KR20180007228A

KR20180007228A - 조형광원어레이 및 폴리곤미러를 구비하는 입체조형장비의 멀티헤드장치 및 이를 이용하는 멀티 조형평면 스캐닝 방법

Info

Publication number: KR20180007228A
Application number: KR1020160088198A
Authority: KR
Inventors: 김승택; 김형태; 김종석; 박문수; 이수영
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2018-01-22
Also published as: KR101849999B1

Abstract

본 발명은, 입체조형장비의 멀티헤드장치 및 이를 이용하는 멀티 조형평면 스캐닝 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 복수개의 조형광원으로 이루어지는 조형광원어레이모듈과 광가이드 기능을 하는 폴리곤미러를 구비하는 구성을 갖고, 이들의 조합으로 조형광선 스캐닝을 고속으로 수행할 수 있고, 정밀한 스캐닝 제어를 통해 조형정밀도를 높일 수 있는 효과를 지니며, 복수의 입체조형물을 동시 또는 동기화하여 조형하여 생산성을 높일 수 있는 입체조형장비의 멀티헤드장치 및 이를 이용하는 조형평면 스캐닝 방법을 제공한다.

Description

조형광원어레이 및 폴리곤미러를 구비하는 입체조형장비의 멀티헤드장치 및 이를 이용하는 멀티 조형평면 스캐닝 방법{A multi head assembly for 3D printer comprising arrays of light sources and polygon mirror, and a scanning method therewith}

3D 프린팅은 제품을 제작하는 방식 중 하나로, 적층 방식을 이용하므로 종래의 절삭가공에 비하여 재료의 손실이 작고, 상대적으로 저렴한 제조 비용이 소요되므로 주로 시제품 제작에 이용하여 왔다. 최근 이 분야의 기술은 시제품 제작을 넘어 차세대 생산기술로서의 가능성을 인정받고 있는데, 제작 속도의 증대, 출력물의 완성도(해상도)가 높아지고, 사용가능한 소재가 다양해지고, 장치의 소형화로 인해 개인들도 이용 접근성이 높아졌기 때문이다. 이러한, 3D 프린팅의 방식은, 크게 SLA(Stereo Lithography Apparatus), SLS(Selective Laser Sintering), FDM(Fused Deposition Modeling) 등의 방식이 존재한다.

대한민국 등록특허 제1407048 호(발명의 명칭 : 3차원 라인 스캔 조형장치 및 이를 이용한 조형방법, 이하 종래기술1이라 한다.) 에서는 3차원 프린트 조형기술 유형 중 SLA방식에 대응하여, 광경화성 수지가 담긴 수조에 광을 조사하여, 광이 조사된 광경화성 수지는 광의 모양에 따라 굳어 얇은 판형 시트가 생성되면 이를 적층하는 방식으로, 광을 조사할 때 점이나 단면 형태가 아닌 라인 형태로 조사하는 방식을 채택하고, 이를 위해, 이송레일, 라인스캔광학헤드를 구비하는 구성을 개시하고 있다.

KR10-1407048 B1

종래기술1은, 헤드는 조형광의 조사(scan)에 있어 라인기반(X축)의 조사방식을 채택하고, 헤드가 직접 2축이송레일 위를 슬라이딩하면서 해당 위치로 이동하여 조형광을 조사하는 구성을 취하므로, 광경로를 제어하는 방식에서보다 제어정밀도 및 조형속도가 열악하다는 제1문제점, 상대적으로 무거운 헤드를 직접 이동시키고, 이러한 헤드의 가속, 감속에 따라 진동이 발생하여 조형품질이 저하된다는 제2문제점, 멀티헤드가 협력하여 하나의 조형물을 조형하므로, 구성의 복잡성에 비하여 조형속도 및 조형생산성을 높이는데 한계가 있다는 제3문제점을 갖는다.

상기 문제점을 보완하고 및 상기 니즈를 충족하기 위해 안출된 본 발명은, N개의 조형광선묶음을 광가이드부로 입사시키는 조형광원부, N개의 조형광선묶음을 입사받고, 상기 N개의 조형광선묶음 각각을 소정의 경로로 가이드하여, N개의 조형평면 각각에 대해 일대일대응하여 입사시키는 기능을 구비하는 광가이드부 및 상기 조형광원부 및 상기 광가이드부의 구동을 연동하여 제어하는 제어부를 포함하는 입체조형장비의 멀티헤드장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치의 제N개의 조형광선묶음(제k조형광선묶음, k=1,2,…N) 각각은, 상기 N개의 조형평면(제k조형평면, k=1,2,…N) 각각에 대해, N개의 라인스캔(제k라인스캔, k=1,2,…N)을 형성하며 입사하고, 광가이드부는, 상기 제k라인스캔(k=1,2,…N)을 연속적 이동 또는 단속적으로 이격이동시켜, 상기 제k조형평면(k=1,2,…N)의 전면에 대해 입체조형을 위한 광조사가 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치의 광가이드부는, N개의 폴리곤미러(제k폴리곤미러, k=1,2,…N)를 포함하여 이루어지고, 상기 제k폴리곤미러는, 측면이 소정의 개수의 광반사면을 구비하고, 상기 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향의 폴리곤미러축을 회전중심축으로 하여 설치되며, 상기 제k폴리곤미러를 향해 입사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,…N)은, 상기 소정의 개수의 광반사면 중 하나에 반사되어 상기 제k조형평면(k=1,2,…N)에 입사되면서 상기 제k라인스캔(k=1,2,…N)을 형성하고, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,…N)는, 상기 폴리곤미러축을 중심으로 회전하면서, 상기 제k라인스캔(k=1,2,…N)의 연속이동 또는 이격이동을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치의 N개의 폴리곤미러 각각은, 단방향으로 계속 회전할 수 있다.

또한, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치의 조형광원부는, N개의 조형광원어레이모듈을 포함하여 이루어지고, 상기 N개의 조형광원어레이모듈은 각각, 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,…N)의 배열방향과 평행한 방향으로 배열되는 복수의 조형광원을 포함하여 이루어지고, 상기 N개의 조형광원어레이모듈 각각의 복수의 조형광원 모두는 서로 동기화되어 구동되고, 상기 N개의 조형광원어레이모듈 각각의 복수의 조형광원으로부터의 조형광은 모두 상기 N개의 조형평면 각각에 동시에 입사할 수 있다.

또한, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치의 N개의 조형광원어레이모듈의 복수의 조형광원 각각은, 광섬유번들(bundle)을 포함하여 이루어지는 광섬유레이저, 레이저다이오드(Laser Diode), LED 및 VCSEL 중 어느 하나일 수 있다.

또한, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치는, 제k조형광선묶음이 각각 상기 제k조형평면의 모든 지점에서 수직하게 입사하게 하는 기능을 구비하는 조형광선묶음입사각보정부를 더 구비할 수 있다.

또한, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치의 제어부는, 제k조형광선묶음이 상기 제k조형평면을 이루는 각 지점까지 도달하는데 필요한 경로길이의 차이 또는 상기 제k조형광선묶음의 상기 제k조형평면으로의 입사각도의 차이에 따라 야기되는 상기 각 지점에서의 에너지밀도의 차이를 보정하기 위해 상기 제k조형광선묶음의 진폭 또는 주파수를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명은, N개의 조형평면을 스캐닝하는 방법으로서, (i) 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N) 각각이 소정의 위치에 세팅되는 단계, (ii) 상기 조형광원부가 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)을 발생시키고, 상기 제k조형광선묶음 각각이 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N) 각각의 임의의 반사면에 입사하는 것을 시작하는 단계, (iii) 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N) 각각에 반사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 대해 상기 제k라인스캔(line scan)(k=1,2,...,N)을 소정의 시간동안 수행하는 단계, (iv) 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 조사되지 않도록 제어되어 상기 (iii)단계에서의 상기 제k라인스캔(line scan)(k=1,2,...,N)이 종료되는 단계, (v) 상기 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향과 수직한 방향으로 소정의 간격만큼 이격(stepping)된 위치에 상기 (iii)단계에서의 제k라인스캔(k=1,2,...,N) 직후의 제k라인스캔(다음 제k라인스캔)이 이루어지게 하기 위해, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N)가 소정의 각변위만큼 회전하는 단계, (vi) 상기 제k조형평면의 전면에 대해 조형광의 스캐닝이 완료될 때까지 상기 (ii)단계 내지 상기 (v)단계를 반복하여 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 제공한다.

또한, 본 발명의 조형평면의 스캐닝방법은, (vi)단계 이후, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N)는, 상기 (v)단계에서의 회전방향과 같은 방향으로 회전을 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 조형평면의 스캐닝방법은, 상기 (vi)단계 이후, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N)는, 상기 (v)단계에서의 회전방향과 반대방향으로 회전을 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은, (i) 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N) 각각이 소정의 위치에 세팅되는 단계, (ii) 상기 조형광원부가 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)을 발생시키고, 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N) 각각이 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N) 각각의 임의의 반사면에 입사하는 것을 시작하는 단계, (iii) 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N) 각각에 반사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 대해 상기 제k라인스캔(k=1,2,...,N)을 수행하며, 상기 제k라인스캔(line scan)은 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N)가 소정의 속도로 계속 회전하면서, 상기 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향과 수직한 방향으로 연속적으로 이동하며 이루어지는 단계, (iv) 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N)의 전면에 대해 스캐닝이 완료되면, 상기 (iii)단계에서의 제k라인스캔(k=1,2,...,N)의 연속적 이동이 종료하는 단계를 포함하고, 상기 (ii)단계 및 상기 (iii)단계에서 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N)는 소정의 단방향으로 계속 회전하는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 조형평면의 스캐닝방법은, 상기 (iv)단계 이후, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N)는, 상기 (ii)단계 및 상기 (iii) 단계에서의 회전방향과 반대방향으로 회전을 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 조형평면의 스캐닝방법은, 상기 (iv)단계 이후, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N)는, 상기 (ii)단계 및 상기 (iii) 단계에서의 회전방향과 같은 방향으로 회전을 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은, 광가이드부는, 공통폴리곤미러를 포함하여 이루어지고, 상기 공통폴리곤미러는, 측면이 소정의 개수의 광반사면을 구비하고, 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,…N)의 배열방향과 평행한 방향의 폴리곤미러축을 회전중심축으로 하여 설치되며, 상기 공통폴리곤미러를 향해 입사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,…N)은, 상기 소정의 개수의 광반사면 중 하나에 반사되어 상기 제k조형평면(k=1,2,…N)에 입사되면서 상기 제k라인스캔(k=1,2,…N)을 형성하고, 상기 공통폴리곤미러는, 상기 폴리곤미러축을 중심으로 회전하면서, 상기 제k라인스캔(k=1,2,…N)의 연속이동 또는 이격이동을 수행하는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치의 공통폴리곤미러 각각은, 단방향으로 계속 회전할 수 있다.

또한, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치의 제어부는, 상기 제k조형광선묶음이 상기 제k조형평면을 이루는 각 지점까지 도달하는데 필요한 경로길이의 차이 또는 상기 제k조형광선묶음의 상기 제k조형평면으로의 입사각도의 차이에 따라 야기되는 상기 각 지점에서의 에너지밀도의 차이를 보정하기 위해 상기 제k조형광선묶음의 진폭 또는 주파수를 제어할 수 있다.

또한, 본 발명은 N개의 조형평면을 스캐닝하는 방법으로서, (i) 상기 공통폴리곤미러가 소정의 위치에 세팅되는 단계, (ii) 상기 조형광원부가 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)을 발생시키고, 상기 제k조형광선묶음 각각이 상기 공통폴리곤미러의 임의의 반사면에 입사하는 것을 시작하는 단계, (iii) 상기 공통폴리곤미러에 반사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 대해 상기 제k라인스캔(line scan)(k=1,2,...,N)을 소정의 시간동안 수행하는 단계, (iv) 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 조사되지 않도록 제어되어 상기 (iii)단계에서의 상기 제k라인스캔(line scan)(k=1,2,...,N)이 종료되는 단계, (v) 상기 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향과 수직한 방향으로 소정의 간격만큼 이격(stepping)된 위치에 상기 (iii)단계에서의 제k라인스캔(k=1,2,...,N) 직후의 제k라인스캔(다음 제k라인스캔)이 이루어지게 하기 위해, 상기 공통폴리곤미러가 소정의 각변위만큼 회전하는 단계, (vi) 상기 제k조형평면의 전면에 대해 조형광의 스캐닝이 완료될 때까지 상기 (ii)단계 내지 상기 (v)단계를 반복하여 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법.

또한, 본 발명의 조형평면의 스캐닝방법은, (vi)단계 이후, 상기 공통폴리곤미러는, 상기 (v)단계에서의 회전방향과 같은 방향으로 회전을 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 조형평면의 스캐닝방법은, 상기 (vi)단계 이후, 상기 공통폴리곤미러는, 상기 (v)단계에서의 회전방향과 반대방향으로 회전을 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명은, N개의 조형평면을 스캐닝하는 방법으로서, (i) 상기 공통폴리곤미러가 소정의 위치에 세팅되는 단계, (ii) 상기 조형광원부가 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)을 발생시키고, 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N) 각각이 상기 공통폴리곤미러의 임의의 반사면에 입사하는 것을 시작하는 단계, (iii) 상기 공통폴리곤미러에 반사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 대해 상기 제k라인스캔(k=1,2,...,N)을 수행하며, 상기 제k라인스캔(line scan)은 상기 공통폴리곤미러가 소정의 속도로 계속 회전하면서, 상기 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향과 수직한 방향으로 연속적으로 이동하며 이루어지는 단계, (iv) 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N)의 전면에 대해 스캐닝이 완료되면, 상기 iii)단계에서의 제k라인스캔(k=1,2,...,N)의 연속적 이동이 종료하는 단계를 포함하고, 상기 (ii)단계 및 상기 (iii)단계에서 상기 공통폴리곤미러는 소정의 단방향으로 계속 회전하는 것을 제공한다.

또한, 본 발명의 조형평면의 스캐닝방법은, 상기 (iv)단계 이후, 상기 공통폴리곤미러는, 상기 (ii)단계 및 상기 (iii) 단계에서의 회전방향과 반대방향으로 회전을 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 조형평면의 스캐닝방법은, 상기 (iv)단계 이후, 상기 공통폴리곤미러는, 상기 (ii)단계 및 상기 (iii) 단계에서의 회전방향과 같은 방향으로 회전을 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 입체조형장치는, 조형재료를 공급받아 조형레이어를 형성하고 적층하여 입체조형물을 조형하는 입체조형장치로서, 조형광선의 조형평면에의 조사는, 전술한 입체조형장비의 멀티헤드장치를 이용하여 이루어질 수 있다.

본 발명은, 복수개의 조형광원으로 이루어지는 조형광원어레이모듈을 구비하여, 조형평면 중 한 축 방향의 라인 스캔을 담당하게 함으로써, 기존의 방식의 스캔 작업을 수행하는 것보다 조형속도를 빠르게 할 수 있다는 제1효과, 단일 방향으로 회전하는 폴리곤미러를 통해 라인 스캔 축과 다른 한 축 방향으로 이격(stepping) 또는 연속이동을 담당하게 하고, 조형광선묶음의 조사위치는 단일 또는 복수 개의 폴리곤미러의 회전각속도 및 회전각변위의 제어를 통해 정밀제어함으로써, 헤드장치로부터 발생하는 진동 및 소음을 줄일 수 있고, 이로써, N개의 조형평면에 형성되는 조형레이어의 품질을 개선할 수 있다는 제2효과, 제어기를 통해, 조형광선묶음의 출력값을 제어하거나, 조형광선입사각보정부를 적용하여, N개의 조형평면 전면에 대해 균일한 조형광선출력밀도를 구현함으로써, 조형품질을 증대시킬 수 있다는 제3효과를 갖는다.

또한, 복수개의 입체조형물을 동시에 조형하고, 나아가 이러한 복수 조형작업을 동기화 또는 동시화하여 조형속도 및 조형생산성을 더욱 증대시킬 수 있다는 제4효과를 갖는다.

또한, 본 발명은, SLA 또는 SLS 방식을 포함하는 다양한 방식의 입체조형장치에 적용할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치의 광가이드부가 N개의 폴리곤미러로 되는 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 2는, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치의 광가이드부가 공통폴리곤미러로 되는 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 3은, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치를 이용하여 조형평면을 스캐닝하는 방법의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 4는, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치에 조형광선묶음입사각보정부가 구비된 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 5는, 본 발명의 조형광원어레이모듈의 조형광원 배치의 실시예를 나타내는 모식도이다.

본 발명은, N개의 조형광선묶음을 광가이드부로 입사시키는 조형광원부, N개의 조형광선묶음을 입사받고, N개의 조형광선묶음 각각을 소정의 경로로 가이드하여, N개의 조형평면 각각에 대해 일대일대응하여 입사시키는 기능을 구비하는 광가이드부 및 조형광원부 및 광가이드부의 구동을 연동하여 제어하는 제어부를 주요 구성요소로 가지면서, N개의 조형평면 모두에 대해 소정의 스캐닝패턴으로 조형광을 조사하는 기능을 수행한다. (다만, N개의 조형평면 중 일부에 대해, 특정한 목적을 갖고, 조형광 조사를 하지 않는 경우를 배제하는 것은 아니다)

조형광선묶음은, 해당 조형광선묶음이 복수 개의 조형광선의 조합으로 된다는 것을 의미하며, 복수 개의 조형광선 각각에 대한 조형광원의 종류 및 배치(배열)에 제한이 없음은 자명하다. 또한, 복수개의 조형광선이 임의의 평면에 입사할 때, 상기 복수 개의 조형광선의 조합인 조형광선묶음은, 조형평면에 투사되었을 때, 복수 개의 조형광선 각각의 빔스폿이 함께 하나의 선(line) 형태를 이룰 수 있고, 이를 라인스캔이라 칭할 수 있다.(다만, 라인스캔이라는 용어는 복수의 조형광원으로부터 생성되는 조형광선묶음이 조형평면 상에 입사하며 수행하는 스캔작업 그 자체를 의미하기도 한다.) 더욱 구체적으로는, 복수 개의 조형광선 각각이 조형평면에 동시에 조사되는 경우를, 동시라인스캔이라하고, 복수 개의 조형광선 각각이 조형평면에 각각 시간차이를 두고 입사되는 경우를, 비동시라인스캔이라 할 수 있을 것이나, 조형속도측면에서 보면, 동시라인스캔의 경우가 더 바람직한 것임을 고려한다.

또한, N개의 조형광선묶음 각각의 경로에 대해 본다면, N개의 조형광선묶음(제k조형광선묶음, k=1,2,…N) 각각은, N개의 조형평면(제k조형평면, k=1,2,…N) 각각에 대해, N개의 라인스캔(제k라인스캔, k=1,2,…N)을 형성하며 입사하는 것으로 설명될 수 있고, 이를 구현하기 위해, 광가이드부는, 제k라인스캔(k=1,2,…N)을 연속적 이동 또는 단속적으로 이격이동시켜, 제k조형평면(k=1,2,…N)의 전면에 대해 입체조형을 위한 광조사가 이루어지도록 할 수 있다.

특히, 본 발명에서 제안하는 스캐닝패턴은, 후술하는 바와 같이, 라인스캔이 제k조형광선묶음의 배열 방향(제1방향)과 수직을 이루는 방향(제2방향)으로 소정의 거리만큼 이격(stepping)하면서 반복하는 패턴(제1패턴)이거나, 라인스캔이 연속적으로 제2방향을 따라 이루어지는 패턴일 수 있다(제2패턴). 전자는 한 번의 라인스캔 종료 후 소정의 거리만큼 이격(stepping)된 위치에 다음 번 라인스캔이 이루어지도록 하는 것이다. 조형광원의 출력 관점에서는, 전자는 출력이 시간에 대해 이산적으로 제어되며, 후자는 시간에 대해 연속적으로 변화하도록 제어되는 것을 통해 수행된다.

도 3에 도시된 본 발명의 일실시예에서와 같이, 조형광원부로부터의 조형광선이 조형평면과 평행하게 조사되는 것으로 구성할 수도 있으나, 조형평면과 일정한 각도를 이루면서 조사되는 것도 고려할 수 있음은 물론이다. 이러한 제안들은, 최소의 구성요소를 사용하여 요구되는 기능을 구현하기 위한 것이므로, 반사경, 프리즘 기타 광학요소들을 사용하여, 배치의 일부를 변경, 변형하여 더 복잡하게 되도록 구성하거나, 광선의 각도 등을 일정 정도 변경하여 구성하는 것은 본 발명의 구성과 동일 내지 균등한 범위에 있는 것이라고 할 수 있을 것이다.

조형평면은, 본 발명의 입체조형장비의 멀티헤드장치에서 그 경로가 제어되는 조형광선묶음이 조사되는 영역을 의미한다. 실제의 조형평면은, 외부에 직접적으로 노출되거나, 또는 조형광선을 직접 조사받지 않고, 조형광선이 투과할 수 있는 투명한 부재로 차단된 상태일 수 있다. 또한, 조형광선에 에너지가 부여되어, 실제로 광경화 또는 소결경화 등의 작용이 일어나는 것은 조형평면 영역에 한정된다는 점에서, 조형평면은 유효조형영역(effective forming region)이라고 표현할 수 있을 것이다.

본 발명에서의 N개의 조형평면은, 서로 인접해 있어야 한다든지, 서로 동일한 평면상에 존재해야 한다는 등의 제약조건에 구속되지 않음은 물론이다.

본 발명의 조형광원부는, N개의 조형광선묶음을 광가이드부로 입사시키는 기능을 수행한다. 구체적으로는, N개의 조형광원어레이모듈을 포함하여 이루어지며, N개의 조형광원어레이모듈은 각각, 제k조형광선묶음(k=1,2,…N)의 배열방향과 평행한 방향으로 배열되는 복수의 조형광원을 포함하여 이루어진다. 후술하는 바와 같이, 제k조형광선묶음의 배열방향과 제k폴리곤미러(또는 공통폴리곤미러)의 폴리곤미러축의 방향과 제k라인스캔의 방향은 동일하도록 되는 것이 바람직함을 고려한다.

본 발명의 일실시예에서, N개의 조형광원어레이모듈 각각의 복수의 조형광원 모두는 서로 동기화되어 구동되고, N개의 조형광원어레이모듈 각각의 복수의 조형광원으로부터의 조형광은 모두 N개의 조형평면 각각에 동시에 입사할 수 있으며, 이를 동시라인스캔이라 칭할 수 있다.(다만, 비동시라인스캔보다 동시라인스캔이 조형속도관점에서 바람직하므로, 동시라인스캔을 라인스캔이라 칭할 수 있는 것이다.)

조형광원어레이모듈은 조형광선을 생성하고 후술할 광가이드부로 입사시키는 기능을 수행한다. 본 발명에서 조형광원어레이모듈을 이루는 복수 개의 조형광원은, 다양한 배열구성을 갖는 것을 제안한다.

도 5를 참조하여, 조형광원을 배열하여 조형광원어레이모듈을 구성하는 실시예는, 도 5(a)에 도시된 바와 같은 일렬(선형)배열 또는 다열배열-일례로, 도 5(b)에 나타난 2열배열, 도 5(c)에 도시된 3열배열 등 -같은 선형배치일 수 있다.

특히, 도 5(b) 내지 도(c)의 다열배열인 경우, 제어부를 통해, 다열을 동시에 제어함을 통해, 2개 또는 3개의 라인스캔을 동시에 수행하는 기능을 구현할 수 있고, 이는 조형속도의 증대를 가져올 수 있다.

또한, 도 5(d)에 도시된 바와 같이, 2열배열로서 각 열의 조형광원들이, 전체적으로 지그재그로 배열(다열지그재그배열)되는 것을 고려할 수 있다.

또한, 도 5(e) 내지 도 5(f)를 참조하여, 어레이모듈을 구성하는 다른 실시예로서, 비선형 다열배열를 고려할 수 있다. 하나의 열을 이루는 복수 개의 조형광원묶음(하나 또는 둘 이상의 조형광원으로 구성) 각각은 상호 이격될 수 있으며, 각각의 열은 인접한 열과 어긋나게 배치되어 전체적으로 보았을 때, 각 조형광원들이 지그재그를 이루도록 배열될 수 있다.

상기와 같은 조형광원어레이모듈의 배치는, 조형물의 형상 또는 조형 속도, 조형재료, 조형 해상도 등의 측면을 고려하여 종합적으로 결정되어야 한다.

이러한 구성을 통해 조형광원어레이모듈로부터 생성되는 조형광선묶음은 라인스캔을 형성할 수 있게 된다. 복수의 조형광원 간의 간격을 결정함에 있어서는 하나의 라인스캔이 종료된 후, 해당 라인스캔을 이루는 선(line) 상의 모든 지점에 있어 조형재료의 광경화/소결 요구수준(스펙)이 동일한 정도로 충족되도록 하여야 한다. 간격이 너무 넓으면, 하나의 라인에 대해 지점 별로 광경화/소결 정도에 차이가 생기게 되어 조형품질이 저하될 것이고, 간격이 너무 좁아지면, 불필요하게 많은 에너지가 조사되는 문제가 발생할 수 있음을 감안한다. 또한, 조형광원의 출력이 큰 경우에는 조형광원 간의 간격을 크게 할 수 있음을 고려한다. 조형광원어레이모듈의 길이는 적어도 조형평면의 한 변의 길이 이상이 되는 것이 바람직하며, 이는 하나의 라인스캔이 조형평면의 한 변에 해당하는 길이만큼을 한 번에 조사하는 것을 통해 조형시간을 단축시킬 수 있기 때문이다. 또한, 조형광원어레이모듈을 이루는 조형광원의 개수는 전술한 조형광원 간의 간격 및 조형광원어레이모듈의 길이가 결정되면 자동으로 계산된다.

조형광원은 조형광선을 생성하는 기능을 하는 소자이며, 조형광선은, 사용되는 조형재료를 경화시키는데 필요한 에너지를 가지고 있으면 족하므로, 자외선(UV lay), 레이저(laser) 등 모두 선택 가능하다. 다만, 레이저를 이용하면, 높은 에너지를 집속할 수 있을 뿐만 아니라, 그 출력세기 및 온오프제어가 용이하여, 조형광선으로서의 용도에 적합하여 바람직하다. 레이저의 출력 및 파장은, 사용하는 조형재료에 대응하여 결정되어야 한다. 레이저를 생성하기 위한 조형광원으로서는 레이저다이오드(LD), LED, VCSEL 등의 소자(device) 또는 광섬유번들(bundle)을 포함하여 이루어지는 광섬유레이저 등을 적용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 조형광선으로서 단일채널의 광선이 필요하다고 하여 반드시 단일한 소자를 사용할 필요는 없고, 광선(광신호)의 결합 및 분배 기능을 갖는 다양한 소자들(일례로, 릴레이모듈 등)을 이용할 수 있다. 또한, 다양한 광변조모듈 또는 집속렌즈, 프리즘 등의 광학요소을 적용하여 조형광선의 품질을 개선하거나 헤드장치를 소형화하는 구성을 디자인하는 것도 고려할 수 있다. 조형광원어레이모듈은 복수개의 조형광원의 소자로 이루어지므로, 입체조형물의 형상정보도 디지털화 및 소정의 단위정보로 분할 되어 구성되어야 한다. 이러한 조형광원소자들간의 간격은 전술한 바대로, 조형해상도와 밀접한 관계가 있음을 고려하여 설정되어야 한다.

제어부는, 조형광원부와 광가이드부의 구동을 연동제어하는데, 구체적인 제어대상은, 조형광원부(조형광원어레이모듈)를 이루는 복수의 조형광원의 온오프와 출력값, 광가이드부의 구동(회전/정지) 등이 될 것이다. 광가이드부에 포함되는 폴리곤미러 회전각제어에 따라 조형광선묶음의 조형평면에 대해 조사 위치가 특정되고, 이렇게 특정된 조사 위치에 대하여, 조형레이어 이미지정보에 의거, 조형광원부의 제어를 통해 조형광선묶음의 구동이 제어되어야 한다. 이를 통해 하나의 조형평면에 대한 조형광선묶음의 조사가 완료되어 하나의 조형레이어가 성형되는 것이며, 이러한 조형레이어가 적층되어 입체조형물이 완성되는 것이다.

제어부는, 크게 제어변수에 대해 적절한 제어신호를 발생시키는 처리부 및 처리부에서 발생한 제어신호를 처리하여 해당 구성요소의 구동을 발생시키는 구동부로 이루어진다. 처리부는 회로 등 하드웨어로 구현하거나, 프로그램 등 소프트웨어적으로 구성할 수 있다. 조형광선의 온오프제어는, 조형광선생성소자 -LD, LED 또는 VCSEL 등- 의 온오프를 제어하는 구성을 취할 수도 있으며, 조형광선생성소자에 의해 생성되는 조형광선을 시간에 따라 선택적으로 통과 또는 차단하는 셔터(shutter)등의 부가적인 구성요소를 두고 이들을 제어하는 것을 통해 구현할 수 있으나, 이러한 구성에 한정되는 것은 아니다.

제어부는, 조형광원부(조형광원어레이모듈)의 구동을 제어하는 기능을 수행하는데,이는 복수의 조형광원들을 서로 연동제어하는 것을 의미한다. 특히, 복수의 조형광원들을 동기화(synchronizing)하여 제어하는 경우, 제k라인스캔을 이루는 제k조형광선묶음은 제k조형평면에 일시에 입사하게 되는데, 이를 통해, 하나의 단위 시간(이는 조형재료의 광경화/소결을 위해 필요한 광선조사시간과 연관된다.) 동안의 조사 만으로, 제k조형평면 한 축 방향에 대한 스캐닝, 즉 소위 '일시적인 선스캔'을 완료할 수 있으므로, 조형시간을 최소화할 수 있다. 다만, 필요에 의해, 제k조형평면 한 축 방향의 스캐닝이 '이동(moving)하는 선스캔'을 구현하도록 조형광원 각각을 구동하는 것을 배제하는 것은 아니다.

제어부의 광가이드부에 대한 제어는 폴리곤미러의 회전제어에 의해 이루어지며, 주된 제어변수는 폴리곤미러의 회전각속도, 회전각변위 및 회전각가속도가 된다. 제어부의 제어신호에 대하여 이러한 제어변수들이 작은 지연시간(lead time) 내에 작은 오차를 갖고 추종하는 것이 필요하며, 이를 위해 전동식 제어방법을 이용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 시간에 따라 변화하는 제어신호(전기신호)에 대응하여 상기 회전각속도, 회전각변위, 회전각가속도를 구현할 수 있는 전동서보모터 (electric servo-motor)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이격(stepping)의 간격(크기)은 폴리곤미러의 회전각에 따라 결정되는데, 그 값이 너무 작으면, 라인스캔(line scan)되어 경화가 이미 진행된 부위에 다시 조형광선묶음이 조사되므로, 비효율적이고, 그 값이 너무 크면, 조형광선묶음이 조사되지 않는 부분이 생기게 됨을 감안하여야 한다.

제어부는 다음 기능을 추가로 수행할 수 있다. 조형광선묶음의 출력값 제어인데, 구체적으로 조형광선묶음을 이루는 각 조형광선의 진폭 또는 주파수를 제어하는 것이며, 이는 상기 제k조형광선묶음이 상기 제k조형평면을 이루는 각 지점까지 도달하는데 필요한 경로길이의 차이 또는 상기 제k조형광선묶음의 상기 제k조형평면으로의 입사각도의 차이에 따라 야기되는 상기 각 지점에서의 에너지밀도의 차이를 보정하기 위해 상기 제k조형광선묶음의 진폭 또는 주파수를 제어한다는 것이다. 이에 대하여 상술하자면, 조형광선묶음이 조형평면에 대해 수직으로 입사하면, 입사면적(빔스폿크기)이 최소가 되므로, 조형광선출력밀도가 커지게 되며, 반대로 조형광선이 조형평면에 대해 비스듬한 각도를 가지면서 입사한다면, 입사면적(빔스폿크기)도 커지게 되므로, 조형광선출력밀도는 작아지게 된다. 그런데, 조형재료에 대한 조형광선의 경화-광경화 또는 분말소결 등 -작용의 정도는 조형광선출력밀도의 크기에 비례하므로, 조형평면의 전면적에 대해, 균일한 조형광선출력밀도를 보장하여, 조형레이어의 품질을 확보하기 위해서는 상기와 같은 조형광선의 출력값 제어가 필요할 것이다. 또한, 특히 본 발명의 헤드장치가 대형화되는 경우, 조형광선묶음이 조형평면을 이루는 각 지점까지 도달하는 데 필요한 광경로길이에 따라 조형광선의 에너지 손실 정도도 차이가 생기게 될 것이므로, 이에 대한 보정이 필요한 것이다.

또한, 본 발명의 입체조형장비의 헤드장치는, 조형평면을 이루는 모든 지점에서 조형광선묶음이 조형평면에 대해 수직하게 입사하게 하는 기능을 구비하는 조형광선묶음입사각보정부를 더 구비할 수 있다. 이는 전술한 바와 같이 조형광선출력밀도를 각 입사지점에 따라 균일하게 하기 위한 것이다. 일실시예에서의 조형광선묶음입사각보정부는, 조형평면의 상부에 설치되는 렌즈(에프-세타렌즈 등)로서, 광가이드부로부터 반사된 조형광선묶음의 입사각이 각 지점별로 상이함에도 불구하고, 두 번의 굴절과정을 통하고 나면, 조형평면상에 수직으로 입사하도록 유도하는 기능을 하나, 이러한 예에 한정할 것이 아님은 물론이다.

광가이드부는, N개의 조형평면 상부의 소정의 위치에 설치되고, 조형광원부로부터의 N개의 조형광선묶음을 가이드하여 N개의 조형평면상에 입사시키는 기능 및 N개의 조형평면에의 N개의 조형광선묶음의 조사에 있어, 누락되는 부위가 발생하지 않도록 N개의 라인스캔을 이격(stepping)하는 기능을 구현한다.

본 발명과 관련하여, 광가이드부와 관련하여서, 크게 두 가지의 실시예를 고려할 수 있는데, 제1실시예는, 광가이드부가 N개의 폴리곤미러로 구성되는 것이고, 제2실시예는, 광가이드부가 1개의 공통폴리곤미러로 구성된다.

<제1실시예>

도 1에서, 2개의 조형평면을 스캐닝하기 위해 두 개의 조형광원어레이모듈을 구비하고, 광가이드부가 2개의 폴리곤미러를 포함하여 이루어진 실시예(N=2)에 대해 도시되어 있음을 참조하면, 광가이드부는, N개의 폴리곤미러(제k폴리곤미러, k=1,2,…N)를 포함하여 이루어진다.

제k폴리곤미러(k=1,2,…N)는, 측면이 소정의 개수의 광반사면을 구비하고, 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향의 폴리곤미러축을 회전중심축으로 하여 설치된다. 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향은, 제k라인스캔의 방향과 동일한 것이기도 하다.

전술한 제k조형평면에는 실제로 조형재료가 공급되어 위치한다는 것을 전제한다. 하나의 제k조형평면에 대해 조형광선묶음의 스캐닝이 완료되고 나면, 하나의 조형레이어가 형성되는 것이며, 이러한 조형레이어가 적층되어 하나의 입체조형물을 형성하게 된다. 제k조형평면의 스캐닝에 있어, 제k조형광선이 조사되지 않는 부분이 있어서는 안되며, 스캐닝 소요시간을 최소화할 수 있는 최적의 경로를 통해 스캐닝을 수행하는 것이 바람직하다.

스캐닝 방식으로는 광가이드부의 제k폴리곤미러의 회전제어 패턴에 따라 두 가지 의 실시예를 제안한다.

제k폴리곤미러를 향해 입사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,…N)은, 제k폴리곤미러의 소정의 개수의 광반사면 중 하나에 반사되어 제k조형평면(k=1,2,…N)에 입사되면서 제k라인스캔(k=1,2,…N)을 형성하고, 제k폴리곤미러(k=1,2,…N)는, 폴리곤미러축을 중심으로 회전하면서, 제k라인스캔(k=1,2,…N)의 연속이동 또는 이격이동을 수행한다. 제k라인스캔이 이격이동하도록 구현하는 실시예가 전술한 제1패턴의 스캐닝패턴이고, 제k라인스캔이 연속이동하도록 구현하는 실시예가 전술한 제2패턴의 스캐닝패턴이다.

N개의 폴리곤미러 각각은, 단방향으로 계속 회전하도록 설정될 수 있으며, 이는 상기 제1패턴 및 상기 제2패턴 모두에 대해 의미가 있다. 제k조형광선묶음이 입사하는 폴리곤미러의 광반사면 중 하나는, 조형평면 전체에 대한 1회의 면스캐닝에 계속하여 관여하기 때문이다.(그 광반사면의 인접한 광반사면이 조형평면 전체에 대한 다음번 면스캐닝에 관여한다.)

제k폴리곤미러(k=1,2,...,N) 각각은, 소정의 개수의 광반사면을 구비하고, 폴리곤미러축을 중심으로 회전하는 폴리곤미러로 구성된다. 이러한 폴리곤미러는 회전축에 대해 수직한 단면의 형상이 다각형으로 되고, 측면표면이 조형광선을 반사할 수 있도록 구성되어야 한다. 더욱 바람직하게는 상기 단면형상이 정다각형인 폴리곤미러를 채택하면, 폴리곤미러의 회전속도 및 회전방향을 정밀제어하는 것이 용이하므로 유리하다. 폴리곤미러의 단면은, 정사각형, 정오각형, 정육각형, 정팔각형 등으로 하는 것이 가능하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 폴리곤미러의 길이는, 조형광원어레이모듈의 길이 이상이 되는 것이 바람직하다. 그리고, 폴리곤미러 측면의 반사면은 서로 동일한 모양과 크기를 갖는 직사각형일 수 있으며. 이렇게 되면, 폴리곤미러의 전체적인 형상은 정다각기둥이 될 수 있다. 나아가, 폴리곤미러의 회전축의 설치각도 및 조형광선의 입사각도, 또는 본 발명의 헤드장치의 전체적인 크기 등 변수에 따라, 폴리곤미러 크기를 결정해야 한다. 일실시예에서, 광가이드부를 이루는 각 폴리곤미러는 정육각기둥의 형상으로 구현되어 있다. 폴리곤미러의 회전축은, 다양한 방법으로 조형평면의 상부의 소정의 위치에 설치될 수 있다.

이하, 실시예 1의 입체조형장비의 멀티헤드장치를 사용하여 N개의 조형평면을 스캐닝하는 방법 중 전술한 제1패턴(라인스캔의 이격이동)의 스캐닝패턴을 적용하는 예에 관하여 설명한다.

도 3을 참조하여, 이격(stepping)은 하나의 라인스캔이 완전히 종료된 이후, 이루어져야 하며, 나아가, 이격이 완전히 종료된 이후, 다음 번 라인스캔이 이루어져야 한다. 즉 라인스캔 뿐만 아니라 이격도 비연속적으로(discontiuously) 내지 이산적으로(discretely) 수행되어야 한다. 다시 말하면, 제k폴리곤미러가 정지된 상태에서 하나의 라인스캔이 수행되고, 그 라인스캔이 종료되면 제k폴리곤미러가 소정의 각도만큼 회전한 후, 정지하고, 다음번 라인스캔이 수행되는 방식이다. 이러한 방식은 조형광선조사지점에 대해 충분한 에너지를 가할 수 있어, 조형레이어 두께를 크게 설정할 수 있고, 이격(stepping) 과정에서는 폴리곤미러의 회전속도를 빠르게 할 수 있다는 장점이 있다.

제k라인스캔(k=1,2,...,N)의 이격(stepping)에 있어, 이격거리간격 및 이격시간간격 등의 설정파라미터를 고려할 수 있으며, 이들 파라미터는 조형광선묶음의 출력 및 조형레이어의 설정두께, 조형재료의 종류, 조형광원소자들 사이의 간격 등 다양한 변수들과 관련되어 있다. 또한, 조형광선묶음은 조형평면에 도달하여 조형재료에 에너지(광경화 또는 소결작용의 동인이 되는)를 전달하는데, 이러한 에너지는 특정 지점이 아닌 소정의 면적 및 깊이를 갖는 영역으로 파급된다. 조형광선묶음의 출력밀도가 크면, 동일한 시간 동안 조사가 이루어지더라도, 더 넓은 영역에 걸쳐 에너지가 전달되므로, 제k라인스캔의 이격거리간격을 상대적으로 크게 할 수 있다. 또한, 이격거리간격의 존재로 인해, 제k라인스캔은 소정의 시간 동안 이루어져야 하며, 이러한 시간은 출력 및 이격거리간격 등을 감안하여 결정하여야 한다. (물론 제k라인스캔을 연속적으로 이동시키는 것도 가능함은 물론이다)

도 3을 참조하여, 제1패턴의 스캐닝 과정을 시계열적으로 나타내면 다음과 같다.

첫째, 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N) 각각이 소정의 위치에 세팅된다. 제k폴리곤미러의 초기 위치는 조형평면의 가장자리 소정 부위에 제k조형광선묶음이 입사될 수 있도록 조정된다. 둘째, 조형광원부가 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)을 발생시키고, 제k조형광선묶음 각각이 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N) 각각의 임의의 반사면에 입사하는 것을 시작한다. 셋째, 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N) 각각에 반사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 대해 상기 제k라인스캔(line scan)(k=1,2,...,N)을 소정의 시간동안 수행한다.(도3(a)) 넷째, 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 조사되지 않도록 제어되어 상기 셋째 단계에서의 상기 제k라인스캔(line scan)(k=1,2,...,N)이 종료된다. 이때의 제어는, 조형광원부의 조형광원에 대한 출력오프(off), 셔터(shutter) 등의 추가구성요소의 이용, 조형평면 근처에 설치한 차단막의 이용 등을 적용할 수도 있고, 조형광선묶음이 조형평면에 입사되더라도 조형재료의 경화 또는 소결작용이 일어나지 않을 정도까지 조형광선묶음의 출력을 낮추는 방법 등을 고려할 수 있다. 다섯째, 상기 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향과 수직한 방향으로 소정의 간격만큼 이격(stepping)된 위치에 상기 셋째 단계에서의 제k라인스캔(k=1,2,...,N) 직후의 제k라인스캔(다음 제k라인스캔)이 이루어지게 하기 위해, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N)가 소정의 각변위만큼 회전한다.(도3(b)) 여섯째, 상기 제k조형평면의 전면에 대해 조형광의 스캐닝이 완료될 때까지 상기 둘째 단계 내지 상기 다섯째 단계를 반복하여 수행한다(도3(c)). 물론 전과정에 걸쳐 제k폴리곤미러는 소정의 단방향으로 계속 회전하는 것이 필요하다는 것은 자명하다. 일곱째, 여섯째 단계 이후, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N)는, 상기 (v)단계에서의 회전방향과 같은 방향으로 회전을 준비할 수도 있지만, 다른 방향으로 회전을 준비할 수 있다. 이는, 하나의 조형평면에 대해 조사를 완료하고 난 후, 다음 번 조사 시에, 직전 조사 때의 제k폴리곤미러의 회전방향과 반대방향으로 회전하도록 할 수도 있다는 것이다.

다음으로, 실시예 1의 입체조형장비의 멀티헤드장치를 사용하여 N개의 조형평면을 스캐닝하는 방법 중 전술한 제2패턴(라인스캔의 이격이동)의 스캐닝패턴을 적용하는 예에 관하여 설명한다.

라인스캔이 소정의 속도(이러한 속도는 폴리곤미러의 회전각속도와 함수관계)로 조형면을 연속적으로 스위핑(sweeping)하는 방식이다. 이때의 속도가 너무 빠르면, 조형광선묶음조사지점에 대해 충분한 에너지를 가할 수 없을 수 있음을 감안하여야 한다. 다만, 광원출력을 증대시키거나, 조형광원소자간 간격을 좁게 설정하는 등의 설정을 고려할 수 있다. 또한, 조형레이어 두께를 작게 설정하여, 필요에너지 자체를 감소시킬 수도 있을 것이다. 이러한 방식의 스캐닝 패턴을 이용하면, 폴리곤미러가 정지 없이 연속적으로 회전하도록 할 수 있으므로, 폴리곤미러의 회전/정지 과정에서 발생되는 진동, 소음을 저감할 수 있어, 조형품질 및 작업환경을 양호하게 할 수 있다는 장점이 있음을 고려한다. 본 스캐닝 방식(제2패턴)은, 조형광원의 출력이 시간에 대하여 연속적으로 변화하도록 제어하여 수행된다.

제2패턴의 스캐닝 과정을 시계열적으로 나타내면 다음과 같다.

첫째, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N) 각각이 소정의 위치에 세팅된다. 둘째, 상기 조형광원부가 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)을 발생시키고, 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N) 각각이 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N) 각각의 임의의 반사면에 입사하는 것을 시작한다. 셋째, 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N) 각각에 반사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 대해 상기 제k라인스캔(k=1,2,...,N)을 수행하며, 상기 제k라인스캔(line scan)은 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N)가 소정의 속도로 계속 회전하면서, 상기 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향과 수직한 방향으로 연속적으로 이동하며 이루어진다. 넷째, 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N)의 전면에 대해 스캐닝이 완료되면, 상기 셋째 단계에서의 제k라인스캔(k=1,2,...,N)의 연속적 이동이 종료한다.

특히, 둘째 단계 및 셋째 단계에서 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N)는 소정의 단방향으로 계속 회전하도록 하는 것이 바람직하며, 넷째 단계 이후, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N)는, 상기 둘째 단계 및 상기 셋째 단계에서의 회전방향과 같은 방향 또는 반대방향으로 회전을 준비하는 단계를 더 포함할 수 있으나, 전자가 바람직함은 전술한 바와 같다.

<제2실시예>

도 2에서, 2개의 조형평면을 스캐닝하기 위해 두 개의 조형광원어레이모듈을 구비하는 실시예(N=2)에 대해 도시되어 있음을 참조하면, 광가이드부는, 공통폴리곤미러를 포함하여 이루어진다.

공통폴리곤미러는, 측면이 소정의 개수의 광반사면을 구비하고, 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,…N)의 배열방향과 평행한 방향의 폴리곤미러축을 회전중심축으로 하여 설치된다. 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향은, 제k라인스캔의 방향과 동일한 것이기도 하다.

스캐닝 방식으로는 광가이드부의 공통폴리곤미러의 회전제어 패턴에 따라 두 가지 의 실시예를 제안한다.

공통폴리곤미러를 향해 입사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,…N)은, 소정의 개수의 광반사면 중 하나에 반사되어 상기 제k조형평면(k=1,2,…N)에 입사되면서 상기 제k라인스캔(k=1,2,…N)을 형성하고, 상기 공통폴리곤미러는, 상기 폴리곤미러축을 중심으로 회전하면서, 상기 제k라인스캔(k=1,2,…N)의 연속이동 또는 이격이동을 수행한다. 제k라인스캔이 이격이동하도록 구현하는 실시예가 전술한 제1패턴의 스캐닝패턴이고, 제k라인스캔이 연속이동하도록 구현하는 실시예가 전술한 제2패턴의 스캐닝패턴이다.

공통폴리곤미러는, 단방향으로 계속 회전하도록 설정될 수 있으며, 이는 상기 제1패턴 및 상기 제2패턴 모두에 대해 의미가 있다. 제k조형광선묶음이 입사하는 폴리곤미러의 광반사면 중 하나는, 제k조형평면(k=1,2,...,N) 전체에 대한 1회의 면스캐닝에 계속하여 관여하기 때문이다.(그 광반사면의 인접한 광반사면이 제k조형평면 전체에 대한 다음번 면스캐닝에 관여한다.)

공통폴리곤미러는, 소정의 개수의 광반사면을 구비하고, 폴리곤미러축을 중심으로 회전하는 폴리곤미러로 구성됨은 전술한 바와 같다. 이러한 폴리곤미러는 회전축에 대해 수직한 단면의 형상이 다각형으로 되고, 측면표면이 조형광선을 반사할 수 있도록 구성되어야 한다. 더욱 바람직하게는 상기 단면형상이 정다각형인 폴리곤미러를 채택하면, 폴리곤미러의 회전속도 및 회전방향을 정밀제어하는 것이 용이하므로 유리하다. 폴리곤미러의 단면은, 정사각형, 정오각형, 정육각형, 정팔각형 등으로 하는 것이 가능하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 폴리곤미러의 길이는, 조형광원어레이모듈의 길이 이상이 되는 것이 바람직하다. 그리고, 폴리곤미러 측면의 반사면은 서로 동일한 모양과 크기를 갖는 직사각형일 수 있으며. 이렇게 되면, 폴리곤미러의 전체적인 형상은 정다각기둥이 될 수 있다. 나아가, 폴리곤미러의 회전축의 설치각도 및 조형광선의 입사각도, 또는 본 발명의 헤드장치의 전체적인 크기 등 변수에 따라, 폴리곤미러 크기를 결정해야 한다. 일실시예에서, 광가이드부를 이루는 각 폴리곤미러는 정육각기둥의 형상으로 구현되어 있다. 공통폴리곤미러의 회전축(폴리곤미러축)은, 다양한 방법으로 조형평면의 상부의 소정의 위치에 설치될 수 있다.

이격(stepping)은 하나의 라인스캔이 완전히 종료된 이후, 이루어져야 하며, 나아가, 이격이 완전히 종료된 이후, 다음 번 라인스캔이 이루어져야 한다. 즉 라인스캔 뿐만 아니라 이격도 비연속적으로(discontiuously) 내지 이산적으로(discretely) 수행되어야 한다. 다시 말하면, 공통폴리곤미러가 정지된 상태에서 하나의 라인스캔이 수행되고, 그 라인스캔이 종료되면 공통폴리곤미러가 소정의 각도만큼 회전한 후, 정지하고, 다음번 라인스캔이 수행되는 방식이다. 이러한 방식은 조형광선조사지점에 대해 충분한 에너지를 가할 수 있어, 조형레이어 두께를 크게 설정할 수 있고, 이격(stepping) 과정에서는 폴리곤미러의 회전속도를 빠르게 할 수 있다는 장점이 있다.

제k라인스캔(k=1,2,...,N)의 이격(stepping)에 있어, 이격거리간격 및 이격시간간격 등의 설정파라미터를 고려할 수 있으며, 이들 파라미터는 조형광선묶음의 출력 및 조형레이어의 설정두께, 조형재료의 종류, 조형광원소자들 사이의 간격 등 다양한 변수들과 관련되어 있다. 또한, 조형광선묶음은 조형평면에 도달하여 조형재료에 에너지(광경화 또는 소결작용의 동인이 되는)를 전달하는데, 이러한 에너지는 특정 지점이 아닌 소정의 면적 및 깊이를 갖는 영역으로 파급된다. 조형광선묶음의 출력밀도가 크면, 동일한 시간 동안 조사가 이루어지더라도, 더 넓은 영역에 걸쳐 에너지가 전달되므로, 제k라인스캔의 이격거리간격을 상대적으로 크게 할 수 있다. 또한, 이격거리간격의 존재로 인해, 제k라인스캔은 소정의 시간 동안 이루어져야 하며, 이러한 시간은 출력 및 이격거리간격 등을 감안하여 결정하여야 한다.

제1패턴의 스캐닝 과정을 시계열적으로 나타내면 다음과 같다.

첫째, 공통폴리곤미러가 소정의 위치에 세팅된다. 공통폴리곤미러의 초기 위치는 제k조형평면의 가장자리 소정 부위에 제k조형광선묶음이 입사될 수 있도록 조정된다.

둘째, 조형광원부가 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)을 발생시키고, 상기 제k조형광선묶음 각각이 공통폴리곤미러의 임의의 반사면에 입사하는 것을 시작한다.

셋째, 공통폴리곤미러에 반사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 대해 상기 제k라인스캔(line scan)(k=1,2,...,N)을 소정의 시간동안 수행한다.

넷째, 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 조사되지 않도록 제어되어 셋째단계에서의 상기 제k라인스캔(line scan)(k=1,2,...,N)이 종료된다.

다섯째, 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향과 수직한 방향으로 소정의 간격만큼 이격(stepping)된 위치에 상기 셋째 단계에서의 제k라인스캔(k=1,2,...,N) 직후의 제k라인스캔(다음 제k라인스캔)이 이루어지게 하기 위해, 공통폴리곤미러가 소정의 각변위만큼 회전한다. 이때의 제어는, 조형광원부의 조형광원에 대한 출력오프(off), 셔터(shutter) 등의 추가구성요소의 이용, 조형평면 근처에 설치한 차단막의 이용 등을 적용할 수도 있고, 제k조형광선묶음이 제k조형평면에 입사되더라도 조형재료의 경화 또는 소결작용이 일어나지 않을 정도까지 제k조형광선묶음의 출력을 낮추는 방법 등을 고려할 수 있다.

여섯째, 제k조형평면의 전면에 대해 조형광의 스캐닝이 완료될 때까지 상기 둘째 단계 내지 다섯째 단계를 반복하여 수행한다. 물론 전과정에 걸쳐 제k폴리곤미러는 소정의 단방향으로 계속 회전하는 것이 필요하다는 것은 자명하다.

일곱째, 여섯째 단계 이후, 상기 공통폴리곤미러는, 상기 다섯째 단계에서의 회전방향과 같은 방향으로 회전을 준비할 수도 있지만, 다른 방향으로 회전을 준비할 수 있다. 이는, 하나의 조형평면에 대해 조사를 완료하고 난 후, 다음번 조사시에, 직전 조사과정에서의 공통폴리곤미러의 회전방향과 반대방향으로 회전하도록 할 수도 있다는 것이다.

라인스캔이 소정의 속도(이러한 속도는 폴리곤미러의 회전각속도와 함수관계)로 조형면을 연속적으로 스위핑(sweeping)하는 방식이다. 이때의 속도가 너무 빠르면, 조형광선묶음조사지점에 대해 충분한 에너지를 가할 수 없을 수 있음을 감안하여야 한다. 다만, 광원출력을 증대시키거나, 조형광원소자간 간격을 좁게 설정하는 등의 설정을 고려할 수 있다. 또한, 조형레이어 두께를 작게 설정하여, 필요에너지 자체를 감소시킬 수도 있을 것이다. 이러한 방식의 스캐닝 패턴을 이용하면, 공통폴리곤미러가 정지 없이 연속적으로 회전하도록 할 수 있으므로, 공통폴리곤미러의 회전/정지 과정에서 발생되는 진동, 소음을 저감할 수 있어, 조형품질 및 작업환경을 양호하게 할 수 있다는 장점이 있음을 고려한다. 본 스캐닝 방식(제2패턴)은, 조형광원의 출력이 시간에 대하여 연속적으로 변화하도록 제어하여 수행된다.

첫째, 공통폴리곤미러가 소정의 위치에 세팅된다.

둘째, 조형광원부가 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)을 발생시키고, 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N) 각각이 공통폴리곤미러의 임의의 반사면에 입사하는 것을 시작한다.

셋째, 공통폴리곤미러에 반사된 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 대해 제k라인스캔(k=1,2,...,N)을 수행하며, 제k라인스캔(line scan)은 공통폴리곤미러가 소정의 속도로 계속 회전하면서, 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향과 수직한 방향으로 연속적으로 이동하며 이루어진다.

특히, 둘째 단계 및 셋째 단계에서 공통폴리곤미러는 소정의 단방향으로 계속 회전하는 것이 바람직하다.

넷째, 제k조형평면(k=1,2,...,N)의 전면에 대해 스캐닝이 완료되면, 상기 셋째 단계에서의 제k라인스캔(k=1,2,...,N)의 연속적 이동이 종료한다.

넷째 단계 이후, 상기 공통폴리곤미러는, 상기 둘째 단계 및 상기 셋째 단계에서의 회전방향과 같은 방향 또는 반대방향으로 회전을 준비하는 단계를 더 포함할 수 있으나, 전자가 바람직함은 전술한 바와 같다.

3 : 폴리곤미러축
10 : 제k조형평면
10a :제1조형평면
10b :제2조형평면
11 : 제k조형광선묶음
11a : 제1조형광선묶음
11b : 제2조형광선묶음
12 : 제k라인스캔(line scan)
13 :다음번(next)제k라인스캔
d : 이격(stepping) 거리
조형광원부
15 : 조형광원어레이모듈
15a :제1조형광원어레이모듈
15b :제2조형광원어레이모듈
16 : 조형광원
20: 광가이드부
21 : 제k폴리곤미러
21a :제1폴리곤미러
21b :제2폴리곤미러
22 : 공통폴리곤미러
40 : 제어부
50 ; 조형광선입사각보정부

Claims

N개의 조형광선묶음을 광가이드부로 입사시키는 조형광원부;
상기 N개의 조형광선묶음을 입사받고, 상기 N개의 조형광선묶음 각각을 소정의 경로로 가이드하여, N개의 조형평면 각각에 대해 일대일대응하여 입사시키는 기능을 구비하는 광가이드부; 및
상기 조형광원부 및 상기 광가이드부의 구동을 연동하여 제어하는 제어부;
를 포함하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 1에 있어서,
상기 N개의 조형광선묶음(제k조형광선묶음, k=1,2,…N) 각각은, 상기 N개의 조형평면(제k조형평면, k=1,2,…N) 각각에 대해, N개의 라인스캔(제k라인스캔, k=1,2,…N)을 형성하며 입사하고,
상기 광가이드부는, 상기 제k라인스캔(k=1,2,…N)을 연속적 이동 또는 단속적으로 이격이동시켜, 상기 제k조형평면(k=1,2,…N)의 전면에 대해 입체조형을 위한 광조사가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 2에 있어서,
상기 광가이드부는, N개의 폴리곤미러(제k폴리곤미러, k=1,2,…N)를 포함하여 이루어지고,
상기 제k폴리곤미러는, 측면이 소정의 개수의 광반사면을 구비하고, 상기 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향의 폴리곤미러축을 회전중심축으로 하여 설치되며,
상기 제k폴리곤미러를 향해 입사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,…N)은, 상기 소정의 개수의 광반사면 중 하나에 반사되어 상기 제k조형평면(k=1,2,…N)에 입사되면서 상기 제k라인스캔(k=1,2,…N)을 형성하고,
상기 제k폴리곤미러(k=1,2,…N)는, 상기 폴리곤미러축을 중심으로 회전하면서, 상기 제k라인스캔(k=1,2,…N)의 연속이동 또는 이격이동을 수행하는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 3에 있어서,
상기 N개의 폴리곤미러 각각은, 단방향으로 계속 회전하는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 2에 있어서,
상기 조형광원부는, N개의 조형광원어레이모듈을 포함하여 이루어지고,
상기 N개의 조형광원어레이모듈은 각각, 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,…N)의 배열방향과 평행한 방향으로 배열되는 복수의 조형광원을 포함하여 이루어지고,
상기 N개의 조형광원어레이모듈 각각의 복수의 조형광원 모두는 서로 동기화되어 구동되고, 상기 N개의 조형광원어레이모듈 각각의 복수의 조형광원으로부터의 조형광은 모두 상기 N개의 조형평면 각각에 동시에 입사하는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 5에 있어서,
상기 N개의 조형광원어레이모듈의 복수의 조형광원 각각은, 광섬유번들(bundle)을 포함하여 이루어지는 광섬유레이저, 레이저다이오드(Laser Diode), LED 및 VCSEL 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 5에 있어서,
상기 N개의 조형광원어레이모듈을 이루는 상기 복수의 조형광원이 일렬배열, 다열배열, 다열지그재그배열, 및 비선형다열배열 중 하나의 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제k조형광선묶음이 각각 상기 제k조형평면의 모든 지점에서 수직하게 입사하게 하는 기능을 구비하는 조형광선묶음입사각보정부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제k조형광선묶음이 상기 제k조형평면을 이루는 각 지점까지 도달하는데 필요한 경로길이의 차이 또는 상기 제k조형광선묶음의 상기 제k조형평면으로의 입사각도의 차이에 따라 야기되는 상기 각 지점에서의 에너지밀도의 차이를 보정하기 위해 상기 제k조형광선묶음의 진폭 또는 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 3의 입체조형장비의 멀티헤드장치를 사용하여 N개의 조형평면을 스캐닝하는 방법에 있어서,
(i) 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N) 각각이 소정의 위치에 세팅되는 단계;
(ii) 상기 조형광원부가 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)을 발생시키고, 상기 제k조형광선묶음 각각이 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N) 각각의 임의의 반사면에 입사하는 것을 시작하는 단계;
(iii) 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N) 각각에 반사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 대해 상기 제k라인스캔(line scan)(k=1,2,...,N)을 소정의 시간동안 수행하는 단계;
(iv) 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 조사되지 않도록 제어되어 상기 (iii)단계에서의 상기 제k라인스캔(line scan)(k=1,2,...,N)이 종료되는 단계;
(v) 상기 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향과 수직한 방향으로 소정의 간격만큼 이격(stepping)된 위치에 상기 (iii)단계에서의 제k라인스캔(k=1,2,...,N) 직후의 제k라인스캔(다음 제k라인스캔)이 이루어지게 하기 위해, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N)가 소정의 각변위만큼 회전하는 단계;
(vi) 상기 제k조형평면의 전면에 대해 조형광의 스캐닝이 완료될 때까지 상기 (ii)단계 내지 상기 (v)단계를 반복하여 수행하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법.
청구항 10에 있어서,
상기 (vi)단계 이후, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N)는, 상기 (v)단계에서의 회전방향과 같은 방향으로 회전을 준비하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법.
청구항 10에 있어서,
상기 (vi)단계 이후, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N)는, 상기 (v)단계에서의 회전방향과 반대방향으로 회전을 준비하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법.
청구항 3의 입체조형장비의 멀티헤드장치를 사용하여 N개의 조형평면을 스캐닝하는 방법에 있어서,
(i) 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N) 각각이 소정의 위치에 세팅되는 단계;
(ii) 상기 조형광원부가 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)을 발생시키고, 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N) 각각이 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N) 각각의 임의의 반사면에 입사하는 것을 시작하는 단계;
(iii) 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N) 각각에 반사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 대해 상기 제k라인스캔(k=1,2,...,N)을 수행하며, 상기 제k라인스캔(line scan)은 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N)가 소정의 속도로 계속 회전하면서, 상기 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향과 수직한 방향으로 연속적으로 이동하며 이루어지는 단계;
(iv) 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N)의 전면에 대해 스캐닝이 완료되면, 상기 iii)단계에서의 제k라인스캔(k=1,2,...,N)의 연속적 이동이 종료하는 단계;
를 포함하고,
상기 (ii)단계 및 상기 (iii)단계에서 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,... ,N)는 소정의 단방향으로 계속 회전하는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법.
청구항 13에 있어서,
상기 (iv)단계 이후, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N)는, 상기 (ii)단계 및 상기 (iii) 단계에서의 회전방향과 반대방향으로 회전을 준비하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법.
청구항 13에 있어서,
상기 (iv)단계 이후, 상기 제k폴리곤미러(k=1,2,...,N)는, 상기 (ii)단계 및 상기 (iii) 단계에서의 회전방향과 같은 방향으로 회전을 준비하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법.
청구항 2에 있어서,
상기 광가이드부는, 공통폴리곤미러를 포함하여 이루어지고,
상기 공통폴리곤미러는, 측면이 소정의 개수의 광반사면을 구비하고, 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,…N)의 배열방향과 평행한 방향의 폴리곤미러축을 회전중심축으로 하여 설치되며,
상기 공통폴리곤미러를 향해 입사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,…N)은, 상기 소정의 개수의 광반사면 중 하나에 반사되어 상기 제k조형평면(k=1,2,…N)에 입사되면서 상기 제k라인스캔(k=1,2,…N)을 형성하고,
상기 공통폴리곤미러는, 상기 폴리곤미러축을 중심으로 회전하면서, 상기 제k라인스캔(k=1,2,…N)의 연속이동 또는 이격이동을 수행하는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 16에 있어서,
상기 공통폴리곤미러 각각은, 단방향으로 계속 회전하는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 16에 있어서,
상기 조형광원부는, N개의 조형광원어레이모듈을 포함하여 이루어지고,
상기 N개의 조형광원어레이모듈은 각각, 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,…N)의 배열방향과 평행한 방향으로 배열되는 복수의 조형광원을 포함하여 이루어지고,
상기 N개의 조형광원어레이모듈 각각의 복수의 조형광원 모두는 서로 동기화되어 구동되고, 상기 N개의 조형광원어레이모듈 각각의 복수의 조형광원으로부터의 조형광은 모두 상기 N개의 조형평면 각각에 동시에 입사하는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 18에 있어서,
상기 N개의 조형광원어레이모듈의 복수의 조형광원 각각은, 광섬유번들(bundle)을 포함하여 이루어지는 광섬유레이저, 레이저다이오드(Laser Diode), VCSEL, 및 LED 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 18에 있어서,
상기 N개의 조형광원어레이모듈을 이루는 상기 복수의 조형광원은, 일렬배열, 다열배열, 다열지그재그배열, 및 비선형다열배열 중 하나의 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 16에 있어서,
상기 제k조형광선묶음이 각각 상기 제k조형평면의 모든 지점에서 수직하게 입사하게 하는 기능을 구비하는 조형광선묶음입사각보정부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 16에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제k조형광선묶음이 상기 제k조형평면을 이루는 각 지점까지 도달하는데 필요한 경로길이의 차이 또는 상기 제k조형광선묶음의 상기 제k조형평면으로의 입사각도의 차이에 따라 야기되는 상기 각 지점에서의 에너지밀도의 차이를 보정하기 위해 상기 제k조형광선묶음의 진폭 또는 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 입체조형장비의 멀티헤드장치.
청구항 16의 입체조형장비의 멀티헤드장치를 사용하여 N개의 조형평면을 스캐닝하는 방법에 있어서,
(i) 상기 공통폴리곤미러가 소정의 위치에 세팅되는 단계;
(ii) 상기 조형광원부가 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)을 발생시키고, 상기 제k조형광선묶음 각각이 상기 공통폴리곤미러의 임의의 반사면에 입사하는 것을 시작하는 단계;
(iii) 상기 공통폴리곤미러에 반사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 대해 상기 제k라인스캔(line scan)(k=1,2,...,N)을 소정의 시간동안 수행하는 단계;
(iv) 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 조사되지 않도록 제어되어 상기 (iii)단계에서의 상기 제k라인스캔(line scan)(k=1,2,...,N)이 종료되는 단계;
(v) 상기 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향과 수직한 방향으로 소정의 간격만큼 이격(stepping)된 위치에 상기 (iii)단계에서의 제k라인스캔(k=1,2,...,N) 직후의 제k라인스캔(다음 제k라인스캔)이 이루어지게 하기 위해, 상기 공통폴리곤미러가 소정의 각변위만큼 회전하는 단계;
(vi) 상기 제k조형평면의 전면에 대해 조형광의 스캐닝이 완료될 때까지 상기 (ii)단계 내지 상기 (v)단계를 반복하여 수행하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법.
청구항 23에 있어서,
상기 (vi)단계 이후, 상기 공통폴리곤미러는, 상기 (v)단계에서의 회전방향과 같은 방향으로 회전을 준비하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법.
청구항 23에 있어서,
상기 (vi)단계 이후, 상기 공통폴리곤미러는, 상기 (v)단계에서의 회전방향과 반대방향으로 회전을 준비하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법.
청구항 16의 입체조형장비의 멀티헤드장치를 사용하여 N개의 조형평면을 스캐닝하는 방법에 있어서,
(i) 상기 공통폴리곤미러가 소정의 위치에 세팅되는 단계;
(ii) 상기 조형광원부가 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)을 발생시키고, 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N) 각각이 상기 공통폴리곤미러의 임의의 반사면에 입사하는 것을 시작하는 단계;
(iii) 상기 공통폴리곤미러에 반사된 상기 제k조형광선묶음(k=1,2,...,N)이 각각 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N) 각각에 대해 상기 제k라인스캔(k=1,2,...,N)을 수행하며, 상기 제k라인스캔(line scan)은 상기 공통폴리곤미러가 소정의 속도로 계속 회전하면서, 상기 제k조형광선묶음의 배열방향과 평행한 방향과 수직한 방향으로 연속적으로 이동하며 이루어지는 단계;
(iv) 상기 제k조형평면(k=1,2,...,N)의 전면에 대해 스캐닝이 완료되면, 상기 iii)단계에서의 제k라인스캔(k=1,2,...,N)의 연속적 이동이 종료하는 단계;
를 포함하고,
상기 (ii)단계 및 상기 (iii)단계에서 상기 공통폴리곤미러는 소정의 단방향으로 계속 회전하는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법.
청구항 26에 있어서,
상기 (iv)단계 이후, 상기 공통폴리곤미러는, 상기 (ii)단계 및 상기 (iii) 단계에서의 회전방향과 반대방향으로 회전을 준비하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법.
청구항 26에 있어서,
상기 (iv)단계 이후, 상기 공통폴리곤미러는, 상기 (ii)단계 및 상기 (iii) 단계에서의 회전방향과 같은 방향으로 회전을 준비하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조형평면의 스캐닝방법.
조형재료를 공급받아 조형레이어를 형성하고 적층하여 입체조형물을 조형하는 입체조형장치에 있어서,
조형광선의 조형평면에의 조사는, 청구항 1 내지 청구항 9, 및 청구항 16 내지 청구항 22 중 선택되는 어느 하나의 항의 입체조형장비의 멀티헤드장치를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 입체조형장치.