KR20190023014A

KR20190023014A - 광경화성 3d 프린터 및 제품 성형방법

Info

Publication number: KR20190023014A
Application number: KR1020170108097A
Authority: KR
Inventors: 홍찬우; 김석범; 정관영
Original assignee: (주)일루미네이드
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2019-03-07

Abstract

본 발명은 광경화성 3D 프린터 및 제품 성형방법에 관한 것으로, 광경화성 레진이 저장되는 레진탱크; 상기 레진탱크 상부에 설치되어 상기 광경화성 레진에 대하여 광원을 조사하는 광학모듈; 상기 광학모듈에 의해 광경화성 레진이 경화되어 부착되며 상하방향으로 승강이동이 가능한 빌드플레이트; 상기 광학모듈의 일측에 설치되며 상기 광경화성 레진의 수위를 측정하는 감지센서; 및 상기 감지센서의 측정된 수위 값에 따라 상기 빌드플레이트 또는 레진 경화물의 상단을 기준으로 사전에 정해진 레진 경화물의 적층 두께만큼 상기 빌드플레이트와 상기 광학모듈이 상하방향으로 승강 이동하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 레진 경화물의 적층 두께를 항상 일정하게 유지시킬 수 있어 그에 따른 경화품질 향상 및 3차원 출력물이 완성도를 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

광경화성 3D 프린터 및 제품 성형방법{3D PRINTER FOR PHOTOCURABLE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 광경화성 3D 프린터 및 제품 성형방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광경화성 레진을 이용한 3D 프린터의 제품 성형과정 시 발생하는 불량률을 크게 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 제품의 성형 품질을 향상시킬 수 있는 광경화성 3D 프린터 및 제품 성형방법에 관한 것이다.

일반적으로, 3D 프린터란, 삼차원형상을 구현하기 위한 전자적 정보를 출력하는 자동화된 장치를 의미한다. 기존의 CNC 머시닝도 3D 모델에서 바로 출력물을 뽑을수 있어서 사전적으로 포함은 되지만 보통 3D프린터라고 하면 기존의 깎아서 만드는 SM(Subtractive manufacturing)방식 보다는 AM(Additive manufacturing), 즉 쌓아가면서 만드는걸 의미한다. 둘 다 섞은 하이브리드 방식도 물론 포함된다. ISO와 ASTM에서는 이러한 AM기술들을 BJ(Binder jetting), DED(Directed Energy deposition), ME(Material extrusion), MJ(Material jetting), PBF(Powder bed fusion), SL(Sheet lamination), VP(Vat Photopolymerization)등으로 구분한다.

상기 VP 방식 3D 프린터의 경우, 미세형상을 구현하는데 용이하여 근래에 널리 사용되고 있다. VP 방식의 3D 프린터에 사용되는 액체의 원료는 자외선에 의해 경화되는 물질인 UV(Ultraviolet Ray) 광경화성 레진이 원료로 이용된다.

또한, VP 방식 3D 프린터는 기구적 구조에 따라 아래에서 윗쪽으로 출력물을 완성하는 상향식(bottom-up)방식과, 위쪽에서 아래쪽으로 출력물을 완성하는 하향식(top-down)방식으로 구분된다.

이하, 도 1을 참조하여 종래기술에 따른 광경화성 VP방식의 3D 프린터에 대하여 설명한다.

도시한 바와 같이 종래기술에 따른 하향식 (top-down) 광경화성 3D 프린터는 내부에 광경화성 레진(11)이 저장되는 레진탱크(10)와, 상기 레진탱크(10)의 상부에서 하부로 광을 조사하는 광학모듈(20)과, 상기 레진탱크 내부에 잠긴 상태에서 광학모듈(20)에 의해 경화된 레진 경화물(11a)을 고정지지하며, 하강하며 여러층의 레진 경화물을 형성할 수 있도록 상기 레진탱크(10)에 대하여 하강이동 하는 빌드플레이트(30)로 구성된다.

즉, 광경화성 레진(11)이 담긴 레진탱크(10)의 수면 아래쪽에 상기 빌드플레이트(30)를 위치시킨 상태에서 상기 광학모듈(20)의 광이 조사되면 상기 광경화성 레진의 수면과 빌드플레이트(30) 사이에 위치한 광경화성 레진(11)이 딱딱하게 굳는 레진 경화물(11a)로 변화한다. 따라서, 상기 빌드플레이트(30)를 단계적으로 하강시켜 레진 경화물(11a)을 적층시키는 방법으로 출력물을 완성하게 된다.

그러나, 종래의 광경화성 3D프린터는 상기 빌드플레이트가 광경화성 레진이 저장된 레진탱크 아래쪽을 향해 설정된 적층두께 만큼 하강하는 과정에서 액체의 레진이 경화되며 발생되는 수축율과 빌드플레이트가 내려가면서 빌드플레이트를 고정하는 기구물이 액체 레진으로 들어가면서 부피의 변화로 광경화성 레진의 수위가 일정하게 유지되지 못하는 문제가 있었다. 이에 따라 적층물의 두께가 일정치 않음으로 최종적으로 설계된 3D데이터와 치수가 다르거나 적층면간의 분리로 출력의 실패를 가져오게 되었다. 이를 해결하기 위해 레진탱크에 레진 수위 감지센서를 두고, 분리된 레진 저장탱크를 두어, 적층 직전 수위를 감지해 설계된 레진의 수위보다 레진이 부족하거나 많을 경우, 펌프를 이용해 레진의 수위를 맞추는 작업을 진행하였다. 하지만 이 경우 항상 설계된 수위까지 레진탱크에 레진이 채워져야 하며 저장탱크에도 레진이 있어야 함으로 많은 양의 레진이 필요하며, 수위를 맞추기 위해 많은 시간이 소모 되었다.

한국등록특허공보 제1604825호(2016.03.14)

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 발명의 목적은 광경화성 레진을 이용한 3D 프린터의 제품 성형과정 시 발생하는 불량률을 크게 개선하여, 제품의 성형 품질을 향상시키고, 제품 성형에 필요한 비용과 시간을 단축시킬 수 있는 광경화성 3D 프린터 및 제품 성형방법을 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 광경화성 3D 프린터는, 광경화성 레진이 저장되는 레진탱크; 상기 레진탱크 상부에 설치되어 상기 광경화성 레진에 대하여 광원을 조사하는 광학모듈; 상기 광학모듈에 의해 광경화성 레진이 경화되어 부착되며 상하방향으로 승강이동이 가능한 빌드플레이트; 상기 광학모듈의 일측에 설치되며 상기 광경화성 레진의 수위를 측정하는 감지센서; 및 상기 감지센서의 측정된 수위에 따라 상대적으로 정해진 적층두께만큼 빌드플레이트를 이동 시켜줄 수 있는 시스템을 특징으로 한다.

상기 광경화성 레진의 수위를 기준으로 상기 빌드플레이트, 광학모듈 및 감지센서의 상하운동을 각각 제어할 수 있는 위치조절 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 레진탱크의 상부에는 상기 광학모듈, 감지센서 및 빌드플레이트가 설치되며 상하방향으로 승강 이동하는 고정브라켓을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 빌드플레이트에는 광경화성 레진을 주기적으로 교반시키는 와이핑수단이 추가적으로 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 광경화성 3D 프린터의 제품 성형방법은 레진탱크, 광학모듈 및 빌드플레이트로 구성된 광경화성 3D 프린터의 제품 성형방법에 있어서, 상기 레진탱크 내에 저장된 광경화성 레진의 수면 아래로 빌드플레이트를 잠입시키는 단계; 상기 광경화성 레진의 수위를 측정하는 수위 감지단계; 상기 수위 감지단계의 측정된 수위 값에 따라 상기 빌드플레이트의 승강위치와 광학모듈의 광 초점거리를 결정하는 위치결정 단계; 상기 광학모듈의 광원이 상기 광경화성 레진을 조사하여 레진 경화물을 형성하는 제품 성형단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 광학모듈의 일측에 광경화성 레진의 수위를 측정하는 감지센서와 측정된 수위 값에 따라 상기 빌드플레이트 및 광학모듈이 각각 승강 이동함에 따라 레진 경화물의 적층 두께를 항상 일정하게 유지시킬 수 있어 그에 따른 경화품질 향상 및 3차원 출력물이 완성도를 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 광경화성 3D 프린터의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광경화성 3D 프린터의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광경화성 3D 프린터의 작용을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광경화성 3D 프린터의 제품 성형과정을 나타낸 순서도이다.

이하, 본 발명에 따른 광경화성 3D 프린터의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 광경화성 3D 프린터는 광경화성 레진(110)이 저장되는 레진탱크(100)와, 상기 레진탱크(100) 상부에 설치되어 상기 광경화성 레진(110)에 대하여 광원을 조사하는 광학모듈(200)과, 상기 광학모듈(200)에 의해 광경화성 레진(110)이 부착되며 상하방향으로 승강이동이 가능한 빌드플레이트(300)와, 상기 광학모듈(200)의 일측에 설치되며 상기 광경화성 레진(110)의 수위를 측정하는 감지센서(400)를 포함하여 구성된다.

먼저, 상기 레진탱크(100)는 광경화성 레진(110)을 담기 위한 용기로써, 내부에는 상기 광경화성 레진(110)을 저장하기 위한 저장공간부(101)가 형성된다.

이러한 상기 레진탱크(100)는 상기 저장공간부(101)에 광경화성 레진(110)을 수용하며, 후술할 빌드플레이트(300)가 간섭받지 않고 원활하게 승강이동할 수 있도록 상기 빌드플레이트(300)보다 넓이가 큰 구조로 제작하는 것이 바람직하다.

상기 레진탱크(100)는 유리 또는 합성수지인 플라스틱 등의 투명소재로 제작하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정하지 않으며 금속, 알루미늄 등의 불투명 소재로 제작할 수도 있다.

상기 레진탱크(100)는 사각형상의 형태로 제작하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정하지 않으며, 원형, 타원형 또는 다양한 다각형상의 형태로 제작할 수 있다.

상기 광학모듈(200)은 상기 레진탱크(100)의 상부에 설치되는 것으로, 상기 광경화성 레진(110)에 대하여 광원을 조사하여 원하는 형상의 단면을 형성하는 역할을 수행한다.

또한, 상기 광학모듈(200)은 상기 광경화성 레진(110)의 표면층에 초점을 맞추어 상을 맺히게 하기 위해 결상광학렌즈(210)과, 상하방향 또는 수평방향으로 자체 이동이 가능한 이동제어부(220)를 포함할 수 있다.

상기 결상광학렌즈(210)는 광경화성 레진(110)의 성분에 따라 광원의 파장대역의 출력세기를 다양하게 설정할 수 있는 기능을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 광학모듈(200)은 후술할 감지센서의 측정된 수위 값에 따라 상기 빌드플레이트(300) 또는 레진 경화물(110a)의 상단을 기준으로 사전에 정해진 레진 경화물(110a)의 적층 두께(m)에 대응하여 상하방향으로 승강 이동한다.

즉, 상기 광학모듈(200)은 고정된 위치에서 광의 조사가 이루어지는 것이 아닌 상기 레진 경화물(110a)과 광경화성 레진(110)의 수위, 초점거리, 적층 두께(m)를 고려한 이동된 위치에서 광 조사가 이루어지는 구성이다.

한편, 상기 빌드플레이트(300)는 광원에 의해 경화된 레진 경화물(110a)을 지지하는 것으로, 광경화성 레진(110)의 표면에 수직방향으로 승강이동 하는 역할을 수행한다.

이러한 상기 빌드플레이트(300)는 상기 레진탱크(100)의 저장공간부(101)에 수용된 광경화성 레진(110)이 광학모듈(200)로부터 광을 조사받아 연속적으로 레진 경화물(110a)이 적층구조로 생성될 수 있도록 단계별로 하강 이동하고, 상기 빌드플레이트(300)에 3차원의 출력물이 완성되면 상기 레진탱크(100)로부터 인출을 위해 개방된 윗쪽으로 이동한다.

물론, 상기 빌드플레이트(300)의 승강이동을 위한 별도의 구동장치(미도시)가 설치되는 것은 당연하다.

상기 빌드플레이트(300)를 승강이동 가능하게 하는 구동장치는 이미 공지된 기술과 동일 내지 유사하므로 그 구체적인 구성 및 작용 설명은 생략한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 레진탱크(100) 또는 후술할 고정브라켓(500)에는 광경화성 레진(110)의 버블제거, 교반, 레진공급 및 평탄화를 위해 Re-coating blade가(350) 설치될 수 있다.

즉, 상기 Re-coating blade(350)가 설치되는 경우, 이는 상기 빌드플레이트(300)와 간섭되지 않는 위치에 설치되어 좌,우방향으로 회전 또는 직선 운동하는 구성으로, 상기 레진탱크(100) 내에 정체된 상태의 광경화성 레진(110)이 상기 광학모듈(200)의 반복적인 광 조사에 노출되어 조기 경화되는 것을 방지할 수 있도록 유체의 유동 흐름을 일시적으로 발생시키는 역할을 수행한다.

한편, 상기 감지센서(400)는 상기 고정브라켓(500)의 일측에 설치되는 것으로, 고정브라켓에 고정되어 움직임으로 상기 광경화성 레진(110)의 수위변화에 따른 초점거리(L2) 변화량을 보정하는 역할을 수행한다.

즉, 상기 감지센서(400)는 상기 빌드플레이트(300)가 레진탱크크(100)의 아래쪽을 향해 단계적으로 하강하는 과정에서 상기 광경화성 레진(110)의 수위가 변화하는 것을 고려하여 레진 경화물(110a)의 적층 두께(m)가 미리 설정한 값만큼 정확히 형성되도록 기준면이 되는 광경화성 레진(110)의 수위를 감지함으로써 3차원의 출력물에 대한 완성도를 높일 수 있다.

다시 말해, 상기 감지센서(400)는 광경화성 레진(110)의 수위를 측정하고, 그 측정된 수위 값(L1)에 맞추어 상기 빌드플레이트(300)의 승강 위치를 조절할 수 있어 항상 일정한 두께의 레진 경화물(110a)을 형성할 수 있다.

상기 감지센서(400)는 상기 광경화성 레진(110)의 수위를 측정한 후 빌드플레이트(300)의 승강위치를 조절하는 과정에서 그 수위가 다시 변동될 수 있다. 따라서 감지센서(400)는 실시간으로 측정하여 변화된 수위를 반영하여 다시 빌드플레이트(300)의 위치를 조정하는 피드백 과정을 거친다.

여기서, 상기 감지센서(400)는 와전류 변위센서, 초음파 변위센서, 레이저 및 공초점 센서 등을 사용할 수 있다.

상기 감지센서(400), 빌드플레이트(300) 및 광학모듈(200)을 상호 전기적으로 연결하는 위치조절 제어부(430)가 설치된다.

상기 위치조절 제어부(430)는 작업자가 사전에 설정한 상기 빌드플레이트(300)와 광학모듈(200)의 초기 위치에 대한 세팅 값이 입력된 상태에서, 상기 감지센서(400)의 센싱 값(수위)에 따라 상기 빌드플레이트(300)의 초기 위치를 가감하여 보정하는 기능을 제공한다.

또한, 상기 위치조절 제어부(430)는 측정된 광경화성 레진(110)의 수위의 변동 값에 맞추어 상기 광학모듈(200)과 광경화성 레진 사이의 광 초점거리(L2)를 일정하게 유지할 수 있도록 상기 광학모듈(200)의 승강 위치를 제어한다.

따라서, 상기 위치조절 제어부(430)는 광경화성 레진의 수위 변동 값에 맞추어 상기 빌드플레이트(300), 광학모듈(200) 및 감지센서(400)의 승강 위치를 각각 제어할 수 있다.

아울러, 상기 위치조절 제어부(430)는 선행적으로 상기 빌드플레이트(300)의 승강위치를 결정한 후, 광 초점거리(L2)를 맞추기 위한 광학모듈(200)의 위치를 조절할 수 있다. 즉, 빌드플레이트(300)의 승강위치를 조절할 때 피드백 과정을 거치기 때문에 빌드플레이트의 승강위치를 최종 결정한 이후 상기 광학모듈(200)의 위치를 차등적으로 조절할 수 있다.

또한, 상기 레진탱크(100)의 상부에는 상기 광학모듈(200), 감지센서(400) 및 빌드플레이트(300)를 동시에 움직일 수 있도록 고정시킨 상태에서 광경화성 레진(110)의 표면에 수직방향으로 승강 이동 가능하게 하는 고정브라켓(500)을 더 포함한다.

이하, 본 발명에 따른 광경화성 3D 프린터의 제품 성형방법에 대하여 설명한다.

먼저, 레진탱크(100) 내에 저장된 광경화성 레진(110)의 수면 아래로 빌드플레이트(300)를 잠입시키는 단계(S100)를 진행한다.

상기 빌드플레이트(300)의 잠입이 이루어지면 상기 광경화성 레진(110)의 수위를 측정하는 수위 감지단계(S200)를 진행한다.

이후, 상기 수위 감지단계(S200)의 측정된 수위 값(L1)에 따라 상기 빌드플레이트(300)의 승강위치와 광학모듈(200)의 광 초점거리(L2)를 결정하는 위치결정 단계(S300)를 실시한다.

상기 위치결정 단계(S400)의 진행이 완료되면 상기 광학모듈(200)의 광원이 상기 광경화성 레진(110)을 조사하여 레진 경화물(110a)을 형성하는 제품 성형단계(S400)를 진행한다.

상기 제품성형 단계(S500)는 광경화성 레진(110)의 수면과 빌드플레이트(300) 사이에 위치하는 광경화성 레진이 광학모듈(200)에 의해 레진 경화물(110a)로 가변되어 상기 빌드플레이트(300)에 고착되는 것으로, 이러한 레진 경화물(110a) 형성은 상기 수위 감지단계(S200)의 진행 과정을 반복적으로 실시하여 최종 설정된 3차원 출력물을 완성(S500)한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100 : 레진탱크 110 : 광경화성 레진
110a : 레진 경화물 200 : 광학모듈
300 : 빌드플레이트 350 : Re-coating blade
400 : 감지센서 430 : 위치조절 제어부
500 : 고정브라켓
L1 : 수위 값 L2 : 초점거리

Claims

광경화성 레진이 저장되는 레진탱크;
상기 레진탱크 상부에 설치되어 상기 광경화성 레진에 대하여 광원을 조사하는 광학모듈;
상기 광학모듈에 의해 광경화성 레진이 경화되어 부착되며 상하방향으로 승강이동이 가능한 빌드플레이트;
상기 광학모듈의 일측에 설치되며 상기 광경화성 레진의 수위를 측정하는 감지센서; 및,
상기 감지센서의 측정된 수위 값에 따라 상기 빌드플레이트 또는 레진 경화물의 상단을 기준으로 사전에 정해진 레진 경화물의 적층 두께만큼 상기 빌드플레이트와 상기 광학모듈이 상하방향으로 승강 이동하는 것을 특징으로 하는 광경화성 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 광경화성 레진의 수위를 기준으로 상기 빌드플레이트, 광학모듈 및 감지 센서가 고정되는 고정브라켓의 상하운동을 각각 제어할 수 있는 위치조절 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광경화성 3D 프린터.
제2항에 있어서,
고정브라켓에는 광학모듈, 감지센서가 고정되고, 이와 독립제어 가능한 빌드플레이트는 각각 위치조절 제어부에의해 광경화성 레진의 표면과 수직방향으로 직선운동을 하는 것을 특징으로 하는 광경화성 3D 프린터.
레진탱크, 광학모듈 및 빌드플레이트로 구성된 광경화성 3D 프린터의 제품 성형방법에 있어서,
상기 레진탱크 내에 저장된 광경화성 레진의 수면 아래로 빌드플레이트를 잠입시키는 단계;
상기 광경화성 레진의 수위를 측정하는 수위 감지단계;
상기 수위 감지단계의 측정된 수위 값에 따라 상기 빌드플레이트의 승강위치와 광학모듈의 광 초점거리를 결정하는 위치결정 단계;
상기 광학모듈의 광원이 상기 광경화성 레진을 조사하여 레진 경화물을 형성하는 제품 성형단계;
제품 성형이 완료될 때까지 빌드플레이트를 잠입시키는 단계부터 성형단계까지 반복적으로 구동하는 것을 특징으로 하는 광경화성 3D 프린터의 제품 성형방법.