KR101961198B1 - 삼차원 인쇄 방법 및 삼차원 인쇄 구조체 - Google Patents

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Abstract

삼차원 인쇄 구조체를 인쇄하는 삼차원 인쇄 방법으로서, 서로 평행한 방향으로 연장하는 복수 개의 선들을 포함하는 4개 이상의 층들을 차례로 적층하는 단계를 포함하고, 층들의 사이에서 선들이 서로 가로지르는 방향을 향하도록, 층들의 각각의 선들이 연장하는 방향은 층들의 사이에서 서로 상이한 방향을 향한다.

Description

삼차원 인쇄 방법 및 삼차원 인쇄 구조체{3D printing method and printed 3D structure}
실시예들은 삼차원 인쇄 방법 및 삼차원 인쇄 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 트러스 형상의 내부 채움(infill) 구조를 갖는 삼차원 인쇄 구조체를 인쇄할 수 있는 삼차원 인쇄 방법 및 삼차원 인쇄 구조체에 관한 것이다.
삼차원 인쇄 방법은 삼차원의 입체적인 구조체를 신속하면서 편리하게 제작할 수 있는 방법이다. 삼차원 인쇄 방법은 낮은 진입 장벽과 상대적으로 저렴한 비용과 같은 장점으로 인하여 3차원의 입체 구조체를 제작하기 위한 기술로서 전 세계적인 주목을 받고 있으며, 최근에는 단순한 시제품 형상 제작 수준을 넘어 기계 부품, 3차원 전자 회로, 건설 등 다양한 부분에서 사용되고 있다.
삼차원 인쇄 방법은 크게는 절삭가공(subtractive manufacturing)과 적층가공(additive manufacturing)의 두 가지 방식으로 구별된다. 적층가공 방식의 삼차원 인쇄 방법은 일반적으로 3차원 기반의 모델링 파일을 얇게 자른 후 종래의 이차원 프린터(2D printer)와 같이 평면 위에 활자나 그림을 인쇄하고 인쇄된 면(layer) 위에 다음 면을 인쇄하는 단계들을 포함한다.
적층가공 방식의 삼차원 인쇄 방법을 이용하는 3차원 프린터의 방식은 인쇄 작업에 사용하는 소재와 방법에 따라 압출가공(ME; Material Extrusion), 분말과 잉크젯 헤드를 이용한 3DP(3D Printing), 스테레오 리소그래피(SLA; Stereolithography apparatus) 등으로 분류된다.
ME 방식의 3D 프린터의 경우 실처럼 가늘게 가공된 폴리유산(PLA; Polylactic acid), 아크로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS; Acrylonitrile Butadiene Styrene), 폴리카보네이트(PC; Polycarbonate) 필라멘트를 3D 프린터 전용 노즐에 넣어 용융시킨 후 적층하며 인쇄하는 방식으로 현재 대중적으로 사용되고 있다.
종래의 삼차원 인쇄 방법에 의하면 인쇄 소재를 이차원의 평면 위에 인쇄하여 층을 쌓는 적층 공정이 실행된다. 적층 공정 중에는 아래쪽 층의 라인을 적층하고, 그 후에 위층의 라인을 연속하여 적층(rastering)하는데, 아래쪽 층의 라인이 인쇄되는 방향의 각도와 위층의 라인이 인쇄되는 방향의 각도인 적층 각(래스터 각도; raster angle)을 +45도/-45도나 0도/90도의 순서로 교대하여 적층하는 2방향 적층 공정을 통해 구조체를 적층한다.
도 1a는 종래의 삼차원 인쇄 방법의 일예에서 제1층을 적층하는 단계를 도시한 도면이고, 도 1b는 도 1a의 제1층의 위에 제2층을 적층하는 단계를 도시한 도면이다. 도 1a 및 도 1b는 적층 각을 0도/90도의 순서로 교대하여 층들을 적층하는 2방향 적층 공정을 나타낸다.
도 1a에서 제1층의 라인(101)이 인쇄되는 방향의 적층 각을 0도로 정하면, 도 1b에서 제2층의 라인(102)이 인쇄되는 방향은 제1 층의 라인(101)에 대하여 수직한 방향의 적층 각인 90도로 정해진다.
도 2a는 종래의 삼차원 인쇄 방법의 다른 예에서 제1층을 적층하는 단계를 도시한 도면이고, 도 2b는 도 2a의 제1층의 위에 제2층을 적층하는 단계를 도시한 도면이다. 도 2a 및 도 2b는 적층 각을 +45도/-45도의 순서로 교대하여 층들을 적층하는 2방향 적층 공정을 나타낸다.
도 2a에서 제1층의 라인(103)이 인쇄되는 방향의 적층 각을 +45도로 정하면, 도 2b에서 제2층의 라인(104)이 인쇄되는 방향은 제1 층의 라인(103)에 대하여 수직한 방향의 적층 각인 ­45도로 정해진다.
도 3은 도 2a 및 도 2b에 도시된 종래의 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 일부분을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 3을 참조하면, 종래의 +45도/-45도의 이방향 적층 각을 이용한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체는 마름모 형상의 구멍을 갖는다. 도 1a 및 도 1b에서와 같이 0도/90도의 이방향 적층 각을 이용한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체는 정사각 형상의 구멍을 갖는다.
0도/90도의 순서로 적층 각을 교대하는 방식과, +45도/-45도의 순서로 적층 각을 교대하는 방식을 이용하는 종래의 삼차원 인쇄 방법에 의하면, 위층과 아래층의 사이에는 노즐에 인쇄되는 라인이 교차하는 크기(면적)에 해당하는 점(point)에서 층들의 라인이 서로 접촉하는 점접촉(point contact)이 이루어지므로 출력물의 인장강도가 이론적인 것보다 낮아진다.
또한 종래의 삼차원 인쇄 방법에서는 사용되는 소재의 양은 상대적으로 많아지는 단점을 갖는다. 즉 인장각도가 낮은 단점을 보완하기 위해서는 내부 충전밀도(infill density)를 증가시켜야 하므로 사용되는 소재의 양이 증가하며 적층 속도도 느려진다. 이러한 종래의 삼차원 인쇄 방법의 단점을 극복하기 위하여 여러 가지 시도가 이루어지고 있으나 이방향 적층 방식의 한계를 극복하지 못하였다.
이방향 적층 방식을 개선하기 위한 삼차원 인쇄 방법을 소개하는 미국 공개특허공보 2016-0346999에는, 이방향 적층 방식을 이용하면서도 구조의 강도를 향상시키기 위해 각 층의 라인에 굴곡을 형성하는 기술이 설명된다. 이러한 기술에 의하면 각 층을 적층할 때 적층되는 층의 라인에 예각이 아닌 둔각, 직각 등의 각도의 굴곡부를 형성함으로써 층과 층의 사이에서 90도의 교차되는 지점을 형성한다. 이러한 기술에 의해 종래의 삼차원 인쇄 방법에 비해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 강도가 약간 향상되는 것을 기대할 수 있지만, 각 층의 라인에 굴곡부를 형성하기 위해 노즐을 이동시키는 기술이 복잡해질 뿐만 아니라 인쇄시간이 증가한다.
이방향 적층 방식을 개선하기 위한 삼차원 인쇄 방법을 소개하는 한국 특허공개번호 2016-0049704에는 내부 채움 영역에 블록을 배치하여 인쇄를 실행함으로써 강도를 확보하면서도 인쇄 속도를 향상시키기 위한 기술이 설명된다. 이러한 방식은 별도의 블록을 준비해야 하는 번거로움이 있으며 다양한 형상의 삼차원 인쇄 구조체에 적용하기가 어렵다.
미국 특허공개번호 2016-0346999(2016.12.01.) 한국 특허공개번호 2016-0049704(2016.05.10)
실시예들의 목적은 +45도/-45도 또는 0도, 90도의 래스터 각도(raster angle)를 이용하는 이방향 적층 방식을 개선함으로써 인쇄에 소요되는 소재의 사용량을 감소시키면서도 높은 인장강도를 확보할 수 있는 삼차원 인쇄 방법 및 삼차원 인쇄 구조체를 제공하는 데 있다.
실시예들의 다른 목적은 적어도 4개의 방향의 래스터 각도를 이용하여 층들을 적층할 수 있는 삼차원 인쇄 방법 및 인장강도가 향상된 삼차원 인쇄 구조체를 제공하는 데 있다.
일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법은 삼차원 인쇄 구조체를 인쇄하는 삼차원 인쇄 방법으로서, 서로 평행한 방향으로 연장하는 복수 개의 선들을 포함하는 4개 이상의 층들을 차례로 적층하는 단계를 포함하고, 층들의 사이에서 선들이 서로 가로지르는 방향을 향하도록, 층들의 각각의 선들이 연장하는 방향은 층들의 사이에서 서로 상이한 방향을 향한다.
층들의 개수는 4개일 수 있으며, 층들의 각각의 선들이 연장하는 방향은 각각 서로 상이한 4개의 방향을 향할 수 있다.
층들의 각각의 선들이 연장하는 4개의 방향은 0도, 45도, 90도, 및 135도이거나, 0도, 30도, 60도, 및 90도일 수 있다.
층들이 적층되어 선들에 형성되는 삼차원 인쇄 구조체는 삼각형 구멍을 갖는 트러스 구조를 포함할 수 있다.
층들의 선들에 의해 삼차원 인쇄 구조체의 내부가 채워지는 삼차원 인쇄 구조체의 내부 채움 밀도(infill density)는 10 내지 100%일 수 있다.
층들의 개수는 6개 이상일 수 있으며, 층들의 각각의 선들이 연장하는 방향은 각각 서로 상이한 6개 이상의 방향을 향할 수 있다.
삼차원 인쇄 방법은 외곽선을 인쇄하는 단계를 더 포함할 수 있고, 층들은 외곽선의 내측에 적층될 수 있다.
외곽선은 2 내지 4개로 이루어질 수 있다.
다른 실시예에 관한 삼차원 인쇄 구조체는 삼차원 인쇄 구조체는 서로 평행한 방향으로 연장하는 복수 개의 선들을 구비하며 차례로 적층된 4개 이상의 층들이 반복적으로 적층되어 형성되며, 층들의 사이에서 선들이 서로 가로지르는 방향을 향하도록 층들의 각각의 선들이 연장하는 방향은 층들의 사이에서 서로 상이한 방향을 향한다.
상술한 바와 같은 실시예들에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄되는 삼차원 인쇄 구조체는 차례로 적층되는 4개 이상의 층들의 선들이 연장하는 방향이 층들의 사이에서 서로 상이한 방향을 향하게 되므로 층간 접착력과 인장강도가 향상된다.
또한 삼차원 인쇄 구조체가 트러스 형상의 내부 채움(infill) 구조를 포함하도록 인쇄된 경우 인장강도가 크게 향상되며 구조의 안정성이 향상된다.
또한 상술한 바와 같은 실시예들에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의하면 4개 이상의 다방향 적층 경로 인쇄 방식을 이용함으로써 인쇄 속도가 향상되고 인쇄 시간이 감소되며, 인쇄를 위해 소모되는 소재 사용량이 감소된다.
도 1a는 종래의 삼차원 인쇄 방법의 일예에서 제1층을 적층하는 단계를 도시한 도면이다.
도 1b는 도 1a의 제1층의 위에 제2층을 적층하는 단계를 도시한 도면이다.
도 2a는 종래의 삼차원 인쇄 방법의 다른 예에서 제1층을 적층하는 단계를 도시한 도면이다.
도 2b는 도 2a의 제1층의 위에 제2층을 적층하는 단계를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2a 및 도 2b에 도시된 종래의 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 일부분을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 4a는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 제1층을 적층하는 단계를 도시한 도면이다.
도 4b는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 도 4a에 도시된 제1층의 위에 제2층을 적층하는 단계를 도시한 도면이다.
도 4c는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 도 4b에 도시된 제2층의 위에 제3층을 적층하는 단계를 도시한 도면이다.
도 4d는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 도 4c에 도시된 제3층의 위에 제4층을 적층하는 단계를 도시한 도면이다.
도 5a는 도 4a 내지 도 4d에 도시된 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 사진이다.
도 5b는 도 5a의 삼차원 인쇄 구조체의 A로 표시된 일부분을 확대한 사진이다.
도 6a는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체와 도 1 내지 도 2에 도시된 종래의 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 변형-힘의 관계를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 6b는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체와 도 1 내지 도 2에 도시된 종래의 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 인장강도를 비교한 그래프이다.
도 7a는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체와 도 1 내지 도 2에 도시된 종래의 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 인쇄속도를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 7b는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체와 도 1 내지 도 2에 도시된 종래의 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 인쇄 시간을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 7c는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체와 도 1 내지 도 2에 도시된 종래의 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 소재 사용량을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법을 실행하는 인쇄장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 9는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법의 단계들을 개략적으로 설명한 순서도이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 4a는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 제1층을 적층하는 단계를 도시한 도면이고, 도 4b는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 도 4a에 도시된 제1층의 위에 제2층을 적층하는 단계를 도시한 도면이며, 도 4c는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 도 4b에 도시된 제2층의 위에 제3층을 적층하는 단계를 도시한 도면이고, 도 4d는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 도 4c에 도시된 제3층의 위에 제4층을 적층하는 단계를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4b에 나타난 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법은 삼차원 형상을 갖는 삼차원 인쇄 구조체를 인쇄 방식으로 제작할 수 있는 삼차원 인쇄 방법이다. 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법은 사용자가 필요에 따라 기계적인 부품을 제작할 수 있게 하는 ME 방식의 3D 프린터에 의해 실행될 수 있다.
일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법은 서로 평행한 방향으로 연장하는 복수 개의 선들을 포함하는 4개 이상의 층들을 차례로 적층하는 단계를 포함한다. 층들의 사이에서 선들이 서로 가로지르는 방향을 향하도록 층들의 각각의 선들이 연장하는 방향은 층들의 사이에서 서로 상이한 방향을 향한다.
도 4a를 참조하면 복수 개의 제1 선들(201)을 포함하는 제1 층이 먼저 적층된다. 제1 층은 인쇄장치에 미리 준비된 지지판의 표면에 적층될 수 있다. 제1 층은 제1 외곽선(301)과 제1 외곽선(301)의 내측에 적층되는 복수 개의 제1 선들(201)을 포함할 수 있다. 제1 층이 적층될 때에는 제1 외곽선(301)이 먼저 인쇄된 후에 제1 선들(201)이 인쇄될 수 있다. 제1 선들(201)은 서로 평행하게 형성된다. 제1 선들(201)은 도 4a에서 수평한 방향, 즉 0도의 래스터 각도를 갖도록 형성된다.
도 4b를 참조하면 복수 개의 제2 선들(202)을 포함하는 제2 층이 제1 층의 위에 적층된다. 제2 층은 제2 외곽선(302)과 제2 외곽선(302)의 내측에 적층되는 복수 개의 제2 선들(202)을 포함할 수 있다. 제2 층이 적층될 때에는 제2 외곽선(302)이 먼저 인쇄된 후에 제2 선들(202)이 인쇄될 수 있다. 제2 선들(202)은 서로 평행하게 형성된다. 제2 선들(202)은 제1 선들(201)의 연장방향에 대해 대략 +45도의 래스터 각도를 이루며 연장하여 형성된다.
도 4c를 참조하면 복수 개의 제3 선들(203)을 포함하는 제3 층이 제2 층의 위에 적층된다. 제3 층은 제3 외곽선(303)과 제3 외곽선(303)의 내측에 적층되는 복수 개의 제3 선들(203)을 포함할 수 있다. 제3 층이 적층될 때에는 제3 외곽선(303)이 먼저 인쇄된 후에 제3 선들(203)이 인쇄될 수 있다. 제3 선들(203)은 서로 평행하게 형성된다. 제3 선들(203)은 제1 선들(201)의 연장방향에 대해 대략 90도의 래스터 각도를 이루며 연장하여 형성된다.
도 4d를 참조하면 복수 개의 제4 선들(204)을 포함하는 제4 층이 제3 층의 위에 적층된다. 제4 층은 제4 외곽선(304)과 제4 외곽선(304)의 내측에 적층되는 복수 개의 제4 선들(204)을 포함할 수 있다. 제4 층이 적층될 때에는 제4 외곽선(304)이 먼저 인쇄된 후에 제4 선들(204)이 인쇄될 수 있다. 제4 선들(204)은 서로 평행하게 형성된다. 제4 선들(204)은 제1 선들(201)의 연장방향에 대해 대략 -45도의 래스터 각도를 이루며 연장하여 형성된다.
일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법은 도 4a 내지 도 4b에 도시된 제1 층 내지 제4 층의 4개의 층들을 차례로 적층하는 단계를 반복적으로 실행함으로써 삼차원 인쇄 구조체를 인쇄한다. 제1 층 내지 제4 층의 4개의 층들의 각각의 선들이 연장하는 방향은 층들의 사이에서 서로 상이한 4개의 방향을 향한다.
도 4a 내지 도 4b에 도시된 삼차원 인쇄 방법에서는 제1 층 내지 제4 층의 4개의 층들의 각각의 외곽선이 1개로 이루어지는데, 실시예는 이러한 외곽선의 개수에 의해 제한되지 않는다. 예를 들어 각 층의 외곽선을 2개 내지 4개의 복수 개의 겹으로 형성할 수도 있다.
도 4a 내지 도 4b에 도시된 삼차원 인쇄 방법에서는 제1 층 내지 제4 층의 4개의 층들의 각각의 선들이 연장하는 방향이 0도, 45도, 90도, -45도(135도)이다. 그러나 실시예들은 제1 층 내지 제4 층의 4개의 층들의 각각의 선들이 연장하는 방향에 의해 제한되는 것은 아니며, 제1 층 내지 제4 층의 각각의 선들이 연장하는 방향은 예를 들어 0도, 30도, 60도, 및, 90도이거나, 0도, 50도, 90도, 및 ­50도(130도)일 수 있다.
일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에서 제1 층 내지 제4 층의 각각의 선들이 연장하는 방향을 설명할 때 0도의 기준은 상대적인 기준이다. 즉 제1 층 내지 제4 층 중 제일 먼저 적층되는 제1 층의 제1 선의 연장방향을 0도로 정하고 제1 선의 연장방향에 대해 제2 층, 제3 층, 제4 층의 각각의 선의 연장방향이 이루는 각도를 정하게 된다.
도 4a 내지 도 4b에 도시된 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법과 같이 4개의 층들의 선들의 적층 방향(적층 경로)을 4가지 방향으로 변화시킴으로써 삼각형 트러스 구조를 포함하는 내부 적층구조를 갖는 삼차원 인쇄 구조체를 형성할 수 있다.
예를 들어, 도 1a 및 도 1b에 도시된 것과 같은 0도와 90도의 이방향 적층방식을 이용하여 정사각형의 내부 적층 구조를 형성하는 종래의 인쇄 방법이나, 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 같이 +45도/-45도의 이방향 적층방식을 이용하여 마름모 형상의 내부 적층 구조를 형성하는 종래의 인쇄 방식을 개선하여 도 1의 트러스 (truss)구조를 내부 적층 구조로 갖는 프린팅 방법을 제시하였다.
도 4a 내지 도 4b에 도시된 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법과 같이 4개의 층들의 선들의 적층 방향을 4가지 방향으로 구현하기 위하여, 3D 프린터를 운용하는 소프트웨어를 이용할 수 있다. 예를 들어, G-code 에디터의 G-code 생성 파트에 기본적으로 내장된 +45도/-45도의 설정값에 0도와 90도의 새로운 방향을 추가하는 방법을 이용하여 2 방향 적층 경로 인쇄 방식을 0도, 45도, 90도, 135도의 래스터 각을 이용한 4방향 적층 경로 인쇄 방식으로 변경할 수 있다.
또한 제1 층의 제1 선들의 적층 방향과 제2 층의 제2 선들의 적층 방향의 각각의 초기 설정값이 0도와 90도로 설정되어 있는 경우에는, 개선된 4가지 방향으로 적층 공정을 시작할 때 적층 방향이 중복되지 않도록 +45도/-45도의 방향으로 변경하였다.
도 4a 내지 도 4d에 도시된 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에서는 제1 층 내지 제4 층의 4개의 층들을 차례로 적층하는 단계들을 반복하지만, 실시예는 반복되어 적층되는 층들의 개수가 4개로 제한되어야 하는 것은 아니다. 즉 반복되어 적층되는 층들의 개수는 예를 들어 5개, 6개, 7개, 8개 등으로 변형될 수 있으며, 층들의 각각의 선들이 연장하는 방향도 층들의 개수에 맞추어 5방향, 6방향, 7방향, 7방향 등으로 설정될 수 있다.
반복되어 적층되는 층들의 개수와, 층들의 선들이 연장하는 방향의 래스터 각도는 인쇄될 삼차원 인쇄 구조체의 형상과, 크기, 인쇄에 사용되는 소재, 필요한 인장강도 등을 고려하여 설정될 수 있다. 인쇄될 제품에 따라서는 너무 많은 적층 방향의 경로(래스터 각도)를 선택하면 층들의 사이에서 접착력이 감소할 수 있으므로, 이러한 점을 고려하여 래스터 각도를 정해야 한다.
일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에서는 삼차원 인쇄 구조체의 내부가 채워지는 내부 채움 밀도(infill density)를 10 내지 100%로 설정할 수 있다.
도 5a는 도 4a 내지 도 4d에 도시된 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 사진이고, 도 5b는 도 5a의 삼차원 인쇄 구조체의 A로 표시된 일부분을 확대한 사진이다.
4개의 층들이 차례로 적층되는 단계가 반복적으로 실행됨으로써 완성된 삼차원 인쇄 구조체는 연속하여 배열된 삼각형 구멍들을 갖는 트러스 구조를 포함하는 내부 적층 구조를 갖는다. 삼차원 인쇄 구조체에 포함되는 트러스 구조는 4개의 층들의 선들의 연장 방향을 0도, 45도, 90도, 135도로 설정함으로써 형성되는 구조이다.
일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 4방향의 적층 경로 인쇄 방식을 이용하여 제작된 삼차원 인쇄 구조체는 층간의 접착면적이 종래 기술에 의한 삼차원 인쇄 방법에 비해 대비 증가한다. 즉 종래의 2방향 적층 경로 인쇄 방식에서는 층과 층 사이의 접촉 지점이 정사각형상의 꼭지점이나 마름모 형상의 꼭지점에서 형성되지만, 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 형성되는 삼차원 인쇄 구조체는 삼각형과 역삼각형의 구멍이 교대로 형성되는 트러스 구조를 포함하므로 층간의 접촉 지점이 다양한 영역에서 발생하여 층간 접착력이 향상되고 이로 인해 구조체의 인장강도가 향상된다.
도 6a는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체와 도 1 내지 도 2에 도시된 종래의 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 변형-힘의 관계를 비교하여 도시한 그래프이고, 도 6b는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체와 도 1 내지 도 2에 도시된 종래의 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 인장강도를 비교한 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 도그본(dogbone) 형상의 샘플로 제작된 삼차원 인쇄 구조체에 대하여 수행한 인장강도 평가의 결과를 나타낸다. 0도/90도와 +45도/-45도의 이방향 적층 경로 인쇄 방식으로 제작된 삼차원 인쇄 구조체와 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방식에 의해 4방향 적층 경로 인쇄 방식으로 제작된 삼차원 인쇄 구조체에 대한 평가를 수행한 결과, 인장강도가 이방향 적층 경로 인쇄 방식에 의한 구조체 대비 4방향 적층 경로 인쇄 방식에 의한 삼차원 인쇄 구조체의 인장강도가 80% 이상 향상됨을 알 수 있다. 특히, 이방향 적층 인쇄 경로 방식에 의해서 형성된 마름모 또는 정사각형 내부 적층 구조의 안정성과 비교하면 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의한 다방향 적층 인쇄 경로 방식에 의해서 구현된 트러스 구조는 더욱 안정적인 구조를 형성함을 알 수 있다.
삼차원 인쇄 구조체의 탄성 계수를 평가하기 위해 FEM 시뮬레이션을 통해서 이방향 적층 경로 인쇄 방식과 4방향 적층 경로 인쇄 방식으로 제작된 구조체의 응력해석을 수행하였다. 이를 통해 삼차원 인쇄 구조체의 강성을 나타내는 탄성계수를 계산할 수 있는데, 초기 길이 대비 10%를 인장시키면 이방향 적층 경로 인쇄 방식에 의해 제작된 삼차원 인쇄 구조체의 내부 응력은 2.96GPa이고, 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의한 4방향 적층 경로 인쇄 방식으로 제작된 삼차원 인쇄 구조체의 탄성계수는 5.36GPa까지 높아졌다. 즉 다방향 적층 경로 인쇄 방식으로 제작된 삼차원 인쇄 구조체의 탄성계수가 높아지므로, 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 고강도의 삼차원 인쇄 구조체가 제작될 수 있다.
도 7a는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체와 도 1 내지 도 2에 도시된 종래의 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 인쇄속도를 비교하여 도시한 그래프이고, 도 7b는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체와 도 1 내지 도 2에 도시된 종래의 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 인쇄 시간을 비교하여 도시한 그래프이며, 도 7c는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체와 도 1 내지 도 2에 도시된 종래의 인쇄 방법에 의해 인쇄된 삼차원 인쇄 구조체의 소재 사용량을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 7a 내지 도 7b에서는 종래의 인쇄 방법(이방향 적층 경로 인쇄 방식)과 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법(다방향 적층 경로 인쇄 방식)에 의해서 제작된 샘플(삼차원 인쇄 구조체)의 채움 밀도(infill density)를 동일하게 설정하여, 인쇄 속도, 인쇄 시간, 인쇄를 위해 소모되는 소재 사용량을 비교하여 도시한다.
인쇄 장치로는 ME방식의 3D 프린터를 이용하였으며, 노즐 온도는 섭씨 220도, 베드 온도는 섭씨 60도, 노즐 직경은 0.4 mm, 층간 높이는 0.1 mm, 외곽선 개수는 1개의 공정 조건이 되게 하여 인쇄를 하였다.
도 7a를 참조하면, 다방향 적층 경로 인쇄 방식의 경우 인쇄 속도가 약 55 mm/sec이며, 이방향 적층 경로 인쇄 방식의 경우 약 40 mm/sec이므로, 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의한 4방향 적층 경로 인쇄 방식의 인쇄 속도가 향상되었다.
도 7b를 참조하면, 다방향 적층 경로 인쇄 방식과 이방향 적층 경로 인쇄 방식의 모두의 내부 채움 밀도를 50%로 동일하게 설정하였을 때, 다방향 적층 경로 인쇄 방식의 인쇄 시간이 종래의 이방향 적층 경로 인쇄 방식과 비교할 때 2배 이상으로 단축되었다.
도 7b에 도시된 것과 같이 일 실시예에 관한 다방향 적층 경로 인쇄 방식에서의 인쇄 시간이 단축된 것은 다방향 적층 경로 인쇄 방식에서는 층간 접착 작용이 더 견고히 이루어지기 때문이다. 종래의 이방향 적층 경로 인쇄 방식의 경우 +45도/-45도의 래스터 각도를 이루는 하부층과 상부층의 접촉 면적이 작으므로, 인쇄 속도를 빠르게 하면 층간 접착이 원활이 이루어지지 않아 인쇄의 품질이 현저히 저하된다. 따라서 종래의 이방향 적층 경로 인쇄 방식에서는 인쇄 속도를 부득이하게 줄여야 한다.
일 실시예에 관한 다방향 적층 경로 인쇄 방식에서는 하부층과 상부층의 접촉면적이 증가하므로 층간 접착 작용이 더 견고히 이루어진다. 따라서 다방향 적층 경로 인쇄 방식에서는 인쇄의 품질을 유지하면서도 인쇄 속도를 빠르게 할 수 있다. 이러한 이유로 인하여 4방향 적층 경로 인쇄 방식에서는 종래의 방식에 비해 인쇄 시간을 단축할 수 있다.
도 7c를 참조하면, 인쇄 시 소모되는 재료 사용량이 4방향 적층 경로 인쇄 방식에서는 6 gram이고, 종래의 이방향 적층 경로 방식에서는 8 gram 이다. 즉 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방식에 의해 4방향 적층 경로 인쇄 방식을 적용하면 재료 사용량을 33%이상 감소시킬 수 있다.
도 8은 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법을 실행하는 인쇄장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 8을 참조하면, 인쇄장치는 베이스(10)와, 인쇄 작업이 이루어지는 베드(60)와, 베드(60)의 표면에 인쇄용 소재를 도포하는 노즐(40)과, 노즐(40)을 수평한 방향으로 이동시키는 수평 이동장치(30)와, 수평 이동장치(30)와 노즐(40)을 수직한 방향(Z축 방향)으로 이동시키는 수직 이동장치(20)와, 노즐(40)에 인쇄용 소재를 공급하는 공급장치(50)와, 3D 모델링 데이터를 처리하고 노즐(40)의 인쇄동작 및 이동을 제어하는 제어기(80)와, 사용자가 인쇄 조건(공정조건)을 설정하고 인쇄상황을 파악할 수 있게 하는 사용자 입력 및 표시장치(90)를 포함한다.
도 9는 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법의 단계들을 개략적으로 설명한 순서도이다.
일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법은 도 8에 도시된 인쇄장치를 이용하여, 도 9에 도시된 단계들을 순차로 실행함으로써 수행될 수 있다.
일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법은 삼차원 모델 데이터를 입력하는 단계(S100)와, 적층 방향을 설정하는 단계(S110)와, 인쇄 조건을 설정하는 단계(S120)와, 인쇄를 실행하는 인쇄 단계(S130)를 포함한다.
적층 방향을 설정하는 단계(S110)에서는 제작하고자 하는 구조체를 나타내는 3차원 도면을 이용하여 2차원의 적층 이동 경로를 생성한다. 일 실시예에 관한 삼차원 인쇄 방법에 의해 4방향 적층 경로 인쇄 방식을 적용하기 위해, 3D 프린터의 운용 소프트웨어의 하나인 G-Code 프로그램을 변형한다.
구체적으로, 적층 방향을 설정하는 단계(S110)에서는 현재까지 주로 사용되는 +45도/-45도, 0도/90도의 종래의 적층 방식과 특정 프로그램에서 지원되는 삼각형, 2D/3D 적층 구조를 개선함으로써 0도, 45도, 90도, 135도의 다방향 적층 경로 인쇄 방식에 의한 트러스 구조를 포함하는 내부 채움 구조를 형성할 수 있도록 G-code 프로그램 내에서 적층 코드를 편집하여 입력하는 단계가 실행된다.
적층 방향을 설정하는 단계(S110)는 4개 이상의 다방향 적층 경로 인쇄 방식에 의해 트러스 구조를 형성하기 위하여, 3D 모델의 형상에 따라 인쇄 단계(S130)를 실행할 때에 초기 인쇄 시작 방향을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
인쇄 조건을 설정하는 단계(S120)에서는 적층 방향을 설정하는 단계(S110)에서 입력된 코드에 맞추어 인쇄 속도와, 노즐의 이동 거리당 필라멘트 토출량(mL/mm)과, 노즐 및 베드의 온도 등을 설정한다.
인쇄 조건을 설정하는 단계(S120)는 필라멘트의 소재를 설정하는 단계와, 노즐의 속도에 따른 토출량의 보정 조건을 설정하는 단계와, 외곽선의 개수를 설정하는 단계와, 각 층의 높이 등을 입력하는 단계의 적어도 하나의 단계를 더 포함할 수 있다.
인쇄를 실행하는 인쇄 단계(S130)에서는 적층 방향을 설정하는 단계(S110)에서 입력된 G-Code의 기본 변수에 기초하여 2차원의 평면의 층들을 순차적으로 적층함으로써 3차원 인쇄 구조물을 인쇄한다.
인쇄를 실행하는 인쇄 단계(S130) 2차원 평면 인쇄 전 노즐과 인쇄 베드간의 간격을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 실시예들에 대한 구성과 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 베이스 201: 제1 선들
20: 수직 이동장치 202: 제2 선들
30: 수평 이동장치 203: 제3 선들
40: 노즐 204: 제4 선들
50: 공급장치 301: 제1 외곽선
60: 베드 302: 제2 외곽선
80: 제어기 303: 제3 외곽선
90: 베드 304: 제4 외곽선

Claims (16)

  1. 노즐을 이용하여 인쇄용 소재를 도포함으로써 삼차원 인쇄 구조체를 인쇄하는 삼차원 인쇄 방법으로서:
    서로 평행한 방향으로 연장하는 복수 개의 선들을 포함하는 4개의 층들을 차례로 적층하는 단계; 및
    상기 4개의 층들을 차례로 적층하는 단계를 반복하는 단계;를 포함하고,
    상기 층들의 사이에서 상기 선들이 서로 가로지르는 방향을 향하도록, 상기 층들의 각각의 상기 선들이 연장하는 4개의 방향은 상기 층들의 사이에서 서로 상이한 방향을 향하며,
    상기 4개의 층들을 차례로 적층하는 단계에서 상기 층들의 각각의 상기 선들이 연장하는 상기 4개의 방향이 0도, 45도, 90도, 및 135도이거나, 0도, 30도, 60도, 및 90도가 되도록 상기 4개의 층들을 순차적으로 적층하고,
    상기 층들이 적층되어 상기 선들에 의해 형성되는 상기 삼차원 인쇄 구조체는 삼각형 구멍을 갖는 트러스 구조를 포함하는, 삼차원 인쇄 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 층들의 상기 선들에 의해 상기 삼차원 인쇄 구조체의 내부가 채워지는 상기 삼차원 인쇄 구조체의 내부 채움 밀도(infill density)는 10 내지 100%인 삼차원 인쇄 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    외곽선을 인쇄하는 단계를 더 포함하고, 상기 층들은 상기 외곽선의 내측에 적층되는 삼차원 인쇄 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 외곽선은 2 내지 4개로 이루어지는 삼차원 인쇄 방법.
  9. 노즐을 이용하여 인쇄용 소재를 도포하여 형성되는 삼차원 인쇄 구조체로서,
    서로 평행한 방향으로 연장하는 복수 개의 선들을 구비하며 차례로 적층된 4개의 층들이 반복적으로 적층되어 형성되며,
    상기 층들의 사이에서 상기 선들이 서로 가로지르는 방향을 향하도록, 상기 층들의 각각의 상기 선들이 연장하는 방향은 상기 층들의 사이에서 서로 상이한 4개의 방향을 향하고,
    상기 4개의 층들의 각각의 상기 선들이 연장하는 상기 4개의 방향이 0도, 45도, 90도, 및 135도이거나, 0도, 30도, 60도, 및 90도가 되도록 상기 4개의 층들이 순차적으로 적층되고,
    상기 층들이 적층되어 상기 선들에 형성되는 삼각형 구멍을 갖는 트러스 구조를 포함하는, 삼차원 인쇄 구조체.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 층들의 상기 선들에 의해 상기 삼차원 인쇄 구조체의 내부가 채워지는 상기 삼차원 인쇄 구조체의 내부 채움 밀도(infill density)는 10 내지 100%인 삼차원 인쇄 구조체.
  14. 삭제
  15. 제9항에 있어서,
    상기 층들을 둘러싸는 외곽선을 더 포함하고 상기 층들은 상기 외곽선의 내측에 적층되는 삼차원 인쇄 구조체.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 외곽선은 2 내지 4개로 이루어지는 삼차원 인쇄 구조체.
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