KR20140116747A - 3차원 프린터 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템은, 상하방향으로 승강 가능한 복수개의 가동블록들(211)로 이루어진 파우더 트레이(210) 위에 파우더(8)를 도포한 다음, 상기 가동블록들(211) 중의 일부에만 파우더를 남기고 나머지 가동블록들 위의 파우더는 제거함으로써, 상기 물건의 높이 위치에 따른 평면 모양대로의 파우더 패턴(8c)을 상기 파우더 트레이(210) 위에 고정시키는 파우더 처리부(2); 파우더 처리부(2)에서 만들어진 파우더 패턴(8c)에 대응되는 모양으로 서포트 시트(support sheet, 341)를 재단하여 상기 물건의 높이 위치에 대응되는 서포트(343)를 제작하는 서포트 제작부(3); 상기 파우더 처리부(2)에서 만들어진 파우더 패턴(8c)의 파우더(8)와 상기 서포트 제작부(3)에서 만들어진 서포트(343)를 투하하고 제1고온 상태로 가열하여 상기 파우더(8)를 일체화시킴으로써, 파우더(8)로 구성된 얇은 면들을 층층이 쌓아올려 입체적 형상의 물건(41)을 완성해가는 3차원 출력부(4); 및 상기 제1고온 상태의 열을 발생시켜 상기 3차원 출력부(4)로 공급하는 고온 발생부(5);를 포함한다.

Description

3차원 프린터 시스템{Three-dimensional printer system}
본 발명은 3차원 프린터 시스템에 관한 것으로서, 특히 합성수지 재질의 파우더뿐만 아니라 금속 재질의 파우더를 사용해서 입체적인 형상의 물건을 제작하는 것이 가능하도록 한 3차원 프린터 시스템에 관한 것이다.
3차원(3D) 인쇄는 연속적인 계층의 물질을 뿌리면서 3차원 물체를 만들어내는 기술의 일종이며, 3차원 프린터는 컴퓨터 등의 신호를 입체물로 제작하는 장치를 말한다. 현재 3차원 프린트 기술은 선박, 자동차, 건축 등에 쓰이며 제품 도면을 통한 시제품 생산 등에 사용되어 산업분야에 널리 적용되고 있다.
지금까지 사람들이 일반적으로 알고 있는 프린터는 모니터에 나타난 글자와 그림을 종이에 그리는 기계였으나, 3차원 프린터는 특정 소프트웨어로 그린 3차원 설계도에 의해서 입체적인 물건을 만들어내는 기계라는 점에서 차이가 있다. 즉, 3차원 프린터는 파우더 또는 액체를 뿌리고 굳혀서 만든 얇은 막들을 층층이 쌓아올려 입체적 형상의 물건을 제작하는 기계로서, 주로 플라스틱 소재를 파우더나 액체의 원료로 사용하는데, 잉크젯 프린터와 동일한 메커니즘으로 원료를 분사하기 때문에 이런 명칭이 붙었다.
3차원 프린터를 이용하여 물건을 제작하는 기술을 간단히 설명하면, 우선 만들고자 하는 대상이 되는 물건을 스캐너를 이용하여 3차원 스캔해서 컴퓨터에 이미지 데이터로 저장한 다음, 그 입체적으로 그려진 물건을 마치 미분하듯이 가로로 1만개 이상 잘라 분석한다. 그리고 아주 얇은 막(레이어)을 한 층씩 쌓아 물건의 바닥부터 꼭대기까지 완성한다(쾌속조형 방식). 이러한 3차원 프린터의 시초는 1980년대 초에 미국의 "3D 시스템즈"사가 개발한 기계인데, 이 기계는 플라스틱 액체를 굳혀 물건을 만드는 방식을 채택한 것이었다.
원래 3차원 프린터를 만든 목적은 상품을 내놓기 전의 시제품을 만들기 위해서인 것으로 알려져 있다. 값싸고 성형하기 쉬운 재료로 정식 제품과 똑같이 생긴 시제품을 만들어 보면 실제 제품에 어떤 문제점이 있는지를 쉽게 알 수 있기 때문이다. 3차원 프린터가 활용되기 이전에는, 정식제품을 만드는 것과 거의 같은 과정을 거쳐서 시제품을 만들어야 했고, 시제품에서 문제점이 파악된 경우에는 설계를 변경하여 또 다시 시제품을 만들어 보아야 했는데, 이런 과정에서는 돈과 시간이 매우 많이 드는 단점이 있었다. 그러나 3차원 프린터를 이용해서 플라스틱 등의 재료로 시제품을 만들어 문제가 없는지를 체크한 다음, 정식으로 금형 등을 제작해서 본 제품을 생산한다면 제품 개발 단계에서의 비용을 크게 줄일 수 있게 된다.
뿐만 아니라 3차원 프린터는 물건의 설계도만 있다면 물건을 최종적인 형태로 직접 생산하는 것도 가능하다. 따라서 똑같은 물건을 대량 생산해내는 방식이 아닌 소비자가 자기만의 스타일과 디자인으로 물건을 하나만 생산하여 소비하는 것도 가능하게 된다.
그러나 종래의 3차원 프린터는 플라스틱 분말 또는 액체 상태의 물질을 분사해서 접착제나 자외선 등으로 경화시키는 방법을 이용해 면 단위의 막들을 층층이 쌓아 올리는 방식이었기 때문에, 합성수지, 실 등의 물질을 파우더나 액체로 만들어서 사용할 수밖에 없었으며, 금속 소재의 물건을 직접 제작하는 것은 불가능하였다. 공구 등과 같이 상당한 강도를 요구하는 물건들은 금속으로 밖에 만들 수 없는데, 기존의 3차원 프린터는 금속 재질의 파우더를 사용해서 소결시킬 수가 없었으므로, 결국 시제품을 만드는데 그치는 만다는 점에서 한계가 있었다.
또한 3차원 프린터를 이용해서 파우더를 적층할 때에는 파우더가 흘러내리지 않도록 받쳐주는 서포트(support, 411)라는 소재가 필요하게 되는데(도31 참조), 이러한 서포트(411)는 주로 친수성의 합성수지로 제작하고, 나중에 알칼리 용매를 이용해서 녹여 제거하게 된다. 그런데, 종래의 3차원 프린터는 파우더의 적층작업을 모두 완료한 후에 만약 서포트(411)가 닫힌 구조(폐구조, 閉構造)안에 존재할 경우에는 그 닫힌 구조 안에 존재하는 서포트(411)를 제거하기가 곤란한 문제가 있었다. 도31의 (b)와 같이 구조적으로 틈새가 많은 물건(410)을 파우더로 제작할 경우에는, 그 물건(410)의 빈틈들을 서포트(411)로 완전히 채워주어야만 파우더가 무너지지 않게 된다(도31의 (a)). 이 서포트(411)는 파우더의 적층작업이 모두 끝난 후에 알칼리 용매 등의 특수 약품을 사용해서 녹여 내야 하는데, 만약 파우더로 둘러싸인 폐쇄 구조 안에 서포트(411)가 위치한다면, 약품이 그 폐쇄 구조 안으로 들어갈 수 없게 되어 서포트(411)를 제거하기 어려운 문제가 있다. 따라서 비록 물건이 폐쇄 구조를 갖는다 하더라도 그 안으로 약품이 들어갈 수 있는 통로를 만들 필요가 있는데, 이렇게 폐쇄구조에 대해서 약품이 들어갈 수 있는 통로를 내는 것은 상당한 설계적 기술이 필요한 부분이어서 3차원 프린팅을 위한 설계가 쉽지 않은 문제가 있었다.
그리고 이와 같은 종래의 3차원 프린터에서는 서포트(411)를 알칼리 용매 등의 화학약품으로 녹여 제거하는 작업이 상당히 시간이 오래 걸려 작업성이 떨어지는 단점이 있었을 뿐만 아니라, 미세한 구조로 된 물건을 제작할 경우 서포트의 제거를 위한 화학약품에 의해 파우더 소재 역시 변형이 올 수 있어서, 정밀한 물건을 제작하는데 부적당한 문제가 있었다.
이러한 이유로, 화학약품에 의해서 녹여 제거하는 기존의 서포트와는 다르게 고온 상태에서 자연적으로 완전 연소시켜 제거할 수 있는 새로운 재질의 서포트를 적용한 3차원 프린팅 기술을 개발할 필요가 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 합성수지뿐만 아니라 금속 소재의 분말을 이용해서 3차원 프린팅을 수행할 수 있도록 하여 정식 제품과 동일한 재질 및 동일한 강도로 직접 최종적인 제품을 생산할 수 있도록 한 3차원 프린터 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 금속 소재의 분말을 소결시켜 금형 등을 직접 제작할 수 있도록 함으로써 금형 제작비용을 획기적으로 절감할 수 있도록 한 3차원 프린터 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고 본 발명은 사람들이 금, 은 등의 귀금속을 분말로 만들어 갖고 있으면, 귀금속이나 액세서리의 설계도를 다운로드받아서 가정에서 직접 자기가 원하는 대로 귀금속 및 액세서리를 제작할 수 있도록 한 3차원 프린터 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
뿐만 아니라, 본 발명은 플래시 페이퍼 또는 승화성 물질을 서포트로 사용하여 고온에 의해서 완전 연소시켜 깨끗이 제거할 수 있도록 함으로써 물건의 구조에 제한받음이 없이 어떤 구조의 물건이라도 모두 만들어 낼 수 있는 3차원 프린터 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의해 제공된 파우더 물질로 3차원 프린터 시스템은, 상하방향으로 승강 가능한 복수개의 가동블록들(211)로 이루어진 파우더 트레이(210) 위에 파우더(8)를 도포한 다음, 상기 가동블록들(211) 중의 일부에만 파우더를 남기고 나머지 가동블록들 위의 파우더는 제거함으로써, 상기 물건의 높이 위치에 따른 평면 모양대로의 파우더 패턴(8c)을 상기 파우더 트레이(210) 위에 고정시키는 파우더 처리부(2); 상기 파우더 처리부(2)에서 만들어진 파우더 패턴(8c)에 대응되는 모양으로 서포트 시트(support sheet, 341)를 재단하여 상기 물건의 높이 위치에 대응되는 서포트(343)를 제작하는 서포트 제작부(3); 상기 파우더 처리부(2)에서 만들어진 파우더 패턴(8c)의 파우더(8)와 상기 서포트 제작부(3)에서 만들어진 서포트(343)를 투하하고 제1고온 상태로 가열하여 상기 파우더(8)를 일체화시킴으로써, 파우더(8)로 구성된 얇은 면들을 층층이 쌓아올려 입체적 형상의 물건(41)을 완성해가는 3차원 출력부(4); 및 상기 제1고온 상태의 열을 발생시켜 상기 3차원 출력부(4)로 공급하는 고온 발생부(5);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템은, 상기 파우더 처리부(2)가, 상기 파우더 트레이(210)를 구성하는 각각의 가동블록들(211)의 승강 위치를 조절함으로써 음각 패턴을 형성하여 상기 물건(41)의 높이 위치에 대응되는 평면의 모양대로 파우더(8)를 고정시키는 파우더 패턴 형성기(20); 상기 파우더 트레이(210) 위에 파우더(8)를 투하하는 파우더 도포기(22); 및 상기 파우더 트레이(210) 위를 긁어서 파우더(8)를 기구적인 방법으로 제거하는 스크레이퍼(scraper, 23);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템은, 상기 서포트 제작부(3)가 상기 서포트 시트(341)를 저장하는 서포트 시트 저장부(340); 상하방향으로 위치 변동이 가능한 복수개의 타발 블록들(blanking block, 321)로 이루어진 타발 패턴부(32a)를 구비하며, 상기 파우더 패턴 형성기(20)의 작동에 연동되어 상기 타발 블록들(321)의 위치를 제어함으로써 상기 서포트 시트(341)를 타발하는 서포트 재단부(30); 상기 서포트 시트 저장부(340)에 담긴 서포트 시트(341)를 상기 서포트 재단부(30)로 공급하는 서포트 시트 로딩 픽커(34); 상기 서포트 제작부(3)에서 제작된 서포트(343)를 흡착하여 운반하는 서포트 캐리어(35); 및 상기 서포트 캐리어(35)를 상기 3차원 출력부(4)까지 왕복 이동시키는 제2이동기구(35a);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템은, 만들고자 하는 물건의 단면 모양에 따라 파우더를 배치하고 그 파우더의 배치 모양에 대해서 상보(相補)적인 모양으로 서포트를 제작한 다음, 파우더와 서포트를 층층이 쌓아가면서 파우더를 경화시키고, 나중에 서포트를 일괄적으로 제거함으로써 입체적인 형상의 물건을 안정적으로 제작할 수 있는 장점이 있다.
그리고 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템은 합성수지뿐만 아니라 금속 소재의 분말을 이용해서 3차원 프린팅을 수행할 수 있기 때문에, 공구 등과 같이 상당한 강도를 요구하는 제품을 만들 경우에도, 정식 제품과 동일한 재질 및 동일한 강도로 직접 생산할 수 있는 장점이 있다. 또한 본 발명에 다른 3차원 프린터 시스템은 금속 소재의 분말을 소결시켜 금형 등을 직접 제작할 수 있으므로 정밀한 구조의 금형을 손쉽게 제작할 수 있고, 금형 제작에 드는 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 장점이 있다.
그리고 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템은 가정에서 사용할 경우 소비자가 귀금속이나 액세서리의 설계도를 다운로드받아서 직접 자기가 원하는 대로 귀금속 및 액세서리를 제작할 수 있으므로 각자의 취향대로 제품을 만들어 즐길 수 있도록 하는 장점이 있다.
한편, 본 발명에 다른 3차원 프린터 시스템은 파우더를 지탱할 서포트로서 플래시 페이퍼 또는 승화성 물질을 사용하므로 그 플래시 페이퍼 또는 승화성 물질이 연소되거나 기체로 전환되는 온도만 조성해 주면 깨끗하고 손쉽게 제거되는 특성이 있으며, 그 결과 물건의 구조에 제한없이 어떠한 구조의 물건이라도 모두 만들어 낼 수 있는 장점이 있다.
도1은 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템(1)의 외관 구성도이다.
도2는 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템(1)의 내부 구성에 관한 개략도이다.
도3은 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템(1)의 파우더 패턴 형성기(20)의 사시도이다.
도4 내지 12는 도3의 파우더 패턴 형성기(20)의 측단면도들로서, 파우더 패턴 형성기(20)의 파우더 트레이(210) 위에 파우더(8)를 도포한 다음 원하는 위치에만 파우더(8)를 남기는 과정을 순서적으로 도시한다.
도13은 도4 내지 도12의 과정을 거쳐서 파우더 트레이(210) 위에 소정의 모양대로의 파우더 패턴(8c)을 형성한 것을 도시한다.
도14는 파우더 패턴 형성기(20)를 3차원 출력부(4)로 이송하는 단계를 도시하며, 도15 내지 도17은 상기 파우더 패턴 형성기(20)를 뒤집어서 파우더 트레이(210)위에 있던 파우더(8)를 출력 챔버(40)안에 투하하는 과정을 도시한다.
도18은 본 발명의 3차원 프린터 시스템(1)에서 서포트 제작부(3)의 작업 테이블(31) 위로 서포트 시트(341)가 공급되는 과정을 도시한다.
도19 내지 도22는 본 발명의 3차원 프린터 시스템(1)에서 서포트 제작부(3)의 작업 테이블(31) 위에 안치된 서포트 시트(341)를 패턴 재단기(32)로 타발하여 도13의 파우더 패턴(8c)에 대응되는 모양으로 재단하는 과정을 도시한다.
도23 및 도24는 서포트 제작부(3)에서 완성된 서포트(343)를 서포트 캐리어(35)가 흡착하여 3차원 출력부(4)로 운반하는 과정을 도시한다.
도25는 서포트 캐리어(35)가 운반한 서포트(343)를 3차원 출력부(4)의 출력 챔버(40) 내에 투하하는 과정을 도시하며, 도26은 투하된 서포트(343)가 앞서 투하된 파우더(8)를 보완하여 하나의 새로운 평면을 완성하는 상태를 도시한다.
도27은 3차원 출력부(4)에서 물건(41)과 서포트(343)의 적층이 완료된 상태를 도시하며, 도28은 고열발생부(5)에서 제2고온 상태의 열을 3차원 출력부(4)에 공급하여 서포트(343)를 연소시키는 과정을 도시하고, 도29는 출력 챔버(40) 내에 서포트(343)가 완전히 제거되고 출력물건(41)만이 남게 된 상태를 도시한다.
도30은 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템에서 3차원 프린팅이 진행되는 과정을 순서도로 정리한 것이다.
도31은 종래의 3차원 프린터에서 3차원 출력물건(410)을 제작할 때 서포트(411)를 넣어 파우더 부분이 변형되지 않도록 지지하는 것을 설명한다.
이하, 첨부한 도면들을 참고하여 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템의 구성 및 작용 효과를 상세히 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템(1)의 외관 구성도이다. 도1을 참고하면, 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템(1)은 크게 파우더 처리부(2), 서포트 제작부(3), 3차원 출력부(4), 고온 발생부(5) 및 가스공급부(6)로 구성된다.
상기 파우더 처리부(2)는 입체적인 물건을 수직방향으로 미분하여 자른 평면의 모양대로 파우더를 배치하는 작업을 수행하며, 상기 서포트 제작부(3)는 상기 파우더 처리부(2)에서 만든 파우더의 패턴에 상응하는 모양으로 서포트를 제작하는 작업을 수행하고, 상기 3차원 출력부(4)는 상기 파우더 처리부(2)에서 배치한 소정 모양의 파우더와 상기 서포트 제작부(3)에서 만든 서포트를 운반해 와서 출력 챔버(chamber)안에 투하시켜 한 개의 층(layer)씩 적층해 가면서 물건을 쌓아올리는 작업을 수행한다. 그리고 상기 고온 발생부(5)는 상기 3차원 출력부(4)에 제1고온 상태의 열기를 공급하여 (금속)파우더를 소결시키고, 또한 제2고온 상태의 열기를 공급하여 서포트를 제거하도록 하는 역할을 수행한다. 상기 가스공급부(6)는 상기 3차원 출력부(4)에 가스들을 공급하는 장치로서, 3차원 출력부(4)안에 있는 금속 파우더가 상기 제1고온 상태에서 소결될 때에는 상기 서포트가 반응하지 못하도록 억제하는 제1가스(이산화탄소)를 공급하고, 물건 적층작업이 완료된 후에는 제2가스(산소)를 공급하여 제2고온 상태에서 서포트가 완전 연소되도록 하는 역할을 수행한다.
도2는 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템(1)의 내부 구성에 관한 개략도이다. 도2를 참고하면, 상기 파우더 처리부(2)는 파우더를 소정 모양대로 배치하는 파우더 패턴 형성기(20), 상기 파우더 패턴 형성기(20) 위에 파우더(8)를 도포하는 파우더 도포기(22), 상기 파우더 패턴 형성기(20) 위에 투하된 파우더 중에서 필요 없는 부분의 파우더를 긁어내 제거하는 스크레이퍼(scraper, 23), 그리고 상기 스크레이퍼(23)에 의해서 기계적인 방법으로 파우더를 1차 제거한 후에도 아직 상기 파우더 패턴 형성기(20)위에 남아 있는 파우더를 정전기를 이용해서 제거하는 정전 흡착기(24)를 포함한다.
상기 파우더 패턴 형성기(20)는 제일 위에 복수개의 가동블록(211)들이 마치 모자이크 방식으로 집결되어 구성된 파우더 트레이(powder tray, 210)가 설치되어 있고(도3 참조), 상기 파우더 트레이(210)의 밑에는 영구자석(220)이 설치되며, 상기 영구자석(220)의 밑에는 상기 가동블록들(211)의 승강 위치를 각각의 가동블록들에 대한 전류공급에 의해서 조절할 수 있는 제어유닛(230)이 설치되어 있다.
그리고 상기 파우더 처리부(2)에는 상기 파우더 패턴 형성기(20)를 3차원 출력부(4)까지 이동시켰다가 다시 원위치로 복귀시킬 수 있는 제1이동기구(21)가 설치되어 있으며, 상기 스크레이퍼(23)는 구동부(23a)에 의해서 상기 파우더 트레이(210)의 상면 위를 왕복 이동할 수 있다. 상기 파우더 도포기(22) 역시 별도의 구동장치(미도시)에 의해서 상기 파우더 패턴 형성기(20)의 상방에서 횡방향으로 왕복 이동할 수 있으며, 상기 정전 흡착기(24)는 구동부(24a)에 의해서 상기 파우더 트레이(210)의 상방에서 횡방향으로 왕복 이동할 수 있다.
상기 서포트 제작부(3)는 본 발명에 따른 3차원 프린팅에서 필요한 서포트(343)를 제작하기 위한 장치인데, 서포트(343)는 3차원 출력부(4)에서 입체적인 물건을 만들기 위해 파우더(8)를 투하할 때 파우더가 투하되지 않은 부분을 덮어 주기 위한 부재이다. 만약 서포트(343)가 없다면 3차원 출력부(4)에서 투하된 파우더(8)가 정확한 위치를 유지할 수 없기 때문에, 파우더가 투하되지 않은 모든 부분들에는 반드시 서포트(343)가 위치하여야만 한다.
본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템(1)에서 서포트(343)를 제작하는데 사용하는 소재는 기본적으로 플래시 페이퍼(flash paper)이다. 플래시 페이퍼는 일반적으로 마술사의 불꽃쇼에 흔히 사용되는 종이로서, 발화성이 매우 높아 약간의 불꽃만으로도 금방 완전 연소가 이루어지고 재가 남지 않는 특수화학 처리된 종이이다. 플래시 페이퍼는 전체 성분의 99.9%가 셀룰로오스(cellulose)이고 여기에다 특수 화학처리를 가한 것인데, 일반 상온에서는 약간의 불꽃만 가하면 타버리며, 불꽃이 가해지지 않더라도 400~500℃의 고온이 가해지면 자연적으로 발화하여 완전 연소되는 특성이 있다.
본 발명에서 서포트의 재료로는 플래시 페이퍼를 사용할 수도 있고, 혹은 일정한 온도에서 승화가 이루어지는 물질로 만든 시트 형태의 소재를 사용할 수도 있다. 이하, 본 명세서에서는 플래시 페이퍼 및 승화성 물질로 제작된 소재를 모두 포괄하는 의미에서 「서포트를 제작하기 위한 재료물」을 '서포트 시트'(sheet)라고 칭하기로 한다. 플래시 페이퍼도 서포트 제작부(3)에서 제작되기 이전에는 마치 A4 용지와 같은 얇은 시트 형태로 존재하므로 서포트로 재단 가공되기 이전 단계의 소재를 '서포트 시트'(341)라고 부르는 것이다.
도2에서 서포트 제작부(3)는 플래시 페이퍼와 같은 '서포트 시트'(341)를 저장하는 서포트 시트 저장부(340), 상기 서포트 시트 저장부(340)에 담긴 서포트 시트(341)를 서포트 재단부(30)로 한 장씩 옮기는 서포트 시트 로딩 픽커(loading picker, 34), 서포트 시트(341)를 소정의 모양으로 타발하여 서포트(343)로 만드는 서포트 재단부(30), 및 상기 서포트 재단부(30)에서 가공한 서포트(343)를 흡착해서 3차원 출력부(4)로 옮기는 서포트 캐리어(support carrier, 35)를 포함한다.
상기 서포트 재단부(30)는 작업 테이블(31) 위에 서포트 시트(341)를 안치시킨 상태에서 복수개의 타발 블록들(321, 도20 및 도21 참조)로 구성된 패턴 재단기(32)가 내려와 서포트 시트(341)를 내려찍음으로써 서포트 시트(341)의 일부 면적 부분이 잘려져 나가 제거된다. 상기 서포트 재단부(30)는 제어부(7)에 의해서 파우더 처리부(2)의 파우더 패턴 형성기(20)와 연계되어 있기 때문에, 상기 파우더 처리부(2)에서 현재 형성된 파우더의 배치 모양과 동일한 모양으로 타발 블록들(321)을 양각(陽刻) 돌출시키고 그 타발 블록들(321)로 서포트 시트(341)를 타발한다. 따라서 서포트 재단부(30)에서 서포트 시트(341)로부터 잘려나간 종이(플래시 페이퍼)의 모양은 파우더 처리부(2)에서 만들어진 파우더의 패턴과 동일하게 된다.
상기 서포트 제작부(3)에는, 상기 패턴 재단기(32)를 이동 및 구동시키는 구동부(33)와, 상기 서포트 시트 로딩 픽커(34)를 이동시키는 구동부(34a) 및 상기 서포트 캐리어(35)를 이동시키는 제2이동기구(35a)가 설치되어 있다. 상기 서포트 캐리어(35)는 작업 테이블(31) 위에 놓여 있는 서포트(343)를 정전기 혹은 진공흡착 방식 등을 이용해서 흡착하며, 상기 제2이동기구(35a)는 상기 서포트 캐리어(35)를 작업테이블(31)의 위치로 이동시켰다가 3차원 출력부(4)로 이동시킨 다음, 다시 원래의 위치로 복귀하는 역할을 담당한다.
도2에 도시된 바와 같이, 상기 3차원 출력부(4)의 내부에는 출력 챔버(40)가 마련되며, 출력 챔버(40) 안에는 상기 파우더 처리부(2)에서 소정의 패턴대로 배치시킨 파우더(8)와 상기 서포트 제작부(3)에서 만들어진 서포트(343)가 각각 투하되어 한 개의 층(layer)씩 계속적으로 쌓아 올려진다.
상기 고온 발생부(5)는 1500~2000℃의 범위에 있는 제1고온 상태와 400~500℃의 범위에 있는 제2고온 상태를 조성하여 3차원 출력부(4)에 공급하는 역할을 담당한다. 상기 제1고온 상태는 금속 재질의 파우더가 소결되는 온도이며, 상기 제2고온 상태는 플래시 페이퍼가 자연 발화하여 완전 연소되는 온도이다.
도2에서 가스 공급부(6)는 이산화탄소 및 산소를 선택적으로 3차원 출력부(4)에 공급한다. 3차원 출력부(4)에서 출력 챔버(40)안의 금속 파우더(8)를 소결시키기 위해서는 대략 1500~2000℃의 고온 상태를 만들어야 하는데, 이때 3차원 출력부(4)의 내부가 일반 공기로 채워진 경우라면 플래시 페이퍼(즉, 서포트)가 그냥 타버리므로 서포트가 제 구실을 할 수가 없다. 그래서 3차원 출력부(4)의 온도가 제1고온 상태(1500~2000℃)가 되더라도 서포트(343)가 타지 않도록 하기 위해 이산화탄소(CO2)를 채워두어야 한다. 이산화탄소가 채워진 상태에서는 3차원 출력부(4)의 내부 온도가 제1고온 상태에 있더라도 서포트(343)는 연소되지 않으며 원래의 형태를 그대로 유지하고 있으며, 금속 파우더(8)만이 소결되어 물건(41)의 형상을 만들어 가게 된다. 한편, 제1고온 상태에서 3차원 출력부(4) 안에 채워지는 기체로는 이산화탄소 이외에도 질소(N2)가 사용될 수 있으며, 그 밖에 플래시 페이퍼의 열적 반응을 억제하는 효과를 발휘할 수 있는 또 다른 기체성분들도 함께 혹은 독자적으로 사용될 수 있다.
그리고 3차원 출력부(4)에서 물건(41)의 형상이 모두 완성된 이후에는 서포트(343)(즉, 플래시 페이퍼)를 제거해야 하는데, 이때는 3차원 출력부(4)안에 채워져 있던 이산화탄소를 모두 제거하고 산소(O2) 또는 일반 공기를 공급한 상태에서 제2고온 상태(400~500℃)를 만들면 된다. 플래시 페이퍼로 이루어진 서포트(343)는 제2고온 상태에서 모두 완전 연소되어 순식간에 사라지므로 깨끗한 상태의 출력물건(41)을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템(1)은, 종래 기술에서 합성수지 재질의 서포트를 사용했던 것과 비교하면(도31 참조), 알칼리 용매 등의 화학약품을 사용해 서포트를 녹여서 제거했던 종래 기술과 달리 서포트의 완전 연소에 의해서 훨씬 빠른 속도로 서포트를 제거할 수 있으며, 또한 완성된 물건에 아무런 변형을 주지 않으므로 물건의 완성도를 높일 수 있는 장점이 있다.
도3은 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템(1)의 파우더 패턴 형성기(20)의 사시도이다. 도3을 참고하면, 상기 파우더 패턴 형성기(20)는, 상하방향으로 승강 가능한 복수개의 가동블록들(211)이 모자이크의 픽셀을 구성하듯이 집결되어 이루어진 파우더 트레이(210)를 구비하며, 상기 파우더 트레이(210)의 하부에는 영구자석(220)과 제어유닛(230)이 설치되어 있다. 상기 가동블록들(211)은 그 밑면에 길이방향으로 연장된 폴(pole, 215)이 결합되어 있고, 상기 폴(215)에는 전선(217)이 코일(216) 형태로 감겨져 있다. 상기 코일(216)의 하단부와 이어진 전선(217)은 영구자석(220)에 각각 형성된 통과공(221)들을 지나서 제어유닛(230)에 접속된다. 상기 제어유닛(230)은 인쇄회로기판을 이용하여 제작할 수 있으며, 상기 용접점(231)에 의해서 상기 전선(217)과 제어유닛(230)간의 배선이 이루어진다.
상기 가동블록들(211)과 폴(215)은 모두 비자성체로 제작되며, 제어유닛(230)이 전선(217)에 소정의 전류를 공급하면 코일(216)에 전기장이 형성되어 코일(216) 자체가 극성을 갖게 된다. 예를 들어, 도2에서 상기 영구자석(220)의 윗면이 N극이고 아랫면이 S극이라고 할 때, 코일(216)에 공급된 전류에 의해서 코일(216)의 상단부가 S극, 하단부가 N극으로 대전되면 코일(216)과 영구자석(220)간에 척력이 발생하여 가동블록(211)이 영구자석(220)으로부터 가장 먼 거리로 밀려나게 된다. 도3에서 대부분의 가동블록들(211)이 가장 높이 올라간 상태로 그려져 있는데, 이 상태가 바로 코일(216)에 공급된 전류가 최대값으로 설정된 경우임을 의미한다. 그리고 제어유닛(230)이 코일(211)에 공급하는 전류의 세기를 약간 감소시킨 경우에는, 코일(216)이 영구자석(220)으로부터 밀쳐지는 힘이 다소 약하게 되어 가동블록(211) 자체의 자중에 의해서 약간 하강하게 된다(도면부호 212 참조). 도면부호 212와 같이 가동블록이 약간 하강한 상태를 '음각블록' 상태라고 칭하기로 한다. 제어유닛(230)이 코일(216)에 전류를 공급하지 않는 경우, 즉 전류를 차단한 경우에는, 코일(216)과 영구자석(220)간에 아무런 척력이 발생하지 않으므로 가동블록(211)은 자중에 의해서 최저 위치까지 하강하게 된다(도면부호 213 참조). 도면부호 213과 같이 가동블록이 최저 위치까지 하강한 상태를 '최저위치 음각블록' 상태라고 칭하기로 한다.
도3에 잘 나타난 바와 같이, 파우더 트레이(210)를 구성하는 복수 개의 가동블록들(211)은 모두 각각 폴(215)에 감긴 코일(216)의 전기장에 의해서 영구자석(220)위에 떠 있는 것이며, 전선(217)의 길이가 모두 일정하므로, 최대치의 전류가 코일들(216)에 공급되었을 때 가동블록들(211)이 모두 동일한 높이를 유지하게 된다. 상기 가동블록들(211)에 결합된 코일들(216)이 제어유닛(230)에 각각 개별적으로 배선이 연결되어서 전류를 공급받으므로, 제어유닛(230)은 각각의 가동블록들(211)의 높이 위치를 개별적으로 제어할 수 있다. 결국, 본 발명의 파우더 트레이(210)는 복수 개의 가동블록들(211)이 각각의 픽셀에 해당되며, 음각블록(212)에 의해서 함몰된 부분에 파우더가 채워짐으로써 소정의 패턴으로 파우더를 배치할 수 있다.
도3에 도시된 바와 같이, 상기 파우더 패턴 형성기(20)의 외부는 프레임(240)으로 구성되며, 프레임(240)의 측면(241)에 지지핸들(244)이 설치된다. 상기 지지핸들(244)은 도2에 도시된 제1이동기구(21)와 결합된다.
도4 내지 12는 도3의 파우더 패턴 형성기(20)의 측단면도들로서, 파우더 패턴 형성기(20)의 파우더 트레이(210) 위에 파우더(8)를 도포한 다음 원하는 위치에만 파우더(8)를 남기는 과정을 순서적으로 도시한다.
먼저, 도4는 파우더 트레이(210) 위에 파우더가 도포되기 이전 상태를 도시한 것으로서, 모든 가동블록들(211)이 최대 위치로 상승되어 있고, 파우더 트레이(210)의 표면은 모두 편평하게 유지되어 있다.
다음으로, 도5를 참고하면, 현재 제작할 물건의 단면에 대응되는 모양에 관한 데이터가 컴퓨터로부터 3차원 프린터 시스템으로 전송되면, 상기 제어유닛(230)은 각각의 가동블록들(211)의 코일(216)에 공급되는 전류를 개별적으로 제어하여, 파우더를 배치해야 할 가동블록(211)들에 대해서만 코일(216)에 공급하는 전류의 세기를 한 단계 감소시킨다. 이렇게 코일(216)의 전류가 감소된 가동블록(211)은 '음각형성두께' 만큼 높이가 낮아져 음각(陰刻) 상태에 있게 된다(도면부호 212 참조). 본 발명에 있어서 상기 음각 형성두께는 0.01~2㎜의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 한편, 도5에서 미설명 도면부호 242는 프레임(240)의 밑면을 가리킨다.
이렇게 파우더 트레이(210)에 음각이 형성된 후에는 파우더 도포기(22)가 파우더 트레이(210) 위를 지나가면서 파우더(8)를 뿌리며(도6 참조), 파우더 도포기(22)는 파우더(8)를 뿌리는 일을 완료한 후에 원위치로 복귀한다(도7 참조). 이어서 파우더 트레이(210)의 일측에서 대기하고 있던 스크레이퍼(23)가 파우더 트레이(210)의 표면 위를 밀고 지나가면서 가동블록들(211)의 위에 쌓여 있는 파우더(8)를 제거한다. 이때 정상높이의 가동블록들(211) 위에 있던 파우더(8)들은 스크레이퍼(23)에 의해서 제거되지만, 음각상태로 내려가 있는 음각블록(212) 위에 쌓여 있는 파우더는 '음각 형성 두께'만큼이 그대로 남게 된다. 도9는 스크레이퍼(23)가 1차적인 파우더(23)의 제거 작업을 마치고 원위치로 복귀한 상태를 도시한다.
그런데, 파우더는 매우 미세한 물질이기 때문에, 스크레이퍼(23)라는 기구적인 수단으로 긁어낸다고 하더라도 정상위치의 가동블록들(211)의 표면에 미세한 양의 파우더(8a)가 남아 있을 수 있다. 이렇게 미세하게 잔존하고 있는 파우더(8a)를 그대로 놔둔다면, 이후 3차원 출력부(4, 도2 참조)에서 제작하고자 하는 물건(41)의 단면 모양이 존재하지 않는 곳에 파우더를 잘못 투하하게 될 것이므로, 결국 물건을 제대로 만들지 못하는 결과를 낳을 수밖에 없다. 따라서 본 발명은 스크레이퍼(23)에 의해 1차적 및 기구적으로 파우더(8)를 제거한 후에 파우더 트레이(210) 위에 잘못 잔존하고 있는 파우더(8a)를 다시 한 번 정밀한 방식으로 제거하기 위하여 정전기를 이용한 흡착방식을 사용한다.
우선, 도10에 도시된 바와 같이, 음각상태로 내려가 있던 음각블록들(212)의 코일(216)에 공급되던 전류를 완전히 차단하여 상기 음각블록들(212)을 최저 위치로 하강시킨다(도면부호 213 참조). 그 후에 정전기를 발생하는 정전 흡착기(24)로 상기 파우더 트레이(210) 위를 훑어서 정상위치의 가동블록들(211) 위에 잔존하고 있던 파우더들(8a)을 모두 흡착하여 제거한다(도11 참조). 이렇게 정전 흡착기(24)를 이용하여 파우더(8a)를 제거할 때에도, 최저위치 음각블록들(213)위에 얹혀 있는 파우더(8)는 정전 흡착기(24)의 영향권으로부터 충분히 멀리 떨어져 있기 때문에 정전 흡착기(24)에 의해서 제거되지 않는다. 정전 흡착기(24)의 사용을 마친 후에 최저위치 음각블록들(213)을 다시 정상위치로 복귀시키면, 상기 음각블록들(213) 위에 얹혀 있던 파우더(8)는 이제 비로소 파우더 트레이(210)의 표면 위로 올라오게 된다(도12 참조).
도13은 앞서 설명한 도4 내지 도12의 과정을 거쳐서 파우더 트레이(210) 위에 소정의 모양대로의 파우더 패턴(8c)을 형성한 것을 도시한다. 본 발명의 도면에서는 편의상 출력 물건의 형상을 영문자 "A"의 형태로 표현하였다.
도14는 파우더 패턴 형성기(20)를 3차원 출력부(4)로 이송하는 단계를 도시하며, 도15 내지 도17은 상기 파우더 패턴 형성기(20)를 뒤집어서 파우더 트레이(210)위에 있던 파우더(8)를 출력 챔버(40)안에 투하하는 과정을 도시한다.
도4 내지 도13에 의해서 파우더 트레이(210) 위에 만들어진 파우더의 패턴(8c)은 상기 파우더 패턴 형성기(20)에 실린 채로 3차원 출력부(4)로 이송되어서 출력 챔버(40)안에 투하된다(도14 내지 도17). 파우더 패턴 형성기(20)가 이동되는 동안에도 파우더 트레이(210)는 전기적으로 대전되어 있으므로 그 전기적인 힘에 의해서 파우더(8)는 안정적으로 고정되어 있다.
도14 및 도15에 도시된 바와 같이, 제1이동기구(21, 도2 참조)가 파우더 패턴 형성기(20)의 프레임(240)의 측면(241)에 형성된 지지핸들(244)을 파지한 상태에서 3차원 출력부(4)로 이송시킨 다음, 파우더 패턴 형성기(20)를 뒤집어서 파우더 패턴 트레이(210)가 밑으로 향하도록 한다. 파우더(8)는 파우더 트레이(210)의 표면에 전기적인 힘에 의해서 달라붙어 있으므로, 파우더 패턴 형성기(20)를 뒤집더라도 파우더(8)가 곧바로 밑으로 떨어지지는 않는다.
한편, 도15를 참고하면, 가스 공급부(6)는 제1가스 공급부(61)와 제2가스 공급부(62)를 포함하며, 상기 제1 및 제2가스 공급부(61, 62)는 각각 제1공급배관(61a) 및 제2공급배관(62a)에 의해서 3차원 출력부(4)와 연결되어 있다. 그리고 상기 제1공급배관(61a)에는 제1밸브(61b)가 설치되어 있고, 상기 제2공급배관(62a)에는 제2밸브(62b)가 설치되어 있다. 그리고 도15에서 도면부호 40a는 출력 챔버(40)의 일 측면에 수직방향으로 마련된 '핸들 통과홈'으로서, 상기 파우더 패턴 형성기(20)의 지지핸들(244)이 지나가는 홈이다.
도16은 파우더 패턴 형성기(20)가 뒤집힌 상태에서 3차원 출력 챔버(40) 속으로 하강하는 장면을 도시하며, 도17은 상기 파우더 패턴 형성기(20)의 파우더 트레이(210)가 출력물건(41)에 근접한 상태에서 파우더(8)를 투하하는 장면을 도시한다. 앞서 파우더 트레이(210)의 표면에 파우더(8)가 고정되어 있었던 이유는 파우더 트레이(20)의 표면이 전기적으로 대전되어 있었기 때문이었으므로, 이제 파우더 트레이(20)의 표면에 대전되어 있던 전기적인 힘을 제거하면 파우더(8)는 그대로 낙하하게 된다.
도18은 본 발명의 3차원 프린터 시스템(1)에서 서포트 제작부(3)의 작업 테이블(31) 위로 서포트 시트(341)가 공급되는 과정을 도시한다.
도18을 참고하면, 서포트 제작부(3) 내에는, 서포트 시트(341)를 파우더 처리부(2)의 파우더 패턴(8c)과 동일한 모양으로 재단하기 위한 작업 테이블(31), 서포트 시트(341)를 저장하는 서포트 시트 저장부(340), 상기 서포트 시트 저장부(340)에 담겨 있는 서포트 시트(341)를 집어서 작업 테이블(31) 위로 이동시키는 서포트 시트 로딩 픽커(34), 및 작업 테이블(31) 위의 서포트 시트(341)를 재단된 후에 3차원 출력부(4)로 이동시키기 위한 서포트 캐리어(35)가 존재한다.
도18에 도시된 바와 같이, 서포트 시트 로딩 픽커(34)는 서포트 시트 저장부(340) 안에 보관되어 있는 서포트 시트(341) 한 장을 흡착해서 작업 테이블(31)의 위에 내려놓는다. 상기 작업 테이블(31)의 상부에는 복수 개의 승강 가능한 받침 블록들(311, 도21 참조)이 모자이크의 픽셀처럼 배치된 하부 타발 패턴부(31a)가 마련되어 있다. 도18에 도시된 서포트 캐리어(35)는 그 밑면에 정전 흡착판(351)이 설치되어 있어서 정전기를 이용해 서포트를 흡착할 수 있다. 상기 서포트 캐리어(35)는 예를 들어 진공 흡착하는 방식을 이용해서 서포트를 흡착하는 것도 가능하므로, 정전기 및 기타의 수단들을 이용해서 서포트를 흡착할 수 있다.
도19 내지 도22는 본 발명의 3차원 프린터 시스템(1)에서 서포트 제작부(3)의 작업 테이블(31) 위에 안치된 서포트 시트(341)를 패턴 재단기(32)로 타발하여 도13의 파우더 패턴(8c)에 대응되는 모양으로 재단하는 과정을 도시한다. 상기 패턴 재단기(32)의 밑면에는 서포트 시트(341)를 내려찍기 위한 상부 타발 패턴부(32a)가 설치되어 있고, 상부 타발 패턴부(32a)는 양각 형태로 돌출 가능한 복수개의 상부 타발 블록들(321)로 구성되어 있다(도20 참조).
도20 및 도21에 도시된 바와 같이, 작업 테이블(31)에는 음각 형태로 들어갈 수 있는 복수 개의 받침 블록들(311)로 구성된 하부 타발 패턴부(31a)가 설치되어 있으며, 반대로 작업 테이블(31)의 상방에 위치한 패턴 재단기(32)에는 양각 형태로 돌출될 수 있는 복수 개의 상부 타발블록들(321)로 구성된 상부 타발 패턴부(32a)가 형성되어 있다. 그리고 상기 작업 테이블(31)의 내부에는 상기 받침 블록들(311)의 승강 위치를 제어하기 위한 제1구동제어부(315)가 설치되어 있으며, 상기 패턴 재단기(32)의 내부에는 상기 상부 타발블록들(321)의 승강 위치를 제어하기 위한 제2구동제어부(325)가 설치되어 있다. 상기 제1 및 제2 구동제어부(315, 325)는 파우더 패턴 형성기(20, 도3 참조)의 영구자석(220) 및 제어유닛(230)과 동일한 구조로 제작될 수 있으며, 이때 파우더 트레이(210, 도3)의 가동블록들(211)의 경우와 마찬가지로 상부 타발블록들(321) 및 받침 블록들(311)에도 각각 코일들(미도시)이 설치되는 것이 바람직하다.
도20 및 도21에 도시된 바와 같이, 작업 테이블(31)의 상방에 위치한 패턴 재단기(32)가 하강해서 서포트 시트(341)를 내려찍게 되면, 양각 돌출된 타발블록들(322)의 모양대로 서포트 시트(341)의 일부 면적이 타발되어 잘려 나간다. 이러한 타발 작업의 결과 서포트 시트(341)에는 타발구멍들(341a)이 생기며, 이 재단과정을 거치고 나면 서포트(343)가 완성된다.
도21 및 도22은 패턴 재단기(32)가 타발작업을 마치고 다시 원위치로 상승한 상태를 도시한 것이다. 도20 내지 도22에서 미설명부호 32b는 패턴 재단기에 결합된 연결암을 의미한다.
도23 및 도24는 서포트 제작부(3)에서 완성된 서포트(343)를 서포트 캐리어(35)가 흡착하여 3차원 출력부(4)로 운반하는 과정을 도시한다. 도24를 참고하면, 파우더 패턴 형성기(20)는 파우더(8)의 투하를 마치고 파우더 처리부(2)로 복귀하고 있으며, 이때 서포트 캐리어(35)는 서포트(343)를 가지고서 3차원 출력부(4)로 이동하고 있다.
도25는 서포트 캐리어(35)가 운반한 서포트(343)를 3차원 출력부(4)의 출력 챔버(40) 내에 투하하는 과정을 도시하며, 도26은 투하된 서포트(343)가 앞서 투하된 파우더(8)를 보완하여 하나의 새로운 평면을 완성하는 상태를 도시한다. 도25 및 도26에 도시된 바와 같이, 서포트 캐리어(35)가 출력 챔버(40) 내에서 서포트(343)를 내려놓게 되면, 상기 서포트(343)는 파우더(8)가 존재하지 않는 위치에 놓여지게 되어 파우더(8)의 위치 변형을 막는 기능을 담당한다. 이때 3차원 출력부(4)의 내부 온도는 제1고온 상태(1500~2000℃)로 유지되고 있으므로, 지금 막 투하된 금속의 파우더(8)는 소결되어, 기존에 적층되어 있던 금속체와 일체가 된다. 한편, 이때 3차원 출력부(4)의 내부는 가스공급부(6)에서 공급된 제1가스(즉, 이산화탄소)로 채워져 있으므로, 서포트 시트(즉 플래시 페이퍼)(343)는 연소되지 않으며 원래 상태 그대로를 유지하고 있다.
이렇게 3차원 출력부(4)안에서 파우더(8)의 소결로 한 층이 더 올라간 다음에는, 도4 내지 도26까지의 과정들이 계속적으로 반복되어 진행된다.
도27은 3차원 출력부(4)에서 물건(41)과 서포트(343)의 적층이 완료된 상태를 도시하며, 도28은 고열발생부(5)에서 제2고온 상태의 열을 3차원 출력부(4)에 공급하여 서포트(343)를 연소시키는 과정을 도시하고, 도29는 출력 챔버(40) 내에 서포트(343)가 완전히 제거되고 출력물건(41)만이 남게 된 상태를 도시한다.
도27에 도시된 것처럼 파우더(41)와 서포트(343)를 적층하는 작업이 모두 완료된 후에는, 지금까지 3차원 출력부(4) 안에 채워져 있던 제1가스(즉, 이산화탄소)를 빼내고 제2가스(예를 들어 산소 혹은 일반 공기)를 투입한다. 이 상태에서 3차원 출력부(4)의 내부 온도를 제2고온 상태(400~500℃)로 유지하면, 플래시 페이퍼가 자연적으로 연소되어 사라지게 되며, 그 결과 출력 챔버(40) 안에는 출력 물건(41)만이 남는다(도29 참조).
여기서, 플래시 페이퍼는 400~500℃의 온도가 되면 자연 발화하므로, 플래시 페이퍼로 된 서포트들(343)의 제거를 위해서는 3차원 출력부(4)안의 온도를 400~500℃로 조성해도 되고, 혹은 앞서 파우더의 소결 과정에서 유지했던 대로 1500~2000℃의 온도를 그대로 유지해도 된다.
도30은 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템에서 3차원 프린팅이 진행되는 과정을 순서도로 정리한 것이다. 도30을 참고하면, 파우더 처리부(2)에서는 먼저 전류제어를 통해 파우더 트레이(210)에 음각을 형성한 다음(S1 단계), 파우더 트레이(210)에 파우더(8)를 도포하고(S2 단계), 음각 부분 이외의 가동블록들(211) 위에 놓인 파우더를 스크레이퍼(23)로 긁어 1차 제거한다(S3 단계). 이어서 파우더 트레이(210)의 음각블록들(212)에 대한 전류를 차단하여 음각블록을 최저위치로 하강시키고(S4 단계), 음각 부분(212) 이외의 가동블록들(211) 위에 남아 있는 잔존 파우더(8a)를 정전기적 수단을 사용하여 흡착해서 제거한다(S5 단계). 즉, 정전기를 이용한 2차적 제거수단을 사용하여 음각 이외의 부분들에 남아 있는 파우더를 제거하는 것이다. 다음으로, 음각블록들(213)에 정상전류를 공급해서 상승시키고, 파우더 트레이(210)를 대전시켜서 파우더를 고정시킨 후에는(S6 단계), 파우더 트레이(210)를 3차원 출력부(4)로 이송하여(S7 단계) 3차원 출력부(4)에 파우더를 투하한 다음(S8 단계), 파우더 트레이(210)를 원위치로 복귀시킨다.
그리고 한편 서포트 제작부(3)에서는 파우더 처리부(2)에서 파우더의 패턴을 형성한 것과 연동되어 플래시 페이퍼를 타발한다. 즉, 플래시 페이퍼(341)를 서포트 재단부(30)에 공급하면(S11 단계), 서포트 재단부(30)가 플래시 페이퍼를 타발하여 서포트(343)를 제작하고(S12 단계), 서포트 캐리어(35)가 서포트(343)를 3차원 출력부(4)로 이송한다(S13 단계).
3차원 출력부(4)에서는 파우더(8)가 투하된 뒤 서포트(343)를 투하하여 현재 투입된 파우더(8)의 위치를 지지하며(S20 단계), 3차원 출력부(4)의 온도를 제1고온 상태(1500~2000℃)로 유지하여(S22 단계) 금속 재질의 파우더(8)를 소결시킨다. 이때 3차원 출력부(4)의 내부는 플래시 페이퍼의 연소를 막기 위해 이산화탄소로 채워지며(S21 단계), 이러한 과정을 통해서 현재 새롭게 소결된 금속 파우더는 기존에 소결되어 있던 금속체와 결합되어 일체로 된다.
상기 S1 내지 S22 단계를 반복하여 금속 재질의 파우더로 물건의 형태대로 적층하는 작업을 모두 마치고 나면, 3차원 출력부(4)의 내부에 채워져 있던 이산화탄소를 빼내고 대신 산소 혹은 일반 공기를 채워넣는다(S24 단계). 3차원 출력부를 제2고온상태(400~500℃)로 유지하거나 혹은 제1고온상태로 그대로 유지하면(S25 단계), 플래시 페이퍼로 이루어진 서포트(343)는 모두 완전 연소되어 신속하게 사라지게 되고(S26 단계), 그 결과 3차원 출력물건(41)이 완성된다(S27 단계).
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템은 합성수지뿐만 아니라 금속 소재의 분말을 이용해서 3차원 프린팅을 수행할 수 있기 때문에, 공구 등과 같이 상당한 강도를 요구하는 제품을 만들 경우에도, 정식 제품과 동일한 재질 및 동일한 강도로 직접 생산할 수 있는 장점이 있다. 본 발명을 이용하면 금속 소재의 분말을 소결시켜 금형 등을 직접 제작할 수 있으므로 정밀한 구조의 금형을 손쉽게 제작할 수 있고, 금형 제작에 드는 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 파우더의 재질에 관한 제한없이 거의 모든 물질의 다 이용해서 3차원 프린팅을 할 수 있는 장점이 있다.
그리고 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템은 가정에서 사용할 경우 소비자가 귀금속이나 액세서리의 설계도를 다운로드받아서 직접 자기가 원하는 대로 귀금속 및 액세서리를 제작할 수 있으므로 각자의 취향대로 제품을 만들어 즐길 수 있도록 하는 장점이 있다.
한편, 본 발명에 다른 3차원 프린터 시스템은 파우더를 지탱할 서포트로서 플래시 페이퍼 또는 승화성 물질을 사용하므로 그 플래시 페이퍼 또는 승화성 물질이 연소되거나 기체로 전환되는 온도만 조성해 주면 깨끗하고 손쉽게 제거되는 특성이 있으며, 그 결과 물건의 구조에 제한없이 어떠한 구조의 물건이라도 모두 만들어 낼 수 있는 장점이 있다.
그리고 본 발명에 따른 3차원 프린터 시스템을 기존의 기술들과 비교하면, 다음과 같은 차이점이 있다.
(1) 본 발명의 경우에는 재료의 제한이 없으며 가루 형태가 되고 고열로 녹아서 액체로 변경 가능한 재질은 모두 사용이 가능하다.
(2) 현재 유리의 가공은 고급 인력에 의존하여 행해지고 있으며 가공의 정밀도가 매우 떨어진다. 이에 반해 본 발명의 기술을 이용할 시에는 유리의 정밀가공 및 반복 제한 도한 가능해질 것으로 예상된다.
(3) 본 발명은 면 단위의 프린트 기술이므로, 물건의 제작속도를 비약적으로 향상시켰다.
(4) 본 발명은 플래시 페이퍼라는 특수 재질의 서포트를 사용하지만, 플래시 페이퍼는 앞으로 저렴한 원가로 보급될 수 있는 것이므로 충분한 경제성을 갖추고 있다. 그리고 본 발명은 플래시 페이퍼를 이용해서 제작한 서포트의 제거가 매우 용이한 장점이 있다.
한편, 본 발명은 파우더의 재질에 있어서 빛이나 기타 다른 화학적 처리에 의해 자성의 방향이 달라지는 물질을 사용할 경우에는 보다 쉽게 파우더 패턴의 조절이 가능할 수 있으며, 다른 승화성 물질을 서포트로 사용하면 서포트의 제거가 한층 더 용이해질 수 있을 것이다. 그리고 전기, 열, 빛, 화학반응 등의 현상을 통해서 파우더 트레이의 배열을 제어할 수 있게 될 경우에는 더욱 쉽게 파우더 물질의 배열을 조절하고 보다 정교한 물건을 제작하는 것이 가능할 것으로 전망된다.
1: 3차원 프린터 2: 파우더 처리부
3: 서포트 제작부 4: 3차원 출력부
5: 고온 발생부 6: 가스 공급부
7: 제어부 8: 파우더
8a: 잔존 파우더 8b: 흡착된 파우더
8c: 파우더 패턴 20: 파우더 패턴 형성기
21: 제1이동기구 22: 파우더 도포기
22a: 파우더 투하구 23: 스크레이퍼(scraper)
23a: 구동부 24: 정전 흡착기
24a: 구동부 30: 서포트 재단부
31: 작업테이블 31a: 하부 타발 패턴부
32: 패턴 재단기 32a: 상부 타발 패턴부
32b: 연결암 33: 구동부
34: 서포트 시트 로딩 픽커(loading picker)
34a: 구동부 35: 서포트 캐리어(carrier)
35a: 제2이동기구 35b: 연결암
40: 출력 챔버 40a: 핸들 통과홈
41: 3차원 출력물건 61: 제1가스(이산화탄소) 공급부
61a, 62a: 공급배관 61b, 62b: 밸브
62: 제2가스(산소) 공급부
210: 파우더 트레이(powder tray) 211: 가동블록
212: 음각블록 213: 최저위치 음각블록
215: 폴(pole) 216: 코일(coil)
217: 전선 220: 영구자석
221: 통과공 230: 제어유닛
231: 용접점 240: 프레임
241: 측면 242: 밑면
244: 지지핸들 311: 받침블록
312: 음각블록 315: 구동제어부
321: 상부 타발블록 322: 양각돌출된 타발블록
325: 구동제어부 340: 서포트 시트 저장부
341: 서포트 시트 341a: 타공구멍
343: 서포트 351: 정전 흡착판
410: 3차원 출력물건 411: 서포트

Claims (11)

  1. 파우더 물질로 이루어진 얇은 면들을 층층이 쌓아올려 입체적 형상의 물건을 제작하는 3차원 프린터 시스템에 있어서,
    상하방향으로 승강 가능한 복수개의 가동블록들(211)로 이루어진 파우더 트레이(210) 위에 파우더(8)를 도포한 다음, 상기 가동블록들(211) 중의 일부에만 파우더를 남기고 나머지 가동블록들 위의 파우더는 제거함으로써, 상기 물건의 높이 위치에 따른 평면 모양대로의 파우더 패턴(8c)을 상기 파우더 트레이(210) 위에 고정시키는 파우더 처리부(2);
    상기 파우더 처리부(2)에서 만들어진 파우더 패턴(8c)에 대응되는 모양으로 서포트 시트(support sheet, 341)를 재단하여 상기 물건의 높이 위치에 대응되는 서포트(343)를 제작하는 서포트 제작부(3);
    상기 파우더 처리부(2)에서 만들어진 파우더 패턴(8c)의 파우더(8)와 상기 서포트 제작부(3)에서 만들어진 서포트(343)를 투하하고 제1고온 상태로 가열하여 상기 파우더(8)를 일체화시킴으로써, 파우더(8)로 구성된 얇은 면들을 층층이 쌓아올려 입체적 형상의 물건(41)을 완성해가는 3차원 출력부(4); 및
    상기 제1고온 상태의 열을 발생시켜 상기 3차원 출력부(4)로 공급하는 고온 발생부(5);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파우더 처리부(2)는,
    상기 파우더 트레이(210)를 구성하는 각각의 가동블록들(211)의 승강 위치를 조절함으로써 음각 패턴을 형성하여 상기 물건(41)의 높이 위치에 대응되는 평면의 모양대로 파우더(8)를 고정시키는 파우더 패턴 형성기(20);
    상기 파우더 트레이(210) 위에 파우더(8)를 투하하는 파우더 도포기(22); 및
    상기 파우더 트레이(210) 위를 긁어서 파우더(8)를 기구적인 방법으로 제거하는 스크레이퍼(scraper, 23);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파우더 패턴 형성기(20)는, 상기 파우더 트레이(210)의 아래에 설치된 영구자석(220)과, 상기 영구자석(220)의 아래에 설치된 제어유닛(230)을 포함하며,
    상기 파우더 트레이(210)를 구성하는 각각의 가동블록들(211)은 하부에 길이방향으로 연장된 폴(pole, 215)을 갖고, 상기 폴(215)에는 코일(216)이 감겨져 있으며, 상기 코일(216)은 상기 제어유닛(230)에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 3차원 프린터 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가동블록(211) 및 상기 폴(215)은 비자성체 물질로 제작되며,
    상기 제어유닛(230)이 상기 각각의 가동블록(211)에 결합된 코일(216)에 공급하는 전류의 세기에 따라 상기 가동블록(211)의 상하방향 승강위치들이 결정되고,
    상기 가동블록(211)의 승강위치들은, 상기 코일(216)에 최대치의 전류가 공급되어 상기 가동블록(211)이 가장 높은 위치로 상승한 상태인 정상 높이 위치, 상기 코일(216)에 공급되는 전류의 세기가 감소되어 상기 정상높이 위치보다 음각형성두께 만큼 낮아진 상태인 음각 높이 위치, 그리고 상기 코일(216)로의 전류가 차단되어 상기 가동블록(211)이 최대로 하강한 상태인 최저위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 파우더 처리부(2)는, 상기 스크레이퍼(23)를 사용한 뒤에도 상기 파우더 트레이(210)의 표면에 남아 있는 파우더들(8)을 정전기를 이용하여 제거하는 정전 흡착기(24)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 파우더 처리부(2)는, 상기 파우더 패턴 형성기(20)를 상기 3차원 출력부(4)까지 왕복 이동시키는 제1이동기구(21)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터 시스템.
  7. 제2항에 있어서, 상기 서포트 제작부(3)는,
    상기 서포트 시트(341)를 저장하는 서포트 시트 저장부(340);
    상하방향으로 위치 변동이 가능한 복수개의 타발 블록들(blanking block, 321)로 이루어진 타발 패턴부(32a)를 구비하며, 상기 파우더 패턴 형성기(20)의 작동에 연동되어 상기 타발 블록들(321)의 위치를 제어함으로써 상기 서포트 시트(341)를 타발하는 서포트 재단부(30);
    상기 서포트 시트 저장부(340)에 담긴 서포트 시트(341)를 상기 서포트 재단부(30)로 공급하는 서포트 시트 로딩 픽커(34);
    상기 서포트 제작부(3)에서 제작된 서포트(343)를 흡착하여 운반하는 서포트 캐리어(35); 및
    상기 서포트 캐리어(35)를 상기 3차원 출력부(4)까지 왕복 이동시키는 제2이동기구(35a);를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터 시스템.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 서포트(343)에서 타발되어 제거된 면적 부분들은 상기 파우더 패턴(8c)과 일치하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 서포트 시트(341)는 플래시 페이퍼(flash paper) 또는 승화성 물질로 제작되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 3차원 출력부(4)안에 존재하는 상기 서포트(343)가 상기 제1고온 상태에서 연소 또는 승화되는 것을 방지하기 위한 제1가스를 공급하는 가스공급부(6)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 3차원 출력부(4)안에서 상기 물건의 형상이 완성된 후에, 상기 고온발생부(5)는 제2고온 상태의 열을 3차원 출력부(4)로 공급하고, 이때 상기 가스공급부(6)는 상기 서포트(343)가 연소되거나 승화될 수 있는 분위기를 제공하는 제2가스를 상기 3차원 출력부(4)로 공급하며, 상기 제2고온상태는 상기 제1고온상태보다 낮은 온도 상태인 것을 특징으로 하는 3차원 프린터 시스템.
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