KR20220055615A - 온도제어가 가능한 3d 프린터 - Google Patents

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오명환
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Abstract

본 발명은 레진 수지에 대한 온도 제어가 가능한 3D 프린터에 관한 것이다. 그러한 3D 프린터는, 광 경화성 수지가 충전되는 광 투과성의 레진 수조(1)와; 레진 수조(1)에 광을 조사하여 광 경화성 수지를 경화시키는 광원(2)과; 레진 수조(1)의 내측에 승하강 가능하게 배치되며 광 경화성 수지의 경화된 부분인 조형물이 부착되는 빌드 스테이지(3)와; 레진 수조(1)의 외부를 감싸도록 배치되는 레진 수조 가이드(5)와; 레진 수조(1)에 배치되어 온도를 감지하는 센서(S)와; 센서(S)와 연동하여 온도에 따라 레진 수조(1)의 레진을 가열하거나 냉각시키는 냉온부(7)와; 그리고 냉온부(7) 및 방열부(11,15)를 제어하여 가열모드와 냉각모드를 선택적으로 설정하는 컨트롤러(17)를 포함한다.

Description

온도제어가 가능한 3D 프린터{3D Printer capable of controlling temperature}
본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레진 수조의 외부를 감싸도록 레진 수조 가이드를 배치하고, 이 레진 수조 가이드에 열전소자를 배치하여 가열 혹은 냉각시킴으로써 레진의 점도를 적절하게 제어하여 효과적으로 프린팅 공정을 실시할 수 있는 3D 프린터에 관한 것이다.
3D 프린터는 3차원 형상을 제작하는 장치로서, 1980년대 미국의 한 회사에서 플라스틱 액체를 굳혀 입체 물품을 만들어내는 프린터를 시초로 하여 개발되었다.
이러한 3D 프린터는 3차원의 입체적인 형상을 갖는 물건을 만들어 내는 장치이며, 절삭형과 적층형의 두 가지 방식으로 구분할 수 있다. 절삭형은 덩어리 형상의 재료를 깎거나 갈아내서 원하는 삼차원 형상의 입체 물건을 얻는 방식이여, 적층형은 얇은 층을 적층하여 원하는 삼차원 형상의 조형물을 구현하는 방식이다.
적층형 방식으로는 FDM(fused deposition modeling) 방식, DLP(digital light processing) 방식, SLA(stereo lithography apparatus) 방식, SLS(selective laser sintering) 방식 등이 있다. FDM 방식은 플라스틱 등의 소재를 한 층씩 적층하여 삼차원 형상의 조형물을 구현하는 방식이다. DLP 방식은 프로젝터에서 제공되는 자외선 (UV light)을 이용하여 광경화성 수지를 조금씩 굳혀가며 삼차원 형상의 조형물을 구현하는 방식이다. SLA 방식은 레이저 프린팅 방식이며, 레이저를 이용하여 자외선에 경화되는 자외선 레진을 통하여 삼차원 형상의 조형물을 구현하는 방식이다.
그러나, 이러한 종래의 3D 프린터는 레진의 점도에 따라 성형공정에서 많은 영향을 받는 바, 예를 들어 고점도인 경우에는 레진이 유동성이 낮음으로써 균일한 상태로 공급하거나 빌드 스테이지 상에서 균일하게 도포하기 어려워서 성형품질에 문제가 있다.
특허출원 제10-2014-0173794호(명칭:발열입자를 갖는 고분자 화합물 및 이를 이용한 3차원 인쇄장치) 특허출원 제10-2015-0100624호(명칭:3차원 프린터의 속도를 향상시키는 장치 및 방법)
따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 레진 수조의 외부를 감싸도록 레진 수조 가이드를 배치하고, 이 레진 수조 가이드에 열전소자를 배치하여 가열 혹은 냉각시킴으로써 레진 수조에 충전된 레진의 점도를 적절하게 제어하여 효과적으로 프린팅 공정을 실시할 수 있는 3D 프린터를 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는,
광 경화성 수지가 충전되는 광 투과성의 레진 수조(1)와;
레진 수조(1)에 광을 조사하여 광 경화성 수지를 경화시키는 광원(2)과;
레진 수조(1)의 내측에 승하강 가능하게 배치되며 광 경화성 수지의 경화된 부분인 조형물이 부착되는 빌드 스테이지(3)와;
레진 수조(1)의 외부를 감싸도록 배치되는 레진 수조 가이드(5)와;
레진 수조(1)에 배치되어 온도를 감지하는 센서(S)와;
센서(S)와 연동하여 온도에 따라 레진 수조(1)의 레진을 가열하거나 냉각시키는 냉온부(7)와; 그리고
냉온부(7) 및 방열부(11,15)를 제어하여 가열모드와 냉각모드를 선택적으로 설정하는 컨트롤러(17)를 포함하는 3D 프린터를 제공한다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 레진 수조에 온도센서를 장착하고, 이 온도센서와 컨트롤러 및 열전소자를 연동시킴으로써 레진 수조의 온도에 따라 가열모드와 냉각모드를 선택적으로 적용하여 레진을 가열시키거나 냉각시킴으로써 점도를 적절하게 제어하여 효과적으로 프린팅 공정을 진행할 수 있다.
둘째, 레진 수조 가이드의 구조를 함체 형상으로 하여 레진 수조를 감싸도록 배치됨으로써 레진 수조 가이드에 열이나 냉기가 전달되는 경우, 이 열과 냉기를 내측에 배치된 레진수조에 효과적으로 전달할 수 있다.
셋째, 레진 수조 가이드의 일측에 냉온부를 배치하여 구동시키는 경우, 열이나 냉기가 레진 수조 가이드의 반대편에는 상대적으로 덜 전달됨으로써 열적인 불균형이 발생하게 되므로, 레진 수조 가이드의 외부면에 단열패드를 배치함으로써 열이나 냉기가 전체적으로 균일하게 전달될 수 있도록 하여 열적인 균형을 이룰 수 있다.
넷째, 냉온부의 인접 위치에 히트싱크 혹은 팬을 배치하여 냉온부에서 발생하는 열을 방열시킴으로써 냉온부가 과열되는 것을 방지하여 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 외관을 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 3D 프린터의 내부 구조를 보여주는 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 3D 프린터의 작동상태를 보여주는 측면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명이 제안하는 3D 프린터는 다양한 종류의 3D 프린터에 적용될 수 있으며, 예를 들면 DLP(digital light processing) 방식, 혹은 SLA(stereo lithography apparatus) 방식의 3D 프린터에 적용될 수 있다.
이러한 3D 프린터는,
광 경화성 수지가 충전되는 광 투과성의 레진 수조(Resin tank;1)와; 레진 수조(1)에 광을 조사하여 광 경화성 수지를 경화시키는 광원(2)과; 레진 수조(1)의 내측에 승하강 가능하게 배치되며 광 경화성 수지의 경화된 부분인 조형물이 부착되는 빌드 스테이지(Build stage;3)와;
레진 수조(1)의 외부를 감싸도록 배치되는 레진 수조 가이드(Resin tank guide;5)와; 레진 수조(1)에 배치되어 온도를 감지하는 센서(S)와; 센서(S)와 연동하여 온도에 따라 레진 수조(1)의 레진을 가열하거나 냉각시키는 냉온부(7)와; 냉온부(7)에서 발생하는 열을 방열하는 방열부(11,15)와; 냉온부(7) 및 방열부(11,15)를 제어하여 가열모드와 냉각모드를 선택적으로 설정하는 컨트롤러(Controller;17)를 포함한다.
이러한 구조를 갖는 3D 프린터에 있어서,
레진 수조(1)와, 광원(2)과, 빌드 스테이지(3)는 3D 프린터에 적용되는 통상적인 구성을 의미한다.
따라서, 레진 수조(1)에 레진이 공급된 상태에서 광원(2)이 조사된 빛이 투명판을 통과하여 레진을 경화시키면 빌드 스테이지(3) 상에서 성형이 이루어진다.
이때, 도면에서는 광원(2)이 레진 수조(1)의 하부에 배치되는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 상부에 배치되는 것로 포함한다.
그리고, 레진 수조(1)는 레진 수조 가이드(5)의 내부에 배치되는 바, 이러한 레진 수조 가이드(5)는 상부가 개방된 형상의 함체 형상을 갖는다.
따라서, 레진 수조(1)가 레진 수조 가이드(5)의 내부에 진입하여 장착될 수 있다.
이때, 레진 수조 가이드(5)에는 센서가 장착됨으로써 레진 수조(1)가 안착될 때 이를 감지하여 컨트롤러(17)에 신호를 전송함으로써 온도 제어를 실시한다.
그리고, 레진 수조 가이드(5)의 하부에는 투명창(4)이 배치됨으로써 광원(2)으로부터 조사된 빛이 투명창(4) 및 레진 수조(1)의 하부를 통하여 레진을 경화시키게 된다.
또한, 레진 수조 가이드(5)는 열 혹은 냉기를 잘 전달할 수 있는 재질, 예를 들면 금속과 같은 전열성 재질이다.
그리고, 레진 수조(1)가 레진 수조 가이드(5)의 내측에 배치된 상태에서, 레진 수조(1)에 충전된 레진의 점도를 제어할 필요가 있는 경우, 즉 레진에 열을 가하거나 냉각시킬 필요가 있는 바, 냉온부(7)가 구동함으로써 가열 혹은 냉각을 실시하게 된다.
이러한 냉온부(7)는 레진 수조 가이드(5)의 일측에 배치되어 컨트롤러(17)의 신호에 따라 열 혹은 냉기를 발생시키는 펠티어 소자(Peltier element;13)를 포함한다.
펠티어 소자(13)는 2개의 금속판을 접합시킨 상태에서 전류를 인가하면 금속판의 양단에 온도차이가 발생하는 현상을 이용한 소자로서, 저온 냉각을 필요로 하는 반대편의 고온부분을 강제 냉각시키면 저온부의 열이 고온쪽으로 전달되는 원리를 이용한다.
따라서, 컨트롤러(17)가 가열모드인 경우에는 펠티어 소자(13)에 전류를 인가함으로써 소정 온도의 열을 발생시킨다. 그리고, 발생된 열은 레진 수조 가이드(5)를 통하여 레진수조(1)에 전달됨으로써 내부에 충전된 레진을 가열시켜서 점도를 낮추게 된다.
반대로, 컨트롤러(17)가 냉각모드인 경우에는 펠티어 소자(13)에 전류를 반대방향으로 인가함으로써 냉각시켜서 냉기를 레진 수조 가이드(5)를 통하여 레진 수조(1)의 내부에 전달함으로써 충전된 레진을 냉각시켜서 점도를 높이게 된다.
그리고, 컨트롤러(17)는 레진 수조(1)에 장착된 온도센서(S)와 연동함으로써 가열모드 혹은 냉각모드를 선택할 수 있다.
즉, 레진 수조의 내부에는 온도센서(S)가 장착되며, 이 온도센서(S)가 레진 수조(1)의 내부 온도를 감지한다. 이러한 온도센서(S)는 다양한 종류의 센서(S)를 포함하며, 예를 들면, 저항온도 검출기(RTD), 서미스터, 열전쌍 등을 포함한다.
그리고, 감지된 온도값은 컨트롤러(17)로 전송되며, 컨트롤러(17)는 수신된 온도값에 의하여 현재 레진 수조(1)의 온도를 인식하고, 이 온도가 해당 레진에 대하여 적절한지 여부를 판단한다.
판단결과, 온도가 기준값 이상인 경우에는 레진이 가열되었다고 판단하고 컨트롤러(17)는 냉각모드로 전환함으로써 펠티어 소자(13)에 신호를 전달하여 냉각모드로 전환하여 냉기를 발생시킨다. 그리고, 냉기는 레진 수조 가이드(5)를 통하여 레진 수조(1)에 전달됨으로써 레진을 냉각시키게 된다.
반대로 온도가 기준값 이하인 경우에는 레진이 냉각되었다고 판단하고 컨트롤러(17)는 가열모드로 전환함으로써 펠티어 소자(13)에 신호를 전달하여 가열모드로 전환하여 열을 발생시킨다.
그리고, 발생된 열은 레진 수조 가이드(5)를 통하여 레진 수조(1)에 전달됨으로써 레진을 가열시키게 된다.
상기에서는 펠티어 소자(13)를 단수로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 2개 이상 복수개가 배치될 수도 있다. 이 경우에도 컨트롤러(17)가 복수의 펠티어 소자(13)를 온도값에 따라 제어할 수 있다.
한편, 레진 수조 가이드(5)는 레진 수조(1)의 외부를 감싸는 구조이므로 펠티어 소자(13)에서 발생된 열 혹은 냉기가 이 레진 수조 가이드(5)를 통하여 레진 수조(1)에 전달되는 바, 이때 펠티어 소자(13)가 장착된 면으로부터 열 혹은 냉기가 전달되므로 레진 수조 가이드(5)의 반대면은 상대적으로 열 혹은 냉기가 적게 도달하게 된다.
결과적으로, 레진 수조 가이드(5)에 열 혹은 냉기가 불균일하게 전달되어 열적 불균형 상태가 되므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 단열패드(9)를 배치한다.
즉, 레진 수조 가이드(5)의 외부면에 단열패드(9)를 배치함으로써 열 혹은 냉기가 대기중으로 방출되는 것을 최소화함으로써 레진 수조 가이드(5)에 균일하게 전달될 수 있도록 한다. 따라서, 레진 수조(1)는 열적으로 균형상태가 됨으로써 내부에 충전된 레진에도 열이나 냉기가 균일하게 전달될 수 있다.
한편, 이러한 냉온부(7)가 작동하는 경우 과도한 열이 발생할 수 있는 바, 방열부(11,15)가 구비된다.
이러한 방열부(11,15)는 컨트롤러(17)와 연동하여 방열하는 히트싱크(Heat sink;11) 혹은 팬(Fan;15)을 포함한다.
따라서, 냉온부(7)가 일정 온도 이상으로 상승하는 경우 히트싱크(11) 혹은 팬(15)이 구동함으로써 방열을 실시하게 된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 레진 수지에 대한 온도 제어 과정을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 레진 수지에 대한 온도제어를 실시하는 경우, 먼저 레진 수조(1)를 하강시켜서 함체 형상의 레진 수조 가이드(5)의 내부에 배치한다.
이 상태에서 액상의 레진 수지를 레진 수조(1)의 내부에 주입하고 일정 온도로 가열한다.
이때, 레진 수조의 내부에는 온도센서(S)가 장착됨으로써 레진 수조(1)의 내부 온도를 실시간으로 측정한다. 그리고 감지된 온도값은 컨트롤러(17)로 전송된다.
그리고, 컨트롤러(17)는 실시간으로 수신된 온도값에 의하여 현재 레진 수조(1)의 온도를 인식하고, 이 온도가 해당 레진에 대하여 적절한지 여부를 판단한다.
판단결과, 온도가 기준값 이상인 경우에는 레진이 가열되었다고 판단하고 컨트롤러(17)는 냉각모드로 전환함으로써 펠티어 소자(13)에 신호를 전달하여 냉각모드로 전환하여 냉기를 발생시킨다. 그리고, 냉기는 레진 수조 가이드(5)를 통하여 레진 수조(1)에 전달됨으로써 레진을 냉각시키게 된다.
반대로 온도가 기준값 이하인 경우에는 레진이 냉각되었다고 판단하고 컨트롤러(17)는 가열모드로 전환함으로써 펠티어 소자(13)에 신호를 전달하여 가열모드로 전환하여 열을 발생시킨다.
그리고, 발생된 열은 레진 수조 가이드(5)를 통하여 레진 수조(1)에 전달됨으로써 레진을 가열시키게 된다.
이와 같이, 컨트롤러(17)가 레진 수조(1)의 내부 온도를 감지하고, 이 온도가 기준 범위 이내인지를 연산하여 가열모드 혹은 냉각모드를 선택적으로 설정함으로써 레진 수조(1)의 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있다.

Claims (5)

  1. 광 경화성 수지가 충전되는 광 투과성의 레진 수조(1)와;
    레진 수조(1)에 광을 조사하여 광 경화성 수지를 경화시키는 광원(2)과;
    레진 수조(1)의 내측에 승하강 가능하게 배치되며 광 경화성 수지의 경화된 부분인 조형물이 부착되는 빌드 스테이지(3)와;
    레진 수조(1)의 외부를 감싸도록 배치되는 레진 수조 가이드(5)와;
    레진 수조(1)에 배치되어 온도를 감지하는 센서(S)와;
    센서(S)와 연동하여 온도에 따라 레진 수조(1)의 레진을 가열하거나 냉각시키는 냉온부(7)와; 그리고
    냉온부(7) 및 방열부(11,15)를 제어하여 가열모드와 냉각모드를 선택적으로 설정하는 컨트롤러(17)를 포함하는 3D 프린터.
  2. 제 1항에 있어서,
    레진 수조 가이드(5)는 상부가 개방된 함체 형상으로써 그 내부에 레진 수조(1)가 승하강 가능하게 배치되는 3D 프린터.
  3. 제 2항에 있어서,
    레진 수조 가이드(5)의 외부면에는 단열패드(9)가 배치되는 3D 프린터.
  4. 제 1항에 있어서,
    냉온부(7)는 레진 수조 가이드(5)의 일측에 배치되어 컨트롤러(17)의 신호에 따라 열 혹은 냉기를 발생시키는 펠티어 소자(Peltier element;13)를 포함하는 3D 프린터.
  5. 제 1항에 있어서,
    냉온부(7) 인접 위치에 배치되어 냉온부(7)에서 발생하는 열을 방열하는 방열부(11,15)를 추가로 포함하는 3D 프린터.
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