KR101997408B1

KR101997408B1 - 3d 프린터

Info

Publication number: KR101997408B1
Application number: KR1020180132527A
Authority: KR
Inventors: 이수연
Original assignee: 이수연
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2019-07-05

Abstract

본 발명에 따른 3D 프린터는 노즐이 구비된 압출기와, 디자인된 조형물이 형성되는 베드와, 상기 베드의 상부를 촬상하는 카메라와, 상기 압출기와 카메라의 구동 및 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 베드의 중앙부에 프린팅 영역이 설정되며, 상기 가장자리부에 금지 영역이 설정되고, 상기 프린팅 영역과 금지 영역 사이에 이격 영역과 프리 프린팅 영역이 설정되고, 상기 프리 프린팅 영역에는 제1 층 조형물과, 상기 제1 층 조형물의 상부에 형성되는 제2 층 조형물이 프리 프린팅되되, 상기 제1 층 조형물의 길이는 제2 층 조형물의 길이보다 길게 형성되고, 상기 카메라는 프리 프린팅 영역의 상측에 설치되고, 프리 프린팅된 조형물을 촬상하여 영상신호를 출력하며, 상기 컨트롤러는 프리 프린팅 영역에 적층되는 프리 프린팅 조형물의 폭을 기초로 상기 프린팅 영역의 프린팅 시점을 결정하는 영상처리부를 포함하고, 상기 영상처리부는 영상신호로부터 그레이스케일 신호로 변환하는 신호변환부와, 상기 그레이스케일 신호로부터 제1 층 조형물과 제2 층 조형물의 엣지라인을 검출하는 외곽선 검출부와, 상기 검출된 제1 층 조형물과 제2 층 조형물의 엣지라인의 폭을 비교하여 비교값을 계산하는 외곽선 비교부와, 상기 외곽선 비교부로부터 계산된 비교값이 기 설정된 기준값 범위 이내일 경우 본 프리팅 개시신호를 출력하는 외곽선 판단부를 포함하고, 상기 프리 프린팅은 본 프린팅 이전에 수행되되, 상기 외곽선 판단부의 본 프린팅 개시신호가 출력될 때까지 프리 프린팅 영역에 반복 수행하도록 이루어진다.

Description

3D 프린터{3D PRINTER}

본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 본 프린팅 이전에 프리 프린팅을 수행하여 알맞은 적층이 수행되는 시점을 찾을 수 있는 3D 프린터의 구조에 대한 것이다.

3D 프린터의 압출기는 프린팅 소재를 토출하는 장치이다. 압출기에 투입되는 재료로는 고체 재료가 사용될 수 있으나, 액상의 재료 또는 분말재료가 투입될 수 있다. 이러한 재료들은 압출기 내에서 용융되어 최종적으로 노즐로 토출되는데, 가열에 의해 용융된 상태로 토출된다.

컴퓨터 시스템에 의해 디자인된 조형물은 시각적 효과를 위해 후처리 공정을 더욱 수행할 수 있으나, 압출기에 첨가제를 투입하여 토출물의 물성을 조절할 수도 있다. 그런데 토출물에 첨가제를 투입할 경우에 첨가제의 특성에 따라 용융상태가 달라질 수 있고, 용융 상태가 적층하기에는 적합하지 않은 묽은 상태가 될 수 있다.

공개특허공보 제10-2017-0010140호의 3D 프린터 정상 출력 검증 장치 공개특허공보 제10-2016-0147633호의 3D 프린터의 저융점 재료 인쇄 방법 공개특허공보 제10-2014-0195073호의 광경화 3D 프린터 및 이의 광량편차 측정방법 및 보정방법 공개특허공보 제10-2017-0010624호의 일체형 노즐을 포함하는 3D 프린터 압출기

본 발명은 서로 다른 프린팅 소재를 사용할 경우에도 베드에 적층되는 조형물이 알맞은 물성을 갖는 상태에서 프린팅될 수 있는 3D 프린터를 제공하려는 데 그 목적이 있다.

또한 압출기에 첨가제를 투여하는 경우에도 프리 프린팅 공정을 수행하여 본 프린팅 시에 적층 불량을 사전에 방지할 수 있는 3D 프린터를 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 3D 프린터는 노즐이 구비되는 압출기와, 디자인된 조형물이 형성되는 베드와, 상기 베드의 상부를 촬상하는 카메라와, 상기 압출기와 카메라의 구동 및 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 베드의 중앙부에 프린팅 영역이 설정되며, 상기 베드의 가장자리부에 금지 영역이 설정되고, 상기 프린팅 영역과 금지 영역 사이에 이격 영역과 프리 프린팅 영역이 설정되고, 상기 프리 프린팅 영역에는 제1 층 조형물과, 상기 제1 층 조형물의 상부에 형성되는 제2 층 조형물이 프리 프린팅되되, 상기 제1 층 조형물의 길이는 제2 층 조형물의 길이보다 길게 형성되고, 상기 카메라는 프리 프린팅 영역의 상측에 설치되고, 프리 프린팅된 조형물을 촬상하여 영상신호를 출력하며, 상기 컨트롤러는 프리 프린팅 영역에 적층되는 프리 프린팅 조형물의 폭을 기초로 상기 프린팅 영역의 프린팅 시점을 결정하는 영상처리부를 포함하고, 상기 영상처리부는 영상신호로부터 그레이스케일 신호로 변환하는 신호변환부와, 상기 그레이스케일 신호로부터 제1 층 조형물과 제2 층 조형물의 엣지라인을 검출하는 외곽선 검출부와, 상기 검출된 제1 층 조형물과 제2 층 조형물의 엣지라인의 폭을 비교하여 비교값을 계산하는 외곽선 비교부와, 상기 외곽선 비교부로부터 계산된 비교값이 기 설정된 기준값 범위 이내일 경우 본 프리팅 개시신호를 출력하는 외곽선 판단부를 포함하고, 상기 프리 프린팅은 본 프린팅 이전에 수행되되, 상기 외곽선 판단부의 본 프린팅 개시신호가 출력될 때까지 프리 프린팅 영역에 반복 수행하도록 이루어진다.

본 발명에 따른 3D 프린터의 외곽선 검출부는 폐곡선 검출방식을 이용하여 엣지라인을 검출한다.

본 발명에 따른 영상신호는 제1 층 조형물이 프린팅된 이후에 촬상하는 제1 영상신호와, 상기 제1 층 조형물의 상부에 제2 층 조형물이 형성된 이후에 촬상하는 제2 영상신호로 이루어지고, 상기 영상 처리부의 외곽선 검출부는 제1 영상신호에 포함된 제1 층 조형물의 단부의 엣지라인과 제2 영상신호에 포함된 제1 층 조형물의 단부의 엣지라인을 매칭시켜 제1 층 및 제2 층 조형물의 엣지라인 폭을 비교하도록 구성된다.

본 발명에 따르면, 서로 다른 프린팅 소재를 사용할 경우에도 베드에 적층되는 조형물이 알맞은 물성을 갖는 상태에서 프린팅할 수 있다.

또한 압출기에 첨가제를 투여하는 경우에도 프리 프린팅 공정을 수행하여 본 프린팅 시에 적층 불량을 사전에 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 베드 상에 설정되는 가상의 영역을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 영상 처리부를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 프린팅 방법을 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 표현될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 3D 프린터는 노즐이 구비되는 압출기(100)와, 디자인된 조형물이 프린팅되는 베드(200)와, 상기 베드의 상부를 향하여 촬상하는 카메라(300)와, 상기 압출기와 카메라의 구동 및 동작을 수행하는 컨트롤러(500)을 포함한다.

상기 압출기(100)에는 프린팅 소재가 투입된다. 상기 프린팅 소재는 와이어 형상의 필라멘트일 수 있으며, 상기 필라멘트의 소재로는 ABS, PLA 등일 수 있다. 다른 실시예로서 상기 프린팅 소재는 액상의 소재, 분말 상태의 입자일 수 있다. 액상의 소재로서 실리콘일 수 있으며, 분말 상태의 소재로는 초코렛 입자일 수 있다.

추가적으로 본 발명에서는 프린팅 소재와 더불어 프린팅 소재에 물성을 조절할 수 있는 첨가제가 더욱 투입될 수 있다. 상기 첨가제는 색소제, 유화제, 경화제 등일 수 있다.

상기 압출기의 하부에는 노즐이 구비되고, 상기 노즐에는 프린팅 소재가 용융된 상태로 토출된다. 이와 같은 프린팅 소재의 용융을 위해 노즐을 포함한 압출기의 몸체에는 히터가 더욱 구비될 수 있다.

실시예로서 투입 소재, 즉 프린팅 물질, 첨가제가 투입될 때 프린팅 물질과 첨가제가 미리 용융되는 것을 방지하기 위해 냉각기를 더욱 구비할 수 있다.

상기 베드(200)는 압출기로부터 토출되는 용융된 소재가 디자인된 조형물로 형상화된다. 상기 베드의 하부에는 히터가 더욱 구비될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 베드 상에 설정되는 가상의 영역을 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 베드는 중앙부에 프린팅 영역(AA)이 설정되고, 상기 가장자리부에 금지 영역(DD)이 설정되며, 프린팅 영역과 금지 영역 사이에 이격 영역(BB)과 프리 프린팅 영역(CC)이 설정된다. 상기 프리 프린팅 영역은 금지 영역과 이웃하며, 이격 영역은 프린팅 영역과 이웃한다.

상기 프린팅 영역(AA)은 본 프린팅이 수행되는 영역이며, 상기 프리 프린팅 영역(CC)은 프리 프린팅이 수행되는 영역이다. 상기 프리 프린팅은 본 프린팅 이전에 수행된다.

본 발명에 따른 프리 프린팅은 소정의 길이를 갖는 직선 형상으로 형성할 수 있으며, 이러한 조형물은 베드 상에 프리 프린팅되는 기초 조형물과 적층 조형물일 수 있다. 여기서 기초 조형물은 베드 상에 프리 프린팅되는 제1 층 조형물이고, 상기 적층 조형물은 제1 층 조형물의 상부에 제2 층 조형물이 적층된 조형물일 수 있다. 실시예로서 상기 제1 층 조형물의 길이는 제2 층 조형물의 길이 보다 길게 프리 프린팅할 수 있다.

상기 카메라(300)는 프리 프린팅 영역의 상측에 설치된다. 상기 카메라는 프리 프린팅 영역에 프린팅되는 적층 조형물을 촬상한다. 본 발명에 따르면, 카메라로부터 촬상된 이미지는 프리 프린팅 영역에 프린팅되는 적층 조형물을 촬상할 수 있다.

상기 컨트롤러(500)는 압출기의 구동, 베드의 히팅, 조명부의 발광, 카메라의 촬상을 제어하고, 촬상된 영상신호로부터 본 프린팅 시점을 검출한다. 본 발명에 따른 컨트롤러는 촬상된 영상신호를 영상처리하는 영상처리부를 더욱 구비한다. 영상처리부는 영상신호로부터 프리 프린팅 영역에 프리 프린팅되는 제1 층 조형물과 제2 층 조형물의 폭(width)의 차이를 검출하고 본 프린팅 신호를 출력한다.

도 3은 본 발명에 따른 컨트롤러의 영상처리부를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 컨트롤러의 영상처리부(510)는 신호 변환부(511)와, 외곽선 검출부(512)와, 외곽선 비교부(513)와, 외곽선 판단부(514)를 포함한다.

상기 신호변환부(511)는 입력된 영상신호로부터 그레이스케일 신호로 변환한다. 입력되는 영상신호가 YUV 신호인 경우 Y신호를 추출한다. 다른 실시예로서 입력되는 영상신호가 RGB 신호인 경우 하기 변환식에 따라 RGB 신호를 YUV 신호로 변환하고, 변환된 YUV 신호 중에서 Y신호를 추출한다. 여기서 영상신호는 기초 조형물을 촬상한 제1 영상신호(S1)와, 상기 적층 조형물을 촬상한 제2 영상신호(S2)를 포함한다.

Y = (0.257R) + (0.504G) + (0.098B) +16

U = - (0.148R) - (0.291G) + (0.439B) + 128

V = (0.439R) - (0.368G) - (0.071B) + 128

상기 외곽선 검출부(512)는 그레이스케일 신호로부터 엣지라인을 검출한다. 실시예로서 그레이스케일 신호에서 폐곡선을 검출방식을 이용하여 엣지라인을 검출할 수 있다.

상기 외곽선 비교부(513)는 제1 층 조형물의 엣지라인과 제2 층 조형물의 엣지라인의 비교값을 계산한다.

실시예로서 상기 제1 층 조형물의 엣지라인과 제2 층 조형물의 엣지라인은 제1 층 조형물의 단부의 위치값을 기초로 이루어질 수 있다. 상기 적층 조형물은 제1 층 조형물과 제2 층 조형물로 이루어지는데, 제1 층 조형물의 길이는 제2 층 조형물의 길이보다 길다. 실시예로서 제2 층 조형물의 양측 단부의 외측에는 제1 층 조형물의 양측 단부가 형성된다. 제1 영상신호에 포함된 제1 층 조형물의 단부 위치값과 제2 영상신호에 포함된 제1 층 조형물의 단부 위치값을 매칭시킴으로써 제1 영상신호와 제2 영상신호를 정합할 수 있다.

본 발명에 따르면 제1 층 조형물의 엣지라인의 폭과 제2 층 조형물의 엣지라인의 폭을 비교하여 비교값을 계산한다.

상기 외곽선 판단부(514)는 외곽선 비교부로부터 계산된 비교값이 기 설정된 기준값 범위 이내일 경우 본 프린팅 개시신호를 출력한다.

이하, 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 3D 프린터를 이용하여 프린팅하는 것을 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 프린팅 방법을 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 프린팅 방법은 프린팅 영역으로부터 소정 거리로 이격된 가장자리 영역에 프리 프린팅을 수행하는 단계(S100)와, 상기 프리 프린팅의 엣지라인 폭을 확인하는 단계(S200)와, 프린팅 영역에 본 프린팅을 수행하는 단계(S300)를 포함한다.

3D 프린터의 베드는 사각형상으로 이루어지며, 디자인된 조형물은 베드의 상부에 적층된다. 조형물이 프린팅되는 본 프린팅 영역은 베드의 중앙부에 형성되고, 베드의 가장자리 영역은 본 프린팅이 이루어지지 않는다. 본 발명에서는 프린팅 영역으로 설정되는 프린팅 영역으로부터 소정 이격된 가장자리 영역에 프리 프린팅 영역으로 설정된다.

노즐로부터 토출되는 용융소재는 일정한 점도를 유지할 경우에 정상적인 적층이 이루어질 수 있다. 이러한 점도는 소재의 용융상태, 프린팅 온도 등에 따라 결정된다. 초기에 토출되는 용융소재는 요구되는 수준의 점도를 유지하기 어렵다. 이에 따라 적층이 정상적으로 이루어지는지 확인할 필요가 있다. 특히 압출기의 내부에서 프린팅 소재와 첨가제가 혼합하여 노즐로 토출하는 방식의 경우에는 적절한 혼합 상태가 이루어진 이후에 본 프린팅을 수행하여야 한다. 본 발명에서는 초기에 토출되는 용융소재의 점도가 일정수준의 점도에 도달했는지를 확인하는 프리 프린팅 단계를 거친다.

상기 프리 프린팅을 수행하는 단계는 가장자리 영역에 소정의 길이를 갖는 제1 층 조형물을 형성한 후, 상기 제1 층 조형물의 상부에 제2 층 조형물을 형성한다. 여기서 제1 층 조형물을 기초 조형물이라 하고 제1 층 조형물의 상부에 제2 층 조형물이 형성된 것을 적층 조형물이라 한다. 한편, 프린팅의 속도 및 토출량은 본 프린팅에서 수행될 속도와 토출량과 동일하게 설정된다.

이어서, 프리 프린팅에 의해 적층된 조형 결과물을 확인하는 공정이 수행된다. 상기 확인 공정은 작업자가 눈으로 직접 확인하고 본 프린팅을 수행할 지를 결정할 수 있지만, 본 발명에서는 카메라를 이용하여 검출한다. 상기 카메라는 상측에서 하측으로 촬상하여 제1 층과 제2 층 조형물의 엣지라인 폭을 확인할 수 있도록 프리 프린팅 영역의 상부에 설치된다. 이때 조명부는 기초 조형물과 적층 조형물을 선택적으로 조광할 수 있다.

본 발명에 따른 컨트롤러는 센서로부터 촬상된 이미지로부터 제1 층 조형물과 제2 층 조형물의 엣지라인 폭의 차이를 검출한다. 한편 제1 층 조형물은 베드의 상부에 직접적으로 접촉하여 형성된 것이고, 제2 층 조형물은 제1 층 조형물의 상부에 적층되는 것이어서, 제1 층 조형물과 제2 층 조형물의 프린팅 환경은 서로 다르다. 또한 제2 층 조형물은 제1 층 조형물에 비하여 어느 정도 안정된 토출조건을 갖는다. 이에 따라 제2 층 조형물의 적층여부에 따라 토출 조건이 충족되었는지를 확인할 수 있다.

우선, 본 발명에 따른 컨트롤러는 제1 층 조형물과 제2 층 조형물의 폭을 검출하고 제1 층 조형물과 제2 층 조형물의 폭을 비교한다. 만약 제2 층 조형물의 엣지 라인 제2 층 조형물의 엣지라인 보다 넓을 경우 아직 본 프린팅을 수행할 환경조건이 도달하지 않은 것으로 판단하고 이웃하는 프리 프린팅 영역에 또 다른 제1 층 조형물과 제2 층 조형물을 프린팅하여 적층하는 과정을 수행하며, 이러한 과정은 본 프린팅 개시신호(MPS)가 출력될 때까지 반복 수행될 수 있다.

만약 제2 층 조형물을 제1 층 조형물의 상부에 적층한 이후에 촬상한 폭이 제1 층 조형물과 동일한 값 또는 미리 설정된 허용할 범위 내의 값이라면 본 프린팅을 수행할 준비가 되었다는 것을 의미한다.

이어서 본 프린팅을 수행한다. 본 프린팅은 미리 설정된 프린팅 영역에서 수행된다. 상기 프린팅 영역과 프리 프린팅 영역은 소정 간격으로 이격되어 있으므로 완성된 조형물은 프리 프린팅의 결과물로부터 독립적이다.

본 발명에 따른 프리 프린팅을 수행하는 방법은 특히 초콜렛, 실리콘 등 점도가 낮은 물성을 갖는 프린팅 소재를 사용하여 프린팅을 수행할 때 프린팅 불량을 미연에 방지할 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100 : 압출기
200 : 베드
300 : 카메라
500 : 컨트롤러
510 : 영상처리부
511 : 신호 변환부
512 : 외곽선 검출부
513 : 외곽선 비교부
514 : 외곽선 판단부
AA : 프린팅 영역
BB : 이격 영역
CC : 프리 프린팅 영역
DD : 금지 영역

Claims

노즐이 구비되는 압출기와, 디자인된 조형물이 형성되는 베드와, 상기 베드의 상부를 촬상하는 카메라와, 상기 압출기와 카메라의 구동 및 동작을 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
상기 베드의 중앙부에 프린팅 영역이 설정되며, 상기 베드의 가장자리부에 금지 영역이 설정되고, 상기 프린팅 영역과 금지 영역 사이에 이격 영역과 프리 프린팅 영역이 설정되고,
상기 프리 프린팅 영역에는 제1 층 조형물과, 상기 제1 층 조형물의 상부에 형성되는 제2 층 조형물이 프리 프린팅되되, 상기 제1 층 조형물의 길이는 제2 층 조형물의 길이보다 길게 형성되고,
상기 카메라는 프리 프린팅 영역의 상측에 설치되고, 프리 프린팅된 조형물을 촬상하여 영상신호를 출력하며,
상기 컨트롤러는 프리 프린팅 영역에 적층되는 프리 프린팅 조형물의 폭을 기초로 상기 프린팅 영역의 프린팅 시점을 결정하는 영상처리부를 포함하고,
상기 영상처리부는 영상신호로부터 그레이스케일 신호로 변환하는 신호변환부와, 상기 그레이스케일 신호로부터 제1 층 조형물과 제2 층 조형물의 엣지라인을 검출하는 외곽선 검출부와, 상기 검출된 제1 층 조형물과 제2 층 조형물의 엣지라인의 폭을 비교하여 비교값을 계산하는 외곽선 비교부와, 상기 외곽선 비교부로부터 계산된 비교값이 기 설정된 기준값 범위 이내일 경우 본 프리팅 개시신호를 출력하는 외곽선 판단부를 포함하고,
상기 프리 프린팅은 본 프린팅 이전에 수행되고, 상기 외곽선 판단부의 본 프린팅 개시신호가 출력될 때까지 프리 프린팅 영역에 반복 수행하되, 상기 프리 프린팅의 속도 및 토출량은 본 프린팅에서 수행되는 속도 및 토출량과 동일하게 설정되고,
상기 영상처리부의 영상신호는 제1 층 조형물이 프린팅된 이후에 촬상하는 제1 영상신호와, 상기 제1 층 조형물의 상부에 제2 층 조형물이 형성된 이후에 촬상하는 제2 영상신호로 이루어지고, 상기 영상 처리부의 외곽선 검출부는 제1 영상신호에 포함된 제1 층 조형물의 단부의 엣지라인과 제2 영상신호에 포함된 제1 층 조형물의 단부의 엣지라인을 매칭시켜 제1 층 및 제2 층 조형물의 엣지라인 폭을 비교하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
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