KR101407048B1 - 3차원 라인 스캔 조형장치 및 이를 이용한 조형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 라인 스캔 조형장치 및 이를 이용한 조형방법에 관한 것으로서, 3차원 프린트 조형기술 유형 중 액체기반 광조형방식은 광이 닿으면 딱딱하게 굳는 광경화성 수지가 담긴 수조에 광을 조사하여, 광이 조사된 광경화성 수지는 광의 모양에 따라 굳어 얇은 판형 시트가 생성되면 이를 적층하는 방식으로, 광을 조사할 때 점이나 단면 형태가 아닌 라인 형태로 조사하여, 종래보다 속도와 해상도 및 정밀도를 개선한 3차원 라인 스캔 조형장치 및 이를 이용한 조형방법에 관한 것이다.
상기 3차원 라인 스캔 조형장치 및 이를 이용한 조형방법은, 광을 조사할 때 라인 형태로 조사하기 때문에 SLA방식이 광경화성 수지 표면에 광을 조사할 때 점 형태로 조사되어 조형되는 속도가 느려 조형물을 완성하는데 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있었는데, 이를 해결하여 조형되는 속도를 빠르게 개선한다는 효과가 있고, DLP방식이 광경화성 수지 표면에 광을 조사할 때 단면 형태로 조사되어 조형되는 속도는 빠르나 조형물의 크기가 클수록 해상도와 정밀도가 낮아진다는 문제점이 있었는데, 이를 해결하여 해상도가 좋아 큰 조형물도 정밀하게 표현가능하며 곡선도 훨씬 매끄럽게 표현가능하다는 효과가 있다.

Description

3차원 라인 스캔 조형장치 및 이를 이용한 조형방법 {3D line scan printing device and thereof method}

본 발명은 3차원 라인 스캔 조형장치 및 이를 이용한 조형방법에 관한 것으로서, 3차원 프린트 조형기술 유형 중 액체기반 광조형방식은 광이 닿으면 딱딱하게 굳는 광경화성 수지가 담긴 수조에 광을 조사하여, 광이 조사된 광경화성 수지는 광의 모양에 따라 굳어 얇은 판형 시트가 생성되면 이를 적층하는 방식으로, 광을 조사할 때 점이나 단면 형태가 아닌 라인 형태로 조사하여, 종래보다 속도와 해상도 및 정밀도를 개선한 3차원 라인 스캔 조형장치 및 이를 이용한 조형방법에 관한 것이다.

3차원 프린터는 상품을 내놓기 전 시제품을 만들기 위해 개발되어, 실제 상품에 어떤 문제점이 있는지 알아보기 위하여 실제상품을 만드는 대신 3차원 프린터를 이용하여 실제상품과 똑같은 시제품을 생산하여, 비용과 시간을 절약하며 실제상품의 문제점을 알아볼 수 있기 때문에 대기업과 공장에서 사용하기 시작했다.

이러한 3차원 프린터는 캐드시스템과 같은 소프트웨어를 통해 모델링된 3차원 형상을 복수의 얇은 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터로 변경한 후에 이를 사용하여 판형 시트를 조형하고, 이를 적층하여 조형물을 완성한다. 이렇게 판 형태의 시트를 조형하는 방법으로 쾌속조형 방식이 개발되어있다.

이러한 쾌속조형 방식에는 석고나 나일론 등의 가루를 사용하는 파우더를 이용한 쾌속조형 방식, 광경화성 플라스틱을 녹인 액체(레진)를 사용하는 플라스틱 액체를 이용한 쾌속조형 방식, 플라스틱을 실처럼 자아낸 고체를 이용한 조형 방식으로 나눌 수 있다.

그 중에서도, 플라스틱 액체를 이용한 쾌속조형 방식은 광이 닿으면 딱딱하게 굳는 광경화성 수지가 담긴 수조에 광을 조사하여, 광이 조사된 광경화성 수지는 광의 모양에 따라 굳어 얇은 판형 시트가 생성되면 이를 적층하는 방식으로서, 광을 조사하는 방식에 따라 크게 SLA(StereoLithography Apparatus) 방식과 DLP(Digital Light Processing) 방식으로 구분할 수 있다.

SLA방식은 광경화성 수지 표면에 광을 조사할 때 점 형태로 조사되어, 조형되는 속도가 느려 조형물을 완성하는데 비교적 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있었다.

DLP방식은 광경화성 수지 표면에 광을 조사할 때 단면 형태로 조사되어, 조형되는 속도는 빠르나, 조형물의 크기가 클수록 해상도와 정밀도가 낮아진다는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1155684호(2012.06.05.) 대한민국 등록특허 제10-0606457호(2006.07.21.) 대한민국 공개특허 제10-2002-0087250호(2002.11.22.) 미국 등록특허 제08017055호(2011.09.13.) 미국 공개특허 제20120287459호(2012.11.15.)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명은 3차원 라인 스캔 조형장치 및 이를 이용한 조형방법에 관한 것으로서, 3차원 프린트 조형기술 유형 중 액체기반 광조형방식은 광이 닿으면 딱딱하게 굳는 광경화성 수지가 담긴 수조에 광을 조사하여, 광이 조사된 광경화성 수지는 광의 모양에 따라 굳어 얇은 판형 시트가 생성되면 이를 적층하는 방식으로, 광을 조사할 때 점이나 단면 형태가 아닌 라인 형태로 조사하여, 광을 점 형태로 조사했을 때보다 조형되는 속도가 빠르고, 광을 단면 형태로 조사했을 때보다 해상도가 높아 정밀도를 높일 수 있는 3차원 라인 스캔 조형장치 및 이를 이용한 조형방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광경화성 수지를 이용한 3차원 조형장치에 있어서, 광경화성 수지가 도포되어 조형물이 부착되는 베드와; 상기 베드를 상하로 이송시키는 베드이송부와; 상기 베드에 광경화성 수지를 라인 형태로 도포하는 수지도포노즐과; 상기 수지도포노즐 일측에는 베드 상부에 도포된 수지 표면에 조형물을 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터를 라인으로 변환한 데이터에 대응하는 영역으로 광을 라인 형태로 조사하는 라인 스캔 광학헤드와; 상기 라인 스캔 광학헤드가 X축으로 이송가능하게 설치되는 X축이송부와; 상기 라인 스캔 광학헤드가 구비된 X축이송부를 Y축으로 이송시키는 Y축이송부; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 제시된 본 발명에 의한 3차원 라인 스캔 조형장치 및 이를 이용한 조형방법은, 광을 조사할 때 라인 형태로 조사하기 때문에 SLA방식이 광경화성 수지 표면에 광을 조사할 때 점 형태로 조사되어 조형되는 속도가 느려 조형물을 완성하는데 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있었는데, 이를 해결하여 조형되는 속도를 빠르게 개선한다는 효과가 있고, DLP방식이 광경화성 수지 표면에 광을 조사할 때 단면 형태로 조사되어 조형되는 속도는 빠르나 조형물의 크기가 클수록 해상도와 정밀도가 낮아진다는 문제점이 있었는데, 이를 해결하여 해상도가 좋아 큰 조형물도 정밀하게 표현가능하며 곡선도 훨씬 매끄럽게 표현가능하다는 효과가 있다.

또한, 마이크로 미러 어레이 디바이스를 사용함에 따라 위치별로 노출 광량을 조절하여 광이 조사될 때 선택적으로 광경화의 정도를 조절할 수 있다.

또한, 조형물의 크기에 따라 조형물의 크기가 작으면 단일의 라인 스캔 광학헤드를 구비할 수 있고, 조형물의 크기가 크다면 복수개의 라인 스캔 광학헤드를 구비하여 조형속도를 높일 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 의한 SLA 방식을 이용하여 점 형태로 광을 조사하는 3차원 조형장치의 간략한 구성도.
도 2는 종래기술에 의한 DLP 방식을 이용하여 단면 형태로 광을 조사하는 3차원 조형장치의 간략한 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 라인 스캔 조형장치를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 라인 스캔 조형장치를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 다른실시예에 의한 라인 스캔 광학헤드가 2개 구비된 3차원 라인 스캔 조형장치를 나타내는 사시도.
도 6은 본 발명의 다른실시예에 의한 라인 스캔 광학헤드가 2개 구비된 3차원 라인 스캔 조형장치를 나타내는 단면도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 라인 스캔 조형장치에서 영상정보가 변환되는 단계를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 라인 스캔 조형장치를 구성하는 라인 스캔 광학헤드의 간략한 구성도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 라인 스캔 조형장치에 의해 실제 컵이 조형되도록 데이터가 변환되는 과정을 나타내는 도면.

이하, 본 발명에 의한 3차원 라인 스캔 조형장치 및 이를 이용한 조형방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 첨부된 도 3 및 도 4를 참조하여 3차원 라인 스캔 조형장치의 일실시예에 대해 살피면 아래와 같다.

본 발명에 의하여 제조된 3차원 라인 스캔 조형장치는 광경화성 수지가 도포되어 조형물이 부착되는 베드(11)와, 상기 베드(11)를 상하로 이송시키는 베드이송부(12)와, 상기 베드(11)에 광경화성 수지를 라인 형태로 도포하는 수지도포노즐(21)과, 상기 수지도포노즐(21) 일측에는 베드(11) 상부에 도포된 수지 표면에 조형물을 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터를 라인으로 변환한 데이터에 대응하는 영역으로 광을 라인 형태로 조사하는 라인 스캔 광학헤드(22)와, 상기 라인 스캔 광학헤드(22)가 X축으로 이송가능하게 설치되는 X축이송부(31)와, 상기 라인 스캔 광학헤드(22)가 구비된 X축이송부(31)를 Y축으로 이송시키는 Y축이송부(32)로 구성된다.

이때, 광경화성 수지는 아크릴, 세라믹, 고무, ABS, 우레탄, 에폭시 중 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있으나, 광경화가 가능하다면 그 조성이나 함량은 특별히 제한되지 않으며, 다양한 색상을 가질 수 있다.

또한, 상기 라인 스캔 광학헤드(22)는 상기 수지도포노즐(21)에서 수지가 라인 형태로 도포됨과 동시에 수지 표면에 광을 조사하는데, 위치별로 노출 광량을 조절하여 광이 조사될 때 선택적으로 광경화의 정도를 조절할 수 있는 마이크로 미러 어레이 디바이스가 구비되며, 상기 마이크로 미러 어레이 디바이스에서 구성된 이미지 데이터를 상기 이미지 데이터에 대응하는 배율과 광강도를 가진 라인 패턴으로 변환하기 위하여 배율조절렌즈와 실린더 렌즈가 구비된다.

또한, 상기 라인 스캔 광학헤드(22)의 일측에는 조형물의 색구현을 위해 설정된 위치에 잉크가 도포되는 잉크도포노즐(23)이 구비된다.

다음으로, 첨부된 도 5 및 도 6을 참조하여 3차원 라인 스캔 조형장치의 다른실시예에 대해 살피면 아래와 같다.

본 발명에 의하여 제조된 3차원 라인 스캔 조형장치는 상기 라인 스캔 광학헤드(22)가 단일 또는 복수개가 구비될 수 있는데, 일실시예에서는 단일의 라인 스캔 광학헤드(22)가 구비된 모습을 도시하고 있고, 다른실시예에서는 2개의 라인 스캔 광학헤드(22)가 구비된 모습을 도시하고 있다. 조형물의 크기에 따라 조형물의 크기가 작으면 단일의 라인 스캔 광학헤드(22)를 구비할 수 있고, 조형물의 크기가 크다면 복수개의 라인 스캔 광학헤드(22)를 구비하여 조형속도를 높일 수 있다는 효과가 있다.

다음으로, 첨부된 도 7 내지 도 9를 참조하여 3차원 라인 스캔 조형장치를 이용한 조형방법에 대해 단계별로 상세히 설명하면 아래와 같다.

일반적으로 3차원 조형장치 중 광경화성 수지에 광을 조사하여 광의 모양에 따라 굳어 얇은 판형 시트가 생성되면 이를 적층하는 광경화성 수지를 이용한 광조형 방식에 있어서, 본 발명은 수지에 광을 조사할 때 라인 스캔 방식을 이용한다.

본 발명의 라인 스캔 방식에 대해 단계별로 상세히 설명하면 아래와 같다.

a) 제어 컴퓨터에서 조형물의 X축, Y축 위치정보와 밝기정보가 포함된 단면 데이터를 형성하는 단계;

b) 상기 형성된 단면 데이터에서 X축 방향으로 특정 영역의 라인을 스캔하여 라인 데이터를 추출하는 단계;

c) 상기 라인 데이터는 광원부에서 공급된 광의 경로를 제어해줄 수 있도록 마이크로 미러 어레이 디바이스에서 Y축 위치정보와 빛의 밝기정보로 이미지 데이터를 구성하는 단계;

이때, 마이크로 미러 어레이 디바이스는 객체마다 각도를 조절할 수 있어 위치별로 광량을 세밀하게 조절하여 위치별로 선택적 광경화의 정도를 조절할 수 있게 되는 것이다.

d) 상기 마이크로 미러 어레이 디바이스에서 구성된 이미지 데이터를 광학모듈에서 배율 조절 렌즈에 의해 라인 패턴의 크기를 제어조절하고, 실린더 렌즈에 의해 2차원 이미지를 1차원 이미지로 전환하여, 상기 이미지 데이터에 대응하는 배율과 광강도를 가진 라인 패턴으로 변환하는 단계;

e) 상기 변환된 라인 패턴으로 광이 조사되는 단계;

X축이송부에 구비된 수지도포노즐에 의해 수지가 라인 형태로 베드 상부에 도포된 후, X축이송부에 구비된 라인 스캔 광학헤드에 의해 X축을 따라 라인 패턴으로 광이 조사된 후, Y축이송부에 의해 X축이송부 전체가 Y축으로 이동한 후, 다시 X축으로 이동하며 수지 도포와 함께 라인 패턴으로 광을 조사하는 과정을 반복하며 적층되는 시트 단면을 완성한다.

이때, 광을 조사할 때 라인 형태로 조사하게 되면, SLA방식(도 1 참조)이 광경화성 수지 표면에 광을 조사할 때 점 형태로 조사되어 조형되는 속도가 느려 조형물을 완성하는데 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있었는데, 이를 해결하여 조형되는 속도를 빠르게 개선한다는 효과가 있고, DLP방식(도 2 참조)이 광경화성 수지 표면에 광을 조사할 때 단면 형태로 조사되어 조형되는 속도는 빠르나 조형물의 크기가 클수록 해상도와 정밀도가 낮아진다는 문제점이 있었는데, 이를 해결하여 조형물의 크기가 커도 라인 스캔 방식은 해상도가 좋아 큰 조형물도 정밀하게 표현가능하며 곡선도 훨씬 매끄럽게 표현가능하다는 효과가 있다.

또한, 마이크로 미러 어레이 디바이스를 사용함에 따라 위치별로 노출 광량을 조절하여 광이 조사될 때 선택적으로 광경화의 정도를 조절할 수 있다.

상기는 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 설명하였으며, 상기의 실시예에 한정되지 아니하고, 상기의 실시예를 통해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경으로 실시할 수 있는 것이다.

11 : 베드
12 : 베드이송부
21 : 수지도포노즐
22 : 라인 스캔 광학헤드
23 : 잉크도포노즐
31 : X축이송부
32 : Y축이송부

Claims (10)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 3차원 조형장치 중 광경화성 수지에 광을 조사하여 광의 모양에 따라 굳어 얇은 판형 시트가 생성되면 이를 적층하는 광경화성 수지를 이용한 광조형 방식에 있어서,
   
   수지에 광을 조사할 때 라인 스캔 방식의 구체적인 단계는,
   
   a) 제어 컴퓨터에서 조형물의 X축, Y축 위치정보와 밝기정보가 포함된 단면 데이터를 형성하는 단계;
   
   b) 상기 형성된 단면 데이터에서 X축 방향으로 특정 영역의 라인을 스캔하여 라인 데이터를 추출하는 단계;
   
   c) 상기 라인 데이터는 광원부에서 공급된 광의 경로를 제어해줄 수 있도록 마이크로 미러 어레이 디바이스에서 Y축 위치정보와 빛의 밝기정보로 이미지 데이터를 구성하는 단계;
   
   d) 상기 마이크로 미러 어레이 디바이스에서 구성된 이미지 데이터를 광학모듈에서 배율 조절 렌즈에 의해 라인 패턴의 크기를 제어조절하고, 실린더 렌즈에 의해 2차원 이미지를 1차원 이미지로 전환하여, 상기 이미지 데이터에 대응하는 배율과 광강도를 가진 라인 패턴으로 변환하는 단계;
   
   e) 상기 변환된 라인 패턴으로 라인 스캔 광학헤드(22)를 통해 광이 조사되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 라인 스캔 조형장치를 이용한 조형방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 라인 스캔 광학헤드(22)는 단일 또는 복수개가 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 라인 스캔 조형장치를 이용한 조형방법.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 라인 스캔 광학헤드(22)는 상기 마이크로 미러 어레이 디바이스가 구비되어, 수지 표면에 광을 조사하되 위치별로 노출 광량을 조절하여 광이 조사될 때 선택적으로 광경화의 정도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 3차원 라인 스캔 조형장치를 이용한 조형방법.
   
9. 제6항에 있어서,
   상기 라인 스캔 광학헤드(22)는 상기 배율조절렌즈와 실린더 렌즈가 구비되어, 상기 마이크로 미러 어레이 디바이스에서 구성된 이미지 데이터를 상기 이미지 데이터에 대응하는 배율과 광강도를 가진 라인 패턴으로 변환하는 것을 특징으로 하는 3차원 라인 스캔 조형장치를 이용한 조형방법.
   
10. 제6항에 있어서,
    상기 라인 스캔 광학헤드(22)는 일측에 잉크도포노즐(23)가 구비되어, 조형물의 색구현을 위해 설정된 위치에 잉크가 도포되는 것을 특징으로 하는 3차원 라인 스캔 조형장치를 이용한 조형방법.
    

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