KR101952947B1 - 3d 프린팅에 이용되는 서포트 제작 최소화를 위한 고밀도 파우더 적층 장치 - Google Patents

3d 프린팅에 이용되는 서포트 제작 최소화를 위한 고밀도 파우더 적층 장치 Download PDF

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Abstract

3D 프린팅 시 서포트 제작 최소화를 위한 고밀도 파우더 적층 장치는, 3차원 형상의 조형물이 조형되는 스테이지, 상기 분말소재를 상기 조형물이 형성되도록 순차적으로 상기 스테이지 상에 적층하는 리코터 및 상기 리코터의 후방에서 상기 리코터를 상기 스테이지 방향으로 이동시키며, 상기 스테이지 상에 안착한 상기 분말소재를 가압하는 이송유닛을 포함한다.

Description

3D 프린팅에 이용되는 서포트 제작 최소화를 위한 고밀도 파우더 적층 장치 {POWDER ACCUMULATING APPARATUS FOR MINIMIZATION OF SUPPORT PRODUCTION FOR 3D PRINTING }
본 발명은 파우더 적층 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일반적으로 3D 프린팅 시 필요한 서포트 제작의 필요성을 제거하여 공정시간 및 소재비용을 절감하고, 서포트 제거의 어려움에 따른 설계 제약을 최소화할 수 있는 고밀도 파우더 적층 장치에 관한 것이다.
금속계 소재를 이용한 3D 프린팅 기술의 특징은 원하는 모양의 조형물을 3D 도면으로 디자인하고 금속 파우더를 적층한 후 레이저 열원을 조사하여 소결하는 것이다.
이러한 3D 프린팅 기술로 조형물을 제작하는 경우, 브리지(bridge) 형태의 조형물, 즉, 공중에 떠있는 모양의 조형물 등은 하중지지를 위해 서포트(support)를 필요로 한다.
예를 들어, 한국공개특허 제10-2017-0014619호에서는 조형물의 하부에 형성되어 조형물을 지지하고, 조형물의 소결 공정 후 후처리에 의해 조형물로부터 제거되는 서포트에 대하여 개시하고 있다.
이 경우 완성된 조형물에서는 쓰임새가 없는 서포트 제작을 위해 추가적으로 공정시간이 늘어나며 소재비용 등으로 인해 3D 프린팅 기술의 경제성이 낮아지는 문제가 있다. 또한 조형물을 관형 형태로 제작하는 경우, 조형물 내부에 있는 서포트는 제거가 어렵기 때문에 조형물에 부착된 형태로 완성품에 포함해야 하는 문제가 있다.
한편, 도 1은 종래의 파우더 적층 장치(50)를 도시한 평면도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 파우더 적층 장치에서 리코터(52)는 파우더 저장소(54)에서 일정 두께만큼 파우더(56)를 밀어내어 적층 베드(58)로 이송하는 역할을 수행한다.
이 경우, 상기 리코터(52)가 별도의 이동유닛을 통해 직접 수평방향으로 이동함에 따라 적층되는 파우더층에 수평 하중을 발생시켜, 소결 단계에서 불균일한 파트 단면(60)이 발생하며, 이후, 새로운 파우더층을 적층하는 단계에서 이동하는 상기 리코터(52)와 이전 소결 단계에서 발생한 상기 파트 단면(60)과의 충돌로 인해 공정 중에 중간 조형물(62)의 파손이 발생하는 문제점이 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 서포트 제작의 필요성을 제거하여 공정시간과 소재비용 등을 절감하고, 서포트 제거의 어려움에 따른 설계 제약 등을 최소화하며, 공정 중에 중간 조형물의 파손을 방지할수 있는 3D 프린팅 기술에 대한 연구의 필요성이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0014619호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 파우더의 적층 밀도를 높여 파우더가 제작 조형물의 하중을 지탱하도록 함으로써, 종래의 써포트를 제거하거나 최소화할 수 있는 고밀도 파우더 적층 장치에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 고밀도 파우더 적층 장치는, 3차원 형상의 조형물이 조형되는 스테이지, 분말소재를 상기 조형물이 형성되도록 순차적으로 상기 스테이지 상에 적층하는 리코터 및 상기 리코터의 후방에서 상기 리코터를 상기 스테이지 방향으로 이동시키며, 상기 스테이지 상에 안착한 상기 분말소재를 가압하는 이송유닛을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 이송유닛은 상기 리코터의 후단에 위치하며, 서로 소정 간격 이격되어 동일한 방향으로 회전하는 제1 및 제2 롤러들 및 상기 제1 및 제2 롤러들의 외면에 감겨 일 방향으로 반복 이송되는 컨베이어 벨트를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 컨베이어 벨트가 상기 분말소재의 상면을 가압하여 상기 분말소재의 적층 밀도가 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이송유닛과 연결되며 상기 이송유닛에 구동력을 제공하는 구동유닛을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구동유닛은 상기 리코터, 상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러의 일 측을 수용하는 횡방향의 가이드홈, 상기 제1 및 제2 롤러들에 구동력을 전달하여 상기 제1 및 제2 롤러들 각각을 회전시키는 구동모터 및 상기 리코터, 상기 제1 및 제2 롤러들을 승강시키는 승강부재를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 롤러들이 회전함에 따라, 상기 컨베이어 벨트가 전진하여 상기 리코터 및 상기 이송유닛을 상기 스테이지 방향으로 이동시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스테이지와 평행하게 연장 형성되며, 상기 승강부재를 따라 상기 제1 및 제2 롤러들을 수직으로 승강시키는 가이드부재를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스테이지와 상기 가이드부재의 사이에서 연장 형성되며, 상기 제1 및 제2 롤러들의 양 측에 형성된 돌기부들이 안착되고, 상기 제1 및 제2 롤러들의 상기 스테이지 방향으로의 이동을 안내하는 안내레일부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 리코터는 상기 스테이지에 상기 분말소재를 제1 두께로 적층하고, 상기 이송유닛은 상기 스테이지에 상기 분말소재를 제1 두께보다 작은 제2 두께로 가압할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 컨베이어 벨트가 분말소재의 상면을 가압함에 따라, 분말소재의 적층 밀도가 증가하여 조형물의 하중을 지탱할 수 있으며, 분말소재의 조형물에 대한 지지력이 고루 분산되어 서포트를 최소화하거나 제거할 수 있어, 서포트 제작과 제거에 필요한 공정시간을 획기적으로 줄이며 서포트 제작 및 제거에 따른 소재의 낭비를 크게 줄일 수 있다.
또한, 기존에는 관 형태의 조형물을 제작하는 경우, 서포트 제작 후 제거가 어려워 조형물에 그대로 남겨두었던 것과 달리, 서포트를 제작하지 않기 때문에 초기 설계 사양 그대로 조형물 제작이 가능한 효과가 있으며, 서포트 제작의 한계 때문에 발생한 설계 제약 사양이 근본적으로 제거되기 때문에 제품 설계 자유도가 획기적으로 향상될 수 있다.
또한, 분말소재의 적층 밀도가 높아짐에 따라 레이저 소결 시 발생하는 고열이 분말소재 내부로 균일하게 분산될 수 있기 때문에 열 분산 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 컨베이어 벨트가 스테이지 상에 적층되는 분말소재에 수평 방향의 하중 없이 오직 수직 하중만을 작용함에 따라, 수평 하중에 의해 조형물에 불균일한 파트 단면이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 스테이지의 양측에 스테이지와 평행하게 가이드부재를 연장 형성함에 따라, 구동유닛의 롤러들의 이동을 가이드할 수 있으며, 구동유닛의 승강부재가 리코터 및 롤러들을 승강시키는 경우 함께 승강하여 이를 보조할 수 있다.
나아가, 스테이지와 가이드 부재 사이에 안내레일부 연장 형성하고, 롤러들의 돌기부들을 안내레일부에 안착시킴에 따라, 롤러들이 스테이지 방향으로 안정적으로 안내되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 파우더 적층 장치를 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 고밀도 파우더 적층 장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 고밀도 파우더 적층 장치를 도시한 평면도이다.
도 4는 도 1의 고밀도 파우더 적층 장치에서 분말 소재의 밀도가 상승하여 분말 소재의 조형물에 대한 지지력이 고루 분산된 상태를 도시한 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 고밀도 파우더 적층 장치를 도시한 사시도이고, 도 3은 도 2의 고밀도 파우더 적층 장치를 도시한 정면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 고밀도 파우더 적층 장치(1)는 스테이지(100), 소재공급테이블(150), 리코터(200), 이송유닛(300), 구동유닛(400) 및 가이드부재(500)를 포함한다.
본 실시예에 의한 고밀도 파우더 적층 장치(1)는 분말소재(10)를 공급하여 분말층을 형성하는 적층 공정과, 조형광선(광 빔 또는 전자 빔)을 상기 분말층에 조사함과 아울러 상기 분말층을 소결하는 소결 공정을 교대로 반복하여 3차원 형상 조형물을 제조한다.
상기 스테이지(100)는 그 위에서 분말소재(파우더, 10)가 조형되기 시작하고, 조형과정 중 조형이 완료된 뒤에도 조형물이 그 위에 부착되어 있게 되는 요소이다. 따라서 상기 스테이지(100)의 상면은 그 위에 위치한 분말소재가 광선에 의해 경화 내지 소결되기 이전 및 이후에 일정 정도 부착을 유지할 수 있는 재질로 처리되어야 한다.
또한 상기 스테이지(100)는 상면을 평탄 형상으로 형성한 테이블로서, 도시하지 않은 승강 기구에 의해서 승강하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 스테이지(100)는 상기 소재공급테이블(150) 상에 위치하는 소재공급부(미도시) 또는 상기 리코터(200)에 의한 분말층의 형성과 해당 분말층의 부분적인 소결이 반복될 때마다 하방으로 소정량 이동할 수 있다.
아울러, 다른 예로서는 상기 스테이지(100)를 승강 불가능하게 고정하고, 상기 소재공급부 또는 상기 리코터(200)를 승강시키는 구조로 구성하는 것도 가능하다.
상기 리코터(200)는 상기 소재공급테이블(150)의 상측에 수평 이동 가능하게 설치되며, 수직방향으로 세워져 구비될 수 있다. 또한, 상기 리코터(200)는 얇은 두께의 철판으로 이루어지며, 그 재질은 스테인레스로 이루어질 수 있다.
상기 리코터(200)는 수평이동하여 상기 소재공급테이블(150)에 놓여진 상기 분말소재(10)를 일 방향(화살표 도시)으로 밀어 상기 스테이지(100) 상의 피조형 영역(E)으로 이동시킨다.
상기 리코터(200)의 수평이동이 완료되면 상기 스테이지(100) 상의 피조형 영역(E)이 주사수단(미도시)의 조형광선에 의해 소결되어 분말층이 형성된다. 이 후, 상기 리코터(200)는 상기 분말층의 두께분보다 높게 승강하고, 상기 분말층의 상면에 새로운 분말층을 형성한다.
상기 피조형 영역(E)은, 상기 고밀도 파우더 적층 장치(1)에 의해서 제조되는 3차원 형상 조형물을, 상기 스테이지(100)에 평행한 평면으로 절단한 단면에 대응하고, 상기 3차원 형상 조형물의 형상에 따라서, 복수의 분말층마다 다른 형상으로 되는 경우나, 동일 형상으로 되는 경우 등이 있다.
그리고, 상술한 최초의 분말층에 대한 가공과 동일하게, 상기 새로운 분말층의 상면에 피조형 영역(E)을 설정하고, 상기 주사 수단에 의한 조형광선을 상기 새로운 분말층에 있어서의 피조형 영역 상의 소정 위치에 집중시켜서 조사한다.
상기 분말소재(10)로는 본 실시예에 의한 고밀도 파우더 적층 장치(1)가 SLA, SLS 방식 등의 3D 프린팅 방식 모두에 적용될 수 있다는 것을 감안할 때, SLA 방식에 사용되는 액상 광경화수지(포토폴리머), SLS 방식에 사용되는 분말상 금속 또는 폴리머 등을 모두 적용할 수 있으며, 조형될 조형물에 따라서 세라믹, 플라스틱 또는 복합재가 될 수도 있으며 섬유를 포함할 수도 있다.
상기 분말소재(10)는 상기 소재공급부를 통하여 상기 스테이지(100) 상에 공급될 수 있다. 상기 소재공급부는 상기 분말소재(10)를 외부로부터 공급받아 소정의 면적 및 소정의 두께로 된 분말층을 형성하기 위해 필요한 만큼의 상기 분말소재(10)를 상기 스테이지(100) 상에 공급한다.
그리하여, 상기 소재공급부로부터 상기 분말소재(10)가 공급되면 상기 리코터(200)는 상기 분말소재(10)를 밀어 수평방향으로 이동시켜 상기 스테이지(100) 상에 안착시키며, 상기 분말소재(10)를 조형물이 형성되도록 순차적으로 적층한다.
한편, 상기 주사수단은, 상기 분말소재(10)를 용융 또는 소결시켜 상기 분말층을 성형하는 기능을 한다. 사용하는 조형광선으로는 상기 분말소재(10)에 따라 맞는 것을 선택하여야 하는데, 상기 분말소재(10)가 폴리머수지입자 인지 금속입자인지에 따라, 이들을 용융 내지 소결(sintering)할 수 있는 파장대의 광을 조사할 수 있는 LED, 레이저 또는 bulb 등이 사용될 수 있다.
단, 상기 조형광선이 이미 소결된 아래층의 분말층에 영향을 주지 않도록 레이저의 에너지 밀도를 조절하여야 한다. 나아가 상기 조형광선의 형태에 있어서, 본 실시예에 의한 고밀도 파우더 적층 장치(1)가 면조형을 가능하게 하는 것임을 감안할 때, 상기 분말소재(10)도 면차원에서 용융 또는 소결이 일어나게 할 수 있도록 상기 조형광선을 라인 레이저(line laser)로 한다면, 조형속도를 증대시킬 수 있다는 측면에서 바람직하다.
한편, 상기 리코터(200)는 상기 리코터(200)의 후방에 설치된 상기 이송유닛(300)에 의해 이송된다.
상기 이송유닛(300)은 상기 리코터(200)를 상기 일 방향(상기 스테이지(100) 방향)으로 이동시키며, 제1 롤러(310), 제2 롤러(320) 및 컨베이어 벨트(330)를 포함한다.
상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)은 상기 리코터(100)의 후단에 위치하며 서로 소정 간격 이격되어 평행하게 배치되어 동일한 방향으로 회전한다. 여기서 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)은 외부로부터 동력을 제공받아서 회전을 하도록 구성된다.
상기 컨베이어 벨트(330)는 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)의 외면에 감겨 상기 일 방향으로 반복 이송된다. 이 경우, 상기 컨베이어 벨트(330)는 이송경로(B1)와 반송경로(B2)를 가지고 순환하여 무한궤도를 이루도록 구성되며, 이와 같이 구성됨에 따라 상기 이송경로(B1)를 이용하여 상기 분말소재(10)를 상기 피조형 영역(E)으로 이송시킬 수 있다.
상기 컨베이어 벨트(330)의 양단의 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)이 시계방향 또는 반시계방향으로 회전함에 따라 상기 리코터(200)가 도 3의 도면에 도시된 바와 같이 좌우로 왕복 이송되면서 상기 분말소재(10)의 도포 및 적층을 동시에 수행하게 된다.
또한, 상기 컨베이어 벨트(330)는 상기 리코터(200)를 이동시키는 것과 동시에 상기 스테이지(100)의 단면에 적층되는 상기 분말소재(10)에 접촉하면서 가압하는 역할을 한다.
상기 분말소재(10)가 상기 스테이지(100)의 단면에 적층된 후 상기 주사수단이 상기 피조형 영역(E)에 상기 조형광선을 조사하여 용융 또는 소결시키는데, 이때 상기 컨베이어 벨트(330)는 상기 스테이지(100) 상에서 상기 피조형 영역(E) 외 영역에 도포된 상기 분말소재(10)를 가압하여 압축시킴으로써, 상기 분말소재(10)의 밀도를 상승시킬 수 있다.
이때, 상기 컨베이어 벨트(330)는 이동 시 상기 스테이지(100) 상에 적층되는 상기 분말소재(10)에 수평 방향의 하중 없이 오직 수직 방향으로 작용하는 수직 하중만을 작용하여 상기 리코터(200)에서 1차 적층된 분말소재를(10)를 최종 목표 적층 높이만큼 압축한다.
이와 같이, 상기 피조형 영역(E) 외 영역에 형성된 상기 분말소재(10)의 상면이 상기 컨베이어 벨트(330)에 의해 가압되어 적층 밀도가 증가함에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 피조형 영역(E)에 제작되는 조형물(20)의 하중을 지탱할 수 있다.
즉, 상기 스테이지(100) 상의 상기 분말소재(10)의 적층 밀도가 상승하여 상기 분말소재(10)의 지지력이 고루 분산되어 서포트 제거가 가능하게 된다.
또한 이 경우, 상기 분말소재(10)의 적층 밀도가 높아짐에 따라 레이저 소결 시 발생하는 고열이 상기 분말소재(10) 내부로 균일하게 퍼질 수 있어 열 분산 효과가 보다 더 상승할 수 있다.
한편, 상기 이송유닛(300)을 구동하기 위한 상기 구동유닛(400)이 상기 스테이지(100) 및 상기 소재공급테이블(150)과 평행하게 설치된다.
상기 구동유닛(400)은 상기 스테이지(100)의 상면에 상기 분말소재(10)가 적층됨에 따라 상기 리코터(200) 및 이송유닛(300)의 높이를 조절할 수 있도록 구성되며, 가이드홈(410), 구동모터(미도시), 승강부재(미도시)를 포함한다.
상기 가이드홈(410)은 상기 구동유닛(400)의 길이방향(즉, 횡 방향)으로 형성된 홈으로서, 상기 제1 롤러(310) 및 상기 제2 롤러(320)의 일 측을 수용할 수 있다.
상기 구동모터(미도시)는 상기 구동유닛(400)의 내부에 형성되며, 상기 가이드홈(410)에 끼워진 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)의 일 측에 구동력을 전달하여 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)이 상기 가이드홈(410)을 따라 이동하도록 한다.
상기 구동모터는 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)을 회전시키는 것으로, 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)의 회전 속도를 조절할 수 있는 것이 보다 바람직하다. 이 경우, 상기 구동모터는 각각이 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)을 각각 회전시킬 수 있으며, 하나의 구동모터가 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)에 구동력을 동시에 제공할 수도 있다.
이와 같이, 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)이 상기 구동모터로부터 동력을 전달받아 회전함에 따라, 상기 컨베이어 벨트(330)가 전진하여 상기 리코터(200) 및 상기 이송유닛(300)을 상기 스테이지 방향으로 이동시키게 된다.
상기 승강부재(미도시)는 상기 구동유닛(400)의 내부에 형성되며, 상기 리코터(200), 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)의 상하 움직임을 안내하는 역할을 한다. 상기 승강부재는 사용 편의성을 높이기 위해 사용자가 직접 조작하지 않고 자동으로 조절되도록 구성 가능하다.
여기서, 상기 구동유닛(400)이 상기 제1 및 상기 제2 롤러들(310, 320)의 폭 방향에 따른 일 측까지 형성되어 있기 때문에 상기 컨베이어 벨트(330)의 폭이 상기 제1 및 상기 제2 롤러들(310, 320)의 폭 보다 좁도록 구성하여 상기 컨베이어 벨트(330)의 양측 끝단부와 상기 구동 유닛(400)이 접촉하여 슬립이 발생하지 않도록 한다.
그리고, 상기 스테이지(100) 및 상기 소재공급테이블(150)의 양측 끝단부에 상기 스테이지(100) 및 상기 소재공급테이블(150)과 평행한 한 쌍의 가이드부재(500)가 형성된다. 상기 가이드부재(500)는 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)의 양측부의 하면과 맞닿는 위치에 형성되어 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)을 승강시킬 수 있으며, 상기 승강부재가 상기 리코터(200), 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)을 승강시키는 경우, 함께 승강하여 이를 보조할 수 있다.
상기 스테이지(100)와 상기 가이드부재(500)는 소정 거리 이격되어, 상기 스테이지(100)와 상기 가이드부재(500) 사이에 안내레일부(510)가 연장 형성된다. 상기 안내레일부(510)는 홀 또는 홈으로 형성되며, 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)의 양 측에 형성된 돌기부들(311, 321)이 상기 홀 또는 홈에 안착된다. 이와 같이, 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)의 돌기부들(311, 321)이 상기 안내레일부(510)에 끼워져서 상기 안내레일부(510)를 따라 상기 스테이지(100) 방향으로 안정적으로 이동할 수 있다.
상기 돌기부들(311, 321)이 상기 안내레일부(510)에 끼워짐에 따라 상기 제1 및 제2 롤러들(310, 320)은 상기 안내레일부(510)에 의해 상기 스테이지 방향으로 이동이 안내된다.
한편, 도 3을 참조하면, 상기 피조형 영역(E)에 상기 분말소재(10)를 이송하여 제2 두께(D2, 예를 들어, 30um)로 적층하는 경우, 상기 리코터(200)는 상기 스테이지(100)에 대하여 상기 제2 두께(D2)보다 높은 제1 두께(D1)의 위치에 형성되고, 상기 이송 유닛(300)은 상기 스테이지(100)에 대하여 상기 제2 두께(D2)만큼의 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
이 경우, 예를 들어 상기 리코터(200)는 상기 스테이지(100)에 대하여 50um의 높이를 형성하고, 상기 이송 유닛(300)은 상기 스테이지(100)에 대하여 30um의 높이를 형성하며 위치할 수 있다.
즉, 상기 피조형 영역(E)에 상기 분말소재(10)를 원하는 제2 두께(D2)로 적층하기 위해서, 먼저 상기 리코터(200)가 상기 분말소재(10)를 상기 제2 두께(D2)보다 더 큰 제1 두께(D1)로 적층하고, 상기 이송 유닛(300)이 상기 분말소재(10)를 가압하여 상기 분말소재(10)가 상기 제1 두께(D1)보다 작은 상기 제2 두께(D2)를 갖도록 하는 것이다.
이상과 같이, 상기 이송 유닛(300)에 의한 상기 분말소재(10)의 가압에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 분말소재(10)의 미세 입자들 각각은 보다 밀착되게 되며, 결과적으로 상기 조형물(20)에 대한 가압력이 증가되어 상기 조형물(20)을 지지하는 지지력도 상승하게 된다.
한편, 상기 피조형 영역(E)에 상기 분말소재(10)를 적층하여 분말층의 형성이 완료되면 상기 리코터(200)와 상기 이송유닛(300)을 초기 위치로 왕복 이송시킨다.
이 후, 상기 구동유닛(400)은 상기 리코터(200) 및 상기 이송유닛(300)을 소정 높이로 상승시킨 후, 상기 리코터(200) 및 상기 이송유닛(300)을 상기 피조형 영역(E)으로 이송시켜 상기 분말층 위에 새로운 분말층을 형성한다. 이러한 과정이 반복되면서 연속적으로 단면들(분말층들)이 적층되어 최종 단면이 적층되면 3차원 조형물이 조형된다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 컨베이어 벨트가 분말소재의 상면을 가압함에 따라, 분말소재의 적층 밀도가 증가하여 조형물의 하중을 지탱할 수 있으며, 분말소재의 조형물에 대한 지지력이 고루 분산되어 서포트를 최소화하거나 제거할 수 있어, 서포트 제작과 제거에 필요한 공정시간을 획기적으로 줄이며 서포트 제작 및 제거에 따른 소재의 낭비를 크게 줄일 수 있다.
또한, 기존에는 관 형태의 조형물을 제작하는 경우, 서포트 제작 후 제거가 어려워 조형물에 그대로 남겨두었던 것과 달리, 서포트를 제작하지 않기 때문에 초기 설계 사양 그대로 조형물 제작이 가능한 효과가 있으며, 서포트 제작의 한계 때문에 발생한 설계 제약 사양이 근본적으로 제거되기 때문에 제품 설계 자유도가 획기적으로 향상될 수 있다.
또한, 분말소재의 적층 밀도가 높아짐에 따라 레이저 소결 시 발생하는 고열이 분말소재 내부로 균일하게 분산될 수 있기 때문에 열 분산 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 컨베이어 벨트가 스테이지 상에 적층되는 분말소재에 수평 방향의 하중 없이 오직 수직 하중만을 작용함에 따라, 수평 하중에 의해 조형물에 불균일한 파트 단면이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 스테이지의 양측에 스테이지와 평행하게 가이드부재를 연장 형성함에 따라, 구동유닛의 롤러들의 이동을 가이드할 수 있으며, 구동유닛의 승강부재가 리코터 및 롤러들을 승강시키는 경우 함께 승강하여 이를 보조할 수 있다.
나아가, 스테이지와 가이드 부재 사이에 안내레일부 연장 형성하고, 롤러들의 돌기부들을 안내레일부에 안착시킴에 따라, 롤러들이 스테이지 방향으로 안정적으로 안내되는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 고밀도 파우더 적층 장치 10 : 분말소재
20 : 조형물 100 : 스테이지
150 : 소재공급테이블 200 : 리코터
300 : 이송유닛 310 : 제1 롤러
320 : 제2 롤러 330 : 컨베이어벨트
400 : 구동부 410 : 가이드홈
500 : 가이드부재 510 : 안내레일부
E : 피조형 영역 D1 : 제1 두께
D2 : 제2 두께

Claims (9)

  1. 피조형 영역을 포함하여 3차원 형상의 조형물이 조형되는 스테이지;
    소정 두께의 철판이 수직방향으로 세워져 형성되고, 소재공급테이블 상에 놓여진 분말소재를 수평 방향으로 밀어 상기 피조형 영역으로 이동시키고, 상기 조형물이 형성되도록 순차적으로 상기 스테이지 상에 적층하는 리코터; 및
    상기 리코터의 후방에 접촉되어 상기 리코터를 상기 스테이지 방향으로 이동시키며, 상기 스테이지 상에 안착한 상기 분말소재를 가압하는 이송유닛을 포함하고,
    상기 이송유닛은,
    상기 리코터의 후단에 위치하며, 서로 소정 간격 이격되어 동일한 방향으로 회전하는 제1 및 제2 롤러들; 및
    상기 제1 및 제2 롤러들의 외면에 감겨 일 방향으로 반복 이송되는 컨베이어 벨트를 포함하고,
    상기 컨베이어 벨트는 상기 분말소재의 상면에 수직 하중만을 작용하여 가압하여 상기 분말소재를 압축하는 것을 특징으로 하는 고밀도 파우더 적층 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이송유닛과 연결되며 상기 이송유닛에 구동력을 제공하는 구동유닛을 더 포함하는 고밀도 파우더 적층 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 구동유닛은,
    상기 리코터, 상기 제1 롤러 및 상기 제2 롤러의 일 측을 수용하는 횡방향의 가이드홈;
    상기 제1 및 제2 롤러들에 구동력을 전달하여 상기 제1 및 제2 롤러들 각각을 회전시키는 구동모터; 및
    상기 리코터, 상기 제1 및 제2 롤러들을 승강시키는 승강부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 고밀도 파우더 적층 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 롤러들이 회전함에 따라, 상기 컨베이어 벨트가 전진하여 상기 리코터 및 상기 이송유닛을 상기 스테이지 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 고밀도 파우더 적층 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 스테이지와 평행하게 연장 형성되며, 상기 승강부재를 따라 상기 제1 및 제2 롤러들을 수직으로 승강시키는 가이드부재를 더 포함하는 고밀도 파우더 적층 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스테이지와 상기 가이드부재의 사이에서 연장 형성되며, 상기 제1 및 제2 롤러들의 양 측에 형성된 돌기부들이 안착되고, 상기 제1 및 제2 롤러들의 상기 스테이지 방향으로의 이동을 안내하는 안내레일부를 더 포함하는 고밀도 파우더 적층 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 리코터는 상기 스테이지에 상기 분말소재를 제1 두께로 적층하고,
    상기 이송유닛은 상기 스테이지에 상기 분말소재를 제1 두께보다 작은 제2 두께로 가압하는 것을 특징으로 하는 고밀도 파우더 적층 장치.
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