KR20180031005A - 3d 프린터를 위한 레벨링 장치 - Google Patents

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KR20180031005A
KR20180031005A KR1020187004010A KR20187004010A KR20180031005A KR 20180031005 A KR20180031005 A KR 20180031005A KR 1020187004010 A KR1020187004010 A KR 1020187004010A KR 20187004010 A KR20187004010 A KR 20187004010A KR 20180031005 A KR20180031005 A KR 20180031005A
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bath
auger
radial direction
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KR1020187004010A
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English (en)
Inventor
우리 그라치
앤드류 제임스 칼슨
Original Assignee
스트라타시스 엘티디.
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Abstract

장치는, 적층 가공(AM) 시스템에 의해 퇴적되는 재료의 층을 스킴하도록 구성된 롤러, 롤러 상에 축적된 재료를 긁도록 구성된 블레이드, 블레이드에 의해 긁어진 재료를 수거하도록 구성된 배스, 및 배스 내에 수거된 재료를 롤러의 길이를 벗어나 연장되는 배스의 일부로 이송하도록 구성된 오거를 포함한다.

Description

3D 프린터를 위한 레벨링 장치
본원은 미국 특허법(35 USC ξ119(e))에 따라 2015년 7월 13일에 출원된 미국 가특허출원번호 제62/191,632호인 우선권을 주장하며, 그 전문은 본원에 참고로 원용된다.
본원은, 공동 출원되고 공동 계류 중이며 공동 양도된, Guy MENCHIK 등에 의한 "METHOD AND SYSTEM FOR 3D PRINTING"(Attorney Docket No. 63081)이라는 명칭의 미국 가특허출원, Scott Wayne BEAVER 등에 의한 "WASTE DISPOSAL FOR 3D PRINTING"(Attorney Docket No. 63080)이라는 명칭의 미국 가특허출원, Andrew James CARLSON 등에 의한 "OPERATION OF PRINTING NOZZLES IN ADDITIVE MANUFACTURE"(Attorney Docket No. 63083)라는 명칭의 미국 가특허출원, Andrew James CARLSON 등에 의한 "OPERATION OF PRINTING NOZZLES IN ADDITIVE MANUFACTURE"(Attorney Docket No. 63083)라는 명칭의 미국 가특허출원, 및 Guy MENCHIK 등에 의한 "METHOD AND SYSTEM FOR ROTATIONAL 3D PRINTING" (Attorney Docket No. 62993)이라는 명칭의 PCT 국제 특허출원에 관한 것으로서, 그 전문은 본원에 참고로 원용된다.
본 발명은, 본 발명의 일부 실시예에 있어서, 자유 형상 제조(freeform manufacturing)에 관한 것으로서, 배타적이지 않게 더욱 구체적으로는, 자유 형상 제조 시스템을 위한 레벨링 장치에 관한 것이다.
적층 가공(AM)은, 일반적으로 3D 오브젝트의 컴퓨터 모델을 이용하여 그 오브젝트를 가공하는 공정이다. 이러한 공정은, 다양한 분야에서, 예를 들어, 급속 가공뿐만 아니라 가시화, 입증, 및 기계적 프로토타이핑을 위한 설계 관련 분야에서 사용된다.
임의의 AM 시스템의 기본 동작은, 3D 컴퓨터 모델을 얇은 단면들로 슬라이싱하고, 그 결과를 2차원 위치 데이터로 변환하고, 그 데이터를 층별 방식으로 3D 구조를 구성하는 시스템의 제어기에 공급하는 것으로 이루어진다.
AM은, 3D 인쇄, 예를 들어, 3D 잉크제트 인쇄, 적층식 오브젝트 가공, 용융 퇴적 모델링, 및 기타와 같은 3D 인쇄를 포함하는 제조 방법에 대하여 많은 상이한 방안을 수반한다.
3D 인쇄 공정에 있어서, 예를 들어, 구축 재료는 지지 구조 상에 층을 퇴적하도록 노즐들의 세트를 갖는 분배 헤드로부터 분배된다. 구축 재료에 따라, 층들은 이어서 적절한 디바이스를 사용하여 경화되거나 응고될 수도 있다. 구축 재료는, 오브젝트를 형성하는 모델링 재료, 및 오브젝트가 구축될 때 그 오브젝트를 지지하는 지지 재료를 포함할 수도 있다.
인쇄 공정 동안, 구축 재료는 이전 층들의 상부에 분사되고 높이 방향으로 축적된다. 3D 오브젝트의 높이를 제어하고 평평한 표면을 유지하기 위해, 새롭게 분사된 미경화 구축 재료가 스키밍(skimming) 롤러 아래를 통과한다. 재료의 일부는 롤러에 의해 제거되고 수거 배스(bath) 내에 퇴적된다. 롤러 조립체는, 전형적으로, 롤러, 스크레이핑 블레이드, 수거 배스, 및 흡입 펌프를 포함한다. 긴 롤러의 경우에는, 다수의 흡입 지점을 사용하여 재료를 국부적으로 수거한다. 롤러 배스 요소의 유지 보수는 조립체로부터 배스를 제거함으로써 달성된다.
다양한 3D 인쇄 기술이, 존재하며, 예를 들어, 양수인이 모두 동일한, 미국 특허 제6,259,962호, 제6,569,373호, 제6,658,314호, 제6,850,334호, 제7,183,335호, 제7,209,797호, 제7,225,045호, 제7,300,619호, 제7,364,686호, 제7,500,846호, 제7,658,976호, 제7,962,237호, 제9,031,680호, 및 미국 특허출원공개번호 제20130040091호에 개시되어 있으며, 그 전문은 본원에 참고로 원용된다.
예를 들어, 미국 특허 제9,031,680호는, 복수의 분배 헤드를 갖는 AM 장치, 복수의 구축 재료를 제조 장치에 공급하도록 구성된 구축 재료 공급 장치, 및 제조 및 공급 장치를 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함하는 시스템을 개시한다. 시스템에는 여러 개의 동작 모드가 있다. 한 모드에서, 모든 분배 헤드는 제조 장치의 단일 구축 스캔 사이클 동안 동작한다. 다른 한 모드에서, 분배 헤드들 중 하나 이상은 단일 구축 스캔 사이클 또는 그 사이클의 일부 동안 동작하지 않는다.
본 발명의 일부 실시예의 일 양태에 따르면, 롤러 조립체의 배스 내에 수거된 잔해를 롤러 조립체의 단일 출력부를 향하여 이송하기 위한 이송 기구를 갖는 롤러 조립체를 제공한다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 이송 기구는, 수거된 잔해를 롤러 조립체로부터 멀어지도록 펌핑하기 위한 압력을 생성하며 선택적으로 펌프 대신에 사용된다.
본 발명의 일부 실시예의 일 양태에 따르면, 회전형 3D 인쇄 시스템과 함께 동작하도록 구성된 롤러 조립체를 제공한다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 롤러 조립체의 하나 이상의 롤러는 회전형 3D 인쇄 시스템의 방사상 방향을 따라 정렬된다. 일부 예시적인 실시예에서, 롤러는 프린터의 회전 축으로부터 서로 다른 거리에서 실질적으로 동일한 선 속도로 층을 스킴(skim)하도록 구성된다.
본 발명의 일부 실시예의 일 양태에 따르면, 적층 가공(AM) 시스템에 의해 퇴적되는 재료의 층을 스킴하도록 구성된 롤러; 롤러 상에 축적된 재료를 긁도록 구성된 블레이드; 블레이드에 의해 긁어진 재료를 수거하도록 구성된 배스; 및 배스 내에 수거된 재료를 롤러의 길이를 벗어나 연장되는 배스의 일부로 이송하도록 구성된 오거(auger)를 포함하는 장치를 제공한다.
선택적으로, 오거는 배스의 전체 길이에 걸쳐 연장된다.
선택적으로, 오거는 배스 내에 수용된다.
선택적으로, 오거는, 오거를 오거의 길이 방향 축을 중심으로 회전시키도록 구성된 모터와 결합된다.
선택적으로, 블레이드는 롤러의 전체 길이에 걸쳐 연장된다.
선택적으로, 블레이드의 폭은 롤러부터 오거까지 연장된다.
선택적으로, 롤러의 길이를 벗어나 연장되는 배스의 일부는 그 배스의 일부를 밀폐하도록 구성된 커버를 포함한다.
선택적으로, 배스는, 롤러의 길이를 벗어나 연장되는 배스의 일부와 롤러의 길이를 따라 연장되는 배스의 제2 일부 간의 압력 차를 생성하도록 구성된다.
선택적으로, 오거는 가변 피치 스레드를 포함한다.
선택적으로, 롤러의 길이에 걸쳐 연장되는 오거의 피치는 배스의 일부에 걸쳐 연장되는 오거의 피치보다 넓다.
선택적으로, 배스의 일부는, 역류가 롤러를 향하여 방출되는 것을 방지하도록 구성된 역류 채널을 포함한다.
선택적으로, 배스의 하우징은, 역류가 롤러를 향하여 방출되는 것을 방지하도록 구성된 위킹 채널을 포함한다.
선택적으로, AM 시스템은 회전형 3D 잉크제트 프린터이다.
선택적으로, 롤러는, 회전하는 구축 트레이로부터 층을 떨어지게 스킴하도록 구성된다.
선택적으로, 롤러는 회전하는 구축 트레이의 방사상 방향으로 연장된다.
선택적으로, 롤러는 트레이의 전체 인쇄 구역에 걸쳐 방사상 방향으로 연장된다.
선택적으로, 롤러는 트레이의 인쇄 구역의 일부에 걸쳐서만 방사상 방향으로 연장된다.
선택적으로, 롤러는 방사상 방향으로 고정형이다.
선택적으로, 롤러는 방사상 방향으로 이동하도록 구성된 스테이지 상에 장착된다.
선택적으로, 장치는, 트레이의 인쇄 구역의 서로 다른 일부에 걸쳐 방사상 방향으로 각각 연장되는 복수의 롤러를 포함한다.
선택적으로, 복수의 롤러의 각각은 서로 다른 직경을 갖는다.
선택적으로, 롤러는 원뿔 형상 롤러이다.
본 발명의 일부 실시예의 일 양태에 따르면, AM 시스템을 제공하며, AM 시스템은, 오브젝트를 가공하기 위해 층별 방식으로 구축 재료를 분배하도록 구성된 분배 유닛; 분배되는 구축 재료를 수용하도록 위치설정되고, 분배 유닛이 구축 재료를 분배하는 동안 회전하도록 구성된 구축 트레이; 및 트레이 상에 분배되는 구축 재료를 레벨링하도록 구성된 레벨링 조립체를 포함하고, 레벨링 조립체는, 분배되는 구축 재료를 스킴하도록 구성되고, 구축 트레이의 방사상 방향으로 정렬된 롤러; 롤러 상에 축적된 재료를 긁도록 구성된 블레이드; 블레이드에 의해 긁어진 재료를 수거하도록 구성된 배스; 및 배스 내에 수거된 재료를 롤러의 길이를 벗어나 연장되는 배스의 일부로 이송하도록 구성된 오거를 포함한다.
선택적으로, 오거는, 배스의 전체 길이에 걸쳐 연장되며 배스 내에 수용된다.
선택적으로, 오거는, 오거를 오거의 길이 방향 축을 중심으로 회전시키도록 구성된 모터와 결합된다.
선택적으로, 롤러는 트레이의 전체 인쇄 구역에 걸쳐 방사상 방향으로 연장된다.
선택적으로, 롤러는 트레이의 인쇄 구역의 일부에 걸쳐서만 방사상 방향으로 연장된다.
선택적으로, 롤러는 방사상 방향으로 고정형이다.
선택적으로, 롤러는 방사상 방향으로 이동하도록 구성된 스테이지 상에 장착된다.
선택적으로, 장치는, 트레이의 인쇄 구역의 서로 다른 일부에 걸쳐 방사상 방향으로 각각 연장되는 복수의 롤러를 포함한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술 용어 및/또는 과학 용어는, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자가 일반적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본원에 기술된 것과 유사하거나 균등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시예들을 실시 또는 테스트하는 데 사용될 수 있지만, 예시적인 방법 및/또는 재료를 이하에서 설명한다. 충돌이 있는 경우, 정의를 포함한 특허 명세서가 우선한다. 또한, 재료, 방법, 및 실시예는, 단지 예시적인 것이며, 반드시 제한하려는 것은 아니다.
본 발명의 일부 실시예는 본원에서 첨부 도면을 참조하여 단지 예시적으로 설명된다. 이제 도면을 특정하게 상세히 참조해 보면, 도시된 세부 사항은 예시적인 것이며 본 발명의 실시예들에 대한 설명을 예시하기 위함을 강조한 것이다. 이와 관련하여, 도면들과 함께 취해진 설명은 본 발명의 실시예들이 실시될 수도 있는 방법을 통상의 기술자에게 명백하게 한다. 도면에서,
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일부 실시예에 따른 AM 시스템의 개략도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일부 실시예에 따라 인쇄 헤드를 도시하는 개략도이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 일부 실시예에 따라 좌표 변환을 입증하는 개략도이다.
도 4a와 도 4b는 본 발명의 일부 실시예에 따른 예시적인 레벨링 조립체의 사시도 및 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따라 예시적인 레벨링 조립체의 길이를 따라 절단한 단면도이다.
도 6a와 도 6b는 본 발명의 일부 실시예에 따라 예시적인 레벨링 조립체의 길이의 일부를 따라 절단한 단면도의 상세 및 레벨링 조립체의 압력 차 영역을 따라 절단한 단면도이다.
도 6c는 본 발명의 일부 실시예에 따라 수거 배스의 하우징에 걸친 단면도이다.
도 7a와 도 7b는 본 발명의 일부 실시예에 따라 오거의 길이를 따라 절단한 두 개의 예시적인 단면도이다.
도 8a, 도 8b, 및 도 8c는 본 발명의 일부 실시예에 따라 인쇄 구역을 커버하는 레벨링 조립체의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일부 실시예에 따라 구축 트레이 위의 원뿔 롤러의 개략적 측면도이다.
본 발명은, 본 발명의 일부 실시예에서, 자유 형태 가공에 관한 것으로서, 배타적이지 않게 더욱 구체적으로는, 자유 형태 가공 시스템을 위한 레벨링 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 롤러로부터 재료를 긁기 위한 블레이드, 및 롤러에 의해 스킴된 재료로부터 블레이드를 떨어지게 하고 롤러로부터 긁어진 재료를 한 영역으로, 예를 들어, 롤러의 일 단부로 이송하기 위한 오거를 포함하는 롤러 조립체를 제공한다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 오거는, 배스를 떨어지게 하고, 롤러 조립체를 깨끗하게 하는 데 필요한 유지 보수 간격을 감소시킨다. 잔해가 수거되는 단일 출력부는 다수의 흡입 지점을 제어하는 데 통상적으로 사용되는 영역 선택 밸브 스위치를 배제할 수도 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 롤러 조립체를 갖는 오거는, 수거된 구축 재료를 롤러 조립체로부터 멀어지게 펌핑하기 위한 압력을 생성하도록 설계된다. 이송 기구와 용적 펌핑 작용의 조합은, 배스로부터 잔해를 제거하는 데 통상적으로 사용되는 흡입 펌프를 제거하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 롤러는, 회전형 3D 인쇄 시스템에 통합되며, 시스템의 회전 운동 중에 구축 재료를 레벨링하도록 구성된다. 통상적으로, 롤러는 모터에 의해 롤러의 길이 방향 축을 중심으로 회전된다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 롤러는, 전체 방사상 인쇄 구역을 따라, 예를 들어, 회전형 3D 프린터의 모든 인쇄 패스(pass)를 따라 연장되는 길이를 갖는 것으로 정의된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 롤러 조립체는 회전형 3D 프린터의 (모든 패스가 아닌) 하나 이상의 패스에 걸쳐서만 연장되는 롤러를 포함하고, 전체 방사상 인쇄 구역은, 롤러를 방사상 방향으로 이동하는 이동 스테이지 상에 축 방향으로 장착함으로써 커버된다.
본 발명의 또 다른 일부 실시예에서, 롤러 조립체는, 예를 들어, 방사상 방향으로 상이한 로케이션에 위치설정된 다수의 롤러를 포함한다.
선택적으로, 복수의 롤러를 사용하는 경우에는, 분배되는 재료의 층으로부터 재료를 스킴할 때 롤러의 선 속도가 회전 축으로부터의 서로 다른 거리에서 실질적으로 동일하도록 회전 축으로부터 멀리 떨어진 레벨링 패스에는 큰 직경의 롤러를 사용하고 회전 축에 가까운 레벨링 패스에는 작은 직경의 롤러를 사용한다. 일부 예시적인 실시예에서, 롤러는 인쇄 구역의 중심을 향하여 테이퍼링되는 원뿔 형상을 갖도록 정의된다. 테이퍼링 각도는 통상적으로 인쇄 구역의 회전 축으로부터의 서로 다른 거리에서 동일한 선 속도를 제공하도록 선택된다. 대안으로, 원통형 롤러를 사용할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 그 응용 분야에 있어서 반드시 이하의 설명에 기재되고 도면에 예시되는 구성요소 및/또는 방법의 구성 및 배열의 세부 사항으로 한정되지는 않는다는 점을 이해해야 한다. 본 발명은, 다른 실시예가 가능하며, 또는 다양한 방식으로 실시되거나 실행될 수 있다.
본 실시예의 방법 및 시스템은, 오브젝트의 형상에 대응하게 구성된 패턴으로 복수의 층을 형성함으로써 층별 방식으로 컴퓨터 오브젝트 데이터에 기초하여 3D 오브젝트를 가공한다. 컴퓨터 오브젝트 데이터는, 표준 테셀레이션 언어(STL) 또는 스테레오리소그래피 컨투어(SLC) 포맷, 가상 현실 모델링 언어(VRML), 적층 가공 파일(AMF) 포맷, 드로잉 교환 포맷(DXF), 다각형 파일 포맷(PLY), 또는 컴퓨터 지원 설계(CAD)에 적합한 다른 임의의 포맷을 포함하는 알려져 있는 임의의 포맷일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
본 명세서에 사용되는 바와 같은 "오브젝트"이라는 용어는 오브젝트 전체 또는 그 오브젝트의 일부를 가리킨다.
각 층은, 2차원 표면을 스캔하여 패턴화하는 AM 장치에 의해 형성된다. 스캔 동안, 장치는, 2차원 층 또는 표면 상의 복수의 타겟 로케이션을 방문하고, 각각의 타겟 로케이션 또는 타겟 로케이션들의 그룹에 대하여, 타겟 로케이션 또는 타겟 로케이션들의 그룹이 구축 재료에 의해 점유되어야 하는지의 여부 및 거기에 어떤 유형의 구축 재료가 전달되어야 하는지를 결정한다. 결정은 표면의 컴퓨터 화상에 따라 내려진다.
본 발명의 바람직한 실시예들에서, AM은, 3D 인쇄, 보다 바람직하게는, 3D 잉크제트 인쇄를 포함한다. 이들 실시예에서, 구축 재료는, 지지 구조체 상에 구축 재료를 적층하도록 노즐들의 세트를 갖는 분배 헤드로부터 분배된다. 따라서, AM 장치는 점유될 타겟 로케이션에 구축 재료를 분배하고 다른 타겟 로케이션은 공백 상태로 둔다. 장치는, 통상적으로 상이한 구축 재료를 분배하도록 각각 구성될 수 있는 복수의 분배 헤드를 포함한다. 따라서, 상이한 타겟 로케이션은 상이한 구축 재료에 의해 점유될 수 있다. 구축 재료들의 유형은 모델링 재료와 지지 재료라는 두 개의 주요 범주로 분류될 수 있다. 지지 재료는, 제조 공정 동안 오브젝트 또는 오브젝트 일부를 지지하기 위한 및/또는 다른 목적, 예를 들어 중공형 또는 다공성 오브젝트를 제공하기 위한 지지 매트릭스 또는 구조로서 기능한다. 지지 구조는, 예를 들어, 추가 지지 강도를 위해 모델링 재료 요소를 추가로 포함할 수도 있다.
모델링 재료는, 일반적으로 AM에 사용하도록 만들어지며, 그 자체로, 즉 다른 임의의 물질과 혼합되거나 결합될 필요 없이 3D 오브젝트를 형성할 수 있는 조성물이다.
최종 3D 오브젝트는, 모델링 재료, 또는 모델링 재료들 또는 모델링 재료와 지지 재료의 조합 또는 이들의 변형(예를 들어, 경화 후에 해당함)으로 형성된다. 이러한 모든 동작은 자유 형상 제조 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다.
본 발명의 예시적인 일부 실시예에서, 오브젝트는 두 개 이상의 상이한 모델링 재료를 분배함으로써 제조되며, 각각의 재료는 AM 시스템의 상이한 분배 헤드로부터 공급된다. 재료들은 인쇄 헤드의 동일한 통과 동안 층들에 선택적으로 그리고 바람직하게 퇴적된다. 층 내의 재료들 및 재료들의 조합은 오브젝트의 원하는 특성에 따라 선택된다.
본 발명의 일부 실시예에 따른 오브젝트(112)의 AM에 적합한 시스템(110)의 대표적이고 비제한적인 일례가 도 1a에 도시되어 있다. 시스템(110)은, 복수의 분배 헤드를 포함하는 분배 유닛(16)을 갖는 AM 장치(114)를 포함한다. 각각의 헤드는, 후술하는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 액체 구축 재료(124)가 분배되는 하나 이상의 노즐(122)의 어레이를 포함하는 것이 바람직하다. 선택적으로, 구축 재료는 폴리머 재료이며, 예를 들어, 포토폴리머 재료이다. 선택적으로, 다른 재료를 사용한다.
필수적인 것은 아니지만 바람직하게, 장치(114)는 3D 액적 퇴적, 예를 들어, 잉크제트 인쇄 장치이고, 이 경우 분배 헤드는 인쇄 헤드이고, 구축 재료는 잉크제트 기술을 통해 분배되는 것이 바람직하다. 이는 반드시 그러한 것은 아닌데, 일부 응용 분야에서는, AM 장치가 3D 잉크제트 인쇄 기술을 채택할 필요가 없을 수도 있기 때문이다. 본 발명의 예시적인 다양한 실시예에 따라 고려되는 AM 장치의 대표적인 예는, 용융 퇴적 모델링 장치 및 용융 재료 퇴적 장치를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.
각각의 분배 헤드는, 선택적으로 그리고 바람직하게 온도 제어 유닛(예를 들어, 온도 센서 및/또는 가열 디바이스) 및 재료 레벨 센서를 선택적으로 포함할 수도 있는 구축 재료 저장소를 통해 공급된다. 구축 재료를 분배하기 위해, 전압 신호가 분배 헤드에 인가되어, 예를 들어 압전 잉크제트 인쇄 기술에서와 같이 분배 헤드 노즐을 통해 재료의 액적을 선택적으로 퇴적한다. 각 헤드의 분배 속도는 노즐의 개수, 노즐 유형, 및 인가 전압 신호 속도(주파수)에 의존한다. 이러한 분배 헤드는 임의 형상 제조 분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다.
필수적인 것은 아니지만 바람직하게, 분배 노즐 또는 노즐 어레이의 전체 개수는, 분배 노즐들 중 절반이 지지 재료를 분배하도록 지정되고 분배 노즐들 중 절반이 모델링 재료를 분배하도록 지정되며, 즉, 모델링 재료를 분사하는 노즐의 개수가 지지 재료를 분사하는 노즐의 개수와 같도록, 선택된다. 도 1a의 대표적인 예에서는, 4개의 분배 헤드(16a, 16b, 16c, 16d)가 도시되어 있다. 각각의 헤드(16a, 16b, 16c, 16d)는 노즐 어레이를 갖는다. 이 예에서, 헤드(16a 및 16b)는 재료를 모델링하도록 지정될 수 있고 헤드(16c 및 16d)는 지지 재료를 위해 지정될 수 있다. 따라서, 헤드(16a)는 제1 모델링 재료를 분배할 수 있고, 헤드(16b)는 제2 모델링 재료를 분배할 수 있고, 헤드(16c 및 16d)는 모두 지지 재료를 분배할 수 있다. 대체 실시예에서, 예를 들어, 헤드(16c 및 16d)는 지지 재료를 퇴적하기 위한 2개의 노즐 어레이를 갖는 단일 헤드로 결합될 수도 있다.
그러나, 이는 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니며 모델링 재료 퇴적 헤드(모델링 헤드)의 개수와 지지 재료 퇴적 헤드(지지 헤드)의 개수가 다를 수도 있음을 이해해야 한다. 일반적으로, 모델링 헤드의 개수, 지지 헤드의 개수, 및 각각의 헤드 또는 헤드 어레이에서의 노즐의 개수는, 지지 재료의 최대 분배 속도와 모델링 재료의 최대 분배 속도 간의 소정의 비 a를 제공하도록 선택된다. 소정의 비 a의 값은, 형성된 각 층에서의 모델링 재료의 높이가 동일 층에서의 지지 재료의 높이와 동일함을 보장하도록 선택되는 것이 바람직하다. a의 통상적인 값은 약 0.6 내지 약 1.5이다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "약"이라는 용어는 ±10%를 의미한다.
예를 들어, a=1인 경우에, 지지 재료의 전체 분배 속도는 모든 모델링 헤드 및 지지 헤드가 동작할 때 모델링 재료의 전체 분배 속도와 대략 동일하다.
바람직한 일 실시예에서는, M×m×p=S×s×q이도록 p개의 노즐의 m개의 어레이를 각각 갖는 M개의 모델링 헤드 및 q개의 노즐의 s개의 어레이를 각각 갖는 S개의 지지 헤드가 있다. M×m 모델링 어레이와 S×s 지지 어레이의 각각은, 어레이들의 그룹으로부터 조립 및 분해될 수 있는 별도의 물리적 유닛으로서 제조될 수 있다. 본 실시예에서, 이러한 각각의 어레이는, 온도 제어 유닛 및 각자의 고유한 재료 레벨 센서를 선택적으로 그리고 바람직하게 포함하고, 그 동작을 위해 개별적으로 제어되는 전압을 수신한다.
장치(114)는, 퇴적된 재료가 경화될 수도 있게 하는 광, 열 등을 방출하도록 구성된 임의의 디바이스를 포함할 수 있는 경화 디바이스(324)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 경화 디바이스(324)는, 사용되는 모델링 재료에 따라, 예를 들어, 자외선 또는 가시광선 또는 적외선 램프, 또는 전자기 방사선의 다른 소스, 또는 전자 빔 소스일 수 있는 하나 이상의 방사선 소스를 포함할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 경화 디바이스(324)는 모델링 재료를 경화 또는 응고시키는 역할을 한다.
일부 예시적인 실시예에서, 분배 헤드 및 방사선 소스는, 바람직하게 작업면으로서 기능하는 트레이 및/또는 인쇄 플래튼(360) 위에서 왕복 이동하도록 바람직하게 동작가능한 프레임 또는 블록(128) 상에 장착되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일부 실시예에서, 방사선 소스는, 분배 헤드에 후속하여 분배 헤드에 의해 분배된 직후의 재료를 적어도 부분적으로 경화 또는 응고시키도록 블록에 장착된다. 트레이(360)는 수평으로 위치설정된다. 일반적인 규칙에 따르면, X-Y-Z 직교 좌표계는 X-Y 평면이 트레이(360)와 평행하도록 선택된다. 트레이(360)는, 바람직하게 수직으로(Z 방향을 따라)，통상적으로 하측으로 이동하도록 구성된다. 본 발명의 예시적인 다양한 실시예에서, 장치(114)는 하나 이상의 레벨링 디바이스(132), 예를 들어, 롤러(326)를 더 포함한다. 레벨링 디바이스(326)는, 새로 형성된 층의 두께를 후속 층이 위에 형성되기 전에 곧게 펴고, 레벨링하고, 및/또는 확립하는 역할을 한다. 레벨링 디바이스(326)는, 레벨링 동안 생성되는 과도한 재료를 수거하기 위한 폐기물 수거 디바이스(136)를 포함하는 것이 바람직하다. 폐기물 수거 디바이스(136)는 재료를 폐기물 탱크 또는 폐기물 카트리지로 전달하는 임의의 기구를 포함할 수도 있다.
일부 예시적인 실시예에서의 사용시, 유닛(16)의 분배 헤드들은, 본원에서 X 방향으로서 지칭되는 스캔 방향으로 이동하고, 트레이(360)를 통과하는 과정에서 구축 재료를 소정의 구성으로 선택적으로 분배한다. 구축 재료는, 통상적으로 하나 이상의 유형의 지지 재료 및 하나 이상의 유형의 모델링 재료를 포함한다. 유닛(16)의 분배 헤드들의 통과 후에는 방사선 소스(126)에 의한 모델링 재료(들)의 경화가 이어진다. 방금 퇴적된 층에 대한 시작 지점으로 되돌아가는 헤드들의 역 통로에 있어서, 구축 재료의 추가 분배가 소정의 구성에 따라 수행될 수도 있다. 분배 헤드들의 순방향 및/또는 역방향 통로에 있어서, 이와 같이 형성된 층은, 바람직하게 순방향 및/또는 역방향으로 이동하는 분배 헤드들의 경로를 따르는 레벨링 디바이스(326)에 의해 곧게 펴질 수도 있다. 분배 헤드들은, 일단 X 방향을 따라 자신들의 시작 지점으로 복귀하면, 본원에서 Y 방향으로서 지칭되는 인덱싱 방향을 따라 다른 위치로 이동할 수도 있고, X 방향을 따른 왕복 이동에 의해 동일한 층을 계속 구축할 수도 있다. 대안으로, 분배 헤드들은 순방향 이동과 역방향 이동 사이에 또는 하나 이상의 순방향-역방향 이동 후에 Y 방향으로 이동할 수도 있다. 단일 층을 완성하도록 분배 헤드들에 의해 수행되는 일련의 스캔은 본원에서 단일 스캔 사이클이라고 한다.
일단 층이 완성되면, 트레이(360)는 후속 인쇄될 층의 원하는 두께에 따라 Z 방향에 있어서 소정의 Z 레벨로 하강된다. 이 절차는 층별 방식으로 3D 오브젝트(112)를 형성하도록 반복된다.
다른 일 실시예에서, 트레이(360)는 층 내의 유닛(16)의 분배 헤드의 순방향 통로와 역방향 통로 사이에서 Z 방향으로 변위될 수도 있다. 이러한 Z 변위는, 레벨링 디바이스를 한 방향에서의 표면과 접촉하게 하고 다른 방향에서의 접촉을 방지하도록 실행된다.
시스템(110)은, 구축 재료 컨테이너 또는 카트리지를 포함하고 복수의 구축 재료를 AM 장치(114)에 공급하는 구축 재료 공급 시스템(330)을 선택적으로 그리고 바람직하게 포함한다.
제어 유닛(340)은 AM 장치(114)를 제어하고 선택적으로 그리고 바람직하게 공급 시스템(330)도 제어한다. 제어 유닛(340)은 통상적으로 제어 동작을 수행하도록 구성된 전자 회로를 포함한다. 제어 유닛(340)은, 컴퓨터 오브젝트 데이터, 예를 들어, 표준 테셀레이션 언어(STL) 포맷 등의 형태로 컴퓨터 판독가능 매체에 표시된 CAD 구성에 기초하는 제조 명령어에 관한 디지털 데이터를 송신하는 프로세서(154)와 통신하는 것이 바람직하다. 통상적으로, 프로세서(154)는, 컴퓨터 오브젝트 데이터를 저장하고 컴퓨터 오브젝트 데이터에 기초하는 제조 명령어에 관한 데이터를 저장하기 위한 메모리 유닛 및/또는 메모리 기능을 포함한다. 통상적으로, 제어 유닛(340)은, 각 분배 헤드 또는 노즐 어레이에 인가되는 전압 및 각각의 인쇄 헤드 내의 구축 재료의 온도를 제어한다.
일단 제조 데이터가 제어 유닛(340)에 로딩되면, 제어 유닛은 사용자 개입 없이 동작할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어 유닛(340)은, 예를 들어, 데이터 프로세서(154)를 사용하거나 유닛(340)과 통신하는 사용자 인터페이스(116)를 사용하는 조작자로부터 추가 입력을 수신한다. 사용자 인터페이스(116)는, 키보드, 터치 스크린 등의 당업계에 공지된 임의의 유형의 것일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제어 유닛(340)은, 색상, 특성 왜곡 및/또는 전이 온도, 점도, 전기적 특성, 자기적 특성 등과 같은 하나 이상의 구축 재료 유형 및/또는 속성을 추가 입력으로서 수신할 수 있지만, 이러한 예로 한정되지는 않는다. 다른 속성 및 속성들의 그룹도 고려할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따른 오브젝트의 AM에 적합한 회전형 시스템(10)의 또 다른 대표적이고 비제한적인 예가 도 1b 내지 도 1d에 도시되어 있다. 도 1b 내지 도 1d는 시스템(10)의 평면도(도 1b), 측면도(도 1c), 및 등각도(도 1d)를 도시한다.
본 실시예에서, 시스템(10)은, 트레이 및/또는 인쇄 플래튼(12), 및 복수의 분리된 노즐을 각각 갖는 복수의 잉크제트 인쇄 헤드(16)를 포함한다. 트레이(12)는 디스크 형상일 수 있고 또는 환형일 수 있다. 트레이가 수직 축을 중심으로 회전될 수 있다면 둥글지 않은 형상도 고려할 수 있다. 통상적으로, 시스템(10)은, 하나 이상의 방사선 소스(18) 및 하나 이상의 레벨링 디바이스(32)도 포함한다.
트레이(12)와 헤드(16)는, 예를 들어 트레이(12)와 헤드(16) 간의 상대적 회전 운동을 허용하도록 선택적으로 그리고 바람직하게 장착된다. 이는, (i) 헤드(16)에 대해 수직 축(14)을 중심으로 회전하도록 트레이(12)를 구성하고, (ii) 트레이(12)에 대해 수직 축(14)을 중심으로 회전하도록 헤드(16)를 구성하고, 또는 (iii) 서로 다른 회전 속도로 수직 축(14)을 중심으로 회전(예를 들어, 반대 방향으로 회전)하도록 트레이(12)와 헤드(16) 모두를 구성함으로써 달성될 수 있다. 이하의 실시예들은 트레이가 헤드(16)에 대해 수직 축(14)을 중심으로 회전하도록 구성된 회전 트레이인 구성 (i)를 특히 강조하여 설명되지만, 본 출원은 구성 (ii)와 (iii)도 고려할 수 있음을 이해해야 한다. 본원에 설명되는 실시예들 중 임의의 일 실시예는 구성 (ⅱ)와 (ⅲ) 중 임의의 것에 적용 가능하도록 조정될 수 있으며, 본원에 설명되는 세부 사항이 제공되는 임의의 통상의 기술자는 이러한 조정을 행하는 방법을 알 것이다.
다음에 따르는 설명에서, 트레이(12)에 평행하고 축(14)으로부터 외측을 향하는 방향은 반경 방향 r로 지칭되고, 트레이(12)에 평행하고 반경 방향 r에 수직인 방향은 본원에서 방위각 방향 φ로 지칭되고, 트레이(12)에 수직인 방향은 본원에서 수직 방향 z로 지칭된다.
본원에서 사용되는 바와 같은 "방사상 위치"라는 용어는 축(14)으로부터 특정 거리에 있는 트레이(12) 상의 또는 트레이 위의 위치를 가리킨다. 용어가 인쇄 헤드와 관련하여 사용되는 경우, 그 용어는 축(14)으로부터 특정 거리에 있는 헤드의 위치를 가리킨다. 용어가 트레이(12) 상의 한 지점과 관련하여 사용되는 경우, 그 용어는, 반경이 축(14)으로부터의 특정 거리이며 중심이 축(14)에 있는 원인, 지점들의 궤적에 속하는 임의의 지점에 대응한다.
본원에서 사용되는 바와 같은 "방위각 위치"라는 용어는, 소정의 기준 지점에 대한 특정 방위각에 있는 트레이(12) 상의 또는 트레이 위의 위치를 가리킨다. 따라서, 방사상 위치는, 기준 지점에 대해 특정 방위각을 형성하는 직선인 지점들의 궤적에 속하는 임의의 지점을 가리킨다.
본원에서 사용되는 바와 같은 "수직 위치"라는 용어는 특정 지점에서 수직 축(14)과 교차하는 평면 위의 위치를 가리킨다.
트레이(12)는 3D 인쇄를 위한 지지 구조로서 기능한다. 한 개 이상의 오브젝트가 인쇄되는 작업 영역은, 통상적으로 트레이(12)의 총 영역보다 작지만, 반드시 그러할 필요는 없다. 본 발명의 일부 실시예에서, 작업 영역은 환형이다. 작업 영역은 참조번호 26으로 도시되어 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 트레이(12)는, 오브젝트의 형성 전체에 걸쳐 동일한 방향으로 연속적으로 회전하고, 본 발명의 일부 실시예에서는 오브젝트의 형성 동안 회전 방향을 적어도 한 번(예를 들어, 진동 방식으로) 역전시킨다. 트레이(12)는 선택적으로 그리고 바람직하게 분리가능하다. 트레이(12)를 제거하는 것은, 시스템(10)의 유지 보수를 위한 것일 수 있으며, 또는 필요하다면, 새로운 오브젝트를 인쇄하기 전에 트레이를 교체하기 위한 것일 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 시스템(10)에는 한 개 이상의 상이한 교체 트레이(예를 들어, 교체 트레이들의 키트)가 제공되며, 여기서 두 개 이상의 트레이는, 상이한 유형의 오브젝트(예를 들어, 무게가 상이함)에 대하여 상이한 동작 모드(예를 들어, 상이한 회전 속도) 등으로 지정된다. 트레이(12)의 교체는 필요에 따라 수동 또는 자동일 수 있다. 자동 교체가 채택되는 경우, 시스템(10)은, 트레이(12)를 헤드(16) 아래의 위치로부터 제거하고 그 트레이를 교체 트레이(도시되지 않음)로 교체하도록 구성된 트레이 교체 디바이스(36)를 포함한다. 도 1b의 대표적인 예에서, 트레이 교체 디바이스(36)는 트레이(12)를 당기도록 구성된 가동 아암(arm; 40)을 갖는 구동부(38)로서 도시되어 있지만, 다른 유형의 트레이 교체 디바이스도 고려할 수 있다.
인쇄 헤드(16)에 대한 예시적인 실시예들이 도 2a 내지 도 2c에 도시되어 있다. 이들 실시예는, 시스템(110)과 시스템(10)을 포함하는 상술한 AM 시스템들 중 임의의 것에 대하여 사용될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
도 2a와 도 2b는 한 개의 노즐 어레이(도 2a) 및 두 개의 노즐 어레이(22)(도 2b)를 갖는 인쇄 헤드(16)를 도시한다. 어레이 내의 노즐들은 바람직하게는 직선을 따라 선형으로 정렬된다. 특정 인쇄 헤드가 2개 이상의 선형 노즐 어레이를 갖는 실시예들에서, 노즐 어레이들은 선택적으로 서로 평행하며 바람직하게는 서로 평행할 수 있다.
시스템(110)과 유사한 시스템을 사용하는 경우, 모든 인쇄 헤드(16)는, 선택적으로 그리고 바람직하게는 스캔 방향을 따른 인쇄 헤드의 위치가 서로 오프셋되면서 인덱싱 방향을 따라 배향된다.
시스템(10)과 유사한 시스템을 사용하는 경우, 모든 인쇄 헤드(16)는, 선택적으로 그리고 바람직하게는 방위각 위치가 서로 오프셋되면서 방사상으로 (방사상 방향에 평행하게) 배향된다. 따라서, 이들 실시예에서, 상이한 인쇄 헤드들의 노즐 어레이들은, 서로 평행하지 않고 서로 각도를 이루며, 이 각도는 각 헤드 간의 방위각 오프셋과 대략 동일하다. 예를 들어, 하나의 헤드는 방사상으로 배향될 수 있고 방위각 위치 φ1에 위치설정될 수 있으며, 다른 하나의 헤드는 방사상으로 배향될 수 있고 방위각 위치 φ2에 위치설정될 수 있다. 이 예에서, 2개의 헤드 사이의 방위각 오프셋은 φ1-φ2이고, 2개의 헤드의 선형 노즐 어레이들 사이의 각도도 φ1-φ2이다.
일부 실시예에서, 2개 이상의 인쇄 헤드가 인쇄 헤드들의 블록에 조립될 수 있으며, 이 경우 블록의 인쇄 헤드들은 통상적으로 서로 평행하다. 몇몇 잉크제트 인쇄 헤드(16a, 16b, 16c)를 포함하는 블록이 도 2c에 도시되어 있다.
일부 실시예에서, 시스템(10)은, 트레이(12)가 지지 구조(30)와 헤드(16) 사이에 있도록 헤드(16) 아래에 위치설정된 지지 구조(30)를 포함한다. 지지 구조(30)는, 잉크제트 인쇄 헤드(16)가 동작하는 동안 발생할 수도 있는 트레이(12)의 진동을 방지하거나 감소시키도록 기능할 수도 있다. 인쇄 헤드(16)가 축(14)을 중심으로 회전하는 구성에서는, (트레이(12)가 헤드(16)와 트레이(12) 사이에 있으면서) 지지 구조(30)가 항상 헤드(16) 바로 아래에 있도록 지지 구조(30)도 회전하는 것이 바람직하다.
트레이(12) 및/또는 인쇄 헤드(16)는, 수직 축(14)에 평행한 수직 방향 z를 따라 이동하여 트레이(12)와 인쇄 헤드(16) 사이의 수직 거리를 가변하도록 선택적으로 그리고 바람직하게 구성된다. 트레이(12)를 수직 방향을 따라 이동시킴으로써 수직 거리가 가변되는 구성에서, 지지 구조(30)도 바람직하게 트레이(12)와 함께 수직으로 이동한다. 트레이(12)의 수직 위치를 고정된 상태로 유지하면서 수직 거리를 따라 헤드(16)에 의해 수직 거리가 가변되는 구성에서, 지지 구조(30)도 고정된 수직 위치에서 유지된다.
수직 운동은 수직 구동부(28)에 의해 확립될 수 있다. 일단 층이 완성되면, 트레이(12)와 헤드(16) 사이의 수직 거리는, 후속하여 인쇄될 층의 원하는 두께에 따른 소정의 수직 단차만큼 증가될 수 있다(예를 들어, 트레이(12)가 헤드(16)에 대하여 하강된다). 이 과정을 반복하여 층별 방식으로 3D 오브젝트를 형성한다.
잉크제트 인쇄 헤드(16)의 동작, 및 선택적으로 그리고 바람직하게 시스템(10)의 다른 하나 이상의 구성요소의 동작, 예를 들어, 트레이(12)의 운동은 제어기(20)에 의해 제어된다. 제어기는 전자 회로 및 전자 회로에 의해 판독가능한 비휘발성 메모리 매체를 구비할 수 있으며, 메모리 매체는, 전자 회로에 의해 판독되는 경우 전자 회로로 하여금 더욱 상세히 후술하는 바와 같은 제어 동작을 수행하게 하는 프로그램 명령어를 저장한다.
제어기(20)는, 또한, 예를 들어, 표준 테셀레이션 언어(STL) 또는 스테레오리소그래피 컨투어(SLC) 포맷, 가상 현실 모델링 언어(VRML), 적층 가공 파일(AMF) 포맷, 드로잉 교환 포맷(DXF), 다각형 파일 포맷(PLY) 또는 컴퓨터 지원 설계(CAD)에 적합한 다른 임의의 포맷의 형태로 된 컴퓨터 오브젝트 데이터에 기초하는 제조 명령어에 관한 디지털 데이터를 송신하는 호스트 컴퓨터(24)와 통신할 수 있다. 컴퓨터 오브젝트 데이터 포맷은 통상적으로 직교 좌표계에 따라 구조화된다.
이러한 경우, 컴퓨터(24)는, 컴퓨터 오브젝트 데이터 내의 각 슬라이스의 좌표를 직교 좌표계로부터 극좌표계로 변환하기 위한 프로시저를 실행하는 것이 바람직하다. 컴퓨터(24)는, 선택적으로 그리고 바람직하게는 변환된 좌표계 면에서 제조 명령어를 송신한다. 대안으로, 컴퓨터(24)는 컴퓨터 오브젝트 데이터에 의해 제공되는 바와 같이 원래 좌표계 면에서 제조 명령어를 송신할 수 있으며, 이 경우 좌표 변환은 제어기(20)의 회로에 의해 실행된다.
좌표 변환은 회전하는 트레이 위에서의 3D 인쇄를 허용한다. 종래의 3D 인쇄에서, 인쇄 헤드는 직선을 따라 정지 트레이 위에서 왕복 이동한다. 이러한 종래의 시스템에서, 인쇄 해상도는, 헤드들의 분배 속도가 균일하다면 트레이 위의 임의의 지점에서 동일하다. 종래의 3D 인쇄와는 달리, 헤드 지점들의 모든 노즐이 동시에 트레이(12) 위로 동일한 거리를 커버하는 것은 아니다. 좌표 변환은, 선택적으로 그리고 바람직하게는 상이한 방사상 위치에서의 동일한 양의 과다 재료를 보장하도록 실행된다. 본 발명의 일부 실시예에 따른 컴퓨터 오브젝트 데이터의 좌표 변환의 대표적인 예가, 오브젝트의 슬라이스를 도시하는 도 3a와 도 3b에 제공되어 있으며, 도 3a는 직교 좌표계의 슬라이스를 예시하고, 도 3b는 각각의 슬라이스에 대한 좌표 변환 프로시저를 적용한 후의 동일한 슬라이스를 예시한다.
통상적으로, 제어기(20)는, 후술하는 바와 같이 저장된 프로그램 명령어에 기초하여 및 제조 명령어에 기초하여 시스템(10)의 각 구성요소에 인가되는 전압을 제어한다.
일반적으로, 제어기(20)는, 예를 들어 트레이(12) 상에 3D 오브젝트를 인쇄하기 위해 트레이(12)의 회전 동안 층들에 구축 재료의 액적을 분배하도록 인쇄 헤드(16)를 제어한다.
시스템(10)은, 사용되는 모델링 재료에 따라, 예를 들어, 자외선 또는 가시광선 또는 적외선 램프, 또는 전자기 방사선의 다른 소스, 또는 전자 빔 소스일 수 있는 하나 이상의 방사선 소스(18)를 선택적으로 그리고 바람직하게 포함한다. 방사선 소스는, 발광 다이오드(LED), 디지털 광 처리(DLP) 시스템, 저항성 램프 등을 포함하는 임의의 유형의 방사선 방출 디바이스를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 방사선 소스(18)는 모델링 재료를 경화 또는 응고시키도록 기능한다. 본 발명의 예시적인 다양한 실시예에서, 방사선 소스(18)의 동작은, 방사선 소스(18)를 활성화 및 비활성화할 수도 있으며 선택적으로 방사선 소스(18)에 의해 생성되는 방사선의 양도 제어할 수도 있는 제어기(20)에 의해 제어된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 시스템(10)은 롤러 또는 블레이드로서 제조될 수 있는 하나 이상의 레벨링 디바이스(32)를 더 포함한다. 레벨링 디바이스(32)는, 새로 형성된 층을 후속 층이 위에 형성되기 전에 곧게 펴도록 기능한다. 일부 실시예에서, 레벨링 디바이스(32)는, 레벨링 디바이스의 대칭축(34)이 트레이(12)의 표면에 대해 경사지고 레벨링 디바이스의 표면이 트레이의 표면에 평행하도록 위치설정된 원추형 롤러의 형상을 갖는다. 본 실시예는 시스템(10)의 측면도(도 1c)에 도시되어 있다.
원추형 롤러는 원뿔 또는 원추형 절두체의 형상을 가질 수 있다.
원추형 롤러의 개방 각도는, 축(34)을 따른 임의의 로케이션에서의 원추의 반경과 그 로케이션과 축(14) 사이의 거리 간의 비가 일정하도록 선택되는 것이 바람직하다. 본 실시예는, 롤러가 회전하는 동안 롤러 표면 상의 임의의 지점(p)이 그 지점(p)의 수직 아래의 지점에서의 트레이의 선 속도에 비례하는 (예를 들면 동일한) 선 속도를 갖기 때문에, 롤러(32)가 층들을 효율적으로 레벨링할 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 롤러는, 높이(h), 축(14)으로부터 가장 가까운 거리에서의 반경(R1), 및 축(14)으로부터 가장 먼 거리에서의 반경(R2)을 갖는 원추형 절두체의 형상을 가지며, 파라미터 h, R1, 및 R2는 R1/R2 = (R-h)/h를 충족하고, 여기서 R은 롤러의 축(14)으로부터 가장 먼 거리이다(예를 들어, R은 트레이(12)의 반경일 수 있다).
레벨링 디바이스(32)의 동작은, 레벨링 디바이스(32)를 활성화 및 비활성화할 수도 있으며 선택적으로 (축(14)에 평평한) 수직 방향 및/또는 (트레이(12)에 평행하며 축(14)으로부터 멀어지거나 축을 향하는) 방사상 방향을 따른 레벨링 디바이스의 위치도 제어할 수도 있는 제어기(20)에 의해 선택적으로 그리고 바람직하게 제어된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 인쇄 헤드(16)는 방사상 방향 r을 따라 트레이에 대해 왕복 이동하도록 구성된다. 이들 실시예는, 헤드(16)의 노즐 어레이(22)의 길이가 트레이(12) 상의 작업 영역(26)의 방사상 방향을 따른 폭보다 짧은 경우에 유용하다. 방사상 방향을 따르는 헤드(16)의 운동은 제어기(20)에 의해 선택적으로 그리고 바람직하게 제어된다.
일부 실시예는 상이한 분배 헤드로부터 상이한 재료를 분배함으로써 오브젝트의 제조를 고려한다. 이들 실시예는, 특히, 소정 개수의 재료 중에서 재료를 선택하고, 선택된 재료와 그 재료의 특성의 원하는 조합을 정의하는 기능을 제공한다. 본 실시예들에 따르면, 층에 대한 각 재료의 퇴적의 공간적 로케이션이 정의되어, 상이한 재료에 의한 상이한 3D 공간적 로케이션의 점유를 개시하거나 두 개 이상의 상이한 재료에 의한 인접하는 3D 로케이션 또는 대략 동일한 3D 로케이션의 점유를 개시하여 층 내에서의 재료들의 퇴적 후 공간적 조합(post deposition spatial combination)을 가능하게 하여, 각 로케이션 또는 로케이션들에서 복합 재료를 형성할 수 있다.
모델링 재료들의 임의의 퇴적 후 조합 또는 혼합을 고려할 수 있다. 예를 들어, 일단 소정의 재료가 분배되면, 그 재료는 자신의 초기 특성을 유지할 수도 있다. 그러나, 그 재료가 동일한 로케이션 또는 근처 로케이션에서 분배된 다른 모델링 재료 또는 다른 분배된 재료와 동시에 분배되는 경우에는, 분배된 재료와는 상이한 특성 또는 특성들을 갖는 복합 재료가 형성된다.
따라서, 본 실시예들은, 오브젝트의 각 부분을 특징화하는 데 필요한 특성들에 따라, 오브젝트의 상이한 부분들에 있어서, 넓은 범위의 재료 조합의 퇴적을 가능하게 하며 재료들의 다수의 상이한 조합으로 이루어질 수도 있는 오브젝트의 제조를 가능하게 한다.
본 실시예들에 적합한 AM 시스템의 원리와 동작에 관한 추가 상세는 미국 특허번호 제9,031,680호에서 찾을 수 있으며, 그 전문은 본원에 참고로 원용된다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 따라 예시적인 레벨링 조립체의 사시도 및 정면도를 도시하는 도 4a와 도 4b를 참조한다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 레벨링 조립체(100)는, 롤러(110), 스크레이핑 블레이드(130), 수거 배스(120), 및 오거(150)를 포함한다. 롤러(110)가 3D 오브젝트를 구성하기 위해 퇴적된 층의 표면을 스킴함에 따라, 구축 재료가 롤러(110) 상에 축적된다. 통상적으로 롤러(110)의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 블레이드(130)는 롤러(110)로부터 그 재료를 긁어낸다. 블레이드(130)로 긁어낸 재료는 통상적으로 배스(120) 내에 수거된다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 배스(120)는, 롤러(110)의 전체 길이를 따라 연장되고, 또한, 롤러(110)를 넘어 정의된 거리를 따라 연장된다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 배스(120) 내에 위치설정되고 배스의 전체 길이를 따라 연장되는 오거(150)는, 오거가 회전함에 따라 배스(120) 내의 모든 재료를 한 방향으로, 예를 들어, 방향(115)으로 이송한다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 오거(150)는 레벨링 조립체에 포함된 모터에 의해 회전된다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 블레이드(130)의 일 단부가 롤러(110)를 가압할 때, 블레이드(130)의 대향 단부는 오거(150)와 거의 접촉하게 된다. 이는 오거(150)가 롤러(110)로부터 수거된 실질적으로 모든 재료가 있는 블레이드(130)를 깨끗하게 할 수 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 블레이드(130)는, 롤러(110), 블레이드(130), 및 오거(150) 간에 매끄러운 표면을 제공하여 재료가 블레이드(130)와 배스(120) 간에 수거되지 않도록 배스(120)의 바닥으로 연장된다. 선택적으로, 블레이드(130)는, 예를 들어, 본원에 참고로 원용된 미국 특허 제7,500,846호에 설명된 블레이드와 유사하다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 따라 예시적인 레벨링 조립체의 길이를 따라 절단된 단면도를 도시하는 도 5를 참조한다. 통상적으로, 오거(150)는, 롤러(110)의 전체 길이와 겹치고 또한 롤러(110)를 넘어 방향(115)으로 연장되도록 롤러(110)보다 길다. 롤러(110)의 길이를 따라, 배스(120)는 롤러(110)로부터 긁어 내어진 재료(250)가 배스(120)에 진입할 수 있도록 개방되어 있다. 재료(250)는, 통상적으로 배스(120) 내의 오거(150)의 스크류 스레드들(153) 사이에 축적되고, 오거(150)의 회전에 따라 방향(115)으로 기계적으로 이송된다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 오거(150)는 재료(250)를 펌프 챔버 영역(280)을 향해 이송하고, 재료(250)는 밸브(290)를 통해 배스(120)로부터 제거된다. 일부 예시적인 실시예에서, 배스(120)의 영역(280)은 압력을 생성하도록 밀폐된다. 통상적으로, 밀폐된 펌프 챔버 영역(280)과 롤러(110)의 길이를 따라 연장되는 개방 영역 사이의 계면(220)에서 압력 차가 생성된다. 일부 예시적인 실시예에서, 연동 펌프(295)는 재료(250)를 배스(120)로부터 능동적으로 제거한다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 따라 예시적인 레벨링 조립체의 길이의 일부를 따라 절단된 단면도의 상세 및 레벨링 조립체의 압력 차 계면을 따라 절단된 단면도를 도시하는 도 6a와 도 6b를 참조한다. 오거(150)의 길이를 따른 압력 차 영역(220)은, 공칭 압력으로 개방되는 임의의 계면을 통해 영역(280)으로부터 멀어지는 재료(250)의 역류를 야기할 수도 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 역류 채널(320)은, 역류가 롤러(110)의 근처 및 배스(120)의 외부로부터 방출되는 것을 방지한다. 이렇게 제어되는 방출 지점은, 역류를 배스(120)의 안전 영역 내로 향하게 하고 누출 가능성을 감소시킨다. 일부 예시적인 실시예에서, 역류 채널(320)은, 또한, 배스(120)의 전방 레벨(300)보다 낮은 오거(150)를 따른 충전 공간(260)을 포함한다. 선택적으로, 충전 공간(260)은 누출을 방지하도록 배스(120)의 용량을 증가시킨다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 따라 수거 배스의 하우징을 가로 질러 절단된 단면도를 도시하는 도 6c를 참조한다. 일부 예시적인 실시예에서, 복수의 위킹 채널(325)은, 수거 배스(120)의 하우징(또는 커버)(125)의 길이에 역류 채널(300)의 대안으로서 도입된다. 선택적으로, 위킹 채널은 역류 채널(300)에 추가된다. 위킹 채널(325)은, 오거 상의 수지를 포획함으로써 수지를 누출 지점으로부터 멀어지게 이동시킬 수도 있다. 이는 수지가 하우징(125)의 롤러 측 상의 개구를 향해 이동하는 것을 방지할 수도 있다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 따라 오거의 길이를 따라 절단된 2개의 예시적인 단면도를 도시하는 도 7a와 도 7b를 참조한다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 오거(150)는 가변 피치 스레드를 갖는다. 일부 예시적인 실시예에서, 롤러(110)의 길이를 따른 스레드(153)에 대한 더욱 넓은 피치는 재료를 신속하게 이송하는 데 사용되며, 스레드(153)에 대한 더욱 좁은 피치는 큰 압력을 생성하기 위해 영역(280)에서 사용된다. 대안으로, 오거(151)는 자신의 전체 길이에 걸쳐 일정한 피치를 갖는다. 통상적으로, 오거(150)는 풀리 및/또는 타이밍 벨트로 오거(150)에 선택적으로 연결된 모터로 회전된다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 따라 인쇄 구역을 커버하는 레벨링 조립체의 개략도를 도시하는 도 8a, 도 8b, 및 도 8c를 참조한다. 도 8a를 참조해 볼 때, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 회전형 3D 프린터를 위한 구축 트레이(400)는 인쇄 구역(405) 및 비인쇄 구역(410)을 포함한다. 전형적으로, 비인쇄 구역은 트레이(400)의 중심 부분이다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 롤러(110)의 길이는, 단일 롤러가 모든 인쇄 패스(pass)를 커버하도록 인쇄 구역(405)의 전체 방사상 방향 거리를 따라 연장된다(도 8a). 통상적으로, 롤러(110)는 방사상 방향으로 고정되고 모터에 의해 길이방향 축을 따라 회전된다.
도 8b를 참조해 볼 때, 다른 예시적인 실시예에서, 인쇄 구역(405)의 방사상 거리보다 작은 부분을 덮는 롤러(105)가 사용되고, 롤러(105)는 방사상 방향으로 이동 가능하다. 전형적으로, 롤러(110)는 재료가 분배되는 로케이션에 매칭되도록 방사상 방향으로 전진된다.
도 8c를 참조해 볼 때, 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 인쇄 구역을 커버하도록 하나보다 많은 롤러가 사용된다. 선택적으로, 트레이(400)의 중심에 더 가깝게 위치설정된 롤러(107)는 중심으로부터 더 멀리 위치설정된 롤러(106)보다 작은 직경을 갖도록 선택된다. 회전 인쇄에 있어서, 트레이(400)에 대한 롤러의 상대 속도는 방사상 위치에 의존한다. 트레이(400)의 크기에 따라, 이러한 상대 속도의 가변은 부품 품질 및 기계의 전체적 기능의 품질에 영향을 끼칠 수도 있다. 일부 예시적인 실시예에서, 상이한 직경은 상대 속도의 가변을 보상하도록 선택된다.
이제 본 발명의 일부 실시예에 따라 구축 트레이 위의 원뿔형 롤러의 개략적 측면도를 도시하는 도 9를 참조한다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 원뿔 형상의 롤러(111)는 AM 가공 중에 트레이(400) 위에 분배되는 재료를 레벨링하도록 사용된다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 원뿔 형상은 트레이(400)에 대한 롤러의 상대 속도의 가변을 보상한다. 통상적으로, 원뿔의 직경은 트레이(400)의 중심으로부터의 거리가 증가함에 따라 증가한다. 본 발명의 대체 실시예에서, 트레이(400)의 전체 인쇄 구역에 걸쳐 연장되는 원통형 롤러는 고 인쇄 품질을 생성하는 데 충분하다. 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 하나보다 많은 원뿔 형상 롤러가 트레이(400)의 인쇄 구역을 커버하도록 사용된다.
명료한 설명을 위해, 개별 실시예들의 문맥으로 설명된 본 발명의 소정의 특징부들은 또한 단일 실시예에서 조합되어 제공될 수도 있음을 인식할 수 있다. 반대로, 간략한 설명을 위해, 단일 실시예의 문맥으로 설명된 본 발명의 다양한 특징부는 또한 개별적으로 또는 임의의 적절한 서브컴비네이션으로 또는 본 발명의 다른 임의의 설명된 실시예에서와 같이 적절하게 제공될 수도 있다. 다양한 실시예의 문맥으로 설명된 소정의 특징부들은, 실시예가 그러한 요소들 없이는 무효인 것이 아닌 한, 그러한 실시예들의 본질적인 득징부들로서 고려되어서는 안 된다.

Claims (30)

  1. 장치에 있어서,
    적층 가공(AM) 시스템에 의해 퇴적되는 재료의 층을 스킴(skim)하도록 구성된 롤러;
    상기 롤러 상에 축적된 재료를 긁도록 구성된 블레이드;
    상기 블레이드에 의해 긁어진 재료를 수거하도록 구성된 배스(bath); 및
    상기 배스 내에 수거된 재료를 상기 롤러의 길이를 벗어나 연장되는 상기 배스의 일부로 이송하도록 구성된 오거(auger)를 포함하는, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 오거는 상기 배스의 전체 길이에 걸쳐 연장되는, 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 오거는 상기 배스 내에 수용되는, 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오거는 상기 오거를 상기 오거의 길이 방향 축을 중심으로 회전시키도록 구성된 모터와 결합되는, 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 블레이드는 상기 롤러의 전체 길이에 걸쳐 연장되는, 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 블레이드의 폭은 상기 롤러부터 상기 오거까지 연장되는, 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 롤러의 길이를 벗어나 연장되는 상기 배스의 일부는 상기 배스의 일부를 밀폐하도록 구성된 커버를 포함하는, 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 배스는, 상기 롤러의 길이를 벗어나 연장되는 상기 배스의 일부와 상기 롤러의 길이를 따라 연장되는 배스의 제2 일부 간의 압력 차를 생성하도록 구성된, 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오거는 가변 피치 스레드를 포함하는, 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 롤러의 길이에 걸쳐 연장되는 상기 오거의 피치는 상기 배스의 일부에 걸쳐 연장되는 상기 오거의 피치보다 넓은, 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배스의 일부는, 역류가 상기 롤러를 향하여 방출되는 것을 방지하도록 구성된 역류 채널을 포함하는, 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배스의 하우징은, 역류가 상기 롤러를 향하여 방출되는 것을 방지하도록 구성된 위킹 채널을 포함하는, 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 AM 시스템은 회전형 3D 잉크제트 프린터인, 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 롤러는 회전하는 구축 트레이로부터 상기 층을 떨어지게 스킴하도록 구성된, 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 롤러는 상기 회전하는 구축 트레이의 방사상 방향으로 연장되는, 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 롤러는 상기 트레이의 전체 인쇄 구역에 걸쳐 상기 방사상 방향으로 연장되는, 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 롤러는 상기 트레이의 인쇄 구역의 일부에 걸쳐서만 상기 방사상 방향으로 연장되는, 장치.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 롤러는 상기 방사상 방향으로 고정형인, 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 롤러는 상기 방사상 방향으로 이동하도록 구성된 스테이지 상에 장착되는, 장치.
  20. 제17항에 있어서, 상기 트레이의 인쇄 구역의 서로 다른 일부에 걸쳐 상기 방사상 방향으로 각각 연장되는 복수의 롤러를 포함하는, 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 복수의 롤러의 각각은 서로 다른 직경을 갖는, 장치.
  22. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 롤러는 원뿔 형상 롤러인, 장치.
  23. AM 시스템에 있어서,
    오브젝트를 가공하기 위해 층별 방식으로 구축 재료를 분배하도록 구성된 분배 유닛;
    분배되는 상기 구축 재료를 수용하도록 위치설정되고, 상기 분배 유닛이 상기 구축 재료를 분배하는 동안 회전하도록 구성된 구축 트레이; 및
    상기 트레이 상에 분배되는 상기 구축 재료를 레벨링하도록 구성된 레벨링 조립체를 포함하고,
    상기 레벨링 조립체는,
    상기 분배되는 구축 재료를 스킴하도록 구성되고, 상기 구축 트레이의 방사상 방향으로 정렬된 롤러;
    상기 롤러 상에 축적된 재료를 긁도록 구성된 블레이드;
    상기 블레이드에 의해 긁어진 재료를 수거하도록 구성된 배스; 및
    상기 배스 내에 수거된 재료를 상기 롤러의 길이를 벗어나 연장되는 상기 배스의 일부로 이송하도록 구성된 오거를 포함하는, AM 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 오거는, 상기 배스의 전체 길이에 걸쳐 연장되며 상기 배스 내에 수용되는, AM 시스템.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 오거는, 상기 오거를 상기 오거의 길이 방향 축을 중심으로 회전시키도록 구성된 모터와 결합되는, AM 시스템.
  26. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 롤러는 상기 트레이의 전체 인쇄 구역에 걸쳐 상기 방사상 방향으로 연장되는, AM 시스템.
  27. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 롤러는 상기 트레이의 인쇄 구역의 일부에 걸쳐서만 상기 방사상 방향으로 연장되는, AM 시스템.
  28. 제26항 또는 제27항에 있어서, 상기 롤러는 상기 방사상 방향으로 고정형인, AM 시스템.
  29. 제27항에 있어서, 상기 롤러는 상기 방사상 방향으로 이동하도록 구성된 스테이지 상에 장착되는, AM 시스템.
  30. 제27항에 있어서, 상기 트레이의 인쇄 구역의 서로 다른 일부에 걸쳐 상기 방사상 방향으로 각각 연장되는 복수의 롤러를 포함하는, AM 시스템.
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