KR20180083086A - 3차원 프린터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 조형물 제작을 위한 3차원 프린터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분말을 소결하여 3차원 조형물을 제작하는 방식의 3차원 프린터에 있어서, 상기 분말 공급부에서 상기 작업대에 공급되는 분말층이 평탄화되었는지 여부를 측정하는 평탄화측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 프린터{THREE-DIMENSIONAL OBJECT}
본 발명은 3차원 조형물 제작을 위한 3차원 프린터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분말을 소결하여 3차원 조형물을 제작하는 방식의 3차원 프린터에 있어서, 분말층의 평탄화 여부를 레이저를 이용하여 측정할 수 있는 새로운 구조의 3차원 프린터에 관한 것이다.
일반적으로, CAD 프로그램으로 설계한 컴퓨터 파일에서 입체로 된 기계 부품 등을 인쇄하듯 실물모형을 만드는 장치를 3차원 프린터라고 하며, 3차원 프린터의 발전과 확산이 제조업계의 화두로 등장하였다.
3차원 프린터 방식에는 광경화성 수지에 레이저 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(Stereo Lithographic Apparatus)와, SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속 분말을 사용하며 레이저 광선을 주사하여 고결(固結)시켜 성형하는 원리를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering)와, 접착제가 칠해져 있는 종이를 원하는 단면으로 레이져 광선을 이용하여 절단하여 한층씩 적층하여 성형하는 LOM(Laminated Object Manufacturing)과, 잉크젯(Ink-Jet) 프린터 기술을 이용한 BPM(Ballistic Particle Manufacturing) 등이 있다. 레이저 기반 방법들은 1980년대 초반/1990년대 초반에 미국 오스틴의 UOT(University of Texas)에서 개발되었으며, 3D 프린팅 또는 선택적 레이저 소결로서 공지되어 있다.
SLS 기술로 종래의 중합체 분말을 비롯한 다양한 분말 물질로부터 높은 해상도 및 치수정밀도를 갖는 3차원 물품의 직접적 제조가 가능해졌다. SLS(Selective Laser Sintering)은 그 전문이 본원에 참고로 인용된 미국 특허 제4,863,568호에 기재되어 있다. 선택적 레이저 소결법은 디티엠 코포레이션(DTM Corporation)에 의해 상용화되었다. 선택적 레이져 소결법은 얇은 분말층을 평면상에 펴는 것을 포함한다.
분말은 카운터-롤링(counter-rolling) 메카니즘 또는 카운터-롤러(counter-roller)로 당업계에 알려진, 선택적 레이저 소결법에 사용하기 위해 개발된 도구를 사용하여 작업대 위에 펼친다. 연속적인 분말층들을 카운터-롤러를 사용하여 이미 형성된 층 상에 편 후, 레이저로 소결 또는 용융시킨다. 분말층을 표면상에 편 후, 레이저를 사용하여 레이저 에너지를 예정된 2차원 패턴으로 분말상에 가한다. 레이저는 레이저 빔 에너지가 충돌한 영역에서 분말을 함께 소결 또는 용융시킨다. 분말은 플라스틱, 금속, 중합체, 세라믹 또는 복합체일 수 있다.
그러나 종래 이러한 분말을 재료로 하는 3차원 프린터의 경우, 3차원 입체 성형 과정에서 작업대의 움직임 등에 의해 분말이 날리게 되는 문제점이 발생한다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여, 작업이 수행되는 과정에서 분말의 평탄화 여부를 레이저를 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 새로운 구조의 3차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 내부공간이 마련된 챔버; 상기 챔버의 내부로 일정량의 분말을 공급하는 분말 공급부; 상기 분말 공급부에서 공급된 분말이 일정 두께를 가지는 다수의 분말층으로 순차적으로 적층되면서 제조하고자 하는 제품이 용착되는 작업 테이블; 용착하고자 하는 패턴 형상의 외형선을 따라 상기 분말층에 레이저빔을 조사하는 상부 레이저 헤드부; 및
상기 작업 테이블 주변에 설치되고 분말 공급부로부터 공급되는 분말이 평탄화되었는지를 확인하기 위한 평탄화측정부; 를 포함한다.
상기 평탄화측정부는, 상기 작업 테이블 일측에 형성되는 수평 레이저 헤드부; 상기 레이저 출력기에 대향하는 부분에 형성되는 검출기; 및 상기 검출기로부터의 검출 결과에 따라 코터기를 이동하도록 하는 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 분말 공급부에서 공급된 분말 중 상기 작업 테이블에 적층된 분말층에 사용되지 못한 나머지 분말이 저장되는 분말 저장부;를 더 포함하고, 상기 작업 테이블 및 상기 분말 저장부는 일렬로 배치되고, 상기 코터기가 상기 분말 공급부에서 상기 작업대로 이동하면서 상기 작업대에 상기 분말층을 형성하고, 상기 코터기가 상기 작업대에서 상기 분말 저장부로 이동하면서 상기 작업대에 적층된 분말층에 사용되지 못한 분말을 상기 분말 저장부로 밀어 넣을 수 있다.
본 발명에 의한 3차원 메탈 프린터는 3차원 소결 과정에서 작업대 부근에서 날리는 분말을 흡수하여 성형되는 제품의 치수정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2 는 종래 3차원 프린터를 나타낸 도면,
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 의한 3 차원 프린터를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서는 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 종래 3차원 프린터를 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 프린터를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 프린터는 챔버(100)와, 분말 공급부(200)와, 작업 테이블(300)과, 상부 레이저 헤드부(400) 및 평탄화측정부(미도시)를 포함하여 이루어진다.
챔버(100)는 작업공간을 형성한다.
분말 공급부(200)는, 챔버(100)의 내부로 일정량의 분말을 공급한다.
작업테이블(300)은 분말 공급부(200)에서 공급된 분말이 일정 두께를 가지는 다수의 분말층으로 순차적으로 적층되면서 제조하고자 하는 제품이 융착되도록 작업대(310)가 설치된다. 작업대(310)는, 하부에 설치되는 피스톤 등을 이용해 수직 이동할 수 있도록 설치된다. 또한 작업대(310)는 상면에 놓여진 분말소재가 레이저에 의해 소결되면, 피스톤에 의해 아래로 수직 하강하여 소결된 분말소재 위에 새로운 분말소재가 일정두께로 적층 될 수 있도록 한다. 또한 작업대(310)에는 온도를 높여주기 위한 히터(미도시) 및 히터의 온도를 조절하기 위한 제어장치(미도시)가 설치될 수 있다. 히터로는 할로켄 히터가 사용될 수 있으며, 제어장치는 히터의 온도를 제어하여 작업대(310)에서 작업되는 분말을 정확한 온도로 가열될 수 있도록 한다.
상부 레이저 헤드부(400)는, 챔버(100) 상부에 위치하고, 융착하고자 하는 패턴 형상의 외형선을 따라 분말층에 레이저빔을 조사한다. 이러한 상부 레이저 헤드부(400)는 레이저 발생기(미도시) 및 반사경(미도시)를 포함하는 인쇄헤드(미도시)로 이루어진다. 상부 레이저 헤드부(400)는 분말소재를 녹여주기 위한 고출력 레이저를 발생시킨다. 상부 레이저 헤드부(400)를 고정하기 위한 마운팅 구조는 다양한 실시예가 가능하다. 상부 레이저 헤드부(400)는 외부전원을 공급받을 수 있도록 케이블과 연결되며, 케이블은 유연성 재질의 케이블 가이드에 수납된다. 레이저 스캔은 갈바노(galvano) 스캔방식 레이저 마킹 시스템이 이용될 수 있다.
평탄화측정부(미도시)는 분말 공급부(200)에서 상기 작업대(310)에 공급되는 분말층이 평탄화되었는지 여부를 측정한다.
이를 위해, 평탄화측정부는 수평 레이저 헤드부(미도시)와, 검출기(미도시)와, 제어부(520)를 포함할 수 있다. 여기서 헤드부는 작업 테이블 일측에 형성될 수 있고, 검출기는 레이저 출력기에 대향하는 부분에 형성될 수 있다. 또한 제어부는 검출기로부터 검출 결과에 따라 코터기(522)를 이동시킬 수 있다.
나아가, 작업대(310)에서 사용되지 못한 나머지 분말이 저장되는 분말 저장부(210);를 더 포함하고, 상기 분말 공급부(200), 상기 작업대(310) 및 상기 분말 저장부(210)는 상기 챔버(100)의 하부에 일렬로 배치되고, 코터기(522)가 상기 분말 공급부(200)에서 상기 작업대(310)로 이동하면서 상기 작업대(310)에 상기 분말층을 형성하고, 상기 코터기(522)가 상기 작업대(310)에서 상기 분말 저장부(210)로 이동하면서 상기 작업대(310)에 적층된 분말층에 사용되지 못한 분말을 상기 분말 저장부(210)로 밀어 넣을 수 있다.
본 발명에 의한 3차원 프린터는 상기 분말 공급부(200)에서 공급된 분말 중 작업대(310)에 적층된 분말층에 사용되지 못한 나머지 분말이 저장되는 분말 저장부(210);를 더 포함하고, 분말 공급부(200), 상기 작업대(310) 및 분말 저장부(210)는 챔버(100)의 하부에 일렬로 배치되고, 코터기(522)가 분말 공급부(200)에서 작업대(310)로 이동하면서 작업대(310)에 분말층을 형성하고, 코터기(522)가 작업대(310)에서 분말 저장부(210)로 이동하면서 작업대(310)에 적층된 분말층에 사용되지 못한 분말을 분말 저장부(210)로 밀어 넣을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 3차원 프린터는 컴퓨터를 포함할 수 있다. 컴퓨터는 3차원 프린터와 일체로 형성될 수 있다. 컴퓨터에는 다양한 3차원 조형물에 대한 데이터가 저장되어 있어, 3차원 프린터는 이를 위해 주물사와 같은 다양한 물체를 제작하는 것이 가능하다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 3차원 프린터에 의하면, 레이저 소견하는 부위에 흩날리는 분말을 흡수하여 성형되는 제품의 치수 안정성을 높이는 효과를 나타낸다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허등록청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 챔버
200 : 분말 공급부
210 : 분말 저장부
300 : 작업테이블
310 : 작업대
400 : 헤드부
520 : 제어부
522 : 코터기

Claims (3)

  1. 내부공간이 마련된 챔버;
    상기 챔버의 내부로 일정량의 분말을 공급하는 분말 공급부;
    상기 분말 공급부에서 공급된 분말이 일정 두께를 가지는 다수의 분말층으로 순차적으로 적층되면서 제조하고자 하는 제품이 용착되는 작업 테이블;
    용착하고자 하는 패턴 형상의 외형선을 따라 상기 분말층에 레이저빔을 조사하는 상부 레이저 헤드부; 및
    상기 작업 테이블 주변에 설치되고 분말 공급부로부터 공급되는 분말이 평탄화되었는지를 확인하기 위한 평탄화측정부; 를 포함하는 3차원 프린터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 평탄화측정부는,
    상기 작업 테이블 일측에 형성되는 수평 레이저 헤드부;
    상기 레이저 출력기에 대향하는 부분에 형성되는 검출기; 및
    상기 검출기로부터의 검출 결과에 따라 코터기를 이동하도록 하는 제어부;를 포함하는 3차원 프린터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분말 공급부에서 공급된 분말 중 상기 작업 테이블에 적층된 분말층에 사용되지 못한 나머지 분말이 저장되는 분말 저장부;를 더 포함하고,
    상기 작업 테이블 및 상기 분말 저장부는 일렬로 배치되고,
    상기 코터기가 상기 분말 공급부에서 상기 작업대로 이동하면서 상기 작업대에 상기 분말층을 형성하고, 상기 코터기가 상기 작업대에서 상기 분말 저장부로 이동하면서 상기 작업대에 적층된 분말층에 사용되지 못한 분말을 상기 분말 저장부로 밀어 넣는 3차원 프린터.
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