KR20190041133A - 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 레이저빔을 통해 프린팅층을 형성하는 하고, 제1 레이저빔과 다른 제2 레이저빔을 통해 프린팅층의 잔여부분을 제거할 수 있도록 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 적층된 분말층에 기 설정된 적층물 형상의 프린팅 영역을 따라 제1 레이저빔을 조사하여 프린팅층을 형성하는 프린팅층 형성단계; 및 상기 프린팅층의 외곽선을 따라 상기 제1 레이저빔의 초점직경보다 작고, 상기 레이저빔의 강도보다 높은 제2 레이저빔을 조사하여 상기 프린팅층의 외곽측 영역에 남아있는 잔여부분을 융발시켜 제거하는 잔여부분 제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법을 제공한다.

Description

레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법{Method for manufacturing three dimensional shapes using laser and powder}

본 발명은 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제1 레이저빔을 통해 프린팅층을 형성하고, 제1 레이저빔과 다른 제2 레이저빔을 통해 프린팅층의 잔여부분을 제거할 수 있도록 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 3차원 프린터는 제조하고자 하는 제품의 CAD 데이터를 컴퓨터 상에서 한 방향으로 슬라이싱하고, 슬라이싱된 2차원 단면 형상을 순차적으로 프린팅하여 적층함으로써 3차원 형상을 제조하는 장치를 의미한다.

3차원 프린터는 신제품을 시장에 출시하기 전에 시제품을 제작함으로써 실제 제품에 어떤 문제점이 있는지 검출 및 수정하기 위하여 주로 이용되었으나, 최근에는 3차원 프린팅 공정 및 소재 물성이 발전되어 3차원 프린터에 의해 제조된 제품의 내구성과 치수 정밀도가 향상되면서 그 이용분야가 점차 늘고 있는 실정이다.

3차원 프린터는 재료를 노즐 또는 오리피스를 통해서 선택적으로 압출하여 적층하는 방법, 잉크젯 헤드를 이용하여 재료 잉크를 떨어뜨려서 적층하는 방법, 자외선광 또는 레이저빔을 액체 수지 또는 도포된 분말 형태의 소재에 조사하여 경화 또는 용융하여 적층하는 방법, 액체 상태의 접착제를 잉크젯 헤드를 이용하여 분말 소재 위에 선택적으로 뿌려서 적층하는 방법, 레이저빔 또는 전자빔을 소재 표면에 집속하여 만든 미세한 용탕풀에 분말 소재를 가스로 불어넣어 적층하는 방법 등으로 구분된다.

이 중 레이저빔을 조사하여 도포된 분말을 용융하여 적층하는 방법으로 제품을 제조하는 방법의 경우, 적층물의 치수 및 형상 정밀도와 표면거칠기를 향상시키기 위해 절삭공구를 이용한 절삭가공을 수행하였다.

즉, 적층물을 제조하기 위한 프린팅층을 형성한 다음에 프린팅층의 외곽측 영역에 붙어있는 잔여분말을 밀링기반의 절삭가공에 의해 제거하여 치수 및 형상 정밀도와 표면거칠기를 높였다.

그러나, 잔여분말을 제거하기 위한 절삭공구의 직경과 형상 때문에 적층물의 치수 및 형상 정밀도와 표면거칠기를 향상시키는데 한계가 있고, 절삭공구가 닿을 수 없는 프린팅층의 각진 부위에 남아있는 잔여분말은 제대로 절삭되지 않는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2017-0096504호(2017.08.24. 공개, 발명의 명칭 : 기계가공을 적용한 대면적용 레이저 스캐너 기반 3차원 프린팅 장치)

본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 제1 레이저빔을 이용하여 프린팅층을 형성하고 제1 레이저빔보다 초점직경이 작고 강도가 큰 제2 레이저빔을 이용하여 프린팅층의 외곽측 영역에 남아있는 잔여부분을 제거할 수 있도록 하여 적층물의 치수 및 형상 정밀도와 표면거칠기를 향상시킬 수 있도록 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법을 제공하고자 한 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법은, 적층된 분말층에 기 설정된 적층물 형상의 프린팅 영역을 따라 제1 레이저빔을 조사하여 프린팅층을 형성하는 프린팅층 형성단계; 및 상기 프린팅층의 외곽선을 따라 상기 제1 레이저빔의 초점직경보다 작고, 상기 레이저빔의 강도보다 높은 제2 레이저빔을 조사하여 상기 프린팅층의 외곽측 영역에 남아있는 잔여부분을 융발시켜 제거하는 잔여부분 제거단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법에 있어서, 상기 제2 레이저빔의 초점직경을 상기 제1 레이저빔의 초점직경보다 작게 형성하기 위하여, 상기 제2 레이저빔의 파장은 상기 제1 레이저빔의 파장보다 짧은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법에 있어서, 상기 외곽선을 따라 조사되는 상기 제2 레이저빔의 펄스폭은 상기 프린팅 영역에 조사되는 상기 제1 레이저빔의 펄스폭 보다 짧은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법에 있어서, 상기 제1 레이저빔의 펄스폭은 나노초 펄스폭이고, 상기 제2 레이저빔의 펄스폭은 피코초 또는 펨토초 펄스폭인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법에 있어서, 상기 프린팅층의 외곽선을 따라 조사되는 상기 제2 레이저빔의 입사각도를 조정하여 연속적으로 적층되는 상기 프린팅층의 측면 형상을 각각 다른 형상으로 변화시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법에 있어서, 상기 프린팅층의 외곽선을 따라 조사되는 상기 제2 레이저빔의 선속도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법에 있어서, 상기 프린팅층 형성단계에서, 상기 프린팅 영역을 따라 상기 제1 레이저빔을 조사하여 상기 프린팅층을 복수로 적층시키고, 상기 잔여부분 제거단계에서, 복수로 적층된 상기 프린팅층의 외곽선을 따라 상기 제2 레이저빔을 조사하여 복수로 적층된 상기 프린팅층의 외곽측 영역에 남아있는 잔여부분을 한 번에 제거하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법에 있어서, 상기 프린팅 영역에 조사되는 상기 제1 레이저빔은 제1 갈바노 스캐너를 이용하여 조사될 수 있도록 하고, 상기 프린팅 영역의 외곽선을 따라 조사되는 상기 제2 레이저빔은 이송이 가능한 이송스테이지에 설치된 제2 갈바노 스캐너를 이용하여 조사될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법에 있어서, 상기 프린팅 영역에 조사되는 상기 제1 레이저빔은 제1 갈바노 스캐너를 이용하여 조사될 수 있도록 하고, 상기 프린팅 영역의 외곽선을 따라 조사되는 상기 제2 레이저빔은 이송이 가능한 이송스테이지에 설치된 대물렌즈를 이용하여 조사될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법에 있어서, 적층된 분말층에 기 설정된 적층물 형상의 프린팅 영역을 따라 제1 레이저빔을 조사하여 프린팅층을 형성하는 프린팅층 형성단계; 상기 제1 레이저빔을 상기 프린팅층 형성단계에서 조사된 상기 제1 레이저빔의 초점직경보다 작고, 상기 제1 레이저빔의 강도보다 높은 제2 레이저빔으로 조정하는 레이저빔 조정단계; 및 상기 프린팅층의 외곽선을 따라 상기 제2 레이저빔을 조사하여, 상기 프린팅층의 외곽측 영역에 남아있는 잔여부분을 융발시켜 제거하는 잔여부분 제거단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법은 제1 레이저빔을 이용하여 프린팅층을 형성하고, 제1 레이저빔보다 초점직경이 작고 강도가 큰 제2 레이저빔을 이용하여 프린팅층의 외곽측 영역에 남아있는 잔여부분을 제거함에 따라, 적층물의 치수 및 형상 정밀도와 표면거칠기를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법은, 종래와 달리 절삭공구를 사용하지 않기 때문에 장치의 크기 및 제조비용을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법은, 제2 레이저빔을 이용하여 잔여부분을 제거함에 따라, 프린팅층의 각진 부위에 남아있는 잔여부분을 용이하게 제거할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법은, 제2 레이저빔의 입사각도를 조정할 수 있는 것에 의해 복수로 적층된 프린팅층의 측면이 곡면을 가진 형상으로 제작할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 절삭공구의 가공 분해능과 본 발명의 제2 레이저빔의 가공 분해능의 비교를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 레이저빔의 입사각도를 조정하여 프린팅층의 측면을 변화시키는 과정을 예시적으로 나타낸 도면이다.

이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 이때, 도 1의 (a)는 적층된 분말층(10)에 제1 레이저빔(100)을 조사하는 과정을 나타낸 도면이고, 도 1의 (b)는 제1 레이저빔(100)에 프린팅층(40)이 형성된 상태에서 제2 레이저빔(200)을 이용하여 프린팅층(40)의 외곽측 잔여부분(60)을 제거하는 과정을 나타낸 도면이며, 도 1의 (c)는 프린팅층(40)이 완료된 상태를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법은 프린팅층 형성단계 및 잔여부분 제거단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서는 제1 레이저 유닛(미도시)을 통해 조사되는 제1 레이저빔(100)을 이용하여 프린팅층(40)을 형성하고, 제2 레이저 유닛(미도시)을 통해 조사되는 제2 레이저빔(200)을 이용하여 잔여부분(60)을 제거할 수 있도록 한 것이 제시된다.

상기 프린팅층 형성단계에서는 적층된 분말층(10)에 기 설정된 적층물 형상의 프린팅 영역(20)을 따라 제1 레이저빔(100)을 조사하여 프린팅층(40)을 형성한다.

더욱 구체적으로, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 작업스테이지(미도시) 위에 일정량의 분말을 공급하여 일정 두께를 가진 적층된 분말층(10)을 형성한 다음, 적층된 분말층(10)에 기 설정된 적층물 형상의 프린팅 영역(20)을 따라 제1 레이저빔(100)을 조사한다.

이때, 조사되는 제1 레이저빔(100)에 의해 프린팅 영역(20)의 분말층(10)이 용융되면서 프린팅층(40)이 형성된다. 이와 같은 과정에 의해 프린팅층(40)이 형성되면, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 프린팅층(40)의 외곽을 따라 용융된 분말들이 불규칙하게 남아 있게 되고, 이에 따라 프린팅 영역(20)의 치수 및 형상 정밀도와 표면거칠기가 저하될 수밖에 없다. 따라서, 프린팅층 형성단계 이후에, 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)에 남아있는 용융된 분말들을 제거하기 위한 공정이 수행된다.

이하에서는 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)에 남아있는 용융된 분말들을 잔여부분(60)이라고 칭한다.

다시 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 잔여부분 제거단계는 프린팅층(40)의 외곽선(30)을 따라 제2 레이저빔(200)을 조사하여 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)에 남아있는 잔여부분(60)을 융발시켜 제거한다.

이때, 잔여부분(60)을 제거하기 위한 제2 레이저빔(200)은 프린팅층(40)을 형성하기 위한 제1 레이저빔(100)보다 초점직경이 작고 강도가 높은 레이저빔이 사용되는 것이 바람직하다.

즉, 프린팅층(40)을 형성하기 위한 제1 레이저빔(100)은 프린팅 영역(20)의 분말층(10)에 조사되어 분말층(10)을 이루는 분말들을 용융시킴으로써 프린팅층(40)을 형성하기 때문에 비교적 초점직경이 크고 강도가 낮은 레이저빔이 사용될 수 있으나, 잔여부분(60)을 제거하기 위한 제2 레이저빔(200)은 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)에 남아있는 잔여부분(60)을 융발시켜 제거해야만 하기 때문에 제1 레이저빔(100)의 초점직경보다 작고 강도를 높은 레이저빔이 사용되는 것이 바람직한 것이다.

결과적으로, 제1 레이저빔(100)보다 제2 레이저빔(200)의 초점직경이 작고 강도를 높게 형성하여 잔여부분(60)을 제거함에 따라, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)에 남아있는 잔여부분(60)을 완벽하게 제거할 수 있어 프린팅층(40)이 적층되어 형성되는 적층물의 치수 및 형상 정밀도와 표면거칠기를 향상시킬 수 있다.

도 2는 종래의 절삭공구의 가공 분해능과 본 발명의 제2 레이저빔의 가공 분해능의 비교를 예시적으로 나타낸 도면이다. 이때, 도 2의 (a)는 프린팅층의 각진 부위에 남아있는 잔여부분을 절삭공구에 의해 제거하는 과정을 나타낸 것이고, 도 2의 (b)는 프린팅층의 각진 부위에 남아있는 잔여부분을 제2 레이저빔에 의해 제거하는 과정을 나타낸 것이다.

도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 종래의 절삭공구(1)를 이용하여 프린팅층(40)의 각진 부위에 남아있는 잔여부분(60)을 제거하는 경우, 절삭공구(1)의 큰 직경에 의해 가공 분해능이 제한되어 각진 부위에 남아있는 잔여부분(60)을 정밀하게 제거할 수 없게 된다.

그러나, 도 2의 (b)에 도시되 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제2 레이저빔(200)을 이용하여 프린팅층(40)의 각진 부위에 남아있는 잔여부분(60)을 제거하는 경우, 제2 레이저빔(200)의 초점직경이 작기 때문에 가공 분해능의 제한을 받지 않아 각진 부위를 정밀하게 제거할 수 있다.

한편, 제2 레이저빔(200)의 초점직경을 제1 레이저빔(100)의 초점직경보다 작게 형성하기 위해서는, 제2 레이저빔(200)의 파장을 제1 레이저빔(100)의 파장보다 짧게 형성할 수 있다.

예를 들면, 제2 레이저빔(200)은 녹색 파장대(예를 들어, 약532nm)로 형성하고, 제1 레이저빔(100)은 적외선 파장대(예를 들어, 약 1,064nm)의 형성할 수 있다. 즉, 제2 레이저빔(200)을 녹색 파장대로 형성하게 되면 적외선 파장대에 비해 파장이 짧기 때문에 레이저빔의 초점직경을 줄일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는, 외곽선(30)을 따라 조사되는 제2 레이저빔(200)의 펄스폭이 프린팅 영역(20)에 조사되는 제1 레이저빔(100)의 펄스폭 보다 짧게 형성된 것이 제시된다.

이때, 제1 레이저빔(100)의 펄스폭은 나노초 펄스폭이 사용되고, 제2 레이저빔(200)의 펄스폭은 피코초 또는 펨토초 펄스폭인 극초단 펄스폭이 사용되는 것이 바람직하다.

예를 들면, 제2 레이저빔(200)이 나노초 펄스폭일 경우, 제2 레이저빔(200)이 잔여부분과 반응하는 시간이 길어서 열 영향부가 넓어지게 됨에 따라, 프린팅층(40)이 열에 의해 영향을 받아 용융되어 변형이 발생될 수 있다.

반면, 제2 레이저빔(200)이 극초단 펄스폭인 피코초 또는 펨토초 펄스폭일 경우, 이러한 열적 손상 문제가 거의 발생되지 않는다. 제2 레이저빔(200)이 피코초 또는 펨토초 펄스폭일 경우에는 레이저가 조사되는 부위에서 열이 발생되는 대신 플라즈마가 생성되어 가공이 이루어지게 되기 때문에 제2 레이저빔(200)이 조사되는 부분만 제거될 수 있다.

따라서, 제2 레이저빔(200)이 피코초 또는 펨토초 펄스폭일 경우, 열 및 충격파가 전혀 발생되지 않으므로, 프린팅층(40)이 열에 의한 영향을 받아 용융되어 변형이 발생하지 않게 된다.

이에 따라, 잔여부분(60)을 제거하기 위한 제2 레이저빔(200)은 피코초 및 펨토초 펄스폭이 사용되는 것이 바람직한 것이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 프린팅층(40)의 외곽선(30)을 따라 조사되는 제2 레이저빔(200)의 선속도를 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.

즉, 제2 레이저빔(200)이 프린팅층(40)의 외곽선(30)을 따라 조사될 경우, 제2 레이저빔(200)의 이동 경로에 따라 선속도가 일정하지 않으면, 제2 레이저빔(200)이 이동되면서 조사되는 부분에 유입되는 에너지양이 변경된다. 이에 따라, 프린팅층(40)의 외곽층 영역에 남아있는 잔여부분(60)의 일부는 제거되고 일부는 제거가 되지 않을 수 있게 된다.

따라서, 프린팅층(40)의 외곽측 영역에 남아있는 잔여부분(60)을 균일하게 제거하기 위해서는 프린팅층(40)의 외곽선(30)을 따라 조사되는 제2 레이저빔(200)의 에너지 유입량이 일정하도록 제2 레이저빔(200)의 선속도를 일정하게 유지하는 것이 바람직한 것이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 예로, 프린팅층(40)을 복수로 적층시키고, 복수로 적층된 프린팅의 외곽측 영역(50)에 남아있는 잔여부분(60)을 한 번에 제거하는 제조방법이 제시된다.

더욱 구체적으로, 먼저 프린팅층 형성단계에서 프린팅 영역(20)을 따라 제1 레이저빔(100)을 조사하여 프린팅층(40)을 복수로 적층시킨다.

다음, 잔여부분 제거단계에서 복수로 적층된 프린팅층(40)의 외곽선(30)을 따라 제2 레이저빔(200)을 조사하여 복수로 적층된 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)에 남아있는 잔여부분(60)을 한 번에 제거한다.

즉, 프린팅층(40)을 연속적으로 형성하여 복수로 적층시키고, 복수로 적층된 각 프린팅층(40)의 잔여부분(60)을 한 번에 제거함에 따라 적층물을 제조하기 위한 제조시간을 절약할 수 있는 이점이 있다.

물론, 프린팅층(40)을 형성하는 제1 레이저빔(100) 및 외곽선(30)을 따라 조사되어 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)에 남아있는 잔여부분(60)을 제거하는 제2 레이저빔(200)을 복수개가 사용될 수도 있다.

이때, 복수개가 사용된 제2 레이저빔(200)은 각각의 제2 레이저빔(200)에 대해 파장, 펄스 폭, 초점직경 및 강도를 다르게 하여 사용될 수 있다.

또한, 프린팅층(40)을 형성하는 제1 레이저빔(100)의 복수개가 사용될 수 있고, 외곽선(30)을 따라 조사되어 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)에 남아있는 잔여부분(60)을 제거하는 제2 레이저빔(200)은 단일개가 사용될 수 있다.

즉, 프린팅층(40)의 크기 및 형상에 적합하게 제1 레이저빔(100) 및 제2 레이저빔(200)의 개수를 정하여 사용될 수 있는 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 레이저빔의 입사각도를 조정하여 프린팅층의 측면을 변화시키는 과정을 예시적으로 나타낸 도면이다. 이때, 도 3의 (a)는 제2 레이저빔의 입사각도를 조정하여 프린팅층의 측면을 가공하는 상태를 나타낸 도면이고, 도 3의 (b)는 제2 레이저빔의 가공으로 프린팅층의 측면이 변화된 상태를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 프린팅층(40)의 외곽선(30)을 따라 조사되는 제2 레이저빔(200)의 입사각도(θ)를 조정하여 연속적으로 적층되는 프린팅층(40)의 측면 형상을 각각 다른 형상으로 변화시킬 수 있다.

더욱 구체적으로, 도 3의 (a)에 도시되 바와 같이, 프린팅층(40)을 형성하는 단계에서, 적층된 분말층(10)에 제1 레이저빔(100)을 조사하여 프린팅층(40)을 형성하는 과정을 반복하게 되면, 일정한 형태의 측면을 가지는 프린팅층(40)이 복수로 적층된다.

이때, 제2 레이저빔(200)의 입사각도(θ)를 조정하여 프린팅층(40)의 측면을 조사하게 되면, 프린팅층(40)의 측면이 일정 각도를 가지고 제거될 수 있다.

따라서, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 제2 레이저빔(200)의 입사각도(θ)를 조정하여 프린팅층(40)의 측면에 각도를 가지게 조사하게 되면, 복수로 적층된 프린팅층(40)의 측면이 곡면을 가진 형상으로 제작할 수 있다.

결과적으로, 제2 레이저빔(200)의 입사각도(θ)를 조정함에 따라, 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)에 남아있는 잔여부분(60)을 제거할 수 있는 것과 동시에 적층된 프린팅층(40)의 측면 형상을 변화시킬 수 있는 장점을 가지게 된다.

본 발명의 일 실시예에서는 프린팅 영역(20)에 조사되는 제1 레이저빔(100)은 제1 갈바노 스캐너(미도시)를 이용하여 조사될 수 있도록 하고, 프린팅 영역(20)의 외곽선(30)을 따라 조사되는 제2 레이저빔(200)은 이송이 가능한 이송스테이지(미도시)에 설치된 제2 갈바노 스캐너(미도시)를 이용하여 조사될 수 있다.

갈바노 스캐너는 평면 형상의 반사 미러와, 반사 미러를 회전시키는 모터로 구성된 것으로서, 구성 자체는 통상의 기술자에게 알려진 것이므로 상세한 설명은 생략한다.

더욱 구체적으로, 프린팅 영역(20)의 상측에 배치되는 제1 갈바노 스캐너를 통해 제1 레이저빔(100)이 조사될 수 있도록 하여 프린팅층(40)을 형성한 다음, 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)의 상측에 배치되는 제2 갈바노 스캐너를 통해 제2 레이저빔(200)이 조사될 수 있도록 하여 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)의 남아있는 잔여부분(60)을 제거한다.

이때, 제1 갈바노 스캐너를 통해 조사되는 제1 레이저빔(100)의 조사 영역은 프린팅 영역(20)을 포함하고 있기 때문에 별도의 이송스테이지가 필요하지 않는다.

그러나, 제2 갈바노 스캐너를 통해 조사되는 제2 레이저빔(200)의 영역은 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)을 포함하고 있지 않기 때문에 제2 갈바노 스캐너를 이송스테이지에 설치한 후, 이송스테이지를 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)을 따라 이송시키면서 제2 갈바노 스캐너를 통해 제2 레이저빔(200)이 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)을 조사할 수 있도록 한다.

한편, 제2 레이저빔(200)의 조사는 상술한 제2 갈바노 스캐너 대신 대물렌즈(미도시)를 이송스테이지에 설치한 후, 이송스테이지로 이송시키면서 제2 레이저빔(200)을 대물렌즈를 통해 조사될 수 있도록 할 수 있다.

이상 상술한 바와 같은, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법은 제1 레이저빔(100)을 이용하여 프린팅층(40)을 형성하고, 제1 레이저빔(100)보다 초점직경이 작고 강도가 큰 제2 레이저빔(200)을 이용하여 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)에 남아있는 잔여부분(60)을 제거함에 따라, 적층물의 치수 및 형상 정밀도와 표면거칠기를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법은, 종래와 달리 절삭공구(1)를 사용하지 않기 때문에 장치의 크기 및 제조비용을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법은, 제2 레이저빔(200)을 이용하여 잔여부분(60)을 제거함에 따라, 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50) 중 각도를 가진 부위의 잔여부분(60)을 용이하게 제거할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법은, 제2 레이저빔(200)의 입사각도(θ)를 조정할 수 있는 것에 의해 복수로 적층된 프린팅층의 측면이 곡면을 가진 형상으로 제작할 수 있는 효과가 있다.

한편, 제2 레이저빔(200)을 이용하여 프린팅층(40) 표면에 특정한 형태의 패턴, 홀 및 마킹 등의 부가적인 가공을 수행할 수 있다.

지금부터는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법에 대해 설명한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법은 프린팅층 형성단계와, 레이저빔 조정단계 및 잔여부분 제거단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서는 두개의 레이저유닛으로부터 각각 조사되는 제1 레이저빔(100) 및 제2 레이저빔(200)을 조사시켜 3차원 형상을 제조하는 방법을 제시하였으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 하나의 레이저유닛으로부터 제1 레이저빔(100) 및 제2 레이저빔(200)을 조사시켜 3차원 형상을 제조하는 방법이 제시된다.

상기 프린팅층 형성단계에서는 적층된 분말층(10)에 기 설정된 적층물 형상의 프린팅 영역(20)을 따라 제1 레이저빔(100)을 조사하여 프린팅층(40)을 형성한다.

프린팅층 형성단계에서 적층된 분말층(10)의 프린팅층(40) 영역에 제1 레이저빔(100)을 조사할 경우, 결상 렌즈와 같은 광학계를 통해 프린팅층(40) 영역으로 조사되는 제1 레이저빔(100)이 디포커싱 되도록 조정하여 제1 레이저빔(100)의 초점직경이 크고 강도가 낮게 형성되도록 한 후에, 프린팅층(40)을 형성한다.

상기 레이저빔 조정단계에서는 제1 레이저빔(100)을 제2 레이저빔(200)으로 조정한다. 이때, 제2 레이저빔(200)은 프린팅층 형성단계에서 조사된 제1 레이저빔(100)의 초점직경보다 작고 제1 레이저빔(100)의 강도보다 높게 조정하는 것이 바람직하다.

즉, 레이저빔 조정단계에서는 프린팅층 형성단계에서 디포커싱 된 제1 레이저빔(100)을 포커싱 되도록 조정하여 제1 레이저빔(100)의 초점직경보다 작고 강도가 큰 제2 레이저빔(200)으로 조정한다.

상기 잔여부분 제거단계는 프린팅층(40)의 외곽선(30)을 따라 초짐직경 및 강도가 조정된 제2 레이저빔(200)을 조사하여, 프린팅층(40)의 외곽측 영역(50)에 남아있는 잔여부분(60)을 융발시켜 제거하는 잔여부분(60) 제거한다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법은 하나의 레이저 유닛으로 제1 레이저빔(100) 및 제2 레이저빔(200)을 조사할 수 있도록 함으로서, 장비 전체의 크기를 줄일 수 있는 이점이 있다.

상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.

10: 분말층 20: 프린팅 영역
30: 외곽선 40: 프린팅층
50: 외곽측 영역 60: 잔여부분
100: 제1 레이저빔 200: 제2 레이저빔

Claims (10)

1. 적층된 분말층에 기 설정된 적층물 형상의 프린팅 영역을 따라 제1 레이저빔을 조사하여 프린팅층을 형성하는 프린팅층 형성단계; 및
   상기 프린팅층의 외곽선을 따라 상기 제1 레이저빔의 초점직경보다 작고, 상기 레이저빔의 강도보다 높은 제2 레이저빔을 조사하여 상기 프린팅층의 외곽측 영역에 남아있는 잔여부분을 융발시켜 제거하는 잔여부분 제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 레이저빔의 초점직경을 상기 제1 레이저빔의 초점직경보다 작게 형성하기 위하여, 상기 제2 레이저빔의 파장은 상기 제1 레이저빔의 파장보다 짧은 것을 특징으로 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 외곽선을 따라 조사되는 상기 제2 레이저빔의 펄스폭은 상기 프린팅 영역에 조사되는 상기 제1 레이저빔의 펄스폭 보다 짧은 것을 특징으로 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 레이저빔의 펄스폭은 나노초 펄스폭이고, 상기 제2 레이저빔의 펄스폭은 피코초 또는 펨토초 펄스폭인 것을 특징으로 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 프린팅층의 외곽선을 따라 조사되는 상기 제2 레이저빔의 입사각도를 조정하여 연속적으로 적층되는 상기 프린팅층의 측면 형상을 각각 다른 형상으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 프린팅층의 외곽선을 따라 조사되는 상기 제2 레이저빔의 선속도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 프린팅층 형성단계에서,
   상기 프린팅 영역을 따라 상기 제1 레이저빔을 조사하여 상기 프린팅층을 복수로 적층시키고,
   상기 잔여부분 제거단계에서,
   복수로 적층된 상기 프린팅층의 외곽선을 따라 상기 제2 레이저빔을 조사하여 복수로 적층된 상기 프린팅층의 외곽측 영역에 남아있는 잔여부분을 한 번에 제거하는 것을 특징으로 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상제조방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 프린팅 영역에 조사되는 상기 제1 레이저빔은 제1 갈바노 스캐너를 이용하여 조사될 수 있도록 하고, 상기 프린팅 영역의 외곽선을 따라 조사되는 상기 제2 레이저빔은 이송이 가능한 이송스테이지에 설치된 제2 갈바노 스캐너를 이용하여 조사될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 프린팅 영역에 조사되는 상기 제1 레이저빔은 제1 갈바노 스캐너를 이용하여 조사될 수 있도록 하고, 상기 프린팅 영역의 외곽선을 따라 조사되는 상기 제2 레이저빔은 이송이 가능한 이송스테이지에 설치된 대물렌즈를 이용하여 조사될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법.
10. 적층된 분말층에 기 설정된 적층물 형상의 프린팅 영역을 따라 제1 레이저빔을 조사하여 프린팅층을 형성하는 프린팅층 형성단계;
    상기 제1 레이저빔을 상기 프린팅층 형성단계에서 조사된 상기 제1 레이저빔의 초점직경보다 작고, 상기 제1 레이저빔의 강도보다 높은 제2 레이저빔으로 조정하는 레이저빔 조정단계; 및
    상기 프린팅층의 외곽선을 따라 상기 제2 레이저빔을 조사하여, 상기 프린팅층의 외곽측 영역에 남아있는 잔여부분을 융발시켜 제거하는 잔여부분 제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저와 분말을 이용한 3차원 형상 제조방법.

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