KR100880593B1 - 적층조형 장치 - Google Patents

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KR100880593B1
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syringe
extrusion
laminated
curing
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김승언
윤희숙
현용택
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 페이스트 또는 젤 상태의 재료를 주사기에 장입하고, 3축이송장치에 주사기를 장착하여 재료를 압출한 후 송풍 경화함으로써 구조물이 형성되도록 한 적층조형 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 적층조형 장치는, 고분자, 세라믹스, 금속 중 하나 이상과 용매 또는 매체를 포함하는 페이스트 상태의 재료를 압출하는 압출수단(120)과, 상기 압출수단(120)에 의해 압출된 재료가 적층 성형되는 스테이지(140)와, 상기 압출수단(120) 및 스테이지(140)를 3차원적으로 이송하는 로봇(150)과, 상기 로봇(150)의 움직임을 제어하는 컴퓨터(160)와, 압출된 재료 표면의 용매 또는 매체를 풍력으로 증발시켜 경화하는 경화수단(180)과, 경화시에 단면적이 감소한 재료와 압출수단(120) 사이의 거리가 일정하게 유지되도록 스테이지(140)의 높이를 보정하는 높이보정수단(142)을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다. 이와 같은 구성에 의하면, 적층조형 장치의 관리가 용이하며 구조물 제조원가가 절감되는 이점이 있다.
3차원 적층 조형, 페이스트, 주사기, 압출, 송풍 경화, 가변형 샘플 스테이지

Description

적층조형 장치{A layer manufacturing apparatus}
도 1 은 본 발명에 의한 적층조형 장치의 외관 구성을 보인 전방 사시도.
도 2 는 본 발명에 의한 적층조형 장치를 이용한 구조물 제조방법을 나타낸 제조 공정도.
도 3 은 본 발명에 의한 적층조형 장치를 이용한 구조물 제조방법에서 일 구성인 구조물성형단계를 세부적으로 나타낸 공정도.
도 4 는 본 발명에 의한 적층조형 장치를 이용하여 제조된 폴리카프로락톤- 하이드록시아파타이트 복합 구조물의 형상을 나타낸 사진.
도 5 는 본 발명에 의한 적층조형 장치를 이용하여 제조된 타이타늄 다공성 구조물의 형상을 나타낸 사진.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100. 적층조형 장치 120. 압출수단
122. 스크류 124. 유동블럭
125. 설치블럭 126. 주사기
140. 스테이지 142. 높이보정수단
150. 로봇 152. X축가이드
154. Y축가이드 156. Z축가이드
160. 컴퓨터 180. 경화수단
182. 송풍기 184. 덕트
S1. 구조물 S2. 구조물
S100. 재료장입단계 S200. 주사기설치단계
S300. 구조물성형단계 S320. 재료압출과정
S340. 주사기이송과정 S360. 경화과정
S380. 스테이지이송과정
본 발명은 적층조형 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 페이스트 또는 젤 상태의 재료를 주사기에 장입하고, 3축이송장치에 주사기를 장착하여 재료를 압출한 후 송풍 경화함으로써 구조물이 형성되도록 한 적층조형 장치에 관한 것이다.
적층조형(Prototyping)은 제품 개발에 필요한 시제품을 단시간 내에 제작할 수 있도록 하기 위해 시작된 것으로, 쾌속조형(Rapid Prototyping)으로 발전되었으며, 3차원 CAD 소프트웨어에서 디자인된 데이터를 이용하여 복합재료를 한 층 한 층 쌓아서 제품을 단 한번에 만들어 내는 기술이다.
이러한 쾌속조형 기술 분야에서 가장 널리 사용되고 있는 방법 중 하나로는 융착조형법 (FDM: Fused Deposition Modelling)을 들 수 있다.
FDM 방식은 가는 노즐(extrusion nozzle)로 필라멘트를 압출하여 가는 선 모양으로 면상에 주사시킴으로써 적층 조형하는 방식이다. ABS나 나일론 등 범용 수지를 사용할 수 있고, 금속조형물이나 기능 체크를 필요로 하는 수지부품의 용도로 응용되고 있다.
그러나, 이러한 FDM 방식은 재료를 필라멘트 형태로 가공해야 하고, 노즐을 통해 재료를 용융상태로 밀어내기 위해 가열장치가 필요하다. 따라서 사용 재료가 용융상태에서 점성이 높은 열가소성 고분자로 제한적인 단점이 있다.
또한 재료를 높은 온도로 가열하게 되면, 열적 물성 변화에 민감한 고분자 재료의 경우 열 변형이 수반될 수 있고, 특히 최근 쾌속조형 기술의 생체조직공학 분야 응용에서 중요한 세포, 성장인자, 약물 등과 같이 열이 가해지면 변질되거나 기능이 무효화되는 생물학적, 의학적인 재료는 적용할 수 없다.
최근 원재료 필라멘트를 준비하지 않으며, 가열장치도 필요 없는 개량된 FDM 방법들이 제안되고 있는데, 재료를 적정한 용매를 사용하여 녹인 후 용액, 젤, 슬러리, 페이스트 상태로 만들어 카트리지 내에 넣고 압력을 주어 노즐을 통해 재료를 압출하여 층층이 쌓아서 3차원 구조물을 제조하는 것이다.
그 중 대표적인 몇 가지 예를 보면, 저온용착(LDM : Low-temperature Deposition Manufacturing), 가압미세주사기(PAM : Pressure-assisted Microsyringe), 3D 플로터(3D-plotter) 등의 방법이 있다.
LDM법은 용액 또는 수용액 상태의 재료를 가스압이나 스크류 방식으로 노즐 을 통해 밀어내어 적층 조형하는 방식으로서 재료의 경화는 용매나 수분을 증발시키거나, 응고제를 첨가하여 응고시키거나 영하의 온도로 냉각시키는 방법을 이용한다 (US Patent Application Publication, US2002/0074693, 2002; Z. Xiong et al., Scripta Materialia, 46, 2002, 771-776).
PAM법은 용액 상태의 재료를 스테인리스강 미세주사기 내의 glass capillary needle에 장입하고 공기압으로 밀어내어 적층 조형하는 방식으로서 상온의 공기 중에서 적층 재료를 경화시킨다 (G. Vozzi et al. Tissue Engineering, 8, 2002, 1089-1098).
3D-plotter법은 액체, 젤, 페이스트 상태의 재료를 디스펜서 카트리지에 넣고, 공기압으로 밀어내어 적층 조형하는 방식으로서 재료의 경화는 액상 또는 젤 상태의 매체(medium) 중에서 이루어진다 (US Patent, 6,942,830, 2005).
그러나, 상기의 방법들은 공통적으로 카트리지나 특수주사기를 사용하는데, 작업 후 재료가 내부에 남아 완전히 제거하기 어려운 경우에는 용기를 폐기하고 새것으로 교체하여 작업해야 하므로 비용이 많이 들고, 대부분 공기압으로 가압하여 재료를 압출하므로 압출량 제어의 정확성이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 압출한 재료의 경화 방식에 있어 공기 중에 방치하거나, 매체를 사용함으로써 작업 효율이 저하되어 생산성이 저하되는 단점이 있다.
뿐만 아니라, 노즐과 적층 구조물 간의 간격은 프로그램에서 초기에 설정한 값을 그대로 유지하기 때문에 압출된 구조물이 경화되면서 직경의 변화가 생길 때 발생하는 노즐과 적층 구조물 간의 실제 간격 변화를 보정해 주지 못하는 단점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 페이스트 또는 젤 상태의 재료를 일반적으로 의료용으로 사용하는 주사기에 장입하고 압출 성형하여, 카트리지의 비용 부담을 감소시킴으로써 제조 원가를 절감하고 적층조형 장치의 관리가 용이하도록 한 적층조형 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 적층조형 장치 일측에 높이보정수단을 구비하여 압출 후 경화된 재료와 노즐 사이의 높이 편차를 보정함으로써 압출 성형의 정밀도가 향상되도록 한 적층조형 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 적층조형 장치 일측에 경화수단을 구비하여 압출된 재료의 형상을 유지한 상태로 경화가 이루어지도록 함으로써 생산성이 향상되도록 한 적층조형 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의한 적층조형 장치는, 재료를 압출하는 압출수단과, 상기 압출수단에 의해 압출된 재료가 적층 성형되는 스테이지와, 상기 압출수단 및 스테이지의 직선 왕복 운동을 제어하는 로봇과, 상기 로봇의 움직임을 제어하는 컴퓨터와, 상기 압출수단에서 압출되는 재료를 경화시키는 경화수단을 포함하여 구성됨을 특징 으로 한다.
상기 압출수단은, 스크류의 회전 방향에 따라 직선 왕복 운동하는 유동블럭과, 상기 유동블럭의 직선 왕복 운동시에 스크류로부터 운동에너지를 제공받아 재료를 압출하는 주사기와, 상기 주사기가 설치되는 설치블럭을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 스테이지의 일측에는, 상기 스테이지의 높이를 조절하기 위한 높이보정수단이 구비됨을 특징으로 한다.
상기 경화수단은, 공기 유동을 발생하는 송풍기와, 상기 송풍기에서 발생한 공기 유동을 상기 압출수단 하측으로 안내하는 덕트를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 로봇 일측에는, 상기 스테이지의 전/후 방향 왕복운동을 안내하는 X축가이드와, 상기 압출수단의 좌/우 방향 왕복운동을 안내하는 Y축가이드와, 상기 압출수단의 상/하 방향 왕복 운동을 안내하는 Z축가이드가 구비됨을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 적층조형 장치를 이용한 구조물 제조방법은, 주사기 내부에 준비된 재료를 장입하는 재료장입단계와, 상기 재료가 장입된 주사기를 압출수단에 설치하는 주사기설치단계와, 상기 주사기 내부의 재료를 스테이지 상면에 압출하여 구조물을 성형하는 구조물성형단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 재료장입단계에서, 상기 재료는 고분자, 세라믹스, 금속 또는 이들의 복합재료를 용매 또는 매체를 사용하여 페이스트 또는 젤 상태인 것을 특징으로 한다.
상기 구조물성형단계는, 상기 스크류의 회전에 따라 상/하로 이동하는 유동블럭으로부터 힘을 제공받아 주사기의 플런저를 가압함으로써 주사기 내부의 재료가 압출되는 재료압출과정과, 상기 컴퓨터에 의해 동작 제어되는 로봇에 의해 주사기를 X축가이드, Y축가이드 및 Z축가이드를 따라 이동시키는 주사기이송과정과, 경화수단을 작동시켜 상기 주사기와 스테이지 사이로 공기가 토출되도록 하는 경화과정과, 상기 스테이지에 재료가 적층됨에 따라 주사기 하단과 스테이지 상면에 안착된 재료의 상면 사이 간격을 보정하는 스테이지이송과정을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 경화과정은, 상기 0℃ 이상 100℃ 미만의 공기를 토출하는 과정임을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따르면, 적층조형 장치의 관리가 용이하며 구조물 제조원가가 절감되는 이점이 있다.
이하 본 발명에 의한 적층조형 장치의 바람직한 실시예의 구성을 첨부된 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명에 의한 적층조형 장치의 외관 구성을 보인 전방 사시도가 도시되어 있다.
도면과 같이, 적층조형 장치(100)는 크게 재료를 압출하는 압출수단(120)과, 상기 압출수단(120)에 의해 압출된 재료가 적층 성형되는 스테이지(140)와, 상기 압출수단(120) 및 스테이지(140)의 직선 왕복 운동을 제어하는 로봇(150)과, 상기 로봇(150)의 움직임을 제어하는 컴퓨터(160)와, 상기 압출수단(120)에서 압출되는 재료를 경화시키는 경화수단(180)을 포함하여 구성된다.
상기 압출수단(120)은 스크류(122)의 회전 방향에 따라 유동블럭(124)을 상/하 이동시켜 재료가 압출되도록 하는 것으로, 도시되진 않았지만 상기 스크류(122)의 상단에는 스크류(122)에 회전동력을 제공하기 위한 구동모터가 구비됨이 바람직하다.
여기서 상기 재료는 고분자, 세라믹스, 금속 또는 이들의 복합재료를 적절한 용매 또는 매체를 사용하여 페이스트 또는 젤 상태로 만들어 형성된 것이다.
상기 유동블럭(124)의 하측에는 유동블럭(124)의 상/하 운동시에 스크류(122)로부터 운동에너지를 제공받아 내부에 장입된 재료를 압출하는 주사기(126)가 구비된다. 상기 주사기(126)는 내부의 재료가 압출 소진된 후 내부에 남아있는 재료를 세척하지 않아도 되도록 일회용 주사기(126)가 적용되며, 폴리스티렌 또는 플라스틱 재질로 형성된다.
상기 유동블럭(124)의 하측에는 상기 주사기(126)의 하부를 지지하여 상기 주사기(126)의 움직임을 제한하는 설치블럭(125)이 구비된다. 상기 설치블럭(125)은 주사기(126)의 외주면을 감싸거나 단차진 하단부를 상방향으로 지지하여 상기 유동블럭(124)의 움직임에 의해 주사기(126)의 플런저가 하방향으로 눌러질 때 주사기(126)가 움직이지 않도록 하는 구성이다.
따라서, 내부에 재료가 장입된 주사기(126)가 설치블럭(125)에 고정되고 상기 주사기(126)의 플런저와 유동블럭(124)이 서로 접촉한 상태에서 상기 스크류(122)가 회전하여 유동블럭(124)을 하방향으로 이동시키게 되면 상기 주사 기(126) 내부에 장입된 재료는 하방향으로 압출될 수 있게 된다.
상기 압출수단(120)으로부터 이격된 하측에는 스테이지(140)가 구비된다. 상기 스테이지(140)는 주사기(126)에서 압출된 재료가 적층되어지는 곳으로, 상면은 평평하게 형성된다.
그리고, 상기 스테이지(140)의 우측에는 높이보정수단(142)이 구비된다. 상기 높이보정수단(142)은 스테이지(140)의 상면에 재료가 적층됨에 따라 주사기(126)의 하단부와 스테이지(140)의 상면이 서로 근접하게 됨으로써 발생되는 가공 불량을 방지하기 위한 것으로, 사용자의 조작에 의해 상기 스테이지(140)의 높이를 조절할 수 있도록 구성된다.
또한, 상기 높이보정수단(142)은 사용편의성을 높이기 위해 사용자가 직접 조작하지 않고 자동으로 조절되도록 구성 가능하다.
즉, 상기 설치블럭(125)에 근접센서(미도시)를 장착하고 스테이지(140)에는 근접센서와 연동하는 높이조절용모터(미도시)를 설치함으로써 가능하다.
보다 상세하게는, 상기 근접센서가 스테이지(140) 상면과의 거리를 감지하여 상기 컴퓨터(160)로 전송하고, 상기 컴퓨터(160)는 수신받은 감지거리를 미리 설정된 이격거리와 비교하여 상기 높이조절용모터를 구동시킴으로써 상기 스테이지(140)의 상면(재료가 압출된 경우 재료의 상면)과 근접센서와의 거리가 일정하게 유지되도록 구성할 수도 있다.
한편, 상기 스테이지(140)는 전/후 방향으로 직선 왕복 운동 가능하게 설치된다. 즉, 상기 스테이지(140)는 로봇(150)의 본체 상면에 전/후방향으로 길게 설 치된 X축가이드(152)를 따라 전/후 방향으로 직선 왕복 운동하도록 구성된다.
그리고, 상기 스테이지(140)는 압출수단(120)의 좌/우방향(Y축) 및 상/하방향(Z축) 운동에 의해 주사기(126)에 대하여 3차원으로 움직이게 된다.
즉, 상기 로봇(150)의 후단부에는 상기 압출수단(120)을 지지함과 동시에 상기 압출수단(120)의 좌/우방향 또는 상/하방향 움직임을 안내하는 Y축가이드(154) 및 Z축가이드(156)가 구비된다.
보다 상세하게는 상기 Y축가이드(154) 는 로봇(150)의 상면 후단에서 상방향으로 일정 간격 이격된 위치에서 좌/우로 길게 고정 설치되며, 상기 Y축가이드(154) 에 대하여 상/하방향으로 직교하도록 Z축가이드(156)가 구비된다. 그리고, 상기 Z축가이드(156)는 Y축가이드(154) 를 따라 좌/우 방향으로 이동 가능하며, 상기 압출수단(120)은 Z축가이드(156)를 따라 상/합 방향으로 이동 가능하다.
따라서, 상기 X축가이드(152)에 의해 스테이지(140)가 이동하고, Y축가이드(154) 및 Z축가이드(156)에 의해 압출수단(120)이 이동하게 되면 상기 스테이지(140)의 상면은 주사기(126)에 대하여 3축 방향으로 이동 가능하게 된다.
상기 로봇(150)은 컴퓨터(160)에 의해 작동이 제어된다. 즉, 상기 컴퓨터(160)는 스테이지(140)와 압출수단(120)이 X축가이드(152)와 Y축가이드(154) 및 Z축가이드(156)를 따라 이동하도록 이동 방향을 제어하게 된다.
따라서, 상기 컴퓨터(160)에는 주사기(126)의 이동 경로가 미리 설정되어 있으며, 로봇(150)은 컴퓨터(160)로부터 이동 경로에 대한 정보를 제공받아 이동하면서 3차원 형상의 구조물을 적층 가능한 것이다.
한편, 상기 스테이지(140)와 압출수단(120) 사이에는 경화수단(180)이 구비된다. 상기 경화수단(180)은 주사기(126)에서 압출되어 스테이지(140) 상측에 형상화되는 재료를 공냉하기 위한 것으로, 상기 컴퓨터(160)의 후방에 설치된 송풍기(182)와 상기 송풍기(182)에서 송풍된 기류를 상기 스테이지(140) 상측으로 안내하는 덕트(184)를 포함하여 구성된다.
따라서, 상기 송풍기(182)가 내부에 구비된 팬모터 및 송풍팬을 회전시켜 풍력을 발생하게 되면, 이러한 풍력에 의한 기류는 덕트(184)를 따라 유동하여 상기 스테이지(140) 상측에 성형되는 재료를 경화시키게 된다.
그리고, 상기 경화수단(180)은 압출된 재료의 단면적 변화를 최소화할 수 있도록 하는 역할도 동시에 수행한다. 즉, 상기 경화수단(180)에 의해 송풍된 공기는 재료 표면의 용매 또는 매체를 급속히 증발시켜 재료의 표면을 경화시키게 된다.
따라서, 상기 주사기(126)를 빠져나온 재료의 단면 형상은 원형을 유지하게 되며, 외면이 경화된 재료는 스테이지(140) 상면에 안착하더라도 단면 형상이 타원형 등으로 변형하지 않고 원형을 유지할 수 있게 된다.
그리고, 상기 스테이지(140)에 재료가 적층되는 과정에서 서로 포개진 부분에는 재료에 포함된 용매 또는 매체 성분이 접착제 역할을 수행하여 적층 형성된 구조물이 층별로 분리되지 않게 된다.
한편, 적층된 구조물은 경화되면서 단면 형상(원형)은 유지하나 수축에 의한 단면적의 감소가 수반되므로 상기 높이보정수단(142)은 재료 한 층이 적층될 때마다 스테이지(140) 높이를 일정한 높이만큼 상승시키는 것이 아니라, 주사기(126) 하단과 재료 상면의 간격이 일정하게 유지되는 범위 내에서 작업자가 직접 높이조절을 실시하게 된다.
이하에서는 상기와 같이 구성되는 적층조형 장치를 이용한 구조물을 제조하는 방법을 첨부된 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
먼저, 상기 유동블럭(124)으로부터 분리된 주사기(126) 내부에 준비된 재료를 장입하는 재료장입단계(S100)가 실시된다.
이후 상기 재료가 장입된 주사기(126)를 압출수단(120)에 설치하는 주사기설치단계(S200)가 진행된다. 보다 정확하게는 상기 설치블럭(125)에 주사기(126)가 고정되도록 설치하게 된다.
이때, 상기 주사기(126)의 플런저(미도시)는 유동블럭(124)과 접촉한 상태를 유지하도록 한다.
이후 상기 스크류(122)를 작동시켜 주사기(126) 내부의 재료를 스테이지(140) 상면에 압출하여 구조물(S1)을 성형하는 구조물성형단계(S300)가 실시된다. 상기 구조물성형단계(S300)는 다수 과정을 포함하여 구성된다.
즉, 상기 구조물성형단계(S300)는 도 3과 같이, 상기 스크류(122)의 회전에 따라 상/하로 이동하는 유동블럭(124)으로부터 힘을 제공받아 플런저를 가압함으로써 주사기(126) 내부의 재료가 압출되는 재료압출과정(S320)과, 상기 컴퓨터(160)에 의해 동작 제어되는 로봇(150)에 의해 X축가이드(152), Y축가이드(154) 및 Z축가이드(156)를 따라 이동하는 주사기이송과정(S340)과, 상기 경화수단(180)을 작동시켜 공기를 토출하는 경화과정(S360)과, 상기 스테이지(140)에 재료가 적층됨에 따라 주사기(126) 하단과 스테이지(140) 상면 간의 높이를 보정하는 스테이지이송과정(S380)을 포함하여 구성된다.
상기 경화과정(S360)은 상기 덕트(184) 선단의 위치를 상기 주사기(126)와 스테이지(140) 사이로 맞추고 공기를 토출하여 주사기(126)로부터 토출되는 재료 및 스테이지(140)에 안착되는 재료의 표면을 경화하는 과정이다.
이때 토출되는 공기의 온도는 0℃ 이상 100℃ 미만의 범위 내에서 적용 가능하며, 20℃ 이상 50℃ 미만은 보다 바람직하다.
따라서, 상기 경화과정(S360)에 의해 상기 재료는 형상이 변형되지 않고 원형을 유지할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시 예의 과정을 설명한다.
<실시예 1>
폴리카프로락톤을 클로로포름에 용해하여 고분자 용액을 제조하였고, 이때 용액의 농도는 10~40%w/v 범위에서 제어하였다. 하이드록시아파타이트 분말을 고분자 용액에 넣어 균일하게 혼합하여 페이스트 상태의 재료를 만들었다.
상기 주사기(126) 내부에 페이스트 재료를 장입한(S100) 후 압출수단(120)에 장착하였다(S200). 사용한 주사기(126) 용량은 5 ml, 주사바늘의 안지름은 0.45 mm였다.
주사기(126) 내의 재료는 컴퓨터(160)로부터 동작 제어된 구동모터로부터 회전동력을 전달받은 스크류(122)의 회전에 따라 유동블럭(124)이 상/하 이동됨으로써 스테이지(140) 상면에 압출된다.
상기 재료의 압출속도는 50 ㎕/min로 제어하였다. 그리고 압출된 페이스트 재료는 경화수단(180)의 송풍에 의해 경화(S360)되었으며, 페이스트 재료의 압출과 병행하여 주사기(126)는 컴퓨터(160)의 프로그램에 의해 X-Y 축을 이동하면서 적층물의 형상을 구현하였다.(S300)
X-Y 면상의 적층물 형상이 완성되면, 주사기(126)는 상방향으로 적층물의 직경만큼 이동하여 압출 적층 조형 작업(S380)이 진행되었다. 이때 적층물의 경화 수축에 따른 단면적 변화로 인해 주사기(126) 하단과 적층물 간의 간격의 변화를 보정해 주기 위해 상기 높이보정수단(142)을 이용하여 스테이지(140)의 높이를 보정하였다.
상기와 같은 과정으로 제조된 구조물(S1)은 도 4에 도시되어 있다. 즉, 도 4의 좌측 사진은 구조물(S1)의 상측에서 촬영한 사진이며, 도 4의 우측 사진은 구조물(S1)의 종단면 모습을 촬영한 사진이다.
사진과 같이 적층된 구조물(S1)의 단면은 원형을 그대로 잘 유지하고 있음을 알 수 있다.
<실시예 2>
폴리카프로락톤을 클로로포름에 용해하여 고분자 용액을 제조하였고, 이때 용액의 농도는 10~40%w/v 범위에서 제어하였다. 순 타이타늄 분말을 고분자 용액에 넣어 균일하게 혼합하여 페이스트 상태의 재료를 만들었다. 이후는 폴리카프로락톤과 타이타늄 복합 페이스트 재료를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 3차원 적 층조형 구조물(도 5의 도면 부호 S2)을 제조하였다.
상기와 같은 구조물(S2)을 제조함으로써 본 발명이 금속-고분자 복합 구조물 제조에도 적용 가능함을 알 수 있다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 많은 변형이 가능할 것이다.
예를 들어 본 발명의 일실시예에서는, 유동블럭(124)에 한 개의 주사기(126)가 설치되도록 구성하였으나, 필요에 따라서는 다수 주사기(126)가 설치되도록 구성할 수도 있음은 자명하다.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 3차원 적층조형 구조물을 제조함에 있어서 일반주사기가 적용된다.
따라서, 종래의 기술에 비해 경제성, 편리성 측면에서 유리하고 다양한 재료를 적용 가능한 이점이 있다.
또한, 본 발명에서는 압출되는 재료의 표면을 경화하기 위한 경화수단이 더 구비된다.
따라서, 조형시간이 현저히 단축되므로 생산성이 향상되는 이점이 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에서는 경화된 재료의 두께를 보정하기 위한 높이보정수단이 구비된다.
따라서, 제품 성형시 제품 형상에 신뢰성을 높일 수 있게 되며, 다공성 3차 원 구조물을 용이하게 제조 가능한 이점이 있다.

Claims (9)

  1. 고분자, 세라믹스, 금속 중 하나 이상과 용매 또는 매체를 포함하는 페이스트 상태의 재료를 압출하는 압출수단과,
    상기 압출수단에 의해 압출된 재료가 적층 성형되는 스테이지와,
    상기 압출수단 및 스테이지를 3차원적으로 이송하는 로봇과,
    상기 로봇의 움직임을 제어하는 컴퓨터와,
    압출된 재료 표면의 용매 또는 매체를 풍력으로 증발시켜 경화하는 경화수단과,
    경화시에 단면적이 감소한 재료와 압출수단 사이의 거리가 일정하게 유지되도록 스테이지의 높이를 보정하는 높이보정수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 적층조형 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압출수단은,
    스크류의 회전 방향에 따라 직선 왕복 운동하는 유동블럭과,
    상기 유동블럭의 직선 왕복 운동시에 스크류로부터 운동에너지를 제공받아 보관된 재료를 압출하는 주사기와,
    상기 주사기가 설치되는 설치블럭을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 적층조형 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 높이보정수단은,
    상기 재료의 상단과 주사기의 하단 사이의 거리를 감지하는 근접센서와,
    상기 근접센서와 연동하여 스테이지의 높이를 조절하는 높이조절용모터를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 적층조형 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 컴퓨터는,
    상기 근접센서로부터 제공받은 감지거리와 미리 설정된 이격거리를 비교하여 상기 높이조절용모터를 선택적으로 구동함으로써 감지거리와 이격거리가 동일하게 유지되도록 함을 특징으로 하는 적층조형 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 로봇 일측에는,
    상기 스테이지의 전/후 방향 왕복운동을 안내하는 X축가이드와,
    상기 압출수단의 좌/우 방향 왕복운동을 안내하는 Y축가이드와,
    상기 압출수단의 상/하 방향 왕복 운동을 안내하는 Z축가이드가 구비됨을 특징으로 하는 적층조형 장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 경화수단은,
    공기 유동을 발생하는 송풍기와,
    상기 송풍기에서 발생한 공기 유동을 상기 압출수단 하측으로 안내하는 덕트를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 적층조형 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 경화수단은,
    상기 스테이지에 적층된 재료와 주사기에서 압출된 재료의 단면 형상을 동일하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 적층조형 장치.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 주사기는 1회용주사기인 것을 특징으로 하는 적층조형 장치.
  9. 삭제
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016006930A1 (ko) * 2014-07-10 2016-01-14 고려대학교 산학협력단 매크로／마이크로 이중기공구조형 3차원 다공성 지지체의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 매크로/마이크로 이중기공구조형 3차원 다공성 지지체
KR20160087579A (ko) 2015-01-14 2016-07-22 한양대학교 에리카산학협력단 3차원 조형 장치
KR20170006275A (ko) 2015-07-07 2017-01-17 이경연 터치센서
KR101712433B1 (ko) * 2015-12-11 2017-03-06 주식회사 시티일렉 3d 프린터용 노즐의 냉각 시스템
KR101733884B1 (ko) * 2015-10-14 2017-05-24 이수연 3d 프린터
KR20200057986A (ko) 2018-11-19 2020-05-27 주식회사 엠쏘텍 라이다 스캐닝 장치
IT202100021092A1 (it) * 2021-08-04 2023-02-04 3Festo S R L Materiali pastosi compositi per estrusione, e sistema di estrusione per tali materiali con controllo di umidità e ricottura
US11577455B2 (en) 2012-08-29 2023-02-14 Continuous Composites Inc. Method and apparatus for continuous composite three-dimensional printing
KR20230102517A (ko) * 2021-12-30 2023-07-07 (주)광림정공 복합섬유 제조장치 및 복합섬유 제조방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07108610A (ja) * 1993-10-12 1995-04-25 Shigeo Sato 立体造形装置
KR19980072721A (ko) * 1997-03-07 1998-11-05 박원훈 광경화수지 액적을 사용한 신속 제작 기구 및 방법
JP2001030696A (ja) * 1999-07-21 2001-02-06 Sony Corp 造形装置及び造形方法
KR100771169B1 (ko) 2006-05-03 2007-10-29 한국과학기술원 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치 및 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07108610A (ja) * 1993-10-12 1995-04-25 Shigeo Sato 立体造形装置
KR19980072721A (ko) * 1997-03-07 1998-11-05 박원훈 광경화수지 액적을 사용한 신속 제작 기구 및 방법
JP2001030696A (ja) * 1999-07-21 2001-02-06 Sony Corp 造形装置及び造形方法
KR100771169B1 (ko) 2006-05-03 2007-10-29 한국과학기술원 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치 및 방법

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11945160B2 (en) 2012-08-29 2024-04-02 Continuous Composites Inc. Method and apparatus for continuous composite three-dimensional printing
US11926094B2 (en) 2012-08-29 2024-03-12 Continuous Composites Inc. Method and apparatus for continuous composite three-dimensional printing
US11964426B2 (en) 2012-08-29 2024-04-23 Continuous Composites Inc. Method and apparatus for continuous composite three-dimensional printing
US11590699B2 (en) 2012-08-29 2023-02-28 Continuous Composites Inc. Method and apparatus for continuous composite three-dimensional printing
US11577455B2 (en) 2012-08-29 2023-02-14 Continuous Composites Inc. Method and apparatus for continuous composite three-dimensional printing
WO2016006930A1 (ko) * 2014-07-10 2016-01-14 고려대학교 산학협력단 매크로／마이크로 이중기공구조형 3차원 다공성 지지체의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 매크로/마이크로 이중기공구조형 3차원 다공성 지지체
KR101607655B1 (ko) * 2014-07-10 2016-03-31 고려대학교 산학협력단 매크로／마이크로 이중기공구조형 3차원 다공성 지지체의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 매크로/마이크로 이중기공구조형 3차원 다공성 지지체
KR101653583B1 (ko) * 2015-01-14 2016-09-02 한양대학교 에리카산학협력단 3차원 조형 장치
KR20160087579A (ko) 2015-01-14 2016-07-22 한양대학교 에리카산학협력단 3차원 조형 장치
KR20170006275A (ko) 2015-07-07 2017-01-17 이경연 터치센서
KR101733884B1 (ko) * 2015-10-14 2017-05-24 이수연 3d 프린터
KR101712433B1 (ko) * 2015-12-11 2017-03-06 주식회사 시티일렉 3d 프린터용 노즐의 냉각 시스템
KR20200057986A (ko) 2018-11-19 2020-05-27 주식회사 엠쏘텍 라이다 스캐닝 장치
IT202100021092A1 (it) * 2021-08-04 2023-02-04 3Festo S R L Materiali pastosi compositi per estrusione, e sistema di estrusione per tali materiali con controllo di umidità e ricottura
KR102580201B1 (ko) 2021-12-30 2023-09-19 (주)광림정공 복합섬유 제조장치 및 복합섬유 제조방법
KR20230102517A (ko) * 2021-12-30 2023-07-07 (주)광림정공 복합섬유 제조장치 및 복합섬유 제조방법

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