WO2018186515A1 - 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치 - Google Patents

디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치 Download PDF

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laser scanner
scanner
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최두원
서준석
남광희
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(주)하이비젼시스템
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Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional printing apparatus using a digital light processing (DLP) projector and a laser scanner. More specifically, the DLP projector generating a core-shell photopolymerizable sculpture by applying a composite optical engine. And a three-dimensional printing apparatus using a laser scanner together.
  • DLP digital light processing
  • the technique of forming a three-dimensional structure is to extrude and laminate thermoplastics, to irradiate a laser beam in a vat containing a liquid photocurable resin, and to form a layer of sculptures in each tank. Whenever the tank goes down, the tank descends by the thickness of the layer and irradiates the laser again to form a three-dimensional structure.
  • the resin is irradiated with light of a shape to be molded into a liquid 'photocurable resin'.
  • the method of forming three-dimensional structure by hardening the layer, forming the three-dimensional structure by extruding liquid color ink and hardening material (binder) into the powder raw material from the nozzle of the print head by using the inkjet printer principle, and forming the three-dimensional structure by metal powder without binder There are various methods such as a direct sintering furnace.
  • the photocurable printer has the advantage of being extremely fine and excellent surface quality, but using a plurality of DLP projectors or xy laser scanners or DLP projectors, xy lasers to cover a large area to form a large three-dimensional sculpture
  • the scanner or resin reservoir must be moved in the x- or y-axis direction.
  • an alignment process for correcting the tilt, position, and size of the projected image of the DLP projector or the xy laser scanner is required, and for this purpose, a highly accurate correction algorithm must be developed and mounted. There is a problem.
  • the present invention has been proposed to solve the problem according to the conventional method, and an object of the present invention is to use a DLP projector and a laser scanner that can produce a large three-dimensional sculpture using only one DLP projector and a single-axis laser scanner. To provide a three-dimensional printing device.
  • an object of the present invention is to form a core corresponding to the skeleton of the large three-dimensional sculpture using a DLP projector, and a shell corresponding to the precise surface of the large three-dimensional sculpture using a single-axis laser scanner ( By forming a shell), a three-dimensional printing apparatus using a DLP projector and a laser scanner that can output a precise and large sculpture quickly and accurately is provided.
  • the resin storage unit is stored a photocurable resin;
  • a DLP projector unit disposed above the resin storage unit and configured to project light corresponding to the core of the axial cross section of the sculpture to the resin storage unit;
  • a molding stage unit provided to be capable of lifting up and down in a vertical direction from a bottom of the resin storage unit, and moldings are formed at an upper portion thereof;
  • a laser scanner unit disposed above the resin storage unit to scan light corresponding to a shell of an axial cross section of the sculpture with the resin storage unit;
  • a scanner transfer unit which supports and transports the laser scanner unit so that the laser scanner unit moves in the x-axis direction;
  • An image processing unit for dividing one cross-sectional image of the sculpture into a core portion and a shell portion; And receiving the core portion and outputting the core portion to the DLP projector unit, receiving the shell portion, controlling the laser scanner unit and the scanner transfer unit based on the input shell portion, and controlling the model based on data of a sculpture.
  • the laser scanner unit may be a galvano mirror scanner.
  • the laser scanner unit may be a polygon mirror scanner.
  • the laser scanner unit may be a MEMS mirror scanner.
  • the DLP projector unit high output UV LED for irradiating light; A mirror reflecting light irradiated from the high power UV LED; A lens for projecting the light reflected from the mirror toward the upper portion of the resin storage portion; And a projector housing accommodating the high power UV LED, the mirror, and the lens.
  • the image processor may adjust the size of the core portion to include an area overlapping the shell portion by a predetermined thickness along an outline of the core portion.
  • the three-dimensional printing apparatus using a DLP projector and a laser scanner in accordance with the present invention by using a DLP projector capable of high-speed operation to form a core corresponding to the skeleton of a large three-dimensional sculpture, By forming a shell corresponding to the precise surface of the large three-dimensional sculpture by using a single-axis laser scanner capable of precise work, there is an effect that can output a large and precise precise and fast.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a three-dimensional printing apparatus using a DLP projector and a laser scanner according to the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing the structure of a three-dimensional printing apparatus using a DLP projector and a laser scanner according to the present invention.
  • 3A is a view showing an example of a three-dimensional sculpture output by a three-dimensional printing apparatus using a DLP projector and a laser scanner in accordance with the present invention.
  • 3B and 3C are axial cross-sectional views for outputting the three-dimensional sculpture shown in FIG. 3A.
  • FIG. 4A is a view showing an example of a three-dimensional sculpture output by a three-dimensional printing apparatus using a DLP projector and a laser scanner according to the present invention.
  • FIG. 4B is a view showing an axial cross section for outputting the three-dimensional sculpture shown in FIG. 4A.
  • FIGS. 1 and 2 are diagram illustrating an example of the DLP projector shown in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a case where the laser scanner unit illustrated in FIGS. 1 and 2 is a polygon mirror scanner.
  • FIGS. 7 is a diagram illustrating a galvano mirror and a galvano mirror driving unit of a galvano mirror scanner applied to the laser scanner unit illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 8 is a view for explaining the operation of the three-dimensional printing apparatus using a DLP projector and a laser scanner according to the present invention.
  • control unit 700 control unit
  • FIG. 1 and 2 are views illustrating a three-dimensional printing apparatus using a DLP projector and a laser scanner together according to the present invention, wherein the three-dimensional printing apparatus using the DLP projector and a laser scanner according to the present invention is a resin storage.
  • the unit 100, the DLP projector unit 200, the molding stage unit 300, the laser scanner unit 400, the scanner transfer unit 500, the image processing unit 600, and the control unit 700 are included.
  • the resin storage unit 100 stores the photocurable resin 101, but is preferably a storage tank having a horizontal cross-sectional area of about 400 ⁇ 400 mm or more so as to be suitable for forming a large three-dimensional sculpture.
  • the resin An apparatus for maintaining a constant height of the surface of the photocurable resin 101 stored in the storage unit 100 may be provided.
  • the control part 700 is equipped with the sensor which detects the position of the surface of the photocurable resin 101, and the height of the surface of the photocurable resin 101 stored in the resin storage part 100 is kept constant. It is possible to continuously supply the photocurable resin 101 into the resin storage unit 100 or control the lifting and lowering of the resin storage unit 100 in which the photocurable resin 101 is accommodated.
  • the DLP projector unit 200 is disposed above the resin storage unit 100, and projects the light corresponding to the core of the axial cross section of the molded object to the resin storage unit 100.
  • the DLP projector unit 200 stores the resin in comparison with the laser scanner unit 400 as shown in FIG. 2 to cover the entire upper surface of the resin storage unit 100 with a single projection area in a fixed state. It is preferable to be disposed above the distance from the part 100.
  • the molding stage unit 300 is provided to be capable of lifting up and down from the bottom of the resin storage unit 100 in the vertical direction, and a three-dimensional molding is molded on the upper portion. That is, the molding stage 300 is for sequentially curing the photocurable resin 101 into a three-dimensional shape, and is provided to be movable in the height direction of the three-dimensional shaped object under the control of the controller 700.
  • the control part 700 lowers the molding stage part 300 so that the photocuring resin which has a height of about 5 micrometers may be filled on the bottom surface of the molding stage part 300, and on the filled photocuring resin,
  • the DLP projector unit 200 and the laser scanner unit 400 are controlled to cure the molded cross-section core and the shell, and the molding is performed to fill the cured cross-section core and the shell with a photocurable resin having a height of about 5 ⁇ m.
  • the stage unit 300 may be lowered.
  • the molding stage unit 300 may be lifted and controlled by the controller 700 so that the formed three-dimensional sculpture may be exposed out of the photocurable resin 101. .
  • the molding stage 300 it is preferable to form a soft film and a release film on the bottom housing made of a material such as acrylic so that the formed three-dimensional sculpture can be separated from the bottom surface. That is, the molding stage 300 is provided with a release film on the surface in contact with the three-dimensional sculpture, thereby preventing the solidification of the three-dimensional sculpture and thereby removing the formed three-dimensional sculpture from the molding stage 300. The three-dimensional sculpture can be prevented from being damaged.
  • the molding stage unit 300 may include a soft film, which is a silicone-based film having a predetermined thickness and elasticity, between the bottom housing and the release film. Such a soft film may act as a buffer between the bottom housing and the three-dimensional sculpture of the molding stage 300 so that the three-dimensional sculpture may be smoothly separated from the release film without being damaged.
  • the laser scanner unit 400 is disposed above the resin storage unit 100, and scans light corresponding to the shell of the axial cross section of the three-dimensional sculpture with the resin storage unit 100 under the control of the control unit 700. do.
  • the laser scanner unit 400 may be a galvano mirror scanner, a polygon mirror scanner, or a MEMS mirror scanner, and as illustrated in FIG. 2, the laser scanner unit 400 may be a one-axis laser scanner that performs a scanning operation in the y-axis direction. .
  • the scanner transporter 500 supports and transports the laser scanner 400 so that the laser scanner 400 moves in the x-axis direction under the control of the controller 700.
  • the scanner transfer unit 500 as shown in Figure 2, having a first rail 510 and a second rail 520 installed in parallel in the x-axis direction, and implements a driving mechanism such as a motor, gear, cylinder
  • the laser scanner 400 may be reciprocated from one side of the resin storage unit 100 to the other side, including various configurations.
  • the laser scanner unit 400 covers the surface of the photocurable resin 101 stored in the resin storage unit 100 in the y-axis direction while adjusting the light irradiation point, and the scanner transfer unit 500 includes the laser scanner unit 400.
  • the laser scanner unit 400 may be three-dimensional at any point of the surface of the photocurable resin 101. It is possible to scan light corresponding to the shell of the axial cross section of the sculpture.
  • the image processor 600 divides one cross-sectional image of the three-dimensional object into a core part and a shell part under the control of the controller 700, and outputs the divided image to the controller 700.
  • the image processing unit 600 may convert a file for outputting a three-dimensional object such as a STL (stereolithography) file into a slicing file such as a G-code file and generate a segmented image, but receives the slicing file directly.
  • the divided image may be generated, but is not limited thereto.
  • the image processing unit 600 will be described separately from the control unit 700 for convenience, but may also be integrated with the control unit 700 in software or hardware.
  • 3A to 3C show one cross-sectional image of the sphere of FIG. 3A by the sphere and image processing unit 600 which can be output by the three-dimensional printing apparatus using the DLP projector and the laser scanner of the present invention. It is a figure which shows the image divided into parts.
  • the image processing unit 600 requires an external predetermined hardening that requires precise curing of one cross-sectional image C + S for the sphere. It is possible to generate data obtained by dividing the portions except the shell S and the shell S, which are portions having a thickness, by the core C, and output the generated data to the controller 700.
  • the control unit 700 controls the DLP projector unit 200 using the data relating to the core C, so that the resin storage unit 100 receives light corresponding to the core of the axial cross section of the three-dimensional sculpture. Let's project. That is, the controller 700 recognizes each coordinate of a horizontal cross section for forming a three-dimensional structure through a G-code, etc., in which a graphic file stored in an STL format is sliced, and according to the recognized coordinates, the DLP projector unit 200 It is possible to control the shape of the light to be projected by.
  • the photocurable resin 101 is hardened to a height of about 5 ⁇ m in the form of the core C portion of the sphere by the light projected by the DLP projector unit 200.
  • the surface of the cured core (C) portion may not be precise but somewhat roughened.
  • control unit 700 controls the laser scanner unit 400 using the data relating to the shell S, thereby scanning the laser corresponding to the shell of the axial cross section of the three-dimensional sculpture with the resin storage unit 100. Do it. That is, the controller 700 recognizes each coordinate of the horizontal cross section for forming the three-dimensional structure through the G-code, etc., in which the graphic file stored in the STL format is sliced, and the laser scanner unit 400 according to the recognized coordinates. It is possible to control the path of the light to be irradiated.
  • the photocurable resin 101 is precisely cured to a height of about 5 ⁇ m in the form of the shell S portion of the sphere by the light irradiated by the laser scanner unit 400.
  • the laser scanner 400 needs to harden the outermost surface of the three-dimensional sculpture precisely, but the optical scanning speed may be somewhat slow.
  • the core ( C) Since only the shell (S) part corresponding to the thin outermost part needs to be hardened while the part is hardened, the working time is drastically shortened compared to the time required for the conventional method of hardening one whole section of the sphere. can do.
  • the image processing unit 600 is divided into the core (C) and the portion except for the shell (S) and the shell (S) which is a portion having an external predetermined thickness that requires precise curing for one cross-sectional image of the sphere
  • the overlap O portion can be set so that the shell S and the core C can be slightly overlapped at their interface.
  • the data about the shell provided by the image processor 600 may be data obtained by adding the shell and the overlap (S + O) part of FIG. 3C, and the data about the core provided by the image processor 600 is illustrated in FIG. 3C. This can be data obtained by adding the core and overlap (C + O) portions of the data.
  • the image processor 600 may adjust, for example, increase the size of the core portion to include an area overlapping the shell portion by a predetermined thickness along the outline of the core portion. Through this, the interface between the shell and the core can be hardened, which in turn enhances the strength of the three-dimensional shaped object.
  • FIG. 4A and 4B illustrate a single cross-sectional image of the cup of FIG. 4A by the cup and image processing unit 600 which can be output by the three-dimensional printing apparatus using the DLP projector and the laser scanner of the present invention. It is a figure which shows the image divided
  • the control unit 700 receives a core portion from the image processing unit 600, outputs the core portion to the DLP projector 200, receives a shell portion from the image processing unit 600, and based on the input shell portion, the laser scanner unit.
  • the control unit 400 and the scanner transfer unit 500 are moved up and down based on the data of the sculpture.
  • the control unit 700 outputs data regarding the core part to the DLP projector unit 200 when the DLP projector unit 200 is controlled, and arranges them separately. There is no need to perform the associated control action.
  • the controller 700 extracts a y-axis coordinate value for irradiating light based on shell portion data, and then extracts the extracted value from the laser scanner unit 400.
  • the laser scanner 400 moves stepwise by a predetermined distance in the x-axis direction by controlling the scanner transfer unit 500, and thus, there is no need to perform a separate alignment related control operation.
  • FIG. 5 is a view schematically showing an example of the DL projector 200 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the DL projector 200 includes a high output UV LED 210, a mirror 220, and a lens. 230 and projector housing 240.
  • the high power UV LED (UltraViolet Light Emitting Diode) 210 generates ultraviolet light and irradiates toward the mirror 220.
  • the high output UV LED 210 supplies about 500 mA of current, it is preferable that the light output reaches about 560 mW.
  • the mirror 220 reflects the light emitted from the high power UV LED 210 toward the lens 230.
  • the mirror 220 may be a digital micromirror device (DMD) chip, that is, a semiconductor optical switching chip incorporating a micro driving mirror.
  • DMD digital micromirror device
  • the lens 230 projects the light reflected from the mirror toward the upper portion of the resin storage portion 100, that is, the surface of the photocurable resin 101.
  • the projector housing 240 may accommodate the high power UV LED 210, the mirror 220, and the lens 230 therein, and the DLP projector part 200 may be fixedly disposed on the resin storage part 100. It is possible to provide a predetermined coupling structure.
  • the protector housing 240 is installed on the upper portion of the resin storage part 100, and the irradiation range 231 of the lens 230 may be installed at a height that can cover the entire upper part of the resin storage part 100. Can be.
  • the polygon mirror scanner 410 of the present invention includes a laser diode 411, The collimating lens 412 which makes the laser light irradiated from the laser diode 411 into parallel light or a convergent light with respect to an optical axis, and the cylinder which image-forms the laser light which passed through the collimating lens 412 in the horizontal direction linearly.
  • the lens 413, the polygon mirror driving motor 415 for rotating the polygon mirror 414 at constant speed, and the constant velocity light reflected from the polygon mirror 414 with a constant refractive index with respect to the optical axis are directed to the main scanning direction.
  • the f-theta (f- ⁇ ) lens 416 which polarizes and corrects aberrations and focuses on the scanning surface, and the laser light passing through the f-theta lens 416 in a predetermined direction, reflects the image-curing resin as an image plane.
  • These components are typically assembled on one frame to make up the polygon mirror scanner 410.
  • a signal corresponding to the shell of the axial cross section of the three-dimensional sculpture to be scanned is applied to the laser diode 411 by the controller 700, and the laser diode 411 is turned on / off according to the signal of the controller 700. Is off. Further, the laser light emitted from the laser diode 411 passes through the collimating lens 412 and the cylinder lens 413 and is shaped into a predetermined beam A, which is shaped into the polygon mirror 414. By scanning in the direction of light irradiation parallel to the plane of rotation of the polygon mirror.
  • This scan light is, of course, diffused by the fexeta lens 416 and reflected by the image forming reflective mirror 417, and then formed into a prescribed size on the surface of the photocurable resin.
  • the scanner transport unit 500 controls the control unit 700 at a predetermined speed by a distance corresponding to the resolution of the polygon mirror scanner 410. Move to.
  • the polygon mirror scanner 410 performs the light irradiation scan for the second line, which is the next line of the first line, in a similar manner to the light irradiation scan process for the first line described above. The above-described process is repeated until the output of the three-dimensional sculpture is completed.
  • the polygon mirror 414 and the polygon mirror driving motor 415 are for deflecting laser light, and are instead of the polygon mirror 414 and the polygon mirror driving motor 415 as shown in FIG. 7.
  • a galvano mirror scanner using the no mirror 424 and the galvano mirror driving motor 425 may be used, or a MEMS mirror scanner using the aforementioned DMD chip (not shown) may be used, but is not limited thereto. .
  • FIG. 8 is a view for explaining the operation of the three-dimensional printing apparatus using a LP projector and a laser scanner in accordance with the present invention, with reference to Figures 1 to 8 three-dimensional using the DLP projector and laser scanner of the present invention in combination The operation of the printing apparatus will be described below.
  • control unit 700 lowers the molding stage 300 so that the cured molded article cross-section core and the shell are filled with the photocurable resin 101 having a height of about 5 ⁇ m.
  • control unit 700 receives data regarding the core portion from the image processing unit 600 and outputs the data to the DLP projector unit 200.
  • the DLP projector unit 200 projects the light corresponding to the core of the axial cross section of the sculpture to the resin storage unit 100 under the control of the control unit 700 (a high speed photocuring process, which is a first step).
  • the control unit 700 controls the laser scanner unit 400 using data relating to the shell, so that the resin storage unit 100 scans the laser corresponding to the shell of the axial cross section of the three-dimensional sculpture ( Two-step precision photocuring process).
  • the control unit 700 extracts the y-axis coordinate value for irradiating light based on the shell portion data, and then transfers the extracted value to the laser scanner unit 400, in units of y-axis lines, by the laser scanner unit 400. Allow laser scanning operations to be performed. That is, the control unit 700 scans one line by the laser scanner unit 400, and when the scanning is completed, the control unit 700 controls the scanner transfer unit 500 to move the laser scanner unit 400 in the x-axis direction. Move the predetermined distance, for example, a distance corresponding to the thickness of one line, and then proceed with the precision scanning operation by controlling the scanning of the next line by the laser scanner unit 400 again. do.
  • control unit 700 determines that the photocuring resin 101 having a height of about 5 ⁇ m is formed on the cured cross section core and the shell again.
  • the molding stage 300 may be lowered to be filled, and the above-described process may be repeated until all three-dimensional sculptures are completed.
  • the conventional three-dimensional printer uses a large number of DLP or xy laser scanning engines to output large three-dimensional sculptures, so that the difficulty of correcting the tilt, position and size of each projected image is corrected. You must have an algorithm.

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Abstract

본 발명은 복합 광학 엔진을 적용하여 코어-쉘 광중합형 조형물을 생성하는 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치에 관한 것으로, 광경화 수지가 저장된 수지 저장부; 상기 수지 저장부의 상부에 배치되어, 상기 수지 저장부로 조형물의 축방향 단면의 코어에 대응되는 광을 투영하는 디엘피 프로젝터부; 상기 수지 저장부의 바닥으로부터 수직 방향으로 승하강 가능하게 구비되어, 상부에 조형물이 조형되는 조형 스테이지부; 상기 수지 저장부의 상부에 배치되어, 상기 수지 저장부로 조형물의 축방향 단면의 쉘에 대응되는 광을 스캐닝하는 레이저 스캐너부; 상기 레이저 스캐너부가 x축 방향으로 이동되도록 상기 레이저 스캐너부를 지지 및 이송하는 스캐너 이송부; 조형물에 대한 한 개의 단면 이미지를 코어 부분과 쉘 부분으로 분할하는 이미지 처리부; 및 상기 코어 부분을 입력받아 상기 디엘피 프로젝터부로 출력하고, 상기 쉘 부분을 입력받으며, 입력된 상기 쉘 부분에 기반하여 상기 레이저 스캐너부 및 상기 스캐너 이송부를 제어하고, 조형물의 데이터에 기반하여 상기 조형스테이지부를 승하강시키는 제어부를 포함한다.

Description

디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치
본 발명은 디엘피(DLP, Digital Light Processing) 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 복합 광학 엔진을 적용하여 코어-쉘 광중합형 조형물을 생성하는 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치에 관한 것이다.
3차원 구조물을 형성하는 기술에는 열가소성 플라스틱류를 압출하여 적층하는 방식, 액체 상태의 '광경화성 수지'가 담긴 수조(Vat) 안에 레이저 빔을 조사하고 수조 안에 있는 조형물이 한 층(Layer) 씩 만들어질 때마다 수조가 층 두께만큼 하강하고 다시 레이저를 조사하여 입체 구조물을 형성하는 방식, 액체 상태의 '광경화성 수지(빛을 받으면 경화되는 수지)'에 조형하고자 하는 모양의 빛을 조사하면서 수지를 층층이 굳혀 입체 구조물을 형성하는 방식, 잉크젯 프린터 원리를 이용하여 프린터 헤드의 노즐에서 액체 상태의 컬러 잉크와 경화물질(바인더)을 파우더 원료에 압출하여 입체 구조물을 형성하는 방식, 금속 파우더를 바인더 없이 레이저로 직접 소결하는 방식 등 다양한 방식이 있다.
이 중 광경화 방식 프린터는 상당히 정교하고 표면 품질이 우수하다는 장점이 있으나, 대형 3차원 조형물을 형성하기 위하여 대면적을 커버할 수 있도록 복수개의 DLP 프로젝터 또는 xy 레이저 스캐너를 사용하거나 DLP 프로젝터, xy 레이저 스캐너 또는 수지 저장고를 x축 방향 또는 y축 방향으로 이동하여야 한다. 이러한 종래의 광경화 프린터 장치에 의하면, DLP 프로젝터 또는 xy 레이저 스캐너의 투사 이미지의 기울기, 위치 및 크기를 보정하는 정렬(Alignment) 과정이 필요하며, 이를 위하여 고 난이도의 보정 알고리즘이 개발되어 장착되어야 하는 문제점이 있다.
[선행기술문헌] 대한민국 등록특허 제10-1504419호
본 발명은 종래 방식에 따른 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 하나의 DLP 프로젝터와 1축 레이저 스캐너만을 이용하여 대형 3차원 조형물을 제작할 수 있는 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 DLP 프로젝터를 이용하여 대형 3차원 조형물의 개략적인 뼈대에 해당하는 코어(Core)를 형성하고, 1축 레이저 스캐너를 이용하여 대형 3차원 조형물의 정밀한 표면에 해당하는 쉘(Shell)을 형성함으로써, 정밀한 대형 조형물을 빠르면서도 정확하게 출력할 수 있는 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 광경화 수지가 저장된 수지 저장부; 상기 수지 저장부의 상부에 배치되어, 상기 수지 저장부로 조형물의 축방향 단면의 코어에 대응되는 광을 투영하는 디엘피 프로젝터부; 상기 수지 저장부의 바닥으로부터 수직 방향으로 승하강 가능하게 구비되어, 상부에 조형물이 조형되는 조형 스테이지부; 상기 수지 저장부의 상부에 배치되어, 상기 수지 저장부로 조형물의 축방향 단면의 쉘에 대응되는 광을 스캐닝하는 레이저 스캐너부; 상기 레이저 스캐너부가 x축 방향으로 이동되도록 상기 레이저 스캐너부를 지지 및 이송하는 스캐너 이송부; 조형물에 대한 한 개의 단면 이미지를 코어 부분과 쉘 부분으로 분할하는 이미지 처리부; 및 상기 코어 부분을 입력받아 상기 디엘피 프로젝터부로 출력하고, 상기 쉘 부분을 입력받으며, 입력된 상기 쉘 부분에 기반하여 상기 레이저 스캐너부 및 상기 스캐너 이송부를 제어하고, 조형물의 데이터에 기반하여 상기 조형스테이지부를 승하강시키는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 레이저 스캐너부는, 갈바노 미러 스캐너일 수 있다.
한편, 상기 레이저 스캐너부는, 폴리곤 미러 스캐너일 수 있다.
또한, 상기 레이저 스캐너부는, MEMS 미러 스캐너일 수 있다.
한편, 상기 디엘피 프로젝터부는, 광을 조사하는 고출력 UV LED; 상기 고출력 UV LED에서 조사된 광을 반사하는 미러; 상기 미러로부터 반사된 광을 상기 수지 저장부의 상부를 향해 투영하는 렌즈; 및 상기 고출력 UV LED, 상기 미러 및 상기 렌즈를 수용하는 프로젝터 하우징을 포함할 수 있다.
또한, 상기 이미지 처리부는, 상기 코어 부분의 외곽선을 따라서 미리 정해진 두께 만큼 상기 쉘 부분과 중첩되는 영역을 포함하도록 상기 코어 부분의 크기를 조정할 수 있다.
본 발명에 따른 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치에 의하면, 고정된 하나의 DLP 프로젝터와 x축 방향으로 왕복 이동하도록 제어되는 1축 레이저 스캐너만을 이용하여 대형 3차원 조형물을 제작하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치에 의하면, 고속 작업이 가능한 DLP 프로젝터를 이용하여 대형 3차원 조형물의 개략적인 뼈대에 해당하는 코어(Core)를 형성하고, 정밀한 작업이 가능한 1축 레이저 스캐너를 이용하여 대형 3차원 조형물의 정밀한 표면에 해당하는 쉘(Shell)을 형성함으로써, 정밀한 대형 조형물을 빠르면서도 정확하게 출력할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2은 본 발명에 따른 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 발명에 따른 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치에 의해 출력된 3차원 조형물의 일례를 나타낸 도면이다.
도 3b 및 도 3c는 도 3a에 도시된 3차원 조형물을 출력하기 위한 축방향 단면을 나타낸 도면이다.
도 4a는 본 발명에 따른 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치에 의해 출력된 3차원 조형물의 일례를 나타낸 도면이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 3차원 조형물을 출력하기 위한 축방향 단면을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 디엘피 프로젝터부의 일례를 도시한 도면이다.
도 6은 도 1 및 도 2에 도시된 레이저 스캐너부가 폴리곤 미러 스캐너인 경우를 도시한 도면이다.
도 7은 도 1 및 도 2에 도시된 레이저 스캐너부에 적용되는 갈바노 미러 스캐너의 갈바노 미러 및 갈바노 미러 구동부를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치의 동작을 설명하는 도면이다.
[부호의 설명]
100: 수지 저장부
200: 디엘피 프로젝터부
300: 조형 스테이지부
400: 레이저 스캐너부
500: 스캐너 이송부
600: 이미지 처리부
700: 제어부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치를 도시한 도면으로, 본 발명에 의한 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치는, 수지 저장부(100), 디엘피 프로젝터부(200), 조형 스테이지부(300), 레이저 스캐너부(400), 스캐너 이송부(500), 이미지 처리부(600) 및 제어부(700)를 포함한다.
수지 저장부(100)는, 광경화 수지(101)를 저장하는데, 대형 3차원 조형물을 형성하는데 적합하도록 약 400×400mm 이상의 수평 단면적을 갖는 저장조인 것이 바람직하다.
이때, 수지 저장부(100)에 저장된 광경화 수지(101)의 표면에 디엘피 프로젝터부(200)에서 투영되는 광 및 레이저 스캐너부(400)에서 조사되는 광의 초점이 정확하게 맞춰지도록 하기 위하여, 수지 저장부(100)에 저장된 광경화 수지(101)의 표면의 높이를 일정하게 유지하기 위한 장치(도시되지 않음)를 구비할 수 있다. 예를 들면, 제어부(700)는, 광경화 수지(101)의 표면의 위치를 감지하는 센서를 구비하고, 수지 저장부(100)에 저장된 광경화 수지(101)의 표면의 높이가 일정하게 유지되도록 수지 저장부(100) 내에 계속적으로 광경화 수지(101)를 공급하거나, 광경화 수지(101)가 수용된 수지 저장부(100)를 승하강 제어할 수 있다.
디엘피 프로젝터부(200)는, 수지 저장부(100)의 상부에 배치되어, 수지 저장부(100)로 조형물의 축방향 단면의 코어에 대응되는 광을 투영한다. 이때, 디엘피 프로젝터부(200)는, 고정된 상태로 수지 저장부(100)의 상면 전체를 단일 투영 영역으로 커버하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 레이저 스캐너부(400)와 비교하여 수지 저장부(100)로부터 먼 거리의 상부에 배치되는 것이 바람직하다.
조형 스테이지부(300)는, 수지 저장부(100)의 바닥으로부터 수직 방향으로 승하강 가능하게 구비되어, 상부에 3차원 조형물이 조형된다. 즉, 조형 스테이지부(300)는 광경화 수지(101)를 3차원 형상으로 순차적으로 경화시키기 위한 것으로서, 제어부(700)의 제어에 의해 3차원 조형물의 높이 방향으로 이동 가능하게 마련된다. 예를 들면, 제어부(700)는, 조형 스테이지부(300)의 바닥면 상에 약 5㎛의 높이를 갖는 광경화 수지가 채워지도록 조형 스테이지부(300)를 하강시키고, 채워진 광경화 수지 상에 디엘피 프로젝터부(200) 및 레이저 스캐너부(400)를 제어하여 조형물 단면 코어 및 쉘이 경화시키며, 다시 경화된 조형물 단면 코어 및 쉘 상에 약 5㎛의 높이를 갖는 광경화 수지가 채워지도록 조형 스테이지부(300)를 하강시킬 수 있다. 또한, 조형 스테이지부(300)는, 바닥면 상에 3차원 조형물이 형성 완료된 경우에, 형성된 3차원 조형물이 광경화 수지(101) 밖으로 노출될 수 있도록 제어부(700)에 의해 승강 제어될 수 있다.
한편, 조형 스테이지부(300)는, 형성 완료된 3차원 조형물이 바닥면으로부터 잘 분리될 수 있도록 아크릴 등의 소재로 이루어진 바닥면 하우징 상에 소프트 필름 및 이형 필름을 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 조형 스테이지부(300)는, 3차원 조형물에 접하는 면에 이형 필름을 구비함으로써, 3차원 조형물의 고착화를 방지하고 이를 통하여 형성 완료된 3차원 조형물을 조형 스테이지부(300)로부터 떼어내는 과정에서 3차원 조형물이 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 조형 스테이지부(300)는, 바닥면 하우징 및 이형 필름 사이에 소정의 두께와 탄성을 가지는 실리콘계 필름인 소프트 필름을 구비할 수 있다. 이와 같은 소프트 필름은 조형 스테이지부(300)의 바닥면 하우징 및 3차원 조형물 사이에서 완충 작용을 하여 3차원 조형물이 손상되지 않고 이형 필름으로부터 부드럽게 분리될 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.
레이저 스캐너부(400)는, 수지 저장부(100)의 상부에 배치되어, 제어부(700)의 제어에 따라 수지 저장부(100)로 3차원 조형물의 축방향 단면의 쉘에 대응되는 광을 스캐닝한다. 이때, 레이저 스캐너부(400)는, 갈바노 미러 스캐너, 폴리곤 미러 스캐너 또는 MEMS 미러 스캐너일 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 y축 방향으로 스캐닝 동작을 수행하는 1축 레이저 스캐너인 것이 바람직하다.
스캐너 이송부(500)는, 제어부(700)의 제어에 따라 레이저 스캐너부(400)가 x축 방향으로 이동되도록 레이저 스캐너부(400)를 지지 및 이송한다. 여기서, 스캐너 이송부(500)는, 도 2에 도시된 바와 같이 x축 방향으로 평행하게 설치된 제1 레일(510) 및 제2 레일(520)을 구비하고, 모터, 기어, 실린더 등 구동 메커니즘을 구현하는 다양한 구성을 포함하여 레이저 스캐너부(400)를 수지 저장부(100)의 일측면부터 타측면에 이르기까지 왕복 이송시킬 수 있다.
즉, 레이저 스캐너부(400)가 광 조사 지점을 조정하면서 수지 저장부(100)에 저장된 광경화 수지(101)의 표면을 y축 방향으로 커버하고, 스캐너 이송부(500)가 레이저 스캐너부(400)를 이송시킴으로써 수지 저장부(100)에 저장된 광경화 수지(101)의 표면을 x축 방향으로 커버하게 되므로, 레이저 스캐너부(400)가 광경화 수지(101)의 표면 중 어느 지점이라도 3차원 조형물의 축방향 단면의 쉘에 대응되는 광을 스캐닝할 수 있게 된다.
이미지 처리부(600)는, 제어부(700)의 제어에 따라 3차원 조형물에 대한 한 개의 단면 이미지를 코어 부분과 쉘 부분으로 분할하고, 분할된 이미지를 제어부(700)로 출력한다. 이때, 이미지 처리부(600)는, STL(STereoLithography) 파일 등 3차원 조형물 출력을 위한 파일을 G-code 파일 등의 슬라이싱 파일로 변환한 후 분할된 이미지를 생성할 수 있으나, 슬라이싱 파일을 직접 입력받아 분할된 이미지를 생성할 수 있으며 이에 한정되지 않는다. 또한, 이미지 처리부(600)는, 편의상 제어부(700)와 구분하여 설명하나 제어부(700)와 소프트웨어적으로나 하드웨어적으로 함께 집적된 형태일 수도 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치에 의해 출력 가능한 구 및 이미지 처리부(600)에 의하여 도 3a의 구에 대한 한 개의 단면 이미지를 코어 부분과 쉘 부분으로 분할한 이미지를 나타낸 도면이다.
예를 들면, 이미지 처리부(600)는, 출력해야 하는 3차원 조형물이 도 3a에 도시된 바와 같은 구인 경우에, 구에 대한 한 개의 단면 이미지(C+S)에 대하여 정밀 경화가 필요한 외부의 소정 두께를 갖는 부분인 쉘(S) 및 쉘(S)을 제외한 부분을 코어(C)로 구분한 데이터를 생성하고, 생성된 데이터를 제어부(700)로 출력할 수 있다.
이후에, 제어부(700)는 코어(C)에 관한 데이터를 이용하여 디엘피 프로젝터부(200)를 제어함으로써, 수지 저장부(100)로 3차원 조형물의 축방향 단면의 코어에 대응되는 광을 투영하도록 한다. 즉, 제어부(700)는 STL 형식으로 저장된 그래픽 파일이 슬라이싱된 G-code 등을 통하여 3차원 구조물을 형성하기 위한 수평 단면의 각 좌표를 인식하고, 인식된 좌표에 따라 디엘피 프로젝터부(200)에 의해 투영될 광의 형태를 제어할 수 있다.
상술한 과정을 통하여, 디엘피 프로젝터부(200)에 의해 투영되는 광에 의해 광경화 수지(101)가 구의 코어(C) 부분의 형태를 가지고 약 5㎛의 높이로 고속 경화된다. 이때, 경화된 코어(C) 부분의 표면은 정밀하지 못하고 다소 거칠게 경화될 수 있다.
다음에, 제어부(700)는 쉘(S)에 관한 데이터를 이용하여 레이저 스캐너부(400)를 제어함으로써, 수지 저장부(100)로 3차원 조형물의 축방향 단면의 쉘에 대응되는 레이저를 스캐닝하도록 한다. 즉, 제어부(700)는 STL 형식으로 저장된 그래픽 파일이 슬라이싱된 G-code 등을 통하여 3차원 구조물을 형성하기 위한 수평 단면의 각 좌표를 인식하고, 인식된 좌표에 따라 레이저 스캐너부(400)에 의해 조사될 광의 경로를 제어할 수 있다.
상술한 과정을 통하여, 레이저 스캐너부(400)에 의해 조사되는 광에 의해 광경화 수지(101)가 구의 쉘(S) 부분의 형태를 가지고 약 5㎛의 높이로 정밀 경화된다. 이때, 레이저 스캐너부(400)는 3차원 조형물의 최외곽 표면을 정밀하게 경화해야 하는 바, 광 스캐닝 속도가 다소 느릴 수 있으나, 종래의 갈바노 스캐너 등 만을 이용한 3차원 프린터와는 달리 미리 코어(C) 부분이 경화된 상태에서 얇은 최외곽 부분에 해당하는 쉘(S) 부분만 경화하면 되므로 구에 대한 한 개의 단면 전체를 경화하는 종래의 방식에 소요되는 시간과 비교하여 작업 시간을 획기적으로 단축할 수 있다.
한편, 이미지 처리부(600)는, 구에 대한 한 개의 단면 이미지에 대하여 정밀 경화가 필요한 외부의 소정 두께를 갖는 부분인 쉘(S) 및 쉘(S)을 제외한 부분을 코어(C)로 구분한 데이터를 생성하는 경우에, 쉘(S)과 코어(C)가 그 경계면에서 약간 중첩될 수 있도록 오버랩(O) 부분을 설정할 수 있다. 이때, 이미지 처리부(600)가 제공하는 쉘에 관한 데이터는 도 3c의 쉘 및 오버랩(S+O) 부분을 더한 데이터가 될 수 있고, 이미지 처리부(600)가 제공하는 코어에 관한 데이터는 도 3c의 코어 및 오버랩(C+O) 부분을 더한 데이터가 될 수 있다.
즉, 이미지 처리부(600)는, 코어 부분의 외곽선을 따라서 미리 정해진 두께 만큼 쉘 부분과 중첩되는 영역을 포함하도록 코어 부분의 크기를 조정, 예를 들면, 증가시킬 수 있다. 이를 통하여, 쉘과 코어의 경계면이 견고하게 경화될 수 있으며, 결국, 형성 완료된 3차원 조형물의 강도를 향상시키게 된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치에 의해 출력 가능한 컵 및 이미지 처리부(600)에 의하여 도 4a의 컵에 대한 한 개의 단면 이미지를 코어(C) 부분과 쉘(S) 부분으로 분할한 이미지를 나타낸 도면이다. 즉, 본 발명의 3차원 프린팅 장치에 의하면, 코어(C) 부분과 쉘(S) 부분의 형태를 조정하여 다양한 3차원 조형물을 정밀하면서도 빠르게 출력할 수 있게 된다. 또한, 도 4a에 도시된 바와 같은 컵 형태의 3차원 조형물을 출력하는 경우에도, 도 3c에 도시된 바와 마찬가지로 이미지 처리부(600)가 쉘(S)과 코어(C)가 그 경계면에서 약간 중첩될 수 있도록 오버랩(O) 부분을 설정하여 출력된 3차원 출력물의 강도를 향상시킬 수 있다.
제어부(700)는, 이미지 처리부(600)로부터 코어 부분을 입력받아 디엘피 프로젝터부(200)로 출력하고, 이미지 처리부(600)로부터 쉘 부분을 입력받으며, 입력된 쉘 부분에 기반하여 레이저 스캐너부(400) 및 스캐너 이송부(500)를 제어하고, 조형물의 데이터에 기반하여 조형스테이지부(300)를 승하강시킨다. 이때, 제어부(700)는, 디엘피 프로젝터부(200)가 고정되어 있으므로, 디엘피 프로젝터부(200)의 제어 시 코어 부분에 관한 데이터를 디엘피 프로젝터부(200)로 출력하는 외에 별도의 정렬 관련 제어 동작을 수행할 필요가 없다. 아울러, 제어부(700)는, 레이저 스캐너부(400)가 1축 레이저 스캐너인 경우, 쉘 부분 데이터에 기반하여 광을 조사할 y축 좌표값을 추출한 후, 추출된 값을 레이저 스캐너부(400)로 전달하고, 스캐너 이송부(500)를 제어하여 레이저 스캐너부(400)를 x축 방향으로 소정의 거리만큼 단계적으로 이동시키게 되므로, 역시 별도의 정렬 관련 제어 동작을 수행할 필요가 없다.
도 5는 도 1 및 도 2에 도시된 디엘피 프로젝터부(200)의 일례를 개략적으로 도시한 도면으로, 디엘피 프로젝터부(200)는, 고출력 UV LED(210), 미러(220), 렌즈(230) 및 프로젝터 하우징(240)을 포함할 수 있다.
고출력 UV LED(UltraViolet Light Emitting Diode)(210)는 자외선 광을 발생시켜 미러(220)를 향해 조사한다. 여기서, 고출력 UV LED(210)는, 약 500mA의 전류를 공급했을 때, 광출력이 약 560mW에 이르는 것이 바람직하다.
미러(220)는, 고출력 UV LED(210)에서 조사된 광을 렌즈(230) 방향으로 반사한다. 도 5에는 개략적으로 도시했으나, 미러(220)는, DMD(Digital Micromirror Device)칩, 즉, 미세구동거울을 집적한 반도체 광 스위칭 칩일 수 있다.
렌즈(230)는, 미러로부터 반사된 광을 수지 저장부(100)의 상부, 즉, 광경화 수지(101) 표면을 향해 투영한다.
프로젝터 하우징(240)은, 고출력 UV LED(210), 미러(220) 및 렌즈(230)를 내부에 수용하고, 디엘피 프로젝터부(200)가 수지 저장부(100)의 상부에 고정 배치될 수 있도록 소정의 결합 구조를 제공할 수 있다. 이때, 프로텍터 하우징(240)은, 수지 저장부(100)의 상부에 설치되되, 렌즈(230)의 조사범위(231)가 수지 저장부(100)의 상부 전체를 커버할 수 있는 높이에 설치될 수 있다.
도 6은 도 1 및 도 2에 도시된 레이저 스캐너부(400)의 일례인 폴리곤 미러 스캐너(410)를 도시한 도면으로, 본 발명의 폴리곤 미러 스캐너(410)는, 레이저 다이오드(411)와, 레이저 다이오드(411)에서 조사되는 레이저 광을 광축에 대해 평행광 또는 수렴광으로 만들어 주는 콜리메이팅 렌즈(412)와, 콜리메이팅 렌즈(412)를 통과한 레이저 광을 수평방향의 선형으로 결상시키는 실린더 렌즈(413)와, 폴리곤 미러(414)를 등속도로 회전시키는 폴리곤 미러 구동용 모터(415)와, 광축에 대해 일정한 굴절율을 가지며 폴리곤 미러(414)에서 반사된 등속도의 광을 주 스캐닝방향으로 편광시키고 수차를 보정하여 스캐닝면상에 초점을 맞추는 에프세타(f-θ) 렌즈(416)와, 에프세타 렌즈(416)를 통과한 레이저광을 소정의 방향으로 반사시켜 결상면인 광경화 수지의 표면에 점상으로 결상시키는 결상용 반사 미러(417)와, 레이저광을 수광하여 수평동기를 맞추어 주기 위한 동기검출 센서(419)와, 동기검출용 광센서측으로 레이저 광을 반사시켜주는 동기신호 검출용 반사 미러(418)를 구비한다. 이러한 부품들은 통상적으로 하나의 프레임 위에 조립되어 폴리곤 미러 스캐너(410)를 구성한다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 폴리곤 미러 스캐너(410)의 동작을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 스캐닝하고자 하는 3차원 조형물의 축방향 단면의 쉘에 대응하는 신호는 제어부(700)에 의해 레이저 다이오드(411)로 인가되며, 레이저 다이오드(411)는 제어부(700)의 신호에 따라 온/오프된다. 또한, 레이저 다이오드(411)에서 방출된 레이저 광은 콜리메이팅 렌즈(412) 및 실린더 렌즈(413)를 통과하여 소정의 빔(A)으로 정형화되고, 이 정형화된 레이저 광은 폴리곤 미러(414)에 의해 폴리곤 미러의 회전 평면과 평행한 광 조사 방향으로 스캔된다. 이 스캔광은 물론 에프세타 렌즈(416)에 의해 확산되어 결상용 반사 미러(417)에 반사된 후 광경화 수지의 표면 상에 규정된 크기로 결상된다. 이렇게 y축 방향으로 제1 라인의 광 조사 스캔이 완료되면 스캐너 이송부(500)는, 제어부(700)의 제어에 의하여 소정의 속도로 폴리곤 미러 스캐너(410)의 해상도에 대응하는 거리만큼 x축 방향으로 이동시킨다. 다음에, 폴리곤 미러 스캐너(410)는, 상술한 제1 라인에 대한 광 조사 스캔 과정과 유사한 방식으로 제1 라인의 다음 라인인 제2 라인에 대한 광 조사 스캔을 수행하게 된다. 상술한 과정은 3차원 조형물의 출력이 완료될 때까지 반복된다.
또한, 폴리곤 미러(414) 및 폴리곤 미러 구동용 모터(415)는, 레이저 광을 편향시키기 위한 것으로, 폴리곤 미러(414) 및 폴리곤 미러 구동용 모터(415) 대신에 도 7에 도시된 바와 같은 갈바노 미러(424) 및 갈바노 미러 구동용 모터(425)를 사용하는 갈바노 미러 스캐너를 사용하거나, 앞서 언급한 DMD칩(도시되지 않음)을 사용하는 MEMS 미러 스캐너를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 8은 본 발명에 따른 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치의 동작을 설명하는 도면으로, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치의 동작에 관하여 설명하면 하기와 같다.
먼저, 제어부(700)는, 경화된 조형물 단면 코어 및 쉘 상에 약 5㎛의 높이를 갖는 광경화 수지(101)가 채워지도록 조형 스테이지부(300)를 하강시킨다.
다음에, 제어부(700)는, 이미지 처리부(600)로부터 코어 부분에 관한 데이터를 입력받아 디엘피 프로젝터부(200)로 출력한다. 디엘피 프로젝터부(200)는, 제어부(700)의 제어에 의하여 수지 저장부(100)로 조형물의 축방향 단면의 코어에 대응되는 광을 투영한다(1단계인 고속 광경화 과정).
이후에, 제어부(700)는 쉘에 관한 데이터를 이용하여 레이저 스캐너부(400)를 제어함으로써, 수지 저장부(100)로 3차원 조형물의 축방향 단면의 쉘에 대응되는 레이저를 스캐닝하도록 한다(2단계인 정밀 광경화 과정). 제어부(700)는 쉘 부분 데이터에 기반하여 광을 조사할 y축 좌표값을 추출한 후, 추출된 값을 레이저 스캐너부(400)로 전달하여, 레이저 스캐너부(400)에 의해 y축 라인 단위로 레이저 스캐닝 작업이 수행될 수 있도록 한다. 즉, 제어부(700)는, 레이저 스캐너부(400)에 의해 하나의 라인에 대한 스캐닝을 수행하고, 스캐닝이 완료되면, 스캐너 이송부(500)를 제어하여 레이저 스캐너부(400)를 x축 방향으로 소정의 거리, 예를 들면, 하나의 라인의 두께에 해당하는 거리만큼 이동시키며, 다시 레이저 스캐너부(400)에 의해 다음 라인에 대한 스캐닝이 수행될 수 있도록 제어하는 식으로 정밀 스캐닝 작업을 진행시키게 된다.
3차원 조형물의 축방향 단면 중 하나의 단면에 대한 광경화 동작이 완료되면, 제어부(700)는, 다시 경화된 조형물 단면 코어 및 쉘 상에 약 5㎛의 높이를 갖는 광경화 수지(101)가 채워지도록 조형 스테이지부(300)를 하강시키고, 3차원 조형물이 모두 완성될 때까지 상술한 과정을 반복할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이 종래의 3차원 프린터는, 대형 3차원 조형물을 출력하기 위하여 다수의 DLP 또는 xy 레이저 스캐닝 엔진을 사용하므로 각각의 투사 이미지의 기울기, 위치 및 크기 보정을 수행하기 위한 고 난이도의 보정 알고리즘을 구비해야 한다.
그러나, 상술한 본 발명의 장치에 의하면, 보정 알고리즘 없이도 하나의 DLP 프로젝터와 1축 레이저 스캐너를 이용하여 대형 3차원 조형물을 빠르고 정밀하게 출력할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 광경화 수지가 저장된 수지 저장부;
    상기 수지 저장부의 상부에 배치되어, 상기 수지 저장부로 조형물의 축방향 단면의 코어에 대응되는 광을 투영하는 디엘피 프로젝터부;
    상기 수지 저장부의 바닥으로부터 수직 방향으로 승하강 가능하게 구비되어, 상부에 조형물이 조형되는 조형 스테이지부;
    상기 수지 저장부의 상부에 배치되어, 상기 수지 저장부로 조형물의 축방향 단면의 쉘에 대응되는 광을 스캐닝하는 레이저 스캐너부;
    상기 레이저 스캐너부가 x축 방향으로 이동되도록 상기 레이저 스캐너부를 지지 및 이송하는 스캐너 이송부;
    조형물에 대한 한 개의 단면 이미지를 코어 부분과 쉘 부분으로 분할하는 이미지 처리부; 및
    상기 코어 부분을 입력받아 상기 디엘피 프로젝터부로 출력하고, 상기 쉘 부분을 입력받으며, 입력된 상기 쉘 부분에 기반하여 상기 레이저 스캐너부 및 상기 스캐너 이송부를 제어하고, 조형물의 데이터에 기반하여 상기 조형스테이지부를 승하강시키는 제어부를 포함하는 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 스캐너부는, 갈바노 미러 스캐너인 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 스캐너부는, 폴리곤 미러 스캐너인 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 스캐너부는, MEMS 미러 스캐너인 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 디엘피 프로젝터부는,
    광을 조사하는 고출력 UV LED;
    상기 고출력 UV LED에서 조사된 광을 반사하는 미러;
    상기 미러로부터 반사된 광을 상기 수지 저장부의 상부를 향해 투영하는 렌즈; 및
    상기 고출력 UV LED, 상기 미러 및 상기 렌즈를 수용하는 프로젝터 하우징을 포함하는 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 이미지 처리부는,
    상기 코어 부분의 외곽선을 따라서 미리 정해진 두께 만큼 상기 쉘 부분과 중첩되는 영역을 포함하도록 상기 코어 부분의 크기를 조정하는 디엘피 프로젝터 및 레이저 스캐너를 병용하는 3차원 프린팅 장치.
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