KR20230059781A - 필라멘트 특성들을 특성화하고 또한 감소된 필라멘트 증착 변동성을 위해 3d 프린터 파라미터들을 조정하는 장치, 시스템, 및 방법 - Google Patents

필라멘트 특성들을 특성화하고 또한 감소된 필라멘트 증착 변동성을 위해 3d 프린터 파라미터들을 조정하는 장치, 시스템, 및 방법 Download PDF

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다린 버지스
랜디 크로켓
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자빌 인코퍼레이티드
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Abstract

FFF(fused filament fabrication) 개선을 위한 장치, 시스템, 및 방법. 필라멘트의 특성들은 필라멘트의 생산 중 측정될 수 있고 특성들은 3D 프린터에 의한 검색을 위해 메모리에 저장된다. 3D 프린터는 측정된 특성들에 기초하여 필요에 따라 프린트 설정을 조정하여, 더 나은 인쇄 품질로 귀결된다.

Description

필라멘트 특성들을 특성화하고 또한 감소된 필라멘트 증착 변동성을 위해 3D 프린터 파라미터들을 조정하는 장치, 시스템, 및 방법
본 개시는, 적층 가공에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 필라멘트 특성들을 특성화하고 또한 감소된 필라멘트 증착 변동성을 위해 3D 프린터 작동 파라미터들을 조정하는 장치, 시스템, 및 방법에 관한 것이다.
3차원 프린팅을 포함하는, 적층 가공은, 프린팅 기술들 뿐만 아니라, 예를 들어, 제품 연구 및 개발 역량들, 프로토타이핑 역량들, 및 실험 역량들의 개발에서 매우 중요한 발전을 나타낸다. 이용가능한 적층 가공 기술(총체적으로 "3D 프린팅") 중, FFF(fused filament fabrication) 프린팅은 개발된 3D 프린팅 중 가장 중요한 타입들 중 하나이다.
FFF는 프린트되는 요소의 베이스 또는 하부 레이어에서 시작하여 상부 또는 마지막 레이어까지 프린트하는, 레이어별로 3D 요소들의 생성을 허용하는 적층 가공 기술이다. 레이어들은 예를 들어, 연속하는 레이어들에 열가소성 필라멘트들을 가열 및 압출하는 것에 의해 형성된다. 간단하게 말하면, FFF 시스템은 가열된 노즐로 안내하는 재료 가이드를 갖는 프린트 헤드를 포함하는데, 이때 프린트 재료 필라멘트는 재료 가이드를 통해 공급된다. FFF 시스템은 X-Y 평면에서 프린트 헤드를 움직이기 위한 X-Y 평면의 제어 및 프린트 플랫폼을 더 포함한다. 이 프린트 플랫폼 상에는 베이스가 프린트되고 또한 연속 레이어들이 프린트됨에 따라 추가적으로 Z-축으로 움직인다.
보다 구체적으로, FFF 프린터 노즐은 프린트 헤드로부터 재료 가이드를 통해 수신되는 열가소성 프린트 필라멘트로 열을 전달하고, 이로써 프린트 필라멘트는 반액체 상태로 변환된다. 통상적으로, 반액체 열가소성 물질은 요소의 각 연속 레이어의 구축을 위해 제공되는 X-Y 평면 압출 프린팅 경로 계획을 따라 가변적인 크기의 비즈들로 증착된다. 프린트되는 비즈/트레이스 크기는 프린트되는 부품 또는 부품의 측면들에 기반하여 달라질 수 있다. 나아가, 구조적 지지부가 이 부품 내에 필요하다면, FFF 프린터에 의해 프린트되는 트레이스는 제거가능한 물질을 포함할 수 있다. 이후에 제거가능한 물질은 지지부가 필요한 그 부품 내에 지지부를 제공하는 비계(scaffolding)를 형성하도록 제거된다. 따라서, FFF는 프로토타이핑, 소규모 생산, 가공 보조, 등과 같은 실험적 또는 기능적 부품들을 위한, 단순하거나 또는 복잡한 기하구조들을 구축하는 데 이용될 수 있다.
FFF 프린터들은 필라멘트 재료를 스풀로부터 프린트 헤드로 공급한다. 증착되는 필라멘트의 단위 길이 당 전달되는 필라멘트의 체적이 필라멘트의 직경의 함수이기 때문에, 일정한 필라멘트 직경은 프린트 작업 중 일정한 양의 필라멘트를 전달하는 데 있어 필수적이다. 따라서, 직경이 예상되는 직경에서 변하면 (예를 들어, 직경이 필라멘트에 대해 보고된 허용오차의 큰 측 또는 작은 측에 있으면), 그때 증착되는 필라멘트의 체적은 너무 많거나 또는 너무 적을 것이다. 3D 프린팅을 위한 필라멘트를 구매할 때, 소비자들은 더 타이트한 직경 허용오차들을 갖는 필라멘트를 살 수 있다. 하지만 얼마나 허용오차가 필라멘트 생산 중 필라멘트 직경에 대하여 타이트할 수 있을지에 대해서는 제한이 있다. 업계에서는 기계에 공급되는 정확한 스풀에 기초하여 조정을 할 수 있는 FFF 프린터에 대한 니즈가 있다. 필라멘트의 직경에 있어서의 편차를 보상함으로써, 더 일정한 프린트된 부품들이 생산될 수 있다.
프린터로 공급되는 필라멘트의 스풀에 특정되는 정보에 기초하여 필라멘트의 직경에 있어서의 편차를 보상하기 위해 3D 프린터 조정을 하는 장치, 시스템, 및 방법에 대하여 업계에서의 니즈가 있다.
개시된 예시적인 장치, 시스템, 및 방법은 프린터로 공급되는 필라멘트의 스풀에 특정되는 정보에 기초하여 필라멘트의 직경에 있어서의 편차를 보상하기 위해 3D 프린터 조정에 이용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 장치는 표식(indicium)을 포함하는 필라멘트 스풀; 상기 표식을 읽도록 구성되는 센싱 장치; 상기 필라멘트 스풀에 대하여 물리적 특성 데이터를 저장하는 제1 메모리, 상기 물리적 특성 데이터는 상기 표식을 읽는 것에 의해 억세스가능하고; 프린트 재료 필라멘트를 스풀로부터 재료 가이드를 통해 가열된 노즐로 공급하도록 구성되는 프린트 헤드; X-Y 평면에서 상기 프린트 헤드를 움직이기 위한 X-Y 평면 제어; 그 위에 베이스가 프린트되는 프린트 플랫폼; 및 상기 물리적 특성 데이터에 기초하여 프린트 파라미터를 실행하는 프로세서를 포함한다.
일 실시예의 시스템에 있어서, 프린트 재료 필라멘트를 생산하기 위한 시스템은, 압출기에서 나오는 상기 프린트 재료 필라멘트의 특성을 측정하는 센서를 포함하는 압출기; 상기 필라멘트를 스풀 상에 감도록 구성되는 스풀러, 상기 스풀은 표식을 포함하고; 및 상기 프린트 재료 필라멘트의 특성 및 상기 표식을 저장하고 또한 3D 프린터에 의해 상기 프린트 재료 필라멘트의 특성의 검색을 위해 상기 프린트 재료 필라멘트와 상기 표식을 연결하는 메모리를 포함하고, 이때 상기 3D 프린터는 상기 프린트 재료 필라멘트의 특성에 기초하여 프린트 파라미터를 변형하도록 구성된다.
일 실시예에 따른 방법은 스풀로부터 재료 가이드를 통해 가열된 노즐로 프린트 재료 필라멘트를 공급하도록 구성되는 프린트 헤드, X-Y 평면에서 상기 프린트 헤드를 움직이기 위한 X-Y 평면 제어, 및 그 위에 베이스가 프린트되는 프린트 플랫폼을 제공하는 단계; 필라멘트 스풀 표식을 검출하는 단계; 상기 필라멘트 스풀 표식을 제1 메모리에 저장된 상기 프린트 재료 필라멘트의 물리적 특성에 상관시키는 단계; 및 상기 프린트 재료 필라멘트의 물리적 특성에 따라 프린트 파라미터를 변형하는 단계를 포함한다.
다른 방법은 필라멘트를 압출하고 압출기로부터 나오는 상기 필라멘트의 필라멘트 재료 특성을 측정하는 단계; 표식으로 마킹된 스풀 상에 상기 필라멘트를 감는 단계; 및 상기 측정된 필라멘트 재료 특성을 저장하고 또한 상기 필라멘트 재료 특성에 기초하여 프린트 파라미터를 변형하는 3D 프린터에 의한 검색을 위해 메모리 내에 상기 표식에 연결시키는 단계를 포함한다.
상기의 장점들 뿐만 아니라 다른 장점들은 첨부된 도면들에 비추어 고려할 때 이하의 상세한 설명으로부터 당업자에게 쉽게 명백해질 것이다.
도 1은 필라멘트 압출 프로세스를 보여주는 개략도이다.
도 2는 적층 가공 시스템의 개략적인 입면도이다.
도 3은 필라멘트 생산 프로세스를 위한 단위 시간에 대한 필라멘트 직경의 그래프이다.
도 4는 예시적인 컴퓨팅 및 제어 시스템을 보여주는 개략도이다.
이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면들은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하고 예시한다. 상세한 설명 및 도면들은 당업자가 본 발명을 만들고 이용할 수 있도록 기능하고, 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 의도는 아니다. 개시된 방법들과 관련하여, 제시된 단계들은 본질적으로 예시적이고, 따라서 단계들의 순서는 필요치 않거나 또는 중요하지 않다.
여기서 사용되는 "하나의(a 및 an)"는 항목의 "적어도 하나"가 존재함을 나타내고; 가능한 때에, 복수의 이러한 항목들이 존재할 수 있다. 여기서 사용된 바와 같이, "실질적으로"는 본 개시의 관점에서 당업자가 용어를 이해할 수 있는 바와 같이 "상당한 정도로", "대체로", 또는 "거의"를 의미한다. "앞", "뒤", "내", "외", "바닥", "상단", "수평", "수직", "상부", "하부", "측", "위", "아래" 등 같은, 공간적으로 상대적인 용어들은, 도면들에 도시된 바와 같이 하나의 요소 또는 특징과 다른 요소(들) 또는 특징(들)과의 관계를 기술하기 위해 설명을 쉽게 할 목적으로 여기서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에 묘사된 방향에 더하여 사용시 또는 작동중인 장치의 다른 방향들을 포함하도록 의도될 수 있다.
제1, 제2, 제3 등의 용어들이 여기서 다양한 요소들, 구성요소들, 영역들, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이 요소들, 구성요소들, 영역들, 층들 및/또는 부분들은 이 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 이 용어들은 단지 하나의 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역 층 또는 부분과 구별하기 위해서만 사용될 수 있다. "제1", "제2", 및 다른 숫자 용어들과 같은 용어들은 여기서 사용될 때 문맥상 명확하게 나타나지 않는 한 시퀀스 또는 순서를 의미하지 않는다. 따라서, 이하에서 설명되는 제1 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 부분은 예시적인 실시예들의 교시로부터 벗어나지 않으면서 제2 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 부분으로 명명될 수 있다.
도 1은 필라멘트 압출 프로세스(100)을 보여준다. 프로세스(100)은 압출기(103)의 입구와 소통하는 호퍼(102)를 포함한다. 압출기(103)는 단일 또는 이중 스크루 압출기와 같이, 원하는 대로, 어떠한 변환 압출기일 수 있음이 이해되어야 한다. 압출기(103)의 출구는 다이 또는 방출 구성요소(105)와 소통한다. 다이(105)는 압출기(103)로부터 재료(101)를 원하는 크기 및 형태로 방출하도록 구성된다. 다이(105)는 냉각 장치(106)와 소통한다. 냉각 장치(106)는 원하는 시간 동안 원하는 온도까지 재료(101)를 냉각시킬 수 있는, 원하는 대로, 어떠한 냉각 또는 열 전달 장치일 수 있다. 냉각 배쓰(108)는 프로세스(100) 동안 재료(101)의 흐름 방향에 대하여 위쪽 방향으로 냉각 장치(106)와 소통하고 아래쪽 방향으로 필라멘트 스풀(109)과 소통한다. 필라멘트 스풀(109)은 그 위에 재료(101)의 연속적인 스풀이 감기도록 구성된다.
프로세스(100)의 작동 중, 재료(101)는 호퍼(102)에 첨가된다. 재료(101)는 펠렛 또는 작은 조각들의 형태일 수 있거나 또는 원하는 대로 다른 형태들 및 구성들을 가질 수 있다. 재료(101)는 폴리머 또는 3D 프린팅 프로세스의 필라멘트로 사용되기 위해 원하는 특성들을 가지는 기타 물질을 포함할 수 있다. 압출기(103)는 재료(101)를 수신하고, 열을 적용하여 재료(101)을 녹이고, 녹은 재료(104)가 다이(105)를 통과하도록 강제한다. 녹은 재료(104)가 다이(105)를 빠져나온 후, 이것은 냉각 장치(106)에 의해 원하는 온도까지 냉각되고 고체 필라멘트(107)를 형성하도록 고형화된다. 냉각 장치(106)는 녹은 재료(104)로부터 열을 제거하기 위해, 원하는 대로, 열교환 매체로서 공기 또는 기타 유체를 사용할 수 있다. 냉각 장치(106)는 녹은 재료(104)가 통과하도록 냉각 유체의 부피를 제공할 수 있다. 냉각 유체는 냉각 장치(106) 내의 냉각 유체에 대한 설정점 온도를 유지하기 위해 냉각 장치(106)에 연속적으로 첨가되고 또한 제거할 수 있다. 냉각 유체는 물, 수용액, 또는 원하는 대로 기타 종래의 냉각 유체들일 수 있다.
도 1은 또한 냉각 배쓰(108)를 보여준다. 냉각 장치(106)가 녹은 재료(104)를 빠르게 냉각시킬 수 있는 한편, 냉각 배쓰(108)는 더 낮은 온도 감소 속도에서 고체 필라멘트(107)를 더 냉각시킬 수 있다. 뜨거운, 녹은 재료(104)는 고체 필라멘트(107)를 형성하는 재료(101)의 녹는점 이하의 온도까지 냉각될 수 있다. 예를 들어, 뜨거운, 녹은 재료(104)는 65°F와 150°F 사이의 온도까지 냉각될 수 있다. 원하는, 냉각 온도는 냉각 장치(106) 단독으로 또는 냉각 장치(106)와 냉각 배쓰(108)의 조합에 의해 달성될 수 있다. 고체 필라멘트(107)가 냉각 배쓰(108)에서 보내는 체류 시간은 고체 필라멘트(107)가 냉각 장치(106)에서 보내는 체류 시간보다 더 길 수 있다. 냉각 배쓰(108)는 열교환 유체 또는 원하는 대로 다른 냉각 매체를 포함할 수 있다. 열교환 유체는, 예를 들어, 물, 수용액, 또는 기타 열교환 유체일 수 있다.
따뜻한(가열된) 또는 주변 공기는 필라멘트(107)로부터 과도한 열교환 유체를 건조시키기 위해 고체 필라멘트(107)에 대하여 송풍될 수 있다. 또는, 적외선(IR) 오븐이 필라멘트(107)로부터 과도한 열교환 유체를 건조시키기 위해 사용될 수 있다. 고체 필라멘트(107)는 필라멘트 스풀(109) 상에 감겨질 수 있고 필라멘트 스풀(109)은 그후 3D 프린트된 개체를 프린트하기 위해 FFF 프린터에서 사용될 수 있다. 필라멘트 스풀(109)은 해당 스풀에 고유한 표식으로 마킹될 수 있다.
필라멘트(107)의 직경, 난형도(ovality), 및 기타 특성들은 센싱 장치, 센서, 또는 장비(110)에 의해 측정될 수 있다. 한정적이지 않은 예로서, 장비(110)는 레이저 마이크로미터일 수 있다. 레이저 마이크로미터는 레이저 또는 레이저들로 측정 지역을 스캔하는 방출기 또는 방출기들을 포함한다. 개체가 측정 지역 내에 존재할 때, 개체의 그림자가 이 정보를 필라멘트(107)의 직경, 난형도, 및 기타 특성들 및 치수들을 결정하는 데 이용될 수 있는 수신기에 잡힌다. 생산 데이터는 장비(110)에 의해 수신되고, 하드 드라이브, 인터넷, 또는 기타 종래의 저장 장치들과 같은 저장 장치 상에 저장된 데이터베이스(111) 내 스풀(109)의 고유한 표식(예를 들어, 바코드, QR 코드 또는 RFID와 같은)과 함께, 업로드되어 저장될 수 있다. 선택적으로, 데이터는 최종 사용자가 인터넷에 연결될 필요가 없도록 RFID 상에 저장될 수 있다. 생산 데이터는 이하의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다: 필라멘트 직경, 필라멘트 난형도, 필라멘트 허용오차, 필라멘트 생산 중 필라멘트 압출 온도, 필라멘트 생산 중 필라멘트 냉각 온도, 생산 중 (압출된 후) 필라멘트 냉각 속도, 필라멘트 압출 다이 크기, 필라멘트 생산 속도 (단위 시간 당 압출 다이를 통과하는 필라멘트의 양), 필라멘트 직경 및/또는 난형도를 측정하는 데 사용된 센서들의 수, 필라멘트 직경 및/또는 난형도를 측정하는 데 사용되는 센서(들)(또는 장비)의 종류 및/또는 모델 번호, 필라멘트 생산의 지리적 위치, 및 필라멘트를 생산하는 데 사용된 원재료들의 원천. 일반적으로, 가공 프로세스에서 캡쳐되는 데이터는 3D 프린트를 향상시키기 위해 저장되고 이용될 수 있다. 필라멘트의 특성들은 필라멘트의 스풀 내의 필라멘트 위치의 함수로서 분류될 수 있다. 예를 들어, 필라멘트는 길이에 의해 분할될 수 있고 각 세그먼트는 저장된 물리적 특성을 가질 수 있다. 3D 프린터는 주어진 시간에 프린트되는 필라멘트 세그먼트의 특성들에 기초하여 프린트 세팅(예를 들어, 압출 비율 또는 압출 온도)을 조정할 수 있다. 이 경우에 있어서, 3D 프린터는, 예를 들어 필라멘트의 제1 풋(foot)은 직경(X)(또는 다른 측정된 특성)를 가지고, 필라멘트의 제2 풋은 직경(Y)를 가지고, 필라멘트의 제3 풋은 직경(Z)를 가짐을 알고 있다. 단위 길이는 더 많은 그래뉼러티 및 더 잦은 3D 프린터 보상을 제공하기 위해 더 작을 수 있다(예를 들어, 필라멘트의 인치마다 대응하는 직경 또는 기타 특성을 가질 수 있음). 반대로, 단위 길이는 저장되는 데이터의 양을 감소시키기 위해 더 클 수 있다(예를 들어, 필라멘트의 2 피트마다 대응하는 직경 또는 기타 물리적 특성을 가질 수 있음). 데이터베이스(111)는 데이터 검색 및/또는 추가 처리를 위해 저장 장치에 저장될 수 있다. 이로써, 스풀(109) 상의 필라멘트(107)의 물리적 특성들은 측정되어 추후 이용을 위해 저장된다.
종래 기술에서, 필라멘트 제조업체들은 필라멘트 직경 허용오차를 ±0.07 mm에서 ±0.05 mm까지 감소시킬 수 있었고, 현재 목표는 ±0.03 mm, 심지어 ±0.02 mm이다. 프린트되는 특정 스풀에 대하여 필라멘트(107)의 허용오차를 보상하지 않으면, 필라멘트(107)의 직경에 대한 허용오차가 0보다 클 때 프린트된 치수에 있어서 편차가 항상 있을 것이다.
도 2는 적층 가공 시스템(200)을 보여준다. 적층 가공 시스템(200)은 도 2에 도시된 바와 같은 FFF 시스템일 수 있다. 하지만, 다른 적층 가공 시스템(200)이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 이용될 수 있다. 적층 가공 시스템은 스핀들 상에 배치되는 필라멘트 스풀(201)을 포함한다. 필라멘트 스풀(201)은 그 위에 감긴 필라멘트(202)를 포함하고, 이 필라멘트는 프린트 헤드(203)로 공급된다. 노즐 팁(205)을 포함하는 노즐(204)은 프린트 헤드(203)에 형성된다. 적층 가공 시스템(200)은 액화되거나 또는 부분적으로 액화된 필라멘트로부터 형성되는 3D 프린트된 개체(208)를 지지하도록 구성되는 빌드 플레이트(207)를 더 포함한다.
작동 중, 적층 가공 시스템(200)의 필라멘트 스풀(201)은 감기는 방식으로 그 위에 필라멘트(202)를 저장한다. 필라멘트(202)는 필라멘트 스풀(201)로부터 홉들 또는 기어들(미도시)을 통해 프린트 헤드(203)로 이동한다. 프린트 헤드(203)는 이에 공급된 필라멘트(202)를 액화시켜서 노즐 팁(205)에서 노즐(204)을 빠져나올 때 필라멘트(202)가 액화되거나 또는 부분적으로 액화되는 가열된 부분(미도시)을 포함한다. 액화되거나 또는 부분적으로 액화된 필라멘트(206)는 빌드 플레이트(207) 상에 처음에 증착된다. 복수의 스풀들 및 필라멘트들이, 원한다면, 빌드 플레이트(207) 상에 증착을 위해 프린트 헤드로 공급될 수 있음이 이해되어야 한다. 프린트 헤드(203)는 액화되거나 또는 부분적으로 액화된 필라멘트(206)가 빌드 플레이트 상에 증착되는 대략 x, y, 및 z 방향들로 움직인다. 빌드 플레이트는 x, y, 및 z 방향들로 움직이고 프린트 헤드(203)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 정지되어 있을 수 있음이 더 이해되어야 한다. 냉각 시, 빌드 플레이트(207) 상에 증착된, 액화되거나 또는 부분적으로 액화된 필라멘트(206)는 고형화되어 3D 프린트된 개체(208)의 부분이 된다.
증착되는, 액화되거나 또는 부분적으로 액화된 필라멘트(206)의 양에 있어서의 변동성은 3D 프린트된 개체(208)에 있어서의 불규칙성에 기여한다. 액화되거나 또는 부분적으로 액화된 필라멘트(206)로서 증착되는 프린트 헤드(203)를 통해 이동하는 필라멘트(202)의 주어진 길이에 대하여, 증착되는, 액화되거나 또는 부분적으로 액화된 필라멘트(206)의 전체 체적은 필라멘트(202)의 직경의 함수이다. 예를 들어, 필라멘트(202)의 직경이 목표 직경보다 더 크면, 증착되는, 액화되거나 또는 부분적으로 액화된 필라멘트(206)의 체적은 목표된 체적보다 더 클 것이다. 반대로, 필라멘트(202)의 직경이 원하는 목표보다 더 작으면, 증착되는, 액화되거나 또는 부분적으로 액화된 필라멘트(206)의 체적은 목표된 체적보다 작을 것이다. 이 2 가지 예들로부터의 3D 프린트된 개체(208)의 질량 및 치수는 이로써 필라멘트(202)의 직경의 변동성 때문에 다를 것이다. 3D 프린트된 개체들(208) 사이에서 일관성을 달성하기 위해, 필라멘트(202)의 일정한 직경은 중요하다. 필라멘트(202)의 일정한 직경을 달성하는 한 가지 방법은 필라멘트(202)의 직경의 특정 허용오차를 벗어나는 필라멘트는 폐기하면서, 압출 프로세스 동안 필라멘트(202)의 직경을 타이트하게 제어하는 것이다. 여기에 개시된 실시예들은 3D 프린팅 프로세스 중 필라멘트(202)의 직경에 있어서의 편차를 교정하거나 또는 보상한다. 3D 프린터로 공급되는 필라멘트(202)의 직경이 목표 직경보다 더 크면, 3D 프린터는 더 큰 직경을 고려하여 프린트 파라미터들을 변경할 것이다. 예를 들어, 필라멘트(202)에 대한 공급 속도가 프린트 헤드(203)의 주어진 속도에 대하여 감소될 수 있어 액화되거나 또는 부분적으로 액화된 필라멘트(206)의 목표 체적이 필라멘트 증착의 주어진 길이에 대하여 증착된다. 반대로, 3D 프린터로 공급되는 필라멘트(202)의 직경이 목표 직경보다 더 작으면, 3D 프린터는 주어진 프린트 헤드 속도에 대하여 필라멘트(202)의 공급 속도를 증가시킬 수 있어 액화되거나 또는 부분적으로 액화된 필라멘트(206)의 목표 체적이 필라멘트 증착의 주어진 길이에 대하여 증착된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 필라멘트(202)의 주어진 스풀에 대하여 저장된 데이터는 프로세스(100) 중 생성되는 데이터베이스(111)로부터 검색되어, 필라멘트 공급 속도와 같은 프린트 파라미터들을 변형하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 필라멘트(202)의 공급 속도는 공급되는 필라멘트(202)의 직경을 보상하기 위해 증가되거나 또는 감소될 수 있다. 이러한 방식으로, 필라멘트(202)의 증착되는 체적은 더 일정하고 또한 필라멘트(202)의 생산 동안 필라멘트(202)의 일관성에 덜 의존적이다. 스풀(201)의 필라멘트(202)의 물리적 특성들은 필라멘트(202)의 생산 중 측정되어 데이터베이스(111)에 저장되는데, 이것은 예를 들어, 인터넷 웹사이트 또는 컴퓨터의 하드 드라이브일 수 있다. 필라멘트(202)의 스풀(201)을 양도 또는 구매후, 최종 사용자는 스풀(201) 상의 바코드, QR 코드, 또는 RFID를 스캔한다. 바코드, QR 코드, 또는 RFID는 사용되는 정확한 스풀(201)에 대한 생산 데이터를 가지고 있는 웹사이트 또는 하드 드라이브에 연결한다. 최종 사용자의 3D 프린터는 데이터를 수신하여 필요한 대로 조정하도록 프린트 파라미터들을 변형시킨다. 예를 들어, 3D 프린터의 압축 비율 또는 공급 속도는 필라멘트(202)의 직경에 기초하여 조정될 수 있다.
필라멘트 스풀(201)은 필라멘트 스풀(201)을 확인하여 필라멘트 스풀(201)에 대한 생산 데이터를 검색하기 위해 프린터에 의해 스캔될 수 있는 RFID, QR 코드, 또는 바코드를 포함할 수 있다. 생산 데이터는 주어진 필라멘트 스풀(202)의 필라멘트(202)에 대한 최소 직경 및 최대 직경을 포함할 수 있다. 하지만, 다른 생산 데이터가 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 제공되어 이용될 수 있다. 3D 프린터는 프린트 헤드(203)의 압출 비율을 변경하기 위해 데이터를 이용할 수 있다. 압출 비율은 여기서 프린트 헤드(203)의 속도(단위 시간 당 이동하는 거리)에 대한 필라멘트(202)의 공급 속도(단위 시간 당 노즐로부터 공급되는 필라멘트의 길이)의 비로 정의된다. 압출 속도가 가정된 필라멘트 직경에 대하여 설정되고 실제 필라멘트 직경은 가정된 필라멘트 직경보다 작거나 크다면, 너무 적거나 또는 너무 많은 필라멘트가 압출될 것이고, 이것은 부족한 재료(예를 들어, 간극 또는 너무 얇은 영역으로 입증되는) 또는 너무 많은 재료(예를 들어, 너무 두꺼운 영역 또는 초과하는 재료를 포함하는 영역으로 입증되는)를 가지는 3D 프린트된 부분으로 귀결된다. 3D 프린터로 공급되는 필라멘트(202)의 실제 직경에 기초하여 압출 비율을 조정하는 것은 한 무리의 복수의 스풀들에 대하여 평균 필라멘트 직경에 기초하여 압출 비율을 조정하는 것에 비하여, 3D 프린트된 개체의 품질을 최적화시키고 또한 치수 허용오차를 감소시킨다.
스풀별로 필라멘트(202)에 있어서의 편차를 보상하는 것은 주어진 스풀에 대한 목표 직경으로부터 일정한 오프셋을 갖는 필라멘트를 제조하는 필라멘트 제조 프로세스들에 있어서 특히 유리하다. 예를 들어, 도 3은 필라멘트 제조 프로세스가 ±0.05 mm의 허용오차를 갖는 1.75 mm의 필라멘트 직경을 목표로 하고 있는, 가능한 시나리오를 보여준다. 도 3에 도시된 바와 같이, (하나의 스풀에 대하여) 제조되는 실제 필라멘트 직경은 1.70 mm와 1.75 mm 사이에서 연속된다(대략 1.725 mm의 호버들). 도 3에 도시된 필라멘트는 통상적으로 1.75 mm ±0.05 mm 필라멘트로서 시판 및 판매된다. 하지만, 그 스풀에 대한 생산 데이터가 제조 중에 수집되고, 검색가능한 위치에 저장되고, 3D 프린터에 의해 검색되어 실제 필라멘트 직경을 보상하기 위한 프린트 조정을 위해 3D 프린터에 의해 이용될 때, 더 나은 품질의 프린트 결과가 나올 것이다. 효과적으로, 3D 프린트된 부분(주어진 스풀에 대한 필라멘트 생산 데이터에 기초하여, 압출 속도와 같은 프린트 특성들을 조정하는 프린터에 의해 프린트된)은 ±0.025 mm 허용오차 필라멘트로 프린트된 3D 프린트된 부분의 품질을 가질 것이다.
도 4는 여기서 기술되는 시스템들 및 방법들과 연관된 사용을 위한 예시적인 컴퓨팅 및 제어 시스템(1100)을 보여준다. 컴퓨팅 및 제어 시스템(1100)은 운영 시스템(OS) 및/또는 여기서 설명되는 프린트 계획, 모니터링, 프로세스 제어들, 프로세스 모니터링, 및 프로세스 변형들을 적용하는 어플리케이션들과 같은 하나 또는 이상의 컴퓨팅 어플리케이션들/알고리즘들(1190)과 같은 소프트웨어를 실행할 수 있고, 또한 지역적으로 또는 원격으로 저장 데이터베이스(1115)에 저장될 수 있는 재료들 및 프로세스-관련 데이터와 같은 데이터를 이용해 이러한 어플리케이션들(1190)을 실행할 수 있다.
보다 상세하게, 예시적인 컴퓨팅 시스템(1100)의 작동은 주로 하드 디스크 드라이브(HDD)(1115), CD 또는 DVD와 같은 광디스크(미도시), USB "썸 드라이브(thumb drive)"와 같은 고체 상태의 드라이브(미도시) 등과 같은, 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장되는 명령들과 같은, 컴퓨터 판독가능한 명령들에 의해 제어된다. 이러한 명령들은 컴퓨팅 시스템(1100)이 여기서 설명되는 작동들을 수행하도록 초래하는 중앙 처리 유닛(CPU)(1110)에 의해 실행될 수 있다. 많은 알려진 컴퓨터 서버들, 워크스테이션들, 개인용 컴퓨터들 등에 있어서, CPU(1110)는 프로세서로 지칭되는 집적 회로에 구현된다.
예시적인 컴퓨팅 시스템(1100)은 단일 CPU(1110)를 포함하도록 도시되어 있지만, 이러한 설명은 단지 예시적인 것일 뿐, 컴퓨팅 시스템(1100)은 복수의 CPU들(1110)을 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 추가적으로, 컴퓨팅 시스템(1100)은 예를 들어, 통신 네트워크(1470) 또는 다른 데이터 통신 수단을 통해, 원격 CPU들(미도시)의 자원들을 이용할 수 있다.
작동 시, CPU(1110)는 HDD(1115)와 같은 컴퓨터 판독가능 저장 매체로부터 명령들을 획득하고 디코딩하여 실행한다. 이러한 명령들은 운영 시스템(OS), 상기에서 언급된 상관 어플리케이션들과 같은 실행가능 프로그램들 등과 같은 소프트웨어에 포함될 수 있다. 컴퓨터 명령들 및 다른 컴퓨터 판독가능 데이터와 같은 정보는 시스템의 주요 데이터-전달 경로를 통해 컴퓨팅 시스템(1100)의 구성요소들 사이에서 전달된다. 데이터는 예를 들어, 스풀에 대한 물리적 특성 룩업 테이블을 포함할 수 있다. 직렬 통신 경로들을 통해 장치들 간에 데이터를 통신하기 위해 직렬 변환기들 및 역직렬 변환기들 및 크로스바 스위치들을 이용하는 아키텍쳐들과 같은 다른 컴퓨터 아키텍쳐들(미도시)이 이용될 수 있지만, 주요 데이터-전달 경로는 시스템 버스 아키텍쳐(1105)를 이용할 수 있다. 시스템 버스(1105)는 데이터를 보내기 위한 데이터 라인들, 주소들을 보내기 위한 어드레스 라인들, 및 인터럽트들을 보내고 시스템 버스(1105)를 작동시키기 위한 제어 라인들을 포함할 수 있다. 일부 버스들은 확장 카드들, 컨트롤러들, 및 CPU(1110)에 의해 버스에의 접근을 규제하는 버스 중재를 제공한다.
시스템 버스(1105)에 결합되는 메모리 장치들은 RAM(random access memory)(1125) 및/또는 ROM(read only memory)(1130)을 포함할 수 있다. 이러한 메모리들은 정보가 저장되고 검색되도록 허용하는 회로부를 포함한다. ROM들(1130)은 일반적으로 변형될 수 없는, 저장된 데이터를 포함한다. RAM(1125)에 저장된 데이터는 CPU(1110) 또는 기타 하드웨어 장치들에 의해 읽히거나 또는 변경될 수 있다. RAM(1125) 및/또는 ROM(1130)에의 억세스는 메모리 컨트롤러(1120)에 의해 제어될 수 있다. 메모리 컨트롤러(1120)는 명령들이 실행되어 가상 주소들을 물리적 주소들로 변환하는 주소 변환 기능을 제공할 수 있다. 메모리 컨트롤러(1120)는 또한 시스템 내에서 프로세스들을 격리하고 사용자 프로세스들로부터 시스템 프로세스들을 격리하는 메모리 보호 기능을 제공할 수 있다. 이로써, 사용자 모드에서 실행되는 프로그램은 정상적으로 그 자체의 프로세스 가상 주소 공간에 의해 매핑되는 메모리에만 억세스할 수 있고; 이러한 예들에서, 프로그램은 프로세스들 간에 메모리 공유가 설정되어 있지 않다면 다른 프로세스의 가상 주소 공간 내의 메모리에 억세스할 수 없다.
이에 더하여, 컴퓨팅 시스템(1100)은 통신 명령들을 CPU(1110)에서 주변장치 프린터(1140), 키보드(1145), 및 마우스(1150)와 같은, 주변장치들로 통신하고 및/또는 데이터를 주변장치들로부터 수신하는, 주변장치 통신 버스(1135)를 포함할 수 있고, 또한 여기서 설명되는 프린터들, 키보드들, 및/또는 센서들의 어떠한 조합이든 포함할 수 있다. 주변장치 버스의 일 예는 PCI(Peripheral Component Interconnect) 버스이다.
디스플레이 컨트롤러(1155)에 의해 제어되는, 디스플레이(1160)는 상기에서 언급된 컴퓨팅 프로그램(들)의 작동에 응답하여, GUI(graphical user interface) 형태와 같은, 컴퓨팅 시스템(1100)의 요청에 의해 생성되는 시각적 출력 및/또는 다른 표현들을 디스플레이하는 데 사용될 수 있다. 이러한 시각적 출력은 예를 들어 텍스트, 그래픽들, 애니메이션 그래픽들, 및/또는 비디오를 포함할 수 있다. 디스플레이(1160)는 CRT-기반 비디오 디스플레이, LCD 또는 LED-기반 디스플레이, 가스 플라즈마-기반 평판 디스플레이, 터치패널 디스플레이 등으로 구현될 수 있다. 디스플레이 컨트롤러(1155)는 디스플레이(1160)로 보내지는 비디오 신호를 생성하는 데 필요한 전자 부품들을 포함한다.
나아가, 컴퓨팅 시스템(1100)은 컴퓨팅 시스템(1100)을 인터넷, 인트라넷, 엑스트라넷 등에의 억세스를 제공하거나 이를 포함할 수 있는, 외부 통신 네트워크(1170)에 결합하는 데 사용될 수 있는 네트워크 어댑터(1165)를 포함할 수 있다. 통신 네트워크(1470)는 소프트웨어 및 정보를 전자적으로 통신하거나 전송하는 수단을 이용해 컴퓨팅 시스템(1100)에 대한 사용자 억세스를 제공할 수 있다. 추가적으로, 통신 네트워크(1470)는 여러 대의 컴퓨터들과 작업량의 공유 또는 작업 수행에 있어 협력적인 노력들을 포함하는 분산 처리를 제공할 수 있다. 도시된 네트워크 연결들은 예시적이고 또한 컴퓨팅 시스템(1100)과 원격 사용자들 간의 통신 링크들을 설립하는 다른 수단이 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.
네트워크 어댑터(1165)는 이용가능한 유선 또는 무선 기술들을 이용해 네트워크(1170)와 통신할 수 있다. 이러한 기술들은 한정적이지 않은 예로서, 셀루라, Wi-Fi, 블루투스, 적외선 등을 포함할 수 있다.
예시적인 컴퓨팅 시스템(1100)은 단지 여기서 설명되는 시스템들 및 방법들이 작동할 수 있는 컴퓨팅 환경의 예일 뿐, 상이한 구성요소들 및 구성들을 갖는 컴퓨팅 환경들에서 여기서 설명되는 시스템들 및 방법들의 구현을 제한하지 않음이 이해되어야 한다. 즉, 여기서 설명되는 진보적 개념들은 다양한 구성요소들 및 구성들을 이용하는 다양한 컴퓨팅 환경들에 구현될 수 있다.
상기의 설명들로부터, 당업자는 본 발명의 본질적인 특성들을 쉽게 확인할 수 있고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 다양한 용도들 및 조건들에 적응시키기 위해 본 발명에 다양한 변경들 및 변형들을 가할 수 있다.

Claims (20)

  1. 프린팅 방법에 있어서,
    스풀로부터 재료 가이드를 통해 가열된 노즐로 프린트 재료 필라멘트를 공급하도록 구성되는 프린트 헤드, X-Y 평면에서 상기 프린트 헤드를 움직이기 위한 X-Y 평면 제어, 및 그 위에 베이스가 프린트되는 프린트 플랫폼을 제공하는 단계;
    필라멘트 스풀 표식을 검출하는 단계;
    상기 필라멘트 스풀 표식을 제1 메모리에 저장된 상기 프린트 재료 필라멘트의 물리적 특성에 상관시키는 단계; 및
    상기 프린트 재료 필라멘트의 물리적 특성에 따라 프린트 파라미터를 변형하는 단계를 포함하는, 프린팅 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 프린트 재료 필라멘트의 물리적 특성은 상기 프린트 재료 필라멘트의 직경인, 프린팅 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 프린트 재료 필라멘트의 물리적 특성은 레이저 마이크로미터로 측정되는, 프린팅 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 필라멘트 스풀 표식은 바코드, QR 코드, 또는 RFID 중 하나인, 프린팅 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 프린트 파라미터를 변형하는 단계는 상기 프린트 재료 필라멘트의 공급 속도를 변형하는 것을 포함하는, 프린팅 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 필라멘트의 직경이 목표 직경보다 더 클 때 상기 프린트 재료 필라멘트의 목표 체적이 상기 프린트 재료 필라멘트의 주어진 길이에 대하여 증착되도록 상기 프린트 재료 필라멘트의 공급 속도는 감소되고 또한 상기 필라멘트의 직경이 목표 직경보다 더 작을 때 상기 프린트 재료 필라멘트의 목표 체적이 상기 프린트 재료 필라멘트의 주어진 길이에 대하여 증착되도록 상기 프린트 재료 필라멘트의 공급 속도는 증가되는, 프린팅 방법.
  7. 3D 프린터에 있어서,
    표식을 포함하는 필라멘트 스풀;
    상기 표식을 읽도록 구성되는 센싱 장치;
    상기 필라멘트 스풀에 대하여 물리적 특성 데이터를 저장하는 제1 메모리, 상기 물리적 특성 데이터는 상기 표식을 읽는 것에 의해 억세스가능하고;
    프린트 재료 필라멘트를 스풀로부터 재료 가이드를 통해 가열된 노즐로 공급하도록 구성되는 프린트 헤드;
    X-Y 평면에서 상기 프린트 헤드를 움직이기 위한 X-Y 평면 제어;
    그 위에 베이스가 프린트되는 프린트 플랫폼; 및
    상기 물리적 특성 데이터에 기초하여 프린트 파라미터를 실행하는 프로세서를 포함하는, 3D 프린터.
  8. 제 7 항에 있어서, 물리적 특성 룩업 테이블을 저장하는 제2 메모리를 더 포함하고, 여기서 상기 프로세서는 상기 물리적 특성 데이터와 상기 물리적 특성 룩업 테이블의 비교에 기초하여 상기 프린트 경로를 실행하는, 3D 프린터.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 센싱 장치는 레이저 마이크로미터인, 3D 프린터.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 프린트 파라미터는 상기 프린트 재료 필라멘트의 공급 속도인, 3D 프린터.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 필라멘트의 직경이 목표 직경보다 더 클 때 상기 프린트 재료 필라멘트의 목표 체적이 상기 프린트 재료 필라멘트의 주어진 길이에 대하여 증착되도록 상기 프린트 재료 필라멘트의 공급 속도는 감소되고 또한 상기 필라멘트의 직경이 목표 직경보다 더 작을 때 상기 프린트 재료 필라멘트의 목표 체적이 상기 프린트 재료 필라멘트의 주어진 길이에 대하여 증착되도록 상기 프린트 재료 필라멘트의 공급 속도는 증가되는, 3D 프린터.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 표식은 바코드, QR 코드, 또는 RFID 중 하나인, 3D 프린터.
  13. 프린트 재료 필라멘트를 생산하기 위한 시스템에 있어서,
    압출기에서 나오는 상기 프린트 재료 필라멘트의 특성을 측정하는 센서를 포함하는 압출기;
    상기 필라멘트를 스풀 상에 감도록 구성되는 스풀러, 상기 스풀은 표식을 포함하고; 및
    상기 프린트 재료 필라멘트의 특성 및 상기 표식을 저장하고 또한 3D 프린터에 의해 상기 프린트 재료 필라멘트의 특성의 검색을 위해 상기 프린트 재료 필라멘트와 상기 표식을 연결하는 메모리를 포함하고,
    이때 상기 3D 프린터는 상기 프린트 재료 필라멘트의 특성에 기초하여 프린트 파라미터를 변형하도록 구성되는, 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 프린트 파라미터는 상기 프린트 재료 필라멘트의 공급 속도인, 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 표식은 바코드, QR 코드, 또는 RFID 중 하나인, 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 압출기는 스크루 압출기이고 또한 배럴, 스크루, 적어도 하나의 히터, 및 다이를 더 포함하고, 이때 상기 센서는 상기 다이에서 빠져나오는 상기 프린트 재료 필라멘트의 특성을 측정하는, 시스템.
  17. 필라멘트 스풀을 생산하는 방법에 있어서,
    필라멘트를 압출하고 압출기로부터 나오는 상기 필라멘트의 필라멘트 재료 특성을 측정하는 단계;
    표식으로 마킹된 스풀 상에 상기 필라멘트를 감는 단계; 및
    상기 측정된 필라멘트 재료 특성을 저장하고 또한 상기 필라멘트 재료 특성에 기초하여 프린트 파라미터를 변형하는 3D 프린터에 의한 검색을 위해 메모리 내에 상기 표식에 연결시키는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 프린트 파라미터는 상기 프린트 재료 필라멘트의 공급 속도인, 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 프린트 재료 필라멘트의 물리적 특성은 상기 프린트 재료 필라멘트의 직경인, 방법.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 필라멘트 재료 특성은 레이저 마이크로미터로 측정되는, 방법.
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