KR101979172B1 - 3차원 구조체를 형성하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
3D 인쇄 구조체를 베이스 구성요소(610) 상에 형성하는 시스템 및 방법은 노즐을 수직 방향으로 이동시키면서 노즐(116)을 통해 재료를 압출하는 단계를 포함한다. 압출된 재료는 노즐로부터 유동하고 재료의 하부와 접촉할 때에 외향으로 확산된다. 재료의 외향 확산은 3D 인쇄 구조체에 원하는 기하학적 형상을 형성하도록 제어된다. 광학 감지 장치(416)가 재료의 외향 확산을 제어하기 위한 피드백을 제공할 수 있다. 성형 구성요소를 이용하여, 베이스 구성요소의 개방부를 통해 연장되는 고정 부분(1200)을 갖는 구조체가 형성될 수 있다.
Description
관련 출원의 교차 참조
본 출원은, 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된, 2014년 5월 9일자로 출원되고 발명의 명칭이 "상이한 재료 부분을 갖는 3차원 구조체를 형성하기 위한 시스템 및 방법(System and Method for Forming Three-Dimensional Structures with Different Material Portions)" 인 공동 소유의 미국 특허 제_______호, 현재 미국 특허 출원 번호 제14/273,675호에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 대체적으로 3차원 인쇄 시스템 및 방법에 관한 것이다.
3차원 인쇄 시스템 및 방법은 용융 침착 모델링(fused deposition modeling, FDM), 전자 빔 자유형상 제조(electron beam freeform fabrication, EBF), 선택적 레이저 소결(selective laser sintering, SLS), 및 다른 종류의 3차원 인쇄 기술을 포함하는 다양한 기술들과 연관될 수 있다.
3차원 인쇄 시스템으로부터 형성된 구조체는 다른 제조 기법에 의해 형성된 물체와 함께 사용될 수 있다. 이는 다양한 신발 물품 및/또는 의류 물품에 사용되는 텍스타일 재료를 포함한다.
한가지 양태에서, 베이스 구성요소 상에 구조체를 제조하는 방법은 재료를 제1 방향으로 압출하도록 구성되는 노즐을 베이스 구성요소 근처의 제1 위치에 마련하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 베이스 구성요소 상에 노즐을 통해 재료의 제1 부분을 압출하는 단계를 포함하고, 재료의 제1 부분은 재료의 제1 부분이 베이스 구성요소에 접촉할 때에 제1 방향에 수직인 제2 방향에서 외향으로 확산된다. 방법은 또한 압출된 재료의 제1 부분을 포함하는 구조체의 제1 부분을 형성하는 단계와 노즐을 재료의 제1 부분으로부터 제1 방향을 따라 제2 위치로 이동시키는 단계를 포함한다. 방법은 구조체의 제1 부분 상에 노즐을 통해 재료의 제2 부분을 압출하는 단계를 포함하고, 재료의 제2 부분은 재료의 제2 부분이 구조체의 제1 부분에 접촉할 때에 제2 방향에서 외향으로 확산된다. 방법은 또한 압출된 재료의 제2 부분을 포함하는 구조체의 제2 부분을 형성하는 단계를 포함한다. 구조체의 제1 부분은 제1 단면적을 가지며 상기 구조체의 제2 부분은 제2 단면적을 갖는다. 제1 단면적은 제2 단면적과 상이하다.
다른 양태에서, 구조체 제조 방법은 재료를 제1 방향으로 압출하도록 구성되는 노즐을 구조체의 제1 부분 근처의 위치에 마련하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 구조체의 제1 부분 상에 노즐을 통해 재료의 제1 부분을 압출하는 단계를 포함하고, 재료의 제1 부분은 재료의 제1 부분이 구조체의 제1 부분에 접촉할 때에 제1 방향에 수직인 제2 방향에서 외향으로 확산된다. 방법은 또한 광학 감지 장치로부터 재료의 제1 부분에 관한 광학적 정보를 수신하는 단계를 포함한다. 방법은 광학적 정보로부터 감지된 외향 확산값을 결정하는 단계를 포함하고, 감지된 외향 확산값은 제2 방향에서 재료의 제1 부분의 외향 확산과 관련된다. 방법은 또한 예측된 외향 확산값을 검색하는 단계 및 감지된 외향 확산값이 예측된 외향 확산값과 실질적으로 상이한 경우에 감지된 외향 확산값에 응답하여 적어도 하나의 압출 제어 매개변수를 조절하는 단계를 포함한다.
다른 양태에서, 베이스 구성요소에 부착되는 구조체를 제조하는 방법은 재료를 제1 방향으로 압출하도록 구성되는 노즐을 베이스 구성요소의 제1 면 근처에 마련하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 베이스 구성요소의 제2 면에 성형 구성요소를 마련하는 단계를 포함한다. 방법은 재료의 제1 부분이 베이스 구성요소의 개방부를 통해 유동하여 성형 구성요소의 캐비티를 충전하도록 재료의 제1 부분을 노즐을 통해 압출함으로써, 베이스 구성요소의 제2 면에 구조체의 제1 부분을 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 방법은 노즐을 제1 방향으로 구조체의 제1 부분으로부터 멀어지게 이동시키는 단계 및 구조체의 제1 부분 상으로 노즐을 통해 재료의 제2 부분을 압출하는 단계를 포함한다. 재료의 제2 부분은 재료의 제2 부분이 구조체의 제1 부분에 접촉할 때에 제2 방향에서 외향으로 확산된다. 방법은 또한 압출된 재료의 제2 부분으로 구조체의 제2 부분을 형성하는 단계를 포함하고, 구조체의 제2 부분은 베이스 구성요소의 제1 면에 배치된다. 구조체의 제1 부분은 제1 단면적을 갖고 구조체의 제2 부분은 제2 단면적을 갖는다. 제1 단면적은 개방부의 제3 단면적보다 크고 제2 단면적은 제3 단면적보다 크다.
실시예들의 다른 시스템, 방법, 특징부 및 이점은 하기 도면 및 상세한 설명의 검토 시 당업자에게 명백할 것이거나 또는 명백해질 것이다. 의도되는 바는 모든 그러한 추가 시스템, 방법, 특징부 및 이점이 본 설명 및 본 발명의 내용 내에 포함되고, 실시예들의 범주 내에 있고, 하기 청구범위에 의해 보호되는 것이다.
실시예들은 하기 도면 및 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 도면 내의 구성요소들이 반드시 축적대로 그려진 것은 아니고, 대신 실시예의 원리의 설명에 대해 강조되어 있다. 더욱이, 도면에서, 유사한 도면 부호는 상이한 도면들 전체에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
도 1은 3차원 인쇄 시스템의 구성요소 및 3차원 인쇄 시스템과 함께 사용될 수 있는 몇몇 물품의 실시예의 개략도이다.
도 2는 3차원 인쇄 시스템과 연계된 다양한 서브시스템의 실시예의 개략도이다.
도 3은 한 세트의 압출 제어 매개변수의 실시예의 개략도이다.
도 4는 3차원 인쇄 시스템의 노즐 및 선택적인 센서의 실시예의 개략도이다.
도 5는 노즐, 및 노즐로부터 최근에 토출된 재료의 일부의 물리적 특성을 변형시키기 위한 장치의 실시예의 개략도이다.
도 6은 3차원 인쇄 시스템으로 형성될 수 있는 몇몇 구조체의 실시예의 개략 등각도이다.
도 7 내지 도 14는 일 실시예에 따른, 재료를 노즐로부터 압출시킴으로써 노브(knob)형 구조체를 형성하는 데 있어서의 단계들의 개략도이다.
도 15 내지 도 19는 일 실시예에 따른, 재료를 노즐로부터 압출시킴으로써 후크(hook)형 구조체를 형성하는 데 있어서의 단계들의 개략도이다.
도 20은 광학 장치로부터 수신된 정보에 따라 재료의 압출을 조절하는 공정의 실시예이다.
도 21은 일 실시예에 따른, 재료의 일부의 외향 확산(outward spreading)을 감지하고 이에 응답하여 노즐로부터 압출된 재료의 유량을 조절하기 위한 공정의 개략도이다.
도 22는 압출 재료의 일부의 물리적 특성을 변형시키는 공정의 실시예이다.
도 23 내지 도 27은 일 실시예에 따른, 재료를 노즐로부터 압출시킴으로써 베이스 구성요소 내에 고정 구조체를 형성하는 데 있어서의 단계들의 개략도이다.
도 28은 3차원 인쇄 시스템과 함께 사용될 수 있는 몇몇 상이한 성형 구성요소들의 실시예의 개략도이다.
도 29는 구조체의 일부가 베이스 구성요소의 재료 내의 공간을 통하여 연장되는 베이스 구성요소 내에 고정된 구조체의 실시예의 개략도이다.
도 30은 물품의 일부를 3차원 인쇄 시스템과 연계시키기 위한 상이한 구성들의 실시예의 개략도이다.
도 31은 3차원 인쇄 공정에 의해 형성된 다양한 구조체를 포함하는 신발 물품의 실시예의 개략 등각도이다.
도 32는 별개의 재료들로 구성된 구조체의 실시예의 개략도로서, 여기서 각각의 재료가 상이한 노즐을 이용하여 적용된다.
도 33 내지 도 35는 일 실시예에 따라, 외부 쉘 부분을 형성하고 이어서 외부 쉘 부분의 내측부를 충전함으로써 구조체를 형성하는 단계들의 개략도를 도시하는데, 여기서 상이한 노즐들이 각각의 재료를 위해 사용된다.
도 36 내지 도 38은 일 실시예에 따라, 외부 쉘 부분을 형성하고 이어서 외부 쉘 부분의 내측부를 충전함으로써 구조체를 형성하는 단계들의 개략도를 도시하는데, 여기서 동일한 노즐이 각각의 재료를 위해 사용된다.
도 39는 외부 쉘 부분이 적어도 2개의 개방부를 갖는 구조체의 실시예의 개략도이다.
도 40은 외부 쉘 부분이 베이스 구성요소에 고정된 구조체의 실시예의 개략 단면도이다.
도 41은 외부 쉘 부분이 베이스 구성요소에 고정된 구조체의 실시예의 개략 등각 분해도이다.
도 42 및 도 43은 일 실시예에 따라, 외부 쉘 부분 및 외향 연장 부분을 갖는 구조체를 형성하는 단계들의 개략도를 도시한다.
도 44 내지 도 46은 베이스 부분이 제1 재료로 제조되고 팁 부분이 제2 재료로 제조된 클리트(cleat) 부재를 형성하는 단계들의 개략도를 도시한다.
도 47은 복수의 클리트 부재를 갖는 신발 물품의 실시예의 개략 등각도이다.
도 48은 제1 노즐 및 제2 노즐을 포함하는 노즐 제어 시스템의 개략도이다.
도 49는 제1 노즐 및 제2 노즐을 갖는 구조체를 형성하기 위한 공정의 실시예이다.
도 1은 3차원 인쇄 시스템의 구성요소 및 3차원 인쇄 시스템과 함께 사용될 수 있는 몇몇 물품의 실시예의 개략도이다.
도 2는 3차원 인쇄 시스템과 연계된 다양한 서브시스템의 실시예의 개략도이다.
도 3은 한 세트의 압출 제어 매개변수의 실시예의 개략도이다.
도 4는 3차원 인쇄 시스템의 노즐 및 선택적인 센서의 실시예의 개략도이다.
도 5는 노즐, 및 노즐로부터 최근에 토출된 재료의 일부의 물리적 특성을 변형시키기 위한 장치의 실시예의 개략도이다.
도 6은 3차원 인쇄 시스템으로 형성될 수 있는 몇몇 구조체의 실시예의 개략 등각도이다.
도 7 내지 도 14는 일 실시예에 따른, 재료를 노즐로부터 압출시킴으로써 노브(knob)형 구조체를 형성하는 데 있어서의 단계들의 개략도이다.
도 15 내지 도 19는 일 실시예에 따른, 재료를 노즐로부터 압출시킴으로써 후크(hook)형 구조체를 형성하는 데 있어서의 단계들의 개략도이다.
도 20은 광학 장치로부터 수신된 정보에 따라 재료의 압출을 조절하는 공정의 실시예이다.
도 21은 일 실시예에 따른, 재료의 일부의 외향 확산(outward spreading)을 감지하고 이에 응답하여 노즐로부터 압출된 재료의 유량을 조절하기 위한 공정의 개략도이다.
도 22는 압출 재료의 일부의 물리적 특성을 변형시키는 공정의 실시예이다.
도 23 내지 도 27은 일 실시예에 따른, 재료를 노즐로부터 압출시킴으로써 베이스 구성요소 내에 고정 구조체를 형성하는 데 있어서의 단계들의 개략도이다.
도 28은 3차원 인쇄 시스템과 함께 사용될 수 있는 몇몇 상이한 성형 구성요소들의 실시예의 개략도이다.
도 29는 구조체의 일부가 베이스 구성요소의 재료 내의 공간을 통하여 연장되는 베이스 구성요소 내에 고정된 구조체의 실시예의 개략도이다.
도 30은 물품의 일부를 3차원 인쇄 시스템과 연계시키기 위한 상이한 구성들의 실시예의 개략도이다.
도 31은 3차원 인쇄 공정에 의해 형성된 다양한 구조체를 포함하는 신발 물품의 실시예의 개략 등각도이다.
도 32는 별개의 재료들로 구성된 구조체의 실시예의 개략도로서, 여기서 각각의 재료가 상이한 노즐을 이용하여 적용된다.
도 33 내지 도 35는 일 실시예에 따라, 외부 쉘 부분을 형성하고 이어서 외부 쉘 부분의 내측부를 충전함으로써 구조체를 형성하는 단계들의 개략도를 도시하는데, 여기서 상이한 노즐들이 각각의 재료를 위해 사용된다.
도 36 내지 도 38은 일 실시예에 따라, 외부 쉘 부분을 형성하고 이어서 외부 쉘 부분의 내측부를 충전함으로써 구조체를 형성하는 단계들의 개략도를 도시하는데, 여기서 동일한 노즐이 각각의 재료를 위해 사용된다.
도 39는 외부 쉘 부분이 적어도 2개의 개방부를 갖는 구조체의 실시예의 개략도이다.
도 40은 외부 쉘 부분이 베이스 구성요소에 고정된 구조체의 실시예의 개략 단면도이다.
도 41은 외부 쉘 부분이 베이스 구성요소에 고정된 구조체의 실시예의 개략 등각 분해도이다.
도 42 및 도 43은 일 실시예에 따라, 외부 쉘 부분 및 외향 연장 부분을 갖는 구조체를 형성하는 단계들의 개략도를 도시한다.
도 44 내지 도 46은 베이스 부분이 제1 재료로 제조되고 팁 부분이 제2 재료로 제조된 클리트(cleat) 부재를 형성하는 단계들의 개략도를 도시한다.
도 47은 복수의 클리트 부재를 갖는 신발 물품의 실시예의 개략 등각도이다.
도 48은 제1 노즐 및 제2 노즐을 포함하는 노즐 제어 시스템의 개략도이다.
도 49는 제1 노즐 및 제2 노즐을 갖는 구조체를 형성하기 위한 공정의 실시예이다.
도 1은 이후에 간단히 인쇄 시스템(100)으로도 또한 지칭되는 3차원 인쇄 시스템(100)의 실시예의 개략도이다. 도 1은 또한 인쇄 시스템(100)과 함께 사용될 수 있는 몇몇 예시적인 물품(130)을 도시한다. 도 1을 참조하면, 인쇄 시스템(100)은 인쇄 장치(102), 컴퓨팅 시스템(104) 및 네트워크(106)를 추가로 포함할 수 있다.
실시예는 다양한 종류의 3차원 인쇄 (또는 적층 제조) 기법을 이용할 수 있다. 3차원 인쇄, 또는 "3D 인쇄"는 재료의 연속적인 층들을 차곡차곡 침착시킴으로써 3차원 물체를 형성하는 데 사용되는 다양한 기술을 포함한다. 이용될 수 있는 예시적인 3D 인쇄 기술은 용융 필라멘트 제조(FFF; fused filament fabrication), 전자 빔 자유형상 제조(EBF; electron beam freeform fabrication), 직접 금속 레이저 소결(DMLS; direct metal laser sintering), 전자 빔 용융(EMB; electron beam melting), 선택적 레이저 용융(SLM; selective laser melting), 선택적 열 소결(SHS; selective heat sintering), 선택적 레이저 소결(SLS; selective laser sintering), 플라스터 기반 3D 인쇄(PP; plaster-based 3D printing), 적층된 물체 제조(LOM; laminated object manufacturing), 스테레오리소그래피(SLA; stereolithography), 디지털 광 처리(DLP; digital light processing) 및 본 기술 분야에서 공지된 다양한 다른 종류의 3D 인쇄 또는 적층 제조 기술을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
도면에 도시된 실시예에서, 인쇄 시스템(100)은 용융 침착 모델링으로도 또한 지칭되는 용융 필라멘트 제조(FFF)와 연관될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 인쇄 시스템(100)의 인쇄 장치(102)는 3차원 부품을 생성하기 위하여 용융 필라멘트 제조를 이용한다. 용융 필라멘트 제조(FFF)를 이용하는 인쇄 장치의 예가, 1989년 10월 30일자로 출원되고 발명의 명칭이 "3차원 물체를 생성하기 위한 장치 및 방법(Apparatus and Method for Creating Three-Dimensional Objects)"인 크럼프(Crump)의 미국 특허 제5,121,329호에 개시되어 있는데, 이 출원은 본 명세서에 참고로 포함되고 이후에는 "3D 물체" 출원으로 지칭된다. 본 발명의 실시예는 3D 물체 출원에 개시된 시스템, 구성요소, 장치 및 방법 중 임의의 것을 이용할 수 있다.
인쇄 장치(102)는 다양한 시스템, 장치, 구성요소, 또는 물체(예컨대, 부품, 구성요소, 구조체)의 3차원 인쇄를 용이하게 하는 다른 설비를 지지하는 하우징(110)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예가 하우징(110)에 대해 특정한 직사각형 상자형의 기하학적 형상을 나타내고 있지만, 다른 실시예는 임의의 기하학적 형상 및/또는 디자인을 갖는 임의의 하우징을 이용할 수 있다. 인쇄 장치의 하우징의 형상 및 크기는 장치에 대한 원하는 풋프린트, 인쇄 장치 내에서 형성될 수 있는 부품의 크기 및 형상, 및 가능하게는 다른 인자들을 포함하는 인자들에 따라 가변될 수 있다. 인쇄 장치의 하우징이 개방될 (예컨대, 큰 개방부를 갖는 프레임을 제공할) 수 있거나, 또는 (예컨대, 도어 및 고체 재료의 패널 또는 유리에 의해) 폐쇄될 수 있다는 것은 이해될 것이다.
일부 실시예에서, 인쇄 장치(102)는 인쇄 물체(또는 인쇄 물체를 지지하는 구성요소)를 보유 및 유지하기 위한 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 인쇄 장치(102)는 인쇄 물체 또는 인쇄 재료가 상부에 적용되어 있는 물체를 지지, 보유 및/또는 유지하기 위하여 테이블, 플랫폼, 트레이 또는 유사한 구성요소를 포함할 수 있다. 도 1의 실시예에서, 인쇄 장치(102)는 트레이(112)를 포함한다. 일부 실시예에서, 트레이(112)는 제위치에 고정될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 트레이(112)는 이동될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 트레이(112)는 수평 방향(예컨대, 하우징(110)에 대해 전후 및/또는 좌우) 및 수직 방향(예컨대, 하우징(110) 내에서 상하)으로 하우징(110) 내에서 병진 이동하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 일부 경우에, 트레이(112)는 트레이(112)와 연관된 하나 이상의 축을 중심으로 회전하고/하거나 기울어지도록 구성될 수 있다. 따라서, 적어도 일부 실시예에서는, 트레이(112)가 인쇄 장치(102)의 노즐 또는 인쇄 헤드를 갖는 임의의 원하는 상대적인 구성 내로 이동될 수 있는 것을 고려한다.
일부 실시예에서, 인쇄 장치(102)는 인쇄 재료(또는 인쇄 물질)를 타깃 위치로 전달하기 위한 하나 이상의 시스템, 장치, 조립체 또는 구성요소를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "타깃 위치", "타깃 부분" 또는 "타깃 표면"은 인쇄 재료가 적용될 수 있는 임의의 의도된 위치, 부분 또는 표면을 지칭한다. 타깃 위치는 트레이(112)의 표면, 부분적 인쇄 구조체의 표면 또는 일부, 및/또는 비인쇄 구조체 또는 구성요소의 표면 또는 일부를 포함할 수 있다. 인쇄 재료를 전달하기 위한 설비는, 예를 들어, 인쇄 헤드 및 노즐을 포함한다. 도 1의 실시예에서, 인쇄 장치(102)는 노즐 조립체(116)를 포함한다.
노즐 조립체(116)는 인쇄 재료를 타깃 위치로 전달하는 하나 이상의 노즐을 포함할 수 있다. 명확성을 목적으로, 도 1의 예시적인 실시예는 노즐 조립체(116)의 단 하나의 노즐(118)을 도시한다. 그러나, 다른 실시예에서, 노즐 조립체(116)는 어레이로 또는 임의의 특정 구성으로 배열될 수 있는 임의의 개수의 노즐로 구성될 수 있다. 둘 이상의 노즐을 포함하는 실시예에서, 노즐들은 함께 그리고/또는 독립적으로 이동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 아래에서 논의되는 인쇄 시스템의 실시예에서, 인쇄 장치는 서로로부터 독립적인 방식으로 이동될 수 있는 적어도 2개의 노즐로 구성될 수 있다.
노즐(118)은 노즐(118)로부터 나오는 재료의 유동을 제어하기 위하여 개방 및/또는 폐쇄될 수 있는 노즐 개구(119)로 구성될 수 있다. 구체적으로, 노즐 개구(119)는 인쇄 장치(102) 내의 재료 공급원(미도시)으로부터의 재료의 공급을 수용하는 노즐 채널(121)과 유체 연통할 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 재료(예컨대, 플라스틱 또는 와이어)의 필라멘트가 코일로서 제공되고, 이어서 이는 권취 해제되고 노즐(118)을 통하여 공급되어 타깃 위치에 침착될 수 있다. 일부 실시예에서, 웜 드라이브(worm-drive)가 (노즐(118)로부터의 재료의 원하는 체적 유량을 달성하도록 가변될 수 있는) 특정 속도로 필라멘트를 노즐(118) 내로 밀어 넣는 데 사용될 수 있다. 일부 경우에, 재료의 공급이 (예컨대, 노즐 조립체(116)의 일부에서) 노즐(118) 근처의 위치에 제공될 수 있지만, 다른 실시예에서, 재료의 공급은 인쇄 장치(102)의 일부 다른 위치에 위치될 수 있고 튜브, 도관, 또는 다른 설비를 통하여 노즐 조립체(116)로 공급될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
일부 실시예에서, 노즐 조립체(116)는 작동 시스템(114)과 연계된다. 작동 시스템(114)은 하우징(110) 내에서 노즐 조립체(116)의 이동을 가능하게 하는 다양한 구성요소, 장치 및 시스템을 포함할 수 있다. 특히, 작동 시스템(114)은, 3차원 물체를 형성하도록 재료를 침착시키는 것을 용이하게 하기 위하여, 임의의 수평 방향 및/또는 수직 방향으로 노즐 조립체(116)를 이동시키는 설비를 포함할 수 있다. 이를 위하여, 작동 시스템(114)의 실시예는 노즐 조립체(116)를 하우징(110) 내에서 다양한 위치 및/또는 배향으로 유지하도록 하는 하나 이상의 트랙, 레일, 및/또는 유사한 설비를 포함할 수 있다. 실시예는 또한, 노즐 조립체(116)를 트랙 또는 레일을 따라 이동시키기 위하여 그리고/또는 하나 이상의 트랙들 또는 레일들을 서로에 대해 이동시키기 위하여, 스테퍼 모터 또는 서보 모터와 같은 임의의 종류의 모터를 포함할 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 작동 시스템(114)은 인쇄 시스템(102)에 대해 정의된 x-y-z 방향(예컨대, 직교 좌표 방향) 중 임의의 방향으로 노즐 조립체(116)에 대한 이동을 제공할 수 있다.
예시를 목적으로, 인쇄 장치(102)의 구성요소, 장치 및 시스템이 도 1에 개략적으로 도시되어 있다는 것이 이해될 것이다. 그러므로, 실시예들이 작동 시스템(114) 및 노즐 조립체(116)의 동작을 가능하게 하는 특정 부품, 구성요소 및 장치를 포함하는, 도시되지 않은 추가 설비들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 작동 시스템(114)이 몇몇 트랙 또는 레일을 포함하는 것으로서 개략적으로 도시되어 있지만, 작동 시스템(114)을 포함하는 부품들의 특정 구성 및 개수는 하나의 실시예에서 다른 실시예까지 다양할 수 있다.
상이한 실시예들에서, 인쇄 장치(102)는 열가소성 물질(예컨대, 폴리락트산 및 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌), 고밀도 폴리에틸렌, 공융 금속, 고무, 점토(금속 점토를 포함), 실온 가황 실리콘(RTV 실리콘), 자기(porcelain), 및 가능하게는 본 기술 분야에서 공지된 다른 종류의 재료를 포함하지만 이에 제한되지 않는, 3D 부품을 형성하기 위한 여러 가지 상이한 재료들을 사용할 수 있다. 둘 이상의 상이한 인쇄된 또는 압출된 재료들이 부품을 형성하기 위하여 사용되는 실시예에서, 앞서 개시된 재료들 중 임의의 둘 이상이 사용될 수 있다.
앞서 논의된 바와 같이, 인쇄 시스템(100)은 인쇄 장치(102)로부터의 정보를 제어하고/하거나 수신하기 위한 설비를 포함할 수 있다. 이러한 설비는 컴퓨팅 시스템(104) 및 네트워크(106)를 포함할 수 있다. 대체적으로, 용어 "컴퓨팅 시스템"은 단일 컴퓨터의 컴퓨팅 리소스, 단일 컴퓨터의 컴퓨팅 리소스의 일부, 및/또는 서로 통신하는 둘 이상의 컴퓨터를 지칭한다. 이들 리소스 중 임의의 리소스가 한 명 이상의 인간 사용자에 의해 작동될 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(104)은 하나 이상의 서버를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 인쇄 서버가 인쇄 장치(102)의 제어 및/또는 그와의 통신을 주로 담당할 수 있지만, 별도 컴퓨터(예컨대, 데스크톱, 랩톱 또는 태블릿)가 사용자와의 대화를 가능하게 할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(104)은 또한 휘발성 메모리 및 비휘발성 메모리를 포함하는 자기, 광학, 및/또는 광자기 메모리를 포함하지만 이에 제한되지 않는 하나 이상의 저장 장치를 포함할 수 있다.
도 1의 예시적인 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(104)은 중앙 처리 장치(185), 시각적 인터페이스(186)(예컨대, 모니터 또는 스크린), 입력 장치(187)(예컨대, 키보드 및 마우스), 및 인쇄 구조체의 컴퓨터 이용 설계("CAD") 표현(189)을 설계하기 위한 소프트웨어를 포함할 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 인쇄 구조체의 CAD 표현(189)은 구조체의 기하학적 형상에 대한 정보뿐만 아니라, 구조체의 다양한 부분을 인쇄하는 데 필요한 재료와 관련된 정보를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(104)은 네트워크(106)를 통하여 인쇄 장치(102)와 직접 접촉할 수 있다. 네트워크(106)는 컴퓨팅 시스템(104)과 인쇄 장치(102) 사이의 정보 교환을 용이하게 하는 임의의 유선 또는 무선 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 네트워크(106)는 네트워크 인터페이스 제어기, 중계기, 허브, 브리지, 스위치, 라우터, 모뎀 및 방화벽과 같은 다양한 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 일부 경우에, 네트워크(106)는 인쇄 시스템(100)의 둘 이상의 시스템, 장치 및/또는 구성요소 사이의 무선 통신을 가능하게 하는 무선 네트워크일 수 있다. 무선 네트워크의 예는 무선 개인 영역 네트워크(예를 들어, 블루투스를 포함), 무선 근거리 네트워크(IEEE 802.11 WLAN 표준을 이용한 네트워크를 포함), 무선 메시 네트워크, 모바일 장치 네트워크 및 다른 종류의 무선 네트워크를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 다른 경우에, 네트워크(106)는 연선(twister pair wire), 동축 케이블, 및 광섬유에 의해 신호가 촉진되는 네트워크를 포함하는 유선 네트워크일 수 있다. 또 다른 경우에, 유선 및 무선 네트워크 및/또는 접속부의 조합이 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 인쇄 구조체가 하나 이상의 물품에 직접 인쇄될 수 있다. 용어 "물품"은 신발 물품(예컨대, 슈즈) 및 의류 물품(예컨대, 셔츠, 팬츠 등) 둘 모두를 포함하려는 것이다. 본 발명 전체에 걸쳐 사용되는 바와 같이, 용어 "신발 물품" 및 "신발"은 임의의 신발 및 갑피를 포함하는 신발과 연관된 임의의 재료를 포함하고, 또한, 예를 들어, 야구화, 농구화, 크로스-트레이닝화, 사이클링화, 풋볼화, 테니스화, 축구화, 및 하이킹화를 포함하여, 다양한 유형의 운동화에 적용될 수 있다. 본 발명 전체에 걸쳐 사용되는 바와 같이, 용어 "신발 물품" 및 "신발"은 또한 드레스화, 단화, 샌들, 슬리퍼, 보트 슈즈, 및 작업 부츠를 포함하여, 대체로 비운동용, 정장용, 또는 장식용으로 생각되는 유형의 신발을 포함한다.
개시된 실시예가 신발과 관련하여 설명되어 있지만, 개시된 실시예는 또한 의복, 의류, 또는 3D 인쇄를 포함하는 장비의 임의의 물품에 동일하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 개시된 실시예는 중절모자, 운동모자, 셔츠, 저지(jersey), 재킷, 양말, 반바지, 팬츠, 속옷, 운동용 의류, 장갑, 손목/아암 밴드, 소매, 머리띠, 임의의 편물 재료, 임의의 직물 재료, 임의의 부직물 재료, 스포츠 용품 등에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명 전체에 걸쳐 사용되는 바와 같이, 용어 "의류 물품"은 임의의 신발 물품, 및 중절모자, 운동모자, 셔츠, 저지, 재킷, 양말, 반바지, 팬츠, 속옷, 운동용 의류, 장갑, 손목/아암 밴드, 소매, 머리띠, 임의의 편물 재료, 임의의 직물 재료, 임의의 부직물 재료 등을 포함하는 임의의 의류 또는 의복을 지칭할 수 있다. 본 발명 전체에 걸쳐 사용되는 바와 같이, 용어 "의류 물품", "의류", "신발 물품", 및 "신발"은 또한 텍스타일, 천연 패브릭, 합성 패브릭, 편직물, 직물 재료, 부직물 재료, 메시, 가죽, 합성 가죽, 중합체, 고무, 및 발포체를 지칭할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 인쇄 장치(102)는 물품(130)들 중 하나의 물품의 일부 상으로 하나 이상의 구조체를 직접 인쇄하도록 구성될 수 있다. 물품(130)은 3차원 구성을 갖는 신발 물품(132) 및 평탄화된 구성을 갖는 갑피(134)를 포함하는, 인쇄 장치(102)로부터 직접 인쇄 구조체를 수용할 수 있는 예시적인 물품을 포함한다. 물품(130)은 또한 티셔츠(136)를 포함한다. 따라서, 인쇄 장치(102)가 인쇄 재료를 3차원 구성 및/또는 평탄화된 구성의 물품에 적용하는 데 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
인쇄 재료를 하나 이상의 물품에 직접 적용하기 위하여, 인쇄 장치(102)는 다양한 종류의 재료의 표면 상으로 인쇄가 가능할 수 있다. 구체적으로, 일부 경우에, 인쇄 장치(102)는, 기재와 인쇄 재료의 바닥 사이에 개재된 이형 층에 대한 필요 없이, 그리고 인쇄할 완전히 또는 거의 완전히 평탄한 기재 표면에 대한 필요 없이, 텍스타일, 천연 패브릭, 합성 패브릭, 편직물, 직물 재료, 부직물 재료, 메시, 가죽, 합성 가죽, 중합체, 고무, 및 발포체, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 다양한 재료의 표면 상으로의 인쇄가 가능할 수 있다. 예를 들어, 개시된 방법은 수지, 아크릴, 열가소성 재료 또는 잉크 재료를 패브릭, 예를 들어 편물 재료 상으로 인쇄하는 단계를 포함할 수 있는데, 여기서 재료는 패브릭에 접착/접합되고, 재료는 대체적으로, 만곡되거나, 말리거나, 가공되거나, 또는 추가 조립 공정/단계를 겪는 경우 박리(delaminate)되지 않는다. 본 발명 전체에 걸쳐 사용되는 바와 같이, 용어 "패브릭"은 대체적으로 임의의 텍스타일, 천연 패브릭, 합성 패브릭, 편직물, 직물 재료, 부직물 재료, 메시, 가죽, 합성 가죽, 중합체, 고무, 및 발포체로부터 선택된 재료를 지칭하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예가 구조체를 재료의 표면 상으로 직접 인쇄하기 위하여 인쇄 장치(102)를 사용할 수 있지만, 다른 실시예는 구조체를 트레이 또는 이형지 상으로 인쇄하는 단계, 및 이어서 별도 단계에서 인쇄 구조체를 물품에 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 다시 말해서, 적어도 일부 실시예에서, 인쇄 구조체가 물품의 표면에 직접 인쇄될 필요는 없다.
인쇄 시스템(100)은 3D 인쇄 또는 적층 공정을 이용하여 형성된 하나 이상의 구조체를 제공하기 위하여 하기와 같이 작동될 수 있다. 컴퓨팅 시스템(104)은 구조체를 설계하기 위하여 사용될 수 있다. 이는 몇몇 유형의 CAD 소프트웨어, 또는 다른 종류의 소프트웨어를 이용하여 달성될 수 있다. 이어서, 설계는 인쇄 장치(102)(또는 인쇄 장치(102)와 통신하는 관련된 인쇄 서버)에 의해 해석될 수 있는 정보로 변환될 수 있다. 일부 경우에, 설계는 스테레오리소그래피 파일(STL 파일)과 같은 3D 인쇄가능 파일로 전환될 수 있다.
인쇄 전에, 물품이 트레이(112) 상에 배치될 수 있다. 일단 인쇄 공정이 (예를 들어, 사용자에 의해) 초기화되면, 인쇄 장치(102)는 재료를 물품 상으로 침착시키기 시작할 수 있다. 이는 침착된 재료를 사용하여 구조체의 층들을 쌓도록 (작동 장치(114)를 이용하여) 노즐(118)을 이동시킴으로써 달성될 수 있다. 용융 필라멘트 제조가 이용되는 실시예에서, 노즐(118)로부터 압출된 재료는 재료가 침착될 때에 재료의 유연성을 증가시키기 위하여 가열될 수 있다.
도면에 도시된 실시예들 중 일부가 필라멘트 용융 제조 인쇄 기술을 이용하는 시스템을 도시하고 있지만, 또 다른 실시예들이 하나 이상의 상이한 3D 인쇄 기술을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 더욱이, 또 다른 실시예는 특정 인쇄 구조체 또는 부품을 위한 원하는 결과를 달성하기 위하여 필라멘트 용융 제조와 다른 유형의 3D 인쇄 기법의 조합을 포함할 수 있다.
도 2는 인쇄 제어 시스템(200)의 개략적인 실시예를 도시한다. 도 2를 참조하면, 인쇄 제어 시스템(200)은 압출 제어 시스템(204), 센서 시스템(206) 및 노즐 작동 시스템(208)을 포함한다. 아래에서 더 상세히 논의되는 이들 시스템의 각각은 구조체의 인쇄를 용이하게 하도록 서로 협력하여 작동할 수 있다. 구체적으로, 노즐 작동 시스템(208)이 노즐(118)의 이동을 제어하는 한편, 압출 제어 시스템(204)은 노즐(118)이 여기저기 이동될 때에 침착되는 재료의 유동 및 특성을 제어한다. 추가로, 센서 시스템(206)은 노즐 작동 시스템(208) 및 압출 제어 시스템(204) 둘 모두에 피드백을 실시간으로 제공하기 위한 설비를 포함하여, 인쇄 구조체에 대한 재료 특징 및 정밀한 기하학적 형상을 달성하기 위하여 인쇄가 실시간으로 조절될 수 있게 한다.
노즐 작동 시스템(208)은 하우징(110) 내에서 수평 방향 및 수직 방향 둘 모두를 포함하는 임의의 방향으로 노즐(118)의 이동을 가능하게 한다. 적어도 일부 실시예에서, 노즐 작동 시스템(208)은 인쇄 구조체의 CAD 설계로부터 결정되는 공구 경로를 따른 노즐(118)의 이동을 가능하게 한다.
압출 제어 시스템(204)은 노즐(118)(또는 노즐 조립체(116)와 연계된 임의의 다른 노즐)로부터의 재료의 유동 및 재료가 타깃 위치 상으로 침착된 후의 재료의 거동을 제어하기 위한 하나 이상의 설비를 포함할 수 있다. 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 압출 제어 시스템(204)은 압출 재료의 유량 및/또는 다른 특성을 바꾸기 위하여 가변될 수 있는 하나 이상의 "압출 제어 매개변수"와 연관될 수 있다. 예를 들어, 압출 제어 매개변수는 노즐 인출 속도(302), 압출 속도(304), 압출 온도(306), 노즐 직경(308), 압출 압력(310), 주변 온도(312) 및 주변 압력(314)을 포함할 수 있다. 이들 매개변수가 단지 예시를 위한 것이고 다른 실시예가 추가 압출 제어 매개변수를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 적어도 일부 실시예에서, 이들 압출 제어 매개변수 중 일부는 선택적일 수 있다. 다시 말해서, 일부 다른 실시예에서, 이들 매개변수 중 하나 이상은 고정될 수 있거나, 또는 조절가능하지 않을 수 있다.
노즐 인출 속도(302)는 노즐(118)이 압출 재료가 침착되고 있는 하부 표면으로부터 멀어지게 이동되는 (또는 상승되는) 속도의 특징이 될 수 있다. 새로운 압출 재료가 압력 하에서 노즐(118)로부터 가압되기 때문에, 노즐(118)이 타깃 위치로부터 멀리 떨어지는 속도의 변화는 압출 재료가 타깃 위치 상으로 확산되는 방식에 영향을 미치는 경향이 있을 수 있다. 압출 속도(304)는 재료가 노즐(118)의 개구(121)를 통하여 유동하고 있는 속도의 특징이 될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "유량"으로도 또한 지칭되는 용어 "압출 속도"는 재료가 노즐로부터 압출되는 (또는 그로부터 유동하는) 체적 유량을 지칭한다. 압출 속도의 증가는 일정 시간 간격에 걸쳐 주어진 위치에서 침착되는 재료의 더 큰 체적을 생성하는 경향이 있을 수 있는 한편, 압출 속도의 감소는 동일한 시간 간격 동안 주어진 위치에서 침착되는 재료의 체적을 감소시키는 경향이 있을 수 있다.
압출 온도(306)는 재료가 노즐(118)로부터 압출되고 타깃 위치에서 침착될 때 재료의 온도의 특징이 될 수 있다. 적어도 일부 경우에, 압출 온도의 변경은 타깃 위치에서 재료의 확산에 영향을 미칠 수 있는 재료의 유연성을 변화시킬 수 있다. 또한, 압출 재료의 온도는 재료가 얼마나 빠르게 냉각되고/되거나 경화되는가 하는 것에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 인쇄 구조체의 확산 및 최종 기하학적 형상에 또한 영향을 미칠 수 있다. 노즐 직경(308)은 개구(121)의 그리고/또는 노즐(118)의 채널(123)의 크기의 특징이 된다. 이들 직경의 변경은 동일하게 주어진 기간에 걸쳐 타깃 위치에서 침착된 재료의 전체 체적에 영향을 미칠 수 있다.
압출 압력(310)은 타깃 위치에서 재료의 일부에 대항하여 압출 재료의 일부에 의해 인가되는 단위 면적당 힘의 특징이 된다. 압출 압력은 확산의 속도 및 정도에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 주변 온도(312) 및 주변 압력(314)은 각각 노즐(118) 근처 영역의 주변 온도 및 주변 압력의 특징이 될 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 재료 유연성 및 경화 특성은 주변 온도 및/또는 주변 압력의 차이에 따라 유의하게 가변될 수 있다.
실시예들은 이들 압출 제어 매개변수 중 하나 이상을 조절하기 위한 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 노즐 인출 속도(302)는 노즐(118)의 수평 이동 및 수직 이동 둘 모두를 제어하는 작동 시스템(114)을 이용하여 제어될 수 있다. 추가로, 일부 실시예는 재료가 노즐(118)로부터 압출되는 압출 속도(304) 및/또는 압출 압력(310)을 제어하는 웜 드라이브 또는 다른 메커니즘을 제어하기 위한 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 압출 온도(306)는 노즐(118) 내의 가열 코일(405)(도 4 참조)에 의해 제어될 수 있다. 추가로, 노즐 직경(308)은 본 기술 분야에서 공지된 방법을 이용하여 제어될 수 있다. 마지막으로, 주변 온도(312) 및 주변 압력(314)은 한정된 공간 내에서 온도 및 압력을 제어하기 위한 본 기술 분야에서 공지된 여러 가지 상이한 설비들에 의해 제어될 수 있다. 물론, 실시예들이 하나 이상의 압출 제어 매개변수를 제어하기 위한 이러한 예시적인 설비로 제한되지 않는다는 것은 이해될 것이다. 다른 실시예는 본 기술 분야에서 공지될 수 있는 다양한 이들 매개변수를 제어하기 위한 임의의 다른 시스템, 방법 및/또는 장치를 이용할 수 있다.
압출 제어 시스템(204)에 대해 논의된 매개변수들은 단지, 재료가 원하는 방식으로 거동하도록 (예컨대, 원하는 속도로 확산되고 원하는 속도로 경화되도록) 재료가 타깃 위치에서 침착되는 방식을 제어하기 위하여 사용될 수 있는 매개변수들의 예인 것으로만 의도되는 것이 이해될 수 있다. 사용되는 매개변수들의 유형은 인쇄 장치의 제조 고려사항들 및 특정 설계에 좌우될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 인쇄 장치(102)는 여기서 논의된 압출 제어 매개변수들 중 적어도 하나의 조절을 가능하게 하도록 설계될 수 있다. 다시 말해서, 예시적인 실시예에서, 인쇄 장치(102)는 다양한 압출 제어 매개변수들이 인쇄 장치(102)를 위한 3D 인쇄 파일과 합동으로, 또는 그의 일부로서 제공되는 정보를 이용하여 실시간으로 조절될 수 있도록 설계된다.
도 4는 센서 시스템(206)의 일부를 포함할 수 있는 다양한 센서의 개략적인 구성을 도시한다. 도 4를 참조하면, 센서 시스템(206)은 주변 온도 센서(410) 및 노즐 온도 센서(412)를 포함할 수 있다. 이러한 예시적인 구성에서, 주변 온도 센서(410)는 노즐(118) 근처에 위치될 수 있지만, 노즐 내에 또는 상에 위치되지 않는다. 주변 온도 센서(410)가 주변 온도와 관련된 정보를 검출하기 위한 본 기술 분야에서 공지된 임의의 종류의 센서일 수 있다는 것은 이해될 것이다. 도 4에 도시된 예시적인 구성에서, 노즐 온도 센서(412)는 노즐(118) 내에 배치된다. 일부 경우에, 노즐 온도 센서(412)는 노즐(118)의 채널(121)을 통하여 유동하는 재료와 직접 접촉할 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 노즐 온도 센서(412)는 노즐(118)의 임의의 다른 부분에 위치될 수 있고, 가능하게는 노즐(118)의 외측에 장착될 수 있다. 유동하는 재료의 온도가 직접 측정되지 않는 적어도 일부 실시예에서, 노즐(118)의 하나 이상의 부품의 온도가 재료의 온도의 대신으로 사용될 수 있다. 노즐 온도 센서(412)가 대체적으로 본 기술 분야에서 공지된 임의의 종류의 온도 센서일 수 있다는 것은 이해될 것이다.
실시예들은 또한 주변 압력을 검출하기 위한 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 센서 시스템(206)은 주변 압력 센서(414)를 포함할 수 있다. 대체적으로, 주변 압력 센서(414)는 본 기술 분야에서 공지된 임의의 종류의 압력 감지 장치일 수 있다.
실시예들은, 최근 압출 재료를 포함하여, 인쇄 구조체에 관한 광학적 정보를 검출하기 위한 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 센서 시스템(206)은 광학 감지 장치(416)를 포함한다. 광학 감지 장치(416)는 이미지 정보를 캡처할 수 있는 임의의 종류의 장치일 수 있다. 사용될 수 있는 상이한 광학 감지 장치들의 예는 정지 사진 카메라, 비디오 카메라, 디지털 카메라, 비디지털 카메라, 웹 카메라(웹 캠), 및 본 기술 분야에서 공지된 다른 종류의 광학 장치를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 광학 감지 장치의 유형은 인자들, 예컨대, 원하는 데이터 전송 속도, 시스템 메모리 할당, 인쇄 구조체를 보기 위한 원하는 시간 분해능, 인쇄 구조체를 보기 위한 원하는 공간 분해능 및 가능하게는 다른 인자들에 따라 선택될 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 광학 감지 장치는 최소 형태 인자(minimal form factor)를 갖는 이미지 센서, 예를 들어 풋프린트가 대략 수 밀리미터 이하인 CMOS 이미지 센서를 갖는 광학 감지 장치일 수 있다.
광학 감지 장치(416)와 함께 이용될 수 있는 예시적인 이미지 감지 기술은 반도체 전하 결합 소자(CCD), 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 유형의 센서, N-형 금속 산화물 반도체(NMOS) 유형의 센서, 및 가능하게는 다른 종류의 센서를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 이용되는 이미지 감지 기술의 유형은 인쇄 장치(102) 내의 (그리고 노즐(118) 근처 또는 내의) 주변 상태와 양립가능한 센서 유형의 최적화, 크기 제한, 및 가능하게는 다른 인자들을 포함하는 인자들에 따라 가변될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 비가시광 파장(예를 들어, 적외선 파장을 포함)을 검출하는 광학 감지 장치가 또한 사용될 수 있다.
상이한 실시예들에서, 광학 감지 장치(416)의 위치는 가변될 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 광학 감지 장치(416)는 노즐(118) 근처에 배치, 또는 심지어 그에 부착될 수 있다. 노즐(118)이 이동됨에 따라, 광학 감지 장치(416)는 그에 따라서 노즐(118)과 함께 이동될 수 있다. 다른 실시예에서, 광학 감지 장치(416)는 노즐(118)로부터 떨어져 배치될 수 있다. 일부 경우에, 광학 감지 장치(416)는 하우징(110)에 대해 고정된 위치 및/또는 배향을 가질 수 있다. 다른 경우에, 광학 감지 장치(416)는 조절가능한 위치 및/또는 배향을 가질 수 있고 노즐(118)과 독립적으로 이동가능할 수 있다.
광학 감지 장치(416)는 전기 신호를 통하여 인쇄 시스템(100)의 하나 이상의 시스템에 전달된 정보로 광학 이미지를 전환할 수 있다. 이러한 전기 신호를 수신할 때, 하나 이상의 시스템은 이러한 정보를 이용하여 광학 감지 장치(416)에 가시적일 수 있는 물체에 관한 다양한 정보를 판정할 수 있다.
실시예들은 센서 시스템(206)의 다양한 센서를 제어하고/하거나 그와 통신하기 위한, ECU(450)로도 또한 지칭되는, 전자 제어 유닛(450)을 포함할 수 있다. 명확성을 목적으로, 본 실시예에서는 단일 ECU만이 도시되어 있다. 그러나, 다른 실시예에서 다수의 ECU가 사용될 수 있고, 각각의 ECU가 센서들 중 일부 또는 모두와 통신한다는 것이 이해될 것이다. ECU 자체는 인쇄 시스템(100)의 특정 시스템 또는 장치와 추가로 연계될 수 있다.
ECU(450)는 모두가 센서 시스템(206)의 다양한 구성요소 및 인쇄 시스템(100)의 다른 구성요소 또는 시스템을 모니터링 및 제어하는 역할을 하는 마이크로프로세서, RAM, ROM, 및 소프트웨어를 포함할 수 있다. 예를 들어, ECU(450)는 인쇄 시스템(100)과 연계된 다수의 센서, 장치, 및 시스템으로부터 신호를 수신할 수 있다. 다양한 장치의 출력은 RAM과 같은 전자 저장 장치에 장치 신호가 저장될 수 있는 ECU(450)로 전송된다. 전류 및 전자적으로 저장된 신호 둘 모두는 ROM과 같은 전자 메모리에 저장된 소프트웨어에 따라 중앙 처리 장치(CPU)에 의해 처리될 수 있다.
ECU(450)는 정보 및 전력의 입출력을 용이하게 하는 다수의 포트를 포함할 수 있다. 본 발명의 상세한 설명 및 청구범위 전체를 통하여 사용되는 바와 같이, 용어 "포트"는 2개의 전도체 사이의 임의의 인터페이스 또는 공유 경계를 지칭한다. 일부 경우에, 포트는 전도체의 삽입 및 제거를 가능하게 할 수 있다. 이러한 유형의 포트의 예는 기계식 커넥터를 포함한다. 다른 경우에, 포트는 대체적으로 용이한 삽입 또는 제거를 제공하지 않는 인터페이스이다. 이러한 유형의 포트의 예는 회로기판 상의 솔더링 또는 전자 트레이스를 포함한다.
ECU(450)와 연계된 하기 포트 및 설비의 모두는 선택적이다. 일부 실시예가 소정의 포트 또는 설비를 포함할 수 있지만, 다른 실시예는 이를 배제할 수 있다. 하기 설명은 사용될 수 있는 많은 가능한 포트 및 설비를 개시하고 있지만, 모든 포트 또는 설비가 주어진 실시예에서 사용되거나 포함되어야만 하는 것은 아니라는 것을 명심해야 한다.
도 4에 나타난 바와 같이, ECU(450)는 주변 압력 센서(414)와 통신하고/하거나 그에 전력공급하기 위한 포트(451)를 포함한다. ECU(450)는 또한 주변 온도 센서(410)와 통신하고/하거나 그에 전력공급하기 위한 포트(452); 노즐 온도 센서(412)와 통신하고/하거나 그에 전력공급하기 위한 포트(453); 및 광학 감지 장치(416)와 통신하고/하거나 그에 전력공급하기 위한 포트(454)를 포함한다.
도 4는 또한 노즐(118) 및/또는 노즐(118)을 통하여 유동하는 재료를 가열하는 데 사용될 수 있는, 노즐(118)과 연계된 선택적인 가열 코일(405)을 개략적으로 나타낸다. 가열 코일(405)은 ECU(450), 또는 유사한 제어 유닛에 연결될 수 있다. 예시적인 실시예가 노즐(118)의 내부에 배치된 가열 코일을 도시하고 있지만, 다른 실시예는 노즐 조립체(116)의 임의의 다른 부분, 및 가능하게는 노즐 조립체(116) 상류의 인쇄 장치(102)의 다른 부분에 있는 가열 코일을 사용할 수 있다. 또한, 가열 코일이 사용될 수 있는 단지 하나의 예시적인 유형의 가열 장치인 것이 이해될 것이다. 다른 실시예는 노즐, 밸브, 채널, 튜브 또는 유동 재료의 전달과 연관된 다른 시스템을 가열하기 위한 본 기술 분야에서 공지된 임의의 다른 가열 장치, 시스템 또는 메커니즘을 이용할 수 있다.
실시예들은 노즐로부터 최근 압출된 또는 침착된 재료의 특성을 제어하기 위한 설비를 포함할 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 인쇄 장치(102)는 하나 이상의 경화 제어 장치를 포함할 수 있다. 경화 제어 장치는, 재료가 노즐로부터 압출된 후에, 제어 또는 조절될 압출 재료의 경화를 가능하게 하는 임의의 장치일 수 있다.
도 5는 2개의 경화 제어 장치(500)의 실시예의 개략도이다. 경화 제어 장치(500)는 냉각 장치(502) 및 UV 조명 장치(504)를 포함한다. 냉각 장치(502)는 냉각 공기(즉, 주변 온도보다 훨씬 낮은 공기)를 압출 재료의 일부(520)에 인가하는 장치일 수 있다. 냉각 공기의 인가는 압출 재료의 일부(520)의 더 빠른 경화를 가능하게 할 수 있다. 유사하게, UV 조명 장치(504)는 자외 방사선을 압출 재료의 일부(522)에 인가하는 장치일 수 있다. UV 경화될 수 있는 재료의 경우, 자외선 광의 인가는 압출 재료의 일부(522)의 더 빠른 경화를 가능하게 할 수 있다. 도시되어 있지는 않지만, 재료가 타깃 위치에 걸쳐 더 빠르게 확산될 수 있도록 유연성 및 유동을 일시적으로 증가시키기 위하여 압출 재료의 일부들이 그가 압출되는 온도를 초과하여 가열되게 하는 하나 이상의 가열 장치를 일부 실시예가 포함할 수 있다는 것을 또한 고려한다.
단일 장치가 도 5의 예시적인 실시예에서 각종 경화 제어 장치에 대해 도시되어 있지만, 다른 실시예는 둘 이상의 각종 경화 제어 장치를 포함할 수 있다. 더욱이, 일부 실시예는 재료의 압출 부분을 둘러싸는 넓은 범위의 각을 통한 커버리지(coverage)(예컨대, 냉각 공기 또는 UV 방사선의 인가)를 제공하는 단일 장치를 포함할 수 있다. 그러한 실시예는 압출 재료의 일부를 둘러싸는 몇 도 내지 360도 범위의 영역에 냉각 공기 및/또는 UV 방사선을 인가할 수 있다.
경화 제어 장치가 국소적으로 또는 전반적으로 인가될 수 있다는 것을 고려한다. 예를 들어, 도 5에서, 경화 제어 장치(500) 둘 모두는 냉각 공기 및/또는 UV 방사선을 압출 재료의 국소 부분에 인가하는 상대적으로 좁은 프로브형 장치로 구성되어 있다. 그러나, 다른 실시예는 냉각 공기 및/또는 UV 방사선을 압출 재료의 큰 부분 또는 심지어 그의 모든 부분에 인가하는 대형 장치를 포함할 수 있다. 또 다른 일부 실시예는 구조체가 인쇄되는 동안 구조체의 미리 결정된 부분에 국소 경화를 제공하기 위한 경화 제어 장치(500)를 사용할 수 있고, 또한 인쇄 공정이 완료된 후에 전체 구조체에 경화를 제공하기 위한 추가 경화 설비를 사용할 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 인쇄 구조체의 형성에 이어, 전체 인쇄 구조체는 경화를 위해 냉각 공기 및/또는 UV 방사선에 노출될 수 있다.
냉각 공기 및/또는 UV 경화(또는 가능하게는 가열)의 고도의 국소 인가를 사용하는 실시예는 3차원 구조체의 형성의 정밀도를 향상시키는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 냉각 공기를 일부 열가소성 재료에 인가하면 압출 재료가 매우 빠르게 경화되게 할 수 있어서, 비교적 짧은 기간에 만곡형 및/또는 돌출형 구조체의 형성 시 향상된 정밀도를 가능하게 한다. 추가로, 예시적인 실시예가 일부 대안적인 방법과 비교하여 짧은 기간에 비교적 큰 체적의 재료를 타깃 위치에서 압출하는 것을 고려하고 있기 때문에, 재료가 경화 제어 장치를 사용하여 압출됨에 따라 재료의 경화 시간을 감소시킴으로써 인쇄 구조체의 전체 품질을 향상시키는 것을 도울 수 있다.
도 6은 본 발명의 상세한 설명 전체를 통하여 그리고 청구범위에서 단순히 구조체로도 또한 지칭되는 몇몇 3D 인쇄 구조체(600)의 실시예의 개략 등각도이다. 구조체(600)는 예시적인 클리트 구조체(602), 후크 구조체(604) 및 노브형 구조체(606)를 포함한다. 이러한 구조체가 단지, 본 명세서에 개시된 방법을 이용하여 형성될 수 있는 가능한 3D 인쇄 구조체의 예인 것으로만 의도되는 것이 이해될 것이다. 더욱이, 적어도 일부 실시예에서, 이러한 예시적인 구조체는 3D 인쇄 방법의 일부 다른 실시예보다 전체 인쇄 시간을 감소시키는 압출 유형의 3D 인쇄 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 실시예에서, 구조체(600)는 베이스 구성요소(610)에 접합된다. 베이스 구성요소(610)는 예시를 목적으로 개략적으로 도시되고, 일부 실시예에서 신발 물품 및 의류 물품 둘 모두를 포함하는 다양한 종류의 물품의 일부인 것으로 여겨질 수 있다. 본 발명의 상세한 설명 전체에 걸쳐 그리고 청구범위에서 사용되는 바와 같이, "베이스 구성요소"는 대체적으로 하나 이상의 인쇄 구조체가 적용된 임의의 구성요소를 포함할 수 있다. 베이스 구성요소는 텍스타일 재료(직물 텍스타일, 편물 텍스타일, 편조(braided) 텍스타일 및 부직물 텍스타일을 포함), 가죽(천연 또는 합성), 플라스틱(플라스틱 필름을 포함), 고무, 금속 또는 임의의 다른 종류의 재료일 수 있다. 더욱이, 일부 실시예에서, 3D 인쇄 구조체는 베이스 구성요소의 표면 상으로 직접 인쇄될 수 있다. 그러한 실시예에서, 3D 인쇄 구조체를 형성하는 하나 이상의 재료는 베이스 구성요소의 적어도 하나의 재료와 양립가능할 수 있다. 다른 실시예에서, 3D 인쇄 구조체를 형성하는 하나 이상의 재료는, 예를 들어, 접착제 또는 기계적 연결을 이용하여, 인쇄 후에 베이스 구성요소에 적용될 수 있다.
도 7 내지 도 14는 베이스 구성요소(610) 상에 3D 인쇄 구조체(606)(노브형 구조체)를 형성하기 위한 공정의 실시예의 개략도를 도시한다. 형성된 구조체(606)는 도 14에 구체적으로 도시되어 있다. 설명을 목적으로, 형성 공정 전체를 통하여 재료의 다양한 상태 또는 구성을 나타내는 용어를 포함하는 몇몇 용어들은 3D 인쇄 구조체를 형성하는 데 사용되는 재료를 지칭하기 위하여 본 명세서에서 정의된다. 용어 "재료의 일부"는 압출 재료의 인접한 체적부 또는 부분과 연속적일 수 있거나, 연속적이지 않을 수 있는 압출 재료의 임의의 체적부 또는 부분을 지칭하기 위하여 본 명세서에서 사용된다. 재료의 일부는 (일부가 일단 압출 또는 침착되었으면) 노즐 외부에 위치될 수 있거나, 압출 전에는 노즐 내부에 (또는 심지어 노즐의 상류에) 위치될 수 있다. 또한 추가로, 재료의 일부는 노즐 내에 그리고 부분적으로는 노즐 외부에 부분적으로 배치될 수 있다. 일단 압출되고 경화되면 (예컨대, 경질화되면), 재료의 일부는 최종 3D 인쇄 구조체의 일부를 포함할 수 있다.
전술된 바와 같이, 재료(700)는 노즐(118)을 통하여 그리고 그로부터 압출된다. 노즐(118)을 나오는 재료는 본 명세서에서 "압출", "인쇄", "토출" 또는 "침착"된 것으로 특징지어질 수 있다. 재료(700)는 임의의 종류의 인쇄가능 및/또는 압출가능한 재료를 포함할 수 있다. 상이한 실시예들은 잉크, 수지, 아크릴, 중합체, 열가소성 재료, 열경화성 재료, 광경화성 재료, 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 재료를 사용할 수 있다. 일부 실시예는 또한 압출 또는 인쇄 재료 내로 포함되는 충전재 재료를 이용할 수 있다. 예를 들어, 압출 재료 내로 포함된 충전재 재료는 원하는 색상 또는 색상 패턴 또는 전이를 부여하도록 설계된 분말형 재료 또는 염료, 금속 또는 플라스틱 입자 또는 부스러기, 또는 임의의 다른 분말형 무기물, 금속, 또는 플라스틱일 수 있다. 그러므로, 적어도 일부 실시예에서, 재료(700)는 그에 따라서 복합 재료일 수 있다. 일 실시예에서, 재료(700)는 열경화될 수 있는 (즉, 인쇄를 위해 그의 유리 전이 온도를 초과하여 가열되고 이어서 냉각되어 비교적 강성인, 또는 유연하지 않은, 인쇄 구조체를 형성하는) 열가소성 재료일 수 있다.
일관성 및 편의를 목적으로, 제1 방향(702)(도 7에 개략적으로 도시됨)이 노즐(118)에 대해 정의된다. 제1 방향(702)은 노즐(118)의 중심축을 따라 연장되는 방향이고, "압출 방향", 즉, 재료가 노즐(118)로부터 압출되거나 그로부터 밀리는 방향을 정의한다. 노즐(118)이 주로 고정된 배향으로 유지되고 베이스 구성요소(610)로부터 떨어져 수직으로 상승되는 실시예에서, 제1 방향(702)은 베이스 구성요소(610)의 외부 표면(611)과 대략 수직을 유지할 수 있는데, 이는 도 7 내지 도 14의 실시예에서 도시된 바와 같다. 그러나, 도 19의 실시예에 도시된 바와 같이, 노즐(118)의 배향이 베이스 구성요소에 대해 변경될 수 있는 다른 실시예에서, 제1 방향(702)은 노즐(118)이 구조체의 단부 부분 또는 가장 최근에 형성된 부분 상에 재료를 항상 압출하고 있도록 형성된 3D 인쇄 구조체의 중심축과 대략 평행하게 유지하는 것으로서 특징지어질 수 있다.
제2 방향(704)은 제1 방향(702)에 대략 수직인 방향으로서 특징지어진다. 실시예에서는 특정 폭방향으로 배향된 것으로서 도시되어 있지만, 제2 방향(704)이 제1 방향(702)에 수직인 임의의 방향을 나타낸다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 제2 방향(704)은 제1 방향(702)에 대한 반경 방향으로서 특징지어질 수 있다. 일부 경우에, 제1 방향(702)은 축 방향으로서 특징지어질 수 있다. 도 7 내지 도 14의 실시예에서와 같이, 노즐(118)이 주로 베이스 구성요소(610)에 대해 고정된 배향으로 유지되는 실시예에서, 제2 방향(702)은 베이스 구성요소(610)의 외부 표면(611)과 대략 평행일 수 있다. 그러나, 도 19에 도시된 바와 같이, 노즐(118)의 배향이 베이스 구성요소에 대해 변경될 수 있는 실시예에서, 제2 방향(704)은 여전히 제1 방향(702)에 수직인 것으로서 특징지어질 수 있고, 대체적으로 노즐(118)에 인접한 구조체의 일부의 측 방향 또는 폭 방향과 대략 평행일 수 있다.
예시적인 실시예는 노즐을 통한 재료의 일부를 "압출하는" (즉, 추진하는 또는 미는) 것을 고려하는데, 이는 제1 방향(702)을 따라서 초기에 지향되는 재료 내에 힘 및 압력을 생성할 수 있다. 재료의 일부가 노즐(118)을 나오지만, 베이스 구성요소(610)와 접촉하고, 그리고/또는 베이스 구성요소(610) 상에 이미 형성된 재료의 일부는 주로 제1 방향(702)을 따르는 것으로부터, 주로 제2 방향(704)을 따르는 것으로 유동 방향의 변화를 야기할 수 있다. 다시 말해서, 베이스 구성요소(610) 또는 재료의 인접한 부분에 대항하여 밀리는 경우, 재료의 최근 압출 부분은 제2 방향(704)을 따라서 외향으로 유동 또는 확산하려는 경향이 있을 수 있다. 이러한 유동은 "외향 확산"으로서 대안적으로 특징지어질 수 있는데. 이는 유동이 노즐(118)로부터 제1 방향(702)으로 압출된 재료의 초기 흐름으로부터 방사상 외향인 방향으로 일어나는 경향이 있기 때문이다. 종축이 제1 방향(702)으로 배향된 채로 구조체가 형성되는 실시예에서, 이러한 외향 확산은 3D 인쇄 구조체의 측방향 치수(또는 폭방향 치수)를 따라서 배향될 수 있다.
제2 방향(704)으로 배향된 재료의 일부의 치수를 특징지을 목적으로, 용어 "단면적"은 제2 방향(704)을 따라서 취해진 재료의 일부의 단면적을 지칭하는 데 사용된다. 특히, 단면적은 대체적으로 제1 방향(702)에 수직인 (제2 방향(704)과 같은) 평면을 통하여 취해진다. 적어도 일부 실시예에서, 재료의 일부는 단면적이 대략 원형이도록 제2 방향(704)으로 외향으로 균일하게 확산될 수 있다. 그러한 경우에, 용어 "직경"은 또한 제2 방향(704)을 따라 배향된 재료의 일부의 치수를 특징짓기 위하여 사용될 수 있다. 특히, 일부에 대한 어떠한 대략적인 원형의 단면적도 특유의 대응하는 직경을 가질 수 있다.
도 7 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 예시적인 인쇄 공정에서, 재료(700)는 노즐(118)로부터 베이스 구성요소(610) 상으로 압출된다. 도 7 및 도 8에서, 재료의 제1 부분(710)이 베이스 부분(610)의 외부 표면(611) 상으로 직접 압출된다. 노즐(118)이 베이스 구성요소(610)와 직접 접촉하는 위치(도 7)로부터 베이스 구성요소(610)로부터 일정 거리(750)에 배치된 위치(도 8)로 상승됨에 따라, 재료의 제1 부분(710)은 제2 방향(704)으로의 확산을 거친다. 재료(700)가 노즐(118)로부터 연속적으로 압출됨에 따라, 재료의 제1 부분(710)은 제1 단면적(720)을 갖는 것(도 8)으로부터 제1 단면적(720)보다 더 큰 제2 단면적(722)을 갖는 것(도 9)으로 팽창된다. 이 경우, 노즐(118)의 베이스 구성요소(610)까지의 대략적인 거리가 도 8의 구성과 도 9의 구성 사이에서 변하지 않기 때문에, 재료의 제1 부분(710)은 대략 일정한 높이로 유지되고, 재료의 외향 유동은 부분적으로 노즐(118)의 단부와 베이스 구성요소(610) 사이의 재료의 제1 부분(710)의 압축(constriction)에 기인한 것으로 보일 수 있다.
이어서, 도 10에 도시된 구성으로 가면, 재료의 제1 부분(710)은 재료의 제1 부분(710)이 (미리 결정된 온도 미만의 냉각 또는 다른 메커니즘에 의해) 경화됨에 따라 그리고 노즐(118)이 베이스 구성요소(610)로부터 제2 거리(752)의 위치로 상승됨에 따라 제2 방향(704)으로 확산되는 것을 멈출 수 있다. 여기서, 재료의 제1 부분(710)은, 도 14의 재료의 제1 부분(710)의 기하학적 형상을 도 10에 도시된 구조체(606)의 대응하는 제1 부분(740)과 비교함으로써 알게 되는 바와 같이, 구조체(606)의 제1 부분을 형성하였다. 도 10에 도시된 바와 같이, 재료의 제1 부분(710)과 대체적으로 연속적인 재료의 제2 부분(712)이 노즐(118)로부터 재료의 제1 부분(710) 상으로 압출된다. 재료의 제1 부분(710)에 대항하여 아래로 밀리고 노즐(118)과 재료의 제1 부분(710) 사이에서 부분적으로 압축되어, 재료의 제2 부분(712)은 제2 방향(704)으로 외향으로 확산된다.
도 11에 도시된 공정의 다음 구성에서, 재료의 제2 부분(712)은, 도 11과 도 14를 비교함으로써 알게 되는 바와 같이, 구조체(606)의 제2 부분(742)이 형성되었을 때까지 확산되어 있다. 동시에, 재료의 제1 부분(710) 및 재료의 제2 부분(712)에 의해 각각 형성된 구조체(606)의 제1 부분(740) 및 구조체(606)의 제2 부분(742)은 제1 부분(740)으로부터 제2 부분(742)으로의 대체적으로 증가하는 단면적(및 직경)을 갖는 구조체(606)의 제일 바닥 부분을 포함한다. 대응하여, 도 11에 나타낸 구성에서, 재료의 제2 부분(712)은 재료의 제1 부분(710)의 단면적(722)보다 더 큰 단면적(724)을 갖는다. 여기서, 단면적(724) 및 단면적(722)이 단지 대표적인 단면적이도록 각 부분의 단면적이 각 부분의 높이를 통하여 가변되는 것이 이해될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 재료의 제1 부분(710) 및 재료의 제2 부분(712)에 의해 형성된 구조체(606)의 일부의 외부 표면(611)에 대한 접촉각(790)은 90도를 초과한다. 예시적인 실시예에서, 접촉각(790)은 120도 내지 160도의 범위에 있을 수 있다. 그러한 큰 접촉각은 더 넓고 다양한 부품의 기하학적 형상을 가능하게 하는데, 구조체의 디자인 및 일부 경우에는 그의 기능을 향상시키기 위하여 볼록 부분 및 오목 부분 둘 모두가 구조체의 제일 바닥 층에서 구성가능하다.
도 12에 도시된 구성에서, 재료의 제3 부분(714)이 재료의 제2 부분(712) 상으로 압출되어 있다. 더욱이, 재료(700)의 제4 부분(716)이 재료의 제3 부분(714) 상으로 압출되어 있다. 여기서, 재료의 제3 부분(714)은 단면적(726)이 재료의 제4 부분(714)의 단면적(728)보다 실질적으로 더 크다.
이러한 단계에서는, 일부 실시예에서, 경화 제어 장치(500)는 재료의 제3 부분(714) 및/또는 재료의 제4 부분(716)이 경화되는 속도를 증가시키기 위하여 적용될 수 있다. 이는 이들 부분이 추가 압출 재료를 재료의 제4 부분(716)의 상부에 지지하기에 충분히 안정적이라는 것을 보장하는 것을 도울 수 있고, 이들의 기하학적 형상이 중력 하에서의 재료 유동으로 인해 왜곡되기 전에 이들 부분이 경화되는 것을 보장하도록 도울 수 있다. 재료(700)가 열가소성 재료인 실시예에서, 경화 제어 장치(500)는 (경질화와 연관된) 미리 결정된 온도 미만의 냉각 공기를 구조체(606)의 국소 영역(즉, 재료의 제1 부분(714) 및/또는 재료의 제2 부분(716)에 대응하는 영역)으로 공급하는 냉각 장치일 수 있다. 일단 경질화되면, 재료의 제3 부분(714) 및 재료의 제4 부분(716)은 구조체(606)의 제3 부분(744) 및 제4 부분(746)에 대응한다.
도 13에서, 재료의 제5 부분(718)이 재료의 제4 부분(716) 상으로 압출되어 구조체(606)의 최상측 부분을 포함하는 구조체(606)의 제5 부분(748)을 형성한다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 재료의 제5 부분(718)은 재료의 제4 부분(716)의 단면적(728)보다 실질적으로 더 큰 단면적(729)을 갖는다.
일단 완료되면, 노즐(118)은 재료의 압출을 멈추고 도 14에 도시된 형성된 구조체(606)로부터 떨어진다. 도 14에 도시된 바와 같이, 구조체(606)를 형성하는 데 사용된 재료의 일부의 가변하는 단면적에 대응하여, 구조체(606)의 상이한 부분들은 상이한 단면적들을 갖는다. 예를 들어, 제1 부분(740), 제2 부분(742) 및 제3 부분(744)을 포함하는 구조체(606)의 바닥 부분은 대표적인 단면적(735)을 갖는다. 구조체(606)의 중간을 형성하는 제4 부분(746)은 단면적(735)보다 더 작은 대표적인 단면적(733)을 갖는다. 마지막으로, 구조체(606)의 제5 부분(748)으로 구성된 구조체(606)의 상측 부분은 단면적(733)보다 더 큰 단면적(731)을 갖는다. 따라서, 이러한 공정이, 넓었다가 좁아지고 다시 넓어지는 구조체를 포함하여, 단면의 기하학적 형상이 바닥에서 상측부까지 가변하는 구조체의 형성을 가능하게 하는 것을 알 수 있다. 더욱이, 이러한 예시적인 공정은 가변 단면적들의 임의의 조합을 갖는 상이한 부분들을 갖는 인쇄 구조체를 형성하는 데 이용될 수 있다.
대체적으로, 상이한 단면적들을 갖는 부분들의 형성은 3D 인쇄 구조체의 형성 전체를 통하여 하나 이상의 압출 제어 매개변수를 가변시킴으로써 달성될 수 있다. 이미 논의된 바와 같이, 제2 방향으로의 재료의 확산("외향 확산"으로도 또한 지칭됨)의 양은 유량, (재료의 점도와 관련된) 온도, 노즐과 재료의 하부 부분(또는 베이스 구성요소) 사이의 압축력, 및 다른 인자들을 포함하는 다양한 인자들에 기인한다. 그러므로, 3D 구조체의 인쇄 전체를 통하여 이들 매개변수 중 하나 이상을 조절함으로써 가변하는 외향 확산 및 그에 따른 가변 단면적(또는 직경)의 일부분들이 생성될 것이다.
도 7 내지 도 14에 도시된 공정에서 압출 매개변수를 가변시키기 위한 예시적인 방법을 예시하기 위하여, 유량 매개변수가 제1 방향(702)을 따라 배향된 화살표에 의해 도 7 내지 도 14의 각각에서 개략적으로 나타나 있다. 특히, 인쇄 공정의 여러 스테이지에서 유량의 크기는 화살표 길이의 차이로 표시된다(더 짧은 화살표는 상대적으로 더 느린 유량을 나타내고 더 긴 화살표는 상대적으로 더 빠른 유량을 나타낸다). 도 7 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 유량은 대체적으로 일부분의 원하는 단면적 또는 직경에 따라 변할 수 있다. 예를 들어, 도 8 및 도 9에서, 재료(700)의 유량(780)은 도 10 및 도 11에 도시된 재료(700)의 더 빠른 유량(782)과 비교하여 상대적으로 느리다. 이러한 유량의 증가는 재료의 제1 부분(710)의 단면적과 비교하여 재료의 제2 부분(712)에 대한 약간 더 큰 단면적을 야기할 수 있는데, 이는 동일한 기간 동안 더 많은 재료를 내려놓기 때문이다. 재료의 제3 부분(714)이 압출됨에 따라, 재료(700)의 유량은 유량(782)보다 더 느려서, 구조체(606)의 대응하는 부분에 대해 더 작은 단면적을 생성한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 재료의 제4 부분(716)이 압출됨에 따라, 유량(784)은 공정 동안 일어나는 다른 유량과 비교하여 최소 값을 획득할 수 있는데, 이는 제4 부분(716)(구조체(606)의 제4 부분(746)에 대응함)이 구조체(606)의 모든 부분들 중 가장 작은 단면적을 갖기 때문이다. 마지막으로, 재료의 제5 부분(718)에 대해 점진적으로 증가된 단면적을 달성하기 위하여, 유량(786)은 유량(784)에 비해 다시 증가된다.
명확성을 목적으로, 실시예는 구조체(606)에 대해 형성된 부분의 결과적인 직경을 제어하는 주된 방식으로서 재료(700)의 유량의 변화를 나타낸다. 그러나, 임의의 다른 압출 제어 매개변수가 또한, 가능하게는 다른 압출 제어 매개변수들과 조합하여, 가변될 수 있다는 것은 이해될 것이다. 예를 들어, 재료의 외향 확산의 정도를 제어하기 위한 다른 수단은 노즐 인출 속도인데, 이는 노즐의 단부와 하부 재료 사이의 재료의 압축이 외향 확산의 정도의 요인일 수 있기 때문이다. 따라서, 예를 들어, 구조체의 상대적으로 좁은 부분, 예컨대, 구조체(606)의 제3 부분(744)을 형성하는 것은 재료가 적은 외향 확산에 의해 수직으로 쌓이도록 노즐 인출 속도를 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 제3 부분(744)은 (다른 부분을 형성하기 위해 사용되는 노즐 인출 속도에 비해) 증가된 노즐 인출 속도 및 (다른 부분을 형성하기 위해 사용되는 유량에 비해) 감소된 유량으로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예는 상이한 부분들의 기하학적 형상(예컨대, 단면적) 및/또는 상이한 부분들의 다른 재료 특징(예컨대, 밀도, 경도 등)을 가변시키도록 노즐 온도(재료 온도의 대신), 주변 온도, 주변 압력 및 임의의 다른 압출 제어 매개변수의 변화를 이용할 수 있다.
도 7 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 이러한 예시적인 실시예는 재료(700)를 압출하기 위한 고정된 노즐 단면적(760)을 이용할 수 있다. 더욱이, 단면적(760)은 구조체(606)의 다양한 부분들의 단면적보다 실질적으로 더 작은 것으로 보인다. 예를 들어, 단면적(760)은 구조체(606)의 가장 좁은 부분인 구조체(606)의 제3 부분(716)의 단면적(733)보다 실질적으로 더 작다. 물론, 또 다른 실시예에서, 노즐(118)의 단면적(또는 직경)은 재료(700)의 유량을 증가(또는 감소)시키도록 가변될 수 있다.
도 7 내지 도 14에 도시된 예시적인 공정은 3D 인쇄 구조체(606)를 형성하는 속도를 향상시키는 데 유용할 수 있다. 구체적으로, 노즐(118)을 수평 층을 형성하도록 그리고 기존 층 상에 후속 층을 쌓도록 수직으로 이동시킴으로써 구조체가 형성되는 다른 실시예에서 사용된 방법과 비교할 때, 이러한 예시적인 공정은 실질적으로 감소된 인쇄 시간을 제공할 수 있다. 이는 대안적인 실시예가 원하는 3D 인쇄 부품의 전체 체적에 대응하는 경로를 통하여 노즐이 이동하는 것을 필요로 하기 때문에 일어날 수 있지만, 예시적인 방법은 노즐을 고정된 수평 위치에서 유지하고 재료의 외향 확산을 이용하여 의도된 3D 체적부를, 재료가 최종 구조체 내에 위치되어야 하는 모든 수평 위치 위로 노즐이 지나갈 필요 없이, 충전할 수 있다.
도 15 내지 도 19는 재료(800)로부터 3D 인쇄 구조체를 형성하는 공정의 다른 실시예를 도시한다. 도 15 내지 도 19를 참조하면, 후크 또는 후크형 체결구를 포함하는 3D 인쇄 구조체(604)가 앞서 설명되고 도 7 내지 도 14에 도시된 유사한 압출 공정을 이용하여 형성된다. 그러나, 도 7 내지 도 14의 실시예와 대조적으로, 도 15 내지 도 19의 공정은 베이스 구성요소로부터 멀어지는 오직 단일 방향(예컨대, 수직 방향)보다는 더 많은 방향으로 노즐(118)을 이동시키는 단계를 포함한다. 특히, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 노즐(118)은 2개의 대략 수직인 방향(예컨대, 수직 방향 및 수평 방향)으로 이동되어 구조체(604)를 형성할 수 있다.
도 15로 시작하면, 노즐(118)은 재료의 제1 부분(802)을 압출하여, 베이스 구성요소(610)에 접합되는 구조체(606)의 베이스 부분을 형성한다. 다음으로, 도 16에 도시된 바와 같이, 노즐(118)은, 재료의 제2 부분(804)이 압출됨에 따라, 제1 방향(830), 예를 들어, 수직 방향으로 상승된다. 도 17의 후속 구성에서 도시된 바와 같이, 구조체(604)에 대한 만곡된 부분을 형성하기 위하여, 노즐(118)은, 재료의 제3 부분(806)이 노즐(118)로부터 압출됨에 따라, 제1 방향(830) 및 제2 방향(832)(예컨대, 수평 방향)의 양 방향 모두로 이동될 수 있다. 더욱이, 적어도 일부 실시예에서, 경화 제어 장치(500)는, 재료(800)가 다르게는 아래로 유동하게 할 수 있는 중력에 대항하여 재료의 제3 부분(806)이 원하는 만곡형 및 돌출형 기하학적 형상을 유지하도록, 재료의 제3 부분(806)에 적용되어 경화 시간을 감소시킬 수 있다. 도 18에서, 노즐(118)은, 노즐(118)이 제1 방향(830) 및 제2 방향(832)의 양 방향 모두로 이동하는 동안 재료의 제4 부분(808)이 압출됨에 따라, 구조체(604)에 대한 만곡된 부분을 계속하여 형성한다.
적어도 일부 실시예에서, 노즐(118)은 다른 구성요소 또는 부품, 예컨대, 베이스 구성요소(610)에 대한 그의 배향을 바꾸는 것이 가능할 수 있다. 도 19에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 노즐(118)은 노즐(118)이 베이스 구성요소(610)에 대략 수직인 방식으로 더 이상 배향되지 않도록 소정 각(850)만큼 회전될 수 있다. 그 대신, 노즐(118)은 압출 재료가 재료의 제5 부분(810)의 중심축(821)과 연관된 방향을 따라 노즐(118)로부터 유동하도록 배향될 수 있다. 중심축(821)의 방향을 따라 배향된 노즐(118)에 의해, 노즐(118)로부터 압출된 재료(800)는 재료의 제5 부분(810)의 중심축(821)에 대략 수직인 방향인 외향 확산을 겪을 수 있다. 이러한 수직 방향은 측방향 축(820)으로 표시된다.
3D 인쇄 구조체의 인접 부분의 중심축과 잘 정렬되도록 노즐(118)의 배향을 조절함으로써, 압출 재료는 구조체가 형성됨에 따라 다양한 위치에서 재료의 원하지 않는 초과량을 생성할 수 있는 수직 방향 또는 다른 방향으로 쌓이는 것보다는 오히려, 중심축을 따르는 방향으로 쌓일 수 있다. 비록 도시되어 있지는 않지만, 일부 실시예는, 구조체의 형성 동안 지지를 제공할 수 있지만 구조체가 완성되고 완전히 경화된 후에는 제거될 수 있는 지지 구조체를 사용할 수 있다.
노즐(118)의 배향을 회전시키거나 또는 기울이는 것과 조합하여 노즐(118)을 수직 및 수평 방향의 양 방향 모두로 이동시킴으로써, 인쇄 시스템(100) 및 전술된 공정들은 다양한 종류의 만곡된 표면을 갖는 부분들을 포함하여 매우 다양한 기하학적 형태 및 형상을 갖는 부품을 형성하는 데 사용될 수 있다. 그러한 만곡된 표면은 곡률이 일정하거나 또는 곡률이 일정하지 않을 (예컨대, 복합 곡면일) 수 있다.
실시예들은 센서 정보로부터의 피드백에 응답하여 하나 이상의 압출 제어 매개변수를 조절하기 위한 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 압출 공정이 광학적 정보에 응답하여 하나 이상의 압출 제어 매개변수를 조절할 수 있다.
도 20은 광학적 정보에 응답하여 하나 이상의 압출 제어 매개변수를 조절하기 위한 공정의 실시예를 도시한다. 대체적으로, 도 20에 도시된 단계들 중 하나 이상이 압출 제어 시스템(204), 센서 시스템(206) 및/또는 인쇄 장치(102)의 임의의 다른 시스템 또는 구성요소에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 도 20의 공정은 추가 단계를 포함할 수 있지만, 다른 실시예에서, 도 20에 도시된 일부 단계는 선택적일 수 있다. 명확성을 목적으로, 하기 논의는 압출 제어 시스템(204)에 의해 수행되는 바와 같은 이러한 공정에서의 단계를 설명한다.
제1 단계(902)에서, 압출 제어 시스템(204)은 광학적 정보를 수신한다. 일부 실시예에서, 광학적 정보는 광학 감지 장치(416)와 같은 하나 이상의 센서로부터 수신될 수 있다. 수신된 광학적 정보는 광학 감지 장치(416)에 의해 캡처된 하나 이상의 이미지와 관련된 정보를 포함하는 임의의 종류의 아날로그 및/또는 디지털 신호를 포함할 수 있다.
단계(904)에서, 압출 제어 시스템(204)은 재료의 특정 부분에 대한 외향 확산을 특징짓는 데 광학적 정보를 이용할 수 있다. 재료의 일부의 외향 확산은 다양한 방식으로 특징지어질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 외향 확산은 주어진 순간에서의 재료의 일부의 단면적, 직경, 또는 미리 결정된 특정 방향을 따른 연장부에 의해 특징지어질 수 있다. 다른 실시예에서, 외향 확산은 재료의 일부가 외향으로 확산하는 속도인 외향 확산 속도에 의해 특징지어질 수 있다. 적용에 따라서는, 특정 시간에서의 재료의 일부의 확산의 절대 범위 또는 특정 시간에서의 재료의 일부의 외향 확산의 속도를 이용하는 것이 더 유용할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 외향 확산의 다른 특징이 이용될 수 있다. 편의를 목적으로, 특정 시간에서의 재료의 일부에 대해 사용되는 외향 확산의 특정한 특징은 외향 확산값으로 지칭된다.
상이한 실시예들에서, 측정된 또는 감지된 외향 확산값은 광학적 정보를 이용하여 판정될 수 있다. 일부 실시예에서, 압출 재료의 일부의 광학 감지 장치(416)에 의해 캡처된 하나 이상의 이미지는 하나 이상의 방향으로의 외향 확산의 절대 범위, 및/또는 외향 확산 속도를 판정하기 위하여 분석될 수 있다. 이미지 데이터를 분석하기 위한 임의의 공지된 알고리즘이 절대 외향 확산에 대한 측정된 또는 감지된 값 및/또는 외향 확산 속도를 판정하기 위하여 이용될 수 있다.
단계(906)에서, 압출 제어 시스템(204)은 메모리로부터 (예컨대, 데이터베이스로부터) 주어진 시간에 예측된 외향 확산값을 검색할 수 있다. 측정된 또는 감지된 외향 확산값과 대조적으로, 예측된 외향 확산값은 재료 유량, 노즐 인출 속도, 압출 온도의 추정값에 기초하여, 그리고 가능하게는 다른 인자들을 이용하여 미리 결정되는 값이다. 따라서, 예측된 외향 확산값은 원하는 부품의 기하학적 형상이 달성될 수 있도록 어떻게 확산이 일어날 것으로 예측되는가를 나타낸다. 예측된 외향 확산값은 인쇄 재료 결함, 베이스 구성요소 재료 및 기하학적 형상의 차이, 주변 상태(예컨대, 온도 및 압력)의 차이, 및 가능하게는 다른 인자들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 인자들로 인해 감지된 외향 확산값으로부터 변할 수 있다.
단계(908)에서, 감지된 외향 확산값은 예측된 외향 확산값과 비교된다. 감지된 외향 확산값이 예측된 외향 확산값의 미리 결정된 허용오차 내에 있으면, 시스템은 어떠한 조절도 없이 재료를 계속 압출할 수 있다. 그러나, 감지된 외향 확산값이 미리 결정된 허용오차를 초과하여 예측된 외향 확산값과 상이하면, 압출 제어 시스템(204)은 단계(910)로 진행하여 하나 이상의 압출 제어 매개변수에 대해 조절을 수행한다.
도 21은 피드백을 압출 제어 시스템에 제공하기 위하여 광학적 정보가 이용되는 공정의 개략도를 도시한다. 도 21을 참조하면, 광학 감지 장치(416)는 재료(1010)의 일부가 노즐(118)로부터 압출된 후에 재료(1010)의 일부에 대한 광학적 정보를 캡처하도록 위치된다. 이러한 광학적 정보는 재료(1010)의 일부가 베이스 구성요소(1005) 상에서 외향 확산됨에 따라 그의 대략적인 직경의 실시간 측정값인 감지된 외향 확산부 직경(1022)을 판정하는 데 이용될 수 있다. 도 21의 노즐(118) 및 재료(1010)의 일부의 개략도에서는, 재료(1010)의 일부의 감지된 확산부 직경(1022)이 특정 순간에 대해 도시되어 있다.
도 21의 도표에서, 감지된 외향 확산부 직경(1022)은 시간의 함수로 그려져 있다. 추가로, 예측된 외향 확산부 직경(1020)이 또한 시간의 함수로서 그려져 있다. 이러한 경우에, 예측된 외향 확산부 직경(1020)은 시간에 따른 재료의 대체적으로 일정한 확산(예컨대, 일정한 확산 속도)을 나타내는 대략 직선인 라인을 따른다. 예측된 외향 확산부 직경(1020)이 명확성을 위하여 여기서 사용되는 단지 하나의 예시적인 유형의 함수이고, 다른 실시예에서는 예측된 외향 확산부 직경(1020)의 거동이 비선형일 수 있다는 것이 이해될 것이다.
시각(T1)에서, 예측된 외향 확산부 직경(1020) 및 감지된 외향 확산부 직경(1022)은 대략 동일할 수 있다. 다시 말해서, 이 시점에서, 감지된 외향 확산부 직경(1022)은 예측된 외향 확산부 직경(1020)의 미리 결정된 허용오차 내에 있을 수 있다. 이는 재료(1010)의 일부가 의도된 3D 인쇄 구조체의 제1 부분 또는 층을 형성하기 위하여 원하는 방식으로 확산되고 있다는 것을 나타낸다. 그러나, 그 후의 시각(T2)에서, 감지된 외향 확산부 직경(1022)은 실질적으로 예측된 외향 확산부 직경(1020) 미만으로 떨어지는데, 이는 재료(1010)의 일부가 원하는 방식으로 (예컨대, 원하는 속도로) 확산되고 있지 않다는 것을 나타낸다. 압출 제어 시스템(204)이 감지된 외향 확산부 직경(1022)의 이러한 상대적인 감소를 검출함에 따라, 압출 제어 시스템(204)은 재료(1010)의 일부에서의 더 빠르고/빠르거나 더 많은 확산을 유도하도록 재료(1008)의 유량 또는 압출 속도를 조절할 수 있다. 특히, 시각(T2)에서, 유량은 (시각(T1)과 연관된) 초기 유량(1040)으로부터 새로운 증가된 유량(1042)으로 증가된다. 시각(T2) 이후에, 감지된 외향 확산부 직경(1022)은 증가하기 시작하여 예측된 외향 확산부 직경(1020)의 미리 결정된 허용오차 내에 다시 한번 들어올 수 있다.
그 후의 시각(T3)에서, 감지된 외향 확산부 직경(1022)은 예측된 외향 확산부 직경(1020) 초과로 증가하여, 그에 의해 재료(1010)의 일부가 너무 빠르게 유동하고 있고 가능하게는 너무 멀리 연장되고 있는 것을 나타낸다. 그러므로, 시각(T3)에서, 유량은, (시각(T1)과 연관된) 초기 유량(1040) 및 (시각(T2)과 연관된) 유량(1042) 둘 모두보다 실질적으로 더 낮은 유량인 새로운 감소된 유량(1044)으로 조절된다. 시각(T3) 이후에, 감지된 외향 확산부 직경(1022)은 감소하기 시작하여 예측된 외향 확산부 직경(1020)의 미리 결정된 허용오차 내에 다시 한번 들어올 수 있다. 그러므로, 재료의 일부가 어떻게 확산되고 있는가에 대한 감지된 광학적 정보에 응답하여 유량(또는 다른 압출 제어 매개변수)을 연속적으로 조절하는 수단을 제공하면, 이러한 공정은 반복적일 수 있다. 더욱이, 예시적인 공정이 인쇄 구조체 내의 재료의 하부 층에 대응하는 재료(1010)의 특정 부분에 대해 도 21에 도시되어 있지만, 이러한 공정은 인쇄 구조체의 형성 시 재료의 모든 부분 및 층에 대해 이용될 수 있다.
도 22는 재료의 최근 압출 부분에 대한 감지된 정보에 응답하여 경화 제어 장치를 재료의 최근 압출 부분에 적용하기 위한 공정의 실시예를 도시한다. 단계(1102)에서, 압출 제어 시스템(204)은 압출 부분 및/또는 주변 상태에 대한 하나 이상의 센서로부터의 감지된 정보를 수신할 수 있다. 정보를 압출 제어 시스템(204)에 공급할 수 있는 예시적인 센서에는 온도 센서, 압력 센서, 유량 센서, 광학 센서 및 가능하게는 다른 종류의 센서들이 포함된다. 단계(1104)에서, 압출 제어 시스템(204)은 재료의 최근 압출 부분이 경화되었는가 여부를 판정하기 위하여 감지된 정보를 이용한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 광학적 정보는 압출 부분이 안정적이거나 또는 이동하지 않고 그에 따라서 경화될 것인지 여부를 판정하는 데 이용될 수 있다. 최근 압출 부분이 아직 경화되지 않고 더 많은 재료를 압출하기 전에 재료의 일부를 정착시킬 필요가 있는 경우, 경화 제어 장치가 사용되어 재료의 일부를 직접 경화시킬 수 있다. 이러한 경우에, 압출 제어 시스템(204)은 단계(1106)로 이동하여 압출 부분에 냉각 및/또는 UV 경화를 적용한다.
물론, 일부 실시예에서, 경화 속도를 증가시키기 위한 압출 재료의 하나 이상의 부분에 대한 경화 제어 장치의 직접적인 적용은 감지된 정보에 의존하지 않고서 자동으로 수행될 수 있다. 특히, 앞선 실시예에서 이미 서술된 바와 같이, 인쇄 공정 동안 안정성을 유지하도록 신속한 경화를 요구할 수 있는 특정한 기하학적 형상을 갖는 부분을 형성하는 공정의 일부로서 경화 속도를 증가시키기 위하여 직접 경화(예컨대, 냉각)가 수행될 수 있다.
실시예들은 텍스타일 재료와 같은 베이스 구성요소에 고정될 수 있는 3차원 인쇄 구조체를 적용하기 위한 설비를 포함할 수 있다. 압출 재료의 외향 확산을 야기하는 압출 공정을 이용하는 실시예에서, 노즐이 위치되는 측부로부터 베이스 구성요소의 반대편 측부 상에 재료의 외향 확산을 유도하는 것이 가능할 수 있다. 이는 인쇄 구조체와 연관된 체적부 내의 모든 위치 위로 노즐이 지나갈 필요가 있는 대안적인 공정으로는 달성가능하지 않을 수 있는 고정 부분의 생성을 가능하게 할 수 있다.
도 23 내지 도 27은 3D 고정 구조체(1200)를 인쇄하기 위한 공정의 실시예의 개략도를 도시하는데, 3D 고정 구조체는 그가 형성됨에 따라 베이스 구성요소(1202)에 직접 고정된다. 도 23 내지 도 27에 도시된 바와 같이, 예시적인 공정은 노즐(118), 베이스 구성요소(1202) 및 성형 구성요소(1250)를 이용할 수 있다. 노즐(118)이 베이스 구성요소(1202)의 제1 면(1210) 상에 배치될 수 있는 한편, 성형 구성요소(1250)는 베이스 구성요소(1202)의 제2 면(1212) 상에 배치될 수 있다. 더욱이, 제1 면(1210)과 제2 면(1212) 사이에 유체 연통을 제공하기 위하여, 베이스 구성요소(1202)는 개방부(1214)를 포함한다.
도 24에 도시된 바와 같이, 재료(1220)는 노즐(118)로부터 압출되고 개방부(1214)를 통하여 유동한다. 베이스 구성요소(1202)의 제2 면(1212)에 대항하여 제위치에 있는 성형 구성요소(1250)에 의해, 재료의 제1 부분(1222)은 성형 구성요소(1250)의 캐비티(1252) 내로 유동한다. 도 25에서, 재료의 제1 부분(1222)은 캐비티(1252)의 전체에 충전된다. 캐비티(1252)의 개방부(1254)는 직경(1256)을 갖고(도 23 참조), 재료의 제1 부분(1222)은 베이스 구성요소(1202)의 제2 면(1212)에 바로 인접한 직경(1223)을 얻는다. 더욱이, 재료의 제1 부분(1222)의 직경(1223)이 개방부(1214)의 직경(1215)보다 더 크기 때문에, 재료의 제1 부분(1222)은 개방부(1214)를 통과하는 것이 방지된다.
도 26에서, 재료의 제2 부분(1224)이 노즐(118)로부터 압출되고 베이스 구성요소(1202)의 제1 면(1210) 상에서 측방향으로 확산되기 시작한다. 도 27에서, 재료의 제2 부분(1226)은 개방부(1214)의 직경(1215)보다 실질적으로 더 큰 직경(1227)을 얻는 것으로 보인다. 따라서, 고정 구조체(1200)는 베이스 구성요소(1202) 또는 고정 구조체(1200)를 회복불가능하게 손상시키지 않고서는 고정 구조체(1200)가 베이스 구성요소(1202)로부터 분리될 수 없도록 하는 방식으로 형성된다.
고정 구조체(1200)가 도 23 내지 도 27에 도시된 공정에서와 같이 형성된 상태에서, 추가 압출 재료가 베이스 구성요소(1202)의 제1 면(1210)으로부터 떨어져 연장되는 다양한 3D 구조체를 형성하도록 추가될 수 있다. 이러한 구조체는 클리트, 후크, 노브형 체결구 및 다른 구조체들과 같은 이미 논의된 3D 인쇄 구조체들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
구조체를 고정하는 것은 단일 개구를 사용하여 달성될 수 있거나, 또는 둘 이상의 개구를 사용하여 성취될 수 있다. 사용되는 개구의 개수는 사용된 베이스 구성요소의 유형 및 형성된 3D 구조체의 기하학적 형상에 따라 변할 수 있다.
상이한 실시예들에서, 사용된 성형 구성요소의 유형은 변할 수 있다. 예를 들어, 성형 구성요소는 크기, 캐비티 형상, 재료 구성, 및 다른 특성이 변할 수 있다. 본 기술 분야에서 공지된 임의의 종류의 몰드가 사용될 수 있다. 사용된 몰드의 유형은 최종 구조체의 원하는 기하학적 형상(특히 베이스 구성요소(1202)의 제2 면(1212) 상의 부품의 기하학적 형상), 필요한 부품 크기, 몰드 재료의 온도 허용오차, 및 가능하게는 다른 인자들에 따라서 선택될 수 있다.
성형 구성요소의 변형예의 일 예로서, 도 28은 2개의 대안적인 설계를 도시한다. 도 28을 참조하면, 제1 성형 구성요소(1302)는, 도 23의 성형 구성요소(1250)의 캐비티(1252)의 대략 둥근 (또는 돔형의) 기하학적 형상과는 대조적으로, 대체적으로 직사각형인 기하학적 형상을 갖는 캐비티(1303)를 갖는다. 또한, 제2 성형 구성요소(1304)는 대체적으로 불규칙한 기하학적 형상을 갖는 캐비티(1305)를 갖는다. 캐비티의 기하학적 형상의 이러한 변형은 (몰드가 배치되는 베이스 구성요소의 면 상의 구조체의 일부에 대해) 형성된 3D 구조체의 기하학적 형상의 대응하는 변형을 야기할 수 있다.
일부 다른 실시예에서, 고정 구조체는 별개의 개구들을 포함하지 않을 수 있는 편물, 메시 또는 편조 패브릭과 같은 재료를 통하여 압출 재료를 밀어 넣어줌으로써 생성될 수 있다. 그러한 실시예가 도 29에 도시되어 있다. 여기서, 고정 구조체(1400)는 베이스 구성요소(1408)의 제1 면(1410) 상의 제1 부분(1402), 및 베이스 구성요소(1408)의 제2 면(1412) 상의 제2 부분(1404)을 포함한다. 제1 부분(1402) 및 제2 부분(1404)은 베이스 구성요소(1408) 내의 개방 공간을 통하여 밀어 넣어진 압출 재료 부분(1420)에 의해 연결된다.
도 30은 인쇄 구조체를 수용할 수 있는 물품을 유지 또는 지지하기 위한 2가지 상이한 방법들과 함께 하는 인쇄 장치(102)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 30에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 평탄한 상부 부분(1502)은 인쇄 장치(102) 내에 내장된 트레이(112) 상에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 조립된 신발 물품(1504)은 인쇄 장치(102) 내로 삽입될 수 있는 신발 보유 장치(1506)와 연계될 수 있다. 일부 실시예에서, 신발 보유 장치(1506)는 신발 물품(1504)의 대략 평탄화된 부분을 인쇄용 노즐로 보내도록 구성될 수 있다. 사용될 수 있는 예시적인 신발 보유 장치가, 발명의 명칭이 "물품용 보유 조립체(Holding Assembly for Articles)"이고 __________자로 공개된 밀러(Miller)의 미국 특허 출원 공개 __________호(2013년 4월 23일자로 출원된 지금은 미국 특허 출원 제13/868,130호임)에 개시되어 있는데, 이 출원의 전체가 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.
텍스타일로 구성된 물품을 포함하는 물품의 일부 상에 직접 3D 구조체를 인쇄하기 위한 일반적인 시스템 및 방법이, 발명의 명칭이 "3D 인쇄에 의한 신발 조립 방법(Footwear Assembly Method with 3D Printing)"이고 2014년 1월 23일자로 공개된 존스(Jones) 등의 미국 특허 출원 공개 제2014/0020192호(2012년 7월 19일자로 출원된 지금은 미국 특허 출원 제13/553,368호임)에 개시되어 있는데, 이 출원의 전체가 본 명세서에 참고로 포함되어 있고, 이후에는 "3D 인쇄" 출원으로 지칭된다. 특히, 3D 인쇄 출원은 소수성 또는 비습윤성 표면을 갖지 않을 수 있는 텍스타일 또는 베이스 구성요소 상으로 인쇄하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 3D 인쇄 출원은 또한 직물, 편물, 편조 또는 다른 종류의 패브릭 또는 텍스타일 재료에서 접하는 것들과 같은 불규칙한 표면 상으로 인쇄하기 위한 시스템 및 방법을 교시한다.
도 31은 신발 물품(1600)의 실시예의 등각도이다. 도 31에 도시된 바와 같이, 신발 물품(1600)은 끈 또는 다른 체결물에 의해 결합될 수 있는 체결구의 형태인 복수의 3D 인쇄 구조체를 포함한다. 구체적으로, 신발 물품(1600)은 앞서 도 7 내지 도 14에서 논의되고 도시된 바와 같은 3D 인쇄 공정을 이용하여 형성된 한 세트의 노브형 체결구(1602)를 포함한다. 추가로, 신발 물품(1600)은 앞서 도 15 내지 도 19에서 논의되고 도시된 바와 같은 3D 인쇄 공정을 이용하여 형성된 한 세트의 후크 체결구(1604)를 포함한다. 따라서, 이들 실시예에서 논의된 예시적인 인쇄 (구체적으로, 압출) 공정이 신발 물품 및 다른 종류의 물품을 위한 체결구와 같은 기능적 구조체를 형성하기 위하여 이용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
실시예들은 3D 인쇄 구조체를 형성하는 속도를 향상시키기 위하여 추가 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 3D 인쇄 구조체의 적어도 2개의 상이한 부분들을 형성하기 위하여 2개의 상이한 인쇄 공정들을 이용하여 3D 인쇄 구조체가 형성될 수 있다. 일부 경우에, 예를 들어, 3D 인쇄 구조체의 제1 부분이 제1 3D 인쇄 공정을 이용하여 형성될 수 있는 한편, 3D 인쇄 구조체의 제2 부분은 제1 3D 인쇄 공정과 별개인 제2 3D 인쇄 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
도 32는 베이스 구성요소(1720)에 부착된 3D 인쇄 구조체(1700), 또는 단순히, 구조체(1700)의 실시예의 개략도를 도시한다. 도 32의 실시예에서, 구조체(1700)는 신발 물품과 함께 사용하기 위한 클리트의 형태를 갖는다. 그러나, 다른 실시예에서, 유사한 인쇄 구조체가 여러 상이한 형상들로 그리고 상이한 목적들로 형성될 수 있다. 다시 말해서, 구조체(1700)에 대해 논의된 원리가 클리트 또는 유사한 부품을 제조하는 것으로 제한되도록 하려는 것은 아니다.
도 32에 도시된 실시예에서, 구조체(1700)는 2개의 상이한 부분들로 구성된다. 특히, 구조체(1700)는 외부 쉘 부분(1702) 및 내부 부분(1704)을 포함한다. 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 외부 쉘 부분(1702) 및 내부 부분(1704)은 크기, 체적, 형상, 재료, 색상, 및 가능하게는 다른 특징들을 포함하는 하나 이상의 특징이 상이할 수 있다.
상이한 실시예들에서, 외부 쉘 부분(1702)의 기하학적 형상은 다를 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)은 대체적으로 둥근 기하학적 형상을 가질 수 있다. 일부 경우에, 예를 들어, 외부 쉘 부분(1702)은 돔형의 기하학적 형상을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)은 대체적으로 원추형인 기하학적 형상을 가질 수 있다. 일부 경우에, 예를 들어, 외부 쉘 부분(1702)은 절두 원추형인 기하학적 형상을 가질 수 있다.
적어도 일부 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)은 하나 이상의 개방부를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)은 단일 개방부를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)은 2개의 개방부를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)은 3개 이상의 개방부를 포함할 수 있다. 도 32에 도시된 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)은 단일 개방부(1703)를 포함한다.
상이한 실시예들에서, 외부 쉘 부분(1702) 내의 하나 이상의 개방부의 위치는 다를 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 개방부는 베이스 구성요소(1720)에 인접하게 위치된 외부 쉘 부분(1702)의 일부 상에 배치될 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 개방부는 베이스 구성요소(1720)로부터 가장 멀리 배치된 외부 쉘 부분(1702)의 일부 상에 배치될 수 있다. 도 32에 도시된 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)의 개방부(1703)는 외부 쉘 부분(1702)의 팁 부분(1706)에 배치된다.
일부 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)은 재료의 대체적으로 얇은 부분을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)의 두께(1730)는 외부 쉘 부분(1702)의 직경(1731)보다 실질적으로 작을 수 있다. 더욱이, 일부 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)의 두께(1730)는 외부 쉘 부분(1702)의 (베이스 구성요소(1720)로부터 측정될 때의) 높이(1732)보다 실질적으로 작을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)의 두께(1730)는 대략 0.01 밀리미터 내지 5 밀리미터 범위 내의 값을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 두께(1730)는 5 밀리미터 초과일 수 있다.
내부 부분(1704)은 대체적으로 외부 쉘 부분(1702)에 의해 경계지어지는 내측부 영역에 충전될 수 있다. 그러므로, 내부 부분(1704)의 기하학적 형상은 대체적으로 외부 쉘 부분(1702)의 기하학적 형상에 대응할 수 있다. 외부 쉘 부분(1702)이 대략 돔형인 기하학적 형상을 갖는 실시예에서, 내부 부분(1702)은 또한 돔형의 기하학적 형상을 가질 수 있다. 외부 쉘 부분(1702)이 원추형(절두 원추형을 포함)의 기하학적 형상을 갖는 실시예에서, 내부 부분(1704)은 유사한 원추형의 기하학적 형상을 가질 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서는, 외부 쉘 부분(1702)에 의해 경계지어지는 내측부 영역이 외부 쉘 부분(1702)의 외부측의 기하학적 형상에 대응하는 기하학적 형상을 갖지 않는 것이 고려된다. 그러한 경우에, 내부 부분(1704)의 기하학적 형상은 외부 쉘 부분(1702)의 내부측의 형상에 의해 유도되는 기하학적 형상에 대체적으로 대응할 수 있다.
일부 실시예에서, 외부 쉘 부분이 3D 인쇄 구조체의 전체 체적의 비교적 작은 비율을 포함할 수 있는 한편, 내부 부분은 3D 인쇄 구조체의 전체 체적의 큰 비율(적어도 대부분)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 32의 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)은 구조체(1700)의 전체 체적의 제1 비율을 포함하는 제1 체적을 갖는 것으로 보인다. 또한, 내부 부분(1704)은 구조체(1700)의 전체 체적의 제2 비율을 포함하는 제2 체적을 갖는 것으로 보인다. 예시적인 실시예에서, 제2 비율은 제1 비율보다 실질적으로 더 커서, 외부 쉘 부분(1702)이 구조체(1700)의 전체 체적의 작은 비율만을 포함하는 한편, 내부 부분(1704)은 구조체(1700)의 전체 체적의 큰 비율을 포함하게 한다.
제1 비율 및 제2 비율의 값들은 실시예마다 다를 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 비율은 대략 1 퍼센트 내지 30 퍼센트 범위의 값을 가질 수 있다. 그에 대응하여, 그러한 실시예에서, 제2 비율은 대략 70 퍼센트 내지 99 퍼센트 범위의 값을 가질 수 있다. 여기서, 구조체(1700)가 외부 쉘 부분(1702)과 내부 부분(1704)으로만 이루어진 실시예에서 제1 비율과 제2 비율의 총합이 100 퍼센트이어야 하는 것은 이해되어야 한다.
일부 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)이 제1 3D 인쇄 공정을 이용하여 형성될 수 있는 한편, 내부 부분(1704)은 제1 3D 인쇄 공정과 별개인 제2 3D 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 각각의 부분에 대해 상이한 인쇄 공정들을 이용함으로써 효율 및/또는 제조 속도의 향상을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 하기 실시예는 외부 쉘 부분(1702)이 비교적 느린 인쇄 공정을 이용하여 형성되는 한편 내부 부분(1704)은 비교적 빠른 인쇄 공정을 이용하여 형성되는 인쇄 방법을 예시한다. 내부 부분(1704)이 구조체(1700)의 체적의 대부분을 포함하기 때문에, 그러한 인쇄 방법은 구조체(1700)의 체적이 비교적 느린 인쇄 공정을 이용하여 인쇄되었을 경우보다 유의하게 더 짧은 기간에 구조체(1700)가 형성되게 할 수 있다.
도 32에 도시된 바와 같이, 적어도 일부 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702) 및 내부 부분(1704)은 상이한 노즐들 및/또는 인쇄 헤드들을 이용하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)이 제1 노즐(1740)을 이용하여 형성될 수 있는 한편, 내부 부분(1704)은 제2 노즐(1742)을 이용하여 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 노즐(1740)이 제1 개구(1741)를 갖는 한편, 제2 노즐(1742)은 제2 개구(1742)를 갖는다. 일 실시예에서, 제1 개구(1741)는 제2 개구(1742)보다 실질적으로 더 작은 직경을 가질 수 있다. 이러한 구성에 의해, 재료의 더 큰 전체 체적이 주어진 기간 동안 제1 개구(1741)를 통하기보다는 제2 개구(1742)를 통하여 유동할 수 있다.
일부 실시예가 외부 쉘 부분(1702) 및 내부 부분(1704)을 형성하기 위하여 상이한 노즐들을 사용할 수 있지만, 다른 실시예는 외부 쉘 부분(1702) 및 내부 부분(1704) 둘 모두를 형성하기 위하여 단일 노즐을 사용할 수 있다. 그러한 대안적인 실시예가 아래에서 설명되고 도 36 내지 도 38에 도시되어 있다.
상이한 실시예들에서, 외부 쉘 부분(1702) 및 내부 부분(1704)을 포함하는 재료는 다를 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)은 제1 재료로 구성될 수 있고 내부 부분(1704)은 제2 재료로 구성될 수 있다. 일부 경우에, 제1 재료는 제2 재료와 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 경우에, 제1 재료는 제2 재료와 실질적으로 상이할 수 있다.
상이한 실시예들에서, 제1 재료 및 제2 재료의 강성은 다를 수 있다. 예를 들어, 경화된 경우, 외부 쉘 부분을 형성하는 제1 재료가 제1 강성을 가질 수 있는 한편, 내부 부분을 형성하는 제2 재료는 경화된 경우 제2 강성을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 강성은 제1 강성보다 더 클 수 있다. 일례로서, 클리트 구조체에 대한 일부 실시예에서, 제1 재료가 견인력을 제공하고 외부 쉘 부분에 주어지는 고무일 수 있는 한편, 내부 부분은 구조체를 제공하고 클리트 구조체를 지지하는 더 단단한 플라스틱일 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 강성은 제1 강성보다 더 작을 수 있다. 일례로서, 클리트 구조체의 일부 실시예에서, 제1 재료가 외부 쉘 부분에 대해 강도 및/또는 견인력을 제공하는 단단한 고무 또는 플라스틱일 수 있는 한편, 제2 재료는 지지 또는 완충을 위한 발포체 재료일 수 있다.
물론, 다른 실시예에서, 재료들의 또 다른 조합이 사용될 수 있다. 특히, 제1 재료 및 제2 재료는 중량, 강도, 완충작용, 베이스 구성요소와의 접합 양립가능성, 및 다른 재료 특성을 포함하지만 이에 제한되지 않는 특성들이 상이한 재료들의 다양한 조합을 달성하도록 선택될 수 있다.
도 33 내지 도 35는 구조체(1700)를 형성하기 위한 공정의 실시예의 개략도를 도시한다. 도 33에 도시된 바와 같이, 외부 쉘 부분(1702)은 제1 노즐(1740)을 먼저 사용하여 형성될 수 있다. 개략적으로 나타낸 바와 같이, 외부 쉘 부분(1702)은 제1 3D 인쇄 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 3D 인쇄 공정은 압출 재료(1780)를 이용하여 외부 쉘 부분(1702)의 수평 층을 형성하기 위하여 제1 노즐(1740)을 베이스 구성요소(1720) 위에 수평으로 이동시키는 단계를 포함한다. 앞서 논의되고, 예를 들어 도 7 내지 도 14에 도시된 실시예와 달리, 제1 3D 인쇄 공정은 인쇄된 (또는 압출된) 재료의 실질적인 외향 확산을 수반하지 않는다. 일단 수평 층, 예를 들어 도 33에 도시된 인쇄 층(1785)이 형성되었으면, 제1 노즐(1740)은 수직 방향으로 일정 증분량으로 상승될 수 있다. 이때, 도 34에 도시된 바와 같이, 제1 노즐(1740)은 인쇄 층(1785)의 상부에 인쇄 재료(1787)의 후속 층을 형성하도록 수평 방식으로 다시 이동할 수 있다.
적어도 일부 실시예에서, 일단 외부 쉘 부분(1702)이 충분히 형성되었으면, 외부 쉘 부분(1702)은 내부 부분(1704)을 형성하기 전에 경화될 수 있다. 일부 경우에, 경화는 외부 쉘 부분(1702)이 형성됨에 따라 달성될 수 있다. 다른 경우에, 경화는 외부 쉘(1702)이 형성된 후이지만 내부 부분(1704)이 형성되기 전에 달성될 수 있다. 그러나, 또 다른 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)은 내부 부분(1704)이 형성된 후에 완전히 (또는 부분적으로) 경화될 수 있다.
일단 외부 쉘 부분(1702)이 제1 3D 인쇄 공정에 의해 형성되었으면, 제1 노즐(1740)은 외부 쉘 부분(1702)으로부터 떨어지게 이동될 수 있다. 도 35에 도시된 바와 같이, 제2 노즐(1742)은 개방부(1703) 위의 위치로 이동될 수 있다. 이때, 제2 3D 인쇄 공정이 외부 쉘 부분(1702)의 내측 공동(void)(1709)을 제2 재료(1784)로 충전하도록 이용될 수 있다. 도 35에 도시된 바와 같이, 제2 3D 인쇄 공정은 제2 재료(1784)가 내측 공동(1709) 내로 압출 또는 그렇지 않으면 침착됨에 따라 제2 노즐(1742)을 개방부(1703) 위의 실질적으로 고정된 위치에 유지시키는 것을 수반할 수 있다. 제2 3D 인쇄 공정은 제2 재료(1784)가 내측 공동(1709)의 전체를 충전할 때까지 계속될 수 있고, 그에 의해 구조체(1700)의 내부 부분(1704)을 형성한다.
외부 쉘 부분(1702)을 형성하는 데 이용된 제1 3D 인쇄 공정 및 내부 부분(1704)을 형성하는 데 이용된 제2 3D 인쇄 공정은 하나 이상의 속성이 상이할 수 있다. 이미 언급된 바와 같이, 제1 3D 인쇄 공정은 재료의 수평 층을 형성하기 위하여 수평 평면 내에 배치된 일련의 위치들을 통하여 제1 노즐(1740)을 이동시키는 것을 포함한다. 수평 층의 형성 시, 제1 노즐(1740)은 후속 수평 층을 형성하기 위하여 수직 방향으로 잠시 상승될 수 있다. 그에 반해서, 제2 3D 인쇄 공정은 대략 고정된 수직 및 수평 위치에서 제2 노즐(1742)을 유지하는 것, 및 외부 쉘 부분(1702)의 개방부(1703)를 통하여 제2 재료(1784)를 압출하는 것을 포함한다. 그러므로, 외부 쉘 부분(1702)과 달리, 내부 부분(1704)은 일련의 적층된 수평 층들을 인쇄하는 공정을 거쳐 형성되는 것이 아니라, 대신, 제2 재료(1784)를 내측 공동(1709) 내로 가압함으로써 형성된다. 그러므로, 외부 쉘 부분(1702)의 생성된 기하학적 형상이 제1 3D 인쇄 공정 동안 제1 노즐(1740)에 의해 취해지는 세공 경로(tooling path)에 의해 한정되는 한편, 내부 부분(1704)의 생성된 기하학적 형상은 내측 공동(1709)의 내측부 기하학적 형상에 의해 유도되고, 제2 노즐(1742)의 이동을 거의 내지 전혀 필요로 하지 않는다는 것을 알 수 있다.
제1 3D 인쇄 공정 및 제2 3D 인쇄 공정은 또한 외향 확산의 정도에 의해 구별될 수 있다. 제1 3D 인쇄 공정은 외향 확산을 거의 내지 전혀 야기하지 않는 매우 미세한 층으로 재료를 침착시킬 수 있다. 특히, 제1 3D 인쇄 공정을 이용하여 침착된 재료에 대한 외향 확산의 정도는 제1 노즐(1740)의 개구(1741)(도 32 참조)의 직경의 200% 미만일 수 있다. 다시 말해서, 제1 노즐(1740)에 의해 인쇄된 재료는 제1 노즐(1740)의 직경의 2배보다 더 큰 크기로 확산될 수 없다. 그에 반하여, 제2 3D 인쇄 공정은 외부 쉘 부분(1702)의 내측 공동(1709)을 충전하기 위하여 실질적인 외향 확산에 의존한다. 따라서, 제2 노즐(1742)로부터 압출된 재료의 외향 확산은 제2 노즐(1742)의 개구(1743)(도 32 참조)의 직경보다 여러 배 더 클 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 재료의 일부는 개구(1743)의 직경의 적어도 500%의 직경으로 확산될 수 있다.
구조체(1700)를 형성하기 위한 예시적인 공정은 인쇄 구조체의 기하학적 형상에 대해 정밀도를 유지하면서 인쇄 속도의 향상을 가능하게 할 수 있다. 이는, 정밀하게 제어되는 인쇄 공정을 이용하여 임의의 원하는 기하학적 형상을 갖는 비교적 얇은 외부 쉘 부분을 인쇄하고 이어서 인쇄 재료를 외부 쉘 부분의 내측부 내로 빠르게 압출 또는 그렇지 않으면 침착시켜 그 내측부를 충전시킴으로써 달성될 수 있다. 제1 3D 인쇄 공정을 이용하여 구조체의 얇은 외부 쉘만을 형성하고 제2 3D 인쇄 공정을 이용하여 큰 체적을 형성함으로써, 구조체(1700)의 인쇄 시간은 제2 3D 인쇄 공정이 제1 3D 인쇄 공정보다 대체적으로 더 빠르기 때문에 감소될 수 있다.
외부 쉘 부분(1702)을 형성하기 위한 공정이 단지 예시적인 것으로 의도됨이 이해될 것이다. 다른 실시예에서, 외부 쉘 부분(1702)은 임의의 공지된 3D 인쇄 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 일부 예시적인 인쇄 공정은 앞서 언급된 것들 중 임의의 것을 포함한다.
도 36 내지 도 38은 3D 인쇄 구조체(1800)를 형성하기 위한 대안적인 공정을 예시한다. 대체적으로, 도 36 내지 도 38에 도시된 공정은 도 33 내지 도 35에 도시된 공정과 적어도 일부 측면에서 유사할 수 있다. 특히, 도 36 내지 도 38의 공정은 상이할 수 있는 제1 3D 인쇄 공정 및 제2 3D 인쇄 공정을 이용하는 것을 포함한다. 그러나, 도 33 내지 도 35에 도시된 실시예와 대조적으로, 도 36 내지 도 38에 도시된 실시예는 구조체(1800)의 외부 쉘 부분(1802) 및 내부 부분(1804) 둘 모두를 형성하기 위하여 단일 노즐(1840)을 사용한다. 노즐(1840)이 제1 3D 인쇄 공정 및 제2 3D 인쇄 공정 둘 모두에서 사용될 수 있지만, 적어도 일부 경우에, 개구(1841)의 크기는 가변적일 수 있다. 더욱이, 일부 실시예에서, 다른 압출 제어 매개변수는 조절가능할 수 있다. 개구(1841)의 크기 및/또는 추가 압출 제어 매개변수를 변경시킴으로써, 노즐(1840)은 제2 3D 인쇄 공정 동안 실질적으로 더 높은 유량으로 인쇄 재료(1810)를 압출하도록 구성될 수 있다.
도 36 내지 도 38이 인쇄 구조체의 내부 부분 및 외부 부분을 형성하기 위하여 단일 재료를 사용하는 실시예를 도시하고 있지만, 다른 실시예는 상이한 재료들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 노즐(1840)을 통하여 제1 재료를 압출시킴으로써 외부 쉘 부분(1802)을 형성한 후에, 제2 재료가 노즐(1840)을 통하여 압출되어 내부 부분(1804)을 형성할 수 있다.
압출 재료가 외부 쉘 부분의 내측 공동을 완전히 충전할 수 있다는 것을 보장하기 위하여, 일부 실시예는 둘 이상의 개방부를 갖는 외부 쉘 부분을 포함할 수 있다. 도 39는 전술되고 도 33 내지 도 35에 도시된 제1 3D 인쇄 공정 및 제2 3D 인쇄 공정을 이용하여 형성될 수 있는 3D 인쇄 구조체(1900)의 실시예의 개략도이다. 도 39의 실시예에서, 인쇄 구조체(1900)는 적어도 2개의 개방부, 즉 외부 쉘 부분(1902) 내의 제1 개방부(1903) 및 제2 개방부(1905)를 포함할 수 있다. 이러한 구성에서, 노즐(1742)은 초기에 제1 개방부(1903)를 충전하고, 이어서 제2 개방부(1905) 위의 위치로 이동하여, 제2 개방부(1905)를 통하여 내측 공동(1909)을 충전할 수 있다. 다수 개방부의 사용은, 특히 더 큰 외부 쉘 부분 및/또는 복잡한 기하학적 형상을 갖는 외부 쉘 부분의 경우, 내측 공동을 충전하는 것을 용이하게 할 수 있다.
도 40 내지 도 46은 3D 인쇄 구조체 및 3D 인쇄 구조체를 형성하기 위한 방법의 여러 가지 상이한 실시예들을 예시한다. 도 40 및 도 41에 도시된 실시예에서, 3D 인쇄 구조체(2000)는 외부 쉘 부분(2002) 및 내부 부분(2004)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 외부 쉘 부분(2002)은 다수의 고정 부분(2010)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 쉘 부분(2002)은 베이스 구성요소(2020) 내에 고정되는 7개의 고정 부분을 포함한다. 그러나, 다른 실시예에서, 임의의 다른 개수의 고정 부분이 사용될 수 있다.
고정 부분(2010)은 임의의 방식으로 형성될 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 고정 부분(2010)은 전술되고 도 23 내지 도 27에 도시된 인쇄 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 일부 경우에, 고정 부분(2010)은, 베이스 구성요소(2020) 내의 개방부(2032)를 통하여 재료(2030)를 압출하고 이어서 이는 베이스 구성요소(2020)의 반대측 상의 성형 구성요소(2034) 내로 수용됨으로써 형성될 수 있다. 일부 경우에, 이러한 공정은 구조체(2000)의 고정 부분(2010)의 각각을 형성하는 데 이용될 수 있다. 일부 경우에, 고정 부분(2010)이 형성된 상태에서, 외부 쉘 부분(2002)의 나머지 부분은 전술되고 도 33 및 도 34에 도시된 인쇄 공정을 이용하여, 즉, 외부 쉘 부분(2002)의 수평 층들을 쌓음으로써, 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 내부 부분(2004)은 도 35에 도시된 인쇄 공정을 이용하여, 즉, 외부 쉘 부분(2002)의 내측부 내로 재료를 압출함으로써 형성될 수 있다.
도 40 및 도 41에 도시된 구성은 외부 쉘 부분(2002)이 베이스 구성요소(2020)에 고정되는 한편, 내부 부분(2004)이 베이스 구성요소(2020)에 고정되지 않는 구조체(2000)를 제공한다. 따라서, 적어도 일부 실시예에서, 외부 쉘 부분(2002)은 내부 부분(2004)을 유지시키도록 작동할 수 있다. 내부 부분(2004)이 고정 부분을 생성하기에 적합하지 않을 수 있는 매우 연질인 충전재 재료로 구성된 실시예에서 (예컨대, 내부 부분(2004)이 매우 연질인 발포체로 구성된 경우), 외부 쉘 부분(2002)은 내부 부분(2004)이 베이스 구성요소(2020)에 부착된 상태에서 외부 쉘 부분(2002) 내에 유지되는 것을 보장할 수 있다.
물론, 다른 실시예에서, 내부 부분(2004)은 또한 하나 이상의 고정 부분을 갖도록 구성될 수 있다. 외부 쉘 부분(2002) 및/또는 내부 부분(2004)과 함께 고정 부분을 사용하면 구조체(2000)가 베이스 구성요소(2020)로부터 떨어지게 당겨지거나 분리되는 경향을 감소시킬 수 있고, 이는 베이스 구성요소(2020)와 적합하게 접합이 양립가능하지 않은 재료에 특히 유용할 수 있고/있거나 구조체(2000)와 베이스 구성요소(2020) 사이의 재료 접합부에 응력을 인가하는 경향이 있을 수 있는 (예컨대, 지면 또는 다른 표면에 의한) 큰 힘과 구조체(2000)가 접할 수 있는 구성에 특히 유용할 수 있다.
도 42 및 도 43은 외부 쉘 부분(2102) 및 내부 부분(2104)을 갖는 구조체(2100)를 형성하기 위한 공정의 실시예를 도시한다. 도 42 및 도 43의 실시예에서, 내부 부분(2104)은 외부 쉘 부분(2102)의 개방부(2103)를 통하여 연장되고, 외향으로 지향된 고정 부분(2130)을 포함한다. 외향으로 지향된 고정 부분(2130)은 (끈, 코드 등과 같은) 체결구를 포함하는 다른 구성요소에 부착되도록 구성될 수 있다. 이전 실시예에 의해서와 같이, 외부 쉘 부분(2102)이 구조체(2100)에 대한 원하는 기하학적 형상을 달성하기에 필요한 정밀도를 제공하는 제1 3D 인쇄 공정으로부터 형성될 수 있는 한편, 내부 부분(2104)은 외부 쉘 부분(2102)의 내측부를 신속히 충전할 수 있고 재료의 외향 확산을 통하여 외향으로 지향된 고정 부분(2130)을 형성할 수 있는 제2 3D 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
도 44 내지 도 46은 클리트 구조체(2200)를 형성하기 위한 공정의 실시예를 도시한다. 이전 실시예와 대조적으로, 도 44 내지 도 46의 실시예는 외부 쉘 부분 및 연관된 내부 부분을 이용하지 않을 수 있다. 그 대신, 도 44에 도시된 바와 같이, 클리트 구조체(2200)의 베이스 부분(2202)은 제1 재료(2210)를 베이스 구성요소(2220) 상으로 압출시킴으로써 형성될 수 있다. 더욱이, 외향 연장 고정 부분(2204)이 베이스 부분(2202)의 상부에 형성될 수 있다. 다음으로, 클리트 구조체(2200)를 위한 팁 부분(2230)을 형성하기 위하여 외향 연장 고정 부분(2204) 위에 제2 재료(2212)가 압출될 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 제2 재료(2212)는 베이스 부분(2202)을 포함하는 제1 재료(2210)보다 실질적으로 더 연질인 재료이고, 그에 의해 팁 부분(2030)에서 표면을 파지하기 위하여 향상된 가요성을 제공한다. 일부 실시예에서, 제2 재료(2212)가 베이스 부분(2202) 위에 압출 또는 그렇지 않으면 배치됨에 따라 팁 부분(2230)의 기하학적 형상을 정의하는 것을 돕도록 선택적인 성형 부재(2299)가 사용될 수 있다.
적어도 일부 실시예에서, 3D 인쇄를 통하여 팁 부분(2030)을 형성하기보다는 오히려, 팁 부분(2030)은 다른 공정에 의해 형성될 수 있고 이후에 연장 고정 부분(2204) 위에 조립될 수 있다. 예를 들어, 팁 부분(2030)은 연장 고정 부분(2204) 위에 수동으로 배치된 (예컨대, 그와 조립된) 예비형성된 캡(cap)일 수 있다. 이러한 수동 조립은 팁 부분(2030)이 실질적으로 가요성인 경우(예컨대, 고무로 제조된 경우) 달성될 수 있다.
도 47은 갑피(2302) 및 밑창 구조체(2310)를 포함하는 신발 물품(2300)의 실시예의 개략적인 저면 등각도를 도시한다. 도 47을 참조하면, 물품(2300)은 클리트 구조체(1700) 및 클리트 구조체(2200)를 포함하는 복수의 클리트 구조체를 포함한다.
도 48은 제1 노즐(2402) 및 제2 노즐(2404)을 독립적인 방식으로 작동시키기 위하여 사용될 수 있는 노즐 제어 시스템(2400)의 실시예의 개략도이다. 구체적으로, 적어도 일부 실시예에서, 제1 노즐(2402) 및 제2 노즐(2404)은 서로 독립적으로 이동하도록 작동될 수 있다. 2개의 별개의 인쇄 재료가 사용되는, 또는 상이한 개구 직경들의 노즐들을 갖는 것이 바람직한 실시예에서, 제1 노즐(2402) 및 제2 노즐(2404)은 구조체의 상이한 부분들을 형성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제1 노즐(2402)이 구조체의 외부 쉘 부분을 형성하는 데 사용될 수 있는 한편, 제2 노즐(2404)은 구조체의 내부 부분을 형성하는 데 사용될 수 있다. 유사하게, 일부 다른 실시예에서, 제1 노즐(2402)이 구조체의 베이스 부분을 형성하는 데 사용될 수 있는 한편, 제2 노즐(2404)은 구조체의 상측 부분을 형성하는 데 사용될 수 있다.
도 49는 재료를 서로 독립적으로 이동시키고 인쇄할 수 있는 적어도 2개의 노즐을 제어하기 위한 공정의 실시예의 개략도이다. 일부 실시예에서, 하기 단계들 중 하나 이상이 노즐 제어 시스템(2400)에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 하나 이상의 다른 시스템은 이 단계들 중 하나 이상의 단계를 수행할 수 있다. 또 추가로, 다른 실시예에서, 이러한 단계 중 일부는 선택적일 수 있다.
단계(2502)에서, 노즐 제어 시스템(2400)은 구조체의 제1 부분을 인쇄하기 위하여 제1 노즐(2402)을 제어할 수 있다. 일부 경우에, 인쇄는 제1 재료를 압출함으로써 수행될 수 있다. 다음으로, 단계(2504)에서, 노즐 제어 시스템(2400)은 제1 노즐(2402)을 사용하여 형성된 구조체의 제1 부분과 제2 노즐(2404)을 정렬시킬 수 있다. 단계(2506)에서, 노즐 제어 시스템(2400)은 구조체의 제2 부분을 인쇄하기 위하여 제2 노즐(2504)을 제어할 수 있다. 일부 경우에, 인쇄는 제2 재료를 압출함으로써 수행될 수 있다.
실시예들이 제2 노즐(2404)을 재료의 형성된 제1 부분과 정렬 또는 정합시키기 위한 다양한 방법을 이용할 수 있다는 것이 고려된다. 많은 종류의 3D 인쇄 공정의 정밀도의 허용오차로 인한 형성된 제1 부분의 약간의 변형으로 인해, 제2 노즐(2404)이 정렬되어야만 하는 제1 부분 내의 개방부 또는 다른 특징부는 그들의 위치 및/또는 기하학적 형상이 약간 변할 수 있다. 그러므로, 적어도 일부 실시예에서, 제2 노즐(2404)과의 정렬을 위하여 제1 부분 및/또는 제1 부분의 특정 특징부를 위치시키는 데 센서가 이용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 이미지 정보의 시각적 특징부를 검출하기 위한 본 기술 분야에서 공지된 알고리즘을 이용하여, 형성된 제1 부분 상의 개방부 또는 다른 특징부의 위치를 판정하기 위하여 제2 노즐(2404)과 연계된 광학 감지 장치가 사용될 수 있다. 따라서, 제2 노즐(2404)은 광학 감지 장치로부터의 피드백을 이용하여 정렬될 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 부분이 제2 노즐(2404)로 인쇄되기 전에 제2 노즐(2404)이 제1 부분과 적절히 정렬되는 것을 보장하도록 임의의 다른 정렬 및/또는 정합 설비 또는 특징부가 이용될 수 있다.
다양한 실시예가 설명되었으나, 이 설명은 제한보다는 오히려 예시를 위한 것이고, 실시예의 범주 내에 있는 더 많은 실시예 및 구현예가 가능하다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 따라서, 실시예들은 첨부된 청구범위 및 그의 등가물을 고려하는 것을 제외하고는 제한되지 않아야 한다. 또한, 다양한 변형 및 변경이 첨부된 청구범위의 범주 내에서 이루어질 수 있다.
Claims (14)
- 베이스 구성요소 상에 구조체를 제조하는 구조체 제조 방법으로서,
재료를 제1 방향으로 압출하도록 구성되는 노즐을 베이스 구성요소 근처의 제1 위치에 마련하는 단계;
상기 베이스 구성요소 상에 노즐을 통해 재료의 제1 부분을 연속적인 유동으로 압출하는 단계로서, 상기 재료의 제1 부분은 재료의 제1 부분이 베이스 구성요소에 접촉할 때에 제1 방향에 수직인 제2 방향에서 외향으로 확산되는 것인 단계;
압출된 재료의 제1 부분을 포함하는 구조체의 제1 부분을 형성하는 단계;
노즐을 재료의 제1 부분으로부터 제1 방향을 따라 제2 위치로 이동시키는 단계;
상기 구조체의 제1 부분 상에 노즐을 통해 재료의 제2 부분을 연속적인 유동으로 압출하는 단계로서, 상기 재료의 제2 부분은 재료의 제2 부분이 구조체의 제1 부분에 접촉할 때에 제2 방향에서 외향으로 확산되는 것인 단계; 및
압출된 재료의 제2 부분을 포함하는 구조체의 제2 부분을 형성하는 단계
를 포함하고, 상기 구조체의 제1 부분은 제1 단면적을 가지며 상기 구조체의 제2 부분은 제2 단면적을 갖고,
상기 제1 단면적은 제2 단면적과 상이하며,
상기 제1 방향은 z 방향이고, 상기 제2 방향은 x-y 평면에서 반경 방향이며, 상기 노즐은 상기 제1 위치 및 제2 위치 각각에서 재료의 제어된 양의 연속적인 외향 확산이 이루어지도록, 상기 베이스 구성요소로부터 제1 방향으로 상승하여 이동하는 것인 구조체 제조 방법. - 제1항에 있어서, 상기 구조체의 제2 부분을 형성하는 단계 후에,
상기 구조체의 제2 부분 상에 노즐을 통해 재료의 제3 부분을 압출하는 단계로서, 상기 재료의 제3 부분은 재료의 제3 부분이 구조체의 제2 부분에 접촉할 때에 제2 방향에서 외향으로 확산되는 것인 단계;
압출된 재료의 제2 부분을 포함하는 구조체의 제3 부분을 형성하는 단계
를 포함하고, 상기 구조체의 제3 부분은 제3 단면적을 갖는 것인 구조체 제조 방법. - 제2항에 있어서, 상기 제2 단면적은 제1 단면적보다 작고 상기 제2 단면적은 제3 단면적보다 작은 것인 구조체 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 노즐은 제4 단면적을 갖는 개구를 구비하고, 상기 제1 단면적은 노즐의 제4 단면적보다 크며 상기 제2 단면적은 노즐의 제4 단면적보다 큰 것인 구조체 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 구조체 제조 방법은 재료가 노즐로부터 압출될 때에 재료의 유량을 가변시키는 단계를 포함하고, 상기 재료의 제1 부분은 제1 유량으로 압출되며 상기 재료의 제2 부분은 제1 유량과 상이한 제2 유량으로 압출되는 것인 구조체 제조 방법.
- 제5항에 있어서, 상기 제2 유량은 제1 유량보다 작은 것인 구조체 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 구조체 제조 방법은 노즐이 베이스 구성요소로부터 인출되는 속도를 가변시키는 단계를 포함하고, 상기 재료의 제1 부분은 노즐의 제1 인출 속도와 연계되며 상기 재료의 제2 부분은 상기 제1 인출 속도와 상이한 노즐의 제2 인출 속도와 연계되는 것인 구조체 제조 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 제2 인출 속도는 제1 인출 속도보다 큰 것인 구조체 제조 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 구조체 제조 방법은 재료의 상이한 부분들이 압출될 때에 재료의 압출 온도를 가변시키는 단계를 포함하는 것인 구조체 제조 방법.
- 베이스 구성요소에 부착되는 구조체를 제조하는 구조체 제조 방법으로서,
재료를 제1 방향으로 압출하도록 구성되는 노즐을 베이스 구성요소의 제1 면 근처에 마련하는 단계;
상기 베이스 구성요소의 제2 면에 성형 구성요소를 마련하는 단계;
재료의 제1 부분이 베이스 구성요소의 개방부를 통해 유동하여 성형 구성요소의 캐비티를 충전하도록 재료의 제1 부분을 노즐을 통해 연속적인 유동으로 압출함으로써, 베이스 구성요소의 제2 면에 구조체의 제1 부분을 형성하는 단계;
노즐을 제1 방향으로 구조체의 제1 부분으로부터 멀어지게 이동시키는 단계;
구조체의 제1 부분 상으로 노즐을 통해 재료의 제2 부분을 연속적인 유동으로 압출하는 단계로서, 재료의 제2 부분은 재료의 제2 부분이 구조체의 제1 부분에 접촉할 때에 제2 방향에서 연속적으로 외향으로 확산되는 것인 단계;
압출된 재료의 제2 부분으로 구조체의 제2 부분을 형성하는 단계로서, 상기 구조체의 제2 부분은 베이스 구성요소의 제1 면에 배치되는 것인 단계
를 포함하고, 상기 구조체의 제1 부분은 제1 단면적을 갖고 구조체의 제2 부분은 제2 단면적을 가지며, 상기 제1 단면적은 개방부의 제3 단면적보다 크고 상기 제2 단면적은 제3 단면적보다 큰 것인 구조체 제조 방법. - 제10항에 있어서, 상기 베이스 구성요소는 신발 물품용 밑창 구조체의 부품이고, 상기 구조체는 클리트(cleat) 부재인 것인 구조체 제조 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 노즐은 구조체가 형성되는 동안에 베이스 구성요소의 개방부 위에서 일정한 수평 위치에 유지되는 것인 구조체 제조 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 구조체의 제1 부분은 구조체를 위한 고정 부분을 형성하고, 상기 고정 부분은 베이스 구성요소 또는 고정 부분을 회복불가능하게 손상시키지 않고서는 베이스 구성요소의 개방부를 통해 끌어당겨질 수 없는 것인 구조체 제조 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 성형 구성요소는 구조체가 형성되는 동안에 베이스 구성요소의 제2 면에 대해 배치되는 것인 구조체 제조 방법.
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