KR102234162B1 - 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치 - Google Patents

전자빔을 이용한 삼차원 적층장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자빔을 이용하여 적층하면서도 보다 정밀하게 적층이 가능하고 이물질의 전자빔건 유입이 직은 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 진공이 유지되며, 적층대상물이 빌드업 되는 공간을 형성하는 챔버, 상기 챔버의 내부에 구비되며, 적층 대상물이 안착되는 베이스면을 형성하고, 상기 베이스면을 수평이동시키는 스테이지, 상기 챔버의 상측에 구비되며, 상기 챔버 내부로 전자빔을 조사하는상기 전자빔 건, 상기 전자빔 건에서 조사되는 전자빔의 조사방향을 굴절시켜 상기 전자빔 건으로부터 빔이 방출되는 방출구로부터 수평방향으로 이격된 측에 초점이 맺히도록 굴절시키며, 적층대상물이 빌드업 됨에 따라 상하방향으로 승강되는 굴절부, 상기 굴절부를 수직이동시키는 수직이동모듈, 상기 전자빔 조사모듈에 의해 조사되는 전자빔에 의해 용융되며, 상기 적층대상물을 향하여 적층재를 공급하는 피더, 상기 스테이지를 수평이동시키는 스테이지 수평이동모듈, 상기 챔버 내의 진공을 유지시키는 진공펌프를 포함하는 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치가 개시된다.

Description

전자빔을 이용한 삼차원 적층장치{3D Printer having Electron Beam}
본 발명은 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자빔을 이용하여 적층하면서도 보다 정밀하게 적층이 가능하고 이물질의 전자빔건 유입이 작은 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치에 관한 것이다.
3D 프린터는 활자나 그림을 인쇄하듯 입력된 3차원 도면을 바탕으로 실제 입체 조형물을 제작하는 장치로서, 산업이나 의료뿐만 아니라 생활물품 및 예술분야로 그 사용분야가 확대되고 있다.
이러한 3D 프린터는 스테이지 상에 와이어 또는 분말의 형태로 적층제를 위치시킨 후, 원하는 단면의 형태로 에너지를 조사함으로써, 해당 부분의 적층제가 녹거나 경화되며, 이러한 작업이 층층이 반복적으로 이루어져 조형이 이루어지게된다.
한편, 상기 적층제를 녹이거나 경화시키는 에너지원으로써 레이저 등을 사용하는 것이 일반적이다.
한편, 이러한 레이저 방식의 에너지원은 그 해상도 및 에너지의 세기에서 한계가 있으며, 주변 분위기가 대기상태에서 작업이 진행되므로 고온에 의한 산화 등의 한계점이 있어, 최근 들어 레이저 대신 전자빔을 에너지원으로 사용하는 3D프린터의 개발이 요구되고 있다.
그러나, 전자빔을 에너지원으로 사용할 경우, 전자빔에 의해 기화된 적층제가 전자빔 내부로 침투하여 전자빔을 오염시키는 경우가 발생하여 연속운전에 방해가 되는 문제점이 있으며, 또한 금속적층물의 경우 무게가 상당하여 XYZ축으로 정밀이송해야 하는 스테이지에 부하가 발생되는 문제가 있다.
또한, 전자빔을 에너지원으로 사용하는 경우 챔버 내부가 고온으로 가열되는데, 스테이지를 이송시키는 모터등을 포함한 구동부가 챔버 내부에 구비되면 모터 등의 부품에 반복적인 열충격이 가해져 변형되는 경우가 발생할 수 있으며, 특히나 모터 등에는 자성체가 구비되는데, 이러한 자성체는 고온에 노출될 경우 자성을 잃어버리게 되는 문제점등의 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전자빔을 에너지원으로 사용하면서도 전자빔건의 오염이 방지되며 열충격에 의한 구동부의 내구성이 향상된 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치를 제공하는 것이 과제이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 진공이 유지되며, 적층대상물이 빌드업 되는 공간을 형성하는 챔버, 상기 챔버의 내부에 구비되며, 적층 대상물이 안착되는 베이스면을 형성하고, 상기 베이스면을 수평이동시키는 스테이지, 상기 챔버의 상측에 구비되며, 상기 챔버 내부로 전자빔을 조사하는상기 전자빔 건, 상기 전자빔 건에서 조사되는 전자빔의 조사방향을 굴절시켜 상기 전자빔 건으로부터 빔이 방출되는 방출구로부터 수평방향으로 이격된 측에 초점이 맺히도록 굴절시키며, 적층대상물이 빌드업 됨에 따라 상하방향으로 승강되는 굴절부, 상기 굴절부를 수직이동시키는 수직이동모듈, 상기 전자빔 조사모듈에 의해 조사되는 전자빔에 의해 용융되며, 상기 적층대상물을 향하여 적층재를 공급하는 피더, 상기 스테이지를 수평이동시키는 스테이지 수평이동모듈, 상기 챔버 내의 진공을 유지시키는 진공펌프를 포함하는 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치가 개시된다.
상기 스테이지는, 수평의 어느 일측 방향으로 수평이동되는 x축 스테이지, 상기 x축 스테이지가 이동가능하게 결합되며, 상기 x축 스테이지와는 교차되는 방향으로 수평이동되는 y축 스테이지를 포함하며, 상기 수평이동모듈은, 상기 x축 스테이지를 이송시키는 X축 이송모듈, 상기 Y축 스테이지를 이송시키는 Y축 이송모듈을 포함할 수 있다.
상기 챔버의 양 측면에는 로드 관통구가 형성되고, 상기 X축 이송모듈은 일단이 상기 X축 스테이지의 어느 한 측면에 Y축 스테이지 의해 이동되는 방향으로 슬라이딩 가능하도록 결합되며, 타단은 상기 로드 관통구 중 어느 하나를 통해 상기 챔버의 외측까지 연장된 제1로드, 일단이 상기 X축 스테이지의 제1로드가 결합된 편의 반대편 측면에 Y축 스테이지에 의해 이동되는 방향으로 슬라이딩 이동이 가능하도록 결합되며, 타단은 상기 로드 관통구 중 다른 하나를 통해 상기 챔버의 외측까지 연장된 제2로드, 상기 제1로드의 타측 끝단에 결합되는 제1플레이트, 상기 제2로드의 타측 끝단에 결합되는 제2플레이트, 일단이 챔버의 양측에 형성된 상기 로드 관통구 중 어느하나의 외측에 결합되며, 타단이 상기 제1플레이트에 결합되고, 상기 제1플레이트의 이동에 따라 신축되며, 기밀이 유지되어 상기 챔버의 진공을 유지시키는 제1벨로우즈, 일단이 챔버의 양 측에 형성된 상기 로드 관통구 중 다른 하나의 외측에 결합되며, 타단이 상기 제2플레이트에 결합되고, 상기 제2플레이트의 이동에 따라 신축되며, 기밀이 유지되어 상기 챔버의 진공을 유지시키는 제2벨로우즈, 상기 제1로드를 수평이동시키도록 구비되는 X축 구동부를 포함할 수 있다.
X축 구동부는, 회전력을 발생시키며, 상기 챔버 외부에 구비되는 X축 이송모터, 상기 X축 이송모터에 의해 회전되며, 상기 제1로드와 수평하게 배치되고, 외주면에 나사산이 형성되어 상기 제1플레이트와 치합되며, 회전에 따라 상기 제1플레이트를 이동시키는 X스크류를 포함할 수 있다.
상기 챔버의 하측에 상기 Y축 스테이지가 이송되는 방향으로 길이방향을 가지도록 관통되는 슬릿이 형성되며, Y축 이송모듈은, 상기 슬릿의 하측에 슬릿과 연통되도록 형성되며, Y축 스테이지가 이동되는 방향의 양 단측에 관통홀이 형성되는 진공박스, 양 단이 상기 진공박스의 각 관통홀에 삽입되며, 외주면에 나사산이 형성된 Y스크류, 상기 Y 스크류가 관통체결되며, 상기 Y스크류의 정역회전을 따라 상기 Y스크류를 따라 이동하는 Y플레이트, 상기 Y플레이트에 결합되며, 상기 Y축 스테이지와 결합된 Y로드, 일단이 상기 진공박스의 내측면의 상기 관통홀 둘레에 결합되고 타단이 상기 Y플레이트와 결합되어 상기 Y플레이트의 이동에 따라 신축되며, 기밀이 유지되어 상기 챔버의 진공을 유지시키도록 구비되는 Y벨로우즈, 상기 Y스크류를 회전시키는 회전력을 발생시키며, 상기 진공박스의 외부에 구비되는 Y축 이송모터를 포함할 수 있다.
상기 굴절부는, 조사되는 전자빔을 굴절시키는 디플렉터, 상기 전자빔의 단면이 초점위치에서 원형을 이루도록 전자빔의 단면을 제어하는 스티그메이터, 상기 디플렉터 및 스티그메이터가 장착되며, 상기 수직이동모듈에 의해 승강되는 승강브라켓을 포함할 수 있다.
상기 피더는, 상기 프레임의 상측에 구비되고, 적층 와이어가 감긴 보빈이 회전가능하게 장착되는 보빈 브라켓, 상기 보빈에서 권출되는 와이어를 상기 챔버 내부까지 안내하는 가이드 파이프, 상기 챔버 내부에 구비되며, 상기 챔버측으로 안내된 와이어를 상기 스테이지 상 적층위치까지 안내하는 노즐을 포함할 수 있다.
상기 노즐의 하단 끝에는 세라믹재질의 탭이 구비될 수 있다.
상기 노즐은 상기 승강 브라켓에 고정되어 상기 승강 브라켓과 함께 이동될 수 있다.
상기 노즐을 승강시키는 노즐 승강강치가 더 구비되며, 상기 노즐은 상기 승강 브라켓과는 별도로 승강될 수 있다.
본 발명의 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 에너지원으로 전자빔을 사용하므로 보다 고해상도의 구현이 가능하고, 고온 형성이 가능하여 메탈재질의 적층제의 사용이 가능하며, 진공 분위기에서 적층이 이루어지므로 산화 현상에서 자유로울 수 있다.
둘째, 스테이지는 수평이동하고 빌드업이 이루어지면서 굴절부만 승강되므로, 무거운 중량의 적층대상물을 수직이동시킬 필요가 없어 스테이지를 구동하는 기구적 장치들이 간소화될 수 있으며, 이송정밀도가 향상될 수 있다.
셋째, 전자빔 건은 고정된 상태로 빌드업이 이루어지면서 굴절부만 승강되므로, 비교적 중량이 무거우며 고정밀 장치인 전자빔 건이 움직이지 아니하여, 승강에 필요한 기구적 장치들이 간소화 될 수 있으며, 이송정밀도가 향상될 수 있다.
넷째, 전자빔이 굴절부에 의해 굴절되어 실제 용융은 전자빔 방출구와 수평으로 이격된 위치에서 이루어지므로, 기체가 발생되는 지점이 전자빔 방출구와 떨어져 있어 전자빔 측으로 이물질이 유입되는 것이 방지될 수 있다.
다섯째, 수평이송모듈이 챔버의 외부에 대칭적으로 위치되므로, 압력균형이 이루어지므로 정밀도가 향상될 수 있다.
여섯째, 모터 등의 부품이 챔버의 외부에 위치되므로 고온의 영향을 받지 아니하여, 내구성이 향상될 수 있다.
일곱째, 펌프가 스테이지의 하측에 형성된 슬릿을 통해 챔버내 기체를 흡입하므로 챔버내 이물질이 직접적으로 유입되는 것이 차단되어 내구성이 향상될 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔을 이용한 3차원 적층장치의 일 예를 도시한 사시도;
도 2는 도 1의 단면도;
도 3은 도 1의 X축 이송모듈을 도시한 사시도;
도 4는 도 1의 측면도;
도 5는 도 1의 스테이지를 도시한 사시도;
도 6은 도 1의 단면도로서, 도 2와는 다른 측면의 단면을 도시한 단면도;
도 7은 도 1의 피더를 도시한 분해 사시도;
도 8은 도 2의 노즐을 도시한 도면;
도 9는 도 1의 굴절부를 도시한 도면 이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치(1000)는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 챔버(200), 스테이지(300), 전자빔 건(100), 굴절부(600), 수직이동모듈(700), 피더(800), 스테이지 수평이동모듈(400) 및 진공펌프(900)를 포함할 수 있다.
상기 챔버(200)는 적층대상물(P)이 빌드업(build-up)되는 공간을 형성하며, 진공이 유지되는 공간일 수 있다. 또한, 상기 챔버(200)는 상기 전자빔에 의해 매우 고온의 환경이 조성되므로, 상기 챔버(200)의 벽면에는 단열을 위한 단열재 등이 구비될 수 있고, 챔버(200) 외측에는 냉각을 위한 냉각유로등이 구비될 수도 있다. 이러한 단열재 및 냉각유로의 구성은 통상의 기술자에게 자명하므로, 상세한 구조에 대해서는 설명 및 도시를 생략하기로 한다.
상기 스테이지(300)는, 상기 챔버(200)의 내부에 구비되며, 적층대상물(P)이 빌드업 되며 안착되는 베이스면(305)을 형성하며, 상기 베이스면(305)을 수평이동시키는 구성요소이다. 이 때, 상기 베이스면(305)에는 예열을 위한 예열히터(미도시)등이 열선 코일 등의 형태로 내장될 수 있다. 상기 예열히터는 상기 베이스면(305)를 섭씨 700도~800도 정도로 예열할 수도 있다. 또는, 상기 예열히터(미도시)가 구비되지 아니한 경우, 전자빔건(100)으로서 상기 베이스면(305)을 예열할 수도 있을 것이다.
상기와 같은 스테이지(300)는 평면상 서로 교차 또는 직교되는 두 축으로 수평이동가능하게 구비될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 스테이지(300)는, 수평의 어느 일측 방향으로 수평이동되는 X축 스테이지(310)와 상기 X축 스테이지(310)가 이동가능하게 결합되며, 상기 X축 스테이지(310)와는 직교되는 방향으로 수평이동되는 Y축 스테이지(320)를 포함하는 것을 예로 들어 설명한다. 즉, 상기 챔버(200)의 저면에 Y축 스테이지(320)가 수평이동 가능하게 구비되며, 상기 Y축 스테이지(320)의 상측에 X축 스테이지(310)가 수평이동 가능하게 구비될 수 있다.
따라서, 상기 Y축 스테이지(320)가 이송되면 상기 X축 스테이지(310) 또한 상기 Y축 스테이지(320)와 함께 Y축 방향으로 이송될 수 있다.
상기 전자빔건(100)은 상기 챔버(200)의 상측에 고정되게 구비되며, 상기 챔버(200) 내부로 전자빔(e)을 조사하는 구성요소이다.
또한, 상기 굴절부(600)는 상기 전자빔건(100)에서 조사되는 전자빔(e)ㄷ의 조사방향을 굴절시켜, 후술하는 피더(800)에 의해 공급되는 적층재를 용융시킬 수 있다. 이 때, 상기 굴절부(600)는 상기 전자빔 건(100)에서 전자빔이 방출되는 전자빔 방출구로부터 수평방향으로 이격된 지점에서 초점이 형성되어 상기 적층재를 용융시키도록 굴절시킬 수 있다. 또한, 상기 굴절부(600)는 승강 가능하게 구비되어 적층대상물(P)이 빌드업됨에 따라 그 위치가 점차 상승되도록 승강 가능하게 구비될 수 있다.
상기 수직이동모듈(700)은 상기 굴절부(600)를 승강시키는 구성요소이다.
상기 피더(800)는 상기 전자빔 건(100)에서 조사되는 전자빔에 의해 용융되는 적층재를 상기 스테이지(300) 상의 적층위치에 공급하는 구성요소이다.
상기 스테이지 수평이송모듈(400)은 상기 스테이지(300)의 X축 스테이지(310)와 Y축 스테이지(320)를 수평이송시키는 구성요소로서, 상기 X축 스테이지(310)를 이송시키는 X축 이송모듈(410)과 상기 Y축 스테이지(320)를 이송시키는 Y축 이송모듈(450)을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 진공펌프(900)는 상기 챔버(200) 내에 진공을 형성하도록 챔버(200) 내 기체를 흡입하여 배출시키도록 구비될 수 있다.
한편, 상기 전자빔 건(100)은 전자빔(e)를 방출하는 구성요소로서, 열전자빔 또는 플라즈마 전자빔 등의 콜드 방식의 전자빔 건이 적용될 수 있다.
이러한 전자빔(e)는 전자빔 건 내에서 생성되어 전자빔 방출구(154)를 통해 챔버(200) 내부로 조사된다.
한편, 상기 X축 이송모듈(410)은 상기 X축 스테이지(310)를 이송시키는 구성요소로서, 도 2 및 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 제1로드(412), 제2로드(422), 제1플레이트(414), 제2플레이트(424), 제1벨로우즈(416), 제2벨로우즈(426) 및 X축 구동부(440)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 챔버(200)의 양 측면에는 로드 관통구(210)가 형성될 수 있다.
상기 제1로드(412)는 일측단부가 상기 X축 스테이지(310)의 일측면 결합되며, 타단은 상기 챔버(200)의 양 측면에 형성된 로드 관통구(210) 중 어느 하나를 통해 상기 챔버(200)의 외측으로 연장될 수 있다.
이 때, 상기 X축 스테이지(310)는 상기 Y축 스테이지(320)의 이동에 따라 같이 이동되므로, 상기 제1로드(412)는 상기 X축 스테이지(310)의 측면에 Y축 스테이지(320)의 이동방향을 따라 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다.
상기 제2로드(422) 또한 일측단부가 상기 X축 스테이지(310)의 타측면에 결합되며, 타단은 상기 챔버(200)의 양 측면에 형성된 로드 관통구(210) 중 나머지 하나를 통해 상기 챔버(200)의 외측으로 연장될 수 있다.
상기 제2로드(422) 또한 상기 제1로드(412)와 마찬가지로 상기 X축 스테이지(310)의 측면에 Y축 스테이지(320)의 이동방향을 따라 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다.
이 때, 상기 제1로드(412) 및 제2로드(422)는 상기 X축 스테이지(310)를 사이에 두고 대칭적으로 위치되며, 상호 가상의 일직선상에 위치될 수 있다.
그리고, 상기 제1로드(412)의 챔버(200) 외측 끝단에는 제1플레이트(414)가 결합되고, 제1로드(412)의 챔버(200) 외측 끝단에는 제2플레이트(424)가 결합될 수 있다.
상기 제1플레이트(414) 및 제2플레이트(424)는 상기 챔버(200)의 양측 외측면으로부터 연장된 가이드 바에 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다.
그리고, 상기 제1벨로우즈(416)는 일단이 상기 챔버(200)의 제1로드(412)가 관통된 로드 관통구(210)가 형성된 외측면에 결합되고, 타단이 상기 제1플레이트(414)에 결합될 수 있다. 따라서, 상기 제1벨로우즈(416)의 내부에는 제1로드(412)가 위치된다.
이때, 상기 제1벨로우즈(416)는 상기 제1로드(412) 및 제1플레이트(414)의 슬라이딩 이동에 따라 신축가능하게 구비되며, 상기 챔버(200)의 외측과 제1플레이트(414)에 기밀이 이루어지도록 결합될 수 있다.
상기 제2벨로우즈(426) 또한 일단이 상기 챔버(200)의 제2로드(422)가 관통된 로드 관통구(210)가 형성된 외측면에 결합되고, 타단이 상기 제2플레이트(424)에 결합되어, 그 내부에 제2로드(422)가 위치될 수 있다.
상기 제2벨로우즈(426)는 상기 제2로드(422) 및 제2플레이트(424)의 슬라이딩 이동에 따라 신축가능하게 구비되며, 상기 챔버(200)의 외측과 제2플레이트(424)에 기밀이 이루어지도록 결합될 수 있다.
따라서, 상기 제1로드(412) 및 제2로드(422)가 상기 챔버(200)의 외측으로 노출됨에도 불구하고 상기 제1벨로우즈(416) 및 제2벨로우즈(426)에 의해 챔버(200)의 진공이 유지될 수 있다.
도한, 상기 X축 구동부(440)는 X축 이송모터(442)와 X 스크류(444)를 포함할 수 있다. 상기 X축 이송모터(442)는 상기 챔버(200)의 외부에 구비되며, 회전력을 발생시키고, 상기 X 스크류(444)는 상기 X축 이송모터(442)에 의해 회전되며, 상기 제1로드(412)와 수평하게 배치되고, 외주면에 나사산이 형성되어 상기 제1플레이트(414)와 치합되며, 회전에 따라 상기 제1플레이트(414)를 이동시키도록 구비될 수 있다.
한편, 상기 챔버(200) 내가 진공분위기이며, 상기 제1플레이트(414)와 제2플레이트(424)는 대기압에 노출된 상태이므로 압력차이가 발생되는데, 대칭적으로 위치된 상기 제1로드(412)와 제2로드(422)에 의해 양측으로 대칭적인 압력이 발생되므로 기압차이에 의한 외력의 영향을 무시할 수 있어 정밀도가 향상될 수 있다.
또한, 챔버(200)내가 고온의 환경이 조성되는데, 자성체 등의 부품이 포함하는 모터 등이 챔버(200) 외부에 구비되어 고온의 영향을 받지 않음으로 자성체의 자성이 유지되며, 부품의 열변형이 최소화 되어 열적 내구성 및 정밀도가 향상될 수 있다.
그리고, 상기 챔버(200)의 X축 이송모듈(410)이 위치되지 아니한 면에는 상기 챔버(200)를 개방하거나 폐쇄하는 도어(미도시)가 구비될 수 있다.
상기 X축 이송모듈(410)이 챔버(200)외측으로 돌출되도록 구비되는데, 상기 도어는 X축 이송모듈(410)이 구비되지 아니한 면에 구비됨으로써 X축 이송모듈(410)에 의한 작업간섭을 최소화 시킬 수 있다.
한편, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 Y축 스테이지(320)의 하측면에 대응하는 챔버(200)의 저면에는 상기 Y축 스테이지(320)의 이동방향과 나란하게 슬릿(466)(466: 도 7 참조)이 형성될 수 있다. 그리고, 상기 Y축 스테이지(320)는 상기 슬릿(466)을 통해 상기 Y축 스테이지(320)와 결합될 수 있다.
상기 Y축 이송모듈(450)은, 진공박스(452), Y스크류(454), Y플레이트(458), Y로드(464), Y벨로우즈(462) 및 Y축 이송모터(456)를 포함할 수 있다.
상기 진공박스(452)는, 상기 챔버(200) 저면에 형성된 슬릿(466)과 연통되도록 형성되며, Y 축 스테이지(320)가 이동되는 방향으로의 양 단부측에 관통홀(453)이 형성될 수 있다.
상기 Y스크류(454)는 양 단부가 상기 진공박스(452)의 각 관통홀(453)에 회전가능하게 삽입되며, 외주면에 나사산이 형성될 수 있다.
상기 Y 플레이트(458)는 상기 Y 스크류(454)가 관통 체결되어 상기 진공박스(452)내에 배치되며 상기 Y 스크류(454)의 정역회전에 의해 상기 Y 스크류(454)를 따라 이동할 수 있다.
그리고, 상기 Y로드(464)는 상기 Y플레이트(458)로부터 연장되어 상기 Y축 스테이지(320)와 결합되어 상기 Y 플레이트(458)의 움직임을 상기 Y 플레이트(458)에 전달할 수 있다.
한편, 상기 Y벨로우즈(462)는 일단이 상기 진공박스의 내측면의 상기 관통홀 둘레에 결합되고 타단이 상기 Y플레이트(458)의 측면와 결합되어 상기 Y플레이트(458)의 이동에 따라 신축되며, 기밀이 유지되어 상기 챔버(200)의 진공을 유지시키도록 구비될 수 있다. 이러한 상기 Y벨로우즈(462)는 상기 Y플레이트(458)의 양 측면과 진공박스(452)의 양측에 형성된 관통홀(453) 사이에 각각 구비됨으로써 상기 챔버(200)의 진공이 유지될 수 있다.
그리고, 상기 Y축 이송모터(456)가 상기 Y스크류(454)를 회전시키도록 상기 진공박스(452)의 외측에 구비될 수 있다. 따라서, 상기 Y 플레이트(458)의 움직임에도 불구하고 상기 Y벨로우즈(462)가 기밀이 유지된 상태로 신축됨으로써 상기 챔버(200)의 진공이 유지될 수 있다.
한편, 상기 굴절부(600)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 디플렉터(620), 스티그메이터(625) 및 승강브라켓(630)을 포함할 수 있다.
상기 디플렉터(620)는 조사되는 전자빔을 초점위치로 굴절시키는 구성요소이며, 상기 스티그메이터(625)는 조사되는 전자빔이 초점위치에서 원형을 이루도록 전자빔의 단면 형태를 조절하는 구성요소일 수 있다.
그리고, 상기 승강브라켓(630)은 상기 디플렉터(620) 및 스티그메이터(625)가 장착되며, 상기 수직이동모듈(700)에 의해 상기 승강될 수 있다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 전자빔(e)이 전자빔 방출구(154)로부터 수평방향으로 이격된 지점에 촛점위치를 형성하는데, 이 때 상기 디플렉터(620)가 상기 전자빔(e)을 초점위치 측으로 굴절 시킬 수 있다.
또한, 상기 전자빔 건(100)에서 방출되는 전자빔의 단면이 원형일지라도, 상기 디플렉터(620)를 거치면서 굴절된 전자빔의 단면은 타원형이 될 수 있다. 그런데, 이러한 타원형의 전자빔 단면은 에너지의 밀집도에서 원형 단면에 비해 불리하므로, 상기 스티그메이터(625)에서 상기 전자빔이 원형의 단면형태를 이루도록 제어할 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 디플렉터(620)가 상측에 설치되고 스티그메이터(625)가 상기 디플렉터(620)보다 하측에 설치되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 반대로 상기 스티그메이터(625)가 디플렉터(620)보다 상측에 설치될 수 있다. 이때에는 상기 디플렉터(620)를 거치면서 굴절된 전자빔이 원형의 단면을 이루도록 굴절 전에 상기 스티그메이터(625)가 전자빔의 단면형태를 제어할 수 있다.
따라서, 상기 굴절부(600)의 디플렉터(620)에 의해 상기 전자빔 건(100)에서 전자빔이 방출되는 전자빔 방출구(154)로부터 수평방향으로 이격된 지점에서 초점이 형성되어 상기 적층재를 용융시키므로, 적층재가 기화되는 지점이 전자빔 방출구의 직하부가 아니므로 전자빔 건(100) 내부로의 가스 또는 이물질의 유입이 최소화 될 수 있다.
또한, 상기 수직이동모듈(700)은 상기 승강브라켓(630)을 승강시키기 위한 구성요소이며, 상기 승강브라켓(630)의 승강을 구현하기 위한 수직 가이드(710) 및 모터(730), 스크류(720) 등의 구성요소를 포함할 수 있다.
따라서, 적층대상물(P)이 금속등이며 중량이 무거운 경우 상기 스테이지(300)는 수평이동만 담당하므로 무거운 중량의 적층대상물(P)을 수직이동 시킬 필요가 없으므로, 상기 스테이지(300)를 이동시키는 부품들에 가해지는 부담이 최소화될 수 있으며, 그에 따라 이송정밀도 또한 향상시킬 수 있다.
또한, 정밀도를 유지해야 하는 전자빔을 승강시키지 아니하고, 디플렉터(620)와 스티그메이터(625)가 장착된 승강브라켓(630)만을 승강시키므로, 상대적으로 가벼운 중량만을 승강시키도록 구비되어, 부품에 가해지는 부담이 최소화 될 수 있으며, 그에 따라 정밀도도 향상시킬 수 있는 잇점이 있다.
또한, 상술한 전자빔 건(100)은 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 복수개가 구비될 수 있으며, 이 때에는 상기 디플렉터(620) 및 스티그메이터(625) 또한 상기 각 전자빔 건(100)의 전자빔 방출구(154)마다 구비될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 전자빔 건(100)이 두개 구비되는 것을 예로 들어 설명하나, 반드시 두개 구비되는 것에 한정되지 아니하며, 3개 이상 복수개가 구비될 수도 있다. 물론, 본 발명은 상기 전자빔 건(100)의 개수에 한정되지 아니하며, 단일하게 한 개의 전자빔 건(100)이 구비되는 것도 포함한다.
한편, 상기 피더(800)는 전술한 바와 같이, 피더(800)는 상기 전자빔 건(100)에서 조사되는 전자빔에 의해 용융되는 적층재를 상기 스테이지(300) 상의 적층위치에 공급하는 구성요소인 바, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 보빈브라켓(810), 가이드 파이프(860) 및 노즐(870)을 포함할 수 있다.
상기 보빈브라켓(810)은, 상기 챔버(200) 외측의 상측에 구비되며, 적층재인 와이어(830)가 감긴 보빈(820)이 회전가능하게 장착될 수 있다.
그리고, 상기 보빈브라켓(810)은 임의의 장소에 설치된 제어부의 제어에따라 상기 보빈(820)에 감긴 적층 와이어(830)를 권출하도록 구비되는 권출부(840)가 구비될 수 있다.
한편, 상기 보빈 및 보빈브라켓(810)은 피더(800)박스에 의해 외부와 격리될 수 있다. 또한, 상기 피더(800)박스의 내부공간은 진공이 유지되도록 상기 챔버(200)와 연통되는 연통홀(850)이 형성될 수 있으며, 상기 피더(800)박스는 진공이 유지되도록 상기 챔버(200)에 밀폐 결합되며, 보빈(820)의 교체를 위해 착탈 가능하게 구비될 수 있다.
또한, 상기 가이드 파이프(860)는 상기 보빈에서 권출되는 와이어(830)를 챔버(200)로 안내하는 구성요소이다.
이 때, 상기 보빈브라켓(810) 및 피더(800)박스는 복수개가 구비될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 보빈브라켓(810) 및 피더(800)박스가 두개 구비되는 것을 예로 들어 설명하기로 하며, 상기 가이드 파이프(860) 또한 두개에서 권출되는 와이어(830)를 수용하도록 Y형태로 분기된 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 가이드 파이프(860)는 유연한 재질로 이루어 질 수도 있다.
한편, 상기 노즐(870)은 상기 챔버(200) 내 상측에 구비되며, 상기 챔버(200)측으로 안내된 와이어(830)를 상기 스테이지(300)상의 적층위치까지 안내하는 구성요소일 수 있다.
챔버(200) 내부는 고온의 환경이 형성되므로, 상기 노즐(870) 또한 고온에 노출되며, 그에 따라 탄탈륨, 텅스텐, 몰리브덴 등의 고온내열소재로 형성할 수 있다. 그러나, 일반적을 고온내열소재는 내마모성에서 떨어지는 경향이 있는데, 상기 노즐(870)은 적층대상물(P)에 근접되도록 위치되므로 적층대상물(P)과 접촉할 수 있는 위험도 있는 바, 상기 노즐(870)의 하측 끝단에는 내마모성이 우수한 세라믹 재질의 팁(872)이 부착될 수 도 있다.
또한, 상기 노즐(870)은 상기 승강브라켓(630)에 고정되어 상기 승강브라켓(630)과 함께 이동될 수 있다. 이렇게 노즐(870)이 승강브라켓(630)에 고정되어 승강브라켓(630)과 함께 이동되는 경우, 상기 디플렉터(620)의 굴절각도의 조절이 필요없으므로 제어가 간편해질 수 있다.
또는 상기 노즐(870)이 승강 되도록 이루어질 수도 있을 것이다. 이 경우엔 상기 노즐(870)을 상기 승강브라켓(630)과는 독립적으로 승강시키도록 별도의 노즐 구동부(872)를 구비할 수 있다.
한편, 상기 노즐(870)이 승강되는 경우엔 상기 가이드 파이프(860)는 고정되도록 구비되므로, 상기 가이드 파이프(860)가 플랙시블한 재질로 형성되는 것이 아닌 경우에는 노즐(870)의 승강에 따른 변위를 감당하기 위하여 상기 노즐(870)과 가이드 파이프(860)의 사이에 신축 가능한 주름관이 구비될 수 있다. 물론, 상기 가이드 파이프(860)가 플랙시블한 재질인 경우에도 상기 주름관이 구비될 수 있다.
따라서, 상기 피더(800)에서 와이어(830) 형태의 적층재가 공급되며, 상기 스테이지(300)는 평면상에서 이동하면서 원하는 적층위치에 상기 적층재가 공급되도록 움직일 수 있다. 상기 굴절부(600)는 승강되면서 전자빔 건(100)을 통해 조사되는 전자빔으로서 상기 적층재를 용융시키면서 빌드업 할 수 있으며, 적층대상물(P)이 빌드업 됨에 따라 상기 굴절부(600)를 상승시키면 빌드업 할 수 있다.
한편, 상기 진공펌프(900)는 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 챔버(200) 내의 기체를 배출하여 진공을 형성하는 구성요소이다. 이 때, 상기 진공펌프(900)는 상기 챔버(200)의 하측에 구비될 수 있다. 상기 진공펌프(900)는 상기 Y축 이송모듈(450)의 진공박스(452)와 연통되어 상기 진공박스(452)로부터 챔버(200)의 기체를 흡입하여 배출 시키도록 구비될 수 있다. 상기 진공박스(452)는 상기 챔버(200)의 저면에 형성된 슬릿(466)을 통해 챔버(200)와 연통되어 있으므로, 결국 상기 챔버(200)를 통해 기체를 흡입하는 것이다. 이 때, 상기 슬릿(466)은 상기 Y축 스테이지(320)의 하측에 설치되어 있으므로, 챔버(200)내 여러가지 이물질들이 직접적으로 유입되는 것이 차단되어 진공펌프(900)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 전자빔 건 154: 전자빔 방출구
200: 챔버 210: 로드 관통구
300: 스테이지 305: 베이스 면
310: X축 스테이지 320: Y축 스테이지
400: 수평이동모듈 410: X축 이송모듈
412: 제1로드 414: 제1플레이트
416: 제1벨로우즈 422: 제2로드
424: 제2플레이트 426: 제2벨로우즈
430: 가이드 바 440: X축 구동부
442: X축 이송모터 444: X 스크류
450: Y축 이송모듈 452: 진공박스
453: 관통구 454: Y 스크류
456: Y축 이송모터 458: Y 플레이트
462: Y 벨로우즈 466: 슬릿
600: 굴절부 620: 디플렉터
625: 스티그메이터 630: 승강브라켓
700: 수직이동모듈 710: 수직 가이드
720: 스크류 730: 모터
800: 피더 810: 보빈브라켓
820: 보빈 830: 와이어
840: 권출부 850: 연통홀
860: 가이드 파이프 870: 노즐
872: 세라믹 탭 900: 진공펌프

Claims (10)

  1. 진공이 유지되며, 적층대상물이 빌드업 되는 공간을 형성하며, 양 측면에는 로드 관통구가 형성되는 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되며, 적층 대상물이 안착되는 베이스면을 형성하고, 상기 베이스면을 수평이동시키는 스테이지;
    상기 챔버의 상측에 구비되며, 상기 챔버 내부로 전자빔을 조사하는 전자빔 건;
    상기 전자빔 건에서 조사되는 전자빔의 조사방향을 굴절시켜 상기 전자빔 건으로부터 빔이 방출되는 방출구로부터 수평방향으로 이격된 측에 초점이 맺히도록 굴절시키며, 적층대상물이 빌드업 됨에 따라 상하방향으로 승강되는 굴절부;
    상기 굴절부를 수직이동시키는 수직이동모듈;
    상기 전자빔 건에 의해 조사되는 전자빔에 의해 용융되는 적층재를 상기 스테이지 상의 적층위치에 공급하는 피더;
    상기 스테이지를 수평이동시키는 스테이지 수평이동모듈;
    상기 챔버 내의 진공을 유지시키는 진공펌프; 을 포함하고,
    상기 스테이지는, 수평의 어느 일측 방향으로 수평이동되는 x축 스테이지 및 상기 x축 스테이지가 이동가능하게 결합되며, 상기 x축 스테이지와는 교차되는 방향으로 수평이동 되는 y축 스테이지를 포함하며,
    상기 스테이지 수평이동모듈은, 상기 x축 스테이지를 이송시키는 X축 이송모듈, 상기 Y축 스테이지를 이송시키는 Y축 이송모듈을 포함하고,
    상기 X축 이송모듈은 일단이 상기 X축 스테이지의 어느 한 측면에 Y축 스테이지 의해 이동되는 방향으로 슬라이딩 가능하도록 결합되며, 타단은 상기 로드 관통구 중 어느 하나를 통해 상기 챔버의 외측까지 연장된 제1로드, 일단이 상기 X축 스테이지의 제1로드가 결합된 편의 반대편 측면에 Y축 스테이지에 의해 이동되는 방향으로 슬라이딩 이동이 가능하도록 결합되며, 타단은 상기 로드 관통구 중 다른 하나를 통해 상기 챔버의 외측까지 연장된 제2로드, 상기 제1로드의 타측 끝단에 결합되는 제1플레이트, 상기 제2로드의 타측 끝단에 결합되는 제2플레이트, 일단이 챔버의 양측에 형성된 상기 로드 관통구 중 어느하나의 외측에 결합되며, 타단이 상기 제1플레이트에 결합되고, 상기 제1플레이트의 이동에 따라 신축되며, 기밀이 유지되어 상기 챔버의 진공을 유지시키는 제1벨로우즈, 일단이 챔버의 양 측에 형성된 상기 로드 관통구 중 다른 하나의 외측에 결합되며, 타단이 상기 제2플레이트에 결합되고, 상기 제2플레이트의 이동에 따라 신축되며, 기밀이 유지되어 상기 챔버의 진공을 유지시키는 제2벨로우즈상기 제1로드를 수평이동시키도록 구비되는 X축 구동부를 포함하고,
    상기 X축 구동부는, 회전력을 발생시키며, 상기 챔버 외부에 구비되는 X축 이송모터, 상기 X축 이송모터에 의해 회전되며, 상기 제1로드와 수평하게 배치되고, 외주면에 나사산이 형성되어 상기 제1플레이트와 치합되며, 회전에 따라 상기 제1플레이트를 이동시키는 X스크류를 포함하며,
    상기 스테이지는 별도의 예열히터를 구비하여 상기 챔버 내부의 온도를 고온으로 예열하되 상기 X축 이송모터와 상기 Y축 이송모터가 상기 챔버 외부에 배치되어 고온의 영향을 받지 않는 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 챔버의 하측에 상기 Y축 스테이지가 이송되는 방향으로 길이방향을 가지도록 관통되는 슬릿이 형성되며,
    Y축 이송모듈은,
    상기 슬릿의 하측에 슬릿과 연통되도록 형성되며, Y축 스테이지가 이동되는 방향의 양 단측에 관통홀이 형성되는 진공박스;
    양 단이 상기 진공박스의 각 관통홀에 삽입되며, 외주면에 나사산이 형성된 Y스크류;
    상기 Y 스크류가 관통체결되며, 상기 Y스크류의 정역회전을 따라 상기 Y스크류를 따라 이동하는 Y플레이트;
    상기 Y플레이트에 결합되며, 상기 Y축 스테이지와 결합된 Y로드;
    일단이 상기 진공박스의 내측면의 상기 관통홀 둘레에 결합되고 타단이 상기 Y플레이트와 결합되어 상기 Y플레이트의 이동에 따라 신축되며, 기밀이 유지되어 상기 챔버의 진공을 유지시키도록 구비되는 Y벨로우즈;
    상기 Y스크류를 회전시키는 회전력을 발생시키며, 상기 진공박스의 외부에 구비되는 Y축 이송모터;
    를 포함하는 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 굴절부는,
    조사되는 전자빔을 굴절시키는 디플렉터;
    상기 전자빔의 단면이 초점위치에서 원형을 이루도록 전자빔의 단면을 제어하는 스티그메이터;
    상기 디플렉터 및 스티그메이터가 장착되며, 상기 수직이동모듈에의해 승강되는 승강브라켓;
    을 포함하는 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 피더는,
    상기 챔버의 외측에 구비되고, 적층 와이어가 감긴 보빈이 회전가능하게 장착되는 보빈 브라켓;
    상기 보빈에서 권출되는 와이어를 상기 챔버 내부까지 안내하는 가이드 파이프;
    상기 챔버 내부에 구비되며, 상기 챔버측으로 안내된 와이어를 상기 스테이지 상 적층위치까지 안내하는 노즐;
    을 포함하는 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 노즐의 하단 끝에는 세라믹재질의 탭이 구비된 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 승강 브라켓에 고정되어 상기 승강 브라켓과 함께 이동되는 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 노즐을 승강시키는 노즐 승강강치가 더 구비되며, 상기 노즐은 상기 승강 브라켓과는 별도로 승강되는 전자빔을 이용한 삼차원 적층장치.
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