KR20190062782A - 광집적모듈 및 이를 적용한 3d 프린터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광집적모듈 및 이를 적용한 3D 프린터에 관한 것으로서, 광집적모듈은 직선상태로 연장되어 내부에 집중 광로를 형성하는 집중관부분과, 집중관부분의 일단에서 집중관부분의 연장방향에 대해 직교하는 방향으로 각각 연장되되 집중관부분의 일단을 외부에 대해 차폐시키면서 집중 광로와 연통되는 서브 광로를 갖게 형성된 복수개의 분기관부분을 갖는 광집중유니트와, 분기관부분의 외부에서 서브 광로를 향하여 광을 각각 출사하는 복수개의 광원과, 광원에서 각각 출사되어 분기관부분의 서브광로를 진행하는 광을 각각 반사시켜 집중광로로 향하도록 광의 경로를 변화시키는 반사미러와, 반사미러에서 반사되어 집중관부분의 타탄을 향해 진행되는 광을 집속시켜 외부로 출사하는 메인 콜리메이팅 렌즈와, 광원과 반사미러 사이의 분기관 부분에 설치되어 광원에서 출사된 광을 집속시켜 반사미러로 출사하는 서브 콜리메이팅 렌즈를 구비한다. 이러한 광집적모듈 및 이를 적용한 3D 프린터에 의하면, DMD에 입사되는 광의 집광량을 증가시킬 수 있어 광경화 효율 및 프린팅 영역을 확장할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

광집적모듈 및 이를 적용한 3D 프린터{optical integrated module and 3D printer using the same}
본 발명은 광집적모듈 및 이를 적용한 3D 프린터에 관한 것으로서, 상세하게는 광집속효율을 향상시킬 수 있도록 된 광집적모듈 및 이를 적용한 3D 프린터에 관한 것이다.
3D 프린터는 형성하고자 하는 입체 모양을 인쇄기법에 의해 성형할 수 있는 장치를 말한다.
최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 CAD 나 CAM을 이용하여 3차원 모델링 데이터를 생성하고, 생성한 데이터를 이용하여 3차원 입체 형상의 성형물을 제작하는 이른바 3차원 프린팅 방법이 등장하게 되었으며, 이러한 3D 프린터를 산업, 생활, 의학 등 매우 다양한 분야에서 활용하고 있다.
일반적인 3D 프린터의 기본적인 원리는 얇은 2D 레이어를 쌓아서 3D 성형물을 만드는 것이다.
3D 프린터 방법에는 광경화성 수지에 레이저 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(StereoLithography Apparatus)방식과, SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하여 레이저 광선으로 주사하여 기능성 고분자 또는 금속분말을 고결시켜 성형하는 원리를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering)방식, 광경화성 수지가 저장된 수조의 하부로 광을 조사하여 부분적으로 경화되는 원리를 이용한 DLP(Digital Light Processing) 방식 등이 있다.
기존의 SLA 방식은 광경화성 수지를 이용하는 방법으로 미국특허 4,575,330호에 개시되어 있다.
또한, 최근에는 광경화성 수지 용액에 LCD를 이용하여 인쇄하는 방식도 이용되고 있다.
또한, 광경화방식의 방식의 경우 성형기판을 하부로 하강시키면서 성형기판상면에 성형물을 적층시키는 상향식과, 성형기판을 상부로 승강시키면서 성형기판의 하면에 성형물을 적층시키는 하향식이 있다.
하향식의 경우 다수의 마이크로 미러가 하나의 칩에 집적된 DMD(Digital Micro-mirror Device)를 이용한다.
따라서, 프린팅 영역을 확장시키고 광경화 효율을 높이기 위해서는 DMD에 입사되는 광의 강도 즉, 집광량을 증가시킬 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위해 창안된 것으로서, DMD에 입사되는 광의 집광량을 증가시킬 수 있는 광집적모듈 및 이를 적용한 3D 프린터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광집적모듈은 직선상태로 연장되어 내부에 집중 광로를 형성하는 집중관부분과, 상기 집중관부분의 일단에서 상기 집중관부분의 연장방향에 대해 직교하는 방향으로 각각 연장되되 상기 집중관부분의 일단을 외부에 대해 차폐시키면서 상기 집중 광로와 연통되는 서브 광로를 갖게 형성된 복수개의 분기관부분을 갖는 광집중유니트와; 상기 분기관부분의 외부에서 상기 서브 광로를 향하여 광을 각각 출사하는 복수개의 광원과; 상기 광원에서 각각 출사되어 상기 분기관부분의 서브광로를 진행하는 광을 각각 반사시켜 상기 집중광로로 향하도록 광의 경로를 변화시키는 반사미러와; 상기 반사미러에서 반사되어 상기 집중관부분의 타탄을 향해 진행되는 광을 집속시켜 외부로 출사하는 메인 콜리메이팅 렌즈와; 상기 광원과 상기 반사미러 사이의 상기 분기관 부분에 설치되어 상기 광원에서 출사된 광을 집속시켜 상기 반사미러로 출사하는 서브 콜리메이팅 렌즈;를 구비한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 광집중 유니트는 'T'자 형상으로 형성되어 있고, 상기 광원과 상기 분기관 부분은 각각 2개가 적용된다.
또 다르게는 상기 광집중 유니트는 '열십자' 형상으로 형성되어 있고, 상기 광원과 상기 분기관 부분은 각각 4개가 적용된다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3D프린터는 광경화성 액상 수지가 충진되며 상부가 개방된 수조와; 상기 수조 내로 광경화성 액상수지를 공급하는 수지 공급부와; 상기 수조 내에 설치되어 상기 광경화성 액상 수지가 조사된 광에 의해 경화되어 성장될 수 있도록 된 판형상의 성형기판과, 상기 성형기판 상부에서 상기 성형기판을 지지할 수 있도록 결합된 홀더를 갖는 성형물 지지유니트와; 상기 홀더와 결합되어 상기 성형기판을 상방으로 승하강시킬 수 있도록 된 승강기와; 상기 수조의 하부에서 상기 수조를 향해 광을 조사하여 상기 성형기판의 하부로 상기 광경화성 액상 수지의 경화에 의한 성형층을 형성하는 광조사부와; 상기 승강기와 상기 광조사부의 구동을 제어하여 상기 성형기판에 성형물의 형성을 제어하는 제어유니트;를 구비하고, 상기 광조사부는 각도 조정이 가능한 다수의 마이크로미러가 어레이된 DMD를 포함하는 DLP와; 상기 DMD의 광입사영역 내로 광을 조사하는 광집적모듈;을 구비하고, 상기 광집적모듈은 직선상태로 연장되어 내부에 집중 광로를 형성하는 집중관부분과, 상기 집중관부분의 일단에서 상기 집중관부분의 연장방향에 대해 직교하는 방향으로 각각 연장되되 상기 집중관부분의 일단을 외부에 대해 차폐시키면서 상기 집중 광로와 연통되는 서브 광로를 갖게 형성된 복수개의 분기관부분을 갖는 광집중유니트와; 상기 분기관부분의 외부에서 상기 서브 광로를 향하여 광을 각각 출사하는 복수개의 광원과; 상기 광원에서 각각 출사되어 상기 분기관부분의 서브광로를 진행하는 광을 각각 반사시켜 상기 집중광로로 향하도록 광의 경로를 변화시키는 반사미러와; 상기 반사미러에서 반사되어 상기 집중관부분의 타탄을 향해 진행되는 광을 집속시켜 상기 DMD로 출사하는 메인 콜리메이팅 렌즈와; 상기 광원과 상기 반사미러 사이의 상기 분기관 부분에 설치되어 상기 광원에서 출사된 광을 집속시켜 상기 반사미러로 출사하는 서브 콜리메이팅 렌즈;를 구비한다.
본 발명에 따른 광집적모듈 및 이를 적용한 3D 프린터에 의하면, DMD에 입사되는 광의 집광량을 증가시킬 수 있어 광경화 효율 및 프린팅 영역을 확장할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 광집적모듈이 적용된 3D 프린터를 나타내보인 도면이고,
도 2는 도 1의 광집적모듈을 확대하여 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광집적모듈을 나타내 보인 사시도이고,
도 4는 도 2의 광집적모듈에서 출사되는 광빔에 대해 시뮬레이션한 결과를 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광집적모듈 및 이를 적용한 3D 프린터를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광집적모듈이 적용된 3D 프린터를 나타내보인 도면이고, 도 2는 도 1의 광집적모듈을 확대하여 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 3D 프린터(100)는 수조(110), 수지 공급부(120), 성형물 지지유니트(130), 승강기(160), 광조사부(170), 제어유니트(210)를 구비한다.
수조(110)는 프레임(101)에 의해 지지되게 설치되어 있고, 광경화성 액상 수지(112)가 충진되며 상부가 개방된 구조로 되어 있다.
수조(110)의 저면은 광투과가 용이한 투명소재로 되어 있다.
수지 공급부(120)는 수조(110) 내로 광경화성 액상 수지를 공급한다.
수지 공급부(120)는 제어유니트(210)에 제어되어 수조(110) 내로 광경화성 액상 수지를 공급하도록 구축될 수 있다.
이 경우 제어유니트(210)는 수조(110)에 설치된 수위센서(미도시)로부터 광경화성 액상 수지의 저수 레벨을 제공받고, 인쇄프로세스에 대응되게 수조(110) 내의 수위가 목표 수위가 유지되도록 수지 공급부(120)의 수지 공급량을 제어한다.
이와는 다르게, 수지공급부(120)는 제어유니트(210)와 독립되어 작동될 수 있게 구축될 수 있다. 이 경우 수지공급부(120)는 작동온으로 선택되면 수조(110)에 설치된 수위센서(미도시)로부터 광경화성 액상 수지의 저수 레벨을 제공받고, 수조(110) 내의 수위가 목표 수위가 유지되도록 수지 공급량을 자체적으로 제어하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
성형물 지지유니트(130)는 수조(110) 내에 설치되어 광경화성 액상 수지(112)가 조사된 광에 의해 경화되어 성장될 수 있도록 된 판형상의 성형기판(132)과, 성형기판(132) 상부에서 성형기판(132)을 지지할 수 있도록 성형기판(132)과 결합되며 후술하는 승강기(160)와 결합되는 홀더(140)를 구비한다.
성형기판(132)은 판형상으로 형성되어 있으며, 저면에 광경화성 액상 수지(112)가 경화되어 성장된다.
홀더(140)는 성형기판(132) 상부에서 성형기판(132)과 결합되며 성형기판(132)을 승강시키기 위한 승강기(160)와 결합되며 지지판(142)과, 지지판 상면 중앙에서 상방으로 연장된 결합바(144)를 구비한다.
지지판(142)은 성형기판(132)과 대향되게 상부에 이격되게 배치되며 성형기판(132)와 대응되는 크기로 판형상으로 형성된 것을 적용한다.
결합바(144)는 지지판(142) 상부 즉, 지지판(142)의 상면 중앙에서 상방으로 연장되게 형성되어 승강기(160)의 리프트 바(162)의 일단과 결합되어 있다.
승강기(160)는 홀더(140)와 결합되어 성형기판(132)을 상방으로 승하강시킬 수 있도록 프레임(101)에 설치되어 있다.
승강기(160)는 모터(M)(161)에 의해 회전될 수 있게 수직상으로 연장되게 설치된 수직 스크류(164)의 외측에 승강너트(165)가 설치되어 있고, 승강너트(165)는 리프트바(162)와 결합되어 있다.
또한, 수직 스크류(164)와 나란하게 연장된 구속가이드바(168) 외측에 구속링(168)이 수직상으로 이동가능하게 설치되어 있고, 구속링(168)에 리트프바(162)가 결합되어 있다.
이러한 승강기(160)는 모터(161)의 정역 회전에 의해 수직 스크류(164)가 정역회전하고, 수직 스크류(164)의 정역 회전에 의해 리프트바(162)가 구속링(168)을 통해 구속되어 승강너트(165)를 따라 승하강 된다.
승강기(160)는 도시된 예와 다른 구조로 홀더(140)를 통해 승하강할 수 있는 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.
광조사부(170)는 제어유니트(210)에 제어되며, 수조(110)의 하부에서 수조를 향해 광을 조사하여 성형기판(132)의 하부로 광경화성 액상 수지(112)의 경화에 의한 성형층(250)을 형성할 수 있도록 되어 있다.
광조사부(170)는 DLP(Digital Light Processing)(173)와, 광집적모듈(190) 및 집속렌즈(200)로 되어 있다.
DLP(Digital Light Processing)(180)는 광집적모듈(190)에서 조사된 광을 형성하고자 하는 빔형상에 대응되게 각도 조정이 가능한 다수의 마이크로미러가 어레이된 DMD(181)와, DMD를 구동하는 구동칩(182)으로 되어 있고, 상세구조는 공지되어 있어 더욱 상세한 설명은 생략한다.
광집적모듈(190)은 DMD(181)의 광입사영역 내로 광을 조사한다.
광집적모듈(190)은 광집중유니트(191), 복수개의 광원(192a)(192b), 반사미러(195), 메인 콜리메이팅 렌즈(198), 복수개의 서브 콜리메이팅 렌즈(197a)(197b)를 구비한다.
광집중유니트(191)는 직선상태로 연장되어 내부에 집중 광로(193)를 형성하는 집중관부분(191a)과, 집중관부분(191a)의 일단에서 집중관부분(191a)의 연장방향에 대해 직교하는 방향으로 각각 연장되되 집중관부분(181a)의 일단을 외부에 대해 차폐시키면서 집중 광로(193)와 연통되는 서브 광로(194)를 갖게 형성된 복수개의 분기관부분(191b)(191c)을 갖는 구조로 되어 있다.
집중광로(193)를 형성하는 집중관부분(191a)과 서브 광로(194)를 형성하는 분기관부분(191b)(191c)은 내부 단면이 사각형인 사각관 형상으로 형성된 것을 적용하는 것이 바람직하다.
도시된 예에서는 광집중유니트(191)가 집중관부분(191a)을 기준으로 2개의 분기관부분(191b)(191c)을 갖는 영문자'T'자 형태로 형성된 것이 적용되었다.
2개의 광원(192a)(192b) 각각은 분기관부분(191b)(191c)의 외부에서 서브 광로(194)를 향하여 광을 각각 출사할 수 있게 설치되어있다.
광원(192a)(192b)은 자외선광을 출사하는 광원이 적용될 수 있다.
반사미러(195)는 광원(192a)(192b)들에서 각각 출사되어 분기관부분(191b)(191c)의 서브광로(194)를 진행하는 광을 각각 반사시켜 집중광로(193)로 향하도록 광의 경로를 변화시킨다.
반사미러(195)는 서브광로(194)의 중심축과 각각 대향되는 면이 45도로 경사진 반사면(195a)(195b)을 갖게 형성된 구조로 되어 있다.
반사미러(195)는 집중관부분(191a)의 길이방향을 따르는 집중광로(193)의 중앙에 해당하는 중심축이 꼭지점과 매칭되게 집중광로(193)와 대향되는 위치의 분기관부분(191b)(191c)의 내측 중앙에 설치된다.
메인 콜리메이팅 렌즈(198)는 반사미러(195)에서 반사되어 집중관부분(191a)의 타탄을 향해 진행되는 광을 집속시켜 DMD(181)로 출사한다.
서브 콜리메이팅 렌즈(197a)(197b)는 광원(192a)(192b)과 반사미러(195) 사이의 분기관 부분(191b)(191c)에 설치되어 광원(192a)(192b)에서 출사된 광을 집속시켜 반사미러(195)로 출사한다.
이러한 광집적모듈(190)은 집중관부분(191a)에 대해 적용되는 분기관부분의 개수에 대응되게 DMD(181)에 입사시키는 광의 집중량을 배가시킬 수 있다.
또한, 도 4를 통해 확인 할 수 있는 바와 같이 집중관부분(191a)을 통해 출사되는 광빔의 단면적이 사각형상을 갖으며 광량분포가 광빔의 단면적상에서 편차가 매우 적어 균일성을 유지할 수 있는 장점을 제공한다.
이와는 다르게, 광집중 유니트(191)는 도 3에 도시된 바와 같이 분기관 부분(191b 내지 191e)이 4개가 적용되어 '열십자' 형상으로 형성된 구조가 적용될 수 있다. 이 경우 광원(192a 내지 192d)도 4개가 적용된다.
또한, 반사미러(295)는 4개의 광원(192a 내지 192d)에서 출사되어 각 서브광로(194)를 통해 진행되는 광을 서브광로(194)의 중심축과 각각 대향되는 면이 45도로 경사진 반사면을 갖게 피라미드 형태의 사각뿔 구조로 형성된 것이 적용되어 있다.
한편, 집중관부분(191a)을 중심으로 직교되면서 연통되게 결합되는 분기관 부분의 개수는 도시된 예와 다르게 3개 또는 5개 이상으로 형성할 수 있고, 적용되는 분기관의 개수에 대응되는 개수의 광원 및 분기관의 개수에 대응되는 반사면이 적용된 반사미러를 적용하면 된다.
집속렌즈(200)는 DLP(180)를 거친 광을 수조(110) 하부로 집속한다.
제어유니트(210)는 성형하고자 하는 성형물이 성형기판(132)에 형성되도록 수지공급부(120), 승강기(160), 광조사부(170)의 구동을 제어한다.
제어유니트(210)는 작동을 조작하는 조작부(미도시)와, 조작부로부터 설정된 성형물에 대한 인쇄지시가 수신되면, 기억부(미도시)에 등록된 성형물의 성형데이터에 따라 인쇄성형될 수 있도록 수지공급부(120), 승강기(160), 광조사부(170)의 구동을 제어하는 제어부(미도시)를 구비한다.
이상에서 설명된 광집적모듈 및 이를 적용한 3D 프린터에 의하면, DMD에 입사되는 광의 집광량을 증가시킬 수 있어 광경화 효율 및 프린팅 영역을 확장할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 수조 120: 수지 공급부
130: 성형물 지지유니트 160: 승강기
170: 광조사부 190: 광집적모듈
210: 제어유니트

Claims (6)

  1. 직선상태로 연장되어 내부에 집중 광로를 형성하는 집중관부분과, 상기 집중관부분의 일단에서 상기 집중관부분의 연장방향에 대해 직교하는 방향으로 각각 연장되되 상기 집중관부분의 일단을 외부에 대해 차폐시키면서 상기 집중 광로와 연통되는 서브 광로를 갖게 형성된 복수개의 분기관부분을 갖는 광집중유니트와;
    상기 분기관부분의 외부에서 상기 서브 광로를 향하여 광을 각각 출사하는 복수개의 광원과;
    상기 광원에서 각각 출사되어 상기 분기관부분의 서브광로를 진행하는 광을 각각 반사시켜 상기 집중광로로 향하도록 광의 경로를 변화시키는 반사미러와;
    상기 반사미러에서 반사되어 상기 집중관부분의 타탄을 향해 진행되는 광을 집속시켜 외부로 출사하는 메인 콜리메이팅 렌즈와;
    상기 광원과 상기 반사미러 사이의 상기 분기관 부분에 설치되어 상기 광원에서 출사된 광을 집속시켜 상기 반사미러로 출사하는 서브 콜리메이팅 렌즈;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광집적모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광집중 유니트는 'T'자 형상으로 형성되어 있고, 상기 광원과 상기 분기관 부분은 각각 2개가 적용된 것을 특징으로 하는 광집적모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광집중 유니트는 '열십자' 형상으로 형성되어 있고, 상기 광원과 상기 분기관 부분은 각각 4개가 적용된 것을 특징으로 하는 광집적모듈.
  4. 광경화성 액상 수지가 충진되며 상부가 개방된 수조와;
    상기 수조 내로 광경화성 액상수지를 공급하는 수지 공급부와;
    상기 수조 내에 설치되어 상기 광경화성 액상 수지가 조사된 광에 의해 경화되어 성장될 수 있도록 된 판형상의 성형기판과, 상기 성형기판 상부에서 상기 성형기판을 지지할 수 있도록 결합된 홀더를 갖는 성형물 지지유니트와;
    상기 홀더와 결합되어 상기 성형기판을 상방으로 승하강시킬 수 있도록 된 승강기와;
    상기 수조의 하부에서 상기 수조를 향해 광을 조사하여 상기 성형기판의 하부로 상기 광경화성 액상 수지의 경화에 의한 성형층을 형성하는 광조사부와;
    상기 승강기와 상기 광조사부의 구동을 제어하여 상기 성형기판에 성형물의 형성을 제어하는 제어유니트;를 구비하고,
    상기 광조사부는
    각도 조정이 가능한 다수의 마이크로미러가 어레이된 DMD를 포함하는 DLP와;
    상기 DMD의 광입사영역 내로 광을 조사하는 광집적모듈;을 구비하고,
    상기 광집적모듈은
    직선상태로 연장되어 내부에 집중 광로를 형성하는 집중관부분과, 상기 집중관부분의 일단에서 상기 집중관부분의 연장방향에 대해 직교하는 방향으로 각각 연장되되 상기 집중관부분의 일단을 외부에 대해 차폐시키면서 상기 집중 광로와 연통되는 서브 광로를 갖게 형성된 복수개의 분기관부분을 갖는 광집중유니트와;
    상기 분기관부분의 외부에서 상기 서브 광로를 향하여 광을 각각 출사하는 복수개의 광원과;
    상기 광원에서 각각 출사되어 상기 분기관부분의 서브광로를 진행하는 광을 각각 반사시켜 상기 집중광로로 향하도록 광의 경로를 변화시키는 반사미러와;
    상기 반사미러에서 반사되어 상기 집중관부분의 타탄을 향해 진행되는 광을 집속시켜 상기 DMD로 출사하는 메인 콜리메이팅 렌즈와;
    상기 광원과 상기 반사미러 사이의 상기 분기관 부분에 설치되어 상기 광원에서 출사된 광을 집속시켜 상기 반사미러로 출사하는 서브 콜리메이팅 렌즈;를 구비하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 광집중 유니트는 'T'자 형상으로 형성되어 있고, 상기 광원과 상기 분기관 부분은 각각 2개가 적용된 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  6. 제4항에 있어서, 상기 광집중 유니트는 '열십자' 형상으로 형성되어 있고, 상기 광원과 상기 분기관 부분은 각각 4개가 적용된 것을 특징으로 하는 3D 프린터.

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