KR101715587B1 - 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터 - Google Patents

Abstract

자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터가 개시된다. 일 실시 예에 있어서, 상기 3차원 프린터는 광경화성 수지를 담을 수 있는 용기, 상기 광경화성 수지의 적어도 일부에 선택적으로 광을 인가하여 상기 광경화성 수지의 상기 적어도 일부를 경화하는 광원, 상기 광원과 대향하는 방향에 배치되며 경화된 상기 광경화성 수지의 상기 적어도 일부의 일부분이 고정되는 빌드트레이, 상기 광원 및 상기 빌드트레이의 동작을 제어하는 제어부 및 상기 용기에 인접하여 배치되며 상기 제어부에 의하여 제어되어 상기 빌드트레이가 이동하는 과정에서 자동 기울임 방식에 의하여 경화된 상기 광경화성 수지가 상기 용기로부터 분리되도록 하는 자동경사부를 포함한다.

Description

자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터{automatic tilted three-dimensional printer}

본 명세서는 대체로 3차원 프린터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자동 틸팅(tilting) 기능을 활용한 DLP(digital light processing) 방식의 3차원 프린터에 관한 것이다.

3차원 프린터는 3차원 입체 물건을 만들어 내는 프린터를 말한다. 3차원 프린터의 원리는 크게 절삭형, 적층형의 두 가지 방식으로 구분할 수 있다. 절삭형은 덩어리 형상의 재료를 깎거나 갈아내서 원하는 3차원 형상의 입체 물건을 얻는 방식이여, 적층형은 얇은 층을 적층하여 원하는 3차원 형상의 조형물을 구현하는 방식이다.

적층형 방식으로는 FDM(fused deposition modeling) 방식, DLP(digital light processing) 방식, SLA(stereo lithography apparatus) 방식, SLS(selective laser sintering) 방식 등이 있다. FDM 방식은 플라스틱 등의 소재를 한 층씩 적층하여 3차원 형상의 조형물을 구현하는 방식이다. DLP 방식은 프로젝터에서 제공되는 자외선(UV light)을 이용하여 광경화성 수지를 조금씩 굳혀가며 3차원 형상의 조형물을 구현하는 방식이다. SLA 방식은 레이저프린팅 방식이며, 레이저를 이용하여 자외선에 경화되는 자외선 레진을 통하여 3차원 형상의 조형물을 구현하는 방식이다. SLA 방식은 DLP 방식과 함께 액체 기반 광조형 방식으로 구분될 수 있다. SLS 방식은 분말소결방식으로 불리기도 하며, 레이저를 이용하여 분말을 녹여 이를 소결하는 방식으로 3차원 형상의 조형물을 구현하는 방식이다.

DLP 방식의 경우 평면단위로 한 번에 조형이 가능하여 조형생성속도가 빠른 장점을 가진다. 또한, DLP 방식은 타 방식에 비하여 3차원 조형물의 품질이 좋은 장점을 가진다. DLP 방식은 3차원 형상의 조형물을 얻기 위해서 조형물의 기본 베이스(base)가 부착된 빌드트레이(build tray)를 이동하여 기본 베이스를 광경화성 수지가 담긴 용기(VAT)에 침지시킨다. 이후 DLP 프로젝터를 통하여 자외선을 광경화성 수지에 노광하면 수광한 광경화성 수지가 경화된다. 이를 단계별로 진행하여 기본 베이스에 연결되는 3차원 조형물이 얻어지는 방식이 DLP 방식이다. 최종적으로 3차원 조형물을 위한 노광이 완료되면, 빌드트레이를 이동하여 3차원 조형물을 용기 및 광경화성 수지에서 분리함으로써 3차원 조형물을 얻을 수 있다. 이 경우, 완성된 3차원 조형물의 일부분이 용기(VAT)내의 광경화성 수지 중 일부와 결합될 수 있다. 즉, 종래의 DLP 방식의 3차원 프린터는 완성된 3차원 조형물을 빌드트레이를 통하여 용기로부터 분리할 경우 3차원 조형물의 일부분이 떨어져 나가거나, 3차원 조형물의 기본 베이스가 빌드트레이로부터 분리되는 문제가 있다.

일 실시 예에 있어서, 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터가 개시(disclosure)된다. 상기 3차원 프린터는 광경화성 수지를 담을 수 있는 용기, 상기 광경화성 수지의 적어도 일부에 선택적으로 광을 인가하여 상기 광경화성 수지의 상기 적어도 일부를 경화하는 광원, 상기 광원과 대향하는 방향에 배치되며 경화된 상기 광경화성 수지의 상기 적어도 일부의 일부분이 고정되는 빌드트레이, 상기 광원 및 상기 빌드트레이의 동작을 제어하는 제어부 및 상기 용기에 인접하여 배치되며 상기 제어부에 의하여 제어되어 상기 빌드트레이가 이동하는 과정에서 자동 기울임 방식에 의하여 경화된 상기 광경화성 수지가 상기 용기로부터 분리되도록 하는 자동경사부를 포함한다.

전술한 내용은 이후 보다 자세하게 기술되는 사항에 대해 간략화된 형태로 선택적인 개념만을 제공한다. 본 내용은 특허 청구 범위의 주요 특징 또는 필수적 특징을 한정하거나, 특허청구범위의 범위를 제한할 의도로 제공되는 것은 아니다.

도 1은 본 명세서에서 개시하는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터의 개념도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 빌드트레이를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 명세서에서 개시하는 구동부를 구비한 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 8은 본 명세서에서 개시하는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터의 일 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고 자 한다. 본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 당업자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되어지며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구성요소의 폭, 길이, 두께 또는 형상 등은 과장되어 표현될 수도 있다.

일 구성요소가 다른 구성요소 "에 배치" 이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접 배치되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다.

개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “고정되는”, "고정하는" 이라고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 고정될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 고정되는”이라고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 “~사이에” 와 “바로 ~사이에” 등도 마찬가지로 이해되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, 110, 120, 130, ...)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들의 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용된 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석 될 수 없다.

도 1은 도 1은 본 명세서에서 개시하는 3차원 프린터의 개념도이다. 도 2는 일 실시 예에 따른 빌드트레이를 나타내는 도면이다. 도 3은 본 명세서에서 개시하는 구동부를 구비한 3차원 프린터의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 4 내지 도 8은 본 명세서에서 개시하는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터의 일 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 3차원 프린터(100)는 용기(110, VAT), 광원(120), 빌드트레이(130), 제어부(140) 및 자동경사부(150)를 포함한다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 3차원 프린터(100)는 선택적으로(optionally) 하우징(160)을 더 포함할 수 있다. 몇몇 또 다른 실시 예들에 있어서, 3차원 프린터(100)는 선택적으로 혼합기(170)를 더 포함할 수 있다. 몇몇 또 다른 실시 예들에 있어서, 3차원 프린터(100)는 선택적으로 회전부(180)를 더 포함할 수 있다.

용기(110)에는 광경화성 수지(10)가 배치된다. 광원(120)이 인가하는 광을 광경화성 수지(10)에 제공할 수 있는 한 용기의 소재, 형상에는 제한이 없다. 일례로, 광원(120)으로부터 광경화성 수지(10)에 인가되는 상기 광의 경로에 대향하는 용기(110)의 면은 광투과성을 가지는 소재로 제작될 수 있다. 이하 설명의 편의상 광원(120)으로부터 광경화성 수지(10)에 인가되는 상기 광의 경로에 대향하는 용기(110)의 상기 면을 광투과면이라고 칭하기로 한다. 이 때, 상기 광투과면을 제외한 용기(110)의 나머지 면은 광차단성을 가지는 소재로 제작될 수 있다. 이를 통하여 용기(110)는 광원(120)이 인가하는 상기 광만을 광경화성 수지(10)에 제공할 수 있다. 또한, 용기(110) 내면에는 도 2에서 도시된 바와 같이, 코팅층(30)이 배치될 수 있다. 코팅층(30)은 용기(110)와 빌드트레이(130)를 이격시켜주는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 코팅층(30)은 경화된 광경화성 수지(20)가 용기(110)에 잘 부착되지 않도록 하는 기능을 아울러 수행할 수 있다. 또한, 코팅층(30)은 3차원 프린터(100)의 동작 초기에 용기(110)와 빌드트레이(130) 사이의 초기 간격을 유지하는 과정에서 용기(110)의 손상을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 다시 말하면, 광원(120)이 인가하는 상기 광을 이용하여 원하는 두께의 경화된 광경화성 수지(20)을 얻기 위하여 용기(110)와 빌드트레이(130) 사이를 소정의 간격으로 이격할 필요가 있다. 이때, 제어부(140)의 제어에 의하여 빌드트레이(130)이 용기(110)에 밀착된 후 상기 소정의 간격으로 빌드트레이(130)를 이동할 수 있다. 이 과정에서 코팅층(30)을 용기(110)에 배치함으로써 용기(110)와 빌드트레이(130)의 접촉에 의한 용기(110)의 손상을 방지할 수 있다. 코팅층(30)은 도 2에 예로서 도시된 바와 같이, 광원(120)이 제공하는 상기 광의 광경로에 대향하는 용기(110)의 상기 내면 전체에 배치될 수 있다. 이 경우, 코팅층(30)은 광투과성의 소재가 사용될 수 있다. 다른 예로, 도 2에 도시된 바와 달리, 코팅층(30)은 상기 광투과면을 제외한 상기 광의 광경로에 대향하는 용기(110)의 상기 내면에 배치될 수 있다. 이 경우, 코팅층(30)의 소재로는 광투과성 이외의 소재도 사용이 가능하다. 코팅층(30)의 소재로서 PDMS(polydimethylsiloxane), 테플론(Teflon) 테이프 등이 예로서 사용될 수 있다. 상기의 예시는 이해를 위한 예시로서 상기한 예시 이외에 상술한 기능을 수행할 수 있는 한 코팅층(30)의 소재에는 그 제한이 없다.

광원(120)은 광경화성 수지(10)의 적어도 일부에 선택적으로 광을 인가하여 광경화성 수지(10)의 상기 적어도 일부를 경화한다. 광원(120)으로서 적외선, 가시광선, 자외선 등 다양한 광원이 사용될 수 있다. 일례로, 광원(120)으로서 적외선 광원을 사용하는 경우, 광경화성 수지(10)는 적외선에 선택적으로 반응하여 경화되는 광경화성 수지가 사용될 수 있다. 다른 예로, 광원(120)으로서 가시광선 광원을 사용하는 경우, 광경화성 수지(10)는 가시광선에 선택적으로 반응하여 경화되는 광경화성 수지가 사용될 수 있다. 또 다른 예로, 광원(120)으로서 자외선 광원을 사용하는 경우, 광경화성 수지(10)는 자외선에 선택적으로 반응하여 경화되는 광경화성 수지가 사용될 수 있다. 한편, 광경화성 수지(10)에는 제공되는 광의 파장에 따른 경화를 촉진하거나, 경화를 유도하기 위해 광개시제가 추가로 첨가될 수 있다.

빌드트레이(130, Build Tray)는 광원(120)와 대향하는 방향에 배치되며, 빌드트레이(130)에는 경화된 광경화성 수지(20)의 상기 적어도 일부의 일부분이 고정된다. 일 실시 예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이, 빌드트레이(130)는 광원(120)에 대향하는 방향에 배치되는 조형물 기본 베이스(130a) 및 조형물 기본 베이스(130a)를 빌드트레이(130)에 고정하는 고정부(130b)를 포함할 수 있다. 이 경우, 빌드트레이(130)는 적어도 하나의 관통홀(130c)을 가지며, 고정부(130b)는 관통홀(103c)을 통하여 조형물 기본 베이스(130a)를 빌드트레이(130)에 고정할 수 있다. 일례로, 조형물 기본 베이스(130a)는 고정부(130b)와의 나사 결합을 통하여 빌드트레이(130)에 고정될 수 있다. 상기의 예시는 이해를 위한 예시로서, 조형물 기본 베이스(130a)를 빌드트레이(130)에 고정할 수 있는 한 그 방법에는 제한이 없다. 조형물 기본 베이스(130a)에는 광원(120)에 의하여 노광되어 경화된 광경화성 수지(20)가 부착된다. 경화된 광경화성 수지(20)가 부착될 수 있는 한, 조형물 기본 베이스(130a)의 소재에는 제한이 없다.

제어부(140)는 광원(120) 및 빌드트레이(130)의 동작을 제어한다. 일 실시 예에 있어서, 도면에 도시된 바와 같이, 빌드트레이(130)는 제어부(140)에 의하여 제어되어 지지대(132)에 의하여 안내되어 이동할 수 있는 이송부(131)에 배치될 수 있다. 제어부(140)의 동작의 일례를 살펴보면 다음과 같다. 제어부(140)는 광원(120)의 동작을 제어하여 소정의 시간 동안 소정의 면적 또는 모양을 가지는 광이 광경화성 수지(10)의 적어도 일부에 인가되도록 할 수 있다. 이후, 제어부(140)는 광경화성 수지(10)의 경화시간이 경과한 후 광원(120)의 동작을 멈추고 광경화성 수지(10)에 추가 노광을 위하여 작동기(actuator)를 제어하여 빌드트레이(130)의 위치를 이동시킬 수 있다. 이 경우, 경화된 광경화성 수지(20)의 일부분은 빌드트레이(130) 또는 조형물 기본 베이스(130a)에 부착되므로 경화된 광경화성 수지(20)는 빌드트레이(130)을 따라 이동할 수 있다. 이후, 상술한 과정의 반복을 통하여 3차원 형상을 가지는 경화된 광경화성 수지(20)를 얻을 수 있다. 한편, 본 명세서에서 개시하는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터(100)는 용기(110) 또는 빌드트레이(130)에 배치되는 거리 감지 센서(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 거리 감지 센서는 용기(110)와 빌드트레이(130) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 제어부(140)는 상기 거리 감지 센서가 측정하여 제공하는 용기(110)와 빌드트레이(130) 사이의 상기 거리와 광경화성 수지(10)의 노광에 필요한 용기(110)와 빌드트레이(130) 사이의 간격을 비교하여 빌드트레이(130)의 위치 및 각도를 제어할 수 있다. 이를 통하여 제어부(140)는 광경화성 수지(10)의 경화에 필요한 최적의 거리로 빌드트레이(130)를 용기(110) 방향으로 이동시킬 수 있다.

자동경사부(150)는 용기(110)에 인접하여 배치되며, 제어부(140)에 의하여 제어되어 빌드트레이(130)가 이동하는 과정에서 자동 기울임 방식에 의하여 경화된 광경화성 수지(20)가 용기(110)로부터 분리되도록 한다. 일 실시 예에 있어서, 자동경사부(150)의 적어도 일부는 용기(110)의 테두리의 적어도 일부를 감쌀 수 있다. 이하 설명의 편의상 용기(110)의 상기 테두리의 상기 적어도 일부를 감싸는 자동경사부(150)의 상기 적어도 일부를 중첩부라 칭하기로 한다. 이 경우, 상기 중첩부와 용기(110)의 상기 테두리의 상기 적어도 일부 사이의 이격된 간격은 균일하지 않을 수 있다. 이를 통하여 제어부(140)에 의하여 제어되어 이동하는 빌드트레이(130)에 고정되는 경화된 광경화성 수지(20)의 상기 적어도 일부의 다른 부분에 부착된 용기(110)가 빌드트레이(130)의 이동방향으로 이동하는 과정에서 자동으로 기울어져 경화된 광경화성 수지(20)가 용기(110)로부터 분리될 수 있다. 도면을 활용하여 다시 설명하면 다음과 같다. 도 1을 참고하면, 용기(110)의 일측 및 타측은 자동경사부(150)와 각각 H1 및 H2의 간격을 두고 이격되어 배치될 수 있다. 광원(120)이 인가하는 광에 의하여 광경화성 수지(10)가 경화될 경우에 경화된 광경화성 수지(20)의 일부분은 빌드트레이(130)에 고정되며, 동시에 경화된 광경화성 수지(20)의 다른 부분은 용기(110)의 내측면에 부착될 수 있다. 경화된 광경화성 수지(20)에 추가적으로 광을 인가하여 3차원 구조물을 제작하기 위해서는 경화된 광경화성 수지(20)를 빌드트레이(130)를 통하여 이동시킬 필요가 있다. 이때, 경화된 광경화성 수지의 상기 다른 부분에 부착된 용기(110)도 빌드트레이(130)의 이동에 따라 함께 이동하게 된다. 경화된 광경화성 수지(20)에 추가적인 노광을 통하여 3차원 구조물을 제작하기 위해서는 경화된 광경화성 수지(20)의 상기 다른 부분에 부착된 용기(110)를 분리할 필요가 있다. 종래의 경우에는 별도의 장치나 기구를 사용하여 용기(110)를 비틀어 줌으로서 경화된 광경화성 수지(20)의 상기 다른 부분에 부착된 용기(110)를 분리하였다. 다시 말하면, 종래에는 추가적인 노광을 통한 3차원 구조물 제작을 위하여 빌드트레이(130)의 이동과는 별도로 용기(110)를 분리하기 위한 비틀림 장치가 필요하였다. 본 명세서에서 개시하는 3차원 프린터는 빌드트레이(130)의 이동 과정에서 자동으로 용기(110)가 기울어짐으로써 용기(110)를 분리할 수 있는 기술을 개시하고 있다. 다시 말하면, 도 1에 예로서 도시된 바와 같이, 용기(110)의 상기 일측 및 상기 타측은 자동경사부(150)와 각각 H1 및 H2의 간격을 두고 이격되어 배치될 수 있다. 이 경우, H1과 H2는 서로 다른 크기의 간격을 가질 수 있다. 일례로, H1의 높이가 H2의 높이보다 작은 경우를 가정하여 설명하기로 한다. 제어부(140)에 의하여 제어되어 빌드트레이(130)이 이동할 경우, 경화된 광경화성 수지(20)의 상기 다른 부분에 부착된 용기(110)도 빌드트레이(130)와 함께 이동할 수 있다. 이때, 빌드트레이(130)와 함께 이동하는 용기(110)는 용기(110)의 상기 일측이 먼저 자동경사부(150)와 접하게 되며, 이후 용기(110)의 상기 타측이 자동경사부(150)와 접하게 된다. H1과 H2가 서로 다른 크기를 가지므로 빌드트레이(130)와 함께 이동하는 용기(110)는 자동경사부(150)와 접하는 과정에서 자동으로 기울어지게 된다. 이를 통하여 용기(110)에 부착된 경화된 광경화성 수지(20)의 상기 다른 부분은 용기(110)의 기울어짐에 의하여 비틀리는 힘을 받게 되며, 이를 통하여 용기(110)로부터 분리될 수 있다. 한편, 3차원 프린터(100)는 자동경사부(150)가 제공하는 용기(110)의 상기 기울어짐에 의하여 경화된 광경화성 수지(20)의 상기 다른 부분과 분리된 용기(110)가 낙하할 경우 용기(110)에 가해지는 충격을 완화하기 위한 충격흡수부를 포함할 수 있다. 상기 충격흡수부로서 도 5, 도 7 및 도 8에서 예로서 도시한 스프링(spring)이 사용될 수 있다. 도 5에는 상기 충격흡수부로서 코일형상의 스프링이 예로서 표현되어 있다. 상기의 예시는 이해를 위한 예시로서 낙하하는 용기(110)의 충격을 흡수할 수 있는 한 상기 충격흡수부로서 다양한 형태 및 구조의 탄성체가 사용될 수 있다. 한편, 도 5, 도 7 및 도 8에 예로서 도시한 바와 같이, 상기 충격흡수부는 용기(110)와 하우징(160) 사이에 배치되는 용기 바닥 플랫(VAT Bottom Flat)에 배치될 수 있다. 이 경우, 용기(110)는 상기 용기 바닥 플랫에 배치되어 낙하로 인한 용기(110)가 경험하는 충격을 줄일 수 있다.

하우징(160)은 일면에 용기(110)가 배치되며, 광원(120)을 수용할 수 있다. 자동경사부(150)는 용기(110)와 이격되게 하우징(160)의 상기 일면에 배치될 수 있다. 용기(110)가 배치되는 하우징(160)의 부분(160a)은 광투과성을 가질 수 있다. 이를 통하여 광원(120)으로부터 제공되는 광이 하우징(160)의 부분(160a)을 통하여 용기(110)를 거쳐 광경화성 수지(10)에 인가될 수 있다. 일례로, 하우징(160)의 부분(160a)을 제외한 하우징(160)의 나머지 부분은 광차단성을 가지는 소재로 제작될 수 있다. 이를 통하여 하우징(160)은 외부로부터 유입되는 광이 하우징(160)을 통하여 광경화성 수지(10)에 제공되는 것을 차단할 수 있어, 광원(120)이 인가하는 상기 광만을 광경화성 수지(10)에 선택적으로 제공할 수 있다.

혼합기(170)는 제어부(140)에 의하여 제어되며, 용기(110)에 담긴 광경화성 수지(10)가 용기(110) 내부에서 유동하도록 동력을 전달할 수 있다. 이를 통하여 혼합기(170)는 광경화성 수지(10)가 균일한 혼합비를 가지도록 할 수 있다. 또한, 이를 통하여 혼합기(170)는 광경화성 수지(10)가 광원(120)이 제공하는 광에 잘 반응하도록 할 수 있다. 도 2에서 예로서 도시한 바와 같이, 혼합기(170)는 구동기(171) 및 구동기(171)에 의하여 구동되는 회전체(172)를 포함할 수 있다. 구동기(171)로서 제어부(140)에 의해 전기적으로 제어되는 모터가 예로서 사용될 수 있다. 도면에는 회전체(172)로서 프로펠러가 예로서 표현되어 있다. 상기의 예시는 이해를 위한 예시로서 구동기(171)로부터 구동력을 전달받아 광경화성 수지(10)가 용기(110) 내부에서 유동하도록 유동력을 제공할 수 있는 한 회전체(172)에는 제한이 없다.

회전부(180)는 제어부(140)에 의하여 제어되며, 용기(110)를 회전시킬 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 용기(110)는 적어도 하나의 격벽(111)을 통하여 둘 이상의 구획으로 구분되며, 구분된 상기 둘 이상의 구획 각각에는 서로 다른 색상을 가지는 광경화성 수지(10)가 배치될 수 있다. 이 경우, 제어부(140)는 광원(120), 빌드트레이(130) 및 회전부(180)를 선택적으로 제어함으로써 서로 다른 색상을 가지는 경화된 광경화성 수지(20)를 제공할 수 있다. 도 3을 참조하여 회전부(180)를 포함하는 3차원 프린터(100)의 동작을 설명하면 다음과 같다. 회전부(180)는 구동기(181) 및 동력전달부(182)를 포함할 수 있다. 동력전달부(182)는 구동기(181)로부터 동력을 전달받아 용기(110)를 회전시킬 수 있다. 구동기(181)로서 제어부(140)에 의해 전기적으로 제어되는 모터가 사용될 수 있다. 제어부(140)는 광원(120)의 동작을 제어하여 소정의 시간 동안 소정의 면적 또는 모양을 가지는 광이 광경화성 수지(10)의 적어도 일부에 인가되도록 할 수 있다. 한편, 서로 다른 색상을 가지는 광경화성 수지(10)는 용기(110)의 구분된 구획에 각각 배치될 수 있다. 이후, 제어부(140)는 광경화성 수지(10)의 경화시간이 경과한 후 광원(120)의 동작을 멈추고 광경화성 수지(10)에 추가 노광을 위하여 작동기(actuator)를 제어하여 빌드트레이(130)의 위치를 이동시킬 수 있다. 이 경우, 경화된 광경화성 수지(20)의 일부분은 빌드트레이(130) 또는 조형물 기본 베이스(130a)에 부착되므로 경화된 광경화성 수지(20)는 빌드트레이(130)을 따라 이동할 수 있다. 이후, 제어부(140)는 회전부(180)를 제어하여 용기(110)를 회전시킬 수 있다. 이후, 상술한 과정의 반복을 통하여 서로 다른 색상을 가지는 3차원 형상을 가지는 경화된 광경화성 수지(20)를 얻을 수 있다.

도 1 내지 도 3을 다시 참조하면, 도면에는 용기(110) 아래에 배치되어 제어부(140)가 제공하는 신호에 따라 광을 광경화성 수지(10)에 제공하여 광경화성 수지(10)를 경화시키는 광원(120)이 예로서 표현되어 있다. 다른 예로, 도면에 도시된 바와 달리, 광원(120)은 용기(110)의 측면에 배치될 수도 있다. 이 경우, 빌드트레이(130)는 제어부에 의하여 동작이 제어되어 용기(110)의 상기 측면 방향에 대하여 상대적인 변위를 가지도록 이동할 수 있다. 상기의 예는 이해를 위한 예시로서 상기한 예시 이외에도 광경화성 수지(10)에 광을 노광하고, 경화된 광경화성 수지(20)의 일부분을 고정할 수 있는 한 광원(120) 및 빌드트레이(130)의 위치에는 제한이 없다. 이하 설명의 편의상 수직 구조의 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터를 활용하여 설명하고자 한다. 하기의 내용은 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터(100)의 구조 및 동작을 설명하기 위한 예시로서 하기의 내용으로 본 명세서에서 개시된 사상을 한정하기 위한 것은 아님을 아울러 밝혀둔다.

도 4 내지 도 8은 본 명세서에서 개시하는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터의 일 실시 예를 설명하기 위한 도면이다. 이하의 예시를 통하여 본 명세서에서 개시하는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터(100)의 기능 및 효과를 설명하고자 한다.

도 4는 본 명세서에서 개시하는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터의 일 실시 예를 나타내는 도면이다. 도면을 참조하면, 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터(200)는 용기(110), 광원(120), 빌드트레이(130), 제어부(140) 및 자동경사부(150)를 포함한다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 3차원 프린터(200)는 선택적으로(optionally) 하우징(160)을 더 포함할 수 있다. 몇몇 또 다른 실시 예들에 있어서, 3차원 프린터(200)는 선택적으로 혼합기(170)를 더 포함할 수 있다. 몇몇 또 다른 실시 예들에 있어서, 3차원 프린터(200)는 선택적으로 회전부(180)를 더 포함할 수 있다. 혼합기(170) 및 회전부(180)의 구조 및 동작에 대한 상세한 설명은 앞서 상술한 바 이하 생략하기 한다.

도면을 참조하면, 본 명세서에서 개시하는 3차원 프린터(200)의 하우징(160)은 도 4에서 도시된 바와 같이 내부가 들여다 보이는 덮개(161)를 포함할 수 있다. 덮개(161)에는 손잡이(162)가 달려 개폐가 가능하며, 이를 이용하여 용기(110)에 광경화성 수지(10)를 충진할 수 있다. 또한, 손잡이(162)를 이용하여 광원(120)이 인가하는 광에 의하여 경화되어 완성된 3차원 조형물을 쉽게 외부로 반출할 수 있다. 덮개(161)의 소재로는 광원(120)의 종류에 따른 광 차단소재가 사용될 수 있다. 일례로, 광원(120)으로 자외선이 사용되는 경우에 덮개(161)의 소재로서 자외선 차단소재가 예로서 사용될 수 있다. 광경화성 수지(10)에 광원(120)이 제공하는 광인 자외선을 노광할 경우 외부로 자외선이 노출될 수 있다. 이 경우, 자외선 차단소재로 덮개(161)를 제작함으로써 사용자는 자외선에 피폭되지 아니하면서 작업을 진행할 수 있다. 한편, 작업공정을 지켜볼 수 있는 3차원 프린터(200) 장비를 제공함에 있어서 덮개(161)가 투명할 필요가 있을 수 있다. 이 경우 덮개(161)의 소재를 자외선 차단이 가능한 투명한 소재를 사용하면 자외선에 의한 피해 없이 제작 공정을 지켜볼 수 있는 편의성을 제공할 수도 있다. 이하 설명의 편의상 광원(120)이 제공하는 광으로서 자외선을 위주로 설명하고자 한다. 이러한 설명이 본 명세서에서 개시하는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터(200)의 권리범위를 자외선 광원(120)에 한정하고자 하는 의도가 아님을 분명히 밝혀둔다.

도 4를 다시 참조하면, 도 4에는 덮개(161)를 통하여 투과되어 보이는 3차원 프린터(200)의 구성부품이 예로서 도시되어 있다. 도면에 개시된 구성부품은 빌드트레이(130), 빌드트레이(130)를 이동시키는 채널(미도시)이 형성되어 있는 지지대(132), 지지대(132)와 연동되어 빌드트레이(130)를 이동시키는 작동기인 액추에이터(actuator), 광경화성 수지(10)가 배치되는 용기(110, VAT) 등이다. 광경화성 수지(10)에 자외선을 제공하는 자외선 프로젝터인 광원(120)은 빌드트레이(130)에 대향하여 배치된다. 도면에는 용기(110) 아래에 배치되어 제어부(140)가 제공하는 신호에 따라 소정의 모양과 형상을 가지는 광을 광경화성 수지(10)에 제공하여 광경화성 수지를 경화시키는 광원(120)이 예로서 표현되어 있다. 일례로, 광원(120)이 제공하는 광은 평면형상의 광일 수 있다. 빌드트레이(130)는 조형물이 생성되는 장소이다. 빌드트레이(130)는 탈부착 구조를 가질 수 있다. 일례로, 빌드트레이(130)는 노브를 이용하여 빌드트레이 고정브라켓(Build Tray 고정브라켓)에 탈부착이 가능하게 결합될 수 있다. 이를 통하여 조형물을 쉽게 분리할 수 있다.

본 명세서에서 개시하는 3차원 프린터(200)를 통한 3차원 구조물의 형성과정을 예로서 설명하는 다음과 같다. 먼저 광경화성 수지(10)를 포함한 용기(110) 및 광경화성 수지(10) 또는 광원(120)과 대향하는 방향에 조형물 기본 베이스(130a)가 배치된 빌드트레이(130)를 준비한다. 이후, 제어부(140)를 통하여 액추에이터를 동작시켜 엑추에이터에 연결된 이송부(131)를 포함하는 연결구조물을 이동시킨다. 이 경우 연결구조물은 빌드트레이(130)와 연결이 된다. 따라서, 액추에이터의 동작에 따라 빌드트레이(130)가 이동을 하며, 이를 통하여 조형물 기본 베이스(130a)를 광경화성 수지(10)에 침지시킬 수 있다. 이후, 제어부(140)의 명령에 따라 광원(120)으로서 자외선 프로젝터가 광경화성 수지(10)에 자외선을 노광한다. 자외선을 수광한 광경화성 수지(10)는 경화되어 조형물 기본 베이스(130a)에는 경화된 광경화성 수지(20)가 부착된다. 이후, 제어부(140)의 명령에 따라 엑추에이터가 동작하여 빌드트레이(130)를 원하는 위치로 이동시킨다. 이후, 제어부(140)의 명령에 따라 자외선 프로젝터가 광경화성 수지(10)에 추가적인 노광을 진행한다. 이를 통하여 조형물 기본 베이스(130a)에는 경화된 광경화성 수지(20)가 추가적으로 배치된다. 이 과정을 반복함으로써 원하는 형상의 3차원 구조물을 얻을 수 있다.

도 5는 용기(110), 빌드트레이(130) 및 자동경사부(150)의 결합구조의 일례를 보여주는 도면이다. 일반적으로 DLP 방식의 3차원 프린터의 경우 자외선 노광을 통하여 형성된 조형물(경화된 광경화성 수지(20)가 이에 해당함)을 용기(110)와 이격을 시키기 위하여 보통 빌드트레이(130)의 상승(lifting)과 틸팅(tilting)을 따로 구동시켜 주어야 한다. 본 명세서에서 개시하는 3차원 프린터(200)는 상승만으로 틸팅이 자동으로 되는 구조이다. 도 5를 통하여 본 명세서에서 개시하는 상승만으로 틸팅이 자동으로 되는 3차원 프린터(200)를 설명하면 다음과 같다.

보통 상승은 제어부(140)에 의하여 제어되는 엑츄에이터에 의하여 이동하는 이동구조인 이송부(131)에 연결된 빌드트레이(130)가 예로서 Z축으로 이동하면서 일어난다. 용기(110)가 배치되며, 용기(110)와 이격되게 자동경사부(150)가 배치되는 하우징(160)의 일면에 대응되는 베이스 플랫(Base Flat)은 광원(120)으로서 DLP 프로젝터의 광의 광경로를 통과시켜주면서, 빌드트레이(130) 및 자동경사부(150)의 결합구조를 지지해주는 역할을 한다. 도면에 도시된 스프링(Spring)은 상기 베이스 플랫과 엑츄에이터의 직각도, 즉 상기 베이스 플랫과 엑츄에이터가 기계적으로 수평이 맞지 않아도 빌드트레이(130)와 용기(110)의 코팅층(30)이 서로 평형을 이루도록 자동적으로 잡아주는 역할을 수행한다. 즉, 스프링은 예로서 Z축 방향으로 배치된 엑츄에이터에 연결된 빌드트레이(130)가 제어부(140)의 제어에 따라 아래로 내려오면서 용기(110)의 내부의 코팅층(30)과 밀착을 되도록 하여 서로 평행하게 해주는 역할을 수행한다. 또한, 스프링은 자동경사부(150)가 제공하는 용기(110)의 자동 기울어짐에 의하여 경화된 광경화성 수지(20)의 상기 다른 부분과 분리된 용기(110)가 낙하할 경우 용기(110)에 가해지는 충격을 완화시켜주는 기능을 수행할 수 있다. 자동경사부(150)는 일례로 용기 바닥 플랫(VAT Bottom Flat)과 용기 상부 플랫(VAT Top Flat)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 용기 바닥 플랫 위에는 용기(110)가 배치되며, 용기(110)는 상기 용기 상부 플랫에 의하여 고정될 수 있다. 용기(110)는 예로서 광원(120)에 대향하는 면인 아랫면이 저철분 유리로 구성되며, 위쪽 면은 아크릴로 구성되며 유리면 위쪽 면에 PDMS를 코팅한 용기일 수 있다. 상기 용기 상부 플랫은 용기(110) 위에 배치되며, 제어부(140)의 동작에 의한 빌드트레이(130)의 상승 과정에서 용기(110)가 예로서 Z축으로 더 이상 올라가는 것을 막아주는 역할을 수행할 수 있다. 이를 통하여 코팅층(30)과 빌드트레이(130)의 이격을 원활히 시켜줄 수 있다. 본 명세서에서 개시하는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터(200)는 상승 과정에서, 예로서 용기(110)가 Z축 방향으로 더 이상 올라가지 않는 상황에서 용기(110)가 자동으로 기울어지게 하여 틸팅 기능이 자동적으로 수행되게 할 수 있다. 도 6 내지 도 8을 참조하여 자동 틸팅 기능을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 도 6은 용기 상부 플랫의 아래의 모습을 보여주는 도면이며, 도 7 및 도 8은 자동 틸팅 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 상승 과정 시작 시점의 모습을 보여주는 도면이며, 도 8은 상승 과정 중에서 자동 틸팅이 발생하는 시점의 모습을 보여주는 도면이다. 도 6 내지 도 8을 참조하면, 도면에 표시된 A 부분은 상승 과정에서 용기(110)가 Z축 방향으로 더 이상 올라가지 않는 상황에서 용기(110)가 자동적으로 기울어지게 하여 자동 틸팅 기능을 제공하는 역할을 수행할 수 있다. 도 7 및 도 8을 참조하여 구체적으로 설명을 하면, 도 7에서 보여지는 바와 같이, 빌드트레이(130)와 조형물이 코팅층(30)인 이격물질과 밀착이 되었을 때 광원(120)인 프로젝터가 조형물에 광을 조사하면 빌드트레이(130)의 아래에 조형이 생성되면서 생성된 조형물과 이격물질이 붙을 수 있다. 이 경우, 프로젝트의 조사가 끝나고, 빌드트레이(130)와 용기(110)를 이격시키기 위해 위로 제어부(140)의 명령에 따라 상승 과정을 진행하면 조형물이 이격물질과 붙어 용기(110)가 예로서 z축으로 따라 올라갈 수 있다. 이때 일차적으로 A 부분에서 용기(110)의 일측이 걸리게 된다. 한편, 용기(110)의 타측은 위로 상승하여 B 부분에 걸리게 된다. 이때, 용기 바닥 플랫에 대한 A 부분의 높이와 B 부분의 높이 차이에 의하여 각도로 용기(110)는 기울어지게 된다. 즉, 용기(110)가 상승 과정에서 소정의 각도로 기울어져 꺾이게 된다. 다시 말하면, 빌드트레이(130)가 제어부(140)의 제어에 의하여 위로 상승하는 과정에서 용기(110)는 각도가 꺾이면서 상승하게 된다. 상승 과정에서 자동으로 이뤄지는 기울어짐, 즉 틸팅에 의하여 조형물과 이격물질이 쉽게 분리될 수 있다. 즉, 용기(110)가 상승할 때, 용기(110)는 용기 상부 플랫과 용기 하부 플랫에 형성되는 구조인 A와 B를 통하여 기하학적으로 틸팅될 수 있다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터(200)는 별도의 틸팅 장치 없이 상승 과정에서 틸팅을 제공하는 3차원 프린터 구조를 제안하고 있다. 이상에서 상술한 내용으로부터 본 명세서에서 개시하는 3차원 프린터(100, 200)는 상승과 틸팅을 따로 구동하는 기존의 DLP 방식의 3차원 프린터와 달리 도 6에 표시된 A 부분을 활용함으로써 상승만으로 틸팅이 가능하다.

상기로부터, 본 개시의 다양한 실시 예들이 예시를 위해 기술되었으며, 아울러 본 개시의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고 가능한 다양한 변형 예들이 존재함을 이해할 수 있을 것이다. 그리고 개시되고 있는 상기 다양한 실시 예들은 본 개시된 사상을 한정하기 위한 것이 아니며, 진정한 사상 및 범주는 하기의 청구항으로부터 제시될 것이다.

Claims (5)

1. 광경화성 수지가 배치되는 용기;
   상기 광경화성 수지의 적어도 일부에 선택적으로 광을 인가하여 상기 광경화성 수지의 상기 적어도 일부를 경화하는 광원;
   일면에 상기 용기가 배치되며, 상기 광원을 수용하는 하우징;
   상기 광원과 대향하는 방향에 배치되며, 경화된 상기 광경화성 수지의 상기 적어도 일부의 일부분이 고정되는 빌드트레이;
   상기 광원 및 상기 빌드트레이의 동작을 제어하는 제어부; 및
   상기 용기에 인접하여 배치되며, 상기 제어부에 의하여 제어되어 상기 빌드트레이가 이동하는 과정에서 자동 기울임 방식에 의하여 경화된 상기 광경화성 수지가 상기 용기로부터 분리되도록 하는 자동경사부를 포함하되,
   상기 자동경사부는 상기 용기와 이격되게 상기 하우징의 상기 일면에 배치되며,
   상기 자동경사부의 적어도 일부-이하 중첩부라 함-는 상기 용기의 테두리의 적어도 일부를 감싸되,
   상기 중첩부와 상기 용기의 상기 테두리의 상기 적어도 일부 사이의 이격된 간격은 균일하지 않아 상기 제어부에 의하여 제어되어 이동하는 상기 빌드트레이에 고정되는 경화된 상기 광경화성 수지의 상기 적어도 일부의 다른 부분에 부착된 상기 용기가 상기 빌드트레이의 이동방향으로 이동하여 상기 자동경사부와 접하는 과정에서 자동으로 기울어져 경화된 상기 광경화성 수지가 상기 용기로부터 분리되는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어부에 의하여 제어되며, 상기 용기에 담긴 상기 광경화성 수지가 상기 용기 내부에서 유동하도록 동력을 전달하여 상기 광경화성 수지가 균일한 혼합비를 가지도록 하는 혼합기를 더 포함하는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 빌드트레이는
   상기 광원에 대향하는 방향에 배치되는 조형물 기본 베이스; 및
   상기 조형물 기본 베이스를 상기 빌드트레이에 고정하는 고정부를 포함하되,
   상기 빌드트레이는 적어도 하나의 관통홀을 가지며, 상기 고정부는 상기 관통홀을 통하여 상기 조형물 기본 베이스를 상기 빌드트레이에 고정하는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 제어부에 의하여 제어되며, 상기 용기를 회전시키는 회전부를 더 포함
   하되,
   상기 용기는 둘 이상의 구획으로 구분되며, 구분된 상기 둘 이상의 구획 각각에는 서로 다른 색상을 가지는 광경화성 수지가 배치되며,
   상기 제어부는 상기 광원, 상기 빌드트레이 및 상기 회전부를 선택적으로 제어함으로써 서로 다른 색상을 가지는 경화된 상기 광경화성 수지를 제공하는 자동 틸팅 기능을 가지는 3차원 프린터.

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