KR102233764B1 - 잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3d 프린팅 장치 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법 - Google Patents

잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3d 프린팅 장치 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 3D 프린팅 수행 중 조형물에 발생하는 열에 이한 잔류응력을 저감시킴과 동시에, 열에 취약한 구성에 대한 변형 또는 파손을 미연에 방지하는 장치 및 방법을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3D 프린팅 장치는, 내부에 분말 형태의 재료물질이 충진되고, 재료물질에 대한 조형이 수행되며, 재료물질에 열을 제공하는 조형부; 조형부와 결합되어 재료물질을 상하 이동시키는 스테이지부; 조형부의 재료물질에 광을 조사하여 각각의 조형레이어를 형성하는 레이저부; 레이저부로부터 발사되는 광을 반사시켜 광의 경로를 제어하는 스캐너부; 조형부의 상부에 형성되고, 내부 공간을 구비하며 상부와 하부가 개방된 형상의 열차단부; 및 열차단부의 상부에 형성되어 열을 생성하고, 생성된 열을 조형레이어로 전달하는 레이어히터;를 포함한다.

Description

잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3D 프린팅 장치 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법 {3D PRINTING DEVICE WITH ADDITIONAL HEAT SOURCE TO REDUCE RESIDUAL STRESS AND METHOD FOR 3D PRINTING USING THE SAME}
본 발명은 잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3D 프린팅 장치 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 3D 프린팅 수행 중 조형물에 발생하는 열에 이한 잔류응력을 저감시킴과 동시에, 열에 취약한 구성에 대한 변형 또는 파손을 미연에 방지하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근에, 도면만 있으면 누구나 제품을 생산할 수 있는 3D프린터가 새로운 산업혁명이라 불리면서 많은 관심을 받고 있다. 3D프린터는 디지털화된 3차원 제품 디자인에 대해 2차원 단면을 연속적으로 재구성해 소재를 한층씩 적층해서 3차원적인 제품을 생산한다.
이러한 3D 프린팅 방식은, 크게 사용되는 재료물질의 특징에 따라 액체, 파우더, 고체 기반으로 분류할 수 있다. 그 중 파우더 방식(Powder Bed Fusion(PBF))은, 소재 분말을 얇게 펼쳐서 배열한 뒤에 원하는 부분만을 레이저(또는 전자빔 등)를 사용하여 조사한 뒤에, 그 위에 다시 분말로 다음 층(layer)을 형성하고 원하는 부분을 레이저로 조사하는 과정을 반복하여 수행하는 SLS(selective laser sintering) 및 SLM(Selctive Laser Melting) 방식이 많은 관심을 받고 있다.
SLS와 SLM의 특허상 기술 분류 차이는 분말을 고체상태 물체로 변환시키기 위해 사용되는 열과 압력, 레이저 등 용융(melting)차이에 있으며, SLS에서는 완전 용융(melting)이 아닌 부분 소결(sintering)을 통해 일시적으로 결합체를 만들고, SLM에서는 SLS 보다 고출력의 레이저를 이용하여 분말을 용융(melting)시킨 후 고화시키는 공정을 수행한다.
다만, 기존의 3D 프린팅 방식에서는, 열에 의한 잔류응력을 제어하기 위하여, 레이저를 단방향으로만 주사하는 것이 아닌 줄무늬(stripe), 바둑판 무늬(checker) 등의 형태로 주사 전략을 바꾸는 방식, IR 램프나 레이저 등의 부가 열원장치를 추가하여 적층 상부면 가열 및 히터를 이용하여 적층물을 가열하는 장치를 구성하여 잔류응력을 저감하는 방식 등을 이용하였으나, 열에 취약한 구성이 파손 또는 변형되는 문제가 발생하고, 이에 의해 3D 프린팅의 적층 정밀도가 하락되는 문제가 발생한다.
일본 공개특허 제2018-003087호(발명의 명칭: 3차원 조형 장치 및 3차원 조형물 제조 방법)에서는, 조형 에어리어에 도전성 재료분말로 구성되는 박막을 부설하고 조형 에어리어 상에 성막된 재료 분말을 선택적으로 레이저 빔으로 복사 가열하고 소결시키는 동작을 반복하여 3차원 조형물을 제조하며, 조형 에어리어의 외주부에는 유도가열 코일이 배치되어 조형 에이리어 내측의 조형물에 대한 온도 제어를 수행하는 장치가 개시되어 있다.
일본 공개특허 제2018-003087호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 3D 프린팅 수행 중 조형물에 발생하는 열에 이한 잔류응력을 저감시키는 것이다.
그리고, 본 발명의 목적은, 3D 프린팅 수행 중 열에 취약한 구성에 대한 변형 또는 파손을 미연에 방지하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 복수 개의 조형레이어가 적층되어 형성되는 3D 조형체를 조형 가능한 3D프린팅 장치에 있어서, 내부에 분말 형태의 재료물질이 충진되고, 상기 재료물질에 대한 조형이 수행되며, 상기 재료물질에 열을 제공하는 조형부; 상기 조형부와 결합되어 상기 재료물질을 상하 이동시키는 스테이지부; 상기 조형부의 상기 재료물질에 광을 조사하여 각각의 상기 조형레이어를 형성하는 레이저부; 상기 레이저부로부터 발사되는 상기 광을 반사시켜 상기 광의 경로를 제어하는 스캐너부; 상기 조형부의 상부에 형성되고, 내부 공간을 구비하며 상부와 하부가 개방된 형상의 열차단부; 및 상기 열차단부의 상부에 형성되어 열을 생성하고, 생성된 열을 상기 조형레이어로 전달하는 레이어히터;를 포함하고, 상기 레이어히터의 열이 상기 열차단부의 내부 공간을 통과함으로써, 상기 열차단부 주위로의 열전달이 차단되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 조형부는, 내부 공간을 구비하고 상기 재료물질이 충진되는 하우징, 상기 하우징의 내부 공간에 형성되고, 상기 재료물질을 지지하여 상하 이동하는 파우더베드, 및 상기 하우징의 내측면을 따라 형성되고 상기 재료물질에 열을 제공하는 조형부히터를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 스테이지부는, 상기 파우더베드와 결합하여 지지하고 상하 이동하는 상부지지체, 및 상기 상부지지체와 상기 하우징의 내측면 사이에 형성되어 상기 하우징의 내부 공간 하부를 밀폐시키는 내열패킹을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 스테이지부는, 상기 상부지지체의 상하 이동에 대응하여 상하 이동하는 하부지지체, 상기 상부지지체와 상기 하부지지체를 연결하는 연결체, 및 상기 하부지지체와 상기 연결체 사이에 형성되어 단열을 수행하는 단열체를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 스테이지부는, 상기 하부지지체와 결합하여 상기 하부지지체로 상하 이동 힘을 전달하는 구동체를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 구동체는, 상기 하우징과 결합하여 상기 하우징을 상하 이동시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 내열패킹은 인코넬, 탄소 섬유 및 금속 질화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 단열체는 세라믹 소재로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 좌우 방향으로 이동하며 외부로부터 공급된 상기 재료물질을 상기 조형레이어 상으로 이동시키는 리코터부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 조형부에 충진된 상기 재료물질을 상기 스테이지부가 하 방향으로 이동시키는 제1단계; 최상층의 조형레이어 상에 상기 재료물질이 도포되어 도포레이어를 형성하는 제2단계; 상기 도포레이어에 상기 레이저부의 광이 조사되어 신규 조형레이어가 형성되는 제3단계; 및 상기 레이어히터의 열에 의해 상기 조형레이어가 가열되고, 상기 열차단부에 의해 상기 열차단부 주위로의 열전달이 차단되는 제4단계;를 포함하고, 상기 레이어히터의 열에 의해 상기 조형레이어 내 열에 의한 잔류응력이 저감되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제1단계에서, 상기 조형부히터에 의해 상기 하우징 또는 상기 파우더베드가 가열될 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 열차단부를 이용하여 열차단부 주위로 전달되는 열을 차단함으로써, 열차단부 주위의 구성이 열에 의해 변형 또는 손상되는 현상을 방지할 수 있다는 것이다.
또한, 본 발명의 효과는, 재료물질을 지지하는 스테이지부에 단열의 기능을 수행하는 단열체 등을 구비시켜, 구동을 수행하는 구동체가 열에 대해 보호될 수 있다는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 상기와 같이 각 구성이 열에 대해 보호됨으로써, 각 구성의 열에 의한 변형 또는 손상에 의해 발생할 수 있는 제조 오차가 미연에 방지될 수 있다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 3D 프린팅 공정 시 열 잔류응력 발생 원인에 대한 이미지이다.
도 2는 3D 프린팅 공정 중 열 집중 현상에 의한 burn-in으로 적층 실패된 사항에 대한 개략도이다.
도 3은 종래기술에 따른 3D 프린팅 장치에 대한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치에 대한 개략도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 3D 프린팅 공정 시 열 잔류응력 발생 원인에 대한 이미지이고, 도 2는 3D 프린팅 공정 중 열 집중 현상에 의한 burn-in으로 적층 실패된 사항에 대한 개략도이다. 여기서, 도 1의 (a)는 재료물질의 도포레이어에 레이저 광 조사 시 열 영향 영역(Heat affected zone)에 대한 이미지이고, 도 1의 (b)는 재료물질의 도포레이어의 가열(Heating)과 냉각(Cooling) 시 도포레이어의 변형에 대한 이미지이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 금속부품의 레이저 적층성형(Selective laser melting; SLM)시, 급속 용융 및 응고로 인한 열잔류응력 특성에 의해 제품에 인장잔류응력이 형성되며 파괴 및 변형을 유발할 수 있으므로, 금속 부품을 SLM으로 제조 후 제품에 걸려 있는 열적 잔류응력을 해소하지 않으면 파괴 및 변형이 발생할 수 있다. 또한, 완전용융 후 급냉 시 온도차에 의해 열잔류응력(thermal stress σ=EαΔT)이 축적될 수 있다.
그리고, 도 2에서 보는 바와 같이, 구체적으로, 레이저 적층성형 공정 진행 중 열전도율이 낮은 분말과 접촉하는 under-cut형상에 대한 지지형상(support structure) 설계를 잘못할 시 over-melting에 의한 burn-in 현상으로 적층 공정을 진행할 수 없는 현상이 발생할 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는 상기와 같은 3D 프린팅 공정 중 발생하는 열잔류응력을 감소시킴과 동시에, 열잔류응력 감소를 위한 열에너지 공급 시 장치의 각 구성을 열에 대해 보호하기 위해 안출된 것이다.
도 3은 종래기술에 따른 3D 프린팅 장치에 대한 개략도이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 종래기술에 따른 3D 프린팅 장치는, 내부에 분말 형태의 재료물질(40)이 충진되고, 재료물질(40)에 대한 조형이 수행되며, 재료물질(40)에 열을 제공하는 조형부(20); 조형부(20)와 결합되어 재료물질(40)을 상하 이동시키는 스테이지부(10); 조형부(20)의 재료물질(40)에 광을 조사하여 각각의 조형레이어를 형성하는 레이저부(31); 레이저부(31)로부터 발사되는 광을 반사시켜 광의 경로를 제어하는 스캐너부(32); 및 좌우 방향으로 이동하며 외부로부터 공급된 재료물질(40)을 조형레이어 상으로 이동시키는 리코터부(33);를 포함한다.
그리고, 조형부(20)는, 내부 공간을 구비하고 재료물질(40)이 충진되는 하우징(21), 하우징(21)의 내부 공간에 형성되고, 재료물질(40)을 지지하여 상하 이동하는 파우더베드(22), 및 하우징(21)의 내측면을 따라 형성되고 재료물질(40)에 열을 제공하는 조형부히터(23)를 구비할 수 있다. 또한, 스테이지부(10)는, 파우더베드(22)와 결합하여 지지하고 상하 이동하는 지지체(11), 및 지지체(11)와 결합하여 지지체(11)로 상하 이동 힘을 전달하는 구동체(12)를 구비할 수 있다. 여기서, 지지체(11)와 하우징(21)의 내측면 사이에는 하우징(21)의 내부 공간을 밀폐시키며 고무로 형성되는 바이톤오링(13)이 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 종래기술에 따른 3D 프린팅 장치에 있어서, 조형부히터(23)가 300도 이상의 열을 조형레이어에 가하면서 조형물에 발생한 잔류응력을 감소시킬 수 있다. 다만, 이와 같이 300도 이상의 열을 가하면서 재료물질(40)의 적층면을 수~수십 마이크로미터(㎛) 단위씩 정밀하게 아래/위로 제어하기 위한 스테이지부(10)가 사용되게 되는데, 도 3에서 보는 바와 같은 스테이지부(10)의 각 구성은 열에 취약하여 변형 또는 파손이 발생함으로써 적층면에 제어 오차가 증가하는 문제가 있다.
또한, 금속 3D 프린팅 공정은 산소농도를 0.1%이하로 제어하기 위하여 챔버 형태(하우징(21))로 구성이 되며, z축 실린더인 지지체(11)의 경우, 외부로부터의 산소 유입 및 금속파우더 방출을 방지하기 위한 고무링인 바이톤오링(13)을 일반적으로 사용하게 되는데, 상기와 같이 부가열원을 사용하여 온도를 올릴 시 해당 고무링이 파손될 위험이 있다.
그리고, 종래기술에 따른 3D 프린팅 장치에서, 재료물질(40)의 상부에서 재료물질(40)의 적층면으로 열을 전달 시, 재료물질(40)의 적층면 이외의 다른 곳으로 열이 전달되면, 다른 구성에 열 손상을 발생시키는 문제가 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치에 대한 개략도이다. 도 4에서, 상 방향은 스캐너부(420)가 위치한 방향이고 하 방향은 이에 반대되는 방향이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 복수 개의 조형레이어가 적층되어 형성되는 3D 조형체를 조형 가능한 본 발명의 3D 프린팅 장치는, 내부에 분말 형태의 재료물질(40)이 충진되고, 재료물질(40)에 대한 조형이 수행되며, 재료물질(40)에 열을 제공하는 조형부(300); 조형부(300)와 결합되어 재료물질(40)을 상하 이동시키는 스테이지부(100); 조형부(300)의 재료물질(40)에 광을 조사하여 각각의 조형레이어를 형성하는 레이저부(410); 레이저부(410)로부터 발사되는 광을 반사시켜 광의 경로를 제어하는 스캐너부(420); 조형부(300)의 상부에 형성되고, 내부 공간을 구비하며 상부와 하부가 개방된 형상의 열차단부(210); 및 열차단부(210)의 상부에 형성되어 열을 생성하고, 생성된 열을 조형레이어로 전달하는 레이어히터(220);를 포함한다. 그리고, 본 발명의 3D 프린팅 장치는, 좌우 방향으로 이동하며 외부로부터 공급된 재료물질(40)을 조형레이어 상으로 이동시키는 리코터부(430)를 더 포함할 수 있다.
재료물질(40)은, 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 납(Pb), 주석(Sn), 베릴륨(Be) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 이루어진 분말일 수 있다.
또는, 재료물질(40)은, 철(Fe), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 몰리브덴(Mo), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 납(Pb), 주석(Sn), 베릴륨(Be) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군에서 선택되는 둘 이상의 금속으로 이루어진 합금의 분말일 수 있다.
본 발명의 실시 예에서는, 재료물질(40)이 상기와 같은 물질로 형성된다고 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 재료물질(40)은 합성수지, 합성수지와 금속의 혼합물 등의 다른 물질의 분말로 형성될 수도 있다.
리코터부(430)는, 블레이드 형상으로 형성되거나, 또는, 롤의 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 도 4에서 보는 바와 같이, 리코터부(430)는, 반복적으로 이동하는 좌우 왕복 운동에 의해 조형부(300)에 충진된 재료물질(40)의 상면에 공급받은 재료물질(40)을 얇은 두께로 펴게 되고, 얇게 펴주면서 일정한 높이로 도포하여 도포레이어를 형성할 수 있다. 다음으로, 도포레이어에 레이저부(410)의 광이 조사되어 재료물질(40)이 굳어지며 조형레이어를 형성하고 3D 조형체가 형성될 수 있다.
하우징(330)의 상부와 결합하고 하우징(330)의 상부 둘레 방향으로 연장되는 형상이며, 외부로부터 공급된 재료물질(40)이 리코터부(430)에 의해 이송 시, 재료물질(40)의 이송을 위해 제공된 편평한 상면을 구비하는 가이드부(331)가 형성될 수 있다. 그리고, 가이드부(331)는, 외부로부터 공급된 재료물질(40)이 통과하여 하우징(330)의 상면으로 공급될 수 있도록 홀의 형상인 공급홀(332)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 외부로부터 공급되어 공급홀(332)을 통과한 재료물질(40)은 리코터부(430)와 접촉된 후, 리코터부(430)의 이동에 의해 이송되어 상기와 같이 재료물질(40)의 도포레이어를 형성할 수 있다. 여기서, 재료물질(40)을 공급하는 공급부는 생략되어 있으며, 종래기술과 같이 공급홀(332)을 향해 재료물질(40)을 밀어 올리는 방식이 이용될 수 있다.
레이저부(410)는, 광섬유(Fiber) 레이저 또는 CO2 레이저를 구비할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는, 레이저부(410)가 광섬유(Fiber) 레이저 또는 CO2 레이저를 구비할 수 있다고 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 레이저부(410)는 ND:YAG 레이저, 엑시머 레이저, 다이오드 레이저 또는 전자빔(E-Beam) 중 선택되는 어느 하나 이상의 레이저를 구비할 수 있다. 다만, 본 발명의 3D 프린팅 장치가 SLM 방식의 3D 프린팅 장치인 경우, 고출력의 광이 재료물질(40)에 조사되도록 하기 위하여, 레이저부(410)가 광섬유(Fiber) 레이저를 구비하는 것이 바람직할 수 있다.
레이저부(410)가 광을 조사하는 경우, 조사된 광은 스캐너부(420)에 반사되고, 스캐너부(420)의 기울기 운동에 의해 광의 반사각이 가변하면서 조형레이어에 광이 조사되는 경우, 조형레이어의 표면에 대한 광의 조사각이 가변함으로써 광의 조사 패턴이 가변할 수 있다.
레이어히터(220)는, 레이저부(410)에서 생성된 광에 대해 부가적인 열원으로써 기능을 수행할 수 있으며, 열차단부(210)와 스캐너부(420) 사이의 공간에 배치 형성될 수 있다. 레이어히터(220)는 적외선 램프(IR램프) 또는 레이저로 형성될 수 있으며, 이와 같은 레이어히터(220)는 복수 개 형성되어 배치됨으로써 조형레이어의 상면에 부가적인 열을 전달할 수 있다. 이와 같은 레이어히터(220)의 열에 의해 복수 개의 조형레이어가 가열됨으로써 열에 의한 조형물 내 잔류응력을 저감시킬 수 있다. 레이어히터(220)에서 생성된 열의 강도는 제어될 수 있으며, 구체적으로, 재료물질(40)의 성질, 조형레이어의 적층에 의한 조형물의 성질 등에 따라 레이어히터(220)의 출력이 조절될 수 있다.
열차단부(210)는, 레이어히터(220)로부터 조형레이어로 전달되는 열의 경로 주위를 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있으며, 구체적으로, 도 4에서 보는 바와 같이, 상부와 하부가 개방된 형상인 열차단부(210)의 중심축 방향 단면이 사다리꼴로 형성될 수 있으며, 여기서의 사다리꼴은 아랫변이 윗변보다 긴 형상으로써, 열차단부(210)의 하부 개방 면적이 상부 개방 면적보다 더 넓게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열차단부(210)가 조형레이어의 상면을 커버함과 동시에, 대류 또는 복사에 의해 열차단부(210)의 상부 개구를 통과하여 손실되는 열을 최소화함으로써, 레이어히터(220)의 열 효율을 증대시킬 수 있다.
레이어히터(220)의 열이 열차단부(210)의 내부 공간을 통과함으로써, 열차단부(210) 주위로의 열전달이 차단될 수 있다. 도 4에서 보는 바와 같이, 레이어히터(220)의 열은 조형레이어의 상면에 전달되고, 가열된 조형레이어의 열, 레이어히터(220)에서 생성되어 조형레어이어 상면에서 반사된 열 또는 레이저부(410)의 광에 의해 가열된 조형레이어의 열 등이 열차단부(210)의 내부에 갇히게 됨으로써, 열차단부(210) 주위로의 열전달이 차단될 수 있다.
열차단부(210) 주위에는 리코터부(430), 리코터부(430)에 의해 이송 중인 재료물질(40) 등이 있고, 이와 같은 열차단부(210)의 주위에 위치하는 구성은 레이어히터(220)와 관련된 열에 의해 변형 또는 파손될 수 있으나, 상기와 같이 열차단부(210)에 의해 열차단부(210) 주위로 전달될 수 있는 열이 차단됨으로써, 열차단부(210)의 주위에 위치하는 구성의 변형 또는 파손이 방지되고, 이에 따라, 조형물의 제조 오차가 현저히 감소될 수 있다.
조형부(300)는, 내부 공간을 구비하고 재료물질(40)이 충진되는 하우징(330), 하우징(330)의 내부 공간에 형성되고, 재료물질(40)을 지지하여 상하 이동하는 파우더베드(320), 및 하우징(330)의 내측면을 따라 형성되고 재료물질(40)에 열을 제공하는 조형부히터(310)를 구비할 수 있다. 파우더베드(320)는 판의 형상으로, 하우징(330)이 원통형으로 형성되는 경우 파우더베드(320)는 원판 형상으로 형성될 수 있고, 하우징(330)이 단면이 다각형인 통의 형상인 경우 파우더베드(320)는 다각형판 형상으로 형성될 수 있다.
조형부히터(310)는 하우징(330)의 내측면에 결합되거나 인입되어 형성될 수 있으며, 조형부히터(310)는 유도 가열 코일 또는 면발열체로 형성될 수 있다. 그리고, 조형부히터(310)는 파우더베드(320)와 결합하여 파우더베드(320)를 가열함으로써 하우징(330)에 충진된 재료물질(40)의 하부에 대한 가열을 수행할 수 있다.
스테이지부(100)는, 파우더베드(320)와 결합하여 지지하고 상하 이동하는 상부지지체(110), 및 상부지지체(110)와 하우징(330)의 내측면 사이에 형성되어 하우징(330)의 내부 공간 하부를 밀폐시키는 내열패킹(150)을 구비할 수 있다. 상부지지체(110)는 판의 형상으로, 하우징(330)이 원통형으로 형성되는 경우 상부지지체(110)는 원판 형상으로 형성될 수 있고, 하우징(330)이 단면이 다각형인 통의 형상인 경우 상부지지체(110)는 다각형판 형상으로 형성될 수 있다.
도 4에서 보는 바와 같이, 상부지지체(110)와 내열패킹(150)은 파우더베드(320)의 하부에 형성되어 파우더베드(320) 또는 조형부히터(310)와 접촉하며, 내열패킹(150)은 하우징(330)의 내측면을 따라 이동하며 하우징(330) 또는 조형부히터(310)와 접촉할 수 있다. 그리고, 조형부히터(310), 조형부히터(310)에 의해 가열된 파우더베드(320) 또는 하우징(330)에 의해 내열패킹(150)이 가열될 수 있다. 마찬가지로, 조형부히터(310) 또는 조형부히터(310)에 의해 가열된 파우더베드(320)에 의해 상부지지체(110)가 가열될 수 있다.
그리고, 내열패킹(150)은 인코넬, 탄소 섬유 및 금속 질화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성될 수 있으며, 이에 따라, 내열패킹(150)이 고무 등과 같이 열에 상대적으로 취약한 소재로 형성된 경우와 달리, 열에 의한 내열패킹(150)의 손상 또는 변형이 방지될 수 있다. 그리고, 이와 같이 내열패킹(150)의 손상 또는 변형이 방지됨으로써, 하우징(330)의 내부 공간을 밀폐시켜 재료물질(40)의 누출 또는 하우징(330)의 내부 공간으로 유입되는 공기를 차단 효율이 증대되어, 재료물질(40)의 도포레이어 생성 오차를 최소화할 수 있다. 그리고, 결과적으로, 조형물의 가공 오차를 최소화할 수 있다.
스테이지부(100)는, 상부지지체(110)의 상하 이동에 대응하여 상하 이동하는 하부지지체(120), 상부지지체(110)와 하부지지체(120)를 연결하는 연결체(130), 및 하부지지체(120)와 연결체(130) 사이에 형성되어 단열을 수행하는 단열체(160)를 더 구비할 수 있다. 여기서, 단열체(160)는 세라믹 소재로 형성될 수 있다. 구체적으로, 연결체(130)의 일단은 상부지지체(110)의 하면과 결합되고 연결체(130)의 타단은 단열체(160)와 결합될 수 있다. 그리고, 단열체(160)를 감싸는 형상으로 하부지지체(120)가 형성될 수 있다. 하부지지체(120)가 상부지지체(110)에 대응되는 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 스테이지부(100)는, 하부지지체(120)와 결합하여 하부지지체(120)로 상하 이동 힘을 전달하는 구동체(140)를 더 구비할 수 있다.
구동체(140)는 원기둥의 형상으로써 표면에 수나사산이 형성될 수 있다. 또한, 구동체(140)와 결합되는 하부지지체(120)는 구동체(140)가 관통되는 구동홀(121)을 구비하고, 구동홀(121)의 내측면에는 암나사산이 형성될 수 있다. 그리고, 구동체(140)의 수나사산과 구동홀(121)의 암나사산은 나사결합될 수 있고, 구동체(140)의 회전에 따라 하부지지체(120)가 상하 이동을 수행할 수 있고, 하부지지체(120)의 상하 이동에 따라 상부지지체(110)가 상하 이동될 수 있다.
추가적으로, 도 4에서 보는 바와 같이, 구동체(140)는, 하우징(330)과 결합하여 하우징(330)을 상하 이동시킬 수 있다. 여기서, 구동체(140)의 회전과 별도로 구동체(140) 자체가 상하 이동됨으로써 하우징(330)이 상하 이동될 수 있다. 이와 같이 구동체(140)의 상하 이동으로 하우징(330)이 상하 이동됨으로써, 최상층에 위치하는 조형레이어와 열차단부(210)(구체적으로는 열차단부(210)의 하단) 간 거리를 최소화할 수 있고, 이에 따라, 열차단부(210)에 의한 열차단 효과를 향상시킬 수 있다. 여기서, 최상층의 조형레이어와 열차단부(210) 간 거리 조절을 위해 열차단부(210)가 상하 이동할 수도 있다.
그리고, 하우징(330)의 상하 이동은 리코터부(430)의 작동과 연동되어 수행될 수 있다. 구체적으로, 리코터부(430)의 이동이 용이하기 위해서는 최상층의 조형레이어와 열차단부(210) 사이 간격이 리코터부(430)의 높이보다 커야 하므로, 최상층의 조형레이어와 열차단부(210) 간 거리를 최소화시키기 위해, 최상층의 조형레이어 상에 재료물질(40)을 도포하는 경우에는 최상층의 조형레이어와 열차단부(210) 간 거리를 증가시켰다가, 재료물질(40)의 도포가 종료된 경우에는 최상층의 조형레이어와 열차단부(210) 간 거리를 감소시킬 수 있다.
상기와 같이 상부지지체(110)가 가열되는 경우, 상부지지체(110)와 결합된 연결체(130)를 통해 하부지지체(120)로 열이 전달되고 연속적으로 하부지지체(120)와 결합된 구동체(140)로 열이 전달될 수 있으나, 이와 같은 열 전달은 단열체(160)에 의해 차단될 수 있다. 이에 따라, 상부지지체(110)와 내열패킹(150)이 가열되더라도 구동체(140)가 고온의 열에 대해 보호됨으로써, 열에 의한 구동체(140)의 손상 또는 변형이 방지될 수 있고, 구동체(140)의 손상 또는 변형에 의한 상부지지체(110)의 상하 이동 오차, 하우징(330)의 상하 이동 오차 등이 방지될 수 있다. 결과적으로, 재료물질(40)의 도포 오차, 조형레이어의 두께 오차 등이 방지되어 조형물의 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 3D 프린팅 장치를 이용한 3D 프린팅 방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 제1단계에서, 조형부(300)에 충진된 재료물질(40)을 스테이지부(100)가 하 방향으로 이동시킬 수 있다. 여기서, 조형부히터(310)에 의해 하우징(330) 또는 파우더베드(320)가 가열될 수 있다. 다음으로, 제2단계에서, 최상층의 조형레이어 상에 재료물질(40)이 도포되어 도포레이어를 형성할 수 있다. 그리고, 제3단계에서, 도포레이어에 레이저부(410)의 광이 조사되어 신규 조형레이어가 형성될 수 있다. 그 후, 제4단계에서, 레이어히터(220)의 열에 의해 조형레이어가 가열되고, 열차단부(210)에 의해 열차단부(210) 주위로의 열전달이 차단될 수 있다. 본 발명의 3D 프린팅 장치를 이용한 3D 프린팅 방법에서 나머지 사항은, 상기된 본 발명의 3D 프린팅 장치에 대한 기재 사항과 동일할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 스테이지부 11 : 지지체
12 : 구동체 13 : 바이톤오링
20 : 조형부 21 : 하우징
22 : 파우더베드 23 : 조형부히터
31 : 레이저부 32 : 스캐너부
33 : 리코터부 40 : 재료물질
100 : 스테이지부 110 : 상부지지체
120 : 하부지지체 121 : 구동홀
130 : 연결체 140 : 구동체
150 : 내열패킹 160 : 단열체
210 : 열차단부 220 : 레이어히터
300 : 조형부 310 : 조형부히터
320 : 파우더베드 330 : 하우징
331 : 가이드부 332 : 공급홀
410 : 레이저부 420 : 스캐너부
430 : 리코터부

Claims (11)

  1. 복수 개의 조형레이어가 적층되어 형성되는 3D 조형체를 조형 가능한 3D프린팅 장치에 있어서,
    내부에 분말 형태의 재료물질이 충진되고, 상기 재료물질에 대한 조형이 수행되며, 상기 재료물질에 열을 제공하는 조형부;
    상기 조형부와 결합되어 상기 재료물질을 상하 이동시키는 스테이지부;
    상기 조형부의 상기 재료물질에 광을 조사하여 각각의 상기 조형레이어를 형성하는 레이저부;
    상기 레이저부로부터 발사되는 상기 광을 반사시켜 상기 광의 경로를 제어하는 스캐너부;
    상기 조형부의 상부에 형성되고, 내부 공간을 구비하며 상부와 하부가 개방된 형상의 열차단부; 및
    상기 열차단부의 상부에 형성되어 열을 생성하고, 생성된 열을 상기 조형레이어로 전달하는 레이어히터;를 포함하고,
    상기 레이어히터의 열이 상기 열차단부의 내부 공간을 통과함으로써, 상기 열차단부 주위로의 열전달이 차단되는 것을 특징으로 하는 잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3D 프린팅 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 조형부는,
    내부 공간을 구비하고 상기 재료물질이 충진되는 하우징,
    상기 하우징의 내부 공간에 형성되고, 상기 재료물질을 지지하여 상하 이동하는 파우더베드, 및
    상기 하우징의 내측면을 따라 형성되고 상기 재료물질에 열을 제공하는 조형부히터를 구비하는 것을 특징으로 하는 잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3D 프린팅 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 스테이지부는,
    상기 파우더베드와 결합하여 지지하고 상하 이동하는 상부지지체, 및
    상기 상부지지체와 상기 하우징의 내측면 사이에 형성되어 상기 하우징의 내부 공간 하부를 밀폐시키는 내열패킹을 구비하는 것을 특징으로 하는 잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3D 프린팅 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 스테이지부는,
    상기 상부지지체의 상하 이동에 대응하여 상하 이동하는 하부지지체,
    상기 상부지지체와 상기 하부지지체를 연결하는 연결체, 및
    상기 하부지지체와 상기 연결체 사이에 형성되어 단열을 수행하는 단열체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3D 프린팅 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 스테이지부는,
    상기 하부지지체와 결합하여 상기 하부지지체로 상하 이동 힘을 전달하는 구동체를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3D 프린팅 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 구동체는, 상기 하우징과 결합하여 상기 하우징을 상하 이동시키는 것을 특징으로 하는 잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3D 프린팅 장치.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 내열패킹은 인코넬, 탄소 섬유 및 금속 질화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3D 프린팅 장치.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 단열체는 세라믹 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3D 프린팅 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    좌우 방향으로 이동하며 외부로부터 공급된 상기 재료물질을 상기 조형레이어 상으로 이동시키는 리코터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3D 프린팅 장치.
  10. 청구항 2의 잔류응력저감을 위해 부가열원을 구비한 3D 프린팅 장치를 이용한 3D 프린팅 방법에 있어서,
    상기 조형부에 충진된 상기 재료물질을 상기 스테이지부가 하 방향으로 이동시키는 제1단계;
    최상층의 조형레이어 상에 상기 재료물질이 도포되어 도포레이어를 형성하는 제2단계;
    상기 도포레이어에 상기 레이저부의 광이 조사되어 신규 조형레이어가 형성되는 제3단계; 및
    상기 레이어히터의 열에 의해 상기 조형레이어가 가열되고, 상기 열차단부에 의해 상기 열차단부 주위로의 열전달이 차단되는 제4단계;를 포함하고,
    상기 레이어히터의 열에 의해 상기 조형레이어 내 열에 의한 잔류응력이 저감되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1단계에서, 상기 조형부히터에 의해 상기 하우징 또는 상기 파우더베드가 가열되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.

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