KR101959207B1 - 3d 프린터의 캘리브레이션 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린터의 캘리브레이션 방법에 관한 것으로서, 측정자 및 측정 조건에 따라 광원의 세기 및 영상의 균일도를 조절하는 캘리브레이션의 정도가 달라지는 것을 방지하는 데 그 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명은, 3D 프린터의 하부에 구비되어 상부를 향해 빛을 조사하는 광원과, 상기 광원으로부터 일정거리 이격되어 배치되는 렌즈를 포함하여 이루어지는 3D 프린터에서, 광원의 세기 및 영상의 균일도를 캘리브레이션하는 방법에 있어서, (a) 성형재료 저장용기를 제거한 후 LCD 패널 전체 영역에 화이트 영상을 띄우고 광원을 온(ON) 시킨 상태에서, 3D 프린터 내부에 구비된 카메라로 LCD 표면의 빛을 촬영하는 단계(S10), (b) 촬영된 영상을 출하시의 기준 영상과 비교하는 단계(S20), (c) 촬영된 영상과 기준 영상의 평균 밝기의 유사여부를 판단하는 단계(S30), (d) 상기 S30 단계에서 촬영영상과 기준 영상의 평균 밝기가 유사하지 않을 경우, 광원의 세기를 조절하는 단계(S40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3D 프린터의 캘리브레이션 방법{Calibration Method of 3D Printer}

본 발명은 3D 프린터의 캘리브레이션 방법에 관한 것으로서, UV 광원과 LCD 패널을 이용하는 3D 프린터에서 UV 광원의 세기와 마스크 영상을 조절하는 캘리브레이션 작업이, 측정자의 숙련도 및 측정 조건에 따라 달라지지 않고 3D 프린터 장비의 컴퓨터에서 자동적으로 이루어지도록 한 3D 프린터의 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.

3차원 입체형상의 제품을 제작하기 위한 방법으로, 수작업으로 제품을 제작하는 목업(Mock-up) 방식, 수치제어 공작기계에 의한 절삭가공 방식 등이 있다.

상기한 목업 방식은, 제조비용은 저렴하나 정교한 형상가공이 어렵고 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다.

또한 공작기계에 의한 절삭가공 방식은, 정밀한 제품을 제조할 수는 있으나, 제작비용이 많이 소요되고 가공할 수 있는 형상에 제약이 있다는 단점이 있다.

최근에는 3차원 모델링에 의한 3D 도면 데이터를 이용하여, 입체 형상의 성형제품을 제작하는 3D 프린터가 널리 사용되고 있다.

상기한 3D 프린터는, 3차원의 3D 도면 데이터에 따라, 액체, 파우더, 금속 등의 재료를 사용하여 입체형상의 성형제품을 제조한다.

상기 3D 프린터를 이용하게 되면, 제작비용과 제조시간을 대폭 단축할 수 있고, 개인 맞춤형 제조가 가능하며 복잡한 입체 형상도 간편하게 제조할 수 있다는 장점이 있다.

이에 따라, 실제 제품 제작시 손쉽게 형상을 수정할 수 있고, 제작비, 재료비, 인건비를 절감할 수 있는 장점이 있다.

위와 같은 장점을 지닌 3D 프린터는, 자동차, 항공, 건축, 의료, 가전, 완구 등 다양한 분야에 이용되고 있다.

상기한 3D 프린터는, 광경화성 수지에 레이저를 주사하여 주사된 부분이 경화되도록 하는 SLA(Stereo Lithography Apparatus)방식, 광경화성 수지가 저장된 저장조의 하부로 광을 조사하여 경화시키는 DLP(Digital Light Processing)방식, UV 광원 및 LCD 패널을 이용하여 빌드 플레이트의 상부에 수지 성형품을 적층해 나가는 LCD(Liquid Crystal Display) 방식, 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하여 소결시키는 SLS(Selective Laser Sintering)방식, 용융 수지를 압출하여 조형하는 FDM(Fused Deposition Modeling)방식, 고출력 레이저 빔으로 금속을 직접 성형하는 DMT(Laser-aid Direct Metal Tooling)방식, 기계접합 조형 방식인 LOM(Laminated Object Manufacturing)방식 등이 있다.

도 1은 상기한 LCD 방식 3D 프린터를 간략히 도시한 것이다.

종래의 LCD 방식 3D 프린터는, 도 1에 도시된 바와 같이, 3D 프린터의 하부에 구비되어 상부를 향해 자외선을 조사하는 UV(Ultraviolet) 광원(10)과, 상기 UV 광원(10)의 상부로부터 일정거리 이격되어 배치되는 렌즈(20)와, 상기 렌즈(20)의 상부에 구비되는 LCD 패널(30)과, 상기 LCD 패널(30)의 상부에 구비되어 액상의 성형재료(40a)를 저장하는 저장용기(40)와, 상기 저장용기(40)의 상부에 구비되어 성형제품(50)을 적층하는 빌드 플레이트(Build Plate)(60)와, 상기 빌드 플레이트(60)의 상부에 구비되어 상하로 승강하는 승강부재(70)를 포함하여 구성된다.

이하 상기한 LCD 방식 3D 프린터에 의해, 100㎛ 단위로 적층하면서 성형제품을 제조하는 과정을 설명한다.

먼저 저장용기(40)에 액상의 성형재료(40a)를 충진하고, 승강부재(70)의 하부에 구비된 빌드 플레이트(60)의 하면을 저장용기(40)의 바닥면으로부터 100㎛되는 거리까지 하강시킨다.

이어서 3D 프린터 장비의 컴퓨터(도시 생략)에서 3D 설계 데이터를 각 단면 영상으로 분리한 후, LCD 패널(30)로 전송하여 첫번째 단면 영상을 구현한다.

이어서 광원(10)에서 자외선을 조사하여, 첫번째 단면 영상대로 액상의 성형재료(40a)가 경화되도록 한다.

이어서 상기 승강부재(70)를 상부로 들어올리면, 굳혀진 첫번째 단면층(50a)이 상기 빌드 플레이트(60)의 하면에 부착된 상태로 들어올려진다.

그 다음, 상기 빌드 플레이트(60)의 하면을 저장용기(40)의 바닥면으로부터 200㎛ 되는 거리까지 하강시킨다.

그러면 저장용기(40)의 바닥면과 성형제품(50)의 첫번째 단면층(50a)과의 거리는 처음과 같이 100㎛가 된다.

이 상태에서 LCD 패널(30)에 두번째 단면 영상을 구현하고 자외선을 조사하면, 두번째 단면의 영상대로 액상의 성형재료(40a)가 경화된다.

이어서 상기 승강부재(70)를 들어올리면, 성형제품의 두번째 단면층(50b)이 형성된다.

상기한 과정을 계속 반복하면, 상기 빌드 플레이트(60)에 성형재료(40a)가 100㎛의 두께로 적층된 성형제품(50)을 얻을 수 있다.

상기한 LCD 방식에 의하면, 프린팅 면적에 관계없이 LCD 패널(30)의 해상도로 프린팅 할 수 있는 장점이 있다.

그러나 상기한 LCD 방식에서는, 빛이 광원(10)으로부터 원뿔 형태로 퍼져나가기 때문에, 중심 부분에서 빛의 세기가 가장 강하고, 중심에서 멀어질수록 빛의 세기가 약해지게 된다.

이로써 LCD 패널(30)에 도달하는 빛의 세기가, 중심 부분과 양쪽 가장자리 부분에서 균일하지 않게 되는 문제점이 있다.

이렇게 LCD 패널(30)에 조사되는 빛의 세기가 불균일하게 되면, 액상 성형재료(40a)의 경화도가 달라지게 되므로, 성형제품(50)의 품질이 저하되는 문제점이 있다.

상기한 문제점을 해결하는 방안으로서, LCD 패널(30)에 단면 영상을 구현할 때, 중심은 어둡고 중심에서 멀어질수록 밝아지도록 하는 마스크(Mask) 영상을 적용하는 방법이 있다.

LCD 패널(30)에 상기한 마스크 영상 적용하는 예로서, 빛이 최대로 통과하는 흰색 LCD 영상의 데이터값(Data Value)을 255로 하고, 빛이 통과하지 못하는 검은색 LCD 영상의 데이터값을 0으로 할 경우, 중심 부분의 데이터값을 160으로 하고, 양쪽 단부 부분의 데이터 값을 255로 조정할 수 있다.

그러면 LCD 패널(30)의 중앙 부분에서 빛의 세기가 약해지기 때문에, LCD 패널(30)을 투과한 빛의 세기를 균일하게 조정할 수가 있다.

즉 마스크 영상에 의해 중앙 부분을 어둡게 만듦으로써 전체적으로 균일한 밝기의 영상을 얻을 수가 있다.

도 2(a)는 상기한 마스크 영상을 적용하기 전의 영상, 도 2(b)는 상기한 마스크 영상을 적용한 후의 영상을 나타낸 것이다.

한편 상기한 LCD 프린터를 장시간 사용하다 보면, UV 램프 및 LCD 패널의 성능이 저하하게 된다.

이렇게 UV 램프나 LCD 패널이 노후화되면, LCD 패널을 투과하는 빛의 세기가 달라지게 되어 성형제품의 품질에 영향을 주게 된다.

이에 따라 UV 광원의 세기 및 마스크 영상을 주기적으로 보정해 주어야 하는데, 이 작업을 통상 "캘리브레이션(Calibration)"이라 부른다.

상기한 캘리브레이션 방식으로, 측정자가 성형이 완료된 제품을 샘플링하여 그 치수 등을 측정하거나, 별도의 UV 계측장비로 UV 투과량을 측정하여 UV 광원의 세기를 조절하는 방식이 사용되고 있다.

그런데 상기한 종래의 캘리브레이션 방식은, 측정자의 수작업에 의존하는 방식이므로 측정자의 숙련도 및 측정조건에 따라 캘리브레이션의 정도가 달라지게 된다는 문제가 있다.

또한 수작업에 의한 종래의 캘리브레이션 방식은, 캘리브레이션 작업이 번거롭고 시간이 많이 소요되며, 정밀한 캘리브레이션이 어렵다는 문제점이 지적되고 있다.

KR 10-2014-8248 A KR 10-1548220 B1 KR 10-1657700 B1

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 캘리브레이션 작업을 측정자의 수작업에 의존하지 않고, 3D 프린터 장비 자체에서 캘리브레이션이 자동적으로 이루어지도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 측정자의 숙련도 및 측정 조건에 따라 캘리브레이션 정도가 달라지는 것을 방지하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 캘리브레이션에 소요되는 시간을 단축하고 정밀한 캘리브레이션이 이루어지도록 하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 3D 프린터의 하부에 구비되어 상부를 향해 빛을 조사하는 광원과, 상기 광원으로부터 일정거리 이격되어 배치되는 렌즈를 포함하여 이루어지는 3D 프린터에서, 광원의 세기 및 영상의 균일도를 캘리브레이션하는 방법에 있어서, (a) 성형재료 저장용기를 제거한 후 LCD 패널 전체 영역에 화이트 영상을 띄우고 광원을 온(ON) 시킨 상태에서, 3D 프린터 내부에 구비된 카메라로 LCD 표면의 빛을 촬영하는 단계(S10), (b) 촬영된 영상을 출하시의 기준 영상과 비교하는 단계(S20), (c) 촬영된 영상과 기준 영상의 평균 밝기의 유사 여부를 판단하는 단계(S30), (d) 상기 S30 단계에서 촬영 영상과 기준 영상의 평균 밝기가 유사하지 않을 경우, 광원의 세기를 조절하는 단계(S40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 S30 단계에서 촬영 영상과 기준 영상의 평균 밝기가 유사할 경우, (e) 촬영 영상이 전체적으로 균일한지를 판단하는 단계(S50)를 더 포함하고, 촬영 영상이 균일하지 않을 경우, (f) 마스크 영상을 조절하는 단계(S60)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 3D 프린터 장비 컴퓨터에 초기 출하시의 기준 영상이 저장되고, 상기 컴퓨터에서 촬영 영상과 출하시의 기준 영상을 비교하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 3D 프린터의 광원은 UV 광원(10)으로 이루어지고, 상기 렌즈의 상부에 LCD 패널(30)이 구비되며, 성형재료는 광경화성 수지를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 3D 프린터는, LCD 패널(30)의 상부에 구비되어 액상의 성형재료(40a)를 저장하는 저장용기(40)와, 상기 저장용기(40)의 상부에 구비되어 성형제품(50)을 적층하는 빌드 플레이트(60)와, 상기 빌드 플레이트(60)의 상부에 구비되어 상하로 승강하는 승강부재(70)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 캘리브레이션 작업이 측정자의 수작업에 의해 이루어지는 것이 아니라 3D 프린터 장비에서 자동적으로 이루어지도록 할 수 있다.

이에 따라 측정자 및 측정조건에 따라 캘리브레이션 정도가 달라지는 것을 방지할 수 있고, 정밀한 조정이 가능하게 되는 효과가 있다.

또한 캘리브레이션에 소요되는 시간을 대폭 단축할 수 있고, 캘리브레이션 작업을 간소화 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 3D 프린터 장치를 간략히 나타낸 구성도.
도 2는 3D 프린터에서 마스크 영상을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 캘리브레이션 방법을 나타낸 흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

편의상 UV 광원(10), 렌즈(20), LCD 패널(30)을 포함하여 이루어지는 LCD 방식의 3D 프린터에서 UV 광원의 세기 및 마스크 영상을 캘리브레이션 하는 방법을 예로서 설명한다.

LCD 방식의 3D 프린터는, 도 1에 도시된 바와 같이, 3D 프린터의 하부에 배치되는 UV 광원(10)과, 상기 UV 광원(10)으로부터 일정 거리 이격되어 배치되는 렌즈(20)와, 상기 렌즈(20)의 상부에 구비되는 LCD 패널(30)과, 상기 LCD 패널(30)의 상부에 구비되어 액상의 성형재료(40a)를 저장하는 저장용기(40)와, 상기 저장용기(40)의 상부에 구비되어 성형제품(50)을 적층하는 빌드 플레이트(60)와, 상기 빌드 플레이트(60)의 상부에 구비되어 상하로 승강하는 승강부재(70)를 포함하여 구성된다.

또한 상기 액상의 성형재료로는 광경화성 수지가 사용될 수 있으며, 상기 광경화성 수지는 빛에 의해 경화되면서 한 층씩 성형제품을 형성한다.

상기한 LCD 방식 3D 프린터의 구조 및 작동에 대해서는 종래기술에서 설명한 바 있으므로 중복된 설명은 생략하고, 이하 본 발명의 특징부에 대해 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 3D 프린터의 캘리브레이션 방법은, 도 3에 도시된 바와 같이, 하부에 구비되어 상부를 향해 빛을 조사하는 광원과, 상기 광원으로부터 일정거리 이격되어 배치되는 렌즈를 포함하여 이루어지는 3D 프린터에서, 광원의 세기 및 영상의 균일도를 캘리브레이션(Calibration)하는 방법에 있어서, (a) 성형재료 저장용기를 제거한 후 LCD 패널 전체 영역에 화이트 영상을 띄우고 광원을 온(ON) 시킨 상태에서, 3D 프린터 내부에 구비된 카메라로 LCD 표면의 빛을 촬영하는 단계(S10), (b) 촬영된 영상을 출하시의 기준 영상과 비교하는 단계(S20), (c) 촬영된 영상과 기준 영상의 평균 밝기의 유사 여부를 판단하는 단계(S30), (d) 상기 S30 단계에서 촬영 영상과 기준 영상의 평균 밝기가 유사하지 않을 경우, 광원의 세기를 조절하는 단계(S40)를 포함하여 이루어진다.

상기 카메라는 3D 프린터의 상부 내측에 구비되어 LCD 표면의 빛을 촬영한 후, 이를 3D 프린터 장비의 컴퓨터(도시 생략)로 전송한다.

그러면 상기 컴퓨터에서는, LCD 표면의 빛 촬영 영상과 제품 출하시의 기준 영상을 비교하여 평균 밝기의 유사 여부를 판단한다.

이를 위해 상기 3D 프린터 장비의 컴퓨터에는 제품 초기 출하시의 기준 영상이 저장되어 있다.

만일 LCD 표면의 빛 촬영 영상과 제품 출하시의 기준 영상의 평균 밝기가 일정 범위를 벗어날 경우에는, 광원(10)의 세기를 조절하는 캘리브레이션을 한다.

한편, 상기 S30 단계에서 촬영 영상과 기준 영상의 평균 밝기가 유사할 경우에는, (e) 촬영 영상이 전체적으로 균일한지를 판단한다(S50).

즉 위치에 따라 밝거나 어두워진 부분이 있는 지의 여부를 판단한다.

만일 촬영 영상이 균일하지 않을 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, LCD 패널(30)에 마스크(Mask) 영상을 적용하여 영상의 균일도를 조절하면, 캘리브레이션 작업이 완료된다(S70).

UV 광원과 LCD 패널을 사용하는 3D 프린터에서는, 장시간 사용시 UV 광원 및 LCD 패널의 성능이 저하되는 것을 피할 수가 없다.

또한 단일의 UV 광원(10)을 사용하게 되면, 렌즈(20)의 중앙부분과 가장자리 부분에 도달하는 빛의 세기가 달라지게 된다.

즉 중앙부분에서 빛의 세기가 가장 강하고 가장자리로 갈수록 빛의 세기가 약해지게 된다.

이렇게 UV 광원의 세기 및 LCD 패널의 영상이 변화하게 되면, 균일하고 정밀한 성형제품(50)을 얻기가 어려워진다.

이에 따라 정기적으로 UV 광원의 세기 및 LCD 패널의 영상을 조절하는 캘리브레이션 작업이 필요하게 된다.

그런데 종래의 캘리브레이션 방법은, 조형이 완료된 성형제품을 샘플링하여 측정자가 성형제품의 치수 등을 측정하거나, 별도의 UV 계측장비를 사용하여 UV의 투과량을 측정한 후 캘리브레이션 작업을 하고 있다.

이에 따라 측정자의 숙련도나 측정 조건에 따라 캘리브레이션의 정도가 달라지게 되므로, 성형제품을 균일하고 정밀하게 제작하기가 어렵게 된다.

즉 종래의 방식은, 캘리브레이션 작업이 측정자의 수작업에 의해 이루어지게 되므로, 캘리브레이션의 정밀도가 저하된다는 문제점이 지적되고 있다.

또한 캘리브레이션 작업이 번거롭고 시간이 많이 소요된다는 문제가 있다.

그러나 본 발명에 의하면, 3D 프린터에 내장된 카메라에 의해 LCD 표면의 빛을 촬영한 후, 이를 3D 프린터 장비의 컴퓨터로 전송하여 제품 출하시의 기준영상과 비교한다.

이때 LCD 표면의 평균 밝기와 제품 초기 출하시 기준 영상의 평균 밝기의 유사 여부를 판단하여, 광원의 세기를 조절한다.

즉 전체 밝기가 밝거나 어두워졌으면, UV 광원의 세기를 조절하여 영상의 밝기가 제품 초기 출하시의 밝기와 같도록 조절한다.

이에 따라 광원의 세기를 캘리브레이션 하는 작업이 매우 간편해지고, 캘리브레이션에 소요되는 시간을 단축할 수가 있다.

즉 캘리브레이션 작업이 3D 프린터 장비의 컴퓨터를 통해 이루어지기 때문에, 수작업에 의한 종래의 캘리브레이션 방식에 비해 정밀도를 향상시킬 수가 있다.

이에 따라 시간이 경과하여 UV 광원의 세기가 변화하더라도, 제품 출하시와 동일한 품질의 성형제품을 제작할 수가 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면, 3D 프린터 장비의 컴퓨터에서 LCD 표면 영상의 균일도를 판별하여 마스크(Mask) 영상을 조절한다.

즉 위치에 따라 밝거나 어두워진 부분이 있으면, 마스크 영상을 조절하는 캘리브레이션을 한다.

본 발명에 의하면, 3D 데이터가 저장된 컴퓨터에서 영상의 전체적인 균일도를 판별하여 마스크 영상을 조절하기 때문에, LCD 패널(30) 전체 화면에 걸쳐 균일한 영상을 구현할 수가 있다.

이에 따라 성형제품의 정밀도를 향상시킬 수가 있고, 제품 초기 출하시와 동일한 제품을 계속 제조할 수가 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것으로서 본 발명의 범위는 상기한 특정 실시예에 한정되지 아니한다. 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에서는 편의상 UV 광원과 LCD 패널을 이용하는 LCD 방식의 3D 프린터를 예로서 설명하였지만, 본 발명은 기타 다른 3D 프린터에도 적용될 수 있다.

10: UV(Ultraviolet) 광원
20: 렌즈(Lens)
30: LCD 패널(Liquid Crystal Display Panel)
40: 저장용기
40a: 성형재료
50: 성형제품
60: 빌드 플레이트(Build Plate)
70: 승강부재

Claims (5)

1. 3D 프린터의 하부에 구비되어 상부를 향해 빛을 조사하는 광원과, 상기 광원으로부터 일정거리 이격되어 배치되는 렌즈를 포함하여 이루어지는 3D 프린터에서, 광원의 세기 및 영상의 균일도를 캘리브레이션하는 방법에 있어서,
   (a) 성형재료 저장용기를 제거한 후 LCD 패널 전체 영역에 화이트 영상을 띄우고 광원을 온(ON) 시킨 상태에서, 3D 프린터 내부에 구비된 카메라로 LCD 표면의 빛을 촬영하는 단계(S10),
   (b) 촬영된 영상을 출하시의 기준 영상과 비교하는 단계(S20),
   (c) 촬영된 영상과 기준 영상의 평균 밝기의 유사 여부를 판단하는 단계(S30),
   (d) 상기 S30 단계에서 촬영 영상과 기준 영상의 평균 밝기가 유사하지 않을 경우, 광원의 세기를 조절하는 단계(S40)를 포함하고,
   상기 S30 단계에서 촬영 영상과 기준 영상의 평균 밝기가 유사할 경우에, (e) 3D 데이터가 저장된 컴퓨터에서 촬영 영상이 전체적으로 균일한지를 판단하는 단계(S50)를 더 포함하며,
   상기 S50 단계에서 촬영 영상이 전체적으로 균일하지 않을 경우에, (f) 마스크 영상을 적용하여 중앙부분을 어둡게 조절하는 단계(S60)를 더 포함하고,
   3D 프린터 장비의 컴퓨터에 제품 초기 출하시의 기준 영상이 저장되고, 상기 컴퓨터에서 LCD 표면 영상과 출하시의 기준 영상을 비교하며,
   상기 3D 프린터의 광원은 UV 광원(10)으로 이루어지고, 상기 렌즈의 상부에 LCD 패널(30)이 구비되며, 성형재료는 광경화성 수지를 사용하고,
   상기 3D 프린터는, LCD 패널(30)의 상부에 구비되어 액상의 성형재료(40a)를 저장하는 저장용기(40)와, 상기 저장용기(40)의 상부에 구비되어 성형제품(50)을 적층하는 빌드 플레이트(60)와, 상기 빌드 플레이트(60)의 상부에 구비되어 상하로 승강하는 승강부재(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 캘리브레이션 방법.
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