KR20180033033A - 광경화식 3d 성형방법 및 광경화식 3d 성형장치 - Google Patents

광경화식 3d 성형방법 및 광경화식 3d 성형장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 조형물을 성형하는 시간을 단축할 수 있는 광경화식 3D 성형방법 및 광경화식 3D 성형장치를 제공하는 것이다. 이를 위해, 본 발명에 따라 투명한 바닥판을 갖는 수지조 내에 수용된 광경화성 액체수지를 조형판에 적층시켜 조형물을 성형하는 광경화식 3D 성형방법은 상기 조형판을 상기 수지조 바닥판에 대해 상승시키면서 연속된 다수의 프레임으로 이루어진 연속이미지 광을 조사한다.

Description

광경화식 3D 성형방법 및 광경화식 3D 성형장치{Method for photo-curable 3D laminated molding and apparatus for photo-curable 3D laminated molding}
본 발명은 광경화식 3D 성형방법 및 광경화식 3D 성형장치에 관한 것이다.
광경화식 3D 성형장치는 투명한 바닥판을 가지고 빛의 노출을 통해 경화되는 액상의 광경화성 수지를 수용하는 수지조와, 수지조 내부에서 바닥판에 대해 승강 가능한 조형판을 갖는다. 조형판은 초기 단계에서 바닥판에 대해 단위성형층만큼 이격 배치된다. 이 상태에서, 바닥판을 통해 이미지광이 조사되면 조형판과 바닥판 사이의 수지가 경화된다. 그리고 조형판을 바닥판에 대해 다시 들어올려서 미리 적층된 단위성형층의 하부면과 바닥판 사이 간격이 후속 단위성형층 두께만큼 이격되도록 한 후 후속의 이미지광을 투사하여 후속 단위성형층을 경화시킨다.
종래의 광경화식 3D 성형장치는 후속 단위성형층을 성형할 때, 미리 적층된 하나의 단위성형층과 바닥판 사이의 액체수지가 채워질 수 있도록 조형판을 일정 높이만큼 상승시킨 후 다시 하강시켜 미리 성형된 단위성형층의 하부면과 바닥판 사이 간격이 후속의 단위성형층 두께만큼 이격되도록 했다. 이에 따라, 종래의 광경화식 3D 성형장치는 조형판의 상승 및 하강에 따른 연속동작에 상당한 시간이 소모되었다.
본 발명의 목적은 조형물을 성형하는 시간을 단축할 수 있는 광경화식 3D 성형방법 및 광경화식 3D 성형장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 투명한 바닥판을 갖는 수지조 내에 수용된 광경화성 액체수지를 조형판에 적층시켜 조형물을 성형하는 광경화식 3D 성형방법에 있어서, 상기 조형판을 상기 투명한 바닥판과 일정한 갭을 유지시키면서 위치시키는 단계; 상기 투명한 바닥판을 향하여 다수의 프레임으로 이루어진 연속이미지광을 노광하는 단계; 및 상기 연속이미지광을 노광하면서 상기 조형판을 상기 투명한 바닥판에 대해 임의의 속도로 상승시키는 단계를 포함하며; 상기 조형판과 상기 투명 바닥판 사이의 상기 일정한 갭에 수용된 액체수지는 부분 경화한 상태에서 상기 조형판에는 부착되고 상기 바닥판에서는 분리한 상태에서 상기 조형판이 상승하며, 상기 연속이미지광은 초당 1 내지 35 프레임으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형방법에 의하여 이루어진다.
여기서, 상기 조형판은 초당 0.01mm 내지 0.42mm의 속도로 상기 수지조 바닥판에 대해 상승하는 것이 상기 조형물을 안정적으로 경화시킬 수 있다.
그리고 상기 조형판의 상승속도는 성형의 시작과 종료 기간 중에 적어도 속도가 변경될 수 있다.
또한, 상기 연속이미지 광은 3000 내지 5000dpi 해상도인 것이 상기 조형물을 안정적으로 경화시킬 수 있다.
그리고 상기 연속 이미지광은 4X2 내지 12X8 매트릭스 형태의 평면 이미지광이며, 각 평면 이미지광은 각 평면의 위치별로 균일한 광에너지 분포를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은, 본 발명의 다른 측면인, 조형물을 성형하는 광경화식 3D 성형장치에 있어서, 투명한 바닥판을 가지고 광경화성 액체수지를 수용하는 수지조와; 상기 바닥판과 평행한 하부면을 가지고 상기 수지조 내에서 승강 가능한 조형판과; 상기 수지조와 상기 조형판 중 적어도 하나를 승강 구동하는 승강구동부와; 상기 수지조의 하부에서 상기 바닥판을 향하여 연속된 다수의 프레임으로 이루어진 연속이미지광을 조사하는 광조사부와; 상기 연속이미지광을 조사하는 동안 상기 조형판이 상기 수지조 바닥판에 대해 상승하도록 상기 승강구동부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 조형판의 평행한 하부면과 상기 투명 바닥판 사이의 일정한 갭에 수용된 액체수지는 부분 경화한 상태에서 상기 조형판에는 부착되고 상기 바닥판에서는 분리한 상태에서, 상기 제어부는 상기 조형판이 상승하도록 제어하며, 상기 제어부는 상기 연속이미지광이 초당 1 내지 35 프레임으로 이루어지도록 상기 광제어부를 제어하는 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형장치에 의해서도 이루어진다.
여기서, 상기 제어부는 상기 조형판이 초당 0.01mm 내지 0.42 mm의 속도로 상기 수지조 바닥판에 대해 상승하도록 상기 승강구동부를 제어하는 것이 상기 조형물을 안정적으로 경화시킬 수 있다.
그리고 상기 제어부는 상기 조형판의 상승속도가 성형의 시작과 종료 기간 중에 적어도 속도가 변경되도록 상기 승강구동부를 제어하는 것이 조형물을 더욱 안정적으로 경화시킬 수 있다.
한편, 상기 연속이미지 광은 3000 내지 5000dpi 해상도인 것이 상기 조형물을 안정적으로 경화시킬 수 있다.
그리고 상기 연속 이미지광은 4X2 내지 12X8 매트릭스 형태의 평면 이미지광이며, 각 평면 이미지광은 각 평면의 위치별로 균일한 광에너지 분포를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광경화식 3D 성형방법 및 광경화식 3D 성형장치는 조형물을 성형하는 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광경화식 3D 성형장치를 나타낸 개념도이다.
도 1은 본 발명에 따른 광경화식 3D 성형장치를 나타낸 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광경화식 3D 성형장치는 투명한 바닥판(210)을 가지고 광경화성 액체수지(P)를 수용하는 수지조(200)를 갖는다. 수지조(200)는 프레임(100)에 지지된다. 프레임(100)은 수지조(200)의 바닥판(210)의 테두리 영역을 지지한다.
광경화성 액체수지(P)는 중합개시제와 중합금지제를 포함한다. 광경화성 액체수지에 빛이 조사되면, 중합개시제가 분해되어 라디칼을 발생시킨다. 중합개시제에 의해 발생된 라디칼은 초기에는 용존산소 및 중합금지제와 반응한다. 라디칼에 의해 용존산소와 중합금지제가 모두 소모되면, 라디칼이 광경화성 액체수지와 반응하여 중합이 이루어지면서 액체수지가 경화된다. 중합개시제와 중함금지제의 첨가량은 성형방법에 따라 차등을 둘 수 있다. 여기서, 라디칼이 광경화성 액체수지와 반응하여 중합이 일어나기 전까지를 반응유도기라고 한다. 액체수지(P)에는 이형제가 첨가될 수 있다.
본 광경화성 3D 성형장치는 수지조(200)의 하부에서 바닥판(210)을 향하여 연속된 다수의 프레임으로 이루어진 연속이미지광을 조사하는 광조사부(300)를 포함한다. 광조사부(300)는 광경화성 액체수지(P)를 경화시키는데 필요한 빛을 발한다. 광조사부(300)는 LCD, LED, DMD 등과 같이 빛을 발할 수 있는 모든 디스플레이 장치 중 적어도 하나를 채택할 수 있다.
여기서, 연속이미지광은 초당 1 내지 35 프레임, 더욱 바람직하게는 초당 30프레임으로 이루어진다.
연속이미지광은 4X2 내지 12X8 매트릭스로 gray scale 처리된 3000 내지 5000dpi 해상도를 가질 수 있다.
연속이미지광은 LED광이고, 파장은 360nm 내지 405 nm를 사용할 수 있다.
마이크로 유체를 다루는 기술은 재생의료, 진단의료, 생명공학 등에 많이 적용되고 있다.
마이크로 유체기술의 핵심은 1.0 마이크론 수준의 고해상도 작업이다.
해상도 5000dpi(인치당 5000개의 픽셀을 의미함. 즉, 픽셀당 0.5마이크론의 최소광원 크기를 가짐)의 구현으로 고비용 고노동의 포토리소그래피를 대체할 수 있다.
본원발명은 3000~5000dpi LED 노광계로서 광경화식 3D 프린팅을 구현하여 생산성 향상 및 저비용의 생산기술 확보가 가능하였다.
본 광경화성 3D 성형장치는 수지조(200)의 바닥판(210)과 평행한 하부면을 가지고 수지조(200) 내에서 승강 가능한 조형판(500)을 갖는다. 그리고 본 광경화성 3D 성형장치는 수지조(200)와 조형판(500) 중 적어도 하나를 승강 구동하는 승강구동부(400)를 포함한다. 여기서, 승강구동부(400)는 조형판(500)을 승강 구동한다. 승강구동부(400)는 프레임(100)에 설치되는 승강기(410)와, 승강기(410)로부터 수지조(200)측으로 연장된 승강아암(430)과, 조형판(500)과 승강아암(430)을 상호 연결하는 매개부(450)를 갖는다. 매개부(450)는 조형판(500)이 바닥판(210)과 평행을 이루도록 조정하며, 승강 이동 시 발생하는 떨림을 방지한다. 한편, 승강구동부(400)는 수지조(200)와 연결되어 수지조(200)가 조형판(500)에 대해 승강 가능하도록 설계 변형할 수 있다.
본 광경화성 3D 성형장치는 광조사부(300)가 연속이미지광을 조사하는 동안 조형판(500)이 바닥판(210)에 대해 상승하도록 상승구동부(400)를 제어하는 제어부를 포함한다. 제어부는 조형판(500)이 초당 0.01mm 내지 0.42mm, 더욱 바람직하게는 초당 0.13mm의 속도로 바닥판(210)에 대해 상승하도록 승강구동부(400)를 제어한다.
조형판(500)의 상승속도는 성형 중에 변경 될 수 있다. 특히, 형상이 가늘고 취약한 경우에는 속도를 늦추고, 면적이 넓고 안정적인 부분은 속도를 빠르게 할 수 있다.
여기서, 제어부는 연속이미지광을 이루는 다수의 프레임 중 하나의 프레임이 조사되는 동안 조형판(500)이 4 내지 5μm 상승하도록 승강구동부(400)를 제어한다.
조형판(500)이 수지조 투명 바닥판(210)으로부터 상승할 때, 조형판과 수지조 바닥판 사이의 갭에 수용된 액체 수지는 완전 경화 하기 전의 부분 경화한 상태에서 조형판에는 부착되고 바닥판에서는 분리된 상태로 상승한다.
따라서, 조형판이 상승하면서 부분경화된 수지는 완전 경화한다.
본 광경화성 3D 성형장치는 수지조(200)에 수용된 액체수지(P)의 온도를 상승시키기 위해 광조사부(300)와 수지조(200)를 열적으로 연결하는 전열부(350)를 포함한다. 전열부(350)는 광조사부(300)와 수지조(200)에 각각 접촉되어 광조사부(300) 또는 별도의 가열장치에서 발생하는 열을 수지조(200)로 전달한다. 이에 따라, 액체수지(P)는 점성이 낮아질 수 있다. 액체수지(p)의 점성이 낮아지면, 조형판(500)과 바닥판(210) 사이 공간으로의 침투가 용이해진다. 수지조(200)는 별도의 가열장치를 추가로 포함할 수 있다.
이러한 구조를 갖는 광경화성 3D 성형장치에 의해, 다음과 같은 순서에 따라 3D 조형물이 성형된다.
먼저, 수지조(200)에 광경화성 액체수지(P)를 투입한다. 그리고 제어부는 조형판(500)이 바닥판(210)과의 사이 간격이 적어도 단일의 단위성형층의 일부 두께만큼 이격된 위치에 배치되도록 승강구동부(400)를 제어한다.
다음으로, 제어부는 바닥판(210)을 향하여 연속된 다수의 프레임으로 이루어진 연속이미지광을 조사하도록 광조사부(300)를 제어하는 동시에 조형판(500)이 바닥판(210)에 대해 상승하도록 승강구동부(400)를 제어한다.
여기서, 연속이미지광은 4X2 내지 12X8 매트릭스로 gray scale 처리된 3000 내지 5000dpi 해상도인 것이 바람직하다.
특히, 연속이미지광은 평면 이미지광이며, 각 평면은 4X2에서 12X8의 매트릭스 형태의 평면을 구성한다. 그레이 스케일 평면광을 통하여 각 평면의 요소별로 관량분포가 균일하도록 제어한다.
또한, 평면광의 각 섹터마다 노광시간에 대한 편차를 두는 방식으로도 광량분포가 균일하도록 제어 가능하다.
이때, 연속이미지광은 초당 1 내지 35프레임, 더욱 바람직하게는 초당 30프레임으로 이루어지며, 조형판(500)은 초당 0.01mm 내지 0.42mm, 더욱 바람직하게는 0.13mm의 속도록 바닥판(210)에 대해 상승하도록 한다.
조형판(500)의 상승속도는 성형 중에 변경 될 수 있다. 특히, 형상이 가늘고 취약한 경우에는 속도를 늦추고, 면적이 넓고 안정적인 부분은 속도를 빠르게 할 수 있다.
조형판(500)이 수지조 투명 바닥판(210)으로부터 상승할 때, 조형판과 수지조 바닥판 사이의 갭에 수용된 액체 수지는 완전 경화 하기 전의 부분 경화한 상태에서 조형판(500)에는 부착되고 바닥판(210)에서는 분리된 상태로 상승한다.
따라서, 조형판(500)이 상승하면서 부분 경화된 수지는 완전 경화한다.
보다 구체적으로, 제어부는 연속이미지광을 이루는 다수의 프레임 중 하나의 프레임이 조사되는 동안 조형판(500)이 4 내지 5μm상승하도록 승강구동부(400)를 제어한다.
부분경화한 수지가 수지조 바닥판(210)으로부터 이형하기 위하여 비중이 다른 액상 이형제를 사용할 수 있다. 비중이 다른 액상 이형제는 연속이미지광에 반응하여 경화하지 않는다.
한편, 이미지광을 노광할 때, 바운더리영역과 내부영역을 분리하여 시간차를 두고 노광함으로써, 조형판에는 용이하게 부착하고, 수지조 바닥판에서는 쉽게 이용되도록 성형할 수 있다.
이미지광을 노광할 때 조형판에 부착하는 이미지광은 물체를 성형하기 위한 3D 형상데이터로부터 유래한 것이 아니라, 조형판에 성형물체를 부착시키기 위하여 임의로 생성한 형상일 수 있다.
일단 초기의 부분 경화한 성형층이 조형판에 부착되고, 안전하게 수지조 바닥판에서 이형 된다면 그 이후의 공정은 초기보다 더욱 안정스럽게 성형이 이루어진다.
본 발명에 사용된 조형판(500)의 바닥판과 대향하는 하부면에는 액상의 수지가 침투가 용이하도록 액체 침투용 그루브가 형성된다. 그루부는 조형판(500)의 하부면이 수지조의 투명한 바닥판(210)에 접촉한 경우 혹은 일정한 갭을 형성한 경우에 액상의 수지의 침투를 용이하게 한다.
본 발명은 광경화식 3D 프린터에 관한 발명으로서, 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (10)

  1. 투명한 바닥판을 갖는 수지조 내에 수용된 광경화성 액체수지를 조형판에 적층시켜 조형물을 성형하는 광경화식 3D 성형방법에 있어서,
    상기 조형판을 상기 투명한 바닥판과 일정한 갭을 유지시키면서 위치시키는 단계;
    상기 투명한 바닥판을 향하여 다수의 프레임으로 이루어진 연속이미지광을 노광하는 단계; 및
    상기 연속이미지광을 노광하면서 상기 조형판을 상기 투명한 바닥판에 대해 임의의 속도로 상승시키는 단계를 포함하며;
    상기 조형판과 상기 투명 바닥판 사이의 상기 일정한 갭에 수용된 액체수지는 부분 경화한 상태에서 상기 조형판에는 부착되고 상기 바닥판에서는 분리한 상태에서 상기 조형판이 상승하며,
    상기 연속이미지광은 초당 1 내지 35 프레임으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조형판의 상승 속도는 초당 0.01mm 내지 0.42mm의 속도로 상기 수지조 바닥판에 대해 상승하는 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 조형판의 상승속도는 성형의 시작과 종료 기간 중에 적어도 속도가 변경되는 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연속 이미지광은 3000 내지 5000dpi 해상도인 것을 특징으로 하는 3D 성형방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연속 이미지광은 4X2 내지 12X8 매트릭스 형태의 평면 이미지광이며, 각 평면 이미지광은 각 평면의 위치별로 균일한 광에너지 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 3D 성형방법.
  6. 조형물을 성형하는 광경화식 3D 성형장치에 있어서,
    투명한 바닥판을 가지고 광경화성 액체수지를 수용하는 수지조와;
    상기 바닥판과 평행한 하부면을 가지고 상기 수지조 내에서 승강 가능한 조형판과;
    상기 수지조와 상기 조형판 중 적어도 하나를 승강 구동하는 승강구동부와;
    상기 수지조의 하부에서 상기 바닥판을 향하여 연속된 다수의 프레임으로 이루어진 연속이미지광을 조사하는 광조사부와;
    상기 연속이미지광을 조사하는 동안 상기 조형판이 상기 수지조 바닥판에 대해 상승하도록 상기 승강구동부를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 조형판의 평행한 하부면과 상기 투명 바닥판 사이의 일정한 갭에 수용된 액체수지는 부분 경화한 상태에서 상기 조형판에는 부착되고 상기 바닥판에서는 분리한 상태에서, 상기 제어부는 상기 조형판이 상승하도록 제어하며,
    상기 제어부는 상기 연속이미지광이 초당 1 내지 35 프레임으로 이루어지도록 상기 광제어부를 제어하는 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 조형판이 초당 0.01mm 내지 0.42mm의 속도로 상기 수지조 바닥판에 대해 상승하도록 상기 승강구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 조형판의 상승속도가 성형의 시작과 종료 기간 중에 적어도 속도가 변경되도록 상기 승강구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 광경화식 3D 성형방법.
  9. 제6항 내지 제8항에 있어서,
    상기 연속이미지 광은 3000 내지 5000dpi 해상도인 것을 특징으로 하는 3D 성형장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연속 상기 연속 이미지광은 4X2 내지 12X8 매트릭스 형태의 평면 이미지광이며, 각 평면 이미지광은 각 평면의 위치별로 균일한 광에너지 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 3D 성형장치.
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