KR102119452B1

KR102119452B1 - 레이어 적층 장치 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법

Info

Publication number: KR102119452B1
Application number: KR1020180172220A
Authority: KR
Inventors: 김민호; 박병학; 손성만
Original assignee: 주식회사 성우하이텍
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-06-05

Abstract

3D 프린팅용 레이어 적층 장치가 개시된다. 개시된 본 발명의 예시적인 일 실시 예에 따른 레이어 적층 장치는, 상하 방향으로 이동 가능한 베드 상에 금속 분말 파우더의 레이어를 적층하는 것으로서, ⅰ)메인 프레임에 제1 구동원을 통해 베드의 길이 방향을 따라 왕복 이동 가능하게 설치되는 장착 프레임과, ⅱ)장착 프레임에 고정된 마운팅 바디에 설치되며, 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더를 상기 베드 상으로 각각 도포하는 파우더 도포유닛과, ⅲ)마운팅 바디에 제2 구동원을 통해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 파우더 도포유닛에 의해 베드 상으로 도포된 금속 분말 파우더를 평턴화 하는 블레이드와, ⅳ)마운팅 바디를 사이에 두고 장착 프레임의 양측에 제3 구동원을 통해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 베드 상으로 도포된 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더를 각각 흡입하는 파우더 흡입유닛을 포함할 수 있다.

Description

레이어 적층 장치 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법 {LAYER LAMINATING DEVICE AND 3D PRINTING METHOD USING THE SAME}

본 발명의 실시 예는 3D 프린팅 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3D 프린팅 방식으로 이종의 금속 소재를 적층하여 부품 소재를 제작할 수 있는 3D 프린팅용 레이어 적층 장치 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 3D 프린팅 기술은 어떤 모양의 입체를 단시간 내에 출력해내는 기술로서 최근 발달하고 있는 기술이다. 최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 CAD 나 CAM을 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.

3D 프린팅 기술은 크게 분류하여, 고체형 재료를 사용하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식, 액체형 재료를 사용하는 SLA(Setero Lithography Apparatus) 방식, 파우더형 재료를 사용하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식 또는 PBF(Powder Bed Fusion) 방식으로 나눌 수 있다.

상기에서 PBF 방식은 파우더형 재료(금속 분말 등)를 베드 상에 균일한 레이어로 형성한 후, 레이저를 이용하여 레이어를 원하는 형상으로 용융시키며, 이와 같은 레이어의 용융 층을 여러 층으로 적층 함으로써, 3차원 구조물을 제작하는 방식이다. 이와 같은 방식의 3D 프린팅 기술은 다양한 소재를 다층으로 적층할 수 있고, 소재의 재활용이 가능하다는 장점이 있다.

그런데, 종래 기술에서는 한 적층 레이어에 한가지 소재의 금속 분말 파우더만 적층 가능하기 때문에, 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더를 동일 적층 레이어에 적층하기가 불가능하다. 이는 하나의 적층 레이어에 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더를 국부적으로 도포 하며 평탄화시키는 과정에 금속 분말 파우더가 혼합되는 문제가 발생하기 때문이다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 베드 상으로 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더를 도포하며, 동일 적층 레이어에 이종소재의 레이어 용융층을 형성할 수 있도록 한 레이어 적층 장치 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치는, 상하 방향으로 이동 가능한 베드 상에 금속 분말 파우더의 레이어를 적층하는 것으로서, ⅰ)메인 프레임에 제1 구동원을 통해 상기 베드의 길이 방향을 따라 왕복 이동 가능하게 설치되는 장착 프레임과, ⅱ)상기 장착 프레임에 고정된 마운팅 바디에 설치되며, 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더를 상기 베드 상으로 각각 도포하는 파우더 도포유닛과, ⅲ)상기 마운팅 바디에 제2 구동원을 통해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 파우더 도포유닛에 의해 상기 베드 상으로 도포된 금속 분말 파우더를 평턴화 하는 블레이드와, ⅳ)상기 마운팅 바디를 사이에 두고 상기 장착 프레임의 양측에 제3 구동원을 통해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 베드 상으로 도포된 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더를 각각 흡입하는 파우더 흡입유닛을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치에 있어서, 상기 파우더 도포유닛은 제1 파우더 탱크에 저장된 제1 금속 분말 파우더를 제공받아 상기 베드 상으로 상기 제1 금속 분말 파우더를 도포하는 제1 도포 노즐과, 제2 파우더 탱크에 저장된 제2 금속 분말 파우더를 제공받아 상기 베드 상으로 상기 제2 금속 분말 파우더를 도포하는 제2 도포 노즐을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 도포 노즐에는 각각의 노즐 통로를 선택적으로 개폐하는 노즐 셔터가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치에 있어서, 상기 파우더 흡입유닛은 상기 베드 상으로 도포된 상기 제1 금속 분말 파우더를 진공 압으로 흡입하며, 제1 파우더 수거조로 수거하는 제1 흡입 노즐과, 상기 베드 상으로 도포된 상기 제2 금속 분말 파우더를 진공 압으로 흡입하며, 제2 파우더 수거조로 수거하는 제2 흡입 노즐을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 흡입 노즐은 상기 제3 구동원에 의해 상호 교번되게 상하 방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 방법은, 상하 방향으로 이동 가능한 베드 상에 상술한 바와 같은 레이어 적층 장치를 통해 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더를 도포하며, 동일 적층 레이어에 이종소재의 레이어 용용층을 형성하는 것으로서, (a) 상기 베드의 길이 방향을 따라 장착 프레임을 일측 방향으로 이동시키며, 제1 도포 노즐을 통해 제1 금속 분말 파우더를 상기 베드 상으로 도포하고, 블레이드를 통해 상기 제1 금속 분말 파우더를 평탄화 하며 제1 파우더 층을 형성하는 과정과, (b) 상기 제1 파우더 층에 레이저를 조사하여 상기 제1 파우더 층의 일부를 용융시키며, 제1 레이어 용융층을 형성하는 과정과, (c) 상기 장착 프레임을 다른 일측 방향으로 이동시키며, 제1 흡입 노즐을 통해 상기 제1 파우더 층의 나머지를 흡입하고, 제2 도포 노즐을 통해 제2 금속 분말 파우더를 상기 베드 상으로 도포하며, 블레이드를 통해 상기 제2 금속 분말 파우더를 평탄화 하여 상기 제1 레이어 용융층을 갖는 제1 적층 레이어에 제2 파우더 층을 형성하는 과정과, (d) 상기 제2 파우더 층에 레이저를 조사하여 상기 제2 파우더 층의 일부를 용융시키며, 상기 제1 적층 레이어에 제2 레이어 용융층을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 3D 프린팅 방법은, (e) 상기 장착 프레임을 다른 일측 방향으로 이동시키며, 상기 제2 도포 노즐을 통해 제2 금속 분말 파우더를 상기 제1 적층 레이어 상으로 도포하고, 블레이드를 통해 상기 제2 금속 분말 파우더를 평탄화 하며 제3 파우더 층을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 3D 프린팅 방법은, (f) 상기 제3 파우더 층에 레이저를 조사하여 상기 제3 파우더 층의 일부를 용융시키며, 상기 제2 레이어 용융층 위에 제3 레이어 용융층을 갖는 제2 적층 레이어를 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 3D 프린팅 방법은, (g) 상기 장착 프레임을 일측 방향으로 이동시키며, 제2 흡입 노즐을 통해 상기 제3 파우더 층의 나머지를 흡입하고, 제1 도포 노즐을 통해 제1 금속 분말 파우더를 상기 제2 적층 레이어 상으로 도포하며, 블레이드를 통해 상기 제1 금속 분말 파우더를 평탄화 하여 상기 제2 적층 레이어 상에 제4 파우더 층을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 3D 프린팅 방법은, 상기 제1 레이어 용융층 위의 상기 제4 파우더 층에 레이저를 조사하여 용융시키며, 상기 제2 적층 레이어에 제4 레이어 용융층을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 3D 프린팅 방법은, 상기 (e)~(g)의 과정을 반복하며, 복수의 적층 레이어를 형성하며, 동일 적층 레이어에 서로 다른 소재의 레이어 용융층을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 3D 프린팅 방법은, 상기 제1 금속 분말 파우더를 용융시킨 제1 부분을 내측에 두고 이의 가장자리 측에 상기 제2 금속 분말 파우더를 용융시킨 제2 부분이 위치하는 3차원 구조물을 제작할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 3D 프린팅 방식으로 각각의 이종 경량 소재를 복수의 적층 레이어로 적층하여 부품 소재를 제작하는 종래 기술과 달리, 금속 분말 파우더의 도포 및 흡입을 통해 3D 프린팅 방식으로 이종 경량 소재를 동일 적층 레이어에 적용한 경량 부품 소재를 제작할 수 있으므로, 차체의 경량화를 도모하기 위해 차체에 적용되는 부품 소재의 두께를 줄일 수 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅용 레이어 적층 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치를 이용하여 제작된 3차원 구조물의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치를 이용한 3D 프린팅 방법을 나타내 보인 공정 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "..부", ""..수단" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅용 레이어 적층 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치(100)는 3D 프린팅 방식으로 3차원 입체 형상을 가진 구조물을 제작하는 3D 프린팅 시스템에 적용될 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치(100)는 차체의 경량화를 도모하기 위해 알루미늄, 마그네슘 및 구리 등과 같은 경량 소재를 포함한 차체 부품 소재를 3D 프린팅 방식으로 제작하는 공정에 적용될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치(100)는 서로 다른 경량 소재의 금속 분말 파우더를 도포하며, 균일한 두께의 파우더 층을 형성하기 위한 것이다.

예를 들면, 본 발명의 실시 예는 금속 분말의 파우더 층에 레이저를 조사하여 그 파우더 층의 일부를 용융(소결)시키며, 도 2에 도시된 바와 같이 동일 적층 레이어에 이종소재의 금속 층을 형성하고 있는 3차원 구조물(1)을 제작할 수 있다.

여기서, 상기 3차원 구조물(1)은 어느 한 소재의 금속 분말 파우더를 용융시킨 금속 층으로서의 제1 부분(5)을 내측에 두고, 제1 부분(5)의 가장자리 측에 다른 소재의 금속 분말 파우더를 용융시킨 금속 층으로서의 제2 부분(7)이 위치하는 차체 부품 소재일 수 있다.

그러나, 본 발명의 보호범위가 차체 부품 소재를 3D 프린팅 방식으로 제작하는 것에 반드시 한정되는 것으로 이해되어서는 아니되며, 다양한 종류 및 용도의 부품 소재를 3D 프린팅 방식으로 제작하는 것이라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 레이어 적층 장치(100)는 금속 분말 파우더를 베드(11) 상으로 도포하여 균일한 레이어로 적층하기 위한 것으로서, 베드(11)의 상측에 구성될 수 있다.

상기 베드(11)는 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치(100)에 대응하여 공지 기술의 작동 실린더(13)를 통해 상하 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 레이어 적층 장치(100)는 베드(11) 상으로 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더를 도포하며, 동일 적층 레이어에 이종소재의 레이어 용융층을 형성할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위한 본 발명의 실시 예에 따른 상기 레이어 적층 장치(100)는 장착 프레임(20), 파우더 도포유닛(40), 블레이드(60), 그리고 파우더 흡입유닛(80)을 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

이하에서 설명될 상기한 구성 요소들은 메인 프레임(15)에 구성되는 바, 그 메인 프레임(15)은 공정라인에서 상기 베드(11)의 길이 방향을 따라 배치되며, 하나의 프레임 또는 둘 이상으로 구획된 프레임으로 구성될 수 있다.

상기 메인 프레임(15)은 이하에서 설명될 각각의 구성 요소들을 지지하기 위한 브라켓, 바아, 로드, 플레이트, 블록, 레일, 칼라 등과 같은 각종 부속 요소들을 포함하고 있다.

이러한 각종 부속 요소들은 이하에서 더욱 설명될 각각의 구성 요소를 메인 프레임(15)에 설치하기 위한 것이므로, 본 발명의 실시 예에서는 예외적인 경우를 제외하고 각종 부속 요소들을 메인 프레임(15)으로 통칭한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 장착 프레임(20)은 메인 프레임(15)에 베드(11)의 길이 방향(도면을 기준으로 좌우 방향)을 따라 직선 왕복 이동 가능하게 설치된다. 상기 장착 프레임(20)에는 이하에서 더욱 설명될 파우더 도포유닛(40), 블레이드(60), 및 파우더 흡입유닛(80)이 구성된다.

이러한 장착 프레임(20)은 제1 구동원(21)의 구동에 의해 가이드 레일(23)을 따라 베드(11)의 길이 방향으로 왕복 이동될 수 있다. 상기 제1 구동원(21)은 공지 기술의 서보 모터 및 구동 실린더를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 파우더 도포유닛(40)은 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더(41, 42)를 베드(11) 상으로 각각 도포하기 위한 것이다. 이하에서는 어느 한 소재의 금속 분말 파우더를 "제1 금속 분말 파우더(41)"라고 하며, 다른 소재의 금속 분말 파우더를 "제2 금속 분말 파우더(42)"라고 한다.

상기 파우더 도포유닛(40)은 장착 프레임(20)에 고정된 마운팅 바디(45)에 설치된다. 이러한 파우더 도포유닛(40)은 제1 도포 노즐(51)과 제2 도포 노즐(52)을 포함하고 있다.

상기 제1 도포 노즐(51)은 제1 금속 분말 파우더(41)를 베드(11) 상으로 도포하기 위한 것으로서, 마운팅 바디(45)의 일측에 고정되게 설치된다. 상기 제1 도포 노즐(51)은 베드(11)에 대응하여 상하 방향으로 제1 노즐 통로(53)를 형성하고 있다.

그리고, 상기 제2 도포 노즐(52)은 제2 금속 분말 파우더(42)를 베드(11) 상으로 도포하기 위한 것으로서, 마운팅 바디(45)의 다른 일측에 고정되게 설치된다. 상기 제2 도포 노즐(52)은 베드(11)에 대응하여 상하 방향으로 제2 노즐 통로(54)를 형성하고 있다.

여기서, 상기 제1 도포 노즐(51)은 제1 파우더 탱크(T1)에 저장된 제1 금속 분말 파우더(41)를 공급받는데, 제1 금속 분말 파우더(41)는 별도의 펌핑수단을 통해 제1 도포 노즐(51)로 송급될 수 있다.

그리고, 상기 제2 도포 노즐(52)은 제2 파우더 탱크(T2)에 저장된 제2 금속 분말 파우더(42)를 공급받는데, 제2 금속 분말 파우더(42)는 별도의 펌핑수단을 통해 제2 도포 노즐(52)로 송급될 수 있다.

더 나아가, 상기 제1 및 제2 도포 노즐(51, 52)의 제1 및 제2 노즐 통로(53, 54) 각각에는 이들 노즐 통로(53, 54)를 선택적으로 개폐하는 노즐 셔터(55)가 설치된다.

상기 노즐 셔터(55)는 액추에이터(57)에 의해 전후진 이동하며, 제1 및 제2 노즐 통로(53, 54)를 선택적으로 개폐할 수 있다. 상기 액추에이터(57)는 당 업계에 널리 알려진 공지 기술의 모터, 피니언 기어 및 래크를 포함할 수 있으며, 공지 기술의 구동 실린더를 포함할 수도 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 블레이드(60)는 파우더 도포유닛(40)의 제1 및 제2 도포 노즐(51, 52)에 의해 베드(11) 상으로 도포된 제1 및 제2 금속 분말 파우더(41, 42)를 평탄화 하기 위한 것이다.

상기 블레이드(60)는 베드(11)에 대응하여 제1 및 제2 도포 노즐(51, 52) 사이에 배치되며, 마운팅 바디(45)에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 이러한 블레이드(60)는 제2 구동원(61)의 구동에 의해 상하 방향으로 왕복 이동될 수 있다. 상기 제2 구동원(61)은 공지 기술의 서보 모터 및 구동 실린더를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 블레이드(60)는 베드(11)의 상하 이동에 동기화 하며, 제2 구동원(61)에 의해 상하 방향으로 이동될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 파우더 흡입유닛(80)은 베드(11) 상으로 도포된 서로 다른 소재의 제1 및 제2 금속 분말 파우더(41, 42)를 각각 흡입하기 위한 것이다.

상기 파우더 흡입유닛(80)은 마운팅 바디(45)를 사이에 두고 장착 프레임(20)의 양측에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 이러한 파우더 흡입유닛(80)은 제1 흡입 노즐(81) 및 제2 흡입 노즐(82)을 포함하고 있다.

상기 제1 흡입 노즐(81)은 제2 도포 노즐(52) 측에 배치되며, 장착 프레임(20)의 일측에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 상기 제1 흡입 노즐(81)은 베드(11) 상으로 도포된 제1 금속 분말 파우더(41)를 진공 압으로 흡입하며, 제1 파우더 수거조(91)로 수거할 수 있다.

상기 제1 흡입 노즐(81)은 내부에 제1 금속 분말 파우더(41)의 흡입 통로를 형성하는 바, 하단에는 흡입 통로와 연결되는 파우더 흡입 단을 형성하고, 상단에는 흡입 통로와 연결되는 파우더 배출 단을 형성하고 있다.

여기서, 상기 제1 흡입 노즐(81)은 진공 펌프(도면에 도시되지 않음)의 구동에 의한 진공 압으로 제1 금속 분말 파우더(41)를 파우더 흡입 단을 통해 흡입 통로 흡입하며, 파우더 배출 단을 통해 제1 파우더 수거조(91)로 공급할 수 있다.

그리고, 상기 제2 흡입 노즐(82)은 제1 도포 노즐(51) 측에 배치되며, 장착 프레임(20)의 다른 일측에 상하 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 상기 제2 흡입 노즐(82)은 베드(11) 상으로 도포된 제2 금속 분말 파우더(42)를 진공 압으로 흡입하며, 제2 파우더 수거조(92)로 수거할 수 있다.

상기 제2 흡입 노즐(82)은 내부에 제2 금속 분말 파우더(42)의 흡입 통로를 형성하는 바, 하단에는 흡입 통로와 연결되는 파우더 흡입 단을 형성하고, 상단에는 흡입 통로와 연결되는 파우더 배출 단을 형성하고 있다.

여기서, 상기 제2 흡입 노즐(82)은 진공 펌프(도면에 도시되지 않음)의 구동에 의한 진공 압으로 제2 금속 분말 파우더(42)를 파우더 흡입 단을 통해 흡입 통로 흡입하며, 파우더 배출 단을 통해 제2 파우더 수거조(92)로 공급할 수 있다.

이러한 제1 및 제2 흡입 노즐(81, 82)은 제3 구동원(85)의 구동에 의해 상하 방향으로 왕복 이동될 수 있다. 더 나아가, 상기 제1 및 제2 흡입 노즐(81, 82)은 제3 구동원(85)에 의해 상호 교번되게 상하 방향으로 이동될 수 있다.

상기 제3 구동원(85)은 서보 모터(87)와, 서보 모터(87)의 회전력을 직선 운동으로 변환하는 리드(또는 볼) 스크류 및 가이드부재(가이드 레일 또는 가이드 봉) 등을 갖춘 공지 기술의 가이드 구조체(89)를 포함할 수 있다.

상기에서 서보 모터(87) 및 가이드 구조체(89)는 장착 프레임(20)에 설치되는데, 가이드 구조체(89)에는 브라켓 등을 통해 제1 및 제2 흡입 노즐(81, 82)이 연결될 수 있다.

대안으로서, 상기 제3 구동원(85)은 작동 실린더(도면에 도시되지 않음)의 직선 운동을 가이드 하는 공지 기술의 가이드 구조체(도면에 도시되지 않음)를 통해 제1 및 제2 흡입 노즐(81, 82)를 상하 방향으로 각각 왕복 이동시킬 수도 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치(100)를 이용한 3D 프린팅 방법을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3 내지 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치를 이용한 3D 프린팅 방법을 나타내 보인 공정 순서도이다.

우선, 본 발명의 실시 예에서는 작동 실린더(13)에 의해 베드(11)가 상측 방향으로 이동된 상태에 있으며, 제1 및 제2 도포 노즐(51, 52)의 제1 및 제2 노즐 통로(53, 54)를 노즐 셔터(55)를 통해 폐쇄한 상태에 있다.

그리고, 장착 프레임(20)은 제1 구동원(21)에 의해 베드(11)의 한쪽 방향으로 이동된 상태에 있으며, 블레이드(60)는 제2 구동원(61)에 의해 베드(11) 측으로 하향 이동된 상태에 있다. 또한, 파우더 흡입유닛(80)의 제1 및 제2 흡입 노즐(81, 82)은 제3 구동원(85)에 의해 상측 방향으로 이동된 상태에 있다.

상기와 같은 상태에서, 본 발명의 실시 예에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 노즐 셔터(55)를 작동시켜 제1 도포 노즐(51)의 제1 노즐 통로(53)만을 개방함과 동시에, 제1 구동원(21)에 의해 장착 프레임(20)을 베드(11)의 길이 방향을 따라 일측 방향으로 이동시킨다.

이와 동시에, 본 발명의 실시 예에서는 제1 파우더 탱크(T1)에 저장된 제1 금속 분말 파우더(41)를 제1 도포 노즐(51)로 공급받고, 제1 노즐 통로(53)를 통해 제1 금속 분말 파우더(41)를 베드(11) 상으로 도포한다.

상기한 과정에 본 발명의 실시 예에서는 블레이드(60)를 통해 제1 금속 분말 파우더(41)를 평탄화 하면서 베드(11)의 상면에 설정된 두께의 제1 파우더 층(101)을 형성한다.

그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 조사기(201)를 통해 레이저를 제1 파우더 층(101)에 조사하여 제1 파우더 층(101)의 제1 금속 분말 파우더(41) 일부를 용융(소결)시키며, 제1 파우더 층(101)에 제1 레이어 용융층(111)을 형성한다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 노즐 셔터(55)를 작동시켜 제1 도포 노즐(51)의 제1 노즐 통로(53)를 폐쇄하고, 제3 구동원(85)에 의해 제1 흡입 노즐(81)을 하측 방향으로 이동시킨 상태에서, 제1 구동원(21)에 의해 장착 프레임(20)을 다른 일측 방향으로 이동시킨다.

이에, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 흡입 노즐(81)을 통해 제1 파우더 층(101)의 제1 금속 분말 파우더(41) 나머지를 흡입하며, 제1 금속 분말 파우더(41)를 제1 파우더 수거조(91)로 수거한다. 이 때, 상기 제1 흡입 노즐(81)은 진공 펌프의 진공 압으로 제1 금속 분말 파우더(41)를 흡입하며, 제1 파우더 수거조(91)로 공급할 수 있다.

상기한 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 노즐 셔터(55)를 작동시켜 제2 도포 노즐(52)의 제2 노즐 통로(54)만을 개방한다. 그러면, 본 발명의 실시 예에서는 제2 파우더 탱크(T2)에 저장된 제2 금속 분말 파우더(42)를 제2 도포 노즐(52)로 공급받고, 제2 노즐 통로(54)를 통해 제2 금속 분말 파우더(42)를 베드(11) 상으로 도포한다.

이 때, 본 발명의 실시 예에서는 상기 블레이드(60)를 통해 제2 금속 분말 파우더(42)를 평탄화 하며, 제1 레이어 용융층(111)을 갖는 제1 적층 레이어(121)에 설정된 두께의 제2 파우더 층(102)을 형성한다.

그리고 나서, 본 발명의 실시 예에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저 조사기(201)를 통해 레이저를 제2 파우더 층(102)에 조사하여 제2 파우더 층(102)의 제2 금속 분말 파우더(42) 일부를 용융(소결)시키며, 제1 적층 레이어(121)에 제2 레이어 용융층(112)을 형성한다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 제3 구동원(85)에 의해 제1 흡입 노즐(81)을 상측 방향으로 이동시키며, 작동 실린더(13)를 통해 베드(11)를 하측 방향으로 일정 구간 이동시킨 상태에서, 제2 도포 노즐(52)의 제2 노즐 통로(54)를 노즐 셔터(55)를 통해 그대로 개방한 채, 제1 구동원(21)에 의해 장착 프레임(20)을 베드(11)의 다른 한쪽에서 다른 일측 방향으로 이동시킨다.

이에, 본 발명의 실시 예에서는 제2 파우더 탱크(T2)에 저장된 제2 금속 분말 파우더(42)를 제2 도포 노즐(52)로 공급받고, 제2 노즐 통로(54)를 통해 제2 금속 분말 파우더(42)를 제1 적층 레이어(121) 상으로 도포한다.

이 때, 본 발명의 실시 예에서는 상기 블레이드(60)를 통해 제2 금속 분말 파우더(42)를 평탄화 하며, 제1 적층 레이어(121) 위에 설정된 두께의 제3 파우더 층(103)을 형성한다.

이어서, 본 발명의 실시 예에서는 도 9에 도시된 바와 같이, 레이저 조사기(201)를 통해 레이저를 제3 파우더 층(103)에 조사하여 제3 파우더 층(103)의 제2 금속 분말 파우더(42) 일부를 용융(소결)시키며, 제2 레이어 용융층(112) 위에 제3 레이어 용융층(113)을 갖는 제2 적층 레이어(122)를 형성한다.

다음으로, 본 발명의 실시 예에서는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 노즐 셔터(55)를 작동시켜 제2 도포 노즐(52)의 제2 노즐 통로(54)를 폐쇄하고, 제3 구동원(85)에 의해 제2 흡입 노즐(82)을 하측 방향으로 이동시킨 상태에서, 제1 구동원(21)에 의해 장착 프레임(20)을 베드(11)의 한쪽에서 일측 방향으로 이동시킨다.

이에, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제2 흡입 노즐(82)을 통해 제3 파우더 층(103)의 제2 금속 분말 파우더(42) 나머지를 흡입하며, 제2 금속 분말 파우더(42)를 제2 파우더 수거조(92)로 수거한다. 이 때, 상기 제2 흡입 노즐(82)은 진공 펌프의 진공 압으로 제2 금속 분말 파우더(42)를 흡입하며, 제2 파우더 수거조(92)로 공급할 수 있다.

상기한 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 노즐 셔터(55)를 작동시켜 제1 도포 노즐(51)의 제1 노즐 통로(53)만을 개방한다. 그러면, 본 발명의 실시 예에서는 제1 파우더 탱크(T1)에 저장된 제1 금속 분말 파우더(41)를 제1 도포 노즐(51)로 공급받고, 제1 노즐 통로(53)를 통해 제1 금속 분말 파우더(41)를 제2 적층 레이어(122) 상으로 도포한다.

이 때, 본 발명의 실시 예에서는 상기 블레이드(60)를 통해 제1 금속 분말 파우더(41)를 평탄화 하며, 제2 적층 레이어(122) 상에 설정된 두께의 제4 파우더 층(104)을 형성한다.

이어서, 본 발명의 실시 예에서는 도 12에 도시된 바와 같이, 레이저 조사기(201)를 통해 레이저를 제1 레이어 용융층(111) 위의 제4 파우더 층(104)에 조사하여 용융(소결)시키며, 제2 적층 레이어(122)에 제4 레이어 용융층(114)를 형성한다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상술한 바와 같은 과정을 통해 베드(11) 상에 복수의 적층 레이어(121, 122)를 형성하며, 동일 적층 레이어(121, 122)에 서로 다른 소재의 레이어 용융층(111~114)을 형성할 수 있다.

도면에서는 베드(11) 상에 제1 및 제2 적층 레이어(121, 122)를 형성하는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되지 않고 상술한 바와 같은 과정을 통하여 그 이상의 적층 레이어들을 형성할 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 레이어 적층 장치(100) 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 의하면, 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더를 도포 및 흡입하며, 동일 적층 레이어에 이종소재의 레이어 용융층을 형성할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 3D 프린팅 방식으로 각각의 이종 경량 소재를 복수의 적층 레이어로 적층하여 부품 소재를 제작하는 종래 기술과 달리, 금속 분말 파우더의 도포 및 흡입을 통해 3D 프린팅 방식으로 이종 경량 소재를 동일 적층 레이어에 적용한 경량 부품 소재를 제작할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 동일 레이어에 두 종류 이상의 경량 소재를 적층한 부품 소재를 제작할 수 있으므로, 차체의 경량화를 도모하기 위해 차체에 적용되는 부품 소재의 두께를 줄일 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

1: 3차원 구조물 5: 제1 부분
7: 제2 부분 11: 베드
13: 작동 실린더 15: 메인 프레임
20: 장착 프레임 21: 제1 구동원
23: 가이드 레일 40: 파우더 도포유닛
41: 제1 금속 분말 파우더 42: 제2 금속 분말 파우더
45: 마운팅 바디 51: 제1 도포 노즐
52: 제2 도포 노즐 53: 제1 노즐 통로
54: 제2 노즐 통로 55: 노즐 셔터
57: 액추에이터 60: 블레이드
61: 제2 구동원 80: 파우더 흡입유닛
81: 제1 흡입 노즐 82: 제2 흡입 노즐
85: 제3 구동원 87: 서보 모터
89: 가이드 구조체 91: 제1 파우더 수거조
92: 제2 파우더 수거조 100: 레이어 적층장치
101: 제1 파우더 층 102: 제2 파우더 층
103: 제3 파우더 층 104: 제4 파우더 층
111: 제1 레이어 용융층 112: 제2 레이어 용융층
113: 제3 레이어 용융층 114: 제4 레이어 용융층
121: 제1 적층 레이어 122: 제2 적층 레이어
201: 레이저 조사기 T1: 제1 파우더 탱크
T2: 제2 파우더 탱크

Claims

상하 방향으로 이동 가능한 베드 상에 금속 분말 파우더의 레이어를 적층하는 레이어 적층 장치로서,
메인 프레임에 제1 구동원을 통해 상기 베드의 길이 방향을 따라 왕복 이동 가능하게 설치되는 장착 프레임;
상기 장착 프레임에 고정된 마운팅 바디에 설치되며, 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더를 상기 베드 상으로 각각 도포하는 파우더 도포유닛;
상기 마운팅 바디에 제2 구동원을 통해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 파우더 도포유닛에 의해 상기 베드 상으로 도포된 금속 분말 파우더를 평턴화 하는 블레이드; 및
상기 마운팅 바디를 사이에 두고 상기 장착 프레임의 양측에 제3 구동원을 통해 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 상기 베드 상으로 도포된 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더를 각각 흡입하는 파우더 흡입유닛;
을 포함하는 레이어 적층 장치.
제1 항에 있어서,
상기 파우더 도포유닛은,
제1 파우더 탱크에 저장된 제1 금속 분말 파우더를 제공받아 상기 베드 상으로 상기 제1 금속 분말 파우더를 도포하는 제1 도포 노즐과,
제2 파우더 탱크에 저장된 제2 금속 분말 파우더를 제공받아 상기 베드 상으로 상기 제2 금속 분말 파우더를 도포하는 제2 도포 노즐
을 포함하는 레이어 적층 장치.
제2 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 도포 노즐에는,
각각의 노즐 통로를 선택적으로 개폐하는 노즐 셔터가 설치되는 것을 특징으로 하는 레이어 적층 장치.
제2 항에 있어서,
상기 파우더 흡입유닛은,
상기 베드 상으로 도포된 상기 제1 금속 분말 파우더를 진공 압으로 흡입하며, 제1 파우더 수거조로 수거하는 제1 흡입 노즐과,
상기 베드 상으로 도포된 상기 제2 금속 분말 파우더를 진공 압으로 흡입하며, 제2 파우더 수거조로 수거하는 제2 흡입 노즐
을 포함하는 레이어 적층 장치.
제4 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 흡입 노즐은,
상기 제3 구동원에 의해 상호 교번되게 상하 방향으로 이동 가능하게 설치되는 레이어 적층 장치.
상하 방향으로 이동 가능한 베드 상에 청구항 1의 레이어 적층 장치를 통해 서로 다른 소재의 금속 분말 파우더를 도포하며, 동일 적층 레이어에 이종소재의 레이어 용용층을 형성하는 3D 프린팅 방법으로서,
(a) 상기 베드의 길이 방향을 따라 장착 프레임을 일측 방향으로 이동시키며, 제1 도포 노즐을 통해 제1 금속 분말 파우더를 상기 베드 상으로 도포하고, 블레이드를 통해 상기 제1 금속 분말 파우더를 평탄화 하며 제1 파우더 층을 형성하는 과정;
(b) 상기 제1 파우더 층에 레이저를 조사하여 상기 제1 파우더 층의 일부를 용융시키며, 제1 레이어 용융층을 형성하는 과정;
(c) 상기 장착 프레임을 다른 일측 방향으로 이동시키며, 제1 흡입 노즐을 통해 상기 제1 파우더 층의 나머지를 흡입하고, 제2 도포 노즐을 통해 제2 금속 분말 파우더를 상기 베드 상으로 도포하며, 블레이드를 통해 상기 제2 금속 분말 파우더를 평탄화 하여 상기 제1 레이어 용융층을 갖는 제1 적층 레이어에 제2 파우더 층을 형성하는 과정; 및
(d) 상기 제2 파우더 층에 레이저를 조사하여 상기 제2 파우더 층의 일부를 용융시키며, 상기 제1 적층 레이어에 제2 레이어 용융층을 형성하는 과정;
을 포함하는 3D 프린팅 방법.
제6 항에 있어서,
(e) 상기 장착 프레임을 다른 일측 방향으로 이동시키며, 상기 제2 도포 노즐을 통해 제2 금속 분말 파우더를 상기 제1 적층 레이어 상으로 도포하고, 블레이드를 통해 상기 제2 금속 분말 파우더를 평탄화 하며 제3 파우더 층을 형성하는 과정
을 더 포함하는 3D 프린팅 방법.
제7 항에 있어서,
(f) 상기 제3 파우더 층에 레이저를 조사하여 상기 제3 파우더 층의 일부를 용융시키며, 상기 제2 레이어 용융층 위에 제3 레이어 용융층을 갖는 제2 적층 레이어를 형성하는 과정
을 더 포함하는 3D 프린팅 방법.
제8 항에 있어서,
(g) 상기 장착 프레임을 일측 방향으로 이동시키며, 제2 흡입 노즐을 통해 상기 제3 파우더 층의 나머지를 흡입하고, 제1 도포 노즐을 통해 제1 금속 분말 파우더를 상기 제2 적층 레이어 상으로 도포하며, 블레이드를 통해 상기 제1 금속 분말 파우더를 평탄화 하여 상기 제2 적층 레이어 상에 제4 파우더 층을 형성하는 과정
을 더 포함하는 3D 프린팅 방법.
제9 항에 있어서,
상기 제1 레이어 용융층 위의 상기 제4 파우더 층에 레이저를 조사하여 용융시키며, 상기 제2 적층 레이어에 제4 레이어 용융층을 형성하는 과정
을 더 포함하는 3D 프린팅 방법.
제10 항에 있어서,
상기 (e)~(g)의 과정을 반복하며, 복수의 적층 레이어를 형성하며, 동일 적층 레이어에 서로 다른 소재의 레이어 용융층을 형성하는 3D 프린팅 방법.
제11 항에 있어서,
상기 제1 금속 분말 파우더를 용융시킨 제1 부분을 내측에 두고 이의 가장자리 측에 상기 제2 금속 분말 파우더를 용융시킨 제2 부분이 위치하는 3차원 구조물을 제작하는 3D 프린팅 방법.