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KR20170004015A - 재료 압출 적층 제조에서 결합력을 증가시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

재료 압출 적층 제조에서 결합력을 증가시키기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20170004015A
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energy
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dimensional object
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말비카 비하리
사티쉬 쿠마르 각가르
락쉬미칸트 슈리아칸트 포왈르
다니엘 칼렙 브룩스
피터 제임스 쥬베르
Original Assignee
사빅 글로벌 테크놀러지스 비.브이.
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Abstract

3차원 물체를 형성하는 방법은 열가소성 중합체 재료의 층을 플랫폼 상에 미리 정해진 패턴으로 적층하여 적층된 층을 형성하는 단계; 에너지원 타겟 영역에 있는 적층된 층의 표면 에너지를 증가시키기 위해 적층된 층 상의 에너지원 타겟 영역으로, 에너지 빔을 통해 에너지원을 보내는 단계; 후속층과 에너지원 타겟 영역을 접촉시키는 단계로서, 후속층은 미리 정해진 패턴의 경로를 따라 적층되는 단계; 및 3차원 물체를 형성하기 위해 상기 선행 단계들을 반복하는 단계를 포함하고, 에너지원 타겟 영역으로 에너지원을 보내는 단계는 한 영역에 후속층을 적층하기 전에 그 영역에 있는 층에 에너지를 가하는 단계를 포함한다.

Description

재료 압출 적층 제조에서 결합력을 증가시키기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR INCREASING BONDING IN MATERIAL EXTRUSION ADDITIVE MANUFACTURING}
본 발명은 재료 압출 적층 제조에서 결합력을 증가시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
적층 제조(AM: Additive Manufacturing)는 모든 종류의 사물이 만들어지는 방식을 바꾸는 새로운 생산 기술이다. AM은 디지털 모델로부터 사실상 임의의 형상의 3차원(3D) 입체 물체를 만들어낸다. 일반적으로, 이것은 컴퓨터 이용 설계(CAD) 모델링 소프트웨어를 통해 원하는 입체 물체의 디지털 모델을 만든 후, 그 가상의 청사진을 매우 작은 디지털 단면으로 슬라이싱(slicing) 함으로써 달성된다. 이러한 단면들은 3D 물체를 생성하기 위해 AM 머신 내에서의 순차적인 적층 프로세스(layering process)에서 형성 또는 적층(deposit)된다. AM은 설계에서 상업적 제품에 대한 시제품화(prototyping)까지의 시간을 극적으로 감소시키는 것을 포함한 다양한 장점을 가진다. 구체적으로, 지속적인 설계 변경이 가능하다. 또한, 복수의 부품들이 단일 어셈블리 내에 내장될 수 있다. 또한, 공구가 필요 없다. 또한, 이러한 3D 입체 물체를 만드는데 최소한의 에너지가 요구된다. 또한, 원재료 및 폐기물의 양이 감소된다. 또한, AM은 매우 복잡한 기하학적 형상의 부품의 생산을 가능하게 한다. 또한, AM은 부품들이 주문에 따라 현장에서 신속하게 만들어질 수 있으므로 사업을 위한 부품 재고를 줄일 수 있다.
플라스틱 부품을 생산하기 위한 저자본 성형 프로세스 및/또는 어려운 기하학적 형상을 위한 성형 프로세스로서, 재료 압출(AM의 한 유형)이 사용될 수 있다. 재료 압출은 노즐 또는 오리피스를 통해 유동성(flowable) 재료를 선택적으로 배출함으로써 레이어 바이 레이어(layer-by-layer) 방식으로 3D 모델의 디지털 리프리젠테이션으로부터 3차원(3D) 모델을 만들기 위해 사용되는 압출 기반의 적층 제조 시스템을 포함한다. 재료가 압출된 후, x-y 평면 내의 기판상에 하나의 시퀀스의 길(road)로서 적층된다. 압출된 모델링 재료는 앞서 적층된 모델링 재료와 용화(fuse)되고, 온도 하락시 고화(solidify)된다. 그 다음, 기판에 대한 압출 헤드의 위치는 (x-y 평면에 수직인) z축을 따라 증가된 후, 디지털 리프리젠테이션과 유사한 3D 모델을 형성하기 위해 이 프로세스가 반복된다.
재료 압출 부품은 기하학적 형상을 검토하기 위한 프로토타입 모델로서 사용될 수 있다. 부품 강도 및 외형은 향상된 심미적 특성이 코팅 또는 샌딩(sanding)과 같은 후처리 마감 단계에 의해 달성될 것이므로, 전체적인 디자인 컨셉 전달에 비하면 부수적인 것이다. 그러나, 빌드 방향의 부품 강도는 빌드의 후속층 간의 결합 강도 및 유효 결합 표면적에 의해 제한된다. 이러한 요인은 다음의 두 가지 이유로 제한된다. 첫째, 각각의 층은 별도의 용융된 스트림이므로, 새로운 층의 중합체 사슬과 선행층의 중합체 사슬 간의 혼합이 허용되지 않는다. 둘째, 이전 층이 냉각되었기 때문에, 결합 발생은 새로운 층으로부터의 열 전도, 및 그 재료의 임의의 고유한 점착(cohesive) 특성에 의존해야 한다. 감소된 층간 접착력은 또한 심하게 층진 표면 마감을 야기한다.
따라서, 향상된 심미적 품질 및 구조적 특성을 가지는 부품을 생산할 수 있는 AM 프로세스에 대한 개선의 필요성이 존재한다.
앞서 서술된 및 다른 특징들이 아래의 도면 및 상세한 설명을 예로 들어 설명된다.
3차원 물체를 형성하는 방법은 열가소성 중합체 재료의 층을 플랫폼 상에 미리 설정된 패턴으로 적층(deposit)하여 적층된 층을 형성하는 단계; 에너지원 타겟 영역에 있는 적층된 층의 표면 에너지를 증가시키기 위해 적층된 층 상의 에너지원 타겟 영역으로, 에너지 빔을 통해, 에너지원을 보내는 단계; 에너지원 타겟 영역과 후속층을 접촉시키는 단계로서, 후속층은 미리 설정된 패턴을 따라 적층되는 단계; 및 3차원 물체를 형성하기 위해 선행 단계들을 반복하는 단계를 포함하고, 상기 에너지 타겟 영역으로 에너지원을 보내는 단계는 한 영역에 후속층을 적층하기 전에 그 영역에 있는 층에 에너지를 가하는 단계를 포함한다.
3차원 물체를 형성하는 장치는 3차원 물체를 지지하도록 구성된 플랫폼; 플랫폼에 대하여 배치되고, 3차원 물체의 층을 형성하기 위해 열가소성 재료를 미리 설정된 패턴으로 적층하도록 구성된 압출 헤드; 압출 헤드에 대하여 배치되고, 에너지원 타겟 영역의 표면 에너지를 증가시키도록 구성된 에너지원으로서, 에너지원 타겟 영역은 후속층의 적층을 위한 영역에 앞서 적층된 층의 일부분을 포함하는 에너지원; 및 플랫폼에 대하여 압출 헤드 및 에너지원의 위치를 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함한다.
3차원 물체를 형성하는 방법은 열가소성 중합체 재료의 층을 플랫폼 상에 미리 설정된 패턴으로 FDM(fused deposition modeling) 장치를 이용하여 적층하는 단계; 층의 적어도 일부분의 표면 에너지를 증가시키는 단계; 그 층 위에 후속층을 적층하는 단계; 및 3차원 물체를 형성하기 위해 선행 단계들을 반복하는 단계를 포함한다.
예시적인 실시예로서 도면을 참조할 것인데, 유사한 요소에 유사한 참조번호가 부여되어 있고, 이 도면들은 본 명세서에 개시된 예시적인 실시예를 제한하는 목적이 아니라 설명의 목적으로 제공된 것이다.
도 1은 예시적인 압출 기반의 적층 제조 시스템의 정면도이다.
도 2는 에너지원 없는 열가소성 재료의 층을 적층하는 압출 헤드의 정면도이다.
도 3은 에너지원을 가진 열가소성 재료의 층을 적층하는 압출 헤드의 정면도이다.
도 4는 3차원 물체를 형성하기 위해 적층된 열가소성 재료 층의 측면도이다.
도 5는 3차원 물체를 형성하기 위해 적층된 열가소성 재료 층의 평면도이다.
도 6은 3차원 물체를 형성하기 위한 예시적인 프로세스의 흐름도이다.
도 7은 3차원 물체를 형성하기 위한 예시적인 프로세스의 흐름도이다.
도 8은 에너지원, 압력원 및 온도 센서를 가진 열가소성 재료의 층을 적층하는 압출 헤드의 정면도이다.
인접층 간의 결합력이 증가된 부품을 생산할 수 있는 적층 제조 모델링 방법 및 장치가 본 명세서에 개시된다. 이론에 얽매이지 않고, 본 명세서에서 수득한 유리한 결과물, 예컨대 고강도 3차원 중합체 컴포넌트는 적층된 층의 일부분의 표면 에너지를 그 부분 위 및/또는 그 부분 부근에 후속층을 적층하기 전에 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 적층된 층의 더 큰 표면 에너지 및 향상된 접착력으로 인해, 층 간의 표면 접촉 면적이 증가될 수 있으므로, 빌드 방향 및/또는 인접층 간 측방향의 강도가 증가된다. 또한, 층 간의 증가된 결합력은 점착을 야기하는 층 간의 어느 정도의 표면 장력을 극복할 수 있으므로, 부품의 표면 품질을 향상시킬 수 있다. 따라서, 우수한 기계적 및 심미적 특성을 가진 부품이 제조될 수 있다.
본 명세서 및 청구항에서 사용된 용어 "재료 압출 적층 제조 기술"은 제조품이 노즐 또는 오리피스를 통한 선택적 배출에 의해 디지털 모델로부터 모노필라멘트 또는 펠릿과 같은, 열가소성 재료로부터 재료를 층층이 내려놓음으로써 임의의 형상의 3차원 입체 물체를 만드는 임의의 적층 제조 기술에 의해 만들어질 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 압출된 재료는 코일로부터 풀려지거나 또는 압출 헤드로부터 적층되는 플라스틱 필라멘트를 내려놓음으로써 만들어질 수 있다. 이러한 모노필라멘트 적층 제조 기술은 FDM(fused deposition modeling) 및 FFF(fused filament fabrication), 뿐만 아니라 ASTM F2792-12a에 규정된 다른 재료 압출 기술을 포함한다.
용어 "FDM(Fused Deposition Modeling)" 또는 "FFF(Fused Filament Fabrication)"는 열가소성 재료를 반액체 상태로 가열하고, 컴퓨터 제어된 경로를 따라 압출함으로써 레이어 바이 레이어로 부품 또는 물품을 만드는 것을 포함한다. FDM은 모델링 재료 및 지지 재료를 이용한다. 모델링 재료는 마감 처리된 피스를 포함하고, 지지 재료는 프로세스가 완료된 때 기계적으로 제거되거나, 씻겨지거나, 또는 용해될 수 있는 비계(scaffolding)를 포함한다. 이러한 프로세스는 베이스가 Z-축 아래로 이동하기 전에 그리고 다음 층이 시작하기 전에 각각의 층을 완성하기 위해 재료를 적층하는 단계를 포함한다.
압출되는 재료는 열가소성 재료로 만들어질 수 있다. 이러한 재료는 폴리카보네이트(PC), 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 아크릴 고무, 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA), 에틸렌 비닐 알코올(EVOH), 액정 고분자(LCP), 메타크릴레이트 스티렌 부타디엔(MBS), 폴리아세탈(POM 또는 아세탈), 폴리아크릴레이트 및 폴리메타아크릴레이트(통칭하여 아크릴릭스라고도 함), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리아미드(PA, 나일론으로도 알려짐), 폴리아미드-이미드(PAI), 폴리아릴에테르케톤(PAEK), 폴리부타디엔(PBD), 폴리부틸렌(PB), 폴리에스테르, 예컨대 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리카프롤락톤(PCL), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리시클로헥실렌 디메틸렌 테레프탈레이트(PCT) 및 폴리히드록시알카노에이트(PHA), 폴리케톤(PK), 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP), 플루오르화 폴리올레핀, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르술폰(PES), 폴리술폰, 폴리이미드(PI), 폴리락트산(PLA), 폴리메틸펜텐(PMP), 폴리페닐렌 옥사이드(PPO), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리술폰(PSU), 폴리페닐술폰, 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트(PTT), 폴리우레탄(PU), 스티렌-아크릴로니트릴(SAN), 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 임의의 조합을 포함할 수 있다. ABS, SAN, PBT, PET, PCT, PEI, PTFE, 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 조합과의 폴리카보네이트 혼합물은 용융 흐름, 내충격성 및 내화학성과 같은 바람직한 특성의 균형을 달성하기 위해 특히 주목된다. 이러한 다른 열가소성 재료의 양은 모노필라멘트의 중량을 기초로 0.1 wt% 내지 70 wt%일 수 있고, 다른 경우에, 1.0 wt% 내지 50 wt%일 수 있고, 또 다른 경우에, 5 wt% 내지 30 wt%일 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "폴리카보네이트"는 아래의 식(1)의 반복 구조의 카보네이트 단위를 가지는 중합체 또는 공중합체를 의미한다.
Figure pct00001
여기서, R1기의 총 개수 중 적어도 60%는 방향족이며, 각각의 R1은 적어도 하나의 C6-30 방향족 기를 포함한다. 구체적으로, 각각의 R1은 아래의 식(2)의 방향족 디히드록시 화합물과 같은 디히드록시 화합물 또는 아래의 식(3)의 비스페놀로부터 유도될 수 있다.
Figure pct00002
식 (2)에서, 각각의 Rh는 독립적으로 할로겐 원자, 예컨대 브롬, C1-10 히드로카빌기, 예컨대 C1-10 알킬, 할로겐-치환된 C1-10 알킬, C6-10 아릴, 또는 할로겐-치환된 C6-10 아릴이고, n은 0 내지 4이다.
식 (3)에서, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 할로겐, C1-12 알콕시, 또는 C1-12 알킬이고; p 및 q는 각각 독립적으로 p 또는 q가 4 미만일 때 고리의 각각의 탄소의 원자가가 수소로 채워지도록 하는 0 내지 4의 정수이다. 하나의 실시예에서, p 및 q는 각각 0이고, 또는 p 및 q는 각각 1이고, Ra 및 Rb는 각각 C1-3 알킬기, 구체적으로 각각의 아릴렌기 상의 히드록시기에 메타(meta)로 배치된 메틸이다. Xa는 2개의 히드록시-치환된 방향족을 연결하는 가교기(bridging group)인데, 여기서 가교기 및 각각의 C6 아릴렌기의 히드록시 치환기는 C6 아릴렌기 상에서 서로 오르토(ortho), 메타(meta), 또는 파라(para)(특히, 파라)로 배치되고, 예컨대 순환형 또는 비순환형일 수 있고 방향족 또는 비방향족일 수 있는 단일 결합, -O-, -S-, -S(O)-, -S(O)2-, -C(O)- 또는 C1-18 유기기(organic group)이고, 그리고 할로겐, 산소, 질소, 황, 실리콘 또는 인과 같은 헤테로원자를 더 포함할 수 있다. 예컨대, Xa는 치환된 또는 치환되지 않은 C3-18 시클로알킬리덴; 식 -C(Rc)(Rd)-의 C1-25 알킬리덴일 수 있는데, 여기서 Rc 및 Rd는 각각 독립적으로, 수소, C1-12 알킬, C1-12 시클로알킬, C7-12 아릴알킬, C1-12 헤테로알킬 또는 시클릭 C7-12 헤테로아릴알킬; 또는 식 -C(=Re)-의 그룹일 수 있고, 여기서 Re는 2가의 C1-12 히드로카본기일 수 있다.
구체적인 디히드록시 화합물의 몇몇 예시적인 예는 비스페놀 화합물, 예컨대 4,4'-디히드록시비페닐, 1,6-디히드록시나프탈렌, 2,6-디히드록시나프탈렌, 비스(4-히드록시페닐)메탄, 비스(4-히드록시페닐)디페닐메탄, 비스(4-히드록시페닐)-1-나프틸메탄, 1,2-비스(4-히드록시페닐)에탄, 1,1-비스(4-히드록시페닐)-1-페닐에탄, 2-(4-히드록시페닐)-2-(3-히드록시페닐)프로판, 비스(4-히드록시페닐)페닐메탄, 2,2-비스(4-히드록시-3-브로모페닐)프로판, 1,1-비스(히드록시페닐)시클로펜탄, 1,1-비스(4-히드록시페닐)시클로헥산, 1,1-비스(4-히드록시페닐)이소부텐, 1,1-비스(4-히드록시페닐)시클로도데칸, 트랜스-2,3-비스(4-히드록시페닐)-2-부텐, 2,2-비스(4-히드록시페닐)아다만탄, 알파, 알파'-비스(4-히드록시페닐)톨루엔, 비스(4-히드록시페닐)아세토니트릴, 2,2-비스(3-메틸-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-에틸-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-n-프로필-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-이소프로필-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-sec-부틸-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-t-부틸-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-시클로헥실-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-알릴-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(3-메톡시-4-히드록시페닐)프로판, 2,2-비스(4-히드록시페닐)헥사플루오로프로판, 1,1-디클로로-2,2-비스(4-히드록시페닐)에틸렌, 1,1-디브로모-2,2-비스(4-히드록시페닐)에틸렌, 1,1-디클로로-2,2-비스(5-페녹시-4-4-히드록시페닐)에틸렌, 4,4'-디히드록시벤조페논, 3,3-비스(4-히드록시페닐)-2-부타논, 1,6-비스(4-히록시페닐)-1,6-헥산디온, 에틸렌 글리콜 비스(4-히드록시페닐)에테르, 비스(4-히드록시페닐)에테르, 비스(4-히드록시페닐)설파이드, 비스(4-히드록시페닐)술폭시드, 비스(4-히드록시페닐)술폰, 9,9-비스(4-히드록시페닐)플루오린, 2,7-디히드록시피렌, 6,6'-디히드록시-3,3,3',3'-테트라메틸스피로(비스)인단("스피로비인데인 비스페놀"), 3,3-비스(4-히드록시페닐)프탈이미드, 2,6-디히드록시디벤조-p-다이옥신, 2,6-디히드록시티안트렌, 2,7-디히드록시페녹사틴, 2,7-디히드록시-9,10-디메틸페나진, 3,6-디히드록시디벤조퓨란, 3,6-디히드록시디벤조싸이오펜, 및 2,7-디히드록시카르바졸; 레조르시놀, 치환된 레조르시놀 화합물, 예컨대 5-메틸 레조르시놀, 5-에틸 레조르시놀, 5-프로필 레조르시놀, 5-부틸 레조르시놀, 5-t-부틸 레조르시놀, 5-페닐 레조르시놀, 5-쿠밀 레조르시놀, 2,4,5,6-테트라플루오로 레조르시놀, 2,4,5,6-테트라브로모 레조르시놀 등; 카테콜; 히드로퀴논; 치환된 히드로퀴논, 예컨대 2-메틸 히드로퀴논, 2-에틸 히드로퀴논, 2-프로필 히드로퀴논, 2-부틸 히드로퀴논, 2-t-부틸 히드로퀴논, 2-페닐 히드로퀴논, 2-쿠밀 히드로퀴논, 2,3,5,6-테트라메틸 히드로퀴논, 2,3,5,6-테트라-t-부틸 히드로퀴논, 2,3,5,6-테트라플루오로 히드로퀴논 또는 2,3,5,6-테트라브로모 히드로퀴논 등을 포함한다.
구체적인 디히드록시 화합물은 레조르시놀, 2,2-비스(4-히드록시페닐) 프로판(식(3)에서, 각각의 A1 및 A2는 p-페닐렌이고, Xa는 이소프로필리딘인 "비스페놀 A" 또는 "BPA"), 3,3-비스(4-히드록시페닐) 프탈리미딘, 2-페닐-3,3'-비스(4-히드록시페닐) 프탈리미딘(이는 또한 N-페닐 페놀프탈레인 비스페놀, "PPPBP", 또는 3,3-비스(4-히드록시페닐)-2-페닐이소인돌린-1-온으로도 알려져 있음), 1,1-비스(4-히드록시-3-메틸페닐)시클로헥산(DMBPC), 및 1,1-비스(4-히드록시-3-메틸페닐)-3,3,5-트리메틸시클로헥산(이소포론 비스페놀)을 포함한다.
이러한 방향족 폴리카보네이트는 앞서 인용된 문헌과 미국 특허 번호 제4,123,436호에 나열된 방법에 따라, 포스겐과 같은 카보네이트 전구체와 2가 페놀을 반응시킴으로써, 미국 특허 번호 제3,153,008호에 개시된 것과 같은 에스테르교환반응(trans esterification) 프로세스에 의해, 또는 당업자들에게 공지된 다른 프로세스에 의해 제조될 수 있다.
또한, 단독중합체보다 카보네이트 공중합체(copolymer or interpolymer)가 바람직한 경우에 2 이상의 상이한 2가 페놀을 채용하는 것도 가능하다. 폴리카보네이트 공중합체는 카보네이트가 아닌 반복 단위를 더 포함할 수 있는데, 예컨대 반복 에스테르 단위(폴리에스테르-카보네이트), 반복 실록산 단위(폴리카보네이트-실록산), 또는 에스테르 단위 및 실록산 단위를 모두(폴리카보네이트-에스테르-실록산) 포함할 수 있다. 미국 특허 번호 제4,001,184호에 서술된 것처럼, 가교형 폴리카보네이트도 유용하다. 또한, 선형 폴리카보네이트 및 가교형 폴리카보네이트의 조합도 사용될 수 있다. 또한, 임의의 상기 재료의 조합이 사용될 수 있다.
임의의 경우에, 바람직한 방향족 폴리카보네이트는 단독중합체, 예컨대 SABIC으로부터 상표 지정 "LEXAN" 등록 TM 하에서 상업적으로 사용 가능한, 2,2-비스(4-히드록시페닐)프로판(비스페놀-A) 및 카보네이트 또는 카보네이트 전구체로부터의 단독중합체이다.
본 명세서에서 사용된 열가소성 폴리카보네이트는 화학적 및 물리적 특성의 어느 조합을 가진다. 이들은 적어도 50 몰%의 비스페놀 A로부터 만들어지고, 폴리카보네이트 표준에 따라 교정된(calibrated) 겔 투과 크로마토그래피(GPC: gel permeation chromatography)에 의해 측정된 때 10,000 내지 50,000 그램/몰(g/mol)의 중량 평균 분자량(Mw)을 가지고, 130 내지 180℃의 유리 전이 온도(Tg)를 가진다.
이러한 물리적 특성의 조합과 더불어, 이러한 열가소성 폴리카보네이트 합성물은 또한 선택적인 물리적 특성을 가질 수 있다. 이러한 다른 물리적 특성은 5,000 평방인치당 파운드(psi) 초과의 항복 인장 강도, 및 (ASTM D4065-01에 따라 동역학적 분석(DMA: dynamic mechanical analysis)에 의해 3.2 mm바 상에서 측정된 때) 100℃에서 1,000 psi를 초과하는 굴곡 강도를 포함한다.
또한, 다른 성분들이 모노필라멘트에 추가될 수 있다. 이러한 성분은 솔벤트 바이올렛(solvent violet) 36, 피그먼트 블루(pigment blue) 60, 피그먼트 블루 15:1, 피그먼트 블루 15.4와 같은 색료(colorant), 카본 블랙, 티타늄 디옥사이드, 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 임의의 조합을 포함한다.
첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 구성요소, 프로세스 및 장치가 더 완벽하게 이해될 것이다. 이들 도면(본 명세서에서 "도"라고도 함)은 단지 본 개시물을 설명함에 있어서 편의성 및 용이성을 기초로 한 개략적인 표현일 뿐이므로, 장치 또는 장치의 구성요소의 상대적인 크기 및 치수를 나타내도록 의도된 것이 아니고, 그리고/또는 예시적인 실시예의 범위를 정의하거나 제한하도록 의도된 것도 아니다. 명료함을 위해 아래의 설명에서 특정 용어들이 사용되었으나, 이러한 용어들은 도면 내에서 설명을 위해 선택된 특정 구조의 실시예를 언급하도록 의도된 것일 뿐이며, 본 개시물의 범위를 정의하거나 제한하도록 의도된 것은 아니다. 도면 및 아래의 설명에서, 유사한 부재번호가 유사한 기능의 구성요소를 의미하는 것임을 이해해야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(10)은 하나의 예시적인 재료 압출 적층 제조 시스템이고, 빌드 플랫폼(14), 가이드 레일 시스템(16), 압출 헤드(18) 및 서플라이 소스(20)를 포함한다. 빌드 플랫폼(14)은 그 위에서 물품(24)이 만들어질 수 있는 지지 구조이고, 컴퓨터 작동식 컨트롤러(28)에서 제공되는 신호를 기초로 수직 방향으로 이동할 수 있다. 가이드 레일 시스템(16)은 컨트롤러(28)에서 제공되는 신호를 기초로 빌드 플랫폼(14)과 평행한 평면 내의 임의의 지점으로 압출 헤드(18)를 이동시킬 수 있다. 또는, 빌드 플랫폼(14)이 수평으로 움직이도록 구성될 수 있고, 압출 헤드(18)가 수직으로 움직이도록 구성될 수 있다. 빌드 플랫폼(14) 및 압출 헤드(18) 중 하나 또는 둘 모두가 서로에 대하여 이동 가능하도록 하는 다른 유사한 배열도 사용될 수 있다.
에너지원(54)이 압출 헤드(18)에 연결될 수 있고, 또는 압출 헤드(18)로부터 분리될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 에너지원(54)은 지지 암(58)을 통해 압출 헤드(18)에 연결된다. 또는, 에너지원(54)은 시스템(10)의 내측면에 연결될 수 있고, 또는 이동 가능한 지지 구조에 연결될 수 있다. 에너지원(54)은 컴퓨터 작동식 컨트롤러(28)에 의해 이동 가능하고 제어될 수 있다. 예를 들어, 에너지원(54)은 시스템(10) 내의 특정 지점에 에너지를 제공하기 위해 이동 가능할 수 있다. 복수의 에너지원(54)이 채용될 수 있다. 에너지원은 이전에 적층된 층(50)의 최상부(51)의 영역(56)을 압출 헤드(18)를 빠져나온 열가소성 중합체 재료의 유리 전이 온도(Tg)(Y)와 열가소성 중합체 재료의 용융점 사이의 온도로 가열할 수 있는 임의의 장치, 또는 이전에 적층된 층(50)의 최상부(51)의 영역(56)을 온도(X)로 가열할 수 있는 임의의 장치를 포함할 수 있는데, 여기서 온도(X)는 Y≥X≥Y-20, 구체적으로 Y≥X≥Y-10 또는 Y-5≥X≥Y-20을 충족한다. 즉, 압출 헤드(18)를 빠져나온 열가소성 중합체 재료의 Tg가 280℃라면, 이 장치는 영역(56)을 260℃ 내지 280℃로, 구체적으로 270℃ 내지 280℃로, 또는 260℃ 내지 275℃로 가열할 수 있다. 가능한 에너지원의 몇몇 예는 광원(예컨대, 자외선 광원, 적외선 광원, 레이저), 가열된 비활성 기체, 가열된 플레이트, 적외선 히트, 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함한다. 예를 들어, 에너지원(54)은 대략 20 내지 200 와트(W)의 파워 범위를 가지고 1,064 나노미터(nm)의 파장을 가지는 YAG 레이저일 수 있다. 가능한 비활성 기체는 특정 열가소성 재료에 의존하며, 프로세싱 온도에서 열가소성 재료를 열화시키지 않고 또는 열가소성 재료와 반응하지 않는 임의의 기체를 포함한다. 가능한 비활성 기체의 예는 질소, 공기 및 아르곤을 포함한다.
선택적으로, 에너지원의 적용 이전에 층(50)의 최상부(51)의 온도를 측정할 수 있도록, 가열되는 영역 부근의 층(50)의 최상부(51)의 온도를 측정하기 위해 온도 센서(72)(예컨대, 비접촉 온도 센서)가 장치 내에 포함될 수 있다. 이것은 최상부(51)의 실제 온도와 영역(56)의 희망 온도를 기초로 에너지원(54)으로부터의 열 강도의 온라인 조절을 가능하게 할 것이다.
바람직한 접착 특성 및/또는 다른 부품 특성을 얻기 위해, 에너지원(예컨대, 고온 가스 노즐) 및 압출 헤드(예컨대, 멜트-팁)는 부품이 완성될 때까지 나란하게 이동할 수 있다.
선택적으로, 예컨대 재료를 치밀하게(densify) 하기 위해, 간극 또는 공기 방울을 제거하기 위해, 및/또는 층 간의 접착력을 강화하기 위해, 적층된 열가소성 재료를 이전 층을 향해 누르기 위하여(예컨대, 층(52)을 층(50)을 향해 누르기 위하여), 예컨대 압출 헤드(18) 부근에 열가소성 재료의 적용 후 층에 압력을 가하도록 구성된 압력원(74)이 장치에 포함될 수 있다(도 8 참조).
또한, 재료 압출 적층 제조 분야에서 잘 이해되듯이, 인접 층 사이에 단차(step) 또는 골(valley)이 생성된다. 이러한 층 사이의 골(80)은 최종 제품의 심미감을 나쁘게 만들고 바람직하지 않은 것이다(도 5 참조). 골은 골의 기저에서 인접층의 표면까지의 깊이를 가진다. 열가소성 재료가 적용된 후 열가소성 재료에 압력을 가하는 것은 열가소성 재료를 치밀하게 만들고, 이는 열가소성 재료가 골(80)로 흘러들어가게 하여 골의 크기를 감소시킨다. 층에 압력을 가하는 것은 골의 깊이를 50% 이상, 구체적으로 70% 이상, 더 구체적으로 80% 이상 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 골의 깊이가 압력을 가하지 않은 때 10 마이크로미터(㎛)라면, 압력을 가한 후 골의 깊이는 5 ㎛ 이하일 것이다.
인가되는 압력은 층을 치밀하게 하는 것, 공기 방울을 제거하는 것, 인가되는 층과 이전 층 사이의 간극을 제거하는 것, 및 열가소성 재료가 골로 흘러들어가게 하는 것 중 적어도 하나를 수행하기에 충분한 압력일 수 있다.
예를 들어, 압력원은 층에 하방 가스 스트림(예컨대, 압축 가스)을 제공할 수 있는 장치일 수 있다. 프로세스는 막 적층된 중합체 용융물이 앞서 적층된 층의 가장자리까지 두 인접한 층 사이의 코너 부분을 겨우 채울만큼 약간 흐르게 하여, 테이퍼드 면을 더 매끄럽게 함으로써 형성된 부품의 심미감 및 강도를 향상시키기 위해, 고압 가스 스트림을 이용하도록 더 수정될 수 있다. 치수 제어를 보장하기 위해, 표면을 더 매끄럽게 만들기 위해 코너 부분으로 흘러 채워지는 용융물의 양에 대응하는 추가적인 양의 용융물이 적층될 필요가 있을 것이다.
시스템(10)에 사용하기에 적합한 압출 헤드의 예는 그 전체가 참조로서 본 명세서에 통합된 미국 특허 번호 제7,625,200호에 개시된 것을 포함할 수 있다. 또한, 시스템(10)은 하나 이상의 팁으로부터 모델링 및/또는 지지 재료를 적층하기 위해 복수의 압출 헤드(18)를 포함할 수 있다. 열가소성 재료는 서플라이 소스(20)로부터 압출 헤드(18)로 공급될 수 있으므로, 압출 헤드(18)가 열가소성 재료를 적층하여 물품(24)을 형성하는 것이 가능해진다.
열가소성 재료는 다양한 상이한 매체로 압출 기반의 적층 제조 시스템 내에서 시스템(10)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 이 재료는 연속적인 모노필라멘트 형태로 공급될 수 있다. 예를 들어, 시스템(10)에서, 모델링 재료는 각각 서플라이 소스(20)로부터 공급되는 연속적인 모노필라멘트 가닥으로 제공될 수 있다. 모델링 및 지지 재료의 필라멘트 가닥에 대한 적절한 평균 직경의 예는 대략 1.27 밀리미터(대략 0.050 인치) 내지 대략 3.0 밀리미터(대략 0.120 인치) 범위이다. 그 다음, 이 지지 재료는 레이어 기반의 적층 제조 기술을 이용하여 물품(24)을 만들기 위해 빌드 플랫폼(14) 상에 적층된다. 지지 구조는 또한 물품(24)의 층의 선택적인 돌출 부분에 대한 수직 지지를 제공하기 위해 적층될 수 있는데, 이는 물품(24)이 다양한 기하학적 형상을 가지도록 만들어지는 것을 가능하게 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 3D 모델은 에너지원(54)을 수반하지 않는 압출 헤드(18)를 이용하여 만들어질 수 있다. 이 기술을 이용하여, 압출 헤드(18)는 플랫폼(14) 상에 층(50a)을 적층한다. 층(50a)이 경화되도록 허용되고, 후속층(52a)이 층(50a)의 최상부 위에 적층된다. 표면 접촉 영역(60a)이 층(50a)과 후속층(52a) 사이에 형성된다. 이 프로세스는 물품(24)이 완성될 때까지 반복된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 에너지원(54)은 지지 암(58)을 통해 압출 헤드(18)에 연결된다. 작동 시, 도 3의 압출 헤드(18)는 플랫폼(14) 상에 층(50)을 적층한다. 후속층(52)을 적층하기 전에, 에너지원(54)은 에너지원 타겟 영역(56)으로 에너지를 보낸다. 레이저 파장의 선택은 합성물의 흡수 및 기질 간의 상호작용에 의존하며, 레이저는 파워, 주파수, 속도 및 초점 등과 같은 레이저 파라미터를 수정함으로써 조종될 수 있다. 레이저와 기질간의 상호작용은 또한 레이저의 파장을 흡수하는 첨가물을 추가함으로써 조정 및 향상될 수 있다. 엑시머 레이저는 자외선 파장(예컨대, 120 내지 450 nm)을 위해 사용될 수 있다. 다이오드 레이저는 가시 스펙트럼 내의 파장(예컨대, 400 내지 800nm)을 위해 사용될 수 있다. 그리고, 솔리드 스테이트 또는 섬유 레이저는 근적외 영역 내 파장(예컨대, 800 내지 2,100nm)을 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 레이저 파장에 따라, 특수한 첨가제가 특성과 상호작용 간의 효과적인 균형을 달성하기 위해 사용될 수 있다. 예시적인 첨가제는 자외선 파장에 대하여 2-(2 히드록시-5-t-옥틸페닐) 벤조트리아졸, 가시 스펙트럼 파장에 대하여 카본 블랙, 및 근적외 파장에 대하여 란타늄 헥사보라이드를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
에너지원 타겟 영역(56)은 후속층(52)이 적층될 영역 내에 위치하는 층(50)의 최상부(51)를 포함할 수 있다. 즉, 에너지원(54)은 층(50) 위에 층(52)을 적층하기 전에 적층된 층(50)의 최상부(51)의 표면 에너지를 증가시키기 위해 에너지원 타겟 영역(56)으로 에너지를 전달할 수 있다. 그러므로, 에너지원(54)은 층(52)의 적층 전에 에너지원 타겟 영역(56)에 있는 층(50)의 적어도 최상부(51)(층(52)이 적층될 층(50)의 일부분이라고도 함)의 표면 에너지를 증가시키고, 이는 두 층 간의 결합 강도를 증가시킨다. 이러한 향상된 결합 강도는 층(50)과 층(52) 사이에 낮은 에너지 차이에 기인한다. 층(52)의 더 높은 온도는 층 간의 향상된 분자 얽힘(entanglement)을 가능하게 하여 더 큰 점착이 가능해진다. 층 간의 낮은 온도 차이는 불균형 수축에 기인하는 경계 응력을 제한시킨다. 또한, 층(50)의 최상부(51)의 표면 에너지는 층(50과 52) 사이의 표면 접촉 영역(60)이 에너지원이 채용되지 않은 표면 접촉 영역(60a)(도 2)보다 크도록 증가되게 할 수 있다. 에너지원 타겟 영역(56)은 층(50)의 폭의 대략 50% 이상을 포함할 수 있다. 에너지원 타겟 영역(56)은 층(50)의 폭의 대략 50% 이하를 포함할 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 에너지원 타겟 영역(66)은 후속층(52)이 적층될 영역 부근에 위치하는 층(65)의 측부(61)를 포함할 수 있다. 즉, 에너지원(54)은 층(65) 부근의 층(52)을 적층하기 전에 적층된 층(60)의 측부(61)의 표면 에너지를 증가시키기 위해 에너지원 타겟 영역(66)으로 에너지를 전달할 수 있다. 그러므로, 에너지원(54)은 층(52)의 적층 전에 에너지원 타겟 영역(66)에 있는 층(65)의 적어도 측부(61)의 표면 에너지를 증가시키고, 이는 두 층 간의 결합 강도를 증가시킨다. 이러한 향상된 결합 강도는 층(65)과 층(52) 간의 낮은 에너지 불일치에 기인한다. 층(52)의 더 높은 온도는 층 간의 향상된 분자 얽힘을 가능하게 하여 더 큰 점착이 가능해진다. 층 간의 낮은 온도 차이는 불균형 수축에 기인하는 경계 응력을 제한시킨다.
타겟 영역(56)의 표면 에너지를 증가시키기 위해 에너지원(54)을 이용하는 것은 또한 최종 물품(24) 내의 공극률 감소를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 이러한 프로세스를 통해 만들어진 제품은 에너지원(54)을 채용하지 않은 적층 제조 프로세스를 통해 만들어진 제품보다 30% 낮은 공극률을 가질 수 있다. 또한, 이 경우 층 간 접착은 ASTM D-3039에 따라 측정된 때 최대 대략 50% 향상될 수 있다.
하나의 실시예에서, 에너지원(54)은 오직 다른 후속층과 접촉된 후 접착되는 층(50)의 일부분 상의 에너지원 타겟 영역에만 에너지를 인가한다. 이 실시예에서, 층(50)의 다른 부분에는 직접적으로 에너지가 가해지지 않는다. 다른 실시예에서, 에너지는 층의 다른 부분으로 전달될 수 있다. 에너지원 타겟 영역(56)으로의 에너지원(54)의 인가와 후속층의 접촉 사이의 시간은 인가된 에너지가 층으로부터 낭비되는 것을 방지하기 위해 비교적 짧다. 몇몇 실시예에서, 이러한 시간 기간은 1분 미만, 구체적으로 0.5분 미만, 더 구체적으로 0.25분 미만일 수 있다.
도 6은 3차원 물품(24)을 만드는 방법을 도시한다. 단계(100)에서, 열가소성 중합체 재료의 층(50)은 플랫폼(14) 상에 미리 설정된 패턴으로 적층된다. 그 다음 단계(101)에서, 에너지원(54)은 에너지원 타겟 영역(56)에 있는 층(50)의 표면 에너지를 증가시키기 위해 층(50) 상의 에너지원 타겟 영역(56)으로 에너지 빔을 조사한다. 단계(102)에서, 후속층(52)은 미리 설정된 패턴의 경로를 따라 층(50) 위에 적층 된다. 단계(100 내지 102)는 3차원 물품(24)을 형성하기 위해 반복된다.
도 7은 3차원 물품(24)을 형성하는 다른 방법을 도시한다. 단계(110)에서, 열가소성 중합체 재료의 층(50)은 FDM 장치를 이용하여 플랫폼(14) 상에 미리 설정된 패턴으로 적층된다. 단계(111)에서, 층(50)의 적어도 일부분의 표면 에너지가 증가된다. 단계(112)에서, 후속층(52)이 층(50) 위에 적층된다. 단계(110 내지 112)는 3차원 물품(24)을 형성하기 위해 반복된다.
공극률의 감소, 인접층 간의 증가된 결합 강도 및 인접층 간의 증가된 표면 접촉은 3D 물품(24)의 심미적 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 샌딩(sanding), 경화(curing) 및/또는 추가적인 마감처리와 같은 추가적인 후처리 프로세스 단계가 감소될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 서술된 시스템 및 방법을 이용하여 생산율 및 제품 품질의 증가가 달성될 수 있다.
실시예 1. 3차원 물체를 형성하는 방법으로서, 열가소성 중합체 재료 층을 플랫폼 상에 미리 정해진 패턴으로 적층하여 적층된 층을 형성하는 단계; 에너지원 타겟 영역에 있는 적층된 층의 표면 에너지를 증가시키기 위해 적층된 층 상의 에너지원 타겟 영역으로, 에너지 빔을 통해, 에너지원을 보내는 단계; 에너지원 타겟 영역을 후속층과 접촉시키는 단계로서, 상기 후속층은 미리 정해진 패턴의 경로를 따라 적층되는 단계; 및 3차원 물체를 형성하기 위해 상기 선행 단계들을 반복하는 단계를 포함하고, 상기 에너지원 타겟 영역으로 에너지원을 보내는 단계는 한 영역에 있는 층에, 그 영역에 후속층을 적층하기 전에, 에너지를 가하는 단계를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 2. 3차원 물체를 형성하는 방법으로서, FDM 장치를 이용하여 노즐을 통해 열가소성 재료 층을 플랫폼 상에 미리 설정된 패턴으로 적층하여 적층된 층을 형성하는 단계; 적층된 층의 적어도 일부분의 표면 에너지를 증가시키는 단계; 적어도 증가된 표면 에너지를 가지는 상기 일부분 상의 상기 적층된 층 위에 후속층을 적층하는 단계; 및 3차원 물체를 형성하기 위해 상기 선행 단계들을 반복하는 단계를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 3. 실시예 1 또는 2에 있어서, 표면 에너지를 증가시키는 단계는 에너지원 타겟 영역에 있는 적층된 층의 표면 에너지를 증가시키기 위해 적층된 층 상의 에너지원 타겟 영역으로 에너지원을 보내는 단계를 포함하고, 상기 에너지원 타겟 영역으로 에너지원을 보내는 단계는 한 영역에 후속층을 적층하기 전에 그 영역에 있는 층에 에너지를 가하는 단계를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 4. 실시예 1 내지 3 중 어느 한 실시예에 있어서, 표면 에너지가 증가될 영역에서, 표면 에너지를 증가시키기 전에 적층된 층의 온도를 감지하는 단계 및 그 감지된 온도를 기초로 표면 에너지를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것인 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 5. 실시예 1 내지 4 중 어느 한 실시예에 있어서, 표면 에너지를 증가시키는 단계는 최상부 표면의 한 영역에 후속층을 적층하기 전에 그 영역에 있는 적층된 층의 최상부 표면에 에너지를 가하는 단계; 및 측면의 한 영역에 후속층을 적층하기 전에 그 영역에 있는 인접한 적층된 층의 측면에 에너지를 가하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 6. 실시예 1 내지 5 중 어느 한 실시예에 있어서, 노즐 부근에 있는 후속층에 압력을 가하는 단계를 더 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 7. 실시예 1 내지 6 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 층은 압출된 가닥을 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 8. 실시예 1 내지 7 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원은 광원, 가열된 플레이트, 적외선 열, 가열된 비활성 기체 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 9. 실시예 1 내지 8 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원을 보내는 단계는 에너지원 타겟 영역의 온도를 열가소성 중합체 재료의 유리 전이 온도(Y)보다 크도록 상승시키는 단계; 에너지원 타겟 영역의 온도를 Y≥X≥Y-20을 충족하는 온도(X)로 상승시키는 단계; 및 에너지원 타겟 영역의 온도를 열가소성 중합체 재료의 유리 전이 온도와 열가소성 중합체 재료의 용융점 사이의 온도로 상승시키는 단계 중 적어도 하나를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 10. 실시예 9에 있어서, 에너지원을 보내는 단계는 온도(X)를 상승시키는 단계를 포함하고, 온도(X)는 Y≥X≥Y-10을 충족하고, 바람직하게는 Y-5≥X≥Y-20을 충족하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 11. 실시예 1 내지 10 중 어느 한 실시예에 있어서, 층과 후속층 간의 표면 접촉 면적은 에너지원 타겟 영역으로 에너지원을 보내는 단계를 포함하지 않았을 때의 층과 후속층에 대한 표면 접촉 면적보다 큰 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 12. 실시예 1 내지 11 중 어느 한 실시예에 있어서, 표면 에너지를 증가시키는 단계와 후속층을 적층 하는 단계 사이의 시간 기간은 1분 미만인 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 13. 실시예 1 내지 12 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원 타겟 영역으로 에너지원을 보내는 단계는 최상부 표면의 한 영역에 후속층을 적층하기 전에 그 영역에 있는 적층된 층의 최상부 표면에 에너지를 가하는 단계를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 14. 실시예 1 내지 13 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원 타겟 영역으로 에너지원을 보내는 단계는 측면의 한 영역에 후속층을 적층하기 이전에 그 영역에 있는 인접한 적층된 층의 측면에 에너지를 가하는 단계를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 15. 실시예 1 내지 14 중 어느 한 실시예에 있어서, 열가소성 중합체 재료는 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 아크릴 고무, 액정 고분자, 메타크릴레이트 스티렌 부타디엔, 폴리아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 폴리아미드-이미드, 폴리아릴에테르케톤, 폴리부타디엔, 폴리부틸렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리카프롤락톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리시클로헥실렌 디메틸렌 테레프탈레이트, 폴리히드록시알카노에이트, 폴리케톤, 폴리에스테르, 폴리에스테르 카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리에테르에테르 케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리락트산, 폴리메틸펜텐, 폴리올레핀, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리프탈아미드, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리술폰, 폴리페닐술폰, 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트, 폴리우레탄, 스티렌-아크릴로니트릴, 실리콘 폴리카보네이트 공중합체 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 임의의 조합을 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 16. 실시예 1 내지 15 중 어느 한 실시예에 있어서, 열가소성 중합체 재료는 폴리카보네이트인 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 17. 실시예 1 내지 16 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원은 자외선 광원, 적외선 광원, 레이저, 가열된 플레이트, 적외선 열 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 18. 실시예 1 내지 17 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원은 레이저인 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 19. 실시예 1 내지 18 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원을 보내는 단계는 에너지원 타겟 영역의 온도를 열가소성 중합체 재료의 유리 전이 온도보다 크게 상승시키는 단계를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 20. 실시예 1 내지 19 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원 타겟 영역은 층 폭의 대략 30% 이상을 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 21. 실시예 1 내지 20 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원 타겟 영역은 층 폭의 대략 30% 이하를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 22. 실시예 1 내지 21 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원을 보내는 단계는 에너지원 타겟 영역의 온도를 열가소성 중합체 재료의 유리 전이 온도와 열가소성 중합체 재료의 용융점 사이의 온도로 상승시키는 단계를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 23. 실시예 1 내지 22 중 어느 한 실시예에 있어서, 층은 압출 헤드로부터 적층되는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 24. 실시예 1 내지 23 중 어느 한 실시예에 있어서, 압출 헤드와 층 사이의 수직 거리는 후속층을 적층하기 전에 증가되는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 25. 실시예 24에 있어서, 수직 거리를 증가시키는 것은 플랫폼을 낮추는 것을 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 26. 실시예 24에 있어서, 수직 거리를 증가시키는 것은 압출 헤드를 상승시키는 것을 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 27. 실시예 1 내지 26 중 어느 한 실시예에 있어서, 3차원 물체는 에너지원을 채용하지 않은 적층 제조 프로세스를 통해 만들어진 제품보다 30% 낮은 공극률을 가지는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 28. 실시예 1 내지 27 중 어느 한 실시예에 있어서, 층과 후속층 간의 표면 접촉 영역은 에너지원 타겟 영역으로 에너지원을 보내는 단계를 포함하지 않은 때의 층과 후속층에 대한 표면 접촉 영역보다 큰 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 29. 실시예 1 내지 28 중 어느 한 실시예에 있어서, 수직 거리를 증가시키는 것은 플랫폼을 낮추는 것 및 압출 헤드를 상승시키는 것 중 적어도 하나를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 30. 실시예 1 내지 29 중 어느 한 실시예에 있어서, 층의 표면 에너지는 표면 영역 타겟 영역인 층의 일부분 내에서만 증가되는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 31. 실시예 1 내지 30 중 어느 한 실시예에 있어서, 층의 적어도 일부분의 표면 에너지를 증가시키는 단계와 후속층을 적층 하는 단계 사이의 시간 기간은 1분 미만인 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 32. 실시예 1 내지 31 중 어느 한 실시예에 있어서, 후속층은 증가된 표면 에너지를 가지는 층의 상기 일부분 위에 적층되는 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 33. 실시예 1 내지 32 중 어느 한 실시예에 있어서, 증가된 표면 에너지를 가지는 영역은 층의 표면 면적의 10% 이하인 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 34. 실시예 1 내지 33 중 어느 한 실시예에 있어서, 증가된 표면 에너지를 가지는 영역은 층의 표면 면적의 5% 이하인 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 35. 실시예 1 내지 34 중 어느 한 실시예에 있어서, 증가된 표면 에너지를 가지는 영역은 층의 표면 면적의 2% 이하인 것인 3차원 물체를 형성하는 방법.
실시예 36. 3차원 물체를 형성하는 장치로서, 3차원 물체를 지지하도록 구성된 플랫폼; 플랫폼에 대하여 배치되고, 3차원 물체의 층을 형성하기 위해 열가소성 재료를 미리 설정된 패턴으로 적층하도록 구성된 압출 헤드; 압출 헤드에 대하여 배치되고, 에너지원 타겟 영역의 표면 에너지를 증가시키도록 구성된 에너지원으로서, 에너지원 타겟 영역은 후속층의 적층을 위한 영역에 앞서 적층된 층의 일부분을 포함하는 에너지원; 및 플랫폼에 대하여 압출 헤드 및 에너지원의 위치를 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 37. 실시예 36에 있어서, 표면 에너지가 증가될 영역에서, 표면 에너지를 증가시키기 전에 적층된 층의 온도를 감지하고, 그 감지된 온도를 기초로 표면 에너지를 증가시킬 수 있는 온도 센서를 더 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 38. 실시예 36 또는 37에 있어서, 노즐 부근의 후속층에 압력을 가할 수 있는 압력 센서를 더 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 39. 실시예 36 내지 38 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원은 광원, 가열된 플레이트, 적외선 열, 가열된 비활성 기체 및 이들 중 적어도 하나를 포함하는 조합을 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 40. 실시예 36 내지 39 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원 타겟 영역은 적층된 층의 최상부를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 41. 실시예 36 내지 40 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원 타겟 영역은 적층된 층의 측부를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 42. 실시예 36 내지 41 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원은 지지 암을 통해 압출 헤드에 연결된 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 43. 실시예 36 내지 42 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원은 압출 헤드에 연결되지 않은 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 44. 실시예 36 내지 43 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원 타겟 영역은 층 폭의 대략 50% 이상을 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 45. 실시예 36 내지 44 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원 타겟 영역은 층 폭의 대략 50% 이하를 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 46. 실시예 36 내지 45 중 어느 한 실시예에 있어서, 열가소성 중합체 재료는 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 아크릴 고무, 액정 고분자, 메타크릴레이트 스티렌 부타디엔, 폴리아크릴레이트(아크릴릭), 폴리아크릴로니트릴, 폴리아미드, 폴리아미드-이미드, 폴리아릴에테르케톤, 폴리부타디엔, 폴리부틸렌, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리카프롤락톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리시클로헥실렌 디메틸렌 테레프탈레이트, 폴리히드록시알카노에이트, 폴리케톤, 폴리에스테르, 폴리에스테르 카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르케톤케톤, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리락트산, 폴리메틸펜텐, 폴리올레핀, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리프탈아미드, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리술폰, 폴리페닐술폰, 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트, 폴리우레탄, 스티렌-아크릴로니트릴, 실리콘 폴리카보네이트 공중합체 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 임의의 조합을 포함하는 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 47. 실시예 36 내지 46 중 어느 한 실시예에 있어서, 열가소성 중합체 재료는 폴리카보네이트인 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 48. 실시예 36 내지 47 중 어느 한 실시예에 있어서, 컨트롤러는 후속층을 적층하기 전에 압출 헤드와 층 사이의 수직 거리를 조절하도록 구성된 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 49. 실시예 36 내지 48 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원은 레이저인 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 50. 실시예 36 내지 49 중 어느 한 실시예에 있어서, 에너지원은 가열된 비활성 기체인 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
실시예 51. 실시예 36 내지 50 중 어느 한 실시예에 있어서, 플랫폼과 압출 헤드 사이의 수직 거리는 조절 가능한 것인 3차원 물체를 형성하는 장치.
일반적으로, 본 발명은 대안으로서 본 명세서에 개시된 임의의 적절한 구성요소를 포함하거나, 그것으로 이루어지거나, 또는 그것으로 본질적으로 이루어질 수 있다. 본 발명은 부가적으로 또는 대안으로서 종래기술의 합성물에 사용되거나, 또는 본 발명의 기능 및/또는 목적의 달성에 필수적이지 않은 임의의 구성요소, 재료, 성분, 보조제(adjuvants) 또는 종(species) 없이 또는 실질적으로 자유롭게 만들어질 수 있다.
본 명세서에 개시된 모든 범위들은 엔드포인트를 포함하고, 엔드포인트는 서로 독립적으로 결합 가능하다(예컨대, 최대 25 wt%, 더 구체적으로 5 wt% 내지 20 wt%"의 범위는 엔드포인트 및 "5 wt% 내지 25 wt%" 범위의 모든 중간값을 포함한다). "조합"은 블렌드, 혼합물, 합금 및 반응 산물 등을 포함한다. 또한, 용어 "제1", "제2" 등은 본 명세서에서 임의의 순서, 품질, 또는 중요도를 의미하는 것이 아니라, 하나의 요소를 다른 요소로부터 구별하기 위해 사용된 것이다. 용어 "하나", "하나의" 및 "그"는 본 명세서에서 양의 제한을 의미하는 것이 아니고, 본 명세서에 다르게 언급되지 않았거나 또는 문맥에 의해 분명히 반박되지 않는다면, 단수 및 복수를 모두 커버하도록 해석되어야 한다. "또는"은 문맥에 의해 명백하게 다르게 언급되지 않는다면 "및/또는"을 의미한다. 본 명세서에 사용된 접미사 "~(들)"은 그것이 꾸미는 용어의 단수 및 복수를 모두 포함하도록 의도된 것이고, 그로 인해 하나 이상의 그 용어를 포함한다(예컨대, 필름(들)은 하나 이상의 필름을 포함한다). 명세서 전체에서, "한 실시예", "다른 실시예", "하나의 실시예" 등은 그 실시예와 관련지어 서술된 특정 요소(예컨대, 피처, 구조, 및/또는 특성)이 본 명세서에 서술된 적어도 하나의 실시예에 포함되고, 다른 실시예에 존재할 수 있고, 존재하지 않을 수 있음을 의미하는 것이다. 또한, 서술된 요소들이 다양한 실시예에서 임의의 적절한 방법으로 결합될 수 있음을 이해해야 한다. 명세서에서 다르게 규정되지 않았다면, 모든 테스트 기준은 본 출원의 출원일자로 가장 최근의 테스트 기준이다.
모든 참조문헌은 그 전체가 참조로서 본 명세서에 통합된다.
특정 실시예들이 서술되었으나, 현존하는 또는 현재로서는 예측할 수 없는 대안, 수정, 변경, 개선 및 실질적인 동등물이 출원인 및 다른 당업자들에게 가능하다. 따라서, 제출된 및 보정될 수 있는 청구항은 모든 이러한 대안, 수정, 변경, 개선 및 실질적인 동등물을 포함하도록 의도되었다.

Claims (18)

  1. 3차원 물체를 형성하는 방법으로서,
    FDM(fused deposition modeling) 장치를 이용하여, 노즐을 통해 열가소성 재료 층을 플랫폼 상에 미리 설정된 패턴으로 적층하여 적층된 층을 형성하는 단계;
    상기 적층된 층의 일부분 또는 전체의 표면 에너지를 증가시키는 단계;
    상기 증가된 표면 에너지를 가지는 상기 적층된 층의 일부분 또는 전체 위에 후속층을 적층하는 단계; 및
    상기 3차원 물체를 형성하기 위해 상기 단계들을 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 에너지를 증가시키는 단계는, 에너지원 타겟 영역에 있는 상기 적층된 층의 표면 에너지를 증가시키기 위해 상기 적층된 층 상의 상기 에너지원 타겟 영역으로 에너지원을 보내는 단계를 포함하고,
    상기 에너지원 타겟 영역으로 에너지원을 보내는 단계는 일 영역에 상기 후속층을 적층하기 전에 상기 일 영역에 있는 층에 에너지를 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 표면 에너지가 증가될 영역에서, 상기 표면 에너지를 증가시키는 단계 이전에 상기 적층된 층의 온도를 감지하는 단계; 및 상기 감지된 온도를 기초로 상기 표면 에너지를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 에너지를 증가시키는 단계는,
    상기 최상부 표면의 일 영역에 상기 후속층을 적층하기 전에, 상기 일 영역에 있는 상기 적층된 층의 최상부 표면에 에너지를 가하는 단계; 및
    적층된 층에 인접하는 측면의 일 영역에 상기 후속층을 적층하기 전에, 상기 일 영역에 있는 상기 측면에 에너지를 가하는 단계
    중 하나 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐 부근의 상기 후속층에 압력을 가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층은 압출된 가닥을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지원은 광원, 가열된 플레이트, 적외선 열, 가열된 비활성 기체 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지원을 보내는 단계는,
    상기 에너지원 타겟 영역의 온도를 상기 열가소성 중합체 재료의 유리 전이 온도보다 크게 상승시키는 단계;
    상기 에너지원 타겟 영역의 온도를 Y≥X≥Y-20을 충족하는 온도(X)로 상승시키는 단계; 및
    상기 에너지원 타겟 영역의 온도를 상기 열가소성 중합체 재료의 유리 전이 온도와 상기 열가소성 중합체 재료의 용융점 사이의 온도로 상승시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    수직 거리를 증가시키는 단계는,
    상기 플랫폼을 낮추는 단계; 및
    상기 압출 헤드를 상승시키는 단계
    중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층과 후속층 간의 표면 접촉 면적은, 상기 에너지원 타겟 영역으로 에너지원을 보내는 단계를 포함하지 않았을 때의 상기 층과 후속층에 대한 표면 접촉 면적보다 더 큰 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 에너지를 증가시키는 단계와 상기 후속층을 적층하는 단계 사이의 시간 기간은 1분 미만인 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  12. 3차원 물체를 형성하는 방법으로서,
    열가소성 재료 층을 노즐을 통해 플랫폼 상에 적층하여 적층된 층을 형성하는 단계;
    상기 적층된 층 위에 후속층을 적층하는 단계;
    상기 노즐 부근의 상기 후속층에 압력을 가하는 단계; 및
    상기 3차원 물체를 형성하기 위해 상기 단계들을 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  13. 제 5 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층을 치밀하게 하는 것,
    공기 방울을 제거하는 것,
    상기 적층된 층과 후속층 사이의 간극을 제거하는 것; 및
    상기 적층된 층과 후속층 사이에 위치하는 골로 상기 열가소성 재료가 흐르게 하는 것
    중 하나 이상을 행하기 위해 충분한 압력을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  14. 3차원 물체를 형성하는 장치로서,
    상기 3차원 물체를 지지하도록 구성된 플랫폼;
    상기 플랫폼에 대하여 배치되고, 상기 3차원 물체의 층을 형성하기 위해 미리 설정된 패턴으로 열가소성 재료를 적층하도록 구성된 압출 헤드;
    상기 압출 헤드에 대하여 배치되고, 에너지원 타겟 영역의 표면 에너지를 증가시키도록 구성된 에너지원; 및
    상기 플랫폼에 대한 상기 압출 헤드 및 상기 에너지원의 위치를 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함하고,
    상기 에너지원 타겟 영역은 후속층의 적층을 위한 영역보다 먼저 적층되는 층의 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 플랫폼과 상기 압출 헤드 간의 수직 거리는 조절 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 장치.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 표면 에너지가 증가될 영역에서, 상기 표면 에너지를 증가시키기 전에 상기 적층된 층의 온도를 감지하고, 상기 감지된 온도를 기초로 상기 표면 에너지를 증가시킬 수 있는 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 장치.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐 부근의 상기 후속층에 압력을 가할 수 있는 압력 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 장치.
  18. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지원은 광원, 가열된 플레이트, 적외선 열, 가열된 비활성 기체 또는 이들 중 하나 이상을 포함하는 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 물체를 형성하는 장치.
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