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KR102300828B1 - 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3d프린터 - Google Patents

선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3d프린터 Download PDF

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KR102300828B1
KR102300828B1 KR1020190133354A KR20190133354A KR102300828B1 KR 102300828 B1 KR102300828 B1 KR 102300828B1 KR 1020190133354 A KR1020190133354 A KR 1020190133354A KR 20190133354 A KR20190133354 A KR 20190133354A KR 102300828 B1 KR102300828 B1 KR 102300828B1
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laser
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building bed
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윤여홍
장재영
정유종
신명준
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참엔지니어링(주)
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Abstract

본 발명은 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 듀얼 스캐너를 적용하여 3차원 구조물의 제조 tack time을 현격하게 줄일 수 있고, 듀얼 스캐너를 적용함에 있어 각 스캐너의 조사범위를 서로이 간섭없이 빌딩배드 전체로 할 수 있고, 하나의 f-theta 렌즈를 공통 사용함에 따라 제조원가를 절감하고 스캐너의 배치 등을 효율적으로 할 수 있는 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터에 관한 것이다.
본 발명의 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터는 3차원 구조물이 선택적 레이저 소결에 의해 적층되는 빌딩배드와 상기 빌딩배드에 분말소재를 공급하는 소재공급부와 상기 소재공급부의 분말소재를 빌딩배드로 밀면서 일정한 두께의 분말레이어를 형성하는 리코터 모듈과 상기 분말레이어를 형성하고 남은 소재를 회수하는 회수부를 포함하는 적층모듈과, 상기 선택적 레이저 소결을 위해 레이저를 공급하는 레이저 소스와, 상기 레이저 소스에서 공급되는 레이저를 적층될 3차원 구조물의 형상에 따라 소결하기 위해 레이저의 경로를 변환하여 빌딩베드로 조사하는 두 개의 스캐너가 설치되는 듀얼 스캐너 모듈을 포함한다.
본 발명의 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터에 따르면 3차원 구조물의 적층형성에 대한 tact time을 현격하게 줄일 수 있고, 듀얼 스캐너의 조사범위가 서로간의 구동 간섭 없이 빌딩배드 전체로 할 수 있으며, 하나의 f-theta 렌즈를 공통 사용함에 따라 제조원가를 절감하고 스캐너의 배치 등을 효율적으로 할 수 있다.

Description

선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터{Dual scanner 3D printer using selective laser sintering}
본 발명은 3차원 구조물을 레이저를 이용하여 소결(sintering)을 통해 적층하는 3차원 구조물 적층장치에 대한 것이다. 보다 상세하게는 레이저를 조사하여 선택적으로 소결시키기 위해 레이저의 경로를 변경할 필요가 있고 레이저 경로를 변경함에 있어 스캐너를 활용하는 3차원 구조물 적층장치에 대한 것이다.
종래에는 3차원 구조물 즉, 기계 부품이나 플라스틱 제품들을 절삭 가공이나 사출 등을 통해 제조해왔다. 최근에는 이러한 3차원 구조물을 횡단면 레이어를 적층하는 방식으로 제조하는 3D 프린터의 보급화가 점차 확산되고 있다.
3D 프린터는 적층하는 방식에 따라 여러 가지로 나뉘는데 분말소재를 레이저로 선택적으로 소결하는 SLS(Selective Laser Sintering), 필라멘트를 용융하여 적층한 후 소재를 경화하는 FDM(Fused Deposition Modeling), 광경화 소재에 빛을 조사하여 경화하는 SLA(Stereolithography) 등 다양한 방식이 존재하고 각 방식은 적층되는 3차원 구조물의 형상, 재질, 강도 등에 따라 강점과 약점이 있어 적층하고자 하는 3차원 구조물에 따라 취사선택된다.
초기의 3D 프린터는 설계된 형상을 단순히 보여주거나 시제작하는 급속 조형(RP, Rapid Prototype)에 사용되거나 사용자 개인용으로 맞춤형 구조물을 제작하는데 사용되는 것이 보통이었다.
최근에는 개인이 온라인을 통해 이미지를 첨부해 주문하는 맞춤형 제품을 제조하는데 활용되거나 금속 분말을 선택적으로 소결하여 적층하는 SLS 방식의 3D 프린터가 절삭이나 연마 등 종래의 가공방식을 통해 제조하기 어려운 부품이나 고강도의 항공 부품이나 맞춤형으로 제작되는 임플란트 등에 적용되고 있다.
SLS 방식의 3D 프린터는 한쪽에 금속분말이 담긴 소재 공급부를 두고 블레이드 등을 통해 얇은 레이어를 형성한 후 적층할 3차원 구조물의 횡단면 형상에 따라 레이저를 통해 선택적으로 소결하는 방식으로 3차원 구조물을 적층 형성하는 방식이다.
위와 같이 레이저를 통해 선택적으로 소결하는 방식으로 3차원 구조물이 적층 형성되는데 선택적인 소결은 3차원 구조물의 단면 형상에 따라 소결되는 위치, 범위가 달라지고 선택적 소결을 위해 레이저의 경로를 신속하게 변경할 필요가 있다. 종래의 SLS 방식의 3D 프린터는 하나의 스캐너를 빌딩배드 상부에 마련하여 레이저의 경로를 변경하고 이를 통해 선택적인 소결을 통해 3차원 구조물을 적층 형성하였는데 하나의 스캐너를 사용함에 따라 tack time이 길고 3차원 구조물의 형상, 부피에 따라 tack time의 편차가 심한 문제가 있어왔다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 듀얼 스캐너를 적용하여 3차원 구조물의 제조 tack time을 현격하게 줄일 수 있고, 듀얼 스캐너를 적용함에 있어 각 스캐너의 조사범위를 서로의 간섭 없이 빌딩배드 전체로 할 수 있고, 하나의 f-theta 렌즈를 공통 사용함에 따라 제조원가를 절감하고 스캐너의 배치 등을 효율적으로 할 수 있는 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터는 3차원 구조물이 선택적 레이저 소결에 의해 적층되는 빌딩배드와 상기 빌딩배드에 분말소재를 공급하는 소재공급부와 상기 소재공급부의 분말소재를 빌딩배드로 밀면서 일정한 두께의 분말레이어를 형성하는 리코터 모듈과 상기 분말레이어를 형성하고 남은 소재를 회수하는 회수부를 포함하는 적층모듈과, 상기 선택적 레이저 소결을 위해 레이저를 공급하는 레이저 소스와, 상기 레이저 소스에서 공급되는 레이저를 적층될 3차원 구조물의 형상에 따라 소결하기 위해 레이저의 경로를 변환하여 빌딩베드로 조사하는 두 개의 스캐너가 설치되는 듀얼 스캐너 모듈을 포함한다.
또한, 상기 레이저 소스는 상기 듀얼 스캐너 모듈내의 각 스캐너에 레이저를 공급하기 위한 두 개의 레이저를 포함하고, 상기 듀얼 스캐너 모듈의 각 스캐너는 레이저 경로를 변환하기 위한 갈바노미터를 포함하되 각 갈바노미터는 상기 빌딩배드의 상부에 상하 또는 좌우로 대칭되는 형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 듀얼 스캐너 모듈은 상기 두 개의 갈바노미터에서 조사되는 레이저가 상기 빌딩배드 평면에 맞춰 조사될 수 있도록 상기 두 개의 갈바노미터 하부에 하나의 f-theta 렌즈를 포함한다.
또한, 상기 f-theta 렌즈의 어퍼쳐 사이즈는 상기 두 개의 갈바노미터에 포함된 각 미러의 구동범위와 각 갈바노미터에서 조사되는 레이저의 빔사이즈를 고려하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각 갈바노미터에 포함되는 미러를 구동하기 위해 각각 x, y축 구동부를 포함하고, 상기 4개의 구동부는 하나의 하우징 블럭 내에 마련되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 구성의 본 발명은 3차원 구조물의 적층형성에 대한 tact time을 현격하게 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 듀얼 스캐너의 조사범위가 서로간의 구동 간섭 없이 빌딩배드 전체로 할 수 있다.
또한, 하나의 f-theta 렌즈를 공통 사용함에 따라 제조원가를 절감하고 스캐너의 배치 등을 효율적으로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터의 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터의 듀얼 스캐너의 배치 개략도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터의 듀얼 스캐너의 정면도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터의 듀얼 스캐너의 사시도를 나타내는 도면이다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터의 듀얼 스캐너의 배치 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터의 듀얼 스캐너의 정면도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D프린터의 듀얼 스캐너의 사시도를 나타내는 도면이다.
본 발명의 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D 프린터는 금속분말을 리코터 모듈(140)을 이용하여 빌딩배드(110)에 얇은 금속분말 레이어를 형성하고 레이저를 조사하여 선택적인 소결을 통해 3차원 구조물을 적층하는 장치인데 레이저를 선택적으로 조사하기 위해 레이저의 경로를 변환하기 위해 스캐너(310, 320)를 이용하는 3D 프린터이다.
본 발명의 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D 프린터는 적층 형성하고자 하는 3차원 구조물이 레이저 소결에 의해 적층되는 빌딩배드(110)와 빌딩배드(110)로 금속분말 소재를 공급하기 위해 금속분말 소자가 저장되고 빌딩배드(110)에 금속분말 레이어의 형성 시 금속분말의 일정량을 리코터 모듈(140)이 밀 수 있도록 일정량의 금속분말 소재를 위로 밀어 올리는 소재공급부(120)와 리코터 모듈(140)이 빌딩배드(110)에 금속분말 레이어를 형성하고 남은 금속분말소재를 회수하는 회수부(130)와 소재공급부(120)의 금속분말을 밀어 빌딩배드(110)에 얇은 금속분말 레이어를 형성하는 리코터 모듈(140)과 빌딩배드(110), 소재공급부(120), 회수부(130) 등 적층모듈(100)을 내부에 수용하고 소결 시 화재발생을 방지하기 위해 불활성 기체가 채워진 챔버(10)와 빌딩배드(110)에 형성된 금속분말 레이어에 조사할 레이저를 공급하는 레이저 소스(210, 220)와 레이저 소스(210, 220)에서 공급되는 레이저를 이용하여 적층할 3차원 구조물의 단면 형상에 따라 선택적으로 소결하기 위해 레이저의 경로를 변경하여 빌딩배드(110)로 조사하는 두 개의 스캐너(310, 320)를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 빌딩배드(110)는 3차원 구조물이 적층되는 구성으로 소재공급부(120)에서 공급되는 금속분말을 리코터 모듈(140)이 밀면서 빌딩배드(110) 상부에 얇은 레이어를 형성하고 3차원 구조물의 횡단면에 따라 레이저를 선택적으로 조사되어 소결되는 구성이다. 빌딩배드(110)에서 리코터 모듈(140)이 레이어를 형성하고 선택적 소결이 이루어지고 나면 빌딩배드(110)는 다음 레이어의 형성을 위해 아래 방향으로 레이어의 두께만큼 이동하게 되고, 소재공급부(120)는 금속분말 소재를 공급하기 위해 일정 두께만큼 상승하게 된다. 리코터 모듈(140)은 소재공급부(120)의 상부로부터 빌딩배드(110)를 거쳐 회수부(130)까지 왕복운동한다. 이렇게 리코터 모듈(140)이 빌딩배드(110)를 지나 회수부(130)가지 이동함으로써 빌딩배드(110)에 얇은 분말 레이어를 형성하고 남은 금속분말을 회수부(130)로 밀어 넣는다.
본 발명의 레이저 소스(210, 220)는 빌딩배드(110)에 형성된 금속분말 레이어에 조사할 레이저를 공급하는 구성이다. 레이저 소스(210, 220)는 소결의 효율성, 소재의 종류에 따라 적절한 파장대, 출력을 취사 선택할 수 있고 출력의 형태도 CW 타입 또는 펄스 타입 중에 선택할 수도 있다. 종래에는 레이저 경로 변환을 위해 하나의 스캐너를 채용하였지만 본 발명의 경우 듀얼 스캐너(310, 320)를 채용함에 따라 레이저 소스(210, 220)도 두 개를 설치하고 듀얼 스캐너(310, 320)으로 미러(212, 222)를 통해 레이저를 공급는 것이 바람직하다. 다만, 고출력 레이저를 설치하고 AOM(Acoustic Optic Module) 등 초고속 경로 변환이 가능한 빔분기 구성을 마련한다면 하나의 레이저 소스에서 공급되는 빔을 분기하여 듀얼 스캐너(310, 320)에 공급할 수도 있다. 다만, 두 개의 레이저 소스(210, 220)를 설치할 때에 비해 tact time이 길어지는 단점이 있다.
본 발명의 듀얼 스캐너 모듈(300)은 레이저 소스(210, 220)에서 공급되는 레이저를 적층하고자 하는 3차원 구조물의 단면 형상에 따라 선택적으로 소결하기 위해 레이저의 경로를 변경하여 빌딩배드(110)의 상부 금속분말 레이어로 조사하는 구성이다. 듀얼 스캐너 모듈(300)은 빌딩배드(110) 상부 중앙에 위치하는 두 개의 스캐너(310, 320)를 포함하여 이루어지는데 스캐너(310, 320)는 갈바노 미터(312, 322)를 포함하는데 갈바노 미터(312, 322)는 미러를 x축, y축으로 고속 이동하면서 레이저의 경로를 변환한다. 갈바노 미터(312, 322)의 하부에는 조사 각도가 변하더라도 일정한 평면(빌딩배드 상부)에 초점이 맺히도록 조사하는 f-theta 렌즈를 포함하게 된다. 스캐너는 통상 갈바노 미터의 구동범위와 f-theta 렌즈의 구경(aperture)에 따라 조사범위가 결정되는데 두 개의 스캐너를 마련하더라도 스캐너의 위치에 따라 조사범위가 완벽히 일치하는 것은 아니다.
본 발명의 듀얼 스캐너(310, 320)는 빌딩배드(110)를 기준으로 상하 또는 좌우에 대칭이 되도록 갈바노 미터(312, 322)를 마련하고 하부에 하나의 f-theta 렌즈(410)를 마련함으로써 듀얼 스캐너(310, 320)의 조사범위가 완벽하게 일치하도록 함으로써 종래 하나의 스캐너를 활용하는 3D 프린터의 tact time을 절반 이하로 줄일 수 있는 장점이 있다. 도 2를 참조하면 갈바노 미터(312, 322)가 빌딩배드(110)의 좌우에 대칭이 되도록 마련되는 일례인데 레이저 소스(210, 220)에서 공급되는 레이저가 미러(212, 222)에 의해 듀얼 스캐너(310, 320)로 입사되는 구성이다. 물론 3D 프린터의 내부 구성에 따라 상하로 마련할 수도 있음은 물론이다.
다만, 본 발명의 f-theta 렌즈(410)의 구경, 보다 상세하게는 clear aperture는 각 갈바노 미터(312, 322)의 구동범위와 각 갈바노 미터(312, 322)에서 조사되는 레이저 빔의 사이즈를 고려하여 제작되는 것이 바람직하다. 또한, 빌딩배드(110)의 크기에 주로 관련되기는 하지만 레이저의 빔허리가 길게 되도록 제작되어야만 빌딩배드(110) 전체의 소결 품질의 일관성을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 두 개의 갈바노 미터(312, 322)가 있고 각 갈바노 미터마다 x축, y축 두 개의 구동부가 있기 때문에 총 4개의 구동부가 선택적 소결에 따라 레이저의 경로를 변환한다. 따라서 갈바노 미터(312, 322)의 조사 위치의 정밀도를 보장하거나 향상시키기 위해서는 도 4와 같이 하우징(400) 내에 4개의 구동부가 마운트되도록 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 본 발명의 f-theta 렌즈(410)도 갈바나 미터(312, 322)가 있는 하우징(400)의 하부에 설치하도록 한다면 설치의 용이성 뿐만 아니라 레이저의 조사 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
챔버 : 10 적층모듈 : 100
레이저 소스 : 210, 220 스캐너 : 310, 320
하우징 블록 : 400

Claims (5)

  1. 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D 프린터에 있어서,
    3차원 구조물이 선택적 레이저 소결에 의해 적층되는 빌딩배드와 상기 빌딩배드에 분말소재를 공급하는 소재공급부와 상기 소재공급부의 분말소재를 빌딩배드로 밀면서 일정한 두께의 분말레이어를 형성하는 리코터 모듈과 상기 분말레이어를 형성하고 남은 소재를 회수하는 회수부를 포함하는 적층모듈과,
    상기 선택적 레이저 소결을 위해 레이저를 공급하는 레이저 소스와,
    상기 레이저 소스에서 공급되는 레이저를 적층될 3차원 구조물의 형상에 따라 소결하기 위해 레이저의 경로를 변환하여 빌딩베드로 조사하는 두 개의 스캐너가 설치되는 듀얼 스캐너 모듈을 포함하되,
    상기 레이저 소스는 상기 듀얼 스캐너 모듈내의 각 스캐너에 레이저를 공급하기 위한 두 개의 레이저를 포함하고,
    상기 듀얼 스캐너 모듈의 각 스캐너는 레이저 경로를 변환하기 위한 갈바노미터를 포함하되 각 갈바노미터는 상기 빌딩배드의 상부에 상하 또는 좌우로 대칭되는 형태로 배치되고,
    상기 듀얼 스캐너 모듈은 상기 두 개의 갈바노미터에서 조사되는 레이저가 상기 빌딩배드 평면에 맞춰 조사될 수 있도록 상기 두 개의 갈바노미터 하부에 하나의 f-theta 렌즈를 포함하며,
    상기 각 갈바노미터에 포함되는 미러를 구동하기 위해 각각 x, y축 구동부를 포함하고, 상기 4개의 구동부는 하나의 하우징 블럭 내에 마련되는 것을 특징으로 하는 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D 프린터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에서,
    상기 f-theta 렌즈의 어퍼쳐 사이즈는 상기 두 개의 갈바노미터에 포함된 각 미러의 구동범위와 각 갈바노미터에서 조사되는 레이저의 빔사이즈를 고려하여 산출되는 것을 특징으로 하는 선택적 레이저 소결을 이용한 듀얼 스캐너 3D 프린터.
  5. 삭제
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