KR0178873B1 - 스테레오리소그래픽 커얼 감소 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 충돌 조사, 입자 충격 또는 화학 반응에 의한 적절한 상승작용적 자극에 응답하여 물리적인 상태를 변환할 수 있는 유체 매질의 표면에서 물체의 연속적인 인접 단면 래미나들을 형성함으로써 3차원 물체를 생성하기 위한 신규하고 개량된 스테레오리소그래피 시스템을 제공하는데, 물체를 정의하는 정보는 최종적으로 생산되는 물체에서 커얼, 응력 및 외곡을 감소시기 위해 구조적을 특정되고, 대응하는 물체의 연속적인 인접 단면들을 나타내는 연속적인 래미나들은 자동적으로 형성되고 함께 일체화되어 소기의 3차원 물체의 단계형 조형을 제공하며, 이에 의해 3차원 물체는 형성 공정 동안 유체 매질의 본질적으로 평면인 표면으로 부터 형성되고 그려진다. 커얼이라고 알려진 스테레오그래피 왜곡이 정의되어 있고, 쇄선, 만곡선, 2차 구조, 리벳 및 다중-패스를 포함하는 커얼을 감소시키기 위한 다양한 기법들이 기술되어 있다.
Description
[발명의 명칭]
스테레오리소그래픽 커얼 감소
[발명의 배경]
1. 관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 1988년 4월 18일에 출원된 미합중국 특허 출원 제182,830호; 제182,823호, 제183,015호; 제182,801호; 제183,016호; 제183,014호 및 제183,012호와 관련되어 있으며 상기 모든 출원은 본 명세서에서 완전히 개시된 것과 마찬가지로 본 명세서의 일부로 참조된다. 미합중국 특허 출원 제182,830호, 제183,016호; 제183,014호 및 제183,012호의 일부 계속 출원은 1988년 11월 8일에 출원되었으며, 명세서에서 완전히 개시된 것과 마찬가지로 본 명세서의 일부로 참조된다. 상기 일부 계속 출원의 일련 번호는 각각 제269,801호; 제268,816호; 제268,337호; 제268,907호 (모두 제182,830호에 대한 것임); 제268,429호(제183,016호에 대한 것임); 제268,408호(제183,014호에 대한 것임); 제268,428호(제183,012호에 대한 것임)이다. 제269,801호에 대한 계속 출원은 1989년 3월 31일에 출원되었고 본 명세서에서 완전히 개시된 것과 마찬가지로 본 명세서의 일부로 참조된다. 상기 계속 출원에 대한 리용리용(LyonLyon)의 도켓 번호는 186/195이다. 제182,823호에 대한 일부 계속 출원은 1989년 4월 14일에 출원되었고 본 명세서에서 완전히 개시된 것과 마찬가지로 본 명세서의 일부로 참조된다. 상기 일부 계속 출원에 대한 리용리용(LyonLyon)의 도켓 번호는 186/166이다.
2. 발명의 분야
본 발명은 일반적으로 유체 매질로부터 3차원 물체를 형성하기 위한 방법 및 장치의 개량에 관한 것으로, 특히, 3차원 물체의 생산에 향상된 데이터 조작과 리소그래픽 기법을 적용하여 그러한 물체가 더 신속하고, 신뢰성 있으며, 정확하고 경제적으로, 그리고 응력 및 커얼이 감소하도록 형성하는 것과 관련된 신규의 개량된 스테레오리소그래픽 시스템에 관한 것이다.
플라스틱 부품 등의 생산에 있어서는 먼저 부품을 설계하고 힘들게 부품의 원형(prototype)을 만드는 것이 통상의 관행이며, 이 모든 과정은 상당한 시간, 노력 및 비용을 요한다. 그 후 설계가 검토되고 때로는 상기와 같은 복잡한 과정이 여러번 반복된 후 최종적으로 설계가 최적화된다. 설계를 최적화한 후의 다음 단계는 생산이다. 대부분의 플라스틱 부품은 사출 성형에 의해 만들어진다(injection molded). 설계 시간이 많이 걸리고 금형 제작 비용(tooling costs)이 매우 비싸므로, 플래스틱 부품은 흔히 대규모 생산의 경우에만 실용성이 있다. 플라스틱 부품을 생산하는데 직접적인 기계 가공(direct machine work)이나 진송 성형(vacuum-forming), 직접 성형(direct forming)등의 다른 방법들도 사용할 수 있지만 이와 같은 방법들은 비용 면에서 전형적으로 단기간의 생산에 대해서만 효율적일 뿐 아니라 대개 생산된 부품의 질이 사출 성형된(molded) 부품에 비해 낮다.
유체 매질(fluid media) 내에서 3차원 물체를 생성하기 위한 정교한 기법들이 개발되어 왔는데, 이 기법에서는 유체 매질의 3차원 부피 내의 소정의 교차점에 선택적으로 초점을 맞추어 조사되는 빔에 의해 유체 매질을 선택적으로 경화시킨다. 이러한 삼차원 시스템의 전형적인 예는 미합중국 특허번호 제4,041,476호, 제4,078,229호, 제4,238,840호 및 제4,228,861호에 기재되어 있다. 이와 같은 모든 시스템은 유체 부피 내에서 다른 점을 제외하고 유체 부피 내의 깊은 곳의 선택된 점에서만 상승작용적 에너지부여효과를 축적(buildup of synergistic energization)하는 방식에 따른다. 그러나, 불행하게도 이와 같은 3차원 성형 시스템은 해상도(resolution)와 노출 제어(exposure control)에 관한 다수의 문제에 직면하게 된다. 교차점이 유체 매질의 내부 깊은 곳으로 이동해 갈수록 초점의 이미지 형성 해상도 및 조사 강도(radiation intensity)가 줄어들게 되므로 제어하기 복잡한 상황이 되는 것을 자명하다. 흡수(absorption), 확산(diffusion), 분산(dispersion) 및 회절(diffraciton)은 유체 매질 내의 깊은 곳에서 경제적이고 신뢰성 있게 작업하는데 있어서의 장애 요소들이다.
최근에는 명칭이 스테레오리소그래피에 의한 3차원 물체 생산 장치인 미합중국 특허 번호 제4,575,330호(이 특허는 본 출원 내에 완전히 기재된 것과 다름 없이 본 명세서의 일부로서 참조됨)에 기재된 것과 같은 스테레오리소그래피시스템이 사용되게 되었다. 기본적으로 스테레오리소그래피란 얇은 층들이 모여 완전한 부품을 형성할 때까지 (예를 들어, 액체 플라스틱과 같은) 광중합체(photopolymer)의 단면들을 서로의 상부에 연속적으로 프린트하여(print) 복잡한 플라스틱 부품을 자동적으로 형성하기 위한 방법이다. 이 기법에서는 액체 플라스틱이 담긴 수조(vat) 내에서 부품이 문자 그대로 성장된다. 이와 같은 제조 방법은 설계 아이디어를 신속하게 물리적으로 형상화하고 원형을 만드는 데에 있어서 매우 강력한 방법이다.
광경화성(photocurable) 중합체는 빛이 있으면 액체로부터 고체로 변화하며, 자외선(UV)에 대한 감광 속도가 매우 빨라서 실용적인 모형 제작 재료로서 충분히 적합하다. 부품이 제작될 때 중합되지 않은 재료는 다시 사용 가능하고 후속 부품이 제작되는 동안 수조 내에 남아 있게 된다. 자외선 레이저는 작고 강도가 강한 자외선 스폿(spot)을 발생시킨다. 이 스폿은 검류계 미러 X-Y 스캐너(galvanometer mirror X-Y scanner)에 의해 액체 표면을 가로질러 이동한다. 이 스캐너는 컴퓨터 생성 벡터(computer generated vectors)등에 의해 구동된다. 이와 같은 기법을 이용하여 정밀하고 복잡한 패턴을 신속하게 생산할 수 있다.
레이저 스캐너, 광중합체 수조 및 엘리베이터는 제어용 컴퓨터와 함께 결합하여 스테레오리소그래피 장치를 구성하며 SLA라고 불리운다. SLA는 한 번에 하나의 단면을 그려 이것을 층별로 쌓음으로써 플래스틱 부품을 자동적으로 제작하도록 프로그래밍된다.
스테레오리소그래피는 금형을 제작하지 않고 복잡하거나 간단한 부품을 신속히 제조하는 방법으로서는 최초의 방법이다. 이 기술에서는 그 단면 패턴을 발생시키는데 컴퓨터를 사용하고 있기 때문에 당연히 CAD/CAM에 데이터를 링크시킨다. 그러나, 이러한 시스템은 수축(shirnkage), 응력(stress), 컬(curl) 및 기타의 왜곡(destortion)과 해상도, 정밀도에 관한 난점 뿐만 아니라 또한 소정의 물체 형상을 제조하는데 있어서의 난점도 가지고 있다.
스테레오리소그래피를 사용하여 제작된 물체는 사용된 재료의 밀도가 액체 상태와 고체 상태 사이에서 변할 때 뒤틀리려는(distort) rudgid이 있다. 밀도 변화는 재료의 수출 또는 팽창을 야기시키며, 이는 부품이 형성될 때 하부층 또는 인접 구조를 말아 올리는(curl) 방식으로 응력을 발생시켜 전체적인 왜곡을 일으킨다. 밀도 변화가 더 작은 재료는 커얼을 보다 덜 나타내지만, 스테레오리소그래피에 유용한 많은 재료들은 큰 수축을 나타낸다. 커얼 효과는 스테레오리소그래피에 의한 물체 형성의 정밀도를 제한시킨다. 본 발명은 커얼 효과를 제거 또는 감소시키는 방법을 제공한다.
재료의 수축은 중합체 재료 및 이러한 재료를 사용하는 (플라스틱 사출 성형과 같은)제조 방법에서 공통적인 문제가 된다. 그러나, 스테레오리소그래피는 새로운 기술이며, 수축으로 인한 왜곡과 관련된 문제들이 광범위하게 제기되지는 않았다. 물체의 왜곡을 감소시키기 위하여 본 발명자들이 사용한 다른 주요 접근 방법은 수축이 작으며 응력이 덜 발생되는 광중합체 재료, 또는 강성이 작고 응력 변형을 덜 전파시킬 수 있는 재료를 사용하는 것이었다.
이러한 다른 방법들은 어느 정도 효과적이지만 불리한 점도 가지고 있다. 광중합체에서 수축을 작게 하는 가장 초기의 방법은 높은 초기 등가 중량(high initial equivalent weights)을 갖는 올리고머 재료를 사용하는 것이었다. 이러한 재료들은 광에 의해 개시되는(photo-initiated) 중합체 반응에서 단위 체적당 더 적은 새로운 결합(new bond)이 형성되기 때문에 보다 적게 수축되게 된다. 그러나, 이러한 높은 등가 중량의 재료들은 일반적으로 주어진 온도에서 저분자량 재료보다 더 큰 분자량과 더 높은 점성(high viscosity)을 갖는다. 높은 점성은 액체 표면의 높이를 더 느린 속도로 편평하게 한다. 높은 점성은 공정 온도를 높이면 극복될 수 있지만 높은 온도는 액체의 수명 시간을 제한한다.
광중합체에서의 수축은 아크릴 결합이 형성될때 수축이 일어나기 때문이다. 광중합체는 아크릴 이외의 다른 작용기를 반응시킴으로써 만들 수 있지만, 이러한 광중합체는 아크릴 결합 재료보다 실질적으로 더 낮은 반응성을 가지므로, 고체 재료 형성 속도가 일반적으로 부적절하게 된다.
형성될때 어느 정도 가요성(flexibility)이 있는 재료는 물체를 통하여 변형을 원거리에 전달할 수 없기 때문에, 통상 왜곡량이 더 작은 물체를 제조할 수 있다. 그러나, 이 성질은 만약 단단한 경질 물체(stiff material)를 제작하는 것이 목적이라면 불리한 성질이 된다. 어떤 재료들은 형성될 때 연질이며 그 다음보다 더 높은 레벨의 조사(radiation)또는 기타의 수단에 의해 사후 경화될(post cured)때 경화된다. 이들은 스테레오리소그래피용으로는 유용한 재료이다. 액체로부터 고체로 전이되는 방식 때문에 더 적은 왜곡을 발생시키는 재료들이 현재 연구중에 있다. 그러나, 왜곡이 없는 부품을 생산하는 재료들은 현재 존재하지 않는다.
설계 및 생산 기술에 있어서, 설계단계로부터 원형 제작 단계 또한 생산 단계로 신속하고 신뢰성 있게 진행되어 갈 수 있는 능력, 특히 플라스틱 부품의 컴퓨터 설계로부터 직접, 거의 곧바로 원형 제작으로 또한 대규모 생산 장비로 경제적으로 자동적인 방식으로 진행할 수 있는 능력은 오래전부터 지속적으로 요구되어 온 것이다.
따라서, 3차원 플라스틱 물제 등의 생산 및 개발에 종사하는 사람들은 종래기술의 3차원 생산 시스템의 복잡한 초점 맞춤, 정렬 및 노출 문제를 피하면서도 설계 단계로부터 원형 제작 단계로 또한 생산 단계로 신속하게 진행하는 것을 용이하게 할 신속하고, 신뢰성 있고, 정확하고, 경제적인 자동적인 수단의 개량이 요구된다는 것을 오랜동안 인식해 왔다. 본 발명은 이와 같은 요구를 충족시키는 것이다.
[발명의 요약]
본 발명은, 적절한 상승작용적 자극에 응답하여 물리적인 상태를 변환할 수 있는 유체 매질의 표면에서 물체의 연속적인 인접 단면 래미나들을 형성함으로써 3차원 물체를 생성하기 위한 신규하고 개량된 스테레오리소그래피 시스템을 제공하는데, 물체를 정의하는 정보는 커얼, 응력 및 왜곡을 감소시키고 해상도, 강도 및 재생의 정확성을 향상시키기 위하여 특별히 처리되며, 연속적인 래미나들은 그들이 소기의 3차원 물체를 정의하도록 형성될 때 자동적으로 일체화된다.
일반적으로, 본 발명은 스테레오리소 그래피에 있어서 커얼 왜곡의 효과를 감소 또는 제거시키기 위한 시스템에 관한 것이다. 커얼이라는 용어는 종이와 같은 재료에 피막을 입힐 때 볼수 있는 것과 유사한 효과를 설명할 때 사용된다. 쉬트가 수축성 물질로 피막될 때, 종이는 피막쪽으로 말려 올라간다(curls up). 이는 피막이 쉬트에 부착되어 수축하므로, 인력이 쉬트의 윗면상에만 작용하고 바닥면상에는 작용하지 않기 때문이다. 종이 쉬트는 인력에 저항하기에 불충분한 억제력(restraining force)을 가지고 있으며 대부분의 피막은 종이를 말려 올라가게 할 것이다. 이미 경화된 광중합체의 얇은 쉬트의 상부에서 광중합체가 경화될 때도 동일한 일이 발생한다.
제한의 의미가 아니고 일례로서 예시된 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명은, 컴퓨터 커맨드로부터 직접 3차원 물체를 생산하는데 있어서 컴퓨터 원용 설계(CAD) 및 컴퓨터 원용 제조(CAM)를 동시에 실행하기 위하여, 스테레오리소그래피와 함께 결합된 컴퓨터 생성 그래픽(computer generated graphic)의 원리, 즉 3차원 물체의 생산에 대한 리소그래픽 기술의 적용을 사용한다. 본 발명은 제품 개발의 설계단계에 있어서의 모델 및 원형을 조형할(sculpture) 목적으로, 또는 제조 시스템으로서, 또는 심지어 순수 예술(pure art) 형태로서 적용될 수 있다.
CAD 시스템의 데이터 베이스는 여러 가지 형태를 취할 수 있다. 그 하나의 형태는 3각형들의 그물망(mesh)으로서 물체의 표면을 표현하는 것으로 구성된다. 이 3각형들은 물체의 내부 및 외부 표면을 완벽하게 형성한다. 이러한 CAD표현은 또한 통상 각각의 3각형에 대하여 단위 길이의 법선 벡터(normal vector)를 포함한다. 법선 벡터는 삼각형이 둘러싸고 있는 입체로부터 나가는 방향을 향한다.
스테레오리소그래피는 경화성 재료, 예컨대 UV경화성 재료의 얇은 층들중 하나의 층을 다른 층위에 순차적으로 프린팅함으로써 고형 물체를 제작하기 위한 방법 및 장치이다. UV 경화성 액체의 층 또는 표면 상에 비춰지는 UV광의 프로그래밍된 가동성 스폿 비임(programmed movable spot beam)은 액체의 표면에서 물체의 고형 단면을 형성시키는데 사용된다. 물체는 그 후 액체 표면으로부터 한층의 두께만큼 프로그래밍된 방식으로 이격 이동되며, 다음 단면이 형성되어 물체를 정의하는 바로 직전의 층에 부착된다. 이 과정은 전체 물체가 형성될 때까지 계속된다.
본질적으로 모든 유형의 물체 형상은 이 기술에 의해 생성될 수 있다. 복잡한 형상들은 프로그래밍된 커맨드어를 발생시키고 그 후 프로그램 신호를 스테레오 리소그래픽 물체 형성 서브시스템에 보내기 위하여 컴퓨터의 기능을 사용함으로써 더욱 더 용이하게 생성될 수 있다.
물론, 입자 충격(전자 비임 등), 잉크 제트에 의한 또한 마스크를 통한 재료의 분사에 의한 화학 반응, 또는 자외선 이외의 충격조사(impinging radiation)와 같은, 경화성 유체 매질에 대한 기타의 형태의 적절한 상승작용적 자극(synergistic stimulation)이 본 발명의 실시에 사용될 수 있다는 사실을 알 수 있을 것이다.
스테레오리소그래피는 가동성 레이저 비임을 사용하여 액체 플라스틱의 연속적인 층들을 고형화함으로써 부품을 만들 수 있다. 이 방법은 설계자로 하여금 CAD 시스템으로 설계를 하고 수시간 이내에 정확한 플라스틱 모델을 만들 수 있게 한다.
예를 들면, 고형 모델은 우선 스테레오리소그래픽 공정과 특별히 관계없이 CAD 상에서 통상적인 방식으로 설계된다. 이 모델의 복사본(copy)이 스테레오리소그래픽 공정을 위하여 제작된다. 하기에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 물체는 궁극적으로 형성된 물체에서의 응력 및 커얼을 감소시키는 구조적 형상으로 설계될 수 있다.
이러한 목적으로, 수직 또는 수평 구조의 일부인 스테레오리소그래피 라인이 실선(solid liue)대신에 쇄선(dashed line)으로 작도될(drawn) 때 -이는 또한 쇄선기술이라고도 알려져 있음-벡터를 따라 수직으로 전달되는 인력은 제거되고 커얼 효과가 감소된다. 수직 수평 구조의 일부인 스테레오리소그래피 라인이 직선 대신에 만곡 선(bent-line)으로 작도될 때-이는 또한 만곡선기술이라고도 알려져 있음-벡터를 따라 수직으로 전달되는 인력은 감소되고 커얼 효과가 감소된다. 수직 또는 수평 구조의 일부인 스테레오리소그래피 라인이 자신의 아래 또는 옆에 있는 라인에 직접 부착되지는 않지만 형성된 후에 2차 구조를 사용하여 부착되도록 작도될 때-이는 또한 2차 구조 기술이라고도 아려져 있음-벡터 아래쪽으로의 인력은 제거되고, 인접 라인상의 굽힘 모멘트(bending moment)는 감소되며, 커얼 효과는 크게 감소된다. 수직 또는 수평 구조의 일부인 스테레오리소그래피 라인이 재료가 실질적으로 반응될(reacted)때까지 자신의 아래 또는 옆에 있는 라인에 직접 부착되지 않도록 작도될 때-이는 또한 다중-패스(multiple-pass)기술이라고도 알려짐-벡터 아래쪽으로의 인력은 감소되고, 구조는 변형에 저항할 수 있도록 보다 더 단단하게 되며 커얼 효과는 크게 감소된다.
커얼이 감소되게 레일(rails)을 작도하는 다양한 방법들이 예시적으로 기술될 것이다; 1) 인력을 분리시키기 위한 쇄선, 2) 인력을 분리시키기 위하여 서로에 대하여 경사진 짧은 세그먼트를 갖는 라인, 3) 견인 효과(pulling effect)를 제거하기 위하여 아래층에 부착하지는 않으나 다른 구조와 함께 유지되어 있는 라인, 및 4) 겔 포인트(gel point)( 및 부착)를 하부층에 연장시키는 노출이 가해지기 전에 가능한한 완전히 반응되는 라인.
스테레오리소그래피를 위한 모델 준비는 최적 방향의 선택, 지지부(supports)의 추가, 및 스테레오리소그래피 시스템의 작동 파라미터들의 선택을 수반한다. 최적 방향은 (1) 물체가 배수될(drain) 수 있게 하며, (2) 최소 개수의 지지되지 않은 표면을 가지며, (3) 중요한 표면을 최적화시키며, (4) 물체가 수지조(resin vat)에 적합하도록 할 것이다. 부착되지 않는 부분을 고정하기 위하여 그리고 다른 목적을 위하여 지지부가 추가되어야 한다; 이러한 목적을 위하여 지지부의 CAD 라이브러리가 준비될 수 있다. 스테레오리소그래피 작동 파라미터는 모델 축적(scale)과 층(슬라이스) 두께의 선택을 포함한다.
이어서, 고체 모델의 표면은 3각형, 전형적으로는 PHIGS로 분할된다. 3각형은 벡터 계산시 가장 덜 복잡한 다각형이다. 3각형이 보다 더 많이 형성되면 될 수록 표면 해상도는 보다 더 양호해지며, 따라서 CAD 설계에 의해 형성되는 물체는 보다 더 정확해진다. 3각형 좌표를 나타내는 데이터 포인트는 적절한 회로망 통신을 통하여 스테레오리소그래픽 시스템에 전달된다. 그 후 스테레오리소그래픽 시스템의 소프트웨어는 선택된 층 두께로 3각형 섹션을 수평(X-Y 평면)으로 얇게 자른다(slices).
그 다음, 스테레오리소그래픽 유니트(SLA)는 섹션 경계(section boundary), 해치(hatch), 및 수평표면(스킨; skin) 벡터를 계산한다. 해치 벡터는 경계 벡터들 사이의 크로스-해칭(cross-hatching)으로 구성된다. 몇 개의 스타일이 사용가능하다. 스킨 벡터는 고속으로 그리고 크게 중첩되게 그려져(traced) 추적되어 물체의 외부 수평 표면을 형성한다. 내부 수평 영역, 즉 상부 및 하부 스킨 내의 영역들은 크로스-해치 벡터 외에 다른 것으로는 채워지지 않는다.
그 후 SLA는 광경화성 수지의 표면을 가로질러 헬륨-카드뮬의 자외선 비임을 이동시키고 이 자외선 비임이 조사되는 곳의 액체를 고형화시킴으로써 한번에 하나의 수평층씩 물체를 형성한다. 레이저광이 수지에서 흡수되기 때문에 레이저광은 깊이 침투하지 못하여 얇은 층이 형성되게 된다. 각각의 층은 경계선, 해치, 및 표면의 순서로 작도된 벡터로 구성되어 있다.
SLA에 의해 작도되는 제1층은 액체 표면 바로 아래에 위치한 수평 플랫폼에 부착한다. 이 플랫폼은 엘리베이터에 부착되는데, 이는 컴퓨터 제어하에서 플랫폼을 수직으로 하강시킨다. 한 층을 작도한 후에, 플랫폼은 이미 경화된 층을 새로운 액체로 피복시키기 위하여 액체 속으로 수 밀리미터 잠기고, 이어서 짧은 거리만큼 상승하여 제2층을 형성할 액체 박막을 남긴다. 액체 표면이 평평하게 될 때 까지 잠시 휴지기(pause)를 가진 후에, 그 다음 층이 작도된다. 수지는 부착성(adhesive property)을 가지고 있기 때문에, 제2층은 제1층에 단단하게 부착되게 된다. 이와 같은 공정은 모든 층이 작도되어 전체 3차원 물체가 형성될 때까지 반복된다. 통상적으로, 물체의 바닥으로부터 0.25인치 정도가 지지부 구조인데 이 구조 위에서 원하는 부품이 조형된다. 광에 노출되지 않은 수지는 수조 내에 잔류하여 그 다음 부품을 위하여 사용된다. 재료의 낭비는 거의 없다.
후속 공정(post processing)은 여분의 수지를 제거하기 위한 형성된 물체의 가열, 중합을 완료시키기 위한 자외선 또는 열 경화, 및 지지부의 제거를 포함한다. 연마 및 작동 모델(working model)로의 조립을 포함하는 추가적인 공정도 또한 수행될 수 있다.
본 발명의 스테레오리소그래피 장치는 플라스틱 물체를 생산하는데 있어서 설계 레이아웃 및 도면을 작성할 필요가 없고 금형 제작 도면과 금형 제작이 필요 없는 등 많은 장점을 가지고 있다. 설계자는 컴퓨터와 스테레오리소그래픽 장치를 사용하여 직접 작업할 수 있으며, 설계자가 컴퓨터의 출력 스크린 상에 디스플레이된 바와 같은 설계에 만족할 때 직접 시험용 부품을 제작할 수 있다. 만약 설계가 수정되어야 한다면, 이는 컴퓨터를 통하여 용이하게 이루어지고, 그 후 그 변화가 올바른지를 검증하기 위하여 다른 부품이 만들어질 수 있다. 만약 상호 작용하는 설계 파라미터를 갖는 수개의 부품이 설계상 요구된다면, 모든 부품의 설계가 신속하게 변경될 수 있고 재차 이루어질 수 있기 때문에 전체(assembly)는 필요하다면 반복적으로 제작 및 검사될 수 있어 스테레오그래피는 더욱 더 유용하게 된다.
설계가 완료된 후, 부품 생산이 즉시 시작될 수 있으므로 설계 및 생산 사이에 수주일 및 수개월의 시간이 걸리지 않게 된다. 극대 생산율과 부품 원가는 단기 생산에 대하여 현재의 사출 성형의 원가와 유사하지만, 노동 원가는 사출 성형과 관련된 노동 원가보다 훨씬 더 작아진다. 사출 성형은 동일한 부품이 다량으로 요구될때에만 경제적이다. 스테레오리소그래피는 설비에 대한 필요성이 없고 생산 준비 기간이 최소화되기 때문에 단기 생산에 유용하다. 이와 유사하게, 이 기술을 사용하면 설계 변화와 주문형 제작이 용이하게 된다. 부품 제작의 용이성 때문에, 스테레오리소그래피는 현재 금속 또는 다른 재료가 사용되고 있는 여러 곳에서 플라스틱 부품이 사용되도록 할 수 있다. 게다가, 스테레오리소그래피는 고가인 금속 또는 다른 재료의 부품을 제작하도록 결정하기 전에 물체의 플라스틱 모델이 신속하고 경제적으로 제공되도록 한다.
본 발명의 이상에서 설명한 목적과 기타의 목적 및 장점은 이하의 상세한 설명과 이에 수반하는 도면들의 예시적인 실시예들로부터 명백해질 것이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 스테레오리소그래피를 사용한 레일 형성을 도시하는 도면.
제2도는 반응 영역을 상세히 도시하는 도면.
제3도는 쇄선 레일의 사시도.
제4도는 짧은 세그먼트 또는 만곡 선 레일의 사시도.
제5a도는 부착된 2차 구조를 제외하고는 아무런 부착부가 없는 레일의 단부 입면도.
제5b도는 부착된 2차 구조를 제외하고는 아무런 부착부가 없는 레일의 사시도.
제6도는 리벳에 의해 유지되는 레일을 도시하는 도면.
제7도는 쿼터 실린더를 도시하는 도면.
제8도는 본 발명이 생성될 수 있는 적절한 스테레오리소그래피 시스템의 소프트웨어 구성을 도시하는 플로우 챠트.
제9도는 본 발명의 실시를 위한 스테레오리소그래피의 전체 블록도.
제10도 및 제11도는 본 발명의 스테레오리소그래피 방법을 실시하는 데 있어 사용되는 기본 개념을 도시하는 플로우 챠트.
제12도는 본 발명을 실시하기 위한 시스템의 복합 블록도, 개략도 및 입면 단면도.
제13도는 본 발명의 실시를 위한 스테레오리소그래피의 제2실시예의 입면 단면도.
제14a도는 한 라인의 아래에 있는 다른 라인상에서의 그 한 라인의 견인 효과를 도시하는 도면.
제14b도는 견인 효과 때문에 윗쪽으로 말려 올라간, 제14a도의 라인을 도시하는 도면.
제15a도는 미경화 수지의 간극(gap)을 그 사이에 갖고 있는 2개의 이미 경화된 라인을 도시하는 도면.
제15b도는 제15a도의 간극 내의 미경화 수지가 경화될 때 가해지는 상쇄력을 도시하는 도면.
제16a도는 특정 노출이 단일 패스로 전해질 때 얻어지는 경화 깊이를 도시하는 도면.
제16b도는 제16a도의 노출이 다중 패스를 통하여 전해질 때 렌즈 효과를 통하여 얻어지는 경화 깊이를 도시하는 도면.
제17a도는 다중 패스 기술에 있어서의 하향 굽힘의 문제를 도시하는 도면.
제17b도는 다중 패스 기술의 초기 패스에서의 노출을 증가시킴으로써 제17a도의 문제에 대하여 가능한 해결책을 도시하는 도면.
제18도는 .L 파일에 있어서의 REDRAW 커맨드를 도시하는 샘플 레포트.
제19도는 .R 파일에 있어서의 REDRAW 커맨드를 도시하는 샘플 레포트.
제20a도 및 제20b도는 .PRM파일에 있어서의 REDRAW 디폴트 매개 변수를 도시하는 샘플 레포트.
제21a도는 물체의 단면에 걸쳐 있는(span)벡터를 도시하는 도면.
제21b도는 제21a도의 벡터의 작도 상의 유한 점핑 시간(finite jumping time)의 효과를 도시하는 도면.
제21c도는 제21b도의 문제를 완화시키기 위한 지그-재그 기술의 사용을 도시하는 도면.
제22a도는 상이한 층들로부터 적층된 라인들의 측면도.
제22b도는 특정 층의 인접 라인들을 부착시키기 위하여 리벳으로 연결된(riveted) 2차 구조의 사용을 도시하는 도면.
제22c도는 제22b도의 리벳으로 연결된 2차 구조의 측면도.
제22d도는 인접한 적층된 층들로부터 2차 구조를 부착시키기 위한 리벳의 사용을 도시하는 도면.
제22e도는 제22b도의 리벳으로 연결된 2차 구조의 평면도.
제23a도는 직경이 라인의 폭보다 훨씬 더 작은 리벳을 도시하는 도면.
제23b도는 직경이 제23a도의 리벳보다 더 큰 리벳을 도시하는 도면.
제23c도는 직경이 라인의 폭보다 더 큰 리벳을 도시하는 도면.
제24a도는 리벳에 의해 연결된 적층된 라인의 측면도.
제24b도는 너무 큰 리벳의 평면도.
제24c도는 오프셋 리벳의 평면도.
제24d도는 적층된 지지부 라인을 연결시키는데 사용되는 리벳의 평면도.
제25a도는 인접 라인을 연결시키는데 사용되는 2차 구조의 측면도를 도시하는 도면.
제25b는 적층된 2차 구조를 연결시키는데 사용되는 리벳을 도시하는 제25a도의 구조의 평면도.
제25c도는 제25b도의 2차 구조 및 리벳의 측면도.
제26a도는 쇄선 기술에 따라 제작된 부품을 도시하는 도면.
제26b는 만곡 선 기술에 따라 제작된 부품을 도시하는 도면.
제26c도는 2차 구조 기술에 따라 제작된 부품을 도시하는 도면.
제27a도는 쇄선 기술에 의한 브릭(bricks) 및 모르타르(mortar)의 사용을 도시하는 도면.
제27b도는 쇄선 기술의 브릭 및 모르타르 변형에 대한 경화 시퀀스를 도시하는 도면.
제27c도는 쇄선 기술의 다른 변형을 위한 경화 시퀀스를 도시하는 도면.
제27d도는 쇄선 기술의 제3변형을 위한 경화 시퀀스를 도시하는 도면.
제27e도는 쇄선 기술의 제4변형을 위한 경화 시퀀스를 도시하는 도면.
제28a도는 만곡 라인 기술로부터의 응력 경감을 도시하는 도면.
제28b도는 40-300밀(mil)의 간극 크기를 갖는 만곡 선 기술을 도시하는 도면.
제28c도는 제28b도 보다 더 작은 간극 크기를 갖는 만곡 선 기술을 도시하는 도면.
제28d도는 3각형 형상을 갖는 만곡 선 기술의 변형을 도시하는 도면.
제28e도는 만곡 선 기술의 다른 변형을 도시하는 도면.
제28f는 제28e도의 변형과 관련된 각도를 도시하는 도면.
제28g도는 만곡 선 기술의 제3 변형을 도시하는 도면.
제28h는 만곡 선 기술의 브릭 및 모르타르 변형을 도시하는 도면.
제28i도는 제28h도의 변형을 위한 경화 시퀀스를 도시하는 도면.
제28j도는 만곡 선 기술의 다른 브릭 및 모르타르 변형을 위한 경화 시퀀스를 도시하는 도면.
제29a도는 왜곡되지 않은 캔틸레버 섹션을 도시하는 도면.
제29b도는 왜곡된 캔틸레버 섹션을 도시하는 도면.
제29c도는 커얼을 감소시키기 위하여 조형된 캔틸레버 섹션에서의 부착에 도움을 주는 벡터의 평면도.
제30도는 임계 .BOX 파일 내에서의 임계 영역을 상세히 도시하는 샘플 레포트.
제31도는 .L 파일에 있어서의 RIVET 커맨드를 상세히 도시하는 샘플 레포트.
제32a도는 제32b도는 .PRM파일에 있어서의 디폴트 RIVET 파라미터를 상세히 도시하는 샘플 레포트.
제33a도 및 제33b도는 .V 파일을 도시하는 샘플 레포트.
제34a도는 왜곡되지 않은 쿼터 실린더의 측면도.
제34b도는 왜곡된 쿼터 실린더의 측면도.
제34c도는 쿼터 실린더의 층의 평면도.
제34d도는 수평 커얼의 효과를 도시하는 제34c도의 층의 평면도.
제35a도는 상부, 지지부, 후부 및 베이스층을 도시하는 쿼터 실린더의 측면도.
제35b도는 내부 및 외부 동심 원형 만곡 레일을 도시하는 쿼터 실린더의 평면도.
제35c도는 만곡된 레일에 의해 마주보는 각도를 도시하는 쿼터 실린더의 평면도.
제35d도는 크로스-해치에 의해 연결된 내부 및 외부 레일을 도시하는 쿼터실린더의 평면도.
제35e도는 제35d도의 적층된 크로스 해치를 연결시키기 위한 리벳의 사용을 도시하는 쿼터 실린더의 평면도.
제35f도는 쿼터 실린더의 사시도.
제35g도는 커얼 인자의 정의를 도시하는 왜곡된 쿼터 실린더의 측면도.
제36a도는 홈이 파인(slotted) 섹션을 갖는 부품의 측면도.
제36b도는 제36a도의 부품의 전면도.
제36c도는 제36a도의 부품의 평면도.
제36d도는 스니어 효과(effects of sneer)를 도시하는 제36a도의 부품의 측면도.
[바람직한 실시예의 설명]
본 발명은 광중합체의 연속층을 쌓아 올리는 형태의 스테레오리소그래피 방법 및 장치에 응용되는 것으로 기술될 것인데, 여기서 각각의 층은 물체의 각각의 단면을 정의하는 액체 표면 상에 라이트 펜슬(light pencil)로 일련의 벡터를 작도함으로써 형성되며, 여기서 커얼을 감소 또는 제거시킴으로써 개선이 이루어진다. 일련의 직선들의 층인 레일(rails)을 조형하고 결과로서 생기는 왜곡을 측정함으로써 다수의 기술을 시험해 보았다. 이 경우에 있어서 다음 도면에 도시된 것과 같이 광중합체가 경화 ( 및 수축)되어 하부층에 부착되는 인터페이스에서 힘 또는 응력이 생성된다.
이제 도면, 특히 제1도 및 제2도를 참조하면, 라이트 펜슬(3)은 액체(2)를 가로질러 도시된 방향으로 이동하면서 액체를 고체(1)로 변환시킨다. 이는 고체 상부층(4)을 형성하고, 이는 하부층(5)에 부착된다. 라이트 펜슬이라는 용어는 액체 광중합체의 표면상에 충돌하는 UV 광과 같은 상승작용적인 자극(synergistic stimulation)을 말한다.
확대도(제2도)에 있어서, 펜슬로부터 나온 광은 광중합체 내로 관통되어 반응 영역(6)을 형성하는 것으로 도시되어 있다. 고체/액체 인터페이스(9), 또는 겔점(gel point)이 표시되어 있다. 그러나, 반응 영역에 있는 물질의 중합 상태는 더욱 복잡하다. 영역 내의 모든 물질은 반응성이 있다. 이 영역의 좌측 상방에 있는 물질은 반응성이 가장 큰데, 이는 광이 가장 강력하고 펜슬이 대부분의 시간 동안 이 지역에 머무르기 때문이다. 하부층의 바로 위인 우측 하방에 있는 물질은 반응성이 가장 작은데, 이는 광이 가장 미약하고 이 지역에서는 펜슬이 거의 머무르지 않기 때문이다.
물질이 반응을 함에 따라 밀도가 변화한다. 본 논의에서는 밀도 변화가 수축을 일으킨다고 가정하였지만, 확장이 일어날 수도 있다. 반응 영역(6)은 복합 수축 실린더(complex shrinking cylinder)로서 작용하고 수축(7)은 이 실린더의 안쪽으로 향한다. 반응 영역(6)의 좌측 하방에 있어서, 상층(4)의 새로운 고체 물질은 부착부(adhesion:8)에 의해 하부층(5)에 부착된다.
층이 아래층에 부착되지 않고서 형성되는 경우에는, 반응 영역이 수축됨에 따라 그 자체의 층에만 부착( 및 속박)되기 때문에 커얼 왜곡이 일어나지 않는다. 이 단일층 부착을 이루는데 있어서, 이 층은 압축 상태에 놓이게 되지만, 굽힘 모멘트는 생성되지 않는다. 이는 수축 작용으로부터의 모든 수평력은 갓 형성된 층 이외에는 파지할 수 있는 견고한 베이스가 없고, 새로운 고체 반응 재료는 그것이 형성될 때 좌측으로 약간 이동하기 때문이다.
그러나, 층이 형성되고 동시에 하부층에 부착될 때, 반응 영역에 있는 부착된 재료 부분은 여전히 수축을 계속한다. 이제, 이러한 수축은 다음의 2가지 방법으로 레일의 나머지 부분에 결합된다;
a. 부착점 바로 위의 재료는 수축하고 있다. 이 수축하는 물질은 하부층의 최상부를 견고한 베이스로서 사용할 수 있기 때문에, 이 베이스에 압축 응력을 전가할 수 있다. 새로운 층이 형성됨에 따라, 기존(하부)층의 모든 상부는 압축되어 하부층에 굽힙 모멘트를 발생시킨다.
b. 반응 영역은 수축되고 갓 형성된 상층에 부착된다. 이 영역은 부착되지 않은 층이 형성될 때처럼 좌측으로 당겨진다. 그러나, 반응 영역은 또한 왼쪽으로의 모멘트에 저항하기 위해 하부층에 부착되므로 수축은 상층을 우측으로 당기게 된다. 이렇게 됨으로써 레일 내에는 굽힘 모멘트가 발생한다.
광중합체 반응에서 일어나는 수축에는 2가지 유형이 있다는 점을 유의하여야 한다. 첫 번째 기작은 중합체 결합 형성에 의해 중합체가 수축한다는 것이다. 그 결과, 고체 중합체의 상태는 액체 전(pre)-중합체 상태보다 더 밀도가 높아지고, 그러므로 중합체의 부피는 그것을 형성하는 전-중합체의 부피보다 적어지게 된다. 이러한 수축 기작은 레이터 패턴을 생성하기 위해 걸리는 시간에 비해 본질적으로 순간적이다(즉, 마이크로초보다 짧다).
두 번째 기작은 열 효과(thermal effect)이다. 광중합체는 발열성이므로 반응할 때 열을 방출한다. 이러한 열은 중합체의 온도를 높이므로, 중합체는 형성될 때 팽창하게 된다. 그 다음의 냉각 및 수축은 상태 변화에 기인한 수축과, 더 느리다는 점을 제외하고는, 같은 효과가 있고, 레이저 패턴을 생성하는게 걸리는 것에 비해서는 시간이 오래 걸린다(초). 현재 사용되는 광중합체에 대하여, 두가지 수축 유형 중에서 상태 변화 기작이 더 많이 사용되고 있다.
스테레어리소그래피 광중합체의 전형적인 예는 일리노이 60018, 데스 플라이니스, 1700 사우스 마운틴 프로스펙트 로드에 있는 데소토 주식 회사(Desoto Inc., 1700 South Mt. Prospect Road, Des Plainess, Illinois 60018)가 제조하는 데소토 SLR800 스테레오리소그래피 수지이다.
[커얼 제어 방법]
본 발명에 따르면, 수직 또는 수평 구조의 일부인 스테레오리소그래피 선이 실선 대신에 쇄선으로 작도되는 경우-쇄선기술이라고도 알려져 있음-에, 벡터를 따라 수직으로 전달되는 견인력이 제거되고 커얼 효과가 감소된다. 수직 또는 수평 구조의 일부인 스테레오리소그래피 선이 직선 대신 만곡선으로 작도되는 경우-만곡선 기술이라고도 알려져 있음-에, 벡터를 따라 수직으로 전달되는 견인력이 감소하고 커얼 효과가 감소한다. 수직 또는 수평 구조의 일부인 스테레오리소그래피 선이 옆 또는 아래의 선에 직접 부착되지 않고, 형성된 후 2차 구조를 사용하여 부착되는 경우-2차 구조기술이라고도 알려져 있음-에, 벡터 아래쪽으로의 견인력이 제거되고 인접 선 사의 굽힘 모멘트가 감소하고 커얼 효과가 현저하게 감소한다. 수직 또는 수평 구조의 일부인 스테레오리소그래피 선이 재료가 실질적으로 반응할 때까지 아래나 옆의 선에 직접 부착되지 않도록 작도되는 경우-다중-패스기술이라고도 알려져 있음-에, 벡터 아래쪽으로의 견인력은 감소하고 구조는 더욱 견고해져서 커얼에 내성을 가지게 된다.
커얼 제어 방법은 상기 (a) 및 (b)효과를 제거하거나 감소시키기 위해 부품을 제작하는 방법에 따른다. 레일의 커얼을 감소시키기 위한 몇가지 간단한 방법의 예가 있는데, 이들은 다음과 같다;
1) 견인 효과를 분리시키기 위한 쇄선, 2) 견인 효과를 분리시키기 위한, 서로 다른 각도의 짧은 단편으로 이루어진 선, 3) 견인 효과를 제거하기 위한 것으로 하부층에 부착되지 않지만 다른 구조를 사용하여 함께 결합되어 있는 선, 및 4) 겔점( 및 부착부)를 하부층까지 연장하는 노출이 행해지기 전에 가능한한 완전히 반응하는 선이 사용된다. 이러한 기술을 각각 쇄선, 곡선, 2차 구조 및 다중-패스 기술이라고 불리운다. 이러한 기본적인 레일들은 이하에서 더욱 상세히 설명된다.
제3도에는 쇄선으로 이루어진 레일이 도시되어 있다. 제4도에는 서로 각을 이루고 있는 짧은 단편으로 만들어진 레일을 도시하고 있다. 제5a도 및 제5b도는 하부층에 부착되지는 않지만 다른 구조에 의해 서로 함께 결합되어 있는 선으로 이루어진 레일을 도시한다.
선을 아래의 라인에 부착하기에 앞서 가능한한 라인을 완전히 반응시키는 방법을 이해하기 위해서는 고체 형성 과정을 이해해야 한다. 스테레오리소그래피에서 층을 형성하는데 걸리는 반응 시간은 층의 두께, 입사 반응 에너지의 흡수율, 및 재료의 반응율에 의존한다. 입사 반응 에너지에 의해 액체 표면에 고체 막을 형성하기 위한 두께 반응 곡선은 로그 함수이다. 액체/고체 인터페이스에서의 고체 재료는 바로 겔 점에 있으며 표면에 있는 고체 재료가 가장 반응성이 크다. 막이 형성되고 난 후 후속 노출은 표면에서의 반응을 증가시키지만 막의 두께는 점점 작아진다.
커얼을 제어하는 효과적인 방법은 새로운 상층(top layer)의 부피가 고도로 경화(반응)되기에 충분히 큰 층 두께를 선택하는 것이다. 단지 마지막 몇차레 노출에 의해 부착하도록 여러번 노출하여 이 층을 경화시키는 것이 더욱 효과적이다. 이 경우에 반응 영역에 있는 대부분의 재료는 부착되기 전에 이미 밀도가 변화된다. 또한, 새로운 상층과 하부층은 더욱 완전하게 경화되어 변형에 더 잘 견딜수 있게 된다.
본 발명이 제공하는 바람직한 실시예에 있어서, 레일은 2개의 층이 부착되지 않을 정도로 조금만 노출되어 서로 근접한 2개의 평행 벽에 의해 형성되고, 벽은 짧은 수직 벡터에 의해 연결되어 있는데, 수직 벡터는 층들이 이 점에서 부착되어 함께 구조물을 유지할 수 있을 만큼 충분히 큰 깊이로 노출된다.
이 방법에 있어서, 2개의 벽에 대한 벡터는 모두 각각의 층에 대하여 성장되고 연결 벡터에 대한 추가 노출에 의하여 부착이 이루어진다.
이런 개념이 부품 조형 방법으로서 일반화되어 있다. 이 방법에 있어서, 부품은 내벽, 외벽, 및 연결 웨브(connecting webs)로 설계되어 있다. 제7도에는 이러한 부품이 도시되어 있다. 이러한 조형 스타일을 리베팅(riveting)이라고 하며, 보다 더 많이 노출된 연결 벡터를 리벳이라고 한다.
이러한 조형 스타일에 있어서, 내벽 및 외벽이 부착을 일으킬 만큼 충분히 노출될 때 부품의 커얼량은 층의 깊이와 동등한 중합체 깊이를 만드는데 요구되는 노출량을 초과하는 노출량에 따른다. 즉, 층이 그 아래층과 접촉하는 정도 이상으로 벽이 노출될수록 더 많은 부품들이 말려 올라간다(curls). 이것이 실제로 본 명세서 상에서 보다 더 상세히 설명되는 상이한 수지에 대한 표준 커얼 시험의 기초이다. 이 시험에 따르면, 일련의 이러한 쿼터 실린더들은 상이한 노출에서 조형되며 커얼 대 노출이 작도된다. 이 시험을 사용하여 상이한 수지재(resin formulas)는 상이하게 말려 올라가며 이는 최상의 수지의 선택을 가능하게 한다는 사실이 발견되었다.
또한, 커얼을 감소시키기 위해 본원에 설명된 방법은 금속이나 플라스틱 분말을 열생성 레이저를 사용하여 융합함으로써 부품을 조형하는 기술에 사용될 수도 있다는 점에 유의하여야 한다. 사실상, 분말 융합법은 광중합체를 사용하여 조형하는 경우보다 더 민감하며 커얼 감소 기술은 이 방법에 더 필요하다.
또한 본원과 관련하여 계류중인 출원, 구체적으로는 미합중국 특허출원 제182,830호, 이것의 계속 출원인 제269,801, 및 이것의 계속 출원인 LyonLyon의 도켓 번호 제186/195호에 설명된 바와 같은 일반적 조형 알고리즘을 사용함으로써, X-축 해치와 60도 및 120도 해치를 사용하여 슬라이스된(sliced) CAD에 의해, 그리고 근사 방사상 크로스-해치를 제조하기 위해 특정된 적절한 MIA를 사용하여 부품을 설계할수 있다. 만일 그 후 이 부품이 크로스-해치에 대하여는 다량 노출되고 가장자리에 대해서는 덜 노출된다면 상기에서 설명된 부품 조형 방법은 CAD 설계를 통해 실행된다. 제8도는 상기 참조된 본원과 관련하여 계류중인 출원에 더욱 상세하게 설명된 이러한 목적에 적합한 스테레오리소그래피 시스템을 전반적으로 도시한다.
예컨대 표면 구조를 고르게 하기 위해 파선(broken line)이나 곡선을 노출이 낮은 쇄선으로 채워질 수 있도록 기본 발명을 변형할 수 있다. 쇄선이나 파선은 하부 선이나 옆선에 직접 부착하지 않는 지지선으로서 사용될 수 있다. 비 지지선은 작은 부가 구조선에 의해 지지선과 연결되어 있다. 비 지지선에 부착될 수 있는 2차 구조는 하부선에 연결하는 이러한 선의 상부를 더욱 고도로 노출시키는 리벳일 수 있다.
주어진 노출이 더 얇은 막을 제조하도록 하기 위해 물질의 흡광도(absorption)를 조절함으로써 더욱 얇은 층이 형성될 수 있는 반면 상부 표면에 가까운 물질은 여전히 거의 완전히 반응한다.
커얼을 제어하기 위해 기술된 여러 가지 방법을 부가적이다. 즉, 만일 2또는 그 이상이 결합된 경우에 커얼은 더욱 감소하였다. 또한 설명된 여러 가지 기술은 여러 가지 변형이 가능하다.
도면, 특히 제9도를 참조하면, 본 발명을 실시하기에 적합한 전체 스테레오리소그래피 시스템의 블록 다이어그램이 도시되어 있다.
CAD 발생기(2)와 인터페이스(3)는 형성될 물체의 데이터 설명(data descriptiton)을 전형적으로 PHIGS형식으로 그리고 이더넷(ETHERNET)또는 이와 유사한 네트워크 통신을 통해 인터페이스 컴퓨터(4)에 제공하고 있는데, 여기서는 어렵고 복잡한 물체 형상에 대하여도 응력, 커얼 및 왜곡을 감소시키고, 해상도, 강도, 정밀도, 속도 그리고 재생산 경제성을 증가시키는 출력 벡터를 제공하고 데이터를 최적화하기 위해 물체 데이터가 조작된다. 인터페이스 컴퓨터(4)는 연속적인 슬라이싱, 층 두께의 변화, 충전(filling), 편평한 스킨, 근사 편평 스킨, 상부-대향(up-facing) 및 하부-대향(down-facing) 스킨의 생성, 스케일링, 크로스-해칭, 벡터의 오프셋팅, 벡터의 순서화(ordering)에 의해 층 벡터 데이터를 생성한다.
컴퓨터(4)로부터의 벡터 데이터와 파라미터는 시스템 스테레오리소그래피 레이저, 미러, 엘리베이터 등을 작동시기키 위해서 제어기 서브시스템(5)로 전해진다.
제10도 및 제11도는 스테레오리소그래피를 이용하여 3-차원 물체를 생성하기 위한 본 발명의 기본 시스템을 도시한 플로우 차아트이다.
적절한 마스크를 통해 또는 잉크 제트에 의해서 인가되는 반응성 화학 물질, 가시광 또는 비가시광, 또는 전자 비임과 같은 상승작용적 자극 형태 또는 자외선(UV)에 의한 조사에 의해 고체 상태의 중합체 플라스틱으로 변화시킬 수 있는 많은 액체 상태의 화학물질이 알려져 있다. UV 경화성 화학 물질은 현재 고속 프린팅을 위한 잉크로서, 종이 또는 다른 재료를 코팅하는 공정에서의 부착제로서, 그리고 다른 특정 분야에서 사용되고 있다.
리소그래피는 여러가지 기술을 이용하여 그래픽 물체를 재생하는 기술이다. 예를 들어, 이는 현재 포토그래픽 재생, 조형 사진술 그리고 전자 공학 회로 보드의 생산에 사용되고 있다. 플로터 또는 음극선관 상에 표시되는 컴퓨터 발생 그래픽도 역시 리소그래피의 한 형태인데, 여기에서 영상은 컴퓨터 코딩된 물체의 화상이다.
CAD와 CAM은 설계 및 생산 공정에 컴퓨터의 능력을 적용하는 기술이다. CAD의 전형적인 예는 전자 인쇄 회로 설계 분야인데 여기에서 컴퓨터와 플로터는 컴퓨터 데이터 입력으로서 설계 파라미터가 주어지면 인쇄 회로 보오드의 설계도를 작성한다. CAM의 전형적인 예는 수치 제어 밀링 머신인데, 여기에서 컴퓨터와 밀링머신은 적절한 프로그래밍 커맨드가 주어지면 금속 부품을 생산한다. CAD 및 CAM은 모두 중요하고 급속히 성장하는 기술이다.
본 발명의 주된 목적은 CAD 및 CAM을 동시에 수행하고 컴퓨터 커맨드로부터 직접 3차원 물체를 생산하도록, UV 경화성 플라스틱류의 사용과 결합하여 컴퓨터 발생 그래픽의 원리를 이용하는 것이다. 스테레오리소그래피로서 언급되는 본 발명은, 제품 개발의 설계 단계에서 모델 및 원형을 조형하는데, 또는 제조 장치로서, 또는 예술 형태로서 사용할 수 있다. 본 발명은 여기에서의 발명자들 중 한명인 찰스 다블유. 헐(Charles W. Hull) 명의의 미합중국 특허 제4,575,330호에서 설명한 스테레오리소그래피의 개발 내용을 더욱 향상시키고 있다.
도면, 특히 제10도를 참조하면, 스테레오리소그래피 방법이 개략적으로 도시되어 있다. 단계(8)은 시스템에 의해서 형성될 3차원 물체를 나타내는 CAD 또는 기타의 데이터를 전형적으로 디지털 형태로 생성할 것을 요한다. 이러한 CAD 데이터는 다각형 형식, 즉 3각형, 및 예를 들어 경사를 표시하기 위해 이들 3각형의 면에 수직인 법선으로 표면을 정의하고, 본 발명의 바람직한 실시예에서 ANSI 표준으로서 변경된 프로그래머의 계층 상호 작용 그래픽 시스템(PHIGS)에 따른다. 상기 표준은 본 명세서에서 완전히 설명한 것과 같이 완전히 참조되고 있는 캘리포니아, 샌디애고의 탬플레이트, 메가테크 코오퍼레이션(Template, Megatek Corp.)에 의해서 발행된 PHIGS의 이해에 실례로서 개시되어 있다.
단계(9)에서, PHIGS 데이터 또는 그 등가물(equivaleut)은 본 발명에 따라 3차원 물체를 형성하는데 있어서 스테레오리소그래피 출력 시스템을 구동하기 위하여 고유 변환 시스템에 의하여 수정 데이터 베이스로 변환된다. 이점에 있어서, 물체를 정의하는 정보는 응력, 커얼, 및 왜곡을 감소시키고 해상도, 강도, 및 재생의 정밀성을 증가시키도록 특별히 처리된다.
제10도의 단계(10)은 형성될 3차원 물체의 단면을 나타내는 각각의 고체층(solid laminae)를 생성할 것을 요한다. 단계(11)은 연속적으로 형성된 인접 층을 결합하여, 선택적인 경화를 위해 시스템 내로 프로그래밍되었던 소기의 3차원 물체를 형성한다.
그러므로, 본 발명의 스테레오리소그래픽 시스템은 충격조사, 전자 비임 또는 다른 입자 충격, 또는 (잉크제트 또는 유체 표면 근처의 마스크 상에 스프레이 하는 등에 의한) 화학제의 인가와 같은 적절한 상승작용적 자극에 대응하여 물리적인 상태가 변할 수 있는 UV 경화성 액체 등과 같은 유체 매질의 선택된 표면에서 형성될 물체의 단면 패턴을 만들어 3차원 물체를 생성함으로써, 물체의 연속적인 인접 단면에 대응하는 연속적인 인접층이 자동적으로 형성되고 함께 결합하여 단계층(step laminar) 또는 물체의 얇은 층을 축적시키고, 형성 과정 동안 유체 매질의 평면형 또는 쉬트형 표면으로부터 3차원 물체가 형성되고 작도된다.
제10도에서 도시한 상기에서 언급한 기술은 제11도의 플로우 차아트에서 더욱 자세히 개시되어 있으며, 여기에서 단시 단계(8)은 시스템에 의해서 형성될 3차원 물체를 나타내는 CAD 또는 다른 데이터를 전형적으로 디지털 형식으로 생성하는 것을 필요로 한다. 다시, 단계(9)에서 PHIGS 데이터는 3차원 물체를 형성하는데 있어서 스테레오리소그래피 출력 시스템을 구동하기 위하여 고유 변환 시스템에 의해서 수정된 데이터로 변환된다. 단계(12)은 상기에서 언급한 반응성 자극에 응답하여 고체화할 수 있는 액체 매질을 용기에 담는 것을 필요로 한다. 단계(13)은 할당된 유체 표면에서 얇고, 고체인 개별 층을 형성하도록 제9도의 컴퓨터로부터의 데이터 출력에 응답하여 지정된 유체 표면에 그래픽 패턴으로서 자극을 인가하는 것을 필요로 하는데, 여기서 각각의 층은 생산될 3차원 물체의 인접 단면을 나타낸다. 본 발명의 실제적인 적용에 있어서, 각각의 층은 얇은 층이지만 형성될 물체의 다른 단면을 정의하는 인접층에 부착되며 또한 단면 형성에 있어서 적절히 부착하기에 충분히 두껍다.
제13도의 단계(14)은 여러개의 층 또는 래이나를 결합하여 원하는 3차원 물체를 정의하기 위해, 연속적인 인접층들이 형성될 때 서로 서로의 위에 인접층들이 중첩될 것을 필요로 한다. 본 발명의 통상적인 실시에 있어서, 액체 매질이 경화되어 고체 재질의 하나의 층을 정의하며, 그 층은 액체 매질의 작용 표면으로부터 멀리 이동하고, 이전에 형성된 층을 대신하는 새로운 액체에서 다음 층이 형성되고, 각각의 연속층은 다른 모든 단면층과 함께 (경화된 액체 매질의 자연적인 부착 특성에 의해서)중첩되어 결합된다. 물론, 앞에서 지적한 바와 같이, 본 발명은 수평과 수직 사이의 변환에서 생기는 문제점도 역시 다룬다.
이러한 단면층을 생산하는 과정을 전체 3차원 물체가 형성될 때까지 반복된다. 물체는 제거되고 시스템은 다른 물체를 생산할 준비를 하는데, 이는 이전 물체와 동일한 물체이거나 또는 스테레오리소그래픽 시스템을 제어하는 프로그램을 변경함으로써 형성되는 전체적인 새로운 물체일 수 있다.
도면 제12도 및 제13도는 제1도 내지 제3도의 시스템 및 플로우 차아트에 의해서 예시되고 설명된 스테레오리소그래픽 방법을 수행하기 위한 여러 가지 적절한 장치를 도시하고 있다.
상기에서 언급한 바와 같이, 스테레오리소그래피는 하나의 층 위에 다른 하나의 층을 쌓는 것과 같이 UV 경화성 재질등의 경화성 재질의 얇은 층을 연소적으로 프린팅함으로써 고체 물체를 만들기 위한 방법 및 장치이다. UV경화성 액체의 표면 또는 층에 조사되는 UV 광의 프로그램 가능 가동 스폿 비임은 액체의 표면에서 물체의 고체 단면을 형성하는데 사용된다. 그 후, 물체는 프로그래밍된 방식으로 하나의 층의 두께만큼 액체 표면으로부터 멀리 이동하고, 다음의 단면이 형성되어 물체를 정의하는 바로 이전층에 부착되게 된다. 이러한 과정은 전체 물체가 형성될 때까지 계속된다.
본질적으로 본 발명의 기술에 의해 모든 형태의 물체 형상을 만들 수 있다. 복잡한 형상은 컴퓨터의 기능을 사용하여 프로그래밍된 커맨드를 생성하고 프로그램 신호를 스테레오리소그래피 물체 형성 서브시스템에 보냄으로써 더욱 용이하게 만들어 질수 있다.
CAD시스템의 데이터 베이스는 여러 가지 형태를 취할 수 있다. 상기에서 언급한 바와 같이, 하나의 형태는 3각형의 그물망(PHIGS)로서 물체의 표면을 나타내는 것으로 구성된다. 이들 3각형은 물체의 외부 및 내부 표면을 완전히 형성한다. 이러한 CAD 표현은 각각의 3각형에 대하여 단위 길이의 법선 벡터를 역시 포함한다. 법선은 3각형이 둘러싸는 입체로부터 밖으로 향한다. 본 발명은 이러한 CAD 데이터를 스테레오리소그래피를 통해 물체를 형성하는데 필요한 층층의(layer-by-layer) 벡터 데이터로 처리하는 수단을 제공한다.
스테레오리소그래피를 성공적으로 수행하기 위해서는, 한 층이 다른 층에 양호하게 부착하는 것이 필요하다. 여기에서, 한 층의 플라스틱은 이전의 층이 조형될 때 형성된 플라스틱에 중첩될 것이 필요하다. 수직 부분으로 구성되는 모델의 조형에서, 한층 위에 형성되는 플라스틱은 이전의 층으로부터 적전에 형성된 플라스틱 위에 정확하게 맞추어 것이고, 이에 의해 양호한 부착력이 제공된다. 층두께의 유한한 점프에 의해 수직형상으로부터 수평형상으로 변화하기 시작할 때, 하나의 층에 형성되 플라스틱이 이전층에 형성된 플라스틱과 접촉하지 않는 점에 결국 도달하게 될 것이며, 이는 심각한 부착력 문제를 야기한다. 수평 표면 자체는 부착력 문제를 나타내지 않는데, 이는 전체적인 부분이 하나의 층에 나란히 부착되어 조형되므로 구조적인 일체성을 유지하기 때문이다. 그러므로, 형성된 부품에서 표면을 완전히 경계지우는 방법과 응력과 변형을 줄이거나 제거하는 방법뿐만 아니라, 수직에서 수평으로 또는 수평에서 수직 부분으로 변화할 때 층들 사이에서 부착력을 보장하기 위한 일반적인 수단이 제공된다.
새롭고 개량된 스테레오리소그래픽 시스템이 바람직한 실시예가 제12도의 정단면도에 도시되어 있다. 콘테이너(21)는 지정된 작용 표면(23)을 제공하도록 UV 경화성 액체(22) 등으로 채워져 있다. 프로그램 가능한 자외선 등의 광원(26)은 표면(23)의 평면에서 자외선 광의 스폿(27)을 생성한다. 스폿(27)은 광원(26)과 함께 사용되는 미러 또는 다른 광학 또는 기계적인 요소(제12도에 도시하지 않음)의 동작에 의해서 표면(23)을 가로질러 이동할 수 있다. 표면(23)에서의 스폿(27)의 위치는 컴퓨터 제어시스템(28)에 의해서 제어된다. 상기에서 언급한 바와 같이, 시스템(28)은 CAD 설계 시스템등의 발생기(20)에 의해서 생산되고 PHIGS형식 또는 이와 동등한 형식으로 컴퓨터화한 변환 시스테(25)으로 전해지는 CAD 데이터의 제어하에 있을 수 있는데, 여기서 물체를 정의하는 정보는 응력, 커얼, 왜곡을 감소시키고 해상도, 강도, 재생의 정밀성을 증가시키도록 특별히 처리된다.
콘테이너(21)내의 가동 엘리베이터 플랫폼(29)은 선택적으로 상하로 이동할 수 있는데, 플랫폼의 위치는 시스템(28)에 의해서 제어된다. 장치가 작동될 때, 30a, 30b, 30c 와 같은 집적층의 단계형 조형에 의해 3차원 물체를 생성한다.
UV 경화성 액체(22)의 표면은 콘테이너(21) 내에서 일정한 수평면으로 유지되고, UV 광의 스폿(27) 또는 액체를 경화하여 고체 물질로 변환하기에 충분한 강도를 갖는 기타의 적절한 형태의 반응성 자극은 프로그래밍된 방식으로 작용표면을 가로질러 이동한다. 액체(22)가 경화되어 고체 재질이 형성될 때, 처음에는 표면(23)의 바로 아래에 있던 엘리베이터 플랫폼(L29)은 소정의 적절한 액츄에이터에 의해서 프로그래밍된 방식으로 표면으로부터 아래로 움직인다. 이러한 방식으로, 처음에 형성된 고체 재질은 표면(23) 아래로 가며, 새로운 액체(22)가 표면(23)을 가로질러 흐른다. 이러한 새로운 액체의 부분은 차례로 , 프로그래밍된 UV 광 스폿(27)에 의해서 고체 재질로 변환되며, 새로운 재질은 그 아래에 있는 재질에 부착되어 연결된다. 이러한 과정이 전체적인 3차원 물체가 형성될 때까지 계속 된다. 그 후, 물체(30)는 콘테이너(21)로부터 제거되고, 장치는 다른 물체를 생산할 준비를 한다. 그 후, 다른 물체가 생산되거나 또는 컴퓨터(28)의 프로그램을 변화시킴으로서 소정의 새로운 물체가 만들어질 수 있다.
UV 경화성 액체와 같은 경화성 액체(22)는 여러 가지 중요한 특성을 갖추어야 한다. (A) 실용적인 물체 형성 시간을 허용하도록 사용 가능한 UV 광원에 의해 충분히 빨리 경화되어야 한다. (B) 부착력이 있어서, 연속층들이 서로 부착하여야 한다. (C) 점성이 충분히 낮아서 엘리베이터가 물체를 움직일 때 새로운 액체 재질이 표면을 가로질러 신속히 흘러야 한다. (D) UV 광을 흡수하여 형성된 막이 적당히 얇아야 한다. (E) 액체 상태의 소정의 용매에서는 적당히 용해 가능하고 고체 상태의 그 동일한 용매에서는 용해되지 않아서, 물체가 형성된 뒤에 UV 경화성 액체 및 부분적으로 경화된 액체를 세척해서 제거할 수 있어야 한다. (F) 가능한한 비독성 비자극성이어야 한다.
경화된 재질은 일단 고체 상태로 되어도 바람직한 특성을 갖추어야 한다. 이들 특성은 다른 플라스틱 재질의 종래의 사용과 같이 관련 응용예에 따른다. 색깔, 구성, 강도, 전기적인 특성, 발화성, 그리고 가요성과 같은 파라미터는 고려하여야할 특성들이다. 이에 부가하여, 재질의 원가도 많은 경우에 있어서 중요하다.
작용 스테레오리소그래피(제12도)의 바람직한 실시예에서 사용된 UV 경화성 재질은 일리노이스, 데스 플레인의 데소토 인코오퍼레이션(Desoto Inc.)에서 만든 디소토 SLR 800은 스테레오리소그래피 수지이다.
광원(26)은 형성될 소기의 물체의 세부를 정확히 만들 수 있도록 충분히 작고, 사용되는 UV 경화성 액체를 실용적으로 될 정도로 충분히 신속하게 경화시키기에 충분한 조도를 갖는 UV광의 스폿(27)을 생산한다. 광원(26)은 스폿(27)이 액체(22)의 표면(23)을 가로질러 움직일 수 있게 이동하고, 턴온 및 오프되도록 프로그래밍될 수 있게 구성된다. 그러므로, 스폿(27)이 움직이면서 액체(22)를 고체로 경화하며, 종이 위에 패턴을 그리도록 펜을 사용하는 차아트 레코더 또는 플로터와 동일한 방식으로 표면에 고체 패턴을 작도(draws)한다.
스테레오리소그래피 시스템의 바람직한 실시예를 위한 광원(26)은 캘리포니아 써니배일의 리코닉스(Liconix)에 의해서 생산되는 모델 4240-N MeCd 멀티모드 레이저와 같은 전형적인 헬륨-카드늄 자외선 레이저이다.
제12도의 시스템에서, 물체가 제거된 후에 상기 재질을 재보충하고 일정한 수준으로 표면(23)을 유지하기 위한 수단이 제공되어, 초점 스폿(27)은 고정된 초점 평면상에 예리하게 초점이 맞추어 지게 되고, 따라서 작용 표면을 따라서 상위층을 형성하는데 최대 해상도를 보장한다. 이점에 있어서, 바로 작용 표면(23)에 강도 영역(region of intenstiy)을 제공하고 낮은 강도로 신속히 분산하여 이에 의해 형성될 물체에 대해 가장 얇은 적절한 단면층을 제공하기 위해 경화 공정의 깊이를 한정하도록 초점의 모양을 형성하는 것이 바람직하다.
엘리베이터 플랫폼(29)은 형성될 물체를 지지하는데 사용되며, 원하는 대로 물체를 상하 운동시키는데 사용된다. 전형적으로, 층이 형성된 후에 물체(30)는 고체가 형성되고 남아 있는 표면(23)에서 액체(22)가 순간적인 공간 내로 유입되도록 하기 위해 다음층의 레벨을 지나 이동한 후, 다음층에 대한 정확한 레벨로 다시 이동한다. 엘리베이터 플랫폼(29)에 필요한 요구 조건은 이것이 프로그래밍된 방식으로 적절한 속도로, 적절한 정밀도로, 그리고 형성될 물체(30)의 무게를 취급하기에 충분한 강력한 힘으로 이동할 수 있어야 한다는 것이다. 이에 부가해서, 설정 단계 동안 그리고 물체를 제거할 때 엘리베이터 플랫폼의 위치를 수동으로 조정하는 것이 유용하다.
엘리베이터 플랫폼(29)은 기계식, 공압식(pneumatic), 유압식 또는 전기식일 수 있으며, 그의 위치를 정밀하게 제어하도록 광학 또는 전자 피이드백을 사용할 수 있다. 엘리베이터 플랫폼(29)은 전형적으로 유리 또는 알루미늄으로 제조되지만, 경화된 플라스틱 재질이 부착되는 어떠한 재질이라도 상관없다.
컴퓨터 제어 펌프(도시하지 않음)는 작용 표면(23)에서 액체(22)의 일정한 레벨을 유지하는데 사용될 수 있다. 종래의 기술에서 잘 알려진 적절한 레벨 탐지시스템 및 피이드백 네트워크는 엘리베이터 플랫폼이 유체 매질로 더 움직일 때 표면(23)에서 일정한 유체의 레벨을 유지하고 유체 체적의 변화를 오프셋시키도록 유체 매질로부터 움직이는 고체 로드(solid rod)(도시하지 않음)와 같은 액체 변위장치 또는 유체 펌프를 구동하는데 사용된다. 대안으로서, 광원(26)이 감지된 레벨에 대하여 움직일 수 있으며 작용 표면(23)에서 예리한 촛점을 자동으로 유지한다. 모든 이들 대안들은 컴퓨터 제어 시스템(28)과 결합하여 운영되는 적절한 데이터에 의해서 용이하게 달성된다.
3차원 물체(30)가 형성된 후 엘리베이터 플랫폼(29)은 상승하고 물체는 후속 공정을 위해서 플랫폼으로부터 제거된다.
제13도에 도시한 바와 같이, 경화성 액체(22)에 대해 비혼화성(non-miscible)이며 비가용성(non-wetting)인 더욱 무거운 UV 투과성 액체(32) 상에서 UV 경화성 액체(22)등이 부동하는(folat) 스테레오리소그래피의 대체 구성이 도시되어 있다. 예를 들어, 에틸렌 글리콜 또는 중수가 중간 액체층(32)용으로 적절하다. 제12도의 시스템에서, 3차원 물체(30)는 제11도의 시스템에서처럼 액체 매질 속으로 아래쪽으로 더 깊이 보내지는 것이 아니라 액체(22)로부터 위쪽으로 당겨진다.
제13도의 UV 광원(26)은 액체(22)와 비혼화성 중간 액체층(22) 사이의 인터페이스에 스폿(27)의 초점을 맞추며, UV 조사선은 콘테이너(21)의 바닥에 지지되는 수정 등의 적당한 UV 투과창(33)을 통과한다. 경화성 액체(22)가 비경화층(32) 위의 매우 얇은 층에 공급되므로 이상적으로 매우 얇은 층(lamina)이 제공되어 경화두께를 제한하기 위해 단지 흡착 등에만 의지하는 것보다 직접적으로 층두께를 제한하는 이점이 있다. 그러므로, 형성 영역은 좀더 정확하게 정의되고, 몇몇 표면은 제12도의 것보다 제5도의 시스템을 사용하여 더욱 평활하게 형성될 것이다. 이에 더하여, UV 경화성 액체(22)의 양도 더 적게 요구되며 경화성 재료를 다른 것으로 대체하는 것이 더 용이하다.
새롭고 개량된 스테레오리소그래픽 방법과 장치는 플라스틱 물체를 제작하기 위한 현행의 방법에 비해 여러 이점을 가진다. 이 방법은 금형 제작 도면이나 금형을 제작할 필요가 없다. 설계자는 직접 컴퓨터와 스테레오리소그래피 장치를 사용하여 작업할 수 있으며 컴퓨터의 출력 스크린에 나타나는 설계가 만족스러울 때, 그는 직접 시험용 부품을 만들고 커얼이나 왜곡을 감소시키고, 해상도, 강도 및 재생산의 정밀도를 증가시키도록 특별히 처리되는 물체를 정의하는 정보를 만들 수 있다. 설계를 수정해야 한다면, 컴퓨터를 통해서 쉽게 수정할 수 있으며 변형이 옳다는 것을 증명하기 위해 또 다른 부품이 만들어질 수 있다. 만약 설계가 상호 작용하는 설계 파라미터를 갖는 몇 개의 부품을 요구하면 모든 부분의 설계가 신속히 변경되고 다시 만들어져서 전체 조립체가 필요하다면 반복해서 만들어지고 검사 될 수 있으므로 본 방법은 더욱 유용하다.
설계가 완성된 후 부품 제작이 즉시 개시되어 설계와 제작 사이에 긴 시간이 소요되지 않게 된다. 단기 생산에 대하여 최종 제작 비율과 부품 단가는 현행의 사출 성형의 단가와 유사하지만 인건비는 더 낮을 것이다. 사출 성형은 동일한 부품을 대량 제작할 때만 경제적이다. 스테레오리소그래피는 금형 제작의 필요성이 없고 제작 설정 시간이 최소화되므로 특히 단기 제작에 유용하다. 유사하게, 설계 변경이나 주문형 부품이 본 방법을 사용하여 용이하게 제공된다. 부품 제작이 용이하기 때문에 스테레오리소그래피는 현재 금속 등의 부품이 사용되는 곳에 플라스틱 부품을 사용할 수 있도록 한다. 더욱이 이것은 좀더 비싼 금속 등의 부품을 만들기로 결정하기에 앞서서 물체의 플라스틱 모델이 신속하고 경제적으로 제공되도록 한다.
본 발명을 실시하기 위해 다양한 스테레오리소그래픽 시스템이 개시되었으나 전술한 바로부터 이것들은 공통적으로 대체로 2차원 표면 상에 작도하고 그 표면으로부터 3차원 물체를 추출하는 개념을 가지고 있다.
본 발명은 3차원 플라스틱 부품 등을 신속하고, 신뢰성있으며, 정확하고, 경제적으로 설계 및 제작할 수 있고 응력과 커얼을 감소시킬 수 있는 CAD 및 CAM 시스템에 대한 본 기술 분야에서의 오랜 요구 사항을 만족시킨다.
전술한 다중-패스(multi-pass)커얼 감소 기술의 한 실시예가 지금부터 설명될 것이다. 이 실시예에서, 액체 수지층은 수지 위에 UV 레이저 빔을 다중 통과(pass)시킴으로서 소정의 깊이까지 점증적으로 경화되고, 층이 제1패스에서 하부에 인접하는 이미 경화된 층에 부착되지 않도록 한다. 그대신 부착은 이후의 패스에서 이루어지며 부착 후의 부가적인 패스에 의해 더 이상의 부착이 이루어질 수도 있다. 예를 들면, 20mils 두께의 층에 대하여, 충분한 패스가 행해져 20mils 까지의 층이 점증적으로 경화될 때 부착이 이루어질 것이다. 그러나, 부착이 이루어진 후에도 부가적인 패스가 행해져 층이 또다른 6mils를 관통하여 이미 경화된 아래의 층 속으로 들어가서 층간의 좀 더 큰 부착을 달성할 수도 있다. 그 결과, 층 두께가 단지 20mils 일지라도 26mils의 경화 깊이가 달성된다.
다중-패스는 2가지 방법으로 커얼을 감소시킨다. 그 첫째는 다중-패스가 층을 점증적으로 경화시키므로 층의 상부는 먼저 경화된 층에 응력을 전달함이 없이 경화될 수 있게 된다. 제14a도를 참조하면 층(100)이 단일-패스로 경화될 때 층을 만드는 수지는 동시에 수축되고 층(101)에 부착되어, 이 층에 응력이 전달되도록 한다. 그 결과 층(101)이 어느 정도 응력 전달에 저항하도록 고정되지 않으면 제14b도에서 도시된 바와 같이 양쪽 층이 상향으로 말려 올라갈 것이다(curlupwards). 층(100)이 다중-패스 상에서 경화된다면, 이것은 층(101)에 별다른 응력을 전달하지 않고 경화될 것이다. 제15a도를 참조하면, 다중-패스를 통하여 층(100)은 층(101)에 부착하는 점까지 거의 경화될 것이지만, 그것으로부터 거리(102)만큼 분리되며 이것은 몇 mils 정도일 것이다. 그 후, 후속 패스에서 층은 서로 부착될 것이지만, 최종 패스에서 경화되는 수지의 양은 작으므로 단일 패스에 비해 최종 패스 상에서의 수축은 작을 것이며, 따라서 작은 응력이 아래층으로 전달될 것이다.
다중-패스가 커얼을 감소시키는 제2의 방법에서는, 부착 패스가 행해질 때 부착 패스에서 경화되는 수지는 아래의 이미 경화된 견고한 층과 위의 현재층의 이미 경화된 부분 사이에 샌드위치형으로 끼워질 것이다. 제15b도를 참조하면 이 수지의 경화는 동시에 상부 및 하부 경화 층의 양쪽에 응력이 생기게 할 것이며, 이것은 서로 상쇄하는 경향이 있다. 예를 들면, 하부층(101)은 상향으로 굽어지는 경향이 있으며, 한편 상부층(100)은 표시된 바와 같이 하향으로 굽어지는 경향이 있다. 그 결과 층(101)을 상향으로 말려 올라가게 하려는 힘은 층(100)의 이미 경화된 부분의 견고성에 의해 균형을 이루게 되고 층(100)을 하향으로 말려 올라가게 하려는 힘은 하부층(101)의 견고성에 의해 균형을 이루게 되므로 이들의 효과는 서로 상쇄된다.
다중-패스의 가능한 실시예는 주어진 층에대해 단지 2개의 패스만을 제공하는 것인데, 부착( 및 좀 더 낳은 부착을 위해 다음층으로 관통하는 가능한 과경화(over-curing)은 제2층에서 일어난다. 이 실시예에서 제1패스에서 한 층을 경화시켜서 그것이 가능하면, 예를 들어 1mils 이내로 하부층에 근접되도록 하는 것이 바람직하며, 이 층은 이때 제2패스에서 하부층에 부착된다.
다중-패스의 바람직한 실시예는 주어진 층에 대해 2개 이상의 패스, 예를 들면 4또는 5개의 패스를 제공하여, 제1패스 후 층간의 미경화된 간극의 증가량이 단지 약 2내지 3mils의 간극이 남을 때까지 후속 패스 상에 점증적으로 경화되는 것이다. 이 때 후속 패스에서 나머지 2내지 3mil 간극이 경화되고 부착이 이루어진다.
단지 2개의 패스로 다중-패스를 구현할 것이냐 2개 이상의 패스로 구현할 것이냐를 결정하는 데 있어서, 주어진 층에 대한 경화 깊이가 측정 및/또는 제어되는 정밀도를 고려하는 것이 중요한다. 만약 경화 깊이가 단지 2내지 3mils 의 정밀도로 측정될 수 있다면, 이 때 2패스 실시예는 부착이 제1패스에서 이루어지고 이것은 제1예에서 다중-패스를 사용하는 목적을 상실케 되어 커얼을 초래하게 될 것이다. 물론, 전술한 바람직한 다중-패스에 비해 경화 깊이의 부정확한 측정으로 인하여 부착이 소망이 패스 이전에 이루어질 위험이 있다(이 소망의 패스는 다음층으로의 과경화가 이루어진다면 최종층이 아닐 수 있음). 그러나, 이것은 2패스의 경우에 비해 심각하지는 않는데 이는 부착이 이루어지는 동안 패스에서 단지 매우 적은 양의 수지만이 전형적으로 경화될 것이므로 단지 매우 적은 양의 응력만이 하부층으로 전달될 것이기 때문이다. 한편 2패스의 경우, 대체로 상당한 양의 액체 수지가 제1패스에서 경화될 것이며, 하부층에 전달되는 응력의 양은 부착이 일어날 때의 경화된 수지의 양에 의존하기 때문에 이 패스 동안의 부착은 많은 양의 커얼을 초래할 것이다. 2패스의 경우에도 제1패스에서 많은 양의 수지가 경화되는 이유는 전술한 바와 같이 이 실시예에서는 제1패스에서 아래층의 근소한 mils 이내로 경화시키도록 하여 제2패스에서 부착이 성취될 때 단지 작은 양의 수지만이 경화되도록 하는 것이 중요하기 때문이다. 그러므로, 제1패스에서 하부층의 적은 mils이 내로 경화를 시키기 위해 많은 양의 수지가 전형적으로 경화될 것이다. 20mil 층 두께에 대해, 이것은 제1패스가 하부층쪽으로 약18-19mils 정도 관통하는 것이 요구되며 이것은 많은 양의 액체 수지를 의미한다.
한편 바람직한 다중 패스 실시예에서, 제1패스가 층을 서로 몇 mils 이내로 하는 것을 필요치 않다. 대신 제1패스 후에 더 넓은 간극이 남을 수 있으며 이것은 후속 패스까지 남아 층이 서로 몇 mils 이내가 되도록 하고 마침내 부착되도록 한다. 그러므로, 만약 소망의 패스 전에 부착이 마침내 일어난다면, 이것은 많은 양의 액체 수지가 경화되는 제1패스에서 일어나지 않는 것이 확실하며, 상대적으로 적은 양의 액체 수지가 경화되는 때인 이후의 패스에서 일어날 것이다. 또한 (후술하는) 비어(Beer)의 법칙에 따라 비록 UV 레이저의 노출이 각 패스마다 동일하게 유지되더라도 제1패스와 비교하여 후속 패스 상에서 아주 적은 경화 깊이의 관통이 전형적으로 달성될 것이다.
경화 깊이 측정의 부정확성은 여러 가지 원인에 기인한다. 대체로 경화 깊이는 UV 레이저로부터의 노출에 대수적으로 의존하며, 이것은 2배 또는 3배의 노출은 2배 또는 3배의 경화 깊이를 의미하는 것이 아니라 이보다 훨씬 작은 증가를 나타낼 것이다. (노출과 경화 깊이 사이의) 이러한 관계는 비어의 법칙으로 알려진 방정식의 형태로 이론적으로 설명될 수 있는데, 그 식은 If=Ioe-αλ과 같다. 여기서 I는 거리 X에서 액체로 향하는 UV 광선의 강도, α는 비례상수, X는 강도 I가 측정된 곳에서의 액체까지의 거리이다. 그러므로, 원리상 주어진 패스에서의 경화 깊이의 증가는 이전의 패스의 누적된 노출과 주어진 패스에 작용될 노출의 증가에 기초하여 결정될 것이다.
그러나, 몇가지 현실적인 고려로 인해서 경화 깊이의 증가는 정확하게 비어의 법칙에 따르지 않을 수 있다. 먼저, 렌즈 효과(lensing effect)로 알려진 효과로 인해 다중-패스 방식에서의 비어의 법칙에 기초하여 측정된 경화 깊이는 약 2내지 3mils 정도 실제 경화 깊이보다 적게 측정될 것이다. 그 결과 부착은 예상보다 빨리 이루어진다.
렌즈 효과에 따르면 앞선 패스로부터 경화된 수지가 렌즈로 작용하는데, 그 이유는 경화된 수지가 액체 수지에 비해 서로 다른 굴절율을 가지기 때문이다. 다중-패스 방식에서, 중간 패스 동안 레이저 빔은 앞선 패스에서 이미 경화된 수지를 관통할 것이며, 경화된 수지는 전술한 바와 같이 렌즈로 작용하여 UV 레이저 광선을 집중시킬 것이고 비어의 법칙을 사용하여 예상된 것보다 더 큰 경화 깊이를 이루게 할 것이다.
렌즈효과는 제16도를 참조하여 도시될 수 있는데 여기서 이전의 도면과 비교해서 동일한 요소는 동일한 부호가 부여된다. 제16a도는 특정의 노출에서 UV 레이저의 단일 패스에 의해 만들어진 경화된 수지(103)를 도시한다. 달성된 경화 깊이는 T로 표시된다. 제16b도는 UV 레이저 빔의 다중 패스에 의해 만들어진 경화된 수지를 도시하는데, 여기서 각 패스에서 증가된 경화 깊이는 각각 103a, 103b, 103c, 및 103d로 표시된다. 각 패스에서 작용된 즈가된 노출의 합은 비어의 법칙에 따라 제16a도의 단일 패스에서 작용된 노출과 같다면 T2는 T1과 같을 것으로 예상될 것이다. 그러나, 설명된 것처럼 렌즈 효과로 인해 T2는 T1보다 T3으로 표시된 것 만큼 크게 되며 이것은 약2~3mils 일 것이다.
부정확성의 또다른 이유는 수지의 광개시기 성분(photoinitiator component )의 표백 (광-표백(photo-bleaching)이라고도 알려짐) 때문인데 이것은 수지가 UV 광선의 다중 패스를 통해 여러차례 노출되기 때문에 일어난다. 광 표백 때문에 더 적은 UV 광선이 광개시기에 의해 예상보다 더 적게 흡수될 것이며, 이로써 레이저 광선은 예상보다 더 깊게 수지속으로 관통될 것이다.
부정확성의 제3의 이유는 레이저에 의해 발생되는 광선 강도의 차이에 있으며 이것은 다시 레이저 출력에서의 파워 변동에 기인한다
예를 들면, 현재 SLA-250에서 사용된 레이저, 즉 3D 시스템즈 주식 회사에 의해서 제작된 상업적인 스테레오리소그래피 장치는 대략 20mW의 연속적인 전력 출력을 가지고 있다. 전력의 요동(fluctuation) 때문에, 레이저 출력은 16-28mW의 요동 돌발에 의해서 중단될(punctuated) 수 있다. SLA-250에 있어서, 레이저빔은 증가되는 단계에서 액상 수지 표면을 지나가는 단계를 거쳐 각각의 단계 후에 주어진 시간 주기 동안 정지 상태로 계속 있도록 지시받는다. 레이저에 대한 액체 표면의 미세한 노출 시간은 단계 크기로 나눈 단계 주기를 곱한 레이저 출력 전력에 직접적으로 비례한다. 다른 말로 표현하면, 주어진 레이저 출력 전력에 대하여, 수지의 노출 시간은 각각 단계 주기를 증가시키든지 또는 단계 크기를 감소시킴으로서 증가될 수 있다. 그러므로, 레이저 출력 전력에 있어서의 요동은, 경화 깊이가 이와 같은 요동 때문에 기대값으로부터 몇 mils 가량식 변하는 결과와 함께, 노출 시간 요동으로서 직접 나타날 것이다.
요약해서 말하면, 렌즈 효과, 광개시기의 표백 및 레이저 출력의 전력 요동이 결합된 효과는 경화 깊이를 예측하는데 부정확성하게 되는 결과를 초래하므로 실제적인 문제로서, 2개 이상의 패스를 가진 다중 패스를 구현하는 것이 바람직하다.
다중 패스의 또 다른 가능한 실시예는 각각의 패스에 대한 레이저 노출 시간을 일정하게 유지하는 것이다. 그러나, 많은 경우에, 각각의 패스에 대한 일정한 노출 시간은 각각의 패스에서의 노출 시간의 증가가 경화 깊이의 일정한 증가를 초래하지 않을 것이라는 비어의 법칙의 효과 때문에 가능하지 않을 것이다. 대신에, 후속 패스들 보다도 제1패스에서 더욱 많이 경화될 것이다. 예를 들면, 제1패스가 층두께의 90%를 경화시키고, 제3패스는 제2패스후 여전히 남아있는 경화되지 않은 간극의 90%를 경화시키는 등(ect)이 전체적으록 가능하다. 일정한 노출 시간에 의해 층은 단지 2개의 패스 후에 부착되며, 그밖의 패스는 층 사이를 더욱 더 견고하게 부착하게 하는 결과를 가져온다. 결과로서, 일반적으로 다양한 패스에서 비균일한 노출 시간이 가능한 실시예가 바람직할 것이다.
몇 개의 예들이 다양한 패스에서의 비균일한 노출 시간을 선택하는 것이 제공하는 장점을 보여주면서 지금 소개될 것이다. 이러한 예 모두는 알맞은 층 두께가 20mils이고, 각각의 층은 너무 경화되어 있으므로 근접한 하층을 6mils 만큼 스며들며, 26mils의 경화 깊이는 1의 축적된 노출 시간 레벨로 달성될 것이고, 노출 시간을 2배로 하는 것은 경화 깊이에 있어서의 4mils의 증가를 초래할 것이라는 가정을 한다. 이러한 가정을 근거로, 경화깊이와 노출시간 레벨 사이의 관계는 다음과 같이 된다.
모든 예에서, 모든 패스로부터의 축적된 노출 시간은 1일 것이므로 모든 패스가 일어난 후의 경화 깊이는 26mils 일 것이다. 패스의 수와 각각의 패스에서의 증가된 노출 시간은 예에서 변경되는 변수들이다. 그러므로, 예에서, 노출 시간은 특정의 패스에서 적용된 증가된 노출 시간만에는 관련되고, 상기 패스를 포함하여 상기 패스까지 적용된 축적된 노출 시간에 관련되지 않는다.
제1세트의 예들은 다중-패스의 2패스 실시예에 대한 것이다.
(1/2의 각각의 패스에서의 일정한 노출 시간을 보여주는) 상기예는 제1패스에서 20mils의 층두께보다 더 큰 22mils의 경화 깊이를 달성할 것이므로 층이 제1패스에서 부착될 것이기 때문에 상기예는 다중-패스의 바람직한 장치가 아니다.
제1패스에서의 경화 깊이는 단지 18mils 이기 때문에, 본예는 받아들여질 수 있는 장치이다.
제1패스에서의 경화 깊이는 단지 14mils 이기 때문에, 본예도 또한 받아들여 질수 있는 장치이다.
예 2와 예 3을 비교하면 예 2가 더 바람직스럽다는 것을 알려주는데, 이는 상층이 제1 패스 후에 바닥층에 더 가깝게 경화되어지므로 부착이 일어날 때 제2패스에서 더 적은 수지가 경화될 것이기 때문이다. 사실 만약 제1패스에서 경화깊이가 정확하게 예측될 수 있다면, 최적의 해결책은 제1패스후 층들 사이의 간극을 보다 더 적게 하기 위해 제1패스에서의 노출 시간이 1/4-1/2범위에 있을 것을 요구할 것이다. 그러나, 상기에서 언급된 경화 깊이의 부정확한 예측 때문에, 제1패스에서의 노출 시간이 1/2 보다 1/4에 더 가깝게 되는 것이 바람직하다. 그러므로, 예2는 예3에 비해 바람직스러운 장치이다.
다음 세트의 예는 3개의 패스에 대한 것이다.
기술한대로, 본예는 부착이 제2패스에서 일어나고, 더불어, 포함된 부정확도로 인하여 몇몇의 부착은 아마도 19.7mils 경화 깊이가 20mils 층두께에 매우 근접하기 때문에 제1패스에서 일어날 것이기 때문에 받아들여질 수 있는 장치가 아니다. 경화된 액상 수지의 양이 클 때 부착이 제1패스에서 일어날 위험이 크기 때문에, 본예는 다중-패스의 바람직스러운 실시예가 아니다.
본예에서, 제2패스 후의 경화 깊이는 22mils이기 때문에, 부착은 제2패스에서 일어날 것이며, 이것은 만약 부착이 제3패스에서 요구된다면 받아들여질 수 없다. 한편, 제1패스는 18mils의 경화 깊이를 달성하였기 때문에 제2패스동안 경화되어지는 플라스틱 양은 크지 않으므로 제2패스의 부착에 의해서 야기되는 경화는 극적일 것 같지 않다.
제2패스 후의 경화 깊이는 20.3mils이기 때문에, 제1패스가 18mils의 경화 깊이를 달성한다고 평가되기 때문에 제2패스에서 경화된 수지의 양은 적을 것일지라도, 제2패스 후에 아마도 약간의 부착이 있을 것이다. 더구나, 경화 깊이 평가의 부정확성 때문에 부착이 제2패스에서 전혀 일어나지 않을 것이라는 것도 가능한다.
제2패스 후의 경화 깊이는 단지 19.3mils이기 때문에, 본예는 경화 깊이 평가의 부정확으로 인하여 제2패스 후에 약간의 부착이 있을지라도, 본예는 받아들여질 수 있는 장치이다. 그러나, 비록 제2패스에서 약간의 부착이 있었더라도 제1패스가 이미 18mils의 경화 깊이를 달성하였기 때문에, 제2패스에서 경화된 수지량은 크지 않을 것이다.
본 예는 제2패스 후의 경화 깊이가 단지 14mils 이기 때문에, 받아 들여질 수 있는 장치이다. 그러나, 수지의 6mil 두께의 체적은 부착이 일어날 때 제3 패스에서 경화되어질 것이므로 심각한 커얼을 초래할 수 있다. 그러므로, 예 7은 훨씬 더 적은 수지가 제3 패스에서 경화될 것이기 때문에 바람직스러운 장치이다.
요약해서 말하면, 상기 예들은 다양한 패스에 대한 일정하지 않은 노출 시간 레벨을 요구하는 것보다 바람직스러운 장치라는 것을 설명하는데, 이는 여러 경우에 일정한 노출 시간은 너무 일찍 부착하는 결과를 가져오기 때문이다. 또한, 상기예들은 단지 예시의 목적을 위해서 제공되었고 한정의 의미로 제공된 것은 아니다.
다중 패스에 대한 노출 시간 레벨을 선택할 때 고려할 사항은 하향 커얼, 즉 만약 앞의 패스에서 달성한 경화 깊이가 너무 작아서 후의 패스에 일어난 액상 수지의 커얼이 앞의 패스에서 경화된 수지를 하향으로 굽도록 한다는 주어진 패스에서 일어날 수 있는 문제를 피하는 것이다. 사실, 만약 하향 굽음이 상당히 크다면, 그러면 하층으로의 부착이 기대되는 것보다 더 빨리 일어나므로, 상기에서 기술한 대로, 바닥층의 하향 커얼을 초래함으로써 더 많은 응력을 부품에 부과할 수 있다. 이러한 문제는 만약 각각의 패스에서의 증가된 경화 깊이가 일정하다면, 이 경우, 앞의 패스로부터 경화된 수지는 비교적 얇을 것(제1패스는 제외함)이므로 나중의 패스 동안 커얼에 의해서 더욱 쉽게 구부려지기 때문에 특히 문제가 된다.
더구나, 나중의 패스에서 더 많은 수지가 경화될수록 이전의 패스에 의해서 경화된 수지에 전달되는 응력이 더 크기 때문에, 하향 굽음량은 나중의 패스 동안 경화된 수지량에 의존할 것이다. 그러나, 특별하게 다중 패스가 2개의 패스 이상으로 구현되는 경우에는, 나중의 패스 동안 경화된 수지량은 비교적 적어서 하향 굽음 문제는 이러한 형태의 구현에 의해 완화될 것이다.
하향 굽음 문제는 앞이 도면과 비교하여 동일 요소를 표시하기 위해 동일한 도면 번호가 사용되어진 제17a도를 참조하여 설명될 수 있다.
기술된 대로, 특정 다중-패스 구현에 있어서, 바닥층(101)은 이미 경화되었고 층(100)은 참조 번호(104a,104b,104c)에 의해서 각각 식별되는 액상 수지의 증가된 양은 경화되는 동안 다중 패스에 의해서 경화되고 있다. 도시된 대로, 수지(104c)가 경화될 때, 그것은 응력을 전달하고 하향 굽음을 야기하면서 수축되고 동시에 경화된 수지(104b)에 부착한다. 도시된 대로, 참조 번호(105 및 106)에 의해서 각각 식별되는 층의 이미 경화된 부분의 단부(end)에서의 하향 굽음은 상당히 크며, 그 단부는 층(101)의 상부 표면에 닿아 조기 부착을 초래한다.
이러한 문제를 완하하기 위해서, 2개의 해결책이 가능하다. 하나의 해결 방법은 나중의 패스(104c) 동안 경화되는 두께에 대하여 이전의 패스(104a,104b)에서 각각 경화되는 수지 두께를 증가시키든지, 또는 이전의 패스(104a,104b) 동안 경화되는 두께와 비교하여 나중의 패스(104c) 동안 경화되는 수지 두께를 감소시키는 것이다. 이것은 제17b도에서 예시되어 있으며, 여기서 앞과 같이 앞의 도면과 비교하여 동일 요소는 동일한 도면 번호로 표시되었다.
다중-패스에서 일어날 수 있는 또 다른 문제는 버어드네스팅(birdnesting)인데, 이것은 다수의 패스들 사이에서 현저한 지연(significant delay)이 있는 경우 일어날 수 있는 왜곡이다. 이 문제는 특정 패스에서 경화된 수지가 부가적인 패스에 의해 아래층에 부착되기 전에 긴 시간 주기 동안 액상의 수지 표면 위에서 떠 있을 때 일어난다. 만약 지연이 충분히 길다면, 수지 표면 위에 떠 있는 경화된 수지는 수지가 아래층에 부착되기 전에 이리저리 이동할 수 있다. 버어드네스팅은 이하에서 REDRAW로서 알려진 다중-패스의 상업적 실시에에 대한 설명에서 좀 더 자세하게 설명될 것이지만 버어드네스팅 문제에 대한 가능한 해결책은 연속적인 패스사이의 지연을 가능한 많이 줄이는 것임을 알 수 있다.
REDRAW능력과 기능은 BUILD 프로그램(소프트웨어의 다른 버전에서는 SUPER라고도 알려져 있음)에 내재해 있으며, 이 프로그램은 1988년 4월 18일 출원하여 계류 중인 미국 특허 출원 제182,830호, 이와 함께 계류중인 일부 계속 출원 제269,801호 및 이의 계속 출원 리용 앤드 리용(Lyon Lyon)의 도켓 번호 제186/195호에 자세히 기술되어 있다. 간단하게 설명하면, BUILD는 2개의 다른 프로그램, 즉 STEREO와 LASER를 사용하여 레이저의 이동을 제어하고, 그리고 1) 사용자가 디폴트(default)REDRAW변수를 특정할 수 있는 .PRM 디폴트 변수 파일 2) 사용자가 REDRAW 변수들을 층별로(layer by layer)그리고 벡터형별로(vector type by vector type) 특정할 수 있는 .L 층 제어 파일; 또는 3) 사용자가 REDRAW 변수들을 층 영역에 대해서 그리고 영역 내의 벡터형에 대해서 특정할 수 있는 .R 영역 제어 파일 각각에서 공급되는 정보에 기초하여 다수의 REDRAW 기능들을 구현하는데 필요한 변수들을 얻는다. REDRAW기능들을 구현하기 위해서, REDRAW 변수들을 특정하는 다양한 커맨드 선(command line)은 (상기 계류 중인 출원들에서 설명된 바와 같이) 다른 경화 변수들이 정의된 방법과 유사한 방법으로 각각의 상기 파일 각각에 놓여진다.
BUILD가 REDRAW제어 변수들을 찾는 제1위치 .L 또는 .R 파일이며, 양자는 아니다. 상기에서 기술된 바와 같이, .L 파일은 사용자가 REDRAW변수들을 높은 제어도로 특정할 수 있다. .L 파일을 사용하여, 사용자는 물체의 층내에서 특정 벡터 형식에 대하여 REDRAW 변수들을 특정할 수 있다. 예를 들면, 4개의 물체에 대한 병합된(merged) 데이터로 구성되는 .L파일 데이터에 대하여, 상기 데이터는 11개의 서로 다른 벡터 형식을 나타내며, .L 파일은 각각의 층에 대하여 44개의 서로 다른 REDRAW변수가 특정되도록 한다. 요약해서 말하면, .L 파일은 다중-패스의 층별 제어를 제공한다.
.R 파일은 .L 파일에 의해서 허용되는 층별 제어가 필요하지 않은 응용예에 대하여 설계되었다. 층별 제어를 제공하는 것 대신에, .R 파일은 영역별로 영역에 대한 제어를 제공하며 영역은 소정의 수의 인적 층들을 나타낸다.
REDRAW변수는 PREPARE로서 알려진 사용자 인터페이스 프로그램을 사용하여 .R 파일 내로 놓여질 수 있다. REDRAW 변수를 .L 파일 내에 놓기 위해서 표준 워드 프로세스 형식의 선 에디터가 사용된다.
만약 BUILD가 .L 또는 .R 파일의 각각으로부터 얻을 수 없는 소정의 REDRAW변수들을 요구한다면, .PRM 디폴트 변수 파일로부터 이러한 변수들을 찾을 것이다. REDRAW변수는 PREPARE프로그램의 사용에 의해서 상기 파일들에 놓여질 수 있다.
제1REDRAW 커맨드는 RC##이며, RC는 Redraw Count에 대한 연상 기호(mnemonic)이다. 이러한 커맨드는 레이저 빔이 단면의 각 벡터에 대하여 행할 패스의 수, 즉 특정 층에 대한 패스의 수를 특정한다. 특정된 패스의 수는 1내지 10의 범위일 수 있다.
제2REDRAW 커맨드는 RD####이며 RD는 Redraw Delay에 대한 연상 기호이다. 이 커맨드가 레이저가 각각의 패스 초기에 기다리는 시간의 길이를 특정한다. 앞에서 언급된대로 레이저 빔은 각각 단계에서의 지연에 선행하는 단계에서 수지 표면을 가로질러 움직인다. 각 단계에서의 지연은 Step Period로서 알려져 있으며, 연상 기호 SP로 지칭되는데, SP의 특정값을 특정하기 위한 커맨드는 커맨드 SP##이며 선택된 값은 10마이크로초의 단위이다. RD의 값은 0 내지 65,535범위의 어떤 숫자로 특정될 수 있으며, 숫자는 SP값의 배수 단위로 지연을 나타낸다. 따라서, 10의 RD는 SP에 대하여 특정된 값의 10배인 지연을 나타낸다. 일반적으로, RD 커맨드는 많이 사용되지 않으며 표준 값은 0이다. RD 커맨드는 (Jump Delay에 대한 연상 기호인) JD 커맨드와 유사하다.
JD와 RD 커맨드는 모두, 제1벡터를 작도한 후 레이저 빔이 제1벡터로부터 또 다른 벡터로 점프하는데 걸리는 시간을 PROCESS 컴퓨터 상에서 동작하는 소프트 웨어 (이 소프트 웨어는 동적 미러(dynamic mirros)의 회전 및 액상 수지를 가로지르는 레이저 빔의 이동을 제어함)가 참작하지 못하므로 필요하게 됨을 유의하여야 한다. 레이저 빔이 특정의 벡터를 휩쓸도록(sweep out) 지시된 후 소프트웨어는 빔이 이전의 벡터의 단부가 아닌 다른 위치에서 시작되는 또 다른 벡터를 그리도록 지시할 것이며, 그 후 동시에 빔이 순간적으로 다음 벡터의 시작점에 위치한 것처럼 레이저가 벡터를 통해 나아가는데 걸린 시간을 카운트하기 시작할 것이다. 많은 경우에 PROCESS 컴퓨터는 레이저 빔이 벡터의 시작점으로 점프하는 동안 카운트를 시작할 것이다. 레이저가 마침내 올바른 위치에 도달하면 PROCESS 컴퓨터는 즉시 이것이 카운트된 위치에 위치시킬 것이며 그 결과 벡터의 제1부분은 건너 뛰게 되어(skipped over) 미경화상태로 남게될 것이다.
그 효과는 제21a도 및 제21b도를 참조하여 설명될 수 있다. 제21b도는 물체의 단면(105)을 도시하고 관련 벡터(106a, 106b, 106c, 106d, 및 106e)가 단면의 표면에 걸쳐있으며, 이 벡터들은 레이저빔이 단면을 형성하는 액체 플라스틱을 경화시키는 동안 레이저빔의 이동을 나타낸다. 연속 벡터의 머리와 꼬리 사이의 점선은 레이저가 한 벡터에서 다른 벡터로 점프하는 동안의 레이저의 이동을 나타내며 전술한 문제를 일으키는 것은 이들 점프의 점프 시간이다.
점프 시간의 효과는 제21b도에 도시되는데 여기서 동일 부호는 제21a도와 동일한 요소를 나타낸다. 점프 시간은 제21b도에서 도면 번호(107)로 표시되어 있는 영역을 미경화 상태로 남아있게 한다.
JD 및 RD의 사용은 이 문제를 해결하도록 설계된 것이다. 이들 커맨드에 의해 특정되는 지연은 특정의 벡터를 경화시킨 후 다음의 벡터로 한단계 넘어가기 전에 PROCESS 컴퓨터가 대가하도록 지시된 시간이다. REDRAW의 문맥(wntext)에서, RD는 PROCESS 컴퓨터가 특정 영역을 지나는 패스를 완료 한 후 그 영역을 다시 패스하기 전에 PROCESS 컴퓨터가 대기하도록 지시된 기간이다. PROCESS 컴퓨터가 대기하도록 함으로써 레이저 빔이 올바르게 위치할 때까지 단계적 패스(stepping through)는 지연될 수 있다.
전술한 바처럼 JD 및 RD는 드물게 사용되며, 그 이유은 제21c도에서 도시된다. 제21c도는 지그재그기법으로 알려지고 연속적인 벡터 간의 이동 거리, 즉 점프 시간을 감소시키기 위해 소프트웨어에서 사용되는 기법을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 연속적인 벡터(106a, 106b, 106c, 106d, 및 106e)는 제21a도 및 제21b도에서 표시돈 것과 같이 모두 동일한 방향을 가리키지 않고 제21c도에서와 같이 방향이 바뀌게 된다. 이들 벡터의 방향은 그것이 이들 벡터를 그리는 동안 수지 표면 상의 레이저 빔의 이동을 나타낸다. 그 결과 점프 시간은 극적으로 감소되어 JD커맨드를 사용하는 것을 불필요하게 만든다. 이 방법은 또한 RDERAW에서 사용되어 레이저 빔은 다중-패스의 특정 영역을 패스할 때마다 방향을 바꾸도록 할 것이다. 그 결과 RD커맨드를 사용하는 것이 또한 불필요하게 된다.
제3의 REDRAW 커맨드는 RS####이고 여기서 RS는 Redraw Size에 대한 연상 신호이다. 다중-패스의 몇몇 형태에서의 문제점은 버어드네스팅과 같은 것이며 이러한 문제점을 완화시키기 위해 RS커맨드부가 부가되어 주어진 단면에서의 긴(long)벡터가 더 작은 미니-벡터(mini-vector)로 분할되어 다음의 미니-벡터를 처리하기 전에 각 미니-벡터에 대해 다중-패스가 수행되도록 하는 것이 일찍이 알려졌다. 미니-벡터의 적당한 크기를 선택함으로써, 이전의 패스로부터 경화된 수지는 전체 벡터가 주어진 패스에서 작도되는 것보다 더 신속하게 아래의 층에 부착될 수 있을 것이다. RS커맨드는 단면의 벡터가 분할되는 미니-벡터의 길이를 특정한다.
전술한 바와 같이, 레이저 빔이 단계적으로 이동하고 단계의 크기는 연상 기호(SS)에 의해서 식별된다. 단계 크기를 특정하기 위한 커맨드는 SS##이며, 여기에서 특정된 번호는 0에서 65,538 비트까지의 범위이고, 비트는 대략 0.3mil(실제 번역은 인치당 3560비트임)를 표시한다. 그 결과, 특정 커맨드는 대략 최소 0.3mils에서 최대 약 20인치에 이르는 거리에 걸쳐서 진행한다.
RS의 단위는 SS의 배수이다. 예를 들면, 2의 SS, 1000의 RS는 각각의 패스는 추가적인 패스를 행하기 위해 뒤로 점프하기 전에 8000비트의 벡터 정보를 작도할 것이라는 것을 표시한다. 다른 방법으로는, 8의 SS 및 1000의 SS를 사용하여, 다른 패스를 시작하기 전에 8000비트의 벡터 정보가 작도될 것이다.
마지막 REDRAW커맨드는 각각 패스에 대하여 서로 다른 레이저값을 제공하기 위한 커맨드이다. 이것은 각각의 패스에 대하여 서로 다른 SP값을 특정함으로써 이루어지는데, 이는 앞에서 기술된 바와 같이 노출이 SP에 직접 비례하기 때문이다. 커맨드의 형식은, 패스의 수에 따라 SP####, ###, ###... 등이 된다. SP의 값은 10㎛의 단위이고, 추가로 각각의 SP는 대략 5-15에서 대략 4000-6000까지의 값의 범위에 걸쳐 있을 수 있다.
전술한 바와 같이, 물체의 소정의 층에 대해서, 서로 다른 REDRAW 파라메터는 .L파일을 사용하는 층에서 각각의 벡터 형식에 대해 특정될 수 있다. 추가로, 모든 REDRAW 커맨드는 다음의 벡터 형식에 대한 REDRAW 커맨드가 예측되기 전에 특정 벡터 형식에 대해서 완료될 것이다.
.L파일에서의 전형적인 커맨드 라인은 다음과 같이 나타난다: 920, LB1, RC3; RD0; RS1000; SP250, 150, 1000; SS2. 이 커맨드는, 연상 기호 LB1에 의해 식별되는 바닥으로부터 920 수직 비트에 위치된 제1물체의 층에서, 3개의 패스가 각각의 경계 벡터(REDRAW 커맨드 RC3에 의해 표시됨)에 대해서 수행될 것이고, 각각의 패스는 다음 패스로 전진하기 전에 2000비트의 경계 벡터(커맨드 SS2 및 RS1000으로 표시됨)를 작도하고, 제1, 제2 및 제3 패스에 대한 SP값은 각각 250, 150 및 1000이 될 것이라는 것을 지시할 것이다.
.R 파일에서의 전형적인 커맨드는 다음과 같이 나타난다. LB1, RC3; RD0; RS1000; SP250, 150, 1000; SS2, 이 커맨드 층 사양서(specification)가 제공되지 않는다는 점을 제외하는 .L 파일에 대해서 상기 특정된 것과 동일한데, 이는 이 커맨드가 특정된 범위 내에서 모든 층에 적용될 수 있기 때문이다. .PRM 디폴트 파라메터에서 커맨드는 이것과 유사하다.
.L 파일의 형식을 도시한 샘플 리포트는 제18도에 도시되어 있다. 예시된 바와 같이, 제1물체에 대한 벡터만 표시되고, REDRAW 커맨드는 그 물체의 층 내의 각각으 벡터에 대해 특정될 수 있다. 벡터 형식과 그와 관련된 연상 기호는 다음과 같다.
LB : 층경계
LH : 층 크로스해치
NFDB : 근사-편평 하부-대향 스킨 경계
NFDH : 근사-편평 하부-대항 스킨 크로스해치
NFUB : 근사-편평 하부-대향 스킨 경계
FB : 편평 하부-대향 스킨 경계
FDF : 편평 하부-대향 스킨 필(fill)
NFDF : 근사-편평 하부-대향 스킨 필
FUF : 근사-편평 상부-대향 스킨 필
FUB : 편평 상부-대향 스킨 경계
FUF : 편평 상부-대향 스킨 필
각종의 벡터 형식은 미합중국 특허출원 제182,830호, 그것의 계류 중인 부분 계속 출원 제269,801호 및 계류 중인 리용 엔드 리용의 도켓 번호 제186,195호에 상세하게 설명되어 있다. 간단하게, 경계 벡터는 각층의 주변부(perimeter)를 그리는데 상용되고 크로스해치 벡터는 층 경계로 둘러싸인 각각의 층의 내부 부분을 그리는데 사용되고 스킨 필 벡터는 물체의 소정의 외부 표면을 그리는데 사용된다. 이들은 경계, 크로스해치, 및 스킨의 순서로 그려진다.
제19도는 .R 파일의 형식을 도시한 샘플 레포트이다. 도시된 바와 같이, 형식은 RDERAW 파라메터의 사양서가 층의 영역 내에서 특별한 벡터 형식에 대해서만 가능한 점 이외에는 .L파일에 대한 것과 유사하다.
제19도에서, 특정 영역에 대한 REDRAW 커맨드는 연상 기호 #TOP 및 #BTB에 의해 형성되고, 추가로 RDERAW커맨드가 적용되는 층의 영역은 #TOP 연상 기호에 앞서 라인에 제공된다.
제19도의 RDERAW의 제1블록에 대해서, 특정된 영역은 920,920이고, 이것은 REDRAW 커맨드의 제1블록에 대해 특정된 영역이 바닥으로부터 920 SLICE에 위치된 하나의 층이라는 것을 표시한다(인치의 CAD/CAM 단위, 및 1000의 바람직한 해상도를 가정하면, SLICE 단위는 mils이 될 것이다. CAD/CAM 과 SLICE 기준 축척 사이의 차이는 미합중국 출원 제182,830호, 그것의 부분계속 출원 제269,801호 및 그것의 계속 출원 리용 앤드 리용의 도켓 번호 제186/195호에서 더욱 상세하게 설명되어 있다). 이것은 영역의 시작점과 끝나는 점이 동일(920mils)하기 때문이다. 이범위의 끝나는 점은 CAD/CAM 기준 축적에서의 어떤 다른값과 같이 특정되고 이러한 경우에 있어서, 커맨드의 블록은 특정된 영역에서의 모든 층에 적용된다.
제20a와 제20b도는 .PRM파일에 도시된 디폴트 파라메터를 도시하는데, 이 파라메터는 .L 또는 .R 파일 중 어디에서도 특정되지 않는다면 사용될 것이다. 표시된 바와 같이, 디폴트 파라메터는 각각의 물체(하나 이상의 물체가 도시에 조형 되는 것을 가정함)에 대해서 특정될 수 있고, 각가의 물체에 대해서, 그 물체의 소정의 층 내의 각각의 벡터 형식에 대해서 특정될 수 있다. 예를 들면, 제1물체의 층경계 벡터에 대해서 특정된 디폴트 파라메터는 다음과 같다: LB1, RD1; RS300; RC1; SP20; JD0; SS8. 이 커맨드 라인은 다음과 같이 해석된다: Redraw Delay에 대한 디폴트값은 1(20의 디폴트 SP값이 주어지면 200㎛를 나타냄)이고, Redraw Size에 대한 디폴트 값은 300(8의 디폴트 SS가 주어지면 2400비트 또는 대략 720mils을 나타냄)이고, Redraw Count에 대한 디폴트값은 1(단일 패스, 즉 층경계 벡터는 다중-패스되지 않는다는 것을 표시함)이고, Step Period에 대한 디폴트값은 20(200㎲를 나타냄)이고, Jump Delay에 대한 디폴트 값은 0(이 커맨드는 사용되지 않고 있다는 것을 나타냄)이고, Step Size에 대한 디폴트값은 8(8비트 또는 대략 2.4mils를 나타냄)이다. RC에 대한 디폴트값이 1인 까닭에, 이는 다중-패스가 층경계 벡터에 대하여 .L 또는 .R파일중 어디에서도 특정되지 않는다면, 이들 벡터에 대해서는 제공되지 않을 것이다.
상기 설명으로부터 명백한 바와 같이, REDRAW의 상업적 실시예는 쇼트 벡터기법으로서 공지된 기술을 사용하며, 이에 의해 소정의 벡터는 짧은 미니-벡터의 순차(sequence)로 분할되고, 전체 벡터는 미니-벡터의 각각을 연속적으로 다중-패스시킴으로써 다중-패스된다. 쇼트 벡터기법의 목적은, 버드네스팅 문제, 즉 다중-패스가 전체로서 벡터의 전체 길이 특히 긴 벡터에서 시도되는 경우 발생되는 문제를 제거하는데 있다. 이 경우에는, 초기 패스 동안 경화된 플라스틱은 이 플라스틱이 후속, 추가 패스로부터의 경화를 통해서 부착되기 전에 액체 수지의 표면상에서 잠깐 동안 떠 있을 것이다. 이 결과로써, 이렇게 경화된 플라스틱은 마지막으로 아래층에 부착되기 전에 이동할 수 있는데, 이 문제는 최정 부품에서의 왜곡을 나타낼 것이고 이 왜곡은 새의 등지와 비슷한 모양이기 때문에 버드네스팅이라고 부른다.
짧은 미니-벡터가 너무 작게 만들어지는 경우에는 또 다른 문제가 생기는데, 이것은 제17a도와 제17b도를 참조하여 설명된 하향 굽힘 또는 하향 구부림 효과이며, 이에 따라 처음 패스로부터 경화된 플라스틱은 나중의 패스 동안 경화되는 그 아래의 플라스틱의 수축으로부터 하향으로 구부러지게 된다. 이러한 효과의 결과로서, 부착이 너무 빨리 일어나고 상향 컬의 결과가 발생한다. 이 문제는 부품 표면의 조개 껍질 모양(scalloped appearance)의 형상을 나타낸다.
상술한 버드네스팅과 하향 굽힘 효과를 경감시키기 위해 다양한 접근 방법이 가능하다. 경계 벡터는 이 경계 벡터가 전형적으로 다른 하나의 벡터로부터 분리되어 작도되어 이들이 작도될 때 부착될 어떤 것도 가지고 있지 않으므로, 버드네스팅이 다중 패스를 통한 작도로부터 발생될 수 있는 유일한 벡터이다. 반면, 해치 벡터는 통상 경계 벡터가 작도된 후 작도되고, 비록 해치 벡터가 다중 패스에서 작도되더라도 해치 벡터가 작도될 때 경계 벡터로부터 경화된 플라스틱에 부착된다. 스킨 및 근사-편평 스킨 벡터는 전형적으로 경계 및 해치 벡터가 작도된 후 작도되므로 이들이 작도될 때 이들 벡터로부터 경화된 플라스틱에 부착될 수 있다. 추가로, 이 벡터 사이의 간격(spacing)은 전형적으로 대단히 작아서 (해치 벡터에 대한 대략 30-100mils의 간격과 비교할 때, 대략 1-4mils), 부착은 인접한 스킨 및 근사-편평 스킨 벡터들로부터 경화된 플라스틱에 의해 일어날 것이다.
따라서, 버드네스팅 문제에 대한 하나의 해결책은 해치 벡터만 다중-패스하고 경계 벡터는 다중-패스하지 않는 것이다. 모든 해치 벡터가 다중-패스될 수 있거나, 또는 다른 방법으로, 단지 해치 벡터의 일부만 다중-패스될 수 있다. 비록 해치 벡터가 다중-패스로부터 하향 굽힘 형상을 가지고 있지만, 이것은 부품의 외부 형상에 영향을 미치지 않는다. 이러한 해결책은 .L, .R 또는 .PRM 파일의 사용이 단지 선택된 벡터 형식에 대해서만 구현되도록 하기 때문에 상기 상술된 REDRAW의 상업적 실시예에서 실행할 수 있다. 따라서, REDRAW는 해치 벡터에 대해서만 제공될 수 있다.
다른 하나의 해결책은 모든 벡터 형식을 다중-패스하지만, 버드네스팅을 제거하도록 웨브 서포트(Web Support) 또는 스말리(Smalley's)와 같은 다른 기술을 사용하는 것이다. 웨브 서포트는 여기에 기술한 바와 같이 참조되는 1988년 4월 18일자로 출원된 미합중국 특허 출원 번호 제182,801호에서 상세하게 설명되어 있다. 스말리는 여기에 기술한 바와 같이 참조되는 1988년 4월 18일 출원된 미합중국 특허 출원 번호 제183,015호에서 더욱 상세하게 설명되어 있다.
세 번째 해결책은 다중-패스의 2패스 구현을 사용하여, 제1패스로부터 경화된 플라스틱이 제2패스에서 부착되고 따라서 잠시 동안만 떠 있도록 하는 것이다. 단점은 전술한 바와 같이 패스를 2개 이상으로 하는 것이 경화 깊이를 측정함에 있어서의 부정확성을 처리하는데 유리하다는 것이다. 이 단점은 경계 벡터만 단지 2패스 다중-패스시키고 나머지 벡터들에 대해서는 2패스 이상 다중-패스시킴으로써 완화될 수 있다.
네번째 가능한 해결책은 임계 체적 특성(critical volame features)을 갖는 부품의 영역, 즉 부품의 캔틸레버된 부분(cantilevered section)과 같이 왜곡에 가장 민감한 영역에 다중-패스의 사용을 분리시키는 것이다. 이 영역은 .R 파일의 사용을 통해서 분리될 수 있는데, 이 파일은 다중-패스가 적용되는 단면의 범위를 측정하는데 사용될 수 있다.
RDERAW의 상업적 실시예의 중요한 특징은 서로 다른 패스에 대하여 서로 다른 SP값 (따라서 서로 다른 노출)을 특정할 수 있다는 것이다. 전술한 바와 같이, 부착이 원하는 것보다 더 빨리 발생되는 것을 방지하기 위해서 서로 다른 패스에 대해서 서로 다른 노출값을 특정하는 것이 필요하다. 바람직하게, SP값은 제1패스에서 층 사이의 간극의 대부분이 경화되고 연속적인 패스에서 경화되는 경화되지 않은 영역을 남기도록 선택되는데, 여기서 이 영역은 층 두께와 가능한 공차(tolerance possible)에 따라 단지 1-5mils의 범위의 두께를 갖는다. 바람직한 간극의 크기는 다음과 같이 층 두께에 따른다.
도시된 바와 같이, 제1패스 후 남아 있는 경화되지 않은 간극의 크기는 층의 두께와 함께 증가될 수 있다. 이것은 층의 두께가 더 크면 클수록 더 많은 플라스틱이 제1패스에서 경화되고, 이 플라스틱은 플라스틱이 경화될 때 경화되지 않는 간극에서의 플라스틱의 수축으로부터의 하향 굽힘에 덜 민감하게 될 것이기 때문이다.
제1패스 후, 나머지 패스에 대한 SP는 패스당 경화 깊이를 1-2mil 증가시키도록 바람직하게 선택될 것이다. 이 결과로서, 부착이 일어날 때의 패스 도안, 대단히 작은 양의 플라스틱이 경화될 것이고 이 결과로 이 패스 중에 플라스틱의 수축에 의해서 도입되는 응력은 최소로 될 것인데, 이 응력은 다른 경우에 있어서 위쪽 층의 경화된 부분 및 아래의 경화된 층에 전달될 것이다.
쇄선, 만곡선, 및 2차 구조 기술의 여러 가지 실례가 설명될 것이다. 제22a도 내지 제22f도는 레일을 연결하기 위해 2차 구조와 리벳을 사용하는 기술을 결합하는 실시예를 도시하고 있다. 이 모든 도면에 있어서, 동일한 요소는 동일한 도면 번호를 사용한다. 제22a도는 층(107a, 107b, 107c)의 단면을 도시하고 있는데, 이 층들은 서로의 윗면에 적층되어 있다. 도시된 바와 같이, 층들은 응력을 서로에 전달하는 층의 능력을 제거시킴으로써 컬을 감소시키기 위해 서로로부터 분리된 상태로 경화된다. 표시된 바와 같이, 서로로부터 분리된 상태로 층을 경화시키는 경우에 생기는 문제는 충돌을 서로 함께 유지하는 것이 없으므로 마지막 부분이 대단히 약하다는 것이다. 그 결과, 층을 연결시키기 위해 2차 구조가 추가되어야만 한다.
제22a도에서의 각각의 층은 평행인 2개의 선으로 실제로 구성되어 있고, 층의 평면도는 제22b도에 도시되어 있는데, 이것은 평행인 선(107b(1), 107b(2))으로 구성된 층(107b)을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 소정의 층에 대한 선은 컬을 감소시키기 위해 서로로부터 분리된 상태로 경화되고, 그들은 구조물을 부품에 제공하기 위해서 소정의 형상의 2차 구조에 의해서 연결되어야 한다.
제22b도는 층(107b)의 평면도인데, 이는 특정층의 선, 즉 이 경우에 있어서 층(107b)의 선(107b(1),107b(2))의 선을 연결시키기 위한 2차 구조(108a,108b,108c,108d 및 108e)를 도시하고 있다. 추가로, 이하에서 도시될 바와 같이, 2차 구조는 인접 층의 선들을 함께 연결하는데, 이 경우에 있어서는 선(107b(1),107b(2))이 각각 2차 구조에 의해서 선(107c(1),107c(2))에 연결된다. 이것은 층(107c)에 대한 선의 위에 적층되어 있고 2차 구조(108a,108b,108c,108d 및 108e)에 의해서 연결되어 있는 층(107b)의 선의 측면도인 제22c도에 예시되고 있다.
2차 구조는 2개의 특징으르 가지고 있고, 저노출의 지지선 및 리벳으로서 알려져 있는, 인접층으로부터의 지지선을 연결시키기 위한 고노출의 영역을 포함하고 있다. 이것은 제22d도 및 제22e도에 예시되어 있다. 제22e도에 예시된 바와 같이, 층(107b)에 대한 2차 구조는 부분적으로, 층을 형성하는 선(107b(1),107b(2))보다 더 낮은 노출의 연결 지지선(108a(1), 108b(1), 108c(1),108d(1), 108e(1)을 포함하고 있다(그 결과로 지지선은 층을 형성하는 선보다 더 작은 경화 깊이를 가짐). 추가로, 지지선은 층을 만드는 선, 즉 이 경우애 있어서 층(107b)의 선(107b(1),107b(2))을 연결시키는데 사용된다. 또한, 2차 구조는 부분적으로, 리벳으로 알려져 있는 높은 노출의 영역을 포함하고 있다. 제22e도에서 이들은 각각 108a(2), 108b(2), 108c(2), 108d(2), 108e(2)로서 식별되고, 이 리벳은 지지선 또는 층을 만드는 선보다 더 큰 노출의 영역이고, 이 결과 리벳은 인접층의 지지선으로 하향 관통하고 이 선에 부착되는 경화 깊이를 갖는다. 이것은 층(107b,107c)에 대한 지지선을 연결시키는 리벳을 도시하는 제22d도에서 예시되어 있다.
리벳의 중요한 특징은 제23a도 내지 제23c도에 예시되어 있는데, 여기서 동일한 요소는 동일한 도면 번호를 사용하고 있다. 서로 다른 층 상의 선이 리벳에 의해서 연결된다면 일정한 경우에 있어서, 리벳의 지름을 선의 폭보다 작게 유지하는 것이 중요하다. 차례로, 이것은 리벳을 만드는데 사용되는 노출을 이러한 상태가 발생되지 않도록 충분히 낮게 유지시킴으로써 성취될 것이다. 제23a도는 리벳(109a,109b,109c)을 구비한 선을 도시하고 있는데, 여기에서 리벳의 직경은 선의 폭보다 훨씬 더 작다. 제23b도는 리벳의 직경이 제23a도에서의 경우 보다 더 큰 선을 도시하고 있다. 제23c도는 선을 도시하고 있는데, 여기에서 리벳의 직경의 선의 폭보다 더 크다.
리벳의 직경을 라인의 폭보다 더 작게 유지하는 것은 단지 선이 부품의 층의 외부 표면을 형성할 때 중요하다. 이러한 경우에 있어서, 부품의 외부 표면을 매끄럽게 남아있게 하기 위해서 리벳 직경을 선의 폭보다 더 작게 유지하는 것이 중요하다. 리벳으로 고정되는 선이 물체 내부의 지지선이라면 리벳의 직경을 선의 폭보다 더 작게 유지하는 것이 필요없다. 사실상, 이러한 경우에 있어서, 제22b도 및 제22e도에서 도시된 바와 같이 리벳의 직경은 지지선의 폭보다 더 크게 될 수 있다.
리벳의 이러한 특징은 제24a도 내지 제24d도에서 더욱 상세하게 예시되고 있는데, 여기서 동일한 요소는 동일한 번호를 사용하였다.
제24a도는 층(107a,107b 및 107c)을 각각 포함하는 부품을 도시하는데, 이 층들은 (층(107a)을 (107b)에 연결하기 위한) 리벳(109a(2) 및 109b(2))과 (층(107b)를 층(107c)에 연결하기 위한) 리벳(108a(2) 및 108(b))에 의해 인접 층에 연결되어 있다.
리벳(108a(2) 및 108(b))의 평면도가 제24b도에 예시되어 있다. 만약 라인(107b)가 최종 부품의 외부 표면을 형성하고, 만약 리벳의 지름이 라언의 폭보다 크면, 외부 표면이 거칠게 될 것이다.
이러한 문제를 완화시키기 위해 3가지 기술이 가능하다. 상기 언급된 한가지 기술은 단순히 리벳의 지름의 크기를 감소시키는 것이다. 제24c도에서 예시된 제2기술은 리벳이 표면의 평면을 넘어서 연장되지 않도록 최종 부품의 외부 표면을 형성하는 라인의 표면(10)으로부터 리벳을 오프셋하는(offset) 것이다. 제24d도에서 예시되고 상기에서 상세히 설명된 제3기술은 지지선을 도입하고, 단지 지지선들만을 함께 리벳으로 연결하는 것이다. 사실상 상기 기술은 결합될 수 있다. 제24d도는 저노출 지지선에 의해 연결되어 있는 라인(107b(1),107b(2))를 도시하고 있는데, 이 지지선은 리벳(108a(2), 108b(2)에 의해 인접 층의 지지선에 연결되어 있다. 부가적으로, 라인(107b(1))은 리벳(111a(2), 111b(2))에 의해 인접 층의 라인에 연결되며, 라인(107b(2))은 리벳(110a(2), 110b(2))에 의해 인접 층의 라인에 연결되어 있다. 만약 이러한 라인 중 어느 하나가 부품의 외부 표면을 형성한다면, 상기 설명된 바와 같이, 리벳의 지름은 너무 클 수 없고, 또는 만약 그렇다면, 리벳이 부품의 외부 표면의 평면을 넘어서 연장되지 않도록 부품의 내부 쪽으로 오프셋되어야 한다.
제24d도에서 동일한 층 상의 라인 사이의 거리(112)가 40 내지 300mils의 범위에 있으며, 그리고 부가적으로 연속적이고 인접한 층 상의 라인이 이러한 거리만큼 분리되어 있을 때 부품들이 성공적으로 조형되었다는 점을 유의하여야 한다. 그러나, 이러한 범위 정도 만큼 선을 분리시키는 것에 의해 다른 예들도 가능한데, 상기 범위는 예시적인 목적만을 위하여 제공되는 것이지 제한하는 것으로 의도된 것은 아니다.
제25a도 내지 제25c도는 라인을 연결시키기 위하여 2차 구조를 사용하는 또 다른 예를 도시하고 있다. 이 도면에서, 같은 요소들은 같은 도면 번호로 표시된다. 제25a도에서 도시된 바와 같이, 연속적인 구조(113a,113b,113c,113d)가 도시되어 있는데, 여기에서 각각의 구조는 제25c도에서 예시된 것과 같이 비교적 저노출로 만들어진 부분(113a(1)) 및 고노출로 만들어진 또 다른 부분(113a(2))을 가지고 있다. 더욱이 제25a도에서 도시된 바와 같이, 보다 높은 노출 부분을 만들기 위하여 선택된 노출은 연속적으로 적층된 고노출 부분, 즉 도면에서 113a(2) 및 113c(2)로 도시된 부분이 거의 접촉되지 않게 되어야 한다. 실제로, 이러한 기술을 사용해 부품을 성공적으로 만들어 왔는데, 여기서 연속적인 고노출 부분은 서로부터 40 내지 300mil 이내에 있는데, 이러한 범위는 예시 목적으로만 제공되고 제한하려는 의도는 아니다.
연속층, 즉 도면에서 113a(1) 및 113b(1)으로 도시되어 있는 층으로부터의 보다 낮은 노출 부분이 중첩되어 있고 연속층이 서로 서로 부착하도록 이러한 중첩된 부분을 서로 리벳으로 연결하는 것이 필요하다는 사실을 주목하라. 이는 제25b도에 도시되어 있는데, 이는 도면에서 113a(1) 및 113b(2)로 도시되어 있는 연속층으로부터 중첩된 저 노출 부분을 함께 유지하는 리벳(116a,116b 및 116c)을 도시하고 있다.
부품의 외부 표면(114,115)은 연속층으로부터 고 노출 부분을 적층하여 형성되며, 표면(114)은 부분적으로 적층된 부분(113a,113c)으로 형성되고, 표면(115)은 부분적으로 적층된 부분(113b,113d)으로 형성된다.
상기 설명한 모든 커얼 감소 기술은 1) 응력 감소(reducing stress); 2) 응력 저항(resisting stress); 및 3) 응력 경감(relieving stress)의 3가지 방법들중 어느 하나를 통하여 커얼을 감소시킨다.
1)의 예는 다중-패스인데, 여기서 연속적인층이 다중-패스를 통하여 경화되어 부착할 때, 다지 소량의 응력이 인접층에 전달될 것이다. 2)의 예는 다중-패스인데, 이에 의해 가능한 많은 층이 제1패스에서 경화되고, 층의 이러한 부분은 하향 컬 및 아래층의 상향 커에 대하여 강한 저항력을 제공할 것이다. 3)의 예는 쇄선 또는 만곡선인데, 여기서 응력은 실제로 한 층으로부터 다른 층으로 전달되지만, 단락부(breaks) 또는 굴곡부(bends)는 응력을 경감하도록 작용한다.
주어진 응용예에 대한 적당한 커얼 감소 기법은 구조적 강도와 커얼 사이의 트레이드-오프(trade-off)에 관련되어 있다. 일반적으로, 특정 응용예에 대하여 요구되는 구조적 강도가 높을수록, 컬이 더 많아진다.
제26a도 내지 제26c도는 서로 다른 컬 감소 기법을 사용하여 만들어진 부품을 도시하고 있다. 제26a도는 쇄선을 사용하여 만들어진 부품을 도시하며, 제26b도는 만곡선을 사용하여 만들어진 부품을 도시하며, 제26c도는 제25a도 내지 제26c도에 관하여 상기에서 설명된 2차 구조 기술을 이용하여 만들어진 부품을 도시한다. 제26a도와 관련하여, 부품들이 성공적으로 조형되었는데, 여기서 도면에서 참고 번호(117a)로써 표시된 선의 실선 부분(solid portion)의 길이는 40 내지 300mils의 범위에 있었고, 도면에서 참고 번호(117b)로 표시된 실선 부분 사이의 단락부는 또한 40 내지 300mils의 범위에 있었다. 그러나, 이러한 범위는 단지 예시적이며 한정하는 것은 아니다.
제26b도와 관련하여, 부품들은 만곡선을 사용하여 성공적으로 만들어졌는데, 여기서 도면에서 참고 번호(108a)로 표시된 선의 실선 부분은 40 내지 300mils의 범위에 있고, 부가적으로 도면에서 참고 번호(118b)로 표시된 실선 부분 사이의 선에 있는 간극도 또한 이 범위에 있다. 다시, 이러한 범위는 예시적이며 한정하는 것은 아니다.
제26c도와 관련하여, 부품들이 성공적으로 조형되었고, 도면에서 참고 번호(119)로 표시되는 특정층의 평행선 사이의 거리는 40내지 300mils의 범위에 있다. 상기 범위는 예시적인 목적만을 위하여 제공되며, 다른 예도 가능하다.
쇄선 기술에서의 문제점은 선에 단락부가 있기 때문에, 불량한 부품 표면 마무리가 생길 수 있으며, 부가하여 부품이 약할 수 있다는 것이다. 이러한 문제를 완화시키기 위하여 이 기술의 3가지 변형이 사용 가능한데, 이러한 변형은 제27a도 내지 제27e도에 예시되어 있으며, 여기서 같은 요소는 같은 도면 번호로 표시되어 있다.
제1 변형, 브릭 및 모르타르(brick and mortar) 변형이 제27a도에 도시되어 있다. 변형에 따르면 쇄선의 실선 부분은 브릭과 유사하며, 연속적인 브릭 사이의 단락부는 모르타르와 유사한 액체 수지로써 충전되며, 이것은 브릭보다 더 적은 노출로 경화된다. 이 변형의 문제점은 만약 모르타르가 강도를 개량시키기 위해 브릭과 동일한 레벨에서 후속적으로 노출된다면, 커얼이 다시 도입된다는 것이다.
제2변형은 제27b도에 예시되어 있으며, 여기에서는 쇄선이 실선 상에 놓여 진다. 제27b도는 표시된 부분이 연속적으로 경화되는 순서를 도시한다. 표시된 바와 같이, 고체층이 작도되고, 이어서 그것의 상부에 이격된 브릭이 작도되고, 브릭 사이의 틈새가 모르타르로써 충전되며, 이 틈새는 바람직하게 브릭보다 더 낮은 노출에서 경화된다. 고체층의 상부에서 브릭을 경화시키는 것의 장점은 고체층이 상향 커얼의 저항하기록 강하게 될 것이라는 것이다.
제3의 변형은 제27c도에 예시되어 있으며, 여기서 변형은 다른 쇄선 위에 배치되어 있는 쇄선을 오프셋하여 하나의 라인의 실선 부분이 제2라인의 단락부에 걸쳐 있는 것이다. 제27c도는 표시된 부분이 경화되는 순서를 표시한다. 표시된 바와 같이, 브릭이 하나의 층 상에 작도되며, 이어서 다음 층 상에 브릭이 또한 작도되지만, 제1층상에서 그것들로부터 오프셋되어서, 제2층 상의 브릭은 제1층상의 브릭 사이의 틈에 걸쳐있다. 이러한 기술에서의 문제점은 그것이 마치 표준 실선이 작도되는 경우만큼의 커얼을 초래한다는 것이다.
쇄선 기술의 다른 변형은 제27d도 및 제27e도에 예시되어 있으며, 여기에서 도면 번호는 표시된 실선 부분을 작도하는 순서를 표시한다. 제27d도는 실선 상에 제1쇄선 및 제1쇄선 상에 제2오프셋 쇄선을 배치하는 것을 도시한다. 제27c도는 일렬로 되어 있는 실선 상에 몇몇 쇄선을 배치시키고 이어서 연속적인 쇄선을 오프셋하는 것을 도시한다.
제26b도에서 대략적으로 예시되어 있는 만곡선 기술 및 이러한 기술의 변형이 제28a도 내지 제28i도에 도시되어 있다. 제28a도에 표시되어 있는 바와 같이, 만곡선 기술의 기본적 아이디어는 인접한 층으로부터 주어진 층으로 전달되는 응력을 경감시키는 것이다. 제28a도와 관련하여, 선(118)이 부분(118a,118b)으로 도입된 응력은 이러한 부분의 간극(118c) 내로의 측방향 이동에 의해 흡수된다. 이는 무엇인가가 응력을 경감하기 위하여 제공되야 하는데, 제28a도의 예시에서 제공되는 것은 부분(118a,118b)이며 이것은 간극(118c) 내로 측방향으로 이동하도록 허용된다.
부품들은 제28b도에서 표시된 치수, 즉 40 내지 300mils의 범위에 있는 선의 실선 부분과 또한 이러한 범위에 있는 실선 부분 사이의 간격에 의해 성공적으로 조형된다. 다른 예시가 가능하며, 표시된 범위는 예시적인 것이고, 제한하는 것은 아니다. 간극의 크기는 바람직하게는 가능한 한 작아햐 하지만, 실제에 있어서는 간극의 크기는 가능한 공차에 따르는데, 이는 연속적인 실선 부분이 접촉하지 않은 것이 중요하기 때문이다. 제28a도의 예시에서 간극(118c)는 실선 부분(118a,118b)이 접촉할 정도로 그렇게 작지 않다는 것은 매우 중요하다. 만약 이것들이 접촉한다면, 커얼이 초래될 것이다. 따라서, 가능한 공차가 작으면 작을수록 만곡선의 실선 부분 사이의 간극은 더욱 커야 한다. 40mils만큼 작은 간극에 의해 성공적인 부품이 조형되었지만, 더 작은 간극도 가능하다. 제28c도는 만곡선의 예를 도시하는데, 여기서 간극은 실선 부분의 길이보다 훨씬 더 작다.
쇄선 기술과 비교하여 만곡선 기술의 이점은 만곡선이 쇄선보다 훨씬 더 강할수 있으며, 부가적으로, 그들의 응력 저항은 부품이 만곡선을 이용하여 조형된 후 훨씬 더 커질수 있다는 것이다.
제28d도는 선의 만곡부(bends)가 삼각형 모양을 하고 있는 만곡선의 변형을 도시하고 있다. 부품은 길이가 250mils (1/4inch) 정도인 각각의 삼각형 만곡부에 의해 성공적으로 조형된다. 추가적으로 각각의 삼각형 만곡부의 정점의 각도는 비록 제28d도에서 90°로 표시되었음에도 불구하고, 이와 달라질 수 있다. 실제로 이보다 더 작으면, 결과적인 라인은 제28c도의 것과 비슷할 것이며, 심지어 더 많은 커얼이 제거될 수 있다. 만약 각도가 이보다 더 크게 된다면, 만곡선은 직선과 비슷해질 것이며, 커얼 효과는 더욱 뚜렷하게 될 것이다.
만곡선의 또 다른 변형이 제28e도 및 제28f도에 예시된다. 제28e도에서 표시된 바와 같이, 부품들은 라인의 만곡부가 예시된 것처럼 반전된 삼각형 형상을 갖고 있으며, 각각의 만곡부는 제28f도에서 표시된 치수, 즉 폭이 125mils(1/8inch)이고 실선 부분 사이의 간격이 40mil이하이며 각각의 삼각형 만곡부의 각도가 각각 45°,45°및 90°인 만곡선을 사용하여 성공적으로 조형된다. 이전과 같이, 만곡선의 실선 부분이 접촉되지 않는 것이 중요하다. 그렇지 아니하면, 컬이 도입될 것이다. 따라서, 제28e도에서, 라인의 간극은 연속적인 실선 부분이 접촉되지 않는 한 가능한한 작게 유지되어야 한다. 제28g도는 만곡선이 사다리꼴 형상을 하고 있는 만곡선 기술의 또 다른 변형을 도시하고 있다. 다른 예시가 가능하며, 상기 예시는 예시적인 것이며 한정하는 것은 아니다.
쇄선에서처럼, 만곡선으로 조형된 부분은 빈약한 표면 마무리를 가질 수 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 만곡선의 브릭 및 모르타르 변형이 가능한데, 이에 의해 만곡선의 간극은 액체 수지로 충전되며, 그 후 부분적으로 노출된다. 이전의 쇄선의 경우와 같이, 만약 이러한 수지가 라인의 나머지 부분과 동일하게 노출된다면 커얼 효과가 도입될 것이다. 제28h도는 라인의 간극을 액체 수지로써 충전하고 이어서 간극에 있는 수지를 부분적으로 노출시키는 기술을 도시하고 있다. 숫자는 도시된 부분이 경화되는 순서를 표시하고 있다.
또 다른 변형은 제28i도에 표시된 바와 같이 실선 상에 만곡선을 배치시키는 것이며, 이는 처음에 작도된 실선이 상향 커얼에 저항하는 장점을 가지고 있다. 부가적으로 제28h도에서와 같이 표면 형상을 개량하기 위하여 만곡선의 간극이 수지로 충전되며 부분적으로 노출된다. 경화가 일어나는 순서가 도면에서 도면 번호에 의해 표시된다.
제28j도는 제1만곡선이 실선상에 놓여지고 제2만곡선은 제1만곡선 상에 놓여지지만 제1만곡선으로부터 오프셋되어 제2만곡선의 실선 부분이 제1만곡선의 간극에 걸쳐있는 또 다른 변형을 도시하고 있다. 도면 번호는 도면에서 표시된 부분이 경화되는 순서를 표시한다.
커얼을 감소시키기 위해 리벳 기술을 구현하는 것이 이제 설명될 것이다. 리벨의 초기 구현은 미합중국 특허출원 제182,830호, 그것의 일부 계속 출원 제269,801호, 리용리용의 도켓 번호 제186/195호에서 설명된 것처럼 층을 설명하는 데이터를 벡터를 다시 포맷팅하는 중간 단계없이 레이저 비임에 의해 직접 주사되는 부분의 층을 제공하는 베이지 프로그램밍 언어로써 쓰여진 프로그램의 형태였다. 이러한 층은 각각의 층에 대한 경화 깊이가 층 사이의 부착을 초래하는데 요구되는 것보다 작게 되도록 주사되었다. 프로그램은 선택된 영역에서만 부착을 야기시키기 위하여 각각의 층의 선택된 영역의 추가적인 주사 (노출)을 제공할 것이다. 만약 부착을 초래하도록 되어 있는 이러한 영역의 숫자가 비교적 작다면, 층의 부착에 의해 변형 및 커얼이 최소로 된다는 것을 알수 있었다. 이러한 보다 높은 노출 부착 영역이 여기서 리벳으로 언급되는 것이며, 비록 부착점의 수가 증가할수록 부품 왜곡이 증가할 수 있을지라도, 부착 영역의 수가 작으면 효과가 별로 없을 것이다.
나중의 구현은 층 데이터를 벡터로 다시 포맷팅하는 중간단계와 일관된다. 다른 벡터 형식에 대한 보다 상세한 설명은 미합중국 특허 출원 제182,830호, 그것의 일부 계속 출원인 제269,801호 및 리용 및 리용의 도켓 번호 제186/195호에 제공되어 있다. 이러한 구현은 각각의 벡터의 길이가 층 사이의 부착에 기여하는 벡터에 비하여 작으며, 이러한 벡터들 사이에 간극이 있어야 한다는 것을 요구한다. 부가적으로, 부착 벡터(cadhesion vector)가 초래하는 소정의 커얼이 표면 정확성에 영향을 미치지 않도록 이러한 벡터가 부품의 외부 경계의 내부에 있는한, 부품의 구조적 일체성을 보장하기 위하여 층 사이에 많은 부착 벡터를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 이러한 벡터는 일반적으로 이들의 길이가 예상되는 왜곡의 방향에 대하여 수직이 되도록 놓여져야 한다. 예를 들면, 캔틸레버에서 이러한 벡터의 방향은 바람직하게는 캔틸레버 부분의 축에 대하여 수직이 되어야 한다. 제29a도는 전체적인 부분을 형성하기 위하여 도시된 바와 같이 인접한 층에 부착하는 각각의 층(120a, 120b, 120c, 120d 및 120e)으로 이루어진 왜곡되지 않은 캔틸레버 부분(120)을 도시하고 있다. 캔틸레버 부분은 일반적으로 레일로서 언급되고 있는 부분이다. 도시된 바와 같이, 이 부분은 지지부(120)에 의해 지지되고, 이는 차례로 플렛폼(122)과 직접 접촉하고 있다. 또한 도면에 이 부분의 축이 표시되어 있다.
제29b도는 커얼에 의해 야기된 변형을 반영시키는 캔틸레버 부분을 도시하고 있다. 제29a도와 비교하여 도면에서 같은 요소는 같은 도면 번호에 의해 표시된다. 도시된 바와 같이, 커얼의 방향은 상방향, 즉 캔틸레버 부분의 축과 같은 방향을 향한다.
제29c도는 층(102d,102e) 사이의 부착에 기여하는 벡터의 방향을 도시하는 부분의 층(102)의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 이러한 벡터의 방향은 왜곡의 방향에 대하여 수직이며 따라서 캔틸레버 부분의 축에 대하여 수직이다.
이러한 초기의 벡터-기반 구현(vector-based implementation)의 문제점은 부품의 축의 방향에 따라 좌우됨으로써 부품의 기하학적 형상에 좌우된다는 것이다. 최근의 벡터-기반 구현은 리벳에 대하여 상기 설명된 극적인 이점을 제공하는 상이한 접근책을 취하지만, 동시에 부품의 기하학적 형상에 그렇게 많이 의존하지 않고 양호한 구조적 일체성을 확실히 보장한다.
리벳의 이러한 초기의 벡터-기반 구현에서, 상이한 벡터 형식을 설명하기 위하여 사용된 연상 기호는 미합중국 출원 제182,830호, 그의 일부 계속 출원 제269,801호, 그리고 이의 일부 계속 출원인 리용리용의 도켓번호 제186/195호에서 사용된 것과는 다르다. 상이한 벡터 형식의 상세한 설명은 이러한 출원에서도 유용하다. 간단히 말하면, 경계 벡터는 층의 주변부를 그리기 위해서 사용되고, 크로스해치 벡터는 층의 내부 부분을 그리기 위하여 사용되며, 스킨 필(fill)벡터는 부품의 소정의 외부 표면을 그리기 위하여 사용된다. 이들은 경계, 크로스해치, 및 스킨 필의 순서로 그려진다. 다음 리스트는 이러한 연상 기호사이의 대응을 도시하고 있다.
1) 층경계 벡터에 대하여, Z가 LB 대신 이러한 벡터를 설명하기 위하여 사용되었다.
2) 층 크로스해치 벡터에 대하여, X, Y, 및 Z가 각각 X, Y 및 60/120크로스 해치 벡터를 설명하기 위하여 사용되었다. 나중의 구현에서 이러한 벡터는 함께 결합되어 하나의 연상 기호 LH에 의해 기술된다.
3) 상부 대향 스킨 경계 벡터에 대하여, S가 편평 및 근사 편평 경계벡터를 설명하기 위하여 하나의 연상 기호로서 사용되었다. 나중의 구현에서 이러한 벡터 형식은 각각 연상 기호 FUB 및 NFUB에 의해 기술되는 서로 다른 카테고리로 분리되었다.
4) 상부 대향 스킨 해치 벡터에 대하여, A, B, 및 J 가 각각 X, Y 및 60/120 스킨 크로스 해치 벡터를 설명하기 위해 사용되었다. 상부 대향 스킨 해치 벡터는 현재의 구현에서 사용된 연상 기호하에서는 대응하는 부분이 없다.
5) 상부 대향 스킨필 벡터에 대하여, H 및 V가 각각 X 및 Y스킨필 베거를 설명하기 위하여 사용되었다. 편평 및 근사 편평 필 벡터는 이러한 연상 기호내에 포함되었다. 나중의 구현에 있어서, X 및 Y 필 벡터는 결합되지만, 편평 및 근사 편평 벡터는 분리되었다. 이러한 새로운 연상기호는 각각 FUF 및 NFUF이었다.
6) 하부 대향 스킨 경계 벡터에 대하여, C가 편평 및 근사 편평 경계 벡터를 설명하기 위하여 사용되었으며 나중의 구현에 있어서, 이러한 벡터 형식은 분리되어 각각 연상 기호 FDB 및 NFDB에 의해 설명되었다.
7) 하부 대향 스킨 해치 벡터에 대하여, F, G 및 K가 각각 X,Y 및 60/120 크로스 해치 벡터를 기술하기 위하여 사용되었다. 더욱 최근의 구현에서, 단지 하부 대향 근사 편평 스킨 해치 벡터만이 가능하며, 이는 연상 기호 NFDH에 의해 설명된다.
8) 하부 대향 스킨필 벡터에 대해서, X 및 Y 스킨필 벡터를 구별하기 위하여 D 및 E가 각각 사용되었다. 편평 및 근사 편평 필 벡터 2가지는 모두 이들 연상 기호에 포함된다. 나중의 구현에 있어서, X 및 Y 필 벡터 형식 2가지는 모두 하나의 연상 기호로 결합되었지만, 편평 및 근사 편평 벡터 형식은 분리된 채로였다. 편평 및 근사 편평 벡터 형식에 대한 새로운 연상 기호는 각각 FDF와 NFDF이다.
리벳의 벡터-기반 구현의 첫 번째 특징은 특정층 또는 리벳이 놓이게 될 층들의 임계 영역을 특정한다는 것이다. 이들 임계 영역은 임계 박스 파일로서 알려진 것을 생성함으로써 특정된다. 이 파일은 단단하게 고정된 또는 전혀 주사되지 않은 크로스해치 벡터를 가질 체적을 에워싸고 있는 박스 사양(box specification)을 하나 또는 그 이상 포함한다. 박스 사양의 개시부에 놓여 있는 XV는 박스 내부의 크로스해치 벡터가 단단히 고정될 것임을 의미하는 한편 박스 개시부에 놓인 XI는 박스 내부의 크로스해치 벡터가 주사되지 않을 것임을 의미한다. 임계 박스 파일은 소정의 편리한 텍스트 편집자에 의해 생성된 ASCII 파일이며 MERGE프로그램에 의해 생성될 출력 파일(.L 및 .V 파일)의 명칭과 동일한 명칭이 주어지며, 그것은 .L 또는 .V 대신 .BOX 확장자를 갖는다는 것을 제외하고는 벡터 트레이싱 과정(the process of tracing out vector)을 시작하기 전에 상이한 목적물에 대하여 .SLI파일을 병합시킨다(보다 상세한 것은 미합중국 특허출원 제182,830호 그것의 CIP인 일련 번호 제269,801호 및 그의 계속 출원인 리용리용의 도켓 번호 제186/195호에 기재되어 있음). 간단히 말하면, 목적물에 대한 CAD파일은 그 목적물에 대한 .STL파일로서 언급된다. SLICE로서 알려진 프로그램은 .STL파일을 벡터-기반층 데이터로 슬라이싱 또는 변환하고, 이는 목적물에 대한 .SLI 파일 내에 놓이게 된다. 그러면, MERGE는 상이한 목적물에 대해 .SLI 파일을 병합하여 병합된 벡터데이터를 포함하고 있는 .V 파일을 형성하고, 또한 제어 목적을 위하여 .L 파일을 병합한다. 그러면, BUILD 프로그램은 .V 와 .L파일을 취하여 벡터 트레이싱을 시작한다. MERGE 프로그램이 상이한 목적물에 대하여 그의 입력 .SLI 파일을 병합하기 시작하면, 그것은 대응하는 .BOX 파일을 찾는다. 그 파일이 발견되면, MERGE는 그후 임계 영역 지정을 필요로 하는 것으로 모든 층으로 임계 영역 지정을 첨부한다.
그 내용은 하나 또는 그 이상의 단일 임계 박스 사양으로 구성된다. 단일 박스는 특별한 벡터 형식에 대한 직각 부피와 공간에서의 그의 위치로 이루어진다. 전형적인 명세는 다음과 같을 것이다.
XV, .94, .04, .250, 8.750, .250, .250, 4.375, .250, 4.375, 8.750
XV는 이 박스가 고정될 부피를 둘러싸고 있음을 표시한다.
0.94는 부품의 CAD 설계에 사용된 것과 동일한 단위 및 기준 축적으로 박스의 기저부의 위치를 표시한다. 만약 CAD 단위가 인치이면, 0.94는 박스의 기저부가 CAD 공간의 기저부로부터 .94 인치의 거리에 있음을 의미한다. 0.04는 기저부위로의 박스의 높이를 CAD단위(상기 실례에서 인치)로 나타낸다. 다음의 8개의 숫자는 박스의 코너를 CAD 단위로 나타내는 XY쌍으로서 판독되고 CAD 시스템에 의해 지정되는 공간에서의 부품의 위치에 기초하고 있다. 제30도는 전형적인 .BOX파일(단지 예시의 목적으로 RIVET. BOX로 이름을 붙임)의 형식을 보여주는데, 이 파일은 리벳팅될 부피를 특정하는 2개의 박스를 설명한다. 실시예는 파일이 단지 프린트할 목적으로 주변이 둘러싸여져 있는 단일 텍스트 라인으로 구성되어 있음을 나타낸다.
MERGE 프로그램의 장점은 상이한 하위 부피를 별개의 .STL 파일에 배치하고, 각각의 하위 부피에 대해 그것을 상이한 .STL 파일에 슬라이싱한 후, 그들을 병합함으로써 상이한 리벳팅 변수가 목적물의 상이한 하위 부피에 대해 특정될 수 있다는 점이라는 것을 유의해야 한다. 이는 상이한 리벳팅 변수가 각각의 .STL 파일에 대해 특정될 수 있기 때문이다. .STL 와 .STL파일 포맷에 대한 보다 상세한 설명은 미합중국 특허 출원 제182,830호, 그의 계속 출원인 제269,801호 및 그의 계속 출원인 리용리용의 도켓 번호 제185/195호에 제공되어 있다.
.BOX 파일의 다른 용도는 리벳이 층별로, 그리고 층 내에서는 벡터 형식별로 제어되는 것을 허용하는 .L 파일의 리벳 커맨드를 특정하기 위한 리벳팅을 제어하는 것이다. 리벳팅을 제어하는 다른 접근법은 .PRM 파일의 특정 벡터 형식에 대하여 디폴트 리벳 변수를 특정하는 것이다. 간단히 말하면, .PRM파일은 디폴트 변수를 포함하며, 만일 BUILD가 .L 파일에서 특정 리벳 변수를 찾을 수 없다면 그것이 변수에 대하여 .PRM 파일을 찾을 것이다. 리벳 커맨드는 이하에 기술되어 있다.
1) VC는 1 내지 7의 아규먼트를 가지며, 한 층 내의 벡터를 인접 층에 리벳팅시킬 때 행하는 패스의 횟수를 나타내는 커맨드인 River Count에 대한 연상 기호이다. 2개 또는 5개의 패스를 특정하기 위한 커맨드 포맷은 각각 VC 2 및 VC5이다.
2) VR은 Rivet Reduction에 대한 연상 기호인데, 이 연상 기호는 해치 벡터가 경계 벡터와 접촉하는 점 바로 위에 고정되면 이는 보다 더 큰 왜곡과 함께 부품의 표면 마감의 저해를 유발할 수 있기 때문에 이를 막기 위해 사용될 수 있는 커맨드이다. 부품의 기하학적 형상에 대한 의존성이 매우 높은, 리벳의 초기 벡터-기반 구현과 비교해 볼 때, 리벳팅에 대해 크로스 해치 벡터를 이용하는 것은 해치 벡터가 층간의 부착을 제공할 것이므로 기하학적 형상에 있어서의 독립성을 제공한다. 만약 특정 응용예에 대하여 특정 부품의 기하학적 형상으로 리벳팅을 성형하는 것이 필요하다면, 임계 박스 배치를 특정하기 위한 .BOX 파일의 사용 및 앞에서 기재한 바와 같이 병합되는 상이한 하위 부피 .SLI 파일에 대한 상이한 리벳팅 변수의 사양은 그렇게 할 수 있는 능력을 제공할 것이다.
VR 커맨드는 첫 번째 것을 제외하고는 모든 주사(scan)의 길이가 감소될 것을 요구한다. 다르게 표현하면, 제1주사는 전체 벡터 길이에서 행해지고, 추가적인 주사는 VR양에 의해 감소된다. 그 커맨드는 리벳되지 않을 벡터의 각 끝에서 특정 거리를 특정하는 아규먼트를 취하며, 그 아규먼트는 1내지 65535의 범위의 값을 가질 수 있다. 이 아규먼트는 VC 커맨드에 의해 특정된 다중 주사가 행해지기 전에 벡터의 각 끝을 출발하는 SS멀티플의 번호를 나타낸다. SS에 대한 아규먼트가 비트 단위이므로 (비트는 대략 .3mil 임), VR에 대한 어규먼트는 SS변수에 의해 그것을 곱함으로써 비트로 변환될 수 있다.
3) VP는 Rivet Period에 대한 연상 기호인데, 이는 VC 커맨드에 의해 특정된 각 주사에 대한 노출 부피를 특정한다는 점에서 SP와 유사한 커맨드이다. 노출값이 각 패스에 대해 특정될 수 있었던 REDRAW에서와 같이, VP는 VC 커맨드에 의해 요구되는 모든 주사에 대한 아규먼트를 갖는다. 각 아규먼트는 10㎲의 단위로 대략 10 내지 6500의 값을 취할 수 있다. VC=4에 대한 전형적인 VP 커맨드는 다음과 같을 것이다:
VC 4; VP 40; 50, 60, 70
이 커맨드는 다음과 같이 해석될 것이다: 제1주사은 전체 벡터 길이를 초과할 것이며 40의 SP를 가질 것이다. 이 SP값은 이 주사에 의해 얻어지는 경하 깊이가 층두께보다 약간 적도록 선택된 것이다. 제2주사은 그 끝점이 VR 커맨드에 의해 특정된 양만큼 변위되어 있는 벡터를 초과할 것이며 50의 SP에 따라 작도된다. 제3주사은 제2주사와 동일한 영역을 커버하지만, 그것의 작도 속도는 60의 SP에 기초한다. 제4주사는 앞의 2가지와 동일하지만, 작도 속도가 70의 SP를 기초로 한다는 점에서는 차이가 있다. 이들 리벳 커맨드는 단지 다양한 유형의 크로스해치에 대해서만 사용됨을 주목하라.
REDRAW의 알려진 다중-패스의 구현에 관하여 앞서 논의된 바와 같이, .L파일은 표준 텍스트 에디터에 의해 생성되며, 경화 과정의 층 대 층(Dayer to layer aontrol) 제어를 위해 BUILD (또는, 소프트웨어 비젼에 따라서는 SUPER) 프로그램에 의해 사용된다. 층의 범위에 대하여 제어를 제공하는 R. 파일은 여기서 기술된 리벳의 특정 구현에 대한 리벳팅을 제어하는 데는 사용될 수 없다. .PRM파일은 .L 파일에 특정 변수가 특정되어 있지 않을 때 디폴트 리벳팅 변수를 얻기 위해 BUILD에 의해 사용된다. 요약하면, .L 파일은 층별로 그리고 층 내에서는 벡터 형식별로 리벳팅을 제어하는데 사용된다. .PRM 파일은 .L파일에서 임계 리벳팅 변수가 특정되어 있지 않은 경우에만 사용된다.
리벳팅을 제어하는데 사용하기 위한 .L 파일의 포맷이 제31도에 도시되어 있다. 상기한 바와 같이, 파일은 예시의 목적을 위해서 RIVIT.L로 명시되며, 특정된 리벳 변수가 없는 층(920)을 도시한다. 한편, 층(940)은 그것에 적용되는 다수의 리벳팅 커맨드를 가지며, 그 커맨드는 #TOP 및 #BTM연상 기호에 의해 표시된다. CAD 단위로 변수가 특정되어 있는 RIVET.BOX 파일과는 달리, .L 및 .PRB 파일의 변수는 SLICE 단위로 특정된다. CAD 단위는 물체가 CAD 시스템 상에서 설계되는 단위이고, 물체에 대한 .STL 파일과 관련된 단위이다. SLICE 단위는 SLICE 프로그램에 의해 층들로 물체가 슬라이싱 되는 단위이며, 그 물체에 대한 .STL 파일과 관련된다. CAD 단위는, 인치 단위 및 소망의 SLICE 해상도 1,000에 대해서 단위는 mil로 표시될 것이다. CAD 단위, SLICE 단위 및 해상도는 미합중국 출원 제182,830호, 그의 부분 계속 출원인 제269,801호 및 그의 계속 출원인 리용리용의 도켓 번호 제186/195호에 보다 상세히 기재되어 있다.
제31도에서 층(940)에 대해 특정된 제1리벳팅 커맨드 선은 # CA XV, 250,250,3750, 250, 3750, 8750, 250, 8750이며 여기서 연상 기호 #CA는 임계 영역(Critical Area)을 나타낸다. 이 커맨드는 앞서 논의된 .BOX 파일과 유사하며, 임계박스를 특정하고, 그 안에서 크로스 해치 벡터는 리벳팅되거나 또는 전혀 주사되지 않는다. XV 연상 기호는 크로스 해치 벡터가 리벳팅될 것임을 의미한다. 다음의 8개의 숫자는 임계 영역을 만드는 박스의 코너를 설명하는 (SLICE 유니트에서의) 4개의 XY쌍이다.
층(940)에 대한 다음의 커맨드 선은 단지 Z 벡터(층 경계 벡터이며, 앞서 제공된 표에 대한 것과 같이, 연상 기호 LB로 나중의 실행헤서 언급됨)에만 적용되는 커맨드이다. 표시된 바와 같이, 커맨드 선은 SS 8; SP 100; JD 0; RC 1이며, 이는 VC 커맨드가 특정되지 않으므로 층 경계 벡터가 리벳팅되지 않고 있음을 가리킨다. 층(940)에 대한 다음의 커맨드 선은 X벡터 (상기 표에 있어서와 같이, X 크로스해치는 현재의 Y 및 60/120 크로스 해치와 결합되어 단일의 연상 기호 LH로 됨)에 대해서만 적용되며 다음과 같다: SS 8; SP 100; JD 0; RC 1; VC 2; VR 500; VP 20, 100. VC 2 커맨드는 2개의 패스의 Rivet Count를 특정하며, 여기서 20의 노출은 제1패스에 대해 특정되고, 100의 노출은 제2패스에 대해 특정된다. 10㎲의 노출 단위가 주어지면 이것은 각각 400㎲와 1,000㎲의 노출로 번역된다. 커맨드 VR 500은 제2패스에 대하여 X 크로스 해치 벡터는 크로스해치 벡터가 층 경계 벡터와 결합하는 곳으로부터 500SS 배수내로만 리벳팅될 것이라는 것을 나타낸다. 8비트 (대략 2.4mils)의 SS가 주어지면 이것은 단부로부터 대략 1,200mil(1.2인치)인 오프셋으로 번역된다.
제32a도 및 제32b도는 단지 예시의 목적으로 SUPER. RPM으로 표시된 .PRM 파인의 실시예를 도시한다. PRM파일은 미합중국 특허 출원 제182,830호, 그의 부분 계속 출원인 제269,801호 및 그의 계속 출원인 리용리용의 도켓 번호 제186/195호에 보다 상세히 기재되어 있고, 디폴트 리벳팅 변수에 관한 예시의 특징만이 여기에 기재될 것이다. 먼저, 표시된 디폴트 리벳팅 변수는 단지 제1물체에 대한 층 크로스해치 벡터에 대한 것이며(연상 기호 LH1에 의해 도면에 기재되며, 그것은 이전의 구현에 있어서, 상기 표에 있어서와 같이, X, Y, 또는 60/120크로스 해치에 대해 각각 연상 기호 X, Y 또는 I로 기술되어 있음), 또한 제1물체에 대한 근사 편평 하부 대향 스킨 벡터에 대한 것이다(연상 기호 NFDH11에 의해 도면에 기재되며, 그것은 이전의 구현에 있어서, 상기 표에 있어서와 같이, X, Y, 또는 60/120 크로스 해치에 대해 각각 연상 기호 F, G 또는 K로 기술되어 있음). 파일의 관련 부분은 다음과 같다:
먼저, 각 선의 ! 다음 부분은 단지 판독 목적용 명령이다. 층 크로스 해치 벡터에 대해서, 디폴트 Rivet Count는 5패스이며, 각각의 패스에 대하여 11, 12, 13, 14 및 15의 노출이 특정된다(10μ의 노출 단위가 주어지면, 각각 110, 120, 130, 140 및 150㎲의 노출로 번역됨). 디폴트 Rivet Reduction의 양은 99SS 배수플이며, 8의 디폴트 SS가 주어지면 792 비트의 값 또는 대략 227.6mil로 번역된다. 근사 편평 하부 대향 스킨 벡터에 대해서는, 디폴트 리벳팅 변수는 층 크로스 해치 벡터에 대해 측정된 것과 동일하다.
MERGE에 의해 생성된 .V 파일이 제33a도 및 제33b도에 도시되어 있다. 이 파일은 다양한 벡터 형식으로 나누어진 각 층에 대하여 그려질 벡터들로 구성된다. 표시된 바와 같이, 층(920)에 대해서는, 층 경계 벡터에 대한 XY쌍(제1 및 단독 물체를 표시하는 1과 연상 기호 Z1으로 표시됨)이 나열되어 있고 이어서 크로스해치 벡터에 대한 XY쌍 (여낭 기호 X1으로 표시됨)이 나열된다. 이어서, 층경계 및 크로스 해치 벡터가 층(940)에 대해 나열된다.
상기 다양한 기법의 유효성을 결정하는 특징이 이하에서 설명된다. 쿼터-실린더는 상술한 기법 중 어느 하나가 커얼에 미치는 효과를 측정하기 위해 특별히 개발된 부품이다.
쿼터-실린더는 실제로 전체 빔(beam)을 형성하기 위하여 인접층에 부착하는 다수의 층들로 구성되는 캔틸레버된 빔이다. 쿼터-실린더의 한 특징은 인접층에 대하여 층이 부착될 때 유발되는 상향 (또는 수직) 커얼의 측정이다. 제34(a)도 및 제34(b)도는 상향 커얼의 효과를 보여주는 쿼터 실린더의 단면을 도시하고 있다. 쿼터 실린더는 플랫폼(121)에 의해 지지되는 층(120a, 120b 및 120c)로 구성되는 캔틸레버된 빔(120)을 포함한다. 제34a도는 상향 커얼의 효과가 도입되기 이전의 쿼터 실린더를 도시하는 한편, 제34b도는 상향 커얼의 효과가 도입된 후의 동일한 쿼터 실린더를 도시한다. 제34b도는 상향 커얼의 또 다른 특징을 도시하는데, 그것은 경화된 층의 갯수가 증가함에 따라 연속적으로 경화된 층에 의해 생성된 토크에 저항하는데 보다 더 효과적이 되는 것이다. 결과로서, 제34b도의 실시예에서 층(120c)가 경화되는 시간에 의하여, 상향 커얼의 효과는 곧바로 사라지게 된다.
층은 수평의 인접 라인이 연속적으로 경화되어 전체 층을 형성하듯이 단계적으로 경화될 수 있다는 점을 주목하는 것이 중요하다. 라인이 이미 경화된 라인의 측면을 따라 경화되는 경우, 제1라인은 수축하여 이미 경화된 라인이 라인 사이의 부착 정도에 따라 수평으로 말려 올라가는(curl)것을 유발한다. 이 효과는 제34c도 및 제34d도에서 예시되며, 그 중 제34c도는 라인(123a,123b 및 123c)으로 각각 이루어진 층(120a)의 평면도를 도시하는 한편, 제34d도는 동일층에 미치는 수평 커얼의 효과를 도시한다. 표시된 바와 같이, 더 많은 라인이 조형될수록, 수평 라인의 효과는 이미 경화된 라인이 연속적인 라인에 의해 가해지는 토오크에 더 잘 저항할 수 있게 되므로 덜 뚜렷해진다.
쿼터 실린더의 다른 특징은 다소 그래프적으로(Somewhat graphiclly) 스니어(sneer)로서 알려진 또 다른 형태의 커얼을 측정하는 능력이다. 스니어는 쿼터 실린더의 완전한 구조가 설명된 후에 설명될 것이다.
쿼터 실린더의 특정예는 제35a도에 도시되어 있다. 예시된 바와 같이, 부품은은 상부층(124), 지지층(125), 포우스트층(post-layers; 12b), 및 베이스층(127)으로 구성된다. 유리하게는, 상부층(124)는 25개의 층을 포함하며, 포우스트층(126)은 8개의 층을 포함하고, 베이스층(127)은 1개의 층으로 이루어지며, 지지층(125)은 1개의 층을 포함한다. 그러나, 다른 실시예도 가능하며, 이 실시예는 단지 예시를 목적으로 제공되며, 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
쿼터 실린더의 단면을 도시하는 제35b도에 예시된 바와 같이, 각 층은 유리하게는 내부 및 외부 동심 원형 곡선 레일(128 및 129)을 각각 포함하며, 그 중 내부 레일은 반경이 27㎜이고 외부 레일의 반경은 30㎜이다. 제35c도에 예시된 바와 같이, 곡선 레일은 90°보다 약간 작은 5π/12라디안의 각도를 대하고 있다.
제35a도를 참조하면, 포우스트층(126)은 포우스트-쌍(126a,126b,126c 및 126d)를 포함하며, 제35c도에 예시된 바와 같이, 각 포우스트-쌍은 유리하게는 2개의 포우스트를 포함한다. 예컨대, 포우스트-쌍(126a)은 포우스트(126a(1) 및 126a(2))를 각각 포함한다. 또한, 제35(c)도에 도시된 바와 같이 동심원호(concentric arc)의 반을 약간 넘는 π/4 라디안은 포우스트에 의해 지지되는데, 각각의 포우스트 쌍은 유리하게는 원호의 지지된 부분을 따라 π/12 라디안만큼 균일하게 간격을 두고 있다.
제35e도를 참조하면, 층의 내부 및 외부 레일은 유리하게는 더 낮은 노출의 균일하게 배치된 21개의 지지선에 의해 연결되고 (이는 미합중국 출원 제182,830호, 그의 부분 계속 출원인 제269,801호, 및 그의 계속 출원인 리용리용의 도켓 번호 제186/195호에 기재된 크로스 해치 벡터와 유사하며, 따라서 여기서는 간단히 크로스 해치로 알려질 것임), 여기서 각각의 선은 유리하게는 π/48 라디안만큼 균일하게 간격을 두고 있다. 유리하게는, 크로스 해치는 더 낮은 노출에서 노출됨으로써 주어진 층에 대한 크로스해치가 인접층에 대한 크로스 해치에 초기에 부착하지 않는다. 마지막으로, 제35e도에 예시된 바와 같이, 제1크로스 해치선으로 시작하여, 주어진 층 위의 모든 다른 크로스 해치의 중심부는 과도 노출, 즉 리벳팅 되어 이 위치에서 아래의 크로스 해치에 부착한다. 제35e도에서, 특정층에 대한 연속적인 리벳은 도면 번호(130a, 130b 및 130c)로 각각 식별된다. 앞서 기재된 바와 같이 리벳의 이용은 상향 커얼을 감소시키기 위한 기법이다.
부품은 유리하게는 10mil 층들로 만들어지지만, 노출은 층 사이에서 변화하여 상이한 경화 깊이를 제공한다. 이것은 상이한 경화 깊이에서 커얼을 측정하는 것을 허용한다. 베이스층은 유리하게는 충분히 노출되어 엘리베이터 플랫폼(도시 하지 않음)에 양호한 부착을 보장하는데, 이는 30mil의 경화에 대응한다. 포우스트는 유리하게는 충분히 노출되어 이전의 층에 양호한 부착을 보장하는데, 이는 또한 30mil의 경화에 대응한다. 지지 레일은 유리하게는 30mil 경화가 주어져서 딥핑(dipping)중에 수지 흐름에 저항하는 충분한 강도를 제공한다. 리벳은 유리하게는 30mil의 경화 깊이에서 노출되어, 상부층의 선의 층 대 층 부착을 확실히 해준다. 상부선의 내부 및 외부선 모두 그리고 지지 크로스 해치 선은 유리하게는 변화하는 경화 깊이에서 노출되며, 그 변수는 변화하여 쿼터 실린더를 만들기 위하여 사용된 특정 커얼 감소 기법에 대하여 경화 깊이 대 커얼의 곡선이 만들어진다. 쿼터 실린더의 전체적인 투시도는 제35f도에 도시되어 있다.
특정 커얼 감소 기법에 대한 커얼을 측정하기 위하여, 상부층의 선의 경화 깊이는 1또는 2mil에서 최대 400mil 사이에서 변할 수 있다. 각 경화 깊이에서, 제35g도에 예시된 바와 같이, 쿼터 실린터의 두께는 2개의 위치에서 측정된다: 1) 상부층의 지지되지 않은 단부로부터 제1리벳에서, 이 위치는 제35g도에서 도면 번호 131로 식별되며 이 위치에서의 두께는 도면에서 S로 식별된다. 2) 상부층의 지지된 단부로부터 제1리벳에서, 이 위치는 도면에서 도면 번호 132로 식별되며, 이 위치에서의 두께는 도면에서 f로 식별된다. 주어진 경화 깊이에 대한 커얼인자는 비율 f/S로서 정의된다. 다양한 범위의 경화 깊이에 대한 커얼 인자가 계산된 후 경화 깊이에 대하여 도시된다. 특정 곡선을 그린 후 상기한 것을 상이한 커얼 감소 기법에 대하여 반복하여, 특정 응용예에 대하여 가장 좋은 커얼 기법을 찾는다. 상기한 것은 커얼을 감소시키기 위하여 리벳과 2차 구조를 결합하여 사용하는 것을 설명하지만, 앞서 기재된 다른 기법, 예컨대 쇄선 또는 만곡선, 다중-패스 등도 이 기법으로 평가할 수 있다.
스니어로서 알려진 커얼의 형식을 설명하기로 한다. 만약 직선으로 된 캔틸레버된 막대가 커얼을 측정하기 위해 사용된다면, 스니어는 생성되거나 측정될 수 없음을 주목하여야 한다. 쿼터 실린더를 형성하기 위하여 캔틸레버된 부분의 층을 구부림으로써만 스니어 효과는 발생할 것이다.
제35d도와 관련하여, 내부 및 외부선(129 및 128)이 각각 경화되는 경우, 그것들은 대략적으로 동일한 비율에 의해 수축할 것이다. 수축 비율이 거의 동일하므로, 외부 선의 반경이 수축하는 정도는 내부 선이 수축하는 정도보다 클 것인데, 이는 보다 큰 반경에 대해서 동일한 비율의 변화를 이루기 위해서는 보다 큰 증분 변화가 필요하기 때문이다. 그 결과는 외부선이 보다 더 많은 응력을 주변의 구조에 전달하게 되는 것일 것이다. 크로스 해치의 존재는 내부선 쪽으로 외부선을 안쪽으로 이동하는 것에 의해 응력의 경감을 방지할 것이다. 그러므로, 응력을 경감시키기 위해서는 외부선은 전형적으로 스니어로서 알려진 효과를 발생시키기 위해 위쪽으로 움직인다. 스니어 효과는 검사하는 부분의 단면의 반경이 커질수록 보다 더 뚜렷해질 것임을 주목하여야 한다.
스니어는 제36a도 내지 제36c도를 참조하여 예시될 수 있으며, 각각은 홈이 파인 부분(slotted sections; 131a, 131b 및 131c)을 가지는 특정 부품의 측면, 전면, 및 단면을 도시한다. 스니어 효과는 제36d도에 예시되며, 이는 외부 반경에서의 부품의 영역이 더 많이 왜곡됨을 나타내며, 도면의 슬롯(131c)에서 도시된 소정의 경우에는 왜곡이 부품의 고체 부분이 분열되는 것을 유발할 정도로 대단히 크다. 이는 도면에서 도면 번호 131d로 표시된다.
그러므로, 쿼터-실린더는 또한 상술된 다양한 기법의 스니어에 대한 정보를 평가하기 위해 사용될 수 있다.
발명의 특정 형태가 예시 및 기재되었지만, 다양한 변형이 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질수 있다는 것이 상술한 설명으로부터 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의한 바를 제외하고는 제한되는 것으로 의도되지 않는다.
Claims (52)
- 개량된 스테레오리소그래피 장치에 있어서, 형성하고자 하는 3차원 물체에 대하여 맞추어진 맞춤 정의 데이터(tailored object defining data)를 제공하기 위한 제1수단-상기 맞춤 데이터(tailored data)는 커얼(curl)을 감소시키기 위하여 상기 물체의 구조적 특징(structural aspects)에 대한 수정(modification)을 지정함(specify)-, 및 상기 맞춤 데이터에 응답하여 상기 3차원 물체를 자동적으로(automatically)형성하기 위한 제2수단을 포함하는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 맞춤 데이터는 견인 효과(pulling effect)를 차단(isolation)하기 위하여 쇄선(dashed line)을 지정하는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 맞춤 데이터는 견인 효과를 감소시키기 위하여 서로 각을 이루고 있는(at angles to each other) 세그먼트들(segments)을 갖고 있는 라인을 지정하는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 맞춤 데이터는, 아래층에 부착하지 않고 여타 구조물(other structure)에 의해 함께 유지되는(are held together) 라인들을 지정하고, 이에 견인 효과가 감소되는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 맞춤 데이터는 상기 물체의 부분들을 함께 유지하기 위하여 스테레오그래피 방식으로(stereolithographically) 생성되는 리벳들(rivers)을 지정하는 장치.
- 개량된 스테레오리소그래피 방법에 있어서, 형성하고자 하는 3차원 물체에 대하여 맞추어진 맞춤 물체 정의 데이터(tailored object defining data)를 제공하는 단계-상기 맞춤 데이터는 커얼(curl)을 감소시키기 위하여 상기 물체의 구조(structure)에 대한 수정(modification)을 지정함(specify)-, 및 상기 3차원 물체를 스테레오리소그래피 방식으로 형성하기 위하여 상기 맞춤 데이터를 사용하는 단계를 포함하는 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제공하는 단계는 견인 효과를 차단하기 위하여 쇄선을 지정하는 데이터를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제공하는 단계는 견인 효과를 감소시키기 위하여 서로 각을 이루고 있는 세그먼트들을 갖고 있는 라인을 지정하는 데이터를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제공하는 단계는, 아래층에 부착하지 않고 여타 구조물에 의해 함께 유지되는 라인들을 지정하는 데이터를 제공하는 단계를 포함하며, 이에 의해 견인 효과가 감소되는 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 제공하는 단계는 상기 물체의 부분들을 함께 유지하기 위하여 스테레오리소그래피 방식으로 생성되는 리벳들을 지정하는 데이터를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
- 액체 수지(liquid resin)의 표면에서 라인을 따라 제1노출량으로(at a first exposure) UV 광을 트레이싱하여(tracing) 상기 라인을 경화시킴으로써 상기 표면의 아래에 배치되어 있는 경화된 라인에 부착시키는 형태의 개량된 스테레오리소그래피 장치에 있어서, 상기 개량은 상기 표면에서 교대로 배열되어 있는(alternating) 실선 부분들(solid portions)과 단락부(breaks)을 갖는 쇄선(dashed line)을 트레이싱하는 것을 포함하며, 여기서 상기 라인은 상기 단락부들에서 노출되지 않지만 상시 실선 부분들에서 노출되어 상기 실선 부분들에서 상기 아래에 배치되어 있는 라인에 부착되는 장치.
- 제11항에 있어서, 상기 쇄선부들(dashes)은 상기 제1노출량보다 더 작은 제2노출량을 사용하여 후속적으로(subsequently) 경화되는 장치.
- 액체 수지의 표면에서 라인을 따라 제1노출량으로(at a first exposure)UV광을 트레이싱하여(tracing) 상기 라인을 경화시킴으로써 상기 표면의 아래에 배치되어 있는 경화된 라인에 부착시키는 형태의 개량된 스테레오리소그래피 장치에 있어서, 상기 개량은 만곡부들(bends)을 갖는 실선 부분(solid portion)을 형성하는 만곡선(bent line)을 트레이싱하는 것을 포함하며 여기서 상기 만곡선을 노출하는 동안 상기 만곡선의 상기 만곡부들 사이에는 경화되지 않은 수지의 간극들(gaps)이 존재하며 상기 만곡선을 노출시킴으로써 상기 아래에 배치되어 있는 라인에 부착되는 장치.
- 제13항에 있어서, 상기 간극들은 상기 제1노출량보다 더 작은 제2노출량을 사용하여 후속적으로(subsequently) 경화되는 장치.
- 액체 수지의 표면에서 라인을 따라 UV 광을 트레이싱하여(tracing) 상기 라인을 경화시킴으로써 상기 표면의 아래에 배치되어 있는 경화된 라인에 부착시키는 형태의 개량된 스테레오리소그래피 장치에 있어서, 상기 개량은 한번 이상의 UV 광 비임의 패스를 통해(through more than one pass of the UV light beam) 상기 라인을 트레이싱하여 상기 라인이 제1패스에서(on the first pass)상기 아래에 배치되어 있는 라인에 부착되지는 않지만 후속 패스(on a subsequent pass)에서 부착되도록 하는 것을 포함하는 장치.
- 액체수지의 표면에서 UV 레이저 비임을 사용하여 라인을 트레이싱함으로써(tracing) 상기 라인을 상기 표면의 아래에 배치되어 있는 기-경화된(already-cured) 라인에 부착시키는 형태의 개량된 스테레오리소그래피 장치에 있어서, 상기 개량은 상기 라인이 상기 아래에 배치되어 있는 라인에 부착되지 않도록 제1노출량으로(at a first exposure) 상기 라인을 트레이싱하고 그 후 후속적으로(subsequently) 한번 이상의 UV 레이저 비임의 패스(pass)를 통해 상기 라인의 선택된 부분들이 상기 아래에 배치되어 있는 라인에 부착되도록 상기 라인을 형성 및 부착하는 것을 포함하는 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 라인은 폭을 가지며, 상기 선택된 부분들은 상기 라인의 상기 폭보다 더 큰 직경을 갖는 원(circles)인 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 라인은 폭을 가지며, 상기 선택된 부분들은 상기 라인의 상기 폭 이하의 직경을 갖는 원(circles)인 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 라인은 폭 및 중심을 가지며, 상기 선택된 부분들은 중심을 갖는 원이며, 상기 원의 중심은 상기 라인의 중심으로부터 오프셋되어 있는(are offset)장치.
- 제16항에 있어서, 상기 표면에서 트레이싱되는 라인들은 물체의 단면의 주변부(perimeter)를 나타내는 경계 라인들(boundary lines)과 상기 경계 라인들을 연결시키는 상기 단면의 내부를 나타내는 크로스 해치 라인들(cross hatch lines)를 포함하며, 여기서 상기 선택된 부분들은 상기 크로스 해치 라인들을 포함하지만 상기 경계 라인들은 포함하지 않는 장치.
- 제20항에 있어서, 상기 물체는 예상되는 왜곡의 방향(direction of probable distortion)을 가지며, 상기 크로스 해치 라인들의 선택된 부분들은 또한 상기 예상되는 왜곡의 방향에 평행하지 않은 방향으로 배치되어 있는 라인 세그먼트들인 장치.
- 제20항에 있어서, 특히 커얼에 민감한(susceptible to curl) 물체의 임계 체적(critical volume)을 나타내는 상기 크로스 해치 라인들만이 상기 선택된 부분에 포함된 장치.
- 제16항에 있어서, 각각의 크로스 해치 라인의 상기 선택된 부분은 각각의 크로스 해치 라인의 중심을 포함하고 상기 크로스 해치 라인이 경계 라인을 교차하는 곳으로부터 지정된 거리(specified distance)이내까지 연장되는 장치.
- 액체 수지의 표면에서 UV 레이져 비임을 사용하여 라인을 트레이싱 함으로써(tracing) 상기 라인을 상기 표면 아래에 배치되어 있는 기-경화된(already-cured) 라인에 부착시키는 형태의 개량된 스테레오리소그래피 방법에 있어서, 상기 개량은 커얼을 감소시키는 방식으로 상기 라인을 트레이싱하는 단계를 포함하는 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 표면에서 쇄선이 트레이싱되며, 상기 쇄선은 교대로 배열되어 있는(alternating) 실선 부분들과 단락부들을 갖고 있으며, 여기서 상기 라인은 상기 단락부들에서는 노출되지 않지만 상기 실선 부분들에서는 노출되어 이 부분들에서 상기 아래에 배치되어 있는 라인에 부착되는 방법.
- 제24항에 있어서, 상기 표면에서 만곡선(bent line)이 트레이싱되며, 상기 만곡선은 만곡부들(bends)을 갖는 실선 부분(solid portion)을 형성하며 여기서 상기 만곡선을 노출시키는 동안 상기 만곡선의 상기 만곡부들 사이에는 경화되지 않은 수지의 간극들(gaps)이 존재하며 상기 만곡선을 노출시킴으로써 상기 아래에 배치되어 있는 라인에 부착되는 방법.
- 변환 가능한 유체 매질(transformable fluid medium)의 연속적인 층들의 각각의 층에 선택된 패턴의 기설정된 자극(prescribed stimulation)을 가하여 상기 연속적인 층들을 선택적으로 고형화함으로써 3차원 물체를 형성하는 방법에 있어서, 상기 물체는 연속적으로 중첩된 래미나들(succession of superposed laminae)로 조형되고, 여기서 각각의 층에 대한 상기 선택된 패턴은 상기 물체의 원하는 형상(desired configuration)을 정의하는 저장된 데이터를 처리하여 얻어지며, 상기 방법은 상기 데이터 처리 단계가, 상기 원하는 물체 형상의 고형 체적(solid volume)을 정의하는 상기 저장된 데이터의 일부를 수정하여, 상기 고형 체적을 제1노출 레벨에 따라 고형화되는 재료의 제1영역 및 상기 제1노출 레벨보다 더 낮은 제2노출 레벨에 따라 고형화되거나 개별적인 래미나를 형성하는 동안 고형화되지 않고 남아있는 제2영역을 포함하는 체적으로 변환시키는 수정된 데이터를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 물체의 원하는 형상을 정의하는 저장된 데이터로부터 3차원 물체를 형성하기 위한 장치에 있어서, 상기 물체는 연속적으로 중첩된 래미나들로 조형되고, 상기 래미나들의 각각은 변환 가능한 유체 매질의 층에 기설정된 자극을 선택적으로 가하여 상기 층을 고형화함으로써 형성되고, 상기 장치는 상기 저장된 데이터로부터 각각의 유체 층에 가해지는 자극의 패턴을 생성하기 위한 데이터 처리 수단을 포함하며, 상기 장치는 상기 데이터 처리 수단이, 상기 저장된 데이터에 응답하여, 상기 원하는 물체 형상의 고형 체적을 제1노출 레벨에 따라 고형화되는 재료의 제1영역 및 상기 제1노출 레벨보다 더 낮은 제2노출 레벨에 따라 고형화되거나 개별적인 래미나를 형성하는 동안 고형화되지 않고 남아있는 제2영역을 포함하는 체적으로 변환시키는 수정된 데이터를 생성하는 데이터-수정 수단(data-modifying means)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제27항에 있어서, 상기 제1영역은 다수의 분리된 영역들(separated regions)인 방법.
- 제29항에 있어서, 상기 제2영역은 다수의 분리된 영역들을 포함하는 방법.
- 제27항에 있어서, 상기 제1영역은 다수의 만곡선들(bent lines)을 포함하는 방법.
- 제31항에 있어서, 상기 제2영역은 상기 만곡선들의 만곡부들(bends) 사이에 위치하는 영역들을 포함하고 상기 제2영역의 부분들이 고형화되지 않고 남아 있는 방법.
- 제31항에 있어서, 상기 제2영역은 상기 만곡선들의 만곡부들(bends)사이에 위치하는 영역들을 포함하고 상기 제2영역의 부분들이 고형화되는 방법.
- 제27항에 있어서, 상기 제1영역은 상기 제2영역의 부분들에 의해 서로로부터 분리되는 다수의 고형화된 요소들(solidified elements)을 포함하는 방법.
- 제34항에 있어서, 상기 제2영역의 부분들은 고형화되지 않고 남아 있는 방법.
- 제34항에 있어서, 상기 제2영역의 부분들은 고형화되는 방법.
- 제27항, 제29항 내지 제36항중 임의의 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 영역들은 다수의 래미나상에 존재하는 방법.
- 제37항에 있어서, 두 개의 래미나상의 제1영역들은 서로로부터 오프셋되어 있는 노출 패턴들을 포함하는 방법.
- 제27항, 제29항 내지 제36항중 임의의 한 항에 있어서, 상기 변환 가능한 유체 매질은 광중합체(photopolymer)인 방법.
- 제39항에 있어서, 상기 기설정된 자극은 자외선 조사(ultraviolet radiation)인 방법.
- 제28항에 있어서, 상기 제1영역은 다수의 분리된 영역들의 장치.
- 제41항에 있어서, 상기 제2영역은 다수의 분리된 영역들을 포함하는 장치.
- 제28항에 있어서, 상기 제1영역은 다수의 만곡선들을 포함하는 장치.
- 제43항에 있어서, 상기 제2영역은 상기 만곡선들의 만곡부들 사이에 위치하는 영역들을 포함하고 상기 제2영역의 부분이 고형화되지 않고 남아 있는 장치.
- 제43항에 있어서, 상기 제2영역은 상기 만곡선들의 만곡부들 사이에 위치하는 영역들을 포함하고 상기 제2영역의 부분들이 고형화되는 장치.
- 제28항에 있어서, 상기 제1영역은 상기 제2영역의 부분들에 의해 서로로부터 분리되는 다수의 고형화된 요소들을 포함하는 장치.
- 제46항에 있어서, 상기 제2영역의 부분은 고형화되지 않고 남아 있는 장치.
- 제46항에 있어서, 상기 제2영역의 부분은 고형화되는 장치.
- 제28항, 제41항 내지 제48항중 임의의 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2영역들은 다수의 래미나 상에 존재하는 장치.
- 제49항에 있어서, 두 개의 래미나 상의 상기 제1영역들은 서로로부터 오프셋되어 있는 노출 패턴들을 포함하는 장치.
- 제28항, 제41항 내지 제48항중 임의의 한 항에 있어서, 상기 변환 가능한 유체 매질은 광중합체인 장치.
- 제51항에 있어서, 상기 기설정된 자극은 자외선 조사인 장치.
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