KR20230155501A

KR20230155501A - 3차원 물체 생산 장치

Info

Publication number: KR20230155501A
Application number: KR1020237033631A
Authority: KR
Inventors: 페타르 스테파노프; 마누엘 샤프너
Original assignee: 스펙트로프라스트 아게
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2023-11-10
Also published as: WO2022194769A1; JP2024509624A; EP4308367A1; CN117015466A; IL305295A

Abstract

본 발명은 3차원 물체를 생산하는 장치(1)에 관한 것이다. 장치(1)는 전자기 방사선의 에너지원; 폐쇄된 바닥(12) 및 측벽(14)을 갖는 개방 상부 컨테이너(10) - 폐쇄된 바닥(12)은 전자기 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명하고, 개방된 상부 컨테이너(10)는 에너지원에 의해 공급된 전자기 방사선에 응답하여 응고되는 고형화 가능한 페이스트를 함유하도록 구성됨 -; 수직 방향으로 이동하도록 구성되고, 컨테이너(10) 위에 수직으로 위치된 빌드 플랫폼(20) - 상기 빌드 플랫폼(20)은 물체 빌드 공정 동안 컨테이너(10)의 폐쇄된 바닥(12)로부터 수직 방향으로 멀어지게 이동함 -; 및 컨테이너(10)의 폐쇄된 바닥(12)을 가로질러 적어도 부분적으로 고형화 가능한 페이스트의 층 두께를 균일하게 펼치고 정의하기 위해 페이스트 스프레딩 공정 동안 제1 방향을 따라 수평으로 이동하도록 구성된 페이스트 스프레더 어셈블리(100)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 페이스트 스프레더 어셈블리(100)는 컨테이너의 바닥과 마주하는 적어도 하나의 평면 패싯(112)을 갖는 적어도 하나의 블레이드(110)를 포함한다. 장치(1)는 적어도 하나의 블레이드(110)가 비-작동 위치로부터 제1 방향에 직교하는 수평축(104) 둘레의 작동 위치로 회전 가능하고, 적어도 하나의 블레이드(110)의 작동 위치에서 적어도 하나의 평면 패싯의 하나의 평면 패싯(112)은 컨테이너(10)의 폐쇄된 바닥(12)에 대해 각도 γ에 있고 페이스트 스프레딩 공정 동안 페이스트와 적어도 부분적으로 접촉하고, 각도 γ가 0° ≤ γ ≤ 45°의 범위에 있는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 물체 생산 장치

본 발명은 3차원 물체 생산 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고형화 가능한 페이스트(solidifiable paste)로 3차원 물체를 제조하는 장치에 관한 것이다.

적층 제조(additive manufacturing)라고도 불리는 3D 프린팅은 높은 정밀도와 정확도로 3차원 물체의 생산을 가능하게 한다. 이들 물체는 고형화 가능한 재료가 최종 3차원 물체의 연속적인 단면에 대응하는 층에 추가된다는 점에서 층별(layer-by-layer) 방식으로 구축된다.

SLA(Stereolithography) 및 DLP(Digital Light Processing) 프린팅을 포함하는 다양한 유형의 3D 프린팅 공정이 이용 가능하다. 둘 모두 전형적으로 스펙트럼의 UV 영역에서 광의 사용에 의존하여, 탄성 중합체 수지(elastomeric resin)와 같은 감광성 재료를 경화시킨다.

SLA 프린팅에서, 물체 플랫폼(빌드 플랫폼(build platform)으로도 지칭됨)은 일반적으로 액체 수지의 배스(bath)를 함유하는 컨테이너 내에 침지된다. 레이저와 같은 광원의 광이 수지의 미리 정의된 면적에 부딪칠 때, 이는 광중합을 유도하고, 미리 결정된 패턴(패턴은 컴퓨터 판독 가능한 3D 데이터에 의해 정의됨)으로 수지 층을 가로질러 레이저 광을 스위핑(sweeping)함으로써, 원하는 형상의 고형화된 수지 층이 수득된다. 전형적으로, 레이저는 수지 상에 직접 비추지 않고, 대신에 레이저 빔을 원하는 지점 상으로 지향시키는 빠르게 이동하는 미러에 의해 편향된다. SLA 프린팅과는 대조적으로, DLP 프린팅은 단일 스폿에 제한되지 않고, 대신에 전체 층이 한 번에 프린팅된다. 이는 DMD(Digital Micromirror Device)를 함유하는 DLP 프로젝터를 사용함으로써 달성된다. 광원, 통상적으로 LED에 의해 생성된 광은 DMD에 의해 선택적으로 반사되어 수지 층 상에 투사된다.

일반적으로, 물체 빌딩 공정 동안 광이 전파되는 방향에 따라 "통상의"("탑-다운(top-down)") 공정과 "반전된"("바텀-업(bottom-up)") 공정을 구별한다. 반전된 공정들에서, 물체 플랫폼은 탱크의 바닥으로부터 멀어지게 상향으로 이동한다. 물체 플랫폼과 컨테이너의 바닥 사이의 거리는 하나의 층 두께를 정의한다. 그런 다음, 물체 플랫폼과 컨테이너의 바닥 사이의 수지가 광중합(photopolymerize)된다. 다음 단계에서, 광중합된 층 구조를 유지하는 물체 플랫폼은 적어도 다른 층 높이만큼 상향으로 이동하여, 다음 층이 광중합될 수 있게 한다. 결과적으로, 프린팅된 물체는 물체 층이 하향 방향으로 연속적으로 프린팅되기 때문에 완성된 물체에 대해 거꾸로(upside down) 배향된다. 종래의 공정들에서, 빌드 플랫폼은 빌드 플랫폼의 상부에 얇은 수지 층을 남기기에 충분한 양만큼 수지 배스(resin bath) 내로 하향으로 이동한다. 그런 다음, 이 수지 층은 경화된다. 경화 단계 후에, 빌드 플랫폼은 다시 하향으로 이동하여, 다음 층이 빌드 플랫폼의 상부에 확립되고, 이는 그런 다음 경화될 수 있다. 결과적으로, 완성된 물체는 최상단 층이 고형화되는 마지막 층인 것으로 층별로 구축된다.

최근에는, 3D 프린팅 공정을 이용하여 실리콘과 같은 고형화 가능한 페이스트로 3차원 물체를 생산하는 것이 요구되고 있다. 3D 프린팅된 실리콘 부품은 산업 및 의료 분야에서 널리 사용될 수 있으며, 사출 성형 대신 SLA 또는 DLP 프린팅으로 생산하면 막대한 비용 및 시간 절감을 얻을 수 있다. SLA 또는 DLP 프린팅에서 고점도의 실리콘 또는 일반적으로 고점도의 재료를 사용하는 경우, 중력에 의해 고점도의 재료가 평평(level)하지 않게 되는 문제가 발생한다. 그러나, 고점성 재료의 평탄하고 매끄러운 표면이 3D 프린팅 공정에 가장 중요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 스프레더(spread)가 광경화 단계 전에 고점성 재료를 평탄화하는 데 사용된다.

US 2015/0224710 A1은 고형화 가능한 페이스트로부터 3차원 물체를 제조하기 위한 장치를 개시한다. 균일한 층 두께를 보장하기 위해, 페이스트 컨테이너의 바닥을 가로질러 이동되는 스프레더(spreader)가 사용된다. 스프레더는 톱니형 블레이드 립(serrated blade lip)을 갖는 블레이드를 포함한다. 고형화 가능한 페이스트가 스프레더와 컨테이너의 측벽 중 하나 사이에 포획되는 것을 피하기 위해, 스프레더는 스프레더의 이동 방향을 따라 서로 이격된 2개의 블레이드를 포함한다.

CN 209718634 U는 다시 고형화 가능한 페이스트로부터 3차원 물체를 제조하기 위한 장치에 관한 것이다. 이는 테이퍼진(tapered) 블레이드 형태의 회전가능하지 않은 스프레더를 포함한다.

전술한 관점에서, 본 발명의 목적은 고점도의 고형화 가능한 페이스트를 사용하는 종래 기술의 SLA 또는 DLP 프린팅 공정과 관련된 문제를 완화시키고, 그 품질을 추가로 향상시키는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 광경화 단계 전에 펼쳐진 고화성 페이스트에서 공핍된(depleted) 면적의 생성을 피하는 것이다.

본 목적은 독립 청구항 1의 주제에 의해 해결된다. 본 발명의 옵션의 또는 바람직한 특징은 종속항에 기재되어 있다.

본 발명에 따르면, 3차원 물체 생산 장치가 제공된다. 이 장치는 전자기 방사선의 에너지원, 폐쇄된 바닥과 측벽을 갖는 개방 상부 컨테이너(opem-top container) - 상기 폐쇄된 바닥은 상기 전자기 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명하고, 상기 개방 상부 컨테이너는 상기 에너지원에 의해 공급된 전자기 방사선에 응답하여 고형화되는 고형화 가능한 페이스트를 함유하도록 구성된, 상기 개방 상부 컨테이너, 수직 방향으로 이동하도록 구성되고 상기 컨테이너 위에 수직으로 위치된 빌드 플랫폼(build platform) - 상기 빌드 플랫폼은 물체 빌드 공정 동안 상기 컨테이너의 폐쇄된 바닥으로부터 수직 방향으로 멀리 이동함 -, 및 상기 컨테이너의 폐쇄된 바닥에 적어도 부분적으로 걸쳐 고형화 가능한 페이스트의 층 두께를 균일하게 스프레딩하고 정의하기 위해 페이스트 스프레딩 공정 동안 제1 방향을 따라 수평으로 이동하도록 구성된 페이스트 스프레더 어셈블리(paste spreader assembly)를 포함한다. 페이스트 스프레더 어셈블리는 컨테이너의 바닥을 마주하는 적어도 하나의 평면 패싯(facet)을 갖는 적어도 하나의 블레이드를 포함한다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 블레이드는 비-작동 위치로부터 제1 방향에 직교하는 수평축 둘레의 작동 위치로 회전 가능하고, 적어도 하나의 블레이드의 작동 위치에서의 적어도 하나의 평면 패싯의 하나의 평면 패싯은 컨테이너의 폐쇄된 바닥에 대해 각도 γ에 있고, 페이스트 스프레딩 공정 동안 페이스트와 적어도 부분적으로 접촉하고, 각도 γ는 0° ≤ γ ≤ 45°의 범위에 있다.

바람직하게는, 상기 적어도 하나의 블레이드는 자유 단부(free end)를 갖고, 상기 자유 단부에 상기 적어도 하나의 평면 패싯이 제공된다.

보다 바람직하게는, 다수의 평면 패싯(facet)이 적어도 하나의 블레이드의 자유 단부에 제공되고, 작동 위치에서, 다수의 평면 패싯 중 하나는 컨테이너의 폐쇄된 바닥에 대해 각도(γ)에 있다.

보다 더 바람직하게는, 다수의 평면 패싯은 서로 각진다(angled).

바람직하게는, 다수의 평면 패싯 중 2개의 인접한 평면 패싯 사이의 전이 영역이 만곡된다.

추가 옵션으로서, 적어도 하나의 블레이드는 수평축을 중심으로 연속적으로 회전 가능하다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 페이스트 스프레더 어셈블리는 제1 방향으로 이격된 2개의 블레이드를 포함하고, 각각의 블레이드는 적어도 하나의 평면 패싯을 갖는 자유 단부를 갖는다.

옵션으로, 2개의 블레이드는 제1 방향에 직교하는 수직 연장 평면에 대해 대칭이다.

바람직하게는, 상기 2개의 블레이드 사이에 공동(cavity)이 형성된다.

보다 바람직하게는, 공동은 오목하다(concave).

보다 바람직하게는, 제1 방향에 평행한 수직 단면에서, 평면 패싯의 리딩 에지(leading edge)와 만나는 공동의 지점 상의 접선(tangent)은 평면 패싯과 90° 미만의 각도(β)를 둘러싼다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 2개의 블레이드는 2개의 블레이드의 자유 단부 반대편 단부에서 서로 연결된다.

바람직하게는, 페이스트 스프레더 어셈블리는 강성 재료로 제조된다.

가장 바람직하게는, 각도(γ)는 0° ≤ γ ≤ 20°의 범위이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 도면은 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않고, 오히려 그의 바람직한 실시예를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고형화 가능한 페이스트(solidifiable paste)를 사용하여 3차원 물체를 제조하기 위한 장치의 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 장치에 사용되는 스프레더 어셈블리의 사시도를 도시한다.
도 3은 제1 비-작동 위치(non-operative position)에서 도 2의 스프레더 어셈블리의 블레이드 구성의 수직 단면도를 도시한다.
도 4는 제1 비-작동 위치에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 스프레더 어셈블리의 블레이드 구성의 수직 단면도를 도시한다.
도 5는 도 4의 블레이드 구성을 예시적인 제2 작동 위치에 도시한다.
도 6은 제1 비-작동 위치에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 스프레더 어셈블리의 블레이드 구성의 수직 단면도를 도시한다.
도 7은 제1 비-작동 위치에서 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스프레더 어셈블리의 블레이드 구성의 수직 단면도를 도시한다.

본 발명은 일반적으로 고형화 가능한 페이스트를 사용하는 임의의 3D 프린팅 공정에 적용가능하다. 구체적으로, 본 발명은 SLA, DLP 및 LCD 프린팅 공정, 또는 이전에 증착된 재료 층 또는 그 일부의 선택적인 고형화를 필요로 하는 임의의 다른 공정에 특히 적합하다.

본 명세서에 기재된 고형화 가능한 페이스트는 중합체 성분 및 비중합체 성분을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 고형화 가능한 페이스트는 탄성 중합체 페이스트, 예컨대 실리콘이다. 고형화 가능한 페이스트는 바람직하게는 고점성이며, 그 점도는 바람직하게는 10 내지 1000 Pa·s의 범위, 보다 바람직하게는 50 내지 500 Pa·s의 범위, 훨씬 더 바람직하게는 100 내지 300 Pa·s의 범위, 가장 바람직하게는 150 내지 200 Pa·s의 범위이다.

도 1은 고형화 가능한 페이스트로부터 3차원 물체를 생산하기 위해 사용되는 장치(1)의 사시도를 도시한다. 또한 도 1에는 데카르트 좌표계가 도시되어 있다. x-방향은 길이 방향을 나타내고, y-방향은 폭 방향을 나타내고, z-방향은 높이 방향을 나타내며, x-y 평면은 수평 평면을 나타내고, z-방향은 수직 방향을 나타낸다.

장치(1)는 베이스 부분(base portion)(2) 및 상부 부분(top portion)(3)을 포함하는 하우징 어셈블리를 포함한다. 상부 부분(3)은 베이스 부분(2)의 전방으로부터 오프셋되어 있지만, 바람직하게는 그의 후방과 동일 평면이다. 장치(1)가 SLP, DLP 또는 LCD 3D 프린팅을 위해 사용되는지에 관계없이, 모든 광학기기, 기계식 드라이브, 프로젝터 등은 바람직하게는 베이스 부분(2) 및 상부 부분(3)의 내부에 수용되고, 그러한 이유로 도 1에 도시되지 않는다.

베이스 부분(2)의 상단 표면은 고형화 가능한 페이스트를 수용하고 함유하도록 구성된 컨테이너(10)를 지지한다. 컨테이너(10)는 개방된 상부, 폐쇄된 바닥(12) 및 폐쇄된 바닥(12)의 둘레 주위에서 연속적인 측벽(14)을 갖는다. 고형화 가능한 페이스트를 고형화하거나 광중합(광경화)시키기 위해, 폐쇄된 바닥(12)은 고형화 공정에 사용되는 광 또는 전자기 방사선에 투명한 투명 윈도우(16)를 포함한다.

컨테이너(10)는 컨테이너(10)의 대향 측면들 상에 배열된 2개의 홀더(8)에 의해 베이스 부분(2)의 상단 표면에 고정된다. 이들 홀더(8)는 바람직하게는 너트 및 볼트와 같은 기계적 체결구에 의해 베이스 부분(2)에 고정된다. 홀더(8)는 베이스 부분(2)에 해제 가능한 방식으로 컨테이너(10)를 견고하게 장착하기 위한 목적을 제공한다.

생산될 3차원 물체를 위한 기판(홀더)으로서 작용하는 빌드 또는 물체 플랫폼(20)은 컨테이너(10) 위에 수직으로 위치된다. 빌드 플랫폼(20)은 2개의 캐리지 아암(arm)(22)을 포함하는 수직 캐리지(vertical carriage)에 장착된다. 2개의 캐리지 아암(22)은 x-방향으로 수평 방향으로 이격된다. 이들 아암(22)은 종방향 슬롯(9) 내로 연장된다. 종방향 슬롯(9)은 수직으로 연장되고, 상부 부분(3)의 전방에 제공된다. 아암(22)은 필요에 따라 빌드 플랫폼(20)을 상하로 수직으로 이동시키기 위해 기계적 드라이브(도시되지 않음)와 협력한다.

도 2를 참조하여 더 상세히 논의될 스프레더 어셈블리(100)는 수평 방향으로, 바람직하게는 x-방향으로, 즉 수직 z-방향에 대응하는 빌드 축에 수직으로 이동 가능하다. 스프레더 어셈블리(100)는 바닥 부분(2) 내부에 위치된 기계적 드라이브(mechanical drive)(도시되지 않음)와 협력한다. 스프레더 어셈블리(100)의 이동 길이는 상부 부분(2)의 상단 표면에 형성된 슬롯들(6)의 길이에 의해 제한된다. 슬롯(6)은 바람직하게는 x-방향으로 연장된다.

도 2는 스프레더 어셈블리(100)를 보다 상세하게 도시한다. 스프레더 어셈블리(100)는 2개의 수직으로 연장되는 프레임 부재들(102)을 포함한다. 스프레더 어셈블리(100)는 도 3에서 x-방향에 평행한 수직 단면으로 더 상세히 도시된 블레이드 구조 또는 블레이드 구성(108)을 더 포함한다. 블레이드 구조(108)는 2개의 프레임 부재(102)에 의해 회전 가능하게 지지된다. 이는 바람직하게는 y-방향으로 연장되는 수평 축(104)을 중심으로, 바람직하게는 연속적인 방식으로 회전될 수 있다. 전기 모터(106), 바람직하게는 서보모터가 블레이드 구조(108)를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키는데 사용된다. 축(104)을 중심으로 블레이드 구조(108)를 회전시키기 위한 다른 수단이 사용될 수 있음을 주목하는 것이 가치가 있다.

컨테이너(10) 및 빌드 또는 물체 플랫폼(20)은 폐쇄된 바닥(12)이 수평 x-y 평면에 대해 소정 각도로 배열되도록 틸트(tilt)될 수 있다는 것을 유의하는 것이 중요하다. 결과적으로, 스프레더 어셈블리의 이동 경로, 특히 블레이드 구조의 이동 경로는 여전히 수평 방향을 따르지만, 또한 수직 성분을 갖는다. 추가하여, 빌드 플랫폼(build platform)(20)은 더 이상 엄격하게 수직인 궤적을 따라, 즉 z-방향을 따라 이동하지 않고, 대신에 x-z 평면에서 선형 축외(off-axis) 경로를 따라 이동한다. 즉, 빌드 플랫폼(20)의 이동 경로는 여전히 수직 방향이지만, 또한 수평 성분을 갖는다.

도면 번호들(108, 208, 308, 408)로 표시된 블레이드 구조의 상이한 실시예들이 도 3 내지 도 7을 참조하여 아래에서 설명된다. 블레이드 구조(108, 208, 308, 408)의 상이한 회전 위치는 제1 비-작동 위치 및 제2 작동 위치로 지칭되며, 작동 위치는 블레이드 구조가 컨테이너(10)를 가로질러 이동되어 고형화 가능한 페이스트를 펼치는 블레이드 구조(108, 208, 308, 408)의 회전 위치이다. 물론 상이한 제1 비-작동 위치가 있을 수 있지만, 블레이드 구조(108, 208, 308, 408)는 또한, 컨테이너(10)의 폐쇄된 바닥(12)에 대한 블레이드 구조(108, 208, 308, 408)의 특정 면(aspect)(평면 패싯)의 각도 배향에 따라, 상이한 제2 작동 위치로 회전될 수 있으며, 특정 면(aspect)은 고형화 가능한 페이스트와 접촉하여 이를 컨테이너(10)의 폐쇄된 바닥(12)를 가로질러 퍼지게 하도록 의도된 평면 패싯이다.

블레이드 구조(108)는 블레이드 구조(108)의 제1 비-작동 위치를 도시하는 도 3의 x-방향에 평행한 수직 단면에서 더 상세히 도시된다. 블레이드 구조(108)는 바람직하게는 2개의 블레이드(110)를 포함한다. 블레이드(110)는 수직축 또는 수직면을 기준으로 대칭되게 구성되는 것이 바람직하다. 각각의 블레이드(110)는 하단 자유 단부(110a) 상에 컨테이너(10)의 폐쇄 바닥(12)을 향하거나 마주하는 평면 패싯(facet)(112), 및 이에 따라 컨테이너(10) 내부의 고형화 가능한 페이스트를 갖는다. 자유 단부(110a)에 대향하는 단부(110b)에서, 2개의 블레이드(110)는 브리지 부재(110c)에 의해 연결된다.

평면 패싯(112)의 x-방향의 길이는 바람직하게는 0.1 mm 내지 20 mm의 범위, 바람직하게는 5 mm 내지 10 mm의 범위, 더 바람직하게는 7 mm 내지 9 mm의 범위일 수 있다. 평면 패싯(112)은 바람직하게는 블레이드 구조(108)의 폭에 대응하는 폭(y-방향)을 갖는다. 추가적으로 또는 대안적으로, 평면 패싯(112)은 바람직하게는 적어도 투명 윈도우(16)의 폭 또는 적어도 프린팅될 3차원 물체의 폭에 대응하는 (y-방향으로의) 폭을 갖는다.

블레이드 구조(108)의 제1 비-작동 위치에서, 각각의 평면 패싯(112)은 수평 x-축에 대해 각도 α만큼 상향으로 경사진다. 이 각도(α)는 바람직하게는 0° < α ≤ 90°의 범위, 더 바람직하게는 0° < α ≤ 45°의 범위이다. 2개의 평면 패싯(112)의 경사 각도는 바람직하게는 동일하고 서로 상보적인데, 즉 하나의 평면 패싯(112)은 x-축에 대해 양의 각도 +α를 포함하는 반면, 다른 평면 패싯(112)은 x-축에 대해 음의 각도 -α를 포함한다. 블레이드 구조(108)의 예시적인 제2 작동 위치에서 그리고 스프레더 어셈블리(100)의 이동 방향(+/- x-방향)에 따라, 고형화 가능한 페이스트를 펼치는 데 사용되는 평면 패싯(112)들 중 하나는 바람직하게는 컨테이너(10)의 폐쇄된 바닥(12)에 평행하다. 그러나, 블레이드 구조(108)의 다른 제2 작동 위치에서, 고형화 가능한 페이스트를 펼치는 데 사용되는 평면 패싯(112) 중 하나는 바람직하게는 각도(α)와 동일하거나 그보다 작은 각도(γ)만큼 컨테이너(10)의 폐쇄된 바닥(12)에 대해 경사질 수 있다. 바람직하게는, 각도(γ)는 0° ≤ γ ≤ 45°의 범위, 더 바람직하게는 0° ≤ γ ≤ 20°의 범위이다. 각도(γ)는 고형화 가능한 페이스트를 펼치는 데 사용되는 평면 패싯과 컨테이너(10)의 폐쇄된 바닥(12) 사이의 각도로서 정의된다.

추가하여, 그리고 스프레더 어셈블리(100)의 이동 방향(+/- x-방향)에 따라, 각각의 평면 패싯(112)은 리딩 에지(leading edge)(113a) 및 트레일링 에지(trailing edge)(113b)를 갖는다. 예를 들어, 스프레더 어셈블리(100)가 +x방향으로 이동하면, 도 3의 좌측 블레이드(110)의 평면 표면(112)은 리딩 에지(113a) 및 트레일링 에지(113b)를 갖는다. 반대로, 스프레더 어셈블리(100)가 -x-방향으로 이동하면, 도 3의 우측 블레이드(110)의 평면(112)은 리딩 에지(113a) 및 트레일링 에지(113b)를 갖는다.

두 개의 블레이드(110) 사이에는 공동(cavity)(114)이 제공된다. 공동(114)은 바람직하게는 오목하지만, 또한 x-z 단면에서 볼 수 있는, 타원형, 다각형, 원호형(arc-shaped), 곡선형 또는 심지어 단순히 직사각형과 같은 다른 형상을 가질 수 있다. x-축에 평행한 수직 단면에서, 평면 패싯(112)의 리딩 에지(113a)와 만나는 공동(114)의 최저 지점 상의 접선은 바람직하게는 평면 패싯(112)과 90° 미만의 각도(β)를 둘러싼다는 것에 유의해야 한다.

도 4는 제2 비-작동 위치에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 스프레더 어셈블리의 블레이드 구조(208)를 도시한다. 블레이드 구조(208)는 2개의 블레이드(210) 사이의 공동(214)이 도 3의 블레이드 구조(108)의 공동(114)과 상이한 형상 또는 기하학적 구조를 갖는다는 점에서 도 3에 도시된 블레이드 구조(108)와 상이하다. 도 4에서, 공동(208)은 곡선이다. 도 3의 실시예에서와 같이, x-축에 평행한 수직 단면에서, 평면 패싯(212)의 리딩 에지(213a)와 만나는 공동(214)의 최저 지점 상의 접선은 평면 패싯(212)과 90° 미만의 각도(β)를 둘러싼다.

도 5는 예시적인 제2 작동 위치에서의 도 4의 블레이드 구조(208)를 도시하며, 이때 직선의 수평선은 컨테이너(10)의 폐쇄된 바닥(12)을 나타낸다. 도 5에서, 블레이드 구조(208)는 +x-방향으로 이동하는 것으로 이해되어, 리딩 에지(213a)가 트레일링 에지(213b)보다 앞선다. 각도(β)가 또한 도 5에 도시되어 있다. 블레이드 구조(208)의 이러한 예시적인 제2 작동 위치에서의 평면 패싯(212)은 컨테이너(10)의 폐쇄 바닥(12)에 평행하다.

도 6은 제1 비-작동 위치에서 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스프레더 어셈블리의 블레이드 구조(308)를 도시한다. 블레이드 구조(308)는 2개의 블레이드(310) 사이의 공동(314)이 도 3의 블레이드 구조(108)의 공동(114)과 상이한 형상 또는 기하학적 구조를 갖는다는 점에서 도 3의 블레이드 구조(108)와 상이하다. 도 3에서와 같이, 공동(308)은 또한 오목하다. 그러나, 공동(308)의 곡률 반경은 도 3의 공동(108)의 곡률 반경보다 크다. 그 결과, 도 5의 실시예에서의 각도(β)는 도 3의 실시예에서의 각도(β)보다 작다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예에 따르면, 블레이드 구조(408)에는 각각의 블레이드(410)의 자유 단부(410a)에서 다수의 평면 패싯(facet)(412a, 412b, 412c)이 제공될 수 있다. 다수의 평면 패싯(412a, 412b, 412c)은 서로에 대해 경사져 있고, 따라서 곡선형 페이스트 스프레딩 표면을 정의한다. 이들 각도는 2개의 인접한 평면 패싯 사이에서 동일할 수 있거나, 최내측 평면 패싯(412a)으로부터 최외측 평면 패싯(412c)을 향해 증가(또는 감소)할 수 있다. 도 7에서와 달리, 2개의 인접한 평면 패싯(412a, 412b) 사이의 임의의 전이 영역(415)은 바람직하게는 둥글거나 만곡될 수 있다. 도 3의 실시예에서와 같이, x-축에 평행한 수직 단면에서, 평면 패싯(412a)의 리딩 에지(413a)(다수의 평면 패싯(412a, 412b, 412c) 중 최내측 평면 패싯(412a))와 만나는 공동(414)의 최저 지점 상의 접선은 최내측 평면 패싯(412a)과 90° 미만의 각도(β)를 둘러싼다.

본 명세서에 개시된 본 발명의 모든 실시예에 관하여, 고형화 가능한 페이스트가 바람직하게는 폐쇄된 바닥 부근에서 컨테이너의 측벽 중 하나에 제공된 포트(port)(도시되지 않음)를 통해 컨테이너 내로 주입될 때, 높은 점도로 인한 고형화 가능한 페이스트는 그 자체로 중력으로 인해 유동하지 않는 경향이 있다. 따라서, 고형화 가능한 페이스트가 없는 컨테이너의 폐쇄된 바닥 상에 공핍된 면적이 있을 수 있다. 스프레더 어셈블리, 구체적으로 블레이드 구조는 그런 다음 하강되고, 하나의 평면 패싯이 컨테이너의 폐쇄된 바닥에 대해 각도(γ)만큼 기울어지고 폐쇄된 바닥으로부터 미리 결정된 거리만큼 이격되도록 블레이드 구조를 회전시킴으로써 작동 위치로 가져온다. 블레이드 구조는 그런 다음, 예를 들어 x-방향으로 수평으로 이동되어, 고형화 가능한 페이스트를 폐쇄된 바닥 위에, 바람직하게는 폐쇄된 바닥에 제공된 투명 윈도우 위에만 균일하게 펼쳐지게 하고, 일부 영역에서 과량의 페이스트를 제거하고 임의의 공핍된 면적을 페이스트로 채운다.

블레이드 구조가 바람직하게는 연속적으로 회전될 수 있다는 사실은, 블레이드 구조의 각각의 블레이드가 단지 하나의 평면 패싯을 갖더라도, 프린팅 동안 다양한 층 두께를 보장한다. 블레이드의 회전 위치를 조정함으로써, 블레이드 구조는 상이한 작동 위치들을 취할 수 있고, 따라서 평면 패싯의 가변 부분들(대안적으로 평면 패싯들 중 하나의 가변 부분들 또는 심지어 가변 평면 패싯들, 이들 중 몇몇이 블레이드 구조의 자유 단부에 제공되는 경우)은 페이스트 스프레딩 공정 동안 페이스트와 접촉할 것이다. 따라서, 연속적인 층들의 두께는 더 빠르지만 덜 세부적인, 또는 더 느리지만 더 세부적인 3D 프린팅을 달성하도록 변화될 수 있다. 또한, 다양한 스프레딩 각도(γ)를 갖는 다수의 작동 위치는 프린터가 상이한 유동학적 속성(rheological property)을 갖는 다양한 수지를 코팅하거나 프린팅하도록 허용할 수 있다.

각도(γ)는 +x 및 -x 방향으로의 블레이드 구조의 왕복 이동 동안 각각의 턴(turn) 후에 변경되고, 그 결과 평면 패싯은 전체 프린팅 공정 동안 컨테이너의 폐쇄된 바닥에 대해 가변 각도(γ)를 갖는 것으로 생각될 수 있다.

각각의 블레이드가 서로에 대해 각진 다수의 평면 패싯을 갖는 경우, 더 큰 범위의 다양한 층 두께가 수득될 수 있다. 본 발명에서, 층 두께는 바람직하게는 0.001 mm 내지 1 mm, 더욱 더 바람직하게는 0.01 mm 내지 1 mm의 범위일 수 있다.

추가하여, 블레이드 구조는 페이스트 주입구가 위치하는 컨테이너의 측벽에 맞닿게 위치될 수 있도록 구성된다. 고형화 가능한 페이스트는 그런 다음 컨테이너 내로 그리고 블레이드 구조의 공동 내로 주입된다. 공동 및 그의 체적은 따라서 컨테이너의 폐쇄된 바닥 상의 모든 공핍된 면적을 채우기 위한 고형화 가능한 페이스트를 위한 저장소로서 작용한다.

각도(γ) 및/또는 공동(cavity)의 기하학적 구조, 특히 각도(β)는 페이스트의 점도에 따라 선택될 수 있다. 각도(γ) 및/또는 각도(β)를 변화시킴으로써, 각각의 블레이드에 의해 페이스트에 가해지는 힘의 수직 및 수평 성분들이 균형을 이룰 수 있다. 예를 들어, 작은 각도(γ) 및/또는 작은 각도(β)를 선택함으로써, 이 힘의 수직 작용 성분이 증가될 수 있다. 이는 전단-박화(shear-thinning) 페이스트 재료의 맥락에서 특히 유리하다. 더 작은 각도 γ 및/또는 더 작은 각도 β로 인해, 전단력들이 전단-박화 페이스트 재료에 가해지며, 이는 페이스트 스프레딩 단계 전에 페이스트의 점도를 일시적으로 낮춘다. 따라서, 스프레딩 공정이 용이해진다.

전반적으로, 본 발명에 따른 스프레더 어셈블리의 사용으로, 페이스트 스프레딩 공정은 스프레더 어셈블리가 이동될 수 있는 고속으로 인해 더 적은 시간을 요구한다. 이는 결국, 더 빠르고 경제적인 3D 프린팅 공정을 산출한다.

Claims

3차원 물체를 생산하기 위한 장치(1)로서,
전자기 방사선의 에너지원;
폐쇄된 바닥(12) 및 측벽들(14)을 갖는 개방 상부 컨테이너(10) - 상기 폐쇄된 바닥(12)은 상기 전자기 방사선에 대해 적어도 부분적으로 투명하고, 상기 개방 상부 컨테이너(10)는 상기 에너지원에 의해 공급되는 상기 전자기 방사선에 응답하여 고형화되는 고형화 가능한 페이스트(solidifiable paste)를 함유하도록 구성됨 -;
수직 방향으로 이동하도록 구성되고, 상기 컨테이너(10) 위에 수직으로 위치되는 빌드 플랫폼(build platform)(20) - 상기 빌드 플랫폼(20)은 물체 빌드 공정 동안 상기 컨테이너(10)의 상기 폐쇄된 바닥(12)으로부터 수직 방향으로 멀어지게 이동함 -; 및
상기 컨테이너(10)의 상기 폐쇄된 바닥(12)을 가로질러 적어도 부분적으로 상기 고형화 가능한 페이스트의 층 두께를 균등하게 펼치고 정의하기 위해 페이스트 스프레딩 공정(paste spreading process) 동안 제1 방향을 따라 수평으로 이동하도록 구성된 페이스트 스프레더 어셈블리(100);를 포함하고,
상기 페이스트 스프레더 어셈블리(100)는 상가 컨테이너의 바닥과 마주하는 적어도 하나의 평면 패싯(planar facet)(112)을 갖는 적어도 하나의 블레이드(110)를 포함하고,
상기 적어도 하나의 블레이드(110)는 비-작동(non-operative) 위치로부터 상기 제1 방향에 직교하는 수평축(104) 둘레의 작동 위치로 회전 가능하고, 상기 적어도 하나의 블레이드(110)의 작동 위치에서 상기 적어도 하나의 평면 패싯 중 하나의 평면 패싯(112)은 상기 페이스트 스프레딩 공정 동안 상기 컨테이너(10)의 폐쇄된 바닥(12)에 대해 각도 γ에 있고, 상기 페이스트와 적어도 부분적으로 접촉하고, 상기 각도 γ는 0° ≤ γ ≤ 45°의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 블레이드(110)는 상기 적어도 하나의 평면 패싯(112)이 제공되는 자유 단부(110a)를 갖는, 장치(1).
제2항에 있어서, 다수의 평면 패싯(412a, 412b, 412c)이 적어도 하나의 블레이드(410)의 자유 단부(410a)에 제공되고, 상기 작동 위치에서, 다수의 평면 패싯(412a, 412b, 412c) 중 하나가 상기 컨테이너(10)의 상기 폐쇄된 바닥(12)에 대해 각도 γ에 있는, 장치(1).
제3항에 있어서, 상기 다수의 평면 패싯(412a, 412b, 412c)은 서로 각진, 장치(1).
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 다수의 평면 패싯(412a, 412b, 412c) 중 2개의 인접한 평면 패싯(410a, 410b) 사이의 전이 영역(415)은 만곡된, 장치(1).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 블레이드(110)는 상기 수평축(104)을 중심으로 연속으로 회전 가능한, 장치(1).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 페이스트 스프레더 어셈블리(100)는 상기 제1 방향으로 이격된 2개의 블레이드(110)를 포함하고, 각각의 블레이드(110)는 적어도 하나의 평면 패싯(112)이 있는 자유 단부(110a)를 갖는, 장치(1).
제7항에 있어서, 상기 2개의 블레이드(110)는 상기 제1 방향에 직교하는 수직 연장 평면에 대해 대칭인, 장치(1).
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 2개의 블레이드(110) 사이에는 공동(cavity)(114)이 형성된, 장치(1).
제9항에 있어서, 상기 공동(114)은 오목한, 장치(1).
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 제1 방향에 평행한 수직 단면에서, 상기 평면 패싯(112)의 리딩 에지(leading edge)(113a)와 만나는 상기 공동(114)의 지점 상의 접선(tangent)은 상기 평면 패싯(112)과 90° 미만의 각도 β를 둘러싸는, 장치(1).
제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 블레이드(110)는 상기 2개의 블레이드(110)의 상기 자유 단부(110a)에 대향하는 단부(110b)에서 서로 연결되는, 장치(1).
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 페이스트 스프레더 어셈블리(100)는 강성 재료로 제조된, 장치(1).
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각도 γ는 0° ≤ γ ≤ 20°의 범위에 있는, 장치(1).