KR101912311B1 - 삼차원 프린터 - Google Patents

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KR101912311B1
KR101912311B1 KR1020170051703A KR20170051703A KR101912311B1 KR 101912311 B1 KR101912311 B1 KR 101912311B1 KR 1020170051703 A KR1020170051703 A KR 1020170051703A KR 20170051703 A KR20170051703 A KR 20170051703A KR 101912311 B1 KR101912311 B1 KR 101912311B1
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polymer material
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배성우
고경왕
김장명
김해정
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(주)센트롤
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Abstract

본 발명은 상하로 이동 가능하며 공급되는 소재가 소결되면서 적층되어 조형물로 출력되는 베드; 상기 베드의 일측에 구비되며 상기 베드로 공급되는 메탈 소재가 저장되는 메탈 소재 저장부; 상기 메탈 소재 저장부의 하부에 구비되며 상기 베드로 공급되는 폴리머 소재가 저장되는 폴리머 소재 저장부; 상기 메탈 소재 저장부와 상기 폴리머 소재 저장부에 저장된 메탈 소재 및 폴리머 소재를 선택적으로 흡입하여 상기 베드의 상부로 공급하는 소재 흡입부 및 블레이드를 포함하는 소재 도포부; 상기 베드의 타측에 구비되는 상기 조형물에 포함되는 배선 및 회로판을 성형하기 위해 상기 베드 상에 배선 및 회로판 소재를 선택적으로 도포하는 인쇄 노즐; 상기 베드에 도포된 메탈 소재, 폴리머 소재, 배선 및 회로판 소재를 소결시키기 위해 레이저를 조사하는 레이저 조사부; 및 상기 소재 도포부, 상기 인쇄 노즐, 및 상기 레이저 조사부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 레이저 조사부는 상기 메탈 소재 저장부에서 공급되어 상기 블레이드에 의해 상기 베드 상에 도포된 메탈 소재를 소결시키기 위해 레이저를 조사하는 광섬유 레이저와, 상기 폴리머 소재 저장부에서 공급되어 상기 블레이드에 의해 상기 베드 상에 도포된 폴리머 소재를 소결시키기 위해 레이저를 조사하는 CO2 레이저를 포함하고, 상기 광섬유 레이저와 상기 CO2 레이저는 서로 다른 소재인 메탈 소재와 폴리머 소재를 소결하기 위해 각기 다른 파장의 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터를 제공한다.
따라서, 서로 다른 소재인 메탈 소재와 폴리머 소재를 베드 상에 도포하여 조형물로 출력할 수 있어 소재의 활용성을 향상시킬 수 있고, 서로 다른 소재를 파장이 다른 레이저를 조사하여 소재를 소결하면서 적층하여 조형물로 출력할 수 있어 하나의 기기에서 다른 방식의 삼차원 프린터 방법을 사용할 수 있으며, 배선 및 회로판을 조형물과 동시에 출력할 수 있어 효율성 및 실용성을 향상시킬 수 있다.

Description

삼차원 프린터{Three-dimensional printer}
본 발명은 삼차원 프린터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 조형물이 출력되는 베드로 서로 다른 소재를 공급하면서 공급된 소재에 레이저를 조사하여 공급된 소재가 소결되어 적층되면서 조형물로 출력하며, 조형물에 포함되는 배선 및 회로판을 동시에 출력할 수 있는 삼차원 프린터에 관한 것이다.
대한민국 등록특허 제1705696호에 기재된 배경기술을 참조하면, 일반적으로 프린터는 프린트 대상물에 문자, 도안 등을 인쇄하는 장치를 의미하며, 컴퓨터에 연결하여 지면에 인쇄하는 프린터 장치 등은 업무용, 가정용으로 널리 사용되고 있다.
종래의 프린터는 프린터 대상물이 되는 종이 혹은 시트재를 소정의 방향으로 이동하며 미세 잉크를 뿌리는 것으로 모두 2차원 인쇄를 하는 것이었으나, 최근 3차원 형상을 형상할 수 있는 삼차원 프린터가 등장하였으며, 삼차원 프린터는 형성하고자 하는 입체 모양을 인쇄기법에 의해 성형할 수 있는 장치를 말한다.
최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 캐드(CAD)나 캠(CAM)을 이용하여 3차원 모델링 데이터를 생성하고, 생성한 데이터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린팅 방법이 등장하게 되었으며, 이러한 3D 프린터를 산업, 생활, 의학 등 매우 다양한 분야에서 활용하고 있다.
일반적으로 3D 프린터의 기본적인 원리는 얇은 2D 레이어를 쌓아서 3D 물체를 만드는 것이다. 즉, 3D 프린터 방법에는 광경화성 수지에 레이저 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(Stereo Lithography Apparatus)와, SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하여 레이저 광선으로 주사하여 기능성 고분자 또는 금속분말을 고결시켜 성형하는 원리를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering), 열가소성 수지를 이용한 IM(Inkjet modeling), 석회가루를 이용한 3DP(3Dimension Printing) 등이 있다.
그러나, 3D 프린터 방법에서 분말을 레이저로 녹이는 PBF(Powder Bed Fusion) 방식 중에서 SLS(Selective Laser Sintering) 방식과 SLM(Selective Laser Melting) 방식을 하나의 장치에서 공용으로 사용하지 못하여 기기의 효율이 저해되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 서로 다른 소재인 메탈 소재와 폴리머 소재를 하나의 소재도포부가 선택적으로 흡입하여 베드 상에 도포할 수 있으며, 베드의 상면에 서로 다른 파장을 가지는 레이저를 조사하여 소결하면서 적층하여 조형물을 출력할 수 있고, 배선 및 회로판을 성형하기 위해 배선 및 회로판 소재를 인쇄 노즐을 이용하여 베드 상에 도포하고 레이저를 조사함으로써 조형물에 배선 및 회로판을 동시에 출력할 수 있어 효율성 및 실용성을 향상시킬 수 있는 삼차원 프린터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상하로 이동 가능하며 공급되는 소재가 소결되면서 적층되어 조형물로 출력되는 베드; 상기 베드의 일측에 구비되며 상기 베드로 공급되는 메탈 소재가 저장되는 메탈 소재 저장부; 상기 메탈 소재 저장부의 하부에 구비되며 상기 베드로 공급되는 폴리머 소재가 저장되는 폴리머 소재 저장부; 상기 메탈 소재 저장부와 상기 폴리머 소재 저장부에 저장된 메탈 소재 및 폴리머 소재를 선택적으로 흡입하여 상기 베드의 상부로 공급하는 소재 흡입부 및 블레이드를 포함하는 소재 도포부; 상기 베드의 타측에 구비되는 상기 조형물에 포함되는 배선 및 회로판을 성형하기 위해 상기 베드 상에 배선 및 회로판 소재를 선택적으로 도포하는 인쇄 노즐; 상기 베드에 도포된 메탈 소재, 폴리머 소재, 배선 및 회로판 소재를 소결시키기 위해 레이저를 조사하는 레이저 조사부; 및 상기 소재 도포부, 상기 인쇄 노즐, 및 상기 레이저 조사부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 레이저 조사부는 상기 메탈 소재 저장부에서 공급되어 상기 블레이드에 의해 상기 베드 상에 도포된 메탈 소재를 소결시키기 위해 레이저를 조사하는 광섬유 레이저와, 상기 폴리머 소재 저장부에서 공급되어 상기 블레이드에 의해 상기 베드 상에 도포된 폴리머 소재를 소결시키기 위해 레이저를 조사하는 CO2 레이저를 포함하고, 상기 광섬유 레이저와 상기 CO2 레이저는 서로 다른 소재인 메탈 소재와 폴리머 소재를 소결하기 위해 각기 다른 파장의 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터를 제공한다.
본 발명에 따른 삼차원 프린터는, 상기 베드의 하부에 설치되며 상기 베드를 상하로 이동시키는 승하강기구를 더 포함할 수 있으며, 상기 승하강기구의 구동은 상기 제어부에 의해 제어될 수 있다.
삭제
상기 제어부는 상기 베드의 상면에 메탈 소재 및 폴리머 소재가 소결되어 적층 시 상기 승하강기구를 제어하여 메탈 소재와 폴리머 소재가 적층된 높이만큼 상기 베드를 하부로 이동시킬 수 있다.
상기 인쇄 노즐을 상기 베드의 상부에서 좌우로 이동시키는 좌우이동부재를 더 포함할 수 있으며, 상기 좌우이동부재는 상기 제어부에 의해 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 삼차원 프린터는 서로 다른 소재인 메탈 소재와 폴리머 소재를 베드 상에 도포하여 조형물로 출력할 수 있어 소재의 활용성을 향상시킬 수 있고, 서로 다른 소재를 파장이 다른 레이저를 조사하여 소재를 소결하면서 적층하여 조형물로 출력할 수 있어 하나의 기기에서 다른 방식의 삼차원 프린터 방법을 사용할 수 있어 효율성을 향상시킬 수 있으며, 조형물에 배선 및 회로판이 포함될 때 인쇄 노즐을 이용하여 배선 및 회로판을 동시에 출력할 수 있어 전자 및 전기 기능을 갖는 3차원 조형물을 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 삼차원 프린터의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 블레이드 및 인쇄 노즐이 동작하는 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 베드가 승하강기구에 의해 상하로 이동된 상태를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 윈칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 삼차원 프린터(100)는 베드(110)와, 메탈 소재 저장부(120)와, 폴리머 소재 저장부(130)와, 소재 도포부(140)와, 인쇄 노즐(150)과, 레이저 조사부(160)와, 제어부(170)를 포함하고, 승하강기구(180)와, 좌우이동부재(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 베드(110)는 후술되는 승하강기구(180)에 의해 상하로 이동 가능하며, 상기 베드(110)에는 공급되는 소재가 소결되어 적층되면서 조형물(W)로 출력되게 된다.
상기 베드(110)로 공급되는 소재 중 하나인 메탈 소재는 상기 베드(110)의 일측에 구비되는 메탈 소재 저장부(120)에 저장되며, 상기 메탈 소재 저장부(120)에 저장되는 메탈 소재로는 메탈 파우더(Metal Powder)가 사용되는 것이 바람직하다.
상기 베드(110)로 공급되는 소재 중 다른 하나인 폴리머 소재는 상기 메탈 소재 저장부(120)의 하부에 구비되는 폴리머 소재 저장부(130)에 저장되며, 상기 폴리머 소재 저장부(130)에 저장되는 폴리머 소재로는 폴리머 파우더(Polymer Powder)가 사용되는 것이 바람직하다.
상기 메탈 소재 저장부(120)와 상기 폴리머 소재 저장부(130) 사이에는 소재 도포부(140)가 구비된다. 상기 소재 도포부(140)는 소재 흡입부(미도시) 및 블레이드(미도시)를 포함하며, 상기 메탈 소재 저장부(120)와 상기 폴리머 소재 저장부(130)에 저장된 메탈 소재 및 폴리머 소재를 선택적으로 흡입한 후 상기 베드(110)의 상부로 이동하면서 흡입한 메탈 소재 및 폴리머 소재를 상기 베드(110)의 상부로 공급하면서 일정한 두께로 도포하는 역할을 한다.
상기 베드(110)의 타측에는 인쇄 노즐(150)이 구비되며, 상기 인쇄 노즐(150)는 후술되는 좌우이동부재(미도시)에 의해 상기 베드(110)의 상부에서 좌우로 이동하며, 상기 인쇄 노즐(150)을 이동시키는 좌우이동부재(미도시)는 후술되는 제어부(170)에 의해 제어되는 것이 바람직하다.
상기 인쇄 노즐(150)은 상기 조형물(W)에 배선 및 회로판이 포함 시 배선 및 회로판을 성형하기 위해 상기 베드(110) 상에 배선 및 회로판 소재를 선택적으로 공급하면서 도포하는 역할을 하며, 상기 인쇄 노즐(150)에는 배선 및 회로판을 성형하는 배선 및 회로판 소재가 저장하는 소재 저장부(미도시)가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 인쇄 노즐(150)에는 연결구(미도시)와 슬릿(미도시)가 구비되는 것이 바람직하며, 상기 연결구(미도시)를 통해 외부에서 상기 소재 저장부(미도시)로 배선 및 회로판 소재가 공급되고, 소재 저장부(미도시)에 저장된 배선 및 회로판 소재는 상기 슬릿(미도시)를 통해 상기 베드(110)의 상부로 유출되게 된다.
상기 인쇄 노즐(150)이 상기 베드(110) 상에 배선 및 회로판 소재를 별도로 공급하여 배선 및 회로판을 별도로 제작하지 않고 조형물(W)과 함께 동시에 출력할 수 있는 장점을 가지게 된다.
상기 인쇄 노즐(150)은 잉크-젯(ink-jet) 방식, 메탈-젯(metal-jet) 방식, EHD(Electro Hydro Dynamic) 방식, 및 투여조제(Dispensing) 방식을 이용하여 상기 베드(110) 상에 배선 및 회로판 소재를 선택적으로 공급하면서 도포하는 것이 바람직하며, 사양에 따라 상기 잉크-젯(ink-jet) 방식, 메탈-젯(metal-jet) 방식, EHD(Electro Hydro Dynamic) 방식, 및 투여조제(Dispensing) 방식 중 하나의 방식을 선택하는 것이 바람직하다.
상기 소재 도포부(140) 및 상기 인쇄 노즐(150)에 의해 상기 베드(110)의 상부에 도포된 메탈 소재, 폴리머 소재, 배선 및 회로판 소재를 소결시키는 레이저는 상기 베드(110)의 상부에 구비되는 레이저 조사부(160)에서 조사되며, 상기 레이저 조사부(160)는 광섬유 레이저(162)와 CO2 레이저(164) 및 렌즈부(166)를 포함한다.
상기 광섬유 레이저(162)는 상기 메탈 소재 공급부(120)에서 공급되어 상기 블레이드(140)에 의해 상기 베드(110) 상에 도포된 메탈 소재 및 상기 인쇄 노즐(150)에 의해 상기 베드(110) 상에 소결된 조형물(W)에 선택적으로 공급되는 배선 및 회로판 소재를 소결하며, 상기 광섬유 레이저(162)는 넓은 범위에 걸쳐서 출력 조절이 가능한 장점을 가진다. 상기 광섬유 레이저(162)에서 조사되는 레이저의 파장은 1060~1070nm인 것이 바람직하다.
상기 CO2 레이저(164)는 상기 폴리머 소재 공급부(130)에서 공급되어 상기 소재 도포부(140)에 의해 상기 베드(110) 상에 도포된 폴리머 소재를 소결하며, 상기 CO2 레이저(164)는 레이저의 출력이 높아 대면적에 레이저 조사가 가능한 장점을 가지고, 상기 CO2 레이저(164)에서 조사되는 레이저의 파장은 10600~10700nm인 것이 바람직하다. 상기 광섬유 레이저(162)와 상기 CO2 레이저(164)는 일반적인 것으로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 광섬유 레이저(162)와 상기 CO2 레이저(164)에서 조사되는 레이저는 렌즈부(166)에 의해 각도가 조절되면서 상기 베드(110)의 상부로 조사되며, 상기 렌즈부(166)는 상기 광섬유 레이저(162)에서 조사되는 레이저의 각도를 조절하는 제1렌즈(166a)와 상기 CO2 레이저(164)에서 조사되는 레이저의 각도를 조절하는 제2렌즈(166b)를 포함한다. 상기 제1렌즈(166a)와 상기 제2렌즈(166b)의 각도는 각도조절부재(미도시)에 의해 조절되는 것이 바람직하며, 상기 각도조절부재(미도시)가 상기 제1렌즈(166a)와 상기 제2렌즈(166b)의 각도를 조절함으로써 상기 베드(110)의 상부로 조사되는 레이저의 조사범위가 조절되게 된다.
상기 베드(110)에는 이격되게 구비되는 상기 제1렌즈(166a)가 각도를 조절한 레이저가 조사하는 제1영역(A)과 상기 제2렌즈(166b)가 각도를 조절한 레이저가 조사하는 제2영역(B) 및 상기 제1영역(A)과 상기 제2영역(B)이 중복되는 제3영역(C)이 형성되며, 상기 메탈 소재 저장부(120)에서 공급되는 메탈 소재와 상기 폴리머 소재 저장부(130)에서 공급되는 폴리머 소재는 상기 제3영역(C)에서 소결되어 적층되는 것이 바람직하다.
상기 베드(110)를 승하강시키는 승하강기구(180)는 상기 베드(110) 상부에 공급된 메탈 소재 및 폴리머 소재가 상기 레이저 조사부(160)에 의해 소결되면 소결된 두께만큼 상기 베드(110)를 하부로 이동시키게 되며, 상기 승하강기구(180)의 구동은 제어부(170)에 의해 제어되는 것이 바람직하다.
상기 제어부(170)는 상기 승하강기구(180)의 구동만 제어하는 것이 아니라 상기 소재 도포부(140), 상기 레이저 조사부(160), 상기 좌우이동부재(미도시), 및 상기 각도조절부재(미도시)의 동작 역시 제어하는 것이 바람직하다.
상기 제어부(170)가 상기 소재 도포부(140), 상기 레이저 조사부(160), 상기 인쇄 노즐(150)를 좌우로 이동시키는 좌우이동부재(미도시), 상기 렌즈부(166)의 각도조절부재(미도시), 및 상기 승하강기구(180)의 동작을 순차적으로 제어함으로써 서로 다른 소재인 메탈 소재와 폴리머 소재를 베드 상에 도포하여 조형물(W)로 출력할 수 있어 소재의 활용성을 향상시킬 수 있고, 서로 다른 소재를 파장이 다른 레이저를 조사하여 소재를 소결하면서 적층하여 조형물(W)로 출력할 수 있어 하나의 기기에서 다른 방식의 삼차원 프린터 방법을 사용할 수 있어 효율성을 향상시킬 수 있으며, 조형물(W)에 배선 및 회로판이 포함될 때 인쇄 노즐(150)을 이용하여 배선 및 회로판을 조형물(W)과 동시에 출력할 수 있어 복잡한 조형물의 출력시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 삼차원 프린터 110 : 베드
120 : 메탈 소재 저장부 130 : 폴리머 소재 저장부
140 : 소재 도포부 150 : 인쇄 노즐
160 : 레이저 조사부 162 : 광섬유 레이저
164 : CO2 레이저 166 : 렌즈부
170 : 제어부 180 : 승하강기구

Claims (5)

  1. 상하로 이동 가능하며 공급되는 소재가 소결되면서 적층되어 조형물로 출력되는 베드;
    상기 베드의 일측에 구비되며 상기 베드로 공급되는 메탈 소재가 저장되는 메탈 소재 저장부;
    상기 메탈 소재 저장부의 하부에 구비되며 상기 베드로 공급되는 폴리머 소재가 저장되는 폴리머 소재 저장부;
    상기 메탈 소재 저장부와 상기 폴리머 소재 저장부에 저장된 메탈 소재 및 폴리머 소재를 선택적으로 흡입하여 상기 베드의 상부로 공급하는 소재 흡입부 및 블레이드를 포함하는 소재 도포부;
    상기 베드의 타측에 구비되는 상기 조형물에 포함되는 배선 및 회로판을 성형하기 위해 상기 베드 상에 배선 및 회로판 소재를 선택적으로 도포하는 인쇄 노즐;
    상기 베드에 도포된 메탈 소재, 폴리머 소재, 배선 및 회로판 소재를 소결시키기 위해 레이저를 조사하는 레이저 조사부; 및
    상기 소재 도포부, 상기 인쇄 노즐, 및 상기 레이저 조사부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 레이저 조사부는,
    상기 메탈 소재 저장부에서 공급되어 상기 블레이드에 의해 상기 베드 상에 도포된 메탈 소재를 소결시키기 위해 레이저를 조사하는 광섬유 레이저와,
    상기 폴리머 소재 저장부에서 공급되어 상기 블레이드에 의해 상기 베드 상에 도포된 폴리머 소재를 소결시키기 위해 레이저를 조사하는 CO2 레이저를 포함하고,
    상기 광섬유 레이저와 상기 CO2 레이저는 서로 다른 소재인 메탈 소재와 폴리머 소재를 소결하기 위해 각기 다른 파장의 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 조사부는,
    상기 광섬유 레이저와 상기 CO2 레이저에서 조사되는 레이저의 각도를 조절하는 렌즈부를 더 포함하며,
    상기 렌즈부는,
    상기 광섬유 레이저에서 조사되는 레이저의 각도를 조절하는 제1렌즈와,
    상기 CO2 레이저에서 조사되는 레이저의 각도를 조절하는 제2렌즈를 포함하는 삼차원 프린터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 베드의 하부에 설치되며 상기 베드를 상하로 이동시키는 승하강기구를 더 포함하며,
    상기 승하강기구의 구동은 상기 제어부에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는 상기 베드의 상면에 메탈 소재 및 폴리머 소재가 소결되어 적층 시 상기 승하강기구를 제어하여 메탈 소재와 폴리머 소재가 적층된 높이만큼 상기 베드를 하부로 이동시키는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 인쇄 노즐을 상기 베드의 상부에서 좌우로 이동시키는 좌우이동부재를 더 포함하며,
    상기 좌우이동부재는 상기 제어부에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20140038483A (ko) * 2011-07-13 2014-03-28 누보트로닉스, 엘.엘.씨 전자 및 기계 구조체들을 제조하는 방법들
JP2016526098A (ja) * 2013-05-23 2016-09-01 ア−カム アーベー 付加製造のための方法および装置
KR20170002855A (ko) * 2015-06-30 2017-01-09 (주)센트롤 분말재료 적층장치를 포함하는 3차원　조형물 제조장치 및 방법

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