KR101774387B1

KR101774387B1 - 선택적 전기화학 전착을 이용한 3ｄ 프린팅 장치

Info

Publication number: KR101774387B1
Application number: KR1020160176800A
Authority: KR
Inventors: 유봉영; 김성빈; 김병욱
Original assignee: (주)애니캐스팅; 유봉영
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2017-09-05

Abstract

본 발명은 전해액을 소정압력으로 분출시키는 노즐을 이용하여 기판에 금속원료를 선택적으로 전착시킴으로써, 기판에 적층되는 금속제품의 3D 프린팅 속도를 증대시킬 수 있는 선택적 전기화학 전착을 이용한 3D 프린팅 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 3D 프린팅 장치에 의하면, 전해액이 소정압력으로 계속해서 분출되면서 기판상에 금속원료가 선택적으로 전착됨에 따라 금속제품의 3D 프린팅이 이루어지기 때문에, 메니스커스(meniscus)가 형성된 경우에만 도금이 이루어지는 선행기술(한국공개특허공보 제10-2015-0020356호)과 비교하여 기판에 적층되는 금속제품의 3D 프린팅 속도를 현저히 증대시킬 수 있으며, 그에 따라 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치는 비교적 큰 형상을 가지는 벌크(bulk) 타입의 금속제품을 위한 3D 프린팅에도 적용될 수 있다

Description

선택적 전기화학 전착을 이용한 3Ｄ 프린팅 장치 {3D printing apparatus using selective electrochemical deposition}

본 발명은 선택적 전기화학 전착을 이용한 3D 프린팅 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 전해액을 소정압력으로 분출시키는 노즐을 이용하여 기판에 금속원료를 선택적으로 전착시킴으로써, 기판에 적층되는 금속제품의 3D 프린팅 속도를 증대시킬 수 있는 3D 프린팅 장치에 관한 것이다.

3D 프린팅 기술은 3차원 설계 데이터를 기반으로 고분자 재료, 플라스틱 또는 금속분말 등의 소재를 적층하는 적층 제조법(additive manufacturing)을 사용함으로써, 실물 모형, 프로토타입(proto type), 툴(tool) 및 부품 등을 형상화하는 기술이다.

3D 프린팅 방식으로는 사용되는 원료의 특성에 따라 액체 기반의 방식과 파우더 기반의 방식이 주로 사용되는데, 액체 기반의 방식은 액체 상태의 폴리머 합성수지를 이용하여 물체의 모양을 따라 한 층씩 적층한 후 적층된 구조물을 광경화시키는 과정을 거치는 방식이며, 파우더 기반 방식은 파우더 형태로 만들어진 금속 원료를 녹이거나 소결하는 과정을 거치는 방식이다.

이중 원료로서 고분자 또는 플라스틱 등을 이용하는 3D 프린터는 액체 기반 방식으로 구현가능하여 널리 사용되고 있는 반면, 금속 원료의 경우에는 액체 기반 방식으로 구현이 어렵고 주로 파우더 기반 방식으로만 구현 가능하다는 점에서, 높은 소재가격, 복잡한 가공방법, 높은 소결 온도, 폭발 위험성 등의 이유로 플라스틱 원료를 이용한 3D 프틴터와 달리 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다.

이러한 문제를 해결하기 위한 선행기술로서, 한국공개특허공보 제10-2015-0020356호에는 "전기 도금 방식을 이용한 3D 프린팅 장치 및 방법"이 개시된 바 있다.

상기 선행기술에 따른 3D 프린팅 장치는 금속용액을 배출하는 프린팅 펜과 기판 사이에 금속용액의 메니스커스(meniscus)가 형성된 경우에 상기 메니스커스 내부로 전압을 인가함으로써, 메니스커스 내부의 금속이온을 기판상에 도금시키는 방식이다.

위와 같은 방식으로 이루어지는 선행기술에 따른 3D 프린팅 장치는, 종래 금속원료의 경우 주로 이용되던 파우더 기반 방식과 달리 금속재료를 소결하기 위한 고온 인가 과정이 필요하지 않다는 장점을 제공한다.

그러나 상기 선행기술에 따른 3D 프린팅 장치는 프린팅 펜과 기판 사이에 메니스커스가 형성된 상태에서만 기판에 도금이 이루어지는 방식이기 때문에, 비교적 큰 형상을 가지는 벌크 스케일(bulk scale)의 금속제품을 위한 3D 프린팅에는 적합하지 않다는 문제가 있다.

즉, 메니스커스는 표면장력에 기인한 모세관 현상에 의해서 상승 또는 하강한 관내의 액면 현상을 말하는 것으로, 메니스커스 내부로 공급되는 금속이온의 공급속도는 확산에 의해서만 이루어지기 때문에, 상기 선행기술과 같이 메니스커스가 형성된 상태에서만 기판에 도금이 이루어지게 되면, 기판에 적층되는 금속제품의 3D 프린팅 속도 또한 금속이온의 확산속도에 의존할 수밖에 없으며, 따라서 상기 선행기술에 따른 3D 프린팅 장치는 프린팅 속도가 매우 느려서 비교적 큰 형상을 가지는 벌크 스케일(bulk scale)의 금속제품을 위한 3D 프린팅에는 적합하지 않다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 금속재료를 소결하기 위한 고온 인가 과정이 필요하지 않으면서도, 기판에 적층되는 금속제품의 3D 프린팅 속도를 증대시킬 수 있는 3D 프린팅 장치를 제공한다.

본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는, 기판(substrate); 단부에 구비된 노즐을 통해 소정의 압력으로 상기 기판에 전해액(electrolyte)을 분출(jet)하는 노즐어셈블리; 상기 노즐을 통해 분출되는 전해액과 접점을 갖는 제1전극, 상기 기판을 제2전극으로 하여, 상기 노즐을 통해 분출되는 전해액에 전압 또는 전류를 인가함으로써, 상기 분출되는 전해액의 분출면에 대응하는 상기 기판 영역에 전착영역을 형성하는 전원공급부; 3D 프린팅하고자 하는 금속제품의 3D 프린팅 데이터가 입력되는 입력부; 상기 노즐어셈블리를 이동시켜 상기 전해액이 분출되는 노즐의 위치를 변경하는 제1구동부; 상기 기판으로 분출된 전해액이 저장되는 저장부(reservoir); 상기 저장부로 저장된 전해액을 소정 압력으로 상기 노즐어셈블리로 공급하는 전해액 공급부; 상기 제1전극과 상기 제2전극인 상기 기판 사이의 전위차 또는 전류를 측정하는 측정부; 상기 노즐의 끝단부와 상기 기판 사이의 간격을(gap) 조절하는 간격조절부; 및 상기 입력부에서 입력된 3D 프린팅 데이터에 따라 상기 제1구동부와 상기 전원공급부를 제어하여 상기 기판에 전착되는 상기 전착영역을 선택적으로 적층시키며, 상기 측정부의 측정에 따라 상기 간격조절부를 제어하여 상기 노즐의 끝단부와 상기 기판 사이의 간격을 조절하는 제어부;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는, 상기 제어부는 상기 제1전극과 상기 제2전극인 상기 기판 사이의 전위차 또는 전류가 일정하게 유지되도록 상기 간격조절부를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는, 상기 제어부는 상기 전착영역의 적층 높이가 높아짐에 따라 상기 노즐의 끝단부와 상기 기판 사이의 간격이 증가하도록 상기 간격조절부를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는, 상기 제어부는 상기 전착영역의 적층 높이가 높아짐에 따라 상기 노즐의 끝단부와 상기 전착영역의 상단면 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 상기 간격조절부를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는, 상기 3D 프린팅 데이터는 상기 제1전극과 상기 제2전극인 상기 기판 사이의 전위차 또는 전류값 정보를 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1전극과 상기 제2전극인 상기 기판 사이의 전위차 또는 전류가 상기 3D 프린팅 데이터에 포함된 전위차 또는 전류값 정보를 일정하게 유지할 수 있도록 상기 측정부의 측정결과로부터 상기 간격조절부를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는, 상기 간격조절부는 상기 제1구동부가 상기 노즐 또는 상기 노즐어셈블리를 수직 이동시키도록 구성되며, 상기 제어부는 상기 측정부의 측정에 따라 상기 제1구동부의 수직 이동을 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는, 상기 간격조절부는 상기 기판을 지지하는 지지부를 수직 이동시키는 제2구동부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 측정부의 측정에 따라 상기 제2구동부를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는, 상기 간격조절부는 상기 지지부를 수직방향으로 이동시키는 제2구동부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1구동부와 상기 제2구동부 중 어느 하나를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는, 상기 전착영역의 주변으로 액체 또는 기체를 소정압력으로 방출(discharge)하는 방출노즐을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는, 상기 방출노즐은 에어(air)를 방출할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는, 상기 방출노즐은 상기 노즐의 외주변에 위치할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일실시 예에 따른 선택적 전기화학 전착을 이용한 3D 프린팅 장치는, 전해액을 소정압력으로 분출시키는 노즐을 이용하여 기판에 금속 원료를 선택적으로 전착시킴으로써, 금속재료를 소결하기 위한 고온 인가 과정이 필요하지 않으면서도 기판에 적층되는 금속제품의 3D 프린팅 속도를 증대시킬 수 있다.

본 발명에 따른 효과들은 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위와 상세한 설명의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 2는 도 1의 'A' 부분 확대도 이고,
도 3은 도 1에 따른 3D 프린팅 장치의 개략적인 구성도이고,
도 4는 도 2에서 전착영역이 소정높이 이상으로 적층된 상태를 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치를 설명하기 위한 도면이고,
도 6 및 도 7은 방출노즐의 다양한 형태를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

또한, 첨부 도면에서, 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이며, 따라서 본 발명은 첨부도면에 도시된 상대적인 크기나 두께에 의해 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 'A' 부분 확대도 이고, 도 3은 도 1에 따른 3D 프린팅 장치의 개략적인 구성도이고, 도 4는 도 2에서 전착영역이 소정높이 이상으로 적층된 상태를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)는 기판(20), 기판(20)을 지지하는 지지부(25), 노즐어셈블리(30), 전원공급부(40), 제어부(50), 입력부(52), 제1구동부(54), 저장부(reservoir)(60), 전해액 공급부(70)를 포함할 수 있다.

노즐어셈블리(30)는 단부에 구비된 노즐(34)을 통해 소정의 압력으로 기판(20)으로 전해액(12)을 분출(jet)한다.

이와 같이, 전해액(12)이 노즐(34)을 통해 소정 압력으로 분출하게 되면, 기판(20)으로 향하는 전해액(12)은 대략 직진성을 가지게 된다.

그러면, 도 2에서 보이는 바와 같이, 노즐(34)을 통해 분출된 전해액(12)의 분출면이 기판(20)에 닿게 되는 영역(14)은 대략 노즐(34)의 끝단부(37) 크기에 대응하는 크기를 가질 수 있다.

전원공급부(40)는 노즐(34)을 통해 분출되는 전해액(12)과 접점을 갖는 제1전극(42), 기판(20)을 제2전극(43)으로 하여, 노즐(34)을 통해 분출되는 전해액(12)에 전압 또는 전류를 인가한다.

그러면, 노즐(34)을 통해 분출되는 전해액(12)에 포함된 금속이온은 전해액(12)의 분출면이 기판(20)에 닿게 되는 영역(14)에만 선택적으로 전착(deposition)이 이루어질 수 있게 된다.

즉, 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치(10)는 전원공급부(40)에 의해 노즐(34)을 통해 분출되는 전해액(12)의 분출면이 기판(20)에 닿는 영역(14)에만 전착이 이루어지는 전착영역(14)을 형성할 수 있다.

여기서, 상기 전착영역(14)은 3D 프린팅을 위한 단위 전착영역일 수 있으며, 상기 단위 전착영역(14)의 면적은 노즐(34)의 끝단부(37) 단면의 크기 또는 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격(15)에 의해 결정될 수 있다.

예를 들어, 노즐(34)의 끝단부(37) 단면의 크기가 클수록 상기 단위 전착영역(14)의 면적은 넓어질 수 있다. 노즐(34)의 끝단부(37) 단면의 크기가 크면, 노즐(34)을 통해 분출되는 전해액(12)의 분출면의 크기가 커지기 때문이다.

또한, 노즐(34) 끝단부(37) 단면의 크기가 동일한 경우에는 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격(15)이 클수록 상기 단위 전착영역(14)의 면적은 넓어질 수 있다. 상기 간격(15)이 크면, 노즐(34)을 통해 분출되는 전해액(12)은 기판(20) 도달시까지 퍼지게 되면서, 기판(20)에 닿게 되는 상기 전해액(12)의 분출면은 노즐(34) 끝단부(37) 단면의 크기보다 커지기 때문이다.

입력부(52)는 3D 프린팅하고자 하는 금속제품의 3D 프린팅 데이터가 입력되는 구성으로, 상기 3D 프린팅 데이터는 상기 단위 전착영역(14)으로 금속제품을 3D 프린팅할 수 있는 노즐(34)의 평면상 경로(path)데이터를 포함할 수 있다.

제1구동부(54)는 전해액(12)이 분출되는 노즐(34)의 위치가 변경되도록 노즐어셈블리(30)를 이동시키는 구성이다.

예를 들어, 제1구동부(54)는 노즐(34)이 입력부(52)에서 입력된 평면상 경로데이터를 따라 움직일 수 있도록 노즐어셈블리(30)의 위치를 이동시킬 수 있다.

제어부(50)는 입력부(52)에서 입력된 3D 프린팅 데이터에 따라 전원공급부(40)와 제1구동부(54)를 제어하여 기판(20)에 전착되는 전착영역(14)을 선택적으로 적층시키는 구성이다.

예를들어, 제어부(50)는 노즐(34)이 입력부(52)에서 입력된 평면상 경로데이터를 따라 이동할 수 있도록 제1구동부(54)를 구동하여 노즐어셈블리(30)의 위치를 제어할 수 있으며, 또한 기판(20)에 전착되는 전착영역(14)이 선택적으로 형성될 수 있도록 전원공급부(40)를 제어할 수 있다.

저장부(60)는 기판(20)으로 분출된 전해액(12)이 저장되는 구성이다.

전해액 공급부(70)는 저장부(60)에 저장된 전해액(12)을 다시 노즐어셈블리(30)로 공급하는 구성으로, 저장부(60)에 저장된 전해액(12)을 소정의 압력으로 노즐어셈블리(30)로 공급하기 위한 펌프로 구성될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치(10)는 노즐(34)을 통해 소정압력으로 분출되는 전해액(12)의 금속이온이 기판(20)에 선택적으로 전착되어 전착영역(14)을 형성하며, 전해액(12)의 금속이온 농도가 기 설정된 금속이온 임계치(하한치)에 도달할 때까지 계속해서 전해액(12)을 순환시키도록 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)는 노즐(34)을 통해 분출되는 전해액(12)의 압력을 감지하는 압력센서(74)를 더 포함하고, 제어부(50)는 압력센서(74)의 감지 결과에 따라 전해액 공급부(70)를 제어하여 상기 노즐(34)을 통해 분출되는 전해액(12)의 압력을 조절할 수 있다.

예를들어, 입력부(52)를 통해 입력된 3D 프린팅 데이터는 전해액(12)의 분출압력범위 정보를 포함할 수 있으며, 제어부(50)는 노즐(34)을 통해 분출되는 전해액(12)의 분출압력이 상기 3D 프린팅 데이터에 포함된 분출압력범위를 유지할 수 있도록 압력센서(74)의 감지결과로부터 전해액 공급부(70)를 제어할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)에 의하면, 전해액(12)이 소정압력으로 계속해서 분출되면서 기판(20)상에 금속원료가 선택적으로 전착됨에 따라 금속제품의 3D 프린팅이 이루어지기 때문에, 메니스커스(meniscus)가 형성된 경우에만 도금이 이루어지는 선행기술(한국공개특허공보 제10-2015-0020356호)과 비교하여 기판(20)에 적층되는 금속제품의 3D 프린팅 속도를 현저히 증대시킬 수 있으며, 그에 따라 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치(10)는 비교적 큰 형상을 가지는 벌크 스케일(bulk scale)의 금속제품을 위한 3D 프린팅에도 적용될 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)와 같이, 노즐(34)을 통해 소정압력으로 분출되는 전해액(12)이 기판(20)과 닿는 영역 즉, 전착영역(14)에만 선택적으로 전착되는 방식에 의한 3D 프린팅에서는, 상기 전착영역(14)에서 이루어지는 전착이 균일한 두께와 면적으로 정밀하게 이루어지도록 하는 것이, 형성하고자 하는 금속제품의 3D 프린팅의 품질을 결정하는 중요한 요소가 된다.

즉, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)에 있어서, 금속제품의 3D 프린팅 품질 향상을 위해서는 전착영역(14)이 균일한 두께와 면적으로 정밀하게 이루어지도록 할 필요가 있으며, 이를 위해서는 노즐(34)을 통해 소정압력으로 분출되는 전해액(12)의 금속이온 농도, 압력, 온도, 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격 등을 3D 프린팅하고자 하는 금속제품의 3D 형상, 기판(20)에 전착되는 소재의 조직, 기계적 성질, 조성 등과 같은 목표특성, 전해액의 종류 등에 따라 정밀하게 조절할 필요가 있다.

특히, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)에서와 같이, 전해액 공급부(70)에 의해 전해액(12)을 순환시키는 구성에서는, 순환되는 전해액(12)의 온도가 쉽게 변할 수 있기 때문에, 노즐(34)을 통해 분출되는 전해액(12)의 온도를 그 전해액(12)의 종류에 따라 전착이 원활하게 발생할 수 있는 온도 범위로 조절할 필요가 있다.

이를 위해, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)는 저장부(60)와 노즐어셈블리(30) 사이에 구비되어 전해액 공급부(70)에 의해 노즐어셈블리(30)로 공급되는 전해액(12)의 온도를 조절하는 온도조절부(80)를 더 포함할 수 있다.

온도조절부(80)는 전해액(12)이 순환되는 이동통로인 배관(17)의 소정부위를 둘러싸도록 구비되어 상기 배관(17)으로 이동되는 전해액(12)을 가열 또는 냉각할 수 있는 열전장치(thermoelectric device)로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)는 배관(17)을 통해 순환하는 전해액(12)의 온도를 감지하는 온도센서(83)를 더 포함할 수 있다.

이때, 제어부(50)는 온도센서(83)의 감지 결과에 따라 온도조절부(80)를 제어하여 노즐(34)을 통해 기판(20)으로 분출되는 전해액(12)의 온도를 조절할 수 있다.

예를들어, 입력부(52)를 통해 입력된 3D 프린팅 데이터는 전해액(12)의 종류에 따라 전착이 원활하게 발생할 수 있는 전해액(12)의 온도범위 정보를 포함할 수 있으며, 제어부(50)는 노즐(34)을 통해 분출되는 전해액(12)의 온도가 상기 3D 프린팅 데이터에 포함된 온도범위를 유지할 수 있도록 온도센서(83)의 감지결과로부터 온도조절부(80)를 제어할 수 있다.

상기 전해액(12)의 종류에 따른 온도범위 정보는, 니켈합금 전해액의 경우에는 대략 35 ~ 55°일 수 있으며, 구리합금 전해액의 경우에는 대략 0 ~ 25°일 수 있다.

온도센서(83)는 온도조절부(80)에 의해 가열 또는 냉각된 전해액(12)의 온도를 측정할 수 있도록 온도조절부(80)의 출구 측에 위치할 수도 있으며(도 1 참조), 또는 노즐(34)을 통해 분출하는 전해액(12)의 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있도록 노즐(34) 단부에 위치할 수도 있으며, 본 발명은 그에 한정하지 않는다.

한편, 전술한 바와 같이, 상기 전착영역(14)은 3D 프린팅을 위한 단위 전착영역일 수 있으며, 상기 단위 전착영역(14)의 면적은 노즐(34)의 끝단부(37) 단면의 크기에 따라 달라질 수 있다.

특히, 노즐(34) 끝단부(37) 단면의 크기가 동일한 경우에는 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격(15) 또는, 도 4에서 보이는 바와 같이, 전착영역(14)이 소정높이로 적층된 경우에는 노즐(34)의 끝단부(37)와 전착영역(14)의 상단면(16) 사이의 간격(18)에 따라 상기 단위 전착영역(14)의 면적이 달라질 수 있다.

또한, 금속제품의 3D 프린팅 정밀도를 향상시키기 위해서는 상기 단위 전착영역(14)이 균일한 면적으로 이루어지도록 할 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)는 상기 단위 전착영역(14)이 균일한 면적으로 형성될 수 있도록 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격(15) 또는 노즐(34)의 끝단부(37)와 전착영역(14)의 상단면(16) 사이의 간격(18)을 일정하게 유지시킬 필요가 있다.

이를 위해, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)는 제1전극(42)과 제2전극(43)인 기판(20) 사이의 전위차 또는 전류를 측정하는 측정부(90)와, 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격(15)을 조절하는 간격조절부(93)를 더 포함할 수 있으며, 제어부(50)는 제1전극(42)과 제2전극(43)인 기판(20) 사이의 전위차 또는 전류가 일정하게 유지될 수 있도록 측정부(90)의 측정에 따라 간격조절부(93)를 제어함으로써, 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격(15) 또는 노즐(34)의 끝단부(37)와 전착영역(14)의 상단면(16) 사이의 간격(18)을 일정하게 유지시킬 수 있다.

상기 노즐(34)을 통해 분출되는 전해액(12)과 접접을 갖는 제1전극(42)과 제2전극(43)인 기판(20)은 노즐(34)을 통해 분출되는 전해액(12)에 의해 전기적으로 서로 통전되며, 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격(15)에 따라 저항값이 달라지기 때문에, 전원공급부(40)에서 일정한 전압을 인가하는 경우에는 제1전극(42)과 제2전극(43)인 기판(20) 사이의 전류값은 상기 간격(15)에 따라 달라지게 되며, 반대로 전원공급부(40)에서 일정한 전류를 인가하는 경우에는 제1전극(42)과 제2전극(43)인 기판(20) 사이의 전위차는 상기 간격(15)에 따라 달라지게 되므로, 상기 간격(15)이 일정한 경우에는 제1전극(42)과 제2전극(43)인 기판(20) 사이의 전위차 또는 전류값은 일정할 수 있다. 즉, 어느 일정한 간격(15)에 해당하는 전위차 또는 전류값이 존재할 수 있다.

따라서, 측정부(90)가 3D 프린팅하는 중에 실시간으로 상기 전위차 또는 전류값을 측정하여 상기 전위차 또는 전류값이 일정하게 유지되고 있는지를 확인하면, 상기 간격(15)이 상기 전위차 또는 전류값에 해당하는 간격으로 일정하게 유지되고 있는지를 간접적으로 확인할 수 있으며, 이를 이용하여 제어부(50)가 측정부(90)에서 측정된 결과에 따라 간격조절부(93)를 제어하면 상기 간격(15)을 일정하게 유지시킬 수 있다.

특히, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)에 있어서, 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격(15)을 일정하게 유지시키는 이유는 상기 단위 전착영역(14)이 균일한 면적으로 형성될 수 있도록 하기 위함인데, 도 4에서 보이는 바와 같이, 전착영역(14)이 소정높이 이상으로 적층된 경우에는, 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격(15)을 증가시킴으로써 노즐(34)의 끝단부(37)와 전착영역(14)의 상단면(16) 사이의 간격(18)을 일정하게 유지시킬 필요가 있다.

도 4에서 보이는 바와 같이, 전착영역(14)이 소정높이 이상으로 적층된 경우에는, 적층된 전착영역(14)에 의한 제1전극(42)과 제2전극(43)인 기판(20) 사이의 저항값 감소로 인하여, 제1전극(42)과 제2전극(43)인 기판(20) 사이의 전위차가 감소하거나 전류값이 증가하게 되므로(전원공급부(40)에서 일정한 전압을 인가하는 경우에는 제1전극(42)과 제2전극(43)인 기판(20) 사이의 전류값은 증가하며, 반대로 전원공급부(40)에서 일정한 전류를 인가하는 경우에는 제1전극(42)과 제2전극(43)인 기판(20) 사이의 전위차는 감소하게 됨), 이러한 전위차 감소 또는 전류값 증가가 측정부(90)에 의해 측정되면, 제어부(50)는 상기 전위차 또는 전류가 일정하게 유지될 수 있도록 하기 위하여 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격(15)이 증가하도록 간격조절부(93)를 제어함으로써(상기 간격(15)이 증가하면 제1전극(42)과 제2전극(43) 사이의 저항값이 증가하여 전위차는 증가하고 전류는 감소하게 됨에 따라, 상기 전위차 또는 전류는 일정하게 유지될 수 있음), 노즐(34)의 끝단부(37)와 전착영역(14)의 상단면(16) 사이의 간격(18)을 일정하게 유지시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)는 측정부(90)의 측정에 따라 제1전극(42)과 제2전극(43)인 기판(20) 사이의 전위차 또는 전류가 일정하게 유지하도록 제어부(50)가 간격조절부(93)를 제어함으로써, 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격(15) 또는 노즐(34)의 끝단부(37)와 전착영역(14)의 상단면(16) 사이의 간격(18)을 일정하게 유지시킬 수 있다.

예를들어, 입력부(52)를 통해 입력된 3D 프린팅 데이터는 상기 단위 전착영역(14)이 균일한 면적으로 형성되도록 하기 위하여 일정하게 유지되어야 하는 제1전극(42)과 제2전극(43)인 기판(20) 사이의 전위차 또는 전류값 정보를 포함할 수 있으며, 제어부(50)는 제1전극(42)과 제2전극(43)인 기판(20) 사이의 전위차 또는 전류가 상기 3D 프린팅 데이터에 포함된 전위차 또는 전류값을 유지할 수 있도록 측정부(90)의 측정결과로부터 간격조절부(93)를 제어함으로써, 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격(15) 또는 노즐(34)의 끝단부(37)와 전착영역(14)의 상단면(16) 사이의 간격(18)을 일정하게 유지시킬 수 있다. 여기서, 상기 3D 프린팅 데이터에 포함된 전위차 또는 전류값 정보는 소정의 범위로 입력될 수도 있으며, 또는 3D 프린팅하는 영역에 따라 변경되도록 입력될 수도 있으며, 본 발명은 그에 한정하지 않는다.

간격조절부(93)는 노즐(34) 또는 노즐어셈블리(30)를 수직 이동시키는 제1구동부(54)를 포함할 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 제1구동부(54)는 전해액(12)이 분출되는 노즐(34)의 위치가 평면상으로 변경되도록 노즐어셈블리(30)를 평면상으로 이동시키도록 구성되는 것에 더하여, 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격(15)을 조절할 수 있도록 노즐(34) 또는 노즐어셈블리(30)를 수직방향으로도 이동시킬 수 있도록 구성될 수 있다.

또한, 간격조절부(93)는 기판(20)을 지지하는 지지부(25)를 수직 이동시키는 제2구동부(94)를 포함할 수도 있다. 이 경우, 제어부(50)는 제2구동부(94)를 제어하여 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격을 조절할 수 있다.

또한, 간격조절부(93)는 제1구동부(54)와 제2구동부(94)를 모두 포함할 수도 있다. 이 경우, 제어부(50)는 제1구동부(54)와 제2구동부(94) 중 어느 하나를 제어하여 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격을 조절할 수 있다.

예를들어, 제어부(50)는 3D 프린팅하고자 하는 금속제품의 크기와 무게가 제2구동부(94)를 정밀하게 구동할 수 있는 범위를 벗어날 경우에는 제1구동부(54)를 제어하여 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격을 조절하고, 제2구동부(94)가 정밀하게 구동할 수 있는 범위 내의 경우에는 제2구동부(94)를 제어하여 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격을 조절할 수 있다.

즉, 본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)에 있어서, 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격을 정밀하게 조절하는 것은 전착영역(14)을 균일한 두께와 면적으로 형성하기 위한 매우 중요한 요소이기 때문에, 3D 프린팅 하고자 하는 금속제품의 크기와 무게가 제2구동부(94)에 의해 지지부(25) 자체를 수직방향으로 정밀하게 제어하기가 어려울 경우에는 제1구동부(54)에 의해 노즐(34)의 수직이동을 제어할 수 있으며, 제2구동부(94)를 정밀하게 제어할 수 있는 경우에는 제2구동부(94)에 의해 3D 프린팅되고 있는 금속제품을 지지하는 지지부(25)의 수직이동을 제어할 수 있다.

따라서, 본 실시 예에 따른 제어부(50)는 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격을 조절하기 위하여, 3D 프린팅하고자 하는 금속제품의 크기 및 무게에 따라 제1구동부(54)와 제2구동부(94) 중 어느 하나를 제어할 수 있다.

예를들어, 입력부(52)를 통해 입력된 3D 프린팅 데이터는 노즐(34)의 끝단부(37)와 기판(20) 사이의 간격을 조절하기 위한 간격조절부(93)의 수단으로 제1구동부(54)와 제2구동부(94) 중 어느 것을 사용하여 조절할 것인지에 대한 정보를 포함할 수 있으며, 제어부(50)는 상기 정보에 따라 제1구동부(54)와 제2구동부(94) 중 어느 하나를 이용하여 상기 간격을 조절할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치를 설명하기 위한 도면이다.

본 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는 상기 실시 예들과 비교하여 방출노즐(100)을 더 포함한다는 점에서 차이가 있으므로, 기타 다른 구성에 대한 상세한 설명과 도면부호는 상기 실시 예들에서의 상세한 설명과 도면부호를 원용한다.

도 5를 참조하면, 본 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)는 전착영역(14)의 주변으로 액체 또는 기체를 소정압력으로 방출(discharge)하는 방출노즐(100)을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 3D 프린팅 장치(10)에 있어서, 3D 프린팅하고자 하는 금속제품의 3D 프린팅 품질의 향상을 위해서는, 전착영역(14)에서 이루어지는 전착이 균일한 두께와 크기로 정밀하게 이루어지도록 할 필요가 있음은 전술한 바와 같지만, 그와 더불어 금속이온의 전착을 원하지 않는 부분에 전해액(12)이 정체되면서 원하지 않는 전착이 이루어질 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 방출노즐(100)에서 분출되는 기체 또는 액체가 분출된 전해액(12)을 신속히 흘러나가도록 이동시키는 것도 중요하다.

이를 위해, 본 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(10)는 전착영역(14)의 주변영역(19)으로 액체 또는 기체를 소정압력으로 방출하는 방출노즐(100)을 더 포함할 수 있다.

그러면, 방출노즐(100)에서 소정압력으로 방출되는 액체 또는 기체에 의해 주변영역(19)에서 전해액(12)의 금속이온이 기판(20)으로 전착되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 방출노즐(100)을 통해 소정압력으로 액체 또는 기체를 방출하게 되면, 노즐(34)을 통해 분출된 전해액(12)이 원활하게 저장부(60)로 흘러갈 수 있으며, 그에 따라 전해액(12)이 기판(20)의 어느 영역에서 정체될 때 발생하는 전착의 여지를 방지할 수 있다.

방출노즐(100)은 에어(air)를 방출하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 3D 프린팅 장치(10)에 있어서, 전해액(12)은 전해액(12)의 금속이온 농도가 낮아질 때까지 계속해서 순환하기 때문에, 방출노즐(100)이 물 등의 액체를 방출하는 경우에는 전해액(12)의 금속이온 농도에 영향을 미치게 되는데, 전해액(12)의 금속이온 농도는 전착영역(14)에서의 전착 품질에 영향을 미치는 중요한 요소이기 때문에, 이와 같이 방출노즐(100)에서 방출되는 액체에 의해 전해액(12)의 농도가 변하는 것은 바람직하지 않으며, 따라서 방출노즐(100)은 에어를 방출하도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 방출노즐(100)은 노즐(34)의 외주변에 위치할 수 있으며, 노즐어셈블리(30)에 일체로 형성될 수도 있으며, 본 발명은 그에 한정하지 않는다.

도 6 및 도 7은 방출노즐의 다양한 형태를 나타내는 도면이다.

도 6에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 방출노즐(100)은 노즐(34) 외주변에 원형의 띠 형상을 가질 수 있으며, 또한 도 7에서 보이는 바와 같이, 노즐(34)의 외주변에 일정한 간격으로 복수개 구비될 수도 있으며, 본 발명은 방출노즐(100) 구체적인 구성에 의해 한정하지 않는다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 전해액을 소정압력으로 분출시키는 노즐을 이용하여 기판에 금속원료를 선택적으로 전착시킴으로써, 기판에 적층되는 금속제품의 3D 프린팅 속도를 증대시킬 수 있는 3D 프린팅 장치에 관한 것으로서, 그 실시 형태는 다양한 형태로 변경가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명은 본 명세서에서 개시된 실시 예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 변경 가능한 모든 형태도 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.

10 : 3D 프린팅 장치 12 : 전해액
14 : 전착영역 20 : 기판
30 : 노즐어셈블리 34 : 노즐
40 : 전원공급부 42 : 제1전극
43 : 제2전극 50 : 제어부
52 : 입력부 54 : 제1구동부
60 : 저장부 70 : 전해액 공급부
74 : 압력센서 80 : 온도조절부
83 : 온도센서 90 : 전위차 측정부
93 : 간격(gap)조절부 94 : 제2구동부
100 : 방출노즐

Claims

기판(substrate);
단부에 구비된 노즐을 통해 소정의 압력으로 상기 기판에 전해액(electrolyte)을 분출(jet)하는 노즐어셈블리;
상기 노즐을 통해 분출되는 전해액과 접점을 갖는 제1전극, 상기 기판을 제2전극으로 하여, 상기 노즐을 통해 분출되는 전해액에 전압 또는 전류를 인가함으로써, 상기 분출되는 전해액의 분출면에 대응하는 상기 기판 영역에 전착영역을 형성하는 전원공급부;
3D 프린팅하고자 하는 금속제품의 3D 프린팅 데이터가 입력되는 입력부;
상기 노즐어셈블리를 이동시켜 상기 전해액이 분출되는 노즐의 위치를 변경하는 제1구동부;
상기 기판으로 분출된 전해액이 저장되는 저장부(reservoir);
상기 저장부로 저장된 전해액을 상기 노즐어셈블리로 공급하여 상기 전해액을 순환시키며, 상기 노즐에서 분출되는 전해액이 소정 압력으로 계속해서 분출되도록 하는 전해액 공급부;
상기 제1전극과 상기 제2전극인 상기 기판 사이의 전위차 또는 전류를 측정하는 측정부;
상기 노즐의 끝단부와 상기 기판 사이의 간격을(gap) 조절하는 간격조절부; 및
상기 입력부에서 입력된 3D 프린팅 데이터에 따라 상기 제1구동부와 상기 전원공급부를 제어하여 상기 기판에 전착되는 상기 전착영역을 선택적으로 적층시키며, 상기 측정부의 측정에 따라 상기 간격조절부를 제어하여 상기 노즐의 끝단부와 상기 기판 사이의 간격을 조절하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는 상기 노즐의 끝단부와 상기 전착영역의 상단면 사이의 전위차 또는 전류가 일정하게 유지되도록 상기 간격조절부를 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 전착영역의 적층 높이가 높아짐에 따라 상기 노즐의 끝단부와 상기 기판 사이의 간격이 증가하도록 상기 간격조절부를 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 전착영역의 적층 높이가 높아짐에 따라 상기 노즐의 끝단부와 상기 전착영역의 상단면 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 상기 간격조절부를 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 3D 프린팅 데이터는 상기 제1전극과 상기 제2전극인 상기 기판 사이의 전위차 또는 전류값 정보를 포함하고,
상기 제어부는 상기 제1전극과 상기 제2전극인 상기 기판 사이의 전위차 또는 전류가 상기 3D 프린팅 데이터에 포함된 전위차 또는 전류값 정보를 일정하게 유지할 수 있도록 상기 측정부의 측정결과로부터 상기 간격조절부를 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 간격조절부는 상기 제1구동부가 상기 노즐 또는 상기 노즐어셈블리를 수직 이동시키도록 구성되며,
상기 제어부는 상기 측정부의 측정에 따라 상기 제1구동부의 수직 이동을 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 간격조절부는 상기 기판을 지지하는 지지부를 수직 이동시키는 제2구동부를 포함하고,
상기 제어부는 상기 측정부의 측정에 따라 상기 제2구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 간격조절부는 상기 기판을 지지하는 지지부를 수직방향으로 이동시키는 제2구동부를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 제1구동부와 상기 제2구동부 중 어느 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 3D 프린팅 장치는,
상기 전착영역의 주변으로 액체 또는 기체를 소정압력으로 방출(discharge)하는 방출노즐을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 방출노즐은 에어(air)를 방출하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 방출노즐은 상기 노즐의 외주변에 위치하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.