KR20170022439A

KR20170022439A - 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐

Info

Publication number: KR20170022439A
Application number: KR1020150117411A
Authority: KR
Inventors: 이제훈; 신동식; 손현기; 김경한; 김정오
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2017-03-02
Also published as: KR101801313B1

Abstract

본 발명의 목적은 3차원 구조물의 스캔 범위에서 조형 범위를 가변하는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐은, 쉴드 가스를 공급하는 가스 통로를 서로의 사이에 형성하는 내부 하우징과 외부 하우징, 상기 내부 하우징의 내측에 이격 배치되어 조형 파우더를 공급하는 파우더 통로를 외측에 형성하고, 광 빔을 기판의 복수의 위치에 통과시키고 상기 기판에 공급되는 상기 조형 파우더를 멜팅하여 상기 기판에 3차원 구조물을 조형하도록 일 방향으로 설정된 길이를 가지는 광 통로를 내측에 형성하는 1쌍의 격벽, 및 상기 길이에 대응하는 상기 파우더 통로 중 일부를 가변적으로 차단하는 조절판을 포함한다.

Description

3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐 {VARIABLE NOZZLE FOR THREE DIMENSION STRUCTURE PRINTING APPARATUS}

본 발명은 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3차원 구조물의 스캔 범위에서 조형 범위를 가변하는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐에 관한 것이다.

일례를 들면, 3차원 구조물 조형 장치, 즉 3D 프린터는 플라스틱 액체를 굳혀 3차원 구조물을 만들어내는 프린터이다. 2D 프린터는 헤드를 앞뒤(x축)와 좌우(y축)로 운동하지만, 3D 프린터는 여기에 헤드의 상하(z축) 운동을 더하여 입력한 3D 도면을 바탕으로 입체 구조물을 만들어낸다.

입체 프린팅 방법에는 빌딩 챔버 내에서 스테이지 상에 메탈 파우더를 레이저로 멜팅 및 프린팅하여 입체 구조물을 조형하는 선택적 레이저 멜팅(SLM; selective laser melting) 방법과, 다이렉트 에너지 증착(DED; directed energy deposition) 방법이 있다.

DED 방법은 노즐로 메탈 파우더와 쉴드 가스를 공급하면서 레이저로 메탈 파우더를 멜팅하여 프린팅 함으로써 입체 구조물을 조형한다. DED 방법에 적용되는 노즐은 작은 원형으로 형성되어, 순차적으로 스캐닝 하면서 입체 구조물을 점 상태로 프린팅 하게 된다.

DED 방법 및 이에 적용되는 노즐은 원형으로 이루어져 메탈 파우더를 멜팅하여 프린팅 하므로 대면적의 입체 구조물을 제조하는데 많은 시간을 소요하는 단점을 가진다.

본 발명의 목적은 3차원 구조물의 조형 속도를 향상시키는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐을 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 3차원 구조물의 스캔 범위에서 조형 범위를 가변하는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐은, 쉴드 가스를 공급하는 가스 통로를 서로의 사이에 형성하는 내부 하우징과 외부 하우징, 상기 내부 하우징의 내측에 이격 배치되어 조형 파우더를 공급하는 파우더 통로를 외측에 형성하고, 광 빔을 기판의 복수의 위치에 통과시키고 상기 기판에 공급되는 상기 조형 파우더를 멜팅하여 상기 기판에 3차원 구조물을 조형하도록 일 방향으로 더 길게 설정된 길이를 가지는 광 통로를 내측에 형성하는 1쌍의 격벽, 및 상기 길이에 대응하는 상기 파우더 통로 중 일부를 가변적으로 차단하는 조절판을 포함한다.

상기 조절판은 상기 파우더 통로와 함께 상기 광 통로를 가변적으로 차단할 수 있다.

상기 파우더 통로는 상기 길이 방향에 교차하는 방향으로 이격되어 상기 내부 하우징에 마주하는 상기 1쌍의 격벽에 의하여, 상기 광 통로의 양측에 형성될 수 있다.

상기 조절판은 상기 내부 하우징의 내부에서 상기 길이 방향으로 가변되도록 상기 외부 하우징의 외측에 구비되는 회전 모터에 연결되어 언와인딩 및 리와인딩 될 수 있다.

상기 조절판은 상기 길이 방향의 양단에 1쌍으로 구비되며, 상기 길이 방향에서 독립적으로 가변될 수 있다.

상기 내부 하우징은 하단에 가이드를 구비하여, 상기 길이 방향으로 가변되는 상기 조절판의 양측을 지지하여 상기 조절판의 가변을 안내할 수 있다.

상기 조절판은 상기 내부 하우징의 내부에서 회전축으로 장착되어 회전하여 상기 길이 방향으로 가변될 수 있다.

상기 회전축은 상기 외부 하우징에 구비되는 회전 모터에 연결되어 선회할 수 있다.

상기 조절판으로 조절된 상기 파우더 통로는, 단위 면적당 동일 양의 조형 파우더를 공급할 수 있다.

상기 광 빔은 상기 조절판으로 조절된 길이 범위에 대응하는 광 통로를 통과할 수 있다.

상기 조형 파우더는 금속, 세라믹, 폴리머 또는 복합재료 분말로 형성될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예는 가변 노즐의 라인 스캔으로 3차원 구조물을 조형하므로 조형 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 일 실시예는 길이 방향에서 조절판으로 파우더 통로(및 광 통로)를 가변적으로 차단하여, 라인 스캔 범위에서 가변 노즐의 조형 범위를 가변하면서 3차원 구조물을 조형할 수 있다. 이때, 조형 파우더 및 광 빔의 손실이 최소화 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가변 노즐이 적용되는 3차원 구조물 조형 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 가변 노즐의 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 도 4의 저면도이다.
도 6은 도 4의 Ⅵ-Ⅵ 선을 따라 자른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐을 이용한 라인 스캔 방식으로 3차원 구조물을 조형하는 상태도이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐의 부분 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 가변 노즐이 적용되는 3차원 구조물 조형 장치의 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가변 노즐이 적용되는 3차원 구조물 조형 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 적용되는 가변 노즐의 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 제1실시예에 따른 가변 노즐이 적용되는 3차원 구조물 조형 장치는 광 딜리버리 모듈(10), 반사 미러(20) 및 가변 노즐(30)을 포함한다.

광 딜리버리 모듈(10)은 광 파이버(11)를 통하여 전달되는 광 빔들(LB)을 반사 미러(20)로 전달하도록 구성된다. 예를 들면, 광 딜리버리 모듈(10)은 레이저 헤드(미도시)에서 발생된 레이저 빔을 복수의 광 파이버들(11)을 통하여 전달하도록 구성될 수 있다.

광 딜리버리 모듈(10)은 가변 노즐(30)의 길이(L)에 대응하여 폭(W1)을 가진다. 광 딜리버리 모듈(10)의 폭(W1)은 광 빔(LB)의 진행 방향에 교차하는 방향으로 설정된다.

또한, 광 딜리버리 모듈(10)은 복수의 광 파이버들(11)을 각각 온(on) 또는 오프(off)하여, 복수의 광 파이버들(11) 중에서 온되는 광 파이버(11)로만 광 빔(LB)을 전달할 수도 있다. 즉 광 파이버들(11)은 각 광 빔(LB)을 선택적으로 진행 및 차단시킬 수 있다.

도시하지 않았으나 광 파이버들(11)을 포함하는 광 딜리버리 모듈(10)은 복수의 레이저 다이오드들을 구비하는 레이저 다이오드 바로 형성되어, 레이저 다이오드들을 각각 온 또는 오프하여 복수의 레이저 다이오드들 중에서 온되는 레이저 다이오드로만 광 빔을 전달할 수도 있다.

반사 미러(20)는 광 딜리버리 모듈(10)로부터 전달되는 광 빔들(LB)을 반사시키도록 구성된다. 따라서 반사 미러(20)는 가변 노즐(30)의 길이(L) 및 광 딜리버리 모듈(10)의 폭(W1)에 대응하는 폭(W2)을 가진다.

따라서 반사 미러(20)는 광 딜리버리 모듈(10)의 폭(W1) 범위 내에서 선택적으로 전달되는 광 빔(LB)을 가변 노즐(30)로 반사시킬 수 있다. 일례로써, 반사 미러(20)는 쌍으로 구비되어 서로 마주 배치되고, 일체로 정역회전 요동하여 평행광인 광 빔들(LB)을 가변 노즐(30)로 반사시키도록 구성된다.

또한 일 실시예의 3차원 구조물 조형 장치는 반사 미러(20)와 가변 노즐(30) 사이에 배치되는 렌즈(50)를 더 포함한다. 일례를 들면, 렌즈(50)는 에프세타 렌즈로 구성될 수 있다. 렌즈(50)는 반사 미러(20)에서 반사되는 광 빔들(LB)의 발산각을 각각 조절하여 가변 노즐(30)로 전달한다.

이를 위하여, 렌즈(50)는 광 통로(33)에 대응하는 단위 렌즈들(51)로 구성된다. 각 단위 렌즈(51)는 광 통로들(33) 각각에 대응하는 광 빔(LB)의 발산각을 조절한다.

또한 다이오드 바를 사용할 경우, 사용 용도에 따라서 레이저 다이오드들에서 조사되는 레이저가 집속되어 점의 행렬을 형성할 수도 있고, 집적도를 높여서 선을 형성할 수도 있다.

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 자른 단면도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선을 따라 자른 단면도이며, 도 5는 도 4의 저면도이고, 도 6은 도 4의 Ⅵ-Ⅵ 선을 따라 자른 단면도이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 가변 노즐(30)은 기판(B)에 3차원 구조물(S)을 조형하도록 어느 일 방향으로 더 길게 형성된다.

가변 노즐(30)은 쉴드 가스(G)를 공급하는 가스 통로(31)를 형성하는 내부 하우징(301)과 외부 하우징(302), 외측으로 파우더 통로(32)를 형성하고 내측으로 광 통로(33)를 형성하는 1쌍의 격벽(321, 322), 및 파우더 통로(32)를 가변적으로 차단하는 조절판(34)를 포함한다.

즉 내, 외부 하우징(301, 302)은 이중 구조로 형성되어 서로의 사이에 가스 통로(31)를 형성한다. 1쌍의 격벽(321, 322)은 내측에 일 방향으로 설정된 길이(L)를 가지며, 파우더 통로(32)의 내측에 배치되어 광 빔(LB)을 통과시키는 광 통로(33)를 형성하고, 내부 하우징(301)의 내측에 이격 배치되어 외측에 파우더 통로(32)를 형성한다.

파우더 통로(32)는 가스 통로(31)의 내측에 배치되어 조형 파우더를 공급한다. 파우더 통로(32)는 길이(L) 방향에 교차하는 방향으로 이격되어 내부 하우징(301)에 마주하는 1쌍의 격벽(321, 322)에 의하여, 광 통로(33)의 양측에 형성된다.

한편, 도시하지 않았으나 가스 통로를 구비하지 않고 파우더 통로로 쉴드 가스와 조형 파우더를 같이 공급할 수도 있다. 또한 파우더 통로를 구비하지 않고 가스 통로로 조형 파우더와 쉴드 가스를 동시에 공급할 수도 있다. 가스 통로는 실딩 기능을 하므로 필요에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.

조형 파우더는 금속, 세라믹, 폴리머 또는 복합재료 분말로 형성될 수 있다. 이하에서는 편의상 메탈 파우더(MP)를 예로 들어 설명한다.

한편, 가스 통로(31)는 가스 딜리버리 모듈(311)에 연결되어 쉴드 가스(G)를 광 통로(33) 및 파우더 통로(32의 외곽으로 공급하여, 멜팅 영역을 차폐한다. 파우더 통로(32)는 파우더 딜리버리 모듈(331)에 연결되어 메탈 파우더(MP)를 광 통로(33)의 외곽과 가스 통로(31) 사이로 공급한다.

광 통로(33)는 가변 노즐(30)의 중심, 즉 파우더 통로(32)의 내측에 배치되어 반사 미러(20)로부터 반사되는 광 빔(LB)을 통과시켜 기판(B) 상의 복수 위치에 이르게 하여, 기판(B)에 공급되는 메탈 파우더(MP)를 멜팅하여, 기판(B)에 3차원 구조물(S)을 조형할 수 있게 한다.

즉 1쌍의 격벽(321, 322)은 반사 미러(20)로부터 반사되는 광 빔들(LB)을 서로의 사이에 형성되는 광 통로(33)로 통과시켜 기판(B)의 복수 위치에 이르게 한다.

반사 미러(20)는 광 통로(33)의 길이(L)에 대응하는 폭(W2)을 가지고, 광 딜리버리 모듈(10)을 통하여 선택적으로 전달되는 광 빔들(LB)을 가변 노즐(30)에서 광 통로(33)의 대응하는 위치에 반사한다.

조절판(34)은 광 통로(33)의 길이(L)에 대응하는 파우더 통로(32)의 일부 길이를 가변적으로 차단하도록 구성된다. 일례로써, 제1실시예의 조절판(34)은 파우더 통로(32)와 광 통로(33)를 함께 가변적으로 차단하도록 구성된다.

도시하지 않았으나, 광 파이버들을 통과하는 광 빔들이 선택적으로 온 또는 오프 되므로 조절판은 광 통로를 가변적으로 차단하지 않고 파우더 통로만을 차단하는 구조로 형성될 수도 있다.

그러나 제1실시예는 조절판(34)으로 파우더 통로(32)와 광 통로(33)를 동시에 가변적으로 차단하므로 가변 노즐(30)에서 조절판(34)의 가변 구조를 단순하게 할 수 있다.

조절판(34)은 내부 하우징(301)과 1쌍의 격벽(321, 322)의 단부에서 길이(L) 방향으로 가변되도록 권취되는 탄성부재로 형성될 수 있다. 조절판(34)은 외부 하우징(302)의 외측에 구비되는 회전 모터(303)로 구동되는 릴(313)에 연결되어 링(313)에 언와인딩 및 리와인딩 될 수 있다.

회전 모터(303)의 구동에 따라 조절판(34)은 릴(313)에서 언와인딩 되어 길이(L) 방향으로 길어져 파우더 통로(32)와 광 통로(33)를 더욱 길게 차단할 수 있고, 릴(313)에 리와인딩 되어 길이(L) 방향으로 짧아져 파우더 통로(32)와 광 통로(33)를 더욱 길게 개방할 수 있다.

이러한 조절판(34)은 광 통로(33)의 길이(L) 방향의 양단에 1쌍으로 구비되며, 길이(L) 방향에서 독립적으로 가변될 수 있다. 즉 파우더 통로(32)와 광 통로(33)는 조절판(34)에 의하여 동일한 길이로 차단 또는 개방되거나, 서로 다른 길이로 차단 또는 개방될 수 있다.

내부 하우징(301)은 하단에 가이드(304)를 구비한다. 가이드(304)는 길이(L) 방향으로 가변되는 조절판(34)의 양측 단부를 지지하여, 가변되는 조절판(34)의 원활한 이동을 안내할 수 있다.

조절판(34)이 가변되어, 파우더 통로(32)의 개방 면적이 변경되는 경우에도 파우더 통로(32)는 단위 면적당 동일 양의 메탈 파우더를 공급한다. 파우더 통로(32)의 개방 면적이 변경되는 경우, 파우더 딜리버리 모듈(331)은 메탈 파우더(MP)의 양을 조절하여 단위 면적당 동일 양의 메탈 파우더(MP)를 파우더 통로(32)로 공급하여, 메탈 파우더(MP)의 과잉 공급을 방지한다.

또한 조절판(34)이 가변되어 광 통로(33)의 개방 면적이 변경된다. 이 경우, 조절판(34)으로 조절된 광 통로(33)의 개방된 범위에 대응하는 광 빔들(LB)만이 광 통로(33)를 통과하여, 기판(B)에서 메탈 파우더(MP)를 멜팅하여 조형 작용 할 수 있다.

또한 광 딜리버리 모듈(10)은 조절판(34)으로 차단되는 부분에 해당하는 광 파이버(11)를 오프 하여 광 빔(LB)이 광 통로(33)로 전달되지 않게 할 수도 있다. 이 경우, 조절판(34)은 광 빔(LB)을 차단하는 작용을 하지 않고, 메탈 파우더(MP)만을 차단하는 작용을 한다.

광 빔(LB)의 차단에 상응하도록 조절판(34)은 광 통로(33)를 개폐하고, 파우더 딜리버리(331)는 공급되는 조형 파우더의 양을 조절한다. 즉 광 빔(LB)의 온 또는 오프 작동에 따라 조절판(34)이 작동되어 광 통로(33)를 개폐하고, 파우더 딜리버리(331)가 제어되어 단위 면적당 공급되는 조형 파우더의 양을 균일하게 한다.

한편, 조형 파우더가 조절판(34) 위에 쌓이게 되면, 파우더 통로(32)의 양측에서 조형 파우더의 공급량이 많아질 수 있고, 또한 그 양이 불규칙해질 수 있다. 따라서 도시하지 않았지만, 조절판은 조절판에 쌓이는 조형 파우더를 실시간 외부로 유도하여 재사용케 할 수 있는 구성을 더 구비할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 렌즈(50) 및 단위 렌즈들(51)은 광 빔들(LB)의 발산각을 조절하여, 가변 노즐(30)의 광 통로(33)의 대응하는 위치들에 각각 전달한다.

광 통로(33)의 길이(L)는 반사 미러(20)의 폭(W2) 및 광 딜리버리 모듈(10)의 폭(W1)에 대응한다. 따라서 광 통로(33)는, 광 딜리버리 모듈(10)에서 온 또는 오프되고 단위 렌즈(51)에서 발산각 조절된 광 빔(LB)을 선택적으로 통과시킬 수 있다.

광 통로(33)는 가변 노즐(30)에서 일 방향으로 설정된 길이(L)를 가지므로 라인 스캔(LS, 도 7 참조)으로 기판(B)에 3차원 구조물(S)을 조형할 수 있다. 라인 스캔(LS) 방식은 기판(B)의 복수 위치에서 동시에 3차원 구조물(S)을 조형하므로 3차원 구조물(S)의 조형 속도를 향상시킬 수 있다.

구체적으로 설명하면, 가변 노즐(30)은 기판(B)을 향하여 가스 통로(31)로 쉴드 가스(G)를 공급하고, 파우더 통로(32)로 메탈 파우더(MP)을 공급하며, 발산각 조절된 광 빔(LB)을 광 통로(33)로 조사하여, 쉴드 가스(G) 내에서 메탈 파우더(MP)을 멜팅하여 기판(B)에 3차원 구조물(S)을 조형한다.

조형시, 가변 노즐(30)의 광 통로(33)가 설정된 길이(L)를 가지므로 이 길이(L) 범위 내에서 라인 스캔(LS) 방식으로 한 번에 3차원 구조물(S)을 조형한다. 따라서 라인 스캔(LS) 방식은, 가변 노즐(30)의 길이(L) 방향에 대응하여 순차적으로 조형하는 종래의 방식에 비하여 조형 속도가 크게 향상될 수 있다.

도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐을 이용한 라인 스캔 방식으로 3차원 구조물을 조형하는 상태도이다. 도 7을 참조하면, 제1실시예의 가변 노즐(30)을 적용하는 3차원 구조물 조형 장치는 광 딜리버리 모듈(10)로부터 조사되는 광 빔(LB)을 반사 미러(20)를 통하여 가변 노즐(30)로 반사시킨다.

따라서 가변 노즐(30)에서 설정된 길이(L)의 광 통로(33)를 통과한 복수의 광 빔(LB)은 기판(B)의 복수 위치에서 메탈 파우더(MP)를 멜팅하여 기판(B)에 일 방향으로 설정된 길이(L)의 라인 스캔(LS)으로 3차원 구조물(S)을 조형한다.

가변 노즐(30)은 라인 스캔(LS) 방식을 적용하므로 3차원 구조물(S)의 조형 시간을 단축시킬 수 있다. 가변 노즐(30)은 라인 스캔(LS)의 직각 방향(도 7의 좌에서 우)을 따라 단계적으로 이동시하면서 라인 스캔(LS; LS1, LS2) 방식으로 3차원 구조물(S)을 조형한다.

이와 동시에, 가변 노즐(30)은 회전 모터(303)를 구동하여, 파우더 통로(32) 및 광 통로(33)에 대하여 조절판(34)을 가변시킨다. 즉 파우더 통로(32) 및 광 통로(33)의 개방 및 차단 범위가 가변된다.

즉 라인 스캔(LS1)으로 조형시, 가변 노즐(30)은 조절판(34)을 언와인딩 하여 파우더 통로(32) 및 광 통로(33)를 설정된 범위로 가변하여 개방한다(O1). 또한 라인 스캔(LS2)으로 조형시, 가변 노즐(30)은 조절판(34)을 리와인딩 하여 파우더 통로(32) 및 광 통로(33)를 설정된 범위로 개방한다(O2).

먼저 진행된 라인 스캔(LS1)은 나중에 진행된 라인 스캔(LS2)에 비하여, 파우더 통로(32) 및 광 통로(33)를 좁게 개방한다. 이때, 파우더 딜리버리 모듈(331)는 개방의 정도에 상응하는 양의 메탈 파우더(MP)를 공급한다.

이하에서 제2실시예에 대하여 설명한다. 제1실시예와 비교하여 동일한 구성을 생략하고 서로 다른 구성을 설명한다.

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐의 부분 단면도이다. 도 8을 참조하면, 제2실시예의 가변 노즐(230)에서, 조절판(234)은 내부 하우징(301)의 내부에서 회전축(235)으로 회전 가능하게 장착된다. 회전축(235)은 외부 하우징(302)에 구비되는 회전 모터(236)에 연결된다.

조절판(234)이 내부 하우징(301)의 내부에서 회전할 때, 격벽(제1실시예의 321, 322 참조)에 의하여 방해되지 않도록 격벽의 단부를 부분적으로 제거하거나, 격벽의 단부와 내부 하우징의 단부에 높이 차이들 부여할 수도 있다.

회전 모터(236)의 구동으로 조절판(234)이 회전함에 따라 길이(L) 방향에서 파우더 통로(32) 및 광 통로(33)의 개방 및 차단 정도가 가변된다. 이와 같이, 회전 모터(236)의 구동에 따라 회전축(235)에 장착된 조절판(234)이 선회하면서 파우더 통로(32) 및 광 통로(33)의 개방 및 차단이 가변될 수 있다.

도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 가변 노즐이 적용되는 3차원 구조물 조형 장치의 사시도이다. 도 9를 참조하면, 가변 노즐이 적용된 3차원 구조물 조형 장치는 광 딜리버리 모듈(910), 스캐너(920) 및 가변 노즐(930)을 포함한다.

광 딜리버리 모듈(910)은 하나의 광 파이버(911)를 통하여 전달되는 광 빔(LB)을 스캐너(920)로 전달하도록 구성된다. 예를 들면, 광 딜리버리 모듈(910)은 레이저 헤드(미도시)에서 발생된 레이저 빔을 광 파이버(911)를 통하여 스캐너(20)로 전달하도록 구성될 수 있다. 광 딜리버리 모듈(910)은 가변 노즐(930)의 길이(L9) 방향으로 배치되어, 그 일측에 구비되는 스캐너(920)로 광 빔(LB)을 전달한다. 레이저 빔은 초음파에서 적위선(IR) 범위를 포함하는 일반적인 레이저 파장을 포함한다.

스캐너(920)는 정역회전하면서 광 딜리버리 모듈(910)로부터 전달되는 광 빔(LB)의 각도를 변경하여 가변 노즐(930)로 반사시킬 수 있다. 일례로써, 스캐너(920)는 폴리곤 스캐너 또는 갈바노 스캐너(미도시)로 형성되어 회전하면서 광 빔을 빠른 속도로 가변 노즐로 반사시킬 수 있다.

또한 일 실시예의 3차원 구조물 조형 장치는 스캐너(920)와 가변 노즐(930) 사이에 배치되는 렌즈(950)를 더 포함한다. 일례를 들면, 렌즈(950)는 에프세타 렌즈로 구성될 수 있다. 렌즈(950)는 스캐너(920)에서 반사되는 광 빔(LB)의 발산각을 조절하여 가변 노즐(930)로 전달한다.

제3실시예의 가변 노즐(930)은 제1실시예의 가변 노즐(30)과 동일하게 구성될 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명을 생략한다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10, 910: 광 딜리버리 모듈 11, 911: 광 파이버
20: 반사 미러 30, 230: 가변 노즐
31: 가스 통로 33: 광 통로
34, 234: 조절판 50, 950: 렌즈
51: 단위 렌즈 235: 회전축
236: 회전 모터 301: 내부 하우징
302: 외부 하우징 303: 회전 모터
304: 가이드 313: 릴
321, 322: 격벽 331: 파우더 딜리버리 모듈
920: 스캐너 930: 가변 노즐
G: 쉴드 가스 L: 길이
LB: 광 빔 LS, LS1, LS2: 라인 스캔
MP: 메탈 파우더 S: 3차원 구조물
W1, W2: 폭

Claims

쉴드 가스를 공급하는 가스 통로를 서로의 사이에 형성하는 내부 하우징과 외부 하우징;
상기 내부 하우징의 내측에 이격 배치되어 조형 파우더를 공급하는 파우더 통로를 외측에 형성하고, 광 빔을 기판의 복수의 위치에 통과시키고 상기 기판에 공급되는 상기 조형 파우더를 멜팅하여 상기 기판에 3차원 구조물을 조형하도록 일 방향으로 더 길게 설정된 길이를 가지는 광 통로를 내측에 형성하는 1쌍의 격벽; 및
상기 길이에 대응하는 상기 파우더 통로 중 일부를 가변적으로 차단하는 조절판
을 포함하는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐.
제1항에 있어서,
상기 조절판은
상기 파우더 통로와 함께 상기 광 통로를 가변적으로 차단하는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐.
제1항에 있어서,
상기 파우더 통로는
상기 길이 방향에 교차하는 방향으로 이격되어 상기 내부 하우징에 마주하는 상기 1쌍의 격벽에 의하여, 상기 광 통로의 양측에 형성되는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐.
제3항에 있어서,
상기 조절판은
상기 내부 하우징의 내부에서 상기 길이 방향으로 가변되도록 상기 외부 하우징의 외측에 구비되는 회전 모터에 연결되어 언와인딩 및 리와인딩 되는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐.
제4항에 있어서,
상기 조절판은
상기 길이 방향의 양단에 1쌍으로 구비되며, 상기 길이 방향에서 독립적으로 가변되는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐.
제4항에 있어서,
상기 내부 하우징은
하단에 가이드를 구비하여, 상기 길이 방향으로 가변되는 상기 조절판의 양측을 지지하여 상기 조절판의 가변을 안내하는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐.
제3항에 있어서,
상기 조절판은
상기 내부 하우징의 내부에서 회전축으로 장착되어 회전하여 상기 길이 방향으로 가변되는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐.
제7항에 있어서,
상기 회전축은
상기 외부 하우징에 구비되는 회전 모터에 연결되어 선회하는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐.
제1항에 있어서,
상기 조절판으로 조절된 상기 파우더 통로는
단위 면적당 동일 양의 조형 파우더를 공급하는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐.
제1항에 있어서,
상기 광 빔은
상기 조절판으로 조절된 길이 범위에 대응하는 상기 광 통로를 통과하는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐.
제1항에 있어서,
상기 조형 파우더는
금속, 세라믹, 폴리머 또는 복합재료 분말로 형성되는 3차원 구조물 조형 장치용 가변 노즐.