KR101843493B1 - 분말 밀도 측정부를 구비한 3d 프린터 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법 - Google Patents

분말 밀도 측정부를 구비한 3d 프린터 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 작업 플레이트 내에 분말 밀도 측정부를 구비하여, 프링팅 작업 전 또는 프린팅 작업 과정 중에 실제 작업으로 적층되는 분말의 밀도를 실시간으로 측정할 수 있는 분말 밀도 측정부를 구비하여, 상기 분말 밀도 측정부로부터 측정되는 분말 밀도 측정 데이터로부터 작업 상태를 확인하고 작업 조건을 조절할 수 있는 새로운 구조의 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.

Description

분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법{3D PRINTING APPARATUS COMPRISING MEASURING MEMBER OF DENSITY OF METAL POWDER AND 3D PRINTING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 작업 플레이트 내에 분말 밀도 측정부를 구비하여, 프링팅 작업 전 또는 프린팅 작업 과정 중에 실제 작업으로 적층되는 분말의 밀도를 실시간으로 측정할 수 있는 분말 밀도 측정부를 구비하여, 상기 분말 밀도 측정부로부터 측정되는 분말 밀도 측정 데이터로부터 작업 상태를 확인하고 작업 조건을 조절할 수 있는 새로운 구조의 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
3차원(3D) 프린팅은 모델 또는 프로토 타입 등의 출력물를 제조하기 위해 넓게 사용되고 있다.
이러한 3차원 프린팅의 출력물은 일반적으로, 분말화된 형성 재료(build material)의 층을 활용하여, 레이저를 조사하거나, 액체 또는 교질의 결합제 재료를 전달하는 잉크젯 인쇄 헤드를 사용하여 제조된다.
인쇄 기술은 통상 롤러를 사용하여 분말화된 형성 재료의 층을 도포하는 것을 포함한다. 형성 재료가 작업 표면에 도포된 후, 레이저로 아래 위치한 층과 층간 연결되는 과정을 반복하여 성형한다. 제1 단면 부분이 형성된 후, 이전 단계가 반복되어, 최종 목표물이 형성될 때까지 연속적인 단면을 형성한다.
3D 프린팅에 있어서, 분말 성형체의 치수, 중량, 밀도 등의 편차는, 최종 제품이 되는 소결체(기계 부품)의 편차(치수, 특성 등의 편차)의 원인이 된다. 그 때문에, 3D 프린팅된 성형체의 품질 향상에는, 레이저 등으로 소결 전의 분말 성형체의 치수, 중량, 밀도 등의 편차를 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 분말 성형체의 치수, 중량, 밀도 등의 편차는, 소재가 되는 분말을 플레이트 위에 적층했을 때의 충전 밀도의 편차가 주요인으로 알려져 있다.
이 충전 밀도의 편차를 억제하기 위해서는, 소재가 되는 분말의 겉보기 밀도를 안정화하는 것이 매우 유효하다. 즉, 소결체(기계 부품)의 치수·특성의 안정성은, 소재가 되는 분말의 겉보기 밀도의 안정성에 크게 의존한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 적층되는 분말의 밀도를 측정하고 이를 조절할 수 있는 새로운 구조의 3D 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 의한 3D 프린터를 이용한 3D 프린팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 3D 프린팅이 수행되는 플레이트; 및 상기 플레이트에 포함되는 분말 밀도 측정부; 를 구비한 3D 프린터를 제공한다.
본 발명에 의한 3D 프린터에 있어서, 상기 분말 밀도 측정부는 적층되는 분말의 질량을 측정하는 질량측정부를 구비하는 것을 측징으로 한다.
본 발명에 의한 3D 프린터에 있어서, 상기 질량측정부는 상기 3D 프린팅이 수행되는 플레이트의 일 부분에 삽입 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 3D 프린터에 있어서, 상기 질량측정부는 상기 3D 프린팅이 수행되는 플레이트에 적어도 2개 이상 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 3D 프린터는 상기 3D 프린터는 코터, 레이저, 및 상기 분말 밀도 측정부, 상기 코터, 상기 레이저를 연결하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한,
3D 프린팅이 수행되는 플레이트 상에 제 1 층 및 분말 밀도 측정부에 분말을 적층하는 제 1 단계;
상기 분말 밀도 측정부에서 적층되는 분말 밀도를 측정하는 제 2 단계;
상기 분말 밀도 측정부에서 측정되는 분말 밀도를 제어부로 송신하는 제 3 단계;
상기 제어부가 측정되는 분말 밀도를 기설정된 분말 밀도 및 이전층에서 수행된 분말 밀도와 대비하여, 코터 및 레이저로 조절 신호를 송신하는 제 4 단계; 및
조절된 신호에 따라 상기 플레이트 상의 적층된 분말 상층 및 분말 밀도 측정부에 분말을 적층하는 제 5 단계; 를 포함하고,
상기 제 1 단계 및 제 5 단계가 복수회 수행되는 것인 3D 프린팅 방법을 제공한다.
본 발명에 의한 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터는 실제 3D 프린팅이 수행되는 플레이트에서 프린팅되는 출력물 외에 밀도 측정을 위한 부분을 동시에 출력하는 분말 밀도 측정부를 포함하여, 실제 3D 프린팅이 수행되는 분말의 밀도 등의 정보를 실시간으로 측정할 수 있고, 이로부터 코터 및 레이저의 작업 조건을 실시간으로 조절할 수 있어, 사용되는 분말의 상태를 제어하고, 더욱 정교한 3D 프린팅이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터의 모식도를 나타낸다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 의한 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터의 질량 측정부를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 분말 밀도 측정부 및 제어부를 구비한 3D 프린터의 모식도를 나타낸다.
이하에서는 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1에 본 발명에 의한 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터의 모식도를 나타내었다.
도 1에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터는 분말 분급을 위한 코터(300), 및 소결을 위한 레이저부(400), 및 실제 프린팅 작업을 수행하면서 적층되는 분말의 밀도를 측정하기 위해 3D 프린팅이 수행되는 플레이트(100) 내의 일부분에 형성되는 분말 밀도 측정부(600)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본원 발명에 의한 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터는 도 1에서 보는 바와 같이 원하는 형태로 3D 프린팅으로 조형하면서 분말 밀도 측정부(600) 에도 분말이 적층되도록 하여 실제 3D 프린팅시 적층되는 분말의 밀도를 측정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터에 있어서, 상기 적층되는 분말 밀도를 측정하는 방법은 제한되지 않으면 당업자가 자유롭게 적용하는 것이 가능하다.
금속 분말의 겉보기 밀도의 측정은 일반적으로, JIS Z 2504:2000으로 규정된 방법에 의해 측정된다. 이 방법에서는, 적층 분말을, 일정 용적의 용기 중에 일정 조건으로 넣어, 용기 내의 분말 중량을 측정하고, 측정된 분말 중량을 용기의 용적으로 나눔으로써, 분말의 겉보기 밀도를 구하는 방법이다. 본 발명에 의한 3D 프린터는 3D 프린팅시 일정 부피로 분말을 적층하고, 적층된 분말의 질량을 측정하는 방법을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 금속 분말의 정전 용량을 측정하는 분말 정전 용량 측정 수단에 의한 측정값에 기초하여, 상기 분말 밀도 측정부 내에 적층된 금속 분말의 겉보기 밀도를 측정하는 것도 가능하다.
도 2 에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터에 있어서, 상기 분말 밀도 측정부(600)는 3D 프린팅이 수행되는 플레이트(100) 내에 복수개가 형성될 수 있다. 이와 같이 상기 분말 밀도 측정부(600)가 복수개가 형성되는 경우, 3D 프린팅이 수행되는 챔버 내에서의 분말 적층 조건 및 작업 조건을 좀 더 정확하게 측정하여 조절할 수 있으며, 복수개의 분말 밀도 측정부(600)는 3D 프린팅이 수행되는 플레이트(100) 내의 4개의 모서리부 또는 대각선 방향으로 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터에 있어서, 상기 분말 밀도 측정부(600)는 특별히 제한되지는 않으나, 도 3에서 보는 바와 같이 구체적으로는 적층되는 분말의 밀도를 측정하는 질량측정부(700)인 것이 바람직하다. 3D 프린팅이 수행되는 플레이트(100) 내에 전자저울 형태로 질량측정부(700)를 포함하는 경우 작업이 진행되면서 실시간으로 적층되는 분말의 무게, 및 이로부터 분말의 밀도를 측정하는 것이 가능해진다.
도 4에 본 발명에 의한 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터의 다른 실시 예를 나타내었다.
도 4 에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터는 분말 분급을 위한 코터(300), 및 소결을 위한 레이저부(400), 및 상기 분말 밀도 측정부, 상기 코터, 상기 레이저를 연결하는 제어부(800); 를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 제어부(800)는 상기 분말 밀도 측정부로부터 실시간으로 측정되는 분말 밀도 데이터를 수집하고, 3D 프린팅이 수행되는 각각의 층마다 적층되는 분말 밀도를 비교하여 이로부터 코터 및 레이저 등의 작업 조건을 조절할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명에 의한 분말 밀도 측정부를 구비한 3D 프린터를 이용하는 3D 프린팅 방법은
플레이트 상의 제 1 층 및 분말 밀도 측정부에 분말을 적층하는 제 1 단계;
상기 분말 밀도 측정부에서 적층되는 분말 밀도를 측정하는 제 2 단계;
상기 분말 밀도 측정부에서 측정되는 분말 밀도를 제어부로 송신하는 제 3 단계;
상기 제어부가 측정되는 분말 밀도를 기설정된 분말 밀도 및 이전층에서 수행된 분말 밀도와 대비하여, 코터 및 레이저로 조절 신호를 송신하는 제 4 단계; 및
조절된 신호에 따라 상기 플레이트 상의 적층된 분말 상층 및 분말 밀도 측정부에 분말을 적층하는 제 5 단계; 를 포함하고, 상기 제 1 단계 및 제 5 단계가 복수회 수행되는 것이 바람직하다.

Claims (6)

  1. 3D 프린팅이 수행되어 출력물이 조형되는 플레이트; 및
    상기 3D 프린팅 되는 출력물의 적층과 동시에 상기 플레이트에 적층되어 분말의 밀도를 측정하는 분말 밀도 측정부;
    상기 플레이트 상에서 출력물이 조형되는 영역 및 분말 밀도 측정부에 분말을 공급하는 코터;
    상기 공급된 분말을 소결하는 레이저; 및
    상기 분말 밀도 측정부에서 측정되는 분말 밀도를 수신 받고, 상기 수신된 분말 밀도 정보를 기초로 상기 코터 및 레이저를 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 분말 밀도 측정부는 상기 플레이트 상에서 상기 출력물이 조형되는 영역과 다른 영역에 배치되고,
    상기 분말 밀도 측정부는 일정 부피로 적층되며, 적층된 분말의 질량을 측정하는 질량측정부를 구비하는 것인
    3D 프린터.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량측정부는 상기 3D 프린팅이 수행되는 플레이트의 일 부분에 내장되어 형성되는 것인
    3D 프린터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 질량측정부는 적어도 2개 이상 포함되는 것인
    3D 프린터.
  5. 삭제
  6. 플레이트 상에 3D 프린팅을 수행하여 제 1 층을 형성하고, 상기 플레이트 상에 상기 제 1 층이 형성되는 영역과 다른 영역에 배치하는 분말 밀도 측정부에 상기 제 1 층과 동시에 일정 부피로 분말을 적층하는 제 1 단계;
    상기 분말 밀도 측정부에서 적층되는 분말 밀도를 측정하는 제 2 단계;
    상기 분말 밀도 측정부에서 측정한 분말 밀도를 제어부로 송신하는 제 3 단계;
    상기 제어부가 상기 분말 밀도 측정부가 측정한 분말 밀도를 기설정된 분말 밀도 및 이전층에서 수행된 분말 밀도와 대비하여, 코터 및 레이저로 조절 신호를 송신하는 제 4 단계; 및
    상기 조절 신호에 따라 상기 플레이트 상에 3D 프린팅을 수행하여 분말 상층을 적층하고, 상기 분말 밀도 측정부에 분말을 적층하는 제 5 단계; 를 포함하고,
    상기 제 1 단계 및 제 5 단계가 복수회 수행되는 것인
    3D 프린팅 방법.
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