KR101518406B1 - 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치 - Google Patents

광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기저장된 3차원 구조와 대응되게 마스크의 광투과영역을 실시간으로 조절함으로써 신속한 인쇄가 가능한 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치에 관한 것으로, 지지부 상에 복수개의 패턴층을 순차적으로 적층하여 기설정된 3차원 구조를 인쇄하는 3차원 인쇄 장치에 있어서, 상기 지지부 또는 상기 지지부에 형성된 패턴층 상에 원료를 제공하는 원료제공부; 상기 원료가 제공된 지지부를 제공받으며, 상기 기설정된 3차원 구조에 형상에 대응되게 선택적으로 원료를 경화시키는 광경화부; 상기 원료제공부와 상기 광경화부 사이에서 상기 지지부를 이송시키는 이송부; 상기 기설정된 3차원 구조를 복수개의 층으로 구획하고 상기 구획된 복수개의 층에 대응되게 상기 광경화부의 광투과영역을 조절함으로써 상기 광경화부가 선택적으로 원료를 경화시키도록 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치{THREE DIMENSION PRINTING APPRATUS USING MASK FOR POSSIBLE ADJUSTING LIGHT TRANSMISSION REGIONS}
본 발명은 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기저장된 3차원 구조에 대응되게 마스크의 광투과영역을 실시간으로 조절함으로써 신속한 인쇄가 가능한 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치에 관한 것이다.
최근에는 2차원 프린터(2D printer) 뿐만 아니라 3차원의 입체물을 프린팅할 수 있는 3차원 프린터(3D printer)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
여기서, 3차원 프린터는 설계 데이터에 따라 액체 또는 파우더 형태의 폴리머(수지), 금속 등의 재료를 가공·적층방식(Layer-by-layer)으로 쌓아올려 입체물을 제조하는 장비이다.
이는, 3차원 CAD에 따라 생산하고자 하는 형상을 레이저와 파우더 재료를 활용하여 신속 조형하는 기술을 의미하는 RP(Rapid Prototyping)에서 유래되었다. 입체형상의 재료를 기계가공 또는 레이저를 이용하여 자르거나 깎는 방식으로 입체물을 생산하는 절삭가공(Subtractive Manufacturing)과 반대되는 개념이다.
현재까지 다양한 3차원 프린터가 개발되었으며 그 중에서 용융 침착 모델링 방식(Fused Deposition Modeling:FDM)이 대표적인 방법이다. 용융 침착 모델링 방식(Fused Deposition Modeling:FDM)은 가는 필라멘트 형태의 열가소성물질을 노즐 안에서 녹여 얇은 필름 형태로 출력하는 방식으로 적층한다. 노즐은 플라스틱을 녹일 수 있을 정도의 고열을 발산하며 플라스틱은 상온에서 경화될 수 있어야 한다. 3차원 프린터를 구현하는 다른 방식에 비해 장치의 구조와 작동방식이 간단하기 때문에 장비 가격과 유지보수 비용이 낮다는 장점이 있다.
그러나, 노즐을 통하여 용융된 재료를 사출하여 형상을 제조하기 때문에 프린팅 구조의 정밀도가 제한적이며, 조도가 떨어진다는 단점이 존재한다.
또한, 사용가능한 재료 범위가 플라스틱에 한정된다는 단점도 존재한다.
이를 위해, 금속 재료를 이용한 3차원 구조물을 가공하기 위해 베드를 만들고 베드 안에 금속 파우더들을 레이저로 소결하는 방식을 적용하고 있지만, 모든 면적에 대해 균일하게 소성하는 문제점이 발생한다.
따라서, 현재까지 알려진 바에 따르면 최소 정밀도가 통상 수십 마이크로미터 정도로 제한된다.
더불어 노즐의 움직임만으로는 다양한 크기의 패턴을 신속하게 구현하는 것이 용이치 않으며, 다양한 종류의 재료를 신속히 경화시켜 3차원 구조를 형성하는 것은 현재로서는 매우 어려운 상황이다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 마스크의 광투과영역을 실시간으로 조절함으로써 인쇄하고자 하는 3차원 구조에 대응되는 영역만을 선택적으로 경화시킬 수 있는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 지지부 상에 복수개의 패턴층을 순차적으로 적층하여 기설정된 3차원 구조를 인쇄하는 3차원 인쇄 장치에 있어서, 상기 지지부 또는 상기 지지부에 형성된 패턴층 상에 원료를 제공하는 원료제공부; 상기 원료가 제공된 지지부를 제공받으며, 상기 기설정된 3차원 구조에 형상에 대응되게 선택적으로 원료를 경화시키는 광경화부; 상기 원료제공부와 상기 광경화부 사이에서 상기 지지부를 이송시키는 이송부; 상기 기설정된 3차원 구조를 복수개의 층으로 구획하고 상기 구획된 복수개의 층에 대응되게 상기 광경화부의 광투과영역을 조절함으로써 상기 광경화부가 선택적으로 원료를 경화시키도록 제어하는 제어부;를 포함하는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 지지부 또는 상기 지지부에 형성된 패턴층 상에 제공된 원료는 상기 지지부 또는 상기 지지부에 형성된 패턴층 상에서 막을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 원료제공부는 스프레이 노즐로 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 원료제공부는 전기분무 노즐, 공기압 노즐, 일유체 노즐 및 초음파 노즐 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 원료제공부는 복수개로 마련되고, 상기 원료제공부 중 적어도 어느 하나는 다른 하나와는 다른 종류의 원료를 상기 지지부 또는 상기 지지부에 형성된 패턴층 상에 제공하며, 상기 원료제공부는 복수개가 동시에 작동되거나 또는 순차적으로 작동되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 원료제공부는 슬롯 다이(slot die)로 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 원료제공부와 상기 경화부 사이에 마련되며, 상기 지지부가 상기 원료제공부 또는 상기 경화부로 제공되기 이전에 상기 지지부 또는 상기 지지부에 형성된 패턴층 상에 존재하는 잔류물을 제거하는 청소부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이송부는 상기 지지부를 상하방향을 따라 이송시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 경화부는, 광을 방출하는 광원; 상기 광원과 상기 지지부 사이의 광경로 상에 마련되되 상기 제어부를 통해 광투과영역이 조절되는 마스크;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 마스크는 엘시디(Liquid Crastal Device:LCD)로 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광원은 복수개로 마련되고, 상기 복수개의 광원으로부터 방출되는 복수개의 광 중에서 어느 하나를 선택적으로 상기 마스크 측으로 반사시키는 미러;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광원은 고에너지 램프, 레이저 램프, 자외선 램프 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 경화부는 상기 마스크와 상기 지지부 사이에 배치되되, 상기 마스크로부터 투과한 광을 집속 또는 확산시키는 렌즈부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 지지부에 형성된 패턴층의 형상 정보를 측정하는 형상 획득부;를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 형상 획득부로부터 측정된 패턴층의 형상 정보를 제공받아 상기 마스크의 광투과영역을 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 물리적으로 마스크를 교체하는 시간을 제외할 수 있어 인쇄 속도를 현저히 향상시킬 수 있는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치가 제공된다.
또한, 복수개의 원료를 혼합하여 제공하거나 또는 순차적으로 제공할 수 있어 필요에 따라 3차원 구조의 일부에 대한 원료를 선택할 수 있다.
또한, 단순히 원료를 막 형태로 지지부 상에 제공함으로써 지지부 상에 원료가 제공되는 시간을 단축할 수 있다.
또한, 전자적인 제어를 통해 마스크의 광투과영역을 미세하게 조절할 수 있으므로 3차원 구조의 형상을 실질적으로 완벽하게 모사할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 3은 도 1에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치에서 원료제공부를 개략적으로 도시한 정면도이고,
도 4는 도 1에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치에서 원료제공부의 변형례를 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 5는 도 1에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치에서 경화부를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 6은 도 1에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치에서 광투과영역이 조절된 마스크에 의해 경화되는 영역이 조절되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 방법에 대한 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 1 또는 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치(100)는 지지부 상에 제공된 원료를 기설정된 3차원 구조에 대응되게 선택적으로 경화시켜 신속하게 3차원 구조를 인쇄할 수 있는 것으로서, 지지부(110)와 원료제공부(120)와 광경화부(130)와 이송부(140)와 청소부(150)와 제어부(160)를 포함한다.
상기 지지부(110)는 평판 형의 부재로서, 후술할 원료제공부(120)를 통해 제공되는 원료가 거치되는 공간이며, 또한, 본 발명의 일실시예를 통해 인쇄하고자 하는 3차원 구조가 인쇄되는 공간이다.
상기 원료제공부(120)는 지지부(110) 또는 지지부(110)에 형성되는 패턴층 상부에 기설정된 3차원 구조와 동일한 형상으로 형성되기 위한 소정의 원료를 제공하는 단계이다. 여기서, 소정의 원료는 지지부(110) 또는 지지부(110)에 형성되는 패턴층 상부에 액체 또는 고체 파우더 형태로 제공될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 소정의 원료는 액체 상태로 제공되어 지지부(110) 또는 지지부(110)에 형성되는 패턴층 상에 막을 형성할 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치(100)는 지지부(110) 또는 지지부(110)에 형성되는 패턴층 상에 도포된 소정의 원료의 전 영역 중에서 기설정된 3차원 구조에 대응되는 영역만을 선택적으로 경화시킴으로써 기설정된 3차원 구조에 대응되는 패턴층을 형성하게 되며, 이 경우에 액체 상태의 막을 지지부(110) 또는 지지부(110)에 형성되는 패턴층 상에 도포하게 되면 도포 영역 및 도포된 영역에서의 두께를 균일하게 조절할 수 있다.
이에 따라, 기설정된 3차원 구조를 구획한 복수개의 층과 지지부(110) 상에 순차적으로 적층되는 패턴층을 대비하기 용이해진다. 이러한 대비가 용이해짐으로써, 결국, 본 발명의 일실시예에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치(100)가 실질적으로 3차원 구조와 동일한 형상의 인쇄물을 용이하게 인쇄할 수 있게 된다.
도 3은 도 1에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치에서 원료제공부를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따르면, 원료제공부(120)는 스프레이 노즐의 형태로 마련될 수 있다.
즉, 원료제공부(120)는 전기분무 노즐, 공기압 노즐, 일유체 노즐 및 초음파 노즐 중 어느 하나로 구비될 수 있으며, 상술한 각각의 노즐은 주지한 기술이므로 여기서는 각각의 노즐에 대한 자세한 설명은 생략한다.
여기서, 원료제공부(120)는 복수개의 스프레이 노즐들(120a, b, c)로 마련될 수 있으며, 복수개의 스프레이 노즐 중 적어도 일부는 나머지와는 다른 종류의 원료를 지지부(110) 또는 지지부(110)에 형성된 패턴층 상에 제공할 수 있다.
또한, 복수개의 원료제공부(120)는 원료를 동시에 지지부(110) 측으로 제공할 수도 있고, 아니면 순차적으로 원료를 제공할 수 있으며, 이러한 작동은 필요에 따라 달리 설정될 수 있다.
도 4는 도 1에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치에서 원료제공부의 변형례를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예의 변형례에 따르면, 원료제공부(120')는 슬롯 다이(slot die)로 마련될 수 있다.
즉, 원료제공부(120')는 지지부(110)를 마주보는 면으로부터 내측으로 함몰되는 토출 슬롯(120'a)을 통해 액체 상태의 원료를 지지부(110) 측으로 토출함으로써 지지부(110) 또는 지지부(110)에 형성되는 패턴층 상부에 액체 상태의 원료가 코팅되도록 할 수 있다,
한편, 본 발명의 일실시예에서 원료제공부(120)는 스프레이 노즐 또는 슬롯 다이로 구비되는 것으로 설명하였으나 이에 제한되는 것은 아니며, 액체 또는 고체 파우더를 지지부(110) 측으로 제공할 수 있는 어떠한 수단도 사용될 수 있음은 당연하다.
도 5는 도 1에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치에서 경화부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 광경화부(130)는 원료제공부(120)를 통해 원료가 제공된 지지부(110)를 제공받아 기설정된 3차원 구조에 대응되는 영역만을 선택적으로 경화하여 패턴층을 형성하는 것이다.
일반적으로 3차원 프린팅 장치는 기설정된 3차원 구조의 형상에 대응되는 패턴을 직접적으로 지지부(110) 또는 지지부(110)에 형성된 패턴층에 형성한 후 경화시키는 방식을 채택한다면, 광경화부(130)에 의해 소정의 원료를 경화시키기 이전에 이미 3차원 구조에 대응되게 원료가 제공된 상태이므로 단순히 광경화부(130)를 통해 원료를 경화시킨다면 3차원 구조와 동일한 형상의 패턴층을 형성할 수 있다.
이에 비해, 본 발명의 일실시예에서 원료제공부(120)는 소정의 두께를 갖는 원료층을 막 형태로 지지부(110) 또는 지지부(110)에 형성된 패턴층 상에 도포한 후, 원료가 도포된 영역 중 3차원 구조에 대응되는 영역만을 선택적으로 경화시킴으로써 3차원 구조와 동일한 형상의 패턴층을 형성하게 된다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 광경화부(130)는 지지부(110) 또는 지지부(110)에 형성된 패턴층 상에 도포된 원료 중 일부만을 선택적으로 경화시킬 수 있으며, 광원(131)과 마스크(132)를 포함한다.
상기 광원(131)은 광을 방출하는 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면 광원(131)은 사용되는 원료에 따라 제논 램프(Xenon lamp)와 같은 고에너지 램프, 레이저를 방출하는 레이저 램프(laser lmap), 자외선을 방출하는 자외선 램프(UV lamp) 중 어느 하나로 구비될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 마스크(132)는 광원(131)과 지지부(110) 사이의 광경로 상에 설치되며, 광투과영역을 조절함으로써 광원(131)으로부터 방출되는 광 중에서 3차원 구조와 대응되지 않는 영역에 도달하는 일부의 광은 차단하고 3차원 구조에 대응되는 영역으로 도달하는 광은 투과시키도록 마련되는 것이다.
이러한 광투과영역의 변경은 지지부(110)가 광경화부(130)에 도달하기 이전에 수행될 수 있고, 또한, 지지부(110)가 광경화부(130)에 도달하여 경화가 진행되는 동안에 수행될 수 있고, 이러한 작동은 후술할 제어부(160)에 의해 제어된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 마스크(132)는 액정(liquid crystal)로 마련될 수 있고, 더 바람직하게는 엘시디(liquid crystal device)로 마련될 수 있다.
도 6은 도 1에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치에서 광투과영역이 조절된 마스크에 의해 경화되는 영역이 조절되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 전기적인 제어를 통해 마스크(132)의 광이 투과할 수 있는 광투과영역 및 반사 또는 흡수됨으로써 광의 진행이 차단되는 광차단영역을 실시간으로 설정함으로써 마스크(132)는 3차원 구조와 대응되게 원료의 일부 영역만을 선택적으로 경화시킬 수 있다.
이처럼, 광투과영역을 자유롭게 조절가능한 마스크(132)를 이용함으로써 물리적으로 마스크를 교체하는 시간을 제외시킬 수 있어 인쇄 속도를 현저히 증가시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에서 광원(131)는 복수개로 구비될 수 있다. 상술한 것과 같이 원료제공부(120)가 복수개로 구비될 수 있고, 각각의 원료제공부(120)가 서로 다른 원료를 지지부(110) 측으로 제공할 수 있으므로, 각각의 원료를 경화시키기에 적합한 광원(131)을 복수개 구비하여 경화효율을 향상시킬 수 있다.
이에 따라, 광경화부(130)는 복수개의 광원(131)으로부터 방출되는 복수개의 광 중에서 일부의 광만이 선택적으로 마스크(132) 측으로 반사시킬 수 있는 미러(133)를 더 포함할 수 있다.
즉, 상기 미러(133)는 복수개의 광원(131)으로부터 방출되는 복수개의 광들의 광경로가 중첩되는 영역 상에 배치되어, 복수개의 광 중에서 일부, 바람직하게는 복수개의 광 중에서 어느 하나의 광이 마스크(132) 측으로 반사되도록 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 광원(131)은 제논 광원(131a) 및 자외선 광원(131b) 2개로 구비되어 있으며, 제논 광원(131a) 및 자외선 광원(131b)의 사이에 미러(133)가 배치되어 있다.
여기서, 미러(133)는 제논 광원(131a)으로부터 방출되는 광이 마스크(132) 측으로 반사되게 하는 제1 상태와 자외선 광원(131b)으로부터 방출되는 광이 마스크(132) 측으로 반사되게 하는 제2 상태 및 제논 광원(131a) 및 자외선 광원(131b)으로부터 방출되는 광이 모두 마스크(132) 측으로 반사되지 않도록 하는 제3 상태로 위치하도록 구동축(133s)을 따라 회전가능하게 마련될 수 있다.
한편, 마스크(132)와 지지부(110) 사이에는 마스크(132)를 투과한 광을 집속시키거나 또는 확산시키는 렌즈부(134)를 더 포함할 수 있다.
즉, 이러한 렌즈부(134)를 통해 광의 집속 정도 또는 광의 확산 정도를 조절함으로써 마스크(132)의 이미지 크기 또는 해상도를 조절할 수 있다.
상기 이송부(140)는 지지부(110) 상에 장착되어, 지지부(110)가 원료제공부(120)와 광경화부(130) 사이에서 왕복운동할 수 있도록 지지부(110)를 이송하는 것으로 레일부(141)와 연결부(142)를 포함한다.
상기 레일부(141)는 일방향, 즉 원료제공부(120)와 광경화부(130)를 가로지르는 방향을 따라 연장되는 부재이다.
상기 연결부(142)는 하부가 레일부(141) 상에 장착되어 레일부(141)를 따라 슬라이딩가능하게 마련되되 상부는 지지부(110)와 연결됨으로써 지지부(110)와 동일한 움직임을 갖도록 구비된 부재이다.
즉, 연결부(142)가 레일부(141)를 따라 슬라이딩이동함으로써 지지부(110)도 원료제공부(120)와 광경화부(130) 사이에서 슬라이딩할 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 일실시예에 따르면, 연결부(142)는 높이 조절이 가능하게 마련될 수 있다. 즉, 연결부(142)는 적층된 패턴층의 높이에 따라 상하방향으로 지지부(110)의 설치높이를 조절함으로써 원료제공부(120)와 지지부(110) 또는 원료제공부(120)와 지지부(110)에 형성된 패턴층 사이의 간격을 적절히 조절할 수 있다.
또한, 광경화부(130)와 지지부(110) 또는 광경화부(130)와 지지부(110)에 형성된 패턴층 사이의 간격을 적절히 조절할 수 있음은 당연하다.
상기 청소부(150)는 원료제공부(120)와 광경화부(130) 사이에 마련되어, 지지부(110)가 원료제공부(120) 또는 광경화부(130) 측으로 제공되기 이전에 지지부(110) 상측에 존재하는 잔류물 등을 처리하는 것이다.
특히, 지지부(110)가 원료제공부(120) 측으로 제공되기 이전에 청소부(150)를 통해 잔류물을 제거하는 것이 바람직하며, 여기서 잔류물이라 함은 지지부(110) 또는 지지부(110) 상에 형성된 패턴층에 잔류하는 이물질 또는 광경화부(130)에 의해 경화되지 않고 지지부(110) 측에 잔류하는 원료일 수 있다.
본 발명의 일실시예에서 청소부(150)는 브러쉬로 마련될 수 있고, 소정의 에어를 분사하여 지지부(110) 측을 가압하는 공기분사부로 마련될 수 있다.
상기 제어부(160)는 기설정된 3차원 구조를 복수개의 층으로 구획하고 구획된 복수개의 층 각각에 대응되게 광경화부(130)의 광투과영역을 조절함으로써 광경화부(130)가 선택적으로 원료를 경화시켜 3차원 구조를 인쇄할 수 있도록 제어하는 것이다.
여기서, 기설정된 3차원 구조는 본 발명의 일실시예를 통해 인쇄하고자 하는 3차원 구조로 정의할 수 있다.
또한, 기설정된 3차원 구조를 복수개의 층으로 구획한다는 것은 원료제공부(120)를 통해 지지부(110) 또는 지지부(110)에 형성되는 패턴층 상에 제공되는 막 형태의 원료의 두께와 동일한 두께를 가지는 복수개의 층으로 구획한다는 것을 의미하며, 이를 통해 기설정된 3차원 구조의 구획된 복수개의 층과 지지부(110) 또는 지지부(110)에 형성되는 패턴층 상에 제공되는 막 형태의 원료가 대응되도록 한다.
이와 같이, 제어부(160)는 기설정된 3차원 구조로부터 구획된 복수개의 층의 각각이 지지부(110) 상에 인쇄되도록 마스크(132)의 광투과영역을 제어함으로써 기설정된 3차원 구조의 각각의 층을 순차적으로 인쇄할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일실시예에 따르면 마스크(132)는 엘시디로 구비되고, 엘시디에 전기적 신호를 인가하여 광투과영역을 조절하는 것은 주지한 기술이므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 지지부(110)에 형성된 패턴층의 형상 정보를 측정하는 형상 획득부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
즉, 형상 획득부(미도시)를 통해 기형성된 패턴층의 형상 정보를 측정하고, 제어부(160)는 형상 획득부(미도시)로부터 패턴층의 형상 정보를 제공받아 현재까지 완료된 패턴층의 형상이 기설정된 3차원 구조의 형상과 동일하게 인쇄되고 있는지 여부를 확인할 수 있다.
지금부터는 상술한 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치의 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 방법에 대한 순서도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 방법(S100)은 지지부 상에 제공된 원료를 기설정된 3차원 구조에 대응되게 선택적으로 경화시켜 신속하게 3차원 구조를 인쇄할 수 있는 것으로서, 형상 저장 단계(S110)와 원료 제공 단계(S120)와 경화단계(S130)와 반복단계(S140)를 포함한다.
상기 형상 저장 단계(S110)는 인쇄하고자 하는 3차원 구조의 형상을 저장하는 단계로서, 상술한 설명에서 기설정된 3차원 구조와 실질적으로 동일하다.
상기 원료 제공 단계(S120)는 지지부(110)가 원료제공부(120)의 하방으로 이송되어 원료제공부(120)를 통해 원료를 제공받는 단계이다.
상술한 것과 같이, 원료는 스프레이 노즐 또는 슬롯 다이를 이용하여 소정 영역 상에서 균일한 두께를 가지는 막 형태로 지지부(110) 측에 제공된다.
여기서, 원료제공부(120)는 복수개로 구비될 수 있고, 각각의 원료제공부(120)마다 서로 다른 원료를 제공할 수 있으며, 각각의 원료제공부(120)는 동시에 원료를 제공하거나 또는 순차적으로 원료를 제공할 수 있다.
다시 설명하면, 복수개의 원료제공부(120)가 서로 다른 원료를 동시에 제공하는 경우, 지지부(110) 측에 제공되는 원료들은 서로 혼합되어 지지부(110)에 막 형태로 제공될 수 있다.
또한, 복수개의 원료제공부(120)가 서로 다른 원료를 순차적으로 제공하는 경우, 각각의 층이 서로 다른 원료로 이루어지는 막 형태의 복수개의 층이 제공될 수 있다.
이러한 작동은 필요에 따라 탄력적으로 선택될 수 있으며, 즉, 인쇄 과정 동안 상술한 방법 어느 하나의 방법만으로 원료가 제공되거나 또는 인쇄가 진행되는 동안 상술한 방법 모두가 활용될 수 있다.
상기 경화단계(S130)는 형상 저장 단계(S110)를 통해 저장된 3차원 구조의 형상의 대응되는 영역을 선택적으로 경화시키는 단계로서, 광원 선택단계(S131)와 마스크 제어단계(S132)를 포함한다.
상기 광원 선택단계(S131)는 미러(133)의 움직임을 통해 복수개의 광원(131) 으로부터 방출되는 복수개의 광들 중에서 지지부(110)에 도달하는 광을 선택하는 단계이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 2개의 광원(131)을 활용하게 되며, 미러(133)의 움직임을 통해 2개의 광원(131)으로부터 방출되는 광들 중에서 어느 하나의 광이 마스크(132) 측으로 제공되도록 한다.
물론, 3개 이상의 광원(131)이 활용될 수 있으며, 3개 이상의 광원(131)이 활용되는 경우에도 이를 사용하는 방법은 2개의 광원(131)을 사용하는 경우와 실질적으로 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
상기 마스크 제어단계(S132)는 인쇄 경과에 따라, 즉, 지지부(110)에 형성된 패턴층의 형성 정도를 고려하여 마스크(132)의 광투과영역을 적절히 제어하는 단계이다.
즉, 상술한 것과 같이 제어부(160)는 기설정된 3차원 구조의 형상을 복수개의 층으로 구획하게 되며, 각각의 층의 단면 형상에 대응되게 마스크(132)의 광투과영역을 조절한다.
즉, 각각의 층의 단면 형상에 대응되게 마스크(132)의 광투과영역이 조절됨으로써 원료는 각각의 층의 단면 형상에 대응되는 영역만이 경화된다.
여기서, 3차원 구조의 구획된 복수개의 층 중에서 하나의 층에 대응되는 패턴층을 경화하는 동안, 패턴층의 높이에 따른 선폭의 변화가 발생할 수 있다.
이러한 경우, 하나의 층을 경화시키는 동안에도 마스크(132)의 광투과영역이 변경될 수 있고, 원료의 경화 속도, 하나의 패턴층의 두께 등을 고려하여 광투과영역의 변경 속도를 적절히 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따르면 마스크(132)와 지지부(110) 사이에 렌즈부(134)가 배치될 수 있으며, 마스크 이미지의 크기 또는 해상도를 조절하기 위해 렌즈부(134)를 제어하는 렌즈부 제어단계(S133)을 더 포함할 수 있다.
여기서, 렌즈부(134)를 제어한다는 렌즈부(134)가 가변렌즈로 마련되어 렌즈부(134)가 마스크(132)와 지지부(110) 사이에서 높이방향을 따라 이동시키거나, 복수개의 렌즈를 사용함으로써 마스크(132)를 투과한 광의 집속 위치 또는 확산 정도를 제어하는 것을 포함한다.
한편, 원료제공단계(S120)와 경화단계(S130) 사이에는 지지부(110) 상에 존재하는 잔류물을 처리하는 청소단계(S125)를 더 포함할 수 있다. 지지부(110) 또는 패턴층 상에 존재하는 잔류물을 본 방법을 통해 3차원 구조의 형상을 인쇄하는데 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 이를 처리하는 것이 바람직하다.
다만, 청소단계(S125)를 과도하게 수행되는 경우에는 본 발명의 일실시예에 따른 인쇄 방법을 수행하는데 소요되는 시간이 지나치게 지연되므로, 청소단계(S125)를 수행하는 시간은 필요에 따라 적절히 조절하는 것이 바람직하다.
상기 반복단계(S140)는 3차원 구조의 형상을 완전하게 인쇄할 때까지 상술한 원료제공단계(S120) 및 경화단계(S130)를 반복하는 단계이며, 원료제공단계(S120) 및 경화단계(S130)는 상술한 것과 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
한편, 반복단계(S140)를 수행하는 동안, 기완성된 패턴층의 형상 정보를 측정하는 촬영단계(S141)를 더 포함할 수 있다. 상술한 것과 같이, 촬영단계(S141)를 통해 기완성된 패턴층과 형상 저장 단계(S110)를 통해 저장된 3차원 구조의 형상을 비교함으로써 본 인쇄 방법을 통해 인쇄가 적절하게 진행되고 있는지 여부를 확인할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100: 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치
110: 지지부 120: 원료제공부
130: 경화부 140: 이송부
150: 청소부 160: 제어부
S100: 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 방법
S110: 형상 저장 단계 S120: 원료제공단계
S130: 경화단계 S140: 반복단계

Claims (14)

  1. 지지부 상에 복수개의 패턴층을 순차적으로 적층하여 기설정된 3차원 구조를 인쇄하는 3차원 인쇄 장치에 있어서,
    상기 지지부 또는 상기 지지부에 형성된 패턴층 상에 원료를 제공하는 원료제공부;
    상기 원료가 제공된 지지부를 제공받으며, 상기 기설정된 3차원 구조에 형상에 대응되게 선택적으로 원료를 경화시키는 광경화부;
    상기 원료제공부와 상기 광경화부 사이에서 상기 지지부를 이송시키는 이송부;
    상기 기설정된 3차원 구조를 복수개의 층으로 구획하고 상기 구획된 복수개의 층에 대응되게 상기 광경화부의 광투과영역을 조절함으로써 상기 광경화부가 선택적으로 원료를 경화시키도록 제어하는 제어부;를 포함하는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지지부 또는 상기 지지부에 형성된 패턴층 상에 제공된 원료는 상기 지지부 또는 상기 지지부에 형성된 패턴층 상에서 막을 형성하는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 원료제공부는 스프레이 노즐로 구비되는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 원료제공부는 전기분무 노즐, 공기압 노즐, 일유체 노즐 및 초음파 노즐 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 원료제공부는 복수개로 마련되고,
    상기 원료제공부 중 적어도 어느 하나는 다른 하나와는 다른 종류의 원료를 상기 지지부 또는 상기 지지부에 형성된 패턴층 상에 제공하며,
    상기 원료제공부는 복수개가 동시에 작동되거나 또는 순차적으로 작동되는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 원료제공부는 슬롯 다이(slot die)로 구비되는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 원료제공부와 상기 경화부 사이에 마련되며, 상기 지지부가 상기 원료제공부 또는 상기 경화부로 제공되기 이전에 상기 지지부 또는 상기 지지부에 형성된 패턴층 상에 존재하는 잔류물을 제거하는 청소부;를 더 포함하는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 이송부는 상기 지지부를 상하방향을 따라 이송시키는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경화부는,
    광을 방출하는 광원; 상기 광원과 상기 지지부 사이의 광경로 상에 마련되되 상기 제어부를 통해 광투과영역이 조절되는 마스크;를 포함하는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 마스크는 엘시디(Liquid Crastal Device:LCD)로 구비되는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 광원은 복수개로 마련되고,
    상기 복수개의 광원으로부터 방출되는 복수개의 광 중에서 어느 하나를 선택적으로 상기 마스크 측으로 반사시키는 미러;를 더 포함하는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 광원은 고에너지 램프, 레이저 램프, 자외선 램프 중 어느 하나인 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 경화부는 상기 마스크와 상기 지지부 사이에 배치되되, 상기 마스크로부터 투과한 광을 집속 또는 확산시키는 렌즈부;를 더 포함하는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 지지부에 형성된 패턴층의 형상 정보를 측정하는 형상 획득부;를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 형상 획득부로부터 측정된 패턴층의 형상 정보를 제공받아 상기 마스크의 광투과영역을 조절하는 광투과영역의 조절이 가능한 마스크를 이용한 3차원 인쇄 장치.




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