KR101842511B1 - 광경화식 3d 성형장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 광경화성 수지의 광경화 반응열 및 동작 피로에도 불구하고 수지조 내에서 경화되는 성형물이 손상되지 않고 비교적 안정적으로 이동될 수 있도록 하는 광경화식 3D 성형장치를 제공하는 것이다. 상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 광경화식 3D 성형물 성형장치는 수지조와; 광경화성 수지로 이루어지며 상기 수지조에 수용되어 층을 형성하는 광경화성 수지층과; 상기 광경화성 수지와 상이한 비중을 가진 비경화성 유동성 재료로 이루어지며, 상기 광경화성 수지층과 접촉하는 이형면을 가지고 상기 수지조에 수용되는 이형층과; 상기 광경화성 수지층 내에 수용되어 성형물을 지지하는 조형판과; 상기 조형판이 상기 이형면에 대해 접근 이격 가능하도록 상기 조형판과 상기 수지조 중 적어도 어느 하나를 승강시키는 승강구동부와; 상기 이형층을 투과하여 상기 광경화성 수지층에 이미지광을 조사하는 이미지광 조사부를 포함한다.

Description

광경화식 3D 성형장치{3D PRINTER}

본 발명은 광경화식 3D 성형장치에 관한 것이다.

광경화식 3D 성형장치는 투명한 바닥판을 갖는 수지조와, 수지조에 수용되는 광경화성 수지와, 수지조 내에서 승강 가능한 조형판과, 광경화성 수지에 빛을 조사하는 이미지광 조사부를 포함하며, 이미지광 조사부를 이용하여 광경화성 수지를 노광 경화시키는 동시에 조형판을 상승시키면서 3D 성형물을 형성한다.

그런데 바닥판이 유리 등과 같은 비탄성 경질 재료로 이루어진 경우, 성형물의 이형이 용이하지 않아 성형상태에 손상이 발생할 가능성이 높은 문제가 있다. 한편, 이러한 문제를 해결하기 위하여 수지조 바닥판에 탄성변형 가능한 이형시트를 설치하는 기술이 개시된 바 있으나, 광경화수지가 경화되면서 일으키는 반응열과 동작 피로 등에 의해 내구성이 약한 문제가 있다.

본 발명의 목적은 광경화성 수지의 광경화 반응열 및 동작 피로에도 불구하고 수지조 내에서 경화되는 성형물이 손상되지 않고 비교적 안정적으로 이동될 수 있도록 하는 광경화식 3D 성형장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광경화식 3D 성형장치는 수지조와; 광경화성 수지로 이루어지며 상기 수지조에 수용되어 층을 형성하는 광경화성 수지층과; 상기 광경화성 수지와 상이한 비중을 가진 비경화성 유동성 재료로 이루어지며, 상기 광경화성 수지층과 접촉하는 이형면을 가지고 상기 수지조에 수용되는 이형층과; 상기 수지조 내에서 성형물을 지지하는 조형판과; 상기 조형판이 상기 이형면에 대해 접근 이격 가능하도록 상기 조형판과 상기 수지조 중 적어도 어느 하나를 승강시키는 승강구동부와; 상기 이형층을 투과하여 상기 광경화성 수지층에 이미지광을 조사하는 이미지광 조사부를 포함한다.

여기서, 상기 수지조는 투명한 바닥판을 가지며, 상기 비경화성 유동성 재료는 상기 광경화성 수지보다 높은 비중을 가지며, 상기 승강구동부는 상기 이미지광 조사부의 상기 이미지광 조사 작동에 기초하여 상기 조형판이 상기 이형면에 대해 이격되도록 상승시키는 것이 바람직하다.

그리고 상기 비경화성 유동성 재료는 상기 광경화성 수지보다 낮은 비중을 가지며, 상기 승강구동부는 상기 이미지광 조사부의 상기 이미지광 조사 작동에 기초하여 상기 조형판이 상기 이형면에 대해 이격되도록 하강시키는 것이 바람직하다.

또한 상기 광경화성 수지보다 높은 비중을 가지고 상기 광경화성 수지층의 하부에서 층을 형성하는 베이스층을 더 포함하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 비경화성 유동성 재료는 불소를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 광경화식 3D 성형장치는 광경화성 수지의 광경화 반응열 및 동작 피로에도 불구하고 수지조 내에서 경화되는 성형물이 손상되지 않고 비교적 안정적으로 이동되도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 광경화식 3D 성형장치를 나타낸 설명도이고,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광경화식 3D 성형물 성형장치를 나타낸 설명도이다.

도 1은 본 발명에 따른 광경화식 3D 성형장치를 나타낸 설명도이다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 광경화식 3D 성형장치는 통 형상의 수지조(100)와 수지조(100) 내에서 성형물을 지지하는 승강가능한 판상의 조형판(500)을 포함한다. 여기서 수지조(100)는 빛이 투과될 수 있는 투명한 바닥판(110)을 가지며, 조형판(500)은 승강구동부(700)와 연결된다. 승강구동부(700)는 조형판(500)을 승강시킬 수 있다. 조형판(500)의 하부면은 바닥판(110)과 평행하게 배치되는 것이 바람직하다. 승강구동부(700)는 수지조(100)를 승강시키거나 조형판(500)과 수지조(100)를 동시에 승강시킬 수도 있다. 수지조(100)의 바닥판(110) 하부에는 바닥판(110)을 향하여 빛을 조사하는 이미지광 조사부(800)가 배치된다.

수지조(100) 내부에는 광경화성 수지로 이루어지며 수지조(100)에 수용되어 층을 형성하는 광경화성 수지층(200)과, 광경화성 수지와 상이한 비중을 가진 비경화성 유동성 재료로 이루어지며 광경화성 수지층(200)과 접촉하는 이형면(310)을 가지고 수지조(100)에 수용되는 이형층(300)이 배치된다. 여기서, 이형층(300)을 이루는 비경화성 유동성 재료는 광경화성 수지층(200)을 이루는 광경화성 수지보다 높은 비중을 갖는다. 이에 따라, 이형층(300)은 바닥판(110)의 상부에 배치되며, 바닥판(110)과 광경화성 수지층(200) 사이에 배치된다.

이형층(300)의 두께는 0.1mm 내지 50mm인 것이 바람직하다. 이형층(300)의 두께가 너무 얇으면, 수지조(100) 내부에서 이동하는 조형판(500) 및 조형판(500)에 지지된 성형물(600)의 이동에 의한 유동에 따라 부분적으로 이형층(300)이 존재하지 않거나 과도히 얇아져, 광에너지의 편중이 유발되어 성형품질이 저하되거나, 바닥판 혹은 수지층 내에 원하지 않는 경화 이물이 형성될 수 있다. 이형층(300)의 두께가 너무 두꺼우면, 이미지광의 투과율을 저하시켜 광경화성 광경화 효율이 낮아질 수 있다.

그리고 이형층(300)을 이루는 비경화성 유동성 재료는 끓는점이 충분히 높은 것으로 선택되어야 한다. 광경화성 수지가 광경화되는 과정에 반응열이 발생하고 이 경화 반응열에 의해 비경화성 유동성 재료가 상변화하게 되면 성형물(600)의 성형품질을 저하시킬 수 있다. 그래서 이형층(300)을 이루는 비경화성 유동성 재료의 끓는점은 물의 끓는점보다 높은 것이 바람직하며, 더욱 바람직한 것은 90℃ 이상이다.

또한 비경화성 유동성 재료의 동점도는 25℃기준 0.4cst 내지 50cst인 것이 바람직하다. 비경화성 유동성 재료의 동점도가 25℃기준 0.4cst이하일 경우, 작은 힘에도 유동이 과도히 발생하여 성형물(600)의 성형품질을 저하시키며, 50cst이상일 경우에는 수지조(100) 내에 투입하거나 처리하는 과정 등 취급이 어려운 문제가 있다.

광경화성 수지층(200)의 두께는 바람직하게는 50mm 이하, 더욱 바람직하게는 20mm이하이다. 조형판(500)이 승강 이동할 때, 광경화성 수지(200)과 이형층(300)에는 불가피하게 유동이 발생한다. 이에 의해 이형면(310)이 요동하게 되어 광투과 균질성이 나빠져 성형품질을 손상시키고, 이형면이 평탄하게 안정되기까지 시간이 소요되므로 작업 효율성이 저하될 수 있다. 이러한 동적 불안정성을 최소화하기 위해서는 수지층(200)의 두께가 가능한한 얇은 것이 바람직하다. 수지층의 바람직한 두께는 조형판(500)의 면적에 반비례한다. 예를 들어, 조형판(500)의 면적이 5000mm²를 넘으면 수지층(200)의 두께는 20mm를 넘지 않는 것이 바람직하고, 조형판(500)의 면적이 3600mm² 이하이면 수지층 두께는 50mm 정도까지도 허용될 수 있다.

비광경화성 재료인 이형층(300)의 비중은 광경화성 수지의 비중에 비해 1.5배 이상, 바람직하게는 2배 이상, 더욱 바람직하게는 3배 이상이다. 이형층(300)은 그 비중이 높을수록 조형판(500)의 승강 운동에 대한 영향을 적게 받아 이형면(310)을 안정적으로 유지할 수 있다. 이러한 이형층(300)의 재료는 상업적으로 구입가능한 고비중 액체수지로서 대체로 불소계 합성수지가 적절히 사용될 수 있다.

한편, 수지조(100)의 내벽면 및/또는 바닥면에는 수지 등의 접착을 방지하는 코팅층(130)이 형성되는 것이 바람직하다. 코팅층(130)은 테프론계 혹은 불소계 소재로 형성되며 적어도 바닥면에는 광투과성을 가진다. 코팅층(130)은 테프론계나 불소계 이외에도 원소주기율표의 18족에 해당하는 물질을 주성분으로 하는 소재로 형성될 수도 있다. 코팅층(130)은 바닥면 및/또는 벽면을 따라 배치되는 분리필름 혹은 시트로 대체될 수 있다.

또한 수지층(200)의 상부에는 광경화성 수지보다 비중이 낮은 보호액체층(도시않음)이 배치될 수 있다. 이 보호액체층은 빛에 대해 반응성이 낮은 소재로 이루어지며, 성형물이 공기 중에 노출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 길이가 긴 성형물인 경우 초기에 성형된 부분은 비교적 장시간 공기에 노출되어 산화나 변형 등에 의해 성형품질이 저하될 수 있으므로, 보호액체층은 그러한 산화 등의 위험을 방지하는 역할을 한다.

이러한 구조를 갖는 광경화식 3D 성형장치에 기초한 3D 성형방법은 다음과 같다. 먼저, 수지조(100) 내에 광경화성 수지와 광경화성 수지와 상이한 비중을 갖는 비경화성 유동성 재료를 투입하여, 광경화성 수지로 이루어진 광경화성 수지층(200)과 비경화성 유동성 재료로 이루어지며 광경화성 수지층(200)과 접촉하는 이형면(310)을 갖는 이형층(300)을 배치한다. 여기서, 이형층(300)을 이루는 비경화성 유동성 재료는 광경화성 수지층(200)을 이루는 광경화성 수지보다 높은 비중을 갖도록 하여, 이형층(300)이 광경화성 수지층(200)과 바닥판(110) 사이에 배치되도록 한다.

다음으로, 이미지광 조사부(800)를 이용하여 광경화성 수지층(200)에 이미지광을 조사하는 동시에 수지조(100) 내에 배치되어 성형물(600)을 지지하는 조형판(500)이 이형면(310)에 대해 이격되도록 승강구동부(700)를 구동하면서 원하는 형상의 성형물을 성형한다. 여기서, 이미지광은 투명한 바닥판(110)과 이형층(300)을 투과하여 광경화성 수지층(200)에 도달한다. 조형판(500)은 이형면(310)에 대해 연속적으로 이격되면서 성형물의 성형층이 누적되도록 하는 것이 바람직하다. 혹은 단위층의 성형이 완료된 다음 조형판(500)을 이형 상승시켰다가 다시 하강시켜 단위층의 두께에 해당하는 만큼 간격을 두고 이형면(310)에 접근시킬 수 있다. 이러한 조형판(500)의 이동시 조형판(500) 및 성형물은 가능한한 이형층(300)에 간섭되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

승강구동부(700)는 조형판(500)을 승강이동시키지 아니하고, 수지조(100)를 승강시키거나 수지조(100)와 조형판(500)을 함께 승강시키면서 조형판(500)이 이형면(310)에 대해 이격되도록 할 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광경화식 3D 성형물 성형장치를 나타낸 설명도이다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광경화식 3D 성형물 성형장치는 통형상의 수지조(100a)와 수지조(100a) 내에서 성형물(600a)을 지지하는 승강가능한 판상의 조형판(500a)을 포함한다. 여기서, 수지조(100a)는 상부가 개방되어 있어 빛이 투과될 수 있다. 수지조(100a)는 투명한 재질로 이루어진 상부투광부를 가질 수도 있다. 조형판(500a)은 승강구동부(700a)에 의해 수지조(100a) 내에서 승강 가능하다. 조형판(500a)의 상면은 평탄하게 형성되어 성형물을 지지한다. 조형판(500a)은 수지조(100a)에 대해 상대적으로 승강이동하므로, 승강구동부(700a)는 승강시키거나 수지조(100a)와 조형판(500a)을 각각 개별적으로 승강시킬 수도 있다. 수지조(100a)의 상측에는 수지조(100a)를 향하여 빛을 조사하는 이미지광 조사부(800a)가 설치된다.

수지조(100a) 내부에는 광경화성 수지로 이루어지며 수지조(100a)에 수용되어 층을 형성하는 광경화성 수지층(200a)과, 광경화성 수지보다 낮은 비중을 가진 비경화성 유동성 재료로 이루어지며 광경화성 수지층(200a)과 접촉하는 이형면(310a)을 가지고 광경화성 수지층(200a)의 상부에서 층을 형성하는 이형층(300a)이 배치된다. 이형층(300a)은 수지층(200a)의 상면 즉 이형면(310a)의 동적 안정성을 높여 성형품질을 향상시키고, 광경화성 수지가 공기와 직접 접촉하는 것을 차단하여 수지의 산화나 오염 등을 방지하는 역할을 한다.

그리고 수지조(100a)에는 광경화성 수지층(200a) 하부에 베이스층(300a)이 배치될 수 있다. 베이스층(300a)은 광경화성 수지층(200a)의 수지보다 높은 비중을 갖는 베이스액상물질로 이루어져, 수지조(100a)의 하부공간을 채우는 역할을 한다. 그래서 베이스층(300a)을 이루는 베이스액상물질은 광경화성 수지보다 구입 및 교체 비용이 저렴한 것으로서, 표면장력이 물 혹은 광경화성 수지에 비해 높은 것이 바람직하다.

한편, 본 광경화식 3D 성형장치는 조형판(500a)과 조형판(500a)에 지지되는 성형물(600a)의 하강에 의해 변동되는 수위를 조절하기 위해 별도의 수위조절부(미도시)가 마련될 수 있다. 수위조절부는 수지공급탱크, 공급밸브 및 수위센서를 구비하고, 제어부는 수위센서로부터의 수위신호에 기초하여 공급밸브를 제어하여 수지공급탱크의 수지를 수지에 공급하거나 인출하여 수위가 유지되도록 한다.

이형층(300a)의 두께는 0.1mm 내지 50mm인 것이 바람직하다. 이형층(300a)의 두께가 0.1mm 이하일 경우, 수지조(100a) 내부에서 이동하는 조형판(500a) 및 조형판(500a)에 지지된 성형물(600a)의 이동에 의한 유동에 따라 부분적으로 두께가 얇아지는 부분에서 광경화성 수지가 분출하여, 이형층(300a) 상부에서 광경화성 수지가 경화되는 문제가 발생할 수 있다.

이형층(300a)의 두께가 50mm이상일 경우에는, 이미지광 조사부(800a)에서 조사되는 빛의 투과율이 낮아져 광경화 효율이 저하될 가능성이 있다.

그리고 이형층(300a)을 이루는 비경화성 유동성 재료는 끓는점이 90℃이상 것이 바람직하다. 비경화성 유동성 재료의 끓는점이 90℃미만일 경우, 이미지광 조사부(800a)에서 조사되는 빛에 반응하는 광경화성 수지의 경화 반응열에 의하여 상변화가 유발되어 이형면이 불안정하게 되고 이에 따라 성형물(600a)의 성형품질이 저하될 우려가 있다.

또한 비경화성 유동성 재료의 동점도는 25℃기준 0.4cst 내지 50cst인 것이 바람직하다. 비경화성 유동성 재료의 동점도가 25℃기준 0.4cst이하일 경우, 작은 힘에도 유동이 과도히 발생하여 성형물(600a)의 성형품질을 저하시키며, 50cst이상일 경우에는 수지조(100a) 내에 투입하거나 처리하는 과정 등 취급이 어려운 문제가 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 광경화식 3D 성형장치에 기초한 3D 성형방법은 먼저, 수지조(100a) 내에 광경화성 수지와 광경화성 수지보다 낮은 비중을 가진 비경화성 유동성 재료를 투입하여, 광경화성 수지로 이루어진 광경화성 수지층(200a)과 비경화성 유동성 재료로 이루어지며 광경화성 수지층(200a)과 접촉하는 이형면(310a)을 갖는 이형층(200a)을 배치한다. 여기서, 수지층(200a)의 하부에는 광경화성 수지보다 높은 비중을 가지고 비광경화성을 가진 베이스액상물질을 투입하여 베이스층(400a)을 형성할 수 있다. 베이스층(400a)은 수지층(200a)의 두께를 최소로 유지하면서 성형물의 이동 폭을 충분히 보장하는 역할을 한다.

다음으로, 이미지광 조사부(800a)를 이용하여 광경화성 수지층(200a)에 이미지광을 조사하는 동시에 수지조(100a) 내에 배치되어 성형물(600a)을 지지하는 조형판(500a)이 이형면(310a)에 대해 이격되도록 승강구동부(700a)를 구동하면서 원하는 형상의 성형물을 성형한다. 여기서, 이미지광은 이형층(300a)을 투과하여 광경화성 수지층(200a)에 도달하며, 조형판(500a)은 이형면(310a)에 대해 연속적으로 이격되는 것이 바람직하다. 승강구동부(700a)는 수지조(100a)를 승강시키거나 수지조(100a)와 조형판(500a)을 함께 승강시키면서 조형판(500a)이 조형면(310a)에 대해 이격되도록 할 수도 있다.

전술 및 도시한 실시예들에서는, 수지층(200, 200a)과 이형층(300, 300a)이 직접 접촉하여 이형면(310, 310a)을 형성한다. 그러나 이형면(310, 310a)에 광투과성 필름이나 시트 혹은 박판 플레이트로 이루어진 이형막을 개재시킬 수 있다. 이 이형막은 이형층(300, 300a)의 액면을 규제하여 이형면이 동적 안정성을 갖는 데 기여하게 된다. 이러한 이형막은 수지나 이형층 소재의 접착이 유발되지 않도록 코팅 등 적절한 표면처리가 부여되는 것이 바람직하다. 코팅은 테프론계 혹은 불소계 이형재료 물질로 형성할 수 있다.

전술 및 도시한 실시예들에서 성형물을 지지하는 조형판(500, 500a)은 단순한 판상체로 되어 있다. 이러한 조형판은 이형 및 승강 과정에서 불가피하게 액상수지의 점성 및 모세관현상 등에 의해 이동 저항을 크게 받는다. 특히 조형판의 판면 및 성형물의 단면적이 클수록 그 저항은 더욱 커지게 된다. 이러한 승강 이동의 저항을 줄이기 위해, 본 발명에 따른 장치의 조형판은, 수지가 통과할 수 있는 통과공이나 배출홈을 가질 수 있다. 통과공은 액상수지가 조형판(500, 500a)의 판면방향에 가로방향으로 조형판을 관통하여 유동하게 하여 유동 저항을 줄인다. 통과공의 크기는 1~10mm 정도의 크기로 선택되며, 가능한한 성형물의 영역을 벗어난 위치에 형성하는 것이 바람직하다. 배출홈은 액상수지가 판면방향을 따라 외측으로 배출되도록, 조형판의 두께의 일부를 절취하여 형성된 그루브 형상으로 마련된다. 이 배출홈 역시 성형물의 영역을 벗어난 위치에 마련되는 것이 바람직하다.

100, 100a: 수지조 110, 110a: 바닥판
130, 130a: 코팅층 200, 200a: 광경화성 수지층
300, 300a: 이형층 310, 310a: 이형면
400a: 베이스층 500, 500a: 조형판
600, 600a: 성형물 700, 700a: 승강구동부
800, 800a: 이미지광 조사부

Claims (5)

1. 광경화식 3D 성형장치에 있어서,
   수지조와;
   광경화성 수지로 이루어지며 상기 수지조에 수용되어 층을 형성하는 광경화성 수지층과;
   상기 광경화성 수지와 상이한 비중을 가진 비경화성 유동성 재료로 이루어지며, 상기 광경화성 수지층과 접촉하는 이형면을 가지고 상기 수지조에 수용되는 이형층과;
   상기 수지조 내에서 성형물을 지지하는 조형판과;
   상기 조형판이 상기 이형면에 대해 접근 이격 가능하도록 상기 조형판과 상기 수지조 중 적어도 어느 하나를 승강시키는 승강구동부와;
   상기 이형층을 투과하여 상기 광경화성 수지층에 이미지광을 조사하는 이미지광 조사부를 포함하고,
   상기 수지조는 투명한 바닥판을 가지며,
   상기 비경화성 유동성 재료는 상기 광경화성 수지보다 높은 비중을 가지며, 상기 비경화성 유동성 재료의 동점도는 섭씨 25도일 때 0.4 내지 50 cst범위이며,
   상기 승강구동부는 상기 이미지광 조사부의 상기 이미지광 조사 작동에 기초하여 상기 조형판이 상기 이형면에 대해 연속적으로 이격되면서 상기 성형물의 성형층이 누적되도록 상승시키며,
   상기 조형판에는 상기 광경화성 수지가 통과할 수 있는 통과공이 형성된 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 비경화성 유동성 재료의 끓는점은 섭씨 90도 이상이며,
   상기 비경화성 유동성 재료는 불소를 포함하는 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형장치.
   

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