WO2018124457A1 - 자외선 led를 이용한 선형광원, 이를 포함하는 광중합형 3d 프린터 - Google Patents

자외선 led를 이용한 선형광원, 이를 포함하는 광중합형 3d 프린터 Download PDF

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WO2018124457A1
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ultraviolet
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박재현
서용곤
신진국
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전자부품연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a 3D printer, and more particularly, to a linear light source using an ultraviolet LED for curing a photopolymer according to a printing shape by linearly UV-ray projection while sequentially moving an LED ultraviolet array, to a photopolymerized 3D printer including the same. It is about.
  • the photopolymerizable 3D printer uses a digital light processing (DLP) method and a stereo-lithography (SLA) method.
  • DLP digital light processing
  • SLA stereo-lithography
  • the DLP method uses a beam projector to project light of a shape to be shaped onto a photo polymer in a liquid state, and hardens and stacks the photo polymer according to the projected shape.
  • This method has the advantage of excellent printing precision and surface finish, and relatively fast molding speed for small prints, but it is expensive and difficult to scale up, and above all depends on the semiconductor companies that provide DLP solutions. There is a limit to the expansion.
  • the SLA method is a method of stacking a laser by curing a laser in a tank containing a photopolymer, whereby the substrate and the support for supporting the substrate are moved along the Z-axis each time the stack is stacked, providing a position for the next stack. To complete the 3D print. SLA method also has the advantages of excellent printing precision and surface roughness, but it has the disadvantage of expensive equipment, large size, and slow molding speed.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to use a UV LED array to linearly project the desired print shape by arranging the UV LED array in a linear arrangement in the X-axis direction, at a diagonal angle with the linear arrangement in the X-axis direction in the Y-axis direction.
  • An object is to provide a linear light source, a photopolymerizable 3D printer including the same.
  • Another object of the present invention is to provide a linear light source using an ultraviolet LED having an optical device on top of a light emitting surface without directly projecting a photopolymer, and a photopolymerizable 3D printer including the same.
  • Another object of the present invention is to provide a linear light source using an ultraviolet LED that completes one layer by only one Y-axis scanning, and a photopolymerizable 3D printer including the same.
  • the substrate is spaced apart from the polymer case of the photopolymerizable 3D printer and a plurality of ultraviolet LED to project ultraviolet rays toward the polymer case X on the substrate It includes an ultraviolet LED array disposed in a plurality of rows in the axial direction, the plurality of columns are arranged at an oblique angle ( ⁇ ) with the plurality of rows in the Y-axis direction.
  • the ultraviolet LED array is characterized by generating an optical spot on the top of the light emitting surface of the ultraviolet LED to generate a beam spot (beam spot).
  • the optical apparatus may include an optical lens or a shadow mask to reduce the size of the beam spot.
  • the ultraviolet LED array, the number of rows (N) and the oblique angle of the ultraviolet LED arranged on the Y axis is one side length (L) of the ultraviolet LED and the spot size (d) of the beam spot (d) It characterized in that it is set by.
  • the ultraviolet LED array is characterized in that the oblique angle is set by the following equation.
  • the photopolymerizable 3D printer includes a polymer case accommodating a photopolymer for molding a molded object, a linear light source disposed to be spaced apart in one direction of the polymer case, and projecting ultraviolet rays toward the polymer case, the linear light source Is connected to the linear light source transfer unit for moving the linear light source in the Y-axis direction, disposed in the other end direction of the polymer case, the bed on which the sculpture is cured the photopolymer through the linear light source, connected to the bed And a bed transfer unit for moving the bed in the Z-axis direction, and a controller for controlling the operation of the linear light source, the linear light source transfer unit, and the bed transfer unit, wherein the linear light source includes: a substrate electrically connected to the control unit, and the ultraviolet ray.
  • the control unit may control the photopolymer to cure in a linear shape while moving the linear light source in the Y-axis direction through the linear light source transfer unit.
  • the polymer case is characterized in that the linear light source is not disposed in an area in which an unfinished linear shape is formed by projecting only a part of the region in the X-axis direction.
  • the control unit may stop the linear light source transferring unit while the linear light source cures the photopolymer, and when the curing is completed, the linear light source transferring unit moves the linear light source by the spot size of the ultraviolet LED in the Y axis direction. It characterized in that to control.
  • the control unit may turn on and off the ultraviolet LED using an X-axis address signal including supply information of a power supply voltage to the ultraviolet LED and a Y-axis address signal including planar image information for each layer of the sculpture. It is characterized by controlling.
  • the photopolymerization type 3D printer comprising the same, the ultraviolet LED array in a linear arrangement in the X-axis direction, the linear arrangement in the X-axis direction in the Y-axis direction and at an oblique angle to the desired You can project print shapes linearly.
  • the ultraviolet LED can reduce the beam spot of the ultraviolet ray, thereby improving printing accuracy.
  • speed can be increased by completing one layer by only one Y-axis scanning.
  • FIG. 1 is a view for explaining a photopolymerizable 3D printer according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining the arrangement of the ultraviolet LED array of the linear light source according to the present invention.
  • 3 to 7 are views for explaining the operation control of the linear light source according to the present invention.
  • FIG. 8 is a view for explaining a driving circuit of a linear light source according to the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining a control signal for driving the linear light source according to the present invention.
  • FIG. 1 is a view for explaining a photopolymerizable 3D printer according to the present invention.
  • the photopolymerizable 3D printer 100 linearly arranges an ultraviolet LED array in the X-axis direction, and arranges the UV LED array at an oblique angle with a linear arrangement in the X-axis direction in the X-axis direction.
  • the ultraviolet LED does not directly project the photopolymer, but includes an optical device on the upper surface of the light emitting surface, thereby reducing the beam spot of the ultraviolet ray, thereby improving printing accuracy.
  • the photopolymerizable 3D printer 100 may speed up by completing one layer by only one Y-axis scanning.
  • the photopolymerizable 3D printer 100 includes a polymer case 10, a linear light source 20, a linear light source transfer unit 30, a bed 40, a bed transfer unit 50, a control unit 60, a communication unit 70, and a display unit. And a storage unit 90.
  • the polymer case 10 accommodates a photopolymer P for molding the molding S.
  • photopolymer (P) is a photocurable liquid resin composition.
  • the polymer case 10 may include a level sensor that detects the level of the photopolymer P therein.
  • the linear light source 20 is disposed to be spaced apart in one direction of the polymer case 10 and projects ultraviolet rays toward the polymer case 10.
  • the linear light source 20 may be provided to be disposed in parallel with the bottom surface of the photopolymer (P). For this reason, the linear light source 20 can supply ultraviolet light uniformly to the photopolymer (P).
  • the linear light source 20 includes a substrate 21 and an ultraviolet LED array 22.
  • the substrate 21 serves to support the linear light source 20 and performs electrical connection.
  • the substrate 21 may be formed of a general printed circuit board.
  • the substrate 21 may be formed to be the same as or slightly larger than the polymer case 10 so that a single layer may be completed by only one scanning in the Y-axis direction, thereby enabling high speed.
  • a plurality of ultraviolet LEDs 23 that project ultraviolet rays toward the polymer case form an array on the substrate 21.
  • the ultraviolet LED array 22 arranges the plurality of ultraviolet LEDs 23 in a plurality of rows in the X-axis direction, and arranges the plurality of columns at a slanted angle ⁇ in the Y-axis direction. That is, the X-axis of the ultraviolet LED array 22 pre-positions the ultraviolet LED 23 and the Y-axis quasi-linearly arranges the ultraviolet LED 23.
  • the ultraviolet LED array 22 includes an optical device 24 such as an optical lens or a shadow mask on the top of the emitting surface of the ultraviolet LED 23 to increase the printing accuracy, thereby providing a beam spot.
  • the ultraviolet LED array 22 may support a printing precision desired by a user by using a beam spot having a small spot size.
  • the ultraviolet LED array 22 is electrically connected to the controller 60.
  • the ultraviolet LED 23 may be replaced with a surface-emitting semiconductor light source such as a big cell (VCSEL) that is a laser diode.
  • VCSEL surface-emitting semiconductor light source
  • the linear light source transfer unit 30 is connected to the linear light source 20 to move the linear light source 20 in the Y-axis direction.
  • the linear light source transfer unit 30 may include a motor, and preferably, a step motor may be included to control an accurate moving distance.
  • the linear light source transfer unit 30 is electrically connected to the control unit 60.
  • the bed 40 is disposed in the other end direction of the polymer case 10, and the sculpture S on which the photopolymer P is cured is mounted through the linear light source 20.
  • the bed 40 may be movable into the polymer case 10 to seat the sculpture (S).
  • Bed transfer unit 50 is connected to the bed 40 to move the bed 40 in the Z-axis direction.
  • the bed transfer unit 50 includes a motor, and the vertical bed transfer unit 50 is electrically connected to the control unit 60.
  • the controller 60 controls the driving of the linear light source 20, the linear light source transporter 30, and the bed transporter 40.
  • the control unit 60 sets an X-axis address and a Y-axis address for each of the ultraviolet LEDs 23 of the ultraviolet LED array 22 of the linear light source 20, and an address signal corresponding to the set X-axis address and Y-axis address, and The image signal is used to control the on / off of the ultraviolet LED 23.
  • the controller 60 controls the photopolymer P to be cured into a linear shape while moving the linear light source 20 in the Y-axis direction through the linear light source transfer unit 30.
  • control unit 60 stops the linear light source transfer unit 30 while the linear light source 20 cures the photopolymer P, and when the curing is completed, the linear light source 20 is ultraviolet-ray LED 23 in the Y-axis direction.
  • Control the linear light source transfer unit 30 to be moved by the spot size of.
  • the controller 60 controls the bed 40 to be moved in the Z-axis direction through the bed transfer unit 50 when the linear light source 20 completes one layer by performing Y-axis scanning.
  • the communication unit 70 is electrically connected to the control unit 60 and performs wired and wireless communication with an external terminal (not shown). Preferably, the communication unit 70 may perform wireless communication.
  • the communication unit 70 may receive a user input from an external terminal, and the user input may be production information about the sculpture S.
  • the display unit 80 is electrically connected to the control unit 60 and visually displays the state in which the sculpture S is manufactured. In addition, the display unit 80 may directly receive a user input like an input unit (not shown) including a touch screen function.
  • the display unit 80 includes a liquid crystal display (LCD), a thin film transistor-liquid crystal display (TFT LCD), an organic light-emitting diode (OLED), and a flexible display (flexible). and at least one of a 3D display.
  • the storage unit 90 is electrically connected to the control unit 60 and stores manufacturing information of the sculpture S.
  • the storage unit 90 stores X-axis address information and Y-axis address information for each ultraviolet LED 23 of the linear light source 20.
  • the storage unit 90 may include a flash memory type, a hard disk type, a media card micro type, a card type memory (for example, SD or XD memory), Random Access Memory (RAM), Static Random Access Memory (SRAM), Read-Only Memory (ROM), Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM), Programmable Read-Only Memory (PROM), Magnetic Memory, It may include at least one storage medium of a magnetic disk, an optical disk.
  • FIG. 2 is a view for explaining the arrangement of the ultraviolet LED array of the linear light source according to the present invention.
  • the linear light source 20 includes a substrate 21 and an ultraviolet LED array 22.
  • the linear light source 20 simply disposes the ultraviolet LED array in a linear manner, it is difficult to implement a photopolymerizable 3D printer having a desired printing accuracy, so that the ultraviolet LED 23 of the ultraviolet LED array 22 in the X axis (row) direction.
  • the rows are arranged in a plurality of rows, and the plurality of columns are arranged in the form of a plurality of rows stacked at an oblique angle ⁇ in the Y-column direction. That is, the X-axis of the ultraviolet LED array 22 pre-positions the ultraviolet LED 23 and the Y-axis semi-positions the ultraviolet LED 23. Through this, the linear light source 20 can project the photopolymer P linearly without a beam spot 25 having a desired printing precision.
  • the ultraviolet LED array 22 has the number N and the oblique angle ⁇ of the ultraviolet LEDs 23 arranged in the Y-axis direction on one side length L of the ultraviolet LEDs 23 and the beam spot 25. It is set by the spot size (d). That is, the number N and the oblique angle ⁇ of the ultraviolet LEDs 23 arranged in the Y-axis direction are set by the ratio of the printing precision and the size of the ultraviolet LEDs 23.
  • the printing accuracy required by the user input that is, the spot size d is 100 mu m
  • the length L of one side of the ultraviolet LED 23 is 1,000 mu m
  • the space between the ultraviolet LEDs 23 is ignored.
  • the ultraviolet LED array 22 should arrange 10 ultraviolet LEDs 23 in the Y-axis direction at an oblique angle ⁇ of acrtan (1,000 ⁇ 10 / 1,000). That is, the ultraviolet LED array 22 measures the number (N) and the oblique angle ( ⁇ ) of the ultraviolet LED 23 with respect to the Y-axis direction to determine the spot size (d) and the length (L) of one side of the ultraviolet LED (23). It can be defined as shown in [Equation 1].
  • ⁇ means the angle of the ultraviolet LED 23 arranged in the Y-axis direction
  • N means the number of ultraviolet LED 23 in the Y-axis direction
  • L is one side of the ultraviolet LED 23
  • the length means d and the spot size.
  • 3 to 7 are views for explaining the operation control of the linear light source according to the present invention.
  • the control unit 60 controls the photopolymer P to cure in a linear shape while moving the linear light source 20 in the Y-axis direction through the linear light source transfer unit 30.
  • the control unit 60 stops the linear light source transfer unit 30 while the linear light source 30 cures the photopolymer P, and when the curing is completed, the linear light source 20 of the ultraviolet LED 23 in the Y-axis direction is completed.
  • the linear light source transfer unit 30 is controlled to be moved by the spot size d.
  • the controller 60 causes the ultraviolet light to be projected onto the photopolymer P while moving the linear light source 20 stepwise by the spot size d in the Y-axis direction.
  • the dark portion 26 is a portion where ultraviolet rays are currently projected
  • the light portion 27 is a portion where the ultraviolet rays are projected in the previous step. Indicates.
  • Figure 3 is a view showing a shape in which ultraviolet light is projected from the position of the first linear light source 20
  • Figure 4 shows the ultraviolet light projection shape obtained while moving the linear light source 20 in the Y-axis direction in four steps
  • FIG. 5 shows the first completed linear shape in the X-axis direction on the photopolymer (P) as shown in the rectangle of the inner dotted line by projecting when the linear light source 20 is moved in N steps in the Y-axis direction.
  • 6 is a diagram illustrating a linear shape projected by repeating the above-described process
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a linear shape finally projected after passing the linear shape shown in FIG. 6.
  • the linear shape illustrated in FIG. 7 may be divided into two regions, namely, an active zone 28 and a dead zone 29.
  • the active region 28 is an area in which the linear shape in the X-axis direction first completed in FIG. 5 is also completed in the Y-axis direction by the desired area
  • the inactive region 29 is the ultraviolet LED array 22 of the linear light source 20. Is a region where the projection of ultraviolet rays is not made completely over the entire area in the X-axis direction because is a quasi-linear with an oblique angle?
  • the inactive region 29 can prevent the photopolymer P from actually being projected, and can simply not place the photopolymer P in the inactive region 29. That is, the polymer case 10 may not be disposed in a region in which the linear light source 20 projects only a part of the region in the X-axis direction to form an unfinished linear shape.
  • the area of the non-active area 29 is determined by the length of the Y-axis direction of the linear process, the higher the print resolution, the larger the size of the ultraviolet LED 23 can be wider.
  • FIG. 8 is a view for explaining a driving circuit of a linear light source according to the present invention.
  • the linear light source 20 turns on and off the ultraviolet LED 23 of the ultraviolet LED array 22 individually. That is, the controller 60 uses the X-axis address signal including supply information of the power supply voltage to the ultraviolet LED 23 and the Y-axis address signal including plane image information for each layer of the sculpture S. The on and off of the LED 23 can be controlled.
  • the driving circuit of the linear light source 20 forming the ultraviolet LED array 22 includes an address decoder 61 and a constant current regulator 63 included in the controller 60. It is connected to a line memory 95 included in the storage 90.
  • the X-axis address signals row_0 to row_N-1 are connected to the anodes of the ultraviolet LEDs 23 in each row through the address decoder 61, and store the image data.
  • the Y-axis address signals col_0 to col_N-1 through the memory 95 are connected to a control input of the constant current driver 63 which is commonly connected to a cathode of the ultraviolet LEDs 23 in each column.
  • the X-axis address signal supplies a power supply voltage to the ultraviolet LEDs 23 in a desired row, and the Y-axis address signal turns on and off the constant current driver 63 of the corresponding column. That is, the Y-axis address signal may determine whether the portion of the photopolymer (P) ultraviolet rays is projected.
  • FIG. 9 is a view for explaining a control signal for driving the linear light source according to the present invention.
  • the controller 60 controls the image signal of the Y-axis based on the X-axis address signal for efficient driving of the ultraviolet LED 23 together with the X-Y-axis address function.
  • the controller 60 controls the ultraviolet LED 23 by applying the image signal col_ ⁇ 0: M-1> in a state where the corresponding row is selected by turning on the row_i.
  • the control unit 60 may always drive one ultraviolet LED 23 by one constant current driver 63 to drive the ultraviolet ELD 23 at the same current, thereby obtaining the same light output. In addition, efficiency can be increased.
  • the controller 60 corresponds to the curing time of the photopolymer P by the beam spot, which corresponds to the on time of row_i, in particular, the minimum holding time of the image signal col_ ⁇ 0: M-1>, which is the output of the line memory 95. Control as possible.
  • the curing time may be set according to the characteristics of the photopolymer (P) and the ultraviolet output to be projected.
  • the controller 60 controls the linear light source transfer unit 30 to be moved by the spot size in the Y-axis direction through the Y-step signal after completing the above-described process for all rows of the linear light source 20.
  • UV LED 24 optical apparatus
  • control unit 61 address decoder

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Abstract

본 발명은 자외선 LED를 이용한 선형광원, 이를 포함하는 광중합형 3D 프린터가 개시된다. 본 발명의 선형광원은 광중합형 3D 프린터의 폴리머 케이스와 이격되게 배치되는 기판 및 폴리머 케이스 방향으로 자외선을 투사하는 복수 개의 자외선 LED가 기판에 X축 방향으로 복수의 행으로 배치되되, Y축 방향으로 복수의 행과 비스듬한 각도로 복수의 열이 배치되는 자외선 LED 어레이를 포함한다.

Description

자외선 LED를 이용한 선형광원, 이를 포함하는 광중합형 3D 프린터
본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LED 자외선 어레이를 순차적으로 이동하면서 선형 자외선 투사를 하여 인쇄 모양에 맞게 포토 폴리머를 경화하는 자외선 LED를 이용한 선형광원, 이를 포함하는 광중합형 3D 프린터에 관한 것이다.
일반적으로, 광중합형 3D 프린터의 방식은 DLP(digital light processing) 방식과 SLA(stereo-lithography) 방식이 사용된다.
먼저, DLP 방식은 빔프로젝터를 사용하여 조형하고자 하는 모양의 빛을 액체 상태의 포토 폴리머에 투사하여 그 투사한 모양대로 포토 폴리머를 경화시켜 적층시키는 방식이다. 이 방식은 인쇄 정밀도와 표면조도가 우수하며, 소형 출력물에 대해서는 비교적 빠른 조형속도를 갖는 장점이 있는 반면, 장비가격이 비싸고 대형화가 어렵고 무엇보다도 DLP 솔루션을 제공하는 반도체 업체에 종속적일 수 밖에 없어 기술의 확장에 한계가 있다.
SLA 방식은 포토 폴리머가 담긴 수조에 레이저를 투사하여 경화시키는 방법으로 적층해 나가는 방식으로, 인쇄물과 인쇄물을 받쳐주는 지지대(support)가 한층한층 쌓아갈 때마다 Z축 으로 움직이면서 그 다음 쌓일 위치를 제공하는 형태로 3D 인쇄물을 완성시킨다. SLA 방식 역시 인쇄 정밀도와 표면조도가 우수한 것이 장점이나, 장비가격이 비싸고 대형화에 한계가 있으며 조형속도가 느린 단점이 있다.
따라서, 장비가격과 대형화, 조형속도를 개선할 수 있는 광중합형 3D 프린터가 필요한 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 자외선 LED 어레이를 X축 방향으로 선형배치를 하고, Y축 방향으로 X축 방향의 선형배치와 비스듬한 각도로 배치를 하여 원하는 인쇄 모양을 선형으로 투사하는 자외선 LED를 이용한 선형광원, 이를 포함하는 광중합형 3D 프린터를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 자외선 LED가 포토 폴리머를 직접 투사하지 않고 발광면 상단에 광학기구를 구비하는 자외선 LED를 이용한 선형광원, 이를 포함하는 광중합형 3D 프린터를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 한 번의 Y축 스캐닝만으로 하나의 레이어를 완성시키는 자외선 LED를 이용한 선형광원, 이를 포함하는 광중합형 3D 프린터를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 자외선 LED를 이용한 선형광원은, 광중합형 3D 프린터의 폴리머 케이스와 이격되게 배치되는 기판 및 상기 폴리머 케이스 방향으로 자외선을 투사하는 복수 개의 자외선 LED가 상기 기판에 X축 방향으로 복수의 행으로 배치되되, Y축 방향으로 상기 복수의 행과 비스듬한 각도(θ)로 복수의 열이 배치되는 자외선 LED 어레이를 포함한다.
또한 상기 자외선 LED 어레이는, 상기 자외선 LED의 발광면 상단에 광학기구를 구비하여 빔 스팟(beam spot)을 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 광학기구는, 광학렌즈 또는 쉐도우 마스크(shadow mask)를 포함하여 상기 빔 스팟의 크기를 작게 만드는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 자외선 LED 어레이는, 상기 Y축으로 배치된 자외선 LED의 행 개수(N) 및 상기 비스듬한 각도가 상기 자외선 LED의 한 면 길이(L) 및 상기 빔 스팟의 스팟 사이즈(spot size)(d)에 의해 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 자외선 LED 어레이는, 상기 비스듬한 각도가 하기 수학식에 의해 설정되는 것을 특징으로 한다.
[수학식]
Figure PCTKR2017012637-appb-I000001
본 발명에 따른 광중합형 3D 프린터는, 조형물을 조형하기 위한 포토 폴리머를 수용하는 폴리머 케이스, 상기 폴리머 케이스의 일단 방향으로 이격되게 배치되고, 상기 폴리머 케이스 방향으로 자외선을 투사하는 선형광원, 상기 선형광원과 연결되어 상기 선형광원을 Y축 방향으로 이동시키는 선형광원 이송부, 상기 폴리머 케이스의 타단 방향에 배치되고, 상기 선형광원을 통해 상기 포토 폴리머가 경화된 상기 조형물이 안착되는 베드, 상기 베드와 연결되어 상기 베드를 Z축 방향으로 이동시키는 베드 이송부 및 상기 선형광원, 상기 선형광원 이송부 및 상기 베드 이송부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 선형광원은, 상기 제어부와 전기적으로 연결되는 기판 및 상기 자외선을 투사하는 복수 개의 자외선 LED가 상기 기판에 X축 방향으로 복수의 행으로 배치되되, Y축 방향으로 상기 복수의 행과 비스듬한 각도로 배치되는 자외선 LED 어레이를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는, 상기 선형광원 이송부를 통해 상기 선형광원을 Y축 방향으로 이동시키면서 상기 포토 폴리머가 선형 형상으로 경화되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 폴리머 케이스는, 상기 선형광원이 상기 포토 폴리머를 X축 방향의 영역 중 일부만 투사하여 미완성된 선형 형상이 이루어지는 영역에 배치되지 않는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는, 상기 선형광원이 상기 포토 폴리머를 경화하는 동안 상기 선형광원 이송부를 정지시키고, 상기 경화가 완료되면 상기 선형광원이 Y축 방향으로 상기 자외선 LED의 스팟 사이즈만큼 이동되게 상기 선형광원 이송부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는, 상기 자외선 LED에 대한 전원전압의 공급 정보가 포함된 X축 주소 신호 및 상기 조형물의 각 레이어에 대한 평면 이미지 정보가 포함된 Y축 주소 신호를 이용하여 상기 자외선 LED의 온오프를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 자외선 LED를 이용한 선형광원, 이를 포함하는 광중합형 3D 프린터는 자외선 LED 어레이를 X축 방향으로 선형배치를 하고, Y축 방향으로 X축 방향의 선형배치와 비스듬한 각도로 배치를 하여 원하는 인쇄 모양을 선형으로 투사할 수 있다.
또한 자외선 LED가 포토 폴리머를 직접 투사하지 않고 발광면 상단에 광학기구를 구비함으로써, 자외선의 빔 스팟을 작아지게 하여 인쇄 정밀도를 높일 수 있다.
또한 한 번의 Y축 스캐닝만으로 하나의 레이어를 완성시킴으로써, 고속화를 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광중합형 3D 프린터를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 선형광원의 자외선 LED 어레이에 대한 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 선형광원의 동작제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 선형광원의 구동회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 선형광원의 구동에 대한 제어신호를 설명하기 위한 도면이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 광중합형 3D 프린터를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광중합형 3D 프린터(100)는 자외선 LED 어레이를 X축 방향으로 선형배치를 하고, Y축 방향으로 X축 방향의 선형(line)배치와 비스듬한 각도로 배치를 하여 원하는 인쇄 모양을 선형으로 투사한다. 광중합형 3D 프린터(100)는 자외선 LED가 포토 폴리머를 직접 투사하지 않고 발광면 상단에 광학기구를 구비함으로써, 자외선의 빔 스팟을 작아지게 하여 인쇄 정밀도를 높일 수 있다. 또한 광중합형 3D 프린터(100)는 한 번의 Y축 스캐닝만으로 하나의 레이어(layer)를 완성시킴으로써, 고속화를 할 수 있다. 광중합형 3D 프린터(100)는 폴리머 케이스(10), 선형광원(20), 선형광원 이송부(30), 베드(40), 베드 이송부(50), 제어부(60), 통신부(70), 디스플레이부(80) 및 저장부(90)를 포함한다.
폴리머 케이스(10)는 조형물(S)을 조형하기 위한 포토 폴리머(P)를 수용한다. 여기서, 포토 폴리머(P)는 광 경화성 액체 수지 조성물이다. 도면에는 도시되지 않았지만 폴리머 케이스(10)는 내부에 포토 폴리머(P)의 수위를 감지하는 수위센서를 포함할 수 있다.
선형광원(20)은 폴리머 케이스(10)의 일단 방향으로 이격되게 배치되고, 폴리머 케이스(10) 방향으로 자외선을 투사한다. 이 때, 선형광원(20)은 포토 폴리머(P)의 저면과 평행하게 배치되도록 구비될 수 있다. 이로 인해, 선형광원(20)은 포토 폴리머(P)에 균일하게 자외선을 공급할 수 있다. 선형광원(20)은 기판(21) 및 자외선 LED 어레이(22)를 포함한다.
기판(21)은 선형광원(20)을 지지하는 역할을 하고, 전기적인 연결을 수행한다. 여기서, 기판(21)은 일반적인 인쇄회로기판으로 형성될 수 있다. 또한 기판(21)은 폴리머 케이스(10)와 동일하거나 약간 크게 형성되어 한 번의 Y축 방향의 스캐닝만으로 하나의 레이어를 완성시켜 고속화가 가능하도록 할 수 있다.
자외선 LED 어레이(22)는 폴리머 케이스 방향으로 자외선을 투사하는 복수 개의 자외선 LED(23)가 기판(21)에 어레이(array)를 이루며 형성된다. 자외선 LED 어레이(22)는 복수 개의 자외선 LED(23)을 X축 방향으로 복수의 행으로 배치하되, Y축 방향으로 복수의 행과 비스듬한 각도(θ)로 복수의 열을 배치한다. 즉, 자외선 LED 어레이(22)의 X축은 자외선 LED(23)를 선행 배치하고, Y축은 자외선 LED(23)를 준(quasi) 선형배치한다. 여기서, 자외선 LED 어레이(22)는 인쇄정밀도를 높이기 위해 자외선 LED(23)의 발광면 상단에 광학렌즈 또는 쉐도우 마스크(shadow mask) 등과 같은 광학기구(24)를 구비하여 빔 스팟(beam spot)을 생성한다. 즉, 자외선 LED 어레이(22)는 스팟 사이즈(spot size)가 작아진 빔 스팟을 이용하여 사용자가 원하는 인쇄정밀도를 지원할 수 있다. 자외선 LED 어레이(22)는 제어부(60)와 전기적으로 연결이 된다. 한편, 자외선 LED(23)는 레이저 다이오드인 빅셀(VCSEL)과 같은 면발광 반도체 광원으로 대체할 수 있다.
선형광원 이송부(30)는 선형광원(20)과 연결되어 선형광원(20)을 Y축 방향으로 이동시킨다. 선형광원 이송부(30)는 모터를 포함할 수 있으며, 바림직하게는 정확한 이동거리를 제어하기 위해 스탭 모터(step motor)가 포함될 수 있다. 선형광원 이송부(30)는 제어부(60)와 전기적으로 연결이 된다.
베드(40)는 폴리머 케이스(10)의 타단 방향에 배치되고, 선형광원(20)을 통해 포토 폴리머(P)가 경화된 조형물(S)이 안착된다. 베드(40)는 조형물(S)의 안착을 위해 폴리머 케이스(10) 내로 이동이 가능할 수 있다.
베드 이송부(50)는 베드(40)와 연결되어 베드(40)를 Z축 방향으로 이동시킨다. 베드 이송부(50)는 모터를 포함하여 수직 베드 이송부(50)는 제어부(60)와 전기적으로 연결이 된다.
제어부(60)는 선형광원(20), 선형광원 이송부(30) 및 베드 이송부(40)의 구동을 제어한다. 제어부(60)는 선형광원(20) 중 자외선 LED 어레이(22)의 각 자외선 LED(23)에 X축 주소 및 Y축 주소를 설정하고, 설정된 X축 주소 및 Y축 주소에 해당하는 주소 신호 및 이미지 신호를 이용하여 자외선 LED(23)의 온오프(ON/OFF)를 제어한다. 제어부(60)는 선형광원 이송부(30)를 통해 선형광원(20)을 Y축 방향으로 이동시키면서 포토 폴리머(P)가 선형 형상으로 경화되도록 제어한다. 또한 제어부(60)는 선형광원(20)이 포토 폴리머(P)를 경화하는 동안 선형광원 이송부(30)를 정지시키고, 경화가 완료되면 선형광원(20)이 Y축 방향으로 자외선 LED(23)의 스팟 사이즈만큼 이동되게 선형광원 이송부(30)를 제어한다. 제어부(60)는 선형광원(20)이 Y축 스캐닝을 수행하여 하나의 레이어를 완성하면 베드 이송부(50)를 통해 베드(40)를 Z축 방향으로 이동되도록 제어한다.
통신부(70)는 제어부(60)와 전기적으로 연결되고, 외부 단말(미도시)과 유무선 통신을 한다. 바람직하게는, 통신부(70)는 무선통신을 수행할 수 있다. 여기서, 통신부(70)는 외부 단말로부터 사용자 입력을 수신하고, 사용자 입력은 조형물(S)에 대한 제작 정보일 수 있다.
디스플레이부(80)는 제어부(60)와 전기적으로 연결되고, 조형물(S)이 제작되는 상태에 대해 시각적으로 디스플레이한다. 또한 디스플레이부(80)는 터치스크린 기능을 포함하여 입력부(미도시)와 같이 사용자 입력을 직접 입력받을 수 있다. 디스플레이부(80)는 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
저장부(90)는 제어부(60)와 전기적으로 연결되고, 조형물(S)의 제작정보가 저장된다. 저장부(90)는 선형광원(20)의 각 자외선 LED(23)에 대한 X축 주소 정보 및 Y축 주소 정보가 저장된다. 저장부(90)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 저장매체를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 선형광원의 자외선 LED 어레이에 대한 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 선형광원(20)은 기판(21) 및 자외선 LED 어레이(22)를 포함한다.
선형광원(20)은 자외선 LED 어레이를 단순 선형으로 배치하면 원하는 인쇄정밀도를 갖는 광중합형 3D 프린터를 구현하기 힘들기 때문에 자외선 LED 어레이(22)의 자외선 LED(23)를 X축(row) 방향으로 복수의 행으로 배치하되, Y축(column) 방향으로 복수의 행과 비스듬한 각도(θ)로 쌓아올린 형태로 복수의 열을 배치한다. 즉, 자외선 LED 어레이(22)의 X축은 자외선 LED(23)를 선행배치하고, Y축은 자외선 LED(23)를 준 선형배치한다. 이를 통해, 선형광원(20)은 원하는 인쇄정밀도의 빔 스팟(25)이 빈틈없이 선형으로 포토 폴리머(P)를 투사할 수 있다.
이 때, 자외선 LED 어레이(22)는 Y축 방향으로 배치된 자외선 LED(23)의 개수(N) 및 비스듬한 각도(θ)가 자외선 LED(23)의 한 면 길이(L) 및 빔 스팟(25)의 스팟 사이즈(d)에 의해 설정된다. 즉, Y축 방향으로 배치된 자외선 LED(23)의 개수(N) 및 비스듬한 각도(θ)는 인쇄정밀도 및 자외선 LED(23) 크기의 비에 의해 설정된다.
예를 들면, 사용자 입력에 의해 요구되는 인쇄정밀도 즉, 스팟 사이즈(d)가 100㎛이고, 자외선 LED(23)의 한 면 길이(L)가 1,000㎛이며, 자외선 LED(23) 간의 공간을 무시할 수 있다고 가정하면, 자외선 LED 어레이(22)는 자외선 LED(23) 10개를 acrtan(1,000×10/1,000)의 비스듬한 각도(θ)를 가지고 Y축 방향으로 배치해야 한다. 즉, 자외선 LED 어레이(22)는 Y축 방향에 대한 자외선 LED(23)의 개수(N) 및 비스듬한 각도(θ)를 스팟 사이즈(d) 및 자외선 LED(23)의 한 면 길이(L)을 이용하여 [수학식 1]과 같이 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2017012637-appb-M000001
여기서, θ는 Y축 방향에 대한 자외선 LED(23)의 배치되는 각도를 의미하고, N은 Y축 방향에 대한 자외선 LED(23)의 개수를 의미하며, L은 자외선 LED(23)의 한 면 길이를 의미하고, d는 스팟 사이즈를 의미한다.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 선형광원의 동작제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 제어부(60)는 선형광원 이송부(30)를 통해 선형광원(20)을 Y축 방향으로 이동되면서 포토 폴리머(P)가 선형 형상으로 경화되도록 제어한다. 제어부(60)는 선형광원(30)이 포토 폴리머(P)를 경화하는 동안 선형광원 이송부(30)를 정지시키고, 경화가 완료되면 선형광원(20)이 Y축 방향으로 자외선 LED(23)의 스팟 사이즈(d)만큼 이동되게 선형광원 이송부(30)를 제어한다.
예를 들면, 제어부(60)는 선형광원(20)을 Y축 방향으로 스팟 사이즈(d)만큼 단계별로 이동시키면서 자외선이 포토 폴리머(P)에 투사되도록 한다. 이 때, 도 3 내지 도 7을 참조하면, 원형으로 나타낸 광원 형상에서 짙게 표시된 부분(26)이 현재 자외선이 투사되고 있는 부분이고, 옅게 표시된 부분(27)이 이전 단계에서 자외선이 투사된 부분을 나타낸다.
한편, 도 3은 최초의 선형광원(20) 위치에서 자외선이 투사된 형상을 도시한 도면이고, 도 4는 선형광원(20)을 Y축 방향으로 4단계로 이동하면서 얻은 자외선 투사 형상을 도시한 도면이며, 도 5는 선형광원(20)을 Y축 방향으로 N단계로 이동하면 투사하여 내부 점선의 직사각형에 표시된 바와 같이 포토 폴리머(P)에 X축 방향으로 최초의 완성된 선형 형상을 도시한 도면이고, 도 6은 전술된 과정을 반복하여 투사된 선형 형상을 도시한 도면이며, 도 7은 도 6에 도시된 선형 형상을 단계를 지나서 최종적으로 투사된 선형 형상을 도시한 도면이다.
이 때, 도 7에 도시된 선형 형상은 두 가지 영역 즉, 활성 영역(active zone)(28) 및 비활성 영역(dead zone)(29)으로 구분될 수 있다. 활성 영역(28)은 도 5의 최초로 완성된 X축 방향의 선형 형상이 원하는 면적만큼 Y축 방향으로도 완성된 영역이고, 비활성 영역(29)은 선형광원(20)의 자외선 LED 어레이(22)가 완전한 선형이 아닌 비스듬한 각도(θ)를 가진 준 선형인 이유로 X축 방향의 전체 영역에 대해 자외선의 투사가 완전하게 이루어지지 않은 영역이다.
따라서, 비활성 영역(29)은 실제로 포토 폴리머(P)가 투사되지 않도록 하며, 간단하게는 비활성 영역(29)에 포토 폴리머(P)를 위치시키지 않도록 할 수 있다. 즉, 폴리머 케이스(10)는 선형광원(20)이 포토 폴리머(P)를 X축 방향의 영역 중 일부만 투사하여 미완성된 선형 형상이 이루어지는 영역에 배치되지 않을 수 있다.
여기서, 비활성 영역(29)의 면적은 선형 과정의 Y축 방향 길이에 의해 결정이 되며, 인쇄 해상도가 높고, 자외선 LED(23)의 크기가 클수록 면적이 넓어질 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 선형광원의 구동회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 선형광원(20)은 자외선 LED 어레이(22)의 자외선 LED(23)를 개별적으로 온오프를 한다. 즉, 제어부(60)는 자외선 LED(23)에 대한 전원전압의 공급 정보가 포함된 X축 주소 신호 및 조형물(S)의 각 레이어에 대한 평면 이미지 정보가 포함된 Y축 주소 신호를 이용하여 자외선 LED(23)의 온오프를 제어할 수 있다. 이를 수행하기 위해, 자외선 LED 어레이(22)를 형성하는 선형광원(20)의 구동회로는 제어부(60)에 포함되는 주소 디코더(address decoder)(61) 및 정전류 구동부(constant current regulator)(63), 저장부(90)에 포함되는 라인 메모리(line memory)(95)와 연결된다.
상세하게는, 주소 디코더(61)를 통해 X축 주소 신호(row_0 ~ row_N-1)는 각 행의 자외선 LED(23)의 양극(anode)에 연결되고, 이미지 신호(image data)를 저장하는 라인 메모리(95)를 통한 Y축 주소 신호(col_0 ~ col_N-1)는 각 열의 자외선 LED(23)의 음극(cathode)에 공통으로 연결되어 있는 정전류 구동부(63)의 제어입력에 연결된다. 여기서, X축 주소 신호는 원하는 행의 자외선 LED(23)에 전원전압을 공급시키고, Y축 주소 신호는 해당 열의 정전류 구동부(63)을 온오프한다. 즉, Y축 주소 신호는 해당 부분의 포토 폴리머(P) 자외선 투사 여부를 결정할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 선형광원의 구동에 대한 제어신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 1, 도 8 및 도 9를 참조하면, 제어부(60)는 X-Y축 주소 기능과 함께 자외선 LED(23)의 효율적인 구동을 위해 X축 주소 신호를 기준으로 Y축의 이미지 신호를 제어한다.
제어부(60)는 row_i를 온(on)시켜 해당 행이 선택된 상태에서 이미지 신호 col_<0:M-1>를 인가하여 자외선 LED(23)를 제어한다. 이를 통해, 제어부(60)는 항상 하나의 정전류 구동부(63)이 하나의 자외선 LED(23)만을 구동할 수 있게 하여 자외선 ELD(23)를 항상 동일한 전류로 구동시킴으로써, 동일한 광 출력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 효율을 높일 수 있다.
제어부(60)는 row_i의 온 시간, 상세하게는 라인 메모리(95)의 출력인 이미지 신호 col_<0:M-1>의 최소 유지시간을 빔 스팟에 의한 포토 폴리머(P)의 경화시간에 해당되도록 제어한다. 이 때, 경화시간은 포토 폴리머(P)의 특성 및 투사되는 자외선 출력에 따라 설정될 수 있다.
제어부(60)는 선형광원(20)의 모든 행에 대해 전술된 과정을 완료한 후, Y-step 신호를 통해 선형광원 이송부(30)가 Y축 방향으로 스팟 사이즈만큼 이동되도록 제어한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
[부호의 설명]
10: 폴리머 케이스 20: 선형광원
21: 기판 22: 자외선 LED 어레이
23: 자외선 LED 24: 광학기구
25: 빔 스팟 30: 선형광원 이송부
40: 베드 50: 베드 이송부
60: 제어부 61: 주소 디코더
62: 정전류 구동부 70: 통신부
80: 디스플레이부 90: 저장부
95: 라인 메모리 100: 광중합형 3D 프린터
d: 스팟 사이즈 L: 자외선 LED의 한 면 길이
P: 포토 폴리머 S: 조형물

Claims (10)

  1. 광중합형 3D 프린터의 폴리머 케이스와 이격되게 배치되는 기판; 및
    상기 폴리머 케이스 방향으로 자외선을 투사하는 복수 개의 자외선 LED가 상기 기판에 X축 방향으로 복수의 행으로 배치되되, Y축 방향으로 상기 복수의 행과 비스듬한 각도(θ)로 복수의 열이 배치되는 자외선 LED 어레이;
    를 포함하는 자외선 LED를 이용한 선형광원.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 자외선 LED 어레이는,
    상기 자외선 LED의 발광면 상단에 광학기구를 구비하여 빔 스팟(beam spot)을 생성하는 것을 특징으로 하는 자외선 LED를 이용한 선형광원.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 광학기구는,
    광학렌즈 또는 쉐도우 마스크(shadow mask)를 포함하여 상기 빔 스팟의 크기를 작게 만드는 것을 특징으로 하는 자외선 LED를 이용한 선형광원.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 자외선 LED 어레이는,
    상기 Y축으로 배치된 자외선 LED의 행 개수(N) 및 상기 비스듬한 각도가 상기 자외선 LED의 한 면 길이(L) 및 상기 빔 스팟의 스팟 사이즈(spot size)(d)에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 자외선 LED를 이용한 선형광원.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 자외선 LED 어레이는,
    상기 비스듬한 각도가 하기 수학식에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 자외선 LED를 이용한 선형광원.
    [수학식]
    Figure PCTKR2017012637-appb-I000002
  6. 조형물을 조형하기 위한 포토 폴리머를 수용하는 폴리머 케이스;
    상기 폴리머 케이스의 일단 방향으로 이격되게 배치되고, 상기 폴리머 케이스 방향으로 자외선을 투사하는 선형광원;
    상기 선형광원과 연결되어 상기 선형광원을 Y축 방향으로 이동시키는 선형광원 이송부;
    상기 폴리머 케이스의 타단 방향에 배치되고, 상기 선형광원을 통해 상기 포토 폴리머가 경화된 상기 조형물이 안착되는 베드;
    상기 베드와 연결되어 상기 베드를 Z축 방향으로 이동시키는 베드 이송부; 및
    상기 선형광원, 상기 선형광원 이송부 및 상기 베드 이송부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 선형광원은,
    상기 제어부와 전기적으로 연결되는 기판; 및
    상기 자외선을 투사하는 복수 개의 자외선 LED가 상기 기판에 X축 방향으로 복수의 행으로 배치되되, Y축 방향으로 상기 복수의 행과 비스듬한 각도로 배치되는 자외선 LED 어레이;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광중합형 3D 프린터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 선형광원 이송부를 통해 상기 선형광원을 Y축 방향으로 이동시키면서 상기 포토 폴리머가 선형 형상으로 경화되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 광중합형 3D 프린터.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 폴리머 케이스는,
    상기 선형광원이 상기 포토 폴리머를 X축 방향의 영역 중 일부만 투사하여 미완성된 선형 형상이 이루어지는 영역에 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 광중합형 3D 프린터.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 선형광원이 상기 포토 폴리머를 경화하는 동안 상기 선형광원 이송부를 정지시키고, 상기 경화가 완료되면 상기 선형광원이 Y축 방향으로 상기 자외선 LED의 스팟 사이즈만큼 이동되게 상기 선형광원 이송부를 제어하는 것을 특징으로 하는 광중합형 3D 프린터.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 자외선 LED에 대한 전원전압의 공급 정보가 포함된 X축 주소 신호 및 상기 조형물의 각 레이어에 대한 평면 이미지 정보가 포함된 Y축 주소 신호를 이용하여 상기 자외선 LED의 온오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 광중합형 3D 프린터.
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