KR101628944B1 - 복합재료 3d 프린팅 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합재료 3D 프린팅 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치는, 프레임과; 이미지광을 상향 조사하는 광조사부와, 상기 광조사부의 상부에 간격을 두고 대향하여 배치되는 조형판과, 상기 조형판을 상기 광조사부에 대해 상대이동시킬 수 있는 조형판구동부를 가지고, 상기 프레임에 지지된 조형유니트와; 상이한 광경화성 수지를 각각 수용하며 광투과성 바닥부를 갖는 복수의 소재 트레이와, 세척제를 수용한 적어도 하나 이상의 세척제 트레이와, 상기 트레이들 중 어느 하나를 상기 조형판과 상기 광조사부 사이의 작업위치로 이동시킬 수 있는 트레이구동부를 갖는 트레이유니트와; 상기 광조사부, 상기 조형판구동부 및 상기 트레이구동부를 제어하는 제어부를 포함한다.
상술한 본 발명에 따르면, DLP 방식의 3D 프린팅 장치에서 복합재료로 3D 프린팅이 가능하게 하고, 상이한 물성을 가진 수지들이 혼합되지 않게 물리적으로 분리되어 있어 복합재료의 성형결과물의 혼합이 발생하지 않으면서 복합재료로 3D 프린팅을 할 수 있게 된다.

Description

복합재료 3D 프린팅 장치 및 방법 {3D PRINTING APPARATUS AND METHOD USING COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은 복합재료로 3D 프린팅 할 수 있는 3D 프린팅 장치 및 방법에 관한 것이다.

액체상태의 광경화성 수지에 빛을 조사하여 조형하는 소위 DLP 방식 3D 프린팅 방법은 단일의 수지조를 가지며, 해당 수지조 내에 수용된 수지만을 이용하여 성형한다. 그래서 복수의 상이한 색상의 수지나 상이한 재료들을 이용한 다양한 3D 형상을 구현할 수 없었다.

DLP 방식은 아니지만, SLA 방식 프린팅 장치에서 다양한 색상/재료로 조형하기 위한 시도는 국내등록특허공보인 제10-1387637호에 개시되어 있다. 이 선행기술은 단일의 수지조의 하부공간에는 고비중의 베이스 수지를 수용하고 복수의 칸으로 구획한 상부공간에는 각 칸 내에 상이한 색상의 저비중의 수지를 수용한다. 수지조내의 조형판은 하부공간을 통하여 상부공간의 각 칸으로 이동하면서 다색출력을 구현한다. 그런데, 단일의 수지조의 마련된 상부공간과 하부공간은 서로 분리되지 않고 열려있어, 각 칸 내에 수용한 상이한 색상의 저비중의 수지들이 혼합될 염려가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 복합재료의 3D 프린팅이 가능한 DLP 방식의 3D 프린팅 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상이한 물성을 가진 수지들이 서로 혼합되지 않게 성형할 수 있는 복합재료 3D 프린팅 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적은, 프레임과; 이미지광을 상향 조사하는 광조사부와, 상기 광조사부의 상부에 간격을 두고 대향하여 배치되는 조형판과, 상기 조형판을 상기 광조사부에 대해 상대이동시킬 수 있는 조형판구동부를 가지고, 상기 프레임에 지지된 조형유니트와; 상이한 광경화성 수지를 각각 수용하며 광투과성 바닥부를 갖는 복수의 소재 트레이와, 세척제를 수용한 적어도 하나 이상의 세척제 트레이와, 상기 트레이들 중 어느 하나를 상기 조형판과 상기 광조사부 사이의 작업위치로 이동시킬 수 있는 트레이구동부를 갖는 트레이유니트와; 상기 광조사부, 상기 조형판구동부 및 상기 트레이구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 트레이유니트는 상기 프레임에 설치된 지지기둥과, 상기 지지기둥에 회전가능하게 지지되며 상기 트레이들이 방사상으로 결합된 회전지지부를 가지며, 상기 트레이구동부는 상기 회전지지부를 상기 지지기둥에 대해 회전구동하게 하면, 장치를 컴팩트하게 제작하여 설치공간을 적게 차지하게 할 수 있으며, 또한 빠르게 트레이를 이동시켜 조형시간을 단축할 수 있다는 점에서 바람직하다.

또한, 성형공정과 세척공정을 보다 효율적이고 빠르게 진행하기 위하여 상기 소재 트레이와 상기 세척제 트레이는 상호 교호적으로 배치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기한 목적은, 바닥이 광투과성을 가지고 각기 상이한 물성의 광경화성 수지를 수용한 복수의 소재 트레이와 세척제를 수용한 세척제 트레이를 마련하는 단계, 상기 소재 트레이 중 어느 하나에 조형판을 침지시키고 바닥을 통해 이미지광을 조사하여 성형층을 형성하는 성형 단계, 상기 세척제 트레이에 조형판을 침지시키고 미경화된 수지를 세척하는 세척 단계, 및 상기 성형 단계와 상기 세척 단계를 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재료 3D 프린팅 방법에 의해서도 달성된다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면, DLP 방식의 3D 프린팅 장치에서 복합재료로 3D 프린팅이 가능하게 하고, 상이한 물성을 가진 수지들이 서로 혼합되지 않게 복합재료로 3D 프린팅을 할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 복합재료 3D 프린팅 장치의 사시도이며,
도 2 (A)는 본 발명에 따른 복합재료 3D 프린팅 장치의 성형공정시 작업위치의 단면도이며,
도 2 (B)는 본 발명에 따른 복합재료 3D 프린팅 장치의 세척공정시 작업위치의 단면도이다.
도 3는 본 발명에 따른 복합재료 3D 프린팅 방법의 플로우챠트이다.

이하 도면을 참고하여 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치를 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치는 베이스를 형성하는 프레임(100)과, 상기 프레임(100)에 지지되는 조형유니트(300)와 트레이유니트(500)로 이루어진다.

조형유니트(300)은 이미지광을 상향 조사하는 광조사부(310)와, 광조사부(310)에 대향하여 상부에 배치된 조형판(320)을 갖는다. 광조사부(310)는 광경화성 수지가 담긴 후술할 트레이(510, 530)의 하부에 위치하여 각 성형층의 이미지광을 상향 조사한다. 광조사부(310)의 이미지소스(311, 313)는 광경화성 수지의 종류에 따라 그 경화에 적합한 레이저(311)나 UV(313) 등의 다양한 이미지소스를 동시에 사용할 수 있도록 구성할 수 있다. 조형판(320)은 수평의 평탄한 하부면을 가지며, 트레이(510,530) 바닥과 평행한 하부면을 가지며, 트레이(510,530)상부에 위치한다. 조형판(320)의 하부면에는 광조사부(310)에서 조사된 이미지광에 의해 경화된 수지층, 즉 조형공정의 결과물이 적층된다. 조형판구동부(330)는 조형판프레임(101)에 지지되어 있으며, 슬라이더(331)와 모터(332) 등으로 이루어져 있어 승강구동을 할 수 있게 구성되어 있다. 또한, 조형판구동부(330)는 광조사부(310)가 1층분 단위로 이미지광을 조사할 때마다 조형판을 승강구동시킨다.

트레이유니트(500)는 프레임(100)에 수직으로 지지된 지지기둥(580)을 가진다. 상기 지지기둥(580)에는 회전지지부(590)가 회전가능하게 설치되어 있다. 회전지지부(590)는 트레이구동부(570)에 의해 회전구동된다. 트레이구동부(570)는 제어부(700)에 의해 제어되어 회전지지부(590)를 필요한 각도만큼 회전시킨다. 회전지지부(590)에는 도 1에 도시된 실시예에서 4개의 소재 트레이(510)가 등각도 간격을 두고 외팔보 형태로 방사상으로 장착되어 있다. 소재 트레이(510)에는 광경화성 수지가 수용되어 있다. 소재 트레이(510)의 바닥은 투명하게 이루어져 있어, 하부로부터 조사되는 빛에 의해 내부에 수용된 광경화성 수지를 성형할 수 있다. 이 성형공정은 도2 (A)에 도시된 바와 같다. 성형공정은 성형하고자 하는 소재가 수용된 소재 트레이(510)를 선택하면서 시작된다. 소재 트레이(510)가 선택되면, 소재 트레이는 작업위치로 이동한다. 상기 작업위치는 조형판(320)과 광조사부(310)가 위치한 곳이다. 작업위치로 이동한 소재 트레이(510)에 수용되어 있는 소재에 조형판(320)이 침지되면, 광조사부(310)에서는 소재에 적합한 이미지광을 조사한다. 조형판(900)은 소재 트레이(510)에 대하여 상향으로 이동하면서 성형결과물(900)은 위쪽에서 아래쪽 방향으로 성형이 된다. 다른 소재로 성형을 진행하기 위하여 하나의 소재 트레이에서 다른 소재 트레이로 이동하기 전에는 미경화된 수지를 세척하기 위하여 세척공정을 진행한다. 이 세척공정은 도2 (B)에 도시된 바와 같다. 세척제가 수용된 세척제 트레이(530)가 작업위치로 이동하고, 성형결과물(900)을 침지하여 미성형된 수지를 세척한다. 도 1에 도시된 바와 같이 세척제 트레이(530)는 소재 트레이(510)와 교호적으로 배치될 수도 있지만, 경우에 따라서, 경우에 따라서, 조형판(320)이 이동가능한 별도의 다른 공간에 세척제가 수용된 수조를 구비하여 둘 수 있다. 하지만, 광경화성 수지의 특성에 따라 매 공정마다 세척이 필요한 경우라면, 복수의 트레이 상에 교호적으로 광경화성 수지와 세척제를 배치시키는 것이 작업능률적인 면에서 바람직하다.

또한, 상기 복수의 소재 트레이(510)와 세척제 트레이(530)는 도 1에 도시된 바와 같이 한 축을 기준으로 방사상으로 한 평면에 배치될 수 있지만, 필요에 따라 높낮이의 차이를 두면서 다른 평면상에 배치될 수도 있다. 경우에 따라, 상하방향이나 좌우방향으로 나란히 배치될 수 있다. 더 많은 트레이를 배치시키기 위해 한 개 이상의 축을 이용하여 배치시킬 수 있다. 도 1에는 트레이구동부는 회전운동을 통해 조형작업을 하고자 하는 소재가 수용된 트레이를 작업위치로 이동시킨다. 하지만, 회전운동 이외에도 상기 복수의 트레이(510,530)는 상하방향으로 이동할 수 있고, 좌우방향으로 이동할 수 있고, 지지기둥을 축으로 하여 회전하여 이동할 수 있다. 상기 여러 방향을 조합하는 방법을 이용하는 것도 가능하다.

이러한 본 발명에 의한 3D 프린팅 장치의 동작과정은 도 3에 도시되어 있다. 그 내용을 구체적으로 살펴보면, 먼저 광경화성 수지를 수용하여 이미지광을 조사하여 원하는 형상의 성형물을 만들기 위하여 바닥이 투명한 복수의 소재 트레이를 준비하고, 미경화된 부분을 세척하기 위하여 세척제를 수용할 수 있는 하나 이상의 세척제 트레이를 마련한다(S101). 세척제 트레이는 바닥이 투명할 필요는 없지만, 바닥이 투명한 세척제 트레이를 이용한다면, 필요에 따라 소재 트레이로 활용하여 성형공정에 이용하는 것도 가능하다. 성형하고자 하는 복수의 광경화성 수지를 준비하고, 세척제는 소재에 따라 각각 다르게 요구될 수도 있고, 경우에 따라 같은 세척제로 세척이 가능한 경우도 있다. 따라서, 성형하고자 하는 소재에 따라 필요한 세척제를 마련하는 단계가 필요하다. 다음으로, 복수의 소재 트레이에 성형하고자 하는 각각 상이한 물성의 광경화성 수지를 수용한다(S102). 복수의 소재 트레이는 공간이 확실하게 분리되어 있어, 각각의 소재는 섞이지 않도록 수용되어 있다. 그리고, 소재에 따라 마련된 세척제를 세척제 트레이에 수용한다(S102). 조형작업할 소재 트레이를 선택하고(S103), 선택된 트레이를 작업위치로 이동시킨다(S104). 조형판을 소재 트레이에 침지한 후(S105), 이미지광을 조사하여 성형층을 형성시킨 후(S106) 성형이 완료되면 조형판을 상승시켜(S107) 성형공정을 마무리한다. 다음으로 세척공정을 위해, 작업위치로 세척제 트레이를 이동시킨 후(S108), 조형판을 하강하여 세척제 트레이에 침지시키고(S109), 미경화된 부분을 세척하고(S110) 조형판을 상승시켜(S111) 세척공정을 마무리한다. 상기 성형공정과 세척공정을 반복하면서 복합재료로 성형이 진행되고, 성형결과물이 완성되면, 이 모든 성형프로세스는 종료된다.

100 : 프레임
101 : 조형판프레임
300 : 조형유니트
310 : 광조사부
311 : 레이져 소스
312 : 이미지광 컨트롤러
313 : UV 소스
320 : 조형판
330 : 조형구동부
331 : 슬라이더
332 : 모터
500 : 트레이유니트
510 : 소재 트레이
530 : 세척제 트레이
570 : 트레이구동부
580 : 지지기둥
590 : 회전지지부
700 : 제어부
900 : 성형결과물
910 : 소재
920 : 세척제

Claims (4)

1. 3D 프린팅 장치에 있어서,
   수직방향으로 연장된 조형판프레임을 갖는 판상의 프레임과;
   상기 판상의 프레임에 지지되며 이미지광을 상향 조사하는 광조사부와, 상기 조형판프레임에 지지되어 수직방향으로 이동 가능한 슬라이더와, 상기 슬라이더에 지지되어 상기 광조사부의 상부에 간격을 두고 대향하여 배치되는 조형판과, 상기 조형판이 상기 광조사부에 대해 상대이동되도록 상기 슬라이더를 승강 구동하는 조형판구동부를 갖는 조형유니트와;
   상이한 광경화성 수지를 각각 수용하며 광투과성 바닥부를 갖는 복수의 소재 트레이와, 세척제를 수용한 적어도 하나 이상의 세척제 트레이와, 상기 소재 트레이와 상기 세척제 트레이 중 어느 하나를 상기 조형판과 상기 광조사부 사이의 작업위치로 이동시킬 수 있는 트레이구동부를 갖는 트레이유니트와;
   상기 광조사부, 상기 조형판구동부 및 상기 트레이구동부를 제어하는 제어부를 포함하며,
   상기 트레이유니트는 상기 프레임에 설치된 지지기둥과 상기 지지기둥에 회전가능하게 지지되며 상기 소재 트레이 및 상기 세척제 트레이가 방사상으로 결합된 회전지지부를 가지며, 상기 트레이구동부는 상기 회전지지부를 상기 지지기둥에 대해 회전구동하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 소재 트레이와 상기 세척제 트레이는 상호 교호적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
   
4. 삭제

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