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KR101860669B1 - 3d 프린터, 3d 프린팅 방법 및 3d 프린터 제어 프로그램 - Google Patents

3d 프린터, 3d 프린팅 방법 및 3d 프린터 제어 프로그램 Download PDF

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KR101860669B1
KR101860669B1 KR1020170059871A KR20170059871A KR101860669B1 KR 101860669 B1 KR101860669 B1 KR 101860669B1 KR 1020170059871 A KR1020170059871 A KR 1020170059871A KR 20170059871 A KR20170059871 A KR 20170059871A KR 101860669 B1 KR101860669 B1 KR 101860669B1
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KR
South Korea
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light
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sectional
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Inventor
한상조
서종범
강영석
김형철
우상혁
Original Assignee
서울과학기술대학교 산학협력단
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Priority to PCT/KR2018/004211 priority patent/WO2018212458A1/ko
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램은 복수 개의 단면층을 적층하여 3차원 조형물을 형성함에 있어서 하나의 단면층을 형성하기 위해 하나의 단면층을 더 세밀하게 분할한 복수 개의 단면 이미지를 이용하여 3차원 조형물의 표면 해상도를 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램 {3D PRINTER AND 3D PRINTING METHOD AND 3D PRINTER CONTROL PROGRAM}
본 발명은 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 조형물의 표면 해상도를 향상시킬 수 있는 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램에 관한 것이다.
DLP(Digital Light Processing) 방식의 3D 프린터는 조형물에 대한 3차원 디지털 이미지를 조형물의 단면을 나타내는 2차원 이미지로 변환한 후 2차원 이미지에 대응하는 빛을 광경화 수지에 조사하여 적층 조형한다.
이러한 DLP 방식의 3D 프린터는 다른 출력 방식에 비해 비교적 높은 해상도로 형상 조형이 가능하다. 또한 주조가 가능한 왁스 계열의 광경화성 고분자 수지로 출력하는 것이 용이하여 정밀 주조를 필요로 하는 주얼리, 피규어, 치의과, 터빈 블레이트 등의 분야에 많이 사용된다.
하지만 DLP 방식의 3D 프린터는 적층되는 단면의 두께로 인해 도 1에 도시된 바와 같이 완성된 조형물의 표면에 계단 모양이 형성된다. 따라서 높은 표면 해상도를 요구하는 경우 표면을 매끄럽게 만들기 위한 후처리 공정이 필요한 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 조형물의 단면을 나타내는 2차원 이미지를 더 조밀하게 형성하고 단층의 높이를 줄임으로서 완성된 조형물의 표면 거칠기를 줄일 수 있다.
그러나 이러한 방법은 공정의 횟수를 증가시켜 조형물을 완성하기까지의 출력 시간 역시 기하급수적으로 증가하는 문제점이 있다.
또한 단층의 높이를 줄이더라도 3D 프린터의 기계적 한계로 인해 물리적 최소 이격 거리보다 작은 간격으로 단면을 형성할 수 없는 문제점이 있다.
미국공개특허 제2015/0328833호 "STEREOLITHOGRAPHY RAPID PROTOTYPING APPARATUS AND METHOD"
본 발명의 목적은 조형물의 표면 해상도를 높일 수 있는 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 조형물의 표면 해상도를 높이면서도 조형물을 완성하기까지의 출력 시간을 증가시키지 않는 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3D 프린터의 물리적 최소 이격 거리보다 더 작은 높이의 단층으로 적층 가능한 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 3D 프린터의 기계적 구성을 교체하거나 개조할 필요 없이 조형물의 표면 해상도를 높일 수 있는 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들은, 본 발명에 따른 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램에 의해 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터는 이미지 제공부, 광조사부, 수조, 이동부 및 제어부로 이루어진다.
이미지 제공부는 조형물에 대한 단면 이미지를 제공한다.
광조사부는 이미지 제공부에 의해 제공되는 이미지에 대응하는 빛을 조사한다.
수조는 내부에 광경화 수지를 담고 있으며, 광조사부로부터의 빛을 제공받는다.
이동부는 광조사부로부터의 빛에 의해 경화된 광경화 수지를 단면층 하나의 높이만큼씩 이동시킨다.
제어부는 이미지 제공부, 광조사부 및 이동부를 제어하며, 이동부의 N번째 이동과 N+1번째 이동 사이에 이미지 제공부가 조형물에 대한 일련의 M개 단면 이미지를 제공하도록 제어한다. 여기서 N은 0이상의 정수, M은 2이상의 정수이다.
이동부의 N+1번째 이동 거리가 L인 경우 단면 이미지는 상기 조형물을 L/M 간격으로 분할한 단면 이미지일 수 있다.
제어부는 광조사부가 M개의 단면 이미지에 대응하는 빛을 동일한 시간 간격으로 순차적으로 제공하도록 제어할 수 있다. 이때 광조사부는 단면 이미지 전체 영역에 동일한 세기의 빛을 조사할 수 있다.
또한 제어부는 광조사부가 M개의 단면 이미지에 대응하는 다른 세기의 빛을 동일하지 않은 시간 동안 조사하도록 제어할 수 있다.
이미지 제공부는 M개의 이미지를 중첩한 중첩 이미지를 제공할 수 있다.
광조사부는 중첩 이미지의 모든 영역에 동일한 시간 동안 빛을 조사할 수 있다. 이때 광조사부의 각 픽셀을 통해 중첩된 횟수에 비례하는 다른 세기의 빛을 조사할 수 있다.
일련의 M개 단면 이미지는 경계선이 서로 다른 픽셀에 위치한 이미지이거나 경계선이 서로 동일 픽셀에 위치하는 이미지인 경우 경계선의 색이 다른 이미지일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법은 3D 프린터를 이용하여 단면층 형성 단계를 반복함으로써 3차원 조형물을 형성하는 방법이다.
단면층 형성 단계는 광경화 수지 제공 단계, 이미지 제공 단계, 광조사 단계를 포함하여 이루어진다.
광경화 수지 제공 단계는 단면층 형성을 위한 광경화 수지를 제공하는 단계이다.
이미지 제공 단계는 조형물에 대한 일련의 M개(M은 2이상의 정수) 단면 이미지를 광조사부에 제공하는 단계이다.
광조사 단계는 광조사부가 M개 단면 이미지에 대응하는 빛을 광경화 수지에 조사하는 단계이다.
본 발명의 일 실시예에 다른 3D 프린팅 방법은 이미지 제공 단계에서 M개 단면 이미지를 순차적으로 제공하고, 광조사 단계에서 순차적으로 제공되는 M개 단면 이미지에 대응하는 빛을 순차적으로 조사할 수 있다.
광조사 단계에서 M개 단면 이미지 각각에 대응하는 빛을 동일한 시간 동안 동일한 세기로 조사할 수 있다. 또한, 이미지 각각에 대응하는 빛을 다른 시간, 다른 세기로 조사할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법은 상기 이미지 제공 단계에서 M개 단면 이미지를 중첩한 중첩 이미지를 제공하고, 광조사 단계에서 중첩 이미지에 대응하는 빛을 광경화 수지에 조사할 수 있다.
광조사 단계에서 광조사부는 중첩 이미지에 대응하는 빛을 조사하되 광조사부의 각 픽셀을 통해 중첩된 횟수에 비례하는 다른 세기의 빛을 조사할 수 있다.
광경화 수지 제공 단계에서 제공되는 하나의 단면 형성을 위한 광경화 수지의 높이가 L인 경우, 상기 이미지 제공 단계에서 제공되는 상기 M개 단면 이미지는 상기 3차원 조형물을 L/M 간격으로 분할한 단면 이미지일 수 있다.
또한 M개 단면 이미지는 경계선이 서로 다른 픽셀에 위치한 이미지이거나 경계선이 서로 동일 픽셀에 위치하는 이미지인 경우 경계선의 색이 다른 이미지일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터 제어 프로그램은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법의 각 단계들을 3D 프린터에서 실행시키기 위해 매체에 저장된 제어 프로그램이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램은 복수 개의 단면층을 적층하여 3차원 조형물을 형성함에 있어서 하나의 단면층을 형성하기 위해 하나의 단면층을 더 세밀하게 분할한 복수 개의 단면 이미지를 이용하여 3차원 조형물의 표면 해상도를 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램은 조형물의 표면 해상도를 높이면서도 조형물을 완성하기까지의 출력 시간을 증가시키지 않는 효과를 제공한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램은 3D 프린터의 물리적 최소 이격 거리보다 더 작은 높이의 단층으로 적층이 가능하며, 3D 프린터의 기계적 구성을 교체하거나 개조할 필요 없이 조형물의 표면 해상도를 높일 수 있는 효과를 제공한다.
제1도는 DLP 방식의 3D 프린터로 제조된 조형물의 표면 거칠기를 보여주는 도면이다.
제2도는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 보여주는 개략도이다.
제3도는 이미지 제공부에 의해 제공되는 예시적인 단면 이미지와 이에 대응하는 광조사부의 픽셀을 보여주는 도면이다.
제4도는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력물과 종래 3D 프린터의 출력물을 비교하여 보여주는 도면이다.
제5도는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법을 보여주는 순서도이다.
제6도는 첫 번째 단면층을 형성하기 위한 광경화 수지를 제공하기 위한 이동부의 위치를 보여주는 도면이다.
제7도는 두 번째 단면층을 형성하기 위한 광경화 수지를 제공하기 위한 이동부의 위치를 보여주는 도면이다.
제8도 내지 제12도는 첫 번째 단면층을 형성하기 위한 복수 개의 단면 이미지로서, 단면의 경계선이 모두 다른 픽셀에 위치하는 단면 이미지의 예시이다.
제13도는 제8도 내지 제12도에 도시된 단면 이미지를 중첩한 중첩 이미지이다.
제14도는 제12도에 도시된 단면 이미지에 이어 제공되는 두 번째 단면층의 첫번 째 단면 이미지의 예시이다.
제15도 내지 제19도는 첫 번째 단면층을 형성하기 위한 복수 개의 단면 이미지로서, 단면의 경계선이 모두 동일한 픽셀에 위치하는 단면 이미지의 예시이다.
제20도는 제15도 내지 제19도에 도시된 단면 이미지를 중첩한 중첩 이미지이다.
제21도는 제19도에 도시된 단면 이미지에 이어 제공되는 두 번째 단면층의 첫번 째 단면 이미지의 예시이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.
또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2에 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 개략도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터는 이미지 제공부(10), 광조사부(20), 수조(30), 이동부(40), 제어부(50)를 포함하여 이루어진다.
이미지 제공부(10)는 3D 프린터로 만들고자 하는 조형물의 단면 이미지(도 2에서의 x-y평면 이미지)를 광조사부(20)로 제공한다.
광조사부(20)는 이미지 제공부로부터 제공된 이미지에 대응하는 빛(예를 들어 자외선, 전자선, 가시광선 등)을 조사한다.
광조사부는 이미지 제공부로부터 제공된 이미지에 대응하는 빛을 조사하기 위한 장치로서 예를 들어 광원과 광원으로부터의 빛의 세기를 단위 영역(픽셀)별로 조절할 수 있는 디지털 마이크로미러 디바이스(Digital Micromirror Device, DMD)를 포함하여 구성할 수 있다.
디지털 마이크로미러 디바이스는 수많은 미세거울을 반도체 위에 넣은 반사식 표시기로서 각 거울이 소정 각도로 회동 가능하다. 따라서 도 3에 도시된 바와 같이 이미지 제공부로부터 제공되는 이미지 I에 대응하는 픽셀의 미세거울은 광원으로부터의 빛이 후술할 수조를 향해 조사되도록, 나머지 픽셀의 미세거울은 광원으로부터의 빛이 수조를 향해 조사되지 않도록 회동된다. 또한 미세거울은 이미지 제공부로부터 제공된 이미지에 따라 광원으로부터의 빛이 일부는 수조를 향해 조사되고 나머지 일부는 반사되도록 회동하여 수조로 제공되는 광의 세기를 픽셀 단위로 제어할 수도 있다.
수조(30)는 광조사부로부터의 빛에 의해 경화되는 광경화성 수지를 담고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 광조사부로부터의 빛이 수조의 바닥면을 향해 조사될 경우 수조의 바닥면을 광조사부로부터의 빛이 광경화성 수지에 전달될 수 있도록 하는 투광성 소재로 구성될 수 있다.
광조사부로부터의 빛에 의해 경화된 광경화성 수지는 이동부(40)에 의해 광조사부로부터 멀어지는 방향으로 이동되며 3차원 형상의 조형물로 형성된다.
이를 위해 이동부(40)는 경화된 광경화성 수지가 부착되는 플레이트(41) 및 플레이트를 광조사부로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동시키는 이동암(42)을 포함하여 이루어질 수 있다.
위와 같은 이미지 제공부(10), 광조사부(20) 및 이동부(40)의 동작은 제어부(50)에 의해 제어된다.
제어부(50)는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터에 의해 3차원 조형물을 형성하기 위해 수조의 바닥면으로부터 플레이트(41)를 정해진 거리 L만큼 이격시키고 광경화 수지에 빛을 조사하여 경화시킨 후 다시 플레이트를 이격시키는 과정을 반복함에 있어서, 플레이트를 이격시킨 다음 다시 플레이트를 이격시키기 전에 이미지 제공부가 조형물에 대한 M 개(M은 2이상의 정수)의 단면 이미지를 제공함으로써 조형물의 표면 해상도가 향상될 수 있도록 한다.
이때 제공되는 단면 이미지는 조형물을 플레이트의 이격 거리보다 더 작은 거리로 분할한 단면 이미지로서 예를 들어 이동부(40)가 플레이트(41)를 한 번에 25㎛씩 이격시킨다고 할 때 단면 이미지는 조형물의 3차원 이미지를 25㎛ 보다 작은 두께로 분할한 이미지이다. 단면 이미지는 균등한 두께로 분할한 이미지인 것이 바람직하므로 이미지 제공부(10)가 M=5개의 단면 이미지를 제공한다고할 때 단면 이미지는 조형물의 3차원 이미지를 5㎛ 두께로 분할한 이미지인 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터에 의해 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 단면층을 25㎛ 높이로 단면층을 형성하더라도 마치 5㎛ 높이로 단면층을 형성한 것과 유사한 조형물이 출력된다(도 4의 왼쪽 그림 참조). 따라서 하나의 단면층을 하나의 단면 이미지로 형성한 경우(도 4의 오른쪽 그림 참조) 보다 표면 해상도가 향상됨을 알 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 제어부의 제어 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법에 대한 설명에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 5에 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법의 순서도가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법은 단면층 형성을 위한 단계들(S10 내지 S30)을 반복 수행함으로써 단면층이 적층된 3차원 조형물을 형성한다.
즉, 광경화 수지 제공 단계(S10), 이미지 제공 단계(S20), 및 광조사 단계(S30)를 1회 수행함에 따라 3차원 조형물을 위한 1개의 단면층이 완성되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법은 1개의 단면층을 형성하기 위한 단계들(S10~S30)을 마지막 단면층이 형성될 때까지 반복 수행함으로써 3차원 조형물을 완성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법에서 단면층 형성을 위한 단계들을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 광경화 수지 제공 단계(S10)는 단면층을 형성하기 위해 액체 상태의 광경화 수지를 플레이트(41) 또는 이미 형성된 단면층과 광조사면 사이에 제공하는 단계이다.
이를 위해 제어부(50)는 이동부(40)를 제어하여 플레이트(41)가 광조사면으로부터 하나의 단면의 두께에 해당하는 거리 L만큼 이격되도록 제어한다. 여기서 광조사면이란 광조사부로부터의 광이 광경화 수지에 가장 먼저 맞닿는 면을 의미하며 도 2에서는 수조 바닥면이 광조사면이다.
보다 상세히 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 수조(30)에는 3차원 조형물을 형성하기 위한 광경화 수지가 담겨져 있다.
제어부(50)는 첫 번째 단면층을 형성하기 위한 광경화 수지를 제공하기 위해 이동부(40)를 제어하여 광조사면으로부터 하나의 단면의 두께에 해당하는 거리(L)만큼 이격된 위치에 플레이트(41)를 위치시킨다(도 6 참조).
이와 같이 플레이트(41)가 수조 바닥면으로부터 L만큼 이격된 위치에 위치되면, 플레이트(41)와 수조 바닥면 사이의 두께 L의 광경화 수지가 조형물의 첫 번째 단면을 형성하기 위한 광경화 수지로서 제공되는 것이다.
또한 후술할 이미지 제공 단계(S20) 및 광조사 단계(S30)를 거처 첫 번째 단면(P1)이 형성되면, 다음 반복되는 단면층 형성 단계의 광경화 수지 제공 단계에서는 제어부(50)가 이동부(40)를 제어하여 플레이트(41)가 광조사면으로부터 거리 L만큼 이격되도록 한다(도 7 참조).
이 경우 플레이트(41)에 부착된 첫 번째 단면(P1)이 플레이트와 함께 광조사면으로부터 거리 L만큼 이격되고, 첫 번째 단면(P1)과 수조 바닥면 사이의 두께 L의 광경화 수지가 조형물의 두 번째 단면을 형성하기 위한 광경화 수지로서 제공된다.
이와 같이 제어부(50)는 반복되는 단면층 형성 단계의 광경화 수지 제공 단계(S10)에서 플레이트(41)가 거리 L만큼 광조사면으로부터 이격되도록 이동부(40)를 제어함으로써 이미 형성된 단면층과 광조사면 사이에 다음 단면층을 형성하기 위한 광경화 수지를 제공할 수 있다.
다음으로 이미지 제공 단계(S20)는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 이미지 제공부(10)가 단면층 형성을 위한 이미지들을 광조사부(20)에 제공하는 단계이다.
제어부는 이미지 제공 단계(S20)에서 이미지 제공부가 조형물에 대한 복수 개의 단면 이미지를 광조사부에 제공하도록 제어한다.
이때 이미지 제공부에 의해 제공되는 복수 개의 단면 이미지는 현재 형성하고자 하는 단면층을 더 작은 간격으로 분할한 일련의 단면 이미지이다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법을 이용하여 두께 25㎛을 갖는 단면층을 적층하여 3차원 조형물을 형성할 때 이미지 제공부(10)는 각각의 단면층을 형성하기 위해 각 이미지 제공 단계에서 3차원 조형물을 5㎛간격으로 분할한 5개의 단면 이미지를 제공할 수 있다.
이때 분할한 일련의 단면 이미지는 도 8 내지 도 12에 도시된 바와 같이 경계선이 다른 픽셀에 위치한 이미지일 수 있다. 또한 분할한 일련의 단면 이미지는 도 15 내지 도 19에 도시된 바와 같이 경계선이 같은 픽셀에 위치하고 조사되는 빛의 색만 다른 이미지일 수 있다.
제어부는 이러한 복수 개의 단면 이미지가 적층 방향을 따라 순차적으로 광조사부에 제공되도록 제어하거나 복수 개의 단면 이미지를 중첩한 중첩 이미지가 제공되도록 제어할 수 있다.
즉, 도 8 내지 도 12에 도시된 복수 개의 이미지(I11, I12, I13, I14, I15)가 순차적으로(I11-I12-I13-I14-I15) 광조사부에 제공되도록 제어하거나 복수 개의 이미지(I11, I12, I13, I14, I15)를 중첩한 중첩 이미지(도 13 참조)가 광조사부로 제공되도록 제어할 수 있다.
또한 도 15 내지 도 19에 도시된 복수 개의 이미지(I'11, I'12, I'13, I'14, I'15)가 순차적으로(I'11, I'12, I'13, I'14, I'15) 광조사부에 제공되도록 제어하거나 복수 개의 이미지(I'11, I'12, I'13, I'14, I'15)를 중첩한 중첩 이미지(도 20 참조)가 광조사부로 제공되도록 제어할 수 있다.
복수 개의 이미지를 중첩한 중첩 이미지(I1, I'1)는 도 13 및 도 20에 도시된 바와 같이 이미지의 각 영역이 중첩된 횟수에 따라 다른 명암을 갖는 이미지일 수 있다. 도 13 및 도 20에는 많이 중첩될수록 어둡게 표시하였으나 이와 반대로 많이 중첩될수록 밝게 표시될 수도 있다.
또한 도 15 내지 도 19에서 경계선에 위치하는 픽셀의 색상이 달라짐(예를 들어 white와 black의 혼합비가 달라짐)을 표시하기 위해 점점 어두워지도록 표시하였으나 이와 반대로 밝게 표시될 수도 있다.
다음으로, 광조사 단계(S30)는 이미지 제공 단계에서 제공된 복수 개의 단면 이미지에 대응하는 빛을 광경화 수지에 조사하여 광경화 수지를 경화시키는 단계이다.
만약 이미지 제공 단계에서 복수 개의 이미지(I11, I12, I13, I14, I15)가 순차적으로(I11-I12-I13-I14-I15) 광조사부에 제공되었다면, 제어부는 복수 개의 이미지에 대응하는 동일 세기의 빛이 광경화 수지에 순차적으로 제공되도록 광조사부를 제어할 수 있다.
즉, 두께 L의 광경화 수지가 광조사부로부터 조도 X (예를 들어 1000lx)의 빛에 10초간 노출되었을 때 경화된다고 하면, 제어부는 조도 X의 빛을 이미지 I11에 대응하도록 2초간 조사한 다음 이미지 I12에 대응하도록 2초간 조사하고, 다시 이미지 I13에 대응하도록 2초간 조사한 다음 이미지 I14에 대응하도록 2초간 조사하며, 다시 이미지 I15에 대응하도록 2초간 조사한다.
하지만 본 발명은 동일 세기의 빛을 동일한 시간 동안 조사하는 것에 한정되지 않고 이미지 각각에 대응하는 빛을 다른 시간, 다른 세기로 조사할 수도 있다.
또한 만약 이미지 제공 단계(S20)에서 복수 개의 이미지가 중첩된 중첩 이미지(I1)가 광조사부에 제공되었다면, 광조사부는 중첩된 이미지 각 영역의 명암에 따라 다른 광량의 빛을 조사할 수 있다.
구체적으로, 5개의 이미지가 모두 중첩된 영역에 해당하는 광조사부의 픽셀은 조도 X의 빛을 10초간 조사하도록 하고, 4개의 이미지가 중첩된 영역에 해당하는 광조사부의 픽셀은 조도 4X/5의 빛을 10초간 조사하도록 하고, 3개의 이미지가 중첩된 영역에 해당하는 광조사부의 픽셀은 조도 3X/5의 빛을 10초간 조사하도록 하고, 2개의 이미지가 중첩된 영역에 해당하는 광조사부의 픽셀은 조도 2X/5의 빛을 10초간 조사하도록 하며, 1개의 이미지에만 해당하는 영역에 해당하는 광조사부의 픽셀은 조도 X/5의 빛을 10초간 조사하도록 할 수 있다.
또는 다른 방법으로 5개의 이미지가 모두 중첩된 영역에 해당하는 광조사부의 픽셀은 조도 X의 빛을 10초간 조사하도록 하고, 4개의 이미지가 중첩된 영역에 해당하는 광조사부의 픽셀은 조도 X의 빛을 8초간 조사하도록 하고, 3개의 이미지가 중첩된 영역에 해당하는 광조사부의 픽셀은 조도 X의 빛을 6초간 조사하도록 하고, 2개의 이미지가 중첩된 영역에 해당하는 광조사부의 픽셀은 조도 X의 빛을 4초간 조사하도록 하며, 1개의 이미지에만 해당하는 영역에 해당하는 광조사부의 픽셀은 조도 X의 빛을 2초간 조사하도록 할 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같은 광경화 수지 제공 단계(S10), 이미지 제공 단계(S20), 및 광조사 단계(S30)을 수행하면 두께 L을 갖는 하나의 단면층이 형성된다. 그리고 단계 S40에서 이번에 형성된 단면층이 마지막 단면층인지 여부를 판단한다. 만약 마지막 단면층이 아닐 경우 다음 단면층을 형성하기 위해 다시 광경화 수지 제공 단계(S10)로 되돌아가 다음 단면층을 형성하기 위한 광경화 수지 제공 단계, 이미지 제공 단계 및 광조사 단계를 반복한다.
만약 두께 L을 갖는 10000개의 단면층으로 하나의 조형물이 완성될 경우 광경화 수지 제공 단계(S10), 이미지 제공 단계(S20), 및 광조사 단계(S30)을 10000회 반복한다.
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터 및 3D 프린팅 방법을 사용하여 하나의 단면층을 형성할 경우 완전히 경화될 만큼의 빛을 받지못한 에지부분은 완전히 경화되는 영역에 붙으며 부드러운 표면을 형성한다.
따라서 하나의 이미지 I11 또는 I'11으로 하나의 단면층 P1을 형성하고 도 14 또는 도 21에 도시된 바와 같은 이미지 I21 또는 I'21으로 다음 단면층 P2를 형성하는 종래 방법에 비해 완성된 조형물의 표면에 선명한 계단 모양이 형성되지 않는다(도 4 참조). 그러므로 완성된 조형물 표면을 부드럽게 가공하기 위한 후처리 공정(예를 들어 샌드페이퍼 공정)을 거의 필요로 하지 않는다. 이때 앤티 앨리어싱(anti-aliasing)을 함께 사용하면 표면 해상도를 더 향상시킬 수 있다.
하나의 단면층을 형성하기 위해 하나의 이미지를 이용하는 종래 방법 역시 단면층의 높이를 줄일 경우 (즉, 1개의 단면층을 25㎛로 형성하던 것을 더 세밀화하여 5㎛로 형성), 조형물의 표면 해상도를 개선할 수 있다. 그러나 하나의 단면층을 형성한 후 다음 단면층을 형성하기 위해 플레이트를 상승시키는 과정에 시간이 많이 소요되기 때문에 단면층의 높이를 줄일수록 조형물을 완성시키기 위한 출력시간이 기하급수적으로 증가하게 된다.
하지만 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터 및 3D 프린팅 방법은 단면층의 높이를 줄이는 것이 아니라 하나의 단면층을 형성함에 있어 하나의 단면층을 더 작은 간격으로 분할한 일련의 단면 이미지를 이용하여 노광시킬 뿐이다. 따라서 조형물의 표면 해상도를 향상시키면서도 출력시간이 증가되지 않는다. 즉, 25센티미터 높이의 조형물을 25㎛ 단위로 분할한 10000개의 이미지로 조형물을 형성하는 종래 방법과 25센티미터 높이의 조형물을 5㎛ 단위로 분할한 50000개의 이미지로 조형물을 형성하는 본 발명에 따른 방법 사이에 출력시간의 차이가 거의 발생하지 않는다.
또한 종래 방법의 경우 3D 프린터의 물리적 최소 이격 거리(플레이트(41)를 정밀하게 이동시킬 수 있는 최소 거리) 보다 작은 단위로 단면층을 형성할 수 없다. 즉, 물리적 최소 이격 거리가 10㎛인 경우 하나의 단면층의 높이를 10㎛ 미만으로 형성할 수 없다.
이에 반해 본 발명에 따른 방법의 경우 하나의 단면층의 높이를 10㎛로 하더라도 이 보다 작은 단위로 분할한 일련의 단면 이미지를 이용하여 10㎛보다 작은 높이를 갖는 단면층으로 조형물을 형성한 것과 같이 보다 높은 해상도의 표면을 갖는 조형물을 형성할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터 및 3D 프린팅 방법은 종래 3D 프린팅의 물리적 구성을 변형할 필요 없이 제어 프로그램의 변경만으로 구현될 수 있다.
즉, 종래의 제어 프로그램을 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법의 각 단계들을 3D 프린터에서 실행시키기 위해 매체에 저장된 3D 프린터 제어 프로그램으로 변경하는 것만으로 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터 및 3D 프린팅 방법을 구현할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 3D 프린터, 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터 제어 프로그램을 첨부된 도면을 참조로 구체적인 실시예로 한정되게 설명하였다. 그러나 이는 하나의 실시예일 뿐이며, 첨부된 특허청구범위에서 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
10: 이미지 제공부 20: 광조사부
30: 수조 40: 이동부
50: 제어부

Claims (16)

  1. 조형물에 대한 단면 이미지를 제공하는 이미지 제공부;
    상기 이미지 제공부에 의해 제공되는 이미지에 대응하는 빛을 조사하는 광조사부;
    상기 광조사부로부터의 빛을 제공받으며, 광경화 수지가 담겨져 있는 수조;
    상기 빛에 의해 경화된 광경화 수지를 단면층 하나의 높이만큼씩 이동시키는 이동부; 및
    상기 이미지 제공부, 광조사부 및 이동부를 제어하는 제어부;
    를 포함하여 이루어지고,
    상기 제어부는 상기 이동부의 N번째 이동과 N+1번째 이동 사이에 상기 이미지 제공부가 상기 조형물에 대한 일련의 M개 단면 이미지를 제공하도록 제어하며, 상기 N은 0이상의 정수, M은 2이상의 정수인 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이동부의 N+1번째 이동 거리가 L인 경우 상기 단면 이미지는 상기 조형물을 L/M 간격으로 분할한 단면 이미지인 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 광조사부가 상기 M개의 단면 이미지에 대응하는 동일한 세기의 빛을 동일한 시간 간격으로 순차적으로 제공하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 광조사부가 상기 M개의 단면 이미지에 대응하는 다른 세기의 빛을 동일하지 않은 시간 동안 조사하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 이미지 제공부는 상기 M개의 이미지를 중첩한 중첩 이미지를 제공하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광조사부는 상기 중첩 이미지의 모든 영역에 동일한 시간 동안 빛을 조사하되 상기 광조사부의 각 픽셀을 통해 중첩된 횟수에 비례하는 다른 세기의 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 일련의 M개 단면 이미지는 경계선이 서로 다른 픽셀에 위치한 이미지이거나 경계선이 서로 동일 픽셀에 위치하는 이미지인 경우 경계선의 색이 다른 이미지인 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  8. 단면층 형성 단계를 반복함으로써 3차원 조형물을 형성하며,
    상기 단면층 형성 단계는
    단면층 형성을 위한 광경화 수지를 제공하는 광경화 수지 제공 단계;
    조형물에 대한 일련의 M개(M은 2이상의 정수) 단면 이미지를 광조사부에 제공하는 이미지 제공 단계; 및
    상기 광조사부가 상기 M개 단면 이미지에 대응하는 빛을 상기 광경화 수지에 조사하는 광조사 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이미지 제공 단계는 상기 M개 단면 이미지를 순차적으로 제공하고,
    상기 광조사 단계는 순차적으로 제공되는 상기 M개 단면 이미지에 대응하는 빛을 순차적으로 조사하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광조사 단계에서 상기 M개 단면 이미지 각각에 대응하는 빛을 동일한 시간 동안 동일한 세기로 조사하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 광조사 단계에서 상기 M개의 단면 이미지에 각각 대응하는 다른 세기의 빛을 동일하지 않은 시간 동안 조사하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 이미지 제공 단계는 상기 M개 단면 이미지를 중첩한 중첩 이미지를 제공하고,
    상기 광조사 단계에서 상기 광조사부는 상기 중첩 이미지에 대응하는 빛을 상기 광경화 수지에 조사하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광조사 단계에서 상기 광조사부는 상기 중첩 이미지에 대응하는 빛을 조사하되 상기 광조사부의 각 픽셀을 통해 중첩된 횟수에 비례하는 다른 세기의 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    광경화 수지 제공 단계에서 제공되는 하나의 단면 형성을 위한 광경화 수지의 높이가 L인 경우, 상기 이미지 제공 단계에서 제공되는 상기 M개 단면 이미지는 상기 3차원 조형물을 L/M 간격으로 분할한 단면 이미지인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 M개 단면 이미지는 경계선이 서로 다른 픽셀에 위치한 이미지이거나 경계선이 서로 동일 픽셀에 위치하는 이미지인 경우 경계선의 색이 다른 이미지인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  16. 제8항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 방법의 각 단계들을 3D 프린터에서 실행시키기 위해 매체에 저장된 3D 프린터 제어 프로그램.
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