KR101987318B1 - 3d 프린팅 장치 - Google Patents

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KR101987318B1
KR101987318B1 KR1020180006613A KR20180006613A KR101987318B1 KR 101987318 B1 KR101987318 B1 KR 101987318B1 KR 1020180006613 A KR1020180006613 A KR 1020180006613A KR 20180006613 A KR20180006613 A KR 20180006613A KR 101987318 B1 KR101987318 B1 KR 101987318B1
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정성원
신재호
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메타리버테크놀러지 주식회사
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    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
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    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes

Abstract

본 발명의 3D 프린팅 장치는 제1 대상물을 프린팅하기 위해 3D 프린터를 제어하는 제1 코드가 마련될 때, 상기 제1 코드를 획득하는 획득부; 상기 제1 대상물의 실제 프린팅 과정에서 상기 제1 대상물이 초기 설계값과 다르게 열 변형되는 변형 에러를 상기 제1 대상물의 실제 프린팅 과정 전에 파악하는 파악부; 상기 변형 에러가 예상되는 상기 제1 대상물의 에러 위치와 히트 싱크를 연결하는 서포터의 형성 명령을 상기 제1 코드에 추가하는 보정부;를 포함할 수 있다.

Description

3D 프린팅 장치{3D PRINTING DEVICE}
본 발명은 3D 프린터를 이용해서 3차원 물체를 생성하는 3D 프린팅 장치에 관한 것이다.
3D 프린팅이란 3D로 구현된 디지털 설계 데이터를 바탕으로 분말(파우더), 액체, 실의 형태로 된 재료를 노즐을 통해 분사, 용융, 응고시킴으로써, 입체적인 물건을 매우 얇게 한 층씩 바닥부터 꼭대기까지 쌓아가며 3차원 물체를 제조하는 기술이다.
3D 프린팅은 재료를 깎아 제조하는 절삭가공과 대비되는 개념으로 공식적인 용어는 적층제조(AM : Additive Manufacturing) 혹은 쾌속조형(RP : Rapid Prototyping)이라고 하며, 3D 프린터는 3D 프린팅 프로세스를 구현할 수 있는 기계장비이다.
3D 프린팅은 단 한 개의 물건만을 제조하는 경우에도 그 비용은 일반 가공법에 비해 저렴하고, 어떤 모양이든 자유롭게 만들어 낼 수 있다는 장점이 있다.
3D 프린팅 기술은 필연적으로 '재료의 분사', '재료의 용융', '재료 간의 결합', '재료의 응고'라는 물리적 현상을 수반한다. 이러한 물질의 상변화(phase change) 현상은 시간의 변화에 따른 물질의 특성 변화를 의미하며, 각각의 현상을 겪은 재료는 전혀 다른 성질을 가진 물질로 거동하게 된다. 이런 상황은 '재료의 용융을 위해 가해지는 에너지', '재료를 적층하기 위해 움직이는 노즐의 속도와 경로', '형상화하고자 하는 제품의 국소적 두께', '제품의 표면과 내부의 열전달 특성'등에 따라 적층되는 특성이 일정하지 않게 되는 요인이 된다. 이런 요인들은 의도하지 못한 변형 에러를 유발할 수 있다.
한국공개특허공보 제2016-0112092호에는 모니터에 보여지는 3D 모델을 3D 프린터로 출력했을 경우에 대한 프리뷰를 제공하는 3D 프린팅 시뮬레이션 장치가 나타나 있다. 그러나, 해당 3D 프린팅 시뮬레이션은 단순 프리뷰를 제공하는 정도에 불과할 뿐 변형 에러의 유발을 탐지하는 내용은 나타나지 않고 있다.
한국공개특허공보 제2016-0112092호
본 발명은 3D 프린터를 이용한 실제 프린팅 과정에서 발생되는 변형 에러를 방지하는 3D 프린팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는 제1 대상물을 프린팅하기 위해 3D 프린터를 제어하는 제1 코드가 마련될 때, 상기 제1 코드를 획득하는 획득부; 상기 제1 대상물의 실제 프린팅 과정에서 상기 제1 대상물이 초기 설계값과 다르게 열 변형되는 변형 에러를 상기 제1 대상물의 실제 프린팅 과정 전에 파악하는 파악부; 상기 변형 에러가 예상되는 상기 제1 대상물의 에러 위치와 히트 싱크를 연결하는 서포터의 형성 명령을 상기 제1 코드에 추가하는 보정부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는 제1 대상물의 디자인에 해당하는 제1 코드만 제공받으면, 시뮬레이션을 통해 에러 위치를 자동으로 파악하고, 에러 위치에 자동으로 서포터를 형성할 수 있다.
해당 서포터는 챔버에 대해 제1 대상물을 지지하는 동시에, 제1 대상물의 에러 위치에 집중된 잔류 열을 냉각시킬 수 있다. 따라서, 열 변형에 기인한 에러 위치의 변형 에러가 방지될 수 있다.
서포터는 제1 대상물 전체에 적용 가능하며, 특히, 열 변형에 기인한 변형 에러가 심각하게 나타나는 오버행 구조의 경사부의 측면 또는 밑면에 유용하다.
도 1은 본 발명의 3D 프린팅 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 2는 제1 대상물을 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 파악부를 나타낸 블럭도이다.
도 4는 구조 본드 모델을 나타낸 개략도이다.
도 5는 열 본드 모델을 나타낸 개략도이다.
도 6은 복셀을 나타낸 개략도이다.
도 7은 복셀이 적용된 제1 대상물(10)을 나타낸 개략도이다.
도 8은 파티클을 복셀화하는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 3D 프린팅 장치의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 경사부의 열 변형을 나타낸 개략도이다.
도 11은 서포터를 추가하는 과정을 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 3D 프린팅 장치를 나타낸 블럭도이고, 도 2는 제1 대상물(10)을 나타낸 사진이다.
도 1에 도시된 3D 프린팅 장치(100)는 획득부(110), 파악부(130) 및 보정부(150)를 포함할 수 있다.
제1 대상물(10)을 프린팅하기 위해 3D 프린터(200)를 제어하는 제1 코드(1st code)가 마련될 때, 획득부(110)는 제1 코드를 획득할 수 있다.
3D 프린터(200)는 입력된 도면을 바탕으로 3차원의 입체 물품을 만들어낼 수 있다. 3D 프린터(200)는 한 층씩 프린트 소재를 적층시켜 가며 제1 대상물(10)을 형성할 수 있다. 프린트 소재는 합성 수지, 금속 등을 포함할 수 있다.
프린트 소재를 출력하는 3D 프린터(200)를 이용해서 3차원 입체 형상을 갖는 제1 대상물(10)을 생성하기 위해서는 3D 프린터(200)를 적절하게 움직일 수 있는 제어 신호가 필요하다. 이때, 제1 코드는 3D 프린터(200)를 움직이는 제어 신호 자체를 포함하거나, 해당 제어 신호를 생성하는 프로그램 또는 파일을 포함할 수 있다.
3D 프린터(200)를 이용해서 제1 대상물(10)을 생성하는 과정은 다음과 같은 순서로 진행될 수 있다.
먼저, 디자인부(30)를 이용해서 제1 대상물(10)의 디자인이 설계될 수 있다. 디자인부(30)는 autocad, NX, solidworks 등의 CAD(Computer Aided Design) 프로그램을 포함할 수 있다.
도 2의 (a)는 디자인부(30)에서 소프트웨어적으로 설계된 제1 대상물(10)의 디자인을 나타낸다. 제1 대상물(10)의 디자인은 실제 3D 프린터(200)에 의해 성형된 제1 대상물(10)과 비교하여 색깔이나 질감 등에서 다를 수 있다.
디자인부(30)는 3D 프린터(200)에서 사용하는 프린트 소재의 색깔 또는 질감 등을 제1 대상물(10)의 디자인에 반영해서 프리뷰 이미지를 생성할 수 있다. 사용자는 프리뷰 이미지를 통해 3D 프린터(200)를 통해 제조된 제1 대상물(10)의 실제 이미지를 미리 확인할 수 있다.
사용자는 프리뷰 이미지를 확인하면서 필요한 부분을 수정해서 최종적으로 제1 대상물(10)의 디자인을 확정할 수 있다.
디자인부(30)는 최종적으로 확정된 제1 대상물(10)의 디자인을 변환부(50)로 전달할 수 있다. 이때, 디자인부(30)로부터 출력되는 제1 대상물(10)의 디자인은 3차원 데이터를 표현하는 국제 표준 형식인 STL(STereoLithography) 파일의 형식을 취할 수 있다. STL 파일은 다양한 종류의 3D 프린터(200)와 호환되는 형식일 수 있다.
변환부(50)는 제1 대상물(10)의 디자인에 해당하는 STL 파일을 G 코드(G code)로 변환할 수 있다. G 코드는 수치 제어에서 사용되는 프로그램 언어로, 3D 프린터(200)를 포함한 자동 제어 공작 기계를 통한 컴퓨터 지원 제조에 주로 사용된다.
변환부(50)는 3차원 입체 형상에 해당하는 제1 대상물(10)의 디자인에서의 가상적인 단면을 만들어내고, 3D 프린터(200)의 노즐이 움직이는 속도와 경로가 정의된 G 코드(G code)를 생성할 수 있다.
변환부(50)는 slic3r, curaengine, skeinforge 등의 슬라이서(slicer) 프로그램을 포함할 수 있다.
변환부(50)로부터 출력된 G 코드는 3DP 컨트롤러(70)로 입력될 수 있다.
3DP 컨트롤러(70)는 G 코드에 따라 3D 프린터(200)를 움직일 수 있다. 3DP 컨트롤러(70)는 3D 프린터(200)에 마련될 수 있다. 디자인부(30), 변환부(50)가 구비되며 3D 프린터(200)와 통신하는 단말기 또는 서버가 마련될 때, 3DP 컨트롤러(70)는 단말기 또는 서버에 마련되어도 무방하다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는 소프트웨어 또는 하드웨어로 형성될 수 있는데, 소프트웨어로 형성된 경우 3D 프린팅 장치는 디자인부(30) 및 변환부(50)가 구비된 단말기 또는 서버에 설치될 수 있다. 본 발명의 3D 프린팅 장치는 디자인부(30) 및 변환부(50)와 다른 단말기 또는 다른 서버에 마련되어도 무방하다.
G 코드는 제1 대상물(10)을 생성하기 위한 것이므로, 3DP 컨트롤러(70)에 의해 제어되는 실제 3D 프린터(200)에 의해 실제 환경에서 제1 대상물(10)이 성형될 수 있다.
그런데, 실제 환경에서 3D 프린터(200)에 의해 프린팅된 제1 대상물(10)은 디자인부(30)에서 초기 설계된 디자인과 다를 수 있다.
3D 프린팅 기술은 필연적으로 재료의 분사, 재료의 용융, 재료 간의 결합, 재료의 응고라는 물리적 현상을 수반한다. 이러한 물질의 상변화(phase change) 현상은 시간의 변화에 따른 물질의 특성 변화를 의미할 수 있다. 이때의 특성 변화로 인해 의도하지 못한 변형 에러(19)가 유발될 수 있다.
3D 프린터(200)를 이용한 제1 대상물(10)의 프린팅 과정 중 변형 에러(19)가 발생되면, 제조된 제1 대상물(10)은 디자인부(30)에서 설계된 디자인에 해당하는 초기 설계값과 다르게 변형될 수 있다.
제1 대상물(10)의 실제 프린팅 과정에서 제1 대상물(10)이 초기 설계값과 다르게 변형되는 것을 변형 에러(19)로 정의하기로 한다. 3D 프린팅의 특성상 모든 부위에서 변형이 이루어질 수 있으며, 이 점을 고려해서 변형 에러(19)는 허용 범위를 초과해서 변형되는 것을 지칭할 수 있다.
일 예로, 디자인부(30)에서 설계된 제1 대상물(10)은 제1 대상물의 밑동을 형성하는 바닥부(12), 바닥부로부터 경사지게 연장되는 경사부(14)를 포함할 수 있다.
바닥부(12)는 제1 대상물(10)을 지지하는 바닥에 대면 접촉되는 요소일 수 있다. 경사부(14)는 중력 방향 상으로 바닥에 대면하면서 바닥면으로부터 이격된 오버행(overhang) 구조로 형성될 수 있다.
도 2의 (b)는 디자인부(30)에서 설계된 도 2의 (a)를 기초로 3D 프린터(20)에 의해 프린팅된 제1 대상물(10)을 나타낸다.
살펴보면, 바닥에 대면되는 경사부의 일면에 변형 에러(19)가 발생해서 도 2의 (a)의 디자인과 완전히 달라진 것을 알 수 있다.
변형 에러(19)는 3D 프린터(200)로부터 출력된 프린트 소재의 열 변형, 잔류 응력 등에 기인한 것으로, 기하학적인 외형만 고려된 디자인부(30)의 디자인 또는 프리뷰 등을 통해서는 파악할 수 없다. 따라서, 변형 에러(19)는 3D 프린터(200)를 통해 제1 대상물(10)을 직접 제조한 후에만 파악될 수 있다.
3D 프린팅의 단점 중 하나는 제작 속도가 매우 느리다는 것이다. 이러한 단점을 갖는 상태에서, 변형 에러(19)가 발생되면 문제가 심각해질 수 있다. 왜냐하면, 디자인과 동일한 제1 대상물(10)을 제조하기 위해, 일단 3D 프린팅을 수행하고 변형 에러(19)를 확인하며 변형 에러(19)의 대비책을 마련하고, 대비책을 반영해서 다시 3D 프린팅을 수행해야 하기 때문이다. 그 결과, 변형 에러(19)가 없는 제1 대상물(10)을 제조하는데 극악하게 긴 시간이 소요될 수밖에 없다.
본 발명은 실제로 3D 프린팅이 수행되기 전에 변형 에러(19)를 파악하고 해결 방안을 제공하기 위한 것일 수 있다. 사전에 변형 에러(19)를 파악하기 위해 파악부(130)가 이용될 수 있다.
획득부(110)에서 획득한 제1 코드는 3D 프린터(200)를 제어하는 G 코드를 포함할 수 있다.
파악부(130)는 제1 대상물(10)의 실제 프린팅 과정에서 제1 대상물(10)이 초기 설계값과 다르게 변형되는 변형 에러(19)를 제1 대상물(10)의 실제 프린팅 과정 이전에 파악할 수 있다. 일 예로, 파악부(130)는 3D 프린터(200)의 노즐로부터 출력되는 프린트 소재의 열 변형과 결합 변형 중 적어도 하나를 파악할 수 있다. 열 변형 또는 결합 변형은 도 2의 (b)의 변형 에러(19)를 유발하는 요소일 수 있다.
파악부(130)에 의해 변형 에러(19)가 파악되면, 보정부(150)는 변형 에러(19)의 발생을 방지하는 대비책을 마련할 수 있다.
보정부(150)는 제1 코드(1st code)를 기반으로 변형 에러(19)가 보정된 제2 코드(2nd code)를 생성할 수 있다. 제1 코드를 기반으로 하는 제2 코드 역시 3D 프린터(200)를 제어할 수 있다. 일 예로, 제2 코드는 G 코드를 포함할 수 있다.
보정부(150)는 제1 코드를 분석해서 3D 프린터(200)의 노즐의 경로를 파악하고, 변형 에러(19)를 유발하는 열 변형 또는 결합 변형의 발생이 억제되게 노즐의 경로 또는 노즐의 속도가 수정된 제2 코드를 생성할 수 있다.
변형 에러(19)는 3D 프린터(200)로부터 출력된 프린트 소재의 결합 변형 또는 열 변형 등에 기인할 수 있다.
제1 대상물(10)이 형성되는 공간이 형성된 챔버의 바닥 또는 내측벽에는 제1 대상물(10)을 지지하고, 제1 대상물(10)의 열을 흡수해서 제1 대상물(10)을 냉각시키는 히트 싱크(20)가 마련될 수 있다.
제1 대상물(10)의 바닥부(12)는 히트 싱크(20)에 직접 지지되므로, 결합 변형 측면에서 안정적일 수 있다. 반면, 경사부(14)는 허공에 들뜬 상태가 되므로 무너지기 쉽다.
성형 정밀도의 개선 및 성형 편의를 개선하기 위해, 히트 싱크(20)와 바닥부(12)의 사이에는 막대 형상을 갖는 복수의 서포터(17)가 마련될 수 있다. 서포터는 플렉시블한 지지 기반을 제공함으로써 제1 대상물(10)의 성형이 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.
서포터(17)는 3D 프린터(200)에 의해 제1 대상물(10)과 함께 성형되는 요소일 수 있다. 디자인부(30)에서 작업된 디자인에는 서포터(17)가 배제된 상태이므로, 서포터(17)는 보정부(150)에 의해 추가될 수 있다.
작업이 완료된 제1 대상물(10) 및 히트 싱크(20)로부터 서포터(17)를 쉽게 제거할 수 있도록, 서포터(17)의 양단부는 서포터 몸체보다 가느다란 복수의 필라멘트(18)로 분기되어 제1 대상물(10) 또는 히트 싱크(20)에 연결될 수 있다.
복수의 서포터(17)가 촘촘하게 형성된 바닥부(12)와 달리 경사부(14)에는 서포터(17)의 사용이 최대한 제한될 수 있다. 왜냐하면, 바닥부(12)의 경우와 유사하게 경사부(14)에 서포터(17)를 촘촘히 형성하면, 제1 대상물(10)에 사용되는 소재의 양보다 서포터(17)에 사용되는 소재의 양이 더 많아질 수 있기 때문이다.
경사부(14)가 무너져 내리는 것을 방지하기 위한 최소한의 서포터(17)가 경사부(14)와 히트 싱크(20) 사이에 형성될 수 있다.
서포터(17)는 제1 대상물(10)을 지지하는 동시에 제1 대상물(10)의 열을 히트 싱크(20)로 전달하는 열 통로로 기능할 수 있다.
기존에는 열 통로의 기능을 고려하지 않고, 경사부(14)와 히트 싱크(20)를 연결하는 서포터(17)를 바닥부(12)에 대한 경사부(14)의 경사 각도 또는 경험에 의존해서 추가하였다.
따라서, 경사부(14)의 지지를 위해 서포터(17)가 추가되더라도 열 변형으로 인해 도 2의 (b)와 같이 경사부(14)에 변형 에러(19)가 빈번하게 나타나는 문제가 있었다.
경사부(14) 등의 열 변형을 방지하기 위해, 파악부(130)는 제1 대상물(10)의 실제 프린팅 과정에서 제1 대상물(10)이 초기 설계값과 다르게 열 변형되는 변형 에러(19)를 제1 대상물(10)의 실제 프린팅 과정 전에 파악할 수 있다.
보정부(150)는 열 변형에 기인한 변형 에러(19)가 예상되는 에러 위치와 히트 싱크(20)를 연결하는 서포터(17) 형성 명령어가 추가된 제2 코드를 생성할 수 있다.
획득부(110)는 3D 프린터(200)를 타겟으로 하는 제1 코드가 3D 프린터(200)로 전달되는 것을 방지하고, 제1 코드를 가로채서 파악부(130)로 전달할 수 있다.
파악부(130)는 제1 코드에 따라 제1 대상물(10)의 프린팅 과정을 시뮬레이션하여 열 변형에 기인한 변형 에러(19)의 위치를 파악할 수 있다.
보정부(150)는 제1 코드에 서포터(17)가 추가된 제2 코드를 생성하고, 제1 코드를 대신해서 제2 코드를 3D 프린터(20)로 제공할 수 있다.
제2 코드에 따라 동작하는 3D 프린터(20)는 열 변형에 기인한 변형 에러(19)가 예상되는 에러 위치마다 히트 싱크(20)에 연결되는 서포터(17)를 생성하면서 제1 대상물(10)을 성형할 수 있다.
그 결과, 에러 위치의 열이 서포터(17)를 통해 히트 싱크(20)로 방출되므로, 에러 위치의 열 변형이 방지될 수 있다. 따라서, 열 변형에 기인한 변형 에러(19)가 방지될 수 있다.
변형 에러(19) 또는 에러 위치의 예측 정확도를 개선하기 위해 프린트 소재의 특성 등이 이용될 수 있다.
3D 프린팅을 통해 제작된 제1 대상물(10)은 제작 과정의 특수성 때문에 가공이나 주조, 사출 등을 통해 제작된 제품과 비교할 때 재료적 특성이 두가지 측면에서 완전히 다를 수 있다.
첫번째는 적층 방식으로 제품이 형성되기 때문에 등방성(isotropic)이 아닌 이방성(Anisotropic) 특성을 가지게 된다는 점이고, 두 번째는 용융, 응고 과정이 수반되기 때문에 잔류 응력에 의한 문제점에 노출된다는 것이다.
첫 번째로 언급한 이방성 특성은 제품의 세로 방향 강성이 가로방향 강성에 비해 매우 약하다는 의미인데, 이점은 기본 입자재료의 특성에 따라 그 반대가 될 수도 있다. 이 특성은 3D 프린팅 메커니즘이 필연적으로 내재하고 있는 문제이기 때문에 어느 정도 예상을 할 수는 있지만, 두 번째 특성인 잔류 응력 문제는 대단히 복잡하고 예측이 어려운 문제들을 야기한다. 즉, 아랫면 적층부와 윗면 적층부의 용융 및 응고 히스토리에 시간 차이가 존재하고, 제품 내부와 표면과의 냉각조건이 다르기 때문에 필연적으로 잔류 응력이 존재하게 된다.
제1 대상물(10)에 존재하는 잔류 응력은 완전 냉각되는 과정에서 열 변형을 유발한다. 또한, 열 변형을 통해서도 해소되지 못한 잔류 응력들은 완전 냉각된 제1 대상물(10)의 내부에 남게 되는데, 이는 제품 자체의 재료 특성을 비균질(nonhomogeneous)하게 만들게 된다.
도 3은 본 발명의 파악부(130)를 나타낸 블럭도이다.
실제 환경에서 프린팅된 프린트 소재의 재료적 특성을 실제 프린팅 전에 파악하고 파악된 재료적 특성을 이용해서 변형 에러(19)를 확인하기 위해, 파악부(130)는 모델 수단(131), 모의 수단(135) 및 예상 수단(139)을 포함할 수 있다.
모델 수단(131)은 한 층씩 프린팅된 프린트 소재가 포함된 마이크로 스트럭쳐(15)(micro structure) 간의 결합력을 모델링할 수 있다. 모델 수단(131)은 마이크로 스트럭쳐(15) 간 결합력의 모델링을 이용해서 제1 대상물(10)의 이방성을 규정, 정의, 설정, 산출할 수 있다.
모의 수단(135)은 이방성이 반영된 상태에서 제1 코드에 따라 제1 대상물(10)이 생성되는 과정을 가상 공간에서 시뮬레이션할 수 있다.
예상 수단(139)은 시뮬레이션 중 이방성의 반영으로 인해 제1 대상물(10)이 초기 설계값과 다르게 변형되는 변형 에러(19)를 파악할 수 있다. 예상 수단(139)은 변형 에러(19)의 양, 변형 에러(19)가 발생된 에러 위치 등을 보정부(150)로 전달할 수 있다.
모델 수단(131)은 3D 프린터(200)에 의해 시간의 순서에 따라 프린팅되는 프린트 소재의 파티클 간의 결합 상태를 모델링할 수 있다.
모델 수단(131)은 파티클 간의 열 결합 상태를 모델링하는 열 모델 수단(133), 파티클 간의 구조 결합 상태를 모델링하는 구조 모델 수단(132)을 포함할 수 있다.
열 모델 수단(133)은 파티클의 열 전달 계수, 파티클의 냉각에 따른 수축률 중 적어도 하나가 모델링된 열 본드 모델을 생성할 수 있다.
구조 모델 수단(132)은 3D 프린터(200)에 의해 한 층씩 프린팅된 프린트 소재가 포함된 마이크로 스트럭쳐(15)(micro structure) 간의 결합력이 모델링된 구조 본드 모델을 생성할 수 있다.
구조 모델 수단(132)은 구조 본드 모델의 해석 결과와 복수로 적층된 프린트 소재의 표준 시편에 대한 시험 데이터 간의 비교 분석을 통해 구조 해석에 필요한 제1 대상물(10)의 이방성을 규정할 수 있다.
도 4는 구조 본드 모델을 나타낸 개략도이다.
한 층씩 프린팅된 프린트 소재에 해당하는 마이크로 스트럭쳐(15) P 간의 결합력은 노멀 포스(normal force)와 시어 포스(shear force)가 합성된 것으로 나타낼 수 있다.
2개의 마이크로 스트럭쳐(15) P 각각의 벡터 xi, 벡터 xj를 이용해서, 시간적으로 먼저 프린팅된 마이크로 스트럭쳐(15)를 기준으로 시간적으로 뒤에 프린팅된 마이크로 스트럭쳐(15)의 변위를 벡터 uij로 나타낸다.
노멀 포스는 2개의 마이크로 스트럭쳐(15)가 서로 결합한 방향을 따라 움직인 변위(벡터 uij n)에 일반 탄성 계수 kn을 곱한 것일 수 있다.
시어 포스는 2개의 마이크로 스트럭쳐(15)가 서로 결합한 방향에 수직한 방향을 따라 움직인 변위(벡터 uij s)에 전단 탄성 계수 ks를 곱한 것일 수 있다.
구조 본드 모델이 유한 요소 해석과 이론적으로 동일하게 동작하도록, 구조 본드 모델은 결합 강도(bond stiffness)와 관련된 일반 탄성 계수 kn, 전단 탄성 계수 ks를 유한 요소 해석의 함수로 표현할 수 있다.
도 5는 열 본드 모델을 나타낸 개략도이다.
Ti의 온도를 갖는 파티클 P와 Tj의 온도를 갖는 파티클 P 사이의 열 전달이 규명되면, 프린트 소재의 프린팅 순서에 따라 이루어지는 냉각 현상을 해석할 수 있다.
인접한 파티클 간에 전달되는 열량을 계산하기 열 본드 모델은 각 파티클 P 사이의 열 저항에 해당하는 컨덕턴스 Kij를 규정할 수 있다.
컨덕턴스 Kij는 각 파티클 P 내에서 전도되는 열 저항과 관련된 컨덕턴스 및 각 파티클의 접촉면에 형성된 열 저항과 관련된 컨덕턴스를 포함할 수 있다.
각 파티클의 표면에 이루어지는 표면 냉각은 자연 대류 냉각이 적용될 경우 열 전달 계수 h = 5W/m2K로 규정될 수 있다.
구조 본드 모델과 열 본드 모델을 이용하면, 프린트 소재가 가상 공간에서 한 층씩 프린팅되며 제1 대상물(10)을 형성하는 시뮬레이션에 프린트 소재의 잔류 응력 또는 열 변형 등이 반영될 수 있다. 잔류 응력 또는 열 변형은 변형 에러(19)를 유발하는 원인이 되므로, 모의 수단(135)에서 이루어지는 제1 대상물(10)의 제작 시뮬레이션 과정에 변형 에러(19)가 나타날 수 있다. 변형 에러(19)는 보정부(150)에 의해 해소될 수 있다.
한편, 제1 대상물(10)은 수많은 프린트 소재 입자를 포함할 수 있다. 이때, 각 입자를 대상으로 모델링 및 해석이 이루어지면, 천문학적인 연산 시간이 소요될 수 있다.
마이크로 스트럭쳐(15) 간의 결합력, 잔류 응력, 열 변형 등이 반영된 상태로 제1 대상물(10)이 형성되는 시뮬레이션 시간을 줄이는 방안이 마련될 수 있다.
일 예로, 모의 수단(135)은 제1 대상물(10)을 형성하는 최소 단위로 제1 대상물(10)의 파티클을 대신해서 복셀(11)(voxel)을 설정할 수 있다. 이때, 복셀(11)은 복수 층으로 적층된 프린트 소재를 포함할 수 있다.
제1 대상물(10)의 파티클은 제1 대상물(10)을 구성하는 최소 단위일 수 있다. 파티클은 3D 프린터(200)의 노즐로부터 출력된 프린트 소재의 입자를 지칭할 수 있다. 또는 파티클은 3D 프린터(200)로부터 출력된 프린터 소재의 1개 층의 두께를 각 변의 길이 또는 직경으로 하는 입체 도형을 지칭할 수 있다.
도 6은 복셀(11)을 나타낸 개략도이고, 도 7은 복셀(11)이 적용된 제1 대상물(10)을 나타낸 개략도이다.
도 6의 (a)에 도시된 모아이(Moai) 형상의 제1 대상물(10)은 도 6의 (b)와 같이 1개 층의 두께를 갖는 파티클이 노즐의 진행 경로 path를 따라 배열된 것으로 모델링될 수 있다.
도 6의 (b)와 같이 파티클 단위로 모델링된 경우 구조 본드 모델 또는 열 본드 모델의 연산에 많은 시간이 소요될 수 있다. 모델링 해석에 소요되는 시간을 단축시키기 위해 도 6의 (c)와 같이 복셀(11) 단위로 제1 대상물(10)을 모델링할 수 있다.
일 예로, 도 6에서는 정육면체 형상으로 복셀(11)을 형성하고 있다. 복셀(11)에는 복수개의 층으로 적층된 파티클이 포함될 수 있다. 모의 수단(135)은 복셀(11)을 이용해서 제1 대상물(10)이 가상 공간에 형성되는 과정을 시뮬레이션할 수 있다.
도 7에 도시된 복셀(11)로 표현된 제1 대상물(10)은 도 2의 (a)에 도시된 파티클로 표현된 제1 대상물(10)과 비교하여 표면이 투박하기는 하지만, 변형 에러(19)의 파악에는 별다른 무리가 없다. 복셀(11)에 따르면, 변형 에러(19)를 파악하기 위한 시뮬레이션 시간이 대폭 단축될 수 있다.
실험 결과, 파티클이 적용된 시뮬레이션은 가상 공간에서 제1 대상물(10)의 제작이 완료될 때까지 대략 16시간 정도가 소요되었다. 반면, 복셀(11)이 적용된 시뮬레이션은 가상 공간에서 제1 대상물(10)의 제작이 완료될 때까지 1.5시간 정도가 소요되었다. 제1 대상물의 종류 및 복셀의 규격에 따라 달라질 수 있으나, 대체로 복셀이 적용되면 수배에서 수십배의 속도 개선 효과가 나타나는 것으로 확인되었다.
도 8은 파티클을 복셀화하는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 실제 3D 프린터(200)는 1개 층씩 프린트 소재를 적층해가면서 제1 대상물(10)을 형성할 수 있다.
3D 프린터(200)의 노즐 이동 방향은 제n 층(여기서, n은 자연수이다)을 적층할 때와 제n+1 층을 적층할 때 다를 수 있다. 왜냐하면, 각 층 간의 결합력 등을 개선하기 위해서이다.
일 예로, 도 8의 (b)와 같이 3D 프린터(200)는 43층(Layer 43)의 프린트 소재 적층 방향과 44층(Layer 44)의 프린트 소재 적층 방향이 서로 교차하도록 움직일 수 있다.
도 8의 (c)는 각 층마다 교차하게 적층된 프린트 소재를 육면체 형태로 절단한 상태이다. 1개 층의 프린트 소재를 마이크로 스트럭쳐(15)로 설정한 경우, 도 8의 (c)는 복수의 마이크로 스트럭쳐(15)가 복수로 적층된 상태로 표현될 수 있다. 이와 다르게 복수 층으로 적층된 프린트 소재의 집합을 마이크로 스트럭쳐(15)로 표현해도 무방하다.
각 층마다 교차하게 적층된 프린트 소재가 입체 도형의 형태로 절단되거나 구분될 때, 도 8의 (d)와 같이 해당 입체 도형이 복셀(11)이 될 수 있다.
파티클이 기하학적으로 복셀(11)로 변환되면, 파티클은 정상적인 모델링/해석/시뮬레이션을 위해 물성적으로도 복셀(11)로 변환되어야 한다. 즉, 대상물 분석의 최소 단위로 파티클을 대신해서 복셀(11)을 적용하기 위해서는 복셀(11)의 특성이 규정될 필요가 있다.
모의 수단(135)은 시간에 따른 파티클의 응고 상태, 파티클의 수축 상태, 각 파티클 간의 결합 상태 중 적어도 하나의 특성을 복셀(11)의 물성 변화, 복셀(11)의 부피 변화, 각 복셀(11) 간의 결합력 변화 중 하나로 구현할 수 있다.
마이크로 스트럭쳐(15)의 생성 시간을 평균해서 복셀(11)의 생성 과정에 대입하면 결합 순서에 따른 이방성이 구현될 수 있다.
도 9는 본 발명의 3D 프린팅 장치의 동작을 나타낸 흐름도이다. 도 9는 본 발명의 3D 프린팅 방법을 나타낼 수 있다.
제1 코드에 따라 제1 대상물(10)이 형성되는 과정을 가상 공간 상에서 시뮬레이션하는 모의 수단(135)은 제1 대상물(10)의 파티클 간의 결합 강도를 계산하거나 구성할 수 있다(S 551).
모의 수단(135)은 3D 프린터(200)의 프린팅 경로에 따라 파티클이 포함된 복셀(11) 등의 해석 요소를 자동으로 생성할 수 있다(S 552).
모의 수단(135)은 제1 대상물(10)의 경계 조건 또는 해석 요소의 경계 조건을 적용할 수 있다(S 553).
모의 수단(135)은 해석 요소에 작용되는 힘을 계산할 수 있다(S 554).
모의 수단(135)은 해석 요소의 변형량 또는 각 해석 요소의 변위를 계산할 수 있다(S 555).
모의 수단(135)은 해석 요소의 스트레인(strain tensor) 텐서 또는 스트레스 텐서(stress tensor)을 계산할 수 있다(S 556). 스트레인 텐서 또는 스트레스 텐서는 해석 요소에 작용되는 힘을 계산하는 단계(S 554)로 피드백될 수 있다.
파악부(130), 구체적으로 예상 수단(139)은 스트레인 텐서 또는 스트레스 텐서를 이용해 변형 에러(19)를 파악할 수 있다. 일 예로, 예상 수단(139)은 스트레인 텐서 또는 스트레스 텐서가 기설정된 설정값을 초과하면 변형 에러(19)가 발생된 것으로 파악할 수 있다. 다른 예로, 예상 수단(139)은 스트레인 텐서 또는 스트레스 텐서로 인해 변형된 제1 대상물(10)을 초기 제1 대상물(10)의 디자인과 비교하고, 둘 사이의 변형량이 설정값을 초과하면 변형 에러(19)가 발생된 것으로 파악할 수 있다.
모델 수단(131), 구체적으로 구조 모델 수단(132)은 한 층씩 프린팅된 프린트 소재가 포함된 마이크로 스트럭쳐(15)(micro structure)의 기하학적 데이터와 제1 대상물(10)의 기하학적 데이터를 파악할 수 있다(S 521). 또한, 모델 수단(131)은 구조 본드 모델의 해석 결과와 복수로 적층된 프린트 소재의 표준 시편에 대한 시험 데이터 간의 비교 분석을 통해 구조 해석에 필요한 제1 대상물(10)의 이방성을 규정할 수 있다(S 521).
모델 수단(131)은 마이크로 스트럭쳐(15)(micro structure)의 기하학적 데이터와 제1 대상물(10)의 기하학적 데이터, 제1 대상물(10)의 이방성을 이용해서 마이크로 스트럭쳐(15) 간의 결합력을 모델링할 수 있다(S 522).
모의 수단(135)은 마이크로 스트럭쳐(15) 간의 결합력이 모델링된 구조 본드 모델을 이용해서 제1 대상물(10)의 파티클 간의 결합 강도를 구성할 수 있다(S 551).
모의 수단(135)은 마이크로 스트럭쳐(15)의 기하학적 데이터와 제1 대상물(10)의 기하학적 데이터를 이용해서 3D 프린터(200)의 프린팅 경로에 따라 파티클이 포함된 해석 요소를 자동으로 생성할 수 있다(S 552). 마이크로 스트럭쳐(15)의 기하학적 데이터와 제1 대상물(10)의 기하학적 데이터가 없다면, 모의 수단(135)은 복셀(11)을 어떤 규격으로 형성할지, 복셀(11)을 어떻게 쌓아갈지 결정할 수 없을 것이다.
모의 수단(135)은 제1 대상물의 파티클이 포함된 복셀(11) 등의 해석 요소를 3D 프린터(200)의 프린팅 경로를 따라 자동으로 생성할 수 있다.
모델 수단(131), 구체적으로 열 모델 수단(133)은 프린팅 순서에 따른 냉각 해석(S 532)이 포함된 해석 요소의 열 변형량을 계산할 수 있다(S 531).
열 모델 수단(133)에서 계산된 열 변형량은 모의 수단(135)에 의해 해석 요소의 변형량 또는 각 해석 요소의 위치 변화를 계산하는데에 이용될 수 있다(S 555).
열 변형 등이 반영된 제1 대상물(10)의 시뮬레이션 결과는 보정부(150) 또는 표시부(170)로 전달될 수 있다.
보정부(150)로 전달된 시뮬레이션 결과는 변형 에러(19)가 보정된 제2 코드의 생성에 이용될 수 있다.
표시부(170)로 전달된 시뮬레이션 결과는 디스플레이를 통해 사용자에게 시각적으로 표시될 수 있다.
도 10은 경사부의 열 변형을 나타낸 개략도이다.
일 예로, 3D 프린터(200)는 소재를 30㎛ 두께로 적층해가며 제1 대상물(10)을 형성할 수 있다. 3D 프린터(200)는 레이저 빔(laser beam)을 이용해서 고체 상태의 소재를 용융시킬 수 있다.
도 10의 (a)와 같이 소재가 동일한 면적으로 동일한 위치에 순서대로 적층되는 경우, 상층 z3의 소재를 용융시키는 레이저 빔의 열은 중간층 z2 및 하층 z1을 순서대로 통과해서 히트 싱크(20)로 전달될 수 있다.
중간층은 상층에 대해 방열 수단으로 작용하고, 하층은 중간층에 대해 방열 수단으로 작용할 수 있다. 하층, 중간층, 상층이 동일 위치에 동일한 면적으로 형성된 경우, 특정 층의 일면 전체는 방열 수단에 전부 접촉된 상태가 되므로 당연히 열 전달 효율이 높다. 그 결과 각 층의 냉각이 원활하게 이루어지므로 열 변형에 따른 변형 에러(19)가 발생될 확률이 낮다.
도 10의 (b)와 같이 소재가 동일한 면적으로 적층되고 일부가 겹쳐지게 서로 엇갈리게 적층되는 경우, 상층의 일부만 중간층에 적층될 때 상층의 나머지 부분은 중간층의 말단으로부터 벗어나서 허공에 위치하는 오버행 구조가 될 수 있다. 마찬가지로 중간층의 일부만 하층에 적층될 때 중간층의 나머지 부분은 하층의 말단으로부터 벗어나서 허공에 위치하는 오버행 구조가 될 수 있다.
전체 면적이 히트 싱크(20)에 접촉된 하층 z1은 바닥부(12)를 형성할 수 있다.
허공에 위치하는 상층 z3의 나머지 부분 및 중간층 z2의 나머지 부분이 경사부(14)를 형성할 수 있다.
하층에 적층된 중간층 일부분의 열은 하층에 용이하게 전달되는 반면, 허공에 위치하는 중간층 나머지 부분의 열은 하층으로 용이하게 전달되지 못하고 중간층의 나머지 부분에 머물게 된다.
마찬가지로, 중간층에 적층된 상층 일부분의 열은 중간층에 용이하게 전달되는 반면, 허공에 위치하는 상층 나머지 부분의 열은 중간층으로 용이하게 전달되지 못하고 상층의 나머지 부분에 머물게 된다.
중간층의 나머지 부분에 머무는 열 및 상층의 나머지 부분에 머무는 열로 인해 경사부의 밑면 및 측면이 용융되어 서로 엉겨붙는 변형(16)이 발생되기 쉽다.
이때의 변형(16)이 허용치를 넘으면 초기 설계값과 다른 형상을 갖는 변형 에러(19)가 발생될 수 있다. 결국, 열 변형에 기인한 변형 에러(19)를 방지하기 위해서는 경사부(14)에 잔류하는 열을 히트 싱크(20)로 빼내야 한다.
제1 대상물(10), 특히 경사부(14)의 잔류 열을 제거하기 위한 서포터(17) 형성 위치를 파악하기 위해 파악부(130)는 적어도 밑면 및 측면이 포함된 경사부(14) 표면의 온도 분포를 시뮬레이션을 통해 파악할 수 있다.
보정부(150)는 파악부의 파악 결과를 토대로, 잔류 열이 집중된 위치에 히트 싱크(20)에 연결되는 서포터(17)를 추가할 수 있다.
도 11은 서포터를 추가하는 과정을 나타낸 개략도이다.
도 11은 모의적으로 프린팅되는 제1 대상물을 밑에서 바라본 것이다.
파악부(130)는 모의 수단(135)을 이용해서 경사부(14) 표면의 온도를 파악할 수 있다.
모의 수단(135)은 소재의 특성, 레이저 빔의 온도 등을 이용해서 제1 대상물(10)의 표면 온도를 모의적으로 파악할 수 있다.
파악부(130)는 레이저 빔이 현재 조사되고 있는 조사 영역을 제외하고 경사부(14)에서 표면 온도가 설정값을 만족하는 에러 위치를 파악할 수 있다. 일 예로, 설정값은 열 변형이 예상되는 온도로 설정될 수 있으며, 예를 들어 소재 융점의 50~90%를 만족하는 온도값을 포함할 수 있다.
경사부(14)에서 설정값을 만족하는 위치에는 보정부(150)에 의해 서포터(17)가 추가될 수 있다.
그런데, 설정값을 만족하는 위치는 점이 아닐 면 단위의 영역이 될 가능성이 높다. 이때, 설정값을 만족하는 에러 영역 e는 열적으로 다른 영역에 영향을 줄 수 있다. 에러 영역 e에 영향받는 다른 영역에는 자체 잔류 열에 에러 영역의 열까지 추가되므로, 다른 영역 역시 설정값을 만족하게 된다. 결과적으로, 설정값을 만족하는 에러 영역 e는 도 11의 (a)와 같이 경사부(14)의 표면 대부분으로 확장 전파될 수 있다.
도 11의 (a)와 같이 경사부(14)의 표면 대부분이 설정값을 만족하면 서포터(17)의 형성 위치가 특정되기 어렵다.
서포터(17)의 형성 위치를 특정하기 위해, 파악부(130)는 모의적으로 형성된 경사부(140)의 표면을 설정 순서에 따라 스캔하며, 표면 온도가 설정값을 만족하는 에러 영역 e의 일부 점 위치에 해당하는 에러 위치 k를 파악할 수 있다.
일 예로, 파악부(130)는 3D 프린터(200)의 프린팅 순서에 따라 경사부(14)의 표면을 스캔할 수 있다. 도 11에서 3D 프린터(200)는 y축 방향을 따라가면서 소재를 적층하고, x축 방향으로 소재의 적층없이 이동한 후 다시 y축 방향을 따라가면서 소재를 적층할 수 있다.
파악부(130)는 3D 프린터(200)의 프린팅 순서에 따라 경사부(140)의 표면을 스캔하고, 설정값을 만족하는 에러 위치 k1이 파악되면 에러 위치 k1에 모의적으로 서포터(17)를 형성할 수 있다.
서포터(17)에 연결된 에러 위치 k1 및 그 주변 영역은 설정값보다 온도가 낮아질 수 있다.
파악부(130)는 서포터(17)의 형성으로 인한 경사부(14) 표면 온도 변화를 반영해서 다시 에러 위치 k1으로부터 경사부(140)의 표면을 스캔할 수 있다.
서포터(17)로 인해 도 11 (a)의 에러 영역 e는 도 11의 (b)와 같이 줄어들 수 있다.
이후, 파악부(130)는 표면 스캔 중 에러 위치 k가 파악될 때마다, 파악된 에러 위치 k에 서포터(17)를 형성할 수 있다. 파악부(130)는 에러 위치 k에 서포터(17)가 형성될 때마다 서포터(17)로 인한 온도 변화를 경사부(14)의 표면 온도에 반영하며, 바로 이전(가장 최근) 서포터(17)의 형성 위치부터 스캔을 재수행할 수 있다. 서포터(17)로 인한 온도 변화의 반영으로 인해, 에러 위치 k는 파악부(130)에 의해 점 단위로 파악될 수 있다. 다시 말해, 스캔 중 에러 위치가 발견되자마자 해당 위치에 서포터가 형성되면, 서포터로 인해 에러 위치로부터 일정 거리 내의 주변 영역이 냉각된다. 따라서, 해당 주변 영역에는 다른 에러 위치가 없어지게 된다. 따라서 원래는 면적 단위로 존재하는 에러 위치가 서포터의 형성으로 인해 점 단위로 변경되는 셈이 되고, 서포터의 형성 위치가 해당 에러 위치로 특정될 수 있다.
일 예로, 도 11의 (b)와 같이 줄어든 에러 영역 e는 도 11의 (b)에서 새롭게 파악된 에러 위치 k2에 형성된 서포터(17)로 인해 도 11의 (c)와 같이 줄어들 수 있다.
도 11의 (c)와 같이 줄어든 에러 영역 e는 도 11의 (c)에서 새롭게 파악된 에러 위치 k3에 형성된 서포터(17)로 인해 도 11의 (d)와 같이 완전히 제거될 수 있다.
보정부(150)는 시뮬레이션을 통해 파악된 서포터(17)의 형성 위치를 파악부(130)로부터 전달받고, 서포터(17)의 형성 위치에 서포터(17)를 추가하는 명령어를 제1 코드에 삽입하여 제2 코드를 생성할 수 있다.
제2 코드를 입력받은 3D 프린터(200)는 서포터(17)의 형성 위치에 자동으로 서포터(17)를 형성할 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는 제1 대상물(10)의 디자인에 해당하는 제1 코드만 제공받으면, 시뮬레이션을 통해 에러 위치 k를 자동으로 파악하고, 에러 위치 k에 자동으로 서포터(17)를 형성할 수 있다. 서포터(17)는 제1 대상물(10)의 측면 또는 밑면에 형성될 수 있다.
해당 서포터(17)는 챔버에 대해 제1 대상물(10)을 지지하는 동시에, 제1 대상물의 에러 위치 k에 집중된 잔류 열을 챔버로 전달하므로 에러 위치 k를 냉각시킬 수 있다. 그 결과, 열 변형에 기인한 에러 위치 k의 변형 에러(19)가 방지될 수 있다.
서포터(17)는 제1 대상물(10) 전체에 적용 가능하며, 특히, 열 변형에 기인한 변형 에러(19)가 심각하게 나타나는 오버행 구조의 경사부(14)에 유용하다.
기존의 오버행에 대한 대처 방안은 표면의 경사도나 경험에 의존해서 서포터를 추가하는 방식이었다.
경험에 의존한 기존의 방법은 특별한 노하우가 없으면 실패할 수밖에 없었다.
본 발명은 제품의 초기 설계 후 슬라이싱 단계에서 열 및 구조 연성해석 적용으로 온도에 따른 물성치 변화와 재료의 적층 방식을 모델링하여 열이 과량 축적되는 구조에 대해 서포터를 추가 구성하는 방식으로 기존의 경험에 의존한 방법을 탈피할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10...제1 대상물 11...복셀
12...바닥부 14...경사부
15...마이크로 스트럭쳐 17...서포터
18...필라멘트 19...변형 에러
20...히트 싱크 30...디자인부
50...변환부 70...3DP 컨트롤러
110...획득부 130...파악부
131...모델 수단 132...구조 모델 수단
133...열 모델 수단 135...모의 수단
139...예상 수단 150...보정부
170...표시부 200...3D 프린터

Claims (11)

  1. 제1 대상물을 프린팅하기 위해 3D 프린터를 제어하는 제1 코드가 마련될 때, 상기 제1 코드를 획득하는 획득부;
    상기 제1 대상물의 실제 프린팅 과정에서 상기 제1 대상물이 초기 설계값과 다르게 열 변형되는 변형 에러를 상기 제1 대상물의 실제 프린팅 과정 전에 파악하는 파악부;
    상기 변형 에러가 예상되는 상기 제1 대상물의 에러 위치와 히트 싱크를 연결하는 서포터의 형성 명령을 상기 제1 코드에 추가하는 보정부;
    를 포함하는 3D 프린팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 획득부는 상기 3D 프린터를 타겟으로 하는 상기 제1 코드가 상기 3D 프린터로 전달되는 것을 방지하고, 상기 제1 코드를 가로채서 상기 파악부로 전달하고,
    상기 파악부는 상기 제1 코드에 따라 상기 제1 대상물의 프린팅 과정을 시뮬레이션하여 상기 에러 위치를 파악하며,
    상기 보정부는 상기 제1 코드에 상기 서포터의 형성 명령이 추가된 제2 코드를 생성하고, 상기 제1 코드를 대신해서 상기 제2 코드를 3D 프린터로 제공하는 3D 프린팅 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파악부는 모델 수단, 모의 수단, 예상 수단을 포함하고,
    상기 3D 프린터가 한 층씩 프린트 소재를 적층시켜 가며 상기 제1 대상물을 형성할 때,
    상기 모델 수단은 한 층씩 프린팅된 상기 프린트 소재가 포함된 마이크로 스트럭쳐(micro structure) 간의 결합력을 모델링하고, 상기 모델링을 이용해서 상기 제1 대상물의 이방성을 규정하며,
    상기 모의 수단은 상기 이방성이 반영된 상태에서 상기 제1 코드에 따라 상기 제1 대상물이 생성되는 과정을 가상 공간에서 시뮬레이션하고,
    상기 예상 수단은 상기 시뮬레이션 중 상기 이방성의 반영으로 인해 상기 제1 대상물이 초기 설계값과 다르게 변형되는 상기 변형 에러를 파악하며, 상기 변형 에러가 발생된 에러 위치를 상기 보정부로 전달하는 3D 프린팅 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파악부는 상기 3D 프린터에 의해 시간의 순서에 따라 프린팅되는 프린트 소재의 파티클 간의 결합 상태를 모델링하는 모델 수단을 포함하고,
    상기 모델 수단은 상기 파티클 간의 열 결합 상태를 모델링하는 열 모델 수단, 상기 파티클 간의 구조 결합 상태를 모델링하는 구조 모델 수단을 포함하며,
    상기 열 모델 수단은 상기 파티클의 열 전달 계수, 상기 파티클의 냉각에 따른 수축률 중 적어도 하나가 모델링된 열 본드 모델을 생성하고,
    상기 3D 프린터가 한 층씩 프린트 소재를 적층시켜 가며 상기 제1 대상물을 형성할 때,
    상기 구조 모델 수단은 한 층씩 프린팅된 상기 프린트 소재가 포함된 마이크로 스트럭쳐(micro structure) 간의 결합력이 모델링된 구조 본드 모델을 생성하며,
    상기 구조 모델 수단은 상기 구조 본드 모델의 해석 결과와 복수로 적층된 상기 프린트 소재의 표준 시편에 대한 시험 데이터 간의 비교 분석을 통해 구조 해석에 필요한 상기 제1 대상물의 이방성을 규정하는 3D 프린팅 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 파악부는 상기 제1 대상물을 형성하는 최소 단위로 상기 제1 대상물의 파티클을 대신해서 복셀(voxel)을 설정하는 모의 수단을 포함하고,
    상기 3D 프린터가 한 층씩 프린트 소재를 적층시켜 가며 상기 제1 대상물을 형성할 때, 상기 복셀은 복수 층으로 적층된 프린트 소재를 포함하며,
    상기 모의 수단은 상기 복셀을 이용해서 상기 제1 대상물이 가상 공간에 형성되는 과정을 시뮬레이션하고,
    상기 모의 수단은 시간에 따른 상기 파티클의 응고 상태, 상기 파티클의 수축 상태, 각 파티클 간의 결합 상태 중 적어도 하나의 특성을 상기 복셀의 물성 변화, 상기 복셀의 부피 변화, 각 복셀 간의 결합력 변화 중 하나로 구현하는 3D 프린팅 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 파악부는 모델 수단 및 모의 수단을 포함하고,
    상기 모의 수단은 상기 제1 대상물의 파티클이 포함된 해석 요소를 상기 3D 프린터의 프린팅 경로를 따라 자동으로 생성하며,
    상기 모델 수단은 프린팅 순서에 따른 냉각 해석이 포함된 상기 해석 요소의 열 변형량을 계산하고,
    상기 모의 수단은 상기 열 변형량을 이용해서 상기 해석 요소의 변형량 또는 각 해석 요소의 위치 변화를 계산하는 3D 프린팅 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 파악부는 상기 제1 대상물의 표면의 온도 분포를 시뮬레이션을 통해 파악하고,
    상기 보정부는 상기 파악부의 파악 결과를 토대로, 잔류 열이 집중된 위치에 서포터를 추가하는 3D 프린팅 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 파악부는 제1 대상물에서 표면 온도가 설정값을 만족하는 위치를 시뮬레이션을 통해 파악하고,
    상기 설정값은 프린트 소재의 융점의 50~90%를 만족하는 온도값을 포함하며,
    상기 보정부는 상기 제1 대상물에서 상기 설정값을 만족하는 위치에 상기 서포터를 추가하는 3D 프린팅 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 파악부는 모의적으로 형성된 상기 제1 대상물의 표면을 설정 순서에 따라 스캔하며, 표면 온도가 설정값을 만족하는 상기 에러 위치를 파악하고,
    상기 파악부는 상기 에러 위치가 파악되면, 상기 에러 위치에 상기 서포터를 모의적으로 형성하며,
    상기 파악부는 상기 서포터의 형성으로 인한 상기 제1 대상물의 표면 온도 변화를 반영해서 다시 상기 에러 위치로부터 상기 제1 대상물의 표면을 스캔하는 3D 프린팅 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 대상물은 오버행 구조의 경사부를 포함하고,
    상기 파악부는 모의적으로 형성된 상기 경사부에서 표면 온도가 설정값을 만족하는 상기 에러 위치를 파악하며,
    상기 파악부는 상기 에러 위치가 파악될 때마다, 파악된 상기 에러 위치에 상기 서포터를 형성하며,
    상기 파악부는 상기 에러 위치에 상기 서포터가 형성될 때마다, 상기 서포터로 인한 온도 변화를 상기 경사부의 표면 온도에 반영하고,
    상기 서포터로 인한 온도 변화의 반영으로 인해, 상기 에러 위치는 상기 파악부에 의해 점 단위로 파악되는 3D 프린팅 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 보정부는 시뮬레이션을 통해 파악된 상기 서포터의 형성 위치를 상기 파악부로부터 전달받고, 상기 서포터의 형성 위치에 상기 서포터를 추가하는 명령어를 상기 제1 코드에 삽입하여 제2 코드를 생성하고,
    상기 보정부는 상기 제2 코드를 3D 프린터로 제공하는 3D 프린팅 장치.
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