KR101407050B1 - 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 및 이를 이용한 조형방법 - Google Patents

가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 및 이를 이용한 조형방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 및 이를 이용한 조형방법에 관한 것으로서, 광경화성 수지를 이용한 쾌속조형 방식에서 가공시 수지를 저장하는 용기(이하 "수조"라 칭함.)를 따로 구비하지 않고, 조형물과 함께 수조를 조형하여 적층하는 방식으로, 조형물의 크기와 모양에 맞춰 수조의 크기와 모양이 변경가능 하므로, 조형물의 크기나 모양에 상관없이 효율적으로 프린터가 가능하여, 조형물의 처짐 현상으로 인해 요구되는 지지대가 필요 없고, 수지의 과도한 사용도 막을 수 있는 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 및 이를 이용한 조형방법에 관한 것이다.
상기 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 및 이를 이용한 조형방법은, 가공시 수지를 저장하는 수조를 따로 구비하지 않고, 조형물과 함께 수조를 조형하여 적층하는 방식으로, 조형물의 크기와 모양에 맞춰 수조의 크기와 모양이 변경가능 하므로, 종래의 조형물의 크기가 작으면 수지가 낭비되거나 프린터를 구동하는데 있어서 효율적이지 못하며, 조형물의 크기가 크다면 조형이 불가능할 수 있다는 문제점을 해결하여, 조형물의 크기나 모양에 상관없이 효율적으로 프린터가 가능하다는 효과가 있고, 또한, 규제 액체면 방식과는 달리 조형물의 처짐 현상으로 인해 요구되는 지지대가 필요 없고, 자유 액체면 방식과는 달리 조형물의 크기에 맞춰 만들어지는 수조 만큼의 수지만 필요하므로, 다량의 수지가 필요 없어 경제적인 효과도 있다.

Description

가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 및 이를 이용한 조형방법 {3D printer using variable vat layer laminate method}
본 발명은 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 및 이를 이용한 조형방법에 관한 것으로서, 광경화성 수지를 이용한 쾌속조형 방식에서 가공시 수지를 저장하는 용기(이하 "수조"라 칭함.)를 따로 구비하지 않고, 조형물과 함께 수조를 조형하여 적층하는 방식으로, 조형물의 크기와 모양에 맞춰 수조의 크기와 모양이 변경가능 하므로, 조형물의 크기나 모양에 상관없이 효율적으로 프린터가 가능하여, 조형물의 처짐 현상으로 인해 요구되는 지지대가 필요 없고, 수지의 과도한 사용도 막을 수 있는 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 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 사용하는 플라스틱 실을 이용한 쾌속조형 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, 크게 규제 액체면 방식과 자유 액체면 방식이 있다.
규제 액체면 방식은 투명 플레이트로 형성된 바닥면을 가진 수조의 하부에서 광을 조사하고, 수조에 베드를 위치시켜 수조 내에서 수지를 경화시킨다. 이어서, 경화된 수지경화물이 부착된 베드를 상향으로 이송시키면서 수지경화물을 형성시켜 적층하는 방식이다. 이러한 규제 액체면 방식은 조형물의 크기가 크거나, 형상이 단조롭지 않은 경우, 베드가 상향으로 이송됨에 따라 조형물의 처침이 발생하여 조형물을 지지할 수 있는 지지대도 함께 조형해야하는데, 조형물이 완성되면 지지대를 제거해야 하며, 지지대 제거 시 많은 주의가 필요하다는 문제점이 있었다.
자유 액체면 방식은 광경화성 수지를 저장한 수조 내에 베드를 설치하고, 베드 상면에 위치한 수지에 광을 조사하여 베드에 수지경화물을 형성한다. 이어서, 수지경화물이 형성된 베드를 단계적으로 침하시킨 다음 수지경화물층을 같은 방법으로 형성시켜 적층시키는 방식이다. 이러한 자유 액체면 방식은 가공시 수조에 상당량의 광경화성 수지가 저장되어있어야 하므로, 요구되는 수지의 투입량이 많다는 문제점이 있었다.
또한, 상기한 규제 액체면 방식과 자유 액체면 방식은 조형물이 수지를 저장한 수조 내에서 경화가 되어 수지가 굳을 경우 수지를 전부 버려야 하고 경화되는데 오랜 시간이 걸리는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 광경화성 수지를 이용한 쾌속조형 방식에서는 일정한 크기의 수조가 구비되어, 조형물의 크기가 작으면 수지가 낭비되거나 프린터를 구동하는데 있어서 효율적이지 못하며, 조형물의 크기가 크다면 조형이 불가능할 수 있다는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-0606457호(2006.07.21.) 대한민국 등록특허 제10-1155684호(2012.06.05.) 대한민국 공개특허 제10-2012-0093281호(2012.08.22.) 유럽 공개특허 제01918113호(2008.05.07) 미국 공개특허 제20100043698호(2010.02.25.)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 광경화성 수지를 이용한 쾌속조형 방식에서 가공시 수지를 저장하는 수조를 따로 구비하지 않고, 조형물과 함께 수조를 조형하여 적층하는 방식으로, 조형물의 크기와 모양에 맞춰 수조의 크기와 모양이 변경가능 하므로, 조형물의 크기나 모양에 상관없이 효율적으로 프린터가 가능하여, 조형물의 처짐 현상으로 인해 요구되는 지지대가 필요 없고, 수지의 과도한 사용도 막을 수 있는 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 및 이를 이용한 조형방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광경화성 수지를 이용한 3차원 프린터에 있어서, 광경화성 수지가 도포되어 조형물이 부착되는 베드와; 상기 베드를 상하로 이송시키는 베드이송부와; 상기 베드에 광경화성 수지를 도포하는 수지도포노즐과; 상기 수지도포노즐 일측에는 베드 상부에 도포된 수지표면에 수조와 조형물을 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터에 대응하는 영역으로 광을 조사하는 광학헤드와; 상기 광학헤드가 X축으로 이송가능하게 설치되는 X축이송부와; 상기 광학헤드가 구비된 X축이송부를 Y축으로 이송시키는 Y축이송부; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 제시된 본 발명에 의한 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 및 이를 이용한 조형방법은, 가공시 수지를 저장하는 수조를 따로 구비하지 않고, 조형물과 함께 수조를 조형하여 적층하는 방식으로, 조형물의 크기와 모양에 맞춰 수조의 크기와 모양이 변경가능 하므로, 종래의 조형물의 크기가 작으면 수지가 낭비되거나 프린터를 구동하는데 있어서 효율적이지 못하며, 조형물의 크기가 크다면 조형이 불가능할 수 있다는 문제점을 해결하여, 조형물의 크기나 모양에 상관없이 효율적으로 프린터가 가능하다는 효과가 있다.
또한, 규제 액체면 방식과는 달리 조형물의 처짐 현상으로 인해 요구되는 지지대가 필요 없다는 효과가 있다.
또한, 자유 액체면 방식과는 달리 조형물의 크기에 맞춰 만들어지는 수조만큼의 수지만 필요하므로, 다량의 수지가 필요 없어 경제적인 효과도 있다.
도 1은 종래기술에 의한 규제액체면 방식을 이용한 3차원 프린터의 간략한 구성도.
도 2는 종래기술에 의한 자유 액체면 방식을 이용한 3차원 프린터의 간략한 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터를 나타내는 단면도.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터를 이용한 조형물의 조형과정을 나타낸 도면.
이하, 본 발명에 의한 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 및 이를 이용한 조형방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 첨부된 도 3 및 도 4를 참조하여 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터에 대해 살피면 아래와 같다.
본 발명에 의하여 제조된 3차원 프린터는 광경화성 수지가 도포되어 조형물이 부착되는 베드(11)와, 상기 베드(11)를 상하로 이송시키는 베드이송부(12)와, 상기 베드(11)에 광경화성 수지를 도포하는 수지도포노즐(21)과, 상기 수지도포노즐(21) 일측에는 베드 상부에 도포된 수지표면에 수조와 조형물을 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터에 대응하는 영역으로 광을 조사하는 광학헤드(22)와, 상기 광학헤드(22)가 X축으로 이송가능하게 설치되는 X축이송부(31)와, 상기 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 광학헤드(22)의 일측에는 조형물의 색구현을 위해 설정된 위치에 잉크가 도포되는 잉크도포노즐(23)이 구비된다.
다음으로, 첨부된 도 5 내지 도 9를 참조하여 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 조형방법에 대해 단계별로 상세히 설명하면 아래와 같다.
a) 베드(11) 상부면에 수지도포노즐(21)을 통해 광경화성 수지를 도포하는 단계;
이때, 광경화성 수지는 조형물의 크기보다 크게 설정한 수조의 단면 넓이만큼 도포한다.
b) 상기 베드(11) 상부면에 수지가 도포됨과 동시에 광학헤드(22)가 수조와 조형물을 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터에 대응하는 영역으로 광을 조사하여, 수조와 조형물의 단면 형상으로 수지를 경화시켜 판형 시트를 조형하는 단계;
여기서, 상기 수지도포노즐(21)과 잉크도포노즐(23)이 구비된 광학헤드(22)는 X축이송부(31)에 설치되어, X축으로 이송되면서 수지도포노즐(21)에서 수지를 도포하고 광학헤드(22)에서 광을 조사하여 판형 시트를 조형하는데, 조형물의 크기가 큰 경우, Y축이송부(32)에 의해 X축이송부(31)에 설치된 광학헤드(22)가 Y축으로 이송된 후, 다시 X축으로 이동하며 수지도포 후 광을 조사하여 판형 시트를 완성하게 된다.
또한, 베드(11) 상부면에 수지가 도포됨과 동시에 광학헤드(22)가 수조와 조형물을 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터에 대응하는 영역으로 광을 조사하여, 수조와 조형물의 단면 형상으로 수지를 경화시키게 되는데, 수조가 구비되지 않은 상태에서 수지를 도포하지만, 두께가 얇은 판형 시트가 조형되므로 노즐(21a)에서 분사되는 수지는 아주 얇게 도포되며, 곧바로 수조부분을 경화시키므로, 경화되기 전 수지와 경화되지 않은 부분의 수지는 흘러내리지 않게 된다.
c) 상기 조형된 판형 시트가 부착된 베드(11)가 베드이송부(12)에 의해 조형된 판형 시트의 두께만큼 하강하는 단계;
d) 상기 하강된 베드(11) 상부면에 부착되어 있는 판형 시트 상부에 상기 a) 수지도포노즐(21)을 통해 광경화성 수지를 도포하는 단계; 상기 b)상기 베드(11) 상부면에 수지가 도포됨과 동시에 광학헤드(22)가 수조와 조형물을 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터에 대응하는 영역으로 광을 조사하여, 수조와 조형물의 단면 형상으로 수지를 경화시켜 판형 시트를 조형하는 단계를 반복하는 단계; 상기 c)상기 조형된 판형 시트가 부착된 베드(11)가 베드이송부(12)에 의해 조형된 판형 시트의 두께만큼 하강하는 단계; 를 반복하여 조형된 판형 시트가 적층되면서 수조와 조형물을 완성하는 단계;
이때, 상기 a), b)단계에서 도포된 수지에 수조와 조형물의 단면 형태로 광이 조사되어, 조형된 시트에는 광이 조사된 부분(수조와 조형물의 단면 형태)만 경화되어, 나머지 부분은 경화되지 않은 액체 상태로 존재한다. d)단계에서는 상기에서 조형된 경화된 부분과 경화되지 않은 부분이 존재하는 시트 상부에 다시 수지를 도포하여 상기 단계를 반복적으로 수행하며 조형물과 수조를 완성하게 되는 것이다.
e) 상기 완성된 수조에서 완성된 조형물을 분리하는 단계;
상기 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 및 이를 이용한 조형방법은, 가공시 수지를 저장하는 수조를 따로 구비하지 않고, 조형물과 함께 수조를 조형하여 적층하는 방식으로, 조형물의 크기와 모양에 맞춰 수조의 크기와 모양이 변경가능 하므로, 종래의 조형물의 크기가 작으면 수지가 낭비되거나 프린터를 구동하는데 있어서 효율적이지 못하며, 조형물의 크기가 크다면 조형이 불가능할 수 있다는 문제점을 해결하여, 조형물의 크기나 모양에 상관없이 효율적으로 프린터가 가능하다는 효과가 있다.
또한, 규제 액체면 방식과는 달리 조형물의 처짐 현상으로 인해 요구되는 지지대가 필요 없고, 자유 액체면 방식과는 달리 조형물의 크기에 맞춰 만들어지는 수조 만큼의 수지만 필요하므로, 다량의 수지가 필요 없어 경제적인 효과도 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 : 광학헤드
23 : 잉크도포노즐
31 : X축이송부
32 : Y축이송부

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. a) 베드(11) 상부면에 수지도포노즐(21)을 통해 광경화성 수지를 도포하는 단계;

    b) 상기 베드(11) 상부면에 수지가 도포됨과 동시에 광학헤드(22)가 수조와 조형물을 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터에 대응하는 영역으로 광을 조사하여, 수조와 조형물의 단면 형상으로 수지를 경화시켜 판형 시트를 조형하는 단계;

    c) 상기 조형된 판형 시트가 부착된 베드(11)가 베드이송부(12)에 의해 조형된 판형 시트의 두께만큼 하강하는 단계;

    d) 상기 하강된 베드(11) 상부면에 부착되어 있는 판형 시트 상부에 상기 a) 수지도포노즐(21)을 통해 광경화성 수지를 도포하는 단계; 상기 b)상기 베드(11) 상부면에 수지가 도포됨과 동시에 광학헤드(22)가 수조와 조형물을 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터에 대응하는 영역으로 광을 조사하여, 수조와 조형물의 단면 형상으로 수지를 경화시켜 판형 시트를 조형하는 단계를 반복하는 단계; 상기 c)상기 조형된 판형 시트가 부착된 베드(11)가 베드이송부(12)에 의해 조형된 판형 시트의 두께만큼 하강하는 단계; 를 반복하여 조형된 판형 시트가 적층되면서 수조와 조형물을 완성하는 단계;

    e) 상기 완성된 수조에서 완성된 조형물을 분리하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 조형방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광학헤드(22)는 일측에 잉크도포노즐(23)을 구비하여, 조형물의 색구현을 위해 설정된 위치에 잉크가 도포되는 것을 특징으로 하는 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 조형방법.
KR1020130135011A 2013-11-07 2013-11-07 가변형 수조 적층방식을 이용한 3차원 프린터 및 이를 이용한 조형방법 KR101407050B1 (ko)

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