KR102442533B1 - 3차원 물체를 성형하기 위해 액상 중합체의 광-경화를 위한 광 엔진을 사용하는 방법 및 장치 - Google Patents

3차원 물체를 성형하기 위해 액상 중합체의 광-경화를 위한 광 엔진을 사용하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

3차원 물체는 방사선 노출에 의해 액상 중합체를 광-경화함으로써 성형되며, 상기 방사선(예를 들어, 410 nm에서의 방사선)은 발광 다이오드(LED) 소스들의 어레이로 구성된 평행 광원, 배플의 어레이 및 렌즈의 어레이에 의해 제공된다. 상기 배플들은 상기 LED 소스의 어레이 내의 각각의 개별 LED 소스의 빔 폭을 제한하고, 상기 렌즈의 어레이는 상기 LED 소스의 어레이로부터 하나의 초점 길이만큼 떨어져 위치한다.

Description

3차원 물체를 성형하기 위해 액상 중합체의 광-경화를 위한 광 엔진을 사용하는 방법 및 장치
관련 출원
본원은 2017년 1월 25일자로 출원된 미국 가특허원 제62/450,470호, 2017년 7월 11일자로 출원된 미국 가특허원 제62/531,211호, 2017년 7월 11일자로 출원된 미국 가특허원 제62/531,276호 및 2017년 7월 12일자로 출원된 미국 가특허원 제62/531,461호; 및 2017년 1월 25일자로 출원된 미국 특허원 제15/415,688호에 대한 우선권을 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 통상적으로 3D 프린팅으로 지칭되는 3차원 프린팅 분야에 관한 것이며, 특히 3차원 물체를 성형하기 위한 액상 중합체의 광-경화에 의존하는 3D 프린팅 장치에서 사용하기 위한 광 엔진에 관한 것이다.
광-경화에 의한 3D 프린팅 분야는 두 가지 기본적인 기술:
약 400 nm에서 발광하는 레이저를 사용하여, 특수 탱크에 포함된 광-경화성 액상 중합체를, 방출된 빔에 의해 고형화하는 스테레오리소그래픽(stereolithographic) 프린팅; 및
역시 탱크 내의 광-경화 액상 중합체가 프로젝터와 유사한 디바이스에 의해 발광되는 광선에 노출되는 DLP(Digital Light Processing: 디지털 광학 기술) 프린팅
을 포함할 수 있는 것으로 공지되어 있다.
이들 기술 둘 다에 따라, 상기 프린팅 방법은 물체의 한 층이 다른 층에 이어서 제조됨으로써, 즉 지지 플레이트(supporting plate)(또는 추출 플레이트)에 고착된 제1층을 고형화시킨 다음, 제1층에 고착된 제2층을 고형화시키는 식으로 완성체가 성형될 때까지 진행된다. 그러므로, 이들 기술에 따라, 성형되는 3차원 물체를 나타내는 데이터는 구축 중인 물체의 단면을 나타내는 직렬 2차원 층으로서 조직화된다.
SLA 및 DLP 유형 중 하나의 기계를 수반할 수 있는 상향식 방법에 따르면, 상기 물체를 추출하기 위한 플레이트는 상기 물체가 층층이 형성됨에 따라 탱크의 바닥으로부터 위쪽으로 이동한다. 상기 기본적인 상향식 방법은:
a. 상기 채택된 기술에 따라 결정된 두께를 갖는 순서대로 적층된 층들(일반적으로, 상기 두께는 50 내지 200 미크론이다), 상기 액상 중합체의 불투명도, 상기 중합체와 함께 사용되는 촉매의 양, 수득될 정밀도, 및 제공되는 기계의 특성으로서, 하지만 어떠한 경우에도, 별개이면서 유한한 개수로 적층된 층으로서 컴퓨터 소프트웨어로 나타낸 구축될 물체의 3D 모델;
b. 중합체의 제1층 자체에 대한 고착을 용이하게 할 수 있고 제1층으로부터 소정 거리로 이동하여 제1층을 고형화시키기 위해 상기 광선(SLA 또는 DLP)을 기다리는 추출 플레이트로서, 방금 형성한 층이 탱크의 기저로부터 분리되기에 충분한 거리만큼(일반적으로 약 1 mm) 상승한 다음, 동일한 거리만큼 제2층을 형성하기 위한 소정의 거리보다 낮게 하강하는 방식으로 전체 물체가 성형될 때까지 반복되는 추출 플레이트
를 포함한다.
상기 기본적인 상향식 방법의 개선은 2015년 10월 2일자로 출원된 IT 102015000057527에 대한 우선권을 청구하는 2016년 10월 3일자로 출원된 본 출원인의 국제 특허원 제PCT/IT2016/000225호에 기술되어 있다. 본 특허원에서, 상기 액상 중합체를 경화시키는데 사용되는 전자기 스펙트럼 방사선에 투명하고 경화가 일어나는 탱크의 바닥과 형성되는 물체의 층 사이에 존재하는 자가-윤활성 하부층(또는 멤브레인)이 기술된다. 상기 멤브레인은 멤브레인 위에 매달려있는 액상 중합체가 상부에서 경화되도록 하는 윤활성 재료 층을 점차적으로 방출하여, 형성되는 물체 층과 상기 탱크 기저 사이의 흡입 효과 및 접착성을 감소시킨다. 상기 광원, 예를 들면, DLP 프로젝터는 상기 액상 중합체와 멤브레인의 계면에서의 이미지 초점 평면을 갖는다. 상기 액상 중합체의 광-경화는 투영된 이미지에 따라 상기 계면에서 일어난다. 구축 중인 물체의 성장은 이로써 용이해진다.
이러한 배열은 허용 가능한 프린팅 속도를 허용하지만, 이들은 구축 중인 물체에서 제한된 x-y 해상도(예를 들어, 75 미크론 정도)만을 제공한다. 추가로, 상기 액상 중합체를 경화시키기 위해서는 상당한 광도가 필요하기 때문에, 상기 DLP 프로젝터는 상기 액상 중합체 경화에 영향을 줄 수 있는 면적을 (예를 들면, 120 x 90 mm 정도로) 제한하여 초점면에 가까이 위치해야 한다. 이러한 DLP 프로젝터의 상기 작업 공간에 대한 근접성은 초점 평면에서의 광학 수차 및 왜곡을 도입한다.
본 발명의 실시양태들은 상기 DLP 프로젝터를 평행 광원(collimated light source)으로 대체하고 이미징 플랫폼으로서 LCD 디스플레이를 사용함으로써 상기 언급된 바와 같은 결함을 해결한다. 상기 광원은 한 실시양태에서 400 - 700 ㎚의 파장 영역 내에 있는, 보다 특히 410 nm에서의 방사선의 평행 광속을 LCD 패널을 통해 제공하여 이미지를 생성한다. 상기 LCD 패널은 입사 방사선에 대해 개별적으로 투명하거나 불투명하게 될 수 있는 복수의 어드레스 가능한 픽셀을 포함한다. 상기 매트릭스 내의 결정들 중의 투명 결정들을 통과하는 입사 방사선의 효과는 상기 디스플레이 표면 상에 이미지를 형성한다. 상기 매트릭스의 개별 결정들은 전형적으로 디스플레이용 이미지의 비트 맵핑 (또는 다른) 버전이 제공되는 프로세서 또는 다른 제어기의 제어하에 각각의 결정에 전압을 인가하거나 인가하지 않음으로써 투명해지거나 불투명해진다.
상기 평행 광원은 개별 발광기(emitter)의 어레이(array), 특히 400 내지 700 ㎚ 사이, 특히 410 nm의 파장에서 방사선을 방출하도록 구성된 발광 다이오드 (LED) 소스의 어레이에 의해 생성된다. 상기 평행 광원은 배플(baffle)의 어레이 및 렌즈의 어레이를 포함할 수 있으며, 상기 배플은 LED 소스(source)의 어레이 내의 각각의 개별적인 LED 소스의 빔 폭(beam width)을 대략 상기 렌즈의 어레이의 렌즈의 직경으로 제한하도록 배열되고, 상기 렌즈의 어레이는 상기 LED 소스의 어레이로부터 하나의 초점 길이만큼 떨어져 위치한다.
본 발명의 이들 실시양태 및 추가 실시양태는 이후 추가로 기술된다.
본 발명은 본 발명의 실시양태를 도시하는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 범위를 제한하지 않으면서 예로써 기술된다:
도 1은 멤브레인을 사용하는 광-경화 시스템에서 DLP 프로젝터의 사용 예를 도시하고;
도 2는 본 발명의 실시 양태에 따라 평행 광원 및 액정 디스플레이를 사용하여 광-경화에 의해 물체를 성형하기 위한 시스템 작동의 개략도를 도시하며;
도 3a는 점 소스를 사용하여 경험한 이미지 왜곡의 예를 도시하고;
도 3b는 점 소스들의 어레이를 사용할 때 생성된 그림자 효과(shadow effect)의 예를 도시하며;
도 4는 점 소스들의 어레이를 사용할 때 생성된 그림자 효과를 도시하는 사진 이미지를 나타내고;
도 5는 본 발명의 한 실시양태에 따라 개별 LED 소스 및 액정 디스플레이로 구성된 평행 광원을 사용하여 광-경화에 의해 물체를 성형하기 위한 시스템의 작동에 대한 개략도를 도시하고;
도 6은 본 발명의 한 실시양태에 따라 개별 LED 소스 및 액정 디스플레이로 구성된 평행 광원의 분해도를 도시하고;
도 7은 본 발명의 한 실시양태에 따라 구성된 평행 광원에 대한 공간 방사 패턴의 한 예를 도시하고;
도 8은 본 발명의 평행 다중주파수 광원의 실시양태의 작동에 대한 개략도를 도시하고;
도 9는 본 발명의 일부 실시양태들에 따라, 전자기 방사선이 광-경화성 액상 중합체를 경화시키는 데 사용되는 3D 프린팅 시스템을 도시하고;
도 10은 본 발명의 한 실시양태에 따른 정사각형 어레이에 배열된 정사각형 렌즈의 단일 층을 갖는 광원의 하나의 셀과 관련된 구성 요소들을 도시하고;
도 11a는 본 발명의 한 실시양태에 따른 정사각형 렌즈의 상면도를 도시하고;
도 11b는, 본 발명의 한 실시양태에 따른, 도 11a의 라인 A-A를 따른 정사각형 렌즈의 단면도를 도시하고;
도 12는, 본 발명의 한 실시양태에 따른, 어레이에 배열된 정사각형 렌즈의 단일 층을 갖는 광원의 투시도를 도시하고;
도 13은, 본 발명의 한 실시양태에 따른, 인접한 셀들 사이의 방사선 혼합을 보여주는 도 12의 광원의 단면도를 도시하고;
도 14는, 본 발명의 한 실시양태에 따른, 어레이에 배열된 2개 층의 정사각형 렌즈를 갖는 광원의 한 셀의 투시도를 도시하고;
도 15는, 본 발명의 한 실시양태에 따른, 육각형 셀을 갖는 광원의 상면도를 도시하고;
도 16a 내지 도 16c는 각각, 본 발명의 한 실시양태에 따른, 도 15의 광원의베이스 플레이트 상에 탑재된 LED의 투시도, 상면도 및 측면도를 도시하고;
도 17a 내지 도 17c는 각각, 본 발명의 한 실시양태에 따른, 베이스 플레이트 위에 위치한 배플 플레이트(즉, 배플을 갖는 플레이트)의 투시도, 상면도 및 측면도를 도시하고;
도 18a 내지 도 18c는 각각, 본 발명의 한 실시양태에 따른, 배플 플레이트 내로 삽입된 원형 렌즈의 투시도, 상면도 및 측면도를 도시하고;
도 19a 내지 도 19c는 각각, 본 발명의 한 실시양태에 따른, 원형 렌즈 위에 위치한 육각형 렌즈의 투시도, 상면도 및 측면도를 도시하고; 그리고
도 20은, 본 발명의 한 실시양태에 따른, 도 14의 광원의 육각형 셀과 관련된 특정한 구성 요소의 투시도를 도시한다.
본 출원인의 국제 출원 제PCT/IT2016/000225호에는, 자가-윤활성 기층을 사용하면서 3차원 물체를 성형하기 위한 액상 중합체를 광-경화하기 위한 방법 및 장치가 기재되어 있다. 이들 방법 및 장치는 (형성되는 물체의 층과 그 아래에 위치한 탱크의 기저부 사이의 진공에 기인한) 흡입 효과를 줄이거나 없애고, 형성되는 층과 탱크 기저부 사이의 접착을 줄이거나 없애고, 전술한 효과에 의해 도입된 기계적 응력을 줄이며, 기존 해법에 비해 훨씬 더 짧은 시간 내에 3차원 물체를 성형하는 방법을 제공할 것을 제안한다. 특히, 3차원 물체의 성형을 위한 광-경화를 위한 상기 방법 및 장치는 탱크의 기저부와 광-경화성 액상 중합체 사이에 멤브레인을 개재시키는 단계를 포함하며, 상기 멤브레인은 관심 있는 전자기 스펙트럼에 투명하며, 윤활성 재료의 층을 서서히 방출하여 적절하게 도핑된 상기 중합체가 상기 윤활성 재료의 층 상에 현탁된 채로 고화되도록 할 수 있다.
이러한 배열의 한 예가 도 1에 도시되어 있다. DLP 프로젝터(10)는 탱크의 기저부(도시되지 않음)에서 보로실리케이트 유리(14)의 층을 통해 발광 흐름(12)을 생성한다. 상기 보로실리케이트 유리 위에 멤브레인(16)이 있다. 멤브레인(16)은, 본 명세서에 참고로 포함된, 2015년 10월 2일자로 출원된 IT 102015000057527에 대한 우선권을 주장하는 2016년 10월 3일자로 출원된 국제 출원 제PCT/IT2016/000225호에 상세하게 기재되어 있다. 간단하게는, 멤브레인(16)은, DLP 프로젝터(10)로부터의 전자기 스펙트럼 방사선에 투명하고, 상기 멤브레인 위에 현탁된 상기 액상 중합체(18)가 그 위에서 경화되도록 하는 윤활성 재료의 층을 서서히 방출함으로써 형성될 물체 층과 상기 탱크 기저부 사이의 흡입 효과를 줄이고 이들 사이의 접착을 없앨 수 있는 자가-윤활성 기층이다. DLP 프로젝터(10)는 는 멤브레인(16)과 액상 중합체(18)의 계면에 이미지 초점 평면(20)을 갖는다. 상기 액상 중합체의 광-경화는 상기 영상된 이미지에 따라 상기 계면에서 수행되고, 이로써 구축 중인 물체의 성장이 용이해진다. 상기 액상 중합체는 (상기 DLP 프로젝터에 의해 생성된 발광 흐름의 대역폭에 민감한) 자외선 촉매 및 윤활성 물질로 적절하게 도핑 될 수 있다. 이러한 배열은 신속한 물체 성장(200 미크론 두께의 층에 대해 1.8 분/cm 정도의 프린팅 속도)을 허용하지만, x-y 해상도가 제한된다(예를 들면, 75 미크론). 또한, 상기 액상 중합체를 경화시키기 위해서는 상당한 광도가 필요하기 때문에 상기 DLP 프로젝터는 상기 액상 중합체 경화가 일어날 수 있는 면적을 제한하여(예를 들어, 120×90 mm 정도) 작업 공간에 가깝게 위치해야한다. 이러한 상기 DLP 프로젝터와 상기 작업 공간에 대한 근접성은 또한 상기 초점 평면에서 광학 수차 및 왜곡을 도입한다.
본 발명의 실시양태들은 DLP 프로젝터를 사용하지 않고 그 대신 약 410nm의 파장(또는 보다 일반적으로 400 내지 700nm의 파장 영역 내)에서 전자기 방사선을 방출하는 평행 광원을 사용함으로써 이러한 결함을 해결한다. 상기 광원은 한 실시양태에서 개별 빔 디렉터(또는 배플)에 의해 출력이 제한되고 렌즈의 어레이에 의해 시준되는 발광 다이오드(LED)의 어레이를 포함한다. 상기 생성되는 평행 광 빔을 사용하여, 전술한 멤브레인 아래의, 상기 액상 중합체를 포함하는 탱크 내에 위치한 액정 디스플레이(LCD)를 조명한다. 상기 LCD는 프린팅될 상기 물체의 단면의 이미지를 나타내도록 컴퓨터 제어하에 있어서, 상기 평행 광 빔이 상기 입사 방사선의 파장에 불투명하게 되지 않는 LCD의 분획들을 통과하여 상기 LCD 바로 위의 상기 장치의 작업 공간에서 상기 액상 중합체가 광-경화되도록 한다. 이러한 배열은 광학 수차 또는 왜곡이 없는 x-y 평면에서 높은 해상도(예를 들면, 약 50 미크론 이하 정도 또는 한 실시양태에서는 약 30 미크론)를 제공하면서도 신속한 프린팅 속도(예를 들어, 약 2 내지 2.5 초 내에 200 미크론 정도의 프린팅 두께)를 유지한다.
도 2는 이러한 배열의 한 예를 도시한다. 광원(32)은 LCD 패널(33)을 통해 방사선(38)의 평행 발광 흐름(이는 한 실시양태에서 400 내지 700 nm의 파장 영역 내에 있으며, 보다 특정하게는 410 nm이다)을 제공하여 이미지(39)를 생성한다. 상기 LCD 패널은 2개의 편광층(34,35)을 포함하며, 이들 사이에 액정 매트릭스(36)가 끼어 있다. 상기 액정 매트릭스는 상기 입사 방사선에 대해 개별적으로 투명하거나 불투명하게 될 수 있는 복수의 어드레스 가능한 픽셀을 포함한다. 상기 매트릭스 내의 결정들 중의 투명한 결정을 통과하는 입사 방사선의 효과는 디스플레이 표면(37) 상에 이미지(39)를 형성한다. 전형적으로 디스플레이용 이미지의 비트 맵핑(또는 다른) 버전이 제공되는 프로세서 또는 다른 제어기의 제어하에, 각각의 결정에 전압을 인가하거나 인가하지 않음으로써 매트릭스(36)의 개별 결정이 투명하거나 불투명하게 된다. 한 실시양태에서, 상기 LCD 디스플레이(33)는 840 dpi의 해상도를 가질 수 있다.
상기 평행 광원의 광 파장은 상기 LCD 디스플레이의 편광층이 전형적으로 UV 필터로서 작용하기 때문에 가시광선 범위의 가장자리에서 선택된다. 3D 프린팅에서 사용되는 유형의 다수의 광-경화성 중합체(이는 수지로도 공지되어 있다)는 상기 UV 대역에서 경화한다. 그러므로, LCD 이미징 디바이스를 사용하는 것은 상기 UV 방사선이 LCD 디스플레이의 편광층에 의해 걸러지기 때문에 기존 시스템에서 문제를 일으킨다. 이와 동시에, 가시광선 대역에서 경화하는 수지는 전형적으로 상기 이미지 평면에서의 x-y 해상도를 약 50 미크론 이하로 달성하는데 사용될 수 없다. 대신, 이들 시스템은 전형적으로 100 미크론 정도의 해상도를 달성한다. 따라서, 본 발명의 실시양태에서 사용되는 수지는 약 370 nm의 중심 파장에서 경화 가능하지만, 여전히 평행 광원의 바람직한 파장인 410 nm에서 양호한 경화 특성을 제공한다.
언급한 바와 같이, 바람직한 광원은 평행 광원이며, 이는 바람직하게는 개개의 발광기의 어레이에 의해 생성된다. 이는 점 소스가 수지의 경화를 수행하기에 충분한 에너지를 생성하지 않는(적어도 충분히 넓은 영역에 대해 생성하지 않는) 경향이 있고 또한 도 3a에 나타낸 바와 같이 줌 효과로 인한 왜곡을 유발하기 때문이다. 단일 UV LED(40)와 같은 점 소스가 광-경화 배열(단순화를 위해, 상기 배열의 보로실리케이트 유리(14) 및 멤브레인(16)만 도시된다)에서 LCD 디스플레이(33)를 조명하는데 사용되는 경우, 원래 이미지(41)는 멤브레인(16)의 상부면 위의 이미지 평면에서 확대된다(42). 이는 만족스럽지 않은데, 그 이유는 상기 확대된 이미지가 가장자리가 불규칙하고 잘못된 크기를 갖는 경향이 있기 때문이다. 추가로, 상기 이미지 평면에서의 광 에너지는 이의 면적 전체에 걸쳐서 불균일하므로 경화 시간이 상기 이미지의 중심과 이의 가장자리에서 가변적일 것이다.
그러나, 광원의 어레이를 사용하는 것이 나름의 도전이 되지는 않는다. 상기 소스의 어레이는 상기 수지의 광-경화를 수행하고 상기 이미지 영역 전체에 걸쳐서 광 에너지의 분포를 보다 균일하게 하기에 충분한 에너지를 얻기 위해 필요하지만, 도 3b에서 나타낸 바와 같이, 상기 어레이에서 각각의 개별 소스가 상기 이미지 평면에서 나름의 이미지(확대된 이미지)를 생성함에 따라 그림자를 형성시킨다. 개별 LED 소스(43-1,43-2,43-3)의 어레이(43)는 보로실리케이트 유리(14)와 멤브레인(16) 사이에 위치한 LED 디스플레이(33)를 조명한다. 따라서, 이들 각각의 소스는 멤브레인(16)과 광-경화성 수지(도시되지 않음) 사이의 계면에서의 이미지 평면에서 LCD 디스플레이(33) 상의 이미지를 나름의 각각의 표현(44-1,44-2,44-3)으로 생성한다. 이들 이미지는 각각 확대되고 서로 겹쳐져서 그림자 및 기타 바람직하지 못한 이미지 효과를 초래한다. 하나의 대상(예를 들면, LCD 이미지)에 대해 입사하는 2개의 광원에 대한 그림자 효과의 예는 도 4에 도시되어 있다.
평행 광원을 사용하면 도 5에 도시된 바와 같이 상기 그림자 효과가 없어진다. 평행 발광 흐름(45)은 배플(47) 및 평행 렌즈의 어레이(48)를 사용하여 개별 LED(46-1,46-2,46-3)의 어레이(46)에 의해 생성된다. 배플(47)은 각각의 개별 LED 소스(46-1,46-2,46-3)의 빔 폭이 대략 상기 어레이(48)에 사용된 렌즈들의 직경으로 제한하도록 배열된다. 상기 렌즈의 어레이는 각각의 LED 소스로부터 하나의 초점 거리만큼 떨어져 위치하고, 이는 또한 서로 하나의 초점 거리만큼 떨어져서 위치할 수 있으므로, 상기 배플들은 이러한 간격을 수용할 수 있는 크기이다. 본 발명의 한 실시양태에서, LED 소스의 9×12 어레이가 사용된다. 이는 도 6에 도시되어 있으며, 도 6은 LED의 어레이(46), 배플(47)(각각의 배플은 상기 LED 중의 하나에 상응한다), 렌즈의 어레이(48), LED당 하나의 렌즈, 및 LCD 디스플레이(33)(이를 통해, 프린팅될 이미지가 도입된다)의 분해도로 도시된다. 다시 도 5를 참조하면, 렌즈의 어레이(48)에 의해 생성된 평행 광은, 상기 광-경화성 액상 중합체(도시되지 않음)의 하부 표면 바로 아래인, 멤브레인(16)의 상부 계면 상에 투영되는 경우 LCD(33)으로부터의 이미지가 이의 원래 크기를 유지하도록 보장한다. 상기 LCD는 프린팅될 물체의 단면의 이미지를 나타내기 위해 컴퓨터 제어하에 있어서, 상기 평행 광 빔이 입사 방사선의 파장에서 불투명하게 되지 않는 LCD의 분획들을 통과하고 상기 LCD 바로 위의 장치의 작업 공간에서 액상 중합체의 광-경화를 실행시키도록 한다. 이러한 배열은 신속한 프린팅 속도를 유지하면서 광학 수차 또는 왜곡 없이 x-y 평면에서 높은 해상도(예를 들어, 약 50 미크론 이하 정도이고, 한 실시양태에서는 약 30 미크론)를 제공한다.
발명의 다양한 실시양태에서, 상기 LED 소스의 빔 폭은 중심으로부터의 전체 각도 변위의 약 90 % 이상으로 제한된다. 일부 실시양태에서, 이는 렌즈의 어레이에 사용된 렌즈 중 하나의 초점 길이의 배플형 LED 사이의 거리에 상응한다. 본 발명의 한 실시양태에서, 상기 평행 광원은 약 410nm에서 250 mW/cm2의 광속을 생성하고, 840 dpi의 LCD 디스플레이를 사용하여 왜곡 없이 약 30 마이크론의 x-y 해상도로 약 2 - 2.5 초 내에 200 미크론 두께의 층을 프린팅할 수 있다. 상기 어레이의 개별적인 LED 소스는 상기 렌즈의 어레이의 렌즈의 초점 거리만큼 상기 렌즈로부터 이격되어 있으므로, 상기 배플은 각각 하나의 초점 길이의 제곱이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 한 실시양태에서, 상기 평행 광원은 각각의 광원 LED로부터 방출된 광을 약 20도 이하, 즉 그 중심 축으로부터 방사상으로 약 10도 이내, 보다 구체적으로는 약 15도 이내, 즉 그 중심 축으로부터 방사상으로 약 7.5도 이내로 공간 방사 패턴으로 제한하도록 구성되어, 상기 중합체가 경화되는 전체 작업 영역에 걸쳐서 충분하고 적절하게 일정한 광속을 보장한다.
본 발명의 추가 실시양태들은 방사선에 대한 노출에 의해 액상 중합체를 광-경화시킴으로써 3차원 물체를 성형하는 방법을 제공하며, 상기 방사선은 다중주파수 LED 소스의 어레이, 배플의 어레이, 및 렌즈의 어레이로 구성된 평행 광원에 의해 제공된다. 상기 배플은 LED의 어레이 내의 각각의 개별 LED 소스의 빔 폭을 제한하고, 상기 렌즈의 어레이는 상기 LED 소스의 어레이로부터 하나의 초점 길이만큼 떨어져 위치한다. 상기 평행 광원은 복수의 필터를 갖는 액정 디스플레이를 추가로 포함하며, 상기 복수의 필터의 각각의 필터는 LED 소스로부터 방출된 방사선의 파장에 상응한다.
도 8은 광원(32')의 한 예를 도시하며, 이는 LCD 패널(33')을 통해 방사선의 평행 광속을 제공하여 디스플레이 표면(37)에서 이미지를 생성한다. 상기 LCD 패널(33')은 2개의 편광층(34,35)을 포함하고, 이들 사이에 액정 매트릭스(36)가 끼어 있다. 상기 액정 매트릭스는 복수의 어드레스 가능한 픽셀을 포함하고, 이들은 개별적으로 상기 입사 방사선에 대해 투명하거나 불투명할 수 있다. 상기 매트릭스 내의 결정들 중의 투명 결정들을 통과하는 입사 방사선의 효과는 디스플레이 표면(37) 상에 이미지를 형성한다. 상기 LCD 매트릭스(36)의 개별 결정들은 전형적으로 디스플레이용 이미지의 비트 맵핑 (또는 다른) 버전이 제공되는 프로세서 또는 다른 제어기의 제어하에 각각의 결정에 전압을 인가하거나 인가하지 않음으로써 투명해지거나 불투명해진다. 이러한 실시예에서, 상기 편광층(34,35)은 다중소스 LED의 어레이(46')를 구성하는 LED(62a-62n)로부터의 자외선(UV)에 투명하다.
추가로, 상기 LCD 패널(33')에 2개 이상의 UV 필터(66)의 세트가 포함된다. UV 필터(66)는 좁은 대역폭을 갖도록 설계되어, 각각의 필터가 다중소스 LED의 어레이(46')의 LED로부터의 입사 방사선의 좁은 주파수 범위를 걸러낸다. 상기 UV 필터(66)는 본 예시에서 도시된 바와 같이 액정 매트릭스(36)와 상부 편광 필름 (35) 사이 또는 LCD 패널 내의 다른 곳에 위치할 수 있다. 바람직하게는, 다중소스 LED의 어레이(46')를 구성하는 LED(62a-62n)는 각각 2개 이상의 좁은 대역으로 발광하고, 상기 UV 필터(66)는 상기 LED의 방출된 광의 각각의 파장에 대해 상응하는 UV 필터가 존재하도록 상기 대역폭에 정합된다.
지시된 바와 같이, 상기 액정 매트릭스(36)는 입사하는 방사선에 대해 개별적으로 투명하거나 불투명하게 될 수 있는 복수의 어드레스 가능한 픽셀을 포함한다. 한 실시양태에서, 능동(예를 들어, TFT) LCD 패널을 사용하지만, 다른 경우에는 수동(예를 들어, STN) LCD 패널을 사용할 수 있다. 상기 액정 매트릭스의 각각의 세그먼트는 상기 LED(62a-62n)으로부터의 입사광에 대한 게이트로서 작용한다. 상기 UV 필터(66)와 함께, 상기 LCD 패널은 픽셀 단위로 입사 자외선의 특정 파장을 통과시키거나 차단한다. 예를 들면, 상기 LED(62a 내지 62n) 각각이 파장 UVa, UVb 및 UVc에서 발광할 수 있는 경우, 액정 매트릭스의 세그먼트를 투명하거나 투명하지 않게 제어함으로써, 상기 디스플레이 표면에서의 이미지의 각각의 "픽셀"은 파장 UVa, UVb 또는 UVc 중 하나 또는 이들 중의 둘 이상의 조합으로 제어될 수 있다. 이는 적- 녹-청 LCD 디스플레이가 컬러 이미지를 제공하는 방식과 유사하다. 여러 개의 별개의 UV 파장에서 발광하는 LED의 예는 미국 캘리포니아주 산호세 소재의 LED Engin, Inc.에서 입수할 수 있는 LED의 LZ4 시리즈이다.
배플(47)은 개개의 LED 소스(62a-62n)의 빔 폭을 중심으로부터의 전체 각도 변위의 일부분으로 제한한다. 일부 실시양태에서, 상기 배플들은 서로 렌즈의 어레이(48)에 사용된 렌즈의 하나의 초점 길이에 중심에 있다. 추가로, 상기 어레이의 개별적인 LED 소스(62a-62n)는 상기 렌즈의 어레이(48)의 렌즈의 초점 거리만큼 상기 렌즈로부터 이격되어 있으므로, 상기 배플(47)은 각각 하나의 초점 길이의 제곱이다.
상기 광 엔진(32')은 상기 디스플레이 표면에서 이미지를 생성하기 위해 LCD 패널(33')을 통해 하나 이상의 파장에서 방사선의 평행 광속을 제공한다. LED 소스에 대한 다양한 파장의 광은 제조 중인 3차원 제품의 성형 재료인 중합체 수지에 상이한 첨가제의 사용을 허용하도록 선택될 수 있다. 3D 프린팅에 사용되는 유형의 다수의 광-경화성 중합체는 UV 대역에서 경화한다. 상이한 파장에서 민감한 경화제를 도입함으로써, 제조 중인 물체의 상이한 구조적 특성이 입사 방사선을 적절하게 걸러냄으로써 달성될 수 있다.
예를 들면, 일부 경화제는 파장 UVa에서 민감할 수 있지만, 다른 경화제는 파장 UVb에서 민감하다. 적절하게 선택적인 UV 필터(66)를 유지하고, 전술한 방식으로 LCD 패널(33')의 픽셀을 통해 파장 UVa 및 UVb에서 광을 선택적으로 통과시키거나 통과시키지 않음으로써, 상기 상이한 경화제는 멤브레인(도 8에 도시되지 않음)과 중합체 수지의 계면에서 (상기 경화가 상기 LCD 패널의 상부 표면에 거의 바로 인접하게 일어남에 따라 빔 발산이 최소한일 것으로 예상될 수 있음을 고려하면) 거의 픽셀 단위로 활성화될 수 있다. 결과적으로, 예를 들어, 상이한 경화제가 주어진 중합체 수지에 대해 상이한 경화 시간을 갖는다면, 상기 물체의 일부 영역은 다른 영역보다 더 경질일 수 있다.
언급한 바와 같이, 상기 바람직한 광원은 평행 광원이고, 이는 바람직하게는 개별적인 발광기의 어레이에 의해 생성된다. 그 이유는 상술한 바와 본 출원인의 미국 특허원 제15/415,688호에서 설명한 바와 같이 점 소스가 상기 수지의 경화를 (적어도 충분히 넓은 영역을 넘지 않도록) 수행하기에 충분한 에너지를 생성하지 않는 경향이 있으며 줌 효과로 인해 왜곡을 일으킬 수 있기 때문이다. 추가로, 배플(47)의 사용은 상기 이미지 평면에서 그림자 형성을 없애는데 도움이 된다. 상기 배플은 각각의 개별적인 LED 소스의 빔 폭을 대략 상기 어레이(48)에 사용된 렌즈의 직경으로 제한하도록 배열된다.
본 발명의 추가 실시양태에서, 상기 스펙트럼의 UV 영역의 광원 및 필터 대신, 가시 광선 대역에서 발광하는 광원 및 상응하는 필터 필름이 사용될 수 있다. 예를 들면, 뚜렷한 적색, 녹색, 및 청색 광을 방출하는 LED 소스가 LED(62a-62n)로서 사용될 수 있고, 상응하는 적색, 녹색 및 청색 필터(66)가 함께 사용될 수 있다. 적색-녹색- 청색 LCD 패널은 용이하게 입수할 수 있으므로, 적절한 경화제가 상기 액상 중합체와 함께 사용될 수 있다면, 이러한 실시양태는 비교적 저렴하게 생성될 수 있다.
추가의 실시양태에서, 가시광선 및 UV 파장의 넓은 스펙트럼에 걸쳐 발광하거나 각 대역의 여러 이산 파장으로 발광하는 LED를 사용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 LCD 패널을 통해 적절한 파장의 광을 통과시켜 상기 수지 내의 착색제(안료)를 경화된 지점에서 활성화시킴으로써, 제조된 물체의 다양한 픽셀에서의 색상을 제어할 수 있다.
추가의 실시양태에서, 상기 LED 소스는 다중 LED를 포함할 수 있다. 즉, 하나 이상의 LED 소스(62a-62n)는 각각 UV의 상이한 파장, 및/또는 적색, 녹색 및 청색 광의 다중소스(예를 들어, 다중 LED 발광기)를 포함할 수 있다. 즉, LED의 어레이의 하나 이상의 셀은 각각 상이한 파장 또는 파장들에서 활성인 다중 LED를 포함할 수 있으며, 이로써 상기 셀은 넓은 스펙트럼에 걸쳐서 광을 생성할 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 LCD 패널을 통해 적절한 파장의 광을 통과시켜 상기 수지 내의 착색제(안료)를 경화된 지점에서 활성화시킴으로써, 제조된 물체의 다양한 픽셀에서의 색상 및/또는 조성을 제어할 수 있다. 따라서, 방사선에 노출시킴으로써 광-경화성 액상 중합체를 광-경화시킴으로써 3차원 물체를 성형하는 장치는 상기 광-경화성 액상 중합체를 경화시키는 상기 방사선을 방출하는 평행 광원을 포함 할 수 있으며, 상기 평행 광원은 복수의 LED 소스를 포함하며, 상기 LED 소스 각각은 복수의 파장에서 방사선을 방출하도록 구성된다. 이들 LED 소스 중 하나 이상은 복수의 LED 발광기를 포함할 수 있고, 상기 발광기 각각은 하나 이상의 파장에서 방사선을 방출하도록 구성된다.
도 9는, 본 발명의 일부 실시양태에 따라, 광-경화성 액상 중합체를 경화시키기 위해 전자기 방사선을 사용하는 3D 프린팅 시스템을 도시한다. 탱크(100)는 광-경화성 액상 중합체(18)를 포함하고, 이는 특정 주파수에서의 전자기 방사선(예를 들어, UV 광)에 노출시 경화(즉, 경질화)된다. 탱크(100)의 바닥은 탱크 윈도우(110)를 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 탱크 윈도우(110)는 경질 지지 부재(14)(예를 들어, 보로실리케이트 유리)에 의해 지지되는 가요성 멤브레인(16)으로 형성되고, 이들은 둘 다 광-경화성 액상 중합체의 경화가 발생하는 전자기 방사선의 특정 주파수에 대해 투명하다.
광원(32)은 LCD(33)를 통해 전자기 방사선(45)(또는 그 광선)을 광-경화성 액상 중합체(18) 내에 위치한 초점 평면(120) 상에 투영한다. LCD(33)는 전자기 방사선(45)을 선택적으로 걸러내어, 상기 물체의 단면의 이미지가 초점 평면(120) 상에 형성되도록 한다. 상기 논의한 바와 같이, 광원(32)은 시준되고 균일한 광도를 갖는 광선으로 전자기 방사선의 컬럼을 투영한다.
전자기 방사선(45)과 광-경화성 액상 중합체(18)에 존재하는 광-경화제 사이의 상호 작용의 결과로서, 부분적으로 성형된 3D 물체(22)의 바닥과 탱크(100)의 바닥 사이에 경화된 층이 형성된다. 상기 경화된 층은 물체(22)의 바닥에 접착되어 상기 물체의 단면을 형성하지만, 멤브레인(16)과 멤브레인(16)의 표면에 위치한 윤활층(12)의 비-점착성으로 인해 실질적으로는 탱크(100)의 바닥에 접착되지 않는다. 상기 경화층이 형성된 후, 물체(22)는 탱크(100)에 대해 상승할 수 있다. 높이 조절 수단(도시되지 않음)을 사용하여 추출 플레이트(24)를 상승시킬 수 있으며, 이는 다시 물체(22)(새로 형성된 층은 포함하지 않은 상태)를 상승시킨다. 이어서, 광-경화성 액상 중합체(18)는 물체(22)의 바닥면과 멤브레인(16) 사이의 갭(즉, 물체(22)의 상승에 의해 생성된 갭)에 유입되고, 물체(22)가 완전히 성형될 때까지 추가의 경화된 층을 형성하기 위해 상기 방법을 반복할 수 있다(즉, 이미지 투영, 물체 상승, 이미지 투영, 물체 상승).
상기 논의한 바와 같이, 본 발명의 실시양태는 부분적으로 렌즈의 어레이를 사용함으로써 평행 광원을 제공한다. 일부 실시양태에서, 정사각형 렌즈가 어레이로 배열된다. 기타 실시양태에서, 정사각형 렌즈 2개 층이 사용된다. 추가의 실시양태에서, 벌집 패턴으로 배열된 육각형 렌즈가 사용된다. 이들 각각의 배열은 이후 논의된다.
도 10은 광원(32)의 하나의 셀과 관련된 구성 요소를 도시한다. 상기 구성 요소는 LED(70) 및 정사각형 렌즈(72)를 포함할 수 있다. 한 실시양태에서, 렌즈(72)는 볼록한 상부 표면(72A), 평탄한 하부 표면(72C) 및 4개의 평탄한 측면 (72B)(4개 중 하나만이 라벨링되어 있음)를 포함하는 평면-볼록 유리 렌즈일 수 있다. 정사각형 렌즈(72)는 LED(70)로부터 전파하는 전자기 방사선을 시준하도록 구성된다. 상기 논의한 바와 같이, 광원(32)은 셀 어레이를 포함할 수 있으며, 각각의 셀은 LED(70) 및 각각의 렌즈(72)를 포함한다. 도 11a는 정사각형 렌즈(72)의 상면도를 도시한다. 렌즈(72)의 길이 및 폭은 둘 다 15.58 mm +/- 0.20 mm로 측정될 수 있다. 도 11b는 도 11a의 라인 A-A를 따르는 렌즈의 단면도를 도시한다. 렌즈(72)의 높이는 7.00 mm +/- 0.10 mm로 측정될 수 있다.
상기 논의한 바와 같이, 광원(32)의 개별적인 셀은 배플에 의해 서로 분리될 수 있다. 일부 경우, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 배플은 불투명한 격벽(74)을 포함할 수 있다. 불투명한 격벽은 하나의 셀로부터의 전자기 방사선이 (적어도 상기 전자기 방사선이 렌즈(72)로부터 방출되기 전에) 인접한 셀로 들어가는 것을 방지한다. 렌즈(72)에 도달하는 전자기 방사선은 렌즈의 가장자리 부근에서 방출되는 방사선을 제외하고는 실질적으로 평행하다. 도 13에 도시된 바와 같이, 격벽(74) 부근의 전자기 방사선(78)은 렌즈(72)에 의해 인접한 셀쪽으로 향하여 격벽(74)의 그림자에 의해 생성된 "사각 지역(dead zone)"(76)을 조명한다.
본 발명의 일부 실시양태에서, 초점 평면에 전달되는 총 전력을 증가시키기 위해(LED의 수를 변경하지 않고 LED가 작동되는 전력을 변함 없이 유지하면서), 도 14에 도시된 바와 같이 광 엔진의 셀당 2개의 정사각형 렌즈가 이용될 수 있다. 정사각형 렌즈(80)는 방사선(82)가 정사각형 렌즈(72)를 통과해서 방향을 잡도록 돕는데, 그렇지 않으면 방사선(82)가 격벽(74)에 의해 흡수될 것이므로, 이로써 총 전력을 증가시킨다. 상술한 바와 같이, 정사각형 렌즈(72)는 볼록한 상부 표면(72A), 평탄한 하부 표면(72C) 및 4개의 평탄한 측면(72B)(4개 중 하나만이 라벨링되어 있음)를 포함하는 평면-볼록 유리(또는 플라스틱) 렌즈일 수 있다. 유사하게는, 정사각형 렌즈(80)는 볼록한 상부 표면(80A), 평탄한 하부 표면(80C) 및 4개의 평탄한 측면(80B)(4개 중 하나만이 라벨링되어 있음)를 포함하는 평면-볼록 유리(또는 플라스틱) 렌즈일 수 있다. 정사각형 렌즈(80)는 정사각형 렌즈(72)보다 더 작은 치수를 가질 수 있다. 상부 표면(72A 및 80A)은 둘 다 비구면을 가질 수 있다.
본 발명의 추가 실시양태는 육각형 셀을 갖는 광원을 이용할 수 있다. 육각형 셀을 사용하면 정사각형 셀에 비해 셀 중심과 가장자리 사이의 평균 거리가 더 짧아지므로(전체 셀 면적에 대한 LED 수의 비율은 일정하게 유지하면서) 결과적으로 셀 가장자리 및 특히 셀 모서리에 존재하는 방사 조도의 불균일성이 감소한다. 도 15는 벌집 패턴의 육각형 셀의 배열을 도시하며, LED(70)는 각각의 셀의 중심에 존재한다. 달리 기술하면, LED(70)는 정삼각형의 꼭지점에 위치한다. 도면에 표시된 측정치는 예시에 불과하다.
도 16a는 육각형 셀을 갖는 광원을 부분적으로 형성하는 베이스 플레이트(90) 상에 탑재된 LED(70)의 투시도이다. 단순화를 위해 7개의 LED가 도시되어 있지만, 더 많은 수의 LED가 유사한 방식으로(즉, 정삼각형의 모서리에) 배열될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 도 16b 및 16c는 각각 베이스 플레이트 (90) 상에 탑재된 LED(70)의 상면도 및 측면도를 도시한다.
도 17a는 베이스 플레이트(90) 위에 위치한 배플 플레이트(92)(즉, 배플 (94)을 형성하는 컷아웃을 갖는 플레이트)의 투시도이다. 각각의 배플(94)은 상응하는 LED(70)로부터 전파하는 전자기 방사선의 빔을 제한하도록 구성된다. 한 실시양태에서, 배플 플레이트(92)는 베이스 플레이트(90)로부터 4 mm만큼 분리될 수있다. 한 실시양태에서, 각각의 배플(94)은 원형이다. 도 17b는 베이스 플레이트(90) 위에 위치한 배플 플레이트(92)의 상면도이다. 도 17b에 도시된 바와 같이, 각각의 배플(94)은 베이스 플레이트(90) 위에 탑재된 상응하는 LED(70)가 정렬된다. 도 17c는 베이스 플레이트(90) 위에 위치한 배플 플레이트(92)의 측면도를 도시한다.
도 18a는 베플 플레이트(92)의 각각의 배플(94) 내로 삽입된 원형 렌즈(96)의 투시도를 도시한다. 각각의 원형 렌즈(96)은 상응하는 배플(94)로부터 제1 방사선 빔을 수용하고 제1 방사선 빔보다 더 초점이 맞춰진 제2 방사선 빔을 투영하도록 구성된다. 도 18b는 베플 플레이트(92)의 배플(94) 내로 삽입된 원형 렌즈(96)의 투시도를 도시한다. 원형 렌즈의 원주가 배플의 원주를 초과하여, 원형 렌즈의 테두리가 배플 플레이트(92)의 상부 표면 위에 놓일 수 있다. 도 18c는 베플 플레이트(92)의 배플(94) 내로 삽입된 원형 렌즈(96)의 측면도를 도시한다. 도 18c에 도시된 바와 같이, 원형 렌즈(96)의 기저부는 배플(94)로부터 돌출될 수 있다. 한 실시양태에서, 원형 렌즈(96)은 플라스틱으로부터 제조된 평면-볼록 렌즈일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 원형 렌즈(96)은 양면 볼록 렌즈일 수 있다.
도 19a는 원형 렌즈(96) 위에 위치한 육각형 렌즈(98)의 투시도를 도시한다. 각각의 육각형 렌즈(98)는 상응하는 원형 렌즈(96)로부터 제2 방사선 빔을 수용하고 초점 평면(120)을 향하여 제3 빔(실질적으로 평행)을 투영하도록 구성된다. 각각의 육각형 렌즈(98)는 볼록한 상부 표면(98A) 및 6개의 평면 측벽(98B)을 가질 수 있다. 특히, 상부 표면(98A)은 비구면일 수 있다. 다양한 실시양태에서, 부재(50)는 육각형 셀들 사이의 격벽(즉, 다이어프램)을 형성하는 박막 재료일 수 있다. 기타 예에서, 부재(50)는 각각의 렌즈(98)를 둘러싸는 피복 또는 코팅(예를 들어, 클래딩)일 수 있다. 한 특정 예에서, 부재(50)는, 렌즈(98)를 서로 결합시키는, (광-경화성 액상 중합체를 경화시키는 조사 파장에서) 광학적으로 불투명한 접착제일 수 있다.
비교를 위해, 불투명 접착제(50)는 정사각형 셀 실시양태의 격벽(74)의 역할을 수행함을 주목한다. 불투명 접착제(50)의 두께(예를 들어, 5 미크론)가 격벽(74)의 두께(예를 들어, 1 mm)보다 실질적으로 작으면, 불투명 접착제(50)로 인한 그림자 효과는 격벽(74)의 그림자 효과에 비해 실질적으로 감소된다. 결과적으로, 육각형 셀 광원에 불투명 접착제 (50)의 그림자 효과에 대한 보상이 사실상 요구되지 않아 셀 가장자리에서 덜 불균일해진다. 도 19b 및 도 19c는 각각 원형 렌즈(46) 위에 위치한 육각형 렌즈(98)의 상면도 및 측면도를 도시한다. 육각형 렌즈(98)의 하부면(98C)은 도 19c에서 부분적으로 가시화될 수 있다. 구조(도시되지 않음)는 함께 접착되는 육각형 렌즈(98)의 앙상블의 주변을 지지하는데 사용된다.
도 20은 본 발명의 한 실시양태에 따른 광 엔진의 하나의 육각형 셀과 관련된 특정 구성 요소의 투시도를 도시한다. 도 20은 상부면(98A), 6개의 측면(98B) 및 하부면(98C)을 갖는 육각형 렌즈(98)를 포함한다. 원형 렌즈(96)은 육각형 렌즈(98)와 LED(70) 사이에 위치한다. 배플은 도 20에 도시되지 않았다. 다수의 이러한 셀은 완성된 광 엔진에 존재할 수 있다. 추가로, 상기 설명에서는 하나의 LED가 각 셀에 대해 존재하지만, 다른 실시양태에서는 복수의 LED(예를 들어, 하나 이상의 UV, 하나의 적색, 하나의 녹색 및/또는 하나의 청색 LED)가 각각의 셀에 존재할 수 있다.
상술한 실시양태 이외에도, 본 발명의 추가의 실시양태는 렌즈의 어레이에서 정사각형 또는 기타 형태의 렌즈 대신에 텔레센트릭(telecentric) 렌즈를 사용할 수있다. 텔레센트릭 렌즈는 복합 렌즈이고, 본 발명의 실시양태는 이중 텔레센트릭 렌즈를 사용할 수있으며, 이들은 무한에서 입사 및 출사 동공을 둘 다 갖는 것으로 특징지어지워진다. 이중 텔레센트릭 렌즈의 사용은 감소된 이미지 왜곡(예를 들어, 핀쿠션 및/또는 배럴 왜곡) 및 평행 광원으로부터의 조명의 다른 에러를 허용할 수있다.
대안으로, 프레넬 렌즈가 상기 논의한 정사각형 또는 기타 형태의 렌즈 대신 렌즈 어레이에 사용될 수 있다. 예를 들면, 문헌[Vu et al., “LED Uniform Illumination Using Double Linear Fresnel Lenses for Energy Saving,” Energies 2017, 10, 2091 (Dec. 11, 2017)]은 LED의 어레이에 대한 이러한 시준기의 사용을 기술한다. 본 발명의 실시양태에서, 선형 프레넬 렌즈 어레이는 원하는 초점 길이에 대해 비교적 얇다는 이점을 제공한다. 상기 LED 소스로부터 가능한 한 많은 광을 포착하기 위해, LED에 의해 방출된 광을 개별 렌즈 부재로 향하게 하기 위해 추가의 프리즘 부재를 사용할 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 개개의 LED는 반사기에 의해 둘러싸여서, 그렇지 않으면 상기 배플에 의해 흡수 될 수 있는 추가의 광을 상기 어레이의 렌즈로 방향전환시킬 수 있다.
전술한 실시양태에서, 상기 LED 및 상기 시준 광학물의 선형 배열이 기재되었으나, 기타 배열도 가능하다. 예를 들면, 상기 광이 궁극적으로 탱크 내로 투영되는 평면에 상기 LED가 직각으로(또는 대략 그렇게) 발광하도록 배열되는 측면 조명 배열이 사용될 수 있다. 이러한 "측면 조명" 또는 "가장자리 조명" 배열은 미국 미네소타주 세인트폴 소재의 3M 컴패니의 소위 Brightness Enhancement Films와 같은 시준 필름을 사용하여 상기 광이 상기 LCD 유닛으로 향하게 할 수 있다. 이 필름은 프리즘 구조를 사용하여 입사광의 방향을 변경한다.
추가로, 상술한 실시양태와 관련하여 광원으로서 LED의 사용이 논의되었지만, 다른 광원이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 수은 아크 램프는 전통적으로 포토리소그래피 분야에서 자외선 소스로 사용되어 왔고, 마찬가지로 본원에 기술된 바와 같이 광 엔진에도 사용될 수 있다.
따라서, 3차원 물체의 성형을 위한 액상 중합체의 광-경화에 의존하는 3D 프린팅 장치에 사용되는 광 엔진이 기술되었다.

Claims (15)

  1. 방사선에 대한 노출에 의해 광-경화성 액상 중합체를 광-경화시킴으로써 3차원 물체를 성형하기 위한 장치로서,
    내부에 투명한 개구(opening)를 갖는 기저부를 포함하는, 상기 액상 중합체를 포함하기 위한 탱크; 및 상기 기저부의 투명한 개구를 통해 상기 방사선을 방출함으로써 상기 방사선에 의해 상기 광-경화성 액상 중합체를 경화시키는 평행 광원을 포함하고,
    상기 평행 광원이 발광 다이오드(LED) 소스(source)의 어레이(array), 배플(baffle)의 어레이 및 렌즈의 제1 어레이 및 렌즈의 제2 어레이를 포함하고, 상기 배플들은 상기 LED 소스의 어레이에서 각각의 개별 LED 소스의 빔 폭(beam width)을 상기 렌즈의 제1 어레이의 상응하는 렌즈의 직경으로 제한하도록 배열되고, 상기 평행 광원의 LED 소스는 복수의 LED 그룹으로서 조직되고, 그리고 상기 LED 그룹 각각은:
    (i) 상기 LED 그룹으로부터 전파하는 전자기 방사선의 제1 빔을 제한하여 방향을 잡아주도록 구성된 상기 배플들 중 하나;
    (ii) 상기 전자기 방사선의 제1 빔을 수용하고 전자기 방사선의 중간 빔을 투영하도록 구성된 상기 렌즈의 제1 어레이의 렌즈; 및
    (iii) 상기 전자기 방사선의 중간 빔을 수용하고 전자기 방사선의 제2 빔을 상기 광-경화성 액상 중합체를 향해 투영하도록 구성된 상기 렌즈의 제2 어레이의 렌즈로서, 상기 전자기 방사선의 제2 빔은 평행한 광선임을 특징으로 하는 상기 렌즈의 제2 어레이의 렌즈;에 상응하는, 3차원 물체를 성형하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 LED 소스의 적어도 일부가 400 내지 700 nm의 파장에서 방사선을 방출하도록 구성되는, 3차원 물체를 성형하기 위한 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 LED 소스의 적어도 일부가 410 nm의 파장에서 방사선을 방출하도록 구성되는, 3차원 물체를 성형하기 위한 장치.
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서, 하나 이상의 상기 LED 소스가 복수의 파장에서 방사선을 방출하도록 구성되는, 3차원 물체를 성형하기 위한 장치.
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서, 상기 평행 광원이 액정 디스플레이(“LCD”)를 추가로 포함하고, 상기 LCD가 상기 LED의 어레이와, 상기 광-경화성 액상 중합체의 광-경화에 의해 물체가 구축되는 탱크 내의 영역 사이에 위치하는, 3차원 물체를 성형하기 위한 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 LCD가 복수의 필터를 포함하고, 상기 복수의 필터 중의 각각의 필터가 상기 방출된 방사선의 파장 중의 하나에 상응하는, 3차원 물체를 성형하기 위한 장치.
  9. 제2항에 있어서, 상기 LED 소스 중의 하나 이상이 복수의 LED 발광기(emitter)를 포함하고, 상기 각각의 발광기가 하나 이상의 파장에서 방사선을 방출하도록 구성되는, 3차원 물체를 성형하기 위한 장치.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서, 상기 복수의 LED 그룹은 각각 하나 초과의 LED를 포함하는, 3차원 물체를 성형하기 위한 장치.
  12. 방사선에 노출된 광-경화성 액상 중합체를 광-경화함으로써 3차원 물체를 성형하기 위한 방법으로서, 상기 3차원 물체는 상기 방사선에 투명한 시트(sheet)와 지지 플레이트(supporting plate) 사이의 공간에서, 즉 상기 물체의 이미 형성된 부분에서, 상기 광-경화성 액상 중합체의 점진적인 경화로 인한 성장에 의해 성형되고, 상기 지지 플레이트는 상기 투명 시트로부터 점진적으로 떨어져 이동하는 방법이고,
    상기 광-경화성 액상 중합체가 발광 다이오드(LED) 소스의 어레이, 배플의 어레이, 렌즈의 제1 어레이 및 렌즈의 제2 어레이를 포함하는 평행 광원으로부터의 조사(irradiation)에 의해 경화되고, 상기 배플들은 상기 LED 소스의 어레이에서 각각의 개별 LED 소스의 빔 폭을 상기 렌즈의 제1 어레이의 상응하는 렌즈의 직경으로 제한하도록 배열되고, 상기 렌즈의 제1 어레이로부터의 각각의 렌즈는 상기 LED 소스 중 하나로부터의 전자기 방사선의 제1 빔을 수용하고 전자기 방사선의 중간 빔을 투영하도록 구성되고, 상기 렌즈의 제2 어레이로부터의 각각의 렌즈는 상기 렌즈의 제1 어레이로부터의 렌즈 중 하나로부터의 중간 빔을 수용하고 전자기 방사선의 제2 빔을 상기 광-경화성 액상 중합체를 향해 투영하도록 구성되고, 상기 전자기 방사선의 제2 빔은 평행한 광선임을 특징으로 하는, 3차원 물체를 성형하기 위한 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서, 상기 LED 소스가 400 내지 700 nm의 파장에서 방사선을 방출함을 특징으로 하는, 3차원 물체를 성형하기 위한 방법.
  15. 삭제
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