KR20240018738A - 고정밀 광경화 3d 프린팅 방법 및 이를 이용한 고정밀 조형물 제조방법 - Google Patents

고정밀 광경화 3d 프린팅 방법 및 이를 이용한 고정밀 조형물 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법은 제작하고자 하는 조형물의 3D 원본 이미지에 대한 소결 수축 비율에 기초하여 결정된 보정배율을 상기 3D 원본 이미지에 적용하여 보정하는 소결 수축 보정 단계, 보정된 3D 이미지를 기 설정된 간격으로 분할하여 상기 조형물의 적층 단면을 나타내는 복수의 2D 슬라이스 이미지를 형성하는 슬라이싱 단계, 형성된 복수의 2D 슬라이스 이미지의 간격보다 기 설정된 두께만큼 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 적층하는 적층 단계, 적층된 슬러리 레이어를 광경화하는 광경화 단계 및 적층 단계 및 광경화 단계를 반복하여 조형물의 성형체를 형성하는 성형 단계를 포함한다.

Description

고정밀 광경화 3D 프린팅 방법 및 이를 이용한 고정밀 조형물 제조방법{High precision photocurable 3D printing method and high precision sculpture manufacturing method using the same}
본 발명은 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법 및 이를 이용한 고정밀 조형물 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 정밀한 수축률 제어가 가능한 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법 및 3D 프린팅을 이용한 고정밀 조형물 제조방법에 관한 것이다.
3D 프린팅(3D Printing) 기술은 3차원의 입체 구조물을 프린팅하는 기술로서, 원재료를 조각하는 방식으로 입체 구조물을 형성하는 절삭형 3D 프린팅과 재료를 층별로 적층하여 구조물을 형성하는 적층형 3D 프린팅 기술이 존재한다. 적층형 3D 프린팅 기술은 재료를 적층하는 방식이므로, 절삭형 3D 프린팅 대비 소재 사용 효율이 높으며, 정교한 구조물의 형성이 가능한 이점이 있어 차세대 공정 기술로 크게 주목받고 있다.
적층형 3D 프린팅 기술은 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(예를 들어, 스테레오 리소그래피(Stereolithography)) 등 다양한 방식이 존재한다.
이 중, 광경화 방식의 3D 프린팅은 빛을 사용하여 광경화성 소재들을 경화시키는 방식으로 입체 구조물을 프린팅하는 기술로서, 정교한 구조물을 높은 해상도로 출력이 가능한 장점이 있다.
한편, 3D 프린팅 소재로 고분자, 금속, 세라믹, 복합재 등이 사용될 수 있다.
세라믹 또는 금속의 경우 3D 프린팅 후 유기물을 제거하는 탈지 공정 및 입자간 결합을 통해 구조물의 안정성과 기계적 물성을 확보하기 위한 고온 열처리 공정인 소결 공정을 필요로 한다.
하지만, 광경화 방식의 3D 프린팅에 의해 제조된 성형체를 소결하게 될 경우, 성형체의 전체 계면에너지가 감소되고 치밀화가 진행되어 성형체에 수축이 발생할 수 있다. 이 경우, 소결 전 성형체와 소결체 사이의 크기 차이가 발생하는 문제가 발생한다.
이에, 소결 수축을 고려하여 3D 프린팅 시 x, y, z축에 수축 보정 배율을 적용하는 기술이 개발되었으나, 적층 방식으로 진행되는 광경화 3D 프린팅을 수행할 경우, 적층 레이어 사이에 발생하는 층간 미세 간격으로 인해, 소결 시 계산된 수축률과는 상이하게 수축된 소결체가 형성되는 문제가 있다.
이에, 소결 수축에 정확하게 대응하는 동시에 적층 방식의 광경화 3D프린팅에서 층간 미세 간격에 의한 오차까지 정밀 제어될 수 있는 광경화 3D 프린팅 방법에 대한 기술 개발이 요구된다.
한편, 전술한 배경기술은 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
한국 등록특허 제10-2098166호
본 발명의 일 실시예는 소결체의 수축률을 정밀하게 제어할 수 있는 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법 및 이를 이용한 고정밀 조형물 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 고정밀 광경화3D 프린팅 방법은 제작하고자 하는 조형물의 3D 원본 이미지에 대한 소결 수축 비율에 기초하여 결정된 보정배율을 상기 3D 원본 이미지에 적용하여 보정하는 소결 수축 보정 단계, 보정된 3D 이미지를 기 설정된 간격으로 분할하여 상기 조형물의 적층 단면을 나타내는 복수의 2D 슬라이스 이미지를 형성하는 슬라이싱 단계, 형성된 복수의 2D 슬라이스 이미지의 간격보다 기 설정된 두께만큼 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 적층하는 적층 단계, 적층된 슬러리 레이어를 광경화하는 광경화 단계 및 적층 단계 및 상기 광경화 단계를 반복하여 상기 조형물의 성형체를 형성하는 성형 단계를 포함한다.
예컨대, 슬라이싱 단계는 3D 원본 이미지를 5μm 내지 100μm 간격으로 분할하여 복수의 2D 슬라이스 이미지를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 적층 단계는 복수의 2D 슬라이스 이미지의 간격보다 0.1% 내지 10% 더 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 광경화 단계는 탑다운(top-down) 방식으로 광을 상부에서 하부로 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 광경화 단계는 10 내지 500 mJ/cm2의 광량으로 광을 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법은 세라믹 또는 금속 안료 및 광경화성 레진을 포함하는 슬러리를 활용하여 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 고정밀 조형물 제조방법은 제작하고자 하는 조형물의 3D 원본 이미지에 대한 소결 수축 비율에 기초하여 결정된 보정배율을 상기 3D 원본 이미지에 적용하여 보정하는 소결 수축 보정 단계, 보정된 3D 이미지를 기 설정된 간격으로 분할하여 상기 조형물의 적층 단면을 나타내는 복수의 2D 슬라이스 이미지를 형성하는 슬라이싱 단계, 형성된 복수의 2D 슬라이스 이미지의 간격보다 기 설정된 두께만큼 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 적층하는 적층 단계, 적층된 슬러리 레이어를 광경화하는 광경화 단계, 적층 단계 및 광경화 단계를 반복하여 조형물의 성형체를 형성하는 성형단계, 성형된 조형물의 성형체를 소결하는 소결 단계를 포함한다.
예컨대, 소결 단계는 성형된 조형물의 성형체를 1000℃ 이상의 온도로 소결하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 슬라이싱 단계는 3D 원본 이미지를 5μm 내지 100μm 간격으로 분할하여 복수의 2D 슬라이스 이미지를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
예컨대, 적층 단계는 복수의 2D 슬라이스 이미지의 간격보다 0.1% 내지 10% 더 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법은 소결체의 수축률을 정밀하게 제어하여 원하는 크기 및 형상을 갖는 조형물을 제조할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법 및 3D 프린팅을 이용한 고정밀 조형물 제조방법은 적층 레이어 간에 발생하는 미세한 적층 오차로 인한 소결 추가 수축까지 보완할 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 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법의 순서도이다.
도 2는 3D 원본 이미지와 보정된 3 D 원본 이미지를 나타낸 도면이다.
도 3은 보정된 3D 이미지를 슬라이싱하여 복수의 2D 슬라이스 이미지를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 비교예 1에 따른 조형물과 3D 원본 이미지를 비교한 도면이다.
도 5는 비교예 2에 따른 3D 원본 이미지와 z축 방향에 대해 추가 보정 배율을 적용한 보정된 3D 이미지를 나타낸 도면이다.
도 6은 비교예 2에 따른 조형물과 3D 원본 이미지를 비교한 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 조형물과 3D 원본 이미지를 비교한 도면이다.
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 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 "간접적으로 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법은 광경화 3D 프린팅용 세라믹 또는 금속 슬러리(slurry)를 활용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
본 발명의 광경화 3D 프린팅용 슬러리(slurry)는 세라믹 안료 또는 금속 안료 및 광경화성 레진(resin)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 세라믹 안료로는 알루미늄 옥사이드(Al2O3), 지르코늄 옥사이드(ZrO2) 티타늄 옥사이드(TiO2), 실리콘 옥사이드(SiO2), 이트륨 옥사이드(Y2O3), 아연 옥사이드(ZnO), 리튬 코발트 옥사이드(LiCoO2), 인듐-주석 옥사이드(Indium Tin Oxide; ITO) 등과 같은 옥사이드 세라믹, 실리콘 카바이드(SiC), 텅스텐 카바이드(WC), 칼슘 카바이드 (CaCO3) 등과 같은 카바이드 세라믹, 실리콘 나이트 라이드(Si3N4), 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등과 같은 나이트라이드 세라믹, 또는 인산칼슘(Ca3(PO4)2), 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite; HA)), 제올라이트 (Zeolite) 등과 같은 비산화물 세라믹이 사용될 수 있다.
예를 들어, 금속 안료로는 알루미늄(Al), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 서스(SUS), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
광경화성 레진은 광에 의해 중합반응을 일으키는 레진으로서, 올리고머(oligomer), 광경화성 모노머(monomer) 및 광 개시제를 포함할 수 있다.
올리고머는 광중합 반응에 의해 고분자 사슬을 형성하는 물질로서, 광중합 반응을 일으키는 유기 관능기를 적어도 하나 이상 포함하고, 150 내지 500g/mol의 분자량을 가질 수 있다. 예를 들어, 폴리에스테르 아크릴레이트(Polyester acrylate), 에폭시 아크릴레이트(Epoxy acrylate), 우레탄 아크릴레이트(Urethane acrylate), 폴리아릴레이트(Poly acrlate), 실리콘 아크릴레이트(Silicon arcylate), 불포화 폴리에스테르(Unsaturated polyester), 에폭시(Epoxy) 등과 같은 고분자 1종 또는 그 이상 포함할 수 있다.
광경화성 모노머는 올리고머의 광중합 반응을 가교하는 희석제로서, 아크릴레이트 기를 1개 이상 포함하는 유기물로 구성될 수 있다. 예를 들어, 이소보르닐아크릴레이트(Isobornylacrylate; IBA), 트리메틸올프로판-포멀-모노-아크릴레이트(Trimethylolpropane-formal-mono-acrylate), 페녹시에틸 아크릴레이트(Phenoxyethylacrylate, POEA), 트리프로필렌글리콜 디아크릴레이트(Tripropyleneglycoldiacrylate; TPGDA), 디프로필렌글리콜 디아크릴레이트(Dipropyleneglycoldiacrylate; DPGDA), 헥산디올 디아크릴레이트(Hexandioldiacrylate; HDDA), 네오펜틸글리콜 디아크릴레이트(Neopentylglycoldiacrylate; NPGDA), 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(Trimethylolpropanetriacrylate; TMPTA), 에톡시레이티드/프로폭실레이티드 글리세롤트리아크릴레이트 (Ethoxylated/propoxylated glyceroletriacrylate), 펜타에리스리톨 트리아크릴레이트(Pentaerythritoltriacrylate; PETIA), 디펜타에리스리톨 펜타/헥사아크릴레이트(Dipentaerythritolpenta/hexaacrylate), 하이드록시 프 로필-메타크릴레이트(Hydroxypropyl-Methacrylates), 디사이클로펜타닐-옥시-에틸-메타크릴레이트(Dicyclopentenyl-oxy-ethyl- Methacrylates) 등이 사용될 수 있다.
광 개시제는 광에 의해 라디칼 또는 양이온을 생성하여 광중합을 개시하는 물질로서, 벤조페논(Benzophenoes), 알파-하이드록시 케톤(a-Hydroxy ketoens; a-HK), 벤질-디알킬케탈(Benzil-dialkylketal; BDK), 알파-아미노 케톤(a-Amino ketones), 페닐 글리옥실레이트(Phenyl glyxoylates; PG), 티옥산톤(Thioxanthones; ITX), 아크릴포스핀 옥사이드(Acrylphosphine oxides; APO), 디페닐 (2,4,6- 트리메틸 벤조일) 포스핀 옥사이드(diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide; TPO) 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 슬러리는 착색 첨가제를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 프라세오디륨(Pr), 에르븀(Er), 세륨(Ce), 네오디뮴(Nd), 철(Fe), 이트륨(Y), 마그네슘(Mg), 코발트(Co) 등을 포함하는 금속 산화물을 포함할 수 있다.
한편, 슬러리는 광경화 3D 프린팅에 적합한 점도를 가질 수 있다. 구체적으로, 슬러리의 점도는 100 내지 30,000cp일 수 있다. 슬러리의 점도가 상술한 범위에 포함되는 경우, 광경화 3D 프린팅 과정에서 슬러리의 표면이 평평하게 유지될 수 있다. 만약, 슬러리의 점도가 30,000 cp를 초과하는 경우, 슬러리의 점도가 지나치게 높아져 3D 프린팅 과정에서 레이어들의 적층이 어려울 수 있고, 출력된 조형물의 정밀도가 떨어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법은 DLP 또는 SLA에 의해 수행될 수 있다. 본 명세서에서는 광경화 3D 프린팅 방법 중, DLP를 기준으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법의 순서도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법은 3D 프린터로 제작하고자 하는 조형물의 3D 원본 이미지에 대한 소결 수축 비율에 기초하여 결정된 보정배율을 상기 3D 원본 이미지에 적용하여 보정하는 소결 수축 보정(S10) 단계, 보정된 3D 이미지를 기 설정된 간격으로 분할하여 상기 조형물의 적층 단면을 나타내는 복수의 2D 슬라이스 이미지를 형성하는 슬라이싱(S20) 단계, 형성된 복수의 2D 슬라이스 이미지의 간격보다 기 설정된 두께만큼 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 적층하는 적층(S30) 단계, 적층된 슬러리 레이어를 광경화하는 광경화(S40) 단계, 적층 단계 및 광경화 단계를 반복하여 성형체를 형성하는 성형(S50) 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법은 먼저, 3D 프린터로 제작하고자 하는 조형물의 3D 원본 이미지에 대한 소결 수축 비율에 기초하여 결정된 보정배율을 상기 3D 원본 이미지에 적용하여 보정(S10)한다.
소결 수축 보정(S10) 단계는 성형체가 소결 후 수축되어 치수가 줄어드는 것을 고려하여, 성형체의 치수를 제작하고자 하는 조형물의 치수보다 크게 형성되도록 조형물의 3D 원본 이미지에 보정배율을 적용하여 치수를 확장하는 단계일 수 있다.
여기서, 치수는 가로, 세로, 높이, 길이, 폭, 지름, 반지름, 굴곡도 등과 같이 물품의 크기를 나타내는 모든 수치들을 포괄적으로 지칭하는 것으로 정의할 수 있다.
소결 수축 비율은 성형체와 소결체의 치수를 비교함으로써 측정될 수 있다. 구체적으로, 소결 수축 비율은 조형물의 3D 원본 이미지를 토대로 3D 프린팅하여 형성한 성형체와 상기 형성된 성형체를 소결한 소결체 간의 치수를 비교함으로써 측정될 수 있다.
이때, 성형체의 3D 프린팅은 3D 원본 이미지를 통해 복수의 2D 슬라이스 이미지를 형성하고, 형성된 복수의 2D 슬라이스 이미지 사이 간격에 대응되는 두께로 레이어를 적층한 뒤 광경화하여 3D 조형물의 일 단면을 형성하고, 동일한 방법으로 단면들을 적층하는 방식으로 성형체를 제조하고, 제조된 성형체를 소결하는 순서로 수행될 수 있다.
소결 수축 비율은 소결체의 치수를 소결전 성형체의 치수로 나눈 값으로 계산될 수 있다.
소결 수축 비율 =
Figure pat00001
이때, 소결 수축 비율은 방위에 무관하게 동일하게 측정되거나, 방위에 따라 다르게 측정될 수 있다. 구체적으로, 직교 좌표계를 기준으로, x축, y축, z축에 대해 모두 동일한 값으로 측정될 수 있으나, 각기 다른 값으로도 측정될 수 있다. 따라서, 소결 수축 비율은 각각의 축 방위에 따라 계산되는 것이 적절하다.
보정 배율은 상기 측정된 소결 수축 비율에 기초하여 결정될 수 있다.
보정 배율은
Figure pat00002
로 계산될 수 있다. 예를 들어, 소결 수축 비율이 1/2로 계산될 경우, 보정 배율은 2로 계산될 수 있다. 한편, 보정 배율은 소결 수축 비율과 같이 각각의 축 방위에 따라 추출될 수 있다.
상술한 방법에 따라 추출된 보정 배율은 3D 원본 이미지의 x축, y축 및 z축 치수들에 곱하는 방식으로 적용된다.
도 2는 3D 원본 이미지와 보정된 3D 이미지를 나타낸 도면이다.
도 2에서 3D원본 이미지는 실선으로 도시되었고, 보정된 3D 이미지는 점선으로 도시되었다. 또한, 보정된 3D 이미지는 상술한 방법에 따라 추출된 보정 배율을 원본 3D 이미지의 x, y, z축 치수들에 곱함으로써, 생성되었다.
한편, 3D 원본 이미지(100)는 3D 캐드 소프트웨어, 3D 모델링 소프트웨어, 3D 스캐너 등을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 3D 스캐너를 통해, 레이저를 제작하고자 하는 조형물에 투사하여 형상 정보를 취득하고, 취득된 형상 정보를 디지털 정보로 전환함으로써 3D 원본 이미지가 형성될 수 있다. 또는, 조형물을 상하 좌우 등 다양한 각도에서 촬영한 후, 촬영된 사진을 조합함으로써, 조형물의 형상 및 치수 정보를 취득함으로써 3D 원본 이미지가 형성될 수 있다. 또는, 3D 캐드 소프트웨어나 3D 모델링 소프트웨어를 사용하여 제조하고자 하는 조형물을 설계함으로써 3D 원본 이미지가 형성될 수 있다.
도 3은 보정된 3D 이미지를 슬라이싱하여 복수의 2D 슬라이스 이미지를 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하여, 슬라이싱(S20) 단계를 설명하도록 한다.
3D 원본 이미지(100)의 소결 수축 보정이 완료되면, 보정된 3D 이미지를 기 설정된 간격으로 절단하여 조형물의 적층 단면을 나타내는 복수의 2D 슬라이스 이미지를 형성(S20)한다.
슬라이싱(S20) 단계는 광경화(S40) 단계에서 광경화되는 영역에 대한 형상 및 치수에 대한 정보를 제공하는 2D 이미지를 형성하기 위해 수행될 수 있다. 여기서, 2D 슬라이스 이미지(300)는 수축 보정된 이미지의 분해된 적층 단면을 의미할 수 있다.
슬라이싱(S20) 단계는 슬라이서 소프트웨어를 통해 보정된 3D 이미지(200)를 일정한 간격으로 슬라이싱하여 복수의 2D 슬라이스 이미지(300)를 형성할 수 있다.
구체적으로, 보정된 3D 이미지(200)를 z축에 대한 수직방향으로 일정하게 슬라이싱함으로써 형성할 수 있다.
또한, 보정된 3D 이미지(200)를 5μm 내지 100μm간격으로 슬라이싱하여 복수의 2D 슬라이스 이미지(300)를 형성할 수 있다.
만약, 보정된 3D 이미지(200)가 1cm 두께를 가질 경우, 5μm 간격으로 슬라이싱 할 경우 2000개의 2D 슬라이스 이미지(300)가 형성되고, 50μm 간격으로 슬라이싱 할 경우 200개의 2D 슬라이스 이미지(300)가 형성되며, 100μm 간격으로 슬라이싱 할 경우 100개의 2D 슬라이스 이미지(300)가 형성될 수 있다.
2D 슬라이스 이미지(300)의 간격(h)은 보정된 3D이미지의 z축에 대한 수직방향으로 분해된 레이어간 간격 즉, 단위 적층 레이어의 높이와 동일할 수 있다. 즉, 2D 슬라이스 이미지(200)의 간격(h)은 적층 레이어의 높이와 같으며, 이는, 전체 조형물 높이 ÷ 2D 슬라이스 이미지(300)의 수에 대응될 수 있다.
2D 슬라이스 이미지 형성이 완료되면, 형성된 복수의 2D 슬라이스 이미지의 간격보다 기 설정된 두께만큼 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 적층(S30)한다.
적층(S30) 단계는 2D 슬라이스 이미지(300)에 따라 형성될 조형물의 단면의 원료를 공급하는 단계를 의미할 수 있다.
적층(S30) 단계는 2D 슬라이스 이미지(300)의 간격보다 0.1% 내지 10% 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 제공하는 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 2D 슬라이스 이미지(300)의 두께가 50μm일 경우 레이어를 50.05μm 내지55μm 두께로 적층할 수 있으며, 100μm일 경우, 레이어를 100.1μm 내지 110 μm 두께로 적층할 수 있다.
슬러리 레이어의 적층이 완료되면, 적층된 레이어를 광경화(S40)한다.
광경화(S40) 단계는 적층된 슬러리 레이어에 부분적으로 광을 조사하여 2D 슬라이스 이미지에 대응되는 단면을 형성하는 단계일 수 있다.
광경화(S40) 단계는 광을 하부에서 상부로 조사하는 바텀업(bottom-up) 방식 또는 광을 상부에서 하부로 조사하는 탑다운(top-down) 방식으로 수행될 수 있다.
바텀업 방식의 광경화는 광이 투광성의 스테이지 또는 수조를 투과하여 광경화성 소재들에 조사되는 방식이므로, 광이 스테이지 또는 수조를 통과하는 과정에서 산란되거나 반사되어 출력 정밀도 및 효율이 떨어질 수 있다. 반면, 탑다운 방식의 광경화는 광을 광경화성 소재들에 직접 조사하므로, 출력 정밀도 및 효율이 바텀업 방식의 광경화보다 높을 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광경화(S40) 단계는 탑다운 방식으로 수행되는 것이 보다 바람직할 수 있다.
또한, 광경화(S40) 단계는 자외선, 적외선 또는 가시광선 중 적어도 어느 하나의 파장대의 광을 조사할 수 있다. 구체적으로, 상술한 파장대의 점 단위 광을 조사하는 레이저 또는 투사 방식으로 면 단위의 광을 조사할 수 있다.
광경화(S40) 단계는 10 내지 500 mJ/cm2의 광량으로 광을 조사할 수 있다.
만약, 10mJ/cm2 미만의 광량으로 광을 조사할 경우, 적층된 슬러리 레이어가 제대로 경화되지 않아, 슬러리 레이어의 무너짐이 발생할 수 있으며, 성형체 소결 시 소결체에 크랙이 발생할 수 있다. 반대로, 500mJ/cm2 초과의 광량을 광을 조사할 경우, 레이어의 경화가 완료되었음에도 불구하고 에너지가 추가로 조사되어 잔여 에너지에 대한 낭비가 발생하고, 이에 공정 효율이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법은 제조하고자 하는 조형물의 성형체를 형성하기 위하여 상술한 적층(S30) 단계와 광경화(S40) 단계를 반복하여 조형물의 성형체를 형성(S50)한다.
구체적으로, 성형(S50) 단계는 제1레이어를 적층한 뒤 광경화를 수행하고, 광경화 된 제1 레이어 상에 제2레이어를 적층하고 광경화하는 방식으로 수행될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법에 의해 형성된 성형체는 소결과정을 거쳐 최종 조형물로 제조될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅을 이용한 고정밀 조형물 제조방법은 상술한 방법을 통해 조형물의 성형체를 형성하고, 형성된 조형물의 성형체를 소결하는 방식으로 수행될 수 있다.
소결 단계는 성형체에 최종적으로 원하는 물성을 제공하기 위해 수행될 수 있다.
소결 단계는 성형체를 챔버에 넣고 소결 온도에 성형체를 노출시키는 방식으로 수행될 수 있다. 구체적으로, 챔버 내의 온도를 일정한 온도로 유지하면서 수행되거나 챔버 내의 온도를 서서히 변화시키면서 수행될 수 있다. 이 경우, 소결 온도 및 시간은 세라믹 안료 또는 금속 안료의 종류 및 원하는 최종 조형물의 물성에 따라 다양하게 결정될 수 있다.
이때, 소결 단계는 조형물의 성형체를 1000℃ 이상의 온도로 소결하는 방식으로 수행될 수 있다. 만약, 1000℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우, 소재간 치밀화가 제대로 이루어지지 않아 원하는 소결체의 물성이 저하될 수 있다.
본 발명의 발명자들은 2D 슬라이스 이미지(300)의 간격보다 0.1% 내지 10% 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 적층하여 3D 프린팅을 수행할 경우, 적층 레이어 간에 발생하는 미세한 적층 오차가 보완되어, 소결체의 수축률이 보다 정밀하게 제어될 수 있음을 발견하였다.
이하, 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 구체적으로 설명하나, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
비교예 1.
비교예 1은 3D 원본 이미지 x축, y축, z축에 대해 보정 배율을 적용한 보정된 3D 이미지를 토대로 조형물을 제조한 실험에 관한 것이다.
도 4는 비교예 1에 따른 조형물과 3D 원본 이미지를 비교한 도면이다. 도 4의 실선은 제작하고자 하는 조형물의 3D 원본 이미지를 의미하며, 일점 쇄선은 비교예 1에 따른 조형물의 스캔 이미지를 의미한다. 즉, 일점 쇄선은 보정된 3D 이미지를 토대로 성형 및 소결된 조형물의 스캔 이미지를 의미한다.
비교예 1의 조형물은 다음과 같은 방법으로 제조되었다.
1) 3D 원본 이미지(100)에 보정 배율을 적용하여 보정된 3D 이미지(200) 형성
2) 보정된 3D 이미지(200)를 50μm 간격(h)으로 슬라이싱하여 복수의 2D 슬라이스 이미지(300) 형성
3) 2D 슬라이스 이미지(300)의 간격과 동일하게 50μm 두께로 레이어 적층
4) 적층된 레이어 광경화
5) 3) 및 4) 단계를 반복 수행하여 성형체 형성
6) 성형체 소결하여 조형물 형성
이후, 형성된 조형물을 3D 스캐너로 스캔하여 3D 원본 이미지와의 치수를 비교하였다.
도 4를 참조하면, 3D 원본 이미지(100)와 상술한 방법으로 제조된 조형물(400)의 치수가 상이한 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 보정 배율을 적용하여 성형 및 소결된 비교예 1에 따른 조형물(400)은 3D 원본 이미지(100) 보다 z축 방향의 치수가 작아진 것을 확인할 수 있다.
비교예 2.
비교예 2는 3D 원본 이미지 x축, y축, z축에 대해 수축 보정 배율을 적용한 후, z축 방향으로 추가 보정 배율을 적용한 보정된 3D 이미지를 토대로 조형물을 제조한 실험에 관한 것이다.
도 5는 비교예 2에 따른 3D 원본 이미지와 z축 방향에 대해 추가 보정 배율을 적용한 보정된 3D 이미지를 나타낸 도면이다.
1) 도 5에 도시한 바와 같이, 3D 원본 이미지(100)에 x, y, z축 보정배율을 적용한 후, z축 방향으로 추가 보정배율을 적용하여 추가 보정된 3D 이미지(500) 형성
2) 추가 보정된 3D 이미지(500)를 50μm 간격(h)으로 슬라이싱하여 복수의 2D 슬라이스 이미지(300) 형성
3) 2D 슬라이스 이미지(300)의 간격과 동일하게 50μm 두께로 레이어 적층
4) 적층된 레이어 광경화
5) 3) 및 4) 단계를 반복 수행하여 성형체 형성
6) 성형체 소결하여 조형물 형성
이후, 형성된 조형물을 3D 스캐너로 스캔하여 3D 원본 이미지와의 치수를 비교하였다.
비교예 2는 소결 시 z축에 대한 수축이 과도하게 발생됨을 예상하여, z축 방향에 대한 추가 보정 배율을 적용한 점에서 비교예 1의 제조방법과 차별화된다.
도 6은 비교예 2에 따른 조형물과 3D 원본 이미지를 비교한 도면이다. 도 6의 실선은 제작하고자 하는 조형물의 3D 원본 이미지를 의미하며, 일점 쇄선은 비교예 2에 따른 조형물의 스캔 이미지를 의미한다. 즉, 도 6의 일점 쇄선은 추가 보정된 3D 이미지를 토대로 성형 및 소결된 조형물의 스캔 이미지를 의미한다.
비교예 2의 조형물은 다음과 같은 방법으로 제조되었다.
도 6을 참조하면, 3D 원본 이미지(100)와 상술한 방법으로 제조된 조형물(400)의 z축 방향의 형상이 일부 상이한 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 상술한 방식으로 제조된 조형물(400)은 형상이 변형되는 것을 확인할 수 있었다.
실시예.
실시예는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법 및 3D 프린팅을 이용한 고정밀 조형물 제조방법에 따라 3D 프린팅을 수행한 실험에 관한 것이다.
실시예의 조형물은 다음과 같은 방법으로 제조되었다.
1) 3D 원본 이미지(100)에 x, y, z축 보정배율을 적용하여 보정된 3D 이미지(200) 형성
2) 보정된 3D 이미지(200)를 50μm 간격(h)으로 슬라이싱하여 복수의 2D 슬라이스 이미지(300) 형성
3) 2D 슬라이스 이미지(300)의 간격보다 2% 두꺼운 두께(51μm)로 레이어 적층
4) 적층된 레이어 광경화
5) 3) 및 4) 단계 반복 수행하여 성형체 형성
6) 성형체 소결하여 조형물 형성
이후, 형성된 조형물을 3D 스캐너로 스캔하여 3D 원본 이미지와의 치수를 비교하였다.
도 7은 실시예에 따른 조형물과 3D 원본 이미지를 비교한 도면이다.
도 7을 참조하면, 3D 원본 이미지(100)와 상술한 방법으로 제조된 조형물 (400)의 치수 및 형상이 동일한 것을 확인할 수 있다. 구체적으로z축의 추가 수축 배율 보정 없이 원하는 치수 및 형상을 갖는 조형물을 제조할 수 있었다.
보다 상세하게 설명하면, 비교예 1에 따른 조형물은 도 4에 도시된 바와 같이, x, y, z축에 대한 치수 정밀도가 전반적으로 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 특히, z축에 대한 치수 정밀도는 매우 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는, 2D 슬라이스 이미지의 간격에 대응되는 레이어 적층 시, 하단 레이어와 상단 레이어 사이에 미세한 공간이 발생함에 따라 소결 과정에서 z축 방향으로 과도한 수축이 발생되어 z축에 대한 치수 정밀도를 저하시키는 것으로 사료된다.
또한, 비교예 2에 따른 조형물은 도 6에 도시된 바와 같이, z축에 대한 추가 수축을 예상하여 추가 수축 배율 보정을 적용함으로써, x, y, z 축에 대한 치수 정밀도가 전반적으로 향상됨을 알 수 있다. 그러나, 일부 영역에서 z축의 경계선이 불일치하는 것을 알 수 있다. 즉, 일부 영역에서 z 축에 대한 치수 정밀도 저하가 유발된다. 이는, 하나의 축 방향으로 인위적으로 배율을 증가시킴에 따라 전체적인 입체 형상이 틀어지고 소결과정에서 틀어진 형상이 그대로 수축되면서 전체적인 치수 정밀도가 저하되는 것으로 사료된다.
반면, 실시예에 따른 조형물은 도 7에 도시된 바와 같이, x, y, z축에 대한 치수 정밀도가 매우 정교함을 알 수 있다. 특히, z축에 대한 치수 정밀도가 모든 영역에서 매우 정교함을 알 수 있으며, 3D 원본 이미지의 형상과 최종 소결체의 형상이 거의 일치함을 알 수 있다.
본 발명의 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법 및 3D 프린팅을 이용한 고정밀 조형물 제조방법은 제작하고자 하는 조형물의 3D 원본 이미지에 대한 소결 수축 비율에 기초하여 결정된 보정배율을 상기 3D 원본 이미지에 적용하여 보정하는 소결 수축 보정 단계 및 2D 슬라이스 이미지의 간격보다 기 설정된 두께만큼 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 적층하는 적층 단계를 포함하므로, 소결 과정에서 발생되는 x, y, z축에 대한 소결 수축뿐 아니라, 3D 프린팅의 적층 방식에 따른 소결 과정에서 z축 정밀도가 저하되는 현상에 대한 보완이 가능하며, 광경화 3D 프린팅 기술의 정밀도를 향상시킬 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.
100: 3D 원본 이미지
200: 보정된 3D 이미지
300: 2D 슬라이스 이미지
400: 조형물
500: 추가 보정된 3D 이미지
h: 2D 슬라이스 이미지 간격

Claims (9)

  1. 제작하고자 하는 조형물의 3D 원본 이미지에 대한 소결 수축 비율에 기초하여 결정된 보정배율을 상기 3D 원본 이미지에 적용하여 보정하는 소결 수축 보정 단계;
    상기 보정된 3D 이미지를 기 설정된 간격으로 분할하여 상기 조형물의 적층 단면을 나타내는 복수의 2D 슬라이스 이미지를 형성하는 슬라이싱 단계;
    상기 형성된 복수의 2D 슬라이스 이미지의 간격보다 기 설정된 두께만큼 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 적층하는 적층 단계;
    상기 적층된 슬러리 레이어를 광경화하는 광경화 단계; 및
    상기 적층 단계 및 상기 광경화 단계를 반복하여 상기 조형물의 성형체를 형성하는 성형 단계를 포함하는
    고정밀 광경화 3D 프린팅 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬라이싱 단계는
    상기 3D 원본 이미지를 5μm 내지 100μm 간격으로 분할하여 복수의 2D 슬라이스 이미지를 형성하는 단계를 포함하는,
    고정밀 광경화 3D 프린팅 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적층 단계는
    상기 복수의 2D 슬라이스 이미지의 간격보다 0.1% 내지 10% 더 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 적층하는 단계를 포함하는,
    고정밀 광경화 3D 프린팅 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광경화 단계는
    탑다운(top-down) 방식으로 광을 상부에서 하부로 조사하는 단계를 포함하는,
    고정밀 광경화 3D 프린팅 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광경화 단계는
    10 내지 500 mJ/cm2의 광량으로 광을 조사하는 단계를 포함하는,
    고정밀 광경화 3D 프린팅 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정밀 광경화 3D 프린팅 방법은
    세라믹 안료 또는 금속 안료 및 광경화성 레진을 포함하는 슬러리를 활용하여 수행되는 것을 특징으로 하는,
    고정밀 광경화 3D 프린팅 방법.
  7. 제작하고자 하는 조형물의 3D 원본 이미지에 대한 소결 수축 비율에 기초하여 결정된 보정배율을 상기 3D 원본 이미지에 적용하여 보정하는 소결 수축 보정 단계;
    상기 보정된 3D 이미지를 기 설정된 간격으로 분할하여 상기 조형물의 적층 단면을 나타내는 복수의 2D 슬라이스 이미지를 형성하는 슬라이싱 단계;
    상기 형성된 복수의 2D 슬라이스 이미지의 간격보다 기 설정된 두께만큼 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 적층하는 적층 단계;
    상기 적층된 슬러리 레이어를 광경화하는 광경화 단계;
    상기 적층 단계 및 상기 광경화 단계를 반복하여 상기 조형물의 성형체를 형성하는 성형단계;
    상기 성형된 조형물의 성형체를 소결하는 소결 단계를 포함하는,
    3D 프린팅을 이용한 고정밀 조형물 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 소결 단계는
    상기 성형된 조형물의 성형체를 1000℃ 이상의 온도로 소결하는 단계를 포함하는,
    3D 프린팅을 이용한 고정밀 조형물 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 적층 단계는
    상기 복수의 2D 슬라이스 이미지의 간격보다 0.1% 내지 10% 더 두꺼운 두께로 슬러리 레이어를 적층하는 단계를 포함하는,
    3D 프린팅을 이용한 고정밀 조형물 제조방법.
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