KR20180109042A - 다종 소재용 3d 프린팅 장치 및 다종 소재 3d 프린팅 방법 - Google Patents

다종 소재용 3d 프린팅 장치 및 다종 소재 3d 프린팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 두 개 이상의 라인을 포함하는 재료 이송부; 재료 이송부의 각 라인 상에 적어도 일 종의 프린팅 재료를 공급하는 재료 공급부; 재료 공급부를 통하여 공급된 재료의 두께를 제어하는 두께 제어부; 두께 제어부를 통하여 두께가 제어된 재료를 기설정된 형상으로 경화하고, 일 라인상의 재료를 경화한 후, 타 라인으로 이동하여 타 라인상의 재료를 경화하는 3D 프린팅 모듈; 3D 프린팅 모듈에 의하여 경화된 재료를 세척 및 건조하는 재료 처리 모듈; 및 프린팅에 사용되지 않은 재료를 회수하는 회수 모듈을 포함한다.

Description

다종 소재용 3D 프린팅 장치 및 다종 소재 3D 프린팅 방법{3D PRINTING DEVICE FOR MULTIPLE MATERIAL AND 3D PRINTING METHOD}
본 발명은 다종 소재용 3D 프린팅 장치 및 다종 소재가 적용 가능한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
3D 프린터는 기업에서 물건을 제품화하기 전에 시제품을 만들기 위한 용도로 개발되었다. 1980년대 초에 미국의 3D 시스템즈 사에서 플라스틱 액체를 굳혀 입체 물품을 만들어내는 프린터가 처음으로 개발된 3D 프린터로 알려져 있다. 플라스틱 소재에 국한되었던 초기 단계에서 발전하여 나일론과 금속 소재로 범위가 확장되었고, 산업용 시제품뿐만 아니라 여러 방면에서 상용화 단계로 진입하였다.
3D 프린팅 단계는 크게 모델링(modeling), 프린팅(printing), 피니싱(finishing)으로 이루어진다. 모델링은 3D 도면을 제작하는 단계로, 3D CAD(computer aided design)나 3D 모델링 프로그램 또는 3D 스캐너 등을 이용하여 제작하는 것이다. 프린팅은 모델링 과정에서 제작된 3D 도면을 이용하여 물체를 만드는 단계로, 적층가공법 등으로 작업을 진행하는 것이다. 이때 소요시간은 제작물의 크기와 복잡도에 따라 다르다. 피니싱은 산출된 제작물에 대해 보완 작업을 하는 단계로, 색을 칠하거나 표면을 연마하거나 부분 제작물을 조립하는 등의 작업을 의미한다.
한편, 2차원 구조체를 한 층씩 적층하여 3차원 구조체를 만드는 3D 프린팅 기법은 파우더(고분자 및 금속 등의 가루)나 액상 또는 화이어 형태의 소재를 층(레이어)으로 겹겹이 쌓아 입체 형상을 만들어내는 방식이다. 레이어가 얇을수록 정밀한 형상을 얻을 수 있다. 더욱 상세한 분류는 하기에서 설명하도록 한다.
Material Extrusion은 주로 필라멘트 형태의 열가소성 물질을 노즐안에서 녹여내고 원하는 형태를 만드는데 필요한 부분에 녹인 물질을 밀어내어 굳히면서 밑에서부터 쌓아올리는 방법을 의미한다. 해당 방식은 다양한 소재를 비교적 용이하게 적용할 수 있다는 장점이 있으나 표면이 거칠고 제작 속도가 다른 방식에 비해 느리다는 문제점이 있다.
Vat photopolymerization 방식은 광경화성 액체 수지가 담긴 수조에 레이저 혹은 UV빔을 투사하여 광원이 닿는 부분을 경화시켜 쌓는 방식을 의미한다. 해당 방식은 정밀도가 높아 표면이 매끄럽고 정교하지만 제작 단가가 다른 방식의 프린터에 비해 비싸다는 단점이 있다.
Powder bed fusion 방식은 SLS(Selective Laser Sintering)방식으로 대표되며 대량의 작은 분말형태의 플라스틱, 금속, 유리 덩어리를 레이저로 녹인뒤 응고시키며 층을 쌓아 입체적으로 조형하는 방식이다. SLS은 속도가 빠르고 사용하는 재료가 광범위하기 때문에 재료의 한계성을 갖는 3D 프린터의 단점을 보완하는 큰 장점이 있다. 다만, 분말 덩어리의 크기에 따라 제품의 생산 가능 크기가 제한된다는 점과 가격이 다른 방식에 비해 매우 비싸다는 단점이 있다.
Binder jetting 방식은 분말형태의 재료에 풀과 같은 접착제 역할을 하는 바인더용액을 뿌려 분말을 결합시키는 방식을 의미한다.
Material jetting 방식은 잉크젯 프린터와 같은 방식으로 잉크형태의 재료를 직접 뿌려 2차원 구조를 만든 뒤 그것을 반복적으로 쌓아올려 3차원 형상을 제조하고 UV빔 등에 의해 경화시키는 방식을 의미한다.
Sheet lamination 방식은 종이 혹은 필름형상으로 제조된 소재를 한층씩 쌓고 레이저 혹은 커터로 형상을 제조한 후 다시 같은 공정을 반복하여 3차원 형상을 제조하는 방식을 의미한다.
또한, directed energy deposition (DED)방식은 주로 금속에 적용되며 분말이나 와이어 상의 소재를 고출력 레이저 빔 표면에 직접 그리고 동시에 분사하여 소재를 녹여 3차원 형태로 쌓아올리는 방식을 의미한다.
한편, 적층형 3차원 프린팅 장치와 관련된 종래기술로서 한국공개특허 제10-2017-0010290호(이하 '선행기술'이라 약칭함)는 세라믹 3차원 프린팅 장치 및 3차원 프린팅 방법이 개시되었다. 선행기술은 본 발명자의 선출원 건으로 전술한 Vat photopolymerization 방식을 Film photopolymerization 방식으로 소재 공급방식을 변화시킨 광중합형 프린팅 기술로 필름의 연속적인 공급을 통해 조형 시간과 사용 소재량을 단축시키는 효과를 갖는다. 다만, 선행기술은 단일 라인으로 필름이 공급됨으로써 경화되는 각 단층의 프린팅 재료가 단일한 재료로 제한되며, 각 층의 적층시 세척 및 건조과정이 포함되지 않아 다종소재 적용에 있어 재료간 혼합 방지 및 재료분포제어 등이 어려운 단점이 있다.
한국공개특허 제10-2017-0010290호
본 발명의 목적은 각 단층마다 프린팅 소재를 선택적으로 주입할 수 있는 3D 프린팅 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 다층 3D 구조체의 층간 프린팅 재료의 혼합을 방지할 수 있는 3D 프린팅 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 프린팅 장치로부터 3D 구조체가 용이하게 분리될 수 있는 3D 프린팅 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 적어도 두 개 이상의 라인을 포함하는 재료 이송부; 재료 이송부의 각 라인 상에 적어도 일 종의 프린팅 재료를 공급하는 재료 공급부; 재료 공급부를 통하여 공급된 재료의 두께를 제어하는 두께 제어부; 및 두께 제어부를 통하여 두께가 제어된 재료를 기설정된 형상으로 경화하고, 일 라인상의 재료를 경화한 후, 타 라인으로 이동하여 타 라인 상의 재료를 경화하는 3D 프린팅 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 다종 소재용 3D 프린팅 장치는 3D 프린팅 모듈에 의하여 경화된 재료를 세척하는 재료 처리 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 다종 소재용 3D 프린팅 장치는 3D 프린팅 모듈에 의하여 경화된 재료를 건조하는 재료 처리 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 다종 소재용 3D 프린팅 장치는 프린팅 재료 중 3D 프린팅 모듈에서 사용하지 않은 프린팅 재료를 회수하는 회수 모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 다종 소재용 3D 프린팅 장치는 프린팅 재료의 일층이 형성되고 일층의 하단면에 상접하는 타층이 적층되는 하향식 방식(top-down)이 적용될 수 있다.
또한, 재료 이송부는 라인이 권취되는 적어도 하나 이상의 롤 부재; 롤 부재를 구동시키는 모터; 및 롤 부재의 높이를 조절하는 높이 조절 부재를 포함할 수 있다.
또한, 재료 공급부는 혼합용 스크류가 장착된 실린지 타입, 혼합용 교반기가 장착된 압출용기 타입 및 재료 이송부에 권취된 라인의 회전시 라인 상에 프린팅 재료를 면 도포하는 슬러리 공급판 타입 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 실린지 타입의 재료 공급부는 프린팅 재료를 내부에 수용하는 실린더; 실린더 내부에 장착되는 혼합용 스크류; 프린팅 재료를 라인 상에 압출하는 압출 주사기; 및 압출 주사기의 상하 운동을 유도하는 유압 모터를 포함할 수 있다.
또한, 3D 프린팅 모듈은 재료 이송부의 일 라인 상의 프린팅 재료를 경화하여 단층의 일부를 형성하고, 재료 이송부의 타 라인으로 단층의 일부가 부착된 상태로 이동하여 재료 이송부의 타 라인상의 프린팅 재료가 단층의 일부와 동일 평면 상에서 상접하여 경화함으로써 상이한 성분으로 구성되는 단층을 형성할 수 있다.
또한, 3D 프린팅 모듈은 재료 이송부의 일 라인 상의 프린팅 재료를 경화하여 단층을 형성하고, 재료 이송부의 타 라인으로 단층이 부착된 상태로 이동하여 재료 이송부의 타 라인 상의 프린팅 재료가 단층과 서로 다른 평면상에서 상접하여 경화함으로써 단일 성분으로 구성된 단층을 형성할 수 있다.
또한, 3D 프린팅 모듈은 광 조사 유닛; 프린팅 재료가 공급된 라인이 안치되는 기판; 라인 상의 프린팅 재료가 부착되는 빌드 플레이트; 내부에 광 조사 유닛, 기판, 빌드 플레이트를 저장하고, 재료 이송부와 평행한 방향으로 이동할 수 있는 프린팅 챔버; 및 프린팅 챔버의 공기를 제거하는 진공 펌프를 포함할 수 있다.
또한, 기판은 광 조사 유닛으로부터 조사된 광을 투과시키기 위해 투명한 소재로 제공될 수 있다.
또한, 기판은 상하로 구동되어 기판의 상면에 안치된 프린팅 재료의 높이를 조절할 수 있다.
또한, 빌드 플레이트는 반복적으로 타공부가 형성되고, 프린팅 재료가 부착되는 오목형 빌드 플레이트; 및 오목형 빌드 플레이트의 타공부 내로 삽입 되도록 대응되는 돌출부가 반복적으로 형성된 볼록형 빌드 플레이트를 포함하고, 오목형 빌드 플레이트 및 볼록형 빌드 플레이트는 상방향 또는 하방향으로 독립적으로 구동하며, 돌출부는 타공부의 깊이보다 길게 형성되어, 볼록형 빌드 플레이트와 오목형 빌드 플레이트의 결합시 오목형 빌드 플레이트에 부착된 재료를 분리할 수 있다.
또한, 돌출부는 타공부로 삽입되는 일단의 단면의 면적이 볼록형 빌드 플레이트의 기저방향에 위치한 타단의 단면의 면적보다 작게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 다종 소재용 3D 프린팅 방법은, 일종 이상의 프린팅 재료가 구비된 재료 공급부에서 재료 이송부의 제1 라인으로 프린팅 재료가 공급되는 a)단계; a)단계에서 공급된 프린팅 재료의 두께를 제1 두께 제어부에서 조절하는 b)단계; b)단계에서 두께가 조절된 프린팅 재료가 3D 프린팅 모듈에 부착되어 경화되는 c)단계; a)단계와 상이한 제2 라인으로 프린팅 재료가 공급되는 d)단계; d)단계에서 공급된 프린팅 재료의 두께를 제2 두께 제어부에서 조절하는 e)단계; c)단계에서 경화된 프린팅 재료가 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 제2 라인으로 이동하여 e)단계에서 두께가 조절된 프린팅 재료와 상접하여 경화되는 f)단계; f)단계에서 경화된 재료가 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 제1 라인으로 이동되어 프린팅 재료와 상접하여 경화되는 g)단계; g)단계에서 경화된 프린팅 재료가 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 제2 라인으로 이동되어 프린팅 재료와 상접하는 h)단계; 및 g)단계 내지 h)단계를 반복하여 다층 3D 구조체를 형성하는 i)단계;를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 다종 소재용 3D 프린팅 방법은 i)단계에서 형성된 다층 3D 구조체를 3D 프린팅 모듈에서 분리시키는 j)단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 다종 소재용 3D 프린팅 방법은 프린팅 재료가 경화된 단계 이후, 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 경화된 재료를 재료 처리 모듈로 이동하여 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 다종 소재용 3D 프린팅 방법은 프린팅 재료가 경화된 단계 이후, 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 경화된 재료를 재료 처리 모듈로 이동하여 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, c)단계는 두께가 제어된 프린팅 재료가 3D 프린팅 모듈의 빌드 플레이트 하면에 상접하게 부착될 수 있다.
또한, f)단계 내지 g)단계는 c)단계에서 경화된 프린팅 재료와 e)단계에서 두께가 조절된 프린팅 재료가 수평한 방향으로 동일 평면상에 위치되어, 상이한 성분으로 단층이 형성되어 경화될 수 있다.
또한, f)단계 내지 g)단계는 c)단계에서 경화된 프린팅 재료와 e)단계에서 두께가 조절된 프린팅 재료가 서로 다른 평면상에서 상접하도록 위치되어, 단일한 성분으로 각 단층이 형성되어 경화될 수 있다.
또한, j)단계는 프린팅 재료가 상접하는 오목형 빌드 플레이트와 오목형 플레이트의 상단에 위치하며 오목형 빌드 플레이트에 형성된 타공부의 깊이보다 길게 신장된 돌출부를 포함하는 볼록형 빌드 플레이트가 결합하여, 다층 3D 구조체를 오목형 빌드 플레이트로부터 분리시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 다종 소재용 3D 프린팅 방법은 공급된 프린팅 재료 중 경화되지 않은 재료들을 회수하여 재료 공급부로 재공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 층마다 프린팅 재료를 선택적으로 주입할 수 있는 재료 공급부를 통해 각각의 단층에 상이한 프린팅 재료를 주입하여 경화시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 3D 프린팅 모듈과 재료 이송부를 통해 상이한 프린팅 재료를 경화시켜 단층을 형성시킬 수 있는 이점이 있다. 이를 통해, 경사 기능 재료, 세라믹 소재, 광중합 레진 등을 포함하는 복합 소재를 활용한 3D 기술분야에 다양하게 적용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 재료 처리 모듈을 통해 경화된 단층을 제외한 프린팅 재료를 세척 또는 건조시킨 후 추가적인 경화 과정을 포함함으로써, 상접한 단층 간 프린팅 용액의 혼합을 방지하고, 프린팅 시간을 단축시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 오목형 및 볼록형으로 구성되고, 볼록형의 돌출부가 오목형에 형성된 타공부의 깊이보다 길게 형성되어 오목형 빌드 플레이트에 접착된 다층 3D 구조체의 분리시 가해지는 외력을 감소시켜 구조체의 분리가 용이한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치를 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 재료 공급부의 종류를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 빌드 플레이트를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다층 3D 구조체의 분리원리를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다종 소재용 3D 프린팅 방법의 단계도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다층 3D 구조체의 측단면도 및 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다층 3D 구조체의 측단면도 및 단면도이다.
도 10 및 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다층 3D 구조체를 나타낸다.
도 12 및 13은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치의 두께 제어능력을 나타낸다.
도 14 내지 16는 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치의 프린팅 과정이다.
도 17 내지 20은 본 발명의 실시 예에 따른 프린팅 샘플이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 3D 프린팅 장치(1000)는 적층식 프린팅 장치이며, 상층에서 하층으로 단층이 적층되는 방식일 수 있다. 즉, 3D 프린팅 장치는 프린팅 재료의 일층이 형성되고 일층의 하단면에 상접하는 타층이 적층되는 하향식 방식(top-down)이 적용되는 프린팅 장치일 수 있다. 3D 프린팅 장치(1000)는 주입되는 프린팅 재료 및 프린팅 되어 형성되는 다층 3D 구조체(9)에 따라 의학적, 공학적 등과 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 특히, 다양한 분야에서 이종 소재 프리팅이 필요한 경우에 한 층을 이종의 다종 소재로 형성시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(1000)의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 3D 프린팅 장치(1000)는 재료 이송부(1100), 재료 공급부(1200), 두께 제어부(1300), 3D 프린팅 모듈(1400) 및 재료 처리 모듈(1500)을 포함할 수 있으며, 회수 모듈(1600, 도 2)을 포함할 수 있다. 또한, 3D 프린팅 장치(1000)는 다양한 종류의 필름(8, 8a, 8b, 8c)을 통해 단면의 형상을 설정할 수 있다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(1000)의 측면도이다. 도 2를 참조하면, 재료 이송부(1100)는 롤 부재(1110), 모터(1120), 높이 조절 부재(1130)를 포함할 수 있다.
재료 이송부(1100)는 적어도 두 개 이상의 필름을 공급할 수 있다.
본 실시 예에서, 재료 이송부(1100)는 복수의 라인을 포함할 수 있다. 즉, 재료 이송부(1100)는 도 1과 같이 2개의 상이한 라인이 포함되어 필름을 공급할 수 있다. 상이한 라인으로 제공되는 재료 이송부(1100)는 3D 프린팅 모듈(1400)이 이동하여 경화-세척/건조-경화-세척 건조의 단계를 연속적으로 수행하도록 유도할 수 있다. 특히, 3D 프린팅 모듈(1400)이 회전형으로 제공되는 경우 반복적인 회전으로 인하여 경화 - 세척/건조 - 경화 - 세척/건조의 각 단계를 연속적으로 수행하도록 유도할 수 있다. 사용자는 재료 이송부(1100)의 라인을 가/감하여 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)의 회전반경을 변경할 수 있다. 또한, 단일 재료 이송부(1100)가 제공되는 경우 3D 프린팅 모듈(1400)의 회전각을 감소하여 프린팅 장치의 부피를 축소시킬 수 있다.
한편, 재료 이송부(1100)는 단일 라인에서 다종의 필름을 공급할 수 있다. 각각의 재료 이송부(1100)는 8a, 8b, 8c와 같이 다양한 종류의 필름을 공급할 수 있다. 사용자는 기설정된 형상에 따라 다종의 필름을 선택적으로 공급할 수 있다.
롤 부재(1110)는 라인이 권취될 수 있으며, 하나 이상이 구비될 수 있다.
본 실시 예에서, 롤 부재(1110)는 권취된 라인을 평평하게 유지하면서, 사용된 필름을 회수할 수 있다. 이때, 높이 조절 부재(1130)는 필름이 회수되는 높이를 조절할 수 있다. 롤 부재(1110)는 하나 이상이 구비될 수 있으며, 복수의 롤 부재(1110)가 구비되는 경우 각각의 롤 부재(1110)의 반경은 상이할 수 있다.
모터(1120)는 롤 부재(1110)를 구동시킬 수 있다.
본 실시 예에서, 모터(1120) 롤 부재(1110)와 직/간접적으로 연결되어 롤 부재(1110)의 회전 운동을 유도할 수 있다. 모터(1120)는 롤 부재(1110)의 회전 속도를 조절할 수 있다. 모터(1120)는 구비된 롤 부재(1110)와 동일하게 구비되거나, 단수의 모터(1120)가 단수의 롤 부재(1110)에 연결되어 롤 부재(1110)를 구동시킬 수 있다.
높이 조절 부재(1130)는 롤 부재(1110)의 높이를 조절할 수 있다.
본 실시 예에서, 높이 조절 부재(1130)는 필름이 회수되는 높이와 롤 부재(1110)의 일면이 상접할 수 있도록 높이를 조절할 수 있다. 높이 조절 부재(1130)는 재료 이송부(1100)의 설계 형태에 따라 롤 부재(1110) 또는 모터(1120)의 높이를 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 재료 공급부(1200)의 종류를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 재료 공급부(1200)의 종류는 실린지 타입(2200), 압출용기 타입(3200) 및 슬러리 공급판 타입(4200)을 포함할 수 있다.
재료 공급부(1200)는 재료 이송부(1100)에 각 라인 상에 적어도 일 종의 프린팅 재료를 공급할 수 있다.
본 실시 예에서, 재료 공급부(1200)는 재료 이송부(1100)와 연계되어 구비될 수 있다. 재료 공급부(1200)는 단일 필름에 일 종의 프린팅 재료를 공급할 수 있다. 재료 공급부(1200)에서 공급하는 프린팅 재료는 사용자가 최초 주입하는 프린팅 재료일 수 있으며, 프린팅 공정 이후 미사용된 프린팅 재료가 회수된 형태로 재공급 되어 공급될 수 있다. 복수의 재료 이송부(1100)가 마련되어 복수의 필름이 제공되는 경우, 재료 공급부(1200)는 각각의 필름에 동일 또는 상이한 프린팅 재료를 공급할 수 있다. 재료 공급부(1200)는 다종의 프린팅 재료(A, B, C, D, E, F)를 저장할 수 있다. 재료 공급부(1200)는 프린팅 공정에서 요구되는 재료의 종류에 따라 공급하는 프린팅 재료를 변경할 수 있다. 복수의 재료 공급부(1200)와 복수의 재료 이송부(1100)의 조합을 통해 다종의 소재를 이용한 구조체를 제작할 수 있다.
실린지 타입 재료 공급부(2200)는 혼합용 스크류가 장착될 수 있다. 실린지 타입 재료 공급부(2200)는 프린팅 재료를 내부에 수용하는 실린더, 실린더 내부에 장착되는 혼합용 스크류, 프린팅 재료를 라인 상에 압출하는 압출 주사기 및 압출 주사기의 상하 운동을 유도하는 유압 모터(1120)를 포함할 수 있다.
압출용기 타입 재료 공급부(3200)는 혼합용 교반기가 장착될 수 있다. 압출 용기 타입 재료 공급부(3200)는 프린팅 재료를 내부에 수용하는 케이스, 케이스 내부에 형성되며 프린팅 재료를 교반하는 교반기, 프린팅 재료를 라인 상에 배출하는 배출구 및 압출 압력을 조절하는 압력조절 모터를 포함할 수 있다.
슬러리 공급판 타입 재료 공급부(4200)는 재료 이송부에 권취된 라인의 회전시 라인 상에 프린팅 재료를 면 도포할 수 있다.
두께 제어부(1300)는 재료 공급부(1200)를 통하여 공급된 재료의 두께를 제어할 수 있다.
본 실시 예에서, 두께 제어부(1300)는 각각의 재료 이송부(1100)에 마련될 수 있다. 두께 제어부(1300)는 프린팅 재료가 충진된 필름의 높이 및 두께를 제어할 수 있다. 두께 제어부(1300)는 단일 소재를 경화시키는 경우 단층의 높이와 두께를 정확히 할 수 있다. 또한, 두께 제어부(1300)는 상이한 소재로 단층을 형성시키는 경우 동일한 높이와 두께로 설정되어 각각의 재료 이송부(1100)에서 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)을 통해 경화되는 상이한 부분의 높이차가 형성되는 것을 방지할 수 있다. 이를 통해, 전체적으로 정확한 다층 3D 구조체(9)를 구현할 수 있다.
3D 프린팅 모듈(1400)은 두께 제어부(1300)를 통하여 두께가 제어된 재료를 기설정된 형상으로 경화하고, 일 라인상의 재료를 경화한 후, 타 라인으로 이동하여 타 라인 상의 재료를 경화할 수 있다.
본 실시 예에서, 3D 프린팅 모듈(1400)은 프린팅 재료가 충진된 필름을 공급받아 각각의 재료 이송부(1100)상에서 재료를 경화할 수 있다. 3D 프린팅 모듈(1400)은 경화-세척/건조-경화-세척/건조 단계를 수행하기 위해 수평방향으로 이동할 수 있다. 특히, 일부 실시 예로 3D 프린팅 모듈(1400)은 회전형, 수평 이동형 등으로 제공될 수 있으며, 다수의 라인이 제공되는 형태에 따라 재료를 순차적으로 경화시키기 위한 모든 이동방식이 적용될 수 있다. 한편, 회전형으로 제공되는 3D 프린팅 모듈은 지정된 각도로 회전할 수 있다. 후술하는 과정에서는 일 실시 예로 회전형 3D 프린팅 모듈이 일부 기재된다. 다만, 회전형 3D 프린팅 모듈의 회전이동을 제외한 내용은 상이한 이동방식이 적용된 3D 프린팅 모듈에서도 동일하게 적용될 수 있다.
회전형 3D 프린팅 모듈(1400)이 회전하는 각도는 구비된 재료 이송부(1100)의 라인 수에 따라 변경될 수 있다. 단수의 재료 이송부(1100)가 제공되는 경우, 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)의 회전 반경은 재료 이송부(1100)와 재료 처리 모듈(1500) 사이에 형성된 각도로 설정되어 해당 각도내에서 회전할 수 있다. 또한, 복수의 재료 이송부(1100) 및 재료 처리 모듈(1500)이 제공되는 경우, 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)의 회전 반경 및 회전 및 이동방향은 다양한 방식으로 설정될 수 있다.
한편, 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)은 제1 프린팅 재료가 경화된 단층의 일부가 부착된 상태로 수평방향으로 회전하여 제2 프린팅 재료가 충진된 라인의 필름과 평행한 위치에 제1 프린팅 재료가 경화된 단층의 일부를 위치시켜 경화시킴으로써 상이한 성분으로 구성된 단층을 형성할 수 있다.
회전형 3D 프린팅 모듈(1400)은 재료 이송부(1100)의 일 라인 상의 프린팅 재료를 경화하여 단층의 일부를 형성하고, 재료 이송부(1100)의 타 라인으로 단층의 일부가 부착된 상태로 수평방향으로 회전하여 재료 이송부(1100)의 타 라인 상의 프린팅 재료가 단층의 일부와 동일 평면 상에서 상접하여 경화함으로써 상이한 성분으로 구성되는 단층을 형성할 수 있다.
본 실시 예에서, 재료 공급부(1200)는 제1 라인(1100a)에 포함된 단일 필름을 충진할 수 있다. 충진된 필름은 3D 프린팅 모듈(1400)에 의해 경화될 수 있다. 해당 실시 예에서 우선 충진된 프린팅 재료는 제1 프린팅 재료(A)로 정의한다. 제1 프린팅 재료(A)가 경화된 단층은 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)에 부착되어 수평회전을 통해 타 라인(1100b)으로 이동할 수 있다. 경화된 제1 프린팅 재료(A)는 타 라인(1100b)에서 제2 프린팅 재료(B)가 충진된 필름으로 침지될 수 있다. 제1 및 제2 프린팅 재료의 구분은 순서를 구분하기 위함이며, 동일한 재료이거나 상이한 재료일 수 있다. 3D 프린팅 모듈(1400)은 제1 프린팅 재료(A)가 침지된 제2 프린팅 재료(B)를 경화시킬 수 있다. 이를 통해, 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)은 상이한 재료로 구성되고 동일한 평면에서 상접하는 단층을 형성할 수 있다.
한편, 전술한 과정에서 제1 프린팅 재료(A)는 경화된 이후 재료 처리 모듈(1500)로 이동하여 세척 및 건조될 수 있으며, 해당과정은 제1 프린팅 재료(A)와 제2 프린팅 재료(B)가 동일한 단층을 형성하는 과정에서 혼합되는 것을 방지하기 위한 과정으로 이해될 수 있다. 또한, 해당과정을 통해 제1 프린팅 재료(A)중 경화되지 않은 재료를 세척함으로써 제2 프린팅 재료(B)가 경화되기 위한 영역을 제공할 수 있으며, 이를 통해 기설정된 특성에 따라 상이한 재료를 포함하는 단층을 형성할 수 있다.
3D 프린팅 모듈(1400)은 재료 이송부(1100)의 일 라인 상의 프린팅 재료를 경화하여 단층을 형성하고, 재료 이송부(1100)의 타 라인으로 단층이 부착된 상태로 이동하여 재료 이송부(1100)의 타 라인 상의 프린팅 재료가 단층과 서로 다른 평면상에서 상접하여 경화함으로써 단일 성분으로 구성된 단층을 형성할 수 있다.
본 실시 예에서, 재료 공급부(1200)는 단일한 재료를 필름에 충진시킬 수 있다. 이후, 충진된 필름(8)은 재료 이송부(1100)의 구동에 의해 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)로 이동할 수 있다. 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)은 단층을 경화시킬 수 있으며, 경화된 단층을 재료 처리 모듈(1500)로 운반하여 세척 및 건조할 수 있다. 해당 과정은 전술한 과정과 상이하게, 필름(8)에 충진된 모든 프린팅 재료가 경화되며, 이후 경화된 단층의 하면에 상접하는 단층을 형성하는 공정이 후속되는 것으로 이해될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)은 광 조사 유닛(1410), 기판(1420), 빌드 플레이트(1430), 프린팅 챔버(1440) 및 진공 펌프(1450)를 포함할 수 있다.
광 조사 유닛(1410)은 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)의 하부에 위치하여 위쪽 방향으로 광을 조사할 수 있다. 광 조사 유닛(1410)은 3D 프린팅 모듈(1400)과 동시에 이동할 수 있다. 광 조사 유닛(1410)은 기판(1420)으로 광을 조사할 수 있다. 광 조사 유닛(1410)에서 조사되는 광은 기판(1420)을 투과하여 필름으로 조사될 수 있다. 광 조사 유닛(1410)은 프린팅 재료의 경화에 필요한 다양한 종류의 광을 조사할 수 있다. 광 조사 유닛(1410)에서 조사된 광은 필름의 크기, 형상에 따라 굴절 또는 산란되어 조사될 수 있다. 광 조사 유닛(1410)은 파장, 세기 등의 조건이 설정되어 광을 조사할 수 있다.
기판(1420)은 프린팅 재료가 공급된 라인이 안치될 수 있다.
본 실시 예에서, 기판(1420)은 라인에 포함된 필름이 안치될 수 있다. 기판(1420)은 프린팅 재료가 충진된 필름이 경화할 수 있도록 온도가 제어될 수 있다. 기판(1420)은 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)에 포함되어 동시에 이동할 수 있다. 기판(1420)은 필름이 평평하게 밀착 되도록 감압을 위한 타공 또는 진공상태를 유지하기 위한 진공 펌프(1450) 등의 추가구성을 필요로 할 수 있다. 이는, 기판(1420)에 안착된 필름이 빌드 플레이트(1430)와 접착시 정확한 수평을 유지하기 위해 요구되는 조건이며, 해당 구성을 통해 프린팅된 구조체의 신뢰도와 재현성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
기판(1420)은 광 조사 유닛(1410)으로부터 조사된 광을 투과시키기 위해 투명한 소재로 제공될 수 있다.
본 실시 예에서, 기판(1420)은 유리와 같은 투명한 소재로 제공되어 광 조사 유닛(1410)에서 조사된 광을 투과시켜 필름으로 전달할 수 있다. 기판(1420)은 광 조사 유닛(1410)으로부터 조사된 광에 변형되지 않는 소재로 제공될 수 있다.
기판(1420)은 상하로 구동되어 기판(1420)의 상면에 안치된 프린팅 재료의 높이를 조절할 수 있다.
본 실시 예에서, 기판(1420)은 프린팅 재료로 충진된 필름이 포함된 라인이 안치될 수 있다. 기판(1420)은 라인이 안치된 상태로 상하로 구동될 수 있으며, 재료의 상면이 빌드 플레이트(1430)의 하면과 상접하도록 높이를 조절할 수 있다. 기판(1420)은 프린팅 재료와 빌드 플레이트(1430)가 상접한 후, 하강하여 라인의 평형을 유지할 수 있다.
빌드 플레이트(1430)는 라인 상의 프린팅 재료가 부착될 수 있다.
본 실시 예에서, 빌드 플레이트(1430)는 기판(1420)에 안치된 필름이 접착될 수 있다. 빌드 플레이트(1430)는 하강하여 프린팅 재료가 접착될 수 있다. 빌드 플레이트(1430)는 완성된 3D 구조체와 용이하게 분리되기 위한 구조를 가질 수 있다. 해당 구조에 대한 설명은 도 4 및 5를 참조하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 빌드 플레이트(1430)를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 빌드 플레이트(1430)는 오목형 빌드 플레이트(1431) 및 볼록형 빌드 플레이트(1432)를 포함할 수 있다. 오목형 빌드 플레이트(1431)와 볼록형 빌드 플레이트(1432)는 서로 결합할 수 있다.
오목형 빌드 플레이트(1431)는 반복적으로 타공부가 형성되고, 프린팅 재료가 부착될 수 있다. 특히, 오목형 빌드 플레이트(1431)의 하단면에 프린팅 재료가 부착될 수 있다. 오목형 빌드 플레이트(1431)는 상하로 구동할 수 있다. 특히, 오목형 빌드 플레이트(1431)는 볼록형 빌드 플레이트(1432)와 독립적으로 구동할 수 있다. 이를 통해, 사용자는 오목형 빌드 플레이트(1431)와 볼록형 빌드 플레이트(1432)의 결합을 유도할 수 있다.
한편, 볼록형 빌드 플레이트(1432)는 타공부 내로 삽입 되도록 대응되는 돌출부가 반복적으로 형성될 수 있다. 볼록형 빌드 플레이트(1432)에 형성된 돌출부는 타공부에 결합될 수 있다. 볼록형 빌드 플레이트(1432)는 오목형 빌드 플레이트(1431)의 상층에 위치할 수 있다. 볼록형 빌드 플레이트(1432)는 상하로 구동할 수 있다. 특히, 볼록형 빌드 플레이트(1432)는 오목형 빌드 플레이트(1431)와 독립적으로 구동할 수 있다. 오목/볼록형 플레이트의 구동을 통한 3D 구조체의 분리는 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다층 3D 구조체(9)의 분리원리를 나타낸다.
돌출부는 타공부의 깊이보다 길게 형성되어, 볼록형 빌드 플레이트(1432)와 오목형 빌드 플레이트(1431)의 결합 시, 오목형 빌드 플레이트(1431)에 부착된 재료를 분리할 수 있다.
본 실시 예에서, 돌출부의 길이가 타공부의 깊이보다 길게 형성된 점에 주목할 수 있다. 돌출부의 길이가 타공부의 깊이보다 짧게 형성된 경우 오목/볼록형 빌드 플레이트의 결합시, 돌출부에 의한 압력이 3D 구조체로 전달되지 않아 분리과정이 진행되지 않게된다. 반면, 돌출부의 길이가 타공부의 깊이보다 길게 형성된 경우 오목/볼록형 빌드 플레이트의 결합시, 타공부의 단면보다 길게 노출된 돌출부가 오목형 빌드 플레이트(1431)에 부착된 3D 구조체와 상접할 수 있다. 이에 따라, 볼록형 빌드 플레이트(1432)에 가해진 압력이 각각의 돌출부에 의해 3D 구조체에 전달될 수 있다. 이에 따라, 기존의 3D 프린팅 장치에서 나이프, 제거장치 등을 이용해 구조체를 제거하는 경우 일면에 스트레스가 집중되어 구조체의 결함이 발생할 수 있는 문제점을 해결하여, 획득되는 구조체의 품질 향상효과를 기대할 수 있다.
돌출부는 타공부로 삽입되는 일단의 단면의 면적이 볼록형 빌드 플레이트(1432)의 기저방향에 위치한 타단의 단면의 면적보다 작게 형성될 수 있다.
본 실시 예에서, 돌출부는 측면에 기울기가 포함된 기둥모양으로 제공될 수 있다. 즉, 돌출부를 측면방향에서 관찰한 단면은 ∩,∧ 와 같은 형태로 제공될 수 있으며, 이는 삽입되는 방향의 일단과 기저방향의 타단의 단면적 차이를 표현하기 위한 일부 실시예를 구체화한 것으로 이해될 수 있다. 돌출부는 전술한 형상을 가짐으로써 좁은 단면을 가진 일단이 용이하게 타공부로 삽입될 수 있다. 이는, 오목형 빌드 플레이트(1431) 하단면에 프린팅 재료가 결합되는 과정에서 타공부의 면적을 감소시켜 프린팅 재료의 품질을 향상시키기 위한 과정에 필요한 조건으로 이해될 수 있다.
상세하게는, 타공부의 면적이 넓게 형성되는 경우 프린팅 재료가 오목형 빌드 플레이트(1431) 내부로 침투할 수 있기 때문에, 표면의 품질이 감소될 수 있다. 반면, 타공부의 면적이 좁게 형성되는 경우 프린팅 재료의 침투 정도가 감소할 수 있으며 이를 통해 프린팅 재료의 표면 품질이 향상될 수 있다.
다만, 타공부의 면적이 좁게 형성되어 제공되는 경우 볼록형 빌드 플레이트(1432)의 돌출부가 타공부로 삽입되는데 어려움이 예상되며, 본 실시 예에 따른 돌출부는 삽입되는 방향의 일단의 단면적이 기저방향에 위치한 타단의 단면보다 작게 형성되어 타공부로의 삽입이 용이할 수 있다.
프린팅 챔버(1440)는 내부에 광 조사 유닛(1410), 기판(1420), 빌드 플레이트(1430)를 저장하고, 재료 이송부(1100)와 평행하게 이동할 수 있다.
본 실시 예에서, 프린팅 챔버(1440)는 광 조사 유닛(1410), 기판(1420) 및 빌드 플레이트(1430)를 저장하는 용기로 이해될 수 있다. 프린팅 챔버(1440)는 진행되는 프린팅 공정에 따라 이동할 수 있다. 프린팅 챔버(1440)는 구조체의 품질을 향상시키기 위해 내부를 진공 상태로 유지하거나 압력을 낮추기 위한 추가 구성이 요구될 수 있다.
진공 펌프(1450)는 프린팅 챔버(1440) 내부의 기체를 제거할 수 있다.
본 실시 예에서, 진공 펌프(1450)는 프린팅 챔버(1440)의 내부에 마련되거나 외부에 연결될 수 있다. 진공 펌프(1450)는 프린팅 되어 형성되는 3D 구조체의 품질을 높이기 위한 구성요소로 이해될 수 있다. 특히, 진공 펌프(1450)는 프린팅 챔버(1440) 내부에 위치한 빌드 플레이트(1430)에 필름 및 프린팅 재료가 부착되기 위한 최적의 조건을 제공하기 위해 구비될 수 있다.
재료 처리 모듈(1500)은 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)을 세척할 수 있다. 또한, 재료 처리 모듈(1500)은 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)을 건조할 수 있다.
본 실시 예에서, 재료 처리 모듈(1500)은 회전형 3D 프린팅 모듈(1400) 내부에서 경화된 프린팅 재료를 세척 또는 건조할 수 있다. 재료 처리 모듈(1500)이 구비됨으로써 단층과 단층을 상접시키는 소요시간이 감소할 수 있다. 재료 처리 모듈(1500)은 필요에 따라 단수 또는 복수로 제공될 수 있다. 재료 처리 모듈(1500)을 통해 공급 라인간에 이종 소재를 공급할 경우 소재가 혼합되는 것을 방지할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 재료 처리 모듈(1500)은 제1 재료 처리 모듈(1510), 제2 재료 처리 모듈(1520) 및 제3 재료 처리 모듈(1530)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 제1 재료 처리 모듈(1510)은 재료를 세척할 수 있고, 제2 재료 처리 모듈(1520)은 제1 재료 처리 모듈(1510)에서 세척한 재료를 다시 세척할 수 있다. 제3 재료 처리 모듈(1530)은 세척이 완료된 프린팅 재료를 건조할 수 있다. 각각의 재료 처리 모듈(1500)은 필요 및 설계사항에 따라 목적 및 기능이 변경될 수 있으며, 프린팅 과정의 효율을 향상시키기 위해 구성이 가/감되어 제공될 수 있다.
회수 모듈(1600)은 재료 이송부(1100)에 공급되어 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)에서 사용되지 않은 프린팅 재료를 회수할 수 있다. 회수 모듈(1600)은 재료 이송부(1100)상에 공급되어 사용되지 않은 프린팅 재료를 분리하여 회수할 수 있으며, 회수한 프린팅 재료를 재료 공급부(1200)로 재공급 할 수 있다. 이처럼, 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(1)는 최초 주입된 프린팅 재료를 반복적으로 사용할 수 있다. 이를 통해, 3D 프린팅 장치(1)는 프린팅 재료의 사용 효율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다종 소재용 3D 프린팅 방법의 단계도이다. 도 6을 참조하면, 3D 프린팅 방법은 a)제1 프린팅 재료 공급 단계(S1), b)제1 프린팅 재료 두께 조절 단계(S2), c)제1 프린팅 재료 경화 단계(S3), 재료 세척 및 건조 단계(S4), d)제2 프린팅 재료 공급 단계(S5), e)제2 프린팅 재료 두께 조절 단계(S6), f)제2 프린팅 재료 경화 단계(S7), 및 i)3D 구조체 형성 단계(S8)를 포함할 수 있다. 이후, j)3D 구조체 분리 단계(S9)를 더 포함할 수 있다. 또한, 공급된 프린팅 재료 중 프린팅 되지 않은 재료를 회수하여 재사용 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 다만, 해당 도면은 일 실시 예에 따른 프린팅 방법을 나타냄으로, 사용자는 필요에 따라 재료 세척 및 건조 단계(S4)가 포함되지 않는 실시 예를 구현할 수 있다. 본 실시 예에 따른, 다종 소재용 3D 프린팅 방법은 전술한 3D 프린팅 장치(1000)를 이용하여 다층 3D 구조체를 프린팅 하는 과정으로 이해될 수 있으며, 전술한 3D 프린팅 장치(1000)에 대한 설명과 후술되는 과정이 모두 적용될 수 있다.
a)제1 프린팅 재료 공급 단계(S1)는 일종 이상의 프린팅 재료가 구비된 재료 공급부(1200)를 통해 다양한 타입 중 적어도 어느 한 타입의 재료를 재료 이송부(1100)의 제1 라인(1100a)에 안치된 필름상에 공급할 수 있다. 공급된 필름은 모터(1120) 및 롤 부재(1110)의 회전으로 인하여 이동할 수 있다. 복수의 재료 이송부(1100)가 마련된 경우, 각각의 필름에 상이한 재료가 공급될 수 있다.
b)제1 프린팅 재료 두께 조절 단계(S2)는 a)단계(S1)에서 공급된 프린팅 재료가 제1 두께 제어부로 인해 기설정된 두께로 조절될 수 있다. 두께가 조절된 필름은 3D 프린팅 모듈로 전달될 수 있다. 해당 실시 예에서 제1 두께 제어부는 제1 라인(1100a)에 위치한 두께 제어부(1300)로 이해될 수 있다.
c)제1 프린팅 재료 경화 단계(S3)는 b)단계(S3)에서 두께가 조절된 프린팅 재료가 3D 프린팅 모듈에 부착되어 경화될 수 있다. c)제1 프린팅 재료 경화 단계(S3)는 두께가 제어된 프린팅 재료가 3D 프린팅 모듈의 빌드 플레이트(1430) 하면에 상접하게 부착될 수 있다. c)제1 프린팅 재료 경화 단계(S3)는 3D 프린팅 모듈로 전달된 필름이 기판(1420)에 안치되고, 빌드 플레이트(1430)에 부착되어, 광이 조사되어 경화될 수 있다. 프린팅 재료가 경화되면, 필요에 따라 3D 프린팅 모듈이 재료 처리 모듈(1500)로 이동할 수 있다. 이때 사용된 필름은 재료 이송부(1100)를 따라 이동하여 회수될 수 있다. 3D 프린팅 모듈(1400)은 필름에 충진된 프린팅 재료의 일부영역을 경화할 수 있고 이를 통해 상이한 성분으로 구성된 단층을 형성할 수 있다. 또한, 3D 프린팅 모듈(1400)은 필름에 충진된 프린팅 재료의 전체를 경화할 수 있고 이를 통해 단일한 성분으로 구성된 단층을 형성할 수 있다.
d)제2 프린팅 재료 공급 단계(S5)는 a)단계(S1)와 상이한 제2 라인(1100b)으로 프린팅 재료가 공급될 수 있다. d)제2 프린팅 재료 공급 단계(S5)에서 공급되는 프린팅 재료는 형성되는 단층의 형성조건에 따라 a)단계(S1)에서 제공된 프린팅 재료와 동일하거나 상이할 수 있다.
e)제2 프린팅 재료 두께 조절 단계(S6)는 d)단계(S5)에서 공급된 프린팅 재료의 두께를 제2 두께 제어부에서 조절할 수 있다. 두께가 조절된 필름은 3D 프린팅 모듈로 전달될 수 있다. 해당 실시예에서, 제2 두께 제어부는 제2 라인(1100b)에 위치한 두께 제어부(1300)로 이해될 수 있다.
f)제2 프린팅 재료 경화 단계(S7)는 c)단계(S3)에서 경화된 프린팅 재료가 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 제2 라인(1100b)으로 이동하여 e)단계(S6)에서 두께가 조절된 프린팅 재료와 상접하여 경화될 수 있다. 해당 단계에서 의미하는 상접은 수평방향으로 나란하게 상접함을 의미할 수 있다. 이때, f)단계(S7)는 c)단계(S3)에서 경화된 프린팅 재료와 e)단계(S6)에서 두께가 조절된 프린팅 재료가 수평한 방향으로 동일 평면 상에 상접하도록 위치되어, 상이한 성분으로 단층이 형성되어 경화될 수 있다.
또한, f)단계(S7)는 다단으로 나뉘어 상층과 하층을 구성하는 형태로 상접함을 의미할 수 있다. 이때, f)단계(S7) c)단계(S3)에서 경화된 프린팅 재료와 e)단계(S6)에서 두께가 조절된 프린팅 재료가 서로 다른 평면상에서 상접하도록 위치되어, 단일한 성분으로 각 단층이 형성되어 경화될 수 있다.
한편, f)단계(S7)까지 진행된 프린팅 재료의 추가적인 프린팅을 위해 f)단계에서 경화된 재료가 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 제1 라인(1100a)으로 이동되어 프린팅 재료와 상접하여 경화되는 g)단계를 수행할 수 있다.
또한, g)단계에서 경화된 프린팅 재료가 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 제2 라인(1100b)으로 이동되어 프린팅 재료와 상접하여 경화되는 h)단계를 수행할 수 있다.
즉, 단층의 형성을 위해 g)단계 내지 h)단계가 수행될 수 있으며, 필요에 따라 해당 단계가 반복적으로 수행될 수 있다. 해당 단계를 i)단계(S8)로 이해할 수 있으며, i)단계(S8)를 통해 다층 3D 구조체를 형성할 수 있다.
j)3D 구조체 분리 단계(S9)는 i)단계(S8)에서 형성된 다층 3D 구조체를 3D 프린팅 모듈에서 분리시킬 수 있다. j)단계(S8)는 프린팅 재료가 상접하는 오목형 빌드 플레이트(1431)와 오목형 빌드 플레이트(1431)의 상단에 위치하며 오목형 빌드 플레이트(1431)에 형성된 타공부의 깊이보다 길게 신장된 돌출부를 포함하는 볼록형 빌드 플레이트(1432)가 결합하여, 다층 3D 구조체를 오목형 빌드 플레이트(1431)로부터 분리시킬 수 있다. 이를 통해, 사용자는 기설정된 조건으로 형성된 다층 3D 구조체를 획득할 수 있다.
한편, a)단계(S1) 내지 i)단계(S8)를 통해 경화된 프린팅 재료를 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 재료 처리 모듈(1500)로 이동하여 세척시키는 단계가 더 포함될 수 있다. 상세하게 해당 단계는 제1 및 제2 재료 처리 모듈(1510, 1520)을 통해 세척이 진행될 수 있다.
또한, a)단계(S1) 내지 i)단계(S8)를 통해 경화된 프린팅 재료를 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 재료 처리 모듈(1500)로 이동하여 건조시키는 단계가 더 포함될 수 있다. 상세하게 해당 단계는 제3 재료 처리 모듈(1530)을 통해 건조가 진행될 수 있다. 전술한 세척 과정 및 건조 과정을 통해 각 단층을 구성하는 재료의 혼합을 방지할 수 있으며, 프린팅 공정의 시간을 단축할 수 있다.
특히, c)단계에서 단일 라인에서 단층의 일부가 프린팅 재료로 충진되어 경화되는 경우, 경화된 프린팅 재료를 제외한 영역에 잔여하는 프린팅 재료를 세척하고 건조과정을 수행함으로써, 상이한 라인으로 이동하여 동일 단층의 잔여부분을 상이한 재료로 충진 및 경화할 수 있다. 이를 통해, 상이한 재료로 구성되는 단층을 형성하는 시간을 단축시킬 수 있다.
한편, 공급된 재료중 프린팅된 영역을 제외한 재료는 각 라인에서 분리되어 저장되며, 저장된 재료는 순환을 통해 재료 공급부(1200)로 회송될 수 있다. 회송된 재료는 두께 제어부(1300)의 설정된 두께로 제어되어 재료 이송부(1100)로 다시 전달될 수 있다. 이를 통해, 프린팅 재료의 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 다종 소재용 3D 프린팅 장치(1000) 및 다종 소재 3D 프린팅 방법에 대하여 설명하였으며, 하기에 실시 예를 통해 그 이해를 돕고자 한다.
< 실시예1 >
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(1000)를 나타낸다. 본 실시 예에서는 복수로 구비된 재료 이송부(1100)를 통해 상이한 재료가 공급되는 것을 확인할 수 있다.
< 실시예2 >
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 다층 3D 구조체(9a)의 측단면도 및 단면도이다. 본 실시 예에서는, 다층 3D 구조체(9a)의 단층이 단일한 소재로 형성됨을 확인할 수 있다. 또한, 도 8을 참조하면, 각 단층의 높이는 일정하게 형성됨을 확인할 수 있다. 특히, 해당 실시 예에서는 프린팅한 구조체를 1600℃ 에서 소결하였으며, 소결 후 균열발생 없이 구조체의 형태가 유지되고 있음을 확인할 수 있다.
< 실시예3 >
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다층 3D 구조체(9b)의 측단면도 및 단면도이다. 도 10 및 11은 본 발명의 실시 예에 따른 다층 3D 구조체를 나타낸다. 도 10의 샘플에 개시된 재료 A는 알루미나를 사용하였으며, 재료 B는 인산칼슘을 사용하여 프린팅하였다. 도 10 및 11에 제공된 다층 3D 구조체는 MLCC(적층세라믹콘덴서) 구조를 구현하였다. 본 실시 예에서는, 다층 3D 구조체(9b)의 단층에 상이한 소재인 재료 A와 재료 B가 혼합되어 형성됨을 확인할 수 있다. 또한, 상이한 층에 동일한 재료가 프린팅 되어 구조체를 형성한 것을 확인할 수 있다. 도 9 내지 도 11을 참조하면, 각 단층의 높이는 일정하게 형성됨을 확인할 수 있다. 이를 통해, 소재가 혼합되는 비율을 설계상의 필요에 따라 조정할 수 있으며 상이한 소재가 제공되어도 단층의 높이는 동일하게 형성됨을 확인할 수 있다.
< 실시예4 >
도 12 및 13은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(1000)의 두께 제어능력을 나타낸다. 3D 프린팅 장치는 기계적으로 최소 10μm의 두께까지 제어할 수 있다. 다만, 도 12및 13을 참조하면, 안정적인 프린팅을 위해 20μm의 두께부터 평가를 실시함을 확인할 수 있다. 각 두께별 실시 예를 확인하면, 해당 두께의 레이어가 명확하게 형성되어 각 레이어가 구분됨을 확인할 수 있다. 이와 같이 제작된 샘플의 두께는 재료의 경화능력에 따라 두께가 상이하게 형성될 수 있다. 해당 실시 예에서는 125μm까지 평가를 실시하였으나, 3D 프린팅 장치에서 제작가능한 최대 두께는 이에 제한되지 않는다.
< 실시예5 >
도 14 내지 16은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(1000)의 프린팅 과정이다. 도 14를 참조하면, 재료 이송부(1100)에 제1 라인(1100a)과 제2 라인(1100b)이 형성되어 상이한 재료를 프린팅 하는 모습을 나타낸다. 프린팅 된 재료는 제1 라인(1100a)을 통해 우측으로 이동하며, 프린팅 된 재료의 부분이 비어있는 것을 확인할 수 있다.
제1 라인(1100a)에서 구조체가 형성된 회전형 3D 프린팅 모듈(1400)은 높이 조절 및 회전을 통하여 재료 처리 모듈(1500)로 이동할 수 있으며, 높이가 조절되어 세척 단계를 수행하고, 높이 조절 및 회전하여 및 건조단계를 수행할 수 있다. 이후 구조체가 건조되면 회전형 3D 플니팅 모듈(1400)은 회전하여 제2 라인(1100b)으로 이동하게 되며, 제2 라인(1100b)을 통해 이송되는 프린팅 재료의 높이로 재설정 되어 프린팅 과정이 수행된다.
도 15 및 16을 참조하면, 재료 이송부(1100)의 각 라인으로 이송된 재료는 각 라인에서 분리되어 저장되며, 저장된 재료는 순환을 통해 재료 공급부(1200)로 회송될 수 있다. 회송된 재료는 두께 제어부(1300)의 설정된 두께로 제어되어 재료 이송부(1100)로 다시 전달될 수 있다. 특히, 도 16에서는 회수된 재료를 처리하는 과정을 나타내었다. 재료 이송부(1100)에서 사용 후 잔여한 알루미나 슬러리가 회수 모듈(1600)에 액상으로 회수되는 것을 확인할 수 있으며, 필름은 프린팅 재료가 분리되어 순환 이동하는 것을 확인할 수 있다.
도 17은 해당 실시 예를 통해 제작된 샘플을 나타낸다. 제1 라인(1100a)에 주입된 재료는 흰색의 재료이며, 안료성분이 포함되지 않은 알루미나이다. 제2 라인(1100b)에 주입된 재료는 푸른색이 포함되며 무기안료성분을 포함하여 색상이 다르게 발현된 알루미나이다.
< 실시예6 >
도 18은 본 발명의 실시 예에 따른 프린팅 샘플이다. 해당 실시 예는 다종 소재의 프린팅 가능성을 확인하기 위하여 실시하였다. 도 18을 참조하면, 상면에 형성된 알루미나 층은 57 레이어로 형성되어 1425μm로 유지되었다. 또한, 이와 상접하여 하면에 형성된 지르코니아 층은 46 레이어로 형성되어 1150μm로 유지됨을 확인할 수 있다. 이처럼, 본 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치(1000)는 다종 소재의 상접한 형성에도 소재의 혼합이 확인되지 않으며, 안정적인 소재층의 형성이 이루어짐을 확인할 수 있다. 즉, 세척 및 건조 과정을 통한 신속한 소재의 응고가 각 레이어의 형성 후 상이한 소재의 형성과정에서 혼합을 방지하는 것으로 이해될 수 있다.
< 실시예7 >
도 19는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 프린팅 샘플이다. 해당 실시 예는 동일 레이어에 다종 소재의 프린팅이 가능함을 확인하기 위해 실시하였다. 도 19를 참조하면, 동일 층에서 재료 1및 재료 2의 다종의 소재가 구분되어 프린팅 된 것을 확인할 수 있으며, 양각으로 새겨진 문자영역에도 유효하게 프린팅 된 것을 확인할 수 있다.
< 실시예8 >
도 20은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 프린팅 샘플이다. 해당 실시 예는 단일 소재를 이용하여 단일 라인에서 프린팅을 실시한 경우 제작된 샘플을 나타낸다. 도 20과 같이, 3D 프린팅 장치(1000)는 단일 소재를 이용하여 다양한 형상을 제작할 수 있으며, 톱니, 나선, 환형, 그물형태 등 다양한 소재의 프린팅이 가능함을 확인할 수 있다. 특히, 해당 실시 예의 샘플은 알루미나를 이용하여 제작하였으며, 프린팅 후 1600℃에서 소결한 소결체이다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1000: 3D 프린팅 장치
1100: 재료 이송부
1100a: 제1 라인
1100b: 제2 라인
1110: 롤 부재
1120: 모터
1130: 높이 조절 부재
1200: 재료 공급부
2200: 실린지 타입 재료 공급부
3200: 압출용기 타입 재료 공급부
4200: 슬러리 공급판 타입 재료 공급부
1300: 두께 제어부
1400: 3D 프린팅 모듈
1410: 광 조사 유닛
1420: 기판
1430: 빌드 플레이트
1431: 오목형 빌드 플레이트
1432: 볼록형 빌드 플레이트
1440: 프린팅 챔버
1450: 진공 펌프
1500: 재료 처리 모듈
1510: 제1 재료 처리 모듈
1520: 제2 재료 처리 모듈
1530: 제3 재료 처리 모듈
1600: 회수 모듈
8, 8a, 8b, 8c: 필름
9, 9a, 9b: 다층 3D 구조체
A, B, C, D, E, F: 프린팅 재료
S1: a)제1 프린팅 재료 공급 단계
S2: b)제1 프린팅 재료 두께 조절 단계
S3: c)제1 프린팅 재료 경화 단계
S4: 재료 세척 및 건조 단계
S5: d)제2 프린팅 재료 공급 단계
S6: e)제2 프린팅 재료 두께 조절 단계
S7: f)제2 프린팅 재료 경화 단계
S8: i)3D 구조체 형성 단계
S9: j)3D 구조체 형성 단계

Claims (24)

  1. 적어도 두 개 이상의 라인을 포함하는 재료 이송부;
    상기 재료 이송부의 각 라인 상에 적어도 일 종의 프린팅 재료를 공급하는 재료 공급부;
    상기 재료 공급부를 통하여 공급된 재료의 두께를 제어하는 두께 제어부; 및
    상기 두께 제어부를 통하여 두께가 제어된 재료를 기설정된 형상으로 경화하고, 일 라인상의 재료를 경화한 후, 타 라인으로 이동하여 상기 타 라인 상의 재료를 경화하는 3D 프린팅 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3D 프린팅 모듈에 의하여 경화된 재료를 세척하는 재료 처리 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 3D 프린팅 모듈에 의하여 경화된 재료를 건조하는 재료 처리 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프린팅 재료 중 상기 3D 프린팅 모듈에서 사용하지 않은 프린팅 재료를 회수하는 회수 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 프린팅 재료의 일층이 형성되고 상기 일층의 하단면에 상접하는 타층이 적층되는 하향식 방식(top-down)이 적용되는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료 이송부는,
    상기 라인이 권취되는 적어도 하나 이상의 롤 부재;
    상기 롤 부재를 구동시키는 모터; 및
    상기 롤 부재의 높이를 조절하는 높이 조절 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료 공급부는,
    혼합용 스크류가 장착된 실린지 타입, 혼합용 교반기가 장착된 압출용기 타입 및 상기 재료 이송부에 권취된 라인의 회전시 상기 라인 상에 프린팅 재료를 면 도포하는 슬러리 공급판 타입 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 실린지 타입의 재료 공급부는,
    상기 프린팅 재료를 내부에 수용하는 실린더;
    상기 실린더 내부에 장착되는 혼합용 스크류;
    상기 프린팅 재료를 상기 라인 상에 압출하는 압출 주사기; 및
    상기 압출 주사기의 상하 운동을 유도하는 유압 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 3D 프린팅 모듈은,
    상기 재료 이송부의 일 라인 상의 상기 프린팅 재료를 경화하여 단층의 일부를 형성하고, 상기 재료 이송부의 타 라인으로 상기 단층의 일부가 부착된 상태로 이동하여 상기 재료 이송부의 타 라인상의 프린팅 재료가 상기 단층의 일부와 동일 평면 상에서 상접하여 경화함으로써 상이한 성분으로 구성되는 단층을 형성하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 3D 프린팅 모듈은,
    상기 재료 이송부의 일 라인 상의 상기 프린팅 재료를 경화하여 단층을 형성하고, 상기 재료 이송부의 타 라인으로 상기 단층이 부착된 상태로 이동하여 상기 재료 이송부의 타 라인 상의 프린팅 재료가 상기 단층과 서로 다른 평면상에서 상접하여 경화함으로써 단일 성분으로 구성된 단층을 형성하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 3D 프린팅 모듈은.
    광 조사 유닛;
    상기 프린팅 재료가 공급된 라인이 안치되는 기판;
    상기 라인 상의 프린팅 재료가 부착되는 빌드 플레이트;
    내부에 상기 광 조사 유닛, 기판, 빌드 플레이트를 저장하고, 상기 재료 이송부와 평행한 방향으로 이동할 수 있는 프린팅 챔버; 및
    상기 프린팅 챔버의 공기를 제거하는 진공 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 광 조사 유닛으로부터 조사된 광을 투과시키기 위해 투명한 소재로 제공되는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 기판은,
    상하로 구동되어 상기 기판의 상면에 안치된 상기 프린팅 재료의 높이를 조절하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 빌드 플레이트는,
    반복적으로 타공부가 형성되고, 상기 프린팅 재료가 부착되는 오목형 빌드 플레이트; 및
    상기 오목형 빌드 플레이트의 타공부 내로 삽입 되도록 대응되는 돌출부가 반복적으로 형성된 볼록형 빌드 플레이트를 포함하고,
    상기 오목형 빌드 플레이트 및 상기 볼록형 빌드 플레이트는 상방향 또는 하방향으로 독립적으로 구동하며,
    상기 돌출부는,
    상기 타공부의 깊이보다 길게 형성되어, 상기 볼록형 빌드 플레이트와 상기 오목형 빌드 플레이트의 결합시 상기 오목형 빌드 플레이트에 부착된 재료를 분리하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 돌출부는,
    상기 타공부로 삽입되는 일단의 단면의 면적이 상기 볼록형 빌드 플레이트의 기저방향에 위치한 타단의 단면의 면적보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 장치.
  16. a) 일종 이상의 프린팅 재료가 구비된 재료 공급부에서 재료 이송부의 제1 라인으로 프린팅 재료가 공급되는 단계;
    b) 상기 a)단계에서 공급된 프린팅 재료의 두께를 제1 두께 제어부에서 조절하는 단계;
    c) 상기 b)단계에서 두께가 조절된 프린팅 재료가 3D 프린팅 모듈에 부착되어 경화되는 단계;
    d) 상기 a)단계와 상이한 제2 라인으로 프린팅 재료가 공급되는 단계;
    e) 상기 d)단계에서 공급된 프린팅 재료의 두께를 제2 두께 제어부에서 조절하는 단계;
    f) 상기 c)단계에서 경화된 프린팅 재료가 상기 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 상기 제2 라인으로 이동하여 상기 e)단계에서 두께가 조절된 프린팅 재료와 상접하여 경화되는 단계;
    g) 상기 f)단계에서 경화된 재료가 상기 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 상기 제1 라인으로 이동되어 프린팅 재료와 상접하여 경화되는 단계;
    h) 상기 g)단계에서 경화된 프린팅 재료가 상기 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 상기 제2 라인으로 이동되어 프린팅 재료와 상접하는 단계; 및
    i) 상기 g)단계 내지 상기 h)단계를 반복하여 다층 3D 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 i)단계에서 형성된 다층 3D 구조체를 상기 3D 프린팅 모듈에서 분리시키는 j)단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 프린팅 재료가 경화된 단계 이후, 상기 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 상기 경화된 재료를 재료 처리 모듈로 이동하여 세척하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 프린팅 재료가 경화된 단계 이후, 상기 3D 프린팅 모듈의 이동을 통해 상기 경화된 재료를 재료 처리 모듈로 이동하여 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 c)단계는,
    상기 두께가 제어된 프린팅 재료가 상기 3D 프린팅 모듈의 빌드 플레이트 하면에 상접하게 부착되는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 f)단계 내지 g)단계는,
    프린팅 재료가 수평한 방향으로 동일 평면 상에 상접하도록 위치되어, 상이한 성분으로 단층이 형성되어 경화되는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 방법.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 f)단계 내지 g)단계는,
    프린팅 재료가 서로 다른 평면상에서 상접하도록 위치되어, 단일한 성분으로 각 단층이 형성되어 경화되는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 방법.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 j)단계는,
    상기 프린팅 재료가 상접하는 오목형 빌드 플레이트와 상기 오목형 빌드 플레이트의 상단에 위치하며 상기 오목형 빌드 플레이트에 형성된 타공부의 깊이보다 길게 신장된 돌출부를 포함하는 볼록형 빌드 플레이트가 결합하여, 상기 다층 3D 구조체를 상기 오목형 빌드 플레이트로부터 분리시키는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 방법.
  24. 제 16 항에 있어서,
    상기 공급된 프린팅 재료 중 경화되지 않은 재료들을 회수하여 상기 재료 공급부로 재공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다종 소재용 3D 프린팅 방법.
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