KR102382806B1

KR102382806B1 - 펄스 피크를 이용하여 갭 제어를 수행하는 선택적 전기화학 전착을 이용한 3d 프린팅 장치

Info

Publication number: KR102382806B1
Application number: KR1020200180356A
Authority: KR
Inventors: 김성빈; 고건웅; 이동현
Original assignee: (주)애니캐스팅
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-04-08

Abstract

본 발명은 선택적 전기화학 전착을 이용한 3차원 프린팅 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 전기화학 전착에 의한 적층법(ECAM, ElectroChemical Additive Manufacturing)을 이용하여 기판에 금속 원료를 선택적으로 적층시킬 수 있는 3차원 프린팅 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전해액을 수용하는 터브(tub); 상기 터브 내에 놓여지는 기판; 전극모듈; 상기 전극모듈을 구동하여 상기 전극과 상기 기판 사이의 갭 방향 이동을 포함하는 3차원 이동을 조절하는 모듈 구동부; 상기 전극모듈 및 기판을 서로 다른 극으로 연결하도록 구비되고, 스위칭부를 포함하는 AD 컨버터; 상기 AD 컨버터와 상기 스위칭부를 통해서 선택적으로 연결되는 제1전원장치; 상기 AD 컨버터와 상기 스위칭부를 통해서 선택적으로 연결되며, 상기 제1전원장치와는 전원 공급 방식이 상이한 제2전원장치; 그리고 상기 모듈 구동부와 상기 스위칭부의 작동을 제어하는 메인 제어부를 포함하며, 상기 메인 제어부는 상기 AD 컨버터로 인가되는 전원 공급 방식을 변경하여 상기 갭을 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치가 제공될 수 있다.

Description

펄스 피크를 이용하여 갭 제어를 수행하는 선택적 전기화학 전착을 이용한 3D 프린팅 장치{3D printing apparatus performing gap control using pulse peak for selective electrochemical additive manufacturing}

본 발명은 선택적 전기화학 전착을 이용한 3차원 프린팅 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 전기화학 전착에 의한 적층법(ECAM, ElectroChemical Additive Manufacturing)을 이용하여 기판에 금속 원료를 선택적으로 적층시킬 수 있는 3차원 프린팅 장치에 관한 것이다.

3D 프린팅 기술은 3차원 설계 데이터를 기반으로 고분자 재료, 플라스틱 또는 금속분말 등의 소재를 적층하는 적층법(additive manufacturing)을 사용함으로써, 실물 모형, 프로토타입(proto type), 툴(tool) 및 부품 등을 형상화하는 기술이다.

3D 프린팅 방식으로는 사용되는 원료의 특성에 따라 액체 기반의 방식과 파우더 기반의 방식이 주로 사용되는데, 액체 기반의 방식은 액체 상태의 폴리머 합성수지를 이용하여 물체의 모양을 따라 한 층씩 적층한 후 적층된 구조물을 광경화시키는 과정을 거치는 방식이며, 파우더 기반 방식은 파우더 형태로 만들어진 금속 원료를 녹이거나 소결하는 과정을 거치는 방식이다.

고분자 또는 플라스틱 등을 원료로 이용하는 3D 프린터는 액체 기반 방식으로 구현 가능하여 널리 사용되고 있는 반면, 금속 원료를 이용하는 3D 프린터는 액체 기반 방식으로 구현이 어렵고 주로 파우더 기반 방식으로만 구현 가능하다. 따라서, 금속 원료 3D 프린터는 높은 소재가격, 복잡한 가공방법, 높은 소결 온도, 폭발 위험성 등의 이유로 플라스틱 원료 3D 프린터와 달리 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다.

이러한 문제를 해결하기 위한 선행기술로서, 본 출원인이 출원하여 등록받은 한국등록특허 제10-1774383호(등록공고일: 2017. 8. 29), 한국등록특허 제10-1774387호(등록공고일: 2017. 8. 29) 및 한국등록특허 제10-1913171호(등록공고일" 2018. 10. 24)에는 "선택적 전기화학 전착을 이용한 3차원 프린팅 장치"가 개시된 바 있다.

그러나, 상기 선행기술들에 따른 3차원 프린팅 장치는 기본적으로 전기화학 방식을 이용하기 때문에 적층속도가 느리다는 문제가 있다. 그리고 선행기술들은 적층 높이를 제어하기 위한 특징들을 개시하고 있으나, 구체적인 제어 특성을 개시하고 있지 않다. 그리고 3D 프린팅을 위한 전극 모듈의 모션 제어에 대한 구체적인 특징들 또한 개시하고 있지 않다.

일반적인 3D 프린팅의 경우, 슬라이싱(slicing) 소프트웨어로 가공된 G 코드를 사용하여 프린터 필라멘트의 모션 제어를 수행하게 된다. 그러나, 선행기술들과 같이 전기화학 전착을 이용한 적층 3D 프린터의 경우, 적층 메커니즘이 일반적인 3D 프린팅의 경우와 다르다. 전자는 히터와 팬을 제어하고 필라멘트의 압출량을 제어하여 프린팅을 수행하지만, 후자는 전극 모듈의 전류 등을 제어하여 3D 프린팅을 수행하기 때문이다.

따라서, ECAM 3D 프린터에 적용할 수 있는 제어 방식 및 알고리즘이 필요하다고 할 수 있다. 물론, 선행기술들에는 이러한 제어 방식이 구체적으로 개시되어 있지 않다.

또한, ECAM 3D 프린터의 경우, 균일한 적층 두께 확보 및 적층 속도 증진이 매우 필요하다. 그리고, 3D 프린터이므로 전극 모듈의 수직 방향 이동뿐만 아니라 수평 방향 이동 시의 프린팅 성능 확보가 매우 중요하다. 따라서, 이러한 필요성들을 충족시킬 수 있는 방안이 매우 필요하다고 할 수 있다.

본 발명은 기본적으로 새로운 형태의 ECAM을 이용한 3차원 프린팅 장치를 제공하고자 함을 목적으로 한다.

본 발명의 일실시예를 통해서, 효과적으로 갭 제어를 수행할 수 있는 ECAM을 이용한 3차원 프린팅 장치 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일실시예를 통해서, 적층 속도 및 적층 균일성을 만족시킬 수 있는 ECAM을 이용한 3차원 프린팅 장치 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일실시예를 통해서, 복잡한 3차원 형상의 레이어 층이 한붓 그리기가 안 되는 경우, 이를 한붓 그리기 할 수 있는 ECAM을 이용한 3차원 프린팅 장치 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일실시예를 통해서, 전원 공급 방식을 다변화할 수 있고, 각각의 전원 공급 방식에서도 Z 축 제어 로직을 다변화하여, 탄력적으로 프린팅하고자 하는 3차원 형상에 맞게 최적의 3차원 프린팅을 수행할 수 있는 ECAM을 이용한 3차원 프린팅 장치 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.

전술한 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, 전해액을 수용하는 터브(tub); 상기 터브 내에 놓여지는 기판; 전극모듈; 상기 전극모듈을 구동하여 상기 전극과 상기 기판 사이의 갭 방향 이동을 포함하는 3차원 이동을 조절하는 모듈 구동부; 상기 전극모듈 및 기판을 서로 다른 극으로 연결하도록 구비되고, 스위칭부를 포함하는 AD 컨버터; 상기 AD 컨버터와 상기 스위칭부를 통해서 선택적으로 연결되는 제1전원장치; 상기 AD 컨버터와 상기 스위칭부를 통해서 선택적으로 연결되며, 상기 제1전원장치와는 전원 공급 방식이 상이한 제2전원장치; 그리고 상기 모듈 구동부 상기 스위칭부의 작동을 제어하는 메인 제어부를 포함하며, 상기 메인 제어부는 상기 AD 컨버터로 인가되는 전원 공급 방식을 변경하여 상기 갭을 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.

상기 메인 제어부는, 금속 원료의 적층 레이어(layer)에 따른 사이클 당 적층 높이가 달라짐에 따라, 상기 AD 컨버터로 인가되는 전원 공급 방식을 변경할 수 있다.

상기 메인 제어부는, 금속 원료의 적층 레이어(layer)에 따른 1사이클 당 적층 형상이 달라짐에 따라, 상기 AD 컨버터로 인가되는 전원 공급 방식을 변경할 수 있다.

상기 메인 제어부는, 금속 원료의 적층 레이어(layer)가 달라짐에 따라, 상기 AD 컨버터로 인가되는 전원 공급 방식을 변경할 수 있다.

1개의 층을 3차원 프린팅하는 경우, 복수 개의 사이클을 수행할 수 있다. 1개의 층을 3차원 프린팅하는 경우, 1사이클을 수행할 수 있다. 여기서, 1사이클이란 전원이 인가되어 연속적으로 프린팅이 수행되는 것을 의미한다. 즉, 전극을 통해서 한붓 그리기가 시작되어 종료되기까지를 1사이클이라 할 수 있다.

상기 메인 제어부는, 기설정된 높이까지 적층이 수행되면, 이후 상기 AD 컨버터로 인가되는 전원 공급 방식을 변경할 수 있다.

상기 제1전원장치는 펄스를 공급하는 전원장치이며, 상기 제2전원장치는 정전류 또는 정전압을 공급하는 전원장치전원장치인 것이 바람직하다.

상기 스위칭부는, 3차원 프린팅을 위해 상기 제1전원장치와 제2전원장치 중 어느 하나와 선택적으로 연결되도록 구동되도록 구비될 수 있다.

상기 스위칭부는 제1전원장치의 연결 온/오프 스위치와 제2전원장치의 연결 온/오프 스위치를 포함할 수 있다.

상기 갭 제어를 위한 상기 전극의 상승 제어는, 1사이클 이동 적층 후 수행되는 사후 갭 제어와 1사이클 이동 적층 도중 수행되는 중간 갭 제어 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

여기서 하나의 층(layer)은 복수 사이클을 통해서 형성될 수 있으며, 하나의 사이클을 통해 하나의 층이 형성될 수도 있다. 따라서, 사후 갭 제어는 한 개 층 적층 후 수행될 수 있고, 중간 갭 제어는 한 개 층 적층 과정에서 수행될 수도 있을 것이다.

상기 사후 갭 제어는, 1사이클 이동 적층 완료 후(또는 1개 층 적층 완료 후)에 상승량이 계산되고, 다음 사이클(또는 다음 층)에서 상기 계산된 상승량에 기반하여 수행될 수 있다. 이를 계산 상승 방식 또는 계산 상승 로직이라 할 수 있다.

상기 사후 갭 제어는, 1사이클 이동 적층 완료 후(또는 1개 층 적층 완료 후) 다음 사이클(또는 다음 층)에서 기설정된 상승량에 기반하여 수행될 수 있다. 이를 고정 상승 방식 또는 고정 상승 로직이라 할 수 있다.

상기 중간 갭 제어는, 1사이클 이동 적층 도중(또는 1개 층 적층 도중)에 피드백을 통하여 결정되는 상승량에 기반하여 1사이클 이동 적층 도중(또는 1개 층 적층 도중)에 수행될 수 있다. 이를 순시 상승 방식 또는 순시 상승 로직이라 할 수 있다.

상기 메인 제어부는, 적층 초기에는 상기 제1전원장치를 통해서 전원이 공급되도록 제어하고, 이후 상기 제2전원장치를 통해서 전원이 공급되도록 제어할 수 있다. 즉, 최하단부에서 일정 층까지는 제1전원장치를 이용하고 이후 층부터는 제2전원장치를 이용할 수 있다.

상기 메인 제어부는, 기설정된 적층 높이까지 상기 제1전원장치를 통해서 전원이 공급되도록 제어하고, 이후 적층 종료까지 상기 제2전원장치를 통해서 전원이 공급되도록 제어할 수 있다.

여기서, 상기 메인 제어부는, 상기 제1전원장치와 제2전원장치의 온/오프를 제어하도록 구비될 수 있다. 또한, 제1전원장치와 제2전원장치를 선택적으로 연결하도록 구비될 수 있다. 즉, 각각의 전원장치의 온/오프를 제어하고 양자의 연결에 대한 온/오프를 제어하도록 상기 메인 제어부가 구비될 수 있다.

제1전원장치가 함수발생기인 경우, 공급되는 전류 또는 전압값이 작을 수 있다. 따라서, 이 경우 증폭시킨 후 AD 컨버터로 제공될 수 있다. 물론, AD 컨버터에서 입력된 전원을 부하로 공급하게 된다.

이 경우, 전원 채널 1은 오프되고, 전원 채널 2는 온 될 수 있다. 그리고, 제1전원장치와 제2전원장치는 서로 연결될 수 있다. 따라서, 제1전원장치에서 발생 및 입력되는 펄스 입력이 제2전원장치에서 증폭된 후 전원 채널 2를 통해 AD 컨버터로 공급될 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는, 각각의 전원장치만을 통해서 AD 컨버터로 전원이 인가되는 형태가 있으며, 또한 서로 연결된 전원장치를 통해서 AD 컨버터로 전원이 인가되는 형태가 있을 수 있다. 결국, 2개의 전원장치를 통해서 3가지의 서로 다른 전원을 공급할 수 있게 된다.

상기 AD 컨버터는, 상기 제1전원장치와 제2전원장치가 각각 접속하는 채널 접속부; 상기 스위칭부를 포함하고, 연결 채널 및 출력을 제어하는 컨트롤 모듈; 그리고 상기 메인 제어부와 통신 연결하는 통신 모듈을 포함할 수 있다.

상기 컨트롤 모듈은 AD 컨버터 자치의 동작을 제어할 수 있다.

상기 AD 컨버터는 출력 온/오프 스위치를 포함할 수 있다. 즉, 현재 AD 컨버터로 전원장치를 통해 전원이 인가되더라도 출력을 순간적으로 온/오프 할 수 있다.

상기 스위칭부는 상기 제1전원장치와 접속되는 채널과 상기 제2전원장치와 연결되는 접속되는 채널 각각을 온/오프하는 스위치를 포함할 수 있다.

상기 AD 컨버터는 출력의 피크를 검출하는 피크 검출기를 포함하고, 상기 컨트롤 모듈은, 입력 전압을 측정하고 상기 피크 검출기에서 검출된 출력의 피크를 통해 전류를 측정하도록 구비될 수 있다.

상기 AD 컨버터는, 현재 연결된 전원입력 채널 그리고 상기 측정된 전압과 전류를 표시하는 디스플레이를 포함할 수 있다.

상기 메인 제어부는, 상기 통신 모듈을 통해 상기 컨트롤 모듈에서 선택한 전원 입력 채널과 출력 온/오프 정보를 상기 AD 컨버터로 전달하고, 상기 AD 컨버터는 상기 통신 모듈을 통해 측정된 입력 전압과 전류를 상기 메인 제어부로 전달할 수 있다.

전술한 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, AD 컨버터의 제1채널과 연결된 제1전원장치에서 상기 AD 컨버터를 통해 전극모듈과 기판 사이에 전류를 인가하는 단계; 제1전원장치를 통해 전원이 인가된 후, 상기 전극모듈의 갭 상승 제어를 수행하여 3D 프린팅을 수행하는 제1프린팅 단계; AD 컨버터의 제2채널과 연결된 제2전원장치에서 상기 AD 컨버터를 통해 전극모듈과 기판 사이에 전류를 인가하는 단계; 그리고 제2전원장치를 통해 전원이 인가된 후, 상기 전극모듈의 갭 상승 제어를 수행하여 3D 프린팅을 수행하는 제2프린팅 단계;를 포함하고, 상기 제2전원장치는 상기 제1전원장치와 전원 공급 방식이 다른 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치의 제어방법이 제공될 수 있다.

제1프린팅 단계와 제2프린팅 단계를 구분하는 조건이 마련될 수 있으며, 이러한 조건이 충족되면 제1프린팅 단계에서 제2프린팅 단계로 전환될 수 있다.

구분 조건은 적층 높이일 수 있다. 즉, 프린팅 시작 후 설정된 적층 높이까지는 제1프린팅 단계가 수행되고, 이후 제2프린팅 단계가 수행될 수 있다. 따라서, 구분 조건 만족 여부를 판단하는 단계가 수행될 수 있다.

상기 제1전원장치는 펄스를 공급하는 전원장치이며, 상기 제2전원장치는 정전류 또는 정전압을 공급하는 전원장치일 수 있다. 따라서, 적층 초기에는 펄스 전원을 이용하여 균일한 적층 폭을 확보하고, 이후에는 정전류 또는 정전압 전원을 이용하여 적층 속도를 신속히 할 수 있다.

전원 공급 방식의 변경은 AD 컨버터를 통해 용이하게 수행할 수 있으며, AD 컨버터를 통해 펄스 전류 피크치를 매우 신속히 샘플링하여 사이클 평균 전류를 용이하게 얻을 수 있다. 이러한 사이클 평균 전류를 이용하여 펄스 전원 공급 시에도 원활한 갭 제어를 수행할 수 있다.

금속 원료의 적층 레이어(layer)에 따른 사이클 당 적층 높이가 달라짐에 따라, 상기 AD 컨버터로 인가되는 전원 공급 방식을 변경할 수 있다.

금속 원료의 적층 레이어(layer)에 따른 1사이클 당 적층 형상이 달라짐에 따라, 상기 AD 컨버터로 인가되는 전원 공급 방식을 변경할 수 있다.

금속 원료의 적층 레이어(layer)가 달라짐에 따라, 상기 AD 컨버터로 인가되는 전원 공급 방식을 변경할 수 있다.

본 실시예에 따른 제어방법에서, 상기 제1전원장치는 펄스를 공급하는 전원장치이며, 상기 제2전원장치는 정전류 또는 정전압을 공급하는 전원장치인 것이 바람직하다.

상기 제1프린팅 단계 및 제2프린팅 단계에서, 상기 전극과 기판 사이의 갭 제어를 위한 상기 전극의 상승 제어는, 1사이클 이동 적층 후 수행되는 사후 갭 제어와 1사이클 이동 적층 도중 수행되는 중간 갭 제어 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 AD 컨버터에서, 상기 갭 제어를 위하여 입력 전압을 측정하고 피크 검출기에서 검출된 출력의 피크를 통해 전류를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 사후 갭 제어는, 1사이클 이동 적층 완료 후에 상승량이 계산되고, 다음 사이클에서 상기 계산된 상승량에 기반하여 수행될 수 있다.

상기 사후 갭 제어는, 1사이클 이동 적층 완료 후 다음 사이클에서 기설정된 상승량에 기반하여 수행될 수 있다.

상기 중간 갭 제어는, 1사이클 이동 적층 도중에 피드백을 통하여 결정되는 상승량에 기반하여 1사이클 이동 적층 도중에 수행될 수 있다.

수평조절장치를 구동하여 상기 기판의 수평을 조절하는 단계를 포함하는 3차원 프린팅 장치의 제어방법.

본 실시예에 따른 제어방법은 온도조절장치를 구동하여 상기 전해액의 온도를 조절하는 단계를 포함함이 바람직하다.

본 실시예에 따른 제어방법은 농도조절장치를 구동하여 상기 전해액의 농도를 조절하는 단계를 포함함이 바람직하다.

본 실시예에 따른 제어방법은 적층 초기에 상기 제1프린팅 단계가 수행되고, 이후 상기 제2프린팅 단계가 수행될 수 있다.

본 실시예에 따른 제어방법은 기설정된 적층 높이까지 상기 제1프린팅 단계가 수행되고, 이후 상기 제2프린팅 단계가 수행될 수 있다.

본 발명의 일실시예를 통해서, 새로운 형태의 ECAM을 이용한 3차원 프린팅 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 일실시예를 통해서, 효과적으로 갭 제어를 수행할 수 있는 ECAM을 이용한 3차원 프린팅 장치 및 이의 제어방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 일실시예를 통해서, 적층 속도 및 적층 균일성을 만족시킬 수 있는 ECAM을 이용한 3차원 프린팅 장치 및 이의 제어방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 일실시예를 통해서, 복잡한 3차원 형상의 레이어 층이 한붓 그리기가 안 되는 경우, 이를 한붓 그리기 할 수 있는 ECAM을 이용한 3차원 프린팅 장치 및 이의 제어방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 일실시예를 통해서, 전원 공급 방식을 다변화할 수 있고, 각각의 전원 공급 방식에서도 Z 축 제어 로직을 다변화하여, 탄력적으로 프린팅하고자 하는 3차원 형상에 맞게 최적의 3차원 프린팅을 수행할 수 있는 ECAM을 이용한 3차원 프린팅 장치 및 이의 제어방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 개략도이며,
도 2는 도 1에 도시된 전원공급부의 확대 개략도이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅의 기본 플로우를 도시하고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅 장치를 이용한 프린팅 플로우를 도시하고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 제어 구성을 도시하고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 제어 구성을 AD 컨버터 중심으로 도시하고 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 프린팅 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 기판과 전극에 전원이 인가된 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅 장치(10)는 전해액(11)을 수용하는 터브(tub)(20), 상기 터브(20)에 수용된 전해액(11)에 침지된 상태로 놓여지는 기판(12), 전극홀더(31)와 상기 전극홀더(31)에 소정간격으로 배열되어 고정되는 복수의 전극(32)을 구비하는 다중 전극모듈(30), 상기 다중 전극모듈(30)의 움직임을 조절하는 구동부(13), 상기 기판(12)과 상기 복수의 전극(32)에 전원을 인가하기 위한 전원공급부(50) 및 상기 구동부(13)와 상기 전원공급부(50)를 제어하여 상기 기판(12) 상에 상기 전해액(11)에 포함된 금속이온을 선택적으로 전착시켜 적층하는 제어부(14)를 포함할 수 있다.

상기 기판(12)과 상기 복수의 전극(32)의 밑면(33)은 서로 마주한 상태로 소정간격 이격되어 상기 터브(20)에 수용된 전해액(11)에 침지될 수 있다.

예를 들어, 상기 기판(12)은 상기 터브(20) 내에 구비되는 지지대(21)에 놓여진 상태에서 상기 터브(20)에 수용된 전해액(11)에 침지될 수 있으며, 상기 복수의 전극(32)은 상기 구동부(13)의 작동에 의한 상기 다중 전극모듈(30)의 움직임에 의해 상기 복수의 전극(32)의 밑면(33)이 상기 터브(20)에 수용된 전해액(11)에 침지되어 상기 기판(12)과 소정간격 이격된 상태로 마주할 수 있다.

그리고, 상기 기판(12)과 상기 복수의 전극(32)의 밑면(33)이 소정간격 이격되어 마주한 상태로 상기 터브(20)에 수용된 전해액(11)에 침지된 상태에서, 상기 제어부(14)는 상기 전원공급부(50)를 제어하여 상기 복수의 전극(32)을 (+), 상기 기판(12)을 (-)로 하여 상기 기판(12)과 상기 복수의 전극(32)에 전원을 인가하면, 상기 기판(12) 상에는 상기 전극(32)의 밑면(33)이 마주하는 영역(17)에 상기 전해액(11)에 포함된 금속이온이 전착(electrochemical deposition)됨에 따라 적층될 수 있다.

따라서, 상기 제어부(14)는 상기 구동부(13)와 상기 전원공급부(50)를 제어하여 상기 기판(12) 상에 상기 전해액(11)에 포함된 금속이온을 선택적으로 전착시켜 적층할 수 있다. 즉, 기판(12) 상에는 전해액 내의 금속 이온이 고체화되어 전착 및 적층될 수 있다. 다시 말하면, 금속 원료가 3D 형상을 갖고 기판 상에 형성될 수 있다.

상기 구동부(13)는 상기 다중 전극모듈(30)의 움직임을 조절하기 위한 구성으로서, 상기 다중 전극모듈(30)을 수평, 수직방향으로 구동 가능하도록 구비될 수 있다.

예를 들어, 상기 구동부(13)는 상기 다중 전극모듈(30)을 수평 이동시켜 상기 기판(12) 상에 적층되는 위치를 선택할 수 있도록 하며, 소정높이 적층 후 예를 들어, 기 설정된 1 레이어 적층이 완료 후에는 상기 다중 전극모듈(30)을 수직방향으로 대략 상기 1 레이어 적층된 높이만큼 이동시켜 상기 기판(12)과 상기 복수의 전극(32)의 밑면(33) 사이의 간격을 조절할 수 있다.

즉, 상기 구동부(13)는 상기 다중 전극모듈(30)을 구동하여 상기 복수의 전극(32)의 밑면(33)과 상기 기판(12) 사이의 갭을 포함하는 3차원 변위를 조절할 수 있다.

상기 전원공급부(50)는 상기 복수의 전극(32)에 동시에 전원을 인가할 수 있도록 구비될 수 있다.

상세히, 상기 전원공급부(50)는 전원부(51), 상기 전원부(51)를 상기 기판(12)에 연결하는 기판연결부(52), 상기 전원부(51)를 상기 복수의 전극(32)에 연결하기 위한 메인연결부(53), 상기 메인연결부(53)와 상기 복수의 전극 각각을 연결하는 서브연결부(54)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 서브연결부(54)는 상기 복수의 전극 각각을 병렬 배치되도록 구비될 수 있다.

따라서, 상기 전원공급부(50)에 의해 전원이 인가되는 경우에, 상기 복수의 전극(32)은 동시에 전원이 인가될 수 있으며, 그러면 도 2에서 보이는 바와 같이, 상기 복수의 전극(32) 각각에서 동시에 멀티 적층이 가능해질 수 있으며, 그에 따라 전체 프린팅 속도를 증대시킬 수 있다.

상기 다중 전극모듈(30)은 상기 복수의 전극(32)을 고정하기 위한 구성으로서, 상기 복수의 전극(32)이 소정간격으로 배열되어 고정되는 전극홀더(31)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 복수의 전극(32)은 상기 전극홀더(31)를 관통한 상태로 고정될 수 있으며, 이때 상기 관통된 복수의 전극(32)의 밑면(33)은 상기 전극홀더(31)의 밑면(34)과 수평을 이루도록 구비될 수 있다.

상기 기판(12)과 상기 복수의 전극(32)에 전원이 인가되어 전기화학 전착이 발생하는 경우에는 기포가 생성되는데, 이러한 기포는 안정적인 전기화학 전착을 방해하여 적층 품질을 저해하는 원인이 되기 때문에, 적층 품질을 향상시키기 위해서는 상기 생성하는 기포가 원활하게 제거되도록 할 필요가 있다.

그러나, 상기 관통된 복수의 전극(32)의 밑면(33)이 상기 전극홀더(31)의 밑면(34)보다 안쪽으로 들어가 소정의 공간이 형성되거나 상기 전극홀더(31)의 밑면(34)보다 돌출되면, 상기 생성되는 기포는 상기 공간에 머물게 되거나 상기 돌출된 전극(32) 부위에 달라붙게 되면서 상기 생성되는 기포가 원활하게 제거될 수 없다.

따라서, 적층 품질을 향상시키기 위해서는 상기 복수의 전극(32)의 밑면(33)이 상기 전극홀더(31)의 밑면(34)과 수평을 이루도록 함이 바람직하다.

상기 전극홀더(31)는 플라스틱 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 다중 전극모듈(30)은 상기 플라스틱 재질의 전극홀더(31)를 상온보다 높은 온도의 물에 담가 연성을 확보한 후 상기 복수의 전극(32)을 소정간격으로 상기 연성이 확보된 전극홀더(31)에 압입 관통시킴으로써 제조될 수 있다.

이때, 상기 전극홀더(31)의 밑면(34) 전체를 연마하여 상기 복수의 전극(32)의 밑면(33)과 상기 전극홀더(31)의 밑면(34)이 수평을 이루도록 할 수 있다.

상기 유입구(35)는 상기 전극홀더(31)의 상면에 형성될 수 있으며, 상기 유입구(35)에는 상기 전해액 공급부(16)에서 공급되는 전해액을 소정압력으로 분출하는 노즐(39)이 결합될 수 있으며, 상기 전극홀더(31)의 상면에는 상기 구동부(13)에 고정되기 위한 결합부(38)가 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 프린팅 장치(10)는 상기 생성되는 기포를 원활하게 제거할 수 있도록 구성될 수 있다.

이를 위해, 상기 3차원 프린팅 장치(10)는 전해액(11)이 저장되는 저장부(15)와, 상기 저장부(15)에 저장된 전해액(11)을 상기 터브(20)로 공급하기 위한 전해액 공급부(16)를 포함할 수 있다.

상기 전해액 공급부(16)는 소정의 펌프가 사용될 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니며, 높이차를 이용하여 상기 저장부(15)에 저장된 전해액(11)이 상기 터브(20)로 공급되도록 구비될 수도 있다.

상기 전극홀더(31)에는 상기 전해액 공급부(16)에서 공급되는 전해액이 유입되는 유입구(35)와, 상기 유입구(35)를 통해 유입된 전해액이 상기 기판(12)으로 분출되는 분출구(36)와, 상기 유입구(35)와 상기 분출구(36)를 연결하는 분출유로(37)가 구비될 수 있다.

도 2에서 보이는 바와 같이, 상기 분출유로(37)는 상기 유입구(35)를 통해 유입된 전해액이 상기 분출구(36)를 통해 분출시 상기 복수의 전극이 구비된 영역 방향으로 분출되도록 경사질 수 있다.

그러면, 상기 기판(12)과 상기 복수의 전극(32)에 전원이 인가되어 전기화학 전착이 발생하는 경우에는 생성되는 기포는 원활하게 제거될 수 있다.

상기 분출구(36)는 상기 전극홀더(31)의 밑면(34)에 형성되되 상기 복수의 전극(32)이 구비된 영역의 가장자리 일측에 길게 형성될 수 있다. 그러면, 상기 생성되는 기포는 더욱 원활하게 제거될 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 3차원 프린팅 장치(10)는 상기 터브(20)를 수용하는 보조터브(22)를 포함할 수 있다.

상기 보조터브(22)에는 상기 터브(22)에서 넘쳐 흐르는 전해액을 상기 저장부(15)로 배출시키기 위한 배출부(23)가 구비될 수 있다.

따라서, 상기 전해액 공급부(16)가 소정의 펌프로 사용되는 경우에, 상기 전해액(11)은 전해액 공급부(16)와 배출부(23)에 의해 터브(20)와 저장부(15)를 순환할 수 있다.

이상에서는 도 1 내지 도 2를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 전체 구성에 대해서 간략하게 설명하였다. 설명된 예에서는 전극모듈이 다중 전극을 포함하고 있는데, 다중 전극이 아닌 하나의 전극이 구비된 형태일 수 있다.

하나의 전극을 이용하여 3차원 프린팅을 수행하는 경우나 다중 전극을 이용하여 3차원 프린팅을 수행하는 경우 모두 전극과 기판 사이의 수직 거리, 즉 갭을 매우 효과적이고 정확하게 제어하는 것이 매우 중요하다. 이는, 일반적인 3차원 프린팅에서와는 매우 다르다고 할 수 있다. 왜냐하면, 본 실시예에 따른 프린팅 장치는 금속 원료를 파우더나 액상이 아닌 이온 상태에서 전착 및 적층을 통해서 3차원 프린팅을 수행하기 때문이다.

이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 제어 방법 및 제어 구성에 대해서 보다 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 프린팅 장치의 동작 또는 제어 플로우를 도시하고 있다.

3차원 형상을 프린팅하기 위해, 먼저 3D 모델링(S1)을 수행한다. 즉, 프린팅하고자 하는 3차원 형상을 캐드(CAD)로 모델링한다. 그리고 모델링 파일을 STL 파일로 변환한다. 즉, STL 파일을 생성(S2)한다.

STL(Stereo Lithography)은 3D 모델링 된 데이터를 표준형식의 파일로 저장하는데 제공하는 파일 형식이라 할 수 있다.

3D 그래픽 소프트웨어마다 파일을 저장하는 포맷이 각각 다르지만, STL 파일로 대부분 호환시킬 수 있다. STL 파일은 3D 업계에서 가장 널리 쓰이고 있는 파ㅇ일이라 할 수 있다. STL은 입체 모형을 삼각형 면으로 구성하는 것이 특징이며, 세밀하게 조절하면 원형에 가까운 모형을 설계할 수 있는 장점이 있다. 물론, 3D 모델링 데이터를 STL 파일로 변환하지 않고 사용할 수도 있으며, 다른 형태의 파일로 변환하여 사용할 수 있다. 이후, STL 파일을 슬라이싱(Slicing) 소프트웨어(S/W) 또는 프로그램 STL 파일을 입력(S3)한 후 스케일, 적층 조건, 환경설정들을 통해 G-Code를 생성(S4)하게 된다.

S1 단계 내지 S4 단계는 대부분의 3D 프린팅 장치에서 공통적으로 사용하는 단계들이라 할 수 있다.

슬라이싱프로그램은 3D 프린터 사용시, 사용자가 3차원 모델과 프린터의 세팅값을 넣어주면 자동으로 3D 프린터가 한층 한층 쌓으며 형상을 만들 수 있는 경로를 만들어 주는 프로그램이다. 슬라이싱 프로그램에는 여러 종류가 있다.

대부분의 3D프린터가 전용 슬라이싱 프로그램을 가지고 있을 수 있으며, 상용 슬라이싱 프로그램도 제공되고 있다.

상용 슬라이싱 프로그램에서 생성된 G 코드 파일을 본 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치에는 그대로 이용할 수 없다. 왜냐하면, 상용 슬라이싱 프로그램에서 생성된 G 코드는 압축 등을 통해 적층되는 메커니즘에 적합하기 때문이다. 즉, 본 실시예에서와 같이 전기화학 전착을 이용하여 적층되는 메커니즘에는 적합하지 않다.

따라서, 본 실시예에 맞게 G 코드의 재해석이 필요하며, 본 실시예에서는 갭 제어 로직을 반영하여 3D 프린팅을 수행(S5)하게 된다.

S5 단계는 G 코드를 본 발명의 일실시예에 적용할 수 있도록 프로그램적으로 재해석하고, 재해석 후 갭 제어 로직을 반영하여 3D 프린팅을 수행하는 것을 포함한다. 물론, G 코드가 입력되고, 재해석, 갭 제어 그리고 3D 프린팅이 구분되지 않고 실시간으로 수행될 수도 있다.

여기서, 슬라이싱프로그램에 따라 G-CODE를 툴 페스(Tool Path)나 공구경로 등의 이름으로 사용되는데 모두 같은 것이라 할 수 있다.

본 실시예에서는 생성된 G 코드를 입력받고, 이를 재해석하여 갭 제어 로직을 반영하여 3D 프린팅을 수행한다고 할 수 있다.

갭 제어에 대해서 보다 상세히 설명한다.

본 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치는 전술한 바와 같이 ECAM을 이용한다. 일례로, 백금으로 제조된 전극에 전원을 연결하고 전해액에 침지된 상태의 기판에 전원을 연결하여 구리를 적층시킬 수 있다. 이때, 양극과 음극의 거리가 변하면 인가되는 전압과 전류 확산 영역이 변하기 때문에 전극과 적층물 사이의 최적 갭(GAP)을 유지하기 위한 Z축 제어 기술이 필요하다. 즉, 갭 제어 기술 또는 로직이 필요하다고 할 수 있다.

G 코드에서도 층 높이값이 설정된다. 즉, 각 층을 형성한 후 다음 층을 형성하기 위하여 필라멘트가 수직으로 이동하는 값이 설정된다. 이러한 설정값을 통해 3D 프린팅이 수행된다고 할 수 있다.

그러나, G 코드에서 설정된 층 높이값은, 실제 본 실시예에서 적용하는 것이 용이하지 않다. 왜냐하면, ECAM 적용 3차원 프린팅 장치에서는 1사이클 적층 높이가 G 코드에서와의 층 높이값과 달라지기 때문이다. 보다 구체적으로는, 전극의 사이즈 및 기판과 전극 간 갭에 따라 1사이클 적층 높이가 달라진다. 특히, 전류 혹은 전압 설정에 따라 1사이클 적층 높이가 달라지고, 요구되는 적층 형상에 따라 1사이클 적층 높이도 달라질 수 있다.

본 실시예에 따른 ECAM을 적용한 3차원 프린팅 장치에서는, 적층 높이나 적층 형상에 따라 그에 맞는 전원 사양 및 Z 축 상승 알고리즘을 달리 적용할 수 있다. 즉, 3차원 프린팅 과정 중에서 서로 다른 방식의 전원을 공급하도록 하고, 서로 다른 갭 제어 방식을 적용할 수 있다.

본 발명자는 ECAM을 적용한 3차원 프린팅 장치에서 전원 공급 방식을 정전압 또는 정전류 방식 시도하였다. 이 경우, 전류 확산으로 적층물의 형태가 가오시안 형태로 성장함을 알 수 있었다. 즉, 초기 적층(later)에서는 폭이 상대적으로 크고 적층이 진행됨에 따라 폭이 상대적으로 작아지는 형태로 적층물이 형성됨을 알 수 있었다. 일례로, 초기 층에서는 l00 마이크로미터의 폭이 형성되다가 상층으로 갈수록 폭이 대략 50 마이크로미터까지 형성됨을 알 수 있었다. 이러한 형상을 코끼리 발(elephant foot) 형상이라 할 수 있다.

반면, 펄스의 온/오프의 전원 공급 방식을 적용한 경우, 가오시안 형태의 성장이 방지됨에도 불구하고, 적층 시간이 증가하는 문제를 발견할 수 있었다. 즉, 저층에서 상층으로 갈수록 상대적으로 폭의 변동이 작은 증가를 형성할 수 있지만, 적층 시간이 증가되는 문제가 있었다.

따라서, 본 실시예에서는 서로 다른 전원 공급 방식의 장점 및 단점을 서로 보완하여 균일한 성장 및 적층 시간을 줄일 수 있도록 하였다.

본 실시예에서의 전원 공급 방식은 정전류 공급 방식, 정전압 공급 방식, 펄스 공급 방식 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 특히, 펄스 공급 방식과 다른 형태의 공급 방식을 혼용할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 전원 공급 방식마다 Z 축 상승 로직(갭 제어 로직)이 마련될 수 있다.

먼저, 정전류 공급 방식에 있어서의 갭 제어 로직에 대해서 설명한다.

정전류 공급 방식에는 계산 상승 로직, 고정 상승 로직 그리고 순시 상승 로직이 마련될 수 있다. 어느 하나의 방식이 적용될 수 있으며, 이들 방식들이 혼용되어 적용될 수 있다.

계산 상승 로직은, 1사이클 이동 적층 후 1사이클 동안 측정된 전압들의 평균값을 취득하여, 이를 이용하여 갭 상승량을 부여하는 방식이라 할 수 있다.

구체적으로, 1사이클 종료 시 얻어진 평균 전압과 설정 전압의 차이를 구할 수 있고, 이 차이에 설정 높이를 곱할 수 있다. 여기서, 설정 높이는 G 코드에서 설정된 높이일 수 있다. 따라서, 1사이클 종료 시 계산된 설정 높이를 반영하여 구동부에서 전극 모듈을 구동하여 갭 상승을 수행하게 된다.

여기서, 설정 전압은 초기 전극과 기판 사이의 갭에서 측정되는 전압으로 설정될 수 있고, 설정 높이는 원하는 Z 축 상승량을 계산하기 위한 전압(V) 당 마이크로미터 단위로 설정될 수 있고, 1사이클 평균 전압은 프로그램으로 자동 계산될 수 있다.

일례로, 설정 전압이 5 V 그리고 1사이클 평균 전압이 0 V 일때, 설정 높이를 2 ㎛/V 로 하면, Z 축 상승량(갭 상승량)은 10 ㎛ 가 된다. 그리고, 설정 전압이 1사이클 평균 전압보다 작은 경우, 갭 상승이 없도록 할 수 있다.

고정 상승 로직은, 1사이클마다 적층 완료 후 설정한 값만큼 상승하도록 하는 로직이다. 즉, 사이클 당 마이크로미터로 설정 높이를 기설정할 수 있다.

순시 상승 로직은, 적층 이동 중 설정시간(일례로 0.05초)마다 현재 전압값과 설정 전압값을 비교 후 상승 또는 하강을 하는 로직이다. 즉, 순시 상승은 즉각적인 갭 제어라 할 수 있다.

본 실시예에서는, 3가지의 갭 제어 방식을 혼합하여 사용할 수 있다.

일례로, 3가지의 갭 제어 방식을 모두 사용하는 경우, 1사이클 수행 도중 순시 상승으로 인해 Z축은 상승 또는 하강하며, 1사이클이 종료된 후 계산 상승량과 고정 상승량의 합만큼 Z 축 상승이 이루어질 수 있다.

다음으로, 펄스 공급 방식에 있어서의 갭 제어 로직에 대해서 설명한다.

계산 상승 로직은, 1사이클 이동 적층 동안 각 펄스 폭 내 온 시간(on time) 전류의 피크(peak)치를 측정하고 이를 이용하는 것이다. 1사이클의 온 시간 주기 별 얻어진 사이클 평균 전류와 설정 전류의 차를 설정 높이로 곱해준다. 이렇게 얻어진 Z 축 상승량에 의해 상승 또는 유지가 반복될 수 있다.

여기서, 펄서 설정에서 주기(on/off 시간)값을 입력하지 않으면, 정전압 공급 방식으로 사용할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 정전압 공급 방식에서도 계산 상승 로직이 사용될 수 있음을 알 수 있다.

설정 전류는 초기 전극과 기판 사이의 갭에서 측정되는 전류로 mA 단위로 설정될 수 있다. 설정 높이는 원하는 Z 축 상승량을 계산하기 위해 전류 당 높이(㎛/mA)로 설정될 수 있다. 그리고, 사이클 평균 전류는 프로그램에서 자동 계산할 수 있다.

계산 상승 로직에서 계산된 값이 음수일 경우(얻어진 평균 전압보다 설정 전압이 낮은 경우)에는 갭이 유지될 수 있다. 이는 정전류 방식과 반대인데, 통전 시 정전압은 O V이며 정전류는 최대 출력을 갖기 때문이다.

고정 상승 로직은, 정전류 방식에서와 동일하다.

순시 상승 로직은, 적층 이동 중 측정되는 전류 피크값을 설정 시간(일례로 0.05초)마다 설정 전류값과 비교 후 상승 또는 하강하는 방식이라 할 수 있다.

정전류 방식에서와 마찬가지로, 정전압 방식 또는 펄스 방식에서도 동일하게 3가지 Z축 제어 로직을 혼합하여 사용하는 것이 가능하다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 적층에 의한 3차원 프린팅에서 갭 제어 로직이 반영(S5)된다. 이를 도 4를 통해서 보다 상세히 설명한다.

본 실시예에서는 서로 다른 전원 방식을 이용하여 3차원 프린팅을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

먼저, 제1프린팅이 시작(S10)되면 제1전원장치에서 공급된 전원을 통해서 제1프린팅(S12)가 수행되고, 이때, 갭 제어(S11)가 수행될 수 있다. 여기서, 제1전원장치는 후술하는 바와 같이 펄스 공급 방식의 전원장치일 수 있다. 이때의 갭 제어는 전술한 3가지 로직이 모두 적용될 수 있다.

제1프린팅이 수행되면서, 전원 채널 변경 조건 만족 여부를 판단(S13)하게 된다. 적층 높이 또는 적층 시간일 수 있다. 이러한 적층 조건은 다양하게 설정될 수 있다. 일례로, 즉, 제1프린팅과 제2프린팅을 구분하는 조건이라 할 수 있으며, 적층 높이 또는 적층 시간일 수 있다.

전원 채널 변경 조건이 만족되면, 제2전원장치에서 공급된 전원을 통해서 제2프린팅(S16)이 수행되고, 이때, 갭 제어(S15)가 수행될 수 있다. 여기서, 제2전원장치는 후술하는 바와 같이 정전압 공급 방식 또는 정전류 공급 방식의 전원장치일 수 있다. 이때의 갭 제어는 전술한 3가지 로직이 모두 적용될 수 있다.

여기서, 펄스 공급 방식의 경우, 피크 전류를 측정하여야 하며, 측정된 피크 전류를 이용하여 갭 제어가 수행될 수 있다.

일반적으로, 온 시간(on time) 동안의 전압 파형은 사각 파형으로 온 시간 동안 일정한 값을 갖게 된다. 즉, 함수 발생기에서 일정하게 전압을 출력하기 때문이다. 따라서, 매 측정시간마다 동일한 전압 값을 얻을 수 있다.

그러나, 전류의 파형은 온 시간(on time) 동안 매우 불규칙하게 나타난다. 따라서 일정한 전류값을 얻을 수 없다. 이러한 이유로, 일정한 전류값을 통한 Z 축 제어가 용이하지 않다. 전류 파형이 불규칙한 이유는, 프린팅에 사용되는 전해액은 용량성/유도성 리엑턴스 성질을 가지고 있어 전류 흐림이 방해를 받기 때문이다. 즉, 전해액 자체의 전류 통과를 방해하는 성질에 의해 전류 파형이 매우 불규칙하게 된다.

본 실시예에서는, 새로운 형태의 AD 컨버터를 이용하여, 이러한 문제를 해결할 수 있다.

구체적으로, 온 시간 구간 내에서 불규칙한 파형을 고속으로 샘플링하여 전류 피크(최대 전류)를 취득하고, 한 층의 적층이 끝나면 전체 피크 값의 평균을 내어 사이클 평균 전류를 구할 수 있게 된다. 이러한 값을 이용하여 Z 축 상승 제어, 즉 갭 제어를 수행할 수 있다.

이하에서는 도 5를 참조하여 전원공급부(50)를 포함하는 제어 구성에 대해서 보다 상세히 설명한다.

제어부(14)는 PC로 구비될 수 있으며, 장치 전체를 제어하므로 메인 제어부(14)라 할 수 있다.

상기 제어부에는 제어 프로그램이 설치되어 있고, 사용자인터페이스를 위한 디스플레이(14a)가 구비될 수 있다. 터치 디스플레이 형태로 구비되어, 입력 및 디스플레이가 지원될 수 있다.

상기 제어부(14)는 전원부(51)를 포함하는 전원공급부(50)의 작동을 제어하게 된다.

본 실시예에 따르면, 전원공급부(50)는 복수 개의 전원장치(51a, 51b)와 AD 컨버터(60)를 포함한다. 전원장치에서 전원이 AD 컨버터(60)를 통해서 부하로 전달된다. 여기서 부하는 전극과 기판 사이에 흐르는 전류라 할 수 있으며, 이러한 전류 흐름을 통해서 3차원 프린팅이 수행된다.

제어부(14)는 AD 컨버터(60)와 통신을 통해서 AD 컨버터(60)의 작동을 제어한다. 이를 위해서, 제어부(14)에는 통신모듈(14b)가 구비될 수 있다.

AD 컨버터(60)는 부하에 제1전원장치(51a)와 제2전원장치(51b)를 선택적으로 연결하도록 구비될 수 있다. 즉, AD 컨버터의 작동을 통해서, 부하에는 어느 하나의 전원장치를 통해 전원이 공급된다.

이를 위해서, AD 컨버터(60)는 외형을 형성하는 하우징을 갖고, 하우징에는 입력 단자 내지는 출력 단자(61)가 복수 개 구비될 수 있다. 각각의 전원이 접속되는 전원단자가 구비되며, 이를 전원 채널이라 할 수 있다. 도 5에는 두 개의 전원 채널에 각각 제1전원장치와 제2전원장치가 연결된 일례가 도시되어 있다. 그리고 출력단자는 부하와 연결되어 있다. 전원이 입력되는 단자는 전원 채널 접속부라 할 수 있고, 출력 단자는 출력 접속부라 할 수 있다.

하우징에는 디스플레이(62)와 입력부(63)가 구비될 수 있다. 디스플레이에는 각종 정보가 표시될 수 있고, 입력부를 통해서 전원 채널 선택 등을 수동으로 전환할 수 있다.

상기 입력 단자 내지는 출력 단자는 통신 연결 단자 및 전원 단자를 포함할 수 있다. 전원 단자는 AD 컨버터 자체의 작동을 위한 전원을 연결하기 위한 단자라 할 수 있다.

여기서, 제1전원장치(51a)와 제2전원장치(51b)는 서로 다른 방식의 전원 공급장치인 것이 바람직하다. 제1전원장치는 펄스 입력 방식이며, 제2전원장치는 정전류 또는 정전압 입력 방식이라 할 수 있다.

제어부(14)에서 전원 채널 선택 명령을 AD 컨버터에 전달하면, AD 컨버터는 전달받은 명령에 의해 특정 채널을 선택하게 된다. 따라서, 특정 채널의 전원이 부하로 공급되게 된다.

본 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치(10)는 전술한 전원공급부(50)와 모듈 구동부(13)뿐만 아니라 다양한 제어 구성을 포함할 수 있다.

전극 모듈을 3차원으로 이동하도록 제어하는 모듈 구동부(13)는 기판이 수평 고정됨을 전제로 정확하게 전극 모듈의 이동을 제어할 수 있다.

따라서, 기판의 수평을 조정하는 장치로서 수평조절장치(70)가 구비될 수 있다. 일례로, 2축 고니오 스테이지 형태로 수평조절장치(70)가 구비될 수 있다.

전극 모듈에 미도시된 갭 센서가 장착될 수 있으며, 스테이지의 상면 외곽 부 삼 점에 대한 높이 정보를 취득한 후, 2축으로 스테이지를 구동하여 수평을 조절할 수 있다. 이러한 수평조절장치의 제어는 메인 제어부(14)에서 수행할 수 있다.

한편, 전해액의 온도는 매우 중요하다. 즉 동일 농도에서 전해액의 온도에 따라 전해액 자체의 저항값이 달라지기 때문이다. 따라서, 본 실시예에서는 전해액의 온도를 조절하기 위한 온도조절장치(90)가 구비될 수 있다.

온도조절장치(90)는 전해액의 온도를 센싱하기 위한 온도 센서, 전해액을 가열하기 위한 히터를 포함할 수 있다. 또한, 전해액이 온도를 낮출 수 있는 쿨러를 포함할 수 있다. 온도조절장치의 제어는 메인 제어부(14)에서 수행할 수 있다.

전해액의 온도뿐만 아니라 전해액의 농도 또한 매우 중요하다. 전해액에 용해된 금속 이온의 양이 3차원 프린팅이 수행됨에 따라 줄어들 수밖에 없고, 특히 공정 중 전해액 내의 수분 증발로 인한 농도 변화가 커질 수 있기 때문이다. 따라서, 항상 일정하게 전해액의 농도를 조절하는 것이 중요하다. 왜냐하면, 농도 변화에 따라 부하에서의 저항 크기가 달라지고, 이는 부하에서의 전류 크기가 달라지기 때문이다.

본 실시예에서는 전해액의 농도를 맞추기 위한 농도조절장치(80)를 포함할 수 있다.

농도조절장치(80)는 도 1에 미도시된 보충 탱크를 포함할 수 있다. 보충 탱크는 저장부(15)의 전해액 수위를 자동으로 조절하도록 구비될 수 있다.

구체적으로 저장부(15)에는 수위센서가 구비될 수 있다. 상기 수위센서를 통해서 일정하게 저장부의 수위가 유지되도록 할 수 있다. 즉, 수위가 낮아지면 보충 탱크를 통해 전해액이 저장부(15)로 공급되도록 할 수 있다.

이를 위해서 저장부(15)보다 상측에 보충 탱크가 구비되며, 보충 탱크에는 밸브가 구비될 수 있다. 밸브는 메인 제어부(14)의 작동 명령에 의해 개방되도록 제어될 수 있다. 즉, 평시에는 닫혀있다가 전해액 수위가 낮아진 경우 개방되어 보충 탱크로부터 저장부로 전해액을 공급할 수 있다. 수위가 설정 수위에 도달하면, 수위센서에서 이를 센싱하고, 메인 제어부는 밸브를 폐쇄할 수 있다.

도 6을 통해서 AD 컨버터에 대해서 보다 상세히 설명한다.

AD 컨버터(60)는 AD 컨버터(60)의 작동을 제어하는 컨트롤 모듈(64)을 포함할 수 있다. 상기 컨트롤 모듈(64)은 자체 작동을 제어하고 통신모듈(65)을 통해 입력받은 명령을 수행하는 제어를 한다.

AD 컨버터(60)는 스위칭부(67, 68)를 포함할 수 있다. 상기 스위칭부는 컨트롤 모듈(64)의 제어를 통해 현재 입력되는 전원장치를 선택하도록 구비될 수 있다.

구체적으로, 제1전원장치(51a)와 연결을 온/오프하는 제1전원채널 스위치(67)과 제2전원장치(51b)와 연결을 온/오프하는 제2전원채널 스위치(68)가 구비될 수 있다. 어느 하나의 전원 장치가 연결되면, 다른 하나의 전원 장치의 연결은 해제되도록 함이 바람직하다.

AD 컨버터(60)는 출력 스위치(69)를 포함할 수 있다. 출력 스위치(69)는 부하(12, 33)에 인가되는 전원을 강제적으로 해제하기 위해 구비될 수 있다. 3차원 프린팅 도중에 인위적으로 전원을 해제할 필요가 있다. 이에 대해서는 후술한다.

따라서, AD 컨버터로 인가되는 전원장치의 연결을 해제하는 것이 아닌, 출력단에서 출력을 해제할 수 있다.

출력단에는 측정회로 내지는 측정부(66)가 구비될 수 있다. 측정부(66)에서 측정한 전압과 전류값은 컨트롤 모듈(64)에 전달되고, 컨트롤 모듈(64)은 이를 제어부(14)에 전달한다.

측정부(66)는 PWM을 이용하여 부하에 입력되는 전압을 측정한다. 그리고 측정부(66)는 100 Hz 이상의 주파수를 갖고 고속으로 온 타임 구간 내에서의 전류 피크를 측정하게 된다. 즉, 온 타임 구간에서 불규칙한 파형을 고속으로 샘플링하여 전류 피크를 구할 수 있다.

1 층의 적층이 종료하면 전체 전류 피크값들의 평균을 내어, 사이클 평균 전류를 계산할 수 있다. 물론, 이러한 계산은 제어부(14)에서 수행할 수 있다.

제어부(14)는 계산을 통해 산출되는 상승량에 기초하여 구동부(13)의 작동을 제어하여, 갭 제어를 포함하여 전극의 3차원 구동을 제어하게 된다. 즉, 제어부는 측정된 전압과 전류값을 통해 적절하게 갭 제어를 수행하면서 3차원 프린팅 수행을 제어하게 된다.

결국, 제어부(14)에서 AD 컨버터를 제어하게 되며, 구체적으로는 전원 입력 채널을 선택하는 제어, 출력 온/오프 제어 그리고 전압과 전류의 모니터링을 AD 컨버터를 통해서 수행하게 된다.

전술한 조작 버튼은 전원채널 1번 선택, 전원채널 2번 선택, 부하 출력 온 그리고 부하 출력 오프를 각각 수동으로 입력하도록 구비될 수 있다.

AD 컨버터(60)의 사양은 다음과 같을 수 있다.

입력 전원은 DC 24V 이며, 입력전압 범위는 DC 0 내지 20V 일 수 있다. 전류 측정 범위는 0 내지 100 mA일 수 있으며, 입력 전압 및 전류 측정은 100 hz 이상으로 수행될 수 있다.

디스플레이는 함수 발생기 입력전압을 표시할 수 있으며, 측정 전류를 표시할 수 있다. 입력전압 표시는 PWM 피크 전압을 의미할 수 있으며, 측정전류는 피크 전류를 의미할 수 있다.

한편, 제1전원장치는 메인 전원으로서 함수발생기일 수 있으며, 제2전원장치는 서브 전원으로서 증폭기를 가질 수 있다.

복잡한 3차원 형상의 층이 한붓 그리기가 안되는 경우가 있다. 즉, 전착이 불연속으로 수행되어야 하는 층이 있을 수 있다. 이 경우, 전극의 이동 중 출력 전원을 순간적으로 오프 후 온 해야 하는 경우가 있다. 본 실시예에서는, AD 컨버터를 통해서 매우 빠른 속도로 출력 온/오프 스위칭을 수행할 수 있다. 따라서, 불연속 층에 대한 3차원 프린팅을 원활히 수행할 수 있게 된다.

11 : 전해액 12 : 기판
13 : 구동부 14 : 제어부(PC)
15 : 저장부 20 : 터브
30 : (다중) 전극모듈 31 : 전극 홀더
50 : 전원공급부 51 : 전원부
51a : 제1전원공급장치 51b : 제2전원공급장치
60 : AD 컨버터

Claims

전해액을 수용하는 터브(tub);
상기 터브 내에 놓여지는 기판;
전극모듈;
상기 전극모듈을 구동하여 상기 전극과 상기 기판 사이의 갭 방향 이동을 포함하는 3차원 이동을 조절하는 모듈 구동부;
상기 전극모듈 및 기판을 서로 다른 극으로 연결하도록 구비되고, 스위칭부를 포함하는 AD 컨버터;
상기 AD 컨버터와 상기 스위칭부를 통해서 선택적으로 연결되는 제1전원장치;
상기 AD 컨버터와 상기 스위칭부를 통해서 선택적으로 연결되며, 상기 제1전원장치와는 전원 공급 방식이 상이한 제2전원장치; 그리고
상기 모듈 구동부와 상기 스위칭부의 작동을 제어하는 메인 제어부를 포함하며,
상기 메인 제어부는 상기 AD 컨버터로 인가되는 전원 공급 방식을 변경하여 상기 갭을 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 메인 제어부는, 금속 원료의 적층 레이어(layer)에 따른 사이클 당 적층 높이가 달라짐에 따라, 상기 AD 컨버터로 인가되는 전원 공급 방식을 변경하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 메인 제어부는, 금속 원료의 적층 레이어(layer)에 따른 1사이클 당 적층 형상이 달라짐에 따라, 상기 AD 컨버터로 인가되는 전원 공급 방식을 변경하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 메인 제어부는, 금속 원료의 적층 레이어(layer)가 달라짐에 따라, 상기 AD 컨버터로 인가되는 전원 공급 방식을 변경하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1전원장치는 펄스를 공급하는 전원장치이며, 상기 제2전원장치는 정전류 또는 정전압을 공급하는 전원장치인 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제5항에 있어서,
상기 스위칭부는, 3차원 프린팅을 위해 상기 제1전원장치와 제2전원장치 중 어느 하나와 선택적으로 연결되도록 구동되도록 구비됨을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제5항에 있어서,
상기 갭 제어를 위한 상기 전극의 상승 제어는, 1사이클 이동 적층 후 수행되는 사후 갭 제어와 1사이클 이동 적층 도중 수행되는 중간 갭 제어 중 적어도 어느 하나를 포함함을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제7항에 있어서,
상기 사후 갭 제어는, 1사이클 이동 적층 완료 후에 상승량이 계산되고, 다음 사이클에서 상기 계산된 상승량에 기반하여 수행되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제7항에 있어서,
상기 사후 갭 제어는, 1사이클 이동 적층 완료 후 다음 사이클에서 기설정된 상승량에 기반하여 수행되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제7항에 있어서,
상기 중간 갭 제어는, 1사이클 이동 적층 도중에 피드백을 통하여 결정되는 상승량에 기반하여 1사이클 이동 적층 도중에 수행되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제5항에 있어서,
상기 메인 제어부는, 적층 초기에는 상기 제1전원장치를 통해서 전원이 공급되도록 제어하고, 이후 상기 제2전원장치를 통해서 전원이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제5항에 있어서,
상기 메인 제어부는, 기설정된 적층 높이까지 상기 제1전원장치를 통해서 전원이 공급되도록 제어하고, 이후 적층 종료까지 상기 제2전원장치를 통해서 전원이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제5항에 있어서,
상기 메인 제어부는, 상기 제1전원장치와 제2전원장치의 온/오프를 제어하도록 구비됨을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제5항에 있어서,
상기 메인 제어부는, 상기 제1전원장치에서 공급되는 펄스가 상기 제2전원장치에서 증폭되어 상기 AD 컨버터로 제공되도록, 상기 제1전원장치와 제2전원장치를 선택적으로 연결되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 AD 컨버터는,
상기 제1전원장치와 제2전원장치가 각각 접속하는 채널 접속부;
상기 스위칭부를 포함하고, 연결 채널 및 출력을 제어하는 컨트롤 모듈; 그리고
상기 메인 제어부와 통신 연결하는 통신 모듈을 포함함을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제15항에 있어서,
상기 AD 컨버터는 출력 온/오프 스위치를 포함함을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제15항에 있어서,
상기 스위칭부는 상기 제1전원장치와 접속되는 채널과 상기 제2전원장치와 연결되는 접속되는 채널 각각을 온/오프하는 스위치를 포함함을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제15항에 있어서,
상기 AD 컨버터는 출력의 피크를 검출하는 피크 검출기를 포함하고,
상기 컨트롤 모듈은, 입력 전압을 측정하고 상기 피크 검출기에서 검출된 출력의 피크를 통해 전류를 측정하도록 구비됨을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제18항에 있어서,
상기 AD 컨버터는, 현재 연결된 전원입력 채널 그리고 상기 측정된 전압과 전류를 표시하는 디스플레이를 포함함을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.
제18항에 있어서,
상기 메인 제어부는, 상기 통신 모듈을 통해 상기 컨트롤 모듈에서 선택한 전원 입력 채널과 출력 온/오프 정보를 상기 AD 컨버터로 전달하고,
상기 AD 컨버터는 상기 통신 모듈을 통해 측정된 입력 전압과 전류를 상기 메인 제어부로 전달하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 장치.