KR101669767B1 - 3d 프린터의 레이저 조사 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 3D 프린터를 이용하여 3D 제품의 제작을 위해 레이저를 조사하는 방법으로서, 제품의 제작을 위해 프린팅 공정에 의해 적층면을 적층하는 단계; 상기 적층된 적층면의 표면 형상을 측정하고, 측정된 상기 표면을 복수의 단위 표면 요소로 분할하여 표시하는 단계; 상기 분할된 표면을 복수의 그룹으로 구분하는 단계; 상기 그룹 각각의 속성값에 대한 에너지값을 다음의 [수학식 1]에 의해 환산하는 단계; 상기 그룹 각각의 에너지값을 서로 비교하는 단계; 비교 결과 보다 작은 상기 에너지값에 따라 상기 적층면에 대하여 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 3D 프린터의 레이저 조사 방법을 제공한다.
본 발명은, 소정의 층을 적층한 후 레이저 소결에 의해 3D 제품의 제작 시, 열에너지가 균일하게 분배되도록 하여 잔류 응력이 균형있게 분포될 수 있도록 레이저를 조사할 수 있다.

Description

3D 프린터의 레이저 조사 방법{Method for laser irradiation in 3D printer}

본 발명은 3D 프린터의 레이저 조사 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3D 프린터 레이저 조사 시 레이저를 균일하게 조사할 수 있도록 하는 3D 프린터의 레이저 조사 방법에 관한 것이다.

3D 프린터는 모형의 단면을 세분화시켜 인쇄 적층 하는 방식으로 어떤 모형이든지 만들어 낼 수 있는 프린터이다.

3D 프린터는 산업 현장, 생활 속에서 필요한 제품을 쉽게 만들 수 있어 그 사용이 점차 확대되고 있다.

3D프린터는 ABS 소재, 금속 분말 등 다양한 소재를 이용하여 연속적으로 소정의 층을 적층하고, 적층된 층에 대하여 레이저 소결 방법을 적용하여 3차원의 제품을 완성한다. 여기서, 적층된 층에 대하여 레이저를 조사하는 소결하는 과정에서 하부에 적층되어 이미 완성된 층은 그 상부에 적층되어 완성 예정인 층에 대한 레이저 소결 과정에서 인가되는 레이저의 열에 의해 부분적으로 용해된 후 응고되면서 잔류응력이 발생된다. 여기서, 완성 예정 제품의 형상에 따라서 잔류 응력이 특정 부위로 집중되고, 이로 인해 최종적으로 완성된 제품은 원래의 설계치와는 오차가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명에 대한 선행기술로는 공개특허 2013-0034046호를 예시할 수 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 소정의 층을 적층한 후 레이저 소결에 의해 3D 제품의 제작 시, 열에너지가 균일하게 분배되도록 하여 잔류 응력이 균형있게 분포될 수 있도록 레이저를 조사하는 3D 프린터의 레이저 조사 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 3D 프린터를 이용하여 3D 제품의 제작을 위해 레이저를 조사하는 방법으로서, 제품의 제작을 위해 프린팅 공정에 의해 적층면을 적층하는 단계; 상기 적층된 적층면의 표면 형상을 측정하고, 측정된 상기 표면을 복수의 단위 표면 요소로 분할하여 표시하는 단계; 상기 분할된 표면을 복수의 그룹으로 구분하는 단계; 상기 그룹 각각의 속성값에 대한 에너지값을 다음의 [수학식 1]에 의해 환산하는 단계; 상기 그룹 각각의 에너지값을 서로 비교하는 단계; 비교 결과 보다 작은 상기 에너지값에 따라 상기 적층면에 대하여 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 3D 프린터의 레이저 조사 방법을 제공한다.

[수학식 1]

상기 적층면의 표면 형상 측정은, 상기 적층면에 대하여 수직으로 배치되는 카메라에 의해 상기 적층면을 촬영하여 수행될 수 있다.

상기 단위 표면 요소는 삼각형 형태일 수 있다.

상기 에너지값 환산은, 상기 그룹간의 경계선상의 상기 단위 표면 요소를 이웃하는 상기 그룹의 단위 표면 요소로 변경한 후 수행될 수 있다.

상기와 같은 본 발명은, 소정의 층을 적층한 후 레이저 소결에 의해 3D 제품의 제작 시, 열에너지가 균일하게 분배되도록 하여 잔류 응력이 균형있게 분포될 수 있도록 레이저를 조사할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터의 레이저 조사 방법의 구성을 나타내는 흐름도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터의 레이저 조사 방법의 구성을 나타내는 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 3D 프린터의 레이저 조사 방법은 적층하는 단계(S110), 표면 형상을 측정하는 단계(S120), 복수의 그룹으로 구분하는 단계(S130), 속성값을 환산하는 단계(S140), 레이저를 조사하는 단계(S160)를 포함한다.

적층하는 단계(S110)는 사용자가 제작하고자 하는 대상의 제작을 위해 3D 프린터를 이용한 프린팅 공정에 의해 소정의 두께를 갖는 금속 분말층을 적층한다. 여기서, 금속 분말에는 소정의 결합제가 혼합되어 있어, 적층된 층은 그 형태를 유지할 수 있다. 여기서 적층되는 층은 제작하고자 하는 제작 대상물에 따라 다양한 형태일 수 있다.

여기서, 적층되는 층은 금속 분말, 합성수지 등 다양한 재료를 포함할 수 있지만, 본 실시예에서는 금속 분말을 주재료로 포함하는 것으로 상정하여 설명하기로 한다.

금속 분말층의 적층이 완료되면, 적층된 층에 대해서 레이저를 조사하고, 금속 분말층이 레이저 소결에 의해 융해 결합되도록 한다.

이때, 조사되는 레이저의 출력은 다음과 같은 단계의 수행에 의해 결정된다.

표면 형상을 측정하는 단계(S120)는 작업자는 금속 분말층의 적층이 완료되면, 적층된 금속 분말층의 표면 형상을 측정한다. 그리고 측정된 형상을 복수의 삼각형으로 분할한다. 여기서, 형상 분할 시의 삼각형의 면적은 사용자의 필요에 따라 임의의 값으로 설정될 수 있다. 다만, 삼각형으로 분할 시, 빈틈이 발생되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 형상 분할 시의 삼각형은 정삼각형, 이등변 삼각형 등 특정 형태로 한정되지 않고, 사용자의 필요에 따라 설정될 수 있다.

여기서, 금속 분말층의 표면 형상 측정은 소정의 카메라에 의해 수행될 수 있다.

카메라(110)는 금속 분말층의 직상부에 배치된다. 카메라(110)는 금속 분말층을 촬영하여 촬영물을 출력한다. 카메라(110)는 소정의 디지털 그래픽 파일 형식의 촬영물을 출력할 수 있다. 여기서, 카메라(110)에서 출력되는 촬영물은 평면도 형태일 수 있다.

출력된 촬영물에 제1 영상 처리부(120)로 입력된다.

제1 영상 처리부(120)는 촬영물 상에 표현되어 있는 금속 분말층의 표면 형상에 복수의 삼각형을 연속적으로 표시한, 제1 영상 처리물(1)을 출력한다. 여기서, 삼각형의 크기는 사용자의 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

도 3은 제1 영상 처리부(120)에서 출력되는 제1 영상 처리물(1)의 일 예를 나타내는 도면이다.

그룹으로 구분하는 단계(S130)는 제2 영상 처리부(130)가 제1 영상 처리물(1)을 입력받은 후, 제1 영상 처리물(1) 상에 표시되어 있는 복수의 삼각형을 소정의 그룹(group)으로 구분한다. 여기서, 그룹의 구분은 임의로 수행될 수 있다. 즉, 각각의 그룹이 포함하는 삼각형의 개수, 삼각형의 크기 또는 위치 등 사용자의 필요에 따라 다양한 그룹 구분 기준이 설정될 수 있다. 그룹으로 구분하는 단계(S130)의 수행은 제2 영상 처리부(130)에 의해 수행될 수 있다. 특히, 그룹의 구분이 삼각형의 개수로 이루어질 때, 특정 그룹이 포함하는 삼각형의 개수는 사용자의 필요에 따라 다양하게 설정될 수 있다.

본 실시예에서는 제1 그룹(G1) 및 제2 그룹(G2)으로 구분하는 것으로 상정하여 설명하기로 한다.

속성값을 환산하는 단계(S140)는 설정된 제1 그룹(G1) 및 제2 그룹(G2)의 속성값을 설정한 후, 각각의 그룹의 제1 에너지값(F1)을 환산한다. 여기서, 설정되는 속성값은 단순 비교를 위한 것으로 1, 2, 3과 같은 일련번호를 부여할 수 있다. 또한, 제1 에너지값(F1)은 스칼라 값으로 별도의 단위는 사용하지 않는다.

이후, 그룹의 속성값을 변화시키는 요소를 선정한다. 여기서는 제1 그룹(G1) 및 제2 그룹(G2)의 경계선상에 배치되어 있는 삼각형을 서로 반대 그룹으로 변환한다.

여기서, 각 그룹의 속성값은 일련번호이므로, 각 그룹이 속성값의 변화는 일련번호를 서로 교환하여 이루어진다. 즉, 제1 그룹(G1)은 제2 그룹(G2)이 되고, 제2 그룹(G2)은 제1 그룹(G1)이 된다. 또한, 속성값의 변화는 1회만 수행되는 것이 바람직하다.

각각의 그룹의 속성값을 변화시킨 후, 각각의 그룹의 제2 에너지값(F1)을 환산한다.

여기서, 제1 및 제2 에너지값(F1, F2)는 다음의 [수학식 1]을 이용하여 환산한다.

우선 적층면은 제1 그룹(G1)과 제2 그룹(G2)으로 구분되므로, i 는 0과 1로 정의될 수 있다. 그리고, ρ는 각각의 그룹이 포함하는 삼각형의 면적이고,

는 각각의 그룹이 포함하는 삼각형의 중심점 위치를 의미한다. ρ와

는 삼각형의 꼭지점의 좌표값에 의해 환산할 수 있다.

레이저를 조사하는 단계(S160)는 상기와 같이 환산된 제1 그룹(G1)과 제2 그룹(G2)의 에너지값을 서로 비교하여, 제1 그룹(G1)과 제2 그룹(G2)의 에너지값 중 낮은 에너지값을 레이저 조사값으로 설정한다.

높은 에너지값이 레이저 조사값으로 설정되는 경우, 레이저의 열량에 의하여 잔류 응력이 발생될 수 있다.

레이저 조사값이 설정되면, 설정된 값에 따라 적층면에 대하여 에너지를 조사하하도록 레이저 조사부(140)를 제어하여, 레이저 소결이 수행되도록 한다.

적층면에 대한 레이저 소결이 완료되면, 적층면 상에 새로운 적층면을 적층하고, 상기한 과정을 반복하여 수행하며 제품을 완성할 수 있다.

본 발명은, 소정의 층을 적층한 후 레이저 소결에 의해 3D 제품의 제작 시, 열에너지가 균일하게 분배되도록 하여 잔류 응력이 균형있게 분포될 수 있도록 레이저를 조사할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

110: 카메라
120: 제1 영상 처리부
130: 제2 영상 처리부
140: 레이저 조사부

Claims (4)

1. 3D 프린터를 이용하여 3D 제품의 제작을 위해 레이저를 조사하는 방법으로서,
   제품의 제작을 위해 프린팅 공정에 의해 적층면을 적층하는 단계;
   상기 적층된 적층면의 표면 형상을 측정하고, 측정된 상기 표면을 복수의 단위 표면 요소로 분할하여 표시하는 단계;
   상기 분할된 표면을 복수의 그룹으로 구분하는 단계;
   상기 그룹 각각의 속성값에 대한 에너지값을 다음의 [수학식 1]에 의해 환산하는 단계;
   상기 그룹 각각의 에너지값을 서로 비교하는 단계;
   비교 결과 보다 작은 상기 에너지값에 따라 상기 적층면에 대하여 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 3D 프린터의 레이저 조사 방법.
   [수학식 1]
   

   
2. 제1항에 있어서,
   상기 적층면의 표면 형상 측정은,
   상기 적층면에 대하여 수직으로 배치되는 카메라에 의해 상기 적층면을 촬영하여 수행되는 3D 프린터의 레이저 조사 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 단위 표면 요소는 삼각형 형태인 3D 프린터의 레이저 조사 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 에너지값 환산은,
   상기 그룹간의 경계선상의 상기 단위 표면 요소를 이웃하는 상기 그룹의 단위 표면 요소로 변경한 후 수행되는 3D 프린터의 레이저 조사 방법.

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