KR102214404B1 - 3d 프린팅에 이용되는 파우더 적층 장치 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법 - Google Patents

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Abstract

파우더 적층 장치는, 스테이지, 소재공급테이블, 리코터, 및 감지유닛을 포함한다. 상기 스테이지는 3차원 형상의 조형물이 조형된다. 상기 소재공급테이블은 상기 스테이지에 인접하게 배치되어 상기 스테이지로 공급되는 분말소재를 보관한다. 상기 리코터는 상기 스테이지 및 상기 소재공급테이블의 상측에 수평 이동 가능하게 배치되어, 상기 분말소재를 상기 조형물이 형성되도록 순차적으로 상기 스테이지 상에 적층한다. 상기 감지유닛은 상기 리코터에 이격되도록 배치되어 상기 리코터의 이동방향에 따라 이동하며 상기 분말소재의 표면 및 상기 조형물의 표면상태를 감지한다.

Description

3D 프린팅에 이용되는 파우더 적층 장치 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법{POWDER ACCUMULATING APPARATUS FOR 3D PRINTING AND 3D PRINTING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 파우더 적층 장치 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3D 프린팅 시 조형물의 변형을 미리 감지하여 공정시간 및 소재비용을 절감하는 파우더 적층 장치 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 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, 조형물의 형태에 관한 고유 특성 또는 레이저 성형시 열팽창에 의하여 조형물이 변형될 수 있다.
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, 공정 중에 중간 조형물의 파손을 방지할 수 있는 3D 프린팅 기술에 대한 연구의 필요성이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허 제10-2018-0083384호 미국 공개특허 제2016-0325383호 미국 공개특허 제2016-0311025호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 3D 프린팅 시 조형물의 변형을 미리 감지하여 공정시간 및 소재비용을 절감하는 파우더 적층 장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 3D 프린팅 시 조형물의 변형을 미리 감지하여 공정시간 및 소재비용을 절감하는 파우더 적층 장치를 이용하는 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 파우더 적층 장치는, 스테이지, 소재공급테이블, 리코터, 및 감지유닛을 포함한다. 상기 스테이지는 3차원 형상의 조형물이 조형된다. 상기 소재공급테이블은 상기 스테이지에 인접하게 배치되어 상기 스테이지로 공급되는 분말소재를 보관한다. 상기 리코터는 상기 스테이지 및 상기 소재공급테이블의 상측에 수평 이동 가능하게 배치되어, 상기 분말소재를 상기 조형물이 형성되도록 순차적으로 상기 스테이지 상에 적층한다. 상기 감지유닛은 상기 리코터에 이격되도록 배치되어 상기 리코터의 이동방향에 따라 이동하며 상기 분말소재의 표면 및 상기 조형물의 표면상태를 감지한다.
일 실시예에서, 상기 감지유닛은, 상기 리코터의 전단에 위치하며, 상기 리코터의 이동에 선행하여 상기 조형물의 표면상태 및 돌출물의 존재를 감지하는 제1 감지유닛, 및 상기 리코터의 후단에 위치하며, 상기 리코터의 이동에 후행하여 상기 분말소재가 적층된 표면상태를 감지하는 제2 감지유닛을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 감지유닛은 상기 분말소재의 표면 이미지 및 상기 조형물의 표면 이미지를 영상신호로 변경하는 스캐너를 포함하고, 상기 파우더 적층 장치는 상기 영상신호에 따라 상기 리코터의 이동을 제어하는 정보처리부재를 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 3D 프링팅 방법에 사용되는 파우더 적층 장치는 3차원 형상의 조형물이 조형되는 스테이지와, 상기 스테이지에 인접하게 배치되어 상기 스테이지로 공급되는 분말소재를 보관하는 소재공급테이블과, 상기 스테이지 및 상기 소재공급테이블의 상측에 수평 이동 가능하게 배치되어 상기 분말소재를 상기 조형물이 형성되도록 순차적으로 상기 스테이지 상에 적층하는 리코터와, 상기 리코터에 이격되도록 배치되어 상기 리코터의 이동방향에 따라 이동하며 상기 분말소재의 표면 및 상기 조형물의 표면상태를 감지하는 감지유닛을 포함한다. 상기 3D 프린팅 방법에 있어서, 먼저 상기 소재공급테이블 상에 상기 분말소재를 공급한다. 이어서, 상기 리코터를 수평이동하여 상기 소재공급테이블 상에 놓여있는 상기 분말소재를 상기 스테이지 쪽으로 밀어서 이동시킨다. 이후에, 상기 감지유닛을 상기 리코터의 이동에 선행하여 이동시키면서 상기 분말소재의 표면 이미지 및 상기 조형물의 표면 이미지를 영상신호로 변경한다. 계속해서, 상기 영상신호 상에 돌출부가 존재하는 경우, 상기 리코터의 높이를 재조정한다. 이어서, 상기 리코터를 상기 스테이지의 단부까지 이동시켜서 상기 분말소재로 상기 조형물의 상부를 코팅한다. 이후에, 상기 코팅된 분말소재 상에 조형광선을 조사하여 상기 코팅된 분말소재를 성형한다.
일 실시예에서, 상기 감지유닛은 상기 리코터의 전단에 위치하는 제1 감지유닛과 상기 리코터의 후단에 위치하는 제2 감지유닛을 포함하고, 상기 감지유닛을 상기 리코터의 이동에 선행하여 이동시키면서 상기 분말소재의 표면 이미지 및 상기 조형물의 표면 이미지를 영상신호로 변경하는 단계는, 상기 제1 감지유닛을 상기 리코터의 이동에 선행하게 이동시켜서 상기 조형물의 표면상태 및 돌출물의 존재를 감지하는 단계, 및 상기 제2 감지유닛을 상기 리코터의 이동에 후행하게 이동시켜서 상기 분말소재가 적층된 표면상태를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 파우더 적층 장치는 상기 감지유닛에 의해 생성된 상기 영상신호를 이용하여 상기 리코터의 높이를 제어하는 정보처리부재를 더 포함하고, 상기 제1 감지유닛을 상기 리코터의 이동에 선행하게 이동시키는 단계는, 상기 제1 감지유닛에 의해 생성된 영상신호를 상기 정보처리부재로 전송하며, 상기 제2 감지유닛을 상기 리코터의 이동에 후행하게 이동시키는 단계는, 상기 제2 감지유닛에 의해 생성된 영상신호를 상기 정보처리부재로 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 리코터를 상기 스테이지의 단부까지 이동시켜서 상기 분말소재로 상기 조형물의 상부를 코팅하는 단계 이전에, 상기 리코터 및 상기 감지유닛을 상기 소재공급테이블로 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 금속 파우더에 레이저를 조사하는 과정에서 발생되는 조형물의 변형을 미리 감지하여, 리코터가 변형된 조형물에 충돌하는 것을 방지한다. 따라서 리코터와 변형된 조형물의 충돌에 의한 리코터 또는 조형물의 파손을 방지하여, 소재비용 및 공정시간이 단축된다.
또한 조형물의 표면 상에 돌출부가 존재하는 경우에만 리코터의 높이를 조절함으로써 각 적층단계별 리코터의 높이를 최적화할 수 있다. 따라서 조형물의 표면이 불균일해지는 것을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래의 파우더 적층 장치를 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 파우더 적층 장치를 도시한 사시도이다.
도 3 내지 도 7은 도 2에 도시된 파우더 적층 장치를 이용한 3D 프린팅 방법을 나타내는 사시도들이다.
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 파우더 적층 장치를 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 파우더 적층 장치는 스테이지(100), 소재공급테이블(150), 리코터(200), 제1 감지유닛(310), 제2 감지유닛(320), 정보처리부재(330), 및 가이드부재(500)를 포함한다.
본 실시예에 의한 파우더 적층 장치는 분말소재(10)를 공급하여 분말층을 형성하는 적층 공정과, 조형광선(광 빔 또는 전자 빔, 도 7의 70)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 제1 감지유닛(310)과 상기 제2 감지유닛(320)은 상기 리코터(200)를 중심으로 서로 마주보도록 배치된다. 상기 제1 감지유닛(310)과 상기 제2 감지유닛(320)은 평면상에서 상기 리코터(200)의 이동방향과 동일한 방향으로 이동하면서, 분말소재(10) 및 조형물(50)의 표면상태를 감지한다.
상기 정보처리부재(330)는 상기 제1 감지유닛(310)과 상기 제2 감지유닛(320)으로부터 감지된 신호를 이용하여, 상기 분말소재(10) 및 상기 조형물(50)의 표면의 매끄러운 상태, 돌출물(도시되지 않음)의 존재, 등을 판단한다.
본 실시예에서, 상기 제1 감지유닛(310)과 상기 제2 감지유닛(320)은 표면 이미지를 영상신호로 변경하는 스캐너를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 감지유닛(310)과 상기 제2 감지유닛(320)은 300dpi 이상의 해상도를 갖는 고성능 스캐너를 포함할 수 있다. 상기 제1 감지유닛(310)과 상기 제2 감지유닛(320)에 의해 감지된 표면 이미지가 매끄러운 경우, 상기 정보처리부재(330)는 상기 조형물(50)이 정상적인 상태로 판단하여 3D 프린팅 작업을 계속 진행시킨다. 상기 제1 감지유닛(310)과 상기 제2 감지유닛(320)에 의해 감지된 표면 이미지 상에 돌출부(도시되지 않음)가 존재하는 경우, 상기 정보처리부재(330)는 상기 조형물(50)이 비정상적인 상태로 판단하여 3D 프린팅 작업을 중지하고 오류를 정정하기 위한 작업을 실시한다. 예를 들어, 오류를 정정하기 위한 작업은 상기 리코터(200)의 높이를 조절하여 도포되는 상기 분말소재(10a)가 상기 조형물(50)의 돌출부(도시되지 않음)를 커버하도록 할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제1 감지유닛(310)과 상기 제2 감지유닛(320)은 상기 리코터(200)의 진행방향에 수직한 방향으로 상기 분말소재(10) 및 상기 조형물(50)의 표면을 진행하는 광을 조사하는 발광소자(도시되지 않음) 및 상기 분말소재(10) 및 상기 조형물(50)의 표면을 지난 광을 감지하는 수광소자(도시되지 않음)를 포함할 수도 있다. 상기 조형물(50)의 표면이 매끄러운 경우, 상기 발광소자(도시되지 않음)에서 조사된 광은 상기 수광소자(도시되지 않음)로 무사히 진입하여 광감지신호를 생성한다. 상기 조형물(50)의 상부에 돌출물(도시되지 않음)이 존재하는 경우, 상기 발광소자(도시되지 않음)에서 조사된 광은 상기 돌출물(도시되지 않음)에 의해 가려져서 상기 수광소자(도시되지 않음)가 광감지신호를 생성하지 않는다.
도 3 내지 도 7은 도 2에 도시된 파우더 적층 장치를 이용한 3D 프린팅 방법을 나타내는 사시도들이다.
도 3은 조형광선(도 7의 70) 조사가 완료된 상기 조형물(50)쪽으로 상기 분말소재(10)를 공급하기 위하여, 상기 소재공급테이블(150) 상의 상기 분말소재(10a)를 운반하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 먼저 조형광선(도 7의 70) 조사가 완료된 상기 조형물(50) 쪽으로 상기 분말소재(10)를 공급하기 위하여, 상기 소재공급테이블(150) 상에 상기 분말소재(10a)를 충진한다.
이어서, 상기 리코터(200)를 수평이동하여 상기 소재공급테이블(150)에 놓여진 상기 분말소재(10a)를 상기 스테이지(100)가 위치하는 방향으로 밀어 상기 스테이지(100) 상의 피조형 영역으로 이동시킨다.
상기 제1 감지유닛(310)은 상기 리코터(200)에 선행하여 수평이동하면서 상기 분말소재(10)의 표면상태를 감지하여 영상신호를 상기 정보처리부재(330)로 전송한다.
도 4는 조형광선(도 7의 70) 조사가 완료된 상기 조형물(50)쪽으로 상기 분말소재(10)가 공급되는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 4를 참조하면, 상기 리코터(200)가 상기 스테이지(100)쪽으로 진행함에 따라 상기 제1 감지유닛(310)이 상기 조형물(50)의 표면상태를 감지하여 영상신호를 상기 정보처리부재(330)로 전송한다.
상기 제1 감지유닛(310)에 의해 감지된 상기 조형물(50)의 표면 이미지가 매끄러운 경우, 상기 정보처리부재(330)는 상기 조형물(50)이 정상적인 상태로 판단하여 상기 리코터(200)를 계속하여 수평이동시킨다. 상기 제1 감지유닛(310)에 의해 감지된 표면 이미지 상에 돌출부(도시되지 않음)가 존재하는 경우, 상기 정보처리부재(330)는 상기 조형물(50)이 비정상적인 상태로 판단하여 분말소재(도시되지 않음)의 두께가 상기 돌출부(도시되지 않음)를 커버하도록 상기 리코터(200)의 높이를 재조정할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 제1 감지유닛(310)에 의해 감지된 표면 이미지 상에 돌출부(도시되지 않음)가 존재하는 경우, 상기 정보처리부재(330)는 상기 조형물(50)이 비정상적인 상태로 판단하여 3D 프린팅 작업을 중지하고 상기 리코터(200)를 상기 소재공급테이블(150) 상으로 다시 이동시킨 후에 분말소재(도시되지 않음)의 두께가 상기 돌출부(도시되지 않음)를 커버하도록 상기 리코터(200)의 높이를 재조정한 후에 도 3의 단계부터 다시 실시할 수도 있다.
예를 들어, 상기 정보처리부재(330)는 상기 조형물(50)의 표면상태가 양호한 경우 상기 리코터(200)가 상기 분말소재(10)를 제1 두께(D1, 예를 들어, 30um)로 도포하며, 상기 조형물(50)의 표면상태가 불량한 경우 상기 리코터(200)가 상기 분말소재(10)를 제2 두께(D2, 예를 들어, 50um)로 도포하여 상기 돌출부(도시되지 않음)를 커버할 수 있다.
상기 리코터(200)의 높이가 지나치게 높은 경우, 생성되는 조형물(50)의 표면이 불균일해지는 문제점이 나타날 수 있다. 본 발명에서는, 상기 조형물(50)의 표면 상에 돌출부(도시되지 않음)가 존재하는 경우에만 상기 리코터(200)의 높이를 조절하여 상기 조형물(50)의 표면이 불균일해지는 것을 최소화할 수 있다.
상기 제1 감지유닛(310)이 상기 스테이지(100)의 단부에 도달한 이후, 상기 제1 감지유닛(310)이 상기 정보처리장치(330)로 상기 영상신호를 전송하는 것을 중단한다.
이후, 상기 제2 감지유닛(320)이 상기 리코터(200)를 후행하면서 상기 분말소재(10)의 표면상태를 감지하여 영상신호를 상기 정보처리부재(330)로 전송한다.
도 5는 상기 분말소재(10)의 코팅이 완료된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 5를 참조하면, 이후에 상기 리코터(200)가 계속하여 수평이동하여 상기 스테이지(100)의 단부에 도달한다. 마찬가지로 상기 제2 감지유닛(320)이 상기 리코터(200)를 후행하면서 계속하여 수평이동하여 상기 스테이지(100)의 단부에 도달한다. 상기 제2 감지유닛(320)은 상기 스테이지(100)의 단부에 도달할 때까지 상기 분말소재(10)의 표면에 관한 영상신호를 상기 정보처리부재(330)로 전송한다.
도 6은 후속단계를 위하여 상기 제2 감지유닛(320), 상기 리코터(200), 및 상기 제1 감지유닛(310)이 상기 소재공급테이블(150)로 이동하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 6을 참조하면, 상기 제2 감지유닛(320), 상기 리코터(200), 및 상기 제1 감지유닛(310)이 상기 소재공급테이블(150)로 이동한다.
상기 리코터(200)가 상기 소재공급테이블(150)쪽으로 진행함에 따라, 상기 제1 감지유닛(310)이 상기 분말소재(10)의 표면상태를 감지하여 영상신호를 상기 정보처리부재(330)로 전송한다.
상기 제1 감지유닛(310)에 의해 감지된 상기 분말소재(10)의 표면 이미지가 매끄러운 경우, 상기 정보처리부재(330)는 상기 분말소재(10)가 정상적인 상태로 판단한다. 일 실시예에서, 상기 제1 감지유닛(310)에 의해 감지된 표면 이미지 상에 불균일한 부분(도시되지 않음)이 존재하는 경우, 상기 정보처리부재(330)는 상기 분말소재(10)를 비정상적인 상태로 판단하여 후속적인 단계에서 상기 리코터(200)의 높이를 추가적으로 상승시켜서 후속 단계에서 상기 분말소재(10)가 상기 불균일한 부분(도시되지 않음)을 커버할 수 있도록 한다.
도 7은 상기 리코터(200)의 이동이 완료된 후에 상기 스테이지(100) 상에 상기 조형광선(70)을 조사하여 성형하는 단계를 나타내는 사시도이다.
도 7을 참조하면, 상기 리코터(200)의 수평이동이 완료되면 상기 스테이지(100) 상의 피조형 영역이 주사수단(미도시)의 조형광선(70)에 의해 소결되어 분말층이 형성된다. 이 후, 도 3의 단계부터 다시 진행되어 계속하여 상기 조형물(50)을 생성한다.
상기 피조형 영역은, 상기 파우더 적층 장치에 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 영역을 설정하고, 상기 주사 수단에 의한 조형광선(70)을 상기 새로운 분말층에 있어서의 피조형 영역 상의 소정 위치에 집중시켜서 조사한다.
상기 분말소재(10)로는 본 실시예에 의한 파우더 적층 장치가 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 소재공급부(도시되지 않음)를 통하여 상기 스테이지(100) 상에 공급될 수 있다. 상기 소재공급부(도시되지 않음)는 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 소재공급부(도시되지 않음)로부터 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 주사수단(도시되지 않음)은, 상기 분말소재(10)를 용융 또는 소결시켜 상기 분말층을 성형하는 기능을 한다. 사용하는 조형광선(70)으로는 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 파우더 적층 장치가 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.
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 스테이지(100) 및 상기 소재공급테이블(150)의 양측 단부와 맞닿는 위치에 형성되어 상기 리코터(200)에 의해 코팅되는 상기 분말소재(10)가 적층되는 것을 가이드한다.
계속하여 상기 리코터(200)를 소정 높이로 상승시키거나, 상기 스테이지(100)를 소정높이로 하강시키면서, 도 3 내지 도 7에 도시된 단계들을 반복하여 새로운 분말층을 형성한다. 이러한 과정이 반복되면서 연속적으로 단면들(분말층들)이 적층되어 최종 단면이 적층되면 3차원 조형물이 조형된다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 금속 파우더에 레이저를 조사하는 과정에서 발생되는 조형물의 변형을 미리 감지하여, 리코터가 변형된 조형물에 충돌하는 것을 방지한다. 따라서 리코터와 변형된 조형물의 충돌에 의한 리코터 또는 조형물의 파손을 방지하여, 소재비용 및 공정시간이 단축된다.
또한 조형물의 표면 상에 돌출부가 존재하는 경우에만 리코터의 높이를 조절함으로써 각 적층단계별 리코터의 높이를 최적화할 수 있다. 따라서 조형물의 표면이 불균일해지는 것을 최소화할 수 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.
10 : 분말소재 50 : 조형물
70 : 조형광선 100 : 스테이지
150 : 소재공급테이블 200 : 리코터
310 : 제1 감지유닛 320 : 제2 감지유닛
330 : 정보처리부재 500 : 가이드부재

Claims (7)

  1. 3차원 형상의 조형물이 조형되는 스테이지;
    상기 스테이지에 인접하게 배치되어 상기 스테이지로 공급되는 분말소재를 보관하는 소재공급테이블;
    상기 스테이지 및 상기 소재공급테이블의 상측에서, 상기 소재공급테이블과 상기 스테이지를 연속하여 수평 이동하며, 상기 분말소재를 상기 조형물이 형성되도록 순차적으로 상기 스테이지 상에 적층하는 리코터;
    상기 리코터에 이격되도록 배치되어 상기 리코터의 이동방향에 따라 이동하며 상기 분말소재의 표면 및 상기 조형물의 표면의 매끄러운 상태를 감지하는 감지유닛; 및
    상기 감지유닛에 의해 생성된 영상신호에 따라 상기 리코터의 높이를 제어하는 정보처리부재를 포함하고,
    상기 영상신호 상에 돌출부가 존재하는 경우에만, 상기 분말소재의 두께가 상기 조형물의 돌출부를 커버하도록 상기 리코터의 높이를 재조정하고,
    상기 리코터를 상기 스테이지의 단부까지 이동시켜 상기 분말소재가 상기 조형물의 상부를 모두 커버하며 상기 조형물의 표면이 균일하도록 상기 조형물의 상부가 코팅되는 것을 특징으로 하는 파우더 적층 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 감지유닛은,
    상기 리코터의 전단에 위치하며, 상기 리코터의 이동에 선행하여 상기 조형물의 표면상태 및 돌출물의 존재를 감지하는 제1 감지유닛; 및
    상기 리코터의 후단에 위치하며, 상기 리코터의 이동에 후행하여 상기 분말소재가 적층된 표면상태를 감지하는 제2 감지유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 파우더 적층 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 감지유닛은 상기 분말소재의 표면 이미지 및 상기 조형물의 표면 이미지를 영상신호로 변경하는 스캐너를 포함하는 것을 특징으로 하는 파우더 적층 장치.
  4. 3차원 형상의 조형물이 조형되는 스테이지와, 상기 스테이지에 인접하게 배치되어 상기 스테이지로 공급되는 분말소재를 보관하는 소재공급테이블과, 상기 스테이지 및 상기 소재공급테이블의 상측에서, 상기 소재공급테이블과 상기 스테이지를 연속하여 수평 이동하며 상기 분말소재를 상기 조형물이 형성되도록 순차적으로 상기 스테이지 상에 적층하는 리코터와, 상기 리코터에 이격되도록 배치되어 상기 리코터의 이동방향에 따라 이동하며 상기 분말소재의 표면 및 상기 조형물의 표면의 매끄러운 상태를 감지하는 감지유닛,과, 상기 감지유닛에 의해 생성된 영상신호에 따라 상기 리코터의 높이를 제어하는 정보처리부재를 포함하는 파우더 적층 장치를 이용하는 3D 프린팅 방법에 있어서,
    상기 소재공급테이블 상에 상기 분말소재를 공급하는 단계;
    상기 리코터를 수평이동하여 상기 소재공급테이블 상에 놓여있는 상기 분말소재를 상기 스테이지 쪽으로 밀어서 이동시키는 단계;
    상기 감지유닛을 상기 리코터의 이동에 선행하여 이동시키면서 상기 분말소재의 표면 이미지 및 상기 조형물의 표면 이미지를 영상신호로 변경하는 단계;
    상기 영상신호 상에 돌출부가 존재하는 경우에만, 상기 분말소재의 두께가 상기 조형물의 돌출부를 커버하도록 상기 리코터의 높이를 재조정하는 단계;
    상기 리코터를 상기 스테이지의 단부까지 이동시켜서 상기 분말소재가 상기 조형물의 상부를 모두 커버하며 상기 조형물의 표면이 균일하도록 상기 조형물의 상부를 코팅하는 단계; 및
    상기 코팅된 분말소재 상에 조형광선을 조사하여 상기 코팅된 분말소재를 성형하는 단계를 포함하는 3D 프린팅 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 감지유닛은 상기 리코터의 전단에 위치하는 제1 감지유닛과 상기 리코터의 후단에 위치하는 제2 감지유닛을 포함하고
    상기 감지유닛을 상기 리코터의 이동에 선행하여 이동시키면서 상기 분말소재의 표면 이미지 및 상기 조형물의 표면 이미지를 영상신호로 변경하는 단계는,
    상기 제1 감지유닛을 상기 리코터의 이동에 선행하게 이동시켜서 상기 조형물의 표면상태 및 돌출물의 존재를 감지하는 단계; 및
    상기 제2 감지유닛을 상기 리코터의 이동에 후행하게 이동시켜서 상기 분말소재가 적층된 표면상태를 감지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 감지유닛을 상기 리코터의 이동에 선행하게 이동시키는 단계는, 상기 제1 감지유닛에 의해 생성된 영상신호를 상기 정보처리부재로 전송하며,
    상기 제2 감지유닛을 상기 리코터의 이동에 후행하게 이동시키는 단계는, 상기 제2 감지유닛에 의해 생성된 영상신호를 상기 정보처리부재로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 리코터를 상기 스테이지의 단부까지 이동시켜서 상기 분말소재로 상기 조형물의 상부를 코팅하는 단계 이전에,
    상기 리코터 및 상기 감지유닛을 상기 소재공급테이블로 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
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