KR102289343B1

KR102289343B1 - 3d 오버 프린팅 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102289343B1
Application number: KR1020210007602A
Authority: KR
Inventors: 김진수; 강태민
Original assignee: 주식회사 큐브세븐틴
Priority date: 2021-01-19
Filing date: 2021-01-19
Publication date: 2021-08-13

Abstract

기존 구조물 위에 3차원 형상을 오버 프린팅(over-printing)하는 3D 오버 프린팅 장치로서, 길이 방향으로 연장되는 광 파이버; 상기 광 파이버의 적어도 광을 출사하는 단부가 삽입 고정되는 중공 튜브; 및 상기 광 파이버의 타 단부로 광을 출사하는 광원;을 포함하는 광 투사 장치를 포함하고, 상기 광 파이버의 광을 출사하는 단부는 광 경화성 물질을 담고 있는 수조에 잠겨 있는 기존 구조물을 향하여 상기 광 경화성 물질 내부로, 또한 상기 기존 구조물 위에 형성하고자 하는 3차원 형상의 오버 프린팅에 적합하도록 상기 광 경화성 물질 내에서 위치 또는 각도가 변경되도록 구동 가능한, 3D 오버 프린팅 장치를 개시한다.

Description

3D 오버 프린팅 장치 및 방법 {3D over-printing device and method}

본 발명은 기존 구조물 위에 3차원 형상을 오버 프린팅(over-printing)하는 3D 오버 프린팅 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 광 파이버를 이용하여 기존 구조물이 잠겨 있는 광 경화성 물질 내부의 경화하고자 하는 영역까지 광을 전달하고 상기 광 파이버의 출사 단부의 위치 또는 각도를 변경하면서 출사되는 광에 의해 광 경화가 이루어지도록 하는 방식의 3D 오버 프린팅 장치 및 방법에 관한 것이다.

고분자 물질 또는 고분자 물질이 첨가된 재료를 이용하여 기존 구조물 위에 새로운 형상을 출력하기 위한 오버 프린팅(over-printing) 방식의 3D 프린팅 장치 및 방법이 제안되어 있다.

그 중에서 본 출원인에 의해 출원된 선행특허 1에는 광 경화성 물질에 완전히 잠긴 기존 구조물 위에 광 경화성 물질을 담고 있는 수조 외부에서 하나의 프로젝터를 회전시키면서 여러 방향에서 순차적으로 UV광 이미지를 투사하거나, 또는 복수의 프로젝터를 사용하여 동시에 여러 방향에서 UV광 이미지를 투사하여 광 경화성 물질 내부에서 UV광이 중첩된 영역에 광 에너지가 증가하여 광 경화가 일어나는 방식을 사용하는 3D 오버 프린팅 장치 및 방법이 개시되어 있다.

그러나, 이러한 방법은 레진과 같은 광 경화 재료가 불투명하거나 흡수율이 높은 경우 UV광이 기존 구조물이 완전히 잠겨 있는 레진 내부까지 투과할 수 없어서 적용할 수 없는 한계가 있다.

또한, 수조에 담겨 있는 한 종류의 광 경화성 물질을 오버 프린팅하는 것은 가능하다고 하더라도 이종의 광 경화성 물질을 함께 오버 프린팅하는 것은 불가능하다.

따라서, 동종 또는 이종의 재질로 제조되는 기존 구조물 위에 동종 또는 이종 재질의 형상체를 간편하게 오버 프린팅하여 제조할 수 있는 장치 및 방법에 대한 획기적인 연구가 여전히 필요한 실정이다.

한국 등록특허공보 제10-2106102호

본 발명은 위와 같은 종래기술에서의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 광 파이버를 이용하여 광 경화성 물질 외부로부터 내부로 광을 전달하고 상기 광 파이버의 광 출사 단부의 위치 또는 각도를 변경시키면서 경화하고자 하는 영역으로 직접 광을 출사함에 의해 기존 구조물 위에 3차원 형상을 오버 프린팅할 수 있는 3D 오버 프린팅 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 수조에 담긴 광 경화성 물질과는 다른 이종의 광 경화성 물질을 경화하고자 하는 영역으로 공급하면서 광 경화시킴으로써 필요에 따라 이종의 광 경화성 물질들을 기존 구조물 위에 선택적으로 오버 프린팅할 수 있는 3D 오버 프린팅 장치 및 방법을 제공하는 것을 또다른 목적으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 기존 구조물 위에 3차원 형상을 오버 프린팅(over-printing)하는 3D 오버 프린팅 장치는, 길이 방향으로 연장되는 광 파이버; 상기 광 파이버의 적어도 광을 출사하는 단부가 삽입 고정되는 중공 튜브; 및 상기 광 파이버의 타 단부로 광을 출사하는 광원;을 포함하는 광 투사 장치를 포함하고, 상기 광 파이버의 광을 출사하는 단부는 광 경화성 물질을 담고 있는 수조에 잠겨 있는 기존 구조물을 향하여 상기 광 경화성 물질 내부로, 또한 상기 기존 구조물 위에 형성하고자 하는 3차원 형상의 오버 프린팅에 적합하도록 상기 광 경화성 물질 내에서 위치 또는 각도가 변경되도록 구동 가능하고, 상기 중공 튜브는 내부에 삽입 고정된 상기 광 파이버의 광을 출사하는 단부보다 더 길게 연장되는 선단 팁; 및 상기 선단 팁 내부의 공간을 향하여 공기 또는 산소를 공급하는 배관을 더 포함하는 것이 바람직하다.

삭제

또한, 상기 실시예에서, 상기 선단 팁은 상기 중공 튜브로부터 분리 가능하게 제조되고, 상기 선단 팁이 분리된 상기 중공 튜브의 말단은 투명 윈도우에 의해 폐쇄되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 실시예에서, 상기 중공 튜브는 상기 선단 팁 말단에 부착되는 산소투과용 막을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 실시예에서, 이종의 광 경화성 물질을 상기 수조 내의 광 경화성 물질 내부로 공급하여 광 경화시키기 위하여 상기 중공 튜브의 선단 팁 근처에 방출 노즐이 배치되는 이종의 광 경화성 물질 공급 배관을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 실시예에서, 상기 광 투사 장치가 상기 기존 구조물을 향한 여러 방향에서, 또는 동일한 방향에서 수평으로 복수개 배치되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 오버 프린팅 방법은, 위와 같은 3D 오버 프린팅 장치를 이용하여 기존 구조물 위에 3차원 형상을 오버 프린팅(over-printing)하는 3D 오버 프린팅 방법으로, 오버 프린팅이 필요한 기존 구조물을 광 경화성 물질이 담긴 수조 내에 위치시키는 단계; 및 상기 기존 구조물 위의 경화하고자 하는 영역을 향하여 상기 광 파이버의 광을 출사하는 단부를 상기 광 경화성 물질 내부로 투입하고 상기 광 파이버를 통하여 광을 투사하여 상기 경화하고자 하는 영역을 경화시키는 광 경화 단계;를 포함하고, 상기 광 경화 단계는 상기 기존 구조물 위에 형성하고자 하는 3차원 형상의 오버 프린팅에 적합하도록 상기 광 경화성 물질 내에서 상기 광 파이버의 광을 출사하는 단부의 위치 또는 각도를 변경하면서 경화시키는 단계이고, 상기 광 경화 단계는 상기 광 파이버의 광을 출사하는 단부와 상기 경화하고자 하는 영역의 광 경화성 물질 사이에 에어 갭을 형성한 상태에서 광을 출사하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

삭제

또한, 상기 실시예에서, 상기 광 경화 단계는 상기 경화하고자 하는 영역에 이종의 광 경화성 물질을 공급하면서 상기 광 파이버를 통하여 광을 투사하여 경화시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 실시예에서, 상기 광 경화 단계는 상기 기존 구조물을 향하여 여러 방향에서 복수의 광 투사 장치를 사용하여 동시에 또는 순차적으로 광 경화시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 실시예에서, 상기 광 경화 단계는 상기 기존 구조물을 향하여 동일한 방향에서 수평으로 배치된 복수의 광 투사 장치를 사용하여 동시에 또는 순차적으로 광 경화시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

위와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 기존 구조물 위에 3차원 형상을 오버 프린팅(over-printing)하는 3D 오버 프린팅 장치를 사용하면, 수조에 담긴 광 경화성 물질 내부의 경화하고자 하는 영역까지 광 파이버를 이용하여 광을 전달한 후 출사하는 방식으로 광 경화함으로써 불투명하거나 광 흡수율이 높은 광 경화성 물질로도 기존 구조물 위에 3차원 형상을 오버 프린팅할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따르면, 기존 구조물을 향한 여러 방향으로 또는 하나의 방향에서 수평으로 배치된 복수의 광 투사 장치를 동시에 또는 순차적으로 사용하여 광 경화시킴으로써 프린팅 장치를 간단히 구성하면서도 오버 프린팅 시간을 대폭적으로 단축할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 수조에 담긴 광 경화성 물질과 다른 이종의 광 경화성 물질을 경화하고자 하는 영역으로 공급하면서 광 경화시킴으로써 필요에 따라 기존 구조물 위에 선택적으로 이종의 재료를 오버 프린팅할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 적용되는 광 파이버를 이용한 광 경화성 물질 내부에서의 광 경화 프린팅에 대한 기본 개념 설명도,
도 2는 본 발명에 적용되는 복수의 광 파이버를 이용하여 기존 구조물 위에 광 경화 오버 프린팅하는 기본 개념 설명도,
도 3은 광 파이버의 광 출사 단부에 경화물이 들러 붙는 문제점을 해결하기 위한 방안의 개략적 설명도,
도 4는 본 발명에 따른 3D 오버 프린팅 장치에 적용 가능한 광 투사 장치의 일 실시예에 대한 개략적 설명도,
도 5는 본 발명에 따른 3D 오버 프린팅 장치에 적용 가능한 광 투사 장치의 다른 실시예에 대한 개략적 설명도,
도 6은 도 5에 도시된 중공 튜브의 선단 팁 부분의 확대 설명도,
도 7은 본 발명에 따른 3D 오버 프린팅 장치에 적용 가능한 광 투사 장치의 또 다른 실시예에 대한 개략적 설명도,
도 8은 도 7에 도시된 이종의 광 경화성 물질 공급 배관의 다양한 실시예를 나타낸 개념도이다.

우선, 본 발명자들은 불투명하거나 광 흡수율이 높은 광 경화성 레진 내에 완전히 잠겨 있는 기존 구조물 위에 3차원 형상을 광 경화 방식으로 직접 오버 프린팅하기 위한 방안으로 상기 광 경화성 레진 내에 잠긴 상태에서 이동 가능한 광 파이버를 통해 경화가 필요한 레진 영역에 광을 직접적으로 투사할 수 있다는 사실에 주목하였다.

다시 말해서 광을 광 경화성 레진이 담겨 있는 수조의 내부로 전달하는 방법으로 광 파이버를 이용하는 것으로서, 예를 들어 불투명한 레진 내부에 잠긴 광 파이버로 광을 보내면 광 파이버의 단부에서 광이 출사되면서 인접한 레진이 광 경화되는 것이다.

수조 외부에 위치하는 광원에 연결되는 광 파이버의 일 단부를 도 1에 개략적으로 도시한 바와 같이, 수조 내의 광 경화성 레진 내부에 삽입 배치하고, 상기 광 경화성 레진 내부에서 광이 출사되는 광 파이버 단부의 위치와 방향을 변화시켜가면서 원하는 위치의 레진을 경화시키도록 하는 것이다. 레진 내부에 잠긴 광 파이버 단부의 위치(x,y,z) 및/또는 각도(방위각, 고도각)를 연속적으로 바꿔가면서 투사되는 광의 세기를 조절하면 원하는 형상을 레진 내부에서 만들어 낼 수 있다. 또한, 수조 내의 광 경화성 레진 내에 완전히 잠겨 있는 기존 구조물 위에 위와 같은 방식으로 임의의 3차원 형상을 직접 오버 프린팅할 수 있도록 한 것이다.

이때, 상기 레진 내에 잠겨진 기존 구조물 위의 경화하고자 하는 영역으로 광을 유도하기 위한 광 파이버를 수조 내에 복수개 삽입 배치함으로써, 도 2에 개략적으로 도시한 바와 같이, 여러 개의 파이버로 여러 방향에서 기존 구조물 위의 복수의 포인트에 동시에, 또는 같은 방향에서 나란히 배치된 여러 포인트를 동시에 출력할 수 있도록 하는 것이 프린팅의 속도를 향상시키기 위하여 바람직하다.

또한, 상기와 같이 광 경화성 레진 내에 삽입 배치되는 광 파이버에서 직접 광이 출사되는 단부가 주변의 레진과 직접 접촉하는 경우 광 파이버의 광 출사 단부에 레진이 경화되어 들러 붙는 문제가 발생될 수 있으므로, 즉, 도 3의 왼쪽에 개략적으로 도시한 바와 같이, 광이 출사되는 광 파이버 단부에 경화 영역이 붙어서 광 파이버와 같이 이동하면서 자라다 결국에는 광이 차단되어 더이상 경화가 일어나지 않게 된다. 이를 방지하기 위해서는 광 파이버의 광 출사 단부에 접촉하는 레진 영역이 경화가 되지 않게 하거나, 레진이 광 파이버와 접촉하지 않게 할 필요가 있을 것이다. 따라서 광 파이버의 광 출사 단부와 주변의 레진 영역과의 사이에 직접 접촉을 방지하는 갭층으로서 공기층 또는 산소층이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

알려진 바와 같이 UV광에 의한 광개시제의 활성화로 자유라디칼이 형성되고 이 자유라디칼은 모노머들의 이중결합과 반응하여 단일결합으로 된 고분자 체인을 형성한다. 이 과정에서 산소와 접촉되면 자유라디칼은 과산화기라는 안정화된 라디칼로 변하여 반응성이 낮아져 중합이 잘 일어나지 않게 된다. 따라서 광 파이버 단부에 공기층 또는 산소층을 형성함으로써 직접 접촉을 막고 산소에 의해 경계면의 레진은 광중합 즉 경화가 일어나지 않게 하여 광 파이버 단부에 경화된 레진이 붙는 것을 막을 수 있다.

산소에 의한 미경화 영역은 레진과 공기 또는 산소의 직접 접촉으로도 형성이 가능하지만, 듀폰사의 TEFLON AF fluoropolymer와 같은 산소투과막을 광 파이버의 광을 출사하는 말단 단부에 부착하여 공기 또는 산소 공급 영역과 레진 영역을 막으로 분리하여도 산소가 투과막을 통과하여 레진으로 확산되면서 경계면에서 광경화가 일어나지 않게 할 수 있다.

즉, 도 3의 오른쪽에 개략적으로 도시한 바와 같이, 경화된 영역이 광 파이버 단부에 붙지 않고 제자리에 있으며 광 파이버 이동 방향으로 경화 영역이 자라나 원하는 위치와 형상으로 광 경화가 가능하게 된다.

이하에서는, 위와 같은 본 발명의 핵심적 개념을 적용한 일 실시예에 따른 기존 구조물 위에 3차원 형상을 오버 프린팅하는 3D 프린팅 장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치에 포함되는 광 투사장치를 개략적으로 도시한 설명도이고, 도 5는 도 4에 도시된 광 투사장치에서 중공 튜브의 선단 팁 부분을 분리형으로 변경한 실시예에 대한 설명도이고, 도 6은 도 5에 도시된 선단 팁 부분의 확대 설명도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치는, 도 4에 개략적으로 도시한 바와 같이, 길이 방향으로 연장되는 광 파이버(10); 상기 광 파이버(10)의 적어도 광을 출사하는 단부가 삽입 고정되는 중공 튜브(20); 상기 광 파이버(10)의 타 단부로 광을 출사하는 광원(30)을 포함하는 광 투사 장치(100)를 포함하여 구성된다.

여기서, 본 발명에 따른 3D 오버 프린팅 장치는, 상기 광 투사 장치(100)의 상기 광 파이버(10)의 적어도 일 단부, 즉 광을 출사하는 단부는 광 경화성 레진이 담겨 있는 수조 내로 삽입되거나 또는 그로부터 배출될 수 있도록, 또한, 상기 광 파이버의 적어도 일 단부가 선택된 위치(x,y,z) 및/또는 각도(방위각, 고도각)를 갖도록 연속적으로 또는 단속적으로 구동될 수 있도록 구동부(미도시)에 연결되고, 상기 구동부 및 상기 광 투사 장치(100)의 광원(30)을 제어하기 위한 제어부(미도시) 등이 구비된다.

광 파이버에 의해 조사되는 UV광의 방향이 기존 구조물 표면에 대해 60도 ~ 90도 정도로 수직에 가깝게 되도록 광 파이버의 방향을 제어해야 한다. 기존 구조물 표면에 대한 각도가 수직에서 멀어질수록 조사되는 광의 형상이 타원형으로 변형되어 형상 정밀도가 저하될 수 있기 때문이다. 기존 구조물 표면이 평면에 가까운 경우 여러 개의 광 파이버를 같은 방향으로 나란히 배열하여 각각의 광 파이버와 기존 구조물의 표면과의 간격이 일정하도록 각각의 높낮이만 조절하면서 스캔하여 표면을 경화시킬 수 있지만, 굴곡이 심한 경우는 각 광 파이버 위치에 따라 기존 구조물의 표면에 수직인 방향이 달라지므로 이런 경우에는 각 광 파이버를 분리하여 독립적으로 구동하여야 한다.

이들 구동부 및 제어부의 구성 및 작동 원리 등은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 기술자라면 종래 기술을 적절히 선택하여 구성할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하고, 상기 광 투사 장치(100)에 대해서만 상세히 설명한다.

상기 광 파이버(10)는 일 단부(12)로부터 타측의 일 단부(14)를 향하여 광을 전달할 수 있도록 길이 방향으로 연장된 형태이며, 전체적인 프린팅 장치 또는 광 경화성 물질을 담고 있는 수조의 크기 등을 고려하여 적절한 길이를 갖도록 선택된다. 상기 광 파이버(10)의 직경은 경화하고자 하는 영역의 폭에 맞춰 코어 직경을 10 ~ 1000 um 정도 범위에서 선택하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광 파이버(10)에서 광이 출사되는 출사 단부(14)는 출사되는 광이 퍼지는 것을 모아주도록 렌즈 형태로 가공되거나, 콜리메이팅(collimating) 렌즈(16)를 부착하는 것이 바람직하다.

상기 광 파이버(10)의 적어도 일 단부인 출사 단부(14)가 삽입 고정되는 중공 튜브(20)는 주사 바늘과 같은 금속 또는 플라스틱 재질의 중공 형상의 튜브로서, 내부 중심에 상기 광 파이버(10)의 적어도 일 단부가 삽입 고정된 상태에서 광 경화성 레진의 내부로 또는 그 내부에서 주위 방향으로 상기 광 파이버(10)의 이동을 안정적으로 가이드하며 보호하는 역할을 한다. 상기 광 파이버(10)가 직접 레진과 접촉하는 것을 방지할 수 있도록 레진 내에 잠기는 부분은 상기 중공 튜브(20) 내에 삽입되어 보호되는 것이 바람직하다. 상기 광 파이버(10)가 삽입된 상태에서 상기 중공 튜브(20)의 상부 단부는 밀폐되고, 하부 단부는 레진을 향하여 개방된다. 상기 중공 튜브(20)의 직경은 0.2 ~ 5 mm 범위에서 선택하는 것이 바람직하다.

상기 중공 튜브(20)의 선단부는 상기 광 파이버(10)의 출사 단부(14) 또는 이에 부착되는 콜리메이팅 렌즈(16)의 끝단과 레진 영역이 직접 접촉하지 않도록 에어 갭(air gap)을 형성하기 위하여 상기 광 파이버(10)의 출사 단부(14)보다 더 길게 연장되도록 선단 팁(22)이 형성된다.

상기 중공 튜브(20)에는 상기 선단 팁(22)을 향하여 공기 또는 산소 등을 공급하기 위한 배관(24)이 연결된다.

상기 에어 갭 또는 선단 팁(22)의 두께(D)는 0.2 ~ 5.0mm 범위 내에서 선택되는 것이 바람직하다. 상기 공기 또는 산소는 상기 광 파이버(10)의 출사 단부(14)와 레진 영역 사이의 에어 갭을 형성하기에 적절한 압력을 제공할 수 있도록, 또한 작동 중에 가능한 한 일정한 압력을 제공할 수 있도록 공급 제어되는 것이 바람직하다. 이 또한 미도시된 제어부에 의하여 이루어진다.

한편, 상기 광 파이버(10)이 타측 단부(12)로 광을 출사하는 광원(30)은 접착제 등을 통해 직접 또는 광을 모아주기 위한 렌즈(32)를 통하여 상기 광 파이버(10)에 연결되고, 상기 광 경화성 물질이 UV 광에 경화되는 레진이라면 UV LED로 구성되는 것이 바람직하다.

이처럼 도 4에는 하나의 광 투사 장치(100)를 도시하였지만, 도 2에 개략적 도시한 바와 같이, 복수의 광 투사 장치(100)가 기존 구조물을 향한 여러 방향에 배치되도록, 또는 하나의 방향에서 나란히 배치되도록 구성함으로써 복수의 포인트에서 광 경화가 동시에 또는 순차적으로 진행될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 도 5에 개략적으로 도시한 바와 같이, 상기 광 파이버(10)의 단부 및 상기 중공 튜브(20)의 선단 팁(22) 부분의 오염을 막고 세정을 쉽게 하기 위해 상기 선단 팁(22) 부분을 분리할 수 있게 제조하는 것이 바람직하다.

이 경우 상기 광 파이버(10)와 콜리메이팅 렌즈(16) 등을 보호하기 위해 상기 분리형 선단 팁(22)이 분리된 상태에서의 상기 중공 튜브(20)의 본체 선단에는 투명한 윈도우(26)를 부착하여 밀폐형으로 구성하는 것이 바람직하다. 이때 공기 또는 산소 등을 공급하기 위한 배관(24)은 상기 분리형 선단 팁(22)에 직접 연결되어 상기 선단 팁(22) 내부 공간에 에어 갭을 형성하도록 한다.

또한, 상기 에어 갭과 레진의 경계를 산소투과막을 이용하여 형성하는 경우, 상기 선단 팁(22)의 끝에 필름 형태의 산소투과막(28)을 부착하여 사용할 수 있다. 이런 산소투과막(28)은 도 4의 일체형 튜브 끝단에도 부착하여 사용할 수 있다.

한편, 도 7에 개략적으로 도시한 바와 같이, 수조 내부에 담겨 있는 광 경화성 레진 내부에 다른 종류의 제2 또는 제3의 레진을 사용하여 경화하고자 하는 경우에는, 이들 레진을 별도로 공급하기 위한 레진 공급 배관(40)을 상기 광 투사 장치(100) 주변에 추가 설치할 수 있다.

상기 레진 공급 배관(40)은 상기 중공 튜브(20)에 부착하여 함께 이동할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 레진 공급 배관(40)의 말단 노즐을 통하여 이종 재료를 공급하면서 공급된 재료가 바로 광 투사 장치(100)로 광 경화되도록 하고, 필요에 따라 이동 방향으로 함께 이동하면서 이종 재료의 광 경화 작업이 진행될 수 있다. 이에 의해 주 레진 재료 내에 다른 재료로 임의의 형상을 출력할 수 있다.

상기 레진 공급 배관(40)은 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 제2 또는 제3 등의 레진을 각각 공급하기 위한 개별 노즐이 구비된 복수의 레진 공급 배관으로 구성되거나, 또는 복수의 제2 또는 제3 등의 레진을 각각 공급하는 배관들의 선단부에서 하나의 공통 노즐을 통하여 혼합 공급할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.

이하에서는 위와 같이 구성된 3D 프린팅 장치를 이용하여 기존 구조물 위에 3차원 형상을 오버 프린하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 오버 프린팅 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 3D 오버 프린팅 방법은, 오버 프린팅이 필요한 기존 구조물을 광 경화성 물질이 담긴 수조 내에 위치시키는 단계; 및 상기 기존 구조물 위의 경화하고자 하는 영역을 향하여 광 파이버의 광을 출사하는 단부를 상기 광 경화성 물질 내부로 투입하고 상기 광 파이버를 통하여 광을 투사하여 상기 경화하고자 하는 영역을 경화시키는 광 경화 단계;를 포함한다.

먼저, 광 경화성 레진이 담겨진 수조 내에 오버 프린팅이 필요한 기존 구조물을 위치시킨다.

외부 표면의 적어도 일부 위에 동종 또는 이종 재질의 오버 프린팅이 필요한 기존 구조물은 오목 또는 볼록한 형상이 조합된 다양한 형상의 구조물일 수 있고 투명하거나 금속처럼 불투명한 재질로 제작된 것일 수 있다.

상기 기존 구조물은 현재까지 알려진 다양한 방법으로 제조 가능하고, 그 표면은 그 위에 광 경화 접착 또는 결합되는 물질과의 접합력을 증가시키기 위해 사전에 표면을 거칠게 제작하는 것이 바람직하며, 그 수단으로 화학적 에칭, 샌드 블라스팅(sand blasting), 레이저 표면처리 등의 다양한 방법을 사용할 수 있다.

상기 기존 구조물은 상기 광 경화성 물질 내에 흔들림없이 위치하도록 고정될 필요가 있고, 필요에 따라 다양한 방식의 고정수단이 적절히 사용될 수 있다.

상기 광 경화성 레진은 투명한 레진은 물론, 불투명한 레진일 수 있다.

상기 광 경화 단계는 상기 기존 구조물 위에 형성하고자 하는 3차원 형상의 오버 프린팅에 적합하도록 상기 광 경화성 물질 내에서 상기 광 파이버의 광을 출사하는 단부의 위치 또는 각도를 변경하면서 경화하고자 하는 영역을 연속적으로 또는 단속적으로 경화시키는 단계이다.

한편, 상기 광을 출사하는 파이버의 단부 및 이를 둘러싸는 중공 튜브가 광 경화성 물질 내부에서 자유롭게 또한 신속하게 위치 또는 각도 등을 변경할 수 있도록 상기 수조 내에 담겨 있는 광 경화성 물질의 점도를 낮추기 위해 수조 내에 담겨 있는 광 경화성 물질을 가열하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 광 경화 단계는 도 2에 개략적으로 도시한 바와 같이, 상기 기존 구조물을 향하여 여러 방향에서 복수의 광 투사 장치를 사용하여 동시에 또는 순차적으로 광 경화시키거나, 또는 상기 기존 구조물을 향하여 동일한 방향에서 수평으로 배치된 복수의 광 투사 장치를 사용하여 동시에 또는 순차적으로 광 경화시키는 단계일 수 있다. 이 경우 상대적으로 크기가 크거나 형상이 복잡한 기존 구조물 위에 효율적으로 단기간에 오버 프린팅이 가능하게 된다. 또한 여러 포인트에서의 동일한 반복적인 패턴 형상의 출력이 동시에 가능하게 된다.

상기 광 경화 단계에서는 기존 구조물의 형상, 크기, 또는 오버 프린팅하고자 하는 3차원 형상의 크기나 구조적 특성 등을 고려하여 광 투사 장치를 어떻게 배치하고 광 경화 단계를 어떻게 디자인할 것인지 적절하게 선택하여 시행할 필요가 있다.

또한, 상기 광 경화 단계는 상기 광 파이버의 광을 출사하는 단부와 상기 경화하고자 하는 영역의 광 경화성 물질 사이에, 즉 도 4 등에 도시한 바와 같이 광 출사 단부(14)를 둘러싸는 중공 튜브(20)를 상기 광 출사 단부(14)보다 길게 연장하도록 선단 팁(22)을 형성하고, 그 선단 팁(22) 내부의 공간에 에어 또는 산소 등을 공급하여 에어 갭을 형성한 상태에서 광을 출사하여 경화를 진행하는 것이 바람직하다. 상기 에어 갭이 항상 일정한 두께로 형성 유지될 수 있도록 공급되는 에어 또는 산소의 양 등을 적절히 제어할 필요가 있다. 또한, 상기 선단 팁(22)의 끝에 필름 형태의 산소투과막(28)을 부착하여 사용함으로써 보다 확실하게 경화된 레진이 상기 중공 튜브(20)의 단부 등에 부착되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 광 경화 단계는 상기 경화하고자 하는 영역에 이종의 광 경화성 물질을 공급하면서 상기 광 파이버를 통하여 광을 투사하여 경화시킴으로써, 수조에 담겨 있는 제1의 광 경화성 물질의 오버 프린팅과는 별개로, 그와 이종의 제2 또는 제3의 광 경화성 물질을 동시에 또는 순차적으로 오버 프린팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.

도 6 및 도 7에 개략적으로 도시한 바와 같이, 이종의 제2 또는 제3의 광 경화성 물질이 광 투사 장치(100)에 인접 배치된 이종의 광 경화성 물질 공급 배관(40)을 통해 경화 영역으로 제공되고 광 투사 장치(100)에 의하여 경화되도록 하는 것이다. 상기 공급 배관(40)은 광 투사 장치(100)에 연결되어 함께 이동됨으로써, 연속적인 경화가 이루어질 수 있다. 상기 제2 또는 제3의 광 경화성 물질은 각각 개별적으로 공급될 수도 있고, 경화 영역에 공급되기 직전에 혼합되어 공급될 수도 있다. 여기서, 이종의 광 경화성 물질이란 조성 성분이나 배합비율 등이 다른 물질은 물론, 다른 종류의 착색제 등을 포함함으로써 색상이 다른 물질도 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이에 의해 복수의 색상 등으로 구분되는 3차원 형상이 오버 프린팅될 수도 있게 된다.

위와 같은 광 경화 단계가 최종적인 오버 프린팅 형상이 완료될 때가지 상기 광 파이버의 출사 단부의 위치 또는 각도를 변경하면서 지속된다. 그 후에는 수조에서 기존 구조물 위에 오버 프린팅된 최종 출력물을 꺼낸 후 마무리 처리를 진행한다.

10 : 광 파이버
20 : 중공 튜브
22 : 선단 팁
30 : 광원
40 : 이종의 광 경화성 물질 공급 배관

Claims

삭제
기존 구조물 위에 3차원 형상을 오버 프린팅(over-printing)하는 3D 오버 프린팅 장치로서,
길이 방향으로 연장되는 광 파이버;
상기 광 파이버의 적어도 광을 출사하는 단부가 삽입 고정되는 중공 튜브; 및
상기 광 파이버의 타 단부로 광을 출사하는 광원;
을 포함하는 광 투사 장치를 포함하고,
상기 광 파이버의 광을 출사하는 단부는 광 경화성 물질을 담고 있는 수조에 잠겨 있는 기존 구조물을 향하여 상기 광 경화성 물질 내부로, 또한 상기 기존 구조물 위에 형성하고자 하는 3차원 형상의 오버 프린팅에 적합하도록 상기 광 경화성 물질 내에서 위치 또는 각도가 변경되도록 구동 가능하고,
상기 중공 튜브는 내부에 삽입 고정된 상기 광 파이버의 광을 출사하는 단부보다 더 길게 연장되는 선단 팁; 및 상기 선단 팁 내부의 공간을 향하여 공기 또는 산소를 공급하는 배관을 더 포함하는, 3D 오버 프린팅 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 선단 팁은 상기 중공 튜브로부터 분리 가능하게 제조되고, 상기 선단 팁이 분리된 상기 중공 튜브의 말단은 투명 윈도우에 의해 폐쇄되어 있는, 3D 오버 프린팅 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 중공 튜브는 상기 선단 팁 말단에 부착되는 산소투과용 막을 더 포함하는, 3D 오버 프린팅 장치.
청구항 2에 있어서,
이종의 광 경화성 물질을 상기 수조 내의 광 경화성 물질 내부로 공급하여 광 경화시키기 위하여 상기 중공 튜브의 선단 팁 근처에 방출 노즐이 배치되는 이종의 광 경화성 물질 공급 배관을 더 포함하는, 3D 오버 프린팅 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 광 투사 장치가 상기 기존 구조물을 향한 여러 방향에서, 또는 동일한 방향에서 수평으로 복수개 배치되는, 3D 오버 프린팅 장치.
청구항 2 내지 청구항 6 중의 어느 하나의 청구항에 기재된 3D 오버 프린팅 장치를 이용하여 기존 구조물 위에 3차원 형상을 오버 프린팅(over-printing)하는 3D 오버 프린팅 방법으로,
오버 프린팅이 필요한 기존 구조물을 광 경화성 물질이 담긴 수조 내에 위치시키는 단계; 및
상기 기존 구조물 위의 경화하고자 하는 영역을 향하여 상기 광 파이버의 광을 출사하는 단부를 상기 광 경화성 물질 내부로 투입하고 상기 광 파이버를 통하여 광을 투사하여 상기 경화하고자 하는 영역을 경화시키는 광 경화 단계;를 포함하고,
상기 광 경화 단계는 상기 기존 구조물 위에 형성하고자 하는 3차원 형상의 오버 프린팅에 적합하도록 상기 광 경화성 물질 내에서 상기 광 파이버의 광을 출사하는 단부의 위치 또는 각도를 변경하면서 경화시키는 단계이고,
상기 광 경화 단계는 상기 광 파이버의 광을 출사하는 단부와 상기 경화하고자 하는 영역의 광 경화성 물질 사이에 에어 갭을 형성한 상태에서 광을 출사하는 단계를 포함하는, 3D 오버 프린팅 방법.
삭제
청구항 7에 있어서,
상기 광 경화 단계는 상기 경화하고자 하는 영역에 이종의 광 경화성 물질을 공급하면서 상기 광 파이버를 통하여 광을 투사하여 경화시키는 단계를 더 포함하는, 3D 오버 프린팅 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 광 경화 단계는 상기 기존 구조물을 향하여 여러 방향에서 복수의 광 투사 장치를 사용하여 동시에 또는 순차적으로 광 경화시키는 단계를 더 포함하는, 3D 오버 프린팅 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 광 경화 단계는 상기 기존 구조물을 향하여 동일한 방향에서 수평으로 배치된 복수의 광 투사 장치를 사용하여 동시에 또는 순차적으로 광 경화시키는 단계를 더 포함하는, 3D 오버 프린팅 방법.