KR20170096504A - 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저를 조사하여 금속 파우더를 소결함으로써 형성한 금속 3차원 구조물의 조도를 기계 가공을 통하여 개선할 수 있는 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치에 관한 것으로, 3차원 구조물을 인쇄하기 위한 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치에 있어서, 금속 파우더를 수용하는 스테이지부; 상기 금속 파우더의 표면 중 스캔 영역에 소결용 레이저를 조사하는 갈바노 스캐너; 상기 갈바노 스캐너에 의하여 소결된 금속의 측면을 가공하는 기계가공부; 상기 기계가공부를 X축, Y축 및 Z축으로 이동시키는 제1 이동부; 및 상기 3차원 구조물에 관한 수평 슬라이싱 파일 내 명령에 따라 상기 갈바노 스캐너의 조사 경로, 상기 기계가공부의 작동 여부 및 상기 제1 이동부의 제1 이동 경로를 제어하는 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 레이저를 조사하여 금속 파우더를 소결함으로써 형성한 금속 3차원 구조물의 조도를 기계 가공을 통하여 개선할 수 있는 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치에 관한 것이다.
3차원 구조물을 형성하는 기술에는 열가소성 플라스틱류를 압출하여 적층하는 방식, 액체 상태의 '광경화성 수지'가 담긴 수조(Vat) 안에 레이저 빔을 조사하고 수조 안에 있는 조형물이 한 층(Layer) 씩 만들어질 때마다 수조가 층 두께만큼 하강하고 다시 레이저를 조사하여 입체 구조물을 형성하는 방식, 액체 상태의 '광경화성 수지(빛을 받으면 경화되는 수지)'에 조형하고자 하는 모양의 빛을 조사하면서 수지를 층층이 굳혀 입체 구조물을 형성하는 방식, 잉크젯 프린터 원리를 이용하여 프린터 헤드의 노즐에서 액체 상태의 컬러 잉크와 경화물질(바인더)을 파우더 원료에 압출하여 입체 구조물을 형성하는 방식, 금속 파우더를 바인더 없이 레이저로 직접 소결하는 방식 등 다양한 방식이 있다.
이 중 광경화 방식 프린터는 상당히 정교하고 표면 품질이 우수하다는 장점이 있으나, 이를 구현하기 위한 장비가 매우 고가라서 이를 산업적으로 대중화하기에는 실질적으로 어려운 측면이 있다. 이와 반대로, 소결 방식 프린터는 공극률 뿐만 아니라 프린팅하는 속도도 상당히 빠르고 이를 구현하기 위한 장비도 광경화 방식 프린터에 비해 상당히 저렴하므로, 향후 기대되는 방식으로 각광을 받고 있다.
그러나 상술한 종래의 소결 방식 프린터는, 레이저 빔을 조사하기 위한 갈바노 스캐너의 스캔 면적이 한정되어 있어 대면적을 갖는 3차원 구조물을 제작하기 어렵고, 소결 직후 표면의 조도가 거칠기 때문에 바로 금형 등에 사용할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 종래 방식에 따른 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 금속 파우더를 소결하기 위한 레이저를 조사하는 갈바노 스캐너를 온더플라이(On-the-fly) 기술을 응용하여 2축 이동시킴으로써 대면적을 갖는 3차원 구조물을 제작할 수 있는 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 갈바노 스캐너의 레이저 조사 경로와 갈바노 스캐너의 이동 경로를 오차 보정을 통하여 동기화함으로써 갈바노 스캐너의 2축 이동에 의해 스캔 영역의 변경 시 스캔 영역의 경계면에 대응하여 3차원 구조물에 불연속면이 발생하는 것을 방지할 수 있는 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치를 제공하는 데 있다.
한편, 본 발명의 목적은 금속 파우더를 소결하여 형성된 3차원 구조물에 대하여 기계 가공을 수행함으로써, 조도를 개선함과 아울러 언더컷(Under-cut) 형태의 구조물을 형성하기에 용이한 바, 3차원 구조물을 생성한 후 바로 금형 등에 사용할 수 있는 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 3차원 구조물을 인쇄하기 위한 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치에 있어서, 금속 파우더를 수용하는 스테이지부; 상기 금속 파우더의 표면 중 스캔 영역에 소결용 레이저를 조사하는 갈바노 스캐너; 상기 갈바노 스캐너에 의하여 소결된 금속의 측면을 가공하는 기계가공부; 상기 기계가공부를 X축, Y축 및 Z축으로 이동시키는 제1 이동부; 및 상기 3차원 구조물에 관한 수평 슬라이싱 파일 내 명령에 따라 상기 갈바노 스캐너의 조사 경로, 상기 기계가공부의 작동 여부 및 상기 제1 이동부의 제1 이동 경로를 제어하는 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 기계가공부는, 상기 제어부의 제어에 의하여 활성화되는 가공 모터; 및 상기 가공 모터에 의해 회전하는 엔드밀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 엔드밀은, 평엔드밀, 볼엔드밀, 래디어스 엔드밀 및 구형 엔드밀을 포함하는 세트로서, 상기 평엔드밀, 상기 볼엔드밀, 상기 래디어스 엔드밀 및 상기 구형 엔드밀 중 하나가 상기 가공 모터에 연결될 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 상기 갈바노 스캐너를 X축 및 Y축으로 이동시키는 제2 이동부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 3차원 구조물에 관한 수평 슬라이싱 파일 내 명령에 따라 상기 갈바노 스캐너의 조사 경로 및 상기 제2 이동부의 제2 이동 경로를 제어하고, 상기 조사 경로 및 상기 제2 이동 경로를 연동시킬 수 있다.
또한, 상기 스테이지부는, 상기 금속 파우더를 저장하고, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 금속 파우더를 배출하는 저장부; 상기 저장부로부터 상기 금속 파우더를 공급받아 도포되는 평면을 제공하고, 상기 제어부의 제어에 의해 1회에 제1 거리 만큼 수직 이동가능한 베이스부; 상기 베이스부의 측면에 접한 수직 벽의 구조로서 상기 베이스부 상에 상기 금속 파우더의 표면의 면적을 정의하는 측벽부; 및 상기 제어부의 제어에 의해 상기 베이스부 상의 상기 금속 파우더를 분산시켜 얇은 층을 생성하는 스크래퍼부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 베이스부를 N회 - 여기서, N은 2 이상의 정수 - 이동시킬 때마다 1회씩 상기 기계가공부 및 상기 제1 이동부를 활성화할 수 있다.
한편, 상기 N은, 5 이상 15 이하의 정수일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 금속 파우더의 표면의 면적을 분할하여 상기 스캔 영역의 크기에 대응하는 복수개의 스캔 페이지를 생성하고, 상기 스캔 페이지 별 상기 수평 슬라이싱 파일의 형태를 참조하여 상기 조사 경로 및 상기 제2 이동 경로를 연동시킬 수 있다.
한편, 상기 제어부는, 상기 제2 이동 경로와 상기 갈바노 스캐너의 실측 움직임 사이의 오차를 보정하는 보정 명령을 생성하여 상기 제2 이동부로 전송하고, 상기 제2 이동부는, 상기 보정 명령의 보정 값에 따라 이동할 수 있다.
또한, 상기 보정 명령은, 상기 제2 이동부의 관성에 의해 발생되는 오차를 보정하는 관성 오차 보정 값을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치에 의하면, 금속 파우더를 소결하기 위한 레이저를 조사하는 갈바노 스캐너를 2축 이동시킴으로써 대면적을 갖는 3차원 구조물을 제작하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치에 의하면, 갈바노 스캐너의 이동 경로 변경시 실측 경로에 따라 이동 경로를 보정하므로 대면적을 갖는 3차원 구조물을 생성하기 위한 금속 파우더의 표면에 연속으로 정밀 소결을 수행하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치에 의하면, 금속 파우더를 소결하여 형성된 3차원 구조물에 대하여 기계 가공을 수행함으로써, 조도를 개선함과 아울러 언더컷 형태의 구조물을 형성하기에 용이한 바, 3차원 구조물을 생성한 후 바로 금형 등에 사용하는 것이 가능하다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치 중 갈바노 스캐너 내부를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치 중 스테이지부를 상세히 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치 중 기계가공부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치 중 갈바노 스캐너 내부를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치 중 스테이지부를 상세히 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치 중 기계가공부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치를 도시한 도면으로, 본 발명에 의한 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치는, 스테이지부(100), 갈바노 스캐너(200), 제2 이동부(300), 제1 이동부(400), 기계가공부(600) 및 제어부(800)를 포함할 수 있다.
스테이지부(100)는, 금속 파우더를 수용하는데, 3차원 구조물의 수평 단면의 형태를 소결하기 위하여 소정의 면적(B)을 갖는 금속 파우더 표면을 상부에 제공하게 된다. 즉, 스테이지부(100)는, 갈바노 스캐너(200)의 스캔 영역(A)보다 큰 면적(B)을 갖는 금속 파우더의 표면을 제공하여 수평 단면이 대면적인, 예를 들면 약 250mm×250mm 내에 포함될 수 있는 3차원 구조물의 각 단면이 소결될 수 있도록 함으로써 금속 파우더의 표면으로부터 3차원 구조물을 형성하기 위한 프린팅 공간을 제공한다. 이때, 금속 파우더는, 단독 금속 입자만으로 구성될 수도 있으나, 2종 이상의 금속 입자로 구성될 수도 있으며, 금속의 일례로 반응성이 우수한 티타늄(Titanium)을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한, 갈바노 스캐너(200)는, 스테이지부(100)에 균일하게 분산된 금속 파우더의 표면 중 스캔 영역(A) 내에 제어부(800)의 제어에 의한 조사 경로를 따라 소결용 레이저를 조사한다. 여기서, 소결용 레이저는, 높은 에너지, 예를 들면 약 30W 내지 1000W, 바람직하게는 500W의 에너지를 갖는 레이저일 수 있다. 즉, 스테이지부(100)의 금속 파우더 표면 중 갈바노 스캐너(200)의 레이저가 조사되는 부분이 다른 부분과 달리 단단하게 굳어지면서 3차원 구조물의 단면을 형성할 수 있다.
한편, 제2 이동부(300)는, 제어부(800)의 제어에 의한 이동 경로, 즉, 제2 이동 경로를 따라 갈바노 스캐너(200)를 X축 및 Y축으로 이동시킨다. 즉, 제2 이동부(300)는, 제2 X축 이동부(310) 및 제2 Y축 이동부(320)를 포함할 수 있으며, 제어부(800)에서 G 코드(code) 등에 의하여 생성된 제어 신호를 입력받고, 입력된 제어 신호가 지시하는 이동 경로에 따라 갈바노 스캐너(200)를 이동시킨다.
이때, 제2 이동부(300)는, 도 1c에 도시된 바와 같이 갈바노 스캐너(200)가 고정되어 금속 파우더의 표면(B) 전체를 스캔할 수 있는 경우에는 생략될 수 있으며, 갈바노 스캐너(200)의 스캔 영역(A)이 도 1b에 도시된 바와 같이 금속 파우더의 표면(B)보다 작은 경우에도 갈바노 스캐너(200)의 조사 경로에 동기화되지 않은 이동 경로를 제공할 수도 있다.
즉, 갈바노 스캐너(200)는, 한 번에 스캔하여 가공할 수 있는 면적인 스캔 영역이 약 수십 ㎟ 수준이고, 이에 반하여 3차원 구조물의 각 단면은 이보다 넓은 경우가 대부분이므로, 갈바노 스캐너(200)가 3차원 구조물의 각 단면 전체를 가공하려면, 제2 이동부(300)에 의하여 갈바노 스캐너(200)가 3차원 구조물의 각 단면을 따라 X축 방향 및 Y축 방향으로 움직여야 한다.
여기서, 갈바노 스캐너(200)의 스캔 영역(A)이 3차원 구조물의 각 단면을 모두 커버 하도록 갈바노 스캐너(200)가 스테이지부(100) 상의 금속 파우더 표면에 대해 X축 방향 및 Y축 방향으로 움직이는 경로를 제2 이동 경로라고 한다.
한편, 제1 이동부(400)는, 제어부(800)의 제어에 의한 이동 경로, 즉, 제1 이동 경로를 따라 기계가공부(600)를 X축, Y축 및 Z축으로 이동시킨다. 즉, 제1 이동부(400)는, 제1 X축 이동부(410), 제1 Y축 이동부(420) 및 Z축 이동부(430)를 포함할 수 있으며, 제어부(800)에서 G 코드 등에서 획득한 가장자리 정보를 처리하여 생성된 제어 신호를 입력받고, 입력된 제어 신호가 지시하는 제1 이동 경로에 따라 기계가공부(600)를 이동시킨다. 이때, 도 1b에 도시된 바와 같이 제1 이동부(400)가 제2 이동부(300)의 하부에 배치될 수도 있으나 이에 한정되지 않으며, 제2 이동부(300)에 의하여 갈바노 스캐너(200)가 소정의 면적(B)을 갖는 금속 파우더 표면 외 영역으로 이동한 후, 제2 이동부(300)의 상부에 배치된 제1 이동부(400)가 Z축 이동부(430)를 통하여 기계가공부(600)를 금속 파우더 내 소결 영역의 가장자리로 근접시킬 수도 있다.
한편, 기계가공부(600)는, 갈바노 스캐너(200)에 의하여 소결된 금속의 측면을 가공하여 소결로 생성된 구조물의 조도를 감소시킨다. 이때, 기계가공부(600)는, CNC(Computerized Numerical Control) 기계가공에 사용되는 기구로, 초음파 진동 방식의 연마기일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
여기서, 기계가공부(600)는, 갈바노 스캐너(200)가 소결 동작을 수행할 때마다 소결 영역의 측면을 가공할 필요는 없으며, 갈바노 스캐너(200)가 소결 동작을 2회 이상, 바람직하게는 5회 이상 내지 15회 이하로 수행할 때마다 1회씩 가공할 수 있다. 예를 들면, 갈바노 스캐너(200)가 1회에 약 30㎛ 내지 50㎛의 두께에 해당하는 금속 파우더 층에 대하여 소결을 수행하는 경우에, 기계가공부(600)는 갈바노 스캐너(200)의 10회 작업분, 즉, 약 300㎛ 내지 500㎛의 두께를 가지는 소결 구조물의 측면을 1회에 가공할 수 있다.
또한, 제어부(800)는, 3차원 구조물에 관한 수평 슬라이싱 파일 내 명령에 따라 갈바노 스캐너(200)의 조사 경로, 제2 이동부(300)의 제2 이동 경로, 기계가공부(600)의 작동 여부 및 제1 이동부(400)의 제1 이동 경로를 제어한다.
예를 들면, 제어부(800)는, STL(STereoLithography) 형식으로 저장된 그래픽 파일이 슬라이싱된 G 코드 등을 통하여 3차원 구조물을 형성하기 위한 수평 단면의 각 좌표 및 위 좌표에 따른 경로를 따라 진행하는 레이저 조사점의 이동 속도 등을 읽어들이고, 이에 따라 갈바노 스캐너(200)의 조사 경로 및 제2 이동부(300)의 제2 이동 경로를 지정하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 즉, 제어부(800)는, G 코드 등의 데이터로부터 갈바노 스캐너(200), 제2 X축 이동부(310) 및 제1 Y축 이동부(320)의 작업을 분배하고, 분배된 작업에 따라 갈바노 스캐너(200), 제2 X축 이동부(310) 및 제2 Y축 이동부(320)를 제어하는 제어 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 제어부(800)는, 제2 X축 이동부(310) 및 제2 Y축 이동부(320)를 구동하기 위하여 X축 부호화부(도시되지 않음) 및 Y축 부호화부(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
한편, 제어부(800)는, CNC 기계 가공을 위하여 상술한 그래픽 파일에 따라 도출된 가공 라인을 따라 제1 이동부(400)를 제어하고, 기계가공부(600)를 활성하하여 3차원 구조물 표면의 조도를 감소시키는 작업을 수행할 수 있다. 즉, 제어부(800)는, 갈바노 스캐너(200)와 제2 이동부(300)의 동작 중에는 제1 이동부(400)를 이용하여 기계가공부(600)를 금속 파우더 표면이 위치한 작업 영역 바깥 부분으로 배치하고, 갈바노 스캐너(200)와 제2 이동부(300)에 의하여 미리 설정된 회수 만큼 소결 동작이 수행되면 제1 이동부(400)를 제어하여 기계가공부(600)를 3차원 구조물 표면으로 이동시키며, 기계가공부(600)를 활성화하여 금속 파우더를 소결하여 형성된 3차원 구조물의 표면을 가공하도록 제어 한다.
여기서, 제어부(800)는, 온더플라이 기술을 응용하여 갈바노 스캐너(200)가 레이저를 조사할 때, 스캔 영역 보다 큰 대면적에 대한 조사가 필요할 경우 제2 X축 이동부(310) 및 제2 Y축 이동부(320)를 제어하여 스캔 영역 간 연속적으로 레이저가 조사될 수 있도록 한다. 즉, 온더플라이 기술은 스캐너와 2축의 스테이지를 연동시켜 대면적을 초고속 및 초정밀로 가공하는 기술로서, 본 발명에 있어서는 갈바노 스캐너(200)에 2축의 제2 이동부(300)를 결합하여 제어부(800)가 갈바노 스캐너(400)의 온/오프와 가공정보, 스캔 영역 내 조사 경로 및 이동부의 구동에 따른 이동 경로에 관한 제어 신호를 미리 계산하여 출력하게 된다. 다시 말하면, 제어부(800)는, 갈바노 스캐너(200)와 제2 이동부(300)를 연동시켜 갈바노 스캐너(200)와 제2 이동부(300)가 서로 한쪽의 정보를 다른 한쪽이 공유할 수 있도록 한다. 이를 통하여, 갈바노 스캐너(200)는 스캔 영역보다 매우 큰 대면적에 대해서도 연속적인 레이저 조사를 통한 소결 작업을 수행할 수 있다.
이때, 제어부(800)는, 금속 파우더의 표면의 면적(B)을 분할하여 스캔 영역(A)의 크기에 대응하는 복수개의 스캔 페이지를 생성하고, 스캔 페이지 별 수평 슬라이싱 파일의 형태를 참조하여 조사 경로 및 이동 경로를 연동시킬 수 있다.
또한, 제어부(800)는, 제어 신호에 따른 갈바노 스캐너(200)의 이동 경로와 제어 신호를 입력받은 갈바노 스캐너(200)의 실측 움직임 사이의 오차를 미리 저장하고, 저장된 오차에 따라 이동 경로를 보정하는 보정 명령을 생성하여 제2 이동부(300)로 전송할 수 있다. 이때, 제2 이동부(300)는, 보정 명령의 보정 값에 따라 갈바노 스캐너(200)를 이동시키게 된다.
예를 들면, 제2 이동부(300)는 그 질량 및 갈바노 스캐너(200)의 질량에 비례하여 관성을 가지는데, 이러한 관성에 의하여 이동 경로에 오차가 생길 수 있다. 따라서, 제2 이동부(300)에 의한 갈바노 스캐너(200)의 실제 이동 경로를 실측하고, 제어부(800)가 지시하는 이동 경로와 비교하여 관성에 의해 발생되는 오차를 보정하는 관성 오차 보정 값을 미리 저장하며, 저장된 관성 오차 보정 값에 따라 갈바노 스캐너(200)의 이동 경로를 보다 정확하게 제어할 수 있다.
예를 들어, 갈바노 스캐너(200)가 t1에서 'a' 만큼의 이동된 위치를 가져야 한다면 제어부(800)는 t0에서 미리 'a' 만큼 이동시키는 구동 명령을 생성시켜야 한다. 그럼에도 불구하고 t0과 t1 사이 구간에는 갈바노 스캐너(200) 및 제2 이동부(300)의 관성으로 인하여 제어 오차가 발생 된다. 이동 경로를 따라 갈바노 스캐너(200)를 이동시키는 제2 이동부(300)의 속도를 줄이면 제어 오차는 감소하나, 3차원 구조물의 소결을 통한 프린팅 시간은 증가하게 된다.
한편, 제2 이동부(300)의 이동 경로에서 발생하는 제어 오차를 갈바노 스캐너(200)의 조사 경로에서 보정할 수도 있다. 즉, 제2 이동부(300)의 구동 명령은 밀리초(msec)단위로 실행되고, 갈바노 스캐너(200) 구동 명령은 마이크로초(μsec) 단위로 실행되므로, 제2 이동부(300)의 구동 명령 생성 간격 사이에 오차 보정 명령들을 생성하고 이를 갈바노 스캐너(200) 제어 명령에 반영할 수 있다.
예를 들면, t0과 t1이 스테이지부(100) 구동 명령 수행 간격이 1msec 이고, 갈바노 스캐너(200) 구동 명령의 수행 간격이 10μsec이면, t0과 t1 사이에 99개의 오차 보정 명령을 생성하여 이를 갈바노 스캐너(200)의 조사 경로를 제어하는 명령에 반영할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치 중 갈바노 스캐너(200)의 내부를 나타낸 도면으로, 본 발명에 의한 갈바노 스캐너(200)는, 빔출력부(210), 초점 가변부(220) x축 미러(230), x축 모터(240), y축 미러(250) 및 y축 모터(260)를 포함한다(빔 스플릿터 등과 같은 다른 구성요소들은 편의상 도시되지 않음).
도 1a에 도시된 제어부(300)는, 스테이지부(100) 상의 금속 파우더 표면에 대한 조사 경로를 3차원 구조물에 대한 단면 데이터로부터 획득하여 빔출력부(210) 구동 명령, 초점 가변부(220) 구동 명령, x축 모터(240) 및 y축 모터(260) 구동 명령을 생성하여 갈바노 스캐너(200)로 전송한다.
또한, 제어부(300)는 3차원 구조물에 대한 단면 데이터에 따른 이동 경로로 갈바노 스캐너(200)를 이동시키고, 이를 통하여 갈바노 스캐너(200)의 레이저가 조사되는 스테이지부(100) 상의 금속 파우더 표면에 연속적인 소결이 수행되게 한다.
상술한 바와 같이, 제어부(800)는, 제2 이동부(300)는 및 갈바노 스캐너(200)의 질량에 따른 관성에 의한 조사 경로 및 이동 경로의 오차를 보정하는 보정 명령을 생성하는데, 그 중, 갈바노 스캐너(200)에 대하여 보정 명령을 생성하는 경우에는 X축 및 Y축에 대하여 각각 보정값을 분배할 수 있다. 즉, 제어부(800)는, X축, Y축 보정 명령을 각각 x축 모터(240) 및 y축 모터(260) 제어 명령에 반영한다. 즉, x축 모터(240) 및 y축 모터(260)에 의해 2축 보정이 이루어진다.
한편, 빔출력부(210)는, 레이저 빔을 생성하여 출력한다. 이때, 빔출력부(210)의 후단에 설치되어 레이저 빔의 파워를 조절하여 출력하는 레이저 빔 파워 조절기(도시되지 않음)가 추가될 수 있다.
또한, 초점 가변부(220)는, 빔출력부(210)에서 출사된 레이저 빔의 광 경로를 조절하거나 또는 레이저 빔의 초점을 조절할 수 있다. 이때, 도 2에 도시된 바에 의하면 빔출력부(210)의 레이저 빔이 초점 가변부(220)를 투과하여 x축 미러(230)에 직접 도달하는 것으로 도시되어 있으나, 초점 가변부(220)가 별도의 미러(도시되지 않음)를 구비하고, 빔출력부(210)로부터 입사된 레이저 빔을 x축 미러(230)로 반사시킬 수도 있다. 한편, 초점 가변부(220)는, 레이저 빔의 초점을 조절하여 스테이지부(100)의 금속 파우더 표면 상에 레이저 빔의 초점이 배치되도록 함으로써, 금속 파우더가 소결될 수 있도록 한다.
한편, x축 미러(230), x축 모터(240), y축 미러(250) 및 y축 모터(260)는, 초점 가변부(220)를 통하여 입사된 빔출력부(210)의 레이저 빔의 수직 변위와 수평 변위를 조절하여 레이저 광을 원하는 패턴 형태로 스테이지부(100)의 금속 파우더 표면 상에 반사시킨다.
도 3은 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치 중 스테이지부(100)를 상세히 나타낸 도면으로, 본 발명에 의한 스테이지부(100)는, 저장부(110), 베이스부(120), 측벽부(130) 및 스크래퍼부(140)를 포함할 수 있다.
저장부(110)는, 금속 파우더(500)를 저장하고, 제어부(800)의 제어에 의해 금속 파우더(500)를 스크래퍼부(140)로 배출한다. 이때, 저장부(110)는, 갈바노 스캐너(200)에 접하는 표면으로 소결 가능한 두께인 한 층에 해당하는 금속 파우더(500)의 부피만큼 공급하는 것이 바람직하며, 예를 들면, 0.05×250×250mm의 부피에 해당하는 금속 파우더를 공급할 수 있다.
또한, 베이스부(120)는, 저장부(110)로부터 금속 파우더를 공급받아 도포되는 평면, 즉, 갈바노 스캐너(200)에 접하는 금속 파우더(500)의 표면을 제공하고, 제어부(800)의 제어에 의해 수직 이동가능하다. 예를 들어, 베이스부(120) 상에 0.05×250×250mm의 부피에 해당하는 금속 파우더가 도포된 후 갈바노 스캐너(200)에 의하여 소결이 완료되면, 베이스부(120)는 수직 방향으로 0.05mm 하강하고, 베이스부(120) 상에 다시 저장부(110)로부터 금속 파우더를 공급받아 도포된다. 이를 통하여, 베이스부(120)는 갈바노 스캐너(200)에 접하는 금속 파우더(500)의 표면의 절대적인 높이를 일정하게 유지시킬 수 있다. 다시 말하면, 베이스부(120)에 의하여 갈바노 스캐너(200)에서 조사되는 레이저 빔의 초점이 정확하게 금속 파우더(500)의 표면 상에 맞춰지도록 할 수 있다.
한편, 측벽부(130)는, 베이스부(120)의 측면에 접한 수직 벽의 구조로서 베이스부(120) 상에 금속 파우더의 표면의 면적을 정의할 수 있다. 예를 들어, 측벽부(130)는, 250×250mm의 면적을 갖는 사각의 상자 구조의 벽을 형성할 수 있으며, 주로 제작하고자 하는 3차원 구조물의 높이에 따라 그 수직 길이가 결정될 수 있다.
또한, 스크래퍼부(140)는, 제어부(800)의 제어에 의해 베이스부(120) 상의 금속 파우더(500)를 분산시켜 얇은 층을 생성할 수 있다. 즉, 스크래퍼부(140)는, 상부 및 하부에 개구를 구비하고, 저장부(110)로부터 상부 개구를 통하여 금속 파우더를 공급받아 하부 개구를 통하여 베이스부(120) 상에 금속 파우더를 배출하며, 수평 방향(141)으로 이동하면서 측벽의 하단을 통하여 배출된 금속 파우더를 스크래핑함으로써 균일한 표면을 갖는 얇은 층이 베이스부(120) 상에 형성될 수 있도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치의 동작을 설명하기 위한 도면으로, 도 1a 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 저장부(110)는, 제어부(800)의 제어에 의해 저장하고 있는 금속 파우더(500)의 소정량을 스크래퍼부(140)로 배출한다.
이후에, 스크래퍼부(140)는, 저장부(110)로부터 상부 개구를 통하여 금속 파우더를 공급받아 하부 개구를 통하여 베이스부(120) 상에 금속 파우더를 배출하며, 수평 방향(141)으로 이동하면서 측벽의 하단을 통하여 배출된 금속 파우더를 스크래핑함으로써 균일한 표면을 갖는 얇은 층을 베이스부(120) 상에 형성한다.
다음에, 제어부(800)는, G 코드 등을 통하여 3차원 구조물을 형성하기 위한 수평 단면의 각 좌표 및 위 좌표에 따른 경로를 따라 진행하는 레이저 조사점의 이동 속도 등을 읽어들이고, 이에 따라 작업을 분배하여 갈바노 스캐너(200)의 조사 경로 및 제2 이동부(300)의 이동 경로를 지정하는 제어 신호를 생성한다.
이후에, 제2 이동부(300)는, 제어부(800)가 지시한 이동 경로에 따라 갈바노 스캐너(200)를 이동시킨다. 예를 들면, 제2 이동부(300)는, 도 3에 도시된 바와 같이 3차원 구조물 중 컵 형태를 제작하고자 하는 경우, 도 4에 도시된 소정의 스캔 영역(A")의 상부에 갈바노 스캐너(200)를 이동시킬 수 있다.
다음에, 갈바노 스캐너(200)는, 스캔 영역(A") 내에 제어부(800)의 제어에 의한 3차원 구조물의 단면(501)을 따라 소결용 레이저를 조사한다.
이후에, 갈바노 스캐너(200)가 소정의 스캔 영역(A") 내에서 조사 경로(501)에 따른 레이저 조사를 완료하면, 제2 이동부(300)는, 제어부(800)가 지시한 이동 경로에 따라 갈바노 스캐너(200)를 이동시킨다. 예를 들면, 제2 이동부(300)는, 제어부(800)의 제어에 따라 제2 X축 이동부(310)를 구동하여 갈바노 스캐너(200)를 소정의 스캔 영역(A") 상에서 다른 스캔 영역(A"') 상으로 이동시킬 수 있다. 이때, 제어부(800)는, 각 스캔 영역(A", A"') 간 3차원 구조물의 단면(501)의 연속성을 위하여 갈바노 스캐너(200) 및 제2 이동부(300)를 실시간으로 동기화시킬 수 있다.
이때, 제어부(800)는, 갈바노 스캐너(200) 및 제2 이동부(300)의 실시간 동기화 시 관성에 따른 이동 오차를 보정하기 위하여 미리 제2 이동부(300)에 의한 갈바노 스캐너(200)의 실제 이동 경로를 실측하고, 제어부(800)가 지시하는 이동 경로와 비교하여 관성에 의해 발생되는 오차를 보정하는 관성 오차 보정 값을 미리 저장하며, 저장된 관성 오차 보정 값에 따라 갈바노 스캐너(200)의 이동 경로를 보다 정확하게 제어할 수 있다. 한편, 제2 이동부(300)가 갈바노 스캐너(200)를 이동시킨 거리를 반영하여 갈바노 스캐너(200)의 조사 경로를 보정할 수도 있다.
위와 같은 과정을 통하여 복수개의 스캔 영역(A, A', A", A"') 내 소결하고자 하는 3차원 구조물의 단면(501)이 전부 소결되면, 저장부(110) 등은, 제어부(800)의 제어에 의해 저장하고 있는 금속 파우더(500)의 소정량을 스크래퍼부(140)로 배출하는 등의 과정으로 되돌아가 상술한 동작을 반복함으로써 원하는 3차원 구조물이 생성될 수 있다.
도 5a 및 도 5f는 본 발명에 따른 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치 중 기계가공부(600)의 동작을 설명하기 위한 도면으로, 도 1a 내지 도 5f를 참조하여, 본 발명의 기계가공부(600)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 갈바노 스캐너(200)가 3차원 구조물의 단면(501)을 1회에 금속 파우더의 한 층에 해당하는 두께(C)로 수회 소결하여 소정의 두께를 갖는 3차원 구조물의 일부가 완성되면, 기계가공부(600)의 가공용 봉(610)이 제1 이동부(400)에 의하여 금속 파우더(500) 내 3차원 구조물의 측면으로 근접하게 된다. 이때, 가공용 봉(610)은, 마이크로 가공(Micro-Machining) 방식에 따라 3차원 구조물의 조도를 감소시키는 역할을 수행할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
이후에, 제어부(800)는, 가공용 봉(610)을 소정의 두께를 갖는 3차원 구조물 일부의 측면에 접근시켜, 최종 3차원 구조물의 형태에 따라 조도가 감소된 가공면(611)을 형성하도록 한다. 이때, 제어부(800)는, 제1 이동부(400)에 기계가공부(600)의 각도를 조정하기 위한 이동체(도시되지 않음)를 구비하고, 구비된 이동체를 제어하여 가공용 봉(610)을 비스듬히 금속 파우더(500) 내에 진입시킬 수도 있다.
이때, 가공용 봉(610)은, 가공하고자 하는 형상에 따라 도 5b 내지 도 5e에 도시된 바와 같은 다양한 형태의 엔드밀(Endmill)을 사용할 수 있다.
즉, 도 5a에 도시된 바와 같이 가공하고자 하는 측면의 형상이 수직인 경우에는 도 5b에 도시된 바와 같은 평엔드밀을 사용할 수 있으며, 도 5f에 도시된 바와 같이 가공하고자 하는 형상에 언더컷이 있는 경우에는 도 5e에 도시된 바와 같은 구형 엔드밀을 사용할 수 있다. 한편, 가공하고자 하는 형상이 곡면인 경우에는 도 5d에 도시된 바와 같은 볼엔드밀을 사용할 수 있으며, 가공하고자 하는 형상이 둥근 홈인 경우에는 도 5c에 도시된 바와 같은 래디어스(Radius) 형 엔드밀을 사용할 수 있다.
도 5f는 갈바노 스캐너(200) 및 기계가공부(600)에 의하여 언더컷 구조를 갖는 3차원 구조물이 형성된 형태를 도시한 도면으로, 본 발명에 의하면 갈바노 스캐너(200) 및 기계가공부(600)를 결합하여 3차원 구조물을 형성함으로써, 조도를 개선할 뿐만 아니라 언더컷 형태를 포함하는 구조물도 형성할 수 있으므로, 금형을 제작하는 경우에도 추가 공정이 없이 바로 사용할 수 있는 이점이 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 스테이지부
110: 저장부
120: 베이스부
130: 측벽부
140: 스크래퍼부
200: 갈바노 스캐너
210: 빔출력부
220: 초점 가변부
230: x축 미러
240: x축 모터
250: y축 미러
260: y축 모터
300: 제2 이동부
310: 제2 X축 이동부
320: 제2 Y축 이동부
400: 제1 이동부
410: 제1 X축 이동부
420: 제1 Y축 이동부
430: Z축 이동부
500: 금속 파우더
600: 기계가공부
800: 제어부
110: 저장부
120: 베이스부
130: 측벽부
140: 스크래퍼부
200: 갈바노 스캐너
210: 빔출력부
220: 초점 가변부
230: x축 미러
240: x축 모터
250: y축 미러
260: y축 모터
300: 제2 이동부
310: 제2 X축 이동부
320: 제2 Y축 이동부
400: 제1 이동부
410: 제1 X축 이동부
420: 제1 Y축 이동부
430: Z축 이동부
500: 금속 파우더
600: 기계가공부
800: 제어부
Claims (9)
- 3차원 구조물을 인쇄하기 위한 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치에 있어서,
금속 파우더를 수용하는 스테이지부;
상기 금속 파우더의 표면 중 스캔 영역에 소결용 레이저를 조사하는 갈바노 스캐너;
상기 갈바노 스캐너에 의하여 소결된 금속의 측면을 가공하는 기계가공부;
상기 기계가공부를 X축, Y축 및 Z축으로 이동시키는 제1 이동부; 및
상기 3차원 구조물에 관한 수평 슬라이싱 파일 내 명령에 따라 상기 갈바노 스캐너의 조사 경로, 상기 기계가공부의 작동 여부 및 상기 제1 이동부의 제1 이동 경로를 제어하는 제어부를 포함하는 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 기계가공부는,
상기 제어부의 제어에 의하여 활성화되는 가공 모터; 및
상기 가공 모터에 의해 회전하는 엔드밀을 포함하는 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치.
- 청구항 2에 있어서,
상기 엔드밀은, 평엔드밀, 볼엔드밀, 래디어스 엔드밀 및 구형 엔드밀을 포함하는 세트로서, 상기 평엔드밀, 상기 볼엔드밀, 상기 래디어스 엔드밀 및 상기 구형 엔드밀 중 하나가 상기 가공 모터에 연결되는 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치.
- 청구항 3에 있어서,
상기 갈바노 스캐너를 X축 및 Y축으로 이동시키는 제2 이동부를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 3차원 구조물에 관한 수평 슬라이싱 파일 내 명령에 따라 상기 갈바노 스캐너의 조사 경로 및 상기 제2 이동부의 제2 이동 경로를 제어하고, 상기 조사 경로 및 상기 제2 이동 경로를 연동시키는 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치.
- 청구항 4에 있어서,
상기 스테이지부는,
상기 금속 파우더를 저장하고, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 금속 파우더를 배출하는 저장부;
상기 저장부로부터 상기 금속 파우더를 공급받아 도포되는 평면을 제공하고, 상기 제어부의 제어에 의해 1회에 제1 거리 만큼 수직 이동가능한 베이스부;
상기 베이스부의 측면에 접한 수직 벽의 구조로서 상기 베이스부 상에 상기 금속 파우더의 표면의 면적을 정의하는 측벽부; 및
상기 제어부의 제어에 의해 상기 베이스부 상의 상기 금속 파우더를 분산시켜 얇은 층을 생성하는 스크래퍼부를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 베이스부를 N회 - 여기서, N은 2 이상의 정수 - 이동시킬 때마다 1회씩 상기 기계가공부 및 상기 제1 이동부를 활성화하는 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치.
- 청구항 5에 있어서,
상기 N은, 5 이상 15 이하의 정수인 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치.
- 청구항 6에 있어서,
상기 제어부는, 상기 금속 파우더의 표면의 면적을 분할하여 상기 스캔 영역의 크기에 대응하는 복수개의 스캔 페이지를 생성하고, 상기 스캔 페이지 별 상기 수평 슬라이싱 파일의 형태를 참조하여 상기 조사 경로 및 상기 제2 이동 경로를 연동시키는 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치.
- 청구항 7에 있어서,
상기 제어부는, 상기 제2 이동 경로와 상기 갈바노 스캐너의 실측 움직임 사이의 오차를 보정하는 보정 명령을 생성하여 상기 제2 이동부로 전송하고,
상기 제2 이동부는, 상기 보정 명령의 보정 값에 따라 이동하는 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치.
- 청구항 8에 있어서,
상기 보정 명령은, 상기 제2 이동부의 관성에 의해 발생되는 오차를 보정하는 관성 오차 보정 값을 포함하는 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치.
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