KR20240016269A - 3d 인쇄용 압출 - Google Patents

Abstract

3D 인쇄를 위한 압출기는 압출된 물질을 제공하기 위한 아웃렛, 및 압출기 내로 물질을 수용하기 위한 공급원료 인렛 피스를 포함하고, 상기 물질을 냉각시키기 위한 냉각 수단을 포함한다. 저장조는 아웃렛에 연결되고 채널을 통해 공급원료 인렛 피스와 연결된다. 채널 폭은 저장조 폭보다 낮다. 압출기는 저장조 내의 물질을 용융시키기 위한 적어도 하나의 히터, 특히 저장조 부분 내의 물질을 용융시키기 위한 히터, 및 아웃렛에 근접하고 열 브레이크에 의해 제1 저장조로부터 분리되는 제2 저장조 부분 내의 용융된 물질을 유지하기 위한 히터, 및 채널을 통한 물질의 온도 구배를 제어하기 위한 제어기를 추가로 포함한다. 제어기는 압출 동안 적어도 저장조와 채널 사이의 접합부에서 또는 채널을 따라 용융된 물질의 레벨을 유지하도록 구성된다. 이는 공급원료 인렛 피스를 통해 도입된 물질에 의해 압출을 제공하고 저장조 내의 용융된 물질을 밀어내는 것을 가능하게 한다.

Description

3D 인쇄용 압출

본 발명은 3D 인쇄 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연속 압출(extrusion)을 위한 압출 방법 및 압출기(extruder)에 관한 것이다.

3D 인쇄 및 다른 적층(additive) 제조 기술은 설계 및 프로토타이핑의 많은 자유를 허용한다. 전체 산업 제조 프로세스가 테스트 단계(phase)에만 설정되어야 하는 경우보다 적은 비용으로 설계 직후 제품을 생산하고 테스트할 수 있기 때문에 설계 프로세스와 제조의 도약(leap)을 줄일 수 있다.

잘 확립된 기술은 융합 필라멘트 제조(Fused Filament Fabrication, FFF)와 같은 와이어 기반 3D 인쇄를 포함한다. 이들 기술은, 일반적으로 압출에 의해, 플레이트 또는 다른 이미 증착된 와이어에 증착되고 부착되는 연속적인 와이어를 제공하여, 3D 물체(object)를 형성하는 것을 포함한다. 물질은 전형적으로 폴리머 및 금속 또는 이들의 혼합물이고, 부착은 접착제로서 작용하는 폴리머 또는 세라믹으로 수행될 수 있고, 때때로 이어서 소결 또는 경화되거나, 와이어 사이의 열 융착(thermal fusion)에 의해 수행될 수 있다.

그러나, 압출은 일반적으로 물질을 가열하는 것을 필요로 하여 증착 시에 융합될 수 있다. 폴리머는 점도, 열 전도도 등으로 인해 압출이 느리다. 이러한 효과를 보상하기 위해 사용 가능한 온도 범위는 화학적 분해로 인해 제한된다. 한편, 금속의 압출은 이를 용융시키는 것이 필요하고, 액체 금속은 제어된 방식으로 압출하기가 어렵다. 용융 금속의 점도는 물과 비슷하므로, FFF에서 수행된 바와 같이 액체 풀에 공급 물질(fed material)을 도입하는 것은 공급 물질의 방향에 대해 액체 체적을 대체하여 결과적으로 막히게 한다. 압출기로부터의 용융된 금속 적하 및 누출(molten metal dripping and oozing)은 또한 물질 특성으로 인해 이슈가 되며, 이는 폴리머에 대해 행해진 것과 동일한 방식으로(예를 들어, 공급 물질을 후퇴시키거나 공급 속도(feedrate)를 감소시킴으로써) 점착될 수 없다. 이러한 문제를 피하기 위해, 금속 와이어를 제공하는 것은 분말 금속과 결합제(binder), 예컨대 수지의 혼합물 및 이 혼합물을 압출함으로써 수행될 수 있다. 그러나, 이 기술은 결합제를 제거하고 증착된 물질의 층들의 완전성 및 접착성을 보장하기 위해 후처리를 필요로 하며, 이는 프로세스에서 추가 단계를 생성하고 응력, 수축 또는 균열과 같은 이슈들을 야기하여, 설계 복잡성 및 유연성을 제한한다.

용융 온도를 제어하는 것 이외에, 금속의 경우에 주변과의 산화 및 금속간 결합과 같은 화학 반응을 제어하고 아마도 회피할 필요가 있다. 열 전도는 또한 금속과 관련된 문제가 되어, 열이 공급 물질 위로 확산됨에 따라 용융을 제어하기 어렵고, 때때로 압출기 외부에서도 뜨거워지고, 이는 좌굴(buckling)이 쉽게 발생하거나 심지어 위험할 수 있기 때문에 프로세스를 방해할 수 있다.

압출력은 유속에 영향을 많이 받아 마찰, 산화 등에 매우 민감하다. 신뢰성 있고 일관된 압출은, 압력-구동 압출에 의해서도, 얻기 어렵다. 문서 US2018345573A1은 압출될 금속의 통로(passage)에 대한 압출 튜브의 저항을 극복하기 위해 가압 가스의 공급원을 필요로 하는 적층 제조 시스템을 개시한다

물질의 유형에 관계없이 제어가능한 압출 속도 및 높은 범위의 압출 속도로, 누출을 피하면서 신뢰성 있는 압출을 얻는 것이 바람직할 것이다.

본 발명의 실시예들의 목적은 추가의 압력 시스템들이 필요 없이 간단한 공급 시스템 설정에서 고속들을 포함하여 제어가능한 속도들로 금속들 또는 폴리머들의 신뢰성있는 압출이 제공될 수 있는 융합 필라멘트 제조(FFF)에 의한 3D 인쇄를 위한 디바이스 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예들의 목적은 추가의 압력 시스템들이 필요 없이 간단한 공급 시스템 설정에서 고속들을 포함하여 제어가능한 속도들로 금속들 또는 폴리머들의 신뢰성있는 압출이 제공될 수 있는 융합 필라멘트 제조(FFF)에 의한 3D 인쇄를 위한 디바이스 및 방법을 제공하는 것이다.

제1 양태에서, 본 발명은 압출된 물질을 제공하기 위한 아웃렛, 및 압출기 내로 물질을 수용하기 위한 공급원료 인렛 피스(feedstock inlet piece)를 포함하는, 3D 인쇄를 위한 압출기를 제공한다.

공급원료 인렛 피스는 압출기에 진입하는 물질을 냉각시키기 위한 냉각 수단을 포함하는 압출기 부품 또는 피스이다. 공급원료 인렛 피스는 압출기로의 물질의 진입을 허용하기 위한 인렛을 포함한다.

저장조 폭을 갖는, 물질을 용융시키고 용융된 물질을 유지하기 위한 저장조가 포함된다. 저장조는 아웃렛에 연결된다.

채널 폭을 갖는 채널이 공급원료 인렛 피스를 저장조와 연결하고 물질을 저장조로 도입하기 위해 배열된다. 채널 폭은 저장조 폭보다 낮다.

압출기는 저장조 내의 물질을 용융시키기 위한 적어도 하나의 히터, 및 채널을 통한 물질의 온도 구배를 제어하기 위한 제어기를 추가로 포함한다. 제어기는, 공급원료 인렛 피스을 통해 도입된 물질에 의한 압출을 제공하고 저장조 내의 용융된 물질을 밀어내기 위해, 압출 동안 적어도 저장조와 채널 사이의 접합부(juction)에서 또는 채널을 따라 용융된 물질의 레벨을 유지하도록 구성된다. 특히, 액체 상태와 고체 상태 사이의 전이상태에 있는 물질의 머쉬 영역(mushy region)이 채널에 존재하며, 이는 공급원료 인렛 피스보다 저장조에 더 가깝다. 이는 온도 구배에 의해 제어되며, 이는 차례로, 예를 들어 CPU에 연결된 제어기로 가열/냉각 및/또는 공급 파라미터들을 제어함으로써 제어된다. 머쉬 영역 및 공급원료 물질은 플런저로서 작용한다.

저장조 외부의 채널 내에 존재하는 머쉬 존(mushy zone) 또는 저장조를 충전하는 용융된 물질이 저장조를 밀봉하기 때문에, 압출기에는 공급 속도에 의존하는 제어 가능한 압출 속도가 제공될 수 있다는 것이 본 발명의 실시예들의 이점이다. 밀봉은 또한 상방향으로(upwards) 가는 액체의 양을 감소시킨다. 더 넓은 저장조의 존재는 와이어와 압출기의 벽 사이의 마찰을 감소시키고, 따라서 공급력이 감소될 수 있고, 따라서 와이어 공급의 경우에 굽힘(bending) 또는 좌굴의 가능성을 감소시킨다. 이는 또한 금속 압출에서도 밀봉으로 인해 누출과 적하를 감소시키거나 제거할 수 있다는 이점이 있다.

본 발명의 일부 실시예에서, 제어기는 히터를 제어하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 냉각 수단은 냉각 속도의 제어를 가능하게 하는 능동 냉각기를 추가로 포함한다. 제어기는 압출기로의 진입 시에 물질의 냉각 속도를 제어하기 위해 능동 냉각기를 제어하도록 구성된다.

본 발명의 실시예의 이점은 온도 구배의 제어를 개선함으로써 안정적이고 제어 가능한 압출이 얻어질 수 있고, 따라서 저장조 내의 물질의 온도를 감소시킬 필요가 없거나 덜 필요하면서 머쉬 존의 형성의 국소화를 개선한다는 것이다. 와이어 공급(wire feeding)에서, 채널보다 넓은 저장조의 존재, 고온으로 인해 와이어가 약해지는 부분을 제한하는 온도 구배 제어 덕분에 굽힘 가능성이 더 줄어든다. 머쉬 영역의 위치는 고정되는 것이 바람직하다. 저장조가 높은 열 질량을 갖고 변화에 느리게 반응하기 때문에, 머쉬 영역의 위치는 적하가 관찰되지 않는 온도를 발견함으로써 교정(calibrate)될 수 있다. 그러나 실험에서 최적의 가열은 공급속도에 따라 (약간) 달라지는 것으로 나타났다. 성능을 최적화하기 위해, 설정 점 온도는 공급 속도의 함수로서 변경될 수 있다.

대안적으로 또는 추가적으로, 압출기는 제어기에 의해 제어될 수 있는 공급 원료 인렛 피스 내로 물질을 공급하기 위한 물질 공급기(feeder)를 추가로 포함하고, 제어기는 공급 속도를 제어하기 위해 물질 공급기를 제어하도록 추가로 구성된다.

안정적이고 제어 가능한 압출이 상이한 공급 속도로 획득될 수 있다는 것이 본 발명의 실시예의 이점이다. 수동적(passive) 냉각 및/또는 고정된 가열 속도의 경우, 온도 구배 및 머쉬 영역 또는 구역의 위치가 제어될 수 있다는 추가의 이점이 있다.

특정 실시예에서, 물질 공급기는 와이어를 공급하기 위한 와이어 공급기이다. 압출기는 와이어 상의 압출력을 측정하기 위해 와이어 공급기와 공급원료 인렛 피스 사이에 로드 셀을 추가로 포함한다.

굽힘 또는 와이어가 미끄러지는 것을 조기에 발견하여 예방할 수 있다는 이점이 있다.

히터는 채널에 근접한 저장조의 제1 저장조 부분에 물질을 용융시키기 위한 제1 히터를 포함한다. 히터는, 제1 저장조 부분 내의 물질과 동일한 온도 또는 더 높은 온도로, 아웃렛에 근접한 저장조의 제2 저장조 부분 내의 용융된 물질을 유지하기 위해, 아웃렛에 대한 저장조의 연결에 근접한 제2 히터를 추가로 포함한다.

안정적이고 제어 가능한 압출이 상이한 물질들에 대해 얻어질 수 있다는 것이 본 발명의 실시예들의 이점이며, 여기서 제1 저장조는 피스톤 밀봉을 제공하기 위해 사용될 수 있고 제2 저장조는 압출 온도의 높은 제어를 제공하기 위해 사용될 수 있다.

특히, 제1 히터는 채널에 근접한 제1 저장조 부분과 아웃렛에 근접한 제2 저장조 부분 내의 저장조를 분리하는 열 브레이크에 의해 제2 히터로부터 이격된다. 특히 서로 다른 온도로 유지할 때 한 부분에서 다른 부분으로 열 손실이 적기 때문에 두 부분의 온도를 독립적으로 정확하게 제어할 수 있다는 이점이 있다. 특정 실시예에서, 열 브레이크는 저장조의 제2 부분으로부터 제1 부분을 열적으로 절연하도록 구성되는 추가 채널을 제공한다. 본 발명의 실시예들은 압출된 물질의 고온 제어가 제공되고 보증된다는 이점이 있다.

본 발명의 실시예들에서, 아웃렛은 아웃렛에서 압출 물질의 온도를 제어하기 위한 추가 히터를 포함한다.

열 손실, 예를 들어 아웃렛에서 압출기 노즐에 의한 열 추출이 보상될 수 있다는 것이 본 발명의 실시예들의 이점이다. 압출된 물질의 열 질량이 작을수록, 가열 응답이 빠를수록 프로세스 제어가 개선될 수 있다는 추가의 이점이다.

본 발명의 실시예들에서, 공급원료 인렛 피스를 저장조로부터 열적으로 절연하기 위해, 채널의 적어도 일부를 포함하는 절연 피스(insulating piece)가 포함된다. 실시예들의 이점은, 그것이 채널을 따라 그러나 저장조 외부에 그리고 가열기와 냉각 수단 사이에 막힘을 피하기 위해 저장조에 가깝게 머쉬 존이 형성될 수 있게 한다는 것이다. 공급원료 인렛 피스의 냉각 수단과 히터 사이에 더 제어가능한 온도 및 가파른 구배가 제공될 수 있어, 효율을 최대화할 수 있다(가파른 온도 구배를 생성하기 위해, 한 측면을 집중적으로 냉각하고 다른 측면을 가열하는 것이 요구되기 때문에).

본 발명의 실시예들에서, 전극들이 존재하고 3D 프린터의 빌드플레이트(buildplate)와 압출기 사이에 전압을 인가하도록 구성된다. 빌드플레이트를 국소적으로 가열함으로써 접착력을 향상시킬 수 있다는 것이 실시예들의 이점이다.

본 발명의 일부 실시예에서, 아웃렛은 압출 노즐, 선택적으로 교체 가능한 노즐을 포함한다.

본 발명의 제2 양태에서, 물질을 압출하기 위한 방법이 제공된다. 방법은

- 공급원료 인렛 피스를 통해 압출기에 물질을 도입하는 단계,

- 공급원료 인렛 피스를 통한 물질의 가열을 방지하면서, 용융된 물질의 레벨을 얻기 위해 저장조 내의 물질을 가열하는 단계,

- 채널 폭을 갖는 채널 및 저장조 폭을 갖는 저장조를 통해 저장조 내로 물질을 공급는 단계 - 채널 폭은 저장조 폭보다 더 작음 -,

- 압출 동안 저장조와 채널 사이의 접합부에서 또는 채널을 따라 용융된 물질의 레벨을 유지하기 위해 채널을 따라 온도 구배를 제어하는 단계, 를 포함하고,

추가 고체 물질을 저장조 내로 도입하는 것은 저장조에 연결된 아웃렛을 통해 저장조 내의 용융된 물질을 밀어내어, 압출 물질을 형성한다.

본 발명의 실시예들의 이점은, 채널 내에 존재하는 머쉬 영역 또는 구역이 저장조 밖으로 압출기를 밀봉하여 액체가 상방향으로 가지 않고 더 높은 공급 속도를 허용하기 때문에, 공급 속도를 제어함으로써 압출 속도가 제어될 수 있다는 것이다. 또한, 금속 압출에서 저점도의 용융된 물질에 대해서도 밀봉으로 인해 누출과 적하를 감소시키거나 제거할 수 있다는 것이 이점이다. 압출기를 따른 감소된 마찰이 와이어 공급의 경우에 굽힘 또는 좌굴을 감소시키는 추가의 이점인데, 그 이유는 마찰이 주로 채널을 따라 발생하고, 채널보다 더 넓은 저장조에 의해 완화되기 때문이다.

본 발명의 일부 실시예에서, 방법은 물질의 공급 속도를 제어하는 단계를 포함한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 물질을 냉각시키는 것은 냉각 속도를 제어하는 것을 포함한다. 본 발명의 실시예의 이점은, 온도 구배의 제어를 개선함으로써 안정적이고 제어 가능한 압출이 얻어질 수 있고, 따라서 저장조 내의 물질의 온도를 감소시킬 필요 없이 머쉬 존의 형성의 국소화를 개선시킬 수 있다는 것이다. 와이어 공급에서, 저장조의 존재가 압출기와의 와이어 마찰을 감소시킴에 따라 굽힘의 가능성이 추가로 감소된다. 상이한 공급 속도에 대해 안정적이고 제어 가능한 압출이 얻어질 수 있다는 추가의 이점이다.

일부 실시 형태에서, 본 방법은 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 구리를 압출하는 방법이다.

본 발명의 특정 및 바람직한 양태들은 첨부된 독립항 및 종속항들에서 제시된다. 종속항들로부터의 특징들은 독립항들의 특징들과 그리고 다른 종속항들의 특징들과, 청구항들에 단지 명시적으로 제시된 것 뿐만 아니라 적절하게, 조합될 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 양태는 이하에서 설명되는 실시예(들)로부터 명백하고 이를 참조하여 설명될 것이다.

도 1은 저장조 내의 물질을 용융시키기 위한 제어된 히터를 갖는 간단한 예를 예시한다.
도 2는 저장조 내의 물질을 가열하기 위한 2개의 히터, 및 인렛에 근접한 물질에 대한 열 전도를 감소시키기 위한 인렛의 능동 냉각기를 갖는 실시예를 도시한다.
도 3은 2개의 히터 및 상이한 히터에 의해 가열되는 저장조 내의 넥킹(necking) 또는 채널 분리 구역을 포함하는 실시예를 도시한다.
도 4는 공급원료 메커니즘을 추가로 포함하는 실시예를 예시한다.
도 5는 공급 스크류(feeding screw)를 포함하는 공급기 메커니즘(feeder mechanism)을 갖는 실시예를 도시한다.
도 6은 상이한 결합된 피스 대신에, 저장조를 포함하는 압출기의 영역을 형성하는 물질 블록을 갖는 실시예를 도시한다. 이러한 특정 예에서는, 히터가 물질에 매립되는(embeded) 옵션이 또한 도시되어 있다.
도 7은 히터들의 대안적인 구성을 갖는 실시예를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 방법 단계들을 갖는 차트이다.
도 9는 물질이 저장조 이전의 채널에서 소위 낮은 공급 속도(low feedrate)로 상 전이(phase transition)되는 머쉬 영역(mushy region)을 도시한다.
도 10은 저장조에서 용융 상태로의 전이를 도시하며, 공급 물질과 채널의 벽 사이의 갭은 소위 높은 공급 속도(high feedrate)로, 머쉬 물질(mushy material)로 채워진다.
도면은 단지 개략적이며 제한되지 않는다. 도면에서, 일부 구성 요소들의 크기는 과장될 수 있으며, 예시 목적을 위해 과장되지 않을 수 있다.
청구항에서의 어떠한 참조부호도 그 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
서로 다른 도면들에서 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소들을 의미한다.

본 발명은 특정 실시예들을 참조하여 특정 도면들을 참조하여 설명될 것이지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고 청구항들에 의해서만 설명된다. 치수들 및 상대 치수들은 본 발명의 실시에 대한 실제 축도들(reductions)에 대응하지 않는다.

또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 제1, 제2 등의 용어는 유사한 구성요소들을 구별하기 위해 사용된 것으로, 반드시 시간적, 공간적, 순위적 또는 임의의 다른 방식으로 시퀀스를 설명하기 위해 사용된 것은 아니다. 그렇게 사용된 용어들은 적절한 상황들 하에서 상호교환가능하고, 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 설명되거나 예시된 것 이외의 다른 시퀀스들로 동작할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 상부(top), 아래(under) 등의 용어들은 설명적인 목적들을 위해 사용되며, 반드시 상대적인 위치들을 설명하기 위한 것은 아니다. 그렇게 사용된 용어들은 적절한 상황들 하에서 상호교환가능하고, 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 설명되거나 예시된 것 이외의 다른 배향들로 동작할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

청구항에 사용된 용어인 "포함하는"은 그 다음에 열거되는 수단으로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 다른 엘리먼트 또는 단계를 배제하지 않는다는 것을 유의해야 한다. 따라서, 언급된 특징들, 정수들, 단계들 또는 컴포넌트들의 존재를 특정하는 것으로 해석되지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들 또는 컴포넌트들, 또는 이들의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하지 않는다. 따라서, 용어 "포함하는"은 언급된 특징들만이 존재하는 상황 및 이러한 특징들 및 하나 이상의 다른 특징들이 존재하는 상황을 커버한다. 따라서, "수단 A 및 B를 포함하는 장치"라는 표현의 범위가 컴포넌트A 및 B만으로 구성된 장치로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 이는 본 발명과 관련하여, 장치의 유일한 관련 컴포넌트는 A와 B라는 것을 의미한다.

본 명세서 전반에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "일 실시예"에 대한 언급은 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전반에 걸쳐 다양한 장소들에서 "일 실시예에서" 또는 "일 실시예에서"라는 문구들의 출현들은 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니지만, 그럴 수 있다. 또한, 특정 특징들, 구조들 또는 특성들은 하나 이상의 실시예들에서, 본 개시로부터 당업자에게 명백한 바와 같이, 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.

유사하게, 본 발명의 예시적인 실시예들의 설명에서, 본 발명의 다양한 특징들은 본 개시를 간소화하고 다양한 본 발명의 양태들 중 하나 이상의 이해를 돕기 위한 목적으로 단일 실시예, 도면, 또는 이들의 설명으로 때때로 함께 그룹화된다는 것이 이해되어야 한다. 그러나, 본 개시의 방법은 청구된 발명이 각각의 청구항에서 명시적으로 언급된 것보다 더 많은 특징을 요구한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 다음의 청구항들이 반영하는 바와 같이, 본 발명의 양태들은 단일의 전술한 개시된 실시예의 모든 특징들보다 적은 특징들에 있다. 따라서, 상세한 설명에 따른 청구항들은 본 상세한 설명에 명시적으로 통합되며, 각각의 청구항은 본 발명의 별개의 실시예로서 그 자체로 서있다.

본 명세서에 제공된 설명에서, 다수의 특정 세부사항들이 제시된다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이러한 특정 세부사항들 없이 실시될 수 있다는 것이 이해된다. 다른 경우들에서, 본 설명의 이해를 모호하게 하지 않기 위해, 잘 알려진 방법들, 구조들, 및 기술들은 상세히 도시되지 않았다.

본 발명의 실시예에서, 참조는 "머쉬 존"으로 이루어지고, 참조는 용융이 일어나는 고체의, 그 액체상과 그 고체상 사이의 영역에 관한 것이다. '고체'로, 이는 고체 상에서 물질이 이해되고, 이는 그의 상 다이어그램의 고체 영역 내에 있는 조건(온도)에서 분말, 펠릿, 와이어 등의 형태일 수 있다. 압출에 적합한 물질은 금속, 합금, 폴리머 등을 포함한다. 폴리머 물질은 또한 이들을 용이하게 압출가능한 점성 상태로 연화시키기 위해 가열을 필요로 하며, 이는 용융 상태로 간주될 수 있고 폴리머의 경우에 유리 전이 온도에서 시작하며, 이들 미용융 상태와 용융 상태 사이의 전이 영역은 또한 단순화를 위해 '머쉬 존'으로 지칭될 수 있다.

본 발명은 FFF(Fused Filament Fabrication)와 같은 3D 인쇄 방법에 관한 것으로, 특히 연속적으로 압출된 와이어가 형성되고 증착되는 와이어-기반 3D 인쇄에 관한 것이다. 압출 체적 및 하부 물질에 대한 와이어의 접착은 중요한 파라미터이다. 양호한 접착을 위해, 요건 중 하나는 와이어의 충분한 온도를 갖는 것이다.

압출을 위한 물질의 연화 및 용융은 고온(예를 들어, 물질의 용융 온도보다 높은 온도)을 필요로 하지만, 용융된 물질은 주로 낮은 점도 및 높은 열 전도성으로 인해 3D 인쇄에서 전형적으로 사용되는 폴리머 및 금속 둘 모두를 다루기 어렵다. 연화된(용융된) 물질은 와이어가 형성될 수 있도록 형성된 아웃렛, 일반적으로 노즐을 통해 강제된다. 이러한 힘은 물질이 용융된 상태를 유지하면서 제공되어야 한다.

압력 구동 압출 시스템은 마찰, 마모, 산화 등의 힘에 의존한다. 이러한 힘은 불안정하고 쉽게 변할 수 있다. 고압 시스템을 사용하는 것은 더 높은 마찰과 더 나은 제어를 허용할 수 있지만, 일부 경우에는 시스템의 복잡성을 증가시킨다.

이러한 이슈를 해결하기 위해, 체적 압출이 도입되었으며, 여기서 이상적으로 압출기에 도입된 물질의 체적은 압출된 물질의 체적과 동일하고, 이는 요구되는 힘과 무관하다. 체적 압출은 공급 물질, 예를 들어 폴리머 인쇄(FFF 기술)와 매우 유사한 과립(granulate)을 위한 공급 와이어 또는 압출 스크류의 밀기/변위에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 용융되지 않은 물질이 압출기에 도입(interduce)되고 용융된 물질과 함께 영역에 진입할 때, 용융된 물질의 체적은 최소 저항을 나타내는 공간을 향해 변위된다. 이는 일반적으로 용융되지 않은 물질이 도입되는 인렛(특히 액체 금속의 경우)를 향해 용융된 물질의 상향 유동(upflow)을 야기하여, 사고를 야기하여, 공급을 방해하고 연속적인 압출을 방지한다.

또한, 폴리머 및 금속은 상이한 압출 이슈를 나타낸다.

폴리머의 낮은 전도성은 금속의 경우와 비교하여 히터에서 폴리머로 전달되는 열을 감소시킨다. 폴리머의 최대 사용 가능 온도는 분해(decomposition)를 방지하기 위해 제한된다.

용융 폴리머는 고점성이다. 이는 높은 압출력을 필요로 하고 압출 동안 높은 마찰을 제공하여, 용융된 폴리머가 압출되는 속도는 점도에 의존하고, 낮은 열 전도도와 함께 압출 속도를 제한한다. 한편, 금속은 높은 열 전도 및 잠열을 나타내므로 용융시키기 위해 고온을 필요로 하고, 상이한 증착 단계 사이에서 압출이 일시 정지될 때 압출기로부터 공급기 막힘 및 적하/누출과 같은 문제를 나타낸다.

본 발명은 폴리머(>100mPa.s) 및 금속(<100mPa.s)을 포함하는 광범위한 점도를 갖는 상이한 물질에 대해, 그리고 광범위한 증착 속도에 대해, 고체 상태로 장치에 들어가고 용융 상태로 진입하는 물질의 압출 방법 및 압출기를 제공한다.

일부 실시예에서, 본 발명은 표준 노즐 홀(최대 ~1mm)에 대해, 1l/h 또는 심지어 그 이상에 근접한 증착 속도를 허용한다. 더 높은 노즐 직경(예를 들어, 5 mm)은 층 두께 및 가열 전력에 따라 최대 15l/h의 더 높은 증착 속도를 허용한다.

본 발명은 용융된 물질로 충전되는 압출기 내의 체적 또는 '저장조'를 제공한다. 이 저장조에 물질을 공급하기 위해 채널이 사용되며, 저장조에 연결된 아웃렛은 압출 물질을 제공한다. 압출기는 물질이 채널 상방향으로 유동하지 않도록 구성된다. 이를 위해, 압출기는 공급되는 물질이 압출기의 인렛에서 용융 온도까지 가열되지 않도록 설계되는 반면, 저장조 내의 물질은 가열되어 용융된 물질이 저장조를 충전한다. 저장조는 채널보다 넓으므로 저장조와 채널 사이의 병목현상으로 인한 저항을 증가시켜 상향 유동를 제한한다.

이러한 구성 덕분에, 채널을 통해 저장조로 진입하는 물질은 저장조를 밀봉하고 물질이 용융되는 동안 용융된 물질을 저장조 및 압출기의 아웃렛 내로 가압('밀어냄')하는 '소모성 피스톤(consumable piston)'으로서 거동한다. 따라서, 압출 속도는 물질의 공급에 의해, 예를 들어 물질이 공급되는 속도 또는 공급 속도를 변화시킴으로써 제어될 수 있다. 채널 및 저장조의 구성에 의해서뿐만 아니라 온도 구배를 제어함으로써 상방향으로 흐르는 물질의 양이 감소되거나 제거되어, 머쉬 존의 위치가 저장조에 가깝도록 보장한다. 그러나, 물질이 '머쉬'인 정확한 위치는, 예를 들어, 사용된 물질, 전력 소비, 압출된 물질의 특성, 공급 속도 및 작동 온도에 기초하여 설계의 결과이다.

즉, 저장조 전에 채널을 통과하는 공급 물질을 통한 온도 구배가 요구되어 적어도 저장조 내에, 선택적으로 저장조 및 채널의 일부 내에 용융된 물질이 존재하여 채널을 따라 머쉬 존이 존재한다. 머쉬 존은 채널의 막힘이 없도록 충분히 짧을 수 있고, 저장조와 채널 사이의 폭 차이와 함께 상향 유동를 감소시키는 것을 돕는다. 와이어-공급 물질의 경우에, 구배는 약화 존(weakening zone)을 짧게 유지할 수 있게 하고, 저장조에 의해 제공되는 감소된 마찰과 함께 좌굴의 가능성을 감소시킨다. 물질의 온도는 저장조로부터 상류에서 낮아지고, 따라서 물질은 인렛에 가까울 때 고체로 남는다. 물질은 인렛에 근접한 고온으로 인해 약화에 도달하지 않는 것이 바람직하다. 예를 들어, 알루미늄의 경우에, 약화는 약 250°C에서 시작하고 심지어 더 낮은 온도에서 좌굴이 발생할 수 있으며, 따라서 전형적으로 인렛에서의 상류 온도는 100°C를 초과하지 않아야 하며, 바람직하게는 심지어 더 낮은, 예를 들어 50°C이다. 높은 공급 속도로 물질을 공급할 때, 임의의 상향 유동하는 용융된 물질은 저장조/채널 직경 구성 및 온도 구배 덕분에 적어도 부분적으로 응고한다(solidify). 이러한 거동은 높은 공급 속도에서 머쉬 존들의 형성을 허용하여, 채널을 밀봉하고 '피스톤' 효과를 제공한다. 막힘 또는 재밍(jamming)을 감소시키거나 피하기 위해, 온도 구배 및/또는 공급 속도 가속도가 조정될 수 있어서, 물질의 상향 유동은 제한이 인렛보다 저장조에 더 근접한 제한된 구역에 유지된다. 온도 구배는 인렛에 근접하게, 제어가능한 냉각 시스템 또는 '능동 냉각'을 첨가함으로써 개선될 수 있지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고 히트 싱크 등과 같은 수동 냉각 시스템이 소위 공급원료 인렛 피스에서 압출기의 인렛에 근접하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 머쉬 존의 한계(예를 들어, 높은 공급량에서의 상향 유동의 한계)는 바람직하게는 냉각된 공급원료 인렛 피스보다 저장조에 더 가깝다. 인렛 채널의 상부에 근접한 영역과 저장조에서의 가열 영역 사이에 채널을 따라 열적 절연성이 있을 수 있다. 냉각의 유형은 압출되는 물질에 따라 조정될 수 있다.

추가적으로, 용융 금속은 어떠한 물질도 압출기에 공급되지 않을 때에도 압출기로부터 누출될 수 있는 액체로서 거동한다. 본 발명에서, 주위(ambient) 가스(예를 들어, 용융 금속의 산화를 방지하기 위해 아르곤 등과 같은 공기 또는 불활성 가스)가 압출기에 진입하여 저장조 내의 액체를 대체할 수 없고 이러한 이슈를 야기하기 때문에, 밸브 또는 압력 시스템을 필요로 하지 않고 채널 및 인렛을 밀봉하는 소모성 피스톤의 작용 때문에, 누출 및 적하가 방지된다. 더 낮은 밀도의 유체가 압출기 내로 진입하는 것을 방지하는 거동을 향상시키는 다른 인자는 용융된 물질의 높은 표면 장력, 작은 노즐 직경, 더 높은 점도를 갖는 용융된 물질 내의 외부 유체의 낮은 확산도(즉, 예를 들어 주위/주변 가스가 용융된 물질 내로 확산하는 낮은 경향)를 포함한다. 더욱이, 아웃렛을 통한, 예를 들어 노즐을 가로지르는 압력 차이는 적하를 방지하는 것을 돕는다.

이러한 거동으로 인해, 액체(금속)가 압출됨에 따라 프린트 헤드가 기판 또는 인쇄된 부품으로부터 멀리 이동될 때, 팁에서의 물질(예를 들어, 알루미늄)는 유리하게 파단(break) 또는 전단(shear off)될 수 있다. 다른 요소들은, 예를 들어, (예를 들어, 선택적인 빠른 응답 노즐 팁 히터 또는 가스, 미스트 또는 유체 증발의 냉각 제트를 온/오프함으로써) 빠른 냉각을 촉진함으로써 이러한 거동을 향상시키기 위해 포함될 수 있다. 이는 응고 범위 내에서 또는 심지어 고상선 온도(solidus temperature) 근처 또는 약간 하에서 물질을 냉각시킬 것이며, 따라서 프린트 헤드는 노즐, 프린트 헤드 또는 인쇄된 부품을 손상시키지 않고 노즐과 기재 사이의 고체 연결부를 쉽게 뜯어낼 수 있다.

제1 양태에서, 본 발명은 압출 디바이스, 또는 압출 피스, 또는 압출기에 관한 것이다. 압출기는 채널 및 저장조를 통해 연결된 공급원료 인렛 피스 및 아웃렛을 포함한다. 압출기는 저장조 내의 물질을 용융시키기 위해 적어도 하나의 히터를 갖는다. 제어기, 예를 들어, 프로세서, 심지어 전자 회로에 구현된 폐루프 제어 시스템은 저장조가 용융된 물질로 가득 차도록 프로세스의 제어를 제공하고, 머쉬 존은 인렛과 저장조 사이의 채널을 따라, 그리고 인렛, 예를 들어, 공급원료 인렛 피스보다 저장조에 더 가깝게 유지된다. 제어기는, 예를 들어, 가열기들 및/또는 냉각기들의 전력을 제어하거나, 또는 이들을 고정된 상태로 유지하고 공급 속도를 제어함으로써, 물질의 온도 구배를 제어할 수 있다. 따라서, 구배 제어는 가열 속도, 냉각 속도, 공급 속도 또는 이들 파라미터의 조합의 제어에 의해 수행될 수 있다.

도 1은 공급원료 인렛 피스(1)를 포함하는 압출기(100)가, 물질이 압출기 내로 도입될 수 있는 인렛(101)를 포함하는 피스인 것을 도시한다. 공급원료 인렛 피스(1)는 냉각 시스템을 포함하고, 이는 또한 물질, 심지어 금속 와이어들의 냉각을 이롭게 하여, 인렛에서의 물질의 약화를 추가로 방지한다. 도 1에 도시된 냉각 시스템은 수동 냉각 시스템, 예를 들어, 선택적으로 핀 등과 같은 열 소산 구조물(heat dissipating structure)을 포함하는, 열을 소산시키기 위한 적절한 물질을 포함하는 히트 싱크이다. 채널(104)은 용융된 물질의 인렛(101)와 저장조(103) 사이에서 연장된다. 채널은 저장조보다 좁다. 이는 특정 물질(및 상이한 설계 공급 속도)에 대해, 액체 필름이 고체 공급 물질(예를 들어, 와이어)와 저장조의 벽 사이에 존재하도록 치수설정되어야 한다. 이는 히터들로부터 고체 와이어로의 열 전달의 결과이다. 또한, 와이어의 경우에, 그 액체와 공급된 와이어 사이의 결과적인 마찰은 요구되는 힘이 와이어의 좌굴력보다 높지 않도록 되어야 한다. 채널의 직경은 공급원료 물질에 따라, 예를 들어 저장조와의 연결부에서 1.2 mm, 1.3 mm의 와이어에 따라 선택될 수 있는 반면, 저장조는 수 mm의 폭 또는 직경을 갖지만 저장조와의 연결부에서 채널의 직경보다 더 클 수 있으며, 예를 들어 약 10 mm, 예를 들어 8 mm일 수 있다. 저장조의 길이는 열 전달 등을 고려하여 주어진 가열 전력에 대해 달성될 최대 공급 속도에 따라 제공될 수 있다.

채널(104)은 절연 피스(2), 예를 들어 열적으로 절연 물질(예를 들어 절연 세라믹)를 포함하거나 열적으로 절연 물질로 제조된 피스를 가로지르며, 따라서 저장조(103) 내의 열은 인렛(101)의 레벨에서 물질을 약화시키지 않고 구역(1)에 의해 추출된 열은 에너지 효율을 향상시키기 위해 제한된다.

채널(104)의 직경은 일정하지 않을 수 있고, 예를 들어, 절연을 최적화하고, 좌굴 또는 마찰을 감소시키고, 물질 진입을 용이하게 하도록 적응될 수 있다는 것이 주목된다. 예를 들어, 공급원료 인렛 피스(1)를 통한 채널(104)의 직경은 상이할 수 있으며, 예를 들어 절연 피스(2)를 통한 직경보다 클 수 있으며, 예를 들어 각각 2 mm 및 1.3 mm일 수 있다.

저장조(103)는 압출 물질(202)(예를 들어, 증착을 위한 와이어, 예를 들어, 열 와이어(hot wire))를 제공하는 아웃렛(102)에 연결된다. 아웃렛(102)는 압출력, 예를 들어 노즐(3)을 제공하도록 구성될 수 있다. 하나의 히터(4)가 저장조로 진입하는 물질을 용융시키기 위해 저장조의 영역에 제공된다. 히터(4)는 유도 또는 저항 가열, 액체/가스 가열 등과 같은 임의의 공지된 적합한 시스템을 포함할 수 있다. 히터는 압출기의 외부 부분에 있을 수 있거나, 챔버 물질에 통합될 수 있거나, 심지어 용융된 물질과 접촉할 수 있다.

본 발명은 좌굴없이, 최대 100 mm/s²의 가속으로 높은 공급 속도를 허용한다.

압출기는 용융된 물질이 인렛을 향해 유동하는 것을 방지하도록 구성된다. 특히, 채널(104)은 저장조(103)보다 좁고, 온도 구배가 또한 채널을 따라 제공되므로, 머쉬 물질의 체적이 채널을 따라 형성되고, 이는 쉽게 변형되고 채널의 형상을 취하여, 채널을 밀봉한다. 따라서, 저장조 내로 도입되는 물질은 플런저로서 작용하여, 용융된 물질을 압출기 쪽으로 밀어낸다. 채널을 따라 머쉬 물질이 있도록 구배를 제공하고, 인렛을 공기 또는 기체가 진입되거나 또는 액체가 위로 유동하는 것을 차단하기 위해, 공급원료 인렛 피스(1)의 히터(4) 및 냉각 시스템은 채널(104)의 대향 극단(opposite extremes)에서, 예를 들어 저장조(103)에 또는 그에 근접하여 그리고 냉각 시스템의 바닥 주위에서 각각 고온 및 저온을 유지하도록 구성된다. 공급 속도는 구배를 제어하기 위한 가열 및/또는 냉각을 제공할 때 고려될 수 있다.

- 물질의 열 전도도가 매우 높고 및/또는 공급 속도가 낮을 때, 열은 인렛을 향해 이동하여, 공급원료 인렛 피스(1)에서의 채널의 일부 및 그에 근접한, 예를 들어, 공급원료 인렛 피스의 바닥과 저장조 사이의 채널의 길이의 절반 이하, 예를 들어, 절연 피스(2)의 상부 절반을 포함하는, 채널 부분(1041)에서 막힘, 약화, 및 용융 시작을 야기할 수 있다. 이는 구배를 제어함으로써 회피되어, 예를 들어 절연 피스(2)를 가로지르는 채널의 부분(1042)에서, 저장조(103)에 가깝게, 예를 들어 절연 피스의 절반으로부터 저장조까지 머쉬 존 및 용융이 일어나게 한다.

- 공급 속도가 열이 상방향으로 이동하는 것을 방지할 정도로 충분히 높을 때, 부분적으로 또는 완전히 고체 물질이 저장조로 진입하여 그곳에서 용융된다. 이것은 용융된 물질을 상방향으로 밀어서, 온도 구배는 이 물질이 냉각을 시작하여 저장조에 근접한 머쉬 존을 형성하고 이전과 같이 채널을 밀봉하도록 되어야 한다.

일반적으로, 머쉬 존은 상대적으로 작고 인렛에 근접한 더 차가운 영역보다 저장조에 더 근접한 것이 바람직하다. 머쉬 존이 (냉각된) 공급원료 인렛 피스에 근접한 채널에서 너무 높으면 머쉬 물질이 응고되어 막힘을 야기한다. 이는 또한 더 높은 압출력을 필요로 하여, 좌굴의 확률을 증가시킨다. 한편, 가열 및 냉각은 구배가 비교적 높지만, 유리하게는 전력 소비를 제한하기 위해 와이어에서만 이루어지도록 할 수 있다. 절연 피스(2)는 냉각 시스템에 의해 저장조로부터 너무 많은 열을 흡인하는 것(draw)을 방지한다. 작은 온도 구배는 머쉬 존의 위치 설정 및 길이를 가변 공급량에 더 민감하게 하고, 그 한계는 공급원료 인렛 피스(1)에 더 가깝게 연장되는 경향이 있다. 저장조 전의 채널의 높은 길이는 온도 구배를 추가로 감소시켜, 머쉬 존의 길이를 증가시킨다. 이 구역의 길이가 길면 마찰력이 증가하여 좌굴과 막힘 가능성이 증가한다.

물질에서의 특성(property)의 차이로 인해, 공급 속도, 온도 및 치수는 각각의 물질에 대해 최적화될 수 있다. 알루미늄 압출의 경우, 1.2 mm 와이어의 경우, 이들 값은 예시적인 파라미터로서 사용될 수 있다:

인렛 채널(104)의 길이, 예를 들어 절연 피스(2)의 부분: 5 mm 내지 12 mm.

인렛 채널 직경(104)(절연 피스(2)): 1.3mm 내지 1.5mm

온도 구배: 최고 100°C/mm

머쉬 존의 길이: 1mm-4mm

바닥 머쉬 존과 저장조 사이의 길이: 0-4mm

냉각된 공급원료 인렛 피스의 길이 1: 5 mm 내지 100 mm

구배는 제어기(107)에 의해 제어되어, 저장조로부터 공급원료 인렛 피스(1)의 바닥으로 용융된 물질의 상방향 유동(upwards flow)을 차단하는 머쉬 영역이 존재한다. 도 1의 특정 예에서, 제어 유닛 또는 제어기(107)는 히터(4)에 의해 제공되는 열의 양을 제어한다. 공급 속도, 공급되는 물질과 채널의 벽 사이의 갭, 물질 점도 및 열 전도도, 공급원료 인렛 피스(1)에서의 냉각 시스템의 냉각속도, 채널(104)의 길이 및/또는 물질의 용융 온도와 같은 인자들(factors)에 따라, 제어기(107)는, 채널이 상향 유동을 방지하기 위해 부분적으로 용융된 물질(또는 머쉬 존)로 밀봉되도록 물질의 용융 온도에 근접하거나 이를 초과하는 가열, 이보다 더 크거나 더 낮은 가열을 제공할 수 있고, 따라서 채널을 통해 공급되는 물질은 '플런저'로서 거동한다.

도 1에 도시된 바와 같은 일부 실시예에서, 압출된 물질 및/또는 압출 속도 범위에 따라, 압출 및 요구되는 구배를 제공하기 위해 단지 하나의 저장조, 가열 요소 및/또는 온도 설정이 요구된다. 그러나, 능동 냉각 및 다중 가열기들 및/또는 온도 설정 점들(도 2)을 제공하는 것은 유연성을 증가시킬 수 있는데, 예를 들어 상이한 압출 속도들이 제공될 수 있다.

도 2는 공급원료 인렛 피스(1)에 능동 냉각이 제공되는 본 발명의 실시예를 도시한다. 능동 냉각은 임의의 형태의 제어 가능한 액체 또는 가스(예를 들어, 강제 공기), 열-전기 또는 열 파이프에 의해 제공될 수 있다. 예를 들어, 공급원료 인렛 피스(1)는 능동 냉각기(109)를 포함할 수 있으며, 이는 유체(가스, 물과 같은 액체 등)를 냉각시키기 위한 파이프의 회로를 포함할 수 있다. 이러한 능동형 냉각 시스템은 특정 응용에 따라 냉각 속도를 증가 또는 감소시키면서 제어될 수 있다. 이는 예를 들어 다음과 같은 경우에 유리하다.

- 상이한 공급 속도로 공급 물질(예를 들어, 금속 와이어)의 열 전도성을 보상하여, 큰 약화 존을 감소시킴,

- 압출기의 미리 결정된 구역, 바람직하게는 인렛보다 저장조에 더 근접한 구역에서 머쉬 존을 생성하기 위한 온도 구배를 제공함,

- 채널을 통해 공급되는 물질의 온도 구배를 다른 공급 속도로 제어함.

능동 냉각은 단일 히터와 조합될 수 있지만, 머쉬 존의 제어의 온도가 요구되는 압출 온도와 상이할 수 있기 때문에, 본 발명의 일부 실시예는 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 히터를 포함한다. 이는 단지 특정 예이며, 복수의 히터가 또한 도 1에 도시된 것과 같은 공급원료 인렛 피스에서 수동 냉각을 갖는 압출기에 적용될 수 있다. 여러 개의 히터를 갖는 것은 저장조 내의 물질이 상이한 구역들, 예를 들어 하나의 구역이 아웃렛보다 채널에 더 가깝고 다른 비-중첩 구역이 채널보다 아웃렛에 더 근접한 구역에서 가열될 수 있게 한다.

히터는 동일한 온도에서 물질을 가열할 수 있다. 이는 폴리머에 대해 수행될 수 있어, 머쉬 존에서 그리고 아웃렛에 가깝게, 예를 들어 압출 존에서 온도의 제어를 허용한다. 2개의 구역들에서의 열 추출은 상이할 수 있어서, 동일한 온도 설정 점이 요구되더라도, 2개의 구역들의 온도를 (독립적으로) 제어하는 2개의 상이한 히터들을 사용하는 것이 유리하다. 이는 예를 들어, 현재의 FFF 설계보다 유리하다. 대안적인 실시예들에서, 채널(104)에 더 근접한 히터 또는 히터들은 채널로부터 더 멀리 있는 히터 또는 히터들보다 더 낮은 온도로 물질을 가열할 수 있다. 이는 (금속들에서와 같이) 큰 열 전도율을 갖는 물질들에서 유리한데, 이는 제1 저장조 부분(113)의 히터를 히터들의 나머지로부터 분리하는 것, 예를 들어, 양호하고 연속적인 압출을 제공하기 위해 가열을 위한 히터로부터 온도 구배를 제공하도록 가열을 위한 히터를 분리하는 것을 허용하기 때문이다. 다시 말해서, 공급 물질의 피스톤 효과를 제공하는 데 필요한 온도는 제1 히터에 의해 제어될 수 있는 반면, 고체-액체 전이의 온도보다 훨씬 더 높은 압출을 위한 최적 온도는 최적의 압출 온도(예를 들어, 채널보다 아웃렛에 더 가까움)에서 물질을 가열하는 제2 히터에 의해 제공될 수 있다. 일부 비제한적인 예에서, 금속의 경우, 제2 저장조에서 100°C 내지 500°C 더 고온일 수 있는 반면, 폴리머의 낮은 전도도로 인한 폴리머의 경우, 약 50°C까지 더 고온인 임의의 차이가 아닐 수 있다. 이는 저장조(103) 내의 2개의 구역, 즉 물질이 제1 히터(4)에 의해 가열되는 제1 저장조 부분(113), 및 물질이 제2 히터(7)에 의해 가열되는 제2 저장조 부분(112)을 초래한다. 온도 구배의 발생에 전용되는(dedicated) 제1 저장조 부분(113) 및 최적의 압출 열의 발생에 전용되는 제2 저장조 부분(112)의 존재는 상이한 가열 속도에서 압출 프로세스의 더 양호한 제어를 가능하게 한다.

히터(4, 7)는 동일하거나 상이한 유형일 수 있으며, 예를 들어 의도된 온도 범위에 대해 최적화될 수 있다. 설계, 프로세스 및 압출 물질이 허용한다면, 이는 심지어 도 1에 도시된 것과 동일한 가열기일 수 있거나 또는 미리 정의된 전력 분포를 갖는 것일 수 있다.

일부 구현예에서, 공급 물질의 온도 구배, 예를 들어 채널에서의 구배는 제어기(117)에 의해 냉각 속도를 제어하거나, 채널에 가장 근접한 히터(4)의 가열 속도를 제어하거나, 또는 능동 냉각기(109)의 냉각 속도 및 채널에 가장 근접한 히터(4)의 가열 속도 모두를 제어함으로써 제공될 수 있다. 또한, 제어부(117)는 제2 히터의 제어를 제공할 수 있다.

일부 실시예들에서, 제1 및 제2 히터들은 적어도 열 브레이크(5)에 의해 서로 열적으로 절연되어, 그들의 가열 속도가 정확하게 설정 또는 제어될 수 있다. 이러한 열 브레이크(5)는, 비록 저장조의 온도들의 범위 내의 온도에서 열 플럭스들을 절연하도록 최적화되지만, 절연 피스(2)와 유사할 수 있다.

도 3은 제1 저장조 부분 (113) 및 제2 저장조 부분 (112)이 저장조(103)의 나머지 부분보다 더 작은 직경을 갖는 제2 채널(106) 또는 넥킹을 제공하는 열 브레이크(5)에 의해 연결되는 본 발명의 실시예를 도시한다. 이 직경은 공급 채널 직경보다 크거나, 동일하거나 작을 수 있다. 직경이 작을수록 절연성이 우수한데, 액체로 열이 덜 이동할 수 있기 때문에 마찰을 고려해야 하며 재질, 점도 등에 따라 균형을 찾아야 한다. 채널(106)의 존재는 액체 금속과 같은 높은 열 전도도 및 낮은 점도를 갖는 물질과 관련이 있다. 따라서, 폴리머의 경우, 낮은 전도도 및 높은 점도로 인해, 직경은 예를 들어 저장조의 나머지 만큼 더 큰 것이 바람직할 수 있다(실제로, 도 2에 도시된 바와 같이 넥킹 제거).

본 발명의 실시예들에 있어서, 추가 히터(9)가 아웃렛에 추가될 수 있다. 예를 들어, 출력부(output)에서의 압출 노즐은 워크피스/인쇄 부품 및 주위에 의한 열 추출을 보상하기 위해 노즐 팁 히터(nozzle tip heater)(9)를 포함할 수 있다. 히터가 액화된 물질의 작은 열 질량 부분과 접촉하기 때문에, 가열 응답이 높고 최적의 프로세스 제어를 가능하게 한다. 예를 들어, 히터를 턴 오프하는 것은 팁의 빠른 냉각 및 응고, 프로세스 제어를 개선하고 적하를 감소시키는 것 등을 허용할 수 있다.

추가 히터(9)는 온도 구배를 제어하는 동일한 제어기(예를 들어, 히터, 또는 능동 냉각 시스템, 또는 둘 모두를 제어하는 제어기(127))에 의해 제어될 수 있다.

그러나, 이러한 노즐 히터(9)는 일부 물질에 대해, 예를 들어 낮은 용융 온도 및/또는 낮은 열 전도율을 갖는 물질에 대해 요구되지 않을 수 있다.

도 4는 도 3에서와 같이 2개의 저장조 부분들 및 추가 채널(106)을 포함하는 실시예를 도시한다. 도 4는 또한, 본 발명이 (예를 들어, 적어도 능동 냉각기(109), 또는 제1 저장조 부분(113)을 위한 히터(4), 또는 둘 모두를 제어함으로써) 온도 구배를 제공하도록 구성된 제어기(137), 및 압출 온도를 제어하도록 전용되는 제2 제어기(147), 예를 들어, 제2 저장조 부분(112)의 히터 및 추가 히터(9), 예를 들어, 팁 히터를 포함할 수 있음을 도시한다.

본 발명의 일부 실시예에서, 공급기 메커니즘(108), 예를 들어 공급원료 및/또는 구동 시스템이 공급 물질의 체적 변위를 제공하고 완전히 액체 상태에서 압출을 수행하기에 충분한 압력을 제공하기 위해 포함될 수 있다. 이러한 시스템은 사용되는 물질의 유형에 따라 다르다. 예를 들어, 와이어의 경우, 공급원료 및 구동 시스템은 공급 휠을 포함할 수 있다. 과립 또는 펠릿이 공급 물질로서 사용되는 경우, 공급원료는 호퍼 및 구동 시스템, 예를 들어 압출 스크류를 포함할 수 있다.

이러한 공급기 메커니즘(108)은 보우덴 공급 원리(Bowden feeding principle)로서 공지된 구성에서, 압출기로부터 미리 결정된 거리에, 예를 들어 프린터의 프레임 상에 위치될 수 있다. 또는 공급기 메커니즘이 상단에 직접 설치되고 압출기와 정렬되어 프린트헤드의 일부가 될 수 있다. 그러나, 이는 압출기에서 관리되는 고온에 의해 영향을 받지 않을 정도로 충분히 멀리 떨어져 있으며, 예를 들어, 이는 50°C 이하의 영역에 배치될 수 있어서, 압출기에 비해 냉각될 수 있으므로, 움직이는 부품, 시일 및 메커니즘의 다른 부품은 열 손상의 위험이 낮다.

공급기 메커니즘은 예를 들어, 본 발명의 실시예들에서 상이한 압출속도들을 초래하는 상이한 공급속도들을 제공하기 위해 제어될 수 있다. 온도 구배를 제어하는 데 사용되는 제어기(137)는 또한 또는 대안적으로, 예를 들어 중앙 처리 유닛을 포함하는, 공급기 메커니즘(108)과 제어기(137) 사이의 적절한 알고리즘 및 연결부를 설정함으로써 공급 속도, 압력 등을 제어하는 데 사용될 수 있다. 따라서, 채널을 따른 온도 구배의 정밀한 제어를 위해 공급 속도가 고려되고 제어될 수 있다. 예를 들어, 공급 물질이 매우 높은 전도성을 갖는 와이어인 경우에, 머쉬 존이 채널을 따라 최적의 위치에 있도록 보장하기 위해, 와이어의 약화가 굽힘 등을 야기하지 않도록 가열 전력 및 온도 구배가 적절하게 선택될 수 있다. 바람직한 실시예들에서, 공급 속도는 미리 결정되고, 온도 구배는 이에 따라 제어되고 설정된다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 공급 속도를 튜닝할 수도 있다. 전도도가 와이어를 따라 비교적 빠르게 퍼짐에 따라, 속도는 폴리머 와이어의 경우보다 높을 수 있다. 이를 위해, 제어기는 (능동 냉각(109)이 존재하는 경우에 또한 제어될 수 있는) 냉각 속도 및/또는 예를 들어 저장조의 제1 또는 상부 부분에서의 저장조 내의 히터의 가열 속도를 고려할 수 있다.

공급기 메커니즘(108)는 예를 들어 도 2 내지 도 3에 도시된 실시예에 배타적이지 않게 본 발명의 압출기의 일부로서 포함될 수 있다는 것에 유의한다. 예를 들어 온도 구배를 제어하는 제어기(107, 117, 127, 137), 또는 심지어 압출 온도에서의 가열에 전용인 히터를 제어하는 제어기(147)와 같은 임의의 제어기가 공급기 메커니즘(108)를 제어하기 위해 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 히터들은 미리 결정된 전력 분포를 제공할 수 있고, 냉각기는 또한 고정 또는 수동 냉각을 가질 수 있어서, 채널 내의 물질의 온도 구배는 압출기 내의 진입으로부터 저장조 내에서 또는 근접하게 용융될 때까지의 시간을 제어함으로써, 예를 들어, 공급 속도를 제어함으로써 제어될 수 있다.

일반적으로, 각각의 히터, 피드백 메커니즘들 및 선택적으로 능동 냉각기가 전용되는 제어기로 제어될 수 있지만, 모든 제어기들은, 예를 들어, 모든 프로세스들을 제어하는 컴퓨터 내의 중앙 프로세싱 유닛에 연결될 수 있다.

일부 실시예(예를 들어, 도 4의 실시예에 한정되지 않음)에서, 공급 물질로서 와이어를 사용하는 실시예에 대해, 와이어 상의 압출력을 측정하기 위해 로드 셀(400)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 로드 셀은 압출력을 측정하기 위해 공급기 메커니즘(108)에 그리고 또한 프린트헤드에 연결된다. 이것은 머쉬 존을 미는 와이어의 반력(reaction force)에 대한 정보를 제공한다. 공급기가 와이어를 밀면, 머쉬 존 상의 와이어의 반력으로 인해, 공급기와 프린트헤드는 이격되는 경향이 있으며, 이는 로드 셀(400)에 의해 검출된다. 로드 셀은 피드백을 위해 센서 입력으로서 제어기/CPU에 연결될 수 있다. 예를 들어, 센서가 와이어에 인가된 힘에 대한 원하지 않는 변화를 검출하면, 제어기는 온도 구배, 또는 메커니즘에 연결되는 경우 공급 속도를 조정할 수 있으며, 이는 예를 들어 굽힘, 좌굴 및 재밍을 감소시키는 데 유용하다. 또한, 공급기 메커니즘의 미끄러짐을 측정하기 위해 인코더 휠이 구현될 수 있다. 와이어 미끄러짐이 감지되면 와이어가 걸렸을 가능성이 높으며 공급 프로세스를 중지할 필요가 있다.

본 발명의 실시예들에 있어서, 압력-구동 압출이 필요하지 않고, 따라서 복잡한 압력 시스템들이 필요하지 않다. 그러나, 압출기 상에, 예를 들어 저장조 상에 과압을 인가하기 위한 시스템(300)이 사용될 수 있다. 과압 시스템(300)은 압출기로부터 산소 및 다른 반응성 가스들을 배기하거나 그러한 가스들이 진입하는 것을 방지하기에 충분한, 예를 들어 100 mbar 미만의 불활성 가스(알루미늄의 경우)의 작은 과압을 인가하도록 구성될 수 있다. 이 시스템은 압출을 구동하기에 충분히 높은 압력을 인가하도록 구성되지 않지만, 반응성 용융된 물질(예를 들어, 용융 금속)를 보호하고 산화와 같은 원치 않는 반응을 감소시키기에 충분할 수 있다.

공급기 메커니즘들은 와이어 공급에 제한되지 않을 수 있다. 임의의 적합한 공급 시스템이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 공급기 메커니즘(500)은 냉각 구역에 완전히 장착되는 스크류(501)를 포함할 수 있으며, 이는 고온을 견딜 필요가 없는 스크류로서 많은 상이한 물질을 사용할 수 있게 한다. 그러나, 이는 제한적이지 않으며, 스크류는 압출기 및 채널 내부에서 저장조를 향해 연장될 수 있다. 압출 스크류(501)는 과립 또는 분말 형태의 물질을 구동하기 위해 구성된다. 이는 전단 및 마찰로 인한 펠릿의 체적 변위 및 선택적으로 (적어도 부분적인) 용융 둘 모두를 허용하며, 이는 폴리머의 용융에 유리하다. 추가적인 열이 히터(4)에 의해 가해진다. 예를 들어, FFF 폴리머 인쇄와 관련된 본 발명의 일부 실시예들에서, 구동 메커니즘은 단지 이동을 제공하고, 가열은 개별적으로 행해지며, 예를 들어, 이들은 상이한 수단들, 예를 들어, 상이한 제어기들에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어기들 및 선택적인 센서들은 모두, 적절한 온도 구배를 제공하기 위해, 정확한 가열, 공급 속도 및/또는 냉각을 제공하기 위해 CPU에 연결된다. 일부 실시예에서, 노즐(3)은 대체가능한(replaceable) 노즐이다. 일부 실시예들에서, 압출기는 압출기 내의 물질과 3D 프린터의 빌드플레이트 사이에 전압을 제공하기 위해 전압 공급부에 대한 연결부를 포함할 수 있다.

일반적으로, 상이한 구성이 압출기에 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 2, 도 3 및 도 4는 히터(4, 7)에 부착되고 열 브레이크(5)를 제공하는 절연 피스에 의해 분리된 여러 피스를 포함하는 압출기를 도시한다. 대안적으로, 열 브레이크(5)는 작은 채널 직경, 더 작은 외부 직경, 핀의 존재 등과 같은 기하학적 설계에 의해 실현될 수 있다. 따라서, 열 브레이크를 형성하는 부분은 도 6에 도시된 바와 같이 저장조의 형상화된 부분일 수 있다. 도 6은 저장조를 둘러싸는 물질의 단일 블록을 도시한다. 일부 실시예들에서, 히터들은 압출기의 일체형 부분일 수 있다.

필요한 압출 속도 범위 및 압출 물질의 물질 특성에 따라 추가 히터가 포함될 수 있다.

도 7은 제1 저장조 부분(113)과 제2 저장조 부분(112) 사이의 브레이크(5) 내의 추가 히터(71)를 도시한다. 이는 더 높은 범위의 압출 속도를 허용한다. 저속에서, 그 영역에서 응고를 방지하기 위해서 추가적인 가열이 필요할 수 있다. 고속에서는 아웃렛에 가장 근접한 히터(7)가 압출 온도에 도달하는 것을 돕기 위해 추가적인 가열이 필요할 수 있다. 추가적으로, 각각의 영역의 히터는 복수의 가열 유닛들, 예를 들어, 개별적으로 전력 공급되고 및/또는 제어될 수 있는 복수의 가열 저항기들 또는 복수의 인덕터들을 포함할 수 있다.

추가 양태에서, 본 발명은 3D 인쇄 동안 사용될 수 있는 물질의 압출 방법을 제공한다. 이 방법은 낮은 또는 적하/누출 없이, 그리고 빠르고 높은 범위의 증착 속도로, 고압 시스템의 필요 없이 금속 또는 폴리머의 체적 압출을 허용한다.

방법은 본 발명의 제1 양태의 압출기와 같은 저장조를 갖는 압출기를 사용하여 수행된다. 도 8은 방법의 단계들을 갖는 차트이다. 방법은 예를 들어 히터를 사용하여 저장조 내의 물질을 용융시키는 가열(S030)에 의해 용융된 물질로 저장조를 충전하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일부 실시예에서, 초기 충전 절차는 다음 단계를 포함한다:

- 압출기 내부에서 사용할 수 있는 체적을 아는 단계, 압출 전에 채워야 하는 양이 알려진다.

- 히터, 예를 들어 저장조의 제1 부분 내의 히터는 원하는 온도, 예를 들어 프로세스 온도로 설정된다. 충분한 점도를 유지하고 너무 일찍 적하하는 것을 방지하기 위해, 나머지 히터는 저장조가 충전될 때까지 실제 프로세스 온도보다 낮은 온도로 설정될 수 있다.

- 충전이 시작되고 충전 길이가 모니터링된다. 압출이 예상량 이전에 발생할 때, 일부 실시예들에서 히터(9)는 가열 속도를 감소시켜, 초기 압출을 방지하기 위해 팁이 (부분적으로) 응고되도록 할 수 있다.

- 공급은 저장조가 가득 찰 때까지 계속된다. 이는, 예를 들어, 공급 시스템(108) 내의 공급력 센서 또는 적절한 경우 공급 시스템의 미끄러짐, 또는 로드 셀(400)에 의해 모니터링될 수 있다.

- 모든 프로세스 온도가 설정되고 저장조의 제1 부분(113)의 온도(머쉬 존 위치를 결정하기 위한)는 연속 압출이 달성되도록 설정된다. 이것은 한 방울의 용융된 물질이 떨어질 때, 계속해서 공급할 때 다음 방울이 즉시 다시 형성되기 시작한다는 것을 의미한다. 이것이 그렇지 않은 한, 머쉬 존은 정확한 위치에 있지 않고(그러나 저장조 내의 어딘가에) 물질은 형성된 액적(droplet) 및 중력에 의해 당겨진다. 이 마지막 교정은 주로 새로운 시스템이 처음으로 사용될 때 또는 상이한 압출 물질을 실험할 때 필요하다.

물질은 도입되거나(S01) 공급원료 인렛 피스를 통해 공급되어, 채널을 통해 저장조로 보내진다(S02). 그리고, 물질이 가열된다(S030). 채널은 저장조보다 좁고, 추가적으로, 온도 구배가 공급원료 인렛 피스(1)의 바닥과 저장조(103) 사이에, 즉 채널을 통해 형성되고 제어되어(S03), 따라서 머쉬 존은 바람직하게 절연 피스에서, 바람직하게 인렛(101)보다 저장조에 더 가깝게 채널의 영역에서 유지된다. 다시 말해서, 구배는 제1 경우에, 용융된 물질을 채널과 저장조 사이의 접합부에 유지시켜, 상방향 유동이 인렛에 도달하는 것을 방지한다. 예를 들어, 온도 구배는 적어도 부분적으로 용융된 물질이 채널 내에 존재하도록 배열될 수 있다. 인렛을 통해 채널 내로 추가의 물질을 도입하는 것은 저장조 내에 압력을 생성하여, 저장조 내의 용융된 물질을 밀어낸다. 머쉬 존 또는 소모성 피스톤의 형성으로 인해, 역류가 방지되고, 물질은 저장조에 연결된 아웃렛을 통해, 예를 들어 압출 노즐을 통해 가압된다.

본 발명의 방법은 폴리머 및 금속 물질 모두에 대해, 공급 물질의 밀기/변위에 의한 체적 압출을 안정하게 인쇄하고, 적하 및 누출(dripping and oozing)이 없거나 적하하여 가능하게 한다. 다시 말해서, 방법은 공급 물질을 저장조의 용융된 물질 내로 밀어냄으로써 물질을 압출하는 것(S04)을 허용한다.

온도 구배는 채널의 대향 측면, 예를 들어 공급원료 인렛 피스 및 저장조에서의 열 유동의 제어에 의해 제공될 수 있다. 이는, 예를 들어, 저장조에서의 히터의 가열 속도를 제어하고/하거나, 예를 들어 공급원료 인렛 피스 내의 인렛의 영역에서 냉각기의 냉각 속도를 제어함으로써 행해질 수 있다. 제어는 제어기, 프로세서 등과 같은 전자 컴포넌트에 의해 제공되는 제어 신호들, 피드백 루프 등에 의해 제공될 수 있다. 제어기는 열 유동을 변경하기 위해, 예를 들어, 저장조 측에서 가열 전력을 변경하거나, 인렛 측에서 냉각 전력을 변경하거나, 및/또는 공급 속도를 적응시킴으로써 신호들을 제공할 수 있다.

물질을 도입하는 단계(S01)는 금속을 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이는 수지와 혼합되지 않고 금속 물질 또는 합금만을 도입하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 은, 금, 마그네슘 또는 구리가 제공될 수 있다. 금속은 예를 들어, 금속 와이어 형태로 제공될 수 있다.

대안적으로, 본 방법은 예를 들어 와이어 형태의 PLA, ABS, PP, PEEK, 나일론, PC, 또는 펠릿 또는 과립과 같은 폴리머를 제공하는 단계를 포함할 수 있지만, 본 발명은 이들 예에 제한되지 않는다.

물질 특성 및 온도 레벨의 차이에도 불구하고, 금속과 폴리머 사이의 압출 물리학 사이에는 큰 차이가 없다. 와이어가 압출기에 공급될 때, 공급된 와이어가 압출력을 제공하는 것을 보장하는 것이 유리하다. 이는, 이들의 높은 점도로 인해, 낮은 공급 속도로 폴리머를 제공하기가 비교적 용이하다. 본 발명은, 저장조와 채널 사이의 폭의 차이 때문에, 채널 상방향으로 용융된 폴리머의 운동에 대항하여 추가의 마찰을 제공하고, (더 높은 공급 속도에서) 와이어 용융 구역에 대해 더 긴 길이를 허용한다. 와이어 위로 열이 올라가는 것을 피하기 위해, 히트 싱크와 같은 냉각 영역, 선택적으로 또한 히트 브레이크가 사용될 수 있다. 예를 들어, 공급 물질은 인렛, 선택적으로 냉각된 인렛으로부터의 채널을 통해, 절연 피스에 의해 제공된 열 브레이크를 통해 저장조 내로 구동될 수 있다(S02).

본 발명은, (특히 금속과 같은 높은 전도성을 갖는 물질에서) 긴 취약 구역(weak zone)을 유발할 수 있는 금속의 요구되는 높은 용융 온도와 함께, 높은 열 전도(종종 폴리머보다 2 또는 3 자릿수 더 높음)와 같은 특성의 차이에도 불구하고, (설계, 사용된 물질 및 치수가 압출을 위한 물질에 따라 달라질 수 있지만) 동일한 구조를 갖는 금속 또는 폴리머를 사용하는 것을 가능하게 한다.

알루미늄, 예를 들어 4043 알루미늄 합금의 경우, 용융은 573°C(고상선 온도)-632°C(액상선 온도)에서 시작하지만, 용융하기 위한 많은 에너지(잠열)를 포함한다. 용융은 머쉬 존(고상선 온도)에서 시작된다. 그러나 알루미늄 합금의 경우 200-250°C에서 용융 시작까지 발생하는 약 온도가 573°C로 나타나 있다. 따라서, 약화는 긴 와이어 길이로 연장될 수 있다. 이 긴 취약 구역은 와이어 좌굴 및 거대한 마찰을 야기하여, 잠재적으로 막힘을 야기한다. 추가적으로, 용융 금속의 (물에 필적하는) 낮은 점도는 액체 배스(bath)를 쉽게 밀 때 액체가 와이어를 따라 위로 이동하게 할 수 있다. 480°C의 고상선 온도 및 630°C의 액상선과 함께 7075 알루미늄 합금에 유사한 절차를 적용할 수 있다.

다른 한편으로, 금속은 비교적 빠르게 압출될 수 있다. 폴리머는 그의 높은 점도 및 제한된 최대 적용가능한 열로 인해, 높은 속도로 압출하기가 어렵다. 높은 공급 속도 또는 속도의 경우, 긴 취약/용융 구역은 폴리머 및 금속 압출 둘 모두에 대해 문제가 된다. 압출기 상의 와이어의 큰 배압은 공급 시스템 내의 와이어의 미끄러짐 또는 좌굴을 초래한다.

채널 및 저장조의 특정 구성 및 온도 구배 제어는 긴 약화 구역을 감소 또는 방지할 수 있게 하고, 용융된 물질이 채널 위로 유동하지 않도록 채널에서 또는 채널과 저장조 사이에 밀봉 효과를 추가로 제공하고, 공급 물질 자체가 저장조의 용융된 물질 상에 압력을 생성하여 압출을 제공한다. 따라서, 방법은 공급 속도를 제어함으로써 압출 프로세스의 제어를 허용한다.

방법은 인렛 및 채널 내로 물질을 공급하는 단계를 포함하며, 물질은 고체 물질과 채널 사이에 갭이 형성될 수 있도록 선택된다. 예를 들어, 공급 와이어의 직경의 폭은 채널 폭에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄의 경우, 예를 들어 1.2 mm의 와이어 직경에 대해, 1.25 mm 내지 1.5 mm의 채널 직경이 작동하는 것으로 입증되었다. 다만, 이러한 값들은 일 예에 불과하며, 사용되는 물질 특성, 갭 크기 및 온도 구배에 따라 다른 값을 적용할 수도 있다.

이 방법은 공급 물질을 소모성 피스톤으로 변환시키는 것을 허용하며, 따라서 공급 물질은 버퍼 저장조로 인해 고체 상태로부터 용융 상태로 전이하면서 용융된 물질을 밀어낸다. 인렛에서의 온도는 예를 들어 냉각기 때문에 동일하게 유지될 수 있다. 히터 덕분에 저수조의 온도도 일정할 수 있다. 더 높은 공급 속도에서, 및/또는 저장조의 체적이 비교적 작은 경우, 채널과의 연결부에서 저장조 내의 물질의 국부적인 온도는 저장조의 나머지 상에서보다 낮을 수 있다. 이는 고려될 수 있고 온도 설정 점은 증가될 수 있다.

낮은 와이어 공급 속도의 경우, 열 전도의 영향이 높고, 열은 저장조로부터 인렛 쪽으로 상방향 이동할 수 있다. 이것은 특히 금속에 대한 와이어 공급 물질에서 중요한 문제이다. 공급 물질을 따른 구배는, 고체 물질이 용융되는 머쉬 존이 채널을 따라, 바람직하게는 저장조에 가깝게, 예를 들어 절연 피스(2)를 따라 발생하도록 제어된다. 이는 도 9에 도시되어 있다.

높은 와이어 공급 속도의 경우, 열은 공급 물질을 통해 상방향으로 인렛을 향해 흐를 시간을 갖지 않는다. 용융되지 않은 또는 부분적으로 용융된 물질은 버퍼 저장조 내부에서 이동할 수 있다. 예를 들어, 와이어의 머쉬 존은 저장조 내의 어딘가에 있을 것이다. 이는 도 10에 도시되어 있다. 버퍼 저장조가 공급 채널보다 넓기 때문에, 공급원료와 저장조 벽 사이의 액체 필름으로 인해 저장조가 없는 경우에 비해 더 적은 마찰이 발생되고 막힘이 감소되거나 회피된다. 물질(예를 들어, 와이어)가 버퍼 저장조에 진입할 때, 이는 공급 채널에서 일부 액체를 상방향으로 밀어낼 것인데, 이는 이것이 노즐 개구에 비해 최소 저항의 경로일 가능성이 가장 높기 때문이다. 그러나, 온도 구배로 인해, 용융된 물질은 부분적으로 응고되어, 채널을 따라 저장조의 상부에 머쉬 존을 생성하지만, 채널(104)의 작은 길이 또는 부분(1042)으로 제한되어, 물질의 피스톤 효과가 복원된다. 물질과 채널 사이의 갭의 신중한 엔지니어링은 또한 피스톤 효과를 향상시킨다.

낮은 공급 속도에서, 온도 구배의 제어는 용융 프로세스(예를 들어, 머쉬 존의 위치)의 제어를 보장하기 위해 중요하며, 와이어-공급 물질의 경우, 마찰, 좌굴 및 막힘의 기회를 감소시키기 위해 짧은 길이의 약화 구역이다. 높은 공급 속도에서, 구배가 적어도 부분적으로 용융된 물질에 의한 저장조의 밀봉을 허용하는 한, 버퍼는 추가의 마찰을 도입하거나 머쉬/피스톤 구역의 상이한 위치를 제어하지 않고 더 긴 용융 길이를 허용한다. 요약하면, 공급 속도는 전도도에 따라 높거나 낮으며, 용융이 저장조에서 발생하는지 또는 채널을 따라 발생하는지를 결정한다. 본 발명은 채널을 따라 머쉬 존의 존재를 어느 방식이든 제어하고 유지할 수 있게 한다.

물질이 압출기 내로 능동적으로 공급되지 않을 때, 채널 내의 나머지 물질은 여전히 피스톤으로서 거동하여, 저장조 내로의 공기의 진입을 허용하지 않으므로, 아웃렛을 통한 용융된 물질의 적하가 감소되거나 회피된다.

선택적으로, 제1 가열과 상이할 수 있는 제2 가열이 아웃렛을 떠나는 저장조 내의 물질에 적용될 수 있다. 이와 같이, 온도 구배를 제공하기 위한 가열 물질은 압출용 물질을 가열하는 것과 독립적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 제1 히터는 제2 히터와 독립적으로 제어될 수 있다. 압출될 물질이 폴리머인 경우에, 양 히터는 동일한 용융 온도에서 물질을 가열할 수 있다. 이러한 온도는 물질에 따라 상이하다. PLA의 경우 일반적으로 185°C~약 205°C, ABS의 경우 일반적으로 200°C~250°C, PEEK의 경우 340°C~575°C이다. 물질이 금속 또는 합금인 경우, 물질은 채널에 근접한 제1 히터에 의해 가열된 제1 저장조 부분 내의 금속 용융 온도에서 가열될 수 있는 반면, 물질은 아웃렛에 근접한 제2 저장조 부분 내에서 이전 층들과의 안정적인 연속 압출 및 융합에 적합한 훨씬 더 높은 온도에서 가열될 수 있다. 추가로, 압출된 물질은 압출 동안, 예를 들어 아웃렛에서, 예를 들어 압출 노즐에서 여분의 히터에 의해 추가로 가열될 수 있다. 물질의 양이 노즐을 따라 작기 때문에, 가열 및 냉각은 매우 빠를 수 있어서, 예를 들어 증착 사이클의 종료시에 빠른 응고를 촉진하거나 사이클의 시작시에 빠른 용융을 허용한다.

온도 구배를 제어하기 위해 히터를 제어하는 것, 최적의 압출 온도를 제공하기 위해 히터 또는 히터들을 제어하는 것, 온도 구배를 제어하기 위해 냉각기의 제어 및/또는 (예를 들어, 공급기 메커니즘에 의한) 공급 속도의 제어는 하나 이상의 제어기에 의해 수행될 수 있다. 바람직하게는, 온도 구배를 제공하기 위한 가열 및/또는 냉각의 제어는 공급 속도의 제어와 독립적으로 행해진다. 일부 실시예들에서, 공급 속도는 온도 구배 제어를 최적화하기 위해 입력 데이터로서 사용될 수 있다. 압출된 와이어에 공급하는 동안 고체 와이어 상의 힘을 측정함으로써 와이어-공급 물질의 경우에 제어가 더 개선될 수 있다.

방법은 산화를 감소시키기 위해 불활성 기체의 가벼운 과압(light overpressure)을 적용하는 단계를 포함할 수 있으며, 이는 금속 인쇄의 경우에 특히 유리하다. 이러한 과압은 압출을 생성할 정도로 충분히 높지 않을 수 있어서, 가스 시스템은 작을 수 있고 큰 전력을 요구하지 않을 수 있다.

방법은 열 전도도(일반적으로 통상적인 폴리머보다 금속에서 2 내지 3 자릿수 더 높음), 상이한 용융 온도 및 화학적 상호작용과 같은 문제를 고려하여 폴리머 및 금속 둘 모두에 사용될 수 있다.

폴리머 인쇄에서는 낮은 용융온도와 열 전도도로 인해 압출 온도만을 제어하면 충분하다. 금속의 경우, 막힘을 방지하기 위해 적어도 2개의 온도가 유리하게 제어될 수 있다: 고체 대 액체 전이 및 압출 온도. 전술한 바와 같이, 선택적으로 아웃렛에 히터(예를 들어, 노즐 팁 히터(9))를 포함하는, 저장조의 상이한 영역을 가열하기 위한 2개의 히터가 금속 압출을 위해 유리하게 사용될 수 있다. 히터의 수는 더 높을 수 있고, 예를 들어 저장조의 각각의 부분은 하나 초과의 히터에 의해 가열될 수 있고, 따라서 더 많은 제어 대역폭이 제공될 수 있어, 유리하게는 이용가능한 공급 속도의 범위를 증가시킨다.

방법은 과립 또는 펠릿 형태의 공급 원료 물질과 함께 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 물질을 도입하는 단계는 폴리머 또는 금속의 과립을 압출기 내로 구동하는 단계를 포함한다. 비-용융 입자용 압출 스크류 또는 펌프는 과립을 저장조의 진입구로 공급한다. 구동력은 과립들을 압축하지만, 소성 변형이 필요하지 않고, 과립들 사이에 에어 포켓들이 존재할 수 있다. 사출 성형 스크류와 비교하여, 스크류/공급기 메커니즘은 냉각 구역에 완전히 있을 수 있어, 유리하게는 설계 및 물질 선택의 (열)기계적 요건을 충족시킬 수 있다.

낮은 공급 속도에서 과립은 약해지기 시작하고 머쉬 존이 형성되는 채널(104)을 따라 용융 상태로 전이된다.

높은 공급 속도에서 과립은 저장조에 진입하기 전에 녹을 시간이 없다. 와이어의 경우와 이러한 경우에 모두, 변위된 체적은 노즐을 통해 용융된 물질을 밀어낸다. 일정량의 물질이 채널 상방향으로 유동할 수 있다. 이러한 양은 저장조와 채널 사이의 협소화에 의해, 그리고 물질이 (적어도 부분적으로) 응고되는 채널(104)을 통한 온도 구배에 의해, 그리고 피스톤으로서 작용하는 머쉬 존을 형성하는 것에 의해 제한된다.

도 9 및 도 10은 낮은 공급 속도와 높은 공급 속도의 동작 차이를 보여준다. 전도도는 물질의 거동을 결정하는 물질의 삽입 속도뿐만 아니라 중요한 요소라는 점에 유의한다. 고체 공급원료는 이들 실시예 와이어에 있지만, 다른 형태의 물질에도 동일하게 적용될 수 있다.

도 9는 저장조에 더 근접한 절연 피스(2)의 부분(1042) 내의 머쉬 존(예를 들어, 저장조에 더 근접한 피스의 절반, 또는 심지어 더 근접한)을 갖는 낮은 공급 속도에서의 거동을 도시한다. 물질(201)은 소모성 피스톤으로서 작용하고, 용융 프로세스는 저장조 전에 시작되고 머쉬 물질이 변형되어 채널의 형상을 취하여, 인렛에 도달하는 제어되지 않은 상향 유동을 회피한다. 온도 구배는 가열, 및/또는 냉각, 및 이들의 속도의 제어에 의해 이 부분(1042)에서 높게 유지된다.

도 10은 물질이 용융되는 저장조 내에 와이어(201)의 머쉬 존(203)을 갖는 높은 공급 속도에서의 거동을 도시한다. 공급 물질은 저장조 내의 용융된 물질을 밀어내고 이를 아웃렛을 향해 밀어낸다. 저장조로부터 인렛을 향한 용융된 물질의 상방향 이동이 또한 있다. 물질은 냉각으로 인해 용융된 상태로부터 고체 상태로 전이하기 시작하고, (분말과 같은 상이한 형태가 사용되는 경우 동일하더라도) 와이어와 채널의 내벽 사이의 공간을 충전한다. 그러나, 이러한 이동 및 그 정도는 온도 구배를 제어함으로써 제어되어, 유동은 절연 피스(2)를 따라 채널(104)의 부분(1042)에 머무른다. 이전과 같이, 온도 구배는 가열(히터(4)를 이용하여), 선택적으로 또는 추가적으로 냉각(공급원료 인렛 피스(1)에서 냉각기를 이용하여), 및 이들의 속도의 제어에 의해 이 부분(1042)에서 높게 유지된다.

프로세스는 연속적이고, 온도 구배, 선택적으로 또한 압출 온도 및 공급 속도를 제어함으로써 그 자체를 연속적으로 안정화시킬 수 있다.

본 방법 및 장치는 매우 다양한 공급량에서 체적 압출을 가능하게 한다. 이는 또한, 와이어 공급원료에 한정되지 않고, 누출 또는 적하를 방지하면서, 완전히 액체 상태의 금속 압출을 가능하게 한다. 폴리머와 심지어 식품(foodstuff)까지 포함하여 매우 다양한 점도를 갖는 물질을 압출하는 데 사용될 수 있기 때문에, 금속에 제한되지 않는다.

Claims (11)

1. 3D 인쇄를 위한 압출기(100)로서,압출된 물질(202)를 제공하기 위한 아웃렛(102) 및 상기 압출기 내로 물질을 수용하기 위한 공급원료 인렛 피스(1) -
   상기 공급원료 인렛 피스(1)는 상기 물질을 냉각하기 위한 냉각 수단을 포함함 -,
   물질을 용융시키기 위한 것으로서 저장조 폭을 갖고 상기 아웃렛(102)에 연결되는 저장조(103),
   상기 공급원료 인렛 피스(1)를 상기 저장조(103)와 연결하고 상기 물질을 상기 저장조 내로 도입하기 위한, 채널 폭을 갖는 채널(104) - 상기 채널 폭은 상기 저장조 폭보다 더 낮음 -, 을 포함하고,
   상기 압출기(100)는,
   상기 채널에 근접한 상기 저장조(103)의 제1 저장조 부분(113) 내의 물질을 용융시키기 위한 제1 히터(4) 및
   상기 아웃렛(102)에 근접한 상기 저장조의 제2 저장조(112) 내의 용융된 물질을 상기 제1 저장조 부분(113) 내의 상기 물질과 동일한 온도 또는 보다 높은 온도로 유지하기 위한, 상기 아웃렛(102)에 상기 저장조의 연결부에 근접한 제2 히터(7); 및
   상기 채널(104)을 통한 상기 물질의 상기 온도 구배를 제어하기 위한 제어기(107, 117) - 상기 제어기는 압출 동안 상기 저장조(103)와 상기 채널(104) 사이의 적어도 접합부에서 또는 상기 채널(104)을 따라 용융된 물질의 상기 레벨을 유지하고, 상기 공급원료 인렛 피스를 통해 도입된 상기 물질에 의한 압출을 제공하고 상기 저장조(103) 내의 상기 용융된 물질을 밀어내도록 구성됨 - 를 추가로 포함하고,
   상기 채널(104)에 근접한 상기 제1 저장조 부분(113) 내의 상기 저장조와 상기 아웃렛(102)에 근접한 상기 제2 저장조 부분(112)를 분리하는 열 브레이크(5)에 의해 상기 제1 히터와 상기 제2 히터(7)가 이격되는 것을 특징으로 하는,
   압출기.
2. 이전 항에서,
   상기 제어기(107, 117)는 상기 히터를 제어하도록 구성되고, 및/또는 상기 냉각 수단은 능동 냉각기(109)를 포함하고, 상기 제어기(117)는 상기 물질의 상기 냉각 속도를 제어하기 위해 상기 능동 냉각기(109)를 제어하도록 구성되는, 압출기.
3. 이전 항 중 어느 한항에서,
   상기 공급원료 인렛 피스(1) 내로 물질을 공급하기 위한 물질 공급기(108, 500)를 추가로 포함하고, 상기 제어기(117)는 상기 공급 속도를 제어하기 위해 상기 물질 공급기(108, 500)를 제어하도록 추가로 구성되는, 압출기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 물질 공급기(108)는 와이어(201)를 공급하기 위한 와이어 공급기(108)이고, 상기 와이어(201)에 대한 압출력을 측정하기 위해 상기 와이어 공급기(108)와 상기 공급원료 인렛 피스(1) 사이에 로드 셀(400)을 추가로 포함하는, 압출기.
5. 이전 항 중 어느 한항에서,
   상기 열 브레이크(5)가 상기 저장조의 상기 제2 부분(113)으로부터 상기 제1 부분(112)을 열적으로 절연시키도록 구성되는 추가 채널(106)을 제공하는, 압출기.
6. 이전 항 중 어느 한항에서,
   상기 아웃렛(102)이 상기 아웃렛에서의 상기 압출 물질(202)의 상기 온도를 제어하기 위한 추가 히터(9)를 포함하는, 압출기.
7. 이전 항 중 어느 한항에서,
   상기 공급원료 인렛 피스(1)를 상기 저장조(103)로부터 열적으로 절연시키기 위해 상기 채널(104)의 적어도 일부를 포함하는 절연 피스(2)를 추가로 포함하는, 압출기.
8. 이전 항 중 어느 한항에서,
   상기 압출기와 3D 프린터의 빌드플레이트 사이에 전압을 인가하도록 구성된 전극들을 추가로 포함하는, 압출기
9. 물질 압출 방법으로서,
   공급원료 인렛 피스를 통해 압출기에 물질을 도입하는 단계(S01);
   용융된 물질의 레벨을 얻기 위해 저장조의 제1 부분 내의 물질을 가열하는 단계(S030) - 상기 공급원료 인렛 피스를 통한 상기 물질의 상기 가열을 방지하고, 상기 저장조를 떠나는 물질에 상기 저장조의 제2 부분 내의 제2 가열을 적용하면서, 상기 제1 부분은 열 브레이크(5)에 의해 상기 제2 부분에 의해 분리됨 -
   채널을 통해 상기 저장조 내로 물질을 공급하는 단계(S02) - 상기 채널은 채널 폭을 갖고 및 상기 저장조는 저장조 폭을 가지며, 상기 채널 폭은 상기 저장조 폭보다 더 낮음 -,
   압출 동안 상기 저장조와 상기 채널 사이의 상기 접합부에서 또는 상기 채널을 따라, 용융된 물질의 상기 레벨을 유지하기 위해 상기 채널을 따른 상기 온도 구배를 제어하는 단계(S03), 를 포함하여,
   상기 저장조 내로 추가적인 고체 물질을 도입하는 것은 상기 저장조와 연결된 아웃렛을 통해 상기 저장조 내의 상기 용융된 물질을 밀어내어 압출 물질을 형성하는,
   방법.
10. 이전 항에서,
    물질의 상기 공급 속도를 제어하는 단계를 추가로 포함하고 및/또는 상기 물질을 냉각하는 단계는 상기 냉각 속도를 제어하는 단계를 포함하는, 방법
11. 제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에서,
    알루미늄, 알루미늄 합금 또는 구리를 압출하는, 방법.

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