KR20220084043A - 연질 재료의 개선된 3d 프린팅을 위한 유변학 및 기계 경로 지정의 수정 - Google Patents

연질 재료의 개선된 3d 프린팅을 위한 유변학 및 기계 경로 지정의 수정 Download PDF

Info

Publication number
KR20220084043A
KR20220084043A KR1020227011963A KR20227011963A KR20220084043A KR 20220084043 A KR20220084043 A KR 20220084043A KR 1020227011963 A KR1020227011963 A KR 1020227011963A KR 20227011963 A KR20227011963 A KR 20227011963A KR 20220084043 A KR20220084043 A KR 20220084043A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
structural material
nozzle
deposition
processor
layer
Prior art date
Application number
KR1020227011963A
Other languages
English (en)
Inventor
아담 발테르 페인베르그
마리아 스탕
Original Assignee
카네기 멜론 유니버시티
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 카네기 멜론 유니버시티 filed Critical 카네기 멜론 유니버시티
Publication of KR20220084043A publication Critical patent/KR20220084043A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C35/00—Heating, cooling or curing, e.g. crosslinking or vulcanising; Apparatus therefor
    • B29C35/02—Heating or curing, e.g. crosslinking or vulcanizing during moulding, e.g. in a mould
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/307—Handling of material to be used in additive manufacturing
    • B29C64/321—Feeding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/40—Structures for supporting 3D objects during manufacture and intended to be sacrificed after completion thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2063/00—Use of EP, i.e. epoxy resins or derivatives thereof, as moulding material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2075/00—Use of PU, i.e. polyureas or polyurethanes or derivatives thereof, as moulding material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2083/00—Use of polymers having silicon, with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only, in the main chain, as moulding material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2101/00—Use of unspecified macromolecular compounds as moulding material
    • B29K2101/10—Thermosetting resins
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/0005—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing compounding ingredients
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/0058—Liquid or visquous
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2105/00—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped
    • B29K2105/06—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts
    • B29K2105/16—Fillers

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)

Abstract

적층 제조를 위한 방법 및 시스템이 본 명세서에 제공된다. 방법은 구조 재료가 노즐을 통해 유동하도록 구조 재료에 인가함으로써 지지 재료(808)에 노즐(810)에 의해 구조 재료를 증착하는 단계를 포함한다. 구조 재료는 중합체와 유변학 개질제를 포함한다. 구조 재료의 증착은 물체(814)를 생성하기 위해 필요에 따라 반복된다. 지지 재료는 물체에서 적어도 부분적으로 제거된다. 다양한 예에서, 방법은 물체의 제1 부분에서 물체의 제2 부분으로 프린트 파라미터를 변경하는 단계, 물체의 후속 층의 증착을 위해 재배치할 때 물체의 이전에 증착된 층으로부터 멀리 노즐을 이동시키는 단계, 또는 이들의 조합을 포함한다.

Description

연질 재료의 개선된 3D 프린팅을 위한 유변학 및 기계 경로 지정의 수정
정부 지원
본 발명은 국립 과학 재단(National Science Foundation)에 의해 수여된 정부 계약 번호 DGE 1745016에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 발명에 대한 특정 권리를 가지고 있다.
우선권 주장
본 출원은 2019년 10월 18일자로 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호 62/973,696에 대한 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 본 명세서에 참조로 통합된다.
적층 제조에 사용하기에 적응하기 어려운 재료가 있다. 예를 들어, 에폭시 및 실리콘과 같은 열로 경화되는 열경화성 중합체는 기계적 특성, 내화학성 및 열적 안정성의 조합으로 인해 많은 응용 분야에서 널리 사용된다. 그러나 이러한 열경화성 중합체는 종종 두 부분으로 구성된 시스템으로 혼합되어 가교 결합 및 완전 경화에 몇 분에서 몇 시간이 소요될 수 있다. 이러한 열경화성 중합체는 장기간 액체 상태로 남아 있을 수 있다. 따라서 이러한 열경화성 중합체는 유동할 수 있고 의도한 기하학적 구조를 유지하지 못할 수 있기 때문에 충실도(fidelity)가 높은 적층 제조가 어려울 수 있다. 또한, 압출 기반 직접 잉크 기록(DIW) 및 융합 증착 모델링(FDM)은 지지체를 사용하지 않고는 프린팅하기 어려운 오버행(overhang) 및/또는 기타 독립 구조와 같은 기하학적 구조를 프린팅하는 데 문제가 있을 수 있다. 적층 제조할 수 있는 재료 및 기하학적 구조에 대한 이러한 제약은 현재 과제이다.
하나의 일반적인 양태에서, 본 발명은 적층 제조 방법에 관한 것이다. 방법은 다양한 실시예에서 구조 재료가 노즐을 통해 유동하도록 구조 재료에 힘을 인가함으로써 지지 재료에 노즐에 의해 구조 재료를 증착하는 단계를 포함한다. 구조 재료는 항복 응력, 요변성 속성, 유변학 개질제로 인한 점도 증가, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 구조 재료에 힘을 인가하는 것은 구조 재료에 적어도 항복 응력의 힘을 인가하는 것, 구조 재료가 노즐을 통해 유동하게 하는 힘을 인가하는 것, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 특정 예에서, 힘은 적어도 구조 재료의 항복 응력이고 구조 재료의 항복 응력은 1 Pa 내지 10 kPa, 예를 들어 10 Pa 내지 200 Pa의 범위에 있다. 구조 재료는 중합체 및 유변학 개질제를 포함한다. 구조 재료는 예를 들어 0.1 중량% 내지 50 중량%의 유변학 개질제를 포함할 수 있다. 유변학 개질제는 예를 들어, 요변성 첨가제, 요변성 첨가제, 입자 필라, 중합체계 첨가제, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 중합체는, 예를 들어, 실리콘계 중합체(예를 들면, PDMS), 에폭시계 중합체, 우레탄계 중합체, 또는 이들의 조합과 같은 열경화성 수지를 포함할 수 있다. 구조 재료의 증착은 물체를 생성하기 위해 필요에 따라 반복된다. 구조 재료는 증착 후에 경화될 수 있다. 지지 재료는 물체에서 적어도 부분적으로 제거된다.
다른 일반적인 양태에서, 적층 제조 방법은 압출기 어셈블리의 노즐을 통해 지지체 재료에 구조 재료를 증착하는 단계 및 물체를 생성하기 위해 필요에 따라 구조 재료의 증착을 반복하는 단계를 포함한다. 증착의 프린트 파라미터는 물체의 제1 부분에서 물체의 제2 부분으로 변화하고, 노즐은 물체의 후속 층의 증착을 위해 재배치할 때 물체의 이전에 증착된 층으로부터 멀리 이동하도록 구성되거나, 또는 이들의 조합이다. 지지 재료는 물체에서 적어도 부분적으로 제거된다. 프린트 파라미터는 예를 들어 노즐을 통한 구조 재료의 유량, 압출 방향, 인필 파라미터, 노즐의 병진 속도, 층 높이, 노즐의 병진 방향, 프린트 패턴, 경화 파라미터, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 구조 재료는 예를 들어 중합체 및 유변학 개질제를 포함할 수 있고 구조 재료는 1 Pa 내지 10 kPa 범위의 항복 응력을 포함할 수 있다. 구조 재료를 증착하는 것은 구조 재료가 노즐을 통해 유동하도록 구조 재료에 힘을 인가하는 것을 포함한다. 힘은 적어도 구조 재료의 항복 응력일 수 있다.
다른 일반적인 양태에서, 본 발명은 적층 제조를 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 구조 재료를 증착하도록 구성된 노즐을 포함하는 압출기 어셈블리 및 지지 재료를 수용하도록 구성된 재료 증착 영역을 포함한다. 시스템은 또한 비일시적 메모리에 연결된 프로세서를 포함한다. 비일시적 메모리는 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서가 노즐을 제어하게 하여 구조 재료가 노즐을 통해 유동하도록 구조 재료에 힘을 인가함으로써 노즐이 재료 증착 영역 상에 위치된 지지 재료에 구조 재료를 증착하도록 하는 기계 실행 가능 명령어를 포함한다. 특정 예에서, 구조 재료는 항복 응력을 포함하고 인가된 힘은 적어도 구조 재료의 항복 응력이다. 비일시적 메모리는 또한 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서가 노즐을 제어하게 하여 물체를 생성하기 위해 필요에 따라 구조 재료의 증착을 반복하게 하고 물체로부터 지지 재료를 적어도 부분적으로 제거하도록 하는 기계 실행 가능 명령어를 포함한다.
다른 일반적인 양태에서, 본 발명의 적층 제조 방법은 프로세서에 의해 물체의 파트 파일을 수신하는 단계, 및 프로세서에 의해 파트 파일을 상이한 파트 세그먼트로 분리하는 단계를 포함하며, 각 파트 세그먼트는 파트 파일의 일부를 포함한다. 상기 방법은 또한 프로세서에 의해 각 세그먼트의 파트 파일 부분의 설계에 기초하여 각 세그먼트에 대한 기계 경로 지정 명령어를 생성하는 단계 및 메모리에 기계 경로 지정 명령어를 저장하는 단계를 포함한다. 기계 경로 지정 명령어는 노즐을 통한 구조 재료의 유량 변화, 압출 방향, 인필 파라미터, 노즐의 이동 속도, 층 높이, 노즐의 이동 방향, 프린트 패턴, 경화 파라미터 또는 이들의 조합과 같은 적어도 두 개의 세그먼트 사이에서 다르다. 특정 예에서, 노즐은 물체의 후속 층의 증착을 위해 재배치될 때 물체의 이전에 증착된 층으로부터 멀리 이동하도록 구성된다.
다른 일반적인 양태에서, 본 발명의 적층 제조를 위한 시스템은 비일시적 메모리에 결합된 프로세서를 포함하며, 여기서 비일시적 메모리는 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서가 물체의 파트 파일을 수신하고 파트 파일을 다른 파트 세그먼트로 분리하도록 하는 기계 실행 가능 명령어를 포함하며, 각 파트 세그먼트는 파트 파일의 일부를 포함한다. 비일시적 메모리는 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서가 각각의 세그먼트에 파트 파일 부분의 설계에 기초하여 각 세그먼트에 대한 기계 경로 지정 명령어를 생성하고 메모리에 기계 명령어를 저장하게 하는 기계 실행 가능 명령어를 포함한다. 기계 경로 지정 명령어는 최소한 두 개의 세그먼트 사이에서 변화한다.
다른 일반적인 양태에서, 본 발명의 적층 제조 시스템은 압출기 어셈블리, 재료 증착 영역, 및 프로세서를 포함한다. 압출기 어셈블리는 구조 재료를 증착시키도록 구성된 노즐을 포함한다. 재료 증착 영역은 지지 재료를 수용하도록 구성된다. 프로세서는 비일시적 메모리에 동작 가능하게 결합된다. 프로세서는 노즐을 통한 구조 재료의 증착을 제어하도록 구성된다. 프로세서는 물체의 제1 부분에서 물체의 제2 부분으로 프린트 파라미터를 변경하도록 구성되며, 물체의 후속 층의 증착을 위해 재배치할 때 물체의 이전에 증착된 층으로부터 멀리 노즐을 이동시키도록 구성되고, 또는 이들의 조합이다. 프린트 파라미터는 노즐을 통한 구조 재료의 유량, 압출 방향(예를 들어, 압출, 수축), 인필 파라미터, 노즐의 병진 속도, 층 높이, 노즐의 병진 방향, 프린트 패턴, 경화 파라미터, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예 및 구현은 종래의 적층 프린팅 기술에 비해 많은 이점 및 개선점을 제공한다. 예를 들어, 구조 재료의 유변학적 개질을 활용하여 프린트된 기하학적 구조를 보다 잘 유지할 수 있는 항복 응력 유체를 생성할 수 있다. 또한 지능형 기계 경로 지정과 프린트 파라미터의 신중한 선택은 프린트된 기하학적 구조를 개선할 수 있다. 구체적으로, 프린트 노즐과 압출 필라멘트 간의 상호작용을 최소화하여 필라멘트 왜곡을 방지할 수 있다. 트레블 이동(travel moves)은 프린트의 본체 외부에서 발생하도록 구성할 수 있으며, 스트링 아티팩트를 줄이기 위해 수축을 사용해야 한다. 기계 경로 지정에 대한 모듈식 접근 방식은 가장 높은 충실도로 프린트된 구성을 달성할 수 있다. 또한 튼튼한 하드웨어를 갖춘 견고한 적층 제조 시스템을 사용하여 요변성, 점성 유체를 압출할 수 있다. 본 발명의 다양한 구현을 통해 잠재적으로 실현가능한 이들 및 다른 이점은 다음의 설명으로부터 명백할 것이다.
본 발명의 실시예들의 특징 및 이점, 그리고 그것들을 달성하는 방식은 본 발명의 다양한 양태의 예제의 방식으로 도시된 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 설명을 참조하면 명확해질 것이며, 실시예들이 더 명확해질 것이다.
도 1a는 인필 영역 및 둘레 영역을 갖는 예시적인 캘리브레이션 큐브(calibration cube)의 렌더링 이미지이다.
도 1b는 층 계면에서의 전단 응력 뿐만 아니라 필라멘트가 압출될 때 이전 층에 하향력을 인가할 수 있는 사전 증착된 필라멘트의 상부에 필라멘트가 압출되는 예의 이미지이다.
도 1c는 노즐이 이전 층에 접근함에 따라 필라멘트 변위를 초래할 수 있는 인필(infill) 내의 이전에 증착된 필라멘트에 대해 비스듬히 압출되는 필라멘트의 예의 이미지이다.
도 1d는 교차 인필을 갖는 PDMS의 두 프린트된 층의 예에 대한 평면도의 이미지이고, 점선 원은 인필이 중단된 영역을 표시하는 데 사용된다.
도 1e는 PDMS가 유착되고 프린트된 기하학적 구조를 유지하지 않는 카보폴(Carbopol)의 지지 재료에 PDMS로 프린트된 캘리브레이션 큐브의 이미지이다.
도 1f는 도 1e의 캘리브레이션 큐브의 평면도 이미지이다.
도 2a는 본 명세서에 기재된 실시예에 따른 빙햄(Bingham) 유사소성 거동을 나타내는 다양한 예시적 구조 재료의 응력 램프를 예시하는 그래프이다.
도 2b는 유변학 개질제 농도의 증가에 따른 다양한 구조 재료 조성물의 항복 응력 증가를 나타내는 다양한 예시적인 구조 재료의 정상 응력 스윕을 나타내는 그래프이다.
도 2c는 본 명세서에 설명된 예에 따른 R2 = 0.978인 파워 피팅(power fit) 곡선을 예시하는 그래프이다.
도 3a는 좌측에 FDM 압출기 노즐 압출 필라멘트의 예 및 우측에 FRE 압출기 노즐 압출 필라멘트의 예를 도시하는 도면이다.
도 3b는 FDM 프린팅된 필라멘트의 단면 이미지이고, 우측 하단의 스케일 바는 1mm이다.
도 3c는 예시적인 FRE 프린팅 필라멘트의 단면의 이미지이고, 우측 하단의 스케일 바는 1mm이다.
도 3d는 프린트된 필라멘트의 예시적인 프레임 모델의 이미지이다.
도 3e는 5mm/s의 병진 속도 및 1의 유동 트윅으로 프린트된 예시적인 FRE 프린팅 필라멘트의 단면 이미지이며, 우측 하단의 스케일 바는 0.5mm이다.
도 3f는 예시적인 FRE 프린팅 필라멘트 대 프린팅 속도 및 유동 트윅의 종횡비를 나타내는 그래프이고, 그래프는 종횡비가 프린팅 속도(5-10 mm/s) 및 유동 트윅( 0.9-1.1) 범위에서 일관되게 1 보다 크다는 것을 보여준다.
도 4a는 상단 이미지에 2개의 층, 중간 이미지에 3개의 층, 및 하부 이미지에 4개의 층으로 프린트될 예제 쉘에 대한 기계 경로 지정을 나타내는 이미지이다.
도 4b는 도 4a의 기계 경로 지정에 따라 프린트된 상단 이미지에 2개의 층, 중간 이미지에 3개의 층, 및 하부 이미지에 4개의 층을 갖는 FRE 프린트된 필라멘트의 예시적인 단면의 이미지이다. 2개의 뚜렷한 모폴로지가 관찰되었으며 둥글고 평평했다.
도 4c는 인필 밀도의 함수로서 필라멘트 모폴로지(morphology)를 조사하는 데 사용된 좌측의 예시적인 프린트된 물체의 이미지이며, 이를 파선으로 절단되고 현미경으로 검사하여 우측의 이미지를 생성한다. 상단 이미지는 인필 밀도가 40%인 단일 층 필라멘트의 예이고 인필 밀도가 90%인 하단 이미지는 인필 밀도가 높을 때 필라멘트 연신율이 악화될 수 있음을 보여준다.
도 4d는 종횡비가 인필 밀도에 따라 증가할 수 있음을 예시하는 그래프이다.
도 4e는 인필 밀도 및 층 높이의 범위에 걸쳐 예시적인 FRE 프린트된 필라멘트의 단면을 예시하는 이미지이고, 별표는 크라우닝(crowning) 영역을 나타내고 각 이미지의 우측 하단에 있는 스케일 바는 1mm이다.
도 5는 PDMS 유변학 및 기계 경로 지정의 수정을 통한 FRE 프린트된 캘리브레이션 큐브의 예의 측면도 및 평면도의 이미지이다. 이미지의 좌측 열은 지지 재료에 여전히 있는 캘리브레이션 큐브를 보여준다. 이미지의 맨 위 행은 개질되지 않은 PDMS를 프린팅하면 PDMS가 유착되고 이전에 프린팅된 층이 중단되어 PDMS 거품이 나타날 수 있음을 보여준다. 중간 행은 구조 재료에 추가된 유변학 개질제로 프린트된 캘리브레이션 큐브를 보여준다. 맨 아래 행은 유변학 개질제와 증강된 기계 경로 지정을 포함하는 구조 재료로 프린트된 캘리브레이션 큐브를 보여준다.
도 6a는 (i) 0wt%, (ii) 1.0wt%, 및 (iii) 2.7wt% 유변학 개질제에서의 예시적인 주조 인장 시험 시편의 평면도를 도시하며, 우측 하단의 스케일 바는 1cm이다.
도 6b는 (i) 600으로 지정, (ii) 602로 지정, 및 (iii) 606으로 지정, (n = 6) 3개의 예시적인 상이한 PDMS 제형에 대한 응력(stress)-변형률(strain) 곡선의 그래프이다.
도 6c는 0-10% 변형에 대해 (i) 600으로 지정, (ii) 602로 지정, (iii) 606으로 지정, (n = 6) 3개의 다른 예시적인 PDMS 제형에 대한 응력-변형률 곡선의 그래프이다.
도 6d는 (i), (ii) 및 (iii), (사후 분석(post-hoc) 둔(Dunn)의 다중 비교 시험를 사용한 크러스컬-월리스(Kruskall-Wallis) 시험, ***는 p < 0.001을 나타냄) 3개의 상이한 예시적인 PDMS 제형, (i), (ii), 및 (iii)의 영률의 기둥 차트이다).
도 6e는 (iv) 입방 인필 패턴, (v) 정렬된 직선 인필 패턴, 충전 각도(fill agnle) = 0°("평행"으로 표시됨) 및 (vi) 정렬된 직선 인필 패턴, 충전 각도 = 90°("수직"으로 표시됨) 인필 패턴을 갖는 인장 시험 시편에 대한 예시적인 계획된 기계 경로 지정의 이미지이다.
도 6f는 3가지 상이한 인필 패턴, (iv), (v) 및 (vi)를 갖는 예시적인 FRE 프린팅 인장 시험 시편의 평면도를 예시한다. 우측 하단의 스케일 바는 1cm이다.
도 6g는 3개의 상이한 예시적인 인필 패턴, (iv), (v) 및 (vi), (n = 6)에 대한 응력-변형률 곡선의 그래프이다.
도 6h는 0-10% 변형률에 대해 (iv) 606으로 지정, (v) 608로 지정, (vi) 610으로 지정, (n = 6) 3개의 다른 예시적인 인필 패턴에 대한 응력-변형률 곡선의 그래프이다.
도 6i은 2.7wt% 유변학 개질제/PDMS에서 주조 및 프린트된 인장 시험 예시 시편의 모듈러스의 기둥 차트이다(일방향 ANOVA 및 사후분석 터키(Tukey) 시험, ***는 p < 0.001를 나타내고, ****는 p <를 나타냄 0.0001).
도 6j는 3개의 상이한 예시적인 인필 패턴, (iv), (v), 및 (vi)에 대한 인필 패턴의 함수로서 파손에 대한 연신율의 기둥 차트이다. (일방향 ANOVA 및 사후분석 터키의 시험, ****는 p < 0.0001을 나타냄).
도 7은 프린트될 예시적인 3D 모델의 이미지, 예시적인 3D 모델의 최적화되지 않은 FRE 프린트의 예시, 및 3D 모델의 예시적인 최적화된 프린트의 예시이다. 이미지의 좌측 열에서, 이미지는 프린트의 다른 영역에 대해 별도의 기계 경로 지정(machine pathing)(유량 조절)를 생성하면 중공(hollow) 구를 구성할 수 있음을 보여준다. 이미지의 중간 열에서 이미지는 수축 및 리프트 트레블 이동을 구현하면 오그제틱 격자(auxetic lattice)를 구성할 수 있음을 보여준다. 이미지의 우측 열에서 이미지는 더 작은 노즐 크기와 더 강한 모터를 사용하면 우측 이중 나선을 구성할 수 있음을 보여준다.
도 8은 본 개시내용에 따른 적층 제조 FRE 시스템의 예의 블록도로서, X축이 페이지 밖으로 나온다.
도 9는 본 개시내용에 따른 적층 제조 FRE 방법의 예의 흐름도이다.
본 명세서에 기재된 예시는 일 형태로 특정 실시예를 예시하고, 그러한 예시는 첨부된 청구범위의 범위를 어떤 방식으로든 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에서 사용된 "적층 제조"는 감산 제조 방법론과 대조적으로 일반적으로 층 위에 층으로 3D 모델 데이터로부터 물체를 만들기 위해 재료를 접합하는 프로세스를 의미한다. 예를 들어, 적층 제조는 FDM(Fused Deposition Modeling) 및 FRE(Freeform Reversible Embedding)를 포함할 수 있다. FDM은 용융 온도 이상의 온도로 재료를 가열하여 재료를 압출하는 단계 및 물체의 층을 형성하기 위해 패턴으로 압출된 재료를 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 후속 층은 물체를 형성하기 위해 필요에 따라 이전 층 상부 위에 증착될 수 있다.
FRE(Freeform Reversible Embedding)는 FDM과 유사하지만, 이전 증착 또는 지지체 위에 재료를 증착하는 대신, FRE는 지지체 재료 내부의 다른 매립된 증착물 근처에 구조 재료를 매립하고 표적 가열, 광중합, 가교, 느린 반응 속도, 결합제 적용 및/또는 기타 경화 기술을 사용하는 재료의 재구성 또는 트리거된 어셈블리에 의존한다. 예를 들어, 지지체 재료는 구조 재료가 지지체 재료와 접촉할 때 구조 재료가 경화되기 시작하도록 가교를 위한 2가 양이온을 제공할 수 있다.
FDM과 같은 적층 제조 기술의 경우, 지지 재료는 일반적으로 프린트된 재료만큼 뻣뻣하고 이전 층의 일부로 프린트되며 변형을 방지하기 위해 프린팅 층 아래에만 또는 인접하게 배치된다. FRE에서 지지체 재료는 압출 노즐을 둘러쌀 수 있고 프린트 재료는 지지체 내부에 증착될 수 있다. 지지 재료는 프린트 재료의 이미 내장된 증착물에 대한 부력, 물리적 지지를 유지하면서 다양한 재료의 증착을 허용하는 비뉴턴 유체(non-newtonian fluid)일 수 있다. 지지 재료 내부에 미리 결정된 거리를 두고 두 개의 내장된 프린트 재료의 증착물, 그것들은 융합될 수 있다. 프린팅 후, 지지 재료는 증착된 프린팅 재료로부터 제거되어 증착된 프린트 재료로부터 완전히 조립된 물체를 형성할 수 있다.
FRE에서, 물체는 3D 공간에서 임의의 방향으로 프린트될 수 있고 층별 프린팅에 제한되지 않는다. 예를 들어, 구조는 X-Y 평면 또는 X-Z 평면과 같은 비-X-Y 평면에서 또는 X-Y 평면에서 오프셋된 임의의 각도로 평면에서 층별로 프린트될 수도 있다. 물체는 또한 예를 들어 나선과 같은 곡선 경로와 같이 비평면 방식으로 FRE를 사용하여 프린트될 수 있다. FRE를 활용하면 프린팅 평면에 직교하거나 프린팅 평면의 다른 각도에서 프린팅 평면과 다른 기계적 속성을 가진 물체를 프린팅할 수 있다. FRE 공정에 관한 추가 세부사항은 2016년 1월 29일에 출원된 ADDITIVE MANUFACTURING OF EMBEDDED MATERIALS라는 제목의 미국 특허 번호 10,150,258에서 찾을 수 있으며, 이는 본 명세서에 참조로 통합된다.
실리콘계 중합체, 에폭시계 중합체 등과 같은 연질 중합체의 FRE 프린팅은 도전 과제를 제시했다. 예를 들어, 각 층이 아래 층으로 축에서 벗어나 압출되는 인필 패턴은 다양한 필라멘트 모폴로지(예를 들어, 노즐에서 압출되는 구조 재료의 형상)와 높은 필라멘트 변형성으로 인해 불가능했다. 또한 필라멘트 모폴로지는 파트 파일(part file) 예컨대, STL 모델을 프린팅용 G 코드로 슬라이싱할 때 기계 경로 지정을 위한 이전 공간 충전(space-filling) 모델의 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 또한 많은 연질 중합체는 즉시 경화되지 않고 시간이 지남에 따라 또는 외부 자극(열, UV 등)에 노출되어 경화된다. 따라서 이러한 연질 중합체는 증착 후 변형 가능성이 매우 높고 프린팅 동안 압출 노즐의 움직임으로 인해 파손되기 쉽다. 또한, FRE에 사용되는 재료의 조성과 표면 에너지는 개별 필라멘트 사이에 충분한 접촉과 인가되는 힘이 달성되지 않으면 융합을 방해할 수 있다. 이러한 문제는 연성 중합체를 사용하여 FRE 적층 제조에서 달성 가능한 기하학적 구조를 단순한 모델로 제한하고 더 복잡한 기하학적 구조에 대한 FRE의 사용을 금지했다.
본 발명의 다양한 구현은 이러한 연질 중합체가 프린팅 성능에 영향을 미치는 방식의 유변학, 필라멘트 모폴로지 및 변형성을 활용하거나 이용함으로써 FRE 적층 제조를 개선한다. 예를 들어, PDMS(polydimethylsiloxane)(예를 들어, 실가드(Sylgard) 184, PDMS 예비 중합체)는 뉴턴 거동을 나타내며 증착 후 경화될 때까지 유동할 수 있고, 이는 온도에 따라 몇 분에서 몇 시간이 걸릴 수 있으며 증착된 PDMS가 변형에 저항하기 어렵게 만들 수 있다. 놀랍게도 본 발명자들은 유변학 개질제를 중합체(예를 들어, PDMS 예비중합체)에 도입함으로써 지지체 재료에 증착된 후 변형에 대해 더 내성이 있는 항복 응력 유체가 생성될 수 있고, 이에 따라 항복 응력 유체가 프린트딘 기하학적 구조를 더 잘 유지되도록 할 수 있음을 발견했다. 유변학 개질제는 PDMS 이외의 다른 연질 중합체에도 적용할 수 있다. 유변학 개질제는 반강성 또는 강성일 수 있는 다른 중합체에도 적용할 수 있다.
추가로, 필라멘트 모폴로지 및 변형성은 FRE용 슬라이싱 소프트웨어에서 프린팅 계획 및 경로에 영향을 미칠 수 있다. 파트 파일(예를 들어, CAD(Computer Aided Design) 모델)을 사용하고 적층 제조 시스템을 위한 기계 경로 지정을 생성하는 이전 FDM 슬라이싱 소프트웨어는 필라멘트가 압출 중에 평평해지고 압출 후에 변형되지 않는다고 가정한다. 본 발명자들은 FRE 필라멘트 거동이 FDM과 상당히 다르고 다른 기계 경로 지정 명령어 및 파라미터를 필요로 한다는 것을 발견했다. 예를 들어, FRE 필라멘트는 고도로 변형 가능하고 일관된 모폴로지를 갖지 않으며, 이는 로컬 환경(예를 들어, 프린팅 영역, 다른 필라멘트에 대한 근접성)에 따라 달라질 수 있다. 본 발명자들은 FDM을 위한 이전 슬라이싱 소프트웨어가 이러한 고려 사항을 고려하지 않았으므로 FRE 적층 제조에 최적화되지 않았음을 발견했다. 이러한 발견을 기반으로 기계 경로 지정 명령어 및 프린트 파라미터를 최적화할 수 있으며 이러한 최적화를 기반으로 본 발명자들은 PDMS와 같은 다양한 연질 중합체를 사용하여 이전에는 전형적인 적층 제조 방식으로는 달성할 수 없었던 복잡한 구조를 달성할 수 있었다. 다양한 예에서 구조 재료의 유변학적 개질, 최적화된 기계 경로 지정 및 지지 배스의 사용은 연질 중합체를 사용하여 복잡한 기하학적 구조의 적층 제조를 가능하게 할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 개시내용에 따른 FRE용 적층 제조 시스템(800)의 예를 예시하는 블록도가 제공된다. 시스템(800)은 압출기 어셈블리(802), 컴퓨터 시스템(804) 및 재료 증착 영역(806)을 포함한다. 컴퓨터 시스템(804)은 압출기 어셈블리(802)와 신호/데이터 통신하고 (예를 들어, 유선 및/또는 무선 데이터 버스 또는 링크를 통해) 컴퓨터 시스템(804)은 압출기 어셈블리(802)의 작동을 제어하도록 프로그래밍을 통해 구성될 수 있다.
압출기 어셈블리(802)는 구조 재료를 수용하고 저장하기 위한 저장소(812)(예를 들어, 주사기의 배럴), 및 저장소(812)와 유체 연통할 수 있고 저장소(812)로부터 구조 재료를 수용할 수 있는 노즐(810)(예를 들어, 바늘)을 포함할 수 있는 주사기 기반 압출기일 수 있다. 구조 재료는 노즐(810)을 통해 압출될 수 있고 노즐(810)은 재료 증착 영역(806)에 배치된 지지 재료(808)에 압출된 구조 재료를 증착하도록 구성될 수 있다. 다양한 예에서, 압출기 어셈블리(802)는 재료 증착 영역(806)에 대해 압출기 어셈블리(802)를 지지 및/또는 이동시키기 위한 갠트리 또는 다른 로봇 디바이스를 포함할 수 있다. 선택적으로, 압출기 어셈블리는 갠트리 및/또는 로봇 디바이스를 병진 이동 및/또는 회전하도록 구성된 모터 어셈블리 또는 다른 이동 어셈블리를 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 압출기 어셈블리(802)는 노즐(810)이 물체(814)를 생성하기 위해 지지 재료(808)를 통해 병진 이동될 때 구조 재료를 노즐(810)을 통해 지지 재료(808) 내로 압출하기 위해 저장소(812) 내로 플런저를 누르도록 구성된 액추에이터(예를 들어, 모터)를 포함한다.
컴퓨터 시스템(804)은 하나 이상의 메모리(822)에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 프로세서(820)를 포함한다(단순화를 위해 도 8에서 오직 하나의 프로세서(820) 및 하나의 메모리(822)). 메모리(822)는 1차 스토리지(예를 들어, RAM, ROM 프로세서 레지스터 또는 프로세서 캐시와 같은 프로세서(820)에 의해 직접 액세스 가능한 메인 메모리); 보조 스토리지(예를 들어, 프로세서에서 직접 액세스할 수 없는 SSD 또는 HDD); 및/또는 오프라인 스토리지를 포함할 수 있다. 메모리(822)는 프로세서(820)에 의해 실행되는 컴퓨터 명령어(예를 들어, 소프트웨어)을 저장한다. 프로세서(820)는 노즐(810)을 통한 구조 재료의 증착을 제어하도록 (메모리(822)에 저장된 소프트웨어의 실행을 통해) 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(820)는 노즐(810)을 통한 구조 재료의 유량(예를 들어, 압출기 어셈블리(802)에서 플런저의 작동 속도에 의해) 및/또는 재료 증착 영역(806)에 대한 압출기 어셈블리(802)의 자세를 제어할 수 있다.
프로세서는 메모리(822) 또는 다른 디바이스(예를 들어, 다른 컴퓨터 디바이스, 클라우드)로부터 적층 제조 프로세스에 의해 제조될 물체(814)의 디지털 또는 전자 파트 파일(824)을 수신할 수 있다. 물체(814)는 다양한 물체 유형 예를 들어, 연성 구조, 생체 보철, 스캐폴드, 의료 디바이스, 이식형 디바이스, 개스킷, 튜브, 씰, 항공 우주 부품, 자동차 부품, 건물 컴포넌트 또는 적층 제조될 수 있는 기타 구조일 수 있다. 파트 파일(824)은 STL 파일, OBJ 파일, FBS 파일, COLLADA 파일, 3DS 파일, IGES 파일, STEP 파일, VRML/X3D 파일, 포인트 클라우드 또는 다른 3D 모델 파일 포맷 유형와 같은 다양한 디지털 또는 전자 포맷일 수 있다.
프로세서(820)는 파트 파일(824)을 상이한 파트 세그먼트(826)로 분리(예를 들어, 슬라이스(Slic3r, Skeinforge, KISSlicer 소프트웨어 등 이용))하도록 구성될 수 있으며, 각 세그먼트는 파트 파일(824)의 일부를 포함한다. 다양한 예에서, 프로세서(820)는 분리하기 전에 파트 파일(824)을 다른 3D 모델 파일 포맷으로 변환하도록 구성될 수 있다.
각 파트 세그먼트(826)는 증착될 물체(814)의 층(814a, 814b), 증착될 물체(814)의 층(814a, 814b)의 일부, 또는 물체(814)의 다른 기하학적 구조일 수 있다. 세그먼트(826)는 파트 파일(824)의 설계에 기초하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 세그먼트(826)의 세그먼트는 층(814b)의 중첩 영역(828)(예를 들어, 층(814a) 위에 직접 프린트됨), 층(814b)의 오버행 영역(830), 인필 영역, 둘레 영역, 물체(814)의 다른 영역, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 오버행 영역(830)은 중첩 영역(828)에 대한 세그먼트(826)의 중첩 세그먼트와 다른 세그먼트(826)의 오버행 세그먼트에 있을 수 있다. 다양한 예들에서, 물체(814)의 둘레 영역은 인필 영역에 대한 세그먼트(826)의 인필 세그먼트와 상이한 세그먼트(826)의 둘레 세그먼트에 있을 수 있다. 각 세그먼트(826)는 X-Y 평면에 있을 수도 있고 없을 수도 있으며, 세그먼트는 X-Z 평면, Y-Z 평면, X-Y 평면에서 오프셋된 다른 평면 또는 비평면 세그먼트 예를 들어 곡선과 같은 비-X-Y 평면에 있을 수 있다. 물체(814)의 상이한 영역에 대해 다양한 세그먼트(826)를 활용하는 것은 각 세그먼트(826)에 대한 기계 경로 지정 명령어 및/또는 프린트 파라미터의 변형을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 기계 경로 지정 명령어 및/또는 프린트 파라미터는 각 세그먼트(826)에 프린트될 특정 기하학적 구조에 적합하도록 선택될 수 있다.
세그먼트(826)로부터, 프로세서(120)는 각각의 세그먼트(826)에 있는 파트 파일(824)의 일부의 설계에 기초하여 세그먼트(826)에 대한 기계 경로 지정 명령어 (예를 들어, G-코드 명령)(832)를 생성하도록 구성될 수 있다. 기계 경로 지정 명령어(832)는 메모리(822)에 저장될 수 있다. 기계 경로 지정 명령어(832)는 프린트 파라미터(834)를 포함할 수 있고 프로세서(820)가 압출기 어셈블리(802)의 작동(예를 들어, 포즈, 압출)을 제어하게 하도록 프로세서(820)에 의해 실행될 수 있다. 다양한 예에서, 적어도 2개의 세그먼트(832)에 대한 기계 경로 지정 명령어(832)는 예를 들어, 적어도 3개의 세그먼트(832)가 프린트 파라미터(834)에 의해 변경될 수 있는 것과 같은 프린트 파라미터(834)에 의해 변경될 수 있다. 프린트 파라미터(834)는 노즐(810)을 통한 구조 재료의 유량, 압출 방향, 인필 파라미터(예를 들어, 밀도, 패턴), 노즐(810)의 병진 속도, 층 높이, 노즐(810)의 병진 방향, 프린트 패턴, 경화 파라미터, 이들의 조합, 또는 다른 프린트 파라미터일 수 있다.
기계 경로 지정 명령어(832) 및 프린트 파라미터(834)는 각각의 세그먼트(826)와 연관될 수 있고 프린트될 연관된 개별 세그먼트(826)에서 파트 파일(824)의 영역의 기하학적 구조 및 의도된 기계적 속성에 적합하다. 프로세서(820)는 압출기 어셈블리(802)의 제어에 사용되는 프린트 파라미터(834)를 물체(814)의 제1 부분에서 물체(814)의 제2 부분으로 변경하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로세스는 제1 부분과 제2 부분 사이의 노즐(810)을 통한 구조 재료의 상이한 유량, 상이한 압출 방향, 제1 부분과 제2 부분 사이의 상이한 인필 파라미터(예를 들어, 밀도, 패턴), 제1 부분과 제2 부분 사이의 노즐(810)의 상이한 병진 속도, 제1 부분과 제2 부분 사이의 노즐(810)의 상이한 증착 높이, 제1 부분과 제2 부분 사이의 노즐(810)의 상이한 병진 방향, 제1 부분과 제2 부분 사이의 상이한 프린트 패턴, 제1 부분과 제2 부분 사이의 상이한 경화 파라미터, 이들의 조합 또는 다양한 다른 프린트 파라미터를 활용한다. 따라서, 파트 파일(824)의 분리는 적층 제조되는 물체(814)의 부분에 기초하여 기계 경로 지정 명령어(832) 및 프린트 파라미터(834)를 인에이블 하여 물체(814)의 증강된 프린팅을 가능하게 할 수 있다.
물체(814)의 인필 영역은 전형적으로 물체(814) 내의 빈 공간을 점유하는 데 사용되는 정의된 다공성을 갖는 반복적인 기하학적 패턴이다. 인필 밀도는 예를 들어 0-100%의 백분율로 표시될 수 있고, 여기서 0%는 완전한 중공 공간을 나타내고 100%는 솔리드 물체를 나타낸다. 인필 밀도는 물체(814)의 중량, 강도 및 기타 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 물체(814)의 인필 영역은 그리드, 라인, 벌집 구조 및 기타 패턴과 같은 다양한 상이한 패턴으로 제조될 수 있다. 다양한 인필 패턴은 다른 형성의 구조에 더 적합할 수 있고/있거나 구조의 기계적 속성을 변경할 수 있다(예를 들어, 불균일한 강도 특성 제공). 물체(814)는 기계 경로 지정 명령어(832) 및 파라미터(834)에 기초하여 물체(814) 전체에 걸쳐 불균일한 인필 밀도 및/또는 패턴을 갖도록 제작될 수 있다. 따라서 물체(814)의 상이한 영역은 상이한 중량, 강도 및 기계적 속성을 가질 수 있다.
물체(814)의 기계적 속성은 또한 구조 재료가 노즐(810)에 의해 증착되는 방향 및/또는 패턴을 제어함으로써 맞춤화될 수 있다. 물체(814)의 적층 제조 동안, 구조 재료는 궁극적으로 물체(814)를 형성하기 위해 함께 융합되는 일련의 연속적인 평면 또는 임의의 3D 줄무늬로서 노즐(810)에 의해 증착될 수 있다. 줄무늬의 세로축은 층 또는 줄무늬가 추가되는 방향에 직교할 수 있다. 줄무늬는 이방성일 수 있으며 가로축보다 세로축을 따라 다른 기계적 특성(예를 들어, 인장 강도)을 나타내며, 이는 차례로 물체(814)의 기계적 속성에 영향을 미친다. 따라서, 줄무늬가 증착되어 물체(814)를 형성하는 방향을 제어하는 것은 물체(814)의 기계적 속성을 제어할 수 있다. 예를 들어, 물체(814)가 특정 방향에서 더 높은 인장 강도를 나타내기를 원하는 경우, 노즐(810)은 줄무늬의 세로 축이 원하는 방향으로 정렬되도록 구조 재료를 증착하도록 제어될 수 있다. 또한, 위에서 언급한 바와 같이, 줄무늬가 증착되는 방향은 임의의 3D 이동일 수 있으며 평면 이동으로 제한되지 않다.
기계 경로 지정 명령어(832)에 기초하여, 노즐(810)은 물체(814)의 후속 층의 증착을 위해 재배치될 때 물체(814)의 이전에 증착된 층으로부터 멀어지게 이동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 층(814a)을 프린팅한 후, 노즐(810)은 층(814a)이 증착되지 않은 X-Y 좌표에서 비프린팅 이동을 수행할 수 있다. 층(814a) 프린팅 후, 비프린팅 이동은 구조 재료가 압출되지 않는 동안 층(814b)을 프린팅하기 위한 시작 위치로 노즐(810)의 이동을 포함할 수 있다. 노즐(810)은 지지 재료(808)를 통해 병진 이동해야 하므로 이전 층 상부 위로 이동하면 이전 층의 형상이 방해받을 수 있다. 비프린팅 이동 동안 이전 층 위의 이동을 최소화하면 물체(814)의 증강된 프린팅이 가능하다.
노즐(810)은 구조 재료가 노즐(810)을 통해 저장소(812)로부터 유동할 수 있도록 저장소(812) 내의 구조 재료에 힘을 인가함으로써 지지 재료(808) 내로 구조 재료를 증착하도록 구성될 수 있다. 구조 재료는 항복 응력, 요변성 속성, 유변학 개질제로 인한 증가된 점도(예를 들어, 유변학 개질제가 없는 구조 재료와 비교하여), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 구조 재료는 항복 응력과 요변성 속성을 모두 포함한다. 구조 재료가 항복 응력을 포함하는 예에서 인가된 힘은 적어도 항복 응력일 수 있다. 특정 예에서, 구조 재료에 힘을 인가하는 것은 구조 재료가 노즐을 통해 유동하게 할 수 있다. 예를 들어, 점도가 증가하면 힘이 증가된 점도를 극복하고 재료가 노즐을 통해 유동하게 할 수 있다. 구조 재료가 요변성 속성을 포함하는 예에서, 요변성 속성은 시간 척도가 구조 재료의 유동을 시작하여 프린팅 프로세스보다 더 길게 만들 수 있다.
다양한 예에서, 플런저는 저장소(812)를 통해 병진이동될 수 있다. 다양한 예에서, 힘은 공압적으로 가해질 수 있거나 증착은 공동 펌프에 의해 제어될 수 있다. 힘을 인가하면 구조 재료가 고체 또는 반고체 상태에서 유체 상태(예를 들어, 액체)로 변경되어 구조 재료가 지지 재료(808)에 증착될 수 있다. 구조 재료는 구조 재료가 지지 재료(808) 내에서 노즐(810)에 의해 증착될 수 있는 위치에서 지지 재료(808)에 매달릴 수 있다. 프로세서(820)가 압출기 어셈블리(802) 및 노즐(810)을 제어할 수 있기 때문에, 노즐(810)에 의한 구조 재료의 증착은 프로세서(820)에 의해 실행될 때 기계 경로 지정 명령어(832) 및 연관된 프린트 파라미터(834)에 기초할 수 있다.
압출기 어셈블리(802)는 FDM과 유사한 구조 재료를 증착할 때 노즐(810)을 2차원으로 또는 재료를 증착할 때 3차원으로, 즉 X, Y 및 Z 방향으로 동시에 이동 시킬 수 있다. 또한, 압출기 어셈블리(802), 노즐(810), 및/또는 재료 증착 영역(806)은 회전가능할 수 있다. 기계 경로 지정 명령어는 직교 좌표와 회전 좌표 모두에 따라 정의될 수 있으며, 이는 복잡한 기하학적 구조나 매우 특정한 기계적 속성을 가진 물체를 생산할 수 있다. 구조 재료의 증착 동안 노즐(810)의 3D 이동은 예를 들어 하나의 일정한 운동으로 나선형 스프링의 적층 제조를 가능하게 할 수 있다. 다양한 예에서, 6개의 자유도로(즉, 임의의 직교 방향 또는 회전 방향으로) 움직임을 동시에 제어할 수 있는 로봇 팔 어셈블리를 사용하여 다른 복잡한 기하학적 구조를 달성할 수 있다.
구조 재료의 증착은 물체를 생성하기 위해 필요에 따라 반복될 수 있다. 예를 들어, 프로세서(820)는 파트 파일(824), 다른 평면, 및/또는 또는 비평면 운동을 기반으로 지지 재료(808)에 물체(814)를 생성하기 위해 층(814a 및 814b)과 같은 층에 구조 재료를 증착하도록 노즐(810)을 제어할 수 있다. 일부 예에서, 층(814a)은 층(814b) 이전에 증착될 수 있다. 층(814a)은 층(814b)의 증착 전에 부분적으로 및/또는 완전히 경화되지 않을 수 있다. 따라서, 프로세서(820)는 층(814b)의 증착이 층(814a)을 변형시키도록 층(814a)에 근접하여(예를 들어, 인접, 접촉, 직접 상부에) 층(814b)을 증착하도록 노즐(810)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 층(814b)의 증착은 층(814a)의 적어도 일부의 형상을 변경할 수 있다. 층(814a)의 적어도 일부의 변경된 형상은 노즐(810) 밖으로의 단순한 압출에 의해 달성될 수 없는 것일 수 있다. 층(814b)의 증착에 의한 층(814a)의 형상 변경은 층(814a 및 814b) 사이의 접촉 표면적을 증가시키고, 층(814a 및 814b) 사이의 빈 공간을 감소시키고, 층(814a 및 814b) 사이의 접착력을 개선할 수 있거나, 이들의 조합일 수 있다.
구조 재료는 압력의 인가에 의해 유체(예를 들어, 액체) 상태에서 고체 또는 반고체 상태로 전이하는 항복 응력 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 구조 재료는 압출기 어셈블리(802)에서 고체 또는 반고체 상태일 수 있고, 구조 재료가 노즐을 통해 유동할 수 있고 지지 재료(808)에 증착될 수 있도록 구조 재료를 유체 상태로 전이시키기 위해 구조 재료에 압력이 가해질 수 있다. 노즐(810)을 떠난 후, 구조 재료에 가해진 압력이 제거되고 구조 재료는 고체 또는 반고체 상태로 전이되어 재료 증착 영역(806)에 있는 동안 변형에 저항할 수 있다.
구조 재료는 중합체 및 유변학 개질제를 포함할 수 있다. 중합체는 중합체 수지(예를 들어, 예비중합체 수지), 경화제, 및 기타 첨가제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 중합체는 알기네이트 재료, 콜라겐 재료, 피브린 재료, 히알루론산 재료, 단백질 재료, 다당류 하이드로겔 재료, 합성 겔 재료, 엘라스토머 중합체 재료, 경질 중합체 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다양한 예에서, 중합체는 열경화성 중합체를 포함할 수 있다. 중합체는 실리콘계 중합체, 예를 들어 폴리디메틸실록산(PDMS), 에폭시계 중합체, 우레탄계 중합체, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 구조 재료는 구조 재료의 총 중량을 기준으로 하여 적어도 70% 중합체, 예를 들어 구조 재료의 총 중량을 기준으로 하여 적어도 80% 중합체 또는 구조 재료의 총 중량을 기준으로 하여 적어도 90% 이상의 중합체를 포함할 수 있다. 중합체는 경화될 때 0.1 kPa 내지 10 GPa, 예를 들어 0.1 MPa 내지 50 MPa 또는 0.1 MPa 내지 10 MPa 범위의 탄성 계수를 가질 수 있다.
유변학 개질제는 항복 응력을 갖도록 구조 재료를 개질하기 위해 구조 재료에 유효량으로 첨가될 수 있다. 구조 재료는 구조 재료의 총 중량을 기준으로 적어도 0.1% 유변학 개질제, 예를 들어 구조 재료의 총 중량을 기준으로 적어도 0.5% 유변학 개질제, 적어도 1% 유변학 개질제, 적어도 2% 유변학 개질제, 적어도 5% 유변학 개질제 또는 적어도 10% 유변학 개질제를 포함할 수 있다. 구조 재료는 50% 이하의 유변학 개질제, 예를 들어 20% 이하의 유변학 개질제, 10% 이하의 유변학 개질제, 9% 이하의 유변학 개질제, 5% 이하의 유변학 개질제, 또는 3% 이하의 유변학 개질제를 포함할 수 있고, 모두 구조 재료의 총 중량을 기준으로 한다. 예를 들어, 구조 재료는 구조 재료의 총 중량을 기준으로 0.1% 내지 50%, 예를 들어, 0.1 내지 20%, 0.1% 내지 10%, 1% 내지 10%, 0.5% 내지 3%, 0.5% 내지 5%, 1% 내지 5%, 또는 5% 내지 10%범위의 유변학 개질제를 포함할 수 있고, 모두 구조 재료의 총 중량을 기준으로 한다. 유변학 개질제는 요변성 첨가제, 입자 필라(예를 들어, 나노입자, 마이크로입자, 나노섬유, 마이크로섬유), 중합체계 첨가제 또는 기타 점도 개질제를 포함할 수 있다. 중합체계 첨가제는 인가된 전단력 하에서 끊어질 수 있는 과도 결합(예를 들어, 수소 결합)을 형성할 수 있다. 과도 결합은 중합체계 첨가제 자체 사이, 중합체계 첨가제와 구조 재료 사이, 또는 이들의 조합일 수 있다.
구조 재료의 항복 응력은 1 파스칼(Pa) 초과, 예를 들어 10 Pa 초과, 20 Pa 초과, 30 Pa 초과, 40 Pa 초과, 50 Pa 초과, 100Pa 또는 lkPa보다 클 수 있다. 구조 재료의 항복 응력은 10kPa 이하, 예를 들어 1kPa 이하, 500Pa 이하, 400Pa 이하, 300Pa 이하, 200Pa 이하, 175 Pa 이하, 150 Pa 이하, 125 Pa 이하, 또는 100 Pa 이하일 수 있다. 예를 들어, 구조 재료의 항복 응력은 1 Pa 내지 10 kPa의 범위에 예를 들어, 1 Pa 내지 500 Pa, 10 Pa 내지 400 Pa, 10 Pa 내지 200 Pa, 20 Pa 내지 200 Pa, 50 Pa 내지 200 Pa, 50 Pa 내지 150 Pa, 또는 50 Pa 내지 100 Pa 범위에 있을 수 있다.
재료 증착 영역(806)은 FRE 적층 제조 동안 지지 재료(808)를 기계적으로 지지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 재료 증착 영역(806)은 지지 재료(808)가 배치되는 용기 및 용기가 지지되는 플랫폼을 포함할 수 있다. 재료 증착 영역은 필요에 따라 3D 공간에서 플랫폼을 이동할 수 있는 모터 및/또는 액추에이터를 포함할 수 있다.
지지 재료(808)는 매립된 구조 재료(즉, 물체(814))의 적어도 일부를 기계적으로 지지하고, 매립된 구조 재료의 의도된 기하학적 구조를 유지하고, FRE 적층 제조 공정 동안 구조 재료의 변형을 억제할 수 있다. 예를 들어, 내장된 구조 재료는 구조 재료가 경화될 때까지 지지 재료(808) 내의 제 위치에 유지될 수 있다. 지지 재료(808)는 임계 응력 레벨 아래의 인가된 응력 레벨에서 정지할 수 있고 FRE 적층 제조 프로세스 동안 임계 응력 레벨 또는 그 초과의 인가된 응력 레벨에서 유동할 수 있다.
지지 재료(808)는 빙햄(Bingham) 플라스틱과 유사한 유변학적 거동을 갖는 점소성 재료일 수 있다. 지지 재료(808)는 상당한 전단 박화 거동을 보일 수 있어서 지지 재료(808)가 구조 재료의 증착 동안 고체 재료처럼 작용한 다음 노즐(810)이 지지 재료(808)를 통해 이동할 때 유체 처럼 작용하여 노즐(810)의 이동이 증착된 구조 재료를 방해하지 않는다. 동적 하중 하에서 지지 재료(808)의 점도가 떨어지면 지지 재료(808)를 FRE에 적합하게 만들 수 있다. 예를 들어, FRE에서 동적 부하는 지지 재료(808)를 통한 노즐(810)의 힘에 의해 야기될 수 있으며, 이는 다양한 방식으로 지지 재료(808)에 영향을 미친다. 압출기 어셈블리(802)는 전단, 압력 또는 진동을 통해 기계적 부하를 가함으로써 지지 재료(808)를 변경하도록 구성될 수 있다. 압출기 어셈블리(802)는 지지 재료(808)를 조사하거나 가열하여 지지 재료를 얇게 하도록 구성될 수 있다. 다양한 예에서, 지지 재료(808)는 압출기 어셈블리(802)에 국부적으로 발생하는 진동, 가열 또는 조사 하에 점도를 감소시킬 수 있다.
지지 재료(808)는 헤르셀 벌크레이(Herschel-Bulkley) 유체와 같은 점소성 거동을 갖는 다른 재료를 포함할 수 있다. 빙햄 플라스틱 및 헤르셀 벌크레이 유체는 "전단 박화(shear-thinning)" 또는 "항복 응력 유체" 범주에 포함된 점소성 재료이다. 특정 전단 응력 아래에서 이러한 재료는 고체 재료처럼 보인다. 임계 전단력 초과에서 이러한 재료는 유체처럼 거동한다. 빙햄 플라스틱은 반드시 "전단 박화" 이지는 않지만 일단 유동하기 시작하면 뉴턴 유체와 매우 유사하게 작용할 수 있다. 대조적으로, 헤르셀 벌크레이 유체는 일단 유동하기 시작하면 전단 박화(shear thinning)를 겪는다.
물체(814)는 구조 재료의 증착 후에 지지 재료(808)에서 적어도 부분적으로 경화될 수 있다. 다양한 예에서, 구조 재료는 지지 재료(808)를 제거하기 전에 적어도 부분적으로 경화될 수 있다. 일부 예에서, 구조 재료는 지지 재료(808)를 제거한 후까지 경화되지 않을 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "경화" 및 "경화하는 단계"는 구조 재료의 컴포넌트의 화학적 가교를 지칭한다. 따라서, "경화" 및 "경화하는 단계"라는 용어는 용매 또는 캐리어 증발을 통한 구조 재료의 물리적 건조만을 포함하지 않는다. 이와 관련하여, 본 명세서에서 사용되는 용어 "경화"는 구조 재료의 상태를 지칭하며 여기서 물체(814)를 형성하는 구조 재료의 컴포넌트가 화학적으로 반응하여 구조 재료에서 새로운 공유 결합 (예를 들어, 중합체 수지와 경화제 사이에 형성된 새로운 공유 결합), 새로운 이온 결합, 새로운 수소 결합, 새로운 반데르 발스 결합, 또는 이들의 조합을 형성한다.
예를 들어, 물체(814)의 경화는 가교를 포함할 수 있다. 물체(814)는 전체 물체(814) 또는 그의 일부의 강성을 선택적으로 증가시키기 위해 다양한 가교 기술을 통해 처리될 수 있다. 가교는 예를 들어, 광 메커니즘(예를 들어, 구조 재료를 UV 광에 노출), 이온 메커니즘, 효소 메커니즘, pH 메커니즘(예를 들어, 구조 재료를 다른 pH에 노출) 또는 열 구동 메커니즘(예를 들어, 냉각, 가열)과 같은 다양한 메커니즘에 의해 유도될 수 있다. 다양한 예에서, 지지체 재료(808)는 지지체 재료(808) 내로 증착될 때 구조 재료를 경화시키기에 적합한 pH 또는 가교제를 포함할 수 있다. PDMS를 포함하는 구조 재료를 포함하는 일부 예에서, 구조 재료는 지지 재료(808)를 섭씨 37도까지 가열함으로써 지지 재료(808)를 제거하기 전에 지지 재료(808)에 있는 동안 48시간 동안 실온에서 경화될 수 있다.
물체(814)의 기계적 속성은 물체(814) 내에서 발생하는 경화의 양을 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 기계 경로 지정 명령어(832)는 물체(814)의 각각의 세그먼트(826) 내에서 발생하는 가교의 양을 제어하도록 맞춤화될 수 있다. 예를 들어, 압출기 어셈블리(802)는 UV 광을 포함할 수 있고 원하는 대로 내장된 구조 재료에 UV 광을 선택적으로 가할 수 있다.
물체(814)는 지지 재료(808)에서 적어도 부분적으로 제거될 수 있다. 지지 재료(808)를 제거하는 것은 지지 재료(808) 가열, 지지 재료(808) 냉각, 지지 재료(808)의 가교를 방해하기 위한 양이온 제거, 지지 재료(808)를 물리적 제거, 진동, 자외선, 적외선 또는 가시광선 조사, 일정하거나 진동하는 전기장 또는 자기장의 인가, 기타 메커니즘, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
아래에 도 9에 도시된 것과 같은 본 명세서의 적층 제조 방법은, 컴퓨터 시스템(804)의 프로세서(820)에 의해 실행될 때 컴퓨터 시스템(804)이 열거된 단계들을 수행하게 하는 컴퓨터 시스템(804)의 비일시적 메모리(822)에 저장된 컴퓨터 실행 가능 명령어로서 전체적으로 또는 부분적으로 구현될 수 있다. 컴퓨터 명령어는 프로세서(820)가 본 명세서에 설명된 프로세스 또는 다른 기능의 하나 이상의 개별 단계를 실행하게 하도록 각각 프로그래밍되는 메모리(822)에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 모듈(816)로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 모듈(816)은 파트 파일(824)을 세그먼트로 변환하도록 프로그래밍된 분리 모듈; 물체(814)를 제조하기 위해 압출기 어셈블리(802)의 움직임을 제어하기 위한 컴퓨터 명령어(예를 들어, G-코드)으로 세그먼트(826)를 변환하도록 프로그래밍된 변환 모듈; 제작될 물체의 파트 파일을 수신, 저장, 생성 및/또는 수정하도록 프로그래밍된 모델링 모듈; 및 물체(814)를 제조하기 위해 변환 모듈에 의해 생성된 명령어에 따라 압출기 어셈블리(802)를 제어하도록 프로그래밍된 로봇 제어 모듈을 포함할 수 있다. 다양한 다른 모듈이 전술한 모듈에 추가로 또는 대신하여 구현될 수 있다. 특정 예에서, 본 명세서에 설명된 프로세스는 네트워크에서 함께 통신 가능하게 연결된 다중 컴퓨터 시스템, 설명된 단계 중 하나 이상을 실행하도록 구성된 클라우드 컴퓨팅 시스템에 통신 가능하게 연결된 컴퓨터 시스템 등에 걸쳐 실행될 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 특정 구현에 따른 적층 제조 방법을 예시하는 흐름도가 제공된다. 방법은 단계 902에서 프로세서(820)에 의해 물체(814)의 파트 파일을 수신하는 단계를 포함한다. 단계 904에서, 프로세서(820)는 분리 모듈 소프트웨어를 실행하여 파트 파일을 상이한 파트 세그먼트로 분리(예를 들어, 슬라이스)할 수 있다. 각 파트 세그먼트는 파트 파일의 일부를 포함한다. 방법은 단계 906에서 프로세서(820)에 의해 변환 모듈을 실행함으로써 각 세그먼트의 파트 파일 부분의 설계에 기초하여 각 세그먼트에 대한 기계 경로 지정 명령어(예를 들어, G-코드 명령)을 생성하는 단계 및 기계 경로 지정 명령어를 메모리(822)에 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법은 단계 908에서, 구조 재료가 노즐(810)을 통해 유동할 수 있도록 구조 재료에 힘을 인가함으로써 노즐(810)에 의해 지지 재료(808)에 구조 재료를 증착하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 910에서, 구조 재료의 증착은 물체(814)를 생성하기 위해 필요에 따라 반복될 수 있다.
프린트 파라미터는 물체의 제1 부분에서 물체의 제2 부분으로 변경될 수 있다. 노즐(810)은 물체의 후속 층의 증착을 위해 재배치될 때 물체의 이전에 증착된 층으로부터 멀어지게 이동하도록 구성될 수 있다.
그 후, 단계 912에서 구조 재료는 증착 후에 적어도 부분적으로 경화될 수 있고, 그 다음 단계 914에서 지지 재료는 물체(814)로부터 적어도 부분적으로 제거될 수 있다. 경화는 단계 914에서 지지 재료의 제거 이전, 도중, 이후 또는 이들의 조합에서 발생할 수 있다.
예제
본 발명의 구현을 통해 잠재적으로 실현가능한 다양한 양태, 이점 및 특징은 본 발명의 예시적인 비제한적인 양태를 제공하는 하기 실시예를 참조하여 더욱 완전히 이해될 것이다. 본 명세서에 기술된 본 발명은 반드시 이 섹션에 기술된 실시예로 제한되지 않는 것으로 이해된다.
카보폴 지지 배스(support bath)의 조제
0.2%(w/v) 카보폴 지지욕은 4g의 카보폴 940(Lubrizol)을 2L의 증류수에 천천히 첨가하고 15분 동안 KitchenAid 믹서로 혼합하여 조제했다. 그런 다음 수산화나트륨(1.0N)(EMD Millipore)을 사용하여 욕조를 pH 7.0-7.1로 중화하여 즉각적인 겔화를 유도했다. 균질성을 보장하기 위해 욕조를 추가로 5분 동안 혼합하였다. 적층 제조 전에, 카보폴 겔을 2000RPM에서 2분간 혼합한 후 유성 원심 믹서(Thinky)에서 2000RPM으로 2분간 탈기했다. 또는 카보폴을 2000G에서 20초 동안 원심분리했다.
구조 재료로 사용하기 위한 PDMS 복합 잉크의 조제
실가드(Sylgard) 184 엘라스토머(Dow Corning)는 2000 RPM에서 2분 동안 유성 원심 믹서(Thinky)에서 1 파트 경화제에 10 파트 기본 수지를 혼합한 다음 2000 RPM에서 2분 동안 탈기함으로써 제조업체의 지시에 따라 조제되었다. 동일한 혼합 및 탈기 사이클을 사용하여 실가드(Sylgard) 184와 1.0, 2.7, 5.0, 8.3 및 10.0%(w/w)의 HS II 요변성 첨가제(DOWSIL)를 혼합하여 5가지 다른 PDMS 복합 잉크가 생성되었다. Silc Pig 실리콘 색상 안료(Smooth-On, Inc.)를 대조용으로 사용하고 혼합 전에 HS II 요변성 첨가제와 함께 PDMS 예비 중합체에 통합했다.
유변학(Rheology)
PDMS 복합 잉크의 유변학적 속성을 측정하기 위해, 각 제형을 직경 40mm, 1°원뿔이 장착된 레오미터(Discovery Hybrid Rheometer [DHR-2], TA Instruments)에 로딩하였다. 유동 곡선을 획득하기 위해, 응력 램프는 0.1-1000Pa에서 수행되었다. 항복 응력 분석을 위해 5-500Pa 범위에 걸쳐 정상 상태 응력 스윕을 수행했다; 항복 응력 값은 점도가 크게 떨어지기 전의 마지막 데이터 포인트로 지정되었다. 이 값은 MATLAB의 파워 곡선에 피팅(fit)됐다. 모든 곡선은 GraphPad Prism 8.4.2에서 플로팅되었다.
FRE 3D 프린팅(적층 제조)
PDMS 복합 잉크의 적층 제조는 주문 제작된 주사기 펌프 압출기(Replistruder 4)로 개조된 MakerGear 프린터에서 수행되었다. 프린팅용 3D 모델은 Thingiverse 데이터베이스에서 가져왔다 (https://www.thingiverse.com). 모든 STL 파일은 Slic3r(https://slic3r.org) 소프트웨어로 처리되었다. 맞춤형 G 코드는 관심 있는 각 프린팅 영역에 대해 G 코드를 생성하고(Slic3r의 수정자를 사용하여) 이후에 텍스트 편집기(Sublime Text)에서 코드를 병합하여 생성되었다. 필라멘트 모폴로지 및 변형 가능성 조사를 위해, 맞춤형 MATLAB 스크립트를 사용하여 Z 단계를 층 높이의 60%로 조정하여 융합을 얻었다. 프린팅하기 전에, PDMS 복합 잉크를 5.0mL 기밀 유리 주사기(Hamilton)로 옮기고 Replistruder 4에 장착했다. 바늘(Jensen Global)을 주사기에 장착하고 프라이밍(prime)했다. 모든 바늘에는 1인치 스테인리스 스틸 캐뉼러가 있다. 대부분의 프린팅은 635pm 또는 406pm ID 바늘로 수행되었다. 카보폴을 조제하고 프린팅된 구성물을 수용할 만큼 충분히 큰 아크릴 용기에 추가했다. 용기는 진공 그리스(grease)의 얇은 층으로 프린팅 플랫폼에 고정되었다. 바늘을 용기 중앙에 놓고 지지체에서 낮추어 바늘과 용기 바닥 사이에 작은 간격을 남겼다. Duet Wifi 또는 Pronterface 소프트웨어를 사용하여 프린팅를 시작했다. 프린팅가 완료되면, 프린팅 용기를 프린팅 플랫폼에서 제거하고 65℃의 오븐에서 밤새 경화되도록 둔다. 경화 후 카보폴 지지체에 염화나트륨을 뿌려 액화를 유도하여 프린팅물을 제거할 수 있다.
FRE 프린팅 PDMS 구조의 분석
필라멘트 및 프린팅 모폴로지를 평가하기 위해, 프린팅 속도(5-10mm/s), 유동 트윅(0.9-1.1), 인필 밀도(10-90%) 및 프린트 높이(1-5 프린트 층)에 걸쳐 창 프레임 모델을 프린트했다. 또한 중공 실린더는 2-4개의 층로 프린트되었다. 이 구성물은 중간을 통해 슬라이스되었고, 필라멘트 단면은 입체현미경에서 조사되었다. ImageJ(https://imagej.net/Welcome) 소프트웨어를 사용하여 각 필라멘트의 높이와 폭을 측정하여 종횡비를 분석했다. 프린팅 속도 및 유동 트윅의 함수로서의 종횡비의 표면 플롯은 MATLAB에서 생성되었고, 인필 밀도의 함수로서의 종횡비는 GraphPad Prism 8.4.2에서 플롯되었다.
기계적 속성
3개의 PDMS 제형(0wt%, 1.0wt% 및 2.7wt% 요변성 첨가제)을 150mm 페트리 접시에 ~ 3mm의 두께로 주조하고 실온에서 밤새 부분적으로 경화되도록 하였다. PDMS 제형을 65℃ 오븐에 4시간 동안 두어 완전한 경화를 얻었다. 인장 막대 스트립을 Rabbit 레이저 절단기(모델: RL-80-1290, Rabbit Laser USA)로 레이저 절단했다. 추가로, 인장 막대 스트립은 3개의 인필 밀도(입방, 정렬된 직선, 충전 각도 = 0°, 정렬된 직선, 90°)로 2.7wt% 요변성 첨가제에서 FRE 적층 제조되었다. Instron 5943(Instron)을 사용하여 조건당 총 6개의 샘플을 사용하여 모든 샘플에 대해 단축(uniaxial) 인장 시험을 수행했다. 샘플은 파손될 때까지 2.00mm/min의 속도로 신장되었다. 모듈러스는 0-10%의 응력-변형률 곡선의 단순 선형 회귀에서 결정되었다. 통계 분석은 GraphPad Prism 8.4.2를 사용하여 수행되었다.
변형 가능한 잉크를 사용한 FRE 프린팅의 과제
FRE 고유의 높은 재료 변형성은 FDM에는 없는 문제를 나타낸다. 이전에 프린트된 층은 기계 경로 지정의 방향과 직접적인 관련이 있는 전단 응력의 방향으로 인해 쉽게 중단될 수 있다. 이를 입증하기 위해 PDMS 큐브가 프린트되었다. 모든 FDM 기반 프린팅 기술과 마찬가지로 FRE 프린팅은 도 1a에 도시된 바와 같이 프린트의 두 가지 주요 영역으로서 표준 둘레(perimeter)(외부 쉘) 및 인필(infill)(내부 코어)를 갖는다. 둘 다 프린팅의 구조적 무결성에 기여할 수 있다 - 더 큰 쉘 두께와 인필 밀도는 더 강한 부품을 생성한다. 격자 구조 또는 둘레로만 구성된 모델의 구성은 매립된 프린팅 시스템에서 입증되었지만 인필과 관련된 기하학적 구조는 거의 없다.
PDMS 캘리브레이션 큐브를 프린팅할 때, 둘레에 가해지는 힘이 인필에 가해지는 힘과 근본적으로 다르다는 것이 분명해졌다. 둘레에서 층 n이 먼저 압출되고 층 n+1이 도 1b에 도시된 것과 동일하거나 유사한 경로를 따라 그 위에 압출된다. 전단 응력은 층 계면을 따라 두 필라멘트 방향으로 생성되어 재료 파괴를 최소화한다; 프린팅된 경로를 따라 변위가 발생한다. 인필에서, 층 n+1은 종종 도 1c에 도시된 바와 같이 층 n에 대해 비스듬한 경로를 추적한다. 여기서 전단 응력은 층 n+1 방향으로 재료를 변위시킬 수 있으며, 이는 종종 프린트된 경로에서 이탈하는 결과를 낳다. 이러한 효과는 뉴턴 거동을 나타내므로 쉽게 유동하는 PDMS 예비 중합체 또는 기타 연질 재료를 프린팅할 때 특히 분명하다. 캘리브레이션 큐브의 처음 몇 층을 프린팅할 때 둘레는 그대로 유지된다; 그러나 인필 내의 필라멘트는 도 1d에 도시된 바와 같이 프린트 노즐과의 상호작용으로 인해 파괴된다. 노즐을 통과할 때마다 이전에 압출된 잉크가 추가로 동요되어 프린팅된 기하학적 구조를 유지하기가 어렵다. 프린팅가 완료되면, 이러한 파괴가 시간이 지남에 따라 합성되어 도 1e 및 1f에 도시된 바와 같이 전체 구성에 걸쳐 광범위한 PDMS 유착을 초래한다는 것이 분명하다. 반대 습윤성으로 인해 카보폴의 PDMS 유착은 에너지적으로 유리하며 프린트 노즐 움직임은 이를 가능하게 하는 충분한 추진력을 제공한다.
요변성 첨가제를 사용한 PDMS 유변학의 개질
PDMS 예비중합체의 유변학 - 특히 이의 뉴턴 프로파일 및 낮은 점도 -는 높은 유동성의 원인이며 따라서 프린팅 중에 입증된 왜곡의 용이하다. 이 거동을 방지하기 위해 유변학 개질제 HS II 요변성 첨가제(이하 "첨가제"라고 함)를 PDMS 예비 중합체에 추가하여 항복 응력 유체, 예를 들어 임계값 초과의 응력을 받는 경우에만 유동하는 유체를 생성한다(항복 응력으로 알려져 있음). 높은 신장성 및 낮은 모듈러스와 같은 PDMS 탄성 중합체의 바람직한 속성으로 인해 1.0-10.0% w/w(1.0, 2.7, 5.0, 8.3 및 10.0% w/w)의 낮은 첨가제 농도가 개질 정도를 최소화하기 위해 선택되었다. 각 농도에서의 응력 램프는 도 2a에 도시된 바와 같이 각 농도에서 0이 아닌 y절편에 의해 표시된 바와 같이 복합 잉크가 실제로 항복 응력 유체임을 나타내었다.
이러한 유변학 프로파일은 매립된 프린팅에 바람직할 수 있다: 항복 응력을 전달하면 유동이 유도되어 유체가 프린트 노즐과의 상호작용 시 변형에 더 저항할 수 있도록 할 수 있다. 정상 상태 응력 스윕은 점도가 크게 떨어지기 전의 응력의 최종 값인 항복 응력이 도 2b에 도시된 바와 같이 첨가제 농도에 따라 증가함을 나타낸다. 이 거동은 도 2c에 도시된 바와 같이 파워 피팅: y = 37.9x0.4937로 설명될 수 있고, 여기서 항복 응력이 더 큰 첨가제 농도에서 안정되는 경우에 재밍 전이(jamming transition)가 접근함에 따라 거듭제곱 법칙 의존성이 있음을 시사한다. 2.7%(w/w) 첨가제의 농도는 본래 PDMS의 개질을 최소화하면서 프린팅 중 유동을 실질적으로 감소시키기에 충분한 항복 응력을 유도하기 위해 모든 프린트에 대해 선택되었다.
FDM Sheer 소프트웨어 가정은 FRE에 적합하지 않다
유변학적 개질은 PDMS 전구체의 유동성을 감소시키는 항복 응력을 PDMS 전구체에 도입하고; 그러나 이것만으로는 강력한 내장형 프린팅 플랫폼을 만들기에 충분하지 않을 수 있다. 프린팅 성공을 결정하는 또 다른 요소는 필라멘트 모폴로지이고, 이는 기계 경로 지정에 영향을 줄 수 있기 때문이다. FDM 슬라이싱 소프트웨어는 (1) 필라멘트가 압출 중에 프린트 플랫폼에 평평하게 되어 종횡비(필라멘트 높이를 폭으로 나눈 값)가 1 미만인 직사각형 단면을 생성하고 (2) 미미한 필라멘트 변형성이 압출 후에 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이 존재한다고 가정한다. FDM에서 열가소성 필라멘트는 용융 온도 이상으로 가열되어 필라멘트가 쉽게 압출되고 평평해질 수 있는 중합체의 고무 같은 레짐(regime)으로 가열된다. 압출 후 필라멘트는 빠르게 냉각되어 유리 상태로 되돌아가고, 여기서 효과적으로 단단하고 프린팅 기간 동안 변형되지 않다. FRE에 사용되는 예비 중합체는 전형적으로 열가소성 수지가 아니므로 동일한 재료 속성을 갖지 않는다. 또한 FRE에서 항복 응력 지지 배스(예를 들어, 재료 증착 영역의 지지 재료)가 프린팅 플랫폼을 대체한다. 이러한 차이점으로 인해 소프트웨어의 기본 가정이 매립된 적층 제조 시스템에 적용되는지 확인하기 위해 필라멘트 모폴로지에 대한 조사가 필요했다.
도 3a에 도시된 바와 같이, FDM 시스템이 좌측에 도시되고 FRE 시스템이 우측에 도시된다. FDM 필라멘트의 필라멘트 모폴로지의 예가 도 3b에 도시되어 있고 FRE의 필라멘트 모폴로지의 예가 도 3c에 도시되어 있다.
프레임의 중앙을 가로질러 프린팅된 단일 필라멘트를 갖는 창 프레임 시험 모델은 도 3d에 도시된 바와 같은 필라멘트 단면 분석을 가능하게 하도록 설계되었다. 프린팅된 구성물은 중간을 통해 단면화되고 필라멘트 단면은 도 3e에 도시된 바와 같이 이미지화된다. 각 필라멘트의 종횡비는 높이를 폭으로 나누어 정량화된다. 필라멘트 모폴로지에 대한 다양한 프린트 파라미터의 영향이 중요하다; 프린트 속도(예를 들어, 노즐 병진 속도) 및 유동 트윅이 여기에서 설명된다. 프린트 속도는 프린트 시간과 품질을 결정하는 반면, 유동 트윅(압출 배율(extrusion multiplier)이라고도 함)은 재료의 유량을 조정(배율)하는 것이다. 이 프린트 파라미터는 재료 유량을 미세 조정하는 데 유용하며 크라우닝(재료 과잉) 또는 과소 압출과 같은 결함을 수정할 수 있다. 예를 들어, 0.9의 유량 트윅은 최종 유량이 원래 유량의 90%인 과소 압출이 발생한다; 유사하게, 1.1의 유량 트윅은 최종 유량이 원래의 110%인 과잉 압출을 초래한다. 구조는 3개의 프린트 속도(5, 7.5 및 10mm/s)와 유동 트윅(0.9, 1.0, 1.1)으로 프린트되었다. 또한, 층 높이는 압출 폭(압출 노즐의 내경과 동일)과 동일하게 설정되었다; 이것은 모든 프린팅물에 대해 재료 유량이 일정한 것을 보장하기 위해 일정하게 유지되었다.
이미지 분석은 전체 파라미터 공간에 걸쳐 종횡비가 1보다 큰 것으로 나타났다 - FDM과 일치하지 않다. 이것은 특히 압출 폭과 층 높이가 일정하게 유지되기 때문에 개별 필라멘트가 압출된 구멍과 동일한 원형 기하학적 구조를 가질 것으로 예상되었기 때문에 놀라운 일이다. 이것은 프린트 노즐 바로 뒤에 저압 영역이 있고 PDMS 잉크가 지지 배스에 의해 고정될 때까지 이 공간을 충전한다는 것을 의미한다. 이러한 결과는 FRE 시스템과 같은 내장형 프린팅의 필라멘트 기하학적 구조가 FDM 필라멘트 기하학적 구조에서 벗어남을 보여준다. FRE에서 압출된 필라멘트에 대해 잘못된 FDM과 같은 기하학적 구조를 가정할 때 슬라이싱 소프트웨어는 구성에 대한 기계 경로 지정 생성에 필라멘트를 잘못 배치하여 과소 또는 과압출과 같은 프린팅 결함을 초래할 수 있다. 결과적으로 프린팅 충실도가 떨어진다. 프린트 파라미터를 선택하고 이를 염두에 두고 기계 경로 지정을 생성해야 한다.
잉크 변형성 및 모폴로지는 지역 환경에 따라 다르다
이러한 잉크의 느린 경화 시간과 점성 특성으로 인해 재료 변형성은 FDM에서 벗어날 수 있는 또 다른 속성이다. 특히 인접한 필라멘트 간의 상호 작용은 최적의 필라멘트 배치(패킹)를 알려줄 수 있기 때문에 관심이 있다. 이러한 상호 작용은 둘레와 인필의 맥락에서 조사되었다. 둘레의 필라멘트가 어떻게 변형되는지를 결정하기 위해 2, 3 및 4개의 층을 가진 중공 실린더를 프린팅하고 도 4a에 도시된 바와 같이 반으로 절단하였다. 처음에는 층간 융합이 불량하거나 존재하지 않아 카보폴이 용해될 때 실린더가 떨어져 나갔다. 이를 방지하기 위해 G 코드에서 층 간 거리(또는 층 변경 후 압출기 노즐이 취한 Z 단계)를 줄여 융합을 달성했다. 원래 Z 단계(Z0)는 0.635mm의 층 높이 및 압출 폭과 동일했다. Z 단계는 Z0의 50, 60, 70, 80 및 90%로 조정되었고, 필라멘트 단면의 평가는 Z0의 60%와 동일한 단계가 필라멘트 사이의 융합을 달성하기에 충분한 것으로 나타났다. 필라멘트는 도 4b에 도시된 바와 같이 각각 녹색 및 적색 화살촉으로 표시된 둥글고 평평한 모폴로지를 모두 가졌다. 하부 층의 하부 표면 또는 상부 층의 상부 표면과 같이 인접한 필라멘트가 없는 경우, 필라멘트는 도 3c 및 도 3e에서 관찰된 것과 동일한 방식으로 수직으로 신장된다. 대조적으로, 중간 층의 필라멘트는 증착 중에 이웃을 변형시켜 FDM과 유사한 방식으로 인접한 표면을 효과적으로 평평하게 만든다.
인필의 필라멘트 변형성을 조사하기 위해, 도 3d의 창 프레임은 10~90%의 단일 층 인필 밀도를 갖도록 수정되었다. 40% 인필에서, 필라멘트는 도 3에 도시된 단일 필라멘트 모폴로지로부터 예상되는 바와 같이 1보다 큰 종횡비를 갖는다; 더 높은 인필 밀도에서, 종횡비는 도 4c 및 도 4d에 도시된 바와 같이 급증한다. 이러한 인필 밀도에서 프린트 노즐은 점점 더 가까워지는 이전에 압출된 필라멘트에 접근하여 지지체를 측면으로 변위시켜 근처의 필라멘트가 수직으로 신장되게 한다. 연신율은 인필 밀도와 밀접한 관련이 있다. 둘레와 인필에 존재하는 관찰된 모폴로지가 둘 다 포함하는 프린팅물에서 일관성이 있는지 확인하기 위해 인필 밀도(30, 50 및 70%)를 증가시키고 프린팅 높이(2, 3, 4 및 5 층)를 증가시키면서 동일한 프레임 모델을 프린트했다. 3D에서 모폴로지를 조사함으로써, 이전에 본 거동이 존재한다는 것이 분명하다: 적층된 필라멘트(둘레 및 인필 모두에서)는 서로 평평하게 펴지는 반면, 서로 가깝게 패킹된 측면 필라멘트는 도 4e에 도시된 바와 같이 Z에서 수직으로 신장된다. 높은 충진 밀도(2개 이상의 층이 있는 구성의 경우 70%로 표시)에서 이는 압출기 노즐에 의한 잉크 변위로 인해 인쇄물 영역에 원하지 않는 과잉 재료가 있는 크라우닝(crowning)으로 해석된다. 이것은 Z 단계가 융합을 달성하기 위해 단일 둘레 또는 1층 구성에 대해 조정되어야 했지만 3D 구성에는 필요하지 않음을 나타내고, 증착된 재료가 증가하고 융합을 촉진할 수 있는 프린트 노즐과의 상호 작용 빈도가 증가하기 때문일 수 있다. 사실, Z 단계의 이러한 감소는 70% 인필 밀도에서 관찰된 크라우닝에 가장 크게 기여했을 것이다. 이후의 모든 프린팅에서 Z 단계는 G 코드에서 수정되지 않았다.
프린팅 캘리브레이션은 변형 가능한 잉크를 사용한 프린팅의 어려움을 나타낸다.
고전적인 FDM 적층 제조에서, 압출기 및 프린팅 설정을 캘리브레이션하고 미세 조정하기 위한 시험 모델로 간단한 큐브가 사용된다. 캘리브레이션 큐브는 도 5에 도시된 바와 같이 내장형 프린팅에 적합한 프린팅 설정의 일반적인 범위를 결정하기 위한 모델로 선택되었다. 이전에 언급했듯이 개질되지 않은 PDMS 예비 중합체를 프린팅할 때 전체 구조에 걸쳐 광범위한 유착이 있다. 그럼에도 불구하고 지지 배스는 큐브의 일반적인 모양을 유지한다; 그러나 카보폴이 용해되고 프린팅물이 제거되면 큐브가 떨어져서 도 5의 맨 윗줄에 표시된 것처럼 경화된 PDMS 덩어리가 남는다. HS II 요변성 첨가제(2.7% w/w에서)를 통합하여 층 높이를 압출 폭의 50%로 설정하고 인필 밀도를 100%로 설정하면 필라멘트는 개별 층처럼 특징적인 FDM 기능을 나타내더라도 프린트된 기하학적 구조를 유지한다. 지지 배스에서 꺼내면 층이 함께 융합되고 큐브가 손상되지 않은 것으로 확인되지만, 자세히 검사하면 도 5의 중간 행에 표시된 것처럼 크라우닝(별표로 표시) 및 불일치 융합(화살촉으로 표시)과 같은 결함이 프린트에 가득하다.
도 4e에 도시된 바와 같이 FRE에 존재하는 재료 변형성으로 인해, 재료 변위는 이러한 결함을 생성할 수 있다. 필라멘트는 슬라이싱 소프트웨어 알고리즘에 사용되는 필라멘트 프로파일과 일치하는 서로의 상부에 적층될 때 평평해질 수 있다. 동시에 필라멘트가 높은 인필 밀도로 서로 더 가깝게 패킹되면 재료가 인접한 층로 수직으로 변위될 수 있으며 트레블 이동하는 동안 프린팅 노즐에 의해 이동되어 크라우닝이 생길 수 있다. 층이 완성되면 프린팅 노즐이 Z로 올라가고 다음 층 프린팅로 전환될 때 큐브의 한 모서리에서 다른 모서리로 잉크를 끌어오는 것이 관찰되었다. 이 시스템에 내재된 모폴로지 및 변형 가능성으로 인해, 재료가 의도한 위치에서 자주 변위되므로 프린팅물 전체에서 일관되지 않은 융합이 발생할 수 있다(도 5에서 불투명도의 변화로 시각적으로 표시됨). 크라우닝이 포함된 영역에서는, 초과 재료가 함께 패킹되어 본질적으로 고체 부품을 만든다. 그러나 다른 영역에서는 인필이 쉘에 융합되지 않는다. 인필/둘레 경계면의 융합 부족도 지지 배스의 탄성으로 인한 것이다. 이로 인해 프린팅 노즐이 방향을 바꿀 때 잉크가 약간 반동하게 되며, 이는 종종 인필이 둘레를 만나는 곳에서 발생한다. 두 영역이 물리적으로 접촉하지 않으면 융합이 이루어지지 않을 수 있다.
여기서, 내장형 프린팅 시스템에서 변형 가능한 잉크를 사용한 프린팅의 문제는 분명하다: 융합은 인접한 필라멘트와의 접촉에 의존하지만, 통과하는 프린팅 노즐과의 상호작용에 더하여 이러한 상호작용은 종종 잉크를 방해하고 의도한 위치에서 변위시킨다. 지능형 기계 경로 지정은 프린팅 충실도와 성공에 영향을 줄 수 있는 또 다른 요소이다. 이러한 관찰에서 매립된 프린팅에 대한 몇 가지 지침이 형성된다. 무엇보다도 재료 변위를 최소화하기 위해 트레블 이동(잉크 압출을 포함하지 않아 융합에서 아무런 역할도 하지 않는 이동)이 재료 변위를 최소화하기 위해 프린팅물(예를 들어, 제작 중인 물체의 X-Y 좌표) 외부에서 이루어져야 한다. 또한 지지 배스의 탄성을 고려하여, 인필과 둘레 사이의 중복을 125% 이상으로 조정할 수 있다. 마지막으로, 압출 폭이 층 높이의 50%일 때 90% 이하의 인필 밀도는 일반적으로 크라우닝을 방지하기에 충분하다; 이것은 피처 크기에 따라 다를 수 있다. 이러한 조정을 통해 층간 융합이 우수한 치수적으로 정확한 캘리브레이션 큐브가 프린팅되었다. 이러한 지침 원칙은 향후 모든 프린팅에서 프린트 파라미터 선택 및 기계 경로 지정을 알리는 데 사용되었다.
주조 및 프린팅된 구조물의 기계적 속성
개질된 잉크를 프린팅할 수 있는 능력을 입증한 후, 주조된 구성물 및 프린팅된 구성물의 기계적 속성에 관심이 있었다. PDMS 특성에 대한 유변학 개질제의 영향을 결정하기 위해, 3가지 PDMS + HS II 제형((i) 0%, (ii) 1.0% 및 (iii) 2.7% w/w HS II에서)을 주조하고 단축 인장 시험을 위해 인장 막대 스트립으로 레이저로 절단했다 (도 6a). 이러한 시험은 첨가제 농도가 증가함에 따라 모듈러스가 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 첨가제가 PDMS 네트워크에서 가소제로 작용하여 가교 밀도를 감소시킴을 암시한다(도 6b, c, d).
다음으로, 인필 패턴의 영향을 조사했다. 인필 패턴은 원하는 구조적 무결성에 따라 선택할 수 있다. 3개의 인필 패턴이 선택되었다: (iv) 입방체, (v) 일축 인장 시험 방향으로 정렬된 직선, 충전 각도 = 0°("평행"으로 표시) 및 (vi) 정렬된 직선, 충전 각도 = 90°,시험 방향에 수직("수직"으로 표시) (도 6e, f). 직선형 인필 패턴은 적층 제조에 매우 일반적으로 사용되며 일반적으로 더 복잡한 패턴보다 프린팅 속도가 더 빠르다. 필라멘트 방향성이 기계적 특성에 미치는 영향을 결정하기 위해 충전 각도가 선택되었다. 입방체 인필은 여러 방향의 강도가 필요한 기능적 적층 가공에 사용할 수 있기 때문에 선택되었다. 수직 구조는 현재 슬라이싱 소프트웨어의 한계로 인해 기존의 개 뼈 형상과 달리 직사각형 프리즘으로 프린팅되었다. 시험 결과 병렬 구성은 다른 두 구성에 비해 모듈러스가 훨씬 더 큰 것으로 나타났다(도 6g, h, i). 또한 평행 및 입방 구조는 수직 구조와 비교하여 더 큰 파손 연신율을 보여주었다. 기계적 특성에 대한 필라멘트 방향성의 영향은 구조가 층 사이에서 더 약한 기존 FDM과 일치한다(도 6j). [16] 흥미롭게도, 프린팅된 구조물과 주조된 구조물의 응력-변형율 흔적을 비교할 때, 주조된 구조물에서 더 큰 편차가 있으며, 이는 주조 및 레이저 절단 공정이 인장 시험 스트립에서 불일치를 생성했음을 나타낸다. 동시에 이것은 프린팅이 일관되고 균일한 구성을 생성한다는 것을 나타낸다. 함께 이러한 결과는 첨가제 농도와 인필 패턴을 수정하여 기계적 속성을 조정할 수 있음을 보여준다.
기계 경로 지정 및 프린팅 프로세스 파라미터 수정을 통한 FRE 개선
FRE 플랫폼의 기하학적 한계를 조사하기 위해, 중공 구, 오그제틱 격자 및 이중 나선(도 7)의 3가지 시험 기하학적 구조가 선택되었다. 중공 구를 프린팅하려는 첫 번째 시도는 적당히 성공적이었다 - 구의 상단 1/4에 주로 존재하는 층 분리를 제외하고 대부분의 층가 함께 융합되었다(도 7, 좌측 열). 이것은 필라멘트의 단일 벽이 Z 단계를 감소시키지 않고 융합을 얻는 데 어려움이 있다는 초기 관찰을 뒷받침한다. 또한 더 큰 바늘 크기(ID = 635pm)로 인해 슬라이싱 소프트웨어는 상단과 하단의 층 사이에 큰 간격 없이 구를 슬라이싱할 수 없었다. 층 융합을 증강시키기 위해 모듈식 수정 접근 방식을 취했다. 특히, 관심 영역별로 G-코드를 수정했다. 원래 이 전체 구성에 4개의 둘레가 사용되었다; Slic3r에 개질제를 추가하여 상단 3mm에 6개의 둘레를 추가하고 더 작은 바늘(ID = 305pm)과 125%의 유동 트윅을 사용하여 융합된 구가 생성되었다. 여분의 둘레를 추가하고 유량을 높이면 더 많은 양의 잉크가 압출되어 융합이 가능하다.
다음으로, 수축 및 스마트 트레블 이동의 중요성을 입증하기 위해 오그제틱 격자가 선택되었다. 수축은 재료를 노즐로 다시 끌어당기는 프린팅 명령으로 불필요한 재료가 노즐에서 흘러나와 스트링 아티팩트가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 리프트 명령은 트레블 이동 중 수축과 함께 구현될 수 있으며, 이로 인해 압출기 노즐이 현재 프린팅 중인 층 위로 Z에서 지정된 거리를 들어 올릴 수 있다. 이렇게 하면 노즐이 프린팅물의 한 영역에서 다른 영역으로 재료를 끌지 않는다; 이것은 Z의 수직 필라멘트 연신율(도 4 참조)이 재료를 향후 층로 변위시킬 수 있는 FRE에서 특히 중요하다. 제1 프린트(수축 및 들어올리기 명령이 없는 경우)은 특히 구조물의 외곽에서 많은 스트링 이벤트를 보여주었다. 이는 트레블 이동 동안에 노즐에서 잉크가 스며나오고 노즐에 의한 잉크 변위로 인해 가장 많이 발생한다. 수축 및 리프트 명령을 구현하고 최적화함으로써 스트링 이벤트가 크게 감소하고 층간 융합이 있어 격자가 반복적으로 늘어날 수 있다. 마지막으로 이중 나선이 마지막 프린팅물로 선택되었다. 이 구조는 압출 기반 방법을 통해 주조하거나 프린팅하기가 매우 어렵다. 이 구조를 생성하려는 첫 번째 시도는 실패했다 - 노즐이 수측을 위해 들어올리는 곳에서 수직 스트링 이벤트가 발생한다. 초기 프린터 하드웨어는 빠른 수축을 위해 충분히 견고하지 않았으며 큰 바늘 크기는 가장 작은 피처 크기를 제한했다. 더 작은 노즐(ID = 406 pm)로 전환하고 더 큰 모터와 함께 맞춤형으로 설계된 더 견고한 주사기 어댑터를 사용하여, 더 큰 수축이 가능하게 되었으며 고체 베이스, 작은 피처 및 적은 스트링 이벤트가 있는 이중 나선이 생성되었다.
이러한 구성은 포함된 프린팅에 대한 더 많은 지침 원칙을 보여준다. 첫째, 때때로 기계 경로 지정에 대한 모듈식 접근 방식을 취해야 한다 - 필요한 경우 G 코드는 프린팅 영역별로 수정되어야 한다. 또한 프린팅물 외부에서 발생하는 트레블 이동 구현의 중요성이 반복된다. 프린팅 노즐 및 변형 가능한 잉크와의 상호 작용은 프린팅 충실도에 해로운 영향을 미친다. 마지막으로, 이러한 프린트는 수축의 중요성과 요변성, 점성 유체를 처리할 수 있는 견고한 하드웨어의 필요성을 보여준다. FRE 프린팅 플랫폼은 본 명세서에 표시된 형상으로 제한되지 않다; 이러한 기계 경로 지정 수정을 통해 복잡한 형상을 얻을 수 있으며 이는 중합체 적층 제조의 미래에 유망하다.
결론
FRE를 사용하여 연질 중합체를 프린팅하는 데 많은 요인이 영향을 미친다는 것은 분명하다. 구조 재료의 유변학적 개질을 활용하여 프린팅된 기하학적 구조를 보다 잘 유지할 수 있는 항복 응력 유체를 생성할 수 있다. 또한 지능형 기계 경로 지정과 프린트 파라미터의 신중한 선택은 프린팅된 기하학적 구조를 개선할 수 있다. 구체적으로, 프린트 노즐과 압출 필라멘트 간의 상호작용을 최소화하여 필라멘트 왜곡을 방지할 수 있다. 트레블 이동은 인쇄물 본체 외부에서 발생하도록 구성되며, 수축은 스트링 아티팩트를 줄이기 위해 사용되어야 한다. 기계 경로 지정에 대한 모듈식 접근 방식은 가장 높은 충실도로 프린트된 구성을 달성할 수 있다. 또한 튼튼한 하드웨어를 갖춘 견고한 적층 제조 시스템을 사용하여 요변성, 점성 유체를 압출할 수 있다. 본 명세서의 예에 제공된 지침 원리는 다른 재료 체계로 확장될 수 있으며 FRE를 사용하여 연질 중합체를 프린팅하는 기능을 크게 확장한다.
본 명세서에서 식별된 모든 특허, 간행물 또는 기타 공개 자료는 달리 표시되지 않는 한 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함되지만, 통합된 자료가 명시적으로 명시된 기존 정의, 진술 또는 기타 공개 자료와 충돌하지 않는 범위 내에서만 가능하다. 이 사양에서. 이와 같이, 그리고 필요한 범위 내에서, 본 명세서에 기술된 명시적 개시는 본 명세서에 참조로 통합된 상충되는 모든 자료를 대체한다. 본 명세서에 참조로 포함되는 모든 자료 또는 그 일부는 기존 정의, 진술 또는 본 명세서에 명시된 기타 개시 자료와 충돌하는 경우, 통합된 자료 및 기존 개시 자료 간에 충돌이 발생하지 않는 범위 내에서만 통합된다. 출원인은 본 명세서에 참조로 포함된 주제 또는 그 일부를 명시적으로 인용하기 위해 본 명세서를 수정할 권리가 있다.
본 명세서에서, 달리 표시되지 않는 한, 모든 수치 파라미터는 모든 경우에 "약"이라는 용어로 시작되고 수정되는 것으로 이해되어야 하며, 여기서 수치 파라미터는 파라미터의 수치 값을 결정하는 데 사용되는 기본 측정 기술의 고유한 가변성 특성을 보유한다. 최소한 청구 범위에 대한 등가 원칙의 적용을 제한하려는 시도가 아니라 본 명세서에 설명된 각 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 자릿수의 관점에서 그리고 일반적인 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 인용된 임의의 수치 범위는 인용된 범위 내에 포함된 모든 하위 범위를 포함한다. 예를 들어, "1에서 10"의 범위는 즉, 최소값이 1 이상이고 최대값이 10 이하인 인용된 최소값 1과 인용된 최대값 10 사이의 모든 하위 범위를 포함한다. 본 명세서에 언급된 모든 최대 수치 제한은 그 안에 포함된 모든 더 낮은 수치 제한을 포함하도록 의도되고 본 명세서에 언급된 모든 최소 수치 제한은 그 안에 포함된 모든 더 높은 수치 제한을 포함하도록 의도된다. 따라서, 출원인은 명시적으로 인용된 범위 내에 포함된 모든 하위 범위를 명시적으로 인용하기 위해 청구범위를 포함하여 이 명세서를 수정할 권리를 보유한다. 이러한 모든 범위는 본 명세서에 본질적으로 설명되어 있다.
당업자는 본 명세서에 기재된 기사 및 방법, 및 이에 수반되는 논의가 개념적 명확성을 위해 예로서 사용되며 다양한 구성 수정이 고려된다는 것을 인식할 것이다. 결과적으로, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 설명된 특정 예/실시예 및 수반되는 논의는 이들의 보다 일반적인 부류를 대표하도록 의도된다. 일반적으로 특정 예시의 사용은 해당 부류를 대표하기 위한 것이며 특정 컴포넌트, 디바이스, 작업/동작 및 물체가 포함되지 않은 것이 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 개시내용은 본 개시내용의 다양한 양태 및/또는 그의 잠재적인 응용을 예시하기 위한 목적으로 다양한 특정 양태의 설명을 제공하지만, 변형 및 수정이 당업자에게 일어날 것임을 이해해야 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 발명 또는 발명들은 적어도 그들이 청구된 만큼 광범위하고 본 명세서에 제공된 특정 예시적인 양태에 의해 더 좁게 정의되지 않는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (26)

  1. 적층 제조 방법에 있어서,
    구조 재료(structure material)가 노즐을 통해 유동하도록 상기 구조 재료에 힘을 인가하여 지지 재료(support material)에 상기 노즐에 의해 상기 구조 재료를 증착하는 단계 - 상기 구조 재료는 중합체 및 유변학 개질제(rheological modifier)를 포함함 -;
    물체를 생성하기 위해 필요에 따라 상기 구조 재료의 증착을 반복하는 단계; 및
    상기 물체로부터 상기 지지 재료를 적어도 부분적으로 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 물리적 구조는 0.1 중량% 내지 50 중량%의 상기 유변학 개질제를 포함하는, 방법.
  3. 청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증착 후에 상기 구조 재료를 경화시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조 재료는 항복 응력을 포함하고, 상기 구조 재료에 힘을 인가하는 단계는 적어도 상기 항복 응력의 힘을 상기 구조 재료에 인가하는 단계를 포함하거나;
    상기 구조 재료는 요변성 속성(thixotropic property)을 포함하고, 상기 구조 재료에 힘을 인가하는 것은 상기 구조 재료가 상기 노즐을 통해 유동하게 하는 힘을 인가하는 것을 포함하거나;
    상기 유변학 개질제는 상기 구조 재료의 점도를 증가시키고, 상기 구조 재료에 힘을 인가하는 것은 상기 구조 재료가 상기 노즐을 통해 유동하게 하는 힘을 인가하는 것을 포함하거나; 또는
    이들의 조합인, 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조 재료는 1 Pa 내지 10 kPa 범위에 있는 상기 구조 재료의 항복 응력을 포함하고, 상기 증착하는 단계는 상기 재료에 적어도 상기 항복 응력의 힘을 인가하는 것을 포함하는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 구조 재료의 항복 응력은 10Pa 내지 200Pa 범위인, 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체는 열경화성 수지(thermoset)를 포함하는, 방법.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체는 실리콘계 중합체, 에폭시계 중합체, 우레탄계 중합체, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체는 폴리디메틸실록산을 포함하는, 방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유변학 개질제는 요변성 첨가제, 입자 필라(filler), 중합체계 첨가제, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 물체를 생성하기 위해 필요에 따라 상기 구조 재료의 증착을 반복하는 단계는 구조 재료의 제1 층을 증착하는 단계 및 상기 구조 재료의 제2 층의 증착이 상기 구조 재료의 상기 제1 층을 변형시키도록 상기 제1 층에 근접하여 구조 재료의 상기 제2 층을 증착하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 적층 제조 방법에 있어서,
    압출기 어셈블리의 노즐을 통해 구조 재료를 지지 재료에 증착하는 단계;
    물체를 생성하기 위해 필요에 따라 상기 구조 재료의 증착을 반복하는 단계 - 상기 증착의 프린트 파라미터는 상기 물체의 제1 부분에서 상기 물체의 제2 부분으로 변화하고, 상기 노즐은 상기 물체의 후속 층의 증착을 위해 재배치될 때 상기 물체의 이전에 증착된 층으로부터 멀어지도록 구성되거나 또는 이들의 조합임 -; 및
    상기 물체로부터 상기 지지 재료를 적어도 부분적으로 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 프린트 파라미터는 상기 노즐을 통한 구조 재료의 유량(flow rate), 압출 방향, 인필 파라미터(infill parameter), 상기 노즐의 병진 속도, 층 높이, 상기 노즐의 병진 방향, 프린트 패턴, 경화 파라미터, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  14. 청구항 12 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조 재료는 중합체 및 유변학 개질제를 포함하고, 상기 구조 재료의 항복 응력은 1 Pa 내지 10 kPa 범위이고, 상기 구조 재료를 증착하는 단계는 상기 구조 재료가 상기 노즐을 통해 유동하도록 상기 구조 재료에 적어도 상기 항복 응력의 힘을 인가하는 것을 포함하는, 방법.
  15. 청구항 12 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐은 상기 물체의 후속 층의 증착을 위해 재배치될 때 상기 물체의 이전에 증착된 층으로부터 멀리 이동하도록 구성된, 방법.
  16. 청구항 12 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증착의 프린트 파라미터는 상기 물체의 제1 부분에서 상기 물체의 제2 부분으로 변화하는, 방법.
  17. 적층 제조 시스템에 있어서,
    구조 재료를 증착하도록 구성된 노즐을 포함하는 압출기 어셈블리;
    지지 재료를 수용하도록 구성된 재료 증착 영역; 및
    비일시적 메모리 및 상기 압출기 어셈블리에 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함하고, 상기 비일시적 메모리는 상기 프로세서에 의해 실행될 때 상기 프로세서로 하여금 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항의 방법을 수행하게 하는 기계 실행 가능 명령어를 포함하는, 시스템.
  18. 적층 제조 방법에 있어서,
    프로세서에 의해, 물체의 파트 파일(part file)을 수신하는 단계;
    상기 프로세서에 의해, 상기 파트 파일을 상이한 파트 세그먼트(part segment)로 분리하는 단계 - 각 파트 세그먼트는 상기 파트 파일의 일부를 포함함 -; 및
    상기 프로세서에 의해, 각각의 상기 세그먼트에 있는 상기 파트 파일의 일부의 설계에 기초하여 각 세그먼트에 대한 기계 경로 지정 명령어(machine path instruction)를 생성하고, 메모리에 상기 기계 경로 지정 명령어를 저장하는 단계를 포함하고, 상기 기계 경로 지정 명령어는 적어도 2개의 세그먼트 사이에서 변화하는, 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 기계 경로 지정 명령어는 상기 노즐을 통한 구조 재료의 유량, 압출 방향, 인필 파라미터, 상기 노즐의 병진 속도, 층 높이, 상기 노즐의 병진 방향, 프린트 패턴, 경화 파라미터 또는 이들의 조합에 의해 적어도 2개의 세그먼트 사이에서 변화하는, 방법.
  20. 청구항 18 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 압출기 어셈블리의 노즐을 제어하도록 구성되고, 상기 프로세서는 상기 물체의 후속 층의 증착을 위해 재배치할 때 상기 물체의 이전에 증착된 층으로부터 멀리 상기 노즐을 이동시키도록 구성된, 방법.
  21. 청구항 18 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압출기 어셈블리의 노즐을 통해 지지 재료 내로 구조 재료를 증착시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  22. 청구항 21에 있어서, 상기 구조 재료는 중합체 및 유변학 개질제를 포함하고, 상기 구조 재료의 항복 응력은 1 Pa 내지 10 kPa의 범위에 있고, 상기 구조 재료를 증착하는 단계는 상기 구조 재료가 상기 노즐을 통해 유동하도록 상기 구조 재료에 적어도 상기 항복 응력의 힘을 인가하는 단계를 포함하는, 방법.
  23. 적층 제조 시스템에 있어서,
    프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 비일시적 메모리에 동작 가능하게 결합되고, 상기 비일시적 메모리는 상기 프로세서에 의해 실행될 때 상기 프로세서로 하여금 청구항 16 내지 청구항 22 중 어느 한 항의 방법을 수행하게 하는 기계 실행 가능 명령어를 포함하는, 시스템.
  24. 적층 제조 시스템에 있어서,
    구조 재료를 증착하도록 구성된 노즐을 포함하는 압출기 어셈블리;
    지지 재료를 수용하도록 구성된 재료 증착 영역; 및
    상기 압출기 어셈블리에 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 프로그래밍을 통해 상기 노즐을 통한 상기 구조 재료의 증착을 제어하도록 구성되고, 상기 프로세서는 상기 프로그래밍을 통해,
    물체의 제1 부분에서 상기 물체의 제2 부분으로 프린트 파라미터를 변경하고; 및
    상기 물체의 후속 층의 증착을 위해 재배치할 때 상기 노즐을 상기 물체의 이전에 증착된 층으로부터 멀리 이동시키거나 또는 이들의 조합을 수행하도록 추가로 구성되는, 시스템.
  25. 청구항 24에 있어서, 상기 프린트 파라미터는 상기 노즐을 통한 구조 재료의 유량, 압출 방향, 인필 파라미터, 상기 노즐의 병진 속도, 층 높이, 상기 노즐의 병진 방향, 프린트 패턴, 경화 파라미터, 또는 이들의 조합을 포함하는, 시스템.
  26. 청구항 24 내지 청구항 25 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조 재료를 추가로 포함하고, 상기 구조 재료는 중합체 및 유변학 개질제를 포함하고, 상기 구조 재료의 항복 응력은 1 Pa 내지 10 kPa의 범위에 있고, 상기 노즐은 상기 구조 재료가 상기 노즐을 통해 유동하도록 상기 구조 재료에 적어도 상기 항복 응력의 힘을 인가하도록 구성된, 시스템.
KR1020227011963A 2019-10-18 2020-10-19 연질 재료의 개선된 3d 프린팅을 위한 유변학 및 기계 경로 지정의 수정 KR20220084043A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962973696P 2019-10-18 2019-10-18
US62/973,696 2019-10-18
PCT/US2020/056338 WO2021077091A1 (en) 2019-10-18 2020-10-19 Modification of rheology and machine pathing for improved 3d printing of soft materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220084043A true KR20220084043A (ko) 2022-06-21

Family

ID=73449174

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227011963A KR20220084043A (ko) 2019-10-18 2020-10-19 연질 재료의 개선된 3d 프린팅을 위한 유변학 및 기계 경로 지정의 수정

Country Status (10)

Country Link
US (1) US20220332040A1 (ko)
EP (1) EP4045293A1 (ko)
JP (1) JP2022551728A (ko)
KR (1) KR20220084043A (ko)
CN (1) CN114555336A (ko)
AU (1) AU2020366525A1 (ko)
CA (1) CA3153075A1 (ko)
IL (1) IL292232A (ko)
MX (1) MX2022004244A (ko)
WO (1) WO2021077091A1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11660822B2 (en) * 2021-01-25 2023-05-30 Xerox Corporation System and method for improved infilling of part interiors in objects formed by additive manufacturing systems
CN113320168B (zh) * 2021-06-16 2022-10-14 厦门天宇丰荣科技有限公司 一种生物墨水3d打印平面实心图形的工艺参数优化方法
CN114619670A (zh) * 2022-04-18 2022-06-14 中国第一汽车股份有限公司 一种零件打印方法、装置、系统和存储介质
US20230373007A1 (en) * 2022-05-23 2023-11-23 Xerox Corporation Method and apparatus for forming overhanging structures in additive manufactured parts that have an improved surface roughness
FR3141372A1 (fr) * 2022-10-28 2024-05-03 Safran Procede de fabrication d’une eprouvette de traction par dépôt de couches successives de filaments fondus et eprouvette de traction obtenue par ce procede

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10150258B2 (en) 2013-07-29 2018-12-11 Carnegie Mellon University Additive manufacturing of embedded materials
US20170369731A1 (en) * 2014-06-08 2017-12-28 Massivit 3D Printing Technologies Ltd Method and apparatus for manufacture of 3d objects
EP3371720A1 (en) * 2015-11-06 2018-09-12 SABIC Global Technologies B.V. Systems and methods for optimization of 3-d printed objects
SG11201908903QA (en) * 2017-04-04 2019-10-30 Massachusetts Inst Technology Additive manufacturing in gel-supported environment

Also Published As

Publication number Publication date
US20220332040A1 (en) 2022-10-20
AU2020366525A1 (en) 2022-04-21
JP2022551728A (ja) 2022-12-13
WO2021077091A1 (en) 2021-04-22
CN114555336A (zh) 2022-05-27
IL292232A (en) 2022-06-01
MX2022004244A (es) 2022-07-27
EP4045293A1 (en) 2022-08-24
CA3153075A1 (en) 2021-04-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20220084043A (ko) 연질 재료의 개선된 3d 프린팅을 위한 유변학 및 기계 경로 지정의 수정
US9079357B2 (en) Method for the layered construction of a shaped body made of highly viscous photopolymerizable material
EP3215352B1 (de) Verfahren zur herstellung von siliconelastomerteilen
AU2018262560B2 (en) Molding method and apparatus, particularly applicable to metal and/or ceramics
US20130295212A1 (en) Digital mask-image-projection-based additive manufacturing that applies shearing force to detach each added layer
US20140335141A1 (en) Layered manufacturing utilizing foam as a support and multifunctional material for the creation of parts and for tissue engineering
US20200238601A1 (en) 3d-printed shaped parts made from more than one silicone material
US20160167312A1 (en) Additive manufacturing of embedded materials
KR20160091329A (ko) 슬립을 이용하는 3ｄ 프린팅 방법
US20180236714A1 (en) Additive manufacturing products and processes
US11628618B2 (en) Additive manufacturing method for functionally graded material
Li et al. Current status of additive manufacturing for tissue engineering scaffold
Muehlenfeld et al. 3D/4D printing in additive manufacturing: process engineering and novel excipients
Stang et al. Embedded 3D Printing of Thermally‐Cured Thermoset Elastomers and the Interdependence of Rheology and Machine Pathing
US10751909B2 (en) Support-free additive manufacturing of ceramics
JP6756515B2 (ja) 造形物の製造方法及び造形物
CN107789096B (zh) 生医支架的制造方法
Liravi et al. A hybrid method for additive manufacturing of silicone structures
Varntanian 3D printing of Polycaprolactone Scaffolds
KR102659885B1 (ko) 초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4d 이식재 및 그 제조장치와 제조방법
US20240173914A1 (en) High-viscosity resins in mask projection stereolithography
Garrett et al. Rotational Digital Light Processing for Edible Scaffold Fabrication
TWI729999B (zh) 生醫支架及其製造方法
Asif Mechanical Characterisation, Analysis and Modelling of Particulate Nanocomposites Printed Using Photopolymer Extrusion Technique
Arrigo et al. 10 Polymers Manufacturing for Additive

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination