KR20230144165A - 3d 프린터 - Google Patents

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KR20230144165A
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송성은
이광민
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주식회사 캐리마
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Abstract

3D 프린터가 개시된다. 3D프린터는 수지재료를 수용하는 수지조, 상기 수지조 내에서 복수의 단위성형층이 순차적으로 적층되어 성형되는 성형물을 지지하는 조형판, 상기 조형판을 향해 광을 조사하는 노광부 및 투명한 베이스 필름, 상기 베이스 필름의 일면에 마련되어 상기 조형판에 성형된 성형물의 이형시키기 위한 이형필름, 및 상기 베이스 필름의 이면에 다수의 미세렌즈를 가지며, 상기 수지조의 바닥판에 마련된 렌즈이형부를 포함한다.

Description

3D 프린터{3D Printer}
본 발명은 3D프린터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광경화성 수지재료를 노광 경화하여 적층하면서 성형물을 성형할 수 있는 3D 프린터에 관한 것이다.
DLP(Digital Light Processing) 방식의 3D 프린터는 광경화성 수지재료가 저장되어 있는 수지조에서 조형표면 상의 수지재료를 경화시켜 조형판에 순차적으로 적층하여 목적하는 3D 성형물을 성형한다. 3D 프린터는 조형판에 단위성형층이 적층될 때마다, 다음 단위성형층을 적층하기 위해 조형표면과 조형판에 경화되어 적층된 3D 성형물 사이를 분리하는 과정이 필요하다.
단위성형층마다 완전 분리하여 적층하는 단속적층이 아닌 연속적층 방식을 이용하는 경우에도, 조형표면과 조형판 사이에 수지재료가 채워져 성형하기 위해서는 공간이 필요하다.
또한, 경화된 단위성형층의 표면적이 작을 때에는 3D 성형물이 경화된 면으로부터 비교적 쉽게 분리될 수 있지만, 경화된 단위성형층의 표면적이 크면 3D 성형물의 분리가 용이하지 않다.
이를 개선하는 방법으로는, 예컨대, 산소 또는 이형제를 이용하여 조형표면과 성형물을 분리할 수 있다. 그러나 산소 또는 이형제를 이용하는 경우 조형판이 수지조에 대하여 승강하는 경우 출렁거림이 발생하고 이 출렁거림이 안정된 후 성형작업이 이루어져야 하므로 성형속도가 매우 느려지는 문제가 있고, 성형속도를 빠르게 하려는 경우 성형품질이 떨어지는 문제가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 성형속도를 빠르게 하면서 성형품질을 향상시킬 수 있는 3D프린터를 제공하는 것이다.
상술한 과제를 달성하기 위한 3D 프린터가 제공된다. 3D프린터는 수지재료를 수용하는 수지조, 상기 수지조 내에서 복수의 단위성형층이 순차적으로 적층되어 성형되는 성형물을 지지하는 조형판, 상기 조형판을 향해 광을 조사하는 노광부 및 투명한 베이스 필름, 상기 베이스 필름의 일면에 마련되어 상기 조형판에 성형된 성형물의 이형시키기 위한 이형필름, 및 상기 베이스 필름의 이면에 다수의 미세렌즈를 가지며, 상기 수지조의 바닥판에 마련된 렌즈시트를 포함한다.
상기 렌즈시트와 상기 바닥판 사이에는 공기층이 마련될 수 있다.
상기 미세렌즈는 상기 공기층의 진공배기에 의해 이물질이 제거될 수 있다.
상기 다수의 미세렌즈는 나노임프린트 방법으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면 마이크로렌즈가 마련된 렌즈시트에 의해 노광부로부터의 광이 조형표면에서 최소면적이 되도록 함으로써 이형을 쉽게 하여 성형속도를 빠르게 하면서 성형품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 설명도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈시트의 설명도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈시트의 설명도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 동작도이다.
도 5는 본 발명에 따른 3D 프린터의 제어블록도를 도시한다.
도 6은 렌즈시트의 제조방법 흐름도이다.
도 7은 렌즈시트를 수지조의 바닥부에 결합하는 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D프린터(1)를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 설명도이다.
3D프린터(1)는 수지조(10), 조형판(20), 승강구동부(30), 노광부(40), 렌즈시트(50) 및 제어부(60)를 포함한다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 조형판(20)이 수지조(10) 내에서 상승하며 적층하는 상향식 3D프린터(1)에 기초하여 서술하나, 조형판이 하강하며 적층하는 하향식 3D프린터에도 적용이 가능하다. 마찬가지로, 본 발명은 수지조 방식으로 실시예를 설명하나, 수지조 방식의 3D프린터(1)에 한정되지 않는다.
수지조(10)는 광경화성 수지재료를 저장하며, 상면이 개구된 형상을 가지고, 투명한 바닥부(11)를 갖는다. 이 때, 수지조(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 상부프레임과 하부프레임으로 나뉘고, 상부프레임과 렌즈시트(50)의 결합으로 수지재료를 수용할 수 있는 저장공간을 형성하고, 하부프레임이 이를 지지하여 결합된다. 이때 상부프레임 하면에는 렌즈시트(50)를 용이하게 고정하기 위한 돌출부가 형성될 수 있고, 돌출부는 연신율이 있는 재질로 이루어진 렌즈시트(50)의 표면에 텐션력을 높여주는 효과가 존재한다.
수지조(10)를 상부프레임과 하부프레임으로 나뉘는 구조를 이용하는 경우, 수지조(10)에 수용되는 수지재료가 새어나가지 않도록 실링재를 추가로 포함할 수 있다.
다만, 이에 한정되지 않으며 투명한 바닥부(11)를 가지는 일체의 수조 형상을 가지고 바닥부(11) 위에 렌즈시트(50)가 흡착, 접착, 코팅 등 다양하게 구현될 수 있다.
조형판(20)은 수지조(10) 내에서 승강구동부(30)에 의해 승강 가능하며, 판상으로 마련되어 복수의 단위성형층(2-1)이 점진적으로 적층되어 성형되는 성형물(2)을 지지한다.
승강구동부(30)는 수지조(10)와 조형판(20) 중 적어도 하나를 승강 구동한다. 승강구동부(30)는 승강레일과, 승강레일을 승강시키는 승강구동모터로 이루어진다. 승강레일은 수지조(10)와 조형판(20) 중 적어도 하나를 지지하면서 결합된다.
노광부(40)는 수지조(10)의 하부에 배치되어 렌즈시트(50)의 수광표면을 향해 상방으로 광경화성 수지재료를 경화시키는 자외선 광을 출력한다.
렌즈시트(50)는 조형판(20)과 수지조(10)의 바닥부(11) 사이에 배치되고, 노광부(40)에 의해 조사된 광은 바닥부(11)와 렌즈시트(50)를 통과하여 조형표면 사이의 수지재료를 경화한다. 이 때, 렌즈시트(50)는 경화된 수지재료가 렌즈시트(50)의 조형표면과 접촉하는 노광면적이 최소가 되도록 노광부(40)로부터 조사되는 광을 굴절시켜 단위성형층(2-1)의 적층방향으로 노광이 되도록 안내한다. 렌즈시트(50)에 관한 보다 자세한 설명은 도 2 및 도 3에서 서술한다.
제어부(60)는 단위성형층(2-1)의 이미지에 대응하는 광을 출력하도록 노광부(40)를 제어하고, 조형판(20)이 렌즈시트(50)에 대하여 상승 이격되도록 승강구동부(30)를 제어한다. 제어부(60)는 3D 프린터(1)의 조형 방식에 따라, 노광부(40)와 승강구동부(30)를 순서대로 제어하거나, 동시에 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈시트(50) 설명도이다.
도 2를 참조하면, 렌즈시트(50)는 베이스 필름(501), 베이스 필름(501)의 상면에 접착제(503)에 의해 접착된 이형필름(502) 및 베이스 필름(501)의 하면에 형성된 다수의 미세렌즈(504)를 포함한다.
베이스 필름(501)은 투명한 소재로서 일 예로, 폴리에스터, 유리, 등으로 이루어질 수 있다.
이형필름(502)은 광경성수지와의 이형성이 우수한 투명한 소재로서 일 예로, FEP(Fluorinated Ethylene Propylene), PFA(Perfluoroalkoxy Alkanes), ETFE(Ethylene Tetra Fluoro Ethylene), PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene) 등으로 이루어질 수 있다.
이형필름(502)은 도 2에서 접착제(503)에 의해 베이스 필름(501)에 접착되는 것으로 도시하였지만, 베이스 필름(501)의 상면에 직접 코팅 또는 적층될 수도 있다.
다수의 미세렌즈(504)는 투명한 소재로서 노광부(40)를 향해 볼록한 형상을 가진다. 다수의 미세렌즈(504)는 베이스 필름(501)의 하면에 나노임프린트 기법에 따라 형성될 수 있다. 나노임프린트는 오목렌즈 패턴이 새겨진 스탬프를 사용하여 베이스 필름(501) 상의 고분장 용액에 찍어 패터닝하는 방법이다.
수지조(10)의 바닥부(11)는 렌즈시트(50)의 미세렌즈(504) 정상부분에 접촉 또는 근접한 상태로 배치될 수 있다. 결과적으로, 렌즈시트(50)와 수지조(10)의 바닥부(11) 사이에는 공기층(506)을 포함될 수 있다.
제어부(60)는 각 단위성형층(2-1)의 이미지에 대응하는 광을 조사하도록 노광부(40)를 제어하고, 조사된 광은 렌즈시트(50)를 통과하여 조형표면 사이의 수지재료를 경화한다.
이 때, 렌즈시트(50) 내의 조사된 광의 이동경로를 살펴본다. 노광부(40)로부터 조사된 광은 렌즈시트(50)의 수광표면을 지나 미세렌즈(504)를 통과하여 렌즈시트(50)의 조형표면에서 수렴하였다가 확산된다. 확산된 광은 도시된 바와 같이 역피라미드 형태를 가지고, 그 역피라미드 형태를 따라 수지조(10) 내의 수지재료가 경화된다.
따라서, 미세렌즈(504)는 볼록렌즈의 역할을 하도록 볼록렌즈 형상으로 돌출형성되는 것을 특징으로 한다.
미세렌즈(504)에서 굴절되는 광은 조형표면 상에서 수렴하였다가 확산된다. 이 때, 조형표면 상에 맺히는 광의 표면적에 따라 조형표면 상에 경화되는 수지의 표면적이 결정되므로, 조형표면에 고착되는 수지의 표면적이 최소화되기 위해서는 역피라미드의 꼭지점이 조형표면 상에서 경화됨이 바람직하다.
단위성형층의 일면의 형상이 조형표면에서 동일한 형상으로 경화되는 방식과 달리, 역피라미드 형태로 노광되는 본 발명에서는 조형표면과 접촉하는 수지재료의 경화 표면적이 역피라미드의 꼭지점에 대응하는 면적으로서 최소화되므로, 조형판(20)을 승강 구동하더라도 성형물과 조형표면의 분리가 용이하고, 렌즈시트(50)가 일부 들어올려지는 현상을 최소화할 수 있으며, 수지조(10)의 흔들림도 최소화할 수 있다. 수지조(10)의 흔들림을 최소함으로써 성형물의 적층 및 조형판(20)의 승강구동 과정에서 충격이나 진동을 현저히 줄여 성형물의 품질을 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 렌즈시트(50) 설명도이다. 도 3에서는 도 2와의 차이점을 중심으로 서술한다.
도 2의 경우, 베이스 필름(501) 하면의 미세렌즈(504)가 아래로 볼록하게 형성되어 있다. 도 3의 경우, 렌즈시트(50)는 미세렌즈(505)가 위로 볼록하게 형성되어 있다.
도 2 및 도 3에 각각 도시되는 두 가지 형태의 렌즈시트(50)를 통한 광의 이동경로는 동일한 효과가 나타나나, 렌즈를 구성하는 소재의 굴절률에 따라 그 형태를 결정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 동작도이다.
도 4 (a)를 살펴보면, 노광부(40)로부터 출력된 광은 렌즈시트(50)의 미세렌즈(504)에 의해 굴절되어 조형판(20)을 향해 비춰진다. 이 때 복수의 미세렌즈(504)에 의해 굴절된 광은 렌즈시트(50)의 조형표면에서 최소의 면적이 된 후 다시 넓어지도록 굴절되어 조형판(20)과 조형표면 사이에 배치된 수지재료에 노광된다.
도 4 (b)를 살펴보면, 노광부(40)로부터 출력된 광이 조형판(20)을 향해 출력되고 있는 중에 조형판(20)이 승강구동부(30)에 의해 상승되면, 광경화성 수지재료가 렌즈시트(50)의 조형표면과 조형판(20) 사이로 계속하여 수지재료가 채워지면서 단위성형층(2-1)이 연속 적층된다. 따라서, 역피라미드 모양으로 광이 조사되면서 조형판(20)이 상승하므로, 역피라미드 한 층이 일부 경화되고, 연속해서 그 다음 역피라미드 층이 일부 경화되면서 윗 층을 추가로 경화하는 식으로, 복수의 역피라미드 층이 계속 겹쳐지면서 쌓아올려진다.
상기의 3D프린터(1)로 인하여, 노광부(40)로부터 조사된 광이 렌즈시트(50)에 의해 굴절되어 렌즈시트(50)의 조형표면에서 최소면적으로 결상되어 경화되므로 조형판 상승에 의한 경화된 단위성형물의 이형저항력을 최소화 할 수 있다. 이로 인해, 본 발명은 특별한 기계적인 해결 수단 없이도 작업의 중단없이 연속적으로 3D 성형물을 고품질로 빠르게 제작할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 3D 프린터의 제어블록도를 도시한다. 제어부(60)는 노광부(40)가 성형물을 단위성형층으로 분리한 이미지데이터에 기초하여 각 단위성형층 이미지에 대응하는 광을 조사하도록 제어하고, 승강구동부(30)가 조형판(20)을 상승 혹은 하강하도록 제어한다.
도 6은 도 2 및 도 3에서 도시한 렌즈시트(50)의 제조방법 흐름도이다.
투명하고 평탄도 높은 베이스 필름(501)을 준비한다(S710).
광경화성수지와의 이형성이 좋은 재질로 이루어진 이형필름(502)을 투명한 접착제(503)를 이용하여 베이스 필름(501)의 상면에 부착한다(720)
베이스 필름(501)의 하면에 나노임프린트 기법으로 다수의 볼록 또는 오목 형상의 미세렌즈(504,505)를 형성한다(530).
보다 구체적으로 설명하면, 베이스 필름(501)의 하면에 투명한 액상 고분자 재료층을 소정 두께로 도포한다. 이때, 액상 고분자 재료는 폴리디메틸실록산(PDMS: polydimethylsiloxane)류의 실리콘 오일(polymeric organosilicon compounds)이 사용될 수 있으며 아울러, 실리콘 계열의 유기중합체 중 투명하며 불활성을 특성을 가지는 소재라면 대체 가능하다.
도 2 또는 도 3의 미세렌즈(504,505)의 볼록 또는 오목 형상에 반대 형상을 가진 패턴이 형성된 스탬프를 상술한 액상 고분자 재료층에 찍은 후에 UV광 또는 고온으로 경화시킨다.
상술한 바와 같이 제조된 렌즈시트(50)는 수지조(10)의 바닥부(11)에 배치될 수 있다. 이때, 수지조(10)의 바닥부(11)는 미세렌즈(504)의 정상부분에 접촉 또는 근접한 형태에 배치될 수 있다. 렌즈시트(50)와 수지조(10)의 바닥부(11) 사이에는 공기층(도 2, 도 3의 506)이 형성될 수 있다. 이때, 공기층(506)은 진공 배기되어 미세렌즈(504,505)에 묻은 이물질을 배출할 수 있다.
도 7은 렌즈시트(50)를 수지조(10)의 바닥부(11)에 결합하는 방법을 나타내는 도면이다.
시트프레임(70)는 렌즈시트(50)를 실링 수용한다.
바닥프레임(80)은 수지조(10)의 바닥부(11)을 실링 수용한다.
시트프레임(70)과 바닥프레임(80)을 서로 맞물려 결합한 상태에서 렌즈시트(50)와 수지조(10)의 바닥부(11) 사이의 공기층(506)을 진공 배기한다.
다른 실시예로서, 베이스필름(501)은 수지조(10)의 바닥부(11)로 대체될 수 있다. 이때, 이형필름(502)은 수지조(10)의 바닥부(11) 상면에 부착되고, 미세렌즈(504,505)는 수지조(10)의 바닥부(11) 하면에 형성될 수 있다.
1 : 3D프린터 2 : 성형물
3 : 베드 10 : 수지조
20 : 조형판 30 : 승강구동부
40 : 노광부 50 : 렌즈시트
501: 베이스필름 502: 이형필름
504,505: 미세렌즈 506: 공기층
60 : 제어부 70: 시트프레임
80: 바닥프레임

Claims (4)

  1. 3D 프린터에 있어서,
    수지재료를 수용하는 수지조;
    상기 수지조 내에서 복수의 단위성형층이 순차적으로 적층되어 성형되는 성형물을 지지하는 조형판;
    상기 조형판을 향해 광을 조사하는 노광부; 및
    투명한 베이스 필름, 상기 베이스 필름의 일면에 마련되어 상기 조형판에 성형된 성형물의 이형시키기 위한 이형필름, 및 상기 베이스 필름의 이면에 다수의 미세렌즈를 가지며, 상기 수지조의 바닥판에 마련된 렌즈시트;
    를 포함하는 3D 프린터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈시트와 상기 바닥판 사이에는 공기층이 마련되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 미세렌즈는 상기 공기층의 진공배기에 의해 이물질이 제거되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 미세렌즈는 나노임프린트 방법으로 형성되는 3D 프린터.
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