KR101960594B1 - 3d printing apparatus for preventing strain of output due to residual stress and 3d printing method using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 잔류 응력에 따른 출력물의 변형을 방지하는 3차원 프린팅 장치 및 그것을 이용한 3차원 프린팅 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 분말 소재 용융 방식의 3차원 프린팅 장치를 이용한 3차원 프린팅 방법에 있어서, 3차원 프린팅 방법은 제조하고자 하는 제조물에 대한 설계 도면 및 인쇄 공정 정보를 입력받는 단계, 입력받은 상기 설계 도면 및 인쇄 공정 정보에 따라 출력되는 제조물에 발생하는 잔류 응력을 산출하는 단계, 산출된 상기 잔류 응력 및 상기 인쇄 공정 정보를 이용하여 상기 설계 도면 상 제조물과 출력되는 제조물 사이의 변형량을 예측하는 단계, 예측된 상기 변형량에 따라 상기 설계 도면 내 제조물에 대한 설계 정보를 변경하여 상기 설계 도면을 보정하는 단계, 그리고 상기 보정된 설계 도면 및 상기 인쇄 공정 정보에 따라 분말 소재 용융 방식으로 상기 제조물을 출력하는 단계를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 3D 프린터로 제조물을 출력하기 전 레이저에 의한 잔류 응력에 따른 출력물의 변형을 미리 예측하여 보정하므로 제조물을 사용자가 원하는 형상으로 정확히 출력할 수 있다. 이에 따라 제조물 출력으로 변형을 확인하는 과정을 생략할 수 있어, 3D 프린팅 제조물의 품질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조 공정 효율을 향상시킬 수 있다. The present invention relates to a three-dimensional printing apparatus for preventing deformation of an output according to residual stress, and a three-dimensional printing method using the same.
According to the present invention, in a three-dimensional printing method using a three-dimensional printing apparatus using a powder material melting method, a three-dimensional printing method includes steps of inputting design drawings and printing process information for a product to be manufactured, And estimating a deformation amount between the product and the output product in the design drawing using the calculated residual stress and the printing process information, calculating a residual stress occurring in the product output in accordance with the printing process information, Changing the design information of the product in the design drawing according to the deformation amount to correct the design drawing, and outputting the product in a powder material melting method according to the corrected design drawing and the printing process information .
As described above, according to the present invention, the deformation of the output product due to the residual stress caused by the laser before outputting the product to the 3D printer is predicted and corrected in advance, so that the product can be accurately output to the shape desired by the user. Accordingly, it is possible to omit the process of confirming the deformation to the output of the product, thereby improving the quality of the 3D printing product and improving the manufacturing process efficiency.

Description

잔류 응력에 따른 출력물의 변형을 방지하는 3차원 프린팅 장치 및 그것을 이용한 3차원 프린팅 방법{3D PRINTING APPARATUS FOR PREVENTING STRAIN OF OUTPUT DUE TO RESIDUAL STRESS AND 3D PRINTING METHOD USING THE SAME} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional printing apparatus and a three-dimensional printing method for preventing a deformation of an output according to a residual stress,

본 발명은 잔류 응력에 따른 출력물의 변형을 방지하는 3차원 프린팅 장치 및 그것을 이용한 3차원 프린팅 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분말 소재 용융 방식의 3차원 프린팅 과정에서 출력물에 발생하는 잔류 응력으로 인한 변형을 예측함으로써 출력물의 품질을 향상시키기 위한 잔류 응력에 따른 출력물의 변형을 방지하는 3차원 프린팅 장치 및 그것을 이용한 3차원 프린팅 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional printing apparatus for preventing deformation of an output according to residual stress and a three-dimensional printing method using the same, and more particularly, Dimensional printing apparatus and a three-dimensional printing method using the same. 2. Description of the Related Art

선택적 레이저 용융 기술은 제품 밀도의 균일성, 재료 유연성, 자유 설계의 용이성으로 인해 의학, 우주 항공, 자동차 부품 제조 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. Selective laser melting technology has been utilized in a variety of fields such as medicine, aerospace, and automobile parts manufacturing due to the uniformity of product density, material flexibility, and ease of free design.

이러한 선택적 레이저 용융 인쇄는 챔버 조건, 재료 특성, 기계 작동 조건, 레이저 출력, 레이저 스캐닝 속도, 레이저 스캐닝 라인 사이의 거리, 적층 두께와 같은 공정 매개 변수의 엄격히 통제를 요구한다. This selective laser melt printing requires strict control of process parameters such as chamber conditions, material properties, machine operating conditions, laser power, laser scanning speed, distance between laser scanning lines, and lamination thickness.

이와 같은 매개 변수는 온도, 용융 풀 및 가열 영향 구역, 열 응력, 용융 냉각 거동과 같은 가열 조건 하에서 재료의 성능을 크게 변화시킨다. 그리고 최종 출력 제조물의 품질에 큰 영향을 미친다. 이에 따라 선택적 레이저 용융과 같은 3D 프린팅 기법은 많은 매개 변수를 고려해야 하므로 원하는 제조물을 얻는 것이 쉽지 않다. 특히, 레이저에 의해 용융된 분말이 응고되는 과정에서 응력이 발생하여 제조물의 형상이 변형되는 현상은 선택적 레이저 용융 기법의 큰 단점으로 지적된다. These parameters greatly change the performance of the material under heating conditions such as temperature, melt pool and heat affected zone, thermal stress, and melt cooling behavior. And the quality of the final output product. Thus, 3D printing techniques such as selective laser melting require many parameters to be taken into consideration, making it difficult to obtain desired products. Particularly, the phenomenon that the shape of the product is deformed due to the stress generated during the solidification of the powder melted by the laser is pointed out as a serious disadvantage of the selective laser melting technique.

이러한 선택적 레이저 용융 기법의 단점으로 인해, 3D 프린팅 제조 공정의 효율이 떨어지고 생산 제품의 품질이 악화되는 문제점이 발생하고 있으며 이러한 문제점을 해결하기 위한 개선 기술이 요구된다. Due to the drawbacks of the selective laser melting technique, the efficiency of the 3D printing manufacturing process deteriorates and the quality of the produced product deteriorates, and an improvement technique for solving such problems is required.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제10-2017-0013843호(2017.02.07.공개)에 개시되어 있다.The technology of the background of the present invention is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2017-0013843 (published on Feb. 07, 2017).

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 분말 소재 용융 방식의 3차원 프린팅 과정에서 출력물에 발생하는 잔류 응력으로 인한 변형을 예측함으로써 출력물의 품질을 향상시키기 위한 잔류 응력에 따른 출력물의 변형을 방지하는 3차원 프린팅 장치 및 그것을 이용한 3차원 프린팅 방법을 제공하기 위한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a three-dimensional printing method for preventing deformation of an output according to a residual stress for improving output quality by predicting deformation due to residual stress generated in an output in a three- Apparatus and a three-dimensional printing method using the same.

이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면 분말 소재 용융 방식의 3차원 프린팅 장치를 이용한 3차원 프린팅 방법에 있어서, 3차원 프린팅 방법은 제조하고자 하는 제조물에 대한 설계 도면 및 인쇄 공정 정보를 입력받는 단계, 입력받은 상기 설계 도면 및 인쇄 공정 정보에 따라 출력되는 제조물에 발생하는 잔류 응력을 산출하는 단계, 산출된 상기 잔류 응력 및 상기 인쇄 공정 정보를 이용하여 상기 설계 도면 상 제조물과 출력되는 제조물 사이의 변형량을 예측하는 단계, 예측된 상기 변형량에 따라 상기 설계 도면 내 제조물에 대한 설계 정보를 변경하여 상기 설계 도면을 보정하는 단계, 그리고 상기 보정된 설계 도면 및 상기 인쇄 공정 정보에 따라 분말 소재 용융 방식으로 상기 제조물을 출력하는 단계를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a three-dimensional printing method using a three-dimensional printing apparatus using a powder material melting method, wherein a three-dimensional printing method includes inputting design drawings and printing process information for a product to be manufactured Calculating a residual stress generated in a product output according to the received design drawing and printing process information, calculating residual stress generated in the product by using the residual stress and the printing process information, Modifying the design drawing by changing the design information of the product in the design drawing according to the predicted deformation amount, and adjusting the design drawing according to the corrected design drawing and the printing process information, And outputting the product.

상기 인쇄 공정 정보는, 상기 제조물을 구성하는 소재에 대한 정보와 상기 소재를 용융 및 예열하는 온도 및 시간에 대한 정보를 포함할 수 있다. The printing process information may include information on a material constituting the product and information on a temperature and a time for melting and preheating the material.

상기 잔류 응력을 산출하는 단계는, 예열 온도에서 상기 제조물에 발생하는 잔류 응력을 예측하며, 용융 온도와 예열 온도 사이의 온도차, 상기 예열 온도에서 상기 제조물을 구성하는 소재의 강도 및 열팽창 계수를 이용하여 상기 잔류 응력을 산출할 수 있다. Wherein the step of calculating the residual stress includes predicting a residual stress occurring in the product at a preheating temperature, using a temperature difference between the melting temperature and the preheating temperature, a strength and a thermal expansion coefficient of the material constituting the product at the preheating temperature The residual stress can be calculated.

상기 잔류 응력을 산출하는 단계는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 잔류 응력(

Figure 112017045275948-pat00001
)을 산출할 수 있다. Wherein the step of calculating the residual stress comprises the step of calculating the residual stress (
Figure 112017045275948-pat00001
) Can be calculated.

Figure 112017045275948-pat00002
Figure 112017045275948-pat00002

여기서, T는 상기 예열 온도를 의미하고,

Figure 112017045275948-pat00003
는 온도 T에서 상기 제조물을 구성하는 소재의 열팽창 계수를 의미하고, Tm은 상기 용융 온도를 의미한다. Here, T denotes the preheating temperature,
Figure 112017045275948-pat00003
Refers to the coefficient of thermal expansion of the materials constituting the article of manufacture in the temperature T, and T m means the melting temperature.

상기 변형량을 예측하는 단계는, 상기 잔류 응력과 상기 제조물을 구성하는 소재의 탄성 계수 및 푸아송비(poisson`s ratio)를 이용하여 상기 제조물 상에 기 설정된 3차원 좌표계에 따른 상기 제조물의 변형량을 예측할 수 있다. Wherein the step of predicting the deformation amount includes predicting a deformation amount of the product according to a predetermined three-dimensional coordinate system on the product using the residual stress, the elastic modulus of the material constituting the product, and a Poisson's ratio .

상기 잔류 응력 및 변형량은, 상기 기 설정된 3차원 좌표계의 x, y, z 축 및 xy면, yz면, zx면에서 형성되는 제조물의 잔류 응력 및 변형량을 포함하며, 상기 제조물의 변형량을 예측하는 단계는, 아래의 수학식을 이용하여 상기 제조물의 변형량을 예측할 수 있다. Wherein the residual stress and deformation amount include residual stress and deformation amount of a product formed on the x, y, z axes and xy, yz, and zx planes of the predetermined three-dimensional coordinate system, , The deformation amount of the product can be predicted using the following equation.

Figure 112017045275948-pat00004
Figure 112017045275948-pat00004

여기서, E는 상기 소재의 탄성 계수를 의미하고, v는 상기 소재의 푸아송비를 의미하고,

Figure 112017045275948-pat00005
는 상기 소재의 열팽창 계수를 의미하고,
Figure 112017045275948-pat00006
는 상기 변형량을 의미하고,
Figure 112017045275948-pat00007
는 상기 잔류 응력을 의미한다. Here, E denotes the modulus of elasticity of the material, v denotes the Poisson's ratio of the material,
Figure 112017045275948-pat00005
Quot; means the coefficient of thermal expansion of the material,
Figure 112017045275948-pat00006
Quot; means the amount of deformation,
Figure 112017045275948-pat00007
Means the residual stress.

본 발명의 다른 실시예에 따른 분말 소재 용융 방식의 3차원 프린팅 장치에 있어서, 3차원 프린팅 장치는 제조하고자 하는 제조물에 대한 설계 도면 도면 및 인쇄 공정 정보를 입력받는 입력부, 입력받은 상기 설계 도면 및 인쇄 공정 정보에 따라 출력되는 제조물에 발생하는 잔류 응력을 산출하는 산출부, 산출된 상기 잔류 응력 및 상기 인쇄 공정 정보를 이용하여 상기 설계 도면 상 제조물과 출력되는 제조물 사이의 변형량을 예측하는 예측부, 예측된 상기 변형량에 따라 상기 설계 도면 내 제조물에 대한 설계 정보를 변경하여 상기 설계 도면을 보정하는 제어부, 그리고 상기 보정된 설계 도면 및 상기 인쇄 공정 정보에 따라 분말 소재 용융 방식으로 상기 제조물을 출력하는 출력부를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a three-dimensional printing apparatus for melting a powder material, wherein the three-dimensional printing apparatus includes an input unit for inputting design drawing information and printing process information for a product to be manufactured, A predicting unit for predicting an amount of deformation between the product and the output product in the design drawing by using the calculated residual stress and the printing process information, a calculating unit for calculating a residual stress generated in the product output according to the process information, A control unit for changing the design information of the product in the design drawing according to the deformation amount and correcting the design drawing, and an output unit for outputting the product in a powder material melting method in accordance with the corrected design drawing and the printing process information .

이와 같이 본 발명에 따르면, 3D 프린터로 제조물을 출력하기 전 레이저에 의한 잔류 응력에 따른 출력물의 변형을 미리 예측하여 보정하므로 제조물을 사용자가 원하는 형상으로 정확히 출력할 수 있다. 이에 따라 제조물 출력으로 변형을 확인하는 과정을 생략할 수 있어, 3D 프린팅 제조물의 품질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조 공정 효율을 향상시킬 수 있다. As described above, according to the present invention, the deformation of the output product due to the residual stress caused by the laser before outputting the product to the 3D printer is predicted and corrected in advance, so that the product can be accurately output to the shape desired by the user. Accordingly, it is possible to omit the process of confirming the deformation to the output of the product, thereby improving the quality of the 3D printing product and improving the manufacturing process efficiency.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법을 상세히 설명하기 위한 도면이다.1 is a configuration diagram of a three-dimensional printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a three-dimensional printing method according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a three-dimensional printing method according to an embodiment of the present invention in detail.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

우선 도 1을 통해 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 구성에 대해 살펴보도록 한다. First, a configuration of a three-dimensional printing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 구성도이다. 1 is a configuration diagram of a three-dimensional printing apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치(100)는 분말 소재 용융 방식의 3차원 프린팅 장치(100)로서, 입력부(110), 산출부(120), 예측부(130), 제어부(140) 및 출력부(150)를 포함한다. 1, a three-dimensional printing apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention is a powder material melting type three-dimensional printing apparatus 100, which includes an input unit 110, a calculating unit 120, A control unit 140, and an output unit 150. [

분말 소재 용융 방식이란 선택적 레이저 용융(selective laser meltin, SLM) 기법과 같이 적층된 분말 소재를 레이저로 용융하여 제조물을 만드는 방식을 말하며, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치(100)는 설계 도면에 따라 적층된 분말 소재를 레이저로 용융하여 제조물을 출력하는 방식을 이용한다. The powder material melting method refers to a method of making a product by laser melting a powdered material such as a selective laser melt (SLM) technique, and the 3D printing device 100 according to an embodiment of the present invention is designed And a method of outputting the product by melting the powdered material that is stacked according to the drawing is used.

우선 입력부(110)는 제조하고자 하는 제조물에 대한 설계 도면 및 인쇄 공정 정보를 입력받는다. First, the input unit 110 receives a design drawing and printing process information for a product to be manufactured.

구체적으로 설계 도면은 3D CAD 도면뿐만 아니라 3차원 형상을 도시한 도면을 포함한다. 이때, 설계 도면은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치가 생성하거나 통신 연결된 외부 단말로부터 입력받을 수 있다. Specifically, the design drawing includes not only a 3D CAD drawing but also a drawing showing a three-dimensional shape. At this time, the design drawing may be input from an external terminal that is generated or connected to the 3D printing apparatus according to the embodiment of the present invention.

그리고 인쇄 공정 정보는 제조물을 구성하는 소재에 대한 정보와 소재를 용융 및 예열하는 온도 및 시간에 대한 정보를 포함한다. 뿐만 아니라, 인쇄 공정 정보는 레이저의 파장 길이, 출력 전력, 빔 품질, 빔 스폿(beam spot), 스캔 속도를 더 포함할 수 있다. 여기서 제조물을 구성하는 소재에 대한 정보는 소재의 종류, 분말 입자의 크기, 열팽창 계수(coefficients of thermal expansion), 푸아송비(poisons ratio), 탄성 계수(modulus of elasticity)를 포함할 수 있다.The printing process information includes information on the material constituting the product and information on the temperature and time for melting and preheating the material. In addition, the printing process information may further include a laser wavelength length, an output power, a beam quality, a beam spot, and a scan speed. Here, the information on the material constituting the product may include the kind of the material, the size of the powder particles, the coefficients of thermal expansion, the poisons ratio, and the modulus of elasticity.

다음으로 산출부(120)는 입력받은 설계 도면 및 인쇄 공정 정보에 따라 출력되는 제조물에 발생하는 잔류 응력을 산출한다. Next, the calculation unit 120 calculates the residual stress generated in the output product according to the inputted design drawing and printing process information.

구체적으로 산출부(120)는 예열 온도에서 제조물에 발생하는 잔류 응력을 예측한다. 그리고 산출부(120)는 용융 온도와 예열 온도 사이의 온도차, 예열 온도에서 제조물을 구성하는 소재의 강도 및 열팽창 계수를 이용하여 잔류 응력을 산출한다. Specifically, the calculation unit 120 predicts the residual stress generated in the product at the preheating temperature. The calculation unit 120 calculates the residual stress using the temperature difference between the melting temperature and the preheating temperature, the strength of the material constituting the product at the preheating temperature, and the thermal expansion coefficient.

다음으로 예측부(130)는 산출된 잔류 응력 및 인쇄 공정 정보를 이용하여 설계 도면 상 제조물과 출력되는 제조물 사이의 변형량을 예측한다. Next, the predicting unit 130 predicts the amount of deformation between the manufactured product and the output product in the design drawing by using the calculated residual stress and the printing process information.

이때 잔류 응력 및 변형량은 x, y, z 축 및 xy면, yz면, zx면에서 형성되는 제조물의 잔류 응력 및 변형량을 포함한다. The residual stress and deformation amount include the residual stress and deformation amount of the product formed on the x, y, z axis and the xy plane, the yz plane, and the zx plane.

예측부(130)는 잔류 응력과 제조물을 구성하는 소재의 탄성 계수 및 푸아송비(poisson`s ratio)를 이용하여 제조물 상에 기 설정된 3차원 좌표계에 따른 제조물의 변형량을 예측한다. The predicting unit 130 predicts a deformation amount of the product according to a predetermined three-dimensional coordinate system on the product using the residual stress, the elastic modulus of the material constituting the product, and the Poisson's ratio.

다음으로 제어부(140)는 예측된 변형량에 따라 설계 도면 내 제조물에 대한 설계 정보를 변경하여 설계 도면을 보정한다. Next, the control unit 140 changes the design information for the product in the design drawing according to the predicted deformation amount, thereby correcting the design drawing.

다음으로 출력부(150)는 보정된 설계 도면 및 인쇄 공정 정보에 따라 분말 소재 용융 방식으로 제조물을 출력한다. Next, the output unit 150 outputs the product by the powder material melting method according to the corrected design drawing and printing process information.

이하에서는 도 2 및 도 3을 통해 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치를 이용한 3차원 프린팅 방법에 대해 살펴보도록 한다. Hereinafter, a three-dimensional printing method using a three-dimensional printing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 2 and FIG.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법을 나타낸 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법을 상세히 설명하기 위한 도면이다. FIG. 2 is a flowchart illustrating a three-dimensional printing method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram for explaining a three-dimensional printing method according to an embodiment of the present invention in detail.

도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 입력부(110)는 제조하고자 하는 제조물에 대한 설계 도면 및 인쇄 공정 정보를 입력받는다(S210). As shown in FIG. 2, the input unit 110 receives a design drawing and printing process information for a product to be manufactured (S210).

예를 들어, 입력부(110)는 도 3의 (a)에 도시된 도면과 같은 3D CAD 도면을 입력받을 수 있으며, 도 3의 (a)에 도시된 제조물의 설계에 따른 인쇄 공정 정보를 함께 입력받을 수 있다. For example, the input unit 110 may receive 3D CAD drawings as shown in FIG. 3A, and may input printing process information according to the design of the product shown in FIG. 3 (a) Can receive.

그러면 산출부(120)는 입력받은 설계 도면 및 인쇄 공정 정보에 따라 출력되는 제조물에 발생하는 잔류 응력을 산출한다(S220). Then, the calculating unit 120 calculates the residual stress generated in the product output according to the inputted design drawing and printing process information (S220).

구체적으로 산출부(120)는 예열 온도에서 제조물에 발생하는 잔류 응력을 예측하며, 용융 온도와 예열 온도 사이의 온도차, 예열 온도에서 제조물을 구성하는 소재의 강도 및 열팽창 계수를 이용하여 잔류 응력을 산출한다. Specifically, the calculation unit 120 predicts the residual stress generated in the product at the preheating temperature, calculates the residual stress using the temperature difference between the melting temperature and the preheating temperature, the strength of the material constituting the product at the preheating temperature, and the thermal expansion coefficient do.

이때 산출부(120)는 아래의 수학식 1을 이용하여 잔류 응력(

Figure 112017045275948-pat00008
)을 산출한다. At this time, the calculation unit 120 calculates the residual stress (
Figure 112017045275948-pat00008
).

Figure 112017045275948-pat00009
Figure 112017045275948-pat00009

여기서 T는 예열 온도를 의미하고,

Figure 112017045275948-pat00010
는 온도 T에서 제조물을 구성하는 소재의 열팽창 계수를 의미하고, Tm은 용융 온도를 의미한다.Where T is the preheat temperature,
Figure 112017045275948-pat00010
Refers to the coefficient of thermal expansion, the T m of the material constituting the article of manufacture in the temperature T; means melting temperature.

다음으로 예측부(130)는 산출된 잔류 응력 및 인쇄 공정 정보를 이용하여 설계 도면 상 제조물과 출력되는 제조물 사이의 변형량을 예측한다(S230). Next, the predicting unit 130 predicts the amount of deformation between the manufactured product and the output product in the design drawing using the calculated residual stress and the printing process information (S230).

구체적으로 예측부(130)는 잔류 응력과 제조물을 구성하는 소재의 탄성 계수 및 푸아송비를 이용하여 제조물 상에 기 설정된 3차원 좌표계에 따른 제조물의 변형량을 예측한다. Specifically, the predicting unit 130 predicts a deformation amount of the product according to a predetermined three-dimensional coordinate system on the product using the residual stress, the elastic modulus of the material constituting the product, and the Poisson's ratio.

이때 제조물이 3차원 형상이므로 변형량은 기 설정된 3차원 좌표계에 따라 예측된다. 따라서 S220 단계에서 산출된 잔류 응력 및 S230 단계에서 예측된 변형량은 x, y, z 축 및 xy면, yz면, zx면에서 형성되는 제조물의 잔류 응력 및 변형량을 포함한다. Since the product is a three-dimensional shape, the amount of deformation is predicted according to a predetermined three-dimensional coordinate system. Therefore, the residual stress calculated in step S220 and the deformation amount predicted in step S230 include the residual stress and deformation amount of the product formed on the x, y, and z axes, the xy plane, the yz plane, and the zx plane.

예를 들어 xy면에서 형성되는 제조물의 변형량은 z축의 양의 방향 또는 음의 방향으로 휘어짐을 나타내며, x축에서 형성되는 제조물의 변형량은 x축에서 제조물의 수축이나 팽창을 나타낸다. For example, the amount of deformation of a product formed in the xy plane represents deflection in the positive or negative direction of the z-axis, and the deformation of the product formed in the x-axis represents shrinkage or expansion of the product in the x-axis.

구체적으로 예측부(130)는 아래의 수학식 2를 이용하여 제조물의 변형량을 예측한다. Specifically, the predicting unit 130 predicts the amount of deformation of the product using Equation (2) below.

Figure 112017045275948-pat00011
Figure 112017045275948-pat00011

여기서 E는 소재의 탄성 계수를 의미하고, v는 소재의 푸아송비를 의미하고,

Figure 112017045275948-pat00012
는 소재의 열팽창 계수를 의미하고,
Figure 112017045275948-pat00013
는 변형량을 의미하고,
Figure 112017045275948-pat00014
는 잔류 응력을 의미한다. 이때, 아래첨자 xx는 x축, yy는 y축, zz는 z축을 의미하고, 아래첨자 xy는 xy면, xz는 xz면, yz는 yz면을 의미한다. Where E is the modulus of elasticity of the material, v is the Poisson's ratio of the material,
Figure 112017045275948-pat00012
Means the coefficient of thermal expansion of the material,
Figure 112017045275948-pat00013
Quot; means a deformation amount,
Figure 112017045275948-pat00014
Means residual stress. Here, the subscript xx means x axis, yy means y axis, zz means z axis, subscript xy means xy plane, xz means xz plane, and yz means yz plane.

예를 들어 예측부(130)가 수학식 2를 이용하여 도 3의 (a)에 도시된 설계 도면에 따라 출력될 제조물의 변형량을 예측한 후 이를 설계 도면에 반영하면 도 3의 (b)와 같은 형상의 제조물이 예측될 수 있다. For example, if the prediction unit 130 estimates the amount of deformation of a product to be output according to the design drawing shown in FIG. 3 (a) using Equation (2) A product of the same shape can be predicted.

그러면 제어부(140)는 예측된 변형량에 따라 설계 도면 내 제조물에 대한 설계 정보를 변경하여 설계 도면을 보정한다(S240). Then, the control unit 140 changes the design information of the product in the design drawing according to the predicted deformation amount, and corrects the design drawing (S240).

예를 들어 도 3의 (b)에서와 같이, xy면에서 변형이 발생하여 z축의 양의 방향으로 휘어짐이 발생하였다고 가정한다. 그러면 제어부(140)는 도 3의 (a)에 도시된 설계 도면을 xy면에서 z축의 음의 방향으로 휘어지도록 도 3의 (c)와 같이 보정한다. For example, as shown in FIG. 3 (b), it is assumed that deformation occurs in the xy plane and warpage occurs in the positive direction of the z axis. Then, the control unit 140 corrects the design diagram shown in FIG. 3 (a) to be bent in the negative direction of the z-axis in the xy plane as shown in FIG. 3 (c).

이때 제어부(140)는 S220 및 S230 단계에서 예측된 잔류 응력과 변형량을 이용하여 설계도면을 보정할 수 있다. At this time, the control unit 140 may correct the design drawing using the residual stress and deformation amount predicted in steps S220 and S230.

본 발명의 실시예에 따르면, 제어부(140)는 예측된 변형량을 인공 신경 회로망(artificial neural network, ANN)에 입력하여 보정량을 산출할 수 있다. 그러면 제어부(140)는 인공 신경 회로망을 통해 산출된 보정량을 설계 도면에 적용하여 설계 도면을 보정한다. According to the embodiment of the present invention, the control unit 140 may calculate the amount of correction by inputting the predicted deformation amount into the artificial neural network (ANN). Then, the control unit 140 applies the correction amount calculated through the artificial neural network to the design drawing to correct the design drawing.

그러면 출력부(150)는 S240 단계에서 보정된 설계 도면 및 인쇄 공정 정보에 따라 분말 소재 용융 방식으로 제조물을 출력한다(S250). In step S250, the output unit 150 outputs the product by the powder material melting method according to the corrected design drawing and the printing process information in step S240.

본 발명의 실시예에 따르면, 3D 프린터로 제조물을 출력하기 전 레이저에 의한 잔류 응력에 따른 출력물의 변형을 미리 예측하여 보정하므로 제조물을 사용자가 원하는 형상으로 정확히 출력할 수 있다. 이에 따라 제조물 출력으로 변형을 확인하는 과정을 생략할 수 있어, 3D 프린팅 제조물의 품질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 제조 공정 효율을 향상시킬 수 있다. According to the embodiment of the present invention, the deformation of the output product due to the residual stress caused by the laser before outputting the product to the 3D printer can be predicted and corrected in advance, so that the product can be accurately output to the user's desired shape. Accordingly, it is possible to omit the process of confirming the deformation to the output of the product, thereby improving the quality of the 3D printing product and improving the manufacturing process efficiency.

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. While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

100 : 3D 프린팅 장치 110 : 입력부
120 : 산출부 130 : 예측부
140 : 제어부 150 : 출력부 100: 3D printing apparatus 110: Input unit
120: Calculator 130:
140: control unit 150: output unit

Claims (12)

분말 소재 용융 방식의 3차원 프린팅 장치를 이용한 3차원 프린팅 방법에 있어서,
제조하고자 하는 제조물에 대한 설계 도면 및 인쇄 공정 정보를 입력받는 단계,
입력받은 상기 설계 도면 및 인쇄 공정 정보에 따라 출력되는 제조물에 발생하는 잔류 응력을 산출하는 단계,
산출된 상기 잔류 응력 및 상기 인쇄 공정 정보를 이용하여 상기 설계 도면 상 제조물과 출력되는 제조물 사이의 변형량을 예측하는 단계,
예측된 상기 변형량에 따라 상기 설계 도면 내 제조물에 대한 설계 정보를 변경하여 상기 설계 도면을 보정하는 단계, 그리고
상기 보정된 설계 도면 및 상기 인쇄 공정 정보에 따라 분말 소재 용융 방식으로 상기 제조물을 출력하는 단계를 포함하며,
상기 인쇄 공정 정보는,
상기 제조물을 구성하는 소재에 대한 정보와 상기 소재를 용융 및 예열하는 온도 및 시간에 대한 정보를 포함하며,
상기 잔류 응력을 산출하는 단계는,
예열 온도에서 상기 제조물에 발생하는 잔류 응력을 예측하며, 용융 온도(Tm)와 예열 온도(T) 사이의 온도차, 상기 예열 온도(T)에서 상기 제조물을 구성하는 소재의 강도(
Figure 112019019490849-pat00042
) 및 열팽창 계수(
Figure 112019019490849-pat00043
)를 이용하여 상기 잔류 응력(
Figure 112019019490849-pat00044
)을 산출하며,
상기 잔류 응력 및 변형량은,
상기 제조물 상에 기 설정된 3차원 좌표계의 x, y, z 축 및 xy면, yz면, zx면에서 형성되는 제조물의 잔류 응력 및 변형량을 포함하며,
상기 변형량(
Figure 112019019490849-pat00032
)은 아래의 수학식에 의해 예측되는 3차원 프린팅 방법:
Figure 112019019490849-pat00033

여기서,
Figure 112019019490849-pat00034
는 상기 잔류 응력이며, E, v,
Figure 112019019490849-pat00035
는 각각 상기 제조물을 구성하는 소재의 탄성 계수, 푸아송비(poisson`s ratio), 열팽창 계수이고,
Figure 112019019490849-pat00036
는 상기 소재를 용융 및 예열하는 용융 온도와 예열 온도 사이의 온도차를 의미한다. A three-dimensional printing method using a three-dimensional printing apparatus using a powder material melting method,
Receiving a design drawing and printing process information for a product to be manufactured,
Calculating a residual stress occurring in a product output according to the received design drawing and printing process information,
Estimating an amount of deformation between the product and the output product in the design drawing using the calculated residual stress and the printing process information,
Correcting the design drawing by changing design information on a product in the design drawing according to the predicted deformation amount, and
And outputting the product in a powder material melting method according to the corrected design drawing and the printing process information,
The printing process information includes:
Information on a material constituting the product and information on a temperature and a time for melting and preheating the material,
The step of calculating the residual stress includes:
( Tm ) and a preheating temperature (T), a temperature difference between the melting temperature ( Tm ) and the preheating temperature (T), a strength of the material constituting the product at the preheating temperature
Figure 112019019490849-pat00042
) And thermal expansion coefficient
Figure 112019019490849-pat00043
) Was used to calculate the residual stress (
Figure 112019019490849-pat00044
),
The residual stress and deformation amount are,
The x, y, and z axes of the three-dimensional coordinate system predetermined on the product, and the residual stress and deformation amount of the product formed on the xy plane, the yz plane, and the zx plane,
The deformation amount (
Figure 112019019490849-pat00032
) Is a three-dimensional printing method predicted by the following equation:
Figure 112019019490849-pat00033

here,
Figure 112019019490849-pat00034
Is the residual stress, and E, v,
Figure 112019019490849-pat00035
Are respectively the elastic modulus, Poisson's ratio and thermal expansion coefficient of the material constituting the product,
Figure 112019019490849-pat00036
Means a temperature difference between a melting temperature and a preheating temperature for melting and preheating the material. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 분말 소재 용융 방식의 3차원 프린팅 장치에 있어서,
제조하고자 하는 제조물에 대한 설계 도면 및 인쇄 공정 정보를 입력받는 입력부,
입력받은 상기 설계 도면 및 인쇄 공정 정보에 따라 출력되는 제조물에 발생하는 잔류 응력을 산출하는 산출부,
산출된 상기 잔류 응력 및 상기 인쇄 공정 정보를 이용하여 상기 설계 도면 상 제조물과 출력되는 제조물 사이의 변형량을 예측하는 예측부,
예측된 상기 변형량에 따라 상기 설계 도면 내 제조물에 대한 설계 정보를 변경하여 상기 설계 도면을 보정하는 제어부, 그리고
상기 보정된 설계 도면 및 상기 인쇄 공정 정보에 따라 분말 소재 용융 방식으로 상기 제조물을 출력하는 출력부를 포함하며,
상기 인쇄 공정 정보는,
상기 제조물을 구성하는 소재에 대한 정보와 상기 소재를 용융 및 예열하는 온도 및 시간에 대한 정보를 포함하며,
상기 산출부는,
예열 온도에서 상기 제조물에 발생하는 잔류 응력을 예측하며, 용융 온도(Tm)와 예열 온도(T) 사이의 온도차, 상기 예열 온도(T)에서 상기 제조물을 구성하는 소재의 강도(
Figure 112019019490849-pat00045
)와 열팽창 계수(
Figure 112019019490849-pat00046
)를 이용하여 상기 잔류 응력(
Figure 112019019490849-pat00047
)을 산출하며,
상기 잔류 응력 및 변형량은,
상기 제조물 상에 기 설정된 3차원 좌표계의 x, y, z 축 및 xy면, yz면, zx면에서 형성되는 제조물의 잔류 응력 및 변형량을 포함하며,
상기 변형량(
Figure 112019019490849-pat00037
)은 아래의 수학식에 의해 예측되는 3차원 프린팅 장치:
Figure 112019019490849-pat00038

여기서,
Figure 112019019490849-pat00039
는 상기 잔류 응력이며, E, v,
Figure 112019019490849-pat00040
는 각각 상기 제조물을 구성하는 소재의 탄성 계수, 푸아송비(poisson`s ratio), 열팽창 계수이고,
Figure 112019019490849-pat00041
는 상기 소재를 용융 및 예열하는 용융 온도와 예열 온도 사이의 온도차를 의미한다. In a three-dimensional printing apparatus of a powder material melting method,
An input unit for receiving design drawings and printing process information for a product to be manufactured,
A calculating unit for calculating a residual stress generated in a product output according to the received design drawing and printing process information,
A predictor for predicting an amount of deformation between a product and an output product in the design drawing using the calculated residual stress and the printing process information,
A controller for changing the design information for the product in the design drawing according to the predicted deformation amount to correct the design drawing, and
And an output unit for outputting the product in a powder material melting mode according to the corrected design drawing and the printing process information,
The printing process information includes:
Information on a material constituting the product and information on a temperature and a time for melting and preheating the material,
The calculating unit calculates,
( Tm ) and a preheating temperature (T), a temperature difference between the melting temperature ( Tm ) and the preheating temperature (T), a strength of the material constituting the product at the preheating temperature
Figure 112019019490849-pat00045
) And thermal expansion coefficient (
Figure 112019019490849-pat00046
) Was used to calculate the residual stress (
Figure 112019019490849-pat00047
),
The residual stress and deformation amount are,
The x, y, and z axes of the three-dimensional coordinate system predetermined on the product, and the residual stress and deformation amount of the product formed on the xy plane, the yz plane, and the zx plane,
The deformation amount (
Figure 112019019490849-pat00037
) Is a three-dimensional printing apparatus predicted by the following equation:
Figure 112019019490849-pat00038

here,
Figure 112019019490849-pat00039
Is the residual stress, and E, v,
Figure 112019019490849-pat00040
Are respectively the elastic modulus, Poisson's ratio and thermal expansion coefficient of the material constituting the product,
Figure 112019019490849-pat00041
Means a temperature difference between a melting temperature and a preheating temperature for melting and preheating the material. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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