KR101504073B1 - 박막적층 방식 및 경화성 물질을 이용하는 3d 프린팅 방법 - Google Patents

박막적층 방식 및 경화성 물질을 이용하는 3d 프린팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 박막재료를 이송기판에 부착하여 박막재료 절단부로 이송하는 단계; 상기 박막재료 절단부에서 상기 이송기판에 부착된 박막재료를 절단하는 단계; 상기 절단된 박막재료를 작업용 바스켓 내에 있는 조형기판 상에 부착하는 단계; 상기 부착된 박막재료를 마운팅하는 단계; 상기 작업용 바스켓 내에 경화성 물질을 채우는 단계; 상기 경화성 물질을 경화시켜 고체화하여 상기 마운팅된 박막재료를 고정하는 단계; 및 상기 마운팅된 박막재료를 적층하는 단계를 포함하고, 상기 각 단계는, 목적하는 3D 조형물로 박막을 적층하도록, 1회 이상 순차적으로 반복되는 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법이다. 본 발명은, 박막 적층 시 효율적인 압력 전달이 가능하여 목적하는 조형물의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Description

박막적층 방식 및 경화성 물질을 이용하는 3D 프린팅 방법{Three Dimensional Printing Method using Thin Film Lamination and Hardening Material}
본 발명은 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 박막적층 방식 및 경화성 물질을 이용하는 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
3차원 프린팅 기술은, 판 형태의 고체 소재를 접착시키는 방법과, 액상을 재료를 경화시켜 적층하거나 또는 분말형태로 소결하여 적층하는 방식 등이 있다. 특히, 사물을 스캔하여 이를 평면으로 나누어 재료를 UV 혹은 레이저를 이용하여 경화시켜 사물의 형상을 만들어 가는 방식이 범용적으로 이용된다. 예를 들어, UV 감광성 경화성 액체 수지의 박층을 플랫폼 상에 형성시키고, 이것을 각 박판의 디지털 표시에 따라 액제층 상의 적절한 위치에서 UV 소스를 이용하여 원하는 패턴을 경화시킨다.
일반적으로 이용되는 3차원 프린팅 기술은, 액체나 파우더 혹은 코일형태의 고분자나 금속재료를 사용하여 점 단위나 면 단위의 인쇄를 반복적으로 하여 입체적인 모양을 만들어 가지만 다양한 재료를 적용하거나 또는 복합 재료를 사용하여 특정 기능을 부여하는데 기술적 어려움이 있고, 복잡한 입체 형상이거나 굴곡이 신한 경우에 안정적으로 적층하는 것이 어렵거나 공정이 복잡하고, 정밀도가 낮아 프린팅할 수 있는 입체 형상이 제한된다. 또한, 금속의 경우 시간이 오래 걸리는 단점이 있고 연속적인 생산이 불가능한 구조로 되어 있거나 또는 수정이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은, 박막재료 적층 시 구조체에 효율적인 압력 전달을 가능하게 하여 작업의 정밀도를 개선시켜 복잡한 형상의 조형물의 제조가 가능하고, 작업 공정을 간소화시킬 수 있는 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법 및 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따라,
박막재료를 이송기판에 부착하여 박막재료 절단부로 이송하는 단계;
상기 박막재료 절단부에서 상기 이송기판에 부착된 박막재료를 절단하는 단계;
상기 절단된 박막재료를 작업용 바스켓 내에 있는 조형기판 상에 부착하는 단계;
상기 부착된 박막재료를 마운팅하는 단계;
상기 작업용 바스켓 내에 경화성 물질을 채우는 단계;
상기 경화성 물질을 경화시켜 고체화하여 상기 마운팅된 박막재료를 고정하는 단계; 및
상기 마운팅된 박막재료를 적층하는 단계를 포함하고,
상기 각 단계는, 목적하는 3D 조형물로 박막을 적층하도록, 1회 이상 순차적으로 반복되는 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 경화성 물질을 채우는 단계는, 기부착된 박막재료의 높이와 일치하도록 채울 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 마운팅된 박막재료를 적층하는 단계 이후에, 상기 고체화된 경화성 물질을 녹여서 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 경화성 물질은, 왁스, 노블락계열 수지 및 비스페놀계열 수지 및 무기입자를 포함하는 왁스 중 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 박막재료는, 7 ㎛ 내지 2000 ㎛ 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 이송하는 단계는, 진공 부착으로 상기 박막재료를 이송할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 부착하는 단계 이전에, 상기 조형기판 상에 접착층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 접착층은, 에폭시계 액상 프리프레그 및 시트형 프리프레그; 및 폴리이미드계 액상 열경화성접착제 및 시트형 열경화성접착제; 중 1종이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 접착층은, 10 ㎛ 내지 200 ㎛ 두께일 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 적층하는 단계 이후에, 상기 박막재료에 열 및 압력을 가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 열 및 압력을 가하는 단계는, 상기 박막재료의 적층 두께가 100 ㎛ 이상이 될 때마다 주기적으로 수행할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 3D 프린팅 방법은, 목적하는 3D 조형물로 박막재료를 적층하도록, 두께 및 성분이 동일하거나, 또는 두께 및 성분 중 하나 이상이 다른 박막재료를 공급하여 1회 이상 반복될 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 목적하는 3D조형물의 외형의 곡률에 따라 적층하는 박막재료의 두께를 조절할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 목적하는 3D조형물의 외형의 곡률에 따라 적층하는 박막재료의 두께를 조절할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 곡률이 클수록 박막재료 두께를 얇게 하고, 상기 곡률이 작을수록(평면에 가까울수록) 상기 박막재료 두께를 두껍게 할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 목적하는 3D조형물의 외형에 따라 작업바스켓 내에 채워지는 경화성 물질의 높이를 조절할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따라,
박막재료를 이송기판에 진공 부착하여 이송하는 이송부; 상기 박막재료를 절단하는 절단부; 작업바스켓을 포함하는 작업부; 경화성 물질을 상기 작업바스켓에 제공하는 경화성 물질 공급부; 상기 박막재료를 마운팅하는 마운팅부; 및 상기 박막재료를 적층하는 적층부를 포함하고, 상기 작업바스켓은, 상기 박막재료가 부착되는 조형기판; 및 상기 작업바스켓 외벽에 형성된 냉각봉을 포함하는 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 적층부는, 상기 적층된 박막재료에 열 및 압력을 가하는 프레스기; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 작업바스켓은, 상기 작업바스켓 외벽에 열봉을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 측면에 따라,
본 발명에 의한 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법에 의하여 형성된 고체화된 경화성 물질을 포함하는 금형틀에 관한 것이다.
본 발명은, 저온 경화성 물질을 이용하여 기존의 장비로는 작업이 불가능한 복합한 형태의 3차원 조형물을 박막적층 방식에 의해 안정적으로 생산할 수 있다.
본 발명은, 저온 경화성 물질을 이용하여 박막재료를 지지하므로, 적층 시 효율적인 압력전달이 가능하여 조형물의 정밀도 및 조형물의 내구성을 높일 수 있다. 또한, 상기 경화성 물질은 작업 후에 상기 저온 경화성 물질의 재사용이 가능하여 3차원 프린팅 공정에서 재료의 낭비를 줄일 수 있다.
본 발명은, 부분별로 작업이 가능하여 3차원 제품에 수정 및 수리가 가능하고 원하는 층에 성분을 변화시켜 기능성을 부여할 수 있다.
본 발명은, 3차원 프린팅 시, 작업상판 및 하판의 크기 및 개수, 레이저 및 제품을 인식할 수 있는 비전의 개수와 재료 공급장치의 설계에 따라 제품의 대형화를 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법에 대한 예시적 공정 순서도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법에 대한 예시적 공정 순서도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 시스템에 대한 예시적 구성도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이송부에 대한 예시적 구성도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절단부에 대한 예시적 구성도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 작업부에 대한 예시적 구성도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄부에 대한 예시적 구성도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층부에 대한 예시적 구성도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법에 의한 알파벳 H 형상의 예시적 제조 공정을 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 도 1에 제시한 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법을 이용하여 설명한다. 본 발명에 의한 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법은, 박막재료 적층 시 경화성 물질로 박막재료를 고정시켜 안정적인 박막 적층이 가능하고, 복잡한 형상에 대한 입체적 정밀도를 개선시킬 수 있다. 또한, 다양한 성분 및 두께를 갖는 박막을 적층하여 기능성을 갖는 3D 조형물을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법에 대한 예시적 공정 순서도를 나타낸 것이다. 상기 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법은, 공급하는 단계(S1); 이송하는 단계(S2); 절단하는 단계(S3); 부착하는 단계(S4); 마운팅하는 단계(S5); 경화성 물질을 채우는 단계(S6); 고정하는 단계(S7); 및 적층하는 단계(S8); 를 포함할 수 있고, 접착층을 형성하는 단계 (S4'), 열 및 압력을 가하는 단계(S8'), 경화성 물질을 제거하는 단계(S9) 및 이물질을 제거하는 단계(S10)를 더 포함할 수 있다.
공급하는 단계(S1)는 박막재료를 로딩 기판에 공급하는 단계이다. 공급하는 단계(S1)는 목적하는 3D 조형물의 형태 및 기능에 따라, 3D 프린팅 공정 시 다양한 성분 및 다양한 두께를 가진 박막재료를 제공하여 조형물의 정밀도, 입체감 및 공정의 효율성을 높일 수 있다.
상기 박막재료는 목적하는 3D 형상물의 형태 및 기능 등에 따라 적절하게 선택될 수 있고, 구체적으로, 금속, 유기재료, 무기재료, 고분자 중합체, 펄프, 섬유, 종이 등 중 1종 이상을 포함하는, 박막, 호일, 필름, 시트, 프리프레그, 액상 프리프레그 등일 수 있다. 예를 들어, 동, 알루미늄, 아연, 강철합금, 스테인레스 및 이들의 합금인 금속 박막; 상기 금속박막과 합지된 프리프레그, 예를 들어, 동박(FR4)과 프리프레그가 합지된 프리프레그 복합체 또는 프리프레그와 알루미늄합금이 합지된 프리프레그 복합체; 내열성이 있는 폴리이미드, 에폭시, ABS 등 고분자 필름; 및 상기 금속박막과 상기 고분자 필름의 복합체, 예를 들어, 프리프레그 및 동박 사이에 폴리이미드 필름이 라미네이트된 CCL(COPPER CLAD LAMINATED); 등일 수 있다.
이송하는 단계(S2)는 박막재료를 진공 부착하여 상기 박막재료를 원하는 공정 위치로 이송하는 것이다. 예를 들어, 박막재료를 절단하는 단계(S2)를 수행하기 위해 절단부로 이송될 수 있고, 부착하는 단계(S3)를 수행하기 위해 작업 바스켓 내에 있는 조형기판 상으로 이송될 수 있다. 상기 진공 부착은 공기 흡입 방식으로 이루어지며, 하기의 3D 프린팅 시스템에 대한 설명에서 보다 상세하게 제시된다.
절단하는 단계(S3)는 이송하는 단계(S2)에서 이송된 박막재료를 목적하는 3D 조형물의 형상에 따라 절단하는 단계이다. 절단하는 단계(S3)에서 박막재료를 절단하는 방식은 본 발명의 기술분야에서 적용 가능한 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 바람직하게는 레이저를 이용할 수 있다.
부착하는 단계(S4)는 절단하는 단계(S3)에서 절단된 박막재료를 작업용 바스켓 내에 있는 조형기판 상에 부착하는 단계이며, 두 번째 이후 반복 과정에서는 이미 만들어진 적층 상에 절단된 박막재료를 부착한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 부착하는 단계(S4) 이전에, 접착층을 형성하는 단계(S4')를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 부착하는 단계(S4)는 조형기판 또는 적층된 박막재료 상에 형성된 접착층에 상기 절단된 박막재료를 부착할 수 있다.
접착층을 형성하는 단계(S4')는 조형기판 또는 적층된 박막재료 상에 접착층을 형성하며, 접착층을 형성하는 방식은, 본 발명의 기술 분야에서 적용 가능한 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 바람직하게는 공정 시간을 줄이고, 대면적화 및 공정 효율을 위해서 잉크젯 프린팅을 이용할 수 있다.
상기 접착층은, 에폭시계 액상 프리프레그 및 시트형 프리프레그; 및 폴리이미드계 액상 열경화성접착제 및 시트형 열경화성접착제; 중 1종을 포함할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다. 바람직하게는 에폭시계열 액상 프리프레그일 수 있다.
상기 접착층은 적층 시 적절한 압력 조절이 가능하고, 박막재료의 적층 시 슬라이딩 현상을 방지하기 위해서 박막재료의 재질 또는 두께에 따라 선택될 수 있으며, 예를 들어, 박막재료가 폴리이미드 필름을 사용할 경우에 박막재료 두께 대비 1/3 수준으로 접착체 두께를 형성할 수 있다. 바람직하게는 상기 접착층은, 10 ㎛ 내지 200 ㎛ 두께, 더 바람직하게는 10 ㎛ 내지 150 ㎛ 두께, 더욱더 바람직하게는 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 두께일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.
마운팅하는 단계(S5)는 상기 부착된 박막재료를 마운팅하는 단계이다.
경화성 물질을 채우는 단계(S6)는, 마운팅하는 단계(S5) 이후에 상기 조형기판이 있는 작업 바스켓 내에 경화성 물질을 채우는 단계이다. 목적하는 3D 조형물의 외형에 따라 작업바스켓 내에 채워지는 경화성 물질의 높이를 조절할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 기부착된 박막재료의 높이와 일치하도록 채울 수 있고, 또는 기부착된 박막재료의 높이 미만으로 채워질 수 있다. 또한, 상기 경화성 물질은, 3D 프린팅 공정 중에 형성된 박막재료의 적층 구조체 내의 공간을 채우고, 적층 구조체의 형태를 지지하여 압력 전달이 어려운 영역에 효율적으로 압력을 전달할 수 있다. 상기 경화성 물질은 저온 경화성 물질이며, 예를 들어, 상기 경화성 물질은 5 ℃ 이하의 온도에서 경화가 시작되며 완전경화는 -3 ℃에서 될 수 있고, 상기 경화성 물질은 상온에서는 점도가 높지만 저온에서 급격하게 경화되어 대리석과 비슷한 경도를 나타낼 수 있고, 80 ℃ 이상의 온도에서는 물과 비슷한 점도를 가질 수 있다. 바람직하게는 상기 경화성 물질은, 왁스, 노블락계열 에폭시, 및 비스페놀계열 수지 중 1종 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 왁스는 에스터 왁스, 카나우바 왁스, 폴리에틸렌 왁스, 폴리프로필렌 왁스, 비즈 왁스, 파라핀 왁스, 칸데릴라왁스, 라놀린왁스, 베이버리왁스, 사탕무우왁스, 페트롤라텀, 카보왁스, 경랍왁스, 미소결정형왁스 왁스 및 이들과 무기 입자의 혼합물 중 1종 이상일 수 있다. 상기 무기 입자는 금속 산화물, 수산화물, 탄산염, 인산염, 규산염 등일 수 있고, 예를 들어, 알루미나, 산화티타늄, 실리카, 실리케이트 등일 수 있다. 상기 비스페놀계열 수지는 비스페놀 A형 에폭시 수지, 비스페놀 B형 에폭시 수지, 비스페놀 C 형 에폭시 수지 및 비스페놀 F형 에폭시 수지 중 1종 이상일 수 있다.
고정하는 단계(S7)는, 상기 작업 바스켓 내에 채워진 경화성 물질을 경화시켜 고체화하여 상기 마운팅된 박막재료를 고정하는 단계이다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 경화성 물질은 작업 바스켓을 냉각시켜 상기 경화성 물질을 고체화한다. 예를 들어, 상기 고체화된 물질은 적층하는 단계(S7)에서 박막재료를 지지하여 박막재료의 상부로 압력이 가해지면 상기 고체화된 물질은 박막재료의 하부에서 박막재료를 지지하여 박막재료에 효율적으로 압력전달을 가능하게 한다. 보다 구체적으로, 박막재료의 적층 구조체에서 아랫단의 박막재료보다 윗단의 박막재료가 더 큰 경우에 아랫단 박막재료를 넘는 부분의 윗단 박막재료를 고체화된 물질이 지지함으로써, 박막적층이 효과적으로 진행될 수 있다.
적층하는 단계(S8)는 상기 조형기판에 부착된 박막재료를 적층하는 단계이다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 적층하는 단계(S8)는 열 및 압력을 가하는 단계(S8')를 더 포함할 수 있다. 열 및 압력을 가하는 단계(S8')는 상기 박막재료 에 열 및 압력을 가하여 적층된 박막들 간의 결합을 유도하는 단계이며, 고정하는 단계(S7)에서 고체화된 물질이 박막재료를 지지하므로, 상기 박막재료에 효과적으로 압력이 전달될 수 있다. 예를 들어, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법에 의한 알파벳 H 형상의 예시적 제조 공정을 나타낸 것으로, 도 9(a)에서, L 영역의 적층 이후에 M 영역의 적층 시 고체화된 물질에 의해 박막재료의 M1 부분이 지지되어 상기 M1 부분에 압력을 충분히 가할 수 있다. 다음으로, 도 9(b)에서 H 영역의 적층 시 고체화된 물질에 의해 지지되어 H1 및 H2 부분에 압력을 충분히 가할 수 있어 조형물을 안정적으로 적층하여 제조할 수 있고, L, M, H 영역을 순차적으로 진행할 수 있으므로, 작업 공정을 간소화시킬 수 있다.
바람직하게는 열 및 압력을 가하는 단계(S8')는 상기 박막재료의 적층 두께가 100 ㎛ 이상, 바람직하게는 300 ㎛일 때마다 주기적으로 수행될 수 있다. 상기 열 및 압력을 가하는 단계는, 50 ℃ 내지 200 ℃ 온도 및 100 kgf/m2 내지 200,000 kgf/m2 압력을 가할 수 있다. 예를 들어, 적층이 너무 두꺼운 상태에서는 상부 및/또는 하부에서 열을 가하여도 중간 부분에는 그 열이 전달되지 않을 수 있으므로, 적층 두께가 100 ㎛ 이상, 또는 300 ㎛ 이상이 되는 때에는, 주기적으로, 목적하는 조형물이 완성되지 않은 상태라도, 열 및 압력을 가하는 단계를 수행한 후 적층을 이어서 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따라 3D 프린팅 방법에서 적층하는 단계(S8) 또는 열 및 압력을 가하는 단계(S8') 이후에 공정이 완료되면, 고체화된 경화성 물질은 적층 구조체의 형상에 따라 고체화되므로 금형틀로 이용될 수 있다.
또는, 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따라 3D 프린팅 방법는 경화성 물질을 제거하는 단계(S9)를 더 포함할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법에 대한 예시적 공정 순서도를 나타낸 것으로, 도 2에서, 경화성 물질을 제거하는 단계(S9)는 작업 바스켓 내에 온도를 가하여 고체화된 경화성 물질을 녹여서 제거하는 단계이다. 경화성 물질을 제거하는 단계(S9)는 3D 프린팅 공정 중 또는 목적하는 3D 조형물이 완성된 이후에 실시될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 경화성 물질을 제거하는 단계(S9)에서 온도는 고체화된 물질을 녹이는 온도이며, 예를 들어, 80 ℃ 이상으로 작업 바스켓의 온도를 상승시켜 고체화된 물질을 녹일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 3D 프린팅 방법은 이물질을 제거하는 단계(S10)를 더 포함할 수 있다. 이물질을 제거하는 단계(S10)는 완성된 3D 조형물에 있는 이물질을 제거하는 것으로, 본 발명의 기술 분야에서 적용 가능한 이물질 제거 방법이라면 제한 없이 사용될 수 있다.
본 발명에 의한 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법에서 각 단계들은 목적하는 3D 조형물로 박막을 적층하기 위해서 1회 이상 순차적으로 반복될 수 있다. 구체적으로, 두께 및 성분이 동일한 박막재료, 또는 두께 및 성분 중 하나 이상이 다른 박막재료를 이용하여 목적하는 3D 조형물로 박막재료를 적층하도록 상기 언급한 각 단계들이 1회 이상 순차적 또는 개별적으로 반복될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 목적하는 3D 조형물의 외형의 곡률에 따라 적층하는 박막재료의 두께를 조절하여 상기 3D 프린팅 방법의 각 단계들이 반복되어 목적하는 3D 조형물로 박막재료를 적층할 수 있다. 보다 구체적으로, 목적하는 3D조형물의 외형의 곡률이 클수록 얇은 두께의 박막재료를 1회 이상 제공하여 보다 정밀하게 3D 조형물로 적층하고, 상기 곡률이 작을수록(평면에 가까울수록) 두꺼운 두께의 박막재료를 1회 이상 제공하고 적층하여 공정의 효율성을 향상시킬 수 있다. 즉, 곡면은 얇은 박막재료의 적층을 통하여 곡면을 정확히 구현하되, 평면 외형인 부분은 공정의 효율을 위해서 상대적으로 두꺼운 박막재료를 적층하여 전체적인 공정효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 목적하는 3D 조형물의 기능에 따라 적층하는 박막재료의 성분을 변경하여 상기 3D 프린팅 방법의 각 단계들이 반복되고 목적하는 3D 조형물로 박막재료를 적층할 수 있다. 보다 구체적으로, 목적하는 3D 조형물이 알파벳 H이고, 상기 알파벳 H 조형물에 경직-유연성(rigid-flex)을 부여하기 위해서 알파벳 H의 양쪽 기둥은 동박으로 적층하고, 상기 가운데 연결부위에 열경화성 접착제 및 고분자 필름을 이용하여 적층한다. 그 결과, 상기 가운데 연결부위는 휘어짐이 가능해진다. 또한, 상기 가운데 연결부위에 전기전도성을 갖는 박막재료를 더 추가하여 전기적 기능성을 부여할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 여러 개의 목적하는 3D조형물을 동시에 적층할 수 있다. 보다 구체적으로, 목적하는 3D 조형물이 알파벳 H 및 별모양 ★ 인 경우에 조형기판의 크기를 조절하고, 조형기판 상에 두 영역의 접착층을 형성하여 알파벳 H 및 ★에 따른 박막재료를 동시에 적층하여 3D 조형물을 제조할 수 있으므로, 공정효율 및 공정의 대량화가 가능하다.
본 발명에 의한 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법은, 도 3의 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템을 이용할 수 있다. 상기 3D 프린팅 시스템은 공정 속도를 개선시키고 제품의 대형화가 가능하고 복잡한 형상의 조형물을 안정적으로 적층시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 시스템(1)에 대한 예시적 구성도를 나타낸 것이다. 3D 프린팅 시스템(1)은, 박막재료 공급부(100); 이송부(200); 절단부(300); 작업부(400); 마운팅부(500); 및 적층부(600); 를 포함하고, 3D 프린팅 시스템(1)은 시스템 제어부(700)를 더 포함할 수 있다.
공급부(100)는 박막재료를 공급하는 것으로, 목적하는 3D 조형물의 형상에 따라 박막재료(130)의 두께 및 성분을 조절하여 로딩기판(120) 상에 배치한다. 도 3에서, 공급부(100)는 재료공급기(110) 및 로딩기판(120)을 포함하고, 재료공급기(110)는 각 층별로 두께 및 성분이 다른 박막재료로 채워지고, 로딩기판(120)이 좌우(도 3의 화살표 방향)로 움직이면서 원하는 박막재료가 로딩기판(120) 상에 로딩된다. 또한, 로딩기판(120)은 이송부(200)와 결합하기 위한 결합부(140)를 포함한다.
이송부(200)는 로딩기판(120) 상에 로딩된 박막재료(130)를 원하는 공정 위치로 이송한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이송부(200)에 대한 예시적 구성도를 나타낸 것으로, 도 4(a)에서, 이송부(200)는 이송기판(210) 및 이송기판(210)을 고정하는 고정부(230)를 포함한다. 이송기판(210)은 탈부착하기 위한 것으로 일정한 반경 및 일정한 간격의 다수의 진공 흡입구(220)를 포함한다. 예를 들어, 도 4(b)에서, 진공 흡입구(220)는 박막재료(130)를 진공 부착하여 박막재료(130)를 공정 위치로 이송하고 또는 공정 위치에 탈착한다. 이와 같이 진공 흡입 부착 방식에 의하여 이송하면, 박막의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 이송기판(210)은 로딩기판(120)의 결합부(140)와 결합하기 위한 결합부(240)가 형성된다. 고정부(230)는 봉의 형태로 이루어지고, 이송기판(210)을 공정 위치로 이동 가능하도록 레일에 장착되고(미도시), 상하(도 3의 화살표 방향)로 움직여 박막재료(130)의 탈부착 위치로 위치시킨다.
절단부(300)는 이송기판(210)에 부착된 박막재료(130)를 절단하기 위한 것으로, 절단기(310)를 포함한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 절단부(300)에 대한 예시적 구성도를 나타낸 것이다. 도 5에서, 절단부(300)는 절단기(310)를 포함하고, 절단기(310)는 레이저 커팅기(310)이고, 박막재료를 인식하는 비전(320)를 포함한다. 레이저 커팅기(310) 및 비전(320)은 하나의 박막재료(130)를 동시에 여러 개로 절단가능 하도록 하나 이상 구성하여 작업 속도를 향상시킬 수 있다.
작업부(400)는 이송된 박막재료가 적층되어 목적하는 조형물을 제조하기 위한 것으로, 작업바스켓(410), 인쇄부(420), 조형기판(430) 및 경화성 물질 공급부(440, 440')을 포함한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 작업부(400)를 나타낸 것으로, 도 3 및 도 6에서, 작업바스켓(410)은 내부에 인쇄부(420) 및 조형기판(430)이 장착되고, 상기 내부는 공정 중에 경화성 물질로 채워진다. 또한, 작업바스켓(410)의 외부에 작업바스켓(410)을 지지하는 프레임(450)이 장착된다.
작업바스켓(410)은 내벽(411) 및 외벽(412)로 이루어지고, 외벽(412) 내에 열봉(H) 및 냉각봉(L)이 구성되어 작업바스켓(410)에 열을 가하여 경화성 물질을 녹이고, 냉각하여 고체화시킨다. 또한, 작업바스켓(410)은 온도센스(미도시)가 장착되어 공정 중의 작업바스켓(410) 내의 온도를 조절한다.
마운팅부(500) 및 적층부(600) 위치로 작업부(400)가 왕복 이동가능 하도록 프레임(450)의 하단에 단수 또는 복수의 롤이 형성되고 레일에 연결된다(미도시).
경화성 물질 공급부(440, 440')는 작업바스켓 내에 경화성 물질을 공급하고 제거하기 위한 것으로, 경화성 액체 저장용기(441, 441'), 공급노즐(442, 442') 및 공급관(443, 443')을 포함한다. 공급관(443) 말단에 조형물의 구조에 따라 경화성 물질이 조형물을 채울 수 있도록 조형기판(430)에 근접하게 배치된 제2 공급노즐(445)을 포함한다. 공급관(443, 443')은 적층 구조체의 크기에 따라 경화성 물질의 채워지는 높이를 조절하기 위해서 위아래로 길이 조절이 가능하다(도 6의 화살표 방향). 또한, 경화성 액체 저장용기(441, 441')는 작업 바스켓(410)의 바닥면을 관통하는 이송관(446, 446')을 통하여 작업 바스켓(410)과 연결되며, 이송관(446, 446')은 이송관(446, 446')을 개폐하는 밸브(413)와 결합된다. 녹여진 경화성 물질은 이송관(446, 446')을 통하여 경화성 액체 저장용기(441, 441')로 회수된다. 밸브(413)는 이물질 제거를 위해서 필터(미도시)를 더 포함하고, 경화성 물질이 이송관(446, 446')을 통하여 신속하게 이동되도록 이송관(446, 446')에 펌프가 연결될 수 있다(미도시).
인쇄부(420)는 박막재료(130)를 부착하기 위해 접착층(421)를 형성하는 것으로, 조형기판(430) 상에 접착층(421)이 형성된다. 박막재료(130)가 조형기판(430)의 접착층(421)에 부착되고 적층된 이후, 다시 박막재료(130)가 제공되면, 접착층(421)은 이전에 부착된 박막재료(130) 상에 형성되고, 제공되는 박막재료(130)가 접착층(421)에 부착된다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄부(420) 및 조형기판(430)에 대한 예시적 구성도를 나타낸 것으로, 도 7에서, 인쇄부(420)는 조형기판(430), 접착층(421) 및 접착제 코팅기(422)를 포함한다. 조형기판(430)은 상판(432) 및 하판(431)로 이루어진다. 접착층(421)은 상판(432) 상에 형성되고, 여러 개의 조형물이 동시에 적층되도록 서로 분리된 여러 개의 접착층이 형성될 수 있다. 상판(432)은 이의 크기를 조절하여 대면적화될 수 있고, 목적하는 조형물에 따라 크기를 조절할 수 있다.
또한, 상판(432)은 열 및 압력에 견딜 수 있는 유리, 금속 및 폴리머 중 하나 이상을 포함하는 기판이며, 바람직하게는 유리 또는 폴리머로 이루어진 투명기판이다. 하판(431)은 박막재료를 인식하기 위한 비전(434)이 더 형성될 수 있다. 또한, 하판(431)은 이송기판(210)의 결합부(240)와 결합하기 위한 결합부(433)이 형성된다.
접착제 코팅기(422)는 잉크젯 코팅기이며, 노즐(422') 및 액상접착제 저장용기(423)를 이용하여 액상접착제를 잉크젯 프린팅으로 도포한다. 상기 노즐(422)은 헤드(미도시)에서 액상 접착제가 분사되고, 단일 또는 복수 개로 구성되어 공정의 대면적 및 공정 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 노즐(422')은 액상접착제 저장용기(423)에 연결되어 있다(미도시).
마운팅부(500)는 조형기판(430)의 접착층(421)에 박막재료(130)를 부착하도록 마운팅하는 것으로, 마운팅부(400)는 마운팅 공정 위치로 이동된 이송기판(210)으로 구성된다.
적층부(600)는 조형기판(430) 상에 부착된 박막재료(130)를 적층하기 위한 것으로, 적층부(600)는 열 및 압력을 박막재료(130)에 가하는 프레스기(610)를 포함한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층부에 대한 예시적 구성도를 나타낸 것이다. 도 8에서, 프레스기(610)는 열을 제공하는 하나 또는 복수 개의 열봉(613)이 형성된 상판(611), 및 박막재료(130)와 접촉하는 하판(612)을 포함하고, 상판(611)는 조형기판(430)의 결합부(433)와 결합되는 결합부(614)를 포함하고 박막재료(130)로 향하여 일정한 압력 및 열을 가한다.
본 발명에 의한 3D 프린팅 시스템(1)은 시스템 제어부(700)를 더 포함할 수 있다(미도시). 시스템 제어부(700)는 목적하는 3D 조형물의 형상에 따라 3D 프린팅 시스템(1)의 작동을 제어한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 공급부 110: 재료공급기
120: 로딩기판 130: 박막재료
200: 이송부 210: 이송기판
220: 진공 흡입구 230: 고정부
300: 절단부 400: 작업부
410: 작업바스켓 420: 인쇄부
430: 조형기판 440: 경화성 물질 공급부
440': 경화성 물질 공급부
500: 마운팅부
600: 적층부 610: 프레스기

Claims (20)

  1. 박막재료를 이송기판에 부착하여 박막재료 절단부로 이송하는 단계;
    상기 박막재료 절단부에서 상기 이송기판에 부착된 박막재료를 절단하는 단계;
    상기 절단된 박막재료를 작업용 바스켓 내에 있는 조형기판 상에 부착하는 단계;
    상기 부착된 박막재료를 마운팅하는 단계;
    상기 작업용 바스켓 내에 경화성 물질을 채우는 단계;
    상기 경화성 물질을 경화시켜 고체화하여 상기 마운팅된 박막재료를 고정하는 단계; 및
    상기 마운팅된 박막재료를 적층하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 각 단계는, 목적하는 3D 조형물로 박막을 적층하도록, 1회 이상 순차적으로 반복되고,
    목적하는 3D조형물의 외형의 곡률에 따라 적층하는 박막재료의 두께를 조절하는 것인,
    박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경화성 물질을 채우는 단계는, 기부착된 박막재료의 높이와 일치하도록 채우는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마운팅된 박막재료를 적층하는 단계 이후에, 상기 고체화된 경화성 물질을 녹여서 제거하는 단계를 더 포함하는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 경화성 물질은, 왁스, 노블락계열 수지 및 비스페놀계열 수지 중 1종 이상인 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고정하는 단계에서 고체화된 물질은, 상기 적층하는 단계에서 박막재료를 지지하는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 박막재료는, 7 ㎛ 내지 2000 ㎛ 두께를 갖는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이송하는 단계는, 진공 부착으로 상기 박막재료를 이송하는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 부착하는 단계 이전에, 상기 조형기판 상에 접착층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 접착층은, 에폭시계 액상 프리프레그 및 시트형 프리프레그; 및 폴리이미드계 액상 열경화성접착제 및 시트형 열경화성접착제; 중 1종을 포함하는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 접착층은, 10 ㎛ 내지 200 ㎛ 두께를 갖는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적층하는 단계 이후에, 상기 박막재료에 열 및 압력을 가하는 단계를 더 포함하는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 열 및 압력을 가하는 단계는, 상기 박막재료의 적층 두께가 100 ㎛ 이상이 될 때마다 주기적으로 수행하는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 3D 프린팅 방법은, 목적하는 3D 조형물로 박막재료를 적층하도록, 두께 및 성분이 동일하거나, 또는 두께 및 성분 중 하나 이상이 다른 박막재료를 공급하여 1회 이상 반복되는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서,
    상기 곡률이 클수록 박막재료 두께를 얇게 하고, 상기 곡률이 작을수록(평면에 가까울수록) 상기 박막재료 두께를 두껍게 하는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    목적하는 3D조형물의 외형에 따라 작업바스켓 내에 채워지는 경화성 물질의 높이를 조절하는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 방법.
  17. 박막재료를 이송기판에 진공 부착하여 이송하는 이송부;
    상기 박막재료를 절단하는 절단부;
    작업바스켓을 포함하는 작업부;
    경화성 물질을 상기 작업바스켓에 제공하는 경화성 물질 공급부;
    상기 박막재료를 마운팅하는 마운팅부; 및
    상기 박막재료를 적층하는 적층부;
    를 포함하고,
    상기 작업바스켓은,
    상기 박막재료가 부착되는 조형기판; 및 상기 작업바스켓 외벽에 형성된 냉각봉;을 포함하고,
    목적하는 3D조형물의 외형의 곡률에 따라 적층하는 박막재료의 두께를 조절하는 것인,
    박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 적층부는, 상기 적층된 박막재료에 열 및 압력을 가하는 프레스기; 를 더 포함하는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 작업바스켓은, 상기 작업바스켓 외벽에 열봉을 더 포함하는 것인, 박막적층 방식을 이용하는 3D 프린팅 시스템.
  20. 제1항 내지 제13항 및 제15항 내지 제16항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 형성된 상기 고체화된 경화성 물질을 포함하는 금형틀.
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