KR20180103200A - 3차원 프린터 및 이를 이용한 제조방법 - Google Patents

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KR20180103200A
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Abstract

본 발명은 내부에 작업 공간이 형성된 챔버와, 상기 챔버의 내측으로 레이저광을 조사하도록 형성된 레이저부와, 상기 레이저부의 레어저광을 조사받는 소재성형부와, 상기 소재성형부의 상방에서 이동되면서 소재를 균일하게 가압시켜 평탄화시키도록 형성된 평탄화부와, 상기 소재성형부의 상부에 위치된 소재 온도를 고온으로 유지하도록 형성되는 히터부 및, 상기 챔버의 내부 온도가 외부로 발산되지 않도록 형성되는 단열부를 포함하며, 상기 히터부에 의해 소재 온도가 상승되고 단열부에 의해 상승된 온도가 유지된 상태에서 레이저부의 레이저광이 평탄화부에 의해 평탄화된 소재로 조사되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터에 관한 것이다.

Description

3차원 프린터 및 이를 이용한 제조방법{3D printer and manufacturing method using it}
본 발명은 3차원 프린터에 관한 것으로, 고온에서 가공이 수행될 수 있는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식의 3차원 프린터 및 이를 이용한 제조방법에 관한 것이다.
3D 프린팅이란 입체로 디자인된 설계도를 이용하여 플라스틱, 금속, 세라믹 등 각종 소재(300)를 층층이 쌓아 제조하는 것을 말한다.
3D 프린팅는 소재(300)를 출력하는 방식에 따라 구분되는데, 분말로 된 소재(300)를 레이저로 소결하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식, 빛으로 소재(300)를 굳히는 SLA(Stereolithography) 방식, 플라스틱 필라멘트를 용융하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식이 널리 사용되고 있다.
이 중 SLS 방식은 분말로 된 소재(300)를 레이저로 소결하면서 층층을 형성하는 과정을 통하여 진행되며 레이저 소결 작업이 종료되면 소결되지 않은 분말 부분을 제거한다.
위와 같은 종래 SLS 방식은 주로 폴리아세탈(Polyacetal)을 소재(300)로 이용하여 실온에서 진행하였으나, 이 경우에 폴리아세탈(Polyacetal)은 약 섭씨 150도 이상의 고온에서는 녹아버리기 때문에 자동차의 엔진룸과 같은 고온 및 고강도의 재질을 요구하는 제품의 제작에는 사용할 수 없는 문제가 발생된다.
한국공개특허 제2016-0130592호
본 발명은 고온 및 고강도의 재질을 요구하는 제품을 제작할 수 있는 3차원 프린터 및 이를 이용한 제조방법를 제공하고자 한다.
본 발명은 내부에 작업 공간이 형성된 챔버와, 상기 챔버의 내측으로 레이저광을 조사하도록 형성된 레이저부와, 상기 레이저부의 레어저광을 조사받는 소재성형부와, 상기 소재성형부의 상방에서 이동되면서 소재를 균일하게 가압시켜 평탄화시키도록 형성된 평탄화부와, 상기 소재성형부의 상부에 위치된 소재 온도를 고온으로 유지하도록 형성되는 히터부 및, 상기 챔버의 내부 온도가 외부로 발산되지 않도록 형성되는 단열부를 포함하며, 상기 히터부에 의해 소재 온도가 상승되고 단열부에 의해 상승된 온도가 유지된 상태에서 레이저부의 레이저광이 평탄화부에 의해 평탄화된 소재로 조사되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터를 제공한다.
상기 소재성형부는 레이저부의 수직하방에 위치되도록 형성되는 소재고결유닛과, 상기 소재고결유닛의 일측에 형성되는 소재공급유닛을 포함할 수 있다.
상기 소재고결유닛에는 분말 소재가 상부에 위치되도록 상부가 평평한 판 형태인 작업테이블과, 상기 작업테이블의 하부에 형성되는 작업피스톤부와, 상기 작업피스톤부의 하방에 형성되는 작업실린더부를 포함할 수 있다.
상기 평탄화부는 챔버의 길이 방향으로 형성되는 가이드레일부분과, 상기 가이드레일부분을 따라서 이동되도록 형성된 수평이동구동부와, 상기 수평이동구동부에 일측이 연결되는 스퀴즈지지부 및, 상기 스퀴즈지지부에 연결되어 작업테이블 상의 소재를 가압하면서 평탄화시키도록 형성되는 스퀴즈부를 포함할 수 있다.
상기 스퀴즈부는 소재를 가압하도록 형성되는 롤러와, 상기 롤러의 전방에 형성되는 전방평탄부재와, 상기 롤러의 후방에 형성되는 후방평탄부재를 포함할 수 있다.
상기 롤러의 하부는 전방평탄부재 및 후방평탄부재의 하부보다 낮게 형성될 수 있다.
상기 히터부는 소재성형부의 작업테이블 측면 상부에서 작업테이블을 향해 위치되는 적외선히터와, 상기 적외선히터를 챔버의 천정에 고정시키도록 형성되는 브래킷을 포함할 수 있다.
상기 소재는 폴리이미드(PI: Polyimide)일 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 3차원 프린터를 이용하여 작업테이블 주위의 온도를 상승시키도록 히터를 작동하는 과정인 제1단계와, 상기 소재가 위치된 공급테이블을 상승시키고, 작업테이블은 하강시키는 과정인 제2단계와, 상기 평탄화부가 공급테이블의 상부에 위치된 소재를 작업테이블 위로 이동시키고 1차 평탄화 작업을 진행하는 과정인 제3단계와, 상기 작업테이블 상승하는 과정인 제4단계와, 상기 평탄화부가 이동하면서 작업테이블에서 소재를 평탄화시키는 2차 평탄화 작업이 진행되는 과정인 제5단계와, 상기 레이저부에서 레이저가 조사되어 작업테이블의 상부에 위치된 소재층에 모델링된 제품의 1개 층부가 형성되도록 가공하는 과정인 제6단계와, 상기 제2단계와 제6단계를 모델링된 제품의 전체 층부가 형성될 때까지 반복하는 과정인 제7단계 및, 상기 히터를 정지하는 과정인 제8단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터를 이용한 제조방법도 제공한다.
상기 1차 평탄화 작업을 진행하는 과정인 제3단계는 평탄화부가 공급테이블의 상부에 위치된 소재를 작업테이블 위로 이동시키고, 작업테이블에 위치된 소재층을 전방평탄부재에 의해 1차로 소재를 평탄화시키고, 롤러가 2차로 소재를 평탄화시키면서 가압되는 과정일 수 있다.
본 발명은 엔진룸과 같이 고온에서 견디는 고내열성과 금속 재질과 같이 밀한 구조로 형성되어 고강도를 가지는 3D 프린터 엔진룸 모형을 제작할 수 있는 효과가 발생된다.
도 1은 본 발명인 3차원 프린터의 제1실시예를 나타내는 개략 측단면도이다.
도 2는 본 발명인 3차원 프린터의 제1실시예를 나타내는 개략 정단면도이다.
도 3의 (a)는 스퀴즈부의 일부를 나타내는 확대 측단면도이고, 도 3의 (b)는 스퀴즈부의 일부를 나타내는 확대 정단면도이다.
도 4는 본 발명인 3차원 프린터의 작동 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명인 3차원 프린터에서 히터가 작동되는 과정을 나타내는 개략 측단면도이다.
도 6은 본 발명인 3차원 프린터에서 공급테이블 상승과 작업테이블 하강하는 과정을 나타내는 개략 측단면도이다.
도 7은 1차 평탄화 작업이 진행되는 중에 평탄화부가 공급테이블의 상부를 통과하는 과정을 나타내는 개략 측단면도이다.
도 8은 1차 평탄화 작업이 진행되는 중에 평탄화부가 작업테이블의 상부를 통과하는 과정을 나타내는 개략 측단면도이다.
도 9는 1차 평탄화 작업이 완료된 상태를 나타내는 개략 측단면도이다.
도 10은 제3단계 후에 작업테이블이 상승한 상태를 나타내는 개략 측단면도이다.
도 11은 제4단계 후에 2차 평탄화 작업이 진행되는 과정 중 평탄화부가 작업테이블 상부를 통과하는 것을 나타내는 개략 측단면도이다.
도 12는 가공하는 과정을 나타내는 개략 측단면도이다.
도 13은 본 발명인 3차원 프린터의 제2실시예를 나타내는 개략 정단면도이다.
도 14는 본 발명인 3차원 프린터의 제2실시예 작동 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 15는 본 발명인 3차원 프린터의 제2실시예에서 레이저부로부터 레이저광이 조사되는 것을 나타내는 개략 정단면도이다.
도 16은 제1형태가 형성된 상태에서 중앙피스톤부가 제1하부층의 두께만큼 하부로 이동한 상태를 나타내는 개략 정단면도이다.
도 17은 일측피스톤이 상승하는 과정을 나타내는 개략 정단면도이다.
도 18은 수평이동구동부를 타측으로 이동시키는 과정을 나타내는 개략 정단면도이다.
도 19은 타측스퀴즈부와 가압롤러부가 중앙피스톤부의 상부를 따라서 이동되는 것을 나타내는 개략 확대정면도이다.
도 20은 타측피스톤 상승하는 과정을 나타내는 개략 정단면도이다.
도 21은 제2형태를 형성하는 과정을 나타내는 개략 정단면도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
그리고, 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 제1실시예는 다음과 같다.
도 1은 본 발명인 3차원 프린터의 제1실시예를 나타내는 개략 측단면도이고, 도 2는 본 발명인 3차원 프린터의 제1실시예를 나타내는 개략 정단면도이다.
본 발명인 3차원 프린터(100)는 자동차의 엔진룸과 같은 고내열성 및 고강도의 재질을 요구하는 제품 등의 제작에 이용되는 프린터로서, 직육면체 또는 정육면체 형태인 챔버(110)와, 상기 챔버(110)의 외측 상부에 형성되어 챔버(110) 내측으로 레이저광을 조사(照射)하는 레이저부(130)와, 상기 챔버(110)의 내측 하방에 위치되도록 형성되어 상기 레이저부(130)의 레어저광을 조사받는 소재성형부(150)와, 상기 소재성형부(150)의 상방에서 이동되도록 형성되어 소재(300)를 균일하게 가압시키면서 평탄화시키는 평탄화부(170)와, 상기 소재성형부(150)의 상부에 위치된 소재(300) 온도를 고온으로 유지하기 위해 형성되는 히터부(190) 및, 상기 챔버(110)의 내부에 형성되어 챔버(110) 내부온도가 외부로 발산되지 않도록 작용하는 단열부(195)를 포함한다.
상기 챔버(110)는 내부에 상기 소재성형부(150), 평탄화부(170), 히터부(190) 및 단열부(195)가 위치된다.
상기 레이저부(130)는 챔버(110)의 외측 상방에 형성되어 소재성형부(150)로 레이저광을 조사(照射)하여 분말인 소재(300)를 고체로 고결시키는 작용을 한다.
이를 위해서 챔버(110)에는 상부에 투명창(112)이 형성되어 레이저부(130)로부터 조사되는 레이저광이 소재성형부(150)로 조사되도록 작용된다.
그리고 소재성형부(150)는 레이저부(130)의 수직하방에 위치되도록 형성되는 소재고결유닛(152)과, 상기 소재고결유닛(152)의 일측에 형성되는 소재공급유닛(156)과, 상기 소재공급유닛(156)의 일측에 형성되는 일측연장부(160) 및, 상기 소재고결유닛(152)의 타측에 형성되는 타측연장부(162)를 포함한다.
상기 소재고결유닛(152)에는 분말 소재(300)가 상부에 위치되도록 상부가 평평한 판 형태인 작업테이블(152-1)과, 상기 작업테이블(152-1)의 하부에 형성되는 작업피스톤부(153)와, 상기 작업피스톤부(153)의 하방에 형성되는 작업실린더부(154)를 포함한다.
상기 작업피스톤부(153)는 작업실린더부(154)에서 승하강할 수 있게 형성된다.
상기 소재고결유닛(152)은 작업테이블(152-1)의 상부에 위치된 분말 소재(300)에서 레이저광에 의한 고결이 발생되면 작업피스톤부(153)가 작업실린더부(154)에서 하부로 고결된 소재층만큼 이동되는 것을 반복하면서 원하는 제품이 형성되도록 작용한다.
상기 소재공급유닛(156)에는 소재(300)를 공급하기 위해 형성되는 공급테이블(156-1)과, 상기 공급테이블(156-1)의 하부에 형성되는 공급피스톤부(157)와, 상기 공급피스톤부(157)의 하방에 형성되는 공급실린더부(158)를 포함한다.
상기 공급피스톤부(157)는 공급실린더부(158)에서 승하강할 수 있게 형성된다.
그리고 상기 소재공급유닛(156)은 소재고결유닛(152)의 작업피스톤부(153)가 작업실린더부(154)에서 하부로 이동된 만큼 공급피스톤부(157)가 공급실린더부(158)에서 상승되도록 작동한다.
한편, 상기 소재고결유닛(152)과 소재공급유닛(156) 사이에는 격벽(252)이 형성되며, 상기 격벽(252)은 소재고결유닛(152)과 소재공급유닛(156) 사이를 분리시키는 작용을 한다.
그리고 상기 일측연장부(160)에는 일측수평부분(160a)과, 상기 일측수평부분(160a)에서 소재공급유닛(156)의 측벽으로 수직하게 연장 형성되는 일측수직부분(160b)을 포함한다.
상기 타측연장부(162)에는 타측수평부분(162a)과, 상기 타측수평부분(162a)에서 소재고결유닛(152)의 측벽으로 수직하게 연장 형성되는 타측수직부분(162b)을 포함한다.
상기 평탄화부(170)는 소재(300)를 평탄화시키면서 가압하는 작용을 한다.
이러한 평탄화부(170)는 챔버(110)의 외측에 형성되는 가이드레일부분(174)과, 상기 가이드레일부분(174)을 따라서 이동되도록 형성된 모터 등이 내장된 수평이동구동부(176)와, 상기 수평이동구동부(176)에 일측이 연결되고 타측은 챔버(110)의 수평관통공(113)을 관통하여 연장 형성되는 스퀴즈지지부(178) 및, 상기 스퀴즈지지부(178)에 연결되어 작업테이블(152-1) 상의 소재(300)를 가압하면서 평탄화시키도록 형성되는 스퀴즈부(179)를 포함한다.
상기 가이드레일부분(174)은 챔버(110)의 길이 방향으로 형성되며 수평이동구동부(176)가 레일을 따라 이동되도록 작용된다.
상기 수평이동구동부(176)는 상기 가이드레일부분(174)을 따라서 이동되면서 스퀴즈지지부(178)를 이동시킨다.
도 3의 (a)는 스퀴즈부(179)의 일부를 나타내는 확대 측단면도이고, 도 3의 (b)는 스퀴즈부(179)의 일부를 나타내는 확대 정단면도이다.
상기 스퀴즈부(179)는 소재(300)를 가압하도록 형성되는 롤러(179-1)와, 상기 롤러(179-1)의 전방에 형성되는 전방평탄부재(179-2)와, 상기 롤러(179-1)의 후방에 형성되는 후방평탄부재(179-3)를 포함한다.
상기 롤러(179-1)의 하부는 전방평탄부재(179-2) 및 후방평탄부재(179-3)의 하부보다 낮게 형성된다.
따라서, 롤러(179-1)는 전방평탄부재(179-2) 또는 후방평탄부재(179-3)에 의해 소재(300)가 평탄화된 것을 다시 가압하면서 이동해 소재(300)를 좀 더 밀도가 높게 압축하는 작용을 한다.
상기 히터부(190)는 소재성형부(150)의 작업테이블(152-1) 측면 상부에서 작업테이블(152-1)을 향해 위치되는 적외선히터(IR: Infrared Heater)(192-1, 192-2)와, 상기 적외선히터(192-1, 192-2)를 챔버(110)의 천정에 고정시키도록 형성되는 브래킷(193-1)을 포함한다.
상기 히터부(190)는 소재성형부(150)의 작업테이블(152-1)을 섭씨 200도에서 섭씨 250도 사이로 유지되도록 작동된다.
한편, 상기 단열부(195)는 챔버(110)의 내벽에 형성되어 히터부(190)에 의해 고온으로 유지되는 챔버(110) 내부의 공기가 외부로 배출되는 것을 차단하는 작용을 한다.
챔버(110)의 온도를 섭씨 200도부터 섭씨 250도까지 유지되도록 하는 이유는 상온에서 레이저로 섭씨 400도의 열을 소재(300)로 사용되는 폴리이미드(PI: Polyimide)에 가하면 순간적으로 타버리는 문제가 발생하여 이를 방지하도록 하기 위함이다.
즉, 적외선히터(192-1, 192-2)를 이용하여 챔버(110) 내부 온도를 먼저 섭씨 200도부터 섭씨 250도까지 유지되도록 하여 폴리이미드 소재(300)의 온도를 섭씨 200도부터 섭씨 250도까지 상승시킨 후에 레이저를 조사하여 급격한 온도차로 인해 타버리는 문제가 발생하지 않으면서 고결되도록 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명인 3차원 프린터를 이용한 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명인 3차원 프린터의 작동 과정을 나타내는 흐름도이다.
본 발명인 3차원 프린터(100)를 이용한 제조방법은 시작 과정을 거쳐 작업테이블 상의 온도를 상승시키기 위해 히터를 작동하는 과정인 제1단계(S100)와, 상기 제1단계(S100)를 거쳐 공급테이블(156-1) 상승하여 소재를 공급할 수 있는 위치로 이동시키고 작업테이블(152-1)을 하강시켜 소재를 공급받을 수 있는 위치로 이동시키는 과정인 제2단계(S200)와, 상기 제2단계(S200)를 거쳐 평탄화부(170)에 의해 1차 평탄화 작업을 진행하는 과정인 제3단계(S300)와, 상기 제3단계(S300)를 거쳐 작업테이블(152-1) 상승하는 과정인 제4단계(S400)와, 상기 제4단계(S400)를 거쳐 평탄화부(170)에 의해 2차 평탄화 작업이 진행되는 과정인 제5단계(S500)와, 상기 제5단계(S500)를 거쳐 가공하는 과정인 제6단계(S600)와, 상기 제6단계(S600)를 거쳐 상기 제2단계(S200) 내지 제6단계(S600)를 반복하는 과정인 제7단계(S700)와, 상기 제7단계(S700)를 거쳐 히터를 정지하는 과정인 제8단계(S800) 및, 상기 제8단계(S800)를 거쳐 종료하는 과정을 포함한다.
도 5는 본 발명인 3차원 프린터(100)에서 히터가 작동되는 과정을 나타내는 개략 측단면도이다.
상기 제1단계(S100)는 히터부(190)가 작동되어 작업테이블(152-1) 주위의 온도를 섭씨 200도 내지 섭씨 250도로 상승시키는 과정이다.
이 과정을 통하여 레이저 작업시에 소재(300)가 타버리지 않도록 하는 작용을 한다.
도 6은 본 발명인 3차원 프린터(100)에서 공급테이블(156-1) 상승과 작업테이블(152-1) 하강하는 과정을 나타내는 개략 측단면도이다.
상기 제2단계(S200)인 공급테이블(156-1) 상승과 작업테이블(152-1) 하강하는 과정은 상부에 소재(300)가 위치된 공급테이블(156-1)이 상승하여 평탄화부(170)의 스퀴즈부(179)에 의해 소재(300)가 이동될 수 있는 상태가 되는 과정과 작업테이블(152-1)이 하강하여 소재(300)가 평탄화부(170)의 스퀴즈부(179)에 의해 이동되어 작업테이블(152-1)의 상부 공간에 위치될 수 있도록 준비하는 과정이다.
도 7은 1차 평탄화 작업이 진행되는 중에 평탄화부(170)가 공급테이블(156-1)의 상부를 통과하는 과정을 나타내는 개략 측단면도이고, 도 8은 1차 평탄화 작업이 진행되는 중에 평탄화부(170)가 작업테이블(152-1)의 상부를 통과하는 과정을 나타내는 개략 측단면도이며, 도 9는 1차 평탄화 작업이 완료된 상태를 나타내는 개략 측단면도이다.
상기 제3단계(S300)인 1차 평탄화 작업 과정은 도 7과 같이 평탄화부(170)가 공급테이블(156-1)을 통과하면서 공급테이블(156-1)의 상부에 위치된 소재(300)를 작업테이블(152-1) 위로 이동시키고, 도 8과 같이 평탄화부(170)가 작업테이블(152-1)도 통과하면서 작업테이블(152-1)에 위치된 소재층을 평탄화시키는 과정이다.
이 과정에서 작업테이블(152-1)에 위치된 소재(300)는 전방평탄부재(179-2)에 의해 1차로 소재를 평탄화시키고, 롤러가 2차로 소재를 평탄화시키면서 가압된다.
이때 후방평탄부재(179-3)는 하부가 롤러(179-1)의 하부보다 높은 위치에 위치되어 소재(300)에 접촉되지 않은 상태로 이동된다.
도 10은 제3단계(S300) 후에 작업테이블(152-1)이 상승한 상태를 나타내는 개략 측단면도이다.
상기 제4단계(S400)인 작업테이블(152-1)이 상승하는 과정은 작업테이블(152-1)이 제2단계(S200)에서 하강한 깊이가 레이저가공을 진행하기 위한 깊이보다 더 깊게 들어가서 1차 평탄화를 거친 후에 2차 평탄화를 거치도록 하기 위해서 일부 다시 상승하는 과정이다.
도 9와 같이 평탄화부(170)가 타측수평부분(162a)의 상부에 위치된 상태에서 작업테이블(152-1)이 상승하여 도 10과 같이 소재층이 약간 상승하도록 작용되는 과정이다.
도 11은 제4단계(S400) 후에 2차 평탄화 작업이 진행되는 과정 중 평탄화부(170)가 작업테이블(152-1) 상부를 통과하는 것을 나타내는 개략 측단면도이다.
상기 제5단계(S500)인 2차 평탄화 작업 과정은 상기 제3단계(S300)에서 평탄화 과정을 진행하여 타측수평부분(162a)에 위치된 평탄화부(170)가 다시 일측수평부분(160a)으로 이동하면서 작업테이블(152-1)에서 후방평탄부재(179-3)가 1차로 소재(300)를 평탄화시키고, 롤러(179-1)가 2차로 소재(300)를 평탄화시키면서 가압하는 과정이다.
이 경우에 전방평탄부재(179-2)는 하부가 롤러(179-1)의 하부보다 높은 위치에 있기 때문에 소재(300)에 접촉되지 않고 이동된다.
도 12는 가공하는 과정을 나타내는 개략 측단면도이다.
상기 제6단계(S600)인 가공하는 과정은 레이저부(130)에서 레이저가 조사되어 작업테이블(152-1)의 상부에 위치된 소재층에, 사전에 모델링된 제품의 1개 층부(301)가 형성되는 과정이다.
이때 소재(300)는 히터부(190)에 의해 이미 섭씨 200도 내지 섭씨 250도로 가열된 상태이므로 레이저의 섭씨 400도 정도의 온도에 순간적으로 타버리지 않고 고결작용이 진행된다.
그리고 이미 1차 평탄화 과정과 2차 평탄화 과정을 통하여 소재층이 매우 밀도가 높아져 레이저광에 의해 고결된 부분도 매우 강도가 높게 형성된다.
상기 제7단계(S700)는 상기 제2단계(S200) 내지 제6단계(S600)를 반복하면서 작업을 진행하여 전체 층부를 제작하는 과정이다.
상기 제8단계(S800)는 제7단계(S700)를 거쳐 제품이 완성되면 히터(192-1, 192-2)를 꺼서 정지시키는 작업이다.
한편, 본 발명의 제2실시예는 다음과 같다.
도 13은 본 발명인 3차원 프린터의 제2실시예를 나타내는 개략 정단면도이다.
본 발명인 3차원 프린터(1100)는 자동차의 엔진룸과 같은 고내열성 및 고강도의 재질을 요구하는 제품 등의 제작에 이용되는 프린터로서, 내부가 외부로부터 밀폐된 챔버(1110)와, 상기 챔버(1110)의 내측 상부에 형성된 레이저부(1130)와, 상기 레이저부(1130)의 하방에 위치되도록 형성된 소재성형부(1150)와, 상기 소재성형부(1150)의 상방에서 이동되면서 소재(300)를 균일하게 가압시키면서 평탄화시키도록 형성된 평탄화부(1170)와, 상기 챔버(1110)의 내부 온도를 고온으로 유지하기 위해 형성되는 적외선히터(1IR: Infrared Heater)(1190) 및, 상기 챔버(1110)의 내부 온도가 외부로 발산되지 않도록 챔버(1110)의 외측을 감싸는 형태로 형성되는 단열부(1195)를 포함한다.
상기 챔버(1110)는 직육면체 또는 정육면체 형태로서 내부에 상기 레이저부(1130), 소재성형부(1150), 평탄화부(1170) 및 적외선히터(1190)가 위치된다. 상기 단열부(1195)는 챔버(1110)의 외부 둘레에 위치된다.
상기 레이저부(1130)는 소재성형부(1150)로 레이저광을 조사(1照射)하여 분말인 소재(300)를 고체로 고결시키는 작용을 한다.
상기 레이저부(1130)는 필요한 경우에 도 1과 같이 챔버(1110)의 외부에 설치하는 것도 가능하다.
그리고 소재성형부(1150)는 레이저부(1130)의 수직하방에 위치되도록 형성되는 소재고결유닛(1152)과, 상기 소재고결유닛(1152)의 양측에 형성되는 일측소재공급유닛(1156) 및 타측소재공급유닛(1166)과, 상기 일측소재공급유닛(1156)의 일측에 형성되는 일측연장부(1160) 및, 상기 타측소재공급유닛(1166)의 타측에 형성되는 타측연장부(1162)를 포함한다.
상기 소재고결유닛(1152)에는 분말 소재(300)가 상부에 위치되도록 상부가 평평한 판 형태이고 단면이 "T자" 형태인 중앙피스톤부(1153)와, 상기 중앙피스톤부(1153)의 하방에 형성되는 중앙실린더부(1154)를 포함한다.
상기 중앙피스톤부(1153)는 중앙실린더부(1154)에서 승하강할 수 있게 형성된다.
상기 소재고결유닛(1152)은 중앙피스톤부(1153)의 상부에 위치된 분말 소재(300)에서 레이저광에 의한 고결이 발생되면 중앙피스톤부(1153)가 중앙실린더부(1154)에서 하부로 고결된 소재층만큼 이동되는 것을 반복하면서 원하는 제품이 형성되도록 작용한다.
상기 일측소재공급유닛(1156)에는 상기 "T자" 형태인 일측피스톤부(1157)와, 상기 일측피스톤부(1157)의 하방에 형성되는 일측실린더부(1158)를 포함한다.
상기 일측피스톤부(1157)는 일측실린더부(1158)에서 승하강할 수 있게 형성된다.
상기 일측소재공급유닛(1156)은 소재고결유닛(1152)의 중앙피스톤부(1153)가 중앙실린더부(1154)에서 하부로 고결된 제1하부층(1510)만큼 이동된 후에 일측피스톤부(1157)가 일측실린더부(1158)에서 상기 고결된 제1하부층(1510)만큼 상승되도록 기능한다.
그리고 상기 타측소재공급유닛(1166)에는 상기 "T자" 형태인 타측피스톤부(1167)와, 상기 타측피스톤부(1167)의 하방에 형성되는 타측실린더부(1168)를 포함한다.
상기 타측소재공급유닛(1166)은 일측피스톤부(1157)가 일측실린더부(1158)에서 상기 고결된 제1하부층(1510)만큼 상승된 후에 타측피스톤부(1167)가 타측실린더부(1168)에서 상기 고결된 제1하부층(1510)만큼 상승되도록 기능한다.
상기 소재고결유닛(1152)과 일측소재공급유닛(1156) 사이에는 일측 격벽(1252)이 형성되고, 상기 소재고결유닛(1152)과 타측소재공급유닛(1166) 사이에는 타측 격벽(1352)이 형성된다.
상기 일측 격벽(1252)은 소재고결유닛(1152)과 일측소재공급유닛(1156) 사이를 분리시키는 작용을 하고, 타측 격벽(1352)은 소재고결유닛(1152)과 타측소재공급유닛(1166) 사이를 분리시키는 작용을 한다.
상기 일측연장부(1160)에는 일측수평부분(1160a)과, 상기 일측수평부분(1160a)에서 일측소재공급유닛(1156)의 측벽으로 수직하게 연장 형성되는 일측수직부분(1160b)을 포함한다.
상기 타측연장부(1162)에는 타측수평부분(1162a)과, 상기 타측수평부분(1162a)에서 타측소재공급유닛(1166)의 측벽으로 수직하게 연장 형성되는 타측수직부분(1162b)을 포함한다.
상기 평탄화부(1170)는 소재(300)를 평탄화시키면서 가압하는 작용을 한다.
이러한 평탄화부(1170)는 챔버(1110)의 천정 일측과 타측에 형성되는 수직로드부분(1172)과, 상기 2개의 수직로드부분(1172) 사이에 형성되는 수평가이드레일부분(1174)과, 상기 수평가이드레일부분(1174)을 따라서 이동되도록 형성된 모터 등이 내장된 수평이동구동부(1176)와, 상기 수평이동구동부(1176)의 하부에 나란히 형성된 3개의 실린더(1178a, 178b, 178c)와, 상기 3개의 실린더(1178a, 178b, 178c) 중 중앙실린더(1178a)에 형성된 가압롤러부(1180)와, 상기 3개의 실린더(1178a, 178b, 178c) 중 일측실린더(1178b)에 형성된 일측스퀴즈부(1182) 및 상기 3개의 실린더(1178a, 178b, 178c) 중 타측실린더(1178c)에 형성된 타측스퀴즈부(1184)를 포함한다.
상기 수직로드부분(1172)은 수평가이드레일부분(1174)과 하나로 형성되어 수평이동구동부(1176)가 수평가이드레일부분(1174)을 따라서 이동되도록 지지하는 작용을 한다.
상기 가압롤러부(1180)는 중앙실린더(1178a)에서 승하강하도록 형성된 중앙피스톤로드(1180a)와, 상기 중앙피스톤로드(1180a)의 하부에 형성된 가압롤러(1180b)를 포함한다.
상기 중앙피스톤로드(1180a)가 하강하면 가압롤러(1180b)는 소재(300)를 누른 상태에서 수평이동구동부(1176)의 이동에 따라서 회전되면서 이동된다.
상기 일측스퀴즈부(1182)는 일측실린더(1178b)에서 승하강하도록 형성되는 일측피스톤로드(1182a)와, 상기 일측피스톤로드(1182a)의 하부에서 가압롤러(1180b) 방향으로 경사지게 형성되는 일측스퀴즈(1182b)를 포함한다.
상기 일측스퀴즈부(1182)는 일측피스톤로드(1182a)가 일측실린더(1178b)에서 하강한 후에 일측스퀴즈(1182b)가 소재(300)를 평탄화시키도록 작용한다.
상기 타측스퀴즈부(1184)는 타측실린더(1178c)에서 승하강하도록 형성되는 타측피스톤로드(1184a)와, 상기 타측피스톤로드(1184a)의 하부에서 가압롤러(1180b) 방향으로 경사지게 형성되는 타측스퀴즈(1184b)를 포함한다.
상기 타측스퀴즈부(1184)는 타측피스톤로드(1184a)가 타측실린더(1178c)에서 하강한 후에 타측스퀴즈(1184b)가 일측스퀴즈(1182b)와 반대 방향으로 소재(300)를 평탄화시키도록 작용한다.
상기 적외선히터(1190)는 챔버(1110)의 온도를 섭씨 200도부터 섭씨 250도까지 유지되도록 작용한다.
상기와 같이 구성된 본 발명인 3차원 프린터를 이용한 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 14는 본 발명인 3차원 프린터의 제2실시예 작동 과정을 나타내는 흐름도이다.
본 발명인 3차원 프린터(1100)를 이용한 제조방법은 시작 과정을 거쳐 제1형태(1512)를 형성하는 과정인 제1단계(S100-1)와, 상기 제1단계(S100-1)를 거친 후에 진행되는 중앙피스톤부 하강하는 과정인 제2단계(S200-1)와, 상기 제2단계(S200-1)를 거친 후에 진행되는 일측피스톤부(1157)가 상승하는 과정인 제3단계(S300-1)와, 상기 제3단계(S300-1)를 거친 후에 진행되는 수평이동구동부(1176)가 타측으로 이동되는 과정인 제4단계(S400-1)와, 상기 제4단계(S400-1)를 거친 후에 진행되는 타측피스톤 상승하는 과정인 제5단계(S500-1)와, 상기 제5단계(S500-1)를 거친 후에 진행되는 수평이동구동부(1176)를 일측으로 이동하는 과정인 제6단계(S600-1)와, 상기 제6단계(S600-1)를 거친 후에 진행되는 제2형태(1522)를 형성하는 과정인 제7단계(S700-1) 및, 상기 제7단계(S700-1)를 거친 후에 종료하는 과정을 포함한다.
도 15는 본 발명인 3차원 프린터(1100)에서 레이저부(1130)로부터 레이저광(1132)이 조사되는 것을 나타내는 개략 정단면도이다.
상기 제1단계(S100-1)인 제1형태(1512)를 형성하는 과정은 도 15와 같이 레이저부(1130)로부터 레이저광(1132)이 조사되어 소재고결유닛(1152)의 중앙피스톤부(1153) 상부에 위치된 분말 소재(300) 중 미리 정해진 부분을 고결하여 제1하부층(1510)에 제1형태(1512)가 형성되는 과정이다.
도 16은 제1형태가 형성된 상태에서 중앙피스톤부(1153)가 제1하부층(1510)의 두께만큼 하부로 이동한 상태를 나타내는 개략 정단면도이다.
상기 제2단계(S200-1)인 중앙피스톤부(1153)가 하강하는 과정은 도 16과 같이 제1단계(S100-1)를 거쳐 제1하부층(1510) 모양이 형성된 상태에서 중앙피스톤부(1153)가 제1하부층(1510)의 두께만큼 하부로 이동하는 과정이다.
도 17은 일측피스톤이 상승하는 과정을 나타내는 개략 정단면도이다.
상기 제3단계(S300-1)인 일측피스톤부(1157)가 상승하는 과정은 일측피스톤부(1157)가 대략 제1하부층(1510)의 두께만큼 상승하도록 하여 일측피스톤부(1157)의 상부에 형성된 소재(300)의 상부 위치도 같은 높이로 상승하도록 하는 과정이다.
그리고 이와 동시에 평탄화부(1170)의 가압롤러부(1180)와 타측스퀴즈부(1184)가 하강하는 과정이 진행된다.
상기 타측스퀴즈부(1184)는 일측피스톤부(1157)가 상승하기 전의 소재(300) 상부 위치까지 하강하고, 가압롤러부(1180)의 가압롤러(1180b)는 타측스퀴즈부(1184)의 타측스퀴즈(1184b) 하강 위치보다 좀 더 아래로 하강하여 타측스퀴즈부(1184)에 의해 평탄화된 소재(300)를 가압하면서 이동되도록 작용한다.
상기 제2단계(S200-1)와 제3단계(S300-1)가 동시에 진행되는 것도 가능하다.
도 18은 수평이동구동부(1176)를 타측으로 이동시키는 과정을 나타내는 개략 정단면도이고, 도 19은 타측스퀴즈부(1184)와 가압롤러부(1180)가 중앙피스톤부(1153)의 상부를 따라서 이동되는 것을 나타내는 개략 확대정면도이다.
상기 제4단계(S400-1)인 수평이동구동부(1176)가 타측으로 이동되는 과정은 수평이동구동부(1176)가 타측으로 이동되면서 타측스퀴즈부(1184)가 일측피스톤부(1157)의 상부에 위치된 소재(300)를 중앙피스톤부(1153)의 상부로 이동시키면서 평평하게 하는 작용과, 가압롤러(1180b)가 소재(300)를 가압시키면서 평평하게 하는 작용을 포함한다.
이를 통하여 중앙피스톤부(1153)의 상부에는 제1하부층(1510) 위에 새로운 층인 제2하부층(1520)의 일부가 형성된다.
상기 제2하부층(1520)의 일부는 제1하부층(1510)의 높이보다 높이가 낮다.
도 20은 타측피스톤 상승하는 과정을 나타내는 개략 정단면도이다.
상기 제4단계(S400-1)를 거친 후에 진행되는 제5단계(S500-1)인 타측피스톤부(1167)가 상승하는 과정은 제4단계(S400-1)에서 수평이동구동부(1176)가 상기 타측수평부분(1162a)까지 이동된 후에 타측피스톤부(1167)가 상승하는 과정이다.
그리고 타측피스톤부(1167)가 상승하는 것과 동시에 타측스퀴즈부(1184)는 상승하고, 일측스퀴즈부(1182)가 하강하여 일측스퀴즈(1182b)가 소재(300)층의 상부에 위치된다.
이때 타측피스톤부(1167)의 상부에 위치된 소재층의 상부면은 타측수평부분(1162a)에 위치된 일측스퀴즈(1182b)의 하부보다 높은 위치에 있다.
상기 제5단계(S500-1)를 거친 후에 진행되는 제6단계(S600-1)인 수평이동구동부(1176)를 일측으로 이동하는 과정은 도 20에서 일측스퀴즈(1182b)가 타측피스톤부(1167)의 상부에 위치된 소재(300)를 중앙피스톤부(1153)의 상부로 밀면서 평탄화시키고 가압롤러(1180b)는 소재(300)를 누른 상태에서 수평이동구동부(1176)의 이동에 따라서 회전이동되면서 중앙피스톤부(1153)의 상부에 위치된 소재(300)가 밀하게 가압됨과 동시에 평탄화되도록 작용한다.
본 발명은 상기 제4단계(S400-1)인 수평이동구동부(1176)가 타측으로 이동되는 과정과 제6단계(S600-1)인 수평이동구동부(1176)를 일측으로 이동하는 과정을 통하여 중앙피스톤부(1153)의 상부에 밀도가 높은 제2하부층(1520)을 형성하는 효과가 발생된다.
도 21은 제2형태를 형성하는 과정을 나타내는 개략 정단면도이다.
상기 제6단계(S600-1)를 거친 후에 진행되는 제2형태를 형성하는 과정은 제6단계(S600-1)를 거치면서 수평이동구동부(1176)가 일측으로 이동되어 일측수평부분(1160a)의 상방에 위치된 상태에서 레이저부(1130)가 레이저광을 조사하여 중앙피스톤부(1153)의 상부에 위치된 소재(300)의 제2하부층(1520)에 이미 설계된 형태로 소재(300)를 고결시키는 과정이다.
이를 통하여 제1하부층(1510)에 형성된 제1형태(1512)와 제2하부층(1520)에 형성된 제2형태(1522)가 완성되고, 이후 이러한 과정을 반복함으로써 전체적인 형태가 완성된다.
본 발명은 상기와 같은 과정을 통하여 엔진룸과 같이 고온에서 견디는 고내열성과 금속 재질과 같이 밀한 구조로 형성되어 고강도를 가지는 3D 프린터 엔진룸 모형을 제작할 수 있는 효과가 발생된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 3차원 프린터 110: 챔버
130: 레이저부 150: 소재성형부
152: 소재고결유닛 156: 소재공급유닛
160: 일측연장부 162: 타측연장부
170: 평탄화부 190: 히터부
195: 단열부 300: 소재(300)

Claims (10)

  1. 내부에 작업 공간이 형성된 챔버와,
    상기 챔버의 내측으로 레이저광을 조사하도록 형성된 레이저부와,
    상기 레이저부의 레어저광을 조사받는 소재성형부와,
    상기 소재성형부의 상방에서 이동되면서 소재를 균일하게 가압시켜 평탄화시키도록 형성된 평탄화부와,
    상기 소재성형부의 상부에 위치된 소재 온도를 고온으로 유지하도록 형성되는 히터부 및,
    상기 챔버의 내부 온도가 외부로 발산되지 않도록 형성되는 단열부를 포함하며,
    상기 히터부에 의해 소재 온도가 상승되고 단열부에 의해 상승된 온도가 유지된 상태에서 레이저부의 레이저광이 평탄화부에 의해 평탄화된 소재로 조사되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 소재성형부는
    레이저부의 수직하방에 위치되도록 형성되는 소재고결유닛과,
    상기 소재고결유닛의 일측에 형성되는 소재공급유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 소재고결유닛에는
    분말 소재가 상부에 위치되도록 상부가 평평한 판 형태인 작업테이블과,
    상기 작업테이블의 하부에 형성되는 작업피스톤부와,
    상기 작업피스톤부의 하방에 형성되는 작업실린더부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평탄화부는
    챔버의 길이 방향으로 형성되는 가이드레일부분과,
    상기 가이드레일부분을 따라서 이동되도록 형성된 수평이동구동부와,
    상기 수평이동구동부에 일측이 연결되는 스퀴즈지지부 및,
    상기 스퀴즈지지부에 연결되어 작업테이블 상의 소재를 가압하면서 평탄화시키도록 형성되는 스퀴즈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 스퀴즈부는
    소재를 가압하도록 형성되는 롤러와,
    상기 롤러의 전방에 형성되는 전방평탄부재와,
    상기 롤러의 후방에 형성되는 후방평탄부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 롤러의 하부는 전방평탄부재 및 후방평탄부재의 하부보다 낮게 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 히터부는
    소재성형부의 작업테이블 측면 상부에서 작업테이블을 향해 위치되는 적외선히터와,
    상기 적외선히터를 챔버의 천정에 고정시키도록 형성되는 브래킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 소재는 폴리이미드(PI: Polyimide)인 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  9. 청구항 1의 3차원 프린터를 이용하여 작업테이블 주위의 온도를 상승시키도록 히터를 작동하는 과정인 제1단계와,
    상기 소재가 위치된 공급테이블을 상승시키고, 작업테이블은 하강시키는 과정인 제2단계와,
    상기 평탄화부가 공급테이블의 상부에 위치된 소재를 작업테이블 위로 이동시키고 1차 평탄화 작업을 진행하는 과정인 제3단계와,
    상기 작업테이블 상승하는 과정인 제4단계와,
    상기 평탄화부가 이동하면서 작업테이블에서 소재를 평탄화시키는 2차 평탄화 작업이 진행되는 과정인 제5단계와,
    상기 레이저부에서 레이저가 조사되어 작업테이블의 상부에 위치된 소재층에 모델링된 제품의 1개 층부가 형성되도록 가공하는 과정인 제6단계와,
    상기 제2단계와 제6단계를 모델링된 제품의 전체 층부가 형성될 때까지 반복하는 과정인 제7단계 및,
    상기 히터를 정지하는 과정인 제8단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터를 이용한 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 1차 평탄화 작업을 진행하는 과정인 제3단계는
    평탄화부가 공급테이블의 상부에 위치된 소재를 작업테이블 위로 이동시키고, 작업테이블에 위치된 소재층을 전방평탄부재에 의해 1차로 소재를 평탄화시키고, 롤러가 2차로 소재를 평탄화시키면서 가압되는 과정인 것을 특징으로 하는 3차원 프린터를 이용한 제조방법.
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