KR101725658B1

KR101725658B1 - 3차원 프린터 및 3차원 객체 제작 방법

Info

Publication number: KR101725658B1
Application number: KR1020150126835A
Authority: KR
Inventors: 임은석; 임하정
Original assignee: 임은석; 임하정
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-04-27
Also published as: KR20170030109A; WO2017043747A1

Abstract

본 발명은 용액의 퍼짐에 의한 연속 생산방식(Continuous Liquid Spreading Production, CLSP)을 이용하여 3차원 객체를 제작할 수 있는 3차원 프린터 및 3차원 객체 제작 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 의한 3차원 프린터는 광경화 수지가 수용되는 수지 용기; 상기 수지 용기의 바닥에 형성된 홀과 연결된 유체 공급로를 통해 상기 광경화 수지를 공급하는 수지 공급부; 상기 수지 용기의 바닥으로부터 소정 높이의 위치하여 상기 광경화 수지가 분출될 수 있는 유체관이 형성된 베이스 플레이트-상기 수지 용기의 바닥과 상기 베이스 플레이트 사이에 상기 광경화 수지가 저장될 수 있는 수지 저장부가 형성됨-; 및 상기 베이스 플레이트 상부로 광을 조사하는 광조사부를 포함할 수 있다.

Description

3차원 프린터 및 3차원 객체 제작 방법{THREE DIMENSIONAL PRINTER AND METHOD OF FORMING A THREE DIMENSIONAL OBJEDT}

본 발명은 3차원 프린터 및 3차원 객체 제작 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용액의 퍼짐에 의한 연속 생산방식(Continuous Liquid Spreading Production, CLSP)을 이용하여 3차원 객체를 제작할 수 있는 3차원 프린터 및 3차원 객체 제작 방법에 관한 것이다.

일반적으로 3차원의 입체 형상을 가진 시제품(Prototype)을 제작하기 위해서는 설계도면에 의존하여 일일이 수작업에 의해 이루어지는 목업(mock-up) 제작방식과 컴퓨터 제어를 통한 CNC 밀링에 의한 제작방식 등이 있다.

이와 같은 목업 제작방식은 수작업에 의하므로 정교한 수치제어가 어렵고, 설계도면과 정확하게 일치하지 않을 뿐만 아니라 상당히 많은 시간이 소요되는 단점이 있으며, CNC 밀링에 의한 제작방식은 정교한 수치 제어가 가능하지만 공구간섭에 의하여 가공하기 어려운 형상이 많다는 단점이 있었다.

이와 같은 단점으로 인해 최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 컴퓨터에서 만들어낸 3차원 모델링을 직접 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작할 수 있는 3차원 프린터 방식이 등장하게 되었다. 관련된 선행문헌으로 등록특허 10-1504419호가 있다.

3차원 프린터의 프린팅 방식은 크게 재료압출방식, 광중합 방식, 재료분사 방식, 접착제분사 방식, 분말적층용융 방식, 고에너지 직접조사 방식 등으로 구분될 수 있다. 상기 6가지의 3차원 프린팅 방식은 각각 장단점을 가지고 있다.

최근에는 광중합 방식의 3차원 프린터가 인기를 끌고 있다.

기존의 광중합 방식의 3차원 프린터는 경화를 수행하고, 그 후에 경화된 물체를 떼어낸 후 다시 경화 액체로 코팅하고, 경화를 수행하는 프로세스로 이루어진다.

그러나 상기와 같은 기존 프로세스에서 문제점은 시간이 오래 걸리고, Delaminating(떼어냄) 공정에서 경화 플레이트를 위로 당기게 되면 경화 부분의 내부 액체공간에 진공이 발생하게 되어 바닥 유리면까지 끌려 당겨지게 될 수 밖에 없다. 또한 입체 객체를 수직방향으로 자른 면의 데이터를 한번에 경화하는 방식으로 인해 속도는 재료압출 방식에 비해 빠르지만, 같은 면에 경화되는 액체는 동일할 수 밖에 없어서 같은 면에서 부분적으로 다른 질감이나 색상을 표현하는 것이 불가능 하다.

따라서 최근에는 광중합 방식의 3차원 프린팅 수행 시, 더 빠르게 3차원 프린팅이 가능하고 부분적으로 다른 질감과 색상표현이 가능하면서 Delaminating(떼어냄) 공정에서 발생하는 문제점이 해결된 3차원 프린터에 대한 연구가 필요한 실정이다.

본 발명의 목적은 빠르게 3차원 프린팅이 가능하고 Delaminating(떼어냄) 공정에서 경화 부분의 내부 액체공간에 진공이 발생하게 되는 문제를 용액의 퍼짐에 의한 연속 생산방식(Continuous Liquid Spreading Production, CLSP)으로 해결한 3차원 프린터 및 그 3차원 프린터를 이용한 3차원 객체 제작 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 광경화 수지가 수용되는 수지 용기; 상기 수지 용기의 바닥에 형성된 홀과 연결된 유체 공급로를 통해 상기 광경화 수지를 공급하는 수지 공급부; 상기 수지 용기의 바닥으로부터 소정 높이의 위치하여 상기 광경화 수지가 분출될 수 있는 유체관이 형성된 베이스 플레이트-상기 수지 용기의 바닥과 상기 베이스 플레이트 사이에 상기 광경화 수지가 저장될 수 있는 수지 저장부가 형성됨-; 및 상기 베이스 플레이트 상부로 광을 조사하는 광조사부를 포함하는 3차원 프린터가 개시된다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 수지 용기 및 상기 수지 용기의 바닥으로부터 소정 높이에 위치하여 유체관이 형성된 베이스 플레이트를 포함하는 3차원 프린터를 이용하여 3차원 객체를 제작하는 방법으로서, 수지 공급부를 통해 상기 수지 용기 하부에서 광경화 수지를 공급하는 단계; 광조사부를 이용하여 상기 베이스 플레이트의 유체관을 통해 분출된 광경화 수지에 광을 조사하는 단계; 및 상기 베이스 플레이트에 형성된 유체관 영역으로는 광이 조사되지 않도록 광 조사를 제어하는 단계를 포함하는 3차원 객체 제작 방법이 개시된다.

본 발명의 일실시예에 의한 3차원 프린터 및 3차원 객체 제작 방법은 용액의 퍼짐에 의한 연속 생산방식(Continuous Liquid Spreading Production, CLSP)을 이용하여 기존의 광중합 방식의 3D 프린팅 방법의 Delaminating(떼어냄) 공정에서 경화 부분의 내부 액체공간에 진공이 발생하게 되는 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 제작되는 객체의 일부분을 다른 질감의 재료나, 다른 색상으로 자유롭게 제작 할 수가 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 의하면, 3차원 객체(입체 조형물) 내부의 유체관을 통해 광경화 수지를 토출하고, 상기 토출된 광경화 수지가 표면장력에 의해 수평면에 퍼지면, 유체관 부분을 제외한 나머지 부분을 경화시키면서 3차원 객체를 제작해 가는 Bottom-Up 방식을 사용함으로써, 빠르게 3차원 객체를 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 3차원 프린터를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A 단면의 평면 투시도이다.
도 3은 도 1의 B-B 단면의 평면 투시도이다.
도 4는 도 1의 3차원 프린터를 이용하여 3차원 객체를 성장시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 내지 도 6은 복수의 수지 공급부가 구비된 3차원 프린터를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 일실시예와 관련된 3차원 프린터 및 3차원 객체 제작 방법에 대해 도면을 참조하여 설명하도록 하겠다.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

이하에서 설명되는 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 프린터는 광중합 방식(PP, Photo Polymerization) 타입의 3차원 프린터이다. 광중합 방식의 3차원 프린터는 포토폴리머(예: 광경화 수지)를 프린팅 소재로 사용한다.

포토폴리머는 빛(자외선이나 가시광)을 조사하였을 때, 물성의 변화가 일어나는 폴리머를 말한다. 이러한 물성의 변화가 구조적인 관점에서 딱딱해지는 형태로 나타나는 포토폴리머가 3D프린팅에서 소재로 사용되고 있으며, 이는 빛을 조사하였을 때 폴리머내의 cross-link가 일어나기 때문이다. 광중합은 모노머, 올리고머, 광촉매가 존재할 경우에 빛이 조사되면 cross-link 반응이 일어나고 결과적으로 딱딱해진 폴리머가 생기는 것이다. 이러한 과정을 "큐어링(curing)"이라 한다.

포토 큐어링을 일으키는 기구는 여러 가지 방식이 있을 수 있으며 이에 따라 SLA(Stereolithography), DLP(Digital Light Processing) 방식으로 다시 나뉜다.

SLA방식의 프린터는 일명 vat-(photo)polymerization이라 불린다. Vat이라 불리는 수조안에 포토 폴리머를 채우고, 고형화를 수평면상의 원하는 부분에 레이저 빔을 주사(scanning) 방식으로 조사한다. 빔에 노출된 폴리머는 포토 큐어링이 일어나 딱딱하게 굳어지고, 나머지 부분은 액체로 남아 있는다. 가운데 있는 피스톤을 내리면서 그 위의 수평면에 같은 일을 반복하여 수직방향으로 쌓아가는 방법이다. 포토 큐어링을 일으키는 다른 방법을 사용할 수도 있다.

DLP 방식의 3D 프린터는 스캐닝 방식이 아니라, 빔 프로젝터(DLP)를 이용하여 수평면 상의 정보를 한번에 보내어 포토 큐어링을 시키는 방식이다. DLP 방식은 스캐닝 방식에 대한 속도가 빠르다는 장점이 있다. 한 면의 정보를 한번에 보내는 방식으로 스캐닝에 걸리는 시간이 필요하지 않아 빠르게 처리할 수 있으며, 포토폴리머의 반응 속도가 충분하면 엄청난 프린팅 속도를 보일 수 있다.

이하에서 설명되는 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 프린터는 DLP 방식으로 큐어링을 수행한다. 또한, 본 명세서에서 3차원 객체와 입체 조형물은 3차원 프린터를 통해 제작되는 객체로 동일한 의미로 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 3차원 프린터를 나타내는 도면이다.

도시된 바와 같이, 3차원 프린터(100)는 수지 용기(110), 수지 공급부(120), 베이스 플레이트(130), 보조재료 투입부(141~14N), 광조사부(150)를 포함할 수 있다.

수지 용기(110)는 상기 수지 공급부(120)를 통해 공급된 광경화 수지가 수용되는 공간이 형성되어 있다.

상기 수지 용기(110)의 바닥에는 상기 수지 공급부(120)로부터 공급되는 광경화 수지가 주입될 수 있는 홀(111)이 형성될 수 있다.

수지 공급부(120)는 상기 홀(111)을 통해 상부로 광경화 수지를 공급할 수 있다. 상기 수지 공급부(120)는 광경화 수지의 공급량 또는 공급 속도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 수지 공급부(120)는 공압이나 유압 방식 혹은 수지 공급부(120)와 상기 베이스플레이트(130)의 상부와의 압력의 차를 이용하여 광경화 수지의 공급량 또는 공급 속도를 조절할 수 있다. 상기 수지 공급부(120)에서 공급되는 광경화 수지는 유체의 이동 경로인 유체 공급로(R11)통해 상기 홀(111)로 공급될 수 있다.

상기 수지 공급부(120)는 복수개의 보조재료 투입부(141~14N)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 색상을 조합하는 경우 빨강(Magenta), 파랑(Cyan), 노랑(Yellow)색을 공급하는 3개의 보조재료 투입부가 수지 공급부(120)와 연결될 수 있다. 상기 수지 공급부(120)와 복수개의 보조재료 투입부(141~14N)에서 공급되는 유체는 유체 공급로(R11)를 통해 상기 수지 용기(110) 내부로 공급될 수 있다. 이 경우, 유체 공급로(R11)에서 수지 공급부(120) 및 복수개의 보조재료 투입부(141~14N)에서 공급되는 유체들이 혼합될 수 있다.

상기 수지 용기(110) 내부에는 3차원 객체가 제작될 수 있는 기본 플레이트인 베이스 플레이트(130)가 형성될 수 있다. 상기 베이스 플레이트(130) 위에서 제작하고자 하는 3차원 객체가 성장될 수 있다. 상기 베이스 플레이트(130)에는 복수 개의 유체관(131)이 형성될 수 있다. 상기 유체관(131)을 통해 공급된 광경화 수지가 분출될 수 있다.

지지대(135)는 상기 베이스 플레이트(130)를 수지 용기(110)의 바닥에 대해 지지할 수 있다.

이 경우, 상기 수지 용기(100)의 바닥과 상기 베이스 플레이트(130) 사이에 상기 광경화 수지가 저장될 수 있는 수지 저장부(115)가 형성될 수 있다.

상기 베이스 플레이트(130) 및 지지대(135)는 이미 제작된 기성품이 사용될 수도 있지만, 상기 수지 공급부(120)에서 공급되는 광경화 수지의 경화를 통해 수지 용기(110) 내부에 형성될 수도 있다.

이하에서는 광경화 수지의 경화를 통해 베이스 플레이트(130) 및 지지대(135)가 형성되는 방법에 대해 설명하도록 하겠다.

홀(111)을 통해 상기 수지 용기(110)에 상기 수지 공급부(120)를 통해 광경화 수지를 공급한다. 상기 수지 공급부(120)는 소정 속도로 광경화 수지를 공급할 수 있다.

광조사부(150)는 수지 용기(110)에 공급된 광경화 수지에 지지대(135) 영역이 먼저 경화되도록 광을 조사할 수 있다. 지지대(135)가 경화되고 광경화 수지가 수지 용기(110)의 소정 높이까지 채워지게 되면, 공급된 광경화 수지의 맨 위 표면을 소정 두께만큼 경화하여 베이스 플레이트(130)를 형성할 수 있다. 이 경우, 유체관(131)으로 사용될 영역은 제외하고 경화를 수행할 수 있다. 이러한 방식으로 베이스 플레이트(130)가 제작되면, 상기 베이스 플레이트(130)와 수지 용기(100)의 바닥 사이에는 수지 저장부(115)가 형성될 수 있다.

이 경우, 베이스 플레이트(131)와 광경화 수지를 담는 수지 용기(110)의 바닥 면 사이의 거리를 최소화하여 광경화 수지의 양을 가능한 적게 하는 방식으로 상기 베이스 플레이트(130)를 형성할 수 있다.

도 2는 도 1의 A-A 단면의 평면 투시도이다.

도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(130)를 지지하는 지지대(135)의 개수 및 모양, 굵기는 다양할 수 있다. 상기 지지대(135)는 베이스 플레이트(130)를 지지하기도 하지만, 수지 저장부(115)를 형성하는 챔버 역할(예를 들어, 수지 저장부(115)의 외벽 역할)을 수행할 수도 있다. 참조부호 210은 광경화 수지가 이동될 수 있는 연결 통로이다.

도 3은 도 1의 B-B 단면의 평면 투시도이다.

도시된 바와 같이, 베이스 플레이트(130)에는 다수 개의 유체관(131)이 형성될 수 있다. 유체관(131)의 수는 많을수록(즉 유체관이 촘촘하게 있을 수록) 입체 조성물의 제작 속도와 제품의 균일도가 좋다.

한편, 베이스 플레이트(130) 경화 두께 및 베이스 플레이트(130)를 지지하는 지지대(135)의 개수 및 모양, 굵기는 제작할 3차원 객체(입체 조형물)의 무게에 의해 베이스 플레이트(130)가 변형이 생기지 않을 정도의 내구성을 가질 수 있도록 제작될 수 있다.

도 4는 도 1의 3차원 프린터를 이용하여 3차원 객체를 성장시키는 방법 중 댐(400)을 이용하여 제작하는 일례를 설명하기 위한 도면이다. 댐(400)을 형성하는 과정은 홈이나 골, 또는 점과 같은 다른 수단을 형성하는 과정으로 대체될 수도 있다. 상기 댐(400)은 상기 3차원 객체의 최외곽에 형성되거나 유체관(131)과 인접 유체관(131)사이에 형성되어 경계선으로 사용될 수도 있으며 유체관(131)을 통해 토출된 유체를 잘 흐르게 하는 통로를 형성하는데 사용될 수도 있다.

도 4(a)는 3차원 객체의 외부인 댐(400)을 형성하는 과정을 나타내고, 도 4(b)는 3차원 객체의 외부인 댐(400) 내부가 경화되는 과정을 나타낸다.

베이스 플레이트(130)의 상부 압력과 수지압력이 조절되면서 상기 유체관(131)을 통해 분출되는 광경화 수지의 양과 속도가 조절될 수 있다.

수지압력은 수지 공급부(120)에서 밀어 주는 압력인데, 이는 결국은 공급량과 일치할 수 있다. 여기서 압력이라는 표현은 수지 공급부(120)의 끝단과 유체관(131)이 연결될 수 밖에 없는데, 유체관(131) 속의 액체인 광경화 수지는 결국 상부압력이 수지압력 보다 낮아야 밀려 나갈 수 있다. 상기 수지 공급부(120)는 공압이나 유압 방식 혹은 기계식 방법을 통해 광경화 수지를 수지 용기(110) 내부로 공급할 수 있다. 일반적으로 상부압력은 대기압이거나 그보다 낮을 수 있다.

한편, 별도로 상기 베이스플레이트(130)의 상부가 상기 수지 용기(110)에 의해 밀폐된 공간이라면, 밀폐된 상기 베이스플레이트(130) 상부의 공기밀도가 상부압력이 될 수 있다. 이 경우, 상기 상부압력이 수지 공급부(120)의 수지압력 보다 높으면 수지는 역으로 수지 공급부(120) 내부로 흘러 들어갈 수 있다. 이 경우, 수지 공급부(120) 내부로 흘러 들어온 수지는 상기 보조재료 투입부(141~14N)중의 하나를 수지 회수부(미도시)로 사용할 수 있다.

상기 유체관(131)의 상부를 통해 분출된 광경화 수지가 상기 베이스 플레이트(130) 위에서 입체 조형물의 평면 도형의 외곽선까지 광경화 수지가 퍼져나가면, 광조사부(150)의 광조사 제어에 의해 입체 조형물의 평면도형의 최외곽 부위의 경계선을 먼저 경화하여 댐(400)과 같은 구조가 형성될 수 있다. 그리고 광조사부(150)는 댐(400) 내부가 경화되도록 광을 조사할 수 있다. 이 경우, 광조사부(150)는 댐(400)의 내부에 형성될 유체관(131)의 내부 영역은 경화되지 않도록 광 조사를 제어할 수 있다. 상기 입체 조형물은 오직 하나의 유체관(131)을 이용하여 제작될 수도 있다. 예를 들어, 컵과 같은 모양이나, 원통형 입체 조형물 등은 하나의 유체관(131)과 상기 유체관(131)의 최외곽 부분이 상기 댐(400)과 같은 역할을 할 수가 있다. 이러한 경우 상기 유체관(131)은 입체 조형물이 완성된 후 상기 입체 조형물의 내부 공간이 될 수 있다. 또한 상기 유체관(131)은 상기 입체 조형물의 최외곽 바깥쪽에 형성이 되어(외곽 유체관) 상기 입체 조형물 전체를 감싸는 형태로 만들어질 수도 있다. 이 경우 상기 입체 조형물은, 상기 외곽 유체관(미도시)의 내부에 채워져 있는 유체에 잠긴 상태로 완성될 수 있다. 이러한 경우 상기 입체 조형물의 표면처리까지 입체 조형물 제작 과정에서 동시에 마무리 지을 수 있다.

상부압력과 수지압력의 차를 적절하게 조절하면서 상기 수지 공급부(120)가 수지의 공급량을 제어함으로써, 유체관(131)을 통해 분출되는 광경화 수지의 양이 조절될 수 있다. 상기 유체관(131)은 동일한 2차원 평면상에서 그 직경이 다를 수 있다. 이 경우 직경이 큰 유체관을 통해 분출되는 수지의 양과 직경이 작은 유체관(131)을 통해 분출되는 수지의 양이 다를 수 있기 때문에, 유체관(131)의 직경에 따라 분출되는 수지가 퍼지는 영역을 적절하게 정해줄 필요가 있다. 또한 수지 공급부(120)를 통해 수지를 밀어넣는 방식 보다는 상부압력을 수지압력보다 낮게 하여 수지를 끌어 올리는 방식이 보다 균일하게 수지를 분출시킬 수 있다.

또한, 보조재료 투입부(141~14N)를 통해 공급되는 보조재료의 색깔이나 성분의 변화를 통해 제작되는 입체 조형물의 색깔과 강도 등의 물성이 조절될 수 있다.

예를 들어, 보조재료로 갈색 잉크나 분말을 투입하면 조형물의 색깔은 갈색으로 변할 수 있다. 또한, 보조재료로 실리콘 분말과 같은 부드러운 물질을 사용할 경우 제작되는 조형물은 부드럽게 제작될 수 있다.

즉 나무형태를 제작할 경우 나무 줄기를 제작할 때는 갈색 잉크나 분말을 투입하고, 나뭇잎을 제작하는 부분에서는 초록색 잉크나 분말을 투입하여 제작되는 부분의 색깔을 변화시킬 수 있다.

이때 유체관(131) 내부에 남아있는 이전 색깔이 혼합된 광경화 수지의 양을 정확히 계산하여 미리 보조재료를 바꾸어 주는 것이 중요하다.

딱딱한 재질에서 부드러운 재질로 바뀔 때는 보조재료를 부드러운 재질이 형성될 수 있는 재료로 바꾸어서 투입하여 광경화 수지와 섞인 혼합재료의 경화 후 경도가 낮게 나올 수 있도록 보조재료 공급량을 조절하면서 경도를 조절할 수 있다.

또한, 상기 광경화 수지와 보조재료가 잘 배합될 수 있도록 보조재료 투입부(141~14N)와 수지 공급부(120)는 적절한 지점에 위치할 수 있다.

도 4(a)에 도시된 댐 형성 과정과 도 4(b)에 도시된 댐 내부 경화 과정을 계속 반복함으로써, 입체 조형물이 설계된 목적물까지 성장될 수 있다.

최종 목적물의 형상으로 입체 조형물의 제작이 완료되면, 수지압력과 상부압력을 동일하게 유지하여 더 이상 유체관을 통하여 수지가 방출되지 않도록 한다.

이 경우, 광조사부(150)는 유체관(131)의 상부 끝부분이 막혀지도록 유체관(131) 상부 영역에 가시광을 조사하여 유체관(131) 상부에 존재하는 광경화 수지를 경화시킬 수 있다.

상기와 같은 경우, 유체관(131)의 끝부분이 막혀지면, 유체관(131) 내부에 경화되지 않은 채 존재하는 광경화 수지는 빼내지 못하게 된다.

따라서 경우에 따라서는 맨 끝에 형성되는 유체관(131)의 끝부분을 막지 않고, 수지 공급부(120)를 통해 역으로 광경화 수지를 포함한 유체를 회수할 수 있다. 수지압력을 상부압력보다 상대적으로 낮게 하여 유체관(131) 내부의 경화되지 않은 수지를 빼낼 수 있다. 이 경우 수지 공급부(120) 내부로 흘러 들어온 수지는 상기 보조재료 투입부(141~14N)중의 하나를 수지 회수부(미도시)로 사용할 수 있다.

유체관(131) 내부의 광경화 수지를 포함한 유체(광경화 수지 외에 보조재료가 추가될 수 있음)를 제거한 후 시간 경과 또는 열에 의해 경화되는 접착제를 수지 공급부(120)로 공급하여 유체관(131) 내부를 채울 수 있다. 상기 접착제가 유체관(131)에 채워진 후, 일정 시간 동안 열을 가한 상태에서 상부압력과 수지 압력을 동일하게 유지하면, 상기 유체관(131) 내부의 접착제는 완전 경화될 수 있다.

본 발명의 일실시예는 광경화제로 광에 의해 경화되거나 열에 의해서 경화되는 두 가지 특성을 동시에 갖는 경화제를 사용하면, 상기 유체관 내부의 광경화제를 제거하고 다시 접착제를 채워 열에 의해 경화시키는 공정이 생략될 수 있다. 즉, 상기와 같은 열경화 특성과 광경화 특성을 갖는 경화제를 사용할 경우 유체관(131) 내부에 있는 경화제를 굳이 빼내지 않아도 일정시간 경과 후 경화 되므로 공정을 단축할 수 있다.

한편, 유체관(131)의 내부에 남은 경화제를 빼낸 후 전도성 접착제와 같이 전류가 잘 흐르는 경화제를 투입할 경우, 유체관(131)은 입체 회로선을 형성할 수도 있다.

입체 조형물로 생체 조직을 모방하는 인공 장기를 제작하는 경우, 상기 형성된 유체관(131)의 일부는 동맥으로, 일부는 정맥으로, 그리고 일부는 신경 세포가 연결되는 통로로 활용할 수 있다.

한편, 도 1 또는 도 4에 도시된 바와 같이, 한 개의 수지 공급부(120)를 이용하여 복수 개의 유체관(131)으로 수지를 공급하는 방식으로 입체 조형물을 제작하는 경우, 색깔이나 재질을 변화시키기 위해 보조재료 투입부(141~14N)의 재료를 바꿀 경우, 일정한 높이 이상의 조형물 형성하는 과정에서 공통으로 같은 재질과 색깔이 나타나기 때문에, 다양한 재질과 색깔을 가지는 입체 조형물을 제작하기 어려울 수도 있다.

이하에서는 제작하고자 하는 3차원 객체를 수직방향에서 보고 그 단면을 잘랐을 때 형성되는 하나의 동일한 2차원 적층면에서 다양한 재질과 색깔로 입체 조형물을 제작하는 방법에 설명하기로 한다.

도 5는 내지 도 6은 복수의 수지 공급부가 구비된 3차원 프린터를 나타내는 도면이다.

도 5는 복수 개의 수지 공급부와 대응되게 베이스 플레이트와 수지 용기의 바닥 사이에 복수 개의 수지 저장부가 형성된 형태의 3차원 프린터이고, 도 6은 수지 저장부가 별도로 제작되지 않고, 복수개의 유체관으로 분기되는 영역이 수지 저장부 역할을 수행하는 3차원 프린터이다.

도 5에 도시된 3차원 프린터(500)는 수지 용기(510), 제1수지 공급부(521), 제2수지 공급부(522), 베이스 플레이트(530), 보조재료 투입부(5411~541N, 5421~542N), 광조사부(550)를 포함할 수 있다.

상기 수지 용기(510), 제1수지 공급부(521), 제2수지 공급부(522), 베이스 플레이트(530), 보조재료 투입부(5411~541N, 5421~542N), 광조사부(550)는 도 1 내지 도 4에 설명된 부분이 동일하게 적용될 수 있다.

다만, 도 5에 도시된 3차원 프린터(500)는 복수 개의 수지 공급부(521, 522)에서 동시에 광경화 수지를 상기 수지 용기(510) 내로 공급할 수 있다는 점이 도 1에 도시된 3차원 프린터(100)와의 차이점이라 할 수 있다.

따라서 이하에서는 도1 내지 도4에서 설명된 부분 중 동일하게 적용되는 설명은 생략하고, 차이점에 대해서만 주로 설명하도록 하겠다.

3차원 프린터(500)는 제1수지 공급부(521) 및 제2수지 공급부(522)를 동시에 이용할 수 있다.

그리고 제1수지 공급부(521) 및 제2수지 공급부(522)는 각각 대응되게 보조재료 투입부와 연결될 수 있다. 제1수지 공급부(521)는 제1그룹의 보조재료 투입부(5411~541N)와 연결되고, 제2수지 공급부(522)는 제2그룹의 보조재료 투입부(5421~542N)와 연결될 수 있다.

유체 공급로(R51)에서 제1수지 공급부(521) 및 제1그룹의 보조재료 투입부(5411~541N)에서 공급되는 유체들이 혼합되고, 유체 공급로(R52)에서 제2수지 공급부(522) 및 제2그룹의 보조재료 투입부(5421~542N)에서 공급되는 유체들이 혼합될 수 있다.

각 수지 공급부(521, 522)는 다시 복수개의 유체관으로 수지를 보내기 위해 필요한 만큼의 작은 수지 저장부(511, 522)와 각각 대응될 수 있다. 제1수지 공급부(521)는 제1수지 저장부(511)로 광경화 수지를 공급하고, 제2수지 공급부(522)는 제2수지 저장부(512)로 광경화 수지를 공급할 수 있다. 상기 제1수지 공급부(521) 및 제2수지 공급부(522)는 동시에 동일 재질 또는 서로 상이한 재질의 광경화 수지를 동시에 공급할 수 있다. 상기 수지 공급부(521,522)는 2개 이상의 복수 형태로 구성될 수 있다. 또한 상기 보조재료 투입부 그룹(5411~541N, 5421~542N) 역시 상기 수지 공급부(521,522)의 수와 대응되도록 2개 이상의 복수 개로 구성될 수 있다.

입체 조형물을 제작하는 과정은 단일 수지 공급부를 가지는 3차원 프린터(100)를 이용하여 입체 조형물을 제작하는 과정과 동일하다.

즉, 입체 조형물 내부의 유체관(531)을 통해 광경화 수지를 분출하고, 분출된 액체(광경화 수지를 포함한 유체)가 표면장력에 의해 경화된 상부 수평면에 퍼지면, 유체관(531) 부분을 제외한 나머지 부분을 경화시키면서 입체 조형물을 제작해 가는 Bottom-Up 방식으로 입체 조형물이 제작될 수 있다.

각각의 수지 공급부(521, 522)는 일반적으로 입체조형물의 제작과정에서 두 가지 역할을 순차적으로 수행할 수 있다.

입체 조형물의 성장 과정에서 중간 부분을 형성할 때 보조재료와 광경화 수지의 혼합 시점과 공급량 및 속도를 제어하고, 조형물의 성장 과정의 마지막 부분을 형성할 때 보조재료와 광경화제의 혼합 시점과 공급량 및 속도를 제어할 수 있다.

예를 들어 꽃이 피어있는 나무를 제작 하고자 한다면, 각각의 수지 공급부(521, 522)는 나뭇잎을 제작하기 위한 공급장치, 꽃을 제작하기 위한 공급장치, 나무의 중간에 있는 나뭇잎을 제작하기 위한 공급장치 등으로 그 역할을 분담할 수 있다.

하지만 상기 세가지 종류의 공급장치는 최종 제작 역할을 수행하기 전에 나무 기둥과 나무 가지를 공통적으로 형성하는 역할을 수행하고 나서, 그 다음에 주어진 역할의 목적물을 형성 해야 할 것이므로 상기에서 언급한 두 가지 역할을 순서대로 행해야 한다.

수지 공급부가 많을수록 정밀하고, 세세한 색깔과 재질을 표현 할 수 있지만, 그럴수록 3차원 프린터의 제작 단가는 높아진다. 한편 다수의 수지 공급부(521, 522)와 다수의 보조재료 투입부(141,14N)는 제작 단가를 낮추기 위해 동일한 재료를 공급하는 수지 공급부(521, 522)와 보조재료 투입부(141,14N)을 합쳐서 하나의 메인 수지 공급부(미도시)와 메인 보조재료 투입부(미도시)를 두고 여러 개의 수지 공급부와 보조재료 투입부로 분기시켜서 각각의 분기된 수지 공급부와 보조재료 투입부에 별도의 조절밸브를 준비하는 방식으로 제작 원가를 낮 출 수도 있다(미도시).

도 6에 도시된 3차원 프린터(600)는 수지 용기(610), 제1수지 공급부(621), 제2수지 공급부(622), 베이스 플레이트(630), 보조재료 투입부(6411~641N, 6421~642N), 광조사부(650)를 포함할 수 있다.

상기 수지 용기(610), 제1수지 공급부(621), 제2수지 공급부(622), 베이스 플레이트(630), 보조재료 투입부(6411~641N, 6421~642N), 광조사부(650)는 도 5에 설명된 부분이 동일하게 적용될 수 있다.

다만, 도 6의 3차원 프린터(600)는 베이스 플레이트(630)에 형성된 복수 개의 유체관으로 분기되는 영역이 수지 저장부의 역할을 수행하기 때문에, 수지 저장부를 형성하는 공정이 생략될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 프린터를 이용한 입체 조형물 제작 방법은 입체 조형물 내부의 유체관을 통해 광경화 수지를 분출하고, 분출된 액체가 표면장력에 의해 수평면에 퍼지면, 유체관 부분을 제외한 나머지 부분을 경화시키면서 입체 조형물을 제작해 가는 Bottom-Up 방식이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 3차원 프린터 및 3차원 객체 제작 방법은 유체관 현상을 이용하여 기존의 광중합 방식의 3D 프린팅 방법의 Delaminating(떼어냄) 공정에서 경화 부분의 내부 액체공간에 진공이 발생하게 되는 문제가 해결될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 의하면, 3차원 객체(입체 조형물) 내부의 유체관을 통해 광 경화 수지를 토출하고, 토출된 액체가 표면장력에 의해 수평면에 퍼지면, 유체관 부분을 제외한 나머지 부분을 경화시키면서 3차원 객체를 제작해 가는 Bottom-Up 방식을 사용함으로써, 빠르게 3차원 객체를 제작할 수 있다.

상술한 3차원 프린터를 이용하여 3차원 객체를 제작하는 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 이때, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 한편, 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.

컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.

한편, 이러한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다.

또한, 프로그램 명령에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

상기와 같이 설명된 3차원 프린터 및 그 3차원 프린터를 이용하여 3차원 객체를 제작하는 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

100, 500, 600: 3차원 프린터
110, 510, 610: 수지 용기
120, 521, 522, 621, 622: 수지 공급부
130, 530, 630: 베이스 플레이트
135: 지지대
141~14N, 5411~541N, 5421~542N, 6411~641N: 보조재료 투입부
150, 550, 650: 광조사부

Claims

광경화 수지가 수용되는 수지 용기;
상기 수지 용기의 바닥에 형성된 홀과 연결된 유체 공급로를 통해 상기 광경화 수지를 공급하는 수지 공급부;
상기 수지 용기의 바닥으로부터 소정 높이에 위치하여 상기 광경화 수지가 분출될 수 있는 유체관이 형성된 베이스 플레이트-상기 수지 용기의 바닥과 상기 베이스 플레이트 사이에 상기 광경화 수지가 저장될 수 있는 수지 저장부가 형성됨-; 및
상기 베이스 플레이트 상부로 광을 조사하는 광조사부를 포함하되,
상기 광조사부는 상기 베이스 플레이트에 형성된 유체관의 수직 상부 영역은 상기 광경화 수지가 경화되지 않도록 상기 광 조사를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 3차원 프린터는
상기 수지 용기의 바닥에 대해 상기 베이스 플레이트를 지지하는 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
제 3 항에 있어서, 상기 베이스 플레이트 및 상기 지지대는
상기 수지 공급부에서 공급된 상기 광경화 수지의 경화를 통해 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
광경화 수지가 수용되는 수지 용기;
상기 수지 용기의 바닥에 형성된 홀과 연결된 유체 공급로를 통해 상기 광경화 수지를 공급하는 수지 공급부;
상기 수지 용기의 바닥으로부터 소정 높이에 위치하여 상기 광경화 수지가 분출될 수 있는 유체관이 형성된 베이스 플레이트-상기 수지 용기의 바닥과 상기 베이스 플레이트 사이에 상기 광경화 수지가 저장될 수 있는 수지 저장부가 형성됨-;
상기 베이스 플레이트 상부로 광을 조사하는 광조사부; 및
상기 홀과 연결된 유체 공급로를 통해 보조재료를 공급하는 보조재료 투입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
제 5 항에 있어서,
상기 보조재료 투입부는 복수 개로 이루어지되, 상기 복수 개의 보조재료 투입부 중 하나는 공급된 수지가 역으로 회수되는 수지 회수부인 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
광경화 수지가 수용되는 수지 용기;
상기 수지 용기의 바닥에 형성된 홀과 연결된 유체 공급로를 통해 상기 광경화 수지를 공급하는 수지 공급부;
상기 수지 용기의 바닥으로부터 소정 높이에 위치하여 상기 광경화 수지가 분출될 수 있는 유체관이 형성된 베이스 플레이트-상기 수지 용기의 바닥과 상기 베이스 플레이트 사이에 상기 광경화 수지가 저장될 수 있는 수지 저장부가 형성됨-; 및
상기 베이스 플레이트 상부로 광을 조사하는 광조사부를 포함하되,
수지 공급부는 제1수지 저장부로 광경화 수지를 공급하는 제1수지 공급부; 및
제2수지 저장부로 광경화 수지를 공급하는 제2수지 공급부를 포함하고,
상기 제1수지 저장부와 상기 제2수지 저장부는 영역이 구분되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
제 7 항에 있어서, 상기 3차원 프린터는
상기 제1수지 공급부에서 공급되는 광경화 수지의 이동 통로인 제1유체 공급로와 연결된 제1보조재료 투입부; 및
상기 제2수지 공급부에서 공급되는 광경화 수지의 이동 통로인 제2유체 공급로와 연결된 제2보조재료 투입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
제 8 항에 있어서, 상기 3차원 프린터는
상기 제1수지 공급부 및 제2수지 공급부와 연결되어 상기 제1수지 공급부 및 제2수지 공급부로 동일한 광경화 수지를 공급하는 메인 수지 공급부; 및
상기 제1보조재료 투입부 및 제2보조재료 투입부와 연결되어 상기 제1수지 공급부 및 제2수지 공급부로 동일한 보조재료를 공급하는 메인 보조재료 투입부 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
제 9 항에 있어서,
상기 제1수지 공급부 및 제2수지 공급부에 각각 대응되는 조절 밸브를 통해 상기 메인 수지 공급부에서 상기 제1수지 공급부 및 제2수지 공급부로 공급되는 광경화 수지의 공급량은 각각 조절되거나
상기 제1보조재료 투입부 및 상기 제2보조재료 투입부에 각각 대응되는 조절 밸브를 통해 상기 메인 보조재료 투입부에서 상기 제1보조재료 투입부 및 제2보조재료 투입부로 공급되는 보조재료의 공급량은 각각 조절되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
광경화 수지가 수용되는 수지 용기;
상기 수지 용기의 바닥에 형성된 홀과 연결된 유체 공급로를 통해 상기 광경화 수지를 공급하는 수지 공급부;
상기 수지 용기의 바닥으로부터 소정 높이에 위치하여 상기 광경화 수지가 분출될 수 있는 유체관이 형성된 베이스 플레이트-상기 수지 용기의 바닥과 상기 베이스 플레이트 사이에 상기 광경화 수지가 저장될 수 있는 수지 저장부가 형성됨-; 및
상기 베이스 플레이트 상부로 광을 조사하는 광조사부를 포함하되,
상기 수지 저장부는 상기 베이스 플레이트에 형성된 복수 개의 유체관으로 분기되는 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
수지 용기 및 상기 수지 용기의 바닥으로부터 소정 높이에 위치하여 유체관이 형성된 베이스 플레이트를 포함하는 3차원 프린터를 이용하여 3차원 객체를 제작하는 방법으로서,
수지 공급부를 통해 상기 수지 용기 하부에서 광경화 수지를 공급하는 단계;
광조사부를 이용하여 상기 베이스 플레이트의 유체관을 통해 분출된 광경화 수지에 광을 조사하는 단계; 및
상기 베이스 플레이트에 형성된 유체관 영역으로는 광이 조사되지 않도록 광 조사를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 객체 제작 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 3차원 객체 제작 방법은
상기 수지 공급부를 통해 공급되는 광경화 수지의 이동 통로인 유체 공급로를 통해 보조재료를 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 객체 제작 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 광경화 수지 공급 단계는
복수 개의 수지 공급부를 통해 상기 수지 용기에서 서로 영역이 구분된 복수 개의 수지 저장부로 상기 광경화 수지를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 객체 제작 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 3차원 객체 제작 방법은
상기 유체관 내부에 남은 광경화 수지를 상기 수지 공급부를 통해 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 객체 제작 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 광조사 제어 단계는
상기 유체관 내부는 상기 3차원 객체의 내부 공간이 되고, 상기 유체관의 최외곽 영역에는 상기 3차원 객체를 감싸는 댐 구조물이 형성되도록 상기 유체관의 외곽 영역에만 광을 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 객체 제작 방법.