KR101705696B1 - 3d 프린터 - Google Patents

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KR101705696B1
KR101705696B1 KR1020150159144A KR20150159144A KR101705696B1 KR 101705696 B1 KR101705696 B1 KR 101705696B1 KR 1020150159144 A KR1020150159144 A KR 1020150159144A KR 20150159144 A KR20150159144 A KR 20150159144A KR 101705696 B1 KR101705696 B1 KR 101705696B1
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laser beam
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molding
unit
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박종복
한수욱
임정운
김윤현
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한국광기술원
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Abstract

본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로서, 내부 공간을 갖으며 상면에 광이 투과될 수 있는 투광창이 형성된 챔버와, 챔버 내에 장착된 기판과, 기판에 형성하고자 하는 성형체의 성형 성분이 포함된 성형 가스를 챔버에 공급하는 성형 가스 공급부와, 레이저 빔을 출사하는 레이저 빔 출사부와, 레이저 빔 출사부에서 출사되는 레이저빔이 성형체의 성형 형상에 대응되는 패턴으로 기판을 향하여 조사되게 처리하는 빔스캔부를 구비하고, 성형가스는 레이저빔의 조사에 의해 열분해되어 기판에 증착될 수 있는 것이 적용된다. 이러한 3D 프린터에 의하면, 기판상에 원자 또는 분자크기의 정밀도로 원하는 입체형상을 결정성장에 의해 형성할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

3D 프린터{3D printer}
본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로서, 상세하게는 성형 가스를 이용하여 기판에 결정 성장방식으로 성형체를 형성하는 3D 프린터에 관한 것이다.
3D 프린터는 형성하고자 하는 입체 모양을 인쇄기법에 의해 성형할 수 있는 장치를 말한다.
최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 캐드(CAD) 나 캠(CAM)을 이용하여 3차원 모델링 데이터를 생성하고, 생성한 데이터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린팅 방법이 등장하게 되었으며, 이러한 3D 프린터를 산업, 생활, 의학 등 매우 다양한 분야에서 활용하고 있다.
일반적인 3D 프린터의 기본적인 원리는 얇은 2D 레이어를 쌓아서 3D 물체를 만드는 것이다.
즉, 3D 프린터 방법에는 광경화성 수지에 레이저 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(Stereo Lithography Apparatus)와, SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하여 레이저 광선으로 주사하여 기능성 고분자 또는 금속분말을 고결시켜 성형하는 원리를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering), 열가소성 수지를 이용한 IM(Inkjet modeling), 석회가루를 이용한 3DP(3 Dimension Printing)등이 있다.
기존의 SLA 방식은 광경화성 수지를 이용하는 방법으로 미국특허 4,575,330호에 개시되어 있다.
한편, 3D 프린팅 방식에서 수지를 경화시키는 방식의 경우 비정질 구조로 형성되기 때문에 고강도의 성형체의 경우 적용하기 어렵다. 또한, 금속분말을 고결시키는 경우에도 결정성장 구조가 아니어서 이 역시 강도가 약한 단점이 있다.
또한, 고체나 액체 재료를 성형 원료로 사용하는 통상적인 3D프린팅 방식에서는 원자 또는 분자 크기의 증착 두께의 정밀도로 성형하기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 원자 또는 분자 크기의 증착 두께의 정밀도로 입체적 형상을 형성할 수 있으면서 결정 성장에 의해 강도도 향상시킬 수 있는 3D 프린터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3D프린터는 내부 공간을 갖으며 상면에 광이 투과될 수 있는 투광창이 형성된 챔버와; 상기 챔버 내에 장착된 기판과; 상기 기판에 형성하고자 하는 성형체의 성형 성분이 포함된 성형 가스를 상기 챔버에 공급하는 성형 가스 공급부와; 레이저 빔을 출사하는 레이저 빔 출사부와; 상기 레이저 빔 출사부에서 출사되는 레이저빔이 성형체의 성형 형상에 대응되는 패턴으로 상기 기판을 향하여 조사되게 처리하는 빔스캔부;를 구비하고, 상기 성형가스는 상기 레이저빔의 조사에 의해 열분해되어 상기 기판에 증착될 수 있는 것이 적용된다.
또한, 상기 챔버 내부에서 상기 기판을 지지하는 홀더 유니트를 더 구비하고, 상기 홀더유니트는 상호 이격되게 상기 챔버 내에 설치되는 제1 및 제2지지체와; 상기 제1지지체 위에 안착된 기판을 상기 제1지지체에 대해 고정하는 제1고정부와; 상기 제2지지체 위에 안착된 기판을 상기 제2지지체에 대해 고정하는 제2고정부와; 상기 제1지지체에 대해 상기 제2지지체가 멀어지는 방향으로 탄성바이어스 시켜 상기 기판의 온도 변화시 상기 기판의 굴곡 발생을 억제하는 탄성 바이어스부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1지지체에는 상기 제2지지체를 향하는 방향으로 돌출된 진퇴 가이드 돌기가 형성되어 있고, 상기 제2지지체에는 상기 진퇴 가이드 돌기가 삽입되어 슬라이딩 되는 삽입홈이 형성되어 있으며, 상기 탄성바이어스부는 상기 진퇴 가이드돌기 외측에서 상기 진퇴 가이드돌기를 감싸면서 상기 제2지지체의 삽입홈이 형성된 측면을 향하여 연장되게 설치된 스프링;이 적용된다.
바람직하게는 상기 기판이 안착되는 상기 제1지지체의 상면과 상기 제2지지체의 상면 중 적어도 한 측에는 인가된 전력에 의해 발열되어 상기 기판에 열을 인가하는 발열판;이 더 구비된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 성형 가스공급부에서 상기 챔버 내부로 공급하는 상기 성형가스는 CH4, C2H2, C2H4, C3H6 중 어느 하나가 적용되고, 상기 기판은 Ni, Fe, Cu, Co, Au, Al 중 어느 하나의 소재로 형성된 것이 적용된다.
본 발명에 따른 3D 프린터에 의하면, 기판상에 원자 또는 분자크기의 정밀도로 적층하여 원하는 입체형상을 결정성장에 의해 형성할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 빔스캔부의 일 예를 나타내 보인 도면이고,
도 3은 도 1의 챔버 내부를 확대 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린터를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 3D 프린터(100)는 레이저 빔 출사부(110), 빔 스캔부(130), 챔버(150), 성형 가스 공급부(180), 승하강 스테이지(190)를 구비한다.
레이저 빔 출사부(110)는 레이저 빔을 생성하여 출사한다.
레이저 빔 출사부(110)는 레이저 광원(112), 빔성형기(114), 빔확장기(116) 및 빔셔터(118)를 구비한다.
레이저 광원(112)을 레이저 광을 출사하며, 공지된 다양한 것이 적용될 수 있고, 연속빔을 출사하는 CW(continuous Wave) 레이저가 적용되는 것이 바람직하다.
빔성형기(114)은 레이저 광원(112)에서 출사되는 광빔의 횡단면상에서 가우스형 분포를 평탄화하여 광밀도를 균일하게 조정하여 평형빔으로 출사한다.
이러한 빔성형기(114)는 적어도 하나 이상의 비구면 렌즈가 적용된다.
빔성형기(114)은 국내 공개특허 제10-2008-0058001호 등 다양하게 게시되어 있어 상세한 설명은 생략한다.
빔확장기(116)는 빔성형기(114)에서 출사되는 빔을 확장시켜 출사한다.
빔확장기(116)는 오목렌즈 및 볼록렌즈의 조합으로 형성될 수 있다.
빔셔터(118)은 빔확장기(116)를 통해 진행되는 광에 대해 개구(118a)를 통해 전송 또는 개구(118a)를 차폐하여 광의 진행을 차단할 수 있도록 되어 있다.
빔셔터(118)의 개구(118a)를 차폐하는 구조는 개구(118a)를 승하강에 의해 차폐 또는 개방하는 차폐판 승하강 방식 또는 적어도 하나 이상의 회동판의 회동에 의해 개구(118a)를 차폐 또는 개방하는 방식등 공지된 다양한 셔터 구조가 적용될 수 있다.
여기서 빔셔터(118)의 개구(118a)는 원하는 스폿사이즈에 대응되게 적용하면 된다.
빔스캔부(130)는 레이저 빔 출사부(110)에서 출사되는 레이저 빔을 형성하고자 하는 성형체의 성형 형상에 대응되는 패턴으로 후술되는 챔버(150) 내부의 기판(10)을 향하여 조사할 수 있도록 광의 진행방향을 조정한다.
빔스캔부(130)는 통상적인 구조로 구축되면 되고, 도 2에 예시된 바와 같이 레이저 빔 출사부(110)의 빔셔터(118)를 거쳐 진행되는 광에 대해 성형면(A) 즉 기판(10) 또는 기판(10) 위에 성형된 성형체(20)를 기준으로 제1방향에 대한 조사방향을 제1반사경(141)의 각도를 조정하여 조정하는 제1방향조정기(133)와, 제1반사경(131)을 거쳐 진행되는 광에 대해 제1방향과 직교하는 제2방향에 대해 제2반사경(132)의 각도를 조정하여 조정하는 제2방향조정기(135)로 구축될 수 있다.
참조부호 147은 에프세타(f-θ)렌즈이다.
레이저 빔 출사부(110)에서 빔스캔부(130)를 거쳐 조사되는 레이저 빔의 스폿사이즈는 2차원상에서의 성형 정밀도와 관련되며 목적하는 정밀도에 대응되는 크기를 갖게 적용하면 되고, 기판(10)에 조사시 조사 영역을 700℃~1500℃ 정도로 발열시킬 수 있는 에너지를 갖는 것을 적용한다.
챔버(150)는 내부 공간(152)을 갖으며 상면에 광이 투과될 수 있는 투광창(154)이 형성되어 있다.
챔버(150)는 상부가 열린 내부공간(152)을 갖으며 다각면 형태로 형성된 본체(151)의 양측면에 내부공간(152)와 연통되며 성형가스가 유입되는 유입관(156)과, 챔버(150) 내부를 압력을 조절할 수 있도록 배기가 가능하게 내부공간(152)과 연통된 배기관(157)이 결합되어 있다.
배기관(157)에는 배기펌프(P)가 장착되어 있다.
압력센서(미도시)는 챔버(150) 내부의 압력을 검출하여 후술되는 제어부(미도시)출력한다.
투광창(154)은 광의 투과율이 좋으며 반사가 억제되는 소재로 형성되며 본체(151)의 상면을 통해 결합 및 분리될 수 있게 설치되어 있다.
기판(10)은 챔버(150) 내부에서 홀더 유니트(160)를 통해 장착되어 있으며 성형하고자 하는 성형체가 성장되는 베이스가 된다.
홀더 유니트(160)는 챔버(150) 내부에서 기판(10)을 지지하며 도 3을 함께 참조하여 설명한다.
홀더 유니트(160)는 제1 및 제2지지체(161)(162)와, 제1 및 제2고정부(171)(172), 스프링(165)을 구비한다.
제1지지체(161)의 기판(10)의 일부를 하부에서 지지하기 위한 요소이며 후술되는 제2지지체(162)와 이격되게 배치된다.
제1지지체(161)는 상면 및 하면이 평평한 사각체 형태로 형성되어 있으며, 측면에는 제2지지체(162)를 향하는 방향으로 돌출된 진퇴 가이드 돌기(161a)가 형성되어 있다.
제2지지체(161)도 상면 및 하면이 평평한 사각체 형태로 형성되어 있으며, 제1지지체(161)와 대향되는 측면에는 진퇴 가이드 돌기(161a)가 삽입되어 슬라이딩 되는 삽입홈(162a)이 형성되어 있다.
따라서, 제1지지체(161)는 제2지지체(162)에 대해 진퇴 가이드 돌기(161a)가 삽입홈(162a)에 삽입된 상태에서 진퇴되면서 이격간격이 조정될 수 있다.
제1지지체(161)와 제2지지체(162)의 상면에는 발열판(167)이 설치되어 있고, 상세한 설명은 후술한다.
제1고정부(171)는 제1지지체(161) 위의 발열판(167) 상에 안착된 기판(10)의 일부를 제1지지체(161)에 대해 고정하며, 기판(10) 상부에 안착되는 제1홀딩판(171a)과, 제1홀딩판(171a)으로부터 기판(10) 및 제1지지체(161)까지 관통되게 삽입되는 제1고정핀(171b)으로 되어 있다.
제2고정부(172)도 제1고정부(171)와 마찬가지로 제2지지체(162) 위의 발열판(167)상에 안착된 기판(10)의 일부를 제2지지체(162)에 대해 고정하며, 기판(10) 상부에 안착되는 제2홀딩판(172a)과, 제2홀딩판(172a)으로부터 기판(10) 및 제2지지체(162)까지 관통되게 삽입되는 제2고정핀(172b)으로 되어 있다.
스프링(165)은 제1지지체(161)에 대해 제2지지체(162)가 멀어지는 방향으로 탄성바이어스 시켜 기판(10)의 온도 변화시 기판(10)의 굴곡 발생을 억제하여 평평항 상태를 유지하기 위한 탄성 바이어스부로 적용된 것이다.
스프링(165)은 진퇴 가이드돌기(161a) 외측에서 진퇴 가이드돌기(161a)를 감싸면서 제2지지체(162)의 삽입홈(162a)이 형성된 측면을 향하여 연장되게 설치되어 있다.
여기서, 스프링(165)은 상온에서 제1지지체(161)에 대해 제2지지체(162)가 멀어지는 방향으로 탄성력을 인가할 수 있게 설치된다.
한편, 발열판(167)은 기판(10)이 안착되는 제1지지체(161)의 상면과 제2지지체(162)의 상면 모두에 장착되어 인가된 전력에 의해 발열되어 기판(10)에 열을 인가한다.
발열판(167)은 후술되는 성형가스의 열분해 온도 보다는 낮은온도로 기판(10)을 가열할 수 있도록 구축되며 바람직하게는 발열판(167)의 가열온도는 400 내지 500℃가 적용된다.
이러한 발열판(167)에 의해 기판(10)이 400 내지 500℃로 예열된 상태에서 레이저 빔이 조사되면, 조사된 영역은 성형가스의 열분해 및 증착에 적합한 700℃ 내지 1500℃ 내로의 온도 상승에 필요한 에너지를 줄일 수 있어 성형속도를 향상시킬 수 있고, 급격히 큰 온도 변화를 줄임으로써 기판(10)의 열변형을 최소화시킬 수 있어 기판(10) 위에서 성형되는 성형체(20)의 성형 정밀도를 향상시킬 수 있다.
성형가스 공급부(180)는 기판(10)에 형성하고자 하는 성형체(20)의 성형 성분이 포함된 성형 가스를 챔버(150)에 공급한다.
성형 가스 공급부(180)는 성형가스 및 분위기 가스가 저정된 가스통(181)과, 각 가스통(181)으로부터 공급되는 가스량을 조절하는 유량조절기(182) 및 유량조절기(182)를 거쳐 챔버(150)의 유입관(156)으로 공통 접속된 메인 이송관(184)에 설치되어 가스를 공급 및 차단하는 메인밸브(183)를 구비한다.
여기서, 성형가스는 레이저빔의 조사에 의해 열분해 되어 기판(10)에 증착될 수 있는 것이 적용되면 되고 일 예로서, 탄소로 성형체를 형성하는 경우 CH4, C2H2, C2H4, C3H6 중 어느 하나가 적용된다.
또한, 성형가스의 공급 농도를 조절하기 위한 분위기 가스로서 Ar, N2 , H2 등이 성형가스와 함께 공급된다.
이 경우 기판(10)은 앞서 예시된 성형가스의 탄소 성분이 결정성장할 수 있는 소재로 된 것이 적용된다. 기판(10)은 Ni, Fe, Cu, Co, Au, Al 중 어느 하나의 소재로 형성된 것이 적용된다.
승하강 스테이지(190)는 챔버(150)가 안착되는 안착플레이트(191)를 수직상으로 승하강 시킬 수 있도록 되어 있다.
승하강 스테이지(190)는 베이스(195)에 대해 수직상으로 연장되게 설치된 수직바(196)에 대해 안착플레이트(191)를 수직상으로 승하강 시킬 수 있도록 되어 있다.
이러한 승하강 스테이지(190)는 안착 플레이트(191)를 레이저 빔이 기판(10)에 포커싱 되는 초기 위치 위치에 위치시킨 상태에서 성형체(20)를 레이저빔에 의해 2차원적으로 형성하고, 다음 레이어 형성단계에서는 안착플레이트(191)를 레이어 높이에 대응되게 하강시켜 다시 2차원적으로 성형하도록 지원한다.
한편, 승하강 스테이지(190)의 수직바(196)도 베이스(195)에 대해 2차원적으로 위치 이동할 수 있도록 구축된 것을 적용하는 것이 바람직하다. 즉, 수직바(196)의 하부에 결합된 슬라이딩판(197)을 베이스(195)에 대해 2차원적으로 위치 이동 가능한 것을 적용한다.
이러한 3D 프린터(100)는 형성하고자 하는 성형체에 대응되는 2차원 성형 데이터가 성형높이에 대응되게 레이어별로 마련되어 제어부에 제공되면, 제어부는 제공된 성형 데이터에 따라 레이저 광원(112), 빔셔터(118), 빔스캔부(130)를 제어하여 기판(10)의 상면을 기준으로 원하는 목표위치에 레이저빔이 조사되게 한다. 이러한 레이저 빔 조사에 의해 챔버(150) 내부로 공급된 성형가스가 열분해 되면서 기판(10)의 레이저 빔 조사영역에서 증착된다.
또한, 레이저빔의 조사 또는 비조사의 반복에 의해 기판(10)의 열적 팽창 또는 수축될 때 앞서 스프링(165)의 탄성력 및 복원력에 의해 기판(10)이 평평한 상태를 유지할 수 있어 표면굴곡 발생에 의한 성형 왜곡을 방지할 수 있다.
이러한 가스분해에 의한 결정 성형과정을 통해 원자 또는 분자 단위 두께의 레이어 정밀도를 갖으면서 기판(10)에 결정성장방식으로 성형체(20)를 원하는 입체 형상에 대응되게 형성할 수 있다.
110: 레이저 빔 출사부 130: 빔 스캔부
150: 챔버 180: 성형 가스 공급부
190: 승하강 스테이지

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 내부 공간을 갖으며 상면에 광이 투과될 수 있는 투광창이 형성된 챔버와;
    상기 챔버 내에 장착된 기판과;
    상기 기판에 형성하고자 하는 성형체의 성형 성분이 포함된 성형 가스를 상기 챔버에 공급하는 성형 가스 공급부와;
    레이저 빔을 출사하는 레이저 빔 출사부와;
    상기 레이저 빔 출사부에서 출사되는 레이저빔이 성형체의 성형 형상에 대응되는 패턴으로 상기 기판을 향하여 조사되게 처리하는 빔스캔부와;
    상기 챔버가 안착되는 안착플레이트를 수직상으로 승하강 시키는 승하강 스테이지;를 구비하고,
    상기 성형가스는 상기 레이저빔의 조사에 의해 열분해되어 상기 기판에 증착될 수 있는 것이 적용되고,
    상기 챔버 내부에서 상기 기판을 지지하는 홀더 유니트;를 구비하고,
    상기 홀더유니트는
    상호 이격되게 상기 챔버 내에 설치되는 제1 및 제2지지체와;
    상기 제1지지체 위에 안착된 기판을 상기 제1지지체에 대해 고정하는 제1고정부와;
    상기 제2지지체 위에 안착된 기판을 상기 제2지지체에 대해 고정하는 제2고정부와;
    상기 제1지지체에 대해 상기 제2지지체가 멀어지는 방향으로 탄성바이어스 시켜 상기 기판의 온도 변화시 상기 기판의 굴곡 발생을 억제하는 탄성 바이어스부;를 구비하고,
    상기 제1지지체에는 상기 제2지지체를 향하는 방향으로 돌출된 진퇴 가이드 돌기가 형성되어 있고,
    상기 제2지지체에는 상기 진퇴 가이드 돌기가 삽입되어 슬라이딩 되는 삽입홈이 형성되어 있으며,
    상기 탄성바이어스부는
    상기 진퇴 가이드돌기 외측에서 상기 진퇴 가이드돌기를 감싸면서 상기 제2지지체의 삽입홈이 형성된 측면을 향하여 연장되게 설치된 스프링;이 적용된 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기판이 안착되는 상기 제1지지체의 상면과 상기 제2지지체의 상면 중 적어도 한측에는 인가된 전력에 의해 발열되어 상기 기판에 열을 인가하는 발열판;이 더 구비된 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 성형 가스공급부에서 상기 챔버 내부로 공급하는 상기 성형가스는 CH4, C2H2, C2H4, C3H6 중 어느 하나가 적용되고, 상기 기판은 Ni, Fe, Cu, Co, Au, Al 중 어느 하나의 소재로 형성된 것이 적용된 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 발열판의 가열온도는 400 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  7. 삭제
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