KR100547920B1 - 마이크로/나노 3차원 조형시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 분할된 단면데이터들로 이루어지는 3차원 형상 테이터를 이용하여 3차원 조형물을 조형하는 3차원 조형시스템에 관한 것으로서, 상기 단면데이터에 대응하는 폭으로 승강하는 조형테이블이 마련되어 있는 조형부와, 상기 조형테이블에 조형될 3차원 조형물의 분말소재를 상기 단면데이터에 대응하는 두께씩 공급하는 소재공급부와, 상기 조형테이블에 공급된 분말소재를 향해 접착물질을 방전분사방식으로 분사하는 적어도 하나의 조형헤드를 갖는 조형장치와; 상기 3차원 형상 데이터를 분할된 단면데이터들로 저장하며, 상기 조형테이블상에 상기 단면데이터에 대응하는 분말소재 단면층이 적층되어 상기 3차원 조형물이 조형되도록 상기 조형장치를 제어하는 제어컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 접착물질을 정밀하게 분사하여 초정밀 3차원 조형물의 조형이 가능한 3차원 조형시스템을 제공된다.
3차원, 입체, 조형, 방전분사, ESD, SAW, 분말소재, 조형장치

Description

마이크로/나노 3차원 조형시스템{Micro/Nano Three-Dimensional Prototyping System}
도 1은 본 발명에 따른 3차원 조형시스템의 간략한 구성도,
도 2는 도 1의 조형헤드 확대단면도,
도 3은 또 다른 방식의 도 1의 조형헤드 확대단면도,
도 4 내지 도 6은 도 1의 조형시스템에 조형과정을 나타낸 도면,
도 7은 도 1의 3차원 조형시스템과 외부 컴퓨터와의 네트워크 구성도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 조형시스템의 간략한 구성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
3 : 스캔장치 5 : 조형장치
7 : 제어컴퓨터 11 : 3차원 스캐너
23 : 조형테이블 40 : 조형헤드
41 : 카트리지 43 : 분사유도유닛
45 : 쉐도우마스크 47 : 엑츄에이터
본 발명은, 3차원 조형시스템에 관한 것이다.
3차원 조형은 조형될 입체형상물의 3차원 형상 데이터를 이용해 소재를 단면 적층하면서 입체형상의 조형물을 제작하는 것으로서, 3차원 형상 데이터는 3차원 스캐너 장비나 CAD시스템에 의해 얻어지며, 얻어진 3차원 형상 데이터에 대응하는 입체형상의 조형물은 3차원 조형장치에서 만들어진다.
최근 3차원 조형분야에서 널리 사용되는 조형장치는 3DP(Three Dimensional Printing)조형를 꼽을 수 있다.
3DP조형장치는 잉크-젯 프린터(Ink-Jet Printer)에서 사용되는 잉크분사기술을 이용한 것으로서 다른 급속조형장치에 비해 낮은 제작비와 고속의 3차원 조형이 가능하다는 장점에 의해 최근에 급속조형(RP:Rapid Prototyping) 기술분야에서 많은 주목을 끌고 있다.
그런데, 이러한 종래의 3차원 조형장치에 있어서는, 잉크-젯 프린터에서 사용되는 잉크분사용 프린팅헤드를 이용하여 접착물질을 분사하는 것으로서, 접착물질의 점도 및 노즐공에서 발생하는 표면장력, 접착물질의 경화현상 등을 고려하여 노즐경 크기를 비교적 크게 형성해야하는 단점이 있다.
이에 의해, 접착물질의 정밀한 분사가 어려워 3차원 조형물의 정밀도가 떨어진다. 특히, 초미세 3차원 조형이 불가능하다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 접착물질 또는 임의의 물질을 정밀하게 분사하여 초정밀 3차원 조형물의 조형이 가능한 3차원 조형시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 분할된 단면데이터들로 이루어지는 3차원 형상 테이터를 이용하여 3차원 조형물을 조형하는 3차원 조형시스템에 있어서, 상기 단면데이터에 대응하는 폭으로 승강하는 조형테이블이 마련되어 있는 조형부와, 상기 조형테이블에 조형될 3차원 조형물의 분말소재를 상기 단면데이터에 대응하는 두께씩 공급하는 소재공급부와, 상기 조형테이블에 공급된 분말소재를 향해 접착물질을 방전분사방식으로 분사하는 적어도 하나의 조형헤드를 갖는 조형장치와; 상기 3차원 형상 데이터를 분할된 단면데이터들로 저장하며, 상기 조형테이블상에 상기 단면데이터에 대응하는 분말소재 단면층이 적층되어 상기 3차원 조형물이 조형되도록 상기 조형장치를 제어하는 제어컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템.에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 제어컴퓨터는 상기 단면데이터 순서대로 상기 분말소재가 각 단면의 두께만큼씩상기 조형테이블로 공급되도록 하고, 상기 조형테이블에 해당 단면 두께에 대응하는 분말소재가 공급되면 해당 단면데이터에 대응하는 영역의 분말소재에 접착물질이 분사되도록 조형헤드의 접착물질 분사동작을 제어하며, 상기 해당 단면의 접착물질 분사과정이 완료되면 상기 조형테이블을 상기 단면의 두께만큼 하강시키는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 조형헤드는 접착물질을 수용하는 매니폴더와, 상기 매니폴더 하부에 단일 공간의 분사챔버가 형성되어 있는 카트리지와; 단일의 분사홀을 가지고 상기 카트리지의 하부에 설치되는 쉐도우마스크와; 상기 카트리지 내에 수용된 접착물질을 상기 쉐도우마스크로의 분사홀을 통해 외부로 분사되도록 방전유도하는 분사유도유닛을 갖는 것이 효과적이다.
이때, 상기 분사유도유닛은, 상기 매니폴더와 상기 분사챔버를 연통시키는 모세관과, 상기 모세관 내에 마련되어 양전하를 형성하는 전원공급전극과, 상기 쉐도우마스크를 사이에 두고 접착물질이 분사될 상기 조형테이블에 설치되는 샘플홀더에 접지되어 음전하를 형성하는 대향전극을 갖는 플라즈마발생부와, 모세관내에 작용가스를 공급하는 가스공급기를 포함하는 것이 바람직하다.
또는, 상기 분사유도유닛은, 상기 매니폴더와 공급경로를 통해 연결된 상기 분사챔버내에 설치되며 양전하를 형성하는 진동판과, 상기 진동판에 진동을 발생시키기 위한 진동발생기와, 상기 진동발생기에 고주파를 인가하는 고주파발생기와, 상기 쉐도우마스크를 사이에 두고 접착물질이 분사될 상기 조형테이블에 설치되는 샘플홀더에 접지되어 음전하를 형성하는 대향전극으로 구성될 수도 있다.
이때, 상기 쉐도우마스크는 상기 카트리지 하부에서 엑츄에이터에 의해 미세유동 가능하게 설치되는 것이 보다 효과적이다.
그리고, 상기 제어컴퓨터는 상기 단면데이터 대응하는 위치로 상기 조형헤드를 1차적으로 위치 이동시키는 한편, 상기 엑츄에이터를 구동시켜 상기 쉐도우마스크를 2차적으로 위치 이동시키는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 쉐도우마스크의 분사홀은 10μm 내지 100nm의 직경을 갖는 것이 보다 효과적이다.
한편, 조형대상물이 적재되는 광투과성 스캔테이블과, 상기 스캔테이블에 적재되는 조형대상물의 3차원 형상 데이터를 스캔하여 상기 제어컴퓨터로 전달하는 3차원 스캐너를 갖는 스캔장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 3차원 스캐너의 스캔 동작은 상기 제어컴퓨터에 의해 제어되는 것이 효과적이다.
또한, 상기 제어컴퓨터는 인터넷 및/또는 서버와 데이터송수신 가능하게 연결되어 외부의 컴퓨터로부터 상기 3차원 형상 데이터를 전달받는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 조형시스템의 간략한 구성도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 조형시스템(1)은, 3차원 형상 데이터에 대응하는 3차원 조형물을 조형하는 조형장치(5)와, 3차원 형상 데이터를 저장하며 조형장치(5)의 조형동작을 제어하는 제어컴퓨터(7)를 포함한다.
조형장치(5)는 조형물이 조형되는 조형부(20)와, 조형부(20)에 조형될 소재를 공급하는 소재공급부(30)와, 조형부(20)에 공급된 소재를 3차원 조형물로 조형하는 조형헤드(40)를 갖는다. 이 조형장치(5)는 제어컴퓨터(7)와 신호 및 데이터 송수신 가능하게 연결되어 있다.
조형부(20)는 조형공간을 형성하는 조형챔버(21)와, 조형챔버(21) 내부에서 상하 승강하는 조형테이블(23)과, 조형테이블(23)을 승강시키는 조형테이블승강기(25)로 이루어져 있다. 조형테이블(23)의 하강 폭은 후술할 제어컴퓨터(7)에서 전달되는 3차원 형상을 이루는 단면데이터의 단면두께에 대응한다.
소재공급부(30)는 분말소재를 수용하는 소재수용챔버(31)와, 소재수용챔버(31) 내부에서 승강하는 소재공급테이블(33)과, 소재공급테이블(33)을 승강시키는 공급테이블승강기(35)와, 소재수용챔버(31)에 수용된 분말소재를 조형챔버(21)로 공급하는 소재공급유닛(37)으로 이루어져 있다.
소재수용챔버(31)에 수용되는 분말소재는 조형될 복제물에 따라서 세라믹, 금속, 플라스틱 또는 복합재가 될 수도 있으며, 섬유를 포함할 수 있다.
그리고, 소재공급테이블(33)의 상승 폭은 후술할 후술할 제어컴퓨터(7)에서 전달되는 3차원 형상을 이루는 단면데이터의 단면두께에 대응한다.
소재공급유닛(37)은 소재수용챔버(31)의 상면으로부터 조형챔버(21)상면으로 이동하는 소재공급부재(37a)와, 소재공급부재(37a)를 이동시키는 공급부재구동기(37b)로 이루어진다.
소재공급부재(37a)는 판상 또는 롤러 등의 형태로 구성할 수 있으며, 공급부재구동기(37b)는 소재공급부재(37a)를 수평으로 이동시킬 수 있는 가이드레일 및/또는 모터 등으로 구성할 수 있다.
한편, 조형헤드(40)는 조형테이블(23) 상부에서 X-Y구동부(44)에 의해 조형될 3차원 조형물의 평단면 X-Y좌표로 이동할 수 있도록 설치되어 있다.
이 조형헤드(40)는 도 3에 도시된 바와 같이, 접착물질을 수용하는 카트리지(41)와, 카트리지(41) 내에 수용된 접착물질의 외부로 방전 분사되도록 유도하는 분사유도유닛(43)과, 단일의 분사홀(45)를 가지고 카트리지(41)의 하부에 미세 유동 가능하게 설치되어 접착물질의 분사영역을 제어하는 쉐도우마스크(45)와, 쉐도우마스크(45)를 미세 유동시키는 엑츄에이터(47)를 갖는다.
카트리지(41)내에는 접착물질을 수용하는 매니폴더가 형성되어 있고, 매니폴더 하부에 소정 크기의 단일 공간으로서 분사챔버(41b)가 형성되어 있다. 매니폴더에 수용되는 접착물질은 분말소재에 따라서 공액 폴리머 또는 액체바인더 물질 등의 유기체 또는 무기체일 수 있다.
분사유도유닛(43)은 도 2에 도시된 바와 같이, ESD(Electrospray Deposition) 방식으로서 매니폴더와 분사챔버(41b)를 연통시키는 모세관(51)과, 모세관(51)내에 플라즈마를 형성시키는 플라즈마발생부(53)와, 모세관(51)내에 작용가스를 공급하는 가스공급부(55)를 포함한다.
모세관(51)은 매니폴더에 수용된 액상의 접착물질을 분사챔버(41b)로 공급되도록 하는 공급경로의 역할을 함과 동시에 , 액체상의 접착물질이 모세관(51) 내에서 발생되는 플라즈마에 의해 기체상으로 변환되는 공간을 형성한다.
플라즈마발생부(53)는 모세관(51) 내에 핀형태로 마련되어 외부 전원공급부(53d)와 전기적으로 연결되어 양전하를 형성하는 전원공급전극(53a)과, 쉐도우마스크(45)를 사이에 두고 접착물질이 분사될 조형테이블(23)에 설치된 샘플 홀더(53b)(sample holder)에 접지되어 전원공급전극(53a)에 대향하는 음전하를 형성하는 대향전극(53c)을 갖는다. 즉, 전원공급전극(53a)이 설치된 모세관(51)과 대향전극(53c) 사이에 쉐도우마스크(45)가 위치하게 된다.
플라즈마발생부(53)는 전원공급전극(53a)으로부터 모세관(51)을 통해 대향전극(53c)을 향하는 방전 프라즈마를 형성함으로써, 작용가스가 공급되는 모세관(51)에서 접착물질(약 50nm 이하)로 기화되어 분사챔버(41b)를 거쳐 쉐도우마스크(45)의 분사홀(45)를 통해 분사되도록 유도한다.
가스공급부(55)는 작용가스를 공급하는 가스공급기(55a)와 가스공급기(55a)로부터 공급되는 작용가스를 모세관(51)으로 안내하는 가스공급호스(55b)로 이루어진다.
한편, 분사유도유닛(43)은 도 3에 도시된 바와 같이, SAW-ED(Surface Acoustic Wave Electrostatic Deposition : 표면탄성파 분사방식)방식으로 마련될 수도 있다.
이 SAW-ED방식의 분사유도유닛(43')은 카트리지(41)의 매니폴더와 공급경로를 통해 연결된 분사챔버(41b)내에 설치되는 진동판(51')과, 진동판(51')에 진동을 발생시키기 위한 진동발생기(53a');SAW가 부착되어져 있으며, SAW에 고주파를 인가하는 고주파발생기(53d')가 연결되어져 있다. 또한 매니폴더로부터 노즐를 통해서 내려오는 액상의 접착물질은 진동판(51')에 닿게 되고, 진동판(51')에 닿은 용액에 고전압을 걸어주어 양전하를 형성하는 고전압발생기(55')가 진동판(51')에 연결되 어 있다. 쉐도우마스크(45)를 사이에 두고 접착물질이 분사될 조형테이블(23)에 설치된 샘플홀더(53b')(sample holder)에 접지되어 고전압발생기(55')의 양전하에 대향하는 음전하를 형성하는 대향전극(53c)이 마련되어 있다. 즉, 전원공급전극(53a)이 설치된 분사챔버(41b)와 대향전극(53c') 사이에 쉐도우마스크(45)가 위치하게 된다.
이 분사유도유닛(43')은 고전압발생기(55')로부터 인가된 전원이 진동판(51')에 전달되고, 진동판(51')위에 있는 액상의 접착물질을 양전하로 만든다. 그리고 진동판(51') 위에 부착된 SAW에 고주파발생기(53d')로부터 고주파를 인가하여 진동판(51')을 고주파로 진동시켜서 양전하를 가진 액상의 접착물질을 초미세 기체입자로 기화시켜서 쉐도우마스크(45) 분사홀(45)를 통해 음전하가 형성된 샘플홀더(53b')로 분사 유도되도록 한다.
한편, 쉐도우마스크(45)에는 비교적 작은 직경의 단일 분사홀(45)가 형성되어 있다. 이 쉐도우마스크(45)는 분사챔버(41b) 하부에서 엑츄에이터(47)에 의해 X-Y 방향으로 미세 유동하게 설치된다. 이때, 분사홀(45)의 직경은 모세관(51)에서 기화된 접착물질 입자가 통과할 수 있도록 약 10μm 내지 100nm 이하 정도의 직경을 갖는 것이 바람직하다.
접착물질의 분사영역은 엑츄에이터(47)의 구동에 의해 X-Y평면에서 미세 유동되는 쉐도우마스크(45)의 이동위치에 대응하는 정밀 분사영역에 해당한다.
엑츄에이터(47)는 초미세 부품으로서 제어컴퓨터(7)와 전기적으로 연결되어 제어부컴퓨터로부터 전달되는 3차원 조형 단면 데이터에 근거하여 구동 제어되어 쉐도우마스크(45)를 X-Y 평면상에서 미세 동작시킨다.
여기서, 쉐도우마스크(45)는 엑츄에이터(47)에 의해 미세유동 가능하도록 설치되어 있지만 조형될 3차원 조형물의 정밀도가 비교적 낮을 경우에는 쉐도우마스크(45)를 고정형으로 마련하고 엑츄에이터(47)를 설치하지 않을 수도 있다.
또한, 분사유도유닛(43,43')은 조형대상의 구조에 따라 조형헤드(40)에 복수개의 유닛으로 마련될 수도 있다. 이때, 쉐도우마스크(45)에 형성되는 분사홀(45)은 분사유도유닛(43,43')의 수에 대응하도록 형성된다.
제어컴퓨터(7)는 미리 입력된 조형장치(5) 구동프로그램을 이용하여 3차원 형상데이터를 기초로 조형장치(5)의 조형동작을 제어함으로써 3차원 조형물을 조형한다. 여기서, 제어컴퓨터(7)에 저장되는 3차원 형상데이터는 별도의 3차원 스캔장치에서 스캔된 스캐닝 데이터일 수도 있으며 3차원 CAD 설계데이터일수도 있다.
즉, 제어컴퓨터(7)는 3차원 형상 데이터를 저장하고, 조형장치(5)의 조형테이블승강기(25)와, 공급테이블승강기(35) 및 소재공급부재(37a)를 이동시키는 공급부재구동기(37b)의 구동을 제어하며, 조형헤드(40)의 접착물질분사 동작에서 조형헤드(40)의 이동과, 쉐도우마크스를 미세 유동시키는 엑츄에이터(47)의 구동을 제어한다.
여기서, 제어컴퓨터(7)는 도 7에 도시된 바와 같이, 외부의 스캐닝장치로부 터 스캐닝된 3차원 형상데이터를 외부의 컴퓨터로부터 전달받거나 외부에서 설계된 3차원 CAD 설계데이타를 전달받을 수 있도록 서버 및 인터넷을 통해 외부의 스케닝장치 또는 CAD시스템에 부설된 컴퓨터(7',7")와 연결될 수 있다.
이러한 구성에 의해서, 본 발명에 따른 3차원 조형시스템(1)에 의한 3차원 조형물 조형과정을 살펴본다.
먼저, 제어컴퓨터(7)에 저장되는 3차원 형상 데이터는 단면데이터로 분할되어 저장되거나, 저장된 상태에서 CAD 등의 프로그램 조작에 의해 단면데이터로 분할 된다.
제어컴퓨터(7)와 연결된 조형장치(5)는 도 4내지 도 6과 같이, 제어컴퓨터(7)의 제어에 의해 제어컴퓨터(7)에 저장된 3차원 형상 데이터에 근거한 3차원 조형물을 조형한다.
조형과정은 컴퓨터에 의해 제어되는데, 먼저, 소재수용챔버(31)에 수용된 분말소재 중 상부의 분말재료가 제어컴퓨터(7)에 의해 이동 제어되는 소재공급부재(37a)에 의해 조형챔버(21)의 조형테이블(23) 상면에 소정의 두께로 공급된다.
그런 다음, 제어컴퓨터(7)는 저장되어 있는 3차원 형상 데이터의 단면데이터 중 제1단면(a) 데이터에 대응하는 영역의 X-Y방향으로 조형헤드(40)를 이동시키면서 접착물질을 분사시킨다.
접착물질 분사과정을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 제어컴퓨터(7)는 저장된 3차원 형상 데이터의 단면데이터에 대응하는 영역으로 조형헤드(40)를 1차적으로 이동시킨다. 그런 다음, 제어컴퓨터(7)는 쉐도우마스크(45)의 분사홀(45)가 초기 분사영역의 시작점으로 이동될 수 있도록 엑츄에이터(47)를 구동시키고, 카트리지(41)의 매니폴드(41a)에 수용된 접착물질이 샘플홀더(53b)가 설치된 조형테이블(23)로 분사되도록 플라즈마발생부(53)를 동작시킨다.
플라즈마발생부(53)가 동작되면 모세관(51) 내에 설치된 전원공급전극(53a)에 의해 모세관(51)에 양전하가 형성되고, 접착물질 분사될 샘플홀더(53b)의 대향전극(53c)에 의해 음전하가 형성되어 방전플라즈마가 모세관(51)으로부터 샘플홀더(53b)를 향하도록 형성된다. 그리고, 가스발생부에서 작용가스가 가스공급호스(55b)를 통해 모세관(51)으로 공급된다.
이에 의해, 매니폴더에 수용된 액상의 접착물질은 모세관(51)을 통해 쉐도우마스크(45)의 분사홀(45)로 방전플라즈마를 따라 유도된다. 이때, 액상의 접착물질은 모세관(51)내에 공급되는 작용가스와 모세관(51)내에 형성되는 방전플라즈마에 의해 미세 기체입자로 기화되어 분사챔버(41b)를 거쳐 쉐도우마스크(45)의 미세 분사홀(45)를 통해 샘플홀더(53b)가 설치된 조형테이블(23)의 분사영역으로 분사된다.
제어컴퓨터(7)는 이러한 제어 과정을 반복하여 조형헤드(40)의 연속적이고 정밀한 접착물질 분사 동작을 제어한다.
접착물질이 분사되면 조형테이블(23)상의 분포된 분말소재 중 접착물질이 분 사된 단면 영역의 분말소재들이 상호 접착 경화되어 도 4와 같이, 제1단면(a)을 형성한다. 이때, 제1단면(a)은 전술한 바와 같이, 쉐도우마스크(45)가 2차적으로 미세 유동하면서 단일의 분사홀(45)를 통해 접착물질이 정밀하게 분사되므로 정밀하게 조형된다.
제1단면(a)이 형성되면 제어컴퓨터(7)는 조형테이블승강기(25)의 구동시켜서 조형테이블(23)을 조형되는 단면의 두께만큼 Z축 방향으로 하강시키는 한편, 분말테이블승강장치를 구동시켜서 분말공급테이블을 조형되는 단면의 두께만큼 Z축 방향으로 상승시킨다.
그리고, 제어컴퓨터(7)는 소재공급부재(37a)를 소재수용챔버(31)로부터 조형챔버(21)로 이동시켜서 분말소재를 조형테이블(23)의 제1단면(a) 상부면에 소정의 두께로 공급시킨다.
그런 다음, 제어컴퓨터(7)는 저장되어 있는 3차원 형상테이터의 단면데이터 중 제2단면(b) 데이터에 대응하는 영역의 X-Y방향으로 조형헤드(40) 및 쉐도우마스크(45)를 이동시키면서 접착물질을 전술한 바와 같이 분사하여 도 5와 같이, 제2단면(b)을 형성한다.
이러한 과정이 반복되면서 연속적으로 단면들이 적층되어 최종 단면이 적층되면 도 6과 같이, 3차원 형상데이터에 대응하는 3차원 조형물의 조형이 완료된다.
한편, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 조형시스템의 간략한 구성도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 3차원 조형시스템(1')은 전술한 3차원 조형시스템(1)의 조형장치(5) 및 제어컴퓨터(7)를 포함하여 물체의 입체형상을 스캐닝하여 제어컴퓨터(7)로 전달하는 스캔장치(3)를 갖는다. 여기서, 조형장치(5)와 제어컴퓨터(7)의 구성은 전술한 3차원 조형시스템(1)과 거의 동일하므로 자세한 설명은 생략하고 스캔장치(3)와, 제어컴퓨터(7)에 의한 스캔장치(7)에 구동관련된 사항만 설명한다. 이때, 조형장치(5) 및 제어컴퓨터(7)의 도면부호는 전술한 3차원 조형시스템(1)과 동일하게 사용한다.
스캔장치(3)는 물체가 적치되는 스캔테이블(10)과, 스캔테이블(10)에 적재된 물체의 입체 형상을 스캔하는 3차원스캐너(11)와 3차원 스캐너(11)를 구동시키는 스캐너구동기(13)로 이루어져 있다. 이 스캔장치(3)는 제어컴퓨터(7)와 신호 및 데이터 송수신 가능하게 연결되어 있다.
스캔테이블(10)은 물체의 하부영역이 스캔테이블(10)의 하부로 투영될 수 있도록 광투과성 재질로 마련되는 것이 바람직하며, 물체가 다양한 방향에서 있도록 모터 등에 의해서 회전되는 것이 바람직하다.
3차원스캐너(11)는 급속조형분야에서 상용화되어 있는 비접촉식 레이져스캐너 등을 이용하는 것이 바람직하다. 이 3차원스캐너(11)는 스캐너구동기(13)에 의해 스캔테이블(10)의 상하좌우를 포함한 전 둘레영역으로 이동하면서 스캔테이블(10)에 적치된 물체의 입체 형상정보를 스캔하여 제어컴퓨터(7)로 전달한다.
제어컴퓨터(7)는 미리 입력된 스캐너 제어프로그램에 따라 스캔장치(3)의 구동을 제어하며, 스캔된 3차원 형상 데이터를 저장한다. 또한, 미리 입력된 조형장치(5) 구동프로그램을 이용하여 스캔된 3차원 형상데이터를 기초로 조형장치(5)의 조형동작을 제어함으로써 3차원 조형물을 조형한다.
즉, 제어컴퓨터(7)는 스캔장치(3)의 스캔테이블(10) 회전구동과 스캐너구동기(13)의 스캐너(11) 이동동작 및 스캐너(11) 동작을 제어하며, 스캔장치(3)에서 스캔된 3차원 형상 데이터를 전달받아 저장한다. 그리고, 전술한 3차원 조형시스템(1)에서 설명한바와 같이, 조형장치(5)의 조형테이블승강기(25)와, 공급테이블승강기(35) 및 소재공급부재(37a)를 이동시키는 공급부재구동기(37b)의 구동을 제어하며, 조형헤드(40)의 접착물질분사 동작에서 조형헤드(40)의 이동과, 쉐도우마크스를 미세 유동시키는 엑츄에이터(47)의 구동을 제어한다.
여기서, 제어컴퓨터(7)는 외부의 스캐닝장치로부터 스캐닝된 3차원 형상데이터를 외부의 컴퓨터로부터 전달받거나 외부에서 설계된 3차원 CAD 설계데이타를 전달받을 수 있도록 서버 및 인터넷을 통해 외부의 스케닝장치 또는 CAD시스템에 부설된 컴퓨터(7',7")와 연결될 수 있다.
이러한 구성에 의해서, 본 발명에 따른 3차원 조형시스템(1)은 제어컴퓨터(7)의 스케너 제어프로그램의 구동에 의해 3차원 스캐너(11)가 움직여 스캔테이블(10)에 적치된 스캔 대상물의 3차원 형상을 스캔한다. 이때, 제어컴퓨터(7)는 스캔테이블(10)을 회전시키고 스캐너구동기(13)를 구동하여 3차원스캐너(11)의 스캔영역을 위치 제어한다. 스캔되는 3차원 형상 데이터는 제어컴퓨터(7)에 전달되어 저장된다.
이때, 제어컴퓨터(7)에 저장되는 3차원 형상 데이터는 단면데이터로 분할되어 저장되거나, 저장된 상태에서 CAD 등의 프로그램 조작에 의해 단면데이터로 분할 된다.
다음으로는 스캔장치(3)에서 스캔된 3차원 형상 데이터에 근거하여 스캔 대상물과 동일한 3차원 조형물이 조형장치에서 조형되는데, 조형과정은 전술한 3차원 조형시스템의 조형과정과 동일하므로 설명을 생략한다.
이와 같이, 접착물질이 분사되는 조형헤드의 구조를 쉐도우마스크에 미세한 분사홀을 형성하고, 전극을 이용하여 액상 프린팅물질을 초미세 기체 입자로 기화하여 쉐도우마스크의 분사홀을 통해 방전분사되도록 함으로써, 종래 잉크젯 프린팅 방식의 급속조형장치에서 노즐경 표면장력에 의한 노즐 직경의 축소 제한을 해소할 수 있다. 이에 의해, 쉐도우마스크에 초미세 분사홀을 형성할 수 있으므로, 정밀한 초미세 3차원 조형물의 조형이 가능하다.
또한, 쉐도우마스크를 엑츄에이터로 미세 유동시킬 수 있도록 하고, 이 엑츄에이터의 구동을 제어컴퓨터에서 제어하도록 하면, 접착물질의 분사영역이 조형헤드의 동작영역과 쉐도우마스크의 유동영역으로 정밀하게 제어되어 초미세 조형물의 조형이 가능하다. 이에 의해, 조미세 3차원 조형물을 보다 정밀하게 만들 수 있다.
그리고, 물체를 3차원 스캔하는 스캔장치와, 스캔장치에서 스캔된 3차원 형상 데이터에 대응하는 3차원 조형물을 조형하는 조형장치와, 3차원 형상 데이터를 저장하며 스캔장치의 스캔동작과 조형장치의 조형동작을 제어하는 제어컴퓨터를 갖는 3차원 조형시스템을 마련함으로써, 3차원 스캐닝과 스캐닝된 데이터에 근거한 3차원 조형물의 조형과정을 일괄 처리할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 3차원 조형물의 정밀도가 향상되고, 초미세 3차원 조형물을 조형할 수 있는 3차원 프린팅 방식의 급속조형장치가 제공된다.

Claims (11)

  1. 분할된 단면데이터들로 이루어지는 3차원 형상 테이터를 이용하여 3차원 조형물을 조형하는 3차원 조형시스템에 있어서,
    상기 단면데이터에 대응하는 폭으로 승강하는 조형테이블이 마련되어 있는 조형부와, 상기 조형테이블에 조형될 3차원 조형물의 분말소재를 상기 단면데이터에 대응하는 두께씩 공급하는 소재공급부와, 상기 조형테이블에 공급된 분말소재를 향해 접착물질을 방전분사방식으로 분사하는 적어도 하나의 조형헤드를 갖는 조형장치와;
    상기 3차원 형상 데이터를 분할된 단면데이터들로 저장하며, 상기 조형테이블상에 상기 단면데이터에 대응하는 분말소재 단면층이 적층되어 상기 3차원 조형물이 조형되도록 상기 조형장치를 제어하는 제어컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어컴퓨터는
    상기 단면데이터 순서대로 상기 분말소재가 각 단면의 두께만큼씩상기 조형테이블로 공급되도록 하고,
    상기 조형테이블에 해당 단면 두께에 대응하는 분말소재가 공급되면 해당 단면데이터에 대응하는 영역의 분말소재에 접착물질이 분사되도록 조형헤드의 접착물질 분사동작을 제어하며,
    상기 해당 단면의 접착물질 분사과정이 완료되면 상기 조형테이블을 상기 단면의 두께만큼 하강시키는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 조형헤드는
    접착물질을 수용하는 매니폴더와, 상기 매니폴더 하부에 단일 공간의 분사챔버가 형성되어 있는 카트리지와;
    단일의 분사홀을 가지고 상기 카트리지의 하부에 설치되는 쉐도우마스크와;
    상기 카트리지 내에 수용된 접착물질을 상기 쉐도우마스크로의 분사홀을 통해 외부로 분사되도록 방전유도하는 분사유도유닛을 갖는 것을 특징으로 하는 조형시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분사유도유닛은,
    상기 매니폴더와 상기 분사챔버를 연통시키는 모세관과,
    상기 모세관 내에 마련되어 양전하를 형성하는 전원공급전극과,
    상기 쉐도우마스크를 사이에 두고 접착물질이 분사될 상기 조형테이블에 설치되는 샘플홀더에 접지되어 음전하를 형성하는 대향전극을 갖는 플라즈마발생부와,
    모세관내에 작용가스를 공급하는 가스공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 분사유도유닛은,
    상기 매니폴더와 공급경로를 통해 연결된 상기 분사챔버내에 설치되며 양전하를 형성하는 진동판과,
    상기 진동판에 진동을 발생시키기 위한 진동발생기와,
    상기 진동발생기에 고주파를 인가하는 고주파발생기와
    상기 쉐도우마스크를 사이에 두고 접착물질이 분사될 상기 조형테이블에 설치되는 샘플홀더에 접지되어 음전하를 형성하는 대향전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 쉐도우마스크는 상기 카트리지 하부에서 엑츄에이터에 의해 미세유동 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어컴퓨터는
    상기 단면데이터 대응하는 위치로 상기 조형헤드를 1차적으로 위치 이동시키는 한편, 상기 엑츄에이터를 구동시켜 상기 쉐도우마스크를 2차적으로 위치 이동시 키는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 쉐도우마스크의 분사홀은 10μm 내지 100nm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    조형대상물이 적재되는 광투과성 스캔테이블과, 상기 스캔테이블에 적재되는 조형대상물의 3차원 형상 데이터를 스캔하여 상기 제어컴퓨터로 전달하는 3차원 스캐너를 갖는 스캔장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 3차원 스캐너의 스캔 동작은 상기 제어컴퓨터에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어컴퓨터는 인터넷 및/또는 서버와 데이터송수신 가능하게 연결되어 외부의 컴퓨터로부터 상기 3차원 형상 데이터를 전달받는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템.
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