KR100504218B1 - 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 재료를 저장된 위치에서 절단 가공될 작업 위치로 공급하는 재료공급단계와, x축, y축, Θ_x축, Θ_y축의 4축 동시 제어 방식으로 구동하는 선형 열절단 시스템을 3차원 캐드 데이터에 따라 제어하여 재료의 일부분만을 가공하고, 상기 재료를 180°회전시킨 후에 상기 선형 열절단 시스템을 3차원 캐드 데이터에 따라 제어하여 상기 재료의 나머지 일부분을 가공함으로써 단위 형상층을 제작하며, 제작된 단위 형상층을 3차원 제작물의 각 위치에 위치하도록 이동 테이블에 적층한 후, 상기 이동 테이블에 적층된 재료의 상면을 접착 롤러를 이용하여 접착제를 도포하면서 하부의 재료와 밀착시켜 접착한다. 이러한 상기 과정은 최종 재료가 적층 및 접착되어 3차원 제작물이 완성될 때까지 반복 수행된다.

본 발명은 재료와 이송롤의 마찰 특성에 관계없이 원활한 재료 공급이 가능하고, 잔여 재료 제거 공정을 필요치 않게 하여 제작 시간을 단축시키며, 한 개의 적층 형상을 가지고 절단, 적층, 접착할 때에 발생되는 AUSL의 회전 및 비틀림 등의 형상 왜곡을 방지한다.

Description

단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 방법 및 장치{Method and Apparatus of Transfer type varialbe lamination manufacturing}

본 발명은 건축 모델 제작, 조형물 제작, 시작품 형상/설계/기능 검토, 로스트 폼(lost foam) 주조의 코어 등과 같은 3차원 형상을 여러 가지 형태로 공급되는 재료를 가공하고 적층 및 접착하여 제작하는 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 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 사용되는 재질이 금속분말 및 금속와이어(wire) 등으로 다양한 방법이 개발되고 있는 실정이다.

쾌속조형방법은 건축 모델 제작, 조형물 제작, 시작품 형상/설계/기능 검토, 캐릭터 상품 제작, 및 로스트 폼(lost foam) 주조의 원형 등 여러 산업분야에서 활용되고 있다.

이러한 쾌속조형방법은 액체 상태의 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.

그리고, 상기 쾌속조형방법 중에서 상기 고체 소재를 원하는 형태로 접합시키는 방법에 관한 종래 기술로는 미국 헬리시스(Helisys)사에서 개발한 박판 재료 적층방법과, 미국 유타(Utah) 대학에서 개발한 쉐이프메이커 II 방법이 있고, 본 발명의 연계 특허로 한국과학기술원(KAIST)에서 출원한 "선형 열절단 시스템을 이용한 단속적 재료 공급식 가변 적층 쾌속조형 방법(Transfer type variable lamination manufacturing: VLM-st)"이 있다.

상기 중에서 박판재료 적층방법은 0.106mm 내외의 얇은 박판형태의 종이를 가열된 롤러(roller)를 이용하여 접착하고, 레이저로 절단하는 과정을 반복하여 부품을 제작하는 것이다. 그런데, 이 방법은 얇은 층을 레이저로 절단하기 때문에 제품 제작시간이 매우 많이 소요되고 제품 제작 단가가 높으며, 제작후에 실제 제품외의 지지부를 빼내는데 많은 시간이 소요되는 단점이 있다.

그리고, 쉐이프메이커 II 방법은 25.4mm 이상의 두꺼운 재료를 두 개의 플로터 헤드(plotter head)를 가지는 열선 절단기로서 재료를 절단하고, 수동으로 적층/접착하여 3차원 제품을 제작하는 것이다. 그런데, 이 발명은 열선 절단기가 두 개의 플러터 헤드로 구성되기 때문에 열선 절단기의 회전을 빠른 시간내에 할 수 없으며, 열선의 길이가 회전각에 따라 변하므로 열선의 발열량을 일정하게 유지하기 어렵다. 그러므로, 열선 절단기 회전시에 절단 재료의 과용융을 의하여 치수 정밀도가 확보되기 어렵고, 재료의 적층 두께 25.4mm로 매우 두꺼워서 세밀한 형상의 제작과 두께 방향 형상 정밀도를 유지하기 어려운 단점이 있다.

또한, VLM-st 방법은 평형사변형 메카니즘을 가지며 4축 동시에 제어되는 선형 열절단 시스템을 이용하여 4mm 이하의 재료를 절단하고 수동 적층/접착함으로써 상기 박판 재료 적층방법과 쉐이퍼메이커 II 방법의 단점을 극복할 수 있다. 그러나, 이 방법은 적층/접착 공정이 수동으로 수행됨으로써 정확한 적층이 어렵고 제품 제작 과정이 사용자와 독립적이지 못하다는 단점이 있다. 그리고, 이 방법은 재료와 이송롤러의 마찰력에 의한 재료의 공급이 이루어지므로, 이송롤러와 재료 사이의 마찰력이 감소하는 경우에는 재료의 공급이 원활히 이루어지지 못하는 단점이 있다.

상기 종래의 VLM-st 방법이 적층/접착 공정의 자동화가 이루어지지 못한 것은 절단시 4개의 수직이송장치와 열선 절단기의 간섭에 의하여 적층 기준형상을 한 개 이상 부여하지 못함에 의해 초래된 것이다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 쾌속조형 방법의 모든 공정을 자동화하여, 제작 시간을 단축하고 제작 단가를 줄이며 불필요한 후속 작업이 없도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 특정 장소에 저장된 소정 두께를 가진 박판 형태의 재료를 가공하여 건축 모델, 조형물, 캐릭터 상품, 시작품 및 로스트 폼 주조 코어로 제작하는 쾌속조형방법에 있어서, 하나의 재료를 저장된 위치에서 절단 가공될 작업 위치로 공급하는 재료공급단계와, x축, y축, Θ_x축, Θ_y축의 4축 동시 제어 방식으로 구동하는 선형 열절단 시스템을 3차원 캐드 데이터에 따라 제어하여 상기 재료의 1/2부분만을 가공하는 1차 절단가공 단계와, 상기 재료를 180°회전시킨 후에 상기 선형 열절단 시스템을 3차원 캐드 데이터에 따라 제어하여 상기 재료의 나머지 1/2부분을 가공함으로써 단위 형상층을 제작하는 2차 절단가공 단계와, 상기 단위 형상층을 3차원 제작물의 각 위치에 위치하도록 이동 테이블에 적층하는 적층 단계와, 상기 이동 테이블에 적층된 재료의 상면을 접착 롤러를 이용하여 접착제를 도포하면서 하부의 재료와 밀착시키는 접착 단계, 및 최종 재료가 적층 및 접착되어 3차원 제작물이 완성될 때까지 상기 모든 단계들을 반복 수행하는 반복수행 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 본 발명은 상기 재료를 2등분하는 중심축의 가장 자리에 각각 2개의 적층 기준 구멍 형성하여 상기 특정 장소에 저장하는 단계를 더 포함한다.

또한, 본 발명은 재료를 단속적으로 공급하거나 상기 재료를 적층할 때 상기 2개의 적층 기준 구멍에 기준하여 공급하고 적층하는 것이 양호하며, 진공 흡착을 이용하여 공급 및 적층하는 것이 양호하다.

또한, 상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 두께를 가진 박판 형태의 재료를 가공하여 건축 모델, 조형물, 캐릭터 상품, 시작품 및 로스트 폼 주조 코어로 제작하는 쾌속조형장치에 있어서, 여러 가지 두께를 가진 박판 형태의 재료들을 적층하여 저장하는 재료 저장수단, 상기 재료 저장수단에 저장된 재료중 하나를 흡착 고정하여 제1 지정위치에 안착시키는 단속적 재료공급수단, 상기 제1 지정위치에서 단속적 재료공급수단에서 공급되는 하나의 재료가 안착되고, 상기 재료를 180° 회전시키는 회전지지수단, 상기 회전수단에 안착되어 작업 위치에 위치한 재료를 제작물의 3차원 캐드 데이터에 따라 상기 회전수단의 180°회전전의 1단계 가공과, 상기 회전수단의 180°회전후의 2단계 가공으로 절단 가공하여 단위 형상층을 제작하는 선형 열절단 수단, 상기 선형 열절단 수단에 의해 제작된 단위 형상층을 진공 흡착하여 제2 지정위치에 안착시키는 적층 보조수단, 상기 제2 지정위치에서 적층 보조수단에 의해 진공 흡착된 상기 단위 형상층이 안착되어 적층되는 적층 테이블, 상기 적층 테이블에 적층된 단위 형상층의 상면에 접착제를 도포하는 도포 수단, 및 제작물의 3차원 가공 데이터에 따라 상기 선형 열절단 수단의 절단 동작을 제어하고, 상기 재료의 단속적인 공급 및 이동이 가능하도록 장치의 전반을 제어하는 시스템 제어부를 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 방법 및 장치를 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 재료의 개념도이다.

본 발명의 쾌속조형 장치는 발포성 수지, 열가소성 수지 및 열경화성 수지 등의 재료를 자동화 공정에 따라 원하는 형상으로 가공하고, 적층 및 접착하여 3차원 형상을 제작하기 위한 것이다.

이때, 재료는 재료 저장고에 저장되며, 도 2에 도시된 바와 같이, 박판 형상이며, 2개의 적층 기준구멍(a1, a2)이 서로 마주보게 두 측면 측에 각각 형성되어 있다. 이때, 적층 기준구멍(a1, a2)은 재료(1)를 이등분하는 중심축 상에 형성되는 것이 양호하다.

본 발명의 쾌속조형 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 재료 저장고(10), 제1 진공척(21), 직선운동장치(22), 회전지지대(31), 제2 진공척(32), 열선 절단기(33), Z 이동테이블(40), 접착제 통(51), 접착제 부가롤러(52), 롤러이송장치(53), 접착 롤러(54), 이송장치(61), 가이드 레일(62)과, 시스템 제어부(70)를 포함한다.

재료 저장고(10)는 박판 형태의 재료(1)를 보관하고, 하나씩 단속적으로 공급될 수 있게 하는 장치로서, 다수의 재료(1)가 적층되는 박판 형태의 받침판(11)과, 받침판(11)을 지지하기 위해 교차지점이 링크 연결된 다수의 선회판(12)과, 선회판(12)의 상기 교차지점에 장착되어 완충역할을 하는 탄성체(21)로 이루어진다.

탄성체(21)는 받침판(11)을 누르는 재료(1)의 하중이 적어질수록 선회판(12)들의 교차각을 줄여 받침판(11)이 점차 위로 상승하게 한다. 이러한 원리에 의해, 하나의 재료가 받침판(11)으로부터 이탈되면, 받침판(11)이 상승하여 이탈된 재료의 바로 아래에 있던 재료가 이탈된 재료가 있었던 지점에 오게 된다.

재료 저장고(10)에 적층된 재료(1)는 시스템 제어부(70)의 제어를 받는 제1 진공척(21)과 직선운동장치(22)에 의해 단속적인 공급이 가능해진다.

제1 진공척(21)은 재료(1)를 진공 흡착할 수 있는 장치로서, 직선운동장치(22)의 일측 단부에 있다. 직선운동장치(22)는 일측 방향(즉, y축 방향)으로 왕복 운동하는 제1 진공척(21)을 재료 저장고(10)의 상측과 가이드 레일(62)의 상측에 위치시킨다.

재료(1)는 원하는 형상으로 가공되어야 하는데, 이러한 형상 가공은 회전지지대(31), 제2 진공척(32)과 열선 절단기(33)에 의해 이루어진다.

회전지지대(31)는 재료(1)가 놓여지는 작업대(31a)와, 재료(1)를 180°회전시키기 위한 회전봉(31b)과, 작업대(31a)를 지지하면서 재료 저장고(10)와 기준작업위치 사이를 왕복할 수 있게 하는 지지부재(31c)로 이루어진다.

여기서, 기준작업위치는 열선 절단기(33)가 절단 가공 작업을 할 때에 재료(1)가 고정될 위치를 말한다.

우선 작업대(31a)를 보면, 작업대(31a)는 전체적으로 직육면체 형상이고, 재료(1)의 적층 구멍(a1, a2)에 대응하는 적층 기준핀(미도시)이 적층 구멍(a1, a2)의 위치에 부합되게 상면에 각각 형성되어 있다. 그리고, 작업대(31a)는 적층 기준핀이 형성된 부분을 제외한 나머지 부분이 파여져 홈(도 4의 h1)을 형성하고 있다. 상기 홈(h1)은 열선 절단기(33)가 재료(1)를 가공할 수 있는 작업 공간의 역할을 하는 것이므로, 적층 기준핀이 형성된 측면을 제외한 나머지 측면이 개방되고 깊이방향으로 수직되게 형성되는 것이 양호하다.

회전봉(31b)은 작업대(31a)의 하부에 연결되어 작업대(31a)를 180°회전시킨다. 이때의 회전은 시스템 제어부(70)의 제어에 따른다.

지지부재(31c)는 회전봉(31b)의 하부에 연결되어 있고 가이드 레일(62) 상에 놓여져 있으며 이송장치(61)에 연결되어 있다.

여기서, 이송장치(61)는 시스템 제어부(70)의 제어에 따라 x축 방향으로 왕복 운동을 하므로, 지지부재(31c)는 이송장치(61)의 x축 왕복 운동에 따라 재료 저장고(10)와 기준작업위치 사이를 왕복 운동한다. 상기 회전지지대(31)의 왕복 운동에 의해 제1 진공척(21)의 재료(1)가 회전지지대(31)에 단속적으로 공급된다.

제2 진공척(32)은 시스템 제어부(70)의 제어에 따라 작업대(31a)에 놓여진 재료(1)를 진공 흡착한다. 제2 진공척(32)의 용도는 절단 가공된 재료(1)를 Z 이동테이블(40)에 공급하기 위한 것이다.

열선 절단기(33)는 작업대(31a)에 놓여진 재료(1)를 시스템 제어부(70)에서 제공하는 가공 데이터에 따라 절단 가공하기 위한 것이다.

상기 열선 절단기(33)의 구성은 도 3에 구체적으로 도시되어 있다.

도 3은 도 1에 도시된 열선 절단기의 개략도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 열선 절단기(33)는 주축(33a)과, 주축(33a) 일단에 힌지 결합되는 선회봉(33b)과, 선회봉(33b) 양단에 링크 연결된 한쌍의 병진봉(33c)과, 병진봉(33c)의 끝단 사이에 연결된 열선(33d)으로 이루어진 평행 사변형 구조이다.

상기 주축(33a)은 시계방향 또는 반시계방향(즉, Θ_x축)으로 360°회전운동이 가능하고, 선회봉(33b)은 힌지 결합되는 부분을 중심으로 Θ_y축으로 선회가 가능한데, 그 선회각도는 주축(33a)에 수직한 직선을 기준으로 하여 약 ±65°이다.

병진봉(33c)은 선회봉(33b)의 선회에 따라 전후로 병진운동(y축)을 할 수 있다. 상기 병진봉(33c)의 병진운동은 도 1에 도시된 바와 같이 주축(33a)에 연결되어 y축 직선운동하는 y축 프레임(33e)의 y축 운동에 의해 이루어지고, 주축(33a)의 x축 이동은 y축 프레임(33e)에 연결된 x축 프레임(33f)의 x축 운동에 의해 이루어진다.

한편, 열선(33d)은 카트리지 형태이며, 인가되는 전류로 저항열을 발산하는 금속선재를 사용하거나 이산화탄소 레이저 또는 루비 레이저 등과 같이 통상적으로 절단용으로 사용되는 절단용 레이저를 이용한다. 또한, 열선(33d)은 고온을 발산하는 플라즈마, 히트가스(heat Gas), 히트빔 중에서 하나일 수 있다.

따라서, 열선 절단기(33)는 4축(즉, x축, y축, Θ_x축, Θ_y축) 동시 제어방식으로서, 각각의 축방향 동작이 시스템 제어부(70)의 캐드/캠 프로그램으로 생성되는 절단가공 데이터(위치 데이터(x,y,z)와 각 데이터(Θ_x, Θ_y))에 기초하여 제어되며, 상기 열선(33d)의 온도 또한 가공될 재료(1)의 물성치에 기초하여 변경될 수 있다.

다시, 도 1을 참조하면, 열선 절단기(33)에 의해 가공된 재료는 적층 및 접착을 위해 Z 이동테이블(40)에 공급된다.

Z 이동테이블(40)은 적층판(41)과, 적층기준대(42a, 42b), 높이조절장치(43)와, 밑판(44)으로 이루어진다.

적층판(41)은 가공된 재료(1)가 적층될 수 있는 사각 형태이며, 재료(1)의 적층 기준 구멍(a1, a2)에 대응하는 2개의 관통공이 재료(1)의 적층 기준 구멍(a1, a2)의 위치에 부합되게 형성되어 있다.

적층기준대(42a, 42b)는 재료(1)의 적층 기준 구멍(a1, a2)에 끼워져 재료(1)들을 적층판(41)에 적층되게 하는 것으로, 밑판(44)에 부착되고 적층판(41)에 형성된 2개의 관통공에 각각 끼워진다.

높이조절장치(43)는 적층판(41)의 하부와 밑판(44) 사이에 설치되며, 적층판(41)을 지지하면서 적층판(41)의 높이를 조절하기 위한 것이다. 이를 위해 높이조절장치(43)는 밑판(44)에 고정된 제1 부재(43a)와, 제1 부재(43a)와 탄성 연결되어 있고 적층판(41)과 밀착 고정되어 있으며 적층판(41)으로부터 가해지는 하중에 따라 밑판(44)쪽으로 하강하는 제2 부재(43b)로 이루어진다.

따라서, 높이조절장치(43)는 재료(1)가 적층판(41)에 재료(1)가 하나씩 적층될때마다 동일 길이 즉, 재료(1)의 박판 두께만큼 적층판(41)을 하강시킨다. 높이조절장치(43)가 필요한 것은 접착 롤러(54)가 일정 높이에 고정되어 수평방향(즉, y 방향)으로의 왕복운동을 하기 때문이다. 다시 말해, 접착 롤러(54)가 일정 높이에 있으므로, 접착 롤러(54)가 적층판(41)에 현재 적층되는 재료(1)와 밀착하여 접착 공정을 할 수 있게 하기 위한 것이다.

여기서, 접착 공정은 접착 롤러(51), 롤러이송장치(52), 접착제 부가롤러(53), 접착제 통(54)에 의해 달성된다. 상기 접착 롤러(51)는 롤러이송장치(52)의 일측 단부에 연결되어 있으며, 롤러이송장치(52)의 직선왕복운동 즉, y 축 왕복운동에 연동한다. 접착 롤러(51)의 이동 경로상에서, 전방에는 적층판(41)이 위치하고, 후방에는 접착제 부가롤러(53)가 위치한다. 따라서, 접착 롤러(51)는 접착제 부가롤러(53)에 밀착된 후 적층판(41)에 밀착된다.

상기 접착제 부가롤러(53)는 접착 롤러(51)에 접착제를 바르기 위한 것으로, 접착제 통(54) 내부에 장착되어 있다. 이때, 접착제 부가롤러(53)는 일부가 접착제 통(54)내의 접착제에 담가지고, 일부가 공기에 노출되게 설치된다.

접착제 통(54)은 접착제를 담고 있는 용기로서, 접착제 부가롤러(53)를 내부에 수용할 수 있는 크기 및 형태로 제작된다.

접착제 통(54)은 이송장치(61) 상에 설치되어 일정 높이로 고정된다.

이송장치(61)는 재료(1)를 다른 공정으로 이동시킬 때에 시스템 제어부(70)의 제어에 따라 구동하여 Z 이동테이블(40)과 회전지지대(31)를 x축 상으로 왕복 운동시킨다.

즉, 재료 저장고(10)에 저장된 재료(1)를 제1 진공척(21)이 흡착 고정하여 재료 저장고(10) 앞의 가이드 레일(62) 상으로 옮기면, 이송장치(61)는 회전지지대(31)를 기준작업위치에서 제1 진공척(21)의 위치로 옮겨 제1 진공척(21)으로부터 재료(1)가 회전지지대(31)에 놓이게 한다. 그리고, 이송장치(61)는 회전지지대(31)를 재료 저장고(10)로 이송시킴과 동시에 Z 이동테이블(40)을 기준작업위치로 이동시켜 제2 진공척(32)에 의해 진공 흡착된 재료(1)가 Z 이동테이블(40)에 놓이게 한다.

시스템 제어부(70)는 본 발명의 장치를 이루는 각 구성의 동작을 제어하여, 단속적 재료 공급과, 2단계 형상 가공, 적층 및 접착이 자동화될 수 있게 한다.

이러한 시스템 제어부(70)는 컴퓨터일 수 있으며, 윈도우즈 오퍼레이팅 시스템으로 운용되며, 인스톨된 3차원 캐드/캠 프로그램을 구동하여 사후 완성될 제품을 미리 모델링한 뒤, 다수개의 박판(Sheet)으로 분할하는 슬라이싱 작업을 한다. 이러한 슬라이싱 작업을 통해 시스템 제어부(70)는 열선 절단기(33)의 각 축방향 동작을 제어할 수 있는 절단가공 데이터를 생성한다.

상술한 본 발명의 실시예에서는 회전지지대(31)와 Z 이동테이블(40)이 제1 또는 제2 진공척(21, 32)이 위치한 지점으로 이동하여 재료(1)를 공급받고 있으나, 당업자라면 상기 제1 및 제2 진공척(21, 32)을 회전지지대(31) 또는 Z 이동테이블(40)이 위치한 지점으로 이동할 수 있게 하는 x축 직선운동장치를 부가하여 상기 회전지지대(31) 및 Z 이동테이블(40)을 이동시키지 않고 재료(1)를 공급받을 수 있게 할 수 있다. 이 경우, 상기 x축 직선운동장치에 의해 가이드 레일(62) 및 이송장치(61)는 필요치 않게 된다.

이하, 도 4 내지 도6을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 방법을 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 쾌속조형 방법의 공정 순서도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열선 절단기의 가공 공정도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 적층 및 접착 공정도이다.

제1 진공척(21)은 직선운동장치(22)에 의해 재료 저장고(10) 상에 위치하면, 재료(1)를 진공 흡착한다. 그러면, 직선운동장치(22)는 제1 진공척(21)을 재료 저장고(10)의 앞쪽인 가이드 레일(62) 상으로 옮긴다(S410).

제1 진공척(21)이 가이드 레일(62) 상으로 이동할 때, 회전지지대(31)는 기준작업위치에서 재료 저장고(10)의 앞쪽으로 이동하여 제1 진공척(21)과 나란히 한다. 그러면, 제1 진공척(21)은 재료(1)를 작업대(31a)에 내려 놓는다. 이때, 재료(1)의 적층 기준 구멍(a1, a2)은 작업대(31a)의 적층 기준핀 각각에 삽입된다(S411).

따라서, 상기 제1 진공척(21)과 직선운동장치(22)에 의해 본 발명은 재료(1)를 단속적으로 공급하는 것이 가능해지고, 또한 재료의 원활한 공급이 가능해진다. 여기서, 재료의 공급이 원활히 이루어진다는 것은 종래 기술과 같이 롤러와 재료간의 마찰력 감소에 의한 단점이 개선되었다는 것을 의미한다.

재료(1)가 회전지지대(31)에 놓이면, 회전지지대(31)는 기준작업위치로 재료(1)를 옮긴다(S412).

그리고, 기준작업위치에 재료(1)가 위치하면 열선 절단기(33)는 시스템 제어부(70)에서 제공하는 절단 가공 데이터에 따라 재료(1)를 원하는 형상으로 가공한다.

여기서, 열선 절단기(33)의 절단 가공 공정을 도 5를 참조로 하여 설명한다.

열선 절단기(33)는 도 5의 a에 도시된 바와 같이 시스템 제어부(70)에서 제공하는 1단계 절단 가공 데이터에 따라 열선(33d)을 x축, y축, Θ_x축, Θ_y축으로 동시에 이동시켜 재료(1)를 절단 가공하는 1단계 가공을 수행한다(S413).

이때, 1단계 가공은 두 개의 적층 기준 구멍(a1, a2)을 축으로 구분되는 두 부분중 한 부분을 절단한다.

상기와 같이 1단계 가공이 끝나면, 나머지 부분에 대한 절단 가공을 위해 회전지지대(31)는 회전봉(31b)을 180°회전시켜 재료(1) 중 절단 가공되지 않은 나머지 부분이 열선 전달기(33)에 마주되게 한다(S414).

그러면, 열선 절단기(33)는 도 5에 도시된 b와 같이, 절단 가공되지 않은 나머지 부분을 시스템 제어부(70)의 2단계 절단 가공 데이터에 따라 열선(33d)을 x축, y축, Θ_x축, Θ_y축으로 동시에 이동시켜 절단 가공하는 2단계 가공을 수행한다(S415).

결국, 재료(1)는 열선 절단기(33)에 의해 도 5에 도시된 c와 같이, 단위형상층(AUSL: Automated Unit Shape Layer)으로 가공된다(S416).

여기서, 열선 절단기(33)는 2단계 절단 가공(1단계 가공과 2단계 가공)으로, 2개의 적층기준형상을 만든다. 2개의 적층기준형상은 가공된 형태(즉, 도 5의 하트 모양)를 제외한 나머지 부분으로서, 제1 적층기준구멍(a1)이 형성되어 상기 가공 형태에 연결된 부분까지가 하나의 적층기준형상이고, 제2 적층기준구멍(a2)이 형성되어 상기 가공형태에 연결된 부분까지가 다른 하나의 적층기준형상이다.

상기 적층기준형상 각각은 반드시 적층기준구멍이 형성되어 있어야 하며, 가공된 형태에 연결되어 있어야 한다. 그래야만 하나의 적층기준형상을 가진 종래에 비해 뒤틀림이나 변형에 대응할 수 있다.

상기와 같이, 재료(1)를 2단계 절단 가공하면, 제품의 내/외부에 존재하는 잔여 재료와, 제품을 완전히 분리할 수 있게 되어, 적층/접착 완료 후에 잔여 재료 제거 작업을 하지 않아도 된다.

또한, 재료(1)를 2단계 절단 가공함에 의해 생성된 2개의 적층기준형상을 이용하여 적층 및 접착을 하게 되므로, 본 발명은 하나의 적층기준형상을 이용하여 적층/접착할 때에 발생되는 AUSL의 회전 및 비틀림 등에 의한 형상 왜곡을 방지한다.

열선 절단기(33)에 의해 재료(1)가 원하는 형상의 AUSL로 제작되면, 제2 진공척(32)은 AUSL을 진공 흡착한다(S417).

그러면, 이송장치(61)는 도 6에 도시된 바와 같이, A 경로와 B 경로를 동시에 수행하여, Z 이동테이블(40)을 기준작업위치로 이동시키고, 기준작업위치에 있던 회전지지대(31)를 재료 저장고(10) 측으로 이동시킨다(S418).

상기의 이동이 완료되면, 제2 진공척(32)의 AUSL은 Z 이동테이블(40)에서 적층 및 접착이 이루어진다.

이러한 Z 이동테이블(40)에서의 적층 및 접착은 도 6에 구체적으로 도시되어 있다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 적층 및 접착 공정도이다.

도 6에 도시된 a와 같이, 제2 진공척(32)에 진공 흡착된 AUSL은 적층 기준 구멍(a1, a2)이 Z 이동테이블(40)의 적층 기준대(42a, 42b)에 끼워져 적층판(41)에 적층된다(S429).

상기 Z 이동테이블(40)에 AUSL이 적층될 때, 제1 진공척(21)에 진공 흡착된 재료(1)는 적층 기준 구멍(a1, a2)이 회전지지대(31)의 적층 기준핀에 끼워져 안착된다.

상기와 같이, Z 이동테이블(40)에 새로운 AUSL이 적층되면, 높이조절장치(41)는 적층판(41)의 하중이 적층된 AUSL의 하중만큼 추가됨에 따라 아래쪽으로 적층판(41)을 하강시킨다. 이에 새로이 적층된 AUSL은 접착 롤러(62)와 밀착될 수 있는 위치에 위치하게 된다.

그러면, 접착 롤러(54)는 도 6에 도시된 b와 같이, 시스템 제어부(70)의 제어를 받은 롤러이송장치(53)에 연동하여 접착 부가롤러(52)와 맞닿아져 접착제를 뭍인 후에, 새로이 적층된 AUSL을 가로지르는 방향으로 진행하여 AUSL의 상면에 접착제를 1차 도포한다. 이때, 접착 롤러(54)는 AUSL의 상면에 접착제를 도포하기 위해 AUSL을 1차 가압하게 되며, 그에 따라 아래층의 AUSL과 새로이 적층된 AUSL은 단단히 밀착되는 1차 접착이 이루어진다.

그리고, 접착 롤러(54)는 도 6에 도시된 c와 같이, 1차 도포의 진행 방향에 반대방향으로 진행하여 AUSL의 상면에 접착제를 2차 도포한다(S420). 이때 또한 접착 롤러(54)는 도포를 위해 AUSL을 가압하게 되며, 그에 따라 새로이 적층된 AUSL과 아래층의 AUSL은 더욱 단단히 밀착되는 2차 접착이 이루어진다.

상기의 과정(S410) 내지 과정(S420)은 하나의 재료(1)에 대하여 기술하였는데, 본 발명의 공정은 3차원 형상이 완성되는 마지막 AUSL이 접착될때까지 반복적으로 수행된다(S421).

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

본 발명은 진공척과 직선운동장치를 이용하여 단속적, 자동적으로 재료를 공급함으로써, 재료와 이송롤의 마찰 특성에 관계없이 원활한 재료 공급이 가능해진다.

본 발명은 2단계 절단 가공 공정을 이용함으로써 제품의 내/외부에 존재하는 잔여 재료와 제품을 완전히 분리되게 하여 잔여 재료 제거 공정을 필요치 않게 한다. 이에 따라, 본 발명은 제작 시간을 단축시킬 수 있다.

본 발명은 두 개의 적층기준형상을 가지는 AUSL을 제작하고 적층 및 접착함으로써, 한 개의 적층 형상을 가지고 절단, 적층, 접착할 때에 발생되는 AUSL의 회전 및 비틀림 등의 형상 왜곡을 방지한다.

본 발명은 접착제가 부가된 접착롤을 이용하여 현재 적층된 AUSL을 도포함과 동시에 하층의 AUSL과의 접착이 동시에 이루어지게 함으로써, 적층 및 접착의 자동화를 가능하게 하고, 접착제 도포후 일정 시간후에 접착을 수행함으로써 접착제의 경화시간이 부여되어 접착 강도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 장치의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 재료의 개념도이다.

도 3은 도 1에 도시된 열선 절단기의 개략도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 쾌속조형 방법의 공정 순서도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열선 절단기의 가공 공정도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 적층 및 접착 공정도이다.

< 도면의 주요 부분에 따른 부호의 설명>

10: 재료 저장고 21: 제1 진공척

22: 직선운동장치 31: 회전지지대

32: 제2 진공척 33: 열선 절단기

40: Z 이동테이블 51: 접착 롤러

52: 롤러이송장치 53: 접착제 부가롤러

54: 접착제 통 61: 이송장치

62: 가이드 레일 70: 시스템 제어부

Claims (14)

1. 특정 장소에 저장된 소정 두께를 가진 박판 형태의 재료를 가공하여 건축 모델, 조형물, 캐릭터 상품, 시작품 및 로스트 폼 주조 코어로 제작하는 쾌속조형방법에 있어서,

   하나의 재료를 저장된 위치에서 절단 가공될 작업 위치로 공급하는 재료공급단계;

   x축, y축, Θ_x축, Θ_y축의 4축 동시 제어 방식으로 구동하는 선형 열절단 시스템을 3차원 캐드 데이터에 따라 제어하여 상기 공급된 재료의 일부분만을 가공하는 1차 절단가공 단계;

   상기 재료를 180°회전시킨 후에 상기 선형 열절단 시스템을 3차원 캐드 데이터에 따라 제어하여 상기 재료의 나머지 일부분을 가공함으로써 단위 형상층을 제작하는 2차 절단가공 단계;

   상기 단위 형상층을 3차원 제작물의 각 위치에 위치하도록 이동 테이블에 적층하는 적층 단계;

   상기 이동 테이블에 적층된 재료의 상면을 접착 롤러를 이용하여 접착제를 도포하면서 하부의 재료와 밀착시키는 접착 단계; 및

   최종 재료가 적층 및 접착되어 3차원 제작물이 완성될 때까지 상기 모든 단계들을 반복 수행하는 반복수행 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 재료를 2등분하는 중심축의 가장 자리에 각각 2개의 적층 기준 구멍을 형성하여 상기 특정 장소에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 재료공급단계는,

   특정 장소에 저장된 재료중 하나를 진공 흡착하고, 상기 진공 흡착된 재료가 상기 작업 위치에 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 방법.
4. 청구항 2에 있어서,

   상기 1차 절단가공 단계 및 상기 2차 절단가공 단계는,

   상기 재료에 형성된 2개의 적층 기준 구멍에 의해 형성되는 중심축을 기준으로 가공 공정을 수행하며, 상기 2개의 적층 기준 구멍은 그대로 유지시키는 것을 특징으로 하는 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 적층 단계는,

   상기 2개의 적층 기준 구멍을 고정시키는 적층을 수행하는 것을 특징으로 하는 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 방법.
6. 두께를 가진 박판 형태의 재료를 가공하여 건축 모델, 조형물, 캐릭터 상품, 시작품 및 로스트 폼 주조 코어로 제작하는 쾌속조형장치에 있어서,

   여러 가지 두께를 가진 박판 형태의 재료들을 적층하여 저장하는 재료 저장수단;

   상기 재료 저장수단에 저장된 재료중 하나를 흡착 고정하여 제1 지정위치에 안착시키는 단속적 재료공급수단;

   상기 제1 지정위치에서 단속적 재료공급수단에서 공급되는 하나의 재료가 안착되고, 상기 재료를 180°수형 회전시키는 회전지지수단;

   상기 회전수단에 안착되어 작업 위치에 위치한 재료를 제작물의 3차원 캐드 데이터에 따라 상기 회전수단의 180°회전전의 1단계 가공과, 상기 회전수단의 180°회전후의 2단계 가공으로 절단 가공하여 단위형상층을 제작하는 선형 열절단 수단;

   상기 선형 열절단 수단에 의해 제작된 단위형상층을 진공흡착하여 제2 지정위치에 안착시키는 적층 보조수단;

   상기 제2 지정위치에서 적층 보조수단에 의해 진공 흡착된 상기 단위형상층이 안착되어 적층되는 적층 테이블;

   상기 적층 테이블에 적층된 단위형상층의 상면에 접착제를 도포하는 도포 수단; 및

   제작물의 3차원 가공 데이터에 따라 상기 선형 열절단 수단의 절단 동작을 제어하고, 상기 재료의 단속적인 공급 및 이동이 가능하도록 장치의 전반을 제어하는 시스템 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 장치.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 재료 저장수단에 저장된 재료는,

   상기 재료를 2등분하는 중심축의 가장 자리에 각각 2개의 적층 기준 구멍을 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 장치.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 단속적 재료공급수단은,

   상기 재료를 진공 흡착하는 제1 진공척과, 상기 제1 진공척이 일측 끝단에 부착되어 있으며 직선운동하여 상기 제1 진공척을 상기 제1 지정위치로 이동시키는 직선운동장치로 이루어지는 것을 특징으로 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 장치.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 제1 지정위치가 상기 재료 저장수단의 앞측이고, 상기 제2 지정위치가 상기 작업위치라고 정의한 경우,

   상기 적층 보조수단은 상기 단위형상층을 진공 흡착하는 제2 진공척이며,

   상기 회전지지수단과 상기 적층 테이블이 놓여지고, 상기 작업위치와 상기 제1 지정위치와, 상기 작업위치의 옆에 위치하는 적층 위치를 지나는 직선의 가이드 레일과,

   상기 회전지지수단과 상기 적층 테이블에 연결되어 있으며, 상기 가이드 레일을 따라 상기 회전지지수단을 상기 제2 지정위치에서 상기 제1 지정위치로 왕복 이동시키고, 상기 적층 테이블을 상기 적층 위치에서 상기 제2 지정위치로 왕복 이동시키는 이송장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 장치.
10. 청구항 8에 있어서,

    상기 제1 지정위치가 상기 작업 위치이며, 상기 제2 지정위치가 상기 작업 위치의 옆인 적층 위치이면,

    상기 적층 보조수단은 상기 단위형상층을 진공 흡착하는 제2 진공척과, 상기 제2 진공척이 일측 단부에 연결되어 있으며 상기 제2 진공척을 상기 적층 위치에 위치한 상기 적층 테이블로 직선운동하여 이송시키는 제2 진공척용 직선운동장치를 포함하는 것을 특징으로 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 장치.
11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,

    상기 회전지지수단은,

    전체적으로 직육면체의 형상이고, 상기 2개의 적층 기준 구멍에 끼워지는 2개의 적층 기준핀이 상면에 형성되어 있으며, 상기 선형 열절단 수단의 작업 이동을 자유롭게 하는 홈이 형성된 작업대와,

    상기 작업대의 하단에 연결되어 있으며, 180°회전이 가능한 회전봉을 포함하는 것을 특징으로 하는 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 장치.
12. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,

    상기 적층 테이블은,

    상기 단위 형상층이 적층되며 상기 2개의 적층 기준 구멍에 대응하는 2개의 관통공이 형성된 적층판과,

    지면측에 밀착된 밑판에 수직으로 형성되어 상기 적층판에 형성된 2개의 관통공에 끼워지며, 상기 단위형상층의 2개의 적층 기준 구멍이 끼워지는 2개의 적층 기준대와,

    상기 적층판의 하부와 상기 밑판 사이에 설치되어 상기 적층판을 지지하고, 상기 적층판으로부터 가해지는 하중에 따라 상기 적층판을 상기 밑판측으로 하강시켜 상기 적층판에 적층되는 상기 단위형상층이 동일 높이에 위치하도록 하는 높이 조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 장치.
13. 청구항 6에 있어서,

    상기 도포 수단은,

    일정 높이에 위치하며, 상기 적층 테이블에 적층된 상기 단위형상층의 상면에 접착제를 도포하기 위한 접착 롤러,

    일측 단부에 상기 접착 롤러가 설치되며, 직선왕복운동으로 상기 접착 롤러를 이동시키는 롤러이동장치,

    상기 롤러이동장치의 이동 경로상에 위치하여 상기 접착 롤러에 접착제를 공급하는 접착제 부가롤러와,

    접착제를 담고 있으며, 내부에 상기 접착제 부가롤러가 장착되어 있는 접착제 통을 포함하는 것을 특징으로 하는 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 장치.
14. 청구항 6에 있어서,

    상기 선형 열절단 수단은,

    병진운동 및 회전운동이 가능한 4자유도의 선형 열절단기인 것을 특징으로 하는 단속적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형 장치.