KR102512669B1 - 복셀-바이-복셀 멀티 재료 3차원 프린팅 장치 - Google Patents

복셀-바이-복셀 멀티 재료 3차원 프린팅 장치 Download PDF

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Abstract

복셀-바이-복셀 멀티 재료 3차원 프린팅 장치가 개시된다. 본 발명의 복셀-바이-복셀 멀티 재료 3차원 프린팅 장치는, 레이저 빔을 발생시키는 레이저 광원부; 레이저 빔을 이송계까지 전달하며 레이저 빔의 모드를 변형할 수 있는 회절 광학계가 구비된 광학계; 이송계로 멀티 재료를 공급하는 멀티 재료 공급부; 및 레이저 빔의 펄스와 멀티 재료의 펄스를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

복셀-바이-복셀 멀티 재료 3차원 프린팅 장치{3D PRINTING APPARATUS USING A VOXEL-BY-BOXEL MULTI-MATERIALS}
본 발명은, 3차원 프린팅 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 멀티재료를 복셀 단위로 프린팅하고 높은 무결성을 가질 수 있는 복셀-바이-복셀 멀티 재료 3차원 프린팅 장치에 관한 것이다.
현재 레이저를 이용한 3D프린팅의 경우 제품의 성능을 높이는 방법은 재료, 설계, 공정을 통한 방법이 있다. 재료를 통한 방법은 새로운 조성의 재료개발, 나노재료 등이 있고, 설계를 통한 방법은 위상 최적화 및 제네레이티브 디자인, 파트 통합 등이 있고, 공정을 통한 방법은 레이저 공정변수 조절을 통한 미세구조의 제어, 멀티재료 프린팅 공정개발 등이 있다.
이 중 대부분의 연구는 단일재료를 이용한 Design for Additive Manufacturing(DfAM) 및 공정개발 개발이다. 이 공정은 제품 설계, 재료 설계 및 선택, 단일 재료 형상 최적화, 메세 구조 제어, 물성 제어의 순서로 이루어질 수 있다.
단일재료가 아닌 멀티재료를 3D프린팅 공정에 적용한다면 단일재료의 물성의 한계치를 극복하고 다기능성을 가지는 복합재료 및 경사기능재료 등과 같이 우수한 물성 및 특성을 가지는 부품을 제작할 수 있을 것이다.
최근 이처럼 멀티재료의 극한 성능을 구현하기 위한 복셀기반 멀티재료 3D프린팅 기술이 많이 연구되고 있다. 가용 가능한 공정이 없어 유일하게 광경화 폴리머 잉크젯 공정을 이용한 설계적 측면에서 연구가 활발히 이루어지고 있는 현실이다.
최근 광경화 폴리머의 재료한계를 돌파하기 위하여 멀티노즐 압출공정을 이용한 기술이 연구되고 있지만, 이 경우도 폴리머 재료를 이용하며 현재 금속재료의 복셀기반 멀티재료 프린팅 연구는 거의 진행되지 않았다고 볼 수 있다.
따라서, 금속 또는 세라믹 재료와 같은 고융점 재료의 복셀기반 3D프린팅의 구현을 위한 새로운 개선책이 요구된다. 또한, 이와 같은 기술의 구현은 기존 단일재료로 불가능한 부품을 제작할 수 있게 함으로써 3D프린팅의 궁극적인 목표 달성에 이바지할 수 있을 것이다.
전술한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.
한국등록특허공보 제10-2235761호(한국과학기술원) 2021. 03. 29.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 복셀 기반 프린팅을 가능하게 함과 아울러 표면 무결성을 높일 수 있는 복셀-바이-복셀 멀티 재료 3차원 프린팅 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 빔을 발생시키는 레이저 광원부; 상기 레이저 빔을 이송계까지 전달하며 상기 레이저 빔의 모드를 변형할 수 있는 회절 광학계가 구비된 광학계; 상기 이송계로 멀티 재료를 공급하는 멀티 재료 공급부; 및 상기 레이저 빔의 펄스와 상기 멀티 재료의 펄스를 제어하는 제어부를 포함하는 멀티 재료 3차원 프린팅 장치가 제공될 수 있다.
상기 제어부는 상기 레이저 빔의 펄스와 상기 멀티 재료의 펄스를 동기화하고 각 펄스의 크기를 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 레이저 빔의 펄스와 상기 멀티 재료의 펄스를 동기화하고 각 펄스의 폭을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 레이저 빔의 펄스와 상기 멀티 재료의 펄스를 동기화하고 각 펄스 폭 변조를 제어할 수 있다.
상기 광학계는, 상기 회절 광학계의 전방에 배치되어 상기 레이저 광원부로부터 전달되는 레이저 빔의 경로를 평행 경로로 만드는 콜리메이터를 더 포함할 수 있다.
상기 광학계는, 상기 회절 광학계를 통과한 레이저 빔을 상기 이송계의 방향으로 반사시키는 미러; 및 상기 미러에서 반사되는 레이저 빔을 상기 이송계의 방향으로 안내하는 F-세타 렌즈(F-theta lens)를 더 포함할 수 있다.
상기 멀티 재료 공급부는 복수의 호퍼를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 기존 3D 프린팅 기술에서 구현이 어려운 멀티 재료의 복셀-바이- 복셀 프린팅을 구현할 수 있다.
또한 복셀-바이-복셀 프린팅 시 치밀한 구조를 제작할 수 있다.
도 1은 본 실시 예에 따른 복셀-바이-복셀 멀티 재료 3차원 프린팅 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시 예에 따른 레이저 빔의 펄스와 멀티 재료의 펄스를 시간에 따라 제어한 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시 예의 공정 개발을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시 예의 재료/응용 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 실시예에 기초하여 설명한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 실시 예에 따른 복셀-바이-복셀 멀티 재료 3차원 프린팅 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 실시 예에 따른 레이저 빔의 펄스와 멀티 재료의 펄스를 시간에 따라 제어한 것을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 실시 예의 공정 개발을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 실시 예의 재료/응용 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 복셀-바이-복셀 멀티 재료 3차원 프린팅 장치(1)는, 레이저 빔을 발생시키는 레이저 광원부(10)와, 레이저 빔을 이송계(100)까지 전달하며 레이저 빔의 모드를 변형할 수 있는 회절 광학계(22)가 구비된 광학계(20)와, 이송계(100)로 멀티 재료를 공급하는 멀티 재료 공급부(30)와, 레이저 빔의 펄스와 멀티 재료의 펄스를 제어하는 제어부(미도시)를 구비한다.
레이저 광원부(10)는, 가공물을 가공하는 데 사용되는 레이저 빔을 발생시키는 것으로서, 레이저 광원부(10)에서 전달되는 레이저 빔은 광학계(20)를 거쳐 이송계(100)로 전달되며 멀티 재료 공급부(30)에서 공급되는 멀티 재료를 가공할 수 있다.
본 실시 예에서 레이저 광원부(10)에서 조사되는 레이저 빔은 광섬유를 통해 전달될 수 있다.
또한 본 실시 예에서 레이저 광원부(10)는 제어부에 의해서 펄스가 제어될 수 있다.
구체적으로 본 실시 예는 제어부에서 레이저 광원부(10)의 펄스의 크기, 레이저 빔의 공급 타이밍과 펄스 폭 변조(Pusse Width Modulation, PWM)를 제어할 수 있고, 이는 멀티 재료 공급부(30)의 펄스와 동기화될 수 있다.
본 실시 예는, 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 빔의 공급 타이밍을 멀티 재료(파우더)의 공급 타이밍 보다 빠르게(△ttiming) 할 수 있다. 또한 본 실시 예는 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 빔의 공급 시간을 멀티 재료(파우더)의 공급 시간보다 길게 할 수 있다. 본 실시 예의 레이저 빔의 공급 타이밍과 공급 시간은 멀티 재료 공급부(30)에서 공급되는 멀티 재료의 종류에 대응되어 제어될 수 있다.
또한 본 실시 예는 아래의 표 1에 도시된 바와 같이 듀티 사이클(duty cycle)를 제어하여 레이저 빔의 펄스 폭 변조를 제어할 수 있다. 예를 들어 본 실시 예는 25% 듀얼 사이클을 적용할 수 있다. 또한 본 실시 예는 50% 듀얼 사이클 또는 75% 듀얼 사이클을 적용할 수도 있다.
Figure 112021093754454-pat00001
본 실시 예에서 듀티 사이클은 위 표 1에 도시된 사이클 외에 다른 사이클이 적용될 수 있다.
또한 본 실시 예는 레이저 광원부(10)의 전력을 변경함으로써 더 빠른 증착 속도로 제어될 수 있다.
광학계(20)는, 레이저 광원부(10)에서 공급되는 레이저 빔을 이송계(100)까지 전달하며 레이저 빔의 모드를 변형시켜 이송계(100)로 전달할 수 있다.
본 실시 예에서 광학계(20)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 레이저 광원부(10)의 후방에 배치되어 레이저 광원부(10)로부터 전달되는 레이저 빔의 경로를 평행 경로로 만드는 콜리메이터(21)와, 콜리메이터(21)의 후방에 배치되어 레이저 광원부(10)에서 공급되는 레이저 빔의 모드를 변형하는 회절 광학계(22)와, 회절 광학계(22)를 통과한 레이저 빔을 이송계(100)의 방향으로 반사시키는 미러(23)와, 미러(23)에서 반사되는 레이저 빔을 이송계(100)의 방향으로 안내하는 F-세타 렌즈(24)(F-theta lens)를 포함한다.
광학계(20)의 콜리메이터(21)는, 레이저 광원부(10)와 회절 광학계(22)의 사이에 배치되어 레이저 광원부(10)에서 조사되는 레이저 빔을 평행한 빔으로 만들어 회절 광학계(22)로 전달할 수 있다.
본 실시 예에서 콜리메이터(21)는 프린팅 장치에 마련된 이동 수단에 의해 레이저 광원부(10)의 방향으로 이동될 수 있다. 이 이동 수단은 프린팅 장치에 마련되는 가이드 레일과, 가이드 레일에 이동 가능하게 마련되며 콜리메이터(21)가 안착된 프레임과, 프레임을 구동시키는 구동 모터를 포함할 수 있다.
광학계(20)의 회절 광학계(22)는, 콜리메이터(21)의 후방에 배치되어 레이저 광원부(10)에서 공급되는 레이저 빔의 모드를 변형할 수 있다.
본 실시 예에서 회절 광학계(22)는 레이저 광원부(10)에서 전달되는 가우시안 빔의 모드를 변형할 수 있다.
본 실시 예는 레이저 빔 쉐이퍼(laser beam shaper)를 도입함으로써 복셀간의 빈틈없는 프린팅을 구현할 수 있다. 레이저 빔 쉐이퍼는 가우시안 빔을 100% 효율에 가깝게 플랩 탑(flat top) 또는 에어리 원반(Airy disk) 빔으로 변환할 수 있다. 본 실시 예는 가우시안 레이저 입력 빔을 예를 들어 플랫탑 빔으로 변환하면 소재 가공 시 재료를 보다 깔끔하게 절단할 수 있고 신호 대 잡음비가 개선되어 성능은 유지하면서 더 저렴한 레이저를 사용할 수 있는 이점이 있다.
본 실시 예에서 레이저 빔 쉐이퍼는 다초점렌즈(미도시)를 포함하여, 피가공체로 조사되는 레이저빔의 초점심도를 가변적으로 조절할 수 있다.
광학계(20)의 F-세타 렌즈(24)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 미러(23)와 이송계(100)의 사이에 배치되어 평면인 피가공물의 영역으로 레이저 빔을 안내하여 초점을 맞출 수 있다.
이하에서 광학계(20)의 작동을 간략하게 설명한다.
레이저 광원부(10)에서 발생된 레이저 빔은 콜리메이터(21)에서 평행한 경로를 갖는 레이저 빔으로 된 후 회절 광학계(22)로 전달될 수 있다.
회절 광학계(22)는 작업 환경에 따라 제어부의 제어에 의해 가우시안 빔의 모드를 변경할 수 있고, 이때 빔 쉐이퍼를 적용하여 복셀간의 빈틈없는 프린팅을 구현할 수 있다.
회절 광학계(22)를 통과한 레이저 빔은 미러(23)에 의해 F-세타 렌즈(24)로 전달되며, 전달된 레이저 빔은 F-세타 렌즈(24)에 의해 평면인 피가공물의 영역으로 안내되어 멀티 재료를 가공할 수 있다.
멀티 재료 공급부(30)는, 이송계(100)로 파우더 타입인 멀티 재료를 공급할 수 있다.
본 실시 예에서 멀티 재료 공급부(30)의 펄스는 제어부에 의해서 전술한 레이저 광원부(10)의 펄스와 동기화될 수 있고, 펄스가 제어될 수 있다.
구체적으로 본 실시 예는 제어부에서 멀티 재료 공급부(30)의 펄스의 크기, 멀티 재료의의 공급 타이밍과 펄스 폭 변조(Pusse Width Modulation, PWM)를 제어할 수 있고, 이는 레이저 광원부(10)의 펄스와 동기화될 수 있다.
본 실시 예는, 도 2에 도시된 바와 같이, 멀티 재료(파워더)의 공급 타이밍을 레이저 빔의 발생 타이밍 보다 늦게(△ttiming) 할 수 있다. 또한 본 실시 예는 도 2에 도시된 바와 같이, 멀티 재료(파우더)의 공급 시간을 레이저 빔의 조사 시간보다 짧게 할 수 있다. 본 실시 예의 멀티 재료의 공급 타이밍과 공급 시간은 멀티 재료의 종류에 대응되어 제어될 수 있다.
또한 본 실시 예는 전술한 듀티 사이클(duty cycle)를 제어하여 멀티 재료 공급부(30)의 펄스 폭 변조를 제어할 수 있다. 예를 들어 본 실시 예는 25% 듀얼 사이클을 적용할 수 있다. 또한 본 실시 예는 50% 듀얼 사이클 또는 75% 듀얼 사이클을 적용할 수도 있다. 본 실시 예에서 듀티 사이클은 위 표 1에 도시된 사이클 외에 다른 사이클이 적용될 수 있다.
나아가 본 실시 예는 파우더 타입의 멀티 재료를 이용하므로 이를 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 2 이상의 호퍼(31)를 구비할 수 있다. 본 실시 예는 각각의 호퍼(31)를 통해 서로 다른 재료가 공급될 수 있다.
그리고 본 실시 예에서 멀티 재료는 금속 또는 세라믹과 같은 고융점 재료를 포함할 수 있다.
도 3은 본 실시 예의 공정 개발을 개략적으로 도시한 도면으로, 본 실시 예는 도 3의 (a)에 도시된 면 기반 적층, 도 3의 (b)에 도시된 선 기반 적층, 도 3의 (c)에 도시된 점 기반 적층 중 선택된 공정으로 작업을 할 수 있다.
본 실시 예는 전술한 적층 작업 시 레이저 빔 쉐이퍼(laser beam shaper)를 도입함으로써 복셀간의 빈틈없는 프린팅을 구현할 수 있는 이점이 있다.
도 4는 본 실시 예의 재료/응용 예를 개략적으로 도시한 도면으로, 본 실시 예는 도 4의 (a)에 도시된 복셀 기반 복합재료, 도 4의 (b)에 도시된 멀티재료 활용 기능화 등 다양하게 응용될 수 있다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 실시 예는 기존 3D 프린팅 기술에서 구현이 어려운 멀티 재료의 복셀-바이- 복셀 프린팅을 구현할 수 있다. 또한 복셀-바이-복셀 프린팅 시 치밀한 구조를 제작할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1 : 복셀-바이-복셀 멀티 재료 3차원 프린팅 장치
10 : 레이저 광원부
20 : 광학계
21 : 콜리메이터
22 : 회절 광학계
23 : 미러
24 : f-세타 렌즈
30 : 멀티 재료 공급부
31 : 호퍼
100 : 이송계

Claims (7)

  1. 레이저 빔을 발생시키는 레이저 광원부;
    상기 레이저 빔을 이송계까지 전달하며 상기 레이저 빔의 모드를 변형할 수 있는 회절 광학계와, 상기 회절 광학계의 전방에 배치되어 상기 레이저 광원부로부터 전달되는 레이저 빔의 경로를 평행 경로로 만드는 콜리메이터와, 상기 회절 광학계를 통과한 레이저 빔을 상기 이송계의 방향으로 반사시키는 미러와, 상기 미러에서 반사되는 레이저 빔을 상기 이송 계의 방향으로 안내하는 F-세타 렌즈(F-theta lens)가 구비된 광학계;
    프린팅 장치에 마련되어 상기 콜리메이터를 상기 레이저 광원부의 방향으로이동시키는 것으로, 상기 프린팅 장치에 마련되는 가이드 레일과, 상기 가이드 레일에 이동 가능하게 마련되며 상기 콜리메이터가 안착된 프레임과, 상기 프레임을 구동시키는 구동 모터를 포함하는 이동 수단;
    상기 이송계로 멀티 재료를 공급하는 복수의 호퍼를 포함하는 멀티 재료 공급부; 및
    상기 레이저 빔의 펄스와 상기 멀티 재료의 펄스를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 레이저 빔의 펄스와 상기 멀티 재료의 펄스를 동기화하고 각 펄스와 상기 각 펄스의 폭과 상기 각 펄스의 폭 변조를 제어하고,
    상기 레이저 빔의 공급 타이밍을 상기 멀티 재료의 공급타이밍보다 빠르게 하거나, 상기 멀티 재료의 공급 타이밍을 상기 레이저 빔의 발생 타이밍보다 늦게 할 수 있으며,
    상기 레이저 빔의 공급 시간을 상기 멀티 재료의 공급 시간보다 길게할 수 있으며, 상기 멀티 재료의 공급 시간을 상기 레이저 빔의 조사 시간보다 짧게 할 수 있고,
    상기 레이저 빔의 공급 타이밍과 공급 시간 및 상기 멀티 재료의 공급 타이밍과 공급 시간은 상기 멀티 재료 공급부에서 공급되는 멀티 재료의 종류에 대응되게 제어되는 복셀-바이-복셀 멀티 재료 3차원 프린팅 장치.
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