KR102158833B1 - 3차원 프린팅의 지지 구조체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원 프린팅으로 물건을 제조하기 위해 상기 물건을 지지하는 지지 구조체에 있어서, 상기 지지 구조체를 구성하는 뼈대의 배치 구조는, 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 가지는 3차원 프린팅의 지지 구조체를 제공한다.

Description

3차원 프린팅의 지지 구조체 및 이의 제조 방법{Supporting structure for 3D printing and method for manufacturing the supporting structure}

본 발명은 3차원 프린팅의 지지 구조체 및 이의 제조 방법에 대한 것이다.

최근에 3차원 프린팅의 쓰임새가 확대되고 그 가치가 조명됨에 따라, 학계와 산업 현장에서도 3차원 프린팅을 사용한 공정이 활발히 연구되고 있다.

3차원 프린팅은 일반적으로 적층 제조 공정으로 이루어지는데, 보통 적층 제조 공정은, 분말을 레이저 등으로 가열하고 미리 모델링한 형상으로 그 소재를 적층하여 물건을 제조하게 된다.

3차원 프린팅 공정 시 제조하는 물건에 지지 구조가 필요한 경우에는 지지 구조를 함께 적층하여 형성하게 되는데, 물건의 적층이 종료되면 함께 형성한 지지 구조를 제거하여, 물건의 최종 형상을 구현하게 된다.

그러한 지지 구조를 이용하게 되면 복잡한 구조의 물건을 용이하게 제조할 수 있는데, 특히 적층 소재의 무게가 많이 나가거나 물건의 내부의 일부가 비어 있는 구조에서는 지지 구조의 중요성이 높게 된다.

공개특허공보 2019-0006167호에서는 3D 프린팅에서 코폴리카르보네이트를 사용하여 지지 물체를 구성하는 기술이 개시되어 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 개선된 구조를 가지는 3차원 프린팅의 지지 구조체 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 주된 과제로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원 프린팅으로 물건을 제조하기 위해 상기 물건을 지지하는 지지 구조체에 있어서, 상기 지지 구조체를 구성하는 뼈대의 배치 구조는, 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 가지는 3차원 프린팅의 지지 구조체를 제공한다.

여기서, 상기 지지 구조체는 상기 물건의 소재와 동일한 소재로 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 뼈대의 서로 연결되며 이웃하는 교차점 사이의 거리는 1mm~3mm일 수 있다.

여기서, 상기 3차원 프린팅은 레이저 소결 방식이 적용될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 3차원 프린팅으로 물건을 제조하기 위해 상기 물건을 지지하는 지지 구조체를 제조하는 방법에 있어서, 상기 지지 구조체를 구성하는 뼈대의 배치 구조가 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 가지도록 3차원 프린팅으로 상기 지지 구조체를 형성하는 3차원 프린팅의 지지 구조체의 제조 방법을 제공한다.

여기서, 상기 지지 구조체는 상기 물건의 소재와 동일한 소재를 사용하여 형성될 수 있다.

여기서, 상기 뼈대의 서로 연결되며 이웃하는 교차점 사이의 거리는 1mm~3mm일 수 있다.

여기서, 상기 3차원 프린팅은 레이저 소결 방식이 적용될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 지지 구조체 및 이의 제조 방법에 따르면, 지지 구조체가 3차원 프린팅의 적층 공정에서 안정적으로 물건을 지지할 수 있고, 적층 공정 후에는 용이하게 제거될 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명의 일 측면에 따른 지지 구조체 및 이의 제조 방법에 따르면, 종래의 기술과 비교할 때 지지 구조체를 저밀도로 제작할 수 있으므로 지지 구조체 내 충분한 공간 확보가 가능하여 파우더 제거가 용이하고, 열 전도도가 높아 열 배출이 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 대한 3차원 프린팅 공정에 의해 물건과 지지 구조체가 적층되어 형성된 모습을 도시한 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 대한 지지 구조체의 뼈대의 배치 구조의 설명을 위해 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 도시한 개략적인 도면이다.
도 3은, 상기 도 2에 도시된 뼈대의 교차점인 X 점과 이웃하는 교차점인 Z점의 기하학적 관계를 도시한 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 대한 지지 구조체의 뼈대의 일부분을 도시한 개략적인 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 사용함으로써 중복 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 대한 3차원 프린팅 공정에 의해 물건과 지지 구조체가 적층되어 형성된 모습을 도시한 개략적인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 대한 지지 구조체의 뼈대의 배치 구조의 설명을 위해 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 도시한 개략적인 도면이며, 도 3은, 상기 도 2에 도시된 뼈대의 교차점인 X 점과 이웃하는 교차점인 Z점의 기하학적 관계를 도시한 개략적인 도면이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 대한 지지 구조체의 뼈대의 일부분을 도시한 개략적인 도면이다.

도 1에는 지지 플레이트(P)에 물건(B)과 지지 구조체(100)가 3차원 프린팅 공정으로 적층되어 형성된 모습이 도시되어 있다.

지지 구조체(100)는 3차원 프린팅 공정으로 물건(B)을 제조하기 위해 물건(B)을 지지하는 구조체인데, 지지 구조체(100)는 물건(B)과 동일한 소재로 이루어질 수 있으며, 물건(B)과 동시에 3차원 프린팅으로 제조된다.

본 실시예에 적용되는 3차원 프린팅 공법은 선택적 레이저 소결(SLS, Selective Laser Sintering)을 수행하는 레이저 소결 방식(Laser Sintering Process)이 적용되지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉 본 발명에 따른 3차원 프린팅 공법은, 광경화 적층 방식(Photo Curing Process), 폴리젯(Polyjet) 방식, FDM(Fused Deposition Modeling) 등의 압출 방식 등의 여러 3차원 프린팅 공법이 적용될 수 있다.

본 실시예에 적용되는 3차원 프린팅 공법에 사용되는 소재도 3차원 프린팅 공법에 따라 달라질 수 있는데, 레이저 소결 방식의 경우 금속이나 기타 소재를 분말 형태로 하여 수행되고, 광경화 적층 방식의 경우 액체 상태의 광경화성 수지를 사용하여 수행되고, 폴리젯 방식은 특수 플라스틱 소재 등을 사용할 수 있다.

본 실시예의 경우에 지지 구조체(100)는 물건(B)과 동일한 소재로 이루어질 수 있는데, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 지지 구조체는 물건(B)과 상이한 소재로 이루어질 수도 있다. 즉 본 발명에 따르면 지지 구조체는 '후술하는 지지 구조체의 기능'을 수행하기에 적합한 소재를 별도로 선정하고 그러한 소재를 이용하여 제조할 수도 있다.

지지 구조체(100)는 3차원 프린팅 공정 시 물건(B)의 지지를 위한 것이므로, 물건(B)의 적층이 종료되면 지지 구조체(100)가 제거된다. 따라서 지지 구조체(100)는 3차원 프린팅 공정 시에 그 형상의 유지를 위해 물건(B)의 하중을 충분히 견뎌야 할 뿐만 아니라 공정 시에 작용하는 열의 배출이 용이한 구조로 형성해야 한다. 또한 지지 구조체(100)의 구조는 3차원 프린팅 공정이 종료되면 제거가 용이한 구조이어야 하고, 분말을 소재로 사용하였을 경우 잔여 분말의 배출도 용이한 구조를 가져야 한다.

따라서 본 실시예에 따른 지지 구조체(100)를 구성하는 뼈대(F)의 배치 구조는, 도 1, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 가진다. 즉 본 실시예에 따른 지지 구조체(100)는 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 차용하여 형성되게 된다.

지지 구조체(100)는, 도 2에 도시된 공지의 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 그림에서 원자의 형태를 제외한 뼈대의 형태만을 차용하여 형성되므로 도 4에 도시된 형태의 뼈대(F)의 배치 구조를 가지게 된다.

즉, 도 4에 도시된 뼈대(F)의 배치 구조는, 도 2에 도시된 공지의 3차원의 다이아몬드 결정 구조에서 뼈대(F)의 '서로 연결되며 이웃하는 교차점(X)(Z)(O)들 사이의 각도 및 길이의 비율'을 차용하여 설계된 구조이다.

도 2 및 도 3을 참조하여, 이를 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 다이아몬드 결정 구조를 정육면체에 적용할 때 하나의 모서리의 길이를 a라고 하면, 교차점 X와 교차점 Z 사이의 거리 d(서로 연결되며 이웃하는 교차점 사이의 거리)는 기하학적 관계에 의해 다음의 [수학식 1]로 표현할 수 있다(도 3 참조).

도 2 및 도 3과 [수학식 1]을 이용하면, 본 실시예의 지지 구조체(100)의 일 예에 따른 각 수치를 [표 1]과 같이 결정할 수 있다. 즉 [표 1]에 도시된 수치는 본 실시예에 적용될 수 있는 수치의 일 예이다.

선분 a의 길이	4.618802mm
거리 d의 길이	2mm
선분 XW의 길이	1.154701mm
선분 WY의 길이	1.154701mm
선분 ZY의 길이	1.154701mm

실제의 다이아몬드 결정 구조에서의 탄소간의 원자간 거리는 0.15nm에 불과하지만, 본 실시예의 [표 1]에 기재된 '서로 연결되며 이웃하는 교차점 사이의 거리 d(이웃하는 교차점(X)(Z)(O)들 사이의 거리)'는 2mm인데, 이는 다이아몬드 결정 구조에서 뼈대(F)의 각도와 각 구성부의 길이 비율을 차용하고 반복되는 시뮬레이션과 실험으로 얻은 결과이다.

이를 구체적으로 설명하면, 지지 구조체(100)의 강도는 '서로 연결되며 이웃하는 교차점 사이의 거리 d(이하,'교차점 사이의 거리 d'라 한다)가 작을수록 그 구조가 조밀해져 강도가 우수해지고 열전도에 의한 열 배출 성능이 우수해지지만, 한편으로는 '교차점 사이의 거리 d'가 작을수록 구조가 조밀해져 3차원 프린팅 공정이 종료된 후 제거가 어려워지고, 잔여 파우더의 배출도 어렵게 되게 된다.

즉 3차원 프린팅 공정(적층 공정)이 진행 중일 때는 지지 구조체(100)의 '교차점 사이의 거리 d'가 작을수록 유리해지고, 3차원 프린팅 공정이 종료된 후 지지 구조체(100)의 제거와 잔여 파우더의 제거 시에는 '교차점 사이의 거리 d'가 클수록 유리해지는 성질이 있으므로, 3차원 프린팅 공정의 전후 단계를 고려하여 '교차점 사이의 거리 d'를 결정하는 것이 중요하게 된다.

발명자는 반복되는 시뮬레이션과 실험을 통해 '교차점 사이의 거리 d'의 최적값의 범위을 얻으려고 하였고, 그 결과 '교차점 사이의 거리 d'의 최적값의 범위는 1mm~3mm이었고, [표 1]에 기재된 '이웃하는 교차점 사이의 거리 d'의 크기는 그 최적값의 범위 중 일 예이다.

이하, 본 실시예에 따른 지지 구조체(100)의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 실시예에 적용되는 3차원 프린팅 공정은, 선택적 레이저 소결을 수행하는 레이저 소결 방식이 사용되므로, 이하 그러한 실시예에 따라 설명한다.

3차원 프린팅 공정을 위해 먼저 제조될 물건(B)과 지지 구조체(100)의 형상, 적층 소재, 적층 밀도, 적층 형상을 결정한 후, 이러한 데이터들을 3D 프린터 소프트웨어에 입력한다.

이 때, 지지 구조체(100)의 적층 형상을 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 차용하도록 결정하고, 이러한 패턴으로 적층이 이루어지도록 한다.

3차원 프린터에서 프린팅 공정이 수행되기 시작하면, 도포된 분말 형태의 소재에 레이저를 조사하여 원하는 부분만 굳히는 방식으로 적층이 이루어지게 된다. 이 때 제조될 물건(B)과 지지 구조체(100)의 적층 공정이 함께 수행되게 된다. 이 때 본 실시예의 경우 지지 구조체(100)의 적층 형상을 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 차용하도록 하였으므로, 지지 구조체(100)는 물건(B)의 하중을 충분히 견디면서도 프린팅 공정 시에 작용하는 열의 배출이 용이하게 된다.

적층 공정이 종료된 후에는, 지지 구조체(100)를 융해, 절삭, 샌드 블라스트 등의 공정을 사용하여 제거하여, 물건(B)만 남기게 된다. 이 때 본 실시예의 경우 지지 구조체(100)의 적층 형상을 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 차용하도록 하였으므로, 지지 구조체(100)의 제거가 용이하고, 지지 구조체(100)와 그 주변에 남아 있는 잔여 분말의 배출 및 제거도 용이하게 된다.

이후, 추가적인 표면 처리 공정을 통해 물건(B)의 제조를 완료하게 된다.

이상과 같이, 본 실시예에 따른 지지 구조체(100)의 구조 및 제조 방법에 의하면, 지지 구조체(100)의 적층 형상을 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 차용하도록 하였으므로, 3차원 프린팅 공정 시에 물건(B)의 하중을 충분히 견디면서도 프린팅 공정 시에 작용하는 열의 배출이 용이하게 된다.

또한, 본 실시예에 따르면, 지지 구조체(100)의 적층 형상을 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 차용하도록 하였으므로, 3차원 프린팅 공정이 종료된 후 지지 구조체(100)의 제거가 용이하고, 지지 구조체(100)와 그 주변에 남아 있는 잔여 분말의 배출 및 제거도 용이하게 된다.

본 발명의 일 측면들은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원 프린팅의 관련 사업에 이용될 수 있다.

100: 지지 구조체 B: 물건
P: 지지 플레이트 F: 뼈대

Claims (8)

1. 3차원 프린팅으로 물건을 제조하기 위해 상기 물건을 지지하는 지지 구조체에 있어서,
   상기 지지 구조체를 구성하는 뼈대의 배치 구조는, 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 가지며,
   상기 뼈대의 서로 연결되며 이웃하는 교차점 사이의 거리는 1mm~3mm인 3차원 프린팅의 지지 구조체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 지지 구조체는 상기 물건의 소재와 동일한 소재로 이루어지는, 3차원 프린팅의 지지 구조체.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 3차원 프린팅은 레이저 소결 방식이 적용되는, 3차원 프린팅의 지지 구조체.
5. 3차원 프린팅으로 물건을 제조하기 위해 상기 물건을 지지하는 지지 구조체를 제조하는 방법에 있어서,
   상기 지지 구조체를 구성하는 뼈대의 배치 구조가 3차원의 다이아몬드 결정 구조의 패턴을 가지도록 3차원 프린팅으로 상기 지지 구조체를 형성하며,
   상기 뼈대의 서로 연결되며 이웃하는 교차점 사이의 거리는 1mm~3mm인 3차원 프린팅의 지지 구조체의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 지지 구조체는 상기 물건의 소재와 동일한 소재를 사용하여 형성되는, 3차원 프린팅의 지지 구조체의 제조 방법.
7. 삭제
8. 제5항에 있어서,
   상기 3차원 프린팅은 레이저 소결 방식이 적용되는, 3차원 프린팅의 지지 구조체의 제조 방법.

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