KR100708353B1 - 대형 조형물 제작용 가변 적층 쾌속조형장치 - Google Patents

Abstract

이 발명은 대형 판형부재를 신속하고 용이하게 가공하여 조형할 수 있는 대형 조형물 제작용 가변 적층 쾌속조형장치에 관한 것으로서, 판형부재를 그 길이방향으로 왕복 이송시키는 제1 이송수단과, 제1 이송수단의 하부에 설치되어 판형부재의 폭방향으로 왕복 운동하는 제2 이송수단과, 판형부재의 폭방향을 그 중심축으로 하여 선회 운동하도록 제2 이송수단에 결합된 선회수단과, 판형부재를 그 폭방향으로 가로 질러 위치하여 그 폭방향으로 병진 운동하도록 선회수단에 링크 결합된 병진수단과, 병진수단의 일측에 결합되어 판형부재를 절단하는 절단수단과, 절단수단에 의해 절단된 판형부재들을 조형물이 형성되도록 순차적으로 적층하는 적층수단, 및 조형물에 대한 데이터를 저장하였다가 수단들의 작동을 제어하는 제어수단을 포함한다. 이 발명은 열선이 평행사변형 링크구조에 결합되기 때문에 매우 안정적일 뿐만 아니라 가공정밀도가 매우 우수하다. 또한, 평행사변형 링크구조의 길이조절이 가능하므로 소형 판형부재에서 대형 판형부재까지 다양하게 가공할 수 있다.

Description

대형 조형물 제작용 가변 적층 쾌속조형장치{VARIABLE LAMINATION MANUFACTURING APPARATUS FOR FABRICATION OF LARGE 3-DIMENSIONAL OBJECT}

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 대형 조형물 제작용 가변 적층 쾌속조형장치의 구성관계를 도시한 사시도이고,

도 2는 도 1에 도시된 선회 및 병진수단의 구성관계를 도시한 일부 분해 사시도이며,

도 3은 도 1에 도시된 쾌속조형장치를 이용한 판형부재의 가공과정을 도시한 공정도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 판형부재 100 : 판형부재 공급수단

200 : 컨베이어 210 : 컨베이어 벨트

220 : 가이드 300 : 직선 이송수단

310 : 지지판 320 : 이동판

330 : 지지대 400 : 선회수단

410 : 요크 420 : 모터

500 : 병진수단 510 : 선회바

520 : 모터 530 : 수평바

600 : 열선 700 : 시스템 제어수단

800 : 적층수단 810 : 적층 테이블

820 : 도포수단

이 발명은 대형 조형물 제작에 필요한 단위적층부재를 가공하여 조형하는 쾌속조형장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대형 판형부재를 신속하고 용이하게 가공하여 조형할 수 있는 대형 조형물 제작용 가변 적층 쾌속조형장치에 관한 것이다.

종래의 쾌속조형방법은 크게 광경화성 재료에 레이저 광선을 조사하여 3차원 형상으로 경화시켜 제조하는 방법과, 입상(粒狀) 또는 층상(層狀)의 고체소재를 원하는 형태로 접합시켜 제조하는 방법으로 나눌 수 있다.

일반적으로 쾌속조형이란 종이, 왁스, ABS 및 플라스틱 등의 여러 가지 비금속, 금속재료를 사용하여 3차원 CAD 데이터로부터 3차원 형상의 시작품 또는 몰드(조형물)를 곧바로 조형하는 공정을 일컫는 것으로서, 최근에는 이에 사용되는 재질이 금속분말 및 금속와이어(Wire) 등으로 발전함에 따라 다양한 공정으로 조형물을 조형하고 있다.

이러한 쾌속조형방법 중 층상접합기술에 관련된 선행 기술로는 미국 Helisys 사에서 개발한 박판재료 적층공정(Laminated Object Manufacturing, LOM) 기술과 미국 Utah 대학에서 개발한 ShapeMakerII 기술이 있다.

박판재료 적층공정 기술은 얇은 박판(0.106 mm 내외)형태의 종이를 고온의 롤러로 압착하여 접착시키고 레이저로 절단하는 과정을 반복하여 조형물을 제작한다. 그러나 이 기술은 얇은 층을 레이저로 절단하기 때문에 조형물의 제작시간이 매우 많이 소요될 뿐만 아니라 그 제작단가가 매우 높다. 또한, 조형물의 제작 후에는 그 형상구현을 위해 사용되었던 지지부재를 제거해야 하기 때문에 많은 시간이 소요되는 단점이 있다.

ShapeMakerII 기술은 25.4 mm 이상의 두꺼운 재료를 두 개의 플로터 헤드(Plotter Head)를 가지는 열선절단기로 절단한 후 수동으로 적층/접착하여 3차원 조형물을 제작한다. 그러나 이 기술은 열선절단기가 두 개의 플로터 헤드로 구성되기 때문에 열선절단기의 회전이 빠른 시간 내에 이루어지지 못하는 단점이 있다. 아울러, 열선의 길이가 회전각에 따라 변하므로 열선의 발열량을 일정하게 유지하기 어렵고, 열선의 발열량 편차에 의한 치수 정밀도가 떨어지는 단점이 있다.

이러한 문제점을 감안하여 출원인은 대한민국 공개특허번호 제2003-4638호에 개시된 형태의 단소적 재료 공급식 가변적층 쾌속조형공정(Transfer type variable lamination manufacturing: VLM-ST) 기술을 개발하였다. 이 공개기술은 A4 또는 A3 크기와 10 mm 이하의 두께를 가지는 판형부재를 단속적으로 공급한 후 정지상태에서 4축 동시 제어되는 외팔보 형태의 선형 열절단 시스템을 X축, Y축, θx, θy 방향으로 움직이면서 측면경사를 가진 단위적층부재로 절단하여 수동으로 적층/접착하였다. 따라서 이 공개기술은 위에서 언급한 기술과 달리 판형부재를 보다 신속 정확하게 가공할 수 있다. 또한, 이 공개기술은 판형부재의 측면경사 가공도 가능하므로, 적층된 이후 가공공정을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.

그러나 이 공개기술은 판형부재를 가공하는 열절단부가 외팔보 형태로 설치되어 있어 가공할 수 있는 판형부재의 크기에 제약이 있다. 즉, 판형부재가 커지면 그에 따라 열선을 지지하는 병진봉이 길어지므로 가공정밀도가 떨어지는 문제점이 있다. 그러나 현재까지 위에서 언급된 기술 이외에는 개발된 것이 없어 대형 판형부재의 가공은 거의 수작업에 의존하고 있는 미진한 수준에 머물고 있다.

이 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 길이조절이 용이한 평행사변형 링크구조에 절단기능을 부여함으로써 그 크기에 무관하게 판형부재를 정교하게 절단하여 조형하는 대형 조형물 제작용 가변 적층 쾌속조형장치를 제공하는 그 목적이 있다.

이 발명은 판형부재를 그 길이방향으로 왕복 이송시키는 제1 이송수단과, 제1 이송수단의 하부에 설치되어 판형부재의 폭방향으로 왕복 운동하는 제2 이송수단과, 판형부재의 폭방향을 그 중심축으로 하여 선회 운동하도록 제2 이송수단에 결 합된 선회수단과, 판형부재를 그 폭방향으로 가로 질러 위치하여 그 폭방향으로 병진 운동하도록 선회수단에 링크 결합된 병진수단과, 병진수단의 일측에 결합되어 판형부재를 절단하는 절단수단과, 절단수단에 의해 절단된 판형부재들을 조형물이 형성되도록 순차적으로 적층하는 적층수단, 및 조형물에 대한 데이터를 저장하였다가 수단들의 작동을 제어하는 제어수단을 포함한다.

선회수단은 중심축이 판형부재의 폭방향을 향하도록 이송수단의 양 측에 회전가능하게 각각 결합된 한 쌍의 요크와, 요크들의 적어도 한 쪽에 결합되어 요크들을 선회 운동시키는 모터를 포함할 수 있다.

병진수단은 요크들에 선회 가능하게 각각 결합된 한 쌍의 선회바와, 판형부재의 상하부에 평행하게 위치하도록 한 쌍의 선회바의 양단에 각각 링크 결합된 한 쌍의 수평바, 및 선회바들의 적어도 한 쪽에 결합되어 수평바들을 병진 운동시키는 모터를 포함할 수 있다.

절단수단은 한 쌍의 수평바를 상하로 서로 연결하는 열선을 포함할 수 있다.

제1 이송수단은 컨베이어로 구성하는 것이 바람직하다.

적층수단은 절단된 판형부재의 적층이 가능한 적층 테이블과, 절단된 판형부재를 흡착하여 적층 테이블의 지정위치로 운반하여 적층하는 적층 보조수단, 및 적층 테이블에 적층된 절단된 판형부재의 상면에 접착제를 도포하는 도포수단을 포함할 수 있다.

이 발명은 제1 이송수단의 일측에서 판형부재를 공급해주는 판형부재 공급수단을 더 포함할 수 있다.

이하, 이 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 대형 조형물 제작용 가변 적층 쾌속조형장치의 구성관계를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 선회 및 병진수단의 구성관계를 도시한 일부 분해 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 쾌속조형장치를 이용한 판형부재의 가공과정을 도시한 공정도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 장치는 다량의 판형부재(10)를 적재하고 있다가 공급하는 판형부재 공급수단(100)과, 공급된 판형부재(10)를 그 길이방향으로 왕복 이송하는 컨베이어(200)와, 판형부재(10)의 폭방향으로 왕복 운동하는 이송수단(300)과, 판형부재(10)의 폭방향을 그 중심축으로 하여 선회 운동하도록 이송수단(300)에 결합된 선회수단(400)과, 판형부재(10)의 폭방향으로 병진 운동하도록 선회수단(400)에 링크 결합된 병진수단(500)과, 병진수단(500)의 일측에 결합되어 판형부재(10)를 절단하는 절단수단과, 조형물의 데이터에 따라 각각의 수단들의 작동을 제어하여 조형물을 구성하는 각각의 단위적층부재를 제작하도록 하는 시스템 제어수단(700), 및 단위적층부재들이 순차적으로 적층되어 조형물이 형성되도록 하는 적층수단(800)으로 구성된다.

판형부재 공급수단(100)은 다량의 판형부재(10)를 적재하며, 시스템 제어수단(700)의 신호에 따라 판형부재(10)를 단속적으로 컨베이어(200)에 공급해준다. 이를 위해 판형부재 공급수단(100)은 시스템 제어수단(700)의 신호에 따라 판형부재(10)를 컨베이어(200)로 이송시켜 주는 별도의 이송수단을 구비한다. 이 실시예의 이송수단은 산업계에서 일반적으로 구현하여 사용하는 형태로 구성하면 된다.

컨베이어(200)는 판형부재 공급수단(100)에서 공급된 판형부재(10)를 지지하고 있다가 시스템 제어수단(700)에 입력된 CAD 데이터에 따라 y축 방향(판형부재의 길이 방향)으로 왕복 직선 이송시키는 이송수단의 역할을 한다.

컨베이어(200)의 양측에는 가이드(220)가 설치된다. 가이드(220)는 컨베이어(200)에 의해 왕복 이송된 판형부재(10)의 위치를 바로 잡아주는 역할을 한다. 이 때, 가이드(220)는 판형부재(10)의 폭방향으로 서로 간의 간격을 조절할 수 있도록 구성할 수 있다. 컨베이어(200)에는 판형부재(10)를 운반하는 컨베이어 벨트(210)가 감겨진다.

컨베이어 벨트(210)에는 판형부재(10)의 전장보다는 길고 폭보다는 좁은 직사각형 형태의 소통구(211)가 형성된다. 소통구(211)는 판형부재(10)를 절단하여 가공하는 절단수단의 열선(600)과 컨베이어 벨트(210)가 간섭되는 것을 방지하기 위해 형성된 것이다. 따라서 소통구(211)는 판형부재(10)가 얹어지는 부분에 위치해야 한다. 한편, 컨베이어(200)의 길이는 판형부재(10)의 길이보다 2배정도 긴 것이 바람직하다. 이는 판형부재(10)의 전장에 걸쳐 열선(600)의 가공영역을 확보하기 위해서다.

직선 이송수단(300)은 x축(판형부재의 폭방향) 이송방향을 갖도록 설치되어, 절단장치를 판형부재(10)의 이송방향과 직교하는 방향으로 왕복 이송시킨다. 이를 위해 직선 이송수단(300)은 도 1에 도시된 바와 같이 컨베이어(200)의 하부에 직교하여 설치된다. 직선 이송수단(300)은 지면에 설치되는 지지판(310)과, 판형부재의 폭방향으로 이송 가능하도록 지지판(310)의 상면에 결합되는 이동판(320)을 구 비한다. 이 때, 이동판(320)은 스크루 방식과 같은 일반적인 이송방식으로 지지판(310)에 결합된다. 따라서 이동판(320)은 시스템 제어수단(700)의 신호에 따라 판형부재(10)의 폭 방향(x-방향)으로 왕복 직선운동을 한다.

이동판(320)의 양측에는 2개의 지지대(330)가 컨베이어(200)를 기준으로 서로 대칭되게 설치된다. 각각의 지지대(330)에는 판형부재의 폭방향을 그 중심축으로 하는 y-z 평면상으로 선회하는 요크(410)가 각각 설치되고, 적어도 하나의 지지대(330)에는 요크(410)를 선회시키는 모터(420)가 설치된다. 따라서 이 실시예에서는 요크(410)와 모터(420)가 선회수단(400)의 역할을 한다.

요크(410)에는 요크(410)의 회전평면과 수직한 평면상으로 선회하는 선회바(510)가 결합된다. 그리고 2개의 요크(410) 중 적어도 한 곳에는 도 2에 도시된 바와 같이 선회바(510)를 선회시키기 위한 모터(520)가 결합된다. 모터(520)의 축(521)은 도 2에서처럼 핀(522)에 의해 선회바(510)에 결합된다. 한편, 요크(410)와 선회바(510)의 선회각도는 모터(420, 520)를 제어하는 시스템 제어수단(700)에 의해 조절된다.

선회바(510)의 양 단부에는 한 쌍의 수평바(530)가 결합된다. 한 쌍의 수평바(530)는 컨베이어(200)를 사이에 두고 이격되어 있는 서로 다른 2개의 선회바(510)를 서로 수평하게 연결한다. 이 때, 각각의 수평바(530)는 판형부재(10)의 상하부에 각각 위치된다. 이렇게 결합된 복수개의 선회바(510)와 수평바(530)는 판형부재(10)를 그 폭방향으로 감싸는 평행사변형 형태를 이루며, 기본적으로 x-z 평면상에서 병진운동을 한다. 따라서 이 실시예에서는 한 쌍의 선회바(510), 모터 (520) 및 한 쌍의 수평바(530)가 병진수단(500)의 역할을 한다.

열선(600)은 한 쌍의 수평바(530)의 일부분을 상하로 서로 연결하여 결합된다. 열선(600)은 이동판(320)의 이송에 따라 판형부재(10)의 폭방향으로 이동하고, 요크(410)와 선회바(510)의 선회에 따라 각각 x축(θx)과 y축(θy) 상으로 선회한다. 따라서 한 쌍의 수평바(530) 사이에 놓여지는 판형부재(10)의 단면은 2개의 축 방향으로 선회하는 열선(600)에 의해 경사면을 갖는 다양한 형태로 가공된다. 이러한 열선(600)은 전압을 인가하는 전압인가장치에 의해 가열된다. 이 실시예에서는 열선(600) 및 전압인가장치가 절단수단의 역할을 한다. 이러한 열선(600)을 이용하여 판형부재(10)의 전폭에 걸친 가공영역을 확보하기 위해서는 지지대(330)의 간격을 판형부재(10) 너비의 2배 이상으로 넓게 형성하는 것이 바람직하다. 즉, 이 발명은 2개의 지지대(330)의 간격조절을 통해 대형의 판형부재도 손쉽게 가공할 수 있다.

적층수단(800)은 높낮이 조절이 가능하게 구성되며 절단수단에 의해 가공된 단위적층부재의 적층공(11)에 끼워져 안정적으로 안착되도록 구성된 적층 테이블(810)과, 가공된 단위적층부재를 진공 흡착하여 적층 테이블(810)의 지정위치로 운반하여 적층하는 적층 보조수단, 및 적층 테이블(810)에 적층된 단위적층부재의 상면에 접착제를 도포하는 도포수단(820)으로 구성된다. 이 실시예의 적층수단(800)은 단위적층부재가 적층 보조수단에 의해 적층 테이블(810)의 지정위치에 적층되면 도포수단(820)이 작동하여 적층된 단위적층부재의 상면에 접착제를 도포하는 반복적인 일련의 과정으로 작동하도록 시스템 제어수단(700)에 의해 제어된다.

아래에서는 위와 같이 구성된 이 실시예에 따른 작업과정을 설명한다.

도 3에 도시된 바와 같이 판형부재의 가공은 4단계로 이루어진다.

제1 단계는 CAD 데이터를 입력하고 분석하는 단계이다.

먼저, 원하는 입체형상의 CAD 데이터와 판형부재(10)의 두께 및 크기, 그리고 실제로 제작하고자 하는 입체형상의 크기/축적을 시스템 제어수단(700)에 입력한다. 그러면, 시스템 제어수단(700)은 입력된 CAD 데이터를 판형부재(10)의 두께와 축적을 고려하여 다수의 층으로 분할하고, 각각의 분할층에 따른 가공경로를 설정한다. 이와 함께 시스템 제어수단(700)은 절단수단의 열량을 고려하여 단위시간당 가공량을 계산하고 이에 따른 절단수단의 이송속도를 산출한다.

제2 단계는 판형부재를 공급하는 단계이다.

시스템 제어수단(700)에서 입력된 데이터를 토대로 가공에 필요한 기본적인 연산작업이 끝나면, 작업시작 신호와 함께 판형부재 공급수단(100)이 판형부재(10)를 컨베이어(200)에 공급한다. 이후 판형부재 공급수단(100)은 별도의 신호가 있을 때까지 컨베이어(200)에 판형부재(10)를 공급하지 않는다.

제3 단계는 판형부재를 절단하여 가공하는 단계이다.

컨베이어(200)에 판형부재(10)가 안전하게 공급되면 이를 감지한 센서가 시스템 제어수단(700)에 신호를 송출한다. 그러면, 시스템 제어수단(700)은 제1 단계에서 설정된 가공경로에 따라 컨베이어(200), 직선 이송수단(300), 선회수단(400), 병진수단(500) 및 절단수단 등을 제어하여 판형부재(10)를 원하는 형태로 가공한다. 이 실시예에서는 열선(600)이 단순히 평면상에서만 이동되지 않고 x축( θx)과 y축(θy) 상으로 선회하므로 판형부재(10)의 절단면에 경사면을 형성할 수 있다. 한편, 판형부재(10)에는 도 1에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 적층공(11)이 형성되어 있으며, 이 적층공(11)을 기준으로 가공된다.

제4 단계는 가공된 단위적층부재를 적층하고 새로운 판형부재를 공급하는 단계이다.

하나의 분할층에 대응되는 판형부재(10)의 가공이 끝나면 가공된 단위적층부재는 적층수단(800)의 적층 보조수단에 의해 적층 테이블(810)의 지정위치에 적층되고, 도포수단(820)의 작동에 의해 그 상면이 접착제로 도포된다. 그리고 가공된 판형부재(10)의 잔재는 컨베이어(200)의 작동에 의해 배출되고, 컨베이어(200)에는 새로운 판형부재가 판형부재 공급수단(100)에 의해 공급된다. 그러면, 시스템 제어수단(700)에서는 새로운 분할층에 대응하는 단위적층부재를 가공하고 적층하도록 제어한다. 이러한 일련의 절차를 조형물이 완성될 때까지 반복 수행한다. 이렇게 하여 조형물이 완성되면 적층공(11)이 형성된 부분을 제거하고 제거된 부분을 다듬는다.

이 발명은 열선이 평행사변형 링크구조에 결합되기 때문에 매우 안정적일 뿐만 아니라 가공정밀도가 매우 우수하다. 또한, 이 발명은 평행사변형 링크구조의 길이조절이 가능하므로 소형 판형부재에서 대형 판형부재까지 다양하게 가공할 수 있다.

이상에서 대형 조형물 제작용 가변 적층 쾌속조형장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.

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

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 판형부재를 그 길이방향으로 왕복 이송시키는 제1 이송수단,

   상기 제1 이송수단의 하부에 설치되어 상기 판형부재의 폭방향으로 왕복 운동하는 제2 이송수단,

   중심축이 상기 판형부재의 폭방향을 향하도록 상기 제2 이송수단의 양측에 회전가능하게 각각 결합된 한 쌍의 요크를 구비하며, 상기 판형부재의 폭방향을 그 중심축으로 하여 선회 운동하는 선회수단,

   상기 한 쌍의 요크에 선회 가능하게 각각 결합된 한 쌍의 선회바와, 상기 판형부재의 상하부에 평행하게 위치하도록 상기 한 쌍의 선회바의 양단에 각각 링크 결합된 한 쌍의 수평바를 구비하며, 상기 판형부재의 폭방향으로 병진 운동하는 병진수단,

   상기 병진수단의 일측에 결합되어 상기 판형부재를 절단하는 절단수단,

   상기 절단수단에 의해 절단된 판형부재들을 조형물이 형성되도록 순차적으로 적층하는 적층수단, 및

   상기 조형물에 대한 데이터를 저장하였다가 상기 수단들의 작동을 제어하는 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 조형물 제작용 가변 적층 쾌속조형장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 절단수단은 상기 한 쌍의 수평바를 상하로 서로 연결하는 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 조형물 제작용 가변 적층 쾌속조형장치.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,

   상기 제1 이송수단은 컨베이어인 것을 특징으로 하는 대형 조형물 제작용 가변 적층 쾌속조형장치.
6. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,

   상기 적층수단은 절단된 판형부재의 적층이 가능한 적층 테이블과, 절단된 판형부재를 흡착하여 상기 적층 테이블의 지정위치로 운반하여 적층하는 적층 보조수단, 및 상기 적층 테이블에 적층된 절단된 판형부재의 상면에 접착제를 도포하는 도포수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 조형물 제작용 가변 적층 쾌속조형장치.
7. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,

   상기 제1 이송수단의 일측에서 상기 판형부재를 공급해주는 판형부재 공급수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 조형물 제작용 가변 적층 쾌속조형장치.

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