KR20190143508A

KR20190143508A - 3d 프린터

Info

Publication number: KR20190143508A
Application number: KR1020180064107A
Authority: KR
Inventors: 최형일; 김도현; 오진호
Original assignee: 주식회사 엠오피(M.O.P Co., Ltd.)
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2018-06-04
Publication date: 2019-12-31
Also published as: KR102096618B1

Abstract

본 발명은 서로 다른 재료로 형성되는 3D 프린터를 개시한다. 3D 프린터는 제1 재료로 이루어진 제1 구조물을 형성하기 위한 제1 노즐과, 상기 제1 구조물의 높이를 측정하기 위한 높이 측정부와, 제2 재료를 수용하는 트레이와, 상기 트레이에 광을 조사하는 광 조사부와, 상기 제1 구조물의 상면 상의 미경화된 상기 제2 재료를 제거하기 위한 제거부 및 상기 제1 노즐, 상기 높이 측정부, 상기 광 조사부 및 상기 제거부를 제어하기 위한 제어부를 포함한다.

Description

3D 프린터 {3D PRINTER}

본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이종 재료로 구성된 구조물의 제조가 가능한 3D 프린터에 관한 것이다.

3D 프린터는 3차원의 구조물을 제조하는 장치로서, 원재료를 조각하는 방식으로 3차원 구조물을 형성하는 절삭형 3D 프린터와 재료를 층별로 적층하여 구조물을 형성하는 적층형 3D 프린터가 있다. 적층형 3D 프린터는 재료를 적층하는 방식이므로, 절삭형 3D 프린터 대비 원소재의 물질효율이 높으며, 정교한 구조물의 형성이 가능한 이점이 있어 차세대 공정 기술로 크게 주목받고 있다.

적층형 3D 프린터는 재료의 적층 방식에 따라 재료 분사(Material jetting), 재료 압출(Material Extrusion), 접착제 분사(Binder jetting), 고에너지 직접 조사(Directed Energy Deposition), 분말 적층 용융(Powder Bed Fusion), 시트 적층(Sheet Lamination), 광경화 방식 등 다양한 방식이 존재한다.

재료 분사 방식은 용액 형태의 재료를 분사하고, 자외선 등을 사용하여 재료를 경화하여 구조물을 형성한다. 재료 압출은 고온으로 가열하여 흐름성이 확보된 재료를 높은 압력으로 밀어내어 구조물을 형성하는 방식이다. 접착제 분사는 분말 형태의 재료 위에 액체형태의 접착제를 분사하여 분말을 접착시킴으로써 구조물을 형성하는 방식이다. 고에너지 직접 조사는 레이저 등으로 원재료를 녹여 서로 부착시킴으로써 구조물을 형성하는 방식이다. 분말 적층 용융은 분말 형태의 재료 위에 레이저 등을 주사하여 분말 재료를 용융 및 경화시켜 구조물을 형성하는 방식이다. 시트 적층은 얇은 필름 형태의 재료를 열이나 접착제 등으로 적층함으로써 구조물을 형성하는 방식이다. 광경화 방식은 광경화성 소재에 광을 조사하여 경화시킴으로써 구조물을 형성하는 방식이다.

그러나 상술한 방식들의 3D 프린터는 복수의 재료들로 구성된 복잡한 구조물을 출력할 수 없는 단점이 있다. 예를 들어, 광경화 방식, 분말 적층 용융은 트래이(tray)에 담긴 재료를 경화시키는 방식으로 구조물을 형성하므로, 복수의 재료들로 구성된 구조물을 출력하기에 어려움이 있으며, 사용 가능한 재료의 범위가 한정적인 단점이 있다.

또한, 재료 분사, 접착제 분사, 고에너지 직접 조사 등의 방식은 재료 또는 접착제를 노즐을 사용하여 분사하는 방식으로 구조물을 형성하므로, 복수의 노즐을 사용하여 복수의 재료들로 구성된 구조물을 출력할 수 있으나, 노즐을 정밀하게 제어하기 어려우므로 정밀한 구조의 구조물을 출력하는데 한계가 있고, 구조물을 신속하게 출력하기 어려운 단점이 있다.

이에, 복수의 재료들로 구성된 구조물을 정밀하고, 신속하게 출력이 가능한 3D 프린터의 개발이 요구되고 있다.

한편, 전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

[관련기술문헌]

1. 입체 프린팅 장치 및 이를 이용한 기판 제조 방법(특허출원번호 제 10-2013-0053382호)

본 발명의 일실시예는 이종의 재료들로 구성된 복잡한 구조의 구조물을 용이하게 출력할 수 있는 3D 프린터를 제공하는 데에 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예는 이종의 재료들로 구성된 구조물을 정교하고 신속하게 출력할 수 있는 3D 프린터를 제공하는 데에 목적이 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따르면, 제1 재료로 이루어진 제1 구조물을 형성하기 위한 제1 노즐과, 상기 제1 구조물의 높이를 측정하기 위한 높이 측정부와, 제2 재료를 수용하는 트레이와, 상기 트레이에 광을 조사하는 광 조사부와, 상기 제1 구조물의 상면 상의 미경화된 상기 제2 재료를 제거하기 위한 제거부 및 상기 제1 노즐, 상기 높이 측정부, 상기 광 조사부 및 상기 제거부를 제어하기 위한 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제1 구조물의 형성 공간을 제공하는 지지대와, 상기 지지대를 상승 또는 하강시키도록 구성된 지지대 구동부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 광 조사부 및 제1 노즐은 트레이의 상부에 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 광 조사부는 트레이의 하부에 배치되고, 제1 노즐은 트레이의 상부에 배치되고, 지지대 구동부는 지지대를 반전시키도록 구성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제거부는, 블레이드 및 상기 블레이드를 상승 또는 하강시키고, 블레이드를 수평 이동시키는 블레이드 구동부를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제어부는 높이 측정부를 통해 측정된 제1 구조물의 높이에 대응되는 높이로 블레이드가 승하강되도록 블레이드 구동부를 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면 제어부는 높이 측정부를 통해 측정된 제1 구조물의 높이보다 낮은 높이로 블레이드가 상승되도록 블레이드 구동부를 제어하고, 상기 블레이드는 제1 구조물보다 탄성 계수가 낮은 물질로 이루어질 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 노즐은 상기 제1 재료를 사용하여 상기 제1 구조물 상에 다른 제1 구조물을 형성하고, 상기 높이 측정부는 적층된 상기 제1 구조물 및 상기 다른 제1 구조물의 높이를 측정하고, 상기 제거부는 상기 다른 제1 구조물의 상면 상의 미경화된 상기 제2 재료를 제거하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 재료는 고분자이고, 상기 제2 재료는 금속 또는 세라믹을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 세척액이 수용된 세척 트레이를 더 포함하고, 상기 제거부는 상기 제1 구조물의 상면 상의 미경화된 상기 제2 재료 및 상기 세척액을 제거하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 제3 재료로 이루어진 제3 구조물을 형성하기 위한 제2 노즐을 더 포함하고, 상기 높이 측정부는 상기 제3 구조물의 높이를 측정하는 것을 특징으로 한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 일 실시예는 서로 다른 복수의 재료를 이용하여 구조물을 형성할 수 있는 3D 프린터를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 일 실시예는 노즐 방식 및 광경화 방식을 동시에 사용하여 이형의 재료로 구성된 구조물이 정교하고 신속하게 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 일 실시예는 액체 상태의 재료를 사용하는 광경화 방식과 고체 상태의 재료를 사용하는 노즐 방식을 안정적으로 결합시킨 하이브리드 3D 프린터를 제공할 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 동작을 설명하기 위한 개략적인 도면들이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 동작을 설명하기 위한 개략적인 도면들이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 다른 3D 프린터는 입체적 형상의 구조물을 형성할 수 있는 장치로서, 서로 다른 이종의 재료로 구성된 구조물을 형성할 수 있는 장치이다.

도 1을 참조하면, 3D 프린터는 지지 수단(110), 제1 노즐(120), 높이 측정부(130), 제거부(150), 트레이(160), 광 조사부(170) 및 제어부(미도시)를 포함한다.

지지 수단(110)은 3D 프린터에 의해 출력되는 구조물을 위한 공간을 제공하고, 구조물을 지지하는 구성으로서, 지지대(111) 및 지지대 구동부(112)를 포함한다.

상기 지지대(111)는 구조물이 형성되는 공간을 제공하고, 구조물을 지지할 수 있는 플레이트 형태로 구성된다. 도 1 에는 사각형 형태의 지지대(111)가 도시되어 있으나, 지지대(111)의 형태는 원형, 타원형, 다각형 등 다양한 형태로 구성될 수 있다.

상기 지지대 구동부(112)는 지지대(111)를 상승 또는 하강시켜 지지대(111)의 위치를 조절하는 장치이다. 이를 위해 지지대 구동부(112)의 일 측에는 지지대 구동부(112)에 전원을 공급하는 전원공급부(미도시)가 설치될 수 있다.

제1 노즐(120)은 지지대(111)의 상면으로 제1 재료를 분사하는 장치이다. 제1 노즐(120)은 후술할 구동수단(140)에 의해 지지대(111) 상측으로 이동할 수 있다.

제1 노즐(120)은 고체 상태의 제1 재료를 부분적으로 녹여 용융된 제1 재료를 분사하거나 액체 상태의 제1 재료 잉크를 분사함으로써 제1 재료로 이루어진 제1 구조물을 형성한다.

높이 측정부(130)는 지지대(111) 상면에 형성된 제1 구조물의 높이를 측정하는 장치이다. 지지대(111) 상에 제1 구조물이 형성되면, 높이 측정부(130)가 제1 구조물 상에 위치하여 제1 구조물의 높이를 측정한다. 측정된 제1 구조물의 높이는 제어부로 전송된다.

상기 높이 측정부(130)은 구동수단(140)에 설치된다. 지지대(111) 상에 제1 구조물(181)이 형성되면 구동수단(140)이 구동하여 높이 측정부(130)를 제1 구조물(181)의 상측에 위치하도록 할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 높이 측정부(130)는 지지대(111) 상측에 고정될 수 있다. 이 경우, 높이 측정부(130)는 고정된 채로 지지대(111) 상에 형성된 제1 구조물을 스캔하여 제1 구조물의 높이를 측정하도록 구성될 수 있다.

이러한 높이 측정부(130)는 광학방식의 측정 장치로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 높이 측정부(130)는 캘리퍼스, 마이크로미터 등 다양한 방식으로 구성될 수 있다.

구동수단(140)은 제1 노즐(120)과 높이 측정부(130)가 설치되는 설치부(141), 설치부(141)를 구동시키는 설치부 구동부(142) 구동부 지지부(143)로 구성된다.

설치부(141)는 제1 노즐(120)과 높이 측정부(130)가 인접하게 설치될 수 있도록 플레이트 형상으로 형성된다. 도 1에 도시된 바와 같이 설치부(141)는 사각 형상의 플레이트로 형성된 예를 들어 설명하지만, 설치부(141)의 형상은 원형, 다각형 등 다양한 형상 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

설치부 구동부(142)는 설치부(141)의 상면에 설치되고, 제1 설치부 구동부(142a)와, 제2 설치부 구동부(142b)로 구성된다. 제1 설치부 구동부(142a)는 설치부(141)를 상승시키거나 하강시키는 구성이고, 제2 설치부 구동부(142b)는 제1 설치부 구동부(142a)를 지지대(111) 상측을 가로지르는 방향으로 이동시킬 수 있는 구성이다.

보다 자세하게, 제1 설치부 구동부(142a)는 지지대(111) 상측과 나란한 방향으로 길게 형성된 구성이다. 이때, 제1 설치부 구동부(142a)의 일 단과 제2 설치부 구동부(142b)의 일 단은 제1 회동축(145a)에 의해 결합된다.

제2 설치부 구동부(142b)는 제1 설치부 구동부(142a)와 결합된 구성이다. 이때, 제2 설치부 구동부(142a)의 타 단과 구동부 지지부(143)는 제2 회동축(145b)에 의해 결합된다.

제1 회동축(145a) 및 제2 회동축(145b)은 시계 방향 또는 반 시계 방향으로 회전되게 구성된다. 제1 회동축(145a) 및 제2 회동축(145b)이 회전됨에 따라 제1 설치부 구동부(142a) 및 제2 설치부 구동부(142b)가 움직이며, 설치부(141)는 지지대(111) 상부에서 상승 또는 하강되거나 지지대(111)와 인접하거나 멀어지게 움직일 수 있다.

예를 들어 제2 설치부 구동부(142b)가 지지대(111)와 인접하게 이동하면 제1 설치부 구동부(142a)가 지지대(111) 일 측에 위치한다. 제1 설치부 구동부(142a)의 이동으로 제1 노즐(120)이 지지대(111) 상에 제1 재료를 분사하거나, 높이 측정부(130)가 지지대(111) 상면에 형성된 제1 구조물(181)의 높이를 측정할 수 있다. 이와 반대로 제2 설치부 구동부(142b)가 지지대(111)와 멀어지게 이동하면 제1 설치부 구동부(142a)는 지지대(111) 상측에서 멀어지게 위치된다. 이때, 제어부는 제1 노즐(120)에서 제1 재료가 분사되지 않게 하며, 높이 측정부(130)에서 제1 구조물(181)의 높이를 측정하지 않도록 제어할 수 있다.

구동부 지지부(143)는 회전 가능하게 형성된다. 구동부 지지부(143)가 회전하면서 지지대(111) 상측에 위치하는 설치부 구동부(142)의 위치가 조정될 수 있다. 예를 들어, 설치부 구동부(142)가 지지대(111) 상측에 위치한 상태에서 구동부 지지부(143)가 전, 후 또는 좌, 우 방향으로 회전하면 설치부 구동부(142)의 위치가 전, 후방 또는 좌, 우측으로 이동 가능해진다. 이때, 구동부 지지부(143)는 지지대(111)에 형성되는 제1 구조물의 형상에 따라 기 설정된 조건에 의해 조정되며 회전될 수 있다.

상기 구성을 이용하여 지지대(111) 상에 제1 구조물을 형성하는 과정을 살펴보기로 한다. 제1 및 제2 회전축(145a, 145b)이 회전하면 제1 및 제2 설치부 구동부(142a, 142b)가 움직인다. 제1 및 제2 설치부 구동부(142a, 142b)의 이동으로 설치부(141)가 지지대(111) 상부에서 상승 또는 하강되거나 지지대(111)와 인접하거나 멀어질 수 있다. 이때 구동부 지지부(143)가 회전하면 설치부(141)가 지지대(111) 상부에서 좌, 우측 또는 전, 후방으로 움직이며 제1 노즐(120)의 위치를 변경시킬 수 있다. 제1 노즐(130)의 위치가 변경되면서 제1 재료의 분사 위치가 변경될 수 있다.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구동수단(140)이 로봇 암 형태로 구현된 경우를 도시하지만, 본 발명의 다른 실시예에서 구동수단(140)은 로봇 암 형태 이외에 x축, y축 및 z축의 레일 상에서 이동 가능하도록 구성될 수 있다.

트레이(160)는 내부에 액체 상태의 제2 재료(190)가 수용되도록 소정의 공간을 제공한다. 트레이(160)는 윗면이 개방된 육면체, 원통형, 다각통 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

상기 트레이(160)에 수용된 제2 재료(190)는 금속 또는 세라믹이 포함된 구성물 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어 제2 재료(190)는 표면 처리된 세라믹 또는 금속 파티클과, 광경화성 조성물을 포함한다. 여기서, 표면 처리된 세라믹 또는 금속 파티클은 세라믹 또는 금속 파티클과 표면 처리제를 반응시켜 형성될 수 있다. 표면 처리된 세라믹 또는 금속 파티클은 액체 상태의 제2 재료(190) 내에서 장시간 동안 서로 응집되지 않고, 분산된 상태를 유지할 수 있으며, 표면 처리된 세라믹 또는 금속 파티클은 광경화성 조성물과 용이하게 반응하는 작용기(functional group)를 포함하므로, 광이 조사될 경우, 광경화성 조성물과 결합되어 제2 구조물이 안정적으로 형성될 수 있다.

광 조사부(170)는 트레이(160)로 광을 조사하는 장치이다. 조사된 광은 제2 재료(190)와 반응하여 지지대(111)에 제2 구조물(182)을 형성한다. 광 조사부(170)는 트레이(160)의 상측 또는 하측 중 어느 한 곳에 설치될 수 있으며, 적외선, 자외선 또는 가시광선의 광을 조사할 수 있다. 도 1에는 트레이(160)의 상측에 설치된 광 조사부(170)가 도시되어 있으며, 이하 본 발명의 일 실시예에서는 광 조사부(170)가 트레이(160)의 상측에 설치된 예를 들어 설명하기로 한다.

광 조사부(170)는 특정 영역에만 광을 조사하는 레이저 또는 빔프로젝터로 구성될 수 있다. 광이 조사된 특정 영역에서만 제2 재료(190)가 경화되므로, 광이 조사된 특정 영역에서 제2 재료(190)로 구성된 제2 구조물이 형성될 수 있다. 광 조사부(170)가 레이저로 구성된 경우, 광은 특정 지점에 집중 조사되며, 광의 조사 지점을 움직임으로써 제2 구조물이 형성된다. 또한, 광 조사부(170)가 빔 프로젝터로 구성된 경우, 광은 면단위로 조사될 수 있다. 이 경우, 광경화 반응이 동시 다발적으로 발생되므로, 제2 구조물이 빠르게 형성될 수 있다.

한편, 지지대(111) 상측에 제거부(150)가 마련된다. 제거부(150)는 제1 재료로 이루어진 제1 구조물 상면에 남아있는 제2 재료를 제거하기 위한 구성으로서, 제거부(150)의 기능 및 동작은 후술하기로 한다.

제거부(150)는 블레이드(151), 블레이드 설치부(152) 및 블레이드 구동부(153)를 포함한다.

블레이드(151)는 지지대(111)에 형성된 제1 구조물의 상면을 긁어낼 수 있는 부재일 수 있다. 또한, 블레이드(151)는 적절한 탄성을 갖는 재료로 형성될 수 있다.

블레이드(151)는 블레이드 설치부(152)에 설치된다. 블레이드 설치부(152)는 블레이드(151)를 고정시키고, 블레이드(151)를 지지대(111) 상측에서 제1 구조물의 상면을 가로지르도록 수평 이동시키는 구성이다.

블레이드 구동부(153)는 블레이드 설치부(152)를 상승 및 하강시키고, 블레이드 설치부(152)를 지지대(111)의 상측에서 수평 이동시키는 장치이다.

제어부는 제1 노즐(120), 높이 측정부(130), 광 조사부(170) 및 제거부(150)를 제어하는 구성이다. 구체적으로, 제어부는 제1 노즐(120)의 분사량 및 분사압을 제어할 수 있고, 설치부 구동부(142) 및 구동부 지지대(143)를 제어하여 제1 노즐(120)의 위치 및 높이를 제어할 수 있다. 제어부는 높이 측정부(130)의 동작을 제어하여 높이 측정부(130)가 정밀하게 제1 구조물의 높이를 측정할 수 있도록 한다. 또한, 제어부는 광 조사부(170)에서 조사되는 광의 세기 및 광의 조사 영역을 제어하고, 제거부(150)의 동작을 제어할 수 있다.

또한, 제어부는 각 장치를 제어하기 위한 정보를 입력하기 위한 입력부(미도시)와 연결될 수 있다.

상기 구성을 이용하여 구조물을 형성하는 과정을 살펴보기 위해 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 동작을 설명하기로 한다.

도 2a 내지 도 2e를 참고하면, 구동수단 설치부(141)에 설치된 제1 노즐(120)에서 지지대(111) 상면으로 제1 재료를 분사하여 지지대(111) 상면에 제1 구조물(181)을 형성한다(도 2a 참고).

제1 구조물(181)이 형성되면 높이 측정부(130)를 이용하여 제1 구조물(181)의 높이를 측정한다(도 2b 참고). 높이 측정부(130)에서 측정한 제1 구조물(181)의 높이는 제어부로 전송된다.

이후, 지지대 구동부(112)는 지지대(111)를 하강시켜 지지대(111)가 트레이(160) 내부의 제2 재료(190) 내로 잠기도록 한다. 지지대(111)가 트레이(160) 내부로 유입되면, 광 조사부(170)에서 지지대(111) 상면 방향으로 광을 조사하고, 조사된 광에 의해 제2 재료(190)가 경화됨으로써 지지대(111) 상에 제2 구조물(182)이 형성된다(도 2c 참고). 이때, 광 조사부(170)는 제2 구조물(182)이 형성될 영역에만 광을 조사함으로써, 제2 재료(190)의 광경화 반응을 유도한다.

한편, 제1 노즐(120)에 의해 분사되는 제1 재료와 제2 재료(190)는 전혀 상이한 이종의 재료이므로, 제1 구조물(181)과 제2 구조물(182)은 이종의 재료로 구성되며, 서로 상이한 특성을 갖는다.

제2 구조물(182)을 형성한 뒤, 지지대 (111)를 승강시켜 지지대(111)를 트레이(160) 외부로 배출시킨다.

제2 구조물(182)은 지지대(111)를 제2 재료(190)에 담근 상태에서 형성되므로, 지지대(111)의 상면 및 지지대(111)에 형성된 제1 구조물(181)의 상면에는 미경화된 제2 재료(190)가 남게된다. 미경화된 제2 재료(190)가 남겨진 상태에서 제1 노즐(120)을 통해 제1 구조물(181) 상에 제1 재료의 분사가 이루어지는 경우, 추가적인 구조물의 형성이 제대로 이루어지지 못할 수 있으며, 순수하게 제1 재료로만 구성된 구조물이 형성되지 못할 수 있다.

이에, 본 일 실시예에 따른 3D 프린터는 제1 구조물(181) 상면에 미경화된 제2 재료(190)를 제거한다(도 2d 참고). 이를 위해, 앞서 높이 측정부(130)에서 측정하여 제어부로 전송된 제1 구조물(181)의 높이만큼 블레이드 구동부(153)가 상승 또는 하강하면서 블레이드(151)의 높이를 조정한다. 블레이드(151)의 높이가 조정되면 블레이드 구동부(153)가 블레이드(151)를 제1 구조물(181) 상면과 가로지르는 방향으로 수평 이동시키고, 블레이드(151)는 제1 구조물(181) 상면에 남아 있는 미경화된 제2 재료(190)를 제거한다.

이때, 제어부는 높이 측정부(130)를 통해 측정된 제1 구조물(181)의 높이에 대응되는 높이로 블레이드(151)가 위치되도록 블레이드 구동부(153)의 동작을 제어한다. 만약, 블레이드(151)가 제1 구조물(181)의 높이보다 높게 위치된다면, 블레이드(151)에 의해 제1 구조물(181) 상면 상의 제2 재료(190)가 완전하게 제거되지 못할 수 있다. 또한, 블레이드(151)가 제1 구조물(181)의 높이보다 낮게 위치된다면, 블레이드(151)에 의해 제1 구조물(181)이 손상되거나 파손될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 블레이드(151)는 제1 구조물(181)의 탄성계수보다 낮은 탄성계수를 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 제어부는 블레이드(151)가 제1 구조물(181)의 높이보다 낮은 높이로 위치되도록 블레이드 구동부(153)의 동작을 제어할 수 있다. 이 경우, 블레이드(151)가 제1 구조물(181)의 높이보다 낮은 높이에서 제1 구조물(181)을 가로지르도록 이동되지만, 블레이드(151)는 제1 구조물(181)보다 탄성 계수가 낮은 물질로 이루어지므로, 블레이드(151)에 의해 제1 구조물(181)이 손상되는 문제는 최소화될 수 있고, 블레이드(151)에 의해 제1 구조물(181) 상면에 남아 있는 미경화된 제2 재료(190)는 완전하게 제거될 수 있다.

또한, 블레이드(151)는 지지대(111)의 일 측에 설치되고, 지지대(111)의 일 측에서 타 측을 향해 이동하며 제1 구조물(181) 상면의 미경화된 제2 재료(190)을 제거할 수 있다(도 2d의 화살표 참고). 본 발명의 일 실시예에서는 블레이드(151)가 지지대(111)의 일 측에 설치되어 지지대(111)의 일 측에서 타 측을 향해 이동하는 예를 들지만 블레이드(151)의 이동 방향은 블레이드(151)의 설치 위치에 따라 변경될 수 있다.

한편, 블레이드(151)가 제1 구조물(181) 상면 상의 미경화된 제2 재료(190)를 제거하기 전에 제1 구조물(181) 상면은 세척될 수 있다. 이를 위해, 본 일 실시예의 3D 프린터는 세척액이 수용된 세척 트레이(미도시)를 더 포함할 수 있다.

즉, 제2 구조물(182)이 형성되면, 지지대(111)를 트레이(160) 외부로 배출한다. 이후, 세척 트레이로 지지대(111)가 유입된다. 지지대(111)가 세척 트레이로 유입되면, 세척액은 제1 구조물(181) 상면에 남아 있는 미경화된 제2 재료(190) 일부를 제거할 수 있다.

이후, 블레이드(151)가 제1 구조물(181) 상면의 세척되지 않은 미경화된 제2 재료(190)와 세척액을 동시에 제거할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예의 세척액은 세척 트레이 안에 수용되고, 지지대(111)가 세척 트레이 안에 담겨져 제1 구조물(181) 상의 미경화된 제2 재료(190)가 세척되는 예를 들지만, 다르게는 세척액이 제1 구조물(181) 상면으로 분사되며 미경화된 제2 재료(190)가 세척될 수도 있다.

한편, 제1 재료로 이루어진 제1 구조물(181)과 제2 재료로 이루어진 제2 구조물(182)은 상술한 과정을 반복 수행함으로써 형성될 수 있다. 도 2e에 도시된 바와 같이, 제2 구조물(182)을 형성하고, 지지대 구동부(112)를 승강시켜 지지대(111)를 트레이(160) 외부로 배출시킨다. 이후, 제1 노즐(120)은 제1 구조물(181) 상에 제1 재료를 분사하여 제1 재료로 이루어진 다른 제1 구조물(183)을 적층되게 형성한다.

이후, 높이 측정부(130)로 적층된 상태의 제1 구조물(181) 및 다른 제1 구조물(183)의 높이를 측정한다. 높이를 측정하면 트레이(160) 내로 지지대(111)를 재 투입하여 제2 재료(190)로 이루어진 다른 제2 구조물을 제2 구조물(182) 상에 적층되게 형성한다. 적층된 상태의 제2 구조물이 형성되면 지지대(111)를 트레이(160)에서 배출하고, 제거부(150)를 이용하여 다른 제1 구조물(183) 상면의 미경화된 제2 재료(190)를 제거한다. 상기의 구조물 형성 방법을 다수 반복하면서 원하는 형상의 구조물을 형성할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터는 제3 재료를 분사하는 제2 노즐을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 재료로 이루어진 제1 구조물(181), 제2 재료(190)로 이루어진 제2 구조물(182) 이외에 제3 재료로 이루어진 추가적인 구조물이 더 형성될 수 있다. 높이 측정부(130)는 제1 재료로 이루어진 제1 구조물(181)의 높이 및 제3 재료로 이루어진 추가적인 구조물의 높이를 측정하며, 제어부는 제1 구조물(181)의 높이 및 추가적인 구조물의 높이를 기억할 수 있다. 광경화 방식을 통해 제2 구조물(182)이 형성된 후, 제어부는 블레이드(151)를 제1 구조물(181)의 높이에 대응되도록 위치시켜 제1 구조물(181) 상면에 남아있는 미경화된 제2 재료(190)를 제거한다. 또한, 제어부는 블레이드(151)를 추가적인 구조물의 높이에 대응되도록 위치시켜 추가적인 구조물인 제3 구조물의 상면에 남아있는 미경화된 제2 재료(190)를 제거한다.

몇몇 실시예에서, 블레이드(151)는 제1 구조물(181) 및 추가적인 구조물보다 낮은 탄성계수를 갖는 재료로 구성될 수 있다. 이 경우, 제어부는 제1 구조물(181)의 높이 및 추가적인 구조물의 높이 중 낮은 높이에 대응되도록 블레이드(151)의 높이를 제어하고, 블레이드(151)를 한번에 구동시킴으로써, 제1 구조물(181) 상면에 남아 있는 미경화된 제2 재료(190)와 추가적인 구조물 상면에 남아 있는 미경화된 제2 재료(190)를 한번에 제거할 수 있다.

한편, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터를 설명하기 위한 개략적인 사시도이다.

도 3의 설명에 앞서, 도 3의 구성 및 구성의 도면 부호 중 도 1 및 도 2의 구성의 도면 부호와 동일한 경우 동일 구성이라 가정하고 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도면을 참고하면, 다른 실시예에 의한 3D 프린터의 광 조사부(370)는 트레이(160)의 하부에 배치된다. 또한, 지지대 구동부(312)는 지지대(311)를 반전시키도록 구성되어 있다.

보다 자세하게, 지지대(311)와 지지대 구동부(312)는 트레이(160) 측면에 위치한다. 이때, 지지대 구동부(312)는 지지대(311) 상면이 상측을 향한 상태로 반원호 상 형상으로 회전하게 하여 트레이(160) 상측까지 이동시킨다. 또한, 지지대 구동부(312)는 지지대(311) 상면이 트레이(160) 하측을 향하도록 회전시키고, 회전된 지지대(311)을 트레이(160) 내부에 수용시킬수도 있다.

상기 광 조사부(370)는 지지대(311)가 트레이(160) 안에 수용되면 지지대(311) 상면에 제2 구조물(182)을 형성하는 장치이다.

상기 구성을 통해 구조물을 형성하는 과정을 살펴보기 위해 도 4a 내지 도 4c를 참고하기로 한다. 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 동작을 설명하기 위한 개략적인 도면들이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 동작 중 일부 동작은 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 동작과 동일하므로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 동작을 설명함에 있어서, 도 2a 내지 도 2e를 함께 참조한다.

지지대(311) 상면에 제1 노즐(120)을 통해 제1 재료를 분사하여 제1 구조물(181)을 형성한다(도 4a 참고). 이후, 높이 측정부(130)로 제1 구조물(181)의 높이를 측정한다(도 2b 참고).

제1 구조물(181)의 높이를 측정하면 지지대(311) 상면이 상측을 향한 상태로 지지대(311)를 트레이(160) 상측까지 이동시킨다. 이후, 지지대(311)를 180회전시켜 제1 구조물(181)이 형성된 지지대(311) 상면이 하측을 향하도록 한다. 회전한 지지대(311)는 트레이(160) 안에 유입되고, 제2 재료(190)에 담겨지게 된다. 이후, 광 조사부(370)에서 광을 조사하여 지지대(311) 상면에 제2 구조물(182)을 형성한다(도 4b 참고).

제2 구조물(182)을 형성하면 지지대(311)를 트레이(160)에서 배출한 뒤 각 구조물이 형성된 지지대(311) 상면이 상측을 향하도록 지지대(311)를 다시 회전한다. 이후, 블레이드(151)를 이용하여 제1 구조물(181) 상면에 미경화된 제2 재료(190)를 제거한다(도 4c 참고).

블레이드(151)는 트레이(160)의 일 측에 설치되고(도 3 참고), 블레이드(151)는 트레이(160)의 일 측에서 타 측을 향해 이동하며 제1 구조물(181) 상면의 미경화된 제2 재료(190)를 제거한다(도 4c의 화살표 참고).

한편, 본 발명의 다른 실시예의 블레이드(151)의 이동 방향은 트레이(160)의 일 측에서 타 측을 향하는 방향을 따라 이동하는 예를 들지만, 블레이드(151)의 이동 방향은 블레이드(151) 설치 위치에 따라 변경될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 3D 프린터는 제1 노즐(120)을 사용하여 제1 재료로 구성된 제1 구조물(181)을 형성하고, 광경화 방식으로 제2 재료(190)로 구성된 제2 구조물(182)을 형성한다. 이에, 본 발명의 실시예들에 따른 3D 프린터는 이종의 재료로 구성된 복잡한 형태의 구조물을 용이하게 형성할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예들에 따른 3D 프린터는 공정 단가가 저렴한 노즐 방식과 구조물을 정교하고 신속하게 형성할 수 있는 광경화 방식을 모두 사용하므로, 정교한 형상의 입체적 구조물을 신속하고 저렴하게 형성할 수 있는 이점이 있다.

특히, 본 발명의 실시예들에 따른 3D 프린터는 높이 측정부(130)를 통해 제1 구조물(181)의 높이를 측정하고, 제2 구조물(182)이 형성된 후, 제거부(150)를 통해 제1 구조물(181) 상면에 미경화된 제2 재료(190)를 제거한다. 이에, 광경화 단계 이후에도 제1 구조물(181)에 적층된 다른 제1 구조물(183)을 안정적으로 형성할 수 있으며, 액체 상태의 재료를 사용하는 광경화 방식과 고체 상태의 재료를 사용하는 노즐 방식이 안정적으로 결합될 수 있다.

또한, 제거부(150)는 높이 측정부(130)를 통해 측정된 제1 구조물(181)의 높이에 대응되는 높이에서 제1 구조물(181)의 상면 상의 제2 재료(190)를 제거하므로, 제거부(150)의 구동에 의한 제1 구조물(181)의 손상은 최소화될 수 있으며, 3D 프린터에 의해 형성된 구조물은 더욱 정교해질 수 있다.

한편, 본 발명의 3D 프린터는 서로 다른 이종의 재료로 구성된 정교한 구조물을 용이하게 제조할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 3D 프린터는 정교한 구조의 임플란트 또는 미세유체 소자 (microfluidics device)를 제조하기에 적합할 수 있다. 이하, 본 발명의 3D 프린터를 이용하여 미세유체 소자를 제조하는 방법을 자세하게 살펴보기로 한다.

미세유체 소자는 미세유체의 혼합 또는 반응을 제어하는 소자이며, 미세유체가 유동될 수 있는 미세한 채널들을 포함한다. 일반적으로, 미세유체 소자는 리소그래피(lithograph)와 식각공정을 통해 기판 상에 미세한 채널들을 형성한 후, 커버층을 덮는 방식으로 형성된다. 그러나, 이러한 방식은 고온, 고압 조건하에서 수행되고, 고가의 리소그래피 장치를 사용해야 하므로, 제조 공정이 복잡하고, 제조 단가가 비싼 단점이 있다.

그러나, 본 발명의 3D 프린터를 사용하는 경우, 미세유체 소자의 제조 공정이 단순화될 수 있고, 제조 단가가 혁신적으로 감소될 수 있다.

구체적으로, 미세유체 소자를 제조하기 위해 우선, 지지대(111, 311) 상에 고분자로 이루어진 제1 재료를 이용하여 제1 구조물(181)을 형성한다. 이후, 제1 구조물(181) 주변에 세라믹 또는 금속으로 이루어진 제2 재료(190)로 제2 구조물(182)을 형성한다. 이때, 제2 구조물(182)은 제1 구조물(181)을 둘러싸는 구조로 형성될 수 있다.

출력이 완료된 구조물을 고온 환경에 노출함으로써, 소결한다. 제1 재료는 고분자로 구성되므로, 상술한 소결과정에서 제1 재료는 완전하게 제거된다. 이에 반해, 세라믹 또는 금속을 포함하는 제2 재료는 소결과정에서 그 원자들이 강하게 결합하게되므로, 단단한 경화 구조물을 형성한다. 한편, 제2 재료(190)로 형성된 제2 구조물(182)은 제1 재료로 형성된 제1 구조물(181)을 둘러싸는 구조로 형성되었으며, 소결과정에서 고분자의 제1 재료는 모두 제거되므로, 제1 구조물(181)이 형성되었던 형상을 따라 미세 채널들이 형성된다. 또한, 소결과정 전까지 미세 채널들은 제1 구조물(181)에 의해 충진된 상태이므로, 미세 채널들의 형상이 안정적으로 유지될 수 있으며, 3D 프린팅 과정에서 미세 채널들이 허물어지는 문제가 최소화될 수 있고, 정교한 형상의 미세유체 소자가 제조될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110: 지지수단
111, 311: 지지대
112, 312: 지지대 구동부
120: 제1 노즐
130: 높이 측정부
140: 구동수단
150: 제거부
160: 트레이
170, 370: 광조사부
181: 제1 구조물
182: 제2 구조물
190: 제2 재료

Claims

제1 재료로 이루어진 제1 구조물을 형성하기 위한 제1 노즐;
상기 제1 구조물의 높이를 측정하기 위한 높이 측정부;
제2 재료를 수용하는 트레이;
상기 트레이에 광을 조사하는 광 조사부;
상기 제1 구조물의 상면 상의 미경화된 상기 제2 재료를 제거하기 위한 제거부; 및
상기 제1 노즐, 상기 높이 측정부, 상기 광 조사부 및 상기 제거부를 제어하기 위한 제어부를 포함하는, 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 제1 구조물의 형성 공간을 제공하는 지지대;
상기 지지대를 상승 또는 하강시키도록 구성된 지지대 구동부를 더 포함하는, 3D 프린터.
제2항에 있어서,
상기 광 조사부 및 상기 제1 노즐은 상기 트레이의 상부에 배치되는, 3D 프린터.
제2항에 있어서,
상기 광 조사부는 상기 트레이의 하부에 배치되고,
상기 제1 노즐은 상기 트레이의 상부에 배치되고,
상기 지지대 구동부는 상기 지지대를 반전 시키도록 구성된, 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 제거부는,
블레이드; 및
상기 블레이드를 상승 또는 하강시키고, 상기 블레이드를 수평 이동시키는 블레이드 구동부를 포함하는, 3D 프린터.
제3 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 높이 측정부를 통해 측정된 상기 제1 구조물의 높이에 대응되는 높이로 상기 블레이드가 승하강되도록 상기 블레이드 구동부를 제어하는, 3D 프린터.
제3항에 있어서,
상기 제어부는 상기 높이 측정부를 통해 측정된 상기 제1 구조물의 높이보다 낮은 높이로 상기 블레이드가 승하강되도록 상기 블레이드 구동부를 제어하고,
상기 블레이드는 상기 제1 구조물보다 탄성 계수가 낮은 물질로 이루어진, 3D 프린터.
제1 항에 있어서,
상기 제1 노즐은 상기 제1 재료를 사용하여 상기 제1 구조물 상에 다른 제1 구조물을 형성하고,
상기 높이 측정부는 적층된 상기 제1 구조물 및 상기 다른 제1 구조물의 높이를 측정하고,
상기 제거부는 상기 다른 제1 구조물의 상면 상의 미경화된 상기 제2 재료를 제거하는, 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 제1 재료는 고분자이고, 상기 제2 재료는 금속 또는 세라믹을 포함하는, 3D 프린터.
제1 항에 있어서,
세척액이 수용된 세척 트레이를 더 포함하고,
상기 제거부는 상기 제1 구조물의 상면 상의 미경화된 상기 제2 재료 및 상기 세척액을 제거하는, 3D 프린터.
제1 항에 있어서,
제3 재료로 이루어진 제3 구조물을 형성하기 위한 제2 노즐을 더 포함하고,
상기 높이 측정부는 상기 제3 구조물의 높이를 측정하는, 3D 프린터.