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KR102171813B1 - 3d 프린터의 광조사 장치 - Google Patents

3d 프린터의 광조사 장치 Download PDF

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KR102171813B1
KR102171813B1 KR1020180144849A KR20180144849A KR102171813B1 KR 102171813 B1 KR102171813 B1 KR 102171813B1 KR 1020180144849 A KR1020180144849 A KR 1020180144849A KR 20180144849 A KR20180144849 A KR 20180144849A KR 102171813 B1 KR102171813 B1 KR 102171813B1
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박종복
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Abstract

본 발명은 성형 재료에 레이저를 조사하여 성형할 수 있도록 된 3D 프린터의 레이저 조사장치에 관한 것으로서, 레이저 광원에서 출사되는 광을 평행광으로 변환시키는 메인 콜리메이팅 렌즈와, 메인 콜리메이팅 렌즈를 통해 출사되는 광의 메인 광출사경로에 입출되면서 광빔의 단면적 크기를 조정하는 빔사이즈 조정부와, 빔사이즈 조정부를 거쳐 진행되는 광을 설정된 목표 위치로 조사되게 스캔하는 빔스캔부를 구비하고, 빔사이즈 조정부는 메인 광출사경로 내에 진입된 상태에서 광을 확산시키며 음의 값의 제1초점거리를 갖는 확산렌즈와, 메인 광출사경로 내에 진입된 상태에서 확산렌즈를 통해 확산되는 광을 평행광으로 변환시키며 양의 값의 초점거리를 갖는 적어도 하나의 볼록렌즈와, 확산렌즈와 볼록렌즈를 입출되게 구동하는 입출 구동부를 구비하고, 메인 광출사경로상에서 확산렌즈와 볼록렌즈 사이의 이격거리는 볼록렌즈의 초점거리에서 제1초점거리를 합산한 값에 해당하는 거리를 갖도록 되어 있다.

Description

3D 프린터의 광조사 장치{optical beam irradiation apparatus of 3D printer}
본 발명은 3D 프린터의 광조사 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 광빔의 사이즈를 가변시켜 입체 성형할 수 있도록 지원하는 3D 프린터의 광조사 장치에 관한 것이다.
3D 프린터는 형성하고자 하는 입체 모양을 인쇄기법에 의해 성형할 수 있는 장치를 말한다.
최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 CAD 나 CAM을 이용하여 3차원 모델링 데이터를 생성하고, 생성한 데이터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린팅 방법이 등장하게 되었으며, 이러한 3D 프린터를 산업, 생활, 의학 등 매우 다양한 분야에서 활용하고 있다.
일반적인 3D 프린터의 기본적인 원리는 얇은 2D 레이어를 쌓아서 3D 물체를 만드는 것이다.
즉, 3D 프린터 방법에는 광경화성 수지에 레이저 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(StereoLithography Apparatus)와, SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하여 레이저 광선으로 주사하여 기능성 고분자 또는 금속분말을 고결시켜 성형하는 원리를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering), 열가소성 수지를 이용한 IM(Inkjet modeling), 석회가루를 이용한 3DP(3 Dimension Printing)등이 있다.
기존의 SLA 방식은 광경화성 수지를 이용하는 방법으로 미국특허 4,575,330호에 개시되어 있다.
한편, 광경화성 수지에 동일한 빔사이즈를 조사하면서 성형하는 경우 성형 속도는 빔사이즈에 영향을 받는다.
즉, 빔 사이즈가 작을 경우 성형 정밀도는 높일 수 있으나 성형속도가 낮아지고, 빔 사이즈가 클 경우 성형 정밀도는 떨어지나 성형속도는 향상시킬 수 있다.
따라서, 성형 정밀도와 성형 속도를 모두 높일 수 있는 광조사방식이 요구되고 있다.
한편, 광경로 상으로 렌즈를 입출시켜 광빔의 크기를 조정하는 경우 진입된 렌즈를 통과하여 생성되는 광이 평행광이 아닌 경우 광빔의 크기를 다양하게 조정하기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 높은 정밀도가 요구되는 성형 부분에서는 광빔의 사이즈를 축소시키고, 높은 정밀도가 요구되지 않은 성형 부분에서는 광빔의 사이즈를 확대시켜 성형할 수 있도록 평형빔의 상태를 유지하면서 평형빔의 단면 크기를 조정할 수 있도록 지원하는 3D 프린터의 광조사 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3D 프린터의 광조사 장치는 성형 재료에 레이저를 조사하여 성형할 수 있도록 된 3D 프린터의 레이저 조사장치에 있어서, 레이저 광을 출사하는 레이저 광원과; 상기 레이저 광원에서 출사되는 광을 평행광으로 변환시키는 메인 콜리메이팅 렌즈와; 상기 메인 콜리메이팅 렌즈를 통해 출사되는 광의 메인 광출사경로에 입출되면서 광빔의 단면적 크기를 조정하는 빔사이즈 조정부와; 상기 빔사이즈 조정부를 거쳐 진행되는 광을 설정된 목표 위치로 조사되게 스캔하는 빔스캔부;를 구비하고, 상기 빔사이즈 조정부는 상기 메인 콜리메이팅 렌즈를 통해 진행되는 광의 진행경로상의 상기 메인 광출사경로 내외로 입출되게 설치되며 상기 메인 광출사경로 내에 진입된 상태에서 상기 메인 콜리메이팅 렌즈를 통해 진행되는 광을 확산시키며 음의 값의 제1초점거리를 갖는 확산렌즈와; 상기 확산렌즈를 통해 진행되는 광의 진행경로상의 상기 메인 광출사경로 내외로 입출되게 설치되며 상기 메인 광출사경로 내에 진입된 상태에서 상기 확산렌즈를 통해 확산되는 광을 평행광으로 변환시키며 양의 값의 초점거리를 갖는 적어도 하나의 볼록렌즈와; 상기 확산렌즈와 상기 볼록렌즈의 상기 메인 광출사경로 내외로 입출되게 구동하는 입출 구동부;를 구비하고, 상기 메인 광출사경로상에서 상기 확산렌즈와 상기 볼록렌즈 사이의 이격거리는 상기 볼록렌즈의 초점거리에서 상기 제1초점거리를 합산한 값에 해당하는 거리를 갖도록 되어 있다.
바람직하게는 상기 빔사이즈 조정부는 상기 메인 콜리메이팅 렌즈를 통해 진행되는 광의 빔 직경을 2배로 확장시킬 수 있는 제1볼록렌즈와, 상기 메인 콜리메이팅 렌즈를 통해 진행되는 광의 빔 직경을 3배로 확장시킬 수 있는 제2볼록렌즈가 적용된다.
또한, 상기 입출구동부는 상기 확산렌즈와 상기 볼록렌즈 각각을 지지하여 지지링과, 상기 지지링으로부터 연장된 가동바를 갖는 홀더와; 상기 가동바의 종단과 결합되어 상기 지지링의 중심을 상기 메인 광출사경로 내외로 입출되게 회동시키는 구동모터와; 상기 구동모터의 회전축을 회전가능하게 지지하는 하우징에 상기 가동바가 상기 메인 광출사경로 내의 진입위치에 도달되면 과이동을 방지하게 상기 가동바를 간섭하는 제1과이동 방지스토퍼;와 상기 가동바가 상기 메인 광출사경로를 벗어난 대기위치에 도달되면 과이동을 방지하게 상기 가동바를 간섭하는 제2과이동 방지스토퍼;를 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 3D 프린터의 광조사 장치에 의하면, 평행광을 유지하면서 성형할 영역에 조사할 광빔의 사이즈를 조정하여 제공할 수 있어 성형할 영역에 대해 광빔의 사이즈를 변경하면서 성형 속도 및 정밀도를 조정할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터의 광조사 장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 빔사이즈 조정부를 개략적으로 나타내 보인 도면이고,
도 3은 도 2의 렌즈의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 광빔의 사이즈 변화과정을 설명하기 위해 도 2의 빔사이즈 조정부가 메인 광출사 경로를 벗어난 상태의 광빔을 나타내 보인 도면이고,
도 5는 광빔의 사이즈 변화과정을 설명하기 위해 도 2의 빔사이즈 조정부의 메인 광출사 경로에 확산렌즈와 제1볼록렌즈가 진입된 상태의 광빔의 변화를 나타내 보인 도면이고,
도 6은 광빔의 사이즈 변화과정을 설명하기 위해 도 2의 빔사이즈 조정부의 메인 광출사 경로에 확산렌즈와 제2볼록렌즈가 진입된 상태의 광빔의 변화를 나타내 보인 도면이고,
도 7은 빔사이즈 조정부의 입출구동부의 구조를 나타내 보인 도면이고,
도 8은 광조사장치를 이용하여 성형하기 위한 광조사패턴을 설명하기 위한 도면이고,
도 9는 도 1의 빔 스캔부의 일 예를 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린터의 광조사 장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터의 광조사 장치를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광조사 장치(100)는 레이저 광원(110), 메인 콜리메이팅 렌즈(120), 빔사이즈 조정부(200), 빔스캔부(140)를 구비한다.
레이저 광원(110)은 레이저 광을 출사한다.
메인 콜리메이팅렌즈(120)는 레이저 광원에서 출사되는 광을 평행빔으로 변환시킨다.
빔사이즈 조정부(200)는 레이저 광원(110)에서 출사된 후 메인 콜리메이팅 렌즈(120)를 통해 출사되는 광의 메인 광출사경로(120a)에 입출되면서 광빔의 단면적 크기를 조정할 수 있도록 되어 있다.
빔사이즈 조정부(200)의 상세 구조는 후술한다.
빔스캔부(140)는 빔사이즈 조정부(200)를 거쳐 진행되는 광을 설정된 목표 위치로 조사되게 광의 진행방향을 조정한다.
빔스캔부(140)는 통상적인 구조로 구축되면 되고, 도 9에 예시된 바와 같이 빔사이즈 조정부(200)를 거쳐 진행되는 광에 대해 성형면(152)을 기준으로 제1방향에 대한 조사방향을 제1반사경(141)의 각도를 조정하여 조정하는 제1방향조정기(143)와, 제1반사경(141)을 거쳐 진행되는 광에 대해 제1방향과 직교하는 제2방향에 대해 제2반사경(142)의 각도를 조정하여 조정하는 제2방향조정기(145)로 구축될 수 있다.
참조부호 147은 에프세타(f-θ)렌즈이다.
성형부(150)는 성형재료를 공급하면서 조사되는 레이저 빔에 의해 성형이 이루어질 수 있도록 되어 있다.
도시된 예에서는 성형재료로서 광경화 수지가 저수된 수조(151)내에 승하강 되게 마련된 베이스 플랫폼(153)을 승하강 봉(154)을 통해 점진적으로 하강시키면서 조사된 레이저 빔에 의해 경화된 수지에 의해 성형될 수 있도록 되어 있다.
성형부(150)는 예시된 방식 이외에 SLS방식의 성형부가 적용될 수 있음은 물론이다.
이하에서는 빔사이즈 조정부(200)에 대해 도 2를 참조하여 설명한다.
빔사이즈 조정부(200)는 확산렌즈(210), 제1볼록렌즈(220), 제2볼록렌즈(230) 및 입출구동부(250)를 구비한다.
확산렌즈(210)는 메인 콜리메이팅 렌즈(120)를 통해 진행되는 광의 진행경로상의 메인 광출사경로(120a) 내외로 입출되게 설치되어 있다.
확산렌즈(210)는 메인 광출사경로(120a) 내에 진입된 상태에서 메인 콜리메이팅 렌즈(120)를 통해 진행되는 광을 확산시키는 오목렌즈이며 음의 값의 제1초점거리(f1)를 갖는다.
제1볼록렌즈(220)는 확산렌즈(210)를 통해 진행되는 광의 진행경로상의 메인 광출사경로(120a) 내외로 입출되게 설치되어 있다.
제1볼록렌즈(220)는 메인 광출사경로(120a) 내에 진입된 상태에서 확산렌즈(210)를 통해 확산되는 광을 평행광으로 변환시키며 양의 값의 초점거리(f2)를 갖는다.
제2볼록렌즈(230)는 확산렌즈(210)를 통해 진행되는 광의 진행경로상의 메인 광출사경로(120a) 내외로 입출되게 설치되어 있다.
제2볼록렌즈(230)는 메인 광출사경로(120a) 내에 진입된 상태에서 확산렌즈(210)를 통해 확산되는 광을 평행광으로 변환시키며 양의 값의 초점거리(f3)를 갖는다.
이러한 광학적 배치 구조에서 제1볼록렌즈(220)는 메인 광출사경로(120a)상 진입된 상태에서 메인 광출사경로(120a)에 진입된 확산렌즈(210)와의 사이의 이격거리가 제1볼록렌즈(220)의 초점거리(f2)에서 제1초점거리(f1)를 합산한 값에 해당하는 거리를 갖도록 설치된다.
또한, 제2볼록렌즈(230)도 메인 광출사경로(120a)상 진입된 상태에서 메인 광출사경로(120a)에 진입된 확산렌즈(210)와의 사이의 이격거리가 제2볼록렌즈(230)의 초점거리(f3)에서 제1초점거리(f1)를 합산한 값에 해당하는 거리를 갖도록 설치된다.
바람직하게는 제1볼록렌즈(220)는 메인 콜리메이팅 렌즈(120)를 통해 진행되는 광의 빔 직경을 2배로 확장시킬 수 있게 배치되고, 제2볼록렌즈(230)는 메인 콜리메이팅 렌즈(120)를 통해 진행되는 광의 빔 직경을 3배로 확장시킬 수 있게 배치된다.
이러한 제1볼록렌즈(220) 및 제2볼록렌즈(230)의 배치구조를 도 3을 통해 설명한다.
먼저, 설명의 편의를 위해 f1값이 -100mm인 경우를 예로 하여 설명한다.
제1볼록렌즈(220)의 배율은 -f2/f1 이며, 메인 콜리메이팅 렌즈(120) 및 확산렌즈(210)를 통해 진행되는 광의 빔 직경을 2배로 확장시키 위해서는 제1볼록렌즈(220)의 초점거리 f2는 200mm인 것을 적용 하면된다.
따라서, 제1볼록렌즈(220)와 확산렌즈(210)와의 이격거리(D2)는 제1볼록렌즈(220)의 초점거리(f2)에서 제1초점거리(f1)를 합산한 값(200mm-100mm=100mm)에 해당하는 100mm가 되게 배치되면 된다.
또한, 제2볼록렌즈(230)의 배율은 -f3/f1 이며, 메인 콜리메이팅 렌즈(120) 및 확산렌즈(210)를 통해 진행되는 광의 빔 직경을 3배로 확장시키 위해서는 제2볼록렌즈(230)의 초점거리 f2는 300mm인 것을 적용 하면 된다.
이 경우, 제2볼록렌즈(230)와 확산렌즈(210)와의 이격거리(D3)는 제2볼록렌즈(230)의 초점거리(f3)에서 제1초점거리(f1)를 합산한 값(300mm-100mm=200mm)에 해당하는 200mm가 되게 배치되면 된다.
이러한 광학적 배치구조에 의하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 확산렌즈(210), 제1볼록렌즈(220) 및 제2볼록렌즈(230)가 메인 광출사경로(120a)의 광빔 진행 경로를 벗어난 대기 위치에 있는 경우 메인 콜리메이팅렌즈(120)를 통해 출사되는 광이 빔직경이 Wo 인 경우가 1배율에 해당한다.
또한, 광빔의 직경을 2배로 확장하기 위해서는 도 5에 도시된 바와 같이 확산렌즈(210)와 제1볼록렌즈(220)만 메인 광출사경로(120a)에 진입되게 하면 된다.
또한, 광빔의 직경을 3배로 확장하기 위해서는 도 6에 도시된 바와 같이 확산렌즈(210)와 제2볼록렌즈(230)만 메인 광출사경로(120a)에 진입되게 하면 된다.
한편, 도시된 예와 다르게, 광빔의 직경을 1.5배로 확장할 수 있게 구축될 수 있고 이 경우 앞서 설명된 조건에 대응되는 볼록렌즈가 추가로 배치되면 된다.
입출구동부(250)는 확산렌즈(210)와 제1 및 제2 볼록렌즈(220)(230) 각각을 메인 광출사경로(120a) 내외로 입출되게 구동할 수 있도록 되어 있고 도 7을 함께 참조하여 설명한다.
입출구동부(250)는 홀더(251), 하우징(252), 모터(254), 제1 및 제2 과이동 방지스토퍼(261)(262)를 구비한다.
홀더(251)는 확산렌즈(210), 제1 및 제2 볼록렌즈(220(230) 각각의 가장자리를 수용하여 지지할 수 있게 형성된 지지링(251a)과, 지지링(251a)의 일측에서 바형태로 연장된 가동바(251b)를 갖게 형성되어 있다.
구동모터(254)는 하우징(252)에 장착되어 있으며, 회전축(254a)에 가동바(251b)의 종단이 결합되어 지지링(251a)의 중심을 메인 광출사경로(120a) 내외로 입출되게 회동시킨다.
여기서, 하우징(252)은 구동모터(254)를 수용하되 가동바(251b)의 회동을 허용하며, 후술되는 제1 및 제2 과이동 방지스토퍼(261)(262)를 설치할 수 있게 형성되면 된다.
하우징(252)은 빔사이즈 조정부(200)의 요소들을 수용하는 함체(미도시)에 앞서 설명된 조건을 만족하도록 고정되게 설치된다.
제1과이동 방지스토퍼(261)은 구동모터(254)의 회전축(254a)을 회전가능하게 지지하는 하우징(251)에 가동바(251b)가 메인 광출사경로(120a) 내의 진입위치에 도달되면 과이동을 방지하게 가동바(251b)를 간섭하여 후속 이동이 차단되게 가동바(251b)의 회동경로에 진입되게 하우징(252)에 돌출되게 설치되어 있다.
또한, 제2과이동 방지스토퍼(262)는 가동바(251b)가 메인 광출사경로(120a)를 벗어난 대기위치에 도달되면 과이동을 방지하게 가동바를 간섭하도록 하우징(252)에 돌출되게 설치되어 있다.
한편, 이러한 빔사이즈 조정부(200)를 이용하여 성형하는 과정의 예를 도 8를 참조하여 설명한다.
성형하고자 하는 성형면(152)이 도 8에 예시된 사각영역인 경우 윤곽선(161)에 해당하는 부분은 확산렌즈(210), 제1 및 제2볼록렌즈(220)(230)가 메인 광출사경로(120a)에 진입되지 않는 대기상태가 되게 하여 1배율의 광빔(161a)으로 광을 조사하고, 윤곽선(161) 내측 부분(163)은 정밀도와 무관하기 때문에 광빔의 사이즈가 확대된 확대 광빔(163a)로 조사하면 된다.
여기서, 윤곽선(161) 내측 부분(163)은 확산렌즈(210)와 제1 및 제2볼록렌즈(220)(230) 중 어느 하나가 메인 광출사경로(120a)에 진입되게하여 2배율 또는 3배율로 확대된 광빔(161a)으로 광을 조사하게 처리하면 된다.
이상에서 설명된 3D 프린터의 광조사 장치에 의하면, 평행광을 유지하면서 성형할 영역에 조사할 광빔의 사이즈를 조정하여 제공할 수 있어 성형할 영역에 대해 광빔의 사이즈를 변경하면서 성형 속도 및 정밀도를 조정할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 레이저 광원 120: 메인 콜리메이팅 렌즈
140: 빔스캔부 150: 성형부
200: 빔사이즈 조정부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 성형 재료에 레이저를 조사하여 성형할 수 있도록 된 3D 프린터의 레이저 조사장치에 있어서,
    레이저 광을 출사하는 레이저 광원과;
    상기 레이저 광원에서 출사되는 광을 평행광으로 변환시키는 메인 콜리메이팅 렌즈와;
    상기 메인 콜리메이팅 렌즈를 통해 출사되는 광의 메인 광출사경로에 입출되면서 광빔의 단면적 크기를 조정하는 빔사이즈 조정부와;
    상기 빔사이즈 조정부를 거쳐 진행되는 광을 설정된 목표 위치로 조사되게 스캔하는 빔스캔부;를 구비하고,
    상기 빔사이즈 조정부는
    상기 메인 콜리메이팅 렌즈를 통해 진행되는 광의 진행경로상의 상기 메인 광출사경로 내외로 입출되게 설치되며 상기 메인 광출사경로 내에 진입된 상태에서 상기 메인 콜리메이팅 렌즈를 통해 진행되는 광을 확산시키며 음의 값의 제1초점거리를 갖는 확산렌즈와;
    상기 확산렌즈를 통해 진행되는 광의 진행경로상의 상기 메인 광출사경로 내외로 입출되게 설치되며 상기 메인 광출사경로 내에 진입된 상태에서 상기 확산렌즈를 통해 확산되는 광을 평행광으로 변환시키며 양의 값의 초점거리를 갖는 적어도 하나의 볼록렌즈와;
    상기 확산렌즈와 상기 볼록렌즈의 상기 메인 광출사경로 내외로 입출되게 구동하는 입출 구동부;를 구비하고,
    상기 메인 광출사경로상에서 상기 확산렌즈와 상기 볼록렌즈 사이의 이격거리는 상기 볼록렌즈의 초점거리에서 상기 제1초점거리를 합산한 값에 해당하는 거리를 갖도록 되어 있고,
    상기 입출구동부는
    상기 확산렌즈와 상기 볼록렌즈 각각을 지지하는 지지링과, 상기 지지링으로부터 연장된 가동바를 갖는 홀더와;
    상기 가동바의 종단과 결합되어 상기 지지링의 중심을 상기 메인 광출사경로 내외로 입출되게 회동시키는 구동모터와;
    상기 구동모터의 회전축을 회전가능하게 지지하는 하우징에 상기 가동바가 상기 메인 광출사경로 내의 진입위치에 도달되면 과이동을 방지하게 상기 가동바를 간섭하는 제1과이동 방지스토퍼;를 구비하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 레이저 광조사 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 하우징에는
    상기 가동바가 상기 메인 광출사경로를 벗어난 대기위치에 도달되면 과이동을 방지하게 상기 가동바를 간섭하는 제2과이동 방지스토퍼;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 레이저 광조사 장치.
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