KR102316213B1 - 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3d 프린팅 장치 및 그의 제어 방법 - Google Patents

고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3d 프린팅 장치 및 그의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치에 관한 것으로, 액추에이터에 고정되어 Z축 방향으로 직선 운동하는 재료 경화용 헤더; 및 재료 경화용 헤더의 하단에 배치된 제작 플랫폼의 하면에 구조물로 성형되어지는 고점도 레진을 수용하는 레진 수조를 포함하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치에 있어서, 3D 프린팅 장치는, 제작 플랫폼의 상부에 배치되어 상 방향으로 광을 조사하는 제1 광원부; 및 제작 플랫폼의 상부에 배치되어 하 방향으로 광을 조사하는 제2 광원부;를 포함하되, 제1 광원부와 제2 광원부는 제작 플랫폼에 적층되는 하나의 레이어에 광을 동시에 조사할 수 있다.

Description

고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치 및 그의 제어 방법{A bottom-up 3D printing devices with high viscosity materials and control method thereof}
본 발명은 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치 및 그의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 재료를 경화시키는 자외선 파장대와 동일한 자외선을 방출하여 제품의 제작 실패를 최소화함으로써 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치 및 그의 제어 방법에 관한 것이다.
종래의 3D 프린터는 탑다운(Top-down) 방식과 바텀업(Bottom-up) 방식으로 구분할 수 있다.
탑다운 방식의 3D 프린터는 수조(Vat)에 채워진 레진(Resin)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 프린터 중에서 지르코니아(Zirconia, ZrO2)를 사용하는 3D 프린터는 지르코니아의 높은 점성 때문에 제품 제작의 실패율이 현저히 높으며, 높은 불량률을 초래힌다.
뿐만 아니라, 하단부에서 레진을 경화하기 위한 광원이 하나가 놓이는데 지르코니아의 재료 특성 때문에 경화 깊이가 깊지 못하기 때문에 제작 플랫폼에 레이어가 제대로 안착되지 못하는 단점이 있었다.
이에 따라, 상술한 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린터의 단점을 해결하기 위한 기술 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상술한 기술적 문제에 대응하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래 기술에서의 한계와 단점에 의해 발생하는 다양한 문제점을 실질적으로 보완할 수 있는 것으로, 재료를 경화시키는 자외선 파장대와 동일한 자외선을 방출하여 제품의 제작 실패를 최소화함으로써 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치를 제공하는데 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치는 액추에이터에 고정되어 Z축 방향으로 직선 운동하는 재료 경화용 헤더; 및 재료 경화용 헤더의 하단에 배치된 제작 플랫폼의 하면에 구조물로 성형되어지는 고점도 레진을 수용하는 레진 수조를 포함하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치에 있어서, 3D 프린팅 장치는, 제작 플랫폼의 상부에 배치되어 상 방향으로 광을 조사하는 제1 광원부; 및 제작 플랫폼의 상부에 배치되어 하 방향으로 광을 조사하는 제2 광원부;를 포함하되, 제1 광원부와 제2 광원부는 제작 플랫폼에 적층되는 하나의 레이어에 광을 동시에 조사할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 광원부는 DLP 프로젝터이고, 제작 플랫폼에 층층이 적층되는 레이어의 하단부를 경화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 광원부는 LED(Light Emitted Diod)이고, 제작 플랫폼에 층층이 적층되는 레이어의 상단부를 경화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 광원부 및 제2 광원부는 서로 동일한 파장대의 UV(Ultra Violet) 광을 조사할 수 있다.
또한, 본 발명의 제작 플랫폼은 제1 광원부와 레진 수조 사이에 배치되는, 고점도 재료를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 재료 경화용 헤더는 제1 광원부에서 발생하는 열기를 방출시키는 방열판, 방출된 열기를 냉각시키는 냉각팬 및 제1 광원부에서 제작 플랫폼으로 조사되는 광이 지나가는 통로인 광경로를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 레진은 지르코니아(ZrO2)를 포함하는 고점성을 재료일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치의 제어 방법은 네트워크 통신망을 통해 컴퓨팅 장치로부터 제작하고자 하는 구조물에 대한 정보를 수신하는 단계; 구조물에 대한 정보에 기초하여 리니어 액추에이터에 고정된 재료 경화용 헤더의 움직임을 제어하는 단계; 및 재료 경화용 헤더 내에 포함되어 하부 방향으로 자외선 광을 조사하는 LED 및 재료 경화용 헤더의 하부에 위치하여 상부 방향으로 자외선 광과 동일한 파장대의 광을 조사하는 DLP 프로젝터를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 재료 경화용 헤더는 최하단에 제작 플랫폼을 포함하고, 제작 플랫폼에는 한 층씩 재료가 적층되고, 재료는 LED 및 DLP 프로젝터에 의해 동시에 경화할 수 있다.
또한, 본 발명의 재료 경화용 헤더는 LED에서 발생하는 열기를 방출시키는 방열판, 방출된 열기를 냉각시키는 냉각팬 및 LED에서 제작 플랫폼으로 조사되는 광이 지나가는 통로인 광경로를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 과제의 해결수단은 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
본 발명은 고점도 재료에 동일한 파장대의 광을 조사하는 두 개의 광원을 이용하여 경화의 깊이를 깊게 함으로써 재료 플랫폼에 대한 제작 실패율을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고점도 레진이 일정 온도 이상을 유지할 수 있도록 레진 수조 또는 제작 플랫폼 자체를 가열함으로써 재료의 유동성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 재료 유입홀을 구비한 3중날 형태의 블레이드를 사용함으로써 고점도 레진의 표면을 평탄화함과 동시에 리코팅(Recoating)하여 블러(Blur) 현상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 제작 실패율을 최소화함에 따라 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 레이저 센서를 사용하지 않고, DLP의 초점거리를 고정함으로써 측정 오류를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 블레이드의 움직임을 통해 DLP 초점거리를 일정하게 유지함으로써 고점도 레진을 사용하는 장치가 다음 레이어 제작 시 고점도로 인한 방해 요인을 감소시킴으로써 제품의 완성도를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 DLP 초점거리를 일정하게 유지함에 따라 재료의 높이가 높더라도 제작 플랫폼을 깊이 하강할 필요가 없기 때문에 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 재료 경화용 헤더를 설명하기 위한 확대도이다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치의 문제점을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 레진 경화 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 히팅 배트를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 바텀업 방식(Bottom-Up) 3D 프린팅 장치의 제어 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 이동에 따른 엣지 블레이드의 움직임을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제품 제작에 따른 블레이드의 이동을 나타낸 예시도이다.
도 9a 내지 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 엣지 블레이드의 움직임에 기초한 재료 유입 및 리코팅(recoating) 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탑다운 방식의 3D 프린팅 장치를 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 비교예에 따른 탑다운 방식의 3D 프린팅 장치의 동작 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 12는 본 발명의 비교예에 따른 탑다운 방식 3D 프린팅 장치의 문제점을 설명하기 위한 예시도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 DLP초점 표면을 설명하기 위한 확대 사시도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레진 수조를 나타낸 사시도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 DLP 초점거리에 따른 블레이드 이동 및 재료 공급 과정을 설명하기 위한 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.
이하에서는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 재료 경화용 헤더를 설명하기 위한 확대도이다. 도 3은 본 발명의 비교예에 따른 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치의 문제점을 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(100)는 재료가 부착된 제작 플랫폼을 상 방향으로 이송시키면서 층층이 구조물(혹은 3D 출력물, 본 발명에서는 치과용 제작물인 것을 기본으로 함)을 형성시켜 적층하는 바텀업(Bottom-up) 방식의 프린터이다. 본 발명에서 재료는 후술되는 광경화 수지가 레이저 빔(혹은 자외선, 가시광선일 수도 있음)과 LED에 의해 경화된 상태를 지칭하는 의미로 해석되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 3D 프린팅 장치(100)는 DLP(Digital Light Processing) 방식인 것을 기본으로 한다. 다만 실시예에 따라, 광중합 방식(Vat Photopolymerization), Formlabs사 Form 시리즈, SLA(Stereo Lithography Apparatus) 방식 등을 사용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 3D 프린팅 장치(100)는 서보 모터(Survo Moter, 110), 리니어 액추에이터(Linear Actuator, 111), 블록(112), 헤더 지지대(120), 재료 경화용 헤더(130), 베이스 플레이트(140), 베이스 플레이트에 고정되는 레진 수조(150), 광학 렌즈부(160), 블레이드(170) 및 지지프레임(FR)을 포함한다.
서보 모터(110)는 리니어 액추에이터(111)의 움직임을 제어하는 구성이다. 구체적으로, 서보 모터(110)는 네트워크 통신망에 의해 컴퓨팅 장치로부터 위치 값을 전송받아, 액추에이터(120)에 고정된 재료 경화용 헤더(130)를 상하 방향으로 직선 운동 시킨다. 서보 모터(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 리니어 액추에이터의 상단에 배치된다. 한편, 리니어 액추에이터(111)의 움직임을 제어하기 위한 모터는 이에 제한되지 않으며, 스텝 모터(혹은 스테핑 모터(Stepping Motor) 등이 사용될 수도 있다.
블록(112)은 리니어 액추에이터(111) 내에 형성된 볼스크류의 나사선의 움직임에 따라 상하방향으로 움직이는 구성이며, 리니어 액추에이터(111)의 정면부에 고정되도록 형성된다. 블록(112)의 일면에는 적어도 4개의 나사에 의해 헤더 지지대(120)가 고정된다. 헤더 지지대(120)는 블록(112)에 고정되는 면과 반대측에 위치한 재료 경화용 헤더(130)를 지지하기 위한 구성이다.
재료 경화용 헤더(130)는 후술될 레진 수조(150)의 상부에 배치되어 레진 수조(150) 내에 수용되는 고점도의 광경화 수지를 경화시키는 구성으로, LED를 포함한다. 여기서, LED는 제1 광원부라고 지칭될 수도 있다. 구체적으로, 재료 경화용 헤더(130)는 냉각팬(131), 방열판(132), LED(133), 광경로(134) 및 제작 플랫폼(135)을 포함한다.
냉각팬(131)은 재료 경화용 헤더(130)의 상단에 배치되어 외부의 공기를 유입시켜 방열판(132)에 의해 중앙부에 배치된 LED(133)에서 발생되는 열기를 냉각시키는 역할을 수행한다. 이에 따라, LED(133)는 냉각 및 방열 처리됨으로써, 수명이 연장될 수 있다.
재료 경화용 헤더(130)의 하단에는 제작하고자 하는 구조물이 층층이 적층되는 영역인 제작 플랫폼(135)이 위치한다. 다시 말해, 제작 플랫폼(135)의 하면에는 하부에서 조사되는 레이저 빔에 의해 액상의 광경화 수지가 광중합반응 (photopolymerizaion, 이하 열화반응이라고도 함)에 의해 경화된 고체의 재료가 층층이 적층된다. 제작 플랫폼(135)과 LED 사이에는 광경로(134)가 배치된다. 광경로(134)는 LED(133)에서 조사되는 UV LED가 조사되는 경로이다.
재료 경화용 헤더(130)를 이용한 재료 경화와 관련된 보다 상세한 내용은 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.
베이스 플레이트(140)에는 앞서 상술한 리니어 액추에이터(111)와 다양한 구성요소가 형성되는 구성이다. 구체적으로, 도 2를 참조하면, 상기 리니어 액추에이터(111)의 길이 방향과 수직한 방향으로 지면에 형성되는 랙기어(RG), 랙기어(RG)에 고정되어 랙기어(RG)의 길이 방향으로 왕복 운동하는 가이드 블럭(GB), 가이드 블럭(GB)에 고정된 블레이드(170)를 수용하며 고점도의 광경화 수지가 담겨지는 레진 수조(150)가 형성된다. 이 밖에도 베이스 플레이트(140)는 상술한 구성들을 고정하기 위한 다양한 구성요소들을 더 포함하나, 설명의 편의를 위해 생략하였다.
레진 수조(150)는 고점도의 광경화 수지(이하, “광중합 재료” 또는 “레진(Resin)”이라고도 함)를 수용하며, 배트(Vat)라고 지칭될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 레진 수조(150)는 고점도의 광경화 수지의 점성을 일정 이하로 낮추기 위해 히팅(Heating) 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다. 이에, 레진 수조(150)는 히팅 배트(Heating Vat)라고 지칭될 수도 있다. 이와 관련된 보다 구체적인 설명은 도 5 등을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
레진 수조(150)의 하단면은 광 투과가 가능한 부재(이하, '투명 플레이트”라고도 함)로 구성되며, 측면은 상기 하단면의 가장자리를 따라 형성된 벽체로 구성된다. 이때, 벽체는 4면으로 이루어져 있으며 벽체 중 일 측면은 레진 수조(150)에 수용되는 광경화 수지의 높이를 관찰할 수 있도록 벽체의 나머지 측면보다 낮은 높이로 형성되거나 하단면과 같이 투명한 부재로 구성될 수도 있다. 또한, 레진 수조(150)는 베이스 플레이트(140)에 고정된 레진 수조 지지대(180)에 의해 지지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 광경화 수지는 제작 플랫폼(135)에 접착된 재료가 제작 플랫폼(1310의 움직임에 따라 다음 재료층을 경화시키는 역할을 수행하며, 본 발명에서 광경화 수지는 지르코니아(Zirconia, ZrO2)를 함유한 높은 점성을 갖는 것을 특징으로 한다. 레진의 점성은 지르코니아(ZrO2)의 함유량에 따라 상이해지지만 일반적으로 지르코니아(ZrO2)가 함유되지 않은 레진에 비해 점성이 매우 높은 편인 것으로 이해되는 것이 바람직하다.
그러나, 일반적으로 치과용 지르코니아(ZrO2)의 입자는 Tetragonal(정방형, 육면체) 형태의 입자와 Cubic(입방체, 정육면체) 형태의 입자가 혼합되어 제작된다. 이때, 빛이 Tetragonal(정방형, 육면체) 형태의 입자가 많은 지르코니아를 통과하게 되면 빛의 산란이 많이 일어나기 때문에(이하, “광이 수평방향으로 확산되기 때문에”라고도 함) 투명도가 떨어진다. 이와 반대로, Cubic(입방체, 정육면체) 형태의 입자를 빛이 통과할 경우에는 빛이 산란하지 않고 똑바로 통과하기 때문에(이하, “광이 수직 방향으로 확산되기 때문에”라고도 함) 더욱 투명하게 보이게 되므로 우수한 심미성을 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, Cubic 형태의 입자가 Tetragonal 형태의 입자 보다 많이 함유된 재료는 투명도가 높아 자연치아와 유사한 모습을 구현할 수 있기 때문에 치과용 재료로서 적합하다.
그러나, 일반적인 지르코니아(ZrO2)는 Tetragonal의 입자 함유량이 80% 정도이기 때문에 DLP에 의한 경화 깊이가 낮고, 빛이 산란하기 때문에 수평 방향으로 광이 확산되는 현상이 발생한다. 이에 따라, 경화가 제대로 이루어지지 않은 지르코니아 제품은 접착력이 우수하지 않기 때문에 첫 번째 레이어 형성 시 높은 확률로 제작 플랫폼에 안착되는 것이 실패하는 단점을 가지고 있다.
뿐만 아니라, 일반적인 지르코니아(ZrO2)는 높은 점성으로 인해 재료(혹은 레진)의 유동성이 떨어지기 때문에, 도 3에 도시된 바와 같이, 레진 수조 내에 수용된 광경화 수지에는 이전 레이어의 형태에 따라 빈 공간(또는 홈)이 형성된 채로 유지된다는 문제점이 있다. 이에 따라, 일반적인 지르코니아(ZrO2)를 사용할 경우 다음 레이어(혹은 층) 제작을 위해 형성된 빈 공간에 재료 유입되어야 하지만 높은 점성으로 인해 재료 유입이 용이하지 않은 문제점이 있다. 다시 말해, 도 3에 도시된 바와 같이, 제작 플랫폼(931)은 구조물 제작에 따라 Z축 방향으로 움직이는데, 이때, 레진 수조(950)에 수용된 레진은 지르코니아(ZrO2)에 의해 점성이 높아 이전에 제작된 구조물의 모양(예컨대, 치아 모양)과 대응하는 빈 공간(Empty space)이 레진에 형성되는 것을 알 수 있다.
광학 렌즈부(160)는 레진 수조(150)의 하부 즉, 베이스 플레이트()에 배치되어 레진 수조에 수용된 광경화 수지를 경화시키는 구성이다. 광학 렌즈부(160)는 제2 광원부로 지칭될 수도 있다. 광학 렌즈부(160)는 베이스 플레이트의 하단부에 배치되며 상기 베이스 플레이트의 4개의 모서리 측을 지지하도록 배치되는 프레임에 의해 보호된다.
블레이드(170)는 3중날 즉, 중앙 블레이드 및 상기 중앙 블레이드 양 측에 배치된 엣지 블레이드로 구성된다. 여기서, 두 개의 엣지 블레이드는 높이가 조절됨에 따라 중앙 블레이드와 양 측에 배치된 두 개의 엣지 블레이드는 서로 상이한 높이를 갖을 수 있다. 블레이드(170)는 상기 레진 수조(150)의 하면에 배치된 필름 및 레진 수조(150) 내에 수용된 광경화 수지의 표면을 평탄화(이하, “리코팅(Recoating)”이라고도 함)하고, 레진의 표면에 형성된 빈 공간을 채우는 역할을 수행한다. 블레이드(170)의 세부 구성과 동작 과정에 대해서는 도 8 내지 도 10b를 참조하여 후술하기로 한다.
이하에서는, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 제1 광원부(133) 및 제2 광원부(160)에 의해 레진을 경화시키는 동작을 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 레진 경화 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4를 참조하면, 3D 프린팅 장치(100)는 제작 플랫폼(135)의 하단에 제작하고자 하는 구조물의 첫번째 레이어(1st layer)를 안정적으로 안착시킬 수 있도록 레진의 상하부를 중첩 경화하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 3D 프린팅 장치(100)는 레진 수조(150)의 상부에 배치되어 Z축 방향으로 직선 운동하는 제작 플랫폼(135)의 하단면에 레이어를 한 층씩 적층하여 구조물(이하, “제작 구조물”이라고도 함)을 제작하는 것을 특징으로 한다. 이때, 층층이 적층되는 레이어는 한 층씩 안정적으로 안착될 수 있도록 제1 광원부(133)를 이용하여 레이어의 상단부를 경화함과 동시에 제2 광원부(160)를 이용하여 레이어의 하단부를 경화하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(100)는 하나의 레이어를 중첩하여 경화함으로써 종래의 3D 프린팅 장치보다 경화의 깊이(혹은 정도)를 깊게 형성할 수 있다. 이에 따라, 두 개의 광원에 의해 제작 플랫폼(135)에 접착된 고점도의 재료로 인해 하부 투영창에서 쉽게 분리될 수 있도록 하는 효과가 있다.
여기서, 제1 광원부(133)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제작 플랫폼(135)의 상단에 배치되어 자외선(UV, UltraViolet)을 조사하는 LED(133)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 제2 광원부(160)는 제작 플랫폼(135)의 하단에 배치되어 상기 자외선(UV)과 동일한 파장대를 조사하는 DLP(Digital Light Projector) 프로젝터인 것을 특징으로 한다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 히팅 가능한 레진 수조(150, 이하, “히팅 배트'라고도 함)를 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 히팅 배트를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
일반적으로 3D 프린팅 장치에서 사용하는 레진은 폴리머(Polymer) 계열의 재료를 사용하며, 온도를 높일수록 점성이 낮아지는 특성을 갖는다. 이와 마찬가지로, 지르코니아(ZrO2)가 함유된 재료에서도 온도가 높아질수록 점성이 낮아지는 특성을 갖는다.
본 발명에서는 상술한 특성을 이용하여 점도가 높은 지르코니아(ZrO2)의 점성을 낮추기 위해 히팅 가능한 레진 수조(150)를 사용한다. 이하에서는 설명의 편의를 의해 히팅 가능한 레진 수조(150)를 '히팅 배트'라고 지칭하기로 한다.
도 5를 참조하면, 히팅 배트(150)는 바디부(151), 상기 바디부(151)의 하부에 배치되어 이형 필름(혹은 필름)을 고정하는 필름 고정부(152) 및 레진 수조 지지대의 하면부(153)로 구성된다.
바디부(151)는 4개의 측면부를 갖으며, 각각의 측면의 중앙부에는 높이 방향(혹은 Z축 방향)으로 형성된 히터(Heater)가 삽입된다. 히터(Heater)는 히팅 배트 내에 수용되는 레진의 점성을 일정 이하로 떨어뜨리기 위해 히팅 배트(150)를 일정한 온도로 가열하는 역할을 수행한다. 히터(Heater)는 도 5에 도시된 바와 같이, 긴 원통형으로 형성되며 하단에는 히터의 열을 전달해주는 전극이 형성될 수 있다. 그러나, 히터의 형태는 이에 제한되지 않는다.
예컨대, 히터는 열선의 형태로 형성될 수도 있고, 히터가 형성되는 위치는 실시예에 따라 용이하게 설계 변경 가능하다. 예를 들면, 히터가 열선의 형태로 형성되는 경우에는 히팅 베트(150)가 고르게 일정한 온도를 갖을 수 있도록 복수의 평행한 열선을 히팅 배트(150)의 가장 자리를 따라 수평 방향으로 띠를 두르도록 형성할 수도 있고, 복수의 평행한 열선을 히팅 배트(150)의 가장 자리를 따라 수직 방향으로 형성할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(100)는 히팅 배트(150)를 일정한 온도로 가열함으로써 내부에 수용된 레진의 점성을 일정 이하로 떨어뜨려서 레진의 유동성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 레진의 점성을 낮추기 위해서는 레진 수조(150)를 가열하는 방법이 아닌 Z축 방향으로 왕복 운동하면서 레진에 직접적으로 접촉하는 제작 플랫폼(135) 자체를 가열할 수도 있다. 이때, 제작 플랫폼(135)은 상술한 바와 같이, 히터를 삽입하거나 열선을 삽입함으로써 가열할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 레진 수조(150)를 가열하는 형태 및 제작 플랫폼을 가열하는 형태의 조합으로 실시될 수도 있다.
이하에서는, 도 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 바텀업 방식으로 동작하는 3D 프린팅 장치의 전체적인 동작 과정을 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 바텀업 방식(Bottom-Up) 3D 프린팅 장치의 제어 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 3D 프린팅 장치(100)는 리니어 액추에이터(111)에 고정된 재료 경화용 헤더(130)의 움직임을 제어한다(S100). 구체적으로, 3D 프린팅 장치(100)는 네트워크 통신망을 통해 컴퓨팅 장치로부터 제작하려는 구조물에 대한 정보를 수신한 후, 수신한 정보에 기초하여 구조물을 제작한다. 이에 따라, 재료 경화용 헤더(130)는 Z축 방향으로 직선 운동하면서 레진 수조(150) 내에 수용된 고점도 레진을 이용하여 재료 경화용 헤더(130)의 하단에 배치된 제작 플랫폼(135)에 구조물을 층층이 적층한다.
이때, 지르코니아(ZrO2)가 함유된 고점도 레진의 점성을 낮추기 위해 히팅 배트(Heating Vat) 또는 제작 플랫폼을 가열한다(S200). 본 발명의 레진은 지르코니아(ZrO2) 때문에 점성이 높기 때문에 레이어를 제작할 때마다 레진의 표면을 평탄화함과 동시에 레진의 표면에 생성된 빈 공간을 채워줌으로써 다음 레이어 적층 시 문제가 없도록 하는 것이 중요하다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(100)는 레진 수조(150)를 히팅 가능한 구조로 형성함으로써 레진의 점성을 낮추거나, 제작 플랫폼(135) 자체를 가열함으로써 제작 플랫폼(135)의 온도에 의해 제작 플랫폼(135)이 직접적으로 접촉하는 레진의 온도를 높여 점성을 낮추는 것을 특징으로 한다.
이어서, 레이어가 층층이 적층될 때 제1 광원부(133) 및 제2 광원부(160)의 광을 제어한다(S300). 구체적으로, 레이어가 층층이 적층될 때마다 상부에 위치한 제1 광원부(133)와 하부에 위치한 제2 광원부(160)는 동일한 파장대의 UV를 조사하여 하나의 레이어의 상단부와 하단부를 동시에 경화하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(100)는 상단부에 광원을 추가로 배치함으로써 경화의 깊이를 대략 2배 이상으로 증가시켜 종래의 DLP 프로젝터의 경화 한계를 극복할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(100)는 기존 고점도 재료를 사용하는 3D 프린팅 장치의 한계를 극복함으로써 제작 플랫폼의 안착률을 증가시키고, 제작 실패율을 최소화함으로써 제품의 완성도를 높일 수 있는 효과가 있다.
이어서, 고점도 레진의 표면을 평탄화하도록 블레이드(170)의 움직임을 제어한다(S400). 구체적으로, 본 발명의 3D 프린팅 장치(100)는 3중날로 구성된 블레이드(170)의 움직임을 제어하여 레진의 빈 공간을 채우고, 레진 수조의 하단에 위치한 필름을 리코팅하고, 레진의 표면을 리코팅하는 것을 특징으로 한다. 블레이드(170)의 움직임과 관련한 보다 상세한 설명은 도 7 내지 도 9b를 참조하여 후술하기로 한다.
이하에서는, 도 7 내지 도 9b를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 블레이드(170)를 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 블레이드의 이동에 따른 엣지 블레이드의 움직임을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 제품 제작에 따른 블레이드의 이동을 나타낸 예시도이다. 도 9a 내지 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 엣지 블레이드의 움직임에 기초한 재료 유입 및 리코팅(recoating) 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 도 9b에서는 X축과 Y축의 방향이 도 9a와 상이한 것처럼 도시되었지만 도 9a와 도 9b는 블레이드의 이동 방향이 X축과 평행하되 이동 방향만 상이한 것으로 이해되는 것이 바람직하며, 구성요소는 실질적으로 동일하므로 중복 설명은 생략하기로 한다.
히팅 배트(150) 또는 히팅 가능한 제작 플랫폼(135)에 의해 일정 온도 이상의 고온을 갖는 레진은 재료의 성질이 변할 수도 있고, 점성이 더 이상 낮아지지 않을 수도 있다. 이에 따라, 레진이 UV 자외선에 의해서 완전히 경화되지 않게 되면 지르코니아 분말이 레진 수조(150)의 하단에 위치한 이형 필름에 접착되어 블러(Blur) 현상을 초래할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 3D 프린팅 장치(100)는 블레이드(170)를 도 9a 내지 도 9b에 도시된 바와 같이 제작하여 이형 필름 및 레진을 리코팅(Recoating)함으로써 상술한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 7을 참조하면, 레이어가 층층이 적층되도록 블레이드(170)가 고정된 가이드 블록(GB)을 일 방향으로 직선 운동 시킨다(S410). 이어서, 블레이드 이동 방향에 기초하여 레진이 가장 먼저 유입되는 쪽에 위치한 제1 엣지 블레이드(이때, 제1 엣지 블레이드는 본 명세서의 제1 엣지 블레이드(172)에 한정되는 것이 아님)를 일정 높이 만큼 상승시킨다(S420). 상승된 엣지 블레이드와 중앙 블레이드 사이의 간격으로 유입된 레진으로 이전 레이어 제작 시 형성된 빈 공간을 채운다(S430). 빈 공간을 채우고 남은 레진은 제1 엣지 블레이드와 반대측에 위치한 제2 엣지 블레이드를 이용하여 이형 필름의 상면을 리코팅한다(S440). 블레이드(170)를 상기 일 방향과 반대되는 방향으로 직선 운동시켜 제자리로 원상복귀 시킨다(S450). 각 단계에 대한 보다 상세한 설명은 도 8 내지 도 9b를 참조하여 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 블레이드(170)는 랙기어(RG)에 고정된 가이드 블럭(GB)의 일영역에 고정되어 레진 수조(150) 내에 형성된 제작 영역의 상면을 따라 좌우 방향으로 왕복 운동하면서 한 층씩 레이어를 적층한다. 하나의 레이어를 적층할 때, 블레이드는 일 방향으로 이동한 후 초기 상태로 돌아오는 것을 기본으로 한다. 다시 말해, 블레이드가 왼쪽에서 출발해서 오른쪽으로 이동한 후 다시 왼쪽으로 돌아오는 것을 한 회로 판단한다.
도 9a를 참조하면, 블레이드(170)는 전체적으로 'ㄴ'자 형상을 갖는 중앙 블레이드(171), 중앙 블레이드(171)의 양 측에 좌우 대칭된 형상으로 형성된 제1 엣지 블레이드(172) 및 제2 엣지 블레이드(173)로 구성된다. 중앙 블레이드(171)의 엣지부는 중앙부로 갈수록 뾰족해지는 뿔 형상의 날이며, 제1 엣지 블레이드(172)의 엣지부는 왼쪽 가장자리가 뾰족한 직각삼각형 형상의 날이며, 제2 엣지 블레이드(173)의 엣지부는 오른쪽 가장자리가 뾰족한 직각삼각형 형상의 날인 것을 특징으로 한다. 또한, 엣지 블레이드(172, 173)의 경사면은 중앙 블레이드(171)의 경사보다 가파른 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 중앙 블레이드(171)는 Z축과 평행한 방향으로 형성된 제1 영역(171-1)과 제1 영역(171-1)과 수직한 방향으로 형성된 제2 영역(171-2)으로 구분될 수 있다. 중앙 블레이드의 제1 영역(171-1)에는 가이드 블럭(GB)에 블레이드(170)가 고정될 수 있도록 홀(177)이 형성된다. 중앙 블레이드의 제2 영역(171-2)에는 양 쪽에 배치되는 두 개의 엣지 블레이드의 높이가 가변 가능하게 고정될 수 있도록 긴 타원형상의 홀(이하, ”높이 조절홀(175)”이라고도 함)이 3개가 형성된다. 이때, 제1 엣지 블레이드(172)와 제2 엣지 블레이드(173)에는 원형의 홀(176)이 상기 타원형상의 홀(175)의 위치에 대응하도록 형성되고, 서로 대응되는 위치에 형성된 두 개의 홀(175, 176)에는 하나의 나사가 끼워진다. 제1 엣지 블레이드(172)와 제2 엣지 블레이드(173)는 중앙 블레이드(171)에 형성된 타원형상의 홀(175)의 높이만큼 높이가 조절되는 것을 특징으로 한다. 즉, 제1 엣지 블레이드(172)와 제2 엣지 블레이드(173)는 타원형상의 홀(175)의 높이만큼 위아래로 왕복 운동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 중앙 블레이드의 제2 영역(171-2)에는 블레이드 이동 방향에 따른 재료의 뭉침 현상을 해소함과 동시에 이형 필름에 일정량의 재료(혹은 레진)가 도포될 수 있도록 제2 영역(171-2)의 길이 방향과 나란하게 길게 형성된 타원형상의 홀(이하, “재료 유입홀(174)”이라고도 함)이 형성된다.
이에, 도 9a를 참조하면, 블레이드가 X축과 평행하되 우측으로 이동하는 경우, 블레이드(170)의 이동 방향 재료 유입홀(174)에는 블레이드 이동 방향과 반대되는 방향으로 레진(이하, “재료”라고도 함)이 유입된다. 이렇게 블레이드(170)가 이동할 때, 재료가 가장 먼저 유입되는 쪽에 위치한 엣지 블레이드는 중앙 블레이드(171)에 형성된 높이 조절홀(175)을 통해 상 방향으로 이동하면서 높이가 조절되는 것을 특징으로 한다. 또한, 재료가 가장 먼저 유입되는 쪽과 반대쪽에 위치한 엣지 블레이드의 높이는 변화하지 않지만 반대쪽 엣지 블레이드의 날(이하, “포인트”라고도 함)과 중앙 블레이드의 날은 기본적으로 일정한 높이 차를 갖는 것을 특징으로 한다. 단, 반대쪽 엣지 블레이드의 포인트와 중앙 블레이드의 포인트의 높이 차는 재료가 가장 먼저 유입되는 쪽에 위치한 엣지 블레이드의 포인트와 중앙 블레이드의 높이 차 보다 현저히 작은 것을 특징으로 한다.
보다 상세하게, 도 9a를 참조하면, 블레이드 이동 방향에 따라 재료가 가장 먼저 유입되는 쪽에 위치한 제2 엣지 블레이드(173)는 위쪽으로 이동하게 되고, 이형 필름과 제2 엣지 블레이드(173) 사이의 간격으로 레진이 유입되어 재료 유입홀(174)로 들어가게 된다. 재료 유입홀(174)을 통해 유입된 레진은 제1 엣지 블레이드(172)의 경사면을 따라 아래 방향으로 이동함과 동시에 이전 레이어 제작에 따라 레진의 표면에 형성된 빈 공간을 채우고, 빈 공간을 채우고 남은 레진은 제1 엣지 블레이드(171)를 이용하여 일정한 높이로 이형 필름 상에 리코팅하는 것을 특징으로 한다.
도 9b는 도 9a와 블레이드 이동 방향이 반대인 것만 상이하다. 다시 말해, 블레이드 이동 방향에 따라 재료가 가장 먼저 유입되는 쪽에 위치한 제1 엣지 블레이드(172)는 위쪽으로 이동하게 되고, 이형 필름과 제1 엣지 블레이드(172) 사이의 간격으로 레진이 유입되어 재료 유입홀(174)로 들어가게 된다. 재료 유입홀(174)을 통해 유입된 레진은 제2 엣지 블레이드(172)의 경사면을 따라 아래 방향으로 이동함과 동시에 이전 레이어 제작에 따라 레진의 표면에 형성된 빈 공간을 채우고, 빈 공간을 채우고 남은 레진은 제2 엣지 블레이드(171)를 이용하여 일정한 높이로 이형 필름 상에 리코팅하는 것을 특징으로 한다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치(100)는 고점도 재료에 동일한 파장대의 광을 조사하는 두 개의 광원을 이용하여 경화의 깊이를 깊게 함으로써 재료 플랫폼에 대한 제작 실패율을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치(100)는 고점도 레진을 일정 온도 이상을 유지할 수 있도록 레진 수조 또는 제작 플랫폼 자체를 가열함으로써 재료의 유동성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치(100)는 재료 유입홀을 구비한 3중날 형태의 블레이드를 사용함으로써 고점도 레진의 표면을 평탄화함과 동시에 리코팅(Recoating)하여 블러(Blur) 현상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치(100)는 제작 실패율을 최소화함에 따라 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탑다운 방식의 3D 프린팅 장치를 나타낸 단면도이다. 도 11은 본 발명의 비교예에 따른 탑다운 방식의 3D 프린팅 장치의 동작 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 도 12는 본 발명의 비교예에 따른 탑다운 방식 3D 프린팅 장치의 문제점을 설명하기 위한 예시도이다. 도 10에 도시된 3D 프린팅 장치(1000)는 도 1에 도시된 3D 프린팅 장치(100)와 레이어 적층 방식이 상이하지만 일부 구성은 중복되기 때문에 중복 설명은 생략하기로 한다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탑다운 방식의 3D 프린팅 장치(1000)는 서보 모터(1201), 리니어 액추에이터(1202), 블록(1203), 고점도 레진을 수용하는 레진 수조(1210), 상면에 구조물이 층층이 적층되는 제작 플랫폼(1220), 매 층 적층 시 레진의 표면을 평탄화 및 리코팅해주는 블레이드(1230), 상기 레진 수조(1210)에 액상의 광경화 수지를 반복적으로 공급 및 회수하는 펌프(1260) 및 상기 제작 플랫폼(1220)의 상단에서 재료 경화를 위한 광을 조사하는 광원부(1270)를 포함한다.
제작 플랫폼(1220)은 광원부(1270)로부터 조사되는 UV 레이저(이하, “레이저 빔”이라고도 함)에 의해 제작 플랫폼(1220)의 상면에 액상의 광경화 수지가 광중합반응에 의해 경화된 고체의 재료를 층층이 적층한다. 이때, 탑다운(Top-Down) 방식의 경우에는 구조물이 제작되며 소비되는 재료의 높이가 일정하게 유지되어야 하기 때문에, 일반적으로 탑다운(Top-Down) 방식의 3D 프린팅 장치는 도 11에 도시된 바와 같이, 매 층 적층 시 레이저센서(920)를 이용하여 적층할 레이어(혹은 재료)의 높이를 측정하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 측정된 재료의 높이에 따라 광원부(910, 예컨대, DLP 또는 LCD)의 초점거리를 유지하기 위해 리코터(Recoater, 940)가 재료를 채우거나, 광원부(910)를 Z축 방향으로 움직이는 등 3D 프린팅 장비마다 특색있는 동작을 수행하는 것을 기본으로 한다.
그러나, 탑다운 방식의 3D 프린팅 장치 중에서 지르코니아가 함유된 재료를 사용하는 장치의 경우에는 지르코니아의 높은 점성으로 인해 상술한 방법(즉, 레이저센서로 측정하는 방법)으로 재료의 높이를 정확하게 측정하는 것에 한계가 있었다.
또한, 일반적으로 제작 플랫폼(930) 상에서 구조물이 제작되는 영역에 레이저센서(920)를 설치하는 것이 어렵기 때문에 도 12에 도시된 바와 같이, 재료의 표면을 평탄화하고 코팅하는 리코터(910)의 가장자리에 레이저센서(920)가 설치된다. 그러나, 지르코니아를 함유한 레진의 경우에는 재료의 높은 점성으로 인해 측정 오류가 발생하여 재료의 높이가 달라질 수 있다. 또한, 제작 플랫폼(930)과 레진 수조(950)의 움직임 또한 재료의 높은 점성으로 인해 유동성이 없어 다음 레이어 제작을 위한 새로운 레이어의 형성이 어렵다는 문제가 있다. 즉, 재료의 점도가 높아 이전 레이어 형성 이후 다음 레이어 형성을 위한 영역에 재료가 채워지지 않아 빈 공간이 발생할 수 있다. 또한, 재료의 높은 점도로 인해 다음 레이어 제작을 위해 제작 플랫폼 상승 시 표면이 일정하지 않고 볼록하게 굴곡질 수 있는 문제점이 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 DLP초점 표면을 설명하기 위한 확대 사시도이다. 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레진 수조를 나타낸 사시도이다. 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 DLP 초점거리에 따른 블레이드 이동 및 재료 공급 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치(1000)는 도 13에 도시된 바와 같이, 가장자리에 설치되는 레이저센서를 생략하고 블레이드(1230)를 이용하여 DLP 초점거리를 고정하는 것을 특징으로 한다. 여기서, DLP 초점거리는 레진 수조(1210) 내에 형성된 메인 수조(1241)와 메인 수조(1241)의 양 쪽에 위치한 서브 수조(1240) 사이에 위치한 벽체의 상단면과 평행하게 소정 간격 이격된 블레이드(1230)에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 블레이드(1230)에 의해 형성된 DLP 초점 표면(1250)은 메인 수조(1241)와 서브 수조(1240) 사이에 위치한 벽체의 상단면인 것을 특징으로 한다.
도 14를 참조하면, 레진 수조(1210)는 각 서브 수조(1240)의 일 측면에 재료 공급 및 재료 회수를 위해 펌프(1260)와 연결되는 연결관이 장착되는 홀(H)을 포함한다. 이에 따라, 메인 수조(1240)의 양쪽에 형성된 서브 수조(1241) 중에서 어느 하나는 재료를 회수하고, 다른 하나는 재료를 공급하는 공간으로서의 역할을 수행할 수 있으며, 각각의 역할은 바뀔 수도 있다.
도 15를 참조하면, 먼저 ①을 참조하면, 첫 번째 레이어(1st layer) 제작 시 메인 수조(1240) 양 옆에 배치된 서브 수조(1241) 중 일 측에 위치한 제2 서브 수조(1241-2)로부터 재료를 회수하여 타 측에 위치한 제1 서브 수조(1241-1)로 재료를 공급한다. 이때, 제2 서브 수조(1241-2)로부터 제1 서브 수조(1241-1)로 제공되는 재료의 양은 제1 서브 수조(1241-1)의 전체 부피 보다 많은 것을 특징으로 한다. 다시 말해, 재료가 제1 서브 수조(1241-1)를 넘칠 때까지 재료를 공급하되, 최소한 하나의 레이어를 제작할 수 있을 정도의 양 이상인 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 레이어를 제작하고 나서 재료가 남은 경우에는 광원부(1270)에 의해 측정된 DLP 초점거리와 동일한 표면으로 블레이드(1230)를 움직이면서 잔여 재료를 재료를 공급받았던 서브 수조와 반대쪽에 위치한 서브 수조로 이동시킨다. 즉, ②에 도시된 바와 같이, 제1 레이어를 제작한 후 일정 높이만큼 남은 잔여 재료를 제2 서브 수조(1241-2)로 버림으로써 제2 서브 수조(1241-2) 내에는 재료의 양이 증가하게 된다.
마찬가지로, 상기 ①에서 ②로의 과정을 통해 블레이드가 우측으로 이동한 후, 상술한 과정을 반복한다. 예컨대, ③에 도시된 바와 같이, 제1 서브 수조(1241-1)로부터 재료를 회수하여 타 측에 위치한 제2 서브 수조(1241-2)로 재료를 공급한다. 이때, 제1 서브 수조(1241-1)로부터 제2 서브 수조(1241-2)로 제공되는 재료의 양은 제2 서브 수조(1241-2)의 전체 부피 보다 많은 것을 특징으로 한다. 다시 말해, 재료가 제2 서브 수조(1241-2)를 넘칠 때까지 재료를 공급하되, 최소한 하나의 레이어를 제작할 수 있을 정도의 양 이상인 것을 특징으로 한다. 이에, ④에 도시된 바와 같이, 두번째 레이어(2nd layer)를 제작한 후 일정 높이만큼 남은 잔여 재료를 제1 서브 수조(1241-1)로 버림으로써 제1 서브 수조(1241-1) 내에는 재료의 양이 증가하게 된다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(1000)는 레이저 센서를 사용하지 않고, DLP의 초점거리를 고정함으로써 측정 오류를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(1000)는 블레이드의 움직임을 통해 DLP 초점거리를 일정하게 유지함으로써 고점도 레진을 사용하는 장치가 다음 레이어 제작 시 고점도로 인한 방해 요인을 감소시킴으로써 제품의 완성도를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린팅 장치(1000)는 DLP 초점거리를 일정하게 유지함에 따라 재료의 높이가 높더라도 제작 플랫폼을 깊이 하강할 필요가 없기 때문에 시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.
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.

Claims (10)

  1. 액추에이터에 고정되어 Z축 방향으로 직선 운동하는 재료 경화용 헤더; 및 상기 재료 경화용 헤더의 하단에 배치된 제작 플랫폼의 하면에 구조물로 성형되어지는 고점도 레진을 수용하는 레진 수조를 포함하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치에 있어서,
    상기 3D 프린팅 장치는,
    재료 경화용 헤더의 최하단부에 배치되며 상기 재료 경화용 헤더의 움직임에 따라 제작하고자 하는 구조물이 층층이 적층되는 제작 플랫폼;
    상기 제작 플랫폼 상단에 상기 제작 플랫폼의 면적과 대응되도록 형성된 광경로를 통해 상기 제작 플랫폼의 하단면에 층층이 경화되는 레이어의 상단부 전체에 UV LED 광을 조사하는 제1 광원부; 및
    상기 3D 프린팅 장치의 하단부에 고정되며 상 방향으로 광을 조사하여 상기 레이어의 하단부을 경화시키는 제2 광원부;를 포함하되,
    상기 제1 광원부와 상기 제2 광원부는 상기 재료 플랫폼에 층층이 적층되는 레이어의 경화 깊이가 깊어지도록 상기 제작 플랫폼에 적층되는 하나의 레이어에 광을 동시에 조사하여 상기 레이어를 중첩 경화하는, 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광원부는 LED(Light Emitted Diod)인, 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광원부는 DLP 프로젝터인, 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광원부 및 상기 제2 광원부는 서로 동일한 파장대의 UV(Ultra Violet) 광을 조사하는, 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 재료 경화용 헤더는
    최상단부에 배치되어 외부로부터 공기를 유입시키는 냉각팬; 및
    상기 제1 광원부의 상단에 배치되며 상기 냉각팬으로부터 유입된 공기에 의해 상기 제1 광원부로부터 발생하는 열기를 냉각시키는 방열판;을 더 포함하는, 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레진은 지르코니아(ZrO2)를 포함하는 고점성을 재료인, 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치.
  8. 네트워크 통신망을 통해 컴퓨팅 장치로부터 제작하고자 하는 구조물에 대한 정보를 수신하는 단계;
    상기 구조물에 대한 정보에 기초하여 리니어 액추에이터에 고정된 재료 경화용 헤더의 움직임을 제어하는 단계; 및
    상기 재료 경화용 헤더 내에 포함되어 하부 방향으로 자외선 광을 조사하는 LED 및 상기 재료 경화용 헤더의 하부에 위치하여 상부 방향으로 상기 자외선 광과 동일한 파장대의 광을 조사하는 DLP 프로젝터를 제어하는 단계를 포함하되,
    재료 경화용 헤더의 최하단부에 배치되는 상기 제작 플랫폼의 면적과 대응되도록 형성된 광경로를 통해 상기 제작 플랫폼의 하단면에 층층이 경화되는 레이어의 상단부 전체에 UV LED 광을 조사하고, 상기 재료 플랫폼에 층층이 적층되는 레이어의 경화 깊이가 깊어지도록 상기 제작 플랫폼에 적층되는 하나의 레이어에 상기 LED 및 상기 DLP 프로젝터의 광을 동시에 조사하여 상기 레이어를 중첩 경화시키는, 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치의 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 재료 경화용 헤더는 최하단에 제작 플랫폼을 포함하고, 상기 제작 플랫폼에는 한 층씩 재료가 적층되고, 상기 재료는 상기 LED 및 상기 DLP 프로젝터에 의해 동시에 경화되는, 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 재료 경화용 헤더는 상기 LED에서 발생하는 열기를 방출시키는 방열판, 상기 방출된 열기를 냉각시키는 냉각팬 및 상기 LED에서 상기 제작 플랫폼으로 조사되는 광이 지나가는 통로인 광경로를 더 포함하는, 고점도 재료를 사용하는 바텀업 방식의 3D 프린팅 장치 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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