KR20180099199A - 3d 프린터의 z축 정렬 장치 및 이를 이용한 z축 정렬 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광경화성 플라스틱을 이용한 3D 프린터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 수조의 바닥면과 베드가 평행을 유지하도록 즉 수조의 바닥면과 베드의 하면이 맞닿았을때 틈이 발생하지 않도록 수조의 Z축을 조절하는 3D 프린터의 Z축 정렬 장치에 관한 것이다.

Description

3D 프린터의 Z축 정렬 장치 및 이를 이용한 Z축 정렬 방법{Z-axis Calibration Apparatus for Three Dimensional Printer and Z-axis Calibration Method using the Same}

본 발명은 광경화성 플라스틱을 이용한 3D 프린터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 수조의 바닥면과 베드가 평행을 유지하도록 즉 수조의 바닥면과 베드의 하면이 맞닿았을때 틈이 발생하지 않도록 수조의 Z축을 조절하는 3D 프린터의 Z축 정렬 장치 및 이를 이용한 Z축 정렬 방법에 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 캐드시스템과 같은 소프트웨어를 통해 모델링된 3차원 형상을 복수의 얇은 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터로 변경한 후에 이를 사용하여 판형 시트를 조형하고, 이를 적층하여 조형물을 완성한다. 이렇게 판 형태의 시트를 조형하는 방법으로 쾌속조형 방식이 개발되어있다.

이러한 쾌속조형 방식에는 석고나 나일론 등의 가루를 사용하는 파우더를 이용한 쾌속조형 방식, 광경화성 플라스틱을 녹인 액체(레진)를 사용하는 플라스틱 액체를 이용한 쾌속조형 방식, 플라스틱을 실처럼 자아낸 고체를 사용하는 플라스틱 실을 이용한 쾌속조형 방식으로 나눌 수 있다.

그 중에서도, 플라스틱 액체를 이용한 쾌속조형 방식은 광이 닿으면 딱딱하게 굳는 광경화성 수지가 담긴 수조에 광을 조사하여, 광이 조사된 광경화성 수지는 광의 모양에 따라 굳어 얇은 판형 시트가 생성되면 이를 적층하는 방식으로서, 크게 규제 액체면 방식과 자유 액체면 방식이 있다.

이중에서도 규제 액체면 방식은 투명 플레이트로 형성된 바닥면을 가진 수조의 하부에서 광을 조사하고, 수조에 베드를 위치시켜 수조 내에서 수지를 경화시킨다. 이어서, 경화된 수지경화물이 부착된 베드를 상향으로 이송시키면서 수지경화물을 형성시켜 적층하는 방식이다. 이때 수지경화물이 부착된 베드가 수조에서 용이하게 탈착되도록 베드와 투명 플레이트 사이에는 일정한 탄성을 갖는 필름이 부착된다. 위 필름은 시간이 지날수록 탄성이 떨어지고, 표면이 훼손되기 때문에 일정 시간이 지나면 교체해서 사용하게 된다.

도 1 내지 도 3에는 베드부(300)를 상방으로 이송시키면서 수지경화물 형성 시 베드부(300)의 틸팅을 나타낸 3D 프린더의 배드부(300) 개략 단면도가 도시되어 있다.

인쇄물 출력 시 3D 형상을 슬라이스 프로그램을 이용하여 복수의 층으로 나누게 되면, 층별로 이미지 파일이 형성되고, 각각의 이미지 파일을 토대로 3D 프린터는 순차적으로 수지를 경화 및 적층시키게 된다.

즉 도 1에 도시된 바와 같이 베드부(300)의 베드와 수조(100)의 필름 사이를 층의 두께만큼 이격시킨 상태에서 광 조사수단(200)을 통해 광을 조사하면, 수지가 경화되면서 샘플의 1층(Sample layer 1)이 형성된다.

다음으로 도 2에 도시된 바와 같이 베드부(300)를 상승시켜 샘플의 1층이 위 필름에서 탈착되도록 하고, 샘플의 1층과 바닥면 사이에 수지를 유입시킨다.

다음으로 도 3에 도시된 바와 같이 샘플의 1층과 필름 사이를 층의 두께만큼 이격시킨 상태에서 광을 조사하면, 수지가 경화되며 샘플의 2층(Sample layer 2)이 형성됨과 동시에 샘플의 1층에 적층되는 것이다.

도 4에는 베드부(300)와 수조(100)의 Z축 정렬을 나타낸 개략단면도가 도시되어 있다.

이때 도 4에 도시된 바와 가팅 베드부(300)의 베드(310) 하면과 수조(100)의 바닥면(110)이 정확하게 평행을 이루지 않으면, 샘플 형성 시 불량이 발생되거나 샘플이 베드에서 이탈되는 등의 문제가 발생한다. 동일 기술 분야에서는 이를 Z축 정렬이라고 하는데, 종래에는 Z축 정렬을 위해 다양한 방법이 시도되었으나, 사용자의 조작을 통해 Z축 정렬이 이루어지기 때문에 정확도가 떨어지고, 오랜 시간이 소요되는 단점이 있었다.

한국등록특허 제10-0606457호(2006.07.21.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 수조를 고정시키는 스테이지 및 홀더의 4 모서리부에 틸팅 장치를 구현하고, 이와 인접하여 압력 센서를 구비하여 압력 센서의 신호에 의해 틸팅 장치를 조절함으로써 수조의 Z축 정렬을 수행하게 되는, 3D 프린터의 Z축 정렬 장치 및 이를 이용한 Z축 정렬 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 일실시 예에 따른 3D 프린터의 Z축 정렬 장치는, 바닥이 투명한 레진 수조(100)와, 상기 레진 수조(100)의 하부에 위치하여 레진 수조(100)의 하부로 광을 조사하는 광 조사 수단(200)과, 상기 레진 수조(100)의 상측에 위치하며 레진 수조(100) 내부에 베드가 위치하도록 베드를 상하 이동시키는 베드부(300)를 포함하는, 3D 프린터에 있어서, 상기 3D 프린터는, 상측에 레진 수조(100)가 거치되는 스테이지(400); 및 상기 레진 수조(100)의 둘레를 상하 방향으로 틸팅하도록 상기 스테이지(400) 상에 구비되는 복수의 틸팅부(600); 를 포함한다.

이때, 상기 Z축 정렬 장치는, 상기 레진 수조(100)와 스테이지 사이에 구비되되, 복수의 틸팅부(600)에 대응되도록 상기 틸팅부(600)와 각각 근접 배치되어 상기 레진 수조(100)의 둘레부와 스테이지(400) 사이의 압력을 측정하는 압력 센서(700); 를 더 포함한다.

또한, 상기 틸팅부(600)는, 상기 스테이지(400)를 상하 관통하여 형성되며, 내주면에 암나사산이 형성된 틸팅나사홀(620); 및 상기 틸팅나사홀(620)에 나사 결합되어 일 방향 회전 시 하단이 상기 스테이지(400)의 하면 하방으로 돌출되도록 구성되는 틸팅나사(630); 를 포함한다.E

또한, 상기 Z축 정렬 장치는, 상기 스테이지(400)의 상측에 이격 배치되되, 하면이 상기 레진 수조(100)의 양측 상면에 각각 맞닿도록 한 쌍이 구비되며, 상기 레진 수조(100)가 스테이지(400) 상에 고정되도록 하방으로 압력을 가하는 홀더(500); 를 더 포함한다.

아울러, 상기 홀더(500)는, 한 쌍이 상기 레진 수조(100)의 길이 방향을 따라 이격 배치되며, 상기 레진 수조(100)의 폭 방향을 따라 형성되고, 상기 틸팅부(600)는, 상기 홀더(500)의 양단부 하단에 형성되되, 상기 틸팅나사홀(620)에 대응되도록 상기 홀더(500)를 관통하는 틸팅홀(610); 을 더 포함한다.

본 발명의 일실시 예에 따른 Z축 정렬 장치를 이용한 Z축 정렬 방법은, 상기 베드부를 하방으로 이동시켜 베드의 하면이 레진수조의 바닥면에 맞닿도록 하는 베드부 배치단계; 상기 틸팅부 중 어느 하나를 조절하여 상기 레진 수조의 모서리부를 상방으로 틸팅하는 수조 틸팅단계; 상기 틸팅부와 인접한 압력센서에서 일정 하중을 감지하여 신호를 보낼 경우 틸팅 작업을 중지하는 정밀 세팅 단계; 및 다른 틸팅부도 상기 수조 틸팅단계 및 정밀 세팅단계를 순차적으로 수행하는 반복 세팅단계; 를 포함한다.

또한, 상기 Z축 정렬 방법은, 상기 반복 세팅 단계; 이후 상기 홀더의 고정나사를 조여 상기 레진 수조를 상기 스테이지에 견고히 고정시키는 수조 고정 단계; 를 더 포함한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 3D 프린터의 Z축 정렬 장치 및 이를 이용한 Z축 정렬 방법은 수조의 4 모서리를 틸팅 장치를 통해 틸팅하기 때문에 Z축 정렬의 정확도가 높아지고, 압력 센서의 신호를 통해 적절한 틸팅 값을 직관적으로 확인하여 보다 정확하고 신속한 Z축 정렬이 가능한 장점이 있다.

도 1 내지 도 3은 일반적인 베드부의 틸팅 과정을 나타낸 개략단면도
도 4는 베드부와 수소의 Z축 정렬을 나타낸 개략단면도
도 5a는 본 발명의 광경화성 플라스틱을 이용한 3D 프린터의 사시도
도 5b는 광경화성 플라스틱을 이용한 3D 프린터의 단면도
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 Z축 정렬장치 사시도
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 Z축 정렬장치 평면도
도 8은 도 7의 AA' 단면도
도 9는 도 7의 BB' 단면도
도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 Z축 정렬장치의 작동상태 개략 단면도
도 12는 본 발명의 일실시 예에 따른 Z축 정렬방법 순서도

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5a에는 본 발명의 일실시 예에 따른 광경화성 플라스틱을 이용한 3D프린터(1000)의 사시도가 도시되어 있고, 도 5b에는 본 발명의 일실시 예에 따른 광경화성 플라스틱을 이용한 3D프린터(1000)의 단면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 위 3D프린터(1000)는 규제 액체면 방식으로 이루어지며, 바닥이 투명한 레진 수조(100)와, 레진 수조(100)의 하부에 위치하여 레진 수조(100)의 하부로 광을 조사하는 광 조사 수단(200)과, 레진 수조(100)의 상측에 위치하며 레진 수조(100) 내부에 베드가 위치하도록 베드를 상하 이동시키는 베드부(300)를 포함하여 구성된다.

위와 같은 구성의 3D프린터(1000)는 레진 수조(100)에 광경화성 플라스틱을 녹인 액체를 수용하고, 레진 수조(100)에 베드를 위치시킨 상태에서 광 조사 수단(200)을 통해 베드의 하면에 광을 조사하여 수지를 경화시킨다. 이어서, 경화된 수지경화물이 부착된 베드를 상향으로 이송시키면서 수지경화물을 형성시켜 적층하는 방식으로 3D조형물을 인쇄하게 된다.

이때 레진 수조(100)의 바닥면과 베드부(300)의 베드 하면이 맞닿았을 때 틈새 없이 정확하게 일치되어야 안정적인 인쇄가 가능하며, 이를 위해 레진 수조(100) 또는 베드부(300)의 수평을 조절하는 것을 Z축 정렬이라고 한다. 본 발명의 일실시 예에 따른 Z축 정렬 장치는 레진 수조(100)를 고정하는 고정부를 통해 레진 수조(100)의 수평을 조절하여 Z축을 정렬함에 그 특징이 있는바 이하 도면을 참조하여 본 발명의 Z축 정렬 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 6에는 본 발명의 일실시 예에 따른 Z축 정렬 장치(ZCA, Z-axis Calibration Apparatus)의 사시도가 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명의 일실시 예에 따른 Z축 정렬 장치(ZCA)의 평면도가 도시되어 있고, 도 8 및 도 9에는 본 발명의 일실시 예에 따른 Z축 정렬 장치(ZCA)의 단면도가 도시되어 있고, 도 10 및 도 11에는 본 발명의 일실시 예에 따른 Z축 정렬 장치(ZCA)의 작동상태 개략 단면도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 본 발명의 Z축 정렬 장치(ZCA)는 레진 수조(100), 베드부(300), 스테이지(400), 홀더(500), 틸팅부(600) 및 압력센서(700)를 포함하여 이루어진다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명은 레진 수조(100)의 틸팅을 조절하기 위해 레진 수조(100)의 바닥면에 베드부(300)의 베드가 맞닿도록 구성된다. 레진 수조(100)는 스테이지(400)의 상측에 거치되며, 양측이 홀더(500)를 통해 고정된다.

이때 홀더(500)의 중앙에는 레진 수조(100)의 고정을 위해 홀더(500)를 하방으로 가압하는 고정나사(550)가 구비되고, 홀더(500)의 길이 방향 일측과 타측에는 레진 수조(100)의 모서리부 틸팅(상하조절)을 위한 틸팅부(600)가 구비된다. 즉 틸팅부(600)는 한 쌍의 홀더에 각각 2개씩 총 4개가 구비되며, 이는 레진 수조(100)의 네 모서리부에 대응되도록 구비된다. 따라서 틸팅부(600)의 조절을 통해 레진 수조(100)의 네 모서리부를 상하로 조절 가능하게 한다.

도 8을 참조하면, 레진 수조(100)는 스테이지(400)의 상면에 거치되며, 양측 상면이 홀더(500)의 하면에 맞닿아 홀더(500)가 하방으로 가압됨에 스테이지(400)의 상면에 고정되도록 구성된다. 이를 위해 홀더(500)에는 고정나사(550)가 구비되며, 고정나사(550)는 홀더(500)의 고정홀(501)을 관통하여 스테이지(400)에 형성된 고정나사홀(401)에 나사 결합될 수 있다.

따라서 레진 수조(100)를 고정시키기 위해서는 고정나사(550)를 조이면 되고, 레진 수조(100)를 분리하기 위해서는 고정나사(550)를 풀면 된다.

도 9 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 Z축 정렬 장치(ZCA)는 레진 수조(100)의 모서리부를 틸팅하기 위해 틸팅부(600)가 구비된다. 틸팅부(600)는 홀더(500)의 길이방향 양측에 상하 길이방향으로 관통되는 틸팅홀(610)과, 틸팅홀(610)에 대응되는 스테이지(400) 상에 상하 길이방향으로 관통되는 틸팅나사홀(620)과, 틸팅나사홀(620)에 나사 결합되는 틸팅나사(630)를 포함하여 구성된다.

즉 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 틸팅나사(630)를 일방향 회전 시켜 틸팅나사(630)의 하단이 스테이지(400)의 하방으로 돌출(도 11)되면, 스테이지(400)의 하단에 구비된 거치대(900)의 상면을 밀어내어 스테이지(400)가 상방으로 들리도록 구성된다. 반대로 틸팅나사(630)를 타방향 회전 시켜 틸팅나사(630)의 돌출 정도가 줄어들면 스테이지(400)가 하방으로 내려앉도록 구성된다. 위와 같은 구성을 통해 레진 수조(100)의 모서리부가 상하 틸팅하게 된다.

이때 본 발명의 Z축 정렬 장치(ZCA)는 베드부(300)의 베드(310)와 정확하게 일치되는 지 여부를 판단하기 위해 압력 센서(700)를 이용한다. 압력 센서(700)는 레진 수조(100)와 스테이지(400) 사이에 구비되며, 위 틸팅부(600)와 인접 배치된다. 즉 압력 센서(700) 역시 레진 수조(100)의 네 모서리부에 각 한 개 씩 4개가 구비된다. 압력 센서(700)는 스테이지(400)가 상방으로 이동할 경우 스테이지(400) 및 베드(310)에 맞닿아 있는 수조(100)로부터 하중을 받게 되며, 이 하중을 측정하게 된다.

이하, 위와 같은 본 발명의 Z축 정렬 장치(ZCA)를 이용한 Z축 정렬 방법에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 12에는 본 발명의 일실시 예에 따른 Z축 정렬 방법에 대한 사시도가 도시되어 있다.

우선 베드부(300)의 베드(310)의 하면이 레진 수조(100)에 맞닿도록 베드부(300)를 하방으로 이동시키는 베드부 배치 단계(S10);를 수행한다. 이때 베드(310)와 레진 수조(100)의 바닥면이 완전히 맞닿아 일치하지 않고, 틈이 발생할 경우 다음과정을 수행하게 된다.

다음으로 레진 수조(100)의 네모서리에 구비된 틸팅부(600) 중 어느 하나를 이용해 레진 수조(100)의 어느 한 모서리를 틸팅하는 수조 틸팅 단계(S20);를 수행하게 된다. 틸팅부(600)를 이용하여 스테이지(400)를 상승시키면, 레진 수조(100)의 모서리부가 상승하게 된다. 이때, 레진 수조(100)는 베드(310)와 맞닿아 있기 때문에 스테이지(400)와 레진 수조(100) 사이에 위치한 압력 센서(700)에 하중이 가해지게 된다. 수조 틸팅 단계(S20) 수행 시에는 홀더(500)의 고정나사(550)를 풀어 레진 수조(100)의 틸팅이 보다 원활해지도록 한다.

다음으로 압력 센서(700)에 가해지는 하중이 정해진 값에 도달한 경우 압력 센서(700)에서 소리 또는 빛으로 신호를 전달하게 되고, 전달 받은 신호를 통해 틸팅 작업을 중단하는 정밀 세팅 단계(S30);를 수행하게 된다.

다음으로 나머지 3개의 틸팅부(600)도 위 수조 틸팅 단계(S20) 및 정밀 세팅 단계(S30)를 순차적으로 수행하는 반복 세팅 단계(S40);를 수행한다.

이런 식으로 레진 수조(100)의 네 모서리부가 스테이지(400)에 모두 동일한 하중이 가해지도록 틸팅부(600)를 조절하게 되면, 레진 수조(ZCA)의 Z축 정렬이 종료된다.

마지막으로 홀더(500)의 고정나사(550)를 조여 레진 수조(100)를 스테이지(400) 상에 견고히 고정시키는 수조 고정 단계(S50); 를 수행한다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

1000 : 3D 프린터
100 : 레진 수조
200 : 광 조사 수단
300 : 베드부
400 : 스테이지
500 : 홀더
600 : 틸팅부
700 : 압력 센서

Claims (7)

1. 바닥이 투명한 레진 수조(100)와, 상기 레진 수조(100)의 하부에 위치하여 레진 수조(100)의 하부로 광을 조사하는 광 조사 수단(200)과, 상기 레진 수조(100)의 상측에 위치하며 레진 수조(100) 내부에 베드가 위치하도록 베드를 상하 이동시키는 베드부(300)를 포함하는, 3D 프린터에 있어서,
   상기 3D 프린터는,
   상측에 레진 수조(100)가 거치되는 스테이지(400);
   상기 레진 수조(100)의 둘레를 상하 방향으로 틸팅하도록 상기 스테이지(400) 상에 구비되는 복수의 틸팅부(600);
   를 포함하는, 3D 프린터의 Z축 정렬 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 Z축 정렬 장치는,
   상기 레진 수조(100)와 스테이지 사이에 구비되되,
   복수의 틸팅부(600)에 대응되도록 상기 틸팅부(600)와 각각 근접 배치되어
   상기 레진 수조(100)의 둘레부와 스테이지(400) 사이의 압력을 측정하는 압력 센서(700);
   를 더 포함하는, 3D 프린터의 Z축 정렬 장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 틸팅부(600)는,
   상기 스테이지(400)를 상하 관통하여 형성되며, 내주면에 암나사산이 형성된 틸팅나사홀(620); 및
   상기 틸팅나사홀(620)에 나사 결합되어 일 방향 회전 시 하단이 상기 스테이지(400)의 하면 하방으로 돌출되도록 구성되는 틸팅나사(630);
   를 포함하는, 3D 프린터의 Z축 정렬 장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 Z축 정렬 장치는,
   상기 스테이지(400)의 상측에 이격 배치되되, 하면이 상기 레진 수조(100)의 양측 상면에 각각 맞닿도록 한 쌍이 구비되며,
   상기 레진 수조(100)가 스테이지(400) 상에 고정되도록 하방으로 압력을 가하는 홀더(500); 를 더 포함하는, 3D 프린터의 Z축 정렬 장치.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 홀더(500)는,
   한 쌍이 상기 레진 수조(100)의 길이 방향을 따라 이격 배치되며, 상기 레진 수조(100)의 폭 방향을 따라 형성되고,
   상기 틸팅부(600)는, 상기 홀더(500)의 양단부 하단에 형성되되,
   상기 틸팅나사홀(620)에 대응되도록 상기 홀더(500)를 관통하는 틸팅홀(610); 을 더 포함하는, 3D 프린터의 Z축 정렬 장치.
   
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 Z축 정렬 장치를 이용한 Z축 정렬 방법에 있어서,
   상기 베드부를 하방으로 이동시켜 베드의 하면이 레진수조의 바닥면에 맞닿도록 하는 베드부 배치단계;
   상기 틸팅부 중 어느 하나를 조절하여 상기 레진 수조의 모서리부를 상방으로 틸팅하는 수조 틸팅단계;
   상기 틸팅부와 인접한 압력센서에서 일정 하중을 감지하여 신호를 보낼 경우 틸팅 작업을 중지하는 정밀 세팅 단계; 및
   다른 틸팅부도 상기 수조 틸팅단계 및 정밀 세팅단계를 순차적으로 수행하는 반복 세팅단계;
   를 포함하는, 3D 프린터의 Z축 정렬 방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 Z축 정렬 방법은,
   상기 반복 세팅 단계; 이후
   상기 홀더의 고정나사를 조여 상기 레진 수조를 상기 스테이지에 견고히 고정시키는 수조 고정 단계;
   를 더 포함하는, 3D 프린터의 Z축 정렬 방법.

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