KR101826739B1

KR101826739B1 - 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터

Info

Publication number: KR101826739B1
Application number: KR1020160155185A
Authority: KR
Inventors: 이병백; 반민성; 김동희
Original assignee: 주식회사 신도리코
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2036-11-21
Also published as: US20180141269A1; CN108081600A

Abstract

본 발명은 본체 프레임의 하부에 설치되고, 내부에 광경화성 액체 수지가 저장된 수조; 상기 수조의 내부에서 상하방향으로 이동 가능하고, 조형 대상물을 지지하는 베드; 상기 베드를 상하방향으로 이동시키는 베드 이송 유닛; 상기 수조에 저장된 광경화성 액체 수지에 레이저 광을 조사하여 광경화성 액체 수지를 조형 대상물로 경화시키는 광 조사 유닛; 상기 수조의 길이방향을 따라 상기 광 조사 유닛을 이동시키는 광 조사 유닛 이송 유닛; 상기 광 조사 유닛, 광 조사 유닛 이송 유닛 및 상기 베드 이송 유닛의 작동을 제어하는 제어 유닛을 포함하고, 상기 광 조사 유닛은 상기 수조의 폭방향을 따라 선형적으로 레이저 광을 조사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터이다.

Description

선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터{3D printer using linear laser source}

본 발명은 광경화성 액체 수지에 레이저 광을 조사하여 3차원 물체를 조형하는 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터에 관한 것이다.

일반적으로 3차원 입체 형상을 가진 시제품을 제작하기 위해서는 도면에 의존하여 수작업에 의해 이루어지는 목합 제작 방식과 CNC 밀링에 의한 제작 방법 등이 널리 알려져 있다.

그러나 목합 제작 방식은 수작업에 의하므로 정교한 수치제어가 어렵고 많은 시간이 소요되며, CNC 밀링에 의한 제작 방법은 정교한 수치제어가 가능하지만 공구 간섭으로 인해 가공하기 어려운 형상이 많다.

따라서 최근에는 제품의 설계자가 CAD나 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 다양한 분야에서 활용하고 있다.

3D 프린터는 재료의 연속적인 레이어를 2차원 프린터와 같이 출력하여 이를 적층함으로써 대상물을 만드는 제조장치이다. 3D 프린터는 디지털화된 도면 정보를 바탕으로 빠르게 대상물을 제작할 수 있어서 프로토타입 샘플 제작 등에 주로 사용된다.

3D 프린터의 제품 성형방식은 광경화성 재료에 레이저 광선을 주사하여 광주사된 부분을 물체로 성형하는 광경화수지 조형 방식(SLA; Stereo Lithography Apparatus) 또는 열가소성 필라멘트를 용융하여 적층하는 선택적 레이저 용융 방식(SLM; Selective laser melting) 등이 있다.

이러한 3D 프린터의 성형 방식 중에서 광경화수지 조형 방식의 3D 프린터는 광경화성 액체 수지가 저장된 수조에 레이저 광을 조사하여 액체 수지를 경화시킴으로써 3차원 물체를 성형하도록 구성된다.

여기서, 레이저 광을 조사하는 광 조사 수단은 레이저 광원과 3차원 물체가 성형되는 베드 사이에 갈바노 미러(galvanometer mirror)를 설치하고, 이 갈바노 미러를 X-Y축 제어하고 이와 동시에 베드를 Z축 제어하면서 3차원 물체를 성형하도록 구성되어 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 3D 프린터는 X-Y축으로 제어되는 갈바노 미러의 구조에 의해 광 조사 장치의 크기가 커지고, 갈바노 미러 및 베드의 제어로 인해 콘트롤러의 구성이 복잡해진다는 단점이 있다.

선행기술문헌 1: 일본등록특허공보 제3404379호

선행기술문헌 2: 일본등록특허공보 제5470635호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 광 조사 수단의 제어가 간단하고 장치의 크기를 단순화할 수 있는 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 본체 프레임의 하부에 설치되고, 내부에 광경화성 액체 수지가 저장된 수조; 상기 수조의 내부에서 상하방향으로 이동 가능하고, 조형 대상물을 지지하는 베드; 상기 베드를 상하방향으로 이동시키는 베드 이송 유닛; 상기 수조에 저장된 광경화성 액체 수지에 레이저 광을 조사하여 광경화성 액체 수지를 조형 대상물로 경화시키는 광 조사 유닛; 상기 수조의 길이방향을 따라 상기 광 조사 유닛을 이동시키는 광 조사 유닛 이송 유닛; 상기 광 조사 유닛, 광 조사 유닛 이송 유닛 및 상기 베드 이송 유닛의 작동을 제어하는 제어 유닛을 포함하고, 상기 광 조사 유닛은 상기 수조의 폭방향을 따라 선형적으로 레이저 광을 조사하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 광 조사 유닛은, 상기 광 조사 유닛 이송 유닛에 고정되고, 상기 수조의 길이방향을 따라 이송되는 광 조사 유닛 본체; 상기 광 조사 유닛 본체에 내장되고, 일방향으로 레이저 광을 조사하는 레이저 다이오드; 상기 광 조사 유닛 본체에 내장되고, 회전하면서 상기 레이저 다이오드로부터 조사된 레이저 광을 상기 수조의 폭방향을 따라 선형적으로 반사시키는 폴리곤 미러; 및 상기 광 조사 유닛 본체와 상기 수조 사이에 설치되고, 상기 폴리곤 미러로부터 반사되는 레이저 광을 상기 수조 내부의 광경화성 액체 수지로 굴절시키는 굴절 미러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 폴리곤 미러는 상기 수조 내의 액체 수지의 수면과 수직으로 배치된 회전축을 구비하여 액체 수지의 수면과 평행한 회전면을 갖는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 광 조사 유닛은, 상기 레이저 다이오드로부터 조사되는 레이저 광을 상기 폴리곤 미러의 반사면에 집광시키는 원통형 렌즈; 및 상기 폴리곤 미러와 상기 굴절 미러 사이에 설치되고, 상기 폴리곤 미러의 반사면에 반사된 레이저 광을 수조 측으로 집광시키는 제1 F-θ 렌즈; 및 상기 제1 F-θ 렌즈와 상기 굴절 미러 사이에 설치되고, 상기 폴리곤 미러의 반사면에 반사된 레이저 광을 수조 측으로 집광시키는 제2 F-θ 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

추가적으로, 상기 광 조사 유닛은, 상기 폴리곤 미러로부터 반사되는 레이저 광을 수광하여 조형 대상물의 이미지 데이터의 출력 시작 위치를 결정하는 빔 디텍팅 센서; 상기 폴리곤 미러로부터 반사되는 레이저 광을 상기 빔 디텍팅 센서로 반사시키는 빔 디텍팅 미러; 및 상기 빔 디텍팅 미러와 상기 빔 디텍팅 센서 사이에 설치되고, 상기 빔 디텍팅 미러로부터 반사되는 레이저 광을 집광하는 빔 디텍팅 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레이저 다이오드는 상기 폴리곤 미러의 한 지점을 중심으로 둘레방향으로 일정간격 이격된 복수의 레이저 다이오드들로 이루어지고, 상기 복수의 레이저 다이오드들은 상기 폴리곤 미러의 한 지점에 레이저 광이 중첩되도록 레이저 광을 조사하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 수조의 길이방향으로 수평 이동하여 상기 수조 내에서 조형되는 조형 대상물의 상부면을 평탄하게 만들고, 상기 광 조사 유닛 이송 유닛에 의해 상기 광 조사 유닛과 일체로 이동하는 블레이드 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

대안적으로, 본 발명은 본체 프레임의 하부에 설치되고, 내부에 광경화성 액체 수지가 저장된 수조; 상기 수조의 내부에서 상하방향으로 이동 가능하고, 조형 대상물을 지지하는 베드; 상기 베드를 상하방향으로 이동시키는 베드 이송 유닛; 상기 수조에 저장된 광경화성 액체 수지에 레이저 광을 조사하여 광경화성 액체 수지를 조형 대상물로 경화시키는 광 조사 유닛; 및 상기 광 조사 유닛 및 상기 베드 이송 유닛의 작동을 제어하는 제어 유닛을 포함하고, 상기 광 조사 유닛은 상기 수조의 폭방향을 따라 선형적으로 레이저 광을 조사하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 광 조사 유닛은, 상기 본체 프레임에 고정되어 있는 광 조사 유닛 본체; 상기 광 조사 유닛 본체에 내장되고, 일방향으로 레이저 광을 조사하는 레이저 다이오드; 상기 광 조사 유닛 본체에 내장되고, 회전하면서 상기 레이저 다이오드로부터 조사된 레이저 광을 상기 수조의 폭방향을 따라 선형적으로 반사시키는 폴리곤 미러; 및 상기 광 조사 유닛 본체와 상기 수조 사이에서 상기 수조의 수면과 평행하게 이동 가능하도록 설치되고, 상기 폴리곤 미러로부터 반사되는 레이저 광을 상기 수조 내부의 광경화성 액체 수지로 굴절시키는 굴절 미러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 굴절 미러는, 상기 레이저 다이오드로부터 수평방향으로 조사되는 레이저 광을 수직 하방으로 굴절시키는 제1 미러; 상기 제1 미러의 하부에 설치되고, 상기 제1 미러로부터 굴절된 레이저 광을 상기 광 조사 유닛 본체 측을 향하여 수평방향으로 굴절시키는 제2 미러; 및 상기 제2 미러와 동일한 높이에 설치되고, 상기 제2 미러로부터 굴절된 레이저 광을 수직 하방으로 굴절시켜 수조의 액체 수지에 레이저 광이 조사되도록 하는 제3 미러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 미러와 제2 미러는 일체로 이동 가능하고, 상기 제3 미러는 상기 레이저 다이오드로부터 액체 수지까지의 레이저의 광로 거리가 일정하게 유지되도록 상기 제1 미러 및 제2 미러와는 다른 속도로 이동 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 광 조사 유닛으로부터 조사되는 레이저 광이 선형적으로 형성되면서 수평방향으로 이동하는 구조를 갖기 때문에, 갈바노 미러를 X-Y 축 제어하는 종래의 방식에 비해 장치의 구조를 단순화할 수 있고, 레이저 광 조사 시간을 단축하여 3차원 물체의 조형 시간을 단축할 수 있다. 또한, 광 조사 유닛 이송 유닛 및 베드 이송 유닛만을 제어하여 간단한 구성으로 제어 유닛을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터를 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터를 다른 방향에서 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터를 도시한 정면도,
도 4는 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터를 도시한 측면도,
도 5는 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터의 베드 및 베드 이송 유닛을 도시한 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터의 광 조사 유닛 이송 유닛을 도시한 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터의 광 조사 유닛을 도시한 사시도,
도 8은 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터의 광 조사 유닛의 내부를 도시한 사시도,
도 9는 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터의 광 조사 유닛을 도시한 평면도로서, 레이저 광의 경로를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터의 레이저 다이오드의 일 예를 나타낸 도면,
도 11은 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터의 블레이드 유닛을 도시한 사시도,
도 12와 13은 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터의 대안적인 실시예를 개략적으로 도시한 측면 구성도로서, 이동식 굴절 미러의 구성을 나타낸 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 참고로, 아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.

도 1 내지 4를 참조하면, 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터는 광경화성 액체 수지가 저장되는 수조(100), 수조(100)의 내부에서 조형 대상물을 지지하는 베드(200), 베드(200)를 이동시키는 베드 이송 유닛(300), 광경화성 액체 수지에 레이저 광을 조사하여 광경화성 액체 수지를 조형 대상물로 경화시키는 광 조사 유닛(400), 광 조사 유닛(400)을 이동시키는 광 조사 유닛 이송 유닛(500) 및 광 조사 유닛(400), 광 조사 유닛 이송 유닛(500), 베드 이송 유닛(300)의 작동을 제어하는 제어 유닛(600)을 포함한다.

수조(100)는 육면체 형상의 본체 프레임(10)의 하부에 설치되고, 수조(100)의 내부에는 광경화성 액체 수지가 저장된다.

베드(200)는 광경화성 액체 수지가 레이저 광에 의해 경화되어 생성되는 조형 대상물, 즉 3차원 물체를 지지하는 역할을 한다. 이 베드(200)는 후술되는 베드 이송 유닛(300)에 의해 수조(100)의 내부에서 상하방향으로 이동 가능하게 구성된다.

베드 이송 유닛(300)은 수직 이송 레일(310) 및 수직 이송 레일(310)을 따라 상하방향으로 이동 가능한 이송 부재(320)를 포함한다. 수직 이송 레일(310)은 본체 프레임(10)의 일측면에 수직방향으로 설치된다. 이송 부재(320)는 일단이 수직 이송 레일(310)을 따라 상하방향으로 이동 가능하게 형성되고, 타단이 베드(200)와 결합되어 베드(200)를 상하방향으로 이동시킨다(도 5 참조).

광 조사 유닛(400)은 수조(100)에 저장된 광경화성 액체 수지에 설정된 패턴에 따라 레이저 광을 조사하여 광경화성 액체 수지를 3차원 조형 대상물로 경화시킨다. 여기서, 광 조사 유닛(400)은 수조(100)의 폭방향을 따라 선형적으로 레이저 광을 조사하고, 후술되는 광 조사 유닛 이송 유닛(500)에 의해 수조(100)의 길이방향을 따라 이동 가능하게 구성된다.

광 조사 유닛 이송 유닛(500)은 수평 이송 레일(510) 및 수평 이송 레일(510)을 따라 수평방향, 즉 수조(100)의 길이방향으로 이동 가능한 이동 플레이트(520)를 포함한다. 수평 이송 레일(510)은 본체 프레임(10)에 정면 및 배면을 따라 수평방향으로 설치된다. 이동 플레이트(520)는 한 쌍의 수평 이동 레일(510) 사이에 설치되고, 구동축(530)을 따라 구동되는 기어 모터(540)에 의해 수평 이송 레일(510)을 따라 이동한다. 그리고, 이동 플레이트(520)의 상면에는 광 조사 유닛(400)이 고정된다(도 6 참조).

제어 유닛(600)은 본체 프레임(10)의 타측면에 설치되고, 입력된 조형 대상물에 관한 데이터에 기초하여 광 조사 유닛(400), 광 조사 유닛 이송 유닛(500) 및 베드 이송 유닛(300)의 작동을 제어하여 입력된 조형 대상물이 생성되도록 한다.

도 7 내지 9를 참조하면, 광 조사 유닛(400)은 내부에 소정 공간을 갖는 광 조사 유닛 본체(410), 광 조사 유닛 본체(410)의 내부에 설치되는 레이저 다이오드(420), 폴리곤 미러(430) 및 굴절 미러(440; 도 2 참조)를 포함한다.

광 조사 유닛 본체(410)는 광 조사 유닛 이송 유닛(500)의 이동 플레이트(520) 상에 고정되고, 이동 플레이트(520)와 함께 수조(100)의 길이방향을 따라 이동한다.

레이저 다이오드(420)는 광 조사 유닛 본체(410)에 내장되고, 폴리곤 미러(430)가 설치된 방향으로 레이저 광을 조사한다. 여기서, 레이저 다이오드(420)는 대략 380 ~ 420nm 파장 및 대략 580 ~ 620mW 출력을 갖는 자외선 광을 조사한다.

폴리곤 미러(430)는 광 조사 유닛 본체(410)에 내장되고, 모터(431)에 의해 회전하면서 레이저 다이오드(420)로부터 조사된 레이저 광을 반사시킨다. 여기서, 폴리곤 미러(430)는 6개의 반사면(43)을 구비하고, 모터(431)는 20,000 ~ 43,000rpm의 속도로 폴리곤 미러(430)를 회전시킨다. 여기서, 폴리곤 미러(430)는 그 회전축이 수조(100) 내에 충진된 액체 수지의 수면과 직각을 이루도록 광 조사 유닛 본체(410)에 설치된다. 따라서, 폴리곤 미러(430)의 회전면은 액체 수지의 수면과 평행하게 배치된다. 그리고, 폴리곤 미러(430)로부터 반사되는 레이저 광은 폴리곤 미러(430)의 회전에 의해, 도 9에 도시된 것처럼 수조(100)의 폭방향을 따라 선형적으로 반사된다.

굴절 미러(440)는 도 2에 도시된 바와 같이, 광 조사 유닛(400)과 수조(100) 사이에 설치되고, 폴리곤 미러(430)로부터 반사되는 레이저 광을 수조(100) 내부의 광경화성 액체 수지 측으로 굴절시키는 역할을 한다.

이와 같은 구성에 의해, 레이저 다이오드(420)로부터 조사되는 단파장의 고출력 레이저 광은 폴리곤 미러(430)에 반사되면서 수조(100)의 폭방향을 따라 선형적인 레이저 광선(L)을 형성하고, 광 조사 유닛(400)의 수평 이동에 의해 2차원 평면 상에 레이저 광을 조사할 수 있다. 또한, 베드(200)의 수직 이동에 의해 3차원 조형 대상물에 레이저 광을 조사하여 3차원 조형 대상물을 조형할 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터는 광 조사 유닛(400)으로부터 조사되는 레이저 광이 수조(100) 내의 액체 수지의 수면과 수평을 이루는 회전면을 가지는 폴리곤 미러(430)에 반사되어 선형적으로 형성되면서 수평방향으로 이동하는 구조를 갖기 때문에, 갈바노 미러를 X-Y 축 제어하는 종래의 방식에 비해 장치의 구조를 단순화할 수 있고, 액체 수지의 수면과 경사 또는 수직방향으로 배치된 회전면을 갖는 폴리곤 미러를 사용하는 종래 방식에 비해 폴리곤 미러의 회전 품질 및 수명을 향상시킬 수 있으며, 레이저 광 조사 시간을 단축하여 3차원 물체의 조형 시간을 단축할 수 있다. 또한, 광 조사 유닛 이송 유닛(500) 및 베드 이송 유닛(300)만을 제어하여 간단한 구성으로 제어 유닛(600)을 구현할 수 있다.

바람직하게는, 광 조사 유닛(400)은 레이저 다이오드(420)로부터 조사되는 레이저 광을 집광하기 위한 렌즈들(450, 461, 462), 예를 들면, 원통형 렌즈(450), 제1 F-θ 렌즈(461) 및 제2 F-θ 렌즈(462)를 포함한다.

원통형 렌즈(450)는 레이저 다이오드(420)와 폴리곤 미러(430) 사이에 설치되고, 레이저 광을 폴리곤 미러(430)의 반사면에 상하방향으로 집광시킨다. 제1 F-θ 렌즈(461)는 폴리곤 미러(430)와 굴절 미러(440) 사이에 설치되고, 폴리곤 미러(430)의 반사면에 반사된 레이저 광을 수조 측으로 집광시킨다. 그리고, 제2 F-θ 렌즈(462)는 제1 F-θ 렌즈(461)와 굴절 미러(440) 사이에 설치되고, 폴리곤 미러(430)의 반사면에 반사된 레이저 광을 수조 측으로 집광시킨다. 여기서, 제1 F-θ 렌즈(461)와 제2 F-θ 렌즈(462)는 2개의 렌즈가 한 세트로 구성되고, 이에 따라 집광된 레이저 광은 Ø0.1mm의 크기를 갖는다.

추가적으로, 광 조사 유닛(400)은 빔 디텍팅 센서(470), 빔 디텍팅 미러(480) 및 빔 디텍팅 렌즈(490)를 더 포함하여, 제어 유닛(600)으로 하여금 조형 대상물의 이미지 데이터의 출력 시작 위치를 결정할 수 있게 한다.

빔 디텍팅 센서(470)는 폴리곤 미러(430)로부터 반사되는 레이저 광을 수광하여 수광 정보를 제어 유닛(600)에 전달한다. 빔 디텍팅 미러(480)는 폴리곤 미러(430)로부터 반사되는 레이저 광을 빔 디텍팅 센서(470) 측으로 반사시킨다. 그리고, 빔 디텍팅 렌즈(490)는 빔 디텍팅 미러(480)와 빔 디텍팅 센서(470) 사이에 설치되고, 빔 디텍팅 미러(480)로부터 반사되는 레이저광을 집광하여 빔 디텍팅 센서(470)에 원활하게 수광되도록 한다. 그리고, 제어 유닛(600)은 빔 디텍팅 센서(470)로부터 수신된 수광 정보를 기초로 하여 조형물의 이미지 데이터의 출력 시작위치를 결정한다. 즉, 제어 유닛(600)은 각 조형 레이어(layer) 간의 레지스트를 동기화하는 역할을 한다.

또한, 도 10을 참조하면, 전술한 레이저 다이오드(420)는 폴리곤 미러(430)의 반사면의 어느 한 지점(R)을 중심으로 둘레방향으로 서로 일정간격 이격된 복수의 레이저 다이오드들(421, 422, 423, 424, 425,...n)로 이루어질 수 있다.

이 레이저 다이오드들(421, 422, 423, 424, 425,...n)은 폴리곤 미러(430)의 반사면 상의 한 지점에 레이저 광이 중첩되도록 레이저 광을 조사하고, 따라서 반사면을 통해 수조(100)의 광경화성 수지로 조사되는 레이저 광의 출력이 증가되면서 이에 비례하여 광경화 조형 속도가 증가된다.

한편, 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터는 수조(100)에서 조형되는 3차원 조형물의 상부면, 즉 조형면의 높이를 균일하게 하는 블레이드 유닛(700)을 더 포함한다.

도 10을 참조하면, 블레이드 유닛(700)은 광 조사 유닛 이송 유닛(500)의 수평 이송 레일(510)에 결합되는 이동 바(710) 및 수조(100)를 향하여 하방으로 연장된 블레이드(720)를 포함한다. 이동 바(710)는 광 조사 유닛 이송 유닛(500)에 의해 광 조사 유닛(400)과 일체로 수평방향으로 이동하고, 블레이드(720)는 상하방향으로 이동하는 조형 대상물의 상부면을 접촉하면서 조형면을 평탄하게 만든다.

이와 같이, 블레이드 유닛(700)은 광 조사 유닛 이송 유닛(500)에 의해 광 조사 유닛(400)과 일체로 이동할 수 있게 구성되어, 장치의 구성 및 제어가 간단하다.

대안적으로, 도 12와 13을 참조하면, 본 발명에 따른 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터는 광 조사 유닛 본체(410)가 본체 프레임(10)에 고정된 상태에서 수조(100)의 폭방향을 따라 선형적으로 레이저 광을 조사하도록 구성될 수 있다(여기서, 광 조사 유닛의 구성에 대해서는 도 8을 참조한다).

이 대안적인 실시예에서, 광 조사 유닛 본체(410)는 본체 프레임(10)에 고정식으로 설치되어 이동 불가능하다. 그리고, 굴절 미러(440)는 광 조사 유닛 본체(410)와 수조(100) 사이에 설치되고, 수조(100)의 수면과 평행한 방향으로 이동 가능하게 구성된다.

이와 같이, 본 발명의 대안적인 실시예는 광 조사 유닛 본체(410)는 고정되어 있고, 굴절 미러(440)만이 이동 가능하게 구성되므로, 굴절 미러(440)는 수조(100)의 상부에서 고속 이동이 가능하다. 또한, 굴절 미러(440)의 중량이 광 조사 유닛 본체(410)에 비하여 작기 때문에 이동시에 관성 및 진동 등의 영향을 적게 받을 수 있어, 광 조사 품질 면에서 유리하다.

바람직하게는, 레이저 다이오드(420)로부터 굴절 미러(440)를 거쳐 수조(100)의 액체 수지로 조사되는 레이저의 광로 거리를 일정하게 유지하기 위해, 굴절 미러(440)는 3개의 미러들(441,442, 443)로 구성될 수 있다.

구체적으로, 굴절 미러(440)는 레이저 다이오드(420)로부터 수평방향으로 조사되는 레이저 광을 수조(100)를 향하여 수직 하방으로 굴절시키는 제1 미러(441); 제1 미러(441)의 하부에 설치되고, 제1 미러(441)로부터 굴절된 레이저 광을 광 조사 유닛 본체(410) 측을 향하여 수평방향으로 굴절시키는 제2 미러(442); 및 제2 미러(442)와 동일한 높이에 설치되고, 제2 미러(442)로부터 굴절된 레이저 광을 수직 하방으로 굴절시켜 수조(100)의 액체 수지에 레이저 광이 조사되도록 하는 제3 미러(443)를 포함한다.

여기서, 제1 미러(441)와 제2 미러(442)는 일체로, 즉 같은 속도로 이동 가능하게 구성되고, 제3 미러(443)는 제1,2 미러들(441, 442)과는 다른 속도로 이동 가능하게 구성된다. 그리고, 레이저 다이오드(420)로부터 3개의 미러들(441, 442, 443)을 거쳐 액체 수지까지 조사되는 레이저의 광로 거리가 항상 일정하게 유지되도록 제1,2 미러들(441, 442) 및 제3 미러(443)의 이동 속도가 제어된다. 따라서, 액체 수지에 조사되는 레이저 광의 초점이 일정하게 유지되어 액체 수지의 광경화 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

본체 프레임의 하부에 설치되고, 내부에 광경화성 액체 수지가 저장된 수조;
상기 수조의 내부에서 상하방향으로 이동 가능하고, 조형 대상물을 지지하는 베드;
상기 베드를 상하방향으로 이동시키는 베드 이송 유닛;
상기 수조에 저장된 광경화성 액체 수지에 레이저 광을 조사하여 광경화성 액체 수지를 조형 대상물로 경화시키는 광 조사 유닛;
상기 수조의 길이방향을 따라 상기 광 조사 유닛을 이동시키는 광 조사 유닛 이송 유닛;
상기 광 조사 유닛, 광 조사 유닛 이송 유닛 및 상기 베드 이송 유닛의 작동을 제어하는 제어 유닛을 포함하고,
상기 광 조사 유닛은 상기 수조의 폭방향을 따라 선형적으로 레이저 광을 조사하도록 구성되고, 상기 광 조사 유닛은:
상기 광 조사 유닛 이송 유닛에 고정되고, 상기 수조의 길이방향을 따라 이송되는 광 조사 유닛 본체;
상기 광 조사 유닛 본체에 내장되고, 일방향으로 레이저 광을 조사하는 레이저 다이오드;
상기 광 조사 유닛 본체에 내장되고, 회전하면서 상기 레이저 다이오드로부터 조사된 레이저 광을 상기 수조의 폭방향을 따라 선형적으로 반사시키는 폴리곤 미러; 및
상기 광 조사 유닛 본체와 상기 수조 사이에 설치되고, 상기 폴리곤 미러로부터 반사되는 레이저 광을 상기 수조 내부의 광경화성 액체 수지로 굴절시키는 굴절 미러를 포함하고,
상기 레이저 다이오드는 상기 폴리곤 미러의 한 지점을 중심으로 둘레방향으로 일정간격 이격된 복수의 레이저 다이오드들로 이루어지고, 상기 복수의 레이저 다이오드들은 상기 폴리곤 미러의 한 지점에 레이저 광이 중첩되도록 레이저 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터.
제1항에 있어서,
상기 폴리곤 미러는 상기 수조 내의 액체 수지의 수면과 수직으로 배치된 회전축을 구비하여 액체 수지의 수면과 평행한 회전면을 갖는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터.
제1항에 있어서,
상기 광 조사 유닛은,
상기 레이저 다이오드로부터 조사되는 레이저 광을 상기 폴리곤 미러의 반사면에 집광시키는 원통형 렌즈; 및
상기 폴리곤 미러와 상기 굴절 미러 사이에 설치되고, 상기 폴리곤 미러의 반사면에 반사된 레이저 광을 수조 측으로 집광시키는 제1 F-θ 렌즈; 및
상기 제1 F-θ 렌즈와 상기 굴절 미러 사이에 설치되고, 상기 폴리곤 미러의 반사면에 반사된 레이저 광을 수조 측으로 집광시키는 제2 F-θ 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터.
제1항에 있어서,
상기 광 조사 유닛은,
상기 폴리곤 미러로부터 반사되는 레이저 광을 수광하여 조형 대상물의 이미지 데이터의 출력 시작 위치를 결정하는 빔 디텍팅 센서;
상기 폴리곤 미러로부터 반사되는 레이저 광을 상기 빔 디텍팅 센서로 반사시키는 빔 디텍팅 미러; 및
상기 빔 디텍팅 미러와 상기 빔 디텍팅 센서 사이에 설치되고, 상기 빔 디텍팅 미러로부터 반사되는 레이저 광을 집광하는 빔 디텍팅 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터.
제1항에 있어서,
상기 수조의 길이방향으로 수평 이동하여 상기 수조 내에서 조형되는 조형 대상물의 상부면을 평탄하게 만들고, 상기 광 조사 유닛 이송 유닛에 의해 상기 광 조사 유닛과 일체로 이동하는 블레이드 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터.
본체 프레임의 하부에 설치되고, 내부에 광경화성 액체 수지가 저장된 수조;
상기 수조의 내부에서 상하방향으로 이동 가능하고, 조형 대상물을 지지하는 베드;
상기 베드를 상하방향으로 이동시키는 베드 이송 유닛;
상기 수조에 저장된 광경화성 액체 수지에 레이저 광을 조사하여 광경화성 액체 수지를 조형 대상물로 경화시키는 광 조사 유닛; 및
상기 광 조사 유닛 및 상기 베드 이송 유닛의 작동을 제어하는 제어 유닛을 포함하고,
상기 광 조사 유닛은 상기 수조의 폭방향을 따라 선형적으로 레이저 광을 조사하도록 구성되고, 상기 광 조사 유닛은:
상기 본체 프레임에 고정되어 있는 광 조사 유닛 본체;
상기 광 조사 유닛 본체에 내장되고, 일방향으로 레이저 광을 조사하는 레이저 다이오드;
상기 광 조사 유닛 본체에 내장되고, 회전하면서 상기 레이저 다이오드로부터 조사된 레이저 광을 상기 수조의 폭방향을 따라 선형적으로 반사시키는 폴리곤 미러; 및
상기 광 조사 유닛 본체와 상기 수조 사이에서 상기 수조의 수면과 평행하게 이동 가능하도록 설치되고, 상기 폴리곤 미러로부터 반사되는 레이저 광을 상기 수조 내부의 광경화성 액체 수지로 굴절시키는 굴절 미러를 포함하고,
상기 레이저 다이오드는 상기 폴리곤 미러의 한 지점을 중심으로 둘레방향으로 일정간격 이격된 복수의 레이저 다이오드들로 이루어지고, 상기 복수의 레이저 다이오드들은 상기 폴리곤 미러의 한 지점에 레이저 광이 중첩되도록 레이저 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터.
제6항에 있어서,
상기 굴절 미러는,
상기 레이저 다이오드로부터 수평방향으로 조사되는 레이저 광을 수직 하방으로 굴절시키는 제1 미러;
상기 제1 미러의 하부에 설치되고, 상기 제1 미러로부터 굴절된 레이저 광을 상기 광 조사 유닛 본체 측을 향하여 수평방향으로 굴절시키는 제2 미러; 및
상기 제2 미러와 동일한 높이에 설치되고, 상기 제2 미러로부터 굴절된 레이저 광을 수직 하방으로 굴절시켜 수조의 액체 수지에 레이저 광이 조사되도록 하는 제3 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터.
제7항에 있어서,
상기 제1 미러와 제2 미러는 일체로 이동 가능하고, 상기 제3 미러는 상기 레이저 다이오드로부터 액체 수지까지의 레이저의 광로 거리가 일정하게 유지되도록 상기 제1 미러 및 제2 미러와는 다른 속도로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 선형 레이저 광원을 이용한 ３차원 프린터.
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