KR20160109866A - 3d 프린팅 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

조형물을 고속으로 가공하여 가공 시간과 비용을 단축시킬 수 있도록 한 본 발명의 3D 프린팅 장치는 베이스 프레임; 상기 베이스 프레임 상에 설치되어 조형물 지지대 상에 조형 재료 물질이 공급되는 가공 챔버; 상기 가공 챔버에 상기 조형 재료 물질을 저장된 재료 저장 챔버; 상기 조형물 지지대 상에 공급된 조형 재료 물질을 평탄화시켜 조형 재료층을 형성하면서 상기 조형 재료층에 레이저 빔을 조사하여 조형층을 형성한 레이저 조형 모듈; 및 상기 조형물 지지대를 승강시키는 조형물 승강 모듈을 포함하여 구성된다. 이러한 본 발명은 조형 재료 물질을 조형 재료층으로 평탄화시키는 과정과 레이저 빔으로 조형 재료층을 조형하는 과정을 동시에 수행함으로써 조형물의 가공 시간을 단축시키고, 이를 통해 비용을 저감할 수 있다.

Description

3D 프린팅 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR 3D PRINTING}
본 발명은 가공 시간과 비용을 단축시킬 수 있는 3D 프린팅 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근에 와서 제품 개발 및 생산 기지의 분산화라는 국제적 추세에 따라 제조업체들은 세계 곳곳에 진출하여 신제품 개발을 위한 연구소 내지 양산 생산을 위한 공장을 설립하여 운영중이며 이들 간의 신속한 정보 교환은 신제품의 개발 단계나 양산 생산의 준비 단계에서 무엇보다 중요한 역할을 차지하고 있다. 이와 같은 신속한 정보 교환은 제조 업체와 이에 부품을 납품하는 납품 업체간에도 절실히 요구되고 있다. 현재 2차원 정보인 서류나 도면을 원하는 곳까지 신속하게 전달하기 위해서 팩스가 사용되고 있지만, 3차원 정보가 담긴 시제품을 원하는 곳까지 전송하거나 받아 보려면 이를 직접 운송해야 하기 때문에, 거리가 멀어지면 멀수록 소모되는 운송 시간도 늘어나 신속한 정보교환이 이루어지지 않는 실정이었다.
따라서, 3차원 형상을 지닌 시제품을 읽어들여 디지털 데이터로 전환시킨 후 원하는 곳까지 전송하여 수신받는 곳에서 신속 제작하거나 또는 시제품을 바로 쉽게 복제할 수 있는 기능을 가진 장치가 필요하였다.
한편, 최근에 와서 제품의 성능 이외에 디자인 및 외관이 중요시되는 추세에 따라 기념품, 장식물, 가전, 자동차, 건축 등의 분야에서 모형 제작은 큰 역할을 차지하고 있기 때문에 3차원 모형 복사 기술이 더욱더 요구되고 있다.
3차원 모형 복사 기술로서, 최근에는 물체에 대한 3D 데이터를 2차원 데이터로 분할하여 각 층을 적층 방식으로 물체를 그대로 가공할 수 있는 3D 프린팅 장치의 사용이 증대되고 있다. 이러한 3D 프린팅 방법은 크게 FDM(Fused Deposition Method), SLA(Stereolithography Apparatus), 및 SLS(Selective Laser Sintering) 방식으로 나뉘어질 수 있다.
상기 3D 프린팅 방법 중 SLA 방식과 SLS 방식을 이용한 3D 프린팅 장치는 평탄화 도구를 사용하여 새로운 조형 재료층을 형성하고, 레이저와 레이저 스캐너를 사용하여 평탄화된 층을 가공하고, Z축 방향 이송장치를 사용하여 조형된 조형층을 하강시키면서 원하는 물체를 가공한다. 이러한 종래의 3D 프린팅 장치에서는 물체에 대한 2차원 데이터를 CNC(Computer Numerical Control) G코드로 변환하고, 이를 이용해 레이저를 XY 방향의 레이저 스캐너를 통해 조형 재료층에 조사시켜 조형층을 가공한다. 이때, 평탄화 도구는 1개의 조형층이 형성되면, 새로운 조형층을 형성하기 위해 새로운 조형 재료층을 정밀하게 평탄화시키는 역할을 한다. 이와 같은, 3D 프린팅 장치는 조형 재료층 형성, 레이저 스캐닝, 및 및 Z축 이송의 과정을 반복함으로써 3차원 물체를 형성함으로써 3차원 물체의 각 조형층을 가공하는데 소요되는 가공 시간은 평탄화 도구 이동 시간과 레이저 스캔 시간 및 Z축 이동 시간의 합으로 이루어지게 된다.
이상과 같은, 3D 프린팅 장치가 대중화되기 위해서는 가공 속도가 빨라지고 가격이 다른 가공 방법에 비하여 경쟁력이 있어야 하는데, 현재의 3D 프린팅 방식은 가공 속도와 생산 가격이 충분한 경쟁력을 가지지 못한다.
따라서, 조형물을 고속으로 가공할 수 있는 새로운 3D 프린팅 장치 및 3D 프린팅 방법이 요구되고 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 조형물을 고속으로 가공하여 가공 시간과 비용을 단축시킬 수 있는 3D 프린팅 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 3D 프린팅 장치는 베이스 프레임; 상기 베이스 프레임 상에 설치되어 조형물 지지대 상에 조형 재료 물질이 공급되는 가공 챔버; 상기 가공 챔버에 상기 조형 재료 물질을 저장된 재료 저장 챔버; 상기 조형물 지지대 상에 공급된 조형 재료 물질을 평탄화시켜 조형 재료층을 형성하면서 상기 조형 재료층에 레이저 빔을 조사하여 조형층을 형성한 레이저 조형 모듈; 및 상기 조형물 지지대를 승강시키는 조형물 승강 모듈을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 레이저 조형 모듈은 상기 베이스 프레임의 일측에 설치된 갠트리; 상기 가공 챔버와 상기 재료 저장 챔버 사이를 오가도록 상기 갠트리에 이동 가능하게 설치되어 상기 조형 재료층에 레이저 빔을 조사하여 조형층을 형성하는 빔 조사 유닛; 및 상기 빔 조사 유닛에 설치되어 상기 빔 조사 유닛의 이동에 연동하여 상기 재료 저장 챔버에 있는 조형 재료 물질을 조형물 지지대 상으로 공급하고, 상기 조형물 지지대 상에 공급된 조형 재료 물질을 평탄화시켜 상기 조형 재료층을 형성하는 평탄화 도구를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 빔 조사 유닛은 상기 갠트리에 이동 가능하게 설치된 하우징; 상기 하우징 내부에 설치되어 입사되는 레이저 빔을 반사시키는 반사 미러; 상기 반사 미러의 경사각을 조절하는 미러 회전 부재; 복수의 반사면을 포함하도록 형성되어 회전축을 중심으로 회전하면서 상기 반사 미러로부터 입사되는 레이저 빔을 조형 재료층 쪽으로 반사시키는 조사하는 적어도 하나의 폴리곤 미러; 및 상기 폴리곤 미러로부터 입사되는 광을 집광하여 상기 조형 재료층에 조사하는 집광 부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 평탄화 도구는 상기 하우징에 하면 일측 및 타측 중 적어도 한 측에 설치되어 상기 조형 재료 물질을 평탄화시켜 상기 조형 재료층을 형성하는 적어도 하나의 롤러를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 프린팅 장치는 가공하고자 하는 조형물에 대한 3차원 데이터로부터 상기 조형물의 층별 2차원 데이터를 생성하는 단계(A); 평탄화 도구의 이송을 통해 조형물 지지대 상에 공급되어 있는 조형 재료 물질을 평탄화시켜 조형 재료층을 형성하면서 상기 조형 재료층 상에 레이저 빔을 조사하여 조형층을 형성하는 단계(B); 및 상기 조형물 지지대를 하강시키는 단계(C)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 단계(B)는 상기 평탄화 도구의 수평 이동을 통해 상기 조형 재료 물질을 상기 조형물 지지대 상으로 공급하는 단계; 및 상기 조형물 지지대 상으로 공급된 상기 조형 재료 물질을 상기 평탄화 도구의 이송을 통해 평탄화시켜 상기 조형 재료층을 형성하면서 복수의 반사면을 가지는 적어도 하나의 폴리곤 미러를 회전시켜 상기 반사면에 의해 반사되는 레이저 빔을 상기 층별 2차원 데이터에 대응되는 조형 재료층 상에 조사하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 조형 재료 물질을 조형 재료층으로 평탄화시키는 과정과 레이저 빔으로 조형 재료층을 조형하는 과정을 동시에 수행함으로써 조형물의 가공 시간을 단축시키고, 이를 통해 비용을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명은 폴리곤 미러를 이용하여 조형 재료층에 레이저 빔을 고속으로 조사함으로써 조형물을 고속으로 가공하여 가공 시간을 더욱 단축시키고, 이를 통해 비용을 더욱 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 빔 조사 유닛을 확대하여 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 빔 조사 유닛에 의해 조형 재료층에 조사되는 레이저 빔의 생성 과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 폴리곤 미러를 이동시킬 때의 레이저 스팟 이미지를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하에서는 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치 및 방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치는 베이스 프레임(100)의 스테이지(110)에 설치되고, 조형물 지지대(212) 상에 조형 재료 물질(10)이 공급되는 가공 챔버(210), 가공 챔버(210)에 공급될 조형 재료 물질(10)이 저장되어 있는 재료 저장 챔버(220), 조형물 지지대(212) 상에 공급된 조형 재료 물질(10)을 평탄화시켜 조형 재료층을 형성하면서 조형 재료층에 레이저 빔을 조사하여 조형층을 형성한 레이저 조형 모듈(300), 및 조형물 지지대(212)를 승강시키는 조형물 승강 모듈(400)을 포함하여 구성된다.
상기 가공 챔버(210)는 상부가 개구된 상자 형태로 형성되어 베이스 프레임(100)의 스테이지(110)에 설치된다. 이러한 가공 챔버(210)의 내부에는 승강 가능한 조형물 지지대(212)가 설치되어 있다. 상기 조형물 지지대(212) 상에는 레이저 조형 모듈(300)에 의해 상기 재료 저장 챔버(220)로부터 조형 재료 물질(10)이 공급된다.
상기 재료 저장 챔버(220)는 상부가 개구된 상자 형태로 형성되어 가공 챔버(210)의 일측 및/또는 타측에 접하도록 베이스 프레임(100)의 스테이지(110)에 설치된다. 이러한 상기 재료 저장 챔버(220)에는 조형 재료 물질(10)이 저장되어 있다. 여기서, 조형 재료 물질(10)은 아크릴과 에폭시 계열 등의 광경화성 수지이거나 금속, 세라믹, 또는 플라스틱 등의 물질로 이루어진 분말 입자가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 레이저에 의해 조형 가능한 다양한 물질 중 어느 하나가 될 수 있다.
상기 재료 저장 챔버(220)와 상기 가공 챔버(210) 사이는 격벽에 의해 공간적으로 분리된다. 상기 격벽은 상기 레이저 조형 모듈(300)이 상기 가공 챔버(210)와 상기 재료 저장 챔버(220) 사이를 수평 방향으로 이동 가능할 수 있도록 상기 가공 챔버(210)의 높이보다 낮은 높이로 형성된다. 이에 따라, 상기 재료 저장 챔버(220)에 저장되어 있는 조형 재료 물질(10)은 상기 레이저 조형 모듈(300)의 수평 이동에 따라 격벽을 넘어 범람하는 방식으로 가공 챔버(210)의 내부로 공급되게 된다.
상기 재료 저장 챔버(220)의 내부에는 승강 운동을 통해 조형 재료 물질(10)을 상승시키기 위한 승강 플레이트(222)가 설치되어 있다. 상기 승강 플레이트(222)는 베이스 프레임(100)의 내부에 설치된 재료 승강 모듈(224)의 구동에 따라 승강된다. 상기 재료 승강 모듈(224)은 베이스 프레임(100)의 스테이지(100)를 관통하여 상기 승강 플레이트(222)를 지지하는 적어도 하나의 플레이트 승강축, 및 상기 플레이트 승강축을 승강시키는 플레이트 승강 구동 부재를 포함하여 이루어질 수 있다. 이러한 재료 승강 모듈(224)은 조형물 가공 공정에 따른 구동 신호에 따른 재료 승강축 구동 부재의 구동에 따라 플레이트 승강축을 상승시켜 상기 승강 플레이트(222)를 Z축 방향으로 상승시킴으로써 조형 재료 물질(10)을 상승시킨다.
상기 레이저 조형 모듈(300)은 상기 가공 챔버(210)와 상기 재료 저장 챔버(220) 사이를 오가면서 상기 재료 저장 챔버(220)에 있는 조형 재료 물질(10)을 조형물 지지대(212) 상으로 공급한다. 이와 동시에, 상기 레이저 조형 모듈(300)은 조형물 지지대(212) 상으로 공급되는 조형 재료 물질(10)을 조형물 지지대(212) 상에 평탄화시켜 조형 재료층을 형성하면서 조형 재료층에 레이저 빔을 조사하여 조형층을 형성한다. 이를 위해, 상기 레이저 조형 모듈(300)은 갠트리(310), 빔 조사 유닛(320), 및 평탄화 도구(330)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 갠트리(310)는 상기 가공 챔버(210)와 상기 재료 저장 챔버(220)의 후측에 인접하도록 베이스 프레임(100)의 스테이지(100)에 설치되어 빔 조사 유닛(320)을 수평 방향으로 이송시킨다. 이러한 상기 갠트리(310)는 빔 조사 유닛(320)을 수평 방향으로 정밀하게 직선 운동시키기 위해, 동기 제어가 가능한 서보 모터와 볼 스크류, 직선 가이드, 및 정밀한 동기화를 위한 리니어 스케일 등을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 빔 조사 유닛(320)은 상기 갠트리(310)에 설치되어 갠트리(310)의 구동에 따라 수평 방향으로 이동하면서 조형 재료층에 레이저 빔을 조사하여 조형층을 형성한다. 이를 위해, 상기 빔 조사 유닛(320)은, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하우징(321), 반사 미러(323), 미러 회전 부재(325), 폴리곤 미러(polygon mirror; 327), 및 집광 부재(329)를 포함한다.
상기 하우징(321)은 상기 가공 챔버(210)의 상부에 위치하도록 상기 갠트리(310)에 설치되어 평탄화 도구(330)를 지지한다.
상기 반사 미러(323)는 하우징(321)의 내부 일측에 설치되어 외부의 레이저 빔 조사 수단(미도시)으로부터 입사되는 레이저 빔(LB)을 폴리곤 미러(327) 쪽으로 반사시킨다. 여기서, 레이저 빔 조사 수단은 조형 재료층의 한 라인을 200dpi이상으로 정밀 가공하기 위해, MHz 대역의 고속 스위칭 또는 셔터 방식을 통해 레이저 빔을 생성하거나 펄스 타입 방식에 의해 레이저 빔을 생성할 수 있다.
상기 미러 회전 부재(325)는 폴리곤 미러(327)로부터 조형 재료층(12)에 입사되는 레이저 빔의 2차원 데이터에 대응되도록 상기 반사 미러(323)를 경사지게 회전시킴으로써 상기 반사 미러(323)로부터 폴리곤 미러(327)에 입사되는 레이저 빔의 경로를 보정한다. 여기서, 상기 미러 회전 부재(325)는 상기 폴리곤 미러(327)의 이동 속도에 비례 또는 동기되도록 상기 반사 미러(323)의 경사각을 제어한다.
상기 폴리곤 미러(327)는 복수의 반사면을 포함하도록 형성되고, 모터(327a)의 구동에 의해 회전축을 중심으로 회전함으로써 상기 반사 미러(323)로부터 입사되는 레이저 빔을 2차원 데이터에 대응되는 조형 재료층(12) 상의 X, Y 좌표로 반사시킨다.
상기 집광 부재(329)는 상기 폴리곤 미러(327)로부터 입사되는 레이저 빔을 집광하여 조형 재료층(12)에 조사한다.
이와 같은, 상기 빔 조사 유닛(320)은 상기 반사 미러(323)와 상기 폴리곤 미러(327)를 이용하여 레이저 빔을 고속으로 생성하여 조형 재료층(12)에 조사하게 된다. 한편, 상기 빔 조사 유닛(320)은 대한민국 등록특허 제10-0462358호에 개시된 폴리곤 미러를 이용한 레이저 가공 장치와 동일하게 구성되어 레이저 빔을 고소고으로 생성해 조형 재료층(12)에 조사할 수도 있다.
상기 평탄화 도구(330)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 빔 조사 유닛(320)의 하우징(321) 하면에 설치되어 상기 빔 조사 유닛(320)의 수평 이동에 따라 상기 재료 저장 챔버(220)에 있는 조형 재료 물질(10)을 가공 챔버(210)의 조형물 지지대(212) 상으로 공급함과 동시에 평탄화시켜 조형 재료층을 형성한다. 즉, 상기 평탄화 도구(330)는 상기 빔 조사 유닛(320)에 일체화되어 상기 빔 조사 유닛(320)의 이동에 연동하여 상기 조형 재료층을 형성하게 된다. 이를 위해, 상기 평탄화 도구(330)는 상기 빔 조사 유닛(320)의 이동에 따라 일방향 또는 양방향 평탄화 동작을 위한 적어도 하나의 롤러(332)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 롤러(332)는 상기 빔 조사 유닛(320)의 수평 이동에 교차하는 방향과 나란하도록 하우징(321)의 하면 길이 방향으로 설치될 수 있다. 이때, 상기 평탄화 도구(330)가 일방향 평탄화 동작을 할 경우, 상기 롤러(332)는 하우징(321)의 하면 일측 또는 타측에 설치될 수 있다. 그리고, 상기 평탄화 도구(330)가 양방향 평탄화 동작을 할 경우, 상기 롤러(332)는 상기 빔 조사 유닛(320)로부터 레이저 빔(LB)이 조형 재료층으로 조사되는 상기 하우징(321)의 하면 개구부를 사이에 두고 하우징(321)의 하면 일측 및 타측에 나란하게 설치될 수 있다.
추가적으로, 상기 레이저 조형 모듈(300)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 폴리곤 미러(327)의 위치를 센싱하는 센서(340)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 센서(340)는 폴리곤 미러(327)의 위치를 센싱하여 폴리곤 미러(327)의 위치 정보를 생성해 제어부(미도시)에 제공한다. 상기 제어부는 폴리곤 미러의 위치 정보를 분석하여 폴리곤 미러(327)의 위치와 이동 속도를 산출하고, 상기 평탄화 도구(330)의 이동 속도와 폴리곤 미러(327)의 회전 속도를 동기시킨다.
이와 같은, 본 발명의 레이저 조형 모듈(300)은 서로 일체화된 상기 빔 조사 유닛(320)과 상기 평탄화 도구(330)를 이용하여, 조형 재료 물질(10)을 평탄화시켜 조형 재료층을 형성하는 과정과 레이저 빔을 이용하여 상기 조형 재료층을 조형하는 과정을 동시에 수행함으로써 조형물을 고속으로 가공해 가공 시간과 비용을 단축시킨다.
다시 도 1에서, 상기 조형물 승강 모듈(400)은 베이스 프레임(100)의 내부에 설치되어 조형물 지지대(212)를 승강시킨다. 이를 위해, 상기 조형물 승강 모듈(400)은 베이스 프레임(100)의 스테이지(100)를 관통하여 조형물 지지대(212)를 지지하는 조형물 승강축, 및 조형물 가공 공정에 따른 구동 신호에 따른 조형물 승강축을 Z축 방향으로 하강시키는 조형물 승강축 구동 부재를 포함하여 구성될 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 폴리곤 미러를 이동시킬 때의 레이저 스팟 이미지를 설명하기 위한 도면이다.
전술한 폴리곤 미러(327)가 정지 상태에서 레이저 빔의 조사를 온/오프하고, 이동한 후, 다시 레이저 빔의 조사를 온/오프하는 과정을 반복할 경우, 레이저 빔은 도 4의 (a)와 같은 레이저 스팟 이미지를 형성하게 된다.
반면에, 전술한 폴리곤 미러(327)가 정지하지 않고 연속적으로 이동하면서 레이저 빔의 조사를 온/오프할 경우, 레이저 빔은 도 4의 (b)와 같은 레이저 스팟 이미지를 형성함으로써 레이저 스팟 이미지가 왜곡되게 된다.
따라서, 본 발명의 미러 회전 부재(325)는 폴리곤 미러(327)의 이송 속도에 동기되도록 반사 미러(323)의 경사각을 제어함으로써 폴리곤 미러(327)가 정지하지 않고 연속적으로 이동하면서 레이저 빔의 조사를 온/오프하더라도 도 4의 (a)와 같이 원하는 레이저 스팟 이미지가 형성되도록 한다.
한편, 도 1 내지 도 3에서, 상기 빔 조사 유닛(320)은 하나의 폴리곤 미러(327)를 가지는 것으로 도시하였지만, 이에 한정되지 않고, 복수의 폴리곤 미러(327)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 폴리곤 미러(327)의 회전에 의해 하부로 조사되는 레이저 빔의 진행 방향을 Y축이라 하고, 상기 빔 조사 유닛(320)의 이동 방향을 X축이라 할 때, 상기 빔 조사 유닛(320)의 진행 방향을 X축으로 길게 하면 가공 면적이 늘어나게 되지만, Y축 방향으로 가공 면적을 넓히려면 폴리곤 미러(327)의 구조가 변경되어야 하는데, 이 경우 해상도가 변경되는 문제점이 있다.
이에 따라, 상기 빔 조사 유닛(320)은 레이저 빔을 이용한 가공(또는 조형) 면적을 넓히기 위하여 복수의 폴리곤 미러(327)를 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 레이저 빔을 이용한 가공(또는 조형) 면적을 넓히기 위하여, 폴리곤 미러의 구조를 변경하는 것보다 폴리곤 미러와 레이저 빔을 복수로 구성하는 것이 보다 용이하기 때문이다. 이 경우, 복수의 레이저 빔은 하나의 레이저 소스로부터 분기하여 생성될 수 있다. 그리고, 복수의 폴리곤 미러(327)는 복수의 레이저 빔에 일대일로 대응되도록 Y축 방향으로 배치(또는 배열)되게 된다. 이 경우, 상기 빔 조사 유닛(320)은 상기 복수의 폴리곤 미러(327)를 수직(또는 Y축) 방향으로 개별적으로 또는 동시에 이동시키는 미러 구동 수단(미도시)을 더 포함하여 구성된다.
따라서, 레이저 빔이 조사되는 가공 면적은 하나의 폴리곤 미러(327)에 대응되는 가공 면적에 복수배한 면적으로 늘어나게 된다. 결과적으로, 본 발명은 복수의 폴리곤 미러(327)를 이용하여 넓은 가공 면적에 레이저 빔을 조사함으로써 넓은 면적을 가지는 조형물을 고속으로 가공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5를 도 1 내지 도 3과 결부하여 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 가공하고자 하는 조형물(20)에 대한 3차원 데이터로부터 조형물(20)의 층별 2차원 데이터를 생성한다(S100).
그런 다음, 상기 평탄화 도구(330)의 이송을 통해 조형물 지지대(212) 상에 공급된 조형 재료 물질(10)을 평탄화시켜 조형 재료층을 형성함과 동시에 상기 빔 조사 유닛(320)의 폴리곤 미러(327)를 통해 조형 재료층 상에 레이저 빔(LB)을 조사하여 조형층을 조형한다(S200). 보다 구체적으로, 상기 평탄화 도구(330)의 수평 이동을 통해 재료 저장 챔버(220)에 준비되어 있는 조형 재료 물질(10)을 가공 챔버(210)의 조형물 지지대(212) 상으로 공급하고, 조형물 지지대(212) 상으로 공급된 조형 재료 물질(10)을 상기 평탄화 도구(330)의 이송을 통해 평탄화시켜 조형 재료층을 형성하면서 상기 폴리곤 미러(327)를 회전시켜 층별 2차원 데이터에 기초한 조형 재료층 상의 XY 좌표에 레이저 빔(LB)을 조사한다. 이에 따라, 조형 재료층의 조형 재료 물질이 레이저 빔(LB)에 의해 조형됨으로써 조형 재료층에는 해당 층의 2차원 데이터에 대응되는 조형층이 형성되게 된다(S200).
그런 다음, 조형물(20)의 층별 두께에 대응되는 높이만큼 상기 조형물 지지대(212)을 하강시킴으로써 조형된 조형층을 하강시킨다(S300).
그런 다음, 조형된 조형층 상에 새로운 조형 재료층을 평탄화시키면서 레이저 빔으로 조형하는 과정을 동시에 수행하는 전술한 S200 단계 및 S300 단계를 반복적으로 수행함으로써 가공 챔버(210)의 조형물 지지대(212) 상에 층별 조형층을 적층하여 원하는 조형물(20)을 형성하게 된다.
이상과 같은, 본 발명은 종래의 레이저 스캐너 대신에 폴리곤 미러(327)를 사용하고, 평탄화 도구(330)의 이동시키면서 폴리곤 미러(327)를 회전시켜 고속의 레이저 빔을 조형 재료층에 조사함으로써 조형물을 고속으로 가공할 수 있다.
예를 들어, 종래의 종래의 레이저 스캐너는 40m/sec 이하의 속도로 레이저 빔을 조사하는데 비해, 폴리곤 미러(327)를 사용하는 경우, 폴리곤 미러(327)의 일방향 회전을 통해 100m/sec 속도로 레이저 빔을 조사할 수 있다. 이론상으로 0.05mm의 스팟(spot) 크기로 100mm 크기로 조형한다고 할 때, 초당 1000개의 라인을 형성하게 되고, 이는 50mm/sec으로 진행할 수 있다는 것을 의미한다.
결과적으로, 본 발명은 종래의 레이저 스캐너를 폴리곤 미러(327)로 대체하고, 평탄화 도구(330)를 이용한 조형 재료층의 평탄화와 폴리곤 미러(327)를 이용한 레이저 빔의 조사를 동시에 수행함으로써 조형 속도가 빨라지게 되는 것이다. 이에 따라, 각 조형 재료층에 대한 레이저 가공 시간은 레이저 스캐너와 폴리곤 미러(327)의 속도 차이인 2배가 되는 것이 아니라, 평탄화 작업에 소요되는 시간이 중복되어 줄어 듦으로써 실제 레이저 가공 시간은 3~4배 가속되는 효과가 있다.
또한, 종래의 레이저 스캐너를 사용하는 경우는 조형물의 크기에 제한을 받기 때문에 조형물의 크기가 크면 클수록 레이저 스캐너와 내부의 렌즈 가격이 급격하게 비싸지게 된다. 그러나 본 발명은 적어도 하나의 폴리곤 미러(327)를 이용함으로써 조형물의 크기에 상관없이 비용을 줄일 수 있으며, 평탄화 도구(330)의 구동 방향을 크게 하는 경우에도 비용 증가가 없다는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사항을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 조형 재료 물질 20: 조형물
100: 베이스 프레임 110: 스테이지
210: 가공 챔버 212: 조형물 지지대
220: 재료 저장 챔버 300: 레이저 조형 모듈
310: 갠트리 320: 빔 조사 유닛
321: 하우징 323: 미러
325: 미러 회전 부재 327: 폴리곤 미러
329: 집광 부재 330: 평탄화 도구
332: 롤러 400: 조형물 승강 모듈

Claims (9)

  1. 베이스 프레임;
    상기 베이스 프레임 상에 설치되어 조형물 지지대 상에 조형 재료 물질이 공급되는 가공 챔버;
    상기 가공 챔버에 상기 조형 재료 물질을 저장된 재료 저장 챔버;
    상기 조형물 지지대 상에 공급된 조형 재료 물질을 평탄화시켜 조형 재료층을 형성하면서 상기 조형 재료층에 레이저 빔을 조사하여 조형층을 형성한 레이저 조형 모듈; 및
    상기 조형물 지지대를 승강시키는 조형물 승강 모듈을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 조형 모듈은,
    상기 베이스 프레임의 일측에 설치된 갠트리;
    상기 가공 챔버와 상기 재료 저장 챔버 사이를 오가도록 상기 갠트리에 이동 가능하게 설치되어 상기 조형 재료층에 레이저 빔을 조사하여 조형층을 형성하는 빔 조사 유닛; 및
    상기 빔 조사 유닛에 설치되어 상기 빔 조사 유닛의 이동에 연동하여 상기 재료 저장 챔버에 있는 조형 재료 물질을 조형물 지지대 상으로 공급하고, 상기 조형물 지지대 상에 공급된 조형 재료 물질을 평탄화시켜 상기 조형 재료층을 형성하는 평탄화 도구를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 조사 유닛은,
    상기 갠트리에 이동 가능하게 설치된 하우징;
    상기 하우징 내부에 설치되어 입사되는 레이저 빔을 반사시키는 반사 미러;
    상기 반사 미러의 경사각을 조절하는 미러 회전 부재;
    복수의 반사면을 포함하도록 형성되어 회전축을 중심으로 회전하면서 상기 반사 미러로부터 입사되는 레이저 빔을 조형 재료층 쪽으로 반사시키는 조사하는 적어도 하나의 폴리곤 미러; 및
    상기 폴리곤 미러로부터 입사되는 광을 집광하여 상기 조형 재료층에 조사하는 집광 부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 평탄화 도구는 상기 하우징에 하면 일측 및 타측 중 적어도 한 측에 설치되어 상기 조형 재료 물질을 평탄화시켜 상기 조형 재료층을 형성하는 적어도 하나의 롤러를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 반사 미러에 입사되는 레이저 빔은 MHz 대의 스위칭 방식 또는 펄스 타입 방식에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조형 재료 물질은 광경화성 수지이거나 금속, 세라믹, 또는 플라스틱 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 분말 입자인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  7. 가공하고자 하는 조형물에 대한 3차원 데이터로부터 상기 조형물의 층별 2차원 데이터를 생성하는 단계(A);
    평탄화 도구의 이송을 통해 조형물 지지대 상에 공급되어 있는 조형 재료 물질을 평탄화시켜 조형 재료층을 형성하면서 상기 조형 재료층 상에 레이저 빔을 조사하여 조형층을 형성하는 단계(B); 및
    상기 조형물 지지대를 하강시키는 단계(C)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 단계(B)는,
    상기 평탄화 도구의 수평 이동을 통해 상기 조형 재료 물질을 상기 조형물 지지대 상으로 공급하는 단계; 및
    상기 조형물 지지대 상으로 공급된 상기 조형 재료 물질을 상기 평탄화 도구의 이송을 통해 평탄화시켜 상기 조형 재료층을 형성하면서 복수의 반사면을 가지는 적어도 하나의 폴리곤 미러를 회전시켜 상기 반사면에 의해 반사되는 레이저 빔을 상기 층별 2차원 데이터에 대응되는 조형 재료층 상에 조사하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 조형 재료 물질은 광경화성 수지이거나 금속, 세라믹, 또는 플라스틱 중 적어도 하나의 물질로 이루어진 분말 입자인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
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