[논문]LSU를 이용한 SLA 방식의 3D프린터 설계 및 스캐닝 기구부 동작 테스트

장민; 오암석

doi:10.6109/jkiice.2017.21.6.1225

LSU를 이용한 SLA 방식의 3D프린터 설계 및 스캐닝 기구부 동작 테스트
Design of 3D Printer Based on SLA Using LSU and Test of Scanning Mechanism 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.6, 2017년, pp.1225 - 1230

장민 (AWORKS LLC., 406 ho san hak Tongmyong University) , 오암석 (Department of Media Engineering, Tongmyong University)

초록
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3D 프린터는 산업용을 중심으로 성장해 왔으나 최근 경제 효과 및 기술 발달로 인한 원가 절감 등으로 인해 개인용 3D 프린터 시장의 성장이 가속화되는 추세이다. 그러나 현재 보급되고 있는 3D 개인용 프린터는 조형 속도, 크기, 정밀도 등의 한계점에 따라 소비자 만족도가 매우 낮은 편이다. 따라서 본 논문에서는 이러한 개인용 3D 프린터의 기술적 한계를 극복하기 위해 LSU를 이용한 SLA 방식의 3D 프린터를 제안하였다. 그리고 핵심 기능을 담당하는 스캐닝 기구부의 동작을 확인하기 위해 스테핑 모터를 이용한 조형판의 이동 및 레이저 출력 테스트를 시행하였다. 해당 테스트를 통해 레이저 동작 및 제어가 가능한지 확인하였으며 아울러 레이저 모듈과 폴리곤 미러를 사용하여 X축에 일정한 점이 출력됨을 확인하였다. 제안하는 3D프린터는 정밀도와 제조 속도를 개선하여 기존의 보급 형 3D프린터를 대체할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

3D printers have been growing mainly in industrial use, but the recent growth of the personal 3D printer market advanced through economic effects and cost reduction due to technological development. However, current 3D personal printers are very low in customer satisfaction on the limitations of molding speed, size, and precision. In this paper, we propose SLA 3D printer using LSU to overcome the technical limitation of personal 3D printer. In order to verify the operation of the scanning mechanism which is responsible for core functions, the movement of molding board using stepping motor and laser output test was conducted. These tests ensure that the laser was operating and control well was confirmed that a certain point is output to the X-axis by means of a laser module and a polygon mirror. 3D printers which are proposed to improve the accuracy and manufacturing speed is expected to replace the traditional low-budget 3D printer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 3D 프린터 제품의 기술적 한계 극복과 기술/가격 경쟁력 확보를 위해 SLA 방식의 3D 프린터 사출방식과 사무용 레이저 프린터의 LSU(Laser Scanning Unit)를 사용한 방식을 융합한 3D 프린터를 제안한다.
본 논문에서 기존 3D 프린터의 기술적 한계 극복과 기술적, 가격적 경쟁력 확보를 위한 독창적 방식의 3D 프린터를 제안하였다. 제안하는 프린터는 SLA 3D 프린터의 사출방식과 사무용 레이저 프린터의 LSU를 사용한 방식을 융합하였다.
개인용 3D프린터의 보급이 확산되면서 가격, 성능 등 다양한 면에서 소비자의 요구가 증가하고 있다. 본 논문에서는 기존 개인용 3D 프린터의 기술적 한계를 극복하기 위해 LSU를 이용한 SLA 방식의 3D 프린터를 제안하였다. 제안하는 3D프린터는 스캐닝 기구부, 레이저 유닛, 컨트롤 소프트웨어로 구성하였다.

제안 방법

X 축 이동 기구부에는 타이밍 벨트를 적용한 스테핑모터를 설치하고, X축 스테핑 모터의 타이밍 벨트가 올바르게 동작하는지 확인하였다. 그리고 리니어 스크류를 적용한 스테핑 모터를 설치하여 Z축 이동을 확인하였다.
다음은 폴리곤 미러, 레이저 및 레이저 수신 모듈을 사용하여 X축에 일정한 점을 출력하는 테스트를 진행하였다. X축에 한 점을 출력하도록 폴리곤 미러, 레이저 및 레이저 수신 모듈을 각각의 위치에 고정 시키고 테스트를 진행하였다. 그러나 그림7(좌)과 같이 폴리곤미러에 맞지 않는 레이저 빔이 옆면이나 위로 분산되어 레이저 검출에 어려움이 있었다.
제안하는 3D프린터는 스캐닝 기구부, 레이저 유닛, 컨트롤 소프트웨어로 구성하였다. 그리고 3D 프린터의 핵심부인 스캐닝 기구부의 동작을 테스트하였다. 폴리곤 미러를 이용한 3D 프린터는 기존 SLA 방식에 비해 기구부 의존도가 매우 낮고, SLA방식에서의 백래시에 따른 오차가 발생하는 현상이 없어 질 것으로 보인다.
X 축 이동 기구부에는 타이밍 벨트를 적용한 스테핑모터를 설치하고, X축 스테핑 모터의 타이밍 벨트가 올바르게 동작하는지 확인하였다. 그리고 리니어 스크류를 적용한 스테핑 모터를 설치하여 Z축 이동을 확인하였다.
그림 5는 조형판 이송을 위한 기구부의 구현 결과이며, 스테핑 모터를 사용하여 조형판의 X(좌우이동), Z(상하이동)축 이동 테스트를 진행하였다.
다음은 폴리곤 미러, 레이저 및 레이저 수신 모듈을 사용하여 X축에 일정한 점을 출력하는 테스트를 진행하였다. X축에 한 점을 출력하도록 폴리곤 미러, 레이저 및 레이저 수신 모듈을 각각의 위치에 고정 시키고 테스트를 진행하였다.
이에 기존 3D프린터의 구성 및 동작과는 큰 차이점이 있다. 따라서 본 장에서는 제안하는 3D프린터의 핵심 구성인 스캐닝 기구부의 동작테스트를 시행하였다.
먼저 레이저 빔의 출력을 제어하기 위해 폴리곤 미러의 시작 및 끝을 검출하여 1cycle을 측정하기 위한 테스트를 진행하였다. 그림6(좌)는 레이저 수신 모듈에 레이저 빔이 관통되는 것을 보이고 있다.
본 논문에서 제안하는 3D프린터는 폴리곤미러 스캐너 모터를 이용해서 레이저를 조사하는 방식이다. 가공정밀도는 약 40μ, 최고 속도는 약 441000mm/sec를 목표치로 하고 있다.
본 논문에서 제안하는 LSU를 이용한 3D프린터는 스캐닝 기구부, 레이저 유닛, 컨트롤 소프트웨어로 구성된다.
본 논문에서는 사무용 레이저 프린터의 LSU 구동원리를 3D 프린터에 적용하였다. 기존 SLA 3D 프린터는 갈바노미터와 다이나믹미러를 이용하여 레이저를 조사한다.
본 논문에서는 기존 개인용 3D 프린터의 기술적 한계를 극복하기 위해 LSU를 이용한 SLA 방식의 3D 프린터를 제안하였다. 제안하는 3D프린터는 스캐닝 기구부, 레이저 유닛, 컨트롤 소프트웨어로 구성하였다. 그리고 3D 프린터의 핵심부인 스캐닝 기구부의 동작을 테스트하였다.
본 논문에서 기존 3D 프린터의 기술적 한계 극복과 기술적, 가격적 경쟁력 확보를 위한 독창적 방식의 3D 프린터를 제안하였다. 제안하는 프린터는 SLA 3D 프린터의 사출방식과 사무용 레이저 프린터의 LSU를 사용한 방식을 융합하였다. 이에 기존 3D프린터의 구성 및 동작과는 큰 차이점이 있다.
국내외에서는 3D 프린터 기술 관련 원천특허가 만료됨에 따라 제조시간 단축, 가격경쟁력 강화, 정밀성 향상, 소재 개발 등으로 상용화 단계를 가속시키기 위한 기술개발에 주력하고 있다. 특히 본 논문에서 활용하고자하는 SLA 방식은 미국의 3d system사에서 개발하였으며, 자외선 레이저를 사용하여 수조에 담긴 광경화성액상 수지 경화시켜 파트를 층별로 제작하는 방식으로 높은 정밀성을 제공한다.

대상 데이터

그림 3은 레이저 유닛의 구성도이다. 레이저 유닛은 고강도 3D 프린트용 405nm 파장의 400mW급 이상의 Laser 다이오드를 활용하여 CW(continuous wave) 400mW 이상 광량을 확보한다. 레이저의 초점을 최소화하기 위해 High Power Laser 초점 렌즈(3 Element Glass 렌즈)를 이용한다.
레이저 프린터의 핵심 부품은 LSU(Laser Scanning Unit)이며, 그림1에 LSU 블럭도를 나타내었다. 프린터에서 인가되는 신호들에 의해 레이저 다이오드를 구동하는 구동부가 레이저 다이오드를 발광시키게 된다.
레이저 유닛은 고강도 3D 프린트용 405nm 파장의 400mW급 이상의 Laser 다이오드를 활용하여 CW(continuous wave) 400mW 이상 광량을 확보한다. 레이저의 초점을 최소화하기 위해 High Power Laser 초점 렌즈(3 Element Glass 렌즈)를 이용한다. 그리고 레이저 다이오드 드라이버는 DVD R/W용 드라이버를 사용하여 레이저를 제어한다.

성능/효과

이러한 문제점을 개선하기 위하여 분산되는 레이저빔을 흡수하기 위한 검은색 판넬을 부착한 후 테스트를 진행한 결과 그림8(좌)과 같이 레이저 빔이 정확히 한점으로 출력되는 것을 확인하였으며, 오실로스코프에서 레이저 수신 모듈 검출 시에도 올바르게 1cycle 간격으로 검출되는 것을 확인하였다.

후속연구

폴리곤 미러를 이용한 3D 프린터는 기존 SLA 방식에 비해 기구부 의존도가 매우 낮고, SLA방식에서의 백래시에 따른 오차가 발생하는 현상이 없어 질 것으로 보인다. 또한, 제작 크기와 관계없이 제조 속도가 일정하고, 높은 가공 정밀도를 가질 수 있어 개인용 3D프린터로써 소비자의 요구를 충족할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D 프린팅 기술은 무엇인가?	3D 프린팅 기술은 적층 제조기술(AM:Additive Manufacturing)이라고도 하며, 기존의 재료를 절삭이나 드릴을 통해 입체물을 제조 및 조립하는 방식에서 벗어나 다양한 방법의 적층(additive)방법을 통해 3차원의 입체물을 제조하는 방법이다. 3D 프린팅 기술은 기존 제조업에 IT 기술이 접목된 대표적인 융합 신기술 영역으로 3D 프린터는 전문가들 사이에서는 이미 3차 산업혁명의 도구, 인터넷에 대응하는 발명품으로 인식되고 있다.
	3D 프린터 기술의 적층 방식은 어떻게 구분되는가?	3D 프린터 기술은 적층 방식과 입체물 제조에 활용가능한 재료에 따른 기술로 구분된다. 적층 방식은 압출, 잉크젯 방식의 분사, 광경화, 파우더 소결, 시트 접합 등으로 구분된다.
	저가형 FDM 방식의 3D 프린터의 특징은 무엇인가?	이에 보급 가격이 매우 민감한 개인용 3D의 경우가격 우수성의 장점을 가진 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터를 주로 사용한다. 저가형 FDM 방식의 경우 제작 속도가 비교적 빠르지만(60cm3 플라스틱 조형물 생산에 약 1시간 이상 소요), 가공정밀도가 현저히 낮다. 따라서 저가형 개인용 3D 프린터 제품의 경우 휴대폰케이스, 장난감, 플라스틱 용기, 컵, 인테리어 제품 등 높은 가공정밀도를 요구하지 않는 단순한 형태의 사출물의 출력에만 사용된다.

참고문헌 (7)

K. S. Jung, "A Study of the effect of 3D printer popularization on the design industry," The Treatise on The Plastic Media, vol.18, no.4, pp.315-323, Apr. 2015.
D. G. Song, J. K. Park, J. G. Kim, J. H. Park, S. Y. So, Y. S. Kwak, M. S. Yang, A.S. Choi, and T. K. Kim, "8 Beam Laser Diode Development for Laser Scanning Unit," Korean Journal of Optics and Photonics, vol.21, no.3, pp.111-117, Jun. 2010.

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Y. I. Kim and J. L. Lee, "Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printer: its application and limitation in plastic arts," Korean Institute of Cultural Product Art & Design, Research Bulletin of Package Culture Design, vol.40, pp.69-80, May 2015.
C. S. Rim, "Optical system design for laser scanning unit," Korean Journal of Optics and Photonics, vol.10, no.1, pp.15-20 Jan. 1999.
C. S. Rim, "Laser scanning unit with plastic $f{\theta}$ lenses featuring high resolution," Korean Journal of Optics and Photonics, vol.10, no.5, pp.364-368, May 1999.
K. Komiya, K. Tanimoto, D. Ishikawa, and Y. Inagawa, "Laser beam scanning apparatus, image forming apparatus, and laser beam scanning method," US Patent 11/376,791, 2007.
O. S. Kim, "Open Source Hardware Design Using 3D Printer -Experimental Study on Engineering Design Characteristics of 3D Printing," Journal of Korea Design Knowledge, vol.26, pp.113-124, May 2013.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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