KR102246725B1 - 플라즈마 액츄에이터를 포함하는 3d 프린팅 장치 - Google Patents

플라즈마 액츄에이터를 포함하는 3d 프린팅 장치 Download PDF

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김형균
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Abstract

본 발명은 내부에 분말 형태의 재료물질이 충진되고, 상기 재료물질을 이동시키는 파우더베드부; 상기 파우더베드부의 전방에 위치하고, 상기 파우더베드부로부터 상기 재료물질을 공급 받고, 상기 재료물질에 대한 조형이 수행되는 빌드부; 상기 빌드부의 상부에 이격되어 위치하고, 상기 재료물질에 광을 조사하여 각각의 상기 조형레이어를 형성하는 열원부; 상기 빌드부의 상부 및 상기 파우더베드부의 상부를 왕복 이동하면서 상기 파우더베드부에 충진된 재료물질을 상기 빌드부에 공급하는 물질 이동부; 상기 빌드부의 전방에 이격되어 위치하고, 플라즈마 액츄에이터를 이동시키는 플라즈마 액츄에이터 이송장치; 및 상기 플라즈마 액츄에이터 이송장치와 상기 빌드부 방향으로 수직하게 결합되어 위치하고, 상기 빌드부에서 생성되는 부산물의 유동을 제어하는 플라즈마 액츄에이터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치를 제공한다.

Description

플라즈마 액츄에이터를 포함하는 3D 프린팅 장치{3D printing device including plasma actuator}
본 발명은 3D 프린팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 플라즈마 액츄에이터를 포함하여 재료물질이 용융되면서 생성되는 부산물의 유동을 제어할 수 있는 분말베드 용융방식(Powder bed fusion; PBF)으로 적층 가공 되는 3D 프린팅 장치에 관한 것이다.
전통적으로 금속부품의 제조는 주조, 단조, 절삭가공, 압출 등의 방법을 이용하여 제품을 생산하였다. 그러나, 최근에는 도면만 있으면 누구나 제품을 생산할 수 있는 3D 프린팅 기술이 기존 제조공법으로 제조가 불가능한 제품을 만든다는 제조업의 패러다임의 변화와 전통적인 제조공정을 혁신으로 이끌고 있다.
상기 3D 프린팅 기술은 디지털 디자인 데이터를 이용하여 소재를 적층하여 3차원 입체물을 제조하는 프로세스를 말하고, 3D 프린팅 기술이 발달함에 따라, 더욱 정교한 제품의 생산이 가능해지고 있으며 다양한 제품에 응용이 가능해 지고 있다.
이러한, 3D 프린팅 기술은 광중합 방식(Photopolymerization), 분말 적층 용융 방식(Powder Bed Fusion; PBF), 소재 분사 방식(Material Jetting), 소재 압출 방식(Material Extrusion; ME) 등 다양한 방법이 사용되고 있다. 이 중 PBF 방식은 금속 분말(플라스틱 분말 등) 소재를 파우더베드에 아주 얇은 레이어로 수평으로 평평히 깔고 고출력의 산업용 레이저(laser)나 전자빔(Electron Beam)을 조형하고자 하는 모델에 선택적(selectice)으로 조사하여 소결(sintering)시키거나 용융시켜 적층(Additive Manufacturing)하는 기술을 의미하며, 제작물의 정밀도가 우수하고 다양한 재료 사용이 가능하다는 장점이 있어, 최근 고가 장비 시장에서 크게 각광 받고 있다.
그러나, 상기 PBF 방식 3D 프린팅 장치는 고출력의 에너지원으로 분말형태의 재료물질을 용융시키는 때, 필연적으로 흄(fume), 스패터(spatter)등의 부산물이 발생하게 되고, 상기 부산물은 고압의 가스 유동에 관계 없이 무작위 하게 움직이는 현상이 발생하여 3D 프린팅 장치 외부로 빠져나가지 못하고 조형물이 생성되는 빌드부 위에 떨어져서 분말도포를 방해하거나, 화학조성을 변화시키는 등 결함의 원인이 된다는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허 제 10-2017-0068065호
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 빌드부의 재료물질이 용융되어 생성되는 부산물의 유동을 제어하는 플라즈마 액츄에이터를 포함하는 3D 프린팅 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 플라즈마 액츄에이터를 포함하는 3D 프린팅 장치를 이용한 3D 프린팅 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는, 챔버; 상기 챔버 내부에 위치하고, 내부에 분말 형태의 재료물질이 충진되고, 상기 재료물질을 공급하는 파우더베드부; 상기 챔버 내부에 위치하고, 상기 파우더베드부로부터 상기 재료물질을 공급 받고, 상기 재료물질에 대한 조형이 수행되는 빌드부; 상기 챔버 내부에 위치하고, 상기 파우더베드부에 충진된 재료물질을 상기 빌드부에 이동시키는 물질 이동부; 상기 챔버 내부 또는 외부에 위치하되, 상기 빌드부의 상부에 이격되어 위치하고, 상기 빌드부의 재료물질에 광을 조사하여 각각의 조형 레이어의 조형을 수행하는 열원부; 및 상기 빌드부의 상부에 위치하고, 상기 빌드부의 재료물질이 용융되어 생성되는 부산물의 유동을 제어하는 플라즈마 액츄에이터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 3D 프린팅 장치는, 상기 챔버의 일측에 구비되어, 상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스공급부; 상기 가스공급부와 대향하는 상기 챔버의 타측에 구비되어, 상기 공급된 가스를 배출하는 가스배출부; 를 포함하고, 상기 가스공급부 및 가스배출부는 상기 챔버 내부에 가스흐름을 형성하고, 상기 플라즈마 액츄에이터는 상기 가스흐름 방향으로 부산물의 유동을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 플라즈마 액츄에이터는, 유전체; 상기 유전체 표면에 위치하는 양극; 및 상기 유전체 내부에서 상기 양극으로부터 이격되어 위치하는 음극; 을 포함하고, 상기 양극에서 음극 방향으로 생성되는 플라즈마를 이용하여 부산물의 유동을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 3D 프린팅 장치는 상기 빌드부와 이격되어 상기 플라즈마 액츄에이터와 결합하여 위치하고, 상기 플라즈마 액츄에이터를 이동시키는 플라즈마 액츄에이터 이송장치; 및 상기 빌드부와 이격되어 위치하는 플라즈마 액츄에이터 대기공간을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 플라즈마 액츄에이터 이송장치는, 상기 빌드부에 재료물질이 용융되는 경우, 상기 플라즈마 액츄에이터를 상기 빌드부의 재료물질이 용융되는 상기 빌드부의 상부로 이동시키고, 상기 빌드부에 재료물질이 공급되는 경우, 상기 플라즈마 액츄에이터를 상기 플라즈마 액츄에이터 대기공간으로 이동시킬 수 있다.
본 발명의 일 양태는, a) 빌드부에 재료물질이 공급되어 도포되는 단계; b) 상기 빌드부에 도포된 재료물질에 광이 선택적으로 조사되어 상기 재료물질이 용융되는 단계; c) 상기 b) 단계에서, 상기 재료물질이 용융되는 동안 상기 플라즈마 액츄에이터가 상기 빌드부의 상부로 이동하고, 플라즈마를 발생시켜 부산물의 유동을 제어하는 단계; d) 상기 용융된 재료 물질이 냉각 및 고화되어 조형 레이어가 형성되는 단계; e) 상기 플라즈마 액츄에이터가 플라즈마 액츄에이터 대기장소로 이동하는 단계; 및 f) 상기 a) 단계 내지 e)단계가 반복 수행되어 3D 조형체가 형성되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 플라즈마 액츄에이터는, 유전체; 상기 유전체 표면에 위치하는 양극; 및 상기 유전체 내부에서 상기 양극으로부터 이격되어 위치하는 음극; 을 포함하고, 상기 양극에서 음극 방향으로 플라즈마가 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 c) 단계는 상기 플라즈마 액츄에이터에 전원을 인가하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 인가되는 전원의 전압은 1 kV 내지 20 kV일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 인가되는 전원은 펄스는 1 kHz 내지 10 kHz일 수 있다.
상술한 본 발명의 3D 프린팅 장치는, 챔버 내부에 플라즈마 액츄에이터 를 구비하여, 빌드부에서 재료물질의 용융이 일어나는 경우 생성되는 부산물로 인한 난류 발생을 억제하고, 상기 부산물의 신속한 외부배출을 유도할 수 있다.
또한, 상기 3D 프린팅 장치는 플라즈마 액츄에이터 이송장치 및 플라즈마 액츄에이터 대기공간을 구비하여, 플라즈마 액츄에이터의 신속하고 효율적인 이동을 구현할 수 있다.
플라즈마 액츄에이터를 포함하는 3D 프린팅 장치를 이용한 본 발명의 3D 프린팅 방법은 부산물이 빌드부 위에 떨어져서 발생하는 결함, 예를 들면, 재료물질 도포의 방해, 화학조성 변화 등의 결함을 제거하여, 효율적으로 3D 조형체를 제조할 수 있다.
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 본 발명의 3D 프린팅 장치의 모식도이다.
도 2의 a)는 종래 3D 프린팅 장치의 내부 모식도이고, 도 2의 b)는 본 발명의 3D 프린팅 장치의 내부 모식도이다.
도 3은 본 발명의 3D 프린팅 장치를 상부에서 바라본 모식도이다.
도 4는 본 발명의 플라즈마 액츄에이터의 단면의 모식도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 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 실시예를 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 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 3D 프린팅 장치의 모식도이고, 도 2의 a)는 종래 3D 프린팅 장치의 내부 모식도이고, 도 2의 b)는 본 발명의 3D 프린팅 장치의 모식도이고, 도 3은 본 발명의 3D 프린팅 장치를 상부에서 바라본 모식도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 3D 프린팅 장치는, 챔버(30); 상기 챔버(30) 내부에 위치하고, 내부에 분말 형태의 재료물질(10)이 충진되고, 상기 재료물질(10)을 공급하는 파우더베드부(600); 상기 챔버(30) 내부에 위치하고, 상기 파우더베드부(600)로부터 상기 재료물질(10)을 공급 받고, 상기 재료물질(10)에 대한 조형이 수행되는 빌드부(500); 상기 챔버(30) 내부에 위치하고, 상기 파우더베드부(600)에 충진된 재료물질(10)을 상기 빌드부(500)에 이동시키는 물질 이동부(700); 상기 챔버(30) 내부 또는 외부에 위치하되, 상기 빌드부(500)의 상부에 이격되어 위치하고, 상기 빌드부(500)의 재료물질(10)에 광을 조사하여 각각의 조형 레이어의 조형을 수행하는 열원부(100); 및 상기 빌드부(500)의 상부에 위치하고, 상기 빌드부(500)의 재료물질(10)이 용융되어 생성되는 부산물(501)의 유동을 제어하는 플라즈마 액츄에이터(530);를 포함한다.
도 1은 본 발명의 3D 프린팅 장치에서, 상기 챔버(30) 및 플라즈마 액츄에이터(530)를 생략하여 도시한 것이고, 도 2의 b)는 본 발명의 3D 프린팅 장치에서, 상기 파우더베드부(600); 물질이동부(700) 및 열원부(100)의 도시를 생략하고, 빌드부(500) 상부에서 가스흐름(523)이 형성되는 모습을 도시한 챔버(30) 내부의 모식도이다.
도 1 및 도 2의 b)를 참조하여, 본 발명의 3D 프린팅 장치를 살펴보면, 본 발명의 3D 프린팅 장치는 복수 개의 조형 레이어가 적층되어 형성되는 3D 조형체(20)의 조형이 수행되는 챔버(30)를 포함할 수 있고, 상기 챔버(30)의 내부에서 분말 적층 용융(Powder Bed Fusion; PBF)방식으로 3D 조형체(20)의 조형을 수행할 수 있다.
상기 PBF 방식이란, 분말형태의 재료물질을 담은 분말 베드에 고 에너지 소스를 선택적으로 조사하여 분말재료의 선택적 용융고화 현상이 반복 되고, 복수 개의 조형 레이어가 적층되어 형성되어 3D 조형체(20)를 조형할 수 있는 3D 프린팅 기술을 의미하고, 상기 PBF 방식의 3D 프린팅 기술은 제작물의 정밀도가 우수하고 다양한 재료 사용이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는, 챔버(30) 내부에 위치하고, 내부에 분말 형태의 재료물질(10)이 충진되고, 상기 재료물질(10)을 공급하는 파우더베드부(600); 상기 챔버(30) 내부에 위치하고, 상기 파우더베드부(600)로부터 상기 재료물질(10)을 공급 받고, 상기 재료물질(10)에 대한 조형이 수행되는 빌드부(500); 및 상기 챔버(30) 내부에 위치하고, 상기 파우더베드부(600)에 충진된 재료물질(10)을 상기 빌드부(500)에 이동시키는 물질 이동부(700)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 3D 조형체(20)를 구성하게 되는 상기 재료물질(10)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(10)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(10)이 상기와 같은 물질로 형성된다고 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 재료물질(10)은 합성수지, 합성수지와 금속의 혼합물 등의 다른 물질의 분말로 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 물질이동부(700)는, 블레이드 형상으로 형성되거나, 또는 롤의 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 도 1에서 보는 바와 같이, 물질이동부(700)는, 파우더베드부(600)와 빌드부(500) 사이를 반복적으로 이동하는 왕복 운동에 의해 빌드부(500)에 충진된 재료물질(10)의 상면에 파우더베드부(600)로부터 공급받은 재료물질(10)을 얇은 두께로 펴게 되고, 얇게 펴주면서 일정한 높이로 도포하여 레이어를 형성할 수 있다. 상기 재료물질(10)이 도포된 빌드부(500)에 열원부(100)의 광(101)이 조사되어 재료물질(10)이 굳어지며 조형 레이어를 형성하고 3D 조형체(20)가 형성될 수 있게 된다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는, 빌드부(500)에 충진된 재료물질(10)을 하 방향으로 이동시키는 빌드지지부(510)를 구비하고, 파우더베드부(600)에 충진된 재료물질(10)을 상 방향으로 이동시키는 베드지지부(610)를 더 포함할 수 있다. 상기 빌드지지부(510)와 베드지지부(610)는 재료물질(10)의 이동을 위해 상하 방향으로 왕복 운동할 수 있고, 이때, 상 방향은 빌드부(500)를 기준으로 열원부(100)가 위치한 방향일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 3D 프린팅 장치는 챔버(30) 내부 또는 외부에서 상기 빌드부(500)의 상부에 이격되어 위치하고, 상기 빌드부(500)의 재료물질(10)에 광을 조사하여 각각의 조형 레이어의 조형을 수행하는 열원부(100)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 열원부(100)는 상기 챔버(30)의 내부 또는 외부에서 상기 빌드부(500)의 상부에 이격되어 위치할 수 있는데, 상기 열원부(100)가 상기 챔버(30)의 외부에 위치하는 경우, 상기 챔버(30)의 상부는 광을 투과할 수 있는 물질을 포함하여 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 3D 프린팅 장치는 상기 열원부(100)로부터 발사되는 광(101)을 반사시켜 광(101)의 경로를 제어하는 미러부(300); 열원부(100)와 결합하고, 열원부(100)에서 광(101)이 발사되는 광발사점(101)이 패턴 운동을 수행하도록 열원부(100)를 구동시키는 열원 구동부(200); 미러부(300)와 결합하고, 미러부(300)가 기울기 운동을 수행하도록 미러부(300)를 구동시키는 미러 구동부(400);를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 열원부(100)는 광섬유(Fiber) 레이저, CO2 레이저, ND:YAG 레이저, 엑시머 레이저, 다이오드 레이저 또는 전자빔(E-Beam) 중 선택되는 어느 하나 이상의 레이저를 구비할 수 있으나, PBF 방식의 3D 프린팅 장치에서 사용될 수 있는 것이면 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 열원부(100)로 ND:YAG 레이저, CO2 레이저 또는 광섬유 레이저 중 하나의 고 에너지원을 사용하고, 상기 재료물질(10)로 금속분말을 사용하는 경우, 본 발명의 3D 프린팅 장치를 이용한 3D 조형체(20)의 조형은 상기 금속분말의 산화방지 및 금속분말의 비산방지를 위하여 불활성 분위기에서 수행될 수 있다.
상기 불활성 분위기는 상기 조형이 수행되는 빌드부(500)의 표면에 고압가스, 예를 들면, 아르곤(Ar) 또는 질소(N2)를 흘려주어, 상기 챔버(30) 내부의 산소농도를 0.1 % 이하로 낮추는 방식으로 제어할 수 있는데, 이를 위하여, 본 발명의 3D 프린팅 장치는 상기 챔버(30)의 일측에 구비되어, 상기 챔버(30) 내에 가스를 공급하는 가스공급부(521); 상기 가스공급부(521)와 대향하는 상기 챔버(30)의 타측에 구비되어, 상기 공급된 가스를 배출하는 가스배출부(522)를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 가스 공급부(521)을 통하여 주입된 가스는 상기 가스 배출부(522)로 배출되면서, 상기 챔버(30) 내부에 층류(laminar flow), 즉, 가스흐름(523)을 형성할 수 있고, 상기 가스는 고압가스, 예를 들면, 질소가스 또는 아르곤가스일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 가스공급부(521) 및 가스배출부(522)는 상기 챔버(30) 내부에 가스흐름(523)을 형성하고, 후술하는 플라즈마 액츄에이터(530)는 상기 가스흐름(523) 방향으로 부산물(501)의 유동을 제어할 수 있다. 이에 대한 설명은 후술하기로 한다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는 빌드부(500)에 공급받은 재료물질(10)이 얇은 두께로 펴지게 되고, 동시에 일정한 높이로 도포되어 레이어를 형성하면, 상기 레이어에 열원부(100)의 광(101)이 조사되어 재료물질(10)이 용융되고, 굳어지며 조형 레이어를 형성하는 과정을 반복하여 3D 조형체(20)를 형성하게 된다.
이때, 상기 열원부(100)로 고출력의 에너지원으로 분말형태의 재료물질(10)을 용융시키게 되면 필연적으로 흄(fume), 스패터(spatter)등의 부산물(501)이 발생하게 된다.
도 2의 a)를 참조하여 종래의 3D 프린팅 장치를 살펴보면, 상기 빌드부(500)에서 열원부(100)로부터 광을 조사받아 재료물질(10)이 용융되는 경우, 부산물(501)이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 상기 부산물(501)은 고압의 가스 유동에 관계 없이 무작위 하게 움직이는 현상이 발생하고, 3D 프린팅 장치 외부로 빠져나가지 못하고 조형물이 생성되는 빌드부(500) 위에 떨어져서 분말도포를 방해하거나, 화학조성을 변화시키는 등 결함의 원인이 될 수 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 3D 프린팅 장치는 챔버(30) 내부에서 상기 열원부(100)에서 조사되는 광에 의하여 상기 빌드부(500)의 재료물질(10)이 용융되는 상기 빌드부(500)의 상부에 근접하여 위치하고, 상기 빌드부(500)의 재료물질(10)이 용융되어 생성되는 부산물(501)의 유동을 제어하는 플라즈마 액츄에이터(530)를 포함한다.
도 4는 본 발명의 플라즈마 액츄에이터(530)의 단면의 모식도이다.
도 4를 참조하면, 상기 플라즈마 액츄에이터(530)는 유전체(533); 상기 유전체(533) 표면에 위치하는 양극(531); 및 상기 유전체(533) 내부에서 상기 양극(531)으로부터 이격되어 위치하는 음극(532)을 포함한다.
상기 플라즈마 액츄에이터(530)에 전원을 인가하면, 상기 양극(531)에서 음극(532) 방향으로 플라즈마(534)가 발생하게 되고, 상기 플라즈마(534)를 이용하여 부산물(501)의 유동을 제어할 수 있다.
본 명세서에서, 플라즈마(534)는 국부적으로 전기적인 극성을 갖는 이온화된 기체가 존재하는 상태를 의미하며, 고체, 액체, 기체 상태와 구분되기 때문에, 제 4의 상태라고 부르기도 한다. 자연현상에서 관찰되는 플라즈마(534)는 번개, 오로라, 태양 등이 있으며, 인공적인 방법으로는 방전(Discharge)을 통해 플라즈마(534)를 발생시킬 수 있다.
상기 플라즈마(534)를 이용하여 기체 등 유체의 유동을 제어할 수 있는데, 플라즈마(534)가 발생되면 양이온은 전기장의 방향으로 전자는 전기장의 반대방향으로 가속하게 되고, 이때 전자는 중성입자와 충돌하면서 드리프트(Drift)함으로써 플라즈마 내에서 전류가 흐르게 되는데, 이와 같은 전기장 드리프트에서 전하 e를 갖는 이온의 운동량을 이용하여 유동의 운동량을 변화시킬 수 있다. 즉, 플라즈마(534)를 발생시키면 전극사이에서 이동하는 이온과 가스분자와의 충돌로 인해 물체력(Body force)이 발생되고, 이로 인해 전기바람(Electric wind)이라는 유동이 발생하게 된다.
일반적으로 이와 같이 플라즈마(534)의 원리를 이용한 전기바람 발생장치를 플라즈마 액츄에이터(530)이라고 부르며, 특히 상온, 상압에서 글로우 방전을 발생시키는 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 액츄에이터(530)를 유동제어에 주로 활용하고 있으며, 본 발명의 플라즈마 액츄에이터(530)는 상기 DBD 플라즈마 액츄에이터(530)일 수 있다.
기존의 능동 유동제어방식에 비해 DBD 플라즈마 액츄에이터(530)는 상온, 상압에서 발생되는 글로우 방전을 사용하여 소모동력이 작고, 구동부가 없어 수명이 길고, 유지보수가 편리하며, 높은 동적 특성을 가지고 장착성이 용이하며, 컴팩트한 장점이 있다.
상술한 바와 같이, 챔버(30) 내부에는 가스공급부(521) 및 가스배출부(522)로 인하여 가스흐름(523)이 생성될 수 있고, 상기 플라즈마(534)가 생성되는 양극(531)에서 음극(532) 방향은 상기 가스흐름(523)과 같은 방향일 수 있다. 이를 위하여, 상기 플라즈마 액츄에이터(530)의 양극(531) 및 음극(532)은 각각 상기 가스공급부(521) 및 가스배출부(522) 방향으로 위치하게 될 수 있고, 상기 양극(531) 및 음극(532)은 상기 가스흐름(523) 방향으로 이격 되어 위치하여 상기 가스흐름(523) 방향으로 플라즈마(534)가 생성될 수 있다. 상기 양극(531) 및 음극(532) 사이에서 플라즈마(534)가 형성되면 양극(531)에서 음극(532) 방향으로 물체력이 발생하게 되고, 이로 인하여, 부산물(501)의 유동을 제어할 수 있게 된다.
도 2의 b) 및 도 4를 참조하면, 상기 유전체(533)는 부피를 가지는 막대형태일 수 있고, 상기 양극(531)은 상기 유전체(533)의 길이를 따라 상기 유전체(533)의 표면에 위치하고, 상기 음극(532)은 상기 유전체(533)의 길이를 따라 상기 유전체(533)의 내부에 위치할 수 있는데, 이때, 상기 막대형태의 유전체(533)를 포함하는 플라즈마 액츄에이터(530)는 막대형태일 수 있고, 상기 빌드부(500)에 재료물질(10)이 용융되는 동안 상기 가스흐름(523)에 직교하는 방향으로 상기 빌드부(500) 상면에 근접하여 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 유전체(533)는 DBD 플라즈마 액츄에이터(530)을 구성할 수 있는 것이면 종류를 제한하지 않으나, 예를 들면, 저온동시소성세라믹(Low Temperature Co-fired Ceramic; LTCC)일 수 있다.
상기 플라즈마 액츄에이터(530)는 상기 LTCC를 이용한 스크린 프린팅 공정을 이용하여 제작할 수 있으며, 1 mm 이하의 두께로 상기 LTCC내부에 GND 전극인 음극(532)이 위치할 수 있으며, 상기 양극(531) 및 음극(532)은 전도성이 우수한 금속 소재면 이를 제한하지 않고 이용될 수 있으나, 예를 들면, 은(Ag), 텅스텐(W), 구리(Cu) 등을 이용하여 스크린 프린팅 공정으로 제작 될 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는 상기 빌드부(500)와 이격되어 상기 플라즈마 액츄에이터(530)와 결합하여 위치하고, 상기 플라즈마 액츄에이터(530)를 이동시키는 플라즈마 액츄에이터 이송장치(540); 및 상기 빌드부(500)와 이격되어 위치하는 플라즈마 액츄에이터 대기공간(550)을 더 포함할 수 있다.
도 2의 b) 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 플라즈마 액츄에이터 이송장치(540)는 상기 가스흐름(523)과 평행하도록 위치하고, 상기 플라즈마 액츄에이터(530)는 상기 플라즈마 액츄에이터 이송장치(540)의 길이를 따라서 상기 가스흐름(523)과 직교하도록 상기 빌드부(500)의 상부에서 슬라이딩되어 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 플라즈마 액츄에이터 이송장치는(540), 상기 빌드부(500)에 재료물질(10)이 용융되는 경우, 상기 플라즈마 액츄에이터(530)를 상기 빌드부(500)의 재료물질(10)이 용융되는 상기 빌드부(500)의 상부로 이동시키고, 상기 빌드부(500)에 재료물질(10)이 공급되는 경우, 상기 플라즈마 액츄에이터(530)를 상기 플라즈마 액츄에이터 대기공간(550)으로 이동시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 빌드부(500)에 재료물질(10)이 용융되어 조형이 수행되는 경우, 상기 플라즈마 액츄에이터(530)는 상기 빌드부(500)의 상부로 이동하여 플라즈마(534)를 발생시켜 상기 부산물(501)의 유동을 제어할 수 있고, 상기 빌드부(500)에 재료물질(10)이 공급되는 경우, 상기 플라즈마 액츄에이터(530)는 상기 플라즈마 액츄에이터 대기공간(550)으로 이동하여, 재료물질(10)의 공급 및 도포를 방해하지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 플라즈마 액츄에이터 이송장치(540)는 상기 플라즈마 액츄에이터(530)를 슬라이딩 시켜 상기 플라즈마 액츄에이터(530)를 상기 플라즈마 액츄에이터 대기 공간(550) 또는 빌드부(500)의 상면으로 이동시킬 수 있고, 별도의 구동부(미도시) 및 전원부(미도시)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태는 3D 프린팅 방법을 제공한다.
본 발명의 3D 프린팅 방법은 a) 빌드부(500)에 재료물질(10)이 공급되어 도포되는 단계; b) 상기 빌드부(500)에 도포된 재료물질(10)에 광(101)이 선택적으로 조사되어 상기 재료물질(10)이 용융되는 단계; c) 상기 b) 단계에서, 상기 재료물질(10)이 용융되는 동안 상기 플라즈마 액츄에이터(530)가 상기 빌드부(500)의 상부로 이동하고, 플라즈마(534)를 발생시켜 부산물(501)의 유동을 제어하는 단계; d) 상기 용융된 재료 물질(10)이 냉각 및 고화되어 조형 레이어가 형성되는 단계; e) 상기 플라즈마 액츄에이터(530)가 플라즈마 액츄에이터 대기장소(550)로 이동하는 단계; 및 f) 상기 a) 단계 내지 e)단계가 반복 수행되어 3D 조형체(20)가 형성되는 단계; 를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 3D 프린팅 방법은 챔버(30); 상기 챔버(30) 내부에 위치하고, 내부에 분말 형태의 재료물질(10)이 충진되고, 상기 재료물질(10)을 공급하는 파우더베드부(600); 상기 챔버(30) 내부에 위치하고, 상기 파우더베드부(600)로부터 상기 재료물질(10)을 공급 받고, 상기 재료물질(10)에 대한 조형이 수행되는 빌드부(500); 상기 챔버(30) 내부에 위치하고, 상기 파우더베드부(600)에 충진된 재료물질(10)을 상기 빌드부(500)에 이동시키는 물질 이동부(700); 상기 챔버(30) 내부 또는 외부에 위치하되, 상기 빌드부(500)의 상부에 이격되어 위치하고, 상기 빌드부(500)의 재료물질(10)에 광을 조사하여 각각의 조형 레이어의 조형을 수행하는 열원부(100); 및 상기 빌드부(500)의 상부에 위치하고, 상기 빌드부(500)의 재료물질(10)이 용융되어 생성되는 부산물(501)의 유동을 제어하는 플라즈마 액츄에이터(530);를 포함하는 3D 프린팅 장치를 이용하여 수행될 수 있고, 상기 3D 프린팅 장치는 상기 양태에서 설명한 3D 프린팅 장치일 수 있다. 상기 3D 프린팅 장치에 대한 설명은 상기 양태에서 설명한 것으로 갈음한다.
먼저, 본 발명의 3D 프린팅 방법은 a) 빌드부(500)에 재료물질(10)이 공급되어 도포되는 단계; b) 상기 빌드부(500)에 도포된 재료물질(10)에 광(101)이 선택적으로 조사되어 상기 재료물질(10)이 용융되는 단계; 및 c) 상기 b) 단계에서, 상기 재료물질(10)이 용융되는 동안 상기 플라즈마 액츄에이터(530)가 상기 빌드부(500)의 상부로 이동하고, 플라즈마(534)를 발생시켜 부산물(501)의 유동을 제어하는 단계;를 포함한다.
먼저, a) 단계는 상기 e) 단계와 동시에 수행될 수 있는데, 구체적으로, 상기 물질이동부(700)는 상기 파우더베드부(600)와 빌드부(500)사이를 반복적으로 이동하여 빌드부(500)의 상면에 파우더베드부(600)로부터 공급받은 재료물질(10)을 얇은 두께 및 일정한 높이로 도포하여 레이어를 형성할 수 있고, 상기 빌드부(500)에 재료물질(10)이 도포되는 동안, 플라즈마 액츄에이터(530)는 상기 플라즈마 액츄에이터 대기공간(550)으로 이동하여, 재료물질(10)의 공급 및 도포를 방해하지 않을 수 있다.
다음으로, 본 발명의 3D 프린팅 방법은 b) 상기 빌드부(500)에 도포된 재료물질(10)에 광(101)이 선택적으로 조사되어 상기 재료물질(10)이 용융되는 단계; 및 c) 상기 b) 단계에서, 상기 재료물질(10)이 용융되는 동안 상기 플라즈마 액츄에이터(530)가 상기 빌드부(500)의 상부로 이동하고, 플라즈마(534)를 발생시켜 부산물(501)의 유동을 제어하는 단계를 포함한다.
상기 b) 단계 내지 c) 단계에서, 상기 열원부(100)에서 광(101)이 조사되어, 상기 빌드부(500) 상면의 재료물질(10)이 용융되면, 흄(fume), 스패터(spatter)등의 부산물(501)이 발생되는데, 이때, 상기 플라즈마 액츄에이터 이송장치(540)는 상기 플라즈마 액츄에이터(530)를 상기 빌드부(500)의 상부로 이동시켜 플라즈마(534)를 발생시키고, 상기 부산물(501)의 유동을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 플라즈마 액츄에이터(530)는 상기 빌드부(500)의 상부를 광(101)이 조사되는 패턴에 따라 이동하며 부산물(501)의 유동을 제어할 수 있다.
예를 들면, 상기 열원부(100)는 상기 빌드부(500)에 충진된 재료물질(10)의 표면에 대하여 광(101)을 패턴을 형성하여 조사할 수 있는데, 이때, 상기 패턴을 형성하여 조사되는 광(101)에 의하여 상기 빌드부(500)의 재료물질(10)이 용융되고, 부산물(501)을 생성될 수 있다. 이때, 상기 플라즈마 액츄에이터(530)는 상기 부산물(501)의 유동을 제어하기 위하여, 상기 패턴을 따라 조사되는 광(101)보다 선행하여 상기 광(101)이 조사되기 전의 상기 빌드부(500)의 상부를 이동하거나, 상기 패턴을 따라 조사되는 광(101)을 따라 상기 광(101)이 조사된 후의 상기 빌드부(500)의 상부를 이동할 수 있다.
상기 플라즈마 액츄에이터(530)의 이동은 일 실시예에 의한 것으로, 상술한 실시예에 제한되는 것은 아니다.
상기 c) 단계는 상기 플라즈마 액츄에이터(530)에 전원을 인가하여 수행될 수 있는데, 이때, 인가되는 전원의 전압은 1 kV 내지 20 kV일 수 있고, 인가되는 전원은 펄스는 1 kHz 내지 10 kHz일 수 있으며, 0.01 % 내지 10 %의 duty ratio를 갖는 사각 형태의 펄스파일 수 있다.
상술한 본 발명의 3D 프린팅 장치는, 챔버(30) 내부에 플라즈마 액츄에이터(530)를 구비하여, 빌드부(500)에서 재료물질(10)의 용융이 일어나는 경우 생성되는 부산물(501)로 인한 난류 발생을 억제하고, 상기 부산물(501)의 신속한 외부배출을 유도할 수 있다.
또한, 상기 3D 프린팅 장치는 플라즈마 액츄에이터 이송장치(540) 및 플라즈마 액츄에이터 대기공간(550)을 구비하여, 플라즈마 액츄에이터(530)의 신속하고 효율적인 이동을 구현할 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 방법은 부산물(501)이 빌드부(500) 위에 떨어져서 발생하는 결함, 예를 들면, 재료물질(10) 도포의 방해, 화학조성 변화 등의 결함을 제거하여, 효율적으로 3D 조형체(20)를 제조할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 재료물질
20: 3D 조형체
30: 챔버
100: 열원부
101: 광
110: 광 발사점
200: 열원구동부
300: 미러부
400: 미러구동부
500: 빌드부
501: 부산물
510: 빌드지지부
521: 가스 공급부
522: 가스 배출부
523: 가스흐름
530: 플라즈마 액츄에이터
531: 양극
532: 음극
533: 유전체
534: 플라즈마
540: 플라즈마 액츄에이터 이송장치
550: 플라즈마 액츄에이터 대기공간
600: 파우더베드부
610: 베드지지부
700: 물질이동부

Claims (10)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내부에 위치하고, 내부에 분말 형태의 재료물질이 충진되고, 상기 재료물질을 공급하는 파우더베드부;
    상기 챔버 내부에 위치하고, 상기 파우더베드부로부터 상기 재료물질을 공급 받고, 상기 재료물질에 대한 조형이 수행되는 빌드부;
    상기 챔버 내부에 위치하고, 상기 파우더베드부에 충진된 재료물질을 상기 빌드부에 이동시키는 물질 이동부;
    상기 챔버 내부 또는 외부에 위치하되, 상기 빌드부의 상부에 이격되어 위치하고, 상기 빌드부의 재료물질에 광을 조사하여 각각의 조형 레이어의 조형을 수행하는 열원부; 및
    상기 빌드부의 상부에 위치하고, 상기 빌드부의 재료물질이 용융되어 생성되는 부산물의 유동을 제어하는 플라즈마 액츄에이터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버의 일측에 구비되어, 상기 챔버 내에 가스를 공급하는 가스공급부;
    상기 가스공급부와 대향하는 상기 챔버의 타측에 구비되어, 상기 공급된 가스를 배출하는 가스배출부;
    를 더 포함하고, 상기 가스공급부 및 가스배출부는 상기 챔버 내부에 가스흐름을 형성하고, 상기 플라즈마 액츄에이터는 상기 가스흐름 방향으로 부산물의 유동을 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 액츄에이터는,
    유전체;
    상기 유전체 표면에 위치하는 양극; 및
    상기 유전체 내부에서 상기 양극으로부터 이격되어 위치하는 음극;
    을 포함하고,
    상기 양극에서 음극 방향으로 생성되는 플라즈마를 이용하여 부산물의 유동을 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 빌드부와 이격되어 상기 플라즈마 액츄에이터와 결합하여 위치하고, 상기 플라즈마 액츄에이터를 이동시키는 플라즈마 액츄에이터 이송장치; 및
    상기 빌드부와 이격되어 위치하는 플라즈마 액츄에이터 대기공간을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 플라즈마 액츄에이터 이송장치는,
    상기 빌드부에 재료물질이 용융되는 경우, 상기 플라즈마 액츄에이터를 상기 빌드부의 재료물질이 용융되는 상기 빌드부의 상부로 이동시키고,
    상기 빌드부에 재료물질이 공급되는 경우, 상기 플라즈마 액츄에이터를 상기 플라즈마 액츄에이터 대기공간으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  6. a) 빌드부에 재료물질이 공급되어 도포되는 단계;
    b) 상기 빌드부에 도포된 재료물질에 광이 선택적으로 조사되어 상기 재료물질이 용융되는 단계;
    c) 상기 b) 단계에서, 상기 재료물질이 용융되는 동안 상기 플라즈마 액츄에이터가 상기 빌드부의 상부로 이동하고, 플라즈마를 발생시켜 부산물의 유동을 제어하는 단계;
    d) 상기 용융된 재료 물질이 냉각 및 고화되어 조형 레이어가 형성되는 단계;
    e) 상기 플라즈마 액츄에이터가 플라즈마 액츄에이터 대기장소로 이동하는 단계; 및
    f) 상기 a) 단계 내지 e)단계가 반복 수행되어 3D 조형체가 형성되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 플라즈마 액츄에이터는,
    유전체;
    상기 유전체 표면에 위치하는 양극; 및
    상기 유전체 내부에서 상기 양극으로부터 이격되어 위치하는 음극;
    을 포함하고,
    상기 양극에서 음극 방향으로 플라즈마가 생성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 c) 단계는 상기 플라즈마 액츄에이터에 전원을 인가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 인가되는 전원의 전압은 1 kV 내지 20 kV인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 인가되는 전원은 펄스는 1 kHz 내지 10 kHz인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
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