KR101579140B1

KR101579140B1 - 고체 기반형 3ｄ 프린터

Info

Publication number: KR101579140B1
Application number: KR1020140059243A
Authority: KR
Inventors: 김헌태
Original assignee: 주식회사 옵티메드
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2015-12-21
Also published as: KR20150131862A

Abstract

본 발명은, 3축 방향으로 상대적인 위치를 변경할 수 있는 이동 블록 및 작업 테이블을 포함하고, 상기 작업 테이블에 필라멘트를 Z축 방향으로 적층하면서 3차원 물체를 형성하는 고체 기반형 3D 프린터로서, 상기 Z축을 중심으로 회전할 수 있도록 상기 이동 블록에 결합되고, 적층된 필라멘트를 상기 작업 테이블 쪽으로 가압하는 회전 블록; 및 상기 회전 블록에 결합되어 있고, 적어도 적층되기 직전의 필라멘트로는 레이저를 조사하는 레이저 조사기;를 포함한다.

Description

고체 기반형 3Ｄ 프린터{SOLID-BASED 3D PRINTER}

본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 필라멘트를 재료로 사용하여 3차원 물체를 만들어내는 고체 기반형 3D 프린터에 관한 것이다.

3D 프린터는 연속적으로 계층(layer)에 재료를 적층하여 3차원 물체를 만들어내는 장치이다. 3D 프린터는 이미 30년 전에 개발되었으나 가격이 비싸 상용화되지 못하다가, 최근 관련 특허권들이 존속기간 만료로 소멸함에 따라 저가로 시장에 출시되기 시작하면서 3D 프린터에 대한 관심이 커지고 있다.

3D 프린터는 사용하는 재료의 종류에 따라 액체 기반형, 분말 기반형 및 고체 기반형으로 분류된다.

액체 기반형 3D 프린터는 액상의 광경화 수지를 재료로 사용한다. 액체 기반형 3D 프린터에서는 레이저나 자외선과 같은 광의 조사에 의해 굳어진 광경화 수지가 하나의 계층으로 되고, 이러한 계층 형성 작업이 연속적으로 수행되면서 3차원 물체가 만들어진다. 액체 기반형 3D 프린터의 대표적인 예로 미국 쓰리디시스템즈(3D Systems) 社의 SLA(StereoLithography Apparatus)가 있다.

분말 기반형 3D 프린터는 플라스틱이나 금속과 같은 재질의 분말을 재료로 사용한다. 분말 기반형 3D 프린터에서는 강한 레이저의 조사에 의해 용융되었다가 굳어진 분말이 하나의 계층으로 되고, 이러한 계층 형성 작업이 연속적으로 수행되면서 3차원 물체가 만들어진다. 분말 기반형 3D 프린터의 대표적인 예로 상기 쓰리디시스템즈 社의 SLS(Selective Laser Sintering)가 있다.

고체 기반형 3D 프린터는 열가소성 필라멘트를 재료로 사용한다. 고체 기반형 3D 프린터에서는 필라멘트가 히팅 블록을 통과하면서 용융된 후 노즐을 거치면서 얇은 가닥으로 압출되고, 압출된 얇은 가닥의 용융물이 적층되면서 3차원 물체가 만들어진다. 고체 기반형 3D 프린터의 대표적인 예로 미국 스트라타시스(Stratasys) 社의 FDM(Fused Deposition Modeling)이 있다.

스트라타시스 社의 FDM과 같이 필라멘트를 재료로 사용하는 고체 기반형 3D 프린터는 액체 기반형 및 분말 기반형 3D 프린터에 비해 가격이 저렴하여 현재 가장 많이 보급되어 있다.

한국등록특허 제10-1346704호(멀티칼라 제품성형이 가능한 3D 프린터) 미국공개특허 제2003/0064124호(MELT FLOW COMPENSATION IN AN EXTRUSION APPARATUS)

현재의 고체 기반형 3D 프린터에서는 필라멘트가 완전히 용융되었다가 응고되어야 하므로 작업 속도가 느릴 수밖에 없다. 또한, 현재의 고체 기반형 3D 프린터에서는 금속과 같이 완전히 용융되기 어려운 재질의 필라멘트는 재료로 사용될 수 없으므로 재료 선택에 제한이 있다.

따라서 본 발명은 이와 같은 문제를 해결할 수 있는 고체 기반형 3D 프린터를 제공하고자 한다.

상기 회전 블록에는 서로 반대 방향으로 회전하면서 자기들 사이에 끼인 필라멘트를 상기 작업 테이블 쪽으로 밀어내는 한 쌍의 피딩 롤러가 장착된다.

상기 레이저 조사기는 상기 필라멘트를 부분적으로 용융시킬 수 있을 정도의 출력을 갖는 저출력 레이저 및 상기 필라멘트를 절단할 수 있을 정도의 출력을 갖는 고출력 레이저를 발생시키는 레이저 발진기와 연결된다.

상기 회전 블록의 하단에는 상기 필라멘트를 절단하기 위한 커터가 장착될 수도 있다.

상기 레이저가 조사되는 필라멘트의 부위는 상기 회전 블록의 회전축 상에 위치한다. 상기 회전 블록에 마련되어 상기 필라멘트를 상기 작업 테이블 쪽으로 안내하는 안내로는 상기 회전 블록의 회전축을 따라 연장하거나, 상기 작업 테이블 쪽으로 갈수록 상기 회전 블록의 회전축에 가까워지도록 경사를 갖는다.

본 발명에 의하면, 필라멘트가 레이저에 의해 부분 용융된 후 신속히 응고하기 때문에 작업 속도가 종래에 비해 빠르고, 재료 선택의 폭이 종래에 비해 훨씬 넓다.

또한, 본 발명에 의하면, 회전 블록의 회전 변위와 무관하게 필라멘트의 공급 경로 및 공급량이 정확하게 제어된다.

또한, 본 발명에 의하면, 레이저의 조사를 받는 필라멘트의 부위가 회전 블록의 회전축 상에 위치하기 때문에 회전 블록이 회전하더라도 회전 블록의 위치 정렬이 불필요하다.

또한, 본 발명에 의하면, 필라멘트가 적층 도중 절단될 수 있기 때문에 필라멘트의 불연속 적층을 요구하는 3차원 물체의 인쇄도 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 고체 기반형 3D 프린터를 부분적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 고체 기반형 3D 프린터의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 고체 기반형 3D 프린터의 변형예를 도시한 단면도이다.

이하, 본 발명에 따른 고체 기반형 3D 프린터의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.

본 발명에 따른 고체 기반형 3D 프린터(100)는 필라멘트(10)를 높이 방향(Z축 방향)으로 적층하면서 3차원 물체를 형성하는 것으로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 이동 블록(110)과, 작업 테이블(120)과, 회전 블록(130)과, 레이저 조사기(150)를 포함한다.

상기 이동 블록(110) 및 작업 테이블(120)은 통상적인 고체 기반형 3D 프린터에서와 마찬가지로 3축(X축, Y축 및 Z축) 방향으로 서로에 대한 상대적인 위치를 변경할 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 이동 블록(110)은 X축 방향(좌우 방향) 및 Y축 방향(전후 방향)으로 이동할 수 있고, 작업 테이블(120)은 Z축 방향(높이 방향)으로 이동할 수 있다. 이와 달리 이동 블록(110)은 X축 방향(또는 Y축 방향) 및 Z축 방향으로 이동할 수 있고, 작업 테이블(120)은 Y축 방향(또는 X축 방향)으로 이동할 수도 있다. 상기 이동 블록(110) 및 작업 테이블(120)의 위와 같은 이동을 위해 필요한 구성들은 공지되어 있으므로, 여기서는 그 설명을 생략한다.

상기 회전 블록(130)은 회전봉(132)을 매개로 이동 블록(110)과 결합하고 있다. 상기 회전봉(132)은 Z축과 평행한 회전축(132c)을 중심으로 회전할 수 있도록 이동 블록(110)에 결합되어 있고, 이동 블록(110)에 장착된 모터(134)에 의해 회전축(132c)을 중심으로 정역 회전한다. 또한, 회전봉(132)의 하단은 회전 블록(130)에 고정되어 있는데, 이로 인해 회전 블록(130)은 회전봉(132)과 함께 회전하게 된다. 한편, 상기 회전 블록(130)의 하면에는 가압부(136)가 마련되어 있다. 상기 가압부(136)는 적층된 필라멘트(10)를 작업 테이블(120) 쪽으로 가압한다.

상기 레이저 조사기(150)는 적층되기 직전의 필라멘트(10)에 레이저(150a)를 조사할 수 있는 자세를 취하면서 지지대(152)에 고정되어 있다. 상기 지지대(152)는 회전 블록(130)에 고정된 부재이다. 따라서 레이저 조사기(150)는 회전 블록(130)과 함께 회전하게 된다. 한편, 위와 달리 상기 레이저 조사기(150)는 적층되기 직전의 필라멘트(10)와 이미 적층된 필라멘트(10)가 접하는 부위에 레이저(150a)를 조사할 수 있는 자세를 취할 수도 있다(미도시).

상기 레이저 조사기(150)는 레이저 발진기(154)와 연결되어 있다. 그리고 상기 레이저 발진기(154)는 상기 필라멘트를 부분적으로 용융시킬 수 있을 정도의 출력을 갖는 레이저(이하, "저출력 레이저"라 함)를 발생시킨다. 따라서 레이저 조사기(150) 및 레이저 발진기(154)가 작동하면 적층되기 직전의 필라멘트(10)는 레이저(150a)에 의해 부분적으로 용융되고, 이렇게 부분 용융된 필라멘트(10)의 부위는 작업 테이블(120) 또는 이미 적층된 필라멘트에 적층되면서 회전 블록(130)의 가압부(136)에 의해 아래쪽으로 가압된다. 이때, 레이저 조사기(150)가 적층되기 직전의 필라멘트(10)와 이미 적층된 필라멘트(10)가 접하는 부위로 레이저(150a)를 조사하도록 마련된다면, 적층되기 직전의 필라멘트(10) 및 이미 적층된 필라멘트(10)가 모두 부분적으로 용융되면서 서로 결합하게 된다.

한편, 상기 이동 블록(110)의 이동 및 작업 테이블(120)의 이동과, 상기 모터(134), 레이저 조사기(150) 및 레이저 발진기(154)는 제어기(미도시)에 의해 제어된다.

종래의 고체 기반형 3D 프린터에서는 필라멘트가 완전히 용융되었다가 응고하면서 적층되므로 작업 속도가 느릴 수밖에 없었다. 그러나 본 발명에 따른 고체 기반형 3D 프린터(100)에서는 필라멘트(10)가 레이저(150a)에 의해 부분 용융된 후 신속히 응고하기 때문에 작업 속도가 종래에 비해 빠르다.

또한, 종래의 고체 기반형 3D 프린터에서는 금속과 같이 완전히 용융되기 어려운 재질의 필라멘트는 재료로 사용될 수 없으므로 재료 선택에 제한이 있었다. 그러나 본 발명에 따른 고체 기반형 3D 프린터(100)에서는 필라멘트(10)가 레이저(150a)에 의해 부분 용융되기 때문에 재료 선택의 폭이 훨씬 넓다. 예컨대, 본 발명에서는 레이저 발진기(154)가 금속을 부분적으로 용융할 수 있을 정도의 출력을 갖는 저출력 레이저를 발생시키는 것이면 금속 재질의 필라멘트도 재료로 사용될 수 있다.

상기 고체 기반형 3D 프린터(100)에서는 릴(미도시)에 감겨 있는 필라멘트(10)가 작업 테이블(120) 쪽으로 정확하게 공급될 필요가 있다. 다시 말해, 상기 필라멘트(10)는 회전 블록(130)의 회전 변위와 무관하게 레이저(150a)의 조사 지점을 정확하게 경유하도록 공급되어야 하고, 필라멘트(10)의 공급량 또한 회전 블록(130)의 회전 변위와 무관하게 정확하여야 한다. 이에 회전 블록(130)에는 안내로(138) 및 한 쌍의 피딩 롤러(140a, 140b)가 마련된다.

상기 안내로(138)는 필라멘트(10)를 통과시킬 수 있을 정도의 직경을 갖는 홀 형태로 마련되어 필라멘트(10)를 레이저(150a)의 조자 지점으로 안내한다. 이러한 안내로(138)가 회전 블록(130)에 마련되어 있으면, 회전 블록(130)의 회전 변위와 무관하게 필라멘트(10)가 레이저(150a)의 조사 지점을 항상 거치면서 작업 테이블(120) 쪽으로 공급될 수 있다.

상기 한 쌍의 피딩 롤러(140a, 140b)는 틈을 사이에 두고 서로 마주보도록 상기 안내로(138) 상에 위치하고, 회전 블록(130)에 회전 가능하게 결합되어 있다. 한 쌍의 피딩 롤러(140a, 140b) 중 하나인 구동 롤러(140a)는 회전 블록(130)에 장착되어 상기 제어기(미도시)에 의해 제어되는 모터(142)의 작동 시 회전하고, 나머지 하나인 종동 롤러(140b)는 아이들 롤러로 구성된다. 필라멘트(10)가 한 쌍의 피딩 롤러(140a, 140b) 사이에 끼인 상태에서 상기 모터(142)가 작동하면 상기 피딩 롤러들(140a, 140b)은 서로 반대 반향으로 회전하게 되고, 이때 필라멘트(10)는 상기 안내로(138)로 공급되게 된다. 피딩 롤러들(140a, 140b)이 이와 같이 회전 블록(130)에 마련되어 있으면, 회전 블록(130)의 회전 변위와 무관하게 필라멘트(10)의 공급량이 정확히 제어될 수 있다.

상기 안내로(138)의 위치 및 자세는 다양하게 설계될 수 있다. 예컨대, 상기 안내로(138)는 도 2에 도시된 바와 같이 회전 블록(130)의 회전축(132c)으로부터 벗어난 곳에서 Z축 방향을 따라 연장하도록 마련될 수 있다.

또한, 안내로(138)는 도 3에 도시된 바와 같이 회전 블록(130)의 회전축(132c) 상에서 Z축 방향을 따라 연장하도록 마련될 수도 있다. 이 경우에는 상기 안내로(138)와 연통하는 연통홈(132a)이 회전봉(132)에 마련되고, 필라멘트(10)가 상기 연통홈(132a)으로 유입되는 것을 허용하기 위한 유입홀(132b)도 회전봉(132)에 마련된다.

또한, 도시되어 있지는 않으나 상기 안내로(138)는 작업 테이블(120) 쪽으로 갈수록 상기 회전축(132c)에 가까워지도록 경사지게 마련될 수도 있다. 이 경우, 안내로(138)의 출구는 회전 블록(130)의 회전축과 매우 가깝게 위치할 수 있게 된다.

그런데 안내로(138)가 회전축(132c)으로부터 벗어난 곳에서 Z축 방향으로 연장하면(도 2) 레이저(150a)의 조사를 받는 필라멘트(10)의 부위가 회전축(132c) 상에 위치하지 않기 때문에, 회전 블록(130)이 회전할 때마다 회전 블록(130)의 정렬이 수반되어야 한다. 일 예로, 회전 블록(130)이 도 2에서 우측으로 이동하면서 필라멘트(10)를 작업 테이블(120)에 적층하다가 적층된 상기 필라멘트(10)에 다시 필라멘트(10)를 적층하려면 좌측으로 이동하기 전에 180도 회전하여야 하는데(물론 이 경우 작업 테이블(120)은 필라멘트(10)의 두께만큼 아래로 이동할 것이다), 이때 작업 테이블(120)에 적층된 필라멘트(10)의 종점과 새로 적층할 필라멘트(10)의 시점 간 일치를 위해 180도 회전한 회전 블록(130)의 우측 이동 정렬이 수반되어야 한다.

반면, 안내로(138)가 회전축(132c) 상에서 Z축 방향을 따라 연장하거나(도 3), 작업 테이블(120) 쪽으로 갈수록 상기 회전축(132c)에 가까워지도록 경사져 있으면(미도시), 레이저(150a)의 조사를 받는 필라멘트(10)의 부위가 회전축(132c) 상에 위치할 수 있기 때문에, 회전 블록(130)이 회전하더라도 회전 블록(130)의 위와 같은 정렬은 불필요하다. 따라서 안내로(138)는 회전축(132c) 상에서 Z축 방향을 따라 연장하도록 마련되거나, 작업 테이블(120) 쪽으로 갈수록 상기 회전축(132a)에 가까워지도록 경사지게 마련되는 것이 좋다.

한편, 필라멘트(10)의 불연속 적층을 요구하는 3차원 물체가 있을 수 있는데, 이 경우에는 필라멘트(10)가 적층되다가 절단된 후 다시 적층되어야 한다. 따라서 필라멘트(10)의 불연속 적층이 이루어지려면 적층되기 직전의 필라멘트(10)를 절단하기 위한 수단이 필요하다.

상기 고체 기반형 3D 프린터(100)에서는 적층되기 직전의 필라멘트(10)의 절단을 위해 레이저 조사기(150)가 고출력 레이저를 발생시키는 레이저 발진기와 연결된다. 여기서, 고출력 레이저는 필라멘트(10)를 절단할 수 있을 정도의 출력을 갖는 레이저를 의미한다. 따라서 상기 레이저 발진기 및 레이저 조사기(150)가 작동하면 고출력 레이저가 조사되어 적층되기 직전의 필라멘트(10)가 절단되게 된다.

고출력 레이저를 발생시키는 레이저 발진기는 상기 저출력 레이저를 발생시키는 레이저 발진기(154)와 동일한 것일 수 있다. 이 경우, 상기 레이저 발진기(154)는 상기 고출력 레이저 및 저출력 레이저를 모두 발생시킬 수 있게 구성되고, 상기 제어기의 제어에 의해 고출력 레이저 및 저출력 레이저를 선택적으로 발생시킨다. 고출력 레이저를 발생시키는 레이저 발진기는 저출력 레이저를 발생시키는 레이저 발진기(154)와 별도로 마련되어 레이저 조사기(150)와 연결될 수도 있다.

레이저 조사기(150)가 적층되기 직전의 필라멘트(10)와 이미 적층된 필라멘트(10)가 접하는 부위로 레이저(150a)를 조사하도록 마련된다면, 레이저 조사기(150)에 의해 조사된 고출력 레이저가 이미 적층된 필라멘트(10)에도 도달하는 문제가 발생한다. 따라서 이 경우에는, 적층되기 직전의 필라멘트(10)로만 고출력 레이저를 조사하는 조사경로(미도시)가 레이저 조사기(150)에 별도로 마련되거나, 적층되기 직전의 필라멘트(10)로만 고출력 레이저를 조사하는 별도의 레이저 조사기(미도시)가 마련되거나, 지지대(152)에 대한 레이저 조사기(150)의 각도를 변경할 수 있는 수단이 마련되는 등의 조차기 수반된다.

한편, 도시되어 있지는 않으나, 상기 필라멘트(10)의 절단은 커터에 의해 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기 커터는 공급로(138)를 통과한 필라멘트(10)와 가까워지거나 멀어지는 방향으로 직선 운동을 할 수 있게 회전 블록(130)의 하면에 장착되고, 회전 블록(130)에 장착되어 상기 제어기에 의해 제어되는 구동 수단(예컨대, 공압 실린더)에 의해 직선 운동을 수행한다. 상기 구동 수단이 작동하여 커터가 필라멘트(10) 쪽으로 이동하면 필라멘트(10)의 절단이 이루어지게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.

100 : 고체 기반형 3D 프린터 110 : 이동 블록
120 : 작업 테이블 130 : 회전 블록
132 : 회전봉 132a : 연통홈
132b : 유입홀 132c : 회전축
134 : 모터 136 : 가압부
138 : 안내로 140a, 140b : 피딩 롤러
142 : 모터 150 : 레이저 조사기
150a : 레이저 154 : 레이저 발진기

Claims

3축 방향으로 상대적인 위치를 변경할 수 있는 이동 블록 및 작업 테이블을 포함하고, 상기 작업 테이블에 필라멘트를 Z축 방향으로 적층하면서 3차원 물체를 형성하는 고체 기반형 3D 프린터에 있어서,
상기 Z축을 중심으로 회전할 수 있도록 상기 이동 블록에 결합되고, 적층된 필라멘트를 상기 작업 테이블 쪽으로 가압하는 회전 블록; 및
상기 회전 블록에 결합되어 있고, 적어도 적층되기 직전의 필라멘트로는 레이저를 조사하는 레이저 조사기;를 포함하는 고체 기반형 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 회전 블록에는 서로 반대 방향으로 회전하면서 자기들 사이에 끼인 필라멘트를 상기 작업 테이블 쪽으로 밀어내는 한 쌍의 피딩 롤러가 장착된 고체 기반형 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 레이저 조사기는 상기 필라멘트를 부분적으로 용융시킬 수 있을 정도의 출력을 갖는 저출력 레이저 및 상기 필라멘트를 절단할 수 있을 정도의 출력을 갖는 고출력 레이저를 발생시키는 레이저 발진기와 연결된 고체 기반형 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 회전 블록의 하단에는 상기 필라멘트를 절단하기 위한 커터가 장착된 고체 기반형 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 레이저가 조사되는 필라멘트의 부위는 상기 회전 블록의 회전축 상에 위치하는 고체 기반형 3D 프린터.
제5항에 있어서,
상기 회전 블록에는 상기 필라멘트를 상기 작업 테이블 쪽으로 안내하는 안내로가 마련되되, 상기 안내로는 상기 회전 블록의 회전축을 따라 연장하는 고체 기반형 3D 프린터.
제5항에 있어서,
상기 회전 블록에는 상기 필라멘트를 상기 작업 테이블 쪽으로 안내하는 안내로가 마련되되, 상기 안내로는 상기 작업 테이블 쪽으로 갈수록 상기 회전 블록의 회전축에 가까워지도록 경사진 고체 기반형 3D 프린터.