KR101819105B1 - 3차원 프린팅 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린터에서 분말에 레이저를 조사하여 각 적층막을 형성하기 위한 3D 프린팅 방법에 있어, 상기 적층막 형성을 위한 적층막 모델에 대해, 정육각의 단위 셀이 벌집 형태로 배치된 기준 평면을 매칭하는 단계와; 상기 적층막 모델의 경계에 걸쳐 위치하는 단위 셀들로 구성된 경계영역을 설정하는 단계와; 상기 기준 평면 상에 상기 단위 셀들의 중심점을 지나가며 서로 평행하게 이격된 다수의 기준선을 설정하는 단계와; 상기 기준선을 따라 제1빔폭의 제1레이저에 대한 제1레이저 조사경로를 생성하는 단계로서, 폭방향으로 상기 제1레이저에 대응하여 다수의 상기 단위 셀이 구성된 제1레이저 조사경로를 생성하는 단계와; 상기 제1빔폭 보다 작은 제2빔폭의 제2레이저에 대한 제2레이저 조사경로를 생성하는 단계로서, 폭방향으로 상기 제2레이저에 대응하여 상기 단위 셀이 구성된 제2레이저 조사경로를 생성하는 단계를 포함하는 3D 프린팅 방법을 제공한다.

Description

3차원 프린팅 시스템 및 방법{3D printing system and method}

본 발명은 3D 프린팅 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근에, 3D 프린터에 대한 관심이 급속도록 높아지고 있으며 산업 분야나 의료 분야 등 모든 분야에 광범위하게 적용되고 있는 추세이다.

3D 프린팅은 적층 제조(additive manufacturing) 기술로서, 다수의 적층막을 순차적으로 형성하는 방법을 통해 3D 개체를 제작하게 된다.

3D 프린팅 방식으로서는 레이저를 사용한 방식, 예를 들면, 직접 에너지 증착(Direct Energy Deposition: DED) 방식, 선택적 레이저 소결(Selective Laser Sintering: SLS) 방식 등이 널리 사용되고 있다. 이와 같이 레이저 기반 프린팅 방식은 분말 형태의 소재에 레이저를 조사하여 소결함으로써 각 적층막을 형성하게 된다.

그런데, 종래의 레이저를 사용한 프린팅 방식에서는 레이저 조사 경로가 개체의 외형 라인을 기준으로 생성된다. 이에 따라, 레이저 조사 경로를 최적화하는 것에 어려움이 따르며, 특히 외형이 복잡한 형상을 갖는 경우에 조사 경로를 최적화하는 것이 매우 어렵다.

이와 관련하여 도 1을 참조할 수 있는데, 종래에서는 최소 빔폭(w)의 레이저에 대한 조사경로(LP)는 개체의 외형 라인을 따라 생성되므로 레이저 조사가 불가능한 영역(A1)이 존재하거나, 레이저 조사가 과도하게 중첩된 영역(A2)이 존재하게 된다.

본 발명은 레이저를 사용한 3D 프린팅 방식에서 레이저 조사 경로를 최적화할 수 있는 방안을 제공하는 것에 과제가 있다.

전술한 바와 같은 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 3D 프린터에서 분말에 레이저를 조사하여 각 적층막을 형성하기 위한 3D 프린팅 방법에 있어, 상기 적층막 형성을 위한 적층막 모델에 대해, 정육각의 단위 셀이 벌집 형태로 배치된 기준 평면을 매칭하는 단계와; 상기 적층막 모델의 경계에 걸쳐 위치하는 단위 셀들로 구성된 경계영역을 설정하는 단계와; 상기 기준 평면 상에 상기 단위 셀들의 중심점을 지나가며 서로 평행하게 이격된 다수의 기준선을 설정하는 단계와; 상기 기준선을 따라 제1빔폭의 제1레이저에 대한 제1레이저 조사경로를 생성하는 단계로서, 폭방향으로 상기 제1레이저에 대응하여 다수의 상기 단위 셀이 구성된 제1레이저 조사경로를 생성하는 단계와; 상기 제1빔폭 보다 작은 제2빔폭의 제2레이저에 대한 제2레이저 조사경로를 생성하는 단계로서, 폭방향으로 상기 제2레이저에 대응하여 상기 단위 셀이 구성된 제2레이저 조사경로를 생성하는 단계를 포함하는 3D 프린팅 방법을 제공한다.

여기서, 서로 이웃하는 상기 기준선들을 따르는 상기 제1레이저 조사경로들은 적어도 하나의 상기 단위 셀로 이격될 수 있다.

동일한 상기 기준선을 따르는 서로 이웃하는 상기 제1레이저 조사경로들은 적어도 하나의 상기 단위 셀로 이격될 수 있다.

상기 제2레이저 조사경로는, 상기 적층막 모델의 상기 경계영역과 상기 제1레이저 조사경로 영역을 제외한 내부영역에서, 상기 경계영역에 접한 단위 셀을 시작점으로 하여 상기 경계영역에 최근접한 단위 셀로 이동을 반복하고 이 이동이 종료되는 단위 셀을 종료점으로 하는 과정을 수행하여 생성될 수 있다.

상기 적층막 모델의 상기 경계영역을 제외한 내부영역에 대한 상기 제1,2레이저 조사경로들을 포함하는 레이저 조사경로들의 생성 과정이 완료된 후에, 상기 경계영역에 대해 일방향을 따라 레이저 조사경로를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

순차 적층되는 제1적층막과 제2적층막 각각에 대한 단위 셀들은 서로 중심점이 일치하지 않도록 배치될 수 있다.

상기 적층막을 형성한 후에, 상기 적층막 모델의 경계를 기준으로 외부로 돌출된 상기 적층막의 부분들을 가공기를 사용하여 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

다른 측면에서, 본 발명은 3D 프린터에서 분말에 레이저를 조사하여 각 적층막을 형성하기 위한 3D 프린팅 시스템에 있어, 상기 적층막 형성을 위한 적층막 모델에 대해, 정육각의 단위 셀이 벌집 형태로 배치된 기준 평면을 매칭하고; 상기 적층막 모델의 경계에 걸쳐 위치하는 단위 셀들로 구성된 경계영역을 설정하고; 상기 기준 평면 상에 상기 단위 셀들의 중심점을 지나가며 서로 평행하게 이격된 다수의 기준선을 설정하고; 상기 기준선을 따라 제1빔폭의 제1레이저에 대한 제1레이저 조사경로를 생성함에 있어, 폭방향으로 상기 제1레이저에 대응하여 다수의 상기 단위 셀이 구성된 제1레이저 조사경로를 생성하고; 상기 제1빔폭 보다 작은 제2빔폭의 제2레이저에 대한 제2레이저 조사경로를 생성함에 있어, 폭방향으로 상기 제2레이저에 대응하여 상기 단위 셀이 구성된 제2레이저 조사경로를 생성하는 경로생성모듈을 포함하는 3D 프린팅 시스템을 제공한다.

여기서, 서로 이웃하는 상기 기준선들을 따르는 상기 제1레이저 조사경로들은 적어도 하나의 단위 셀로 이격될 수 있다.

동일한 상기 기준선 따르는 서로 이웃하는 상기 제1레이저 조사경로들은 적어도 하나의 단위 셀로 이격될 수 있다.

상기 제2레이저 조사경로는, 상기 적층막 모델의 상기 경계영역과 상기 제1레이저 조사경로 영역을 제외한 내부영역에서, 상기 경계영역에 접한 단위 셀을 시작점으로 하여 상기 경계영역에 최근접한 단위 셀로 이동을 반복하고 이 이동이 종료되는 단위 셀을 종료점으로 하는 과정을 수행하여 생성될 수 있다.

상기 경로생성모듈은, 상기 적층막 모델의 상기 경계영역을 제외한 내부영역에 대해 상기 제1,2레이저 조사경로를 포함하는 레이저 조사경로 생성을 완료한 후에, 상기 경계영역에 대해 일방향을 따라 레이저 조사경로를 생성할 수 있다.

순차 적층되는 제1적층막과 제2적층막 각각에 대한 단위 셀들은 서로 중심점이 일치하지 않도록 배치될 수 있다.

상기 적층막 모델의 경계를 기준으로 외부로 돌출된 상기 적층막의 부분들을 제거하는 가공기를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 단위 셀을 기반으로 하여 적층막에 대한 레이저 조사경로를 생성하게 된다. 이에 따라, 적층막 전체 영역에 대해 최적화된 레이저 조사경로를 생성할 수 있게 된다.

그리고, 생성된 레이저 조사경로는 열변형을 감안하여 설정됨에 따라 적층막의 열변형을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 상대적으로 큰 빔폭의 레이저를 통해 넓은 영역에 대한 레이저 조사를 수행하고 그 후에 상대적으로 작은 빔폭의 레이저를 통해 세부 영역으로 좁혀 레이저 조사를 수행함으로써, 적층막 제조 시간을 단축할 수 있게 된다.

더욱이, 적층막 제조 후에 외곽 경계에 대한 가공처리를 수행할 수 있어 미려한 외관을 얻을 수 있게 된다.

나아가, 이웃하는 적층막에 대한 단위 셀 간의 위치를 다르게 하여 특정 부분에서의 두께 감소 현상을 완화할 수 있게 됨으로써, 3D 개체에서 굴곡진 형태의 형상 변화를 방지할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 레이저를 사용한 3D 프린팅에서 레이저 조사 경로를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
도 3 내지 13는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 레이저 조사경로를 생성하는 과정을 개략적으로 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 레이저 조사경로를 생성하는 과정을 개략적으로 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 적층막의 경계에서 돌출된 부분을 가공기를 사용하여 제거하는 모습을 개략적으로 도시한 도면.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 최소 빔폭을 갖는 레이저의 에너지 분포와 이를 기초로 정의되는 단위 셀을 개략적으로 도시한 도면.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 최대 빔폭을 갖는 레이저의 에너지 분포와 이를 기초로 정의되는 단위 셀 그룹을 개략적으로 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 순차 적층된 제1,2적층막에 대한 단위 셀의 위치를 개략적으로 도시한 도면.
도 18은 본 발명의 실시예에 따라 단위 셀의 위치를 달리하여 적층된 적층막들을 개략적으로 도시한 단면도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템(10)은, 3D 프린터(100)와 제어장치(200)를 포함할 수 있다.

3D 프린터(100)는 3D 프린팅 모델을 프린팅하여 3D 개체(140)를 제작하는 장비로서, 3D 개체(140)가 제조되는 공간인 챔버(110)와 3D 개체(140)를 하부에서 지지하는 스테이지(120)와 레이저 조사기(130)가 구비된다. 3D 프린터(100)는 적층막을 제조 단위로 하여 스테이지(120) 상에 적층막을 순차적으로 형성함으로써 다수의 적층막이 적층된 구조의 3D 개체(140)를 제작하게 된다.

특히, 본 실시예의 3D 프린터(100)는 각 적층막을 형성함에 있어 파우더 즉 분말 형태의 프린팅 소재에 레이저를 조사하여 소결하는 프린팅 방식을 이용하게 된다. 이때, 분말 형태의 프린팅 소재로서는 금속, 세라믹, 플라스틱 등 레이저 조사에 의해 소결이 가능한 모든 소재가 사용될 수 있다.

레이저 조사 기반 프린팅 방식과 관련하여 예를 들면, 직접 에너지 증착(DED) 방식 등과 같이 프린팅 대상 부분에 분사 노즐을 통해 분말을 분사하면서 레이저를 조사하여 프린팅을 수행하는 방식이 이용될 수 있다.

다른 예로서, 선택적 레이저 소결(SLS) 방식 등과 같이 분말을 스테이지(120) 전면 상에 도포하고, 프린팅 대상 부분에 레이저를 선택적으로 조사하여 프린팅을 수행하는 방식이 이용될 수 있다.

이처럼, 본 실시예의 3D 프린터(100)는 분말에 레이저를 조사하여 소결하는 모든 형태의 레이저 조사 기반 프린팅 방식을 사용할 수 있다.

제어장치(200)는 3D 프린터(100)의 프린팅 동작을 전반적으로 제어하는 구성에 해당된다. 제어장치(200)로는 연산 처리 기능을 갖는 장치로서, 예를 들면 컴퓨터가 사용될 수 있는데 이에 한정되지는 않는다. 한편, 제어장치(200)가 3D 프린터(100)에 통합되는 형태로 구성될 수도 있다.

제어장치(200)는 3D 프린터(100)에서 3D 개체를 제조함에 있어 이를 구성하는 각 적층막에 대한 레이저 조사경로를 생성하는 기능을 수행하는 경로생성모듈(210)을 구비할 수 있다. 이때, 경로생성모듈(210)은 소프트웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다.

경로생성모듈(210)의 레이저 조사경로 생성과 관련하여, 제어장치(200)는 3D 프린팅 모델을 3D 프린팅의 기본 제조 단위인 적층막으로 분할할 수 있으며, 경로생성모듈(210)은 각 적층막에 대한 정보 즉 적층막 모델에 대해 해당 레이저 조사경로를 생성하는 동작을 수행할 수 있다. 이와 같이 각 적층막 모델에 대한 레이저 조사경로가 생성되면, 이 레이저 조사경로 정보는 3D 프린터(100)로 전송되어 3D 프린터(100)의 레이저 조사기(130)의 이동 및 레이저 조사 동작을 제어하게 되고, 이에 따라 각 적층막이 프린팅되어 제조될 수 있게 된다.

이하, 도면을 참조하여 경로생성모듈(210)에서 각 적층막에 대한 레이저 조사경로 생성 과정에 대해 보다 상세하게 설명한다.

도 3 내지 12는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템에서 레이저 조사경로를 생성하는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.

먼저, 도 3을 참조하면, 경로생성모듈(210)은 3D 프린팅 모델을 구성하는 각 적층막에 대한 정보 즉 적층막 모델(MD)을 입력받게 된다.

이때, 본 실시예에서는 3D 프린팅 모델이 내부에 중공부를 갖고 그 외형이 복잡한 형상을 갖는 경우를 예로 든다.

이처럼, 내부에 중공부가 형성된 경우에, 적층막은 2개의 경계선(BL) 즉 내측 경계선과 외측 경계선을 갖고, 이들 경계선(BL)으로 둘러싸인 영역이 실제 3D 프린팅 대상 영역이 된다.

다음으로, 도 4를 참조하면, 적층막 모델(MD)에 대해 평면 좌표계 즉 XY 좌표계를 적용하게 된다. 여기서, 평면 좌표계의 기준점으로서 원점(O)은 적층막의 경계 끝단를 기준으로 하여 정해진다. 예를 들면, 도면상에서 X축은 적층막 모델(MD)의 하측 끝단을 지나가거나 이로부터 하측으로 일정 간격 이격된 지점을 지나가고, Y축은 적층막 모델의 좌측 끝단을 지나가거나 이로부터 좌측으로 일정 간격 이격된 지점을 지나가도록 배치될 수 있다.

다음으로, 도 5를 참조하면, 원점(O)을 기준으로 하여, 정육각 형상의 단위 셀(C)이 벌집 형태로 배열된 평면으로서 백그라운드 평면 즉 기준 평면(PR)으로 생성하고 이를 적층막 모델의 평면에 맵핑시킨다. 이때, 원점(O)에는 대응되는 단위 셀(C)의 중심점이 위치하도록 한다.

여기서, 정육각 형상의 단위 셀(C)과 관련하여, 이 단위 셀(C)은 해당 적층막 프린팅을 위해 조사되는 최소 빔폭(즉, 직경)의 레이저에 대응되는 크기 즉 외경을 갖도록 구성된다. 즉, 단위 셀(C)은 최소 크기의 레이저 조사 단위영역에 해당된다. 이와 같은 단위 셀(C)과 관련하여서는 이하에서 보다 상세하게 설명한다.

다음으로, 도 6을 참조하면, 기준 평면(PR)에 배치된 단위 셀(C)들 중 적층막 모델의 경계선이 지나가는 즉 경계선에 걸쳐 위치하는 단위 셀들을 선택하여 경계영역(AB)을 설정한다. 이 경계영역(AB)은 적층막의 경계영역 레이저 조사경로에 해당된다.

다음으로, 도 7을 참조하면, 기준 평면(PR) 상에 서로 평행하게 이격된 다수의 기준선(LR)을 설정하게 된다. 여기서, 각 기준선(LR)은 이 기준선(LR)을 따라 배치된 단위 셀(C)들의 중심점을 지나가도록 생성된다. 이때, 기준선(LR)은 단위 셀(C)의 서로 마주보는 변을 수직하게 통과하도록 생성될 수 있는데, 예를 들면 도 7의 도면 상에서 수평방향인 X축 방향을 기준으로 30도의 기울기 각을 갖도록 정의될 수 있다.

한편, 다수의 기준선(LR)은 동일한 간격으로 이격되도록 배치되는 것이 바람직하며, 이때 이격 간격은 해당 적층막 프린팅을 위해 조사되는 최대 빔폭의 레이저를 감안하여 설정된다.

다음으로, 도 8을 참조하면, 각 기준선(LR)을 따라 그 길이방향으로 연장된 형태의 기준경로(RP)를 적층막 모델의 내부영역에 설정하게 된다. 여기서, 내부영역은 적층막 모델의 경계영역(AB)을 제외한 내부의 영역을 의미한다.

이때, 기준경로(RP)는 이후의 제1레이저 조사경로를 생성하기 위해 기반이 되는 경로로서, 제1레이저의 이동경로를 구성하게 된다. 여기서, 제1레이저 조사경로에 조사되는 제1레이저는 최대 크기인 제1직경 즉 제1빔폭을 갖게 되는데, 제1빔폭의 제1레이저에 대응하는 크기 즉 외경을 갖는 단위 셀 그룹이 정의될 수 있으며, 이 단위 셀 그룹은 서로 이웃 배치된 다수의 단위 셀(C)들로 구성될 수 있다. 즉, 단위 셀 그룹은 최대 크기의 레이저 조사 단위영역에 해당된다. 본 실시예에서는 이 단위 셀 그룹이 가운데 위치한 1개의 단위 셀(C)과 이를 둘러싸는 6개의 단위 셀(C)로 구성된 경우를 예로 든다.

이 경우에, 각 기준경로에 대해서는, 그 폭방향으로 단위 셀 그룹을 정의하는 다수의 단위 셀(C) 즉 3개의 단위 셀(C)이 배치 구성된다.

그리고, 기준경로에서 그 길이방향의 양끝단 즉 시작점과 종료점에 위치하는 단위 셀(C)은, 이에 근접 위치하는 경계영역(AB)의 단위 셀(C)에 접하거나 적어도 하나의 단위 셀(C) 만큼 이격할 수 있다.

또한, 이웃하는 기준선(LR)들에 위치하는 이웃하는 기준경로(RP)들 사이는 적어도 하나의 단위 셀(C) 만큼 이격될 수 있다. 즉, 기준선(LR)의 폭방향으로 이웃하는 기준경로 영역들은 적어도 하나의 단위 셀(C)을 사이에 두고 이격되도록 구성될 수 있다.

이처럼, 기준경로(RP)들 사이를 이격 배치하게 되면 레이저 조사에 의한 열변형을 감소시킬 수 있는 장점을 가질 수 있다. 이와 관련하여 레이저 조사 면적이 증가하게 되면 레이저 조사에 의한 열변형 정도가 증가하게 되는데, 만약 이웃하는 기준경로(RP)들을 서로 접하게 배치하게 되면 이는 실질적으로 레이저 조사 면적의 증가를 유발하게 되어 열변형 정도가 증가하는 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 본 실시예에서와 같이, 이웃하는 기준경로(RP)들을 서로 이격 배치함에 따라 레이저 열변형을 감소시킬 수 있는 장점이 발생될 수 있다.

또한, 이웃하는 기준선(LR)들에 위치하는 이웃하는 기준경로(RP)들에서의 레이저 조사 방향은 서로 반대가 된다. 즉, 각 기준선(LR)에서 길이방향이 레이저 조사 방향에 해당되는데, 어느 하나의 기준선(LR) 상의 기준경로에서의 레이저 조사 방향은 이에 이웃하는 기준선(LR) 상의 기준경로에서의 레이저 조사 방향과 서로 반대가 된다.

다음으로, 도 9를 참조하면, 기준경로를 기초로 하여 제1레이저 조사경로(LP1)를 생성하게 된다.

이와 관련하여 예를 들면, 특정 길이 즉 기준 길이(le) 이하의 길이를 갖는 기준경로(RP)에 대해서는 이를 제1레이저 조사경로(LP1)로 설정하게 된다.

한편, 기준 길이(le)를 초과하는 길이를 갖는 기준경로(RP)에 대해서는, 이 기준경로(RP)를 분할하여 각각이 기준 길이(le) 이하의 길이를 갖는 적어도 2개의 제1레이저 조사경로(LP1)를 설정하게 된다. 이때, 분할되어 서로 이웃하는 제1레이저 조사경로(LP1)들은 이들 사이에 적어도 하나의 단위 셀(C)이 위치하도록 분할될 수 있다. 이처럼, 기준 길이(le) 이하로 분할하게 되면, 제1레이저의 조사면적을 줄일 수 있게 되어 열변형을 감소시킬 수 있는 장점을 갖게 된다.

따라서, 제1레이저 조사경로(LP1) 생성을 위한 기준 길이(le)는 열변형을 감안하여 설정될 수 있다.

한편, 설명의 편의를 위해, 제1레이저 조사경로(LP1)에 대응되는 단위 셀(C)들이 차지하는 영역을 제1레이저 조사경로 영역이라고 한다.

다음으로, 도 10을 참조하면, 적층막 모델의 내부영역 중 선순위의 제1레이저 조사경로 영역들을 제외한 나머지 영역들에 대해 다수의 제2레이저 조사경로(LP2)를 생성하게 된다.

제2레이저 조사경로(LP2)는 제1레이저의 제1빔폭 보다 작은 최소 빔폭인 제2빔폭 을 갖는 제2레이저를 사용한 레이저 조사경로에 해당된다. 이에 따라, 제2레이저 조사경로(LP2)에서는, 폭방향으로 제2빔폭의 제2레이저에 대응하는 단위 셀이 배치되어 구성된다.

이 제2레이저 조사경로(LP2) 설정과 관련하여 예를 들면, 경계영역(AB)에 접한 단위 셀(C)을 시작점(S1 내지 S14)으로 하여 경계영역(AB)에 최근접한 이웃 단위 셀(C)로의 이동을 반복하며 이 이동이 종료되는 단위 셀(C)을 종료점(E1 내지 E13)으로 하게 된다.

그리고, 다음번 제2레이저 조사경로(LP2)를 설정함에 있어, 현재 제2레이저 조사경로(LP2)의 종료점 단위 셀(C)에 최인접한 단위 셀(C)을 다음번 제2레이저 조사경로(LP2)의 시작점으로 설정할 수 있다. 이와 같이 하게 되면, 레이저 이동 경로를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

이와 관련하여, 본 실시예에서 예로 들고 있는 적층막 모델에 대해서는, 도 10에 도시된 바와 같이 13개의 제2레이저 조사경로(LP2)가 생성되는 경우를 도시하고 있으며, 여기서 2번째 제2레이저 조사경로("SE2" 참조)는 시작점(S2)과 종료점(E2)의 단위 셀(C)이 동일하다.

한편, 설명의 편의를 위해, 제2레이저 조사경로(LP2)에 대응되는 단위 셀(C)들이 차지하는 영역을 제2레이저 조사경로 영역이라고 한다.

다음으로, 도 11을 참조하면, 적층막 모델의 내부영역 중 선순위의 제1레이저 조사경로 영역들과 제2레이저 조사경로 영역들을 제외한 나머지 영역들에 대해 다수의 제3레이저 조사경로(LP3)를 생성하게 된다.

제3레이저 조사경로(LP3)는, 제2레이저 조사경로(LP2)와 동일하게, 제2빔폭을 갖는 제2레이저를 사용한 레이저 조사경로에 해당될 수 있다.

이 제3레이저 조사경로(LP3) 설정은 제2레이저 조사경로(LP2) 설정과 유사하게 수행될 수 있다. 예를 들면, 제2레이저 조사경로 영역에 접한 단위 셀(C)을 시작점(S14 내지 S21)으로 하여 제2레이저 조사경로 영역에 최근접한 단위 셀로의 이동을 반복하며 이 이동이 종료되는 단위 셀(C)을 종료점(E14 내지 E21)으로 하게 된다.

그리고, 다음번 제3레이저 조사경로(LP3)를 설정함에 있어, 현재 제3레이저 조사경로(LP3)의 종료점 단위 셀(C)에서 최인접한 단위 셀(C)을 다음번 제3레이저 조사경로(LP3)의 시작점으로 설정할 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다.

이와 관련하여, 본 실시예에서 예로 들고 있는 적층막 모델에 대해서는, 도 11에 도시된 바와 같이 8개의 제3레이저 조사경로(LP3)가 생성되는 경우를 도시하고 있다.

한편, 설명의 편의를 위해, 제3레이저 조사경로에 대응되는 단위 셀(C)들이 차지하는 영역을 제3레이저 조사경로 영역이라고 한다.

다음으로, 도 12를 참조하면, 적층막 모델의 내부영역 중 선순위의 제1레이저 조사경로 영역들과 제2레이저 조사경로 영역들과 제3레이저 조사경로 영역들을 제외한 나머지 영역들에 대해 적어도 하나의 제4레이저 조사경로(LP4)를 생성하게 된다.

제4레이저 조사경로(LP4)는, 제2,3레이저 조사경로(LP2,LP3)와 동일하게, 제2빔폭을 갖는 제2레이저를 사용한 레이저 조사경로에 해당될 수 있다.

이 제4레이저 조사경로(LP4) 설정은 제2,3레이저 조사경로(LP2,LP3) 설정과 유사하게 수행될 수 있다. 예를 들면, 제3레이저 조사경로 영역에 접한 단위 셀(C)을 시작점(S22)으로 하여 제3레이저 조사경로 영역에 최근접한 단위 셀(C)로의 이동을 반복하며 이 이동이 종료되는 단위 셀(C)을 종료점(E22)으로 하게 된다.

이때, 본 실시예에서 예로 들고 있는 적층막 모델에 대해서는, 도 11에 도시된 바와 같이 1개의 제4레이저 조사경로(LP4)가 생성되는 경우를 도시하고 있다.

한편, 설명의 편의를 위해, 제4레이저 조사경로(LP4)에 대응되는 단위 셀(C)들이 차지하는 영역을 제4레이저 조사경로 영역이라고 한다.

본 실시예에서 예로 들고 있는 적층막 모델의 경우에는, 전술한 제1 내지 4레이저 조사경로(LP1 내지 LP4)를 생성 과정을 통해, 내부영역에 전체에 대한 레이저 조사경로가 생성된다.

물론, 적층막 모델의 형상에 따라 내부영역에 대한 레이저 조사경로 생성 과정은 조절될 수 있다. 이때, 전술한 제1레이저 조사경로(LP1)와 제2레이저 조사경로(LP2)를 생성하는 과정이 수행되는 것이 바람직할 것이고, 이보다 후순위의 레이저 조사경로를 생성하는 과정은 적층막 모델의 형상에 따라 조절될 수 있을 것이므로, 결과적으로 제1 내지 n(n은 2 이상의 정수)레이저 조사경로가 수행될 수을 것이다.

위와 같이 내부영역에 대한 레이저 조사경로 생성이 완료되면, 도 13에 도시한 바와 같이, 경계영역에 대한 레이저 조사경로(LPB)가 생성될 수 있다. 이와 관련하여, 앞서 도 6을 참조하여 언급한 바와 같이, 경계영역에 배치된 단위 셀(C)들에 대해 일방향(즉, 시계방향이나 반시계방향)으로 레이저 조사경로(LPB)를 설정하게 된다. 여기서, 레이저 조사경로가 최단 거리를 갖도록 경계영역 레이저 조사경로(LPB)를 설정하는 것이 바람직하다.

이때, 경계영역 레이저 조사경로(LPB)는 제2빔폭을 갖는 제2레이저를 사용한 레이저 조사경로에 해당될 수 있다.

전술한 바와 과정을 통해, 적층막 모델을 프린팅하기 위한 전체 레이저 조사경로가 생성될 수 있게 된다.

이와 같이 생성된 적층막 모델에 대한 전체 레이저 조사경로 정보는 3D 프린터로 전송되고 이에 따라 3D 프린터에서 레이저 조사가 수행되어 해당 적층막을 제조할 수 있게 된다.

한편, 정육각의 단위 셀(C)을 기초로 레이저 조사영역을 생성함에 따라, 최종적으로 제조된 적층막은 그 경계가 해당 적층막 모델의 경계와 일치하지 않고 실질적으로 외부로 돌출된 부분들이 존재하게 된다.

이때, 돌출된 정도가 프린팅 개체에서 허용가능한 정도이면 별다른 후처리 공정이 진행되지 않을 수 있다. 이와 달리, 돌출된 정도가 허용가능하지 않거나 실제 적층막 모델과 동일한 수준의 경계면이 요구된다면, 도 14에 도시한 바와 같이, 적층막 제조 후에 가공기(300)를 사용하여 돌출된 부분(pp)을 제거하는 공정이 추가적으로 수행될 수 있다. 이에 따라, 3D 개체는 미려한 외관을 가질 수 있게 된다.

한편, 본 실시예의 레이저 조사경로 설정에 기반이 되는 정육각의 단위 셀(C)의 크기 즉 외경은 단위 셀(C)에 대응되는 레이저의 에너지 분포에 따라 결정될 수 있다.

이와 관련하여, 도 15를 참조하면, 레이저(L)는 가운데 부분에는 100%의 에너지 강도를 갖게 되고 양측 가장자리로 갈수록 에너지 강도가 저하되는 특성을 갖게 된다. 이에 따라, 제조되는 적층막의 두께를 균일하게 하기 위해서는 이웃하여 조사되는 레이저(L)가 서로 중첩되도록 하고 중첩 부분이 비중첩 부분과 실질적으로 동일한 정도의 에너지 강도를 갖도록 하게 되면, 적층막의 두께 균일도가 향상될 수 있게 된다.

이를 기초로 하여, 단위 셀(C)의 크기를 결정함에 있어, 중첩 부분의 에너지 강도가 비중첩 부분의 에너지 강도와 실질적으로 동일한 정도가 되도록 서로 중첩되는 2개의 레이저 즉 최소 빔폭의 제2레이저 간의 피치(pi)(즉, 중점 간의 거리)를 기초로 하여 단위 셀(C)의 크기 즉 외경을 결정할 수 있다.

이에 따라, 단위 셀(C)은 마치 전체적으로 동일한 레이저 에너지 강도를 갖는 레이저 조사 단위 영역에 해당될 수 있게 되고, 이 단위 셀(C)을 기반으로 하여 본 실시예에서와 같은 레이저 조사영역을 생성하게 되면 레이저 조사에 의해 제조되는 적층막의 두께 균일도가 향상될 수 있게 된다.

또한, 위와 같은 단위 셀(C)의 크기 결정과 유사한 방식으로, 제2레이저의 빔폭인 제2빔폭 보다 큰 최대 빔폭의 제1레이저를 사용하는 제1레이저 조사경로 설정 시의 단위 셀 그룹의 크기가 결정될 수 있는데, 이에 대해서는 도 16을 참조할 수 있다.

이와 관련하여, 단위 셀 그룹(CG)의 크기를 결정함에 있어, 중첩 부분의 에너지 강도가 비중첩 부분의 에너지 강도와 실질적으로 동일한 정도가 되도록 서로 중첩되는 2개의 레이저 즉 단위 셀(C)에 대응하는 제2빔폭의 제2레이저(L2)와 단위 셀 그룹(CG)에 대응하는 제1빔폭의 제1레이저(L1) 간의 거리(pd)(즉, 중점 간의 거리)를 기초로 하여 단위 셀 그룹(CG)의 크기 즉 외경을 결정할 수 있다. 본 실시예에서는, 단위 셀 그룹(CG)은 가운데에 위치한 1개의 단위 셀(C)과 이를 둘러싸는 6개의 단위 셀(C)로 구성된 경우를 예로 든다.

이에 따라, 단위 셀(C)과 유사하게 단위 셀 그룹(CG) 또한 마치 전체적으로 동일한 레이저 에너지 강도를 갖는 레이저 조사 단위 영역에 해당될 수 있게 되고, 이 단위 셀 그룹(CG)을 기반으로 하여 본 실시예에서와 같은 제1레이저(L1)에 대한 레이저 조사영역을 생성하게 되면 레이저 조사에 의해 제조되는 적층막의 두께 균일도가 향상될 수 있게 된다.

한편, 본 실시예에 따라 적층막을 적층방향 즉 수직방향으로 순차적으로 적층함에 있어, 이웃하는 적층막 즉 홀수번째인 제1적층막과 짝수번째인 제2적층막에 대한 레이저 조사경로 생성에 기반이 되는 단위 셀의 위치는 서로 일치하지 않도록 할 수 있다.

이와 관련하여 도 17을 참조할 수 있는데, 설명의 편의를 위해, 제1적층막에 대한 기준 평면(PR1)과 이의 원점(O1)을 도시하였고, 우측에는 제1적층막에 대한 기준 평면 상에 제2적층막에 대한 원점(O2)을 도시하였다.

이를 살펴보면, 제2적층막의 원점(O2)은 제1적층막의 원점(O1)과는 다른 위치에 설정되고, 이에 따라 제1적층막과 제2적층막의 단위 셀의 위치 즉 단위 셀의 중심점은 서로 일치하지 않게 됨을 알 수 있다.

이때, 바람직하게는, 제2적층막의 원점(O2)이 제1적층막의 단위 셀(C1)의 꼭지점에 대응하여 위치하도록, 즉 제2적층막의 단위 셀의 중심점이 제1적층막의 단위 셀(C1)의 꼭지점에 대응하여 위치하도록 하게 된다.

이와 같이 제1,2적층막에 대한 단위 셀의 배치를 서로 상이하게 함으로써, 3D 프린팅 개체의 수직 방향으로서 형상 변화를 최소화할 수 있게 된다. 이와 관련하여 도 18을 함께 참조하면, 실질적으로 단위 셀의 가장자리는 레이저의 에너지 강도가 상대적으로 낮으며 특히 꼭지점 부분은 중심점에서 가장 멀리 위치하게 되므로 레이저의 에너지 강도가 낮다. 따라서, 비록 레이저 조사 중첩에 의해 두께 균일도가 전체적으로 향상되기는 하나, 실질적으로 단위 셀의 가장자리 부분이 다른 부분에 비해 적층막의 두께가 작을 가능성이 높다.

이에 따라, 모든 적층막에 대해 단위 셀을 일치하여 형성하게 되면, 단위 셀의 꼭지점과 같은 특정 부분에서 최종 3D 개체의 두께가 감소되어 굴곡진 형태의 형상 변화가 유발될 수 있다.

이러한바, 이웃하는 적층막에 대한 단위 셀 간의 위치 즉 중심점이 일치하지 않도록 하게 되면, 특정 부분에서의 두께 감소 현상을 완화할 수 있게 되어 3D 개체에서 굴곡진 형태의 형상 변화를 방지할 수 있는 장점을 갖게 된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 단위 셀을 기반으로 하여 적층막에 대한 레이저 조사경로를 생성하게 된다. 이에 따라, 적층막 전체 영역에 대해 최적화된 레이저 조사경로를 생성할 수 있게 된다.

그리고, 생성된 레이저 조사경로는 열변형을 감안하여 설정됨에 따라 적층막의 열변형을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 상대적으로 큰 빔폭의 레이저를 통해 넓은 영역에 대한 레이저 조사를 수행하고 그 후에 상대적으로 작은 빔폭의 레이저를 통해 세부 영역으로 좁혀 레이저 조사를 수행함으로써, 적층막 제조 시간을 단축할 수 있게 된다.

더욱이, 적층막 제조 후에 외곽 경계에 대한 가공처리를 수행할 수 있어 미려한 외관을 얻을 수 있게 된다.

나아가, 이웃하는 적층막에 대한 단위 셀 간의 위치를 다르게 하여 특정 부분에서의 두께 감소 현상을 완화할 수 있게 됨으로써, 3D 개체에서 굴곡진 형태의 형상 변화를 방지할 수 있게 된다.

전술한 본 발명의 실시예는 본 발명의 일예로서, 본 발명의 정신에 포함되는 범위 내에서 자유로운 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 특허청구범위 및 이와 등가되는 범위 내에서의 본 발명의 변형을 포함한다.

10: 3D 프린팅 시스템 100: 3D 프린터
110: 챔버 120: 스테이지
130: 레이저 조사기 140: 3D 개체
200: 제어장치 210: 경로생성모듈

Claims (14)

1. 3D 프린터에서 분말에 레이저를 조사하여 각 적층막을 형성하기 위한 3D 프린팅 방법에 있어,
   상기 적층막 형성을 위한 적층막 모델에 대해, 정육각의 단위 셀이 벌집 형태로 배치된 기준 평면을 매칭하는 단계와;
   상기 적층막 모델의 경계에 걸쳐 위치하는 단위 셀들로 구성된 경계영역을 설정하는 단계와;
   상기 기준 평면 상에 상기 단위 셀들의 중심점을 지나가며 서로 평행하게 이격된 다수의 기준선을 설정하는 단계와;
   상기 기준선을 따라 제1빔폭의 제1레이저에 대한 제1레이저 조사경로를 생성하는 단계로서, 폭방향으로 상기 제1레이저에 대응하여 다수의 상기 단위 셀이 구성된 제1레이저 조사경로를 생성하는 단계와;
   상기 제1빔폭 보다 작은 제2빔폭의 제2레이저에 대한 제2레이저 조사경로를 생성하는 단계로서, 폭방향으로 상기 제2레이저에 대응하여 상기 단위 셀이 구성된 제2레이저 조사경로를 생성하는 단계
   를 포함하고,
   상기 제1레이저 조사경로를 따라 상기 제1레이저의 조사가 수행된 이후에 상기 제2레이저 조사경로를 따라 상기 제2레이저의 조사가 수행되는
   3D 프린팅 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   서로 이웃하는 상기 기준선들을 따르는 상기 제1레이저 조사경로의 영역들은 적어도 하나의 상기 단위 셀로 이격되는
   3D 프린팅 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   동일한 상기 기준선을 따르는 서로 이웃하는 상기 제1레이저 조사경로의 영역들은 적어도 하나의 상기 단위 셀로 이격되는
   3D 프린팅 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2레이저 조사경로는,
   상기 적층막 모델의 상기 경계영역과 상기 제1레이저 조사경로 영역을 제외한 내부영역에서, 상기 경계영역에 접한 단위 셀을 시작점으로 하여 상기 경계영역에 최근접한 단위 셀로 이동을 반복하고 이 이동이 종료되는 단위 셀을 종료점으로 하는 과정을 수행하여 생성되는
   3D 프린팅 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 적층막 모델의 상기 경계영역을 제외한 내부영역에 대한 상기 제1,2레이저 조사경로들을 포함하는 레이저 조사경로들의 생성 과정이 완료된 후에, 상기 경계영역에 대해 일방향을 따라 레이저 조사경로를 생성하는 단계를 더 포함하는
   3D 프린팅 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   순차 적층되는 제1적층막과 제2적층막 각각에 대한 단위 셀들은 서로 중심점이 일치하지 않도록 배치되는
   3D 프린팅 방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 적층막을 형성한 후에, 상기 적층막 모델의 경계를 기준으로 외부로 돌출된 상기 적층막의 부분들을 가공기를 사용하여 제거하는 단계
   를 더 포함하는 3D 프린팅 방법.
   
8. 3D 프린터에서 분말에 레이저를 조사하여 각 적층막을 형성하기 위한 3D 프린팅 시스템에 있어,
   상기 적층막 형성을 위한 적층막 모델에 대해, 정육각의 단위 셀이 벌집 형태로 배치된 기준 평면을 매칭하고; 상기 적층막 모델의 경계에 걸쳐 위치하는 단위 셀들로 구성된 경계영역을 설정하고; 상기 기준 평면 상에 상기 단위 셀들의 중심점을 지나가며 서로 평행하게 이격된 다수의 기준선을 설정하고; 상기 기준선을 따라 제1빔폭의 제1레이저에 대한 제1레이저 조사경로를 생성함에 있어, 폭방향으로 상기 제1레이저에 대응하여 다수의 상기 단위 셀이 구성된 제1레이저 조사경로를 생성하고; 상기 제1빔폭 보다 작은 제2빔폭의 제2레이저에 대한 제2레이저 조사경로를 생성함에 있어, 폭방향으로 상기 제2레이저에 대응하여 상기 단위 셀이 구성된 제2레이저 조사경로를 생성하는 경로생성모듈
   을 포함하고,
   상기 제1레이저 조사경로를 따라 상기 제1레이저의 조사가 수행된 이후에 상기 제2레이저 조사경로를 따라 상기 제2레이저의 조사가 수행되는
   3D 프린팅 시스템.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   서로 이웃하는 상기 기준선들을 따르는 상기 제1레이저 조사경로의 영역들은 적어도 하나의 단위 셀로 이격되는
   3D 프린팅 시스템.
   
10. 제 8 항에 있어서,
    동일한 상기 기준선 따르는 서로 이웃하는 상기 제1레이저 조사경로의 영역들은 적어도 하나의 단위 셀로 이격되는
    3D 프린팅 시스템.
    
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2레이저 조사경로는,
    상기 적층막 모델의 상기 경계영역과 상기 제1레이저 조사경로 영역을 제외한 내부영역에서, 상기 경계영역에 접한 단위 셀을 시작점으로 하여 상기 경계영역에 최근접한 단위 셀로 이동을 반복하고 이 이동이 종료되는 단위 셀을 종료점으로 하는 과정을 수행하여 생성되는
    3D 프린팅 시스템.
    
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 경로생성모듈은,
    상기 적층막 모델의 상기 경계영역을 제외한 내부영역에 대해 상기 제1,2레이저 조사경로를 포함하는 레이저 조사경로 생성을 완료한 후에, 상기 경계영역에 대해 일방향을 따라 레이저 조사경로를 생성하는
    3D 프린팅 시스템
    
13. 제 8 항에 있어서,
    순차 적층되는 제1적층막과 제2적층막 각각에 대한 단위 셀들은 서로 중심점이 일치하지 않도록 배치되는
    3D 프린팅 시스템.
    
14. 제 8 항에 있어서,
    상기 적층막 모델의 경계를 기준으로 외부로 돌출된 상기 적층막의 부분들을 제거하는 가공기
    를 더 포함하는 3D 프린팅 시스템.

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