KR101887419B1 - 광경화식 3d 성형방법 및 광경화식 3d 성형장치 - Google Patents

광경화식 3d 성형방법 및 광경화식 3d 성형장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광경화식 3D 성형방법 및 광경화식 3D 성형장치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 조형물을 성형하는 시간을 단축할 수 있는 광경화식 3D 성형방법 및 광경화식 3D 성형장치를 제공하는 것이다. 이를 위해, 본 발명에 따른 투명한 바닥판을 갖는 수지조 내에 수용된 광경화성 액체수지를 조형판에 층상으로 적층시켜 조형물을 성형하는 광경화식 3D 성형방법은 단위성형층을 위한 층이미지광을 조사하는 동안 상기 단위성형층의 적어도 일부의 두께 범위 내에서 상기 조형판을 상기 수지조 바닥판에 대해 상대적으로 상승시키며 조형한다.

Description

광경화식 3D 성형방법 및 광경화식 3D 성형장치{PHOTO-CURABLE 3D FORMING METHOD AND PHOTO-CURABLE 3D FORMING APPARATUS}
본 발명은 광경화식 3D 성형방법 및 광경화식 3D 성형장치에 관한 것이다.
광경화식 3D 성형장치는 투명한 바닥판을 가지고 빛의 노출을 통해 경화되는 액상의 광경화 수지를 수용하는 수지조와, 수지조 내부에서 바닥판에 대해 승강 가능한 조형판을 갖는다. 조형판은 초기 단계에서 바닥판에 대해 단위성형층만큼 이격 배치된다. 이 상태에서, 바닥판을 통해 이미지광이 조사되면 조형판과 바닥판 사이의 수지가 경화된다. 그리고 조형판을 바닥판에 대해 다시 들어올려서 미리 적측된 단위성형층의 하부면과 바닥판 사이 간격이 후속 단위성형층 두께만큼 이격되도록 하며, 후속의 이미지광을 투사하여 경화시킨다.
종래의 3D 성형장치는 미리 적층된 하나의 단위성형층과 바닥판 사이에 액체수지가 채워질 수 있도록, 조형판을 일정 높이만큼 상승시킨 후 다시 하강시켜 미리 성형된 단위성형층의 하부면과 바닥판 사이 간격이 후속의 단위성형층 두께만큼 이격되도록 한다. 이에 따라, 종래의 3D 성형장치는 조형판의 상승과 하강 동작에 상당한 시간을 소모하였다. 그리고 완전히 경화된 단위성형층에 새로운 단위성형층을 순차적으로 적층하여 조형물의 외표면이 매끄럽지 못하다.
본 발명의 목적은 조형물을 성형하는 시간을 단축할 수 있는 광경화식 3D 성형방법 및 광경화식 3D 성형장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 매끄러운 표면의 조형물을 성형할 수 있는 광경화식 3D 성형방법 및 광경화식 3D 성형장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 투명한 바닥판을 갖는 수지조 내에 수용된 광경화성 액체수지를 조형판에 층상으로 적층시켜 조형물을 성형하는 광경화식 3D 성형방법은 단위성형층을 위한 층이미지광을 조사하는 동안 상기 단위성형층의 적어도 일부의 두께 범위 내에서 상기 조형판을 상기 수지조 바닥판에 대해 상대적으로 상승시키며 조형한다.
여기서, 상기 단위성형층 성형단계는 연속적으로 이루어짐으로서 비교적 시간을 더 단축시킬 수 있다.
한편, 상기 단위성형층 성형단계는 복수 단계로 단속적으로 이루어지는 것이 비교적 안정적으로 단위성형층을 형성할 수 있다.
그리고 상기 단위성형층 성형단계는 상기 액체수지에 대해 가열하는 단계를 포함하는 것이 상기 액체수지의 점성을 낮추어 상기 바닥판과 상기 미리 성형된 단위성형층 사이에 상기 액체수지가 빠르게 침투할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 다수의 단위성형층들을 적층하여 조형물을 성형하는 광경화식 3D 성형장치는 투명한 바닥판을 가지고 광경화성 액체수지를 수용하는 수지조와; 상기 바닥판과 평행한 하부면을 가지고 상기 수지조 내에서 승강 가능한 조형판과; 상기 수지조와 상기 조형판 중 적어도 하나를 승강 구동하는 승강 구동부와; 상기 수지조의 하부에서 상기 바닥판을 향하여 층이미지광을 조사하는 이미지광 조사부와; 단일의 단위성형층을 위한 상기 층이미지광을 조사하는 동안 상기 단위성형층의 적어도 일부의 두께 범위 내에서 상기 조형판을 상기 수지조의 상기 바닥판에 대해 상대적으로 상승시키도록 상기 승강구동부를 제어하는 제어부를 포함한다.
그리고 상기 광경화성 액체수지의 온도를 상승시키는 가열부를 더 포함하는 것이 상기 액체수지의 점성을 낮추어 상기 바닥판과 미리 성형되는 단위성형층 사이에 상기 액체수지가 빠르게 침투할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 광경화식 3D 성형방법과 광경화식 3D 성형장치는 조형물을 성형하는 시간을 단축할 수 있고, 매끄러운 표면의 조형물을 성형할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광경화식 3D 성형장치를 나타낸 개념도이며,
도 2 내지 도 4는 경화시간에 따른 조형판의 높이를 나타낸 그래프이다.
도 1은 본 발명에 따른 광경화식 3D 성형장치를 나타낸 개념도이다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 3D 성형장치는 투명한 바닥판(210)을 가지고 광경화성 액체수지를 수용하는 수지조(200)를 갖는다. 수지조(200)는 프레임(100)에 의해 지지된다. 프레임(100)은 수지조(200)의 바닥판(210)을 테두리 영역에서 지지한다.
광경화성 액체수지는 중합개시제와 중합금지제를 포함한다. 광경화성 액체수지에 빛이 조사되면, 중합개시제가 분해되어 라디칼을 발생한다. 중합개시제에 의해 발생된 라디칼은 초기에는 용존산소와 중합금지제와 반응한다. 라디칼에 의해 용존산소와 중합금지제가 소비되면, 라디칼이 광경화성 액체수지와 반응하여 중합이 이루어지면서 액체수지가 경화된다. 중합개시제와 중합금지제의 첨가량은 성형방법에 따라 차등을 둘 수 있다. 여기서, 라디칼이 광경화성 액체수지와 반응하여 중합이 일어나기 전까지를 반응유도기라고 한다. 액체수지에는 이형제가 첨가될 수도 있다.
수지조(200)의 하부에는 바닥판(210)을 향하여 이미지 광을 조사하는 이미지광 조사부(300)가 배치된다. 이미지광 조사부(300)는 광경화성 액체수지를 경화시키는데 필요한 빛을 발한다. 이미지광 조사부(300)는 LCD, LED, DMD 등 빛을 발하는 모든 디스플레이 장치로써 구비될 수 있다. 이미지조사부(300)는 제어부에 의해 단위성형층에 해당하는 층 이미지를 바닥판(210)을 향해 조사한다.
프레임(100)에는 수지조(200) 내부 영역에서 수직방향을 따라 승강 가능한 조형판(440)을 갖는 승강유니트(400)가 마련된다. 조형판(440)은 바닥판(210)과 평행한 하부면을 갖는다. 승강유니트(400)는 조형판(440)을 승강 구동하는 승강구동부(410)를 갖는다. 승강구동부(410)는 높이방향을 따라 승강 가능한 승강아암(420)을 포함한다. 승강아암(420)에는 조형판(440)과 매개부(430)가 결합된다. 매개부(430)는 조형판(440)이 바닥판(210)과 평행을 이룰 수 있도록 조정하며, 승강 이동시 떨림을 방지하는 역할을 한다. 한편, 승강유니트(400)는 수지조(200)와 결합되어, 수지조(200)가 조형판(440)에 대해 승강 가능하도록 변형할 수 있다.
수지조(200)에는 광경화성 액체수지의 온도를 상승시키기 위한 전열부(350)가 설치된다. 전열부(350)는 이미지광 조사부와 수지조에 각각 접촉되어, 이미지광 조사부(300) 또는 별도의 가열장치에서 발생하는 열을 수지조(200)로 전달한다. 이에 따라, 수지조(200)에 수용된 액체수지(P)의 온도가 상승하여 점성이 낮아진다. 액체수지(P)의 점성이 낮아지면, 액체수지(P)의 조형판(440)과 바닥판(210) 사이 공간으로의 침투가 용이해진다. 수지조(200)에는 별도의 가열장치가 추가로 설치될 수 있다.
한편, 본 3D 성형장치는 수지조(200) 내부에 열경화성 액체수지(P)를 공급하는 공급부를 포함한다. 그리고 제어부는 승강구동부(410)와 공급부가 상호 연동되도록 제어할 수 있다.
본 3D 성형장치는 수지조(200) 내부에서 승강 가능하게 설치되어, 열경화성 액체수지(P)가 하방을 향해 유동하도록 유도하는 유동 안내부를 더 포함할 수 있다.
이러한 구조를 갖는 광경화식 3D 성형장치에 의해, 다음과 같은 순서에 따라 3D 조형물이 성형된다.
먼저, 제어부는 열경화성 액체수지(P) 공급부를 통해 수지조(200) 내에 광경화성 액체수지(P)를 투입한다. 사용자가 임의로 액체수지(P)를 투입할 수도 있다. 이때, 광경화성 액체수지(P)는 수지조(200) 내부에서 적어도 하나의 단위성형층의 두께만큼 형성될 정도로 투입된다. 그리고 제어부는 조형판(440)을 바닥판(210)과의 사이 간격이 적어도 단일의 단위성형층의 일부 두께만큼 이격되도록 액체수지(P) 내에 침지한다.
다음으로, 제어부는 이미지광 조사부(300)를 통해 바닥판(210)을 향하여 단일의 제1 층이미지광을 조사한다. 단일의 제1 층이미지광이 조사되면, 광경화성 액체수지(P)는 반응유도기를 거쳐 경화된다. 이때, 제어부는 단일의 제1 단위성형층이 완전히 경화되기 전에 단위성형층의 적어도 일부 두께 범위 내에서 조형판(440)을 바닥판(210)에 대해 점진적으로 상승시킨다.
도 2는 시간에 따른 조형판(440)의 높이를 나타낸 그래프이다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 처음에는 조형판(440)이 바닥판(210)에 대해 제1성형층(10a)의 적어도 일부 두께 범위만큼의 간격(H0 부터 H1)을 두고 배치된다. 이 상태에서 제어부는 이미지광 조사부(300)를 통해 제1 층이미지광을 바닥판(210)을 향해 조사시키며, 액체수지(P)가 부분 경화되었을 때(T1) 조형판(440)을 점진적으로 상승시킨다. 제1 단위성형층이 부분 경화된 상태에서 상승되면, 제1단위성형층과 바닥판(210) 사이의 미세한 간격 사이로 액체수지가 모세관 현상에 따라 유입된다.
제어부는 조형판(440)을 점진적으로 계속해서 상승시킨다. 제어부는 조형판(440)을 계속해서 상승시키는 중에, 조형판(440)과 바닥판(210)) 사이 간격이 제1 성형층(10a)만큼 이격되었을 때(T2), 이미지광 조사부(300)에서 제2 층이미지광이 조사되도록 제어한다. 즉, 제1성형층(10a)의 두께는 H0 부터 H2까지의 거리가 된다. 제2성형층(10b)는 제1성형층(10a)의 하부면에서부터 형성되기 시작한다.
이러한 방식으로, 제어부는 조형판(440)을 멈추지 않고 연속적으로 상승시키면서 제1성형층(10a) 및 제2성형층(10b) 등 다수의 성형층을 적층할 수 있다. 빛이 계속해서 조사되므로, 제1성형층(10a) 및 제2성형층(10b)은 상부 측일수록 더 경화된 상태를 이루며, 바닥판(210)과 가까울수록 미경화상태가 된다.
제어부는 필요에 따라 조형판(440)의 상승 속도를 가변할 수 있다. 예를 들면, 하나의 단위성형층을 경화시킬 때마다 초기에는 저속으로 조형판(440)을 상승시키고 후기에는 비교적 고속으로 상승시킬 수 있다. 이와 같이, 연속적으로 조형판(440)을 상승시킬 경우, 제어부는 이미지광 조사부(300)가 조사하는 층이미지광을 연속적으로 변경하면서 조사한다.
도 3은 시간에 따른 조형판(440)의 높이 그래프의 다른 실시예이다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 조형판(440)을 복수의 단계로 단속적으로 상승시킬 수 있다.
처음에는 조형판(440)을 바닥판(210)에 대해 제1성형층의 적어도 일부 두께 범위만큼의 간격(H0 부터 H1)을 두고 배치한 상태에서 일정 시간동안 제1 층이미지광을 조사하여 제1성형층을 부분 경화시킨다. 그리고 제어부는 제1성형층이 부분 경화된 상태(T1)에서 조형판(440)을 점진적으로 상승시킨다. 제어부는 조형판(440)을 점진적으로 상승시키는 와중에 적절한 시점(T2)에서 이미지광 조사부(300)를 끄고 계속해서 조형판(440)을 점진적으로 소정 높이(H3)만큼 상승시킨다. 여기서, 제1 층이미지광을 끈 상태에서 조형판(440)을 상승시키는 높이(H2 부터 H3)는 제1성형층의 하부면과 바닥판 사이 간격이 제2성형층의 적어도 일부 두께 범위 만큼이다. 제1성형층은 제1 층이미지광이 조사된 시간(T0 부터 T2)동안 형성되는 높이(H0 부터 H2)만큼의 두께로 형성된다.
그리고 제1성형층의 하부면과 바닥판(210) 사이 간격이 제2성형층의 적어도 일부 두께 범위만큼 간격(H3-H2)을 두고 배치된 상태에서 다시 일정시간 동안 제2 층이미지광을 조사하여 제2성형층을 부분 경화시킨다. 그리고 제2성형층이 부분 경화된 상태에서 조형판(440)을 점진적으로 상승시킨다. 조형판(440)을 점진적으로 상승시키는 와중에 적절한 시점(T4)에서 제2 층이미지광을 끄고 계속해서 조형판을 점진적으로 소정 높이(H5)만큼 상승시킨다. 여기서, 제2 층이미지광을 끈 상태에서 조형판(440)을 상승시키는 높이(H5-H4)는 제2성형층의 하부면과 바닥판(210) 사이 간격이 제3성형층의 적어도 일부 두께 범위 만큼이다.
제2성형층은 제2 층이미지광이 조사된 시간(T3 부터 T4)동안 형성되는 높이(H2 부터 H4)만큼의 두께로 형성된다.
제2성형층의 하부면과 바닥판(210) 사이 간격이 제3성형층의 적어도 일부 두께 범위만큼 간격(H5-H4)을 두고 배치된 상태에서 다시 일정시간동안 제3 층이미지광을 조사하여 제3성형층을 부분 경화시킨다. 이하, 순차적으로 적층되는 후속 성형층의 적층과정은 상술한 제1성형층과 제2성형층의 적층과정과 동일하다.
한편, T2 부터 T3, T4 부터 T5, T6 부터 T7과 같이 빛이 조사되지 않는 인터벌 없이 지속적으로 빛을 조사하면서 단속적으로 상승할 수도 있다. 이 경우, 조형판(440)이 정지상태일 때 바닥판(210)과 인접한 성형층이 완전 경화되지 않도록 한다.
이러한 도 3에서와 같은 적층방식에 따라, 본 광경화식 3D 성형방법은 조형판(440)을 소정 높이 상승시킨 후 다시 하강하는 불필요한 동작 없이, 상승 및 정지 동작만으로 3D 조형물을 성형할 수 있다.
또한, 다른 실시예로서 도 4에서와 같이 하나의 단위성형층을 위한 층이미지광을 조사하는 동안 조형판(440)을 복수의 단계로 단속적으로 상승시킬 수도 있다. 이 경우, 단위성형층은 도 3에서보다 안정적으로 형성될 수 있다.

Claims (6)

  1. 투명한 바닥판을 가지고 광경화성 액체수지를 수용하는 수지조, 상기 바닥판과 대향하면서 하부에 3차원물체를 부착하여 성형하는 조형판으로 이루어지는 광경화식 3D 성형장치의 3D 성형방법에 있어서,
    상기 수지조에 상기 액체수지를 투입하는 단계;
    상기 조형판과 상기 바닥판의 사이가 소정의 간격만큼 이격되도록 상기 조형판을 상기 액체수지 내에 침지하여 위치시키는 단계;
    상기 투명바닥판을 향하여 층이미지광을 조사하여 상기 조형판과 상기 바닥판의 사이의 상기 소정의 간격에 채워진 상기 액체수지를 부분경화시키는 단계; 및
    상기 액체수지가 부분경화 상태에서 상기 조형판을 점진적으로 상승시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형장치의 3D 성형방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 간격은 단위성형층 두께보다 작으며,
    상기 층이미지광에 의해 상기 액체수지가 반응하여 중합이 일어나기 전까지의 기간인 반응유도기를 거쳐 상기 액체수지는 경화하고,
    상기 조형판은 상기 반응유도기를 거친 이후에 상승하는 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형장치의 3D 성형방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 층이미지광은 상기 조형판을 상승하는 과정에서 지속적으로 조사하는 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형장치의 3D 성형방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조형판은 속도가 가변하면서 상승하고,
    상기 층이미지광은 제1층이미지광 및 제2층이미지광을 포함하는 복수의 층이미지광으로 이루어지고, 상기 복수의 층이미지광은 구간단속이 가능한 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형장치의 3D 성형방법.
  5. 복수의 단위성형층들을 적층하여 조형물을 성형하는 광경화식 3D 성형장치에 있어서,
    투명한 바닥판을 가지고 광경화성 액체수지를 수용하는 수지조;
    상기 바닥판과 평행한 하부면을 가지고 상기 수지조 내에서 승강 가능한 조형판;
    상기 수지조와 상기 조형판 중 적어도 하나를 승강 구동하는 승강구동부;
    상기 수지조의 하부에서 상기 바닥판을 향하여 층이미지광을 조사하는 이미지광 조사부; 및
    상기 조형판과 상기 투명한 바닥판의 사이의 간격이 소정의 간격만큼 이격되도록 상기 조형판을 상기 액체수지 내에 침지하여 위치시키고, 상기 투명한 바닥판을 향하여 층이미지광을 조사하여 상기 조형판과 상기 투명한 바닥판의 사이의 상기 소정의 간격에 채워진 상기 액체수지를 부분경화시키고, 상기 액체수지가 부분경화 상태에서 상기 조형판을 점진적으로 상승시키도록 상기 이미지광 조사부와 상기 승강구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수지조에는 상기 액체수지를 가열하여 점성을 낮추는 가열장치가 추가로 설치되고,
    상기 액체수지에는 이형제가 첨가되어 상기 부분경화한 액체수지가 상기 조형판에 부착되고 상기 투명바닥판에 대하여는 이형이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형장치.
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