KR100430033B1 - 쾌속 광조형 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입체적 형상을 가공하기 위한 적층식 광조형기에 관한 것으로서, 광경화성 수지(10)에 빛을 조사하여 조형물을 제작하는 적층식 광조형 장치에 있어서, 상기 광경화성 수지(10)에 조형될 형상을 한 번에 조사할 수 있도록 하는 영사기(11)와, 상기 광경화성 수지(10)를 담는 프레임(12)과, 경화된 광경화성 수지(10)를 고정하는 스테이지(20) 및 상기 영사기(11)가 원하는 형상의 패턴을 조사하도록 하는 신호처리기(30)로 구성되는 것을 특징으로 하고 있다.

Description

쾌속 광조형 장치{Rapid type stereolithography}

본 발명은 입체적 형상을 가공하기 위한 적층식 광조형기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광경화성 수지에 빛을 조사하여 경화시키는 과정에 있어서 수지의 전면을 동시에 조사하여 조형속도를 개선한 적층식 광조형 장치에 관한 것이다.

일반적으로 기계부품이나 플라스틱 제품을 제조하는 경우에는 최종제품을 생산하기에 앞서서 먼저 설계한 제품의 외관이나 성능을 확인하거나 인접하여 조립되는 다른 부품과의 간섭의 발생 여부를 확인하기 위하여 시작품을 먼저 제작하게 된다.

이러한 시작품을 제조하는 방법으로는 단조와 같은 기계가공법이나 주조 또는 사출 그리고 레이저 가공이나 에칭법 등이 있다. 그러나 이와 같은 제작법은 모두 제작에 장시간이 소요되며 제작비용도 매우 높은 문제가 있다. 또한, 이러한 방법들은 시작품 제작시에 소음이나 분진 그리고 소요전력 등의 문제로 인해서 사무환경과 같은 장소에는 설치할 수 없어 설치장소에 있어서도 많은 제약을 갖고 있는 문제점이 있는 것이다.

이러한 문제점으로 인해 시작품을 제작하는 보다 용이하고 저렴한 방법으로 등장한 것이 적층조형법이다. 적층조형법이란 원하는 형상의 시작품을 얻기 위하여 다수의 층으로 분할된 판을 가공한 후에 이들 판을 적층하여서 원하는 형상의 시작품을 얻는 방식이다.

즉, 캐드시스템으로 모델링한 3차원 형상을 일정한 두께를 갖는 다수의 층으로 분할한 슬라이스 데이타로 변경한 한 후에 이를 사용하여 얇은 판형태의 시트를 조형하고 이를 쌓아서 시작품을 제조하는 방법이다.

이러한 적층조형법을 이용한 장치로서 대표적인 것이 미국 3D 시스템사에서 개발한 3차원 광조형장치(stereolithography)인데 그 원리는 레이저 빔을 조사하면 고체상으로 경화되는 액체상의 광경화성 수지에 상기의 슬라이스 데이타의 형상을 레이저를 사용하여 조사하여 얇은 판형태의 시트를 만든 후에 이를 적층하는 방식이다.

그러나, 상기 장치는 한번에 조사할 수 있는 면적이 대단히 적기 때문에 한 장의 시트를 제작하기 위해서 레이저 빔을 수차례 좌우로 반복하여 이동하면서 조사하므로 제작에 있어서 많은 시간이 소요되는 단점을 가지고 있다.

이러한 점을 극복하기 위하여 개발된 것이 이스라엘의 큐비탈(Cubital)사에서 개발한 솔리드 그라운드 큐어링(Solid ground curing:SGC)인데 그 원리는 조사면적이 적은 레이저 빔 대신에 자외선 램프를 사용하여 광경화성 수지를 경화시키는 것으로서 수지의 전면을 한 번에 조사하여 제작시간을 단축하고자 한 것이다.

이를 위해서 상기 장치는 네거티브 마스크(Negartive mask)를 사용하는데 이는 제작될 시트의 형상이 인쇄된 투명판으로서 자외선 램프의 빛을 부분적으로 차단하여서 수지전체가 경화되지 않고 원하는 형상으로 경화되도록 하기 위한 것이다. 그러나, 상기 장치에 있어서도 매 시트를 제작하기 위해서는 별도로 네거티브 마스크를 제작해야 하므로 이로 인한 추가적인 비용과 시간이 드는 단점을 가지고 있는 것이다.

또한 일반적인 적층식 광조형 장치에 있어서 광경화성 수지가 조사된 빛에 의해서 경화되면 이를 고정하고 있는 스테이지가 아래로 하강하면서 경화된 시트의 상면에 다시 광경화성 수지를 놓고 경화하게 된다. 즉, 다수의 슬라이스된 층 중에서 가장 아랫쪽에 있는 층부터 조형하여서 최종적으로 제일 윗쪽에 있는 슬라이스 층을 조형하게 되는 방식이다.

그러나, 이러한 하강식 광조형 장치는 오목한 형상(예를 들어 그릇과 같은형상)을 제조하는 경우에 내부에 광경화성 수지가 고이게 되는 등의 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로서 슬라이스 데이타에 의한 시트를 제작하는데 있어서 네거티브 마스크와 같은 별도의 제작공정이 필요없이 한 번에 수지 전체를 원하는 형상으로 조형하여 조형시간을 대폭 단축시킬 수 있는 적층식 광조형 장치를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 하고 있다.

도1은 본 발명에 따른 광조형 장치의 일 실시예에 대한 측면도,

도2는 도1에 도시된 실시예 중에서 프레임에 대한 평면도이다.

[도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10 … 광경화성 수지, 11 … 영사기,

12 … 프레임, 13 … 오목부,

14 … 홀, 15 … 배출구,

16 … 수지 차단벽, 17 … 바닥판,

18 … 롤러, 19 … 가이드 바,

20 … 스테이지, 30 … 신호처리기.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광경화성 수지(10)에 빛을 조사하여 조형물을 제작하는 적층식 광조형 장치에 있어서, 상기 광경화성 수지(10)에 조형될 형상을 한 번에 조사할 수 있도록 하는 영사기(11)와, 상기 광경화성 수지(10)를 담는 프레임(12)과, 경화된 광경화성 수지(10)를 고정하는 스테이지(20) 및 상기 영사기(11)가 원하는 형상의 패턴을 조사하도록 하는 신호처리기(30)로 구성되는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명은 또한 상기 적층식 광조형 장치에 있어서, 상기 스테이지(20)는 프레임(12)의 상부에 설치되어 있고, 경화된 광경화성 수지(10)를 상부로 들어올리면서 조형물을 제작하는 것을 다른 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명은 상기 적층식 광조형 장치에 있어서, 상기 프레임(12)은 오목부(13)를 가지고 있고, 상기 오목부(13)에는 상기 영사기(11)로부터의 빛을 통과시키기 위한 홀(14)과 여분의 광경화성 수지(10)를 배출하기 위한 배출구(15)가 형성되어 있으며, 상기 홀(14) 주위에는 광경화성 수지(10)를 가두기 위한 수지 차단벽(16)이 설치되어 있고, 상기 수지 차단벽(16)은 투명한 바닥판(17)을 가지고 있으며, 상기 바닥판(17)의 상부에는 경화된 광경화성 수지(10)의 분리를 용이하게 하는 투과광율(透過光率)이 90% 이상인 불소수지계 또는 고분자 폴리에틸렌 박막부재가 5㎛ 내지 150㎛의 두께로 코팅되어 있는 것을 또 다른 특징으로 하고 있다.

또한 본 발명은 상기 적층식 광조형 장치에 있어서, 상기 수지 차단벽(16)에 고인 광경화성 수지(10)의 표면을 고르게 하기 위한 롤러(18)를 상기 프레임(12)의 상면에 설치하고, 상기 롤러(18)의 양단이 프레임(12) 상면 양쪽에 설치된 2개의 가이드 바(19)에 회전가능하게 고정되어 상기 2개의 가이드 바(19)를 따라서 슬라이드되는 것을 또 다른 특징으로 하고 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 적층식 광조형 장치의 일 실시예에 대하여 더욱 상세히 설명하고자 한다.

도1 및 도2를 참조하면, 본 발명에 의한 적층식 광조형 장치의 일 실시예에 대한 측면도와 평면도가 각각 도시되어 있다.

상기 실시예는 도시된 바와 같이 하부에 영사기(11)가 설치되어 있고 중앙에는 프레임(12)이 위치하며, 프레임(12)의 상부에는 스테이지(20)가 설치되어 있다. 상기 프레임(12)은 도시된 바와 같이 중앙에는 오목부(13)가 형성되어 있으며 이로 인해 프레임(12)은 두개의 단으로 형성되어 있다. 상기 오목부(13)의 바닥에는 영사기(11)에서 조사되는 빛을 통과시키기 위한 홀(14)이 형성되어 있다. 또한, 상기 오목부(13)의 바닥에는 배출구(15)가 형성되어 있는데 이는 광경화성 수지(10) 저장조(도시하지 않음)와 연결되어 있어서 여분의 광경화성 수지(10)를 상기 저장조로 보내어 재사용하기 위한 것이다.

도1에서는 상기 영사기(11)가 바닥판(17)의 바로 아래에 위치하고 있지만 경우에 따라서는 영사기(11)를 프레임(12)의 측면에 위치시키고 바닥판(17)의 하부에 반사경을 두어 영사기(11)에서 조사된 빛이 반사경에 반사되어 바닥판(17)에 조사되게 하는 것도 가능하다.

상기 홀(14)의 상부에는 바닥판(17)이 설치되며 바닥판(17)의 주위에는 수지 차단벽(16)이 설치되어 있어서 광경화성 수지(10)가 바닥판(17)과 수지 차단벽(16)사이에 가두어지게 된다. 상기 영사기(11)에서 조사된 빛이 바닥판(17)을 통하여 광경화성 수지(10)로 전달될 수 있도록 상기 바닥판(17)은 투명한 재질이어야 하며 바닥판(17)의 상면과 수지 차단벽(16)의 상단간의 높이(H)는 조형될 시트의 높이에 해당하는 값을 갖는다.

조형될 시작품의 정밀도 및 크기에 따라서 슬라이스되는 높이는 변경될 수 있으므로 이에 대응하기 위하여 상기 바닥판(17)의 높이(H)를 변경할 수 있도록 구성하는 것이 좋다. 따라서, 상기 높이(H)를 달리하는 바닥판(17)과 수지 차단벽(16)을 다수개 만들어서 높이가 변경되는 경우마다 교체하여 사용하거나 바닥판(17)에 별도의 구동장치(예를 들어 유압실린더나 전기모터 등)를 설치하여 바닥판(17)을 올리거나 내릴 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 바닥판(17)의 상면, 즉 수지와 접촉하는 면에는 경화된 수지가 바닥판(17)에서 분리되는 것을 용이하게 하도록 분리촉진박막을 코팅하여 두는 것이 좋다. 상기 박막의 재질은 투과광율이 90% 이상인 불소수지계나 고분자폴리에틸렌인 것이 좋고, 5 내지 150㎛의 두께를 갖는 것이 좋다.

상기 광경화성 수지(10)를 경화하기 전에 수지의 상면을 고르게 하는 것이 정밀도의 향상이란 측면에서 바람직하다. 따라서, 도시된 바와 같이 상기 프레임(12)의 상면 양쪽에 각각 가이드 바(19)를 설치하고 양단을 상기 가이드 바(19)에 회동가능하게 고정한 롤러(18)를 설치하여 광경화성 수지(10)의 상면을 고르게 하는 것이 좋다.

상기 프레임(12)의 상부에는 스테이지(20)가 위치한다. 상기 스테이지(20)는 경화된 슬라이스 층을 고정하고 이를 한 층씩 상부로 들어올리는 역할을 하는 것으로 도시된 바와 같이 경화된 슬라이스 층이 부착되는 평면을 가지며, 상기 평면을 상하로 이동시키는 구동수단(도시되지 않음)으로서는 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자들에게 일반적인 수단, 예를 들어 서보모터 등을 사용할 수 있다.

이하에서는 상기 실시예의 작동에 대하여 상세하게 설명하고자 한다.

먼저, 제작할 시작품에 대한 3차원 캐드 데이타를 완성한 후에 이를 원하는 두께를 갖는 슬라이스 데이타로 변환한다. 이렇게 변환된 각 슬라이스 데이타를 상기 영사기(11)로 보내어 한 층씩 조사하게 한다.

이때, 상기 영사기(11)로서 일반적인 빔 프로젝터를 사용하는 것은 조형물의 정밀도의 측면에서 바람직하지 않다. 따라서, 원하는 정밀도를 갖도록 하기 위해서는 미국의 텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments, 이하 TI라 한다)사가 개발한DMD(Digital Micromirror Device)를 사용하는 영사기(11)를 사용하는 것이 좋다.

DMD란 TI사가 개발한 DLP(Digital Light Processing) Cinema 기술에서 사용되는 반도체로서 약 17 마이크로미터 정도의 미세한 거울과 램(RAM, random acess memory)를 조합시켜 고화질의 디지털 영상을 제공하여 디지털 극장 시스템을 구축하기 위한 반도체이다. 상기 DMD를 사용하면 적층식 광조형기에서 요구되는 정도의 높은 정밀도로 영상을 조사할 수 있는 것이다.

따라서, 사용자는 상기 바닥판(17)과 수지 차단벽(16)사이에 광경화성 수지(10)를 채우고 상기 영사기(11)를 통하여 슬라이스 된 각 층 중에서 제일 위에 있는 층에 대한 영상을 조사하게 된다. 이때, 상기 스테이지(20)의 평면은 광경화성 수지(10)의 상면과 접촉한 상태에서 경화가 이루어지게 되며, 상기 평면의 표면은 경화된 슬라이스 층이 용이하게 부착될 수 있도록 처리되어 있어서(예를 들어 사포를 이용하여 표면조도를 크게 하는 것 등), 최상층의 슬라이스 층이 경화가 완료되면 슬라이스 층이 스테이지(20)의 평면에 부착되게 된다.

다음에 상기 스테이지(20)를 상부로 들어올리고 바닥판(17)과 수지 차단벽(16)사이에 광경화성 수지(10)를 다시 채운 후, 상기 롤러(18)를 슬라이드 시켜서 광경화성 수지(10)의 상면을 고르게 한다. 다음에 스테이지(20)를 다시 내려서 경화가 완료된 슬라이스 층의 하면과 새로 채워진 광경화성 수지(10)의 상면이 서로 접촉되게 한 상태에서 두번째 슬라이스 데이타를 영사기(11)를 통하여 조사하여 경화를 진행시킨다.

이렇게 해서 경화가 완료되면 첫번째 슬라이스 층과 두번째 슬라이스 층이서로 접착되게 되며 다시 상기의 과정을 반복하여 조형을 완료하게 된다.

상기와 같은 구성을 통하여 본 발명은 하나의 슬라이스 층에 대해서 영사기(11)를 통하여 한번에 전체를 조형할 수 있으므로 종래 기술과 같이 레이저 빔을 수차레 반복 이동시키거나 별도의 네거티브 마스크를 사용하지 않고 조형을 완료할 수 있기 때문에 제조 공정이 간단하며 무엇보다도 조형시간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명은 스테이지(20)가 하강하면서 조형을 완료하는 종래기술과는 달리 스테이지(20)가 상승하면서 조형을 하므로 그릇과 같은 형상을 갖는 시작품을 제작하는 경우에 있어서 시작품 내부에 광경화성 수지(10)가 고이는 등의 문제점을 해결할 수 있고 또한 더욱 간단한 구조를 갖는 적층식 광조형 장치를 제공할 수 있다.

본 발명은 또한 바닥판(17)에 조형물의 분리를 촉진시키는 박막을 가지고 있어서 스테이지(20)가 상승하면서 경화가 완료된 슬라이스 층을 들어올리는 경우에 조형물이 파손되는 것을 방지하게 된다.

또한, 본 발명은 프레임(12)에 롤러(18)를 설치하여 광경화성 수지(10)의 상면을 고르게 할 수 있어 정밀도를 대폭 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 광경화성 수지(10)에 빛을 조사하여 조형물을 제작하는 적층식 광조형 장치에 있어서,

   상기 광경화성 수지(10)에 조형될 형상을 한 번에 조사할 수 있도록 하는 영사기(11)와;

   상기 광경화성 수지(10)를 담기 위하여 오목부(13)를 가지고 있고, 상기 오목부(13)에는 상기 영사기(11)로부터 빛을 통과시키기 위한 홀(14)과 여분의 광경화성 수지(10)를 배출하기 위한 배출구(15)가 형성되어 있으며, 상기 홀(14)의 주위에는 광경화성 수지(10)를 가두기 위한 수지 차단벽(16)이 설치되어 있고, 상기 수지 차단벽(16)의 하부에는 투명한 바닥판(17)이 설치되어 있는 프레임(12)과;

   프레임(12)의 상부에 설치되어 있으며, 경화된 광경화성 수지(10)를 상부로 들어올리면서 조형물을 제작할 수 있도록 경화된 광경화성 수지(10)를 고정하는 스테이지(20)와;

   상기 영사기(11)가 원하는 형상의 패턴을 조사하도록 하는 신호처리기(30)와;

   상기 수지 차단벽(16)에 고인 광경화성 수지(10)의 표면을 고르게 하기 위하여 상기 프레임(12)의 상면에 설치되는 것으로, 상기 프레임(12)의 상면 양쪽에 설치된 2개의 가이드 바(19)에 회전가능하게 고정되어 상기 2개의 가이드 바(19)를 따라 슬라이드되는 롤러(18)로 구성되고,

   상기 바닥판(17)의 상부에는 경화된 광경화성 수지(10)의 분리를 용이하게 하는 투과광율(透過光率)이 90% 이상인 불소수지계 또는 고분자 폴리에틸렌 박막부재가 5㎛ 내지 150㎛의 두께로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 적층식 광조형장치.
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