KR20200035290A

KR20200035290A - 3d 프린팅 방법

Info

Publication number: KR20200035290A
Application number: KR1020207005845A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 카밀레리
Original assignee: 에퓨젼테크 피티와이 엘티디
Priority date: 2017-08-03
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-08-01
Also published as: JP2020528840A; CN110997281A; WO2019023749A1; US11400517B2; KR102542961B1; AU2018309559B2; AU2018309559A1; US20200215609A1; JP7198265B2; EP3661730A4; EP3661730A1

Abstract

물품을 3D 프린팅하는 방법으로서,
a) 물품의 부분을 기판 상에 3차원으로 프린팅하는 단계;
b) 부분 또는 기판을 유지하는 유지 수단에 대해 부분을 재배향하는 단계; 및
c) 물품의 추가 부분을 처음 언급된 부분에 3차원으로 프린팅하는 단계를 포함한다.

Description

3D 프린팅 방법

본 발명은 3D 프린팅에 의해 물품들을 생산하는 방법에 관한 것이다. 바람직한 형태로, 본 발명은 3D 프린팅에서 지지 재료의 필요성을 최소화하는 것에 관한 것이다.

통상적으로, 3D 프린터는 프린트 재료를 기판에 증분하여 추가함으로써 물품을 생성한다. 이러한 프린터들은 재료가 어디에 위치되는지를 지시할 수 있는 모션 제어 시스템을 가질 수 있다. 제어 시스템은 프린트 헤드(예컨대, 스프레이 재료를 분배하는 해당 부분) 또는 (예컨대, 부분 형성 물품이 구축될 때 이를 유지하는) 기판, 또는 이 둘 모두에 부착될 수 있다. 일반적으로, 물품이 구축될 때, 물품에 작용하는 다양한 힘들(예컨대, 중력 및 관성력들 등)이 있다. 따라서 프린트 헤드 및 기판은 대개는 단단히 유지될 필요가 있고, 부분 형성 물품은 기판에 단단히 유지될 필요가 있다.

기판 및 프린트 헤드가 구성되는 방식은 프린트 재료가 어디에 추가될 수 있는지를 제한할 수 있다. 예를 들어, 프린트 헤드는 보통은 기판을 통해 프린트 재료를 분배함으로써 부분 형성 물품에 프린트 재료를 적용할 수 없다. 그보다, 프린트 재료는 물품이 형성될 때 물품의 개방 또는 노출 부분들에만 적용될 수 있다. 이는 주어진 프린터로 프린팅할 수 있는 실현 가능한 범위의 기하학적 구조들을 제한할 수 있다.

프린트가 진행함에 따라, 예를 들어 생성되는 물품이 중력 하에서 변형되기 쉬울 상당한 캔틸레버형(cantilevered) 부분들을 갖는 경우에, 프린팅된 재료를 유지하기 위해 지지 재료로 기판을 보완하는 것이 또한 종종 필요하다. 일반적으로, 프린트 작업의 종료시 완성된 물품으로부터 지지 재료가 기계적으로 제거된다. 지지 재료를 제거하는 번거로움과 함께, 이를 프린팅 및 폐기하는 비용은 지지 재료의 사용을 최소화하도록 의도된 다양한 설계 철학들로 이어졌다. 일부 상황들에서, 지지 재료는 분해할 수 있는 물질이다.

본 발명의 바람직한 실시예의 목적은 위의 제한들 중 하나 이상을 해결하는 데 적어도 어느 정도 도움이 되는 것이다. 그러나 본 발명의 목적 자체는 단순히 유용한 선택을 제공하는 것이라고 이해되어야 한다. 그러므로 임의의 바람직한 실시예들에 적용 가능한 임의의 목적들 또는 이점들은 보다 광범위하게 표현된 청구항들의 범위의 범위의 제한으로서 간주되지 않아야 한다.

본 발명의 일 양상에 따르면, 물품을 3D 프린팅하는 방법이 제공되며, 이 방법은:

a) 물품의 부분을 기판 상에 3차원으로 프린팅하는 단계;

b) 부분 또는 기판을 유지하는 유지 수단에 대해 부분을 재배향하는 단계; 및

c) 물품의 추가 부분을 처음 언급된 부분에 3차원으로 프린팅하는 단계를 포함한다.

선택적으로, 단계 b)는 처음 언급된 부분을 기판으로부터 분리하고, 그 부분을 재배향한 다음, 그 부분을 기판과 재결합하거나 그 부분을 유지 수단 또는 다른 기판과 결합하는 단계를 수반한다.

선택적으로, 재배향은 45° - 180°의 변화를 수반한다.

선택적으로, 이 방법은 처음 그리고/또는 두 번째로 언급된 기판 이외에는, 물품이 형성될 때 물품에 대한 어떠한 지지도 제공하지 않고 실행된다.

선택적으로, 물품은 분사 헤드로부터 분사된 프린트 재료로 구축된다.

선택적으로 프린트 재료는 저온 분사된다.

선택적으로, 분사 헤드 및/또는 적어도 처음 언급된 기판은 물품이 구축될 때 저온 분사로써 프린트 재료의 목표 배치를 가능하게 하도록, 컴퓨터화된 제어기의 영향 하에 이동되며, 이러한 이동은 물품에 대한 기록된 기하학적 구조 파라미터들에 의해 안내된다.

선택적으로, 기하학적 구조 파라미터들은 개념상, 형성될 물품을 구별된 부분들로 분할하는데, 이러한 부분들 중 적어도 하나는 물품이 프린팅된 후 해당 부분 또는 처음 언급된 기판을 유지하는 수단에 대해 재배향되도록 지정된다.

선택적으로, 이 방법은 다음과 같다:

a) 단계 b)는 처음 언급된 부분을 기판으로부터 분리하고, 그 부분을 재배향한 다음, 그 부분을 기판과 재결합하거나 그 부분을 유지 수단 또는 다른 기판과 결합하는 단계를 수반하고;

b) 재배향은 45° - 180°의 변화를 수반하고;

c) 이 방법은 기판 또는 기판들 이외에는, 물품이 형성될 때 물품에 대한 어떠한 지지도 제공하지 않고 실행되며;

d) 물품은 분사 헤드로부터 저온 분사된 프린트 재료로 구축되고;

e) 분사 헤드 및/또는 기판 또는 기판들은 물품이 구축될 때 프린트 재료의 목표 배치를 가능하게 하도록, 컴퓨터화된 제어기의 영향 하에 이동되며, 이러한 이동은 물품에 대한 기록된 기하학적 구조 파라미터들에 의해 안내되고; 그리고

f) 기하학적 구조 파라미터는 개념상, 형성될 물품을 구별된 부분들로 분할하는데, 이러한 부분들 중 적어도 하나는 물품이 프린팅된 후 재배향되도록 지정된다.

선택적으로, 처음 언급된 부분을 기판으로부터 분리하는 것은 지그(jig)에서 기판을 구부리거나 충격 적재하고 부분과의 계면을 따라 부분을 파열시키는 것에 의해서이다.

선택적으로, 하나 또는 두 기판들 모두가 물품에 통합된다.

선택적으로, 프린트 재료는 다음 중 하나 이상을 포함한다:

철합금 (예컨대, 강철);

분말 비철합금; 및

용융 플라스틱 필라멘트.

본 발명의 일부 바람직한 실시예들은 이제 첨부 도면들을 참조하여 예로서 기술될 것이다:
도 1은 3D 프린터의 등각도이다.
도 2는 기판 상에 3D 프린팅된 물품의 개략적 측면도 및 등각 3D 뷰이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법의 6개의 단계들을 개략적으로 예시한다.
도 4는 도 3의 방법의 선택적인 제품인 완성된 물품의 등각도이다.

도 1을 참조하면, 3D 프린터의 이 실시예는 그립(1)을 포함하며, 그립은 그립이 움직일 수 있게 하는 로봇 암(2)을 포함한다. 프린터는 또한 저온 분사 헤드(3)를 갖는다. 그립(1)은 기판을 유지하고 이를 분사 헤드(3)로부터 분사된 프린트 재료에 노출시켜 기판 상에 3D 물품을 구축한다. 기판(4)은 프린트 재료의 증분 층들(6)(a-e)로 구축될 때 3D 물품(5)과 함께 도 2에 도시된다. 로봇 암(2)은 물품이 구축될 때 프린트 재료가 올바른 각도로 그리고 기판의 오른쪽 부분에 또는 부분적으로 형성된 물품에 적용되도록 물품이 구축될 때 포지션 및 배향을 조정한다.

지시된 바와 같이, 기판은 프린트 헤드가 부분적으로 형성된 물품의 부분들 ― 즉, 기판에 대해 직접 유지되는 그러한 면들에 대해 작업하는 것을 차단하는 경향이 있다. 또한, 추가 지지 없이 기판으로부터 너무 먼 거리로 내려앉은 분사 재료를 적용하는 것은 재료가 경화될 때 중력 또는 다른 힘들로 인해 재료를 변형되기 쉽게 할 수 있다. 이것은 개별 부분들로 물품을 생성함으로써 해결될 수 있다. 하나의 부분이 인쇄될 때, 이는 기판으로부터 제거되고, 재배향되고, 기판과 재결합되며, 이어서 추가 부분이 처음 언급된 부분 상에 증분하여 구축되어 물품을 완성한다. 그런 다음, 완성된 물품이 기판으로부터 제거된다. 완성된 첫 번째 부분으로의 이 구축은 2개의 이미 만들어진 부분들을 융합하는 것과 구별가능하다.

도 3을 참조하면, 단계 "A"에서 클램프(7)는 블랭크 기판(8)을 유지한다. 그 다음, 분사 노즐(9)이 기판(8)을 제어 가능하게 포인팅되고 목표 3차원 물품의 부분(10)을 형성하기 시작한다. 단계 "B"에서 부분(10)의 완료된 스테이지가 표시된다. 단계 "C"에 표시된 바와 같이, 다음에 부분(10)이 기판으로부터 제거되고, 단계 "D"에 대해 도시된 바와 같이 스페이서(13)가 클램프에 맞춰지고, 부분은 스페이서에 거꾸로 부착되며, 분사가 단계 "E"에 도시된 바와 같이 물품의 반대 측(15)을 계속해서 형성하여, "F"에 도시된 바와 같이, 지지 재료 없이 양면들로부터 분사된 완성된 물품(18)이 된다. 그 후, 물품(18)이 스페이서로부터 풀어진다. 최종 생산된 물품은 도 4에서 3차원으로 도시된다.

그립(1)의 이동(및 따라서 기판의 이동) 및/또는 분사 헤드(3)의 이동은 (도시되지 않은) 컴퓨터화된 제어기에 의해 제어된다. 제어기는 생성될 물품에 대한 기하학적 구조 파라미터들로 프로그래밍되며 분사 헤드로부터 프린트 재료가 분출되어 최적의 결과를 위해 올바른 각도, 속도 및 온도로 기판 또는 부분적으로 형성된 물품과 접촉하게 한다. 기하학적 구조 파라미터들은 개념상, 물품을 개별 부분들로 분할하고, 각각의 부분은 평면 또는 비평면으로 종결될 수 있다. 예로서, 면들은 수직으로 배향될 수 있지만, 대안적인 물품들에 대해서는 수평이거나 수평과 수직 사이에 어딘가에 있을 수 있다. 바람직하게는, 완성된 물품에서 면들은 서로 마주 본다.

도 3은 2개의 개별 부분들에서 완성된 물품(18)의 생성을 예시하지만, 다른 실시예들에서 각각 형상이 동일하거나 유사한 또는 상당히 서로 다른 임의의 복수의 부분들일 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들의 이점은 지지 재료에 대한 요건 없이 또는 실질적으로 감소된 요건으로 스테이지들에서 물품들이 쉽게 생성될 수 있다는 것이다. 지지 재료의 부재(즉, 기판 위에 그리고 기판 위로)는 또한 이벤트 후에 지지부를 제거할 필요 없이, 예컨대 프린팅 후에 공동들을 생성할 필요 없이 물품이 생산될 수 있음을 의미한다.

상기와 같이, 그리고 도 3을 참조하면, 물품의 전반부는 만들어질 때, 기판으로부터 제거될 수 있고, 재배향된 다음, 클램프(7) 또는 기판(8)과 재결합될 수 있다. 지그에서 기판을 구부리거나 충격 적재하고 부분과의 계면을 따라 부분을 파열시킴으로써 해제가 이루어질 수 있다. 대안으로, 기판은 물품에 통합될 수 있다. 가역 클램핑 피처들을 통합하고 평평한 영역들, 러그들 또는 볼트 면들과 같은 분사된 부분에 표면들을 위치시킴으로써 재클램핑이 달성될 수 있다. 이러한 피처들은 볼트들, 핑거 클램프들, 토글 클램프들 또는 에너지화된 클램프들 및 고정물과 같은 종래의 또는 편리한 가공 고정물들에 의해 결합될 수 있다. 릴리프(relief)들이 기판 면들에 통합될 수 있다.

프린트 재료는 분사로서 위에서 설명되었다. 이를 위해 사용될 수 있는 재료의 종류의 예들은 알루미늄 7075 또는 망간 청동과 같은 비철 금속들의 분말 합금 또는 316 스테인리스 강과 같은 분말 강철들이다. 특히 바람직한 재료는 500℃의 온도 및 700m/s의 속도에서 저온 분사로서 적용된 Valimet 6061이다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 프린트 재료는 이를테면, 융합 증착 혼합(FDM: Fused Deposition Melding)에 사용되는 용융 플라스틱 필라멘트로서 적용될 수 있다. 그러한 경우들에, 프린트 재료는 ABS 중합체일 수 있다.

저온 분사 증착의 경우, 일단 부분(10)이 재배향되면, 새로 제시된 증착 표면이 바람직하게는 미러 마감, 그리고 가능한 한 높게, 일반적으로는 약 100℃로 증가된 온도로 가공 및 연마되었다면, 후속 분사 재료가 가장 잘 접합될 수 있다고 밝혀졌다. 이러한 단계들이 취해진다면, 배향된/이미 증착된 재료와 새로 증착된 재료 사이의 접합 계면은 일반적으로 재료 자체의 강도에 가까운 다른 것보다 더 큰 인장 강도를 갖는 경향이 있다. 그러나 이 단계는 필수가 아니다. 중합체 3D 프린팅 프로세스들(예컨대, FDM)의 경우 표면 예열과 같은 다른 '표면 준비 처리들'이 이용될 수 있다.

이전 설명 및 도면들은 '플립핑된' 부분을 유지하기 위한 클램핑 피처를 예시한다. 일부 경우들에는, 희생적인 제거 가능한 프린팅된 재료(예컨대, 탭들)를, 일단 플립되면 이를 클램핑하는 프로세스를 단순화하기 위해 '플립'되는 부분에 추가하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로 프린팅 부분들은 클램핑 고정물들의 복잡성 대 프린팅된 부분들의 복잡성 사이에 절충하거나 균형을 이룰 수 있다. 총 생산량이 한 조각일 수 있는 3D 프린팅의 경우, 클램핑 고정물들의 복잡성을 최소화하는 것이 종종 바람직하다.

본 발명의 일부 실시예들에서, 분사 재료는 부분이 플립될 때 변화될 수 있다. 예를 들어, 부분의 일부가 인쇄되고, 부분이 플립되어 다시 장착되고, 분사 재료가 바람직한 다른 특성들을 갖는 재료로 변경되고, 이어서 프린팅이 계속된다. 열 싱크들은 이 기술에 대한 하나의 애플리케이션이다. 이와 관련하여, 알루미늄은 열 싱크에 대한 우수한 특성들을 갖는 것으로 밝혀졌고, 구리는 우수한 부피 특성들을 갖는다. 상기 기술(들)을 사용하여 플립 및 재료 변화들과 함께 둘의 특성들을 이용하는 하이브리드 열 싱크들을 제조하는 것이 가능하다.

본 발명의 일부 바람직한 형태들이 예로서 설명되었지만, 다음의 청구항들을 벗어나지 않고 수정들 및 개선들이 이루어질 수 있다고 이해되어야 한다.

Claims

물품을 3D 프린팅하는 방법으로서,
a) 상기 물품의 부분을 기판 상에 3차원으로 프린팅하는 단계;
b) 상기 부분 또는 상기 기판을 유지하는 유지 수단에 대해 상기 부분을 재배향하는 단계; 및
c) 상기 물품의 추가 부분을 처음 언급된 부분에 3차원으로 프린팅하는 단계를 포함하는,
물품을 3D 프린팅하는 방법.
제1 항에 있어서,
단계 b)는 상기 처음 언급된 부분을 상기 기판으로부터 분리하고, 상기 부분을 재배향한 다음, 상기 부분을 상기 기판과 재결합하거나 상기 부분을 상기 유지 수단 또는 다른 기판과 결합하는 단계를 수반하는,
물품을 3D 프린팅하는 방법.
제2 항에 있어서,
상기 재배향은 45° - 180°의 변화를 수반하는,
물품을 3D 프린팅하는 방법.
제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 항에서 언급된 기판 및/또는 제2 항에서 언급된 다른 기판 이외에는, 상기 물품이 형성될 때 상기 물품에 대한 어떠한 지지도 제공하지 않고 실행되는,
물품을 3D 프린팅하는 방법.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 물품은 분사 헤드로부터 분사된 프린트 재료로 구축되는,
물품을 3D 프린팅하는 방법.
제5 항에 있어서,
상기 프린트 재료는 저온 분사되는,
물품을 3D 프린팅하는 방법.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프린팅은 분사 헤드를 통하고,
상기 분사 헤드 및/또는 적어도 제1 항에서 언급된 기판은 상기 물품이 구축될 때 저온 분사로써 상기 프린트 재료의 목표 배치를 가능하게 하도록, 컴퓨터화된 제어기의 영향 하에 이동되며, 상기 이동은 상기 물품에 대한 기록된 기하학적 구조 파라미터들에 의해 안내되는,
물품을 3D 프린팅하는 방법.
제7 항에 있어서,
상기 기하학적 구조 파라미터들은 개념상, 형성될 물품을 구별된 부분들로 분할하며, 상기 부분들 중 적어도 하나는 상기 물품이 프린팅된 후 처음 언급된 부분 또는 기판을 유지하는 수단에 대해 재배향되도록 지정되는,
물품을 3D 프린팅하는 방법.
제1 항에 있어서,
a) 단계 b)는 상기 처음 언급된 부분을 상기 기판으로부터 분리하고, 상기 부분을 재배향한 다음, 상기 부분을 상기 기판과 재결합하거나 상기 부분을 상기 유지 수단 또는 다른 기판과 결합하는 단계를 수반하고;
b) 상기 재배향은 45° - 180°의 변화를 수반하고;
c) 상기 방법은 상기 기판 또는 기판들 이외에는, 상기 물품이 형성될 때 상기 물품에 대한 어떠한 지지도 제공하지 않고 실행되며;
d) 상기 물품은 분사 헤드로부터 저온 분사된 프린트 재료로 구축되고;
e) 상기 분사 헤드 및/또는 상기 기판 또는 기판들은 상기 물품이 구축될 때 상기 프린트 재료의 목표 배치를 가능하게 하도록, 컴퓨터화된 제어기의 영향 하에 이동되며, 상기 이동은 상기 물품에 대한 기록된 기하학적 구조 파라미터들에 의해 안내되고; 그리고
f) 상기 기하학적 구조 파라미터들은 개념상, 형성될 물품을 구별된 부분들로 분할하며, 상기 부분들 중 적어도 하나는 상기 물품이 프린팅된 후 재배향되도록 지정되는,
물품을 3D 프린팅하는 방법.
제9 항에 있어서,
상기 처음 언급된 부분을 상기 기판으로부터 분리하는 것은 지그(jig)에서 상기 기판을 구부리거나 충격 적재하고 상기 부분과의 계면을 따라 상기 부분을 파열시키는 것에 의한,
물품을 3D 프린팅하는 방법.
제9 항에 있어서,
하나 또는 두 기판들 모두가 상기 물품에 통합되는,
물품을 3D 프린팅하는 방법.
제9 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프린트 재료는,

철합금;

분말 비철합금; 및

용융 플라스틱 필라멘트 중 하나 이상을 포함하는,
물품을 3D 프린팅하는 방법.