KR20190143517A - 정전 토출 방식을 사용한 3차원 기반의 프린팅 방법 및 프린팅 장치 - Google Patents

정전 토출 방식을 사용한 3차원 기반의 프린팅 방법 및 프린팅 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치는 3차원 구조물을 형성하기 위한 분말을 수용하는 분말 베드를 구비한 분말 용기; 상기 분말을 상기 분말 베드 상에 미리 정해진 복수의 분말 층을 순차적으로 형성하도록 적어도 1회 이상 공급하는 분말 공급 부재; 상기 분말 베드 상에서 수평한 방향으로 이동 가능하게 위치하며, 상기 적어도 1회 이상 순차적으로 공급되는 복수의 분말 층 각각 상의 위치에 상기 3차원 구조물의 각각의 적층 단면 패턴에 대응하도록 바인더 성분을 함유한 잉크를 정전 토출 방식으로 토출하는 잉크젯 헤드; 및 상기 잉크젯 헤드를 상기 3차원 구조물의 상기 각각의 적층 단면 패턴에 대응하는 위치로 벡터 방식으로 이동시켜 상기 잉크를 토출하도록 제어하는 제어부를 포함한다. 또한, 다른 실시예가 가능하다.

Description

정전 토출 방식을 사용한 3차원 기반의 프린팅 방법 및 프린팅 장치{3-DIMENSION BASED PRINTING METHOD AND PRINTING APPARATUS USING CAPACITIVE DROPLET EJECTION TYPE}
본 발명의 다양한 실시 예는 정전 토출 방식을 사용하여 3차원 기반의 구조물을 프린팅하는 방법 및 프린팅 장치에 관한 것이다. 상세하게는, 정전 토출 방식을 기반으로, 분말(예: 파우더(powder)) 위에 바인더를 선택적으로 살포하여 3차원 기반의 구조물을 구현할 수 있다.
3차원 기반의 구조물을 만드는 제조 방식 중 하나로, 바인더 제팅 방법(binder jetting method)은 분말 위에 바인더를 선택적으로 토출하는 방법일 수 있다. 바인더 제팅 방법은 일반적으로 잉크젯 헤드가 주방향으로만 프린팅하고 서브 방향으로는 이동만 하는 비트맵 방식을 사용하고 있으며, 잉크를 토출하는 수십 또는 수백 개의 노즐(nozzle)을 포함하는 잉크젯 헤드를 사용할 수 있다. 바인더 제팅 방법은 드롭 온 디멘드(drop on demand) 방식의 잉크젯 헤드를 사용하며, 다른 방법들 보다 빠른 속도로 3차원 기반의 구조물을 만들 수 있다.
구체적으로, 도 1은 종래 기술에 따른 바인더 제팅 방법에 따른 3차원 기반의 구조물을 프린팅하는 프린팅 장치(100)를 도시한다. 도 1을 참조하면, 프린팅 장치(100)는 적어도 수십 또는 수백 개의 노즐(111)로 구성된 잉크젯 헤드(110)를 포함하고, 주방향에 대응하여 프린팅할 수 있다. 프린팅 장치(100)의 잉크젯 헤드(110)는 서브 방향에 대응하여 이동할 수 있다. 프린팅 장치(100)는 기 정의된 프린팅 패턴을 기반으로, 주방향 및 서브 방향에 대응하여 비트맵 방식으로 프린팅 작업을 수행할 수 있고, 기 정의된 프린팅 패턴에 대응하는 3차원 구조물을 제작할 수 있다. 도 1의 프린팅 장치(100)는 써멀 버블젯 방식(thermal bubble jet type)의 잉크젯 헤드 및 압전 방식(piezo electric type)의 잉크젯 헤드를 포함할 수 있다.
상술한 종래의 바인더 제팅 방법에 사용되는 잉크젯 헤드는 써멀 버블젯 방식의 잉크젯 헤드, 또는, 압전 방식의 잉크젯 헤드일 수 있다. 써멀 버블젯 방식은 노즐에 열을 가해 잉크 방울(버블)을 생성하여 잉크를 밀어내는 방식이고, 압전 방식은 전기로 압력을 가하여 잉크를 밀어내는 방식일 수 있다. 써멀 버블젯 방식의 잉크젯 헤드는 점도가 낮고 수계(water based) 잉크를 토출할 수 있고, 압전 방식의 잉크젯 헤드는 점도가 낮은 잉크(예: 저점도 잉크(<100 cPa))를 토출할 수 있다. 즉, 써멀 버블젯 방식의 잉크젯 헤드 및 압전 방식의 잉크젯 헤드는 주로 잉크 내의 바인더 비율이 낮은 잉크를 사용할 수 있다. 저점도 잉크를 사용할 경우 잉크가 토출되어 잉크 속의 용매가 증발된 후 바인더 성분이 충분히 남도록 하기 위해, 상당히 많은 양의 잉크를 필요로 할 수 있다. 따라서, 써멀 버블젯 방식의 잉크젯 헤드 및 압전 방식의 잉크젯 헤드를 사용하는 바인더 제팅 방법은 공정 시간이 오래 걸리고, 많은 양의 잉크가 필요할 수 있다.
또한, 종래의 바인더 제팅 방법은 비트맵 방식에 대응하여 수십 또는 수백 개의 노즐을 갖는 잉크젯 헤드를 사용하여 비트맵 방식을 사용하여 동작할 수 있다. 비트맵 방식은 수십 또는 수백 개의 노즐을 사용하여 잉크를 토출하는 방식으로 수십 또는 수백 개의 노즐들 각각에 대해 노즐 막힘에 따른 문제를 관리해야 하고, 사용 중에 일부의 노즐이 막히는 경우, 해당 노즐의 교체에 따른 택타임(tact time) 및 비용이 크게 증가할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치는 3차원 구조물을 형성하기 위한 분말을 수용하는 분말 베드를 구비한 분말 용기; 상기 분말을 상기 분말 베드 상에 적어도 하나의 분말 층을 형성하도록 공급하는 분말 공급 부재; 상기 분말 베드 상에서 수평한 방향으로 이동 가능하게 위치하며, 상기 적어도 하나의 분말 층 각각 상의 위치에 상기 3차원 구조물의 각각의 적층 단면 패턴에 대응하도록 바인더 성분을 함유한 잉크를 정전 토출 방식으로 토출하는 잉크젯 헤드; 및 상기 잉크젯 헤드를 상기 3차원 구조물의 상기 각각의 적층 단면 패턴에 대응하는 위치로 벡터 방식으로 이동시켜 상기 잉크를 토출하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치는 3차원 구조물을 형성하기 위한 분말을 수용하는 분말 베드를 구비한 분말 용기; 상기 분말을 상기 분말 베드 상에 미리 정해진 복수의 분말 층을 순차적으로 형성하도록 적어도 1회 이상 공급하는 분말 공급 부재; 상기 분말 베드 상에서 수평한 방향으로 이동 가능하게 위치하며, 상기 적어도 1회 이상 순차적으로 공급되는 복수의 분말 층 각각 상의 위치에 상기 3차원 구조물의 각각의 적층 단면 패턴에 대응하도록 바인더 성분을 함유한 잉크를 정전 토출 방식으로 토출하는 잉크젯 헤드; 및 상기 잉크젯 헤드를 상기 3차원 구조물의 상기 각각의 적층 단면 패턴에 대응하는 위치로 벡터 방식으로 이동시켜 상기 잉크를 토출하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법은 3차원 구조물을 형성하기 위한 분말을 수용하는 분말 베드를 구비한 분말 용기를 제공하는 동작; 상기 분말을 상기 분말 베드 상에 분말 층을 형성하도록 공급하는 동작; 및 상기 분말 베드 상에서 수평 방향으로 이동 가능하게 위치하며, 상기 적어도 하나의 분말 층 각각 상의 위치에 상기 3차원 구조물의 각각의 적층 단면 패턴에 대응하도록 바인더 성분을 함유한 잉크를 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드를 이용하여 토출하는 동작을 포함하되, 상기 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드는 상기 3차원 구조물의 상기 각각의 적층 단면 패턴에 대응하는 위치로 벡터 방식으로 이동되어 상기 잉크를 토출하도록 제어된다.
본 발명의 제 4 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법은 3차원 구조물을 형성하기 위한 분말을 수용하는 분말 베드를 구비한 분말 용기를 제공하는 동작; 상기 분말을 상기 분말 베드 상에 미리 정해진 복수의 분말 층을 순차적으로 형성하도록 적어도 1회 이상 공급하는 동작; 및 상기 분말 베드 상에서 수평한 방향으로 이동 가능하게 위치하며, 상기 적어도 1회 이상 순차적으로 공급되는 복수의 분말 층 각각 상의 위치에 상기 3차원 구조물의 각각의 적층 단면 패턴에 대응하도록 바인더 성분을 함유한 잉크를 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드를 이용하여 토출하는 동작을 포함하되, 상기 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드는 상기 3차원 구조물의 상기 각각의 적층 단면 패턴에 대응하는 위치로 벡터 방식으로 이동되어 상기 잉크를 토출하도록 제어된다.
본 발명의 다양한 실시예는, 써멀 버블젯 방식 및 압전 방식을 대신하여, 정전 토출 방식을 사용하여 잉크를 토출함으로써, 저점도는 물론 고점도를 포함하는, 다양한 점도의 잉크를 사용할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는, 비트맵 방식 대신, 물질 압출(material extrusion) 방식(예: FDM 방식)에 사용되는 벡터 방식으로 잉크젯 헤드를 이동시켜 패턴을 인쇄함으로써, 잉크젯 헤드가 단순한 구조로 구현될 수 있고, 적은 비용으로 유지 보수가 간편한 보급형 제품으로 제공될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 바인더 제팅 방법에 따른 3차원 기반의 구조물을 프린팅하는 프린팅 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드 및 이를 사용한 3차원 기반의 프린팅 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 3차원 기반의 프린팅 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 상술한 목적, 기술적 특징들 및 효과는 하기의 상세한 설명과 첨부된 도면을 통해 명확해질 것이다. 다만, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예들을 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
도면들에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시될 수도 있다. 이는 본 발명의 요지와 관련이 없는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 명확히 설명하기 위함이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 원칙적으로 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드 및 이를 사용한 3차원 기반의 프린팅 장치를 도시한 도면이다.
3차원 기반의 구조물을 만드는 제조 방식으로, 바인더 제팅 방법이 있을 수 있다. 바인더 제팅 방법은 분말 형태의 미립자 물질이 잉크젯 헤드를 통해 토출된 접착제(바인더)에 의해 결합되어 3차원 형태의 구조물을 제작하는 방법이다. 상기 미립자 물질은 무기 물질일 수 있으며, 구체적으로는 예를 들어, 모래, 세라믹 입자, 금속 분말 및 미립자 중합체성 물질(예: 폴리메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 폴리아미드(polyamide))을 포함할 수 있다. 폴리메타크릴레이트는, 예를 들어, 현탁 중합체(예: 비드 중합체)의 형태일 수 있다.
바인더 제팅 방법은 분말 용기에 들어 있는 분말 층에 잉크젯 헤드를 사용하여, 액체 바인더를 선택적으로 토출하고, 상기 액체 바인더와 상기 분말층에 포함된 분말이 적어도 부분적으로 또는 선택적으로 결합되는 방법일 수 있다.
바인더 제팅 방법으로 사용되는 종래 기술에 따른 3차원 기반의 프린팅 방법은 상술한 바와 같이, 일반적으로 써멀 버블젯 방식의 잉크젯 헤드, 또는 압전 방식의 잉크젯 헤드를 사용할 수 있다. 이러한 종래 기술에 따른 써멀 버블젯 방식의 잉크젯 헤드는 점도가 낮으면서(예: 저점도), 수성(water based)의 잉크를 사용할 수 있다. 압전 방식의 잉크젯 헤드는 점도가 낮은 잉크(예: 저점도 잉크(<100 cPa))만을 사용할 수 있다. 예를 들어, 점도가 낮은 잉크는 잉크를 구성하는 전체 비율 중에서 바인더의 비율이 낮은 잉크일 수 있다. 바인더 제팅 방법은 잉크가 토출된 후, 용매가 증발하고, 남은 바인더 성분을 기반으로 분말 사이의 공극을 매울 수 있다. 써멀 버블젯 방식의 잉크젯 헤드, 또는 압전 방식의 잉크젯 헤드를 사용하는 경우 바인더의 비율이 낮으므로, 더욱 많은 양의 잉크가 필요하고, 공정 시간도 오래 걸릴 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 바인더 제팅 방법으로 사용되는 정전 토출 방식을 사용한 3차원 기반의 프린팅 방법은 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드를 사용함으로써, 다양한 점도의 잉크의 사용이 가능할 수 있다. 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드는 바인더 성분이 포함된 잉크에 고전압을 인가함으로써, 잉크젯 노즐을 통해 잉크를 하전 입자 상태로 토출할 수 있다. 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드는 저점도의 잉크에 한정되지 않으며, 고점도를 포함한 다양한 점도의 잉크를 사용할 수 있다. 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드는 종래 기술의 써멀 버블젯 방식의 잉크젯 헤드, 또는 압전 방식의 잉크젯 헤드보다 다양한 물성의 잉크를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전 토출 방식을 사용한 3차원 기반의 프린팅 방법 및 프린팅 장치에 사용되는 잉크젯 헤드는 비트맵 방식 대신에, FDM (fused deposition modeling) 방식과 같은 벡터 방식이 사용될 수 있다. 여기서, 벡터 방식이란, X 및 Y축 방향의 2개의 축이 동시에 움직이면서 프린팅하는 방식을 지칭하는 것으로, 프린팅 헤드에 사용되는 노즐의 수가 적을 경우에 적합한 방식일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 헤드는 벡터 방식을 사용하므로 종래 기술에 비해 사용되는 노즐의 수가 현저하게 감소되므로 단순한 구조로 구현될 수 있으며, 그에 따라 제작 비용이 낮고, 유지 보수가 간단할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드(250) 및 상기 잉크젯 헤드(250)를 사용하는 3차원 기반의 프린팅 장치(200)를 도시한다.
정전 토출 방식의 잉크젯 헤드(250)를 사용하는 프린팅 장치(200)(이하, 정전 프린팅 장치(200)라고 한다)는 잉크를 토출하는 적어도 하나의 노즐(미도시)을 구비한 잉크젯 헤드(250); 상기 잉크젯 헤드(250)가 장착되며, 상기 잉크젯 헤드(250)를 X 방향 및 Y 방향으로 이동시키기 위한 수평 이동 스테이지(XY stage)(221); 상기 잉크젯 헤드(250)에 상기 잉크를 공급하는 잉크 공급부(220); 상기 잉크를 토출하는 스위치부(230) 및 접지 전극(ground electrode)(240)을 포함할 수 있다.
정전 프린팅 장치(200)의 제어부(210)는 잉크젯 헤드(250)의 적어도 하나의 노즐(미도시)을 통해, 잉크를 토출하기 위하여 스위치부(230)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(210)는 스위치부(230)를 제어하여, 고전압(high voltage)을 접지 전극(240)에 인가할 수 있고, 고전압에 대응하여, 잉크젯 헤드(250) 내의 잉크가 복수의 노즐을 통해 토출될 수 있다. 제어부(210)는 스위치부(230)를 제어하여, 잉크젯 헤드(250)에 잉크의 적정량이 공급되도록 잉크 공급부(220)를 제어할 수 있다. 제어부(210)는 잉크의 토출 지점(예: 좌표)에 대응하여, 잉크젯 헤드(250)의 위치가 이동하도록 수평 이동 스테이지(221)를 제어할 수 있다. 제어부(210)는 잉크젯 헤드(250)가 수평 방향에 대응하여 이동하도록 수평 이동 스테이지(221)을 제어할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 정전 프린팅 장치(200)의 제어부(210)는 수평 이동 스테이지(XY stage)(221) 및 상하 이동 스테이지(Z stage)(223)을 제어하여, 원하는 좌표(예: 위치, 지점, XYZ 좌표, 기 정의된 3차원 구조물에 대응하는 패턴 정보)에 대응하여 잉크가 토출되도록 잉크젯 헤드(250)를 제어할 수 있다. 제어부(210)는 잉크젯 헤드(250)가 수직 방향에 대응하여 이동하도록 상하 이동 스테이지(223)을 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 정전 토출 방식은 고전압을 인가하여, 원하는 양의 잉크를 토출하는 방식이므로, 다양한 점도의 잉크가 사용될 수 있다. 제어부(210)는 스위치부(230)를 제어하여, 접지 전극(240)에 고전압을 인가할 수 있고, 상기 인가된 고전압에 응답하여, 잉크젯 헤드(250)를 통해, 잉크가 토출될 수 있다. 정전 프린팅 장치(200)는 토출되는 잉크의 면적에 대응하여 접지 전극(240)의 폭이 결정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 정전 토출 방식의 잉크는 저점도에 한정되지 않으며, 다양한 물성의 잉크가 사용될 수 있다.
정전 프린팅 장치(200)는 분말 용기(270)에 공급된 분말(261)(예: 적어도 하나의 분말 층)에 대응하여, 잉크를 토출할 수 있다. 분말 용기(270)는 분말 베드(263)를 포함할 수 있다. 분말 베드(263)의 일면(예: 하부, 아랫 부분)에는 상하 이동 스테이지(Z stage)(223)이 배치될 수 있고, 분말 베드(263)의 위치는 상하 이동 스테이지(Z stage)(223)을 기반으로, 결정될 수 있다. 분말 용기(270)의 일측면(예: 상부의 일면)에는 분말 코팅기(powder coater)(260)가 배치될 수 있다. 정전 프린팅 장치(200)는 분말 용기(270)에 분말을 공급함에 있어서, 적어도 하나의 분말 층 형태로 공급할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 정전 프린팅 장치(200)는 적어도 하나의 분말 층(예: 파우더 레이어(powder layer)) 상에 대응하여 잉크를 토출할 수 있고, 잉크가 토출된 후에, 분말 코팅기(260)를 제어하여, 상기 적어도 하나의 분말 층 상에 추가로 분말을 공급하는 평탄화 작업(leveling)(이하, 평탄화 공급 작업)을 수행할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 정전 프린팅 장치(200)는 잉크가 토출된 후, 상기 잉크에 대한 건조화(dry) 작업을 수행할 수 있고, 상기 건조화 작업을 수행한 후, 분말 용기(270)에 적어도 하나의 분말 층 형태로, 분말을 공급하는 평탄화 공급 작업을 수행할 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 정전 프린팅 장치(200)의 제어부(210)는 분말 용기(270)에 공급된 분말(261)에 대응하여, 잉크가 토출될 수 있도록 잉크젯 헤드(250)를 제어할 수 있다. 제어부(210)는 수평 이동 스테이지(221) 및 상하 이동 스테이지(223)을 제어하여, 잉크젯 헤드(250)의 위치를 결정할 수 있고, 스위치부(230)를 통해, 잉크젯 헤드(250)에 포함된 잉크에 대응하여 고전압을 인가할 수 있다. 정전 프린팅 장치(200)는 3차원 구조물을 제작할 수 있다. 정전 프린팅 장치(200)는 제작할 3차원 구조물에 대응하는 적층 단면 패턴을 메모리에 저장할 수 있고, 상기 적층 단면 패턴에 대응하여 잉크를 토출함으로써, 3차원 구조물을 제작할 수 있다. 적층 단면 패턴은 3차원 구조물을 기반으로 각각의 분말 층(예: 파우더 레이어(powder layer))별로 결정될 수 있다. 예를 들어, 정전 프린팅 장치(200)는 제 1 분말 층에 대응하는 제 1 적층 단면 패턴을 기반으로, 잉크젯 헤드(250)의 위치를 결정하고, 상기 잉크젯 헤드(250)를 제어하여 잉크를 토출할 수 있다. 제 1 적층 단면 패턴에 대응하여, 잉크의 토출이 완료되면, 건조화 작업을 수행하고, 그 후 제어부(210)는 분말 코팅기(260)를 사용하여 제 1 분말 층에 대응하는 평탄화 작업을 수행하도록 제어할 수 있다. 상기 제 1 분말 층에 대한 평탄화 작업을 수행한 후에, 제어부 (210)는 제 2 분말 층에 대응하는 제 2 적층 단면 패턴을 기반으로, 잉크젯 헤드(250)의 위치를 결정하고, 상기 잉크제 헤드(250)를 제어하여 잉크를 토출할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 정전 프린팅 장치(200)는 각각의 층(예: 제 1 분말 층, 제 2 분말 층)에 대응하는 적층 단면 패턴을 기반으로, 잉크를 토출할 수 있다. 정전 프린팅 장치(200)는 모든 분말 층에 대응하여, 잉크의 토출 및 건조화 작업이 완료되면, 잉크 내의 바인더 성분에 의해 결합된 분말을 제외한 분말을 제거함으로써 3차원 구조물 제작을 완료할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 3차원 기반의 구조물을 생성하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 동작 301에서 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드(예: 도 2의 잉크젯 헤드(250))를 사용하는 프린팅 장치(예: 도 2의 프린팅 장치(200))는(이하, 정전 프린팅 장치(200)라고 기재한다.) 분말 베드(예: 도 2의 분말 베드(263))를 포함하는 분말 용기(예: 도 2의 분말 용기(270))에 3차원 구조물을 형성하기 위한 분말(예: 도 2의 분말(261))을 공급할 수 있다. 예를 들어, 분말(261)은 분말 형태의 미립자 물질을 포함할 수 있다. 정전 프린팅 장치(200)는 분말 공급 부재(미도시)를 통해, 분말 용기(270)에 분말(261)(예: 적어도 하나의 분말 층)을 공급할 수 있다. 분말 층의 분말(261)은 정전 프린팅 장치(200)에서 토출되는 잉크(구체적으로는, 잉크 내의 바인더 성분)와 적어도 부분적으로 결합될 수 있고, 상기 바인더 성분에 의해 결합된 분말(261)을 기반으로 3차원 구조물을 형성할 수 있다.
동작 303에서 정전 프린팅 장치(200)의 제어부(예: 도 2의 제어부(210))는 분말 베드(263)에 대응하여 수평한 방향으로 이동 가능한 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드(250)의 위치를 제어할 수 있다. 정전 프린팅 장치(200)의 제어부(210)는 제작할 3차원 구조물에 대응하는 적어도 하나의 적층 단면 패턴을 메모리에 저장할 수 있다. 제어부(210)는 적어도 하나의 적층 단면 패턴에 대응하여, 잉크젯 헤드(250)의 위치를 결정할 수 있고, 상기 잉크젯 헤드(250)를 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 정전 프린팅 장치(200)는 잉크젯 헤드(250)를 수평 방향으로 이동하기 위한 수평 이동 스테이지(예: 도 1의 수평 이동 스테이지(221)) 및 잉크젯 헤드(250)를 수직 방향으로 이동하기 위한 상하 이동 스테이지(예: 도 2의 상하 이동 스테이지(223))을 포함할 수 있다. 제어부(210)는 수평 이동 스테이지(221) 및 상하 이동 스테이지(223)을 제어하여, 잉크젯 헤드(250)를 이동시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제어부(210)는 적어도 하나의 적층 단면 패턴에 대응하여, 잉크젯 헤드(250)의 위치를 결정할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 적층 단면 패턴은 3차원 구조물을 기반으로 분말 층(powder layer)에 대응하여 구현될 수 있다. 즉, 적층 단면 패턴은 각각의 분말 층(예: 제 1 분말 층, 제 2 분말 층 등)에 대응하여 구현될 수 있다.
동작 305에서 정전 프린팅 장치(200)의 제어부(210)는 상기 3차원 구조물의 적층 단면 패턴에 대응하여, 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드(250)를 사용하여 잉크를 토출할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제어부(210)는 적층 단면 패턴에 대응하여, 잉크젯 헤드(250)의 위치를 결정할 수 있고, 상기 잉크젯 헤드(250)에 고전압을 인가시킴으로써, 잉크를 토출할 수 있다. 제어부(210)는 잉크가 토출되는 토출 입구(예: 노즐)에 위치한 접지 전극(예: 도 2의 접지 전극(240))에 고전압을 인가할 수 있고, 상기 인가된 고전압에 응답하여, 잉크가 토출될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 접지 전극(240)은 개구부를 포함하고, 상기 개구부를 기반으로, 잉크의 토출 면적을 조정할 수 있다.
정전 프린팅 장치(200)에서는 분말 층(예: 제 1 분말 층) 상에 대응하는 하나의 적층 단면 패턴(예: 제 1 적층 단면 패턴)을 기반으로 잉크가 토출될 수 있다. 상기 잉크가 토출된 후, 정전 프린팅 장치(200)는 분말 코팅기(260)에 의해, 상기 제 1 분말 층 상에 추가적으로 분말(예: 분말 층)을 공급하는 평탄화 작업을 수행하여, 제 2 분말 층을 형성할 수 있다. 상기 평탄화 작업에 의한 제 2 분말 층을 형성한 후, 정전 프린팅 장치(200)는 다른 하나의 적층 단면 패턴(예: 제 2 적층 단면 패턴, 제 2 분말 층에 대응하는 적층 단면 패턴)을 기반으로, 잉크를 토출할 수 있고, 상기 제 2 분말 층 상에 제 3 분말 층을 형성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이러한 방식으로 정전 프린팅 장치(100)는 각각의 분말 층(예: 제 1 분말 층, 제 2 분말 층, 제 3 분말 층 등)에 대해, 대응하는 적층 단면 패턴을 기반으로 잉크를 토출할 수 있고, 상기 잉크를 토출한 후, 평탄화 작업에 의한 추가 분말 층을 형성하는 동작을 반복함으로써, 3차원 구조물을 구현할 수 있다. 이 경우, 각각의 잉크 토출 후 평탄화 작업 전에 건조화 작업이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상술한 바와 같이 각각의 분말 층(예: 제 1 분말 층, 제 2 분말 층, 제 3 분말 층 등)에 대해 1) 적층 단면 패턴을 기반으로 잉크를 토출, 2) 건조화 작업, 및 3) 평탄화 작업에 의한 추가 분말 층을 형성 동작을 반복하는 대신, 미리 정해진 복수의 분말 층에 대해서도 동일한 동작들을 수행할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 1) 미리 정해진 복수의 분말 층(예: 3개의 분말 층으로 이루어진 제 1 분말 층)을 제공하고, 2) 상기 제 1 분말 층 상에 대응하는 적층 단면 패턴을 기반으로 잉크를 토출한 후 건조화 작업을 수행하고, 3) 평탄화 작업에 의한 추가적인 복수의 분말 층(예: 3개의 분말 층으로 이루어진 제 2 분말 층)을 형성한 후 상기 제 2 분말 층 상에 대응하는 적층 단면 패턴을 기반으로 잉크를 토출한 후 건조화 작업을 수행하는 동작을 반복하는 방식으로 3차원 구조물을 구현할 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 정전 프린팅 장치(200)는 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드(250)를 포함하고, 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드(250)에 고전압을 인가함으로써, 잉크를 토출시킬 수 있다. 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드(250)는 저점도의 잉크에 한정되지 않으며, 다양한 점도의 잉크를 사용할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 정전 프린팅 장치(200)는 FDM (fused deposition modeling) 방식과 같이, 벡터 방식에 대응하여 잉크젯 헤드(250)를 이동시킬 수 있다. 정전 프린팅 장치(200)는 FDM 방식의 잉크젯 헤드(250)를 포함할 수 있다. FDM 방식의 잉크젯 헤드(250)는 단순한 구조로 구현될 수 있고, 수평 방향 또는 수직 방향에 대응하여 이동될 수 있다. FDM 방식의 잉크젯 헤드(250)는 구조가 단순하여 제작 비용이 낮고, 유지 보수가 간단하여 보급화에 용이할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 정전 프린팅 장치(200)는 제작할 3차원 구조물에 대응하는 적어도 하나의 적층 단면 패턴이 메모리에 저장될 수 있다. 적층 단면 패턴은 3차원 구조물의 단면도일 수 있다. 3차원 구조물은 기 설정된 높이를 기반으로 하나 이상의 적층 단면 패턴으로 구분될 수 있다. 3차원 구조물은 상기 하나 이상의 적층 단면 패턴이 순서에 따라 적층됨으로써, 구현될 수 있다. 적층 단면 패턴은 각각의 층별로 구분될 수 있고, 정전 프린팅 장치(200)는 상기 각각의 층에 대응하여 잉크를 토출할 수 있다. 정전 프린팅 장치(200)는 각각의 층에 대응하여 적층 단면 패턴을 확인하고, 상기 확인된 적층 단면 패턴에 대응하여 잉크를 토출할 수 있다. 정전 프린팅 장치(200)는 하나의 적층 단면 패턴에 대응하여 잉크가 토출되고, 다음 순서인 다른 하나의 적층 단면 패턴에 대응하여 잉크가 토출될 수 있다. 정전 프린팅 장치(200)는 각각의 적층 단면 패턴에 대응하여 잉크가 토출될 수 있고, 상기 토출된 잉크가 순서대로 적층됨으로써, 3차원 구조물이 제작될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 또는, 반복적으로 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
100 : 프린팅 장치 110 : 제어부
120 : 잉크 공급부 121 : 수평 이동 스테이지
123 : 상하 이동 스테이지 130 : 스위치부
140 : 접지 전극 150 : 잉크젯 헤드
160 : 분말 코팅기 161 : 분말
163 : 분말 베드 170 : 분말 용기

Claims (12)

  1. 3차원 프린팅 장치에 있어서,
    3차원 구조물을 형성하기 위한 분말을 수용하는 분말 베드를 구비한 분말 용기;
    상기 분말을 상기 분말 베드 상에 적어도 하나의 분말 층을 형성하도록 공급하는 분말 공급 부재;
    상기 분말 베드 상에서 수평한 방향으로 이동 가능하게 위치하며, 상기 적어도 하나의 분말 층 각각 상의 위치에 상기 3차원 구조물의 각각의 적층 단면 패턴에 대응하도록 바인더 성분을 함유한 잉크를 정전 토출 방식으로 토출하는 잉크젯 헤드; 및
    상기 잉크젯 헤드를 상기 3차원 구조물의 상기 각각의 적층 단면 패턴에 대응하는 위치로 벡터 방식으로 이동시켜 상기 잉크를 토출하도록 제어하는 제어부를 포함하는 3차원 프린팅 장치.
  2. 3차원 프린팅 장치에 있어서,
    3차원 구조물을 형성하기 위한 분말을 수용하는 분말 베드를 구비한 분말 용기;
    상기 분말을 상기 분말 베드 상에 미리 정해진 복수의 분말 층을 순차적으로 형성하도록 적어도 1회 이상 공급하는 분말 공급 부재;
    상기 분말 베드 상에서 수평한 방향으로 이동 가능하게 위치하며, 상기 적어도 1회 이상 순차적으로 공급되는 복수의 분말 층 각각 상의 위치에 상기 3차원 구조물의 각각의 적층 단면 패턴에 대응하도록 바인더 성분을 함유한 잉크를 정전 토출 방식으로 토출하는 잉크젯 헤드; 및
    상기 잉크젯 헤드를 상기 3차원 구조물의 상기 각각의 적층 단면 패턴에 대응하는 위치로 벡터 방식으로 이동시켜 상기 잉크를 토출하도록 제어하는 제어부를 포함하는 3차원 프린팅 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 3차원 프린팅 장치는,
    상기 잉크젯 헤드가 상기 분말 베드의 수평 방향으로 이동하도록 장착된 수평 이동 스테이지; 및
    상기 분말 베드를 수직 방향으로 이동하도록 지지하는 상하 이동 스테이지를 더 포함하는 3차원 프린팅 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 잉크가 토출된 후, 적어도 하나의 분말 층 각각 상에 추가적으로 하나의 분말 층을 형성하는 평탄화 작업을 수행하도록 제어하는 3차원 프린팅 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 잉크가 토출된 후, 상기 상기 미리 정해진 복수의 분말 층을 추가적으로 형성하는 평탄화 작업을 수행하도록 제어하는 3차원 프린팅 장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 3차원 프린팅 장치는,
    상기 잉크젯 헤드에서 잉크가 토출되는 적어도 하나의 노즐에 대응하여 개구부가 형성된 접지 전극을 더 포함하고,
    상기 토출되는 잉크의 양은 상기 개구부의 크기에 대응하여 결정되는 3차원 프린팅 장치.
  7. 3차원 프린팅 방법에 있어서,
    3차원 구조물을 형성하기 위한 분말을 수용하는 분말 베드를 구비한 분말 용기를 제공하는 동작;
    상기 분말을 상기 분말 베드 상에 적어도 하나의 분말 층을 형성하도록 공급하는 동작; 및
    상기 분말 베드 상에서 수평한 방향으로 이동 가능하게 위치하며, 상기 적어도 하나의 분말 층 각각 상의 위치에 상기 3차원 구조물의 각각의 적층 단면 패턴에 대응하도록 바인더 성분을 함유한 잉크를 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드를 이용하여 토출하는 동작
    을 포함하되,
    상기 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드는 상기 3차원 구조물의 상기 각각의 적층 단면 패턴에 대응하는 위치로 벡터 방식으로 이동되어 상기 잉크를 토출하도록 제어되는 3차원 프린팅 방법.
  8. 3차원 프린팅 방법에 있어서,
    3차원 구조물을 형성하기 위한 분말을 수용하는 분말 베드를 구비한 분말 용기를 제공하는 동작;
    상기 분말을 상기 분말 베드 상에 미리 정해진 복수의 분말 층을 순차적으로 형성하도록 적어도 1회 이상 공급하는 동작; 및
    상기 분말 베드 상에서 수평한 방향으로 이동 가능하게 위치하며, 상기 적어도 1회 이상 순차적으로 공급되는 복수의 분말 층 각각 상의 위치에 상기 3차원 구조물의 각각의 적층 단면 패턴에 대응하도록 바인더 성분을 함유한 잉크를 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드를 이용하여 토출하는 동작
    을 포함하되,
    상기 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드는 상기 3차원 구조물의 상기 각각의 적층 단면 패턴에 대응하는 위치로 벡터 방식으로 이동되어 상기 잉크를 토출하도록 제어되는 3차원 프린팅 방법.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 잉크젯 헤드가 상기 분말 베드의 수평 방향으로 이동하도록 장착된 수평 이동 스테이지, 및 상기 분말 베드를 수직 방향으로 이동하도록 지지하는 상하 이동 스테이지를 사용하여, 상기 각각의 적층 단면 패턴에 대응하여 상기 잉크젯 헤드를 이동시키는 동작을 더 포함하는 3차원 프린팅 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드를 이용하여 토출하는 동작은,
    상기 잉크가 토출된 후, 상기 적어도 하나의 분말 층 각각 상에 추가적으로 하나의 분말 층을 형성하는 평탄화 작업을 수행하는 동작을 포함하는 3차원 프린팅 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드를 이용하여 토출하는 동작은,
    상기 잉크가 토출된 후, 상기 미리 정해진 복수의 분말 층을 추가적으로 형성하는 평탄화 작업을 수행하는 동작을 포함하는 3차원 프린팅 방법.
  12. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 정전 토출 방식의 잉크젯 헤드를 이용하여 토출하는 동작은,
    상기 잉크젯 헤드에서 잉크가 토출되는 적어도 하나의 노즐에 대응하여 개구부가 형성된 접지 전극을 사용하여, 상기 토출되는 잉크의 양을 결정하는 동작을 포함하는 3차원 프린팅 방법.
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