KR102308704B1 - 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3d 프린터 - Google Patents

실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3d 프린터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리니어 액추에이터, 리니어 액추에이터에서 상하 방향으로 움직이는 제작 플랫폼, 제작 플랫폼의 상단에 배치되며 제작 플랫폼에 가해지는 접착력을 측정하는 접착력 측정수단; 및 제작 플랫폼에 의해 구조물로 성형되어지는 광경화 수지를 수용하는 레진 수조를 포함하는 3D 프린터에 있어서, 레진 수조는, 광 투과가 가능한 부재; 및 부재의 상면 가장자리를 따라 형성된 벽체;를 포함하되, 벽체 중 일 측면은 수용되는 광경화 수지를 관찰할 수 있도록 벽체의 나머지 측면 보다 낮은 높이로 형성되고, 벽체 중 리니어 액추에이터와 근접한 측면 에는 접착력에 기초하여 가동되며 제작 플랫폼과 부재 사이의 접착력을 해소시키는 국부손상 해소수단이 배치되도록 구성된 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터이다.

Description

실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터{A VAT PHOTOPOLYMERIZATION 3D PRINTER MEASURING ADHESION FOR REAL-TIME}
본 발명은 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제작 구조물의 접착력을 실시간으로 측정함으로써 적층되는 재료와 레진 수조 사이의 접착력을 균일하게 개선함으로써 제품의 완성도를 효과적으로 증대시킬 수 있는 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터에 관한 것이다.
종래의 광중합 방식의 3D 프린터는 탑다운(Top-down) 방식과 바텀업(Bottom-up) 방식으로 구분할 수 있다.
탑다운 방식의 3D 프린터는 수조(Vat)에 채워진 레진(Resin) 재료(Photopolymer)의 상부에서 광원을 조사하여 경화시키고, 경화된 재료가 제작 플랫폼(Platform)의 상면 고정된 상태에서 Z축 구동부가 하부 방향으로 이동하면서 다음 재료 층들이 상부 방향으로 적층되면서 제작된다.
바텀업 방식의 3D 프린터는 수조에 채워진 레진의 하부에서 광원을 조사하여 재료를 경화시키고, 경화된 재료가 제작 플랫폼을 하면에 고정된 상태에서 Z축 구동부가 상부 방향으로 이동하면서 다음 재료 층이 하부 방향으로 적층되면서 제작된다.
이중 탑다운 방식의 3D 프린터는 구조물의 매 층을 제작하기 위해 리코터(Recoater)가 사용되는 반면, 바텀업 방식의 3D 프린터는 구조물 제작 시 리코터를 생략하고 제작할 수 있다.
그러나, 바텀업 방식의 3D 프린터는 제작 플랫폼의 아랫쪽에 구조물이 생성되기 때문에 크고 무거운 구조물 제작 시 수조 하부에서 발생하는 접착력에 의한 제작 실패가 빈번하게 발생했다.
상술한 종래 바텀업 방식의 3D 프린터의 단점을 해결하기 위하여 개발된 것이 이형제("이형 필름"이라고도 함)이다.
이형제는 수조에 도포되어 수조의 하부에서 접착력을 해소하는 역할을 수행할 수 있도록 구성되나, 수조의 이형제는 일반적으로 소모품에 해당되므로 일정 사용 이후에는 교체가 필요하다. 하지만, 이 또한, 사용자가 교체 시기를 정확히 판단하는 것이 어렵기 때문에 단 하나의 층의 접착 문제가 구조물 전체가 무너지는 파손을 초래할 수 있다.
발명의 배경이 되는 기술은 본 발명에 대한 이해를 보다 용이하게 하기 위해 작성되었다. 발명의 배경이 되는 기술에 기재된 사항들이 선행기술로 존재한다고 인정하는 것으로 이해되어서는 안된다.
본 발명은 종래 바텀업 방식 기반의 광중합 3D 프린터의 접착력과 같은 문제점을 해소하기 위하여 개발한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 제작 플랫폼 상에 접착력 측정수단을 설치함으로서 실시간으로 접착력을 측정하여 매 층마다 형성되는 단면적 대비 접착력을 측정함에 따라 이형력이 증대된 제품 테스트가 가능한 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 레진 수조에 국부손상 해소수단을 결합하여 제품의 효율성이 극대화된 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 레진 수조와 재료 사이의 접착력을 실시간으로 측정함에 따라 사용자에게 정확한 부품 교체 시기를 안내하여 제품의 안정성 확보가 가능한 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 접착력 측정수단에 의해 필름의 국부적 손상을 해소함으로써 필름의 수명을 효과적으로 연장시킬 수 있는 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 제작 실패 발생시 즉각적으로 작동을 중지함으로써 재료의 소모를 최소화하여 시장 경쟁력을 향상시킬 수 있는 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터는 리니어 액추에이터, 리니어 액추에이터에서 상하 방향으로 움직이는 제작 플랫폼, 제작 플랫폼의 상단에 배치되며 제작 플랫폼에 가해지는 접착력을 측정하는 접착력 측정수단; 및 제작 플랫폼에 의해 구조물로 성형되어지는 광경화 수지를 수용하는 레진 수조를 포함하는 3D 프린터에 있어서, 레진 수조는, 광 투과가 가능한 부재; 및 부재의 상면 가장자리를 따라 형성된 벽체;를 포함하되, 벽체 중 일 측면은 수용되는 광경화 수지를 관찰할 수 있도록 벽체의 나머지 측면 보다 낮은 높이로 형성되고, 벽체 중 리니어 액추에이터와 근접한 측면 에는 접착력에 기초하여 가동되며 제작 플랫폼과 부재 사이의 접착력을 해소시키는 국부손상 해소수단이 배치될 수 있다.
또한, 레진 수조의 하부에는 제작 플랫폼의 하면에 한 층씩 적층되도록 레이저 빔을 조사하여 광경화 수지를 광경화시키는 광원부를 더 포함할 수 있다.
또한, 접착력 측정수단은, 광경화 수지가 레이저 빔에 의해 광중합반응(photopolymerizaion)이 일어나기 전과 후의 레진 수조 및 광경화 수지 사이의 접착 정도를 비교하여 접착력을 측정할 수 있다.
또한, 접착력 측정수단을 이용하여 측정한 접착력에 대한 정보를 수신하고, 수신한 접착력에 기초하여 레진 수조의 움직임을 제어하는 접착력 탐지장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 레진 수조는 정사각형, 직사각형 및 원형의 형상 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 레진 수조는 국부손상 해소수단에 의해 직선 방향, 시계 방향 및 반시계 방향 중 어느 한 방향으로 움직일 수 있다.
또한, 접착력이 미리 정해진 값보다 큰 경우, 접착력 측정수단은 국부손상 해소수단을 이용하여 제작 플랫폼이 부재의 타 영역을 이용하여 구조물을 제작하도록 레진 수조를 이동시킬 수 있다.
또한, 부재는 테프론 필름 및 PDMS(PolyDiMethylSiloxane)를 포함하는 이형 필름일 수 있다.
또한, 테프론 필름은 필름은 FEP(Fluorinated Ethylene Propylene) 필름 및 PFA(PerFluoroAlkoxy) 필름 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다.
본 발명은 제작 플랫폼 상에 접착력 측정수단을 설치함으로서 실시간으로 접착력을 측정하여 매 층마다 형성되는 단면적 대비 접착력을 측정함에 따라 이형력을 효과적으로 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 실시간으로 접착력을 측정함에 따라 사용자에게 정확한 부품 교체 시기를 안내하여 제품의 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명은 접착력 측정수단에 의해 필름의 국부적 손상을 해소함으로써 필름의 수명을 효과적으로 연장시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 제작 실패 발생시 즉각적으로 작동을 중지함으로써 재료의 소모를 최소화하여 시장 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 후면을 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 구동 방법을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 구동 방법을 나타낸 예시도이다.
도 6은 이형제 성분 별 접착력을 비교한 그래프를 도시한 예시도이다.
발명의 이점, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우, '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 구성도이다. 도 1에서는 편의상 3D 프린터(100)의 리니어 액추에이터(110) 및 레진 수조(140)만을 도시하였다. 3D 프린터(100)에 구성된 구성품들은 도 2에 도시된 바와 같이 케이스 내에 배치되며 케이스의 하면에 고정되는 것을 알 수 있다.
3D 프린터(100)는 재료가 부착된 제작 플랫폼을 상향으로 이송시키면서 층층이 구조물(혹은 3D 출력물)을 형성시켜 적층하는 바텀업(Bottom-up) 방식의 프린터이다. 여기서, 재료는 후술하는 광경화 수지가 레이저 빔(혹은 자외선, 가시광선일 수도 있음)에 의해 경화된 상태를 지칭하는 의미로 해석되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 3D 프린터(100)는 광중합 방식(Vat Photopolymerization)의 3D 프린터이다. 예컨대, 본 발명의 3D 프린터는 DLP방식, Formlabs사 Form시리즈 및 SLA방식에서도 적용가능하다.
3D 프린터(100)는 통신 네트워크를 통해 접착력 탐지장치(900)와 연결될 수도 있다. 본 발명에서 접착력 탐지장치(900)는 일종의 서버 장치로 동작하는 것으로 가정하여 설명하기로 한다. 본 명세서에서 통신 네트워크는 무선 또는 유선일 수 있고, 서버, 라우터, 스위치, 무선 수신기 및 송신기 등은 물론 전기 전도성 케이블 또는 광 케이블을 포함할 수 있다. 통신 네트워크는 LAN(Local Area Network), WAN(Wide Area Network), 또는 다른 클라우드 네트워크를 포함할 수 있다.
접착력 탐지장치(900)는 필름(150)과 재료 사이의 접착 상태 및 접착력에 대한 정보를 수신하여 필름(150)과 재료 사이의 접착력을 실시간으로 모니터링하는 구성이다.
3D 프린터(100)는 광경화 수지를 수용하는 레진 수조(140), 레진 수조(140)의 상단에 배치되어 레진 수조(140)에 수용된 광경화 수지(이하, “광중합 재료” 또는 “레진 재료”라고도 함)의 하부에서 레이저(Laser) 빔을 조사하는 광원부, 레진 수조(140)에 수용된 광경화 수지 내에 위치하며 재료(Liquid Photopolymer)가 고정되는 제작 플랫폼(130), 제작 플랫폼(130)을 Z축 방향으로 이동시키는 리니어 액추에이터(110), 리니어 액추에이터(110)의 움직임을 제어하는 서보모터(114) 및 리니어 액추에이터(110)의 일 영역으로부터 연장되며 접착력을 측정하는 접착력 측정수단(122)을 포함한다.
레진 수조(140)에는 액상의 광경화 수지(Photo Curing resin)가 수용된다. 광경화 수지는 제작 플랫폼(130)에 고정된 재료가 제작 플랫폼(130)의 이동에 따라 다음 재료층을 경화시키는 역할을 수행한다. 구체적으로, 레진 수조(140)는 광 투과가 가능한 부재(후술되는 투명 플레이트(150))와 상기 부재의 상면 가장자리를 따라 형성된 벽체로 구성된다. 이때, 벽체는 사면으로 이루어져 있으며, 벽체 중 일 측면은 수용되는 광경화 수지를 관찰할 수 있도록 벽체의 나머지 측면 보다 낮은 높이로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 도 2와 같이, 벽체 중 리니어 액추에이터(110)와 근접한 위치에 배치된 측면에는 국부손상 해소수단(160, 170)이 배치되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 국부손상 해소수단은 접착력에 기초하여 가동되며 제작 플랫폼(130)과 상기 부재 사이의 접착력을 해소시키는 역할을 수행한다. 이와 관련된 구체적인 동작은 후술하기로 한다.
광경화 수지는 제작하려는 구조물의 높이와 상관없이 하부에 일정량만큼 채워지는 것을 기본으로 한다. 여기서, 광경화 수지는 빛에 반응하는 아크릴이나 에폭시 계열의 광경화 수지로 실시될 수 있으나, 이에 실시예가 한정되는 것은 아니다.
레진 수조(140)의 하부에는 투명 플레이트가 형성된다. 투명 플레이트에는 광학적으로 투명한 이형제가 도포됨으로써 후술하는 제작 플랫폼(130)에 고정된 재료가 레진 수조(140)에 부착되는 형상을 방지하는 것을 특징으로 한다.
레진 수조(140)의 일 측면에는 랙(Rack)과 피니언(Pinion)으로 이루어진 국부손상 해소수단(160, 170)이 형성된다. 랙은 피니언에 의해 좌우 방향으로 이동한다.
레진 수조(140)는 직사각형이나 원형 형상으로 형성될 수 있고, 또는 캡슐 형상으로 형성될 수도 있다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.
투명 플레이트(150, 이하, “광 투과가 가능한 부재” 혹은 “필름”이라고도 함)는 레진 수조(140)의 형상에 대응하도록 형성되며, 플레이트 및 플레이트에 코팅되며 광이 투과될 수 있도록 광학적으로 투명한 필름이 혼합되는 형태로 실시된다. 여기서, 투명한 필름(150)은 테프론 필름, PDMS(PolyDiMethylSiloxane) 등일 수 있다. 여기서, 테프론 필름은 FEP(Fluorinated Ethylene Propylene), PFA(PerFluoroAlkoxy) 일 수 있다. 이에, 실시예가 한정되는 것은 아니며, 유리판이나 아크릴판과 같이 자체적으로 투명한 플레이트일 수 있다.
접착력 측정수단(122)은 단위면적당 가해지 힘(인장 혹은 압축)을 측정하는 센서로서, 제작 플랫폼(Platform, 130)에 가해지는 하중(load)을 측정한다. 접착력 측정수단(122)은 제작 플랫폼(130)에 가해지는 하중을 측정하면서 일정 이상의 무게를 감지하였을 때, 레진 수조(140) 움직임을 통해 보다 쉽게 접착력을 해소할 수 있다. 이와 관련한 내용은 후술하기로 한다. 한편, 본 명세서에서 접착력 측정수단(122)은 로드셀(Loadcell)이라고 지칭될 수 있다.
접착력 측정수단(122)은 Z축 방향으로 이송되도록 볼스크류(Z-axis ball screw, 112)가 구비된 리니어 액추에이터(Linear actuator, 110)의 함몰된 측면에 배치된다.
리니어 액추에이터(110)는 수직 방향과 평행한 방향으로 연장되며 상단에는 서보모터(Servo motor, 114)가 배치된다. 이때, 리니어 액추에이터(110)의 움직임을 제어하는 모터는 이에 제한되지 않으며, 예컨대, 스텝 모터 등이 사용될 수도 있다.
리니어 액추에이터(110)의 일 측면은 편평하게 형성되고 타 측면은 함몰된 형상으로 형성된다. 리니어 액추에이터(110)가 함몰된 측면에는 볼스크류(112)가 리니어 액추에이터(110)의 길이 방향과 평행하게 배치되며 볼스크류(112)의 가장자리에는 나사선이 형성되어 볼스크류(112)에 고정된 접착력 측정수단(122)이 상하 방향으로 이송할 수 있도록 도와준다.
구체적으로, 볼스크류(112)에는 볼스크류의 나서선의 움직임에 따라 상하방향으로 움직이는 블록(113)가 리니어 액추에이터(110)의 함몰된 형상에 대응하도록 형성되어 고정된다. 이때, 블록(113)의 일면에는 적어도 4개의 나사에 의해 지지대(121)가 고정된다. 지지대(121)는 블록(113)에 고정되는 면과 반대측에 고정되는 접착력 측정수단(122)을 지지하기 위한 구성이다. 지지대(121)의 반대측에는 나사에 의해 접착력 측정수단(122)이 고정될 수 있다.
접착력 측정수단(122)은 'ㄹ'자 형상으로 형성될 수 있지만, 이에 형태가 제한되는 것은 아니다. 접착력 측정수단(122)은 지지대(121)가 형성된 방향과 수직한 방향으로 형성된다.
접착력 측정수단(122)의 하단에는 접착력 측정수단(122)과 후술하는 제작 플랫폼(130)을 고정시키는 고정부(123)가 배치된다. 고정부(123)는 추의 형태로 형성되는 것으로 개시하였지만, 이에 형태가 제한되는 것은 아니며, 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(100)의 동작에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 후면을 나타낸 예시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 구동 방법을 나타낸 예시도이다. 본 발명의 3D 프린터는 도 2와 같이 케이스에 구성되며 설명의 편의를 위해 간략히 도시하였다.
도 3을 참조하면, 리니어 액추에이터(110)의 일영역에 고정된 블록(113)에 의하여 접착력 측정수단(122)이 Z축 방향으로 이송된다.
리니어 액추에이터(110)의 베이스(111)에 구비된 볼스크류(112)에는 블록(113)이 체결되고, 블록(113)은 볼스크류(112)를 둘러싼 나사선의 움직임에 의해 Z축 방향으로 움직인다. 블록(113)에 고정된 지지대(121)와 수직한 방향으로 고정된 접착력 측정수단(122)은 블록(113)의 움직임에 대응하여 Z축 방향으로 움직인다.
접착력 측정수단(122)의 하면에는 제작 플랫폼(130)이 고정되며, 리니어 액추에이터(110)의 움직임에 따라 제작 플랫폼(130)의 하면에 제작하려는 구조물이 한층씩 적층되어진다. 이때, 제작 플랫폼(130)에는 하부에서 조사되는 레이저 빔에 의해 액상의 광경화 수지가 광중합반응 (photopolymerizaion, 이하 열화반응이라고도 함)되어 경화된 고체의 재료가 층층이 적층된다.
제작하고자 하는 구조물의 형태에 따라 조사되는 레이저 빔에 의해 재료에 광중합반응이 일어나는 순간에는 레진 수조(140)와 재료 사이에 접착이 생기고, 다음 층들을 쌓기 위해서 레진 수조(140)와 재료 사이에 생성된 접착이 떼어지면서 다음 층 재료와 레진 수조(140)와 접착이 다시 생성된다. 즉, 레진 수조(140)와 재료 사이에는 탈착(脫着)이 반복적으로 이루어지게 된다.
접착력 측정수단(122)은 광중합반응에 의해 재료의 탈착이 반복적으로 이루어지는 과정에서 레진 수조(140)와 재료 사이의 접착력을 실시간으로 측정하게 된다.
본 발명의 3D 프린터(100)는 바텀업 방식으로 동작하는 프린터이기 때문에 구조물에 크랙(Crack)이 생기지 않도록 제작하기 위해서 제작 플랫폼(130)과 재료 사이의 접착력(플랫폼-재료)이 재료와 레진 수조(140) 사이의 접착력(재료-레진) 보다 큰 값을 갖도록 유지해야 한다. 이때, 제작 플랫폼(130)과 재료 사이의 접착력은 구조물 제작 초기 과정에서 결정되며, 전 공정에서 일정한 값을 갖는 것을 기본으로 한다.
이에, 접착력 측정수단(122)은 실시간으로 접착력을 측정하여 접착력 탐지장치(900)로 접착력에 대한 값을 전송한다. 이때, 접착력 측정수단(122)은 매 층이 적층될 때마다 층 단위로 레진 수조(140)와 재료 사이의 접착력을 측정하는 것을 기본으로 하되, 측정 간격(혹은 단위)는 필요에 의해 설계 변경 가능하다.
레진 수조(140)와 재료 사이의 접착력에 대한 값을 일정 간격으로 수신하는 접착력 탐지장치(900)는 접착력의 값 변화를 비교하고, 접착력에 기초하여 레진 수조(140)의 동작을 제어할 수 있다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.
한편, 본 발명에서 접착력 측정수단(122)에 의해 측정된 접착력에 대한 값이 점차 증가할 경우(다음 재료 층을 적층함에 따라 접착력 측정수단(122)에 일정 이상의 무게가 감지되는 경우)에는 필름(150)에 문제가 생긴 것으로 판단한다. 구체적으로, 필름(150)에 문제가 생긴 경우는 필름(150)이 마모되어 접착의 기능이 상실된 경우 및 열화반응에 의한 필름(150)의 늘어짐(sagging) 현상이 발생한 경우를 포함할 수 있다.
접착력 측정수단(122)이 측정한 접착력에 기초하여 레진 수조(140)와 재료 사이의 접착 상태를 확인한 후, 필름(150)에 문제가 발생한 것으로 판단되는 경우에는 레진 수조(140)의 움직임을 통해 보다 쉽게 접착력을 해소할 수 있도록 한다. 다시 말해, 접착력이 미리 정해지 값보다 큰 경우, 접착력 측정수단(122)은 국부손상 해소수단(160, 170)을 이용하여 제작 플랫폼(130)이 부재(150)의 타 영역을 이용하여 구조물을 제작하도록 레진 수조(140)를 이동시킨다.
예컨대, 다음 재료 층을 제작하기 위해 제작 플랫폼(130)이 상승될 때, 제작 플랫폼(130) 하부에 부착된 재료와 필름 사이에 불필요한 접착이 발생할 수 있기 ‹š문에, 이경우에 레진 수조(140)를 일 방향 또는 양 방향으로 흔들어줌으로써 필름의 수명을 연장시킬 수 있다. 즉, 직사각형의 레진 수조(140)의 일측면에 부착된 국부손상 해소수단(160, 170)를 이용하여 수평방향으로 왕복 운동시킴으로써 필름(150)과 재료 사이의 접착력을 보다 쉽게 해소할 수 있다.
구체적으로, 직사각형의 레진 수조(140)가 구비된 3D 프린터(100)는 레진 수조(140)의 일부 영역에만 구조물을 형성한다. 도 3 (a)와 같이 레진 수조(140)의 우측 영역만을 지속적으로 사용하게 되면 상술한 필름(150)의 마모 또는 늘어짐 현상이 발생할 수 있다. 이에, 레진 수조(140)에 구비된 필름(150)의 우측에는 마모 영역(WA)이 형성될 경우, 접착력 탐지장치(900)는 레진 수조(140)의 일측면에 부착된 국부손상 해소수단(160, 170)의 동작으로 제어함으로써 레진 수조(140)를 수평방향으로 이동시킨다.
도 3 (b)를 참조하면, 접착력 탐지장치(900)에 의해 레진 수조(140)가 직선 방향으로 이동할 경우, 제작 플랫폼(130)에 부착되어 형성되는 구조물은 레진 수조(140)의 왼쪽 영역(즉, 우측의 마모 영역(WA)을 제외한 영역)을 사용하여 제작되게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(100)는 도 3 (a)에서 (b)과정을 적어도 한 번 수행할 수 있고, 필름의 접착 상태에 따라서 2회 이상 반복할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(100)는 레진 수조(140)를 움직이며 필름의 다른 면을 번갈아가며 사용하기 때문에 먼저 사용된 필름의 일 면에서 발생한 경화열이 식는 동안 필름의 다른 면을 사용하는 과정을 반복함으로써 필름의 일 면에 경화열이 지속적으로 쌓이는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라, 필름의 수명을 효과적으로 연졍할 수 있는 효과가 있다.
종래의 3D 프린터는 레진 수조의 하부에 위치한 광원에 의해 레이저 빔이 지속적으로 조사됨에 따라 레진 수조의 하면에 구비된 이형제가 도포된 필름에 지속적으로 열이 가해져 필름에 주름이 지는(혹은 늘어지는) 울리불리 현상이 생기는 문제가 있었다.
또한, 레진 수조에 수용된 광경화 수지가 광중합반응에 의해 경화됨에 따라 레진 수조의 하면에 배치된 필름과 재료(광경화 수지가 경화된 상태) 사이에 접착이 생성된다. 그러나, 다음 층들을 쌓는 과정에서 필름과 재료 사이에는 탈착이 반복적으로 이루어지게 된다. 이에 따라, 필름이 마모(磨耗)되기 때문에 필름의 기능이 상실되었다고 판단되는 경우에는 적절한 시점에 필름의 교체가 이루어져야 하지만, 사용자들이 적절한 필름 교체시기를 판단하기에는 어려움이 존재한다. 다시 말해, 레진 수조에 구비되는 필름은 광학적으로 투명한 특성을 갖기 때문에 종래의 3D 프린터를 사용하는 사용자들은 필름의 마모 여부를 판단하는데에는 어려움이 있었다.
다시 말해, 종래의 바텀업 방식의 3D 프린터에서는 필름과 재료 사이의 접착력을 측정하는 접착력 측정수단(예컨대, 본 발명의 로드셀)과 필름의 국부적 손상을 해소시켜 주는 국부적 손상 해소 수단(예컨대, 본 발명의 국부손상 해소수단)을 동시에 구비하는 구성이 없었다. 따라서, 필름의 국부적 손상에 의해 3D 출력물이 파손되거나 출력의 품질이 현저히 떨어지는 경우가 많아서, 상업화(예컨대, 치기공물 제조)가 어려웠다.
이에 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터는 접착력 측정수단인 로드셀과 국부적 손상 해소 수단인 국부손상 해소수단을 동시에 구비함으로써, 3D 출력물의 파손 및 품질저하를 방지할 수 있다.
또한, 접착력 측정수단에 의해 반드시 필요하는 경우에만 국부적 손상을 해소시켜 주기 때문에 필름의 수명을 효과적으로 연장시켜줄 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(100)는 제작 플랫폼(130)의 상단에 로드셀(122)을 부착하여 레진 수조(140)와 재료 사이의 접착력을 실시간으로 측정함으로써 제품의 이형력을 효과적으로 증대시킬 수 있다.
또한, 실시간으로 접착력을 측정함에 따라 사용자에게 정확한 부품 교체 시기를 안내하여 제품의 안정성을 확보할 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(400) 및 동작에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 구성도이다. 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 구동 방법을 나타낸 예시도이다. 도 4 내지 도 5에 도시된 3D 프린터(400)는 도 1 내지 도 3에 도시된 3D 프린터(100)와 구비되는 레진 수조(440)와 제작 플랫폼(430)의 형태만 상이할 뿐 나머지 구성은 실질적으로 동일하므로 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 4를 참조하면, 3D 프린터(400)는 제작 플랫폼(430)을 Z축 방향으로 이송시키는 리니어 액추에이터(110), 리니어 액추에이터(110)의 블록(113)에 고정되어 연장된 지지대(121)와 수직한 방향으로 형성된 접착력 측정수단(122), 접착력 측정수단(122)의 하면에 고정된 원형의 제작 플랫폼(430) 및 제작 플랫폼(430) 원형의 레진 수조(440)를 포함한다.
레진 수조(440)의 외측면에는 가장자리를 따라 국부손상 해소수단(460, 470)가 형성된다. 국부손상 해소수단(460, 470)는 상술한 국부손상 해소수단(160, 170)와 같이 접착력 측정수단(122)에 의해 측정된 접착력을 기초로 레진 수조(440)를 운동시키기 위한 구성으로서, 레진 수조(440)를 일 방향으로 회전시킬 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터(400)는 레진 수조(140)의 가장자리읠 일측 끝단에는 랙(Rack)과 피니언(Pinion)으로 이루어진 국부손상 해소수단(460, 470)이 형성된다. 랙은 피니언에 의해 시계/반시계 방향으로 이동한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터(400)는 원형 형상을 갖는 레진 수조(440)를 구비함에 따라 레진 수조(440)의 하면에 형성되는 필름(450)도 원형을 갖는다. 이때, 접착력 측정수단(122)의 하단에 위치한 제작 플랫폼(430)의 단면적은 원형을 갖도록 형성된다.
레진 수조(440)를 원형으로 제작할 경우, 모서리의 경계가 굴곡진 구조물을 제작할 때 유리하다. 즉, 레진 수조(440)에 수용된 액체성 광경화 수지를 증가함에 따라 구조물 제작 시 효율성을 증대시킬 수 있다.
또한, 원형의 레진 수조(440) 상에 제작 플랫폼(430)의 단면적을 원형으로 형성할 경우, 레진 수조(440)의 하단에 구비된 필름(450)의 사용면적을 늘릴 수 있다. 다시 말해, 가장자리가 굴곡진 구조물은 제작 플랫폼(430)의 단면적으로 최대한 활용하여 사용할 수 있기 때문에 레이저 광원에 의해 조사되는 레이저 빔은 제작 플랫폼(430)과 대응한 위치에 형성된 필름(450)의 단면적을 최대한 활용할 수 있다.
이에 따라, 필름(450)의 단면적 대비 사용 면적을 증가시킬 수 있으므로 구조물 제작 시 효율성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터(400)는 접착력 측정수단(122)에 의해 측정한 접착력을 기반으로 레진 수조(440)에 부착된 국부손상 해소수단(460, 470)를 이용하여 레진 수조(440)에 구비된 필름(450)의 전 영역을 효과적으로 사용함으로써 제품의 실용성을 극대화할 수 있다.
또한, 접착력 측정수단(122)을 이용하여 실시간으로 접착력을 측정하여 매 층마다 형성되는 단면적 대비 접착력을 측정함에 따라 제품의 이형력을 효과적으로 증대시킬 수 있다.
도 6은 이형제 성분별 접착력을 비교한 그래프를 도시한 예시도이다.
도 6을 참조하면, 이형제가 테프론 필름인 경우, 0.1sec당 0.01kg/cm2 정도의 접착력을 갖는다. PDMS 필름의 경우, 0.1sec당 0.5kg/cm2 정도의 접착력을 갖는다. 이형제가 유리 자체인 경우, 0.1sec 당 0.5kg/cm2 정도의 접착력을 갖는다. 아크릴의 경우, 1sec당 1kg/cm2 정도의 접착력을 갖는다.
따라서, 이형제는 낮은 표면 에너지를 갖는 테프론 필름, PDMS가 높은 표면에너지를 갖는 아크릴과 유리에 비해 이형되는 시간 및 접착력이 낮은 것을 알 수 있다. 즉, 이형제로는 테프론 필름 및 PDMS를 사용하는 것이 바람직하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 3D 프린터 110: 리니어 액추에이터
111: 베이스 112: 볼스크류
113: 블록 114: 서보모터
121a: 지지면 121b: 지지축
122: 접착력 측정수단 123: 고정부
130: 제작 플랫폼 140: 레진 수조
150: 필름 160, 170: 랙

Claims (9)

  1. 리니어 액추에이터, 상기 리니어 액추에이터에서 상하 방향으로 움직이는 제작 플랫폼, 상기 제작 플랫폼의 상단에 배치되며 상기 제작 플랫폼에 가해지는 접착력을 측정하는 접착력 측정수단; 및 상기 제작 플랫폼에 의해 구조물로 성형되어지는 광경화 수지를 수용하는 레진 수조를 포함하는 3D 프린터에 있어서,
    상기 레진 수조는,
    광 투과가 가능한 부재; 및
    상기 부재의 상면 가장자리를 따라 형성된 벽체;를 포함하되, 상기 벽체 중 일 측면은 수용되는 광경화 수지를 관찰할 수 있도록 상기 벽체의 나머지 측면 보다 낮은 높이로 형성되고, 상기 벽체 중 상기 리니어 액추에이터와 근접한 측면에는 상기 접착력에 기초하여 가동되며 상기 제작 플랫폼과 상기 부재 사이의 접착력을 해소시키는 국부손상 해소수단이 배치되며,
    상기 국부손상 해소수단은, 상기 측정수단에 의해 측정된 접착력이 미리 정해진 값보다 큰 경우, 상기 제작 플랫폼이 상기 부재의 타 영역을 이용하여 상기 구조물을 제작하도록 상기 레진 수조를 이동시켜 상기 제작 플랫폼과 상기 부재 사이의 접착력을 해소시키는, 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레진 수조의 하부에는 상기 제작 플랫폼의 하면에 한 층씩 적층되도록 레이저 빔을 조사하여 상기 광경화 수지를 광경화시키는 광원부를 더 포함하는, 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 접착력 측정수단은,
    상기 광경화 수지가 상기 레이저 빔에 의해 광중합반응(photopolymerizaion)이 일어나기 전과 후의 상기 레진 수조 및 상기 광경화 수지 사이의 접착 정도를 비교하여 상기 접착력을 측정하는, 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접착력 측정수단을 이용하여 측정한 상기 접착력에 대한 정보를 수신하고, 수신한 상기 접착력에 기초하여 상기 레진 수조의 움직임을 제어하는 접착력 탐지장치를 더 포함하는, 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레진 수조는 정사각형, 직사각형 및 원형의 형상 중 어느 하나로 형성되는, 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레진 수조는 상기 국부손상 해소수단에 의해 직선 방향, 시계 방향 및 반시계 방향 중 어느 한 방향으로 움직이는, 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 부재는 테프론 필름 및 PDMS(PolyDiMethylSiloxane)를 포함하는 이형 필름인, 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 테프론 필름은 FEP(Fluorinated Ethylene Propylene) 필름 및 PFA(PerFluoroAlkoxy) 필름 중 적어도 어느 하나로 구성되는, 실시간 접착력 측정이 가능한 광중합 방식의 3D 프린터.
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