KR100771169B1

KR100771169B1 - 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치 및 방법

Info

Publication number: KR100771169B1
Application number: KR1020060039788A
Authority: KR
Inventors: 양동열; 박석희; 김효찬
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2006-05-03
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2007-10-29

Abstract

이 발명은 조형 재료를 액상으로 용융하여 복수의 노즐을 통해 분사할 수 있는 다수의 노즐세트를 다중으로 배열한 다중 배열 노즐세트와, 다중 배열 노즐세트의 X축, Y축 및 Z축 위치를 동시 제어하는 노즐세트 위치 제어수단과, 다중 배열 노즐세트를 구성하는 다수의 노즐세트의 자세를 각각 제어하는 노즐세트 자세 제어수단과, 3차원 CAD 데이터를 가공하여 조형물의 가공 경로 데이터를 생성하는 가공 경로 데이터 생성수단, 및 가공 경로 데이터 생성수단에서 생성한 조형물의 가공 경로에 따라 다중 배열 노즐세트, 노즐세트 자세 제어수단 및 노즐세트 위치 제어수단을 각각 제어하여 조형물을 조형하도록 하는 시스템 제어수단으로 구성된다. 이 발명은 복수의 노즐을 갖는 노즐세트를 다중 배열하고 노즐세트에 별도의 자유도를 부여함으로써, 임의의 3차원 형상으로 조형함에 있어 속도를 획기적으로 향상시켜 생산성을 높이고 다양한 목적 형상을 보다 효율적으로 조형할 수 있다.

Description

다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치 및 방법{Prototyping apparatus and method using a flexible multiple array nozzle set}

도 1은 이 발명에 따른 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치 및 방법을 설명하기 위한 개략도이고,

도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 이중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치의 구성도이고,

도 3은 도 2에 도시된 노즐세트의 배면 사시도이고,

도 4는 도 2에 도시된 노즐세트의 회전에 따른 용착형태를 도시한 도면이고,

도 5는 도 2에 도시된 노즐세트의 1회 이송에 따른 2층 용착형태를 도시한 도면이며,

도 6은 도 2에 도시된 노즐세트를 통한 이종 재료의 분사에 따른 용착형태를 도시한 도면이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

200 : 조형장치 210 : 제1 노즐세트

220 : 제2 노즐세트 230 : 제작기판

240 : X방향 위치 제어부 250 : Y방향 위치 제어부

260 : Z방향 위치 제어부 270 : 회전 자유도 제어부

280 : 부가 자유도 제어부

이 발명은 조형장치에 관한 것이며, 특히, 복수의 노즐을 갖는 노즐세트를 다중 배열하여 조형속도를 증대하면서 이종 재료의 동시조형이 가능하고, 노즐세트에 별도의 자유도를 부여하여 다양한 형태의 조형이 가능한 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치 및 방법에 관한 것이다.

이 발명은 금형 산업, 시작품 산업, 디자인 산업 등과 같이 3차원 형상을 조형하고자 할 때에 유용하게 적용할 수 있다. 또한, 이 발명은 생체 공학, 조직 공학에서 널리 이용되고 있는 생분해성 다공성 지지체를 효과적으로 생산할 수 있고 복합재료나 기능성 제품의 제작에 크게 활용할 수 있다.

미국특허 제6,645,412호(Process of making a three-dimensional object)에는 열가소성 재료를 가열된 노즐(nozzle) 사이로 압출 방식과 유사하게 통과시켜 용착함으로써 3차원 형상을 제작하는 용착조형공정(Fused Deposition Manufacturing, FDM)에 대해 공지되어 있다. 그러나 이 기술은 가열된 단일 노즐을 이용하여 조형하기 때문에, 제작 속도 및 생산성에 한계를 가지고 있다. 또한, 단일 노즐에서 분사되는 재료의 종류에도 그 한계가 있다.

미국특허 제6,259,962호(Apparatus and method for three dimensional model printing)에는 광경화성 폴리머를 잉크젯 프린트 방식의 복수 노즐을 이용하여 분사한 후 UV 레이저를 조사하여 경화시키고 적층하는 기술에 대해 공지되어 있다. 그러나 이 기술은 이용재료가 광경화성 폴리머로 극히 제한적일 뿐만 아니라, 장치의 특성상 복수 노즐이 한 방향으로 이송되어 재료분사가 이루어지기 때문에 노즐 배열에 따라 제작 속도에 영향을 주고 방향성이 생기는 문제점이 있다. 또한, 공정 중에 이용되는 UV 레이저 조사에 의해 작업시에 인체가 위험할 수 있을 뿐만 아니라, 광경화된 재료에 유해 성분이 잔류할 가능성이 있어 제작품의 이용 범위가 시작품이나 모델링 이외에는 적용하기 곤란하다는 단점이 있다.

미국공개특허 제2004-0075196호(Selective deposition modeling method and apparatus for forming three-dimensional objects and supports)에는 쾌속조형에서 주로 이용되는 공정인 Thermal Stereolithography, Fused Deposition Modeling, 그리고 Selective Deposition Modeling 시스템에 멀티제트(multijet) 분사방식을 이용하여 제작 속도를 개선한 기술에 대해 공지되어 있다. 그러나 이 기술은 노즐들의 배열 방향과 이송 방향이 획일적인 관계로 제작할 목적 형상에 따라 제작 경로가 비효율적인 문제점이 있다.

따라서 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 복수의 노즐을 갖는 노즐세트를 다중 배열하고 노즐세트에 별도의 자유도를 부여함으로써, 임의의 3차원 형상으로 조형함에 있어 속도를 획기적으로 향상시켜 생산성을 높이고 다양한 목적 형상을 보다 효율적으로 조형하는 데 그 목적이 있다.

이 발명은 조형 재료를 액상으로 용융하여 복수의 노즐을 통해 분사할 수 있는 다수의 노즐세트를 다중으로 배열한 다중 배열 노즐세트와, 다중 배열 노즐세트의 X축, Y축 및 Z축 위치를 동시 제어하는 노즐세트 위치 제어수단과, 다중 배열 노즐세트를 구성하는 다수의 노즐세트의 자세를 각각 제어하는 노즐세트 자세 제어수단과, 3차원 CAD 데이터를 가공하여 조형물의 가공 경로 데이터를 생성하는 가공 경로 데이터 생성수단, 및 가공 경로 데이터 생성수단에서 생성한 조형물의 가공 경로에 따라 다중 배열 노즐세트, 노즐세트 자세 제어수단 및 노즐세트 위치 제어수단을 각각 제어하여 조형물을 조형하도록 하는 시스템 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 발명의 다중 배열 노즐세트는 이중 배열 노즐세트로 구성할 수 있다.

이 발명의 복수의 노즐은 선형으로 배열되는 노즐열을 구성하고, 이중 배열 노즐세트는 노즐열이 서로 간에 간격을 두고 평행하게 위치하도록 배열할 수 있다.

이 발명의 노즐세트 자세 제어수단은 이중 배열 노즐세트의 Z축 위치를 제어하는 Z방향 위치 제어부에 대해 회전 가능하게 결합되어 이중 배열 노즐세트의 제작 경로 방향과 배열 방향 각도를 제어하고 다수의 노즐을 따라 각각 분사되는 용 착재료 간의 선 간격을 조절하는 회전 자유도 제어부를 포함할 수 있다.

이 발명의 노즐세트 자세 제어수단은 회전 자유도 제어부에 대해 좌우 슬라이딩 및 상하 이동 가능하게 결합되어 이중 배열 노즐세트 간의 상대적인 위치 및 높이를 제어하는 부가 자유도 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한, 이 발명은 상기와 같이 구성된 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치를 이용하여 조형물을 조형하는 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

아래에서, 이 발명에 따른 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치 및 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 이 발명에 따른 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치 및 방법을 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 이중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치의 구성도이며, 도 3은 도 2에 도시된 노즐세트의 배면 사시도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 조형장치(200)는 복수의 노즐을 갖는 노즐세트를 이중으로 배열한 이중 배열 노즐세트와, 노즐세트의 위치를 제어하는 노즐세트 위치 제어수단과, 노즐세트의 자세를 제어하는 노즐세트 자세 제어수단과, 곡면 등의 데이터를 갖는 3차원 CAD 데이터를 가공하여 조형물의 가공 경로 데이터를 생성하는 가공 경로 데이터 생성수단, 및 가공 경로 데이터 생성수단에서 생성한 조형물의 가공 경로에 따라 이중 배열 노즐세트, 노즐세트 자세 제어수단 및 노즐세트 위치 제어수단을 각각 제어하여 조형물을 조형하도록 하는 시스템 제어수단으로 구성된다.

이중 배열 노즐세트는 반원형 실린더 형태를 갖는 재료 저장부(211)와, 재료 저장부(211)의 하단에 개폐가 개별적으로 각각 제어되는 10개의 노즐(212)이 선형으로 배열된 노즐열을 각각 갖는 제1, 제2 노즐세트(210, 220)로 구성된다. 즉, 제1, 제2 노즐세트(210, 220)는 그 하부의 노즐열이 서로 간에 간격을 두고 평행하게 위치하도록 배열되는 서로 독립적인 형태를 갖는다. 이 때, 재료 저장부(211)에는 조형 재료를 액상으로 용융시킬 수 있는 시스템과, 기계적인 압력을 가하여 분사할 수 있는 시스템을 포함한다. 또한, 이중 배열 노즐세트는 시스템 제어수단에 접속되어 제어 데이터에 따라 제1, 제2 노즐세트(210, 220)의 노즐(212)의 개폐가 제어되어 구조물의 조형을 이루는 용착재료가 분사된다.

노즐세트 위치 제어수단은 시스템 제어수단에 접속되어 3차원 CAD 데이터로부터 얻어진 단면 형상을 조형하기 위한 이중 배열 노즐세트의 이송을 담당한다. 즉, 노즐세트 위치 제어수단은 제1, 제2 노즐세트(210, 220)를 동시에 이송시키되, X축, Y축, Z축 세 방향으로 자유롭게 이송시키도록 구성된다. 이러한 노즐세트 위치 제어수단은 도 2와 같이 통상적인 방식으로 구성된 것으로서, 하부에 위치하는 제작기판(230)에 대해 제1, 제2 노즐세트(210, 220)를 동시에 X축, Y축, Z축 방향으로 각각 이동시켜 위치를 제어하는 X, Y, Z방향 위치 제어부(240, 250, 260)로 구성된다.

노즐세트 자세 제어수단은 시스템 제어수단에 접속되어 제1, 제2 노즐세트(210, 220) 간의 상대적인 위치 및 높이를 제어하고, 또한 제1, 제2 노즐세트(210, 220)의 제작 경로 방향과 배열 방향 각도를 제어한다. 즉, 노즐세트 자세 제어수단은 Z방향 위치 제어부(260)에 대해 회전 가능하게 결합되어 제1, 제2 노즐세트(210, 220)의 제작 경로 방향과 배열 방향 각도를 제어하는 회전 자유도 제어부(270)와, 회전 자유도 제어부(270)에 대해 좌우 슬라이딩 및 상하 이동 가능하게 결합되어 제1, 제2 노즐세트(210, 220) 간의 상대적인 위치 및 높이를 제어하는 부가 자유도 제어부(280)로 구성된다. 예를 들어, 부가 자유도 제어부(280)는 제1 노즐세트(210)에 대해 제2 노즐세트(220)의 상대적인 위치 및 높이를 제어하도록 구성하면 된다.

앞서 설명한 바와 같이, 이 실시예의 조형장치(200)는 노즐세트 위치 제어수단에 의해 제작경로에 따른 제1, 제2 노즐세트(210, 220)의 전체적인 이송이 이루어지고, 노즐세트 자세 제어수단에 의해 제1, 제2 노즐세트(210, 220)의 세부적인 동작이 이루어진다.

가공 경로 데이터 생성수단은 곡면 등의 데이터를 갖는 3차원 CAD 데이터를 가공하여 조형물의 가공 경로 데이터를 생성하는 것으로서, 예를 들면 슬라이싱을 통한 곡선 데이터 생성, 경로 생성 등을 한다.

시스템 제어수단은 가공 경로 데이터 생성수단에서 생성한 조형물의 가공 경로에 따라 제1, 제2 노즐세트(210, 220), X, Y, Z방향 위치 제어부(240, 250, 260), 회전 자유도 제어부(270) 및 부가 자유도 제어부(280)를 각각 제어한다. 즉, 시스템 제어수단은 노즐세트 위치 데이터(X, Y, Z), 노즐세트 자세 데이터(X₁, Z₁, θ), 각 노즐의 압력 및 개폐 데이터(P_N O_N), 노즐세트 이동속도(V) 등의 정보 에 따라 각각의 구성요소들을 제어한다.

따라서 이 실시예에서는 도 1과 같이 시스템 제어수단에 의해 각 구성요소들이 원하는 조형물에 대한 조형을 완료할 때까지 작동하여 조형물을 완성한다.

도 4는 도 2에 도시된 노즐세트의 회전에 따른 용착형태를 도시한 도면이고, 도 5는 도 2에 도시된 노즐세트의 1회 이송에 따른 2층 용착형태를 도시한 도면이며, 도 6은 도 2에 도시된 노즐세트를 통한 이종 재료의 분사에 따른 용착형태를 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 조형장치는 회전 자유도 제어부(270)를 통해 제1, 제2 노즐세트(210, 220)를 회전시켜 제1, 제2 노즐세트(210, 220)의 노즐(212) 분사각을 조절함으로써 용착재료 간의 서로 다른 선 간격을 갖는 다양한 용착형태를 갖도록 조형할 수 있다.

그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 조형장치는 제1, 제2 노즐세트(210, 220)간의 높낮이를 조절하고 제1, 제2 노즐세트(210, 220)간의 노즐(212)이 서로 겹치도록 배열함으로써, 제1, 제2 노즐세트(210, 220)의 1회 이송시에 2층의 용착형태를 갖도록 조형할 수 있다. 즉, 회전 자유도 제어부(270)의 작동에 따라 제1, 제2 노즐세트(210, 220)의 회전각도가 변하게 되면 제1, 제2 노즐세트(210, 220)에 의해 분사되는 재료가 서로 겹치게 되고, 여기에 부가 자유도 제어부(280)에서 제1, 제2 노즐세트(210, 220)간의 상대적인 위치를 슬라이딩시켜 보정함으로써 분사되는 재료가 이중으로 겹치게 조형할 수 있다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 조형장치는 제1, 제2 노즐세 트(210, 220)에 서로 다른 이종 재료를 각각 충진하여 분사함으로써 이종 재료를 이용한 기능성 구조물이나 복합재료 구조물을 직접적으로 조형할 수 있다.

이 실시예의 조형장치는 노즐세트에 대한 이동 및 회전이 가능함으로 가로, 세로의 직선적인 이송 이외에 다양한 곡선의 용착 경로를 통해 조형물을 조형할 수 있다.

또한, 이 실시예의 조형장치는 건축이나 제품의 축소 모델 제작 및 시작품의 형상/설계/기능 검토에 응용하되, 내부가 꽉차있는 중실형 제품 제작 이외에도 다공성 구조물의 제작에 효과적이므로 생체 조직공학에서 널리 쓰이고 있는 생분해성 지지체의 제작 등에 크게 활용할 수 있다.

이 발명은 복수의 노즐을 갖는 노즐세트를 다중 배열하고 노즐세트에 별도의 자유도를 부여함으로써, 임의의 3차원 형상으로 조형함에 있어 속도를 획기적으로 향상시켜 생산성을 높이고 다양한 목적 형상을 보다 효율적으로 조형할 수 있다.

또한, 이 발명은 기존의 단일 노즐에 의한 용착에서와는 달리 복수 노즐에 의한 재료 분사로 제작시간을 현저하게 단축시킬 수 있어 대형 형상의 조형도 가능하다.

또한, 이 발명은 노즐세트의 배열 방향과 위치 이송 방향을 수직이 아닌 다른 각도로 제어하여 용착재료의 선 간격을 조절할 수 있어, 중실형 이외에 다공성 구조물의 제작이 가능할 뿐만 아니라 선 간격의 조절로 구조물 내부의 공극 및 밀 도를 제어할 수 있다.

또한, 이 발명은 기존의 쾌속조형공정에서 단면 형상을 한 층씩 조형하여 적층하는 방식과는 달리 이중 배열 노즐세트의 상대적인 높이 차이를 두고 조형하여 한 번의 노즐세트의 이송에 의해 2층을 한꺼번에 적층하여 제작 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있다. 이 때 각각의 노즐세트에 상이한 재료를 이용하면 한 번에 복합적인 재료의 교대 적층이 가능하다.

또한, 이 발명은 노즐세트에 들어가는 재료가 각각 분리되어 있어 원하는 임의의 3차원 형상을 조형할 때 다양한 재료를 이용하여 3차원 형상 조형이 가능하다. 이 때, 분리되어 있는 노즐세트의 각각의 단을 서로 엇갈리게 배열하면 이종 재료를 동시에 분사하여 조형할 수 있고, 노즐세트를 서로 슬라이딩시켜 다층으로 조형할 경우 다양한 구조물을 조형할 수 있다.

또한, 이 발명은 노즐세트를 2중이 아닌 다중 배열할 경우 배열의 수만큼 재료의 가짓수를 늘려 조형할 수 있어 한 번의 이송으로 조형되는 층 수, 용착재료의 선의 개수를 증가시킬 수 있다. 따라서 조성을 점진적으로 바꿔가며 조형할 경우 다양한 분야의 기능성 제품을 조형할 수 있다.

또한, 이 발명은 노즐세트의 회전에 의한 간격조절, 노즐세트의 슬라이딩과 높이 조절을 통해 이종 재료를 교대 용착, 교대 적층하여 조형함으로써 산업에 널리 응용되는 복합재료나 기능성 제품을 효과적으로 조형할 수 있다.

이상에서 이 발명의 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치 및 방법에 대한 기술사항을 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 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

조형 재료를 액상으로 용융하여 복수의 노즐을 통해 분사할 수 있는 다수의 노즐세트를 다중으로 배열한 다중 배열 노즐세트와,

상기 다중 배열 노즐세트의 X축, Y축 및 Z축 위치를 동시 제어하는 노즐세트 위치 제어수단과,

상기 다중 배열 노즐세트를 구성하는 다수의 노즐세트의 자세를 각각 제어하는 노즐세트 자세 제어수단과,

3차원 CAD 데이터를 가공하여 조형물의 가공 경로 데이터를 생성하는 가공 경로 데이터 생성수단, 및

상기 가공 경로 데이터 생성수단에서 생성한 조형물의 가공 경로에 따라 상기 다중 배열 노즐세트, 상기 노즐세트 자세 제어수단 및 상기 노즐세트 위치 제어수단을 각각 제어하여 조형물을 조형하도록 하는 시스템 제어수단을 포함하며,

상기 노즐세트 자세 제어수단은 상기 다중 배열 노즐세트의 Z축 위치를 제어하는 Z방향 위치 제어부에 대해 회전 가능하게 결합되어 상기 다중 배열 노즐세트의 제작 경로 방향과 배열 방향 각도를 제어하고 상기 복수의 노즐을 따라 각각 분사되는 용착재료 간의 선 간격을 조절하는 회전 자유도 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치.
청구항 1에 있어서,

상기 다중 배열 노즐세트는 이중 배열 노즐세트인 것을 특징으로 하는 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치.
청구항 2에 있어서,

상기 복수의 노즐은 선형으로 배열되는 노즐열을 구성하고, 상기 이중 배열 노즐세트는 상기 노즐열이 서로 간에 간격을 두고 평행하게 위치하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치.
삭제
청구항 3에 있어서,

상기 노즐세트 자세 제어수단은 상기 회전 자유도 제어부에 대해 좌우 슬라이딩 가능하게 결합되어 상기 이중 배열 노즐세트 간의 상대적인 위치를 제어하는 부가 자유도 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치.
청구항 5에 있어서,

상기 부가 자유도 제어부는 상기 회전 자유도 제어부에 대해 상하 이동 가능하게 결합되어 상기 이중 배열 노즐세트 간의 상대적인 높이를 더 제어하는 것을 특징으로 하는 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치.
청구항 1 내지 청구항 3, 청구항 5, 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형장치를 이용하여 조형물을 조형하는 것을 특징으로 하는 다중 배열 노즐세트를 이용한 조형방법.