KR100930788B1 - 대, 소형 광조형 장치. - Google Patents

대, 소형 광조형 장치. Download PDF

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Abstract

본 발명은 광을 조사하여 광경화수지를 경화시킴으로써 3차원 모델을 제작하는 광조형장치에 관한 것으로서, 광경화성 수지에 조형될 형상을 조사하는 영상기와, 광경화성 수지와 조형물에 색을 첨가하는 도료(Paint And Varnish)를 담는 저장부와, 광경화성 수지가 발리고 제거되는 조형시트 필름과, 광경화된 조형물을 상측으로 이송하는 조형물지지대와, 조형물지지대의 처짐을 방지하고, 이송을 원활하게 하는 지지대이송수단으로 이루어진 대, 소형 광조형 장치에 관한 것이다.
틸팅, 피에조, 슬라이드, 광조형, 광경화, 컬러

Description

대, 소형 광조형 장치. {Multi-size Stereolithography}
본 발명은 광조형 장치의 저장부와 영상기에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 저장부에 광경화성 수지저장부와 조형물 착색부를 포함하여 광경화성수지의 도포와 조형물착색을 동일한 구동부에서 구동하고, 영사기에 피에조를 이용한 Smooth Picture 효과와 영상 보정을 주어 더욱 세밀한 조형물을 얻을 수 있는 광조형장치에 관한 것이다.
종래의 광조형 장치에서는 거의 무색을 띄는 광경화성수지 또는 유색의 광경화성수지를 이용하였다.
특히, 특정한 색상의 안료를 첨가하여 얻을 수 있는 유색의 광경화성수지를 이용함으로써 색상이 첨가되어 있는 모델을 얻을 수 있었다.
그리나 이러한 광조형법을 위해서는, 기존의 광조형장치에 더하여, 유색의 광경화성수지를 별도로 공급할 수 있는 장치를 필요로 하고, 조형시 비경화수지를 흡입하여 제거할 수 있는 노즐을 이용한 흡입장치를 필요로 하였다.
또한, 기존의 광조형 장치는 원하는 형상의 조형물을 얻기 위하여 다수의 층으로 분활된 판을 적층 하여서 원하는 형상의 시작품을 얻는 방법이다. 즉, 캐드시스템으로 모델링한 3차원 형상을 일정한 두께를 갖는 다수의 층으로 분할한 슬라이스 데이터로 변경한 후에 이를 사용하여 판형태의 시트를 조형하고 이를 쌓아서 조형물을 제조하는 방법이다. 판형태의 시트를 조형하는 방법으로 근래에는 쾌속광조형기가 개발되었다. 쾌속 광조형기는 광경화성수지에 빛을 조사하여 얇은 판형태의 시트를 만든 후에 이를 적층 하는 방식으로서, 크게 자유 액체면 방식과 규제액체면 방식이 있다.
자유 액체면 방식은 광경화성 수지를 저장한 수지조 내에 베이스 플레이트를 설치하고 베이스 플레이트의 상면에 위치한 수지에 광을 조사하여 베이스플레이트에 수지경화물을 형성한다. 이어, 수지경화물이 형성된 베이스플레이트를 단계적으로 침하시킨 다음 수지경화물층을 같은 방법으로 형성시켜 적층 시키는 방식이다. 규제액체면 방식은 투명플레이트로 형성된 바닥면을 가진 수지조의 아래쪽으로부터 광을 조사하고, 수지조에 베이트 플레이트를 위치시켜 수지조 내에서 수지를 경화시킨다. 이어, 경화된 수지경화물이 부착된 베이스 플레이트를 상향으로 이송시키면서 수지경화물을 형성시켜 적층 하는 방식이다. 이러한 종래의 쾌속광조형기의 경우, 베이스플레이트는 수지조의 외부에 마련된 이송장치에 외팔보형태로 결합된다.
상술한 쾌속광조형기의 이송장치에 관하여는 일본 특허공개공보 특개2000-158546에 개시되어 있다.
외팔보 형태로 결합된 베이스 플레이트는 규모가 큰 조형물을 제조할 경우 베이스플레이트의 크기가 커짐에 따라 베이스플레이트의 처짐이 발생하여 수평을 유지할 수 없게 되어 베이스플레이트의 승강이 정밀하지 못한 문제점이 있었다.
또한, 베이스플레이트의 처짐이 발생하여, 베이스플레이트의 저면에 부착되는 수지경화물이 원하는 형상으로 적층되기가 어려운 문제점이 있었다.
또한, 상기된 자유 액체면 방식과 규제액체면 방식은 조형물이 수지를 저장한 수지조 내에서 경화가 되어 수지가 굳을 경우 수지를 전부 버려야 하고 경화되는데 오랜 시간이 걸리는 문제점이 있었다.
상기의 베이스플레이트의 처짐을 해결하기 위하여 공개특허공보 제10-2004-0034407의 쾌속광조형 기의 경우 플레이트의 처짐은 해결하였지만, 자유 액체면 방식과 규제액체면 방식에서 문제점과 조형물에 색을 첨가할 수 없는 문제점이 지적되어 왔다.
따라서, 본 발명의 목적은 다양한 색(COLOR)을 첨가할 수 있고, 부피가 큰 조형물을 더욱 세밀하고 빠르게 제작할 수 있는 대, 소형 광조형 장치를 제공하는 것이다.
위의 문제를 해결하기 위해 본 발명은 저장부에 광경화성 수지저장부와 조형물 착색부를 포함하여 조형물의 적층과 착색을 동일한 구동부에서 구동하고 영상기에 피에조를 설치하고 틸팅이 가능한 반사경을 사용하여 세밀하고 큰 조형물을 얻을 수 있는 대 ,소형 광조형 장치을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 대 ,소형 광조형 장치에 의하여 보다 크고 세밀한 조형물을 제작할 수 있으며 저장부에 광경화성 수지저장부와 조형물 착색부를 하나의 구동부를 통해 구동하게 하여 제작 비용 및 조형에 들어가는 수지량의 절감에 있어 현저한 효과가 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 대, 소형 광조형 장치의 정면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 대, 소형 광조형 장치의 작동을 도시한 작동도이다.
아크릴, 세라믹, 고무, ABS, 우레탄, 에폭시 중 하나 이상을 포함하는 광경화성 수지에 빛을 조사하여 조형물을 제작하는 적층식 광조형 장치에 있어서,
상기 광경화성 수지에 조형될 형상을 컴퓨터(1)에서 전송된 신호를 받아 조사하는 영상기(100);에서 조사되는 빛(2)이 진행방향을 따라 반사경(30)으로 이동하고, 이동된 빛(2)을 상기 컴퓨터(1)에서 컨트롤하여 틸팅(Tilting)하는 반사경(30);이 조형될 형상의 빛(2) 테프론(Teflon), PET, 폴리에스테르 중 하나 이상을 포함하는 조형시트필름(40)에 비추는 것을 특징으로 한다.
상기 광경화성 수지와 도료(Paint And Varnish)를 담는 저장부(200);는 저장부 이송레일(50)을 따라 좌, 우측으로 반복 이송하고 저장부(200)가 우측으로 이송되어, 이송된 저장부를 감지하는 감지버튼(80)을 누르면 저장부(200)가 좌측으로 이동하며 조형시트필름(40)에 광경화성 수지를 바르고 좌측으로 이동한 저장부(200)가 감지버튼(80)을 누르면, 조형물지지대(60) 또는 광경화된 조형물(4) 의 하단에 묻어있는 광경화성 수지를 상기 반사경에서 조형될 형상의 빛(2)으로 조사하여 광경화성 수지를 경화하고, 상기 저장부가 우측으로 이동하여 상기 컴퓨터(1)에서 입력받은 색(Color)이 조형될 형상대로 광경화된 조형물(4)에 도료가 분사되고, 다시 좌측으로 이동한 후 상기 반사경(30)에서 조형될 형상의 빛(2)을 조사하여 도료를 경화하며, 광경화된 조형물(4)을 조형물지지대(60)에 결합한 지지대 이송수단(70)에 의해 상측으로 이송할 수 있도록 구성되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 대, 소형 쾌속 광조형 장치의 저장부의 정면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 대, 소형 쾌속 광조형 장치의 저장부의 평면도이다.
본 발명에 따른 대, 소형 쾌속 광조형 장치의 저장부(200)는 광경화성 수지저장부(210)와 조형물 착색부(220)를 포함하며,
상기 조형물 착색부(220)는 도료를 저장하는 도료저장부(221)와
상기 도료저장부에 저장된 도료를 분사하는 노즐(222)과
상기 노즐(222)을 전, 후로 이동하는 노즐이송레일(223)로 구성되어 있다.
또한, 저장부 이송레일(50)을 따라 좌, 우로 반복 이송하는 저장부(200)는 도시된 바와 같이 상기 저장부(200)가 좌측으로 이동하며 수지저장부(210)에 고여있는 광경화성 수지(3)가 조형시트필름(40)에 묻혀 지고, 저장부(200)가 감지버튼(80)(도 2 참조)을 누르면 우측으로 이동하며 수지제거유닛(230)에 의해 수지저장통로(240)로 내려가도록 구성되어 있다.
도 5는 본 발명에 따른 대, 소형 쾌속 광조형 장치의 광원의 광량을 측정한 실시 예를 나타낸 형상도 이다.
조형 시작 이전에 영상기에서 조사되는 빛의 광량(310)을 광량 측정기로 스캔하여, 스캔한 측정데이터를 조형될 형상의 단면 데이터(320)에 입력하여 보정함으로써, 조형물 제작시 조사하는 광량(330)을 동일하게 하여 조형을 하여 균일한 광량으로 더 높은 정밀도를 가진 조형물을 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 6은 본 발명에 따른 대, 소형 쾌속 광조형 장치가 조형될 형상의 데이터를 세분화하여 분할하여 조사하는 형상도 이다.
부피가 큰 조형물을 제작시 광경화성 수지에 조형될 형상(350)을 컴퓨터에서 사용자가 적당한 크기로 분할하고, 분할한 형상(360)을 영상기에서 분할한 수만큼 조사하고, 조사되는 빛은 반사경을 상기 컴퓨터로 수치제어 하여 틸팅( Tilting ) 하여 조사하는 것을 특징으로 한다.
도 7은 본 발명의 따른 대, 소형 쾌속 광조형기의 영상기 내부 광학계 구성도이다.
상기 영상기는 광원(110)과, 광원(110)에서 조사된 빛에 포함된 열을 차단하는 열차단필터(120)와, 열차단필터(120)를 통과한 빛을 균일하게 변환시키는 광도파로(130)와, 광도파로(130)를 통과한 빛의 자외선을 증폭하는 자외선증폭필터(140)와, 자외선증폭필터(140)를 통화한 빛을 영상칩의 크기에 맞게 확산하고, 직선광으로 변환시키는 콘덴서렌즈(150)와, 컴퓨터로(1)부터 송출된 영상신호에 따라 디지털 영상신호가 결상되는 디지털영상부(160)와, 콘덴서렌즈(150)를 통과한 빛을 상기 디지털 영상부 측으로 반사시키는 반사부(170)와, 반사부(170)에 의해 상기 디지털영상부(160)로부터 출력되는 디지털 영상으로 조형되는 조형물을 세밀하게 만드는 피에조(piezo)가 결합된 투과성렌즈(180)와, 투과성렌즈(180)의 피에조 수치를 제어하는 상기 컴퓨터(1)와, 투과성렌즈(180)를 통과한 빛을 확대 투영시키는 확대용렌즈(190)로 구성되어 있다.
상기 광원(410)은 LED(light-emitting diode), 제논램프, 할로겐램프(halogen lamp), 자외선램프, UV램프, 레이저 (300nm ~ 780nm의 파장을 가지는 광원) 중 어느 하나인 것으로 구성된다.
상기 디지털 영상부(160)는 영상칩(161)를 포함하며, 반사부(170)는 TIR프리즘, RTIR프리즘, 반사형 밀러 중 하나를 선택하여 반사부(161)가 상기 콘덴서렌즈(150)로부터 빛을 상기 영상칩(161)에 반사되도록 조사, 또는 반사부 없이 콘덴서렌즈(150)로부터 직접 영상칩(161)에 반사되도록 조사하여 상기 디지털영상부(160)에서 디지털 영상신호를 결상하는 것을 특징으로 한다.
또한, 영상칩(161)은 DMD(digital micromirror device), LCOS(Liquid Crystal on Silicon), LCD(liquid crystal display) 중 어느 하나인 것으로 구성되 는 것이 바람직하다.
광조형 장치에 있어서 가장 필요로 하는 부분은 신속성과 정밀성이다. 상기 영상칩(161)을 이용한 쾌속 광조형 방식은 신속성에 있어서는 영상칩을 통해 단면을 한 번에 조형하기 때문에 다른 조형 방식에 비해 유리한 점이 많다.
하지만, 정확성의 부분에 있어서는 다른 조형 장비들 역시 문제점으로 지적되는 부분이지만 한 층씩 적층 하며 조형을 하는 방식이기 때문에 표면이 계단 모양으로 나타나게 되는 것이 문제가 된다.
또한, 영상칩(161) 자체가 픽셀의 형태로 ON, OFF를 통해서 영상 이미지를 만들기 때문에 단면의 영상 자체도 계단식의 형태로 나타나게 된다. 이런 문제는 소형 일 경우도 그렇지만 대형의 조형물을 제작할 경우 크게 문제로 부각된다.
본 발명에 있어서 이런 정확성의 문제 중 단면의 형상이 계단식으로 나타나는 문제를 피에조를 이용한 Smooth Picture 방식과 영상 보정을 통하여 해결하고 있다. Smooth Picture 방식은 영상칩(161)의 픽셀 절반에 해당하는 크기 정도로 영상칩(161) 또는 단면 데이터를 상하로 움직여 줌으로서 픽셀 사이의 격자 무늬를 제거하며 계단식으로 나오는 표면을 잔상 현상을 이용하여 부드럽게 보이도록 만드는 방식이다.
본 발명에서는 이런 Smooth Picture 기술과 유사하게 피에조가 결합된 투과성렌즈를 통해 영상 이미지를 픽셀의 절반에 해당하는 크기 정도로 상하좌우로 움직여 픽셀과 픽셀의 사이에 가상의 픽셀이 하나 더 있는 것처럼 보이도록 움직여주며 영상 보정 기술을 도입하여 영상이 이동하는 만큼 영상칩(161)으로 들어가는 단 면 데이터를 보정해 줌으로서 잔상 현상을 이용하지 않으면서 더욱 세밀하고 부드러운 단면 영상을 얻을 수 있게 된다.
확대용렌즈는 일반 렌즈 또는 더욱 세밀한 조형을 위해서 텔레센트릭 (Telecentric) 렌즈를 사용한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신 및 권리가 포함된다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 대, 소형 광조형 장치의 정면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 대, 소형 광조형 장치의 작동을 도시한 작동도이다.
도 3은 본 발명에 따른 대, 소형 광조형 장치의 저장부의 정면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 대, 소형 광조형 장치의 저장부의 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 대, 소형 광조형 장치의 광원의 광량을 측정한 실시 예를 나타낸 형상도 이다.
도 6은 본 발명에 따른 대, 소형 광조형 장치가 조형될 형상의 데이터를 세분화하여 분할하여 조사하는 형상도 이다.
도 7은 본 발명에 따른 대, 소형 광조형기의 영상기 내부 광학계 구성도이다.
* 도면 부호의 간단한 설명 *
1: 컴퓨터 2: 빛
3: 광경화성 수지 4: 경화된 조형물
30: 반사부 40: 조형시트필름
50: 저장부 이송레일 60: 조형물 지지대
70: 지지대 이송수단 80: 감지버튼
100: 영상기 110: 광원
120: 열차단필터 130: 광도파로
140: 자외선증폭필터 150: 콘덴서렌즈
160: 디지털영상부 161: 영상칩
170: 반사부 180: 투과성렌즈
190: 확대용렌즈 200: 저장부
210: 수지저장부 220: 조형물 착색부
221: 도료저장부 222: 노즐
223: 노즐이송레일 230: 수지제거유닛
240: 수지저장통로 310: 빛의 광량
320: 조형될 형상의 단면 데이터 330: 조사하는 광량
350: 조형될 형상 360: 분할한 형상

Claims (11)

  1. 광경화성 수지에 빛을 조사하여 조형물을 제작하는 적층식 광조형 장치에 있어서,
    상기 광경화성 수지에 조형될 형상을 조사하는 영상기; 와
    상기 영상기에서 조사되는 빛의 진행방향을 조절하는 반사경; 과
    상기 광경화성 수지를 담는 저장부; 와
    상기 저장부의 상측에 위치하여 광경화성 수지가 발리고, 제거되는 조형시트필름; 과
    상기 조형시트필름에 밀착하여 광경화 수지를 바른 후 영상기에서 조사한 영상이미지가 광경화성 수지와 도료를 경화하고 광경화된 조형물을 상측으로 이송하는 조형물지지대; 와
    상기 조형물지지대의 양측에 위치 결합하여 조형물지지대의 처짐을 방지하고, 이송을 원활하게 하는 지지대이송수단; 과
    상기 영상기와 상기 반사경과 상기 저장부와 상기 조형물지지대의 제어하는 컴퓨터; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 대, 소형 광조형 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 영상기는,
    광원과,
    상기 광원에서 조사된 빛에 포함된 열을 차단하는 열차단필터; 와,
    상기 열차단필터를 통과한 빛을 균일하게 변환시키는 광도파로; 와
    상기 광도파로를 통과한 빛의 자외선을 증폭하는 자외선증폭필터; 와
    상기 자외선증폭필터를 통화한 빛을 영상칩의 크기에 맞게 확산하고, 직선 광으로 변환시키는 콘덴서렌즈; 와
    상기 컴퓨터로부터 송출된 영상신호에 따라 디지털 영상신호가 결상되는 디지털영상부; 와
    상기 콘덴서렌즈를 통과한 빛을 상기 디지털 영상부 측으로 반사시키는 반사부; 와
    상기 반사부에 의해 상기 디지털영상부로부터 출력되는 디지털 영상으로 조형되는 조형물의 표면 거칠기를 낮추고 단면을 부드럽게 하는 피에조(piezo)가 결합된 투과성렌즈; 와
    상기 투과성렌즈의 피에조 수치를 제어하는 상기 컴퓨터; 와
    상기 투과성렌즈를 통과한 빛을 확대 투영시키는 확대용렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 대, 소형 광조형 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 저장부는 광경화성 수지저장부와 조형물 착색부를 포함하며,
    상기 조형물 착색부는 도료를 저장하는 도료저장부와
    상기 도료저장부에 저장된 도료를 분사하는 노즐과
    상기 노즐을 전, 후로 이동하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대, 소형 광조형 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 저장부는 가이드라인을 따라서 좌, 우측으로 이동하여 상기 조형시트필름에 상기 광경화성 수지를 바르고 제거하며, 광경화성 도료를 상기 광경화된 조형물의 단면에 분사하여 조형물에 색(color)을 첨가하며 조형물을 제작하는 것을 특징으로 하는 대, 소형 광조형 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 반사경은 대형 조형물을 제작하기 위하여 4분할 한 영역을 틸팅(Tilting)하여 상기 컴퓨터로 수치제어 하며 이동하며 분할된 영상이미지데이터를 조사하여 해상도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 대, 소형 광조형 장치.
  6. 삭제
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 영상기에서 조사되는 광량을 측정하여 동일한 광량을 조형물로 조사하기 위해 영상이미지데이터 일부분의 색 또는 명암을 변화시켜 균일한 광량을 상기 광경화성 수지에 조사하는 것을 특징으로 하는 대, 소형 광조형 장치.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 디지털 영상부는 영상칩를 포함하고, 상기 반사부는 TIR프리즘, RTIR프리즘, 반사형 밀러 중 하나를 선택하여 반사부가 상기 콘덴서렌즈로부터 빛을 상기 영상칩에 반사되도록 조사, 또는 반사부 없이 콘덴서렌즈로부터 직접 영상칩에 반사되도록 조사하여 상기 디지털영상부에서 디지털 영상신호를 결상하는 것을 특징으로 하는 대, 소형 광조형 장치.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 영상이미지는 피에조가 결합된 투과성 렌즈를 이용하여 픽셀의 절반에 해당하는 크기정도로 진동시키며 조사하며, 상기 진동에 맞춰 영상이미지데이터를 보정해 줌으로서 해상도가 향상된 영상이미지를 얻는 것을 특징으로 하는 대, 소형 광조형 장치.
  10. 제 2항에 있어서,
    상기 광원은 LED(light-emitting diode), 제논램프, 할로겐램프(halogen lamp), 자외선램프, UV램프, 레이저 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 대, 소형 광조형 장치.
  11. 제 8항 또는 제 9항에 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영상칩은 DMD(digital micromirror device), LCOS(Liquid Crystal on Silicon), LCD(liquid crystal display) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 대, 소형 광조형 장치.
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