KR20110081591A - 유브이-엘이디를 이용한 쾌속 광조형장치 - Google Patents

Abstract

X, Y, Z축 스테이지를 가지고 플랫폼 상에서 수지 저장소로부터 공급되는 수지를 제어부의 조작에 의하여 광원을 조사시켜 수지를 경화하는 광조형 장치에 있어서, 상기 광원은, 소정 파장대의 빛을 발광하고 방열판에 부착된 UV-LED; 상기 UV-LED에서 생성되는 빛의 강도를 증가시키는 배율렌즈; 상기 배율렌즈의 하부에서 배율렌즈를 통해 진행한 광을 광조형 스팟에 집광하도록 하는 집광렌즈; 상기 배율렌즈를 고정하여 광원의 외형을 유지하고, 상기 UV-LED와 배율렌즈의 거리를 조절할 수 있는 중통; 및 상기 중통에서 연장되고 집광렌즈까지 광을 집광하기 위한 집광중통;을 구비하는 것을 특징으로 하는 UV-LED를 이용한 쾌속 광조형 장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 빔 패스를 위한 갈바노 미러 또는 광학기기를 사용하지 않고 간단한 배율렌즈 및 LED의 조합으로 광패스를 구성할 수 있어 제작비용이 매우 저렴해질 뿐만 아니라 기존 레이져 조형장치에서 필수적인 갈바노 미러의 공간을 활용할 수 있기 때문에 X, Y의 이송거리를 증대시키고 비교적 대형의 구조물을 제작할 수 있다.

Description

유브이-엘이디를 이용한 쾌속 광조형장치{Rapid type stereolithography using UV-LED}

본 발명은 UV-LED를 이용한 쾌속 광조형장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 레이저 광원을 UV-LED로 대체하고 갈바노 미러 등의 광학기기를 사용하지 않음으로써 저비용으로 제작이 가능한 UV-LED를 이용한 쾌속 광조형장치에 관한 것이다.

일반적으로 기계부품이나 플라스틱 제품을 제조하는 경우에는 최종제품을 생 산하기에 앞서서 먼저 설계한 제품의 외관이나 성능을 확인하거나 인접하여 조립되는 다른 부품과의 간섭의 발생 여부를 확인하기 위하여 시작품을 먼저 제작하게 된다. 이러한 시작품을 제조하는 방법으로는 단조와 같은 기계가공법이나 주조 또는 사출 그리고 레이저 가공이나 에칭법 등이 있다.

그러나 이와 같은 제작법은 모두 제작에 장시간이 소요되며 제작비용도 매우 높은 문제가 있다. 또한, 이러한 방법들은 시작품 제작 시에 소음이나 분진 그리고 소요전력 등의 문제로 인해서 사무환경과 같은 장소에는 설치할 수 없어 설치장소에 있어서도 많은 제약을 갖고 있다. 이러한 문제점으로 인해 시작품을 제작하는 보다 용이하고 저렴한 방법으로 등장한 것이 적층조형법이다. 적층조형법이란 원하는 형상의 시작품을 얻기 위하여 다수의 층으로 분할된 판을 가공한 후에 이들 판을 적층하여서 원하는 형상의 시작품을 얻는 방식이다. 즉, 캐드 시스템으로 모델링한 3차원 형상을 일정한 두께를 갖는 다수의 층으로 분할한 슬라이스 데이타로 변경한 후에 이를 사용하여 얇은 판 형태의 시트를 조형하고 이를 쌓아서 시작품을 제조하는 방법이다.

이러한 적층조형법을 이용한 장치로서 대표적인 것이 미국 3D 시스템사에서 개발한 3차원 광조형장치(stereolithography)인데 그 원리는 레이저 빔을 조사하면 고체상으로 경화되는 액체상의 광경화성 수지에 상기의 슬라이스 데이타의 형상을 레이저를 사용하여 조사하여 얇은 판 형태의 시트를 만든 후에 이를 적층하는 방식 이다. 그러나, 이 장치는 한번에 조사할 수 있는 면적이 대단히 적기 때문에 한 장의 시트를 제작하기 위해서 레이저 빔을 수 차례 좌우로 반복하여 이동하면서 조사하므로 제작에 있어서 많은 시간이 소요되는 단점을 가지고 있다.

이러한 점을 극복하기 위하여 개발된 것이 이스라엘의 큐비탈(Cubital)사에서 개발한 솔리드 그라운드 큐어링(Solid ground curing:SGC)인데 그 원리는 조사면적이 적은 레이저 빔 대신에 자외선 램프를 사용하여 광경화성 수지를 경화시키는 것으로서 수지의 전면을 한 번에 조사하여 제작시간을 단축하고자 한 것이다. 이를 위해서 상기 장치는 네거티브 마스크(Negartive mask)를 사용하는데 이는 제작될 시트의 형상이 인쇄된 투명판으로서 자외선 램프의 빛을 부분적으로 차단하여서 수지 전체가 경화되지 않고 원하는 형상으로 경화되도록 하기 위한 것이다.

또한 일반적인 적층식 광조형 장치에 있어서 광경화성 수지가 조사된 빛에 의해서 경화되면 이를 고정하고 있는 스테이지가 아래로 하강하면서 경화된 시트의 상면에 다시 광경화성 수지를 놓고 경화하게 된다. 즉, 다수의 슬라이스된 층 중에서 가장 아랫쪽에 있는 층부터 조형하여서 최종적으로 제일 윗쪽에 있는 슬라이스 층을 조형하게 되는 방식이다.

통상의 SL(stereolithography) 광조형장치는 광원시스템은 UV 레이져, 광패스를 제조하기 위한 갈바노 미러, 서보모터의 3축 스테이지 등의 고가장비로 장착되고 있으며, 광패스를 형성하기 위하여 필수적으로 갈바노 미러, 서버모터를 사용하여야 한다는 문제점이 있었다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 광원으로서 고가의 UV 레이져를 대체하여 UV-LED를 이용함으로써 칼바노 미러 등의 장비를 사용할 필요가 없으며 저비용으로 쾌속광조형장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

X, Y, Z축 스테이지를 가지고 플랫폼 상에서 수지 저장소로부터 공급되는 수지를 제어부의 조작에 의하여 광원을 조사시켜 수지를 경화하는 광조형 장치에 있어서, 상기 광원은,

소정 파장대의 빛을 발광하고 방열판에 부착된 UV-LED;

상기 UV-LED에서 생성되는 빛의 강도를 증가시키는 배율렌즈;

상기 배율렌즈의 하부에서 배율렌즈를 통해 진행한 광을 광조형 스팟에 집광하도록 하는 집광렌즈;

상기 배율렌즈를 고정하여 광원의 외형을 유지하고, 상기 UV-LED와 배율렌즈의 거리를 조절할 수 있는 중통; 및

상기 중통에서 연장되고 집광렌즈까지 광을 집광하기 위한 집광중통;을 구비하는 것을 특징으로 하는 UV-LED를 이용한 쾌속 광조형 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 빔 패스를 위한 갈바노 미러 또는 광학기기를 사용하지 않고 간단한 배율렌즈 및 LED의 조합으로 광패스를 구성할 수 있어 제작비용이 매우 저렴해질 수 있다. 또한 기존 레이져 조형장치에서 필수적인 갈바노 미러의 공간을 활용할 수 있기 때문에 X, Y의 이송거리를 증대시키고 비교적 대형의 구조물을 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광조형장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광조형장치 중 광원을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광조형장치의 작동방법을 순서도로 도시한 것이다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 X, Y, Z축 스테이지를 가지고 플랫폼 상에서 수지 저장소로부터 공급되는 수지를 제어부의 조작에 의하여 광원을 조사시켜 수지를 경화하는 광조형 장치에 있어서, 상기 광원은, 소정 파장대의 빛을 발광하고 방열판에 부착된 UV-LED; 상기 UV-LED 에서 생성되는 빛의 강도를 증가시키는 배율렌즈; 상기 배율렌즈의 하부에서 배율렌즈를 통해 진행한 광을 광조형 스팟에 집광하도록 하는 집광렌즈; 상기 배율렌즈를 고정하여 광원의 외형을 유지하고, 상기 UV-LED와 배율렌즈의 거리를 조절할 수 있는 중통; 및 상기 중통에서 연장되고 집광렌즈까지 광을 집광하기 위한 집광중통;을 구비하는 것을 특징으로 하는 UV-LED를 이용한 쾌속 광조형 장치를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광조형장치 시스템을 도시한 것이다. 도 1을 참고하면, 제어부(1)를 사용하여 X축 스테이지(2), Y축 스테이지(3), Z축 스테이지(4)을 구동시킨다. 이러한 구동은 이미지 프로세스를 통해 제작할 3D 구조물의 단면이미지를 고려해 정해진 위치로 구동되는 것이다.

X축 스테이지(2), Y축 스테이지(3)에서 스테핑 모터(미도시)를 사용하며 1의 펄스로 인한 위치제어와 속도제어가 가능하도록 설계되어 있으며 최소 해상도는 10um 이내로 구성된다. 이송거리는 장착되는 스테이지의 크기만큼 구성할 수 있다. Z축 스테이지(4)는 스테핑 모터를 사용하며 1의 펄스로 인한 위치제어와 속도제어가 가능하도록 설계되어 있으며 최소 해상도는 10um 이내로 구성된다. 이송거리는 장착되는 스테이지의 크기만큼 구성할 수 있다.

플랫폼(5)은 Z축 스테이지(4)에 구속되어 장착되어 있으며 실제 3D 구조물이 제작되는 영역으로 사용된다. 수지의 변질을 방지하기 위해 SUS로 가공되어 장착된다. 수지 저장소(6)는 광 경화 수지가 저장된 용기로서 Z축 스테이지(4)의 구동으로 플랫폼(5)이 수지 두께를 제어하는 영역으로 사용된다. 플랫폼(5)과 마찬가지로 SUS로 가공되어 별도로 탈 부착이 가능하게 구성된다.

기존의 SL(stereolithography) 쾌속조형장치는 과거 고비용의 SL의 쾌속조형장치는 광원으로 UV 레이져, 광패스를 만들기 위한 갈바노 미러, 서보모터가 구비된 3축 스테이지 등의 고가 장비로 전체시스템이 구성되었다. UV 레이저를 수지에 조사하기 위해서는 갈바노 미러가 필수적으로 필요하였고, 그에 따라 수지를 경화시켜 구조물을 제작하기 위해 3축 스테이지는 서보모터에 의해 작동되었다. 갈바노 미러를 사용하는 것은 광패스를 조성하기 위함이나 갈바노 미러의 존재로 인하여 플레이트 상에서 일정한 공간을 차지하게 되고, 그만큼 X축, Y축 스테이지의 이송거리는 제한적일 수밖에 없었다.

그러나 본 발명의 장치는 광원으로서 UV-LED와 스테핑(stepping) 모터로 이뤄져 있는 3축의 스테이지로 광패스, 적층시스템을 만족시킴으로써 저 비용으로 전체시스템을 구성할 수 있다. 본 발명에서는 서보모터를 대신하여 스테핑 모터를 이용하여 X, Y축을 이송한다. 따라서 적정 수준의 해상도를 만족하면서도 저비용으로 쾌속광조형장치를 제작할 수 있다. 또한 갈바노 미러 등을 필요로 하지 않기 때문에 플레이트 상에서 공간이 더 확보되기 때문에 X축, Y축의 이송거리가 더 확보되기 때문에 비교적 대형의 구조물도 제작이 용이하게 이루어질 수 있다는 장점이 있다.

이어서 본 발명의 특징인 광원에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 광원을 도시하고 있다. 본 발명의 광조형장치는 광원으로서 UV-LED를 사용한다는 점이 특징이고, 도 1의 시스템에서는 Y축 스테이지(3)에 장착이 된다. 도 2를 참고하면, UV-LED(11)는 발광원이 되고, UV-LED(11)는 방열판(12)의 하부에 장착된다. UV-LED(11)는 특정 파장대의 빛을 발할 수 있으며, 바람직하게는 240 내지 400nm의 파장을 갖는 빛을 발한다. 가장 바람직하게는 365nm의 파장을 갖는 빛을 발한다. UV-LED(11) 자체는 소모품이므로 사용이 만료되면 다른 제품으로 교체하여야 한다. 따라서 본 발명의 장치에서는 향후 교환이 용이하도록 설계하는 것이 바람직하다.

전류 및 사용시간의 증가하는 것에 따른 UV-LED(11)의 열방출을 저감하기 위하여 방열판(12)을 사용하고 방열판(12) 하부에 UV-LED(11)를 장착한다. UV-LED(11)에서 발광하는 빛의 강도를 증가시키기 위하여 배율렌즈(15)를 구비한다. 배율렌즈(15)는 반사갓(13)에 의하여 집광되는 범위를 축소시키고 강도를 증가시킨다. UV-LED는 특성상 초휘도를 가지므로 특수코팅된 반사갓(13)을 사용한다. 이러한 배율렌즈(15)를 통과한 빛은 2차로 집광되는 집광렌즈(18)를 통하여 강도를 더 높이게 된다. 집광렌즈(18)는 빛을 광조형 스팟에 모이게 한다.

광원의 외형을 유지하고, UV-LED(11), 배율렌즈(15) 및 집광렌즈(18)를 고정하여 중통(14, 16)을 설치한다. 중통(14, 16)은 바람직하게는 두 개로 분리될 수 있고, 연결부분의 내부에는 나사선이 형성되어 있어 나사선을 따라 중통을 회전시킴으로써 UV-LED(11)와 배율렌즈(15)의 거리를 조절할 수 있다. 또한 중통(16)에서 연장되고 집광렌즈(18)까지 광을 집광하기 위한 집광중통(17)을 구비한다. 집광중통(17)은 특수코팅이 되지 않은 중통을 사용하고 암전을 유도한다.

도 3은 본 발명에 따른 UV-LED를 이용한 쾌속 광조형장치의 구동방법을 설명한 순서도이다. 도 3을 참고하면, 먼저 3차원 구조물을 3D 모델링을 통해 제작한다. 이를 STP 파일로 변환한다. 제작된 3D 모델링을 적층 두께로 슬라이싱하여 단면이미지를 생성한다. UV 광원모듈에서 광원의 크기에 따라 단면이미지를 고려해 광 패스를 생성한다. 광 패스는 2차원 배열로 이뤄져 X, Y 축 스테이지의 이송거리로 전달된다. X, Y 축 스테이지의 이송속도는 사용자의 설정에 따라 이송되며 광원의 강도 역시 드라이버의 설정값 즉 사용자의 입력 값에 따라 부여된다.

X, Y 축 스테이지가 이송되면서 광원이 따라 이송되어 단면이미지 형태로 경화된다. 이후 적층을 위해 수지 저장소 내에서 Z축 스테이지가 적층 두께로 하강되며, 리코팅 시간을 가진 뒤 수지표면이 일정하게 되면 단면이미지에 대한 광 패스로 X, Y 축 스테이지가 이송되어 경화하고 적층을 반복하게 된다. 만일 최종층을 형성하게 되는 경우 Z축의 하강되지 않고 세척 및 후 가공이 실시되어 제작이 완료된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1…제어부 2…X축 스테이지
3…Y축 스테이지 4…Z축 스테이지
5…플랫폼 6…수지 저장소
11…UV-LED 12…방열판
13…반사갓 14, 16…중통
15…배율렌즈 17…집광중통
18…집광렌즈

Claims (4)

1. X, Y, Z축 스테이지를 가지고 플랫폼 상에서 수지 저장소로부터 공급되는 수지를 제어부의 조작에 의하여 광원을 조사시켜 수지를 경화하는 광조형 장치에 있어서, 상기 광원은,
   소정 파장대의 빛을 발광하고 방열판에 부착된 UV-LED;
   상기 UV-LED에서 생성되는 빛의 강도를 증가시키는 배율렌즈;
   상기 배율렌즈의 하부에서 배율렌즈를 통해 진행한 광을 광조형 스팟에 집광하도록 하는 집광렌즈;
   상기 배율렌즈를 고정하여 광원의 외형을 유지하고, 상기 UV-LED와 배율렌즈의 거리를 조절할 수 있는 중통; 및
   상기 중통에서 연장되고 집광렌즈까지 광을 집광하기 위한 집광중통;을 구비하는 것을 특징으로 하는 UV-LED를 이용한 쾌속 광조형 장치.
   
   
2. 제1항에 있어서, 상기 중통은 두 개로 분리되어 있고, 연결부분의 내부에는 나사선이 형성되어 있어 나사선을 따라 배율렌즈의 거리를 조절하는 것을 특징으로 하는 UV-LED를 이용한 쾌속 광조형 장치.
   
   
3. 제1항에 있어서, 광패스를 형성하기 위하여 스테핑 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 UV-LED를 이용한 쾌속 광조형 장치.
   
   
4. 제1항에 있어서, 상기 광원의 파장은 240 내지 400nm인 것을 특징으로 하는 UV-LED를 이용한 쾌속 광조형 장치.
   
   
   

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