KR20240024750A

KR20240024750A - 메니스커스 감쇠를 위한 다공성 층을 가진 고처리량 액체 금속 잉크젯 노즐

Info

Publication number: KR20240024750A
Application number: KR1020230104484A
Authority: KR
Inventors: 타윌 카림
Original assignee: 제록스 코포레이션
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2023-08-10
Publication date: 2024-02-26
Also published as: CN117583625A; EP4324581A1; JP2024028165A; US20240058870A1

Abstract

3 D 프린터를 위한 노즐은 구조체 및 구조체 내에 적어도 부분적으로 위치된 층을 포함한다. 층은 인쇄 재료의 액적이 노즐로부터 토출된 후에 인쇄 재료의 메니스커스의 침강 시간을 감소시키도록 구성된다.

Description

메니스커스 감쇠를 위한 다공성 층을 가진 고처리량 액체 금속 잉크젯 노즐{HIGH-THROUGHPUT LIQUID METAL INKJET NOZZLE WITH POROUS LAYER FOR MENISCUS DAMPING}

본 교시는 일반적으로 3차원 (3D) 인쇄에 관한 것으로, 더 구체적으로는 3D 프린터의 노즐 내에 다공성 층을 형성 및/또는 위치시킴으로써 3D 프린터의 발사 주파수 및/또는 처리량을 증가시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

드롭-온-디맨드 (DOD) 3D 프린터의 생산성은 프린트헤드의 최대 발사 주파수와 직접 관련된다. 이러한 최대 발사 주파수는 단일 노즐 프린트헤드 설계에서 훨씬 더 관련이 있다. 최대 재료 처리량을 증가시키기 위한 식별 방법은 프린터의 전체 속도 및 효율을 개선할 수 있다. 금속 DOD 프린터의 최대 발사 주파수를 지금까지 장애하는 용융 금속의 분사와 함께 일련의 문제가 존재한다.

하나의 난제는 용융 금속을 용융 및 분사하는 데 필요한 고온이다. 종래의 잉크젯 프린터로부터의 종래의 작동 방법은 이러한 더 높은 온도에서 복제될 수 없다. 따라서, 기하학적 특징부들 및 펄스 맞춤화를 이용하는 종래의 제어 기술들은 금속 프린트헤드에 적응하기 위해 불가능하지 않다면 어렵다. 진행된 펄스 제어의 구현에서도, 재료 자체가 다른 더 어려운 문제가 존재한다. 필요한 것은 금속 DOD 프린터의 최대 발사 주파수 및 처리량을 증가시키기 위한 개선된 시스템 및 방법이다.

다음은 본 교시의 하나 이상의 실시형태의 일부 양태의 기본적인 이해를 제공하기 위해 간략화한 요약을 보이는 것이다. 이러한 요약은 포괄적인 개관이 아니며, 본 교시의 핵심적 또는 중요한 요소들을 확인하려는 것도 아니고 본 개시내용의 범위를 서술하려는 것도 아니다. 오히려, 이의 주 목적은 단지 나중에 제시되는 상세한 설명에 대한 서문으로서 하나 이상의 개념을 단순화한 형태로 제시하는 것일 뿐이다.

장치가 개시된다. 장치는 프린터의 노즐 내에 적어도 부분적으로 위치되도록 구성된 본체를 포함한다. 본체는 약 10% 내지 약 70% 의 다공도를 갖는다. 본체는 약 100 μm 내지 약 3 mm의 길이를 갖는다. 본체는 약 5 μm 내지 약 100 μm의 두께를 갖는다.

노즐이 또한 개시된다. 노즐은 구조체 및 구조체 내에 적어도 부분적으로 위치된 층을 포함한다. 층은 인쇄 재료의 액적이 노즐로부터 토출된 후에 인쇄 재료의 메니스커스의 침강 시간을 감소시키도록 구성된다.

다른 실시예에서, 노즐은 내측 원주방향 표면을 한정하는 구조체를 포함한다. 노즐은 또한 구조체 내에 적어도 부분적으로 위치된 층을 포함한다. 층은 내측 원주방향 표면과 접촉하는 환형 층이다. 층은 약 10% 내지 약 70% 의 평균 다공도를 갖는다.

3D 프린터가 또한 개시된다. 3D 프린터는 그로부터 인쇄 재료의 액적을 토출하도록 구성된 노즐을 포함한다. 3D 프린터는 또한 노즐 내에 적어도 부분적으로 위치한 층을 포함한다. 층은 액적이 노즐로부터 토출된 후에 인쇄 재료의 메니스커스의 침강 시간을 감소시키도록 구성된다.

다른 실시예에서, 3D 프린터는 내측에 위치된 인쇄 재료를 갖도록 구성된 이젝터를 포함한다. 인쇄 재료는 알루미늄을 포함할 수 있다. 3D 프린터는 또한 이젝터로부터 하류에 위치된 노즐을 포함한다. 인쇄 재료를 노즐을 통해 분사하고 그로부터 복수의 액적으로서 토출한다. 3D 프린터는 또한 노즐 내에 적어도 부분적으로 위치한 본체를 포함한다. 본체의 내측 표면은 약 20% 내지 약 60%의 다공도를 갖는다. 본체는 약 100 μm 내지 약 3 mm의 길이를 갖는다. 본체는 약 5 μm 내지 약 100 μm의 두께를 갖는다. 인쇄 재료는 액적으로서 토출되기 전에 본체를 통해 유동한다. 본체는 노즐을 통해 유동하는 인쇄 재료의 증가된 질량 처리량을 허용하도록 구성된다. 증가된 질량 처리량은 약 0.06 g/s 내지 약 0.20 g/s이다. 본체는 액적들이 토출되는 증가된 주파수를 허용하도록 구성된다. 증가된 주파수는 약 400 ㎐ 내지 약 1000 ㎐이다. 본체는 각각의 액적이 토출된 후에 인쇄 재료의 메니스커스의 최대 연장부를 감소시키도록 구성된다. 최대 연장부는 0.05 mm 미만이다. 본체는 각각의 액적이 토출된 후에 인쇄 재료의 메니스커스의 침강 시간을 감소시키도록 구성된다. 침강 시간은 6e-3 s 미만이다. 액적들은 3D 물체의 적어도 일부를 형성한다.

방법이 또한 개시된다. 본 방법은 3D 프린터의 노즐 내에 층을 형성 또는 위치시키는 단계를 포함한다. 층은 인쇄 재료의 액적이 노즐로부터 토출된 후에 인쇄 재료의 메니스커스의 침강 시간을 감소시키도록 구성된다.

다른 실시예에서, 방법은 인쇄 재료의 제1 부분을 프린터의 노즐을 통해 분사하는 단계를 포함한다. 인쇄 재료의 제1 부분의 적어도 일부는 노즐 내에서 고화되고 노즐 내에 적어도 부분적으로 위치된 본체를 형성한다. 본체는 약 10% 내지 약 70% 의 다공도를 갖는다. 본체는 약 100 μm 내지 약 3 mm의 길이를 갖는다. 본체는 약 5 μm 내지 약 100 μm의 두께를 갖는다.

다른 실시예에서, 본 방법은 3D 프린터의 노즐 내에 환형 다공성 층을 형성 또는 위치시키는 단계를 포함한다. 다공성 층은 약 20% 내지 약 60%의 평균 다공도를 갖는다. 다공성 층은 길이가 약 100 μm 내지 약 3 mm이다. 다공성 층은 두께가 약 5 μm 내지 약 100 μm이다. 본 방법은 또한 노즐을 통해 인쇄 재료를 분사하는 단계를 포함한다. 노즐을 통해 분사된 인쇄 재료는 액체 알루미늄을 포함한다. 노즐을 통해 분사된 인쇄 재료는 약 0.06 g/s 내지 약 0.20 g/s의 질량 처리량을 갖는다. 노즐을 통해 분사되는 인쇄 재료는 복수의 액적이 미리 결정된 주파수로 노즐로부터 토출되게 한다. 소정의 주파수는 약 400 ㎐ 내지 약 1000 ㎐이다. 각각의 액적이 토출된 후, 인쇄 재료의 메니스커스의 최대 연장부는 0.05 mm 미만이다. 각각의 액적이 토출된 후에 인쇄 재료의 메니스커스에 대한 침강 시간은 6e-3 s 미만이다. 액적들은 3D 물체의 적어도 일부를 형성한다.

본 명세서에 통합되어 이의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 교시의 실시형태를 예시하며, 묘사와 함께 본 개시내용의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면에서:
도 1은 일 실시예에 따른 3D 프린터의 개략 단면도를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른, 3D 프린터의 노즐 내의 액체 인쇄 재료의 메니스커스를 도시하는 도 1의 확대된 부분을 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른, 6개의 상이한 프레임들에서의 액적의 형성 및 액적의 메니스커스 공진을 예시한다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른, 다양한 노즐 보어 길이 및 노즐 보어 직경에서의 맵핑된 주파수 (도 4a) 및 감쇠비(도 4b)를 도시하는 그래프를 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른, 그 안에 위치된 다공성 층을 도시하는 노즐의 개략 측단면도를 도시한다.
도 6a 내지 도 6f는 일 실시예에 따른, 상이한 다공성 층을 갖는 노즐의 이미지를 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른, 다공성 층을 갖는 노즐의 측단면도를 도시한다.
도 8은 일 실시예에 따른, 다공성 층을 갖는 제1 노즐 및 다공성 층이 없는 제2 노즐에 대한 메니스커스 공명을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 9는 일 실시예에 따른 다공성 층을 갖는 노즐 및 다공성 층이 없는 노즐의 개략 측단면도를 도시한다.
도 10은 일 실시예에 따른, 3D 프린터를 작동시키기 위한 방법의 흐름도를 예시한다.

이제, 본 교시의 예시적인 구현예를 상세히 참조할 것이며, 이의 예시는 첨부 도면에 나타나 있다. 가능한 모든 경우에, 동일한 도면 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일하거나, 유사하거나, 또는 비슷한 부분을 지칭하는 데 사용될 것이다.

종래의 (예를 들어, 수성) 잉크를 사용하는 종래의 3D 프린터는 유체 점도, 노즐 기하학적 구조, 및/또는 능동 펄스 맞춤화에 의존하여 고주파수 분사를 가능하게 한다. 대조적으로, 액체 금속의 높은 표면 장력 및 낮은 점도는 고처리량 3D 인쇄에 대한 고유한 문제를 나타낸다. 후술되는 시스템 및 방법은 노즐 내측의 환형 다공성 층(매체 또는 영역으로도 지칭됨)을 이용하여, 더 높은 침착 주파수 및/또는 처리량을 허용하기 위해 노즐 내의 또는 아래의 액체 금속의 메니스커스의 진동(공진으로도 지칭됨)의 감쇠를 인위적으로 증가시킨다.

도 1은 일 실시예에 따른, 3D 프린터(100)의 개략 단면도를 도시한다. 프린터(100)는 이젝터(펌프로도 지칭됨)(110)를 포함할 수 있다. 본원에 사용되는 바와 같이, 이젝터(110)는 구축 재료가 노즐로부터 토출되게 하도록 선택적으로 활성화될 수 있는 구조체를 지칭한다. 이젝터(110)는 인쇄 재료(120)를 수용하도록 구성된 내측 체적부를 한정할 수 있다. 인쇄 재료(120)는 금속, 폴리머 등일 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 인쇄 재료(120)는 약 50% 초과의 금속, 60% 초과의 금속, 70% 초과의 금속, 80% 초과의 금속, 90% 초과의 금속, 또는 약 100% 금속(예를 들어, 체적 및/또는 질량)일 수 있다. 예를 들어, 인쇄 재료(120)는 알루미늄 와이어의 스풀(예컨대, 6061 알루미늄)일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 인쇄 재료(120)는 구리이거나 이를 포함할 수 있다.

3D 프린터(100)는 또한 하나 이상의 가열 요소(130)를 포함할 수 있다. 가열 요소(130)는 이젝터(110)의 내측 체적부 내에서 인쇄 재료(120)를 용융시킴으로써, 이젝터(110)의 내측 체적부 내에서 인쇄 재료(120)를 고체 상태로부터 액체(예컨대, 용융) 상태로 변환시키도록 구성된다.

3D 프린터(100)는 또한 전원(132) 및 하나 이상의 금속 코일(134)을 포함할 수 있다. 금속 코일(134)은 이젝터(110) 및/또는 가열 요소(130) 주위에 적어도 부분적으로 감싸여진다. 전원(132)은 코일(134)에 결합되고 이에 전력을 제공하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 전원(132)은 계단 함수 직류(DC) 전압 프로파일(예컨대, 전압 펄스)을 코일(134)에 제공하도록 구성될 수 있고, 이는 증가하는 자기장을 생성할 수 있다. 증가하는 자기장은 이젝터(110) 내에서 기전력을 야기할 수 있고, 이는 차례로 액체 인쇄 재료(120)에서 유도된 전류를 야기한다. 액체 인쇄 재료(120)에서 자기장 및 유도된 전류는 액체 인쇄 재료(120)에 로렌츠 힘으로 알려진 반경 방향 내측 힘을 생성할 수 있다. 로렌츠 힘은 이젝터(110)의 노즐(114)의 유입구에서 압력을 생성한다. 압력은 액체 인쇄 재료(120)가 하나 이상의 액적(액적이라고도 함)(124)의 형태로 노즐(114)을 통해 분사되게 한다. 본원에 사용되는 바와 같이, 노즐(114)은 용융 금속과 같은 인쇄 재료(120)의 액적(124)을 비행시키는 물리적 구조체를 지칭한다.

3D 프린터(100)는 또한 노즐(114) 아래에 위치하는 기판(빌드 플레이트라고도 함)(140)을 포함할 수 있다. 액적(124)은 노즐(114)을 통해 분사되고 후속적으로 기재(140)상에 랜드될 수 있으며, 여기서 이들은 냉각 및 고화되어 제1 (예컨대, 하부) 층을 형성할 수 있다. 추가적인 액적(124)을 분사하여 층 상에 층을 형성할 수 있으며, 이는 결국 원하는 3D 물체(130)를 생성한다.

도 2는 일 실시예에 따른, 노즐(114)의 확대도를 도시한다. 노즐(114) 내의 및/또는 아래의 액체 인쇄 재료(120)의 하부 표면은 메니스커스(126)를 가질 수 있다. 메니스커스(126)는 노즐(114)의 출구에 위치된 액체-가스 경계로서 정의된다. 메니스커스(126)는 각각의 액적(124)이 분사된 후에 메니스커스(126)의 공진을 감소시키기 위해 감쇠될 수 있다. 이는 메니스커스(126)가 더 빠르게 평형에 도달하게 할 수 있으며, 이는 발사 주파수 및/또는 처리량을 증가시킨다. 본원에 사용되는 바와 같이, "발사 주파수"는 액적(124)이 노즐(114)로부터 토출되는 주파수를 지칭한다. 본원에 사용되는 바와 같이, "처리량"은 노즐(114)을 통해 유동하는 인쇄 재료(120)의 질량 및/또는 체적을 지칭한다.

3D 프린터(100) 내부의 유체 동역학의 주 구동기는 분사되는 유체의 재료 특성에 의해 정의된다. 종래의 수성 잉크와 액체 (예를 들어, 용융) 금속 사이의 비교가 하기 표 1에 나타날 수 있다. 메니스커스 공명을 한정하는 파라미터들 중 일부는 인쇄 재료의 표면 장력 및 점도이다. 용융 금속은 높은 표면 장력 및 낮은 속도를 갖는다. 이러한 특성의 비는 감쇠가 거의 없이 고도로 에너지적 메니스커스 거동으로 이어진다. 감쇠의 결여는 긴 공진 시간으로 이어지고 최대 안정적인 발사 주파수를 제한한다.

[표 1]

최대 주파수를 증가시키기 위해, 메니스커스(126)의 공진이 제어될 수 있다(예컨대, 감쇠). 본원에 기술된 시스템 및 방법은 메니스커스(126)를 제어하고 감쇠시키기 위해 노즐(114)(예컨대, 환형 다공성 층) 내의 수동 토폴로지를 이용하는 설계에 의해 이러한 과제를 해결한다. 결과적으로, 시스템 및 방법은 단일 노즐 용융 금속 프린터의 능력을 전진시킬 수 있다(예컨대, 최대 발사 주파수 및/또는 처리량을 증가시킬 수 있다).

3D 프린터(100)의 최대 발사 주파수는 일반적으로 헤르츠(Hz)로 언급된, 초당 분사 및/또는 침착될 수 있는 액적(124)의 수로서 정의될 수 있다. 이 값은 안정적인 액적 거동이 이 주파수에서 유지될 수 있다는 사실에 대해 예측된다. 안정적인 액적 거동은 각각의 액적(124) 사이의 일관된 질량, 속도, 및/또는 위성 거동(예컨대, 이전 액적의 +/-10% 내지)으로서 정의될 수 있다. 액적 안정성이 없이 최대 발사 주파수들을 달성하는 것은 실행가능하지 않으며 최종 제품에서 PQ 에러들을 초래할 수 있다.

3D 프린터(100)의 안정성은 인쇄 재료(120)의 메니스커스(126)의 안정성(예컨대, 노즐(114) 내에 및/또는 약간 아래에)에 적어도 부분적으로 의존할 수 있다. 유휴 조건 동안, 메니스커스(126)는 노즐(114)로부터 약간 하향으로 돌출되는 볼록한 상태에 놓인다. 펄스가 작동됨에 따라, 메니스커스(126)는 성장하고 결국 침착된 액적(124)으로 전환한다. 액적(124)이 끊어지고 떨어진 후에, 새로운 메니스커스(126)가 생성되고 일련의 진동을 겪는다. 이 공정은 도 3에 예시되어 있다. 보다 구체적으로, 도 3은 일 실시예에 따른, 6개의 상이한 프레임들에서의 액적(124)의 형성 및 메니스커스 공명(의 업사이드 다운도(upside-down view))을 도시하는 것이다. 여러 진동 후에, 메니스커스(126)는 유휴 위치에서 평형에 도달할 것이다. 이 시점에서, 다음 액적(124)이 토출될 수 있고, 프로세스가 반복된다. 이러한 액적 형성, 분해, 및 메니스커스 진동의 타이밍은 노즐(114)의 최대 발사 주파수를 결정할 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 유체 메니스커스(126)의 발진 및 감쇠는 3D 프린터(100)(예컨대, 노즐(114))의 분사를 설계 및 제어하는 데 사용될 수 있다. 3D 프린터(100)(예컨대, 노즐(114))은 선형 감쇠 시스템으로서 이상화되고 모델링될 수 있다. 지배 방정식은 다음과 같이 기록될 수 있다:

여기서, m은 질량이고, c는 감쇠 계수이고, k는 스프링 상수이고, x는 메니스커스(126)의 변위이다. 이 선형 방정식에서 발진의 고유 주파수 와 감쇠비 Γ를 다음과 같이 결정할 수 있다.

여기서 ρ는 인쇄 재료(120)의 밀도이고, γ는 인쇄 재료(120)의 표면 장력이며, υ는 인쇄 재료(120)의 점도이고, H는 저장소로부터 노즐(114)의 자유 단부까지의 대략적인 인쇄 재료 컬럼 높이이고, b는 노즐(114)보다 훨씬 위의 모세관의 반경이고, h는 노즐(114)과 기판(140) 사이의 거리이고, h_m는 메니스커스(126)의 높이이고, 은 노즐(114)의 내경이고, l은 노즐(114)의 가장 얇은 부분의 전체 길이이다. 표 2는 2개의 상이한 인쇄 재료에 대한 자연 주파수 및 감쇠비의 계산된 값을 나타낸다.

[표 2]

이 1D 모델을 분석하는 것은 메니스커스(126)를 감쇠하고 액적(124)의 최대 발사 주파수를 증가시키기 위한 파라미터들을 상세히 설명한다. 주파수와 감쇠에 영향을 미치는 기하학적 매개변수에는 노즐 보어 길이 및/또는 노즐 보어 직경 을 포함한다. 이러한 파라미터들을 맵핑하는 것은 진동 빈도를 증가시키고, 감쇠비를 증가시키고/시키거나 시스템(100)의 침강 시간을 감소시키기 위해 최적의 설계 점들을 결정할 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른, 다양한 노즐 보어 길이 및 노즐 보어 직경 에서의 메니스커스(126)의 맵핑된 주파수(도 4a) 및 감쇠비(도 4b)를 도시하는 그래프를 도시한다. 보이는 바와 같이, 더 작은 크기와 더 긴 노즐 보어 길이 에서 더 최적의 작동 지점을 얻을 수 있다. 그러나, 이 더 작은 노즐 보어 직경 은 또한 액적 크기를 감소시킬 수 있고, 따라서 노즐(114)의 전체 재료 처리량을 감소시킨다..

본원에 설명된 시스템 및 방법은 액적(124)의 질량을 감소시키지 않으면서 메니스커스(126)의 침강 시간을 최적화하기 위해 기하학적 설계를 이용한다. 시스템 및 방법은 노즐(114)의 내측 표면을 따라 배치된 환형 다공성 층을 이용한다. 다시 말하면, 노즐(114) 및 다공성 층은 서로 동심일 수 있다. 인쇄 재료(120)가 유동하는 보어는 다공성 층의 보어를 통해 연장된다. 다공성 층은 노즐(114) 내의 인쇄 재료(120)의 유동의 저항을 증가시킨다. 다공성 층은 또한 또는 대신에 메니스커스(126)의 유체 감쇠를 증가시킬 수 있다. 다공성 층은 또한 또는 대신에 용융 금속의 낮은 점도를 증대시키고 유체가 더 신속하게 감쇠할 수 있게 할 수 있다. 보어에서의 이러한 증가된 감쇠는 더 높은 안정적인 발사 주파수 및 더 높은 재료 처리량을 허용한다. 다공성 층은 3D 프린터(100)에 설치 전에 보어 내측에 기계가공되거나, 화학적으로 성장되거나, 달리 침착될 수 있다.

도 5는 일 실시예에 따른 노즐(114)의 개략 측단면도를 도시한다. 노즐(114)은 내측 원주방향 표면(118)을 한정하는 구조체(116)일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 노즐(예컨대, 구조체(116))은 그래파이트, 금속, 세라믹, 또는 이들의 조합으로 제조될 수 있다. 노즐(예컨대, 구조체(116))은 약 400 마이크로미터(μm) 내지 약 600 μm, 약 420 μm 내지 약 520 μm, 또는 약 460 μm 내지 약 560 μm의 직경(예컨대, 약 510 μm)(예컨대, 내경)을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 노즐(114)은 다공성 층(본체로도 지칭됨)(500)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 노즐(114)은 다공성 층(500)을 포함하지 않을 수 있다. 오히려, 다공성 층(500)은 노즐(114)(예컨대, 구조체(116))에 적어도 부분적으로 위치될 수 있다. 노즐(114) 및 다공성 층(500)은 서로 실질적으로 동심일 수 있으며, 다공성 층(500)은 노즐(114)(예컨대, 구조체(116))로부터 반경방향 내향으로 위치된다. 다공성 층(500)은 노즐(114)(예컨대, 구조체(116))의 내측 표면(118) 상에 및/또는 내에 형성 및/또는 위치될 수 있다. 본원에 사용되는 바와 같이, 다공성이라는 용어는 층 내의 공극(들) (즉, 빈) 공간을 지칭한다. 다공도는 층 내의 공극의 척도를 지칭한다. 다공도는 총 체적에 걸친 공극의 체적, 0 내지 1의 체적, 또는 0% 내지 100% 의 백분율로서의 분율이다.

일 실시예에서, 다공성 층(500)은 인쇄 재료(120)의 고화된 부분으로부터 제조될 수 있다. 예를 들어, 다공성 층(500)은 인쇄 재료(120)의 희생 부분의 고화된 부분으로부터 제조될 수 있다. 희생 부분은 3D 물체(130)를 인쇄하는 데 사용되지 않을 수 있다. 다공성 층(500)은 또한 또는 대신에 금속(MgO, Al203, Al4C3, TiO 등) 내의 금속간 불순물로부터 제조될 수 있다. 이들 입자는 구조체(116)의 내측 표면(118)으로 소결되어 다공성 층(500)을 형성할 수 있다. 다른 실시예에서, 다공성 층(500)은 MgO, Al2O3를 포함하는 세라믹 재료 및/또는 다른 세라믹 재료로 제조될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 다공성 층은 텅스텐, 강, 몰리브덴, 또는 다른 고 융점 금속과 같은 다른 고온 금속으로부터 생성된 금속 층이거나 이를 포함할 수 있다.

다공성 층(500)은 약 100 μm 내지 약 3 mm 또는 약 300 μm 내지 약 1 mm의 길이(502)를 가질 수 있다. 다공성 층(500)은 약 5 μm 내지 약 100 μm, 약 10 μm 내지 약 50 μm, 또는 약 15 μm 내지 약 30 μm의 평균 두께(504)를 가질 수 있다. 다공성 층(500)은 제1 (예를 들어, 상부) 단부(506) 및 제2 (예를 들어, 하부) 단부(508)를 가질 수 있다. 상부 단부(506)의 직경(510)은 하부 단부(508)보다 클 수 있다. 직경(510)은 내경(ID), 외경(OD), 또는 둘 모두를 지칭할 수 있다. 다른 실시예에서, 상부 단부(506)의 직경(510)은 하부 단부(508)와 동일하거나 그보다 작을 수 있다. 다공성 층(500)의 직경(510)은 다공성 층(500)을 통해 (예컨대, 상향) 이젝터(110)를 향해 중심 길이방향 축(512)을 따라 진행을 증가시킬 수 있다. 다공성 층(500)의 직경(510)은 (및/또는 다공성 층(500)을 통해 한정된 채널은) 약 400 μm 내지 약 600 μm 또는 약 420 μm 내지 약 520 μm일 수 있다(예컨대, 약 470 μm).

다공성 층(500)은 매끄러운 내측 표면을 갖는 종래의 노즐과 비교할 때 지나 유동하는 액체 인쇄 재료(120)의 유동에 대한 저항을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 다공성 층(500)은 약 1 kPa 내지 약 100 kPa의 저항을 제공할 수 있다. 다공성 층(500)은 또한 또는 대신에, 매끄러운 내측 표면을 갖는 종래의 노즐에 비해 메니스커스(126)의 감쇠를 증가시킬 수 있으며, 이는 도 8과 관련하여 아래에서 더 상세히 설명된다. 다공성 층(500)은 다공도(예컨대, 평균 다공도)가 약 10% 내지 약 70%, 약 20% 내지 약 60%, 또는 약 30% 내지 약 50% 일 수 있다.

도 6A 내지 도 6f는 일 실시예에 따른, 노즐(114) 내부의 상이한 다공성 층들(500A 내지 500F)을 갖는 노즐들의 이미지들을 도시한다. 노즐(114)의 내측 표면을 따른 이들 다공성 층들(500A 내지 500F)의 효과는 고속 비디오 분석을 이용하여 프린트헤드 거동과 추가로 상관될 수 있다. 제1 비디오는 다공성 층을 갖지 않는 (예컨대, 구축되지 않은) 새로운 이젝터를 보여준다. 제1 비디오에서, 액적 분해 후에, 안정하기위해 긴 시간을 취하는 높은 크기의 메니스커스 진동이 일어난다. 제2 비디오는 더 큰 다공성 층을 구축한 이젝터를 보여준다. 메니스커스는 더 낮은 진동 크기로 훨씬 더 빠른 속도로 침강된다. 이는 이러한 이젝터가 안정한 액적 거동으로 고주파수로 발사되게 한다. 도 6a 내지 도 6f에 상술된 이러한 다공성 구역의 효과는 컴퓨터 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 추가로 조사되었다. 대표적인 다공성 층을 갖는 노즐 단면의 분석에 의해 테스트 사례를 식별하였다.

도 7은 일 실시예에 따른, 다공성 층(500)을 갖는 노즐(114)의 단면도를 도시한다. 도 7의 이젝터의 이미지 분석은 다공성 층의 모델링을 위해 수학적 모델로 공급될 수 있다. Blake-Kozeny는 수학식들의 세트를 통해 설명될 수 있다.

파라미터 α 및 C₂는 시뮬레이션 내측의 경계 조건으로서 사용된다. 시뮬레이션 도메인은 도 5에 상세히 설명되어 있다. 단일 액적이 다공성 층을 포함하는 제1 노즐로부터 그리고 다공성 층이 없는 제2 노즐(즉, 종래의 노즐)로부터 토출될 수 있다. 후속 메니스커스 진동들이 추적되고 비교될 수 있다. 다공성 층을 갖는 노즐은 다공성 층이 없는 노즐과 비교할 때 더 낮은 진동 크기 및 훨씬 더 빠른 침강 시간으로 실험 결과를 복제할 수 있었다.

도 8은 일 실시예에 따른, 다공성 층을 갖는 노즐 및 다공성 층이 없는 노즐에 대한 메니스커스 공명을 나타내는 그래프를 도시한다. 도 8은 메니스커스 공명을 추적하는 데 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 액적이 다공성 층을 갖는 노즐로부터 (예컨대, 시간 0 s에서) 토출된 후에, 메니스커스의 최대 연장부는 0.1 mm 미만 또는 0.05 mm 미만일 수 있다. 대조적으로, 액적이 다공성 층 없이 노즐로부터 토출된 후에, 최대 연장부는 약 0.18 mm이다.

액적이 다공성 층을 갖는 노즐로부터 토출된 후에, 메니스커스 공명은 1e-3 s 내에서 0.06 또는 0.04 mm 미만일 수 있고, 2e-3 s 내에서 0.04 또는 0.025 mm 미만으로 떨어질 수 있고/있거나 4e-3 s 내에서 0.02 또는 0.01 mm 미만으로 떨어질 수 있다. 대조적으로, 액적이 다공성 층이 없는 노즐로부터 토출된 후에, 메니스커스 공명은 1e-3 s 내에서 약 0.9 mm, 2e-3 s 내에서 약 0.18 mm, 및/또는 4e-3 s 내에서 약 0.14 mm일 수 있다.

다공성 층을 갖는 노즐 내의 메니스커스 공명은 2e-3 s, 약 4e-3 s, 또는 약 6e-3 s 미만인 침강 시간을 가질 수 있다. 대조적으로, 다공성 층이 없는 노즐 내의 메니스커스 공명은 1e-2 s, 약 2e-2 s, 또는 약 4e-2 s 미만인 침강 시간을 가질 수 있다. 본원에 사용되는 바와 같이, "침강 시간"은 액적이 노즐로부터 분사되고 메니스커스가 평형에 도달할 때까지의 시간을 지칭한다. 예에서, 메니스커스 공명의 진폭이 최대 값의 5%, 최대 값의 2%, 또는 최대 값의 1%로 감소할 때 평형에 도달된다

도 9는 일 실시예에 따른 다공성 영역을 갖는 노즐 및 다공성 영역이 없는 노즐의 개략 측단면도를 도시한다. 도 9는 도 8에 대응한다.

도 10은 실시예에 따른, 3D 프린터(100)를 작동시키기 위한 방법(1000)의 흐름도를 예시한다. 방법(1000)은 노즐(114)을 통한 액체 인쇄 재료(120)의 유동의 저항을 증가시키고/시키거나 액체 인쇄 재료(120)의 메니스커스 공명의 감쇠를 증가시키는 데 사용될 수 있다. 이는 결국 안정성을 유지하면서 노즐(114)을 통한 증가된 분사 주파수 및/또는 증가된 질량 처리량을 허용할 수 있다. 방법(1000)의 예시적인 순서가 아래 제공되지만; 방법(1000)의 하나 이상의 단계들은 상이한 순서로 수행될 수 있거나, 조합될 수 있거나, 하위 단계들로 분할될 수 있거나, 반복, 또는 생략될 수 있다.

방법(1000)은, 1002에서와 같이, 다공성 층(500)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 다공성 층(500)은 3D 프린터(100)를 구동함으로써 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 3D 프린터(100)는 제2 양이 노즐(114)을 통해 분사하여 원하는 3D 물체(130)를 인쇄하기 전에 노즐(114)을 통해 액체 인쇄 재료(120)의 제1 (예컨대, 희생) 양을 분사할 수 있다. 제1 (예를 들어, 희생) 양은 다공성 층(500)으로서 역할을 할 수 있는 노즐(114)의 내측 표면 상의 금속 산화물(예컨대, 산화알루미늄)의 축적을 야기할 수 있다.

선택적으로, 산소 가스가 노즐(114) 내로 및/또는 주위로 도입될 수 있는 반면, 액체 인쇄 재료(120)의 제1 (예컨대, 희생) 양은 분사되어, 노즐(114) 내의 산화를 증가시키기 위해 액체 인쇄 재료(120)의 제1 (예를 들어, 희생) 양과 조합될 수 있다. 3D 물체(130)가 인쇄되는 동안 산화를 최소화하기 위해 제2 양의 인쇄 재료(120)를 분사하는 동안 산소가 감소되거나 제거될 수 있다(예컨대, 꺼짐). 이는 다공성 층(500)의 두께를 미리 결정된 범위 내에서 유지하는 데 도움이 될 수 있다.

다른 실시예에서, 다공성 층(500)은 고체 삽입체이거나 이를 포함할 수 있다. 삽입체의 내측 표면은 다공성 내측 표면을 생성하도록 기계가공될 수 있다. 삽입체는 단일 환형 삽입체이거나 이를 포함할 수 있거나, 또는 이는 함께 조립되어 환형 삽입체를 생성할 수 있는 2개 이상의 원주방향 부분을 포함할 수 있다.

방법(1000)은 1004에서와 같이, 다공성 층(500)을 3D 프린터(100)로 위치시키는 단계를 또한 포함할 수 있다. 상기 실시예에서, 다공성 층(500)이 인쇄 재료(120)의 제1 (예컨대, 희생) 양을 분사함으로써 형성되는 경우, 이 단계는 다공성 층(500)의 형성과 동시에 일어날 수 있다. 상기 실시예에서, 다공성 층(500)이 고체 삽입체인 경우, 삽입체는 삽입체가 형성된 후에 노즐(114) 내에 위치될 수 있다(예컨대, 성형 및/또는 기계가공될 수 있다). 보다 구체적으로, 삽입체는 상향으로 그리고 노즐(114)의 보어 내로 이동될 수 있다. 삽입체는 마찰 끼워맞춤, 접착제, 삽입체의 외부 표면 상의 나사산, 노즐의 내측 표면 상의 대응하는 나사산을 결합시키는 등을 통해 제자리에 유지될 수 있다.

방법(1000)은 또한 1006에서와 같이, 3D 물체(130)를 인쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 이는 기재(140)상에 3D 물체(130)를 생성하기 위해 노즐(114)(그 안에 다공성 층(500)을 갖는)을 통해 액체 인쇄 재료(120)를 분사하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 실시예에서, 다공성 층(500)이 인쇄 재료(120)의 제1 (예컨대, 희생) 양을 분사함으로써 형성되는 경우, 이러한 단계는 액체 인쇄 재료(120)의 제2 양을 분사하는 단계를 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 다공성 층(500)은 노즐(114)을 통한 인쇄 재료(120)의 유동의 저항을 증가시킬 수 있다. 다공성 층(500)은 또한 또는 대신에 노즐(114)의 인쇄 재료(120)의 감쇠를 증가시킬 수 있으며, 이는 메니스커스(126)의 공진 또는 진동이 더 신속하게 평형에 도달하게 한다. 그 결과, 액적(124)은 약 400 ㎐ 내지 약 1000 ㎐ 또는 약 500 ㎐ 내지 약 800 ㎐의 주파수로 노즐(114)을 통해 분사될 수 있는 반면, 종래의 프린터들에 대한 주파수는 약 300 ㎐이다. 또한, 다공성 층(500)에 적어도 부분적으로 기인하여, 인쇄 동안 노즐(114)을 통한 질량 처리량은 약 0.06 g/s 내지 약 0.20 g/s 또는 약 0.08 g/s 내지 약 0.15 g/s일 수 있는 반면, 종래의 노즐을 통한 질량 처리량은 약 0.045 g/s이다.

방법(1000)은 또한 1008에서와 같이, 다공성 층(500)을 재형성하는 단계를 포함할 수 있다. 3D 물체(130)를 인쇄하기 위한 (예컨대, 제2 양의) 인쇄 재료(120)의 분사는 다공성 층(500)의 두께(504)를 점점 증가하게 할 수 있다. 일단 두께(504)가 미리 결정된 임계치(예컨대, 상기에 제공된 범위의 상부 단부)를 초과하면, 다공성 층(500)이 재형성될 수 있다. 다공성 층(500)을 재형성하는 단계는 (예컨대, 드릴을 노즐(114) 내로 구동함으로써) 다공성 층(500)의 두께를 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 다공성 층(500)을 재형성하는 단계는 또한 또는 대신에 다공성 층(500)을 제거하는 단계 및 새로운 다공성 층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일례에서, 이는 노즐(114) 및/또는 다공성 층(500)을 냉각시키는 단계를 포함할 수 있으며, 이는 다공성 층(500)을 야기할 수 있다. 다공성 층(500)은 이어서 재가열될 수 있다. 온도 변동은 다공성 층(500)이 파단되게 할 수 있다. 다공성 층(500)은 이어서 인쇄 재료(120)와 함께 노즐(114) 밖으로 분사될 수 있고, 이어서 새로운 다공성 층(500)은 노즐(114) 내에 형성 및/또는 위치될 수 있다. 다공성 층(500)을 재형성하는 단계는 또한 또는 대신에, 삽입체를 제거하고 이를 새로운 삽입체로 교체하는 단계를 포함할 수 있다.

본 교시들의 넓은 범주를 기재하는 수치 범위들 및 파라미터들이 근사치들임에도 불구하고, 특정 예들에 기재된 수치 값들은 가능한 한 정확하게 보고된다. 그러나, 임의의 수치 값은 그들 개개의 시험 측정치들에서 발견되는 표준 편차로부터 필연적으로 유래하는 소정의 오차들을 고유하게 포함한다. 게다가, 본 명세서에 개시된 모든 범위들은 그 내에 포함되는 임의의 그리고 모든 하위-범위들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "10 미만"의 범위는 0의 최소값과 10의 최대값 사이의(그리고 이들을 포함하는) 임의의 그리고 모든 하위-범위들, 즉 0 이상의 최소값 및 10 이하의 최대값을 갖는 임의의 그리고 모든 하위-범위들, 예를 들어 1 내지 5를 포함할 수 있다.

본 교시는 하나 이상의 구현예와 관련하여 예시되었지만, 예시된 실시예에 대한 변경 및/또는 수정이 첨부된 청구범위의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 프로세스가 일련의 동작들 또는 이벤트들로서 설명되지만, 본 교시는 이러한 동작들 또는 이벤트들의 순서에 의해 한정되지 않는다는 것이 이해될 수 있다. 일부 동작들은 본원에서 설명된 것과 상이한 순서로 그리고/또는 이것 이외의 다른 동작 또는 사건과 동시에 발생될 수 있다. 또한, 본 교시의 하나 이상의 양태 또는 실시형태에 따른 방법론을 구현하기 위해 모든 프로세스 단계들이 요구되지는 않을 수 있다. 구조적 물체 및/또는 프로세싱 단계가 추가될 수 있거나, 또는 존재하는 구조적 물체 및/또는 프로세싱 단계가 제거 또는 수정될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 또한, 본원에 도시된 동작들 중 하나 이상은 하나 이상의 별도의 동작 및/또는 단계로 수행될 수 있다. 더욱이, 용어 "포함하는(including)", "포함한다", "갖는", "갖는다", "구비한" 또는 이들의 변형이 상세한 설명 및 청구범위 중 어느 하나에서 사용되는 경우, 이러한 용어는 용어 "포함하는(comprising)"과 유사한 방식으로 포괄적이도록 의도된다. 용어 "~ 중 적어도 하나"는 열거된 항목들 중 하나 이상이 선택될 수 있다는 것을 의미하기 위해 사용된다. 추가로, 본원에서의 논의 및 청구범위에서, 두 개의 재료에 관하여 사용되는 용어 "~ 상", 즉 다른 재료 "상"의 하나의 재료는 이 재료들 사이의 적어도 얼마간의 접촉을 의미하는 한편, "~ 위"는 재료들이 근접해 있지만, 아마도 하나 이상의 추가적인 개재된 재료들이 있어서 접촉이 가능하지만 요구되지는 않는다는 것을 의미한다. "~ 상" 또는 "~ 위"는 본원에서 사용되는 바와 같이 어떠한 방향성을 암시하지 않는다. 용어 "등각성"은 밑에 있는 재료의 각도가 등각성 재료에 의해 보존되는 코팅 재료를 설명한다. 용어 "약"은, 변경이 예시된 실시형태에 대한 프로세스 또는 구조의 부적합을 초래하지 않는 한, 열거된 값이 다소 변경될 수 있다는 것을 나타낸다. 용어 "결합시키다", "결합된", "연결하다", "연결", "연결된", "~와 연결된" 및 "연결하는"은 "~와 직접 연결된" 또는 "하나 이상의 중간 요소 또는 부재를 통해 ~와 연결된"을 지칭한다. 마지막으로, 용어들 "예가 되는" 또는 "예시적인"은, 설명이 이상적인 것임을 암시하기보다는 일례로서 사용된다는 것을 나타낸다. 본 교시의 다른 실시형태는 본원의 개시내용의 상술 및 실시를 고려하면 당업자에게 명백할 수 있다. 명세서 및 실시예가 단지 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 본 교시의 진정한 범위 및 사상은 하기의 청구범위에 의해 나타내어지도록 의도된다.

Claims

3D 프린터에 사용되도록 구성된 노즐로서,
구조체; 및
상기 구조체 내에 적어도 부분적으로 위치된 층을 포함하고, 상기 층은 인쇄 재료의 액적이 상기 노즐로부터 토출된 후에 상기 인쇄 재료의 메니스커스의 침강 시간을 감소시키도록 구성되는, 노즐.
제1항에 있어서, 상기 층은 상기 구조체의 내측 원주방향 표면과 접촉하는 실질적으로 환형인 층을 포함하는, 노즐.
제1항에 있어서, 상기 구조체의 내측 원주방향 표면의 직경은 약 400 μm 내지 약 600 μm이고, 상기 층의 내측 원주방향 표면의 직경은 상기 구조체의 내측 원주방향 표면의 직경보다 약 20 μm 내지 약 80 μm만큼 더 작은, 노즐.
제1항에 있어서, 상기 층의 길이는 약 100 μm 내지 약 3 mm인, 노즐.
제1항에 있어서, 상기 층의 평균 두께는 약 5 μm 내지 약 100 μm인, 노즐.
제1항에 있어서, 상기 층의 평균 다공도는 약 20% 내지 약 60%인, 노즐.
제1항에 있어서, 상기 구조체는 흑연으로 제조되고, 상기 층은 상기 구조체와 상이한 재료로 제조되는, 노즐.
제1항에 있어서, 상기 층은 상기 인쇄 재료의 고화된 부분을 포함하는, 노즐.
제8항에 있어서, 상기 인쇄 재료는 금속을 포함하는, 노즐.
제1항에 있어서, 상기 층은 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al₂O₃), 탄화알루미늄(Al₄C₃), 산화티타늄(TiO), 또는 이들의 조합을 포함하는, 노즐.
제1항에 있어서, 상기 층은 세라믹 재료 및 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄 (Al₂O₃), 또는 둘 모두를 포함하는, 노즐.
제1항에 있어서, 상기 메니스커스에 대한 상기 침강 시간은 상기 액적이 토출된 후에 6e-3 s 미만인, 노즐.
제1항에 있어서, 상기 층은 상기 액적이 토출된 후에 상기 메니스커스의 최대 연장부를 감소시키도록 구성되고, 상기 최대 연장부는 0.1 mm 미만인, 노즐.
제1항에 있어서, 상기 층은 상기 노즐을 통해 상기 인쇄 재료의 증가된 질량 처리량을 허용하도록 구성되고, 상기 증가된 질량 처리량은 약 0.06 g/s 내지 약 0.20 g/s인, 노즐.
제1항에 있어서, 상기 액적은 상기 노즐로부터 토출되는 복수의 액적들 중 하나이고, 층이 상기 액적들이 증가된 주파수로 토출되도록 구성되고, 상기 증가된 주파수는 약 400 ㎐ 내지 약 1000 ㎐인, 노즐.
3D 프린터에 사용되도록 구성된 노즐로서,
내측 원주방향 표면을 획정하는 구조체; 및
상기 구조체 내에 적어도 부분적으로 위치된 층을 포함하고, 상기 층은 상기 내측 원주방향 표면과 접촉하는 환형 층을 포함하고, 상기 층은 평균 다공도가 약 10% 내지 약 70%인, 노즐.
제16항에 있어서, 상기 구조체의 내측 원주방향 표면의 직경은 약 400 μm 내지 약 600 μm이고, 상기 층의 내측 원주방향 표면의 직경은 상기 구조체의 내측 원주방향 표면의 직경보다 약 20 μm 내지 약 80 μm만큼 더 작은, 노즐.
제16항에 있어서, 상기 층의 길이는 약 100 μm 내지 약 3 mm인, 노즐.
제16항에 있어서, 상기 층의 평균 두께는 약 5 μm 내지 약 100 μm인, 노즐.
제16항에 있어서, 상기 층의 평균 다공도는 약 30% 내지 약 50%인, 노즐.
제16항에 있어서, 상기 구조체는 흑연으로 제조되고, 상기 층은 상기 구조체와 상이한 재료로 제조되는, 노즐.
제16항에 있어서, 상기 층은 인쇄 재료의 고화된 부분을 포함하는, 노즐.
제22항에 있어서, 상기 인쇄 재료는 금속을 포함하는, 노즐.
제16항에 있어서, 상기 층은 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al₂O₃), 탄화알루미늄(Al₄C₃), 산화티타늄(TiO), 또는 이들의 조합을 포함하는, 노즐.
제16항에 있어서, 상기 층은 세라믹 재료 및 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄 (Al₂O₃), 또는 둘 모두를 포함하는, 노즐.
제16항에 있어서, 상기 층은 인쇄 재료의 액적이 상기 노즐로부터 토출된 후에 상기 인쇄 재료의 메니스커스의 침강 시간을 감소시키도록 구성되는, 노즐.
제26항에 있어서, 상기 메니스커스에 대한 상기 침강 시간은 상기 액적이 토출된 후에 6e-3 s 미만인, 노즐.
제16항에 있어서, 상기 층은 인쇄 재료의 액적이 상기 노즐로부터 토출된 후에 상기 인쇄 재료의 메니스커스의 최대 연장부를 감소시키도록 구성되고, 상기 최대 연장부는 0.1 mm 미만인, 노즐.
제16항에 있어서, 상기 층은 상기 노즐을 통해 인쇄 재료의 증가된 질량 처리량을 허용하도록 구성되고, 상기 증가된 질량 처리량은 약 0.06 g/s 내지 약 0.20 g/s인, 노즐.
제16항에 있어서, 상기 노즐은 그로부터 인쇄 재료의 복수의 액적들이 토출되도록 구성되고, 층이 상기 액적들이 증가된 주파수로 토출되도록 구성되고, 상기 증가된 주파수는 약 400 ㎐ 내지 약 1000 ㎐인, 노즐.