KR20170072823A - 공간적으로 확장된 제품을 제조하기 위한 3d 프린팅 장치 - Google Patents

공간적으로 확장된 제품을 제조하기 위한 3d 프린팅 장치 Download PDF

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KR20170072823A
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Abstract

본 발명은 공간적으로 확장된 제품의 제조를 위한 3D 프린팅 장치에 관한 것으로, 레이저 방사선(1, 1', 1")을 방사할 수 있는 적어도 하나의 레이저 광원, 레이저 방사선(1, 1', 1")이 제공될 3D 프린팅용 출발 물질이 공급되거나 공급될 수 있는 작업 영역(4), 및 특히 이동 가능한 거울(2, 12, 13)로서 형성된 스캐닝 수단을 포함하고, 상기 작업 영역(4)은, 상기 레이저 방사선(1, 1', 1")이 상기 작업 영역(4)에 입사하도록 3D 프린팅 장치 내에 배치되고, 상기 스캐닝 수단은 상기 레이저 방사선(1, 1', 1")을 상기 작업 영역(4) 내의 소정의 위치에 공급할 수 있으며, 적어도 하나의 레이저 광원은, 장치의 작동 시 레이저 방사선의 다수의 입사점 또는 입사 영역들이 서로 이격되어 상기 작업 영역(4) 상에 형성되도록 구현된다.

Description

공간적으로 확장된 제품을 제조하기 위한 3D 프린팅 장치{3D PRINTING DEVICE FOR PRODUCING A SPATIALLY EXTENDED PRODUCT}
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 공간적으로 확장된 제품을 제조하기 위한 3D 프린팅 장치에 관한 것이다.
종래의 3D 프린팅 장치에서 예를 들어 레이저 빔을 이용해서, 제공 위치에서 출발 물질의 예를 들어 용융 또는 소결과 같은 과정이 개시되는 정도의 에너지양이 분말 형태로 공급된 출발 물질에 점 형태로 제공되며, 상기 과정은 출발 물질의 입자들의 결합을 야기한다. 작업 영역 위에 레이저 빔의 격자 형태의 스캐닝에 의해, 제조할 제품은 층을 이루어 형성된다.
전술한 방식의 장치는 예를 들어 Sabina Luisa Campanelli, Nicola Contuzzi, Andrea Angelastro 및 Antonio Domenico Ludovico(2010), Capabilities and Performances of the Selective Laser Melting Process, New Trends in Technologies: Devices, Computer, Communication and Industrial Systems, Meng Joo Er(Ed.) ISBN: 978-953-307-212-8, In Tech(아래 참조: http://www.intechopen.com/books/new-trends-in-technologies--devices--computer--communication-and-inustrial-systems/capabilities-and-performances-of-the-selective-laser-melting-process)에 공개되어 있다. 공개된 장치의 일부는 도 1에 개략적으로 도시된다.
도 1의 왼쪽에서 시준된 레이저 빔(1)은 이동 가능한 2개의 거울(2)에 입사하며, 상기 거울들 중 하나만이 도시되어 있다. 작업 평면(4)에서 서로 무관한 2개의 방향으로 스캐닝을 가능하게 하기 위해, 2개의 거울(2)은 레이저 방사선(1)을 서로 수직인 2개의 방향으로 편향시킨다. 거울들은 예를 들어 갈바노 거울로서 형성될 수 있다. 거울들로부터 레이저 방사선은 F-세타(theta)-렌즈로서 형성된 광학 수단(3)에 의해 작업 평면(4)으로 편향되므로, 레이저 방사선(1)의 포커스 평면은 실제로 작업 평면(4) 내에 놓인다. 거울들(2)은 이 경우 레이저 방사선을 의도한 대로 작업 평면(4) 내의 지점들로 안내할 수 있고, 상기 지점에서 예를 들어 분말 형태의 출발 물질에 레이저 방사선이 제공된다. 거울(2)과 광학 수단(3)은 일반적으로 표준 레이저 헤드에 통합된다.
이러한 3D 프린팅 장치에서 단점은, 작업 평면의 점 방식의 스캐닝에 의한 더 큰 제품의 제조를 위해 경우에 따라서 매우 긴 시간이 필요하다는 것이다.
본 발명의 과제는, 선행기술에 공개된 장치들보다 효율적인, 특히 신속한 3D 프린팅 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 청구항 제 1 항의 특징들을 가진 전술한 방식의 3D 프린팅 장치에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 실시예들과 관련된다.
청구항 제 1 항에 따라, 적어도 하나의 레이저 광원은, 장치의 작동 시 레이저 방사선의 다수의 입사점들 또는 입사 영역들이 서로 이격되어 작업 영역 상에 형성될 수 있도록 구현된다.
또한, 3D 프린팅 장치의 작동 시 작업 영역 내의 레이저 방사선의 서로 이격된 다수의 입사점들 또는 입사 영역들에 의해 다수의 위치에서 동시에 분말 형태의 출발 물질이 경화될 수 있다. 이로 인해 제품의 제조 시간이 감소한다.
스캐닝 수단은 적어도 하나의 이동 가능한 그리고 적어도 하나의 이동 불가능한 거울을 포함할 수 있고, 특히 적어도 하나의 이동 가능한 거울은 적어도 하나의 이동 불가능한 거울보다 크다.
3D 프린팅 장치는 적어도 2개의 레이저 광원을 포함할 수 있고, 상기 레이저 광원들로부터 각각 레이저 방사선이 방사될 수 있고, 특히 적어도 2개의 레이저 광원의 방사면들은 레이저 방사선의 평균 전파 방향에 대해 수직인 평면에서 서로 이격된다. 적어도 2개의 레이저 광원의 레이저 방사선들은 동시에 목표대로 작업 평면 내로 도입될 수 있고, 따라서 가공 시간이 상응하게 감소하는 것이 달성될 수 있다.
스캐닝 수단은 이동 불가능한 다수의 거울을 포함할 수 있고, 이 경우 각각의 레이저 방사선은 적어도 하나의 이동 불가능한 거울에 할당된다.
스캐닝 수단은 하나 이상의 이동 가능한 거울을 포함하고, 3D 프린팅 장치의 작동 시 상기 거울들에 의해 레이저 방사선들 중 다수, 특히 레이저 방사선 전체가 편향될 수 있다. 이러한 방식으로 예를 들어 하나 또는 2개의 이동 가능한 대형 거울이 제공될 수 있고, 상기 거울들에 의해 레이저 방사선들 중 다수, 특히 레이저 방사선 전체가 편향된다. 대형 거울들은 큰 레이저 출력에 대해 비교적 민감하지 않을 수 있다. 또한 대형 거울의 이동을 위해 갈바노 액추에이터와는 다른 이동 시스템이 사용될 수 있으므로, 시스템은 전체적으로 더 견고하고 저렴해질 수 있다.
스캐닝 수단은, 작업 영역 상의 레이저 방사선의 입사점 또는 입사 영역들이 레이저 방사선의 입사점 또는 입사 영역들이 나란히 배치된 방향으로 이동할 수 있도록 형성될 수 있다. 이러한 이동에 의해, 레이저 방사선이 제공될 작업 영역의 범위에는 수 회 짧게 연속해서 레이저 방사선이 제공된다. 이로 인해 개별 초점의 작용 지속시간은 단축될 수 있는데, 그 이유는 연속 제공에 의해 출발 물질을 예를 들어 용융하기에 충분한 에너지가 상기 범위 내로 도입될 수 있기 때문이다. 이로 인해 작업 평면 위로 초점이 이동하는 속도는 증가할 수 있다. 또한 이로써 가공 시간이 단축될 수 있다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면을 참고로 하는 바람직한 실시예들의 하기 설명에 의해 명확해진다.
도 1은 선행기술에 따른 3D 프린팅 장치를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치의 제 1 실시예를 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치를 위한 다수의 레이저 광원을 도시한 개략도.
도 4는 도 2에 따른 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치의 기능을 설명하기 위해 도시한 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치의 제 2 실시예를 도시한 개략도.
도 6은 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치의 제 3 실시예를 도시한 개략도.
도 7a는 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치를 위한 다수의 레이저 광원의 방사면들의 제 1 배치를 도시한 개략도.
도 7b는 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치를 위한 다수의 레이저 광원의 방사면들의 제 2 배치를 도시한 개략도.
도 7c는 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치를 위한 다수의 레이저 광원의 방사면들의 제 3 배치를 도시한 개략도.
도 7d는 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치를 위한 다수의 레이저 광원의 방사면들의 제 4 배치를 도시한 개략도.
도 8은 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치를 위한 작업 평면 내 초점들의 제 1 배치를 도시한 개략도.
도 9는 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치를 위한 작업 평면 내 초점들의 제 2 배치를 도시한 개략도.
도 10은 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치의 제 4 실시예를 도시한 개략도.
도 11은 작업 평면에서 초점들의 마킹된 이동을 포함하는 제 2 실시예를 도 5에 상응하게 도시한 도면.
도 12는 작업 평면에서 초점들의 마킹된 이동을 포함하는 제 4 실시예를 도 10에 상응하게 도시한 도면.
도면들에서 동일하거나 기능적으로 동일한 부분들은 동일한 도면부호를 갖는다.
도 2에 도시된 본 발명에 따른 3D 프린팅 장치의 실시예에서 제 1 레이저 광원에 추가하여 제 2 레이저 광원이 제공되므로, 추가 레이저 방사선(1')이 형성된다. 제 2 레이저 광원의 방사면은 레이저 방사선(1, 1')의 평균 전파 방향에 대해 수직인 평면에서 제 1 레이저 광원의 방사면에 대해, 특히 10 ㎛ 내지 10 mm, 예를 들어 대략 100 ㎛ 이격된다. 작업 평면(4)에서 레이저 방사선(1, 1')은 또한 서로 이격되어 입사한다(예컨대 도 2 참조).
레이저 방사선(1, 1')의 전파 방향들은 서로 약간 틸팅되므로, 상기 레이저 방사선은 거울들(2)에 또는 그것의 조금 앞 또는 뒤에서 거의 함께 입사한다. 2개의 레이저 방사선(1, 1')은 거울들(2)에 의해 동시에 그리고 함께 편향된다.
3D 프린팅 장치는 거울들(2) 앞에 다른 광학 수단(3')을 갖고, 상기 광학 수단은 특히 F-세타 렌즈로서 형성될 수 있고, 예를 들어 광학 수단(3)에 정확히 상응한다. 그러나 물론 예를 들어 광학 수단(3)과는 다른 초점거리를 갖는 다르게 형성된 광학 수단(3')을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 광학 수단(3')을 완전히 생략하고 레이저 방사선(1) 및 레이저 방사선(1')을 광범위하게 시준된 레이저 방사선으로서 거울들(2)에 입사시키는 것이 가능하다. 이 경우에도 레이저 방사선(1, 1')의 전파 방향들은 서로 약간 틸팅되고, 따라서 상기 레이저 방사선들은 거울들(2)에 또는 그들의 조금 앞 또는 뒤에서 거의 함께 입사한다.
2개의 레이저 광원 대신 2개보다 많은, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 25개의 레이저 광원 또는 25개보다 많은 레이저 광원이 사용될 수도 있다. 도 7a 내지 도 7d는 다수의 레이저 광원들의 방사면들(5)의 예시적인 배치를 도시한다. 상기 방사면들은 예를 들어 일렬로(도 7a) 또는 십자 형태로(도 7b) 배치된다. 또한 원형(도 7d) 또는 더 큰 간격들을 갖는 열 형태(도 7c)도 도시된다. 다른 배치들도 가능하다.
작업 평면(4) 내에 예를 들어 나란히 배치된 다수의 초점들에 의해 분말 형태의 출발 물질은 다수의 위치에서 동시에 경화될 수 있으므로, 이로 인해 제품의 제조를 위한 시간이 감소할 수 있다. 이는 레이저 광원의 방사면들의 다른 배치에도 상응하게 적용된다.
도 4는, 상이한 레이저 방사선(1, 1')의 초점들이 작업 평면(4)에서 동시에 이동하는 것을 도시한다. 또한 다양한 거울 위치들이 도시된다.
도 8은 작업 평면에서 초점들(11)의 라인 형태의 배치를 도시한다. 상기 초점들은 라인 길이 방향으로 화살표 v로 도시된 바와 같이 이동한다. 라인 길이방향으로 이동함으로써, 레이저 방사선이 제공될 작업 평면의 영역에 수 회 짧게 연속해서 레이저 방사선이 제공된다. 이로 인해 개별 초점(11)의 작용 지속시간이 단축될 수 있는데, 그 이유는 연속 제공에 의해 출발 물질을 예를 들어 용융하기에 충분한 에너지가 상기 영역 내로 도입될 수 있기 때문이다.
이로 인해 작업 평면 위로 초점(11)이 이동하는 속도가 증가할 수 있다. 또한 이로써 전체적으로 가공 시간이 단축될 수 있다.
도 9는 작업 평면에서 초점들(11)의 서로 평행한 다수의 라인들의 배치를 포함하는 실시예를 도시한다. 상기 초점들은 또한 화살표 v로 도시된 바와 같이 평행한 라인의 라인 길이 방향으로 이동한다.
평행한 라인들의 길이방향으로 이동함으로써, 레이저 방사선이 제공될 작업 평면의 다수의 영역들에 수 회 짧게 연속해서 레이저 방사선이 제공된다. 이로 인해 개별 초점들(11)의 작용 지속시간이 단축될 수 있는데, 그 이유는 연속 제공에 의해 출발 물질을 예를 들어 용융하기에 충분한 에너지가 상기 영역들 내로 도입될 수 있기 때문이다.
도 8과 달리 도 9의 실시예에서 이러한 용융은 다수의 영역에서 동시에 이루어진다. 이로써 전체적으로 가공 시간은 더 단축될 수 있다.
도 3은 어떻게 다수의, 특히 25개의 개략적으로 도시된 레이저 광원(6)에 의해 레이저 방사선(1, 1',...)을 위한 다수의, 특히 25개의 방사면들의 마름모 형상의 배치가 이루어질 수 있는지를 도시한다.
도시된 실시예에서 레이저 광원들은 광 섬유(7)의 방사 단부로서 도시된다. 물론 다른 레이저 광원들을 사용하는 것도 가능하다.
광 섬유(7)의 단부들은 마름모 형상의 횡단면을 갖는 다발의 형태로 배치되고, 이 경우 상기 단부에서부터 방사되는 레이저 방사선(1, 1',...)은 적절한 거울(8)에서 편향 후에 다른 광학 수단(3')에 입사한다.
도 5는 다수의 레이저 광원, 및 다수의 거울(2)과 도시되지 않은 다수의 광학 수단을 가진 다수의 레이저 헤드의 적절한 선택에 의해 작업 평면에서 어떻게 예를 들어 100개보다 많은 초점(11)의 열이 달성될 수 있는지를 도시한다. 이를 위해 거울들(2)을 가진 다수의 레이저 헤드가 나란히 배치되고, 각각의 레이저 헤드에 다수의 예를 들어 10개의 레이저 방사선(1, 1', 1",...)이 제공된다. 거울들(2)은 서로 수직으로 또는 서로 수직인 2개의 축을 중심으로 선회할 수 있다.
도 6은 상이한 2개의 측면에 레이저 방사선(1, 1',...)의 유사한 배치를 도시하고, 상기 레이저 방사선들은 여기에서 서로 평행한 2개의 열(9, 9')에 배치된 거울(2)에 입사한다. 또한 이 경우 작업 평면 내에 예를 들어 100개 이상의 초점들(11)의 긴 열이 형성된다.
도 10은 도 5와 달리 서로 수직인 거울들(2)이 이동할 수 있는 것이 아니라, 이동할 수 없는 배치를 도시한다. 도 5와 유사하게 각각 채널마다 또는 레이저 광원마다 이러한 2개의 거울(2)이 제공된다.
거울(2)의 이동 불가능성에도 불구하고 작업 평면에서 초점들(11)이 이동하도록 하기 위해, 거울(2)의 전방 및 후방에 각각 적어도 하나의 이동 가능한 거울(12, 13)이 배치된다. 상기 거울들(12, 13)은 길게 형성되고, 동시에 레이저 방사선들(1, 1', 1") 중 다수 또는 레이저 방사선 전체를 편향시킬 수 있다. 특히 거울(12, 13)의 선회는 압전 액추에이터(14, 15)에 의해 이루어진다.
이 경우 제 1 거울(12)의 이동은 다수의 초점들(11)이 나란히 배치된 길이방향(16)으로 초점들(11)의 이동을 야기한다. 제 2 거울(13)의 이동은 길이방향(16)에 대해 수직인 방향으로 초점들(11)의 이동을 야기한다.
작업 평면(4)에서 초점들(11)의 소정의 이동을 실시하기 위해, 제 1 거울(12)은 예를 들어 ±0.15°의 범위에서만 60 Hz의 주파수로 이동될 수 있는 한편, 제 2 거울(13)은 ±15°의 범위에서 0.005 Hz의 주파수로 이동할 수 있는 것이 제시된다. 이러한 느린 이동 또는 작은 진폭의 이동으로 인해 갈바노 거울 대신 예를 들어 압전 액추에이터(14, 15)와 같은 구동장치들의 다른 실시예들이 사용될 수 있다.
제 1 방향으로 및 이에 대해 수직인 제 2 방향으로 이동으로 인해 빔의 지그재그 형태의 이동이 이루어질 수 있다. 도 11은 도 5와 유사한 도면에 개별 초점들(11)의 지그재그 형태의 이동을 개략적으로 도시한다. 도 12는 도 10과 유사한 도면에 개별 초점들(11)의 지그재그 형태의 이동을 도시한다.
1, 1', 1" 레이저 방사선
2 거울
4 작업 영역
11 초점

Claims (15)

  1. 공간적으로 확장된 제품의 제조를 위한 3D 프린팅 장치로서,
    - 레이저 방사선(1, 1', 1")을 방사할 수 있는 적어도 하나의 레이저 광원,
    - 레이저 방사선(1, 1', 1")이 제공될 3D 프린팅용 출발 물질이 공급되거나 공급될 수 있는 작업 영역(4)으로서, 상기 레이저 방사선(1, 1', 1")이 상기 작업 영역(4)에 입사하도록 3D 프린팅 장치 내에 배치되는, 상기 작업 영역(4),
    - 특히 이동 가능한 거울(2, 12, 13)로서 형성된 스캐닝 수단으로서, 상기 레이저 방사선(1, 1', 1")을 상기 작업 영역(4) 내의 소정의 위치에 공급할 수 있는, 상기 스캐닝 수단을 포함하는, 상기 3D 프린팅 장치에 있어서,
    상기 적어도 하나의 레이저 광원은, 장치의 작동 시 레이저 방사선의 다수의 입사점 또는 입사 영역들이 서로 이격되어 상기 작업 영역(4) 상에 형성되도록 구현되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 3D 프린팅 장치의 작동 시 상기 작업 영역(4) 내의 레이저 방사선의 서로 이격된 다수의 입사점 또는 입사 영역들에 의해 다수의 위치에서 동시에 분말 형태의 출발 물질이 경화되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스캐닝 수단은 적어도 하나의 이동 가능한 거울(12, 13) 및 적어도 하나의 이동 불가능한 거울(2)을 포함하고, 특히 상기 적어도 하나의 이동 가능한 거울(12, 13)은 상기 적어도 하나의 이동 불가능한 거울(2)보다 큰 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 3D 프린팅 장치는 적어도 2개의 레이저 광원을 포함하고, 상기 레이저 광원들로부터 각각 레이저 방사선(1, 1', 1")이 방사될 수 있고, 특히 상기 적어도 2개의 레이저 광원의 방사면들(5)은 상기 레이저 방사선(1, 1', 1")의 평균 전파 방향에 대해 수직인 평면에서 서로 이격되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스캐닝 수단은 이동 불가능한 다수의 거울(2)을 포함하고, 상기 레이저 방사선들(1, 1', 1")의 각각은 적어도 하나의 이동 불가능한 거울(2)에 할당되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스캐닝 수단은 하나 이상의 이동 가능한 거울(12, 13)을 포함하고, 3D 프린팅 장치의 작동 시 상기 거울들에 의해 상기 레이저 방사선들(1, 1', 1") 중 다수, 특히 상기 레이저 방사선(1, 1', 1") 전체가 편향되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스캐닝 수단은, 상기 작업 영역(4) 상의 레이저 방사선의 입사점 또는 입사 영역들이 레이저 방사선의 입사점 또는 입사 영역들이 나란히 배치된 방향으로 이동할 수 있도록 구현되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 3D 프린팅 장치는 광학 수단(3)을 포함하고, 상기 광학 수단은 특히 F-세타 렌즈 또는 플랫 필드 스캐닝(Flat Field Scanning) 렌즈로서 형성되고, 바람직하게는 상기 스캐닝 수단과 상기 작업 영역(4) 사이에 배치되고, 상기 광학 수단(3)은 상기 레이저 방사선(1, 1', 1")을 상기 작업 영역(4) 내로 포커싱할 수 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 2개의 레이저 광원과 상기 스캐닝 수단 사이에 추가 광학 수단(3')이 배치되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 추가 광학 수단(3')은 상기 스캐닝 수단과 상기 작업 영역 사이에 배치된 상기 광학 수단(3)과 유사하거나 상응하고, 특히 상기 추가 광학 수단(3')은 또한 F-세타 렌즈 또는 플랫 필드 스캐닝 렌즈로서 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 2개의 레이저 광원과 상기 스캐닝 수단 사이에 다른 광학 수단이 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 방사선(1, 1', 1")은 적어도 2개의 레이저 광원으로부터 광범위하게 시준되어 방사되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 2개의 레이저 광원으로부터 방사되는 상이한 레이저 방사선(1, 1' 1")의 평균 전파 방향은 서로 각도를 형성하고, 특히 예를 들어 10°미만의 작은 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 광원들은 광 섬유(7)의 단부로서 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저 광원들은 레이저 장치로서 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
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