KR20230104753A - 3차원 물체의 인쇄를 위한 경화 시스템 - Google Patents

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KR20230104753A
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아리에 슈와츠바움
요아브 아부디
이고르 야쿠보브
모쉐 우잔
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매시빗 3디 프린팅 테크놀로지스 리미티드
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Abstract

압출 헤드 및 압출 노즐의 적어도 한 측면에 인접하여 이동 가능하게 부착된 하나 이상의 경화 방사선 공급원을 갖는 3차원 물체 인쇄용 경화 시스템으로서, 상기 압출 헤드 및 압출 노즐과 상기 하나 이상의 경화 방사선 소스는 단일 유닛으로 함께 작동하며, 피착된 경화성 재료의 경화는 경화성 재료의 피착에 이어서 즉시 또는 동시에 적용된다.

Description

3차원 물체의 인쇄를 위한 경화 시스템{A CURING SYSTEM FOR PRINTING OF 3D OBJECTS}
본 발명의 장치 및 방법은 첨가적 제조의 분야에 관한 것이며 특히 첨가적 제조장치에 의해 피착된 경화성 재료의 경화에 관한 것이다.
3차원(3D) 물체의 제조 공정은 이미지 형태로의(in an image wise manner) 경화성 수지 재료 층의 피착(deposition)과 상기 층의 피착된 세그먼트들의 경화(curing) 또는 고화(hardening)를 포함한다. 상기 층들은 서로 상하로 피착(첨가)되므로, 상기 공정은 첨가적 제조 공정(additive manufacturing process)으로 불리며, 이 공정에 의해 컴퓨터 생성된 3차원 모델이 물리적 물체로 변환된다. 상기 공정은 상이한 또는 동일한 형상의 복수의 재료 층들의 생성을 포함한다. 상기 층들은 누적된 층들의 양이 원하는 3차원 물체를 구성하기까지 이전 층의 각각의 상부(또는 하부)에 배치되거나 피착된다.
3차원의 물리적 물체의 층들이 생성되는 재료는 액체, 페이스트, 분말, 겔 또는 다른 형태로 제공될 수 있다. 이러한 재료들의 고체 형태로의 변환은 통상적으로 적절한 화학 방사선 또는 열에 의하여 실행된다.
3차원 물체의 제조는 그 응용 범위가 매우 넓다. 이것은 시제품의 제조, 다양한 제품의 소량 제조, 장식물, 조형물, 건축 모델, 및 기타 물리적 물체들을 포함한다.
최근, 비교적 큰 크기의 물리적 물체 및 모델의 제조가 유행하고 있다. 대형의 조각상, 동물 피규어 및 장식물들이 첨가적 제조 공정에 의해 제조되고 다양한 축제, 운동장, 및 슈퍼마켓들에서 사용된다. 제조 기술이 허용하는 경우, 이 물리적 물체들 중 일부는 1:1 비율의 단일 물품으로 제조된다. 일부는 설치 장소에서 나중에 물리적 물체로 조립되는 대형 부품들로 제조된다.
3차원 물체를 제조하는 데 필요한 시간은 여러 가지 파라미터들에 좌우되며, 예컨대 자외선(UV) 복사를 이용한 수지 재료의 경화 시간, 재료 자체에 좌우되는 고체 또는 액체 재료를 층에 첨가하는 속도, 층 두께, 경화제의 강도 및 3차원 물체 상세의 원하는 해상도 등이 있다. 대부분의 3차원 물체 제조 기술 및 특히 잉크젯 인쇄에서 재료는 래스터(raster) 피착 모드로 피착되고 경화는 투광 조명(flood illumination) 모드에서 수행된다. 재료 압출은 벡터 모드에서 3차원 물체의 제조를 지원하며 압출된 재료의 경화는 국부적 또는 지역적 경화 모드로 수행될 수 있다.
경화 방사선의 통상적인 공급원 중 하나는 자외선(UV) 광원 및 특히 발광 다이오드(LED)이다. UV LED 조명기는 선형 배열 또는 2차원 행렬과 같은 다양한 구성으로 사용되며 UV 투광 조명기로서 사용된다. 기존의 UV LED 기반 경화 방사선 공급원은 3차원 물체 제조에 사용되는 압출 경화 재료를 경화시키기에 충분한 에너지를 제공하지 않는다. 더욱이, 현재 사용되는 경화 기술은 주로 더 긴 경화 시간이 필요한 경화 부위에서의 낮은 에너지 레벨로 인해 빠른 처리량을 허용하지 않는다.
일반적으로 3차원 물체의 첨가적 제조에서 그리고 특히 재료 피착 유닛이 제조되는 3차원 물체의 기하구조를 맞추기 위해 진행하는 방향을 변화시킬 때, 피착된 경화성 재료 또는 수지를 경화시키기 위해 균일하고 충분한 경화 에너지를 제공하고 유지하는 것이 기술적으로 어려운 것으로 밝혀졌다. 이것은 특히 벡터 인쇄 모드에서, 구체적으로는 2014년 2월 19일에 출원되어 본 출원의 출원인에게 양도된 특허 가출원 번호 제61/941,494호에 기술되어 있는 쉘 또는 중공 구조물의 형태의 3차원 대형 물체의 벡터 인쇄에서 사실인 것으로 밝혀졌다.
경화성 재료 또는 수지가 피착되는 제한된 영역에 유효 경화 에너지의 균질한 분포를 제공하여 3차원 물체의 구성을 형성하는 것은 매우 어렵다. 효과적인 경화가 경화 섹터의 움직임을 지원해야 할 때 더 큰 도전이 제시된다. 벡터 재료 피착 노즐과 동시에 3차원 공간에서 임의의 방향으로 경화 영역의 이동이 실행되어야 하기 때문에, 경화 에너지에 방향성을 제공하는 것은 한층 더 어렵다.
UV 경화성 방사선 공급원들이 함께 제한된 영역의 균질한 유효 경화 에너지 분포를 형성할 수 있는 구성으로 적어도 2개의 선형 UV 경화 방사선 공급원을 배치하는 것이 밝혀졌다. 그 다음, 상기 제한된 영역의 중심에서 압출 노즐이 경화성 재료를 압출하도록 노즐이 위치될 수 있다. 일단 상기 노즐의 위치설정이 완료되면, 상기 제한된 영역의 크기와 상기 압출 노즐과 제한된 영역 사이의 공간적 관계는 인쇄 세션 및 압출 노즐 진행 방향 전체에서 변하지 않는다. 이는 방향성과 함께 효과적인 국부적 인쇄 영역을 제공한다.
2개의 선형 공급원에 의해 제공되는 방사선 강도의 선형 분포의 제한된 영역(예를 들어 균일한 에너지 분포를 갖는 하나의 대략 원형의 구역(섹터)과 같은)으로의 변환은, 섹터 전체에 균일하게 분포된 거의 최대 균일 레벨의 방사선 에너지 또는 플루언스를 제공하여, 상기 피착된 수지 재료를 효과적으로(완전히) 경화시킨다.
본 발명의 장치 및 방법을 이해하고 그것이 실제로 어떻게 수행될 수 있는지 알기 위해, 이제 아래의 첨부 도면을 참조하여 비 제한적인 예로서 실시예들이 기술될 것이다:
도 1은 일 실시예에 따른 3차원 구조물의 첨가적 인쇄에 의한 제조에 적합한 시스템의 단순화된 개략도이다.
도 2는 또 다른 실시예에 따른 경화 방사선 공급원의 단순화된 평면도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 압출 헤드 및 노즐에 대한 하나 이상의 경화 방사선 공급원의 위치설정의 단순화된 측면도이다.
도 4는 압출 헤드 및 노즐에 대한 하나 이상의 경화 방사선 공급원의 위치설정의 단순화된 측면도와 또 다른 실시예에 따른 표면상의 방사선 에너지 분포의 그래프이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 표면 상에 충돌하는 방사선 플루언스(fluence)의 맵핑도이다.
도 6a 및 도 6b는 함께 도 6으로 지칭되며, 또 다른 실시예에 따른 첨가적 인쇄 공정을 위한 경화 방사선 공급원의 부분 측 단면도와 단순화된 평면도를 각각 도시한다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 첨가적 인쇄 공정을 위한 경화 방사선 공급원의 단순화된 평면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 첨가적 인쇄 공정을 위한 경화 방사선 공급원의 단순화된 평면도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 첨가적 인쇄 공정을 위한 경화 방사선 공급원의 단순화된 평면도이다.
도 10a 및 도 10b는 도 10으로 함께 참조되며, 또 다른 실시예에 따라 3차원 물체를 인쇄하기 위한 경화 방사선 시스템의 동작 및 움직임의 단순화된 평면도를 도시한다.
도 11a 및 도 11b는 도 11로 함께 참조되며, 또 다른 실시예에 따른 압출 헤드 및 노즐에 대한 하나 이상의 경화 방사선 공급원의 계층식 위치설정(tiered positioning)의 단순화된 측면도이다.
도 12a 및 도 12b는 도 12로 함께 참조되며, 또 다른 실시예에 따른 압출 헤드 및 노즐에 대한 하나 이상의 경화 방사선 공급원의 계층식 위치설정의 단순화된 측면도이다.
도 1을 참조하면, 도 1은 3차원 구조물의 첨가적 인쇄에 의한 제조에 적합한 벡터 인쇄 시스템의 일 실시예의 간략화된 예시이다. 벡터 인쇄 시스템(100)은, 예를 들어, 의사소성(pseudoplastic) 고점도 재료와 같은 경화성 재료(104)를 저장하기에 적합한 저장소 또는 재료 공급 탱크(102)와, 경화성 재료(104)를 교반하고 얇게 전단하여 재료(104)의 점도를 감소시키고 재료가 흐르게 하는 펌프(108)를 포함한다. 펌프(108)는 교반에 추가하여 대기압보다 높은 압력을 발생시켜, 경화성 재료(104)가 전달 튜브 또는 시스템(112)을 통해 압출 헤드의 압출 노즐(116)로 유동하도록 한다. 펌프에 의해 발생된 대기압보다 높은 압력은 압출 헤드(114)의 압출 노즐(116)에 전달되며, 0.1 bar 내지 30.0 bar, 통상적으로 1.0 bar 내지 20.0 bar, 및 때때로 2.0 bar 내지 10.0 bar 일 수 있다.
벡터 인쇄 시스템(100)은 3차원 공간에서, 즉 3 방향(X-Y-Z)으로 압출 노즐(116)을 이동시키도록 구성된 X-Y-Z 방향 벡터 이동 시스템(124)을 포함한다. 대안으로, 인쇄 테이블(120)이 3개의 좌표계에서 움직이도록 만들어질 수 있다. 다른 실시예에서, 3차원 공간에서의 이동, 즉 3 방향(X-Y-Z)의 이동은 압출 노즐(116) 및 인쇄 테이블(120) 모두의 2 또는 3 방향(X-Y-Z)에서의 조합된 이동으로부터 발생할 수 있다. 또한, 시스템(100)은 이동 시스템(124) 및 펌프(108)의 동작을 제어하여 경화성 재료의 조향 동작과 대기압보다 높은 값 또는 크기의 발생을 수행하는 컴퓨터(128)를 포함한다.
컴퓨터(128)는 또한 인쇄되고 있는 3차원 물체(132)에 관한 데이터를 수신하고, 수신된 데이터로부터 X-Y-Z 방향 벡터 이동 명령 및 거리를 생성하여, 경화성 재료(104)가 이미지 형태로 압출 헤드(114) 및 압출 노즐(116)을 통해 압출되도록 한다. X-Y-Z 방향 벡터 이동은 인쇄될 물체에 따라 벡터 모드 또는 래스터 모드에서 수행될 수 있다. 또한, 컴퓨터(128)는 인쇄 모드의 선택을 최적화할 뿐만 아니라 인쇄되는 물체의 특성 및 그 경화 요구사항에 기초하여 방사선 출력을 선택하도록 구성될 수 있다.
벡터 인쇄 시스템(100)은 하나 이상의 경화 방사선 공급원들(136)을 포함하는 경화 시스템(150)을 추가로 포함한다. 경화 방사선 공급원(136)은 미국 오리건주 97124 힐스보로에 주소를 둔 Phoseon Technology, Inc.로부터 상업적으로 입수 가능한 FireFlyTM 또는 Phoseon FE300과 같은 UV LED일 수 있다. 경화 방사선 공급원(136)은 최대 900W의 총 UV 전력과 380-420nm의 파장 범위의 UV 방사선을 제공할 수 있다. 대안으로, 예를 들어 미국 플로이다주 33445 덜레이 비치에 주소를 둔 CureUV, Inc.로부터 상업적으로 입수 가능한 수은 증기 램프 모델 Shot 500과 같은 UV 램프가 사용될 수 있다. 경화 방사선 공급원(136)은 경화 재료의 피착과 동시에 연속 방식으로 작동하고, 방사선은 경화 재료(104)를 경화 및 고화하도록 선택된다. 컴퓨터(128)는 경화 방사선 공급원(136)의 작동을 제어하고 인쇄 모드와 동기를 이루도록 구성될 수도 있다.
2014년 2월 19일 출원되고 본 출원의 동일한 양수인에게 양도된 특허 가출원 제61/941,494호에 기술된 바와 같은 쉘 또는 중공의 구조물의 형태인 3차원 대형 물체의 첨가적 벡터 인쇄 및 제조에서, 컴퓨터(128)는 3차원 물체(132)의 데이터를 수신할 수 있고, 이미지 형태로 압출(헤드) 압출 노즐(116)을 통해 압출된 경화성 재료(104)가 물체(132)의 슬라이스와 유사하도록, 상기 수신된 데이터로부터 X-Y-Z 방향 벡터 이동 명령 및 위 또는 아래에 하나씩 피착될 '138-1', '138-2'와 같은 스트립의 길이를 생성한다. 유사한 방식으로, 경화성 재료(104)의 일부 또는 다음 스트립이 압출된다.
도 2는, 도 1의 화살표(K)로 표시된 방향에서 본, 3차원 물체 인쇄용 경화 시스템(150)의 경화 방사선 공급원(136)의 간략화된 평면도로서, 중심 종축(206)을 따라 배열된 LED(204)의 어레이(202)를 포함할 수 있다. 경화 방사선 공급원(136)이 압출 헤드(114)에 부착될 때, 축(206)은 테이블(120)(도 1)의 표면(118)에 평행하다. LED들(204) 각각은 1 와트의 방사선 플럭스를 제공할 수 있으므로, 총 플럭스는 어레이 내의 LED(204)의 개수에 좌우된다. LED(204)의 어레이(202)는 도 2에 도시된 것과 같은 선형 어레이이거나, 예를 들어 고리(도 6 및 도 7) 또는 정사각형(도 8)과 같은 기하구조를 포함하는 임의의 적합한 기하구조를 가질 수 있다. 어레이(202) 당 LED 유닛의 개수는 10개 내지 40개 사이로 다양할 수 있다. 보다 일반적으로 어레이는 15개 ~ 35개의 LED를 포함할 수 있으며, 가장 일반적으로 어레이는 20 ~ 30 와트의 총 방사선 플럭스를 생성하는 20개 ~ 30개의 LED를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 3차원 물체(150) 인쇄용 경화 시스템의 위치설정, 즉 압출 헤드(114) 및 압출 노즐(116)에 대한 하나 이상의 경화 방사선 공급원(136)의 위치설정의 단순화된 측면도가 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 경화 방사선 공급원(136)은 압출 헤드(114)에 이동 가능하게 부착될 수 있으며 압출 헤드(114)의 적어도 하나의 측면에 인접하여 위치한다. 일 실시예에서, LED(204)의 선형 어레이(202)를 포함하는 2개의 경화 방사선 공급원(136)은 축(W)에 대한 각도(α)와 평면(306)에 대한 거리의 변화를 지원하는 방식으로 압출 헤드(114)에 부착될 수 있다. 대응하는 어레이들(202)의 중심 축들(206)(도 2)은 서로에 대해 및 인쇄 테이블(120)의 표면(118)에 대해 평행할 수 있고, 경화될 압출 재료(306)의 표면 상에 UV 방사 빔(302)을 방출할 수 있다.
도 3에서, 경화 방사선 공급원들(136)은 압출 헤드(114)를 사이에 두고 대향 측면에 인접하여 위치한다. 통상의 기술자는 경화 방사선 공급원들(136)이 서로에 대해 및 압출 노드(116)에 대해 다양한 위치에서 압출 헤드(114)에 부착될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들어 방사선 공급원들(136) 각각의 중심 종축(206)이 다른 것의 중심 종축(206)에 수직이고(예컨대, 도 8 참조) 인쇄 테이블(120)의 표면(118)에 평행이거나, 또는 임의의 두 개 이상의 경화 방사선 공급원(136)의 중심 종축들(206) 사이에 임의의 다른 원하는 상대 각도를 가질 수 있다. 대안으로 및 선택적으로, 단일 고리-형태의 경화 방사선 공급원(636)(도 6 참조)은 압출 헤드(114)에 부착되어 압출 노즐(116)을 동심원으로 둘러 쌀 수 있다.
하나 이상의 경화 방사선 공급원(136)의 압출 헤드(114)의 부착은, 경화 방사선 공급원(136)을 압출 헤드(114)와 함께 병진이동시켜, 예를 들어 둥근 형상일 수 있는 균일하게 조명된 영역과 노즐(116) 사이의 일정한 관계를 진행 방향에 관계 없이 유지하게 한다.
경화 방사선 공급원(136)는, 급격하고 예리한 방향전환뿐만 아니라 높이 및 전후 이동의 변화를 포함하는, 경화성 재료(104)의 피착 공정 동안 내내 3차원 공간에서 압출 헤드(114) 압출 노즐(116)의 정확한 병진이동 경로를 뒤따를 수 있다. 공급원(136)로부터의 경화 방사선은, 경화성 재료(104)가 경화 방사선에 의해 이미 충돌되는 영역에 피착되도록, 연속 방식으로 적용될 수있다. 따라서, 3차원 물체 인쇄용 시스템(100)의 경화 시스템(150)은 또한, 이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 경화성 재료의 피착에 이어서 즉시 또는 동시에 상기 피착된 경화성 재료의 거의 즉각적인 경화를 지원한다.
3차원 물체 인쇄용 경화 시스템(150)의 하나 이상의 경화 방사선 공급원(136)의 압출 헤드(114)에의 부착은, 압출 헤드(114)에 의한 피착 중에(즉, 경화성 재료(104)의 피착과 동시에) 피착된 경화성 재료에 UV 경화 에너지의 일정한 파라미터 및 균일 적용을 지원한다. 이들 파라미터는 특히, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 피착된 인쇄 경화성 재료 상에 충돌하는 조사된 UV의 스폿 크기 및 플루언스(열로 변환됨)를 포함할 수 있다. 3차원 물체 인쇄용 경화 시스템(150)의 경화 방사선 공급원(136)은 특정 위치설정 파라미터에 따라 압출 헤드(114)에 부착될 수 있어서, 어레이(202)의 중심 종축(206)(도 3에서 축들(206)은 도면의 평면에 수직임)은, 소정의 시간에 인쇄되고 있는 층(즉, 경화될 층)의 표면에 높이(h)로 유지되어 평행하게 진행된다. 또한, 경화 방사선 공급원(136)은 압출 헤드(114)의 중심 축(W)과 경화 방사선 공급원(136)의 중심 축(Q) 사이의 각도(α)로 압출 헤드(114)에 부착되어서, 경화 방사선 공급원들(136)로부터의 UV 방사선 빔(302) 중심의 인쇄중인 층(즉, 경화될 층)의 표면 상에 충돌하는 지점(308)이, 소정의 시간에 압출 헤드 압출 노즐의 중심 축(W)으로부터 일정 거리(d)에 있도록 한다.
위치설정 파라미터인 각도(α), 높이(h) 및 거리(d)는 고정 나사(310)를 느슨하게 하거나 조임으로써 원하는대로 조정되고 고정될 수 있다.
어떤 경우에, 각도(α)는 5 내지 35도, 보다 일반적으로는 10 내지 30도, 가장 일반적으로는 15 내지 25도 사이일 수 있다. 높이(h)는 어떤 경우에는 5 내지 35mm, 보다 일반적으로 10 내지 30mm, 가장 일반적으로는 15 ~ 25mm가 될 수 있다. 거리(d)는 어떤 경우에는 5 내지 35mm, 보다 일반적으로 10 내지 30mm, 가장 일반적으로는 15 내지 25mm 일 수 있다.
이 구성은 경화성 재료 피착 컴포넌트들, 즉 압출 헤드(114) 및 압출 노즐(116)이 3차원 물체 인쇄용 경화 시스템(150)의 경화 방사선 공급원(136)과 협력하여 단일 유닛으로서 조화되어 작동하도록 지원한다. 따라서, 3차원 공간에서(즉, 3 개의 방향 X, Y 및 Z에서) 압출 노즐(116)을 이동시키도록 구성된 X-Y-Z 방향 벡터 이동 시스템(124)은 3차원 물체 인쇄용 경화 시스템의 경화 방사선 공급원(136)에 동일한 속성을 투사하여, 경화 방사선 공급원들(136) 역시 방향 벡터 이동 시스템(124)에 의해 3차원 공간에서 동시에 이동되도록 한다. 따라서, X-Y-Z 방향 벡터 이동 시스템(124)은, 압출 헤드(114) 및 압출 노즐(116)의 벡터 방향 이동을 따라가는(shadow) 벡터 방향 이동을 3차원 물체 인쇄용 경화 시스템(150)의 경화 방사선 공급원들에 제공한다.
이제 도 4를 참조하면, 도 4는, 압출 헤드(114) 및 압출 노즐(116)에 대한 하나 이상의 경화 방사선 공급원(136)의 위치설정의 단순화된 측면도와 인쇄 테이블(120)의 표면(118)에서의 방사선 에너지 분포의 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 경화 방사선 공급원(136)과 같은 두 개 이상의 UV 방사선 공급원이 압출 헤드(114)에 부착되면, 위치설정 파라미터인 각도(α), 높이(h) 및 거리(d)의 변화가 인쇄 테이블(120)의 표면(118)에 충돌하는 경화 방사선 에너지의 분포 패턴에 영향을 주고 그 결과 경화될 피착된 경화성 재료(402)의 위치에서 경화 방사선 파라미터에 영향을 준다.
도 4에 도시된 비 제한적인 실시예에서, 경화 방사선 공급원(136) 각각은 50W의 총 방사 플루언스를 위한 25개의 LED를 포함하며, 최대 방사 출력 및 균일을 제공하도록 인쇄될 특정 물체에 대한 최적 작동점에 위치된다. 각도(α)는 20도, 높이(h)는 20mm, 거리(d)는 20mm 이다.
일반적으로, UV 방사 빔의 이러한 발산은 비교적 넓은 영역의 표면(118)에 대하여 충돌 방사 에너지의 분포를 초래할 수 있다. 본 출원인은, 전술한 위치설정 파라미터에 따른 경화 방사선 공급원(136)의 위치설정이, 표면(118)에 충돌하는 유효한(즉, 피착된 경화성 재료(402)를 완전히 경화시키는 방사선 에너지의 최대 균일 레벨) 방사의 분포를, 피착된 경화성 재료(402)를 포함하는 섹터(들)로 좁힐 수 있다는 것을 알게 되었다. 이것은 UV 경화 에너지의 적용의 효율에 크게 기여할 수 있다.
도 4의 그래프에 도시된 바와 같이, 표면(118)에 충돌하는 조사 에너지의 분포는, 경화될 피착된 경화성 재료(402)의 위치를 포함하는 표면(118)의 조사된 전체 영역의 제한된 섹터(들)(즉, 스폿 크기)만이, 섹터(들) 전체에 걸쳐 균일하게 분포된 방사 에너지 또는 플루언스의 거의 최대 균일 레벨을 제공하도록 이루어져서, 피착된 경화성 재료(402)를 (완전히)효과적으로 경화시킨다. 섹터 영역은 어떤 경우에는 5 내지 35 mm, 보다 일반적으로는 10 내지 30 mm이며, 가장 일반적으로는 15 내지 25 mm 이다. 조사 에너지 또는 플루언스의 레벨은 상기 섹터(들)의 경계 밖에서 크게 떨어지며 에너지가 필요한 곳에서만 적용되는 에너지 적용의 고효율을 나타낸다.
또한, 표면 상에 충돌하는 경화 방사선 플루언스의 맵핑 다이어그램인 도 5에 도시된 바와 같이, 도 2에 도시된 것과 같은 선형 경화 방사선 공급원들(136)을 사용하고 이것들을 도 4의 비 제한적인 실시예에 개시된 위치설정 파라미터에 따라 위치설정할 때, 인쇄 테이블(120)의 표면(118)에 충돌하는 경화 방사선 분포의 균일은, LED 어레이(202)의 중심 종축(206)에 수직인 단축(G)에 대해서만 아니라 LED 어레이들(202) 사이의 중심에 중심 축(206)에 평행하게 위치된 장축(M)에 대해서도 유지되는 것이 가능하다는 것을, 실험적으로 알 수 있었다.
도 5에 도시된 바와 같이, 가상선 경계 윤곽선으로 구획되고 참조부호 '502'로 지시된 섹터(들)는, 경화 방사선 에너지의 가장 높은(가장 어두운 음영으로 표시됨) 레벨에 의해 균일하게 충돌되는 피착된 경화성 재료 유효 경화 섹터이다. 전술한 바와 같이, 경화성 재료 피착 컴포넌트, 즉 압출 헤드(114) 및 압출 노즐(116)은 조화되어 작동하는 3차원 물체 인쇄용 경화 시스템(150)의 경화 방사선 공급원(136)과 협력하여, 섹터(들)가 압출 노즐(116)을 따라가는 방향성 벡터 이동을 갖도록 보장하고, 또한 경화성 재료(104)가 3차원 물체 인쇄용 경화 시스템(150)에 의해 동시에 경화되는 섹터(들) 내부에 연속적으로 피착되도록 보장한다.
전술한 최적의 위치설정 파라미터에 따라 그리고 압출 헤드(114)에 부착하여, 상기 설명한 바와 같이 경화 방사선 공급원들(136)을 위치설정 하면, 압출 노즐(116)에 의한 경화성 재료(104)의 피착에 이어서 즉시 또는 동시에 섹터(들)에서 최적의 유효 경화 파라미터, 즉 방사선 플럭스(114) 및 스폿 크기를 얻을 수 있다. 이것에 의해, 압출 헤드(114)의 병진이동 속도의 증가를 가능하게 함으로써 인쇄 처리량 시간을 감소시키는 것이 가능하며, 이는 제1 층 위에 제2 층을 피착하기 전에 제1 층의 경화에 좌우된다.
도 3의 비 제한적인 실시예에서 설명된 구성 및 위치설정 파라미터 하에서, 예컨대 의사소성 수지와 같은 피착된 경화성 재료(104)의 완전한(효과적인) 경화는 500 mm/초의 인쇄 속도에서 달성될 수 있음을 실험으로 확인했다. 추가의 실험은, 400 mm/초 내지 1000 mm/초 사이의 속도, 보다 일반적으로는 500 mm/초 내지 800 mm/초 사이의 속도에서 완전 또는 적어도 충분한 경화가 달성될 수 있음을 보여 주었다. 이러한 속도는 대부분의 알려진 첨가적 인쇄 수지에 대해 충분할 수 있다.
또한, 제조되는 물체에 적용되는 경화 방사선 에너지의 레벨은, 특히, 제조되는 물체의 특성에 의존하는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 컴퓨터(128)는 제조되는 3차원 물체의 특성 및 그에 의해 요구되는 경화 파라미터에 기초하여 요구되는 경화 방사선 출력을 최적화하도록 구성될 수 있다.
이제 도 6의(a) 및 도 6의(b)를 참조하면, 이 도면들은 첨가적 제조 공정을 위한 3차원 물체의 인쇄용 경화 시스템의 또 다른 실시예의 부분 측 단면도와 평면도(화살표(P)로 지시된 방향에서 본)를 간략히 도시한다. 도 6에서, 경화 방사선 공급원(636)은 고리-형태의 기하구조를 가질 수 있고, 압출 헤드(114)에 부착될 수 있고 압출 헤드(114) 압출 노즐(116)에 대해 동심원으로 위치될 수 있다. 고리-형태 경화 방사선 공급원(636)의 단면(602)는 도 3의 예와 유사하게 압출 헤드(114) 압출 노즐(116)의 중심 축(W)에 대해 각도(α)로 경사를 이룰 수 있다.
이 구성에서, 경화 방사선 공급원(636)의 LED들(204)의 각각으로부터 방출된 발산하는 UV 방사선 빔(605)의 내측 경계(604)는, 균일하게 분포된 균일한 원추형 방사선 빔(606)을 생성하여, 인쇄 테이블(120)의 표면(118) 상에 균일한 경화 에너지 분포의 섹터(들)를 생성한다. 그러므로 고리-형태 경화 방사선 공급원(636)의 대칭 기하 구조는, 도 5에 기술된 것과 유사한 방식으로 섹터(들) 전체에 방사선 경화 에너지의 균일 한 분포를 가져온다.
이제 도 7 및 도 8을 참조하면, 이 도면들은 두 개의 실시예에 따라 3차원 물체의 인쇄를 위한 두 개 이상의 경화 시스템을 도시한다. 도 7은 고리-형태의 경화 방사선 에너지 공급원(636)과 구조가 유사한 두 개의 반원형 경화 방사선 공급원(736)을 포함하는 경화 시스템(750)을 도시한다. 경화 방사선 공급원(736)은 도 3의 예에서 도시된 것과 유사한 방식으로 압출 헤드(114)에 부착될 수 있고 압출 헤드 압출 노즐 주위에 동심원으로 위치될 수 있다.
압출 헤드(114)에 대한 고리-형태의 경화 방사선 에너지 공급원(636)의 부착은 모듈식 구성으로 실행될 수 있어서, 경화 방사선 에너지 공급원(636)은 원하는 경우 경화 방사선 공급원들(136)을 대체할 수 있다. 이 구성의 장점은 경화 방사선 공급원들(136)을 쉽게 대체할 수 있고, 도 3에 도시된 것과 동일한 모듈식의 부착 방법으로부터 이익을 얻을 수 있지만, 경화 방사선 공급원(636)의 고리-형태의 대칭형 기하구조를 여전히 보존할 수 있고 또한 섹터(들) 전체에 걸쳐 방사선 경화 에너지의 분포의 균일을 가져올 수 있다는 점이다.
도 8은 경화 시스템(850)의 다른 예를 도시한다. 이 구성에서, 4개의 공급원(136)이 도 3에 도시된 것과 유사한 방식으로 압출 헤드(114)의 네 측면에 부착되고, 각각의 어레이(202)의 중심 종축(206)은 그것에 인접한 어레이(202)의 중심 종축(206)에 수직이다. 이 구성은 제작이 단순하고 도 2에 도시된 구성을 보완하며, 도 6 및 도 7의 실시예들에 의해 생성된 것과 유사한 섹터(들)를 생성함으로써, 피착된 경화성 재료(402) 상에 경화 방사선 에너지의 대칭적 적용을 제공한다.
이제 도 9를 참조하면, 이 도면은 3차원 물체를 인쇄하기 위한 경화 시스템의 또 다른 예를 도시한다. 이 구성에서, 6개의 공급원(136)이 도 3에 도시된 것과 유사한 방식으로 압출 헤드(114)의 여섯 면에 부착되어, 육각형을 형성한다. 이 구성은 제작이 용이하고 도 2에 도시된 구성을 보완하며, 도 8에 도시된 구성에 의해 생성된 것과 유사한 섹터(들)를 생성함으로써, 피착된 경화성 재료(402) 상에 경화 방사선 에너지의 대칭적 적용을 제공한다.
또한, 도 10으로 함께 참조되는 도 10의(a) 및(b)는, 컴퓨터(128)가, 도 6의 시스템(650)과 유사한 경화 방사선 공급원(636)과 3차원 물체 인쇄용 경화 시스템(1050)의 동작을 제어하고 또한 경화성 재료(104)의 피착 동안 경화 시스템(1050)과 인쇄 모드(즉, 노즐(116)의 움직임)를 동기화시키도록 구성될 수 있는 예를 도시한다. 도 10에서, 압출 헤드(114), 압출 노즐(116) 및 피착된 재료는 명료함을 위해 제거되어 있다.
도 10은 가상 선(1002)으로 도시된 미리 결정된 벡터 경로를 따르는 노즐(116)(도시되지 않음)의 벡터 방향 벡터 이동을 따라가는 경화 시스템(1050)의 벡터 이동을 도시한다. 이 구성에서, 컴퓨터(128)는 섹터(들) 내부에 피착된 물질을 경화시키기에 충분하도록 벡터 경로(1002)의 양측에 대칭적으로 분포된 8개의 LED(204-1)를 결정했다. 도 10에서, 외관상 작동 LED(204-1)는 어둡고 비 작동 LED(204-2)는 밝다. 도 10a는 참조 번호(1020)로 표시된 화살표에 의해 지시된 방향으로 미리 결정된 벡터 경로(1002)의 제1 레그(leg)(1002-1)를 따라 이동하는 시스템(500)을 도시한다.
도 10b에 도시된 바와 같이, 제1 레그(1002-1)의 끝에서, 벡터 경로(1002)는 급격히 방향을 바꾸어 레그(1002-2)가 된다. 벡터 경로(1002)를 따라 화살표(1030)로 지시된 방향으로 압출 노즐(116)(도시되지 않음)의 방향 변화 시, 컴퓨터(128)는, 3차원 물체 인쇄용 경화 시스템(1050)의 고리-형태 경화 방사선 공급원(1036)을 회전시키기 않고, 불필요한 LED(204-1)를 끄고 필요한 LED(204-2)를 켜서 LED들의 순서를 재정렬한다. 따라서, 인쇄 테이블(120)의 표면(118) 상에 충돌하는 경화 방사선 에너지 분포의 균일이, 3차원 물체 인쇄용 경화 시스템(1050)의 경화 방사선 공급원(1036)을 회전시키지 않고 개별 LED들을 제어함으로써 유지될 수 있는 섹터(들)이, 컴퓨터(128)에 의해 결정된다.
이제 도 11로 함께 지칭되는 도 11의 (a) 및 (b)를 참조하면, 이 도면들은 3차원 물체를 인쇄하기 위한 경화 시스템의 다른 예에 대한 측면도 및 평면도를 간략히 도시한다. 도 11의 (b)는 도 11의 (a)에서 참조문자(G)에 의해 화살표로 지시된 방향으로부터 얻어진 경화 시스템(1150)의 도면을 도시한다. 3차원 물체 인쇄용 시스템(1100)은 3차원 물체 인쇄용 계층식 경화 시스템(1150)을 포함하며, 이것은, 위에서 설명되고 도 3 및 도 4에 도시된 것과 유사한 방식으로, 적어도 하나의 측면으로부터 압출 헤드(114) 및 압출 노즐(116)에 인접하여 압출 헤드(114)에 이동 가능하게 부착될 수 있는 2개 이상의 경화 방사선 공급원(136)을 포함한다. 도 11의 예에서, 압출 헤드(114) 압출 노즐(116)의 양 측면 상의 각 계층은 계단식으로 배열된 2개의 경화 방사선 공급원(136-1, 136-2)으로 구성될 수 있다.
도 11에 도시된 계층식 구성은 방사선의 플럭스를 증가시켜, 동일한 스폿 크기 또는 섹터(들)(예를 들어, 도 4 참조) 크기와 전술한 이동 품질을 유지하면서, 이러한 증가된 플럭스를 요구하는 경화성 재료를 경화시키는 것을 가능하게 한다.
또한, 도 12로 함께 지칭되는 도 12의 (a) 및 (b)는, 3차원 물체를 인쇄하기 위한 경화 시스템의 또 다른 예를 도시하는 측면도 및 평면도이다. 도 12의 (b)는 참조 문자(M)로 표시된 화살표에 의해 도 12의 (a)에 지시된 방향으로부터 취해진 경화 시스템(1250)의 도면을 도시한다. 3차원 물체 인쇄용 시스템(1200)은 2개 이상의 경화 방사선 공급원(1202, 1204)을 포함하는 3차원 물체 인쇄용 계층식 경화 시스템(1250)을 포함하며, 상기 경화 방사선 공급원들(1202, 1204)은 경화 방사선 공급원(636)일 수 있고 고리-형태 기하구조를 가질 수 있고 압출 헤드(114)에 부착될 수 있으며, 위에서 설명되고 도 6에 도시된 것과 유사한 방식으로 압출 헤드(114) 및 압출 노즐(116)에 대해서 동심원으로 위치될 수 있다. 도 12의 실시예에서, 압출 헤드(114) 및 압출 노즐(116)에 대해서 동심원으로 배열된 각 계층은 계단식으로 배열된 2개의 경화 방사선 공급원(1202, 1204)으로 구성될 수 있다.
도 12에 도시한 계층식 구성은 방사선 플럭스를 증가시켜, 동일한 스폿 크기 또는 섹터(들)(예를 들어, 도 4 참조) 크기 및 전술한 이동 품질을 유지하면서, 이러한 증가된 플럭스를 요구하는 경화성 재료를 경화시키는 것을 가능하게 한다.
또한, 위에서 설명되고 도 10에 도시된 시스템(1050)에 유사한, 3차원 물체 인쇄용 경화 시스템(1250)은 컴퓨터(128)에 의해 제어되어, 그것의 벡터 이동의 방향성을 지원하고, 압출 헤드(114)와 노즐(116)의 동시 방향 벡터 이동을 따라가게 할 수 있다.
당해 기술분야의 통상의 기술자는 본 개시가 위에서 구체적으로 제시되고 설명 된 것에 한정되지 않음을 이해할 것이다. 오히려, 본 발명의 방법 및 장치의 범위는 전술한 다양한 특징들의 조합 및 부분 조합뿐만 아니라 전술한 설명을 읽을 때 통상의 기술자에게 떠오를 수 있는 당해 기술분야에 속하지 않는 그것의 수정 및 변형을 포함한다.

Claims (11)

  1. 3차원 물체를 인쇄하기 위한 경화 시스템으로서,
    압출 노즐을 갖는 하나 이상의 압출 헤드(114); 및
    고리-형태 구조를 가진 하나 이상의 경화 방사선 공급원(636)으로서, 상기 압출 헤드(114)에 이동 가능하게 부착되고 상기 압출 헤드(114)의 압출 노즐(116)에 대해 동심으로 배치된, 하나 이상의 경화 방사선 공급원(636)을 포함하며,
    상기 경화 방사선 공급원(636)은 상기 압출 헤드(114)와 함께 병진 이동하고, 경화성 재료 피착 공정 동안 3차원 공간에서 상기 압출 헤드(114)의 상기 병진 이동의 정확한 경로를 따라가는, 경화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경화 방사선 공급원은 상기 고리-형태 경화 방사선 공급원(636)의 대칭 구조로 정렬된 LED들(204)인, 경화 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고리-형태 방사선 공급원(636)의 상기 대칭 구조는 인쇄 테이블(120)의 섹터(들) 전체에 방사선 경화 에너지의 균일한 분포를 제공하는, 경화 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 경화 방사선 공급원들은 상기 압출 헤드(114)의 압출 노즐(116)의 중심 축(W)에 대하여 일정 각도를 이루는 공급원들, 계층식(tiered) 경화 방사선 공급원들(136), 및 반원형 경화 방사선 공급원들(736)의 그룹 중 하나인, 경화 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    인쇄 중인 층의 표면 위 상기 경화 방사선 공급원의 높이(h)가 5mm 내지 35mm 사이인, 경화 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    어레이 당 LED 유닛의 개수가 10개 내지 40개 사이이고, 방사선 플럭스가 20 - 30 와트인, 경화 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압출 헤드(114)에 대한 고리-형태 경화 방사선 공급원(636)의 부착은 모듈식 구성이어서, 필요에 따라 상기 경화 방사선 공급원(636)이 경화 방사선 공급원(136)을 대체할 수 있는, 경화 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    6개의 방사선 공급원(136)이 육각형으로 정렬되며, 상기 경화 방사선 공급원(636)을 대체할 수 있는, 경화 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 정확한 병진 이동 경로는 급격하고 예리한 방향전환뿐만 아니라 높이 및 전후 이동의 변화를 포함하는, 경화 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 경화 방사선 공급원(636)이 경화성 재료(104) 피착 공정 동안 병진 이동하는, 경화 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    경화 방사선에 의해 이미 충돌되는 영역에 경화성 재료가 피착되도록, 경화 방사선이 연속 방식으로 적용되는, 경화 시스템.
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