KR100226015B1 - 광경화수지 액적을 사용한 시제품 신속 제작 기구 및방법 - Google Patents

광경화수지 액적을 사용한 시제품 신속 제작 기구 및방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 광경화 수지를 액적(droplet) 형태로 분사하고 경화시켜 시제품을 신속하게 제작하는 기구 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따라, 광경화 수지 저장 수단에 연결되고 3차원 위치 구동 수단에 장착된 분사 수단을 통해서 광경화 수지 액적을 시제품 제작대 상으로 분사시키고, 이와 동기하여 분사된 광경화 수지를 경화 수단에 의하여 경화시키고, 이러한 일련의 반복되는 과정을 거치게 됨에 따라 액적 크기의 덩어리가 연속적으로 달라붙는 형태의 공정이 반복되면서 제작하려고 하는 시제품의 형상 및 구조가 차츰 형성되어 최종적으로는 원하는 형상 및 구조를 가지는 3차원 형상의 시제품이 제작된다. 이러한 본 발명에 따르면, 시제품의 제작에 필요한 양 만큼만의 광경화 수지가 사용되므로 시제품 제작 재료의 사용이 아주 경제적이고, 작업 시간이 단축되며, 어떤 방향으로든지 액적을 더해나갈 수 있으므로 시제품의 제작에 있어 구조와 형상에 대한 적응성이 크고, 강력한 자외선을 이용하여 완전한 고화를 이루게 되므로 사후 경화 과정이 필요 없게 되어 제작되는 시제품의 변형이 최소화되는 등의 효과가 있다.

Description

광경화 수지 액적을 사용한 시제품 신속 제작 기구 및 방법
본 발명은 시제품을 제작하는 기구 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광경화 수지를 분사하고 경화시켜 시제품을 신속하게 제작하는 기구 및 방법에 관한 것이다.
발전되고 있는 CAD 기술에 힘입어 제품을 신속하게 설계할 수 있게 되었으나, 설계된 제품의 3차원적인 형상을 2차원적인 컴퓨터의 화면에서 확인하는 데에는 한계가 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 설계된 제품을 신속하게 3차원의 실제 부피를 가지는 시제품(prototype)으로 제작하기 위한 시제품 신속제작 (rapid prototyping) 기술이 개발되고 있다.
이 기술은 설계된 제품의 형상을 만져볼 수 있는 3차원의 시제품으로 신속하게 제작하여, 설계 형상 확인, 타 제품과의 조립성 검토, 작동시의 간섭 여부 등의 설계 평가에 매우 유용하게 사용되며, 이러한 신속한 시제품의 제작은 제품 개발 기간을 획기적으로 단축시켜 기업의 기술 경쟁력 확보에도 커다란 도움을 준다.
시제품을 제작하기 위한 종래의 시제품 신속 제작(rapid prototyping) 기술로는, (1) 광경화 수지에 레이저빔을 주사하여 제작하고자 하는 제품의 단면을 형성시키고 이러한 단면을 적층시켜서 3차원적인 입체를 제작하는 SLA(stereolithography) 기술을 비롯하여, (2) 광경화 수지 대신에 여러 가지 성분의 분말 가루를 이용하는 SLS(selective laser sintering) 기술, (3) 각 단면을 제작한 후에 왁스를 이용하여 제품 단면 이외의 부분을 채우고 냉각시킨 후에 그라인딩으로 각 단면의 두께를 정밀하게 유지시키는 SGC(solid ground curing) 기술, (4) 레이저를 이용하여 종이를 원하는 단면의 형상대로 절단한 후에 종이의 한 면에 접착제를 도포하여 붙여나가는 LOM (laminated object modeling) 기술, (5) 선 형태로 공급되는 왁스 혹은 합성 수지를 가열된 노즐을 이용하여 용융시키며 배출하여 원하는 단면을 형성시키는 FDM (fused deposition manufacturing) 기술 등이 현재 상용화되어 그 각각의 장비들이 판매되고 있다.
종래의 시제품 신속 제작(rapid prototyping) 기술 중에서 광경화 수지를 사용하는 SLA 기술은 광경화 수지가 담겨 있는 조(vat)를 사용하고 액상 수지의 자유 수면에 레이저빔을 조사하여 고화시키는 방법이다. 이 방법에서는 고화되지 않은 수지는 액체 상태로 남게 되며, 이렇게 액체 상태로 남아 있는 수지는 제품의 제작이 완료된 후에 수거되어 재사용된다. 그러나 이러한 재사용 수지는 이미 레이저를 비롯한 광선에 노출되었기 때문에 그 특성이 열화되어 그 재사용 횟수가 제한되는 단점이 있다. 또한 대부분의 제품에서 제품이 차지하고 있는 부피는 조(vat)의 전체 부피에 비하여 상당히 작으므로 조 내의 수지 중에서 많은 양의 수지가 재활용 수지로 수거되게 되어 이로 인한 경제적인 손실 또한 큰 단점이 있다.
또한 레이저빔을 자유 수면에 조사하게 되므로 자유 수면이 완전히 정지 또는 안정될 때까지 기다려야 하므로 공정의 속도가 저하되는 문제점도 있다. 그리고 제품의 성형을 위하여 적층되는 단면은 항상 수평면으로서 일정한 방향성을 가지게 되므로, 제품의 다양한 형태에도 불구하고 제품 성형을 위하여 적층되는 단면은 일정한 방향으로 슬라이싱(slicing)된 형태로 적층하여 제품을 제작하게 되는 불합리한 문제점이 있다. 즉, 제품 적층의 방향 선정의 결과에 따라 제품의 형상 및 정밀도가 결정되게 된다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 종래의 시제품 신속 제작 기술에 있어서 광경화 수지가 낭비되는 문제점과, 조에 담긴 수지의 자유 수평면이 안정되기를 기다리는 것으로 인해 공정 시간이 손실되는 문제점과, 그리고 적층 방향이 항상 일정하게 유지되어야만 하는 문제점들을 해결하기 위한 것이다. 이를 위한 여러가지 해결책을 찾는 과정에서, 본 발명자들은 광경화 수지를 액적 형태로 분사시키고 이와 동기적으로 경화시켜 나가는 것을 순차적이고 연속적으로 반복 진행시키는 신규한 개념을 이용하게 되면 상기와 같은 종래 기술에서의 문제점들이 해소될 수 있다는 사실을 알아내었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술에서의 문제점들을 해소하기 위하여 광경화 수지를 액적(droplet) 형태로 분사하고 경화시켜 시제품을 신속하게 제작하는 기구를 제공하기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 광경화 수지를 액적(droplet) 형태로 분사하고 경화시켜 시제품을 신속하게 제작하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 시제품 신속 제작 기구의 기본적 구성을 시제품이 제작되고 있는 상태에서 개략적으로 도시한 개략도.
제2도는 본 발명에 따른 시제품 신속 제작 기구에 의해 시제품을 형성할 때 측명 방향으로 성형하는 상태를 개략적으로 도시한 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 시제품 신속 제작 기구 10 : 광경화 수지 탱크
20 : 3차원 위치 구동 장치 30 : 노즐
40 : 시제품 제작대 50 : 자외선 스트로보
60 : 제어 장치 C : 연결 도선
L : 연결 도관 P : 시제품 중간 형성체
상기와 같은 본 발명의 신규한 기본 개념을 채용한 본 발명의 일 태양에 따르면, 시제품을 신속하게 제작하는 시제품 신속 제작 기구에 있어서, 광경화 수지를 저장 및 공급하는 광경화 수지 저장 수단과, 위치 및 방향 제어가 가능한 제3차원 위치 구동 수단과, 상기 3차원 위치 구동 수단에 장착되며 소정의 연결 수단을 통하여 상기 광경화 수지 저장 수단으로 연결된 광경화 수지 분사 수단과, 상기 광경화 수지 분사 수단에 의해 분사된 광경화 수지가 경화되어 시제품이 형성되는 시제품 제작대와, 분사된 광경화 수지를 경화시키는 경화 수단과, 상기 3차원 위치 구동 수단 및 상기 분사 수단과 상기 경화 수단에 연결되어 상기 구동 수단에 장착된 분사 수단이 소정의 광경화 수지 분사 위치에 놓이도록 상기 3차원 위치 구동 수단의 위치 및 방향을 제어하고 상기 분사 수단 및 경화 수단의 작동을 제어하는 프로그램 가능한 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시제품 신속 제작 기구가 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 시제품을 신속하게 제작하는 시제품 신속 제작 방법에 있어서, 3차원 위치 구동 수단의 위치 및 방향을 제어하여 3차원 위치 구동 수단에 장착된 분사수단을 시제품 제작대 상의 소정의 광경화 수지 분사 위치로 이동시키는 단계와, 광경화수지 저장 수단에 연결되고 상기 3차원 위치 구동 수단에 장착된 분사 수단을 통해서 광경화 수지 액적을 상기 소정의 광경화 수지 분사 위치에 분사하는 단계와, 분사된 광경화 수지를 경화 수단에 의하여 경화시키는 단계를 포함하고, 시제품 형상이 완성될 때까지 분사 수단의 위치를 이동시켜가며 상기 단계들이 반복되도록 프로그램 가능한 제어 수단에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 시제품 신속 제작 방법이 제공된다.
분사 수단을 통해서 분사되는 액적의 크기는 광경화 수지의 표면 장력과 점성에 의하여 임의의 방향의 면에 부착될 수 있을 정도의 크기로 설정한다. 대표적으로 상기 액적의 입경은 대략 50㎛이다. 제작되는 시제품의 입체는, 3차원 공간에서 그 위치와 방향의 제어가 자유로운 기구를 이용하여 광경화 수지 액적을 분사시키는 노즐 혹은 니이들을 소정의 원하는 위치에 이송하면 분사되는 광경화 수지가 액적의 형태로 더해지게 되고 이와 함께 광경화 수지를 경화 시키는 경화 수단에 의하여 경화시킴으로써 양호하게 형성된다. 상기 경화 수단은 광경화 수지를 경화시킬 수 있는 것으로서 특히, 자외선을 조사하는 자외선 스트로보인 것이 바람직하다.
본 발명에 사용될 수 있는 광경화 수지의 종류로는 Ciba-Geigy사의 Cibatool SL-5170, SL-5180, SL-5190, SL-5149 및 SL-5154, DuPont 사의 SOMOS 2110, 2100, 6110, 6100, 6120, 및 7100 등이 있다. 이들 광경화 수지의 특성은 예를 들어 Ciba-Geigy사의 Cibatool SL-5170의 경우에, 임계 노출 에너지(Ec)가 13.5 mJ/㎠이고, 투과 깊이(Dp)가 4.8mil이고, 점도가 30℃에서 165 내지 195cP이고, 밀도는 25℃에서 1.14g/㎤이다.
이러한 신규하고 향상된 본 발명에 따르면, 종래의 SLA 기술에서처럼 광경화 수지를 조(vat)에 담아서 조 내에서 시제품을 제작할 필요가 없게 된다. 이에 따라 상기 종래의 SLA 기술에서처럼 레이저빔이 조사되는 조에 담긴 액상 수지의 자유 수면이 안정될 때까지 기다릴 필요가 없어 공정의 속도가 저하되는 일이 없다. 또한, 광경화 수지를 그 저장 수단에 연결된 분사 수단으로부터 시제품 제작에 필요한 양 만큼만 사용하게 되므로 종래 기술에서처럼 조 내에 잔류한 수지를 재사용 하기 위하여 제품 제작을 완료 후에 수거하여야 할 필요가 없고 또한 원료로 사용되는 광경화 수지가 레이저를 비롯한 광선에 노출되지 않기 때문에 열화하는 일이 없어서 시제품 제작 원료의 절약 효과와 원료 사용 효율이 향상된다. 이에 따라 시제품 제작을 위한 원료가 고가인 점을 고려할 때 경제적으로도 상당히 이점이 있게 된다. 한편, 위치 및 방향이 3차원으로 제어되는 기구를 사용하여 광경화 수지를 분사시키는 분사 수단을 작동시켜서 적절한 위치와 방향에서 광경화 수지를 분사하게 되므로 제품의 다양한 형태에도 아주 융통성 있게 적용할 수 있으며 시제품의 형상 및 정밀도도 향샹된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 양호한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
제1도 및 제2도는 본 발명에 따른 시제품 신속 제작 기구의 기본적 구성을 시제품이 제작되고 있는 상태에서 개략적으로 도시한 개략도이다. 제1도 및 제2도를 참고하면, 본 발명의 시제품 신속 제작 기구(1)는 일반적으로 광경화 수지 탱크(10)와, 3차원 위치 구동 장치(20)와, 3차원 위치 구동 장치(20)에 장착되고 연결 도관(L)을 거쳐서 광경화 수지 탱크(10)에 연결된 노즐 또는 니이들(30)과, 시제품이 형성되는 시제품 제작대(40)와, 시제품 제작대(40) 상으로 분사되는 광경화 수지를 경화시키는 자외선을 조사하는 자외선 스트로보(50)와, 3차원 위치 구동 장치(20), 노즐 또는 니이들(30) 및 자외선 스트로보(50)에 전기적으로 연결되어 그 각각의 작동을 제어하는 프로그래밍 가능한 제어 장치(60)를 포함한다. 광경화 수지 탱크(10) 내에는 시제품을 제작하기 위한 광경화 수지 재료로 채워진다. 탱크(10) 내에 충전된 광경화 수지 재료는 적절한 단열 수단으로 피복된 파이프나 혹은 호스와 같은 연결 도관(L)을 거쳐서 노즐 또는 니이들(30)로 공급된다. 노즐 또는 니이들(30)로 공급되는 광경화 수지는 프로그램 가능한 제어 장치에 의해 작동이 제어되는 3차원 위치 구동 장치(20)와 노즐(30)로부터 적정 수준의 액정 크기로 제작대(40) 혹은 이미 분사 및 경화되어 형체가 형성되고 있는 시제품 중간 형성체(P) 상의 소정의 위치로 분사된다. 이렇게 분사된 액적은 자외선 스트로보(50)에 의해서 조사되는 자외선에 의해 경화된다. 프로그램 가능한 제어 장치 (60)는 3차원 위치 구동 장치(20)와 노즐(30)과 스트로보(50)에 연결 도선(C)에 의해 전기적으로 연결된다. 이에 따라 3차원 위치 구동 장치(20)의 위치 및 방향이 제어되고, 노즐(30)의 작동이 제어되며, 스트로보(50)의 작동이 제어된다. 이와 같은 제어는 제작하려고 하는 시제품의 형상 및 구조 특성에 맞게 프로그래밍된 알고리즘에 따라서 제어 장치(60)가 연결되어 있는 각각의 장치들에 대해서 전체적으로 혹은 독립적으로 실행된다.
이하에서는 제1도 및 제2도를 참고하여 본 발명의 시제품 신속 제작 기구(10에 의해서 시제품이 제작되는 과정에 대하여 설명한다.
제작하려고 하는 시제품의 형상 및 구조 특성에 맞게 프로그래밍된 알고리즘에 따라서 제어 장치(60)가 가동되기 시작하면서 3차원의 위치 구동 장치(20)와 노즐 (30)이 작동하기 시작하여 제작대(40) 상의 소정위치로 광경화 수지를 분사한다. 노즐 혹은 니이들(30)에서 분사되는 광경화 수지 액적이 제작대(40) 상이나 혹은 분사 및 경화되어 형체가 형성되고 있는 시제품 중간 형성체(P) 상의 소정의 위치에 분사되어 부착된 후에 노즐 혹은 니이들을 이동시키고 광경화 수지의 고화에 충분한 정도의 광에너지를 전달할 수 있는 자외선을 조사시켜 접착되어 있는 액상의 광경화 수지를 고화시킨다. 이렇게 경화된 부분 상의 적절한 위치에서 다시 상기 과정들을 반복하고, 이러한 일련의 반복되는 과정을 거치게 됨에 따라 액적 크기의 덩어리가 연속적으로 달라붙는 형태의 공정이 반복되면서 제작하려고 하는 시제품의 형상 및 구조가 차츰 형성되고 최종적으로는 원하는 형상 및 구조를 가지는 3차원 형상의 시제품이 제작되게 된다.
이러한 공정에서, 액상의 광경화 수지를 원하는 크기로 분사 혹은 분출시킬 수 있는 노즐 혹은 니이들의 형태 및 그 제어 상태와, 분사 혹은 분출되어 달라붙어 있는 액상의 광경화 수지 액적을 고화시키기 위한 스트로보에 의한 자외선 조사 작동과 노즐 혹은 니이들의 작동과의 동기화(synchronize) 여부와, 그리고 제품의 형상에 따라 액적을 쌓아나가는 최적의 방향 및 순서 결정을 위한 알고리즘 등은 시제품을 원하는 대로 정확하게 제작하는 데 있어 중요한 역할을 한다.
본 발명에 따르면, 시제품의 제작에 필요한 양 만큼의 광경화 수지가 사용되므로 시제품 제작 재료의 사용에 있어서 아주 경제적이고, 종래 기술에서처럼 조에 담겨져 있는 액상 수지의 수평면이 안정될 때까지 기다릴 필요가 없으므로 작업 시간이 단축되며, 어떤 방향으로도, 예를 들어 제2도에 도시된 바와 같이 측면으로도 액적을 더해 나갈 수 있으므로 시제품의 제작에 있어 구조와 형상에 대한 적응성이 크고, 강력한 자외선을 이용하여 완전한 고화(curing)를 이루게 되므로 종래의 SLA 기술에서처럼 사후 경화(post-curing) 과정이 필요 없게 되어 제작되는 시제품의 변형이 최소화된다.

Claims (8)

  1. 시제품을 신속하게 제작하는 시제품 신속 제작 기구에 있어서, 광경화 수지를 저장 및 공급하는 광경화 수지 저장 수단과, 위치 및 방향 제어가 가능한 3차원 위치 구동 수단과, 상기 3차원 위치 구동 수단에 장착되며 소정의 연결 수단을 통하여 상기 광경화 수지 저장 수단으로 연결된 광경화 수지 분사 수단과, 상기 광경화 수지 분사 수단에 의해 분사된 광경화 수지가 경화되어 시제품이 형성되는 시제품 제작대와, 분사된 광경화 수지를 경화시키는 경화 수단과, 상기 3차원 위치 구동 수단 및 상기 분사 수단과 상기 경화 수단에 연결되어 상기 구동 수단에 장착된 분사 수단이 소정의 광경화 수지 분사 위치에 놓이도록 상기 3차원 위치 구동 수단의 위치 및 방향을 제어하고 상기 분사 수단 및 경화 수단의 작동을 제어하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 시제품 신속 제작 기구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분사 수단은 노즐 또는 니이들로 구성되는 것을 특징으로 하는 시제품 신속 제작 기구.
  3. 제1항에 있어서, 상기 경화 수단은 자외선 스트로보인 것을 특징으로 하는 시제품 신속 제작 기구.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 수단은 분사된 액적의 고화를 위하여 자외선 스트로보의 작동이 액적의 형성 및 부착과 동기화 되도록 프로그램된 것을 특징으로 하는 시제품 신속 제작 기구.
  5. 시제품을 신속하게 제작하는 시제품 신속 제작 방법에 있어서, 3차원 위치 구동 수단의 위치 및 방향을 제어하여 3차원 위치 구동 수단에 장착된 분사 수단을 시제품 제작대 상의 소정의 광경화 수지 분사 위치로 이동시키는 단계와, 광경화 수지 저장 수단에 연결되고 상기 3차원 위치 구동 수단에 장착된 분사 수단을 통해서 광경화 수지 액적을 상기 소정의 광경화 수지 분사 위치에 분사하는 단계와, 분사된 광경화 수지를 경화 수단에 의하여 경화시키는 단계를 포함하고, 시제품 형상이 완성될 때까지 분사 수단의 위치를 이동시켜가며 상기 단계들이 반복되도록 제어 수단에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 시제품 신속 제작 방법.
  6. 제5항에 있어서, 분사되는 액적의 입경을 50㎛로 한 것을 특징으로 하는 사제품 신속 제작 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 광경화 수지를 경화시키는 단계는 자외선 스트로보를 이용하여 행하는 것을 특징으로 하는 시제품 신속 제작 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 분사된 액적의 고화를 위하여 자외선 스트로보의 작동이 액적의 형성 및 부착과 동기화되는 것을 특징으로 하는 시제품 신속 제작 방법.
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