KR20220149517A - 3차원 구조들을 제조하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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베르트 베르헤이드
재스퍼 르페브르
바트 미첼슨
더크 반제뉴그덴
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비토 엔브이
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Abstract

3차원 구조들을 제조하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 시스템은 하우징에 의해 둘러싸이는 제한된 공간 내에 병렬 프린팅을 수행하기 위한 복수의 프린팅 스테이션들(printing stations)을 포함하고, 각 프린팅 스테이션은 캐리어(carrier), 그 개구 영역을 통해 구축 재료 페이스트의 필라멘트들을 분배하도록 배치되는 적어도 하나의 노즐을 갖는 증착 유닛(deposition unit), 및 하나 이상의 3차원 구조들을 형성하기 위해 복수의 적층되는 레이어들의 상호 연결된 배치(interconnected arrangement)로 캐리어 상에 구축 재료 페이스트의 필라멘트들의 증착을 위해 상기 증착 유닛을 작동시키도록 구성되는 스테이션 컨트롤러를 포함하고, 적어도 하나의 노즐 및 분리 가능한(detachable) 캐리어는 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하고, 증착 유닛은 구축 재료 페이스트를 수용하도록 구성되는 저장 유닛(reservoir unit)에 결합되고, 저장 유닛은 제한된 공간의 외부에 배치되는 적어도 하나의 저장소(reservoir)를 포함한다.

Description

3차원 구조들을 제조하기 위한 시스템 및 방법
본 발명은 구축 재료 페이스트(build material paste)의 필라멘트 증착(filament deposition)에 의해 3차원 구조들을 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
적층 제조(additive manufacturing)는 현재 널리 사용되고 있으며, 다양한 기술들이 존재한다. 적층 제조는 구조를 층별로 구축하는 데 적합한 기술이며, 제조된 구조는 다양한 응용 분야들에 이용될 수 있다.
압출(extrusion) 기반 적층 제조 방법들은 3차원 구조들의 가공에 이용되었다. 구축 재료(예: 점성 페이스트, 용융 폴리머, 하이드로겔 등)는 필라멘트들의 형태로 노즐을 통해 압출된다. 필라멘트들의 특정 배치(arrangement)가 구축 재료의 압출에 의한 증착(deposition) 동안 프린트 베드(print bed)에 대한 노즐의 상대적인 이동에 의해 획득될 수 있다. 재료 증착 동안, 구축 재료의 필라멘트들은 원하는 3차원 구조를 제공하기 위해, 노즐로부터 압출되어 미리 결정된 패턴에 따라 서로에 대해 위치된다. 레이-다운(lay-down) 패턴은 프린트 경로에 의해 결정되며, 프린트된 구조의 형상 및 속성들에 큰 영향을 미친다. 압출 기반 기술들은 3차원 구조들을 프린트하는 데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 비다공성일 수 있거나 다공성일 수 있고, 외부에서 접근 가능하고, 일부 응용 분야들에 대해 요구될 수 있는 내부 구멍들(pores)의 상호 연결된 네트워크를 포함하는 복잡한 기하학적 구조들 및 3차원 구조들이 획득될 수 있다.
기존의 시스템들 및 방법들은 다공성 구조들과 같은 3차원 물체들의 대량 생산을 위해 구현하기에는 다소 느리고 비효율적일 수 있다. 압출 기반 프린팅 프로세스에 의해 제조되는 3차원 구조들의 프린팅 프로세스를 개선할 필요가 있다. 종종, 프린팅 프로세스는 다소 느리기 때문에, 높은 비용들을 피하면서 더 높은 출력을 요구하는 다양한 물체들을 프린트하는 데 이용하기에 어렵다. 효율적인 방식으로 프린트된 3D 구조들의 출력을 증가시킬 수 있는 시스템을 획득하는 것이 요구된다.
본 발명의 목적은 상술된 결점들 중 적어도 하나를 제거하는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
추가적으로 또는 대안적으로, 본 발명의 목적은 3차원 구조들을 위한 적층 제조 프로세스를 개선하는 것이다.
추가적으로 또는 대안적으로, 본 발명의 목적은 3차원 구조들을 제조하기 위한 압출 기반 적층 제조 프로세스의 효율성을 개선하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 3차원 구조들을 제조하기 위한 시스템을 제공하고, 시스템은 제한된 공간 내에 병렬 프린팅(parallel printing)을 수행하기 위한 복수의 프린팅 스테이션들을 포함하고, 각 프린팅 스테이션은 캐리어(carrier), 그 개구 영역을 통해 구축 재료 페이스트의 필라멘트들을 분배하도록 배치되는 적어도 하나의 노즐을 갖는 증착 유닛(deposition unit), 및 하나 이상의 3차원 구조들을 형성하기 위해 복수의 적층되는 레이어들의 상호 연결된 배치(interconnected arrangement)로 캐리어 상에 구축 재료 페이스트의 필라멘트들의 증착을 위해 증착 유닛을 작동시키도록 구성되는 스테이션 컨트롤러를 포함하고, 적어도 하나의 노즐 및 분리 가능한(detachable) 캐리어는 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하고, 증착 유닛은 구축 재료 페이스트를 수용하도록 구성되는 저장 유닛(reservoir unit)에 결합되고, 저장 유닛은 제한된 공간의 외부에 배치되는 적어도 하나의 저장소(reservoir)를 포함한다.
페이스트 저장소들은 구축 재료의 필라멘트들로의 압출 및 이러한 필라멘트들의 캐리어 상의 증착에 의해 3차원 구조들이 프린트되는 프린팅 스테이션들의 작업 공간 또는 제한된 공간의 외부에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 페이스트 저장소의 핸들링, 예컨대, 그의 분리는, 프린팅 스테이션의 작업 공간 내에서의 동작들을 필요로 하지 않고 수행될 수 있다. 보다 효율적인, 연속적인 및/또는 안전한 프린팅 프로세스가 획득될 수 있다. 저장소들은 증착 헤드(deposition head)에 대한 접근을 필요로 하지 않고 쉽게 교체 가능할 수 있으며, 캐리어에 존재하는 3차원 구조들과의 상호 작용 위험이 최소로 감소될 수 있다. 이것은 프린팅 스테이션의 증착 헤드에 또는 그에 인접하게 저장소를 배치하는 것과 비교하여 중요한 이점들을 제공한다. 저장소는 증착 헤드에 대해 원격 위치에 장착될 수 있다. 구축 재료 페이스트(예: 점성 페이스트)는 튜빙(tubing) 등에 의해 증착 헤드에 제공되어, 저장소와 증착 헤드의 사이에 유체 연통(fluid communication)을 제공할 수 있다.
시스템은 둘러싸인 환경의 외부(예: 하우징의 외부)에 변경 가능한(changeable) 프린트 저장소들이 있는 둘러싸인 환경 내에 다수의 프린팅 스테이션들을 가질 수 있다. 둘러싸인 환경의 외부에 배치되는 저장소들은 쉽게 교체 가능할 수 있으며, 예를 들어, 저장소가 교체될 때 프린팅 프로세스를 중지할 필요가 없다.
선택적으로, 캐리어는 프린팅 스테이션 내에 제거 가능하게 배치되는 분리 가능한 캐리어이다.
선택적으로, 제한된 공간은 하우징에 의해 둘러싸인다.
선택적으로, 적어도 하나의 저장소는 제한된 공간을 둘러싸는 하우징의 외측에 배치된다.
프린팅 스테이션들의 하우징 및/또는 시스템의 하우징 외부에 저장소를 배치하는 것은 중요한 이점들을 제공할 수 있다.
외부에 장착되는 저장소는 적어도 하나의 저장소의 교체를 용이하게 할 수 있다. 프린팅 스테이션에 의한 프린팅 동작들 중에도, 저장소는 교체를 위해 더 쉽게 접근 가능할 수 있다. 부품들(예: 프린팅 스테이션의 증착 유닛 및 캐리어 중 적어도 하나)을 이동시키는 것으로부터 보호되는 상태에서, 교체가 수행될 수 있다.
시스템은 하나 이상의 하우징들을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 시스템은 복수의 프린팅 스테이션들을 둘러싸는 시스템 하우징을 갖는다. 일부 예들에서, 각 프린팅 스테이션은 적어도 캐리어 및 증착 유닛을 둘러싸는 자체 하우징을 갖는다. 일부 예들에서, 복수의 프린팅 스테이션들은 프린팅 스테이션들의 그룹들로 세분화될 수 있으며, 프린팅 스테이션들의 각 그룹은 이 그룹의 프린팅 스테이션들의 적어도 캐리어들 및 증착 유닛들을 둘러싸는 공통 하우징을 갖는다. 하우징은, 예를 들어, 가스 추출이 요구되는 독성 또는 위험한 화학 물질들과 함께 작업할 수 있도록 유체 밀봉될 수 있다.
선택적으로, 시스템은, 각 프린팅 유닛이 개구(opening)(예: 패널(panel) 또는 해치(hatch) 또는 도어(door) 또는 윈도우(window))에 의해 개별적으로 접근 가능하도록, 배치된다. 이러한 방식으로, 프린팅 스테이션의 내부 디바이스들은, 예를 들어, 다른 스테이션들에서 수행되는 프린팅 동작들이 이에 영향을 받지 않고도, 작업자에 의해 접근될 수 있다(예: 프린트 노즐 교체, 노즐 막힘 해결, 프린트하는 동안 불량 부품 제거 등). 또한, 이것은 다른 프린팅 스테이션들에 대한 캐리어들(예: 트레이들(trays))의 공급 및 제거에 영향을 주지 않고 행해질 수 있다.
선택적으로, 적어도 하나의 저장소는 부착 디바이스(attachment device)에 의해 하우징에 분리 가능하게 연결될 수 있다.
상이한 유형들의 부착 디바이스들이 이용될 수 있음이 이해될 것이다. 부착 디바이스는 빠른 부착 또는 결합을 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 시스템에 저장소(들)를 끼우는 것(fitting)이 용이할 수 있다.
선택적으로, 하우징은 적어도 하나의 저장소를 위한 홀더(holder)를 포함하고, 홀더는 적어도 하나의 저장소를 프린팅 스테이션의 하우징에 제거 가능하게 결합하기 위한 결합 인터페이스(coupling interface)를 포함하고, 홀더는 적어도 하나의 저장소와 증착 유닛의 사이에 구축 재료 페이스트에 대한 유체 연통을 제공하기 위한 제1 인터페이스, 및 적어도 하나의 저장소에 유체 압력(fluid pressure)을 제공하기 위한 제2 인터페이스를 포함한다.
구축 재료 페이스트를 보유하기 위한 저장소는, 구축 재료 페이스트의 압출에 의해 프린팅이 수행되는 제한된 환경의 외부에 배치될 수 있다. 저장소는 증착 유닛의 노즐과 페이스트 저장소의 사이에 유체 연결(fluid connection)(구축 재료 페이스트의 수송을 위함)을 제공하는 튜빙(예: 호스(hose))를 가질 수 있다. 제2 인터페이스는 적어도 하나의 저장소에, 특히, 적어도 하나의 저장소의 내부 체적에 압력을 제공하여, 캐리어를 향한 구축 재료 페이스트의 압출을 야기하도록 배치된다.
선택적으로, 적어도 하나의 저장소는 교체 가능 및/또는 교환 가능하다.
페이스트 저장소는 교체, 재충전 등을 위해 쉽게 접근 가능할 수 있다. 프린팅 프로세스는 이러한 방식으로 크게 향상될 수 있다. 저장소는 동일한 저장소(예: 재충전됨) 또는 상이한 저장소로 교체될 수 있다.
선택적으로, 홀더는 하우징에 대해 상이한 유형들의 저장소들의 부착을 가능하게 하는 범용 결합(universal coupling)을 제공하도록 배치된다.
결합 디바이스는 빠른(fast) 부착 수단, 신속(quick) 체결 디바이스, 신속-연결 디바이스, 급속(rapid) 연결 유닛, 결합 어셈블리 등에 의해 제공될 수 있다.
선택적으로, 적어도 하나의 저장소는 시스템의 하나 이상의 컨트롤러들에 통신 결합(communicative coupling)을 가능하게 하도록 구성되는 통신 유닛을 포함하고, 통신 유닛은 저장소 내부의 구축 재료 페이스트의 양을 나타내는 데이터를 통신하도록 구성된다.
선택적으로, 적어도 하나의 저장소는 저장소 내부의 구축 재료 페이스트의 양에 대한 시각적 인디케이션(visual indication)을 가능하게 하는 하나 이상의 윈도우들을 포함한다. 적어도 하나의 저장소 내부의 구축 재료 페이스트의 양은 또한 저장소에 들어있거나 저장소의 외부에 위치될 수 있는 센서에 의해 평가될 수 있다.
선택적으로, 적어도 하나의 저장소는 저장소 내부의 구축 재료 페이스트의 양을 나타내는 데이터를 제공하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함한다. 선택적으로, 적어도 하나의 센서는 내부 센서(internal sensor)이다.
선택적으로, 적어도 하나의 노즐의 각각은 구축 재료 페이스트를 공급하기 위한 적어도 하나의 저장소에 결합된다.
선택적으로, 적어도 하나의 노즐의 각각은 구축 재료 페이스트를 공급하기 위한 적어도 두 개의 저장소들에 결합된다. 유리하게는, 프린팅 프로세스들의 연속성(continuity)은 이러한 방식으로 개선될 수 있다.
선택적으로, 적어도 하나의 노즐 중 적어도 하나는 프린팅 프로세스의 중단 없이 첫 번째 저장소에서 다른 저장소로 전환할 수 있게 하는 적어도 두 개의 저장소들을 위한 부착 디바이스에 연결된다. 거의 비어 있는 저장소들은 프린팅 프로세스의 중단 없이 교체될 수 있다. 프린팅 프로세스의 중단 없이 한 구축 재료 페이스트에서 다른 구축 재료 페이스트로 전환될 수도 있다.
선택적으로, 증착 유닛은 적어도 제1 노즐 및 제2 노즐을 포함하고, 제1 노즐은 제1 구축 재료 페이스트를 공급하기 위한 제1 저장소에 결합되고, 제2 노즐은 제2 구축 재료 페이스트를 공급하기 위한 제2 저장소에 결합된다. 일부 예들에서, 제1 및 제2 구축 재료 페이스트는 동일하다. 제1 및 제2 구축 재료 페이스트가 상이한 것도 가능하다.
선택적으로, 제1 노즐은 제2 저장소에 더 결합되고, 제2 노즐은 제1 저장소에 더 결합된다.
선택적으로, 적어도 하나의 저장소는 재충전 가능하다.
선택적으로, 시스템은 프린팅 스테이션 내부에 캐리어를 위치시키도록 배치되는 포지셔닝 구조체(positioning structure)를 포함한다.
일부 예들에서, 캐리어는, 캐리어들이 프린팅 스테이션 내부에 올바르게 위치되는 것을 보장하기 위한 잠금 유닛(locking unit)을 포함한다. 예를 들어, 잠금 유닛은 하나 이상의 잠금 핀들(locking pins)을 포함할 수 있다.
선택적으로, 시스템은, 캐리어가 프린팅 스테이션 내에 배치되어 있는 지의 여부를 확인하도록 구성되는 광학 유닛(optical unit)을 포함한다. 그러나, 포지셔닝은 기계적 수단을 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 프린팅 스테이션은 운동학적 커플링(kinematic coupling)을 가질 수 있다. 선택적으로, 프린팅 스테이션 내에서 캐리어의 위치는 고정된다.
선택적으로, 시스템은 복수의 통합된(integrated) 프린팅 스테이션들을 포함한다.
선택적으로, 시스템은 두 개 이상의 개별 프린팅 스테이션들을 통합하도록 배치된다.
선택적으로, 시스템은 3차원 구조들이 프린트되는 제한된 환경을 포함한다.
선택적으로, 시스템은 여러 개의 개별 프린팅 스테이션들을 포함하고, 프린팅 스테이션들의 적어도 서브셋(subset)은 미세 압출 기술(micro extrusion technology)을 기반으로 한다.
선택적으로, 시스템은 프린트될 캐리어들을 제공하기 위한 수단, 예컨대, 로봇 시스템을 포함한다. 일부 예들에서, 로봇 유닛은 프린팅 스테이션들에서 캐리어들의 제공 및 제거를 가능하게 하도록 배치된다. 로봇 유닛은 시스템의 복수의 프린팅 스테이션들과 상호 작용하도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 시스템은 시스템에 의해 형성되는 제한된 환경 내부에 자동화된 핸들링 시스템(automated handling system)을 포함하고, 자동화된 핸들링 시스템은 캐리어들을 프린팅 스테이션들의 각각에 제공하고, 예를 들어, 프린트된 3차원 구조들과 함께 프린팅 스테이션들에서 캐리어들을 제거하도록 구성된다.
선택적으로, 시스템은 수송을 위해 프린트된 3차원 구조들(예: 물체들)과 함께 캐리어들을 수집하기 위한 수단을 포함한다.
선택적으로, 시스템은 통합된 프린팅 스테이션들의 출력을 최적화하게 하도록 구성되는 소프트웨어 프로그램 제품을 포함한다.
선택적으로, 시스템은, 예를 들어, 하우징에 의해 에워싸인 제한된 환경을 포함한다.
선택적으로, 제한된 환경은 물리적 쉴딩(physical shielding)을 포함한다. 이것은 작업자에게 안전을 제공할 수 있다.
선택적으로, 시스템은 제한된 환경에서 가스를 환기/추출하도록 구성되는 환기 유닛(ventilation unit)을 포함한다.
선택적으로, 시스템은 제한된 환경 내부의 매체(medium)(예: 공기)를 조절하도록 구성되는 조절 유닛(conditioning unit)을 포함한다. 일부 예들에서, 온도 및/또는 습도가 제어될 수 있다.
선택적으로, 시스템은 프린팅 스테이션들에서 프린트 중 방출될 수 있는 가스, 휘발성 물질들 및/또는 에어로졸들의 환기/추출을 위한 수단을 포함한다.
선택적으로, 시스템은 제한된 환경의 적어도 영역들에 수정된 가스 대기(gas atmosphere)를 제공하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 프린팅 스테이션들 중 하나 이상이 수정된 가스 대기(예: 불활성 가스) 하에서 작동할 수 있다.
선택적으로, 시스템은 제한된 환경에서 제어된 조명 조건들(light conditions)을 제공하도록 구성된다. 따라서, 프린팅 스테이션들 중 하나 이상은 제어된 조명 조건들 하에서 작동하도록 구성될 수 있다. 프린팅 스테이션들은 제어된 파장의 조명, 예를 들어, UV 또는 IR 조명 또는 임의의 다른 원하는 파장의 조사(irradiation) 하에서 작동하도록 구성될 수 있다. 프린팅 스테이션들 중 하나 이상은 원하는 기간 동안 제어된 조명 조건들 하에서 작동하도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 각 개별 프린팅 스테이션은 시스템의 제한된 환경의 외부로부터 접근 가능하다.
선택적으로, 시스템은, 특정 프린팅 스테이션에서의 프린팅 활동들의 중지, 또는 특정 프린팅 스테이션에서의 캐리어 핸들링 활동들 중 적어도 하나가 다른 프린팅 스테이션들에서의 프린팅 활동들 또는 다른 프린팅 스테이션들을 위한 로봇 유닛에 의한 자동화된 캐리어 핸들링이 중단될 필요 없이 수행되도록, 구성된다.
선택적으로, 시스템의 프린팅 스테이션들은 3차원 구조(들)의 3D 프린팅을 위한 캐리어들을 수용하도록 구성된다. 프린팅 스테이션들은 자동화된 방식으로 캐리어들의 포지셔닝을 가능하게 하는 수단을 포함할 수 있다.
선택적으로, 시스템의 프린팅 스테이션들은 자동화된 방식으로 프린트된 3차원 구조(들)이 있는 캐리어들을 제거하도록 구성된다. 이로써, 시스템은 하나의 단일 유형의 캐리어들을 이용하거나, 상이한 유형들의 캐리어들을 이용하도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 캐리어들은 크기, 기하학적 형상, 높이 등에서 상이할 수 있다.
선택적으로, 시스템의 복수의 프린팅 스테이션들은 서로 동일하거나 상이하다.
선택적으로, 프린팅 스테이션들은 하나 이상의 프린팅 헤드들(printing heads)을 가질 수 있다.
선택적으로, 프린트하기 위해 구축 재료 페이스트의 공급을 제공하는 적어도 하나의 저장소가 제한된 환경의 외부에 배치된다.
선택적으로, 프린트하기 위해 구축 재료 페이스트의 공급을 제공하는 적어도 하나의 저장소는 빠른 연결 배치에 의해 교환 가능하다.
선택적으로, 구축 재료 페이스트를 보유하는 저장소는 페이스트 카트리지(paste cartridge)이다. 카트리지는 프린팅 스테이션 또는 시스템에 대한 빠르고 쉬운 부착을 가능하게 하는 연결 수단을 가질 수 있다.
선택적으로, 로봇 유닛은 프린팅 스테이션들에 캐리어들을 제공하도록 구성될 수 있다. 로봇 유닛은 캐리어 홀더에 캐리어들의 파일(pile) 또는 스택(stack)을 배치하기 위해 프린팅 스테이션들과 상호 작용하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 비어 있는 캐리어들이 배치될 수 있는 랙(rack) 또는 카트(cart)가 제공될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 프린트된 3차원 구조들을 포함하는 캐리어들이 배치될 수 있는 랙 또는 카트가 제공될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 컨베이어 벨트가 로봇 유닛을 향해 캐리어들을 공급하고/거나, 로봇 유닛으로부터 멀리 3차원 프린트된 구조들이 있는 캐리어들을 수송하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 컨베이어 벨트에 의해 공급되는 캐리어들은 프린팅 스테이션들에 배치될 수 있도록 비어 있는 캐리어들일 수 있다.
선택적으로, 로봇 유닛은 자동화된 캐리어 핸들링 시스템일 수 있다.
선택적으로, 로봇 유닛은 로봇들, 슬레지들(sledges), 컨베이어 벨트들, 플런저들(plungers), 회전 디스크들(rotating disks) 등과 같은 자동화된(컴퓨터 제어되는) 병진 및/또는 회전 시스템들 중 적어도 하나를 포함한다.
선택적으로, 로봇 유닛은, 예컨대, 클램핑(clamping) 또는 핀 잠금(pin locking)에 의해, 자동화된 핸들링 중 캐리어들을 고정하도록 구성될 수 있다.
선택적으로, 캐리어들의 고정은 자동화된 핸들링 중 감시될 수 있다.
선택적으로, 캐리어는 3차원 구조들의 프린트가 수행되는 플레이트, 트레이 또는 다른 물체일 수 있다.
선택적으로, 캐리어의 수송 중 발생하는 가속들 및 진동들이 제어된다. 예를 들어, 프린트된 3차원 구조(들)가 있는 캐리어의 제거는 로봇 유닛의 제어된 가속들 및 진동들 하에서 수행될 수 있다. 이것은 한정된 물리적/진동 안정성을 갖는 부품들의 운송을 허용할 수 있다.
선택적으로, 로봇 유닛은 3차원 구조들의 수집을 가능하게 하도록 구성된다. 선택적으로, 로봇 유닛은 수집 시스템(collection system)의 일부이다.
선택적으로, 로봇 유닛은 제한된 환경의 내부에 배치된다.
선택적으로, 수집 시스템은, 여러 개의 캐리어들(예: 트레이들, 플레이트들, 기판들(substrates))이 수집될 수 있는 카트들 또는 랙들을 포함한다.
선택적으로, 수집 시스템은, 3차원 프린트된 구조들이 수집될 수 있는 박스(box) 또는 컨테이너(container)를 포함한다.
선택적으로, 수집 시스템은 시스템을 향해 및/또는 시스템으로부터 멀리 캐리어들을 수송하기 위한 컨베이어 벨트를 포함한다.
선택적으로, 각 컨테이너는 특정 위치(참조: 수집 도킹 스테이션(collection docking station))를 잠금 해제함으로써 제한된 환경으로부터 제거 가능하다.
선택적으로, 각 수집 유닛은 수동 또는 자동 제거 메커니즘을 갖는다.
선택적으로, 시스템은 시스템의 하나 이상의 컨트롤러들에서 실행되도록 구성되는 컴퓨터 프로그램 제품을 포함한다.
선택적으로, 컴퓨터 프로그램 제품은 비어 있는 캐리어들의 공급을 제어 및 감시하도록 구성된다.
선택적으로, 컴퓨터 프로그램 제품은 개별 프린터들의 각각에서 프린팅 프로세스의 진행 상황을 제어 및 감시하도록 구성된다.
선택적으로, 컴퓨터 프로그램 제품은 특정 캐리어에 대한 프린팅 스테이션에서의 프린팅 작업의 종료 후에 프린팅 스테이션으로부터 특정 캐리어를 제거하는 것과 같이 로봇 유닛을 작동시키도록 구성된다.
선택적으로, 컴퓨터 프로그램 제품은 수집 시스템 내에 캐리어 및/또는 프린트된 3차원 구조(들)를 배치하는 것과 같이 로봇 유닛을 작동시키도록 구성된다.
선택적으로, 컴퓨터 프로그램 제품은 다수의 프린팅 스테이션 및 다수의 캐리어들을 포함하는 프린트 작업들의 전체 상태를 추적하도록 구성된다.
선택적으로, 컴퓨터 프로그램 제품은 프린트 작업을 완료할 시간을 추정하도록 구성된다.
선택적으로, 컴퓨터 프로그램 제품은 재료 저장소의 교환을 위한 시간을 추정하도록 구성된다.
선택적으로, 컴퓨터 프로그램 제품은, 캐리어들에 대한 수집 유닛이 가득 찬 때를 표시하도록 구성된다.
선택적으로, 시스템은 3차원 구조들을 제조하기 위해 배치된다.
선택적으로, 시스템은 서로 근접한 복수의 프린팅 스테이션들을 포함한다. 일부 예들에서, 복수의 프린팅 스테이션들은 서로 옆에 위치된다. 예를 들어, 프린팅 스테이션들은 서로에 인접하게 배치될 수 있다.
선택적으로, 시스템은 여러 개의 개별 프린팅 스테이션들을 포함하고, 프린팅 스테이션들의 적어도 서브셋은 미세 압출 기술을 기반으로 한다. 미세 압출은 필라멘트들의 형태의 압출 노즐을 통한 구축 재료의 압출을 포함하는 것으로 이해된다. 구축 재료는 실온에서 페이스트일 수 있다. 선택적으로, 구축 재료의 점도는 온도 제어에 의해 3D 프린팅을 위해 조정된다(예: 점도를 낮추기 위해 상승된 온도가 이용될 수 있음).
일 양태에 따르면, 본 발명은 3차원 구조들을 제조하기 위한 방법을 제공하고, 방법은 제한된 공간 내에 병렬 프린팅을 수행하기 위한 복수의 프린팅 스테이션들을 제공하는 단계를 포함하고, 각 프린팅 스테이션에는, 캐리어, 그 개구 영역을 통해 구축 재료 페이스트의 필라멘트들을 분배하도록 배치되는 적어도 하나의 노즐을 갖는 증착 유닛, 및 하나 이상의 3차원 구조들을 형성하기 위해 복수의 적층되는 레이어들의 상호 연결된 배치로 캐리어 상에 구축 재료 페이스트의 필라멘트들의 증착을 위해 증착 유닛을 작동시키도록 구성되는 스테이션 컨트롤러가 제공되고, 적어도 하나의 노즐 및 분리 가능한 컨트롤러는 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하고, 증착 유닛은 구축 재료 페이스트를 수용하도록 구성되는 저장 유닛에 결합되고, 저장 유닛은 제한된 영역의 외부에 배치되는 적어도 하나의 저장소가 제공된다.
적어도 하나의 저장소는 프린팅 스테이션들의 공통 둘러싸인 하우징의 외부에 배치될 수 있다.
선택적으로, 시스템은 다수의 프린팅 스테이션들을 갖고, 각 스테이션은 페이스트 필라멘트 증착을 위한 하나 이상의 프린트 헤드들을 갖는다. 시스템은 하우징 내에 배치되는 프린팅 스테이션들 주변의 조건들 또는 환경을 제어하게 하는 하나 이상의 하우징들을 포함할 수 있다. 시스템은 복수의 프린팅 스테이션들의 하나 이상의 프린팅 영역들에 접근하도록 배치될 수 있다.
선택적으로, 각 프린팅 스테이션은 적어도 하나의 액세스 패널, 해치, 도어 또는 윈도우 등을 통해 접근 가능하다. 선택적으로, 시스템은, 하나 이상의 프린팅 스테이션들이 들어있는 하우징에 연결된 도어의 개구가 하우징에 들어있는 상기 하나 이상의 프린팅 스테이션들에 의한 프린팅을 자동으로 중지하도록 구성된다.
선택적으로, 각 프린팅 스테이션은 개별적으로 제어 가능하다. 예를 들어, 따라야 할 프린트 패턴들, 프린팅 속도, 사용되는 구축 재료 페이스트, 필라멘트 직경, 필라멘트 증착 패턴 등은 프린팅 스테이션들의 각각에 대해, 예를 들어, 프린팅 스테이션들의 각각에 대해 서로 독립적으로, 조정될 수 있다.
선택적으로, 하나 이상의 구축 재료 페이스트 저장소들(예: 컨테이너들)은 하우징(프린팅 스테이션(들) 하우징 또는 시스템 하우징)의 외부에 배치된다. 선택적으로, 저장소들은 신속 핏들(quick fits)에 의해 하우징의 외부에 부착된다. 저장소들은 프린팅 스테이션(들)의 프린트 헤드에 페이스트의 공급을 제공하도록 배치될 수 있다. 이러한 신속 핏은 연결을 용이하게 하여, 저장소들이 비는 즉시의 저장소들의 신속한 교환을 허용한다.
선택적으로, 프린팅은 제거 가능한 캐리어 상에 수행된다. 캐리어는, 3차원 구조들이 프린트될 수 있는 제거 가능한 기판이다.
선택적으로, 각 프린팅 스테이션에는, 프린팅 스테이션에 캐리어를 위치시키도록 배치되는 포지셔닝 구조체가 들어있다. 이러한 방식으로, 캐리어가 항상 동일한 방식으로 프린트 스테이션에 배치되게 할 수 있다. 로봇 유닛은 캐리어가 가득 차거나 원하는 수의 3차원 구조들이 프린트되자마자 캐리어를 보관 시스템(storage system) 및/또는 수송 시스템(transport system)으로 이동시키는 것을 처리할 수 있다. 선택적으로, 로봇 유닛은 항상 동일한 위치로부터 캐리어를 취하여 보관 시스템 및/또는 수송 시스템으로 이동시키도록 구성된다. 캐리어가 로봇 유닛에 의해 더 정확하게 핸들링됨에 따라, 캐리어는 보관 시스템 및/또는 수송 시스템에 더 정확하게 배치될 수 있다.
일 양태에 따르면, 본 발명은 3차원 구조들을 제조하기 위한 본 발명에 따른 시스템의 사용을 제공한다.
시스템은 제한된 공간의 외부에 변경 가능한 구축 재료 페이스트 저장소들을 갖는 제한된 공간 내의 다수의 프린팅 스테이션들을 가질 수 있다. 다른 양태에 따르면, 시스템은 하우징의 외부에 변경 가능한 구축 재료 페이스트 저장소들을 갖는 둘러싸인 환경(예: 하우징) 내의 다수의 프린팅 스테이션들을 가질 수 있다. 제한된 공간, 유리하게는 둘러싸인 환경의 외부에 배치되는 저장소들은 쉽게 교체 가능할 수 있으며, 예를 들어, 저장소가 교체될 때 프린팅 프로세스를 중지할 필요가 없다.
저장소가 교체되거나 보충되어야 할 때를 검출하도록 구성되는 검출 시스템(detection system)이 설정될 수 있다. 상이한 유형들의 검출들이 가능하다(예: 광학적 검출, 시각적 검출 등).
시스템은 복수의 프린팅 스테이션들의 프린팅 동작들에서 개선된 연속성을 보장할 수 있다. 하나 이상의 프린팅 스테이션들에 조정들이 수행되는 동안, 예를 들어, 구축 재료 페이스트 저장소를 교체하거나 재충전할 때, 프린팅 스테이션의 컨트롤 파라미터들을 조정할 때 등에, 프린팅 스테이션들은 계속 작동할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 개별 프린팅 스테이션들의 동작들은, 다른 프린팅 스테이션들이 활성 상태로 프린트하는 상태를 유지하는 동안, 중단될 수 있다.
하나의 프린팅 스테이션은, 다른 프린팅 스테이션들이 영향을 받지 않고도 작동될 수 있다. 따라서, 프린팅 스테이션들 중 하나에서 조정들이 수행될 수 있는 동안, 시스템이 다른 프린팅 스테이션들에 의한 출력을 계속 전달할 수 있다. 예를 들어, 프린트된 3차원 구조들이 있는 캐리어가 하나의 스테이션에서 제거되고/거나, 구축 재료 페이스트 저장소가 하나의 스테이션에서 교체되는 경우, 해당 프린팅 스테이션은 일시적으로 중단되거나 중지되고, 다른 프린팅 스테이션들이 프린팅 동작들을 계속 수행할 수 있다.
일부 예들에서, 시스템의 하나의 프린팅 스테이션의 프린팅 파라미터들은 다른 프린팅 스테이션들의 동작들에 영향을 미치지 않고도 변경될 수 있다(예를 들어, 유량(flow rate) 튜닝).
캐리어는 다양한 방식들로 구현될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 캐리어는 플레이트, 트레이, 프린트 표면, 서포트(support), 기판, 홀더 등으로 구현될 수 있다. 일부 예들에서, 캐리어는, 3차원 구조들이 프린트될 수 있는 편평한 표면을 제공한다. 그러나, 캐리어는 편평할 필요는 없다. 다른 형상들도 예상된다.
일 양태에 따르면, 본 발명은 3차원 구조들을 제조하기 위한 시스템을 제공하고, 시스템은 복수의 프린팅 스테이션들 및 복수의 프린팅 스테이션들과 상호 작용하도록 구성되는 로봇 유닛을 포함하고, 복수의 프린팅 스테이션들의 각각은 로봇 유닛에 의해 접근 가능하도록 배치되고, 각 프린팅 스테이션은 분리 가능한 캐리어, 그 개구 영역을 통해 구축 재료 페이스트의 필라멘트들을 분배하도록 배치되는 적어도 하나의 노즐을 갖는 증착 유닛, 및 하나 이상의 3차원 구조들을 형성하기 위해 복수의 적층되는 레이어들의 상호 연결된 배치로 분리 가능한 캐리어 상에 구축 재료 페이스트의 필라멘트들의 증착을 위해 증착 유닛을 작동시키도록 구성되는 프린팅 스테이션 컨트롤러를 포함하고, 적어도 하나의 노즐 및 분리 가능한 캐리어는 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하고, 프린팅 스테이션들의 각각의 스테이션 컨트롤러는 적어도 하나의 증착 컨트롤 파라미터(deposition control parameter)를 제어하도록 구성되고, 로봇 유닛은 분리 가능한 캐리어들을 핸들링하기 위한 핸들링 디바이스를 포함하고, 로봇 유닛은 복수의 프린팅 스테이션들에 대해 분리 가능한 캐리어들을 제공, 제거 및/또는 교체하도록 구성된다. 선택적으로, 시스템은 로봇 유닛을 작동시키도록 구성되는 시스템 컨트롤러를 더 포함하고, 시스템 컨트롤러는 적어도 복수의 프린팅 스테이션들에서 수행되는 프린팅 태스크들의 실행을 제어하기 위해 복수의 프린팅 스테이션들에 통신 가능하게(communicatively) 결합된다.
여러 개의 프린팅 스테이션들 또는 프린터들이 시스템에서 통합될 수 있으며, 시스템은 프린팅 스테이션들에 대해 캐리어들(예: 플레이트, 트레이 또는 기판)을 적용, 제거 및/또는 교체하기 위한 자동 로봇 유닛을 더 포함한다. 시스템은 복수의 프린팅 스테이션에서 개선된 병렬 프린팅이 가능할 수 있다. 프린팅 스테이션들의 개별 제어 및/또는 구축 재료 페이스트 저장소들의 배치에 의해 제공되는 프린팅 동작들은 서로 더 잘 정렬될 수 있다. 시스템에 배치되는 프린터들은 동일한 방식으로 작동할 수 있거나(즉, 노즐로부터 구축 재료 페이스트의 필라멘트를 압출하기 위해 제공될 수 있음), 상이한 방식으로 작동하여 제한된 공간 내에서 상이한 3차원 프린팅 시스템들을 결합할 수 있다.
시스템 컨트롤러는 로봇 유닛 및 그의 시스템의 상이한 프린팅 스테이션들과의 상호 작용을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 프린팅 스테이션이 프린트할 준비가 되면, 로봇 유닛은 캐리어 및/또는 3차원 프린트된 구조들을 제거할 수 있다. 또한, 시스템 컨트롤러는, 프린팅 스테이션들이 프린팅 프로세스를 시작할 때를 제어하고, 구축 재료 페이스트 저장소들이 (거의) 비어 있을 때 작업들을 수행하는 등을 위해 배치될 수 있다. 스테이션 컨트롤러는 국부적(local) 프린팅 스테이션들을 제어하도록 구성될 수 있다.
로봇 유닛은 프린팅 스테이션으로부터 제거되는 캐리어의 목적지(destination)를 결정하도록 구성될 수 있다. 로봇 유닛은, 캐리어가 프린팅 스테이션으로 공급되었던 동일한 위치(예: 랙)에 3차원 프린트된 구조들이 있는 캐리어를 되돌려 놓을 필요가 없다. 예를 들어, 이것은 프린트된 3차원 구조들에 대한 선택적 후처리 단계들에 따라 달라질 수 있다.
상이한 유형들의 압출 적층 제조 배치들이 이용될 수 있으며, 예를 들어, 점성 페이스트의 필라멘트들로의 압출, 필라멘트-공급 압출, 스크류 압출 또는 시린지(syringe) 압출이 있다. 이러한 기술들의 조합도 가능하다.
선택적으로, 증착 유닛은 두 개 이상의 노즐들을 포함한다. 일부 예들에서, 증착 유닛은 네 개 이상의 노즐들, 심지어 여섯 개 이상의 노즐들을 포함한다. 더 많은 수의 노즐들(예: 여덟 개의 노즐들)을 제공함으로써, 프린트된 3차원 구조들의 출력이 증가될 수 있다. 노즐들 중 일부는 상이한 재료들로 프린트하는 데에도 사용될 수 있다.
시린지 압출기들에서, 재료는 시린지 내에 배치될 수 있고, 프린터는 노즐을 통해 필라멘트들을 압출하도록 제어된 속도로 플런저를 누를 수 있다. 예를 들어, 시린지들은 점성 재료로 충전될 수 있다. 일부 예들에서, 추가적으로 가열된 재킷(jacket)이 시린지를 가열 또는 냉각하도록 사용되어, 구축 재료 페이스트의 점도를 조정하거나 재료(예: 폴리머 필라멘트들 또는 과립들(granules))를 프린트 전에 원하는 정도로 제자리에서 용융시킬 수 있다. 다양한 유형들의 시린지 압출 시스템들이 가능하다. 플런저에 공기 압력이 가해질 수 있다. 대안적으로, 플런저는, 예를 들어, 전기 모터에 의해 달성되는 기계적 변위에 의해 눌릴 수 있다. 기계적 변위는 체적 압출 속도를 보다 직접적으로 제어할 수 있는 반면, 공기 프린터들(pneumatic printers)에서, 압출 속도가 바늘 기하학적 구조, 재료 점도, 공기 압력, 및 이전에 압출된 필라멘트들에 의한 방해 사이의 상호 작용에 추가로 의존할 수 있다. 다른 대안적인 설계들도 가능하다.
스크류 압출기들에서, 재료는 배럴(barrel)로 지칭되는 꼭 맞는 슬리브(close-fitting sleeve)에 의해 에워싸인 스크류 내로 공급될 수 있다. 스크류가 회전함에 따라, 재료는 배럴의 단부에서 노즐을 통해 밀어 넣어질 수 있다. 노즐로부터의 재료 압출 속도는 스크류 회전 속도에 따라 달라질 수 있다. 스크류 압출기들은 페이스트 형태의 재료들을 수용할 수 있지만, 예를 들어, 폴리머 과립들도 사용될 수 있다. 스크류 압출기는 구축 재료를 위한 가열 또는 냉각 배치를 포함할 수 있다.
필라멘트-공급 압출기들은 노즐에 부착된 가열된 용융 챔버 내로 공급되는 필라멘트들의 릴들(reels)을 사용할 수 있다. 노즐로부터의 재료 압출의 속도는, 필라멘트가 릴들에서 용융 챔버 내로 공급되는 속도에 따라 달라질 수 있다. 적층 제조 소프트웨어는 압출되는 필라멘트들에 대한 원하는 직경과 노즐이 이동하는 속도에 기반하여 압출 속도를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 압출 기반 적층 제조 방법을 수행하기 위해 다양한 시스템들이 사용될 수 있다.
프린트 헤드 궤적과 속도 및/또는 가속도가 시스템/방법에 의해 제어될 수 있는 프린트 파라미터들로 간주된다는 것이 이해될 것이다.
시스템 및 방법은 3차원 다공성 구조를 제조하기 위해 이용될 수 있으며, 여기서, 3차원 구조는 상호 연결된 구멍들을 갖도록 형성된다. 시스템 및 방법은 3차원 조밀(dense) 또는 거대(massive) 구조를 제조하기 위해 이용될 수 있으며, 여기서, 필라멘트들은 인접한 방식으로 위치되고, 3차원 구조는 필라멘트들 사이의 거대-구멍(macro-pores)이 없다.
3차원 구조는 이격된 필라멘트들을 가질 수 있거나, 서로에 인접한 섬유들을 갖는 조밀 구조일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 필라멘트들이 서로에 인접한 경우, 다공도는 필라멘트들 자체에 의해 제공될 수 있다. 필라멘트들이 서로로부터 이격되는 경우, 다공도는 주로 필라멘트들의 사이에 형성되는 구멍들에 의해 제공될 수 있다. 또한, 필라멘트들 자체는 더 작은 구멍들을 갖는 다공성일 수 있다.
일 양태에 따르면, 본 발명은 3차원 구조를 프린트하기 위한 컴퓨터 구현 방법에 관한 것이다. 컴퓨터 구현 방법은 본 발명에 따른 프린팅 방법의 단계들을 수행하기 위해 적층 제조 시스템을 작동시키도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 컴퓨터 구현 방법은, 제조될 (다공성) 물체에 대한 모델을 수신하는 단계, (다공성) 물체를 프린트하기 위한 복수의 프린팅 스테이션들 중 하나 이상을 선택하는 단계, 및 제조될 물체에 대한 수신된 모델을 사용하여, (다공성) 물체의 원하는 특성들에 따라 프린트 경로를 정의하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 수신된 모델은 프린트될 물체에 대한 3D 표현일 수 있다.
선택적으로, 구축 재료, 선택적으로 구축 재료 페이스트가 선택된 배치로 연속적으로 증착되는 재료 압출 적층 제조 프로세스가 이용된다.
압출된 필라멘트는 또한 스트럿(strut), 섬유(fibre/fiber), 로드(rod), 래스터(raster), 압출물(extrudate), 및 기타 용어들로 해당 기술분야에 알려져 있음이 이해될 것이다.
필라멘트 직경이라는 용어는 증착되는 필라멘트의 단면의 특징적 길이로 이해될 수 있음이 이해될 것이다. 예컨대, 필라멘트 폭, 섬유 직경, 필라멘트 크기, 스트럿 폭 등과 같은 다른 용어들도 이 특징에 대해 사용될 수 있다. 필라멘트들은 다양한 단면 형상들을 가질 수 있다.
레이어 두께는 레이어 높이 또는 슬라이스 두께로 볼 수 있음이 이해될 것이다. 이것은 3차원 구조의 3D 프린팅 시 z-증분(increment)을 나타낸다.
광범위한 재료들이 광범위한 속성들을 갖는 구축 재료를 구성하는 데 사용될 수 있다. 예들로는, 금속들, 복합체들, 세라믹들, 폴리머들, 천연 재료들 등이 있다. 상이한 재료들이 상이한 기계적 속성들을 초래할 수 있다. 따라서, 프린트 경로는 증착 중에 사용되는 특정 재료에 따라 달라질 수 있다.
압출 기반 적층 제조 프로세스를 위한 구축 재료를 구성하는 데 사용될 수 있는 재료들의 예들로는, 세라믹 재료들(예: 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), 실리카(silica), 탄화규소(silicon carbide), 질화규소(silicon nitride) 등), 복합 재료들(예: 폴리머 세라믹 복합체들), 금속들(RVS, 티타늄(titanium), 구리(copper), 알루미늄(aluminum), 은(silver) 등), 제올라이트들(zeolites), 금속 유기 프레임워크들(metal organic frameworks), 탄소(carbon), 그래핀(graphene) 등이 있다. 예컨대, 폴리머 기반 재료들과 같은 압출 기반 적층 제조에 적합한 다른 재료들도 예상된다.
다공도는 구멍(체적) 분율(fraction)을 나타낼 수 있다는 것이 이해될 것이다. 3차원 다공성 구조에서 구멍 폭 또는 구멍 크기는 다공성 구조의 위치 또는 영역에서의 다공도를 정의할 수 있다.
일부 실시예들은, 예를 들어, 기계에 의해 실행되는 경우 기계가 실시예들에 따라 방법 및/또는 동작들을 수행하게 할 수 있는 명령어(instruction) 또는 명령어들의 세트를 저장할 수 있는 기계 또는 유형의 컴퓨터-판독 가능 매체 또는 물품을 사용하여, 구현될 수 있다.
시스템의 관점에서 설명되는 양태들, 특징들 및 옵션들 중 임의의 것이 방법 및 설명되는 디바이스에 동일하게 적용된다는 것이 이해될 것이다. 또한, 상기의 양태들, 특징들 및 옵션들 중 임의의 하나 이상이 조합될 수 있음이 분명할 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 예시적인 실시예들에 기초하여 더 설명될 것이다. 예시적인 실시예들은 비제한적인 예시로서 제공된다. 도면은 비제한적인 예로서 제공되는 본 발명의 실시예들에 대한 개략적인 표현들일 뿐이라는 점에 유의한다.
도면에서,
도 1은 일 실시예의 시스템에 대한 개략도를 도시한다;
도 2는 일 실시예의 시스템에 대한 개략도를 도시한다;
도 3은 일 실시예의 시스템에 대한 개략도를 도시한다;
도 4는 일 실시예의 시스템에 대한 개략도를 도시한다;
도 5a 및 도 5b는 일 실시예의 시스템에 대한 개략도를 도시한다;
도 6은 일 실시예의 시스템에 대한 개략도를 도시한다;
도 7은 일 실시예의 시스템에 대한 개략도를 도시한다;
도 8은 일 실시예의 저장 유닛에 대한 개략도를 도시한다;
도 9는 압출 프로세스를 위한 방법에 대한 개략도를 도시한다; 그리고
도 10은 3차원 구조에 대한 개략도를 도시한다.
도 1은 3차원 구조들을 제조하기 위한 일 실시예의 시스템(1)에 대한 개략도를 도시하고 있으며, 시스템은 제한된 공간, 예를 들어, 하우징(도시되지 않음)에 의해 둘러싸인 제한된 공간 내에 병렬 프린팅을 수행하기 위한 복수의 프린팅 스테이션들(3)를 포함한다. 각 프린팅 스테이션(3)은 캐리어(7), 그 개구 영역을 통해 구축 재료 페이스트의 필라멘트들을 분배하도록 배치되는 적어도 하나의 노즐(11)을 갖는 증착 유닛(9), 및 하나 이상의 3차원 구조들을 형성하기 위해 복수의 적층되는 레이어들의 상호 연결된 배치로 캐리어(7) 상에 구축 재료 페이스트의 필라멘트들의 증착을 위해 증착 유닛(9)을 작동시키도록 구성되는 스테이션 컨트롤러를 포함한다. 적어도 하나의 노즐(11) 및 분리 가능한 캐리어(7)는 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하다. 증착 유닛(9)은 구축 재료 페이스트를 수용하도록 구성되는 저장 유닛(13)에 결합되고, 여기서, 저장 유닛(13)은 제한된 공간의 외부에 배치되는 적어도 하나이 저장소(15)를 포함한다. 튜빙(17)은 적어도 하나의 저장소와 증착 유닛의 사이에 구축 재료 페이스트에 대한 유체 연통을 제공하도록 배치될 수 있다.
페이스트 저장소들(15)은, 3차원 구조들이 캐리어(7) 상의 필라멘트 증착에 의해 프린트되는 프린팅 스테이션(3)의 작업 공간의 외부에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 페이스트 저장소(15)는 프린팅 스테이션(3)의 작업 공간 내에서의 동작들을 필요로 하지 않고 분리될 수 있다. 보다 효율적인, 연속적인 및/또는 안전한 프린팅 프로세스가 획득될 수 있다. 저장소들(15)은 증착 헤드(9)에 대한 접근을 필요로 하지 않고 쉽게 교체 가능할 수 있다. 이것은 프린팅 스테이션(3)의 증착 헤드(9)에 또는 그에 인접하게 저장소(15)를 배치하는 것과 비교하여 중요한 이점들을 제공한다. 저장소(15)는 증착 헤드(9)에 대해 원격 위치에 장착될 수 있다. 구축 재료 페이스트(예: 점성 페이스트)는 튜빙 등에 의해 증착 헤드에 제공되어, 저장소(15)와 증착 헤드(9)의 사이에 유체 연통을 제공할 수 있다.
외부에 장착되는 저장소(15)는 그의 교체를 용이하게 할 수 있다. 프린팅 스테이션(3)에 의한 프린팅 동작들 중에도, 저장소(15)는 교체를 위해 더 쉽게 접근 가능할 수 있다. 부품들(예: 프린팅 스테이션의 증착 유닛 및 캐리어 중 적어도 하나)을 이동시키는 것으로부터 보호되는 상태에서, 교체가 수행될 수 있다. 구축 재료 페이스트를 보유하기 위한 저장소(15)는, 페이스트 압출에 의해 프린팅이 수행되는 제한된 환경의 외부에 배치될 수 있고, 제한된 영역은 하우징(예: 도어들을 포함함)에 의해 적어도 부분적으로 정의될 수 있다. 페이스트 저장소(15)는 교체, 재충전 등을 위해 쉽게 접근 가능할 수 있다. 프린팅 프로세스는 이러한 방식으로 크게 향상될 수 있다. 저장소는 증착 유닛(9)의 노즐과 페이스트 저장소(15)의 사이에 유체 연결(구축 재료 페이스트의 수송을 위함)을 제공하는 튜빙(예: 호스)을 가질 수 있다.
저장소(15)가 교체되거나 보충되어야 할 때를 검출하도록 구성되는 검출 시스템이 설정될 수 있다. 상이한 유형들의 검출들이 가능하다(예: 광학적 검출, 시각적 검출 등).
각 프린팅 스테이션은 프린팅 스테이션 하우징(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 하우징은 벽들(walls), 프레임(frame), 케이지(cage) 등으로 형성될 수 있다. 하우징 엘리먼트들의 조합들도 가능하다. 각 프린팅 스테이션을 위해 개별 하우징을 이용하는 대신, 시스템 하우징(도시되지 않음)을 배치하는 것도 가능하다. 스테이션 하우징들과 시스템 하우징의 조합도 가능하다. 하우징은 접근(예: 사람들에 의한 것)이 제한된 하나 이상의 제한된 영역들을 정의할 수 있다.
도 2는 일 실시예의 시스템에 대한 개략도를 도시하고 있다. 도시된 예에서, 시스템(1)의 프린팅 스테이션(3)의 증착 유닛(9) 및 저장 유닛(13)이 도시되어 있다. 저장 유닛(13)은 프린팅 스테이션(3) 또는 시스템(1)에 의해 형성되는 제한된 공간의 외부에 배치되는 저장소(15)를 갖는다. 이 예에서, 프린팅 스테이션(3)의 증착 헤드(9)의 각 노즐(11)은 구축 재료 페이스트를 공급하기 위한 저장소(15)에 결합된다.
도 3은 일 실시예의 시스템에 대한 개략도를 도시하고 있다. 도시된 예에서, 시스템(1)의 프린팅 스테이션(3)의 증착 유닛(9) 및 저장 유닛(13)이 도시되어 있다. 저장 유닛(13)은 프린팅 스테이션(3) 또는 시스템(1)에 의해 형성되는 제한된 공간의 외부에 배치되는 저장소(15)를 갖는다. 예를 들어, 제한된 공간은 하우징 등에 의해 형성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 증착 헤드(9)는 두 개의 노즐들(11), 즉, 제1 노즐(11a), 및 제1 노즐(11a)로부터 이격된 제2 노즐(11b)을 포함한다. 제1 노즐(11a)에는, 튜빙(17a)에 의해 구축 재료 페이스트가 제공된다. 제2 노즐(11b)에는 튜빙(17b)에 의해 구축 재료 페이스트가 제공된다. 제1 노즐(11a) 및 제2 노즐(11b)은 둘 다 두 개의 저장소들(15a, 15b)과 유체 연결되어 있다. 이러한 방식으로, 첫 번째 저장소가 교체될 수 있는 동안 다른 저장소가 제1 노즐(11a) 및/또는 제2 노즐(11b)에 구축 재료 페이스트를 제공하는 중복 시스템(redundant system)이 획득될 수 있다.
이 예에서, 증착 유닛(9)은 적어도 제1 노즐(11a) 및 제2 노즐(11b)을 포함하고, 여기서, 제1 노즐(11a)은 제1 구축 재료 페이스트를 공급하기 위한 제1 저장소(15a)에 결합되고, 제2 노즐(11b)은 제2 구축 재료 페이스트를 공급하기 위한 제2 저장소(15b)에 결합되고, 제1 노즐(11a)은 제2 저장소(15b)에 더 결합되고, 제2 노즐(11b)은 제1 저장소(15a)에 더 결합된다. 선택적으로, 제1 및 제2 저장소들(15a, 15b)로부터의 유체 공급이 선택적으로 제어될 수 있도록, 밸브들이 배치된다. 일부 예들에서, 제1 노즐(11a)은, 제1 저장소(15a)가 여전히 충분한 구축 재료 페이스르를 보유하고 있을 때, 제1 저장소(15a)로부터 구축 재료 페이스트를 수용하기 위한 것이다. 그리고, 제1 노즐(11a)은, 제1 저장소(15b)가 고갈될 때(재충전 또는 교체가 필요함), 제2 저장소(15b)로부터 구축 재료 페이스트를 수용할 수 있다. 이와 유사하게, 증착 유닛(9)의 제2 노즐(11b)에 대해서도 동일하게 유지된다. 더 많은 수의 노즐들 및/또는 저장소들이 배치될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
도 4는 일 실시예의 시스템에 대한 개략도를 도시하고 있다. 도시된 예에서, 시스템(1)의 프린팅 스테이션(3)의 증착 유닛(9) 및 저장 유닛(13)이 도시되어 있다. 저장 유닛(13)은 제한된 공간의 외부에 배치되는 저장소(15)를 갖는다. 증착 유닛(9)의 노즐(11)은 구축 재료 페이스트를 공급하기 위한 두 개의 저장소들(15a, 15b)에 결합된다. 유리하게는, 제1 또는 제2 저장소들 중 하나(15a, 15b)가 교체될 때, 다른 저장소(15b, 15a)는 여전히 노즐에 구축 재료 페이스트를 제공하여, 프린팅 프로세스의 연속성을 향상시킬 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 일 실시예의 시스템(1)에 대한 개략도를 각각 사시도 및 평면도로 도시하고 있다. 시스템(1)은 함께 그룹화된 복수의 프린팅 스테이션들(3)을 포함한다. 이 도시된 예에서, 열 두 개의 개별 프린팅 스테이션들이 시스템(1)에서 통합된다. 또한, 시스템은 핸들링 디바이스(5a)를 갖는 광학 로봇 유닛(5)을 갖는다. 로봇 유닛(5)은 시스템 하우징(10)에 의해 정의되는 제한된 영역(20)에서 작동 가능하다. 로봇 유닛(5)은 분리 가능한 캐리어들(7)을 수집 시스템(21)으로부터 그리고 수집 시스템(21)으로 수송하도록 구성될 수 있다. 이 예에서, 수집 시스템(21)은 캐리어들(7)을 보유하도록 배치되는 복수의 랙들을 포함한다.
이 예에서, 여섯 개의 프린터들은, 핸들링 디바이스가 복수의 프린팅 스테이션들(3)에 접근하기 위해 이동할 수 있는 로봇 유닛의 레일(rail)의 양쪽에 배치된다. 이 예에서, 세 개의 프린터들이 하우징 내에서 그룹화된다. 하우징은 각각 두 개의 추출 채널들을 갖는다. 다른 배치들도 예상된다는 것이 이해될 것이다.
수집 시스템(21)은 프린팅 스테이션(3)으로부터 제거되는 캐리어들을 수송 또는 보유하도록 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 수집 시스템(21)은, 캐리어들(7)이 로봇 유닛(5)에 의해 배치될 수 있는 슬롯들(slots)을 갖는 하나 이상의 랙들을 포함한다. 로봇 유닛(5)은 프린팅 스테이션들에서 비어 있는 캐리어들을 언로드하고, 수집 시스템(예, 수집 시스템의 랙)에 하나 이상의 프린트된 3차원 구조들이 있는 캐리어들을 로드하도록 구성될 수 있다.
다수의 프린팅 스테이션들이 시스템 하우징 내에 배치될 수 있다. 각 프린팅 스테이션은 하나 이상의 노즐들(11) 또는 프린트 헤드들을 갖는 하나 이상의 증착 유닛들(9)을 가질 수 있다. 구축 재료 페이스트(예: 점성 페이스트)는, 예를 들어, 하우징에 대해 외부에 배치되는 하나 이상의 제거 가능한 구축 재료 페이스트 저장소들로부터 프린팅 스테이션의 증착 유닛의 각 노즐(11) 또는 프린트 헤드로 공급될 수 있다. 저장소들은 신속 결합들에 의해 제거 가능하게 배치될 수 있다(저장소들을 빠르고 쉽게 설치, 제거 및/또는 교체할 수 있음).
선택적으로, 시스템 하우징 내에서 대기(atmosphere)가 유지된다. 이러한 제어된 대기는 프린팅 스테이션들의 선택적 개별 하우징들에서 획득될 수도 있다. 일부 대안적인 예들에서, 개방형 시스템이 제공된다. 예를 들어, 이러한 개방형 시스템은 작업 영역들을 에워싸는 케이지를 가질 수 있다(예: 보안 목적들). 대기는 전체적으로(예: 시스템 인클로저(enclosure) 내) 또는 프린트 스테이션별로(예: 각 프린팅 스테이션 내에서 개별적으로) 조절될 수 있다.
각 프린팅 스테이션은 스테이션에 접근하기 위한 하나 이상의 도어들, 윈도우들, 패널들, 또는 해치들을 가질 수 있다. 시스템은, 개별 프린팅 스테이션의 도어가 개방될 때, 개별 프린팅 스테이션의 동작이 일시 중지, 중지 또는 중단되도록 구성될 수 있다. 도어가 개방될 때, 로봇 유닛은 자동으로 중지할 수 있다.
필라멘트들의 프린팅은 프린팅 플레이트들 또는 프린팅 테이블들로 형성되는 캐리어들 상에 행해질 수 있다. 플레이트들은 포지셔닝 구조체를 사용하여 프린팅 스테이션 내에 배치 또는 위치될 수 있다.
일부 예들에서, 모든 프린팅 스테이션들(3)이 로봇 유닛(5)에 의해 접근 가능하다. 이를 위해, 로봇 유닛(5)은 프린팅 스테이션들(3)에 의해 적어도 부분적으로 에워싸일 수 있다(예: 중앙에 배치됨). 로봇 유닛(3)은 비어 있는 캐리어들을 설치 및 배치하며, 또한, 프린트된 3차원 구조들이 있는 캐리어들을 제거하도록 배치될 수도 있다. 프린트된 3차원 구조들이 있는 캐리어들은 프린팅 스테이션으로부터 제거되어 제거를 위한 카트에 배치될 수 있다.
일부 예들에서, 시스템(1)은 프린팅 스테이션(3) 내부에 캐리어를 위치시키도록 배치되는 포지셔닝 구조체를 더 포함한다. 포지셔닝 구조체는 카트에서 캐리어의 정확한 포지셔닝을 가능하게 하는 데 중요할 수 있다. 예를 들어, 잘못된 포지셔닝으로 인해, 로봇 유닛에 의한 핸들링이 정확하게 수행되지 않으면, 카트의 에지가 의도하지 않게 부딪혀 이전에 배치된 캐리어들을 방해하고 프린트된 3차원 구조들을 손상시킬 수 있다.
포지셔닝 구조체는, 캐리어가 프린팅 스테이션 내에 올바르게 위치되도록 효과적으로 보장할 수 있다. 결과적으로, 로봇 유닛은 캐리어를 올바르게 운반할 수 있다.
포지셔닝 구조체는 프린팅 스테이션(3) 내에서 캐리어(7)의 올바른 포지셔닝을 보장하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 프린트 작업이 준비되면, 로봇 유닛(5)은 프린팅 스테이션으로부터 멀리(예: 수집 시스템으로) 캐리어(7)를 수송할 수 있다. 로봇 유닛(5)은, 포지셔닝 구조체가 프린팅 스테이션 내부에서 캐리어의 보다 정확한 포지셔닝을 보장함에 따라, 캐리어를 보다 정확하게 핸들링 및 운반할 수 있다. 일부 예들에서, 캐리어(7)가 프린팅 스테이션들 내에 배치되는 방법 및 위치를 검출하기 위해 센서들이 제공된다. 이것은 캐리어가 다양한 상이한 방식들로 픽업될 수 있다는 점을 더 잘 방지할 수 있다. 따라서, 고급 감지 시스템들을 필요로 하지 않고, 수집 시스템(예: 카트를 가짐)과의 충돌이 더 잘 방지될 수 있다. 이에, 순전히 감지 데이터에 대해 작업하는 대신, 시스템의 프린팅 시스템에서 캐리어의 향상된 포지셔닝을 보장하는 기계적 포지셔닝 수단이 사용된다. 그러나, 추가적으로 또는 대안적으로, 또한 캐리어들의 핸들링 및 포지셔닝을 위한 감지 시스템들(sensory systems)이 제공될 수 있다. 일부 예들에서, 캐리어들의 정확한 포지셔닝을 가능하게 하기 위해 다수의 센서들과 하나 이상의 기계적 포지셔닝 구조체들의 조합이 제공된다.
도 6은 일 실시예의 시스템(1)에 대한 개략도를 도시하고 있다. 도 5에 도시된 바와 같은 시스템(1)의 일부가 사시도로 도시되어 있다. 이 예에서, 분리 가능한 캐리어(7)가 로봇 유닛(5)의 핸들링 디바이스(5a)에 의해 핸들링될 수 있는 트레이들로 형성된다. 수집 시스템(21)은, 캐리어들(7)이 위치될 수 있는 복수의 슬롯들(23)을 포함한다. 이 예에서, 각 프린팅 스테이션은 두 개의 노즐들(11)을 갖는 증착 유닛(9)을 갖는다. 그러나, 다른 수의 노즐들이 이용될 수도 있다. 증착 유닛(9)이 다수의 노즐 개구들이 배치되는 증착 헤드를 포함하는 것도 가능하다. 복수의 프린팅 스테이션들(3)이, 예를 들어, 상이한 수의 노즐들(11)을 갖는 상이한 증착 유닛들(9)을 갖는 것도 예상된다.
도 7은 일 실시예의 시스템(10)에 대한 개략도를 측면도로 도시하고 있다. 이 예에서, 페이스트 저장소들(15)은, 3차원 구조들이 캐리어(7) 상에 필라멘트 증착에 의해 프린트되는 프린팅 스테이션(3)의 작업 공간의 외부에 배치된다. 이러한 방식으로, 페이스트 저장소(15)는 프린팅 스테이션(3)의 작업 공간 내에서의 동작들을 필요로 하지 않고 분리될 수 있다. 보다 효율적인, 연속적인 및/또는 안전한 프린팅 프로세스가 획득될 수 있다. 저장소들(15)은 증착 헤드(9)에 대한 접근을 필요로 하지 않고 쉽게 교체 가능할 수 있다. 이것은 프린팅 스테이션(3)의 증착 헤드(9)에 또는 그에 인접하게 저장소(25)를 배치하는 것과 비교하여 중요한 이점들을 제공한다. 저장소(25)는 증착 헤드(9)에 대해 원격 위치에 장착될 수 있다. 구축 재료 페이스트(예: 점성 페이스트)는 튜빙 등에 의해 증착 헤드에 제공되어, 저장소(15)와 증착 헤드(9)의 사이에 유체 연통을 제공할 수 있다.
외부에 장착되는 저장소(15)는 그의 교체를 용이하게 할 수 있다. 프린팅 스테이션(3)에 의한 프린팅 동작들 중에도, 저장소(15)는 교체를 위해 더 쉽게 접근 가능할 수 있다. 부품들(예: 프린팅 스테이션의 증착 유닛 및 캐리어 중 적어도 하나)을 이동시키는 것으로부터 보호되는 상태에서, 교체가 수행될 수 있다. 구축 재료 페이스트를 보유하기 위한 저장소(15)는, 페이스트 압출에 의해 프린팅이 수행되는 제한된 환경의 외부에 배치될 수 있고, 제한된 영역은 하우징(10) 및 도어들(27)에 의해 적어도 부분적으로 정의된다. 페이스트 저장소(15)는 교체, 재충전 등을 위해 쉽게 접근 가능할 수 있다. 프린팅 프로세스는 이러한 방식으로 크게 향상될 수 있다. 저장소는 증착 유닛(9)의 노즐과 페이스트 저장소(15)의 사이에 유체 연결(구축 재료 페이스트의 수송을 위함)을 제공하는 튜빙(예: 호스)을 가질 수 있다.
저장소(15)가 교체되거나 보충되어야 할 때를 검출하도록 구성되는 검출 시스템이 설정될 수 있다. 상이한 유형들의 검출들이 가능하다(예: 광학적 검출, 시각적 검출 등).
도 8은 일 실시예의 저장 유닛(13)에 대한 개략도를 도시하고 있다. 저장소(15)는 프린팅 스테이션(3) 또는 시스템(1)의 하우징의 외측에 배치된다. 저장소들(15)은 부착 디바이스(50)에 의해 하우징에 분리 가능하게 연결될 수 있다. 이 예에서, 하우징은 저장소들(15)를 제자리에 고정하도록 배치되는 홀더(51)를 포함한다. 홀더(51)는 적어도 하나의 저장소를 프린팅 스테이션(3)의 하우징 또는 시스템(1)의 하우징에 제거 가능하게 결합하기 위한 결합 인터페이스를 포함한다. 홀더(51)는 적어도 하나의 저장소와 증착 유닛의 사이에 구축 재료 페이스트에 대한 유체 연통을 제공하기 위한 제1 인터페이스(53), 및 적어도 하나의 저장소(도시되지 않음)에 유체 압력을 제공하기 위한 제2 인터페이스를 포함한다. 유리하게는, 적어도 하나의 저장소는 교체 가능 및/또는 교환 가능하다. 홀더(51)는 하우징에 대한 상이한 유형들의 저장소들(예: 다른 체적들, 형상들 또는 치수들을 갖는 저장소들)의 부착을 가능하게 하는 범용 결합을 제공하도록 배치될 수 있다.
도 9는 3차원 다공성 구조(1)를 제조하기 위한 압출 프로세스의 프린트 경로에 대한 개략도를 도시하고 있다. 프린트 경로는, 다공성 구조의 필라멘트들이 복수의 레이어들에 어떻게 증착되는 지를 예시한다. 시스템은 복수의 적층되는 레이어들의 미리 결정된 배치로 상호 연결된 필라멘트들을 증착하도록 배치된다. 연속적인 레이어들의 필라멘트들은 서로에 연결되어, 상호 연결된 구멍들을 갖는 다공성 구조를 획득할 수 있다. 또한, 연속적인 레이어들의 필라멘트들은 서로에 대해 각을 이룰 수 있다.
압출 프로세스에서, 노즐(101)은 도시된 프린트 경로(105)를 따라가면서 필라멘트들을 증착하는 프린트 베드(103)를 따라 스캔된다. 또한, 노즐(101) 대신에 프린트 베드(103)가 이동되는 것(운동학적 반전(kinematic inversion))도 예상되는 것이 이해될 것이다. 조합도 가능하다. 대안적인 예에서, 노즐(101)과 프린트 베드(103)는 둘 다 적어도 증착 프로세스의 부분들 동안 이동될 수 있다.
도 9a에서, 프린트 베드(103) 상의 제1 레이어에 대한 프린트 경로(105)가 도시되어 있다. 도 9b에서, 두 개의 레이어들의 프린트 경로(105)가 도시되어 있다. 도 9c에서, 네 번째 레이어가 증착되고 있는 프린트 경로(105)가 도시되어 있다. 다공성 구조의 상호 연결된 필라멘트들의 배치를 획득하기 위해 매우 다양한 프린트 경로 배치가 가능하다는 것이 이해될 것이다.
증착 패턴을 변경함으로써, 3차원 구조의 국부적 기계적 속성들이 국부적으로 변경될 수 있고, 따라서, 건조 및/또는 소성을 위한 다른 열처리가 필요할 수 있다. 이 예에서, 프린트되는 다공성 구조는 불균일한 필라멘트 대 필라멘트 거리(간격(interspacing))을 갖는다. 균일한 간격도 가능하다.
이 예는 다공성 구조를 형성하기 위한 페이스트의 압출 프린팅을 예시하지만, 시스템이 비다공성 3차원 구조들(즉, 필라멘트들의 사이에 구멍들이 없음)을 증착하는 데 이용될 수 있다는 것도 예상된다.
도 10은 상호 연결되는 구멍들을 갖는 다공성 구조(110)를 형성하기 위해 복수의 적층되는 레이어들(111)의 미리 결정된 상호 연결된 배치로 필라멘트들(102)을 증착함으로써 획득되는 일 실시예의 다공성 구조(110)에 대한 개략도를 도시하고 있다. 도 10a에서, 다공성 구조(110)의 측면 단면도가 도시되어 있다. 도 10b에서, 다공성 구조(110)의 평면 단면도가 도시되어 있다.
다공도는 강성 또는 탄성 계수(참조: 영 계수(Young modulus))에 영향을 미치고, 이는 변형에 대한 응력의 변화율의 정도이며, 주어진 힘에 대한 응답으로 재료가 변형되는 정도를 정의한다. 필라멘트들(102)이 정렬되어 있는 지 또는 엇갈려 있는 지도 3차원 구조의 기계적 속성들에 영향을 미친다. 예를 들어, 엇갈린 필라멘트들(102)을 갖는 3차원 구조(110)는 정렬된 필라멘트들(102)을 갖는 3차원 구조(110)보다 더 낮은 탄성 계수를 가질 수 있다. 예를 들어, 정렬된 필라멘트 배치의 경우(이 예에 도시된 바와 같음), 필라멘트들(102)이 유사한 위치들에서 교차하기 때문에 존재하는 3차원 구조의 위에서 아래로 솔리드 컬럼(solid column)이 있을 수 있다. 이 솔리드 컬럼은 압축에 강하게 저항할 수 있다. 이와는 반대로, 엇갈린 필라멘트 배치의 경우, 필라멘트들(2)은 약간 구부러질 수 있고, 응력이 힌지 지점들(hinge points)에 집중될 수 있다.
또한, 필라멘트 배향(orientation)도 3차원 구조의 기계적 속성들에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 0/90, 0/60/120 및 0/45/90/135 필라멘트 배향을 갖는 3차원 구조는 상이한 탄성 계수를 가질 수 있다. 예컨대, 삼각형, 직사각형, 육각형, 만곡된 형태, 지그재그 형태의 패턴들과 같은 다른 레이-다운 패턴들도 예상되는 것이 이해될 것이다. 이러한 레이-다운 패턴들도 구멍 크기에 영향을 줄 수 있다.
3차원 (다공성) 구조는 다양한 방식들로 레이어별로 생성될 수 있다. 도면의 실시예들은, 노즐이 레이어 두께만큼 이동하여 다름 레이어를 프린트하기 시작하기 전에 모든 필라멘트들이 단일 레이어에 대해 압출되는 편평한 레이어들을 보여주지만(프린트 베드 위의 일정한 높이에 노즐이 있음), 단일 필라멘트의 증착 중 노즐과 프린트 베드 사이의 거리를 변경하여 만곡된 레이어들이 프린트되는 것도 예상된다. 상기 증착 중에 노즐을 프린트 베드에 대해 가깝게 그리고 멀리 이동시킴으로써, 만곡된 형상이 획득될 수 있다.
캐리어 상의 3차원 구조들의 프린팅이 완료된 경우(예: 프린트 작업이 완료되거나 캐리어/플레이트가 가득 참), 로봇 유닛은 자동으로 프린트된 3차원 구조들이 있는 캐리어를 제거하여, 예컨대, 수송을 위해 카트 또는 홀더와 같은 수용 유닛(receiving unit)에 배치하도록 작동될 수 있다. 각 프린트 스테이션은 개별적으로 제어될 수 있다. 일부 예들에서, 프린팅 스테이션마다 상이한 재료들이 프린트될 수 있다. 또한, 프린팅 스테이션마다 상이한 형상들이 프린트 가능하다. 또한, 프린팅 스테이션마다 상이한 수량들이 프린트될 수 있다. 시스템은, 정확한 수의 3차원 구조들이 캐리어 상에 프린트되는 지의 여부를 결정한 다음, 프린트 작업이 완료된 때 프린트된 3차원 구조들(예: 물체들, 부품들(parts), 조각들(pieces) 등)이 있는 캐리어가 로봇 유닛에 의해 제거될 수 있는 지의 여부를 결정하도록 구성될 수 있다.
시스템은 복수의 프린팅 스테이션들에서의 프린팅 동작들을 고려하여 로봇 유닛을 제어하도록 구성될 수 있다. 3차원 구조(들)을 프린트하기 위한 (서브)태스크들은 상기 3차원 구조(들)의 프린팅을 수행하기 위해 선택되는 프린팅 스테이션으로 개별적으로 또는 직접 보내질 수 있다. 시스템은 각 프린팅 스테이션에 대해 개별 제어가 가능하도록 구성될 수 있다. 이것은 필요한 경우, 예컨대, 단말기(terminal)를 통해 작업자에 의해 별도로 조정될 수 있다. 예를 들어, 프린팅 스테이션들에 대한 개별 제어는 프린팅 스테이션 또는 시스템의 외부 부분에 배치될 수 있다. 일부 예들에서, 각 프린팅 스테이션은 프린팅 스테이션에 대한 개별 제어를 가능하게 하기 위한 외부 단말기 또는 인터페이스를 갖는다. 따라서, 프린팅 스테이션들의 각각에 대해 프린팅 프로세스가 쉽게 조정될 수 있다.
일부 예들에서, 시스템은 복수의 프린팅 스테이션들의 캐리어들의 핸들링을 제어하고 프린트 작업을 시작하기 위해 프린팅 스테이션들에 시작 신호들을 제공하기 위한 전역(global) 프로세스 제어를 포함한다. 그런 다음, 프린팅 스테이션은, 캐리어가 가득 한 때 또는 프린팅 (서브)태스크가 완료된 때를 표시할 수 있다. 그런 다음, 로봇 유닛은 프린트된 3차원 구조들이 있는 캐리어를 얻도록 작동될 수 있다. 일부 예들에서, 로봇 유닛은 프린팅 스테이션 내에 새로운 캐리어를 배치하도록 구성될 수 있다. 그런 다음, 로봇 유닛은 다음 프린팅 (서브)태스크로 다시 프린팅을 시작하도록 작동될 수 있다.
프린팅 스테이션들의 각각에 대해 제공되는 개별 제어는, 예컨대, 작업자에 의해 사소한 프린팅 편차들(deviations)에 대해 수정하는 것을 가능하게 한다. 복수의 프린팅 스테이션들의 프린팅 조건들을 서로에 대해 더 잘 미세 튜닝하는 것이 가능하다.
예를 들어, 시스템의 상이한 프린팅 스테이션들에 이용되는 페이스트는 약간 상이한 점도를 가질 수 있다. 시스템의 프린팅 스테이션들에 대한 개별 제어에 의해 이러한 편차들에 대해 보정하는 것이 가능하다. 일부 예들에서, 각 프린팅 스테이션은 시스템 또는 프린팅 스테이션들의 제한된 환경(예: 하우징)의 외부로부터도 개별적으로 제어될 수 있다. 일부 예들에서, 모든 개별 프린팅 스테이션들은 시스템의 제한된 환경(참조: 시스템 하우징) 내에 배치될 수 있다. 이것은 안전한 환경에서 독성 물질들로 작업하는 것을 가능하게 한다.
일부 예들에서, 로봇 유닛은 프린트된 3차원 구조들 또는 프린트된 3차원 구조들이 있는 캐리어를 수송 매체(이 경우, 카트들)에 놓도록 구성되고, 따라서, 이들은 다음 프로세스 단계(예: 포장 및 선적 또는 촉매 작용을 위해 3차원 다공성 구조들에 대해 필요할 수 있는 후처리)로 안내될 수 있다.
캐리어들 또는 프린트된 3차원 구조들을 고정하거나 운반하기 위해 다양한 수송 시스템들이 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 수송 시스템들의 일부 예들로는 랙들, 카트들, 컨베이어 벨트 등이 있다. 그러나, 다른 배치들도 가능하다.
방법은 컴퓨터 구현 단계들을 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 상술된 모든 단계들은 컴퓨터 구현 단계들일 수 있다. 실시예들은 컴퓨터 장치를 포함할 수 있으며, 여기서, 프로세스들이 컴퓨터 장치에서 수행된다. 본 발명은 또한 컴퓨터 프로그램들, 특히 본 발명을 실행하도록 구성되는 캐리어 상의 또는 캐리어 내의 컴퓨터 프로그램으로 확장된다. 프로그램은 소스 또는 목적 코드의 형태이거나, 본 발명에 따른 프로세스들의 구현에 사용하기에 적합한 임의의 다른 형태일 수 있다. 캐리어는 프로그램을 전달할 수 있는 임의의 엔티티 또는 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 캐리어는 롬(ROM), 예컨대, 반도체 롬 또는 하드 디스크와 같은 저장 매체를 포함할 수 있다. 또한, 캐리어는 전기 또는 광 케이블을 통해, 또는 라디오 또는 다른 수단, 예컨대, 인터넷 또는 클라우드를 통해 전달될 수 있는 전기 또는 광학 신호와 같은 전송 가능한 캐리어일 수 있다.
일부 실시예들은, 예를 들어, 기계에 의해 실행되는 경우 기계가 실시예들에 따라 방법 및/동작들을 수행하게 할 수 있는 명령어 또는 명령어들의 세트를 저장할 수 있는 기계 또는 유형의 컴퓨터-판독 가능 매체 또는 물품을 사용하여 구현될 수 있다.
다양한 실시예들은 하드웨어 엘리먼트들, 소프트웨어 엘리먼트들, 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 하드웨어 엘리먼트들의 예들로는 프로세서들, 마이크로프로세서들, 회로들, 주문형 집적 회로들(application specific integrated circuits; ASIC), 프로그램 가능 논리 디바이스들(programmable logic devices; PLD), 디지털 신호 프로세서들(digital signal processors; DSP), 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(field programmable gate array; FPGA), 논리 게이트들, 레지스터들, 반도체 디바이스, 마이크로칩들, 칩셋들, 등이 있다. 소프트웨어의 예들로는 소프트웨어 컴포넌트들, 프로그램들, 애플리케이션들, 컴퓨터 프로그램들, 응용 프로그램들, 시스템 프로그램들, 기계 프로그램들, 운영 체제 소프트웨어, 모바일 앱들, 미들웨어, 펌웨어, 소프트웨어 모듈들, 루틴들, 서브루틴들, 기능들, 컴퓨터 구현 방법들, 절차들, 소프트웨어 인터페이스들, 응용 프로그램 인터페이스들(application program interfaces; API), 방법들, 명령어 세트들, 컴퓨팅 코드, 컴퓨터 코드 등이 있다.
여기에서, 본 발명은 본 발명의 실시예들의 특정 예들을 참조하여 설명된다. 그러나, 본 발명의 본질을 벗어나지 않으면서 다양한 수정들, 변형들, 대안들 및 변경들이 이루어질 수 있음이 명백할 것이다. 명료하고 간결한 설명을 위해, 특징들은 동일하거나 별도의 실시예들의 일부로 여기에 설명되지만, 이러한 별도의 실시예들에 설명되는 특징들의 전부 또는 일부의 조합들을 갖는 대안적인 실시예들도 청구범위에 의해 서술되는 바와 같은 본 발명의 프레임워크 내에 속하는 것으로 예상되고 이해된다. 따라서, 상세한 설명, 도면, 및 예들은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 의미로 간주되어야 한다. 본 발명은 첨부된 청구범위의 사상 및 범위 내에 속하는 모든 대안들, 수정들 및 변형들을 포함하도록 의도된다. 또한, 설명되는 많은 엘리먼트들은 임의의 적절한 조합 및 위치에서 개별 또는 분산된 컴포넌트들로 또는 다른 컴포넌트들과 함께 구현될 수 있는 기능적 엔티티들이다. 청구범위에서, 괄호 사이에 있는 임의의 참조 부호들은 청구범위를 제한하려는 것으로 해석되지 않는다. 단어 '포함하는'은 청구범위에 나열되는 것 이외의 다른 특징들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다. 또한, 단어 '하나' 및 '한'은 '단 하나'로 한정되는 것으로 해석되어서는 안되며, '적어도 하나'의 의미로 사용되며, 복수를 배제하지 않는다. 특정 조치들이 서로 다른 청구항들에서 인용되었다는 단순한 사실이 이러한 조치들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다.

Claims (15)

  1. 3차원 구조들을 제조하기 위한 시스템에 있어서,
    상기 시스템은,
    제한된 공간 내에 병렬 프린팅을 수행하기 위한 복수의 프린팅 스테이션들(printing stations)
    을 포함하고,
    각 프린팅 스테이션은,
    캐리어(carrier),
    그 개구 영역을 통해 구축 재료 페이스트(build material paste)의 필라멘트들을 분배하도록 배치되는 적어도 하나의 노즐을 갖는 증착 유닛(deposition unit), 및
    하나 이상의 3차원 구조들을 형성하기 위해 복수의 적층되는 레이어들의 상호 연결된 배치(interconnected arrangement)로 상기 캐리어 상에 구축 재료 페이스트의 필라멘트들의 증착을 위해 상기 증착 유닛을 작동시키도록 구성되는 스테이션 컨트롤러
    를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 노즐 및 상기 캐리어는 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하고,
    상기 증착 유닛은 상기 구축 재료 페이스트를 수용하도록 구성되는 저장 유닛(reservoir unit)에 결합되고,
    상기 저장 유닛은 상기 제한된 공간의 외부에 배치되는 적어도 하나의 저장소(reservoir)를 포함하는,
    시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저장소는 상기 제한된 공간을 둘러싸는 하우징의 외측에 배치되는,
    시스템.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저장소는 부착 디바이스(attachment device)에 의해 상기 하우징에 분리 가능하게 연결되는,
    시스템.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 적어도 하나의 저장소를 위한 홀더(holder)를 포함하고,
    상기 홀더는 상기 적어도 하나의 저장소를 상기 프린팅 스테이션의 상기 하우징에 제거 가능하게 결합하기 위한 결합 인터페이스(coupling interface)를 포함하고,
    상기 홀더는 상기 적어도 하나의 저장소와 상기 증착 유닛의 사이에 구축 재료 페이스트에 대한 유체 연통(fluid communication)을 제공하기 위한 제1 인터페이스, 및 상기 적어도 하나의 저장소에 유체 압력(fluid pressure)을 제공하기 위한 제2 인터페이스를 포함하는,
    시스템.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저장소는 교체 가능 및/또는 교환 가능한,
    시스템.
  6. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 홀더는 상기 하우징에 대해 상이한 유형들의 저장소들의 부착을 가능하게 하는 범용 결합(universal coupling)을 제공하도록 배치되는,
    시스템.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저장소는 상기 시스템의 하나 이상의 컨트롤러들에 통신 결합(communicative coupling)을 가능하게 하도록 구성되는 통신 유닛을 포함하고,
    상기 통신 유닛은 상기 저장소 내부의 구축 재료 페이스의 양을 나타내는 데이터를 통신하도록 구성되는,
    시스템.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저장소는 상기 저장소 내부의 구축 재료 페이스트의 양을 나타내는 데이터를 제공하기 위한 적어도 하나의 센서를 포함하는,
    시스템.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 노즐의 각각은 구축 재료 페이스트를 공급하기 위한 적어도 하나의 저장소에 결합되는,
    시스템.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 노즐의 각각은 구축 재료 페이스트를 공급하기 위한 적어도 두 개의 저장소들에 결합되는,
    시스템.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증착 유닛은 적어도 제1 노즐 및 제2 노즐을 포함하고,
    상기 제1 노즐은 제1 구축 재료 페이스트를 공급하기 위한 제1 저장소에 결합되고,
    상기 제2 노즐은 제 2 구축 재료 페이스트를 공급하기 위한 제2 저장소에 결합되는,
    시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 노즐은 상기 제2 저장소에 더 결합되고,
    상기 제2 노즐은 상기 제1 저장소에 더 결합되는,
    시스템.
  13. 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저장소는 재충전 가능한(refillable),
    시스템.
  14. 3차원 구조들을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    제한된 공간 내에 병렬 프린팅을 수행하기 위한 복수의 프린팅 스테이션들을 제공하는 단계
    를 포함하고,
    각 프린팅 스테이션에는,
    캐리어,
    그 개구 영역을 통해 구축 재료 페이스트의 필라멘트들을 분배하도록 배치되는 적어도 하나의 노즐을 갖는 증착 유닛, 및
    하나 이상의 3차원 구조들을 형성하기 위해 복수의 적층되는 레이어들의 상호 연결된 배치로 상기 캐리어 상에 구축 재료 페이스트의 필라멘트들의 증착을 위해 상기 증착 유닛을 작동시키도록 구성되는 스테이션 컨트롤러
    가 제공되고,
    상기 적어도 하나의 노즐 및 상기 캐리어는 서로에 대해 상대적으로 이동 가능하고,
    상기 증착 유닛은 상기 구축 재료 페이스트를 수용하도록 구성되는 저장 유닛에 결합되고,
    상기 저장 유닛에는, 상기 제한된 공간의 외부에 배치되는 적어도 하나의 저장소가 제공되는,
    방법.
  15. 3차원 구조들을 제조하기 위한 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 따른 상기 시스템의 사용.
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