KR100270934B1 - 후처리를 최소화하는 판재적층방식 쾌속조형법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 후처리를 최소화하는 판재적층방식 쾌속조형법에 관한 것으로, 접착력 있는 판재를 2회 절단 후 적층하여 시작품의 성형 속도를 향상시키고, 장비가격 및 유지비를 저하시키며, 시작품의 성형 형상의 제약과 후처리 비용을 최소화하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 절단 데이터를 1차 절단 단면 데이터와 2차 절단 단면 데이터로 분리하여 생성한 후, 판재공급 로울러에 감겨있는 판재를 제 1 플랫폼으로 이동시켜 1차 절단 데이터에 의해 제거영역의 외곽선을 절단하고, 보호용지 제거 시 보호용지와 절단된 외곽선의 내부를 동시에 제거한 다음, 상기 불필요한 부분이 제거된 판재를 제 2 플랫폼의 성형된 파트 위로 이송하여 파트 상부에 접착한 후, 2차 절단 데이터에 의한 추가절단을 수행하는 과정을 반복하여 시작품을 성형하는 후처리를 최소화하는 판재적층방식 쾌속조형법을 제공하는 것이다.

Description

후처리를 최소화하는 판재적층방식 쾌속조형법
본 발명은 접착력이 있는 판재에 2 회의 절단작업을 수행한 후 적층하는 과정을 반복하여 최종 성형 후 후처리 비용을 최소화하는 판재적층방식 쾌속조형법(Rapid Prototyping, RP)에 관한 것이다.
사출금형 등의 제작 시, 제품 개발 초기 단계에서 설계상의 오류 및 디자인 검증을 위하여 일반적으로 시작품(prototype)을 제작한다. 시작품은 주로 나무, 플라스틱 등 가공하기 쉬운 재료를 이용하여 제작하는데, 이에는 적지 않은 시간과 비용이 소요되며 자유곡면 등은 정확하게 가공할 수 없다는 단점이 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 쾌속조형법이 설계 단계에서 활용되고 있는데, 쾌속조형법의 기본 성형원리는 주어진 3차원 형상 데이터를 특정 성형방향에 대한 2차원 단면 데이터로 근사 표현한 후, 모델을 아래층부터 층별 성형( layer-by-layer manufacturing )하여 3차원으로 성형하는 것이다.
현재까지 다양한 종류의 쾌속조형법이 개발되었는데, 대표적인 것으로는 레이저를 이용하여 광경화성 수지, 수지 필라멘트 또는 수지 분말을 상변화시켜 성형하는 SLA( Stereolithography Apparatus), FDM(Fused Deposition Modeling), SLS(Selective Laser Sintering)와 왁스, 파라핀을 잉크젯 방식으로 적층하는 모델메이커(ModelMaker), 액츄어(Actua), 종이를 적층한 후 단면 데이터를 절단하는 LOM(Laminated Object Manufacturing), 기라(KIRA), JP System 5 등이 있다. 상기 쾌속조형법들은 각각의 장단점을 갖고 있으며, 사용자의 용도에 가장 적합한 방법을 채택하여 사용하여야 한다.
상기 판재적층방식은 타 방식에 비하여 성형속도가 빠르고, 성형 가능한 제품의 크기가 크며, 재료비가 싸고 상변화가 없어 변형이 적다는 장점이 있다. 그러나, 판재적층방식으로 성형한 제품은 성형 후 디큐빙(decubing)이라고 하는 불필요한 부분을 제거하는 과정이 필요하게 되어 후처리에 많은 시간과 비용이 소요되며, 후처리가 불가능한 작은 구멍, 갇힌 영역(trapped volume) 등과 같은 형상을 포함한 제품은 성형할 수 없다는 단점이 있다. 또한, 적층 시 고온의 로울러를 사용하여 열에 의한 변형이 생긴다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 시작품의 성형 속도를 향상시키고, 장비가격 및 유지비를 저하시키며, 시작품의 성형 형상의 제약과 후처리 비용을 최소화하는 판재적층방식 쾌속조형법을 제공하는 것이다.
본 발명은 절단 데이터를 1차 절단 데이터와 2차 절단 데이터로 분리하여 생성한 후, 판재공급 로울러에 감겨있는 판재를 제 1 플랫폼으로 이동시켜 1차 절단 데이터에 의해 제거영역의 외곽선을 절단하고, 보호용지 제거 시 보호용지와 절단된 외곽선의 내부를 동시에 제거한 다음, 상기 불필요한 부분이 제거된 판재를 제 2 플랫폼의 성형된 파트 위로 이송하여 파트 상부에 접착한 후, 2차 절단 데이터에 의한 추가절단을 수행하는 과정을 반복하여 시작품을 성형하는 후처리를 최소화하는 판재적층방식 쾌속조형법을 제공한다.
도 1 : 본 발명의 작동원리도
도 2 : 본 발명의 구성도
도 3 : 본 발명을 설명하기 위한 실시예도
도 4 : 도 3의 1, 2차 절단 데이터
도 5 : 본 발명을 설명하기 위한 다른 실시예도
도 6 : 본 발명과 종래의 방법을 이용한 도 5의 단면 데이터
도 7 : 본 발명에 따라 브리지가 형성된 단면 데이터
도 8 : 본 발명에 따른 1, 2차 절단 데이터
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
(1) : 제 1 모터 (2) : 제 2 모터
(3) : 판재 공급 로울러 (3`) : 감김 로울러
(4) : 판재 (5) : 제 1 플랫폼
(6) : 제 2 플랫폼 (8) : 제거영역 외곽선
(10) : 접착 로울러 (30,30`): 브리지(bridge)
(41) : 보호용지 (42) : 보호용지가 제거된 판재
(61) : 파트(part) (71) : 제 1 로울러
(72) : 제 2 로울러 (73) : 제 3 로울러
(74) : 제 4 로울러 (91) : 제 5 로울러
(92) : 제 6 로울러 (93) : 제 7 로울러
(94) : 제 8 로울러 (100): 구
(101,310): 1차 절단 데이터 (102,320): 2차 절단 데이터
(200): 구가 삽입된 박스 형상의 시작품
(300): 구멍을 포함하는 원통 시작품
(301): 내부원 (302): 다수 개의 구멍
(303): 외부원
도 1 은 본 발명의 작동원리도를, 도 2 는 본 발명의 구성도를 도시한 것으로, 본 시스템은 먼저, 3차원 형상 데이터를 2차원 단면데이터의 집합으로 근사화한다. 한 층의 두께는 사용되는 판재의 두께와 일치한다. 2차원 단면 데이터가 생성되면, 판재를 적층하고, 접착한 후, 2차원 단면 데이터를 절단하는 과정을 반복하여 3차원 형상을 성형하도록 되어 있다.
즉, 2차원 단면 데이터가 생성되면, 제 2 모터(2)의 작동에 의해 판재 공급 로울러(3)에 감겨 있는 판재(4)가 로울러를 따라 제 1 플랫폼(5)으로 이동되고, 상기 제 1 플랫폼(5)에서 제거영역의 외곽선(8)이 1차 절단되며, 상기 절단된 외곽선의 내부는 판재 보호용지(41)와 함께 제거됨과 동시에, 외곽선(8) 내부(불필요한 부분)가 제거된 판재(42)는 제 2 플랫폼(6)의 성형된 파트(61) 위로 이송되어 파트(61) 상부에 접착되고, 나머지 절단선이 2차 절단된다.
이를 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 판재 공급 로울러(3)에 감겨 있는 접착성을 구비하는 판재(4)는 제 2 모터(2)의 작동에 의해 제 1 로울러(71)를 따라 제 1 플랫폼(5)으로 이송되고, 불필요한 부분의 외곽선(8)이 1차 절단된 후, 판재 보호용지(41)는 제 2 로울러(72)에 의해 제 4 로울러(74)로 이송됨과 동시에, 보호용지(41)가 제거된 판재(42)는 제 2 로울러(72)와 제 3 로울러(73) 및 제 5 로울러(91)에 의해 제 2 플랫폼(6) 상부로 이송된다. 이와 같이 보호용지(41)가 제거된 판재(42)가 제 2 플랫폼(6) 상부로 이송되면, 제 1 모터(1)의 작동에 의해 제 2 플랫폼(6)이 상부로 이동되고, 상기 이송된 판재(42)는 로울러(10)에 의해 제 2 플랫폼(6) 상부의 지금까지 성형된 파트(61)에 접착된 후, 2차 절단된다. 판재(42)의 2차 절단이 끝나면, 제 1 모터(1)에 의해 제 2 플랫폼(6)이 다시 하강하고, 2차 절단된 판재(42)는 제 2 모터(2)에 의해 제 6 로울러(92)와 제 7 로울러(93) 및 제 8 로울러(94)를 통해 제 4 로울러(74)로 이송되어 제 2 로울러(72)를 통해 제 4 로울러(74)로 이송된 보호용지(41)에 접착되어 감김 로울러(3`)에 감긴다. 상기 과정은 시작품이 완성될 때까지 반복된다.
이하 본 발명의 실시예를 도 3 과 도 8 에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
실시예 1
도 3 과 같은 형상의 물체는 기존의 판재적층방식 쾌속조형기로 성형할 경우 구멍 부분에도 판재가 적층되어 이를 제거하는 데에 많은 시간과 비용이 소요되며, 구멍이 작은 경우 성형이 불가능하다.
본 발명을 이용하여 도 3 과 같이 다수 개의 구멍을 포함하는 원통 시작품(300)을 제작하고자 할 경우, 먼저 도 4a 에 도시된 바와 같이 내부원(301)과 다수 개의 구멍(302) 외곽선을 추출하여 1차 절단 데이터(310)를 생성하고, 도 4b 에 도시된 바와 같이 외부원(303)의 외곽선을 추출하여 2차 절단 데이터(320)를 생성한다.
이와 같이 1차 절단 데이터(310)와 2차 절단 데이터(320)가 생성되면 제 2 모터(2)를 작동시켜 판재 공급 로울러(3)에 감겨 있는 판재(4)를 제 1 플랫폼(5)으로 이송하고, 상기 판재(4) 밑에 정전기를 부하하여 판재(4)를 부착시킨 후, 1차 절단 데이터(310)에 따라 판재(4)를 1차 절단하여 제거영역을 생성한다. 이와 같이 1차 절단된 판재는 제 2 로울러(72)와 제 3 로울러(73) 및 제 5 로울러(91)에 의해 제 2 플랫폼으로 이송되고, 판재의 보호용지(41)는 1차 절단 데이터(310)에 의해 생성된 제거영역의 내부와 함께 제 2 로울러(72)를 통해 제 4 로울러로 이송된다. 즉, 1차 절단 데이터(310)에 의해 절단된 제거영역(내부원과 다수 개의 구멍 내부)은 보호용지(41)의 제거 시 보호용지(41)와 함께 제거된다.
보호용지(41)가 제거된 판재(42)가 제 2 플랫폼(6) 상부로 이송되면, 제 1 모터(1)에 의해 상승된 제 2 플랫폼(6) 상부의 파트(61)에 보호용지가 제거된 판재(42)를 접합하고, 2차 절단 데이터(320)에 의해 판재(42)를 2차 절단한다. 상기와 같이 1차 절단 데이터(310)와 2차 절단 데이터(320)에 의해 2회 절단된 판재(4)를 반복·적층하면 다수개의 구멍(302)을 포함하는 원통 시작품(300)을 성형할 수 있다.
실시예 2
본 발명을 이용하여 도 5와 같이 구(100)가 내부에 삽입된 박스 형상의 시작품(200)을 성형하고자 할 경우에는 1차 절단 데이터 및 2차 절단 데이터 생성 시, 추가의 작업이 필요하게 된다. 기존의 판재적층방식 쾌속조형기로 도 5 의 시작품을 성형하게 되면 내부의 부분에도 판재가 적층되어 이를 제거하기가 거의 불가능하다. 본 발명에서는 불필요한 부분을 미리 제거하므로 이와 같은 형상의 시작품도 성형이 가능하다. 이를 위해서는 기존의 방법과 달리 3차원 모델의 단면데이터에 내부의 빈 공간 정보가 포함되어야 한다.
도 6a 는 도 5 의 시작품에 대한 단면 중 한 개다. 3차원 모델에 대하여 단면정보를 구하면 도 6a 와 같이 내부의 빈 공간에 대한 정보를 포함하고 있지 않게 되므로, 본 발명에서는 도 6b 와 같이 시작품의 외곽선에서 도 6a 를 제외한 부분을 제거영역으로 정의하였다. 이 경우 도 6b 의 빗금 친 부분이 1차 절단 및 보호용지 제거과정에서 제거되게 된다. 그러나, 이 경우 빗금 친 부분과 함께 A 부분과 같은 고립지역(island)이 제거되게 되므로, 이를 방지하기 위하여 도 7a 와 같이 잔류지역과 고립지역을 연결하는 브리지(bridge)(30)를 생성한다. 이때 상기 브리지(30)는 높은 장력을 유지하도록 판재의 진행방향과 동일한 방향으로 생성된다.
또한 1차 절단 후 판재(42)가 이송되는 동안 즉, 보호용지(41)가 제거된 판재(42)가 이송되는 동안, 도 7a의 'B'와 같이 오목한 형상의 제거영역은 중력에 의해 아래로 처져 임의의 부분에 접착될 수 있으므로, 도 7b 와 같이 브리지(30`)를 추가로 생성하여 오목한 형상의 제거영역의 처짐을 방지한다.
이상의 과정을 거쳐 도 7b 와 같은 단면 데이터가 완성되면 이를 도 8a, 8b와 같이 1차 절단, 2차 절단 데이터로 분리하여 전술한 바와 같은 방법으로 성형한다.
이와 같이 본 발명은 불필요한 부분을 보호용지와 함께 2차 절단 전에 미리 제거하여 후처리 량을 최소화하고, 작업속도를 향상시키는 동시에 시작품의 성형 형상을 폭 넓게 조절할 수 있다. 또한, 상변화가 없으므로 장비가격 및 유지비를 저하시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 고온의 로울러를 사용하지 않아 성형 후 파트의 변형을 최소화하였으며, 열에 약한 재질의 사용을 가능하게 하여 정밀 주조(Investment casting)에 유리하게 사용할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 절단데이터를 제거영역의 외곽선의 집합인 1차 절단 데이터와 나머지 절단선의 집합인 2차 절단 데이터로 분리 생성하고,
    제 2 모터에 의해 판재 공급 로울러에 감겨 있는 판재를 제 1 플랫폼으로 이동하여 1 차 절단 단면 데이터에 의해 제거영역의 외곽선을 절단하며,
    상기 절단된 외곽선의 내부를 판재 보호용지와 함께 제거한 후,
    외곽선 내부(불필요한 부분)가 제거된 판재를 제 1 모터에 의해 상/하 이동되는 제 2 플랫폼의 성형된 파트 위로 이송하여 파트 상부에 접착시킨 다음,
    2차 절단 단면 데이터에 의해 나머지 절단선을 2차 절단하는 것을 특징으로 하는 후처리를 최소화하는 판재적층방식 쾌속조형법.
  2. 제 1 항에 있어서;
    상기 절단 데이터에 판재의 1차 절단 후 보호용지의 제거 시, 제거영역 내부에 위치한 고립지역의 제거를 방지하기 위하여, 잔류 지역과 고립지역을 연결하는 브리지를 생성하는 것을 특징으로 하는 후처리를 최소화하는 판재적층방식 쾌속조형법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서;
    상기 절단 데이터에 판재의 1차 절단 후 이송 시 오목한 형상의 제거영역이 처지는 것을 방지하기 위하여 제거영역 처짐 방지 브리지를 생성하는 것을 특징으로 하는 후처리를 최소화하는 판재적층방식 쾌속조형법.
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