WO2022234916A1 - 재료물성 조절이 가능한 광조형 3d 프린팅 방법 - Google Patents

재료물성 조절이 가능한 광조형 3d 프린팅 방법 Download PDF

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stereolithography
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박근
김태영
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서울과학기술대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a stereolithography 3D printing method capable of controlling material properties. More specifically, it relates to a 3D printer of a light irradiation DLP (Digital Light Processing) method and a stereolithography 3D printing method in which material properties can be adjusted for producing an inclined functional material using a single material (photocurable resin).
  • a stereolithography 3D printing method capable of controlling material properties. More specifically, it relates to a 3D printer of a light irradiation DLP (Digital Light Processing) method and a stereolithography 3D printing method in which material properties can be adjusted for producing an inclined functional material using a single material (photocurable resin).
  • 3D printing technology for plastic materials includes material extrusion, vat photopolymerization, material jetting, and the like.
  • the gradient functional material refers to a material that realizes a characteristic that exceeds the function of an existing material by continuously changing the composition or physical properties of the material.
  • the stereolithography method is a 3D printing method that cures a desired cross-sectional shape by irradiating light of a specific wavelength to a liquid photopolymer stored in a water tank (Vat).
  • Vat water tank
  • DLP method in which a black-and-white image is projected and irradiated and cured.
  • 1 is a diagram showing the basic principle of a DLP stereolithography printer.
  • the DLP 3D printer using stereolithography is a method of laminating a three-dimensional object while curing a liquid photopolymer layer by layer. have.
  • the embodiment aims to produce a gradient function material using a 3D printer of the stereolithography DLP method and a single material.
  • the stereolithography 3D printing method of curing the photocurable resin using the light irradiation method by controlling the brightness of the output image for stereolithography printing to control the amount of light irradiated toward the photocurable resin It may be characterized in that the degree of curing of the photocurable resin is controlled.
  • the brightness of the output image for stereolithography printing may be adjusted using a white image and a gray image.
  • the light may be irradiated such that the brightness is discontinuously changed in an in-plane direction or a thickness direction toward the photocurable resin.
  • the light may be irradiated such that the brightness is continuously changed in an in-plane direction or a thickness direction toward the photocurable resin.
  • the photocurable resin is divided into a hard region to be irradiated with light of 100% brightness and a soft region to lower the degree of curing, and the hard region and the soft region are connected through a transition region. .
  • the brightness of the transition region changes continuously or discontinuously, and the brightness of the irradiated light increases from the soft region to the hard region.
  • the material manufactured through selective brightness control is subjected to a post-curing process using ultraviolet rays, and the soft region may be characterized in that ultraviolet rays irradiated using a mask are blocked.
  • the hardness of the photocurable resin may be calculated through Equation 1 below.
  • HD hardness of photo-curable resin
  • HD * hardness of photo-curable resin when critical brightness is applied
  • m proportionality constant
  • I brightness of irradiated light
  • I * critical brightness
  • n exponent
  • the critical brightness may be calculated through Equation 2 below.
  • ⁇ z is the set layer thickness
  • C d is the curing depth from the resin surface when UV is irradiated to the photocurable polymer material
  • D p is the depth at which the irradiated energy is 1/e times
  • E ⁇ is the irradiation per unit area The amount of light used, E c means the critical amount of light per unit area for photocuring
  • the photocurable resin is divided into a hard region to be irradiated with light having a brightness of 100% and a soft region to lower the degree of curing, and the soft region may be characterized in that it has a region of varying thickness.
  • FIG. 1 is a diagram showing the basic principle of a DLP stereolithography printer
  • 2 is an embodiment of an output image in which the degree of curing is adjusted by adjusting the brightness of the photocurable resin
  • 3 is a view showing the change in surface hardness according to the change in brightness in the modeling cross section
  • FIG. 4 is a view showing the structure of a sample for confirming the effect of the brightness on the bending stiffness
  • Figure 5 is a view showing the bending test results of the sample of Figure 4,
  • FIG. 6 is a view showing a sample with three-dimensional brightness control for selective physical property control
  • FIG. 7 is a view showing the distribution of surface hardness of the sample of FIG. 6,
  • FIG. 8 is a graph showing the change in surface hardness according to the change in brightness of FIG. 3 (b),
  • FIG. 10 is a diagram showing the distribution of surface hardness when the post-curing of the sample of FIG. 7 is performed;
  • FIG. 11 is a view showing an embodiment of the soft region in FIG. 6 .
  • the singular form may also include the plural form unless otherwise specified in the phrase, and when it is described as “at least one (or more than one) of A and (and) B, C”, it is combined with A, B, and C It may include one or more of all possible combinations.
  • a component when it is described that a component is 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, the component is not only directly connected, coupled or connected to the other component, but also with the component It may also include the case of 'connected', 'coupled' or 'connected' due to another element between the other elements.
  • the top (above) or bottom (below) is one as well as when two components are in direct contact with each other. Also includes a case in which another component as described above is formed or disposed between two components.
  • the meaning of not only the upward direction but also the downward direction based on one component may be included.
  • the stereolithography 3D printing method capable of controlling material properties controls the degree of curing of the photocurable resin by controlling the amount of light irradiated toward the photocurable resin by adjusting the brightness of the output image for DLP printing. do.
  • the brightness of the output image irradiated toward the photocurable resin can be adjusted using a white image and a gray image.
  • 1 is a diagram showing the basic principle of a DLP stereolithography printer.
  • the light irradiated from the light source 10 passes through only the white portion of the output image 20 , and is irradiated to the photocurable resin 40 contained in the water tank 30 to harden the corresponding area.
  • the molding plate 50 is connected to the printing object 70 through the support structure 60 , and as the molding plate 50 rises, curing proceeds in the photocurable resin 40 to produce the printing object 70 .
  • FIG. 2 is an example of an output image whose degree of curing is adjusted by adjusting the brightness of the output image of a photocurable resin.
  • FIG. 2A is a diagram illustrating discontinuous changes in brightness in the thickness direction
  • FIG. 2B is a diagram illustrating a process of brightness conversion for stereolithography 3D printing.
  • stereolithography DLP printing is a method of producing a three-dimensional shape by sequentially contrasting cross-sectional images composed of white on the cross-section to be produced and black on the periphery.
  • a white image with 100% brightness is It corresponds to the printing area.
  • the output image shown in FIG. 2 is for outputting a rectangular plate with different brightness, and the brightness is sequentially changed from 100% white to 50% gray.
  • An output image may be realized by combining a plurality of layers of an image having a brightness of 100% and a plurality of layers of an image having a brightness of 60% composed of gray scale.
  • This manufacturing method can be implemented in software in the 3D printing pre-processing process, and can be manufactured in a form of lowering the brightness of the layer for which the degree of curing is to be lowered.
  • the brightness of the light toward the photocurable resin may be set to change continuously or discontinuously in the in-plane direction or the thickness direction.
  • the image is sliced by thickness and the gradation direction is set. Thereafter, 3D modeling may be performed to select a gradation area and change the brightness to secure the ductility of the desired product.
  • FIG. 3 is a view showing a change in surface hardness according to a change in brightness in a modeling cross section.
  • 3A to 3D are images of changes in brightness in a cross-section of a model
  • FIG. 3E is a table showing changes in surface hardness according to changes in brightness.
  • FIGS. 3A to 3D specimens were manufactured by changing the brightness of the output image for five different areas in order to confirm the change in hardness according to the brightness.
  • Fig. 3a shows a black and white cross-sectional image for stereolithography printing
  • Fig. 3b shows a filter image for grayscale brightness change
  • Fig. 3c is a grayscale image obtained by using the filter of Fig. 3b for the image of Fig. 3a.
  • FIG. 3D is a side view of an output obtained by stereolithography printing using the image of FIG. 3C.
  • the desired output can be obtained by sequentially applying FIGS. 3A to 3D, and even when the black-and-white cross-sectional image changes by height, the brightness change can be applied using the same filtering algorithm.
  • Figure 3e shows the hardness of each region for a specimen that has not been subjected to a separate post-curing after printing and a specimen subjected to a 30-second post-curing.
  • the specimen without post-curing has a hardness of 54.6 ⁇ 0.63 in the 100% area and 35.9 ⁇ 0.60 in the 60% area. As shown in (b) of Figure 3, it can be confirmed that this deviation is reduced when performing 30 seconds post-curing, and it can be confirmed that the post-curing process is unnecessary in order to maximize the effect of the brightness change on the surface hardness. .
  • FIG. 4 is a view showing the structure of a sample for confirming the effect of the brightness on the bending stiffness.
  • the sample shown in FIG. 4 is a sample whose brightness is adjusted for each thickness.
  • Figure 4 (a) is a sample (Sample 1-1) produced with 100% brightness white light
  • Figure 4 (b) is a sample (Sample 1-2) produced to be divided into 100% and 60% brightness
  • (c) of FIG. 4 is a sample (Sample 1-3) prepared to be divided into 5 stages of 100% to 60% of brightness
  • (d) of FIG. 4 shows that the brightness is continuously from 100% to 60% of brightness. Samples made to change (Samples 1-4).
  • FIG. 5 is a view showing a bending test result of the sample of FIG. 4 .
  • Fig. 5 (a) shows a load-displacement curve for each sample of Fig. 4, and Fig. 5 (b) shows a flexural modulus in a bending test for each sample of Fig. 4 .
  • Sample 1-2 shows the lowest flexural modulus (115.0 MPa). This value corresponds to 34.3% of the flexural modulus of 335.2 MPa of Sample 1-1.
  • the discontinuous gradient (Sample 1-2, Sample 1-3) has greater ductility than the continuous gradient (Sample 1-4). This reduction in the flexural modulus means that a material having a hard and ductile material is formed.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a sample whose brightness has been adjusted three-dimensionally for selective physical property control.
  • the sample includes a hard region 100 on which an image of 100% brightness is to be projected, a soft region 200 where you want to lower the degree of hardening by lowering the brightness, and a transition region 300 connecting the hard region 100 and the soft region 200 . ) can be distinguished.
  • the hard region 100 is set to 30 mm
  • the soft region 200 is set to 10 mm
  • the transition region 300 is set to 10 mm.
  • sample 2-1 shows a modeling image formed of a hard region 100 on which an image of 100% brightness is projected
  • sample 2-2 is a transition region 300 It shows a modeling image divided into a hard region 100 and a soft region 200 without the
  • Samples 2-4 in (d) of FIG. 6 show images in which the brightness of the transition region 300 is continuously changed.
  • the transition region 300 may be used for the purpose of continuously changing the degree of hardening by gradually increasing the brightness from the soft region 200 to the hard region 100 .
  • FIG. 7 is a diagram showing the distribution of surface hardness of the sample of FIG. 6 .
  • Sample 2-1 shows a hardness distribution between 61D and 65D, but it is confirmed that Samples 2-2 to 2-4 have a lower hardness from soft region to 45D.
  • ductility can be secured with a low surface hardness in the soft region 200 using gray light with low brightness, and the sample using the transition region connecting the hard region 100 and the soft region 200 is used. It can be confirmed that it can prevent abrupt fracture of the metal and secure stable ductility in the transition region.
  • the surface hardness can be changed through the brightness of the light irradiated toward the photocurable resin, and through this, the ductility of the manufactured object can be secured.
  • the hardness of the photocurable resin may be calculated through Equation 1 below.
  • HD hardness of photo-curable resin
  • HD * hardness of photo-curable resin when critical brightness is applied
  • m proportionality constant
  • I brightness of irradiated light
  • I * critical brightness
  • n exponent
  • Equation 1 the hardness of the photocurable resin is changed based on the brightness of the irradiated light.
  • the critical brightness means the minimum brightness value for stable printing, and this brightness value may vary depending on the material used.
  • Equation 1 the proportionality constant m and the index n shown in Equation 1 may be changed depending on the material used and the printing conditions.
  • FIG. 8 is a graph showing a change in surface hardness according to a change in brightness of FIG. 3B.
  • FIG. 8 shows the relationship of changes in surface hardness (HD-HD * ) according to changes in brightness (II * ) in which urethane-based photocurable resins are used.
  • HD 60 hardness of 60% brightness printing specimen
  • proportional constant m is 2.1085
  • index n is 0.9693
  • the material according to this embodiment has a minimum brightness (critical brightness) for acceptable printing of 60% to be.
  • the required hardness can be calculated according to this formula, and through this, the ductility can be secured by changing the surface hardness of the material.
  • ⁇ z is the set layer thickness
  • C d is the curing depth from the resin surface when UV is irradiated to the photocurable polymer material
  • D p is the depth at which the irradiated energy is 1/e times
  • E ⁇ is the irradiated per unit area
  • the amount of light, E c means the critical amount of light per unit area for photocuring.
  • Equation 2 D p and E c are the properties inherent to the material, and E ⁇ is calculated in proportion to the brightness of the output image.
  • the critical brightness is calculated based on the condition that the curing depth is at least twice the layer thickness.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram of post-curing in an embodiment of the present invention
  • FIG. 10 is a diagram showing the distribution of surface hardness of the sample of FIG. 7 during post-curing.
  • a material property control specimen manufactured through selective brightness control may additionally control the degree of curing of the hard region 100 through post-curing.
  • the post-curing may control the degree of curing by irradiating UV, and in this case, the soft region 200 may block UV rays by arranging a mask 400 .
  • the hardness of the mask 400-treated area is slightly increased, and it can be seen that the hardness of the post-cured area is greatly increased.
  • the hardness of the hard region 100 is further increased and the ductility of the soft region 200 is secured, so that it is possible to implement a freely bending characteristic while having rigidity.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an embodiment of the soft region 200 in FIG. 6 .
  • Figure 11 (a) is a view seen from the top
  • Figure 11 (b) is a view seen from the side.
  • an output image may be provided so that the soft regions 200 are positioned between the hard regions 100 .
  • the soft region 200 may include a region in which the thickness changes.
  • the soft region 200 may be subjected to 3D printing so that a notch is formed by providing an inclined surface in the height direction.
  • a notch is formed by providing an inclined surface in the height direction.
  • Such an embodiment can be used for foldable display products that can be folded while maintaining high surface hardness.
  • the present invention can be implemented using a 3D printer in a single process using a single material instead of bonding a plurality of materials to selectively implement hard and soft properties, and change the required surface hardness and ductility of materials There is an advantage that can be selectively implemented by changing the brightness without the need.

Abstract

본 발명은 광조사 방식을 이용하여 광경화성 수지를 경화시키는 광조형 3D 프린팅 방법에 있어서, 광조형 프린팅용 출력 영상의 명도를 조절하여 상기 광경화성 수지를 향해 조사되는 광량을 제어함으로써 상기 광경화성 수지의 경화도를 제어하는 것을 특징으로 하는 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법을 제공한다.

Description

재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법
본 발명은 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 광조사 DLP(Digital Light Processing) 방식의 3D 프린터와 단일소재(광경화성 수지)를 사용하여 경사기능 재료를 제작하기 위한 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.
일반적으로 플라스틱 소재의 3D프린팅 기술은 재료압출(Material extrusion), 광조형(Vat photopolymerization), 재료분사(Material jetting) 방식 등이 존재한다.
3D 프린터로 구현하고자 하는 물체의 범위가 확대됨에 따라 경사 기능 재료(Functionally graded material)를 3D 프린터를 이용하여 구현하려는 시도가 증대되고 있다.
경사 기능 재료란, 재료의 조성 혹은 물성을 연속적으로 변화시켜 기존재료의 기능을 뛰어넘는 특성을 구현하는 재료를 의미한다.
이러한 경사 기능 재료의 제조를 위해서는 다중재료(예, 경질 플라스틱과 연질 합성고무) 혼합이 가능한 재료분사 방식이 가장 널리 사용되나 장비와 소재가 상대적으로 고가이다.
재료 압출 방식의 경우 다수개의 압출부를 사용한 복합재 출력은 가능하나 연속적인 물성 변화는 어려워 경사기능의 구현이 불가능한 문제가 있다.
광조형 방식은 수조(Vat)에 저장된 액상의 광경화성 수지(Photopolymer)에 특정 파장의 광을 조사하여 원하는 단면 형상을 경화시키는 3D프린팅 방식으로, 레이저를 선택적으로 조사하여 경화시키는 SLA 방식과 단면의 흑백영상을 투영 조사하여 경화시키는 DLP 방식이 있다.
도 1은 DLP 광조형 프린터의 기본원리를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 광조형을 이용하는 DLP 3D프린터는 액상의 광경화성 수지(Photopolymer)를 한 층씩 경화시키면서 3차원 입체물을 적층하는 방식으로, 층별 단면 형상에 대한 흑백영상에 투영하는 방식을 활용하고 있다.
이러한, 광조형 방식의 경우는 단일재료를 사용하는 한계로 인해 경사 기능 재료의 제작이 어려우며, 다수개의 수조 사용을 통해 이종 소재 프린팅은 가능하나 역시 연속적인 물성 변화는 어려워 경사기능의 구현이 어려운 문제점이 존재한다.
실시예는 광조형 DLP 방식의 3D 프린터와 단일소재를 이용하여 경사기능 재료를 제작하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는, 광조사 방식을 이용하여 광경화성 수지를 경화시키는 광조형 3D 프린팅 방법에 있어서, 광조형 프린팅용 출력 영상의 명도를 조절하여 상기 광경화성 수지를 향해 조사되는 광량을 제어함으로써 상기 광경화성 수지의 경화도를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광조형 프린팅용 출력 영상의 명도는 백색 영상과 회색 영상을 사용하여 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광은 상기 광경화성 수지를 향해 면 내 방향 또는 두께 방향으로 명도가 불연속적으로 변화하도록 조사되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광은 상기 광경화성 수지를 향해 면 내 방향 또는 두께 방향으로 명도가 연속적으로 변화하도록 조사되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광경화성 수지는 명도 100%의 광을 조사할 경질영역과 경화도를 낮추고 싶은 연질영역으로 구분되며, 상기 경질영역과 상기 연질영역은 전이영역을 통해 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 전이영역은 명도가 연속적 또는 불연속적으로 변화하며, 상기 연질영역에서 상기 경질영역으로 갈수록 조사되는 광의 명도가 증가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 선택적 명도 조절을 통해 제작된 재료는 자외선을 이용한 후경화 과정을 거치며, 상기 연질 영역은 마스크를 이용하여 조사되는 자외선이 차단되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광경화성 수지의 경도는 하기 수학식 1을 통해 계산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2021018613-appb-img-000001
(여기서, HD : 광경화성 수지의 경도, HD* : 임계명도 적용시 광경화성 수지의 경도, m : 비례상수, I : 조사되는 광의 명도, I* : 임계명도, n : 지수)
바람직하게는, 상기 임계명도는 하기 수학식 2를 통해 계산되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2021018613-appb-img-000002
Figure PCTKR2021018613-appb-img-000003
(여기서, △z는 설정된 적층 두께, Cd는 광경화성 고분자 소재에 자외선이 조사되는 경우 수지 표면으로부터의 경화깊이, Dp는 조사된 에너지가 1/e배가 되는 깊이, Eσ는 단위 면적당 조사되는 광량, Ec는 광경화를 위한 단위면적당 임계광량을 의미함)
바람직하게는, 상기 광경화성 수지는 명도 100%의 광을 조사할 경질영역과 경화도를 낮추고 싶은 연질영역으로 구분되며, 상기 연질영역은 두께가 변화하는 영역을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 장비 가격 및 제조단가가 낮은 DLP 프린팅으로 단일 소재만을 사용하여 경사 기능재료를 구현하는 효과가 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 DLP 광조형 프린터의 기본원리를 나타내는 도면이고,
도 2는 광경화성 수지의 명도 조절을 통해 경화도가 조절된 출력 영상의 실시예이고,
도 3은 조형 단면에서 명도변화에 따른 표면 경도의 변화를 나타내는 도면이고,
도 4는 명도가 굽힘 강성에 영향을 미치는 효과를 확인하기 위한 시료의 구조를 나타내는 도면이고,
도 5는 도 4의 시료의 굽힘 시험 결과를 나타내는 도면이고,
도 6은 선택적 물성 조절을 위한 3차원적으로 명도 조절을 한 시료를 나타내는 도면이고,
도 7은 도 6의 시료의 표면 경도의 분포를 나타내는 도면이고,
도 8은 도 3의 (b)의 명도변화에 따른 표면 경도의 변화를 나타내는 그래프이고,
도 9는 본 발명의 실시예에서 후경화 개념도이고,
도 10은 도 7의 시료의 후경화 실시시 표면경도의 분포를 나타내는 도면이고,
도 11은 도 6에서 연질영역의 실시예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 11은, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.
본 발명의 실시예에 따른 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법은 DLP 프린팅용 출력 영상의 명도를 조절하여 광경화성 수지를 향해 조사되는 광량을 제어하여 광경화성 수지의 경화도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 광경화성 수지를 향해 조사되는 출력 영상의 명도는 백색 영상과 회색 영상을 사용하여 조절될 수 있다.
도 1은 DLP 광조형 프린터의 기본원리를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 광원(10)으로부터 조사된 광이 출력 영상(20)의 백색 부분만을 통과하여 수조(30) 내부에 담긴 광경화성 수지(40)에 조사되어 해당 영역을 경화시키는 방식이다. 조형판(50)은 지지구조(60)를 통해 프린팅 물체(70)와 연결되며, 조형판(50)이 상승하면서 광경화성 수지(40)에서는 경화가 진행되어 프린팅 물체(70)가 제작된다.
도 2는 광경화성 수지의 출력 영상의 명도 조절을 통해 경화도가 조절된 출력 영상의 실시예이다. 도 2a는 두께 방향의 불연속적 명도 변화를 나타내는 도면이고, 도 2b는 광조형 3D 프린팅을 위한 명도 변환의 과정을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 광조형 DLP 방식 프린팅은 제작하고자 하는 단면에 백색, 주변부는 흑색으로 구성된 단면 영상을 순차적으로 조영하여 3차원 형상을 제작하는 방식으로, 종래 기술에서는 명도 100%의 백색 영상이 프린팅 영역에 해당한다.
도 2에 나타나는 출력 영상은 직사각형 형태의 판재를 명도를 달리하여 출력하기 위한 것으로 명도는 100%의 백색부터 명도 50%의 회색으로 순차적으로 변화시켜 제작하였다.
도 2a에 나타나는 것과 같이 두께 방향의 불연속적인 명도 변화를 위해 복수의 층을 구분하여 명도를 변화시키는 구성을 개시하고 있다. 명도 100%의 영상의 복수의 층과 그레이 스케일로 구성되는 명도 60%의 영상의 복수의 층을 결합하여 출력영상을 구현할 수 있다.
이러한 제작방법은 3D 프린팅 전처리 과정에서 소프트웨어적으로 구현이 가능하며, 경화도를 낮추고 싶은 층의 명도를 낮추는 형태로 제작될 수 있다.
이처럼 명도를 변화하여 제작되는 제품의 연성을 확보하기 위해서 광경화성 수지를 향하는 광의 명도가 면 내 방향 또는 두께 방향으로 연속적 또는 불연속적으로 변화하도록 설정될 수 있다.
도 2b에 나타나는 것과 같이 광조형 3D 프린팅을 위해 층별 흑백 영상의 명도를 변화하기 위해서는, 이미지를 두께별로 슬라이스 하고, 그라데이션 방향을 설정하게 된다. 이후, 그라데이션 지역을 선정하고, 명도의 변화를 주어 원하는 제품의 연성을 확보하도록 3D 모델링을 진행할 수 있다.
도 3은 조형 단면에서 명도변화에 따른 표면 경도의 변화를 나타내는 도면이다. 도 3a 내지 도 3d는 조형 단면 내 명도 변화 영상이며, 도 3e는 명도 변화에 따른 표면 경도 변화를 나타내는 표이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 명도에 따른 경도 변화를 확인하기 위해 서로 다른 5개의 영역에 대해 출력 영상의 명도를 변화시켜 시편을 제작하였다. 도 3a는 광조형 프린팅을 위한 흑백의 단면 영상을 나타내고, 도 3b는 그레이스케일 명도 변화를 위한 필터 영상을 나타내고, 도 3c는 도 3a 영상을 도 3b의 필터를 사용하여 얻게되는 그레이스케일의 영상이고, 도 3d는 도 3c의 영상을 이용하여 광조형 프린팅을 수행한 출력물의 측면도이다.
광조형 프린팅을 수행시 도 3a 내지 도 3d를 순차적으로 적용하여 원하는 출력물을 얻을 수 있으며, 흑백단면 영상이 높이 별로 변화하는 경우에도 동일한 필터링 알고리즘을 이용하여 명도변화를 적용할 수 있다.
도 3e는 프린팅 후 별도의 후경화를 실시하지 않은 시편과 30초 후경화를 실시한 시편에 대한 각 영역의 경도를 나타낸다.
후경화를 실시하지 않은 시편의 경우 명도 100%의 영역의 경우 54.6±0.63, 60% 영역의 경우 35.9±0.60의 경도를 가짐을 확인할 수 있다. 도 3의 (b)에 나타나는 것과 같이 이러한 편차가 30초 후경화를 수행시에는 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 표면 경도에 대한 명도 변화의 효과를 최대화하기 위해서는 후경화 공정이 불필요함을 확인할 수 있다.
도 4는 명도가 굽힘 강성에 영향을 미치는 효과를 확인하기 위한 시료의 구조를 나타내는 도면이다. 도 4에 나타나는 시료는 두께별 명도를 조절한 시료이다.
도 4의 (a)는 명도 100%의 백색광으로 제작된 시료(시료 1-1)이며, 도 4의 (b)는 명도 100%와 60%로 구획되도록 제작된 시료(시료 1-2)이며, 도 4의 (c)는 명도 100% 내지 60%의 5단계로 구획되도록 제작된 시료(시료 1-3)이며, 도 4의 (d)는 명도 100%에서 명도 60%까지 연속적으로 명도가 변화하도록 제작된 시료(시료 1-4)이다.
도 5는 도 4의 시료의 굽힘 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 5의 (a)는 도 4의 각시료에 대한 하중-변위 곡선을 나타내며, 도 5의 (b)는 도 4의 각 시료에 대한 굽힘 시험에서의 굴곡탄성계수(flexural modulus)를 나타낸다.
도 5의 (a)를 참조하면, 동일한 변위를 발생시키기 위한 하중이 명도의 단계가 세분화될수록 낮아지는 경향을 확인할 수 있다. 이는 시료를 제작하는 명도의 단계가 세분화될수록 경화가 덜 되어 연성이 높음을 나타낸다. 따라서, 시료 1-1에서 시료 1-4로 갈수록 변위에 대한 하중이 감소되는 경향을 나타내고 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, 시료 1-2가 가장 낮은 굴곡탄성계수(115.0 MPa)를 나타낸다. 이 값은 시료 1-1의 굴곡탄성계수 335.2 MPa의 34.3%에 해당된다.
반면, 시료 1-3의 굴곡탄성계수는 168.5 MPa, 시료 1-4의 굴곡탄성계수는 186.1 MPa로 각각은 시료 1-1의 50.3%와 55.5%에 해당된다.
이는 불연속 그라데이션(시료 1-2, 시료 1-3)이 연속 그라데이션(시료 1-4)에 비해 더 큰 연성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 굴곡탄성계수의 감소는 단단하면서 연성을 가지는 물질이 형성되는 것을 의미한다.
도 6은 선택적 물성 조절을 위한 3차원적으로 명도 조절을 한 시료를 나타내는 도면이다.
도 6에서 시료는 명도 100%의 영상을 투영할 경질 영역(100)과 명도를 낮춰 경화도를 낮추고 싶은 연질 영역(200), 경질 영역(100)과 연질 영역(200)을 연결하는 전이 영역(300)으로 구분될 수 있다.
도 6에서 경질 영역(100)은 30mm, 연질 영역(200)은 10mm, 전이 영역(300)은 10mm로 설정되었다.
도 6의 (a)에서 시료 2-1는 명도 100%의 영상을 투영할 경질 영역(100)으로 형성되는 조형 영상을 나타내며, 도 6의 (b)에서 시료 2-2는 전이 영역(300)없이 경질 영역(100)과 연질 영역(200)으로 구분되는 조형 영상을 나타내며, 도 6의 (c)에서 시료 2-3은 전이 영역(300)의 명도가 5 단계로 불연속적으로 변하는 영상을 나타내며, 도 6의 (d)에서 시료 2-4는 전이영역(300)의 명도가 연속적으로 변하는 영상을 나타낸다.
이때, 전이 영역(300)은 연질 영역(200)에서 경질 영역(100)으로 갈수록 명도가 단계적으로 증가하도록 하여 경화도를 연속적으로 변화시키기 위한 목적으로 사용될 수 있다.
도 7은 도 6의 시료의 표면 경도의 분포를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 시료 2-1은 61D와 65D 사이의 경도 분포를 나타내고 있으나, 시료 2-2 내지 시료 2-4는 연질영역에서 45D까지 경도가 낮아지는 것으로 확인되고 있다.
특히 2단계로 구분되는 시료 2-2의 경우 시료에서 급격한 경도변화를 확인할 수 있으며, 시료 2-3 및 시료 2-4에서는 제2-2 시료와 연질 영역에서는 유사한 경도가 나타나고 있으나, 전이 영역에서 유연한 경도변화가 나타나고 있음을 확인할 수 있다.
이와 같이 명도가 낮은 회색광을 이용한 연질 영역(200)에서는 낮은 표면경도로 연성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있으며, 경질 영역(100)과 연질 영역(200)을 연결하는 전이 영역을 이용하여 시료의 급격한 파단을 방지하며, 전이 영역에서 안정적인 연성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
이와 같이 광경화성 수지를 향해 조사되는 광의 명도를 통해 표면경도를 변화할 수 있으며, 이를 통해 제작되는 물체의 연성을 확보할 수 있다.
이때, 광경화성 수지의 경도는 하기 수학식 1을 통해 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2021018613-appb-img-000004
(여기서, HD : 광경화성 수지의 경도, HD* : 임계명도 적용시 광경화성 수지의 경도, m : 비례상수, I : 조사되는 광의 명도, I* : 임계명도, n : 지수)
상기 수학식 1에서 광경화성 수지의 경도는 조사되는 광의 명도에 기반하여 변화하게 된다.
수학식 1에서 임계명도를 안정적인 프린팅을 위한 최소 명도치를 의미하며, 이러한 명도치는 사용되는 재료에 따라 달라질 수 있다.
또한, 수학식 1에 나타나는 비례상수 m과 지수 n은 사용제료와 프린팅 조건에 따라 변화될 수 있다.
도 8은 도 3의 (b)의 명도변화에 따른 표면 경도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 우레탄 계열의 광경화성 수지가 사용되고 있으며, 명도변화(I-I*)에 따른 표면 경도의 변화(HD-HD*) 관계를 나타낸다.
이러한 도 3의 (b)와 도 8의 결과를 수학식 1로 표현하면,
Figure PCTKR2021018613-appb-img-000005
여기서 HD60(60% 명도 프린팅 시편의 경도)은 35.86, 비례상수 m은 2.1085, 지수n은 0.9693으로 계산되며, 본 실시예에 따른 재료는 인정적인 프린팅을 위한 최소 명도(임계명도)가 60%이다.
이러한 수식에 따라 필요한 경도를 산출할 수 있으며, 이를 통해 재료의 표면경도를 변화하여 연성을 확보할 수 있다.
또한, 이러한 명도 조절과정에서 명도를 너무 낮출 경우 경화깊이가 감소하여 설정된 적층두께 설정된 적층 두께의 충분한 경화가 어려워지는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 충분한 경화깊이를 설정하기 위한 임계명도의 계산이 필요하다.
이러한 임계명도는 하기 수학식 2를 통해 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2021018613-appb-img-000006
Figure PCTKR2021018613-appb-img-000007
여기서, △z는 설정된 적층 두께, Cd는 광경화성 고분자 소재에 자외선이 조사되는 경우 수지 표면으로부터의 경화깊이, Dp는 조사된 에너지가 1/e배가 되는 깊이, Eσ는 단위 면적당 조사되는 광량, Ec는 광경화를 위한 단위면적당 임계광량을 의미한다.
상기 수학식 2에서 Dp와 Ec는 재료고유의 물성이며, Eσ는 출력 영상의 명도에 비례하여 산정되는 바, 결국 경화 깊이가 적층두께의 2배 이상되는 조건을 기준으로 임계 명도가 계산될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에서 후경화 개념도이고, 도 10은 도 7의 시료의 후경화 실시시 표면경도의 분포를 나타내는 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 선택적 명도조절을 통해 제작된 재료물성 조절 시편은 후경화를 통해 경질 영역(100)의 경화도를 추가적으로 조절할 수 있다.
도 9에 나타나는 것과 같이, 후경화는 UV를 조사하여 경화도를 제어할 수 있으며, 이때 연질 영역(200)은 마스크(400, mask)를 배치하여 자외선을 차단할 수 있다.
도 7과 도 10을 비교하면, 경질 영역(100)에만 후경화를 실시하는 경우, 전체적으로 경도값이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이때, 마스크(400) 처리된 영역의 경도는 소폭 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 후경화 영역의 경도는 크게 증가되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 추가적인 후처리를 실시하는 경우, 경질 영역(100)의 경도는 더욱 높아지면서 연질 영역(200)의 연성이 확보되는 바, 강성을 가지면서 자유롭게 구부러지는 특성을 구현할 수 있다.
도 11은 도 6에서 연질 영역(200)의 실시예를 나타내는 도면이다. 도 11의 (a)는 상부에서 바라본 도면이고, 도 11의 (b)는 측면에서 바라본 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에서는 경질 영역(100) 사이에 연질 영역(200)이 위치하도록 출력영상을 구비할 수 있다. 이때, 연질 영역(200)은 두께가 변화하는 영역을 구비할 수 있다.
일실시예로, 연질 영역(200)은 높이 방향으로 경사면을 부여하여 노치가 형성되도록 3D 프린팅을 실시할 수 있다. 노치가 형성되는 연질 영역(200)은 재료 물성자체가 연질로 형성될 뿐만 아니라, 노치에 의한 두께의 변화로 변형이 변형이 용이한바 접힘 변형이 가능해진다.
이러한 실시예는 접힘 변형이 가능하면서도 높은 표면 경도를 유지해야하는 foldable display 제품 등에 활용될 수 있다.
본 발명은 경질 특성과 연질 특성을 선택적으로 구현하기 위해 복수의 재료를 접합하여 제작하는 대신 단일 재료를 사용하여 일회의 공정으로 3D 프린터를 이용하여 구현할 수 있으며, 필요한 표면경도 및 연성을 재료의 변경없이 명도 변화를 통해 선택적으로 구현할 수 있는 장점이 존재한다.
이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
[부호의 설명] 100 : 경질 영역, 200 : 연질 영역, 300 : 전이 영역, 400 : 마스크

Claims (10)

  1. 광조사 방식을 이용하여 광경화성 수지를 경화시키는 광조형 3D 프린팅 방법에 있어서,
    광조형 프린팅용 출력 영상의 명도를 조절하여 상기 광경화성 수지를 향해 조사되는 광량을 제어함으로써 상기 광경화성 수지의 경화도를 제어하는 것을 특징으로 하는 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광조형 프린팅용 출력 영상의 명도는 백색 영상과 회색 영상을 사용하여 조절되는 것을 특징으로 하는 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 광은 상기 광경화성 수지를 향해 면 내 방향 또는 두께 방향으로 명도가 불연속적으로 변화하도록 조사되는 것을 특징으로 하는 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 광은 상기 광경화성 수지를 향해 면 내 방향 또는 두께 방향으로 명도가 연속적으로 변화하도록 조사되는 것을 특징으로 하는 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 광경화성 수지는 명도 100%의 광을 조사할 경질영역과 경화도를 낮추고 싶은 연질영역으로 구분되며,
    상기 경질영역과 상기 연질영역은 전이영역을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 전이영역은 명도가 연속적 또는 불연속적으로 변화하며,
    상기 연질영역에서 상기 경질영역으로 갈수록 조사되는 광의 명도가 증가하는 것을 특징으로 하는 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    선택적 명도 조절을 통해 제작된 재료는 자외선을 이용한 후경화 과정을 거치며,
    상기 연질 영역은 마스크를 이용하여 조사되는 자외선이 차단되는 것을 특징으로 하는 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 광경화성 수지의 경도는 하기 수학식 1을 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법.
    [수학식 1]
    Figure PCTKR2021018613-appb-img-000008
    (여기서, HD : 광경화성 수지의 경도, HD* : 임계명도 적용시 광경화성 수지의 경도, m : 비례상수, I : 조사되는 광의 명도, I* : 임계명도, n : 지수)
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 임계명도는 하기 수학식 2를 통해 계산되는 것을 특징으로 하는 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법.
    [수학식 2]
    Figure PCTKR2021018613-appb-img-000009
    Figure PCTKR2021018613-appb-img-000010
    (여기서, △z는 설정된 적층 두께, Cd는 광경화성 고분자 소재에 자외선이 조사되는 경우 수지 표면으로부터의 경화깊이, Dp는 조사된 에너지가 1/e배가 되는 깊이, Eσ는 단위 면적당 조사되는 광량, Ec는 광경화를 위한 단위면적당 임계광량을 의미함)
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 광경화성 수지는 명도 100%의 광을 조사할 경질영역과 경화도를 낮추고 싶은 연질영역으로 구분되며,
    상기 연질영역은 두께가 변화하는 영역을 구비하는 것을 특징으로 하는 재료물성 조절이 가능한 광조형 3D 프린팅 방법.
PCT/KR2021/018613 2021-05-07 2021-12-09 재료물성 조절이 가능한 광조형 3d 프린팅 방법 WO2022234916A1 (ko)

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