KR102272998B1 - 분말 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 입체 조형물을 조형할 수 있는 분말 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터에 관한 것으로서, 내부에 3차원 프린터용 분말 소재가 저장되는 분말 호퍼와, 상기 분말 호퍼로부터 상기 분말 소재를 공급받고, 3차원 프린터의 작업테이블 상면에 왕복 이동 가능하게 설치되어, 일방향으로 이동하면서 상기 분말 호퍼로부터 공급받은 상기 분말 소재를 상기 작업테이블 상면에 도포하고, 상기 일방향과 반대 방향인 타방향으로 이동하면서 상기 작업테이블 상면에 도포된 상기 분말 소재를 균일한 높이로 가압하는 리코터부 및 상기 작업테이블의 상면에 기 도포된 소재와 상기 리코터부를 통해 도포되는 상기 분말 소재가 열평형을 이룰 수 있도록, 상기 기 도포된 소재의 온도를 측정하고, 상기 리코터부 내부의 상기 분말 소재의 온도를 상기 기 도포된 소재의 온도와 동일한 온도로 조절하는 열평형 조절부를 포함할 수 있다.

Description

분말 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터{Powder application device and 3D printer including the same}
본 발명은 분말 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 3차원 입체 조형물을 조형할 수 있는 분말 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터에 관한 것이다.
3차원 프린팅 기술은 3차원 입체 도면을 기반으로 3차원 공간 안에 인쇄하듯 물품을 만들어내는 제조기술을 말한다. 개발 초기에는 플라스틱 소재에만 국한되고 제한된 용도로 사용되었지만 나일론과 금속 등으로 범위가 확대되고, 휴대전화 케이스, 자동차 부속품까지 출력할 수 있는 정도로 전 산업분야에 응용되고 있는 추세이다.
일반적으로, 대다수 산업용 금속 3D 프린터는 금속 분말을 도포하고 원하는 부분만 레이저로 용융시켜 입체 조형물을 조형하는 선택적 레이저 소결(SLS) 방식을 따르고 있다. 이러한, 선택적 레이저 소결 방식은, 대량의 작은 입자 형태의 분말 소재를 작업테이블에 얇게 도포하여 분말층으로 만들고 높은 열의 레이저로 녹여 적층시켜 조형하는 방식으로서, 기존의 금속 주조 방법에 의해 제조되던 복잡한 형상의 제품 제조 뿐만 아니라, 고부가 산업 제품군인 인체맞춤형 의료부품, 항공기용 부품, 군사용 부품 등의 높은 정밀도가 요구되는 제품에도 응용되어 적용될 수 있는 장점이 있다.
그러나, 이러한 종래의 선택적 레이저 소결 방식을 이용한 3차원 프린터는, 조형 박스의 조형 스테이지 상에 금속으로 이루어진 분말 소재를 도포한 후 블레이드나 롤러를 일방향으로 이동시켜 평탄하게 펴는 과정을 반복하여 실시하는데, 이때, 조형 스테이지 상에 기 도포된 소재는 이미 3차원 프린팅 가공에 의해 열적 영향을 받은 상태이나, 새롭게 도포되는 분말 소재는 이러한 열적 영향을 받지 않은 상태일 수 있다.
이와 같이, 열적 영향을 받지 않은 새로운 분말 소재를 단순히 열적 영향을 받은 기 도포된 소재 위에 적층할 경우 이미 기 도포된 소재 내에서 조형되고 있는 입체 조형물의 열적 균형이 깨지는 현상이 발생하여, 입체 조형물의 손상이 발생하거나 강도가 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 조형 스테이지 상에 기 도포된 소재와 그 위에 새롭게 도포되는 분말 소재의 온도를 동일하게 제어한 후 분말 소재를 도포함으로써, 새로 도포되는 분말 소재와 기 도포된 소재의 온도 편차를 최소화할 수 있는 분말 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 3차원 프린터의 분말 도포 장치가 제공된다. 상기 3차원 프린터의 분말 도포 장치는, 내부에 3차원 프린터용 분말 소재가 저장되는 분말 호퍼; 상기 분말 호퍼로부터 상기 분말 소재를 공급받고, 3차원 프린터의 작업테이블 상면에 왕복 이동 가능하게 설치되어, 일방향으로 이동하면서 상기 분말 호퍼로부터 공급받은 상기 분말 소재를 상기 작업테이블 상면에 도포하고, 상기 일방향과 반대 방향인 타방향으로 이동하면서 상기 작업테이블 상면에 도포된 상기 분말 소재를 균일한 높이로 가압하는 리코터부; 및 상기 작업테이블의 상면에 기 도포된 소재와 상기 리코터부를 통해 도포되는 상기 분말 소재가 열평형을 이룰 수 있도록, 상기 기 도포된 소재의 온도를 측정하고, 상기 리코터부 내부의 상기 분말 소재의 온도를 상기 기 도포된 소재의 온도와 동일한 온도로 조절하는 열평형 조절부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 리코터부는, 상기 분말 호퍼로부터 공급받은 상기 분말 소재를 수용할 수 있는 내부 공간이 형성되고, 하부에 상기 분말 소재를 하방으로 도포할 수 있는 도포 슬릿이 형성되는 공급 챔버; 상기 공급 챔버의 상기 내부 공간에 상기 도포 슬릿과 대응되는 위치에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 상기 분말 소재를 상기 도포 슬릿을 통해 도포하는 피딩 롤러; 및 상기 공급 챔버 외부의 일측에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 도포된 상기 분말 소재를 균일한 높이로 가압하는 리코팅 롤러;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 열평형 조절부는, 상기 공급 챔버의 외측면 또는 상기 3차원 프린터의 상기 작업테이블의 상방에 설치되어, 상기 기 도포된 소재의 표면 온도를 측정하는 온도 측정 장치; 및 상기 공급 챔버의 상기 내부 공간에 수용된 상기 분말 소재를 상기 표면 온도와 동일한 온도로 가열하는 가열 장치;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 가열 장치는, 상기 공급 챔버의 상기 도포 슬릿 인근, 상기 피딩 롤러 및 상기 리코팅 롤러 중 적어도 어느 하나에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 가열 장치는, 내부에 흐르는 전류에 의해 발열하는 열선, 내부에 흐르는 가열된 유체에 의해 발열하는 가열 채널 및 내부에 흐르는 고주파 전류에 의해 상기 분말 소재를 유도 가열하는 유도 가열 코일 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 피딩 롤러는, 외주면을 따라 복수 개의 피딩 홈부가 형성되고, 상기 가열 장치는, 상기 피딩 롤러의 상기 피딩 홈부를 둘러싸도록 형성되어, 상기 피딩 홈부에 수용된 상기 분말 소재를 가열할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 열평형 조절부는, 상기 공급 챔버의 상기 내부 공간에 수용된 상기 분말 소재가 상기 기 도포된 소재의 상기 표면 온도 보다 낮은 예열 온도로 가열되어 유지될 수 있도록, 상기 공급 챔버의 측벽 또는 상기 공급 챔버에 수용된 상기 분말 소재를 교반시키는 교반 롤러에 설치되는 예열 장치;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 분말 호퍼와 상기 리코터부 사이에 설치되어 상기 분말 호퍼로부터 공급된 상기 분말 소재를 상기 리코터부로 전달하고, 내부에서 회전하는 스크류 축의 회전량 조절에 의해 상기 분말 호퍼로부터 공급되는 상기 분말 소재의 양을 제어할 수 있는 분말 공급 조절부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 분말 공급 조절부는, 상기 작업테이블의 폭 방향으로 길게 연장되게 형성되어, 일측이 상기 분말 호퍼의 하부에 형성된 분말 공급구의 위치와 대응되는 위치에 설치되고, 상기 분말 호퍼로부터 공급받은 상기 분말 소재를 수용하여 정량으로 계량하는 상방이 개방된 계량 공간이 형성되는 계량 챔버; 상기 계량 챔버의 상기 계량 공간에서 회전 가능하게 설치되고, 외경면에 나선형의 날개부가 형성되는 상기 스크류 축; 상기 계량 챔버의 양측에서 상기 계량 챔버를 회전가능하게 지지하는 지지부; 및 상기 계량 챔버의 후방에서 상기 계량 챔버의 후면 상부와 연결되게 설치되어, 길이가 가변되는 직선적인 구동력에 의해 상기 계량 챔버를 상기 계량 챔버의 전방에 설치된 상기 리코터부 방향으로 회전시키는 구동 실린더;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3차원 프린터가 제공된다. 상기 3차원 프린터는, 분말 소재가 수용되어 입체 조형물이 조형될 수 있는 조형 공간이 형성될 수 있도록 상방이 개방된 박스 형상으로 형성되고, 내부에 승하강 가능하게 구비되어 상면에 상기 입체 조형물이 복수의 레이어(Layer)로 적층되어 조형되는 조형 스테이지를 포함하는 조형 박스; 상기 조형 박스가 수납되는 조형 박스 수납부가 형성되는 몸체; 상기 몸체의 상부의 일측에 설치되어, 상기 조형 박스 수납부에 수납된 상기 조형 박스의 상기 조형 스테이지 상에 소정 두께의 분말층이 형성될 수 있도록 상기 분말 소재를 도포하는 분말 도포 장치; 상기 몸체의 상부의 타측에 설치되어 상기 조형 스테이지 상에 도포된 상기 분말층에 레이저빔을 조사하여 상기 분말층을 선택적으로 소결시키거나, 접착물질을 잉크젯 방식으로 분사하는 프린팅 장치; 및 상기 조형 박스 수납부의 하부에 설치되어 상기 조형 박스의 상기 조형 스테이지를 승하강시키는 승하강 장치;를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 조형 스테이지 상에 기 도포된 소재와 그 위에 새롭게 도포되는 분말 소재의 온도를 동일하게 제어한 후 분말 소재를 도포함으로써, 새로 도포되는 분말 소재와 기 도포된 소재의 온도 편차를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 기 도포된 소재 내에서 조형되고 있는 입체 조형물이 새로 도포되는 분말 소재에 의해 열적 균형이 깨지는 현상을 방지하여, 입체 조형물의 손상을 예방하고 강도를 증가시킬 수 있는 분말 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 3차원 프린터의 분말 도포 장치를 개략적으로 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 절취선 A-A를 따라 취한 단면을 기준으로 분말 공급 조절부의 작동 상태를 나타내는 단면도들이다.
도 6은 도 5의 리코터부의 피딩 롤러를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 5의 리코터부의 교반 롤러를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 8 내지 도 11은 도 1의 3차원 프린터의 조형 박스의 내부 공간에서 입체 조형물이 조형되는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터(1000)를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 3차원 프린터(1000)의 분말 도포 장치(100)를 개략적으로 나타내는 사시도 및 단면도이며, 도 4 및 도 5는 도 3의 절취선 A-A를 따라 취한 단면을 기준으로 분말 공급 조절부(20)의 작동 상태를 나타내는 단면도들이다. 또한, 도 6 및 도 7은 도 5의 리코터부(30)의 피딩 롤러(32) 및 교반 롤러(33)를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터(1000)는, 분말 도포 장치(100)와, 몸체(200)와, 조형 박스(300)와, 프린팅 장치(400) 및 승하강 장치(500)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 조형 박스(300)는, 분말 소재(M1)가 수용되어 입체 조형물(A)이 조형될 수 있는 내부 공간이 형성될 수 있도록 상방이 개방된 박스 형상으로 형성되고, 내부에 승하강 가능하게 구비되어 상면에 입체 조형물(A)이 복수의 레이어(Layer)로 적층되어 조형되는 조형 스테이지(310)를 포함할 수 있다.
또한, 몸체(200)는, 내부에 조형 박스(300)가 수납되는 조형 박스 수납부(210)가 형성되고, 그 상면에 분말 정량 도포 장치(100)와, 프린팅 장치(400)가 설치되어 지지할 수 있는 일종의 프레임 구조체일 수 있다. 예컨대, 이러한 몸체(200)는, 일체형 사출 구조물이나, 주물이나, 다양한 형상의 판재, 선재, 파이프재, 수직 부재, 수평 부재 및 경사 부재들을 서로 용접하거나 연결하여 이루어지는 프레임 구조체일 수 있다.
분말 도포 장치(100)는, 몸체(200)의 상부의 일측에 설치되어, 조형 박스 수납부(210)에 수납된 조형 박스(300)의 조형 스테이지(310) 상에 소정 두께의 분말층이 형성될 수 있도록 분말 소재(M1)를 정량으로 도포할 수 있다. 여기서, 분말 소재(M1)는, 선택적 레이저 소결(SLS) 방식의 3차원 프린팅일 경우 금속 분말일 수 있으며, 바인더 젯(Binder-Jet) 방식의 3차원 프린팅일 경우 금속 분말 및 플라스틱 분말 중 적어도 어느 하나를 포함하는 분말일 수 있다.
또한, 프린팅 장치(400)는, 몸체(200)의 상부 타측에 설치되고, 몸체(200)의 작업 스테이지 상에서 XY축으로 이동할 수 있는 프린팅 헤드(410)를 구비하여, 선택적 레이저 소결 방식일 경우, 조형 스테이지(310) 상에 도포된 상기 분말층에 레이저빔(B)을 조사하여 상기 분말층을 선택적으로 소결시킬 수 있다. 그 외에도, 바인더 젯 방식일 경우에는, 프린팅 헤드(410)는, 조형 스테이지(310) 상에 도포된 상기 분말층에 액상의 접착물질을 잉크젯 방식으로 분사할 수 있다. 아울러, 승하강 장치(500)는, 조형 박스 수납부(210)의 하부에 설치되어 조형 박스(300)의 조형 스테이지(310)를 승하강시킬 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 차원 프린터(1000)의 분말 도포 장치(100)는, 크게, 분말 호퍼(10)와, 분말 공급 조절부(20)와, 리코터부(30) 및 열평형 조절부(40)를 포함할 수 있다.
예컨대, 분말 호퍼(10)는, 내부에 3차원 프린터(1000)용 분말 소재(M1)가 저장될 수 있다. 더욱 구체적으로, 분말 호퍼(10)는, 상방이 개방된 역피라미드 형상으로 형성된 호퍼 몸체(11) 및 호퍼 몸체(11)의 하면에 형성되는 분말 공급구(12)를 포함할 수 있다.
또한, 분말 공급 조절부(20)는, 분말 호퍼(10)와 리코터부(30)의 사이에 분말 호퍼(10)의 하부와 연결되게 설치되어 분말 호퍼(10)에 저장된 분말 소재(M1)를 공급 받고, 공급된 분말 소재(M1)를 리코터부(30)로 전달 할 수 있다. 이때, 분말 공급 조절부(20)는, 내부에서 회전하는 스크류 축(22)의 회전량 조절에 의해 분말 호퍼(10)로부터 공급되는 분말 소재(M1)의 양을 정해진 정량으로 제어할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 분말 공급 조절부(20)는, 3차원 프린터(1000)의 작업테이블(T)의 폭 방향으로 길게 연장되게 형성되어 일측이 분말 공급구(12)의 위치와 대응되는 위치에 설치되고, 분말 호퍼(10)로부터 공급받은 분말 소재(M1)를 수용하는 상방이 개방된 계량 공간이 형성되는 계량 챔버(21)와, 계량 챔버(21)의 내부 공간에서 회전 가능하게 설치되고, 외경면에 나선형의 날개부가 형성되는 스크류 축(22)과, 계량 챔버(21)의 양측에서 계량 챔버(21)를 회전가능하게 지지하는 지지부(23) 및 계량 챔버(21)의 후측에서 계량 챔버(21)의 후면 상부와 연결되게 설치되어, 길이가 가변되는 직선적인 구동력에 의해 계량 챔버(21)를 계량 챔버(21)의 전방에 설치된 리코터부(30) 방향으로 회전시키는 구동 실린더(24)를 포함할 수 있다.
따라서, 분말 공급 조절부(20)는, 계량 챔버(21) 내부의 스크류 축(22)이 회전하면, 분말 호퍼(10)의 분말 공급구(12)를 통해 공급된 분말 소재(M1)가 스크류 축(22)의 나선형 날개부를 따라 계량 챔버(21)의 일측에서 타측으로 이동하면서 계량 챔버(21) 내부에 채워질 수 있다.
이때, 지지부(23)의 일측에 설치되어 스크류 축(22)이 회전할 수 있도록 구동력을 인가하는 구동 모터(미도시)에 의해 계량 챔버(21) 내부의 스크류 축(22)이 회전할 수 있으며, 상기 구동 모터는 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다. 이에 따라, 상기 제어부에 분말 소재(M1)의 공급량을 입력하여 설정하면, 상기 제어부가 설정된 분말 소재(M1)의 공급량에 따라 스크류 축(22)의 회전수를 결정하고, 상기 구동 모터를 제어하여 그 회전수 만큼 스크류 축(22)을 회전 구동시킬 수 있다.
이와 같이, 분말 공급 조절부(20)는, 스크류 컨베이어(Screw conveyor)와 같은 구조로서, 스크류 축(22)의 회전 수에 따라 계량 챔버(21) 내에 분말 소재(M1)를 설정된 정량으로 수용할 수 있다.
이어서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 구동 실린더(24)를 구동하여 그 길이를 신장시키면, 계량 챔버(21)가 약 90도 정도 회전하여 내부에 정량으로 계량되어 수용된 분말 소재(M1)를 리코터부(30)로 전달할 수 있다. 이때, 계량 챔버(21)의 회전 시, 내부에 수용된 분말 소재(M1)가 계량 챔버(21)의 회전 방향으로 용이하게 쏟아질 수 있도록, 계량 챔버(21)의 전면이 상부로 갈수록 리코터부(30) 방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 리코터부(30)는, 3차원 프린터(1000)의 작업테이블(T) 상면에 설치된 한 쌍의 레일(R)에 왕복 이동 가능하게 설치되어, 일방향으로 이동하면서 분말 공급 조절부(20)를 통해 분말 호퍼(10)로부터 전달받은 분말 소재(M1)를 작업테이블(T) 상면에 도포하고, 상기 일방향과 반대 방향인 타방향으로 이동하면서 작업테이블(T) 상면에 도포된 분말 소재(M1)를 균일한 높이로 가압할 수 있다.
예컨대, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 리코터부(30)는, 분말 공급 조절부(20)의 계량 챔버(21)의 길이와 대응되는 길이로 길게 연장되게 형성되어, 계량 챔버(21)를 통해 분말 호퍼(10)로부터 공급받은 분말 소재(M1)를 수용할 수 있는 내부 공간이 형성되고, 하부에 분말 소재(M1)를 하방으로 도포할 수 있는 도포 슬릿(31a)이 형성되는 공급 챔버(31)와, 공급 챔버(31)의 상기 내부 공간에 도포 슬릿(31a)과 대응되는 위치에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 분말 소재(M1)를 도포 슬릿(31a)을 통해 도포하는 피딩 롤러(32) 및 공급 챔버(31) 외부의 일측에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 도포된 분말 소재(M1)를 균일한 높이로 가압하는 리코팅 롤러(34)를 포함할 수 있다. 또한, 또한, 리코터부(30)는, 공급 챔버(31)의 내부 공간에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 공급 챔버(31)에 수용된 분말 소재(M1)를 뭉치지 않도록 교반시키는 교반 롤러(33)를 더 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 피딩 롤러(32)는, 외주면을 따라 복수 개의 피딩 홈부(32a)가 형성되어, 피딩 롤러(32)가 공급 챔버(31)의 내부에서 회전하면서 피딩 홈부(32a)로 수용된 분말 소재(M1)를 도포 슬릿(31a)을 통해 공급 챔버(31)의 외부로 도포할 수 있다.
이와 같은, 피딩 롤러(32)로 인하여 공급 챔버(31) 내부의 분말 소재(M1)가 도포 슬릿(31a)을 통해 한번에 도포되지 않고, 일정량씩 순차적으로 도포되도록 유도할 수 있다. 이러한, 피딩 롤러(32)의 피딩 홈부(32a)의 형상은, 도 8에 도시된 바와 같이, 피딩 롤러(32)의 길이 방향을 따라 길게 형성될 수 있으나, 반드시 이에 국한되지 않고, 분말 소재(M1)를 일정량씩 순차적으로 도포할 수 있도록 매우 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 교반 롤러(33)는, 외주면에 볼트 형상으로 돌출되게 형성되는 복수개의 돌출부(33a)가 형성되어, 공급 챔버(31)의 내부에서 회전 시 돌출부(33a)에 의해 공급 챔버(31) 내부에 수용된 분말 소재(M1)를 뭉치지 않도록 교반시킬 수 있다. 이러한, 돌출부(33a)에 형상 또한 반드시 볼트 형상에 국한되지 않고, 나선형의 날개 형상 등 분말 소재(M1)를 효과적으로 교반시킬 수 있는 매우 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
따라서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 분말 공급 조절부(20)를 통해 분말 소재(M1)를 정해진 정량으로 계량한 후, 계량 챔버(21)를 리코터부(30) 방향으로 회전시키면, 정량으로 계량된 분말 소재(M1)가 리코터부(30)의 공급 챔버(31)로 전달될 수 있다. 이때, 리코터부(30)의 공급 챔버(31)로 전달되어 수용된 분말 소재(M1)는, 공급 챔버(31) 내에서 회전하는 교반 롤러(33)에 의해 뭉치지 않도록 계속해서 교반될 수 있으며, 피딩 롤러(32)가 회전하면 도포 슬릿(31a)을 통해서 일정량씩 순차적으로 분말 소재(M1)가 도포될 수 있다.
이와 같은, 분말 소재(M1)의 도포 과정에서, 열적 영향을 받지 않은 새로운 분말 소재(M1)를 단순히 3차원 프린팅 가공 과정에서 레이저빔(B) 등에 의해 열적 영향을 받은 기 도포된 소재(M2) 위에 적층할 경우, 이미 기 도포된 소재(M2) 내에서 조형되고 있는 입체 조형물(A)의 열적 균형이 깨지는 현상이 발생하여, 입체 조형물(A)의 손상이 발생하거나 강도가 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다. 이러한, 열적 균형의 문제는, 금속 분말을 사용하는 선택적 레이저 소결 방식에서 더 크게 나타날 수 있다.
이에 따라, 분말 도포 장치(100)에 열평형 조절부(40)가 설치되어, 작업테이블(T)의 상면에 기 도포된 소재(M2)와 리코터부(30)를 통해 도포되는 분말 소재(M1)가 열평형을 이룰 수 있도록, 기 도포된 소재(M2)의 온도를 측정하고, 리코터부(30) 내부의 분말 소재(M1)의 온도를 기 도포된 소재(M2)의 온도와 동일한 온도로 조절한 후, 리코터부(30)를 통해 기 도포된 소재(M2) 위에 분말 소재(M1)를 도포할 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 열평형 조절부(40)는, 공급 챔버(31)의 외측면에 설치되어, 기 도포된 소재(M2)의 표면 온도를 측정하는 온도 측정 장치(41) 및 공급 챔버(31)의 내부 공간에 수용된 분말 소재(M1)를 기 도포된 소재(M2)의 상기 표면 온도와 동일한 온도로 가열하는 가열 장치(42)를 포함할 수 있다.
예컨대, 온도 측정 장치(41)는, 적외선 온도계로서, 공급 챔버(31)의 외측면에 설치되어, 기 도포된 소재(M2)의 표면 온도를 비접촉식으로 측정할 수 있다. 또한, 온도 측정 장치(41)의 설치 위치는 반드시 이에 국한되지 않고, 기 도포된 소재(M2)의 표면 온도를 측정할 수 있는 작업 테이블(T)의 상방의 어느 곳에나 위치할 수 있다. 온도 측정 장치(41)의 종류 또한 반드시 적외선 온도계에 국한되지 않고, 비접촉식으로 기 도포된 소재(M2)의 표면 온도를 비접촉식으로 측정할 수 있는 모든 비접촉식 온도계가 사용될 수 있다.
또한, 가열 장치(42)는, 내부에 흐르는 전류에 의해 발열하는 열선, 내부에 흐르는 가열된 유체에 의해 발열하는 가열 채널 및 내부에 흐르는 고주파 전류에 의해 분말 소재(M1)를 유도 가열하는 유도 가열 코일 중 어느 하나로서, 공급 챔버(31)의 도포 슬릿(31a) 인근, 피딩 롤러(32) 및 리코팅 롤러(34) 중 적어도 어느 하나에 설치될 수 있다.
이때, 분말 소재(M1)는, 공급 챔버(31)의 내부에서 기 도포된 소재(M2)의 온도와 동일한 온도로 가열된 상태에서 도포되는 것이 바람직하므로, 가열 장치(42)의 설치 위치는 공급 챔버(31)의 도포 슬릿(31a) 인근 또는 피딩 롤러(32)가 바람직할 수 있다.
이 중에서도, 가열 장치(42)가 공급 챔버(31)의 도포 슬릿(31a) 인근 및 피딩 롤러(32) 중 적어도 어느 한 곳에 설치되고, 리코팅 롤러(34)에도 추가적으로 설치되어, 분말 소재(M1)가 기 도포된 소재(M2)의 온도와 동일한 온도로 가열된 상태로 도포되고, 기 도포된 소재(M2)의 온도와 동일한 온도로 가열된 리코팅 롤러(34)에 의해 분말 소재(M1)가 기 도포된 소재(M2)의 온도와 동일한 온도를 계속해서 유지하면서 균일한 높이로 가압되는 것이, 분말 소재(M1)와 기 도포된 소재(M2)의 온도 편차를 최소화를 위해 가장 바람직 할 수 있다.
또한, 가열 장치(42)가 피딩 롤러(32)에 설치 시에는, 도 6에 도시된 바와 같이, 피딩 롤러(32)의 피딩 홈부(32a)를 둘러싸도록 형성되어, 피딩 홈부(32a)에 수용된 분말 소재(M1)를 가열할 수 있다. 이에 따라, 회전하는 피딩 롤러(32)에 의해 분말 소재(M1)를 도포하는 과정에서 피딩 홈부(32a)에 수용된 소량의 분말 소재(M1) 만을 가열함으로써, 분말 소재(M1)를 기 도포된 소재(M2)의 온도와 동일한 온도로 빠르게 가열할 수 있다.
또한, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 열평형 조절부(40)는, 공급 챔버(31)의 내부 공간에 수용된 분말 소재(M1)가 기 도포된 소재(M2)의 표면 온도 보다 낮은 예열 온도로 가열되고 상기 예열 온도로 계속해서 유지될 수 있도록, 공급 챔버(31)의 측벽 또는 공급 챔버(31)에 수용된 분말 소재(M1)를 교반시키는 교반 롤러(33)에 설치되는 예열 장치(43)를 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로, 예열 장치(43)는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 공급 챔버(31)의 내부 측벽 또는 도 7에 도시된 바와 같이, 교반 롤러(33)에 설치되어, 공급 챔버(31)의 내부 공간에 수용된 분말 소재(M1)를 상기 예열 온도로 가열하고, 상기 예열 온도로 계속해서 유지될 수 있도록 분말 소재(M1)를 가열할 수 있다.
예컨대, 공급 챔버(31) 내부에 수용된 분말 소재(M1)의 온도가 너무 낮을 경우, 분말 소재(M1)가 도포되는 과정에서 기 도포된 소재(M2)의 온도 만큼 가열되지 못한 상태에서 도포될 수 있다. 이에 따라, 상기 예열 온도를 기 도포된 소재(M2)의 온도 대비 90% 수준으로 설정하고, 공급 챔버(31) 내부에서 분말 소재(M1)를 예열 장치(43)로 예열시키면, 최종 도포 과정에서 가열 장치(42)가 나머지 10%에 해당하는 온도만 분말 소재(M1)를 추가적으로 가열하면 되기 때문에, 분말 소재(M1)의 최종 도포 과정에서 분말 소재(M1)의 온도를 기 도포된 소재(M2)의 온도와 동일하도록 빠르게 가열할 수 있다.
이하에서는, 상술한, 분말 도포 장치(100)를 이용하여, 조형 박스(300)의 조형 스테이지(310) 상에 분말 소재(M1)를 기 도포된 소재(M2)의 온도와 동일한 온도로 가열한 상태에서 정량으로 도포하고, 일정한 높이로 가압하는 과정을 포함하는 입체 조형물(A)의 3D 프린팅 과정에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.
도 8 내지 도 11에는 분말 정량 도포 장치(100)가 분말 소재(M1)를 기 도포된 소재(M2)의 온도와 동일한 온도로 가열한 상태로 도포 및 가압하고, 입체 조형물(A)이 조형되는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도들이 도시되어 있다.
먼저, 도 8을 참조하면, 기 도포된 소재(M2) 위에 새로운 분말 소재(M2)를 도포하기 전, 온도 측정 장치(41)를 이용하여 비접촉식으로 기 도포된 소재(M2)의 표면 온도를 측정하고, 공급 챔버(31)의 내부 공간에 수용된 분말 소재(M1)를 상기 표면 온도 보다 낮은 예열 온도로 가열할 수 있다.
이어서, 도 9에 도시된 바와 같이, 분말 도포 장치(100)가 3차원 프린터(1000)의 작업테이블(T) 상에서 일방향으로 이동하면서, 가열 장치(42)에 의해 기 도포된 소재(M2)의 표면 온도와 동일한 온도로 가열된 분말 소재(M1)를 조형 박스(300)의 조형 스테이지(310) 상에 도포할 수 있다. 이때, 조형 스테이지(310) 상에 도포된 분말 소재(M1)의 표면은 다소 불규칙하게 형성될 수 있다.
이어서, 도 10에 도시된 바와 같이, 분말 도포 장치(100)가 상기 일방향과 반대 방향으로 되돌아오면서, 리코팅 롤러(34)를 이용하여 조형 스테이지(310) 상에 도포된 분말 소재(M1)를 균일한 높이로 가압함으로써, 조형 스테이지(310) 상에 도포된 분말 소재(M1)의 표면을 매우 균일하게 형성하면서 분말 소재(M1)의 밀도를 높일 수 있다. 이때, 리코팅 롤러(34)에도 가열 장치(42)가 설치되어 분말 소재(M1)의 가압 과정에서도 분말 소재(M1)가 기 도포된 소재(M2)와 동일한 온도를 유지하도록 유도할 수 있다.
이어서, 도 11에 도시된 바와 같이, 프린팅 장치(400)의 레이저 발광부(430)로부터 발생한 레이저빔(B)을 광학 렌즈(420)를 통해 전달 받아 집광하는 스캔 미러(410)가 이동하면서 레이저빔(B)을 분말층에 조사하여 상기 분말층을 선택적으로 소결시킴으로써, 입체 조형물(A)의 단면층과 대응되는 형상의 소결층을 형성할 수 있다. 본 실시예에서는, 선택적 레이저 소결 방식을 예로 들었지만, 바인더 젯 방식일 경우 프린팅 장치(400)는 잉크젯 방식의 프린팅 헤드를 구비하여, 상기 프린팅 헤드가 이동하면서 접착물질을 상기 분말층에 선택적으로 분사하여 입체 조형물(A)의 단면층과 대응되는 형상의 접착층을 형성할 수 있다.
이후, 다음 단면층 형성을 위해 승하강 장치(500)에 의해 조형 스테이지(310)가 소정 거리 하강하여 상술한 단계를 반복하여 진행함으로써, 복수의 단면층을 적층하여 형성하면서 입체 조형물(A)을 조형할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 도포 장치(100) 및 이를 포함하는 3차원 프린터(1000)에 따르면, 조형 스테이지(310) 상에 기 도포된 소재(M2)와 그 위에 새롭게 도포되는 분말 소재(M1)의 온도를 동일하게 제어한 후 정량으로 계량된 분말 소재(M1)를 도포함으로써, 새로 도포되는 분말 소재(M1)와 기 도포된 소재(M2)의 온도 편차를 최소화하면서 조형 스테이지(310) 상에 도포된 분말 소재(M1)를 균일한 높이로 도포 및 가압할 수 있다.
이에 따라, 조형 스테이지 상(310)에 정량의 분말 소재(M1)가 높은 밀도로 균일하게 퍼지게 함으로써, 3차원 프린팅 과정에서 소모되는 분말 소재(M1)의 양을 절감할 수 있으며, 기 도포된 소재(M2) 내에서 조형되고 있는 입체 조형물(A)이 새로 도포되는 분말 소재(M1)에 의해 열적 균형이 깨지는 현상을 방지하여, 3차원 프린팅 과정에서 입체 조형물(A)의 손상을 예방하고 강도를 증가시킴으로써 3차원 프린팅의 품질을 증가시키는 효과를 가질 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 분말 호퍼
20: 분말 공급 조절부
30: 리코터부
40: 열평형 조절부
100: 분말 정량 도포 장치
200: 몸체
300: 조형 박스
400: 프린팅 장치
500: 승하강 장치
M1: 분말 소재
M2: 기 도포된 소재
T: 작업 테이블
A: 입체 조형물
B: 접착물질
1000: 3차원 프린터

Claims (10)

  1. 내부에 3차원 프린터용 분말 소재가 저장되는 분말 호퍼;
    상기 분말 호퍼로부터 상기 분말 소재를 공급받고, 3차원 프린터의 작업테이블 상면에 왕복 이동 가능하게 설치되어, 일방향으로 이동하면서 상기 분말 호퍼로부터 공급받은 상기 분말 소재를 상기 작업테이블 상면에 도포하고, 상기 일방향과 반대 방향인 타방향으로 이동하면서 상기 작업테이블 상면에 도포된 상기 분말 소재를 균일한 높이로 가압하는 리코터부; 및
    상기 작업테이블의 상면에 기 도포된 소재와 상기 리코터부를 통해 도포되는 상기 분말 소재가 열평형을 이룰 수 있도록, 상기 기 도포된 소재의 온도를 측정하고, 상기 리코터부 내부의 상기 분말 소재의 온도를 상기 기 도포된 소재의 온도와 동일한 온도로 조절하는 열평형 조절부;를 포함하고,
    상기 리코터부는,
    상기 분말 호퍼로부터 공급받은 상기 분말 소재를 수용할 수 있는 내부 공간이 형성되고, 하부에 상기 분말 소재를 하방으로 도포할 수 있는 도포 슬릿이 형성되는 공급 챔버;
    상기 공급 챔버의 상기 내부 공간에 상기 도포 슬릿과 대응되는 위치에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 상기 분말 소재를 상기 도포 슬릿을 통해 도포하는 피딩 롤러; 및
    상기 공급 챔버 외부의 일측에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 도포된 상기 분말 소재를 균일한 높이로 가압하는 리코팅 롤러;를 포함하고,
    상기 열평형 조절부는,
    상기 공급 챔버의 외측면 또는 상기 3차원 프린터의 상기 작업테이블의 상방에 설치되어, 상기 기 도포된 소재의 표면 온도를 측정하는 온도 측정 장치; 및
    상기 공급 챔버의 상기 내부 공간에 수용된 상기 분말 소재를 상기 표면 온도와 동일한 온도로 가열하는 가열 장치;
    를 포함하는, 3차원 프린터의 분말 도포 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 장치는,
    상기 공급 챔버의 상기 도포 슬릿 인근, 상기 피딩 롤러 및 상기 리코팅 롤러 중 적어도 어느 하나에 설치되는, 3차원 프린터의 분말 도포 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가열 장치는,
    내부에 흐르는 전류에 의해 발열하는 열선, 내부에 흐르는 가열된 유체에 의해 발열하는 가열 채널 및 내부에 흐르는 고주파 전류에 의해 상기 분말 소재를 유도 가열하는 유도 가열 코일 중 어느 하나인, 3차원 프린터의 분말 도포 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 피딩 롤러는,
    외주면을 따라 복수 개의 피딩 홈부가 형성되고,
    상기 가열 장치는,
    상기 피딩 롤러의 상기 피딩 홈부를 둘러싸도록 형성되어, 상기 피딩 홈부에 수용된 상기 분말 소재를 가열하는, 3차원 프린터의 분말 도포 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열평형 조절부는,
    상기 공급 챔버의 상기 내부 공간에 수용된 상기 분말 소재가 상기 기 도포된 소재의 상기 표면 온도 보다 낮은 예열 온도로 가열되어 유지될 수 있도록, 상기 공급 챔버의 측벽 또는 상기 공급 챔버에 수용된 상기 분말 소재를 교반시키는 교반 롤러에 설치되는 예열 장치;
    를 더 포함하는, 3차원 프린터의 분말 도포 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 분말 호퍼와 상기 리코터부 사이에 설치되어 상기 분말 호퍼로부터 공급된 상기 분말 소재를 상기 리코터부로 전달하고, 내부에서 회전하는 스크류 축의 회전량 조절에 의해 상기 분말 호퍼로부터 공급되는 상기 분말 소재의 양을 제어할 수 있는 분말 공급 조절부;
    를 더 포함하는, 3차원 프린터의 분말 도포 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 분말 공급 조절부는,
    상기 작업테이블의 폭 방향으로 길게 연장되게 형성되어, 일측이 상기 분말 호퍼의 하부에 형성된 분말 공급구의 위치와 대응되는 위치에 설치되고, 상기 분말 호퍼로부터 공급받은 상기 분말 소재를 수용하여 정량으로 계량하는 상방이 개방된 계량 공간이 형성되는 계량 챔버;
    상기 계량 챔버의 상기 계량 공간에서 회전 가능하게 설치되고, 외경면에 나선형의 날개부가 형성되는 상기 스크류 축;
    상기 계량 챔버의 양측에서 상기 계량 챔버를 회전가능하게 지지하는 지지부; 및
    상기 계량 챔버의 후방에서 상기 계량 챔버의 후면 상부와 연결되게 설치되어, 길이가 가변되는 직선적인 구동력에 의해 상기 계량 챔버를 상기 계량 챔버의 전방에 설치된 상기 리코터부 방향으로 회전시키는 구동 실린더;
    를 포함하는, 3차원 프린터의 분말 도포 장치.
  10. 분말 소재가 수용되어 입체 조형물이 조형될 수 있는 조형 공간이 형성될 수 있도록 상방이 개방된 박스 형상으로 형성되고, 내부에 승하강 가능하게 구비되어 상면에 상기 입체 조형물이 복수의 레이어(Layer)로 적층되어 조형되는 조형 스테이지를 포함하는 조형 박스;
    상기 조형 박스가 수납되는 조형 박스 수납부가 형성되는 몸체;
    상기 몸체의 상부의 일측에 설치되어, 상기 조형 박스 수납부에 수납된 상기 조형 박스의 상기 조형 스테이지 상에 소정 두께의 분말층이 형성될 수 있도록 상기 분말 소재를 도포하는 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항 및 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 분말 도포 장치;
    상기 몸체의 상부의 타측에 설치되어 상기 조형 스테이지 상에 도포된 상기 분말층에 레이저빔을 조사하여 상기 분말층을 선택적으로 소결시키거나, 접착물질을 잉크젯 방식으로 분사하는 프린팅 장치; 및
    상기 조형 박스 수납부의 하부에 설치되어 상기 조형 박스의 상기 조형 스테이지를 승하강시키는 승하강 장치;
    를 포함하는, 3차원 프린터.
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