KR102288941B1 - 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3d프린터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터에 관한 것으로서, 투명소재로 형성된 투명필름을 순환궤도를 따라 순환할 수 있도록 된 순환부와, 투명필름에 대향되게 배치된 빌드판을 승하강할 수 있도록 된 승하강 성형스테이지와, 이종의 광경화 레진을 각각 독립적으로 저장하여 투명필름에 공급하는 복수의 단위 레진 저장조를 통해 투명필름에 광경화 레진을 각각 도포하는 광경화 레진 공급부와, 광경화 레진 공급부에 의해 공급되어 투명필름에 도포된 광경화레진에 성형할 성형 이미지에 대응되는 광을 조사하여 빌드판에 광경화레진이 경화되어 성형되게 처리하는 광조사부를 구비한다. 이러한 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터에 의하면, 광경화 레진의 불필요한 낭비를 최소화할 수 있으면서도 인쇄속도를 향상시킬 수 있으며, 대면적 성형이 가능한 장점을 제공한다.

Description

다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터{stereo lithography 3D printer by using multi-resin coated film}
본 발명은 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터에 관한 것으로서, 상세하게는 순환되는 필름을 통해 광경화 레진을 공급하면서 적층 인쇄할 수 있도록 된 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터에 관한 것이다.
3D 프린터는 형성하고자 하는 입체 모양을 인쇄기법에 의해 성형할 수 있는 장치를 말한다.
최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 CAD 나 CAM을 이용하여 3차원 모델링 데이터를 생성하고, 생성한 데이터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린팅 방법이 등장하게 되었으며, 이러한 3D 프린터를 산업, 생활, 의학 등 매우 다양한 분야에서 활용하고 있다.
일반적인 3D 프린터의 기본적인 원리는 얇은 2D 레이어를 쌓아서 3D 물체를 만드는 것이다.
즉, 3D 프린터 방법에는 광경화성 수지에 레이저 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(Stereo Lithography Apparatus)와, SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하여 레이저 광선으로 주사하여 기능성 고분자 또는 금속분말을 고결시켜 성형하는 원리를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering), FDM방식(Fused Deposition Modeling)과, 광경화수지가 저장된 저장조의 하부로 광을 조사하여 부분적으로 경화되는 원리를 이용하는 DLP(Digital Light Processing) 방식 및 LCD를 이용하여 인쇄하는 광경화 방식 등이 있다.
기존의 SLA 방식은 광경화성 수지를 이용하는 방법으로 미국특허 4,575,330호에 게시되어 있다.
또한, DLP방식은 국내 등록특허 제10-1533374호에 게시되어 있다.
한편, 광경화 수지를 이용하는 종래의 광경화 방식은 광경화 폴리머 수지(이하 레진이라 한다)를 하나의 수조에 넣고 성형하는 방식으로 되어 있어, 재료의 낭비가 많은 단점이 있다.
또한, 이종의 광경화 레진을 실시간으로 교체하면서 성형에 반영할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 순환되는 필름에 이종의 광경화 레진을 순차적으로 도포되게 공급하면서 적층 인쇄할 수 있도록 된 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터는 투명소재로 형성된 투명필름을 순환궤도를 따라 순환할 수 있도록 된 순환부와; 상기 투명필름에 대향되게 배치된 빌드판을 승하강할 수 있도록 된 승하강 성형스테이지와; 이종의 광경화 레진을 각각 독립적으로 저장하여 상기 투명필름에 공급하는 복수의 단위 레진 저장조를 통해 상기 투명필름에 광경화 레진을 각각 도포하는 광경화 레진 공급부와; 상기 광경화 레진 공급부에 의해 공급되어 상기 투명필름에 도포된 광경화레진에 성형할 성형 이미지에 대응되는 광을 조사하여 상기 빌드판에 상기 광경화레진이 경화되어 성형되게 처리하는 광조사부;를 구비한다.
상기 순환부는 상호 수평상으로 이격된 제1 및 제2순환가이드 롤러와; 상기 제1 및 제2순환가이드 롤러에 대해 수직상으로 이격된 위치에서 상호 수평상으로 이격되어 상기 제1 및 제2순환가이드 롤러와 함께 상기 투명필름이 순환되어 회전되게 지지하는 제3 및 제4 순환 가이드 롤러;를 구비하고, 상기 제1 및 제2순환가이드 롤러 중 어느 하나는 장력조절기를 통해 수평상으로 위치 이동이 가능하게 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광조사부의 광조사영역을 거친 이후 광경화 처리되지 않고 상기 투명필름에 잔류하는 광경화레진을 수거하는 잔류레진 수거부;를 더 구비한다.
바람직하게는 상기 제1 및 제2순환가이드 롤러 사이의 상기 광조사부의 광조사영역을 벗어난 상기 투명필름의 양측 가장자리를 일정영역 안착상태로 지지하면서 이송을 가이드 하도록 상기 투명필름의 하부와 상부 각각에서 상호 대향되게 배치되어 회전되는 다수의 하부 및 상부 이송 가이드 롤러가 마련된 스캔 지지가이드부;를 더 구비한다.
또한, 상기 잔류레진 수거부는 상기 광경화 레진 공급부의 단위 레진 저장조에 각각 대응되는 레진을 수거하는 복수개의 단위 레진수거기가 적용되어 있고, 상기 단위 레진 수거기에서 회수된 레진은 대응되는 단위 레진 저장조로 공급하도록 된 것을 바람직하다.
본 발명에 따른 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터에 의하면, 광경화 레진의 불필요한 낭비를 최소화할 수 있으면서도 인쇄속도를 향상시킬 수 있으며, 대면적 컬러 조형물의 성형이 가능한 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터를 나타내 보인 개략적인 측면도이고,
도 2는 도 1의 빌드판에 대향되는 투명필름 경유 부분을 개략적으로 나타내보인 평면도이고,
도 3은 도 1의 광경화 3D프린터의 제어계통을 나타내 보인 블록도이고,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터를 나타내 보인 개략적인 측면도이고,
도 5는 도 1의 빌드판에 상호 다른 이종의 광경화 레진이 적층 인쇄되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터를 나타내 보인 개략적인 측면도이고, 도 2는 도 1의 빌드판에 대향되는 투명필름 경유 부분을 개략적으로 나타내보인 평면도이고, 도 3은 도 1의 광경화 3D프린터의 제어계통을 나타내 보인 블록도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터(100)는 순환부(110), 스캔지지가이드부(120), 승하강 성형스테이지(130), 광경화 레진 공급부(150), 광조사부(170), 잔류레진 수거부(180) 및 제어부(195)를 구비한다.
순환부(110)는 투명소재로 형성된 투명필름(101)을 순환궤도를 따라 순환할 수 있도록 되어 있다.
순환부(110)는 제1 내지 제4순환 가이드롤러(111 내지 114) 및 장력조절기(116)를 구비한다.
제1 및 제2순환 가이드롤러(111)(112)는 수평상으로 상호 이격되게 배치되어 투명필름(101)이 무한 순환궤도를 따라 순환되게 가이드 한다.
여기서, 제1 및 제2순환 가이드롤러(111)(112) 사이의 투명필름(101) 이송구간은 광경화레진(155)의 도포 및 광조사부(170)의 광조사 영역으로 이용된다.
제1 및 제2순환가이드롤러(111)(112) 중 제2순환 가이드롤러(112)는 제1순환가이드롤러(111)에 대해 투명필름(101)의 장력을 조정할 수 있도록 수평상으로 이동이 가능하게 설치되어 있다.
장력조절기(116)는 제2순환 가이드롤러(112)를 회전가능하게 지지하는 지지축(112a)을 로드의 진퇴에 따라 진퇴할 수 있는 실린더가 적용되어 있고, 도시된 예와 다른 액츄에이터에 의해 제2순환 가이드롤러(112)의 지지위치를 이동할 수 있게 구축될 수 있음은 물론이다.
제3 및 제4순환 가이드롤러(113)(114)는 제1 및 제2순환 가이드롤러(111)(112)에 대해 수직상으로 하방으로 이격된 위치에서 상호 수평상으로 이격되어 제1 및 제2순환 가이드롤러(111)(112)와 함께 투명필름(101)가 순환되어 회전되게 지지한다.
여기서, 제3 및 제4순환 가이드롤러(113)(114) 사이의 투명필름(101) 이송구간은 잔류 광경화레진(155)의 수거 영역으로 이용된다.
도시된 예와 다르게 순환부(110)에 적용되는 순환 가이드롤러는 5개 이상이 적용될 수 있음은 물론이다.
필름순환구동부(119)는 투명필름(101)이 제1 내지 제4순환가이드롤러(111 내지 114)를 따라 순환되게 적어도 하나의 제1 내지 제4순환가이드롤러(111 내지 114)를 회전구동시키도록 구축되며, 도시된 예에서는 제1순환 가이드롤러(111)의 회전축을 회전구동하는 모터가 적용되어 있다.
투명필름(101)은 순환부(110)의 제1 내지 제4순환가이드롤러(111 내지 114)를 따라 순환되게 설치되어 있다. 투명필름(101)은 광이 투과될 수 있는 투명소재 예를 들면 폴리카보네이트 소재로 얇은 시트 형태로 형성된 것이 적용된다.
투명필름(101)에는 반사방지를 위해 AR(anti-reflection) 코팅층이 표면에 형성된 것을 적용할 수 있다.
스캔지지가이드부(120)는 제1 및 제2순환가이드롤러(111)(112) 사이의 광조사부(170)의 광조사영역을 벗어난 투명필름(101)의 양측 가장자리를 일정영역 안착상태로 지지하면서 이송을 가이드 하도록 투명필름(101)의 하부와 상부 각각에서 상호 대향되게 배치되어 회전되는 다수의 하부 및 상부 이송 가이드 롤러(121)(122)가 마련되어 있다. 참조부호 123 및 126은 하부 및 상부 이송 가이드 롤러(121)(122)가 회전가능하게 지지될 수 있게 장착되는 지지바디이다.
이러한 스캔지지가이드부(120)는 투명필름(101)의 처짐을 방지하고 광조사부(170)에 대한 이격거리를 안정적으로 유지하게 함으로써 안정적인 성형 품질을 확보할 수 있게 지원한다.
승하강 성형스테이지(130)는 제1 및 제2순환 가이드롤러(111)(112) 사이에서 투명필름(101)에 대향되게 배치된 빌드판(132)을 승하강할 수 있도록 되어 있다.
여기서, 빌드판(132)은 투명필름(101)에 도포된 광경화레진(155)이 광조사에 대응되게 점착되어 성형폼을 형성할 수 있도록 된 것으로, 판형으로 형성되어 있다. 승하강 성형 스테이지(130)는 빌드판(132)의 상부에 연장된 수직지지바(134)와, 수직지지바(134)의 상부에서 일단이 접속되어 수평상으로 연장된 수평지지바(135) 및 수평지지바(135)의 타단으로부터 하방으로 연장된 승하강바(136)와, 승하강바(136)를 승하강 시키는 빌드판 승하강 구동부(138)로 구축되어 있다.
승하강바(136)를 승하강시키는 빌드판 승하강 구동부(138)는 승하강바(136)에 랙기어를 형성하고, 랙기어에 치합되는 피니언의 정역회전에 의해 승하강바(136)가 승하강되는 구조 등 다양한 방식으로 구축될 수 있다.
광경화 레진공급부(150)는 이종의 광경화 레진(155)을 각각 독립적으로 저장하여 투명필름(101)에 공급하는 복수의 단위 레진 저장조(152)를 통해 투명필름(101)에 광경화 레진(155)을 각각 도포할 수 있도록 되어 있다.
단위 레진 저장조(152) 각각에 저장되는 광경화 레진(155)은 컬러성형물의 조성이 가능하게 색상이 상호 다른 것이 적용될 수 있다.
단위 레진 저장조(152) 내부에는 후술되는 제어부(195)에 제어되어 수용된 광경화 레진(155)을 토출구를 통해 토출하는 정량공급기가 내장될 수 있다. 또한, 단위 레진 저장조(152)에는 제어부(195)에 제어되어 토출구를 개폐하는 토출구 개폐기가 내장되어 있다.
레진두께 측정부(154)는 단위 레진 저장조(152)로부터 투명필름(101)에 공급되는 광경화레진(155)의 도포 두께를 측정하여 제어부(195)에 제공한다.
레진두께 측정부(154)는 단위 레진 저장조(152)에 장착되어 광경화레진(155)이 도포된 투명필름(101)에 광을 조사하고, 반사된 광을 수광하여 도포두께를 측정하는 방식 등 다양한 방식이 적용될 수 있다.
한편, 단위 레진 저장조(152)는 투명필름(101)과의 이격거리를 필요에 따라 제어부(195)에 의해 조정할 수 있게 수직상으로 승하강 가능하게 설치될 수 있다.
광조사부(170)는 광경화 레진 공급부(150)에 의해 공급되어 투명필름(101)에 도포된 광경화레진(155)에 성형할 성형 이미지에 대응되는 광을 조사하여 빌드판(132)에 광경화레진(155)이 경화되어 성형되게 처리한다.
광조사부(170)는 광원모듈(미도시)에서 출사된 광을 대응되는 성형 이미지에 대응되게 투과 또는 차단하는 LCD(미도시)를 적용하여 투명필름(101)에 조사하는 구조 또는 국내 등록특허 제10-1533374호에 적용된 DLP방식 등 다양한 방식으로 적용할 수 있다.
광조사부(170)는 다수 개가 투명필름(101)의 이송방향을 따라 배치되어 처리할 성형 이미지를 분담하여 처리할 수 있도록 구축될 수 있다.
잔류레진 수거부(180)는 광조사부(170)의 광조사영역을 거친 이후 광경화 처리되지 않고 투명필름(101)에 잔류하는 광경화레진(155)을 수거한다.
잔류레진 수거부(180)는 광경화 레진 공급부(150)의 단위 레진 저장조(152)에 각각 대응되는 레진을 수거하는 복수개의 단위 레진수거기(180a)가 적용되어 있다.
또한, 잔류레진 수거부(180)는 단위 레진 수거기(180a)에서 회수된 레진을 대응되는 단위 레진 저장조(152)로 공급하도록 구축되어 있다.
단위 레진 수거기(180a)는 분리제거유닛(181)과, 밀착 지지유닛(186)을 구비한다.
분리제거유닛(181)은 투명필름(101)에 밀착 접촉되어 잔류하는 광경화레진(155)을 분리하는 블레이드(182)와, 블레이드(182)를 통해 분리된 광경화레진(155)을 임시 저장하는 임시 저장부(184)와, 임시저장부(184)에 저장된 광경화 수지를 대응되는 단위 레진 저장조(152)로 회수되게 공급하는 회수 공급관(189)과 연통되게 접속된 송출단(184a)을 갖게 구축되어 있다. 여기서, 임시저장부(184)로부터 회수 공급관(189) 및 단위 레진 저장조(152)로의 광경화 레진(155)의 회수 방식은 단위 레진 저장조(152)에 흡입펌프를 설치하는 방식 등 다양한 방식으로 회수가 이루어지게 구축할 수 있다.
분리제거유닛(181)은 제어부(195)에 제어되는 제1승하강 실린더(183)에 결합된 로드의 승하강에 의해 블레이드(182)를 투명필름(101)에 접촉 및 분리할 수 있도록 되어 있다.
밀착지지유닛(186)은 블레이드(182)가 투명필름(101)에 밀착된 상태에서 투명필름(101) 반대편에서 투명필름(101)을 지지되게 간섭하여 블레이드(182)의 원할한 분리작업이 수행될 수 있게 되어 있다.
밀착지지유닛(186)은 투명필름(101)을 접촉상태로 지지하면서 회전되는 다수의 지지롤러(187a)와, 지지롤러(187a)를 회전가능하게 지지하는 지지체(188) 및 지지체(188)와 결합된 로드의 승하강에 의해 지지롤러 즉, 지지체(188)를 승하강 시키는 제2승하강실린더(188)로 구축되어 있다.
조작부(191)는 지원되는 기능을 설정할 수 있도록 되어 있다.
제어부(195)는 조작부(191)로부터 성형지시 신호가 수신되면, 투명필름(101)이 순환되게 필름순환구동부(119)를 제어하고, 형성하여할 3D 이미지의 각 레이어에 대응되게 광경화 레진 공급부(150)로부터 광경화 레진(155)이 설정된 두께로 공급되게 제어한다. 이때 도 2에 도시된 바와 같이 투명필름(101)에 대해 설정된 단위 스캔영역(30) 별로 대응되는 광경화레진(155)이 도포된다. 여기서 단위 스캔영역(30)은 빌드판(132)에 대해 단일층으로 형성하는 성형층 형성 영역에 대응되게 설정되면 되고, 단위 스캔영역(30) 사이의 이격 거리는 인쇄속도 및 잔류 광경화레진의 수거효율성을 고려하여 적절하게 적용하면 된다.
따라서, 제어부(195)는 투명필름(101)에 대해 단위 스캔영역 단위로 이동 및 정지를 반복하게 간헐 이동되게 필름순환구동부(119)를 제어한다. 또한, 제어부(195)는 도 5에 도시된 바와 같이 단위 스캔영역 단위로 광조사영역에 투명필름(101)이 이동되어 정지된 상태에서 빌드판(132)의 최하단 성형영역이 투명필름(101)의 광경화수지(155)에 밀착되도록 빌드판(132)이 하강되게 빌드판 승하강 구동부(138)를 제어하고, 광조사부(170)에서 성형하고자 하는 이미지에 대응되게 광이 조사되게 한 다음 광조사 종료 및 빌드판(132)이 승강되게 처리한다. 이후 제어부(195)는 다음 단위 스캔영역이 광조사영역에 진입되게 투명필름(101)을 이동시킨 다음 앞서 설명된 과정을 수행한다.
한편, 제어부(195)는 광조사부(170)를 경유하여 성형과정을 거친 단위 스캔영역에 광이 조사되지 않아 잔류하는 광경화레진에 대해서는 대응되는 수거위치에 도달하면 해당 단위 레진 수거기(180a)가 투명필름(101)에 밀착되게 잔류레진 수거부(180)를 제어하고, 수거가 완료되면 해당 단위 레진 수거기(180a)가 투명필름(101)으로부터 분리되게 잔류레진 수거부(180)를 제어한다.
한편, 도시된 예와 다르게 도 4에 도시된 바와 같이 투명필름(101)의 저면에 광경화레진을 도포하면서 성형할 수 있도록 구축될 수 있고, 앞서 도시된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
이상에서 설명된 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터에 의하면, 광경화 레진의 불필요한 낭비를 최소화할 수 있으면서도 인쇄속도를 향상시킬 수 있으며, 대면적 컬러 조형물의 성형이 가능한 장점을 제공한다.
110: 순환부 120: 스캔지지가이드부
130: 승하강 성형스테이지 150: 광경화 레진 공급부
170: 광조사부 180: 잔류레진 수거부
195: 제어부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 투명소재로 형성된 투명필름을 순환궤도를 따라 순환할 수 있도록 된 순환부와;
    상기 투명필름에 대향되게 배치된 빌드판을 승하강할 수 있도록 된 승하강 성형스테이지와;
    이종의 광경화 레진을 각각 독립적으로 저장하여 상기 투명필름에 공급하는 복수의 단위 레진 저장조를 통해 상기 투명필름에 광경화 레진을 각각 도포하는 광경화 레진 공급부와;
    상기 광경화 레진 공급부에 의해 공급되어 상기 투명필름에 도포된 광경화레진에 성형할 성형 이미지에 대응되는 광을 조사하여 상기 빌드판에 상기 광경화레진이 경화되어 성형되게 처리하는 광조사부;를 구비하고,
    상기 순환부는
    상호 수평상으로 이격된 제1 및 제2순환가이드 롤러와;
    상기 제1 및 제2순환가이드 롤러에 대해 수직상으로 이격된 위치에서 상호 수평상으로 이격되어 상기 제1 및 제2순환가이드 롤러와 함께 상기 투명필름이 순환되어 회전되게 지지하는 제3 및 제4 순환 가이드 롤러;를 구비하고,
    상기 제1 및 제2순환가이드 롤러 중 어느 하나는 장력조절기를 통해 수평상으로 위치 이동이 가능하게 설치되어 있으며,
    상기 광조사부의 광조사영역을 거친 이후 광경화 처리되지 않고 상기 투명필름에 잔류하는 광경화레진을 수거하는 잔류레진 수거부와;
    상기 제1 및 제2순환가이드 롤러 사이의 상기 광조사부의 광조사영역을 벗어난 상기 투명필름의 양측 가장자리를 일정영역 안착상태로 지지하면서 이송을 가이드 하도록 상기 투명필름의 하부와 상부 각각에서 상호 대향되게 배치되어 회전되는 다수의 하부 및 상부 이송 가이드 롤러가 마련된 스캔 지지가이드부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 잔류레진 수거부는
    상기 광경화 레진 공급부의 단위 레진 저장조에 각각 대응되는 레진을 수거하는 복수개의 단위 레진수거기가 적용되어 있고, 상기 단위 레진 수거기에서 회수된 레진은 대응되는 단위 레진 저장조로 공급하도록 된 것을 특징으로 하는 다중 레진도포 필름을 사용한 광경화 3D프린터.
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