KR100257034B1 - 데이타 처리를 포함하는 스테레오리소그래피를 이용한 3차원 물체 형성 방법 및 장치 - Google Patents

데이타 처리를 포함하는 스테레오리소그래피를 이용한 3차원 물체 형성 방법 및 장치 Download PDF

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윌리엄 헐 찰스
토마스 스펜스 스튜어트
제이. 알버트 데이비드
롤레트 스맬리 데니스
에이. 할로우 리차드
스타인버그 필립
엘. 타노프 해리
디. 구이엔 홉
윌리엄스 루이스 찰스
제이. 보르기취 톰
지. 렘바 데이비드
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윌리엄 헐 찰스
3디 시스템즈 인코오퍼레이티드
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Abstract

“스테레오리소그래픽”은 예를들면 자외선 경화성물질과 같이 경화성물질의 얇은 층을 연속적으로, 겹겹이 쌓아가며 “인쇄”함에 의해서 고체물질을 제작하는 방법과 장치이다.
자외선 경화성 액체의 표면 또는 층에 조사되는 프로그램된 가동(可動)자외선 스포트(spot)빔이 액체의 표면에 물체의 고체성 단면을 형성하기 위해 사용되고 있다.
그리고 나서는 물체를 프로그램된 방법에 따라 액체 표면으로부터 한층의 두께만큼 이동시키고, 그후에 다음 단면이 형성되어 물체를 정의하는 바로 전의 층에 부착된다.
이 프로세스는 완전한 물체가 형성될 때까지 계속된다.
복잡한 형상은, 컴퓨터의 기능을 사용하여 프로그램된 명령을 발생시키고 다시 프로그램 신호는 스테레오리소그래픽 물체 형성 서브시스템(subsystem)으로 보내주는 방법에 의하여 보다 쉽게 제작할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]
데이타 처리를 포함하는 스테레오리소그래피를 이용한 3차원 물체 형성 방법 및 장치
1. 관련 출원에 대한 교차 참조
본 발명은 본 명세서에서 완전히 개시된 것과 마찬가지로 본 명세서의 일부로 참조되는 1988년 4월 18일에 출원된 미국 특허 일련 번호 182,823; 182,830, 183,015; 182,801; 183,016; 183,014 및 183,012와 관련된 것이다. 미국 특허 출원 일련 번호 182,830, 183,016; 183,014 및 183,012의 일부 계속 출원은 1988년 11월 8일에 출원되고 본 명세서에서 완전히 개시된 것과 마찬가지로 본 명세서의 일부로 참조된다. 상기 일부 계속 출원의 일련 ㅷ는 각각 269,801; 268,816; 268,337; 268,907(모두 일련 번호 182,830에 대한 것); 268,429(일련 번호 183,016에 대한 것); 268,408(일련 번호 183,014에 대한 것); 268,428(일련 번호 183,012에 대한 것). 일련 번호 269,801에 대한 계속 출원이 1989년 3월 31일에 출원되었고 본 명세서에서 완전히 개시된 것과 마찬가지로 본 명세서의 일부로 참조된다. 상기 계속 출원에 대한 Lyon＆Lyon의 도켓 번호는 186/195이다.
2. 첨부된 부록에 대한 교차 참조
이하의 부록이 첨부되었다.
부록 D:3D 시스템스, 인크., SLA-1, 훈련 매뉴얼, 재판 3.0, 1988년 4월
3. 발명이 속한 기술분야
본 발명은 일반적으로는 유체 매질로부터 3차원 물체를 형성하기 위한 방법 및 장치의 개선에 관련된 것이고, 좀더 구체적으로는 진보된 데이타 조작 및 리소그래픽 기법을 삼차원 물체의 생산에 응용하여 이에 의해 물체를 보다 빠르고, 신뢰성 있고, 정확하고, 경제적으로 형성하는 새롭고 개선된 스테레오리소그래피(sterolithography) 시스템에 관한 것이다. 특히 본 발명은 CAD/CAM 데이타를 스테레오리소그래피 데이타로 변환하는 것에 관한 것이다.
4. 발명의 배경
플라스틱 부품 등의 생산에 있어서는 먼저 부품을 설계하고 힘들게 부품의 원형(prototype)을 만드는 것이 통상의 관행이며, 이 모든 과정은 상당한 시간, 노력 및 비용을 요한다. 그후 설계가 검토되고 때로는 상기와 같은 복잡한 과정이 여러번 반복된 후 최종적으로 설계가 최적화된다. 설계 최적화 후 다음 단계는 생산이다. 대부분의 플라스틱 부품은 사출 성형에 의해 만들어진다(injection molded). 설계 시간과 금형 제작 비용(tooling costs)이 매우 크므로, 플래스틱 부품은 흔히 대규모 생산의 경우에만 실용성이 있다. 플라스틱 부품을 생산하는데 직접적인 기계 가공(direct machine work)이나 진공 성형(vacuum-forming), 직접성형(direct forming) 등의 다른 공정들도 사용가능하지만 이와 같은 방법들은 전형적으로 단기 생산에 대해서만 비용면에서 효율적일 뿐 아니라 대개 생산된 부품의 질이 사출 성형된(molded) 부품에 비해 낮다.
유체 매질내에서 3차원 물체를 생성하기 위한 정교한 기법들이 개발되어 오고 있는데, 이 기법에서는 유체 매질의 3차원 부피내의 소정의 교차점에 선별적으로 초점을 맞추어 조사되는 빔에 의해 유체 매질을 선별적으로 경화시킨다. 이러한 삼차원 시스템의 전형적인 예는 미합중국 특허번호 제4,041,476호, 제4,078,229호, 제4,238,840호 및 제4,228,861호에 기재되어 있다. 이와 같은 모든 시스템은 유체 부피내에서 다른 점을 제외하고 유체 부피내의 깊은 곳의 선별된 점에서만 상승작용적 에너지 부여 효과를 구축(buildup of synergistic energization)하는 방식에 의존한다. 그러나 불행하게도 이와 같은 3차원 성형 시스템은 해상도(resolution)와 노출 제어(exposure control)에 관한 다수의 문제에 직면하게 된다. 교차부가 유체 매질의 내부 깊은 곳으로 이동해 갈수록 초점의 이미지 형성 해상도 및 조사 강도(radiation intensity)가 줄어들게 되므로 제어하기 복잡한 상황이 되는 것은 자명하다. 흡수(absorption), 산란(diffusion), 분산(dispersion) 및 회절(diffraction)은 유체 매질내의 깊은 곳에서 경제적이고 신뢰성 있게 작업하는데 있어서의 장애 요소들이다.
최근에는 명칭이 “스테레오리소그래피에 의한 3차원 물체의 생산 장치”인 미합중국 특허 번호 제4,575,330호(이 특허는 본 출원내에 완전히 기재된 것과 다름없이 본 명세서의 일부로서 참조된다)에 기재된 것과 같은 “스테레오리소그래피” 시스템이 사용되게 되었다. 기본적으로 스테레오리소그래피란 광중합체 등(예를 들어 액체 플라스틱)의 단면을 연속적으로 프린트하여(printing) 최종적으로 이러한 얇은 층들이 모여서 완전한 부품을 형성함에 따라 복잡한 플라스틱 부품을 자동으로 형성하기 위한 방법이다. 이 기법에서는 액체 플라스틱이 담긴 수조(vat)내에서 부품이 문자 그대로 성장한다. 이와 같은 제조 방법은 설계 아이디어를 신속하게 물리적으로 형태화하고 원형을 만드는 데에 있어서 매우 강력한 방법이다.
광경화성 중합체는 빛이 있으면 액체로부터 고체로 변화하며, 자외선(UV)에 대한 감광 속도가 매우 빨라서 실용적인 모형 제작 재료로서 충분히 적합하다. 부품이 제작될 때 중합화되지 않은 재료는 다시 사용 가능하고 다음의 부품이 제작되는 동안 수조내에 남아 있다. 자외선 레이저는 작고 강도가 강한 자외선 스포트(spot)를 발생시킨다. 이 스포트는 전압계 미러 X-Y 스캐너(galvanometer mirror X-Y scanner)에 의해 액체 표면을 가로질러 이동한다. 이 스캐너는 컴퓨터 생성 벡터(computer generated vectors) 등에 의해 구동된다. 이와 같은 기법을 이용하여 정밀하고 복잡한 패턴을 신속하게 생산할 수 있다.
레이저 스캐너, 광중합체 수조 및 엘리베이터는 제어용 컴퓨터와 함께 결합하여 스테레오리소그래피 장치를 구성하며 “SLA”라고 불리운다. SLA는 한 번에 한 단면씩을 그려 이것을 층별로 쌓음으로써 플래스틱 부품을 자동적으로 제작하도록 프로그램된다.
스테레오리소그래피는 금형 제작을 하지 않고 복잡하고 간단한 부품을 신속히 제조하는 방법으로서는 최초의 방법이다. 이 기술에서는 그 단면 패턴을 발생시키는데 컴퓨터를 사용하고 있기 때문에 당연히 CAD/CAM에 데이타를 링크시킨다. 그러나, 이러한 시스템은 구조적 응력(structural stress), 수축(shrinkage), 휘말림(curl) 및 기타의 왜곡(distortion)과 해상도, 속도, 정밀도 등에서 난점에 직면하고 있을 뿐 아니라 또한 어떤 물체 형상은 제조하기 어려운 난점 또한 가지고 있다.
이하에서는 본기술의 배경에 관해 설명하면서, 본 발명의 특징을 구현한 개선된 SLA를 제공하기 위한 과정에서 부딪친 문제점들과 그에 대응해서 개발된 해결책을 포함하여, 본 발명의 시스템 개발의 경과과정 중 일부를 기술하고자 한다.
부품 구축(building parts)을 위한 원래의 스테레오리소그래피 공정의 접근 방식은 자외선의 빔을 한 번 통과(pass)시키고 나면 형성되는 플라스틱의 두께를 1라인 폭이라고 할 때, 1라인의 폭을 두께를 갖는 벽(wall)들을 구축하는 방식에 근거를 둔 것이었다. 여기에서는 두가지 중요한 문제가 발견되었는데 이는 1) 비교적 구조 강도가 약하다는 것과 2) 수직에서 수평의 형상(features)으로 천이(transition)할 때 층간의 접착력(adhesion)의 문제였다. 이 기법은 자외선 레이저광 빔의 운동을 베이직 프로그래밍 언어를 사용하여 제어함으로써 부품을 구축하는 방식에 근거한 것이었다.
천이의 문제 해결을 위한 다른 접근 방식은 두 표면 경계 사이의 물질을 완전히 고체화하는 것에 기초하여 중실(中實:내부가 꽉찬)의 벽 두께(solid wall thickness)를 갖는 부품을 제조하는 것이었다. 이 방식은 부품이 뒤틀리고(distort) 비교적 긴 노출시간이 필요하다는 문제점이 있었다. 이 방식에서는 양호한 구조 강도를 얻을 수 있었고 수직에서 수평 형상(features)으로의 천이와 관련하여 보다 나은 결과를 얻을 수 있었다.
또다른 접근 방식은 실제의 물체와 같이 내벽과 외벽을 물체의 한 섹션(section)의 경계로 이용하지만, 이 경계 사이의 영역은 완전히 고체화하지 않고, 크로스 해칭(cross-hatching)이라고 알려진 격자 구조로 얽는(cirss-cross) 방법에 근거한 것이다. 이 기법은 구조 강도가 우수하고, 천이 문제의 상당 부분을 해결하고 있다. 또한 노출 시간 및 왜곡 문제도 감소시킨다. 그러나 원래는 중실의 물체였던 것이 벽은 있지만 천정(top surface)과 바닥(bottom surface)이 없는 물체가 되버린다는 새로운 잠재적인 문제를 야기시킨다.
이 “중공(hollowness”문제는 밀집한 간격의 벡터에 의해 모든 수평 섹션을 채워서 천정 및 바닥 스킨(skin)을 형성함으로써 해결되었다. 이와 같은 접근 방식은 앞선 방식이 갖고 있는 모든 장점을 가지고 있으나 고유의 문제점도 가지고 있다. 수평에서 수직 형상으로 천이할 때 연속적인 층의 경계가 층 사이에서 1라인 폭보다 큰 간격으로 오프셋(offset)되는 구멍이 부품에서 발견되었다. 이 방식에서도 원래는 스킨이 원하는 대로 잘 맞지 않았으나 후에 이 문제는 삼각형 경계를 슬라이싱(slicing)층으로 라운딩(rounding)함으로써 해결되었다. 이 라운딩 기법은 잘못된 방향으로 크로스 해칭되도록 할 수 있는 다른 문제점도 해결하였다.
이 구멍 문제에 대해서는, 층의 해당 부분을 형성하는 삼각형이 수평면에 대해 소정값 미만의 경사를 이루고 있을 때 층간의 오프셋 영역에 스킨 필(skin fill)을 생성하기로 결정하는 접근방식을 사용하였다. 이 스킨 필은 근사-수평(near-horizontal) 또는 근사-편평(near-flat) 스킨으로 알려져 있다. 이 기법은 고체 부품 생성의 완료에 효과적이었다. 이 기법의 한 버젼은 천이 문제를 완전히 해결하기도 하였고 또한 물체의 수직 형상 해상도를 가장 좋게 만들었다.
설계 및 생산 기술에 있어서, 설계 단계로부터 원형제작 단계 또한 생산단계로 신속하고 신뢰성 있게 진행되어 갈 수 있는 능력, 특히 플라스틱 부품의 컴퓨터 설계로부터 직접, 거의 곧바로 원형 제작으로 또한 대규모 생산 장비로 경제적으로 자동적인 방식으로 진행할 수 있는 능력은 오래전부터 지속적으로 요구되 온 것이다.
따라서, 3차원 플라스틱 물체 등의 생산 및 개발에 종사하는 사람들은 설계 단계로부터 원형 제작 단계로 또한 생산 단계로 신속하게 진행하는 것을 용이하게 할 신속하고, 신뢰성 있고 정확하고, 경제적인 자동적인 수단의 개선이 요구된다는 것을 오랜동안 인식해 왔다. 본 발명은 이와 같은 요구를 충족시키는 것이다.
[발명의 개요]
본원 발명의 방법에 따르면, 데이터 처리 단계는 소정의 물체 형상의 중실의 볼륨(solid volume)을 정의하는 저장된 데이터의 일부를 변형하여, 상기 중실의 볼륨을 내부 지지 구조-상기 내부 지지 구조는 사이에 고화되지 않은 매질을 남기기 위해 상기 구조의 이격된 요소(spaced elements)를 포함함-를 갖는 볼륨으로 변환시키는 변형된 데이터를 제공하며, 각 층에 대한 선정된 패턴은 상기 변형된 데이터로부터 노출i되는 데이터를 포함한다.
본원 발명의 장치에 따르면, 데이터 처리 수단은 저장된 데이터에 응답하여 소정의 물체 형상의 중실의 볼륨을 내부 지지 구조-상기 내부 지지 구조는 사이에 고화되지 않은 매질을 남기기 위해 상기 구조의 이격된 요소를 포함함-를 포함하는 볼륨으로 변환시키는 변형된 데이X를 생성하는 데이터 변형 수단을 포함하고, 상기 데이터 처리 수단은, 상기 변형된 데이터를 포함하는 데이터 상에서 작동되어 각 유체층에 인가되는 자극의 패턴을 생성한다.
본원 발명의 방법 및 장치는 제118(a) 내지 118(g)도 및 제119도에 설명되어 있다. 제118(a) 내지 (g)도는 본원 발명에 따른 방법의 한 실시예를 이용한 물체 형성 방법 및 종래 기술의 형성 기법(미국 특허 제4,575,330)호의 한 실시예를 이용한 물체 형성 방법을 대비한 것이다.
재118(a)도는 스테레오리소그래피를 이용하여 형성될 3차원 물체(1000)을 형성한 측면도이다. 이 물체는 중실부(속이 꽉찬 부분, 1040)의 물체 영역과 중실부(1040)의 중앙에 있는 비-물체 구멍(1080)을 포함한다. 이 도면에 의하면, 물체는 Y축에 평행한 선(즉, 종이쪽 방향)을 따라 보여지는 상태이다. 다시 말하면, 물체는 X-Z 평면에 도시되어 있다. 물론, 물체는 3차원이므로, 도면에 도시되지 않은 Y 차원 쪽으로도 얼마간의 두께를 가지고 있다.
제118(b)도는 일련의 단면 래미나(1001-1006)에 기초하여 형성되어질 물체(1000)의 측면도를 도시한 것이다. 단면 래미나의 형성 중에, 래미나(1001)이 제일 먼저 형성되고 그 다음에 단면 래미나(1002)가 형성되는 등, 계속적으로 단면 래미나의 형성이 이루어져 최종적으로 단면 래미나(1006)이 형성된다. 이와 유사하게, 제118(e)도 일련의 단면 래미나(1001-1006)에 근거하여 형성되어질 물체(1000)의 측면도를 도시한 것이다. 제118(b)도는 전체 폭에 걸쳐 동일한 대각선 패턴을 갖는 각 층을 도시한 것이다. 이러한 패턴은 종래 기술의 특징을 예시하기 위한 것이다. 종래 기술에 따르면, 모든 단면은(그들의 변화하는 단면 형상을 제외하고는) 동일하게 처리되었다. 즉, 종래 기술의 기법은 물체의 외부 영역에 형성되는 단면 영역과 물체의 내부 영역에 형성되는 단면 영역을 구분하지 않았다. 모든 단면의 모든 부분은 동일한 형태의 노출을 이용하여 형성되었다. 제118(c)도는 종래 기술의 실행에 따른 각 래미나의 형성을 제어하는데 사용되는 노출 데이터의 상면도, 즉 X-Y 관찰도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 각 래미나에 대한 노출 데이터는 가까운 간격을 유지하는 노출선들의 형태로 되어 있다. 이들 선은 매우 가까운 간격으로 위치하여 이들중 한 개가 각각 노출될 때 이들 선간 간격보다 고화폭이 더 크다. 이러한 간격과 노출로 인하여 각 래미나의 모든 부분의 완전한 고화가 이루어진다. 제118(d)도에는, 최종적으로 완전히 고화된 래미나(1001′-1006′)이 도시되어 있다. 단면(1001)과 연관된 데이터를 이용한 결과에 따른 노출은 완전히 고화된 래미나(1001′)를 만들어낸다. 유사하게, 단면(1002-1006)에 대한 데이터를 이용한 결과에 따른 노출은 완전히 고화된 래미나(1002′-1006′)를 만들어낸다.
반면데, 제119(e),(f) 및 (g)도에 도시된 바와 같이, 본원 발명의 방법 및 장치는 물체의 중실의 볼륨을, 사이에 고화되지 않은 매질이 남겨지는 이격된 지지 요소를 포함하는 볼륨으로 변환시킨다.
제118(e)도는, 전술한 바와 같이, 형성될 물체의 측면도를 도시한 것이다. 이러한 도면은 단면(1011-1016) 각각의 모든 부분이 동일한 패턴으로 도시되어 있지 않다는 점에서 제118(b)도와 다르다. 이러한 차이는 각 단면의 모든 부분이 완전히 고화되지 않는다는 본원 발명의 특징을 설명해주는 것이다. 일정 단면의 일정 부분만이 사이에 고화되지 않은 매질을 남기는 이격된 요소를 만들어내는 패턴에 따라 고화될 것이다.
설명되는 예에 따르면, 상향 영역(upward facing regions, 1017) 또는 하향 영역(down-facing regions, 1018)에 해당하는 외향 영역들은 완전히 고화될 것이다. 단면중 외부로 향하지 않는 영역(1019)는 전술한 지지 구조에 따라 형성될 것이다. 이러한 지지 구조는 이하에서 설명될 “해칭(hatching) 또는 ”크로스-해칭(cross-hatching)“에 의해 예시된다. 또한, 구체적인 예에 따르면, 물체를 고화된 외향 영역으로 형성하기 위하여 각 래미나에 대한 수평 방향의 (즉, X-Y 평면에 근거한 선 방향으로 향하는) 경계 영역은 고화되지만, 내부 영역은 오직 일부만이 고화될 것이다. 본원 발명의 부분 고화 특징은 각 래미나의 형성에 관련된 노출 시간을 대체로 감소시키며 따라서 전체적인 물체 형성 시간을 감소시킨다. 이러한 기법은 또한 스테레오리소그래픽 물체 형성과 관련된 일정한 형태의 왜곡(예를 들면, 휨)을 대체로 감소시킨다.
제118(f) 내지 (g)도를 참조하여 전술한 개요를 좀더 설명하겠다. 제118(f)도는 단면 래미나(1011 내지 1016) 각각의 형성과 연관된 데이터의 상면도를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 몇몇 래미나는 연속된 요소간에 넓은 간격(1021)을 갖는 데이터에 따라 형성되는 반면에 일정 단면의 일정 부분은 매우 가까운 간격을 갖는 요소(1022)를 갖는 데이터로 형성된다. 제118(g)도는 각 래미나를 형성하기 위해 제118(f)도의 데이터를 이용한 결과로서 이루어진 래미나를 도시하고 있다. 래미나의 일정 부분은 완전히 고화된 반면에(원래의 변형되지 않은 데이터에 따르면) 완전히 고화되어야 할 다른 부분이 단지 부분적으로 고화되어 있다(즉, 사이에 고화되지 않은 매질이 남아 있는 이격된 요소를 갖는 내부지지 구조로 고화된다).
제119도는 본원 방법 및 장치에 따른 물체 형성 과정의 대표적인 단계를 도시한 흐름도이다. 블럭(1100)은 형성될 3차원 물체를 기술하는 데이터를 수신함으로써 물체 형성이 개시됨을 나타낸다. 또한, 이 블럭은 데이터가 중실 영역과 빈 영역을 정의하는 것임을 나타낸다.
블럭(1110)은 물체의 중실의 볼륨을, 초기에 정의된 중실의 볼륨내에 고화되지 않는 매체를 남기기 위해 이격된 요소를 갖는 내부 지지 구조를 포함하는 볼륨으로 변환시키는 데이터를 얻기 위해 초기 데이터가 변형됨을 나타낸다.
블럭(1120)은 변수 N을 초기값 0으로 설정하는 것을 나타낸다. 변수 N은 물체의 단면의 수 또는 Z 레벨로 고려될 수 있다.
블럭(1130)은 유체 매질의 층이 형성됨을 나타낸다. 또한, 이는 매체층이 기형성된 임의의 래미나에 인접해 있음을 나타낸다. 층이 노출될 때 다음 래미나가 기형성된 래미나에 부착되도록 다음 래미나를 형성할 수 있도록 하기 위해서는 매체층과 기형성된 층이 근접하는 것이 바람직하다.
블럭(1140)은 레벨 N에 대하여 블럭(1110)에서 얻어진 단면 데이터에 따라 층이 노출되는 것을 나타낸다. 이 블럭은 또한 레벨 N에서의 래미나와 레벨 N-△Z(여기에서 △Z는 연속적인 단면 레벨간의 수직 간격을 나타냄)에서 기형성된 래미나간에 부착이 발생함을 나타낸다.
블럭(1150)에서, 레벨 N 위에 더 이상의 데이터가 존재하는지를 판단한다. 더 이상의 데이터가 존재하지 않는다면, 처리는 물체 형성이 완료됨을 나타내는 블럭(1170)으로 진행한다. 반면에, 데이터 더 남아 있다면, 처리는 △Z만큼 N값을 증가시키는 블럭(1160)으로 진행한다. 일단 N이 증가되면, 처리는 다시 다음 래미나를 형성하기 위해 다음 층의 물리적인 형성 및 노출 처리가 일어나는 블럭(1130)으로 진행한다.
간단히 그리고 일반적으로 기술하면 본 발명은 적절한 상승작용적 자극에 반응하여 그 물리적 상태가 변화할 수 있는 유체 매질의 표면에서 연속적이고, 인접한 물체의 단면 래미나(cross-section lamina)을 형성함으로써 3차원 물체를 생성하기 위한 새롭고 개선된 스테레오리소그래피 시스템을 제공하고, 여기에서 물체를 정의하기 위해 사용되는 정보는 다루기 어려운 물체 형상에 대해서도 응력 휘말림과 왜곡을 감소시키고 해상도와 강도와 정확도와 속도 및 재생시의 경제성을 증가시키도록 특별히 처리되고, 또한 연속적인 래미나는 형성됨에 따라 자동적으로 결합되어(integrated) 소기의 3차원 물체를 정의하게 된다.
반드시 제한의 목적인 것은 아니며 예시의 목적인 바람직한 실시예에서, 본 발명은 컴퓨터 그래픽의 원리를 스테레오리소그래피, 즉 리소그래픽 기법의 3차원 물체 생산에의 응용과 결합함으로써, 컴퓨터의 명령으로부터 직접 3차원 물체를 생산하는데 있어 캐드(CAD:Computer Aided Design)와 캠(CAM:Computer Aided Manufacturing)을 동시에 실현하고 있다. 본 발명은 모형과 원형을 제품 개발의 설계 단계에서 또는 제조 시스템으로써 또는 심지어 순수 예술의 형태로서 조형(sculpturing)하기 위한 목적으로 응용될 수 있다.
“스테레오리소그래피”는 예를 들어 자외선 경화 물질(UV curable material)과 같은 경화성 물질의 얇은 층을 연속적으로 겹겹이 쌓아가며 “프린트”하는 것에 의해 고체 물체(solid object)를 제작하는 방법 및 장치이다. 자외선 경화성 액체의 표면 또는 층에 조사되는 프로그램된 가동(可動) 자외선 스포트 빔이 액체의 표면에 물체의 고체 단면을 형성하는데 사용된다. 그후 프로그램된 방법에 따라 물체를 액체 표면으로부터 한층의 두께만큼 이동시키고 그다음 단면이 형성되어 물체를 이루는 바로 이전층에 부착된다. 이 과정은 완전한 물체가 형성될 때까지 계속된다.
기본적으로 모든 종류의 물체 형상을 본 발명의 기법으로 제작하는 것이 가능하다. 복잡한 형상은 컴퓨터의 기능을 사용하여 프로그램된 명령을 생성하고 다시 프로그램 신호를 스테레오리소그래픽 물체 형성 부시스템으로 보내주도록 함으로써 보다 용이하게 제작할 수 있다.
물론 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 본 발명을 실시하는데 있어서 경화성 액체 매질에 대해 다른 형태의 상승작용적 자극도 사용될 수 있다는 것을 알 수 있는데, 이와 같은 자극으로는 입자충격(bombardment)(전자 빔 등), 마스크를 통해 또는 잉크 제트(ink jets)에 의해 물질을 분사하는(spraying) 것에 의한 화학 반응, 또는 자외선 이외의 복사광을 조사하는 것 등이 있다.
예시적으로, 본 발명의 실시에 있어서, 소정의 자극에 반응하여 고화될 수 있는 유체 매질을 우선 임의의 적당한 용기에 담아, 연속적인 단면 래미나를 발생시킬 유체 매질의 지정된 작업 표면을 정의한다. 그후에 자외선 스폿 등의 적절한 형태의 상승작용적 자극을 유체 매질의 지정된 작업 표면상에 그래픽 패턴으로 인가하여, 표면에 얇은 고체의(solid) 개별층을 형성하는데, 각층은 생산될 3차원 물체의 인접하는 단면을 나타낸다. 본 발명에 따르면, 물체를 정의하기 위해 사용되는 정보는 휘말림과 왜곡을 감소시키고 해상도와 강도와 정확도와 속도 및 재생시의 경제성을 증가시키도록 특별히 처리된다.
각층이 형성됨에 따라 연속적인 인접하는 층 서로간에 자동적으로 중첩(superposition)되어, 층끼리 결합하여 소기의 3차원 물체를 정의하게 된다. 따라서 작업 표면에서 유체 매질이 경화하고 고체 물질이 얇은 래미나의 형태로 형성되감에 따라, 최초의 래미나가 고정되어 있는 적절한 플랫폼은 적절한 액츄에이터(actuator)에 의해 미리 프로그램된 방식으로 작업표면으로부터 멀어지도록 이동하고, 전형적으로는 모든 일이 마이크로 컴퓨터 등의 제어에 의해 이루어진다. 이런 방식으로, 초기에 작업 표면에 형성된 고체 물질은 그 표면으로부터 멀어지도록 이동하고 새로운 액체가 작업 표면 위치로 흘러들어온다. 이번에는 이 새로운 액체의 일부가 프로그램된 자외선 스포트에 의해 고체 물질로 변환되어 새로운 래미나를 형성하게 되고 이 새로운 래미나는 자신과 인접한 물질, 즉 바로 이전의 래미나에 접착 결합된다. 이 과정은 완전한 3차원 물체가 형성될 때까지 계속된다. 그후 형성된 물체를 용기로부터 꺼내고 나면 장치는 최초 물체와 동일한 물체 또는 컴퓨터 등에 의해 생성된 완전히 새로운 물체를 생성할 수 있는 상태가 된다.
CAD 시스템의 데이타 베이스는 여러 가지 형태를 취할 수 있다. 그 중 한 형태에서는 물체의 표면을 다각형, 전형적으로는 삼각형으로 구성된 그물망(mesh)으로 표현한다. 이 삼각형들은 모여서 물체의 내표면 및 외표면 전체를 구성한다. 이러한 방식으로 CAD 표현은 또한 각 삼각형에 대한 단이 길이 법선 벡터(unit length normal vector)를 포함한다. 이러한 법선은 삼각형이 둘러싸는(triangle is bounding) 물체의 외부를 향하며 기울기(slope)를 나타낸다. 본 발명은 “PHIGS” 등의 형태로 제공되는 CAD 데이타를 처리하여 스테레오리소그래피를 통해 모형을 형성하는데 사용될 수 있는 층별(layer-by-layer) 벡터 데이타를 만드는 수단을 제공한다. 이러한 정보는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 래스터 스캔(raster scan) 출력 데이타 등으로 변환될 수 있다.
스테레오리소그래피가 성공적으로 수행되기 위해서는 단면층들 사이의 접착이 양호하지 않으면 안된다. 그러므로, 임의의 층의 플라스틱은 직전의 층을 만들 때 형성된 플라스틱에 중첩(overlay)되어야 한다. 수직 세그먼트들로 구성된 모형을 제작할 때는, 어떤 층 위에 형성된 플라스틱은 직전 층의 기형성된 플라스틱 위에 정확히 놓이게 되므로 접착상태가 양호하다. 그러나 수직 형상으로부터 수평 형상으로 층 두께를 유한하게 건너뛰면서(jump) 천이하기 시작하면, 결국 한 층에 형성된 플라스틱이 직전 층에 형성된 플라스틱과 전혀 닿지 않는 점에 도달하게 되고 이것은 심각한 접촉 불량 문제를 초래할 수 있다. 수평 표면 자체는 수평하기 때문에 한 층 위에 전체의 단면이 만들어져 측면(side-to-side) 접착으로 인해 구조적 결합성이 유지되므로 저접착력 문제가 발생하지 않는다. 본 발명은 어떤 표면을 완전히 둘러싸며, 형성된 물체에서 응력(stress and strain)을 감소시키는 수단을 제공함과 동시에 수직에서 수평으로 또는 수평에서 수직 섹션으로 천이할 때 층간에 적당한 접착력을 확보하는 수단 또한 제공한다.
앞서 설명한 대로 스테레오리소그래피는 가동 레이저 빔을 이용하여 액체 플라스틱의 연속적인 층을 고화함으로써 부품을 제작하는 3차원 프린팅 공정이다. 이 방법에 의하면 설계자는 CAD 시스템에 설계를 하고 몇시간내에 정확한 플라스틱 모형을 제작할 수 있다. 본 발명에 의한 스테레오리소그래픽 공정은 반드시 제한의 목적인 것이 아니라 예시의 목적을 위한 다음의 단계들을 포함할 수 있다.
먼저, 스테레오리소그래픽 공정과는 구체적인 관련이 없이 CAD 시스템 상에 고체 모형을 보통의 방법으로 설계한다.
스테레오리소그래피를 위하 모형 준비에 있어서는 최적의 방향의 선택, 서포트(supports)의 추가, 및 스테레오리소그래픽 시스템의 작동 파라미터 선택 등이 필요하다. 최적의 방향은 (1) 물체에서 배수(drain)가 가능하고 (2) 지지되지 않는(unsupported) 표면의 수를 최소화하며 (3) 중요 표면들을 최적화하고 (4) 물체가 수지 수조내에 수용될 수 있게 하는 방향이다. 부착되지 않은(unattached) 섹션을 고정하기 위하여 또는 다른 목적으로 서포트를 추가하여야 하고, 이런 목적으로 서포트의 CAD 라이브러리(Library)가 준비될 수 있다. 스테레오리소그래피 작동 파라미터에는 모형의 축척(scale)과 슬라이스(slice)의 두께의 선택이 포함된다.
고체 모형의 표면은 삼각형으로, 전형적으로는 “PHIGS”로 분할된다. 삼각형은 벡터 계산시 가장 덜 복잡한 다각형이다. 형성된 삼각형의 수가 많을수록 표면 해상도는 개선되며, 따라서 CAD 설계에 의해 형성된 물체도 더욱 정확해진다.
이제 삼각형의 좌표점 및 그 법선을 표시하는 데이타 점(point)은 이서넷(ETHERNET)과 같은 적절한 네트워크 통신을 통하여 전형적으로 PHIGS로서 리소그래픽 시스템에 송신된다. 그후 스테레오리소그래픽 시스템의 소프트웨어가 이 삼각형 섹션들을 소정의 충 두께로 수평으로(X-Y 평면에 평행하게) 슬라이스한다.
다음에 스테레오리소그래픽 장치(SLA)는 섹션 경계 벡터, 해치 벡터, 수평 표면(스킨) 벡터를 계산한다. 해칭 벡터는 경계 사이의 크로스-해칭으로 구성된다. 몇 가지의 “방식(style)” 즉 슬라이싱 포맷이 사용가능하다. 스킨 벡터는 고속으로 추적되고 넓게 중첩되어 물체의 외부 수평 표면을 형성한다. 천정 및 바닥 스킨내의 내부 수평 영역(interior horizontal area)은 크로스-해치 벡터에 의한 것을 제외하고는 채워지지 않는다.
SLA는 이제 헬륨-카드뮴 레이저 등의 자외선 등을 광경화성 수지의 표면을 가로질러 이동시켜 빔이 닿는 곳의 액체를 고화시킴으로써 한 번에 한 수평층씩 물체를 형성해간다. 레이저광이 수지에 흡수되기 때문에 깊게 투과하지는 못하므로 얇은 층이 형성될 수 있다. 각 층은 전형적으로 경계-해치-표면의 순서로 그려지는 벡터들로 구성되어 있다.
SLA에 의해 그려지는 제1층은 액체 표면의 바로 밑에 위치한 수평 플랫폼에 접착된다. 이 플랫폼은 컴퓨터에 제어에 의해 플랫폼을 하강시켜 주는 엘리베이터에 부착되어 있다. 한 층을 그린 후에 플랫폼은 수 밀리미터 정도의 짧은 거리만큼 하강하여 액체에 잠기어서 직전에 경화된 층이 새로운 액체로 덮히게 된 후 다시 이보다 작은 거리만큼 상승하여 제2층을 형성할 얇은 액체막을 남겨놓게 된다. 액체의 표면이 평평해질 때까지 잠시 휴지기(pause)를 가진 후에 다음 층이 그려진다. 수지는 접착성을 가지고 있으므로, 제2층은 제1층에 견고하게 부착된다. 이와 같은 과정은 모든 층이 그려지고 완전한 3차원 물체가 형성될 때까지 반복된다. 보통 물체의 밑바닥으로부터 0.25인치 정도는 그 위에 소기의 부품을 제작하기 위한 지지 구조가 된다. 광에 노출되지 않은 수지는 수조에 남아서 다음 부품에 사용된다. 따라서 재료의 낭비가 거의 없다.
후속 처리(post processing)는 전형적으로 여분의 수지를 제거하기 위해 형성된 물질을 배수(排水)시키는 것과, 중합화를 완성시키기 위한 자외선 또는 열경화 및 서포트의 제거 등을 포함한다. 연마(sanding) 및 작동가능한 모형으로의 조립을 포함하는 부수적인 처리가 수행될 수도 있다.
본 발명의 새롭고 개선된 스테레오리소그래픽 시스템은 현재 플라스틱 물체 생산에 사용되고 있는 장치들에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 본 발명의 장치와 방법을 사용하면 설계 레이아웃과 도면이 필요없으며 금형 제작 도면과 금형 제작 역시 필요없게 된다. 설계자는 컴퓨터와 스테레오리소그래픽 장치를 가지고 직접 작업할 수 있으며, 컴퓨터의 출력 화면에 표시된 설계 내용이 만족스럽다고 판단되면 부품을 제작하여 직접 검사할 수 있다. 설계를 변경해야 하는 경우 컴퓨터를 통해 쉽게 할 수 있으며, 이러한 변경이 타당한 것인지 검증하기 위해 다시 부품을 제작해 볼 수 있다. 상호영향있는 설계 파라미터(interacting design parameters)를 가진 부품이 설계상 필요한 경우 본 발명의 방법이 더욱 유용한데, 이는 부품 설계 전체를 신속히 변경하여 다시 만들 수 있으므로 필요한 경우에는 반복적으로 조립물 전체를 만들어서 검토하는 것이 가능하기 때문이다. 더욱이, 본 발명의 데이터 조작 기법에 따르면 다루기 어렵고 복잡한 물체 형상에 대해서도 물체를 생산하는데 있어서 응력과 휘말림과 왜곡을 감소시키고 해상도와 강도와 속도 및 생산의 경제성을 증가시킬 수 있다.
설계가 완성된 이후에는 부품 생산이 즉각적으로 시작될 수 있으므로 설계와 생산 사이에 몇주나 몇 달씩 시간이 경과하는 일은 없게 된다. 스테레오리소그래피는 금형 제작이 필요없고 생산 준비 시간이 최소화되므로 특히 단기 생산에 유용하다. 마찬가지로, 본 기법을 사용하면 설계 변경과 주문 제작 부품 제작도 용이하다. 스테레오리소그래피에서는 부품 제작이 용이하므로 현재 금속이나 기타 소재로 된 부품이 사용되고 있는 많은 곳에 플라스틱 부품을 사용하는 것이 가능해진다. 더욱이, 보다 값비싼 금속 또는 기타 소재로 된 부품의 제작 결정을 하기 전에 물체의 플라스틱 모형을 신속하고 경제적으로 제공하도록 한다.
따라서, 본 발명의 새롭고 개선된 스테레오리소그래픽 방법 및 장치는 3차원 부품을 신속하고, 신뢰성 있고 정확하고 경제적으로 설계하고 제조할 수 있는 개선된 CAD 및 CAM 시스템에 대한 오랜동안의 필요성을 만족시키는 것이다.
본 발명의 상기 목적과 장점 그리고 기타의 목적과 장점은 이하의 보다 상세한 설명을 예시적인 실시예의 관련 도면과 연관지어 이해하면 명백히 알 수 있을 것이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 실시를 위한 스테레오리소그래피 시스템의 전체 블록도.
제2도와 제3도는 본 발명의 스테레오리소그래피의 방법을 실시하는데 있어서 채택되는 기본 개념을 도시하는 흐름도.
제4도는 본 발명의 실시에 적합한 시스템의 결합된 블록도, 개략도 및 수직 단면도.
제5도는 본 발명의 실시를 위한 스테레오리소그래피 시스템의 제2실시예의 수직 단면도.
제6도, 제7(a)도 및 제7(b)도는 적합한 스테레오리소그래피 시스템의 주요 부품 군(群)의 전개도이자 조감도.
제8도는 적합한 스테레오리소그래피 시스템의 블럭도.
제9도는 본 발명을 활용할 수 있는 스테레오리소그래피 시스템에서의 레이저 및 광학 시스템의 조감도.
제10도는 적합한 스테레오리소그래피 시스템의 소프트웨어의 전체적 블록도.
제11도 및 제12도는 적합한 스테레오리소그래피 공정의, 심볼로 표시한 흐름도.
제13도 및 제14도는 CAD 설계된 물체의 견본의 도시한 것.
제15도는 CAD 물체의 전형적인 슬라이싱(slicing).
제16도 내지 제18도는 물체를 형성하는 슬라이스(층) 데이타를 도시한 것.
제19(a)도는 중실(solid) 입방체의 패싯분할된(faceted) 스케치.
제19(b)도는 중공(hollow) 입방체의 패싯분할된 스케치.
제19(c)도는 중실 8각주(octagonally shaped cylinder)의 패싯분할된 스케치.
제20(a)도는 CAD 설계된 물체의 패싯분할된 모양을 격자화 공간내에 도시한 것.
제20(b)도 내지 제20(d)도는 축척 2, 축척 4, 축척 10으로 삼각형을 라운딩한 후의 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시한 것.
제20(e)도 및 제20(f)도는 삼각형의 중첩이 생기는 삼각형의 라운딩 후에 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시한 것.
제21(a)도는 축척계수(scale factor)에 근거하여 삼각형을 라운딩시킨 후의 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시한 것.
제21(b)도는 층두께 2밀(mils)의 슬라이싱 층으로 삼각형을 수직 방향으로 라운딩한 후의 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시한 것.
제21(c)도는 층두께 5밀의 슬라이싱 층으로 삼각형을 수직 방향으로 라운딩한 후의 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시한 것.
제22(a)도는 슬라이스될 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시한 것.
제22(b)도는 20밀 층으로 슬라이스된 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시한 것.
제22(c)도는 5밀 내지 20밀까지의 가변 층두께로 슬라이스된 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시한 것.
제23(a)도는 삼각형과 층의 교차부와, 이 교차부에서 발생되는 벡터를 도시한 측면도.
제23(b)도는 물체의 패싯분할된 단면 및 슬라이싱 층과, 오프셋과, 점 벡터를 포함하는 발생된 벡터의 측면도.
제23(c)도는 내부 형상(창)이 있는 CAD 설계 물체에서 라운딩이 일어난 후의 측면도.
제23(d)도는 슬라이싱층에서 경계 벡터를 얻음으로써 구축된 후의 동일한 물체의 측면도.
제23(e)도는 슬라이싱층 위 1비트에서 경계 벡터를 얻음으로써 구축된 후의 동일한 물체의 측면도.
제24(a)도는 해치 경로를 결정하는 방법을 도시하는 물체 단면의 평면도.
제24(b)도는 X 해치에 의해 채워진 물체의 평면도.
제24(c)도는 Y 해치에 의해 채워진 물체의 평면도.
제24(d)도는 60/120 해치에 의해 채워진 물체의 평면도.
제24(e)도는 그 중실 영역이 완전히 채워진 물체의 층의 평면도.
제24(f)도는 크로스 해치(X와 Y)에 의해 적절히 채워진 층의 평면도.
제24(g)도는 제1알고리즘(X와 Y)에 의해 발생된 해치 벡터와 함께 층 경계 벡터를 보인 평면도.
제24(h)도는 제2알고리즘알고리즘(X와 Y)에 의해 발생된 해치 벡터와 함께 층 경계 벡터를 보인 평면도.
제24(i)도는 또다른 알고리즘(X와 Y)에 의해 발생된 해치 벡터와 함께 층 경계 벡터를 보인 평면도.
제24(j)도 및 제24(k)도는 다양한 MIA를 사용하여 해치된 물체의 단면의 평면도.
제24(l)도는 경계 개략도.
제25(a)도는 편평 삼각형의 꼭지점을 도시한 것.
제25(b)도는 편평 삼각형으로부터 도출된 편평 경계를 도시한 것.
제25(c)도는 중복 벡터의 쌍을 제거한 후의 편평 경계를 도시한 것.
제25(d)도는 2차원 법선과 경계 벡터를 가진 편평 삼각형을 도시한 것.
제25(e)도는 편평 삼각형과 벡터 리스트를 도시한 것.
제25(f)도는 표면을 구성하는 삼각형들과 편평 스킨 표면의 평면도.
제25(g)도는 플립오버(접혀짐. flip over)하는 하나의 모서리 삼각형을 가지고 있으며, 중복 벡터의 쌍을 제거한 편평 스킨 표면을 도시하고, 그 법선이 경계를 형성하는 다른 세그먼트의 법선과 어떻게 반대방향을 향하게 되는가 도시한 것.
제25(h)도는 플리핑 전, 플리핑 후, 선분에 법선을 붙인후, 2중 벡터쌍을 제거한 후, 벡터를 분할(splitting)한 후, 그리고 루프 결정(2개)이 이루어진 후의 단일 이중 표면을 형성하는 편평 삼각형의 평면도.
제26(a)도 및 제26(b)도는 두개의 연속층의 경계를 도시한 측면도와 MSA의 결정에 관련된 변수.
제26(c)도는 근사-편평 스킨을 필요로 하는 부품을 도시한 것.
제26(d)도는 두 층과 교차하는 근사-편평 삼각형과 형성되는 최초의 2개의 경계 벡터를 도시한 것(세가지 경우).
제26(e)도 및 제26(f)도는 사다리꼴과 삼각형에 대한 근사-편평 경계 벡터가 완성되는 모양을 도시한 것.
제26(g)도는 중복 벡터 쌍을 제거하기 전의 근사-편평 스킨 삼각형 경계의 평면도.
제26(h)도는 중복 벡터의 제거 후의 근사-편평 스킨 경계의 평면도.
제27(a)도는 정렬(order)되지 않았을 때의 경계 벡터를 그리는 순서를 보이는 평면도.
제27(b)도는 정렬된 후의 경계 벡터를 그리는 순서를 보이는 평면도.
제27(c)도는 한 벡터의 종점이 그 인접 벡터의 시점에 가장 가깝도록 하는 간격(spacing)을 보이는 해치와 경계의 평면도.
제27(d)도는 한 벡터의 종점이 자신과 인접한 벡터의 시점이 아닌 중공부 건너편의 벡터의 시점에 더 가까이 있도록 된 것을 보이는 해치 및 경계의 평면도.
제27(e)도는 해치를 그리는 순서를 보이는 해치 및 경계의 평면도.
제28(a)도는 CAD 설계 물체의 측면도.
제28(b)도는 동일한 CAD 설계 물체를 슬라이싱 제1방식이나 제2방식을 이용하여 제작하고, CAD 물체의 윤곽선(perimeter)을 그 주위에 그린 것을 도시한 것.
제28(c)도는 동일한 CAD 설계 물체를 슬라이싱 제3방식이나 제4방식을 이용해서 제공하고, CAD 물체의 윤곽선을 그 주위에 그린 것을 도시한 것.
제29(a)도는 경계 벡터가 얻어질 곳에서 층 1비트 위의 평면과 슬라이스층을 도시한 CAD 설계 물체의 측면도.
제29(b)도는 경계 벡터를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제29(c)도는 완전 경화된(full cure) 후의 경계 벡터를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제29(d)도는 근사-편평 스킨 프레임이 만들어진 위치에서 근사-편평 스킨 프레임을 도시하는 CAD 설계 물체의 측면도.
제29(e)도는 편평 스킨 경계가 구축되어야 할 층으로 편평 스킨 경계를 이동시킨 후의 편평 스킨 경계를 도시하는 CAD 설계 물체의 측면도.
제29(f)도는 완전 경화가 이루어진 후의 근사-편평 스킨 경계를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제29(g)도는 경화된 후의 근사-편평 경계와 층 경계의 중첩을 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제29(h)도 및 제29(i)도는 모든 벡터가 중첩된 CAD 설계 물체의 측면도.
제30(a)도는 슬라이스층 및 층 경계 벡터를 발생시키기 위해 1비트 아래의 평면의 위치를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제30(b)도는 층 경계 벡터가 발생된 위치에서 층 경계 벡터를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도.
제30(c)도는 완전 경화된 층 경계를 함께 도시한 CAD 설계 물체의 측면도.
제30(d)도는 근사-편평 스킨 경계를 함께 도시한 CAD 설계 물체의 측면도.
제30(e)도는 구축될 층으로 이동된 후의 근사 편평 스킨 경계를 함께 도시한 CAD 설계 물체의 측면도.
제30(f)도는 완전 경화된 후의 근사-편평 스킨 경계를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도로서 이 경계들이 이미 경화된 층 경계와 어디에서 중첩되는가를 표시한 것.
제30(g)도는 층 경계와 근사 편평 스킨 경계의 중첩을 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제30(h)도는 편평 스킨 경계를 함께 도시한 CAD 설계 물체의 측면도.
제30(i)도는 구축될 층으로 이동된 편평 스킨 경계를 함께 도시한 CAD 설계 물체의 측면도.
제30(j)도는 하향 스킨을 그들이 속한 층의 아래쪽에 그린, 모든 벡터의 중첩을 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(a)도는 슬라이스층의 위치와 층 경계의 위치를 보이는 CAD 물체의 측면도.
제31(b)도는 완전한 층 경화 깊이가 주어진 층 경계를 함께 도시한 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(c)도는 하향, 근사 편평 경계가 얻어진 위치를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(d)도는 구축될 층으로(한층 위) 이동된 후의 하향 근사 편평 경계를 도시하는 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(e)도는 상향 근사 편평 경계가 얻어지는 위치를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(f)도는 구축될 층으로(한층 아래) 이동된 후의 상향 근사 편평 경계를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(g)도는 상향 편평 스킨이 얻어지는 위치를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(h)도는 구축될 층으로(한층 아래) 이동된 후의 상향 편평 경계를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(i)도는 하향 편평 스킨 경계를 얻는 위치를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도(얻어진 층과 동일 층에 구축된다).
제31(j)도는 적절한 경화 깊이로 그려진 모든 벡터가 중첩된 CAD 설계 물체의 평면도.
제31(k)도는 슬라이스층의 위치와 층 경계의 위치를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(l)도는 충분한 층 경화가 이루어진 후의 층 경계를 함께 도시한 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(m)도는 하향 근사 편평 경계가 얻어지는 위치를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(n)도는 구축될 층으로(위로 두층) 이동된 후의 하향 근사 편평 경계 를 도시하는 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(o)도는 상향 근사 편평 경계가 얻어지는 위치를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(p)도는 상향 편평 스킨 경계가 얻어지는 위치를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도(얻어진 층과 동일한 층에 구축된다).
제31(q)도는 하향 편평 스킨 경계가 얻어지는 위치를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(r)도는 구축될 층으로(위로 1층) 이동된 후의 하향 편평 경계를 보이는 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(s)도는 모든 벡터가 중첩되고 적절한 경화 깊이로 그려진 것을 함께 도시한 CAD 설계 물체의 측면도.
제31(t)도는 물체 제작시 특정의 층 두께는 사용 가능하나 다른 두께는 사용할 수 없다는 것을 도시하는 곧고 기울어져 있는 기둥(straight but slanted beam)의 측면도.
제31(u)도 및 제31(v)도는 제3방식과 제4방식을 설명하는데 쓰인 물체와 비슷하나 창의 크기가 크고 층두께가 다른 물체의 측면도.
제32(a)도 및 제32(b)도는 소기의 경계와 경화된 후의 경계를 보인 CAD 설계 물체의 수평단면도.
제33도는 본 발명의 특징을 구현한 스테레오리소그래픽 시스템에서의 전반적인 데이타 흐름, 데이타 조작 및 데이타 관리를 보다 상세히 묘사한 소프트웨어 구조 흐름도.
제34(a)도 내지 제34(c)도는 적절히 다루지 않으면 크로스오버(cross-over)를 발생시킬 수 있는 벡터의 평면도.
제34(d)도 내지 제34(l)도는 벡터 정렬을 도시한 추가적인 개략도.
제35(a)도 내지 제35(c)도는 이러한 모형을 위한 APL 프로그램.
제36(a)도 내지 제36(l)도는 경화 보상과 관련되는 그래프.
제37(a)도 내지 제37(c)도는 경화 보상의 수학적 근거 및 유도식을 도시한 것.
제38도는 경계 벡터와 삼각형 법선간의 오른손 법칙관계를 보이는 다이아그램.
제39(a)도 및 제39(b)도는 object.STL 파일의 포맷.
제40도는 물체의 내부 단면과 천정 단면과의 차이를 도시한 것.
제41도는 물체의 내부 단면과 천정 단면의 경계, 스킨 및 해치 벡터를 도시한 것.
제42도는 상향 근사-편평 스킨 영역과 하향 편평 스킨 영역을 도시한 것.
제43(a)도는 편평 하향 스킨 영역에 대한 경계 및 스킨벡터를 도시한 것.
제43(b)도는 근사 편평 상향 스킨 영역에 대한 경계 및 스킨벡터를 도시한 것.
제44(a)도는 슬라이스(SLICE) 사용자 인터페이스로부터 키(key)입력할 수 있는 입력 파라미터를 도시한 것.
제44(b)도는 object.SLI 파일의 포맷을 도시한 것.
제45도는 object.V 파일의 포맷을 도시한 것.
제46도는 밴조탑(banjotop)을 도시한 것.
제47도는 작업 곡선을 도시한 것.
제48도는 편평 표면상의 방사상 미러 운동과 선형운동간의 관계를 도시한 것.
제49도는 불릿(bullets)의 중첩을 도시한 것.
제50(a)도는 프리페어(PREPARE) 프로그램을 위한 스크린 포맷을 도시한 것.
제50(b)도는 MATERIAL.MAT의 포맷을 도시한 것.
제50(c)도는 object.R 파일의 내용을 해석하는 프리페어(PREPARE)로부터의 리포트.
제50(d)도는 object.L 파일의 포맷을 도시한 것.
제51(a)도 및 제51(b)도는 BUILD.PRM 파일의 포맷을 도시한 것.
제52(a)도는 기하적 보정(geometrical correction)을 하지 않은 상태의 레이저 빔의 움직임을 나타내는 X-Y 격자를 도시한 것.
제52(b)도는 핀쿠션(pincushion) 효과를 도시한 것.
제53도는 교정(calibration) 플레이트를 도시한 것.
제54(a)도는 단지 벡터의 종점만을 보정하는 것으로써는 핀쿠션 효과를 해결하지 못한다는 사실을 도시한 것.
제54(b)도는 마이크로벡터의 종점을 해체시키고 보정한 것을 도시한 것.
제55도는 핀홀을 통해 레이저 빔을 스위핑시키는 것을 도시한 것.
제56도는 빔(BEAM) 프로그램으로부터의 빔 프로파일을 플롯한 것을 도시한 것.
제57도는 빔(BEAM) 프로그램으로부터의 X 방향 및 Y 방향으로의 빔폭을 플롯한 것을 도시한 것.
제58(a)도 내지 제58(f)도는 슬라이스(SLICE) 제1방식의 알고리즘의 흐름도.
제59(a)도는 급경사 삼각형, 근사편평 삼각형, 그리고 편평 삼각형간의 차이를 도시한 것.
제59(b)도는 급경사 삼각형의 삼각형 법선으로부터 층 경계 세그먼트 법선을 유도해 내는 것을 도시한 것.
제60(a)도는 서로 1밀 정도의 작은 간격이 떨어져 있는 두 물체를 도시한 것.
제60(b)도는 라운딩 오차에 기인하여 인접하도록 이동된 두 몰체를 도시한 것.
제60(c)도는 두 물체와 슬라이싱층(및 슬라이싱층보다 1비트 위의 X-Y 평면)이 교차하는 것을 도시한 것.
제60(d)도는 제60(c)도에 보인 교차부에서 생기는 층 경계 벡터를 도시한 것.
제60(e)도는 두 물체에 공통되는 중복 경계 벡터를 제거한 후의 층 경계 벡터를 도시한 것.
제61(a)도는 라운딩 오차에 기인하여 삼각형이 플리핑(flipping)되는 것을 도시한 것.
제61(b)도는 플리핑 후에 삼각형이 중첩된 모양을 도시한 것.
제61(c)도는 제61(b)도에 도시된 중첩 영역에서의 슬라이싱으로 인해 생기는 중첩하는 층 경계 벡터를 도시한 것.
제62(a)도는 왼손 법칙에 따른 경계 벡터와 그 세그먼트의 법선을 도시한 것.
제62(b)도는 삼각형이 플리핑됨으로 인해 결과적으로 세그먼트 법선이 플리핑된 모양을 도시한 것.
제63(a)도는 “순합(net summation)” 해치 벡터 발생 알고리즘을 도시한 것.
제63(b)도는 삼각형이 플리핑되는 경우의 “순합” 해치 벡터 발생 알고리즘의 성능(performance)를 보인 것.
제64(a)도는 편평 상향 삼각형을 도시한 것.
제64(b)도는 삼각형을 형성하는(spanning) 벡터에 대한 세그먼트 법선을 도시한 것.
제64(c)도는 인접 편평 상향 삼각형간의 공통 변을 형성하는 이중 벡터를 제거하는 것을 도시한 것.
제65(a)도는 삼각형의 플리핑을 도시한 것.
제65(b)도는 플리핑이 발생한 후의 세그먼트 법선을 도시한 것.
제66도는 세그먼트 법선의 플리핑 및 중복 경계 벡터를 제거한 모양을 도시한 것.
제67도는 세그먼트 법선의 역전을 도시한 것.
제68도는 제1방식에 의거하여 편평상향 스킨을 제n+1층으로부터 제n층으로 이동시키는 것을 도시한 것.
제69도는 근사 편평 하향 삼각형으로부터 사다리꼴이 발생되는 것을 도시한 것.
제70도는 사다리꼴과 관련된 세그먼트 법선을 도시한 것.
제71도는 근사 편평 상향 삼각형으로부터 사다리꼴이 발생되는 것을 도시한 것.
제72(a)도 내지 제72(f)도는 슬라이스(SLICE) 제2방식의 알고리즘의 흐름도.
제73도는 인접층에 접착하도록 6밀만큼 과경화시킴에 의해 생기는 경화 깊이의 차이를 도시한 것.
제74(a)도는 특히 FDB 벡터를 강조하여, 물체의 4개의 슬라이싱층을 도시한 것.
제74(b)도 및 제74(c)도는 어떤 영역에서 해칭을 중단하도록 LB 벡터에 대한 세그먼트 법선을 역전시키는 모양을 도시한 것.
제75(a)도는 슬라이싱층 1비트위에서 LB 벡터를 얻으면 FDB 벡터가 LB 벡터와 중복되지 않음을 의미한다는 사실을 도시한 것.
제75(b)도는 제3방식에 의해 요구되는 영역의 결정을 도시한 것.
제76(a)도는 빔폭 보상에 의해 초래된 날카로운 점(sharp point)에서의 왜곡을 도시한 것.
제76(b)도는 왜곡 문제를 해결하는 방법을 도시한 것.
제77(a)도는 빔폭 보상에 의해 초래된 제2유형의 왜곡을 도시한 것.
제77(b)도는 제77(a)도에 도시된 왜곡점에서의 세그먼트 법선의 명백한 플리핑을 도시한 것.
제77(c)도는 제77(a)도에 도시된 왜곡이 더 악화된 형태를 도시한 것.
제78(a)도는 꼭지점에서의 빔폭 보상을 도시한 것.
제78(b)도는 제78(a)도의 날카로운 꼭지점 주위의 레이저 빔의 통과(passage)를 도시한 것.
제78(c)도는 빔폭 보상으로 인해 생긴 오프셋 층 경계 벡터의 제1유형(Type 1) 크로스오버를 도시한 것.
제78(d)도는 제78(c)도의 크로스오버 층 경계 벡터를 따라 레이저 빔의 통과를 도시한 것.
제78(e)도는 제78(c)도의 크로스오버를 피하기 위해 일부 층 경계 벡터의 종점의 오프셋을 후진시킨(back off) 모양을 도시한 것.
제79도는 크로스오버를 잘못(false) 보정한 것을 도시한 것.
제80(a)도는 날카로운 꼭지점에서 빔폭 보상을 위해 제1종점을 오프셋시킨 모양을 도시한 것.
제80(b)도는 날카로운 꼭지점에서 빔폭 보상을 위해 제2종점을 오프셋한 모양을 도시한 것.
제80(c)도는 빔폭 보상을 위해 제3종점을 오프셋한 모양과, 크로스오버의 검출을 도시한 것.
제81(a)도는 빔폭 보상후 날카로운 꼭지점에서의 층경계 벡터의 크로스오버된 부분을 도시한 것.
제81(b)도는 크로스오버를 피하기 위한 한 방법으로 제81(a)도의 크로스오버 부분을 제거한 것.
제81(c)도는 제81(a)도의 크로스오버 부분을 단일 벡터로 대치함으로써 제거한 모양을 도시한 것.
제82(a)도는 제2유형(Type 2) 상황에서 빔폭 보상을 위해 제1종점을 오프셋시킨 모양을 도시한 것.
제82(b)도는 제82(a)도의 예에서 빔폭 보상을 위해 제2종점을 오프셋시킨 모양을 도시한 것.
제82(c)도는 제82(a)도의 예에서 빔폭 보상을 위해 제3종점을 오프셋시킨 모양을 도시한 것.
제82(d)도는 제82(a)도의 빔폭 보상을 위해 제4종점을 오프셋시킨 모양을 도시한 것.
제82(e)도는 제82(a)도의 예에서 빔폭 보상을 위해 제5종점을 오프셋한 모양 및 크로스오버의 제거를 도시한 것.
제83(a)도는 제82(a)도의 예에서 층 경계 벡터의 크로스오버 부분을 도시한 것.
제83(b)도는 제83(a)도의 층 경계 벡터의 부분을 제거함으로써 크로스오버를 다루는 것을 도시한 것.
제83(c)도는 제82(a)도의 것과 다른 종점으로부터 종점의 오프셋을 시작한 후의 크로스오버의 존재를 도시한 것.
제83(d)도는 제83(c)도에 검출된 크로스오버를 제거하기 위해 종점을 위로 후퇴시킨 모양을 도시한 것.
제84(a)도 내지 제84(f)도는 빔폭 보상을 추가한 SLICE 3.20 STYLE 1(제1방식)의 흐름도를 도시한 것.
제85도는 빔폭 보상의 부단계(substep)를 도시한 흐름도.
제86(a)도 및 제86(b)도는 SLA-1 및 후속 경화 장치(Post Curing Apparatus)를 도시한 것.
제87도는 SLA-1의 주요소를 도시한 것.
제88도는 후속 경화 장치를 도시한 것.
제89도는 레이저 경고 및 안전 정보 레이블의 위치를 도시한 것.
제90도는 샘플 부품을 도시한 것.
제91도는 크로스 해치 벡터가 그려질 때까지 층 경계를 지탱시키는(anchoring) 서포트를 도시한 것.
제92도는 서포트가 변형을 방지하는 것과 캔티레버(cantilever) 및 이와 유사한 구조의 경화를 도시한 것.
제93도는 부착되지 않은(unattached) 층 섹션을 지탱시키는 서포트를 도시한 것.
제94도는 층휨(layer skewing)을 방지하는 크로스 웹 서포트를 도시한 것.
제95도는 내부 코너로 연장되지 않는 대각 서포트(diagonal supports)를 도시한 것.
제96도는 곡면을 근사하기 위해서는 삼각형이 많이 필요하다는 것을 도시한 것.
제97도는 어느 CAD 물체라도 편평(flat), 근사-편평(near-flat) 및 급경사(steep) 삼각형에 의해 완전히 기술된다는 것을 도시한 것.
제98도는 슬라이스(SLICE)가 3차원 스테레오리소그래피(.STL) 파일을 절단하여 슬라이스(.SLI) 파일을 생성하는 방법을 도시한 것.
제99도는 슬라이스된 삼각형의 유형에 따라 층 경계간의 영역이 크로스 해치될 것인지 스킨 필될지 결정된다는 것을 도시한 것.
제100도는 삼각형 분류가 근사-편평에서 급경사로 바뀌는 각도는 슬라이스 파라미터 MSA에 의해 결정되는 것을 도시한 것.
제101도는 SLA-1 메뉴 시스템을 도시한 것.
제102도는 제어 및 슬라이스 컴퓨터간에 이서넷을 통해 파일을 전송하는 네트워크(NETWORK)를 도시한 것.
제103도는 사용자가 제어 컴퓨터로부터 원격으로 슬라이스를 작동할 수 있도록 하는 터미날 유틸리티(TERMINAL UTILITY)를 도시한 것.
제104도는 부품에 대한 모든 파일(서포트와 물체 파일)을 결합하고 층(.L), 벡터(.V), 범위(.R) 파일을 생성하는 머지(MERGE)를 도시한 것.
제105도는 스테레오리소그래피(.STL), 슬라이스(SLI) 파일을 제어 컴퓨터 화면에 디스플레이하는 뷰(VIEW)를 도시한 것.
제105도는 .STL 파일의 그래프.
제106도는 .SLI 파일의 그래프.
제108도 내지 제109도는 빌드(BULID) 상태 화면을 도시한 것.
제110(a)도 내지 제110(c)도는 각기 다른 작동 단계에서 PCA를 도시한 것.
제111도는 SLA-1 He-Ce 레이저의 개략도.
제112도는 단수명의 고에너지 스피시스(species)가 저에너지 여기 상태로 전환되는 것을 도시한 것.
제113도는 작은 온도 변화가 큰 점성(viscosity) 변화를 야기한다는 것을 도시한 것.
제114도는 빔의 중앙에서 최대치를 나타내는 강도 프로파일을 도시한 것.
제115도는 수지가 액체에서 고체로 변환할 때 굴절 계수(refractive index)의 변화가 불릿의 형태를 강화한다는(enhances) 것을 도시한 것.
제116도는 스텝 주기값이(step period values) 불릿의 전체 크기와 불릿의 형태에 영향을 준다는 것을 도시한 것.
제117도는 라인높이와 라인폭을 스텝 주기의 함수로서 나타낸 작업 곡선.
제118(a)도 내지 (g)도는 본원 발명에 따른 방법의 한 실시예를 이용한 물체 형성 방법 및 종래 기술의 형성 기법(미국 특허 제4,575,330)호의 한 실시예를 이용한 물체 형성 방법을 대비하여 예시한 도시한 것.
제119도는 본원 발명의 방법 및 장치에 따른 물체 형성 과정의 대표적인 단계를 도시한 흐름도.
[발명의 상세한 설명]
이제 도면, 특히 제1도를 참조하면, 본 발명의 실시에 적합한 스테레오리소그래픽 시스템 전체에 대한 블록도가 도사되어 있다. CAD 발생기(2)와 적절한 인터페이스(3)는 전형적으로는 PHIGS 포맷으로 형성하려는 물체의 데이타 기술(data description)을 이서넨 등의 네트워크 통신을 통해 인터페이스 컴퓨터(4)에 제공한다. 인터페이스 컴퓨터(4)에서는 대상 데이타를 조작하여 최적화되도록 하고 또한 비교적 다루기 어렵고 복잡한 물체의 형상에 있어서도 응력(stress), 휘말림(curl), 왜곡(distortion)을 감소시키고 해상도(resolution), 강도(strength)와 정확도와 속도 및 재생의 경제성을 증가시키도록 하는 출력 벡터를 제공하게 하도록 한다. 인터페이스 컴퓨터(4)는 CAD 데이타를 슬라이싱하고 층두께를 변경하고 다각형의 꼭지점들을 라운딩하고, 필링하고(filling), 편평 스킨과 근사 편평 스킨, 상향 스킨(un-facing skin)과 하향스킨(down-facing skin)을 발생시키며 스케일링하고 크로스해칭하며 벡터를 오프셋시키고(offsetting), 벡터를 정렬시킴으로써 층데이타를 발생시킨다.
컴퓨터(4)로부터의 벡터 데이타와 파라미터는 시스템의 스테레오리소그래픽 레이저, 미러, 엘리베이터 등을 작동시키기 위해 제어기 부시스템(5)으로 보내진다.
제2도와 제3도는 스테레오리소그래피를 이용하여 3차원 물체를 발생시키기 위한 본 발명의 기본 시스템을 도시하는 흐름도이다.
자외선광(UV)의 조사 또는 적합한 마스크를 통해 또는 잉크분사에 의해 도포되는 반응성 화학물질, 가시광선 또는 비가시광선, 전자 빔과 같은 기타 형태의 상승작용적 자극에 의해 고체상태의 중합체 플라스틱으로 변화될 수 있는 액체 상태의 화학 물질로는 많은 종류가 알려져 있다. 자외선 경화성 화학 물질은 현재 고속 인쇄를 위한 잉크로서, 종이나 기타 물질의 코팅 공정에서 접착제로서, 그리고 기타 특수 영역에서 사용되고 있다.
리소그래피란 다양한 기법을 사용하여 그래픽 물체를 재생(reproduce)하는 기술이다. 현대적인 것으로는 사진적 재생(photographic reproduction), 복사(xerography) 및 마이크로 일렉트로닉스 제품 생산에 쓰이는 마이크로리소그래피(microlithography) 등을 예로 들수 있다. 플로터나 음극선관 상에 디스플레이되는 컴퓨터 발생 그래픽(computer generated graphics) 역시 그 영상이 컴퓨터 코드화된 물체(computer coded object)의 그림이라는 의미에서 리소그래피의 한 형태라고 볼 수 있다.
캐드(CAD:computer aided design)와 캠(CAM:computer aided manufacturing)는 컴퓨터의 능력을 설계와 제조의 과정에 응용시키는 기법이다. CAD의 전형적인 예는 전자 인쇄 회로 기판(electronic printed circuit board) 설계 분야에서 볼 수 있으며, 여기서는 컴퓨터 데이타 입력으로 설계 파라미터가 주어지면 컴퓨터와 플로터가 인쇄회로기판의 설계 내용을 제도한다. CAM의 전형적인 예로는 수치제어밀링머신(numerically controlled milling machine)이 있는데, 여기서는 적절한 프로그래밍 명령이 주어지면 컴퓨터와 밀링 머신이 금속 부품을 생산한다. CAD와 CAM의 양자는 모두 중요하고도 급성장하는 기술이다.
본 발명의 주 목표는 컴퓨터 발생 그래픽의 원리를 이용하고 자외선 경화성 플라스틱 등을 결합하여 CAD와 CAM을 동시에 실행하여 컴퓨터 명령으로부터 삼차원 물체를 직접적으로 생산할 수 있도록 하는 것이다. 스테레오리소그래피라 불리우는 본 발명은 제품 개발의 설계 단계에서 모형과 원형을 조형(造形)하는데 사용되거나, 제조 장치로서 혹은 심지어 예술양식으로서도 사용될 수 있다. 본 발명은 본 발명의 발명자중 한 사람인 찰즈 더블유 헐에게 1986년 3월 11일 허여된 미합중국 특허번호 4,575,330에 개시된 스테레오리소그래피의 개발 내용을 더욱 향상시킨 것이다.
이제 좀더 구체적으로 제2도를 참조하면, 스테레오리소그래픽 방법이 개략적으로 도시되어 있다. 제8단계에서는 시스템에 의해 형성될 3차원 물체를 표현하는 CAD나 기타 데이타를 전형적으로 디지탈 형태로서 발생시킬 것이 요구되고 있다. 이 CAD 데이타는 대개 표면을 다각형 포맷으로 정의하는데, 즉 삼각형과, 이 삼각형이 이루는 평면에 수직이며 기울기를 나타내는 법선이 현재 선호되며, 본 발명의 현재 바람직한 실시예에서는, 이제는 ANSI 표준으로서 채택된 “피그스(PHIGS:Programmer′s Hierarchical Interactive Graphics System:프로그래머를 위한 계층적-상호작용적 그래픽 시스템)”와 일치한다. 이 표준은 예를 들어 캘리포니아주 샌디에고의 템플리트, 메가테크 코오퍼레이션에 의해 간행된 “PHIGS의 이해(Understanding PHIGS)”라는 간행물에 설명되어 있으며, 이 책은 본 출원에서 완전히 기술한 것과 다름없이 본 명세서의 일부로서 참조된다.
제9단계에서는, PHIGS 데이타나 그와 동등한 것들은 본 발명에 따라서, 특유의 변환 시스템에 의해, 3차원 물체의 형성에 있어서 스테레오리소그래픽 출력 시스템을 구동하기 위한 변형된 데이타 베이스로 변환된다. 이에 따라 물체를 정의하는 정보는 응력과 휘말림과 왜곡을 감소시키고 해상도와 강도와 재생의 정확성을 증가시킬 수 있도록 특수하게 처리된다.
제2도의 제10단계에서는 형성될 3차원 물체의 단면을 표시하는 개개의 중실의(solid) 래미나의 발생을 요구하고 있다. 제11단계는 선별적 경화가 되도록 시스템내에 프로그램된 소기의 3차원 물체를 형성하도록 연속적으로 형성된 인접한 래미나를 서로 결합해 준다.
그러므로, 본 발명의 스테레오리소그래픽 시스템은 복사선의 조사(照射)나 전자빔이나 기타의 입자충격 또는 가해진 화학물질[잉크젯에 의해 또는 유체 표면에 인접하게 놓은 매스크 위에서 분사함(spray)에 의해] 등의 적절한 상승작용적 자극에 반응하여 그 물리적 상태를 변화할 수 있는 예를들면 자외선 경화성 액체등의 유체 매질의 선별된 표면에서 형성될 물체의 단면을 만들어 냄으로써 3차원 물체를 발생시킨다. 일련의 인접하는 물체의 단면에 해당하는 일련의 인접한 래미나들은 자동적으로 형성되어 서로 결합되어 물체를 단계적 래미나 즉 얇은 층으로써 축조시키며, 이에 의해 형성 과정중에 유체 매질의 실질적으로 편평하거나 종잇장 형태인(sheet-like) 표면으로부터 3차원 물체가 형성되고 그려진다.
제2도에 도시된 전술한 기법은 제3도의 흐름도에 보다 구체적으로 개요가 설명되어 있으며, 이 흐름도에서는 다시 제9단계에서는 시스템에 의해서 형성될 3차원 형상을 표현하는 CAD나 기타 데이타를 디지탈 형태로 발생시킨다. 제9단계에서 PHIGS 데이타를 특유의 변환시스템에 의해 3차원 물체의 형성에 있어서 스테레오리소그래픽 출력 시스템을 구동하기 위한 변형된 데이타 베이스로 다시 변환된다. 제12단계에서는 소정의 반응성 자극에 반응하여 고화될 수 있는 유체 매질을 용기에 담는다. 제13단계에서는 제1도의 컴퓨터(4)로부터의 데이타 출력에 응답하여 지정된 유체 표면에 상기 자극을 그래픽 패턴으로서 인가하게 되고, 이에 의해 표면에서 얇은 고체의 개별적인 층이 형성되며, 이 때 각 층은 생산될 3차원 물체의 인접하는 단면을 나타낸다. 본 발명의 실제의 응용에 있어서는 각 래미나는 얇은 래미나이지만, 단면을 형성할 만큼 그리고 형성되는 물체의 다른 단면을 정의하는 인접 래미나에 접착될 만큼 적절한 접착성을 가질 수 있을 정도로는 두껍다.
제3도의 제14단계에서는 연속적 인접층 즉 래미나가 형성되는 대로 서로 중첩시킴으로써, 여러층을 결합시키고 소기의 3차원 물체를 정의하게 된다. 발명의 통상의 실시에 있어서는, 유체 매질이 경화되고 고체 물질이 형성되어 한 래미나를 정의함에 따라, 이 래미나는 유체 매질의 작업 표면으로부터 이동하여 멀어지고 직전에 형성된 래미나가 있던 자리로 들어온 새 액체에서 다음 래미나가 형성되므로, 각 연속적 래미나는 중첩되며, 다른 모든 단면 래미나와(경화된 유체매질이 본질적으로 갖는 접착성에 의해서) 결합된다. 물론, 앞서 지적한 바와 같이 본 발명은 또한 수직과 수평 형상간의 천이에 있어서 발생하는 문제점들 역시 다루고 있다.
이러한 단면 래미나를 생산하는 과정은 완전한 3차원 물체가 형성될 때까지 되풀이하여 반복한다. 그후 물체를 수조에서 제거하고 나면 시스템은 다른 물체를 생산할 준비가 완료되고, 이 다른 물체는 직전에 형성된 물체와 동일한 것일 수도 있고 또는 스테레오리소그래픽 시스템을 제어하는 프로그램을 변경함에 의해서 형성되는 완전히 새로운 것일 수도 있다.
도면의 제4도 및 제5도는 제1도 내지 제3도의 시스템과 흐름도에 의해 도시되고 기술된 스테레오리소그래픽 방법을 실시하기에 적합한 여러 장치를 도시한다.
앞서 설명한 바대로, “스테레오리소그래피”란 예를 들어 자외선 경화성 물질과 같은 경화성 물질의 얇은 층을 한층이 다른 층위에 겹치도록 연속적으로 “인쇄(printing)”함에 의해서 고체 물체를 제작하는 방법 및 장치이다. 자외선 경화성 액체의 표면이나 층위에 조사되는 자외선광의 프로그램 가능 가동 스포트 빔(programmable movable spot beam)을 사용하여 액체 표면에 물체의 고체 단면을 형성한다. 그리고 나서 물체를 프로그램된 방식으로 한 층 두께만큼 액체표면으로부터 멀어지게 이동시키고, 그후에 다음 단면이 형성되고 상기 다음 단면이 물체를 정의하는 직전의 층에 접착된다. 이 과정은 완전한 물체가 형성될 때까지 계속된다.
본질적으로 본 발명의 기법을 사용하면 모든 유형의 물체 형상을 만들어낼 수 있다. 복잡한 형상인 경우라면 프로그램된 명령을 발생시키고 다시 프로그램 신호를 스테레오리소그래픽 물체 형성 부시스템으로 보내주는 것을 도와줄 컴퓨터의 기능들을 사용하면 보다 쉽게 만들어낼 수 있다.
CAD 시스템의 데이타 베이스는 여러가지 형태가 있을 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 그중 한 형태는 물체의 표면을 삼각형으로 구성된 그물망(mesh)으로서 표현하는 것(PHIGS)으로 구성된다. 이 삼각형들은 물체의 내표면 및 외표면(inner and outer surfaces) 전체를 구성한다. 이러한 방식의 CAD 표현은 또한 각 삼각형에 대한 단위 길이 법선벡터도 포함하고 있다. 이 법선은 상기 삼각형이 둘러싸고 있는 중실부로부터 밖으로 멀어져 가는 방향을 가리킨다(The normal points away from the solid which the triangle is bounding). 본 발명은 이러한 CAD 데이타를 스테레오리소그래픽에 의해 물체를 형성하는데 필요한 층별 벡터 데이타로 처리하는 수단을 제공해 준다.
스테레오리소그래피가 성공적으로 수행되려면, 한 층과 다른층의 사이의 접착이 양호해야 한다. 그러므로, 임의의 층의 플라스틱은 직전층을 만들 때 형성된 플라스틱에 중첩되지 않으면 안된다. 수직 세그먼트(vertical segment)들로 구성된 모형을 제작할 때는, 어떤 층에 형성된 플라스틱은 직전의 층의 기 형성된 플라스틱 위에 정확히 일치하여 중첩하므로 접착이 양호하다. 그러나 수직 형상에서 수평 형상으로, 층의 두께를 유한하게 점프시켜서(using finite jumpus in layer thickness) 천이하기 시작하면, 결국 한 층에 형성된 플라스틱이 직전층에 형성된 플라스틱과 전혀 접촉하지 않는 점에 도달하게 되고, 이것은 심각한 접착 문제를 초래할 수 있다. 수평 표면 자체는 접착 문제를 야기시키지 않는데 이는 수평하기 때문에 한 층위에 전체의 단면이 형성되어 측면끼리의 접착으로(side-to side adhesion) 인해 구조적 일체성이 유지되기 때문이다. 본 발명은 어떤 표면을 완전히 둘러싸는 방법과 형성된 물체내의 응력과 왜곡을 감소시키는 방법을 제공함과 동시에 수직에서 수평으로 또는 수평에서 수직 섹션으로 천이할 때 층간에 적당한 접착을 확보하는 일반적인 수단을 제공한다.
새로이 개선된 스테레오리소그래픽 시스템의 현재의 바람직한 실시예는 제4도의 수직 단면도에 도시되어 있다. 용기(21)는 자외선 경화성 액체(22) 등에 의해 채워져서 지정된 작업 표면(23)을 제공한다. 프로그램 가능 자외선 광원(26) 등에 의해 표면(23)의 평면에 자외선광의 스포트(27)가 생긴다. 이 스포트(27)는 광원(26)과 함께 사용되는 미러나 기타 광학적 또는 기계적 요소(제4도에는 도시되지 않았음)의 움직임에 의해서 표면(23)을 가로질러 이동가능하다. 표면(23)의 스포트(27)의 위치는 컴퓨터 제어 시스템(28)에 의해 제어된다. 앞서 지적한 대로, 시스템(28)은 CAD 설계 시스템에서의 발생기(20) 등에 의해 만들어져, PHIGS 포맷이나 그와 동등물(equivalents)의 형태로 컴퓨터화된 변환 시스템(25)으로 보내지는 CAD 데이타의 제어하에 있고, 변환 시스템(25)에서는 응력, 휘말림과 왜곡을 감소시키고 해상도, 강도 및 재생의 정확도를 증가시킬 수 있도록 물체를 정의하는 정보가 특수하게 처리된다.
용기(21)내의 가동 엘리베이터 플랫폼(29)은 선택적으로 위 또는 아래로 움직일 수 있으며, 플랫폼의 위치는 시스템(28)에 의해 제어된다. 장치가 작동됨에 따라, 부재번호 30a, 30b 및 30c와 같은 결합된 래미나의 단계적 구축에 의해 3차원 물체(30)가 생산된다.
자외선 경화성 액체(22)의 표면은 용기(21)내에서 일정한 수위(level)로 유지되며, 액체를 경화시켜 고체 물질로 변환시킬 정도로 충분한 조도를 가진 자외선 광의 스포트(29)나 기타 적절한 형태의 반응성 자극이, 프로그램된 방식으로 작업표면(23)을 가로질러 이동된다. 액체(22)가 경화하고 고체물질이 형성됨에 따라, 원래 표면(23)의 바로 아래 있었던 엘리베이터 플랫폼(29)은 프로그램된 방식으로 임의의 적절한 액츄에이터(actuator)에 의해서 아래로 이동한다. 이런식으로, 초기에 형성된 고체 물질은 표면(23)아래로 보내져서 새 액체(22)가 표면(23)을 가로질러 흐른다. 이 새 액체의 일부는 다시 프로그램된 자외선광 스포트(27)에 의해 고체 물질로 변환되고, 이 새 물질은 그 아래에 있는 물질에 접착성을 가지고 결합된다. 이 과정은 완전한 3차원 물체(30)가 형성될 때까지 계속된다. 물체(30)는 이제 용기(21)로부터 제거되고, 장치는 또다른 물체를 생산할 준비가 완료된다. 그러면 또 하나의 물체가 생산되거나, 혹은 컴퓨터(28)의 프로그램 변경에 의해 새로운 물체가 생산될 수도 있다.
예를 들면 자외선 경화성 액체와 같은 경화성 액체(22)는 몇가지 중요한 성질을 가져야만 한다:(A) 실용적인 물체 형성 시간을 가능하게 하기 위해서는 기존 자외선 광원에 의해서 충분히 빨리 경화되어야만 한다. (B) 연속적 층끼리 서로 접착하도록 접착성이 있어야 한다. (C) 엘리베이터가 물체를 이동시키면 새 액체 물질이 표면을 가로질러 신속하게 유입하도록 점성이 충분히 낮아야 한다. (D) 자외선을 흡수해야 하므로 형성된 필름이 적당히 얇아야 한다. (E) 물체가 형성된 후에 물체로부터 자외선 경화성 액체와 부분경화된 액체가 완전히 씻어내질 수 있도록, 용제(solvent)에 용해되고 고체 상태가 된 후에는 동일한 용제(溶劑)에 대해 적당히 불용성(不溶性)이어야 한다. (F) 가능한 한 최대로 무독성, 무자극성(non-irrit ating)이어야 한다.
경화된 물질은 또한 일단 고체 상태가 된 후에도 바람직한 성질을 가져야 한다. 이 성질들은 기타 플라스틱 물질의 종래의 용도에 있어서와 마찬가지로, 관련된 용도에 따라서 다르다. 고려할 성질들로는 색, 조직(texture), 강도, 전기적 성질, 가연성(flammability), 및 유연성(flexibility)등이 있다. 그리고 많은 경우 재료의 원가가 중요할 것이다.
작동가능한 스테레오리소그래픽의 현재 바람직한 실시예(예:제3도)에서 사용된 자외선 경화성 물질은 일리노이주 데스 플레인즈의 데소토 인코오퍼레이티드에 의해 제조된 DeSoTo SLR 800 스테레오리소그래피용 수지이다.
광원(26)은 소기의 물체의 세부가 형성될 수 있을 정도로 충분히 작으나, 사용되는 자외선 경화성 액체를 실용성이 있을만큼 신속하게 경화시키기에 충분한 조도를 가진 자외선 광의 스포트(27)를 만들어 낸다. 광원(26)은 집속된 스포트(27)가 액체(2)의 표면(23)을 가로질러 이동하도록 움직이고, 은 또는 오프되도록 프로그램되는 방식으로 설계할 수 있다. 그러므로, 스포트(27)가 움직임에 따라, 스포트(27)는 액체(22)를 고체로 경화시키고, 챠트 기록장치나 플로터가 팬을 사용하여 종이에 패턴을 그리는 것과 아주 똑같은 방법에 의해서 표면상에 고체 패턴을 “그린다(draws)”.
스테레오리소그래픽의 현재 바람직한 실시예에서의 광원(26)은 전형적으로 캘리포니아 서니베일의 리코닉스에 의해 제조된 모델 4240-N HeCd 멀티모드 레이저와 같은 헬륨-카드뮴 자외선 레이저이다.
제4도의 시스템에 있어서는, 초점(焦点)스포트(27)가 고정된 초점 평면상에 정확히 초점이 맞은 상태로 유지되어 작업 표면을 따라 얇은 층을 형성하는데 있어서 최대의 해상도가 확보되게끔, 표면(23)을 일정한 수위로 유지하고 물체가 제거된 후에 재료를 재공급해 주는 수단도 구비할 수 있다. 그러므로 정확히 작업 표면(23)상에 고 조도 영역을 제공하고, 그 아래에서는 저 조도로 급속히 발산하여 경화 과정이 일어나는 깊이를 제한함으로써 물체의 단면 래미나가 적절한 범위에서 가장 얇게 형성될 수 있도록 초점을 형성하는 것이 바람직하다.
엘리베이터 플랫폼(29)은 형성되는 물체를 지지하고 고정하며, 그것을 위 아래로 필요에 따라 이동시키는데 쓰인다. 전형적으로, 한 층이 형성된 후에, 물체(30)는 다음층의 수위를 일단 지나도록 이동하여 액체(22)가 고체가 형성된 자리에 남은 표면(23)상의 일시적인 공동(momentary void)으로 유입되게 해 주며, 그후에 다음 층의 정확한 수위까지 다시 이동하여 돌아온다. 엘리베이터 플랫폼(29)의 요건은 적절한 정밀도를 가지고 적절한 속도로 프로그램된 방식으로 이동할 수 있어야 한다는 것과, 형성되는 물체(30)의 중량을 다루기에 충분할 정도로 강력해야 한다는 것이다. 그리고 셋업 단계동안 및 물체가 제거될 때에는 엘리베이터 플랫폼 위치를 수동으로 미세 조정할 수 있으면 유용할 것이다.
엘리베이터 플랫폼(29)은 기계식, 공압식(pneumatic), 유압식(hydraulic) 또는 전기식중 어느것도 가능하며, 또한 정확한 위치제어를 위해 광학적 또는 전자적 궤환방식일 수도 있다. 엘리베이터 플랫폼(29)은 전형적으로 유리나 알루미늄으로 제조되지만, 경화된 플라스틱 물질이 접착할 수 있는 소재라면 어떤것도 적합하다.
작업 표면(23)에서 액체(22)의 수위를 일정하게 유지하기 위해 컴퓨터 제어 펌프(도시되지 않음)도 사용될 수 있다. 유체의 부피 변화를 보상하고 표면(23)에 일정한 유체 수위를 유지하기 위해서, 유체 매질속에 잠겨 있다가 엘리베이터 플랫폼이 유체매질내로 깊이 이동해 들어감에 따라 유체 매질로부터 빠져나오는 고체봉(solid rod)(도시되지 않았음)과 같은 액체 변위 장치(liquid displacement device)나 또는 유체 펌프를 구동할 목적으로 해당 기술분야에서 주지된 적적한 수위 검출 시스템 및 궤환 네트워크가 사용될 수도 있다. 그 대안으로서 광원(26)을 검출된 수위(23)에 연동시켜서 작업표면(23)에 정확한 초점이 자동적으로 유지되도록 할 수 있다. 이 모든 대안은 컴퓨터 제어 시스템(28)과 결합하여 적절하게 데이타를 운영함으로써 쉽게 실시할 수 있다.
개괄적으로 보아, 프로세스 중에서 “슬라이스(SLICE)”라고 불리우는 부분의 과정은 제작될 물체를 제작의 편의를 위해 필요한 임의의 골조 또는 서포트와 함께 받아들인다. 이들 서포트는 전형적으로 사용자 CAD에 의해 발생된다. 슬라이스(SLICE)가 하는 첫번째 일은 물체와 그 서포트의 윤곽선을 찾아내는 일이다.
슬라이스(SLICE)는 소정의 규정된 제어 방식에 따라 각 마이크로섹션 또는 층을 한번에 하나씩 정의한다. 슬라이스(SLICE)는 물체의 중실부분의 경계선을 만들어 낸다. 만일 예를 들어 어떤 물체가 중공형이라면, 이 물체는 외표면과 내표면을 가지고, 표면들은 물체의 외곽선(outline)으로 구성된다. 이 때 외곽선이 가장 중요한 정보가 된다. 그후 슬라이스(SLICE) 프로그램은 상기 외곽선 또는 일련의 외곽선을 취하며, 이 때 외부 스킨과 내부 스킨은 서로 결합하지 않는다는 사실을 고려하여, 그 양자간에는 액체가 존재하고 이 액체는 빠져나가게 되므로, 슬라이스(SLICE)는 삼각형(PHIGS)의 기울기나 이전의 정보를 기억하여, 한 층이 다음층의 위에 결합하지 않을 정도로 완만한 기울기를 가진 곳에서는 표면들 사이에 스킨을 추가하거나 그 사이를 전부 고화시키거나 또는 그 사이에 크로스해칭을 집어 넣음으로써 이것을 실제의 제품 즉 실제의 부품으로 변화시킨다. 슬라이스(SLICE)는 이 모든 일들을 수행하며, 그후에 다른 프로그램들은 광중합체의 화학적 특성과, 레이저가 얼마나 강력한가와, 관련 파라미터에 관한 참조표를 사용하여, 시스템 작동에 사용되는 각각의 출력 벡터를 얼마나 오래 노출시킬 것인가를 제시한다. 이들 출력 벡터는 동일시될 수 있는 그룹(identifiable group)으로 분할될 수 있다. 한 그룹은 경계선 또는 외곽선으로 구성된다. 다른 그룹은 크로스 해치로 구성된다. 또 다른 그룹은 스킨으로 구성되며, 여기에는 서로 약간 달리 취급해야 하는 상향스킨과 하향스킨과 같은 부그룹(subgroup)이 있다. 이들 부그룹은 서로 약간씩 다른 처리를 거치게 될 수도 있으므로 서로 다른 방식으로 추적(track)된다. 출력 데이타는 이제 소기의 물체와 서포트를 형성하도록 적절히 관리된다.
3차원 물체(30)가 형성된 후에, 엘리베이터 플랫폼(29)은 상승되고 물체는 후속처리를 위해 플랫폼으로부터 제거된다.
부가적으로, 본 발명의 실시예 있어서는 서로 다른 종류의 경화성 재료를 담고 있으며 스테레오리소그래픽 시스템에 의해 자동적으로 선택될 수 있는 여러개의 용기(21)가 사용될 수도 있다. 그러므로, 상기 다양한 물질에 의해서 서로 다른 색을 가진 플라스틱이 제공될 수도 있으며, 전자제품의 다양한 층을 위해 절연성 물질이나 도전성 물질이 모두 사용가능할 수도 있다.
이제 본 발명의 다양한 대체적 실시예와 관련하여 나머지 도면을 보다 구체적으로 참조하면, 도면의 여러 도를 통해 표시된 동일한 부재번호는 제4도에 도시된 발명의 바람직한 실시예와 관련하여 앞서 논의된 부품들과 같거나 대응하는 부품을 표시한다.
도면의 제5도로부터 명백한 바와 같이, 경화성 액체(22)에 대해 비혼합성(non-miscible)이며 비습윤성(non-wetting)인 중량이 무거운 자외선 투과성 액체(32)상에, 자외선 경화성 액체(22)등이 부동하고(floats) 있는 대안적 구성의 스테레오리소그래픽이 도시되고 있다. 한 예로서, 중간 액체층(intermediate liquid layer, 32)으로서는 에틸렌 글리콜이나 중수가 적합하다. 제5도의 시스템에서는, 3차원 물체(30)는 제4도의 시스템에 도시된 바와 같이 액체 매질 속으로 더 깊이 아래로 이동되는 것이 아니라, 오히려 액체(22)로부터 위로 끌어올려진다.
제5도의 자외선 광원(26)은 스포트(27)의 초점을 비혼합성 중간 액체층(32)과 액체층(22)과의 사이에 있는 경계면에 맞추며, 자외선 복사선은 용기(21)의 바닥에 지지되어 있는 석영 등으로 만들어진 적합한 자외선 투과성 창(33)을 통해 조사된다. 여기서 경화성 액체(22)는 비혼합성 층(32)의 위에 매우 얇은 층으로 공급되며, 이에 의해서 이상적으로는 초박형 래미나가 제공되기 때문에 경화 깊이를 제한하기 위해 흡수 등에만 의존하지 않고도 직접적으로 층두께를 제한할 수 있다는 장점을 가진다. 그러므로, 형성이 이루어지는 영역은 보다 정밀하게 정의될 수 있으며, 어떤 표면은 제5도의 시스템을 이용하면 제4도의 시스템을 이용하는 경우보다 더 원활하게 형성될 것이다. 그외에 자외선 경화성 액체(22)의 양도 더 적게 필요하며, 한 경화성 물질을 다른 경화성 물질로 대치하기가 쉬워진다.
상업적인 스테레오리소그래피 시스템은 앞서 제1도 내지 제5도에 개략도적으로 그려진 시스템과 관련하여 도시된 것들 이외에도 추가적인 구성요소 및 부시스템을 포함할 것이다. 예를 들어 상업적 시스템에는 본체(frame)와 하우징, 그리고 제어 패널(control panel)도 포함될 수 있다. 상업적 시스템은 과다한 자외선 또는 가시광으로부터 작업자를 차폐해 줄 수단이 있어야 하고 또한 물체가 형성되는 동안 물체(30)를 볼 수 있게 해 줄 수단도 있어야 한다. 상업적 제품은 종래적인 고전압 압전 보호장치 및 인터로크(interlocks)뿐 아니라, 오존과 유독성 증기를 제어할 수 있는 안전수단을 구비하게 될 것이다. 이러한 상업적 제품은 또한 민감한 전자회로를 전자 잡음원으로부터 효과적으로 차폐해 줄 수단도 구비해야 한다.
앞서 언급한 대로, 스테레오리소그래픽 방법을 실시하는데는 다수의 기타 가능한 장치들이 활용되어도 좋다. 예를 들면, 자외선 광원(26)을 전자 발생원, 가시광원, 또는 X 선광원이나 기타 복사원으로 대치할 수 있으며, 이 때는 이러한 특정형태의 반응성 자극에 반응하여 경화되는 적절한 유체 매질을 함께 쓰면 된다. 예를 들어, 우선 자외선광으로 약간 예비 중합화해 놓은(prepolymerized) 앞사 옥타데실아크릴산(alphoctadcylacrylic acid)은 전자빔으로 완전히 중합화된다. 마찬가지로, 폴리(2,3-디클로로-1-프로필 아크릴레이트)는 X선 빔에 의해 중합화될 수 있다.
상업화된 SLA은 사용자 CAD 시스템과 직접적으로 인터페이스하는 자체 내장형 시스템이다. 제6도 및 제7(a)도와 제7(b)도에 도시된 SLA는 4개의 주요 구성요소의 그룹으로 구성된다:즉 슬라이스(SLICE) 컴퓨터 단말기, 전자 캐비넷 어셈블리, 광학장치 어셈블리, 및 챔버 어셈블리이다. SLA의 블록도는 제8도에 도시되어 있다.
전자 캐비넷 어셈블리에는 프로세스(PROCESS) 컴퓨터(디스크 드라이브), 키보드, 모니터, 전원장치, 교류 배전패널 및 제어패널이 포함된다. 컴퓨터 어셈블리에는 단말기, 고속 스캐너 미러, 및 수직(Z-스테이지) 엘리베이터의 제어를 위한 삽입식(plug-in) 회로기판이 포함된다. 레이저, 동적 미러 및 엘리베이터 모터를 위한 전원장치는 캐비넷의 아래쪽에 장착된다.
제어반에는 전원(power on)스위치/표시기(indicator), 챔버 등 스위치/표시기, 레이저 온 표시기, 및 셔터 열림 표시기가 포함된다.
고장진단 및 레이저 성능 정보등을 포함하는 작동 및 유지보수 파라미터 역시도 전형적으로 모니터에 디스플레이된다. 운전은 키보드에서의 입력에 의해 제어된다. 키보드 및 디스크 드라이브 주위의 작업면은 청소가 용이하고 마모가 적도록 호마이카(formica) 등으로 피복되어 있다.
헬륨 카드뮴(HeCd) 레이저와 광학장치 부품은 전자캐비넷 및 챔버어셈블리 위에 장착된다. 레이저 및 광학 판(plate)을 정비하려면 별도의 커버를 열어 접근할 수 있다. 안전상의 이유로 인해서, 커버의 잠금쇠를 풀어내려면 특수한 공구가 필요하며, 뚜껑을 열면 인터로크 스위치가 작동된다. 인터로크는 어느쪽의 것이든 커버가 하나라도 열리면 솔레노이드로 제어되는 셔터를 작동시켜 레이저 빔을 차단한다.
제9도에 도시된 대로, 광학 판상에는 셔터 어셈블리, 두개의 빔 90° r각도회전 미러, 빔 확대기(expander), X-Y 스캐닝 미러 어셈블리, 및 정밀광학 창(precision optical window)이 장착되어 있다. 회전식의 솔레노이드 작동식 셔터는 레이저 출력단에 설치되며, 안전 인터로크가 개방되면 방향을 회전하여 빔을 차단한다. 빔 90° 각도회전미러는 다음 광학 부품을 향하여 레이저 빔을 반사해 준다. 빔 확대기는 레이저 빔을 확대하고 액체 표면상에 초점이 맺어지게 해 준다. 고속 스캐닝 미러는 레이저 빔이 수지표면상의 벡터를 추적하도록 방향을 잡아준다. 광학장치 외함(optics enclosure)과 반응 챔버(reaction chamber) 사이의 석영창은 레이저 빔을 반응 챔버로 통과시키지만, 그 이외에는 두 영역을 분리한다.
챔버 어셈블리는 플랫폼, 반응수조, 엘리베이터, 및 빔 프로파일러를 내장하며 제어된 환경을 갖는(environmentally-controlled) 챔버를 포함한다.
물체가 형성되는 챔버는 작업자의 안전 및 균일한 작동 조건의 확보를 고려하여 설계되었다. 챔버는 약 40℃(104℉)까지 가열될 수 있으며, 공기는 순환되고 여과된다. 천정등은 반응수조와 작업표면을 조명한다. 유리로 된 문에 있는 인터로크는 문이 열릴 때 셔터를 작동시켜 레이저 빔을 차단한다.
반응 수조는 수지 취급의 번잡성을 최소화하도록 설계되어 있다. 수조는 전형적으로 챔버내에, 엘리베이터와 플랫폼과 정렬되도록 해주는 가이드 위에 설치된다.
물체는 수직축 엘리베이터에 부착된 플랫폼, 즉 Z-스테이지 위에 형성된다. 플랫폼은 수지 수조안에 잠겨지고, 물체가 형성되는 동안 일정량씩 하향 조정된다. 형성된 부품을 꺼낼 때는 플랫폼을 수조 위의 위치로 상승시킨다. 그런 후 플랫폼을 엘리베이터로부터 분리하여 후속처리를 위해 챔버로부터 꺼낸다. 수지액이 떨어지는 것을 받기 위해 대개 취급용 트레이(handling trays)가 제공된다.
빔 프로파일러는 레이저의 초점 길이만큼 떨어져 반응 수조의 측면에 장착된다. 스캐닝 미러는 레이저 빔을 빔 조도 프로파일(beam intensity profile)를 측정하는 빔 프로파일러에게로 향하게 해주도록 주기적으로 명령을 받는다. 데이타는 조도 윤곽선(intensity contour lines)의 프로파일 형태나 또는 전체적(종합적) 빔 조도를 표시하는 단일한 숫자의 형태로서 단말기상에 디스플레이된다. 이 정보는 미러의 청소와 정렬이 필요한지 여부와, 레이저 장치를 정비해야 하는지 여부, 그리고 소기의 두께와 폭을 가진 벡터를 만들어내려면 파라미터가 어떤 값을 가져야 하는지등을 결정하는데 사용된다.
SLA의 소프트웨어도가 제10도에 도시되어 있다. 스테레오리소그래픽 장치의 제어에는 세개의 컴퓨터, 즉 CAD 시스템, 슬라이스(SLICE) 컴퓨터 및 프로세스(PROCESS) 컴퓨터가 필요하다. 3차원 공간에서 부품을 설계하는데 있어서는 어떠한 CAD 시스템이라도 사용가능하다. 이것을 오브젝트화일(물체화일)이라 정의한다. 부품을 발생시키기 위해서는, 왜곡 방지를 위해 서포트를 추가해야 한다. 이것은 CAD 부품 설계에 필요한 서포트를 추가하고 CAD 서포트 화일을 만들어 줌으로써 실행된다. 그 결과 생긴 2개 이상의 CAD 발생 화일은 이제 이서넷을 통하여 슬라이스 컴퓨터내로 물리적으로 삽입된다.
스테레오리소그래픽 장치는 밑바닥층으로부터 시작하여 한번에 한층씩 부품을 제작해간다. 슬라이스 컴퓨터는 CAD 부품을 개별적인 수평 표면으로 분해한다. 슬라이스 컴퓨터는 또한 어디에 해치 벡터를 만들어 주어야 할 것인지를 계산한다. 이것은 각 층이 형성될 때 최대의 강도를 얻기 위해서 행해지는 것이다. 슬라이스(SLICE) 컴퓨터는 자체의 키보드와 모니터를 따로 가진 별도의 컴퓨터일 수도 있다. 그러나, 슬라이스(SLICE) 컴퓨터는 공통의 키보드와 모니터를 프로세스(PROCESS) 컴퓨터와 공유하여도 좋다. 작동자는 사용자 인터페이스 프로그램에 의해서 각 슬라이스의 두께와 각 슬라이스의 기타 파라미터를 변경시킬 수 있다. 슬라이스 컴퓨터는 제닉스 또는 유닉스 운영시스템을 사용할 수 있으며, 이서넷 네트워크 데이타 버스 등에 의해 SLA 프로세스 컴퓨터에 접속된다.
슬라이스화된 화일은 이제 이서넷을 통하여 프로세스 컴퓨터로 전송된다. 프로세스 컴퓨터는 슬라이스된 물체 화일과 서포트 화일을 층 제어 화일과 벡터 화일로 병합(merge)한다. 그후 운전자는 층제어 화일과 초기설정 파라미터 화일(default parameter file)에 스테레오리소그래픽 장치의 구동에 필요한 제어 내용을 삽입한다. (벡터 화일은 대개 편집되지 않는다.) 작동자는 그후 리벳(rivets)을 삽입해줌으로써 부품의 특정 볼륨을 강화시킨다. 이것은 슬라이스된 화일의 병합 전에, 필요한 파라미터를 크리티칼 볼륨(critical volume) 화일에 삽입해 줌으로써 수행된다. 머지(MERGE) 프로그램은 물체 화일, 서포트 화일, 크리티칼 볼륨 화일을 종합하여 그 결과로 나온 데이타를 층제어 파일(layer control file)에 삽입한다. 작동자는 층제어 화일을 편집하고 초기설정 파라미터 파일을 변경할 수 있다. 초기설정 파라미터 화일은 스테레오리소그래픽 장치를 운전하여 부품을 제작하는데 필요한 제어내용을 담고 있다. 프로세스 컴퓨터는 MSDOS 운영시스템을 사용하며, 스테레오리소그래픽 장치에 직접적으로 접속된다.
스테레오리소그래픽 프로세스는 제11도 및 제12도의 심볼로 표시한 흐름도에 의해 개괄적으로 도시되어 있다.
스테레오리소그래피는 가동 레이저 빔을 사용하여 액체 플라스틱의 연속적인 층을 고화시킴으로써 부품을 제작하는 3차원 인쇄(printing) 프로세스이다. 설계자는 이 방법을 써서 CAD 시스템상에서 설계를 수행하고, 몇시간 안에 정확한 플라스틱 모형을 제작할 수 있게 된다. 예시의 목적을 위한 것으로서 반드시 제한의 목적을 위한 것은 아닌 현재 바람직한 실시예에서는 스테레오리소그래픽 프로세스는 하기의 단계로 구성될 수 있다.
우선, 스테레오리소그래픽 프로세스와는 구체적인 관련없이 CAD 시스템상에 고체 모형이 통상의 방법으로 설계된다.
스테레오리소그래픽의 모형 준비에는 최적 방향의 선택, 서포트의 추가, 및 스테레오리소그래픽 시스템의 작동 파라미터의 선택등이 포함된다. 최적 방향이란 (1) 물체에서 배수가 가능하고, (2) 지지되지 않는 표면의 수가 가장 적고, (3) 중요한 표면들을 최적화하고, 그리고 (4) 물체가 수지 수조내에 수용될 수 있게 해주는 방향이다. 부착되지 않은 섹션의 고정이나 기타 목적을 위해서 서포트가 추가되어야 한다; 이런 목적을 위해 서포트에 대한 CAD 라이브러리가 준비될 수 있다. 스테레오리소그래픽 작동 파라미터에는 모형의 축척과 층(슬라이스) 두께의 선택이 포함된다.
이후 고체 모형의 표면은 삼각형, 전형적으로는 “PHIGS”로 분할된다. 삼각형은 벡터 계산시에 가장 덜 복잡한 다각형이다. 형성된 삼각형의 수가 많을수록 표면 해상도는 개선되며, 따라서 CAD 설계에 대해 형성된 물체도 더욱 정확해진다.
삼각형의 좌표를 표시하는 데이타 점은 이제 적절한 네트워크 통신을 통해서 스테레오리소그래픽 시스템으로 송신된다. 스테레오리소그래피 시스템의 소프트웨어는 삼각형 섹션을 선택된 층두께로 수평적으로(X-Y 평면) 슬라이스한다.
다음에 스테레오리소그래픽 장치(SLA)는 섹션 경계선 벡터와, 해치 벡터와, 수평 표면(스킨) 벡터를 계산한다. 해치 벡터는 경계선 벡터 사이의 크로스 해칭으로 구성된다. 슬라이싱 방식에는 몇가지의 방식이 있다. 스킨 벡터는 고속으로 추적되며 많은 부분이 중첩되고, 물체의 외부 수평표면을 형성한다. 천정 및 바닥의 스킨 안쪽에 있는 내부 수평 영역은 크로스해치 벡터에 의해서만 채워진다.
SLA는 이제 헬륨-카드뮴 레이저의 자외선 빔 등을 광경화성 수지의 표면을 가로질러 이동시켜 빔이 닿는 곳의 액체를 고화시킴으로써 한번에 한 수평층씩 물체를 형성한다. 레이저 광은 수지에서 흡수되어 깊이 투과하지 못하므로 얇은층을 형성할 수 있다. 각 층은 전형적으로 경계선 벡터-해치 벡터-표면 벡터의 순서로 그려지는 벡터들로 구성되어 있다.
SLA에 의해 그려지는 제1층은 액체 표면의 바로 아래에 위치한 수평 플랫폼에 접착된다. 이 플랫폼은 컴퓨터 제어에 의해 플랫폼을 하강시켜주는 엘리베이터에 부착되어 있다. 한 층을 그린후에, 플랫폼을 수밀리미터 정도 액체 속으로 하강시켜, 직전에 경화된 층이 새로운 액체로 덮혀지게 한 뒤에, 다시 이보다 더 작은 거리만큼 상승하여 제2층을 형성할 얇은 액체막을 남겨 놓는다. 액체의 표면이 편평해질 때까지 잠시 휴지한 후에, 다음 층이 그려진다. 수지는 접착성을 가지고 있으므로, 제2층은 제1층에 견고하게 부착된다. 이 프로세스는 모든 층이 그려지고, 완전한 3차원 물체가 형성될 때까지 반복된다. 통상적으로 물체의 바닥에서 0.25인치 정도는 그 위에 소기의 부품을 제작하기 위한 서포트 구조이다. 광에 노출되지 않은 수지는 수조에 남아 다음 부품을 위해 사용된다. 그러므로 재료의 낭비가 거의 없다.
후속처리는 전형적으로 여분의 수지를 제거하기 위한 형성된 물체의 배수, 중합화를 완성하기 위한 자외선 또는 열경화, 그리고 서포트의 제거등을 포함한다. 연마(sanding) 및 작동가능한 모형으로의 조립을 포함하는 추가 처리 역시도 수행될 수 있다.
스테레오리소그래픽 방법 및 장치는 현재 플라스틱 물체 생산에 사용되고 있는 방법들에 비해 수많은 장점을 가지고 있다. 이 방법을 사용하면 설계 레이아웃과 도면 작성이 필요없으며, 금형 제작 도면과 금형의 제작(tooling drawing and tooling) 역시도 필요없게 된다. 설계자는 컴퓨터와 스테레오리소그래픽 장치를 가지고 직접 작업할 수 있으며, 컴퓨터의 출력화면에 표시된 설계 내용이 만족스럽다고 판단되면 직접 검사해보기 위하여 부품을 제작해 볼 수 있다. 설계를 변경해야 할 경우에는 컴퓨터를 통해 쉽게 할 수 있으며, 이러한 변경이 타당한 것인가를 검증하기 위해 또한번 부품을 제작해 볼 수 있다. 만일 설계상 상호 영향있는 설계 파라미터를 가진 여러가지의 부품이 필요한 경우에는, 모든 부품설계가 신속히 변경될 수 있으며 다시 제작될 수 있어서 어셈블리 전체가 제작되고 검토될 수 있으며, 필요하다면 이 모든 과정을 반복할 수 있으므로 본 발명의 방법은 보다 더 유용해진다.
설계가 완성된 후에는 부품 생산이 즉각적으로 시작될 수 있으므로 설계와 생산 사이에 몇주나 몇 달씩 시간이 경과하는 일은 없게 된다. 단기 생산에 있어서는 최종적인 생산속도 및 부품원가는 현재의 사출성형(injection molding) 원가와 비슷하고 사출성형 원가에 비해 인건비는 훨씬 적게 들어간다. 사출성형은 다수의 동일한 부품이 필요한 경우에만 경제적이다. 스테레오리소그래픽은 금형 제작이 필요없고 생산준비 시간이 최소화되므로 특히 단기 생산에 유용하다. 마찬가지로, 이 기법을 이용하면 설계 변경과 주문제작 부품(custom parts)의 공급도 손쉽게 실현할 수 있다. 스테레오리소그래픽에서는 부품 제작이 용이하므로 현재 금속이나 기타 소재로 된 부품이 사용되고 있는 많은 곳에 플라스틱 부품의 사용이 가능해진다. 더구나 보다 값비싼 금속 또는 기타 소재로된 부품을 제작할 것인가 여부를 결정하기 전에 물체의 플라스틱 모형을 신속하게 경제적으로 제작해 볼 수 있게 된다.
스테레오리소그래픽은 물체를 기술하는 3차원 컴퓨터 데이터를 취하여 물체의 3차원 플라스틱 복제물(replica)을 제작한다는 개념을 구체화한 것이다. 물체의 제작은 이 3차원 컴퓨터 데이타를 수평층을 나타내는 2차원 데이타로 변환시키고 물체를 한층씩 제작하는 방식에 근거를 두고 있다. 물체를 정의하는 3차원 데이타를 벡터 데이타로 바꾸어주는 소프트웨어는 “슬라이스(SLICE)”라고 불리운다. 제13도 및 제14도는 CAD 설계된 물체의 견본을 도시하고 있다. 제15도는 CAD 물체의 전형적인 슬라이싱 방법을 도시한다. 제16도 내지 제18도는 물체를 형성하는 슬라이스(층) 데이터를 도시한다.
CAD 데이타 화일은 STL 화일이라 불리운다. 이들 STL 화일은 물체의 표면적을 삼각형 패싯(facet)으로 분할해준다. 물체가 단순할수록 물체를 기술하는데 필요한 삼각형의 수는 적고, 물체가 복잡할수록 또는 그 곡선을 나타내는데 보다 정확성이 요구될수록, 물체를 기술하는데 필요한 삼각형의 수는 더욱 많아진다. 이 삼각형들은 내부표면과 외부표면을 모두 포함한다.
이런 식의 표현에서, 모든 삼각형의 꼭지점은 다른 삼각형의 꼭지점들과 교차해야 한다; 그러므로, 어떠한 삼각형이라도 다른 삼각형의 변(꼭지점 사이를 잇는 선)과 접촉하는 꼭지점을 갖지 않는다. 이렇게 함으로 인해(이후의 단계에서) 삼각형의 꼭지점이 라운딩(rounding)될 때 예기치 않게(삼각형들로 표시된) 표면에 구멍이 생기는 일이 없게 된다.
제33도는 본 발명의 특징을 구현한 스테레오리소그래픽 시스템에서 전체적 데이타 흐름, 데이타 조작 및 데이타 관리를 보다 상세히 묘사한 소프트웨어 구조 흐름도이다.
CAD 데이타 화일에서, 삼각형은 4개의 세트에 의해 표시되고 각 세트는 3개의 숫자로 구성된다. 처음 3개의 숫자 세트는 각각 3차원 공간상의 삼각형의 꼭지점을 나타낸다. 4번째 세트는 삼각형이 이루는 평면에 수직인 법선 벡터의 좌표를 나타낸다. 이 법선 벡터는 원점에서 출발하여 STL 화일에 규정된 좌표점을 가리키고 있는 것으로 간주된다. 관례적으로 이 법선 벡터는 또한 단위 길이(즉, 1 CAD 단위)이다. 법선 벡터는 두가지 방향중 어느쪽이라도 가리킬 수 있지만, 관례에 따라 본 발명자가 선택한 방향은 중실부로부터 중공부로(from solid to hollow) 향하는 방향이다.(즉, 삼각형이 둘러싸고 있는 물체의 중실의 내부로부터 멀어지는 방향이다.) 또한 각 삼각형은 속성 지정(attribute designation)과도 관련되어 있다.
제19(a)도는 중실 입방체(solid cube)의 패싯분할된 스케치이다. 제19(b)도는 중공 입방체의 패싯분할된 스케치이다. 제19(c)도는 중실 팔각주(solid octagon shaped cylinder)의 패싯분할된 스케치이다.
STL 화일을 스케일링할 때, 정수의 처리에 근거를 두고 3차원 벡터에서 2차원 벡터로의 변환을 해 주는 슬라이싱 프로그램인 슬라이스(SLICE)에 대한 고려가 필요하다. 물체 칫수를 표시하는데 쓰이는 CAD 단위 따라서 STL 화일은 임의로 정할수 있다. CAD 단위를 비트[1비트는 약 0.3밀(mil)] 단위로 분할하기 위해서 축척 계수가 사용되며, 이로써 슬라이스 작업은 설계 단위가 아닌 비트 단위에 근거하여 수행된다. 이것은 원래의 설계 단위에 관계없이, 물체를 제작할 때 해상도를 최대화시킬 수 있는 능력을 제공한다. 예를 들면, 인치 단위로 설계된 부품은 1인치의 최대 해상도를 갖지만 만일 이것을 축척계수 1000이나 혹은 10000으로 곱한다면 해상도는 0.001인치(밀; mils) 또는 0.0001인치(1밀의 1/10)까지 향상된다.
삼각형의 모든 꼭지점은 3차원 모두에서 가장 가까운 비트로 라운드된다; 그러므로, 물체의 치수는 양자화된다. 이것은 축척계수(scale factor) 1000으로 인치단위로 설계된 부품이라면 그 삼각형의 꼭지점은 가장 가까운 수치의 밀로 라운드된다는 것을 의미한다.
만일 물체의 표면을 구성하는 어떤 삼각형의 크기와 방향이, 그 꼭지점들이 개개의 비트로 분해되지 않아서(not resolved as individual bits) 한 점이나 한 선으로 붕괴된다면(collapse to a single points or a line), 이들은 이후의 처리에서 무시된다. 붕괴된 삼각형은 삼각형 패싯분할된 물체 표면에서 불연속점(dis continuities)(즉 구멍)을 만들지 못하며, 또한 붕괴된 삼각형의 영역을 채울 때 왜곡된 삼각형의 중첩도 전혀 초래하지 않는다. 붕괴된 삼각형을 만들어내지 않는 삼각형 꼭지점의 라운딩은 물체의 표면에서 불연속점(구멍)을 만들지 못하지만, 삼각형의 섹션의 중첩을 초래할 수 있으며, 삼각형의 법선이 새로운 사분원(quadrants)을 향하게(방향이 180°까지 변화할 수 있다) 변화시킬 수 있다. 이것은 반드시 문제를 일으키는 것은 아니지만, 차후의 처리에 있어서는 고려할 필요가 있으며, 특히 경계선 벡터 및 크로스 해치 벡터를 만들 때 더욱 그러하다. 삼각형의 중첩은 벽의 두께나 중공부가 1비트보다 얇은 경우에도 발생한다. 이러한 문제들은 임의로 작은 비트의 크기를 선택하여 사용하거나 또는 모든 삼각형이 일정한 최소 크기를 넘어야만 한다는 조건을 줌으로써 방지할 수 있다.
제20(a)도는 격자화 공간(2차원)에서 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시하고 있다. 제20(b)도 내지 제20(d)도는 축척 1-축척 4-축적 10으로 삼각형을 라운딩한 후의 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시하고 있다. 제20(e)도와 제20(f)도는 삼각형의 중첩이 발생하게 되는 삼각형의 라운딩 후의 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시하고 있다.
삼각형 꼭지점은 2차로 라운딩되는데, 이는 삼각형 꼭기점을 가장 가까운 슬라이싱 층으로 수직방향으로 라운딩 하는 것이다. 이 라운딩 프로세스는 부품에서 수직 왜곡을 일으키며, 작은 형상이 확대되거나 붕괴되어 버리는 일까지 초래한다. 수직 크기에서의 최대 해상도가 한 층 두께이므로, 이것은 반드시 심각한 문제를 일으키지는 않을 수도 있다. 중요한 형상을 포함하고 있는 영역은 왜곡을 최소화하도록 더욱 얇은 층으로 슬라이스할 수 있다.
삼각형의 꼭지점을 라운딩하면 이 꼭지점들이 원래 STL 파일에서 가지고 있던 위치 값 그대로 유지되게 하는 경우에 비해 몇가지 장점이 생긴다. 만일 꼭지점이 라운딩되면 모든 수평 삼각형은 슬라이싱 층으로 이동된다. 그러므로, 편평 스킨이 만들어지면(수평 삼각형으로부터 유도되면) 스킨은 특정 층에서의 경계선에 아주 잘 들어맞게 된다. 그리고, 물체의 벽들 사이의 크로스 해칭은 보다 정확하게 배치될 것이다. 크로스 해칭은 해치경로가 경계와 교차하면 해칭을 온 또는 오프시킬 것을 결정하는 방식에 근거를 두고 있다. 만일 어떤 해치 경로가 꼭지점과 마주친다면 해치를 온시킬 것인지 오프시킬 것이지를 정확하게 결정하기가 어렵다. 꼭지점을 라운딩시키면, 슬라이스(SLICE)는 꼭지점이 정확히 어디에 있는지(수직 차원에서)를 알고, 따라서 경계(해치 발생 과정에서 사용된다)를 발생시킬 때 이 점을 피하는 일이 가능하다.
꼭지점을 슬라이싱층으로 라운딩시키면 가장 가까운 축척 비트에 라운딩시키는 경우에 비하여 삼각형의 중첩이 초래될 가능성이 보다 크다. 그리고, 어떤 슬라이싱 방식에서는 부품이 완성되었을 때 최선의 수직 치수를 가지도록 슬라이싱 층에서 1비트 떨어진 곳에 벡터를 발생시켜야 한다. 이러한 방식들은 본 명세서에 있어서 앞으로도 보다 상세히 논의되고 있다. 슬라이싱 축척에 기인한 라운딩과는 달리, 슬라이싱 층에 꼭지점을 라운딩시키는데 관련된 문제점들은 임의의 작은 슬라이싱 층을 사용하거나 또는 삼각형의 최소 크기를 제한함으로써 해결할 수 없다. 문제를 최소화시킬 수 있는 가능한 방법 하나는 삼각형의 최대 치수를 1층두께가 약간 넘는 값으로 제한하는 일이다. 이것은 중첩하는 표면의 수를 줄이는데 사용될 수도 있다. 제안된 해칭 알고리즘을 사용하면 중첩하는 삼각형이 생기는 영역을 일관되고 신뢰성있는 방식으로 다룰 수 있다.
제21(a)도는 축척 계수(scale factor)를 근거로 하여 삼각형을 라운딩시킨 후의 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시하고 있다. 제21(b)도는 삼각형을 슬라이싱층-층두께는 20밀-에 맞추어 수직방향으로 라운딩한 후의 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시한다. 제21(c)도는 삼각형을 슬라이싱-층두께는 5밀-에 맞추어 수직방향으로 라운딩한 후의 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시한다.
어떤 물체가 층으로 슬라이스될 때, 각각 다른 영역에서 필요한 수직 해상도에 따라서 층간의 수직 거리를 다르게 할 수 있다. 층두께의 선택에는 세가지의 서로 다른 사항이 고려되는데, 이는 1) 소기의 해상도, 2) 해당 층에서 요구되는 구조 강도(structural strength), 그리고 3) 물체의 구축에 소비할 수 있는 시간이다. 이 요인들은 각각 층 두께의 영향을 받는다.
우선 항목 1)의 해상도는 영향을 받는다는 사실이 가장 자명한 항목이다. 수직 형상의 해상도는 층두께에 반비례한다. 항목 2)의 구조 강도는 경화 두께에 비례하는데, 경화 두께는 일반적으로 층 두께에, 어떤 상수값 또는 층두께의 일정한 비율을 더해준 값을 기본으로 한다.
층간의 접착이 충분한 경우라고 해도, 층이 얇아질수록 층의 구조강도로 인한 문제가 발생할 수 있다. 이 문제의 해결을 위한 접근방식 하나는 각 층에 있어서 양호한 접착에 필요한 것 이상의 두께로 경화를 시키는 방식에 근거한다. 이것은 대다수의 경우에 효과가 있지만, 그럼에도 불구하고 몇몇 경우에는 경화 두께가 두꺼워짐으로 인해 설계된 부품과 실제로 제작된 부품 사이에 바람직하지 못한 구조적 차이가 초래될 수 있다는 문제가 존재한다.
이 문제를 최소화하는 또 다른 방법은 부품을 서로 다른 층두께를 각각 사용하여 슬라이스될 수 있는 별개의 물체로 취급하여 설계하는 것이다. 항목 2)는 층두께를 감소시킬 때 가끔 문제가 되지만 반드시 문제가 되는 것은 아니다.
항목 3)은 층두께가 감소될 때 문제가 될 수도 있고 안될 수도 있다. 소정의 부품을 제작하는데 소요되는 시간은 세가지 과제에 의해 결정되는데, 즉 레이저 스캐닝 시간, 액체 정착(settling)시간, 그리고 소정의 두께 당 층의 개수이다. 층두께가 감소할수록 액체 정착시간은 길어지며, 단위 두께당 층의 개수는 늘어나고, 그리는데 소요되는 시간은 짧아진다. 반면, 층두께가 증가하면, 정착시간은 짧아지고, 단위 두께당 층의 개수는 줄어들며, 그리는데 소요되는 시간은 길어진다.
이들 세가지 과제는 서로간에 영향을 주어 균형을 이루므로 두꺼운 층이라면 부품구축 시간이 길고, 얇은 층이라도 부품구축 시간이 길며, 중간정도 두께의 층이라면 부품구축 시간이 짧아진다.
제22(a)도는 슬라이스될 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시한다. 제22(b)도는 20밀의 층으로 슬라이스되는 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시한다. 제22(c)도는 제5밀에서 20밀까지의 가변 층두께로 슬라이스되는 패싯분할된 CAD 설계 물체를 도시한다.
부품 제작시에, 층의 모서리(edge)와 형상을 형성하는데 사용될 수 있는 경계에는 몇가지 종류가 있다. 이 경계선에는 층 경계(layer boundary), 하향 편평 스킨 경계(down facing flat skin boundary), 상향 편평 스킨 경계(up facing flat skin boundary), 하향 근사 편평 스킨 경계(down facing near-flat skin boundary), 및 상향 근사 편평 스킨 경계(up facing near-flat skin boundary)가 포함된다. 본 발명의 설명중 이 부분에서는, 단지 층 경계의 발생만을 다루기로 하고, 나머지 종류의 경계는 차후의 논의로 미룬다.
삼각형은 축척 비트와 층에 따라 라운딩된 후에 3개의 주요 그룹으로 분류된다:즉 스캔 삼각형, 근사 편평 삼각형, 그리고 편평 삼각형이다. 편평 삼각형은 세개의 꼭지점이 모두 동일한 층 상에 있는 것을 말한다. 근사 편평 삼각형은 그 법선벡터가 수직선으로부터 어떤 최소 각도내에 있는 것을 말한다. 그 나머지 삼각형, 즉 법선 벡터가 수직으로부터 최소각도의 범위 밖에 있는 것들은 모두 스캔 삼각형이다.
층 경계는 스캔 삼각형과 근사 편평 삼각형이, 슬라이싱 층에서 약간 오프셋된 수직 레벨상에서 물체와 교차하는 수평 평면과 교차하는 선에 생긴다. 상기 임의의 층에서 약간 수직방향으로 떨어져 있는 곳에 있는 각 스캔 삼각형 및 근사 편평 삼각형은 층 경계의 일부를 구성할 하나의 벡터를 만드는데 사용될 것이다. 각 삼각형은 소정의 층과 교차하는 점을 두개 가질 것이며, 이중 한 점은 벡터의 시점(starting point)으로서 사용되고, 다른 한 점은 벡터의 종점(ending point)으로서 사용될 것이다. 삼각형들은 형성될 물체의 주위를 완전히 둘러싸는 외표면 및 내표면을 구성하므로, 층 주위에 완전한 경계를 만들어줄 벡터가 형성된다.
층 경계 벡터의 발생후에, 모든 퇴화(degenerate) 벡터는 제거되어야 한다. 삼각형 꼭지점은 바로 슬라이싱 층상에 있으므로, 이 점벡터들은 교차하는 삼각형 꼭지점으로부터 생긴 것이 아니다. 그러나 이 점벡터들은 벡터가 도출되는 수직 레벨에서 비교적 좁은 삼각형(triangles that are relatively narrow at the vertical level at which the vectors were derived)으로부터 발생되는데, 벡터의 시점과 종점이 같은 점으로 라운딩될 만큼 매우 좁다. 상황에 따라서는 벡터들이 종점뿐 아니라 그 이상 겹칠 수 있다는 점에 유의하여야 한다. 이에 따라 적절히 조작되지 않으면 차후 과정에서 문제가 야기될 수 있다.
제23(a)도는 층과 삼각형간의 교차부, 및 이 교차부에서 발생되는 벡터의 측면도이다. 제23(b)도는 점벡터를 포함하는 발생된 벡터, 오프셋, 슬라이싱층, 목적물의 패싯화된 섹션(facted section)의 측면도이다.
경계 벡터가 슬라이싱층과 삼각형과의 교차부 상에 발생되어야 하는 것처럼 보이지만 이것은 여러 문제점들을 야기시키고, 이 문제점들은 슬라이싱층 약간 위나 아래에 있는 수평면과 삼각형의 교차부에서 경계 벡터를 발생시킴으로써 용이하게 해결될 수 있다. 슬라이싱층으로부터 약간 오프셋시켜서 경계 벡터를 발생시킨다는 개념은 몇몇 사소한 문제점을 야기하지만 이 문제점들은 오프셋을 임의로 작게 하면 무시할수 있을 정도로 된다. 바람직한 오프셋은 실제층 레벨로부터 1축척 비트 떨어진 것이다. 예시적으로 (제1방식) 슬라이싱층 위 1비트 오프셋에 대해 고찰하도록 한다. 다음은 예시적인 것이다.
부품 설계 단위:인치
슬라이스 축척 계수:1000
층 간격:20
CAD 공간에서 부품의 수직 위치:1.000에서 1.100인치
층의 위치(스케일된 단위):
1000, 1020, 1040
1060, 1080, 1100
경계 벡터를 결정하기 위한 교차면(intersecting plane)의 위치(스케일된 단위):
1001, 1021, 1041
1061, 1081, 1101
경계 벡터와 관련된 층지정(layer designations):
1000, 1020, 1040
1060, 1080
주(註):원 목적물의 높이는 100밀(mils)이다. 슬라이스(SLICE)에 의해 슬라이싱층 상에서 경계 벡터를 얻는다면, (각 20밀 간격으로 구축되는) 6개층으로된 120밀의 목적물을 형성하지만, 슬라이싱 층위의 1비트에서 슬라이스되었기 때문에, 결국 5개층(각 20밀 간격으로 구축됨)만으로 된 100밀의 목적물을 형성하게 된다.
경계 벡터를 얻을 때 수직 오프셋을 두는 것에 의해 잠재적인 문제가 발생된다. 특정층에서 부품이 거의 수평인 경계를 가지는 경우 슬라이스(SLICE)가 해당층 1비트위에서 경계 벡터를 얻는다면 그것들은 정확히 슬라이싱 레벨에서 얻어질 경계 벡터와는 상당히 다를수 있다. 부품 면적에 비해 1비트 오프셋을 매우 작게 만듬으로써 이 문제점은 최소화될 수 있다. 이것이 1비트 오프셋이 선호되는 이유이다.
전술한 오프셋은 여러 잠재적인 난점들을 피할 수 있게 해준다. 첫째는 전술한 바와 같이 하지 않는 경우 목적물의 수직 치수가 왜곡된다는 점이다. 이 왜곡에는 몇가지 형태가 있을 수 있는데, 이는 부품의 높이가 한층만큼 실제보다 높아지는 것이나, 모든 수직 개구부(vertical openings)의 바닥이 부품의 바닥에 비해 한층만큼 실제보다 높아지는 것과, 모든 개구부가 원하는 바보다 한층 낮아지는 것이다. 이 왜곡들을 요약하자면 모든 상향 형상(up facing features)이 모든 하향 형상(down-facing features)에 대해 한 층만큼 실제보다 높아진다.
두번째 문제는 오배치된(misplaced) 크로스-해치 벡터(SLICE의 해칭-알고리즘중 하나를 사용하여 발생된 것)에 관한 것이다. 이것은 두가지 형태로 나타난다. 하나는 상향 편평 스킨을 유지하는 크로스 해치를 발생하는데 있어서 일관성이 없는 것(lack of consistency)이고, 두번째는 목적물내의 중공(空洞)부를 관통하는 빗나간(stray) 크로스 해칭 벡터를 그리는 것 및/또는 물체 벽 내부에서 벗어난 크로스-해칭이다.
제23(c)도는 내부 형상(창)을 가진 CAD 설계 물체의 라운딩 후의 측면도를 예시한다. 제23(d)도는 슬라이싱층에서 경계 벡터를 얻어서 동일 물체를 구축한 후의 측면도이다. 제23(e)도는 슬라이싱층 1비트 위에서 경계 벡터를 얻어서 동일 물체를 구축한 후의 측면도이다.
크로스해치의 발생을 위한 두 데이타 처리 과정 알고리즘(data manipulation process algorithm)이 본 발명의 실시에서 특히 유용함이 밝혀졌다. 제1알고리즘은 층 경계 벡터와 교차할 때마다 크로스-해치를 온-오프 스위칭하는 것에 기초를 두고 있다. 제2알고리즘은 목적물의 중실 부분을 인식하는데 기초를 두고 따라서 법선벡터가 지시하는 방향을 기초로 크로스해칭이 배치되야하는 곳을 인식하는데 기초를 둔 것이다.
이 시점에서, 크로스해치를 구현하기 위한 두개의 선택 사양(potions)에 따라 크로스해치의 세가지 유형을 규정하겠다. 해치의 유형은 1) X축과 평행인 해치 2) Y축과 평행인 해치 3) X축에 대해 60도와 120도인 해치이다.
슬라이스 축척 계수가 주어지면, 해치벡터 사이의 간격은 -Hx, -Hy, -Ha, -MIA 파라미터에 대한 슬라이스 명령라인(command line)에서 지정된 비트수에 기초를 두고, 상기 파라미터는 다음과 같이 규정된다:
“X”축에 평행인 해치 벡터사이의 간격-선택사양=-Hx(숫자).
“Y”축에 평행인 해치 벡터사이의 해치 벡터와 “X”축에 120도인 선과 평행인 벡터 사이의 간격-선택사양=-Ha(숫자).
크로스해치와 이에 접촉하는 경계 벡터 사이의 허용된 최소 교차각(intersecting angle)-선택사양=-MIA(숫자).
해치 벡터를 구현하는 방법은 1) 발생된 해치를 모두 구현하거나 2) 슬라이스 명령-MIADP 지정된 것보다 더 큰 각도로 양쪽 경계를 교차하는 해치 벡터만을 구현하는 것이다. MIA 선택사양을 이용하여 휘말림이 일어나기 쉬운(prone to curl) 물체의 경우에 유리한 근사-방사상의(near-radial)(경계선와 거의 수직인) 크로스-해치를 발생할 수 있다.
해치경로의 위치는 스케일된 CAD 공간에 고정되 있다. 이것이 참이기 위해서는, 각 방향에 대한 1개의 해치경로는 고정되어 있고 다른 해치 경로들은 “H”선택사양에서 지정된 비트수만큼 첫번째것과 떨어져 있어야 한다. 이 고정된 해치 경로는 원점을 통과하는 해치 방향과 평행한 경로이다. 이것은 모든 해치 벡터들이 이전층의 해치경로 위에 놓인다는 것을 의미한다; 따라서, 부품이 CAD 공간에서 어디에서 설계되는지는 중요하지 않고, 해치는 해치위에 형성될 것이다. 이것은 근접 방사상 크로스해치에 대해 특히 더 중요하다. 근접 방사상의 크로스해치는 그 정의상 상부층의 해치에 대한 서포트로서 사용될 수 있는 수직(perpendicular) 해치를 상당히 결하고 있다.
전술한 과정이 잘 동작하지만, 해치경로가 두 벡터의 교차점(junction)에서 경계와 교차할 경우에는 해칭할 곳을 결정하기가 어려울 수도 있다. 이 문제점은 때 때로 해칭하여야 하는 영역에서 해칭하지 않거나(부품 약화의 원인) 해칭이 있어서는 안되는 중공 영역에서 해칭[빗나간(stray vector)로 알려져 있음] 하는 것으로 나타난다. 해치의 오배치를 최소화하기 위해, 짝수개의 경계 교차점이 해칭 경로상에서 만알 경우만 해치를 그리도록 하는 특징을 알고리즘에 부가하는 것이 가능한데 이에 의해 알고리즘은 홀수이면 마지막 교차점을 무시한다(해치가 개시되어 공간밖까지 연장되지 않도록). 해치벡터의 오배치나 미배치(non-placement)를 최소화하기 위해 알고리즘을 부가될 또 다른 특징은 교차점의 결정에 사용된 각 경계 벡터의 기울기(XY 평면내)를 결정하는 것이다. 교점이 한번 이상 리스트 되었다면, 이에 관한 기울기는 그 점을 어떻게 해석할지 결정하기 위해 사용된다. 점이 기울기 부호(+ 또는 -)가 같은 두 벡터에서 도출되었다면, 그점은 경계로 간주된다. 기울기가 서로 반대부호이면 그점은 무시된다.
제2과정은 STL 화일에서 각 삼각형에 대해 제공되는 법선벡터의 사용에 기초를 둔다. 층 경계가 발생되었을 경우, 발생된 각 벡터는 슬라이싱층위 1비트 수평면을 교차하는 삼각형에서 유도된다.
각 경계 벡터는 시점(X,Y)와 종점(X,Y)으로 저장되고 각 벡터는 여섯 개의 속성과 관련되어 있다. 이 속성들은 벡터를 얻은 삼각형과 관련된 법선 벡터의 방향을 기술한다. 이 여섯 개의 속성들은 다음과 같다.
1) 법선벡터가 +x축으로 향하느냐?(참 또는 거짓)
2) 법선벡터가 -x축으로 향하느냐?
3) 법선벡터가 +y축으로 향하느냐?
4) 법선벡터가 -y축으로 향하느냐?
8) 법선벡터가 +z축으로 향하느냐?
6) 법선벡터가 -z축으로 향하느냐?
슬라이스(SLICE)가 해치벡터를 배치할 곳을 결정할 경우, 슬라이스는 여전히 경계벡터와 해치경로의 교점에서 결정을 수행하지만, 슬라이스 해칭을 개시시킬지 종료시킬지는 법선벡터가 중실부로 들어가는 방향인지 중실부로부터 나오는 방향인지에 기초를 둔다. 실제로 일어나는 일은 슬라이스(SLICE)가 각 경계벡터가 해칭선과 교차하는 점을 결정하고, 그것의 법선 정보와 함께 이 점을 목록에 넣는(put the point in a list)것이다. 이것은 각 해치 경로에 대해 각 경계 벡터에 대해 수행된다. 각 점은 해치가 같은 상태로 지속될지, 개시되어야 할지 종료되어야 할지 지시하기 위해 평가된다. 이 알고리즘의 본 활용은 STL 화일에서 제공된 원 법선에 기초하는 것이고 축척 비트와 슬라이싱 층에 대해 삼각형을 라운딩한 후 재계산된 법선에 기초하는 것이 아니다.
물론, 라운딩하는 동안, 몇몇 삼각형 법선은 4분면(quadrant)이 변할 수도 있고 심한 경우에는 180도 뒤집어질수도 있다. 따라서, 개선된 알고리즘은 라운딩후 법선을 재계산할 것이다. 실제로, 크로스해치는 법선의 X와 Y성분만 사용하고, 크로스-해치를 적절히 배치하기 위해, 슬라이스(SLICE)는 법선 벡터의 수평성분만을 재계산하면 되고 수직성분은 재평가할 필요가 없다. 수직성분의 재 계산은 그것을 사용한 벡터 유형에 어떻게 영향을 미칠지에 기초하여야 한다. 또한 해칭선이 중실부와 교차하는 것을 지시하는 법선벡터를 포함하는 경계를 만나면, 같은 점의 다른 법선 벡터들은 중공으로 진입하는 것을 나타내는지 여부에 관계없이 본 알고리즘은 해치를 개시시킨다. 해칭이 개시된 후에는, 중공으로 진입하는 것을 나타내는 법선 벡터만을 포함하는 경계점을 만날 때까지 계속된다. 그래서 본 알고리즘은 상호 모순된 정보를 포함한 경계를 만난 경우 해치를 유지시키는 쪽을 선호하는 것이다. 이 알고리즘은 전술한 것처럼 라운딩후 법선벡터를 재계산함으로써, 점이 한번이상 리스트된 경우 법선벡터에 의해 재시된 방향 부호의 대수적 총계를 취함으로써 개선될 수 있다. 총계가 0보다 적다면, 해칭은 개시되거나 계속된다; 총계가 0보다 크면 해칭은 종료되거나 중단된다; 총계가 0이면 해칭은 개시되었던 종료되었던 같은 상태를 유지한다. 해칭을 위한 점의 평가는 가장 작은 점에서 출발하여 소정의 해치 경로를 따라 더욱 더 큰 점쪽으로 진행한다는 것을 기억해야 한다.
제2알고리즘과 그 제안된 대안은 같은 공간상 중첩하는 별도의 물체가 동일한 STL 화일에 결합되어 있다면 해치 벡터의 오배치나 미배치의 원인이 될 수 있다. 이 상황은 물리적으로 불가능한 물체를 나타내는 것이므로, CAD 설계자는 STL 화일을 발생할 때 그런 상황을 피할 수 있어야 한다. 설계의 편의상, 물체가 중첩되는 것이 편리하다면, 목적물을 별개의 STL 화일로 배치하여 따로따로 슬라이스하여야 한다. CAD 공간에서 형상 또는 중공의 치수에 의해 벡터들이 붕괴된다면(축척 또는 층 두께의 선택에 기인함) 본 알고리즘과 제안된 알고리즘은 벡터의 오배치의 원인이 될 수 있고, 따라서 물체의 몇몇 영역에서 이중 스킨을 형성한다. 이 두 알고리즘에서 오배치된 해치벡터가 형성되는 원인은 각각 다르다.
본 알고리즘은 경계벡터의 시점과 종점을 제외한 붕괴된 영역 전체거리에 해치를 오배치할 수 있다. 시점 및 종점에서는 종종 올바르게 되기도 한다. 그러나, 대안의 알고리즘에 의하면 경계 벡터의 시점과 종점을 제외하고는 붕괴 영역(collapsed region)을 따라 모든 점에 대해 적절한 결정을 한다. 시점 및 종점에서는 일부는 올바르게 되기도 한다. 따라서, 붕괴가 발생할 수 있는 영역을 가진 부품을 설계하지 않는 것이 바람직하지만, 이것이 불가능하다면, 대안의 알고리즘은 적어도 빗나간 벡터(stray vector)(앞서 언급한 자료에서)가 생길 가능성을 감소시킬 것이다. 본 알고리즘은 둘 이상의 경계 벡터가 만나는 접합점에서 해치선이 경계와 교차할 경우 해치벡터를 오배치할 수 있다. 그러나, 개선된 알고리즘은 이 상황에서 벡터를 오배치하지 않을 것이다.
세 알고리즘 모두 X 축만을 따라 크로스 해치를 구현한다. Y 축에 평행한 해치를 만들기 위해서는 부품을 90°회전하여 X 축에 따라 해치하고 역회전하면 된다. 60°와 120°해치를 만들기 위해서는, 물체를 각각 60°와 120°회전하여, 새로운 X 축에 따라 해치하여 원상태로 회전시키면 된다.
제24(a)도 내지 제24(k)도는 해치 경로가 결정되는 방법을 도시한 물체 단면부의 평면도이다. 제24(b)도는 X 해치로 채워진 물체의 평면도이다. 제24(c)도는 Y 해치로 채워진 물체의 평면도이다. 제24(d)도는 60/120 해치로 채워진 물체의 평면도이다. 제24(e)도는 그것의 중실 영역이 완전히 채워진 물체층의 평면도이다.
제24(f)도는 크로스-해치(X와 Y)로 적절히 채워진 물체의 한층을 나타낸 평면도이다. 제24(g)도는 제1알고리즘(X와 Y)으로 발생된 해치벡터와 경계 벡터의 층을 나타낸 VUDAUSE이다. 제24(h)도는 제2알고리즘(X와 Y)으로 발생된 해치벡터와 경계 벡터의 평면도이다. 제24(i)도는 제안된 알고리즘(X와 Y)으로 발생된 해치벡터와 경계벡터의 층을 나타낸 평면도이다. 제24(j)도와 제24(k)도는 다양한 MIA을 사용하여 해치된 물체의 단면을 나타낸 평면도이다. 제24(l)도는 경계의 개략도이다.
크로스-해치를 결정할 경우 경계가 고려되지 않아야 된다는 것을 나타내는 특수한 법선벡터를 사용하는 것도 가능하다. 이것은 0길이 법선벡터(0,0,0)일 수 있다. 이 법선벡터는 특정 삼각형이 일면의 중실부(one side bounding solid)와 다른 면의 빈 공간(one side bounding empty space)에 대해서 선호되는 방향이 없다는 것을 나타낸다. 이것은 많은 물체를 만드는 데 있어서 유용하지만, 그것을 언제 어떻게 구현할지는 결정하는데는 고려되어야 할 문제점들이 있다.
고려되어야 할 문제점은;
1) CAD 등에서 어떤 삼각형이 정삼각형(regular)이고 어떤 것이 아닌지 명시하는 방법
2) 폐루프를 형성하는 삼각형이 한가지 유형만인 것을 확인하는 방법.
3) 접선 추적(tangent following) 구현하는 방법(후술되는 선폭-빔 폭으로도 알려짐-보상을 설명하기 위한 벡터 오프셋팅).
4) 근사-편평 및 편평 경계와 관련된 해치가 여전히 사용되는가 기타 등등.
편평 스킨은 완전히 수평인 삼각형에서 발생한다. 수평 삼각형은 같은 층에 모든 세 꼭지점을 모두 가지는 것이다. 삼각형 꼭지점을 라운딩함으로써 원래 수평하지 않던 삼각형에서 편평한 삼각형을 만들어낼 수 있다. 편평 스킨을 형성하는 제1단계는 상향 삼각형(상향 법선)을 포함하는 그룹과 하향 삼각형을 포함하는 그룹의 두 그룹으로 분리시키는 것이다. 그다음 각 그룹의 삼각형은 그들이 속하는 층에 따라 정렬된다. 다음, 특정층에 속한 각 삼각형의 변은 상향 편평 스킨 또는 하향 편평 스킨에 대해 경계벡터로서 해석된다. 이 경계 벡터들은 스킨의 영역을 삼각형의 그룹으로 분할한다(tessellate). 다음 슬라이스(SLICE)는 모든 중복 경계 벡터(duplicate boundary vector)들을 제거한다. 이에 의해 스킨의 영역을 둘러싼 폐루프를 형성하는 편평 스킨 경계가 남게 된다. 그다음에 이 경계 벡터들은 층의 -Hfx 또는 -Hfy 선택 사양에 의해 지정된 비트수에 의해 수직으로 분리되는 매우 조밀한 간격의 크로스-해치[필(fill)] 벡터로 채워진다. 편평스킨에 대해 채우고(fill) 경계를 발생시키는 과정은 물체의 각층에 대해 상향과 하향 수평 삼각형 양쪽에 대해 반복된다.
편평 스킨 경계를 채우는 것은 앞선 언급한 크로스-해칭과 동일한 알고리즘에 기초를 둔다. 따라서 경계와 필라인(fill line)의 교점에서는 채우기를 개시하거나(turn on fill), 중단하거나(turn off fill) 또는 현상태를 지속하는가에 대한 결정이 요구된다. 무엇을 행할지에 대한 결정은 다시 홀수 짝수 개시/종료 상태나 각 경계 세그먼트(벡터)와 관련된 법선벡터의 방향의 고찰에 기초하게 된다. 이 법선들은 앞서 논의된 CAD 시스템에 의해 발생되고 삼각형과 관련된 법선과는 달리 슬라이스(SLICE)에 의해 발생되며 경계벡터와 관련되어 있다. 층 해칭에 대해, 각 벡터와 관련된 법선은 그것이 얻어졌던 삼각형으로부터 도출되는 한편, 각 편평삼각형과 관련된 법선벡터는 수직방향만 가리키므로 삼각형 내부나 외부를 지시하는 어떤 특성을 결정하는데 사용할 수 없다. 편평 스킨 경계에 대해 법선을 결정하는데 사용된 기법은 그룹으로 삼각형 경계를 구성한 세 벡터를 분석하는 것에 기초를 둔다. 이 기법에서는 벡터를 구성하는 꼭지점의 좌표를 삼각형 세번째 꼭지점의 좌표와 비교하여 어느쪽이 삼각형의 외부인지(벡터에 대해) 결정한다. 이 정보는 경계 벡터의 기울기와 함께 적절한 법선 방향을 결정하기에 충분하다. 이와 같은 과정은 삼각형 경계를 형성하는 각 세그먼트에 대해 수행된다. 그래서, 법선은 어떤 사분면을 지시하는지 나타내는 정보가 되고, 그 정보는 경계 세그먼트 데이타(시점과 종점)와 함께 저장된다. 이 과정은 모든, 편평 삼각형에 대해 반복된다. 이에 따라 소정의 층에서 소정의 스킨 유형에 대해 모든 중복 경계 벡터의 쌍이 제거된다. 필 벡터는 전술한 것과 같은 해치 벡터에 대한 알고리즘을 사용하여 계산할 수 있다.
스킨 필은 X 또는 Y 축에 항상 평행하므로 중공부 또는 중실부 중 어디로 입사하는지 나타내는지를 결정하기 위해서는 법선이 어느 사분면을 지시하는지를 아는 것으로 충분하다. 이 논리는 알고리즘이 같기 때문에 해치에 대해서도 적용된다. 그러나, 슬라이스(SLICE)가 60/120해치를 고려할 경우는 법선이 가리키는 사분면을 인지하는 것은 슬라이스가 중실부로 입사하는지 또는 중실부로부터 출사라는지 정확히 결정하기에는 충분하지 않다. 해칭이 60°또는 120°선을 따라 행해진 경우, 슬라이스(SLICE)는 부품이 시계반대 방향으로 60도 120도로 회전된 것으로 간주할 수 있다. 슬라이스(SLICE)가 축이 시계방향으로 60°에서 120°로 회전된 것으로 고려하여, 중실부 또는 중공부로 입사되는지를 결정하기 위해 X와 Y 법선 표시를 여전히 사용할 수 있다. 그러나, 이렇게 회전을 행함에 있어서, 슬라이스(SLICE)는 법선이 가리키는 새로운 사분면을 재계산하여야 하는 것을 잊어서는 안된다.
평면에 대해 필이 결정되는 것과 마찬가지로, 슬라이스(SLICE)는 필요하다면 크로스-해치를 결정할 수 있다.
제25(a)도는 편평삼각형의 꼭지점을 예시한다. 제25(b)도는 편평삼각형에서 유도된 편평 경계이다. 제25(c)도는 중복 벡터의 쌍이 제거된 편평 경계이다. 제25(d)도는 경계 벡터와 2차원 법선을 가진 편평 삼각형이다. 제25(e)도는 편평 삼각형 및 이와 관련된 벡터 목록이다.
스킨을 생성하는 개선된 기술은 STL 화일에서 제공된 대로의 삼각형 법선의 꼭지점 성분의 원래 방향에 기초를 둔다. 꼭지점으로 라운딩한 후 편평 표면의 변(edge) 상의 편평 삼각형이 접혀질(flip over) 경우에 문제가 발생한다. 이 문제점들이 발생하는 것은 스킨 경계 벡터(플립된 삼각형에서)에 관련된 세그먼트 법선이 스킨을 필요로 하는 영역으로부터 나오는 방향이 아니라 이 영역쪽을 가리키게 되기 때문이다. 이것은 또한 해치 또는 필 벡터의 오배치를 일으킬 수 있다.
제25(f)도는 편평 스킨 표면과 표면을 형성하는 삼각형의 평면도이다. 제25(g)도는 중복 벡터쌍이 제거된 편평 스킨 표면의 평면도로서, 여기에서 에지 삼각형 중 하나는 플립되어 있고, 이에 대한 법선이 어떻게 경계를 형성하는 다른 법선에 대해 반대 방향을 지시하는지 나타내고 있다.
이 문제점에는 두개의 가능한 해결책이 있다. 제1해결책은 법선부호 합계 해칭과정(normal-sign summation hatching process)에서 사용된 것과 비슷한 방법에 기초를 둔다. 편평 삼각형이 플립되었을 때 6개의 상황이 전개될 수 있다:
1) 플립된 삼각형은 단일 편평 표면을 형성한다.
2) 플립된 삼각형은 단일 및 이중(double) 편평 표면을 형성한다.
3) 플립된 삼각형은 이중 표면만을 형성한다.
4) 플립된 삼각형은 이중 및 삼중 표면을 형성한다.
5) 플립된 삼각형은 삼중 표면만을 형성한다.
6) 편평 삼각형간에 발생할 수 있는 다른 상황은 단일층으로 붕괴하는 형상과 관련되고 이에 따라 단일층상의 동일 영역을 커버하는 편평 상향과 하향 삼각형을 발생하게 한다. 이 상황들은 법선 부호 합계 해칭과정을 전개시키기 위해 사용된 상황과 매우 비슷하다. 유일한 차이는 그 면적이 중복하는 삼각형에 의해 커버되는 영역이 이차원인데 비해 중복하는 경계는 일차원이라는 것이다. 본질적으로, 층 해칭에 사용되는 합계 기법은 해치경로와 경계선의 교차부에서 순경계(net boundary)를 계산하는 반면, 스키닝(skinning) 기법은 유사 법선(like normals)을 가지는 영역의 합과 반대 법선(opposing normals)(상향과 하향)을 가지는 영역의 차에 기초하여 순법선(net normals)을 결정하는데 기초를 둔다. 그래서, 영역이 상향 스킨을 받는가 하향 스킨을 받는가 또는 스킨을 받지 않는가에 대한 결정은 그 영역의 순법선이 위, 아래를 지적하는가 또는 존재하지 않는가에 기초를 둔다. 이것이 작동하려면, 삼각형이 왜곡된 후에 법선들의 방향이 결정되어야 한다.
이 과정은 스킨의 특정 유형(상향 또는 하향)을 요구하는 형상(왜곡된)에 잘 들어맞는 스킨 경계 및 필이 생성되게 한다. 이 과정은 단일층(그려진 층이 아닌 발생된 층)상의 영역이 상향과 하향 스킨을 둘 다 요구할 수는 없다는 것에 근거한 것이다. 이것은 원천적으로 두께가 한층보다 더 작은 형상은 소멸될 수 있다는 것을 의미한다.
제2해결책은 중복 경계 벡터쌍이 제거된 후 컴퓨터 세그먼트 법선을 두번째로 계산하는데 기초를 둔다. 이 재계산은 어떤 폐경계 루프상의 세그먼트 법선은(삼각형으로부터) 처음 발생될 때 대부분은 정확하고 그 일부만 부정확하다는 가정, 또는 플립되지 않은 삼각형에서는 세그먼트 법선이 정확하고 다른 모든 세그먼트 법선들이 그것과 일치되도록 할 수 d lt다는 가정에 기초를 둔다. 이 재계산의 방법은 이하에서 상세히 설명될 벡터 정렬 과정(vector ordering process)에 기초를 둔다. 일단 벡터가 정렬되면, 모든 경계벡터(소정의 루프를 형성하는)와 그 세그먼트 법선의 벡터곱(cross product)은 소정의 폐루프에 대해 일관되게 상향 또는 하향이어야 한다. 이런 사실을 이식하고, 벡터곱들을 비교하면 비정상적인 세그먼트 법선을 뒤집을 수 있다.
상기 가정은 경계가 닫혀 있지 않다면, 또는 두개의 폐경계가 합쳐진다면 적용될 수 없다. 이하에서 가능한 스킨 배치의 목록과 알고리듬이 해당 스킨을 형성하는 방법이 함께 제시되어 있다:이중 표면-적절히 스킨된 영역(area skinned properly), 단일 표면-적절히 스킨된 영역, 단일/이중-하나 또는 양쪽 영역이 부적절하게 스킨되고 없어진 다른 영역을 스키닝할 가능성도 있음(possibly one or both areas improperly skinned along with the possibility of skinning missing other areas also), 삼중 표면-적절히 스킨된 영역, 및 이중/삼중 적절히 스킨된 영역. 따라서, 이 제2기법의 문제는 단일/이중 표면 한가지 뿐이다. 단일/이중 표면을 형성하는 가능성은 매우 작은데 이는 단일/이중 표면을 형성되는 상황은 두개의 삼각형 만이 그 상황에 관련되어 있고 플립되지 않은 삼각형이 플립된 삼각형보다 더 좁은 경우이기 때문이다.
남은 문제점을 더 감소시키기 위한 알고리즘 처리과정이 있다. 단일/이중 표면의 문제점은 중복부의 삭제후 슬라이스(SLICE)에는 두개의 교차하는 삼각형 모양 단일 표면만이 남게 되고, 그 단일 표면들은 두개의 벡터를 공유하고 두개의 벡터는 한 삼각형에 대해서 소정의 법선 또다른 삼각형에 대해서는 반대방향 법선을 필요로 한다. 경계 벡터가 교차할 때마다, 슬라이스(SLICE)는 교차부의 한쪽 면에서 소정의 세그먼트 법선을 필요로 하고 나머지 부분에서 반대방향 법선을 필요로 한다. 그 해결책은 교차부 경계선을 검출하여 교차하는 벡터들을 교차점을 종점으로 하는 벡터들로 나누고, 새로운 벡터를 재정렬하는 것에 근거를 둔다. 이 재정렬시 경계선이 교차되지 않도록 따라서 새 루프가 적절하게 일주되도록(traverse) 특별한 주의를 기울어야 한다. 이것은 또한 꼭지점에서 접하는(touch) 두 경계벅터에 대해서도 마찬가지이다. 교차(intersection)와 접촉(touching)은 같은 알고리즘 처리 과정으로 결정될 수 있다. 교차점에서 경계부(boundary)를 거쳐가도록 루프가 형성되지 않고 최후 벡터와 최소의 각도를 이루는 경계벡터로 진행하고, 완성되면 루프를 끝내도록 함으로써 루프를 형성할 수 있다. 제25(h)도는 단일/이중 표면을 형성하는 편평 삼각형의 접히기 전, 접혀진 후, 세그먼트 법선과 함께, 중복쌍 삭제 후, 벡터의 분리 후(splitting of vectors), 루프 결정후(두개)의 평면도이다.
물체를 만드는데 있어, 슬라이스(SLICE)는 물체가 중실부와 중공부를 가진 것으로 간주한다. 2경화 폭(two cure widths)보다 더 넓은 벽은 측면을 형성하고 경계 사이에 크로스-해치를 채워 넣음으로써 생성된다. 벽의 수직경사가 각 층 두께에 대해 1경화 폭보다 넓다면, 두 층상의 경계 벡터 사이에 갭이 형성될 것이다. 이 갭은 벽면 사이에서 액체가 배수되도록 한다. 경계 사이 갭의 문제점들은 근사-편평 스킨의 개념에 의해 해결된다. 근사-편평 스킨은 또한 수직 형상에서 수평 형상으로 천이의 문제점을 해결한다.
연속된 층의 경계 사이의 영역을 채우는 몇가지 방법이 있다. 필 벡터를 발생시키는 더욱 간단한 방법 중 하나는 근사 수평 스킨을 필요로 하는 영역이 수직선으로부터 소정 각도내의 법선을 갖는 삼각형에 의해서 표현되도록 실현하는데 기초를 둔다. 이 각은(MSA-최소표면각) 현재 조작자에 의해 지정되고, 연속하는 층(consecutive layers) 상에 그려진 두 경계 벡터가 더 이상 중첩되지 않는 각도에 기초를 둔다. 이 각은 또한 경계를 형성하는 세그먼트의 경화폭과 층 두께에 근거한다.
제26(a)도와 제26(b)도는 두 연속하는 층 상의 경계를 나타내는 측면도와 MSA의 결정을 위한 관련 변수이다. 제26(c)도는 근사-편평 스킨을 필요로 하는 부품(시험용 상자)이다.
각 삼각형을 분석하여 근사-편평 스킨에 대한 필요성을 결정할 수 있기 때문에, 슬라이스(SLICE)는 특정 삼각형을 처리하여 이 스킨에 대한 경계 벡터를 발생하도록 할 수 있다. 한 층에서 다음 층으로의 층 경계 사이의 차이에 근거하여 근사-편평 스킨을 전개하기는 어렵다. 또한, 적절한 근사-편평 필을 결정하기 위해서는, 슬라이싱층의 1비트 위 또는 아래가 아닌 슬라이싱층 바로 위의 근사-편평 삼각의 교차부에서 이 필(fill)이 생성되어야 한다. 모든 필 및 해치 벡터와 마찬가지로, 슬라이스(SLICE)는 경계-그 사이가 채워져야 하는-를 먼저 결정해야 한다. 일단 이 경계들이 결정되면, 이 필은 층 해치와 편평 스킨 필이 기초로 하는 알고리즘과 동일한 알고리듬에 기초를 두께 된다.
삼각형 꼭지점이 슬라이싱층 상에 놓이도록 함으로써, 슬라이스(SLICE)는, 두 층 사이의 필에 삼각형이 침범하는(affect) 경우, 삼각형은 각 층상에 놓이는(land on each layer) 또는 적어도 각 층과 교차하는 성분을 갖는 것을 보장한다. 삼각형이 두 층사이 영역을 침범하고 그 중 하나와만 교차하는 상황은 발생할 수 없다. 삼각형이 양쪽 층들과 교차하기 때문에, 슬라이스(SLICE)는 두 층과 삼각형의 교차부에서 두 벡터를 발생시킬 수 있다. 이 두 벡터는 사다리꼴의 또는 퇴화된 사다리꼴(degenerate trapezoid)(삼각형)의 두 대향하는 변을 이룬다.
제26(d)도는 두 층을 교차하여 두 경계 벡터를 형성하는 근사-편평 삼각형이다.
사다리꼴의 두 남은 변은 제1세그먼트의 종점으로부터 제2세그먼트의 종점까지 교차하지 않는 직선을 그어서 형성된다. 슬라이스(SLICE)가 특정 근사-편평 삼각형으로부터 2차원 경계를 (평면내에서) 형성하였고 경계는 스킨 및/또는 해치로 채워진다. 다음 단계는 어디가 사다리꼴의 외부이고 내부인지를 분명히 하기 위해 각 경계 벡터와 관련된 세그먼트 법선 벡터를 결정하는 것이다. 이 결정은 편평 스킨 경계에 대한 것과 매우 유사하다.
먼저, 사다리꼴을 발생한 근사-편평 삼각형 법선의 수직 성분을 이용하여 사다리꼴이 상향, 하향 근사-편평 스킨 중 어디에 속하는지 결정한다. 세그먼트 법선 벡터의 경사가 세그먼트 경사의 역수의 음수(negative reciprocal)이고 그 방향은 사다리꼴의 남은 두 점으로부터 멀어지는 방향이라는 점을 주의함으로써 각 사다리꼴 경계에 대한 세그먼트 법선을 계산할 수 있다. 세그먼트 법선에 대한 정보는 단지 세 축의 양 또는 음 방향으로의 성분을 가지는지 여부를 나타내는 6비트로서 기억된다는(계산 후) 것을 상기하여야 한다. 사다리꼴의 각 변에 대해 법선이 결정된다. 그 후 이 과정은 각 근사-편평 삼각형이 교차하는 각 층에 대해 반복된다.
이시점에서, 모든 퇴화된 경계 벡터들은 (몇몇 사다리꼴을 삼각형으로 변화시킨 점 벡터) 제거된다. 뒤이어서, 각 층에서 각 유형의 모든 중복 경계 벡터의 쌍이 제거된다. 중복 벡터를 제거한 후, 슬라이스(SLICE)에는 근사-편평 스킨의 완전한 경계 및 이와 관련된, 경계의 내부와 외부를 지시하는 세그먼트 법선이 남는다. 이제 이 경계들은 해칭 알고리즘 중 어느쪽에 의해서 채워도 된다. 발생된 근사-편평 해치 벡터들은 층 해치와 같은 특성을 갖고 근사-편평 스킨 필 벡터들은 편평 스킨 필과 같은 특성을 가진다. 근사-편평 스킨을 발생시킨 후 어디다 배치할지는 다음 섹션에서 논의하기로 한다.
제26(e)도 및 제26(f)도는 완성된 사다리꼴과 삼각형에 대한 근사-편평 경계 벡터의 평면도이다. 제26(g)도는 중복 벡터 쌍을 제거하기전의 근사-편평 스킨 사다리꼴 경계의 평면도이다. 제26(h)도는 중복 벡터의 제거후 근사-편평 스킨 경계의 평면도이다.
편평-스킨 경계 세그먼트 법선을 재계산하는데 관한 설명이 근사-편평 경계 세그먼트 법선에도 적용된다.
그러나, 편평 스킨과 마찬가지로, 근사-편평 스킨 필과 해치가 오배치될 수 있는 상황이 있다. 이 상황들은 사전에 설명한 편평 스킨에 관련한 설명과 같은 상황에서 발생한다. 편평 스킨에 관련하여 서술된 해결책들 또한 여기에도 적용될 수 있다. 그러나, 근사-편평 스킨이 편평스킨보다 문제점을 적게 가진다는 점에 주의해야 하는데 이는 다른 삼각형과 중첩되는 접혀진(flipped) 삼각형을 가질 확률이 훨씬 적기 때문이다.
경계 벡터들은 소정의 층과 교차하는 삼각형을 처리함으로써 생성된다. 이 삼각형의 처리는 어떤 순서라도 되고 따라서 경계 벡터를 어떤 순서로도 생산할 수 있다. 물체가 구축될 때 액체 표면을 가로질르는 레이저의 움직임은 유한한 시간동안 이루어진다. 이 유한 시간 동안 두가지 일이 발생한다:1) 측정될만한(measurable) 고체 물질을 만들어내지는 않지만 액체를 가볍게 경화시키고, 2) 경화되어야 할 지점에 레이저 광이 도달할 때쯤이면 벌써 새로운 점으로 이동하라는 명령을 받았을 수도 있고, 최소한 적절히 경화될 만큼의 시간 동안 이 첫번째 점에 머물지는 않을 것이다. 이 두가지 점을 고려할 때, 레이저광은 요구되는 것 이상으로 점핑하여서는 안된다(laer beam should not be jumping any more than it has to). 점핑을 피할수 없는 경우, 중공 부분보다 중실 부분 위로 점프하는 것이 더 낳다.
경계가 벡터의 폐루프를 형성하는 것을 기억해야 한다; 따라서, 한 벡터의 머리의 위치는 항상 다른 것의 꼬리에 해당될 것이다. 슬라이스(SLICE)가 경계 벡터를 꼬리로부터 머리로 그린다면, 벡터를 정렬함으로써 경계를 그릴 때 점프를 최소화할 수 있는데, 이 벡터의 정렬은 제1벡터를 뒤따르는 제2벡터의 꼬리가 제1벡터의 머리와 같은 점이고, 제3벡터의 꼬리가 제2벡터의 머리와 같은 점에 오도록 하는 것이다. 이것은 소정의 폐루프에 대해 계속된다. 빔이 점프하여야 하는 때는 빔이 경계를 그리기 시작할 때, 빔이 새로운 루프를 그리기 시작할 때, 및 빔이 경계를 다 그렸을 때분이다. 상기의 설명은 모든 유형의 경계에 대한 재정렬에 모두 적용된다.
제27(a)도는 정렬되지 않았을 경우 경계 벡터를 그리기 위한 가능한 순서의 평면도이다. 제27(b)도는 정렬된 후 경계 벡터를 그린 평면도이다.
해치와 필 벡터는 경계와 해치 및 필 경로의 교점에서 결정함으로써 발생된다. 해치 또는 필 벡터의 발생후, 최적의 부품 구축 상태(parts building condition)(경계 벡터와 같이)를 달성할 수 있는 방식으로 정렬되어야 한다. 해치 벡터를 그릴 때, 레이저 광의 점프의 수와 길이는 최소화되어야 한다. 중공 영역 위의 점프는 최소화 되어야 하는 반면 중실 영역 위의 점프는 덜 중요하다. 또한, 한층 전체의 응력(stress)을 최소화하고 모든 영역에 고루 퍼지게 하여 국부적으로 쌓이지 않도록 응력이 발생되도록 하기 위해 해치 유형(X, Y, 60/120)은 그룹으로 그려져야 한다. 슬라이스(SLICE)는 점핑을 최소화하도록 해치와 필 벡터의 블럭을 작동하는 방법을 고려하여야 한다. 한가지 방법은 점핑 거리가 중실부 또는 중공 위인지에 상관없이 점핑 거리를 최소화하는 것이다. 이 방법에서는 다음과 같은 단계들이 포함된다.
1) 어떤 한개의 해치 벡터를 가지고 시작하여 그것의 꼬리와 머리를 정의하고 머리로부터 꼬리로 그리도록 규정한다.
2) 제1벡터의 머리에서 가장 가까운 점을 가진 남아 있는 해치 벡터를 찾는다.
3) 이 가장 가까운 점을 제2벡터(꼬리로부터 머리로 그려질 제2벡터)의 꼬리로 정의한다.
4) 제2벡터의 머리에서 가장 가까운 점을 가진 남은 벡터를 찾는다.
5) 이 가장 가까운 점을 제3벡터의 꼬리로 정의한다.
6) 모든 벡터들이 정렬될 때까지 이 과정을 계속한다.
이 과정에 의해 점핑거리가 최소화된다.(점프 횟수는 불변)
이것은 점핑거리를 최소화하는 합리적인 방법이지만 벡터를 정렬하는 방법으로는 비교적 느린 방법일 것이다. 이 알고리즘 처리 과정은 중실부 또는 중공 영역 위의 점핑을 구별하지 않고 중공의 갭이 한 벡터의 종점과 이웃 벡터(다음의 도면 참조)의 시점간의 거리보다 클 경우에만 중공 영역상의 점프를 최소화할 것이다.
제27(c)도는 한 벡터의 종점이 그 인접 벡터의 시점에 가장 가깝도록 간격이 있는 경계와 벡터의 평면도이다. 제27(d)도는 벡터의 종점이 인접 벡터가 아니라 중공 건너편의 벡터의 시점에서 더 가깝게 배치된 경계와 벡터의 평면도이다.
슬라이스(SLICE)에서 현재 해치와 필 벡터가 정렬된 방식은 상술한 것과는 완전히 다른 알고리즘에 의한 것이다. 본 알고리즘은 제1해치 또는 필 경로로부터 도출된 제1벡터를 그리고 뒤이어서 제2해치 또는 필 경로로부터 도출된 제1벡터를 그리는 것에 기초를 둔다. 이 과정은 모든 경로가 커버될 때까지 계속한다. 그 후 본 알고리듬이 다시 반복되는데 이번에는 각 경로에 대해 제2벡터를 찾고, 다시 제3벡터에 대해 반복하는 식으로 모든 벡터를 다루게 된다. 벡터는 점핑거리를 최소화하기 하나걸러씩 역순으로 작동된다. 이 알고리즘에 의해 점프가 최소화되고 발생된 점프는 대개 중공 영역이 아니라 중실 영역상에 오게 된다.
제27(e)도는 해치의 작동 순서를 도시하는 경계와 해치의 평면도이다.
여러 다른 알고리즘에 의해 해치와 필을 정렬할 수 있지만, 이중에서 하나만 더 설명하기로 한다. 이 알고리즘은 첫번째 알고리즘과 매우 비슷하지만, 한가지 차이점이 있다. 작동 순서(drawing order)를 계산하기 위해 매우 작은 해치 간격(hatch spacing)을 사용하지만 실제로는 벡터의 일부분만을 출력한다. 이 부분은 원하는 간격에 기초하여 또한 짝수개의 더미 벡터(even number of dummy vectors)를 건너뜀으로서 작동 순서가 적절하게 되도록 하는 것에 기초하는 것이다.
[제1 내지 제4방식]
스킨의 배치에 관해 네가지 방법이 검토되었다. 이 방법들은 제1방식 내지 제4방식으로 지정되었다. 제1방식 및 제2방식에 의해서는 어떤 일반적인 부품도 조립할 수 있다는 특성을 가진다; 따라서, 다음 층 상에 형성되는 고체 물질상에 부착될 수 있는 이전층 상의 고체 물질을 항상 가지는 특성을 가진다. 반면에, 제3방식과 제4방식은 현재 층의 고체 물질이 부착될 이전층 상의 고체 물질을 일관성 있게 얻을 수 있는 것이 아니기 때문에(due to inconsitency in the availability of solid material from the previous layer on which to attach solid material from the present layer) 일반적 부품을 만드는데 사용될 수 없다. 이 비일관성은 특정 요건을 만족시키는 부품에 대해서는 나타나지 않으므로, 제3방식과 제4방식은 몇몇 부류의 부품에 대해서는 유용하다.
제1방식과 제2방식을 중실부 영역이 X와 Y차원에 대해 약간 실제보다 커지고(slightly oversized) 중공 부위의 X와 Y차원에 대해 약간 실제보다 작아진(slightly undersized) 부품을 만들게 된다.
이 중실부 형상이 커지는 양은 형상을 형성하는 삼각형 법선의 수직각에 기초를 둔다. 삼각형 법선과 수직선 사이의 각도가 크면, 형상이 약간만 커지지만; 삼각형 법선과 수직선 사이의 각도가 작으면, 형상이 커지는 정도가 커진다.
반면에 제3방식과 제4방식은 중실부 영역이 X와 Y차원에 대해 약간 실제보다 작아지고 중공 부분이 X와 Y차원에 대해 약간 실제보다 커진 부품을 만들게 된다. 이 중실부 형상이 작아지는 양은 형상을 형성하는 삼각형 법선의 수직각에 기초를 둔다. 삼각형 법선과 수직선 사이의 각도가 크면, 형상이 약간만 작아지지만; 삼각형 법선과 수직선 사이의 각도가 작으면, 형상이 작아지는 정도가 커진다. 형상의 수평 분리(horizontal separation)와 작아진 양에 따라 어떤 조건하에서 제3방식과 제4방식이 더 이상 실제 부품을 만들 수 없는지 결정되고, 따라서, 제3방식과 제4방식이 어떤 CAD 설계 기준 아래 효과적으로 이용될 수 있는지 결정하게 된다.
제28(a)도는 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제28(b)도는 제1방식과 제2방식을 사용하여 조립된 같은 CAD 설계 물체의 측면도로서 CAD 물체의 윤곽선(perimeter)이 도시되어 있다. 제28(c)도는 제3방식과 제4방식을 사용하여 조립된 같은 CAD 설계 물체의 측면도로서 CAD 물체의 윤곽선(perimeter)이 도시되어 있다.
[제1방식(STYLE 1)]
층 경계 벡터들은 슬라이스층 1비트 위 평면과 주사 및 근사-편평 삼각형들의 교차부에서 얻어진다. 이 벡터들에 대한 법선들은, 경계들 사이의 차후 해칭에 대해 적절하다면(if appropriate for later hatching between boundaries) 그 벡터들이 도출된 삼각형으로부터 얻을 수 있다. 벡터를 1비트 위에서 얻는 것에 의해 상향과 하향 형상 사이의 수직 변위가 올바르게 된다. 또한 이에 따라 형상의 기하학적 관계가 아니라 스킨의 유형에만 기초하여 편평 상향, 편평 하향, 근사-편평 상향 및 근사-편평 하향 스킨을 일관되게 다룰 수 있다.
제29(a)도는 경계 벡터가 얻어지는 층 1비트 위 평면과 슬라이스 층을 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제29(b)도는 경계 벡터를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제29(c)도는 완전히 경화된 후 경계 벡터를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
층 해치 벡터는 층경계와 교차하는 해치선에서 얻어진다.
편평 스킨 경계 벡터는 1) 상향과 2) 하향의 두개의 카테고리로 나뉘어진다. 편평 스킨 경계는 수평 삼각형의 변(edges)에서 얻어진다. 이 경계 벡터에 대한 법선벡터는, 차후의 필링(filling) 또는 해칭에 대해 적절하다면, 삼각형의 내부와 외부영역을 고려하여 얻어진다. 중복되는 경계 벡터는 제거된다. 따라서, 경계들은 삼각형 경계로부터 스킨 필 영역을 둘러싸는 경계로 변환된다.
편평 스킨 해치 벡터는 편평 스킨 경계와 교차하는 해치선(hatch line)에서 얻어진다. 편평 스킨 해치는 현재는 사용되고 있지 않는데 이는 스킨이 적절한 층 상에 놓인 후에는 기본적으로 층 해치에 대해 리던던트(redundant)하기 때문이다. 그러나 필요에 따라 이용가능하다.
편평 스킨 필 벡터는 편평 스킨 경계와 교차하는 필 라인에서 얻어진다.
편평 상향 스킨과 관련된 벡터는 그 벡터가 도출된 층으로부터 1층 아래로 이동된다. 이것은 층경계와 해치가 슬라이싱층 1비트 위에서 얻어져서, 이 스킨하에는 층 경계 또는 해치가 없게 되기 때문이다. 실제로, 스킨의 이 이동은 경계의 위치(location) 때문은 아니지만, 스킨의 이 이동은 올바른 수직 치수를 갖는 부품을 만들기 위해 필요하고, 따라서 슬라이스(SLICE)는 일관된 방식으로 스킨이 이동하도록 하는 층경계가 도출된 위치를 선정한다.
제29(d)도는 생성된 층에서의 편평 스킨 경계를 도시하는 CAD 설계 물체의 측면도이다.
제29(e)도는 편평 스킨 경계를 생성될 층으로 이동시킨 후 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
근사-편평 스킨 경계들은 슬라이스층에서 수평면과 근사-편평 삼각형의 교차부에서 발생된다. 근사-편평 삼각형들은 그 법선과 수직선 사이의 각도가 몇몇 지정된 각보다 더 작은 법선에 의해 정의되는 것이다. 이 각은 경계의 특정 경화 폭(cure width)과 층간의 특정 두께가 주어진 경우, 연속한 층 상에서 근사-편평 삼각형으로부터 발생된 경계가 더 이상 중첩되지 않게 되는 시점에 기초를 둔다. 삼각형 꼭지점이 라운딩되므로, 슬라이스(SLICE)는 두층 사이에서 근사-편평 스킨이 필요한 경우, 그 영역에서 물체의 표면을 이루는 각 삼각형이 각 층에서 수평면과 교차하는 것을 확인한다(assure). 이 교차부는 근사-편평 스킨에 대해 경계 벡터 세그먼트를 발생시키기 위해 사용된다. 필요한 부가적인 두 세그먼트는 이 먼저의 두개의 끝을 연결함으로써 얻어진다. 차후 필 또는 해칭에 대해 적절하면 각 세그먼트에 대한 법선이 발생된다. 이 경계는 1) 상향, 2) 하향의 두 형태로 나누어진다. 중복되는 근사-편평 경계 벡터들은 점 벡터와 함께 제거된다.
근사-편평 스킨 해치 벡터는 근사-편평 스킨 경계와 교차하는 해치선에서 얻어진다. 근사-편평 스킨 해치는 현재 하향 스킨에 대해서는 쓰이지만 상향 스킨에 대해서는 쓰이지 않는다. 상향 스킨 해치는 근본적으로 층 해치에 대해 리던던트한 반면 하향 스킨 해치는 리던던트하지 않은데 이는 물체의 완전 층 두께 세그먼트(full layer thickness sections)를 발생하는데 사용되기 때문이다.
제29(f)도는 근사-편평 스킨 프레임을 생성된 위치에 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
근사-편평 스킨 필 벡터는 근사-편평 스킨 경계와 교차하는 필 경로에서 얻어진다.
상향 또는 하향인 층에 대해 근사-편평 스킨을 발생시킬 경우, 슬라이스(SLICE)는 위의 층과 현재 층을 비교한다. 이것은 근사-편평, 상향스킨이 층경계와 해치로부터 구축될 해치 벡터와 부품 경계 벡터(hatch vectors and partial boundary vectors on which to be built)를 항상 가진다는 것을 의미한다. 그러나 하향, 근사-편평 스킨이 생성될 기반이 없으므로(down-facing, near flat skin will have nothing to build on) 스킨을 지지하는데 완전한(full) 하향, 근사-편평 경계 및 해치가 필요하다. 또한 더욱 중요한 것은, 근사-편평, 하향 스킨 경계와 해치에 충분한 층 경화를 함으로써 일관되게 X와 Y 치수가 조금 더 큰 부품이 발생된다는 것이다(연마에 의해 적절한 크기의 부품이 되도록 표면을 매끄럽게 하는데 적절하다)
제29(g)도는 근사 편평 스킨 경계이 충분히 경화된 후(after they have been given full cure)를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제29(h)도는 경화된 후 층 경계와 근사-편평 경계의 중첩(superposition)을 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
근사-편평 스킨의 배치와 발생에 사용된 기법은 항상 현행 층이 부착될 고체 물질이 이전층 상에 있도록 하면서 수직 형상으로부터 수평 형상으로 점진적으로 천이하도록 하는 수단을 제공한다.
하향 편평 및 근사-편평 스킨 필은 모두 층의 천정(top)에 얇은 막으로 그려지지만, 종국에는, 하향 스킨 필의 작동 전에 액체 내에서 부품을 올려서(up dip) 천정이 아니라 층의 바닥에 필이 그려지도록 할 수도 있고, 이에 따라 하향 형상상의 필과 해치간의 리플(ripple)을 최소화할 수 있다.
제29(i)도는 모든 벡터의 중첩을 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
[제2방식(STYLE 2)]
제2방식은 제1방식과 똑같은 최종 결과를 낸다. 제한된 층두께로 부품을 구축하며, CAD 설계 물체의 최상의 복사물을 만들게 하는 수직 형상의 배치(Z차원)를 유지하는 한편, 부품은 X와 Y 치수면에서 약간 크게 된다. 제2방식의 해결방법은 제1방식과 반대이다. 이에 따라 정확한 크기의 부품을 만들기 위해 벡터가 필되고 얻어지는 방법이 달라지게 된다.
층 경계 벡터는 슬라이스층 1축척 비트 아래 수평면과 스캔 및 근사-편평 삼각형의 교차부에서 얻어진다. 이것은 하향 형상(스킨)이 그 위에 구축되는 층 해치 또는 층 경계를 가지지 않는 반면 상향 형상(스킨)이 그 위에 구축되는 층 해치와 경계를 둘다 갖는다는 것을 의미한다. 경계 사이의 차후의 해칭에 대해 적절하면, 이 경계 벡터에 대한 법선은 벡터를 발생시키는 삼각형에서 얻어진다. 슬라이스층 1비트 아래에서 경계를 얻으면 하향과 상향 형상 사이에서 수직 변위(displacement)을 보정(correct)할 수 있다. 또 이렇게 함으로써 슬라이스(SLICE)가 특성의 기하적 관계에 기초하지 않고 스킨의 유형에만 기초하여 네 유형의 스킨을 일관성 있게 다룰 수 있다.
층 해치 벡터는 층 경계와 교차하는 해치선에서 얻어진다.
편평 스킨 경계 벡터들은 1) 상향과 2) 하향의 두 종류로 구분된다. 편평-스킨 경계는 수평 삼각형의 변에서 얻어진다. 차후의 필링 또는 해칭에 적절하다면, 발생된 경계 벡터의 법선 벡터들은 삼각형 내부와 외부영역을 고려함으로써 얻어진다. 경계 벡터의 중복 쌍은 제거되고, 따라서 삼각형 경계에서 스킨 필 영역을 둘러싸는 경계로 변환된다.
편평 스킨 해치 벡터들은 편평 스킨 경계와 교차하는 해치선에서 얻어진다. 편평 스킨 해치는 슬라이스(SLICE)가 일단 스킨을 구축하려는 층으로 이동하면 얻을 수 있는 층 해치와 중복되므로 현재 불필요한 것으로 간주되지만, 필요에 따라 이용가능하다.
편평 스킨 필 벡터들은 편평 스킨 경계를 교차하는 필 경로로부터 얻어진다.
편평, 하향 스킨에 관련된 벡터들은 그것들이 도출되는 층으로부터 위로 이동한다. 이 이동은 CAD 설계 물체가 최상으로 수직 복제되도록(maintaining the best vertical duplication) 하기 위해서 일어나는 것이다. 슬라이스층 1비트 아래에서 경계를 얻는 이유도 이 이동과 관련 있다. 환언하면, 슬라이스층 1비트 아래에서 층경계를 얻음으로써, 슬라이스(SLICE)에서는 편평 하향 스킨의 아래에는 해치가 없도록 하고, 따라서 위로 이동할 수 있다. 이것은 또한 그 위에 상향, 편평 스킨을 구축할 수 있는 해치를 확실히 갖도록 한다.
근사-편평 스킨 경계는 제1방식과 꼭같은 방법으로 생성된다.
근사-편평 스킨 해치 벡터는 근사-편평 스킨 경계와 교차하는 해치선으로부터 얻어진다. 근사-편평 스킨 해치는 상향 스킨에 대해 요구되지만, 하향 스킨에 대해서는 요구되지 않는다. 하향 해치는 층 해치와 중복되는 한편 상향 해치는 그렇지 않는데 이는 새로운 영역에서 고체의 완전한 층 두께(full layer thickness of solid)를 생성하는데 이용되기 때문이다.
제30(a)도는 층경계 벡터의 발생을 위한 슬라이스층과 1비트 아래 평면의 위치를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제30(b)도는 층 경계 벡터를 발생된 위치에서 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제30(c)도는 충분히 경화된 층 경계를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
근사-편평 스킨 필 벡터는 근사-편평 스킨 경계와 교차하는 필 라인으로부터 얻어진다.
한층에 대한 그사-편평 스킨을 생성할 경우, 상향이건 하향이건, 슬라이스(SLICE)는 현재층과 위 층을 비교한다(전술한 바와 같이, 이 비교는 위 또는 아래가 아니라 정확히 슬라이스층 상에서 이루어진다). 근사-편평, 상향 및 근사-편평, 하향 스킨 벡터들은 구축될 기반이 없으므로 서포트를 만나도록 위 또는 아래로 이동될 수 있고, 만일 슬라이스(SLICE)가 (서포트를 위해) 안전한 층두께의 물질을 구축하기 위해 근사-편평 경계와 해치를 이용한다면 이미 서포트를 갖지 않는 층으로 이동하거나 그런 층에 머무를 수 있다. CAD 설계에 대하여 물체의 크기와 형태가 일관되게 유지하려면 근사-편평 상향 스킨 벡터들이 한층 위로 이동되고 관련된 경계와 해치가 완전 층 경화(full later cure)되어야 한다. 부가적으로, 근사-편평, 하향 벡터는 위로 한층 이동되어야 하고, 따라서, 충해치가 있으므로 해치는 불필요하게 된다.
제30(d)도는 근사-편평 스킨 경계를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제30(e)도는 구축될 층으로 이동된 후 근사-편평 스킨 경계를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제30(f)도는 완전 경화 후 근사-편평 스킨 경계를 도시한 CAD 설계 물체인 측면도이다. 또한 이 경계가 이미 경화된 층 경계와 중첩되는 곳이 도시되어 있다. 제30(g)도는 층경계와 근사-편평 스킨 경계의 중첩을 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
벡터 도출 및 이와 관련된 배치에 사용되는 제2방식은 제1방식에 의한 주요 결과와 동일한 결과를 낸다:슬라이스(SLICE)는 항상 이전 층에 현재층이 부착될 고체 물질이 확실히 있도록 하면서 수직 구조에서 수평 구조로 점진적으로 천이하게 할 수 있다.
스킨 필의 4개의 모든 유형은 스킨 필이 놓일 층의 천정에 상당히 얇은(즉, 얕은) 필름으로 그려지지만, 결국 하향 스킨을 작도하기 전에 부품을 아마 조금(1층 이하로) 액체로부터 들어올려서, 필과 해치사이에서 리플을 최소화하기 위해 스킨이 층 바닥을 채우도록 할 것이다.
제30(h)도는 편평 스킨 경계를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제30(i)도는 구축될 층으로 이동된 편평 스킨 경계를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제30(j)도는 모든 벡터(층의 바닥에 그려지는 하향 스킨과 함께)의 중첩을 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
[제3방식과 제4방식]
제3방식 및 제4방식은 제1방식 및 제2방식과 매우 다르다:제1방식과 제2방식은 X와 Y차원에서 약간 실제보다 커진 물체를 구축하는데 사용되는데 반해, 제3방식과 제4방식은 X와 Y 차원에서 조금 실제보다 작아진 물체를 구축하는데 사용된다. 제1방식과 제2방식은 어떤 일반적 물체라도 조립할 수 있다; 반면에 제3방식과 제4방식은 수평과 작은 각도를 이루는 얇은 벽을 포함한 부품을 구축하려 하는 경우 문제가 생길 수 있다. 문제가 발생할 수 있는 상황은 층두께, 층레벨, 및 형상간의 기하학적관계 사이의 관계에 기초를 둔다. 제3방식과 제4방식이 성공적으로 물체를 구축할 수 있는 상황은 벡터 발생의 방법을 검토한후 더욱더 상세하게 검토하기로 한다. 제3방식과 제4방식은 각각 제1방식과 제2방식에서 사용된 벡터 유형의 조합으로부터 벡터를 도출해 낸다. 주:이하에서 제1방식과 제2방식에서 벡터 유형을 참조하는 설명은 그 벡터 유형이 도출된 층을 참조한다.(그것들이 그려지기 전에 이동된 층-이는 다를 수 있다-을 지시하는 것이 아니다)
[제3방식]
CAD 설계 물체제3방식(층 n)에 대한 층 경계는 제1방식(층 n)에서 층경계에 의해 둘러쌓인 영역에서, 제1방식(층 n)에서 층 경계에 의해 둘러쌓인 영역과 제1방식(층 n)의 상향 근사 편평 경계에 의해 둘러쌓인 영역의 교차부를 뺀 것이다. 제31(a)도는 슬라이스층과 층 경계를 얻는 위치를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제31(b)도는 완전 층 경화후 층 경계를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
층 해치 벡터들은 층경계와 교차하는 해치 경로에서 얻어진다.
제3방식(층 n)에 대한 근사-편평, 하향 경계는 제1방식에서 층 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n+1)과 제1방식에서 하향 근사-편평 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n)과의 교차부에 의해 둘러쌓인 영역을 에워싼다.
제31(c)도는 하향 근사-편평 경계가 얻어지는 위치를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제31(d)도는 (한층위) 하향 근사-편평 경계가 구축될 위치를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
근사-편평, 하향 해치와 필은 근사-편평, 하향 경계와 교차하는 해치와 필 경로에서 얻어진다. 근사-편평, 하향 해치는 층 해치와 중복되고 따라서 일반적으로 필요하지 않다. 근사-편평, 하향 벡터들은 구축되기 위해 한층위로 이동된다(층 n+1).
제3방식에 대한 상향, 근사-편평 경계는 제1방식의 층경계가 둘러싼 영역(층 n-1)과 제1방식에서 상향, 근사-편평 경계가 둘러싼 영역(층 n)과의 교차부에 의해 둘러쌓인 영역을 에워싼다.
제31(e)도는 상향 근사-편평 경계가 얻어지는 위치를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제31(f)도는 상향 근사-편평 경계를 구축될(한층 아래) 층으로 이동한 후 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
근사-편평, 상향 해치와 필은 근사-편평 상향 경계와 교차하는 해치와 필 경로에서 얻어진다. 근사-편평, 상향 해치는 층 해치와 중복되고 따라서 일반적으로 필요하지 않다. 근사-편평, 상향 벡터는 이전 층(층 n-1)으로 하향 이동된다.
제3방식에 대한 편평, 상향 스킨 경계는 제1방식에서 편평-상향 스킨 경계에 의해 포함된 영역으로부터 제1방식에서 근사-편평, 하향 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n-1)과 제1방식에서 편평 상향 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n)과의 교찹주를 뺀 것이다.
제31(g)도는 상향 편평 스킨 경계가 얻어지는 위치를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제31(h)도는 상향 편평 경계를 구축될(한층 아래) 층으로 이동한후 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
편평, 상향 해치와 필은 편평 상향 경계와 교차하는 해치와 필 경로로부터 발생된다. 편평, 상향 해치는 층해치와 중복되고 따라서, 일반적으로 필요하지 않다. 편평, 상향 스킨(층 n)에 관련된 벡터는 구축될 이전 층(층 n-1)으로 하향 이동된다.
제3방식에 대한 편평, 하향 경계는(층 n) 제1방식에서 편평 하향 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n)으로부터 제1방식에서 근사-편평, 상향 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n)과 제1방식에서 편평, 하향 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n)의 교차부를 뺀 것이다.
제31(i)도는 하향 편평 스킨 경계가 얻어지는(얻어지는 것과 같은 층상에 구축된) 위치를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
편평, 하향 해치와 필은 편평 하향 경계와 교차하는 해치와 필 경로로부터 얻어진다. 편평, 하향 해치는 층해치와 중복되고 따라서 일반적으로 필요하지 않다. 편평, 하향 스킨 벡터는 그것들이 얻어진 층( 층 n)상에 머문다.
제31(j)도는 적절한 경화 깊이까지 그려지고 모든 벡터가 중복된 CAD 설계 물체의 측면도이다(해치와 필이 항상 경계로부터 발생되는 것을 기억할 것).
[제4방식(STYLE 4)]
제4방식(층 n)에 대한 층경계는 제2방식의 층경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n)으로부터 제2방식에서 하향, 근사-편평 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n-1)과 제2방식에서 층 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n)의 교차부를 뺀 것이다.
제31(k)도는 슬라이스층과 층 경계가 얻어지는 위치를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제31(l)도는 완전 층 깊이 경화가 주어진 층경계를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
층 해치 벡터는 층 경계와 교차하는 해치경로에서 얻어진다.
제4방식에 대한 근사-편평, 하향 경계는 제2방식에서 층경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n+2)과 제2방식에서 하향 근사-편평 경계에 의해 얻어지는 영역(층 n)과의 교차부에 의해 둘러쌓인 영역을 에워싼다.
근사-편평, 하향 해치와 필은 근사-편평 하향 경계와 교차하는 해치와 필 경로로부터 얻어진다. 근사-편편, 하향 해치는 층 해치와 중복되므로 일반적으로 필요하지 않다. 근사-편평, 하향 벡터는 구축될 두층 위로(층 n+2) 이동된다.
제31(m)도는 하향 근사-편평 경계가 얻어지는 위치를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제31(n)도는 하향 근사-편평 경계를 구축될(두층위) 층으로 이동된 후 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
제4방식에 대한 근사-편평, 상향 경계는 제2방식에서 층 경계에 의해 둘러싸인 영역(층 n)과 제2방식에서 근사-편평, 상향 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n)의 교차부에 의해 둘러쌓인 영역을 에워싼다.
근사-편평, 상향 해치와 필은 근사-편평 상향 경계와 교차하는 해치와 필 경로로부터 얻어진다. 근사-편평, 상향 해치는 층해치와 중복되므로 일반적으로 필요하지 않다. 근사-편평, 상향 벡터는 이동되지 않지만, 그것들이 구축된(층 n) 경우 도출되었던 층 상에 남아 있다.
제4방식에 대한 편평, 상향 스킨 경계는 제2방식의 편평, 상향 스킨 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n)으로부터, 제2방식에서 근사-편평, 하향 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n-1)과 제2방식에서 편평, 상향 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n)의 교차부를 뺀 것이다.
제31(o)도는 상향 근사-편평 경계가 얻어지는 위치를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제31(p)도는 상향 편평 스킨 경계가 얻어지는(도출된 층에 구축된) 위치를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
편평, 상향 해치와 필은 편평, 상향 경계와 교차하는 해치와 필경로에서 발생된다. 편평, 상향 해치는 층 해치와 중복되므로 일반적으로 필요하지 않다. 편평, 상향 스킨(층 n)에 관련된 벡터는 그것들이 구축된 경우 그것들이 도출된 층에 남는다.
제4방식에 대한 편평, 하향 경계(층 n)는 제2방식에서 편평, 하향 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n)으로부터 제2방식에서 근사-편평, 상향 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n)과 제2방식에서 편평, 하향 경계에 의해 둘러쌓인 영역(층 n)의 교차부를 뺀 것이다.
제31(q)도는 하향 편평 스킨 경계가 얻어지는 위치를 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다. 제31(r)도는 하향 편평 경계를 구축될(한층위) 층으로 이동된 후 도시한 CAD 설계 물체의 측면도이다.
편평, 하향 해치와 필은 편평 하향 경계와 교차하는 해치와 필 경로에서 얻어진다. 편형, 하향 해치는 층해치와 중복되고 따라서, 일반적으로 필요하지 않다. 편형 하향 스킨 벡터는 발견된 곳에서(층 n+1) 위로 한층 이동된다.
제31(s)도는 적절한 경화 깊이까지 그려지고 모든 벡터가 wdcjq된 CAD 설계 물체의 측면도이다(해치와 필은 항상 경계로부터 발생되는 것을 기억할 것).
전술한 바와 같이, 제3방식과 제4방식은 일반적인 물체를 구축하는데 사용될 수 없지만, 특정 요건을 만족하는 물체를 구축하는 데는 유용할 수 있다. 제3방식과 제4방식이 특정 물체를 적절히 구축할 것을 확실히 하기 위해서는, 물체는 다음과 같은 기준에 따라 검토되어야 한다.
1) 적절한 층 두께를 사용하여, 각 슬라이스 층이 될 곳을 결정한다.
2) 구축되는 물체가 완전히(라운딩된) CAD 설계 스킨의 외피(envelope)내에 있도록 그린다.
3) 각 층에서 아래층에 부착될 수 없는 중요한 영역(critical areas)이 있는지 결정한다:만약 그런 영역이 있다면, 물체는 선택된 파라미터를 이용하여서는(층두께 및/또는 슬라이스층 레벨을) 구축될 수 없다. 만약 그런 영역이 존재하지 않으면, 물체는 구축될 수 있다.
제31(t)도는 특정 층두께로 구축될 수 있고 다른 두께로는 구축될 수 없는 곧고 기울어진 기둥(straight but slanter beams)의 측면도이다. 제31(u)도 내지 제31(v)도는 제3 및 제4방식의 서술에서 사용된 것과 비슷하지만 더 넓은 창과 다양한 층두께를 가지는 물체의 측면도이다.
[벡터의 오프셋팅]
경계 벡터가 작도되는 경우, 그것들은 물체를 소정의 깊이로 경화하지만 그것들은 또한 물체를 유한한 폭으로 경화한다. 경계 벡터들은 물체의 정확한 변에서 발생되기 때문에, 이 변들은 중공이어야 하는 영역내로 경화폭의 1/2정도 옮겨진다. 어떤 물체는 형상마다 두개의 변을 가지기 때문에, 이 팽창에 의해 각 형상의 단면에서 1경화폭만큼 증가되게 된다. 1경화폭은 10밀 내지 30밀이다. 이 과다 경화량은 어떤 형상에 대해서는 소정의 +/-5밀의 허용오차 이상의 왜곡의 원인이 된다. 이 크기 문제에 대한 해결책은 원 CAD 설계에서 구현될 수 있고, 바람직하게는 슬라이스(SLICE)에서 물체의 중실부 영역으로 모든 경계 벡터를 1/2경화 폭만큼 오프셋시킴으로서 구현될 수 있다. CAD 구현은 기능적이지만 자명하다(trivial); 따라서, 이하에서는 경계 벡터 오프셋팅의 슬라이스(SLICE) 구현에 대해서 설명하기로 한다.
제32(a)도 내지 제32(b)도는 경화 후 소기의 경계를 그린 CAD 설계 물체의 단면의 평면도이다.
오프셋팅하는 과정에서 요구되는 중요 단계는 다음과 같다.
A) 경계 벡터를 만든다. 각 경계 벡터에 대해 시점(Xs, Ys), 종점(Xe, Ye), 완전한 단위 길이 법선 정보(평면에서), 벡터 방정식을 저장한다. 선 방정식은 aX+bY=c로 특정된다.
B) 동일 방정식을 가진 벡터를 묶는다(group).(법선이 반대 방향이건 아니건)
1) 동일 방정식을 가진 어떤 벡터가 공간에서 중첩되는지를(overlap) 결정한다.
2) 중첩하는 것이 있다면, 그 벡터들을 다른 벡터와 완전히 중첩하는 것과 특정부분은 중첩하지 않는 것으로 구분한다. 이에 따라 벡터수가 증가한다. 다음은, 중첩하는 벡터를 처리하여 단일한 중첩하지 않는 벡터로 바꿀 수 있는지 결정한다. 중첩된 벡터는 벡터로 덮여진 영역에 대한 순(net)법선을 결정함으로써 처리된다. 순 법선의 결정에 의해 0순 법선, 또는 두개의 방향중 하나를 가리키는 단위길이 법선이 생기게 된다. 비-제로(non-zero) 순 법선이 결정되면, 중첩 벡터는 법선이 최종 방향을 가리키는 하나의 벡터로 간주된다. 후속 처리를 위해 이 벡터는 다른 비-중복 벡터와 함께 배치된다(placed in with other non-overlapping vectors). 제로 최종 법선이 결정되면, 중첩 벡터는 반대 방향의 법선을 가진 두개의 벡터로서 간주된다. 이 두 벡터는 후속 처리로부터 제거된다. 이에 따라 슬라이스(SLICE)에는 비-중첩 벡터에 의해 형성된 경계가 남게 된다.
3) 제2단계로부터의 벡터를 사용하여, 동일한 방정식을 가지며 끝점끼리 연결된(join end to end) 벡터를 결합시킴으로써 벡터 길이를 최대화시킨다. 이렇게 하면 벡터수가 최소화된다.
C) 전단계로부터의 발생된 벡터를 정렬하여 한 벡터의 머리가 다음 벡터의 꼬리에서 끝나도록 하고 이를 폐루프가 형성될 때까지 계속한다. 폐루프가 된 후, 다음 비사용 벡터로부터 시작하여 남은 벡터를 순서대로 처리하여 또다른 루프를 형성한다. 여기까지 모든 것이 적절히 진행되었다면, 슬라이스(SLICE)는 폐루프만 형성했을 것이다. 또한, 이 폐루프는 일관된 법선 방향을 갖는다.
D) 다음단계는 경계 루프를 중실부 영역쪽으로(경계 법선에 반대방향) 경화폭의 반만큼 오프셋하는 것이다. 벡터의 오프셋팅은 다음 방정식은 사용하여 벡터 시점과 종점을 변경함으로써 행할 수 있다.
1) 변수 정의
Xbo=오프셋팅후 시점 X 좌표
Xbo=오프셋팅후 시점 Y 좌표
Xeo=오프셋팅후 종점 X 좌표
Yeo=오프셋팅후 종점 Y 좌표
Xb=오프셋팅전 시점 X 좌표
Yb=오프셋팅전 시점 Y 좌표
Xe=오프셋팅전 종점 X 좌표
Ye=오프셋팅전 종점 Y 좌표
Xn=단위길이 경계 법선의 X 성분
Yn=단위길이 경계 법선의 Y 성분
[공식]
Xbo=Xb-XnXeo=Xe-Xn
Ybo=Yb-YnYeo=Ye-Yn
E) 다음 단계는 경계 벡터들 사이에서 교차점을 재계산하는 것이다. 슬라이스(SLICE)는 전단계에서 벡터를 순서대로 정렬했으므로, 어떤 벡터가 서로 만나야 하는지 안다(연속 벡터의 머리와 꼬리가 만난다). 벡터의 각 쌍에 대한 선 방정식은 두 벡터의 새로운 교차점(제1벡터의 머리와 제2벡터의 꼬리)을 결정하는데 사용된다.
수학적으로, 두선의 교차점을 찾기는 간단하지만 동시에 체크하여야 할 것이 있다:각 벡터가 같은 방향을 가리키는지 체크되어야 한다. 같은 방향이면, 슬라이스(SLICE)는 다음 쌍으로 진행한다. 다른 방향이면, 슬라이스(SLICE)는 방향이 변화된(180도 접힘) 벡터 및 계산된 교차점을 제거하고, 첫번째 쌍 중 양호한 벡터와 리스트 내의 다른 벡터에 기초하여 새 교차점을 재계산한다. 이 과정은 모든 경계 벡터에 대해 새로운 교차점이 얻어지게 될 때까지 계속된다. 이 과정은 오프셋이 발생될 때 형상이 붕괴되지 않는다는 가정에 기초하는 것이라는 점에 주의한다.
지금까지는 서술한 경화 보상 방법은 신뢰성 있는 벡터 순서를 결정하고, 법선이 가리키는 방향의 반대 방향으로 모든 벡터를 1/2 선폭만큼 오프셋팅하고, 최종적으로 방향이 변한 벡터를 제거하고 연속하는 벡터 사이의 교차점을 재계산하는 것에 기초한 것이다. 지금부터는 신뢰성 있는 벡터 순서를 결정하고, 벡터의 시점과 종점을 오프셋팅하는 것에 기초한 경화보상 방법을 설명하기로 한다. 시점과 종점을 오프셋팅하므로 전술한 방법과 같이 슬라이스(SLICE)가 보상후 벡터의 교차점을 재계산할 필요가 없지만, 벡터가 서로 교차되지(방향이 변화하지) 않는 것은 역시 확인할 필요가 있다. 이 두 방법에서는 서로 미묘한 차이가 있고 각각은 장점과 단점을 갖는다. 이 기법들을 잘 융화시키므로써 더 양호한 경화 보상 처리법을 생성할 수 있을 것이다.
현재 구현된 벡터의 정렬은 어떤 경계 벡터를 선택(picking)하는 것으로부터 시작하여, 법선이 좌측을 가리키도록 벡터의 꼬리로부터 머리로 향한 방향을 규정하며 벡터를 따라가면서 머리에서 꼬리 방향으로 진행한다. 다음, 슬라이스(SLICE)는 남은 벡터 중에서 첫번째 벡터의 머리에 접하는 벡터로서 접점이 두번째 벡터의 꼬리로서 규정될 경우 그 법선이 적절한 방향df 가리키게 되는 벡터를 찾는다. 이 과정은 폐루프가 형성될 때까지 계속되고, 형성된 루프는 제외하고 처리하여 모든 벡터가 사용될 때까지 계속된다. 경계 벡터에만 경화 보상이 행해지는 것에 주의하라; 해치와 필은 경계 벡터에 대한 보상이 완료된 후 결정된다.
벡터를 정렬할 경우 두가지 문제에 부딪힐 수 있다; 즉 1) 여러 벡터는 한점에서 만날 수 있으므로, 잘못된 경로를 따라 진행하면 부적절한 루프를 형성할 수 있고 2) 때 때로, 삼각형의 접힘 때문에, 법선은 잘못된 방향을 가리킬 수 있고, 벡터가 적절한 법선을 갖기를 필요로 하는 경우 루프 형성이 불가능하게 된다.
첫번째 문제는 루프를 형성하면서 끊는(break off) 기법에 의해 해결될 수 있다. 예를 들어, 10개의 벡터가 정렬된 후 또 하나가 정렬될 때 5 내지 11번째 벡터가 폐루프를 형성할 수 있다. 이런 경우, 슬라이스(SLICE)는 벡터 5 내지 11을 제쳐 두고, 다시 벡터 4에서 시작하여 인접하는(adjoining) 벡터를 찾는다.
두번째 문제점은 이 방법으로는 잘 해결되지 않는다. 항상 폐 경계 루프를 얻을 수 있는 것은 아니므로, 이 구현 방법에서 슬라이스(SLICE)는 폐 경계 루프를 요구하지 않는다. 이 상황이 발생되기 때문에 해칭 또는 필 문제점이 생긴다는 것을 경고하는 출력을 발생시킨다. 설명된 다양한 정렬 알고리즘(ordering algorithm)의 조합에 의해, 특히 바로 앞에서 설명한 정렬법과 루프 제거법을 결합함에 의해, 더 신뢰성 있는 정렬이 가능하다.
벡터가 정렬되었으므로 이제 경화 폭에 대한 실제 보상 방법을 설명하기로 한다. 처리 과정의 일부는 벡터의 크로스오버를 야기하는 보상 가능성을 최소화하는데 사용된다. 크로스오버는 요구된 보상양에 비해 벡터가 짧은 경우 발생할 수 있고, 여러 연속하는 벡터 사이의 각이 크로스오버의 원인이 된 경우도 또한 발생할 수 있다. 꼭지점을 오프셋하는 벡터(오프셋팅 벡터)는 그 종점으로부터 그것을 형성하는 각 벡터로 선을 긋는다(drop a line). 이 선들은 각 형성 벡터에 대해 수직이고 그것의 교차점은 꼭지점으로부터 각 벡터의 끝점의 거리의 1/2거리 보다 꼭지점에 가깝도록 요구된다. 그렇지 않은 경우, 오프셋팅 벡터는 1/2점 한계가 초과되지 않을 때가지 단축된다.
제34(a),(b) 내지 (c)도는 적절히 다루어지지 않는 경우 크로스오버를 발생시킬 수 있는 벡터의 평면도이다. 구현 과정의 다른 부분에서는, 예각에 대해, 좁은 형상이 완전히 소실되는 것을 방지하기 위해 오프셋팅 벡터의 길이가 레이저 광폭의 최대치 x2로 제한된다.
제34(d)도 내지 제34(k)도는 경화보상의 전술한 기법의 완전한 개략도이다.
제34(l)도는 경화를 보상한 후 방향이 변화한 벡터를 제거한 것을 도시한다.
슬라이스(SLICE) 플그램은 3차원 삼각형의 형태의 입력 데이타를 받아들여, 층단위로 광중합성 합성물의 표면에 조사될 라인 세그먼트로 구성된 출력 데이타를 생성한다. 본 과정의 목적은 몇천분의 1만큼 정밀해야 한다는 것이다. 만들어지는 부품의 실제 치수에서 그와 같은 정밀도를 얻기 위해서는 레이저 광의 반경등의 요소를 고려하여야 한다.
따라서 경화 보상[앞서 “접선 추적(tangent following)”이라 함]의 목적은 층의 내부 또는 외부 경계를 지나갈 레이저 광의 반경의 영향을 보정하는데 있다. 이 문제점은 거리가 훨씬 적다는 제외하고는 수치 제어 밀링(NC)에서 흔히 발생하는 문제와 유사하다. 원부품이 삼차원에서 규정되지만 슬라이스(SLICE)가 문제를 2차원으로 변화시켰다는 것에 유의한다. 수직 또는 삼차원(수직 또는 z-방향)에 대한 보정은 슬라이스(SLICE)의 처리 로직에서 고려되어야 한다.
본래 스케일링 동작-SLICE가 단지 외곽선(outline)[윤곽선(perimeter)의 경우]을 줄어들게 하는 것-이 해결책일 수도 있는 것처럼 보인다. 그러나 스케일링은 방사상 대칭이 아닌 층에서는 일관되지 않으며, 각 외곽선에 대해 관성 중심(center of inrtia)을 평가하여야 한다. 외곽선이 불규칙한 경우, 스케일링에 의해 소기의 경화 보상과는 크게 달라지는 왜곡이 생기게 된다. 따라서 각 꼭지점을 조정하는(adjusts) 접근 방법을 시도할 수 있다.
외부 윤곽선(outer perimterts)[경계(borders)]에 대해, 기본적으로 보상은 레이저광 반경에 관련된 요소에 의한 경로 축소(path reduction)이다. 내부 윤곽선(inner perimeters)(홀, 및 벽의 내부표면)에 대해서는, 레이저 진행 경로가 확장되어야 한다.
최종의 알고리즘 처리과정은 벡터 대수학과 삼각법에 기초를 둔다. 경계를 구성하는 각 선분쌍은 공통점[국부 원점(local origin)]으로부터 출사하는 두 벡터(광선)로도 생각될 수 있다는 점을 인식하여, MS-DOS하에서 APL 프로그램을 사용하여 모델이 개발되었다.
제35(a)도 내지 제35(c)도는 이와 같은 모델에 대한 APL 프로그램이다. 발생할 수 있는 몇몇 다양한 보상의 경우는 제36(a)도 내지 제36(m)도의 그래프에 도시되었다. 입력 삼각형으로부터 종점이 정렬된(endpoint-sorted) 벡터들로의 변환은 이미 적절히 수행된 것으로 간주한다.
사실, 이 변환은 항상 명확한 것은 아니다. 종점 정렬 알고리즘 처리과정을 이하에서 좀더 상세하게 논의하기로 한다. 입력 삼각형으로부터 적층된 세그먼트(layered segment)로 변환 과정 전체를 개괄하기 위해, 전술한 설명과 제33도가 참조된다.
다음 논의는 특정의 경화 보상 경루를 예시한 제36(a)도 내지 제36(l)도에 관한 것이다. 그래프는 모니터 상에서는 1:1 애스펙트비(aspect ratio)로 나타나지만 프린터의 정도 때문에 도면에서는 1:1 애스펙트비가 아니다. 도면에는 단위는 주어지지 않았다. 원점은 각 그래프의 좌하단부에 도시되고 X 축은 수평축이고, Y 축은 수직축이다.
경화 보상의 효과를 과장되게 보이기 위해서는, 레이저 광 반경(0.4)이 윤곽선에 비해 훨씬 크게 되어 있다. 광중합 과정의 모든 경우에서 분명히 명백한 왜곡은 뽀족한 모서리가 둥글게 된다는 것인데 이는 레이저 광 스포트 자체가 원형이기 때문이다.
각 그래프에서, 원들은 “보상된(compensated)” 윤곽선의 꼭지점에 대한 레이저 광스포트를 나타낸다. 원 중심을 연결하는 선은 레이저의 빔경로를 나타낸다.
[기본 경화 보상(Basic Cure Compensation)]
제36(a)도에서 직각 삼각형의 형태에서 외부 외곽선이 고찰된다. 그 좌표가 (1,1)(4,1)(4,4)로 그려져 있다.
경화 보상은 이 좌표에 적용되어 내부로 이동된다; 즉 외부 외곽선의 크기가 감소된다. 감소량은 각 외곽선의 꼭지점에서 원(레이저 빔)을 그림으로써 기하학적으로 가시화될 수 있다. 따라서 원의 중심은 보상된 파라미터의 새 꼭지점이 된다.
그려진 각각의 원은 공통의 점-외곽선에서 보상되어야 할 꼭지점-을 갖는 두 벡터에 접한다는 것을 알 수 있다. 양쪽으로 접하는 관계여야 하므로(since the relationship is bitangenial), 두 벡터 사이의 각이 변화할 때에 따라 보상 결과가 달라질 것이다.
[예각(acute angle)인 경우]
꼭지점(5,1)에서 예각이 있는 제36(c)도를 고려해 보자. 양쪽 접선 상태를 유지하기 위해 원이 상당히 이동되어야 하는 것에 유의한다. 따라서 예각에 대해서는 보상이 상당히 커져서 외곽선의 모양이 축소 왜곡된다는 것을 알 수 있다.
예각의 왜곡은 반드시 바람직하지 않은 것으로 간주되는 것은 아니다. 그 이유는 1) 우선 왜곡은 레이저빔 반경에 관계가 있는데 이는 매우 작고 2) 보상되지 않는 경우 생기는 형상은 구조적으로 약하거나 3) 보상이 되지 않은 형상 자체가 외부 윤곽선의 왜곡이기 때문이다. 이런 왜곡은 완전히 원래 외부 윤곽선 내부에 레이저 빔을 그림으로써 양쪽으로 접해야 하는 성질 때문에 생긴 결과로서 이와 같은 조건을 완화함으로써-즉 레이저 빔의 일부가 실제의 외부 윤곽선 밖으로 나가는 것을 허용함으로써-개선되어질 수 있다.
[둔각(oblique angle)의 경우]
둔각에 의해서 왜곡이 많이 발생되지는 않는다. 이 경우의 예로 제36(d)도의 꼭지점(1,1)을 보자. (1,1) 주위에 그려진 원은 점(1,1)에 닿지 않는 것에 유의한다. 원은 꼭지점을 공유하는 벡터들의 접한다.
[내부각(inside angle)의 경우]
둔각의 보상에 대한 것과 같은 효과가 내부각의 경우 즉 180도 보다 큰 각의 경우에 더 확실하게 나타난다. 이 경우에는 그려진 원은 두 벡터의 무한 연장선(infinite projection)에 대해 접선이다. 이런 각은 제36(e)도의 꼭지점(3,3)에 나타난다.
[동일 직선상의 꼭지점(collinear vertex)의 경우]
벡터 사이의 각이 180도 일 때 꼭지점은 동일직선상에 있다. 이 경우, 그 꼭지점은 중요하지 않고 윤곽선을 형성하는 꼭지점 리스트에서 삭제하면 된다. 이 동일 직선상의 꼭지점은 제36(f)도에 도시되어 있다.
[점이 일치하는(coincident point) 경우]
일치하는 두 꼭지점은 리던던트하다. 그중 하나는 윤곽선의 꼭지점 리스트로부터 삭제된다. 동일 좌표에 하나의 꼭지점만 존재하여야 각이 확정된다. 일치점은 제36(g)도의 꼭지점(4,1)에 도시되어 있다.
[침입각(invasive angle)의 경우]
각이 180도 보다 클 때는 내부각이며 원은 그 벡터들의 연장선에 접하도록 그려져야 한다. 부가적으로 270도 보다 큰 각을 “침입각”이라 하는데 이는 윤곽선 내부로 잘라져 들어가기 때문이다.
이와 같은 형상에 의해 중요한 왜곡이 생기지는 않는다. 그러나 각이 360도로 접근함에 따라 레이저 빔은 점점 더 많이 중첩된다(the laer beam will overlap itself to an increasing degree). 극단적인 경우인 0도각의 경우, 레이저 빔은 내부와 외부 양쪽으로 그려져(trace inward and outward) 전혀 주위에 영향을 미치지 않게 된다. 칩입 꼭지점은 제36(h)도의 꼭지점(4,2)에 나타나 있다.
[복합 다각형(complex polygon)의 경우]
복합적 외곽선은 대개 전술한 경우 중 몇 가지를 포함할 것이다. 하나의 경화 보상에 의해 외곽선 세그먼트가 인접 세그먼트와 크로스오버되도록 이동될 부가의 가능성이 있다. 제36(i)도의 꼭지점(0,1) 근처에서 이에 근접한 결과가 발생했다.
그러한 경우는 잘못 규정된 부품(ill defined part)으로써 간주되어져야 하고, 본 출원에서 제시된 알고리즘보다 더 진보된 기술을 사용하여 다루어질 수 있다.
[벽(wall)]
지금까지는, 축소된 외부 윤곽선만이 고려되었다. 내부 윤곽선은 구멍(hole)의 경계나 벽의 내부에 생긴다. 내부 윤곽선은 제36(j)도에서 도시되었듯이 팽창에 의해서 보상되어야 한다.
내부와 외부 파라미터는 여러 방법으로 구별될 수 있다. 본 특정 모형에서, 외부 윤곽선은 시계 방향으로 꼭지점이 정열되고 내부 윤곽선은 반시계방향으로 정렬되는 것으로 한다. 수학적으로 적절한 다른 방법은, 내부 윤곽선에 대해 음수의 빔 반경을 사용하는 것이다. 부가적으로, 처음에 벡터 법선을 알려진 방향과 비교함으로써 외곽선의 유형을 결정할 수 있다; 이 방법이 슬라이스(SLICE) 경화 보상에서 사용되는 방법이다.
[인접 외부 윤곽선(adjoining outer perimeters)]
경화 보상은 부품에 약간의 구조적인 영향을 미칠 수 있다. 제36(k)도와 제36(e)도에 도시한 바와 같이 중심에 홀을 형성하는 인접한 세개의 삼각형이 있는 부품층을 고려하기로 한다. 구조적으로 중요한 점은 그 삼각형들이 서로 접한다는(abut) 것이다. 경화 보상 이후에 각각이 외부 윤곽선이므로 삼각형은 축소되고 그 결과 삼각형들이 더 이상 접하지 않게 된다. 이것은 그 부품의 3차원 구조의 특성에 영향을 줄 것이다.
본 명세서에 제시된 것과 같은 2차원 보상의 알고리즘에서 이와 같은 구조의 경우를 바로잡는 것은 가능하지 않다. 이것은 장래 연구의 대상이 될 것이다. 일반적으로 이러한 유형의 경우 사용자의 개입(intervention)이 필요할 것이다.
제37(a)도 내지 제37(c)도는 경화 보상에 대한 수학적인 근거와 그 도출과정(deriv ative)을 설명한다.
스테레오리소그래피를 사용하여 부품들이 만들어진 경우, 다수의 길이가 가변인 직선 세그먼트(벡터들)을 사용하여 적당한 패턴을 그리는 레이저에 수지의 표면을 노출시킴으로써 합성수지가 경화된다. 이러한 벡터들은 다른 목적에 이용된다. 즉, 일부는 스킨 생성에 사용되고, 일부는 경계를 만드는데 사용되며, 일부는 내부 구조(크로스-해치) 등을 만드는에 사용된다. 특정 층상에 발생할 수 있는 벡터는 블럭이라고 불리는 14가지 유형으로 구분된다. 이러한 14블럭은, 제1방식을 사용하여 부품을 구축할 때 의미가 있는 것이며 다른 방식을 사용하면 블럭 번호와 그 유형이 아마 바뀔 것이다. 이 14 유형은 다음과 같다.
Figure kpo00000
5개의 경계 각각에 대해 상응하는 해치와 필 벡터가 있을 수 있다. 일부 방식에 대해서는 일부 해치와 필 블럭이 없는 이유는 상기의 블럭들이 사용될 때 리던던트하고 최소한 필요불가결한 것이 아니기 때문이다. 포함되지 않는 블럭들을 포함한 모든 벡터 블럭들은 부품 구축 방식을 다루는 상기의 섹션에서 더 상세하게 기술된다.
양호한 부품을 만들기 위해서 상기 벡터를 그릴 때 소정 경화의 요구 조건에 맞아야 할 뿐 아니라 특정 순서로 그려야 한다. 요구되는 작도 순서는 실제적으로 위의 표에서 블럭의 순서이다. 이러한 작도의 순서는 휘말림을 최소화시키고 그리고/또는 버드네스팅(birdnesting)을 최소화시키기 위해 그리고/또는 그려진 벡터들이 나중에 그려질 벡터를 경화하는데 영향을 미치지 않도록 하기 위해 필요하다.
벡터들이 올바른 순서로 그려지도록 하기 위한 가장 쉬운 방법은 슬라이스(SLICE)가 적당한 순서로 블럭을 출력하도록 하는 것이다. 위의 순서는 각 층에 대한 슬라이스(SLICE) 출력 파일에 대해 사용된다. 출력 파일에서의 층은 가장 낮은 것부터 가장 높은 것으로 순서가 정해진다. 만약 주어진 물체가 수직방향으로 연속적이지 않다면, (그 차이는 동시에 구축될 다른 물체에 의해 채워질 것이다) 슬라이스(SLICE)는 출력 파일에서 결여된(missing) 층에 대한 레이저 헤더 자료를 포함할 것이다. 층 헤더 정보는 모든 층에 대해 제공된다. 이것은 “L”로 라벨된 15번째 블럭과 이를 뒤이어 벡터 블럭이 도출되는 수직 차원 축척 비트 간격을 나타내는 수로 구성된다.
본 발명을 구현하는 Inc. of Valencia, California의 3차원 시스템에 의해 제공되는 상업적 시스템을 구현한 일례를 들어보면, 동봉된 부록인 부록 D-모델 SLA-1 스테레오리소그래픽 시스템의 아주 최근의 해석에 대한 훈련 매뉴얼-에 의해 설명되고 예시된다.
3D 시스템사에 의해 제공된 제2의 상업적인 스테레오리소그래피 시스템의 바람직한 실시예에 대해 이하에서 기술하기로 한다. 이 실시예는 전술한 첫번째 실시예와 유사하다.
이 실시예의 주요 특징은 슬라이스(SLICE)로서 알려진, 벡터를 CAD/CAM 데이터로 변환시키기 위해 사용된 프로그램이 갱신되었다는 것이다. 전술한 제1실시예에서, 설명한 슬라이스(SLICE)의 버젼은 버젼 3.03이다. 아래 좀더 상세하게 설명되는 제2의 상업적 바람직한 실시예의 슬라이스(SLICE) 버젼은 버젼 3.20이다. 버젼 3.20은 주로 광폭 보상의 분야에서 버젼 3.03과 다르고, 이는 7 내지 2밀 범위의, 광폭의 크기를 고려하기 위해 벡터의 위치설정(positioning)을 조정(adjustment)하는 기법이다. 광폭이 고려되지 않으면, 최종 경화 부품은 1광폭, 즉 7 내지 20밀 정도 원래 크기로부터 왜곡될 것이다. 버젼 3.03도 광폭 보상을 하지만, 버젼 3.20은 이 분야에서 몇가지를 개선하였는데 이는 빔폭 보상 과정이 개선되도록 벡터 정렬, 세그먼트 법선 재계산, 중첩 벡터 결합 등을 개선한 것이다.
SLICE 버젼 3.20에도 없지만, 슬라이스(SLICE)의 장래 버젼에 부가시켜야 하는 다른 특징은 제1방식에서 요구된 것처럼, 1비트 위가 아니라 바로 슬라이싱 층상에 경계 벡터(border vectors)를 발생시킬 수 있는 능력이다. 이것은 제3방식과 제4방식 알고리즘(작은 부품을 만듬)을 간소화하는 이점을 가질 것이다. 현재, 이 알고리즘들은 슬라이스(SLICE) 버젼 3.20에서 구현되지 않았지만, 슬라이싱층 상에 경계 벡터를 발생시키는 것은 제3방식과 제4방식 알고리즘을 더 쉽게 구현될 수 있는 만큼 감소화할 것이다. 이 특성은 앞으로 더 세부적으로 논의하기로 한다.
본 출원의 명세서에서 충분히 논의된 바와 같이, 스테레오리소그래피는 물체의 3차원 형태를 발생시키는 과정으로서, 액체 과중합체(photopolymer)의 표면 위에 일련의 2차원 단면을 경화(밀 단위의 유한한 두께를 가지고서)하여 단면이 서로 부착되어 래미나를 구축하여 물체가 형성된다.
여기에 설명한 실시예의 블럭도는 제8도에서 설명된다. 도면에 도시된 바와 같이, 시스템의 주요소는 레이저(1), 광학 장치(2), 동적 미러(3), Z-스테이지 엘리베이터(4), 슬라이스(SLICE) 컴퓨터(5), 프로세스(PROCESS) 컴퓨터(6), 수조(7), 엘리베이터 구동기(8), 및 동적 미러 구동기(9)를 포함한다.
도면에 도시된 바와 같이, 슬라이스(SLICE) 컴퓨터는 프로세스(PROCESS) 컴퓨터에 전기적으로 연결되고, 프로세스 컴퓨터는 각각 엘리베이터 구동기와 동적 미러 구동기를 통해 Z-스테이지 엘리베이터와 동적 미러에 전기적으로 연결된다. 시스템이 동작중인 경우, 레이저는 계속 온 상태이고 레이저광 빔을 계속 방사한다. 도시된 바와 같이, 레이저빔은 광학 장치를 통해 동적 미러로 향하게 되며, 광학 장치는 처음에는 빔을 발산시키고 그후에 빔을 접속시킨다. 동적 미러는 다시 수조 안에 있는 액체 광중합체 수지의 표면상의 특정 위치에 대해 빔이 향하게 한다.
슬라이스(SLICE) 컴퓨터는 전기적으로 CAD/CAM 시스템(도시되지 않음)에 연결되어 있다. 3차원 물체를 기술하는 CAD/CAM 데이타는 CAD/CAM 시스템에서 발생되어, 슬라이스(SLICE) 컴퓨터로 전송된다. 슬라이스(SLICE) 컴퓨터는 CAD/CAM 데이터를 벡터 데이터 베이스로 변환시키고, 이는 수조내의 광중합체의 표면위에 레이저빔이 향하도록 이동시키는데 사용된다. 벡터는 두개의 종점과 한개의 방향으로 구성되어, 배향된(directed) 레이저 빔은 벡터에 의해 지시된 방향으로 광중합체 표면위의 한점에서 다른 한점으로 이동할 것이다.
프로세스(PROCESS) 컴퓨터는 전기적으로 슬라이스(SLICE) 컴퓨터와 연결되어 있다. 슬라이스(SLICE) 컴퓨터가 CAD/CAM 데이터를 벡터로 변환시킨 후, 슬라이스(SLICE) 컴퓨터는 프로세스(PROCESS) 컴퓨터로 벡터를 전송하고, 그후 프로세스(PROCESS)는 데이타를 조작하고 광중합 과정을 시작할 수 있다.
프로세스(PROCESS) 컴퓨터는 전기적으로 Z-스테이지 엘리베이터와 동적 미러에 연결되어 있고, 벡터 데이터를 이용하여 두개를 동시에 제어한다. 상술하면, 각 2차원 단면에 대해, 프로세스(PROCESS) 컴퓨터는 동적 미러를 이용하여 해당 2차원 단면에 관련된 벡터에 따라 광중합체의 표면을 지나면서 이동하도록 레이저빔을 조사할 것이다. 그 결과, 광중합체의 표면은 경화되어 2차원 단면(소기의 층두께와 관련된 유한 두께의)을 형성할 것이다.
그러나 레이저광은 연속적으로 표면을 이동하지 않는다. 대신에, 소정의 거리를 연속적으로 밟아가고, 그후 소정 기간 기다리도록 조사되며(directed to successively step a certain distance, and then wait a certain amount), 이 때 거리와 시간은 프로그램가능하고 따라서 사용자에 의해 제어가능하다. 이 값들은 프로세스(PROCESS) 컴퓨터가 동적 미러를 제어하는데 사용한다. 상술하면, 프로세스(PROCESS) 컴퓨터는 광이 광중합체의 표면위의 소정 스텝 크기만큼 지나가도록(sweep out)동적 미러가 특정 각도만큼 회전하도록 한다. 그후, 프로세스(PROCESS) 컴퓨터는 소정 시간 기다린 후 다시 동적 미러의 위치를 변화시킨다.
특정 단면이 생성된 후, 프로세스(PROCESS) 컴퓨터는 Z-스테이지 엘리베이터가 광중합체 수조내로 일정량 잠기도록 하여, 다음 단면의 경화에 대비하여 경화된 단면의 표면 위에 액체 광중합체가 퍼지게 한다.
경화된 층의 두께는 일반적으로 사용자에 의해 제어가능하고, 소기의 층 두께의 경화된 층을 형성하기에 충분한 액체 중합체가 기 경화된 층위로 이동하도록 프로세스(PROCESS) 컴퓨터는 수조내에서 엘리베이터를 충분히 낮춘다.
그러나, 일반적으로 광중합체는 약간 점성을 가지므로, 엘리베이터는 일반적으로 기 형성된 층을 처음에는 층 두께보다 크게 광중합체의 표면 밑으로 잠기도록 하여 중합체가 빠른 속도로 그 부품 위로 흘러들어오도록 한다. 그리고 나서, 그 부품은 소기의 레벨로 상승되어 여분의 액체 중합체는 그 부품 밖으로 흘러나가며 남아있는 중합체는 소기의 층 두께를 갖게 된다.
광학 장치(2)와 동적 미러(3)의 더 상세한 다이어그램이 제9도에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 광학 장치(2)는 90도 미러(201 및 203)로 구성되는데, 이는 레이저 빔을 빔 확대기(beam expander, 202)를 통하여 동적 미러(3)로 향하게 한다. 빔 확대기는 레이저 빔을 먼저 퍼뜨리고(expand) 그후 집속시킨다(focus). 확대 단계(expanding step)는 집속 단계(focusing step)동안 빔이 확대되지 않은 채인 경우보다 더 작은 직경으로 빔을 집속시키도록 하기 위해 필요하다.
동적 미러는 X-미러와 별도의 Y-미러를 포함한다. X-미러는 레이저 빔이 X 방향으로 액체 중합체의 표면에 퍼지도록 축 주위를 회전할 수 있다. Y-미러는 레이저 빔이 Y 방향으로 액체 중합체의 표면에 퍼지도록 수직 축 주위를 회전할 수 있다. 이러한 미러의 회전 각도가 프로세스(PROCESS) 컴퓨터에 의해서 제어된다.
레이저는 Liconix(Sunnyvale, California) 모델 4240N의 모델 4040PS 전원 장치에 결합된 HeCd 멀티모드 레이저가 바람직하며, 이 레이저는 연속파의 평균 전력이 10mW, 빔 직경이 1-2밀리미터, 파장이 325nm, 전력 소모는 120VAC에서 약 7amp이다. 혹은, 레이저는 모델 100 전워장치에 결합된 Omnichrome(Chino, California) 모델 356트 HeCd 레이저이다.
동적 미러는 XY0507스캐닝 미러용의 P/N E00-DX2005 제어기에 결합된 General Scanning Inc.(Waltertown, Massachusetts)사에 의해 제조된 P/N E00-Z2173 XY0507 스캐닝 미러가 바람직하다. 미러 구동기는 Tarnz Technologies(Los Angels, California)사에 의해 제조된 I/O 보드가 바람직하다.
Z-스테이지 엘리베이터는 Daedal(Harrison City, Pennsylvania)에 의해 제조되고 Pacific Technical Products(Sylmar, California)를 통해 입수가능한 5피치를 갖는 14인치 선형 테이블을 포함하는 P/N 008-0324-3인 것이 바람직하다. 엘리베이터 구동기는 또한 선형 테이블용 모터 드라이브와 모터 제어용의 P/N MC 5000-20, 및 컴퓨터 운영 소프트웨어 및 모터 제어와 드라이브사이에 인터페이스시킬 표준 컴퓨터 I/O 보드를 포함하는 것이 바람직하다.
프로세스(PROCESS) 컴퓨터는 40MByte 하드 디스크 및 “AT”방식 키보드, 모니터, 그래픽 카드, 수치 연산 보조 프로세서(math co-processor) 및 Excelan 또는 Micom에 의해 제작된 이서넷 카드를 포함하는 California San Jose의 Wyse Technology에 의해 제작된 Wyse 286, 모델 2200이 바람직하다. Wyse 286은 IBM AT와 비슷하고 16비트, 10MHz 컴퓨터로 Wyse Technology로부터의 버젼 3.21(또는 더 초기의 버젼)의 MS-DOS 운영 시스템으로 수행된다. 파일 관리를 돕도록, Utah, Provo의 Gazelle System으로부터 버젼 2.00인 Q-DOS II가 사용된다. PROCESS 컴퓨터에 바람직하게 이용가능한 추가 소프트웨어는 FTP 소프트웨어인 FTP 소프트웨어 PC/TCP Telnet 버젼 1.16 또는 FTP 소프트웨어 PC/TCP 소프트웨어 Telnet 버젼 1.16를 포함하며, 둘다 Massachusetts, Boxborough의 MICOM-Intelan Inc사로부터 입수가능하다. 추가의 소프트웨어로는 Exelan으로부터 Ethernet Software가 포함된다.
슬라이스(SLICE) 컴퓨터는 Massachusetts, Boxborough의 NEC Powermate 386 컴퓨터가 바람직하고 California Van Nuys의 Peripheral Systems. Inc사로부터 입수가능하다. 특정 운영 시스템은 UNIX System V Release 1.0.4 80386인 386/ix 운영 시스템이다. 추가 소프트웨어는 Micom 버젼의 TCP Ethernet Support를 포함한다. UNIX 운영 시스템과 Ethernet Support 소프트웨어는 둘다 California, Santa Monica의 Interactive Systems Corporation사로부터 입수가능하다. 바람직하게는 SLICE 컴퓨터는 85메가바이트 하드 디스크도 포함한다.
스테레오리소그래피 시스템의 소프트웨어 구조의 다이어그램은 제33도에 도시된다. 상기 도면은 제8도에 도시된 몇몇 요소를 포함하며, 이러한 요소에 대한 참조 번호는 동일하게 유지된다. 도시된 바와 같이, 소프트웨어는 슬라이스(SLICE) 컴퓨터와 프로세스(PROCESS) 컴퓨터 사이에 분배된다. 추가 소프트웨어는 Z-스테이지 엘리베이터 구동기(8)(제33도에서 “Z-스테이지”로서 명명된) 상에 상주하고, 그에 의해서 수행되며 미러 구동기(9)(제33도에서 “DX”로서 명명된)에 의해서 수행된다. CAD/CAM 시스템에 있으며 그에 의해서 수행되는 소프트웨어가 도면에 도시되어 있는데, 이 시스템은 스테레오리소그래피 시스템의 외부에 있다. 이 소프트웨어는 완전한 소프트웨어 개요를 제공하는 목적으로 여기에서 기술만 되며 CAD/CAM 시스템의 책임이다.
도시된 바와 같이, 소프트웨어 구조는 다음의 소프트웨어 프로그램을 포함하고, 이 프로그램들은 참조 번호와 상주하는 컴퓨터와 함께 아래에 리스트되어 있다.
Figure kpo00001
Figure kpo00002
도면에 도시된 바와 같이, 상기 프로그램의 각각은 하나 또는 그 이상의 데이타와 베이스 또는 파일과 관련하여 실행된다. 이러한 프로그램의 각각에 의하여 수행된 기능의 요약이 이하에 제공된다.
[CAD/SLA 인터페이스 프로그램]
이 프로그램은 CAD/CAM 컴퓨터에 상주한다. CAD 시스템 데이타 베이스는 CAD/CAM 모형화 능력을 구현하여, 사용자가 3차원적 물체를 특정하고 정의할 수 있게 한다. 일단 물체의 설계가 완성되면, 이 프로그램은 3차원적 물체의 표면을 설명하는 데이터를 포함하는 Object.STL 데이터 파일을 출력한다.
Object.STL 파일은 슬라이스(SLICE) 및 프로세스(PROCESS) 컴퓨터상에 상주하는 스테레오리소그래피 시스템의 소프트웨어의 요구조건에 일치하도록 소정의 포맷으로 되어 있어야 한다. Object.STL 파일을 정확한 포맷으로 하는 것은 스테레오리소그래피 시스템의 책임 밖이고, 실제로는 CAD 시스템이 할 일이다.
다른 표현들도 가능하지만, 제11도에 도시된 바와 같이, 3차원 물체의 표면은 일련의 삼각형으로 나누어질수 있다. 스테레오리소그래피 시스템은 표면이 두개의 요구 조건을 만족시키는 삼각형으로 정해질 것을 요구한다:
1) 삼각형은 완전히, 단일하게 표면을 덮어야(span)하고;
2) 삼각형의 꼭지점이 인접 삼각형을 꼭지점에서만 접하고 꼭지점을 연결하는 라인 세그먼트에서는 만나지 않는다.
이러한 요구조건이 만족되면 계산상 능률적으로 된다.
표면을 삼각형으로 기술하는 것이 실제의 표면과 부합되기 위한 해상도는 표면을 정의하기 위해 사용된 삼각형의 수에 의존한다. 사용된 삼각형의 수가 많을수록 해상도가 정밀하다. 현재, 시스템에서는 표면이 14,000개까지의 삼각형으로 정의되는 것을 허용한다.
일반적으로 표면의 삼각형은 벡터에 의해 정의된다. 본 명세서에서 전술한 바와 같이, 벡터는 두개의 종점과 방향을 갖는 라인 세그먼트이다. 하나의 종점은 꼬리이고, 다른 종점은 머리이며, 방향은 꼬리 종점으로부터 머리 종점으로 향한다. 제38도에 도시된 바와 같이, 삼각형의 윤곽선을 정하려면 3개의 벡터가 필요하다. 제38도의 삼각형을 정의하는데 필요한 3개의 벡터가 벡터(300,301 및 302)로서 각각 표시된다. 벡터(300 내지 302)의 꼬리점이 각각 304, 305 및 306으로 표시되고 머리는 각각 305, 306 및 307로서 표시된다.
그러나, 표면 삼각형은 이 삼각형이 둘러싸는 표면에 대하여 특정 방향을 향하고 이 방향을 나타내기 위해 삼각형 법선 벡터로서 알려진 제4의 벡터가 필요하다. 제38도에 도시된 바와 같이, 삼각형 법선(normal)은 항상 삼각형이 둘러싸는 중실부에서 멀어지는 방향을 향한다. 제38도의 삼각형의 삼각형 법선은 303으로서 표시된다.
Object.STL 파일에서는 삼각형의 벡터가 오른손 법칙으로 알려진 상호관계를 만족시킬 것이 요구된다. 이 법칙은 삼각형의 표면을 이루는 3개의 벡터(301 내지 302)의 방향을 정리하면 하나의 벡터의 머리가 또 다른 것의 꼬리에서 끝나게 될 것을 요구한다. 그외에, 법칙에 따르면 벡터가 반시계 방향의 루프를 만들도록 방향이 설정되면 삼각형 법선은 오른손의 손가락을 반시계방향으로 말아서 오른손의 엄지가 가르킬 방향을 향하여야 한다. 이 관계는 제38도의 삼각형에서 만족된다.
본 발명의 본 실시예에서, Object.STL 파일용으로 선택된 특별한 포맷이 제39(a)도 및 제39(b)도에 보여져 있다. 도시된 바와 같이, 4개의 벡터의 머리에서의 종점만이 제공되어 있는데, 먼저 삼각형 법선의 종점이 제공되어 있고 뒤를 이어 윤곽선을 형성하는 벡터의 종점이 제공되어 있다. 벡터가 종점에서 종점으로 연결되어 있다고 가정되므로 머리 종점만으로 충분하고, 하나의 벡터의 꼬리 종점은 다른 것의 머리 종점과 같다. 부가적으로, 종점은 전술된 오른손 법칙에 따라 정렬된다고 가정된다. 마지막으로, 삼각형 법선의 끝점(길이가 1이라고 가정된다)만이 제공되는데 이는 중심부에 대한 삼각형의 방향을 정하기에 충분한 정보를 포함하기 때문이다.
[SLICE 3.03(SLICE 3.20)]
이 프로그램은 Object.STL 파일을 광중합체의 표면을 가로지르는 레이저 비임의 운동을 지시하기 위한 일련의 벡터로 변환시킨다. 광중합체의 표면을 가로지르는 레이저의 라스터 기저(raster-based)의 스위프도 가능하나 기저의 방법이 바람직하다. 이는 라스터 기저의 방법에서는, 레이저 비임이 중합체의 표면의 전 영역을 지나가야 되므로, 어떤 경우에는 원치않는 영역에서 부분적인 경화를 일으키기 때문이다. 벡터 기저의 방법은 제어하기가 더 좋다. 라스터 기저의 방법도 사용 가능하지만 비임의 원치않는 영역을 경화시키지 않도록 매우 빠르게 움직일 수 있어야 하고, 또한 액체 표면에 충분히 높은 강도의 영상을 제공할 수 있어야 한다.
슬라이스(SLICE)를 수행하기 위하여, 사용자는 먼저 슬라이스(SLICE)를 실행하는데 사용할 어떤 파라미터의 값을 얻기위하여 관련된 프로그램 SLICE(UI)(사용자 인터페이스 프로그램)를 실행한다. SLICE(UI)는, 제33도에 202로 도시한 바와 같이, 사용자와 상호작용하여 이러한 파라미터를 위한 값을 얻고 그 값을 파일 Object.UII로 출력한다.
제44(a)도는 SLICE(UI)가 사용자에 프롬프트를 제공하는 파라미터를 리스트한다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 슬라이스(SLICE)는 Object.STL 파일을 취하고 이를 사용하여 광중합체의 표면에 형성될 물체의 각 2차원적 단면을 위한 벡터를 만든다.
현재, 각 층에 대하여, 슬라이스(SLICE)는 그 단면을 정의하기 위해 11개의 다른 유형의 벡터를 만든다. 제작 및 배치 방법과 함께 이러한 11개의 벡터 유형은 제1방식으로서 알려진 것을 정의한다. 제1방식은 3차원적 삼각형 표면 데이타를 2차원적 벡터 데이타로 처리하는 특별한 방법으로 부품이 만들어질 때 특정한 부품의 기하적 형태에 관계없이 일관되고 정확하게 원래의 CAD 설계에 근사하도록 한다. 제1방식은 유한한 두께의 층(layering)이 부품을 구성하는데 사용될 경우 가능한한 정확하게 부품의 XY 치수를 일관되게 실제보다 크게(oversize) 한다. 제1방식은 본 출원의 다른 부분에서 심도 있게 논의된다. 벡터 유형들이 아래에 리스트되어 있다.
Figure kpo00003
본 출원에서 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 경계 벡터는 단면의 외부 경계를 정하는 반면 스킨 또는 해치 벡터는 단면의 내부 부분(interior parts)을 정의한다.
현재, 단면의 내부 부분은 스킨이거나 크로스 해치거나 또는 양쪽일 수 있다. 단면이 3차원 물체의 외측 표면(outer surface)을 나타내는 경우 내부 부분은 스킨을 포함하고, 단면이 물체의 내부 구역(section)만을 나타내는 경우 해치만을 포함한다. 이러한 원리가 제40도에 설명되는데, 이는 실린더의 천정(top)을 나타내는 스킨된 단면(층 해치와 층 경계도 존재하지만 도시되지 않았음)과 실린더의 내부 구역을 나타내는 해치된 단면을 보여준다.도면에 도시된 바와 같이, 실린더의 천정을 나타내는 단면(307)의 내부가 일련의 병렬 라인에 의해서 나타내진다. 이것은 스킨 벡터라고 불려진다. 단면(308)의 내부가 일련의 열십자 병렬 라인에 의하여 나타내진다. 이것은 해치 벡터라고 불리워진다.
전술한 바와 같이, 각 벡터는 그와 관련된 방향과 길이를 갖는다. 각 벡터는 벡터 위치에서 광중합체의 경화를 일으킬 광중합체의 표면을 지나가는 레이저 비임의 운동을 나타낸다. 스킨 벡터가 서로 서로에 근접하여 있어 레이저가 벡터를 가로지른 후에 생길 경화된 라인사이에 틈(gap)이 없다. 라인사이의 틈은 경화되지 않은 중합체를 나타내는데, 이는 경화된 단면으로부터 배출된다. 결국, 벡터 사이에 간격이 크면, 경화된 단면은 실린더의 천정을 잘 나타내지 못한다. 따라서, 스킨 벡터는 일반적으로 서로 근접하도록 배치된다.
한편, 크로스 해치 벡터는 서로 떨어져 있을 수 있다. 이것은 이런 벡터가 부품의 내부의 단면을 만드는데 사용되기 때문이며, 액체 중합체가 경화된 라인의 틈을 통하여 배출될 수 있는지는 중요하지 않은데, 이는 어쨋든 스킨된 영역에 의해서 막히기(trapped) 때문이다. 물체 내부에서 구조적으로 지지하도록 충분히 밀접한 간격을 갖는 것만이 요구된다.
액체 중합체는 스킨 필이 적당히 선택된다면 모든 단면이 형성된 후에 물체의 내부에 남는다는 것에 주의한다. 이 액체 수지는 1988년 4월 18일에 출원된 미국출원 일련번호 183,016, 183,014, 및 183,012와 그 일부 계속 출원(CIPS)인 1988년 11월 28일에 출원된 일련번호 268,429; 268,408 및 264,428에 기술된 후속 경화(post-curing) 단계 동안에 경화될 것이다. 이 경화된 수지는 물체에 대한 추가적인 구조적 지지를 제공한다.
단면(307과 308)이 제41도에서 더 상세하게 도시되는데, 여기서는 벡터 방향이 더 분명하다. 이러한 단면의 경계 각각이 벡터에 의해 정의되고 이것이 도면에도 표현된 것에 주의한다.
예를 들어 단면(307)은 경계 벡터(309)와 스킨 벡터(310)로 구성되어 있다. 한편, 단면(308)은 경계 벡터(311), 그리고 크로스 해치 벡터(312 및 313)로 구성된다. 크로스 해치 벡터(312)는 Y 방향에 평행한 벡터를 나타내는 한편, 크로스 해치 벡터(313)는 X 방향에 평행한 벡터를 나타낸다. 전술한 11개의 벡터 유형의 용어를 사용하면, 벡터(311)는 층경계(LB) 벡터이고, 벡터(312 및 313)는 층 크로스해치(LH) 벡터이고, 벡터(309)는 편평 상향 스킨 경계(FUB) 벡터이고, 벡터(310)는 편평 상향 스킨 필(FUF) 벡터이다.(엄격히 말해서, 단면(307)은 구조적으로 지지하기 위한 LB 및 LH 벡터도 포함하지만, 이것은 이 논의에서 명료성을 위해서 생략된다)
나머지 벡터 유형은 제42도와 관련하여 설명될 것이다. 설명된 바와 같이, EKSA년(309)은 도면에서 설명되는 물체의 바닥 섹션(bottom section)인 반면 단면(310)은 물체의 천정 부위(top-most portion)이다.
단면(309)은 제43(a)도에서 더 상세하게 설명된다. 상술한 11개의 벡터 유형의 용어를 사용하면, 단면은 편평 하향 스킨 경계(FDB) 벡터(311) 및 편평 하향 스킨 필(FDF) 벡터(312)를 포함한다.
단면(310)은 제43(b)도에서 더 상세하게 설명된다. 단면(10)은 제42도의 물체의 경사진 부위를 나타내는 것에 주의한다. 경사진 표면을 표시하는데 있어서 문제는 이것이 하나의 단면에 의해 표시될 수 없고 대신에 적층됨으로써 경사진 표면에 근사하는 일련의 단면에 의하여 표시되어야 한다는 것이다. 이것은 제42도에서 설명되는데, 이는 실제로 단면(310)이 단면(310(A), 310(B), 310(C), 310(D) 및 310(E))로 구성되는 것을 보여준다.
이러한 단면의 벡터 표시가 제43(b)도에 도시되어 있다. 11개의 벡터 유형의 용어를 사용하면, 예를들어, 단면(310A))은 근사 편평 상향 스킨 경계(NFUB) 벡터(313(A)) 및 근사 편평 상향 스킨 필(NFUF) 벡터(314(A))로 구성된다. 단면(310(A), 310(B), 310(C), 310(D) 및 310(E))의 나머지는 똑같은 벡터 유형(단면은 LB 및 LH 벡터도 포함하나 이것은 설명의 목적상 강조되지는 않는다)으로 구성된다.
각각의 단면(310(A) 내지 310(E))에 대한 벡터가 동시에 그려지지 않는다는 것이 강조되어야 한다. 이는 벡터들이 서로 다른 단면과 연관되어 있기 때문이다. 대신에, 벡터는 310(E), 310(D), 310(C), 310(B) 및 310(A)의 순으로 그려진다.
상향 영역 대신 하향 영역에 관한 것이라는 점을 제외하고 근사 편평 하향 스킨 경계(NFDB) 및 근사 편평 하향 스킨 필(NFDF) 벡터는 각각 NFUB 및 NFUF 벡터와 유사하다.
서로 근접하여 있다는 것 이외에, 스캔 벡터는 해치와 경계 벡터와 또다른 차이를 갖는다. 보통, 레이저 비임은 해치의 영역 및 경계의 영역을 충분히 노출시켜 대략 26밀의 경화 깊이를 만든다. 이것은 물체를 20밀 단면으로 분할하고 층이 서로서로의 내부로 6밀만큼 경화되 들어가도록 하는 것에 해당한다. 밀 경화의 결과 단면이 서로 접착되게 되고, 이 접착이 일어나는 벡터는 인접한 단면으로부터의 경계 벡터와 해치이다.
그러나, 스킨 벡터는 보통 훨씬 더 낮은 깊이, 전형적으로 5-20밀로 경화된다. 이것은 레이저 헤드가 스킨 벡터에 의해 표시된 영역에 대하여 훨씬 더 빠르게 움직이도록 지시되기 때문이다. 결국, 경화 깊이가 얕아진다. 경화 깊이는 흡수되는 빛의 양 또한 이에 따라 빛이 수지에 더 깊이 통과함으로써 감쇄되는 비임에 근거하기 때문에 서로 다른 경화 깊이가 가능하다. 어떤 지점에 도달하면, 수지가 액체 상태로부터 겔 플라스틱 상태로 전환하도록 충분히 중합화하기에는 빛의 양이 너무 작아진다. 이 빛의 양을 임계 노출(cirtical exposure)이라고 간주한다. 임계 노출의 레벨 이하에서는 고체가 형성되지 않고 이에 따라 소정의 광노출하에서 얻을 수 있는 경화 깊이를 제한한다. 노출은 빔의 강도에 비례하고 빔의 이동속도에 반비례한다. 스킨 벡터에 해치와 경계보다 훨씬 노출이 적게 되는 이유는 스킨벡터(이에 따라 만들어진 플라스틱)이 층을 서로 접착시키는데 필요하지 않기 때문이다.
근사 편평 하향 영역은 스킨 벡터를 둘러싸는 경계 벡터에 의하여 표시된다. 근사 편평 하향 해치 벡터(NFDH)는 LB와 LH와 마찬가지로 근사 편평 하향 스킨 경계를 매운다. 제1방식을 사용하는 경우 근사 편평 하향 크로스 해치 벡터를 만들어야 하는데, 이는 근사 편형 하향 필은 그것을 지지할 층 해치를 갖지 않는 유일한 유형이기 때문이다. 스킨은 비교적 약하게 만들어지기 때문에, 그것에 강도를 더할 지지부가 필요하다. NFDH는 부품의 적당한 치수를 확보하기 위해 근사 편평 하향 스킨 영역에 적당한 깊이[그리고 균일성(uniformity)]를 주는 것이 요구된다.
시스템의 현재 실시예에서 여러 벡터 유형에 대한 설명이 완료되었다. 그러나 다른 유형의 벡터도 가능하다.
SLICE(UI)는 사용자가 제44(a)도에 도시된 파라미터를 정할 수 있게 한다. 도시된 바와 같이, 다음 파라미터가 변화될 수 있다:
해상도
층두께
X 해치 간격
Y 해치 간격
60/120도 해치 간격
X 스킨 필 간격
Y 스킨 필 간격
최소 표면 각(MSA)
최소 교차 각(MIA)
다른 파라미터도 특정될 수 있으나 인터페이스 메뉴에서 도시되지 않는다. 이러한 파라미터 중 가장 중요한 것은 1) 어떤축이 슬라이스(SLICE) 축으로 간주되는가 하는 것에 대한 사양(specification) 즉, 부품 구축을 위한 수직축(-X, -Y, -Z)은 Z가 디폴트 축(default axis)인 선택이고 다른 두개의 축은 층 XY, XZ, YZ를 형성한다. 또 하나는 2) 유효 빔 폭과 이에 따른 빔 폭 보상을 위한 1/2빔 폭에 대한 사양이다.
해상도는 CAD 컴퓨터상에 사용자에 의해서 사용된 단위 -Object.STL 파일이 정해지는 단위-와 벡터 데이타를 만들 슬라이스(SLICE)와 프로세스(PROCESS) 컴퓨터에 의해 사용된 단위를 전환하기 위해 사용된다. 예를 들어, 제40도에서, CAD 시스템상에서 측정의 단위는 인치라고 가정되며, 정해진 1000의 해상도는 1000 슬라이스(SLICE) 단위가 하나의 CAD 단위에 대응한다는 것을 나타낸다. 즉, 슬라이스(SLICE) 단위는 1밀(mil)이다.
층 두께는 생성된 부품에서 연속적인 단면 사이의 두께이다. 이 파라미터는 경화 공정의 연속적인 스테이지에서 엘리베이터를 적절히 낮추는데 사용된다. 경화 깊이가 반드시 층 두께에 대응하는 것은 아니라는 것에 주의한다. 사실, 전술한 바와 같이, 경화 깊이는 20밀의 층두께와 밀의 층 겹침으로 26밀일 수 있다. 층 두께는 부품 전체에 대하여 같을 필요는 없고 층마다 다를 수 있다.
본 명세서에서 설명된 바와 같이, 해치 벡터는 X 방향, Y 방향 또는 양방향 및 X-축에 대해 60의 라인을 따라, 그리고 X 축에 대해 120°(60/120도)의 라인을 따라 배향될 수 있다. X 해치 간격, Y 해치 간격 그리고 60/120도 해치 간격은 이러한 벡터 사이의 간격을 정한다. 제40도의 예에서, X, Y 및 60/120도의 해치 간격은 각각 40, 40 및 0밀이며, 이는 X 및 Y 해칭이 온 되어 있는 반면 60/120도 해칭이 오프되어 있는 것을 나타낸다.
슬라이스(SLICE)는 먼저 특정 단면을 위한 경계 벡터를 만들고, 그리고 나서 단면의 내부를 정할 해치 또는 스킨 벡터를 발생시킨다는 것에 주의한다. 경계 벡터(border vecto)는 물체의 표면과 슬라이스(SLICE)에 의해서 분석되는 특정 단면과의 교차를 정의하는데 사용되는 표면 삼각형으로부터 생성된다. 그리고 나서 해치 벡터가 한번에 한 행씩 만들어지는데, 행은 단면을 형성하는(span) 경계 벡터에서 시작하고 끝난다. 해치 간격값은 해치 벡터를 발생시키는 과정에서 슬라이스(SLICE)에 의해 연속적으로 해치 벡터의 한 행과 인접행간 간격을 주기 위해 사용된다.
스킨 벡터는 X나 Y 방향으로 만들어질 수 있다. X 및 Y 스킨 벡터와 60/120도 스킨 벡터가 일반적으로 동시에 사용되지는 않는데 이는 왜곡을 야기시킬 수 있기 때문이다. 벡터가 그려지고(새로운 플라스틱이 형성됨) 동시에 이미 부분적으로 중합화된 플라스틱에 부착되면서 생기는 수축의 왜곡이 주요인이다. 이것은 이미 존재하는 플라스틱의 긴 라인의 상부에 또는 인접하여 긴 벡터가 만들어질 때 특히 우세한 왜곡의 형태이다. 수축의 양은 중합화의 양에 비례하여, 이 스테이지에서, 층에 발생하는 중합화의 양이 클수록 수축이 커지고 왜곡의 가능성도 커진다. 그러므로, 층 전체가 일 유형의 벡터에 의해 채워지고(skinned), 그후 2번째로 추가의 경화를 위해 통과되면(passed), 2번째 통과는 새롭게 만들어진 플라스틱을 이전에 만들어진 플라스틱에 접착시키는데 이에 의해 상당한 왜곡이 발생한다. 그러나 최종 결과가 요구된 경화 깊이가 되도록 단일 레벨에서 적절히 다중 통과(multiple passage)시키면 적당한 상황에서 왜곡을 더 작게 할 수 있다는 것에 주의해야 한다. 부가적으로, 제2스킨 유형은 일반적으로 요구되지 않는데, 이는 제1스킨이 그 부품을 전체적으로 표면화시키기 때문이다. X와 Y 스킨 필 간격은 각각 X와 Y 벡터 사이의 간격을 정한다. 해치 벡터와 함께, 이러한 파라미터는 슬라이스(SLICE)에 의해 경계 벡터로부터 스킨 벡터를 발생시키는데 사용된다.
본 출원에서 기술된 대로, MSA 파라미터는 근사 편평 영역의 존재를 검출하기 위해 슬라이스(SLICE)에 의해서 판독되고, 슬라이스(SLICE)에서 MIA 파라미터는 가능한 한 경계 벡터에 수직인 해치 벡터를 (경우에 따라 저 왜곡을 위한 요구조건임) 발생시키는데 사용된다.
정확한 NSA는 선택된 층 두께에 따른다. 서로 다른 층 두께에 대한 정확한 MSA는 다음과 같다:
층 두께 MSA
5밀 40
10밀 50
15밀 55
20밀 60
상기 표에서 MSA 값 대 층두께는 오직 일반적인 추천 사항이다. 상기표는 비임 촛점에 대한 가정과 함께, 물체가 만들어지면서 전체적으로 표면이 형성되어야 하는 필요에 근거하여 MSA를 위한 합리적인 값을 준다. 이런 의미에서, 요구된 MAS는 기계에 의존한다.(비임 경화 깊이 대 경화폭 비교예 근거한다) MSA를 선택하는데 추가적인 고려 사항으로 이 표에서 고려되지 않은 것이 있다. 하향 근사 편평 스킨 벡터는 좋은 표면을 만드는 것뿐만 아니라 부품의 상부 구조(superstructure)의 일부를 형성하는데 필요하다. 이렇게 상부 구조가 고려될 때, 모든 층 두께에 대한 MSA는 빔 경화 성질에 관계없이 90°에 접근한다.
SLICE 3.20의 출력이 Object.STL 파일에 놓여진다. Object.STL 파일은 각 단면과 관련된 벡터를 기술하는 데이터로 구성된다. 전술한 바와 같이, 11개의 다 른 벡터 유형이 있는데, 각각의 단면에 대하여, 일반적으로 다른 벡터 유형에 대응하는 11개의 다른 그룹의 데이타가 있을 수 있다.
제44(b)도는 Object.STL 파일의 포맷을 설명한다. 도시된 바와 같이, 파일은 “L”의 값에 의해서 정리되고, 이 값은 특정 단면을 나타낸다. 각 단면에 대하여, 그리고 각 벡터 유형에 대하여, 파일은 그 벡터 유형의 벡터의 종점을 포함한다. 제44도로부터 예가 이하에 도시된다:
Figure kpo00004
이 예는 원점위의 740밀의 단면에 대하여 레이저 빔이 다음의 종점을 갖는 4개의 층 경계 벡터를 그리는 것을 나타낸다:
(250, 8750) → (8750, 8750)
(8750, 8750) → (8750, 250)
(8750, 250) → (250, 250)
(250, 250) → (250,8750)
다시 말하면, 레이저 빔이 상자를 그리게 된다.
요약하면, 슬라이스(SLICE)의 출력은 물체의 단면을 경화하도록 액체 중합체의 표면을 가로지르는 레이저 빔을 이끄는데 사용되는 벡터를 포함하는 파일이고, 출력 파일에 있는 벡터는 이것이 속하는 단면에 따라 조직되어(organized) 있다.
[머지(MERGE)]
머지(MERGE) 프로그램은 하나 또는 RM 이상의 물체로부터 Object.STL을 병합(merge)한다. 이 프로그램은 다른 Object.STL 파일이 서로에 독립적으로 벡터 데이타로 변환되고(pwmr, “SLICED”) 그후 레이저가 광중합체의 표면상에 벡터를 가로질러 지나가게 되기 전에 병합될 수 있게 한다. 이렇게 함으로써 서로 다른 .STL 파일이 각각 서로 다른 파라미터를 사용하여 변환될 수 있게 한다. 부가적으로, CAD 시스템의 제한 때문에, 단일 물체를 많은 다른 부구역(subsection)으로 나누어, 각각 독립적으로 변환하고 나서 단일 부품을 만들도록 다시 병합시키는 것이 필요할 수 있다.
마지막으로, 사용자는 찻잔과 찻잔의 손잡이-손잡이는 부분적으로 찻잔의 표면에 묻혀짐(embedded)-처럼 공간상에서 중첩되는 물체에 대한 .STL 파일을 만들기를 원할 수 있다. 파일이 슬라이스(SLICE) 이전에 병합된다면, .STL 파일에 대한 기본적인 필요 요건-.STL 파일의 삼각형이 물체를 완전히 덮어야 한다는 필요 요건-이 만족되지 않게 된다. 이 파일이 병합되는 경우, 몇몇 삼각형은 물체 내부에 있게 된다.
머지(MERGE)는 Object.V 파일을 만드는데, 이는 모든 병합된 OBJECT.SLI 파일로부터의 벡터를 포함한다.
Object.V는 우선 단면에 의해서 조직되고, 단면안에서 파일이 물체에 의해서 조직되고, 물체안에서, 파일이 벡터 유형에 의해서 조직된다. 각 단면, 물체 및 벡터 유형 조합에 대하여, 파일은 그 유형의 모든 벡터의 종점을 리스트한다.
Object.V의 포맷이 제45도에 도시된다. 이 파일은 단일 물체에 대한 벡터를 포함한다. 도시된 바와 같이, 제1(그리고 유일한) 물체에 대응한다는 것을 나타내는 “1”이 벡터 유형에 부가되었다는 것을 제외하고는 제44도의 포맷과 동일하다. 다른 물체가 관련된다면, 파일은 제2물체와 관련된 단면에 대한 모든 벡터 유형의 리스트를 포함하는데, 여기에서 벡터 유형은 제1의 물체와 관련된 모든 벡터 유형 후에 놓여질 것이다.
머지(MERGE)는 또한 Object.L과 Object.R 파일을 만드는데, 이는 각 단면에 대해서 벡터가 그려질 속도 및 다음의 단면을 경화시키기 위한 준비로서 경화후 엘리베이터가 단면을 액체 광중합체에 침강하는 방식을 제어하도록 사용된다. Object.L 파일이나 Object.R 파일(그러나 양쪽 다는 아니다)이 이러한 파라미터를 제어하는데 사용될 수 있다.
Object.L 파일은 사용자가 단면별로 벡터 유형, 단면, 각 물체의 조합에 대해 서로 다른 경화 파라미터를 정할 수 있게 한다. 더욱이, 사용자는 특정 단면에 대해 다른 침강(dipping) 파라미터를 정할 수 있다. 그러므로, 예를 들어, 4개의 물체의 병합된 파일에 대하여, 11개의 벡터 유형으로, Object.L 파일은 사용자가 주어진 단면에 대하여 44개의 다른 경화 파라미터와 각각의 단면에 대하여 다른 침강 파라미터를 정할 수 있게 한다. 다시 말하면, Object.L은 경화 공정을 층별로 제어할 수 있게 한다.
Object.R 파일은 Object.L에 의해 허용된 융통성이 필요하지 않은 응용예를 위해 설계되었다. Object.R은 층별 제어를 제공하는 대신, 범위별로 제어하도록 하는데 여기에서 범위는 소정의 수의 단면(하나의 단면은 하나의 층과 같다)이다.
Object.L 파일 또는 (전문화된 장비용으로 다른 파라미터가 있을 수 있다) Object.R 파일에서 정해질 수 있는 주요 침강 파라미터는 다음과 같다.
Figure kpo00005
이러한 파라미터는 특정 단면 경화 후 엘리베이터를 제어하는데 사용된다. ZA는 프로세스(PROCESS) 컴퓨터가 엘리베이터를 가속시키는 양이며, ZV는 엘리베이터에 허용되는 최대 속도이다. 엘리베이터가 요구된 위치에서 정지하도록 감속을 시작할 시간을 소프트웨어가 결정할 때까지 이 속도를 유지한다. ZA는 rev/sec2로 명시되고, ZV는 rev/sec로 명시된다. 5피치 엘리베이터가 사용되고 5회전(revolution)=1인치이기 때문에, 이러한 숫자는 인치/sec2또는 인치/sec의 더 전통적인 값으로 변환될 수 있다. 이러한 값은 프로세스(PROCESS) 컴퓨터에 의해서 엘리베이터를 제어하는 스테퍼 모터로 보내진다.
ZD는 밀리미터로 특정되며, 엘리베이터가 광중합체로 처음에 침강되는 거리를 정한다. 이 값은 층 두께보다 훨씬 큰데, 이는 전형적으로 밀로 정해진다. 초기의 침강 후에, 엘리베이터는 다시 위로 이동하여, 엘리베이터상의 경화된 광중합체의 표면은 광중합체 표면 아래의 1층 두께가 된다.
ZW 값은 정해지고 이러한 층을 위한 경화 공정을 시작하기 전에 프로세스(PROCESS) 컴퓨터가 기다리는 (아래로 침강되고 위로 상승되는데 요구되는 시간을 포함하여) 양이다. 이 값은 중력 레벨링(gravity leveling)로서 알려진 과정을 거쳐 초과 액체 광중합체가 충분히 떨어지도록 선택되어야 한다.
가장 중요한 경화 파라미터는 다음과 같다.
Figure kpo00006
SP의 값이 10초의 단위로 정해질 것이고 이는 프로세스(PROCESS) 컴퓨터가 어떤 스텝 크기를 가로지른 후에 레이저 빔이 기다리도록 하는 시간이 양이다. SS의 값은 동적 미러의 각 이동으로 정해지고 동적 미러의 방사상 이동(radial movement)의 최소 증가량, 따라서 광중합체의 표면상의 레이저 빔의 가장 작은 스텝 증가량을 나타낸다.
미러의 방사 이동의 최소단위는 비트로서 정의되고, 여기에서 3556비트는 1인치의 이동을 나타낸다. 결국, 1비트는 약 .3밀의 이동(그려지는 필드의 중심 근처에서)을 나타낸다. 부가적으로, 동적 미러는 64K 비트까지 각각 이동할 수 있고, 그리하여, 미러는 레이저 빔이 64K×64K 비트의 2차원적 영역을 가로지르게 하는데, 이는 각 축을 따라 40°각 이동(angular displacement)에 해당한다.
SP의 값은 레이저가 SS에 의해 정해진 스텝을 가로지르는데 걸리는 시간과 빔이 그 스텝을 가로지른 후에 기다리는 시간의 합을 나타낸다. 일반적으로, 이동시간(traverse time)은 매우 작고, 대기 시간이 주요 부분을 차지한다.
JD의 값은 레이저 빔이 방금 점프한 벡터의 꼬리에 머무르게 되는 양을 나타낸다.
Object.L 및 Object.R은 프로그램 프리페어(PREPARE)를 설명한 후에 더 논의하기로 한다.
[프리페어(PREPARE)]
프리페어(PREPARE)는 Object.R 파일에 대하여 사용자가 경화 및 침강 파라미터를 정하는 것을 돕는 사용자 인터페이스이다. Object.L 파일에서 파라미터를 정하기 위하여, 표준 워드 프로세서 형태의 라인 에디터가 사용된다.
제33도에 도시한 바와 같이, PREPARE는 MATERIAL.LST, MATERIAL.MAT, POWER.LST, PREPARE.PRM. BUILD.PRM Object.L 및 Object.R 파일을 입력받는다.
재료 파일(제33도에서, MATERIAL.MAT로서 표히됨)은 소정의 광중합체에 대하여 레이저 파워와 경화 깊이(그리고 경화폭)를 여러 SS와 SP값에 연관시키는 샘플 데이타를 포함하는 파일이다. 요구된 경화 깊이를 SP 및 SS값으로 바꾸는데 사용되는 주요한 파일이다.
MATERIAL.LST 파일은 사용된 마지막 재료 파일을 특정한다. 재료 파일(MATERIAL.MAT)은 반조톱(banjotop)으로서 알려진 경화된 중합체 구조를 측정함으로써 얻어진 데이타를 포함한다. 반조톱은 기계 및 수지에 의존한다. 결국 재료 파일은 특정 수지에 대한 정보만을 포함하고 기계 의존 변수값(machine dependent variable values)은 빔 프로파일 측정으로부터 얻어진다.
제46도에서 도시된 바와 같이, 반조톱은 지지틀(support frame)을 가로지르는 노출이 서로 다른 5개 라인을 갖는 1층 두께의 플라스틱 부품이다. 도면에 도시된 바와 같이, 반조톱(321)은 그 면을 교차하는 5개의 라인(322(A)-(E))를 갖는다. 각 라인은 주어진 속도(노출에 비례한다)로 반조톱의 면에 대하여 레이저를 이동시킴으로써 얻어진다. 우측에서 좌측의 순서로, 각 라인에는 이전 라인의 두배의 노출이 주어진다.
반조톱의 목적은 노출과 경화 깊이 사이의 관계를 실험적으로 측정하기 위한 것이다. 액체 광중합체가 경화 과정동안 자외선 광을 흡수해야 하기 때문에, 경화 깊이는 노출에 대수적으로(logarithmical) 관련된다. 즉, 노출이 X 배라면, 경화 깊이는 X 배보다 훨씬 적게 증가된다. 그 대신에, 경화 깊이는 대수적으로 증가된다.
반조톱에서, 각 라인은 이전의 라인에 주어진 노출을 2배로 함으로써 얻는다. 그러나, 대수적인 관계에 따라, 경화 두께는 층에서 층까지 같은 증가분 값(incremental value)에 의하여 부가적으로 증가해야 한다. 바꾸어 말하면, 하나의 연속한 라인에서 다음까지 경화 두께에서 증가는 같아야 한다.
제46도에서, 예를 들어, 반조톱(banjotop)(321)은 노출정도가 서로 다른 가로 질러서 그려진 다섯개의 줄(322)을 가지고 있다. 줄(322)(B)에 대한 노출은 줄(322)(A)에 비하여 2배이며, 줄 322(C)에 대한 노출은 줄 322(B)에 비하여 2배이고, 줄 322(D)에 대한 노출은 줄 322(C)에 비해 2배이고, 줄 322(E)에 대한 노출은 줄 322(D)에 비해 2배이다.
그러나, 줄(322)들의 경화깊이는 줄들의 노출과 같은 관계를 유지하지는 않는다. 대신에, 경화깊이는 하나의 줄에서 다음 줄 사이에서 거의 4∼6밀 만큼 변한다. 다시 말하면, 줄 322(A)와 줄 322(B), 줄 322(B)와 줄 322(C), 줄 322(C)와 줄 322(D), 줄 322(D)와 줄 322(E)의 각각의 경화 깊이의 변화는 모두 거의 4∼6밀이다. 전술한 바와 같이, 그 관계는 대수적이고 log(노출) 대 경화깊이의 그래프는 직선이 되며 이것이 제47도에서 곡선(323)으로 표시된다.
편의상, 경화폭이 log(노출)의 함수로서 그려지고 제47도에서 곡선(324)에 의하여 표시된 것처럼 유용한 관계가 관찰이 된다. 그러나 이러한 관계는 경화깊이와 같이 빔의 지수적 감쇄에 근거하는 것이 아니므로 잘못된 것일 수 있다. 경화폭은 기본적으로 빔의 단면에 기초를 두고 있다.
프리페어(PREPARE)의 목적은 하나의 부품을 구축할 때 특정 경화 깊이를 얻기 위하여 사용될 수 있는 SS와 SP의 값을 사용자가 특정하는 것을 가능하게 하는 것이다. 레이저 노출은 다음과 같이 SS와 SP에 관련되어 있다. 소정의 스테레오리소그래피 기계와 빔 초점 레이저 노출은 다음과 같은 값에 비례한다:
Figure kpo00007
기계나 빔 초점이 다른 경우에, 비례 상수는 변화할 수 있다.
전술한 바와 같이, SS는 동적 미러의 각이동이다. SS와 액체 광중합체(photopolymer)의 표면을 가로지르는 레이저 빔의 움직임과의 관계가 제48도에 설명되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 동적 미러(3)는 레이저 빔(316)이 329로 표시된 위치를 향하여 움직이게 한다. 326 위치에 있는 레이저 빔은 광중합체의 표면에 수직인 것으로 가정된다. 그림에서 325에 표시된 미러의 방사상의 운동은 비트 단위로 표시되고 이것이 위에서 언급된 SS이다. 레이저 빔의 방사상의 이동에 의해 광중합체(328)의 표면에 충돌하는 위치가 변화된다. 도면에서, 처음에 빔은 중합체의 표면상의 위치 330에 충돌하고, 미러의 방사상 이동에 의하여 331 위치로 움직이게 된다. 그림에서 327로 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 이동한 거리는 다음과 같이 방사상 거리(325)와 관련되어 있다:거리(327)는 대략 거리(326)에 방사상 거리(325)(라디안으로 측정)를 곱한 것과 같다. 그러나 이 관계는 단지 근사식일 뿐이다.
이것은 각거리(325) 곱하기 거리(326)은 레이저 빔이 이동한 각거리(332)를 측정한 것이지 직선 거리(327)가 아니기 때문이다. 그러나 이러한 두개의 거리는 동적 미러와 중합체 표면 사이의 수직 거리(perpendicular distance)(326)가 클 때는 거의 같게 된다. 본 명세서에서 설명된 특정 실시예에서, 거리(326)의 값은 27인치이다.
전술한 바와 같이, X 또는 Y 동적 미러에 대한 SS의 값은 0에서 64K 비트에 달한다. 이것은 또한 0°∼40°의 각이동을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 작업 곡선은 사용자가 레이저 노출의 어떠한 값에 의해 소기의 경화곡선의 깊이나 폭을 얻을 수 있는가를 결정할 수 있게 한다. 프리페어(PREPARE)의 다른 목적은 사용자가 특정한 경화 깊이를 얻기 위하여 요구되는 레이저 노출의 값과 SS의 SP 값 사이를 변환시킬 수 있도록 하는 것이고, 그러한 값들은 Object.R 파일에 포함되게 된다.
전술한 작업 곡선과 레이저 노출과 SS, SP 사이의 관계는 특정 기계와 빔 초점(beam focus)에 상당히 좌우된다. 만약 이러한 것중의 하나가 변화한다면, 그 관계와 작업 곡선이 변할 수 있으며, 새로운 기계나 빔 초점을 사용하여 경화된 반조톱으로부터 다른 작업 곡선을 얻는 것이 필요할 수도 있다. 이 경우, 새로운 반조톱으로부터 측정값이 다른 MATERIAL.MAT 파일에 배치되게 되고 적절한 경우 새로운 MATERIAL.MAT 파일의 이름으로 MATERIAL.LST가 갱신된다.
작업 곡선은 또한 특정 빔 초점, 빔 프로파일과 기계에 상당히 좌우된다. 빔 초점은 빔 스포트 크기를 결정하고 사용되는 광학 장치(2)에 의존한다(제8도 참조).
일반적으로, 렌즈는 빔을 약 1/e2파워 레벨에서 7∼20밀 두께로 집속시킨다. 빔 프로파일은 레이저(1)에 의하여 생성되는 특정 모드에 상당히 좌우된다. 공지된 바와 같이, TEM8모드는 비교적 가우시안이고 면(face)을 가로질러 결절(node)이나 공백(zeroes)을 갖지 않는 반면 TEM10모드와 같은 다른 모드는 면을 가로지르는 결절이나 공백을 갖는다. 유리하게, 레이저는 다중모드인데 이는 모두들간을 구별하려 하면 입력 전원 소모가 심하기 때문일 것이다. 그러나 광학 장치나 레이저가 변한다면, 작업 곡선은 재계산되어야 한다.
마지막으로, 작업 곡선은 사용된 특정 광중합체에 상당히 좌우된다. 만약 이것이 변한다면, 그 작업 곡선은 다시 계산되어야 할 것이다.
본 명세서에 설명된 특정 실시예에서, 해치와 경계 벡터에 대한 SS의 값은 2(대략 6밀)인 것이 바람직하고 필 벡터들에 있어서, SS의 값은 16(대략 4.8밀)인 것이 바람직하다.
SS의 값 2는 대략 0.6밀의 스텝 크기에 해당한다. 전술한 바와 같이, 광중합체의 경화의 패턴은 일련의 부분적으로 중복되는 블릿과 공통점이 있다. 이것이 제49도에 도시되어 있다. 빔의 반경은 대략 7-20밀이므로 경화 과정 동안 형성된 블릿에서 실질적인 중첩이 있을 것이다.
일반적으로, SS의 값이 클수록, 중복이 적고 경화된 선이 더 울퉁불퉁하게(lumpy) 나타날 것이다. 만약 덜울퉁불퉁한 라인이 요구된다면, SS 값을 더작게 선정해야 한다.
그래서, 벡터 유형에 의하여 기본적으로 결정이 된 SS의 값을 갖고서, 작업 곡선을 사용하여 요구되는 경화 깊이와 SP의 값 간을 전환하게 될 것이다. 본 명세서에서 예시되는 실시예는 10과 대략 4000사이의 SP 값을 허용한다.
SP는 작업 곡선에 의하여 결정되는 가장 중요한 파라미터이기 때문에, SP와 경화 깊이간을 직접적으로 전환하는 작업 곡선을 만들기 위해서는 반조톱을 사용하는 것이 바람직하다. 이것이 본 명세서에서 설명된 특별한 실시예에서 채택된 접근법이다. 2의 SS 값을 각각 갖고 각각 다른 SP 값과 관련된 5개의 라인을 갖는 2개의 반조톱이 만들어진다. 하나의 반조톱은 전형적으로 2560, 1280, 640, 320과 160의 SP 값을 갖도록 만들어지며, 두번째 것은 160, 80, 40, 20과 10의 SP 값을 갖는다. 반조톱이 만들어진 후에 경화 깊이가 결정되며 결과적인 데이터가 MATERIAL.MAT 파일에 놓여지게 된다. 만약 빔 촛점 또는 모양, 재료, 레이저 파워 또는 스테레오리소그래피 기계가 바뀐다면, 새로운 반조톱들이 만들어져야 하고 새로운 작업 곡선이 정의되어야 한다.
PAEPARE는 제33도에서 205로 표기된, POWER.LST 파일도 사용하는데, 그것은 디폴트 레이저 파워로서 PREPARE에 의하여 사용되는데, 그것은 스테레오리소그래피 시스템과 관련된 레이저 출력 파워에서 변화가 감지된다면 작업 곡선을 재계산하기 위하여 사용된 최종 레이저 파워이기 때문이다.
HeCd 레이저는 여기에 묘사된 실시예에서 유리하게 사용되며, 그것은 수명이 2000 시간이며 출력파워가 평균 20mW인 것으로 기록되어 있다. 실제로는, 출력 파워는 여러달 후에 레이저가 10mW가 될 때까지 주당 1mW씩 낮아지기도 하며, 10mW 상태에서 한동안 유지될 수 있다. 그 기간이 경과후에는, 레이저 파워는 다시 낮아진다. 많은 경우 레이저 파워는 처음에 급속히-예를 들어 수주후에 25에서 20mW로-떨어질 수 있다.
작업 곡선들은 반조톱을 만들기 위하여 사용되는 레이저의 특별한 레이저 출력 파워에 의존하며, 그것들은 만약 레이저 파워가 변한다면 다시 교정되어야 한다. 작업 곡선을 다시 교정하는 방법중 하나는 새로운 부품이 만들어질 때마다 새로운 반조톱을 만드는 것이다. 이 방법은 불편하고, 부품이 생성될 때마다 레이저 파워를 단순히 측정하고, 이것을 작업 곡선을 만들기 위하여 사용된 레이저 파워와 비교를 하고 이러한 비교예 기초를 두어 레이저 파워에 임의의 저하에 대해 작업 곡선을 다시 교정하는 것이 적절한 것으로 알려져 있다. 이러한 재교정은 레이저 빔의 초점이 변화하지 않는 한 성공적이다. 실제적으로 작업곡선은 경화깊이와 노출사이에 정당한 관계를 규정하기 때문에 다시 재교정되지 않지만 주어진 노출레벨을 유지하기 위한 파라미터는 레이저 파워의 저하 때문에 다시 조절이 된다.
발생될 수 있는 한 문제는 파워가 저하됨에 따라 레이저의 모드가 변화할 수 있다는 것이다. 그러나, 실제로 단지 레이저 파워에 기초를 둔 재교정이 레이저 파워가 변화하는 유일한 파라미터인 한은 아직은 비교적 성공적인 것으로 알려져 있다. 이것은 레이저 모드가 변화하는 경우에도 마찬가지이다. POWER.LST 파일은 사용된 최종 레이저 파워 값을 포함한다. 부품을 만들 때, 새로운 레이저파워가 프리페어(PREPARE)로 들어간다. 이러한 새로운 레이저파워는 POWER.LST를 갱신하고 그것은 특별한 경화 깊이에 대해 요구되는 SP에 관한 결정을 하기 위하여 특정의 MATERIAL.MAT 파일과 함께 사용이 된다.
PREPARE.PRM과 BUILD.PRM은 많은 수의 디폴트 파라미터를 포함한다. 주요한 디폴트 파라미터들은 현재 PREPARE.PRM으로부터 얻으며 한편으로는 해치와 경계 벡터들을 위한 SS 값이며, 다른 한편으로는 스킨 벡터들을 위한 SS 값이다. PREPARE는 또한 PREPARE.PRM 파일로부터 다양한 다른 파라미터들을 위한 디폴트값들을 얻을 것이다.
BUILD.PRM은 부품을 구축하는 과정에서 사용되는 많은 수의 디폴트 파라미터를 포함한다. 이러한 파라미터들은 부품이 요구되는 크기로 만들어지도록 SLICE 단위로부터 미러 단위로 물체를 변환하기 위한 축척 계수와, 물체를 원래의 슬라이스 위치에서부터 미러 비트위치까지 이동되도록 하여 엘리베이터 플랫폼 위에 요구되는 위치에 구축되도록 하는 오프세팅 파라미터를 포함한다. BUILD.PRM은 개념적으로 소프트웨어의 최신 버젼(3.2 및 더 새로운 것)에서 2개의 파라미터 파일로 구성이 되는 것으로 간주된다. 제1파일은 BUILD.PRM으로 불리고 제2파일은 구축될 물체의 이름(OBJECT.PRM)을 따른다. PREPARE의 최신버젼은 Object.PRM 파일이 있는 경우 그 내부에서 읽고, 그렇지 않은 경우 BUILD.PRM 파일에서 읽고, 변화가 있을 때 그것들은 Object.PRM 파일에 반영된다. PREPARE의 구버젼은 BUILD.PRM 파일에 읽고 쓴다. PREPARE는 사용자가 상기 BUILD.PRM 내의 여러 파라미터 및 다른것들을 수정하는 것을 보조할 수 있는 능력이 있다. BUILD.PRM의 부가적인 파라미터들은 각 벡터 블록 유형과 각 물체에 대한 레이저 제어파라미터와 부품에 대한 침강(dipping) 파라미터의 단일 세트를 포함한다. 그러나 이러한 값들은 PREPARE에 의하여 변화되지는 않지만 대신에 표준 워드 프로세서형 에디터나 라인형 에디터에 의해 변경될 수 있다.
요약하면, PREPARE는 사용자가 다양한 경화와 침강 파라미터를 명시할 수 있게 하고, 범위별로 특정 경화 깊이와 폭을 얻기 위하여 사용되는 관련 SS와 SP 값을 계산하는 것을 도울 것이며, 새로운 레이저파워 A-D 작업 곡선을 사용하여 새로운 경화 파라미터를 계산하고 경화 파라미터를 Object.R 파일의 적당한 부분에 기록하고, 또한 Object.R 파일을 편집하여 디폴트와 침강 파라미터를 바꾸도록 한다.
제50(a)도는 다른 경화 구역상에서 각 블럭 유형의 Wmin과 Wmax에 대해 PREPARE를 사용하여 다른 경화 파라미터, 즉, 경화 깊이 또는 SP 등을 명시하는 것을 보여주는 PREPARE에 의하여 만들어진 보고서이다. 도시된 바와 같이 두개의 범위(RANGE)가 나타난다. 제1범위는 두개의 20mil 단면으로 구성이 되고 제2범위는 13개의 20mil 단면으로 구성이 된다. 각 범위에 대해 명시될 수 있는 경화 파라미터는 경화 깊이나 SP이다. 도면에 도시된 바와 같이, Wmin과 Wmax는 도시된 경화 깊이를 갖는 줄(string)의 바닥으로부터 6밀에서의 폭과 도시된 경화 깊이를 갖는 줄의 상단에서의 폭이다. Wmin과 Wmax는 편의상 도시된 것이고, 이러한 파라미터는 특정하여 편집할 수 있는 것은 아니다. 제26(b)도에 도시된 바와 같이, 근사-편평 평면이 있는지 감지하는데 사용되는 MSA의 계산은 Wmin과 Wmax에 의존하기 때문에 사용자가 근사 편평 면을 갖는 범위나 층들에서 Wmax과 Wmin의 값을 지정하는 것이 중요하다. PREPARE는 Wmin과 Wmax를 디스프레이하는 것 이외에는 MSA를 결정하는 것을 보조하지 않는다. MSA의 사양(specification)는 슬라이싱 전에 이루어지지만 PREPARE에서 정보는 앞으로의 슬라이스에 대해서도 사용될 수 있다는 것을 기억하여야 한다.
스킨된(skinned) 표면을 갖는 범위와 층에서 경화폭을 명시하는 것도 중요하다. 이것은 스킨 벡터들 사이의 간격은 1∼4밀인 것이 바람직하고(해치 벡터 사이의 간격은 30-100밀인 것이 바람직함) 빔의 폭에 따라, 인접한 스킨 벡터 사이에 실질적으로 중복하는 비트가 있으며, 그것은 경화 깊이에 영향을 미칠 것이다. 예를들어 8밀의 경화폭, 4밀의 간격을 갖는 레이저는 주어진 영역을 2번 경화시킨다. 환언하면, 경화깊이는 밀접하게 붙어있는 스킨 벡터의 영역에서 경화폭에 좌우된다. PREPARE에서 디스플레이된 경화깊이와 관련 SP는 벡터의 중복이나 SS에서 변화를 고려하지 않지만 이러한 것들은 필요한 정보에 대한 접근이 PREPARE에 의하여 표시되는 한 수동으로 처리될 수 있다.
제50(b)도는 PREPARE에 의하여 해석되고 도시된 MATERIAL.MAT 파일의 내용을 보여준다. 도시된 바와 같이, 그 파일은 반조톱 상의 5개의 줄에 해당하는 5개의 데이타 쌍을 포함하고 각 쌍은 SP의 값과 LH(선의 높이를 나타내며 경화 깊이와 같다)의 값이다. 또한 방정식에 대한 데이타의 최소 제곱 피트(least square fit)로부터 도출된 피트된 데이타의 근접함(closeness), 기울기(SLOPE), y절편(y-intercept)(LH)가 표시된다.
LH=기울기 * LOG10(노출)+(절편)
여기서, 노출=(SP)
제50(c)도는 여러 가지의 경화 파라미터를 가지고 PREPARE에 기록된 후의 Object.R의 내용을 도시하고 있다. 표시된 바와 같이, 제1범위의 모든 LB와 LH 벡터는 SS 값을 2로 하고 SP 값을 212로 하여 그려져 있다. 제2범위의 모든 LB와 LH 벡터는 SS값을 2로 하고 SP값을 58로 하여 그려져 있다. 이러한 SP의 값과 관련되어 있는 가공깊이는 각각 35밀과 26밀이고, 이것은 디스플레이된 MATERIAL.MAT 파일에서 명시된 데이타와 현재의 레이저 파워를 사용하여 결정될 수 있다.
마지막으로 제50(d)도는 Object.L 파일의 일부의 형식을 보여준다. Object.L 파일은 Object.R 파일과 유사하지만 그것은 범위별(range by range)이 아니라 층별(layer by layer) 제어를 제공한다. Object.L은 각층, 물체, 벡터 유형 조합에 대해 사용자가 다른 경화 파라미터를 명시할 수 있도록 한다. 따라서 각각 조합에 대해, Object.L은 그 조합에 대한 경화 파라미터를 기재하고 있다.
[빌드(BUILD)]
빌드(BUILD)의 기능은 기본적으로 벡터와 제어파일을 취하여 부품 구축을 위해 부가적인 파라미터가 더해질 필요가 있는지 체크하고, 부품을 구축하기 위해 적절한 시간에 명령을 보낸다. 빌드(BUILD)는 파라미터의 디폴트 파일로부터 필요한 파라미터를 더할 것이다.
제33도에 나타난 것처럼, 빌드(BUILD)는 BUILD.PRM, Object.L 또는 Object.R과 Object.V 파일로부터의 데이타를 결합한다. 주어진 층, 물체, 벡터 타입 조합에 대해 빌드(BUILD)는 우선 Object.R 또는 Object.L 파일에서 필요한 빌딩(building) 파라미터)경화 파라미터의 같은)를 체크하고, 없는 경우는 BUILD.PRM 파일에서 체크한다. 만약 빌드(BUILD) 버젼이 3.20 또는 그 이상이라면 마지막 체크는 Object.PRM에서 그후 BUILD.PRM에서 될 것이다.
일반적으로, BUILD.PRM은 사용자는 부품 경화 파라미터와 함께 침강(dipping) 파라미터, 부품 오프셋 파라미터, 그리고 부품 축척 파라미터(part scaling parameter)에 대한 디폴트 값을 정할 수 있게 한다.
침강 파라미터, ZA, ZV, ZD와 ZW는 벌써 설명이 되어 있다.
축척 파라미터는 다음과 같다. Object.V에서 벡터는 슬라이스(SLICE) 단위로 정의되어 있고, 이 단위는 CAD 단위와 소기의 해상도에 좌우된다. 예를들어 CAD 단위가 1인치이고 해상도가 1000인 경우에, 슬라이스(SLICE) 단위는 0.001인치나 1밀이 될 것이다.
빌드(BUILD)는 동적 미러가 특정 방사상 거리(radial distance)를 회전하도록 하기 위하여 벡터를 라디얼 단위로 변환을 하여야 한다. 전술한 바와 같이, 동적 미러를 제어하기 위하여 사용된 라디얼 단위는 비트이며, 3556비트가 1인치의 선형 이동에 해당한다. 따라서, 변환을 하기 위하여, 빌드(BUILD)는 축척 계수 3556/1000=3.556로 모든 벡터를 스케일(즉 곱하기) 하여야 한다. 만약 시스템이 교정될 때 사용된 것과 같은 축척 계수를 부품을 구축할 때 특정하는 경우 축척 계수(액체 거리에 대한 특별한 미러에 대한)에서 경미한 오차는 기하학적인 보정에 의하여 자동적으로 보상된다.
빌드(BUILD)는 Z-스테이지 엘리베이터를 제어하는데 사용하기 위하여 상기의 파일로부터 명령을 이끌어내야 한다. Z-스테이지 엘리베이터 명령은 피치 스크류(pitch screw)의 회전수(revolaition)에 의하여 표현되어야 한다. 이것은 엘리베이터가 피치 스크류의 회전에 의하여 일정한 양만큼 상승 또는 하강하게 되기 때문이다. 본 실시예에서 사용된 것과 같은 5피치 엘리베이터에 있어서, 피치 스크류의 5회전 엘리베이터가 Z축 방향으로 1인치 움직이는 것과 같다. 엘리베이터 피치 파라미터는 모터와 함께 특정한 거리를 따라서 엘리베이터를 움직이는 것과 스크류 피치 특성 사이의 관계일 뿐이다.
빌드(BUILD)는 또한 디폴트 노출값 즉 SS와 SP이 각 물체와 벡터 타입의 조합에 대해 특정되도록 한다.
빌드(BUILD)는 또한 사용자가 각 벡터의 종점의 X와 Y 좌표에 더해질 오프셋값(비트로 정의된)을 특정할 수 있게 한다. 이러한 오프셋은 예를들어 부품 중심의 위치를 설정하여 엘리베이터 플랫폼의 중심에 맞추어지도록 하는데 사용될 수 있다. 더욱이, 빌드(BUILD)는 미러의 스캔 범위내의 영역에 대한 디폴트값(비트로 정의됨)을 포함하며, 그것은 광중합체를 담고 있는 수조의 외곽선이며, 그 외곽선은 미러 범위보다 적을 수도 있다. 전술한 바와 같이 미러는 X 또는 Y 방향에서 0에서 64K까지의 범위이며, 반면에 광중합체를 담고 있는 수조는 16,384에서 49,152비트까지이다.
빌드(BUILD)는 또한 사용자가 리베팅(riveting)을 제어하고 통과 능력(pass capabilities)을 증가시킬 수 있게 한다. 리베팅은 크로스해치와 경계 벡터에서는 층간 접착을 요하지 않는 기술이다. 층간 접착은 경계와 해치를 층 두께보다 약간 적게-20밀 층에 대해 18 또는 19밀-경화하고, 크로스 해치 부분에 여분의 경화를 가하여 이 부분이 층을 결합시키도록 함으로써 달성된다. 결합 지점까지 경화되는 해치의 부분을 리벳이라 부른다. 리벳이 만들어지는 방법에 영향을 주는 몇가지의 명령이 있다. 부가적으로 빌드(BUILD)는 벡터를 그리고 레이저로 같은 벡터를 여러번 통과시킴으로써 접착되게 하는 명령어를 포함한다. 이에 따라 접착력과 최종의 경화 깊이를 달성하기 위해 7번까지의 통과가 가능하다. 따라서 층간의 접착이 레이저의 제2, 제3 또는 제 7통과(pass)까지 생기지 낳을 수도 있다. 이에 따라 이전의 층에 부착되기 전에 대부분의 중합화가 일어나도록 하여 왜곡을 감소시키게 된다. 이 기법은 재작도(redraw)라고 불리며 이에 따라 각 통과에서 서로 다른 노출 파라미터를 사용할 수 있고 재작도에서 다음 통과를 개시하기 전에 가변 길이의 작도가 가능하다.
BUILD.PRM의 형식이 제51(a)-제51(b)도에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 그 파일은 밀리미터와 회전수 사이의 축척을 정하기 위한 엘리베이터의 피치 파라미터의 디폴트값, SLICE 단위와 미러 비트 사이의 축척을 정하기 위한 축척 계수, 비트로 표시된 수조 영역의 위치와 치수(dimension), 그리고 리베팅 과정을 제어하기 위한 변수, 재작도 과정을 제어하기 위한 변수, 블록 단위 물체 단위의 표준 경화 파라미터를 포함한다.
[스테레오(STEREO)]
스테레오는 핀쿠션(pincushion)으로 알려진 효과를 교정하기 위하여 벡터 데이타를 기하학적으로 보정한다. 스테레오는 또한 드리프트(drift), 직교하지 않는 미러, 표면 이외에서의 미러의 회전등과 같은 다른 오차도 보정한다.
핀쿠션 효과는 제48도를 참조하여 설명될 수 있다. SLICE 단위와 비트(미러 구동에 사용된 라지얼 단위) 사이를 보정하는 데에 있어, 선형 관계가 가정되었다. 즉, SLICE 단위가 1mil과 같다고 가정하며, 3556비트/인치로 가정하여 빌드(BUILD)에 의하여 모든 벡터데이타에 3.556의 축척 계수가 곱해진다.
그러나, 제48도를 참조하면, 그림에서 325로 표기된 미러의 방사상의 이동과 그림에서 327로 표기된 선형 빔 움직임 사이의 관계는 선형적이지 않고 실제로 레이저 빔이 그림에서 326으로 표시된 수직 위치(perpendicular position)로부터 멀어짐에 따라 더욱더 비선형이 된다.
제52(a)도 및 제52(b)도에 예시된 것처럼, 선형 관계를 가정함에 따라 핀쿠션 효과라 불리우는 왜곡이 단면 경화시 일어나게 된다. 만약 레이저가 제52(a)도에 도시된 형태를 그리도록 미러에 명령을 내린다면, 실제로는 레이저빔이 광중합체의 표면을 가로지르며 제52(b)도에 도시된 패턴을 통과할 것이다.
스테레오(STEREO)는 교정판(calibration plate)을 사용함으로써 핀쿠션 효과를 보정할 수 있는 수단을 제공한다.
교정판이 제53도에 도시되어 있다. 그것은 그리드에 퍼져 있는 핀홀을 갖는 금속판으로 되어 있으며, 핀홀들은 서로 1/4″ 떨어져 있다.
셋업 단계 동안에, 부품이 만들어지기 전에, 교정판이 경화중에 광중합체의 표면이 있을 정확한 위치에서 레이저빔 밑에 놓여진다. 부가적으로, 빔은 처음에 곧장 밑으로 비추어 교정판에 직각으로 입사되고, 교정판은 제53도에서 333으로 표시된 교정판의 표면의 중심 핀홀을 통하여 레이저 빔이 때리고 지나가도록 놓여져 있다. 전술한 바와 같이, 각 미러는 64K 비트의 범위를 가지며, 그래서 각 미러에 대한 범위내에서 중심위치는 32767비트가 될 것이다. 특정 핀홀을 레이저 광이 통과하는 것을 감지하기 위한 감지수단이 교정판 뒤에 위치한다. 그판은 또한 핀홀의 열과 행이 가능하면 X와 Y축을 따라서 일렬로 늘어서도록 배향된다(oriented).
캘리브레이션(CALIBRATION)은 다음과 같이 동작을 한다:핀홀(333)을 통하여 레이저 광이 통과하는 것이 감지된 후에 그 빔은 제53도에서 334로 지적된 위치로 이동된다. 이것은 위치(333)로부터 1/4″ 즉 889비트이므로, 미러는 889 비트만큼 회전된다. 그러나 앞서 언급된 것처럼 교정판의 표면위에서 직선 거리로는 889비트보다 적은, 아마 880비트 정도 이동하면 될 것이다. 그래서 레이저광은 핀홀을 통과하지 못할 수도 있고 그래서 감지수단이 레이저광의 통과를 감지할 때까지 캘리브레이션(CALIBRATION)은 335으로 표시된 것처럼 빔이 원추형의 탐색 패턴으로 움직이게 한다. 위치(334)에서 예상된 거리와 실제거리 사이의 차이(divergence)가 비트단위로 저장된다.
이러한 과정이 교정판 위의 각각의 핀홀에 대하여 반복되어, 각각의 핀홀과 관련되어 X와 Y 방향에서의 차이의 표가 만들어진다. 이러한 값들은 스테레오(STEREO)에 의하여 핀쿠션효과를 보정하기 위하여 벡터에 기하학적 보정을 행하는데 사용된다. 예를들어 제53도에서 333에서 334으로 향한 1/4″ 벡터는 334의 종점과 관련된 X값으로부터 19비트를 빼는 것에 의해 교정되고 이에 따라 889비트에서 880비트로 1/4″만큼 길이를 변화시킨다.
일반적으로, 기하학적인 오차를 정확히 보정하기 위해서는 벡터위에서 종점뿐 아니라 모든 점이 정정되어야 한다. 만약 벡터상에서 종점만이 교정된다면, 기하학적 왜곡이 남게 된다.
이것은 제54(a)도와 관련되어 설명이 될 수 있다. 그림에 표시된 것처럼, 벡터(336)가 시스템에 의하여 그려졌을 때, 그것은 실제적으로 중합체의 표면위에서 337로서 그려지게 된다. 만약 그 벡터의 종점만이 교정된다면, 결과적인 벡터는 338로서 나타나게 된다. 도시된 것처럼, 이러한 벡터 또한 왜곡되어 있다.
그러나, 벡터의 내부의 모든 점을 기하학적으로 교정하는 것은 시간의 낭비이고 아마 불필요할 것이다. 그러나, 각 벡터를 마이크로벡터라 불리는 작은 단위로 나누고, 그리고 기하학적으로 각 마이크로벡터의 종점을 교정하는 것이 적절한 타협점인 것으로 밝혀졌다. 이것이 제54(b)도에 도시되어 있고 여기에서 벡터(336)가 339(A)-339(G)로 표시된 마이크로벡터로 나누어진 것을 보여준다. 각 마이크로벡터의 종점들이 기하학적으로 교정이 되고, 그래서 그림에 표시된 바와 같이 교정된 마이크로벡터를 배치하면 원래의 벡터에 대한 적절한 근사가 될 것이다. 여기서 설명된 실시예에서, 마이크로벡터는 바람직하게는 대략 1/8인치의 간격을 나타내는(2밀 증가분의 256단계를 나타내는) 512비트 증가분(increments)만큼 이격되어 있게 된다.
스테레오(STEREO)는 몇몇 다른 왜곡의 원인에 대해서도 부수적으로 교정을 한다는 점에 유의한다. 이것은 X와 Y의 회전축이 미러의 표면에 직접적으로 있지 않기 때문에, X와 Y 미러가 서로에 정확히 직교로 나열되지 않기 때문에 그리고 미러에서 고유 절대 왜곡(inherent absolute distortion) 때문에 야기된 뒤틀림을 포함한다. 오차의 이러한 마지막 원인은 제48도와 관련하여 설명이 될 수 있다. 오차는 비록 미러가 그림에서 325로 표기된 소정의 방사상의 거리를 움직이게 된다할지라도, 그것들은 실제적으로 이러한 양보다 다소간 더 방사상으로 움직일 것이다. 오차의 다른 원인도 나타날 것이고 교정판으로부터 얻어진 데이타에 의하여 교정이 되며, 교정판의 애스펙트(apsect)는 오차의 원인과는 관계가 없다.
[레이저(LASER)]
레이저(LASER)는 제33도에서 DX로 표시된, 미러 구동기에 의하여 직접적으로 동적 미러를 제어하는 프로그램이다.
[베이직(BASIC)]
일반적으로, 베이직은 프로그래밍 언어이다. 그러나, 여기에서 우리는 빌드(BUILD) 프로그램처럼 부품 구축(building)과정을 제어하고 실린더 등의 물체의 표면을 기술하는 방정식으로부터 직접적으로 벡터를 발생시키는 베이직 프로그램을 실행하는데 관심이 있다. 그것은 Object.DAT라고 불리는 파일을 만들며, 이것은 그리기 위해 보내질 벡터의 파일이다.
[클리프(CLIFF)]
클리프는 Object.DAT 파일을 취하여 빌드(BUILD)가 Object.V 파일을 두는 것과 같은 포맷이 되게 한다.
[빔(BEAM)]
빔은 레이저 빔이 핀홀을 가로지를 때 레이저빔의 프로파일을 측정하는 프로그램이다. 일반적으로, 핀홀의 반경은 빔의 반경보다 훨씬 작고, 빔(BEAM)은 레이저빔이 빔의 형상의 프로파일을 구축하기 위하여 핀홀 위를 증가하면서 지나가도록 한다.
제55도에 도시된 것처럼, 우선 X방향으로 빔(341)이 핀홀(340)을 휩쓸고 지나가게 한다. 각 증가분에서(at each increment), 빔의 강도(파워)가 측정이 된다. X-범위가 완전히 증가된 후에 빔은 Y 방향으로 하나의 증가분씩 오르게 되고 X 방향으로 핀홀을 가로질러 다시 증가되고, 각 증가분마다 강도가 측정된다. 이것은 그 빔이 Y 방향으로 완전히 증가될 때까지 반복이 된다.
빔(BEAM)은 스테레오(STEREO)에 의한 기하학적 교정을 위하여 사용되는 X-Y 행렬을 만드는데 사용되는 중요한 프로그램이다. 수조를 가로질러 대각선으로 위치한 두개의 핀홀 센서가 있다.
빔(BEAM)은 강도값과 관련 X, Y 좌표로 이루어진 데이타의 핀홀들의 정확한 위치를 얻기 위하여 수조의 양쪽의 핀홀을 빔이 통과하도록 한다. 그 다음에 빔(BEAM)은 강도수에 의하여 가중된 X와 Y 위치들의 가중치 평균을 취하여 가중치 평균 빔 위치값을 계산하며, 그리고 정확히 빔의 중심의 위치를 측정한다. 이러한 정확한 측정은 드리프트 교정을 위한 정확한 X-Y 테이블을 만드는데 필요하다.
제56도는 레이저빔이 핀홀을 가로지르도록 하여 얻은 빔 프로파일을 보여준다. 도면에 도시된 것처럼, 빔이 핀홀을 가로질러감에 따라 빔의 각 X와 Y 위치에 대해 증가분 강도값을 얻을 수 있다. 이러한 값들이 제56도에 그려져 있다.
제57도는 빔(BEAM)에 의하여 만들어진 다른 레포트이다. 그것은 처음에는 X 방향으로 그 다음에는 Y 방향으로의 빔 프로파일을 보여준다. 이 레포트는 빔이 충분히 대칭적이라는 것을 보이고 X와 Y축 방향의 빔 폭을 보여주는데 사용이 된다. 이러한 특징은 빔을 액체/센서 레벨에서 잘 집속되게 하는데(bringing the beam to a good focus) 매우 유용하다. 다양한 빔 확대기 위치에서 폭 디스플레이가 갱신되고 촛점 변화를 나타내도록 함으로써 가장 바람직한 촛점을 찾을 때까지 빔 확대기(촛점을 맞추는 장치)를 조절한다. 제57도에 도시된 플레이트는 제56도에 도시된 데이타로부터 얻어진다. 제56도에서 데이타의 두개의 인접한 열 또는 행이 제57도에서 그려진 값중의 하나를 만들기 위하여 사용된다. 예를 들어, 제56도에서 346으로 도시된 데이타는 제57도에서 348로 도시된 값을 계산하기 위하여 사용되며 제56도에서 347로 도시된 데이타는 제57도에서 349로 도시된 값을 계산하기 위하여 사용된다.
빔(BEAM)은 또한 주기적으로 레이저빔이 알려지고 고정된 위치에 위치하고 있는 핀홀을 둘다 지나가도록 한다. 이러한 핀홀의 스위핑은 미러에서 드리프트를 통하여 시간대에 걸쳐 발생하는 에러인 드리프트 교정을 위하여 교정하는 광경화 처리(photo curing process) 동안에 시행이 된다. 핀홀의 위치는 고정되고 알려져 있기 때문에, 레이저빔은 동적 방법에 의하여 이러한 위치를 향한다. 핀홀을 통하여 빛의 통과가 감지되지 않는다면, 홀을 위한 나선의 탐색이 홀이 발견이 될 때까지 시행된다.
빔의 실제적 좌표는 드리프트를 보정하는데 사용되는 값을 계산하기 위해 추정된 성분과 비교된다.
교정판과 두개의 고정된 핀홀을 가로지르는 BEAM에 의해 얻은 데이타는 CALIB.DAT 파일에 저장된다. 빔(BEAM)은 BEAM.PRM 파일도 이용한다는 것에 유의하자. BEAM.PRM 파일은 두 센서의 최종적으로 알려진 위치와 강도 교정 계수를 포함하는 파라미터 화일이다.
보정되지 않는 경우, 상기와 같은 오차의 원인은 33mils의 오차를 낳을 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 전술한 보정을 행함으로써, 미러에 기인한 오차는 약 4mils만이 남는다는 것이 알려져 있다.
[캘아웃(CALOUT)]
이 프로그램은 교정판이 지나가는 동안 빔(BEAM)에 의하여 생성된 X, Y 보정 데이타를 취하며, 그것을 다시 포맷화하고 기하학적 보정을 함에 있어 록업(lookup) 테이블로서 스테레오(STEREO)가 사용하도록 STEREO.GEO 파일에 배치한다.
이상으로 본 명세서에 기술된 실시예의 소프트웨어 구조의 설명을 끝마친다. 다음에는, CAD/CAM 데이타를 벡터데이타로 변환하는데 사용되는 프로그램인 슬라이스(SLICE) 버젼 3.20의 기능이 상세히 설명될 것이다.
[슬라이스(SLICE) 버젼 3.20의 상세한 설명]
슬라이스(SLICE) 버젼 3.20의 상세한 흐름도가 제58(a)도 내지 제58(f)도에 포함되어 있고 여기에는 스텝 400 내지 467이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 제1단계는 슬라이스 버젼 3.20의 실행을 구동시키는데 필요한 일정한 입력 파라미터를 특정하는 것이다. 이것은 스텝(400)으로 도시된다. 하기의 입력 파라미터가 특정되어야 한다:
슬라이스될 .STL 파일
축척(scale)(Res)
고정된 또는 가변의 Z-간격(Zs)
X-방향 해치 간격(Hx)
Y-방향 해치 간격(Hy)
60/120도에서의 해치 간격(Ha)
X-방향 스킨 필 간격(HFx)
Y-방향 스킨 필 간격(HFy)
최소 표면각(MSA)
최소 교차각(MIA)
출력벡터를 위한 SLI 파일명
이러한 파라미터의 대부분이 자명하거나 또는 본 명세서 내부에서 설명된다. 축척은 소기의 해상도이고 CAD 단위로서 표현된 CAD 데이터를 슬라이스(SLICE) 단위로 표시된 벡터 데이타로 변환되는데 사용이 될 것이다. 전술한 바와 같이 시스템은 현재 인치당 3556비트의 X 또는Y 방향 최대 해상도를 갖으며, 각 비트는 대략 .3밀를 나타낸다. 만약 CAD 단위가 인치라면, 부품을 구축하기 위한 최대 해상도를 제공하는 축척값은 3556이다. 축척값이 더 큰 것이 데이타 해석의 용이성 등 다른 목적상 효용이 클수도 있다. 이러한 경우, 스케일은 3556 또는 그 이상의 값일 수 있다.
고정된 또는 가변의 Z 간격은 사용자가 CAD/CAM 데이타를 두께가 가변인 단면으로 슬라이싱하는 것을 특정할 수 있도록 한다. 이것이 시스템의 중요한 설계 파라미터인데 이는 사용자가 물체의 세밀한 부분에서는 세밀한 수직의(Z-방향) 해상도를, 세밀함이 필요하지 않은 지역에서는 낮은 해상도를 특정하는 것을 가능하게 하기 때문이다.
일반적으로 층두께는 5에서 30밀의 범위내이며, 평균적으로 20밀이다. 5밀의 층두께가 보편적이다.
비록 층 두께가 5밀인 경우 세밀한 해상도를 얻을 수 있지만 5밀층은 보통 약하고 휘말림 때문에 왜곡되기 쉽다. 20밀 층은 더욱 강하고 왜곡은 덜 생기지만, 해상도를 낮출 수 있다.
이러한 (5밀)층은 부가적인 문제점을 안고 있는데 이는 특정 두께에 대한 침강(dipping) 시간이 층두께가 감소함에 따라 증가한다는 것이다. 이것은 층두께가 세밀할수록 여분의 중합체가 중력 레벨(gravity level)이 되게 하는데 더많은 시간이 걸릴 것이기 때문이다.
한편, 층두께가 매우 두꺼울 때, 경화시간이 증가하여 적은 수의 단면을 경화시킴으로서 얻어지는 시간의 감소보다 훨씬 많아지는 점까지 증가될 수 있다.
결국, 전체 경화 시간은 양 극단에서 즉, 층두께가 매우 크거나 매우 작은 경우 둘다 증가하게 될 것이다. 일반적으로 층두께가 10밀일 때 구축시간(building time)이 최적인 것으로 알려져 있다.
도시된 다음 단계는 401로서 CAD 단위로 표시된 .STL 파일의 삼각형 꼭지점에 축척값을 곱해 슬라이스 단위로 (즉 인치에서 밀로) 변환한다.
단계 402는 시스템의 물리적인 한게를 고려하여 X, Y와 Z 방향에서 삼각형의 꼭지점을 정수화하거나 라운딩한다. 본 스텝은 비록 반드시 필요하지는 않지만, 계산상의 효율을 얻기 위하여 시행된다. 이것은 정수가 부동점의 수보다 더욱 빠르게 조작이 될 수 있기 때문에 계산상의 효율을 돕는다.
X와 Y 방향에서, 시스템의 최고 해상도는 전술한 바와 같이 1비트이며 대략 0.3밀이다. 따라서, 삼각형 꼭지점의 X 및 Y 성분은 가장 가까운 비트로 라운딩된다. 이것은 최대 X와 Y 해상도가 3556비트/인치라는 것을 암시하고, 이는 3556비트/인치 또는 그 이상의 축처게수로서 최고의 해상도가 나온다는 것을 나타낸다.
그래서 일반적으로, 최대 해상도(full resolution)를 얻기 위해서는 축척 또는 해상도 계수 5000이 사용된다. 최대 해상도가 필요하지 않은 경우는 1000비트/인치의 축척 계수가 사용된다.
Z-방향에서 시스템의 물리적인 한게는 선택된 층두께에 의하여 정의된다. 그래서 각 삼각형의 꼭지점의 Z-성분은 선택된 층두께에 의하여 정의된 바에 따라 가장 가까운 단면으로 라운딩된다.
삼각형의 꼭지점들의 라운딩에 의해 SLICE 3.20의 다운스트림(down stream) 부분에서 문제를 야기시키는 여러가지의 왜곡이 야기될 것이다. 본 명세서 내에서 토의된 바와 같이, 주요한 문제점은 삼각형이 단일한 점 또는 선으로 붕괴하는 것이나 소정의 삼각형의 플리핑이다. 삼각형들의 플리핑(flipping)에 의해 물체 표면의 일부가 하나 이상의 삼각형에 의하여 동시에 덮혀지게 되고 그리고 삼각형 법선 벡터가 뒤집혀져서 중실부로부터 멀어지는 방향이 아니라 중실부로 입사하는 방향이 될 것이다. 즉, 삼각형들의 플리핑에 의해 .STL 파일에 대한 기본적인 포맷 규칙중의 2개가 깨지게 된다. 이것은 슬라이스 3.20의 남은 부분에서 감지되고 보정되어야 하는 문제를 발생시킬 것이다.
403스텝에서 붕괴된 삼각형은 .STL 데이타베이스로부터 삭제된다. 붕괴된 삼각형을 삭제하는 목적은 그들의 존재가 해치와 스킨 벡터를 생성하는 동안에 문제가 되는 다운스트림이 되기 때문이다. 더욱이 붕괴된 삼각형은 물체의 표면을 완전히 표현하는데 필요하지 않다. 도시되는 바와 같이, 해치와 스킨 벡터는 경계 벡터 사이에서 발생이 되고, 경계 벡터는 슬라이싱 층에 또는 근처에서 생성이 되며, 그것들은 물체의 표면을 이루는 삼각형과 XY 평면의 교차부에서 발생이 된다. 만약 교차점에 붕괴된 삼각형이 놓인다면, 해치와 스킨벡터의 생성을 혼란시킬 수 있는 여분의(redundant) 경계 벡터의 생성을 초래하게 할 것이다. 붕괴된 삼각형을 제거하면 꼭지점이 아닌 곳에서 삼각형의 꼭지점이 인접하는 삼각형에 접하게 하는 결과를 낳을 수 있다. 그러나, 이것은 꼭지점 규칙이 만족되지 않으면 발생할 수 있는 구멍들이 라운딩 동안에 표면에서 생성되지 않도록 하기 위해 라운딩 단계 전에만 꼭지점 규칙이 요구되기 때문에 문제는 되지 않을 것이다. 라운딩 단계 후에는 규칙이 만족되어야 할 필요는 없다.
스텝 405에서, 삼각형이 형성하는 관하여 삼각형의 방향을 표시하는 삼각형의 법선 벡터가 라운딩 프로세서를 통하여 발생할 수도 있는 방향 변화를 고려하기 위하여 재계산된다.
본 명세서에서 설명된 실시예에서, 삼각형 법선의 X와 Y 성분만이 재계산되고, 반면에 근사-편평 상향 또는 하향 삼각형을 검출하기 위해 MSA와 비교하는데 사용하기 위해 Z-성분의 크기만이 갱신된다. Z-성분의 방향은 라운딩 전의 원래의 .STL 파일 데이타로부터 얻는다. 이러한 일이 발생하는 이유는 현재, 삼각형 법선의 Z-성분은 처리를 위한 근사 편평 상향 또는 하향 카테고리나 편평 삼각형을 검출하는 것 이외에는 다른 다운스트림 프로세싱에 사용되지 않는 반면에 X와 Y 성분은 해치와 필 벡터의 생성에 사용된다. 현재의 실시예에서, 삼각형 법선은 단지 X와 Y 평면만을 가리키는 세그먼트 법선이라 불리우는 경계 벡터에 대한 방향 벡터(후에 토의됨)를 생성하는데 사용될 뿐이다. 근사-편평 스킨이 있는지 검출하는데 삼각형의 법선을 사용하므로 Z-성분의 크기는 재계산되어야 하지만 Z-성분의 원래의 부호를 사용하여 삼각형을 상향 또는 하향 카테고리로 나눈다.
다음 스텝인 스텝 406에서는 삼각형을 상향 또는 하향 근사-편평 삼각형으로 분류하는 과정을 시작한다. 본 명세서에 설명되고 제59(a)도 내지 제59(b)도에 도시된 바와 같이 삼각형들은 근사-편평 삼각형, 급경사 삼각형 및 편평 삼각형으로부터 분류될 수 있다. 급경사 삼각형은 수선이 수직축 사이의 각이 MSA에 대해 특정된 값보다 큰 각인 삼각형이며, 반면에 근사-편평 삼각형에 대하여는 이와 정확히 반대이며, 편평 삼각형은 Z-방향을 가리키는 법선을 갖는 삼각형이다.
삼각형을 분류하는 하나의 중요성은 근사-편평 영역을 검출하여 근사-편평 스킨 벡터의 생성을 야기한다는 것이다. 만약 이러한 벡터가 생성되지 않는다면, 계단 모양의 적층된 단면으로 재생되는 물체의 경사진 영역에서는 크로스-해칭이 노출된 영역을 나타내게 될 것이다. 이러한 영역들은 경화된 중합체에 의하여 덮혀져야 하며, 이 중합체는 근사-편평 스킨 벡터의 생성으로부터 온 것이다. 이러한 근사-편평 영역들의 검출은 삼각형 법선이 수직축과 이루는 각을 비교하고, 만약 그 차이가 MSA 보다 작거나 같다면, 삼각형을 근사-편평 삼각형으로 분류하는 것에 의해 수행된다. 이러한 비교는 본 명세서에서 전술된 바 있다.)(제26(a)도와 제26(b)도 및 관련 설명 참조)
삼각형 꼭지점의 라운딩과 함께, SLICE 3.20은 삼각형으로부터 벡터를 생성하기를 개시할 준비가 된다. 이것이 스텝 407로 도시되어 있다.
이 과정은 스텝 408에서 수행되는 층 경계 벡터의 생성으로부터 시작한다. 전술한 바와 같이, 특정층에 대한 층경계 벡터가 급경사 및 근사-편평 삼각형과 수평 슬라이스의 교차부에서 생성되며, 그 교차부는 특정층의 1비트 위이다. 교차하는 점을 나타내는 라인의 층경계 벡터가 된다.
본 명세서에서 토의된 바와 같이, 층경계 벡터는 슬라이싱층 1비트 위에서 생성되고, 그렇지 않는 경우, 물체의 표현은 왜곡될 수 있다(제28(a)도와 본 명세서에서 관련된 토의를 참조). 특히, 층위 1비트를 슬라이싱하는 것에 의해 상향 및 하향 영역 사이에서 올바른 수직 높이를 갖는 부품이 생산된다. 층위 1비트에서 슬라이싱하는 것의 다른 이점은 (층으로 라운딩된) 모든 삼각형의 꼭지점들을 피할 수 있다는 것이다. 이하에서 더 설명되는 바와 같이, 이것은 해치나 스킨 벡터의 생성에 있어 삼각형의 꼭지점이 슬라이싱 층위에 있게 되는 경우 발생할 수 있는 문제들을 방지하게 된다. 간략히 설명하자면, 삼각형 꼭지점이 경계 벡터의 존재에 관하여 SLICE 3.20을 혼란하게 하고 이에 따라 해치 또는 스킨 벡터의 생성을 시작 또는 정지할 때를 혼란시키게 하는 문제가 발생한다. 제23(a)도와 제23(b)도 및 관련 토의는 경계 벡터의 생성에 대하여 부가적으로 상세히 설명한다.
스텝 408은 경계 벡터에 대한 세그먼트 법선을 만드는 부스텝(substep)을 포함한다. 세그먼트 법선은 삼각형 법선이 평면 삼각형과 관련이 있는 것처럼 경계 벡터와 관련있다:세그먼트 법선은 단면이 둘러싸고 있는 내부에 관하여 경계 벡터의 방향을 표시하기 위한 것이다. 본 명세서에 설명된 실시예에서, 세그먼트 법선은 경계 벡터가 형성하고 있는 단면의 중실 부분으로부터 나오는 방향을 향하고 있다.
이와 같은 원칙이 제59(b)도에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 표면 삼각형(500)(이 경우는 급경사 삼각형이며 경우에 따라 근사-편평 삼각형이 될 수도 있다.)은 평면(503)에 의하여 슬라이스되며, 그것은 슬라이싱 층위 1비트이다. 교차부에 의해 경계 벡터(503)가 생성된다.
또한 표면 삼각형은 이것이 형성하는 표면에 대하여 삼각형의 방향을 나타내는 삼각형 법선(502)을 갖는다. 마찬가지로, 경계 벡터는 세그먼트 법선(503)을 가지며, 이것은 삼각형의 내부 및 이에 따라 형성하는 단면의 중실부에 대하여 경계 벡터의 방향을 나타낸다.
경계벡터를 위한 세그먼트 법선이 경계벡터가 도출되는 표면 삼각형의 삼각형 법선으로부터 생성된다는 것에 유의하여야 한다. 사실상, 이것은 SLICE 3.20이 택한 접근 방식이다.
현재, SLICE 버젼 3.20은 세그먼트 법선에 관하여 모든 정보를 추적하지 못하며, 그러나 단지 세그먼트 법선이 가리키는 사분면을 결정할 수 있다.(상향 또는 하향등 스킨의 카테고리를 알기 위해서는) 세그먼트 법선이 양 또는 음의 X-성분, Y-성분과 Z-성분을 갖는이 여부만 알면 되는 것으로 판명되었다. 바꾸어 말하면 단지 6개의 데이타만이 필요하다.
경계 벡터에 대한 세그먼트 법선을 생성하기 위하여, SLICE 3.20은 단지 X와 Y 성분이 존재하는지 아닌지만 표시할 것이다. 정의에 의해 경계 벡터에 대한 모든 세그먼트 법선은 X-Y 평면상에 있게 되기 때문에 Z-성분을 추적할 수는 없을 것이다. SLICE 3.20은 삼각형 법선으로부터 X와 Y의 성분에 관한 정보를 얻고 세그먼트 법선에 대한 속성(attributes)을 생성하기 위하여 이것을 사용한다.
스텝 409와 410은 스킨과 해치벡터의 생성을 위한 사전준비로 경계 벡터를 정리하기 위해(clean up) 설계된다.
도시된 바와 같이 스텝 409에서 경계벡터의 중복쌍은 제거된다. 중복 경계 벡터는 몇가지 이유로 인해 발생할 수 있다. 이러한 스텝은 현재 이행되기 때문에 층경계에 대하여 거의 의미를 갖지 않는다. 시행될 때 단지 적당한 벡터의 일부분만이 제거가 될 것이다. 현재, 중복 벡터가 제거되기 위해서는 종점이 일치되여야 하는데 머리와 머리 그리고 꼬리와 꼬리가 일치하거나 또는 머리와 꼬리 그리고 꼬리와 머리가 일치되어야 한다. 경계의 중복쌍이 생길 수 있는 몇가지 상황이 있는데 중복쌍을 효율적으로 제거하기 위해서는 몇몇 스텝이 더 현재의 구현에 더해져야 할 필요가 있다. 이러한 스텝은 길이 일부분만이 중첩되는 중복벡터의 세그먼트의 제거, 만약 중첩되는 벡터들이 유사한 세그먼트 법선들을 갖는다면 하나만 제거하는 것, 또는 만약 반대 방향의 법선들을 갖는다면 둘다 제거하는 것 등을 포함한다. 중복된 경계들이 발생되는 한가지 경우는 작은 형상(features)이 붕괴하여 반대 방향의 법선들을 갖는 삼각형의 이중 표면을 갖는 영역을 만드는 경우이다. 이와 같은 상황은 다루기 어려운데 이는 경계들을 남겨야 되는지 또는 제거하여야 되는지에 대하여 결정하여야 하기 때문이다. 바람직한 실시예에서는 양 경계가 제거되어야 한다. 이 상황은 제60(a)도에 도시되어 있다. 제60(a)도는 CAD 시스템 상에서 설계된 대로의 두개의 박스(506) 사이의 좁은 슬릿(505)을 도시한다. 제60(b)도는 슬라이싱 하기 위해 CAD 설계된 부품을 스케일링한 후에 두개의 박스와 붕괴된 슬릿(collapsed slit)을 도시하고 있다. 제60(c)도는 하나는 슬라이스층에서 다른 하나는 슬라이스층의 1비트 위에서 부품과 교차하는 두 평면을 도시하고 있다. 제60(d)도는 슬라이스로부터 도출된 경계와 그 세그먼트 법선을 도시하고 있다. 경계(505a)는 실제로는 반대방향의 법선을 갖는 중첩되는 2개의 경계이다. 적당히 제거한 결과 제60(e)도에 도시된 경계가 된다.
현재의 구현은 종점이 일치하는가 여부에 따라 벡터를 제거할 수도 있고 또는 제거하지 않을 수도 있다.
중복되는 또는 여분의 경계 벡터는 또한 삼각형의 플리핑(filpping)으로부터 유래하며, 스텝 402의 라운딩과 정수화 과정 동안에 발생할 수 있다. 표면 삼각형이 플립할 때 물체의 일부는 동시에 하나 이상의 표면 삼각형에 의하여 덮혀지게 된다. 경계 벡터를 생성하는 단계 동안에 표면의 이러한 부분이 슬라이싱층 1비트위의 X-Y 평면과 교차한다면, 3개 이상까지의 중첩되는 경계 벡터가 생성될 수 있다. 스텝 408에서, 여분의 벡터가 제거될 수 있다. 현재의 구현에 의하면 제거가 성공일 것 같지는 않다.
이러한 문제가 제61(a)-(c)도에 도시되어 있다. 제61(a)도는 삼각형(512)에 인접한 삼각형(511)을 나타내고, 삼각형(512)은 다시 삼각형(513 및 514)에 인접해 있다. 라운딩 오차 때문에 삼각형(512)이 플립하게 되고 삼각형(511)에 겹쳐지게 된다.
삼각형(512)의 중첩은 삼각형(513)과 삼각형(514)-두 삼각형은 삼각형(512)이 플립된 후에도 여전히 삼각형(512)에 인접하여야 한다-에서 왜곡을 발생시킬 것이다.
플리핑 후의 상황이 제61(b)도에 도시되어 있다. 만약 평면(515)이 슬라이싱 층위 1비트에서의 X-Y 평면을 나타낸다고 가정하면, 여분의 경계 벡터가 생성될 것이다.
여분의 경계 벡터의 중복이 제61(c)도에 도시되어 있다. 벡터(516)는 삼각형(511)과 평면(515)의 교차에 의해 발생되며, 벡터(517)는 삼각형(512)과 평면(515)의 교차에 의해 발생되며; 벡터(518)는 삼각형(513)과 평면(515)의 교차에 의해 발생되며; 벡터(519)는 삼각형(514)과 평면(515)의 교차에 의해 발생된다.
제61(c)도에서, 경계 벡터가 특정 방향을 갖는 것으로서 도시된 것에 유의하여야 한다. 본 명세서에 도시된 실시예에서, 특정 방향은 경계벡터의 세그먼트 법선에 의해 결정될 것이다. 선택되는 특정한 규칙(convention)은 “왼손법칙”이며, 이것은 단지 경계벡터의 방향이 꼬리에서부터 벡터의 머리를 향하는 방향이라 할 때, 세그먼트 법선은 왼쪽을 가리키게 된다는 것을 의미한다.
전술한 바와 같이, 세그먼트 법선은 경계 벡터에 대한 삼각형 법선으로부터 얻어지게 될 것이다. 예를들어 제61(c)도에서, 벡터(516)는 종이면을 가리키는 세그먼트 법선과 일관되도록 왼쪽을 가리킨다. 한편 벡터(517)는 그 세그먼트 법선이 종이로부터 나오는 방향이므로 오른쪽을 가리킨다. 세그먼트 법선은 삼각형(512)의 삼각형 법선으로부터 도출되기 때문에 종이를 가리키고, 이는 삼각형의 플립핑 때문에 또한 플립된 방향을 가진다. 비록 삼각형(513 및 514)이 왜곡된다고 할지라도, 플리핑되지는 않기 때문에 벡터(518 및 519)는 계속해서 왼쪽을 가리킨다.
스텝 409에서, 여분의 부분(517)과 함께 벡터(518) 및 벡터(519)와 같은 여분의 벡터는 제거될 수 있지만 반드시 제거되어야 할 필요는 없는데 이는 사용된 정합 알고리즘에 의해 해치가 배치되야 될 곳을 적절히 해석할 수 있기 때문이다. 한편, 경계의 2중 또는 3중 노출이 적용되지 않도록 하기 위하여 중복된 벡터를 삭제하는 것이 선호된다.
스텝 410에서, 점 벡터가 제거될 것이다. 본 명세서에서 토의된 것처럼, 점층 경계 벡터는 삼각형 꼭지점 때문에 발생하지 않으며, 이것은 본 명세서에서 토의된 바와 같이, 삼각형 꼭지점은 슬라이싱 층으로 라운딩이 되고 그위 1비트로는 될 수 없기 때문이다. 그러나 X-Y 평면이 평면 삼각형의 좁은 부분을 교차하게 될 때, 그러한 부분이 상당히 좁아서, 결과적인 경계 벡터가 단일점에 라운드되는 상황이 생길 수도 있다. 이러한 점 벡터는 스텝 410에서 제거될 것이다.
스텝 411에서, 경계 벡터는 특히 미경화된 액체 중합체를 가로지르는 레이저 빔의 점핑을 제거하거나 최소화하기 위한 방식으로 정렬된다.
경계 벡터는 특별한 순서없이 생성이 되고 사실상 표면 삼각형들이 처리가 되는 순서로 생성이 된다. 이것이 제27(a)도에 도시되어 있으며, 그것은 생성된 차례로 정렬된 경계 벡터를 보여준다. 만약 경계 벡터가 이러한 순서로 남겨진다면, 레이저빔은 미경화된 중합체의 영역을 가로질러 점프하게 될 것이며 원하지 않는 경화를 초래할 수 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여, 경계 벡터들은 제27(b)도에 나타난 것처럼 재정렬되어져야 하며, 제27(b)도는 그려져야하는 순서에 따라 정렬된 경계 벡터를 보여준다.
스텝 412는 단지 층경계의 생성의 완료를 나타내며, 이 층경계는 층에서 SP 단면을 형성하는 꼬리를 물고 배치된(placed end to end) 경계 벡터를 포함한다.
더욱이, 각 경계 벡터는 관련된 세그먼트 법선을 가지고 있으며 하나의 층을 형성하는(span) 경계벡터들과 세그먼트 법선들은 “왼손법칙”으로 알려진 규칙을 따라야 한다. 이러한 규칙에 따르면, 만약 벡터가 한 벡터의 꼬리가 다른 벡터의 머리에 접하도록 끝과 끝을 접하여 배치되는 경우, 그 벡터들이 외부 경계라면 시계 방향의 루프를 만약 내부의 경계라면 반시계 방향의 루프를 형성할 것이며, 벡터들의 방향에 따라 루프주변을 일주할 때, 세그먼트 법선들은 모두 왼쪽을 가리켜야 한다. 외부의 경계들은 중실영역들을 둘러싸고 반면에 내부의 경계들은 중공 영역을 둘러싼다. 이것이 제62(a)도에 도시되어 있다.
그러나, 삼각형의 플리핑 때문에, 경계 벡터와 관련 세그먼트 법선이 잘못된 방향을 가리키게 되는 상황이 될 수도 있다. 이것이 제62(b)도에 도시되어 있다. 모든 경우에, 스텝 409가 적절히 적용된다면 이러한 문제가 제거될 것이다. 이러한 경우, 잘못된 방향을 가리키는 경계벡터와 관련 세그먼트 법선들은 해치벡터가 생성되는 동안에 문제를 야기시키지 않는다. 그러나 만약 이러한 고려가 다양한 스킨 경계에 적용되는 경우, 문제점이 생길 수 있다.
스텝 413에서, 경계 벡터 빼기 세그먼트 법선이 층 n에 대하여 .STL 파일에의 출력으로 저장이 된다. 세그먼트 법선은 이 스텝에서는 제거되지 않고 앞으로의 처리를 위하여 남겨진다. 그것들은 SLICE 3.20에 대한 내부의 처리를 위하여만 사용되기 때문에 .STL 파일에 기록되지 않을 뿐이다.
스텝 419에서 해치 벡터가 생성된다. 제58(a)도 내지 제58(f)도에 도시된 것처럼, 이러한 스텝은 HA, HY, HX 및 MIA 파라미터를 입력으로 취하고, 이 파라미터들은 함께 생성될 해치벡터의 소기의 간격과 유형을 정의한다.
HA, HY, HX는 본 명세서 내에서 설명된다. 만약 이러한 값들 중의 하나가 0이라면 관련된 해치 벡터 유형은 생성되지 않을 것이다. MIA는 가능한 한 방사상 해치에 근접한 해치 벡터를 생성하는데 사용된다. 이것이 제24(i)도와 제24(j)도에 도시되어 있으며 본 명세서 내의 관련 부분에서 설명되어 있다. 방사상 해치가 현재는 허용되지 않는데 이는 인접한 층의 해치벡터가 해치 벡터 바로 위에 놓이지 않게 될 수 있기 때문이다. 서로의 인접한 층위의 해치벡터가 바로 위에 오게 되는 경우의 이점은 만약 해치벡터가 각기 다른 해치벡터 바로 위에 놓인다면 해치벡터에 해당하는 층들 위의 경화된 중합체가 서로 접착되게 되고, 그것은 가공된 부품의 강도를 더할 것이다. 방사상의 해치의 경우 인접층의 해치벡터들이 바로 위에 놓이는 것이 보장되지 않는다. MIA의 사용은 일반적인 부품에서 가능한한 방사상의 해치에 가깝게 되고, 동시에 인접층의 해치벡터가 확실히 서로의 위에 놓이게 된다.
본 명세서 내에서 도시된 것처럼, 해치벡터의 생성의 시작과 종결을 제24(a)도 내지 제24(h)도에 도시된 것처럼 평행한 해치경로를 따라서 경계 벡터가 있는지 없는지 검출하는 것에 의해 이루어질 것이다.
해치벡터의 생성을 위하여 3가지 방법이 고려된다. 이들은 본 명세서 내에서 폭넓게 토의된다. 제1방법, 즉 “온/오프(ON/OFF)”방법은 해치 경로를 따라서 경계 벡터의 존재를 감지하는 것에 의해 작동하고, 만약 해치벡터가 현재 생성되고 있다면, 그 생성을 중지한다. 만약 현재 생성되고 있지 않다면, 이 첫번째 방법은 생성을 시작한다.
제1방법이 갖는 문제점은 만약 하나 이상의 경계 벡터가 교차하거나 또는 만나는 해치경로상의 영역을 만난다면 쉽게 혼란에 빠진다는 점이다. 이같은 일은 단지 해치 경로가 하나의 경계 벡터의 머리가 다른 경계 벡터의 꼬리에 닿는 영역 또는 중복 또는 여분의 중첩 경계 벡터를 갖는 영역을 통과하는 경우에도 발생할 수 있다. 이것은 두 삼각형에 공통인 삼각형 세그먼트가 슬라이싱 층위에 놓여졌을 때 또는 하나의 삼각형이 플리핑되기 때문에 발생한다. 이 문제는 중공(hollow)이어야 하는 영역에서 허상의(spurious) 해치 벡터를 생성시키고 중실이어야 하는 영역에서 해치 벡터가 없는 것으로 나타날 것이다.
제2방법인 “우선순위 온(priority on)” 방법에서는 해치 벡터의 생성을 할 것인가 또는 하지 않을 것인가를 결정하기 위하여 경계 벡터와 그들의 세그먼트 법선을 분석한다. 경계 벡터의 세그먼트 법선들은 경계 벡터들이 둘러싸는(sapn)(전술한 바와 같이 비록 이러한 관계가 삼각형이 플립되는 경우에는 유효하지 않다고 할지라도) 중실부로부터 멀어져가는 방향을 가리켜야 한다. 그리고 “우선순위 온”방법에서는 해치 경로가 중실 영역을 지나가려는 것을 표시하는 세그먼트 법선을 갖는 경계 벡터를 만났을 때 해치벡터의 생성을 시작한다. 만약 해치경로를 따라서 하나 이상의 경계 벡터가 교차하거나 겹치는 영역을 만나는 경우, 그 방법은 만약 임의의 경계벡터로부터 임의의 세그먼트 법선이 중실부로 들어가는 방향으로 나타난다면 해치 벡터의 생성을 계속하거나 개시할 것이다. 결과적으로 해치벡터의 생성은 단지 혼란의 가능성이 없는 곳에서 하나 또는 다수의 경계벡터를 만날 때, 어떠한 세그먼트 법선도 중실부로 들어가는 방향을 나타내지 않을 때 중단되게 될 것이다.
이 방법은 아직도 허상의 해치 벡터가 생성된다는 단점이 있다. 결과적으로 제3방법 “순합(net summation)”방법이 개발되어 있다.
이 방법에 따르면 해치경로를 따라서 점을 만날 때, 하나 또는 그 이상의 경계 벡터가 만나거나 교차하는 곳에서, 모든 경계 벡터에 대한 세그먼트 법선의 부호가 합하여지고, 해치 벡터의 생성에 대한 시작 또는 중지, 계속할 것인가에 대한 결정은 그 순합에 기초를 두어 이루어진다.
그 방법은 만약 법선이 해칭 방향과 같은 방향이라면 법선의 부호를 “+”로 그리고 그 법선이 반대 방향이라면 “-”로 결정하도록 각 세그먼트 법선의 방향과 해칭 경로의 방향을 비교하는 것에 의해 수행된다. 그리고 나서 모든 세그먼트 법선에 대한 부호들이 합하여진다. 만약 순합이 “+”라면, 해치벡터 생성이 정지되고; 만약 순합이 “-”라면, 해치 생성이 시작되며; 만약 순합이 “0”이라면 해치생성이 계속될 것이다.
제24(a)-제24(h)도 및 본 명세서에서 관련된 부분에서는 이러한 3가지 방법들이 비교되어 있다. 제3방법인 “순합”방법이 경계 벡터의 교차점을 처리하는데 그리고 플리핑된 삼각형에 의한 중복 또는 여분의 경계 벡터를 취급하는 데에 있어 가장 적합한 것으로 알려져 있다.
제3방법의 동작은 제63(a)도와 관련하여 설명될 것이다. 도시된 방롸 같이, 층경계(520)는 물체의 단면을 형성하고, 층경계는 층경계 벡터와 그들의 관련된 세그먼트 법선으로 구성된다. 또한 해칭 경로 521(A)-521(C)가 표시되어 있다.
도시된 바와 같이, 해칭 경로 521(A)가 두개의 경계 벡터의 교차점인 522(A)로서 도시된, 경계의 점 “1”을 교차한다. 522(B)에 도시된 바와 같이, 해칭 경로 방향에 대하여 세그먼트 법선의 순(net) 방향이 결정된다. 순방향이 “0”이기 때문에 처음에 중지상태에 있던 해치생성이 계속 중지상태에 있게 된다. 이것은 도시된 바와 같이 적절한 결정이다.
해칭 경로 521(B)는 두개의 경계 벡터의 교차점인, 523(A)로서 도시된 경계의 점 “2”와 교차한다. 523(B)에 도시된 바와 같이, 해치경로 방향에 대하여 세그먼트 법선들의 순방향은 음으로서 이는 해칭이 생성되어야 하는 것을 표시한다. 해치경로는 또한 524(A)로서 도시된, 층경계의 점 “3”을 교차한다. 524(B)에 도시된 바와 같이, 세그먼트 법선의 순방향은 양으로서 이는 해치벡터 생성이 중단되어야 함을 표시한다. 도시된 바와 같이 이것들은 옳은 결정이다.
해칭경로 521(C)는 522(A)로서 도시된 점 “5”와 교차한다. 525(B)에 도시된 바와 같이, 이점에서 세그먼트 법선들의 순방향은 “0”으로서, 이는 해치생성이 현상태를 유지하여야 한다는 즉 계속되어야 하는 것을 표시한다. 이것은 올바른 결정이다.
“순합”방법은 또한 플리핑된 삼각형의 문제를 취급하는 경우에도 유리하다. 플리핑된(flipping) 삼각형을 갖는, 두가지 상황; 한 영역이 3개의 삼각형에 의하여 덮히는(surfaced) 상황, 그리고 한 영역이 두개의 삼각형에 의하여 덮히는 되는 상황을 만나게 된다. 3개의 삼각형에 의하여 한 영역의 덮히는 것이 제63(b)도에 526에 의하여 표시되며, 또한 도면에 도시된 영역(528)에 해당한다. 2개의 삼각형에 의하여 영역이 덮혀진 것이 제63(b)도에 527에 의해 표시되고, 이는 또한 529에 해당되며, 중실부(solid)의 구석에서 삼각형이 플리핑(flipping)된 것을 도시한다.
526에서 중복되는 점이 530에 의하여 도시된다. 도시된 바와 같이 만약 해칭 경로 방향이 중실부를 향한다면 세그먼트 법선들의 방향의 순합은 해치생성의 작동을 표시하며, 항상 음이 될 것이다. 만약 해칭경로 방향이 고체에서 공간으로 밖으로 향한다면, 그 순합산은 해치 벡터 생성의 중지를 나타내는 양이 될 것이다.
527에서 중첩되는 점이 531으로 도시된다. 도시된 바와 같이 중첩되는 점은 자유공간의 영역에 있게 될 것이고, 중첩되는 점에서 해칭 경로의 입사 방향에 관계없이, 세그먼트 법선들의 순방향은 항상 “0”이 될 것이고 해치 생성은 항상 현상태를 지속, 즉 중첩 영역 전체에서 오프(off)가 된다.
스텝 415에서, 해치 벡터들은 레이저빔이 비경화된 중합체 즉, 중공 영역을 통과하는 시간을 최소화 하고 레이저빔이 경화된 부분 즉 견중실 영역을 통과하도록 되는 시간을 최대화하기 위하여 정렬될 것이다. 해치 벡터의 정렬은 제27(c)-제27(e)도에서 도시되고 본 명세서의 관련된 부분에서 설명된다.
스텝 416에서, 해치 벡터는 층 n에 대한 LH 벡터로 .SLI 파일에 출력하기 위하여 라벨이 붙여져 유지된다.
스텝 417은 이번에는 하향 편평 삼각형으로부터 경계 벡터의 생성을 계속한다. 이것은, 층경계 벡터의 경우와 달리 슬라이싱 층위 1비트에서 결정되는 편평 하향 경계 벡터(FDB)로서 알려 있으며, 편평 삼각형이 꼭지점의 라운딩 때문에 SLICE층 바로위에 생기기 때문에 편평 하향 경계 벡터는 바로 슬라이싱 레벨에서 결정된다.
편평 하향 삼각형은 슬라이싱층(532)내에서 편평 하향 삼각형(533)을 보여주는 제64(a)도에 도시된 바와 같이, 슬라이싱 층의 평면내에서 들어맞게 될 것이다. 결과적으로 FDB 벡터는 도면에서 534(A), 534(B) 및 534(C)로서 도시된 삼각형 세그먼트가 될 것이다.
스텝 418에서, FDB 벡터를 위한 세그먼트 법선이 유도된다. 그러나 LB 벡터의 경우와는 달리, 세그먼트 법선들은 삼각형 법선들로부터 유도되지는 않지만 세그먼트 법선들의 방향을 결정하게 되는 삼각형 꼭지점들의 상대적인 위치로부터 유도가 된다.
예를 들어, 제64(a)도를 참조하면 세그먼트 534(A)에 대한 세그먼트 법선이 그것의 종점, 535(A)와, 535(C)와 꼭지점 535(B)를 비교함으로써 결정된다. 이러한 비교는 세그먼트가 그 경계를 이루는 삼각형의 내부에 대한 세그먼트의 방향을 나타내며 내부로부터 밖을 가리키는 세그먼트 법선을 생성하기 위하여 사용될 것이다. 세그먼트 534(B)와 534(C)에 대해서도 각각 끝점 535(B)와 535(C)를 535(A)와 비교함으로써, 그리고 끝점 535(A)와 535(B)를 35(C)와 비교함으로써 유사한 비교가 수행될 것이다. 이러한 비교를 행한 세그먼트 법선들이 각각 경계 벡터 534(A), 534(B)와 534(C)에 해당하는 세그먼트 법선 535(A), 535(B) 및 535(C)를 나타내는 제64(b)도에 도시되어 있다. 벡터가 꼬리에서부터 머리방향으로 향할 때 세그먼트 법선이 항상 왼쪽을 가리킨다는 왼손법칙에 따르도록 경계 벡터의 방향이 설정된다.
스텝 419에서, 중복된 FDB 벡터가 제거된다. 이것은 비교적 단순한 처리과정이며 슬라이싱 층상의 하향 편평 삼각형을 모두 분석하여 두개의 삼각형에 공통인 세그먼트들로부터 도출된 모든 경계 벡터를 제거하여야 한다. 이것이 제64(c)도에 도시되어 있고, 여기에서는 공통 세그먼트를 공유하는 삼각형 536과 537을 보여주며, 이 공통 세그먼트는 삼각형(536)에 대한 것과 삼각형(537)에 대한 것의 두개의 FDB 벡터이다. 이러한 경계 벡터는 둘다 스텝 419에서 제거될 것이다.
남아 있는 4개의 FDB 경계 벡터에 의하여 둘러싸인 남아 있는 영역이 제64(c)도로서 538로 도시되어 있다. 중복되는 경계 벡터들은 스킨필 벡터들의 계산을 단순화하기 위하여 제거되며, 비록 경계가 “현상태를 지속”하는 것을 나타내더라도 경계가 가로질러질 때마다 해치 또는 필 벡터가 생성되기 때문에 스킨벡터의 수를 꽤 줄인다.
스텝 420에서, 모든 점 벡터가 제거된다. 점 벡터들은 슬라이싱 층상의 라운딩 때문에 삼각형의 붕괴로부터 생길 수 있다.
스텝 421에서, FDB 벡터들은 비경화된 광중합체에 대한 레이저빔의 통과를 최소화하기 위하여 재정렬된다.
스텝 422에서, 세그먼트 법선들의 방향은 X-Y 평면 위에서 라운딩 왜곡 때문에 플립핑 될 수도 있는 삼각형들을 고려하기 위하여 다시 계산될 수 있다. 전술한 바와 같이 이것은 모든 꼭지점들이 가장 가까운 비트로 라운딩될 때 발생할 수 있다.
그 문제점이 제66도에 도시되어 있다. 제65(a)도에 도시된 바와 같이, 삼각형(539)은 라운딩 왜곡 때문에 삼각형(540) 위로 플리핑된다.
양삼각형은 편평 하향 삼각형이며 생성될 FDB 벡터는 삼각형 세그먼트들과 일치할 것이다. 부가적으로, 세그먼트 법선들은 도시된 대로이다.
제65(b)도에서, 세그먼트(541)와 관련된 중복 경계 벡터들이 제거될 것이며 제66도에 도시된 상황이 될 것이다. 중복되는 경계 벡터의 제거후에 남는 경계 벡터의 방향이 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 이러한 경계 루프에는 기본적인 결함(flaw)이 있다. 루프는 잘못된 방향을 가리키는 벡터들과 잘못된 방향을 가리키는 법선들을 만나지 않고는 가로지를 수는 없다. 이러한 문제에 대한 보정은 다양한 방법으로 구현될 수 있는데 이는 가끔 그 문제점을 검출하고 해결하는 단순한 체크로부터, 대부분의 경우 문제점을 해결하는 더 복잡한 방법, 또한 모든 경우 문제점을 해결하기 위한 더욱더 복잡한 방법에까지 이른다.
그 상황은 스킨필이 해치벡터와 같은 알고리즘에 의하여 유도되고 따라서 중실 영역을 적절히 나타내기 위해서는 세그먼트 법선에 의존하기 때문에 스킨벡터의 생성에서 문제점을 일으킬 수 있으며, 빔폭 보상(후에 토의됨)에 대해 문제점을 일으킬 수 있다. 따라서 스텝 422는 플립된 삼각형의 검출에 기초하여 세그먼트 법선의 방향을 재계산하고 만약 필요하다면 이 세그먼트와 법선들을 방향을 반대로 하고, 또는 단순히 임의의 루프에서 다수의 벡터들이 올바른 법선들을 갖는 것으로 간주되어 소수의 법선들이 역전되거나, 또는 다른 더욱 복잡한 기법에 의한다. 만약 이러한 보정이 제66(a)도에 대하여 이루어진다면, 제67도의 상황이 발생한다.
스텝 423은 끝과 끝을 접한 일련의 FDB 벡터로 구성되며 왼손법칙을 따르는 편평 하향 스킨 경계들의 생성의 종결을 나타낸다.
스텝 424는 세그먼트 법선들을 제거하며 FDB 라벨로 .SLI 파일에 벡터를 저장하는 것을 포함한다.
스텝 425에서, 해치 벡터가 LB 벡터로부터 생성되는 방법과 매우 유사한 방법으로 편평 하향 스킨 벡터들이 FDB 벡터로부터 생성된다. 유일한 차이는 스킨벡터간의 간격이 전형적으로 더 좁다는 것이며 스킨 벡터는 일반적으로 해치벡터와 같이 X 또는 Y 방향으로 생성이 되며, 양방향 모두이거나 또는 60/120도 방향은 아니다.
스텝 426에서, 스킨 벡터들은 층해치 벡터를 정렬시키기 위하여 사용되었던 것과 같은 알고리즘을 사용하여 정렬이 되며, 그 알고리즘의 목적은 비경화 중합체를 빔이 최소로 통과하도록 하는 것이다.
스텝 427에서, 스킨 벡터들은 FDF로 라벨링되고, 층 n에 대한 FDF 벡터로서 출력을 위해 .SLI 파일에 저장된다.
스텝 428에서 도시된 바와 같이, 해치 벡터들은 FDB 벡터로부터 생성되지 않는다. 이것은 이러한 벡터들의 층해치 벡터가 벌써 층보다 벡터들로부터 생성되므로 여분의 것이 되기 때문이다.
스텝 429에서, 편평 상향 삼각형들이 분석되고, 편평 상향 스킨 경계를 생성하기 위하여 사용된다. 편평 상향 스킨 경계 벡터를 생성하는 프로세스는 층 n에 대한 벡터가 층 n+1상의 삼각형들로부터 유도된다는 것을 제외하면, 편평 하향 경계 벡터를 얻기 위한 프로세스와 거의 유사하다. 이 이유는 제1방식(STYLE 1)[실제보다 큰 부품을 생성하는데 사용되는 방식이며 현재 슬라이스(SLICE) 버젼 3.20이 실현이 되고 있는 방법]은 슬라이싱층 1비트 위에서 측경계와 층해치 벡터를 생성하고 상향 스킨 삼각형 1비트 위는 정의에 의하여 오픈된 공간이기 때문이다. 그래서, 모든 편평 상향 경계 벡터들은 지지되어질 수 있는 층해치나 층경계 벡터들로부터의 경화된 중합체를 갖지 않기 때문에, 1층 밑으로 이동되지 않는다면 완전히 떠 있는 상태인 경화된 중합체를 생설할 것이다.
이러한 상황이 제68도에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 층 n+1, n 및 n-1이 각각 543a, 544a 및 545a로서 도시되어 있다. 각 층에 대한 결과인 경화된 중합체가 제68도에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 층 n+1은 경화되었을 때, 543b로 의하여 도시된 경화된 중합체를 생기게하는 편평 상향 경계와 스킨 벡터들을 생성되게 한다. 층 n+1은 층해치와 경계 벡터를 생성하지 않는데, 이는 그러한 벡터들이 자유공간인 층위 1비트에서 슬라이싱함으로써 얻어질 것이기 때문이다. 그러나, 층 n과 n-1은 층해치와 경계 벡터의 생성을 가져오며, 각각 경화된 중합체 544b와 545b를 생기게 한다.
스킨필 벡터들은 층해치와 경계 벡터보다 더욱 짧은 깊이에서 경화되기 때문에, 그러한 벡터들로부터 생기게 되는 경화된 중합체-제68도에서 543b-는 경화된 중합체가 층 n위에 놓이지 않는다면 자유롭게 떠 있게 될 것이다. 이것은 슬라이싱층 n+1에 의하여 생성된 스킨 경계와 필벡터를 층 n과 연관시키는 것에 의하여 이루어진다.
편평 상향 필에 관한 스텝 430-436은 각각 스텝 418-427에 정확히 일치하는 것으로서, 더 이상 논의하지 않겠다. 유일한 차이는 스텝 436에서, 경계 벡터가 .SLI 파일에 출력이 되기전에 FUB 벡터로서 라벨이 붙여지며, 스텝 439에서, 스킨필 벡터는 .SLI 파일에 출력을 하기 전에 FUF 벡터로서 라벨이 붙여진다는 것이다. 440에 도시된 바와 같이, 해치 벡터들(FUH 벡터)은 FUB 벡터로부터 생성되지 않으며, 왜냐하면 그것들은 벌써 층 n에서 LB 벡터로부터 생성된 LH 벡터에 대하여 여분이 되기(redundant) 때문이다.
위의 토의에서, 편평 상향 그리고 하향 삼각형들 사이에서 차이는 용이하게 결정되는 것으로 무언중에 가정되어 왔다. 이것은 통상적으로 단순한 프로세스이며 삼각형 법선의 방향을 보는 것에 기초를 두고 있다: 만약 그것이 Z-방향에서 위를 가리키고 있다면, 편평 상향 삼각형이 존재하며, 반면에 만약 Z-방향에서 아래를 가리키고 있다면, 편평 하향 삼각형이 존재한다.
그러나, 이러한 프로세스는 플립핑된 삼각형이 존재하는 상황에서는 복잡하게 될 것이다. 이것은 이러한 예에서, 물체의 표면 위에 특별한 영역이 각각이 삼각형 법선을 가지는 세개 또는 그 이상의 삼각형들에 의하여 덮힐 수도 있으며, 그리고 상향 또는 하향 스킨의 존재를 감지하는 프로세스가 만약 단일의 삼각형의 법선에 관한 경우보다 더욱 모호해질 것이다. 본 명세서 내에서 설명된 바와 같이, 이러한 예에서 플립된 삼각형의 중복되는 영역에서 삼각형 법선들의 순방향을 계산하기 위하여 “순합(net summation)” 알고리즘과 유사한(analogous) 알고리즘이 사용될 수 있다. 만약 그 순방향이 상향이라면, 상향 편평 삼각형이 가정이 되고; 스텝 429와 그 결과(progeny)가 발생할 것이다. 만약 순방향이 하향이라면, 하향 편평 삼각형이 가정이 되고; 스텝 417과 그것의 결과가 발생하면 만약 순법선(net normal)이 “0”이라면, 그러면 어떠한 스킨도 그 영역내에서는 생성되지 않을 것이다. 현재의 수행은 라운딩후에 법선들의 Z-성분을 재교정하는 것이 아니라 필요에 따라 잘못 방향잡은 세그먼트들과 세그먼트 법선들을 취급하는 것이다.
스텝 441에서, 층 n에 대한 근사-편평 하향 사다리꼴의 경계들은 레벨 n과 n+1에 슬라이싱층과 근사-편평 하향 삼각형들의 교차에 의해 형성된다.
이 상황이 각각 세그먼트 546 및 547에서 슬라이싱층 n과 n+1을 교차하는 근사-편평 하향 삼각형을 나타내는 제69도에 도시되어 있다. 다음에, 세그먼트 547은 도시된 바와 같이 세그먼트 548을 형성하기 위하여 층 n으로 내려온다. 세그먼트 546과 548은 사다리꼴의 처음 2개의 경계 벡터를 형성하기 위하여 사용된다. 사다리꼴을 형성하는 다음 두 경계 벡터 549와 550은 각각 세그먼트 549와 550의 끝부분을 단순히 연결함으로써 형성된다.
스텝 442에서, 사다리꼴을 둘러싸는 세그먼트에 대한 세그먼트 법선들이 계산된다. 본 명세서 내에서 설명된 바와 같이, 세그먼트 법선의 방향은 편평 상향 또는 하향 삼각형들과 관련된 세그먼트 법선들의 방향의 결정과 전적으로 유사한 방법으로 사다리꼴의 꼭지점들의 상대적인 위치에 기초를 두어 계산이 된다. 즉, 세그먼트의 종점들의 위치들이 사다리꼴의 다른 꼭지점들과 비교가 되며 비교가 세그먼트 법선의 방향을 결정하는데 사용된다. 최종 결과가 제70도에 도시되 있으며, 도면은 세그먼트 법선들과 관련된 사다리꼴 세그먼트들을 예시한다.
스텝 443에서, 중복되는 벡터들이 제거된다. 중복되는 벡터들은 근사-편평 하향 삼각형들로부터 생성이 되는 두개의 인접한 사다리꼴 사이에 공통의 경계를 형성하는 벡터로서 정의된다. 이러한 벡터는 편평 스킨 영역들로부터 중복되는 경계가 제거되는 것과 같은 이유로 제거가 될 것이다.
스텝 444에서, 점 벡터들이 제거가 될 것이다. 전술한 바와 같이, 슬라이싱층 위에 놓여지는 삼각형의 꼭지점에 의하여, 또는 종점들이 정수화되었을 때 짧은 사다리꼴 경계의 붕괴에 의하여 생성이 되며, 근사-편평 경계 벡터들로부터 해치와 필벡터들을 생성하는데 있어 문제점들을 없애기 위하여 제거될 것이다.
스텝 445에서, 벡터들은 비경화된 중합체에 대한 레이저빔의 통과를 최소화하기 위하여 재정렬될 것이다.
스텝 446에서, 사다리꼴 세그먼트들과 관련된 세그먼트 법선들은 근사-편평 삼각형들뿐 아니라 다른 어떤 삼각형에서도 발생할 수 있는 플리핑 삼각형들의 문제를 보정하기 위하여 재계산될 것이다. 그 문제는 외부보다는 근사-편평 스킨 영역의 내부를 가리키는 사다리꼴 세그먼트 법선들에 의하여 명백히 드러날 것이다. 세그먼트 법선들은 편평 스킨 경계와 유사한 방법으로 재계산될 수 있다.
스텝 447은 일련의 근사-편평 하향 경계 벡터들과 그들의 관련 세그먼트 법선들을 포함하는 근사-편평 하향 경계들의 생성의 종료를 알린다. 경계 벡터는 끝과 끝을 접하여 놓이고, 경계 벡터들은 그들의 세그먼트 법선들에 관하여 왼손법칙을 따른다.
스텝 448에서, 세그먼트 법선들이 제거되고 경계 벡터들은 NFDB 벡터로서 라벨이 되며 출력을 위해 .SLI 파일에 저장된다.
스텝 449에서, 근사 편평 하향 스킨필 벡터들의 생성이 시행된다. 이러한 과정이 위에서 토의된 스킨/해치 벡터 생성 알고리즘으로부터 근사-편평 하향 스킨 경계 벡터들을 사용하여 시행된다.
스텝 450에서, 스킨 벡터들은 (해치와 스킨 벡터들의 생성에 활용되는) 본 명세서 내에서 설명된 알고리즘을 사용하여 비경화된 광중합체에 대한 초과를 최소화하기 위하여 정렬되며, 스텝 451에서, 스킨 벡터들은 NFDF 벡터로서 라벨이 되며 출력을 위해 .SLI 파일에 저장된다.
스텝 452에서, 근사-편평 하향 해치 벡터들이 생성된다. 전술한 유사한 상황에서는 편평 상향 및 하향 스킨 벡터, 편평 상향 및 하향 해치 벡터가 생성되지 않았는데, 근사-편향 하향 해치 벡터들이 생성되어야 한다는 것이 변칙적인 것으로 보일 수도 있다.
근사-편평 하향 스킨벡터들은 근사-편평 하향 해치 벡터들에 의하여 생성된 경화된 중합체에 의하여 지지될 때까지는 지지되지 않는 경화된 중합체를 항상 생성하기 때문에 다르다. 스킨 벡터의 모든 다른 유형, 즉 편평 상향 또는 하향 스킨 벡터 또는 근사-편평 상향 스킨 벡터조차도 층해치와 경계 벡터들로부터 경화된 중합체에 의하여 지지되는 경화된 광중합체를 생성할 것이다. 이는 제29(f)도와 제29(g)도 및 본 명세서 내에 있는 관련 텍스트에서 설명된다.
따라서, 스텝 542에서, 근사-편평 하향 스킨 벡터를 지지하는데 필요한 해치 벡터들이 근사-편평 하향 경계 벡터들로부터 형성된다. 사용된 알고리즘은 전술한 바와 같다.
스텝 453에서, 해치 벡터들은 비경화된 광중합을 레이저빔이 통과하는 것을 최소화하기 위하여 정렬되며, 스텝 454에서, 해치벡터들은 NFDH 벡터로서 라벨이 붙으며, 출력을 위해 .SLI 파일에 저장된다.
스텝 455에서, 근사-편평 상향 경계 벡터들이 형성된다. 이러한 벡터들은 우선 슬라이싱층 n+1 및 n과 근사-편평 상향 삼각형들의 교차부로부터 사다리꼴을 형성하는 것에 의하여 삼각형 하나씩으로부터 형성된다. 그 다으에 층 n+1 교차부로부터의 세그먼트가 층 n으로 내려가고, 층 n과의 교차점에서 형성된 다른 세그먼트들과 함께 층 n n이에 사다리꼴을 형성하는데 사용된다.
이것이 제71도에 도시되어 있으며, 세그먼트 555에서 층 n+1과 교차하고 세그먼트 556에서 층 n과 교차하는 근사-편평 상향 삼각형을 보여준다. 세그먼트 555는 층 n으로 내려가고, 그리고 세그먼트 557과 556의 끝부분이 사다리꼴을 형성하기 위하여 두개의 부가의 세그먼트 558과 559와 함께 연결되어, 다같이 사다리꼴을 형성한다.
스텝 456에서, 세그먼트 법선은 전과 같이 세그먼트들의 종점들의 상대적인 위치를 비교함으로써 결정되며 스텝 457에서, 인접한 사다리꼴들에 공통되는 변을 형성하는 중복되는 벡터들이 제거된다. 스텝 458에서, 삼각형 꼭지점들에 기인한 점벡터들 또는 라운딩 오차에 기인하는 매우 작은 경계 벡터들이 붕괴하는 것이 제거가 되며 스텝 459에서, 비경화된 중합체를 레이저빔이 통과하는 것을 최소화하기 위하여 경계 벡터들이 제한된다. 스텝 460에서, 사다리꼴에 대한 세그먼트 법선들이 플리핑 삼각형들의 문제와 이에 수반하는 세그먼트 법선들의 문제를 보정하기 위하여 재계산되며, 스텝 461에서, 근사-편평 상향 경계의 생성의 종결이 알려진다. 근사-편평 상향 경계는 끝과 끝이 서로 연결된, 그리고 세그먼트 법선과 함께 왼손법칙을 만족시키는 일련의 근사-편평 상향 경계 벡터들로 구성된다.
스텝 466에서 중복되는 벡터들이 제거된다. 블록 유형들 간에, 모든 경계 해치 벡터들은 항상 동일한 경화 정도로 그려지기 때문에, 그리고 적절한 중합체의 양을 경화하기 위하여 하나의 벡터는 한번만 그려져야 하기 때문에 벡터들의 중복은 여분의 것으로 제거될 수 있다. 예를 들어, LB 유형의 벡터들이 처음에 그려지며, 다음으로 LH 유형의 경계, NFDB 유형, 나머지 8블록이 그려지며, 이 벡터의 형태를 그리는 순서는 본 출원에서 전술된 바 있다.
층경계들은 LH 벡터들을 .SLI 파일에 두기 전에 .SLI 파일에 배치되며, LH 벡터들은 중복되는 것들을 제거하기 위하여 LB 벡터들과 비교되고, 남은 LH 벡터만이 .SLI 파일에 배치된다. 다음에 중복되는 것들을 제거하기 위하여 NFDB 벡터들이 LB 벡터 및 LH 벡터들과 비교되며, 그리고 나서 남아 있는 NFDB 벡터들이 .SLI 파일에 배치된다. 이러한 과정이 모든 경계와 해치 벡터들이 비교될 때까지 계속된다. 스킨필 벡터들은 경계와 해치보다 항상 덜 경화되기 때문에, 그들은 다른 스킨 벡터들, 경계 또는 해치 벡터들과 중복되는 곳에 그려질 필요가 없다. 그래서 벡터들의 제거는 모든 블록 유형이 처리될 때 까지 계속된다. 적절한 순서대로 최종 결과는 .SLI 파일에 가게되고 그리고 스텝 467에서, 출력을 위하여 저장된 모든 데이터가 .SLI 파일에 저장이 된다. 그리고나서, 슬라이스 3.20은 다음 층에 대해 전술한 프로세스를 반복하기 위하여 스텝 407로 되돌아 간다. 이것은 모든 층들이 처리될 때까지 계속될 것이다.
제58(a)-58(f)도는 부품들을 구축하기 위하여 슬라이스 버젼 3.20에 의하여 현재 사용되는 제1방식(STYLE 1)이라 불리는 프로세스를 나타낸다. 본 명세서 내에서 기술된 바와 같이, 그리고 제29(h)도와 제29(i)도에서 도시된 바와 같이 이러한 프로세스의 특징은 연마되어 물체의 정확한 복제를 만들 수 있도록 실제보다 큰(oversized) 부품을 구축한다는 것이다.
제72(a)도 내지 제72(f)도는 현재는 슬라이스(SLICE) 버젼 3.20에서 시행되지는 않지만 슬라이스의 앞으로의 버젼에서 시행될 큰 부품을 구축하기 위한 제2방식이라 불리는 다른 프로세스를 나타낸다. 이러한 프로세스가 제30(a)-30(j)도에 도시되어 있으며 본 명세서의 관련 텍스트에서 폭넓게 토의된다. 그러나, 제1방식과의 주요한 차이점을 이제 살펴보도록 하겠다.
제72(a)도의 스텝 560에 도시된 바와 같이, 첫번째 차이점은 층해치와 경계 벡터들이 1비트 위가 아니라 슬라이싱층 1비트 ㎉에서 형성된다. 그다음의 차이점은 스텝 561에서 도시된 바와 같이, 층 n-1에서부터 하향 편평 삼각형들이 층 n에 대한 스킨 경계와 필벡터들을 결정하는데 사용된다. 이것은 층 n에 대해 층 n+1에서 상향 스킨 경계와 필벡터가 생성되는 것과 유사하다. 또한 스텝 562에 도시된 바와 같이 제2방식에서 층 n에 대한 상향 스킨 경계와 필 벡터들이 층 n에서 생성된다.
다음에, 스텝 563에 도시된 바와 같이 층 n에 대한 근사-편평 하향 경계와 스킨필 벡터들이 슬라이싱층 n 및 n-1과 근사-편평 하향 삼각형들의 교차부로부터 형성된다. 이것은 근사-편평 하향 경계와 스킨필 벡터들이 슬라이싱층 n 및 n+1과 근사-편평 하향 삼각형들의 교차부로부터 생성되었던 제1방식의 상황과는 대조적이다. 다른 차이는 제2방식에서는 근사-편평 하향 해치벡터들이 생성되지 않는 반면 제1방식에서는 근사-편평 하향 스킨필을 위해 필요한 구조적인 지지를 제공하기 위하여 생성되었었다.
또한, 스텝 564에서 도시된 바와 같이 층 n에 대한 근사-편평 상향 스킨 경계와 필벡터들이 층 n 및 n-1과 교차하는 근사 편평 상향 삼각형으로부터 생성된다. 이것은 제1방식에서 슬라이싱층 n 및 n+1과 교차하는 근사-편평 상향 벡터로부터 그와 같은 벡터들이 생성되는 것과 대조적이다. 마지막으로 565에 도시된 바와 같이, 근사-편평 상향 해치벡터들이 근사-편평 상향 경계 벡터들로부터 생성이 될 것이다. 이것은 제2방식에서, 제1방식에서의 상황과 달리, 해치벡터가 구조(structure)를 제공하기 위하여 생성되지 않는다면 근사-편평 상향 스킨 경계와 필벡터들로부터 경화된 중합체는 자유롭게 떠 있게 될 것이다. 이것은 제1방식에서 해치벡터가 구조(structure)를 제공하기 위하여 생성되지 않는다면 근사-편평 하향 스킨 경계와 필벡터들로부터 경화된 중합체가 자유롭게 떠다니는 것과 유사하다.
두개의 추가의 스타일인 제3방식과 제4방식이, 본 명세서내에서 폭넓게 토의가 되고 또한 제31(a)-31(j)도(제3방식)에서 그리고 제31(k)-31(s)도(제4방식)에 도시되어 있다. 이러한 스타일들은 후속의 프로세싱 스텝에서 채워져야 하고 부가적인 중합체로 경화되어야 하는 실제보다 작은(undersized) 부품들을 생성하는데 유용하다. 제3방식과 제4방식은 슬라이스의 버젼 3.20에서는 아직 실현되지 않았지만, 앞으로의 버젼에서는 실현되리라 기대된다.
슬라이스(SLICE)의 이후 버젼에서 실현되리라 기대되는 부가적인 스타일들은 제1방식과 제2방식에 따라 만들어진 실제보다 큰 부품과 제3방식과 제4방식에 따라 만들어진 실제보다 작은 부품의 평균 치수의 부품의 경화를 포함한다. 평균을 취함으로써 그 부품은 해상도면에서 물체에 근접하게 될 것이며, 그리고 만약 후속 처리가 있는 경우, 후속 처리인 샌딩(sanding) 또는 필링(filling) 단계를 덜 필요로 할 것이다. 기하 평균이나 산술평균 뿐 아니라 다른 유형의 평균도 사용할 수 있으므로 제한되지 않고 포함되는 것을 취할 수 있다. 이러한 접근방법에 의하여 생산된 부품들은 후속 처리인 샌딩 또는 필링 단계를 수행할 시간이 없고 고정확도가 중요하지 않는 소정의 고속 활용예에서 유용할 것이다.
슬라이스(SLICE)의 이후의 버젼에서 가능해지리라 기대되는 다른 스타일은 부품을 생성하는데 지형적인 평균(topological average)을 사용하는 것이다. 이러한 접근법에서, 목적은 물체의 소정의 지형적인 특징, 즉 2블록 사이에 1밀의 갭 또는 물체로부터 밖으로 뻗쳐 가는 1밀 플래그폴(flag pole)와 같은 특징이 없어지지 않도록 하는 것이다. 이는 그렇게 하지 않으면 라운딩 왜곡 때문에 스테레오리소그래피 과정 동안에 사라져 버리기 때문이다. 한 부품내에서 재생하기 위하여 이러한 지형적인 특징이 필요한 예들에서, 이 스타일은 사용자가 최종 부품에서 재생산되어야 하는 이러한 특징들에 플래그할(flag)수 있는 것으로 생각한다.
새로운 층 경계와 해치생성 알고리즘이 슬라이스의 차후의 버젼에서 구현될 것으로 기대된다. 알고리즘의 중요한 것은 층경계와 해치벡터가 제1방식에서처럼 1비트 위가 아니고 또한 제2방식에서처럼 1비트 및이 아닌, 슬라이싱층에서 정확하게 생성될 것이라는 것이다. 이러한 알고리즘의 주요한 장점은 제3방식과 제4방식을 실현하는데 현재 요구되는 계산상의 부담을 확실히 완화시켜 주며, 그러한 부담은 경계 벡터들에 의하여 둘러싸인 영역들의 교차부를 취해야 하기 때문이다. 이런 알고리즘의 다른 장점은 하향 스킨필 영역들을 검출하여, 층두계를 넘어 6밀까지의 경화 예를 들어 26밀의 경화가 이러한 지역에서 억제되고 층두께만큼의 예를 들어 20밀의 경화만이 허용되도록 하는 것이다. 이 경우에, 오차 6밀이 제거될 것이다.
전술한 바와 같이, 1비트 위 또는 아래 대신에 슬라이싱층에서 층 경계와 해치벡터를 생성하는 중요한 이점은 바라는 경화두께보다 6밀더 두꺼운 경화 대신에 예를 들어 20밀의 정확한 경화두께로 편평 하향 스킨 필이 생성될 수 있도록 하는 것이다. 이러한 문제가 발생하는 것은 LB와 LH 벡터들이 편평 하향 스킨 영역들에서 뿐만 아니라 하향 형상이 없는 영역들에서도 생성이 될 것이기 때문이다. 이러한 것에 대한 하나의 이유는 LB 벡터들은 슬라이싱층 비트 위에서 생성될 것이고, 반면에 FDB 벡터들은 바로 슬라이싱층에서 생성이 되어 그 결과 LB와 FDB 벡터들의 종점이 갖지 않게 되는 것이다. 만약 그 벡터들의 종점이 같다면, 중복되는 벡터들로 인식되어 제거될 수 있다. LB와 LH 벡터들의 층두께를 6밀만큼 초과하는 경화 두께를 생기게 하는 이유는 그것들이 인접한 단면들을 서로 접착하기 위해 사용되며, 이와 같은 목적으로 여분의 경화 두께 6밀이 더해지기 때문이다. 이러한 문제점이 한부품의 바닥을 나타내는 편평 하향 영역을 도시하는 제73도에서 설명된다. 도시된 바와 같이, 층두께는 20밀이 되어야 한다. 그러나 소기의 20밀 두께를 초과하는 6밀 경화를 일으키는 바라지 않는 그리고 부적절한 LB(그리고 이에 따라 LH) 벡터들로 경화된 중합체(567)가 생긴다. 실제보다 작은 LB(그리고 LH) 벡터들을 제거함으로써 568에서 도시된 바와 같이 적절한 경화깊이 즉 20밀을 얻을 수 있을 것이다. 제1방식은 편평 하향 영역들에 대한 FDH 벡터들을 생성할 것이지만, 이러한 벡터들은 20밀 경화깊이가 되도록 프로그램될 수 있으며, 그래서 LB와 LH 벡터를 제거하는 것은 유익한 영향을 가져오도록 할 수 있다.
편평 하향 영역들에서 중복되는 LB(와 LH) 벡터들을 제거하는 것이 제74도에 도시되어 있고, 이 도면에서는 하나의 부품의 4개의 다른 슬라이싱층들과 관련하여 LB 벡터들과 FDB 벡터들을 도시하고 있다.
첫번째 층에서, LB 벡터들은 569a로써 도시되며, 반면에 FDB 벡터들은 569b로써 도시된다. LB와 FDB 벡터들은 같은 슬라이스층에서 생성이 되며 서로 완전히 중복되기 때문에 LB 벡터들은 쉽게 제거될 수 있다.
두번째 층에서는 걱정할 편평 하향 영역이 없다.
세번째 층에서는, LB 벡터들이 570a로 표시되고 FDB 벡터들이 580b로 표시되어 있다. 도시된 바와 같이, LB 벡터와 FDB 벡터는 세그먼트 570c에서만 중복되고, 이 세그먼트에 대한 LB 벡터가 제거되었다.
부가적으로, 세개의 변, 즉 570d 내지 570f에 대한 FDB 벡터와 그 세그먼트 법선이 복사되어 제74(b)도에 도시된 바와 같이 이 세개의 세그먼트에 대한 새로운 LB 벡터를 생성한다. 제74(b)도에서 중공 영역 573에서 LH 벡터의 생성을 중지시키기 위한 LB 벡터가 생성된다. 그러나, 해치 벡터 생성에 “순합” 해칭 알고리듬이 사용된다고 가정하는 경우, 세그먼트 법선들이 중실 영역으로부터 나오는 방향 대신 중실영역 내부를 가리키고 있기 때문에 LH 벡터들은 아직도 중공 영역(573) 안에서 생성될 것이다. 따라서, 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 세그먼트 법선들은 제74(c)도에서 572로 도시된 바와 같이 역전이 될 것이다. 이렇게 변화한 후에는, 중공 영역(573)내부에서 LH 벡터들의 생성은 제한될 것이다.
층 4에 대하여, LB 벡터들의 574a로서 도시되며 반면에 FDB 벡터들은 574b로 도시된다. 세그먼트 574c와 574f와 관련된 LB 벡터들이 제거되고 574d와 574e와 관련된 벡터들이 이러한 2개의 세그먼트들을 위하여 새로운 LB 벡터들로 복사될 것이다. 더욱이, 이러한 2개의 세그먼트들과 관련된 세그먼트 법선들이 역전될 것이며, 따라서 편평 하향 영역에서 LH 벡터들의 생성은 층 3에서 그러한 벡터들이 저지된 것과 유사한 방법으로 제한될 것이다.
이러한 알고리즘의 다른 이익은 제3방식과 제4방식 알고리즘의 계산상의 효율을 상당히 증진시키고, 그 구현을 손쉽게 하여, 실제보다 작은(undersized) 부품들이 더욱 쉽게 얻어질 수 있게 되는 것이다. 더욱이 제1방식 및 제2방식에 의한 실제보다 큰 부품들의 생성과 함께 제3방식과 제4방식에 의한 실제보다 작은 부품들의 생성은 전술한 평균 방식(averaging STYLE)의 실현을 가능하게 할 것이다.
제3방식은 제3방식을 위한 층경계들이 (층 n) 제1방식의 층경계에 의하여 둘러싸인 영역(층 n)로부터, 제1방식의 상향 근사-편평 경계에 의하여 둘러싸인 영역들(층 n)과 제1방식의 층경계에 의하여 둘러싸인 영역들(층 n)의 교차부를 뺀 영역을 둘러싼다는 것을 나타낸다.
그래서, 제75(a)도와 제75(b)도에 대하여, 층 n과 관련된 층 경계는 슬라이싱층 1비트 위인 567로서 도시된다. 상향 근사-편평 경계는 575와 577로서 도시된다. 상술한 바에 따라 요구되는 제3방식에 대한 층경계들은 영역(579)에 대한 경계 벡터들(577)이지만 세개의 경계 루프들로부터 이러한 것을 얻는 것은 다소간 복잡한 소기의 경계를 얻기 위한 2차원적인 영역 분석을 요한다. 만약 층경계 벡터들과 근사-편평 상향 스킨 경계 벡터들이 같은 층에서 생성된다면 575와 567은 중복될 것이며, 제75(b)도에서 영역 578과 578a는 사라지게 될 것이다. 만약 중복되는 벡터들이 제거된다면, 이것은 정확히 소기의 층경계인(역전된 세그먼트 법선들을 갖는) 영역(579)과 경계들(577)만이 남게 된다. 이에 따라 제3방식의 실현에 요구되는 계산량 부담을 엄청나게 줄일 수 있는데, 이는 제3방식에 필요한 교차부의 계산이 단순한 벡터의 덧셈과 뺄샘을 통하여 실현될 수 있기 때문이다. 만일 벡터들이 동일한 레벨에서 얻어지지 않는다면, 제75(b)도에서 도시된 바와 같이, 교차부는 하나 이상의 2차원 영역을 추적하는 것을 요하고 단순한 벡터의 덧셈과 뺄샘을 사용하여 계산될 수는 없다.
[빔폭 보상(BEAM WIDTH COMPENSATION)]
이하에서 빔폭 보상에 대해 설명하기로 한다. 빔폭 보상은 슬라이스(SLICE)의 이전 버젼에서 실현되었지만, 슬라이스 버젼 3.20에서는 빔 폭 보상을 위한 알고리즘에서 여러가지 개선되었다.
빔폭 보상의 기본적인 개념은 최종의 경화된 부품이 원형에 더욱 근접하게 닮도록 하기 위하여 빔폭의 1/2만큼 고체 내부로 고체(solid)의 경계 벡터를 조정하는 것이다. 만약 빔폭에 대한 보상이 이루어지 않는다면, 최종 경화된 부품이 완전한 빔폭, 즉 7-20밀 정도만큼 멀어질 수 있다.
그러나, 경계 벡터를 단순히 빔폭의 1/2만큼 조절하는 것은 여러 가지 다른 왜곡의 원인이 될 것이다. 본 섹션에서는 이러한 여러가지의 왜곡에 대해 설명하고, 이 왜곡을 극복하기 위해 채택된 여러 방법이 토의된다.
제1문제는 제76(a)도와 관련되어 설명될 꼭지점의 문제이다.
그림에 도시된 바와 같이, 그림에서 583에 도시된 물체의 외곽선은 날카로운 꼭지점을 형성한다. 빔폭 보상은 거리(581)와 거리(582)가 대략 각각 1/2빔폭이 될 때까지 축 586을 따라 587쪽으로 꼭지점(585)를 움직이는 것으로 시작된다. 이러한 접근에 있어 문제점은 거리(580)가 수인치가 될 수도 있다는 것으로 부품에 있어 큰 왜곡을 일으킬 수도 있다는 것이다.
해결책 중 하나는 단지 꼭지점을 점(585)에 더욱 가깝도록 이동시키는 것이며, 그러나 이 경우 세그먼트들(583 및 584)의 전체 길이를 따라서 왜곡이 생길 수 있다. 이것이 현 구현 방법으로서 두 빔폭과 같거나 이보다 적도록 거리(580)를 제한하고 있다.
다른 해결책이 제76(b)도에 도시되어 있다. 이러한 상황은 단순히 점 587에서 588로 빔을 이동시켜 중합체를 경화하는 것이다[그리고 경로(589) 및 경로(590)를 따라서 빔을 이동시키는 것]. 이에 따라 더욱더 정확한 부품을 생산할 수 있으며, 앞으로 구현될 것으로 계획되고 있다.
제2의 문제가 제77(a)도에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 점선은 빔폭 보상을 위하여 경계(실선)가 변화된 것을 나타낸다.
591로 도시된 바와 같이 어떤 예에서는 꼭지점의 주위에 왜곡을 발생시킬 것이다. 왜곡 이외에도 또 다른 문제가 제77(b)도에 도시되어 있는데, 꼭지점에서 영역과 관련된 세그먼트 법선 벡터들이 일견 역전된다.
제77(a)도에서 도시된 바와 같이 비록 초기에 경계(593) 위에 있는 모든 세그먼트 법선들이 외부로 향하고 있으나, 일단 경계들이 보상되면, 591로 도시된 바와 같이, 세그먼트 법선들이 꼭지점 안쪽으로 향하는 일이 일어날 수 있다. 그래서, 점들의 왜곡 이외에, 다른 문제점은 세그먼트 법선들의 방향에 의해 584를 둘러싸는 영역에서 해치 벡터들이 잘못 생성되는 것이다. 이것은 세그먼트 법선들이 고체가 영역 594를 둘러싸는 것으로 잘못 도시하기 때문이다.
요컨대 빔폭 보상과 함께 발생하는 두번째 주요한 문제점은 날카로운 점에서 중실부가 제거되는 것이나 중공부가 연장되는 것이다.
빔폭 보상에서 제2의 주요한 문제점은 크로스오버 문제로서 벡터들이 서로 겹쳐 뒤집어진(inside/out) 경계의 섹션을 형성하여 경계 내부를 채우거나 해칭하려 할 때 문제를 일으킨다. 또한 부가적인 문제가 존재하는데 이는 크로스오버가 발생할 때마다, 형상이 정확하게 그려지기에는 너무 작다는 것을 나타내는 것이다. 그러나 가능한 한 정확하게 하기 위해 하나의 경계선 상에서 노출시키는 정도까지 사이에 갭(크로싱오버로부터의 갭이나 충분히 오프세팅하지 못한대서 오는 갭이 최선의 표현보다 작다)이 없는 경계를 그려야 한다[we should draw the boundaries with no gap between(either a gap from crossing over, or a gap from not off setting far enough is less than the best possible representatio) even to the extent of exposing it on one boundary.]. 관찰된 크로스오버 문제로는 두가지의 상이한 유형이 있는데 제1유형은 크로스오버가 발생할 때마다(벡터에 대한 왼손법칙을 깨뜨리고) 벡터의 플리핑을 나타내고, 한편 제2유형은 크로스오버되지만 문제가 생긴다는 경고는 발생하지 않는다.
제2유형의 크로스오버 문제가 제77(c)도에 도시되어 있고, 벡터 595는 벡터 597과 크로스오버되고 벡터 596도 벡터 597과 크로스오버된다. 제77(b)도에 도시된 바와 같이, 보상에 의해 오관상 역전된 세그먼트 법선에 의해 영역 594가 생성되므로 문제가 발생한다. 세그먼트 법선의 플리핑이 일어나지 않았는데도 이런 상황이 발생한 것에 유의하여야 한다.
제1유형 벡터 크로스오버 문제가 제78(a)도 내지 제78(d)도에 도시되어 있다. 제78(a)-(b)도는 빔폭 보상이 정확히 작동하는 상황을 도시하고 있다. 제78(a)도에서는, 598은 빔폭 보상되지 않은 부품의 중실부를 둘러싸는 층 경계를 나타내고, 599는 빔폭 보상된 층경계를 나타낸다. 제78(b)도에서는, 600은 층 경계 599를 따라서 레이저 빔이 통과하는 것을 나타내고 도시된 바와 같이 보상에 의해 부품의 왜곡은 발생되지 않는다.
한편, 제78(c)도에서는 크로스오버 문제가 발생한다. 도시된 바와 같이, 598은 아직 오프셋되지 않은 층경계를 나타내고 599는 오프셋 층경계를 나타낸다. 층경계 599에 대한 보상은 점단위로(on a point by point basis) 형성된다는 것에 유의하여야 한다.
우선, 종점 608 및 612, 612 및 611, 611 및 610 사이의 세그먼트가 모드 층경계 벡터를 나타낸다고 가정한다.
이 벡터들은 종점마다(on an endpoint by endpoint basis) 오프셋된다. 우선, 종점 608이 경로 607을 따라 빔폭의 1/2만큼 이동되어 종점 601을 형성한다. 다음으로, 종점 612가 경로 605를 따라 빔폭의 1/2만큼 이동되어 종점 604를 형성한다. 종점 611이 경로 603을 따라 빔폭의 1/2만큼 이동되어 종점 602를 형성한다. 종점 610이 경로 609을 따라 빔폭의 1/2만큼 이동되어 종점 606을 형성한다. 따라서, 층 경계 벡터에 대한 오프셋은 601에서 604, 604에서 602, 및 602에서 606의 층경계 벡터로 구성된다.
보상의 경과, 경계 벡터 601-604 및 602-606은 613에서 크로스오버된다. 부가적으로, 오프셋 층 경계를 따라서 세그먼트 법선은 더이상 왼손법칙을 따르지 않는다. 이것은 영역 614를 형성하는 층경계의 부분을 고려하면 자명하다. 도시된 바와같이, 이 영역을 시계방향으로 이동하면(원래의 경계의 회전방향) 세그먼트 법선이 영역 내부를 가리키고 왼손법칙을 따르지 않는다.
크로스오버는 최종 경화된 부품에서 왜곡으로서 나타난다. 제78(d)도에 도시된 바와 같이, 615는 레이저 빔의 통과를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 616a와 616b로 도시된 바와 같이, 상당한 왜곡이 생긴다. 이 왜곡은 경계에서 비롯된 것으로, 크로스해칭을 하려하는 경우 상황이 더 악화된다.
제77(a)-77(c)도에 도시된 것과 제78(a)-78(e)도에 도시된 크로스오버 문제의 차이점은 제77(a)-77(c)도는 제2유형 벡터를 크로스오버를 나타내는 반면 제78(a)-78(c)도는 제1유형의 벡터의 크로스오버를 나타내는 것이다. 즉, 제78(a)-78(e)도는 세그먼트 방향의 플리핑을 나타내는 반면, 제77(a)-77(c)도는 그렇지 않다는 것이다. 모든 크로스오버가 세그먼트 방향을 플리핑시킨다면, 찾아내어 보정하는 것은 비교적 용이할 것이다.
제78(a)-78(e)도의 크로스오버는 다음과 같이 검출될 수 있다. 우선, 어떤 두 벡터라도 충분히 연장된다면 어디에선가 교차할 것이다. 제78(c)도를 참조하면, 벡터 601-604와 벡터 602-606의 교차부는 필요에 따라 두 벡터를 연장함으로써 결정된다. 본 실시예에서, 벡터는 이미 613에서 교차하므로 연장될 필요가 없다. 다음에는, 각 벡터의 종점이 알려져 있으므로, 교차점이 벡터의 종점 사이에 오는지 결정하기 위해 교차점의 좌표가 벡터의 종점과 비교된다. 그렇다면, 크로스오버가 발생하였다는 것을 의미한다.
크로스오버가 검출되면, 몇가지 가능한 해결방법이 있다. 그중 하나는 제78(c)도에서 이분선(bisecting line) 605상에서 점 612가 이동하는 것을 막고 이분선 603상에서 점 611이 이동하는 것을 막아서 크로스오버를 방지하는 것이다. 이것은 이분선 605의 종점(midpoint)을 찾고 점 612가 그 중점을 넘어서지 못하게 함으로써 수행된다. 또한, 이분선 603의 중점을 결정하고, 점 611이 그 중점을 넘어서 이동하지 못하게 된다.
그 결과가 제78(e)도에 도시되어 있다. 이 해결방법에서의 문제점은 경계 벡터 608-612 및 610-611의 길이를 따라 상당한 왜곡이 발생할 수 있다는 것이다. 이것은 경계 벡터의 전체 길이를 따라서 경계 벡터와 오프셋 경계 벡터 사이의 거리가 더 이상 1/2 빔폭이 아니기 때문이다. 제78(e)도에서 617 및 619 각각에 의하여 지시된 바와 같이, 601과 608, 및 606과 610 사이의 거리가 아직 1/2 빔폭일지라도 618과 620 사이는 1/2 빔폭보다 꽤 작을 수 있다.
이러한 접근방법에서 일어날 수 있는 또 다른 문제는 크로스오버가 전혀 없을지라도 벡터 종점이 적절히 이동하는 것이 방해된다는 것이다. 이 상황은 제79도에서 설명된다.
도면에 도시된 바와같이, 빔폭 보정은 우선 경로 627을 따라 점 623으로 첫번 종점(626)을 1/2 비임 폭만큼 이동시키는 것에 의해 시작된다. 다음에, 알고리즘은 경로(625)를 따라 점(621)을 향해 종점(624)을 이동하도록 시도하여, 여기서 이것은 층 경계의 국부적인 부분으로부터 동시에 1/2 빔폭만큼에 있다. 그러나 전술된 바와 같이 상기 알고리즘은 점(622)이 라인 세그먼트(624 내지 621)의 중점을 넘어서서 이동되는 것을 막으며 이점은 결국 622에서 끝나게 된다. 더욱이, 이 점은 경계벡터(624-626)으로부터 1/2 빔폭보다 작으며, 이 경로에 따라 뚜렷한 왜곡이 생기게 된다. 크로스오버를 전혀 일으키지 않고 621에 남아 있을수도 있었는데도 불구하고 이런 일이 발생한다.
세번째 문제는 유효한 정도까지 종점의 이동을 막는 알고리즘은 제1유형의 벡터의 크로스오버의 보정에만 유효할 뿐이라는 것이다. 제77(a)-77(c)도에 도시된 제2유형 벡터의 크로스오버 문제는 다루지 못한다.
이제 전술한 문제를 다루기 위해 제안된 알고리즘을 설명하겠다.
알고리즘은 한 루우프를 형성하는 각 경계 벡터의 종점을 한번에 하나씩 차례로 오프세팅함으로써 진행된다. 각 종점이 오프셋된 후, 알고리즘은 크로스오버를 검출하며 검출되면 알고리즘은 이분선을 따라 종점의 이동을 막는 고정된 규칙에 얽매이지 않고 적절히 종점을 수정한다.
이 알고리즘은 실제 크로스오버가 검출된 경우만 수행되므로 제79도를 참조하여 전술된 크로스오버 문제의 오검출(false positive detection)의 문제를 해결해준다. 더욱이, 도시된 바와 같이 알고리즘은 제2유형의 크로스오버된 벡터에 대해서도 동작한다.
전술한 바와 같이, 일단 크로스오버가 검출되면, 알고리즘은 크로스오버를 막는데 필요한 정도까지 종점의 이동을 후진(back off)시킨다. 알고리즘은 전술된 바와 같이 이분선의 중점에 종점을 제한하는 것만은 아니다.
알고리즘의 동작은 제80도를 참고하여 설명될 수 있다. 제80(a)도를 참조하여, 경계벡터 608-612의 종점(608)은 점(601)으로 1/2 빔폭만큼 오프셋되며 크로스오버가 체크된다. 크로스오버가 존재하지 않기 때문에, 경계벡터는 벡터 601-612, 612-611, 및 611-610인 것으로 간주된다. 제80(b)도를 참조하여, 벡터 601-612의 종점(612)은 점(604)로 1/2 빔폭만큼 오프셋되며, 크로스오버가 체크된다. 크로스오버가 검출되지 않기 때문에 경계벡터는 벡터 601-604, 604-611 및 611-610로 간주된다. 제80(c)도를 참조하면, 종점(611)은 점(602)로 1/2빔폭만큼 오프세트되며, 크로스오버가 체크된다. 이시점에서, 경계 벡터는 임시로 601-604, 604-602, 및 602-610으로 간주된다.
전과 같이, 크로스오버는 루프의 모든 경계 벡터 사이에 쌍 단위로 교차점을 계산하고 이점이 고려중인 벡터에 대하여 내무점인지 즉 종점 사이의 점인지 체크함으로써 검출될 수 있다. 제80(c)도의 예에서, 벡터의 쌍들의 비교가 다음과 같이 이루어진다. 즉 604-602와 601-604, 및 602-610와 601-604이 비교된다. 이러한 처리단계에서, 알고리즘은 후자쌍의 비교에서 크로스오버를 검출할 것이다.
다음 처리 단계는 크로스오버를 피하기 위하여 벡터 종점의 이동을 어느정도까지 멈추게 할지 결정하는 것이다. 제81(a)도에 설명된 한 접근방법은 제81(b)도에서 설명된 경계벡터에 도달되도록 614에 의하여 지시된 벡터의 일부분을 단순히 삭제하는 것이다. 혹은, 614에 의해 지시된 영역은 제81(c)도에 615에 의해 도시된 바와 같이 단일 벡터로 붕괴될 수 있다. 크로스오버를 피하기 위한 종점을 멈추는 또다른 접근방법이 가능하다.
인접 벡터의 크로스오버를 검출하여 교정하는 알고리즘의 이용을 설명하였다. 다음, 제2유형 벡터의 크로스오버를 검출하고 교정하는 알고리즘의 동작이 기술된다.
제82(a)도를 참조하면, 종점(617)은 619으로 1/2 빔폭만큼 오프셋되며, 크로스오버가 체크된다. 상기와 같이 루프내의 모든 경계벡터의 쌍단위 비교 및 크로스오버체크가 실행될 수 있다. 아무것도 검출되지 않으므로, 알고리즘이 진행된다. 다음 제82(b)도를 참조하여, 종점(618)은 621로 이동되며, 쌍단위 크로스오버 체크가 실행된다. 아무것도 검출되지 않으므로, 알고리즘이 진행된다.
제82(c)도를 참조하면, 종점(620)은 623으로 이동되며, 쌍단위 크로스오버체크가 실행된다. 아무것도 검출되지 않으므로, 알고리즘이 진행된다.
제82(d)도를 참조하면, 종점(622)은 624로 이동되며, 쌍단위 크로스오버 체크가 실행된다. 아무것도 검출되지 않으므로 알고리즘이 진행된다.
제82(e)도를 참조하면, 종점(625)은 626으로 이동되며, 쌍단위 크로스오버 체크가 실행된다. 이 점에서 벡터 624-626과 619-621 사이의 크로스오버 및 벡터 626-627과 619-621 사이의 크로스오버가 검출된다.
알고리즘의 다음 단계는 크로스오버를 막도록 종점을 후진시키는 방법을 결정하는 것이다. 제83(a)도를 참조하면, 한 접근방법은 제83(b)도에 의하여 지시된 경계벡터에 도달하도록 628에 의해 지시된 원형 영역내의 벡터를 잘라내는 것이다.
알고리즘의 한 일면에서 크로스오버의 검출 및 교정은 벡터가 오프세팅 단계의 순차를 시작하는데 어떤 종점이 이용되는가에 의존할 것이다. 예를들면, 제83(c)도에서, 629으로 지시된 종점은 오프세팅 과정을 시작하는데 이용되며, 종점의 순차가 반시계방향으로 진행하는 것을 가정하면, 종점(630)이 631로 이동될 때 크로스오버가 검출되었다. 이 점에서, 후진시키는(backing off) 한 접근방법은 제83(e)도에서 설명된 상황이 발생하도록 종점 631을 630에 가깝게 이동시키고 종점 633을 632에 가깝게 이동시키는 것으로 구성된다.
후진의 또다른 접근방법은 오프세팅이 시작되는 종점과 무관한데, 이는 크로스오버가 검출된 후에도 루프의 모든 경계 벡터의 모든 종점이 오프세트될 때까지 오프세팅을 완료하는 것이며 그리하여 후진하는 최적의 방법을 결정하는 것이다.
[빔폭 보상의 구현]
현재, 빔폭 보상은 밴조탑으로부터 얻은 빔폭 측정을 이용하여 실행된다. 이 측정은 사용자에 의하여 입력되며, 경계 벡터의 오프셋 결정에 이용된다. 요구된 오프셋은 SLICE에 변수로 수동으로 특정된다.
이후의 버전에서 사용가능한 또다른 구현방법은 수지의 알려진 측정된 성질과 빔 프로파일 정보를 결합하여 적절한 오프셋 조정을 추정하는 것이다. 이것은 자동 빔폭보상으로 알려져 있다.
적절한 오프셋 조정은 경화된 경로(cured trace)의 프로파일의 예측으로부터 얻어지는데 이 예측은 빔 강도 프로파일 측정과 수지의 알려진 특성으로부터 얻는 것이다. 초반부에 지시된 바와 같이, 이것은 본 명세서의 일부로 참조된 제목이 “빔 프로파일링 방법 및 장치”인 일련번호 268,816인 특허 출원에 설명되어 있다.
혹은 빔폭 조정은 밴조탑이 마지막으로 작동된 때로부터 빔 강도 프로파일의 변화를 이용하여 재교정된 밴조탑 측정값으로, 밴조탑 측정으로부터 결정될 수 있다.
빔폭 보정은 현재 SLICE 버전 3.20에서 실행된다. 몇개의 단계가 빔폭 보정을 위해 SLICE 버전 3.20에 부가되는데, 그 단계는 제58(a)도 내지 제58(f)도 및 제72(a)도 내지 제72(f)도에는 반영되지 않았다. 이러한 단계가 이제 기술될 것이다.
슬라이스(SLICE)의 제1방식 흐름도인, 제84(a)도 내지 제84(f)도를 참조하면, 빔폭 보정을 실행하는 단계는 벡터 데이타가 SLI 파일에 기록되기전, 및 해치 및 스킨 필 벡터가 경계 벡터 데이타로부터 발생되기 전에 모든 경계 벡터 유형에 대해 실행될 것이다. 그러므로, 제84(a)도 내지 제84(f)도에 도시된 바와 같이, 빔폭 보정 단계(634-638)는 층 경계 벡터, 편평 하향 경계 벡터, 편평 상향 경계 벡터, 근사 하향 경계 벡터 및 근사 편평 상향 경계 벡터에 대해 부가될 것이다.
각 경계 벡터 유형에 대한 빔폭 보상 보상 단계는 동일하며, 그 부단계가 제85도의 흐름도로 도시되어 있다. 지시된 바와 같이, 부단계(639)에서, 경계 벡터 세그먼트 법선은 이전 처리단계에서 이미 수행되지 않았다면 재계산된다. 제84(a)도 내지 제84(f)도에서 도시된 바와 같이 세그먼트 법선의 재교정은 현재 경계층을 제외하고는 모두 실행된다. 빔폭 보상이 되지 않는 경우, 해치 및 스킨필 벡터를 발생하는데만 이용되기 때문에 이 벡터에 대한 세그먼트 법선을 재계산할 필요가 없으며, 세그먼트 법선의 플립은, “순합” 해치 또는 스킨필 벡터 발생 알고리즘에 의하여 교정될 것이다.
그러나, 빔폭 보상이 되는 경우, 세그먼트 수선은 오프세팅 부단계(제85내으 부단계 641)에서 오프셋이 어느 방향으로 될지 결정하는데 이용된다. 세그먼트 법선은 중실부로부터 밖을 향해야 하므로, 오프셋은 세그먼트 법선에 반대방향으로 실행된다. 그러므로, 이제는 층 경계 벡터에 대한 세그먼트 법선을 재계산할 필요가 있다. 다른 경계 벡터 유형에 대하여, 제58(a)도 내지 제58(f)도 및 제72(a)도 내지 72(f)도의 흐름도에서 선택사양으로 도시된 이러한 부단계는 제84도 및 제85도에서는 필수사항이다. 전술한 바와 같이, 세그먼트 법선은 라운딩에 의한 삼각형의 플립핑 때문에 역전될 수 있다. 이 부단계에서, 이것은 왼손법칙을 이용하고, 루프에서 다른 경계벡터의 세그먼트 법선에 대하여 체킹함으로써 보정된다.
부단계(640)에서, 중첩 경계 벡터가 결합되며, 점벡터가 제거된다. 이 부단계가 수행되는 이유는 작은 벡터가 긴 벡터에 부가되도록(attach)하여, 오프셋 제한을 기초하는 대신에 크로스오버 문제의 가능성만이 있는 경우 종점 오프세팅을 제한하는 것으로부터 비롯되는 부적절한 오프세팅을 제거하는 것이다. 이 단계가 실제로 하려는 것은 결합(integration) 때문에 방향이 변한 벡터를 라인업(line up)시키는 것이다. 부가적으로, 이 부단계는 SLICE의 이전 버전으로부터 SLICE 버전 3.20의 중요한 차이를 나타내는데 이는 크로스오버 검출에 기초한 개선된 오프세팅 알고리즘을 구현하는 기반이 되기 때문이다.
부단계(641-644)는 이미 널리 논의되었다. 부단계(641)에서, 경계 벡터의 종점은 세그먼트 법선 반대방향으로 오프셋되어, 경계벡터가 시험적으로(tentatively) 재계산된다. 부단계(642)에서, 크로스오버를 검출하기 위해 루프에서 경계벡터의 정확한 비교가 수행된다. 부단계(643)에서, 크로스오버가 검출되지 않는다면 경계벡터에 대한 변화는 영구적인 것이 되고(the changes to the boundary vectors are made permanent), 상기 과정은 루프에서 다음 종점에 대해 반복된다. 크로스오버가 부단계(644)에서 검출된다면, 종점 마지막 오프셋은 크로스오버가 소거될 때까지 백업되며 경계 벡터는 재계산되고 변화가 영구적인 것이 되고 상기 과정은 루프에서 다음 종점에 대해 반복된다.
[웹 서포트]
웹 서포트는 관계 출원인 계류중인 미합중국 특허출원 출원번호 제182,801호에 기술되어 있으며, 도입부에서 설명된 바와 같이 본 명세서의 일부로서 참조된다. 더욱이 웹 서포트는 첨부된 훈련 매뉴얼에 기술되어 있다.
웹 서포트는 현재 부품이 생성되고 또한 아마도 후속-경화되는 동안에 부품을 지지하기 위해 이용된다. 이 주요한 장점은 웹이 형성되는 축인 서포트 축에 평행한 좋은 구조적 지지력을 제공하는 것이다.
웹 서포트의 또다른 잇점은 그 생성의 용이함에 있다. 현재 웹 서포트를 생성하는데는 두가지 방법이 있다:1) CAD/CAM 시스템에서, 웹 서포트는 개개의 소형박스 즉, 높고, 길고 좁은 박스로써 정의되는 것, 또는 2) 경화되는 부품 아래 내부 크로스-해칭을 갖는 박스를 생성하는 것이다. 이러한 후자의 방법에서 해치벡터를 발생하기 위한 이미 구현된 SLICE 알고리즘은 웹 서포트를 발생하는데 이용될 수 있다. 박스는 별도의 .STL 파일에서 생성되어 그 자체의 .SLI 파일에 저장된 후, 슬라싱 이후 Object.SLI 파일로 통합될 수 있다. 특히, 직선 웹(straight web)는 X 또는 Y 방향(동시가아님)으로 해칭함으로써 생성될 수 있다. 교차(criss-crossed) T는 X 및 Y 방향으로 해칭함으로써 구현될 수 있다. 삼각(triangular) 웹 서포트는 60/120 각도 및 X 또는 Y 방향으로 해칭함으로써 구현될 수 있다. 더욱이 해칭 공간은 필요한 서포트에 따라서 1/4″ 내지 1″로 선택될 수 있다.
세번째 장점은 Z-스테이지 엘리베이터의 플레이트는 그안에 전형적으로 구멍을 가지며, 웹 서포트는 다른 형태의 서포트와 달리 구멍으로 떨어지지 않는다는 것이다.
네번째 장점은 부품이 구축되면서 웹 서포트가 플랫폼에 세워질 수 있다는 것이다. 부품의 각층은 우선 그 경계 벡터를 경화하고 나서 해치 또는 스킨 필 벡터를 경화함으로써 경화된다. 경계에서 중합체를 경화하는데, 버드 네스팅이라 불리는 문제가 일어난다. 버드 네스팅은 층의 경계를 나타내는 경화 폴리머가 경화되고 수지내에 부유하도록 남겨졌을 때 일어나는 왜곡이다. 왜곡은 해치 및 스킨 필 벡터를 그리는데 있어서의 지연에 의해 일어난다. 해치 또는 스킨 필 벡터가 그려질 때쯤이면, 경계는 부유하는 액체 중합체 움직임으로 인하여 이동될 수 있다. 버드-네스팅은 관련된 계류중인 미합중국 특허출원 일련번호 제183,015호에 더욱 세부적으로 기술되어 있는데, 이 출원은 도입부에서 서술된 바와 같이 본 명세서의 일부로서 참조된다.
부품 경계전에 웹 서포트를 그림으로써 버드 네스팅 문제를 해결할 수 있는데, 이는 해치나 스킨 필 벡터가 그려지기 전에 경계 벡터가 부착될 수 있는 중합체로부터 생성된 서포트를 제공하기 때문이다. 서포트의 다른 유형, 즉 포스트 서포트(post supports)의 경우, 경계 벡터로부터 그려진 중합체는 전형적으로 포스트를 둘러싸고 접착되지 않는데, 그리하여 버드 네스팅은 여전히 문제가 된다.
새롭고 개선된 스테레오리소그래픽 방법과 장치는 현재 사용되는 플라스틱 물체의 생산 방법에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 이 방법에서는 금형 제작 도면 생산 및 금형이 필요하지 않다. 설계자는 컴퓨터 및 스테레오리소그래픽 장치와 함께 직접 일을 수행하게 되며, 컴퓨터의 출력 화면상에 디스플레이된 설계에 만족하는 경우, 휘말림 및 뒤틀림을 감소시키고 해상도, 강화 및 복제의 정확성을 증가시키기 위해 물체가 특별하게 처리되는 것을 정의하는 정보를 직접 검사하기 위해 부품을 만들 수 있다. 설계가 수정되야 한다면, 이것은 컴퓨터를 통하여 쉽게 할 수 있으며, 변화가 제대로 되었다는 것을 입증하도록 다른 부품을 만들 수 있다. 설계상 상호작용하는 설계 파라미터를 가진 몇몇 부품이 필요하다면, 모든 부품 설계를 쉽게 바꾸고 부품을 새로 만들어서 전체 조립체를 만들어서 검사하는 것이-필요에 따라서는 반복적으로-가능하므로 본 방법이 더욱 유리하다. 더욱이, 본 발명의 데이타 조작 기법은 난해하고 물체의 형태가 복잡하더라도 감소된 응력, 휘말림, 왜곡 증가된 해상도, 강도 정확성, 속도 및 생산의 경제성을 달성할 수 있게 한다.
설계가 완성된 후 부품 생산을 즉시 시작할 수 있어서, 설계 및 생산 사이의 기간을 단축할 수 있다. 궁극적인 생산율과 부품 비용은 단기 생산에 대해서는 사출 성형과 비슷하지만 사출 성형보다 노동력 비용이 훨씬 적다. 사출성형은 많은 수의 동일한 부품이 요구될 때만 경제적이다. 스테레오리소그래피는 금형제작이 필요없고 생산 셋업 시간이 최소이기 때문에 단기 생산에 특히 유용하다. 마찬가지로 설계 변화와 주문 부품(custom parts)이 본 기술에서는 용이하게 제공된다. 부품제조의 용이함 때문에, 스테레오리소그래픽은 현재 금속 또는 타물질 부분이 이용되는 많은 곳에서 플라스틱 부품이 이용되도록 할 수 있다. 더욱이, 더 비싼 금속 또는 타물질 부품을 만드는 것을 결정하기 전에 물체의 플라스틱 모델이 빠르고 경제적으로 제공되도록 한다.
다양한 스테레오리소그래픽 시스템이 본 발명의 실행에 대하여 설명되었지만, 그 모두 공통적으로는 실제로 2차원 표면을 그리고 그 표면으로부터 3차원 물체를 얻는 것이다.
본 발명은, 3차원 플라스틱 부품등을 신속히, 신뢰성 있게 정확하고, 경제적으로 설계하고 제조할 수 있는 CAD/CAM-인터페이스 가능한 시스템에 대한 본 기술분야에서의 오랜 지속적인 요구를 만족시킨다.
본 발명의 특정 형태가 설명되고 기술되었지만, 본 발명의 본질과 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경을 이룰수 있는 것이 전술한 바로부터 명백하다. 따라서, 첨부된 청구항에 의한 것을 제외하고는, 본 발명을 제한하려는 것이 아니다.
[부록 D]
3D 시스템스사
판권소유
[3D 시스템스사]
훈련용 교범
1988. 4
[목차]
Figure kpo00008
Figure kpo00009
Figure kpo00010
[머리말]
(목적과 범위)
이 훈련교범은 스테레오리소그라피를 만드는데 필요한 내용을 다루고 있다. 그 내용은 5개의 절로 나뉘어져 있으며, 각 절마다 스테레오리소그래피의 서로 다른 속성들을 설명하고 있다.
제1절:스테레오리소그라피의 처리과정과 하드웨어, 소프트웨어에 대하여 개괄적으로 설명되어 있다.
제2절:레이저 및 화학 안전에 관해 다룬다.
제3절:부품을 조립하는 순서에 따라 13개의 소절(小節)로 나누어 자세한 부품조립방법을 설명하여 놓았다. 필요에 따라 이 소절을 기본장과 중간장등으로 세분한 곳도 있다.
제4절:스테레오리소그라피의 한계와 일반적인 부품 생산상의 문제점에 대한 조치방법에 대하여 논의하였다.
제5절:레이저와, 화학, 작업곡선등의 배경 소양에 관한 내용이다. 훈련일정과 스테레오리소그라피의 용어해설 또한 이 교범에 포함되어 있는데, 독자의 신속한 참조에 도움이 되도록 색상으로 표시하여 놓았다. SLA-1 훈련계획은 5일 과정이다. 첫 이틀 동안에는 기본 부품의 생산 과정과 간단한 부품을 생산하기 위한 SLA-1의 동작요령을 다루었는데, 중간에 클래스룸 전체의 토의시간을 삽입하였다. 나머지 사흘동안에는 중급의 내용을 다루는데 보다 복잡한 부품을 생산하는 SLA-1의 사용요령을 점진적으로 보인 것이다. 이 5일 코오스를 마쳤을 때 여러분은 CAD 데이터로부터 직접 다양한 종류의 부품을 생산하는데 SLA-1을 작동할 수 있게 될 것이다.
[약어(略語)]
CAD 컴퓨터를 이용한 설계나 디자인
CFM ft3/분
DOS 디스크 오퍼레이팅 시스템
MIA 해치간 최소 교차각(θ)
MSA 스캐닝된 다면체의 최소 표면각
MSDS 물질 안전도 자료표
NIOSH 국립 취업안전 및 건강 기판
PCA 포스트 큐어링 장치
RHR 시계방향(오른손잡이의) 규칙
SEA 스테레오리소그라피 장치
UV 자외선
[기호]
^ 공백(스페이스)
Figure kpo00011
콘트롤/브레이크키
[파일의 확장 형태]
Figure kpo00012
[용어]
부품:결합된 목적물과 서포트
목적물:CAD 모델(세부부품의 결합체)
서포트:물체가 생성되는 지지 구조물
[훈련일정표]
1일차:클래스에 대한 소개, 교육일정, 개관 안전수칙, 랩 1-부품생산 1
스테레오리소그래픽-그 시작으로부터 종료까지
CAD 설계, 방향조정과 서포트, CAD의 인터페이스, 슬라이스 컴퓨터, 슬라이스-베이직
랩 2-슬라이스
2일자:스테레오리소그래픽-그 시작으로부터 종료까지(1일차에서 계속)
제어 컴퓨터, 유틸리티-베이직, 랩 2-유틸리티
네트워크-베이직
랩 2-네트워크
머지
랩 2-머지
준비베이직
랩 2-준비
생성-베이직
랩 2-생성
후속 프로세스
랩 2-후속 프로세스
체크리스트
3일차:스테레오리소그래픽-그 시작으로 종료까지(2일차에서 계속)
슬라이스-중급
랩 3-슬라이스
유틸리티-중급
랩 3-유틸리티
네트워크
랩 3-네트워크
뷰
랩 3-뷰
준비-중급
랩 3-준비
생성-중급
랩 3-생성
4일차:점(bullet), 밴조톱(Banjotops)과 작업곡선
자료파일
랩 4-부품 생성 4
그룹 토론
5일차:문제해◎법
부품 생성 상의 문제점 및 해결방법
학생들간의 부문별 토의
스테레오리소그래피의 설치, 고객지원
훈련평가
종료사
[제1절]
[개관]
스테레오리소그래피는 CAD 데이터로부터 CAD 입체 또는 표면 모형을 정확하게 재현하여 주는 3차원 방식(입체적인)의 프린팅 공정이다. 이 공정은 컴퓨터에 의해 지시되는 가동 레이저빔을 사용하여 광경화성 액화 플라스틱의 표면상에 모형의 단면부를 인쇄하거나 그리게 된다. 일단 하나의 단면이 그려지면 엘리베이터에 의해 한층의 깊이만큼 하강되어 액화 플라스틱 수조에 잠기고, 또 하나의 단면이 첫번째 단면의 상부에 직접 그려진다. 액화 플라스틱의 특성상 각 층은 마지막까지 접착된다. 이 공정은 스테레오리소그래피의 모형이 그 바닥쪽에서 위를 향하여 입체적인 형상으로 완성될 때까지 한층씩 반복된다. 이렇게 하여 스테레오리소그래피는 재래식의 공구를 사용하는 모형 제작방법보다 훨씬 단시간내에 CAD로 디자인된 모형을 재현하여 준다. 현행의 방법으로 며칠, 몇주 혹은 몇 달이 걸릴 수도 있는 작업이 스테레오리소그래피를 사용하여 불과 몇시간만에 가능해지는 것이다. 스테레오리소그래피는 다양한 용도에 작용하여 사용이 가능한데, 예를 들자면;
● 디자인 공학
자동차 산업
대기권과 우주분야
상용
의료분야
● 제조공학
● 건축설계
● 기타의 과학분야
등이 있다.
1.1 스테레오리소그래피 프로세스
스테레오리소그래피의 프로세스는 3개의 주요장치에서 9개의 기본 과정을 거쳐 이루어진다(제12도 참조)
Figure kpo00013
[CAD 시스템]
[CAD 디자인(1단계)]
스테레오리소그래피에 대한 특별한 참고사항없이 CAD 시스템상에 입체 혹은 평면 모형으로서 부품이 설계된다.
[방향조정 및 서포트(2단계)]
CAD 모형은 스테레오리소그래피용 3차원 공간에(CAD 시스템내에) 맞추어져 있다. 베이스, 혹은 서포트는 부품이 생성되는 동안(화면에서 화상구성) 그 부품을 고착하고 지지하도록 설계되어 있다.
[CAD 인터페이스(3단계)]
CAD 모형은 인터페이스를 통해 스테레오리소그래피용으로 포맷팅된 파일을 생성하도록 처리된다. 이 .STL 파일은 CAD 디자인 모형의 모든 표면에 관한 정보를 통합하여 갖고 있는 파일이다. 인터페이스는 CAD 업자를 통하여 구입할 수 있다.
[스테레오리소그래피 장치]
[슬라이스(4단계)]
3차원 물체를 나타내는 스테레오리소그래피 파일(.STL)은 사용자가 원하는 두께의 층을 생성하기 위해 슬라이스 컴퓨터 상에서 단면화된다.
[네트워크(5단계)]
슬라이스된 파일은 이더넷이나 디스켓을 통해 슬라이스 컴퓨터로부터 제어컴퓨터로 전송된다.
[병합(6단계)]
부품에 대한 슬라이스된 파일(즉, 서포트 및 부품 자체에 대한 모든 파일)이 결합되어 SLA-1을 작동하는데 사용할 수 있도록 재 포맷팅된다.
[준비(7단계)]
사용자는 각 부품의 위상과 최종 사용에 맞도록 부품 생성의 파라미터들을 지정한다.
[생성(8단계)]
부품은 레이저 빔의 초점을 감광수지의 표면에 맞추어 레이저 빔이 닿는 부분의 수지를 굳히면서 1회 조사시마다 한층씩 그 모양이 형성된다. 제1층(맨아래 층)은 수지 표면의 바로 아래에 위치한 수평 플랫폼에 접착된다. 이 플랫폼은 엘리베이터에 부착되어 컴퓨터의 제어에 의해 한층만큼 아래로 하강한다. 일단 한층을 생성할 때마다 플랫폼은 수지의 아래쪽으로 한층 만큼 하강하여 표면의 수지층에 다음 단면이 형성될 수 있도록 하는 것이다. 엘리베이터가 한층만큼 하강한 후에 잠깐 멈추는 것은 수지의 표면이 수평으로 되는 시간을 보장하기 위한 것이다. 수지는 점착성을 가지고 있으므로 다음에 생성된 단면은 처음에 생성된 단면에 견고하게 고착된다. 입체 형상의 물체가 완성될 때까지 이러한 과정이 반복된다. 레이저 빔에 조사되지 않고 수조에 남게 된 여분의 수지는 다음의 부품 생성에 사용된다. 이렇게 하여 수지의 낭비는 거의 없게 된다.
[후속 경화 장치]
[후속 공정(9단계)]
이렇게 만들어진 부품은 배수되어 여분의 수지를 제거하고, 중합과정을 마치도록 자외선을 쬔 다음 서포트를 제거한다. 필요에 따라 연마, 작동 모형에의 결합, 도색 등도 수행할 수 있다.
1.2 스테레오리소그래피 시스템(제86(a)-86(b)도 참조)
● 스테레오리소그래피 장치
● 후속 경화 장치
[스테레오리소그래피 장치]
SLA-1의 주요구성부품은 다음과 같다(제87도 참조):
● 제어 컴퓨터
● 레이저 및 광학 시스템
● 프로세스 챔버
● 제어 패널
● 슬라이스 컴퓨터
[제어 컴퓨터]
네트워크에서 생성에 이르는 모든 스테레오리소그래피 공정은 제어 컴퓨터상에서 이루어진다. 이 컴퓨터에는 메뉴 프로그램이 탑재되어 프로그램 및 파라미터 선택을 용이하게 할 수 있다.
● MSDOS를 탑재한 286컴퓨터(단독사용, 단일 업무)
● 모노크롬 단말
● 40MB 용량의 하드 디스크
● 36-38MB의 디스크 스페이스
● 이더넷 인터페이스
[레이저와 광학시스템]
SLA-1 레이저와 광학 시스템은 프로세스 챔버 위에 그대로 장착된다. 이 구성 부품들은 컴퓨터 제어 하에서 레이저 빔을 발생시켜 액화수지 표면에 조사한다. SLA-1에 사용되는 것은 헬륨-카드뮴(HeCd)와, 다증 모우드의 자외선 레이저이다. 레이저 빔의 출력은 조절 가능한데 공식적으로는 325 나노미터의 파장에서 15밀리와트의 출력을 가진다. 제9도에 도시된 바와 같이, SLA-1 광학 시스템은 셔터 어셈블리, 2개의 직각 빔 반전 미러(beam-turning mirror), 빔 증폭기, 렌즈 위에 장착된 X-Y 이동식 미러들로 구성되어 있다. 2인치 직경의 정밀렌즈는 챔버 환경으로부터 광학용 구성품들이 고립되는 동안 레이저 빔이 챔버로 진입하도록 하기 위한 것이다.
솔레노이드 방식의 셔터는 인터록(interlock) 스위치가 활성될 때 레이저 빔을 차단하도록 작동한다. 인터록 스위치는 레이저빔의 제거와 렌즈의 덮개와 프로세스 챔버도의 개방을 감시한다.
직각 빔 반전 미러는 파장 325 나노미터의 빔만 고효율로 반사하고 다른 파장의 빔들을 반사하지 않도록 특수 코팅처리되어 있다. 제1반전 미러는 레이저로부터 나온 빔을 빔 증폭기의 인입구멍으로 반사한다. 제2미러는 빔 증폭기 배출구멍으로부터 이동 미러(dynamic mirror)로 레이저 빔을 반사한다.
이 때 진로가 변경되지 않은 레이저 빔은 약간의 거리를 두고 흩어지게 된다. 스테레오리소그래피에 사용되는 레이저빔은 고정도의 촛점이 필요한데 그 이유는 집속 강도가 높을수록 출력이 높아져서 플라스틱을 보다 확실하게 혹은 보다 신속하게 접착시켜 줄 수 있기 때문이다. 빔 증폭기는 발산하는 레이저 빔을 증폭기의 인입구 직경의 4배만큼 증폭해 주었다가, 다시 집속하여 수지의 표면에 한점으로 빔이 수렴되도록 하여준다.
고속의 이동 미러는 컴퓨터의 제어하에 레이저 빔을 편향시켜 수지 표면에 벡터를 형성한다. 빔 반전 미러와 마찬가지로, 이동식 미러는 고반사도를 갖는 것으로서 역시 325 나노미터파장의 빔만 주로 반사하고 다른 파장의 빔을 발산시켜 버리도록 고안되어 있다.
[프로세스 챔버]
주위여건에 따라 제어되는 프로세스 챔버는 엘리베이터와 플랫폼, 그리고 수지 수조와 프로필러(profiler)로 구성되어 있으며 스테레오리소그래피의 최종 부품을 생성하여 주는 기능을 한다.
이 챔버는 사용자의 안전과 균일한 작업 여건이 유지되도록 설계되어 있다. 공기는 활성 탄소를 통하여 순환되고 걸러진다. 또 챔버의 상부에는 수지 수조와 수지 표면을 밝혀주는 조명이 장착되어 있다. 억세스 도어(access dorr)에 있는 인터록은 도어가 열리면 레이저빔을 차단하도록 셔터를 동작시킨다. 투명한 아크릴 도어는 작업자에게 자외선이 가지 않도록 막는 역할을 한다.
엘리베이터는 컴퓨터의 제어하에서 상승하거나 하강하며 플랫폼은 부품이 생성되는 동안 부품을 지지한다.
수지 수조는 가로 세로 높이가 모두 9인치이며 챔버내의 엘리베이터와 플랫폼이정렬되는 지침선 상에 설치된다. 수조의 오버플로우(overflow) 시스템은 남은 수지를 처리용기로 흘려 보내어 항상 일정한 수지의 양을 유지하도록 제어한다.
2개의 빔 프로필러가 프로세스 챔버내에 장치되어 있는데, 수지 수조의 양측면에 각각 놓여져 있다. 이 빔 프로필러는 레이저 출력과 집속 강도를 역시 컴퓨터의 제어하에 항상 측정하고 있다.
[제어 패널]
SLA-1 제어 패널은 아래의 부품을 포함한다.
전원 스위치:주전원을 레이저, 전원, 프로세스 챔버, 및 제어 컴퓨터로 스위치함
오븐 라이트(oven light) 스위치:프로세스 챔버의 상부 조명등을 켜고 끄는 스위치.
레이저온 표시기:레이저 빔의 조사를 표시해 주는 표시기
셧터 온 표시기:레이저빔의 조사중 셧터의 개방을 표시하는 표시기
[슬라이스 컴퓨터]
슬라이스 컴퓨터는 단면의 .STL 파일로부터 .SLI 파일을 생성시켜 준다.
● UNIX를 탑재한 386 컴퓨터(다중 사용자처리, 다중업무용)
● 단색 단말
● 70MB 용량의 하드디스크
● __ MB 이용 가능한 디스크 스페이스
● 이더넷 인터페이스
[후속 경화장치(제88도 참조]
후속 경화장치(PCA)는 SLA-1으로 제작한 부품을 경화하는데 사용된다. 작업내용은 밀폐되고 배수구를 가진 챔버안에서 단순히 자외선을 부품에 쬐어 주는 것이며 PCA는 가로, 세로, 높이 12인치까지의 모든 부품을 수용할 수 있다. 그 주된 부품은 아래와 같다.
● 최적의 경화를 위해 챔버내에 위치한 반사경(reflector)와 3개의 400와트 불활성 금속재질의 자외선 램프. 작업 수명이 750시간 이상이라야 한다.
● 균일한 경화를 위해 부품을 분당 1회전시키는 회전 테이블
● 부품을 넣고 꺼내기 위한 2개의 도어(하나는 챔버의 위쪽, 하나는 챔버의 앞쪽). 2개의 도어 모두가 개방되면 자외선 램프와 턴테이블을 정지시키도록 인터록이 되어 있으며, 작업자의 부품관찰시 자외선을 차단시켜 주는 창이 부착되어 있다.
● 분당 240ft을 냉각시키고 환기시킬 수 있는 팬.
● 전원 스위치와 타이머가 부착된 제어 패널.
[제2절]
[안전]
2.1 레이저의 안전
(안전의 특성)
SLA-1은 1등급의 레이저 장치로 설계되어 있는데, 이는 정상적인 작동하에서는 레이저 빔이 장치 외부로 유출하지 않는다는 것을 의미한다. 기타의 SLA-1의 안전 특성은 다음과 같다.
● 인터록 회로가 활성되면 레이저와 광학 덮개, 그리고 레이저빔을 차단시키는 셔터를 작동시키는 프로세스 챔버의 도어를 인터록시킨다.
● 레이저가 가동중이거나 인터록 회로가 활성되어 있는지를 표시하기 위한 제어 패널 램프
[경고와 안전에 관한 정보 레이블]
SLA-1에는 아래와 같은 레이저 안전 레이블이 부착되어 있다. 딱지의 부착위치는 제89(a)도 내지 89(b)도에 도시되어 있다.
[ID/증명표시]
Figure kpo00014
2개의 증명 레이블이 CFR 레이저안전적용기준에 대한 적합성을 증명하며 사용 전력 및 식별 데이터를 제공한다.
[인터록 보호덮개 레이블]
Figure kpo00015
3개의 인터록 보호 덮개 레이블이 3개의 인터록 스위치 가까이에 부착되어 있다. 이 레이블은 IIIb 등급으로 고장 가능성이 있는 인터록에 적용되는 기준에 부합하는 것이다.
[논-인터록 보호덮개 레이블]
Figure kpo00016
1개의 인터록되지 않은 보호덮개 레이블은 레이저 커버를 제거하면 보이는 셔터 보호 하우징에 부착되어 있다. 이 레이블은 인터록되지 않은 IIb 등급의 요구사항에 부합되는 것이다.
[안전 주의]
Figure kpo00017
이 교범에서 제시하지 않은, 기계의 조작이나 조정 혹은 작업 방법을 취했을 때 눈에 보이지 않는 유해한 레이저 방사파에 노출될 위험이 있다. SLA-1을 정상적으로 조작하여 사용하기만 한다면 일단은 레이저빔이 사용자에게 해를 주지 않는다. 그러나, 어떠한 이유(SLA-1의 사용법을 설명한 이 교범의 내용대로 사용했을 경우까지도 포함하여)로 인해 인터록에 장애가 발생한 경우, 325nm 파장에서 최고 100nm의 힘을 갖는 헬륨-카드뮴 레이저에 노출될 가능성이 있다. 만일 SLA-1의 훈련교범대로 작업하다가 인터록이 고장나면 즉시 자외선 차단경을 착용하고 레이저빔에 직접 노출되는 것을 피하라. 또한, 레이저 빔을 직접 쳐다보거나 미러 또는 기타 반들거리는 표면에서 반사되는 레이저 빔을 쳐다보는 일을 절대로 하지 말아야 한다.
2.2 화학안전
(안전지침)
스테레오리소그래피에서 사용되는 광중합체에는 잘못 취급할 경우 유해할 수도 있는 다기능의 아크릴 화합물이 포함되어 있다. 화학약품을 취급하는 업무에 종사하는 작업자는 반드시 MSDS(물질 안전자료표)의 안내 지침을 입수하여 업무에 참고하여야 한다. 데쏠라이트 SLR 800수지에 관한 안전 안내지침을 아래에 요약하여 놓았다.
Figure kpo00018
자외선 경화성 수지는 눈과 피부에 화상을 입힐수도 있다. 반복적으로 또는 장시간 수지를 피부에 접촉시키면 감각에 이상이 발생할 수 있다. 또한, 수지 증기도 유해할 수 있다.
● 수지를 다룰 때 측면 보호판이 부착된 안전경을 작용한다.
● 수지를 다룰 때 내화학성 장갑을 착용하고 보호의를 입는다.
● 작업이 끝났을 때, 식사전에, 흡연하거나 화장실에 가기전에 반드시 몸 구석구석을 철저히 씻어낸다.
● 적합한 환기가 되도록 유의한다. 수지 증기나 연무를 흡입하지 않도록 특히 주의한다.
● 열이나, 전기불꽃, 화염을 멀리한다. 햇빛이나 형광등의 불빛에 노출되지 않도록 한다. 밀폐된 수지 용기가 과도한 열에 노출되면 파열되거나 폭발하는 수도 있다.
국립 소방협회의 B등급 소화기를 사용하라(이산화탄소 분말소화제, 거품 소화제)
● 경화된 부품을 연마하거나 절단할 때 국립취업안전 및 건강기관(NIOSH)에서 승인한 방독면을 착용하고 적절한 환기를 취하라.
● 수지의 폐기는 규정된 대로 하라. 빈 수지통을 재사용하는 일도 없어야 한다.
[응급치료 안내지침]
(피부접촉)
물과 비누로 철저히 세척한다. 오염된 옷과 신발은 즉시 벗는다. 만일 피부가 자극되었다면, 즉시 의사에서 보인다. 옷은 재사용하기전에 세탁하고 오염된 피혁제 구두나 다른 의장은 폐기처분한다.
(눈 접촉)
15분동안 다량의 물로 집중 세척하고나서, 햇빛이나 형광등 불빛 또는 기타 자외선을 보이지 않도록하고 의사에게 보인다.
(흡입의 경우)
환자를 신선한 공기가 있는 곳으로 옮겨 인공호흡을 시키거나 규정된 CPR 조치를 취한다. 호흡이 곤란하면 산소호흡을 시키고 의사에게 보인다.
[제3절]
[스테레오리소그래피-그 시작부터 종료까지]
이 절은 모두 13개의 소절로 나뉘어져 있으며 스테레오리소그래피의 부품을 제작하는 과정을 상세히 다루고 있다. 각각의 소절에는 시작 명령어와 작업 과정을 설명하는 기본장이 포함되어 있으며, 어떤 소절들에는 보다 복잡한 부품의 조립을 설명하기 위한 중간의 장이 포함되어 있다.
3.1 CAD 디자인
3.2 방향조정과 써포트
3.3 CAD 인터페이스
3.4 슬라이스 컴퓨터
3.5 슬라이스
3.6 제어 컴퓨터
3.7 유틸리티
3.8 네트워크
3.9 병합
3.10 관찰
3.11 준비
3.12 생성
3.13 후속 공정
각각의 소절의 기본장의 예로서 동일한 부품(제90도 참조)을 사용하기로 한다. 학생들은 아래와 같이 첫 이틀간의 훈련 동안 이 부품을 조립하고, 그런 후에, 중급의 소재를 공부한 다음 보다 복잡한 부품을 제작하게 된다. 이절의 맨 뒤에는 부품을 조립하는데 필요한 체크리스트가 제공되어 있다.
3.1 CAD 디자인
(표면)
물체는 막힌 체적을 명확하게 정의하는 페쇄 표면으로 표현되어야 한다. 즉, 모형 데이터는 물체의 고형 물질 내부와 내부가 아닌 것을 구체화하여야 한다. 그래야만 모든 수평 단면이 물체의 내부와 외부를 명백히 분리하는 폐곡선으로 구성될 수 있다.
(CAD 해상도)
곡면의 형상을 갖는 물체(예를 들어 구, 원기둥)를 생성하고자 할 경우에는 곡면이 다수의 정다면체나 정다각형으로 근사되어 형성됨을 염두에 둔다. 다면체나 다각형의 면, 각의 수효가 크면 클수록 더욱더 곡면에 근사할것이고 더욱더 부드러운 곡면을 갖는 부품을 만들 수 있게 된다. 그러나, 면이나 각의 수효가 크면 클수록 슬라이싱에 소요되는 시간이 오래 걸리고, 결과적으로 슬라이스 파일의 크기도 커질 것이다. 대체로, 최하로 허용 가능한 해상도를 사용한다.
(벽의 두께)
곡면 물체에 최소 권고 벽 두께는 0.020인치이다. 이보다 작은 벽두께는 특별한 조건하에서만 작업이 가능하다. 벽의 두께의 절대 최소치는 레이저 빔폭의 2배이다.
3.2 방향조정과 서포트
(CAD 모형의 방향조정)
스테레오리소그래피로 처리하기 위하여는, CAD 부품은 X, Y, Z 직교 좌표계의 양(陽)의 공간에 존재해야 한다. 그런 후에, 이하의 조건에 따라 방향조정되어야 한다.
● 부품과 CAD 좌표 원점과의 거리를 최소화해야 한다.
● 서포트 구조물의 높이를 최소화해야 한다.
부품은 효율적인 배수를 위해 플랫폼에서 적어도 0.25인치 상방에 위치해야 한다. 그러나, 서포트가 너무 높으면 제작하는 시간이 오래 걸리고 부품이 생성되는 동안 증가하는 부품의 무게로 인해 뒤틀릴 수도 있다.
● 물체의 높이를 최소화 하여야 한다. 이렇게 함으로써 생성될 층의 수가 줄어들고, 따라서 작업시간도 단축된다.
● 부품 배수를 최적화한다.
● 경사면의 수를 최소한으로 한다. 이들 면은 층을 중첩하여 형성되므로, 각 층의 두께가 스텝 높이로 되어, 그 면이 “계단 스텝”형태로 되기 때문이다.
● 부드러운 표면이나 미적으로 중요한 표면은 수직면이나 혹은 상향의 수평면이 되도록 한다(수직면 및 상향의 수평면은 하향 표면보다 더 부드럽다).
● 부품이 생성됨에 따라 소요되는 수지의 체적이 최소가 되도록 배치하라.
소요되는 양이 많을수록 액화 수지를 고착시키는데 장시간이 소요되고, 층의 하강후 수지 표면이 수평을 잡는데 소요되는 시간이 길어져 부품 생성상의 시간이 더욱 길어진다.
● 중요한 원형 단면이 X-Y 평면상에 배치되었는가 확인하라. X-Y 펴연에서 좀더 고해상도가 가능하다.
● 부품이 수지 수조에 수용 가능한 크기인지를 확인하라. 부품이 너무 큰 경우에는 분할되어, 여러 차례에 걸쳐 생성된 후에 후속 공정 중에 재조합될 수 있다.
상기 각각의 요소에 대한 중요성은 부품을 제작하는 목적에 따라 판단된다.
(서포트)
스테레오리소그래피의 물체는 엘리베이터의 플랫폼 상에 직접 만들어지는 것이 아니라 서포트위에서 생성된다. 서포트를 사용하는 주된 이유는
● 플랫폼으로부터 물체를 분리해 낸다. 이는
- 후속 공정 동안에 쉽게 서포트를 제거할 수 있다.
- 심지어 플랫폼이 휘어 있거나 부적절하게 설치되어 있더라도, 물체의 제1층은 균일한 두께를 유지할 수 있다.
- 여분의 수지가 플랫폼을 통하여 신속히 배수된다. 이로 인해 부품이 잠긴 후에 수지 표면이 더욱 신속하게 편평하게 되기 때문에, 부품을 제작하는데 요구되는 시간이 줄어든다. 또한, 여분의 수지가 완성된 부품에서 빨리 배수되면 후속 공정에 소요되는 시간도 단축된다.
● 부품을 플랫폼 또는 그밖의 부품 섹션에 단단히 고정시킨다.
● 침강 동안 비틀림이나 손상되는 것을 방지한다.
[서포트의 상용(常用) 형태]
스트레이트 웹:일반적으로 0.002인치 이하의 두께의 매우 얇은 직사각형 또는 지느러미 형태의 돌출부이다. 스트레이트 웹은 하나의 평면이 아나리 체적으로 정의되어야 한다.
크로스 웹:서로 직교하는 2개의 스트레이트 웹으로 이루어진 웹이다. 크로스 웹이 스트레이트 웹보다 지지력이 좋다.
원형 웹:물체를 강력히 받쳐 주는 튜브 형태의 웹이다. 원형 웹은 스트레이트 웹이나 크로스 웹보다 큰 하중을 감당할 수 있다. 그러나, 이는 더욱 많은 삼각형을 필요로 하므로 메모리의 소요가 증가한다.
삼각형 웹:삼각형을 이루는 3개의 스트레이트 웹으로 구성된다. 이 웹은 정점을 가지는 스트레이트 웹과 연결하여 사용될 수도 있다. 삼각형 웹이 어떤 다른 웹보다 물체에 대한 지지력이 강하다.
[예 1]
고형구의 바닥 근처에(제91도), 층 경계 벡터는 연속적인 층 각각에 대해 빠르게 증가하는 직경을 갖는 원들로 구성된다. 다른 벡터가 그려질 때까지, 대부분의 층 경계선은 수지 표면상에 자유롭게 떠다닌다. 액체내의 기류 또는 대류 흐름으로 인해 층 경계선들이 제위치를 일탈할 수 있다.
도시된 바와 같이, 구의 적도까지 연장되는 서포트를 추가함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다. 적도보다 위에 층 경계선이 이전 층의 크로스해치 벡터상에 직접 형성되며, 더 이상의 서포트 없이 단단히 고정됨을 주목한다.
[예 2]
캔틸레버된 빔의 제1층(제92도 참조)은 부품이 침강될 때 액체의 정전 저항성으로 인해 영구히 변형될 수 있다. 또한, 다음 층이 형성될 때 그 층이 윗방향으로 휘어질 가능성도 있다. 이 모두가 서포트를 부착하면 해결될 수 있을 것이다.
[예 3]
부품이 형성되면 찻잔 손잡이의 제1층(제93도)은 완전히 떨어지게 되고 부품이 침강되면 그 층은 표류하게 될 것이다. 서포트는 엘리베이터 플랫폼이나 찻잔 몸체에 고정되는 평면을 제공하여 그 위에 손잡이가 만들어질 수 있도록 한다.
[서포트의 생성]
주의:
● 서포트는 CAD 공간의 양의 영역내에 완전히 포함되어야 한다.
● 바닥 서포트는 물체의 맨 아래층을 약 0.040 내지 0.060인치 정도로(보통 2-3층의 두께에 해당) 중첩시켜야 한다. 물체와 서포트의 결속을 견고하게 하기 위한 방편이다.
● 측면 서포트의 경우에도 역시 물체와 중첩시켜 지지력을 확보한다.
일반적으로, 서포트는 물체의 파일과는 구별되는 하나의 CAD 파일로 함께 설계된다. 물체가 디자인되어 스테레오리소그라피용으로 방향조정된 후에 물체에 대해 서포트가 배치된다(물체와 서포트 파일은 병합되어, 이후의 스테레오리소그라피 처리에서 하나의 파일로 그려진다). CAD 시스템내에 포함되어 있는 서포트 파일 라이브러리를 이용함으로써, 개개 물체마다 개별적인 서포트를 설계할 필요성이 줄어든다. 어떠한 경우에도, 서포트는 이하의 지침에 따라 설계되고 물체에 부착되어야 한다.
위치선정:서포트는 물체가 생성될 수 있는 단단한 기반을 제공할 수 있는 위치에 배치되어야 한다. 여기에는 구석과 모서리도 포함된다. 또한, 앞의 예에서 설명한 바와 같이, 다른 표면을 고정하거나 지지하는 방향으로 배치되어야 한다. 가능하다면, 미적인 이유 또는 기능적인 이유 때문에 매끈하게 성형될 필요가 있는 표면상에 서포트를 배치하는 것을 피한다. 부품이 후속 경화되어 서포트가 제거된 후에, 이랑의 흔적이 부품의 표면상에 남게 된다(그러나, 이러한 흔적은 절삭하여 연마하거나 문질러 없앨 수 있다). 서포트는 엘리베이터의 플랫폼뿐만 아니라 부품의 가장 강한 부분에 부착되는 것이 좋다.
배치 간격:서포트의 배치간격은 보통 0.1∼0.8인치이다. 일반적으로, 상당한 침하나 휘말림이 발생하지 않도록 충분히 조밀한 간격으로 서포트를 배치한다. 그러나, 과도하게 많은 수의 서포트를 배치하면 그만큼 부품 생산 공정에 더많은 시간이 소요됨을 염두에 두어야 한다.
방향조정:층의 비틀어짐을 방지하기 위해 크로스 웹을 사용한다. 제94도에 도시된 바와 같이, 부품을 위한 강한 웹 서포트가 서로 병렬적으로 정렬되어 있다면, 부품이 생성되는 동안에 부품 무게로 인해 웹들이 옆으로 기울어질 수 있다. 그러면, 이후의 층들도 이전 층에 비해 약간씩 밀리게 된다.
높이:서포트는 엘리베이터 플랫폼을 기준으로 했을 때 최소한 0.25인치 상방의 위치에서 부품을 지지해 주어야 작업 중 수지의 배수 작업과 표면의 수평화가 순조로워진다. 물체가 구부러지거나 기울어지는 것을 방지하고 그리기 시간을 최소화하기 위해서는 서포트가 요구된 것보다 높아서는 안된다. 높은 서포트가 필요한 경우에는, 크로스, 원형 또는 삼각형 웹을 사용하여 지지력을 보강해 주어야만 한다.
폭:서포트의 폭은 그들이 플랫폼에 접촉하는 부분에서 최소한 0.65인치 이상이 되어야 한다. 그렇지 않은 경우에는 서포트가 기울어지거나 플랫폼의 배수구멍에 빠질 수 있다. 그러나, 도면 작성 시간을 최소화하기 위해, 서포트 폭은 너무 커서도 안되고 꼭 필요한 만큼이라야 한다. 제95도에 도시된 바와 같이, 부품의 몸체에서 출발하여 몸체내에서 끝나는 경사 서포트는 부벽(buttresses)으로 설계되어야 하며, 부품의 구석으로 확장되어 제거를 어렵게 하지 않도록 한다.
두께;서포트의 두께는 가능한 한 최소가 되도록 설계하여야 한다(웹 서포트의 두께는 1밀리인치라야 한다). 레이저로 그려지는 라인 두께가 보통 10-20밀리인치이므로, 실제 서포트는 CAD 설계 시보다 상당히 두꺼워진다. CAD 체적이 없는 단일 표면으로 설계된 서포트는 허용될 수 없다.
부착:물체가 서포트에 견고히 부착되도록 하기 위해, 설계시에 물체를 수직방향으로 서로 0.040-0.60인치(보통 2-3층 두께)정도로 중첩시키는 것이 바람직하다.
3.3 CAD 인터페이스
[테슬레이션(바둑판무늬) 이론]
대부분의 CAD 및 고형 모형화 시스템은 부품의 표면을 삼각형 집합으로 나타낸다. 삼각형이란 계산하기에 가장 간단한 다변체이며, 충분히 많은 수를 사용한다면 거의 모든 표면을 근사시킬 수 있다.
삼각형 이외에 가장 용이한 기하학적 도형은 사각형이다. 가장 해석하기 곤란한 것이 곡선이다. 제96도에서 도시된 바와 같이, 사각형은 대변을 서로 맞댄 2개의 삼각형으로 형성될 수 있다. 반면에 곡면인 경우에는 엄청난 수의 삼각형에 의해서만 근사시킬 수 있다. SLA-1은 스테레오리소그래피의(.STL) 파일당 최대 14,000개까지의 삼각형을 처리함으로서 정확한 원형 및 그밖의 곡면을 생성할 수 있다.
(삼각형의 분류)
제97도에 도시된 바와 같이, CAD의 삼각형은 스테레오리소그래피의 사용 목적상 편평(수평), 근사편평(near-flat)과 급경사(steep:수직, 혹은 수직근사)으로 그 형태가 분류된다. 단순화된 자동차 지붕은 편평 삼각형의 집합으로 구성된다. 후드와 트렁크는 근사편평 삼각형으로 이루어진다. 차의 앞부분과 측면, 뒷부분은 급경사 삼각형들의 구성체이다.
(.STL 포맷파일)
슬라이스에 입력하기 요구되는 .STL 파일은 외향(고형체로부터) 단위법선을 갖는 삼각형들로 구성되어 있다. 이 포맷은 각각의 삼각형들의 정점과 단위법선들의 X, Y, Z 좌표를 설정한다. .STL 파일을 파생하기 위한 인터페이스 장치는 CAD 업자들에 의해 공급된다.
.STL 파일의 구성은 ASCII 이거나 2진포맷의 코드일 수 있다. 작업의 효율이나 디스크 스페이스 등을 고려하면 2진 코드가 바람직하다. ASCII는 인터페이스의 디버깅이 용이하므로 그 경우에만 때때로 사용된다.
3.4 슬라이스 컴퓨터
(개관)
스테레오리소그래피 파일은 슬라이스 컴퓨터에 입력되어 슬라이스 프로그램에 의해 단면화된다. 슬라이스된 파일은 이후의 처리를 위해 제어 컴퓨터로 전송된다. 모든 파일의 전송은 이더넷 또는 플로피 디스켓을 통해 이루어진다.
(UNIX 사용)
UNIX는 복수 업무, 복수 사용자 기능의 오퍼레이팅 시스템이다. 모든 명령은 소문자로 입력된다. 슬라이스 컴퓨터는 본 셸(Bourne shell)을 실행시킨다.
(시작)
Login:로그인(login) 프롬프트에 사용자 ID를 입력한다.
Figure kpo00019
Password:패스워드를 입력한다. 패스워드는 화면에는 출력되지 않는다.
Figure kpo00020
UNIX 프롬프트:UNIX 프롬프트가 나오면 UNIX 코맨드를 치거나 슬라이드 프로그램을 실행한다.
Figure kpo00021
dosget:DOS 포맷된 디스켓으로부터 작업 디렉토리로 파일을 복사할 때 사용한다. ASCII 파일인 경우에는 -a, 이진 파일인 경우에는 -b를 각각 지정해준다.
Figure kpo00022
주의:슬라이스 컴퓨터는 파일형태(ASCII 또는 2진) 지정을 요구하지 않는다. 디폴트값은 ASCIIDL다.
파일의 복사와 Logoff
dosput:작업 디렉토리에서 DOS 포맷의 디스켓으로 파일을 복사할 때 사용한다.
Figure kpo00023
Logoff:Logoff UNIX
Figure kpo00024
Abort:슬라이스를 끝내려면 엔터기 또는 델(Delete) 키를 이용한다.
[UNIX 코맨드]
UNIX는 수많은 코맨드와 선택 사양을 가지는 매우 강력한 오퍼레이팅시스템이다. 그러나, 일상적인 작업에 사용되는 코맨드라면 아래에 열거된 것으로 충분할 것이다. 이 이외의 코맨드는 UNIX 자료를 참조해야 한다.
cat:화면에 파일을 표시하기 위해 사용한다. 예를 들어, newfile.ext를 화면에 표시하기 위해서는
Figure kpo00025
라고 친다.
cd:한 디렉토리에서 다른 디렉토리로 옮길 때 cd(디렉토리 전환)을 사용한다. 예를 들어, 홈(home) 디렉토리에서 newdir 디렉토리로 가려면
Figure kpo00026
를 치면 된다.
다시 홈 디렉토리로 오고 싶으면
Figure kpo00027
를 친다.
cp:파일을 복사할 때 사용한다. 이미 존재하는 oldfile과 똑같은 내용의 newfile이란 파일을 현재의 디렉토리내에서 그대로 생성하고 싶으면
Figure kpo00028
을 치면 된다.
df:남아 있는 디스크 블록의 수를 표시한다.
Figure kpo00029
을 치면 된다.
du:디스크의 사용도를 요약한다.
Figure kpo00030
ls:디렉토리내의 파일과 서브디렉토리들은 알파벳순으로 열거한다. 아무 내용이 없는 디렉토리인 경우에는 $프롬프트만 표시된다.
Figure kpo00031
ls는 인자로서 파일명 또는 디렉토리명을 받는다. 파일명을 사용하는 경우, 그 파일이 디렉토리내에 있다면 화면에 열거될 것이다.
Figure kpo00032
디렉토리를 지정한 경우, 디렉토리내의 모든 파일이 열거될 것이다. ls 코맨드와 사용될 수 있는 몇가지 옵션이 있는데, 다음이 가장 유용하다.
#ls^-1:디렉토리내의 각 파일에 대한 모드, 링크 수, 소유자, 그룹, 파일 크기, 최종 변경 시기를 나타낸다.
mv:파일이나 디렉토리의 내용 변경 없이 이름만 바꿀 때 사용한다. 예를 들어 newfile을 oldfile로 이름을 변경하고자 할 때
Figure kpo00033
을 치면 된다.
pwd:현재 작업 중인 디렉토리의 내용을 화면에 표시할 때
Figure kpo00034
을 치면 된다.
rm:디렉토리에서 파일을 지울 때에 rm(remove)를 사용한다. 예를 들어, 현재 디렉토리 내에서 newfile을 제거할 때는
Figure kpo00035
을 치면 된다.
who am:현재 사용하고 있는 작업자의 이름을 알고 싶으면 who am I를 사용하는데
Figure kpo00036
이라고 친다.
3.5 슬라이스
[개관(제98도 참조)]
제98도에 도시된 바와 같이, 슬라이스는 스테레오리소그래피의 3차원(.STL) 파일을 단면으로 쪼개어 3차원 물체를 생성하기 위해 각각이 그 다음의 것위에 얹혀지는 X-Y 평면상의 층 모양의 단면들로 구성되는 Slice(.STL) 파일을 생성한다.
[일반 사항]
슬라이스 컴퓨터에서 바로 로그온하거나, 혹은 리모우트 유저(REMOTE USER)를 사용하여 제어 컴퓨터에서 로그온 한다. UNIX 프롬프트($)에서 슬라이스를 실행한다. 다음 단계는 기본 옵션을 바꾸고, 필요에 따라 특별한 파라미터를 입력하는 것이다. 이러한 옵션들은 슬라이싱을 직접 제어하며 나중에 스테레오리소그래피에서 만들어지는 부품에 중대한 영향을 미친다. 이러한 옵션(파라미터등)은 나중에 이와 동일하거나 유사한 작업이 있을 때를 대비하여 옵션 파일(.STL)에 저장될 수 있다. 마지막 단계는 .STL 파일을 슬라이스 옵션에 맞추어 슬라이싱하여 슬라이스(.STL) 파일을 생성하는 것이다.
[층 경계, 크로스 해치와 스킨필(제99도 참조)]
층 경계(layer border):층 경계 벡터는 경계표면을 정의한다.
크로스해치(crosshatch):크로스해치 벡터는 층 경계간의 수지를 부분적으로 고착시켜 지지하도록 슬라이스에 의해 슬라이스 파일내에 생성된다. 크로스해치와 사용된 유형간의 간격은 슬라이스를 실행시키기 이전에 선택된다.
스킨 필(skin fill):수평(윗면과 바닥)면은 스킨 형태를 형성하는 인접된 일련의 병렬 벡터로 이루어진다. 스킨 간의 층은 일반적으로 지지력의 보강을 위하여 크로스 해치된다.
[층 두께]
층 두께는 사용자가 층의 두께를 선정하고 두께에 변화를 줄 수 있는 슬라이스 파라미터로서 부품의 수직 해상도에 해당하는 것이다. 보다 얇은 층을 사용할수록 부품의 정밀도와 수직(Z)축의 해상도는 높아진다. 수직축의 정밀도와 해상도는 1층의 두께로 제한된다.
경사진(근사편평) 표면은 계단식으로 나타나는 보다 작은 수평 및 수직면들로 근사된다. 선택된 층의 두께는 이 사면의 한 계단높이가 된다. 층 경계간의 갭은 스킨필로 채워진다. 필요한 경우에는 그밖의 영역들이 크로스 해치될 수 있다. 근사 편평 영역의 층 두께를 감소시키면, 각 스텝 높이가 줄어들기 때문에 좀더 매끈한 표면이 될 수 있다.
두꺼운 층을 이용하여 부품을 강화할 수 있으며 어떠한 경우에는 부품을 생성하는데 필요로 되는 시간을 감소시킬 수 있다. 그러나, 두꺼운 층을 그리기 위해서는 수지 표면 위로 레이저가 좀더 느린 속도로 투사되어야 하므로, 두껍게 작성함으로써 절약되는 시간 및 이에 따라 줄어든 층 수는 그리기 속도가 줄어드는 것에 의해 일부 상쇄된다.
[벡타 블록]
슬라이스(프로그램)는 다양한 2점 벡터들에 대하여 벡터 블록을 생성시켜 준다. 블록의 식별을 아래와 같은 연상 코드(mnemonic)법칙에 따른다.
Figure kpo00037
Figure kpo00038
Figure kpo00039
Figure kpo00040
[슬라이스 해상도]
슬라이스 해상도는 각각의 CAD 유닛에 포함된 슬라이스 유닛의 개수를 지정함으로써 .STL 파일을 CAD 공간에서 Slice 공간으로 옮긴다.
Slice 해상도=Slice 유닛의 갯수/CAD 유닛
[슬라이스의 주 메뉴]
Figure kpo00041
[명령어의 종류]
Alter:표준 슬라이싱 파라미터의 변경
Extra:Alter 메뉴에 없는 기타 파라미터의 선택한다. 이들 기타 파라미터 부품 생성에 대한 수직축을 지정한다.
(디폴트) Z축을 따라 부품을 슬라이싱한다.
-X축을 따라 부품을 슬라이싱한다.
-Y축을 따라 부품을 슬라이싱한다.
Save:화면에 표시된 옵션, 현재 옵션 파일내의 가변층의 두께표와 기타 파라미터를 저장한다.
DoSlice:현재 옵션을 사용하여 슬라이스 프로그램을 실행한다.
Quit:슬라이스를 종료함. Quit는 옵션 파일을 저장하지 않는다(우선 SAVE를 해야한다).
[변경(Alter) 메뉴]
Figure kpo00042
데이타베이스 명령:슬라이스될 .STL 파일과 그 파일의 ASCII 혹은 이진코드 여부를 지정해준다. 파일명만 입력한다. .STL라는 확장명은 자동으로 부여된다.
해상도:CAD 단위를 보다 작은, 3차원 격자를 생성하는데 필수적인, 보다 작은 슬라이스로 나눈다. 따라서, CAD 모형이 인치 단위로 설계되고 해상도가 1000으로 설정되는 경우, 부품의 각 인치는 1000개의 슬라이스 단위로 나뉘고, 각각은 0.01인치의 길이를 갖는다.
주의:
● 해상도가 높을수록 삼각형의 왜곡도가 감소되고 크로스 해칭 오류는 줄어든다.
● 1개 부품을 구성하는 모든 파일(모든 서포트와 물체 파일)은 동일한 해상도로 슬라이스되어야 한다.
● CAD 모형의 가장 큰 X, Y, Z축 좌표는 슬라이스 해상도에 대한 허용 최대치가 판단된다.
(최장길이)*슬라이스총수＜65,535 이내이다.
● 우수리 없는 수를 사용한다(예, 1000, 2000, 5000 등)
층의 두께:CAD 단위의 수직방향 Slice 두께를 결정한다(층의 두께는 나중에 CAD 단위 및 슬라이스 단위 모두로 표시되지만 입력은 반드시 CAD 단위로 해야한다).
동일층의 두께는 전체 파일에 대하여 고정되거나(즉, 모든 층에 동일한 층 두께가 할당됨) 변할 수도 있다.(층의 그룹별로 다른 두께를 갖는다). 많이 쓰이는 층의 두께치는 0.02에서 0.030인치까지이다.
형태 두께
가는층 0.005인치
보통층 0.010인치
굵은층 0.020인치
예를 들어, 0.01인치 두께의 층으로 형성되는 부품을 만들고자 한다면 .01을 입력한다. 그러면, 화면에 SLICE UNIT이라는 제목 아래에 자동으로 슬라이스 단위의 층 두께가 표시된다. 사용될 수 있는 층의 최대 갯수는 16384개이다(이는 8.0인치의 부품을 0.0005인치 두께의 층으로 슬라이싱한 것에 해당한다).
해치 간격:(4), (5), (6)의 옵션은 X축, Y축에 평행하게 그려지거나 X축으로부터 60 또는 120°기울어져 도시된 인접 해치 벡터들간의 수직 거리를 CAD 단위로 지정한다.
주의:
● 많이 쓰이는 해치 간격 값은 0.05-0.10인치이다.
● 웹 써포트에는 0값을 준다(웹 써포트는 서로 등을 맞대는 수직 표면으로 설계되므로 크로스 해치값이 불필요하다). 0의 의미는 크로스 해치가 발생되지 않는다는 뜻이다.
● X와 Y 크로스 해치는 사각격자를 형성하기 위해 통상적으로 동시에 사용된다.
● X와 60/120 크로스 해치가 가장 빈번히 사용되는 경향이 있는데 X나 Y 크로스 해치를 단독 사용했을 때 보다는 부품의 구조가 보다 견고해지기 때문이다.
필 간격:옵션(7)과 (8)은 X축이나 Y축에 각각 평행하게 그려진 스킨 벡타간의 수직 거리를 CAD 단위로 지정한다.
주의:
● 많이 쓰이는 필 간격 값은 0.001-0.004인치이다.
● X와 Y 필을 동시에 함께 사용하면 표면에 응력을 가해져 변향될 수 있기 때문에 동시에 사용하지 않는다.
● 서포트용으로 0값을 이용한다.
출력파일명:Slice 출력파일에 할당되는 파일명이다.
정지:주메뉴 프로그램으로 제어를 넘겨준다.
[작업순서(랩2-슬라이스)]
[시작하기 전에]
● .STL 파일을 슬라이스 컴퓨터로 전송한다.
● UNIX를 로그온 한다.
단계 1) UNIX 프롬프트에서, 슬라이스 프로그램을 실행시킥 물체 파일명을 입력한다.
Figure kpo00043
단계 2)
Figure kpo00044
슬라이스 주 메뉴에서, 표준 옵션을 바꾸기 위해서는 “A“를 누른다.
단계 3) 현재 물체:CAM_PART
Figure kpo00045
변경(Alter) 메뉴에서, 다음 옵션을 갱신하거나 확인한다.
Figure kpo00046
단계 4) E를 눌러 기타 파라미터를 설정하고 -y를 입력한다.
단계 5) S를 눌러 옵션 파일을 cam_part.UII로 저장한다.
단계 6)
Figure kpo00047
슬라이스 주 메뉴에서, D를 눌러 cam_part 파일을 슬라이스한다.
단계 7)
Figure kpo00048
슬라이스 종료되면,
Figure kpo00049
를 눌러 슬라이스 주 메뉴로 되돌아온다.
단계 8) 슬라이스 주메뉴에서, A를 눌러 써포트 파일(cam_bass)에 대한 표준 옵션을 변경한다.
단계 9) 변경(alter) 메뉴에서, 아래의 옵션을 갱신한다.
Figure kpo00050
해치, 스킨필, MSA(스캐닝된 다면체의 최소 표면각) 값을 0으로 한다(옵션(4)∼(9)).
단계 10) E를 누른 다음 기타 파라미터를 -y로 설정한다.
단계 11) S를 눌러 옵션 파일을 cam_bass.UII로 저장한다.
단계 12) 슬라이스 주 메뉴에서, D를 눌러 cam_bass 파일을 슬라이스 한다.
단계 13) 슬라이스 주 메뉴에서, Q를 눌러 슬라이스 프로그램을 종료시킨다. 그러면, UNIX 프롬프트로 되돌아온다.
[중급 주제]
[슬라이스 주 메뉴]
Figure kpo00051
Load:다른 파일을 로드한다. 화면에 이전에 열거된 옵션들은 자동적으로 저장되지 않는다(반드시 SAVE 명령을 사용한다). LOAD 명령을 사용하는 것은 슬라이스 프로그램을 종료하고 슬라이스에 새로운 파일을 재입력하는 것과 동일하다.
Write:옵션을 다른 물체의 옵션 파일에 기록한다.
Copy:먼저 저장된 물체의 옵션 파일을 현재의 옵션 파일로 복사한다. COPY 명령어를 사용하면 이전 것이 실행되는 중에 입력된 값과 유사한 옵션을 다시 입력하는 수고를 덜 수 있다.
[변경(alter) 메뉴]
[가변 층두께]
Figure kpo00052
층 두께를 변화시킬 수 있으므로, 층 두께가 개별적으로 지정될 수 있는 층집합(범위)이 파일에 생성될 수 있다.
얇은 층은 통상 다음의 경우에 사용된다.
● 경사 표면의 계단식 흔적을 최소화시킬 때
● 매우 중요한 수직 치수 및 부품의 미세 부분의 정확성을 개선하기 위해 두꺼운 층은 지지되지 않는 영역을 강화하거나 더욱 강하고 단단한 층을 생성하려고 할 때 종종 사용된다.
[층 두께 명령]
Figure kpo00053
A:테이블에 새로운 Z 레벨을 추가시킨다. Z 레벨은 지정된 두께로 슬라이싱을 시작하기 위한 수직 치수를 지정한다. 시작 치수와 층 두께는 모두 CAD 단위로 입력된다. 또다른 Z 레벨이 지정될 때까지는 이 간격으로 슬라이싱이 계속될 것이다. 제1(최하위) Z 레벨은 슬라이스될 물체의 바닥이나 그보다 아래에서 출발하여야 한다.
D:테이블로부터 Z 레벨을 삭제한다.
S:테이블을 저장한후 변경(alter) 메뉴에 제어를 넘긴다.
Q:테이블을 저장하지 않고 변경(alter) 메뉴로 되돌아간다.
H:전술한 내용과 유사한 도움(help) 메뉴를 출력한다.
[MSA]
SLICE 파라미터 MSA(스캐닝된 다면체의 최소표면각)는 삼각형 분류가 근사편평에서 급경사로 변화하는 임계각을 정의한 것이다. 제100도에서 도시된 바와 같이, 근사편평 삼각형은(수평면에 대하여) 0보다 큰 각도를 가지며 MSA 보다는 작거나 큰 각을 갖는다. 급경사 삼각형은 MSA 보다는 크지만 90°보다는 작은 각으로 배치되어 있다.
주의:
● MSA 보다 경사도가 작은 삼각형은 근사편평으로 분류된다. 이러한 삼각형의 경우, 슬라이스는 인접해 있는 층 경계간의 갭을 채우기 위해 근사편평 스킨을 생성한다. MSA 각을 너무 크게 하면, 슬라이스는 필요 이상의 스킨 벡터를 생성하도록 하여, 실행 시간이 길어지고 파일 크기가 커진다. MSA 각을 너무 작게 하면, 최종 완성부품의 갭으로 인해 물체의 벽 외부로 액체가 배수되는 결과를 가져온다.
● 올바른 MSA 값은 사용되는 층 두께에 따라 변한다.
권장할 만한 MSA 값은 다음과 같다.
층의 두께 MSA
0.05 40
0.10 50
0.015 55
● 웹 서포트에는 0값을 준다.
[MIA]
부품 생성상 문제를 일으킬 수 있는 특정 해치 벡터를 제거할 수 있도록 해준다. 이는 고급(advanced) 옵션이므로, 3D 시스템의 응용 엔지니어에게 상의하기 바란다.
[작업순서(랩3-슬라이스)]
변수:층 두께
단계 1)
Figure kpo00054
변경(alter) 메뉴에서 3을 눌러 “(3)층 두께”를 선택한다.
단계 2)
Figure kpo00055
V를 눌러 가변 두께를 선택한다.
단계 3) 필요하다면 Z 레벨을 추가하거나 삭제한다.
Figure kpo00056
주의:최초의 Z 레벨을 부품의 바닥이나 혹은 그 이하에서 출발해야 한다.
단계 4)
Figure kpo00057
S를 눌러 층두께 테이블을 저장한다.
단계 5) Q를 눌러 변경(alter) 메뉴로 되돌아온다.
단계 6) 필요에 따라 다른 표준 옵션을 변경시킨다.
(4) X 해치 간격 .50
(9) MSA 55
단계 7) E를 누르고 기타 파라미터를 -y로 설정한다.
단계 8) S를 눌러 옵션 파일을 spike_p.UII로 저장한다.
단계 9) 슬라이스 주 메뉴에서 D를 눌러 spike_p 파일을 슬라이스한다.
단계 10) 파라미터의 설정을 반복하고 spike_b 파일을 슬라이스한다.
3.6 제어 컴퓨터
[개관]
머지(MERGE)에서 빌드(BUILD)에 이르는 모든 스테레오리소그라피 처리 과정이 제어 컴퓨터에서 실행된다. 이는 슬라이스 파일의 전송 및 병합으로부터 부품을 만들기 위해 엘리베이터와 이동식 미러를 제어하는 것까지의 모든 기능을 포함한다.
운용의 편의상, 프로그램 및 작동 파라미터들은 메뉴에서 선택된다. 탑-다운 방식으로 구성된 내부 프로그램은 주메뉴에서 시작하여 부메뉴, 데이터 입력 화면과 현재상태표시화면등으로 이루어진다. 원하는 옵션을 선택하기 위해서는 그 옵션의 해당숫자키를 누르거나 화살표키를 사용하여 포인터를 원하는 위치에 두고, ＜엔터＞ 키를 누르면 된다.
SLA-1의 메뉴 구조는 제101도 및 이하 도면에 예시되어 있다. 각각의 메뉴에는 다음의 상위 메뉴로 복귀될 수 있도록 빠져나감(exit) 또는 quit(종료) 옵션을 포함하고 있음을 주목한다. 주 메뉴에서의 빠져나감(exit) 옵션은 SLA-1 운용 시스템으로부터 빠져나가 MSDOS 상태로 되는 것을 의미한다.
Figure kpo00058
[흔히 사용되는 MSDOS 명령]
제어 컴퓨터는 단일 사용자, 단일 타스크 MSDOS 운용 시스템에서 작동된다. MSDOS 프롬프트는 디폴트 디스크 드라이브에서 근거를 두고 있다. 파일명은 최대 8글자로 제한되며 확장자명으로 최대 3글자가 붙을 수 있다(예, .SLI).
MSDOS는 강력한 운용 체제로서 다수의 명령어들이 선택 가능하다. 그러나, SLA-1의 모든 동작에서 요구되는 대부분의 기능은 다음에 요약된 소수 명령들을 이용하여 이루어질 수 있다.
Cd:디렉토리 변경
Figure kpo00059
을 친다.
Copy:파일을 복사한다.
아래의 예는 동일 디스크의 동일 디렉토리내에서 한 파일을 다른 이름으로 복사하는 경우이다. 그러면, 양 파일은 동일한 데이터를 포함하지만, 서로 다른 이름을 갖게 된다.
Figure kpo00060
파일을 플로피 디스크로 복사할 수도 있다. 예를 들어, 현재 디렉토리의 TEST1.EXT를 디스크 드라이브 A로 복사한다.
Figure kpo00061
하면 된다.
Delete:파일을 삭제한다.
아래의 예는 현재 디렉토리에서 TEST1.EXT 파일을 삭제하는 것이다.
Figure kpo00062
공통되는 파일명 또는 파일명 확장자로 여러 파일을 삭제하기 위해, 공통되는 이름 대신에 별표(*)를 이용한 명령을 입력한다. 예를 들어,
Figure kpo00063
를 입력하면, 확장명이 무엇이든 현재 디렉토리내에서 TEST1의 이름을 가진 모든 파일이 삭제되고,
Figure kpo00064
를 입력하면 확장명이 ext인 모든 파일이 삭제된다.
그러나 *를 사용할 때는 극도의 주의를 요한다.
Directory:디렉토리내의 파일과 서브디렉토리들을 목록화하여 보여준다. 현재의 디렉토리내의 모든 파일목록을 보고 싶으면
Figure kpo00065
한다.
다음의 예는 현재 디렉토리내의 Filel이라는 이름의 화일들만(그 확장명에 관계없이) 현재의 디렉토리에서 목록화하는 경우이다.
Figure kpo00066
아래의 경우는 파일명에 관계없이 확장명이 .EXT인 모든 파일을 볼 때이다.
Figure kpo00067
Help:사용가능한 MSDOS 명령이나 완전한 문법 혹은 특정 명령의 축약형을 보여준다. 이 명령을 사용하지 못하는 시스템도 있을 수 있다.
모든 명령을 목록화하려면
Figure kpo00068
하면 되고 완전한 문법이나 코맨드의 축약형을 화면에 표시하고 싶으면
Figure kpo00069
하면 된다.
Rename:파일의 이름을 바꾸어 줄 때 사용한다.
예를 들어 아래와 같은 경우 TEST1이라는 파일 이름을 TEST로 바꾸어준다.
Figure kpo00070
파일이름을 변경한 후에는 TEST1이라는 파일이 더 이상 이 디렉토리에 존재하지 않으나, 동일한 파일이 TEST라는 이름하에 존재하게 된다.
3.7 유틸리티
(개관)
유틸리티 메뉴 옵션은 부품 생성 과정에서 사용되면 그 기능은 아래와 같다.
● SLA-1 하드웨어의 전원을 키고 끈다.
● 레이저 빔의 집속 강도와 촛점을 측정한다.
● 부품을 제작하기 이전과 이후에 엘리베이터 플랫폼을 이동시킨다.
● 밴조톱에서 측정된 경화 깊이와 라인폭에 대해 데이터를 입력한다.
● 텍스트 파일을 에디팅한다.
● 시험 부품을 제작한다.
[유틸리티 메뉴]
Figure kpo00071
[파워 시퀀서]
Figure kpo00072
제어 컴퓨터의 키보드로부터 직접 레이저, 이동식 미러와 엘리베이터 이동기를 키거나 끄고 레이저 셔터를 개방하거나 폐쇄할 수 있다. 또한, 각 구성부위의 현재 상태가 화면의 하단에 표시된다.
[빔분석]
Figure kpo00073
레이저빔의 집속 강도와 초점을 측정하여 필드 엔지니어가 레이저를 조정할 수 있도록 한다.
[빔 파워(Beam Power)]
프로세스 챔버내에 설치된 2개의 빔 프로우필러에 레이저 빔을 가리키게 한 후에, 평균 빔 출력을 계산한다. 레이저 파워의 현재 값은 프리페어 메뉴(PREPARE MENU)의 옵션인 재료 관리자(MATERIAL MANAGER)가 경화 깊이를 계산하려고 할 때 필요하다.
[엘리베이터 이동기(Elevator Mover)]
Figure kpo00074
엘리베이터 이동기 프로그램에서 제어 컴퓨터의 숫자키 패드상의 위쪽 및 아랫쪽 화살표 키를 사용하여 엘리베이터 플랫폼의 위치를 설정할 수 있다. 스페이스바를 누르면 이동하던 엘리베이터의 동작이 정지된다.
D를 사용하면 엘리베이터 플랫폼을 인치단위로 일정한 거리만큼 이동시킬 수 있는데 양수값을 주면 플랫폼을 하강하고 음수값인 경우에는 상승한다.
T는 화면 아래에 표시된 파라미터 정보를 토글링한다.
[작업순서(랩2-유틸리티)]
[파워 시퀀서]
단계 1)
Figure kpo00075
단계 2) 유틸리티 메뉴에서 1을 눌러 파워 시퀀서를 선택한다.
Figure kpo00076
파워 시퀀서 메뉴에서 해당숫자키를 누른다. 화면 하단에 표시된 각 구성 부위의 상태표시가 자동적으로 조정된다.
[빔 분석]
단계 1)
Figure kpo00077
유틸리티 메뉴에서 2을 눌러 “빔 분석”을 선택한다.
단계 2)
Figure kpo00078
빔분석 메뉴에서, 1을 눌러 프로필 디스플레이를 선택하거나 4를 눌러 빔 파워를 선택한다.
단계 3)
[디스플레이 프로필]
프로우필을 재검토한 다음
Figure kpo00079
를 눌러 빔분석 메뉴로 되돌아 온다.
[빔 파워]
Figure kpo00080
출력판독이 끝났으면, 평균값을 입력한후 빔분석 메뉴로 되돌아간다.
[엘리베이터 이동기]
단계 1)
Figure kpo00081
유틸리티 메뉴에서, 3을 눌러 “Elevator Mover(엘리베이터 이동기)”를 선택한다.
단계 2)
Figure kpo00082
엘리베이터 플랫폼을 올리거나 내릴 때에는 숫자 키패드상의 화살표키를 눌러 조작하고, 엘리베이터를 정지시킬 때는 스페이스바를 누르면, 엘리베이터를 특정거리만큼 이송시킬 때는(인치 단위로), D를 눌러 그 거리만큼의 값(하강시킬 때는 양수로, 상승시킬 때는 음수로)을 입력하여 준다.
[중급 소재]
[일반사항]
[파일편집]
텍스트 파일의 에디팅에 사용한다.
[시험부품 생성]
시험부품 생성은 밴조톱을 생성하는데 이용된다.
[재료 관리자]
Figure kpo00083
재료데이타 로드:재료(.MAT) 파일을 목록화하여 보여주고 다음에 로드될 파일의 입력을 요구한다.
재료데이타 뷰:화면에 재료데이타를 표시하여 준다.
새로운 재료데이타 입력:밴조톱에서 측정된 재료데이타를 입력한다.
[데이터의 종류]
● 스텝 주기(SP)값
● 각 밴조톱 스트링의 라인높이
● 각 밴조톱 스트링으로부터의 최소 및 최대 라인폭 “새로운 재료데이타 입력”은 그런다음 작업곡선을 계산하고 화면에 곡선의 경사도와 Y-인터셉트를 표시하여 준다.
주의:밴조톱과 작업곡선 및 해당내용을 더욱 자세히 알 필요가 있으면 소절 5.3을 참조하라.
[작업순서(랩3-유틸리티)]
[재료 관리자]
단계 1)
Figure kpo00084
유틸리티 메뉴에서 4를 눌러 재료 관리자를 선택한다.
단계 2)
Figure kpo00085
재료 관리자 메뉴에서 해당되는 옵션의 숫자키를 누른다.
단계 3)
[재료 데이타 로드]
Figure kpo00086
재료(.MAT) 파일명을 입력한다.
Figure kpo00087
재료 데이를 검토한 후에
Figure kpo00088
를 누른다.
[새로운 재료 데이터 입력]
Figure kpo00089
주의:우선 밴조톱을 만들기 위해 유틸리티 메뉴에서 6. 시험부품 생성 옵션을 실행시키면, 밴조톱 스트링을 측정하여 재료파일용 데이터를 생성하게 된다.
재료 데이터의 파일명에 확장명 .MAT를 붙여 입력한다.
Figure kpo00090
한다.
Figure kpo00091
BEAM POWER(빔 파워)에서 판독한 평균 레이저 출력 판독치를 입력한다.
Figure kpo00092
밴조톱에서 측정된 데이타쌍의 수효를 입력한다.
스텝주기/라인높이 쌍은 몇 개나 됩니까? 3
Figure kpo00093
스텝주기(SP), 라이높이(LH), 최소 및 최대라인폭(WMIN, WMAX)을 밴조톱에서 측정된 값대로 입력한다.
만일 WMIN, WMAX 값이 측정되지 않았다면 0값을 준다.
Figure kpo00094
데이터 정확성을 검토한 후에
Figure kpo00095
를 누른다.
3.8 네트워크
[개관]
네트워크(프로그램)는 이서넷을 경유하여 제어 컴퓨터와 슬라이스 컴퓨터간의 파일을 전송하고, 제어 컴퓨터의 키보드를 조작하여 슬라이스 컴퓨터의 원격조종 제어를 가능하게 해주는 프로그램이다(제102도 참조).
[네트워크 메뉴]
Figure kpo00096
[파일 전송 프로그램]
슬라이스 컴퓨터 디렉토리내의 파일을 복사하여 제어 컴퓨터의 작업 디렉토리로 이동시키거나 그 반대로의 이동을 수행한다. 일반적으로 FTP는 .SLI 파일을 제어 컴퓨터로 전송하는데 사용된다. 몇몇 명령어가 이용 가능하다.
프롬프트:FTP＞
파일 전송 명령
get:슬라이스 컴퓨터로부터의 파일을 제어 컴퓨터의 작업 디렉토리로 전송한다. 파일은 복사되므로, 전송이 완료된 후에도 슬라이스 컴퓨터의 디렉토리에 남아 있다.
mget:get과 유사하지만, 동시에 복수개의 파일을 전송할 수 있다는 차이점이 있다.
put:제어 컴퓨터의 작업 디렉토리로부터 파일 복사본을 슬라이스 컴퓨터에 전송한다. 파일이 복사되므로, 전송이 완료된 후에도 제어 컴퓨터의 디렉토리에 남아 있다.
mput:put과 유사하지만, 동시에 복수개의 파일을 전송할 수 있다는 차이점이 있다.
dir:슬라이스 컴퓨터 디렉토리내의 모든 파일 목록을 보여준다. 목록 보여주기를 멈추기 위해서는 CNTRL-S를 누르고, 다시 시작하려면 CTRL-Q를 누른다.
ldir:제어 컴퓨터의 작업 디렉토리내의 모든 파일 목록을 보여준다.
bye:FTP를 종료하고 주메뉴로 돌아온다.
help:모든 이용 가능한 명령들을 보여주고 설명한다.
[작업순서(랩2-네트워크)]
단계 1)
Figure kpo00097
주메뉴에서, 네트워크를 선택한다.
1 또는 포인터를 둠
Figure kpo00098
단계 2)
Figure kpo00099
네트워크 메뉴에서, 2를 눌러 FTP를 선택한다.
단계 3) 프롬프트에서, 리모트 사용자 이름을 입력한다.
Figure kpo00100
단계 4) 프롬프트에서, 패스워드를 입력한다. 화면에 표시되지는 않느다.
Figure kpo00101
단계 5) ftp＞프롬프트에서, 적절한 명령을 입력한다.
Figure kpo00102
Figure kpo00103
주의:전송할 파일의 포맷(ASCII 또는 이진)을 지정하여야 한다.
● 슬라이스 파일은 ASCII 포맷으로 되어 있으며, .STL 파일은 ASCII 또는 이진 포맷으로 되어 있다. 디폴트는 ASCII 포맷이다.
● UNIX(슬라이스 컴퓨터)로부터 MSDOS(제어 컴퓨터)로 전송되는 파일은 DOS 파일명 규칙에 적합하여야 한다. 즉, 파일명은 8개 문자로 제한되며, 확장자는 3개 문자로 제한된다.
[중급 소재]
[단말 유틸리티]
제103도에 도시된 바와 같이, 단말 유틸리티는 사용자가 제어 컴퓨터 키보드로부터 슬라이스 컴퓨터를 로그온하여 원격으로 슬라이스 프로그램 및 그밖의 프로그램을 작동시킬 수 있도록 한다. 이러한 옵션은 드물게 수행되는데, 부품을 생성하기 위해서는 일반적으로 제어 컴퓨터가 사용되기 때문에, 이러한 옵션은 드물게 수행된다.
[작업순서(랩3-네트워크)]
단계 1)
Figure kpo00104
단계 2) 주 메뉴에서, 네트워크를 선택한다.
1 또는 포인터를 둠
Figure kpo00105
단계 2)
Figure kpo00106
네트워크 메뉴에서, 텔넷을 선택하기 위해 1을 누른다.
단계 3) 프롬프트에서, 리모트 사용자 이름을 입력한다.
Figure kpo00107
단계 4) 프롬프트에서, 패스워드를 입력한다. 화면에 표시되지는 않는다.
Figure kpo00108
단계 5) UNIX 프롬프트에서, 필요한 명령을 입력한다.
Figure kpo00109
단계 6) 완료되면, TELNET를 종료한다.
Figure kpo00110
3.9 머지(Merge)
[개관]
제104도에 도시된 바와 같이, 머지는 부품에 대한 모든 슬라이스 파일(서포트 및 물체 파일)을 결합하여 층(.L), 벡터(.V), 및 범위(.R) 파일을 생성한다.
층(file.L) 파일:각 층의 벡터 블럭 유형을 정의한다.
벡터(file.V) 파일:각 층을 그리기 위해 생성(BUILD)에 의해 사용되는 벡터 데이터를 포함한다.
범위(file.R) 파일:생성(BUILD)용 작도 파라미터와 침강 파라미터를 지정한다. 부품 생성 파라미터를 추가하기 위해 프리페어 옵션을 이용하여 이 파일을 변경할 수 있다.
[머지 정보 화면]
Figure kpo00111
머지 정보 화면은 파일 정보를 입력하는데 사용된다. 이 화면은 머지가 실행되고 있을 때 이하의 상태 정보를 표시한다.
● 각각의 층 두께 범위에 대한 Z 레벨의 시작값과 끝값
● 현재 Z 레벨이 머지되고 있다.
● 실행이 완료되면, 처리된 범위의 총수와 각 범위에서 머지된 층의 수
[작업순서(랩2-머지)]
[시작 전에]
네트워크 메뉴의 옵션 FTP를 실행하여 모든 필요한 슬라이스 파일을 제어 컴퓨터의 작업 디렉토리로 전송한다.
단계 1)
Figure kpo00112
단계 2) 주 메뉴에서, 머지를 선택한다.
2 또는 포인터를 둠
Figure kpo00113
단계 2) 병합된 파일명을 입력한다.
Figure kpo00114
단계 3) 층, 벡터 및 범위 파일을 입력하거나, 디폴트 파일명을 선택하기 위해 ＜엔터키＞를 누른다.
출력 파일명:프리픽스(Prefix)
Figure kpo00115
단계 4) 프롬프트에서, 디폴트 층 두께를 선택하기 위해
Figure kpo00116
를 누른다.
층 두께(mils[10])?
Figure kpo00117
단계 5)
Figure kpo00118
머지가 완료될 때를 판단하기 위해 스크린을 본다.
주의:3.0 버젼 이전의 슬라이스 파일은 Z- 간격의 입력을 요구할 수 있다.
[중간 소재]
[머지 옵션]
/Z 파일의 수직 위치를 서로에 대하여 조정한다. 이 옵션은 물체를 수직으로 정렬시키는데 사용된다. 조정될 파일 다음에 슬라이스 단위로 오프셋을 입력한다.
슬라이스 파일명:cam_part^cam_base/z100
/X 파일의 X 방향 위치를 서로에 대하여 조정한다.
/Y 파일의 Y 방향 위치를 서로에 대하여 조정한다.
3.10(뷰(View)
[개관]
뷰는 제105도에 도시된 바와 같이 스테레오리소그래피(.STL)과 슬라이스(.SLI) 파일을 제어 컴퓨터 상에 디스플레이한다. 다음과 같은 목적으로 주로 사용된다.
● 층 두께를 변화시킬 필요가 있는지를 평가한다.
● 모든 벡터 블럭이 요구되는 것인지를 판단한다.
● 층 및 부품 특성을 연구한다.
● 슬라이스 파일을 체크한다.
[뷰 메뉴]
Figure kpo00119
[삼각형 그래프]
새로운 파일(New Files):그래프로 도시될 새 파일명을 지정한다. “삼각형 그래프”옵션이 선택되면 작업 디렉토리내 .STL이 열거된다.
그래프:파일을 그래프로 도시한다.
회전(Rotation):오른손 규칙(RHR) 규정에 따라 X, Y, Z축으로 회전하는 각도를 지정한다. 예를 들면, 부품과 같은 크기의 뷰를 도시하기 위해, X 축은 30도, Y 축은 15도, 그리고 Z 축은 0도 회전시킨다.
ESC:“삼각형 그래프”기능을 빠져 나와 뷰 메뉴로 돌아간다.
윈도우 모드:상급 소재.
범위 선택:상급 소재.
[슬라이스된 층 그래프]
새로운 파일:그래프로 도시될 파일명을 지정한다. “슬라이스된 층 그래프”옵션이 선택되면, 작업 디렉토리내의 .SLI 파일목록이 나타난다.
층 선택:파일내의 각 층의 벡터 블럭 목록을 나타낸다. 이 파라미터는 중요한 벡터를 갖는 슬라이스 층을 선택하는데 사용된다. 층이 선택되면, 선택된 층에 대한 X 및 Y 최소/최대값이 슬라이스 단위로 표시되며, 층의 모든 블럭에 대한 연상 기호가 표시된다.
블럭:부품이 도시될 때 표시될 벡터 블럭을 지정한다. 토글 기능을 사용하면, 파일의 다음 그래프에서는 선택된 블럭이 생략될 수 있다.
그래프:파일을 그래프로 도시한다.
ESC:슬라이스 파일 디스플레이 기능을 빠져나와 뷰 메뉴로 복귀된다.
윈도윙(Windowing):상급 소재
[화면 모드 전환]
스테레오리소그래피와 슬라이스 파일간에 사용 가능한 디스크 공간을 할당한다. 대부분의 경우, 디폴트는 변경될 필요가 없다. 그러나, 매우 큰 .STL 파일이 도시된다면, 더 많은 삼각형이(최대 10,921까지) 할당된다. 매우 큰 .SLI 파일이 도시된다면, 더 많은 CM이(최대 10,921까지) 할당된다. 두가지 파일 모두가 도시된다면, 디스크 공간을 적당히 배분한다.
[작업순서(랩-뷰)]
[시작 전에]
.STL 파일을 디스플레이하기 위해:
● 파일을 ASCII 또는 이진 포맷으로 생성한다.
● 플로피 디스크나 “데이터 전송”옵션을 이용하여 그 파일을 제어 컴퓨터 작업 디렉토리로 전송한다.
.SLI 파일을 디스플레이하기 위해:
● 파일이 생성되지 않는 경우 슬라이스(SLICE)를 실행한다.
● 플로피 디스크나 “데이터 전송”옵션을 이용하여 그 파일을 제어 컴퓨터 작업 디렉토리로 전송한다.
[화면 모드 전환]
단계 1)
Figure kpo00120
주 메뉴에서, 뷰를 선택한다.
3 또는 포인터를 둠
Figure kpo00121
단계 2)
Figure kpo00122
파일에 메모리가 재할당되어야 하는지를 판단하기 위해 화면의 하단에 도시된 디스크 공간을 검토한다. 대부분의 경우에는 디폴트값을 바꿀 필요 없다.
단계 3) 할당을 바꿀 필요가 있는 경우에는, “화면 모드 전환”을 선택하기 위해 3을 누른 후에, 프롬프트에서 적절한 슬라이스 층수를 입력한다.
[스테레오리소그래피 파일 보기(viewing)]
단계 1) 주메뉴에서, 뷰를 선택한다.
3 또는 포인터를 둠
Figure kpo00123
단계 2) 뷰메뉴에서, “삼각형 그래프”를 선택하기 위해 1을 누른다.
단계 3) 프롬프트에서, 스테레오리소그래피 파일명을 입력한다.
Figure kpo00124
단계 4) 프롬프트에서, 파일 종류(ASCII 또는 이진)을 입력한다.
단계 5)
Figure kpo00125
단계 6) 디스플레이 축을 회전시키기 위해, R을 누른 후에 X, Y, Z 축에 대한 회전 각도를 입력한다.
Figure kpo00126
각 축의 선택된 회전을 도시하기 위해 화면이 자동 갱신된다.
단계 7) 디스플레이 모드간에 토글하기 위해 W를 누른다.
단계 8) 디스플레이 축을 변경하기 위해, A를 누른 후 프롬프트에서 디스플레이 축을 입력한다.
Figure kpo00127
선택된 디스플레이 축을 도시하기 위해 스크린 자동으로 재주사하여 갱신될 것이다.
단계 9) 도시될 새 파일을 지정하기 위해, N을 누른 후에 프롬프트에서 파일명을 입력한다.
Figure kpo00128
단계 10) 파일을 도시하기 위해, G를 누른다.(제106도 참조)
[슬라이스된 파일 보기]
단계 1) 주메뉴에서 뷰를 선택한다.
3 또는 포인터를 둠
Figure kpo00129
단계 2) 뷰메뉴에서 “슬라이스된 파일 그래프”를 선택하기 위해 1을 누른다.
단계 3) 프롬프트에서, 슬라이스 파일명을 입력한다.
Figure kpo00130
단계 4)
Figure kpo00131
단계 5) 도시될 특정 파일을 선택하기 위해, L을 누르고 프롬프트에서 층 번호를 입력한다. 리스트의 앞쪽으로 이동하기 위해 PgDn 키를 누르며 뒤로 이동하기 위해서는 PgUp을 누른다.
Figure kpo00132
벡터 블럭 연상 기호 밀 층의 최대/최소 치수를 슬라이스 단위로 표시하기 위해 화면이 자동 갱신된다.
단계 6) 온 또는 오프로 토글될 층의 벡터 블럭을 선택하기 위해, B를 누르고 프롬프트에서 블럭 종류를 입력한다.
Figure kpo00133
새로운 층이 선택되거나 새로운 파일이 로드될 때까지는 선택된 벡터 블럭이 온 또는 오프로 토글될 것이다.
단계 7) 디스플레이 모드를 토글하기 위해 W를 누른다.
단계 8) 슬라이스 파일을 그래프로 도시하기 위해, G를 누른다.(제107도 참조)
3.11 프리페어(prepare)
[개관]
프리페어 메뉴 옵션은 레이저 작도 속도와 엘리베이터 침강시간과 같은 부품 구축 파라미터를 지정하고 범위(.R) 파일을 편집하는데 사용된다.
[부품 구축 지침]
[층 중첩]
각 층을 0.006인치 과경화시킴으로써 층간 접착력이 좋게할 수 있다.(즉 0.020인치 두께층에는 경화깊이가 0.026인치이다.)
[침강 지연]
부품이 침강한 후 수지 표면이 평평해지고 안정될 때까지 필요한 시간. 부품의 형태와 다른 여러 요인에 좌우된다.
[공통의 부품 구축 파라미터]
SS(스텝 크기) SLA-1은 벡터를 연속적인 움직임으로만 그린다. 동적 미러는 실제로 빔을 이산 스텝으로 이동시킨 후 잠시 지연을 둔다. 스텝 크기는 미러 비트단위의 이동의 크기이다. 일반적으로, 경계와 크로스해치에 대한 스텝 크기는 2(최소 허용치)로 설정되어 있다. 스킨 필 벡터에 대한 스텝 크기는 전형적으로 16으로 설정되어 있다.
SP(스텝 주기)는 각 레이저 스텝을 뒤따르는 지연의 길이이다. SP가 클수록, 레이저 작도 속도가 느리고 따라서 경화된 플라스틱의 깊이가 크다.
ZW 침강후 수지 표면이 안정되고 평평해지는 레빌링 시간을 지정. 일반적으로, ZW는 서포트에 대해 30에서 60초. 보통 부품 구축에는 45 내지 180초로 설정한다.
[범위]
범위는 CAD 단위 또는 슬라이스 단위로 정의된 최소 및 최대 치수에 의해 정의된 하나 이상의 슬라이스 층 그룹으로 된다. 층의 그룹에 대한 부품 생성 파라미터 값이 지정될 필요가 있을 때마다 범위가 생성된다.
예를 들어, 서포트 층을 위해서는 30초의 침강 지연이 필요하고, 모든 나머지 층들을 위해서는 60초가 사용될 경우, 2개의 범위가 정의되어야 한다. 제1범위에는 30의 ZW로 된 부품 층이 포함되고, 제2범위에는 지연 60으로 된 모든 층이 포함된다.
범위가 종종 사용되는 또다른 예는 층 경화 깊이를 변형시키는데 있다. 소수의 제1서포트 층을 포함하는 범위는 나머지 층에 대해 지정된 범위보다 더 넓은 경화 깊이로 생성될 것이다.
프리페어 메뉴 옵션을 사용하여 필요한 범위를 생성한다.
[프리페어 주메뉴]
Figure kpo00134
[파라미터 관리자 메뉴]
파라미터 관리자를 사용하여 부품 생성 파라미터를 추가시키거나 변경한다.
Figure kpo00135
[Z-피치]
이 파라미터는 수직 치수로 부품의 크기 조절을 제어한다.
[XY-한정 스케일 인자]
XY-한정 스케일 인자는 슬라이스 단위의 거리를 수지 표면 상의 레이저 빔 이동치로 변환한다.
이동식 미러의 특징은 미러 구동기로 전송되는 매 3446미러 비트(또는 mm당 140비트)에 대해 레이저 빔을 수지 표면상에서 1인치 이동시킨다는 점이다. 3556은 슬라이스 해상도로 사용하기에는 부적절한 수이기 때문에, 변환 인자를 사용한다.
예를 들면, 인치 단위로 설계된 CAD 파일을 해상도 1000으로 슬라이스하는 경우, 물체의 모든 인치는 3556 대신에 1000개의 슬라이스 단위로 표현된다. 따라서, .V 파일의 모든 벡터는 인자 1000/3556=.3556에 의해 너무 짧게 되므로, 이를 그대로 사용한다면, 최종 부품이 너무 작아지게 된다. 빌드는 .V 파일의 모든 벡터 좌표를 XY-한정 스케일 인자로 곱한다. 따라서, 이 파라미터를 3556/1000=3.556으로 설정하여 벡터를 적합한 길이로 조정한다. 일반적으로, 공식은
XY-한정 스케일=3556 미러 비트/# 인치당 슬라이스 단위
라고 표현된다.
XY-한정 스케일 인자를 이용하여 부품 크기를 재조절할 수 있다. 예를 들어, 전술한 부품의 수평 치수를 10퍼센트 증가시키기 위해, 3.556*1.10=3.912 스케일 인자를 이용한다.
수평 치수를 50퍼센트 줄이기 위해,
3.556*0.50=1.778이다.
[최대 벡터 카운트]
이 파라미터는 부품을 생성하기 위해 이동식 미러가 이동하기 시작하기 이전에 이동식 미러 버퍼에 로드될 수 있는 벡터의 최대 개수를 지정한다.
[최소/최대 뷰포트 좌표]
빌드 뷰포트 좌표는 빌드 상태표시 화면에 도시된 수조의 윈도우 디스플레이의 최소 및 최대 좌표를(미러 비트 단위로) 지정한다. 좌표의 한계는 (0, 0)과 (65535, 65535)이다.
예를 들면, 캠이 생성되는 동안 캠을 보기 원하는 경우, 뷰포트 좌표를 사용한다.
주의:캠은 대략 직경이 1인치 정도이다.
Figure kpo00136
X-Y 오프셋용으로 계산된 좌표는 부품 중심을 위한 것이기 때문에, 전체 부품을 디스플레이하기 위해서는 오프셋으로부터 미러 비트를 감하여야 한다. 최소한, 부품 폭의 1/2정도와 유사한 수를 최대 오프셋에 더하여야 한다.
전체 9인치*9인치의 작업 표면을 도시하기 위해, 다음을 입력한다.
Figure kpo00137
Figure kpo00138
[복수 부품 위치설정]
이들 파라미터는 엘리베이터 플랫폼 상에 부품의 위치를 설정하고 동일한 빌드 실행시에 복수의 부품을 생성하는데 사용된다.
수지 수조의 중심에 부품을 위치설정하기 위해 필요한 좌표를 계산하기 위해, 다음을 알아야 한다.
● CAD 공간의 부품 중심 좌표
● 수조의 중심 좌표, 약 (3267, 32767)정도이다. 필요하다면, 정확한 좌표가 얻어질 수 있다.
예를 들어, 부품의 X-Y 중심이(2.3인치, 4.1인치)이고, 수조 중심이 (32767, 32767)이라면,
Figure kpo00139
또한, 복수 부품 위치설정 좌표는 동일한 실행에서 부품의 사본을 복수개 만들려고 하는 경우에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전술한 예에서 사용된 부품의 4개 사본을 만들려고 한다면, 4개 부품 각각에 대한 중심(X1/Y1, X2/Y2, X3/Y3, X4/Y4)을 나타내는 좌표의 4개 집합을 계산해야 된다.
부품에 대한 4개 사본 전부가 수지 수조의 중심에 모여 있고, X 및 Y 양방향으로 약 2인치씩 떨어져 있다면, 전술한 예와 같은 방식으로 수조 중심 좌표를 먼저 계산한 후에, 각 부품의 사이에 소정의 거리의 1/2값과 동일한 미러 비트를 더하고 뺀다.
분리 간격=2인치/2=3556비트
X1=Xc+3556=24588+3556=28144
Y1=Yc+3556=18187+3556=21743
X2=Xc-3556=21032
Y2=Yc-3556=14631
X3=Xc+3556=28144
Y3=Yc-3556=14631
X4=Xc-3556=21032
Y4=Yc+3556=21743
[빌드 옵션 라인]
이들 파라미터는 빌드 뷰포트의 방향을 정의한다.
[디스크 상의 빌드 파라미터 갱신]
이 명령은 build.prm 파일의 디스크 엔트리에 그밖의 모든 파라미터 관리자를 저장한다.
[범위 관리자 메뉴]
Figure kpo00140
범위 관리자는 다음에 사용된다.
● 범위의 추가 또는 삭제
● 스텝 주기 계산(레이저 작도 속도)
● 침강 지연을 변경하기 위해 범위를 편집할 때
● 범위(.R) 파일을 저장할 때
범위 관리자 메뉴 리스트:
● 범위(.R) 파일명
● 범위가 추가될 때 할당되는 범위 번호
●CAD 단위 및 슬라이스 단위로 표시된 시작과 끝 범위 치수. 도시된 화면에서는, 슬라이스 해상도가 5000이므로, CAD 치수 0.73인치(부품의 하단)와 1.37인치(부품의 상단)은 슬라이스 단위 3650과 6850에 해당한다.
● CAD 단위 및 슬라이스 단위로 표시된 층 두께.
● 각 범위내의 층의 총수.
● .R 파일을 변경하거나 저장하는데 사용되는 명령
[범위 관리자 명령]
A 범위를 일시적인 범위 파일에 추가한다. .R 파일은 세이브(SAVE) 명령이 사용되기 이전에는 변경되지 않는다. 시작 범위 층은 슬라이스 단위 또는 CAD 단위로 입력될 수 있다. 브레이크 포인트(break point)는 범위의 제1층이다.
D 화면으로부터 범위를 삭제한다. 하나 이상의 범위가 남아 있는 경우에, 다음으로 높은 범위로 결합된다(에를 들어, 범위 2로부터 삭제된 데이터는 범위 3으로 통합될 것이고, 범위 3이 없는 경우에는 범위 1로 결합될 것이다).
E 지정된 범위내의 각 벡터 블럭을(편집을 위해) 열거한다. 이 명령은 침강 파라미터를 범위에 추가시킬 때 주로 사용된다.
V 각 범위에 포함되어 있는 벡터 블럭만이 일시적인 .R 파일에 편집용으로 리스트되어 있음을 .L 파일을 통해 증명한다. 이들 블럭은 스텝 주기, 스텝 크기, 및 그밖의 부품 생성 파라미터를 제어하기 위해 편집되는 블럭이다. 벡터 블럭 및 범위는 파일이 S 명령을 이용하여 저장되기 이전에는 디스크 상의 .R 파일에 기록되지 않는다.
R 화면 상의 각 범위내의 벡터 블럭을 디스플레이하거나 선택적인 프리터 포트를 통해 하드카피로 출력된다.
Figure kpo00141
Figure kpo00142
X 범위 관리자를 빠져 나와 프리페어 메뉴로 복귀된다. .R 파일은 이 명령을 이용하여 저장되지 않는다.
S 범위 관리자를 이용하여 입력된 모든 정보를 포함하는 .R 파일을 디스크 상에 영구 저장한다.
C 스텝 주기를 계산하여 일시적인 범위 파일로 경화 깊이/스텝 주기 정보를 입력한다. CALC SP 명령은 다음과 같다.
Figure kpo00143
R 재료 데이터(.MAT) 파일로부터 라인 높이와 폭 데이터를 판독한다. 작업 디렉토리내의 .MAT 파일은 편의상 화면에 열거된다.
P 화면에 표시된 레이저 파워 판독치를 유틸리티 “빔 분석”에 의해 측정된 최근 판독치로 변경한다.
E 화면상에 도시된 경화 깊이 및 추정 스텝 주기를 편집한다.
V 재료 데이터(.MAT) 파일로부터 재료 데이터를 디스플레이한다.
Q CALC SP 기능을 종료하고 주메뉴로 복구한다. 프리페어 메뉴 옵션을 사용하여 입력된 변경치는 저장되지 않는다.
S 일시적인 범위 파일내의 적합한 벡터 블럭에 SP 및 SS 레이저 각도 파라미터를 추가한다. 파라미터는 파일내의 모든 벡터 블럭에, 경계 및 해치 블럭에만, 또는 필 블럭에만 추가될 수 있다. 또한, 단지 특정 머지-집합만을 갱신할 수 있다.(머지 집합은 머지로 입력되는 슬라이스 파일 중의 단지 하나의 파일로부터의 벡터 블럭으로 구성될 수 있다. 머지 집합은 각 벡터 블럭(즉, LB2)에 추가되는 수에 의해 서술된다. 이러한 갱신 명령은 .R 파일을 갱신하는 것이 아니라 단지 일시적인 범위 파일만을 갱신함을 주목한다. .R 파일을 디스크에 저장하기 위해서는 범위 관리자 메뉴의 세이브 명령을 사용한다.
Figure kpo00144
X CALC SP를 빠져 나와 범위 관리자 메뉴로 돌아간다.
[작업순서(랩2-프리페어)]
[파라미터 관리자]
단계 1) 주메뉴에서, 프리페어 기능을 선택하기 위해 4를 누른다.
단계 2) 프롬프트에서, 부품 파일의 프리픽스를 입력한다.
Figure kpo00145
Figure kpo00146
프리페어 주메뉴에서, 파라미터 관리자를 선택하기 위해 1을 누른다.
단계 4) XY 한정 스케일 팩터를 .7112(3556/5000)으로 설정한다.
단계 5) X 오프셋을 17000(32767-(4.5*3556))으로 설정한다.
단계 6) X 오프셋을 17000으로 설정한다.
단계 7) (선택적) 2개의 부품을 만들기 위해,
(X1, Y1)을 (15000, 15000) 그리고
(X2, Y2)를 (15000, 25000)으로 한다.
단계 8) 뷰포트 좌표를
Xmin, Ymin=5000, 5000
Xmax, Ymax=35000, 35000
으로 한다.
단계 9) 디스크의 파일을 갱신하기 위해 U를 누른다.
[범위 관리자]
[시작하기 전에]
현재의 레이저 출력을 측정하기 위해 유틸리티 빔 분석(BEAM ANALYSIS)를 실행시킨다. 센서1과 2의 판독치의 평균을 기록한다.
단계 1)
Figure kpo00147
프리페어 주메뉴에서, 범위 관리자를 선택하기 위해 2를 누른다.
[범위 추가]
단계 1)
Figure kpo00148
범위 관리자 메뉴에서, 범위를 추가하기 위해 A를 누른다.
단계 2) 슬라이스 단위로 범위 치수를 추가하기 위해 Z를 누르거나, CAD 단위로 치수를 입력하기 위해 C를 누른다.
[Adding Range]
Figure kpo00149
단계 3) 슬라이스 단위로 범위의 시작을 입력한다.
Figure kpo00150
단계 4)
Figure kpo00151
범위가 적절하게 추가됨을 증명하기 위해 화면을 검사한다.
단계 5) 4950에서 시작하는 또다른 범위를 추가한다.
단계 6) 6000에서 시작하는 네번째 범위를 추가한다.
[범위 삭제]
단계 1)
Figure kpo00152
범위 관리자 메뉴에서, 범위를 삭제하기 위해 D를 누른다.
단계 2)
삭제하려는 범위 범호를 입력한다.
Figure kpo00153
Figure kpo00154
범위가 삭제됐음을 확실히 하기 위해 화면을 검사한다.
단계 1)
Figure kpo00155
범위 관리자 메뉴에서, 블럭을 검증하기 위해 V를 누른다.
단계 2) 주의 메시지에서 y를 입력한다.
Figure kpo00156
[보고]
단계 1)
Figure kpo00157
범위 관리자 메뉴에서, 리포트용으로 R을 누른다.
단계 2)
화면상에 리포트를 보기 위해 V를 누르거나, 프린터 상에 리포트를 프린트하기 위해 P를 누른다. 프린터 옵션이 선택되는 경우, 리포트가 화면상에 도시되지 않을 것이다.
단계 3)
Figure kpo00158
계속하려면,
Figure kpo00159
를 누른다.
스텝 주기를 계산한다.
단계 1)
Figure kpo00160
범위 관리자 메뉴에서, 스텝 주기를 계산하기 위해 C를 누른다.
단계 2)
Figure kpo00161
CALC SP 메뉴에서, 레이저 파워 판독치를 변경하기 위해 P를 누른다.
단계 3) 빔 분석으로부터 평균 파워를 입력한다.
Figure kpo00162
단계 4) CALC SP 메뉴에서, 경화 깊이/스텝 주기 데이터를 편집하기 위해 E를 누른다.
단계 5) (서포트의 처음 2개 층을 포함하여) “로스트(roast)” 제1범위를 플랫폼에 접착시키기 위해 필요한 경화 깊이를 C를 누른 후 범위 번호와 새로운 경화 깊이를 입력한다.
Figure kpo00163
주의:선정된 경화 깊이는 층간의 적합한 본딩을 위해 층 두께보다 적어도 6밀은 커야 한다. 서포트의 처음 2개 층에 대한 경화 깊이는 플랫폼에 대한 강한 본딩을 위해 깊어야 한다. 이러한 경우, 요구되는 경화 깊이는 35밀이다.
단계 6) 모든 층 경계를 위해 16의 경화 깊이와 범위 2 내지 3의 해치를 입력한다.
Figure kpo00164
단계 7)
Figure kpo00165
CALC SP 메뉴에서, 변경을 검증한다.
단계 8) CALC SP 메뉴에서, 범위를 세이브하기 위해 S를 누른다.
단계 9)
Figure kpo00166
어떠한 벡터 그룹을 갱신할지 저장하거나 괄호 안에 도시된 디폴트 그룹을 선택하기 위해
Figure kpo00167
를 누른다.
사용할 블럭 그룹 [1]?
단계 10) 갱신하려는 머지 집합을 지정하거나 괄호 안의 디폴트를 선택하기 위해
Figure kpo00168
를 누른다.
Figure kpo00169
단계 11) E를 누른 후에 26밀(이는 선정된 20밀 층 두께보다 6밀스 큰 것이다)의 경화 높이를 입력함으로써 스킨 경화 깊이의 편집을 시작한다.
Figure kpo00170
단계 12) 최종의 스텝 주기(90)를 반으로 나누어, E를 누른 후에 범위 2 내지 3의 스킨 필 SP 값을 입력한다.
Figure kpo00171
단계 13) 파일을 저장하기 위해 S를 누른다.
단계 14) 프롬프트에서, 스킨 필 블럭의 갱신을 지정한다(블럭 그룹 2).
Figure kpo00172
단계 15) 프롬프트에서, 모든 머지 집합을 갱신하기 위해
Figure kpo00173
를 누른다.
Figure kpo00174
단계 16) CALC SP 메뉴에서, CALC SP 기능을 빠져나가기 위해 X를 누른다.
단계 17) 범위 관리자 메뉴에서, 침강 지연을 추가하기 위해 범위를 편집하려면 E를 누른다.
단계 18) 프롬프트에서, 범위 1을 편집하기 위해 1을 누른다.
Figure kpo00175
단계 19) 프롬프트에서 #BTM 레코드에 30초의 침강 지연을 추가한다.
Figure kpo00176
단계 20) 30초의 침강 지연을 추가하기 위해 범위 2를 편집한다.
단계 21) 120초의 침강 지연을 추가하기 위해 범위 3을 편집한다.
단계 22)
Figure kpo00177
범위 관리자 메뉴에서, .R 파일을 디스크에 저장하기 위해 S를 누른다.
[중간 토픽]
[층 관리자 메뉴]
Figure kpo00178
층관리자(LAYER MANGER)은 주로 .L 파일에서 특정 벡터 블럭을 찾기 위해 사용된다. 편집(EDIT) 및 갱신(UPDATE) 등의 다른 기능은 상위 기능이다.
총 관리자 화면은 다음을 리스트한다:
- .L 파일명
- .R 파일에 지정된 범위의 수
- 슬라이스 단위로 된 시작과 끝 범위 치수
- 슬라이스 단위로 된 층 두께
- 범위에 있는 총 층수
- 작동 명령어
[층관리자 명령어]
F .L 파일에서 특정 벡터 블럭을 찾고 층 수를 리스트한다. 예를 들어, 병합-세트 3이 Z 공간에서 어디서 시작하는지 결정하고 싶으면, F를 눌러 블럭을 찾고 L3와 ALL을 프롬프트 상태에서 입력한다. 층관리자는 화면상에 벡터 블럭 L3를 포함하는 모든 슬라이스층을 리스트한다. 이것은 프리페어 메뉴를 빠져나가 뷰를 실행하여 특정 벡터 블럭을 찾는 것에 비해 빠르고 편리하다.
[통계치(statistics)]
Figure kpo00179
통계치(STATISTICS)는 층, 범위 벡터 파일 정보를 리스트하고 다음을 포함한다.
- 바이트 단위의 파일 크기
- 파일이 생성된 시간과 날짜
- 남아 있는 디스크 공간
[작업 순서(랩3-프리페어)]
[통계치]
단계 1)
Figure kpo00180
프리페어 주메뉴에서, 4를 눌러 통계치를 선택한다.
Figure kpo00181
계속하려면
Figure kpo00182
를 누른다.
3.12 BUILD
[개관]
BUILD는 벡터(.V)파일과 범위(.R)파일을 읽어서 적절한 명령과 파라미터를 동적 미러와 엘리베이터 구동기에 보냄으로써 부품-제작 공정을 관리한다. 이것은 다음과 같은 것을 포함한다:
- 수지 수조의 표면상의 벡터를 추적하도록 레이저빔을 편향시킨다.
- 레이저 통과 속도를 제어하여 적절한 경화 깊이가 되도록 한다.
- 층간 침강 시퀀스[침강, 레이즈(raise), 레벨]를 제어한다.
[BUILD 옵션 화면]
Figure kpo00183
이 화면은 부품 파일명을 입력하고 부품 구축 정보를 디스플레이하는데 사용된다.
옵션:중간 토픽 또는 프리페어 메뉴 옵션 PARAMETER MANGER 참조
XY-축척:XY-한정 축척 벡터를 리스트한다.
부품수:생성될 중복되는 부품수를 보인다.
X, Y:다수의 부품 위치설정 좌표를 리스트함.
부품 디렉토리 리스팅:작업 디렉토리내의 파일 리스트함.
부품 파일명:구축될 부품 특정
BUILD 상태 화면 BUILD 상태 화면은 제108도 참조
본 화면은 부품이 구축되는 동안 현 상태 정보를 디스플레이한다.
부품:구축되는 부품의 명칭
제어:범위 제어 특정(디폴트)
액선:현 BUILD 액션 리스트함.
로딩(LOADING):레이저 빔 위치설정 데이타가 버퍼로 로딩되는 경우.
레벨링(LEVELING):BUILD가 침강중 또는 침강후 수조가 안정되고 평평해지는 것을 기다리고 있는 경우.
드로잉(DRAWING, 작도):수지 수조의 표면에서 벡터가 그려지고 있는 경우.
분석(ANALYSING):BUILD가 레이저 매러 부유(drifting)를 분석하거나 교정하고 있는 경우.
시간(TIME):침강 지연에 몇초 남아 있는지 리스트함.
개시/종료 시간(START/END TIMES):BUILD 개시 및 종료 시간과 날짜 리스트함.
개시/계속/종료 층(START/ON/END LAYER):부품의 개시와 종료층 번호, 현재 그려지는 층 리스트.
블럭(BLOCK):현재 처리되고 있는 벡터 블럭의 기호(mnemonic) 리스트
뷰포트(VIEWPORT):수지 수조 단면도와 부품 단면 도시. 벡터가 수지의 표면에 그려지는 동안 화면에도 그려진다.
[작업순서(랩2-BUILD)]
[개시전에]
- 엘리베이터 이동기를 사용하여 수지의 표면 아래로 엘리베이터 플랫폼을 이동시킴
- 수조 전면의 수지 유출 배수구(spillway valve)를 열어서 수조가 플랫폼 지지봉으로 대치되어 오버플로우 용기로 넘치도록 한다.
- 플랫폼의 상부면이 수지 면보다 약간 위에 올 때까지 엘리베이터를 올린다.
- 프로세스 챔버로의 문을 닫는다.
- 레이저 온과 셔터 개방 지시기가 켜져 있는지 확인한다. 요구에 따라 파워 시퀀서를 사용하여 레이져를 켜거나 셔터를 닫는다.
단계 1)
Figure kpo00184
주메뉴에서 BUILD를 선택한다.
5 또는 포인터 위치를 잡고
Figure kpo00185
단계 2)
Figure kpo00186
리스트된 파일에서 부품 파일명을 입력한다.
Figure kpo00187
단계 3) (BUILD 상태 화면의 제109도 참조)
상태 화면과 부품을 주기적으로 점검하여 다음을 확인한다.
- 처음 몇층이 엘리베이터 플랫폼에 부착되는가.
- 부품이 수지 수조에서 중앙에 오는가?
- 서로 다른 층두께를 갖는 층이 서로 접착되는가?
부품 제조상의 문제가 발생하면 를 누름으로써 BUILD를 중단한다. 이렇게 하면 주메뉴로 돌아간다.
[중간 토픽(INTERMEDIATE TOPICS)]
[키보드 명령]
레벨링 액션 동안 BUILD는 3개의 키보드 명령을 수용한다.
P 다른키가 눌릴 때까지 BUILD 정지, 레벨링 시간은 0으로 계속 진행한다.
정지 메세지가 화면 하단의 커맨드 라인에 디스플레이된다.
C 남아 있는 레벨링 시간을 무시하고 다음 층을 곧바로 개시함으로써 부품 구축 공정을 계속한다.
S 특정 Z 레벨로 뛰어넘는다. Z 레벨의 또는 그 상부의 제1층이 그려진다. 이 명령은 낮은 Z 레벨에서 높은 Z 레벨로만 동작가능
[커맨드 라인 옵션]
/LOFF:동적 미러 구동기를 끈다. 이 옵션은 /ZOFF와 같이 사용되어 부품을 만들지 않으면서 BUILD를 수행하는데 사용.
/ZOFF:엘리베이터 구동기를 끈다. 이 옵션은 /LOFF와 같이 사용되어 부품을 만들지 않으면서 BUILD를 수행하는데 사용.
/START:부품구축시 개시 Z 레벨을 지정. 이보다 낮은 모든 층은 스킵된다. 부품의 중간부터 구축하기를 개시할 때 /START 사용. 예를 들어, Z 레벨 5000에서 견본 부품을 만들기 시작하면 다음과 같이 입력한다.
[부품 파일명:]
Figure kpo00188
/STOP:부품 구축시 종료 2 레벨을 지정. 모든 상부층은 스킵된다. 이 옵션을 /START와 함께 사용하여 부품의 단면을 구축한다. 예를 들어, Z 레벨 5000에서 5500의 층을 구축하려면 다음과 같이 입력한다.
Figure kpo00189
최종 층이 그려진 후에 엘리베이터는 침강하지 않는다.
/LOFF와 /ZOFF 커맨드는 /START와 /STOP과 함께 사용되어 부품이 뷰포트에 들어가는지 점검하는데 흔이 이용된다.
예를 들어 다음과 같이 입력한다.
Figure kpo00190
미러는 층을 그리지 않고, 엘리베이터는 이동하지 않을 것이다. 부품이, 뷰포트에 적절히 디스플레이되는 경우, 커맨드 라인 옵션 없이 BUILD를 재개시하여 부품을 구축한다. 그렇지 않은 경우, PARAMETER MANGER를 이용하여 뷰포트 좌표를 편집한다.
3.13 후속 프로세스
[개관]
후속 프로세스는 그린 스테레오그래픽 부품을 경화하고 끝손질(finishing)하는 것이다. 그린 부품은 반-교체 플라스틱과 액체로 구성되어 있고 그 정확한 구성은 사용된 수지와 선택된 크로스해칭 유형 등 몇가지 요소에 좌우된다.
주요 후속 경화 단계는 다음과 같다.
- 여분의 수지를 수지 수조로 배수(draining)
- 코너와 기타 부품의 세부로부터 수지를 제거하기 위한 위킹(wicking)
- 부품에서 경화되지 않은 부분을 고화하기 위한 자외선 경화
- 서포트 제거
- 선택적인 끝손질:연마(sanding), 모래분사(sandblasting), 페인팅(painting)
[일반적 정보]
[배수]
액체 수지를 부품으로부터 수지 수조로 배수시킨다. 배수 시간은 일반적으로 30분에서 24시간 범위이다. 그러나, 대기중에 오래 노출시키면 부품 구조가 약해져서 UV 경화를 방해할 수도 있다는 것에 유의할 것. 열 오븐이 이 프로세스를 가속화시키지만 부품의 치수를 부정확하게 만드는 악영향을 끼칠 수도 있다.
그린 부품을 기울이거나 다를 때는 주의를 요한다. UV 경화 전에는 레이저에 의해 쉽게 벗겨지거나 변형될 수 있다.
[위킹(wicking)]
코어와 부품의 세부 근처에 고여 있는 여분의 액체를 제거한다.
[자외선 경화]
중합화 공정을 완료하여 고체의 플라스틱 부품을 만든다. 경화가 완전한지 확인하기 위해 표면의 딱딱함을 검사한다.
일반적인 작업순서는 부품을 플랫폼에 부착한 채로 모든 노출된 표면을 경화하고, 플랫폼을 제거한 후 모든 남아 있는 표면을 경화한다.
[공기중(In Air)]
가장 흔한 경화 방법. 구조적으로 튼튼하게 하기 위해 공기중에서 12시간 노출시킨다. 공기 경화의 단점은 과도한 가열에 의해 부품이 누렇게 되고 변형될 수 있다는 것이다.
[수중(InWater)]
부품을 물에 담금으로써 경화 시간이 크게 단축될 수 있는데, 이는 물이 자와광을 흡수하지 않고 “열싱크(heat sink)”로 작용하여 부품을 식히고 변형을 최소화하기 때문이다. 공기방울은 물집(blistering)이 생기게 할 수 있으므로 모든 공기방울을 없앤다. 짧고, 신속한 경화(5분)가 효과가 좋다.
[서포트 제거]
잘라내거나 연마(clipping or sanding)하여 서포트를 부품으로부터 제거한다.
[작업순서(랩2-후속 프로세스)]
[배수]
단계 1)
Figure kpo00191
주메뉴에서 UTILITIES를 선택한다.
6 또는 포인터 위치를 잡고
Figure kpo00192
단계 2)
Figure kpo00193
유틸리티 메뉴에서, 3을 눌러서 엘리베이터 이동기를 선택한다.
단계 3) 숫자판 키보드의 상향 화살표 키를 사용하여 엘리베이터를 천천히 3인치 올린다.(부품 변형을 방지하기 위해 천천히 한다)
단계 4) 여분의 수지가 수지 수조로 배수될 때까지 30분 기다린다.
[챔버로부터 부품과 플랫폼 제거]
단계 1) 배수 패드를 배수 트레이에 놓는다.
단계 2) 배수 트레이를 수지 수조 위에 엘리베이터 플랫폼 밑에 놓는다.
주의:플랫폼을 엘리베이터봉(rod)으로부터 제거할 때 엘리베이터를 배수 트레이로 충돌시키지 말 것. 엘리베이터를 손상시킬 수도 있음.
단계 3) 하향 화살표 키를 눌러서 엘리베이터 플랫폼을 낮추어서 드레인 패드의 1/4인치 위가 되도록 한다.
단계 4) 번갈아 가며 엘리베이터 샤프트(shaft) 손잡이(knobs)를 반시계 방향으로 한번 돌린다. 이렇게 하면 샤프트의 한쪽 끝이 플랫폼으로부터 풀려질 것이다. 플랫폼이 샤프트로부터 분리되어 배수 패드로 떨어질 때까지 상기 과정을 반복한다.
단계 5) 상향 화살표 키를 눌러서 배수 트레이와 플랫폼 제거에 필요한 만큼 엘리베이터 샤프트를 올린다.
단계 6) 배수 트레이와 플랫폼에 부품이 부착된 상태에서 프로세스 챔버로부터 제거한다. 부품의 손상을 막기 위해 플랫폼을 수평으로 유지한다.
[위킹(wicking)]
단계 1) 배수 트레이와 부품이 부착된 엘리베이터 플랫폼을 작업 표면에 놓는다.
단계 2) 면봉(swab)을 이용하여 코너와 세부 및 완전히 배수되지 않은 다른 영역에서 여분의 수지를 부드럽게 닦는다. 필요한 만큼 기다렸다가 반복한다.
[후속 경화]
주의:항상 장갑을 낄 것
단계 1) 배수 트레이와 부품이 부착된 엘리베이터 플랫폼을 PCA에 놓는다.
주의:배수 패드나 다른 가연성(flammable) 재료를 PCA에 놓지 말 것
단계 2) 자외선 램프에 노출된 모든 표면이 진득진득하지 않을 때까지 부품을 후속 경화한다.
단계 3) 미세한 톱을 사용하여 서포트가 플랫폼에 부착된 부분 근처에서 자른다.
단계 4) 계속하기 전에 부품을 씻어서 톱밥과 기타 조각을 제거한다. 나머지를 적절히 처분한다(properly dispose of residue).
단계 5) PCA 내의 자외선 램프에 경화되지 않은 표면을 노출시키기 위해 부품을 거꾸로 한다(또는 옆으로 돌린다.)
단계 6) 모든 표면이 진득거리지 않을 때까지 후속 경화한다. 몇번 실행해야 할 수도 있다.
[플랫폼 교체(replacement)]
단계 1) 수지 잔여분을 플랫폼으로부터 긁어낸다. 플랫폼에 #10-32 탭으로 나사구멍을 낸다(tap out threaded holes).
단계 2) 엘리베이터봉 아래의 플랫폼을 고정하여 플랫폼의 나사구멍이 봉의 나사형 종단부(threaded end)와 일렬이 되게 한다.
단계 3) 번갈아 가며 샤프트 손잡이를 시계방향으로 한번 돌린다. 플랫폼이 엘리베이터 샤프트에 확실하게 장착될 때까지 본 단계를 반복한다.
[서포트 제거와 끝정리]
단계 1) 줄(files), 그라인딩 도구(grinding tools), 측면 절단 펜치(side cutting pliers) 또는 적절한 도구로 서포트를 잘라낸다.
단계 2) 줄로 표면을 평활화한다.
단계 3) 필요에 따라 부품에 연마(sand), 모래분사(sandblast) 및 페인트칠한다.
[PCA 작동]
단계 1) 제110(a)도에 도시된 바와 같이, 부품이 플랫폼에 부착된 상태로 오븐 중앙에 넣는다. 가장 많은 표면에 노출이 고르게 되도록(되도록 90도에 가깝게) 램프 방향을 조정한다.
단계 2) 타이머를 10에서 20분으로 맞춘다.
단계 3) 시간 경과후 주파워 스위치(MAIN POWER)를 끈다.
단계 4) 부품과 플랫폼을 오븐에서 꺼내고 부품을 플랫폼으로부터 분리시킨다. 경화되지 않은 표면을 변형시키지 않도록 주의한다.
단계 5) 남은 표면이 대부분이 경화되도록 제110(b)도에 도시된 바와 같이 턴테이블 위에 부품의 방향을 바꾸어 놓는다.
단계 6) 단계 2와 3을 반복한다.
단계 7) 제110(c)도에 도시된 바와 같이 모든 남은 표면을 경화하도록 부품과 램프의 방향을 재조정한다. 몇번 실행해야 할 수도 있다.
3.14 파트빌딩 점검표
[범위(SCOPE)]
이 점검표는 스테레오리소그래픽 부품의 구축에 단계적으로 안내자 역할을 한다. 시발점은 스테레오리소그래픽을 전혀 참조하지 않는 캐드 설계이다. 모든 필요한 하드웨어나 소프트웨어시스템은 설치되어 있고 작동가능한 것으로 본다.
[점검표]
1. 캐드설계
- 물체가 폐쇄 볼륨을 둘러싸는 것을 확인한다.
- 요구되는 캐드 해상도를 선택한다.
2. 부품의 방향 조정(ORIENT PART)
- 부품을 최대한 원점에 근접하여 전체가 양의 캐드 공간에 오도록 위치시킨다.
- 다음을 위해 방향을 최적화한다:
부품이 수지 수조에 들어가도록 한다.
지지되지 않는 표면의 수를 최소화한다.
수직 또는 상향 수평 표면을 최대로 한다.
경사가 지거나 기울어진 면을 최소화한다.
배수를 최적화한다.
내부에 고여 있는(entrapped) 액체의 양을 최소화시킨다.
3. 서포트 설계 및 방향 조정
- 서포트 설계
위치지정(placement)
간격 두기
방향 조정
높이
넓이
두께
- 서포트의 2 내지 3층을 물체와 중첩시킴
4. 캐드 인터페이스
- 스테레오리소그래피 화일을 생성한다.
- .STL 파일을 슬라이스 컴퓨터에 전송한다.
5. 슬라이스
- 표준 옵션을 변경한다.
데이타 베이스 화일명
해상도
층두께
해치 간격
스킨 필 간격
스캔된 패싯에 대한 최소 표면각
최소 해치 교차각
출력 파일명
- 여분의 파라미터 지정
- 옵션 화일의 저장
- 화일을 분할하기 위해 슬라이스 수행
- 물체 및 서포트 파일 슬라이스 계속
6. 제어 컴퓨터로 슬라이스 파일 전송
- 메인 메뉴에서 네트워크 선택.
- FTP를 실행.
- 파일 GET 또는 MGET
- 전송 확인하기 위해 제어 컴퓨터 작업 디렉토리 확인
7. 병합(MERGE)
- 메인 메뉴에서 MERGE 선택.
- 입력 및 출력 파일명을 입력.
- 파일명과 입력한 시퀀스 기록.
- 실행이 완전한가 확인하기 위해 MERGE 화면 점검.
8. 레이저 파워 측정
- 메인 메뉴 화면에서 유틸리티를 선택.
- 빔분석(MEAN ANALYSIS)을 실행.
- 감지기 눈금들로부터 평균 파워를 기록.
9. 파라미터 관리자(PARAMETER MANGER)
- X-Y 한정(ONLY) 축척 계수 계산하고 입력한다.
- 최소/최대 뷰포트(viewport) 좌표값을 계산하고 입력한다.
- 다수 부품 위치설정 좌표 계산하고 입력한다.
10. 범위 파일을 준비(PREPARE RANGE FILE)
- 범위를 더한다.
- 블록을 확인한다.
- 스탭 주기를 계산하기 위하여 경화 깊이를 편집한다.
- 침강 파라미터를 편집한다.
- 범위 파일을 저장한다.
11. 시스템 체크
- 수지 수조의 뚜껑을 연다.
- 오버플로우 밸브를 연다.
- 레이저와 셔터의 상태 지시계를 점검한다.
- 엘리베이터 이동기를 이용하여 엘리베이터 플랫폼의 위치 설정한다.
12. 부품 구축
- 메인 메뉴 화면에서 BUILD를 선택한다.
- 처음 몇층이 플랫폼에 잘 부착되는지 수조에서 적절한 위치에 있는지 점검.
13. 후속 처리
- 부품을 들어내고 남는 수지를 수조로 배출시킨다.
- 남아 있는 수지를 닦아낸다.
- 플랫폼 상의 부품을 자외선 경화시킨다.
- 경화를 끝손질하고 부품을 플랫폼으로부터 분리시킨다.
- 부품으로부터 서포트들을 제거한다.
- (옵션) 재끝손질한다.
- 플랫폼을 닦고 재설치한다.
14. (옵션) 스테레오리소그래피와 슬라이스 파일 뷰
- .STL 파일을 조회할 때 FTP를 이용하여 파일을 전달한다.
- 메인 메뉴에서 VIEW를 선택한다.
- 파일명을 입력하고 뷰잉 파라미터를 지정한다.
[제4절]
[문제 해결 기법]
4.1 스테레오리소그래피의 한계
[파일 크기]
·최대 스테레오리소그래피(.STL) 파일 크기는 대략 14,000 삼각형으로 제한되어 있다.
·모든 MERGE 입력 파일의 전체 크기는 제어 컴퓨터 하드 디스크의 이용 가능한 공간의 1/2이다.
이용 가능한 하드 디스크 공간을 알아보기 위해 DOS 메뉴 옵션 DISK USAGE STATS을 사용한다.
·BUILD 작업 파일-벡터(.V), 범위(.V), 층(.L), BUILD, PRM-의 최대 크기는 제어 컴퓨터 하드 디스크의 이용 가능한 공간에 의해 제한된다.
[부품(part) 구축 제한 사항]
·부품(물체와 서포트) 형성은 모든 차원에서 9인치로 제한되어 있다. 그러나 몇번의 실행에 의해 큰 부품의 일부 구역들을 생성하고 후속 처리시 다시 짜맞출 수 있다.
·부품은 플랫폼(platform)에 부착되어야 한다(자유 공간에서 구축될 수 없다). 잠재적인 자유 플로팅(floating) 부분도 부품이 침강될 때 제자리를 유지하게 하기 위해 지지되어야 한다.
·최대(추천사항) 경화 깊이는 0.036인치이다. 경화 깊이와 스텝 주기의 관계식을 만들기 위한 작업 곡선이 36mils 이상 확장되지 않기 때문이다. 결과적으로 최대층 두께는 0.030인치로 제한된다.
·수직 및 상향(up-facing) 수평 스킨은 하향 스킨보다 평활하다. 모양에 중요한 표면을 수직 또는 상향 방향이 되도록 부품 방향을 결정함으로써 이 제한 사항을 최소화할 수 있다.
·수직 해상도는 한층 두께로 제한되어 있다. 수직 해상도와 치수가 중요한 영역에서는 얇은 표면을 특정하도록 가변층 두께를 사용함으로써 이 제한 사항을 최소화할 수 있다. 수직 차원이 변하도록 부품 방향을 결정할 수도 있다.(예를 들면 Z에서 X로 또는 Z에서 Y로).
·이론상 최대 슬라이스(slice) 해상도는 65.535bit이다.
·레이저 빔의 위치 설정 정밀도(positioning accuracy)는 작업 필드(working field)의 어느 곳에서든지 2mils로 제한되어 있다.
·한번 수행에 병합되고 생성될 수 있는 최대 파일수는 10이다.
·기본 디폴트값으로는 SP 파라메타는 10보다 적다. 그러나 디폴트 값은 Prepare 메뉴 옵션을 이용하여 고칠 수 있다.
·최종 부품의 해상도는 STL file 생성에 사용되는 CAD 모델의 해상도에 좌우된다.
·디솔라이트(Desolite) SLR 800수지는 후속 경화후 깨지기 쉽다.
4.2 부품 구축시의 문제와 치유방법
부품 구축시 문제와 그 치유 대책이 이하에 도시되어 있다. 하드웨어 및 소프트웨어 문제점은 나타나 있지 않다.
Figure kpo00194
Figure kpo00195
Figure kpo00196
Figure kpo00197
[제5.0절]
[참고 자료]
5.1 레이저 이론
5.2 스테레오리소그래피의 화학적 이론
5.3 불릿, 벤조탑 및 작업 곡선
5.1 레이저이론
[SLA-1 레이저]
SLA-1은 광경화성(photo-curable) 수지에 벡터를 그려 고체 플라스틱 부품을 만들기 위해 헬륨-카드뮴과 다중 모드 자외선 레이저를 이용한다. 레이저 빔의 파워는 다양하며 보통 325나노미터 파장에 15밀리와트이다.
자외광은 비가시광선이지만 수지를 포함한 거의 모든 물질에 SLA-1 레이저에서 나오는 강도(intensity)로 자외선을 쬐였을 때 물질에서 형광빛이 나온다. 그러므로 레이저빔이 어느 표면에 비춰졌는지를 알 수 있다. 그것은 특히 광학 장치를 정렬할 때 유용하고 또한 수지표면에 레이저가 그리는 것을 볼 수 있게 해준다.
제 ?에 도시된 바와 같이, 레이저는 양끝이 전극으로 되어 있고 직선 구역의 한쪽 끝에 광학 창을 가진 U자형의 유리 플라즈마 방전관(discharge tube)으로 구성되어 있다. 플라즈마 관은 저압력의 헬륨 가스로 채워져 있고 고체 카드뮴의 저장부가 부착되어 있다.
카드뮴 저장부는 카드뮴을 증발시켜 헬륨가스와 혼합되도록 하기 위해 가열된다. 플라즈마관의 전극에 공급된 고전압 전위는 전기장을 만들기 위해 그 기체의 혼합물을 이온화한다. 전기장에 의해 활성화된 자유전자는 카드뮴원자에 충돌하여 에너지를 전달한다. 이 에너지는 카드뮴 원자가 불안정한 여기된(excited) 에너지 상태가 되게 한다. 이 여기된 원자는 자발적으로 그들의 초과 에너지(excess energy)를 버리고 비여기(unexcited) 안정 상태로 돌아온다. 이 초과 에너지는 카드뮴의 정확한 파장 특성에서 광자(빛에너지의 이산단위)의 형태로 방출된다.
위에서 언급한 장치는 레이저가 아니라 약한 플라즈마 방전 램프이다. 레이저를 만들기 위해 플라즈마관의 한쪽 끝에 완벽하게 병렬로 정렬된 미러들을 설치한다. 그 미러들은 광학 공진기이고, 다른 파장은 통과시키면서 카드뮴 고유 파장중 하나(325 나노미터)를 갖는 광자는 반사시키도록 고안되었다.
공진기축에 병렬로 전달되는 광자들중 적은 양이 공진 반사경에 반사되어 플라즈마관으로 되돌아간다. 반사된 광자중 하나가 이미 여기된 카드뮴 원자와 충돌했을 때 원자를 자극하여 반사된 광자와 이동 방향, 위상, 파장이 같은 광자 형태로 초과된 에너지를 방출하도록 한다.
첫번째 광자가 이와 같은 상호작용에 의해 소모되지 않기 때문에 두개의 동일한 광자는 플라즈마 관속에서 반사경 사이에서 앞뒤로 반사되면서 더 많은 같은 종류의 광자를 생성한다.
레이저 출력부분에 위치한 공진반사경은 이 응집성(coherent) 광자의 많은 부분을 반사시키고 적은 부분을 통과시킨다. 이 투과된 광자를 SLA-1이 스테레오리소그래피 수지를 경화하는데 사용한다.
[레이저 모드]
SLA-1 레이저는 서로 다른 TEMS(Transverse Electromagnetic Modes)에 동시에 레이저빔을 발한다. TEMS는 플라즈마 방전관에 있는 전기장의 생성물이다. 이 자기장은 플라즈마관의 물리적 치수와 광학 공진 반사경의 정확한 정렬 전도에 따라 좌우되는 다양한 정상파 패턴을 형성한다. 만일 광학 공진기가 적절히 정렬되어 있다면 그 레이저는 TEMS를 생성하기 위해 어떤 파형으로도 동시에 레이저빛을 발한다.
TEMS는 레이저빔의 횡단면에 나타나는 검은선(노드)의 수에 의해 분류된다. 예를 들면 레이저빔의 횡단면에 검은선이 없으면 TEM00 모드로 분류된다. 횡단면에 한개의 수직선이 있으며 TEM01, 세개의 수평선과 두개의 수직선이 있으면 TEM32로 분류된다. 최대 파워 강도를 이루기 위해 공진반사경은 레이저가 동시에 많은 모드에서 빛을 발할수 있도록 정렬되어야 한다. 이런 경우에 모드 패턴은 각 개별적 TEM 모드 형태의 조합으로 구성될 것이다.
일반적으로 레이저와 광학 장치가 오래될수록 모드 패턴은 변화하며, 그 결과 비균형 레이저 형태와 파워 하강이 발생한다. 많은 경우 공진 반사경을 조절함으로써 모드 구조를 개선하여 레이저 강도를 증가시킬 수 있다. 그러나 어떤 경우는 얻을 수 있는 최대 레이저 파워 강도에 따르면 스테레오리소그래피 부품이 적절한 타이밍으로 그려지는 것이 불가능할 수도 있다.(레이저 강도가 낮을수록 프로세스가 느려진다.) 이 경우 레이저는 교체되어야 할 것이다.
5.2 스테레오리소그래피의 화학적 이론
스테레오리소그래피는 자외선 노출상에서 액체 수지 단량체가 고체 중합체로 변하는 광중합 반응에 의해 가능하게 되었다. 중합이 얼마나 일어났느냐 하는 정도 즉 물질의 고화 정도는 흡수된 전체 빛에너지에 좌우된다.
액체수지의 중합은 새로운 기술이 아니며 20년전부터 자외선 잉크, 코팅, 니스, 도프된 회로와 같은 분야에서 많이 응용되어 쓰여져 왔다. 그러나 빛에너지원으로서 레이저 사용은 원래 기본 학술 연구 프로그램에서만 시작되어 사용해 왔던 아주 최근의 기술혁신이다. 3D 시스템사에 의해 개발되어진 스테레오리소그래피 처리과정은 전체적으로 새로운 응용분야이다.
[광중합체]
스테레오리소그래피에서 사용되는 광중합체는 두개의 기본 물질로 구성되어 있다. 첫번째는 photoinitiator(광개시제)로서 레이저 에너지를 흡수하고 중합처리과정을 초기화하는 반응성 라디칼기(reactive radical species)를 형성한다. 광중합체는 또한 자유 라디칼기에 노출된 상태에서 중합반응을 일으키는 아크릴 기능화된(functionalized) 단량체와 저중합체(oligomer)를 포함한다.
어떤 중합체는 열에 민감한 열경화성(thermoset) 물질을 포함하고 이로 인해 최종 부품의 열경화가 가능하다. 전체적으로 자외선 경화 중합체는(UV-Curable polymer)는 레이저에 의해 경화된 후에 열을 받으면 눈에 띌 정도로 중합화되지 않는다. 그러나, 액체 형태일 때는 과열되면 제어 불가능하게 중합 반응이 일어난다.
전술한 광중합체와 후술할 광중합 반응 처리 과정은 스테레오리소그래피를 좀더 이해하기 위해 필요한 기본적인 개관들을 알려줄 것이다. 광중합체와 광중합반응의 좀더 자세한 정보는 UV curing volumes I과 II. 편집자 S.Perter Pappas, Science. Technology Marketing Corp. Norwalk Connecticut(1980)라는 책에서 알 수 있다.
[광중합 반응과정]
포토폴리머화 과정중 일어나는 일련의 일은 다음과 같다.
[광초기제(Photoinitiators)]
광초기화 분자(PI)는 레이저로부터 자외선광을 흡수하고 여기된 상태(싱글렛 상태 1P1*)로 변한다., 이런 단수명의 고에너지기는 제112도에 도시된 바와 같이 재빨리 낮은 에너지 여기 상태(트리플렛 3P1*)로 변한다.
[기본 라디칼기(R·)]
여기된 3P1* 분자들은 원시 라디칼기(primary radical)(R·)라고 불리는 하나 이상(보통은 하나)의 기의 형성에 촉매작용을 한다.
3P1* ----→ R·
[중합체 체인]
원시 라디칼은 새로운 라디칼기(RM·)를 형성하기 위해 아크릴 단량체와 함께 반응한다. 이 반응은 중합체 체인을 형성하기 위해 계속 반복되는 체인 전달 과정(chain propagation process)(중합화)를 개시한다.
Figure kpo00198
[고화(solidification)]
중합체는 고체가 될 때까지 분자량이 급격히 증가한다. 만일 빛에너지가 제거된다면 반응은 즉각 멈출 것이다. 반응은 이용 가능한 단량체 농도가 낮아지면 차차 느려지고 마침내 멈출 것이다.
광중합체 표면에 자외선 레이저가 집속되었을 때 형성된 고체중합체의 전체 치수(깊이, 넓이)는 레이저빔의 광도와 노출 시간에 의해 조절된다. 긴 노출 시간과 레이저 에너지의 증가는 고체 영역의 깊이와 넓이를 증가시킨다.
[[광중합체의 물리적 특성]]
Desolite SLR800의 액체로서, 기체로서의 물리적특성은 다음과 같다.
[액체 특성]
점성도(Brook field cps at 25℃) 1350센티프와즈
고체(반응성 물질) ＞ 99퍼센트
낮은 휘발성
[고체(경화후)의 특성]
추출물(extractables)(MEK 용매사용) ＞ 5퍼센트
장력 계수(tensile modulus) 140kpsi
장력 크기 6.7kpsi
브레이크시 장력 연장(tensile elongation at break) 7퍼센트
SLR 800 수지를 사용하여 준비한 플라스틱은 자외선 후속 경화 후 깨지기 쉽다. 그러나 경화된 플라스틱을 충분히 주의하여 연마하고(sand) 모래분사하고(sandblats) 구멍을 뚫을(drill)수 있다.
완성된 부품의 표면은 연마 후(MEK와 수지의 1:1혼합물인) 희석된 수지의 얇은 층을 자외선 경화함으로써 유리처럼 매끈해질 수 있다.
부품의 불량(파열, 조각과 구멍)은 유사한 수지/자외선 경화 기법을 이용하여 제거할 수 있다.
완성품은 아크릴의 전형적인 접착 특성(adhesion properties)을 보여주고 있다. 그러므로 두 부품의 결합에 표준 에폭시 아교 사용이 가능하다. 지금까지 가장 좋은 아교중의 하나가 자외선에 의해 경화되는 수지 그 자체이다.
[점성도]
제113도에서 보는 것처럼 온도에 있어서 상대적으로 작은 변화는 액체 수지 점성도에 큰 변화를 일으킨다. 즉 온도가 증가함에 따라 점성도가 감소하고 온도가 감소함에 따라 점성도 증가현상이 나타난다. 높은 온도와 점성도의 저하는 액체가 희석되게 하고 이에 따라 침강 과정에서 빨리 안정되게(settle) 되고 후속 처리동안 빠르게 배수되게 된다.
높은 온도처리가 부품이 생성되는 동안 부품의 구조적 결합력을 감소시켜서, 액체 수지가 제어 불가능하게 중합화될 수도 있다는 것을 제외하고는 바람직하다.
5.3 불릿(Bullets), 벤조탑(Banjotops) 및 작업 곡선
[불릿]
광중합체의 표면에 집속된 자외선 레이저 빔은 작은 불릿모양의 액체 볼륨을 고화 또는 경화시킨다. 이 특성은 다음과 같이 설명할 수 있다.
제114도의 레이저 빔의 강도 프로파일에서 보는 것처럼 큰 값이 높은 광도를 나타내고, 점에 따라 변하며 최대값은 빔의 중심 근처이다. 액체는 매우 얇은 수평시트(sheet)로 구성된 것으로 생각할 수 있으며 이것은 레어지빔의 일부(예를 들어 약 1/2)를 흡수하며 나머지는 다음 밑에 있는 시트로 전달할 것이다. 만일 레이저빔이 1초동안 액체를 수직으로 비추고 그 시간동안에 X 단위광이 맨위의 시트에 입사된다면 그 시트는 X/2 단위만큼 흡수하고 나머지는 다음 시트의 한 점에 전달된다. 세번째 시트로는 X/4 단위만큼 전달되고 이 과정이 계속된다. 빛을 많이 흡수하면 할수록 중합화가 더 잘 일어나기 때문에 맨 위의 시트는 가장 고화될 것이고 다음 단계 시트로 내려갈수록 고체가 점점 덜 형성되며 주위의 액체보다 더 고화되지 않은, 에너지 흡수가 거의 없는 시트까지 계속 이런 현상이 일어날 것이다. 만일 고체 플라스틱이 액체로부터 당겨진다면 이 최종 시트는 남게되는데 이유는 고체 플라스틱의 결속력이 아래의 액체의 결속력보다 크지 않기 때문이다.
경화된 플라스틱 깊이는 X가 증가되고 감소되어짐에 따라 변화하고(강도 프로파일에 도시된 것처럼) 빔의 앞부분이 일정하지 않기 때문에 레이저빔의 폭을 가로질러서도 변한다. 따라서 빔의 중심은 가장 강도가 높은 영역이므로 가장 큰 깊이로 경화되고 빔중심 주변 부분은 빔중심보다 적은 깊이로 경화될 수 있다. 경화후 얻어진 최대 고체깊이를 경화 깊이(cure-depth)라 한다.
불릿 모양에 영향을 주는 제2요소가 또 있다. 고체 플라스틱의 굴절 지수가 액체의 굴절 지수보다 약간 높기 때문에 그 레이저 빛은 액체가 고화되어 감에 따라 그 정도가 변하면서 안으로 굴절되어질 것이다. 어떤 각도에서는 경계로부터 빛이 굴절될 것이다. 제115도에 도시된 이 특성은 빔의 강도만을 고려한 경우보다 좁은 모양의 불릿을 제공한다.
[스텝 주기(step period)]
불릿은 연속적인 불릿 형태의 중첩이 라인을 형성하고 라인들의 중첩이 표면을 형성하는 스테레오리소그래피의 구축 블럭(building block)이다. 전술한 바와 같이, 불릿모양은 빔의 프로파일과 광학 효과에 의해 크게 좌우된다. 즉, 전체 치수는 얼마나 에너지가 액체에 입사되었는가-노출(exposure)이라고 함-에 따라 결정된다. 노출은 레이저 강도와 스텝 주기의 곱에 비례하고, 라인이 형성될 때 레이저 운동 사간 증가분을 10microsecond의 몇배인지로 정하는 동작 파라미터이다. 따라서, 스텝 주기는 레이저가 특정 위치에 초점을 맞추는 시간과 다음 위치로 이동하는데 필요한 짧은 경과(transit) 시간의 척도이다.
SLA-1에 의해 만들어진 실제 불릿의 측정 결과 불릿의 치수를 변화시킬 뿐 아니라 큰 스텝 주기값(5-4000밀이 사용가능)이 불릿의 모양에 영향을 준다는 것을 보여준다. 표본 불릿 모양과 다양한 스텝 주기에 따른 상대적 치수가 제116도에 도시되어 있다.
[스텝 크기]
제49도에 도시된 바와 같이, 불릿은 중첩되어 라인을 형성한다. 레이저가 불릿을 형성하는 사이에 움직이는 거리는 스텝 크기로 잘 알려진 파라미터이다. 만일 스텝 사이즈가 불릿의 최대 지름(즉 불릿의 상부를 가로질러 측정된)보다 작거나 같으면 그 불릿은 중첩되고 연속적 라인이 형성될 것이다. 스텝크기 선택에 따라 액체내에 그려진 라인의 경로를 따라 있는 많은 점은 한 스텝 주기이상 노출된다. 이 점들은 도시된 바와 같이 주위에 있는 점보다 좀더 많이 경화되어질 것이다.
[결합(bonding)과 중첩(overlap)]
라인의 두께는 라인을 형성하는 불릿의 누적된 경화 깊이이다. 연속적인 층에 있는 라인이 서로 접착되거나 결합될 때 층들이 수직으로 중첩되게 하기 위해 상부 라인의 두께는 층사이의 간격(층두께)보다 크다.
층과 층사이의 결합은 상부 층이 형성되는 동안에 하부 층은 빛을 흡수하고 더 경화될 만큼 표면과 충분히 가깝기 때문에 일어난다. 따라서 하부 층과 가장 최근에 형성된 상부 층사이에서 화학결합이 일어난다.
강한 층과 층사이의 결합 따라서 충분한 중첩은 강한 부품 형성에 필요하다. 중요하 점은 과도한 중첩은 층을 비틀어지게 한다는 것이다 6∼8mils의 전형적인 중첩이 적절하고 이 때 5∼30mils의 층 두께를 이룬다.
[작업 곡선]
적당한 중첩을 얻기 위해 어떤 스텝 주기값이 어떤 경화 깊이를 생산하는지 알아야 한다. 또한 다른 스텝 주기값 하에서 생성된 라인 폭을 알 필요가 있는데, 특히, 얇은 수직벽을 형성할 때, 틈(gap)을 없애기 위해 스킨 필을 필요로 하는 경사면의 각도를 결정할 때 그러하다.
[작업 곡선 정의]
작업 곡선은 스텝 주기값의 함수로서 라인 높이와 라인폭을 보여주는 그래프이다. 제117도에서 보는 것처럼 이 관계는 선형이 아니고 대수적이다. 즉, 만일 스텝 주기에 X가 곱해지면 스텝 주기의 라인높이와 폭은 X배 큰 것이 아니라 이것보다 훨씬 더 적은 만큼 증가한다.
작업 곡선은 스텝 주기의 대수가 라인 높이 또는 폭에 대해 그려질 때 직선보다 다소 처진다는 것을 보여준다. 그러므로 한 라인은 한점에 대한 스텝 주기값의 라인높이와 폭에 대한 대략적 관계를 나타내는 선형 방정식을 얻도록 맞추어진다.
[작업 곡선에 영향을 주는 변수들]
몇몇 변수들은 작업 곡선의 교차점과 경사에 영향을 준다. 여러가지 다른 수지들은 레이저의 자외선 빛에 각각 다른 감도를 보인다. 또한 레이저 파워도 SLA에 따라 다르고 같은 SLA에서도 날짜마다 다르다. 최종적으로, 레이저가 액체 표면에 집속되는 정도(즉, 광학 장치가 잘 정렬되었는지 청결한지)는 작업 곡선에 영향을 준다.
[작업 곡선에 대한 데이타 산출]
특정 수지와 레이저를 사용하여 다양한 스텝 주기값에 대한 라인 높이와 폭 데이타는 벤조탑이라 불리는 아주 작은 단일층 부품의 생성과 측정에 의해 얻어진다. 벤조탑은 액체 표면상에 생성되며 엘리베이터 플랫폼이 부착되어 있지 않다. 제46도에서 보는 것처럼, 벤조탑은 고정된 스텝 크기 2와 서로 다른 스텝 주기를 사용하여 다섯개의 라인을 형성한다.
벤조탑이 배수되고 후속 경화된 후에 그 라인의 높이와 폭이 측정되었다. 스텝 주기의 넓은 범위를 평가하기 위해 하나의 스텝 주기가 양쪽에 쓰이도록 하여 두개의 벤조탑을 생성하였다. SLA가 5∼4000의 스텝 주기를 허락한다. 한 벤조탑은 2560, 1280, 640, 320, 160의 스텝 주기로 만들어졌고, 다른 벤조탑은 160, 80, 40, 20의 스텝 주기로 만들어졌다.
[벤조탑 줄의 측정]
유틸리티 매뉴얼 옵션인 MAKE TEST PART.을 이용하여 벤조탑을 그린다. 다음과 같이 벤조탑 라인의 높이와 폭을 측정하라.
스텝 1) 측정 현미경대나 비접촉 측정장치에 상부면이 보이게 벤조탑을 놓아라.
스텝 2) 측정될 첫번째 줄을 스테이지 움직임의 축에 수직으로 하고, 그 줄의 중심은 눈으로 볼 수 있는 부분의 중간지점으로 한다.
스텝 3) 크로스 헤어가 줄의 한쪽 끝에 중심이 오도록 측정대를 이동시킨다. 교차가락들의 중간에 놓는다. 스크류 위치설정에서 백래쉬의 영향 최소화하기 위해 측정이 한 방향으로 이루어지는 위치로 측정대를 움직여야 한다는 것이 주의한다.
스텝 4) 측정대를 이동을 측정하는 카운터를 영으로 하거나 측정대의 위치를 기록하다.
스텝 5) 크로스 에어가 줄의 반대 끝에 오도록 측정대를 움직이고 값을 기록한다. 측정대가 지나치게 이동하였으면, 정확한 위치를 지나치도록 되돌아가서 다시 시도한다.
스텝 6) 단계 2∼5를 반복하여 나머지 줄의 폭을 측정한다. 스텝 주기에 대한 라인폭 데이타를 표에 적는다(compile).
스텝 7) 첫번째 벤조탑 짧은 변이 위로 오도록 고정시키고 단계 2∼5를 반복하여 라인 높이를 측정하라. 측정된 후 각 줄을 절단하여 다음 줄이 나타나게 한다.
스텝 8) 남아 있는 줄에 대해 스텝 7을 반복하라. 스텝주기값에 대해 라인 높이 데이타를 표에 적는다.
[표본 작업 곡선 계산]
벤조탑으로부터 측정된 데이터를 유틸리티 메뉴 MATERIAL MANGER를 이용하여 입력한다. 최소의 자승법을 이용하여 데이타점들은 한 라인에 근사시켜 각 라인의 기울기와 Y 절편을 계산한다.
작업 곡선의 기울기와 Y 절편을 사용하여 스텝 주기에 대한 라인 높이와 폭의 방정식 쓸 수 있다. 이 방정식은 다음과 같다.
(1) 높이=기울기 log SP+Y 절편 또는,
SP=10(높이-Y절편)/기울기)
(2) 폭=기울기 log SP+Y 절편 또는,
SP=10(폭-Y절편)/기울기)
MATERIAL MANGER가 이 방정식들을 어떻게 사용하는지 예로서, 층 두께 20mils에 대해 정확한 스텝 주기를 찾기로 한다. 층간 적절한 접착력이 있으려면 경화깊이를 26mils이 되어야 한다는 것을 명심한다. 높이 곡선의 기울기 13.76과 Y 절편-6.50을 사용한다. 방정식(1)의 두번째 식을 이용하여 적당한 스텝주기를 찾으면 다음과 같다.
Figure kpo00199
방정식(2)의 첫번째 식을 이용하여 230의 스텝주기에서 라인폭을 계산하라.
폭 곡선은 기울기 6.52와 Y 절편 2.91로 가정하자.
Figure kpo00200
라인폭은 근사 편평 표면을 설계할 때, 층사이의 틈을 없애기 위한 스킨(skin)의 표면각을 알아야 할 때 유용하다.
또한, 스텝 주기가 스킨 벡터에 대해 계산될 때 중요하다. 스킨벡터는 각각 1∼4mils 이격되어 있고 서로 많은 부분이 중첩되어 있다(예를 들어 8mil 폭에 스킨의 사이 간격이 2mil이라면 4번 중첩하여 노출될 것이다.). 따라서, 소기의 스킨 두께를 얻으려면, 이 두께의 단일 라인에 대한 스텝 주기값은 라인폭과 필벡터 간격의 비율만큼 감소되어야 한다. 예를 들어 2mil 간격에 대해 8/2=4의 비율이다.
[작업 곡선 재교정]
보통 작업 곡선은 수지 타입과 레이저와 광학 특성을 알아보기 위해 한번만 만들어진다. 그러나 레이저 파워가 변하므로 부품 만들기 전에 현재의 파워를 측정할 필요가 있다. 프리페어 메뉴 옵션 RANGE MANGER는 레이저파워가 변할 때 .R 범위 파일에 스텝주기값을 갱신하기 위해 사용된다.
[용어설명]
Figure kpo00201
Figure kpo00202
Figure kpo00203
Figure kpo00204
Figure kpo00205
Figure kpo00206
Figure kpo00207
Figure kpo00208
Figure kpo00209
Figure kpo00210
Figure kpo00211

Claims (78)

  1. 각 층에 기설정된 자극(prescribed stimulation)의 선정된 패턴(selected pattern)을 가하여 변형 가능한 유체 매질(transformable fluid medium)의 연속적인 층들을 선택적으로 고화시킴으로써 3차원 물체(30)를 형성하는 방법으로서, 상기 물체는 일련의 중첩된 래미나로 구축되어 있고(built of succession of superimposed laminae), 각층에 관한 상기 선정된 패턴은 상기 물체의 소정의 형상을(predetermined configuration) 정의하는 저장된 데이타를 처리함으로써 얻어지는 3차원 물체 형성 방법에 있어서, 상기 데이타 처리 단계는 상기 소정의 물체 형상의 중실의 볼륨(solid volume)을 정의하는 상기 저장된 데이타의 일부를 변형하여, 상기 중실의 볼륨을 내부 지지 구조(interior support structure)를 포함하는 볼륨으로 변환시키는 변형된 데이타(modified data)를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 내부 지지 구조는 사이에 고화되지 않은 매질을 남기기 위해 상기 구조의 이격된 요소들을 포함하고(having spaced elements of said structure for leaving unsolidified medium therebetween), 각층에 대한 상기 선정된 패턴은 상기 변형된 데이타로부터 도출된 데이타를 포함하는(incorporates) 것을 특징으로 하는 3차원 물체 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 변형된 데이타는 평행의 이격된 요소(parallel, spaced elements)들을 포함하는 내부 지지 구조를 기술하는(be descriptive of) 3차원 물체 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 변형된 데이타는 크로스 해치(cross-hatch)를 형성하도록 배열된 요소(elements)들을 포함하는 내부 지지 구조를 기술하는 3차원 물체 형성 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 변형된 데이타는 두개의 직각 방향으로 뻗어 있는(extending in two perpendicular directions) 크로스 해치 요소를 기술하는 3차원 물체 형성 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 변형된 데이타는 서로 60도를 이루는 두 방향으로 뻗어 있는 크로스 해치 요소를 기술하는 3차원 물체 형성 방법.
  6. 제1항 내지 제5항중 한 항에 있어서, 상기 변형 가능한 유체 매질의 각 층에 대한 상기 기설정된 자극의 선정된 패턴은 기설정된 자극의 빔을 스캐닝함으로써 제공되고, 층에 대한 선정된 패턴내의 상기 내부 지지 구조의 상기 요소는 상기 빔에 의해 추적될 벡터(vectors to be traced by said beam)를 표시하는 데이타에 의해 정의되는 3차원 물체 형성 방법.
  7. 제1항 내지 제5항중 한 항에 있어서, 소정의 층에 대한 상기 선정된 패턴을 기술하는 데이타는 상기 소정의 층으로부터 형성되는 래미나의 경계(boundaries)를 기술하는 데이타를 포함하는 3차원 물체 형성 방법.
  8. 제6항에 있어서, 소정의 층에 대한 상기 선정된 패턴을 기술하는 데이타는 상기 소정의 층으로부터 형성되는 래미나의 경계를 기술하는 데이타를 포함하는 3차원 물체 형성 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 경계를 기술하는 데이타는 상기 소정의 물체 형상을 정의하는 상기 저장된 데이타로부터 변형된 데이타를 포함하여, 상기 변형된 경계 기술 데이터(modified boundary-descriptive data)는 상기 선정된 패턴내의 경계가 상기 유체 매질에 작용하는 상기 빔에 의해 상기 유체 매질내에 유발될(induced) 경화폭(width of cure)의 반만큼 형성될 고화된 래미나의 안쪽으로 오프셋되는 것으로 정의하는 3차원 물체 형성 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 데이타 처리 단계는 노출 데이타(exposure data)를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 유체 매질의 서로 다른 노출양(different quantity of exposure)은 상기 물체의 내부를 기술하는 데이타와 관련되어 있기 보다는 경계 데이타(boundary data)와 관련되어 있는 3차원 물체 형성 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 데이타 처리 단계는 노출 데이타를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 유체 매질의 서로 다른 노출양은 상기 물체의 내부를 기술하는 데이타와 관련되어 있기 보다는 경계 데이타와 관련되어 있는 3차원 물체 형성 방법.
  12. 제1항 내지 제5항중 한 항에 있어서, 상기 데이타 처리 단계는 선정된 외곽부(exterior portions)-각각은 중첩된(superposed) 래미나로부터 구축될 물체의 하나의 래미나의 내부에(within the confines of one lamina) 있음-상에 연속적인 표면 스킨(surface skin)을 제공하는 스킨 데이타를 생성하는 단계를 포함하는 3차원 물체 형성 방법.
  13. 제6항에 있어서, 상기 데이타 처리 단계는 선정된 외곽부-각각은 중첩된 래미나로부터 구축될 물체의 하나의 래미나의 내부에 있음-상에 연속적인 표면 스킨(surface skin)을 제공하는 스킨 데이타를 생성하는 단계를 포함하는 3차원 물체 형성 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 데이타 처리 단계는 선정된 외곽부-각각은 중첩된 래미나로부터 구축될 물체의 하나의 래미나의 내부에 있음-상에 연속적인 표면 스킨을 제공하는 스킨 데이타를 생성하는 단계를 포함하는 3차원 물체 형성 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 데이타 처리 단계는 노출 데이타를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 유체 매질의 서로 다른 노출양은 상기 물체의 내부(interior portions)를 기술하는 데이타와 관련되어 있기보다는 스킨 데이타와 관련되어 있는 3차원 물체 형성 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 데이타 처리 단계는 노출 데이타를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 유체 매질의 서로 다른 노출양은 상기 물체의 내부를 기술하는 데이타와 관련되어 있기보다는 스킨 데이타와 관련되어 있는 3차원 물체 형성 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 데이타 처리 단계는 노출 데이타를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 유체 매질의 서로 다른 노출양은 상기 물체이 내부를 기술하는 데이타와 관련되어 있기보다는 스킨 데이타와 관련되어 있는 3차원 물체 형성 방법.
  18. 제1항 내지 제5항중 한 항에 있어서, 상기 변형 가능한 유체 매질은 광중합체 물질(photopolymer material)인 3차원 물체 형성 방법.
  19. 제6항에 있어서, 상기 변형 가능한 유체 매질은 광중합체 물질인 3차원 물체 형성 방법.
  20. 제9항에 있어서, 상기 변형 가능한 유체 매질은 광중합체 물질인 3차원 물체 형성 방법.
  21. 제10항에 있어서, 상기 변형 가능한 유체 매질은 광중합체 물질인 3차원 물체 형성 방법.
  22. 제11항에 있어서, 상기 변형 가능한 유체 매질은 광중합체 물질인 3차원 물체 형성 방법.
  23. 제18항에 있어서, 상기 기설정된 자극은 자외선 조사(ultraviolet radiation)인 3차원 물체 형성 방법.
  24. 제18항에 있어서, 소정의 물체 형상을 정의하는 상기 저장된 데이타는 상기 물체를 나타내는 표면 데이타를 포함하는 3차원 물체 형성 방법.
  25. 제19항에 있어서, 소정의 물체 형상을 정의하는 상기 저장된 데이타는 상기 물체를 나타내는 표면 데이타를 포함하는 3차원 물체 형성 방법.
  26. 제20항에 있어서, 소정의 물체 형상을 정의하는 상기 저장된 데이타는 상기 물체를 나타내는 표면 데이타를 포함하는 3차원 물체 형성 방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 표면 데이타는 다각형 포맷(polygonal format)인 3차원 물체 형성 방법.
  28. 제25항에 있어서, 상기 표면 데이타는 다각형 포맷인 3차원 물체 형성 방법.
  29. 제2항에 있어서, 상기 표면 데이타는 다각형 포맷인 3차원 물체 형성 방법.
  30. 제27항에 있어서, 상기 다각형 데이타는 삼각형을 표현하는 데이타 형태인 3차원 물체 형성 방법.
  31. 제28항에 있어서, 상기 다각형 데이타는 삼각형을 표현하는 데이타 형태인 3차원 물체 형성 방법.
  32. 제29항에 있어서, 상기 다각형 데이타는 삼각형을 표현하는 데이타 형태인 3차원 물체 형성 방법.
  33. 제30항에 있어서, 상기 삼각형 데이타는 3차원 CAD 데이타로부터 도출되는 3차원 물체 형성 방법.
  34. 제31항에 있어서, 상기 삼각형 데이타는 3차원 CAD 데이타로부터 도출되는 3차원 물체 형성 방법.
  35. 제32항에 있어서, 상기 삼각형 데이타는 3차원 CAD 데이타로부터 도출되는 3차원 물체 형성 방법.
  36. 제18항에 있어서, 물체의 형성 후에 단면 래미나(cross-sectional laminae)내에 남아 있는 고화되지 않은(unsolidified) 물질의 일부가 배출되고 남아 있는 유체 매질은 후속-경화(post-curing) 단계에서 고화되는 3차원 물체 형성 방법.
  37. 제20항에 있어서, 물체의 형성 후에 단면 래미나 내에 남아 있는 고화되지 않은 물질의 일부가 배출되고 남아 있는 유체 매질은 후속-경화 단계에서 고화되는 3차원 물체 형성 방법.
  38. 제18항에 있어서, 형성된 물체는 물체 내에 남아 있는 모든 유체 매질(any of the fluid medium remaining in the object)을 고화시키는 후속-경화 단계를 거치는(subject to a post-curing step) 3차원 물체 형성 방법.
  39. 제20항에 있어서 형성된 물체는 물체에 남아 있는 모든 유체 매질을 고화시키는 후속-경화 단계를 거치는 3차원 물체 형성 방법.
  40. 제22항에 있어서 형성된 물체는 물체에 남아 있는 유체 매질을 고화시키는 후속-경화 단계를 거치는 3차원 물체 형성 방법.
  41. 물체의 소정의 형상(predetermined configuration of the object)을 정의하는 저장된 데이타로부터 3차원 물체를 형성하기 위한 장치로서, 상기 물체는 일련의 중첩된 래미나로 구축되어 있고(built of succession of superimposed laminae), 각각의 래미나는 기설정된 자극을 선택적으로 인가하여 변형 가능한 유체 매질의 층을 고화함으로써 형성되고, 상기 장치는 상기 저장된 데이타로부터 각 유체층에 인가되는 자극의 패턴을 생성하기 위한 데이타 처리 수단을 포함하는 3차원 물체 형성 장치에 있어서, 상기 데이타 처리 수단은 상기 저장된 데이타에 응답하여 변형된 데이터를 생성하는 데이타 변형 수단(data-modifying means)을 포함하고, 상기 변형된 데이타는 소정의 물체 형상의 중실의 볼륨을 내부 지지 구조를 포함하는 볼륨으로 변환시키고, 상기 내부 지지 구조는 사이에 고화되지 않은 매질을 남기기 위해 상기 구조의 이격된 요소들을 포함하고, 상기 데이타 처리 수단은 각 유체층에 인가되는 자극의 패턴을 생성하기 위해 상기 변형된 데이타를 포함하는 데이타 상에서 작동가능한(operable on data incorporating said modified data) 3차원 물체 형성 장치.
  42. 제41항에 있어서, 상기 데이타 변형 수단은 평행의 이격된 요소(parallel, spaced elements)들을 포함하는 내부 지지 구조를 기술하는 변형된 데이타를 생성하도록 작동가능한(operable to generate) 3차원 물체 형성 장치.
  43. 제41항에 있어서, 상기 데이타 변형 수단(4)은 크로스 해치(cross-hatch)를 형성하도록 배열된 요소(elements)들을 포함하는 내부 지지 구조를 기술하는 변형된 데이타를 생성하도록 작동가능한 3차원 물체 형성 장치.
  44. 제43항에 있어서, 상기 데이타 변형 수단은 두개의 직각 방향으로 뻗어 있는 크로스 해치 요소를 기술하는 변형된 데이타를 생성하도록 작동가능한 3차원 물체 형성 장치.
  45. 제43항에 있어서, 상기 데이타 변형 수단은 서로 60도를 이루는 두 방향으로 뻗어 있는 크로스 해치 요소를 기술하는 변형된 데이타를 생성하도록 작동가능한 3차원 물체 형성 장치.
  46. 제41항 내지 제45항중 한 항에 있어서, 상기 변형 가능한 유체 매질의 각 층에 대한 상기 기설정된 자극의 선정된 패턴은 기설정된 자극의 빔을 스캐닝함으로써 제공되고, 상기 데이타 변형 수단은 한층에 대한 선정된 패턴내의 상기 내부 지지 구조의 상기 요소를 상기 빔에 의해 추적되는 벡터를 표시하는 데이타에 의해 정의되도록 작동가능한 3차원 물체 형성 장치.
  47. 제41항 내지 제45항중 한 항에 있어서, 상기 데이타 처리 수단은 상기 소정의 층으로부터 형성되는 래미나의 경계를 기술하는 데이타를 생성하도록 작동가능한 3차원 물체 형성 장치.
  48. 제46항에 있어서, 상기 데이타 처리 수단은 상기 소정의 층으로부터 형성되는 래미나의 경계를 기술하는 데이타를 생성하도록 작동가능한 3차원 물체 형성 장치.
  49. 제48항에 있어서, 상기 데이타 처리 수단은 경계를 기술하는 상기 데이타를 상기 소정의 물체 형상을 정의하는 상기 저장된 데이타로부터 변형된 데이타로서 생성하도록 작동가능하고, 상기 변형된 경계 기술 데이타(modified boundary-descriptive data)는 상기 선정된 패턴내의 경계가 상기 유체 매질에 작용하는 상기 빔에 의해 유발될 경화폭의 반만큼 형성될 고화된 래미나의 안쪽으로 오프셋되는 것으로 정의하는 3차원 물체 형성 장치.
  50. 제47항에 있어서, 상기 데이타 처리 수단은 노출 데이타를 생성하도록 작동가능하고, 상기 유체 매질의 서로 다른 노출양(different quantity of exposure)은 상기 물체의 내부를 기술하는 데이타와 관련되어 있기보다는 경계 데이타와 관련되어 있는 3차원 물체 형성 장치.
  51. 제49항에 있어서, 상기 데이타 처리 수단은 노출 데이타를 생성하도록 작동가능하고, 상기 유체 매질의 서로 다른 노출양은 상기 물체의 내부를 기술하는 데이타와 관련되어 있기 보다는 경계 데이타와 관련되어 있는 3차원 물체 형성 장치.
  52. 제41항 내지 제45항중 한 항에 있어서, 상기 데이타 처리 수단은 선정된 외곽부(exterior portions)-각각은 중첩된(superposed) 래미나로부터 구축될 물체의 하나의 래미나의 내부에(within the confines of on lamina) 있음-상에 연속적인 표면 스킨(surface skin)을 제공하는 스킨 데이타를 생성하도록 작동가능한 3차원 물체 형성 장치.
  53. 제46항에 있어서, 상기 데이타 처리 수단은 선정된 외곽부-각각은 중첩된 래미나로부터 구축될 물체의 하나의 래미나의 내부에 있음-상에 연속적인 표면 스킨을 제공하는 스킨 데이타를 생성하도록 작동가능한 3차원 물체 형성 장치.
  54. 제49항에 있어서, 상기 데이타 처리 수단은 선정된 외곽부-각각은 중첩된 래미나로부터 구축될 물체의 하나의 래미나의 내부에 있음-상에 연속적인 표면 스킨을 제공하는 스킨 데이타를 생성하도록 작동가능한 3차원 물체 형성 장치.
  55. 제42항에 있어서, 상기 데이타 처리 수단은 노출 데이타를 생성하도록 작동가능하고, 상기 매질의 서로 다른 노출양(different quantity of exposure)은 상기 물체의 내부를 기술하는 데이타와 관련되어 있기 보다는 스킨 데이타와 관련되어 있는 3차원 물체 형성 장치.
  56. 제43항에 있어서, 상기 데이타 처리 수단은 노출 데이타를 생성하도록 작동가능하고, 상기 매질의 서로 다른 노출양(different quantity of exposure)은 상기 물체의 내부를 기술하는 데이타와 관련되어 있기 보다는 스킨 데이타와 관련되어 있는 3차원 물체 형성 장치.
  57. 제44항에 있어서, 상기 데이타 처리 수단은 노출 데이타를 생성하도록 작동가능하고, 상기 매질의 서로 다른 노출양(different quantity of exposure)은 상기 물체의 내부를 기술하는 데이타와 관련되어 있기 보다는 스킨 데이타와 관련되어 있는 3차원 물체 형성 장치.
  58. 제41항 내지 제45항중 한 항에 있어서, 상기 변형 가능한 유체 매질은 광중합체 물질인 3차원 물체 형성 장치.
  59. 제46항에 있어서, 상기 변형 가능한 유체 매질은 광중합체 물질인 3차원 물체 형성 장치.
  60. 제49항에 있어서, 상기 변형 가능한 유체 매질은 광중합체 물질인 3차원 물체 형성 장치.
  61. 제50항에 있어서, 상기 변형 가능한 유체 매질은 광중합체 물질인 3차원 물체 형성 장치.
  62. 제51항에 있어서, 상기 변형 가능한 유체 매질은 광중합체 물질인 3차원 물체 형성 장치.
  63. 제48항에 있어서, 상기 기설정된 자극은 자외선 조사(ultraviolet radiation)인 3차원 물체 형성 장치.
  64. 제48항에 있어서, 소정의 물체 형상을 정의하는 상기 저장된 데이타는 상기 물체를 표현하는 표면 데이타를 포함하는 3차원 물체 형성 장치.
  65. 제49항에 있어서, 소정의 물체 형상을 정의하는 상기 저장된 데이타는 상기 물체를 표현하는 표면 데이타를 포함하는 3차원 물체 형성 장치.
  66. 제50항에 있어서, 소정의 물체 형상을 정의하는 상기 저장된 데이타는 상기 물체를 표현하는 표면 데이타를 포함하는 3차원 물체 형성 장치.
  67. 제54항에 있어서, 상기 표면 데이타는 다각형 포맷(polygonal format)인 3차원 물체 형성 장치.
  68. 제55항에 있어서, 상기 표면 데이타는 다각형 포맷인 3차원 물체 형성 장치.
  69. 제56항에 있어서, 상기 표면 데이타는 다각형 포맷인 3차원 물체 형성 장치.
  70. 제53항에 있어서, 상기 다각형 데이타는 삼각형을 표현하는 데이타 형태인 3차원 물체 형성 장치.
  71. 제58항에 있어서, 상기 다각형 데이타는 삼각형을 표현하는 데이타 형태인 3차원 물체 형성 장치.
  72. 제59항에 있어서, 상기 다각형 데이타는 삼각형을 표현하는 데이타 형태인 3차원 물체 형성 장치.
  73. 제60항에 있어서, 3차원 CAD 데이타로부터 상기 삼각형 데이타를 도출하는 수단을 더 포함하는 3차원 물체 형성 장치.
  74. 제61항에 있어서, 3차원 CAD 데이타로부터 상기 삼각형 데이타를 도출하는 수단을 더 포함하는 3차원 물체 형성 장치.
  75. 제62항에 있어서, 3차원 CAD 데이타로부터 상기 삼각형 데이타를 도출하는 수단을 더 포함하는 3차원 물체 형성 장치.
  76. 제48항에 있어서, 형성된 물체가 물체내에 남아 있는 유체 매질이 고화되는 후속 경화 단계를 거치게 하는 수단을 더 포함하는 3차원 물체 형성 장치.
  77. 제50항에 있어서, 형성된 물체가 물체내에 남아 있는 유체 매질이 고화되는 후속 경화 단계를 거치게 하는 수단을 더 포함하는 3차원 물체 형성 장치.
  78. 제52항에 있어서, 형성된 물체가 물체내에 남아 있는 유체 매질이 고화되는 후속 경화 단계를 거치게 하는 수단을 더 포함하는 3차원 물체 형성 장치.
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