KR100606458B1 - 3차원 조형시스템의 경화장치 - Google Patents

3차원 조형시스템의 경화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 레이저빔을 생성하는 레이저소스와, 상시 레이저소스에서 생성된 레이저빔을 증폭시키는 빔증폭기를 가지며, 3차원 조형시스템의 메인컴퓨터로부터 전달되는 조형될 3차원 조형물의 단면데이터에 근거하여 상기 조형물 소재의 해당 단면영역에 상기 레이저빔을 조사하여 경화시키는 3차원 조형시스템의 경화장치에 관한 것으로서, 상기 빔증폭기에서 증폭된 레이저빔을 전달받아 상기 경화대상물로 유도하여 조사하는 광섬유도파관과, 상기 광섬유도파관의 출력단부영역을 상기 조형물 소재의 경화 대상 단면영역으로 일정한 초점거리를 유지하면서 이동시키는 X-Y좌표이동플랫폼을 갖는 광섬유 조사 유닛과, 상기 단면데이터에 근거하여 상기 레이저발생기의 구동 및 상기 X-Y좌표이동플랫폼의 좌표이동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 미세한 초정밀 및 나노스케일의 3차원 조형물을 조형할 수 있고, 기기의 제작비용을 절감할 수 있는 3차원 조형시스템의 경화장치가 제공된다.
레이저빔, 3차원 조형, 경화, 광섬유

Description

3차원 조형시스템의 경화장치 {Harden Device of Three-Dimensional Prototyping System}
도 1은 종래 3DP조형시스템의 간략한 구성도,
도 2는 종래 SLS조형시스템의 간략한 구성도,
도 3은 종래 SLA조형시스템의 간략한 구성도,
도 4a 및 도 4b는 도 2 및 도 3의 레이저빔 초점변화를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 3차원 조형시스템의 경화장치 구성도,
도 6은 도 5의 경화장치를 이용하는 3차원 조형시스템의 예를 나타낸 도면,
도 7a 및 도 7b는 도 5 및 도 6의 경화장치 구동을 나타낸 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20 : 레이저발생기 30 : 광섬유조사유닛
31 : 집광렌즈 35 : 광섬유도파관
37 ; 초점렌즈 38 : X-Y좌표이동플렛폼
40 : 제어부
본 발명은, 3차원 조형시스템의 경화장치에 관한 것이다.
3차원 조형 분야에서는 입체조형물의 3차원 단면 형상 데이터를 이용해서 소재를 단면 적층해 나가면서 입체조형물의 조형을 완성하는 방법이 널리 이용되고 있다.
이러한 3차원 조형방법을 적용한 3차원 조형시스템의 예를 살펴보면, 3DP(Three Dimensional Printing)시스템과, SLS(Selective Laser Sintering)시스템 및 SLA(Stereo Lithography Apparatus)시스템을 꼽을 수 있다.
이들 3차원 조형시스템의 3차원 조형방식을 간략하게 살펴본다.
먼저, 3DP(Three Dimensional Printing)시스템(101)은 도 1에 도시된 바와 같이, 소재수용챔버(110) 내부에 수용된 분말재료가 소재공급롤러(120)(혹은 브레이드)에 의해 조형챔버(130)의 조형테이블(140)로 3차원 조형물(A)의 단면데이터 두께 만큼씩 단계적으로 공급된다.
그러면, 재료 경화장치(150)인 프린팅헤드가 3차원 단면데이터의 좌표에 대응하게 이동하면서 각 단면에 해당하는 영역의 분말재료에 접착물질을 분사하여 단면 적층해 나감으로써, 3차원 조형물(A)을 조형하게 된다.
그러나, 이러한 3DP 방식의 3차원 조형시스템(101)은 분말재료를 경화시키는 경화장치(150)가 프린팅헤드에 의한 접착물질 분사방식을 이용하고 있기 때문에, 접착물질의 분사영역을 정밀하게 제어하기가 어려워 정밀하거나 미세한 3차원 조형물(A)의 조형이 어렵다는 단점을 가지고 있다.
다음으로 SLS(Selective Laser Sintering)시스템(201)은 도 2에 도시된 바와 같이, 3DP시스템(101)과 마찬가지로 소재수용챔버(210)에 수용된 분말재료가 조형챔버(230)의 조형테이블(240)로 3차원 조형물(A)을 형성하는 단면 두께 만큼씩 단계적으로 공급되지만, 3DP시스템(101)과 달리 재료를 경화시키는 경화장치(250)가 레이저 방식으로 마련되어 있다.
이 레이저 방식의 경화장치(250)는 레이저발생기(251)에서 발생된 레이저빔이 반사미러(255)를 거쳐 빔증폭기(253)에서 증폭된 후, 자체적으로 구동제어되는 갈바미러(254)에서 조사방향 및 촛점위치가 제어되어 3차원 단면데이터에 해당하는 영역의 분말재료에 조사됨으로써, 3차원 조형물(A)의 각 단면에 해당하는 영역의 분말재료를 경화시켜서 단면 적층해 나간다.
한편, SLA(Stereo Lithography Apparatus)시스템(301)은 도 3에 도시된 바와 같이, 조형챔버(330) 내에 수용된 조형테이블(340) 상면에 분포된 광경화성수지의 액면에 레이저를 조사하여 3차원 단면데이터에 해당하는 영역을 경화시켜서 적층해 나가는 방식으로 3차원 조형물(A)을 조형한다. 여기서, SLA시스템(301)의 레이저 경화장치(350)의 구성은 SLS시스템(101)의 경화장치(150)와 마찬가지로 레이저발생기(351)와 반사미러(355)와 빔증폭기(353) 및 갈바미러(354) 등의 구성을 가질 수 있다.
그러나, 이들 SLS시스템과 SLA시스템의 레이저 경화장치는 레이저빔의 조사위치를 갈바미러를 통해 제어함으로써, 레이저빔의 조사위치에 따라 레이저빔의 초점이 다르게 형성된다.
예를 들면, 갈바미러의 반사각 변화에 의한 초첨 위치가 도 4a 및 도 4b의 표시부 "a"와 같은 경우를 기준에서 레이저빔의 초점이 정확한 상으로 형성된다고 가정할 때, 레이저빔의 조사위치를 "b"나"c" 위치로 변경하기 위해 갈바미러의 반사각을 변화시키면 레이저빔의 초점거리가 변화하면서 "a"의 초점(a')과는 타원형상 등으로 초첨이 퍼지는 현상이 발생하여 초점의 정확도가 저하된다.
즉, 종래 SLS시스템과 SLA시스템의 레이저 경화장치에 있어서는, 갈바미러의 반사각 변화와 레이저빔의 초점거리 변화에 따라 경화대상인 소재에 조사되는 레이저빔의 초점이 정확성을 상실하게 되기 때문에, 미세한 초정밀 3차원 조형 특히 나노스케일의 3차원 조형이 매우 어렵다는 단점이 있었다.
다만, 레이저빔의 초점 변화를 최소화하고 비교적 고속으로 재료를 경화시키기 위해서 3차원 단면데이터에서 레이저빔의 조사영역을 분할 한 후, 분할된 영역을 각각 전담하는 다수의 레이저경화장치를 이용하는 멀티레이저 경화방식으로 해결할 수 있지만, 이는 고가의 레이저 기기를 구비해야하므로 3차원 조형시스템의 제작비용을 현격하게 증가시키는 문제를 초래한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 미세한 초정밀 및 나노스케일의 3차원 조형물을 조형할 수 있고, 기기의 제작비용을 절감할 수 있는 3차원 조형시스템의 경화장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 레이저빔을 생성하는 레이저소스와, 상시 레이저소스에서 생성된 레이저빔을 증폭시키는 빔증폭기를 가지며, 3차원 조형시스템의 메인컴퓨터로부터 전달되는 조형될 3차원 조형물의 단면데이터에 근거하여 상기 조형물 소재의 해당 단면영역에 상기 레이저빔을 조사하여 경화시키는 3차원 조형시스템의 경화장치에 있어서, 상기 빔증폭기에서 증폭된 레이저빔을 전달받아 상기 경화대상물로 유도하여 조사하는 광섬유도파관과, 상기 광섬유도파관의 출력단부영역을 상기 조형물 소재의 경화 대상 단면영역으로 일정한 초점거리를 유지하면서 이동시키는 X-Y좌표이동플랫폼을 갖는 광섬유 조사 유닛과, 상기 단면데이터에 근거하여 상기 레이저발생기의 구동 및 상기 X-Y좌표이동플랫폼의 좌표이동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템의 경화장치에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 광섬유 조사 유닛은 상기 광섬유도파관의 입력단부에 마련되어 상기 빔증폭기에서 증폭된 레이저빔을 집광하는 집광렌즈와, 상기 광섬유도파관의 출력단부에 마련되어 광섬유도파관으로 유도된 레이저빔을 상기 경화대상물 표면에 정확한 초점으로 조사하며, 상기 X-Y좌표이동플랫폼에 의해 상기 경화대상 단면 영역으로 좌표 이동하는 초점렌즈를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 초점렌즈는 초점거리 조절이 가능한 것이 효과적이다.
이때, 상기 제어부는 상기 3차원 조형시스템의 구동이 시작되어 상기 조형물 소재가 상기 경화 영역에 공급되면 상기 X-Y좌표이동플랫폼을 이동시켜 상기 초점렌즈의 위치를 설정하고, 상기 레이저발생기를 구동시킨 후 상기 경화 대상 단면 영역으로 상기 초점렌즈가 평면 이동하도록 상기 X-Y좌표이동플랫폼의 구동을 제어한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 3차원 조형시스템의 경화장치 구성도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 조형시스템(10)의 경화장치(1)는 레이저빔을 발생하는 레이저발생기(20)와, 레이저발생기(20)에서 발생되는 레이저빔을 수광하여 경화대상물에 조사시키는 광섬유 조사 유닛(30)과, 레이저발생기(20)의 구동과 광섬유 조사 유닛(30)의 레이저빔 조사 동작을 제어하는 제어부(40)를 포함한다.
레이저발생기(20)는 레이저빔을 생성하는 레이저소스(21)와, 레이저소스(21)에서 생성된 레이저빔을 반사하는 반사미러(25)와, 반사미러에서 반사된 레이저빔을 증폭시켜서 광섬유 조사 유닛(30)으로 전달하는 빔증폭기(23)로 이루어져 있다.
레이저소스(21)는 경화대상물이 유기물 또는 무기물의 분말재료일 경우 CO2레이저빔을 발생하는 레이저소스(21)로 마련될 수도 있으며, 혹은 경화대상물이 UV경화성 레진일 경우 UV레이저빔을 발생하는 레이저소스(21)로 마련될 수도 있다. 물론, 이외에도 경화대상물에 따라서 그에 대응하는 레이저빔을 생성하는 레이저소스(21)로 마련될 수 있다.
반사미러(25)는 레이저소스로부터 전달되는 레이저빔을 수광하여 빔증폭기(23)로 유도한다.
빔증폭기(23)는 레이저소스(21)에서 생성된 레이저빔의 출력을 증폭시키는 것으로서, 빔증폭기(23)에서 증폭된 레이저빔은 후술할 광섬유 조사 유닛(30)의 집광렌즈(31)로 전달된다.
한편, 광섬유 조사 유닛(30)은 빔증폭기(23)에서 증폭된 레이저빔을 집광하는 집광렌즈(31)와, 집광렌즈(31)에서 집광된 레이저빔이 경화대상물로 전달되도록 유도하는 광섬유도파관(35)과, 광섬유도파관(35)으로 유도된 레이저빔을 경화대상물 표면에 정확한 초점으로 조사하는 초점렌즈(37)와, 광섬유도파관(35)의 말단부에 설치된 초점렌즈(37)를 X-Y 좌표 이동시키는 X-Y좌표이동플랫폼(38)을 갖는다.
집광렌즈(31)는 레이저빔의 파장에 의한 손실을 방지하기 위한 것으로서, 광섬유도파관(35)의 유입단부영역에 설치되어 빔증폭기(23)에서 증폭된 레이저빔을 광섬유도파관(35)으로 입사될 수 있도록 집광한다. 이때, 레이저빔이 광섬유도파관(35)으로 안정적으로 입사될 수 있도록 집광렌즈(31)를 X, Y, Z 축으로 미세 유동시키는 렌즈조정기(미도시)를 구비하는 것이 바람직할 수 있다.
광섬유도파관(35)은 X-Y좌표이동플랫폼(38)의 구동에 의한 말단부영역의 유동이 자유로는 유연성을 가지며, 레이저빔이 외부로 손실되지 않는 광섬유로 마련 된다.
초점렌즈(37)는 광섬유도파관(35)의 말단부에 설치되어 광섬유도파관(35)으로 유도된 레이저빔을 정확하고 일정한 초점으로 경화대상물에 조사시킨다. 여기서, 초점렌즈(37)는 복수의 렌즈를 상하 방향으로 설치하고 이들 렌즈간의 거리를 초점링(39) 조절방식 등으로 조절하여 레이저빔의 초점위치를 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이는 기기의 초기 셋팅이나 장시간 사용 후 초점교정 등의 목적으로 사용될 수 있다.
X-Y좌표이동플랫폼(38)은 제어부(40)로부터 전달되는 3차원 단면데이터에 근거하여 초점렌즈(37)와 광섬유도파관(35)의 말단부를 해당 영역으로 X-Y 평면상에서 이동시킨다. 이때, 초점렌즈(37)는 평면이동하기 때문에 도 에 도시된 바와 같이, 초점렌즈(37)와 경화대상물 간의 초점거리는 전혀 변화하지 않으며, 따라서 초점상태도 변화하지 않고 정확한 초점을 유지한다.
제어부(40)는 도 6에 도시된 바와 같이, 3차원 조형시스템(10)의 메인컴퓨터(15)에 미리 입력되어 있는 조형될 3차원 조형물의 단면데이터를 전달받고, 이 단면데이터에 근거하여 레이저발생기(20)의 구동과 X-Y좌표이동플랫폼(38)의 좌표이동을 제어한다. 즉, 제어부(40)는 3차원 조형시스템(10)의 구동이 시작되어 조형테이블(14) 상에 소정의 단면층으로 경화대상물인 소재가 공급되면 경화대상영역으로 X-Y좌표이동플랫폼(38)을 이동시켜 초점렌즈(37)의 위치를 설정한 후, 레이저발생기(20)를 구동시키면서 해당 단면영역으로 X-Y좌표이동플랫폼(38)을 이동시킴으로 써 경화대상영역의 소재를 경화시켜 나간다.
이러한 구성에 의해서, 도 6 내지 도7a 및 도 7b를 참고하여 본 발명에 따른 3차원 조형시스템(10)의 경화장치(1)를 이용한 3차원 조형물의 조형과정을 설명한다. 이때, 3차원 조형시스템(10)은 SLS(Selective Laser Sintering)방식의 시스템을 예로 하여 설명하기로 한다.
3차원 조형시스템(10)의 구동이 시작되면, 조형시스템(10)의 메인컴퓨터(15)는 조형될 3차원 단면데이터를 경화장치(1)의 제어부(40)로 전달한다.
그리고, 메인컴퓨터(15)는 조형시스템(10)의 구동을 제어하여 소재수용챔버(11) 내부에 수용된 분말재료가 소재공급롤러(12)(혹은 브레이드)에 의해 조형챔버(13)의 조형테이블(14)로 3차원 조형물의 단면데이터 중 제1단면 두께만큼 공급되도록 한다.
조형테이블(14) 상에 제1단면 두께만큼의 분말재료가 공급되면, 제어부(40)는 X-Y좌표이동플랫폼(38)을 구동시켜서 광섬유도파관(35)의 말단부와 초점렌즈(37)를 조형될 3차원 조형물의 제1단면에 해당하는 영역으로 이동시킨다.
그런 다음, 제어부(40)는 레이저발생기(20)를 구동시켜서 레이저빔이 집광렌즈(31)와 광섬유도파관(35) ?? 초점렌즈(37)를 통해 분말재료에 조사되도록 한다. 그리고, 제어부(40)는 레이저빔이 조사되는 상태에서 X-Y좌표이동플랫폼(38)을 제1단면에 해당하는 영역으로 이동시킨다. 이에 의해, 조형될 3차원 조형물의 제1단면에 해당하는 영역의 분말재료 경화가 완료된다. 이때, 초점렌즈(37)와 분말재료 의 초점거리는 도 7a,도 7b에 도시된 바와 같이, X-Y좌표이동플랫폼(38)의 평면이동에 의해 항상 동일하게 유지되며, 이에 의해, 레이저빔이 정확한 초점을 유지하면서 해당영역을 정밀하게 경화시킨다.
제1단면의 분말재료 경화가 완료되면, 제어부(40)는 레이저발생기(20)의 구동을 정지시키고, 제1단면 경화 완료신호를 조형시스템(10)의 메인컴퓨터(15)로 전달한다. 그러면, 메인컴퓨터(15)는 조형테이블(14)을 제2단면두께만큼 하강시킨 다음, 소재수용챔버(11) 내부에 수용된 분말재료가 조형테이블(14)의 제1단면 상부에 제2단면 두께만큼 공급되도록 조형시스템(10)의 구동을 제어한다.
조형테이블(14) 상에 제2단면 두께만큼의 분말재료가 공급되면, 제어부(40)는 전술한 바와 마찬가지로 X-Y좌표이동플랫폼(38)을 구동시켜서 광섬유도파관(35)의 말단부와 초점렌즈(37)를 조형될 3차원 조형물의 제2단면에 해당하는 영역으로 이동시킨다.
그런 다음, 제어부(40)는 레이저발생기(20)와 X-Y좌표이동플랫폼(38)의 구동을 제어하여 제2단면에 해당하는 영역의 분말재료를 경화시킨다. 이때, 제2단면 영역의 분말재료는 경화되어 있는 제1단면과 일체로 적층된다.
이러한 과정으로 3차원 조형물의 각 단면층에 해당하는 영역의 분말재료를 경화시켜 단면 적층해 나가면 최종적으로 3차원조형물이 조형된다.
이와 같이, 유동의 유연성을 갖는 광섬유도파관을 이용하여 레이저빔을 유도하여 초점렌즈를 통해 경화대상물로 조사되도록 하고, 초점렌즈를 초점거리 변화없이 조사영역으로 평면이동 할 수 있도록 함으로써, 경화대상물로 조사되는 레이저빔의 초점을 항상 일정하게 유지할 수 있다. 따라서, 미세한 초정밀 3차원 조형 특히 나노스케일의 3차원 조형물을 조형할 수 있다.
또한, 레이저빔의 초점이 항상 일정하고도 정확하게 유지되기 때문에, 종래 레이저 경화장치에서 초점거리 변화를 최소화하기 위해 사용하던 멀티레이저 경화방식을 고려하지 않아도 된다. 따라서, 3차원 조형시스템의 제작비용을 현격하게 절감할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 미세한 초정밀 및 나노스케일의 3차원 조형물을 조형할 수 있고, 기기의 제작비용을 절감할 수 있는 3차원 조형시스템의 경화장치가 제공된다.

Claims (4)

  1. 레이저빔을 생성하는 레이저소스와, 상시 레이저소스에서 생성된 레이저빔을 증폭시키는 빔증폭기를 가지며, 3차원 조형시스템의 메인컴퓨터로부터 전달되는 조형될 3차원 조형물의 단면데이터에 근거하여 상기 조형물 소재의 해당 단면영역에 상기 레이저빔을 조사하여 경화시키는 3차원 조형시스템의 경화장치에 있어서,
    상기 빔증폭기에서 증폭된 레이저빔을 전달받아 상기 경화대상물로 유도하여 조사하는 광섬유도파관과, 상기 광섬유도파관의 출력단부영역을 상기 조형물 소재의 경화 대상 단면영역으로 일정한 초점거리를 유지하면서 이동시키는 X-Y좌표이동플랫폼을 갖는 광섬유 조사 유닛과,
    상기 단면데이터에 근거하여 상기 레이저발생기의 구동 및 상기 X-Y좌표이동플랫폼의 좌표이동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템의 경화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 조사 유닛은
    상기 광섬유도파관의 입력단부에 마련되어 상기 빔증폭기에서 증폭된 레이저빔을 집광하는 집광렌즈와,
    상기 광섬유도파관의 출력단부에 마련되어 광섬유도파관으로 유도된 레이저빔을 상기 경화대상물 표면에 정확한 초점으로 조사하며, 상기 X-Y좌표이동플랫폼 에 의해 상기 경화대상 단면 영역으로 좌표 이동하는 초점렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템의 경화장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초점렌즈는 초점거리 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템의 경화장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 3차원 조형시스템의 구동이 시작되어 상기 조형물 소재가 상기 경화 영역에 공급되면 상기 X-Y좌표이동플랫폼을 이동시켜 상기 초점렌즈의 위치를 설정하고, 상기 레이저발생기를 구동시킨 후 상기 경화 대상 단면 영역으로 상기 초점렌즈가 평면 이동하도록 상기 X-Y좌표이동플랫폼의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 조형시스템의 경화장치.
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