WO2021020888A1 - 베드의 일부 영역에서 3차원 프린팅이 가능한 3차원 프린팅 방법 및 이에 사용되는 3차원 프린터 - Google Patents

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powder material
bed
printer
scraper
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하태호
허세곤
신현섭
이필호
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한국기계연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional printing method and a three-dimensional printer used therein, and more particularly, three-dimensional printing, which reduces the use of powder materials and enables rapid printing by producing a three-dimensional structure using only a partial area of the printer bed. It relates to a method and a three-dimensional printer used therein.
  • the three-dimensional (3D) printing technology is easy to produce complex three-dimensional shapes and is suitable for a small quantity production environment of many kinds, and thus, demand is increasing in various industrial fields.
  • the PBF method is a method of manufacturing a structure by laminating metal powder layer by layer on a flat floor and sintering it with a laser. It is relatively simple to manufacture and operate, and it is easy to manufacture a 3D structure with a relatively high density compared to other printing methods. Do.
  • FIG. 1 schematically shows some components of a conventional PBF type 3D printer as viewed from above.
  • a powder material 3 is thinly laminated on the bed 1 of a 3D printer using a scraper 2.
  • the scraper 2 reciprocates the moving distance D across the bed 1 from one side of the bed 1 to the opposite side to transfer the powder material 3 to a thickness of approximately 30 to 50 micrometers ( ⁇ m). It is formed by laminating and sintering the structure 5 by irradiating a laser to the powder material 3.
  • the bottom surface of the bed 1 is lowered by approximately 30 to 50 micrometers, and the scraper 2 laminates the powder material again on it, and the laminated powder is irradiated with a laser to form a structure, such as powder lamination and sintering. Repeat the operation to form a three-dimensional structure.
  • the present invention has been conceived to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a 3D printing method capable of reducing the consumption of powder materials used when manufacturing a small sized 3D structure and quickly performing a printing operation. .
  • Another object of the present invention is to provide a three-dimensional printer used in the three-dimensional printing method.
  • a three-dimensional printing method using a three-dimensional printer of a powder stacked melting (PBF) method comprising: a laminating step of laminating a powder material on a partial area of a bed of the printer; A sintering step of sintering the two-dimensional structure and the barrier layer by irradiating a laser on the stacked powder material based on the two-dimensional shape information of the structure to be manufactured; And forming a three-dimensional structure and a barrier layer by repeating the stacking step and the sintering step a plurality of times, wherein the barrier layer is disposed to partition the partial region of the bed and the remaining regions excluding the same. It provides a 3D printing method.
  • PPF powder stacked melting
  • the laminating step comprises the step of reciprocating a distance (d) from a predetermined waiting point to a predetermined return point passing through the first barrier layer by the scraper applying the powder material to the bed.
  • the first barrier layer may be formed to surround at least two sides of the 3D structure.
  • the first barrier layer may be formed in a grid shape when viewed from above, and a powder material may be filled in a space between the grids.
  • the first barrier layer when the first barrier layer is formed, the first barrier layer may be formed to be inclined toward the 3D structure as the height of the first barrier layer increases.
  • a second barrier layer 81 is formed simultaneously with the three-dimensional structure and the first barrier layer, and the second barrier layer is adjacent to the first barrier layer, but the first barrier layer It may be a barrier layer disposed in a region opposite to the structure as a center.
  • the second barrier layer when the second barrier layer is formed, the second barrier layer may be formed to be inclined toward the first barrier layer as the height of the second barrier layer increases.
  • a three-dimensional printer of a powder stacked melting (PBF) method for forming a three-dimensional structure comprising: a bed surrounded by an elevating base plate and a side wall of the printer main body; A material supply unit supplying a powder material to be supplied to the bed; A scraper for laminating the powder material discharged from the material supply unit onto the bed; A laser irradiation device for sintering by irradiating a laser to the powder material laminated on the bed; And a control unit for controlling the operation of the scraper and the laser irradiation device, wherein the control unit includes: the scraper stacks a powder material on a partial area of the bed and irradiates a laser to the stacked powder material to provide a three-dimensional structure. And controlling to form a barrier layer, wherein the barrier layer is disposed to partition the partial region of the bed and the remaining region other than the partial region of the bed.
  • PPF powder stacked melting
  • control unit may control the scraper to stack the powder material by reciprocating a distance d from a predetermined waiting point to a point passing through the first barrier layer.
  • control unit may set a supply amount of the powder material to be supplied from the material supply unit to the bed based on the reciprocating distance d of the scraper.
  • the first barrier layer may be formed to surround at least two sides of the 3D structure.
  • the first barrier layer may be formed in a grid shape when viewed from above, and a powder material may be filled in a space between the grids.
  • control unit controls to simultaneously form a second barrier layer 81 together with the three-dimensional structure and the first barrier layer, and the second barrier layer is adjacent to the first barrier layer,
  • the first barrier layer may be a barrier layer disposed in a region opposite to the structure.
  • the second barrier layer may be formed to be inclined toward the first barrier layer.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a printing operation of a conventional 3D printer.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a 3D printer according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4A to 4D are process diagrams illustrating a 3D printing method using the 3D printer of FIG. 2.
  • 5 and 6 are plan views illustrating exemplary arrangement patterns of a structure and a barrier layer in a 3D printing method using a 3D printer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a plan view showing the configuration of a barrier layer in a 3D printing method using a 3D printer according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 7B is an enlarged view showing an enlarged portion'A' of FIG. 7A to be.
  • 8A and 8B are plan and side views illustrating a 3D printing method using a 3D printer according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a plan view showing a 3D structure and a barrier layer in a 3D printing method using a 3D printer according to another embodiment of the present invention.
  • 10A and 10B are plan views illustrating a 3D structure and a barrier layer in a 3D printing method using a 3D printer according to another embodiment of the present invention.
  • 11A and 11B are plan views illustrating a 3D printing method using a 3D printer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12A is a side view showing a 3D structure and a barrier layer in a 3D printing method using a 3D printer according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 12B is an enlarged view showing an enlarged barrier layer of FIG. 12A to be.
  • FIGS. 12A and 12B are process diagrams illustrating an example of laminating a barrier layer in the 3D printing method according to the embodiment of FIGS. 12A and 12B.
  • FIGS. 12A and 12B are process diagrams illustrating another example of laminating a barrier layer in the 3D printing method according to the embodiment of FIGS. 12A and 12B.
  • the 3D printer of the present invention is a powder bed fusion (PBF) type printer.
  • the PBF type printer is a printer that irradiates a high-energy beam (e.g., laser or electron beam) to a powder-like material and sinters the powder to produce an article. ), SLM (Selective Laser Melting), or EBM (Electron Beam Melting) method. Therefore, the present invention is not limited to a PBF printer, and can be applied to a 3D printer of any method in which an article is manufactured by sintering a powder material.
  • a high-energy beam e.g., laser or electron beam
  • SLM Selective Laser Melting
  • EBM Electro Beam Melting
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a 3D printer according to an embodiment of the present invention.
  • the 3D printer includes a laser output device 10, a laser irradiation device 15, and a material supply unit 21, a material recovery unit 23, and a bed 50. It may include one body portion 20.
  • the laser output device 10 outputs a laser for sintering the powder material 60.
  • the laser output device 10 may itself include a laser generator that generates a laser, and alternatively, may be a device that transmits the laser generated by the laser generator (not shown) to the laser irradiation device 15 side. have.
  • an Nd:YAG laser having an energy of 30 W to 1000 W, preferably 500 W may be used, but is not limited thereto, and a laser having various wavelengths and output energy may be used according to the specific embodiment. I can.
  • the laser L output from the laser output device 10 is transmitted to the laser irradiation device 15 by one or more optical elements such as a mirror 11 or an optical fiber.
  • the laser irradiation apparatus 15 produces (prints) a three-dimensional structure by irradiating the powder material 60 stacked on the bed 50 with a laser L to sinter the powder material.
  • the laser irradiation device 15 may be implemented as a galvano scanner, and may irradiate a laser to an arbitrary point in the printing area by adjusting the direction of the laser.
  • the 3D printer may further include a transfer mechanism for transferring the laser irradiation device 15 along a plane parallel to the bed 50 (ie, an X-Y plane). Additionally, the transfer mechanism may transfer the laser irradiation device 15 in the vertical direction (ie, the Z-axis direction).
  • the body part 20 may include a material supply part 21, a material recovery part 23, a scraper 40, and a bed 50.
  • the material supply unit 21 stores the powdered material 60 and discharges it to the top by a predetermined amount.
  • the elevating part 22 is installed under the material supplying part 21 so that the powdered material 60 in the material supplying part 21 can be discharged out by a certain amount while rising by a certain height.
  • the powder material 60 may be a powder of any material that can be sintered by a laser.
  • the powder material may be a metal powder or a plastic resin powder.
  • one or more material supply units 21 may be provided to use more than one type of powder material.
  • the bed 50 is formed in the body portion 20 to accommodate the powder material 60.
  • the inner region of the bed 50 is defined by the lower base plate 30 and the side walls of the main body 20 on the four sides.
  • the base plate 30 can be moved up and down by the lifting means 31. Initially, the base plate 30 has the same height as the upper surface of the main body 20, and then descends by the lifting unit 31, for example, approximately 30 ⁇ m to 50 ⁇ m at a time.
  • the scraper 40 pushes the discharged powder toward the bed 50 to the top of the base plate 30 Apply uniformly to the cotton. That is, in FIG.
  • the scraper 40 disposed at the left end of the main body 20 reciprocates to the right end, and the powder material 60 is evenly applied to the upper surface of the base plate 30, and the remaining powder after application The material is recovered to the material recovery unit 23.
  • the laser irradiation device 15 repeats the operation of irradiating the powder material with a laser (L) and sintering it based on the shape information of the two-dimensional structure. Can craft structures.
  • the structure or arrangement relationship of the material supply unit 21, the material recovery unit 23, and the bed 50 in the main body 20 of the printer may vary according to a specific embodiment.
  • the material supply unit 21 and the material recovery unit 23 may be disposed on the left side of the bed 50, but unlike this, the material supply unit 21 and the recovery unit 23 It may be located on either side of the bed 50, respectively.
  • the material supply unit 21 may not be buried in the main unit 20 and may be disposed above the main unit 20 or located inside the scraper 40. In this case, the powder material 60 is It is supplied while falling from the top to the surface of the main body 20.
  • the 3D printer may further include a control unit.
  • the control unit may control the operation of various components of the printer, such as the laser output device 10, the laser irradiation device 15, the lifting means 22 and 31, and the scraper 40 described above.
  • control unit controls and/or turns on/off the laser output energy output by the laser output device 10, adjusts the laser irradiation direction by the laser irradiation device 15, and transfers each laser irradiation device 15 Operation, the lifting/lowering operation of the lifting means 22 and the adjustment of the supply amount of the powder material to be supplied each time, the lifting/lowering motion of the lifting means 31 and the height of the descending during each descending, and the operation of the scraper 40 Can be controlled.
  • FIGS. 4A to 4D are process diagrams illustrating a 3D printing method using the 3D printer of FIG. 2.
  • FIGS. 3A to 3D some configurations of the 3D printer of FIG. 2 are simultaneously shown in FIGS. 3A to 3D.
  • FIGS. 4A to 4D a side view of a partial configuration of the 3D printer of FIG. 2 is shown.
  • laser-related devices, material supplying unit 21, and recovery unit 23 are omitted.
  • those skilled in the art may perform an operation in which the material supply unit 21 discharges a predetermined amount of the powder material between the standby point of the scraper 40 and the bed 50 each time the powder material 60 is stacked on the bed 50 each time. You will understand to practice.
  • the scraper 40 laminates the powder material 60 on a partial area of the bed 50. That is, as shown, the scraper 40 is a return point (e.g., a scraper indicated by a dotted line in the drawing) a predetermined distance d from the initial waiting point (eg, the position of the scraper 40 indicated by a solid line in the drawing). (40') position) and return to the waiting point. Accordingly, the powder material 60 is laminated only in a partial area of the bed 50, not the entire area.
  • the scraper 40 is a return point (e.g., a scraper indicated by a dotted line in the drawing) a predetermined distance d from the initial waiting point (eg, the position of the scraper 40 indicated by a solid line in the drawing). (40') position) and return to the waiting point. Accordingly, the powder material 60 is laminated only in a partial area of the bed 50, not the entire area.
  • the laser irradiation apparatus 15 irradiates the powder material 60 with a laser L to form the two-dimensional structure 70 and the barrier layer 80 by sintering.
  • the 2D structure is a shape obtained by slicing a 3D structure to be produced by a printer in a horizontal direction at regular intervals, and in fact, it has a thickness as much as the stacked powder material 60, so it is a 3D shape but the final 3D structure It will be appreciated by those skilled in the art that the art is generally referred to as a two-dimensional structure to distinguish it from a structure.
  • the barrier layer 80 is adjacent to the three-dimensional structure by a certain distance (for example, several millimeters (mm) to several centimeters (cm)) in order to prevent the stacking of the powder material 60 from collapsing. Is formed in the position.
  • the barrier layer 80 is formed to surround at least one surface of the structure 70 by being spaced apart from the structure 70 by a predetermined distance in the horizontal direction.
  • the barrier layer 80 may be formed to surround the structure 70 on three sides except for one side 50a of the bed 50.
  • the 3D structure 70 may be located not in the center of the bed 50 but as close to the side surface 50a of the bed 50 as close to the waiting point of the scraper 40 as possible. It is preferable to form the barrier layer 80 to surround the structure 70 as closely as possible, and the thickness, shape, and position of the barrier layer 80 may vary according to specific embodiments.
  • the barrier layer 80 is separated from the base plate 30 and discarded. Therefore, in order to reduce the amount of laser irradiation irradiated during formation of the barrier layer 80 and the amount of discarded powder, the width of the barrier layer 80 is preferably as narrow as possible.
  • the width of the barrier layer 80 may be 1 millimeter (mm), and the width of the barrier layer 80 may be smaller or larger than this according to a specific embodiment.
  • the scraper 40 is sufficient to uniformly and flatly stack the powder material 60 from the one side 50a of the bed 50 to the barrier layer 80, so immediately after passing through the barrier layer 80 or the barrier layer 80 After passing through ), it may move to an arbitrary point and then return, and the return point may vary according to a specific embodiment.
  • the return point of the scraper 40 can be set as the point immediately after passing through the upper surface of the barrier layer 80.
  • the barrier layer (80) There is an advantage that the powder material 61 in the outer area can be reduced as much as possible.
  • the position in the bed 50 to form the structure 70, the shape of the barrier layer 80 surrounding the structure 70, and the return point of the scraper 40 may be set in advance by the control unit.
  • control unit determines the manufacturing position of the structure 70 within the bed 50 based on the size of the 3D structure 70 to be manufactured, and determines the shape and position of the barrier layer 80 according to the manufacturing position.
  • return point of the scraper 40 may be determined according to the position of the barrier layer 80.
  • the moving distance d of the scraper 40 is determined, so that the amount of powder material supplied from the material supply unit 21 can be set based on the moving distance d.
  • the base plate 30 descends a predetermined height (for example, 30 ⁇ m to 50 ⁇ m) as shown in FIGS. 3C and 4C, and a partial area of the bed 50 A new layer of powder material 60 is laminated on.
  • the scraper 40 starts from the initial waiting point and moves only to the return point (the position of the scraper 40' indicated by the dotted line) of a predetermined distance d, and then returns to the waiting point.
  • the powder material is deposited only in some areas.
  • the structure 70 and the barrier layer 80 are formed by sintering the structure 70 and the barrier layer 80 by irradiating a laser L on the powder material 60 in the laser irradiation device 15, and this lamination step By repeating the sintering step and finally, a three-dimensional structure and a barrier layer 80 having the same height and surrounding the structure may be formed.
  • the position where the three-dimensional structure 70 to be manufactured is formed is not located in the center of the bed 50, but is adjacent to the side surface 50a of the bed 50 as close as possible to the waiting point of the scraper 40. It is positioned so that the powder material is stacked only up to the structure 70 and the barrier layer 80 surrounding it, so that the powder material is not wasted unnecessarily because it is not necessary to apply the powder material to the entire bed 50 for manufacturing a three-dimensional structure. Since the moving distance of the scraper 40 can be reduced, it has the advantage of manufacturing the structure in a short time.
  • 5 and 6 are plan views illustrating exemplary arrangement patterns of a structure and a barrier layer in a 3D printing method using a 3D printer according to another embodiment of the present invention.
  • the structure 70 when only one 3D structure 70 having a small size is manufactured, it is preferable to form the structure 70 at the corner of the bed 50 as shown in FIG. 5.
  • the structure 70 is positioned adjacent to two adjacent sides of the bed 50 (e.g. 50a and 50c) close to the standby point of the scraper 40, and the barrier layer 80 surrounds the two sides of the structure 70. To be formed.
  • the plurality of structures 71, 72, 73 are placed on the side surface 50a of the bed 50 close to the waiting point of the scraper 40. It is positioned adjacent to each other and the barrier layer 80 may be formed to cover one side of the structures 71, 72, and 73.
  • the structure may be positioned in an appropriate place on the bed 50 as close to the scraper 40 as possible, and the shape and position of the barrier layer 80 may be determined accordingly.
  • an arbitrary point passing through the barrier layer 80 is set as the return point of the scraper 40 to minimize the moving distance d of the scraper. I can.
  • FIG. 7A is a plan view showing the configuration of a barrier layer in a 3D printing method using a 3D printer according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 7B is an enlarged view showing an enlarged portion'A' of FIG. 7A to be.
  • the barrier layer 80 is formed in a lattice shape when viewed from above. That is, the barrier layer 80 is composed of a plurality of first direction layers 810 formed in the Y direction and a plurality of second direction layers 820 formed in the X direction, and is formed in a lattice shape when viewed from above.
  • the barrier layer since the barrier layer is not formed in the region 830 between the respective grids, since the laser is not irradiated, the powder material 60 remains in the form of a powder, so that the powder material in the region 830 can be reused. have. Therefore, in the present embodiment, the use of the powder material can be reduced as much as possible and the effect of the formation of the barrier layer 80 can be obtained.
  • the barrier layer is formed in a lattice shape in the present embodiment, the barrier layer may be formed to have an arbitrary shape such as a honeycomb structure to have an empty space therein.
  • the powder material 61 in the outer region of the barrier layer 80 (that is, the work of the barrier layer 80 and the bed 50). Since it is desirable to reduce the amount of powder material between the side surfaces 50b as much as possible, it is preferable to set the return point of the scraper 40 to a point immediately after passing through the upper surface of the barrier layer 80.
  • the barrier layer 80 when the return point is set closer to the barrier layer 80, as the structure 70 and the barrier layer 80 are gradually stacked, the barrier layer 80 from the bottom surface of the bed 50 in the area outside the barrier layer 80 As the height of the upper end of the barrier layer 80 increases, the powder material 61 may gradually accumulate on a steep slope in the outer region of the barrier layer 80 and then collapse rapidly, and in this case, the barrier layer 80 may be formed in the next layering step. It will not form properly. If the barrier layer 80 is not properly formed, the powder material 60 in the barrier layer 80 cannot be kept uniform and flat, resulting in a defect in the 3D structure 70. Therefore, there is a need for a method of reducing the amount of the powder material 61 outside the barrier layer 80 as much as possible but not affecting the formation of the barrier layer 80.
  • 8A and 8B are plan and side views illustrating a 3D printing method using a 3D printer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A is a view of some components of the 3D printer as viewed from above
  • FIG. 8B is a schematic cross-sectional view of some components of the 3D printer as viewed from the side.
  • the barrier layer 80 is formed at a position adjacent to the 3D structure 70 by a predetermined distance to prevent the stacking of the powder material 60 from collapsing in the outer region of the barrier layer 80.
  • an additional barrier layer 81 is formed in the outer region of the barrier layer 80.
  • the formation position of the additional barrier layer 81 is an area outside the barrier layer 80, that is, an area opposite to the structure 70 around the barrier layer 80 or one side of the bed 50 in the barrier layer 80 It is the area facing (50b).
  • the additional barrier layer 81 may be separated from the barrier layer 80 by approximately 5 millimeters (mm) to 10 millimeters (mm), and may have a width of, for example, 1 millimeter (mm).
  • the shape, length, and width of the additional barrier layer 81 may vary according to specific embodiments.
  • the return point of the scraper 40 is at least a point passing through the additional barrier layer 81.
  • the scraper 40 is moved to an arbitrary point immediately after passing through the additional barrier layer 81 or after passing through the additional barrier layer 81 and then returning.
  • the powder material 61 in the outer region of the additional barrier layer 81 is stacked on a steep slope. Even if the stacking collapses, only the additional barrier layer 81 is affected accordingly, and it is possible to uniformly and flatly stack the powder material 60 inside the barrier layer 80.
  • two or more additional barrier layers 81 may be formed.
  • FIG. 9 is a plan view showing a 3D structure and a barrier layer in a 3D printing method using a 3D printer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 shows an embodiment in which another second additional barrier layer 81b is formed in the outer region of the first additional barrier layer 81a.
  • the powder material 61 in the outer region of the second additional barrier layer 81b is stacked on a very steep slope and some of the stacking is collapsed, at least two barrier layers 80 and 81a play a buffering role.
  • the inner powder material 60 may be uniformly and flatly stacked, and the shape or number of the additional barrier layers 81 may be set according to the stacking height of the structure 70 as described above.
  • 10A and 10B are plan views illustrating a 3D structure and a barrier layer in a 3D printing method using a 3D printer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10A is an example in which an additional barrier layer 81 is additionally formed in the embodiment of FIG. 5, and FIG. 10B shows an embodiment in which an additional barrier layer 81 is additionally formed in the embodiment of FIG.
  • the shape, length, and number of the additional barrier layers 81 may be variously set according to the size or number of structures 70 to be manufactured.
  • 11A and 11B are plan views illustrating a 3D printing method using a 3D printer according to another embodiment of the present invention.
  • the scraper is configured by being divided into two scrapers 40a and 40b along the moving direction of the scraper (ie, the X direction).
  • the elevating portion 22 inside the material supply unit 21 may also be divided into two.
  • the structure 70 when only a small-sized three-dimensional structure 70 is produced, the structure 70 can be manufactured by operating only the first scraper 40a as shown in the drawing, and thus the powder material 60 is unnecessary. Prevent it.
  • the scraper is divided into two, but according to a specific embodiment, the scraper can be divided into three or more, and accordingly, the elevating portion 22 of the material supplying unit 21 can also be divided into three or more. to be.
  • an additional barrier layer 81 may be formed in this case as well. That is, in the case of the present embodiment, since the barrier layer 80 is formed over the area outside the barrier layer 80, that is, the area facing the two sides 50b and 50d of the bed 50, an additional barrier layer as shown. By forming 81 also toward these two directions, the powder material 60 inside the barrier layer 80 can be uniformly and flatly laminated.
  • FIG. 12A is a side view showing a 3D structure and a barrier layer in a 3D printing method using a 3D printer according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 12B is an enlarged view showing an enlarged barrier layer of FIG. 12A to be.
  • the additional barrier layer 81 is formed to be inclined inwardly (ie, inclined toward the barrier layer 80) as the height of the additional barrier layer 81 increases. That is, the barrier layer 80 is formed by stacking vertically, but the additional barrier layer 81 is formed in an inclined direction toward the structure 70 by stacking it in a direction toward the structure 70 when each layer is formed. According to the method, since the powder material 61 in the outer region of the additional barrier layer 81 is relatively less steeply piled, there is an effect of reducing the consumption amount of the powder material 61.
  • FIGS. 13A to 13D illustrate an exemplary lamination method when a barrier layer is vertically stacked
  • FIGS. 14A to 14D illustrate an exemplary lamination method of forming a barrier layer inclined inward.
  • FIGS. 13A to 13D are process diagrams illustrating an example of laminating a barrier layer in the 3D printing method according to the embodiment of FIGS. 12A and 12B.
  • a first layer of powder material 60a is stacked on the base plate 30.
  • the scraper 40' moves from the initial waiting point to the return point R separated by "d", and the powder material 60a is flatly laminated.
  • the powder material 60a is flatly laminated.
  • a phenomenon in which the outermost powder collapses slightly occurs.
  • the first point P1 slightly inside the return point R ) Until the powder material remains flat, but after the first point P1, it will be inclined and lower in height.
  • the powder material 60b of the second layer is flattened to at least the second point P2, which is the same position as the first point P1.
  • the additional barrier layer (81b) of the second layer is irradiated with a laser. May be formed perpendicular to the additional barrier layer 81a of the first layer (FIG. 13D).
  • the actual return point of the scraper is moved to the outside of the initial return point (R) little by little to prevent the collapse of the powder material stack. It is desirable to do.
  • FIGS. 14A to 14D are process diagrams illustrating another example of laminating a barrier layer in the 3D printing method according to the embodiment of FIGS. 12A and 12B.
  • FIGS. 14A and 14B are the same as those of FIGS. 13A and 13B, respectively. That is, the scraper 40' is moved to the return point R, which is "d" away from the initial waiting point, and the powder material 60a of the first layer is stacked, and a predetermined width is applied to the first point P1 by irradiating a laser. An additional barrier layer 81a of the first layer having is formed.
  • the scraper is moved only to the initial return point R to stack the powder material 60b of the second layer.
  • the powder material 60b of the second layer is the powder material of the first layer.
  • the flattening will be maintained only up to the second point P2 inside (left in the drawing) than the first point P1 where the flattening of 60a is maintained.
  • the additional barrier layer 81a is formed inward than the additional barrier layer 81a of the first layer.
  • the layer 81 is formed to be inclined inward toward the structure 70.
  • an additional barrier layer (e.g. 81a) in the lower layer serves to support the powder material 61 in the upper direction, and even if the stacking height of the additional barrier layer 81 is increased, the return point R of the scraper 40' is increased. Because it keeps it constant.
  • the additional barrier layer 81 is more inclined. ) Can be formed and the powder material 61 in the outer area can be further reduced.
  • each layer 81a to 81d of the additional barrier layer is stacked and formed while minimizing the area in which the additional barrier layer of the lower layer and the additional barrier layer of the upper layer are in contact with each other to the outside of the additional barrier layer 81.
  • the amount of the powder material 61 in the area can be drastically reduced.
  • the embodiments described above with reference to FIGS. 12A to 14D have been described as an example of forming the additional barrier layer 81 in an inclined manner.
  • the barrier it will be appreciated that the layer 80 may be formed to be inclined toward the structure 70, and in the embodiment in which two or more additional barrier layers 81 are formed, the outermost additional barrier layer may be formed to be inclined as above.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 분말적층용융(PBF) 방식의 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법으로서, 프린터의 베드의 일부 영역에 분말 재료를 적층하는 적층 단계; 제작할 구조물의 2차원 형상 정보에 기초하여, 적층된 분말 재료에 레이저를 조사하여 2차원의 구조물 및 장벽층을 소결하는 소결 단계; 및 상기 적층 단계와 상기 소결 단계를 복수 회 반복하여 3차원 구조물과 장벽층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 장벽층은 상기 베드의 상기 일부 영역과 이를 제외한 나머지 영역을 구획하도록 배치된 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법을 제공한다.

Description

베드의 일부 영역에서 3차원 프린팅이 가능한 3차원 프린팅 방법 및 이에 사용되는 3차원 프린터
본 발명은 3차원 프린팅 방법 및 이에 사용되는 3차원 프린터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 프린터 베드의 일부 영역만을 사용하여 3차원 구조물을 제작함으로써 분말 재료 사용량을 줄이고 신속한 프린팅 작업이 가능한 3차원 프린팅 방법 및 이에 사용되는 3차원 프린터에 관한 것이다.
3차원(3D) 프린팅 기술은 복잡한 3차원 형상 제작에 용이하고 다품종 소량생산 환경에 적합하여 각종 산업분야에서 수요가 증가하고 있다. 금속 분말을 이용한 3차원 프린팅 방식으로 PBF(Powder Bed Fusion) 방식이 있다.
PBF 방식은 평평한 바닥에 금속 분말을 한 층씩 적층한 후 레이저로 소결하여 구조물을 제작하는 방법으로 제작과 조작이 상대적으로 간편하며 다른 프린팅 방식에 비해 상대적으로 밀도가 높은 3차원 구조물을 제작하기에 용이하다.
도 1은 종래의 일반적인 PBF 방식의 3차원 프린터의 일부 구성요소를 상부에서 바라본 모습을 개략적으로 나타내었다. 우선 스크래퍼(2)를 이용하여 3차원 프린터의 베드(1)에 분말 재료(3)를 얇게 적층한다. 즉 스크래퍼(2)가 베드(1)의 일 측면에서 반대편 측면까지 베드(1)를 가로지르는 이동 거리(D)를 왕복하여 대략 30 내지 50 마이크로미터(㎛)의 두께로 분말 재료(3)를 적층하고 분말 재료(3)에 레이저를 조사하여 구조물(5)을 소결하여 형성한다. 그 후 베드(1)의 바닥면을 대략 30 내지 50 마이크로미터 하강하고 스크래퍼(2)가 분말 재료를 다시 그 위에 적층하고 이 적층된 분말에 레이저를 조사하여 구조물을 형성하며 이와 같은 분말 적층 및 소결 동작을 반복하여 3차원 구조물을 형성한다.
그런데 이러한 종래의 프린팅 동작은 작은 크기의 3차원 구조물(5)을 제작할 때 불필요하게 분말 재료를 낭비하는 문제가 있다. 즉, 프린팅 대상인 구조물을 균일한 밀도로 소결하여 제작하기 위해서는 구조물의 크기에 관계없이 베드(1) 전체 영역에 분말을 모두 채우면서 작업해야 하므로, 베드의 면적이 크고 제작 대상인 구조물의 크기가 매우 작더라도 베드의 전체 면적에 걸쳐 분말 재료를 도포해야 해서 분말 재료를 불필요하게 낭비하게 된다. 또한 이 경우 스크래퍼(2)가 매번 이동 거리(D)를 왕복 이동하며 베드(1)의 전체 영역에 분말을 적층해야 하므로 작은 크기의 구조물을 생산하는 경우에도 작업 시간이 오래 걸려 생산성이 저하되는 문제가 있다.
관련 선행기술문헌으로는 대한민국 등록특허 제10-1855184호가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 작은 크기의 3차원 구조물 제작시 사용되는 분말 재료의 소비량을 줄이고 프린팅 작업도 신속히 수행할 수 있는 3차원 프린팅 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명 다른 목적은 상기 3차원 프린팅 방법에 사용되는 3차원 프린터를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따르면, 분말적층용융(PBF) 방식의 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법으로서, 프린터의 베드의 일부 영역에 분말 재료를 적층하는 적층 단계; 제작할 구조물의 2차원 형상 정보에 기초하여, 적층된 분말 재료에 레이저를 조사하여 2차원의 구조물 및 장벽층을 소결하는 소결 단계; 및 상기 적층 단계와 상기 소결 단계를 복수 회 반복하여 3차원 구조물과 장벽층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 장벽층은 상기 베드의 상기 일부 영역과 이를 제외한 나머지 영역을 구획하도록 배치된 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법을 제공한다.
일 실시예에서, 상기 적층 단계가, 분말 재료를 베드에 도포하는 스크래퍼가 기설정된 대기 지점에서부터 상기 제1 장벽층을 통과한 기설정된 반환 지점까지의 거리(d)를 왕복 이동하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 적층 단계 전에, 분말 재료 공급부에서 기설정된 양의 분말 재료를 상기 스크래퍼의 대기 지점과 상기 베드 사이에 배출하는 단계;를 더 포함하고, 상기 분말 재료의 배출량은 상기 스크래퍼의 상기 왕복 거리(d)에 기초하여 설정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 장벽층이 상기 3차원 구조물의 적어도 두 측면을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 장벽층이 상부에서 볼 때 격자 형태로 형성되고 격자 사이의 공간에 분말 재료가 채워질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 장벽층을 형성할 때 상기 제1 장벽층의 높이가 올라갈수록 상기 3차원 구조물을 향해 기울어지도록 경사지게 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 3차원 구조물 및 상기 제1 장벽층과 함께, 제2 장벽층(81)을 동시에 형성하며, 상기 제2 장벽층은 상기 제1 장벽층에 인접하되 상기 제1 장벽층을 중심으로 상기 구조물에 반대되는 영역에 배치되는 장벽층일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 장벽층을 형성할 때 상기 제2 장벽층의 높이가 올라갈수록 상기 제1 장벽층을 향해 기울어지도록 경사지게 형성할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따르면, 3차원 구조물을 형성하는 분말적층용융(PBF) 방식의 3차원 프린터로서, 승강 가능한 베이스 플레이트와 프린터 본체부의 측벽으로 둘러싸인 베드; 상기 베드에 공급할 분말 재료를 공급하는 재료 공급부; 상기 재료 공급부에서 배출된 분말 재료를 베드에 적층하는 스크래퍼; 상기 베드에 적층된 분말 재료에 레이저를 조사하여 소결하는 레이저 조사 장치; 및 상기 스크래퍼와 상기 레이저 조사 장치의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 스크래퍼가 상기 베드의 일부 영역에 분말 재료를 적층하고 이 적층된 분말 재료에 레이저를 조사하여 3차원 구조물 및 장벽층을 형성하도록 제어하며, 상기 장벽층은 상기 베드의 상기 일부 영역과 이를 제외한 나머지 영역을 구획하도록 배치된 것을 특징으로 하는 3차원 프린터를 제공한다.
일 실시예에서, 상기 제어부가, 상기 스크래퍼가 기설정된 대기 지점에서부터 상기 제1 장벽층을 통과한 지점까지의 거리(d)를 왕복하며 분말 재료를 적층하도록 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부가, 상기 재료 공급부에서 상기 베드에 공급할 분말 재료의 공급량을 상기 스크래퍼의 상기 왕복 거리(d)에 기초하여 설정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 장벽층이 상기 3차원 구조물의 적어도 두 측면을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 장벽층이 상부에서 볼 때 격자 형태로 형성되고 격자 사이의 공간에 분말 재료가 채워질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부가, 상기 3차원 구조물 및 상기 제1 장벽층과 함께 제2 장벽층(81)을 동시에 형성하도록 제어하며, 상기 제2 장벽층은 상기 제1 장벽층에 인접하되 상기 제1 장벽층을 중심으로 상기 구조물에 반대되는 영역에 배치되는 장벽층일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 장벽층의 높이가 올라갈수록 상기 제1 장벽층을 향해 기울어지도록 상기 제2 장벽층을 경사지게 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 3차원 구조물 제작을 위해 베드 전체에 분말 재료를 적층하지 않아도 되어 분말 재료를 불필요하게 낭비하지 않으며 스크래퍼의 이동 거리가 줄어들기 때문에 3차원 프린팅 작업을 신속히 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 3차원 프린터의 프린팅 동작을 설명하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터를 도시한 모식도이다.
도 3a 내지 도 3d, 및 도 4a 내지 도 4d는 도 2의 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법을 도시한 공정도들이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법에서, 구조물과 장벽층의 예시적 배치 형태를 도시한 평면도들이다.
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법에서, 장벽층의 구성을 도시한 평면도이고, 도 7b는 도 7a의 'A'부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법을 도시한 평면도 및 측면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법에서, 3차원 구조물과 장벽층을 도시한 평면도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법에서, 3차원 구조물과 장벽층을 도시한 평면도들이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법을 도시한 평면도들이다.
도 12a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법에서, 3차원 구조물과 장벽층을 도시한 측면도이고, 도 12b는 도 12a의 장벽층을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 13a 내지 도 13d는 상기한 도 12a 및 도 12b의 실시예에 의한 3차원 프린팅 방법에서, 장벽층을 적층하는 일 예를 도시한 공정도들이다.
도 14a 내지 도 14d는 상기한 도 12a 및 도 12b의 실시예에 의한 3차원 프린팅 방법에서, 장벽층을 적층하는 다른 예를 도시한 공정도들이다.
* 부호의 설명
10: 레이저 출력장치 11: 미러
15: 레이저 조사장치 20: 본체부
21: 재료 공급부 23: 재료 회수부
30: 베이스 플레이트 40: 스크래퍼
50: 베드 60: 분말 재료
70: 구조물 80, 81: 장벽층
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예를 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하의 실시예에서 본 발명의 3차원 프린터가 분말적층용융(PBF: Powder Bed Fusion) 방식의 프린터인 것으로 전제하고 설명한다. PBF 방식의 프린터는 분말 형태의 재료에 고에너지 빔(예컨대 레이저나 전자빔 등)을 조사하고 분말을 소결하여 물품을 제작하는 프린터이며, 당업계에서 SLS (Selective Laser Sintering), DMLS(Direct Metal Laser Sintering), SLM(Selective Laser Melting), 또는 EBM(Electron Beam Melting) 방식 등으로 언급되기도 한다. 따라서 본 발명은 PBF 프린터에 제한되지 않으며 분말 재료를 소결하여 물품을 제작하는 임의의 방식의 3차원 프린터에 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터를 도시한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 3차원 프린터는 레이저 출력장치(10), 레이저 조사장치(15), 및 재료 공급부(21), 재료 회수부(23), 그리고 베드(50)를 구비한 본체부(20)를 포함할 수 있다.
레이저 출력장치(10)는 분말 재료(60)를 소결하기 위한 레이저를 출력한다. 레이저 출력장치(10)는 그 자체로 레이저를 생성하는 레이저 생성부를 포함할 수 있고, 대안적으로, 레이저 생성부(도시 생략)에서 생성된 레이저를 레이저 조사장치(15)측으로 전송하는 장치일 수도 있다.
분말 재료를 소결하기 위한 용도의 레이저로서 예컨대 30W 내지 1000W, 바람직하게는 500W의 에너지를 갖는 Nd:YAG 레이저를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 구체적 실시 형태에 따라 다양한 파장과 출력 에너지의 레이저가 사용될 수 있다.
레이저 출력장치(10)에서 출력된 레이저(L)는 미러(11) 또는 광섬유 등 하나 이상의 광학요소에 의해 레이저 조사장치(15)로 전달된다. 레이저 조사장치(15)는 베드(50)에 적층된 분말 재료(60)에 레이저(L)를 조사하여 분말 재료를 소결하여 3차원 구조물을 제작(프린팅)한다. 예를 들어, 상기 레이저 조사장치(15)는 갈바노 스캐너(Galvano scanner)로 구현될 수 있고, 레이저의 방향을 조정하여 프린팅 영역 내의 임의의 지점에 레이저를 조사할 수 있다.
도면에 도시하지 않았지만 상기 3차원 프린터는 레이저 조사장치(15)를 베드(50)에 평행한 평면(즉 X-Y 평면)을 따라 이송하는 이송기구를 더 포함할 수 있다. 추가적으로, 이송기구가 레이저 조사장치(15)를 수직 방향(즉 Z축 방향)으로 이송할 수도 있다.
상기 본체부(20)는 재료 공급부(21), 재료 회수부(23), 스크래퍼(40), 및 베드(50)를 구비할 수 있다.
재료 공급부(21)는 분말 재료(60)를 저장하고 일정량씩 상부로 배출한다. 예를 들어 도 1에 도시한 것처럼 재료 공급부(21)의 하부에 승강부(22)가 설치되어 일정 높이만큼 상승하면서 재료 공급부(21) 내의 분말 재료(60)를 일정량씩 밖으로 배출할 수 있다.
상기 분말 재료(60)는 레이저에 의해 소결가능한 임의의 재질의 분말일 수 있다. 예를 들어 상기 분말 재료가 금속 분말 또는 플라스틱 수지재 분말일 수 있다. 이와 달리, 재료 공급부(21)가 하나 이상 구비되어 한 종류 이상의 분말 재료를 사용할 수도 있다.
베드(50)는 분말 재료(60)를 수용할 수 있도록 본체부(20)에 형성된다. 이 경우, 베드(50)의 내부 영역은 하부의 베이스 플레이트(30) 및 네 측면의 본체부(20) 측벽에 의해 정의된다. 베이스 플레이트(30)는 승강수단(31)에 의해 상하로 움직일 수 있다. 최초에 베이스 플레이트(30)는 본체부(20)의 상부면과 동일한 높이였다가 승강부(31)에 의해 예컨대 1회에 대략 30㎛ 내지 50㎛ 높이씩 하강한다. 1회 하강할 때마다 재료 공급부(21)에서 분말 재료(60)가 본체부(20) 상부면으로 배출되면 스크래퍼(40)가 배출된 분말을 베드(50)측으로 밀어서 베이스 플레이트(30)의 상부면에 일정하게 도포한다. 즉 도 2에서, 본체부(20)의 왼쪽 끝단에 배치된 스크래퍼(40)가 오른쪽 끝단까지 왕복 이동하며 분말 재료(60)를 베이스 플레이트(30) 상부면에 균일하게 도포하고 도포 후 남은 잔여 분말 재료를 재료 회수부(23)로 회수한다. 이와 같이 베드(50)에 분말 재료가 한 층씩 적층될 때마다 레이저 조사장치(15)가 2차원 구조물의 형상 정보에 기초하여 분말 재료에 레이저(L)를 조사하여 소결하는 동작을 반복하여 3차원 구조물을 제작할 수 있다.
한편 상기 프린터의 본체부(20)는 구체적 실시 형태에 따라 재료 공급부(21), 재료 회수부(23), 및 베드(50)의 구조나 배치관계가 달라질 수 있다. 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 베드(50)의 좌측으로 재료 공급부(21)와 재료 회수부(23)가 배치될 수 있으나, 이와 달리 재료 공급부(21)와 회수부(23)가 베드(50)의 양쪽에 각각 위치할 수도 있다. 또한 재료 공급부(21)가 본체부(20) 내에 매설되지 않고 본체부(20)의 상부에 배치되거나 스크래퍼(40) 내부에 위치할 수도 있고 이 경우 분말 재료(60)가 본체부(20)의 상부에서 본체부(20)의 표면으로 떨어지며 공급된다.
또한 도면에 도시하지 않았지만 상기 3차원 프린터는 제어부를 더 포함할 수 있다. 제어부는 상술한 레이저 출력장치(10), 레이저 조사장치(15), 승강수단(22,31), 스크래퍼(40) 등 프린터의 각종 구성요소들의 각각의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어 제어부는 레이저 출력장치(10)에 의해 출력되는 레이저의 출력에너지 조절 및/또는 온/오프, 레이저 조사장치(15)에 의한 레이저 조사 방향의 조절 및 각 레이저 조사장치(15)의 이송 동작, 승강수단(22)의 승강/하강 동작 및 매회 공급해야 할 분말 재료의 공급량 조절, 승강수단(31)의 승강/하강 동작 및 매회 하강시의 하강 높이 조절, 그리고 스크래퍼(40)의 동작 등을 제어할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d, 및 도 4a 내지 도 4d는 도 2의 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법을 도시한 공정도들이다.
이하, 도 3a 내지 도 3d, 및 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 상기 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법, 즉 3차원 구조물 제작 방법을 설명하기로 한다.
이 경우, 도 3a 내지 도 3d에는 도 2의 3차원 프린터의 일부 구성이 동시에 도시되고 있다.
구체적으로, 도 3a 내지 도 3d를 통해, 베드(50)를 둘러싸는 네 측면(50a, 50b, 50c, 50d)이 도시되며, 스크래퍼(40)가 베드(50)의 일 측면(50a)에 인접하여 배치되는 것이 도시된다. 레이저 관련 장치들(10, 11, 15)과 재료 공급부(21) 및 재료 회수부(23)는 설명의 편의를 위해 생략하였다.
또한, 도 4a 내지 도 4d에는, 도 2의 3차원 프린터의 일부 구성에 대한 측면도가 도시되고 있다. 설명의 편의를 위해 레이저 관련 장치들과 재료 공급부(21) 및 회수부(23)를 생략하였다. 그러나 당업자는 분말 재료(60)를 베드(50) 위에 매회 적층할 때마다 재료 공급부(21)가 기설정된 양의 분말 재료를 스크래퍼(40)의 대기 지점과 베드(50) 사이에 배출하는 동작을 수행함을 이해할 것이다.
우선, 도 3a 및 도 4a를 참조하면, 스크래퍼(40)가 베드(50)의 일부 영역에 분말 재료(60)를 적층한다. 즉 도시된 바와 같이, 스크래퍼(40)가 최초의 대기 지점(예컨대 도면에서 실선으로 도시한 스크래퍼(40)의 위치)에서부터 기설정된 소정 거리(d) 떨어진 반환 지점(예컨대 도면에서 점선으로 표시한 스크래퍼(40')의 위치)까지 이동한 뒤 대기 지점으로 다시 복귀한다. 이에 따라 분말 재료(60)가 베드(50)의 전체 면적이 아닌 일부 영역에만 적층된다.
그 후 도 3b 및 도 4b에 도시한 것처럼, 레이저 조사장치(15)에서 분말 재료(60)에 레이저(L)를 조사하여 2차원 구조물(70)과 장벽층(80)을 소결하여 형성한다. 여기서 2차원 구조물은 프린터로 제작하려는 3차원 구조물을 일정 간격씩 수평 방향으로 슬라이싱(slicing)한 형상이며, 실제로는 적층된 분말 재료(60) 만큼의 두께를 갖고 있어 3차원 형상이지만 최종적인 3차원 구조물과의 구별을 위해 당업계에서 일반적으로 2차원 구조물로 언급함을 당업자는 이해할 것이다.
한편 본 실시예에서, 장벽층(80)은 분말 재료(60)의 적층이 무너지는 것을 방지하기 위해 3차원 구조물에 일정 거리(예를 들어, 수 밀리미터(mm) 내지 수 센티미터(cm)) 인접한 위치에 형성된다. 장벽층(80)은 구조물(70)에서 수평방향으로 일정 거리 이격되어 구조물(70)의 적어도 한 면을 둘러싸도록 형성된다. 예를 들어 도 3b에 도시한 것처럼 장벽층(80)이 베드(50)의 일 측면(50a)을 제외한 세 측면에서 구조물(70)을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 이와 같이 구조물(70) 주위에 장벽층(80)을 형성함으로써 장벽층(80)이 베드(50) 중 분말 재료가 적층되는 영역과 적층되지 않는 영역을 구획하는 역할을 하고 분말 재료(60)가 구조물(70) 주위에 균일하고 평탄하게 적층될 수 있도록 한다.
이 경우, 3차원 구조물(70)을 베드(50)의 중앙이 아니라 가능한 한 스크래퍼(40)의 대기 지점에 가까운 베드(50)의 측면(50a)에 인접하게 위치시킬 수 있다. 장벽층(80)도 가능한 한 구조물(70)을 가깝게 둘러싸도록 형성하는 것이 바람직하며, 장벽층(80)의 두께나 형상 그리고 형성 위치는 구체적 실시예에 따라 달라질 수 있다. 3차원 구조물(70)을 완성했을 때 장벽층(80)은 베이스 플레이트(30)에서 분리되어 버려지게 된다. 그러므로 장벽층(80) 형성시 조사되는 레이저 조사량을 줄이고 버려지는 분말의 양도 줄이기 위해, 장벽층(80)의 폭은 가능하면 좁은 것이 바람직하다.
예를 들어, 장벽층(80)의 폭은 1 밀리미터(mm)일 수 있으며, 구체적 실시 형태에 따라 장벽층(80)의 폭이 이보다 작거나 클 수 있다.
스크래퍼(40)는 베드(50)의 일 측면(50a)에서부터 장벽층(80)까지 분말 재료(60)를 균일하고 평탄하게 적층하면 충분하므로 장벽층(80)을 통과한 직후 또는 장벽층(80)의 통과 후 임의의 지점까지 이동한 뒤 복귀할 수 있으며 구체적 실시 형태에 따라 반환 지점이 달라질 수 있다.
일반적으로 한번 사용된 분말을 재사용할 수 있지만 분말을 자주 사용하면 분말이 산화되거나 손상되기 때문에 가능하면 재사용되는 분말량을 줄이는 것이 바람직하다. 따라서 장벽층(80) 바깥 영역의 분말 재료(61)의 양을 줄이기 위해, 스크래퍼(40)의 반환 지점을 장벽층(80)의 상부면을 통과한 직후의 지점으로 설정할 수 있으며 이 경우 장벽층(80) 바깥 영역의 분말 재료(61)를 가능한 줄일 수 있는 이점이 있다.
베드(50) 내에서 구조물(70)을 형성할 위치, 구조물(70)을 둘러싸는 장벽층(80)의 형상, 및 스크래퍼(40)의 반환 지점은 제어부에 의해 미리 설정될 수 있다.
예를 들어, 제어부는 제작할 3차원 구조물(70)의 크기에 기초하여 베드(50) 내에서 구조물(70)을 제작 위치를 결정하고 이 제작 위치에 따라 장벽층(80)의 모양과 위치를 결정하고 장벽층(80)의 위치에 따라 스크래퍼(40)의 반환 지점을 결정할 수 있다. 또한 스크래퍼(40)의 반환 지점이 결정되면 스크래퍼(40)의 이동 거리(d)가 결정되므로 재료 공급부(21)에서 매회 공급할 분말 재료의 공급량을 이동 거리(d)에 기초하여 설정할 수 있다.
위와 같이 분말 재료의 한 층에 대한 적층과 소결 동작을 완료하면 도 3c 및 도 4c에 도시한 것처럼 베이스 플레이트(30)가 소정 높이(예컨대 30㎛ 내지 50㎛) 하강하고 베드(50)의 일부 영역에 새로운 층의 분말 재료(60)를 적층한다. 도 3c에서도 스크래퍼(40)가 최초의 대기 지점에서 출발하여 소정 거리(d)의 반환 지점(점선으로 표시한 스크래퍼(40')의 위치)까지만 이동한 뒤 대기 지점으로 복귀함으로써 베드(50)의 일부 영역에만 분말 재료를 적층한다.
그 후 도 3d 및 도 4d에 도시한 것처럼 레이저 조사장치(15)에서 분말 재료(60)에 레이저(L)를 조사하여 구조물(70)과 장벽층(80)을 소결하여 형성하고, 이러한 적층 단계와 소결 단계를 반복하여 최종적으로 3차원 구조물 및 이와 동일 높이를 가지며 구조물을 둘러싸는 장벽층(80)을 형성할 수 있다.
상술한 본 실시예에 따르면, 제작할 3차원 구조물(70)을 형성할 위치를 베드(50)의 중앙이 아니라 가능한 한 스크래퍼(40)의 대기 지점에 가까운 베드(50)의 측면(50a)에 인접하게 위치시키고 구조물(70)과 이를 둘러싸는 장벽층(80)까지만 분말 재료를 적층함으로써 3차원 구조물 제작을 위해 베드(50) 전체에 분말 재료를 도포할 필요가 없어 분말 재료를 불필요하게 낭비하지 않고 스크래퍼(40)의 이동 거리도 줄일 수 있어 구조물을 단시간에 제조하는 이점을 가진다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법에서, 구조물과 장벽층의 예시적 배치 형태를 도시한 평면도들이다.
예를 들어 크기가 작은 하나의 3차원 구조물(70)만 제작할 경우 도 5에 도시한 것처럼 구조물(70)을 베드(50)의 모퉁이에 형성하는 것이 바람직하다. 구조물(70)을 스크래퍼(40)의 대기 지점에서 가까운 베드(50)의 서로 이웃한 두 측면(예컨대 50a 및 50c)에 인접하게 위치시키고 장벽층(80)이 구조물(70)을 두 측면을 둘러싸도록 형성한다.
이와 달리, 크기가 작은 복수개의 3차원 구조물을 제작할 경우 도 6에 도시한 것처럼 복수개 구조물들(71, 72, 73)을 스크래퍼(40)의 대기 지점에 가까운 베드(50)의 측면(50a)에 인접하게 위치시키고 장벽층(80)이 구조물들(71, 72, 73)의 일 측면을 막도록 형성할 수 있다.
이와 같이 제작할 구조물(70)의 크기와 개수에 따라 구조물을 가능한 스크래퍼(40)에 가깝게 베드(50)의 적절한 곳에 위치시키고 그에 따라 장벽층(80)의 형상과 위치를 결정할 수 있다. 또한 구조물(70)과 장벽층(80)의 위치와 형상이 결정되면 장벽층(80)을 통과한 임의의 지점을 스크래퍼(40)의 반환 지점으로 설정하여 스크래퍼의 이동 거리(d)를 최소화할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법에서, 장벽층의 구성을 도시한 평면도이고, 도 7b는 도 7a의 'A'부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
본 실시예에서 장벽층(80)은 상부에서 볼 때 격자 형태로 형성된다. 즉 장벽층(80)은 Y방향으로 형성되는 다수의 제1 방향 층(810)과 X방향으로 형성되는 다수의 제2 방향 층(820)으로 구성되어 상부에서 볼 때 격자 형상으로 형성된다.
이러한 장벽층 구조에 의하면 각 격자 사이의 영역(830)에는 레이저가 조사되지 않아 장벽층이 형성되지 않으므로 분말 재료(60)가 분말 형태 그대로 남아있게 되어 이 영역(830)의 분말 재료를 재사용할 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 분말 재료의 사용량을 최대한 줄이면서 장벽층(80) 형성으로 인한 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 실시예에서는 장벽층을 격자 형태로 형성하는 것으로 도시하였지만, 이와 달리, 예컨대 허니컴 구조 등 내부에 빈 공간을 갖도록 하는 임의의 형상을 갖도록 장벽층을 형성할 수도 있다.
한편, 예컨대 도 3a 내지 도 3d, 및 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 설명한 바와 같이 장벽층(80)의 바깥 영역의 분말 재료(61)(즉, 장벽층(80)과 베드(50)의 일 측면(50b) 사이의 분말 재료)의 양을 가능한 줄이는 것이 바람직하므로 스크래퍼(40)의 반환 지점을 장벽층(80)의 상부면을 통과한 직후의 지점으로 설정하는 것이 바람직하다. 그러나 반환 지점을 이렇게 장벽층(80)에 가깝게 설정할 경우, 구조물(70)과 장벽층(80)을 점차 적층할수록 장벽층(80) 바깥 영역에서 베드(50)의 바닥면으로부터 장벽층(80)의 상단부의 높이가 높아지므로 장벽층(80)의 바깥 영역에서 분말 재료(61)가 점차 가파른 경사면으로 쌓이다가 급격히 무너지는 경우가 발생할 수 있고, 이렇게 되면 그 다음번 적층 단계에서 장벽층(80)을 제대로 형성하지 못하게 된다. 장벽층(80) 형성이 제대로 되지 않으면 장벽층(80) 내의 분말 재료(60)를 균일하고 평탄하게 유지할 수 없게 되어 3차원 구조물(70)에 불량이 발생한다. 그러므로 장벽층(80) 바깥 영역의 분말 재료(61)의 양을 가능한 한 줄이되 장벽층(80) 형성에 영향이 없도록 하는 방안이 필요하다.
이와 관련하여 이하에서 설명하는 실시예들은 이러한 문제를 해결하는 실시예들의 예를 나타낸다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법을 도시한 평면도 및 측면도이다.
이 경우, 도 8a는 3차원 프린터의 일부 구성요소를 상부에서 바라본 모습이고 도 8b는 상기 3차원 프린터의 일부 구성요소를 측면에서 바라본 단면을 개략적으로 나타내었다.
본 실시예에 따르면, 장벽층(80)의 바깥 영역에서 분말 재료(60)의 적층이 무너지는 것을 방지하기 위해 장벽층(80)을 3차원 구조물(70)에서 일정 거리 인접한 위치에 형성함과 동시에 장벽층(80)의 바깥 영역에 추가 장벽층(81)을 형성한다. 추가 장벽층(81)의 형성 위치는 장벽층(80)의 바깥 영역, 즉 장벽층(80)을 중심으로 구조물(70)에 반대되는 영역 또는 장벽층(80)에서 베드(50)의 일 측면(50b)을 향하는 영역이다.
이 경우, 추가 장벽층(81)은 장벽층(80)에서 대략 5밀리미터(mm) 내지 10밀리미터(mm) 이격되고 폭은 예컨대 1밀리미터(mm)로 형성될 수 있다. 그러나 추가 장벽층(81)의 형상이나 길이, 폭 등의 수치는 구체적 실시 형태에 따라 달라질 수 있다.
이 때 스크래퍼(40)의 반환 지점이 적어도 추가 장벽층(81)을 통과한 지점이 되도록 한다. 예컨대 스크래퍼(40)가 추가 장벽층(81)을 통과한 직후 또는 추가 장벽층(81)의 통과 후 임의의 지점까지 이동한 뒤 복귀하도록 한다.
본 실시예에 따르면, 구조물(70), 장벽층(80), 및 추가 장벽층(81)을 점차 적층할 경우 추가 장벽층(81)의 바깥 영역의 분말 재료(61)가 가파른 경사면으로 적층되어 적층이 무너지게 되더라도 추가 장벽층(81)만 그에 따른 영향을 받으며 장벽층(80) 안쪽의 분말 재료(60)를 균일하고 평탄하게 적층하는 것이 가능하다.
또한, 높이가 높은 구조물(70)을 형성해야 할 경우 추가 장벽층(81)을 둘 이상 형성할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법에서, 3차원 구조물과 장벽층을 도시한 평면도이다.
즉, 도 9는 제1 추가 장벽층(81a)의 바깥 영역에 또 다른 제2 추가 장벽층(81b)을 형성한 실시예를 나타낸다. 이 경우 제2 추가 장벽층(81b)의 바깥 영역의 분말 재료(61)가 매우 가파른 경사면으로 적층되어 일부 적층이 무너지더라도 적어도 두 개의 장벽층(80,81a)이 완충 역할을 하므로 장벽층(80) 안쪽의 분말 재료(60)를 균일하고 평탄하게 적층할 수 있으며, 이와 같이 구조물(70)의 적층 높이 등에 따라 추가 장벽층(81)의 형상이나 개수 등을 설정할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법에서, 3차원 구조물과 장벽층을 도시한 평면도들이다.
도 10a는 도 5의 실시예에 추가 장벽층(81)을 추가로 형성한 실시예이고 도 10b는 도 6의 실시예에 추가 장벽층(81)을 추가로 형성한 실시예를 나타내며, 이와 같이 제작할 구조물(70)의 크기나 개수에 따라 추가 장벽층(81)의 형상, 길이, 개수 등을 다양하게 설정할 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법을 도시한 평면도들이다.
도 111a를 참조하면, 본 실시예에서 스크래퍼는 스크래퍼의 진행방향(즉, X방향)을 따라 2개의 스크래퍼들(40a, 40b)로 분할되어 구성된다. 또한 도면에 도시하지 않았지만 스크래퍼의 분할에 대응하여 재료 공급부(21) 내부의 승강부(22)도 2개로 분할되어 구성할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 예컨대 크기가 작은 3차원 구조물(70)만 제작할 경우 도면과 같이 제1 스크래퍼(40a)만 동작시켜 구조물(70)을 제작할 수 있으며 따라서 분말 재료(60)가 불필요하게 소비되는 것을 방지한다. 본 실시예에서는, 스크래퍼를 2개로 분할하였지만 구체적 실시 형태에 따라 스크래퍼를 3개 이상으로 분할할 수 있고 그에 따라 재료 공급부(21)의 승강부(22)도 3개 이상으로 분할될 수 있음은 물론이다.
또한 도 11b에 도시한 바와 같이, 이 경우에도 추가 장벽층(81)을 형성할 수 있다. 즉, 본 실시예의 경우 장벽층(80)의 바깥 영역, 즉 베드(50)의 두 측면들(50b, 50d)을 향하는 영역에 걸쳐 장벽층(80)이 형성되어 있으므로, 도시한 것처럼 추가 장벽층(81)도 이 두 방향을 향해 형성함으로써 장벽층(80) 안쪽의 분말 재료(60)를 균일하고 평탄하게 적층할 수 있다.
도 12a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법에서, 3차원 구조물과 장벽층을 도시한 측면도이고, 도 12b는 도 12a의 장벽층을 확대하여 도시한 확대도이다.
도 12a를 참조하면, 본 실시예에서 3차원 구조물(70)에서 일정 거리 인접한 위치에 장벽층(80)과 추가 장벽층(81)을 형성하는 것은 예컨대 도 8b의 실시예와 동일하다. 그러나 본 실시예에 따르면 추가 장벽층(81)의 형성시 추가 장벽층(81)의 높이가 올라갈수록 안쪽으로 기울어지도록(즉, 장벽층(80)을 향해 기울어지도록) 경사지게 형성한다. 즉 장벽층(80)은 수직으로 적층하여 형성하지만 추가 장벽층(81)은 매 층마다 형성시 구조물(70)을 향하는 방향으로 적층함으로써 구조물(70)을 향해 기울어져서 경사지게 형성하며, 본 실시예에 의하면 추가 장벽층(81)의 바깥 영역의 분말 재료(61)를 상대적으로 덜 가파르게 쌓여지므로 분말 재료(61)의 소비량을 줄이는 효과가 있다.
이와 관련하여 도 13a 내지 도 13d는 장벽층을 수직으로 적층할 경우의 예시적 적층 방법을 나타내고 도 14a 내지 도 14d는 장벽층을 안쪽으로 경사지게 형성하는 예시적 적층 방법을 나타낸다.
우선, 도 13a 내지 도 13d는 상기한 도 12a 및 도 12b의 실시예에 의한 3차원 프린팅 방법에서, 장벽층을 적층하는 일 예를 도시한 공정도들이다.
우선 도 13a를 참조하면, 베이스 플레이트(30) 위에 제1 층의 분말 재료(60a)를 적층한다. 이 때 스크래퍼(40')가 최초 대기 지점에서부터 "d"만큼 떨어진 반환지점(R)까지 이동하며 분말 재료(60a)를 평탄하게 적층한다. 그런데 분말 재료(60a)의 최외측(도면에서는 오른쪽)에 분말 재료를 받치는 부재가 없으므로 최외측 분말이 약간씩 무너지는 현상이 발생하며, 예컨대 반환지점(R) 보다 약간 안쪽의 제1 지점(P1)까지 분말 재료가 평탄하게 유지되지만 제1 지점(P1) 이후부터는 경사지면서 높이가 낮아질 것이다.
따라서 도 13b에 도시한 것처럼 레이저를 조사하여 추가 장벽층을 형성하기 위해, 반환지점(R)이 아니라 제1 지점(P1)까지의 소정 폭을 갖는 제1 층의 추가 장벽층(81a)을 형성한다.
그 후 도 13c에 도시한 바와 같이, 스크래퍼로 제2 층의 분말 재료(60b)를 적층할 때 적어도 제1 지점(P1)과 동일한 위치인 제2 지점(P2)까지 분말 재료(60b)를 평탄하게 유지하려면 도시한 것처럼 스크래퍼(40')를 최초의 반환지점(R) 보다 약간 더 바깥까지(도면에서 오른쪽까지) 이동시켜야 하고, 그 후 레이저를 조사하여 제2 층의 추가 장벽층(81b)을 제1 층의 추가 장벽층(81a)에 수직으로 형성할 수 있다(도 13d).
이와 같이 추가 장벽층(81)을 수직으로 형성하기 위해서는, 분말 재료의 적층 높이가 높아질수록 분말 재료 적층의 무너짐을 방지하기 위해 스크래퍼의 실제 반환지점을 최초 반환지점(R) 보다 조금씩 바깥으로 옮기며 적층하는 것이 바람직하다.
또한, 도 14a 내지 도 14d는 상기한 도 12a 및 도 12b의 실시예에 의한 3차원 프린팅 방법에서, 장벽층을 적층하는 다른 예를 도시한 공정도들이다.
이 경우, 도 14a 및 도 14b는 도 13a 및 도 13b와 각각 동일하다. 즉, 스크래퍼(40')를 최초 대기지점에서 "d"만큼 떨어진 반환지점(R)까지 이동하며 제1 층의 분말 재료(60a)를 적층하고 레이저를 조사하여 제1 지점(P1)까지 소정 폭을 갖는 제1 층의 추가 장벽층(81a)을 형성한다.
그 후 도 14c의 단계에서, 스크래퍼를 최초 반환지점(R)까지만 이동시켜 제2 층의 분말 재료(60b)를 적층하며, 이 경우 제2 층의 분말 재료(60b)는 제1 층의 분말 재료(60a)의 평탄화가 유지되는 제1 지점(P1)보다 안쪽(도면에서 왼쪽)의 제2 지점(P2)까지만 평탄화가 유지될 것이다.
따라서 제2 층의 추가 장벽층(81b)을 형성할 때, 도 14d에 도시한 바와 같이 제1 층의 추가 장벽층(81a) 보다 안쪽으로 형성하며, 이와 같이 도 14a 내지 14d를 반복하여 추가 장벽층(81)을 구조물(70)을 향하는 안쪽으로 경사지게 형성하게 된다.
도 13d와 도 14d의 비교에서 알 수 있듯이 추가 장벽층(81)을 안쪽으로 경사지게 형성할 경우 추가 장벽층(81) 바깥 영역에 쌓이는 분말 재료(61)의 양을 더 줄일 수 있다. 아래층의 추가 장벽층(예컨대 81a)이 그 상방향의 분말 재료(61)를 지지하는 역할을 하며 또한 추가 장벽층(81)의 적층 높이가 높아지더라도 스크래퍼(40')의 반환지점(R)을 일정하게 유지하기 때문이다.
또한 본 실시예에서, 적층 높이가 높아짐에 따라 스크래퍼의 실제 반환지점을 최초 반환지점(R)보다 더 안쪽으로(즉 구조물(70)을 향하는 방향으로) 변경하면 더 많이 경사진 추가 장벽층(81)을 형성할 수 있고 바깥 영역의 분말 재료(61)도 더 감소시킬 수 있다.
예를 들어 도 12b에 도시한 것처럼 아래쪽 추가 장벽층과 그 위쪽 층의 추가 장벽층이 접하는 영역을 가능한 최소화하면서 추가 장벽층의 각 층(81a 내지 81d)을 적층 형성하여 추가 장벽층(81) 바깥 영역의 분말 재료(61)의 양을 대폭 감소시킬 수 있다.
이상 도 12a 내지 도 14d를 참조하여 설명한 실시예들은, 추가 장벽층(81)을 경사지게 형성하는 것을 예로서 설명한 것이며, 예컨대 추가 장벽층(81) 없이 장벽층(80)만 형성하는 실시예에서는 장벽층(80)을 구조물(70)을 향해 경사지게 형성할 수 있으며, 둘 이상의 추가 장벽층(81)을 형성하는 실시예에서는 가장 바깥쪽 추가 장벽층을 위와 같이 경사지게 형성할 수도 있음을 이해할 것이다.
이상과 같이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 명세서의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (15)

  1. 분말적층용융(PBF) 방식의 3차원 프린터를 이용한 3차원 프린팅 방법으로서,
    프린터의 베드의 일부 영역에 분말 재료를 적층하는 적층 단계;
    제작할 구조물의 2차원 형상 정보에 기초하여, 적층된 분말 재료에 레이저를 조사하여 2차원의 구조물 및 제1 장벽층을 소결하는 소결 단계; 및
    상기 적층 단계와 상기 소결 단계를 복수 회 반복하여 3차원 구조물과 제1 장벽층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 장벽층은 상기 베드의 상기 일부 영역과 이를 제외한 나머지 영역을 구획하도록 배치된 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층 단계가, 분말 재료를 베드에 도포하는 스크래퍼가 기설정된 대기 지점에서부터 상기 제1 장벽층을 통과한 기설정된 반환 지점까지의 거리(d)를 왕복 이동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적층 단계 전에, 분말 재료 공급부에서 기설정된 양의 분말 재료를 상기 스크래퍼의 대기 지점과 상기 베드 사이에 배출하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 분말 재료의 배출량은 상기 스크래퍼의 상기 왕복 거리(d)에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 장벽층이 상기 3차원 구조물의 적어도 두 측면을 둘러싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 장벽층이 상부에서 볼 때 격자 형태로 형성되고 격자 사이의 공간에 분말 재료가 채워지는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 장벽층을 형성할 때 상기 제1 장벽층의 높이가 올라갈수록 상기 3차원 구조물을 향해 기울어지도록 경사지게 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 3차원 구조물 및 상기 제1 장벽층과 함께, 제2 장벽층(81)을 동시에 형성하며,
    상기 제2 장벽층은 상기 제1 장벽층에 인접하되 상기 제1 장벽층을 중심으로 상기 구조물에 반대되는 영역에 배치되는 장벽층인 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 장벽층을 형성할 때 상기 제2 장벽층의 높이가 올라갈수록 상기 제1 장벽층을 향해 기울어지도록 경사지게 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방법.
  9. 3차원 구조물을 형성하는 분말적층용융(PBF) 방식의 3차원 프린터로서,
    승강 가능한 베이스 플레이트와 프린터 본체부의 측벽으로 둘러싸인 베드;
    상기 베드에 공급할 분말 재료를 공급하는 재료 공급부;
    상기 재료 공급부에서 배출된 분말 재료를 상기 베드에 적층하는 스크래퍼;
    상기 베드에 적층된 분말 재료에 레이저를 조사하여 소결하는 레이저 조사 장치; 및
    상기 스크래퍼와 상기 레이저 조사 장치의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 스크래퍼가 상기 베드의 일부 영역에 분말 재료를 적층하고 이 적층된 분말 재료에 레이저를 조사하여 3차원 구조물 및 제1 장벽층을 형성하도록 제어하며,
    상기 제1 장벽층은 상기 베드의 상기 일부 영역과 이를 제외한 나머지 영역을 구획하도록 배치된 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 스크래퍼가 기설정된 대기 지점에서부터 상기 제1 장벽층을 통과한 지점까지의 거리(d)를 왕복하며 분말 재료를 적층하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 재료 공급부에서 상기 베드에 공급할 분말 재료의 공급량을 상기 스크래퍼의 상기 왕복 거리(d)에 기초하여 설정하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 장벽층이 상기 3차원 구조물의 적어도 두 측면을 둘러싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 장벽층이 상부에서 볼 때 격자 형태로 형성되고 격자 사이의 공간에 분말 재료가 채워지는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어부가, 상기 3차원 구조물 및 상기 제1 장벽층과 함께 제2 장벽층(81)을 동시에 형성하도록 제어하며,
    상기 제2 장벽층은 상기 제1 장벽층에 인접하되 상기 제1 장벽층을 중심으로 상기 구조물에 반대되는 영역에 배치되는 장벽층인 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제2 장벽층의 높이가 올라갈수록 상기 제1 장벽층을 향해 기울어지도록 상기 제2 장벽층을 경사지게 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
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