KR20090035713A - 적층 조형 장치 - Google Patents

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KR20090035713A
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노리오 요시다
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Abstract

본 발명의 적층 조형 장치는, 분말층 형성 수단과, 분말층의 소정 부분을 소결 또는 용융 고화시켜 경화층을 형성하도록 분말층의 소정 부분에 광빔을 조사하는 광학 기기를 포함한다. 분말층의 형성과 경화층의 형성을 반복함으로써 생긴 복수의 경화층을 적층 및 일체화하여 3차원의 조형물이 제조된다. 본 발명의 적층 조형 장치는, 분말층과 경화층이 형성되는 고정된 베이스와, 고정된 베이스의 주위를 둘러싸는 승강 프레임과, 승강 프레임을 수직으로 이동시키도록 구동하는 승강 구동 수단을 포함한다. 분말층은 승강 프레임의 내면에 의해 둘러싸인 베이스의 위쪽 공간 내에 형성됨으로써, 베이스가 고정된 위치에서 유지시킨 상태에서 베이스 상에 분말층(경화층)이 적층될 수 있기 때문에, 정확하게 형성된 조형물을 제조하는 것이 용이하게 된다.

Description

적층 조형 장치{LAMINATE SHAPING APPARATUS}
본 발명은 분말 재료를 광빔으로 소결 또는 용융 고화시키는 것에 의해 3차원 형상의 적층 조형물을 제조하는 적층 조형 장치에 관한 것이다.
적층 조형물의 제조 방법으로서 선택적 분말 소결 적층으로서 알려져 있는 제조 방법이 있다. 이 제조 방법은, 무기질 또는 유기질의 분말로 이루어지는 분말층을 형성하는 공정과, 분말층의 소정 부분을 광빔으로 조사하여 소결(sinter) 또는 용융 고화(melt for solidifying)시켜서 경화층(cured layer)을 형성하는 공정을 포함하며, 이러한 공정들을 반복해서 생긴 다수의 경화층을 적층 및 일체화하여 조형물을 제조하는 것이다. 일본 특허출원 공개번호 제2002-115004호 공보(특허 문헌 1)에서는, 상기 방법에 추가해서, 조형물의 중간 생성물의 표면을 연삭(grinding)하는 공정을, 경화층을 형성하는 반복적인 경화 공정들 중에 포함시킴으로써, 조형물의 표면 가공을 여러 가지 형상으로 저렴하면서도 원활하게 마무리할 수 있는 것이 개시되어 있다.
그러나, 이러한 종래 기술은 적층 조형물의 정밀도와 관련해서 문제점이 있다. 즉, 두께가 얇은 분말층을 연속으로 형성하기 위해서, 도 22에 나타낸 바와 같이, 조형부(shaping section)는, 조형 스테이지(61), 조형 스테이지(61)를 승강 시키는 승강 기구(62), 및 조형 스테이지(61)를 둘러싸는 조형 프레임(63)을 포함한다. 또한, 분말 공급부(powder supplying section)는, 재료 탱크(65)와, 재료 탱크 내의 분말 재료를 위로 올리기 위한 승강 기구(66) 및 승강 테이블(67)과, 탱크의 상측에 있는 분말 재료를 조형 스테이지(61)로 공급하고 분말 재료의 표면을 평활하게 하는 공급 블레이드(68)를 포함한다.
이러한 구성에서, 조형 스테이지(61)의 위에 형성한 분말층(powder layer)의 소정 부분을 소결 또는 용융 고화시켜 경화층을 형성하고, 조형 스테이지(61)를 하강시키고 승강 테이블(67)을 일 단계 상승시켜 공급 블레이드(68)를 구동시킴으로써 다음 분말층을 형성한다. 그러나, 조형물이 형성되는 조형 스테이지(61)가 이동가능하게 되어 있어서, 조형물의 중간 생성물은 광빔의 조사에 의한 소결 또는 용융 고화가 이루어지는 동안이나 가공 기계에 의한 연삭 공정을 실시하는 동안 약간의 위치 어긋남이 생길 수 있으며, 이로 인해 마이크로미터 단위의 정밀도를 가진 조형물을 정확하게 제조하는 것이 곤란하게 될 수 있다.
또한, 조형 스테이지(61)와 승강 테이블(67)을 승강(elevate)시키기 위한 승강 기구(62, 66)는 이들 조형 스테이지(61)와 승강 테이블(67)의 아래쪽에 설치하여야 하기 때문에, 조형부의 전체 높이(H)가 조형 스테이지(61)[및 승강 테이블(67)]의 승강 범위(H1)보다 배 이상이 되어, 장치 전체의 높이를 감소시키는 것이 곤란하게 된다. 도 22를 보면, H2는 승강 기구(62, 66)의 구동 범위를 나타낸다.
[특허 문헌 1] 일본 특허출원 공개번호 제2002-115004호 공보
<발명이 해결하려고 하는 과제>
본 발명은 앞서 설명한 종래의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 정밀도가 높은 적층 조형물을 제조할 수 있을 뿐만 아니라 장치를 소형화할 수 있는 적층 조형 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
<과제를 해결하기 위한 수단>
본 발명에 따른 적층 조형 장치는, 제1 관점으로서, 무기질 또는 유기질의 분말 재료로 된 분말층(powder layer)을 형성하기 위한 분말층 형성 수단과, 분말층의 소정 부분을 소결(sinter) 또는 용융 고화(melt for solidifying)시켜 경화층(cured layer)을 형성하기 위해, 분말층의 소정 부분에 광빔(light beam)을 조사하는 광학 기기를 포함하며, 분말층의 형성과 경화층의 형성을 반복함으로써 생긴 복수의 경화층을 적층 및 일체화하여 3차원의 조형물이 제조되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 적층 조형 장치는, 분말층과 경화층이 형성되는 고정된 베이스와, 고정된 베이스의 주위를 둘러싸고, 고정된 베이스에 대해서 수직으로 이동가능하게 된 승강 프레임(elevator frame)와, 승강 프레임을 수직으로 이동시키도록 구동하는 승강 구동 수단을 더 포함할 수 있으며, 승강 프레임의 내면에 의해 둘러싸인 베이스의 위쪽 공간에 분말층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적층 조형 장치는, 제2 관점으로서, 무기질 또는 유기질의 분말 재료로 된 분말층을 형성하기 위한 분말층 형성 수단과, 분말층의 소정 부분을 소결 또는 용융 고화시켜 경화층을 형성하기 위해, 분말층의 소정 부분에 광빔을 조사하는 광학 기기와, 분말층과 경화층이 형성되는 고정된 베이스와, 고정된 베이스의 주위를 둘러싸고, 고정된 베이스에 대해서 수직으로 이동가능하게 된 승강 프레임과, 승강 프레임을 수직으로 이동시키도록 구동하는 승강 구동 수단을 포함하며, 분말층의 형성과 경화층의 형성을 반복해서 생긴 복수의 경화층을 적층 및 일체화하여 3차원의 조형물이 제조되고, 3차원의 조형물에 대한 중간 생성물의 표면을 연삭(grind)하기 위한 밀링 유닛(milling unit)을 포함한다. 밀링 유닛은, 승강 프레임의 내면에 의해 둘러싸인 베이스의 위쪽 공간에 분말층이 형성되도록, 베이스에 고정되며, 적어도 3축 제어 가능한 수치 제어 공작 기계의 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.
따라서, 분말층(경화층)은 고정 상태를 유지하는 베이스 상에 적층될 수 있기 때문에, 매우 높은 정밀도를 가진 조형물을 제조할 수 있다.
분말층 형성 수단은 승강 프레임의 상면을 따라 슬라이드 가능한 슬라이드 플레이트를 포함하며, 슬라이드 플레이트는 베이스의 위쪽에 형성되어 있으며 승강 프레임으로 둘러싸인 공간에 분말을 공급하기 위한 분말 공급 포트를 포함하는 것으로 함으로써, 소형의 구조로 만드는 것이 용이하게 된다.
분말 공급 포트의 슬라이드 플레이트의 슬라이드 방향에 직교하는 방향에서의 폭이 베이스의 대응하는 폭보다 크도록 설정되면, 분말이 균일하게 공급될 수 있다.
슬라이드 플레이트는 후소결(post-sinter)된 또는 용융 고화된 밀도를 증가시키기 위해 분말의 부피 밀도를 높이기 위한 부재를 구비하는 것이 바람직하다.
슬라이드 플레이트는 분말층의 표면을 평활화하기 위한 부재를 구비함으로써, 마찰에 의한 마모 열화의 방지와 안정된 분말 공급의 점에서 유리한 동시에 경화층의 표면 거칠기를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 적층 조형 장치는 승강 프레임 상에 배치되며, 하면은 개방되어 있고 광빔이 투과되는 상면 개구에 윈도우를 갖는 마스크 프레임(mask frame)과, 마스크 프레임 내에 분위기 가스(atmospheric gas)를 공급하기 위한 분위기 가스 공급 수단을 더 포함하는 것이 바람직하며, 이러한 구성에 의하면, 분위기 가스의 사용량을 억제하면서 경화층의 산화에 의한 문제를 피할 수 있다.
마스크 프레임은 내부에 분위기 가스를 선회류의 형태로 공급하기 위한 선회류 형성 수단을 구비함으로써, 분위기 가스의 충전을 양호한 효율로 행할 수 있다.
본 발명의 적층 조형 장치는 마스크 프레임의 내부 공간에서의 산소 농도를 측정하기 위한 산소 농도 측정계를 더 포함할 수 있으며, 분위기 가스 공급 수단은 산소 농도 측정계의 출력에 따라 분위기 가스를 공급하도록 구성됨으로써, 분위기 가스의 사용량을 더 억제할 수 있다.
본 발명의 적층 조형 장치는 마스크 프레임의 내부 공간을 상하로 이동하는 피스톤을 구비할 수 있으며, 피스톤의 상하 이동으로 분위기 가스의 공급이 행해짐으로써, 분위기 가스의 공급을 신속히 행할 수 있다.
윈도우를 f-θ 렌즈로 형성하면, 정밀도 양호한 소결 또는 용융 고화를 행할 수 있다.
본 발명의 적층 조형 장치는, 윈도우의 내면을 포함하는 마스크 프레임의 내면을 청소하는 클리닝 수단을 구비하고 있는 것도 바람직하다. 이에 의하면, 소결시에 발생하는 흄에 의한 오염을 감소시켜 성공적인 소결을 행할 수 있다. 이 클리닝 수단으로서는, 승강 프레임에 형성되며 마스크 프레임 내에서 수직으로 이동가능하며 회전가능한 클리닝 부재로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 복수 개의 마스크 프레임이 승강 프레임의 상면에서 슬라이드 가능하게 설치되며, 복수 개의 마스크 프레임 중 하나의 마스크 프레임이 베이스 상에 위치하면, 다른 마스크 프레임이 클리닝 수단에 의해 청소될 위치에 있게 되도록 할 수 있다. 이에 의하면, 소결과 청소를 동시에 행할 수 있고, 청소 동작에 의한 제조 시간의 증대를 방지할 수 있다.
광학 기기는 마스크 프레임 상에 설치된 것이어도 된다.
또한, 본 발명의 적층 조형 장치는, 승강 프레임의 상면에 설치되어 광학 기기로부터의 광빔에 의해 마킹이 행해지는 마크 타겟과, 이 마크 타겟에 부여된 마킹의 위치를 측정하여 광학 기기에 의한 광빔의 조사 위치의 보정 데이터를 얻는 측정 장치를 구비함으로써, 광빔의 조사에 의한 소결 또는 용융 고화의 정밀도를 높게 할 수 있다.
승강 프레임의 상면에 설치되며 상기 광학 기기로부터의 광빔의 파워를 측정하도록 구성된 파워 측정 장치를 배치함으로써, 적절한 파워에 의한 정밀도 양호한 소결 또는 용융 고체화를 행할 수 있으며, 클리닝 수단을 구비함으로써 청소의 타이밍을 적절히 알 수 있다.
청구항 1 또는 2의 적층 조형 장치는, 승강 프레임 상에 배치되며, 하면은 개방되어 있고 광빔이 투과되는 상면 개구에 윈도우를 갖는 마스크 프레임과, 마스크 프레임 내에 분위기 가스를 공급하기 위한 분위기 가스 공급 수단과, 승강 프레임의 상면에서 슬라이드 가능하게 되어 있으며, 분말층 형성 수단이 제공된 슬라이드 플레이트를 더 포함하며, 마스크 프레임은 슬라이드 플레이트의 일부로서 형성된 것이 바람직하다. 이에 의하면, 분말층의 형성과 불활성 분위기 하에서의 소결 또는 용융 고화를 슬라이드 플레이트의 슬라이드에 의해 얻을 수 있으므로, 양호한 효율의 적층 조형물의 제조를 행할 수 있다.
승강 프레임은, 복수 개 설치되어 있는 베이스의 각 외주를 둘러싸고 각각의 상기 베이스에 대해서 수직으로 이동할 수 있도록 되어 있고, 적층 조형 장치는 승강 프레임의 상면에서 슬라이드 가능하게 되어 있는 슬라이드 플레이트를 더 포함하며, 분말층 형성 수단은, 슬라이드 플레이트에 설치되어, 복수 개의 베이스 상면 또는 위쪽에 슬라이드 플레이트의 슬라이드 이동에 의해 선택적으로 분말층을 형성하도록 구성될 수 있다. 이에 의하면, 단일 승강 프레임의 승강 이동과 승강 프레임에 대한 슬라이드 플레이트의 슬라이드 동작이 협력하여, 복수의 베이스 상에 각각 분말층을 형성할 수 있다.
슬라이드 플레이트에는 밀링 유닛의 공구를 통과하기 위한 절삭용 개구(milling opening)가 형성되어 있어도 되며, 이에 의하면, 슬라이드 플레이트의 슬라이드만으로 분말 공급, 소결 또는 용융 고화, 및 절삭 가공 상태를 전환할 수 있다.
슬라이드 플레이트에 베이스 위의 미경화 분말을 흡인하여 제거하는 흡인부가 설치됨으로써, 절삭 가공할 때 미경화 분말이 방해가 되거나 가공 정밀도를 저하시키 것을 방지할 수 있다.
슬라이드 플레이트가 승강 프레임의 상면에 대해 슬라이드하도록 회전하는 것으로 하면, 본 발명의 적층 조형 장치를, 슬라이드 플레이트에 다양한 구성 요소를 내장해도 소형화가 가능하다.
광학 기기가 광빔에 의해 조사된 평면에 대해 가변의 높이 위치를 갖도록 설치됨으로써, 조형 속도나 고정밀도에 따른 광빔 조사를 행할 수 있다.
<효과>
본 발명에 의하면, 베이스를 고정시킨 상태에서 베이스 상에 분말층(경화층)을 적층시킬 수 있기 때문에, 베이스 상에 형성되는 조형물의 정밀도를 악화시키는 요인을 제거할 수 있어서, 고정밀도의 적층 조형물의 제조가 용이하게 된다. 또한, 밀링 유닛에 의한 적층 조형물의 중간 생성물의 표면에 대한 연삭 가공을 분말층의 형성과 경화층의 형성을 반복하는 중에 행함으로써, 연삭 가공시에 적층된 조형물이 어긋나게 될 요소를 피할 수 있으며, 고정밀도의 적층 조형물의 제조가 용이하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2의 (a) 및 (b)는 본 발명의 실시예에 관한 광학 기기를 장착하는 방법을 각각 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 관한 분말 공급부를 나타내는 도면으로서, (a)는 그 평면도이며, (b) 및 (c)는 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 사용되는 분말 공급부의 변형예를 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 5의 (a), (b) 및 (c)는 각각 분말 공급부의 평면도, 분말 공급부의 다른 변형예에 따른 개략 평면도, 및 분말 공급부의 또 다른 변형예에 따른 개략 평면도이다.
도 6은 분말 공급부의 또 다른 변형예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 분말 공급부의 또 다른 변형예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 8은 불활성 분위기를 형성하기 위해 사용되는 마스크 프레임을 나타낸 개략 단면도이다.
도 9의 (a) 및 (b)는 마스크 프레임의 변형예에 대한 수평 단면도와 개략 단면도를 각각 나타낸다.
도 10은 클리닝 부재를 나타내는 개략 단면도이다.
도 11의 (a) 및 (b)는 2세트의 클리닝 부재를 설치한 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 12의 (a) 및 (b)는 광빔이 조사되는 지점의 위치 보정을 위한 구성을 나타내는 개략 단면도이다.
도 13의 (a) 및 (b)는 광빔의 파워를 측정하기 위한 구성을 나타내는 개략 단면도이다.
도 14의 (a), (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 평면도, 개략 수직 단면도, 및 개략 수평 단면도이다.
도 15의 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내는 평면도 및 개략 수직 단면도이다.
도 16은 광학 기기의 다른 배치예를 나타낸 개략 단면도이다.
도 17은 분말 흡인 기구를 구비한 슬라이드 플레이트를 나타내는 수평 단면도(도 17의 (a)) 및 개략 단면도(도 17의 (b) 및 (c))이다.
도 18은 광학 기기를 장착 및 분리 가능하게 한 경우의 변형예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 19는 분말 공급 포트에 커버를 설치한 변형예의 개략 단면도이다.
도 20의 (a) 및 (b)는 분말 공급 포트에 커버를 설치한 다른 변형예의 사시도이다.
도 21은 승강 프레임에 배출 포트를 설치한 변형예의 개략 단면도이다.
도 22의 (a) 및 (b)는 종래 기술을 나타내는 주요부 파단 사시도 및 부분 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 조형기 2: 광학 기기
3: 밀링 유닛 8: 분말
9: 경화층 10: 조형부
11: 베이스 12: 승강 프레임
15: 분말 공급부 L: 광빔
이하, 본 발명에 대하여 첨부 도면을 참조해서 설명한다. 도 1은, 조형부(shaping section)(10)와 조형부(10)의 위에 배치한 분말 공급부(powder supply section)(15)를 구비하는 조형기(shaping unit)(1), 조형부(10)에 대해 광빔(L)을 조사하는 광학 기기(2), 및 연삭 가공(grinding)을 위한 밀링 유닛(milling unit)(3)을 포함하여 이루어지는 적층 조형 장치를 나타낸다.
밀링 유닛(3)은, 테이블(머시닝 테이블)(30)과 적어도 3축에 대한 제어가 가능한 주축대(headstock)(31)를 구비하는 수치 제어 공작 기계이다. 주축대(31)의 스핀들 헤드(32)에는 연삭 가공을 위한 엔드밀(end mill)(33)이 설치되고, 밀링 유닛(3)의 테이블(30) 위에 조형기(1)가 배치된다. 밀링 유닛의 테이블(30)에 베이스(11)가 고정 설치되고 베이스의 위에 적층 조형물이 형성된다. 주축대(31)에는 광학 기기(2)가 장착된다. 도시한 예에서는, 스핀들 헤드(32)가 X축 및 Z축 방향으로 이동가능하게 되어 있고, 테이블(30)은 Y축 방향으로 이동가능하게 되어 있다.
조형기(1)의 조형부(10)는, 전술한 바와 같이, 테이블(3O)에 고정된 베이스(11) 상에 적층 조형물을 형성하기 위한 것이며, 베이스(11)에 분말층을 형성하기 위해, 조형부(10)에는, 베이스(11)의 주위를 둘러싸고, 리니어 구동 기구로 이루어지는 승강 구동 수단에 의해 위아래로 구동하는 승강 프레임(12)이 구비되어 있다. 이 승강 프레임(12)은, 베이스(11)에 대해서 상승시켰을 때, 베이스(11) 상 에 승강 프레임(12)으로 둘러싸이는 충분한 높이를 갖는 공간을 형성할 수 있는 두께를 갖는다.
분말 공급부(15)는, 승강 프레임(12)의 상면에 분말을 공급하는 분말 공급 기(도시하지 않음), 승강 프레임(12)의 상면에 배치한 공급 블레이드(16), 및 공급 블레이드(16)를 수평으로 구동시키는 구동부(17)를 포함하여 이루어져 있다.
분말 재료(8)는, 무기질(금속 또는 세라믹) 분말 또는 유기질(플라스틱) 분말이 될 수 있으며, 광학 기기(2)로부터 조사되는 광빔에 노출되어 경화층으로 고형화될 수 있는 것이면, 특정 종류에 한정되지 않는다. 도시한 예에서는, 분말 재료로서 평균 입자 크기가 20 ㎛인 철분을 사용하고 있다.
밀링 유닛(3)은, 수치 제어 공작 기계, 특히 절삭 공구인 엔드밀(33)을, 교환가능한 머시닝 센터(replaceable machining center)로서 구성하고 있다. 엔드밀(33)로서는, 초경 소재인 이중 카바이드 블레이드를 가진 볼 엔드밀이 주로 사용되며, 특정의 형태나 용도에 따라 스퀘어 엔드밀(square end-mill), 레이디어스 엔드밀(radius end-mill), 또는 드릴(drill)이 사용될 수 있다.
분말(8)을 소결하기 위한 광빔(L)을 조사하는 광학 기기(2)는, 레이저 발진기를 갖는 광원(21), 집광 렌즈, 소정 위치나 지점에 광빔(L)을 조사하기 위해 광빔(L)의 방향을 편향시키는 갈바노미러(galvanometer mirror)를 갖는 스캔 기구(22)를 포함한다. 본 실시예에서, 스캔 기구(22)는 그 일부분을 스핀들 헤드(32)의 측면에 고정시키고, 광파이버(23)에 의해 광원(21)에 연결시킨다. 광원(21)으로는, 분말이 철분인 경우, 탄산가스 레이저(출력 500W) 또는 Nd:YAG 레이 저(출력 500W)를 사용한다.
스캔 기구(22)[광학 기기(2)]는, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 스핀들 헤드(32)의 측면에 설치한 마운트(310)에 대해 장착 및 분리가능하게 되거나, 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 엔드밀(33) 대신에 콜릿 척(collet chuck)에 의해 스핀들 헤드(32)에 장착될 수 있다. 후자의 경우, 광빔(L)의 조사와 엔드밀(33)을 사용할 때에 스핀들 헤드(32)를 동일한 위치에 둘 수 있기 때문에, 주축대(31)의 측면에 광학 기기(2)가 배치되는 경우에 비해 스핀들 헤드(32)의 전체 이동 범위를 최소화할 수 있으므로, 상대적으로 큰 조형물을 제조할 수 있다. 또한, 엔드밀(33)을 사용하여 연삭 가공을 행할 때는, 주축대(31)에 광학 기기(2)가 없기 때문에, 엔드밀(33)에 의한 가공시에 광파이버(23) 등이 방해가 되지 않아, 연삭 가공시의 진동의 영향도 작아진다.
적층 조형 장치를 사용하여 적층 조형물을 제조할 때에, 승강 프레임(12)의 상면에 분말(8)을 공급하고, 승강 프레임(12)의 상면을, 베이스(11) 상에 고정한 조형 플레이트의 상면보다 약간 높게 한 상태로 블레이드(16)를 수평 구동함으로써 분말(8)을 베이스(11) 상에 공급하는 동시에 평활화하는 것으로 제1 분말층을 형성하고, 이어서 조형부(10)의 위에 위치시킨 광학 기기(2)로부터의 광빔(L)을 분말층의 경화시킬 부분에 조사함으로써 분말(8)을 소결시켜 경화층을 형성한다.
이 후, 승강 프레임(12)을 미리 정해진 거리만큼 상승시킨 상태로 분말(8)의 공급과 평활화를 행하여, 제1 분말층(및 경화층) 상에 제2 분말층을 형성하고, 제2 분말층의 경화시킬 부분에 광빔(L)을 조사함으로써 분말을 경화시켜 하부 경화층과 일체화한 경화층을 형성한다.
승강 프레임(12)을 상승시켜 새로운 분말층을 형성하고, 광빔(L)을 소정 부분에 조사하여 경화층을 형성하는 공정을 반복함으로써, 목적으로 하는 3차원 형상의 조형물(9)을 경화층의 적층물로서 베이스(11)의 상면의 조형 플레이트 상에 제조한다. 분말층은, 적층 조형물을 성형용 금형으로서 사용하는 경우, 그 두께를 0.05 mm 정도로 하는 것이 바람직하다.
광빔(L)의 조사 경로(해칭 경로)는, 적층 조형물의 3차원 CAD 데이터로부터 미리 작성해 둔다. 즉, 3차원 CAD 모델로부터 얻은 STL(Standard Triangulation Language) 데이터를 일정 피치(분말층의 두께를 0.05 mm로 한 경우, 0.05 mm 피치)로 슬라이스한 각 단면의 윤곽 형상 데이터를 사용하여 각 층의 광빔(L)의 조사 경로(irradiation path)를 작성한다. 이와 관련해서, 적층 조형물의 최외각 표면이 고밀도(기공율이 5% 이하)로 되도록 소결시킬 수 있도록 광빔(L)의 조사를 행하고, 내부는 저밀도가 되도록 소결시킨다. 즉, 윤곽 형상 데이터를 미리 주변부와 내부로 분할하고, 주변부는 분말이 용융되어 고밀도로 되는 조건으로 소결하고, 내부는 다공성 구조가 되는 조건으로 소결하도록 광빔(L)을 조사함으로써, 윤곽이 정확하게 형성된 표면을 갖는 조형물을 신속하게 얻을 수 있다.
분말층을 형성하는 공정과 광빔(L)을 조사하여 경화층을 형성하는 공정이 반복되는 동안, 경화층의 전체 두께는 밀링 유닛(3)의 엔드밀(33)의 공구 길이 등에 의해 구해진 소정의 값에 도달한다. 이 상태에서, 엔드밀(33)을 조형부(10)의 위에 위치시켜 조형물(9)의 중간 생성물의 표면(주로 상부 측면)을 연삭한다.
밀링 유닛(3)에 의한 연삭 가공에 의해, 조형물(9)에 부착된 분말에 의한 잉여 경화 부분을 제거할 수 있으므로, 조형물(9)의 표면에 고밀도 부분을 전면적으로 노출시키는 것이 가능하다. 이러한 연삭 가공이 종료되면, 분말층의 형성과 소결 공정이 반복된다.
밀링 유닛(3)에 의한 연삭 가공 경로는, 광빔(L)의 조사 경로와 마찬가지로 3차원 CAD 데이터로부터 미리 작성해 둔다. 등고선 가공을 적용하여 가공 경로를 결정하지만, Z 방향(수직 방향)에서의 소결시의 적층 피치에 정확하게 대응시킬 필요는 없고, Z 방향 피치는 조형물의 경사각을 감소시켜 더 짧게 설정함으로써 더 평활한 표면 마무리를 얻을 수 있다.
도 4에 승강 프레임(12)의 상면에서 슬라이드 이동이 가능하며 수직으로 연장하는 분말 공급 포트(19)가 설치된 슬라이드 플레이트(18)를 구비하는 분말 공급부(15)의 변형예를 나타낸다. 분말 공급 포트(19)가 베이스(11)의 위가 아닌 승강 프레임(12)의 위에 위치하면, 분말이 분말 공급기(도시 안 됨)로부터 분말 공급 포트(19)로 공급되고, 분말 공급 포트(19)가 베이스(11)를 가로지르도록 슬라이드 플레이트(18)를 슬라이드 시킴으로써, 분말(8)을 베이스(11) 상에 공급하고 이와 동시에 분말이 평활화된다. 광빔(L)의 조사에 의한 소결은, 분말 공급 포트(19)를 베이스(11) 상에 위치시켜 광빔이 분말 공급 포트를 통과하도록 하거나 슬라이드 플레이트(18)가 베이스(11)로부터 후퇴하도록 한 상태로 행한다.
이와 관련해서, 분말 공급 포트(19)의 폭[슬라이드 플레이트(18)의 슬라이드 방향과 직교하는 방향의 길이]은, 도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 베이스(19)의 대응하는 방향의 폭보다 크게 함으로써, 베이스(11) 상의 전체 부분에 분말을 균일하게 공급할 수 있다. 분말 공급 포트(19)는 반드시 정사각형으로 할 필요는 없고, 베이스(19) 상의 전역에 분말(8)을 공급할 수 있는 것이면, 직사각형, 원형이나 타원형은 물론 다른 형상의 것도 가능하다.
또한, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 슬라이드 플레이트(18) 내에 수직 축에 대하여 회전가능한 회전 플레이트(190)를 설치하고, 회전 플레이트(190)에 분말 공급 포트(19)를 설치할 수 있다. 이 변형예에서, 회전 플레이트(190)의 회전에 의해 분말 공급 포트(19)의 상기 방향의 폭을 변화시킬 수 있다.
분말 공급 포트(19)의 내측 벽에, 도 5의 (c)에 나타낸 바와 같이, 분말(8)이 분말 공급 포트(19)의 한쪽에 치우치는 것을 효과적으로 방지하기 위한 불규칙 구조(191)를 형성해서 마무리하는 것이 바람직하다. 또한, 잉여 분말이 슬라이드 플레이트(18)의 슬라이드 동작에 방해가 되지 않도록 하기 위해, 슬라이드 플레이트(18) 또는 승강 프레임(12)의 한쪽에 회수부(collector)를 형성할 수 있다.
분말 공급 포트(19)를 갖는 슬라이드 플레이트(18)의 슬라이드 동작에 의해 베이스(11) 상의 승강 프레임(12)으로 둘러싸인 조형용 공간에 분말(8)을 공급하는 구성에 있어서, 분말 공급 포트(19) 내에 있는 분말(8) 상에 추(81)를 탑재하여 분말(8)에 압력을 가하거나 및/또는 진동 발생 장치(82)를 설치하여 진동을 분말(8)에 가하는 것이 가능하도록 하면, 분말(8)의 부피 밀도를 높게 하여 베이스(11)에 공급할 수 있으므로, 분말층의 밀도가 높아져 높은 소결 밀도를 가진 조형물을 얻을 수 있다.
상기 예에서는 슬라이드 플레이트(18) 자체가 베이스(11) 상의 분말층의 표면을 평활화하는 부재를 겸하고 있지만, 도 7에 나타낸 바와 같이, 슬라이드 플레이트(18)에서의 분말 공급 포트(19)의 슬라이드 방향 전후(그 중 한쪽 방향도 가능)에 분말(8)을 평활화하기 위한 블레이드(16)를 설치해도 된다. 이것은 경량화를 위해 슬라이드 플레이트(18)를 경금속 등으로 형성하는 경우에 특히 효과적이다. 블레이드(16)에 의해 분말층 표면을 평활화할 때, 이 표면에는 비정상 소결로 생긴 경질의 돌기물이 존재하고 있는 가능성이 있으므로, 블레이드(16)는 강철 제품이나 세라믹으로 만든 것이 바람직하다.
또한, 돌기물의 제거를 확실하게 하기 위하여, 도 7의 (b)에 나타낸 바와 같이, 슬라이드 플레이트(18)의 하면 측에 회전 커터(83)를 설치할 수 있으며, 회전 커터의 하단이 슬라이드 플레이트(18)의 하면과 높이가 유지되도록 해서, 회전 커터(83)에 의해 돌기물이 절삭되도록 한다. 회전 커터는, 별도의 전용 모터로 구동하는 것 외에, 슬라이드 플레이트(18)의 슬라이드 이동을 이용하여 회전 커터(83)를 회전시키는 기구, 예를 들면 랙 앤드 피니언 기구(rack-and-pinion mechanism)를 사용하여 구동하도록 해도 된다.
광빔(L)을 분말층에 조사하여 소결을 행하는 경우 분말층이 대기에 개방된 상태에서는, 사용하는 분말(8)의 종류에 따라 산화가 생겨, 깔끔하게 소결시킬 수 없는 경우가 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 도 8에 나타낸 바와 같이, 승강 프레임(12) 상에 배치되는 마스크 프레임(40)을 사용함으로써 불활성 분위기 중에 광빔(L)을 조사한다. 마스크 프레임(40)은, 바닥면 개구의 개구 면적이 베이 스(11)의 상면의 면적보다 크고 상면이 윈도우(41)로 폐쇄되어 있어서, 마스크 프레임(40)으로 둘러싸인 공간 내에 불활성인 분위기 가스(예를 들면, 질소나 아르곤)를 충전한 상태에서 광빔(L)의 조사를 윈도우(41)을 통해 행한다. 도면에는, 분위기 가스 발생 장치 또는 탱크(45), 소결시에 발생하는 흄(fume) 등을 포집하는 집진기(46), 가스 공급 포트(47), 및 가스 배출 포트(48)가 도시되어 있다. 베이스(11) 상의 마스크 프레임(40)으로 둘러싸인 작은 공간에만 분위기 가스를 충전하면 되므로, 분위기 가스의 공급 및 배기에 필요한 시간이나 분위기 가스량을 감소시킬 수 있다.
분위기 가스의 사용량을 저감시키기 위해, 마스크 프레임(40)의 내부 공간의 산소 농도를 계측하는 산소 농도계(49)를 설치하여, 상기 산소 농도가 미리 정한 산소 농도보다 높은 경우에만 분위기 가스를 공급하도록 해도 된다.
광빔(L)의 투과성을 높이기 위해, 윈도우(41)는, YAG 레이저의 광빔(L)을 사용하는 경우는 석영 유리로 하고, CO2 가스 레이저의 광빔(L)인 경우에는 셀렌화 아연으로 만들 수 있다. 윈도우(41)가 평행 판의 형태가 아닌 f-θ 렌즈로서 기능하도록 구성된 경우, 광빔(L)은 정확한 소결을 위해 소결 표면상에 일정한 직경의 스폿을 집광한다. 일정한 직경의 스폿을 제공하기 위해 다이나믹 포커스 렌즈가 사용될 수 있지만, 이 경우는 광학 기기에 추가 부재로서 배치하여야 하기 때문에, 광학 기기(2)의 크기와 무게가 증가한다는 문제가 있다.
마스크 프레임(40)은, 승강 프레임(12)의 상면을 따라 슬라이드 가능한 슬라 이드 플레이트(18)로서 설치하면, 분말층의 형성할 때와 연삭 가공할 때의 위치와, 광빔을 조사하는 것에 의해 소결할 때의 위치 사이의 이동을 용이하게 행할 수 있다.
분위기 가스의 공급 및 배기에 필요한 시간, 환기 효율, 및 윈도우(41)의 오염 방지의 관점으로부터, 마스크 프레임(40)에 설치하는 가스 공급 포트(47)나 가스 배기구(48)는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 분위기 가스가 마스크 프레임(40)의 내주면을 따라 마스크 프레임(40)의 내부 공간까지 비스듬하게 아래쪽으로 향하도록 함으로써, 분위기 가스가 내부 공간 내에서 아래쪽으로 선회하는 방식으로 흐르게 된다.
사용 시간이 길어져서 흄(fume)에 의해 윈도우가 오염되어 그 결과 광빔(L)에 대한 투과성이 낮아지는 문제를 해결하기 위해, 윈도우(41)를 청소하기 위한 클리닝 기구를 승강 프레임(12)에 내장하는 것이 바람직하다. 청소 기구의 일례를 도 10에 나타낸다. 승강 프레임(12)을 통해 수직으로 연장되어 있는 개구 내에, 승강용 실린더(53)에 의해 승강 구동되는 동시에 모터(52)에 의해 회전 구동되는 클리닝 부재(51)가 배치되어 있다. 클리닝 페이퍼나 부직포 등이 표면에 설치되어 있는 동시에 세정제(고압 에어, 물 등)를 분출하는 분출구를 구비한 클리닝 부재(51)는, 윈도우(41)의 내면을 청소하고 마스크 프레임(40)의 내벽의 세정 및 오염을 세척한다. 테이블(53) 상에 수직 이동 실린더(53)를 설치함으로써, 클리닝 부재(51)는 승강 프레임(12)의 이동을 포함해서 수직 이동이 가능하다.
불활성 분위기를 형성하는 마스크 프레임(40)은 복수 개 설치하거나, 도 11 에 나타낸 바와 같이, 복수 개의 윈도우(41)를 구비한 마스크 프레임(40)을 사용함으로써, 윈도우(41) 중의 하나가 베이스(11) 위에 위치할 때에, 다른 윈도우(41)가 클리닝 기구 위에 위치하도록 할 수 있다. 이에 의하면, 소결과 클리닝을 동시에 행할 수 있는 것에 의해, 클리닝에 의한 대기 시간을 제거할 수 있어 적층 조형물의 제조에 필요한 시간을 짧게 할 수 있다.
클리닝 부재(51)를 마스크 프레임(40)에 대한 분위기 가스의 강제 공급이 가능한 피스톤의 형태로 할 수 있다. 클리닝 부재(51)를 상승시키는 것으로 마스크 프레임(40)의 내부 공간으로부터의 분위기 가스의 배출을 행하고, 클리닝 부재(51)를 하강시키는 것으로 마스크 프레임(40)의 내부 공간에 분위기 가스를 흡인한다. 이 경우, 가스 공급 포트(47)와 가스 배출 포트(48)는 각각 밸브를 구비하고, 이들 밸브를 클리닝 부재(피스톤)(51)에 개폐가능하게 연동시킨다.
도 12는 승강 프레임(12) 상에 광빔(L)을 조사하여 마킹하기 위한 마크 타겟(55)을 설치하는 동시에, 마크 타겟(55) 상의 마킹의 위치를 측정하기 위한 조사 위치 측정 장치(25)를 설치한 것을 나타낸다. 도 12의 (a)에 나타낸 바와 같이, 미리 정해진 위치(하나의 지점 또는 복수의 지점 모두 가능)에 광빔(L)을 조사하여 크로스 라인 등의 마킹을 행하고, 이어서, 도 12의 (b)에 나타낸 바와 같이, 조사 위치 측정 장치(25)(이 장치의 촬상 소자)로 마킹을 촬상하여 화상 처리에 의해 마킹의 위치의 측정을 행한다. 마킹의 위치에 오차가 있는 경우는, 광학 기기(2)에서의 갈바노미러의 회전각의 보정을 행함으로써, 광학 기기(2)에 의한 광빔(L)의 조사 위치 정밀도를 고정밀도로 유지한다. 특히, 이러한 구성이면, 적층 조형물의 제조 동안 광빔(L)의 조사 위치의 보정을 간단하게 행할 수 있으므로, 고정밀도의 소결에 유리하다.
도 13은 승강 프레임(12) 상에 광빔(L)의 파워를 측정하기 위한 파워 미터(56)를 배치한 장치를 나타내고 있다. 마스크 프레임의 윈도우(41)를 통해 파워 미터(56)에 광빔(L)을 조사한 경우의 파워 미터(56)의 출력과, 마스크 프레임(40)을 파워 미터(56)로부터 밖으로 광빔(L)을 직접 파워 미터(56)에 조사한 경우의 파워 미터(56)의 출력의 차이로부터, 윈도우(41)의 오염 정도를 나타내는 광빔(L)의 감쇠율을 구할 수 있으므로, 클리닝 수단에 의한 윈도우(41)의 클리닝 타이밍을 용이하고 적절하게 설정할 수 있으므로, 제조 효율을 높일 수 있고 양호한 소결을 항상 얻을 수 있다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 단일의 슬라이드 플레이트(18)에 마스크 프레임(40)과 분말 공급부(15)를 설치해도 된다. 승강 프레임(12)의 상면을 따라 직선형으로 슬라이드 가능하게 되어 있는 슬라이드 플레이트(18)의 길이 방향 일단 측에 분말 공급 포트(19)를 설치하고, 마스크 프레임(40)의 대향하는 길이방향 일단 측에 윈도우(41)를 설치한다. 슬라이드 플레이트(18)는, 승강 프레임(12)의 측면에 설치한 리니어 모터 등의 리니어 구동기에 의해 승강 프레임(12) 상면을 따라 슬라이드하도록 구동된다.
슬라이드 플레이트(18)를 도 14에 나타낸 위치로부터 도 14의 좌측 방향으로 이동시킴으로써, 베이스(11) 상에의 새로운 분말층의 형성을 행하고, 이어서 윈도우(41)를 통해 분말층에 광빔(L)의 조사를 행함으로써 소결을 행한다. 밀링 유 닛(3)에 의해 조형물(9)에 대해서 연삭을 행할 때에, 슬라이드 플레이트(18)는 도시된 위치까지 복귀되어 베이스(11)를 개방시킨다.
도 15에 나타낸 변형예에서는, 슬라이드 플레이트(18)가 승강 프레임(12) 상면에서 모터(58)에 의해 축 주위로 회전 구동되는 원반형으로 되어 있다. 슬라이드 플레이트(18)는 분말 공급 포트(19)를 구비하는 분말 공급부(15)와 윈도우(41)를 가지는 마스크 프레임(40)을 겸하고 있을 뿐만 아니라, 밀링 유닛(3)에 의한 연삭 가공하는 동안의 사용을 위한 절삭용 개구(39)가 수직으로 연장하도록 형성되어 있다.
슬라이드 플레이트(18)를 회전시킴으로써, 슬라이드 플레이트(18)의 주위부에 각각 설치한 분말 공급부(15), 마스크 프레임(40), 및 절삭용 개구(39)를 베이스(11)의 위에 차례로 바뀌도록 위치시킬 수 있다. 도시한 예에서, 마스크 프레임(40)의 부분과 절삭용 개구(39) 사이에 복수 개의 작은 구멍(38)을 설치해서, 분말(또는 연삭 가공에서 생긴 절삭 칩)을 흡인하도록 함으로써, 후속하는 연삭 가공에서 미경화된 분말이 존재하지 않도록 하고, 조형물이 미경화된 분말에 의해 손상되거나 절삭 칩이 후속해서 형성되는 분말층에 혼합되는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 17은 마스크 프레임(40)과 일체화된 슬라이드 플레이트(18)에 분말 공급 포트(19)와 분말 흡인 기구를 형성한 변형예를 나타낸다. 직선으로 슬라이드하는 슬라이드 플레이트(18)의 슬라이드 방향에 대한 일단 측에 분말 공급 포트(19)를 설치하고, 마스크 프레임(40)의 대향하는 타단 측에 분말 흡인용의 흡인 노즐(185) 을 배치하고 있다. 흡인 노즐(185)은, 타단 측에 슬라이드 방향과 직교하는 방향으로 연장하도록 형성된 슬릿(184)을 따라 슬라이드 가능하게 되어 있으며, 분말(8)의 소결 후 또는 연삭 가공 후, 도 17의 (c)에 나타낸 바와 같이, 슬릿(184)을 포함하는 부분이 베이스(11) 상에 위치하는 위치로 이동되도록 함으로써, 흡인 노즐(185)을 슬릿(184)을 따라 슬라이드시키면서 미경화 분말의 흡인 또는 절삭 칩의 흡인을 행한다.
분말을 제거할 수 있는 흡인에 의해, 스패터(spatter)가 섞이지 않은 균일한 분말층을 형성할 수 있고, 결함이 없는 경화층을 얻을 수 있다. 분말을 제거하는 공정을 사용할 때, 분말층을 형성하기 위해 후속하는 분말 공급 공정에서 분말 공급부(15)가 더 많은 분말을 공급한다.
슬라이드 플레이트(18)를 분말 공급부(15), 마스크 프레임(40), 및 절삭용 개구(39)와 일체로 하면, 복수 개의 베이스(11)가 단일의 승강 프레임(12)과 결합될 수 있어, 소결 또는 연삭 가공이 하나의 베이스에 대해 행해지는 동안 다른 베이스에 분말을 공급할 수 있다. 또는, 하나의 베이스에 대해 연삭 가공이 행해지는 동안 다른 베이스(11)에 대해 소결 가공을 행할 수 있어서, 복수 개의 조형물을 동시에 그리고 효과적으로 제조하는 것이 용이하게 된다.
회전하는 슬라이드 플레이트(18)를 사용하면, 슬라이드 플레이트는 복수 개의 분말 공급부(15), 마스크 프레임(40) 및/또는 절삭용 개구(39)를 주변 영역에 배치할 수 있어서, 소형의 구조로 할 수 있으며, 복수 개의 베이스(11)와 단일의 승강 프레임(12)을 결합시키는 것에도 용이하게 대응할 수 있다.
앞서 설명한 실시예와 변형예에서, 광학 기기(2)를 밀링 유닛(3) 쪽에 배치했지만, 도 17에 나타낸 바와 같이, 마스크 프레임(40)[슬라이드 플레이트(18)] 쪽에 광학 기기(2)를 설치한 것이어도 된다.
또한, 광학 기기(2)를 밀링 유닛(3)의 주축대(31)에 장착 및 분리 가능하게 장착함으로써, 도 18에 나타낸 바와 같이, 광학 기기(2)를 장착 및 분리 가능하게 장착한 마운트(31)는, 광학 기기(2)의 장착 위치를 수직 방향으로 변경할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
광학 기기(2)를 높은 위치에 장착하면, 가공면까지의 거리가 길어지므로, 가공면까지의 거리가 짧은 경우에 비하여, 스캔 기구(22)의 동일한 스캔 각도로 스캔 경로가 길어져, 주사 속도가 빨라진다. 그러나, 스캔 각도에서의 오류에 의해 작업면에 위치 오차가 증가할 수 있다.
따라서, 적층 조형물에 대해 넓은 범위를 스캔하기 위해 정밀도가 높을 것이 요구되지만 스캐닝 속도가 고속인 경우에는, 광학 기기(2)를 상대적으로 높은 위치에 장착함으로써, 고속의 경화층을 형성할 수 있고, 높은 정밀도의 스캐닝이 요구되는 경우에는 상대적으로 낮은 위치에 광학 기기(2)를 장착할 수 있다.
또한, 광학 기기(2)가 조형물의 최외각 부분에 광빔(L)을 조사하는 경우에는 낮은 장착 높이를 선택하는 것이 가능하고, 광학 기기(2)가 동일한 조형물의 내부에 광빔(L)을 조사하는 경우에는 높은 장착 높이를 선택하는 것이 가능하다.
도 19는 슬라이드 플레이트(18)에 재료 공급 포트(19)의 상면 개구를 닫는 커버(193)를 설치한 변형예를 나타내고 있다. 커버(193)는 쓰레기나 먼지, 소결시 에 발생하는 스패터, 또는 연삭 가공 시에 발생하는 절삭칩 등이 분말(8)에 섞이는 것을 방지한다.
커버(193)는, 슬라이드 플레이트(18)의 슬라이드 동작과 동기해서 개방 및 폐쇄되도록 구성하는 것이 바람직하다. 도 20에 나타낸 회전 가능하게 지지된 커버(193)는 스토퍼(194)와 접촉할 때 회전해서 재료 공급 포트(19)의 상면 개구를 개방하도록 한다.
도 21은 승강 프레임(12)의 상면에 남아 있는 잉여의 분말(8)을 배출하기 위한 배출구(125)를 승강 프레임(12)에 설치한 변형예를 나타내고 있다. 승강 프레임(12)과 슬라이드 플레이트(18)의 사이에는, 극히 작은 간극밖에 없고, 승강 프레임(12)의 상면의 위로 상승하기 위해 베이스(11) 상에 모인 분말, 절삭칩, 스패터는 슬라이드 플레이트(18)가 슬라이드할 때 승강 프레임(12)의 상단 단부의 주변부로 압착된다.
배출구(125)는, 슬라이드 플레이트(18)의 슬라이드 동작에 방해되지 않으면서 분말이나 절삭칩 등을 배출한다. 배출된 분말(8)은 재사용을 위해 체(sieve)를 통해 회수될 수 있다.

Claims (23)

  1. 무기질 또는 유기질의 분말 재료로 된 분말층(powder layer)을 형성하기 위한 분말층 형성 수단;
    상기 분말층의 소정 부분을 소결(sinter) 또는 용융 고화(melt for solidifying)시켜 경화층(cured layer)을 형성하도록, 상기 분말층의 상기 소정 부분에 광빔(light beam)을 조사하는 광학 기기;
    상기 분말층과 상기 경화층이 형성되는 고정된 베이스;
    고정된 상기 베이스의 주위를 둘러싸고, 고정된 상기 베이스에 대해서 수직으로 이동가능하게 된 승강 프레임(elevator frame); 및
    상기 승강 프레임을 수직으로 이동시키도록 구동하는 승강 구동 수단
    을 포함하며,
    상기 분말층의 형성과 상기 경화층의 형성을 반복함으로써 생긴 복수의 상기 경화층을 적층 및 일체화하여 3차원의 조형물이 제조되고,
    상기 승강 프레임의 내면에 의해 둘러싸인 상기 베이스의 위쪽 공간에 상기 분말층이 형성되는, 적층 조형 장치.
  2. 무기질 또는 유기질의 분말 재료로 된 분말층을 형성하기 위한 분말층 형성 수단;
    상기 분말층의 소정 부분을 소결 또는 용융 고화시켜 경화층을 형성하도록, 상기 분말층의 상기 소정 부분에 광빔을 조사하는 광학 기기;
    상기 분말층과 상기 경화층이 형성되는 고정된 베이스;
    고정된 상기 베이스의 주위를 둘러싸고, 고정된 상기 베이스에 대해서 수직으로 이동가능하게 된 승강 프레임; 및
    상기 승강 프레임을 수직으로 이동시키도록 구동하는 승강 구동 수단
    을 포함하며,
    상기 분말층의 형성과 상기 경화층의 형성을 반복해서 생긴 복수의 상기 경화층을 적층 및 일체화하여 3차원의 조형물이 제조되고,
    상기 승강 프레임의 내면에 의해 둘러싸인 상기 베이스의 위쪽 공간에 상기 분말층이 형성되며,
    상기 3차원의 조형물에 대한 중간 생성물의 표면을 연삭(grind)하기 위한 밀링 유닛(milling unit)을 포함하고, 상기 밀링 유닛은, 상기 베이스에 고정되며, 적어도 3축 제어 가능한 수치 제어 공작 기계의 형태를 갖는, 적층 조형 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분말층 형성 수단은, 상기 승강 프레임의 상면을 따라 슬라이드 가능한 슬라이드 플레이트를 포함하며, 상기 슬라이드 플레이트는 상기 베이스의 위쪽에 형성되어 있으며 상기 승강 프레임의 내면에 의해 둘러싸인 상기 공간에 분말을 공급하기 위한 분말 공급 포트(powder supply port)를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분말 공급 포트는 상기 슬라이드 플레이트의 슬라이드 방향에 직교하는 방향에서의 폭이, 상기 베이스의 대응하는 폭보다 크도록 설정된 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 슬라이드 플레이트는 분말의 부피 밀도를 높이기 위한 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬라이드 플레이트는 상기 분말층의 표면을 평활화(smoothen)하기 위한 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 승강 프레임 상에 배치되며, 하면은 개방되어 있고 상기 광빔이 투과되는 상면 개구에 윈도우를 갖는 마스크 프레임(mask frame); 및
    상기 마스크 프레임 내에 분위기 가스(atmospheric gas)를 공급하기 위한 분위기 가스 공급 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 마스크 프레임은 내부에 상기 분위기 가스를 선회류(whirl flow)의 형태로 공급하기 위한 선회류 형성 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 마스크 프레임의 내부 공간에서의 산소 농도를 측정하기 위한 산소 농도 측정계를 더 포함하며,
    상기 분위기 가스 공급 수단은 상기 산소 농도 측정계의 출력에 따라 상기 분위기 가스를 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마스크 프레임 내에서 수직으로 이동하며, 상기 분위기 가스의 공급과 배출을 행하는 피스톤을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 윈도우는 f-θ 렌즈로 형성된 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 윈도우의 내면을 포함하는 상기 마스크 프레임의 내면을 청소하도록 구 성된 클리닝 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 클리닝 수단은, 상기 승강 프레임 상에서 수직으로 이동할 수 있도록 형성되고 상기 마스크 프레임 내에서 회전가능하게 되어 상기 윈도우의 내면을 포함하는 상기 마스크 프레임의 내면을 청소하기 위한 클리닝 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    복수 개의 상기 마스크 프레임이 상기 승강 프레임의 상면에서 슬라이드 가능하게 설치되며, 상기 복수 개의 마스크 프레임 중 하나의 마스크 프레임이 상기 베이스 상에 위치하면, 다른 마스크 프레임이 상기 클리닝 수단에 의해 청소될 위치에 있게 되는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  15. 제7항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 기기가 상기 마스크 프레임 측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 승강 프레임의 상면에 설치되어 상기 광학 기기로부터의 광빔에 의해 마킹이 행해지는 마크 타겟(mark target)과;
    상기 마크 타겟에 부여된 상기 마킹의 위치를 측정하여 상기 광학 기기에 의한 광빔의 조사 위치에 대한 보정 데이터를 얻도록 구성된 측정 장치
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 승강 프레임의 상면에 설치되며 상기 광학 기기로부터의 광빔의 파워를 측정하도록 구성된 파워 측정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 승강 프레임 상에 배치되며, 하면은 개방되어 있고 상기 광빔이 투과되는 상면 개구에 윈도우를 갖는 마스크 프레임;
    상기 마스크 프레임 내에 분위기 가스를 공급하기 위한 분위기 가스 공급 수단; 및
    상기 승강 프레임의 상면에서 슬라이드 가능하게 되어 있으며, 상기 분말층 형성 수단이 제공된 슬라이드 플레이트
    를 더 포함하며,
    상기 마스크 프레임은 상기 슬라이드 플레이트의 일부로서 형성된 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 승강 프레임은, 복수 개 설치되어 있는 상기 베이스의 각 외주를 둘러싸고 각각의 상기 베이스에 대해서 수직으로 이동할 수 있도록 되어 있고,
    상기 적층 조형 장치는 상기 승강 프레임의 상면에서 슬라이드 가능하게 되어 있는 슬라이드 플레이트를 더 포함하며,
    상기 분말층 형성 수단은, 상기 슬라이드 플레이트에 설치되어, 상기 복수 개의 베이스 상면 또는 위쪽에 상기 슬라이드 플레이트의 슬라이드 이동에 의해 선택적으로 분말층을 형성하는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 슬라이드 플레이트에는 상기 밀링 유닛의 공구를 통과하기 위한 절삭용 개구(milling opening)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬라이드 플레이트에는 상기 베이스 위의 미경화 분말을 흡인하여 제거하는 흡인부(suction unit)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬라이드 플레이트는 상기 승강 프레임의 상면에 대해 슬라이드하도록 회전하는 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 기기는 광빔에 의해 조사된 평면에 대해 가변의 높이 위치를 갖도록 배치된 것을 특징으로 하는 적층 조형 장치.
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