KR20070119983A - 재료를 공중에서 녹여 3차원 물체를 만드는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재료 입자를 낙하시키고 이것이 바닥이나 만들어지고 있는 3차원 물체에 닿기 전에 적외선 레이저로 맞추어서 공중에서 녹이고 녹은 방울을 x, y, z 방향으로 움직이는 바닥 또는 그 위에 있는 완성 중인 물체에 떨어뜨려서 3차원 물체를 만드는 장치임. 고에너지 레이저의 출력 증진과 낙하하는 입자를 추적해서 초점을 정확히 맞추는 기술의 발전으로 녹일 수 있는 어떠한 재료나 3차원 물체를 만드는데 사용할 수 있음.

낙하, 3차원 물체, 적외선 레이저, 녹은 방울, 출력, 초점

Description

재료를 공중에서 녹여 3차원 물체를 만드는 장치{3D printer utilizing midair melting of source materials}

도1은 3차원 프린터의 전체적인 개략도

도2는 재료를 공급하는 장치

도3은 3차원 물체가 되도록 낙하지점을 x, y, z 방향으로 움직이는 장치

도4는 레이저를 낙하하는 재료에 맞추는 거울 이동 장치

도5는 레이저를 낙하는 재료에 맞추는 원통형 거울.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 적외선 레이저 발사기

2: 거울 이동용 모터

3: 거울 이동용 수나사 축

4: 거울 이동용 암나사

5: 거울

6: 거울

7: 거울 이동용 궤도

8: 녹일 재료 용기

9: 재료 방출용 진동 장치

10: 재료 수평 이동용 장치

11: 재료 수직 낙하용 장치

12: 완성중인 3차원 물체

13: 플랫폼

14: x 축 이동 장치

15: z 축 이동 장치

16: y 축 이동 장치

17: 재료 수직 낙하용 막대

18: 재료 수평 이동용 막대

19: 녹일 재료

20: 거울 이동용 벨트

21: 원통 나선 거울

3차원 조각기는 CAD 정보에 맞춰서 돌, 플라스틱, 나무 등 한 덩어리를 날카로운 각인기로 주로 밖에서 부터 깎아 들어가며 형상을 만들며, 3차원 프린터들(일명 rapid prototyping machines)은 CAD정보로 3차원 형상을 만드는데 재료와 속도, 방법 등 다양한 것이 있음. 2차원 산타클로스 머신은 자외선 광원을 x축, y축으로 제 어해서 액체 플라스틱 포토폴리머 수지에 쪼여 경화시켜 물체를 만들 수 있었다. 3차원 프린터는 레이저를 이용해서 수지를 경화시키고 수지를 x, y, z축으로 이동해서 한 층씩 연속으로 경화시켜 3차원 물체를 만들 수 있었으며, 최근에는 플라스틱을 경화시키는 법, 금속 분말을 한 층씩 특정 지역을 녹이면서 계속 한 층씩 만들어서(selective laser melting) 3차원 금속 물체를 만들기도 하고, 금속 수용액을 잉크 제트 방식으로 뿜고 나서 용매를 날려서 회로를 직접 프린트 하는 것 등이 상용화되었거나 개발 중임. 녹은 금속을 점적해서 3차원 물체를 만드는 방법(stereo-lithography), 최신 DNA chip 제조 장비나 세포 분류기(cell sorter)는 허공에서 재료의 구성에 따라 정전기적 인력에 달리 반응하는 것을 이용해서 원하는 물질을 원하는 장소에 떨어뜨리는 것과 달리 본 발명은 자유낙하 궤적대로 떨어뜨리고 궤도에 간섭을 덜 주기 위해 입자가 낙하하는 노즐이 포함된 부분을 움직일 때는 레이저의 초점을 그에 맞추어 줌으로써 노즐도 x, y로 움직이는 것이 가능하지만 본 발명 단계에서는 물체가 놓여 있는 대를 x, y, z축으로 움직여서 물체를 만듦.

금속의 입자를 낙하시키면서 이것을 만들어지고 있는 물체에 닿기 전에 허공에서 녹여 금속 방울 상태로 추가함으로써 3차원 물체를 만드는 속도와 정밀함을 높이고, 제작 가능한 크기를 증가시킴. Selective Laser Melting은 금속입자 층을 한 층씩 추가하면서 원하는 부분을 녹여가면서 3차원 물체를 만드는데 매번 입자의 얇은 층을 고르게 펼치는 일을 되풀이해야 하는 단점이 있음. 금속을 금속수용액으로 만들어 제트로 뿜어내고 말리는 것으로는 높이가 높은 견고한 금속 물체를 만들기 어려움. 처음부터 녹은 금속을 사용하고 이를 중간에 굳지 않게 유지하며 점적하는 것도 많은 어려움이 따르며, 수용성 플라스틱 층을 레이저로 경화시켜가며 만드는 것은 금속에는 적용할 수 없음. 본 발명은 녹는 것은 금속이든 플라스틱이든 작은 입자로 만들어서 이들 입자들을 일정량씩 떨어뜨리면서 레이저로 맞추어서 허공에서 액체 상태로 녹여서 추가하는 방법으로 3차원 물체를 만듦으로써 빠르고 정밀하고 크게 다양한 재질의 3차원 물체를 만들 수 있음. 레이저의 에너지를 집중하는 초점을 작게 만들 수 있고 점점 더 강력한 레이저가 개발되면서 성능을 계속 향상시킬 수 있음. 입자를 낙하시키고 녹이는 부분도 x, y, z 방향으로 움직일 수 있게 장치를 만들 수 있음. 입자를 자유낙하 또는 초속도를 주어 낙하 시킬 수 있고 이에 맞추어 레이저를 지향하는 거울을 이동시키면 됨.

재료가 든 용기(8)에서 재료를 밀어내는 장치(10, 11)를 이용하여 재료를 소량씩 밀어내어 낙하시키면 이 재료가 낙하하는 동안 고에너지 레이저(1)를 재료에 맞추어서 액체방울 상태로 녹인다. 재료가 낙하하는 동안 계속 레이저를 맞추기 위해 레이저를 반사하는 거울(6)을 같이 이동시킨다. 플랫폼(13)을 물체의 3차원 CAD 정보에 따라 x, y 방향으로 움직이면서 녹인 액체방울을 플랫폼에 떨어뜨리면 3차원 물체(12)의 한 층이 완성된다. 한 층씩이 완성되면 플랫폼을 z 방향으로 한 층 낮추고 다시 그 위에 한 층을 만든다. 이렇게 연속으로 진행하여 3차원 물체를 완 성한다. 필요하면 플랫폼 z 방향으로만 움직이고 레이저 공급과 재료 낙하에 필요한 제어 장치를 추가하여 이들을 x, y 방향으로 움직일 수 있다.

본 발명은 녹는 것은 금속이든 플라스틱이든 액체 방울로 녹여서 한 층씩 쌓아 3차원 물체를 만듦으로써 빠르고 정밀하고 매우 다양한 재질의 3차원 물체를 만들 수 있음.

Claims (2)

1. 만들고자하는 3차원 물체의 재료 물질을 소량씩 낙하시키고 이를 레이저로 허공에서 녹인 후 x, y, z로 움직이는 대상에 낙하시켜 3차원 물체를 만드는 장치.
2. 제1항에 있어서

   거울을 위 아래로 움직이는 대신 사용할 수 있는 거울 면이 원통의 바깥에 나선으로 파인 원통 나선 거울(21).

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