WO2017018837A1 - 3차원 프린터 및 프린팅 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 프린터 및 프린팅 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 상면이 개방된 육면체 형상으로 형성되되, 저면은 상부 필름층을 포함하는 필름층으로 형성되고, 내부에 광경화성 재료를 수납하는 수납부, 적어도 하나의 발광 다이오드를 포함하고, 상기 수납부의 하부에서 배치되되 상기 광경화성 재료를 향해 빛을 조사하는 광원부 및 상기 광원부 및 상기 수납부 사이에 배치되는 LCD패널을 포함하고, 상기 LCD패널에 포함된 각각의 픽셀을 개폐하여 상기 광원부에서 조사되는 빛을 상기 광경화성 재료를 향해 선택적으로 통과시키는 스위칭부를 포함할 수 있고, 이를 통해 수납부의 하부에서 조사되는 빛이 왜곡되지 않고 광경화성 재료에 조사될 수 있다.

Description

3차원 프린터 및 프린팅 시스템

본 발명은 3차원 프린터 및 프린팅 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 필름층으로 형성된 수납부를 포함하는 3차원 프린터 및 프린팅 시스템에 관한 것이다.

3차원 프린터 기술은 Computer Aided Design(CAD)를 사용하여 만들어진 도면에 대응되는 출력물을 절삭가공 없이 층층이 쌓는 방식으로 복잡한 구조물을 빠른 시간안에 제작할 수 있는 기술이다. 최근 이 기술은 시제품 제작을 넘어서 의료, 자동차, 선박, 신발 등의 산업에 활발하게 활용되고 있다.

3D 프린터 기술 중 대표적인 기술에는 광경화성 재료를 사용하여 광 또는 레이저를 조사하여 재료를 경화시킨 후 구조물을 제작하는 Stereo Lithography Apparatus(SLA), 플라스틱 또는 금속 분말 재료를 사용하여 레이저를 조사하여 재료를 소결한 후 구조물을 제작하는 Selective Laser Sintering(SLS) 등이 있다.

이러한 3차원 프린터 기술이 발달함에 따라 출력물의 정확도를 높이기 위한 기술의 중요성이 강조되었는데, 이와 관련하여 한국특허 제 10- 1533374호에서는 광경화성 재료 저장소의 하부에 프로젝터를 설치하여, 프로젝터로부터 방출된 빛이 광경화성 재료 저장소로 집광되고, 나아가 정밀도 높은 출력물을 만들어 내는 3차원 프린터를 개시하고 있다.

하지만, 프로젝터를 3차원 프린터의 구성으로 포함시킬 경우, 대형 출력물을 프린팅하기 위해서는 대형 프로젝터가 3차원 프린터의 구성으로 포함되므로 3차원 프린터의 크기가 커질 수 밖에 없고, 이로 인한 비용 또한 증가하게 된다.

따라서 상술된 문제점을 해결하기 위한 기술이 필요하게 되었다.

한편, 전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

본 발명의 일실시예는 3차원 프린터 및 프린팅 시스템을 제공하는 데에 목적이 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면에 따르면 상면이 개방된 육면체 형상으로 형성되되, 저면은 고탄성 필름을 포함하는 필름층으로 형성되고, 내부에 광경화성 재료를 수납하는 수납부, 적어도 하나의 발광 다이오드를 포함하고, 상기 수납부의 하부에서 배치되되 상기 광경화성 재료를 향해 빛을 조사하는 광원부 및 상기 광원부 및 상기 수납부 사이에 배치되는 LCD패널을 포함하여 상기 광원부에서 조사되는 빛을 상기 광경화성 재료를 향해 선택적으로 통과시키는 스위칭부를 포함할 수 있다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명에 포함된 3차원 프린터는 광경화성 재료를 수납하는 수납부가 저탄성 필름으로 구성되기 때문에, 수납부의 하부에서 조사되는 빛이 왜곡되지 않고 광경화성 재료에 조사될 수 있다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명에 포함된 3차원 프린터의 수납부는 저탄성 필름과 고탄성 필름으로 구성된 필름층으로 형성되기 때문에, 출력물을 수납부와 분리하는 경우 용이하게 분리할 수 있으며, 나아가 수납부의 내구성도 다른 재료로 만들어진 수납부에 비해 좋아질 수 있다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명에 포함된 3차원 프린터는 스위칭부를 지지하는 지지부를 포함하므로, 스위칭부가 플랫폼과 접촉하더라도 스위칭부의 위치가 변경되거나 스위칭부의 일부분이 처지는 형상을 방지할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 프린팅 시스템에 포함된 각각의 구성을 도시한 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린터에 포함된 필름층을 도시한 구성도이다.

도3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린터에 포함된 광원부 및 집광부의 구성을 도시한 구성도이다.

도4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린터가 3차원 도면의 횡단면 단면이미지를 해석하는 해석모형을 도시한 예시도이다.

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, "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 설명에 앞서 본 발명에서 나오는 용어에 대해서 설명한다.

도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명 시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.

본 발명에서 '광경화성 재료'는 빛이 조사되는 경우 액체 상태에서 고체상태로 경화되는 소재로써 예를 들면, 레진(Resin) 과 같은 소재가 광경화성 재료가 될 수 있다.

본 발명에서 '픽셀'은 특정 구성의 최소 단위로서, 본 발명의 실시예에서는 후술할 스위칭부(130)의 2차원 평면에서 입력신호가 있을 경우 폐쇄되고, 입력신호가 없을 경우 개방되는 최소단위이다.

본 발명에서 '3차원 도면'(d1)이란 캐드 프로그램 등을 이용하여 최종출력물을 3차원 모델링한 데이터이다. 이때, '최종출력물'이란 유저가 완성하고자 목적하는 물체이며, '출력물'이란 '3차원 도면'(d1)을 가공하여 형성한 '2차원 도면'(d2)을 이용하여, 3차원 프린터가 프린팅한 물체이다.

본 발명에서 '플랫폼'은 상하로 이동하는 플레이트 형상으로 형성되고, 하부에는 3차원 프린터에서 순차적으로 완성된 출력물을 순차적으로 부착하여 최종출력물을 완성하는 구성 및 장치이다.

이하에서는 도1 내지 도4에 기초하여 3차원 프린터(100)에 포함된 각각의 구성에 대해서 설명하기로 한다. 도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 프린팅 시스템에 포함된 각각의 구성을 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린터(100)에 포함된 필름층을 도시한 구성도이며, 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린터(100)에 포함된 광원부 및 집광부의 구성을 도시한 구성도이고, 도4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린터(100)가 3차원 도면(d1)을 이용하여 횡단면 단면이미지(d2)를 해석하는 해석모형을 도시한 예시도이다.

본 발명의 일실시예인 3차원 프린터(100)는 내부에 광경화성 재료(m)를 저장하되 저장된 광경화성 재료(m)의 특정 위치에 빛을 조사하여 출력물을 생성하고, 최종적으로는 출력물을 쌓아올려 최종출력물을 만들기 위한 구성 및 장치이다.

우선 내부에 광경화성 재료(m)를 저장하기 위해 본 발명의 일실시예인 3차원 프린터는 수납부(110)를 포함할 수 있다.

수납부(110)는 내부에 광경화성 재료(m)를 수납하기 위한 구성 및 장치로써, 상면이 개방되고 내부에 수납공간(s)이 형성된 육면체 형상으로 형성될 수 있다.

구체적으로 도1에 도시된 바에 따르면, 수납부(110) 내부에 수납된 광경화성 재료(m)는 광이 조사됨에 따라 경화되는데, 개방된 윗면을 통해서 플랫폼(p)이 수납공간(s)을 향해서 진입하여 경화된 광경화성 재료(m)인 출력물(m)을 부착한 후 상승하게 된다.

한편 수납부(110)의 저면에는 필름층(111)이 형성될 수 있다. 필름층(111)은 상부에 수납된 광경화성 재료(m)를 지지하기 위한 구성으로써 광경화성 재료(m)가 상부에 수납되더라도 쳐지지 않는 재질로 구성될 수 있다.

필름층(111)은, 플랫폼(p)이 출력물(o)과 부착되어 출력물(o)의 위치를 상승시키는 경우, 출력물(o)과 쉽게 분리될 수 있으며 적정 강도를 유지할 수 있다. 이를 위해 필름층(111)은 도2에 도시된 바와 같이 상부 필름층(111a)과 하부 필름층(111b)을 포함할 수 있으며, 상부 필름층(111a)과 하부 필름층(111b)은 서로 떨어지지 않도록 접착될 수 있다.

우선 상부 필름층(111a)은 작은 힘에도 쉽게 휘어지는 필름 소재로 형성될 수 있는데, 상면은 광경화성 재료(m) 및 광경화성 재료(m)가 경화되어 형성되는 출력물(o)와 직접 접촉할 수 있다.

구체적으로 상부 필름층(111a)의 상면에서 광경화성 재료(m)는 경화되어 출력물(o)이 될 수 있는데, 전술한 바와 같이 수납부(110)의 상부에 배치된 플랫폼(p)이 광경화성 재료(m) 상면의 출력물(o)과 부착되어 위치가 함께 상승되는 경우 출력물(o)은 플랫폼(p)뿐만 아니라 필름층(111)과도 부착되기 때문에 플랫폼(p) 상승시 출력물(o), 필름층(111)이 함께 상승되게 된다. 이때 상부 필름층(111a)은 연성 및 전성이 강하기 때문에 상대적으로 출력물(o)과 부착된 강도가 낮은 부위일수록 중력에 의해 출력물과 분리되어 아래쪽으로 휘어지다가 결과적으로는 모든 상부 필름층(111a)이 출력물과 분리되게 된다.

또한, 상부 필름층(111a)은 빛투과성이 좋고, 얇은 필름 소재로 형성될 수 있는데, 예를 들어 불소수지필름 즉, PFA(PERFLUOROALKOXY), 테프론, ETFE(Ethylene Tetra Fluoro Ethylene), PCTFE(Polychlorotrifluoroethylene) 필름 등이 포함될 수 있다.

그런데, 상부 필름층(111a)만 필름층(111)에 포함될 경우, 상부 필름층(111a)의 연성 및 전성이 강하여 쉽게 휘어지고 파손될 가능성이 있다. 이에 필름층(111)은 상부 필름층(111a)의 연성 및 전성을, 상부 필름층(111a)이 파손되지 않을 정도로 제한시켜 상부 필름층(111a)의 형상을 유지시켜주는 하부 필름층(111b)을 포함할 수 있다.

구체적으로 하부 필름층(111b)은 상부 필름층(111a)보다 연성 및 전성이 강하지 않은 소재로 구성되고 상부필름층(111a)의 하부에 위치하는데, 상면이 상부필름층(111a)과 밀착될 수 있으며, 저면이 스위칭부(130)의 상면과 밀착될 수 있다.

또한, 하부 필름층(111b)은 상부 필름층(111a)보다 연성 및 전성이 강하지 않고, 빛 투과성이 좋은 필름으로 구성될 수 있는데, 예를 들면, 하부 필름층(111b)은 PET(Polyethylene Phthalate)필름으로 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예인 3차원 프린터(100)는 광원부(120)를 포함할 수 있다. 광원부(120)는 수납부(110)를 향해 빛을 조사하는 장치이다.

광원부(120)는 수납부(110)의 하부에 배치되되 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있으며, 광원부(120)는 광경화성 재료를 경화시키기 위해서 자외선을 조사할 수 있다.

구체적으로 도1에 도시된 바에 따르면, 광원부(120)는 수납부(110)의 하부에 배치되는데, 도3에 도시된 바와 같이 광원부(120)의 상면에는 복수의 LED(120a)가 포함될 수 있다. 각각의 LED(120a)의 수는 후술할 스위칭부(130)에 배열된 픽셀과 대응될 수 있고, 광원부(120)의 상면에 배치될 수 있으며, 나아가 각각의 픽셀과 대응되는 위치에 배열될 수 있다. 각각의 LED는 각각의 픽셀을 향해 빛을 조사할 수 있다.

본 발명의 일실시예인 3차원 프린터(100)는 스위칭부(130)를 포함할 수 있다.

스위칭부(130)는 광원부(120)로부터 조사된 빛을, 후술할 제어부(200)로부터 공급받은 횡단면 단면이미지(d2)이미지에 대응되도록 필름층(110)을 향해 통과시킬 수 있다.

구체적으로 스위칭부(130)에는 LCD패널이 포함될 수 있는데, LCD패널에는 빛을 선택적으로 통과시키는 각각의 픽셀이 포함될 수 있으며, 빛의 번짐이 발생하지 않도록 LCD패널은 TN(Twisted Nematic), IPS(In-Plane Switching) 또는 VA(Vertical alignment)구조로 이루어질 수 있다.

이때 TN구조란, LCD패널 내부의 액정 분자에 전압이 가해지면 각각의 액정이 동일한 방향으로 배열되어 빛이 통과하지 못하게 되고, 전압이 가해지지 않으면 각각의 액정이 서로 상이한 방향으로 배열되어 빛이 통과하게 되는 구조를 의미한다.

스위칭부(130)에 배열되는 각각의 픽셀은 후술할 제어부(200)의 제어에 따라 단면이미지(d2)에 대응하는 모양으로 개방 또는 차폐될 수 있다.

또한, 스위칭부(130)는 광원부(120)에서 조사되는 빛을 최대한 흡수하지 않고 광경화성 재료(m)를 향해 전달해야 하므로, 400nm근방의 자외선 파장에 견딜 수 있는 소재로 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예인 3차원 프린터(100)는 지지부(140)를 포함할 수 있다.

지지부(140)는 빛 투과성이 좋고, 소정의 무게를 지지할 수 있는 재질로 구성될 수 있는데, 예를 들면, 지지부(140)는 빛 투과율 98% 이상으로 두께 1T이상의 다이망 유리로 구성될 수 있다. 이하에서는 지지부(140)가 다이망 유리로 구성되었음을 전제로 지지부(140)를 설명하기로 한다.

지지부(140)는 사각 판상형으로 형성될 수 있다. 지지부(140)는 전술한 스위칭부(130)의 하부에 배치되는데, 플랫폼(P)에 출력물(o)이 부착되는 경우 플랫폼(p)은 자중을 이용해 스위칭부(130)를 누르게 된다. 이에 스위칭부(130)는 위치가 하강하거나 처짐 현상 등이 발생할 수 있는데, 스위칭부(130) 위치 하강 또는 처짐 현상을 방지하기 위해서 사각 판상 형태의 지지부(140)가 스위칭부(130)의 하부에서 스위칭부(130)를 지지할 수 있다.

본 발명의 일실시예인 3차원 프린터(100)는 집광부(150)를 포함할 수 있다.

집광부(150)는 광원부(120)의 상부에 배치되되, 광원부(120)에 포함된 각각의 발광다이오드(120a)와 대응되는 집광렌즈(150a)를 적어도 하나 포함할 수 있다.

구체적으로 발광다이오드(120a)는 전방위로 빛을 조사하게 되는데, 각각의 집광렌즈(150a)는 각각의 발광다이오드(120a)를 통과한 빛을 각각의 발광다이오드(120a)와 대응되는 픽셀을 향해 집광시키게 된다. 이때 집광렌즈(150a)는 발광다이오드(120a)로부터 발산된 빛을 집광해야 하므로 볼록렌즈의 형태로 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예인 3차원 프린터(100)는 제어부(160)를 포함할 수 있다.

제어부(160)는 후술할 이미지처리부(200)로부터 수신한 횡단면 단면이미지(o)에 기초하여 스위칭부(130)에 포함된 각각의 픽셀을 개폐할 수 있다.

구체적으로 제어부(160)는 이미지처리부(200)로부터 순차적으로 횡단면 단면이미지(d2)를 수신할 수 있는데, 횡단면 단면이미지(d2)에 대응되는 픽셀은 개방시켜 빛이 통과되도록 하고, 횡단면 단면이미지(d2)에 대응되지 않는 픽셀은 폐쇄시켜 빛이 통과되지 못하도록 할 수 있다.

전술한 바와 같이 스위칭부(130)는 LCD패널로 구성될 수 있는데, LCD패널에 포함된 각각의 픽셀은 전류가 흐를 경우, 외부의 빛이 통과되지 않도록 하고, 전류가 흐르지 않을 경우 외부의 빛이 쉽게 통과할 수 있도록 구성된다. 따라서 횡단면 단면이미지(d2)와 대응되는 픽셀에는 전류가 흐르지 않고, 대응되지 않는 픽셀에는 전류가 흐르게 된다.

이하에서는 전술한 3차원 프린터(100)를 이용하는 프린팅 시스템에 대해서 설명하기로 한다. 프린팅 시스템은 3차원 도면(d1)에 기초하여 횡단면 단면이미지(d2)를 추출하고, 이를 이용하여 최종출력물을 프린팅하는 시스템이다.

한편, 본 발명의 일실시예인 프린팅 시스템은 전술한 3차원 프린터(100) 및 이미지처리부(200)를 포함할 수 있다.

이미지처리부(200)는 외부에서 3차원 도면(d1)이 입력되면 해당 3차원 도면(d1)을 소정의 높이별 횡방향 단면이미지로 분석하고, 순차적으로 각각의 횡방향 단면이미지를 제어부(160)로 공급한다.

구체적으로 도4에 도시된 바에 따르면, 따라서 3차원 프린터(100)가 최종출력물을 생성하기 위해서, 이미지처리부(200)는 소정의 높이 별로 최종출력물의 3차원 도면(d1)을 분석하여, 복수의 횡방향 단면이미지(d2)를 형성할 수 있다. 예를 들면, 이때 소정의 높이는 사용자가 기설정한 높이일 수도 있고, 스위칭부(130)에 배열된 각각의 픽셀의 크기와 대응되는 높이일 수도 있다.

제어부(160)는 수신한 횡방향 단면이미지(d2)에 기초하여 스위칭부(130)의 픽셀을 개폐할 수 있는데, 제어부(160)가 스위칭부(130)를 제어하는 방법에 대해서는 앞서 3차원 프린터(100)에 포함된 스위칭부(130)와 동일하므로 생략하기로 한다.

이미지처리부(200)의 위치와 관련하여, 도1에서는 이미지처리부(200)가 3차원 프린터(100)의 외부에 배치되는 것으로 도시하였으나 이미지처리부(200)의 위치는 3차원 프린터(100) 내부에 포함될 수도 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 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.

Claims (8)

1. 상면이 개방된 육면체 형상으로 형성되되, 저면은 상부 필름층을 포함하는 필름층으로 형성되고, 내부에 광경화성 재료를 수납하는 수납부;

   적어도 하나의 발광 다이오드를 포함하고, 상기 수납부의 하부에서 배치되되 상기 광경화성 재료를 향해 빛을 조사하는 광원부; 및

   상기 광원부 및 상기 수납부 사이에 배치되는 LCD패널을 포함하고, 상기 LCD패널에 포함된 각각의 픽셀을 개폐하여 상기 광원부에서 조사되는 빛을 상기 광경화성 재료를 향해 선택적으로 통과시키는 스위칭부를 포함하는 3차원 프린터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 필름층은,

   상기 광경화성 재료와 직접 접촉하는 상기 상부 필름층의 하부에 배치되어, 상기 스위칭부의 상면과 밀착되는 하부 필름층을 더 포함하는 3차원 프린터.
3. 제1항에 있어서,

   상기 상부 필름층은, 상기 하부 필름층에 비해 상대적으로 연성 및 전성이 좋은, 3차원 프린터.
4. 제3항에 있어서,

   상기 상부 필름층은 불소수지 필름으로 구성되는, 3차원 프린터.
5. 제3항에 있어서,

   상기 하부 필름층은 PET필름으로 구성되는, 3차원 프린터.
6. 제1항에 있어서,

   상기 3차원 프린터는,

   상기 스위칭부의 하부에 배치되어 상기 스위칭부의 위치 및 형상이 고정되도록 상기 스위칭부를 지지하는 지지부를 더 포함하는 3차원 프린터.
7. 제1항에 있어서,

   상기 광원부의 상부에는,

   상기 광원부에 포함된 각각의 발광 다이오드와 대응되는 집광렌즈를 적어도 하나 포함하되, 상기 집광렌즈는 상기 광원부에서 조사되는 빛을 기 설정된 좌표로 집광하는 집광부가 배치되는, 3차원 프린터.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 포함된 3차원 프린터를 포함하는 프린팅 시스템에 있어서,

   상기 프린팅 시스템은,

   3차원 도면을 소정의 높이별 횡방향 단면이미지로 분석하여, 순차적으로 각각의 횡방향 단면이미지를 스위칭부로 전송하는 이미지처리부를 포함하고,

   상기 3차원 프린터는,

   상기 각각의 횡방향 단면이미지와 대응되는 각각의 픽셀을 개방시키는 제어부를 포함하는 프린팅 시스템.

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