KR20160135551A

KR20160135551A - 고속 3차원 프린터

Info

Publication number: KR20160135551A
Application number: KR1020150069021A
Authority: KR
Inventors: 손정오
Original assignee: 주식회사 에스엔씨
Priority date: 2015-05-18
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2016-11-28

Abstract

본 발명은 3차원 프린터에 관한 것으로, 광경화성수지를 이용하여 빛에 의해 경화 형성되는 경화단층을 Z축 방향으로 이동 및 반복경화를 통해 조형물을 제조하는 DLP타입의 3차원 프린터에 있어서, 상가 광경화성수지를 수용함과 아울러, 상측 또는 하측에 광투과성플레이트로 일면을 갖는 하우징에 수용된 광경화성수지와 광투과성플레이트의 사이에 빛에 의해 경화되는 경화단층이 광투과성플레이트에 접착되지 않고 격리상태를 유지하는 분리막이 더 포함하며, 상기 분리막은 광경화성수지보다 다른 비중으로 빛을 투과하는 투명색의 액체 또는 기체의 투과성유체로 이루어진 것을 특징으로 하는 고속 3차원 프린터를 제공함으로써, 기존에 비해 조형물의 취약점인 계단현상을 방지함과 아울러, 연속적으로 조형이 가능함에 따라 산업에 전반적인 개발 기간을 단축할 수 있고, 직접적으로 생산에 적용할 수 있으므로 컨셉 또는 아이디어 단계에서 실제품의 양산이 가능하여 비용을 절감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Description

고속 3차원 프린터{High Speed 3D Printer}

본 발명은 3차원 프린터에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존에 비해 조형물의 취약점인 계단현상을 방지함과 아울러, 연속적으로 조형이 가능함에 따라 산업에 전반적인 개발 기간을 단축할 수 있고, 직접적으로 생산에 적용할 수 있으므로 컨셉 또는 아이디어 단계에서 실제품의 양산이 가능하여 비용을 절감할 수 있는 고속 3차원 프린터에 관한 것이다.

일반적으로 프린터는 대상물에 문자 또는 도안 등을 인쇄하는 장치를 의미하는 것으로, 컴퓨터에 연결하여 종이에 인쇄하는 프린터장치로 업무용 또는 가정용으로서 널리 사용되고 있다.

이와 같이, 프린터에 경우 대상물이 되는 종이 또는 시트를 소정의 방향으로 이동하면서 2차원적으로 인쇄하는 것에 불과한 반면에, 최근 3차원적인 조형물로 형상화 할 수 있는 3차원 프린터가 개발되었다.

이러한, 3차원 프린터(3D Printer)로는 광경화 수지 조형 방식(SLA; Stereo Lithography Apparatus), 선택적 레이저 소결 조형 방식(SLS; Selective Laser Sintering), 용융 수지 압출 조형 방식(FDM; Fused Deposition Modeling), 잉크젯 및 광조형 혼합 방식(PolyJet; Photopolymer Jetting Technology), 마스크 투영 이미지 경화 방식(DLP; Digital Light Procedding) 등의 다양한 방식이 개발되었다.

상기한, 여러 가지 방식 중 DLP에 경우 컴퓨터로 작업된 가상의 3차원 CAD (computer-aided design) 모델을 손으로 만질 수 있는 조형물로 제작하는 것으로 소재를 한 층씩(Layer by layer) 적층하여 최종적인 형상을 구현하고, 특히, 다양한 기술의 특징적 차이에 따라 고체 분말 또는 액체의 플라스틱, 금속제, 왁스, 종이 등의 다양한 재료를 사용할 수 있다.

따라서, 3차원 프린팅(3D Printing)을 활용하면 비용 대비 효율성을 높일 수 있기 때문에 변화가 빠른 디자인분야 또는 제조업분야에 활용도가 매우 높아, 제3산업형명의 태동이라 할 정도이고, 미국, 일본 등의 각 선진국에서는 3D Printing 기술을 본격 상용화하고 있다.

선행기술문헌을 통해 다양한 종래 기술을 제안되었으며, 이러한, 종래 기술은 UV광원, 프로젝터, 재료 적층 저성부, 제어부를 구비한 3차원 프린터에 관한 것으로, UV광원을 선택 투과시키는 프로젝터를 복수로 갖추어 단일 화면 패턴을 선택적으로 투과시키도록 함으로써 향상된 해상도를 갖는 3차원 프린터 등을 기재하고 있다.

즉, 종래의 3D Printing 기술은 컴퓨터로 설계된 3차원 디지털 데이터를 Z축을 따라 일정한 간격으로 슬라이딩하여 Z축으로 분할된 2차원 형상의 한층 단면을 조형하고, 적층의 단면과 붙이며 올리는 방식을 계속 반복적으로 수행하여 최종적인 3차원 조형물을 만드는 프로세서를 갖는다.

그러나, 종래 기술에 따라 분할된 층을 조형하는데 속도가 조금 다를 수 있으나, 한층의 조형 속도와 다음 층의 조형을 준비하는 XYZ축의 위치 준비와 소재에 따른 적정 레벨링(Leveling) 준비가 반드시 필요하며, 각 단층의 조형 준비 시간이 오래 걸려 가공 속도가 현저히 느려 3차원 모델링이 매우 느린 문제점이 있다.

또한, 3차원 프린터의 하드웨어에서 한층의 단면과 그 다음 층 단면의 높이를 준비하는 Mechanical Process인 리코팅 또는 재료 공급에 대한 경화단층을 형성 단계에서 가공 단면의 유실 및 기존 조형이 완료된 적층 부분과의 결합의 한계에 따라 적층 두께의 한계가 있으며, 현재의 최소 스펙은 16미크론이나 일반적인 가공은 50미크론의 적층 두께로 조형하는 것으로 정밀도가 매우 떨어지는 문제점이 있다.

한편, 적층 두께에 따른 가공물의 표현에 분할 조형된 단층의 높이가 계단처럼 표현되어 일반 기계가공이나 금형 가공 등으로 표면을 매끄럽게 하는 후가공 공정이 필요하므로 공정 증가로 인한 비용이 증가되는 문제점이 있다.

KR

2015-0039554

A

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1509432

B1

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2015-0026760

A

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2014-0036285

A

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1406900

B1

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1346704

B1

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2015-0031882

A

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2013-0038101

A

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 기존에 조형물의 취약점인 계단현상과 조형시간을 개선함으로써, 산업에 전반적인 개발 기간을 단축할 수 있고, 직접적으로 생산에 적용할 수 있으므로 컨셉 또는 아이디어 단계에서 실제품의 양산이 가능하여 비용을 절감할 수 있는 고속 3차원 프린터를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광경화성수지를 이용하여 빛에 의해 경화 형성되는 경화단층을 Z축 방향으로 이동 및 반복경화를 통해 조형물을 제조하는 DLP타입의 3차원 프린터에 있어서, 상가 광경화성수지를 수용함과 아울러, 상측 또는 하측에 광투과성플레이트로 일면을 갖는 하우징에 수용된 광경화성수지와 광투과성플레이트의 사이에 빛에 의해 경화되는 경화단층이 광투과성플레이트에 접착되지 않고 격리상태를 유지하는 분리막(Seperating Zone)이 더 포함하는 고속 3차원 프린터를 제공한다.

여기서, 상기 분리막은 광경화성수지보다 다른 비중으로 빛을 투과하는 투명색의 액체 또는 기체의 투과성유체로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 기존에 비해 조형물의 취약점인 계단현상을 방지함과 아울러, 연속적으로 조형이 가능함에 따라 산업에 전반적인 개발 기간을 단축할 수 있고, 직접적으로 생산에 적용할 수 있으므로 컨셉 또는 아이디어 단계에서 실제품의 양산이 가능하여 비용을 절감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고속 3차원 프린터의 단면 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 고속 3차원 프린터의 다른 실시예 단면 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 고속 3차원 프린터의 작동상태도.
도 4는 본 발명에 따른 고속 3차원 프린터의 다른 실시예 작동상태도.
도 5는 본 발명에 따른 고속 3차원 프린터에서 각 실시예에 대한 분리막의 확대도.

이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 광경화성수지(113)를 이용하여 X, Y축의 2차원 경화단층(117)을 Z축 방향으로 상승이동 및 반복경화를 통해 조형물(115)을 제조하는 고속 3차원 프린터(100)를 제공한다.

여기서, 본 발명의 고속 3차원 프린터(100)는 우선, 광경화성수지(113)를 수용하는 함체로 이루어지며, 이 함체의 하측 또는 상측에 빛이 투과되는 광투과성플레이트(111)를 갖는 하우징(110)이 구비된다.

이때, 상기 하우징(110)의 일측에는 하우징(110)의 내부로 광경화성수지(113)를 공급하는 수지공급수단(120)이 연결 설치된다.

여기서, 상기 수지공급수단(120)은 상기 하우징(110)의 일측에 연결되며, 하우징(110)의 내부로 광경화성수지(113)를 직접적으로 공급할 수 있도록 피스톤(122)을 갖는 실린더(121)가 구비되고, 이 후단에 상기 실린더(121)의 피스톤(122)을 왕복 작동시켜 유체압력을 가하는 유압프레스(123)에 의해 작동되며, 이를 제어하는 유압액츄에이터(125)가 포함한다.

이하, 수지공급수단(120)의 경우, 기존에 광격화성수지(113)를 공급하는 방법과 동일한 기술이므로 구체적인 설명은 제외한다.

그리고, 상기 광투과성플레이트(111)에 대응하여 하우징(110)의 하부 또는 상부에는 상기 하우징(110) 내의 광경화성수지(113)에 광경화로 경화단층(117)을 형성할 수 있게 상기 광투과성플레이트(111)를 통해 하우징(110)의 내부로 빛을 조사하는 라이트발생수단(130)이 구비된다.

여기서, 상기 라이트발생수단(130)은 상기 경화단층(117)에 해당하는 이미지를 빛과 함께 투사하는 DLP프로젝션(131)과, 상기 DLP프로젝션(131)로부터 투사되는 빛을 상기 하우징(110) 내의 광경화성수지(113)에 이미지를 투영할 수 있게 상기 광투과성플레이트(111) 측으로 유도하는 렌즈(133)를 포함한다.

또한, 상기 경화단층(117)의 상부 또는 하부에는 상기 라이트발생수단(130)에 의한 광경화성수지(113)의 반복경화에 따라 적층되는 경화단층(117)을 상승시켜 조형물(115)을 형성하는 빌드플렛폼(140)이 위치된다.

여기서, 상기 빌드플렛폼(140)은 상기 하우징(110) 내에서 Z축을 따라 적층되는 조형물(115)의 상측 또는 하측을 지지하는 지지플레이트(141)와, 상기 지지플레이트(141)의 승강을 안내하는 가이드리프트(143)를 포함한다.

따라서, 본 발명의 고속 3차원 프린터(100)는 상기 광투과성플레이트(111)가 상기 하우징(110)의 하측에 형성되는 경우, 상기 하우징(110) 내의 광경화성수지(113)에 광경화로 경화단층(117)을 형성할 수 있게 상기 광투과성플레이트(111)를 통해 하우징(110)의 내부로 빛을 조사하는 라이트발생수단(130)이 상기 광투과성플레이트(111)에 대응하여 하우징(110)의 하부에 구비되고, 상기 라이트발생수단(130)에 의한 광경화성수지(113)의 반복경화에 따라 적층되는 경화단층(117)을 상승시켜 조형물(115)을 형성하는 빌드플렛폼(140)이 하우징(110)의 상부에 더 구비하여 이루어진다.

한편, 상기 광투과성플레이트(111)가 상기 하우징(110)의 상측에 형성되는 경우, 상기 하우징(110) 내의 광경화성수지(113)에 광경화로 경화단층(117)을 형성할 수 있게 상기 광투과성플레이트(111)를 통해 하우징(110)의 내부로 빛을 조사하는 라이트발생수단(130)이 상기 광투과성플레이트(111)에 대응하여 하우징(110)의 하부에 구비되고, 상기 라이트발생수단(130)에 의한 광경화성수지(113)의 반복경화에 따라 적층되는 경화단층(117)을 상승시켜 조형물(115)을 형성하는 빌드플렛폼(140)이 하우징(110)의 상부에 더 구비되어 이루어진다.

즉, 상기 경화단층(117)의 적층 방향에 따라 DLP방식으로 두 가지 타입이 제공될 수 있다.

그리고, 상기 광투과성플레이트(111)와 광경화성수지(113)의 사이에는 경화단층(117)이 광투과성플레이트(111)에 접착되지 않도록 격리하는 분리막(150)이 더 형성되어 고속 3차원 프린터(100)가 완성되는 것이다.

한편, 상기 분리막(150)은 도 5에 도시된 바와 같이, 광경화성수지(113)와 비중 차이를 갖는 투명의 액체 또는 기체로 이루어질 수 있다.

즉, 상기 분리막(150)은 광경화성수지(113)보다 다른 비중으로 빛을 투과하는 투명색의 액체 또는 기체의 투과성유체(151)로 이루어지는 것으로, 상기 경화단층(117)이 상측 방향으로 적층되어 조형물(115)을 형성하는 경우, 상기 투과성유체(151)의 비중이 상기 광경화성수지(113)에 비해 상대적으로 높은 비중을 가지므로 광경화성수지(113)가 분리막(150)의 상측에 위치되게 것이 바람직하다.

그리고, 상기 경화단층(117)이 하측 방향으로 적층되어 조형물(115)을 형성하는 경우, 상기 투과성유체(151)의 비중이 상기 광경화성수지(113)에 비해 상대적으로 낮은 비중을 가지므로 광경화성수지(113)가 분리막(150)의 하측에 위치될 수 있다.

상기와 같이, 구성된 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적인 작용 및 작동을 상세히 설명한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, DLP프로젝션(131)에서 발생된 빛을 고정밀 렌즈(133)를 통해 광경화성수지(113)에 광경화하여 조형물(115)을 제작하는 방식으로 액상의 광경화성수지(113)가 수용되는 하우징(110)의 상단 또는 하단에 형성된 광투과성플레이트(111)에 의해 빛이 투과되며, 이 상단 또는 하단에는 빌드플렛폼(140)에 의해 적층되는 경화단층(117)으로 늘어나는 조형물(115)을 Z축 방향으로 이동시킨다.

다시 말해, 액상의 광경화성수지(113)에 빛을 조사하여 조형물(115)을 형성시키는 동안 상기 하우징(110)의 하측에 형성된 광투과성플레이트(111)의 상면에 경화단층(117)이 접착되는 현상을 분리막(150)에서 규제하므로, 기존에 경화단층(117)의 탈착과 광경화성수지(113)의 재배치를 삭제하므로 조형물(115)이 제작되는 속도를 매우 빠르게 할 수 있다.

따라서, 기존에 DLP에 본 발명의 기술을 적용하는 경우, 기존의 생산성에 비해 100배까지 생산성을 높일 수 있으며, 단층 조형을 위한 준비 단계 역시 삭제되므로 기존 프로세싱 과정에서 단층 조형을 위한 준비 단계에서 흔히 발생하는 가공에러나 실패율이 100% 발생하지 않는다.

더욱이, 도 1에 도시된 바와 같이, 3D Printing 기술의 신뢰도를 높이고, 경화단층(117)의 적층 두께를 1미크론 단위로 할 수 있어 무단 연속조형으로 기존 3D Printing에서 취약점인 표면 계단 현상이 발생하지 않으므로 별도의 후가공 없이 매끄러운 가공면을 갖는 조형물(115)을 제작할 수 있다.

따라서, 광범위한 산업분야에 신제품 연구개발 기간을 혁신적으로 단축할 수 있고, 생산까지 직접 적용하여 제품 컨셉 또는 아이디어부터 실제품 양산에 이르는 모든 단계에 기간 및 비용을 혁신적으로 절감할 수 있다.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

100: 3차원 프린터
110: 하우징
111: 광투과성플레이트
113: 광경화성수지
115: 조형물
117: 경화단층
120: 수지공급수단
121: 실린더
122: 피스톤
123: 유압프레스
125: 유압액츄에이터
130: 라이트발생수단
131: DLP프로젝션
133: 렌즈
140: 빌드플렛폼
141: 지지플레이트
143: 가이드리프트
150: 분리막
151: 투과성유체

Claims

광경화성수지(113)를 이용하여 빛에 의해 경화 형성되는 경화단층(117)을 Z축 방향으로 이동 및 반복경화를 통해 조형물(115)을 제조하는 DLP타입의 3차원 프린터(100)에 있어서,
상가 광경화성수지(113)를 수용함과 아울러, 상측 또는 하측에 광투과성플레이트(111)로 일면을 갖는 하우징(110)에 수용된 광경화성수지(113)와 광투과성플레이트(111)의 사이에 빛에 의해 경화되는 경화단층(117)이 광투과성플레이트(111)에 접착되지 않고 격리상태를 유지하는 분리막(150)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 고속 3차원 프린터.
청구항 1에 있어서,
상기 분리막(150)은 광경화성수지(113)보다 다른 비중으로 빛을 투과하는 투명색의 액체 또는 기체의 투과성유체(151)로 이루어진 것을 특징으로 하는 고속 3차원 프린터.
청구항 1에 있어서,
상기 광투과성플레이트(111)가 상기 하우징(110)의 하측에 형성되는 경우,
상기 하우징(110) 내의 광경화성수지(113)에 광경화로 경화단층(117)을 형성할 수 있게 상기 광투과성플레이트(111)를 통해 하우징(110)의 내부로 빛을 조사하는 라이트발생수단(130)이 상기 광투과성플레이트(111)에 대응하여 하우징(110)의 하부에 구비되고,
상기 라이트발생수단(130)에 의한 광경화성수지(113)의 반복경화에 따라 적층되는 경화단층(117)을 상승시켜 조형물(115)을 형성하는 빌드플렛폼(140)이 하우징(110)의 상부에 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고속 3차원 프린터.
청구항 1에 있어서,
상기 광투과성플레이트(111)가 상기 하우징(110)의 상측에 형성되는 경우,
상기 하우징(110) 내의 광경화성수지(113)에 광경화로 경화단층(117)을 형성할 수 있게 상기 광투과성플레이트(111)를 통해 하우징(110)의 내부로 빛을 조사하는 라이트발생수단(130)이 상기 광투과성플레이트(111)에 대응하여 하우징(110)의 하부에 구비되고,
상기 라이트발생수단(130)에 의한 광경화성수지(113)의 반복경화에 따라 적층되는 경화단층(117)을 상승시켜 조형물(115)을 형성하는 빌드플렛폼(140)이 하우징(110)의 상부에 더 구비되는 것을 특징으로 하는 고속 3차원 프린터.
청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
상기 라이트발생수단(130)은,
상기 경화단층(117)에 해당하는 이미지를 빛과 함께 투사하는 DLP프로젝션(131)과;
상기 DLP프로젝션(131)로부터 투사되는 빛을 상기 하우징(110) 내의 광경화성수지(113)에 이미지를 투영할 수 있게 상기 광투과성플레이트(111) 측으로 유도하는 렌즈(133)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 3차원 프린터.
청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
상기 빌드플렛폼(140)은,
상기 하우징(110) 내에서 경화단층(117)의 적층으로 Z축 방향을 따라 이동하는 조형물(115)의 일단부를 지지하는 지지플레이트(141)와;
상기 지지플레이트(141)의 승강을 안내하는 가이드리프트(143)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 3차원 프린터.