KR20160130592A - 3d 프린터 및 3d 프린터의 입체 형상 조형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린터에 관한 것이다. 본 발명에 의한 3D 프린터는, 3D 입체 형상 조형을 위한 것으로, 광경화성 용액을 수용시킬 수 있도록 통 형상으로 이루어진 수조;상기 수조 내에 배치되고, 상기 광경화성 용액에 투사되는 빛에 의해 경화된 조형물이 지지되게 하며, 상기 수조에 대해 승강가능하게 설치되는 성형 스테이지; 및 상기 광경화성 용액의 경화를 위한 빛을 내는 물체인 광원과 상기 수조 사이에 배치되고, 상기 입체 형상 조형을 위한 영상이 표시되는 액정표시장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

3D 프린터 및 3D 프린터의 입체 형상 조형 방법{3D Printer and three-dimensional shape molding method of the 3D Printer}

본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 작은 규격으로 제작이 가능하여 소형화를 이룰 수 있고 소형임에도 상대적으로 정밀하고 신속하게 입체 형상을 만들어 낼 수 있도록 개선된 3D 프린터 및 3D 프린터의 입체 형상 조형 방법에 관한 것이다.

개인 맞춤형 생산 시대를 열고 의료, 바이오 등 신 사업 영역에서 차세대 정밀 가공 기술로 각광받는 3D 프린팅 기술은 프린터 재료 분사 장치 및 경화 장치의 X축, Y축, Z축 제어를 통해 공간에 3차원 입체를 제작하는 기술로 통상 2차원 단면을 연속적으로 재구성하여 소재를 한 층씩 인쇄하면서 적층하는 방식을 따른다.

이러한 연속적 적층 방식을 통한 고품질, 고속의 3차원 입체 제작을 위해서는 고도의 재료 경화 기술이 전제되어야 하는 것으로, 위 재료 경화 기술로는 통상 열(Fused Deposition Modeling: FDM), 레이저(Selective lasersintering: SLS), UV 광(Stereolithography Apparatus: SLA)을 이용한 방식이 통상 사용되고 있다.

한편, 상기 열을 이용한 재료 경화 방식은 재료 경화 과정에 지지대가 필수적으로 요구되며 생산 과정에서의 소요 시간이 크게 발생하고, 상기 레이저를 이용한 재료 경화 방식은 레이저 발생을 위한 넓은 작업 공간이 요구되며 공정 비용에 대한 부담이 크게 발생함에 따라 생산 소요 시간 및 생산 유지비에 대한 부담이 상대적으로 덜하며 고품질의 출력물 획득이 가능한 UV(Ultraviolet)를 이용한 재료 경화 방식이 선호되고 있다.

그러나, 상기 UV를 이용한 재료 경화 방식으로 통상 이용되는 램프(Lamp) 타입의 UV 경화 방법은 일반 열 경화 방식에 비해 인쇄 품질과 생산성 향상이라는 측면에서 획기적이라 할 만큼 이익이 커서 여러 산업 분야에서 사용되고 있지만, 위 램프 타입 UV 경화 방법은 경화 작업 수행을 위해 램프의 내부 온도를 4500°C ~4800°C 로유지해야 하고 이로 인해 매우 많은 열이 발생함에 따라 그 품질 향상 및 생산성 향상에 한계가 있음은 물론 소비 전력도 크게 발생하는 문제가 있다.

따라서, UV 램프 경화 방식의 3D 프린터는, 성형시간을 줄여 최대한 성형효율을 높일 수 있도록 설계되어야 한다.

도 1에 잘 도시된 바와 같이, 일반적인 UV 램프 경화형 3D 프린터는, 광경화성 용액이 수용되어 있는 통 형상의 수조(1)와, 상기 통 형상의 수조(1)를 폐쇄시키고 광투과가 가능한 재질로 형성되는 투과체(2)와, 상기 투과체(2)의 상측에서 상기 수조91) 측으로 자외선을 조사시키는 경화장치(4)와, 상기 수조(1) 내에 배치되고 상기 경화장치(4)에 의해 경화된 조형물이 생성되는 성형 스테이지(3)와, 상기 성형 스테이지(3)를 승강시키는 승강장치를 구비한다. 이러한 3D 프린터는, 도 1의 점선으로 도시된 바와 같이, 상기 성형 스테이지(3)를 하강시키면서 자외선을 조사시켜 원하는 입체 형상을 얻게 된다.

그러나, 종래기술에 의한 3D 프린터는, 첫째, 상기 경화장치(4)에 탑재된 광원으로부터 조사되는 빛이 상기 투과체(2) 측으로 사각지대 없이 정밀하게 도달할 수 있게 하기 위해서는, 상기 경화장치(4)와 투과체(2) 사이의 공간 확보가 요구되고 상기 경화장치(4)에 의해 탑재된 UV 램프가 상기 수조(2)의 가로 폭을 커버할 수 있도록 설치되어야만 하기 때문에, 상대적으로 규격의 대형화와 소비전력의 증대를 초래하는 문제점을 야기하였다.

둘째, 종래기술에 의한 3D 프린터는, 상기 수조(1) 내부의 수압 및 상기 성형 스테이지(3)와 투과체(2) 사이에 개재된 상기 광경화성 용액 때문에 발생하는 표면장력 등에 원인으로, 도 2와 같이 하강동작을 연속적으로 이루어지게 하여 연속적인 성형이 이루어져 함에도 불구하고, 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 상기 성형 스테이지(3)의 하강 및 상승 동작(①->②->③->④)이 반복적으로 이루어지게 됨에 따라, 불필요한 상승 동작으로 성형시간 및 UV 램프 조사시간이 길어져 성형효율을 떨어뜨리고 소비전력을 증대시키며 하강 및 상승 동작이 반복됨에 따라 성형의 정밀도를 떨어뜨리는 문제점을 야기하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 제품의 소형화를 가능하게 하고, 소형임에도 사각지대 없는 빛의 조사를 가능하게 하여 정밀하며 신속하게 입체 형상을 만들어 낼 수 있는 3D 프린터 및 이에 의한 입체 형성 조형 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 성형시간을 줄여 성형효율을 높일 수 있고, 소비전력을 줄여 에너지 절감을 이룰 수 있으며, 정밀한 제품 성형을 가능하게 하는 3D 프린터를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 3D 프린터는, 3D 입체 형상 조형을 위한 것으로, 광경화성 용액을 수용시킬 수 있도록 통 형상으로 이루어진 수조;상기 수조 내에 배치되고, 상기 광경화성 용액에 투사되는 빛에 의해 경화된 조형물이 지지되게 하며, 상기 수조에 대해 승강가능하게 설치되는 성형 스테이지; 및 상기 광경화성 용액의 경화를 위한 빛을 내는 물체인 광원과 상기 수조 사이에 배치되고, 상기 입체 형상 조형을 위한 영상이 표시되는 액정표시장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 광원은 LED 램프이며, 상기 LED 램프는, 상기 액정표시장치에 대해 상대이동 가능하게 설치됨으로써, 상기 액정표시장치에 표시된 영상을 스캔하는 방식으로 상기 성형 스테이지에 투사시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 LED 램프는, 복수개 마련되어서, 상기 액정표시장치에 표시된 영상을 구간별로 구획하여 스캔할 수 있도록 구성되는 것도 가능하다.

본 발명은, 상기 수조의 개방된 부위를 폐쇄시킬 수 있도록 그 수조에 결합되고, 상기 빛이 수조 내부로 투과되는 것을 방해하지 않도록 광투과가 가능한 재질로 형성되며, 상기 수조 내의 용액의 최상단과 최하단 중 어느 하나와의 사이에 산소층의 형성이 가능하도록 산소투과가 가능한 재질로 형성되는 투과체;를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 3D 프린터의 입체 형상 조형 방법은, 3D 입체 형상 조형을 위한 것으로, 광경화성 용액을 수용시킬 수 있도록 통 형상으로 이루어진 수조와 상기 광경화성 용액의 경화를 위한 빛을 내는 물체인 광원 사이에 배치되는 액정표시장치에 의해 상기 입체 형상 조형을 위한 영상을 표시시키고, 그 표시된 영상에 따라 상기 수조 내에 배치되는 성형 스테이지에 상기 빛에 의해 경화된 조형물을 형성시키도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 의한 3D 프린터는, 액정 표시장치에 의한 영상 구현에 의해 정밀하고 신속한 입체 형상 조형을 가능하게 하고 소비전력 절감을 이룰 수 있음은 물론, 제품 규격의 소형화를 가능하게 하는 효과를 가진다.

또한, 산소가 투과체를 투과함으로써 투과체와 성형 스테이지 사이에 산소층이 형성될 수 있는 실시예에 따르면, 성형 스테이지가 수조 내부의 압력 또는 용액과 성형 스테이지 사이에 발생하는 표면장력의 영향을 받지 않고 하강할 수 있게 됨에 따라, 불필요한 상승 동작 없이 연속적인 입체 조형을 가능하게 하여 성형효율을 높일 수 있게 되고, 성형시간의 단축으로 광원 사용시간을 줄여 소비전력을 절감시킬 수 있으며, 불필요한 상승 동작에 의해 조형물의 정밀도가 떨어지는 것을 방지시킬 수 있는 장점이 기대된다.

도 1은 일반적인 3D 프린터의 단면도.
도 2는 3D 프린터에 채용된 성형 스테이지의 바람직한 승강 동작을 설명하기 위한 도면.
도 3은 일반적인 3D 프린터에 채용된 성형 스테이지의 문제점을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터의 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 단면도.
도 6은 도 5의 A 방향에서 보인 투과체의 저면 사시도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 단면도.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터의 단면도이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 3D 프린터는, 3D 입체 형상 조형을 위한 것으로, 수조(12)와 성형 스테이지(14)와 액정 표시장치(22)를 포함하여 이루어진다.

상기 수조(12)는, 광경화성 용액을 수용시킬 수 있도록 일방향으로 개방된 통 형상으로 이루어져 있다. 상기 광경화성 용액은, 빛을 받으면 경화가 일어나게 되는 광경화성 수지를 포함하여 이루어지고, 상기 빛의 광원은 다양하게 구현될 수 있음은 물론이나, 본 실시예에서는 LED 램프(24)가 채용되었다.

상기 성형 스테이지(14)는, 상기 수조(12) 내에 배치되고, 도 4의 점선으로 도시된 바와 같이, 상기 광경화성 용액에 투사되는 빛에 의해 경화된 조형물이 지지되게 하며, 상기 수조(12)에 대해 승강가능하게 설치된다.

상기 수조(12)를 승강시키기 위한 승강장치는, 동력원인 모터(M)와, 동력전달부재인 승강로드(17)를 포함하여 이루어진다. 상기 승강로드(17)는, 모터(M)로부터 동력을 전달받아 상기 성형 스테이지(14)에 인가시킬 수 있도록, 일측은 상기 모터(M)에 동력적으로 연결되고 타측은 상기 성형 스테이지(14)와 함께 승강 가능하도록 그 성형 스테이지(14)에 연결된다.

본 발명은, 3D 입체 형상 제작을 위한 영상을, 종래의 빔 프로젝트에 의하지 않고, 상기 액정 표시장치(22)로 투사시킬 수 있도록 구성되었다.

상기 액정 표시장치(LCD)(22)는, 인가전압에 따른 액정 투과도의 변화를 이용하여 각종 장치에서 발생하는 여러 가지 전기적인 정보를 시각정보로 변화시켜 전달하는 전기소자로, 자기발광성이 없어 후광이 필요하지만 소비전력이 적어 널리 사용하는 평판 디스플레이이다.

이러한 액정 표시장치(22)와 3D 프린터로는, 공지의 지우개와 공지의 연필이 서로 유기적으로 결합됨으로써 지우개 달린 연필이 개발된 것과 같이, 각각의 구성은 공지의 구성이기는 하나, 3D 프린터에 액정 표시장치를 채용함으로써 빔 프로젝트 사용시 요구되는 영상 투사 간격이 필요없게 됨에 따라 후술할 투과체 바로 상측에 액정 표시장치(22)의 배치를 가능하게 하여 결국 제품 상하 규격 사이즈를 작게 할 수 있는 장점을 도출한다.

결국, 상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터는, 액정 표시장치(22)에 의한 영상 구현에 의해 정밀하고 신속한 입체 형상 조형을 가능하게 하고 소비전력 절감을 이룰 수 있음은 물론, 제품 규격의 소형화를 가능하게 한다.

본 실시예에서, 상기 광원은 LED 램프(24)이며, 상기 LED 램프(24)는, 상기 액정 표시장치(22)에 대해 상대이동 가능하게 설치됨으로써, 상기 액정 표시장치(22)에 표시된 영상을 스캔하는 방식으로 상기 성형 스테이지(14)에 투사시킬 수 있도록 구성된다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 빛이 도달하지 않는 사각지대 없이 빛의 조사를 가능하게 하여 제품 성형의 정밀도를 높일 수 있음은 물론, 소비전력이 적은 LED 램프(24)의 사용을 가능하게 하여 에너지 절감을 이룰 수 있는 장점을 가진다.

한편, 본 실시예에 채용된 투과체(16)는, 상기 수조(12)의 개방된 부위를 폐쇄시킬 수 있도록 그 수조(12)에 결합되고, 상기 빛이 수조(12) 내부로 투과되는 것을 방해하지 않도록 광투과가 가능한 재질로 형성되며, 도 4의 확대부분에 잘 도시된 바와 같이, 상기 수조(12) 내의 용액의 최상단과 최하단 중 어느 하나와의 사이에 산소층의 형성이 가능하도록 산소투과가 가능한 재질로 형성된다.

본 실시예에서 상기 투과체(16)는 상기 수조(12)의 상측에 결합됨에 따라 상기 용액의 최상단과의 사이에 산소층이 형성되게 되고, 산소투과가 가능한 콘택즈 렌즈 재질로 형성될 수 있다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 3D 프린터는, 산소가 상기 투과체(16)를 투과함으로써 형성된 산소층 때문에, 상기 성형 스테이지(14)가 수조(12) 내부의 압력 또는 용액과 성형 스테이지(14) 사이에 발생하는 표면장력의 영향을 받지 않고 하강할 수 있게 됨에 따라, 불필요한 상승 동작 없이 연속적인 입체 조형을 가능하게 하여 성형효율을 높일 수 있게 되고, 성형시간의 단축으로 광원의 사용시간을 줄여 소비전력을 절감시킬 수 있으며, 불필요한 상승 동작에 의해 조형물의 정밀도가 떨어지는 것을 방지시킬 수 있는 장점을 가진다.

한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 단면도이고, 도 6은 도 5의 A방향에서 보인 투과체의 저면 사시도이다.

이 도면에 도시된 실시예는, 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 도 4에 도시된 실시예를 뒤집어 놓은 것과 같은 배치구조를 가진다.

이러한 실시예에 의하면, 성형 스테이지(34)가 상승하면서 입체 조형물이 생성되고, 투과체(36)가 수조의 하단부에 결합되게 됨으로써 수조 내의 용액에 의한 하중을 받게 된다.

따라서, 상기 투과체(36)는 상기 용액에 의해 지속적인 휨 응력이 발생하게 됨에 따라, 평평도를 유지하지 못하고 휘어질 수 있게 되는데, 이러한 투과체의 휨은 성형 정밀도를 떨어뜨림은 자명하다 할 것이다.

결국, 이러한 점을 보완하기 위하여 본 실시예에 채용된 투과체(36)는, 산소투과가 가능한 콘랙즈 렌즈 재질의 렌즈부(36a)와, 상기 렌즈부(36a)의 강성을 보강시키기 위한 보강부(36b)를 포함하여 이루어지고, 상기 보강부는, 상기 렌즈부(36a)에 결합되되, 각각의 사이사이에 상기 렌즈부(36a)의 노출이 가능하도록 배치되는 복수의 보강리브(36b)들로 이루어진다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 실시예는, LED 램프(38)를 하측에서 상측으로 조사시키는 방식이 채용된 구조 구현도 가능하게 함은 물론, 도 4에 도시된 실시예에 마찬가지로, 제품의 소형화를 이룰 수 있고, 성형 스테이지의 불필요한 하강 동작 없이 연속적인 입체 조형을 가능하게 하여 성형효율을 높일 수 있게 되며, 성형시간의 단축으로 광원 사용시간을 줄여 소비전력을 절감시킬 수 있으며, 불필요한 상승 동작에 의해 조형물의 정밀도가 떨어지는 것을 방지시킬 수 있는 장점을 가진다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 단면도이다.

이 도면에 도시된 실시예는, LED 램프(44)가 복수개 마련되어서, 액정 표시장치942)에 표시된 영상을 구간별로 구획하여 스캔할 수 있도록 구성되어 있다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 복수의 LED 램프(44)에 의한 빛의 투사로 구간별로 신속히 영상 투사 및 입체 형상 조형을 가능하게 함으로써, 입체 조형물의 정밀하고 신속한 성형을 가능하게 하는 장점을 도출한다.

이상, 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 위에서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명 이 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있음은 자명하다.

12: 수조 14:성형 스테이지
15:경화장치 16:투과체
17:승강로드 22:액정 표시장치
24:LED 램프

Claims (6)

1. 3D 입체 형상 조형을 위한 것으로,
   광경화성 용액을 수용시킬 수 있도록 통 형상으로 이루어진 수조;
   상기 수조 내에 배치되고, 상기 광경화성 용액에 투사되는 빛에 의해 경화된 조형물이 지지되게 하며, 상기 수조에 대해 승강가능하게 설치되는 성형 스테이지; 및
   상기 광경화성 용액의 경화를 위한 빛을 내는 물체인 광원과 상기 수조 사이에 배치되고, 상기 입체 형상 조형을 위한 영상이 표시되는 액정표시장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광원은 LED 램프이며,
   상기 LED 램프는, 상기 액정표시장치에 대해 상대이동 가능하게 설치됨으로써, 상기 액정표시장치에 표시된 영상을 스캔하는 방식으로 상기 성형 스테이지에 투사시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 LED 램프는, 복수개 마련되어서, 상기 액정표시장치에 표시된 영상을 구간별로 구획하여 스캔할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 수조의 개방된 부위를 폐쇄시킬 수 있도록 그 수조에 결합되고, 상기 빛이 수조 내부로 투과되는 것을 방해하지 않도록 광투과가 가능한 재질로 형성되며, 상기 수조 내의 용액의 최상단과 최하단 중 어느 하나와의 사이에 산소층의 형성이 가능하도록 산소투과가 가능한 재질로 형성되는 투과체;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
5. 3D 입체 형상 조형을 위한 것으로,
   광경화성 용액을 수용시킬 수 있도록 통 형상으로 이루어진 수조와 상기 광경화성 용액의 경화를 위한 빛을 내는 물체인 광원 사이에 배치되는 액정표시장치에 의해 상기 입체 형상 조형을 위한 영상을 표시시키고, 그 표시된 영상에 따라 상기 수조 내에 배치되는 성형 스테이지에 상기 빛에 의해 경화된 조형물을 형성시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 입체 형상 조형 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 광원에 해당하는 LED 램프를 상기 액정표시장치에 대해 상대이동 시킴으로써, 상기 액정표시장치에 표시된 영상을 스캔하는 방식으로 상기 성형 스테이지에 투사시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 입체 형상 조형 방법.

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