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KR20100113097A - 압출기반 적층식 증착 시스템에 사용되는 소비형 조립체 - Google Patents

압출기반 적층식 증착 시스템에 사용되는 소비형 조립체 Download PDF

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KR20100113097A
KR20100113097A KR1020107017026A KR20107017026A KR20100113097A KR 20100113097 A KR20100113097 A KR 20100113097A KR 1020107017026 A KR1020107017026 A KR 1020107017026A KR 20107017026 A KR20107017026 A KR 20107017026A KR 20100113097 A KR20100113097 A KR 20100113097A
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KR
South Korea
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filament
consumable assembly
extrusion
assembly
casing
Prior art date
Application number
KR1020107017026A
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English (en)
Inventor
제이. 스완슨 윌리엄
Original Assignee
스트래터시스,인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 스트래터시스,인코포레이티드 filed Critical 스트래터시스,인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 소비형 조립체(18, 118, 218, 318)는 필라멘트(386)의 공급부를 탑재하도록 구성된 컨테이너부(34, 134, 234, 334), 상기 컨테이너부에 연결된 유도관(36, 136, 236, 336) 및 상기 유도관(36, 136, 236, 336)에 연결된 펌프부(38, 138, 238, 338)를 포함하여 구성된다.

Description

압출기반 적층식 증착 시스템에 사용되는 소비형 조립체{CONSUMABLE ASSEMBLY FOR USE IN EXTRUSION-BASED LAYERED DEPOSITION SYSTEMS}
본 발명은 압출기반 적층식 증착 시스템을 사용하여 3D 물체를 생성하기 위한 소비형 조립체에 관한 것이다. 상기 소비형 조립체는 필라멘트 공급부를 탑재하도록 구성된 컨테이너부, 상기 컨테이너부에 연결된 유도관 및 상기 유도관에 연결되며 유동 상태인 필라멘트 재료를 압출할 수 있도록 구성된 펌프부를 포함하여 구성된다.
본 발명은 고속 프로토타이핑(prototyping)/제조기술을 사용하여 3차원(3D) 물체를 생성하기 위한 압출기반 적층식 증착 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 압출기반 적층식 증착 시스템에 사용되는 소비형 재료에 관한 것이다.
압출기반 적층식 증착 시스템(예를 들어, 미네소타 에덴 프레리에 소재한 스트래터시스 인코포레이티드(Stratasys, Inc.)에 의해 개발된 용융식 증착 모델링 시스템(Fused Deposition Modeling))은 유동성 생성 재료를 적층하는 방식을 사용하여 컴퓨터 이용 설계(CAD) 모델로부터 3D 물체를 생성하는데 사용된다. 상기 생성 재료는 압출 헤드에 의해 작동되는 압출 팁을 통하여 압출되고, 기판 상 x-y 평면의 일련의 로드(road)에 따라 증착된다. 상기 압출된 생성 재료들은 이전에 쌓인 생성 재료들과 융합되고, 온도 하강시 고화된다. 이때 기판에 대한 압출 헤드의 위치는 z 축(x-y 평면과 수직함)을 따라 상승하고, CAD 모델과 유사한 3D 물체를 형성하도록 프로세스가 반복된다.
기판에 대한 압출 헤드의 움직임은 3D 물체를 나타내는 생성 데이터(build data)에 따라 컴퓨터 제어 하에서 이루어진다. 상기 생성 데이터는 3D 물체의 CAD 모델을 수평으로 얇게 분할된 복수의 층으로 분할함으로써 얻어진다. 이때, 각각의 분할된 층에 대해 호스트 컴퓨터(host computer)는 3D 물체를 제조하기 위하여 생성 재료의 로드(road)를 증착하기 위한 생성 경로를 산출한다.
생성 재료를 적층하여 3D 물체를 제조하는데 있어서, 지지층 또는 지지 구조는 일반적으로 생성 재료 자체로 지지되지 않은 돌출 부분의 아래 또는 생성 중인 물체의 중공(cavities)에 형성된다. 지지 구조는 생성 재료가 증착되는 기술과 동일한 증착 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 호스트 컴퓨터는 제조되는 3D 물체의 돌출 부분이나 중공의 세그먼트에 대한 지지 구조로서 역할을 하는 기하학적 구조를 추가적으로 생성한다. 지지 재료(support material)는 생성 프로세스 중에 생성된 기하학적 구조에 따라서 제2 노즐로부터 증착된다. 상기 지지 재료는 제작 공정 동안에는 생성 재료에 부착되어 있고, 생성 프로세스가 완료된 후 완성된 3D 물체로부터 제거될 수 있다.
도 1은 소비형 조립체를 사용하여 3D 물체를 생성하기 위한 장치에 대한 정면 사시도이다.
도 2는 소비형 조립체에 대한 정면 사시도이다.
도 3은 소비형 조립체에 대한 배면 사시도이다.
도 4는 소비형 조립체의 컨테이너부에 대한 분해 사시도다.
도 5는 본 발명의 제1 실시형태에 따라 구동 모터를 포함하는 소비형 조립체에 대한 정면 사시도이다.
도 6은 복수개의 소비형 조립체를 사용하여 3D 물체를 제작하기 위한 일 실시형태의 장치에 대한 정면 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 소비형 조립체에 대한 사시도이다.
도 8은 컨테이너부의 하단부가 개방된 상태를 나타내는, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 소비형 조립체의 컨테이너부에 대한 저면 사시도이다.
도 9는 스풀 조립체가 부분적으로 분해된 상태를 나타내는, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 소비형 조립체의 스풀 조립체에 대한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 소비형 조립체의 스풀 조립체에 대한 사시도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 소비형 조립체의 유도관과 펌프부에 대한 평면도이다.
도 12는 펌프부의 케이싱이 개방된 상태를 나타내는, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 소비형 조립체의 유도관과 펌프부에 대한 평면도이다.
도 13은 펌프부의 케이싱이 개방되고, 필라멘트가 완전히 삽입된 상태를 나타내는, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 소비형 조립체의 유도관과 펌프부분에 대한 평면도이다.
도 1은 사용 후 폐기되거나 재활용될 수 있는 하나 혹은 하나 이상의 소비형 조립체를 사용하여 3D 물체를 생성하기 위한 장치(10)의 정면도이다. 장치(10)는 시스템(12), 컨트롤러(14), 호스트 컴퓨터(16) 및 소비형 조립체(18)를 포함하며, 여기서 시스템(12)은 3D 물체(예를 들어, 3D 물체(20))를 생성하기 위한 압출기반 적층식 제조 시스템이다. 상기 시스템(12)으로서 적합한 시스템은 미네소타 에덴 프레리에 소재한 스트래터시스 인코포레이티드에 의해 개발된 용융식 증착 모델링 시스템을 포함한다. 컨트롤러(14)는 시스템(12)을 제어하기 위하여 시스템(12) 및 호스트 컴퓨터(16)와 신호 소통에 사용되는 컴퓨터에 의해 작동되는 컨트롤러이다. 호스트 컴퓨터(16)는 3D 물체(20)를 생성하기 위해 컨트롤러(14)를 통해 시스템(12)과 상호 작동하는 컴퓨터 기반 시스템이다. 호스트 컴퓨터(16)는 3D 물체(20)에 관한 CAD 모델(미도시)로부터 생성 데이터를 산출하고, 상기 생성 데이터를 제어장치(14)로 전달한다.
시스템(12)은 생성 챔버(22), 압출 헤드 조립체(24) 및 기판 조립체(26)를 포함한다. 생성 챔버(22)는 소비형 조립체(18)로부터 공급되는 생성 재료를 사용하여 3D 물체(20)를 생성하기 위한, 압축 헤드 조립체(24), 기판 조립체(26) 및 하나 이상의 소비형 조립체(18)를 포함하는 제조 환경이다. 용융식 증착 모델링 시스템에서 생성 효율을 높이고 3D 물체(20)의 뒤틀림을 줄이기 위하여 생성 챔버(22)는 높은 온도로 가열되는 것이 바람직하다.
압출 헤드 조립체(24)는 x-y 갠트리(gantry)(28), 압출 마운트(extrusion mount)(30), 구동 모터(32)를 포함한다. 압출 마운트(30)는 생성 작업동안 소비형 조립체(18)의 일부분을 탑재하며 x-y 갠트리(28)에 의해 지지된다. 구동 모터(32)는 컨트롤로(14)로부터 송신되는 신호에 따라 소비형 조립체(18)로부터 생성 재료를 압출하기 위해 생성 작업 동안 소비형 조립체(18)와 결합된 모터이다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 구동 모터(32)는 압출 마운트(30)에 의해 지지된다. 따라서 생성 작업동안 컨트롤러(14)는 압출 마운트(30)와 구동 모터(32)가 생성 챔버(22) 주변의 x-y 수평면 상에서 구동될 수 있도록 x-y 갠트리에 지시하며, 소비형 조립체(18)로부터 생성 재료를 압출시킬 수 있도록 구동 모터(32)에 지시한다. 이것은 기판 조립체(26) 상에 적층 방법을 사용하여 3D 물체(20)를 생성할 수 있도록 생성 재료를 선택적으로 증착시킨다. 기판 조립체(26)는 던 (Dunn) 외 다수의 발명자가 출원한 미국공개특허 2005/0173855에 개시된 플랫폼과 같은 구동식 플랫폼이다. 따라서, 컨트롤러(14)는 기판 조립체(26)를 z-축을 따라 상승하게 지시함으로써 3D 물체(20)의 연속된 층들이 생성될 수 있게 한다.
소비형 조립체(18)는 필라멘트 형태(도 1에 도시되지 않음)의 생성 재료의 공급부를 포함하는 일회용 조립체이며, 상기 생성 재료인 필라멘트를 압출하기 위해 요구되는 하나 혹은 그 이상의 부품을 포함한다. 도시된 바와 같이, 소비형 조립체(18)는 컨테이너부(34), 유도관(36) 및 펌프부(38)를 포함한다. 한편 도 1에서 도시된 것처럼 소비형 조립체(18)의 컨테이너부(34)가 시스템(12)에 대해 오프셋(offset) 위치에 배치된 경우, 컨테이너부(34)는 시스템(12)의 적재 구역(미도시)에 설치되는 것이 바람직하며, 이러한 경우 컨테이너부(34)가 시스템(12)에 안정적으로 보유될 수 있다. 컨테이너부(34)는 생성 재료인 필라멘트의 공급부를 포함하는 소비형 조립체(18)의 일부분이다.
유도관(36)은 컨테이너부(34) 및 펌프부(38)와 연결되고, 생성 재료인 필라멘트를 컨테이너부(34)에서 펌프부(38)로 이송시키는 플렉서블한 관이다. 펌프부(38)는 압출 마운트(30)에 탑재되는 소비형 조립체(18)의 일부분이고, 구동 모터(32)와 연계된다. 하기에 설명된 바와 같이, 펌프부(38)는 구동 장치(drive mechanism)(도 1에 도시되지 않음) 및 액화장치를 포함하며, 구동 모터(32)는 구동 장치와 연계되어 액화장치에 필라멘트를 연속적으로 공급한다. 필라멘트의 연속적인 부분은 액화장치 내에서 용융되고 펌프부(38)로부터 압출되어, 기판 조립체(26) 상에 3D 물체(20)를 생성하기 위해 펌프 부분(38)으로부터 압출된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 소비형 조립체(18)는 컨테이너부(34)로부터 생성 재료인 필라멘트가 소진된 후, 폐기되거나 재활용되거나 혹은 처리된다. 소비형 조립체(18)가 고갈된 후 펌프 부(38)는 압출 마운트(30)로부터 제거되고 소비형 조립체(18)는 시스템(12)의 탑재 구역으로부터 제거된다. 이후 새로운 소비형 조립체(18)가 탑재 구역에 설치될 수 있고, 새로운 소비형 조립체(18)의 펌프부(38)는 차후의 생성 작업을 위해 압출 마운트(30)에 삽입될 수 있다. 하기에 설명된 바와 같이, 소비형 조립체(18)를 사용하는 경우 다수의 압출 흐름에 의해 열화되거나 효율이 감소되는 복수개의 구성 성분(예들 들어, 액화장치 튜브, 필라멘트 구동 장치, 압출 팁)들을 시스템(12)으로부터 제거한다. 이것은 새로운 구성 성분들이 시스템(12)에 탑재된 각각의 소비형 조립체(18)와 함께 사용될 수 있게 한다.
본 발명의 다른 일시형태에 있어서, 시스템(12)은 비고속 프로토타이핑/제조과정을 실행하는 장치(미도시)의 구성 요소일 수 있다. 예를 들어, 시스템(12)은 밀링 또는 판금 공정을 수행하는 기계의 일부분일 수 있으며, 여기서 시스템(12)은 밀링/판금된 기재의 하나 또는 그 이상의 일부 상에 생성 재료를 증착시킬 수 있도록 구성된다. 따라서, 시스템(12)은 연속적인 혹은 일괄적인 방식으로 물체의 일부분들을 형성하기 위해 복수의 단계를 수행하는 더 큰 조립 시스템의 일부분일 수 있다.
도 2 및 도 3은 각각 소비형 조립체(18)에 대한 정면 사시도 및 배면 사시도이다. 도시된 바와 같이, 소비형 조립체(18)의 컨테이너부(34)는 외부 케이싱(40), 데이터 칩(42) 및 관 연결장치(44)를 포함한다. 외부 케이싱(40)은 생성 재료 필라멘트(도 2 또는 도 3에 도시되지 않음)의 공급을 유지하기 위한 용기 구조체이다. 외부 케이싱(40)은 (예를 들어, 운반시에 발생될 수 있는) 물리적 손상으로부터 적재된 필라멘트를 보호하기 위하여 단단하거나 혹은 부분적으로 단단한 구조인 것이 바람직하다. 외부 케이싱(40)이 직사각형의 용기로 도시되었으나, 외부 케이싱(40)은 시스템(12)(도 1에 도시됨)의 다양한 탑재 공간에 맞춰 다른 다양한 기하학적 형태(예를 들어, 원통형)를 나타낼 수 있다. 소비형 조립체(18)의 소모성(consumable nature)에 의해, 외부 케이싱(40)은 폐기되거나 재활용될 수 있는 하나 혹은 그 이상의 저비용 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 외부 케이싱(40)에 적합한 재료들의 예로는 고분자 재료(예를 들어, 폴리에틸렌), 금속 박막 재료(예를 들어, 알루미늄계 시트 또는 호일), 종이재(예를 들어, 종이, 판지, 종이상자용 판지) 및 이들의 조합이 포함된다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 외부 케이싱(40)은 스위스의 테트라 팩 인터내셔널(Tetra Pak International)로부터 상표 "TETRA PAK"로 판매되는 상자일 수 있다.
데이터 칩(42)은 시스템(12)의 탑재 공간 안에 위치한 데이터 리더기와 연계된 집적회로 칩이다. 이것은 시스템(12)이 소비형 조립체(18) 내부에 보관되는 생성 재료 필라멘트의 종류와 양을 결정할 수 있게 한다. 또한, 데이터 칩(42)은 생성 작업 중에 컨테이너부(34)로부터 시스템(12)에 공급된 필라멘트의 양을 측정하는 데에도 적합하다. 데이터 칩(42)으로서 적합한 집적회로 칩과 집적회로 칩을 사용하는데 적합한 기술로는 스완슨(Swanson) 외 다수가 출원한 미국등록특허 제6,776,602호에서 개시된 것을 포함한다. 관 연결장치(44)는 유도관(36)과 연결된 연결 지점으로서 생성 재료 필라멘트가 유도관(36)으로 공급될 수 있게 한다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 외부 케이싱(40), 관 연결장치(44) 및 유도관(36)은 외부 환경으로부터 컨테이너부(34) 또는 유도관(36)의 내부로 수분이 침투되는 것을 방지하는 수분 밀봉부를 제공한다. 이것은 3D 물체(예를 들어, 3D 물체(20))를 생성하는 과정에서 수분에 민감한 생성 재료들을 사용할 수 있게 한다.
유도관(36)은 컨테이너부(34)와 펌프부(38)를 연결하기 위해 제1 단부(36a) 및 제2 단부(36b)를 포함하는 플렉서블한 관이다. 도시된 바와 같이, 제1 단부(36a)는 관 연결장치(44)와 연결되고, 제2 단부(36b)는 펌프 부(38)와 연결된다. 컨테이너부(34)가 시스템(12)의 탑재 공간에 탑재된 경우, 유도관(36)은 시스템(12)(도 1에 도시되지 있음)의 생성 챔버(22) 내의 x-y 수평면 상에서 펌프부(38)가 동작할 수 있도록 제1 단부(36a)와 제2 단부(36b) 사이의 바람직한 길이를 가지고 있다. 또한, 유도관(36)은 상당한 바이어스 저항(biasing resistance)을 받지 않고 생성 챔버(22) 내의 x-y 수평면에서 펌프부(38)가 동작할 수 있도록 플렉서블한 것이 바람직하다. 유도관(36)에 적합한 재료의 예로서는 폴리에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 불소중합체, 폴리아미드, 나일론 및 이들의 혼합물이 포함된다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 생성 챔버(22)는 생성 작업 동안 가열되는데, 유도관(36)은 생성 챔버(22)의 온도에 내열성을 가지는 것이 바람직하며, 이로서 유도관이 생성 작업 동안 열에 의해 열화되는 것을 방지할 수 있다. 하기에 설명된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시형태에 있어서, 유도관(36)은 펌프부(38)의 하나 혹은 그 이상의 구성 요소(예를 들어, 히터, 온도 센서, 구동 모터)를 위한 전기적 연결부를 포함할 수 있다.
펌프부(38)는 소비형 조립체(18)의 압출기 부분으로서 케이싱(46), 구동 장치(48), 액화장치부(50) 및 압출 팁(52)을 포함한다. 케이싱(46)은 유도관(36)을 펌프부(38)에 연결시키기 위한 것으로서 유도관(36)에 연결된 보호 케이싱이다. 구동 장치(48)는 구동 모터(32)(도 1에 도시됨)(예를 들어, 웜 기어(worm gear))와 연계된 필라멘트 구동 장치이다. 액화장치부(50)는 액화장치부(50)의 길이를 따른 써머 프로파일(thermal profile)을 통해 생성 재료 필라멘트가 용융되는 공간이다. 압출 팁(52)은 3D 물체(20)를 제작하기 위하여 용융된 생성 재료들이 펌프부(38)를 통하여 압출되는 펌프부(38)의 구성요소이다. 펌프부(38)는 압출 마운트(30)(도 1에 도시됨)의 내부 크기와 매칭(matching)되는 크기를 가지는 것이 바람직하다. 이것은 펌프부(38)가 대대적인 설치작업이나 교정작업 없이 압출 마운트(30)에 용이하게 설치될 수 있게 한다. 본 발명의 한 실시형태에 있어서, 펌프부(38)는 전기 접속부를 포함함으로써 액화장치부(50)가 시스템(12)으로부터 전력을 받을 수 있도록 한다.
생성 작업 동안, 구동 모터(32)는 구동 장치(48)가 생성 재료 필라멘트의 연속적인 세그먼트(segment)를 컨테이너부(34)로부터 유도관(36)을 통하여 액화장치부(50)로 공급할 수 있게 한다. 생성 재료 필라멘트는 액화장치부(50)를 통과하면서 용융되고 압출 팁(52)을 통해 압출된다. 생성 재료 필라멘트가 액화장치부(50) 내에서 용융될 때, 생성 재료 필라멘트의 연속적인 세그먼트들은 액화장치부(50)를 통해 압출 팁(52)으로 용융된 생성 재료들을 밀어 넣는 피스톤 역할을 한다. 생성 작업이 완료되면, 구동 모터(32)와 구동 장치(48)는 생성 재료 필라멘트의 연속적 세그먼트를 공급하는 것을 중단한다. 이 때, 소비형 조립체(18)가 제거되는 경우 펌프 헤드(38)는 압출 마운트(30)로부터 제거되고, 소비형 조립체(18)는 시스템(12)의 탑재 공간으로부터 제거된다. 그 후 소비형 조립체(18)는 폐기되거나 재활용되거나 다른 방법으로 처리될 수 있다.
도 4는 라이너(liner)(54)와 스풀 조립체(spool assembly)(56)가 추가된 컨테이너부(34)에 대한 분해 사시도이다. 도시된 바와 같이, 외부 케이싱(40)은 내부 공간(58)과 하단 개구부(60)를 포함한다. 하단 개구부(60)는 내부 공간(58)의 내부에 라이너(54)와 스풀 조립체(56)가 삽입되어 고정되게 하는 차폐가능한 개구부이다. 라이너(54)는 외부 케이싱(40)의 내부에 배치되는 수분 밀봉부이다. 라이너(54)의 적합한 재질로는 고분자 재질, 금속 호일 및 이들의 조합을 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 외부 케이싱(40)과 라이너(54)는 구조적 완전성 및/또는 내습성을 제공하는 하나 또는 그 이상의 막을 사용하여 대체될 수 있다.
스풀 조립체(56)는 축(62)에 따라 분해된 상태로 도시되어 있고, 스풀 프레임(spool frame)(64)과 필라멘트 스풀(66)을 포함한다. 스풀 프레임(64)은 프레임 구성요소(64a 및 64b)를 포함하며, 이 구성요소들은 필라멘트 스풀(66)의 반대편에서 각각 결합되고 필라멘트 스풀(66)이 이들 사이에서 회전할 수 있도록 결합된다. 필라멘트 스풀(66)은 3D 물체(20)를 생성하기 위한 생성 재료 필라멘트의 공급부를 포함하는 회전 가능한 스풀이다. 소비형 조립체(18)를 조립하는 과정에서 생성 재료 필라멘트는 필라멘트 스풀(66)에 감겨지고, 필라멘트 스풀(66)은 스풀 프레임(64) 내에서 회전 가능하게 결합된다. 이후 생성 재료 필라멘트의 일부분은 라이너(54)와 외부 케이싱(40)을 통하여 공급되어 관 연결장치(44)(도 2 및 도 3에 도시됨) 및 유도관(36)(도 2 및 도 3에 도시됨)으로 주입된다. 이후, 스풀 조립체(56)는 라이너(54)와 외부 케이싱(40) 내에 삽입된다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 외부 케이싱(40)의 내부 공간(58)은 내부 공간(58) 내의 상당량의 수분을 제거하기 위하여 건조된다. 이러한 건조과정은 소비형 조립체(18)를 건조한 환경(예를 들어, 건조 공기 오븐)에 놓아두거나 컨테이너부(34)에 삽입된 건조제 패키지를 사용함으로써 수행될 수 있다. 또한, 건조한 불활성 기체(예를 들어, 아르곤과 질소)를 내부 공간(58) 안에 주입하여 수행될 수 있다. 이후, 라이너(54)와 외부 케이싱(40)은 운반 및 보관 과정에서 컨테이너부(34) 내부로 수분이 들어오는 것을 방지하기 위해 밀봉된다.
본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 필라멘트는 감겨있지 않은 방식으로도 공급될 수 있다. 이러한 구체예에 있어서, 스풀 조립체(56)는 생략될 수 있고, 필라멘트 포장 방식에 따라 다른 대체 필라멘트 공급 구조들이 사용될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서, 필라멘트는 필라멘트 공급 구조를 사용하지 않고 컨테이너부(34)에 감기거나 묶일 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 소비형 조립체(118)에 대한 정면 사시도이고, 해당되는 참고 부호는 100씩 증가하였다. 본 발명의 실시형태에 있어서, 펌프부(138)는 케이싱(146)에 고정되고 구동 장치(148)와 연계된 구동 모터(168)를 더 포함한다. 구동 모터(168)는 구동 모터(32)(도 1에 도시됨) 대신에 사용될 수 있고, 구동 모터(32)는 시스템(12)(도 1에 도시됨)으로부터 생략될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 구동 모터(168)는 소비형 조립체(18)의 구성 성분이고, 사용 후 소비형 조립체(18)와 함께 폐기되거나 재활용될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 소비형 조립체(118)는 유도관(136)을 따라 연장되고 컨테이너부(134)와 상호 연결된 전기적 연결부(170) 및 펌프부(138)를 포함한다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 시스템(12)의 탑재 공간에 위치한 데이터 리더기는 전기적 연결부(170)를 통해 시스템(12)에서 펌프부(138)로 전력을 데이터 칩(142)에 전력을 공급한다. 따라서, 펌프부(138)의 하나 혹은 그 이상의 구성 요소(예를 들어, 액화장치부(150) 및 구동 모터(168))도 위와 같은 방식으로 전력을 공급받을 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 컨트롤러(14)(도 1에 도시됨)는 데이터 칩(142)과 전기적 연결부(170)를 통해 구동 모터(168)에 대한 명령 신호를 제공한다. 구동 모터(168)와 전기적 연결부(170)를 사용함으로써 시스템(12)에서 소비형 조립체(118)를 사용하고 설치할 경우 작동의 편의성을 증가시킬 수 있다.
도 6은 하나 혹은 그 이상의 소비형 조립체를 사용하여 3D 물체를 생성하기 위한 장치(210)에 대한 정면도이며, 장치(10)(도 1에 도시됨)의 다른 실시형태이다. 해당되는 참조 부호는 200씩 증가되었다. 도 6에 도시된 바와 같이, 장치(210)는 시스템(212)의 탑재 공간(미도시)에 장착된 제2 소비형 조립체인 소비형 조립체(272)를 더 포함한다. 소비형 조립체(272)는 컨테이너부(274), 유도관(276) 및 펌프부(278)를 포함하고, 이들은 소비형 조립체(218)와 같은 방식으로 시스템(212)에 연계된다. 따라서, 펌프부(278)는 압출 마운트(230)에 고정되고, 시스템(212)에 대해 이중 압출 헤드를 제공한다. 그럼으로써, 소비형 조립체(272)는 소비형 조립체(218)의 생성 재료 필라멘트와 같거나 다른 성분일 수 있는 제2 생성 재료 필라멘트를 내재할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 소비형 조립체(272)는 지지 구조(280)를 생성하기 위한 지지 재료 필라멘트를 내재하고 있으며 3D 물체(220)의 층을 생성하기 위해 z-축을 따라 수직 지지체를 제공한다. 본 발명의 다른 실시형태에 있어서, 소비형 조립체(272)는 소비형 조립체(218)에 내재된 것과 동일한 생성 재료 필라멘트를 내재할 수 있으며, 소비형 조립체(218)의 필라멘트 공급이 감소되는 경우 시스템(12)으로 하여금 소비형 조립체(218)에서 소비형 조립체(272)로 작동을 전환할 수 있도록 한다. 이것은 소비형 조립체(218)로부터 생성 재료 필라멘트가 소진되었을 때에도 생성 작업을 지속할 수 있도록 한다. 본 발명의 일 실시형태예에 있어서, 압출 마운트(230)는 펌프부(238)와 펌프부(278)의 작동을 전환할 수 있는 토글 장치(toggle mechanism)를 포함한다.
도 7 내지 도 13은 소비형 조립체(18)(도 1 내지 도 4에 도시됨)와 유사하거나 예시적 실시형태를 나타내는 소비형 조립체(318)를 개략적으로 나타낸 도면이며, 해당되는 참조 부호는 300씩 증가되었다. 도 7은 소비재 조립(318)의 사시도이고, 여기서 컨테이너부(334)의 외부 케이싱(340)은 구조적 보호가 가능하며 내습성을 제공하는 와인 상자이다. 도시된 바와 같이, 펌프부(338)는 볼트(382) 및 브래킷(bracket)(384)을 포함한다. 볼트(382)는 펌프부(338)의 케이싱(346)을 폐쇄 상태로 고정한다. 브래킷(382)은 볼트(382) 중 하나의 볼트에 의해 케이싱(346)에 고정되고 유도관(336)의 제1 단부(336a)의 일부를 감싼다. 이것은 유도관(336)으로부터 펌프부(338)로 생성 물질 필라멘트를 공급하기 위하여 케이싱(346)에 대해 바람직한 각도로 유도관(336)의 제1 단부(336a)를 배치시킨다.
도 8은 스풀 조립체(356)에 접근할 수 있도록 외부 케이싱(340)의 하단부(즉, 개구부(360))와 라이너(354)가 개방된 상태를 나타내는 컨테이너부(334)의 저면도이다. 도시 된 바와 같이, 필라멘트(386)는 필라멘트 스풀(366) 주변에 감겨져 있고, 여기서 필라멘트(386)는 시스템(12)을 사용하여 3D 물체 또는 지지 구조체를 생성하기 위한 임의의 종류의 재료일 수 있다. 필라멘트(386)로서 적합한 생성 재료의 예로는 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS 수지), 폴리카보네이트, 폴리페닐술폰, 폴리술폰, 나일론, 폴리스티렌, 무정형 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리페닐렌 에테르, 폴리우레탄, 폴리에테르에테르케톤, 이들의 공중합체나 혼합물이 포함된다. 필라멘트(386)로서 적합한 지지 재료의 예로는 실리콘이 도핑된 열가소성 수지와 미네소타 에덴 프레리에 소재한 스트래터시스 인코포레이티드로부터 "WATER WORKS"와 "SOLUBLE SUPPORTS"라는 상표로서 상업적으로 판매되는 수용성 재료들이 포함된다.
도 9는 프레임 구성요소(364a)가 제거된 상태인 스풀 조립체(366)(필라멘트(386) 생략)의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 프레임 구성요소(364a)는 축 연결지점(386a)과 주변 연결지점(388a)을 포함하며, 프레임 구성요소(364b)는 축 연결지점(386b)과 주변 연결지점(388b)을 포함한다. 조립 과정에서, 필라멘트 스풀(366)은 축 연결지점(386b)에 설치되고, 프레임 구성요소(364a)는 필라멘트 스풀(366) 위에서 결합된다. 따라서, 프레임부(364a 및 364b)는 축 연결지점(386a 및 386b)과 주변 연결 지점(388a 및 388b)에서 고정된다.
도 10은 프레임부(364a 및 364b)가 고정된 상태인 스풀 조립체(366)(필라멘트(386) 생략)에 대한 사시도이다. 도시된 바와 같이, 스풀 프레임(364)의 프레임 구성요소(364a 및 364b)가 상호 고정되어 있는 경우, 필라멘트 스풀(366)은 프레임 구성요소(364a 및 364b)들 사이에서 회전 가능하게 고정되어 필라멘트 스풀(366)이 자유롭게 회전할 수 있도록 한다.
도 11은 유도관(336)과 펌프부(338)의 평면 사시도이며, 액화장치부(350)의 구성요소들이 더 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 액화장치부(350)는 액화장치 튜브(390)와 단열성 히터(392)를 포함한다. 액화장치 튜브(390)는 케이싱(346)과 압출 팁(352) 사이를 연장하는 열전도성을 가진 (예를 들어, 금속재인) 튜브이며, 필라멘트(386)가 용융되어 있는 구간이다. 단열성 히터(392)는 액화장치 튜브(290)를 둘러싸는 히터(예, 와이어 코일 히터(wire coil heater)와 열 블록(thermal block))와 히터 주변을 둘러싸는 단열성 슬리브(sleeve)를 포함한다. 상기에서 설명한 바와 같이, 히터는 시스템(12)으로부터의 전력 공급장치와 전기적으로 연결되어 있다.
도 12와 도 13은 케이싱(346) 내의 구조를 도시하기 위하여 케이싱(346)이 개방된 상태를 나타내는, 유도관(336)과 펌프부(338)의 평면 사시도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 케이싱(346)은 제1 케이싱부(346a), 제2 케이싱부(346b) 및 연결부(392)를 포함하고, 상기 연결부는 제1 케이싱부(346a)와 제2 케이싱부(346b)를 서로 연결한다. 이것은 제1 케이싱부(346a)와 제2 케이싱부(346b)가 상호 결합시켜 케이싱(346)을 형성하게 한다. 제1 케이싱부(346a) 및 제2 케이싱부(346b) 및 연결부(392)를 제작하기에 적합한 재료로는 상기 유도관(36)(도 2 및 도 3에 도시됨)의 재료로 언급하였던 것들과 같은 고분자 재료를 포함한다. 제1 케이싱부(346a)는 구동 장치 공간(394a)과 필라멘트 경로 공간(396a)을 포함하고, 제2 케이싱부(346b)는 구동 장치 공간(394b)과 필라멘트 경로 공간(396b)을 포함한다. 제1 케이싱부(346a)와 제2 케이싱부(346b)가 상호 결합되는 경우, 구동 장치 공간(394a 및 394b)은 구동 장치(348)가 회전가능하게 고정될 수 있는 내부 공간을 의미하고, 필라멘트 경로 공간(396a 및 396b)은 유도관(336)으로부터 액화장치 튜브(390)로 필라멘트(386)를 공급하는 경로를 의미한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 필라멘트(386)는 유도관(336)으로부터 필라멘트 경로 공간(396a 및 396b)인 경로로 공급된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 필라멘트(386)가 경로에 배치되면, 구동 장치(348)는 필라멘트(386)와 결합되어 필라멘트(386)의 연속적인 부분들을 액화장치 튜브(390)로 공급한다. 이후, 단열성 히터(392)의 히터는 필라멘트(386) 재료를 용융시키고, 상기 용융된 재료는 3D 물체 또는 해당 지지 구조를 생성하기 위하여 압출 팁(352)으로부터 압출된다. 상기에서 설명한 바와 같이, 펌프부(338)의 구성요소들은 다수의 압출 흐름으로 인하여 열화되거나 효율이 감소된 구성요소들(예를 들어, 액화장치 튜브(390), 단열성 히터(392), 구동 장치(348) 및 압출 팁(352))을 시스템(12)으로부터 제거한다. 이것은 새로운 구성요소들이 시스템(12)에 탑재되는 각각의 소비형 조립체(318)와 함께 사용될 수 있도록 한다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형이 있을 수 있음은 본 기술분야의 당업자에게 자명한 것이다.

Claims (20)

  1. 필라멘트의 공급부를 적재하도록 구성된 컨테이너부;
    상기 컨테이너부와 연결된 유도관; 및
    상기 유도관과 연결되고, 유동 상태인 필라멘트 재료를 압출할 수 있도록 구성된 펌프부;
    를 포함하는 소비형 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨테이너부는,
    외부 케이싱;
    상기 외부 케이싱 내에 배치된 하나 이상의 라이너;
    필라멘트의 공급부를 탑재하는 컨테이너부의 구성요소이며, 하나 이상의 라이너 내에 배치되는 스풀 조립체;
    상기 소비형 조립체가 압출기반 적층식 증착 시스템에 탑재된 경우, 압출기반 적층식 증착 시스템과 통신할 수 있도록 구성된 하나 이상의 데이터 칩; 및
    스풀 조립체로부터 필라멘트를 공급하기 위한 접속부를 제공하도록 구성된 관 연결부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 소비형 조립체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유도관은 상기 컨테이너부의 관 연결부와 연결됨으로써 필라멘트가 컨테이너부에서 상기 유도관의 내부 공간으로 공급되는 것을 특징으로 하는 소비형 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 펌프부는 필라멘트 구동 장치, 액화장치 튜브, 히터, 단열성 슬리브, 압출 팁, 구동 모터, 온도 센서, 토글 장치 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 소비형 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 펌프부는,
    상기 유도관으로부터 필라멘트를 유도하기 위한 내부 경로를 포함하며, 상기 유도관과 연결된 케이싱;
    상기 케이싱에 탑재되며, 필라멘트의 연속적인 부분들을 공급하도록 구성된 구동 장치;
    상기 내부 경로의 하부에 위치하며 케이싱에 탑재되는 액화장치 튜브;
    최소 일부분 이상이 용융된 상태인 필라멘트의 연속적인 부분들이 구동 장치에 의해 공급하기 위하여 상기 액화장치 튜브의 일부분 이상을 가열함으로써 용융된 상태의 필라멘트 재료를 공급할 수 있도록 구성된 히터; 및
    히터의 하부에 배치되며, 용융된 상태의 필라멘트 재료를 공급하기 위한 출구 지점을 제공하도록 구성된 압출 팁;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 소비형 조립체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨테이너부와 펌프부 사이에 전기적 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소비형 조립체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 펌프부는 압출기반 적층식 증착 시스템의 마운트에 삽입될 수 있도록 구성되며, 상기 마운트는 압출기반 적층식 증착 시스템의 생성 챔버 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 소비형 조립체.
  8. 컴퓨터에 의해 작동되는 컨트롤러;
    생성 챔버; 상기 컴퓨터에 의해 작동되는 컨트롤러와 신호 통신이 가능하며 상기 생성 챔버 내에 최소 일부분 이상 배치되는 기판 조립체; 상기 컴퓨터에 의해 작동되는 컨트롤러와 신호 통신이 가능하며 상기 생성 챔버 내에 최소 일부분 이상 배치되는 갠트리; 상기 기판 조립체에 대하여 마운트를 움직일 수 있도록 구성된 갠트리에 탑재된 마운트 및 하나 이상의 탑재 공간을 포함하는 압출기반 적층식 증착 시스템; 및
    필라멘트의 공급부를 적재하도록 구성되며 상기 압출기반 적층식 증착 시스템의 하나 이상의 탑재 공간 내에 탑재될 수 있는 컨테이너부; 상기 컨테이너부와 연결된 유도관; 및 상기 유도관과 연결되고 압출기반 적층식 증착 시스템의 마운트에 삽입되도록 구성된 펌프부를 포함하는 소비형 조립체;
    를 포함하는 증착 기술을 사용하여 3차원 물체를 생성하기 위한 컴퓨터 제어형 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 압출기반 적층식 증착 시스템은 용융식 증착 모델링 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 제어형 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 소비형 조립체의 컨테이너부는,
    외부 케이싱;
    상기 외부 케이싱 내에 배치된 하나 이상의 라이너;
    필라멘트의 공급부를 탑재하는 컨테이너부의 구성요소이며, 하나 이상의 라이너 내에 배치되는 스풀 조립체;
    상기 소비형 조립체가 압출기반 적층식 증착 시스템의 하나 이상의 탑재 공간에 탑재된 경우, 압출기반 적층식 증착 시스템과 통신할 수 있도록 구성된 하나 이상의 데이터 칩; 및
    스풀 조립체로부터 필라멘트를 공급하기 위한 접속부를 제공하도록 구성된 관 연결부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 제어형 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 소비형 조립체의 유도관은 상기 컨테이너부의 관 연결부와 연결됨으로써 필라멘트가 컨테이너부에서 상기 유도관의 내부 공간으로 공급되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 제어형 장치.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 소비형 조립체의 펌프부는 필라멘트 구동 장치, 액화장치 튜브, 히터, 단열성 슬리브, 압출 팁, 구동 모터, 온도 센서, 토글 장치 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 제어형 장치.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 소비형 조립체의 펌프부는,
    상기 유도관으로부터 필라멘트를 유도하기 위한 내부 경로를 포함하며, 상기 유도관과 연결된 케이싱;
    상기 케이싱에 탑재되며, 필라멘트의 연속적인 부분들을 공급하도록 구성된 구동 장치;
    상기 내부 경로의 하부에 위치하며 케이싱에 탑재되는 액화장치 튜브;
    최소 일부분 이상이 용융된 상태인 필라멘트의 연속적인 부분들이 구동 장치에 의해 공급하기 위하여 상기 액화장치 튜브의 일부분 이상을 가열함으로써 용융된 상태의 필라멘트 재료를 공급할 수 있도록 구성된 히터; 및
    히터의 하부에 배치되며, 용융된 상태의 필라멘트 재료를 공급하기 위한 출구 지점을 제공하도록 구성된 압출 팁;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 제어형 장치.
  14. 압출기반 적층식 증착 시스템의 탑재 공간 내에 소비형 조립체의 컨테이너부를 탑재하는 단계;
    상기 소비형 조립체의 유도관을 상기 압출기반 적층식 증착 시스템의 생성 챔버에 연결하는 단계;
    상기 소비형 조립체의 펌프부를 상기 생성 챔버에 위치한 이동식 마운트에 삽입하는 단계;
    필라멘트의 연속적인 부분들을 상기 컨테이너부로부터 유도관을 통해 펌프부로 공급하는 단계;
    상기 펌프부로 공급된 필라멘트의 연속적인 부분들을 압출가능한 물질로 형성하기 위하여 최소 일부분 이상을 용융시키는 단계; 및
    증착 방식으로 3차원 물체를 생성하기 위해 상기 압출가능한 물질을 상기 생성 챔버 내로 압출하는 단계;
    를 포함하는 3차원 물체를 생성하기 위한 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    필라멘트의 공급부가 일부 이상 소진되는 경우 상기 압출기반 적층식 증착 시스템으로부터 소비형 조립체를 분리하는 단계; 및
    상기 압출기반 적층식 증착 시스템에 제2 소비형 조립체를 탑재하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 생성하기 위한 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 분리된 소비형 조립체를 폐기하거나 재활용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 생성하기 위한 방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 소비형 조립체의 컨테이너부와 상기 압출기반 적층식 증착 시스템 사이에 전기적 연결부를 제공하는 단계; 및
    상기 전기적 연결부로부터 상기 소비형 조립체의 펌프부에 배치된 하나 이상의 부품에 전력을 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 생성하기 위한 방법.
  18. 청구항 14에 있어서,
    상기 소비형 조립체가 제1 소비형 조립체인 경우,
    상기 압출기반 적층식 증착 시스템의 제2 탑재 공간 내에 제2 소비형 조립체의 컨테이너부를 탑재하는 단계;
    상기 제2 소비형 조립체의 유도관을 생성 챔버에 연결하는 단계;
    상기 제2 소비형 조립체의 펌프부를 이동식 마운트에 삽입하며, 제1 소비형 조립체의 펌프부를 상기 이동식 마운트에 삽입하는 단계;
    제2 필라멘트의 연속적인 부분들을 상기 제2 소비형 조립체의 컨테이너부로부터 제2 소비형 조립체의 유도관을 통해 제2 소비형 조립체의 펌프부로 공급하는 단계;
    상기 제2 소비형 조립체의 펌프부로 공급된 제2 필라멘트의 연속적인 부분들을 압출가능한 제2 물질로 형성하기 위하여 최소 일부분 이상을 용융시키는 단계; 및
    증착 방식으로 3차원 물체를 위한 지지 구조를 형성하기 위해 상기 압출가능한 제2 물질을 상기 생성 챔버 내로 압출하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 생성하기 위한 방법.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 소비형 조립체의 컨테이너부는,
    외부 케이싱;
    상기 외부 케이싱 내에 배치된 하나 이상의 라이너;
    필라멘트의 공급부를 탑재하는 컨테이너부의 구성요소이며, 하나 이상의 라이너 내에 배치되는 스풀 조립체;
    상기 소비형 조립체가 압출기반 적층식 증착 시스템의 하나 이상의 탑재 공간에 탑재된 경우, 압출기반 적층식 증착 시스템과 통신할 수 있도록 구성된 하나 이상의 데이터 칩; 및
    스풀 조립체로부터 필라멘트를 공급하기 위한 접속부를 제공하도록 구성된 관 연결부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 생성하기 위한 방법.
  20. 청구항 14에 있어서,
    상기 소비형 조립체의 펌프부는,
    상기 유도관으로부터 필라멘트를 유도하기 위한 내부 경로를 포함하며, 상기 유도관과 연결된 케이싱;
    상기 케이싱에 탑재되며, 필라멘트의 연속적인 부분들을 공급하도록 구성된 구동 장치;
    상기 내부 경로의 하부에 위치하며 케이싱에 탑재되는 액화장치 튜브;
    최소 일부분 이상이 용융된 상태인 필라멘트의 연속적인 부분들이 구동 장치에 의해 공급하기 위하여 상기 액화장치 튜브의 일부분 이상을 가열함으로써 용융된 상태의 필라멘트 재료를 공급할 수 있도록 구성된 히터; 및
    히터의 하부에 배치되며, 용융된 상태의 필라멘트 재료를 공급하기 위한 출구 지점을 제공하도록 구성된 압출 팁;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 생성하기 위한 방법.
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