합되어, FEP(플루오로 에틸렌 프로필렌)에 비해 더 작은 접촉각, 및 이에 따라 더 양호한 습윤성을 얻을 수 있었다.
낮은 접촉각(습윤성을 나타내는 것으로 간주됨)은 성형 재료 층의 얇은 층 두께 설정과 잘 관련된다. 습윤성이 충분히 좋지 않으면, 이로 인해 성형 재료 층이 "용해"되고 "섬 형성"이 발생하게 되는데, 왜냐하면 성형 재료가 국부적으로 수축하거나 또는 움츠러들기 때문이다. 코팅에 구멍이 형성되고, 가능하게는 액적이 형성될 수 있다. 이러한 효과는 성형 재료 현탁액의 점도 증가에 의해 크게 감소되거나 또는 지연될 수 있다. 실험에 따르면, 일반적으로 50° 내지 60°에 사용되는 성형 재료에 대한 접촉각을 위해 10 내지 50 Pa·s의 점도가 적합한 것으로 밝혀졌다.
본 발명에 따른 방법에서, 아직 젖어 있는 성형 재료 층은, 성형 플랫폼이 층으로 하강되고 층이 노광 유닛에 의해 노광되어 응고되기 전에, 착색제로 공간 선택적 방식으로 각인될 수 있다. 착색제는 성형 재료의 유형에 따라 선택되어야 하며, 여기서 다음 지정이 바람직하다.
비-충전된 및 충전된 광중합체의 경우, 성형 재료로서 염료 분자를 포함하는 용액 및/또는 안료를 포함하는 현탁액이 사용될 수 있다.
성형 재료로서 유리 세라믹 슬러리를 사용하는 경우 착색제로서 바람직하게는 유기 매질에 분산된 착색 안료, 특히 산화물, 주석 산화물 또는 지르코늄 산화물이 사용된다.
성형 재료로서 ZrO2 슬러리의 경우, 바람직하게는 에탄올에 용해된 질산염(수용액 또는 다른 용매 기반) 또는 아세틸 아세토네이트의 염분 용액이 사용된다.

Claims (13)

  1. 스테레오리소그래피(stereolithography)에 의한 점성 광중합성 성형 재료의 층별 응고에 의한 성형체의 제조 방법으로서,
    a) 성형 재료가 뱃(vat)(2)의 평면형의 투명한 바닥 상에 분배되고,
    b) 상기 뱃(2)은 상기 뱃 바닥(3)의 평면에 평행한 방향으로 닥터 블레이드(4)에 대해 상대적으로 이동되고, 상기 닥터 블레이드는 상기 뱃 바닥(3) 위에서 조정 가능하게 위치 설정되도록 매달려 있고, 이에 의해 분배된 성형 재료가 상기 닥터 블레이드(4) 아래로 이동되어, 상기 뱃 바닥(3)에 대한 상기 닥터 블레이드(4)의 위치 설정에 의해 미리 결정된 균일한 층 두께를 갖는 평활화된 층(20)을 형성하고,
    c) 상기 평활화된 층(20)은, 상기 뱃(2)의 상대적인 이동에 의해, 상기 뱃 바닥(3) 아래에 위치된 노광 유닛(6)과, 높이가 조정 가능하게 상기 뱃 위에 매달려 있는 성형 플랫폼(8) 사이의 구역으로 제공되고,
    d) 상기 성형 플랫폼(8)은 제어된 방식으로 상기 뱃 바닥에 대해 하강되어, 성형 재료를 변위시키는 동안, 갭에 남아 있는 층이 미리 규정된 층 두께로 형성되고,
    e) 상기 층은 현재 층에 대해 요구되는 윤곽 내에서 상기 노광 유닛(6)의 제어된 작동에 의해 공간 선택적 방식으로 응고되고,
    f) 그 후 상기 성형 플랫폼(8)은 상승되고, 성형 재료가 상기 뱃 바닥 상에 분배되고, 상하로 응고된 복수의 층에 의해 상기 성형체가 제조될 때까지 단계 b) 내지 f)가 반복되는, 성형체의 제조 방법에 있어서,
    상기 뱃 바닥(3)에 대한 상기 닥터 블레이드(4)의 위치 설정은, 최종적인 미리 결정된 균일한 층 두께가 상기 성형 플랫폼(8)을 하강시킴으로써 설정되는 상기 미리 규정된 층 두께보다 두꺼워지지만, 상기 미리 규정된 층 두께를 50 % 넘게 초과하지는 않도록 하는 방식으로 조정되는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 뱃 바닥(3)에 대한 상기 닥터 블레이드(4)의 위치는 최종적인 미리 결정된 균일한 층 두께가 상기 미리 규정된 층 두께의 110 % 내지 130 % 범위에 있도록 조정되는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 뱃(2)과 상기 닥터 블레이드(4)의 상기 상대적인 이동은 정지된 방식으로 매달려 있는 닥터 블레이드(4)에 대해 상기 뱃 바닥(3)에 수직인 중심축을 중심으로 상기 뱃(2)을 회전시킴으로써 또는 정지된 뱃(2)에 대해 상기 중심축을 중심으로 상기 닥터 블레이드(4)를 회전시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 뱃 바닥(3) 위의 상기 닥터 블레이드(4)의 상기 위치는 상기 회전축에 가장 가까운 상기 닥터 블레이드의 하부 에지의 지점에서 상기 뱃 바닥(3)까지의 최소 거리에 의해 규정되는, 상기 닥터 블레이드의 상기 직선 하부 에지와 일치하는 직선에 의해, 그리고 상기 하부 에지의 상기 직선 및 직선에 의해 교차되는 상기 뱃 바닥(3)에 평행한 평면에 의해 규정되는 슬로핑 각도(sloping angle)(α)에 의해 규정되고, 상기 슬로핑 각도는 0°보다 크고 15°보다 작으며, 이에 의해 상기 하부 에지에서 상기 뱃 바닥(3)까지의 거리는 상기 회전축까지의 반경 방향 거리가 증가함에 따라 상기 최소 거리로부터 증가하는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    닥터 블레이드(4)는 평면형의 블레이드를 포함하며, 상기 닥터 블레이드는 상기 뱃 바닥(3)에 대해 경사각(κ)으로 경사지고, 0°보다 크고 90°보다 작은 상기 경사각(κ)은 바람직하게는 30° 내지 75°의 범위이고, 상기 경사각은, 상기 뱃 바닥에 대한 상기 닥터 블레이드(4)의 상기 상대적인 이동 방향에서 상기 닥터 블레이드(4)의 상기 하부 에지가 상기 닥터 블레이드(4)의 상부 에지 뒤에서 뒤따르는 방식으로 뱃 바닥(3)과 닥터 블레이드(4) 사이의 상기 상대적인 이동 방향에 대해 규정되는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 뱃(2)과 상기 닥터 블레이드(4)의 상기 상대적인 이동은 상기 뱃(2)을 선형으로 이동시킴으로써, 또는 상기 닥터 블레이드(4)를 선형으로 이동시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 뱃 바닥 위의 상기 닥터 블레이드(4)의 상기 위치는 상기 닥터 블레이드(4)의 상기 하부 에지와 일치하는 직선의 연장부에 의해 규정되고, 상기 직선은 상기 뱃 바닥(3)에 평행하게 일정한 거리에서 연장되는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평활화된 얇은 층의 표면은, 상기 성형 플랫폼(8)을 하강시키기 전에 그리고 공간 선택적 노광 전에 중간 단계에서, 선택된 착색제를 공간 선택적 방식으로 도포함으로써 착색되는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    색상 및 반투명을 설정하기 위한 상기 착색제는 현재 사용되는 상기 성형 재료에 맞춰진 방식으로 선택되고:
    a) 광중합체가 성형 재료인 경우: 염료 분자를 포함하는 용액 및/또는 안료를 포함하는 현탁액,
    b) 유리 세라믹을 포함하는 슬러리가 성형 재료인 경우: 유기 매질에 분산된 착색 안료, 특히 산화물, 주석 산화물 또는 지르코늄 산화물,
    c) ZrO2 슬러리가 성형 재료인 경우: 질산염의 염류 용액(수용액 또는 다른 용매 기반) 또는 에탄올에 용해된 아세틸 아세토네이트의 염류 용액
    인 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 착색제는 잉크에 용해 및/또는 분산되고, 잉크젯 프린터에 의해 공간 선택적 방식으로 상기 평활화된 층 상에 도포되는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 착색제는 광 경화성 또는 열 경화성이고, 상기 평활화된 층 상에 공간 선택적으로 도포된 후, 전자기 복사에 의해 고정되고, 고정에 사용되는 상기 전자기 복사는 상기 성형 재료의 광개시제의 흡수 스펙트럼 밖에 있는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    닥터 블레이드로서, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌으로 제조된 닥터 블레이드가 사용되며, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌으로 제조된 상기 뱃(2)의 둘레 측벽이 사용되는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    뱃 바닥(3)으로서, 상기 뱃 바닥을 향하는 표면에 에틸렌 테트라 플루오로 에틸렌 필름이 결합된 유리 또는 폴리메틸 메타크릴레이트의 페인(pane)이 사용되는 것을 특징으로 하는 성형체의 제조 방법.
KR1020200173147A 2020-12-11 2020-12-11 스테레오리소그래피에 의한 성형체의 제조 방법 KR20220083892A (ko)

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