KR101976636B1 - 광경화성 3d 프린터 및 제품 성형방법 - Google Patents

광경화성 3d 프린터 및 제품 성형방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광경화성 3D 프린터 및 제품 성형방법에 관한 것으로, 광경화성 레진 및 고비중액체가 저장되는 레진탱크; 상기 레진탱크 하부에 설치되어 상기 광경화성 레진에 대하여 광원을 조사하는 광학모듈; 상기 광학모듈에 의해 광경화성 레진이 경화되어 부착되며 상하방향으로 승강이동이 가능한 빌드플레이트; 및 상기 고비중액체의 내부압력조절을 위한 압력조절관을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 레진 경화물이 레진탱크의 바닥에 고착되어 적층공정의 불량이 발생하는 것을 근본적으로 방지할 수 있어 그에 따른 제품의 품질을 높일 수 있으며, 단면적이 넓은 구조의 출력물을 한층 효율적으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 적층공정을 위한 공정 시간을 단축시킬 수 있으므로 제품의 생산성을 크게 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

광경화성 3D 프린터 및 제품 성형방법{3D PRINTER FOR PHOTOCURABLE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 광경화성 3D 프린터 및 제품 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광경화성 레진을 이용한 3D 프린터의 제품 성형과정 시 발생하는 불량률을 크게 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 적층공정을 위한 준비과정의 시간을 단축시킬 수 있는 광경화성 3D 프린터 및 제품 성형방법에 관한 것이다.
일반적으로, 3D 프린터란, 삼차원형상을 구현하기 위한 전자적 정보를 출력하는 자동화된 장치를 의미한다. ISO와 ASTM에서는 이러한 AM기술들을 BJ(Binder jetting), DED(Directed Energy deposition), ME(Material extrusion), MJ(Material jetting), PBF(Powder bed fusion), SL(Sheet lamination), VP(Vat Photopolymerization)등으로 구분한다.
상기 VP 방식 3D 프린터의 경우, 미세형상을 구현하는데 용이하여 근래에 널리 사용되고 있다. VP 방식의 3D 프린터에 사용되는 액체의 원료는 자외선에 의해 경화되는 물질인 UV(Ultraviolet Ray) 광경화성 레진이 원료로 이용된다.
또한, VP 방식 3D 프린터는 기구적 구조에 따라 아래에서 윗쪽으로 출력물을 완성하는 상향식(bottom-up)방식과, 위쪽에서 아래쪽으로 출력물을 완성하는 하향식(top-down)방식으로 구분된다.
이하, 도 1을 참조하여 종래기술에 따른 광경화성 VP방식의 3D 프린터에 대하여 설명한다.
도시한 바와 같이 종래기술에 따른 광경화성 3D 프린터는 내부에 광경화성 레진(110)이 저장되는 레진탱크(100)와, 상기 레진탱크(100)의 하부에서 광을 조사하는 광학모듈(200)과, 상기 광학모듈(200)에 의해 경화된 레진 경화물(110a)을 고정지지하며 여러층의 레진 경화물을 형성할 수 있도록 상기 레진탱크(100)에 대하여 승강이동 하는 빌드플레이트(300)로 구성된다.
즉, 광경화성 레진(110)이 담긴 레진탱크(100)의 바닥면에 근접하여 상기 빌드플레이트(300)를 위치시킨 상태에서 상기 광학모듈(200)의 광이 조사되면 상기 레진탱크(100)의 바닥면과 빌드플레이트(300) 사이에 위치한 광경화성 레진(110)이 딱딱하게 굳는 레진 경화물(110a)로 변화한다. 따라서, 상기 빌드플레이트(300)를 단계적으로 승강시켜 레진 경화물(110a)을 적층시키는 방법으로 출력물을 완성하게 된다.
그러나, 종래기술에 따른 광경화성 3D 프린터는 상기 빌드플레이트(300)와 레진탱크(100) 바닥면 사이의 광경화성 레진(110)이 경화되는 과정에서 레진탱크(100)의 바닥면에 대해서도 동일하게 레진 경화물(110a)이 고착되는 현상이 발생한다. 따라서, 레진 경화물(110a)의 하면이 상기 레진탱크(100)의 바닥면에 고착되는 현상에 의한 적층공정의 불량이 빈번하게 발생하는 문제점이 있었다.
이러한 적층공정의 불량은 광경화성 레진(110)이 경화되는 단위 면적의 성형층 넓이가 클수록 적층공정 불량이 더욱 빈번하게 발생하였을 뿐만 아니라, 적층공정의 불량을 최소화하기 위해 상기 빌드플레이트(300)의 승강 이동속도를 현저하게 줄임으로써 제품생산이 효율적이지 못한 문제점이 있었다.
한국등록특허공보 제1647799호(2016.08.05)
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 발명의 목적은 광경화성 레진을 이용한 3D 프린터의 제품 성형과정 시 발생하는 불량률을 크게 개선할 수 있을 뿐만 아니라 적층공정을 위한 준비과정의 시간을 단축시킬 수 있는 광경화성 3D 프린터 및 제품 성형방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 광경화성 3D 프린터는, 광경화성 레진이 저장되는 레진탱크; 상기 레진탱크 하부에 설치되어 상기 광경화성 레진에 이미지를 조사하는 광학모듈; 및 조사된 이미지대로 경화된 레진 경화물을 적층할 수 있도록, 상하방향으로 승강이동이 가능한 빌드플레이트를 포함하되, 상기 레진탱크 하부에는 상기 광경화성 레진보다 비중이 큰 고비중액체가 충전되는 것을 특징으로 한다.
상기 레진탱크에는 고비중액체와 광경화성레진이 충전되고 두 물질은 압력평행상태를 이룬다. 상기 빌드플레이트가 레진탱크의 광경화성 레진에서 승강운동을 함으로써 압력 평행상태가 깨지게 되는데 이를 다시 평행상태로 만들어 주기 위해(equalizing) 압력조절관이 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 빌드플레이트가 승강 이동을 할 때, 광경화성 레진에 의해 형성되는 고비중액체의 내부압력 평행상태가 깨지게 되는데, 이를 평행상태로 되돌리기 위한 압력조절관이 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 압력조절관은 상기 레진탱크의 내부 또는 일측에 세워지는 중공의 관으로써, 일단은 상기 고비중액체와 연통하는 위치에 있으며 타단은 대기중에 위치하여, 중공을 통해 고비중액체의 내부 압력을 이퀄라이징하는 것을 특징으로 한다.
상기 레진탱크에 저장되는 상기 광경화성 레진과 고비중액체의 경계선을 기준으로 상기 빌드플레이트의 초기 위치 및 수평각 위치를 결정하는 감지센서를 추가로 설치할 수 있다.
삭제
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 광경화성 레진보다 비중이 큰 고비중액체를 구성함으로써, 광경화성 레진이 경화되는 과정에서 레진탱크의 바닥면에 대해서도 동일하게 고착되려는 현상을 미연에 방지할 수 있어 레진 경화물이 레진탱크의 바닥에 고착되어 적층공정의 불량이 발생하는 것을 근본적으로 방지할 수 있어 그에 따른 제품의 품질을 높일 수 있으며, 단면적이 넓은 구조의 출력물을 한층 효율적으로 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 적층공정을 위한 공정 시간을 단축시킬 수 있으므로 제품의 생산성을 크게 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 레진탱크에는 고비중액체의 내부압력조절을 위한 압력조절관을 구성함으로써, 빌드플레이트가 승강하는 이동 압력에 의해 상기 광경화성레진과 고비중액체의 상호 압력 평행상태가 깨지는 것에 대하여 압력 평행상태를 신속하게 복원시키는 효과를 제공한다.
도 1은 종래기술에 따른 광경화성 3D 프린터의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광경화성 3D 프린터의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 레진탱크에 압력조절관을 포함한 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광경화성 3D 프린터의 작용 과정을 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 2의 빌드플레이트 초기 위치 및 수평각 위치를 결정하는 감지센서를 적용한 구성을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광경화성 3D 프린터의 제품 성형방법을 나타낸 순서도이다
이하, 본 발명에 따른 광경화성 3D 프린터의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 광경화성 3D 프린터는 광경화성 레진(110) 및 고비중액체(120)가 저장되는 레진탱크(100)와, 상기 레진탱크(100) 하부에 설치되어 상기 광경화성 레진(110)에 대하여 광원을 조사하는 광학모듈(200)과, 상기 광학모듈(200)에 의해 광경화성 레진(110)이 경화되어 부착되며 상하방향으로 승강이동이 가능한 빌드플레이트(300)와 상기 고비중액체(120)의 내부압력조절을 위한 압력조절관(400)을 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 레진탱크(100)는 광경화성 레진(110) 및 고비중액체(120)를 담기 위한 용기로써, 내부에는 상기 광경화성 레진(110)과 고비중액체(120)를 저장하기 위한 저장공간부(101)가 형성된다.
이러한 상기 레진탱크(100)는 후술할 빌드플레이트(300)가 간섭받지 않고 원활하게 승강이동할 수 있도록 상기 빌드플레이트(300)보다 넓이가 큰 구조로 제작하는 것이 바람직하다.
상기 레진탱크(100)는 광경화성 레진(110)이 광원에 의해 경화작용이 이루어질 수 있도록 바닥면은 투명소재로 제작하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 레진탱크(100)는 바닥면에 한정하여 투명소재를 사용하고 나머지부분은 불투명소재로 제작될 수도 있다.
본 발명에 따른 상기 레진탱크(100) 내측 하부에는 상기 광경화성 레진(110)보다 비중이 큰 후술할 고비중액체(120)가 충전된다.
즉, 상기 레진탱크(100)에는 고비중액체(120)가 아래쪽에 위치하고 광경화성 레진(110)이 윗쪽에 위치한다.
본 발명의 실시예에 따른 레진탱크(100)는 상기 광경화성 레진(110)과 고비중액체(120)를 저장하기 위한 저장공간부(101)의 넓이가 동일한 형태로 제작이 이루어져 있으나, 반드시 이에 한정하지 않으며 상기 저장공간부(101)는 광경화성 레진(110)과 고비중액체(120)의 경계층을 기준으로 넓이가 서로 다른 형태로 제작할 수 있다.
또한, 상기 레진탱크(100)는 사각형상의 형태로 제작하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정하지 않으며, 원형, 타원형 또는 다양한 다각형상의 형태로 제작할 수 있다.
상기 광학모듈(200)은 상기 레진탱크(100)와 이격되는 하부에 설치되는 것으로, 상기 광경화성 레진(110)에 대하여 광원을 조사하여 상기 광경화성 레진(110)이 딱딱하게 굳는 레진 경화물(110a)로 변화시키는 역할을 수행한다.
또한, 상기 광학모듈(200)은 상기 광경화성 레진(110)의 바닥층을 조사하는 조사헤드(210)와, 상하방향 또는 수평방향으로 자체 이동이 가능한 이동제어부(220)를 포함할 수 있다.
상기 조사헤드(210)는 광경화성 레진(110)의 성분에 따라 광원의 파장대역의 출력세기를 다양하게 설정할 수 있는 기능을 포함한다.
한편, 상기 빌드플레이트(300)는 광원에 의해 경화된 레진 경화물(110a)이 부착되는 것으로, 상기 광학모듈(200)로부터 멀어지는 방향으로 승강이동 하는 역할을 수행한다.
이러한 상기 빌드플레이트(300)는 상기 레진탱크(100)의 저장공간부(101)에 수용된 광경화성 레진(110)이 광학모듈(200)로부터 광을 조사받아 연속적으로 레진 경화물(110a)이 적층구조로 생성될 수 있도록 공간을 제공한다.
따라서, 상기 빌드플레이트(300)에 경화된 상태로 부착된 레진 경화물(110a)은 상기 광학모듈(200)에 의해 한층 한층 적층되는 구조로써 3차원 출력물 형태를 완성할 수 있다.
그리고, 상기 빌드플레이트(300)의 승강이동을 위한 별도의 구동장치(미도시)가 설치되는 것은 당연하다.
상기 구동장치는 모터, 스크류 및 제어부로 구성하거나, 솔레노이드 및 제어부의 구성으로 제작할 수 있다.
상기 빌드플레이트(300)를 승강이동 가능하게 하는 구동장치는 이미 공지된 기술과 동일 내지 유사하므로 그 구체적인 구성 및 작용 설명은 생략한다.
한편, 본 발명에 따른 상기 레진탱크(100) 하부에는 상기 광경화성 레진(110)보다 비중이 큰 고비중액체(120)를 더 포함하여 구성된다.
즉, 상기 레진탱크(100)의 저장공간부(101)에는 서로 물성이 다른 2종의 액체가 혼합되지 않는 층 분류 상태를 유지한다. 상기 고비중액체(120)는 레진탱크(100)의 아래쪽에 위치하고 상기 고비중액체(120) 위에 상기 광경화성 레진(110)이 위치한다.
이러한 상기 고비중액체(120)의 구성 이유는 상기 빌드플레이트(300)와 레진탱크(100) 바닥면 사이에서 광경화성 레진(110)이 경화될 경우 상기 레진탱크(100)의 바닥면에 대해서도 동일한 고착 현상이 발생하기 때문에 이러한 상기 레진탱크(100)의 바닥면에 고착력이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있도록 하기 위함이다.
다시 말해, 상기 광경화성 레진(110)이 레진탱크(100)의 바닥면에 접촉하지 않고 상기 고비중액체(120)에 의해 이격된 위치에서 경화작용이 이루어지기 때문에 광경화성 레진(110)의 경화 작용에 따른 고착력은 상기 빌드플레이트(300)에만 적용되므로 상기 경화된 광경화성 레진(100)이 레진탱크(100)의 바닥면에 고착되는 현상에 의해 발생하였던 적층공정의 불량을 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 적층공정을 한층 신속하게 진행할 수 있어 제품의 생산성을 크게 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 고비중액체(120)를 이용한 광경화성 레진(100)의 적층공정은 단면적이 넓은 구조의 레진 경화물(110a)을 생산하는데 있어서도 매우 유용한 효과를 제공한다.
이는 상기 광학모듈(200)의 조사 열에 의해 쉽게 기화되지 않고 정량의 액체 상태를 유지할 수 있도록 하여 두 액체의 경계층을 일정하게 유지시킬 수 있도록 하기 위함이다.
아울러, 상기 레진탱크(100)에는 상기 빌드플레이트(300)가 승강하는 이동 압력에 의해 상기 광경화성레진(110)과 고비중액체(120)의 압력 평행상태가 깨지게 되는데, 이를 평행상태로 이퀄라이징 하기 위해 압력조절관(400)이 설치된다.
구체적으로, 상기 압력조절관(400)은 상기 레진탱크(100)의 일측에 세워지는 상태로 설치되는 중공의 관체로써, 길이방향의 일단은 상기 고비중액체(120)와 연통하는 위치에 있으며 타단은 대기중에 두어 고비중액체의 내부압력 평형 상태를 일정하게 유지시킬 수 있도록 한다.
물론, 상기 압력조절관(400)의 중공 내부에는 일정량의 고비중액체(120)가 충전될 수 있다.
또한, 도 5는 상기 빌드플레이트(300)의 초기 위치 및 수평각 위치를 결정하기 위한 다른 실시예를 나타낸 것으로, 여기서, 상기 빌드플레이트(300)의 초기 위치 및 수평각 위치는 감지센서(500)로 구성할 수 있다.
즉, 감지센서(500)가 선행적으로 상기 광경화성 레진(110)과 고비중액체(120)의 경계선을 감지하고, 감지된 결과 값의 위치로 상기 빌드플레이트(300)를 위치시킨다.
여기서, 상기 감지센서(500)는 레이저 센서, 초음파 센서 등의 거리 감지가 우수한 다양한 구성의 것을 적용하여 설치할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 광경화성 3D 프린터의 제품 성형방법에 대하여 설명한다.
먼저, 상기 레진탱크(100) 내부에 고비중액체(120)를 투입하는 고비중액체 투입단계(S100)를 진행한다.
이어서, 상기 레진탱크(100) 내부에 광경화성 레진(110)을 투입하는 레진 투입단계(S200)를 진행한다.
이후, 상기 고비중액체(120)와 광경화성 레진(110)의 경계층 상부에 빌드플레이트(300)를 배치시키는 단계(S300)를 실시한다.
그 다음, 상기 광학모듈(200)의 광원이 상기 고비중액체(120)를 투과하여 상기 광경화성 레진(110)을 레진 경화물(110a)로 가공하는 제품 성형단계(S400)를 진행한다.
상기 제품성형 단계는 빌드플레이트(300)에 레진 경화물(110a)이 고착되면 상기 빌드플레이트(300)는 상측 방향으로 이동하게 된다. 이때, 상기 빌드플레이트(300)가 상승하는 거리만큼 상기 빌드플레이트와 고비중액체(120) 사이에 갭(레진 경화물을 형성하는 공간)이 형성되고, 이 갭 사이에 광경화성 레진(110)이 다시 채워지게 된다. 이렇게 채워진 광경화성 레진(110)이 채워지면 광학모듈(200)에 의해 레진 경화물(110a)로 가변되는 과정을 계속 반복하여 설정된 3차원 물체를 완성한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100 : 레진탱크 110 : 광경화성 레진
120 : 고비중액체 200 : 광학모듈
300 : 빌드플레이트 400 : 압력조절관
500 : 감지센서

Claims (3)

  1. 광경화성 레진 및 고비중액체가 저장되는 레진탱크;
    상기 레진탱크 하부에 설치되어 상기 광경화성 레진에 대하여 광원을 조사하는 광학모듈;
    상기 광학모듈에 의해 광경화성 레진이 경화되어 부착되며 상하방향으로 승강이동이 가능한 빌드플레이트; 및
    상기 고비중액체의 내부압력조절을 위한 압력조절관을 포함하며,
    상기 압력조절관은 상기 레진탱크에 설치되는 중공의 관으로써, 일단은 상기 고비중액체와 연통하는 위치에 있으며 타단은 대기중에 위치하여 레진 경화물이 고착된 상태의 상기 빌드플레이트 상승시, 상기 빌드플레이트와 고비중액체 사이에 갭(레진 경화물을 형성하는 공간)이 형성되는 것을 최소화할 수 있도록 상기 고비중액체의 내부압력 평형 상태를 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 광경화성 3D 프린터.
  2. 삭제
  3. 삭제
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