KR101866880B1 - Vfp 3d 프린팅 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 VFP 3D 프린팅 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공(Vaccum) 하에서 연속적으로 공급되는 롤투롤 필름(Film)을 열 프레스로 융착 및 절단시키는 공정(Process)을 반복하여 기설정된 형상으로 조형하는 VFP(Vaccum Film Process) 3D 프린팅 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
또한, 필름을 롤투롤 형태로 연속적으로 공급하기 위한 필름 공급부와 상기 필름 공급부를 통해 공급된 필름을 진공 밀폐하는 진공 밀폐부와 상기 진공 밀폐부 내의 하측에 배치되어 조형물이 적층되는 베드와 상기 진공 밀폐부 내의 상측에 배치되어 공급된 필름을 가열, 가압하여 베드 또는 적층된 조형물의 상부에 융착하기 위한 열프레스부와 상기 열프레스부에 의해 융착된 필름을 기설정된 형태로 절단하기 위한 절단부를 포함하는 것을 특징을 한다.

Description

VFP 3D 프린팅 시스템 및 그 방법{VFP 3D printing system, and method thereof}

본 발명은 VFP 3D 프린팅 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공(Vaccum) 하에서 연속적으로 공급되는 롤투롤 필름(Film)을 열 프레스로 융착 및 절단시키는 공정(Process)을 반복하여 기설정된 형상으로 조형하는 VFP(Vaccum Film Process) 3D 프린팅 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

제조업에서 설정된 형상의 제품을 제조할 때 주로 이용되는 생산공정은 큰 원재료를 자르거나 다듬는 절단가공 및 이를 통해 가공된 부품을 접합 또는 조립하는 공정이 사용되어 왔지만, 점차 수요자들의 요구가 다양해지고 제품 생산 경향이 기존의 대량생산이 아닌 다품종 소량 생산으로 변화됨에 따라서 새로운 가공 방식이 요구되고 있다.

3D(Three Dimension) 프린팅은 기 설정된 조형물의 3차원 CAD 모델(모델링 데이터)을 기반으로 플라스틱, 금속 및 이들의 복합 재료 등을 소결 및 적층하여 3차원의 입체적인 형상물을 제조하는 기술로서, 종래의 적삭가공 및 이를 통해 가공된 부품을 접합 또는 조립하는 공정과는 다르게 조립비용을 크게 낮출 수 있으며, 절단 위주인 기존의 제조 공정기반 대량 생산을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 나노 마이크로 분야에 적용이 가능하여 급속도로 성장하고 있다.

3D 프린팅 기술이 도입된 초기에는 금형산업분야에 주로 적용되었지만 현재는 산업적 응용을 넘어서 바이오, 식품, 패션에 이르기까지 산업의 거의 전분야에 걸쳐 3D 프린팅기술을 이용한 제품들이 출시되고 있으며, 전 세계적으로 3D 프린팅기술이 3차 제조업 혁명을 주도할 기술로 떠오르고 있다.

3D 프린팅 기술의 유형으로는, 레이저로 재료를 가열하여 응고시키는 방식(Selective Laser Sintering, SLS), 고체 수지 재료를 녹여 쌓아 만드는 방식 (Fused Deposition Modeling, FDM), 금속 분말을 레이저로 소결시켜 생산방식(Direct Metal Laser Sintering, DMLS), 전자빔을 통해 금속파우더를 용해하는 방식(Electron Beam Melting, EBM), 레이저광을 선택적으로 방출하여 수지를 경화시키는 방식(Stereo Lithography Apparatus, SLA) 등으로 다양하며, 공정상의 효율을 극대화하기 위하여 많은 연구가 계속해서 진행되고 있다.

한국등록특허 제10-1523692호에서는 X,Y,Z축으로 이동이 가능한 헤드가 열가소성 필라멘트를 토출하여 작업판에 인쇄대상물과 동일한 형상의 성형물이 형성되도록 적층시키고, 출력된 성형물을 다양한 색상으로 구현시킬 수 있도록 한 3차원 프린터를 제시하고 있다.

또한, 한국등록특허 제10-1524362호은 노즐이 구비되어 있는 헤드 모듈의 양측에서 상기 헤드 모듈을 지지하며 Z축 방향을 따라 상하로 함께 이동하는 제1캐리어 모듈과 제2캐리어 모듈이 하나의 모터에 의하여 동시에 이동될 수 있도록 함과 동시에 상기 헤드 모듈로 공급되는 원료 필라멘트의 이송을 제어하는 공급제어부를 상기 헤드 모듈 자체에 구비하지 않고 프린터 장치의 다른 부분에 부설한 3차원 입체 프린터 장치를 제시하고 있다.

또한, 한국등록특허 제10-1510137호에서는 내부에 길이방향으로 중공부가 형성되고, 상기 중공부 하부에 분출 노즐이 형성되는 챔버, 상기 중공부의 일 측에 형성되는 유입구와 연결되어 상기 유입구로 상기 인쇄용 물질(고체 필라멘트 혹은 액상 금속)을 유입시키는 시린지(Syringe), 상기 중공부 내에 위치하여 일 방향으로 회전하는 회전 부재 및 상기 회전 부재가 회전되도록 구동력을 가하는 작동 부재를 포함하는 삼차원 프린터를 제시하고 있다.

또한, 한국공개특허 제10-2016-0059726호에서는 분말 재료가 임의의 공간에 위치되도록 제어하여 다수의 레이저를 통해 경화함으로써 신속한 제작과 제조 후 추가 제작을 수행할 수 있는 분말을 이용한 플로팅 방식의 3차원 프린터를 제시하고 있다.

이처럼 3D 프린팅 기술에 있어, 원료가 투입 및 적용되는 형태는 필라멘트를 적층하거나 분말 재료를 소결하는 방법이 이용되고 있다.

하지만, 상기 방법들은 점 단위 및 선 단위의 원료를 연속적으로 적층하여 면 단위 및 3차원의 입체 단위로 적층하기 때문에 적층체 및 조형물을 형성하는데 소요되는 시간이 긴 한계가 있었다.

또한, 각 레이어의 적층 두께를 일정하게 유지하기 어려워 기 설정된 조형물의 3차원 CAD 모델을 통해 형성하려는 적층체가 높이가 일정하지 않거나, 기울어지는 문제점이 있었다.

특히, 각 레이어의 위치별 면적에 따라 수축되는 정도가 다름에 따라, 이를 보정하기 어려운 문제점이 있었다.

한국등록특허 제10-1523692호 3차원 프린터 한국등록특허 제10-1524362호 3차원 입체 프린터 장치 한국등록특허 제10-1510137호 삼차원 프린터 한국공개특허 제10-2016-0059726호 분말을 이용한 플로팅 방식의 3차원

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 연속적으로 공급되는 롤투롤 필름을 진공 하에서 열 프레스로 융착 및 절단시키는 공정을 반복하여 기설정된 형상으로 빠르게 조형하기 위한 VFP 3D 프린팅 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.

즉, 본 발명은 진공 필름 프로세서(Vaccum Film Process, VFP)를 통해 3차원 조형물을 빠르게 형성하기 위한 VFP 3D 프린팅 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 VFP 3D 프린팅 시스템은 필름을 롤투롤 형태로 연속적으로 공급하기 위한 필름 공급부와 상기 필름 공급부를 통해 공급된 필름을 진공 밀폐하는 진공 밀폐부와 상기 진공 밀폐부 내의 하측에 배치되어 조형물이 적층되는 베드와 상기 진공 밀폐부 내의 상측에 배치되어 공급된 필름을 가열, 가압하여 베드 또는 적층된 조형물의 상부에 융착하기 위한 열프레스부와 상기 열프레스부에 의해 융착된 필름을 기설정된 형태로 절단하기 위한 절단부를 포함하는 것을 특징을 한다.

또한, 상기 베드는 다음에 공급되는 필름이 적층된 조형물의 상측으로 이동 및 적층될 수 있도록 적층된 조형물의 높이에 대응하는 높이만큼 하강할 수 있는 수직 이송부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 필름 공급부는 복수 개의 상이한 컬러 또는 두께를 가진 필름을 공급하기 위해 복수 개로 구성되며, 상기 베드는 수평 이송부에 의해 상기 복수 개의 필름 공급부 중 어느 하나를 통해 공급되는 필름의 하측으로 선택적으로 이송 가능하게 구성되어 적층되는 필름의 컬러 또는 두께를 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 필름 공급부를 통해 공급되는 필름의 하부에 열경화성 접착제를 도포하기 위한 접착제 도포부를 더 포함하는 것을 특징을 한다.

또한, 본 발명의 VFP 3D 프린팅 방법은 롤투롤 형태로 연속해서 공급되는 필름을 열 프레스가 내부에 구비된 진공 밀폐부에 공급하는 1차 필름공급단계(S100)와 공급된 필름을 열프레스부로 가압, 가열하여 베드에 융착시키는 1차 열프레스 단계(S200)와 베드에 융착된 필름을 절단부를 이용하여 기설정된 형상으로 절단시켜 제 1레이어를 형성하는 1차 절단단계(S300)와 필름을 이동시켜 절단된 제 1레이어를 제외한 나머지 부분을 베드로부터 박리시켜 배출하는 1차 박리단계(S400)와 롤투롤 형태로 연속해서 재공급되는 필름을 상기 제 1레이어 상부에 배치시킨 후 열프레스부로 가압, 가열하여 제 1레이어의 상부에 재공급된 필름을 융착시키는 2차 열프레스 단계(S500)와 재공급되어 열프레스된 필름을 절단부를 이용하여 기설정된 형상으로 절단시켜 제 2레이어를 형성하는 2차 절단단계(S600)와 재공급된 필름을 이동시켜 절단된 제 2레이어를 제외한 나머지 부분을 제1 레이어로부터 박리시켜 배출하는 2차 박리단계(S700)를 포함하며, 기설정된 적층 횟수에 따라 상기 2차 열프레스 단계, 2차 절단단계, 2차 박리단계를 반복 수행하여 기설정된 형상의 적층체를 조형하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 1차 필름공급단계(S100) 이전에 롤투롤 형태로 연속해서 공급되는 필름의 하부에 열경화성 접착제를 도포하는 접착제 도포단계를 더 포함하는 것을 특징을 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 VFP 3D 프린팅 시스템 및 그 방법에 의하면, 연속적으로 공급되는 필름상의 원료를 열프레스로 융착 및 절단하여 조형물을 구성하는 각 레이어를 한번에 형성함에 따라, 3차원 조형물 형성하는데 소요되는 시간을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 진공 필름 프로세서 3D 프린팅 시스템을 보여주는 구성도.
도 2는 본 발명의 진공 필름 프로세서 3D 프린팅 방법을 보여주는 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 베드 수평 이송단계를 보여주는 모식도.
도 4는 본 발명에 따른 1차 열프레스단계(S200)를 보여주는 모식도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 1차 절단단계(S300)를 보여주는 모식도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 1차 절단단계(S300)를 보여주는 모식도.
도 7은 본 발명에 따른 1차 박리단계(S400)를 보여주는 모식도.
도 8은 본 발명에 따른 2차 열프레스 단계(S500)를 보여주는 모식도.
도 9는 본 발명에 따른 (A)2차 절단단계(S600)와 (B)2차 박리단계(S700)를 보여주는 모식도.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 이하에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.

본 발명은 VFP 3D 프린팅 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연속적으로 공급되는 롤투롤 필름을 진공 하에서 열 프레스로 융착 및 절단시키는 공정을 반복하여 기설정된 형상으로 조형하는 VFP 3D 프린팅 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 진공 필름 프로세서 3D 프린팅 시스템을 보여주는 구성도이다.

본 발명에 따른 진공 필름 프로세서 3D 프린팅 시스템은 필름을 롤투롤 형태로 연속적으로 공급하기 위한 필름 공급부(10)와 상기 필름 공급부(10)를 통해 공급된 필름을 진공 밀폐하는 진공 밀폐부(20)와 상기 진공 밀폐부(20) 내의 하측에 배치되어 조형물이 적층되는 베드(32)와 상기 진공 밀폐부(20) 내의 상측에 배치되어 공급된 필름을 가열, 가압하여 베드(32) 또는 적층된 조형물의 상부에 융착하기 위한 열프레스부(31)와 상기 열프레스부(31)에 의해 융착된 필름을 기설정된 형태로 절단하기 위한 절단부(40)를 포함한다.

상기 필름 공급부(10)는 최종 생산될 3D 적층체(조형물)을 구성하기 위해 필름을 롤투롤 형태로 연속하여 진공 밀폐부(20)에 공급한다. 상기 필름 공급부(10)는 진공 밀폐부(20) 및 열프레스부(31)에 필름이 기설정된 길이만큼 공급되면 공급 및 이동을 중단하여 후속 공정을 진행할 수 있도록 한다.

또한, 상기 진공 밀폐부(20)는 도 1의 (1-I) 또는 (1-II)와 같이 개방 또는 폐쇄될 수 있도록 상하 동작되도록 구성됨이 바람직하며, 개방된 상태에서 필름이 공급되고, 상기 필름 공급부(20)를 통해 공급된 필름의 공급이 완료되면, 상기 진공 밀폐부(20)는 하강하여 진공 밀폐된다.

또한, 본 발명은 공급된 필름을 가열, 가압하여 적층되는 필름 간의 계면을 융착시키게 되는데, 고온에 의해 용융된 필름에 기포가 발생되는 것을 방지하기 위하여 상기 진공 밀폐부(20)는 진공 환경을 조성하게 된다.

또한, 상기 진공 밀폐부(20)는 내부를 가열하기 위한 가열 수단(미도시)을 포함하여 열 프레스 공정 후 추가적으로 고온의 환경에 노출시켜 적층되는 필름의 측면을 일부 용융시킴으로써 필름의 절단면에 의해 발생되는 계단현상을 방지하도록 구성될 수도 있다.

또한, 상기 열프레스부(31)는 상기 진공 밀폐부(20)의 내부에 구비되며, 롤투롤 형태로 공급되는 필름을 상측에서 가열, 가압하기 위한 열프레스(31)는 상하 이송가능하게 구성되되, 내부에 히터(미도시)가 구비되어 공급된 필름을 가압하는 상태에서 히터가 열프레스를 필름의 융점 이상으로 승온시킨 상태에서 1초 내지 10초간 유지시켜 공급된 필름의 하면을 융착시키도록 구성됨이 바람직하다.

또한, 상기 필름이 최초로 적층되며, 필름의 반복적층에 의한 적층체가 올려지는 베드(32)는 롤투롤 형태로 공급되는 필름의 하측에 배치되되, 공급되는 필름의 이동을 방해하지 않도록 공급되는 필름의 하부면 높이보다 낮은 높이에 위치함이 바람직하며, 필름이 반복적으로 적층될 때마다, 변동되는 적층체의 높이를 고려하여 상하로 이동 가능하게 구성됨이 바람직하다.

즉, 연속하여 공급되는 필름의 높이가 항상 일정함에 따라, 필름이 적층된 후 적층된 필름의 상부에 연속하여 다음 필름이 적층될 수 있도록 상기 베드(32)는 적층된 필름의 높이이상 하강할 필요성이 있는 것이다.

또한, 상기 절단부(40)는 융착이 완료된 후 최상층의 시트를 기설정된 형상으로 절단하기 위한 것으로서, 외부에 배치되어 상기 진공 밀폐부(20)가 개방되었을 때 진공 밀폐부(20)의 내부로 진입하여 동작되도록 구성되거나, 진공 밀폐부(20)의 내부에 배치될 수도 있다.

또한, 상기 절단부(40)는 절단에 의한 분진을 최소화할 수 있는 레이저 커팅기가 사용됨이 바람직하나, 칼날, 톱날을 비롯해 회전 절삭공구 등이 사용될 수도 있다.

또한, 상기 절단부(40, 도 5의 40' 참조)는 하나 이상이 구비되어 동시에 복수 위치의 절단이 가능하도록 구성될 수도 있다.

본 발명의 3D 프린팅 시스템은 상기 필름 공급부(10)를 통해 롤투롤 형태로 필름이 진공 밀폐부(20)에 공급되고, 필름이 베드(32) 위에 위치하게 되면, 상기 필름 공급부(10)의 동작이 멈추게 되고, 상기 열프레스부(31)가 진공 환경 하에서 필름을 가열, 가압하게 된다.

가열, 가압된 필름은 베드(32) 위에 융착되어 고정되며, 상기 절단부(40)가 3D 프린터 제어부에 저장된 정보(기 설정된 모델링 데이터)를 바탕으로 융착된 필름을 기설정된 형상으로 절단하게 된다.

이때, 융착된 필름은 3D 조형물이 되는 부분(제 1레이어, 하기 아래 설명)과 그렇지 않은 부분으로 나눠지게 되며, 절단이 완료된 후, 상기 필름 공급부(10)가 다시 동작되면서 필름이 일측으로 이동하게 되는데, 절단되어 3D 조형물이 되는 부분(제1 레이어)은 베드(32)에 고정된 채로 남아있고, 가열, 가압에 의해 일시적으로 융착되어 있던 나머지 부분은 필름의 이동과 함께 박리되어 배출된다.

상술된 바와 같이, 상기 베드(32)는 공급되는 필름의 하측에 배치되되, 필름의 이동을 방해하지 않는 높이로 배치될 필요성이 있으며, 이를 위해 다음에 공급되는 필름이 적층된 조형물의 상측으로 이동 및 적층될 수 있도록 상기 베드(32)를 적층된 조형물의 높이에 대응하는 높이만큼 하강시킬 수 있는 수직 이송부(미도시)를 더 포함하여 구성됨이 바람직하다.

또한, 상기 수직 이송부를 통해 상기 베드(32)를 하강시킴으로써 융착된 상태로 절단된 필름을 3D 조형물이 되는 부분(제 1레이어)과 나머지 부분을 1차적으로 박리시켜 나머지 부분에 해당하는 필름을 용이하게 이송 및 배출시킬 수 있게 된다.

반면, 상기 베드(32)와 공급되는 필름 간의 이격 간격이 공급되는 필름의 두께 이상이거나, 열프레스의 가압에 의해 필름이 신장 및 하강하면서 베드(32)에 융착된 경우, 또는 융착된 필름을 강제적으로 상승시켜 베드(32)로부터 나머지 부분에 해당하는 필름을 박리시키기 위한 구성을 더 포함할 경우, 필름의 나머지 부분의 박리를 위해 별도로 베드(32)의 상승 및 하강 공정이 필요치 않게 되나, 상기 베드(32)의 위치는 최종적으로 적층된 필름과 새로운 층을 형성하기 위하여 공급되는 필름에 영향을 주지 않도록 적층될 때마다 상기 수직 이송부에 의해 그 높이가 변경됨이 바람직하다.

보다 상세하게는, 상기 베드(32) 상에 필름이 적층되고 나면, 새로운 필름이 앞서 적층된 필름의 위에 배치되어야 하는데, 이때 앞서 적층된 필름과 그 상부에 새롭게 배치되는 필름 사이에 이격된 공간이 없다면 이동되는 필름에 의해 앞서 적층된 필름에 쓸림 및 파손 등의 불량이 발생될 수 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해소하기 위하여 필름이 적층됨에 따라, 상기 적층되는 필름(3D 프린팅 조형물이 되는 필름)의 최상층이 이동 및 새롭게 공급되는 필름에 영향을 받지 않도록 적층되는 필름의 최상층이 새롭게 공급되는 필름의 하측에 위치하도록 베드(32)를 하측으로 최종적으로 적층된 필름의 높이만큼 이동시킴이 바람직하다.

상기 필름이 이동됨과 동시에 상기 베드(32) 상에는 상기 절단부(40)에 의해 기설정된 형상으로 절단된 제 1레이어만 남게 되고, 상기 층 위에는 새로운 필름이 롤투롤 형태로 연속하여 재공급되며, 새롭게 재공급된 필름은 열프레스(20)에 의해 가열, 가압이 되면서 상기 제 1레이어의 상부에 적층되고, 절단, 박리되는 형태로 복수 회수 반복되어 기설정된 3D 적층체(조형물)를 형성하게 된다.

또한, 본 발명에 의한 진공 필름 프로세서 3D 프린팅 시스템은 제어부(미도시)를 더 포함하여 3D 프린팅 시스템의 작동을 제어할 수 있다.

또한, 상기 필름은 최종 생산될 3D 조형물이 요구되는 재료 특성을 고려하여 선택되어질 수 있으며, 플라스틱 수지 및 무기 재료를 포함하는 박막 필름(thin film)이 사용될 수 있다.

상기 플라스틱 수지로는 폴리에틸렌(PE, polyethylene), 폴리프로필렌(PP, polypropylene), 폴리스티렌(PS, polyStyrene), 폴리아미드(PA, polyamide), 폴리이미드(PI, Polyimide), 폴리프탈아미드(PPA, polyphtalamide), 폴리카보네이트(PC, polycarbonate), 폴리옥시메틸렌(POM, polyoxymethylene), 폴리설폰(PS, polysulfone), 폴리부틸렌테레프탈렌(PBT, poly-butylene-terephthalate), 폴리염화비닐 (PVC, Poly Vinyl Chloride), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET, polyethylene Terephthalate), 폴리아크릴로니트릴(PAN, Polyacrylonitrile), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE, Polytetrafluoro ethylene), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA, Polymethyl metacylate), ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene), Styrene Acrylonitrile copolymer(SAN), 열가소성 폴리우레탄(TPU;Thermoplastic Polyurethane), 변성 폴리페닐렌옥시드(PPO, polyphenylene oxide), 에폭시 수지를 포함할 수 있다.

상기 무기재료로는 철, 동, 아연, 알루미늄, 니켈, 티타늄, 마그네슘, 스테인레스 및 합금, 탄산칼슘, 실리카 등을 포함할 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.

또한, 상기 수지재료와 무기재료가 혼합된 조성물로 제조된 라미네이트 및 프리프레그(Prepreg)를 포함할 수 있으며, 일면에 수지재료가 배치되고 타면에 무기재료가 배치된 필름을 사용할 수도 있다.

또한, 공급되는 필름의 두께는 우수한 외형 구현 및 가공성을 고려하여 5 내지 5,000㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

보다 상세하게는, 상기 두께 미만이면 지나치게 박막으로, 적층체 및 조형물을 제조함에 있어 공정 시간이 길어지고, 열 프레스시 열 프레스에 부착되어 가공이 곤란해지며, 상기 두께를 초과하면 열 프레스 및 가열 수단의 열 및 압력이 필름 표면 또는 내부에 전달되기 힘들어 필름 계면간의 접착성이 떨어지기 때문에 상기 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다.

필름의 두께는 최종 생산될 3D 조형물의 외형의 곡면 곡률을 고려하여 선택되어질 수 있으며, 3D 조형물의 외형 곡률이 작을 경우(세밀한 표면처리가 필요치 않은 경우), 두꺼운 두께의 필름을 공급하고, 3D 조형물의 외형 곡률이 클 경우(세밀한 표면처리가 필요한 경우), 보다 얇은 두께의 필름을 공급하여 공정의 효율을 증대시킬 수 있다.

또한, 상기 과정이 자동으로 변경될 수 있도록 구성할 수도 있다.

즉, 롤투롤 형태로 필름이 공급됨에 따라, 다른 두께 또는 색상의 필름으로 변경하여 적층이 어려움에 따라, 상기 필름 공급부는 복수 개의 상이한 컬러 또는 두께를 가진 필름을 공급하기 위해 복수 개로 구성되며, 상기 베드는 수평 이송부에 의해 상기 복수 개의 필름 공급부 중 어느 하나를 통해 공급되는 필름의 하측으로 선택적으로 이송 가능하게 구성될 수 있다.

이를 통해, 적층하고자 하는 필름의 컬러 또는 두께에 따라 베드를 수평 이송부를 통해 이송시키면서 다른 컬러 또는 두께의 필름을 적층시킬 수 있게 된다.

본 발명에 의한 진공 필름 프로세서 3D 프린팅 방법은 앞서 상술된 진공 필름 프로세서 3D 프린팅 시스템을 이용하게 되며, 이하, 진공 필름 프로세서 3D 프린팅 시스템을 이용한 진공 필름 프로세서 3D 프린팅 방법을 설명한다.

도 2는 본 발명의 진공 필름 프로세서 3D 프린팅 방법을 보여주는 순서도이다.

본 발명의 진공 필름 프로세서 3D 프린팅 방법은 롤투롤 형태로 연속해서 공급되는 필름을 열 프레스가 내부에 구비된 진공 밀폐부에 공급하는 1차 필름공급단계(S100)와 공급된 필름을 열프레스부로 가압, 가열하여 베드에 융착시키는 1차 열프레스 단계(S200)와 베드에 융착된 필름을 절단부를 이용하여 기설정된 형상으로 절단시켜 제 1레이어를 형성하는 1차 절단단계(S300)와 필름을 이동시켜 절단된 제 1레이어를 제외한 나머지 부분을 베드로부터 박리시켜 배출하는 1차 박리단계(S400)와 롤투롤 형태로 연속해서 재공급되는 필름을 상기 제 1레이어 상부에 배치시킨 후 열프레스부로 가압, 가열하여 제 1레이어의 상부에 재공급된 필름을 융착시키는 2차 열프레스 단계(S500)와 재공급되어 열프레스된 필름을 절단부를 이용하여 기설정된 형상으로 절단시켜 제 2레이어를 형성하는 2차 절단단계(S600)와 재공급된 필름을 이동시켜 절단된 제 2레이어를 제외한 나머지 부분을 제1 레이어로부터 박리시켜 배출하는 2차 박리단계(S700)를 포함하며, 기설정된 적층 횟수에 따라 상기 2차 열프레스 단계, 2차 절단단계, 2차 박리단계를 반복 수행하여 기설정된 형상의 적층체를 조형하는 것을 특징으로 한다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 1차 필름공급단계(S100) 이전 또는 2차 열프레스 단계(S500) 이전에 적층하고자 하는 필름(101, 102)의 컬러, 두께, 재질에 따라 해당 필름(101, 102)의 하측으로 베드(32)를 수평 이송시키는 베드 수평 이송단계를 더 포함할 수도 있다.

예를 들면, 상기 베드 수평 이송단계를 통해 이종 재질의 필름의 하부로 베드를 이송시키면서 이종 재질의 필름 중 어느 하나를 선택적으로 적층하도록 구성할 수도 있다.

즉, 상기 위에서 설명한 바와 같이 일면에 금속재료가 배치되고 타면에 수지재료가 배치된 필름을 이용하거나, 필름의 공급을 중지하고 다른 재료로 구성된 필름을 공급하는 것이 아니라, 베드(32)를 이송시키면서 다른 재료로 구성된 필름 중 어느 하나를 선택적으로 적층하는 것이다.

예를 들면, 일측으로 금속재료로 구성된 필름(101)이 공급되며, 타측으로 수지로 구성된 필름(102)이 공급되는 형태로 복수 개의 공급 라인을 구성하고, 복수 개의 공급 라인 중 어느 하나의 하측으로 베드(32)를 선택적으로 이송시켜 해당 필름을 적층함으로써 금속재료로 구성된 필름(101)과 수지로 구성된 필름(102) 중 어느 하나를 선택적으로 적층하거나, 금속으로 구성된 필름(101)과 수지로 구성된 필름(102)을 교번하여 적층하도록 구성할 수도 있다.

도 4는 본 발명에 따른 필름공급단계(S100)와 1차 열프레스단계(S200)를 보여준다.

상기 필름공급단계(S100)는 롤투롤 형태로 필름(100)을 열프레스부(31)가 내부에 구비된 진공 밀폐부에 공급하게 되며, 필름(100)이 베드(32) 상부에 배치되면 필름(100)의 공급 및 이동을 중단하게 된다.

상기 1차 열프레스 단계(S200)는 공급된 필름(100)을 열프레스부(31)로 가압, 가열하여 베드(32)에 융착시키게 된다.

상기 필름(100)이 일반적인 열가소성 재질일 경우, 열프레스부(31)를 통해 필름의 계면이 용융되어 적층됨에 따라 별도의 접착제 도포 공정이 필요치 않게 되나, 보다 높은 접착력을 형성시키거나, 이종의 재질 또는 가열, 가압에 의해 융착되지 않는 이종 재질의 필름을 적층시킬 경우, 상기 1차 필름공급단계(S100) 이전에 롤투롤 형태로 연속해서 공급되는 필름의 하부에 열경화성 접착제를 도포하는 접착제 도포단계를 더 포함하고, 열프레스를 통해 도포된 열경화성 접착제를 경화시키도록 구성할 수도 있다.

상기 열프레스부(31)에 의한 가압, 가열은 필름의 적층 시 기포가 발생되지 않도록 5 내지 15 bar의 진공 환경하에서 진행되게 된다.

이때 열프레스는 50,000 내지 150,000 bar의 압력, 80 내지 500℃의 온도에서 수행됨이 바람직한데, 상기 압력 및 상기 온도 미만에서는 공급된 필름이 연화 및 용융되기 힘들어 계면 간의 접착이 이뤄지기 힘들고, 상기 압력 및 온도를 초과할 경우에는 지나치게 용융되어 기설정된 형상을 유지하기 힘들기 때문에 상기 범위를 벗어나지 않도록 한다.

도 5는 본 발명에 따른 1차 절단단계(S300)를 보여준다.

상기 1차 절단단계(S300)는 베드(32)에 융착된 필름(100)을 절단부(40)를 이용하여 기설정된 형상으로 절단시켜 제 1레이어(100')를 형성하게 된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 절단부(40)를 하나 이상 구비하여 동시에 하나 이상의 3D 조형물을 형성하는 것도 가능하다.

도 7은 본 발명에 따른 1차 박리단계(S400)를 보여주는 것으로서, 상기 1차 박리단계(S400)에서는 절단된 제 1레이어(100')를 제외한 나머지 필름(100B)을 베드(32)로부터 박리시키게 된다.

보다 상세하게는, 상기 1차 열프레스단계(S200)에 의해 베드(32)에 융착된 필름은 상기 1차 절단단계(S300)에 의해 3D 조형물이 되는 부분(제 1레이어, 100')과 그렇지 않은 부분(100B)으로 나눠지게 되며, 박리는 상기 필름(100)을 이동시키거나, 베드(32)를 하강시킴으로써 발생되며, 필름(100)을 이동시키게 되면 절단에 의해 분리되어 3D 조형물이 되는 제 1레이어(100')는 베드(32)에 고정된 채로 남아있고, 가열 및 연화에 의해 일시적으로 부착되어 있던 나머지 부분(100B)은 필름(100)의 이동과 함께 박리되어 이동 및 배출된다.

도 8은 본 발명에 따른 2차 열프레스 단계(S500)를 보여주는 것으로서, 상기 2차 열프레스 단계(S500)에서는 롤투롤 형태로 연속해서 재공급되는 필름(200)을 상기 제 1레이어(100') 상부에 배치시킨 후 열프레스부(31)로 가압, 가열하여 제 1레이어(100')의 상부에 융착시키게 된다.

상기 2차 열프레스 단계(S500)는 상기 1차 열프레스 단계(S200)와 동일하게 수행되거나, 열프레스 온도 및 압력을 더욱 증가시켜 수행할 수 있다.

상기 1차 열프레스 단계(S200)에서는 베드(32)에 최초로 필름을 가열, 가압하기 때문에 열프레스를 높은 온도에서 수행할 경우, 필름이 지나치게 용융되어 베드와의 부착성이 너무 강해 1차 박리단계(400)에서 제 1레이어 외에 박리되어야 할 나머지 부분이 필름의 이동과 함께 박리되지 못하기 때문에 비교적 낮은 온도에서 형성됨이 바람직하다.

하지만, 상기 제 1레이어(100')가 형성된 이후의 2차 열프레스 단계(S500)에서는 상기 제 1레이어(100')의 상부에 재공급된 필름(200)이 베드(32)와는 이격된 상태로 적층되기 때문에 열프레스 조건을 비교적 높게 형성하는 것이 가능해진다.

또한, 상기 1차 열프레스 단계(S200)와 상기 2차 열프레스 단계(S500)는 공급된 필름을 가압하는 열프레스부를 공급된 필름의 융점 이상으로 승온시킨 상태에서 1초 내지 10초간 유지시켜 공급된 필름의 하면을 융착하는 융착단계와 필름을 융착시킨 열프레스부를 공급된 필름의 융점 이하로 냉각시킨 상태에서 1초 내지 10초간 유지시켜 하면이 융착된 필름을 경화시키는 냉각단계를 더 포함할 수도 있다.

이때, 상기 융착단계는 공급된 필름의 융점 이상으로 열프레스부를 승온시켜 1초 내지 10초간 유지시키게 된다. 융점 이상의 온도에서 장시간 노출시키거나, 고온의 공정이 계속해서 반복되면 최종적으로 생산될 3D 조형물의 변형이 발생될 수 있기 때문에 1초 내지 10초 간의 단시간 동안 노출시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각단계를 수행하기 위해서는 상기 열프레스부를 관통하는 냉각유로를 형성한 후 냉각유로에 냉각수를 공급함으로써 열프레스부의 온도를 하강시키도록 구성할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 (A)2차 절단단계(S600)와 (B)2차 박리단계(S700)를 보여준다.

상기 2차 절단단계(S600)에서는 적층된 필름(200)을 절단부(40)를 이용하여 기설정된 형상으로 절단시켜 제 2레이어(200')를 형성하게 된다.

상기 2차 박리단계(S700)에서는 재공급된 필름을 이동시켜 절단된 제 2레이어(200')를 제외한 나머지 필름(200)을 박리시키게 되며, 상기 제 1레이어(100')의 상측에 상기 제 2레이어(200')가 적층된 상태로 존재하게 된다.

3D 프린팅 최종적인 조형물은 기설정된 적층 횟수에 따라 상기 2차 열프레스 단계, 2차 절단단계, 2차 박리단계를 반복 수행하여 기설정된 형상을 조형하여 조형물을 제조하게 된다.

이상과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.

10 : 필름 공급부
20 : 진공 밀폐부
31 : 열프레스
32 : 베드
40 : 절단부
100 : 필름
100' : 제 1레이어
200 : 재공급된 필름
200' : 제 2레이어

Claims (6)

1. 필름을 롤투롤 형태로 연속적으로 공급하기 위한 필름 공급부와;
   상기 필름 공급부를 통해 공급된 필름을 진공 밀폐하는 진공 밀폐부와;
   상기 진공 밀폐부 내의 하측에 배치되어 조형물이 적층되는 베드와;
   상기 진공 밀폐부 내의 상측에 배치되어 공급된 필름을 가열, 가압하여 베드 또는 적층된 조형물의 상부에 융착하기 위한 열프레스부와;
   상기 열프레스부에 의해 융착된 필름을 기설정된 형태로 절단하기 위한 절단부를 포함하며,
   상기 필름 공급부는 복수 개의 상이한 컬러 또는 두께를 가진 필름을 공급하기 위해 복수 개로 구성되며,
   상기 베드는 수평 이송부에 의해 상기 복수 개의 필름 공급부 중 어느 하나를 통해 공급되는 필름의 하측으로 선택적으로 이송 가능하게 구성되어 적층되는 필름의 컬러 또는 두께를 조절할 수 있고,
   상기 필름 공급부는 조형물의 외형 곡률이 작을 경우 두꺼운 두께의 필름을 공급하고, 조형물의 외형 곡률이 클 경우 얇은 두께의 필름을 공급하며,
   상기 진공 밀폐부는 내부를 가열하기 위한 가열 수단을 포함하여 열프레스부에 의해 공급된 필름이 조형물의 상부에 융착된 후 적층된 필름의 측면을 일부 용융시킴으로써 필름의 절단면에 의해 발생되는 계단현상을 방지하고,
   상기 열프레스부는 융착된 필름을 경화시키기 위한 냉각수가 공급되는 냉각유로가 형성된 것을 특징으로 하는
   VFP 3D 프린팅 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 베드는
   다음에 공급되는 필름이 적층된 조형물의 상측으로 이동 및 적층될 수 있도록 적층된 조형물의 높이에 대응하는 높이만큼 하강할 수 있는 수직 이송부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
   VFP 3D 프린팅 시스템.
   
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 필름 공급부를 통해 공급되는 필름의 하부에 열경화성 접착제를 도포하기 위한 접착제 도포부를 더 포함하는 것을 특징을 하는
   VFP 3D 프린팅 시스템.
   
5. 롤투롤 형태로 연속해서 공급되는 필름을 열 프레스가 내부에 구비된 진공 밀폐부에 공급하는 1차 필름공급단계(S100)와;
   공급된 필름을 열프레스부로 가압, 가열하여 베드에 융착시키는 1차 열프레스 단계(S200)와;
   베드에 융착된 필름을 절단부를 이용하여 기설정된 형상으로 절단시켜 제 1레이어를 형성하는 1차 절단단계(S300)와;
   필름을 이동시켜 절단된 제 1레이어를 제외한 나머지 부분을 베드로부터 박리시켜 배출하는 1차 박리단계(S400)와;
   롤투롤 형태로 연속해서 재공급되는 필름을 상기 제 1레이어 상부에 배치시킨 후 열프레스부로 가압, 가열하여 제 1레이어의 상부에 재공급된 필름을 융착시키는 2차 열프레스 단계(S500)와;
   재공급되어 열프레스된 필름을 절단부를 이용하여 기설정된 형상으로 절단시켜 제 2레이어를 형성하는 2차 절단단계(S600)와;
   재공급된 필름을 이동시켜 절단된 제 2레이어를 제외한 나머지 부분을 제1 레이어로부터 박리시켜 배출하는 2차 박리단계(S700)를 포함하며,
   기설정된 적층 횟수에 따라 상기 2차 열프레스 단계, 2차 절단단계, 2차 박리단계를 반복 수행하여 기설정된 형상의 적층체를 조형하고,
   상기 1차 필름공급단계(S100) 이전 또는 2차 열프레스 단계(S500) 이전에 적층하고자 하는 필름의 컬러, 두께, 재질에 따라 해당 필름의 하측으로 베드를 수평 이송시키는 베드 수평 이송단계를 더 포함하며,
   상기 2차 열프레스 단계(S500)는 상기 1차 열프레스 단계(S200)보다 상기 열프레스부의 온도 및 압력을 더욱 증가시켜 수행되며,
   상기 1차 열프레스 단계(S200)와 상기 2차 열프레스 단계(S500)는 공급된 필름을 가압하는 열프레스부를 공급된 필름의 융점 이상으로 승온시킨 상태에서 1초 내지 10초간 유지시켜 공급된 필름의 하면을 융착하는 융착단계와 필름을 융착시킨 열프레스부를 공급된 필름의 융점 이하로 냉각시킨 상태에서 1초 내지 10초간 유지시켜 하면이 융착된 필름을 경화시키는 냉각단계를 더 포함하는 것을 특징을 하는
   VFP 3D 프린팅 방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 1차 필름공급단계(S100) 이전에
   롤투롤 형태로 연속해서 공급되는 필름의 하부에 열경화성 접착제를 도포하는 접착제 도포단계를 더 포함하는 것을 특징을 하는
   VFP 3D 프린팅 방법.
   

Images