KR20010051780A - 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치 및 그 적층조형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보석 장식 조형물과 같이 3차원 형상은 복잡하지만 치수 정밀도에서는 비교적 허용도가 큰 소형 3차원 조형물을 광경화성 수지로 적층 조형하는 적층 조형 장치에 관한 것으로, 그 구조가 간단한 표면 액체층 형성 장치에 의해, 경화되는 액체 표면층을 효과적이며 또한 균일하고 평탄하게 광경화 수지층의 적층체 상에 형성하는 것으로, 액체 표면층 형성 장치를 적어도 1매의 블레이드에 의해 구성하고, 광경화성 액체를 그 표면 장력과 블레이드의 모세관 작용의 상호 작용에 의해 흡인 유지하여 액체 표면 상에서 이동시킴으로써 액체 표면층을 형성한다.

Description

광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치 및 그 적층 조형 방법 {METHOD AND APPARATUS FOR FORMING THREE-DIMENSIONAL LAMINATED PRODUCT FROM PHOTO-CURABLE LIQUID}

본 발명은 광경화성 수지를 사용한 3차원 조형물을 적층 조형하는 적층 조형 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

3차원 조형물의 다수의 단면체를 광경화성 수지의 광경화층으로 순차로 적층함으로써 3차원 조형물을 조형하는 것은 이미 주지된 사실이다. 단면체의 광경화 수지층은 이미 적층된 광경화 수지층 상에 소정의 두께의 표면 액체층을 형성하여 상기 표면 액체층을 광에너지로 주사(走査)함으로써 경화되어 형성된다.

이와 같은 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 방법 및 장치는 소화(昭和) 56년 일본 특허 출원 공개 공보 제14478호에 기재되어 있는 바와 같이 이미 알려져 있다.

적층된 광경화 수지층 상에 소정 두께의 광경화 수지액의 표면층을 형성하기 위해 필요한 소정량의 미경화 수지액을 상기 광경화 수지층 상에 도입하기 위해서는, 광경화 수지층을 형성할 때마다 조형 도중의 광경화 수지층 적층체를 상기 소정의 두께와 동등한 거리만큼 광경화성 수지 액체의 광 조사면으로부터 강하시킬 필요가 있지만, 실제로는 정확하게 상기 소정의 두께와 동등한 거리만큼 광경화성 수지 액체의 광 조사면으로부터 강하시켜도 정확한 소정 두께의 광경화 수지액의 표면층을 형성하기는 곤란하다.

또, 광경화 수지층 적층체 상에 소정의 두께의 미경화 수지를 도입하는 다른 방법으로, 예를 들면 EP 0171069B1 및 EP 0535720B1에 기재되어 있는 바와 같이, 광경화 수지층 적층체를 상기 소정의 두께를 초과한 거리만큼 광경화성 수지 액체의 광 조사면으로부터 강하시키고 광경화 수지층 적층체 상에 미경화 수지를 강제적으로 도입한 후, 광경화 수지층 적층체를 상승시키고 소정의 두께의 미경화 수지층을 형성하는 방법이 알려져 있다.

또한, 예를 들면 일본 특허 2619445호, 일본 특허 2715649호에 기재되어 있는 바와 같이, 광경화 수지층 적층체를 상기 소정의 두께와 동등한 거리만큼 광경화성 수지 액체의 광 조사면으로부터 강하시킨 후, 소정량의 미경화 수지액을 공급 산포(散布)하여 소정 두께의 광경화 수지액의 표면층을 형성하는 적층 조형 장치도 알려져 있다.

광경화 수지층 적층체를 상기 소정의 두께를 초과한 거리만큼 강하시키고 미경화 수지를 도입한 후, 다시 광경화 수지층 적층체를 상승시키고 소정의 두께의 미경화 수지층을 형성하는 방법을 채용하는 경우에는, 그 방법을 실시하는 장치가 구조적으로 비교적 간단하다는 이유에서 장치의 소형화에 적합하다.

그러나, 이 방법을 채용한 경우, 광경화 수지층 적층체 상에 미경화 수지액을 확실하게 도입하기 위해서는 이 미경화 수지액의 성상(性狀), 예를 들면 점도나 표면 장력을 무시할 수 없어 이 수지액의 점도 및 표면 장력의 크기에 비례하여 광경화 수지층 적층체를 상기 소정의 두께를 초과하여 강하시키는 거리가 커지고, 그 결과 미경화 수지액이 광경화 수지층 적층체 상에 도입되는 시간이 길어질 뿐 아니라, 미경화 수지액의 도입 후에 이 광경화 수지층 적층체를 상승시켰을 때, 도입된 미경화 수지액의 표면층이 소정의 두께가 될 때까지 자연 유동하며, 또한 필요한 평면성이 얻어지는 시간도 미경화 수지액의 점도 및 표면 장력의 크기에 비례하여 길어진다. 이와 같은 대기 시간은 3차원 조형물의 조형 시간을 장기화하는 것이며, 특히 반지나 브로치 등의 보석 장식 조형물과 같이 소형 조형물의 경우에 그 조형 비용 상승의 큰 요인이 되는 것이다. 또, 필요 이상으로 광경화 수지층 적층체를 수지 액체 내에 깊이 가라앉히는 경우에는 광경화성 수지 액체 수납 용기의 깊이가 완성된 3차원 조형물의 높이와 비교하여 필요 이상으로 깊은 것을 사용할 수밖에 없고, 그 결과 광경화성 수지 액체를 여분으로 필요로 하여 불필요한 비용 발생을 초래할 뿐 아니라, 이와 같은 광경화성 수지 액체는 화학 반응(라디칼 반응, 카티온 반응 등)을 이용하여 유동성 물질에서 고체 물질로 형태를 변화시키고 있기 때문에, 이러한 광경화성 수지 액체 그 자체에 수명이 있어 경화 적층에 직접 간여하지 않는 부분에 대하여 불필요한 비용 발생 요인이 된다. 특히 보석 장식 조형물과 같이 소형 조형물의 경우에는 상대적으로 큰 비용 상승 요인이 되는 것이다.

또, 광경화 수지층 적층체를 상기 소정의 두께와 동등한 거리만큼 강하시킨 후, 소정량의 미경화 수지액을 공급 산포하여 소정 두께의 광경화 수지액 표면층을 형성하는 방법을 채용한 경우에는, 마찬가지로 광경화성 수지 액체의 점도 및 표면 장력의 크기에 비례하여 미경화 수지액이 광경화 수지층 적층체 상에 도입되는 시간 및 미경화 수지액 표면층이 평탄하게 될 때까지의 시간은 상기의 다른 방법을 채용한 경우에 비하여 단축되고, 또 광경화성 수지 액체 수납 용기도 어느 정도 소형화될 수는 있지만, 노즐, 메쉬 스크린, 회전축, 브러쉬, 펌프 등의 부속 기구를 포함하는 복잡하며 대형인 장치가 필요하게 된다. 또한 미경화 수지를 공급 산포하기 위한 다른 미경화 수지액 수납 용기가 필요하고, 공급 산포된 후에 미경화 수지액의 표면층의 두께 변화를 방지하기 위한 수지 표면층의 액면(액면) 높이 조정 기구 등은 특히 복잡하고 고가인 부대 기구이므로 전체 장치의 소형화 및 저가격화의 큰 장애가 되고 있다.

상기의 주지된 방법을 채용한 3차원 조형물 적층 조형 장치 모두 비교적 대형이며 높은 치수 정밀도가 요구되는 공업 제품을 적층 조형하는 경우에는 적합하지만, 보석 장식 조형물과 같이 소형이며 공업 제품에 비해 그 형상이 복잡하지만 치수 정밀도에서는 비교적 허용도가 큰 조형물을 적층 조형하는 경우에는 조형 작업 효율 및 경제성 등의 면에서 실용성에 문제가 있다.

본 발명은 보석 장식 조형물과 같이 3차원 형상은 복잡하지만 치수 정밀도에서는 비교적 허용도가 큰 소형 3차원 조형물을 조형하는 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치 및 그 적층 조형 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치의 일 실시예를 도시한 일부 종단 측면도.

도 2는 도 1에 도시한 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치의 표면 액체층 형성 유닛을 상세하게 도시한 정면도.

도 3은 도 1에 도시한 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치의 표면 액체층 형성 유닛을 상세하게 도시한 측면도.

도 4는 도 2에 도시한 표면 액체층 형성 유닛의 표면 액체층 형성 장치를 상세하게 도시한 설명도.

도 5는 컴퓨터 디자인에 의한 모델의 정면도.

도 6의 상기의 평면도.

도 7은 상기 모델의 단면층을 도시한 설명도.

도 8은 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 방법을 설명하기 위한 평면도.

도 9는 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 방법을 설명하기 위한 단면도.

도 10은 도 4에 도시한 표면 액체층 형성 장치의 변형예를 도시한 측면도.

도 11은 도 4에 도시한 표면 액체층 형성 장치의 다른 변형예를 도시한 정면도.

도 12는 도 4에 도시한 표면 액체층 형성 장치의 또 다른 변형예를 도시한 측면도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

200A：3차원 적층 조형물 조형 유닛, 22：용기 테이블, 24：조형물 적층 테이블, 26：액체 용기, 28：표면 액체층 형성 유닛, 200B：광에너지 조사 유닛, 32：광에너지 조사 헤드, 34：X-Y 디지털 플로터, 36：레이저 광원 장치, 38：광섬유, 50：표면 액체층 형성 장치, 52：평탄화 블레이드, 54：장착 블록, 56：평탄화 블레이드 축, 60：구동 기구, 62：가동 블레이드 지지부, 62： 블레이드 지지부, 63：암, 66：지지 부재, 65：블레이드 위치 조절 나사, 68：슬라이더, 70：슬라이드 안내 레일, 80：역회전 가능 모터, 80a：구동 벨트, 82a：구동축, 82b：유동축, 84：타이밍 벨트, 90：위치 규제 수단, 90a：암 부재, 90b：고정 리미트 센서, 90d：안내 레일, 90c：가동 리미트 센서, PCL：광경화성 수지 액체

본 발명의 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치는

광경화성 수지 액체를 수납하는 용기와,

상기 용기 내에 위치하여 3차원 조형물의 소정의 두께의 단면체의 고체층을 형성할 때마다 상기 소정의 두께와 동등한 거리만큼 광경화성 수지 액체 내에 침하되며, 그 위에 3차원 조형물이 적층 조형되는 조형물 적층 테이블과,

모세관 작용에 의해 상기 광경화성 수지 액체를 내부에 도입 유지하는 액체 저장 공간을 가지고 광경화성 수지 액체의 표면을 따라 수평 방향으로 이동 가능하며, 광경화성 수지 액체 표면 상을 이동하는 사이에 상기 액체 저장 공간 내에 도입된 미광경화성 수지 액체를 광경화성 수지 액체 표면에 도포 정형하여 소정의 두께와 동등한 표면 액체층을 상기 조형물 적층 테이블 상 또는 그 위에 형성된 고체층의 적층체 상에 형성하는 액체층 형성 장치와,

광에너지를 상기 액체층 상에 점 형상으로 수속하여 제어된 궤적을 따라 광경화성 수지 액체의 상기 표면 액체층 상에 조사하고, 이 표면 액체층을 광 화학 반응에 의해 경화시켜 상기 소정 두께를 가지는 고체층을 형성하는 광에너지 조사 장치

에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치는 그 구조가 간단한 표면 액체층 형성 장치에 의해 적극적으로 액체 표면층을 광경화 수지층의 적층체 상에 형성하도록 구성하였으므로, 액체 표면층이 형성될 때까지의 대기 시간이 짧아질 뿐 아니라, 균일하며 평탄화된 액체 표면층이 형성된다. 이것은 특히 반지나 브로치 등의 보석 장식 조형물과 같이 비교적 소형의 3차원 조형물을 주조 조형하는 경우에, 최종 조형물의 세부를 정확하게 재현할 수 있어 이 3차원 조형물을 시간적으로 또한 경제적으로 효율적으로 조형할 수 있다. 또 그 조형 시간의 단축 및 조형 비용의 저감에 큰 효과를 가져온다.

이 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치에 사용되는 액체층 형성 장치는 모세관 작용에 의해 광경화성 수지 액체를 내부에 도입하는 액체 저장 공간을 가지는 적어도 1매의 블레이드로 구성된다.

이 경우, 블레이드는 다공성 재료에 의해 구성할 수 있어 상기 광경화성 수지 액체를 효과적으로 도입 유지할 수 있다.

이 블레이드는 모세관 작용에 의해 상기 광경화성 수지 액체를 도입하는 복수의 공간을 형성한 것일 수도 있다. 이 경우에도 상기 광경화성 수지 액체를 효과적으로 도입 유지할 수 있다.

또한, 이 블레이드는 적층물 조형 테이블이 광경화성 수지 액체 내에 침하될 때, 상기 블레이드가 부분적으로 이 광경화성 수지 액체 표면보다 하방에 위치하도록 그 형상이 형성된 것으로 할 수 있다.

이 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치에 사용되는 액체층 형성 장치는 대향되어 배치되며 그 사이에 모세관 작용에 의해 광경화성 수지 액체를 도입하는 좁은 틈의 공간을 형성하는 적어도 2매의 블레이드로 구성함으로써, 상기 광경화성 수지 액체를 더욱 더 적극적이며 효과적으로 도입 유지할 수 있다.

이 경우에도 각 블레이드에는 다수의 작은 구멍을 형성하거나 또는 블레이드 자체를 다공성 재료에 의해 형성하는 것이 바람직하다.

액체층 형성 장치는 상기 액체 저장 공간 내에 다공성 부재를 배치하는 것에 의해서도 상기 광경화성 수지 액체의 도입 유지 효과는 더욱 한층 개선된다.

본 발명의 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치는 반지나 브로치, 기타 보석 장식 장신구와 같은 소형의 3차원 조형물을 주조 조형하는 경우에, 최종 조형물의 세부를 정확하게 재현할 수 있어 이 3차원 조형물을 시간적으로 또한 경제적으로 효율적으로 조형할 수 있다.

[실시예]

이하에 본 발명의 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치 및 그 적층 조형 방법을 도시한 실시예에 따라 설명한다.

도 1은 광경화성 수지 액체로부터 소형의 3차원 조형물을 적층 조형하는 소형이며 저가인 소형의 3차원 조형물 적층 조형 장치를 도시한다. 이 장치는 보석 장식 반지와 같은 소형이며 복잡한 3차원 형상을 가지지만 치수 정밀도의 허용 오차가 공업용 부품 등에 비하여 큰 물품의 조형에 적합하며, 복잡한 3차원 형상의 세부까지도 정확하게 조형할 수 있는 것이다. 본 실시예에서 나타낸 3차원 적층 조형물은 반지 등의 주조 제품의 주조용 주형(鑄型)을 제작하기 위한 조형 모델이지만, 이 3차원 적층 조형물이 최종 수지 제품인 경우도 설명하는 것이다. 또 이 장치는 주지된 컴퓨터 모델링 시스템(300)에 의해 설계된 3차원 조형물의 CAD 데이터에 따라 CAM 시스템에 의해 수치 제어되는 작동 형태를 가지는 것이다.

컴퓨터 제어되는 3차원 조형물 적층 조형 장치(100)는 하부 고정 플랫폼(4) 및 상부 고정 플랫폼(6)을 구비한 하우징(2)을 가지고, 하부 고정 플랫폼(4) 상에는 3차원 적층 조형물 조형 유닛(200A)이 조립되며 상부 고정 플랫폼(6)에는 광에너지 조사 유닛(200B)이 조립되어 있다. 3차원 적층 조형물 조형 유닛(200A)은 수직 방향으로 이동 가능한 용기 테이블(22；container table)과 수직 방향으로 이동 가능한 조형물 적층 테이블(24)과 표면 액체층 형성 유닛(28)을 가지고, 용기 테이블(22) 상에는 광경화성 유동체(PCL；photo-curable liquid) 예를 들면 광경화성 수지 액체가 채워진 용기(26)가 배치되며, 조형물 적층 테이블(24) 상에는 3차원 조형물 적층체가 형성된다.

이 표면 액체층 형성 유닛(28)은 착탈 가능하게 조형물 적층 테이블(24) 상에 고정 장착되어 있다. 용기 테이블(22)은 하부 고정 플랫폼(4)에 수직으로 설치된 가이드(22b)에 지지되어 있고 수직 위치 제어 기구(22a)에 의해 상하로 이동 가능하며, 용기(26)의 수직 방향의 위치, 구체적으로는 용기(26) 내의 광경화성 유동체(PCL)의 액면의 수직 방향 위치를 조절한다. 조형물 적층 테이블(24)은 하부 고정 플랫폼(4)에 수직으로 설치된 가이드(24b)에 지지되어 있고 수직 위치 제어 기구(24a)에 의해 상하로 이동 가능하며, 이 조형물 적층 테이블(24) 상에 형성된 조형물 적층체의 가장 상면의 위치를 조절한다.

조형물 적층체의 각각의 1층의 두께는 컴퓨터 모델링 시스템(300)에 의해 일정의 두께로 결정되고, 조형물 적층 테이블(24)은 각 적층체가 경화되어 형성될 때마다 이 일정의 두께와 동등한 거리만큼 수직 방향 하방으로 이동된다. 이 두께는 사용하는 광경화성 유동체(PCL)의 종류나 3차원 조형물의 크기 등에 따라 상이하지만, 대략 30 내지 70μ의 범위에서 결정된다.

표면 액체층 형성 유닛(28)을 도 2를 참조하여 상세하게 설명하며, 그때까지 조형물 적층 테이블(24) 상에 형성되어 있는 조형물 적층체 상에 상기 두께와 동등한 광경화성 유동체의 표면층을 형성한다.

본 실시예에서 사용되고 있는 광경화성 수지는 400nm 이하의 파장을 가지는 자외선 레이저에 의해 경화되는 조성을 가진다. 이와 같은 조성의 광경화성 수지는 여러 가지가 주지되어 있으며, 예를 들면 아크릴레이트 수지 및／또는 에폭시 수지로 이루어지는 것이 있다. 본 실시예에서는 비중 1.2, 점도 1.4Ps, 분자량 약 200 내지 700의 광경화성 수지(PCL)가 사용된다. 광경화성 수지(PCL)는 주지된 저점도이며 수축률이 비교적 높은 경화제 및／또는 중합 개시제가 첨가된 것일 수도 있다.

광에너지 조사 유닛(200B)은 광에너지, 예를 들면 파장 320nm의 헬륨-카드뮴 레이저 광에너지를 광경화성 수지(PCL)의 표면층에 스폿(spot) 형상으로 수속시켜 조사하는 광에너지 조사 헤드(32), X-Y 디지털 플로터(34；X-Y digital plotter)와 같은 광에너지 조사 헤드(32)를 직교하는 수평 2방향으로 이동시키는 X-Y 위치 제어 장치, 및 레이저 광원 장치(36)로 구성되어 있다.

이 장치에 탑재한 레이저 광원 장치(36)는 파장 325nm의 자외선 발생 레이저로서 출력 5 내지 10nW의 멀티 모드 발진형 레이저를 채용하고 있다. 그러나 용도에 따라 미세 가공을 중요시하는 경우 등에는 출력 3 내지10mW의 싱글 모드 발진형 자외선 레이저를 채용하면 레이저광의 파형에 흐트러짐이 없으므로 수속(집광)되기 쉬워져 더욱 미세한 가공에 적합한 에너지원이 된다.

레이저 광원 장치(36)에서 발생시킨 광에너지를 효율적으로 안전하게 광에너지 조사 헤드(32)까지 전송하기 위한 전송로인 광섬유(38)가 사용되고 있다. 이 장치에 조립된 광섬유(38)는 광에너지를 효율적으로 전송하고, 또한 더욱 고차원의 안전성을 확보하기 위해 금속성의 가요성 튜브(38b；flexible metal tube)를 외벽에 사용한 스텝 인덱스 타입의 광섬유(38a；step-index type of optical fiber)를 채용하고 있다. 단, 스텝 인덱스 타입의 광섬유는 구조상 파이버 내부에서 광의 반사를 반복하면서 진행되기 때문에, 레이저광의 파형을 흐트러트리거나 파이버로부터 사출(射出)될 때 확산된다는 이유에서, 더욱 미세 가공을 중요시하는 경우에는 레이저광의 파형을 흐트러트리지 않는 싱글 스텝 인덱스 타입의 광섬유(single step index type of optical fiber)이나 그레이티드 인덱스 타입의 광섬유(grated index type of optical fiber)를 사용하는 것이 좋다.

광섬유로부터 사출되는 광에너지를 제어하면서 광경화성 수지(PCL)의 표면층에 조사하는 경우, 소형이며 저가인 고정밀도의 3차원 조형물 적층 조형 장치를 제공하기 위해, 레이저 광원 장치(36)로부터 나온 평행 광속(光束)에 의해 가까운 곳에서 광에너지를 기계적으로 ON, OFF하고, 저가이며 고속 동작하는 액츄에이터 등에 의해 구동되는 메카니컬 셔터(mechanical shutter)를 복수 개 사용하고 있다. 이 메카니컬 셔터의 개폐는 컴퓨터 모델링 시스템(300)에서 준비된 CAD 데이터를 기초로 CAM에 의해 NC 데이터화되어 제어된 신호에 의해 제어되며, 레이저 광원 장치(36)로부터 나온 광에너지를 광섬유 내로 도입 및 차단하고 있다.

도 2 및 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 표면 액체층 형성 유닛(28)은 광경화성 수지 액체(PCL)의 표면 액체층을 평탄화하기 위해, 구동 기구(60)에 의해 도면에서 X 방향 및 Y 방향으로 왕복 구동되는 표면 액체층 형성 장치(50)를 가진다. 이 표면 액체층 형성 장치(50)는 고정 나사(54a)에 의해 장착 블록(54)에 분리 가능하게 대향되어 장착된 한 쌍의 평탄화 블레이드(52；leveling blade)를 구비하고 있다. 이 장착 블록(54；attachment)은 축(56)과 일체적으로 구성되어 있다.

구동 기구(60)는 한 쌍의 가동 블레이드 지지부(62)를 가지며 평탄화 블레이드 축(56)의 양단부를 지지하고 있다. 각 가동 블레이드 지지부(62)는 베이스 블록(64；base block) 및 상기 베이스 블록(64)에 고정 나사(66a)에 의해 고정된 한 쌍의 L자 형상의 지지 부재(66)가 고정되어 있다. 이들 한 쌍의 지지 부재(66)는 소정의 간격을 가지고 대향되어 배치되어 있고, 양 부재 사이에 상기 평탄화 블레이드 축(56)의 양단부를 지지한다. 가동 블레이드 지지부(62)에는 평탄화 블레이드(52)의 광경화성 유동체(PCL)의 표면 수직 방향 위치에 대한 수직 방향의 위치를 조절하는 블레이드 위치 조절 나사(65)가 부설되어 있다. 베이스 블록(64)의 하방 부분에는 슬라이더(68)가 장착되어 있고, 용기 테이블(22)에 분리 가능하게 고정된 직립하는 측벽(72；upright side wall)에 고정된 슬라이드 안내 레일(70)을 따라 미끄럼 이동한다. 블레이드 지지부(62)에는 베이스 블록(63)으로부터 수평 방향으로 장치 내측을 향하여 연장되는 암(63；arm)이 일체적으로 형성되어 있다. 구동 기구(60)는 용기 테이블(22)에 고정된 역회전 가능 모터(80)를 추가로 포함한다.

도 3에서 명확히 나타난 바와 같이, 직립 측벽(72)의 수평 방향의 양단부 부근에는 구동축(82a；drive shaft) 및 유동축(82b；idle shaft)이 지지되어 있다. 모터(80)는 구동 벨트(80a)에 의해 구동축(82a)에 연결되어 그 회전을 구동축(82a)에 전달한다. 구동축(82a) 및 유동축(82b) 사이에는 타이밍 벨트(84；timing belt)가 적절한 장력을 부여하며 걸쳐져 있다. 이 타이밍 벨트(84)는 양 블레이드 지지부(62)의 암(63)에 연결되어 있고, 모터(80)가 도 3에서 시계 방향으로 회전하면, 표면 액체층 형성 장치(50)를 지지하고 있는 양 블레이드 지지부(62)가 슬라이드 안내 레일(70)에 안내되어 X 방향으로 미끄럼 이동한다. 또, 모터(80)가 도 3에서 반시계 방향으로 회전하면, 표면 액체층 형성 장치(50)를 지지하고 있는 양 블레이드 지지부(62)가 슬라이드 안내 레일(70)에 안내되어 Y 방향으로 미끄럼 이동한다.

구동 기구(60)는 추가로 위치 제어 수단(90)을 포함하고, 이 위치 제어 수단(90)은 블레이드 지지부(62)의 베이스 블록(64)에 고정된 하방으로 연장되는 암 부재(90a)와, 한 쪽의 직립 측벽(72)에 장착된 안내 레일(90d)의 한 쪽 단부에 고정된 고정 리미트 센서(90b；stationary limit sensor)와, 이 안내 레일(90d) 상을 수평 방향으로 슬라이드 가능한 가동 리미트 센서(90c；movable limit sensor)에 의해 구성된다. 각 리미트 센서(90b, 90c)가 암 부재(90a)를 검지하면 모터(80)는 정지된다. 가동 리미트 센서(90c)를 이동시킴으로써 표면 액체층 형성 유닛(28)의 수평 방향 이동 범위를 변경할 수 있다. 표면 액체층 형성 유닛(28)의 수평 방향 이동 범위는 조형되는 3차원 조형물의 크기에 따라 변경하는 것이 바람직하고, 3차원 조형물의 조형 시간을 최단 시간으로 할 수 있다.

도 4는 표면 액체층 형성 장치(50)의 일례를 상세하게 도시한다. 이미 설명한 바와 같이, 표면 액체층 형성 장치(50)는 고정 나사(54a)에 의해 장착 블록(54)에 분리 가능하게 대향 장착된 한 쌍의 평탄화 블레이드(52)를 구비하고 있다. 이 한 쌍의 평탄화 블레이드(52)는 그 하단부에서 예를 들면 약 1mm의 간격을 유지하여 떨어져 배치되고, 양 평탄화 블레이드(52) 사이에 좁은 틈의 공간(51a)을 형성하고 있다. 이 좁은 틈의 공간(51a)은 모세관으로 기능하며 평탄화 블레이드(52)의 하단부가 광경화성 수지 액체(PCL)의 표면에 접해 있을 때, 광경화성 수지 액체(PCL)의 표면 장력과 평탄화 블레이드(52) 사이에 형성된 좁은 틈의 공간(51a)의 모세관 작용에 의해 광경화성 수지 액체(PCL)를 빨아올려 좁은 틈의 공간(51a) 내에 유지한다.

조형물 적층 테이블(24)이 소정의 두께와 동등한 거리만큼 광경화성 수지 액체 내에 침하된 경우, 그 장력으로 광경화성 수지 액체(PCL)가 반드시 조형 도중에 있는 고체층 적층체의 위쪽 표면 전체를 덮도록 고체층 적층체 상에서 신속하게 유동하지는 않는다. 또, 상당 시간이 경과할 때까지는 어느 정도의 양의 광경화성 수지 액체(PCL)가 고체층 적층체 상에서 유동해도 고체층 적층체 상에 20 내지 70μ 정도의 매우 얇은 소정의 두께의 광경화 수지액 표면층을 형성하는 것은 불가능하다. 그러나, 평탄화 블레이드(52)가 광경화 수지액 표면에 접한 채 표면 액체층 형성 장치(50)가 수평 방향으로 이동할 때, 그 좁은 틈의 공간(51a) 내에 빨아올려져 유지되어 있는 광경화성 수지 액체(PCL)는 좁은 틈의 공간(51a) 내로부터 고체층 적층체 상에 유출되어 그 위 전체를 덮도록 광경화 수지액 표면층을 형성한다. 동시에, 표면 액체층 형성 장치(50)의 수평 방향 이동 중에는 평탄화 블레이드(52)가 광경화 수지액 표면에 접하고 있으므로, 형성되는 광경화 수지액 표면층의 상면은 평탄화 블레이드(52)에 의해 평탄화되어 균일한 두께의 광경화 수지액 표면층을 형성할 수 있다.

이미 설명한 바와 같이 3차원 적층 조형물 조형 유닛(200A) 및 광에너지 조사 유닛(200B)은 컴퓨터 모델링 시스템(300)에 의해 설계된 3차원 조형물의 CAD 데이터에 따라 CAM 시스템에 의해 수치 제어된다. 이하에 컴퓨터 모델링 시스템(300)에 의해 작성된 반지의 디자인 모델로부터 직접 그 반지를 주조하기 위한 주형 제작용 광경화 수지 적층 모델을 조형하는 방법을 도 5 내지 도 7, 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다.

도 5 내지 도 7은 각각 반지 모델(M)의 측면도, 평면도 및 횡단면도이다. 이 반지 모델(M)은 본 출원인에 의해 시판되고 있는 모델링 소프트웨어를 사용하여 컴퓨터 시스템(300)에 의해 모델링되어 있다. 이 반지 모델(M)의 CAM 데이터는 이 반지 모델(M)을 다수의 소정의 단면층(L1, L2, …, Ln, …, Ly)의 내측과 외측 윤곽의 각각의 소정 각도 위치(P1, P2, …, Lx)의 수치 데이터인 CAM 데이터로 자동적으로 변환된다. 3차원 조형물 적층 조형 장치(100)는 이 CAM 데이터에 따라 자동 제어된다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, CAM 데이터에 따라 3차원 조형물 조형 제어 공정이 개시되면, 가동 조형물 적층 테이블(24)이 용기(26) 내의 광경화성 수지 액체(PCL)의 광에너지 조사면(WS；working surface)으로부터 모델(M)의 단면층의 소정의 두께(T)와 동등한 거리만큼 광경화성 수지 액체(PCL) 속으로 침하된다. 이 경우, 용기 테이블(22)은 액면 센서(30；surface level sensor)로부터의 검출 액면 신호에 따라서는 수직 방향 상하로 이동되어 광경화성 수지 액체(PCL)의 광에너지 조사면(WS)이 광에너지 조사 헤드(32)에 대하여 소정의 거리가 되도록 수직 방향 위치가 조정된다.

계속해서, 표면 액체층 형성 유닛(28)이 광경화성 수지 액체(PCL)의 표면 상을 이동하여 그 위에 상기 소정의 두께(T)와 동등한 두께의 표면 액체층을 형성하는 동시에 표면 액체층의 표면을 평탄화한다. 다음에 X-Y 디지털 플로터(34)가 컴퓨터 제어되어 광에너지 조사 헤드(32)를 CAM 데이터에 따라 이동한다. 디지털 플로터(34)가 이동하여 빔 스폿(BS)을 광경화성 수지 액체의 광에너지 조사면(WS) 상의 소정의 점(P(1)1)에 위치시키면, 셔터가 개방되어 X-Y 디지털 플로터(34)는 매분 약 300 내지 1,000mm, 바람직하게는 매분 800mm의 일정의 속도로 소정의 점(P(1)2, P(1)3, …, P(1)X)을 통과하여 다각형의 궤적을 따라 이동하여 광경화성 수지 액체(PCL)의 표면을 주사한다.

그 결과, 빔 스폿(BS)이 통과한 표면 액체층이 이 다각형을 따라 점차로 경화되어 모델(M)의 단면층(Ln)의 소정의 두께(T)와 동등한 다각형의 띠 형상의 고체층(LMa1)이 된다. 이 경화된 다각형은 빔 스폿(BS)의 직경과 동등한 폭을 가지는 원형 고리에 가까운 다각형 띠이고, 제1 다각형 띠 형상 고체층(LMa1)은 모델(M)의 제1 단면층(L1)의 내측의 윤곽을 구성한다.

빔 스폿(BS)이 소정의 점(P(1)X)을 거쳐 출발점인 소정의 점(P(1)1)에 도달하면 셔터가 닫힌다. 계속해서, X-Y 디지털 플로터(34)는 빔 스폿(BS)의 직경과 동등한 거리만큼 장치 외측을 향하여 이동된다. X-Y 디지털 플로터(34)의 이 이동이 완료되는 동시에 셔터가 다시 개방되고, 디지털 플로터(34)가 일정의 속도로 소정의 점(P(1)2, P(1)3, …, P(1)X)에 의해 규정되는 다각형의 궤적을 따라 이동하면서 빔 스폿(BS)에 의해 광경화성 수지 액체의 광에너지 조사면(WS)을 주사한다.

그 결과, 빔 스폿(BS)이 통과한 표면 액체층이 이 다각형을 따라 점차로 경화되어 모델(M)의 단면층(Ln)의 소정의 두께(T)와 동등한 다각형 띠 형상의 고체층(LMb1)이 된다. 이 제1 다각형 띠 형상 고체층(LMb1)은 모델(M)의 제1 단면층(L1)의 외측 윤곽을 구성한다. 빔 스폿(BS)이 소정의 점(P(1)X)을 거쳐 출발점인 소정의 점(P(1)1)에 도달하면 셔터가 닫힌다.

이 제1 다각형 띠 형상 고체층(LMa1, LMb1)에 의해 모델(M)의 제1 단면층(L1)을 구성하는 제1 단면층의 적층체가 조형물 적층 테이블(24) 상에 형성된다.

빔 스폿(BS)이 소정의 점(P(1)X)을 거쳐 출발점인 소정의 점(P(1)1)에 도달하여 셔터가 닫히면, 조형물 적층 테이블(24)이 제1 다각형 띠 형상 고체층(LMa1, LMb1)에 의해 구성되는 제1 단면 고체층(L1)의 위쪽 표면이 모델(M)의 단면층(Ln)의 소정의 두께(T)와 동등한 거리만큼 광에너지 조사면(WS) 아래로 침하될 때까지 컴퓨터 제어에 의해 광경화성 수지 액체 속의 PCL에 침하된다.

이때, 이 조형물 적층 테이블(24)을 광 조사면(WS)이 표면 액체층 형성 유닛(28)에 대하여 소정의 수직 방향 상대 위치가 되도록, 액면 위치 센서(30)에 의해 액면 레벨을 검출하면서 용기 테이블(22)을 상하로 이동시켜 위치를 조정할 수 있다. 그 후, 표면 액체층 형성 유닛(28)이 광경화성 수지 액체 속의 PCL의 광 조사면(WS) 상을 Y 방향으로 이동하여 제1 다각형 띠 형상 고체층(LMa1, LMb1)에 의해 구성되는 제1 단면 고체층(L1) 상에 소정의 두께(T)와 동등한 평탄한 액체 표면층을 생성한다.

계속해서, 제1 단면 고체층(L1)의 형성 과정과 동일한 제어를 행하고 X-Y 디지털 플로터(34)를 수치 제어에 의해, 일정 속도로 소정의 점(P(1)2, P(1)3, …, P(1)X)에 의해 규정되는 다각형의 궤적을 따라 이동하여 광경화성 수지 액체(PCL)의 표면을 주사한다.

그 결과, 빔 스폿(BS)이 통과한 표면 액체층이 이 다각형 궤적을 따라 점차로 경화되어 모델(M)의 단면층(Ln)의 소정의 두께(T)와 동등한 제2 다각형 띠 형상 고체층(LMa2)이 된다. 제2 다각형 띠 형상 고체층(LMa2)은 모델(M)의 제2 단면층(L2)의 내측 윤곽을 구성하며 제1 다각형 띠 형상 고체층(LMa1) 상에 적층된다. X-Y 디지털 플로터(34)는 빔 스폿(BS)의 직경의 2배와 동등한 거리만큼 장치 외측을 향하여 이동된 후, 일정의 속도로 소정의 점(P(1)2, P(1)3, …, P(1)X)에 의해 규정되는 다각형 궤적을 따라 이동하여 광경화성 수지 액체(PCL)의 표면을 주사하여 모델(M)의 단면층(Ln)의 소정의 두께(T)와 동등한 제2 다각형 띠 형상 고체층(LMb2)을 형성한다.

제2 다각형 띠 형상 고체층(LMb2)은 모델(M)의 제2 단면층(L2)의 외측 윤곽을 구성하며 제1 다각형 띠 형상 고체층(LMb1) 상에 적층된다.

이상의 공정을 수회 반복하여 행함으로써 모델(M)의 단면층에 재현 단면층인 고체층의 적층체가 형성되어 간다. 모든 모델(M)의 단면층의 재현 단면층인 고체층이 적층되면 이 일련의 조형 작업이 완료되고 모델(M)의 재현물이 광경화성 수지 3차원 적층 조형물이 조형된다.

완성된 광경화성 수지 3차원 적층 조형물은 조형물 적층 테이블(24)로부터 분리되어 약 5분간 초음파 세정기에 의해 세정되어 수지 액체를 제거한다. 에탄올이나 기타 세정제를 사용하여 세정할 수도 있다.

본 실시예에서는 이 광경화성 수지 3차원 적층 조형물이 컴퓨터에 의해 디자인된 반지를 주조하기 위한 주형 제작에 사용된다.

도 10 내지 도 12는 표면 액체층 형성 장치(50)의 여러 변형예를 도시한 것이다.

도 10에 도시한 복벽(複壁) 표면 액체층 형성 장치(50a)는 한 쌍의 복벽형 평탄화 블레이드(52a)로 구성되어 있다. 각 평탄화 블레이드(52a)는 내측 및 외측의 벽 부재가, 그 사이에 대략 일정 두께의 공간(51b)을 형성하도록 소정의 간격을 유지하여 장착 블록(54)에 분리 가능하게 장착되어 있다. 이 각 평탄화 블레이드(52a)는 형성된 공간(51b)에 의해 그 자체가 모세관 작용을 가진다. 한 쌍의 평탄화 블레이드(52a)는 그 사이에 대략 소정의 공간(51a)을 형성하도록 그 하단부에서 대략 1mm의 간격을 유지하여 장착 블록(54)에 분리 가능하게 옆으로 장착되어 있다. 이 공간(51a)에 의해 복벽 표면 액체층 형성 장치(50a)는 모세관 작용을 가진다. 복벽 표면 액체층 형성 장치(50a)가 그 하단부에서 광경화성 수지 액체 표면에 접촉하면, 광경화성 수지 액체의 표면 장력과 복벽 표면 액체층 형성 장치(50a)의 모세관 작용의 상호 작용에 의해 이 광경화성 수지 액체를 그 공간(51a, 51b) 내에 빨아올려 그 속에 유지한다.

이러한 형태의 표면 액체층 형성 장치(50a)는 다량의 광경화성 수지 액체를 그 공간(51a, 51b) 내에 빨아올려 유지할 수 있으므로, 비교적 대형 조형물을 본 발명의 3차원 적층 조형물의 적층 조형 장치 및 그 적층 조형 방법에 의해 조형하는 데 적합하다.

도 11에 도시한 표면 액체층 형성 장치(50b)는 한 쌍의 평탄화 블레이드(52b)로 구성되어 있다. 각각의 평탄화 블레이드(52b)는 그 길이 방향의 양단에 하방으로 연장되는 연장부(55)가 각각의 평탄화 블레이드(52b)와 일체로 형성되어 있다. 이와 같은 한 쌍의 평탄화 블레이드(52b)는 소정의 간격을 가지고 대향하며 그 사이에 소정의 공간을 형성하도록 장착 블록(54)에 분리 가능하게 장착되어 있다. 이와 같은 표면 액체층 형성 장치(50b)가 양단의 연장부(55) 사이에 끼워지는 하단 테두리 부분에서 광경화성 수지 액체 표면에 접촉하면, 이 연장부(55)는 광경화성 수지 액체 내에 진입하고, 광경화성 수지 액체의 표면 장력과 표면 액체층 형성 장치(50b)의 모세관 작용의 상호 작용에 의한 광경화성 수지 액체의 빨아올림을 돕는다. 따라서, 광경화성 수지 액체는 확실하게 표면 액체층 형성 장치(50b)의 공간 내에 빨아올려져 그 속에 유지된다.

도 12의 표면 액체층 형성 장치(50c)는 도 3에 도시되는 표면 액체층 형성 장치(50)와 동일한 형태를 가지지만, 한 쌍의 평탄화 블레이드(52c) 사이에 형성된 공간(51c) 내에는 그 하단 테두리로부터 소정 거리만큼 떨어져 스폰지와 같은 다공성 부재(59)가 설치되어 있다.

이러한 형태의 표면 액체층 형성 장치(50b)는 그 공간(51c) 내에 빨아올려진 광경화성 수지 액체가 다시 다공성 부재(59)에 의해 흡인되어 유지되므로, 도 4에 도시되는 표면 액체층 형성 장치(50)와 비교하여 더욱 다량의 광경화성 수지 액체를 확실하게 흡수하여 유지할 수 있으므로, 비교적 대형의 조형물을 본 발명의 3차원 적층 조형물의 적층 조형 장치 및 그 적층 조형 방법에 의해 조형하는 데 적합하다.

이상에 설명한 각각의 표면 액체층 형성 장치를 적당하게 조합함으로써 더욱 효과적으로 광경화성 수지 액체를 확실하게 흡인 유지하며 균일하고 평탄한 표면 액체층을 형성할 수 있다.

또한, 도면에는 도시하지 않았지만 표면 액체층 형성 장치는 1매의 평탄화 블레이드만으로 구성하는 것도 가능하다. 이 경우, 평탄화 블레이드에는 모세관 작용을 하는 다수의 선(線) 형상의 가는 홈을 형성한다. 각 평탄화 블레이드 자체를 다공성 재료에 의해 구성할 수도 있다. 이러한 평탄화 블레이드는 상기 적어도 2매의 평탄화 블레이드 각각으로 구성된 표면 액체층 형성 장치와 조합함으로써 더욱 광경화성 수지 액체에 대한 흡인 유지 효과를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치 및 그 적층 조형 방법에 따르면, 그 구조가 간단한 표면 액체층 형성 장치에 의해 장치 전체의 소형화에 적합하며, 광경화성 수지 액체가 광경화 수지층 적층체 상에 도입될 때까지의 대기 시간이 짧아질 뿐 아니라, 광경화성 수지 액체의 액체 표면층이 균일화 및 평탄화된다. 이 것은 특히 반지나 브로치 등의 보석 장식 조형물과 같이 소형 조형물의 경우에 그 조형 시간의 단축 및 조형 비용의 저감에 큰 효과를 가져온다.

Claims (11)

1. 광경화성 수지 액체의 표면층에 소정 강도의 광에너지를 조사(照射)함으로써 상기 표면층을 경화시켜 소정의 두께를 가지는 3차원 조형물의 단면체의 고체층을 형성하고, 복수의 상기 고체층을 순차로 적층함으로써 3차원 조형물을 적층 조형하는 장치에 있어서,

   광경화성 수지 액체를 수납하는 용기와,

   상기 용기 내에 위치하여 상기 고체층을 형성할 때마다 상기 소정의 두께와 동등한 거리만큼 상기 광경화성 수지 액체 내에 침하되며 그 위에 3차원 조형물이 적층 조형되는 조형물 적층 테이블과,

   모세관 작용에 의해 상기 광경화성 수지 액체를 내부에 도입 유지하는 공간을 가지며 상기 광경화성 수지 액체의 표면을 따라 수평 방향으로 이동 가능하고, 상기 광경화성 수지 액체 표면 상을 이동하는 사이에 상기 공간 내에 도입된 상기 광경화성 수지 액체를 상기 광경화성 수지 액체 표면에 도포 정형하여 상기 소정의 두께와 동등한 표면 액체층을 상기 조형물 적층 테이블 상 또는 그 위에 형성된 상기 고체층의 적층체 상에 형성하는 액체층 형성 장치와,

   광에너지를 상기 표면 액체층 상에 점 형상으로 수속하여 제어된 궤적을 따라 상기 광경화성 수지 액체의 상기 표면 액체층 상에 조사하고, 상기 표면 액체층을 광 화학 반응에 의해 경화시켜 상기 소정 두께를 가지는 상기 고체층을 형성하는 광에너지 조사 장치

   에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 액체층 형성 장치는 모세관 작용에 의해 상기 광경화성 수지 액체를 내부에 도입하는 공간을 가지는 적어도 1매의 블레이드로 구성되는 것을 특징으로 하는 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 블레이드는 다공성(多孔性) 재료에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치.
4. 제2항에 있어서,

   상기 블레이드에는 모세관 작용에 의해 상기 광경화성 수지 액체를 도입하는 복수의 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치.
5. 제2항에 있어서,

   상기 블레이드는 상기 적층물 조형 테이블이 상기 광경화성 수지 액체 내에 침하되었을 때, 상기 블레이드가 부분적으로 상기 광경화성 수지 액체 표면보다 하방에 위치하도록 그 형상이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 액체층 형성 장치는 대향되어 배치되며 그 사이에 모세관 작용에 의해 상기 광경화성 수지 액체를 도입하는 좁은 틈의 공간을 형성하는 적어도 2매의 블레이드로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 블레이드에는 다수의 작은 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 블레이드는 다공성 재료에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치.
9. 제6항에 있어서,

   상기 액체층 형성 장치는 상기 공간 내에 배치된 다공성 부재를 추가로 가지는 것을 특징으로 하는 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치.
10. 제6항에 있어서,

    상기 블레이드 중 적어도 1매는 상기 적층물 조형 테이블이 상기 광경화성 수지 액체 내에 침하되었을 때, 상기 블레이드가 부분적으로 상기 광경화성 수지 액체 표면보다 하방에 위치하도록 그 형상이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 장치.
11. 광경화성 수지 액체의 표면층에 소정 강도의 광에너지를 조사함으로써 상기 표면층을 경화시켜 소정의 두께를 가지는 고체층을 형성하고, 복수의 상기 고체층을 순차로 적층함으로써 3차원 조형물을 조형하는 방법에 있어서,

    광경화성 수지 액체를 용기 내에 채우는 공정과,

    상기 고체층을 형성할 때마다 그 위에 3차원 조형물이 적층 조형되는 조형물 적층 테이블을 상기 소정의 두께와 동등한 거리만큼 상기 광경화성 수지 액체 내에 침하하는 공정과,

    모세관 작용에 의해 액체를 내부에 도입 유지하는 액체 저장부를 가지는 액체층 형성 장치의 상기 공간 내에 상기 광경화성 수지 액체를 도입하고, 상기 액체층 형성 장치를 상기 광경화성 수지 액체의 표면을 따라 수평 방향으로 이동시키고 상기 공간 내에 도입된 상기 광경화성 수지 액체를 상기 광경화성 수지 액체 표면에 도포 정형하여 상기 소정의 두께와 동등한 표면 액체층을 상기 조형물 적층 테이블 상 또는 그 위에 형성된 상기 고체층의 적체층 상에 형성하는 공정과,

    광에너지를 상기 표면 액체층 상에 점 형상으로 수속하여 제어된 궤적을 따라 상기 광경화성 수지 액체의 상기 표면 액체층 상에 조사하고, 상기 표면 액체층을 광 화학 반응에 의해 경화시켜 상기 소정의 두께를 가지는 상기 고체층을 형성하는 공정

    을 포함하는 것을 특징으로 하는 광경화성 수지 3차원 조형물의 적층 조형 방법.