KR101986023B1 - 시멘트계 복합재료 3d 프린팅 장치 및 이를 이용한 시멘트계 복합재료 관리 방법 - Google Patents

시멘트계 복합재료 3d 프린팅 장치 및 이를 이용한 시멘트계 복합재료 관리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 x, y, z 축 방향을 따르는 이동경로를 형성하는 이동 프레임부, 상기 이동 프레임부에 설치되어 함께 이동하며, 내부에 수용된 복합재료를 교반시키도록 형성되고, 공급관을 구비하는 호퍼부, 상기 호퍼부와 일체로 연결되어 연장되고, 회전 및 변형이 가능하게 형성되며, 상기 호퍼부로부터 공급받은 복합재료를 압출하는 노즐부 및 상기 호퍼부의 구동 및 상기 공급관의 개방을 선택적으로 제어하며, 상기 호퍼부에 구비된 개폐밸브 제어기와 연결되어 상기 노즐부를 통해 복합재료가 압출되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치 및 이를 이용한 시멘트계 복합재료 관리 방법{3D printing apparatus using cementitious composite material and managing method for cementitious composite material using the same}
본 발명은 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치 및 이를 이용한 시멘트계 복합재료 관리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정량압출을 위해 압출부에서 노즐부까지의 복합재료의 이송길이를 축소시킴과 동시에, 호퍼 내 복합재료의 상태가 일정하게 유지되도록 제어하는 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치 및 이를 이용한 시멘트계 복합재료 관리 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 3D 프린팅(3D printing)은 최근 각광받고 있는 제조기술로서, 플라스틱 액체 혹은 기타 원료를 사출하거나, 적층 또는 응고시켜 3차원 형태의 고체 제품을 제작하는 기술을 말하며, 전통적인 재료 가공 기술에 비해 속도, 가격, 사용 편리성 등 다양한 측면에서 우위를 나타내고 있다.
여기서, 3D 프린팅은 원료에 따라 액체, 파우더, 고체로 나뉘며, 레이저, 열, 빛 등의 소스를 기반으로 응고 및 적층하는 다양한 방식이 존재하는데, 이러한 3D 프린팅 방식은 현재까지 다양하게 개발되어 왔으며, 각각의 방식은 제품 제작에 있어 장단점을 가지고 있다.
또한, 3D 프린팅 방식은 각각의 분야마다 다른 형태의 방식이 사용될 수 있으며, 크게 FDM(Fused Deposition Modelling), DLP(Digital Light Processing), SLA(Stereolithography), SLS(Selective Laser Sintering), PolyJet(Photopolymer Jetting Technology), DMT(Direct Metal Tooling), PBP(Powder Bed & inkjet head 3d printing), LOM(Laminated Object Manufacturing) 등의 방식으로 구분될 수 있다.
일반적으로는, 열가소성 플라스틱으로 된 와이어 또는 필라멘트를 공급릴과 이송릴을 통해 공급하고, 공급된 필라멘트를 작업대에 대하여 상대적으로 XYZ 세 방향으로 위치 조절되는 3차원 이송기구에 장착된 히터노즐에서 용융시켜서 배출함으로써, 2차원 평면형태를 만들면서 이를 작업대 상에 한 층씩 적층하여 3차원으로 성형하는 용융 수지 압출 조형 방법(FDM)이 널리 사용되고 있다.
한편, 시멘트계 복합재료를 사용하는 상기와 같은 방식의 3D 프린팅의 경우, 굳지 않는 시멘트계 재료의 불균일성과 작업환경에 따른 반죽질기 편차, 시간경과에 따른 혼합 재료의 반죽질기의 변화 등으로 인하여 장시간 압출과정에서 불균일한 압출이 이루어질 수 있는 문제가 있다.
이와 같은 균일하지 않은 압출 성능은 성형 품질 및 수율 하락과 직결되므로, 시멘트계 복합재료의 특수성을 고려하여 반죽질기를 일정한 수준으로 유지시키도록 하는 것이 중요하다.
대한민국등록특허공보 제10-1706473호(2017.02.07.)
본 발명의 목적은, 복합재료를 수용하는 호퍼가 노즐과 함께 이동하는 구조를 가지도록 함으로써, 노즐을 향해 이송되는 정량압출을 위한 복합재료의 이송길이를 축소시킬 수 있는 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치 및 이를 이용한 시멘트계 복합재료 관리 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 호퍼의 내부에 복수의 센서 및 카메라 등을 설치하여 복합재료의 상태 또는 무게 및 부피를 모니터링 하고, 복합재료의 상태에 따라 물, 유동화제, 감수제, 증점제 등이 공급되게 함과 동시에, 복합재료의 무게 및 부피에 따라 복합재료가 호퍼로 선택적으로 공급되도록 함으로써, 복합재료의 상태, 또는 무게 및 부피가 언제나 일정하게 유지되도록 제어할 수 있는 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치 및 이를 이용한 시멘트계 복합재료 관리 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치는 x, y, z 축 방향을 따르는 이동경로를 형성하는 이동 프레임부, 상기 이동 프레임부에 설치되어 함께 이동하며, 내부에 수용된 복합재료를 교반시키도록 형성되고, 공급관을 구비하는 호퍼부, 상기 호퍼부와 일체로 연결되어 연장되고, 회전 및 변형이 가능하게 형성되며, 상기 호퍼부로부터 공급받은 복합재료를 압출하는 노즐부 및 상기 호퍼부의 구동 및 상기 공급관의 개방을 선택적으로 제어하며, 상기 호퍼부에 구비된 개폐밸브 제어기와 연결되어 상기 노즐부를 통해 복합재료가 압출되도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 호퍼부는 상기 공급관이 연결되고, 내부에 수용된 복합재료를 교반시키기 위한 회전 날개가 설치되며, 테이퍼진 단부를 가지도록 형성되는 본체, 상기 본체 및 상기 노즐부를 이동시키는 모터 및 상기 본체의 단부에 결합되고, 상기 회전 날개와 연결되며, 복합재료를 압출시키는 모노펌프를 구비한다.
이러한 상기 호퍼부는 상기 회전 날개의 토크 값을 측정하는 토크센서, 상기 모노펌프에 마련된 이송 모터의 온도를 측정하는 온도센서 및 상기 본체에 수용된 복합재료의 무게를 측정하는 무게 측정센서를 더 구비한다.
그리고, 상기 호퍼부는 상기 본체의 내부에 설치되고, 출력되는 이미지를 확인하여 복합재료에 대한 볼륨 상태(부피)를 모니터링 하는 부피센서를 더 구비한다.
또한, 상기 토크센서는 상기 회전 날개의 토크 값을 측정하여 상기 제어부로 전달하며, 상기 토크 값을 기설정된 기준 토크 값과 비교하여 상기 공급관이 선택적으로 개방되도록 한다.
한편, 상기 제어부는 상기 모노펌프가 동작되도록 제어하는 동작 구간에서는 상기 모노펌프의 이송 모터가 정회전 하도록 제어하고, 압출된 재료의 경화 등을 위한 대기 구간에서는 상기 모노펌프의 이송 모터가 정지 또는 역회전 하여 복합재료의 교반만을 수행하도록 제어한다.
그리고, 상기 무게 측정센서, 상기 부피센서는 상기 본체 내부에 수용된 복합재료의 무게 및 부피를 측정하여 현재 무게 및 부피정보를 상기 제어부로 전달하며, 상기 현재 무게 및 부피정보를 기설정된 무게 및 부피정보와 비교하여 외부의 복합재료가 상기 본체에 선택적으로 압출되도록 한다.
또한, 상기 공급관은 물, 유동화제, 감수제, 증점제가 각각 상기 본체로 공급되도록 복수로 구비된다.
또한, 노즐부는 별도의 노즐부 회전 모터와 연결되어 무한 회전이 가능하며, 일단부의 형상에 대한 가변이 가능하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 시멘트계 복합재료 관리 방법은 복합재료의 압출이 필요한 압출위치를 따르며 호퍼부 및 노즐부가 이동하는 이동 단계, 상기 호퍼부에 결합된 모노펌프의 동작을 제어하여 상기 노즐부를 통해 복합재료를 상기 압출위치로 압출하는 복합재료 압출단계 및 상기 호퍼부에 수용된 복합재료의 상태를 모니터링 하고, 상태 모니터링 결과에 따라 상기 호퍼부 내부의 복합재료의 상태가 일정하게 유지되도록 제어하는 복합재료 상태 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 복합재료 압출단계는 상기 노즐부를 통해 복합재료가 압출되는 동작 구간에서는 상기 모노펌프의 이송 모터가 정회전 하도록 제어하고, 복합재료에 대한 압출이 중단되는 대기 구간에서는 상기 모노펌프의 이송 모터가 정지 또는 역회전 하도록 제어하여 복합재료의 상태가 일정하게 유지되게 한다.
그리고, 상기 복합재료 상태 제어 단계는 상기 호퍼부의 내부에 수용된 복합재료의 무게, 부피, 높이를 고려한 회전 날개의 토크 값을 측정하고, 상기 토크 값이 상기 호퍼부 내부의 복합재료의 무게, 부피, 높이 등을 고려하여 기설정된 기준 토크 값 이상인 것으로 판단되면, 감수제, 유동화제, 물이 상기 호퍼부로 투입되도록 제어한다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 시멘트계 복합재료 관리 방법은 상기 호퍼부에 수용된 복합재료의 무게 및 부피를 측정하고, 측정된 복합재료의 현재 무게 및 부피가 기설정된 무게 및 부피 이하인 것으로 판단되면, 외부의 복합재료가 상기 호퍼부의 내부로 공급되도록 제어하는 복합재료 공급 제어 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 이동 단계는 상기 호퍼부와 상기 노즐부가 일체로 연결되어 상기 압출위치를 향해 x, y, z 축을 따르며 함께 이동한다.
또한, 상기 복합재료 공급 제어 단계는 상기 호퍼부 내부로 복합재료에 대한 공급이 종료되면, 상기 호퍼부로 물이 투입되도록 함과 함께, 상기 노즐부로 압출되도록 제어하여 상기 호퍼부의 내부에 대한 세척이 이루어지도록 한다.
본 발명은, 복합재료를 수용하는 호퍼가 노즐과 함께 이동하는 구조를 가지도록 하여 노즐을 향하여 이송되는 정량압출을 위한 복합재료의 이송길이를 축소시킬 수 있고, 그에 따라 복합재료가 이송되는 과정에서 응고되는 문제를 미연에 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고, 본 발명은 호퍼의 내부에 복수의 센서 및 카메라 등을 설치하여 복합재료의 상태 또는 무게 및 부피를 모니터링 하고, 복합재료의 상태에 따라 물, 유동화제, 감수제, 증점제 등이 공급되게 함과 동시에, 복합재료의 무게 및 부피에 따라 복합재료가 호퍼로 선택적으로 공급되도록 함으로써, 복합재료의 상태, 또는 무게 및 부피가 언제나 일정하게 유지되도록 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 복합재료에 대한 제어가 실시간으로 이루어지게 할 수 있을 뿐만 아니라, 복수의 센서들로 인해 복합재료의 공급에 대한 자동화가 이루어지게 할 수 있으므로, 작업자의 배치를 최소화하여 인건비 감축을 가능하게 하는 효과를 갖는다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치의 호퍼부의 기능을 보여주는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시멘트계 복합재료 관리 방법을 보여주는 도면이다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시멘트계 복합재료 관리 방법에 대한 상태 제어 단계를 보여주는 도면이다.
도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시멘트계 복합재료 관리 방법에 대한 공급 제어 단계를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시 예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 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.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치의 호퍼부의 기능을 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치는 이동 프레임부(100), 호퍼부(200), 노즐부(300) 및 제어부(400)를 포함한다.
먼저, 이동 프레임부(100)는 높이 조절 가능하게 구비되며, x, y, z 축 방향을 따르는 이동경로를 형성한다.
호퍼부(200)는 이동 프레임부(100)에 설치되어 이동 프레임부(100)의 x, y, z 축 방향으로의 이동 시 함께 이동하도록 설치된다.
즉, 호퍼부(200)의 경우 종래에는 외부에 별도로 배치된 상태에서 소정의 길이를 가지는 관로에 의해 복합재료가 압출되도록 하였으나, 시멘트계 복합재료의 특성 상 관로를 따라 이송되는 과정에서 장시간 작업 시 굳어지게 되는 현상이 발생되는 문제가 있었다.
이를 위해, 본 실시예에 따른 호퍼부(200)는 이동 프레임(100)에 설치되어 노즐부(300)와 함께 이동할 수 있게 함으로써, 복합재료의 이송 거리를 최소화시킬 수 있고, 그에 따라 상기와 같은 종래의 문제 발생을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 호퍼부(200)는 회전 날개(220a)를 구동시켜 수용된 복합재료를 교반시키도록 형성되며, 복합재료를 노즐부(300)로 압출시키기 위하여 개폐를 제어하는 개폐밸브 제어기(210)를 구비한다.
이러한 호퍼부(200)는 본체(220), 모터(230) 및 모너펌프(240)를 구비한다.
먼저, 본체(220)는 외주면을 따라 공급관(200a)이 연결되고, 내부에 수용된 복합재료를 교반시키기 위하여 회전 날개(220a)가 설치되며, 노즐부(300)를 향하여 테이퍼진 단부를 가지도록 형성된다.
여기서, 공급관(200a)은 물, 유동화제, 증점제, 지연제가 각각 본체(220)로 선택적으로 공급될 수 있도록 복수로 구비된다.
또한, 또 다른 공급관(200a)은 후술 될 모노펌프(240)의 경화 방지를 위하여 해당되는 위치에 연결될 수도 있으며, 그에 따라 공급관(200a)을 따라 조강제, 급결제 등과 같은 경화촉진제를 노즐부(300)와 연결되는 모노펌프(240)의 단부 측에서 내부로 공급할 수 있다.
모터(230)는 본체(220) 및 노즐부(300)를 이동시킨다.
또한, 모노펌프(240)는 본체(220)의 테이퍼진 단부에 결합되고, 회전 날개(220a)와 연결되며, 본체(220) 내부에 수용된 복합재료를 노즐부(300) 측으로 압출시킨다.
이러한 모노펌프(240)는 이송이 불가능한 고점도 유체 및 고형물, 긴성 유질, 산업폐기물, 건설용 복합재료 등 특수물질을 이송할 수 있도록 하는 펌프로서, 더 바람직하게는 익센트릭 스크류 펌프(eccentric screw pump)로 이루어지며, 이러한 펌프의 구조 및 동작에 대한 설명은 일반적이므로 생략하기로 한다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 호퍼부(200)는 토크센서(250), 온도센서(260), 무게 측정센서(270)를 더 구비할 수 있다.
먼저, 토크센서(250)는 회전 날개(220a)의 토크 값을 측정하며, 전기모터 제어기(미도시)의 전류값으로터 토크 값 추정치를 산정할 수 있다.
일반적으로, 회전 날개(220a)의 속도와 회전 각도는 3D 프린팅 장치의 G-Code 명령어에 따라 제어되는데, 본체(220)에 수용된 복합재료의 반죽질기는 회전 날개(220a)의 회전속도에 따른 토크 값 정보로부터 계산된다.
따라서, 본 실시예에서는 토크센서(250)를 통해 회전 날개(220a)의 토크 값을 측정하고, 복합재료의 부피와 회전 날개(220a)의 속도를 고려한 토크 값으로 재계산 한 후 토크 값의 비교에 따른 제어부(400)의 공급관(200a) 개방 제어를 통해 본체(220) 내 복합재료에 대한 반죽질기를 일정하게 유지시킬 수 있다.
즉, 토크센서(250)는 호퍼부(200) 내부에 수용된 복합재료의 무게, 부피 높이 등을 고려한 회전 날개(220a)의 토크 값을 측정하여 제어부(400)로 전달하게 되는데, 이때 제어부(400)는 측정된 토크 값과 기설정된 기준 토크 값을 비교하여 복수의 공급관(200a) 중 해당하는 공급관(200a)이 선택적으로 개방되도록 제어한다.
여기서, 기준 토크 값은 반죽질기를 전단항복강도로 환산한 경우, 다시 말해 0.3 kPa 내지 1.5 kPa 사이 범위의 전단항복강도로 환산된 반죽질기 상태에서의 회전 날개(220a)의 토크 값으로 기설정되는 것이 바람직하다.
더 자세히 설명하면, 전단항복강도가 0.3 kPa 이하인 경우 시멘트계 복합재료의 형태를 유지하기 어렵고, 재료 분리 현상이 발생할 수 있는 반면, 전단항복강도가 1.5 kPa 이상인 경우에는 복합재료의 반죽이 너무 뻑뻑하여 노즐부(300)를 통한 압출 과정에서 끊김이 발생할 수 있기 때문에, 회전 날개(220a)의 기준 토크 값은 0.3 kPa 내지 1.5 kPa 사이의 전단항복강도로 환산된 반죽질기 상태에서 회전 날개(220a)의 토크 값으로 미리 설정되는 것이 바람직하다.
만일, 토크센서(250)를 통해 측정된 토크 값이 기설정된 기준 토크 값 보다 큰 경우에는, 복합재료의 반죽이 지나치게 뻑뻑한 것으로 판단하여, 제어부(400)는 유동화제, 감수제, 물이 공급되는 공급관(200a)을 개방하고, 증점제가 공급되는 공급관(200a) 개방이 차단되도록 제어한다.
또한, 만일 토크센서(250)를 통해 측정된 토크 값이 기설정된 기준 토크 값 보다 작은 경우, 제어부(400)는 복합재료의 반죽이 지나치게 묽은 것으로 판단하여, 유동화제, 감수제, 물이 공급되는 공급관(200a)의 개방을 차단하거나 또는 줄이고, 증점제가 공급되는 공급관(200a)이 개방되도록 제어한다.
따라서, 본 실시예에서는 토크센서(250)를 이용한 토크 값의 비교를 통해 해당되는 공급관(200a)이 선택적으로 개방되게 함으로써, 복합재료의 반죽이 항상 일정한 상태를 유지할 수 있도록 한다.
온도센서(260)는 도면에 도시되지는 않았으나 모노펌프(240)에 마련된 이송 모터, 즉 일반적인 서보모터(servomotor)인 이송 모터의 온도를 측정한다.
이러한 온도센서(260)는 이송 모터의 온도를 실시간으로 측정, 이송 모터의 과부하를 감지하여 무리한 운행을 중지하도록 하는데, 예를 들어 복합재료의 상태가 예상보다 많이 굳어 있는 경우에는, 이송 모터를 통한 복합재료의 압출 시 압력이 상대적으로 증가하게 되어 이송 모터의 온도 또한 증가하게 된다.
무게 측정센서(270)는 본체(220)에 수용된 복합재료의 무게를 측정하기 위한 것으로, 카메라 및 3차원 심도 센서로 이루어진 부피 센서(280)와 함께 복합재료의 무게 및 부피를 측정하여 현재의 무게 및 부피정보를 제어부(400)로 전달한다.
그에 따라, 제어부(400)에서는 측정된 현재 무게 및 부피정보와 기설정된 무게 및 부피정보를 비교하여 만일 현재 무게 및 부피가 기설정된 무게 및 부피 보다 적으면, 해당하는 신호를 외부의 믹서와 펌프로 전송, 피드백하여 새로운 복합재료를 본체(220)의 내부로 압출하도록 한다.
이는, 복합재료가 압출됨에 따라 수용된 복합재료의 양이 감소하게 되더라도, 상기와 같이 새로운 복합재료의 압출을 통해 본체(220)에 수용된 복합재료의 양이 항상 일정하게 유지될 수 있도록 하기 위함이다.
한편, 호퍼부(200)는 카메라 및 3차원 심도 센서로 이루어진 부피센서(280)을 구비할 수 있으며, 이러한 부피센서(280)는 본체(220)의 내부에 설치되어 출력되는 이미지를 확인, 복합재료에 대한 높이 및 볼륨 상태(부피)를 측정할 뿐만 아니라 작업자가 복합재료의 상태를 육안으로 파악할 수 있도록 한다.
즉, 부피 측정을 위한 부피센서(280)의 신호는 제어부(400)와 연결되어 있어, 만일 복합재료의 부피가 기준 부피 보다 적으면, 해당하는 신호를 외부의 믹서와 펌프로 전송, 피드백하여 새로운 복합재료를 본체(220)의 내부로 공급하여 복합재료의 양이 일정한 수준으로, 더 구체적으로는 본체(220)의 내부에 수용된 복합재료의 양이 최소 1/3 이상의 높이로 항상 유지되도록 하는 수준으로 공급될 수 있도록 하는데 활용된다.
여기서, 부피센서(280)를 이루는 3차원 심도 센서는 일반적으로 적외선 심도 센서가 될 수 있고, 적외선을 송출하고 송출되어 물체에 반사된 적외선을 수신하며, 센서로부터 물체까지의 거리를 비행시간(Time of flight)을 산출하여 구하는 방식이나, 또는 방사된 특정 패턴의 차이로부터 입체정보를 얻는 방식이 사용될 수 있다.
바람직하게는, 상기와 같은 부피센서(280)를 이용하여 본체(220)의 내부에 수용된 복합재료의 양을 판단할 수 있으나, 이러한 부피센서(280) 대신에 수위센서 또는 높이센서를 통해 본체(220)의 내부에 수용된 복합재료의 양을 판단할 수도 있다.
한편, 호퍼부(200)는 바이브레이터(290)를 더 구비할 수도 있으며, 이러한 바이브레이터(290)를 선택적으로 작동시켜 복합재료의 교반에 도움을 주게 할 수도 있다.
노즐부(300)는 호퍼부(200)에 일체로 연결되어 연장되고, 회전 및 변형 가능한 형태이며, 호퍼부(200)로부터 공급받은 복합재료를 복합재료의 공급이 필요한 공급위치로 압출되도록 한다.
이러한, 노즐부(300)는 제어부(400)의 회전각도 명령에 따라 별도로 연결된 노즐부 회전 모터(310)를 통해 무한 회전이 가능할 수 있으며, 또한 복합재료가 공급되는 노즐부(300) 일단부의 형상을 가변시킬 수도 있다.
다시 말해, 노즐부(300)는 복합재료의 공급이 필요한 위치로 무한 회전되어 반복적으로 이동할 수 있으며, 또한 복합재료의 적층이 이루어지는 영역의 형태 및 구조에 따라 원형, 사각형, 평행 사변형 등의 다양한 형태로 복합재료가 공급될 수 있도록 노즐부(300)의 일단부 형상을 교체하여 가변시킬 수도 있다.
그리고, 제어부(400)는 3D 프린팅 장치 외부에 마련되어 이동 프레임부(100), 호퍼부(200) 및 노즐부(300)와 전기적으로 연결되며, 호퍼부(200)의 구동 및 공급관(200a)의 개방을 선택적으로 제어하고, 개폐밸브 제어기(210)를 제어하여 노즐부(300)를 통해 복합재료가 압출되어 압출되도록 제어한다.
제어부(400)는 모노펌프(240)가 동작되도록 제어하는 복합재료 압출구간에서는 회전 날개(220a)가 정회전 하도록 제어하고, 또한 모노펌프(240)의 동작이 차단되도록 제어하는 이동 구간 및 대기 구간, 즉 압출된 복합재료의 경화 등을 위한 대기 구간에서는 회전 날개(220a)가 역회전 하도록 제어하여 복합재료에 대한 교반이 이루어지도록 함으로써, 복합재료의 상태가 굳어지지 않으면서 일정 수준으로 유지되게 할 수 있다.
즉, 제어부(400)는 복합재료 압출구간 동안 복합재료를 출력한 이후 이동 및 대기 구간에서는 모노펌프(240)의 모터(230)를 역회전시키고, 그에 따라 이와 연결된 회전 날개(220a) 또한 역회전 하도록 제어하여 대기 구간에서도 복합재료에 대한 교반이 이루어지도록 제어하는데, 이는 모노펌프(240)는 정회전 동작하는 경우에는 압출이 발생하고, 역회전 동작하는 동안에는 압출이 발생하지 않는 특성을 가지기 때문에, 이러한 특성을 이용하여 모노펌프(240)의 역회전 동작을 통해 대기 구간에서는 압출 없이 교반만이 이루어지도록 하기 위함이다.
이하, 도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시멘트계 복합재료 관리 방법을 보여주는 도면이고, 도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시멘트계 복합재료 관리 방법에 대한 상태 제어 단계를 보여주는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 시멘트계 복합재료 관리 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 복합재료에 대한 압출이 필요한 압출위치를 향하여 호퍼부(200) 및 노즐부(300)가 이동한다(S100).
이때, 호퍼부(200) 및 노즐부(300)는 일체로 연결되어 이동 프레임부(100)의 x, y, z 축을 따르는 이동 시 함께 이동할 수 있으며, 또한 노즐부(300)가 변형 가능한 플렉서블(flexible) 형태로 형성되기 때문에, 호퍼부(200)로부터 공급받은 복합재료에 대한 압출이 필요한 압출위치를 향해 용이하게 압출되게 할 수 있다.
이는, 종래에는 호퍼부(200)가 외부에 별도로 배치된 상태에서 관로에 의해 노즐부(300)와 연결되어 복합재료가 압출되도록 하였으나, 콘크리트로 이루어진 복합재료의 특성 상 소정의 길이를 가지는 관로를 따라 이송되는 과정에서 장시간 작업 시 굳어지게 되는 문제가 발생되기 때문에, 이러한 문제를 미연에 방지하도록 하기 위함이며, 결국 호퍼부(200)가 이동 프레임(100)에 설치되어 노즐부(300)와 함께 이동할 수 있도록 함으로써, 복합재료의 이송 거리를 최소화시킬 수 있다.
이어서, 호퍼부(200)의 모노펌프(240)의 동작을 제어하여 노즐부(300)를 통해 복합재료를 압출위치로 압출한다(S200).
이때, 모노펌프(240)가 동작되도록 제어하는 동작 구간, 즉 복합재료를 압출하는 동안에는 회전 날개(220a)가 정회전 하도록 제어하고, 모노펌프(240)의 동작이 차단되도록 제어하는 이동 구간 및 대기 구간, 즉 복합재료의 압출이 중단되는 동안에는 회전 날개(220a)가 역회전 하도록 제어한다.
즉, 제어부(400)는 동작 구간 동안 복합재료를 출력한 이후 대기 구간에서는 모노펌프(240)의 이송 모터를 역회전 동작시키고, 그에 따라 이와 연결된 회전 날개(220a) 또한 역회전 하도록 제어하여 대기 구간에서도 복합재료가 굳지 않도록 교반이 이루어지도록 제어하는데, 이는 정회전 동작하는 경우에는 압출이 발생하고, 역회전 동작하는 동안에는 압출이 발생하지 않는 모노펌프(240)의 일반적인 특성을 이용한 것으로, 역회전을 통해 압출 없이 교반만이 이루어지도록 하기 위함이다.
한편, 이동단계(S100), 복합재료 압출단계(S200), 대기단계(S300)가 진행되는 동안에 호퍼부(200)에 수용된 복합재료의 상태를 모니터링 하고, 상태 모니터링 결과에 따라 호퍼부(200) 내부의 복합재료의 상태가 일정하게 유지되도록 제어한다(S500).
여기서, 도 4에 도시된 바와 같이 복합재료 상태 제어 단계(S500)에서는 호퍼부(200)의 내부에 설치된 회전 날개(220a)에 대한 토크 값을 측정하고(S510), 측정된 토크 값을 호퍼부(200) 내부의 복합재료 수용량과의 상호 관계에 따른 속도, 부피를 고려하여 재계산한 후(S520), 재계산된 토크 값이 기설정된 기준 토크 값 이상인 것으로 판단되면(S550), 공급관(200a)의 개방을 제어(S560)함으로써, 수용된 복합재료에 대한 반죽질기를 일정하게 유지시킬 수 있다.
다시 말해, 본 실시예에 따른 토크센서(250)는 회전 날개(220a)의 토크 값을 측정하고(S530), 무게 측정 센서(270) 및 부피센서(280)는 호퍼부(200)에 수용된 복합재료의 무게 또는 부피를 측정하여(S540) 제어부(400)로 전달하게 되는데, 이때 제어부(400)는 속도 및 부피를 고려하여 재계산된 토크 값의 비교를 통해 복수의 공급관(200a) 중 해당하는 공급관(200a)이 선택적으로 개방되도록 제어한다.
여기서, 기준 토크 값은 반죽질기를 전단항복강도로 환산한 경우, 다시 말해 0.3 kPa 내지 1.5 kPa 사이 범위의 전단항복강도로 환산된 반죽질기 상태에서의 회전 날개(220a)의 토크 값으로 기설정된다.
더 자세히 설명하면, 전단항복강도가 0.3 kPa 이하인 경우 시멘트계 복합재료의 형태를 유지하기 어렵고, 재료 분리 현상이 발생할 수 있는 반면, 전단항복강도가 1.5 kPa 이상인 경우에는 복합재료의 반죽이 너무 뻑뻑하여 노즐부(300)를 통한 압출 과정에서 끊김이 발생할 수 있기 때문에, 결과적으로 회전 날개(220a)의 기준 토크 값은 0.3 kPa 내지 1.5 kPa 사이의 전단항복강도로 환산된 반죽질기 상태에서의 회전 날개(220a)의 토크 값으로 기설정되는 것이 바람직하다.
여기서, 만일 측정된 토크 값이 기설정된 기준 토크 값 보다 큰 경우(S550), 복합재료의 반죽이 지나치게 뻑뻑한 것으로 판단하여, 유동화제, 감수제, 물이 공급되는 공급관(200a)을 개방하여(S560) 공급량을 늘리고, 증점제가 공급되는 공급관(200a)의 개방이 차단하거나 줄이도록 한다(S560).
반대로, 측정된 토크 값이 기설정된 기준 토크 값 보다 작은 경우(S550)에는, 복합재료의 반죽이 지나치게 묽은 것으로 판단하여, 유동화제, 감수제, 물이 공급되는 공급관(200a)의 개방을 차단하거나 줄이고, 증점제가 공급되는 공급관(200a)이 개방하거나 개방 범위를 늘리도록 한다(S570).
결과적으로, 본 실시예에서는 토크센서(250)를 이용한 토크 값의 비교를 통해 복합재료 상태를 모니터링 하고, 그에 따라 선택적으로 공급관(200a)이 개방되도록 함으로써, 복합재료가 항상 일정한 상태를 유지하도록 할 수 있다.
여기서, 복수의 공급관(200a) 중 물이 공급되는 공급관(200a)은 상기와 같이 복합재료의 반죽이 묽어지게 하기 위하여 개방될 수도 있으나, 복합재료가 압출된 이후에 개방될 수도 있는데, 이는 복합재료의 압출 작업 종료 후 물 분사를 통해 호퍼부(200) 내부에 대한 세척이 이루어질 수 있도록 하기 위함이다(S400).
즉, 호퍼부(200)의 내부로 복합재료에 대한 공급이 종료되면, 물이 공급되는 공급관(200a)을 개방, 호퍼부(200)의 내부로 물이 투입되도록 하여 호퍼부(200)에 물이 차오르게 한 이후, 회전날개(220a)를 구동시킴과 함께, 노즐부(300)로 물이 압출되도록 제어함으로써, 호퍼부(200)의 내부에 대한 세척이 이루어지게 할 수 있다.
이하, 도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시멘트계 복합재료 관리 방법에 대한 공급 제어 단계를 보여주는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 이동단계(S100), 복합재료 압출단계(S200), 대기단계(S300)가 진행되는 동안에 호퍼부(200)에 수용된 복합재료의 상태(양)를 모니터링 하고, 상태 모니터링 결과에 따라 호퍼부(200) 내부의 복합재료의 공급이 일정하게 유지되도록 제어한다(S600).
이때, 복합재료 공급 제어 단계(S600)에서는 호퍼부(200)에 수용된 복합재료의 무게 및 부피를 측정하고(S610), 측정된 현재 무게 및 부피가 기설정된 무게 및 부피 이하인 것으로 판단되면(S620), 외부의 복합재료가 호퍼부(200)의 내부로 공급되도록 한다(S630).
즉, 측정된 현재 무게 및 부피정보와 기설정된 무게 및 부피정보를 비교하여(S620), 만일 현재 무게 및 부피가 기설정된 무게 및 부피 이하이면, 압출을 위하여 수용된 복합재료 양이 부족한 것으로 판단하여 이에 해당하는 신호를 외부의 믹서와 펌프로 전송, 피드백하여 새로운 복합재료를 본체(220)의 내부로 공급하도록 한다(S630).
이는, 공급위치로 복합재료가 압출되어 줄어든 복합재료의 양만큼 상기와 같이 새로운 복합재료가 공급되도록 함으로써, 호퍼부(200)에 수용된 복합재료의 양이 항상 일정하게 유지될 수 있도록 하기 위함이다.
이에 더하여, 본 실시예에서는 모니터링을 위하여 무게 측정센서(270) 뿐만 아니라 카메라 및 3차원 심도 센서로 이루어진 부피센서(280)를 더 구비할 수도 있으며, 이러한 부피센서(280)는 호퍼부(200) 내부에서 출력되는 이미지를 확인, 복합재료에 대한 볼륨 상태(부피)를 모니터링 하도록 함으로써, 작업자가 복합재료 상태를 육안으로 파악할 수 있도록 할 수도 있고,
또한, 본 실시예에서는 호퍼부(200) 내에 구비된 바이브레이터(290)를 더 구비할 수도 있으며, 바이브레이터(290)를 선택적으로 작동시켜 복합재료의 교반에 도움을 주도록 할 수도 있다.
이때, 부피 측정을 위한 부피센서(180)는 만일 복합재료 무게가 기설정된 무게 이하이면, 새로운 복합재료를 본체(220)의 내부로 공급하도록 한다.
따라서, 상기와 같이 무게 측정센서(270) 및 부피센서(280) 뿐만 아니라 전술된 실시예에서와 같이 복수의 센서들을 함께 설치하여 실시간으로 복합재료의 상태를 모니터링 하고, 그에 따른 제어가 이루어지게 함으로써, 복합재료의 상태 제어를 위한 자동화가 가능할 수 있을 뿐만 아니라 그로 인한 작업자의 배치를 최소화하여 인건비 감축을 가능하게 할 수도 있다.
본 발명은, 복합재료를 수용하는 호퍼가 노즐과 함께 이동하는 구조를 가지도록 하여 노즐을 향하여 이송되는 정량압출을 위한 복합재료의 이송길이를 축소시킬 수 있고, 그에 따라 복합재료가 이송되는 과정에서 응고되는 문제를 미연에 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고, 본 발명은 호퍼의 내부에 복수의 센서 및 카메라 등을 설치하여 복합재료의 상태 또는 무게 및 부피를 모니터링 하고, 복합재료의 상태에 따라 물, 유동화제, 감수제, 증점제 등이 공급되게 함과 동시에, 복합재료의 무게 및 부피에 따라 복합재료가 호퍼로 선택적으로 공급되도록 함으로써, 복합재료의 상태, 또는 무게 및 부피가 언제나 일정하게 유지되도록 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 복합재료에 대한 제어가 실시간으로 이루어지게 할 수 있을 뿐만 아니라, 복수의 센서들로 인해 복합재료의 공급에 대한 자동화가 이루어지게 할 수 있으므로, 작업자의 배치를 최소화하여 인건비 감축을 가능하게 하는 효과를 갖는다.
이상의 본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해여야 할 것이다.
100 : 프레임부 200 : 호퍼부
200a, 200a': 공급관 210 : 개폐밸브 제어기
220 : 본체 220a : 회전 날개
230 : 모터 240 : 모노펌프
250 : 토크센서 260 : 온도센서
270 : 무게 측정센서 280 : 부피센서
290 : 바이브레이터 300 : 노즐부
310 : 노즐부 회전 모터 400 : 제어부

Claims (15)

  1. x, y, z 축 방향을 따르는 이동경로를 형성하는 이동 프레임부;
    상기 이동 프레임부에 설치되어 함께 이동하며, 내부에 수용된 복합재료를 교반시키도록 형성되고, 공급관을 구비하는 호퍼부;
    상기 호퍼부와 일체로 연결되어 연장되고, 회전 및 변형이 가능하게 형성되며, 상기 호퍼부로부터 공급받은 복합재료를 압출하는 노즐부; 및
    상기 호퍼부의 구동 및 상기 공급관의 개방을 선택적으로 제어하며, 상기 호퍼부에 구비된 개폐밸브 제어기와 연결되어 상기 노즐부를 통해 복합재료가 압출되도록 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 호퍼부의 내부에 수용된 복합재료의 상태를 모니터링하고, 상태 모니터링 결과에 따라 상기 호퍼부의 내부에 수용된 복합재료의 상태가 일정하게 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 호퍼부는,
    상기 공급관이 연결되고, 내부에 수용된 복합재료를 교반시키기 위한 회전 날개가 설치되며, 테이퍼진 단부를 가지도록 형성되는 본체;
    상기 본체 및 상기 노즐부를 이동시키는 모터; 및
    상기 본체의 단부에 결합되고, 상기 회전 날개와 연결되며, 복합재료를 압출시키는 모노펌프;를 구비하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 호퍼부는,
    상기 회전 날개의 토크 값을 측정하는 토크센서를 구비하고,
    상기 토크센서는, 상기 회전 날개의 토크 값을 측정하여 상기 제어부로 전달하며, 상기 토크 값을 기설정된 기준 토크 값과 비교하여 상기 공급관이 선택적으로 개방되도록 하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료의 3D 프린팅 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 호퍼부는,
    상기 본체의 내부에 설치되고, 출력되는 이미지를 확인하여 복합재료에 대한 볼륨 상태(부피)를 모니터링 하는 부피 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 호퍼부는,
    상기 모노펌프에 마련된 이송 모터의 온도를 측정하는 온도센서; 및
    상기 본체에 수용된 복합재료의 무게를 측정하는 무게 측정센서;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모노펌프가 동작되도록 제어하는 동작 구간에서는 상기 모노펌프의 이송 모터가 정회전 하도록 제어하고, 압출된 재료의 경화 등을 위한 대기 구간에서는 상기 모노펌프의 이송 모터가 정지 또는 역회전 하여 복합재료의 교반만을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 무게 측정센서 및 부피 센서는,
    상기 본체 내부에 수용된 복합재료의 무게 및 부피를 측정하여 현재 무게 및 부피정보를 상기 제어부로 전달하며, 상기 현재 무게 및 부피정보를 기설정된 무게 및 부피정보와 비교하여 외부의 복합재료가 상기 본체에 선택적으로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 공급관은,
    물, 유동화제, 감수제, 증점제가 각각 상기 본체로 공급되도록 복수로 구비되는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐부는,
    별도의 노즐부 회전 모터와 연결되어 무한 회전이 가능하며, 일단부의 형상에 대한 가변이 가능한 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 3D 프린팅 장치.
  10. 복합재료의 압출이 필요한 압출위치를 따르며 호퍼부 및 노즐부가 이동하는 이동 단계;
    상기 호퍼부에 결합된 모노펌프의 동작을 제어하여 상기 노즐부를 통해 복합재료를 상기 압출위치로 압출하는 복합재료 압출단계; 및
    상기 호퍼부에 수용된 복합재료의 상태를 모니터링 하고, 상태 모니터링 결과에 따라 상기 호퍼부 내부의 복합재료의 상태가 일정하게 유지되도록 제어하는 복합재료 상태 제어 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 관리 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복합재료 압출단계는,
    상기 노즐부를 통해 복합재료가 압출되는 동작 구간에서는 상기 모노펌프의 이송 모터가 정회전 하도록 제어하고,
    복합재료에 대한 압출이 중단되는 대기 구간에서는 상기 모노펌프의 이송 모터가 정지 또는 역회전 하도록 제어하여 복합재료의 상태가 일정하게 유지되게 하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 관리 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 복합재료 상태 제어 단계는,
    상기 호퍼부의 내부에 수용된 복합재료의 무게, 부피, 높이를 고려한 회전 날개의 토크 값을 측정하고, 상기 토크 값이 상기 호퍼부 내부의 복합재료의 무게, 부피, 높이를 고려하여 기설정된 기준 토크 값 이상인 것으로 판단되면, 감수제, 유동화제, 물이 상기 호퍼부로 투입되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 관리 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 호퍼부에 수용된 복합재료의 무게 및 부피를 측정하고, 측정된 복합재료의 현재 무게 및 부피가 기설정된 무게 및 부피 이하인 것으로 판단되면, 외부의 복합재료가 상기 호퍼부의 내부로 공급되도록 제어하는 복합재료 공급 제어 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 관리 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 이동 단계는,
    상기 호퍼부와 상기 노즐부가 일체로 연결되어 상기 압출위치를 향해 x, y, z 축을 따르며 함께 이동하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 관리 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 복합재료 공급 제어 단계는,
    상기 호퍼부 내부로 복합재료에 대한 공급이 종료되면, 상기 호퍼부로 물이 투입되도록 함과 함께, 상기 노즐부로 압출되도록 제어하여 상기 호퍼부의 내부에 대한 세척이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 시멘트계 복합재료 관리 방법.
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