KR100362738B1

KR100362738B1 - 초음파 장치를 이용한 용착 적층식 쾌속조형방법 및쾌속조형장치

Info

Publication number: KR100362738B1
Application number: KR1020000060902A
Authority: KR
Inventors: 양동열; 신보성; 안동규; 이상호
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2002-11-27
Also published as: KR20020030319A

Abstract

본 발명은 이미 제작된 판재띠를 계산된 CAD 데이터에 따라 경사와 윤곽을 초음파 절단장치로 정확히 절단하고 이들 단면조각들을 초음파 진동으로 연속적으로 용착 및 적층함으로써 조형시간과 정밀도를 획기적으로 향상시킨 쾌속조형장치에 관한 것이다.

본 발명의 장치는, 판재띠(Strip)형상의 재료를 공급하는 적어도 하나 이상의 재료공급장치(10)와, 재료공급장치(10)에 의해 공급되는 판재띠(11)를 계산된 CAD 데이터에 따라 경사와 윤곽을 갖게 초음파 원리를 이용하여 절단하는 초음파 절단장치(20)와, 절단된 단면조각들을 초음파 원리로 연속적으로 용착하는 초음파 용착장치(30)와, 단면조각들이 순차적으로 용착 적층되도록 상하로 이송되는 이송장치(40) 및, 재료공급장치(10)와 초음파 절단장치(20)와 초음파 용착장치(30) 및 이송장치(40)를 각각 제어하는 제어장치를 포함하며, 판재띠(11)로는 세라믹, 금속 또는 열가소성 플라스틱 재료가 사용되는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 장치를 이용한 용착 적층식 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치{Lamination Manufacturing Method and Apparatus using Ultrasonic Apparatus}

본 발명은 쾌속조형방법에 관한 것이며, 특히, 세라믹, 금속 및 열가소성 플라스틱 재료로 이미 제작된 판재띠(Strip)를 계산된 CAD 데이터에 따라 경사와 윤곽을 초음파 절단장치로 정확히 절단하고 이들 단면조각들을 초음파 진동으로 연속적으로 용착 및 적층하는 쾌속조형방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 이미 제작된 판재띠를 계산된 CAD 데이터에 따라 경사와 윤곽을 초음파 절단장치로 정확히 절단하고 이들 단면조각들을 초음파 진동으로 연속적으로 용착 및 적층하는 쾌속조형장치에 관한 것이기도 하다.

본 발명은 1999년 3월 15일자로 출원된 특허출원 제99-8594호(발명의 명칭 - 가변용착 적층식 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치)와, 2000년 4월 7일자로 출원된 특허출원 제2000-18175호(발명의 명칭 - 선형 열전달 시스템을 이용한 가변 적층 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치)의 연계출원이다.

그리고, 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 시제품 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 ; 3DSystems사)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 채운후에 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 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 세라믹, 금속 및 열가소성 플라스틱 재료로 이미 제작된 판재띠를 계산된 CAD 데이터에 따라 경사와 윤곽을 초음파 절단장치로 정확히 절단하고 이들 단면조각들을 초음파 진동으로 연속적으로 용착 및 적층함으로써 조형시간과 정밀도를 획기적으로 향상시킨 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 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 중요 부분인 초음파 장치와 칼날의 결합관계를 설명하기 위한 개략도이고,

도 3은 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 중요 부분인 초음파 장치와 롤러의 결합관계를 설명하기 위한 개략도이고,

도 4는 본 발명에 따른 가변 용착 적층식 쾌속조형방법을 설명하기 위한 공정도이고,

도 5는 본 발명에 따른 가변 용착 적층식 쾌속조형과정을 도시한 공정도이고,

도 6은 본 발명에 따른 초음파 가변 용착 적층식 쾌속조형제품의 지지부 구조를 도시한 도면이고,

도 7은 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 시스템을 설명하기 위한 공정도이고,

도 8은 본 발명의 시제품에 대한 3차원 조감도이고,

도 9는 도 7에 도시된 시제품의 두께 절단면도이며,

도 10은 도 9에 도시된 두께 절단면을 부영역으로 분할한 도면이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

10 : 재료공급장치 11 : 판재띠

20 : 초음파 절단장치 21 : 칼날

22 : 초음파 절단부 23 : X-Y축 이송부

24 : 지지부 30 : 초음파 용착장치

31 : 롤러 40 : 시제품 이송장치

41 : 판 50 : 컴퓨터 CAD 시스템

60 : 시제품 61 : 두께 절단면

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 시제품을 모델링하는 단계와, 모델링된 시제품을 절단 알고리즘을 이용하여 임의의 두께를 갖는 다수의 두께 절단면으로 절단하는 단계와, 상기 두께 절단면을 분할 알고리즘을 이용하여 소재인 판재띠(Strip)를 한번에 절단할 수 있는 다수의 부영역 분할면으로 분할하는 단계와, 상기 다수의 부영역 분할면에 따라 상기 판재띠에서 시제품의 형상을 만드는 모델부를 제외하고 초음파 원리를 이용하여 절단 제거하는 단계 및, 상기 모델부를 초음파 원리를 이용하여 서로 용착하고 적층하여 시제품을 완성하는 단계를포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 장치는, 판재띠(Strip)형상의 재료를 공급하는 적어도 하나 이상의 재료공급장치와, 상기 재료공급장치에 의해 공급되는 판재띠를 계산된 CAD 데이터에 따라 경사와 윤곽을 갖게 초음파 원리를 이용하여 절단하는 초음파 절단장치와, 절단된 단면조각들을 초음파 원리로 연속적으로 용착하는 초음파 용착장치와, 상기 단면조각들이 순차적으로 용착 적층되도록 상하로 이송되는 이송장치 및, 상기 재료공급장치와 초음파 절단장치와 초음파 용착장치 및 이송장치를 각각 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아래에서, 본 발명에 따른 초음파 장치를 이용한 용착 적층식 쾌속조형방법 및 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 2는 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 중요 부분인 초음파 장치와 칼날의 결합관계를 설명하기 위한 개략도이다. 그리고, 도 3은 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 중요 부분인 초음파 장치와 롤러의 결합관계를 설명하기 위한 개략도이고, 도 6은 본 발명에 따른 초음파 가변 용착 적층식 쾌속조형제품의 지지부 구조를 도시한 도면이다. 그리고, 도 7은 도 1에 도시된 쾌속조형장치의 시스템을 설명하기 위한 공정도이고, 도 8은 본 발명의 시제품에 대한 3차원 조감도이고, 도 9는 도 7에 도시된 시제품의 두께 절단면도이며, 도 10은 도 9에 도시된 두께 절단면을 부영역으로 분할한 도면이다.

도 1 내지 도 3에 보이듯이, 본 발명의 초음파 장치를 이용한 용착 적층식 쾌속조형장치는, 세라믹, 금속 및 열가소성 플라스틱 재료로 이미 제작된 판재띠(11 ; Strip)를 공급하는 재료공급장치(10)와, 이런 재료공급장치(10)에 의해 공급되는 판재띠(11)를 계산된 CAD 데이터에 따라 경사와 윤곽을 갖게 정확히 절단 제거하는 초음파 절단장치(20)와, 절단된 단면조각들을 초음파 진동으로 연속적으로 용착하는 초음파 용착장치(30)와, 시제품이 순차적으로 용착 적층되도록 Z축으로 이송되는 시제품 이송장치(40) 및, 상기 재료공급장치(10)와 초음파 절단장치(20)와 초음파 용착장치(40) 및 시제품 이송장치(40)를 제어하는 제어장치로 구성되어 있다.

도 1에 보이듯이, 재료공급장치(10)는 롤 형태로 감겨 있는 판재띠(11)를 불연속적으로 공급하는 것으로서, 판재띠(11)를 공급하는 공급롤러(12)와, 판재띠(11)가 원활하게 공급 및 회수될 수 있도록 하는 다수의 롤러들로 구성되어 있다. 즉, 재료공급장치(10)는 도 7에 도시된 바와 같이 컴퓨터 CAD 시스템(50)에 연결된 재료공급 제어회로부(13)에 의해 판재띠(11)의 공급을 "시작" 또는 "중지"하게 된다.

본 발명은 두께와 폭별로 감겨 있는 판재띠(11)를 각각 공급하는 상기와 같은 재료공급장치(10)를 다수개 설치하여, 선택적으로 판재띠(11)를 공급할 수도 있다. 또한, 각각의 소재별로 감겨 있는 판재띠(11)를 각각 공급하는 상기와 같은 재료공급장치(10)를 다수개 설치하여, 선택적으로 판재띠(11)를 공급하여 이종 재료로 구성된 시제품을 제작할 수도 있다. 또한, 재료공급장치(10)는 롤 형태가 아닌 시트(sheet) 형태의 판재띠를 공급할 수 있도록 구성할 수도 있다.

도 1 및 도 2에 보이듯이, 초음파 절단장치(20)는 일반적으로 사용되고 있는 초음파 장비의 끝단에 칼날(21)이 4축 회전(X, Y, θ_X, θ_Y) 가능하게 결합된 초음파 절단부(22)와, 이런 초음파 절단부(22)를 X-Y축으로 이송시키는 X-Y축 이송부(23) 및, 판재띠(11)의 절단시에 판재띠(11)를 지지하면서 Z축방향으로 이동하는 지지부(24)로 구성된 것으로서, 초음파 절단부(22) 또한 일반적으로 사용되고 있는 기술이다.

상기 초음파 절단부(22)는 도 2에 도시된 바와 같이 전원공급부(25 ; Power Supply)와 컨버터(26 ; Converter)와 부스터(27 ; Booster) 및 혼(28 ; Horn)으로 구성된 초음파 장치의 혼(28)의 단부에 칼날(21)이 축결합된 것이다. 이렇게 구성된 초음파 절단장치(20)는 도 7에 도시된 바와 같이 컴퓨터 CAD 시스템(50)에 연결된 재료절단 제어회로부(29)에 의해 초음파 절단부(22)가 X-Y축으로 이송되면서 칼날(21)이 θ_X, θ_Y만큼 선회된 상태에서 회전하면서 판재띠(11)를 절단 제거하게 된다. 또한, 시스템(50)에 연결된 Y축이동 제어회로부(29a)에 의해 지지부(24)가 Z축방향으로 이동하게 된다.

이 때, 초음파 절단장치(20)는 CAD 데이터로부터 계산된 궤적을 따라 경사면을 구현한 모델부, 지지부 및 잉여부를 형성하면서 절단하게 된다(도 6 참조). 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 판재띠(11)를 CAD 데이터에 따라 절단할 경우에 있어 지지부가 필요하다고 판단되는 곳은 미리 계산에 의해 잉여부에 지지부를 부착한 형태로 절단함으로써 다음 단계의 층을 지지하고 최종적인 제품이 완료된 후에는 지지부가 쉽게 분리되도록 한 것이다.

또한, 본 발명에서는 초음파 원리를 이용하여 칼날(21)을 통해 판재띠(11)를 절단할 경우에 발생하는 열기를 냉각시키기 위해 초음파 절단장치(20)의 측면에 가스나 액체 상태의 매체를 공급하는 공급부와, 절단 후에 칼날(21)에 묻은 찌꺼기를 깨끗이 제거하기 위한 찌꺼기 제거부 및, 판재띠(11)에서 절단되어 지지부(24)에 위치하는 잔여부를 회수하는 잔여부 회수부를 형성할 수도 있다.

도 1 및 도 3에 보이듯이, 초음파 용착장치(30)는 일반적으로 사용되고 있는 초음파 장비 그 자체를 이용하거나 초음파 장비의 끝단에 롤러(31)를 결합하여 이용하는 것으로서, X-Y축 이송부(32)에 의해 이동한다. 즉, 초음파 용착장치(30)는 도 2에 도시된 바와 같이 전원공급부(33 ; Power Supply)와 컨버터(34 ; Converter)와 부스터(35 ; Booster) 및 혼(36 ; Horn)으로 구성된 초음파 장비의 혼(36)을 직접 이용하거나, 혼(36)의 끝단에 롤러(31)를 부착하여 이용하는 것이다. 이렇게 구성된 초음파 절단장치(30)는 도 7에 도시된 바와 같이 컴퓨터 CAD 시스템(50)에 연결된 용착위치 제어회로부(37)에 의해 X-Y축으로 이송하면서 판재띠(11)를 순차적으로 용착하게 된다. 즉, 초음파 용착장치(30)는 초음파 진동을 이용하여 절단된 모델부를 가압하면서 용착한다.

도 1에 보이듯이, 시제품 이송장치(40)는 절단된 판재띠(11)가 순차적으로 적층되는 판(41)을 Z축의 방향으로 이송시키는 것으로서, 절단된 판재띠(11)에 의해 시제품의 한 층에 대한 작업이 끝나면 다음 층에 작업이 수행될 수 있도록 Z축의 방향으로 이송되는 것이다. 이런 시제품 이송장치(40)는 도 7에 도시된 바와 같이 컴퓨터 CAD 시스템(50)에 연결된 시제품위치 제어회로부(42)에 의해 Z축으로 이송되어 절단된 판재띠(11)가 순차적으로 적층될 수 있도록 한다.

앞서 설명한 바와 같은 장치(10, 20, 30, 40)들을 제어하는 컴퓨터 CAD 시스템(50)은 대한민국 특허출원 제99-8594호에 기술된 알고리즘과 동일 유사한 기술로서, 그 내용을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

즉, 도 7에 보이듯이, 본 발명의 시스템(50)은 3차원 모델 즉 시제품을 본 발명에 의한 절단 알고리즘으로 몇 개의 두께 절단면으로 절단한 다음, 이를 다시 분할 알고리즘으로 한번에 절단가능한 몇 개의 부영역 분할면으로 분할한다.

예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같은 시제품(60)을 제작할 경우에 있어서, 먼저 시스템(50)은 쾌속조형방법에 적합한 두께방향으로 여러개의 두께 절단면 데이터를 계산한다.

그런 다음, 계산된 데이터를 이용하여 도 9에 도시된 바와 같은 다수의 두께 절단면(61)으로 분할한 후, 한 층의 두께 절단면(61)을 초음파 절단부(22)가 한번에 절단 가능한 몇 개의 부영역 분할면으로 분할한다. 이 때, 시제품(60)은 두께와 폭 및 경사가 항상 일정하지 않고 다를 수도 있다. 즉, 도 10에 도시된 바와 같이, 시제품(60)의 두께 절단면(61)이 임의의 경사값을 갖는 2개 이상의 부영역 분할면(62, 63)으로 분할될 수 있고, 이렇게 분할된 부영역 분할면(62, 63)은 초음파 절단부(22)에 의해 절단 가능한 것이다.

이렇게 몇 개의 부영역 분할면(62, 63)으로 분할되면, 시스템(50)에서는 재료절단 제어부(29)로 정보를 보낸다. 그러면, 재료절단 제어부(29)가 초음파 절단부(22)를 제어하여 부영역 분할면(62, 63)에 따라 판재띠(11)를 순차적으로 절단하게 된다.

아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 용착 적층식 쾌속조형장치의 작동관계 및 쾌속조형방법을 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 4는 본 발명에 따른 가변 용착 적층식 쾌속조형방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 5는 본 발명에 따른 가변 용착 적층식 쾌속조형과정을 도시한 공정도이다.

먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 시스템(50)에서 제작하고자 하는 3차원 시제품(60)의 형상을 모델링한 후, 절단 알고리즘과 분할 알고리즘을 통해 초음파 절단부(22)을 통해 한번에 절단할 수 있는 다수의 부영역 분할면(62, 63)으로 분할한다(S1, S2, S3). 이 때, 시스템(50)에서는 다수의 부영역 분할면(62, 63) 중 지지부가 필요한 적층면을 판단하고 그것을 기록한다.

그런 다음, 시스템(50)이 각각의 제어부(13, 29, 29a, 37, 42)를 제어함으로써 각각의 장치들이 구동된다.

즉, 재료공급장치(10)를 통해 판재띠(11)가 초음파 절단장치(20)에 공급되어 정지한다. 그러면, 초음파 절단장치(20)에서는 공급된 판재띠(11)를 CAD 데이터에 따라 가공 궤적을 따라 경사면을 구현한 모델부, 지지부 및 잉여부를 제외한 다른 부분들을 절단한다(S4, 도 5, 도 6 참조). 이 때, 모델부와 잉여부를 연결한 지지부의 상태는 마치 순차적 금형(Progresive Die)과 유사한 것으로서 연속적이다.즉, 초음파 절단장치(20)는 판재띠(11)가 공급되면 모델부의 측면 경사를 고려하여 절단하고, 또한 지지부 및 잉여부의 윤곽도 윤곽절단한다. 이 때, 지지부는 필요에 따라 형성하는 데(S5, S6), 형성시에는 최종 시제품이 완성된 후에 용이하게 분리될 수 있게 형성된다. 그리고, 초음파 절단장치(20)에서는 두께 절단면이 완성될 때까지 모델부, 지지부 및 잉여부를 형성하면서 절단한다(S7). 이렇게 판재띠(11)에서 절단된 잔류부는 지지부(24)에 위치하는 데, 이런 잔류부는 수동 또는 자동화 장치에 의해 제거된다. 그리고, 절단시에 판재띠(11)를 지지하던 지지부(24)는 Z축의 하부방향으로 이동하여 위치하게 된다.

이렇게 하여 공급된 판재띠(11)에서 모델부와 지지부 및 잉여부를 제외한 부분이 절단되면, 절단된 판재띠(11)는 우측방향으로 소정간격만큼 이동한 후 초음파 용착장치(30)의 진동과 가압력에 의해 용착된다(S8). 이 때, 초음파 용착장치(30)와 접촉하는 모델부의 두께 및 단면적은 CAD 데이터로부터 계산되어 공정변수(가압력, 전압) 등이 실시간으로 제어되기 때문에, 최상의 용착효율을 얻을 수가 있다. 그리고, 이미 적층된 층은 현재 진행 중인 용착으로 다시 한번 용착되기 때문에 조직학적으로 보다 일체화된다.

이렇게 하여 초음파 용착장치(30)에 의해 모델부가 용착되면, 시제품 이송장치(40)의 판(41)이 두께 절단면에 해당하는 두께만큼 Z축의 하부방향으로 이동한다. 이런 일련의 반복적인 과정을 수행하여 3차원 시제품의 형상이 완성되면(S9), 시스템(50)은 더이상 구동하지 않는다. 그러면, 완성된 제품의 모델부에서 지지부와 잉여부를 제거하여 최종 3차원 시제품(60)을 완성한다.

앞서 설명한 바와 같은 과정을 통해 조형되는 본 발명의 용착 적층식 쾌속조형방법은 종래의 박판재료 적층(LOM)방법과 용착조형(FDM)방법에 비해 다음과 같은 차이점이 있다.

첫째, 조형폭, 조형두께와 폭에 따라 여러개의 재료공급장치를 동시에 사용할 수 있어 조형시간이 기존의 어떤 공정보다도 비교할 수 없을 만큼 빠르다.

둘째, 조형면의 경사를 초음파 절단장치로 정확하게 CAD 데이터에 따라 절단함으로써 다른 어떤 공정보다 최종 제품 외관의 기하학적 정밀도를 획기적으로 빠르게 구현한다.

셋째, 사용재료 자체를 초음파 원리로 용착 적층함으로써 조형 경계면이 조직학적으로 거의 동질의 재질로 조형된다.

넷째, 초음파 절단장치를 사용하여 윤곽을 절단함으로써 소음과 매연이 없고 절단면이 깨끗하다.

다섯째, 연속된 판재띠(Strip)를 이용하여 절단 용착함으로써 다른 공정과 달리 지지대를 생성하지 않는 획기적인 차이가 있다.

여섯째, 여러 폭의 판재띠를 필요한 최소 면적에서 절단하여 사용함으로써 사용재료의 손실을 최소화한다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 초음파 장치를 이용한 용착 적층식 쾌속조형방법은, 조형에 필요한 여러 개의 두께와 폭을 갖는 기 제작된 판재띠를 사용함으로써 소모되는 재료를 최소화하고 면단위로 한꺼번에 조형가능하여 기존의어떤 조형공정보다 조형시간이 획기적으로 단축되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 쾌속조형장치는 초음파 절단장치에 의해 윤곽과 경사각도가 제어되므로 조형물의 표면이 거의 후가공이 필요없는 상태로 조형가능하다.

또한, 본 발명의 쾌속조형장치는 초음파 원리를 이용하므로 용착/적층되는 재료가 다양하고 이종의 재료로 이루어진 기능성 시작품 및 몰드를 제작할 수 있다.

또한, 본 발명의 쾌속조형방법은 지지부가 생성되어야 하는 곳을 미리 계산하여 모델부에 지지부를 부착한 형태로 윤곽 절단하여 적층하므로 조형물이 무너지지 않게 되어 별도의 지지부 생성장치가 필요치 않다.

또한, 본 발명의 쾌속조형방법은 접합제를 사용하지 않으므로 적층후 제품 치수가 정확하며 층간 접합강도가 우수하다.

이상에서 본 발명의 초음파 장치를 이용한 용착 적층식 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

시제품(prototypes)을 제작하는 용착 적층식 쾌속조형방법에 있어서,

시제품을 모델링하는 단계와, 모델링된 시제품을 절단 알고리즘을 이용하여 임의의 두께를 갖는 다수의 두께 절단면으로 절단하는 단계와, 상기 두께 절단면을 분할 알고리즘을 이용하여 소재인 판재띠(Strip)를 한번에 절단할 수 있는 다수의 부영역 분할면으로 분할하는 단계와, 상기 다수의 부영역 분할면에 따라 상기 판재띠에서 시제품의 형상을 만드는 모델부를 제외하고 초음파 원리를 이용하여 절단 제거하는 단계 및, 상기 모델부를 초음파 원리를 이용하여 서로 용착하고 적층하여 시제품을 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쾌속조형방법.
제1항에 있어서, 상기 판재띠의 테두리부인 잉여부와 상기 모델부를 잉여부에 고정하는 지지부를 더 제외하고 절단 제거하며, 용착이 완료된 제품에서 상기 잉여부와 지지부를 제거하여 시제품을 완성하는 것을 특징으로 하는 쾌속조형방법.
시제품(prototypes)을 제작하는 용착 적층식 쾌속조형장치에 있어서,

판재띠(Strip)형상의 재료를 공급하는 적어도 하나 이상의 재료공급장치와, 상기 재료공급장치에 의해 공급되는 판재띠를 계산된 CAD 데이터에 따라 경사와 윤곽을 갖게 초음파 원리를 이용하여 절단하는 초음파 절단장치와, 절단된 단면조각들을 초음파 원리로 연속적으로 용착하는 초음파 용착장치와, 상기 단면조각들이순차적으로 용착 적층되도록 상하로 이송되는 이송장치 및, 상기 재료공급장치와 초음파 절단장치와 초음파 용착장치 및 이송장치를 각각 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
제3항에 있어서, 상기 판재띠로는 세라믹, 금속 또는 열가소성 플라스틱 재료가 사용되는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 재료공급장치에서는 두께와 폭이 상이한 판재띠를 각각 공급하는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 재료공급장치가 이종의 판재띠를 선택적으로 공급하여 이종 재료로 구성된 시제품을 제작하는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 초음파 절단장치는 초음파 장비의 끝단에 회전가능하게 결합된 칼날인 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
제3항에 있어서, 상기 초음파 용착장치는 초음파 장비로서, 초음파 장비의 끝단에 위치하는 혼(Horn)에 의해 진동 및 가압되어 용착되는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
제8항에 있어서, 상기 초음파 장비의 혼의 끝단에는 롤러가 결합되어 있으며, 상기 롤러에 의해 진동 및 가압되어 용착되는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 판재띠는 롤 형태로 공급되는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 판재띠는 시트(sheet) 형태로 공급되는 것을 특징으로 하는 쾌속조형장치.