KR20200087323A - 3d 프린터 - Google Patents

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KR20200087323A
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Abstract

본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로서, 광경화성 수지가 저수된 수조 상부에서 프레임에 대해 승하강 가능하게 설치된 메인 승하강 바디의 중앙에 장착되며 빔의 진행방향을 조정하여 수조 내에 마련된 빌드판의 성형 위치로 조사할 수 있도록 광을 주사하는 빔주사부와, 메인 승하강 바디에 장착되되 빔주사부를 중심으로 일측에 장착되며 빌드판의 성형영역을 분담할 수 있게 분할된 제1 및 제2분할영역 중 제1분할영역에 대해 광을 조사할 수 있도록 된 제1면조사부와, 메인 승하강 바디에 장착되되 빔주사부를 중심으로 제1면조사부 맞은편이 되는 타측에 장착되며 제2분할영역에 대해 광을 조사할 수 있도록 된 제2면조사부와, 성형물 형성 정보에 따라 빔주사부와, 제1 및 제2면조사부의 구동을 제어하는 제어유니트를 구비한다. 이러한 3D 프린터에 의하면, 면조사와 라인주사를 함께 수행하면서 성형 정밀도와 성형 속도를 모두 높일 수 있는 장점을 제공한다.

Description

3D 프린터{3D printer}
본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로서, 상세하게는 면조사빔과 라인 주사빔을 함께 생성하여 광경화성수지에 조사할 수 있도록 된 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 시제품을 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 물체를 만드는 것이다.
즉, 3D 프린터 방법에는 광경화성 수지에 레이저 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(Stereo Lithography Apparatus)와, SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하여 레이저 광선으로 주사하여 기능성 고분자 또는 금속분말을 고결시켜 성형하는 원리를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering), FDM방식(Fused Deposition Modeling)과, 광경화수지가 저장된 저장조의 하부로 광을 조사하여 부분적으로 경화되는 원리를 이용하는 DLP(Digital Light Processing) 방식 및 LCD를 이용하여 인쇄하는 광경화 방식 등이 있다.
기존의 SLA 방식은 광경화성 수지를 이용하는 방법으로 미국특허 4,575,330호에 게시되어 있다. 이러한 SLA 방식은 성형면적이 넓을 수록 성형시간이 많이 걸리는 단점이 있다.
또한, DLP방식은 국내 등록특허 제10-1533374호에 게시되어 있다.
그런데, DLP방식은 성형 속도가 SLA 방식에 비해 빠른반면 윤곽라인을 정밀하게 성형하기 어려운 단점이 있다.
따라서, 성형 정밀도와 성형 속도를 모두 높일 수 있는 광조사방식이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 면조사와 라인주사를 함께 수행하면서 성형 정밀도와 성형 속도를 모두 높일 수 있는 3D 프린터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3D 프린터는 광경화성 수지가 저수된 수조 상부에서 프레임에 대해 승하강 가능하게 설치된 메인 승하강 바디의 중앙에 장착되며 빔의 진행방향을 조정하여 상기 수조 내에 마련된 빌드판의 성형 위치로 조사할 수 있도록 광을 주사하는 빔주사부와; 상기 메인 승하강 바디에 장착되되 상기 빔주사부를 중심으로 일측에 장착되며 상기 빌드판의 성형영역을 분담할 수 있게 분할된 제1 및 제2분할영역 중 제1분할영역에 대해 광을 조사할 수 있도록 된 제1면조사부와; 상기 메인 승하강 바디에 장착되되 상기 빔주사부를 중심으로 상기 제1면조사부 맞은편이 되는 타측에 장착되며 상기 제2분할영역에 대해 광을 조사할 수 있도록 된 제2면조사부와; 성형물 형성 정보에 따라 상기 빔주사부와, 상기 제1 및 제2면조사부의 구동을 제어하는 제어유니트;를 구비한다.
바람직하게는 상기 제어유니트는 성형하고자 하는 성형영역의 가장자리를 따르는 윤곽라인은 상기 빔주사부에 의해 조사되게 처리한다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1면 조사부와 상기 제2면 조사부는 각각 광을 출사하는 제1광원과; 상기 제1광원에서 출사되는 광을 평형빔으로 변환하는 평형빔 생성부와; 상기 평형빔 생성부에서 생성되어 입사된 광에 대해 성형패턴에 대응되게 선택적으로 빔패턴을 형성하는 빔패턴 형성부;를 구비하고, 상기 빔패턴 형성부는 입사된 광에 대한 반사각도를 각각 조정하여 빔패턴을 형성하는 다수의 마이크로 미러로 형성된 것을 적용한다.
또한, 상기 메인 승하강 바디로부터 상기 수조를 향하여 연장된 보조바와; 상기 보조바의 하단에 장착되어 상기 수조의 수면과의 거리를 측정하는 거리센서와; 상기 수조내로 상기 광경화성 수지를 공급 및 회수할 수 있게 설치된 수지 공급부;를 더 구비하고, 상기 제어유니트는 상기 거리센서에서 검출된 상기 수조의 수면과의 거리정보를 이용하여 상기 수지공급부의 수지 공급 또는 회수와 상기 메인 승하강 바디의 승하강 높이를 제어한다.
바람직하게는 상기 평행빔 생성부는 상기 제1광원에서 출사된 광을 평행빔으로 변환하는 적어도 하나의 콜리메이팅 렌즈와; 상기 콜리메이팅 렌즈를 거쳐 진행되는 광을 입사받을 수 있게 배치되며 다수의 파리눈렌즈가 어레이된 빔균일화부재;를 구비한다.
본 발명에 따른 3D 프린터에 의하면, 면조사와 라인주사를 함께 수행하면서 성형 정밀도와 성형 속도를 모두 높일 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터를 개략적으로 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 빔주사부의 일 예를 나타내 보인 사시도이고,
도 3은 도 1의 3D 프린터에 의해 성형영역을 분담하는 과정을 설명하기 위한 광조사영역을 나타내 보인 평면도이고,
도 4는 도 1의 3D 프린터의 제어계통을 나타내 보인 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린터를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터를 개략적으로 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 3D 프린터(100)는 광조사장치(101), 수조(10), 빌드판(20)을 구비한다.
광조사장치(101)는 메인 승하강바디(110), 빔주사부(120), 제1 및 제2면조사부(130a)(130b)를 구비한다.
메인 승하강 바디(110)는 광경화성 수지(40)가 저수된 수조(10) 상부에서 프레임(30)에 대해 승하강 가능하게 설치되어 있다.
메인 승하강 바디(110)는 후술되는 빔주사부(120), 제1 및 제2면조사부(130a)(130b)가 일체로 장착되는 영역을 제공한다.
빔주사부(120)는 메인 승하강 바디(110)의 중앙에 장착되며 빔의 진행방향을 조정하여 수조(10) 내에 마련된 빌드판(20)의 성형 위치로 조사할 수 있도록 광을 주사한다.
빔주사부(120)의 상세 구조는 도 2를 참조하여 설명한다.
빔주사부(120)는 레이저 광원(110), 빔사이즈 조정부(130), 빔스캔부(140)를 구비한다.
레이저 광원(110)을 레이저 광을 출사한다.
레이저 광원(110)은 355 내지 405nm의 광을 출사하는 것이 적용될 수 있다.
레이저 광원(110)과 빔사이즈 조정부(130)의 사이에는 레이저 광원(110)에서 출사되는 광을 평행빔으로 변환시키는 콜리메이팅렌즈(미도시)가 마련될 수 있다.
빔사이즈 조정부(130)는 레이저 광원(110)에서 출사된 광빔의 단면적 크기를 조정할 수 있도록 되어 있다.
빔사이즈 조정부(130)는 생략될 수 있음은 물론이다.
빔스캔부(140)는 빔사이즈 조정부(130)를 거쳐 진행되는 광빔을 설정된 목표 위치로 조사되게 광의 진행방향을 조정한다.
빔스캔부(140)는 통상적인 구조로 구축되면 되고, 예시된 바와 같이 빔사이즈 조정부(130)를 거쳐 진행되는 광에 대해 성형면(152)을 기준으로 제1방향에 대한 조사방향을 제1반사경(141)의 각도를 조정하여 조정하는 제1방향조정기(143)와, 제1반사경(141)을 거쳐 진행되는 광에 대해 제1방향과 직교하는 제2방향에 대해 제2반사경(142)의 각도를 조정하여 조정하는 제2방향조정기(145)로 구축될 수 있다.
참조부호 147은 에프세타(f-θ)렌즈이다.
제1면조사부(130a)는 메인 승하강 바디(110)에 장착되되 빔주사부(120)를 중심으로 일측에 장착되며 빌드판(20)의 성형영역을 후술되는 제2면조사부(130b)와 함께 분담할 수 있게 분할된 제1 및 제2분할영역 중 제1분할영역에 대해 광을 조사할 수 있도록 되어 있다.
도시된 도면에서 제1면조사부(130a)는 빔주사부(120)의 좌측에 장착되어 있고, 도 3에 예시된 바와 같이 제1분할영역(60a)과 제2분할영역(60b)은 빌드판(20)의 성형영역을 상호 분담할 수 있게 적절하게 적용하면 된다.
제2면조사부(130b)는 메인 승하강 바디(110)에 장착되되 빔주사부(120)를 중심으로 제1면조사부(130a) 맞은편이 되는 타측에 장착되며 제2분할영역(60b)에 대해 광을 조사할 수 있도록 되어 있다.
즉, 제2면조사부(130b)는 빔주사부(120)의 우측에 장착되어 있다.
이러한 구조에서 제1 및 제2면조사부(130a)(130b)는 빌드판(20)의 상면 상의 성형영역에 대해 좌측과 우측을 분할하여 분담하면서 광을 면조사할 수 있도록 되어 있고, 동일 요소에 대해서는 대칭되는 배치구조로 배치되어 있어 동일 참조부호로 이하에서 설명한다.
제1면 조사부(130a)와 제2면 조사부(130b)는 각각 광을 출사하는 제1광원(132), 평형빔 생성부(132), 빔패턴 형성부(136) 및 빔확산부(138)를 구비한다.
제1광원(132)은 광을 출사하며, 355 내지 405nm의 광을 출사하는 레이저 광원이 적용될 수 있다.
평형빔 생성부(134)는 제1광원(132)에서 출사되는 광을 평형빔으로 변환한다.
도시된 예에서 평형빔 생성부(134)는 하나의 콜리메이팅렌즈(134a)와, 콜리메이팅 렌즈(134a)를 거쳐 진행되는 광을 입사받을 수 있게 배치되며 다수의 파리눈 렌즈(135a)가 상하 및 좌우로 어레이된 빔균일화부재(135)로 되어 있다.
참조부호 133은 빔균일화부재(135)에서 출사되는 광을 빔패턴 형성부(136)에 집속시키는 집속렌즈이다.
빔패턴 형성부(136)는 평형빔 생성부(132)에서 생성되어 입사된 광에 대해 성형 형상의 성형패턴에 대응되게 선택적으로 빔패턴을 형성한다.
빔패턴 형성부(136)는 입사된 광에 대한 반사각도를 각각 조정할 수 있는 다수의 마이크로 미러(136a)로 형성되어 있다.
빔확산부(138)는 빔패턴 형성부(136)에서 출사되는 광을 확산시켜 광경화수지가 저수된 수조(10) 상부에 대해 각각 할당된 제1분할영역(60a) 또는 제2분할영역(60b)에 성형패턴에 대응되게 조사한다.
도시된 예와 다르게 빔패턴 형성부(136)는 화소마다 선택적으로 광을 투사하는 액정디스플레이(LCD)가 적용될 수 있음은 물론이다.
이러한 3D 프린터의 제어요소에 대해 도 4를 함께 참조하여 설명한다.
보조바(114)는 메인 승하강 바디(110)로부터 수조(10)를 향하여 하방으로 연장되어 있다.
거리센서(116)는 보조바(114)의 하단에 장착되어 수조(10)의 수면과의 거리를 측정하여 제어유니트(210)에 제공한다.
수지공급부(170)는 수조(10)내로 광경화성 수지(40)를 공급 및 회수할 수 있게 설치되어 있다.
도시된 예에서는 메인 수지공급탱크(미도시)로부터 공급호스(172)를 통해 메인 승하강 바디(110)에 장착된 보조탱크(174)로 수지를 공급하고, 보조탱크(174)에서 보조바(114)의 하단으로 이어지는 유로를 통해 수지를 공급 및 회수할 수 있도록 되어 있고, 도시된 예와 다른 수지 공급 구조로 형성될 수 있음은 물론이다.
보조탱크(174) 내에는 수지를 흡입에 의해 회수할 수 있는 펌프(미도시)가 내장되어 있고, 보조바(114)로 이어지는 유로를 개폐하는 밸브(미도시)가 마련되어 있다.
제1승강구동부(180)는 제어유니트(210)에 제어되어 메인 승하강 바디(110)를 승하강시킨다.
제1승강구동부(180)는 프레임(30)에 수직상으로 연장된 스크류(182)를 회전시키며 제어유니트(210)에 의해 정역 회전되는 제1모터(184)와, 스크류(182)에 나사결합되어 지지바(187)를 통해 메인 승하강 바디(110)와 결합된 승강너트(186) 및 지지바(187)가 관통상태로 승하강되게 설치된 수직봉(188)으로 구축되어 있다.
제2승강구동부(190)는 제어유니트(210)에 제어되어 빌드판(20)을 승하강시킨다.
제2승강구동부(190)는 프레임(30)에 수직상으로 연장된 스크류(182)를 회전시키며 제어유니트(210)에 의해 정역 회전되는 제2모터(194)와, 스크류(192)에 나사결합되어 지지바(197)를 통해 빌드판(20)과 결합된 승강너트(196) 및 지지바(197)가 관통상태로 승하강되게 설치된 수직봉(198)으로 구축되어 있다.
제어유니트(210)는 성형물 형성 정보에 따라 빔주사부(120)와, 제1 및 제2면조사부(130a)(130b)의 구동을 제어한다.
제어유니트(210)는 앞서 설명된 제1분할영역(60a)과 제2분할영역(60b) 내의 성형하고자 하는 성형영역은 제1 및 제2면조사부(130a)(130b)의 광조사에 의해 담당하고, 성형영역의 가장자리를 따르는 윤곽라인은 빔주사부(120)에 의해 조사되게 처리한다.
즉, 도 3에 예시된 바와 같이 제1분할영역(60a)과 제2분할영역(60b)은 제1면조사부(130a)와 제2면조사부(130b)에서 담당하고 성형층의 윤곽라인(60c)은 빔주사부(120)에 의해 조사되게 처리하면 성형속도도 증가시키면도 성형 정밀도도 함께 향상시킬 수 있다.
제어유니트(210)는 성형 레이어의 적층에 따라 메인 승하강 바디(110) 및 빌드판(20)의 위치를 성형이 원할하게 이루어지도록 제1 및 제2모터(184)(194)를 제어하여 승하강 위치를 제어한다.
또한, 제어유니트(210)는 거리센서(116)에서 검출된 수조(10)의 수면과의 거리정보를 이용하여 거리센서(116)로부터 수면과의 거리가 일정하게 유지되게 수지의 공급 및 회수를 수지공급부(170)를 통해 제어한다.
한편, 수조(10)에 대해 광조사장치가 고정된 종래 방식의 경우 수조(10)에 광경화수지를 성형물의 높이에 관계없이 일정하게 채워 놓고 프린팅작업을 수행해야하기 때문에 광경화수지의 낭비가 많이 발생되지만 본 발명의 3D 프린터는 수조(10)에 대한 높이 조정이 가능함으로써 수조(10)에 채워놓는 광경화수지를 낭비발생이 최소화되게 조정할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명된 3D 프린터에 의하면, 면조사와 라인주사를 함께 수행하면서 성형 정밀도와 성형 속도를 모두 높일 수 있는 장점을 제공한다.
10: 수조 20: 빌드판
101: 광조사장치 110: 메인 승하강바디
120: 빔주사부 130a: 제1면조사부
130b: 제2면조사부

Claims (5)

  1. 광경화성 수지가 저수된 수조 상부에서 프레임에 대해 승하강 가능하게 설치된 메인 승하강 바디의 중앙에 장착되며 빔의 진행방향을 조정하여 상기 수조 내에 마련된 빌드판의 성형 위치로 조사할 수 있도록 광을 주사하는 빔주사부와;
    상기 메인 승하강 바디에 장착되되 상기 빔주사부를 중심으로 일측에 장착되며 상기 빌드판의 성형영역을 분담할 수 있게 분할된 제1 및 제2분할영역 중 제1분할영역에 대해 광을 조사할 수 있도록 된 제1면조사부와;
    상기 메인 승하강 바디에 장착되되 상기 빔주사부를 중심으로 상기 제1면조사부 맞은편이 되는 타측에 장착되며 상기 제2분할영역에 대해 광을 조사할 수 있도록 된 제2면조사부와;
    성형물 형성 정보에 따라 상기 빔주사부와, 상기 제1 및 제2면조사부의 구동을 제어하는 제어유니트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어유니트는 성형하고자 하는 성형영역의 가장자리를 따르는 윤곽라인은 상기 빔주사부에 의해 조사되게 처리하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1면 조사부와 상기 제2면 조사부는 각각
    광을 출사하는 제1광원과;
    상기 제1광원에서 출사되는 광을 평형빔으로 변환하는 평형빔 생성부와;
    상기 평형빔 생성부에서 생성되어 입사된 광에 대해 성형패턴에 대응되게 선택적으로 빔패턴을 형성하는 빔패턴 형성부;를 구비하고,
    상기 빔패턴 형성부는 입사된 광에 대한 반사각도를 각각 조정하여 빔패턴을 형성하는 다수의 마이크로 미러로 형성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  4. 제2항에 있어서, 상기 메인 승하강 바디로부터 상기 수조를 향하여 연장된 보조바와;
    상기 보조바의 하단에 장착되어 상기 수조의 수면과의 거리를 측정하는 거리센서와;
    상기 수조내로 상기 광경화성 수지를 공급 및 회수할 수 있게 설치된 수지 공급부;를 더 구비하고,
    상기 제어유니트는
    상기 거리센서에서 검출된 상기 수조의 수면과의 거리정보를 이용하여 상기 수지공급부의 수지 공급 또는 회수와 상기 메인 승하강 바디의 승하강 높이를 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  5. 제3항에 있어서, 상기 평행빔 생성부는
    상기 제1광원에서 출사된 광을 평행빔으로 변환하는 적어도 하나의 콜리메이팅 렌즈와;
    상기 콜리메이팅 렌즈를 거쳐 진행되는 광을 입사받을 수 있게 배치되며 다수의 파리눈렌즈가 어레이된 빔균일화부재;를 구비하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
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