KR20160065441A

KR20160065441A - 3차원 구조물의 적층형성장치

Info

Publication number: KR20160065441A
Application number: KR1020140169396A
Authority: KR
Inventors: 도용욱; 이정현
Original assignee: 참엔지니어링(주)
Priority date: 2014-12-01
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2016-06-09

Abstract

본 발명은 3차원 구조물의 적층형성장치에 대한 것으로 더욱 상세하게는 각 레이어에서 선택적 소결을 마친 후 발생하는 부피 편차를 보상하여 제작된 3차원 구조물의 정밀도를 향상시키고, 각 레이어에서 소결 후 나타나는 부피 편차를 보상하여 후속되는 레이어를 균일하게 형성할 수 있는 3차원 구조물의 적층형성장치에 대한 것이다.
본 발명의 3차원 구조물의 적층형성장치는 3차원 구조물을 적층하기 위한 소재가 담겨진 소재저장모듈과, 3차원 구조물이 적층형성되는 성형모듈과, 소재저장모듈의 소재를 이동시켜 성형모듈에 균일한 레이어를 형성하는 레이어 형성모듈과, 레이어 형성모듈에 의해 형성된 레이어에서 3차원 구조물 단면에 따라 레이어를 선택적으로 소결하기 위한 선택적 소결모듈과, 선택적 소결모듈에 의해 소결된 후 체적 변화에 따른 편차를 보상하기 위해 소결된 부분에 국부적으로 소재를 보충한 후 소결하는 국부 소결모듈을 포함한다.
본 발명의 3차원 구조물의 적층형성장치에 따르면 적층 형성된 3차원 구조물의 정밀도를 향상시킬 수 있고, 각 레이어마다 소결 후 부피 편차를 보정함으로써 다음 레이어의 두께를 형성할 수 있으며, 환형빔을 사용하여 소재의 보충과 동시에 소결이 이루어짐에 따라 부피 편차를 보정하는 시간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

3차원 구조물의 적층형성장치{Apparatus for additive forming of 3 dimension object}

본 발명은 3차원 구조물을 적층하여 형성하는 장치에 대한 것으로, 3차원 구조물을 적층형성하기 위해 3차원 구조물을 일정한 두께의 레이어로 분할한 후 분할된 3차원 구조물의 레이어의 단면형상에 따라 미리 형성된 균일한 레이어에 선택적으로 열을 가하여 소결하는 과정을 통해 3차원 구조물을 적층 형성하는 3차원 구조물의 적층형성장치에 대한 것이다.

최근 3차원 구조물을 적층형성하기 위한 3D 프린팅 기술이 각광을 받고 있다. 3D 프린팅 기술은 종래 2차원 내에서 이루어지던 프린팅을 넘어 3차원 구조물을 다양한 소재 및 방식을 활용하여 형성하는 기술로서 산업용으로 RP(Rapid Prototype : 쾌속조형)에 활용되어 주물, 단조, 기계적 절삭가공을 거치지 않고 3차원 구조물을 신속하게 만드는데 활용될 뿐만 아니라 항공, 우주용 부품 중 종래의 가공방식으로는 제조가 불가능한 부품을 제조하는데 활용되기도 한다.

이러한 3D 프린팅 기술은 산업용뿐만 아니라 개인용으로도 보급이 확산되고 있으며 개인 맞춤형으로 본인만의 3차원 구조물을 제작하는데 광범위하게 활용되고 있다.

이러한 3D Printing 기술은 크게 3가지로 분류되는데 고체형 재료를 사용하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식과 액체형 재료를 사용하는 SLA(Setero Lithography Apparatus) 방식과 파우더형 재료를 사용하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식으로 나눌 수 있다.

FDM 방식은 주로 플라스틱 재료를 활용하는데 필라멘트라고 불리는 얇은 플라스틱 실을 고온의 히터를 통과시키면서 녹인 다음 아래에서 위로 층층이 쌓아가는 방식으로 가격이 저렴하여 주로 개인용으로 사용되고 있고, SLA 방식은 빛을 받으면 고체로 변하는 광경화성 수지(액체 플라스틱)가 들어있는 수조에 레이저 빔을 쏘아서 필요한 부분만 고체화시키는 방식으로 소재가 광경화성 수지에 한정되며 출력물의 내구성이 떨어지는 단점이 있다.

SLS 방식은 레이저 빔을 이용한다는 측면에서 SLA 방식과 유사하지만 파우더형 재료(플라스틱 분말, 모래, 금속 등)를 이용하여 균일한 레이어를 형성한 후 레이저를 이용하여 선택적으로 소결시켜 3차원 구조물을 제작하는 방식으로 다양한 소재를 활용할 수 있고, 소재의 재활용이 가능한 장점이 있지만 장비의 가격이 고가이고 사용방식이 복잡한 단점이 있다.

SLS 방식의 경우 레이저를 이용하여 3차원 구조물의 단면 형상에 맞추어 균일한 레이어를 선택적으로 소결하고 이를 적층하여 3차원 구조물을 제작하는 방식인데 통상적으로 어떤 소재든 소결되는 과정에서 내부의 공극 등으로 인해 파우더형 분말일 때보다 부피가 줄어들게 되고 소결되는 면적의 크고 작음에 따라 줄어드는 부피의 양에 차이가 있어 각 층마다 균일한 레이어를 형성하기가 어려운 문제점이 있다.

또한, 각 선택 소결된 레이어를 적층하여 형성된 3차원 구조물에서 각 레이어의 소결 후 부피 편차가 누적되어 전체적인 정밀도가 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 각 레이어에서 선택적 소결을 마친 후 발생하는 부피 편차를 보상하여 제작된 3차원 구조물의 정밀도를 향상시키고, 각 레이어에서 소결 후 나타나는 부피 편차를 보상하여 후속되는 레이어를 균일하게 형성할 수 있는 3차원 구조물의 적층형성장치을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 3차원 구조물의 적층형성장치는 3차원 구조물을 적층하기 위한 소재가 담겨진 소재저장모듈과, 3차원 구조물이 적층형성되는 성형모듈과, 소재저장모듈의 소재를 이동시켜 성형모듈에 균일한 레이어를 형성하는 레이어 형성모듈과, 레이어 형성모듈에 의해 형성된 레이어에서 3차원 구조물 단면에 따라 레이어를 선택적으로 소결하기 위한 선택적 소결모듈과, 선택적 소결모듈에 의해 소결된 후 체적 변화에 따른 편차를 보상하기 위해 소결된 부분에 국부적으로 소재를 보충한 후 소결하는 국부 소결모듈을 포함한다.

또한, 성형모듈의 하부에는 선택적 소결모듈에 의한 소결에 의해 발생하는 열에 의한 변형을 방지하기 위해 내열재를 포함하여 이루어지는 것을 특징한다.

또한, 레이어 형성모듈은 상기 소재저장모듈에 담긴 소재의 일부를 이동시키기 위한 바(bar)를 포함하여 이루어지고, 바는 소재저장모듈의 상부 소재 일부를 밀어 성형모듈로 이동시켜 균일한 레이어를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 내열재 및 바의 하단부는 세라믹 재질인 것을 특징으로 한다.

또한, 선택적 소결모듈은 성형모듈에 형성된 균일한 레이어 중 3차원 구조물의 단면을 따라 소결시키기 위하여, 레이저를 발생시키는 레이저 소스와, 상기 레이저 소스를 선택적으로 조사하는 스캐너를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 국부 소결모듈은 선택적 소결모듈에 의해 소결된 부분에 소재를 보충하는 소재보충모듈과, 보충된 소재를 소결하기 위한 보충소재 소결모듈을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 소재보충모듈은 잉크형태의 소재를 전기수력학을 이용하여 보충하는 것을 특징으로 한다.

또한, 소재보충모듈은 분말형태의 소재를 압력을 이용하여 보충하는 것을 특징으로 한다.

또한, 보충소재 소결모듈은 소재보충모듈의 주위를 환형형태의 레이저를 통해 소결하는 것을 특징으로 한다.

또한, 국부 소결모듈에서 소결은 국부적으로 소재를 보충된 부분에 선택적 소결모듈을 이용하여 소결하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 구성의 본 발명은 적층 형성된 3차원 구조물의 정밀도를 향상시키는 효과가 있다.

또한, 각 레이어마다 소결 후 부피 편차를 보정함으로써 다음 레이어의 두께를 형성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 환형빔을 사용하여 소재의 보충과 동시에 소결이 이루어짐에 따라 부피 편차를 보정하는 시간을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 구조물의 적층형성장치의 블록도이고,
도 2는 도 1의 A 부분에 대한 확대도이고,
도 3은 본 발명의 국부소결모듈의 일실시예를 나타내는 블록도이다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 3차원 구조물의 적층형성장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 구조물의 적층형성장치의 블록도이다.

본 발명의 3차원 구조물의 적층형성장치는 형성하고자 하는 3차원 구조물을 이루는 파우더(분말) 타입의 소재가 담긴 소재저장모듈(100)과 소재저장모듈(100)에서 공급된 소재가 선택적 소결을 통해 적층 형성되는 성형모듈(200)과 소재저장모듈(100)의 소재를 성형모듈(200)로 이동시켜 균일한 레이어(40)를 형성하는 레이어 형성모듈(300)과 성형모듈(200)에 형성된 균일한 레이어(40)를 3차원 구조물의 단면 형태에 따라 선택적으로 소결하기 위해 열을 가하는 선택적 소결모듈(400)과 선택적으로 소결된 부분(30)에서 소결 후 발생하는 체적 변화에 따른 편차를 보상하기 위해 소결된 부분에 국부적으로 소재를 보충한 후 소결하는 국부 소결모듈(500)을 포함하여 이루어진다.

본 발명의 소재저장모듈(100)은 3차원 구조물을 적층형성하기 위한 소재가 저장되는 구성으로 3차원 구조물을 형성하는 금속, 플라스틱, 세라믹 등의 소재가 분말 타입으로 담겨진 모듈이다. 소재저장모듈(100)에 담겨진 소재(10)는 레이어 형성모듈(300)에 의해 성형모듈(200)로 옮겨져 균일한 레이어(40)를 형성하게 되는데 도면에 도시되지는 않았지만 레이어 형성모듈(300)에 의해 소재가 원활하게 이동하도록 하기 위해 소재저장모듈(100)에 저장된 소재를 상부로 밀어올리기 위한 구성이 추가될 수도 있다. 또한, 성형모듈(200)에 균일한 레이어를 형성하기 위해 성형모듈(200)의 형태에 따라 소재저장모듈(100)의 형태가 변경될 수도 있다. 예컨대 성형모듈(200)의 형태가 원형인 경우 소재저장모듈(100)의 형태도 원형으로 형성될 수도 있고, 레이어 형성모듈(300)에 의해 이동되는 소재의 이동량 및 분배의 균일성을 확보하기 위해 소재저장모듈(100)의 상하좌우에서 공급되는 소재의 양을 달리할 수 있도록 설계될 수도 있다.

본 발명의 성형모듈(200)은 소재저장모듈(100)에서 공급된 소재가 레이어 형성모듈(300)에 의해 균일한 레이어(40)가 형성되고 선택적 소결에 의해 형성하고자 하는 3차원 구조물의 각 단면이 형성되고 적층되는 구성이다. 성형모듈(200)에는 각 레이어가 선택적으로 소결되어 3차원 구조물의 각 단면이 형성되면 다음 레이어의 형성을 위해 하부로 이동되는 이동 수단(210)을 포함하여 이루어진다. 이는 레이어가 형성된 후 다음 균일한 레이어를 형성하기 위한 소재가 레이어를 형성할 공간을 확보하여야 하기 때문이고 형성되는 레이어의 두께를 고려하여 조절되어야 함은 물론이다.

성형모듈(200)은 선택적 소결에 의해 3차원 구조물의 각 단면이 형성되는 만큼 국부적으로 소결을 위한 열이 공급되는 관계로 온도가 높게 형성되는 특징이 있다. 예를 들어 티타늄(Ti)의 경우 녹는점이 대략 1600도가 넘기 때문에 소결을 위해 높은 열이 성형모듈(200)에 가해지고 이 때문에 성형모듈(200)이 손상되거나 변형이 발생할 수 있다. 따라서 주로 열이 가해지는 부분에 내열성이 강한 내열재(215)로 보강하여 성형모듈(200)의 손상 또는 변형을 방지하는 것이 바람직하다. 이러한 내열재로는 세라믹이 적당하지만 성형모듈(200)에 가해지는 열의 정도에 따라 그에 적합한 소재를 채용할 수 있음은 물론이다.

본 발명의 레이어 형성모듈(300)은 소재저장모듈(100)의 소재를 성형모듈(200)로 이동하여 성형모듈(200)의 상부에 균일한 두께의 레이어(40)를 형성하는 구성이다. 레이어 형성모듈(300)은 소재저장모듈(100)의 소재를 이동시켜 성형모듈(200)에 균일한 두께의 레이어를 형성하는 만큼 도 1에 도시된 것과 같이 바 타입의 형태를 갖는 것이 바람직하겠지만 소재의 종류, 분말의 크기와 형태 등을 고려하여 원통타입 등 형태를 다양하게 할 수도 있고, 레이어 형성모듈(300)의 하부에 소재의 특성을 고려하여 다양한 재질을 채용할 수도 있다. 예컨대 소재가 고온의 녹는점을 가질 경우 소결 후 남아있는 열에 견딜 수 있도록 내열재를 채택할 수도 있고, 내열재를 채택할 경우 소재의 녹는점 등 특성에 따라 달라질 수 있지만 고온에 견딜 수 있는 세라믹이 바람직하다. 또한, 한 번에 균일한 두께의 레이어를 형성하기 어려운 경우 여러 번에 나누어 레이어를 형성할 수도 있다. 레이어 형성모듈(300)에 의해 성형모듈(300)에 균일한 레이어(40)를 형성하고 남은 소재는 소재수거모듈(600)으로 회수하여 재사용이 가능하다.

본 발명의 선택적 소결모듈(400)은 성형모듈(300)에 형성된 균일한 레이어에 선택적으로 열을 가하여 소재를 소결시키는 구성으로 적층형성하고자 하는 3차원 구조물의 각 단면의 형태에 따라 균일한 레이어(40)에 열을 가하여 소결시키는 구성이다. 소재를 선택적으로 소결시키기 위해 가하는 열은 레이저 소스(700)와 스캐너를 이용하는 것이 바람직한데 이는 레이저가 국부적으로 높은 열을 손쉽게 얻을 수 있고, 스캐너는 높은 정밀도로 원하는 위치에 레이저를 조사할 수 있기 때문이다. 물론 스캐너 이외에 미러, 렌즈 등 광학소자를 조합하여 선택적으로 소재에 조사하여 소결시킬 수 있도록 구성하는 것도 무방하다.

본 발명의 국부 소결모듈(500)은 레이어에서 선택적으로 소결된 후 체적변화에 따른 편차를 보충하기 위해 소결된 부분(30)에 국부적으로 소재를 공급한 후 공급된 소재를 소결시켜 기 소결된 부분(30)의 체적변화에 따른 편차를 보상하는 구성이다. 이를 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하면 도 2에 도시한 것과 같이 성형모듈(200)에서 선택적으로 소결된 부분은 파우더 사이에 있는 공극이 없어지기 때문에 소결 전후에 체적변화가 있게 된다. 이러한 체적변화는 다음에 형성되는 레이어의 균일한 두께를 유지하는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 적층 형성된 3차원 구조물의 정밀도를 떨어뜨리는 문제가 발생하게 된다. 따라서 본 발명의 국부 소결모듈(500)은 소결 전후에 체적변화에 따른 편차를 보상하기 위해 소결된 부분에 소재를 보충하고(15) 이를 소결하여 소결되지 않은 소재부분과의 편차를 없애는 기능을 수행한다. 국부적으로 보충되는 소재(15)는 도 2에 도시한 것과 같이 소결 후 체적변화를 감안하여 보충하는 것이 바람직하다.

국부 소결모듈(500)은 소결된 부분에 소재를 보충하기 위한 소재보충모듈(510)과 보충된 소재(20)를 소결하기 위한 보충소재 소결모듈을 포함하여 이루어지는데 소재보충모듈(510)은 도 3에 도시한 것과 같이 소재를 잉크의 형태로 만든 후 전기수력학(EHD : Electro Hydro Dynamic)을 이용하여 보충할 수도 있고, 분말형태의 소재를 노즐에 압력을 가하여 보충할 수도 있다. 전기수력학을 이용하는 경우 보충되는 소재의 양을 미세하게 조절할 수 있는 장점이 있는 반면 용매의 함량을 감안하여 소재를 보충하여야 하고 소재에 따라 잉크를 개별적으로 만들어야 하는 단점이 있고, 분말형태의 소재를 이용하는 경우 소재의 양을 미세하게 조절하는 것이 어려운 단점이 있지만 레이어와 동일한 형태의 소재를 사용하므로 소재저장모듈(100)에 담긴 소재를 그대로 활용할 수 있는 장점이 있다.

보충소재 소결모듈은 도 3에 도시한 것과 같이 소재보충모듈(510)의 주위로 환형빔(520)을 형성하여 소재가 보충되는 대로 소결하는 구성으로서 소재의 보충과 동시에 소결이 이루어지므로 편차를 보정하는 시간을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 다만 별도의 구성을 추가하여야 하므로 장비가 복잡해지는 단점이 있지만 소재의 보충 즉시 소결이 이루어지므로 보충된 소재가 소결되지 않은 부분으로 전이되는 것을 막을 수 있고 편차를 보다 정밀하게 보정할 수 있는 장점이 있다.

물론 보충소재 소결모듈을 별도로 마련하지 않고 소재보충모듈(510)을 통해 소재의 보충이 이루어진 후 선택적 소결모듈(400)을 통해 국부적으로 보충된 소재를 소결하여도 무방하다.

소재저장모듈 : 100 성형모듈 : 200
레이어 형성모듈 : 300 선택적 소결모듈 : 400
국부 소결모듈 : 500

Claims

3차원 구조물을 적층 형성하기 위한 적층형성장치에 있어서,
3차원 구조물을 적층하기 위한 소재가 담겨진 소재저장모듈과,
상기 3차원 구조물이 적층형성되는 성형모듈과,
상기 소재저장모듈의 소재를 이동시켜 상기 성형모듈에 균일한 레이어를 형성하는 레이어 형성모듈과,
상기 레이어 형성모듈에 의해 형성된 레이어에서 상기 3차원 구조물 단면에 따라 상기 레이어를 선택적으로 소결하기 위한 선택적 소결모듈과,
상기 선택적 소결모듈에 의해 소결된 후 체적 변화에 따른 편차를 보상하기 위해 소결된 부분에 국부적으로 소재를 보충한 후 소결하는 국부 소결모듈을 포함하는 3차원 구조물의 적층형성장치.
청구항 1에서,
상기 성형모듈의 하부에는 상기 선택적 소결모듈에 의한 소결에 의해 발생하는 열에 의한 변형을 방지하기 위해 내열재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 구조물의 적층형성장치.
청구항 1에서,
상기 레이어 형성모듈은 상기 소재저장모듈에 담긴 소재의 일부를 이동시키기 위한 바(bar)를 포함하여 이루어지고,
상기 바는 소재저장모듈의 상부 소재 일부를 밀어 성형모듈로 이동시켜 균일한 레이어를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조물의 적층형성장치.
청구항 2 또는 3에서,
상기 내열재 및 바의 하단부는 세라믹 재질인 것을 특징으로 하는 3차원 구조물의 적층형성장치.
청구항 1에서,
상기 선택적 소결모듈은 상기 성형모듈에 형성된 균일한 레이어 중 3차원 구조물의 단면을 따라 소결시키기 위하여, 레이저를 발생시키는 레이저 소스와, 상기 레이저 소스를 선택적으로 조사하는 스캐너를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 구조물의 적층형성장치.
청구항 1에서,
상기 국부 소결모듈은 상기 선택적 소결모듈에 의해 소결된 부분에 소재를 보충하는 소재보충모듈과, 보충된 소재를 소결하기 위한 보충소재 소결모듈을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 구조물의 적층형성장치.
청구항 6에서,
상기 소재보충모듈은 잉크형태의 소재를 전기수력학을 이용하여 보충하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조물의 적층형성장치.
청구항 6에서,
상기 소재보충모듈은 분말형태의 소재를 압력을 이용하여 보충하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조물의 적층형성장치.
청구항 6에서,
상기 보충소재 소결모듈은 상기 소재보충모듈의 주위를 환형형태의 레이저를 통해 소결하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조물의 적층형성장치.
청구항 1에서,
상기 국부 소결모듈에서 소결은 국부적으로 소재를 보충된 부분에 상기 선택적 소결모듈을 이용하여 소결하는 것을 특징으로 하는 3차원 구조물의 적층형성장치.