KR100291953B1 - 가변 용착 적층식 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치 - Google Patents

가변 용착 적층식 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기식 용융장치로 용융된 금속, 비금속의 용융재료를 가변두께, 가변폭, 가변경사의 기능을 구비한 가변노즐로 제어하여 용착 적층함으로써 조형시간과 정밀도를 획기적으로 향상시키는 데 그 목적이 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 시제품을 모델링하고 모델링된 시제품을 절단 알고리즘을 이용하여 임의의 두께를 갖는 다수의 가변두께 절단면으로 절단하며 가변두께 절단면을 분할 알고리즘을 이용하여 한번에 조형할 수 있는 다수의 부영역 분할적층면으로 분할하는 제어장치(31)와, 시제품의 재질 또는 시제품을 지지하는 지지부의 재질이 되는 용융재료를 공급하는 용융재료 공급장치(11)와, 용융재료 공급장치(11)를 통해 공급된 용융재료를 유동성의 액체상태로 용융액체화하고 공급하는 용융장치(13)와, 용융장치(13)를 통해 공급된 용융재료의 유량을 제어하는 유량제어장치(14)와, 유량제어장치(14)를 통해 공급되는 용융재료를 가변적으로 분출하여 부영역 분할적층면을 형성하는 가변노즐(15) 및, 가변노즐(15)을 통해 분출되는 용융재료에 의해 3차원형상의 시제품(41)이 조형될 수 있는 X, Y, Z축방향으로 이동하고 회전가능한 이송장치(21 ∼ 30)를 포함한다.

Description

가변 용착 적층식 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치{Variable deposition manufacturing method and apparatus}
본 발명은 쾌속조형방법에 관한 것이며, 특히, 3차원 모델을 다수의 부영역으로 분할한 후 실시간으로 적층하여 시제품(prototypes)이나 몰드(molds)를 제작하는 가변 용착 적층식 쾌속조형방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 3차원 모델을 다수의 부영역으로 분할한 후 실시간으로 적층하여 시제품(prototypes)이나 몰드(molds)를 제작하는 가변 용착 적층식 쾌속조형장치에 관한 것이기도 하다.
본 발명은 자동차, 전자, 항공(예 : 항공기 터빈 블레이드, 원심 압축기의 임펠러), 사출 금속금형과 복잡한 형상의 금속제품 및 의공학(예 : 인공관절, 인공치아) 등 여러 산업분야에서 시작공정의 시제품의 제작에 사용된다. 또한, 본 발명은 친화력이 있는 이종의 용융재료를 이용한 합금금속의 기능성 제품 제작(예 : 주철재료 제품표면의 내마모성 금속코팅 용착) 및 제품의 소량생산 등에 활용될 수 있다. 특히, 본 발명은 3축 혹은 5축 절삭가공으로 제작이 불가능한 복잡한 3차원 형상을 빠른 시간내에 신속히 제작하는 데 사용된다.
종래의 쾌속조형방법은 액체상태의 재료를 레이저 광선을 조사하여 경화시켜 3차원 형상을 제조하는 경화법과, 입상(粒狀) 또는 층상(層狀)으로 된 고체 소재를 원하는 형태로 접합시켜 만드는 방법 등 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
여기에서, 쾌속조형방법이란 종이, 왁스, ABS 및 플라스틱 등의 여러 가지 비금속, 금속재료를 사용하여 3차원 CAD 데이터로부터 직접 3차원 형상의 시작품 또는 몰드를 곧바로 조형하는 방법을 일컫는 것으로서, 최근에는 이에 사용되는 재질이 금속분말 및 금속와이어(wire) 등으로 다양한 방법이 개발되고 있는 실정이다.
먼저, 상기의 경화법 중의 하나인 광조형(stereolithography, SLA ; 3D Systems사)방법은 액체상태의 광경화성 수지(photo polymer)에 선택적으로 레이저빔을 조사하여 응고시키는 방식으로 한 층씩 계속적으로 적층해 나가는 방식이다. 이런 광조형 방법은 레이저빔을 국소적으로 조사하는 방법(3D Systems사-SLA, Quadrax사, Sony사, Dupont사 등)과, 자외선 램프를 이용하여 한꺼번에 한 층씩을 조사하는 방법(Cubital사-SGC, Light Sculpting사 등) 등 두 가지 방식이 있다.
그러나, 이런 광조형 방법은 작업공정 중 응고된 광경화성 수지가 경화시에 수축되고 이로 인해 뒤틀림 현상이 발생된다는 단점이 있다. 또한, 돌출부가 있는 제품을 제작할 경우에는 이런 돌출부를 형성하기 위해 사용되는 광경화성 수지가 아래로 떨어지지 않도록 지지하는 지지대가 필요하다는 단점이 있다. 또한, 수지가 재료로 사용되므로 강도가 떨어져 기능성 재료로서의 이용이 어렵다는 단점이 있다.
그리고, 분말재료를 이용하여 형상을 제조하는 방법에는, 선택적 레이저 소결조형(selective laser sintering, SLS ; DTM사)방법과 3차원 프린팅(three dimension printing ; Solingen사, Z Corp. 등 - MIT개발)방법 등이 있다.
이런 선택적 레이저 소결조형방법은 플라스틱류의 분말재료를 도포하고, 레이저빔을 조사하여 분말을 결합하는 방식으로 제품을 제작한다. 또한, 이런 선택적 레이저 소결조형방법은 플라스틱을 표면에 코팅한 철분말을 이용하여 금속제품이나 몰드를 제작하는 데 사용되기도 한다.
그러나, 이렇게 플라스틱을 표면에 코팅한 철분말을 이용하여 금속제품이나 몰드를 제작할 경우에는, 표면에 코팅된 플라스틱을 제거하고 철분말들을 서로 결합할 수 있도록 소결(sintering)하여야 한다. 또한, 철분말들 사이에 형성된 공극을 채울 수 있도록 구리용침을 하는 등 후처리가 필요하다. 그러나, 이런 선택적 레이저 소결조형방법은 후처리 과정에서 열변형에 의한 수축이 일어나므로 치수정밀도를 맞추기가 어렵다는 단점이 있다.
그리고, 3차원 프린팅방법은 도포된 분말에 액체상태의 결합제를 선택적으로 뿌려서 제품을 만든다. 즉, 이런 3차원 프린팅방법을 이용함으로써, 세라믹 분말로부터 인베스트먼트 케스팅(investment casting)용 세리믹쉘(ceramic shell)을 직접 만들거나, 녹말(starch)성분을 기본으로 하는 분말재료를 사용하여 제품을 제작할 수도 있다. 그러나, 이런 3차원 프린팅방법은 제품의 밀도와 강도증가를 위해 후처리가 필수적이므로 열변형에 의한 수축이 발생한다는 단점이 있다.
또한, 박판재료 적층(laminated object manufacturing, LOM ; Helisys사)방법은 얇은 박판형상의 종이를 가열된 롤러를 사용하여 접착하고 레이저로 절단하는 과정을 반복하여 제품을 제작한다. 그러나, 이런 박판재료 적층방법은 재료로 종이를 사용하므로 운영비가 저렴하다는 장점은 있지만, 제품 제작후 제품을 빼내는데 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다.
예를 들어, 구형상의 제품을 제작할 경우에 있어서, 종이를 순차적으로 적층 및 절단하는 과정을 통해 구형상의 제품이 제작되면, 구형상 제품 이외의 잔류 종이부분이 제작된 구형상 제품의 둘레를 감싸고 있어 이런 잔류 종이부분으로부터 구형상 제품을 빼내는데 많은 시간이 소요된다. 또한, 현재 플라스틱 박판재료가 개발되어 플라스틱 제품을 제작할 수 있으나 종이의 경우와 마찬가지로 제품을 빼내는 공정이 어렵다는 단점이 있다.
또한, 용착조형(fused deposition modeling, FDM ; Stratasys사)방법은 필라멘트(filament)형태의 플라스틱류 재료를 압출금형과 유사한 형태의 가열된 노즐사이로 통과시켜 용융상태로 만들어서 접착하는 방식으로 제품을 제작한다. 그러나, 이런 용착조형방법은 필라멘트 형태의 재료를 사용하기 때문에 표면이 거칠다는 단점이 있다.
아래에서는 금속과 같은 기능성 재료의 제품이나 몰드를 직접 제작하는 쾌속조형방법에 대해 설명하겠다.
최근 상용화된 LENS(Laser Engineered Net Shaping ; Optomec사 - Sandia National Lab. 개발)방법은 레이저빔을 이용하여 금속 기저(substrate)를 국부적으로 가열하여 작은 용탕풀(melt pool)을 만들고, 이 곳에 금속분말을 가스를 이용하여 떨어뜨리는 방식으로 제품을 제작한다.
그러나, 이런 LENS 방법은 금속을 완전히 녹여서 제품을 제작하기 때문에 응고시 변형이 심하여 치수 정밀도가 떨어진다는 단점이 있다. 또한, 이런 LENS 방법은 용융물을 이용한 제품의 제작방법이므로 돌출부나 외팔보 형태를 지닌 제품을 제작하기가 불가능하다는 단점이 있다.
그리고, SDM(Shape Deposition Manufacturing ; Stanford Univ, Carnegie Mellon Univ)방법은 금속 용착(deposition)과 CNC 기계가공을 결합한 방법이다. 이런 SDM 방법은 먼저 금속을 용착한 후에 다축 CNC 밀링을 이용하여 원하는 두께와 경계형상을 갖도록 가공하고, 같은 층의 나머지 부분은 다른 금속재료로 채운 후에 다시 CNC 가공을 하여 한 층을 완성한다. 이렇게 한 층이 완성된 후에는 잔류응력을 제거하기 위하여 숏 피닝(shot peening) 작업을 한다. 이런 일련의 과정을 수행함으로써 원하는 제품을 제작하게 된다.
그러나, 이런 SDM 방법은 여러 가지 과정을 반복적으로 수행해야 함으로 제품을 제작하는데 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전기식 용융장치로 용융된 금속, 비금속의 용융재료를 가변두께, 가변폭, 가변경사의 기능을 구비한 가변노즐로 제어하여 용착 적층함으로써 조형시간과 정밀도를 획기적으로 향상시키는 가변 용착 적층식 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 용착 적층식 쾌속조형장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고,
도 2는 본 발명의 가변 용착 적층식 쾌속조형방법을 설명하기 위한 공정도이고,
도 3은 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 가변노즐의 구성요소 및 시제품의 제작과정을 설명하기 위한 사시도이고,
도 4는 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 시스템을 설명하기 위한 공정도이고,
도 5는 본 발명의 시제품에 대한 3차원 조감도이고,
도 6은 도 5에 도시된 시제품의 가변두께 절단도이며,
도 7은 도 6에 도시된 가변두께 절단면을 부영역으로 분할한 도면.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
11 : 용융재료 공급장치 13 : 전기적 용융장치
14 : 유량제어장치 15 : 가변노즐
16 : 노즐예열장치 21, 22 : X축 이송부
23, 24 : Y축 이송부 25, 26 : Z축 이송부
31 : 시스템 32 : 용융재료 공급제어부
33 : 가변노즐 제어부 34 : 시제품 위치제어부
42 : 가변두께 절단면 43, 44 : 부영역 분할적층면
151 : 노즐링크부 154 : 두께조절부
155 : 폭조절부 156 : 경사조절부
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 시제품을 모델링하는 단계와, 모델링된 시제품을 절단 알고리즘을 이용하여 임의의 두께를 갖는 다수의 가변두께 절단면으로 절단하는 단계와, 상기 가변두께 절단면을 분할 알고리즘을 이용하여 한번에 조형할 수 있는 다수의 부영역 분할적층면으로 분할하는 단계와, 상기 부영역 분할적층면이 형성될 수 있도록 시제품의 재질이 되는 용융재료를 용착적층하는 단계와, 용착적층된 상기 부영역 분할적층면의 적층에 의해 상기 가변두께 절단면이 완성되었는지 여부를 판단하는 단계 및, 상기 가변두께 절단면의 적층에 의해 상기 시제품이 완성되었는지 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
또한, 위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 시제품을 모델링하고 모델링된 시제품을 절단 알고리즘을 이용하여 임의의 두께를 갖는 다수의 가변두께 절단면으로 절단하며 가변두께 절단면을 분할 알고리즘을 이용하여 한번에 조형할 수 있는 다수의 부영역 분할적층면으로 분할하는 제어장치와, 시제품의 재질 또는 시제품을 지지하는 지지부의 재질이 되는 용융재료를 공급하는 용융재료 공급장치와, 상기 용융재료 공급장치를 통해 공급된 용융재료를 유동성의 액체상태로 용융액체화하고 공급하는 용융장치와, 상기 용융장치를 통해 공급된 용융재료의 유량을 제어하는 유량제어장치와, 상기 유량제어장치를 통해 공급되는 용융재료를 가변적으로 분출하여 부영역 분할적층면을 형성하는 가변노즐 및, 상기 가변노즐을 통해 분출되는 용융재료에 의해 3차원형상의 시제품이 조형될 수 있는 X, Y, Z축방향으로 이동하고 회전가능한 이송장치를 포함한다.
아래에서, 본 발명에 따른 가변 용착 적층식 쾌속조형장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 가변 용착 적층식 쾌속조형장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이고, 도 3은 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 가변노즐의 구성요소 및 시제품의 제작과정을 설명하기 위한 사시도이며, 도 4는 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 시스템을 설명하기 위한 공정도이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 시제품에 대한 3차원 조감도이고, 도 6은 도 5에 도시된 시제품의 가변두께 절단도이며, 도 7은 도 6에 도시된 가변두께 절단면을 부영역으로 분할한 도면이다.
도 1에 보이듯이, 본 발명의 쾌속조형장치는 왁스(wax), 플라스틱(plastic) 등의 비금속 및 금속재료를 저장하고, 와이어 또는 필렛(pellet) 형태의 고체재료인 용융재료를 유연한 공급로(12)를 통해 전기식 용융장치(13)로 공급하는 용융재료 공급장치(11)를 포함한다.
여기에서, 용융재료는 금속 및 비금속의 단일 재료 혹은 친화력이 있는 이종 재료의 복합사용이 가능하고, 공급로(12)는 신축이 가능할 뿐만 아니라 좌우방향으로 유연하게 구부러질 수 있는 재질로 형성되어 있다.
그리고, 전기식 용융장치(13)는 용융재료 공급장치(11)에서 공급된 용융재료를 유동성이 좋은 액체상태로 만들기 위하여 용융액체화시켜 유량제어장치(14)로 용융재료를 공급한다. 이런 전기식 용융장치(13)는 공급되는 비금속 및 금속재료를 용융하고 보관할 수 있는 환경을 제공할 수 있게 구성되어 있다.
그리고, 유량제어장치(14)는 유량토출펌프를 전기적으로 제어함으로써 가변노즐(15)에서 필요로 하는, 즉 시제품의 형상을 제작하기 위한 유량을 연속적으로 공급한다. 그리고, 가변노즐(15)은 가변두께, 가변폭 및 가변경사를 전기식으로 실시간 제어하여 공정 중에 임의의 두께를 갖는 면(이하, '가변두께 절단면'이라 함)단위로 단시간에 조형하여 시제품을 제작하는 역할을 한다.
이와 같은 용융재료 공급장치(11)와, 공급로(12)와, 전기적 용융장치(13)와, 유량제어장치(14) 및 가변노즐(15)은 순차적으로 연결되어 한 세트를 구성하며, 이렇게 구성된 세트가 본 발명의 쾌속조형장치에는 4개 배치되어 있다.
여기에서, 2개의 세트는 시제품의 재질이 되는 용융재료를 공급하고, 나머지 2개의 세트는 시제품의 제작시 필요한 경우, 즉 시제품의 재질이 되는 용융재료만으로 그 형상을 제작할 수 없어 지지부를 형성할 필요로 하는 경우에 지지부를 형성하는 용융재료를 공급한다. 이 때, 시제품의 재질이 되는 용융재료와 지지부의 재질이 되는 용융재료는 서로가 쉽게 분리될 수 있는 것이 사용된다. 그리고, 본 발명에서는 4개의 세트로 구성되어 있는 상태에 대해 설명하고 있지만, 그 이하 또는 이상으로 구성하여 사용할 수도 있다.
그리고, 가변노즐(15)을 통해 공급되는 용융재료가 공정 대기상태에서 다시 고체상태로 굳어지는 현상을 방지할 수 있도록, 4개의 가변노즐(15)의 하부에는 각각의 노즐예열장치(16)가 항상 배치되어 있다. 즉, 가변노즐(15)이 항상 노즐예열장치(16)에서 용융상태로 대기하고 있다가 필요시 작업을 끝낸 다른 가변노즐과 즉시 교대하여 곧바로 투입될 수 있도록 구성되어 있다.
그리고, 본 발명의 쾌속조형장치는 4개의 가변노즐(15) 중에서 어느 하나를 클램핑하여 X축 및 Y축방향으로 자유롭게 이동시키고 Z축방향으로 이동할 수 있는 이송장치를 포함한다.
이런 이송장치는 가변노즐(15)을 X축방향으로 이송시키는 X축 이송부(21, 22)와, 가변노즐(15)을 Y축방향으로 이송시키는 Y축 이송부(23, 24) 및, 가변노즐(15)을 통해 공급된 용융재료에 의해 시제품의 한 층에 대한 작업이 끝나면 다음 층에 대한 작업을 하기 위해 Z축방향으로 이송되는 Z축 이송부(25, 26)로 구성되어 있다. 그리고, Y축 이송부(23)에는 4개의 가변노즐 중 선택된 가변노즐(15)을 사용하여 작업할 수 있도록 유량제어장치(14)를 클램핑하여 선택하는 홀더(17)가 결합되어 있다.
이런 Z축 이송부(25, 26)는 4개곳에 위치하고, 이런 4개의 Z축 이송부(25, 26)의 상부에는 테이블(27)이 배치되어 있으며, 이런 테이블(27)의 중앙에는 시제품이 순차적으로 형성되면서 안착될 수 있는 원판(28)이 배치되어 있다. 이런 원판(28)의 하부에는 원판(28)을 회전시키는 회전부(29, 30)가 결합되어 있으며, 이런 회전부(29, 30)의 회전운동에 의해 어떤 형상이라도 빠르게 시제품의 조형이 가능해진다. 이와 같은 Z축 이송부(25, 26)와 테이블(27)과 원판(28) 및 회전부(29, 30)의 결합관계은 일반적으로 많이 사용되고 있는 것이다.
그리고, 도 3에 보이듯이, 가변노즐(15)은 노즐링크부(151)를 기준으로 회전하는 상부노즐부(152)와 하부노즐부(153)를 포함한다. 즉, 노즐링크부(151)를 조절함으로써 하부노즐부(153)를 통해 분출되는 용융재료의 분출각도를 조절할 수 있다.
그리고, 하부노즐부(153)의 선단에는 상하로 이동함으로써 분출되는 용융재료의 두께(가변두께)를 조절하는 두께조절부(154)와, 좌우로 이동함으로써 분출되는 용융재료의 폭(가변폭)을 조절하는 폭조절부(155) 및, 좌우로 회전함으로써 분출되는 용융재료의 분출경사를 조절하는 경사조절부(156)에 각각 배치되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이 배치된 장치들은 도 4에 도시된 시스템(31)과 다수의 제어부(32, 33, 34)에 의해 각각 제어된다.
즉, 도 4에 보이듯이, 본 발명의 공정제어를 위한 시스템(31)은 CAD/CAM 시스템을 장착한 컴퓨터로서, 3차원 모델 즉 시제품을 본 발명에 의한 절단 알고리즘으로 몇 개의 가변두께 절단면으로 절단한 다음, 이를 다시 분할 알고리즘으로 한번에 조형가능한 몇 개의 부영역 분할적층면으로 분할한다.
예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같은 시제품(41)을 제작할 경우에 있어서, 먼저 시스템(31)은 쾌속조형방법에 적합한 두께방향으로 여러개의 두께 절단면 데이터를 계산한다.
그런 다음, 계산된 데이터를 이용하여 도 6에 도시된 바와 같은 다수의 가변두께 절단면(42)으로 분할한 후, 한 층의 가변두께 절단면(42)을 가변노즐(15)이 한번에 조형 가능한 몇 개의 부영역 분할적층면(43, 44)으로 분할한다. 이 때, 시제품(41)은 두께와 폭 및 경사가 항상 일정하지 않고 다를 수도 있다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 시제품(41)의 가변두께 절단면(42)이 임의의 경사값(45)을 갖는 2개의 부영역 분할적층면(43, 44)으로 분할될 수 있고, 이렇게 분할된 부영역 분할적층면(43, 44)은 가변노즐(15)에 의해 한번에 조형가능한 것이다.
이렇게 몇 개의 부영역 분할적층면(43, 44)으로 분할되면, 시스템(31)에서는 제어부(32, 33, 34)로 정보를 보낸다. 그러면, 시제품 위치제어부(34)와 용융재료를 동시제어하여 공급하는 용융재료 공급제어부(32)를 통해 가변노즐(15)이 동시에 두께, 폭 및 경사를 제어하는 가변노즐 제어부(33)와 함께 궁극적으로 가변노즐(15)을 실시간 동시 제어함으로써 원하는 부영역 분할적층면(43, 44)을 한번에 조형한다.
즉, 용융재료 공급제어부(32)에 의해 용융재료 공급장치(11)에서 공급되는 용융재료의 공급량이 제어되고, 가변노즐 제어부(32)에 의해 가변노즐(15)을 통해 분출되는 용융재료의 두께(가변두께)와 폭(가변폭) 및 경사(가변경사)가 각각 제어되며, 시제품 위치제어부(34)에 의해 시제품 이송장치(21∼30)의 X축 이동, Y축 이동, Z축 이동, 회전이 각각 제어된다.
아래에서는 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 가변 용착 적층식 쾌속조형장치의 작동관계 및 쾌속조형방법을 상세히 설명하겠다.
도면에서, 도 2는 본 발명의 가변 용착 적층식 쾌속조형방법을 설명하기 위한 공정도이다.
먼저, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 시스템(31)에서 제작하고자 하는 3차원 시제품(41)의 형상을 모델링한 후, 절단 알고리즘과 분할 알고리즘을 통해 가변노즐(15)을 통해 한번에 조형할 수 있는 다수의 부영역 분할적층면(43, 44)으로 분할한다(S1, S2, S3). 이 때, 시스템(31)에서는 다수의 부영역 분할적층면(43, 44) 중 지지부가 필요한 적층면을 판단하고 그것을 기록한다.
그런 다음, 시스템(31)이 각각의 제어부(32, 33, 34)를 제어함으로써 각각의 장치들이 구동된다.
즉, 용융재료 공급장치(11)로부터 유연한 공급로(12)를 통하여 와이어 또는 필렛 등의 고체형태의 용융재료가 전기식 용융장치(13)에 연속적으로 공급된다. 그러면, 전기식 용융장치(13)에서는 공급된 용융재료를 전기적으로 연속적으로 용융하여 공정진행에 따라 필요로 하는 정확한 양을 유량제어장치(14)에 통해서 가변노즐(15)로 보낸다. 이 때, 가변노즐(15)의 두께조절부(154)와 폭조절부(155) 및 경사조절부(156)가 가변노즐 제어부(33)에 의해 각각 제어되고, 이렇게 제어된 상태, 즉 가변두께와 가변폭 및 가변경사가 각각 조절된 가변노즐(15)의 선단을 통해 한번에 조형될 수 있는 유량의 용융재료가 배출되어 부영역 적층면(43, 44)을 형성한다. 이 때, 시스템(31)에서 지지부를 형성할 부위가 있다고 판단하면, 다른 가변노즐을 이용하여 지지부를 생성하면서 부영역 적층면(43, 44)을 형성한다(S4, S5, S6). 이런 지지부는 면단위로 한번에 필요한 양만큼 생성되어 시제품(41)이 무너지지 않고 빠르게 조형되도록 지원한다.
이와 같은 과정을 따라 다수의 부영역 적층면(43, 44)이 형성되어 가변두께 절단면(42)이 완성되면, 이런 가변두께 절단면(42)을 연속적으로 적층함으로써 3차원 시제품(41)을 조형하고, 가변두께 절단면(42)이 완성되지 않으면 부영역 적층면(43, 44)을 형성하는 일련의 과정을 반복적으로 수행한다(S7, S8). 그러다가, 3차원 시제품(41)의 조형이 완성되면 시스템(31)은 더이상 구동하지 않는다.
이런 일련의 과정을 반복적으로 수행하면서 시제품(41)을 조형하는 과정에서 시제품 이송장치(21 ∼ 30)는 X축방향, Y축방향, Z축방향 및 회전한다. 예를 들어, Z축 이송부(25, 26)는 한 층의 가변두께 절단면(42)이 적층되면, 테이블(27)을 한 층의 두께만큼 하부로 이송시킨다.
앞서 설명한 바와 같은 과정을 통해 조형되는 본 발명의 가변 용착 적층식 쾌속조형방법은 종래의 박판재료 적층(LOM)방법과 용착조형(FDM)방법에 비해 다음과 같은 차이점이 있다.
첫째, 사용재질에 대한 제한을 두지 않으므로 공정 중에 친화력이 있는 여러가지 용융재질의 합성, 합금이 가능하다.
둘째, 용융 재료(금속 및 비금속 : 철금속, 비철금속, 왁스 및 플라스틱류) 자체를 전기적으로 녹여서 직접 용착 적층함으로써 조형경계면이 조직학적으로 거의 동질의 재질로 조형된다.
셋째, 조형폭을 조형 중에 제어 할 수 있어 복잡한 형상을 한번에 조형 가능하다.
넷째, 조형면의 경사를 공정 중에 제어 할 수 있어 최종 시제품 외관의 기하학적 정밀도을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
다섯째, 조형두께를 공정에 따라 제어함으로써 조형시간이 기존의 어떤 방법보다도 비교할 수 없을 만큼 빠르다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 가변 용착 적층식 쾌속조형방법은 조형에 필요한 유량을 공정 중에 연속적으로 공급함으로써, 두께를 갖는 면단위로 한꺼번에 조형가능하여 종래의 어떤 조형방법보다 수십 내지 수백배 이상의 조형시간이 단축되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 가변 용착 적층식 쾌속조형장치는 받침대가 X-Y축과 동시에 회전운동이 가능함으로 부드러운 조형 윤곽과 높은 칫수 정밀도의 제품을 빠른 시간내에 만들 수 있다.
또한, 본 발명의 가변 용착 적층식 쾌속조형장치는 공정진행에 따라 가변노즐의 경사각도가 제어되면서 조형되므로, 시제품의 표면이 깔끔하여 후가공이 필요하지 않다.
또한, 본 발명의 가변 용착 적층식 쾌속조형방법은 용융재료로 비금속이나 금속재료를 사용하므로 합금재료 및 복합재료와 유사한 물성을 지닌 기능성 시제품 및 몰드를 제작할 수 있다.
이상에서 본 발명의 가변 용착 적층식 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

Claims (9)

  1. 시제품(prototypes) 또는 몰드(molds)를 제작하는 가변 용착 적층식 쾌속조형방법에 있어서,
    시제품을 모델링하는 단계와, 모델링된 시제품을 절단 알고리즘을 이용하여 임의의 두께를 갖는 다수의 가변두께 절단면으로 절단하는 단계와, 상기 가변두께 절단면을 분할 알고리즘을 이용하여 한번에 조형할 수 있는 다수의 부영역 분할적층면으로 분할하는 단계와, 상기 부영역 분할적층면이 형성될 수 있도록 시제품의 재질이 되는 용융재료를 용착적층하는 단계와, 용착적층된 상기 부영역 분할적층면의 적층에 의해 상기 가변두께 절단면이 완성되었는지 여부를 판단하는 단계 및, 상기 가변두께 절단면의 적층에 의해 상기 시제품이 완성되었는지 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 용착 적층식 쾌속조형방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부영역 분할적층면을 용착적층하기 전에 상기 부영역 분할적층면이 무너지지 않도록 지지하는 지지부의 필요여부를 판단하여, 상기 지지부가 필요하면 지지부를 생성한 후 용착적층하고 그렇지 않으면 바로 용착적층하는 것을 특징으로 하는 가변 용착 적층식 쾌속조형방법.
  3. 시제품(prototypes) 또는 몰드(molds)를 제작하는 가변 용착 적층식 쾌속조형장치에 있어서,
    시제품을 모델링하고 모델링된 시제품을 절단 알고리즘을 이용하여 임의의 두께를 갖는 다수의 가변두께 절단면으로 절단하며 가변두께 절단면을 분할 알고리즘을 이용하여 한번에 조형할 수 있는 다수의 부영역 분할적층면으로 분할하는 제어장치(31)와, 시제품의 재질 또는 시제품을 지지하는 지지부의 재질이 되는 용융재료를 공급하는 용융재료 공급장치(11)와, 상기 용융재료 공급장치(11)를 통해 공급된 용융재료를 유동성의 액체상태로 용융액체화하고 공급하는 용융장치(13)와, 상기 용융장치(13)를 통해 공급된 용융재료의 유량을 제어하는 유량제어장치(14)와, 상기 유량제어장치(14)를 통해 공급되는 용융재료를 가변적으로 분출하여 부영역 분할적층면을 형성하는 가변노즐(15) 및, 상기 가변노즐(15)을 통해 분출되는 용융재료에 의해 3차원형상의 시제품(41)이 조형될 수 있는 X, Y, Z축방향으로 이동하고 회전가능한 이송장치(21 ∼ 30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 용착 적층식 쾌속조형장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가변노즐(15)은 상부노즐부(152)와, 하부노즐부(153) 및, 상기 상부노즐부(152)를 기준으로 상기 하부노즐부(153)를 회전시키는 노즐링크부(151)를 포함하며, 상기 노즐링크부(151)를 조절함으로써 상기 하부노즐부(153)를 통해 분출되는 용융재료의 분출각도가 조절되는 것을 특징으로 하는 가변 용착 적층식 쾌속조형장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 하부노즐부(153)의 선단에는 상하로 이동함으로써 분출되는 용융재료의 두께를 조절하는 두께조절부(154)와, 좌우로 이동함으로써 분출되는 용융재료의 폭을 조절하는 폭조절부(155) 및, 좌우로 회전함으로써 분출되는 용융재료의 분출경사를 조절하는 경사조절부(156)가 각각 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 용착 적층식 쾌속조형장치.
  6. 제3항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 용융재료 공급장치(11)와 용융장치(13)와 유량제어장치(14) 및 가변노즐(15)로 구성되어 한 세트를 이루는 것이 4개 세트 배치되어 있고, 이것 중 2개의 세트는 시제품(41)의 재질이 되는 용융재료를 공급하고, 나머지 2개의 세트는 상기 시제품을 지지하는 지지부의 재질이 되는 용융재료를 공급하는 것을 특징으로 하는 가변 용착 적층식 쾌속조형장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 가변노즐(15)을 통해 공급되는 용융재료가 공정 대기상태에서 다시 고체상태로 굳어지는 현상을 방지할 수 있도록, 상기 가변노즐(15)의 하부에는 노즐예열장치(16)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 용착 적층식 쾌속조형장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 용융재료는 와이어 또는 필렛(pellet) 형태의 고체재료인 것을 특징으로 하는 가변 용착 적층식 쾌속조형장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 용융재료는 금속 또는 비금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 용착 적층식 쾌속조형장치.
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