KR20170107647A - 3차원 프린터에 의한 조형 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 프린터에 의한 조형 장치 및 방법에 관한 것으로, 대상체에 조사되는 레이저 빔 크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 대상체(조형물)의 위치정보(X,Y,Z) 데이터 또는 센싱수단을 통해 실시간으로 측정된 대상체(조형물)의 위치정보(X,Y,Z) 데이터에 의거, 대상체의 광경화를 위해 레이저 빔 모듈에서 조사되는 레이저 빔 크기를 위치별로 서로 다르게 제어, 레이저부 또는 베드부를 상/하(Z축) 방향으로 제어, 또는/및 상기 대상체의 외곽(또는 내부)의 광경화 동작 중에 적어도 하나가 먼저 수행되도록 제어하여 광 경화 속도 및 광경화 인쇄품질을 향상시킬 수 있다.

Description

3차원 프린터에 의한 조형 장치 및 방법{MOLDING APPARATUS AND METHOD BY THE 3D PRINTER}
본 발명은 3차원 프린터에 의한 조형 장치 및 방법에 관한 것으로, 대상체에 조사되는 레이저 빔 크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 대상체(조형물)의 위치정보(X,Y,Z) 데이터 또는 센싱수단을 통해 실시간으로 측정된 대상체(조형물)의 위치정보(X,Y,Z) 데이터에 의거, 대상체의 광경화를 위해 레이저 빔 모듈에서 조사되는 레이저 빔 크기를 위치별로 서로 다르게 제어, 레이저부 또는 베드부를 상/하(Z축) 방향으로 제어, 상기 대상체 외곽(또는 내부)의 광경화 동작중에 적어도 하나가 먼저 수행되도록 제어하여 광경화 속도 및 광경화 인쇄품질을 향상시키는 것에 관한 것이다.
3차원 프린터는 상품을 내놓기 전 시제품을 만들기 위해 개발되어, 실제 상품에 어떤 문제점이 있는지 알아보기 위하여 실제상품을 만드는 대신 3차원 프린터를 이용하여 실제상품과 똑같은 시제품을 생산하여, 비용과 시간을 절약하며 실제상품의 문제점을 알아볼 수 있기 때문에 대기업과 공장에서 사용하기 시작했다.
이러한 3차원 프린터는 3차원 캐드시스템과 같은 소프트웨어를 통해 모델링된 3차원 형상을 복수의 얇은 단면(2차원 평면) 층으로 분할한 슬라이스 데이터로 변경한 후에 이를 사용하여 2차원 평면을 조형하고, 이를 적층하여 조형물을 완성한다.
이렇게 판 형태의 시트를 조형하는 방법으로 쾌속조형 방식이 개발되어있다.
이러한 쾌속조형 방식에는 석고, 나일론과 메탈 등의 파우더를 이용한 쾌속조형 방식, 광경화성 폴리머 수지(레진)를 사용하는 플라스틱 액체를 이용한 쾌속조형 방식, 플라스틱을 실처럼 자아낸 고체를 이용한 조형 방식으로 나눌 수 있다.
그 중에서도, 플라스틱 액체를 이용한 쾌속조형 방식은 광이 조사되면 딱딱하게 굳는 광경화성 수지가 담긴 수조에 광을 조사하여, 광이 조사된 광경화성 수지는 광의 모양에 따라 굳어 얇은 판형 시트가 생성되며 이를 적층하는 방식으로서, 광을 조사하는 방식에 따라 크게 SLA(StereoLithography Apparatus) 방식과 DLP(Digital Light Processing) 방식으로 구분할 수 있다.
SLA방식은 광 경화성 수지 표면에 광을 조사할 때 점 형태로 조사되어, 조형되는 속도가 느려 조형물을 완성하는 데 비교적 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있었다.
DLP방식은 광 경화성 수지 표면에 광을 조사할 때 단면 형태로 조사되어, 조형되는 속도는 빠르나, 조형물의 크기가 클수록 해상도와 정밀도가 낮아진다는 문제점이 있었다.
종래에는 대상체의 위치에 상관없이 동일한 레이저 빔(Beam) 크기 (size)를 가지고 레이저를 스캐닝(Scanning) 또는 조사하기 때문에 레이저 빔 크기에 따라서 스캐닝 시간이 결정되었다
한편, 프린팅 출력의 정밀성을 높이기 위해서 레이저 빔 크기를 작게 하는 경우, 출력시간이 오래 걸리는 문제가 발생되었다.
또한 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 레이저 빔을 렌즈를 통해서 평면(2차원)에 조사하기 때문에 에지(외곽)면으로 갈수록 △Z 만큼 편차가 발생하여 제작 형상의 치수 정밀도가 떨어지는 문제가 발생되었다.
출원번호: 10-2014-0059243, 고체 기반형 3D 프린터 출원번호: 10-2014-0084287, DLP 방식 3D 프린터
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 레이저 빔이 조사되는 X, Y위치가 변하여도 대상체에 조사되는 레이저 빔 크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 위치정보(X,Y,Z) 데이터 또는 헤드부 등에 구비되는 센싱수단(미도시)을 통해 측정된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터에 의거, 위치정보별로 상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 레이저 빔 크기를 서로 다르게 제어하여 상기 레이저 이동 경로에 따라 레이저부 또는 베드부를 상/하 (Z축) 방향으로 제어하여 내부 및 에지 위치에 상관없이 레이저 빔에 의한 초점크기의 변화를 작게하여 광경화인쇄 품질이 향상하게 되는 것을 제안한다.
또한 본 발명은 상기 위치정보에 의거 대상체의 외곽 또는 중심으로부터 중심 또는 외곽방향으로 순차적으로 광경화 경로가 수행되도록 제어하는 것을 제안한다. 이를 통해 상기 위치정보에 의거 레이저부 또는/및 베드부가 상/하 (Z축) 방향으로의 급격하게 움직이지 않아도 되며 이동거리를 최소의 간격으로 할 수 있고 그로 인해 레이저가 이동하는 광경로를 단축함으로써 2차원 평면을 광 경화하는 속도를 향상하는 것을 제안한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 프린터에 의한 조형 장치는, 광 경화성 재료에 광 조사를 통해 목적하는 대상체가 조형되는 장치에 있어서, 상기 대상체에 광을 조사하는 레이저 빔 모듈을 포함하는 레이저부; 상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 광에 의거 상기 조형된 대상체가 위치되는 베드부; 상기 레이저부 또는 베드부를 이송시키는 이송수단; 및 대상체에 조사되는 레이저 빔 크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 대상체의 위치정보 (X,Y,Z) 데이터 또는 센싱수단을 통해 측정된 대상체의 위치정보 (X,Y,Z)데이터를 저장하는 저장수단; 상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 레이저 빔 크기를 위치에 따라서 조절해 주는 슬릿부; 서로 다르게 제어, 상기 이송수단을 상/하 (Z축) 방향으로 제어 및 상기 대상체의 외곽 또는 중심부에서의 광경화 동작이 먼저 수행되도록 제어하는 동작중에서 적어도 하나가 수행되도록 제어하는 제어부;를 포함한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 프린터에 의한 조형 방법은, 3차원 프린팅 될 대상체에 대해 대상체에 조사되는 레이저 빔 크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 대상체의 면 방향 위치정보 (X,Y,Z) 데이터 또는 센싱수단을 통해 실시간 측정된 대상체의 면 방향 위치정보 (X,Y,Z) 데이터가 구해지는 단계; 상기 구해진 위치정보별로 상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 레이저 빔 크기를 서로 다르게 제어하는 단계; 상기 구해진 위치정보별로 상기 레이저부 또는 상기 베드부를 상/하 (Z축) 방향으로 이동하여 대상체의 위치에 상관없이 상기 레이저 빔에 의한 초점이 균일하게 제어하는 단계; 및 상기 구해진 대상체의 위치정보 (X,Y,Z) 데이터에 따라, 면 방향을 기준으로 상기 대상체의 외곽에서의 광경화 동작이 먼저 수행되도록 상기 레이저 모듈의 동작을 제어하는 단계;를 포함하여 동작한다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 대상체에 조사되는 레이저 빔 크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터 또는 레이저부 등에 구비되는 센싱수단을 통해 측정된 대상체의 각 위치정보(X,Y,Z) 데이터에 대응하여, 가변슬릿을 이용하여 위치 정보가 외곽부일수록 레이저 빔 사이즈 또는 스폿을 가변적으로 작게 하여 광경화 인쇄품질(resolution)을 높임과 함께, 위치정보가 내부(센터) 일수록 레이저 빔 크기를 크게 하여 광경화 속도를 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 상기 위치정보에 의거 레이저부 또는 베드부를 상/하 (Z축) 방향으로 제어하여 레이저 빔에 의한 초점 크기가 대상체에 일정하게 조사되게 함으로써 위치에 상관없이 광경화 인쇄품질을 일정하게 할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 위치정보에 의거 대상체의 외곽에서의 광경화 동작이 먼저 수행되도록 제어함으로써, 또는 내부에서의 광경화 동작이 먼저 수행되도록 제어함으로써, 상기 위치정보에 의거 레이저부 또는 베드부가 상/하 (Z축) 방향으로의 이동을 최소의 간격으로 할 수 있도록 하여 광 경화인쇄 속도를 향상 및 시스템에 부가되는 부하를 줄일 수 있다.
도 1은 종래에 있어 대상체의 위치정보 중에서 외곽 위치정보에 레이저 빔이 조사되는 경우, 레이저 빔 초점거리에 의거 편차(△Z)가 발생되어 광경화 인쇄품질이 떨어지게 됨을 보여주는 도면.
도 2는 상기 도 1에서의 발생된 편차(△Z)에 의거 외곽에서는 초점이 일정하지 않고 퍼지는 것을 보여주는 도면.
도 3a는 종래에서, 상기 도 1 및 도 2에 의한 문제점을 해결하고자 중심부의 초점위치를 보여주는 도면.
도 3b는 종래에서, 상기 도 1 및 도 2에 의한 문제점을 해결하고자 다이내믹 포커스 렌즈를 이용하여 외곽에서는 초점거리를 길게 하여 상기 편차(△Z)(26)를 줄이기 위한 장치를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 의한 상기 도 1 및 도 2에 의한 문제점을 해결하고자 가변슬릿을 이용하여 외곽부의 레이저 빔 크기를 조절하여 상기 편차(△Z)(26)에 의해서 발생되는 상대적인 빔 크기를 줄이기 위한 장치를 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 의한 3차원 프린터 조형 장치의 블록도.
도 6은 본 발명에 의한 3차원 프린터 조형 장치의 다른 실시 예 블록도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 조형 장치의 일 예의 부분 단면 정면도.
도 8은 본 발명의 실시 예에 의한 3차원 라인 스캔 조형장치를 나타내는 사시도.
도 9a는 본 발명에 따른 위치정보에서 최외곽에서의 레이저 빔 사이즈와 내부로 갈수록 상기 레이저 빔 사이즈가 작아지는 것을 보여주는 실시 예 도면.
도 9b는 상기 8a에 의거한 동작에 의해 형성되는 초점 형태를 보여주는 도면
도 10은 본 발명에 따른 대상체의 위치정보에 의거 외곽과 내부에서의 레이저 빔 사이즈가 다르게 하고, 레이저 빔 초점거리에 의한 편차(△Z)를 줄이기 위해 레이저부 또는/및 베드부를 Z축방향으로 이동시키는 것을 나타내는 흐름도.
도 11은 상기 도 9의 동작에서 대상체의 위치정보에 의거 외곽부의 레이저 빔 사이즈를 작게 하고 내부의 레이저 빔 사이즈는 크게하여 광경화 인쇄속도 및 인쇄품질을 향상하는 것을 보여주는 흐름도.
도 12는 레이저 빔 초점거리에 의한 편차(△Z)(26) 문제를 해결하기 위해 레이저부 또는/및 베드부를 상/하 (Z축) 방향으로 이동시키는 정도를 위치정보별로 다르게 하고, 위치정보 중에서 외곽을 먼저 광경화 동작을 수행하는 것을 나타내는 흐름도.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
또한 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 발명에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한 본 발명에서의 대상체는 3차원 프린터에 의해 형성되는 조형물을 포함한다.
이하 종래의 도면 및 본 발명의 도면을 참고하여 본 발명의 사상을 설명한다.
도 1은 종래에 있어 대상체의 위치정보 중에서 외곽 위치정보에 레이저 빔이 조사되는 경우, 레이저 빔 초점거리에 의거 편차(△Z)(26)가 발생되어 광경화 인쇄품질이 낮아지게 됨을 보여주는 도면이고, 도 2는 실제 광경화 영역은 평면(27)이므로 상기 도 1에서의 발생된 편차(△Z)(26)에 의거 외곽에서는 초점이 일정하지 않고 퍼지는 것을 보여주는 도면이다.
따라서 종래에는 상기 도 1 및 도 2에 나타난 문제로 인해 광경화 품질이 좋지 않게 되었다.
한편, 상기 도 1 및 도 2의 문제점을 해결하고자 도 3a 와 도 3b은 다이내믹 포커스 렌즈와 이동 렌즈를 이용하여 외곽에서는 초점거리를 길게 하여 상기 편차(△Z)(26)를 줄이고 광경화 인쇄품질을 향상시키는 방법을 보여주는 도면이다.
도4 는 본 발명의 실시 예로 도 1 및 도 2의 문제점을 해결하고자 이동 렌즈를 사용하지 않고 가변 슬릿과 이동수단을 이용하여 외곽에서는 초점거리를 길게하여 상기 편차(△Z)(26)를 줄이고 광경화 인쇄품질을 향상시키는 방법을 보여주는 도면이다.
이하 본 발명에 대한 동작을 먼저 개괄적으로 기술한다.
위치정보별로 레이빔 크기를 조절하는데 있어서, 각 위치정보(X,Y,Z)는 미리 대상체에 대한 슬라이스를 하여서 위치정보 값을 구하여 메모리부에 저장하는 것이 바람직하다.
부연하면, 대상체의 3차원 모양을 2차원(면)으로 슬라이스하고, 슬라이스한 한 층의 2차원 면에서 레이저 초점으로 종이에 색을 칠해 나가는 것처럼 레이저 빔을 원하는 영역만 조사하는 방식이다. 2차원 면에 레이저 빔을 색칠해나가는 경로로 변환하여 주는 파일이 G-code이다. 결론적으로 3차원 모양을 2차원으로 슬라이스하고 슬라이스한 이미지를 레이저가 이동하는 순차적 이동경로가 기록된 파일(G-code : 각각의 위치정보과 위치 간의 이동속도 등)로 변환하여 준다. 그리고 변환된 파일을 메모리부에 저장하여 동작시킬 수도 있고 컴퓨터에서 순차적으로 위치 정보값과 이동속도 등을 전송해 주어 동작할 수도 있다.
본 발명은 레이저 빔 크기를 위치정보별로 가변슬릿(55)으로 조절하여 외곽은 더 작은 레이저 빔 크기로 광경화하고 센터를 포함하는 내부는 레이저 빔(50a) 크기를 조절하여 고속의 프린터를 구현 가능하다.
따라서 외부표면과 내부를 레이저로 광경화 할 때 동일한 레이저 빔 크기로 경화할 때 보다는 내부의 레이저 빔 크기를 크게 하여 경화한다면 전체를 경화하는 시간이 단축되어 투명교정 장치 제작시간이 단축될 수 있다.
조형물 표면의 품질을 높이기 위하여 패턴의 외곽면은 레이저 빔 크기를 작게 하여 레이저 스캐닝하여 광 경화하고 내부의 광경화는 레이저 빔 크기를 크게 하여 상대적인 경화속도를 제어하여 3D 프린팅 속도를 높이도록 한다. 이때 각각의 위치정보에 대응하여 각각의 레이저 빔 크기를 서로 다르게 설정하는 것이 바람직하다.
상기에서 레이저 빔 크기 (size)를 조절하는 방법은 2가지 방법이 있다.
1. 원형가변 슬릿이나 사각형 가변슬릿(55)을 이용하여 원하는 크기를 만들 수도 있으며, 이 경우 슬릿의 두께가 커지기 때문에 광산란이 많이 발생하므로 이중슬릿으로 산란광을 차단하고 사용할 수 있다.
2. 미리 가공된 슬릿을 원형으로 배치시키거나 자외선과 가시광선을 투과하는 판에 슬릿모양을 코팅하여 제작된 모듈을 회전하면서 크기를 조절할 수 있다.
레이저 빔 크기를 조절할 때 (외곽을 조사할 경우와 내부를 조사 할 경우) 원하는 크기에 맞는 슬릿을 먼저 조절하고 갈바노미터(60)로 레이저 빔을 주사한다.
갈바노미터(60)는 두개의 거울을 X방향과, Y방향으로 회전시키면서 원하는 영역에 레이저를 조사하는 모듈이다. 일반적인 레이저 빔 경로는 레이저 -> (레이저 빔 확장 optic : 선택적 사용가능) 가변슬릿(55) -> 갈바노미터(60) -> F-theta Lens (선택적 사용가능) -> 베드(20)이다.
최외곽 품질을 높이는 방법으로 내부의 광경화와 외곽 광경화 순서와 속도를 조절하는 것이 바람직하다. 부연하면, 내부의 광경화는 레이저 빔 크기를 넓게 조사하면 표면의 관점에서 보면 골간격(경화라인과 경화라인간격)이 클 것이다. 따라서 외곽은 레이저 빔 크기를 작게 하여 작은 간격으로 이동거리를 작게 하여 이동하면서 레이저 빔을 조사한다. 그래서 최외곽의 표면을 매끄럽게 할 수 있다.
상기 문제를 해결하고자 G-code를 생성하는 알고리즘을 만들어 외곽과 내부의 광경로를 다르게 만들어 구현가능하다. 외곽을 나중에 하면 표면이 좀 더 매끄럽게 할 수도 있다.
일반적으로 조사면적이 클 경우에는 스폿직경이 초점면의 이미지 평면에서 도 1에서 나타난 바와 같이 편차(△Z)(26)가 발생하여 제작된 형상의 치수정밀도가 떨어지는 문제가 발생하며, 이를 극복하기 위하여 Telecentric f-theta 렌즈를 사용하여 집속되는 레이저 광 다발이 조사 면적에 수직하게 집속하여 제거할 수도 있지만 대면적을 조사할수록 렌즈의 직경이 커지게 되어 무겁고 가격이 상승한다.
또한 Dynamic 초점 렌즈을 채택하여 레이저의 광경로 내에 렌즈를 직선 이동하여 초점의 위치를 조정하는 대신에 3-axis 자동 초점면에 위치할 수 있도록 미리 계산된 헤드의 높이 값을 레이저 스캐닝시 헤드를 위치에 맞게 자동으로 상하로 이동하여 초점면을 조절할 수도 있다.
한편, 본 발명은 레이저 빔 크기를 위치정보별로 가변 슬릿으로 조절하여 외곽부분은 작은 레이저 빔 크기로 광경화 하고 내부는 레이저 빔 크기를 조절하여 고속의 3차원 프린터를 구현하기 위한 방법으로써 외곽표면과 내부을 레이저로 광경화할 때 동일한 레이저 빔 크기로 경화할 때 보다 내부의 레이저 빔 크기를 크게 하여 경화한다면 전체를 경화하는 시간이 단축되어 조형물 제작시간이 단축된다.
외곽의 품질을 높이기 위하여 패턴의 외곽면은 레이저 빔 크기를 작게 하여 레이저 스캐닝 하여 광경화 하고 내부에 광경화는 레이저 빔 크기를 크게 하여 상대적인 경화속도를 제어하여 3차원 프린팅 조형속도를 높일 수 있다. 최외곽 품질을 높이는 방법으로 내부의 광경화와 외부 광경화 순서와 속도를 조절하는 알고리즘으로 출력물의 표면 품질을 높이도록 한다.
3축 자동 초점면에 위치할 수 있도록 미리 계산된 헤드의 높이 값을 레이저 스캐닝시 헤드를 위치에 맞게 자동으로 상하로 이동하여 초점면을 조절할 수 있다. 부연하면 레이저가 고정되어 있고 X축 방향으로 거울이 회전하면서 조사한다고 볼 때 조형물의 매부오 획곽부의 레이저 빔 초점 거리 차이가 발생하게 된다. 조형물의 외곽부에 가면 광초점 거리가 커지므로 이를 조절하기 위하여 광 초점거리 차이만큼 Z축을 이동하여 거리를 보상하도록 한다.
따라서 조형물의 외곽표면과 내부를 레이저로 광경화 할 때 동일한 레이저 빔 크기로 경화할 때 보다 내부의 레이저 빔 크기를 크게 하여 경화한다면 전체를 경화하는 시간이 단축되어 조형물 제작시간이 단축된다.
조형물의 표면 품질을 높이기 위하여 패턴의 외곽면은 레이저 빔 크기를 작게 하여 레이저 스캐닝하여 광경화 하고 내부에 광경화는 레이저 빔 크기를 크게 하여 한 번에 경화하도록 제어하여 경화속도를 높일수 있다. 즉, 레이저 주사 시간 단축 또는/및 표면 품질 개선 및 조절이 가능하다.
도 5는 본 발명에 의한 3차원 프린터 조형 장치의 블록도이고, 도 6은 본 발명에 의한 3차원 프린터 조형 장치의 다른 실시 예 블록도이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 프린팅 조형 장치의 일 예의 부분 단면 측면도이고, 도 8은 본 발명의 실시 예에 의한 3차원 프린팅 조형장치를 나타내는 사시도이고, 도 9a는 본 발명에 따른 위치정보에서 왹곽부와 내부의 레이저 빔 크기가 다르게 조형되는 것을 보여주는 실시 예 도면이고, 도 9b는 최외곽부와 내부의 레이저 빔 크기가 동일하게 조형되는 것을 보여주는 실시 예 도면이다.
먼저, 도 5는 본 발명에 의한 3차원 프린터 조형 장치의 블록도로써, 광 경화성 재료에 광 조사를 통해 목적하는 대상체가 조형되는 장치에 있어서, 상기 대상체에 광을 조사하는 레이저 빔 모듈(50)을 포함하는 레이저부(10); 상기 레이저 빔 모듈(50)에서 조사되는 광에 의거 상기 조형된 대상체가 위치되는 베드부(20); 상기 레이저부(10) 또는 베드부(20)를 이송시키는 이송수단(30); 및 대상체에 조사되는 레이저 빔 크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터 또는 센싱수단을 통해 측정된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터를 저장하는 저장수단(메모리부)(15b); 및 상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 레이저 빔 크기를 서로 다르게 제어, 상기 이송수단을 상/하(Z축) 방향으로 제어 또는/및 상기 대상체의 외곽에서의 광경화 동작이 먼저 수행되도록 제어하는 제어부(40);를 포함하여 동작한다.
상기 도 5는 상기 레이저부(10) 또는 베드부(20)을 동작시키는 이송부(30)가 구비되며, 상기 대상체에 대한 3차원 모델링 프로그램, 상기 프로그램에 의해 3차원 모델링된 대상체를 각 레이어(면) 별로 슬라이스하는 슬라이스 프로그램 및, 패턴이 형성될 위치 정보(X,Y,Z)가 저장되는 저장수단(메모리부)(15ｂ)를 포함하며, 상기 구성들은 제어부(40)의 제어에 의거 동작된다.
도 6은 본 발명에 의한 3차원 프린터 조형 장치의 다른 실시 예 블록도로써, 대상체(조형물)을 층별로 광경화 하기 위해 레이저 모듈(11), 가변슬릿(55) 및 갈바노미터(60)를 구비한 레이저부(10); 신속조형되는 조형물을 지지하는 베드부(20); 상기 레이저부(10) 또는 베드부(20)를 전후, 좌우 및 상하로 이송시키는 이송수단(30); 및 상기 레이저모듈(11)과 이송수단(30)의 구동을 제어하는 제어수단(40)으로 이루어진다.
상기 레이저 모듈(11)에는 광경화성 폴리머 수지에 광을 조사하는 레이저가 연결되어 있으며, 이 레이저를 X축과 Y축을 동시에 이송하기 위한 수단으로 갈바노 미터(60)가 구비될 수 있다.
상기 구성들은 제어수단(40)의 제어에 의해 조형물을 형성하며, 조형물의 형상에 따라 상기 레이저모듈(11)을 제어하는 전자제어기와 이송수단(30)과 상기 전자제어기(40a)를 연동하는 제어프로그램(40b)과, 조형물의 설계 툴에 의해 기 설계된 조형물의 파일을 상기 제어프로그램(40b)에서 구동 가능하도록 변환하는 파일변환모듈(40c)을 구비하고 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 조형 장치의 일 예의 부분 단면 정면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 의한 3차원 프린팅 조형장치를 나타내는 사시도이다.
도 8에 나타난 바와 같이, 광경화성 수지가 경화 되어 조형물이 부착되는 베드부, 상기 베드부를 상하로 이송시키는 베드이송부, 상기 베드부에 광경화성 수지를 경화하는 레이저부(10), 상기 베드부의 경화표면에 수조와 조형물을 단면 층으로 분할한 슬라이스데이터에 대응하는 영역으로 광을 조사하는 레이저 빔(50a), 상기 레이저빔이 X축으로 회전이 가능하게 제어되는 X축 스캔부, 상기 레이저 빔이 Y축으로 회전 가능하게 제어되는 y축 스캔부로 구성된다.
도 10은 본 발명에 따른 대상체의 위치정보에 의거 외곽과 내부에서의 레이저 빔 사이즈가 다르게 하고, 레이저 빔 초점거리에 의한 편차(△Z)(26)를 줄이기 위해 레이저부(10) 또는/및 베드부를 Z축 방향으로 이동시키는 것을 나타내는 흐름도이고, 도 11은 상기 도 10의 동작에서 대상체의 위치정보에 의거 외곽부 레이저 빔 크기를 작게하고 내부의 레이저 빔 크기는 크게 하여 광경화 속도를 향상하는 것을 보여주는 흐름도이고, 도 12는 레이저 빔 초점거리에 의한 초점 문제를 해결하기 위해 레이저부(10) 또는/및 베드부를 상/하 (Z축) 방향으로 이동시키는 정도를 위치정보별로 다르게 하고, 위치정보 중에서 외곽(또는 내부)을 먼저 광경화 동작을 수행하는 것을 나타내는 흐름도이다.
각 도면에 나타난 바와 같이, 제어부의 제어를 통해 3차원 프린팅 될 대상체에 대해 대상체에 조사되는 레이저 빔 크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 대상체의 면(2차원, 평면) 방향 위치정보(X,Y,Z) 데이터 또는 센싱수단(미도시)을 통해 실시간 측정된 대상체의 면 방향 위치정보(X,Y,Z) 데이터가 구해진다.
상기 구해진 위치정보별로 상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 레이저 빔 크기를 서로 다르게 제어한다. 일반적으로 내부를 중심으로 외곽의 위치정보에 대한 레이저 빔 크기를 상기 위치정보에 대응하여 작아지도록 한다. 즉 상기 구해진 위치정보별로 상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 레이저 빔 크기는 면 방향의 위치정보를 기준으로 외곽으로 갈수록 레이저 빔 크기가 작아지도록 제어한다.
따라서 상기와 같이 레이저 빔 사이즈를 다르게 함으로써 광경화 속도 및 광경화 인쇄품질을 향상시킬 수 있다.
또한 상기 구해진 위치정보별로 상기 레이저부(10) 또는 상기 베드부를 상/하 (Z축) 방향으로 이동하여 대상체의 위치에 상관없이 상기 레이저 빔에 의한 초점의 크기를 균일하게 제어하는 것이다.
또한 상기 구해진 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터에 따라, 면 방향을 기준으로 상기 대상체의 외곽에서의 광경화 동작이 먼저 수행되도록 상기 레이저 모듈의 동작을 제어할 수 있다.
따라서 상기와 같은 제어 동작으로 인해, 레이저부(10) 또는/및 베드부의 상/하 동작 범위를 최소로 하면서 레이저 빔 조사를 수행하게 함으로써 광경화 속도를 향상시킬 수 있다.
10 레이저 부 20 베드부
30 이송수단(모터부/이송부) 40 제어수단(제어부)
50 레이저 빔 모듈 50a 레이저 빔
55 가변슬릿 60 갈바노미터
60a X축 스캔 60b Y축 스캔
60c 포커싱 렌즈 60d 렌즈
60e 이동렌즈

Claims (9)

  1. 광 경화성 재료에 광 조사를 통해 목적하는 대상체가 조형되는 장치에 있어서,
    상기 대상체에 광을 조사하는 레이저 빔 모듈을 포함하는 레이저부;
    상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 광에 의거 조형되는 대상체가 위치되는 베드부;
    상기 레이저부 또는 상기 베드부를 이송시키는 이송수단;
    대상체에 조사되는 레이저 빔 크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터 또는 센싱수단을 통해 측정된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터를 저장하는 저장수단;
    상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 레이저 빔 크기를 서로 다르게 제어, 또는/및 상기 이송수단을 상/하(Z축) 방향으로 서로 다르게 제어 및 상기 대상체의 외곽(edge)나 내부에서의 광경화 동작이 선택적으로 수행되도록 제어하는 동작 중에서 적어도 하나가 수행되도록 제어하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 3차원 프린팅 조형 장치.
  2. 광 경화성 재료에 광 조사를 통해 목적하는 대상체가 조형되는 장치에 있어서,
    상기 대상체에 광을 조사하는 레이저 빔 모듈을 포함하는 레이저부;
    상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 광에 의거 조형되는 대상체가 위치되는 베드부;
    상기 레이저부 또는 베드부를 이송시키는 이송수단; 및
    대상체에 조사되는 레이저 빔크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터 또는 센싱수단을 통해 측정된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터를 저장하는 저장수단;
    상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 레이저 빔 크기를 서로 다르게 제어 및 상기 이송수단을 상/하(Z축) 방향으로 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 3차원 프린팅 조형 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    대상체에 조사되는 레이저 빔 크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터 또는 센싱수단을 통해 측정된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터에 대응하여, 면 방향을 기준으로 조형물의 내부와 외곽에 광을 조사할 때 상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 레이저 빔 크기를 가변슬릿을 통해 레이저 빔 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 조형장치.
  4. 제1항에 있어서,
    대상체에 조사되는 레이저 빔크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터 또는 센싱수단을 통해 측정된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터에 따라, 상기 레이저부 또는 상기 베드부를 상/하 (Z축) 방향으로 이동하여 대상체의 위치에 상관없이 상기 레이저 빔에 의한 초점이 균일하게 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 조형장치.
  5. 제1항에 있어서, 대상체에 조사되는 레이저 빔크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터 또는 센싱수단을 통해 측정된 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터에 따라, 면 방향을 기준으로 상기 대상체의 외곽부쪽 또는 내부쪽에서 순차적으로 광경화 경로가 수행되도록 상기 레이저 모듈의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 조형장치.
  6. 광 경화성 재료에 광 조사를 통해 목적하는 대상체를 조형하는 방법에 있어서,
    상기 대상체에 레이저 빔 모듈을 포함하는 광을 조사하는 단계;
    상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 광에 의거 조형되는 대상체가 베드부에 위치하는 단계;
    상기 레이저부 또는 베드부를 이송시키는 이송단계; 및
    3차원 프린팅 될 대상체에 대해 대상체에 조사되는 레이저 빔크기를 동일하게 유지하기 위해 미리 계산된 대상체의 면 방향 위치정보(X,Y,Z) 데이터 또는 센싱수단을 통해 실시간 측정된 대상체의 면 방향 위치정보(X,Y,Z) 데이터가 구해지는 단계;
    상기 구해진 위치정보별로 상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 레이저 빔 크기를 서로 다르게 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 조형방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 구해진 위치정보별로 상기 레이저부 또는 상기 베드부를 상/하(Z축) 방향으로 이동하여 상기 레이저 빔에 의한 초점이 균일하게 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 조형방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 구해진 대상체의 위치정보(X,Y,Z) 데이터에 따라, 면 방향을 기준으로 상기 대상체의 외곽 또는 중심에서부터 광경화 경로가 내부 또는 외곽방향으로 순차적으로 수행되도록 상기 레이저 모듈의 동작을 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 조형방법.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 구해진 위치정보데이터로 상기 레이저 빔 모듈에서 조사되는 레이저 빔 크기는 면 방향의 위치정보데이터를 기준으로 외곽 레이저 빔 크기가 작아지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 조형방법.
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