KR102022904B1 - 3d 프린팅 장치 - Google Patents

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KR102022904B1
KR102022904B1 KR1020180010371A KR20180010371A KR102022904B1 KR 102022904 B1 KR102022904 B1 KR 102022904B1 KR 1020180010371 A KR1020180010371 A KR 1020180010371A KR 20180010371 A KR20180010371 A KR 20180010371A KR 102022904 B1 KR102022904 B1 KR 102022904B1
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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 열 축적에 의해 상기 제1 대상물의 물성이 불균일해지는 물성 에러를 상기 제1 대상물의 실제 프린팅 과정 전에 상기 제1 코드를 이용해서 파악하는 파악부; 상기 물성 에러를 유발하는 상기 제1 코드를 보정하는 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 물성 에러 또는 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 물성 에러 또는 변형 에러의 유발을 탐지하는 내용은 나타나지 않고 있다.
한국공개특허공보 제2016-0112092호
본 발명은 3D 프린터를 이용한 실제 프린팅 과정에서 발생되는 물성 에러 및 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 열 축적에 의해 상기 제1 대상물의 물성이 불균일해지는 물성 에러를 상기 제1 대상물의 실제 프린팅 과정 전에 상기 제1 코드를 이용해서 파악하는 파악부; 상기 물성 에러를 유발하는 상기 제1 코드를 보정하는 보정부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는 제1 대상물의 디자인에 해당하는 제1 코드만 제공받으면, 시뮬레이션을 통해 물성 에러가 예상되는 불균일 위치를 자동으로 파악할 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는 불균일 위치의 물성 에러를 해소할 수 있는 해결 명령을 3D 프린터를 제어하는 제1 코드에 추가할 수 있다. 제1 코드에 해결 명령이 추가된 제2 코드가 제1 코드를 대신해서 3D 프린터로 제공되면, 물성 에러가 자동으로 방지될 수 있다.
물성 에러가 해결된 실제의 제1 대상물은 전체적으로 균일한 물성을 가지게 되며, 물성 에러에 따른 각종 변형 에러 등이 방지될 수 있다.
본 발명에 따르면, 실제 프린팅이 수행되기 전 시뮬레이션 단계에서 불균일 위치의 파악이 가능하다. 따라서, 불균일 위치가 정상화될 동안 다른 곳을 먼저 프린팅하는 코드 변경이 가능하다. 코드 변경을 통해 제1 대상물 전체를 형성하는 시간은 동일하고 물성치만 균일하게 조절할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 온도 센서 등 별도의 하드웨어가 필요없는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 3D 프린팅 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 2는 제1 대상물을 나타낸 개략도이다.
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 열 축적에 따른 기계적 특성 측정을 위한 시편을 나타낸 개략도이다.
도 11은 히트 싱크와 접한 시편의 면적을 나타낸 사진이다.
도 12는 시편의 파단면 사진을 나타낸 사진이다.
도 13은 시편의 인장 특성을 나타낸 그래프이다.
도 14는 비교 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 15는 파악부의 동작을 나타낸 개략도이다.
도 16은 파악부와 보정부의 동작을 나타낸 개략도이다.
도 17은 제2 코드를 생성하는 보정부의 동작을 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 개략도이다.
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. 획득부(110)에서 획득한 제1 코드는 3D 프린터(200)를 제어하는 G 코드를 포함할 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. 3D 프린터(200)는 레이저 빔(laser beam)을 이용해서 고체 상태의 프린트 소재를 용융시킬 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.
디자인부(30)에서 소프트웨어적으로 설계된 제1 대상물(10)의 디자인은 도 2와 같을 수 있다. 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 에러가 유발될 수 있다. 이때의 에러는 물성 에러 또는 변형 에러를 포함할 수 있다.
3D 프린터(200)를 이용한 제1 대상물(10)의 프린팅 과정 중 에러가 발생되면, 제조된 제1 대상물(10)은 디자인부(30)에서 설계된 디자인에 해당하는 초기 설계값과 다르게 변형될 수 있다. 또는 완성된 제1 대상물(10)의 내구도가 설계값을 만족하지 못하여 쉽게 깨질 수 있다.
제1 대상물(10)의 실제 프린팅 과정에서 제1 대상물(10)의 외형이 초기 설계값과 다르게 변형되는 것을 변형 에러로 정의하기로 한다. 제1 대상물(10)의 실제 프린팅 과정에서 제1 대상물(10)의 물성 균일도가 초기 설계값과 다르게 불균일해지는 것을 물성 에러로 정의하기로 한다.
3D 프린팅의 특성상 모든 부위에서 각종 에러가 발생될 수 있으며, 이 점을 고려해서 변형 에러 또는 물성 에러는 각종 에러 중 허용 범위를 초과하는 에러를 지칭할 수 있다.
일 예로, 디자인부(30)에서 설계된 제1 대상물(10)은 도 2와 같이 브릿지(bridge) 형상일 수 있다.
도 2의 (a)는 제1 코드(1st code)를 이용해서 3D 프린터(200)가 생성한 제1 대상물(10)의 온도장을 나타내고, 도 2의 (b)는 보정부(150)에서 생성된 제2 코드(2nd code)를 이용해서 실제 3D 프린터가 생성한 제1 대상물(10)의 온도장을 나타낼 수 있다.
도 2에서 붉은색은 온도가 높은 부분을 나타내고, 초록색은 붉은색보다 온도가 낮은 부분을 나타내고, 파란색은 초록색보다 온도가 낮은 부분을 나타낸다.
살펴보면, 제1 코드를 이용해 프린팅된 제1 대상물(10)의 온도 분포는 붉은색부터 파란색까지 급격하게 다른 모습을 보이고 있다. 제2 코드를 이용해 프린팅된 제1 대상물(10)의 온도 분포는 일부 붉은색 부분이 나타나기는 하나, 전반적으로 초락색부터 파란색까지 완만한 모습을 보이고 있다.
도 2의 온도장은 3D 프린터(200)로부터 출력된 프린트 소재의 열 변형 등에 기인한 것으로, 기하학적인 외형만 고려된 디자인부(30)의 디자인 또는 프리뷰 등을 통해서는 파악할 수 없다. 따라서, 제1 대상물(10)의 열 축적 상태를 나타내는 온도장은 3D 프린터(200)를 통해 제1 대상물(10)을 직접 제조한 후에만 파악될 수 있다. 제1 대상물(10)의 온도장은 물성 에러와 관련될 수 있다.
도 2의 (a)와 같이 제1 대상물에서 각 부분의 온도차가 심각하게 나타나면 물성 에러가 발생될 수 있다. 반면, 도 2의 (b)와 같이 제1 대상물에서 각 부분의 온도차가 적으면 물성 에러가 방지될 수 있다.
도 10은 열 축적에 따른 기계적 특성 측정을 위한 시편을 나타낸 개략도이다.
시편(12)의 기계적 특성 측정을 위해 도 10과 같이 막대 형상의 얇은 시편(12)을 동일한 프린트 소재로 동일한 공정 안에서 총 8가지의 자세로 한 번에 제작하였다.
각 시편을 지지하는 바닥면은 제1 대상물(10)을 지지하고 제1 대상물(10)을 냉각시키는 히트 싱크일 수 있다.
도 11은 히트 싱크와 접한 시편의 면적을 나타낸 사진이다.
히트 싱크와 접한 시편의 면적은 열 빠짐 통로의 단면적에 해당할 수 있다.
도 11의 사진을 살펴보면, Flat 30 시편과 Up 45 시편의 열 빠짐 통로의 단면적이 10배 이상 차이가 나고 있다.
열 빠짐 통로의 단면적, 다시 말해 히트 싱크에 접한 면적이 큰 Flat 30 시편은 급속하게 냉각되는 반면, 열 빠짐 통로의 단면적이 작은 Up 45 시편은 느리게 냉각된다.
도 12는 시편의 파단면 사진을 나타낸 사진이다.
도 12의 (a)는 Up 45 시편의 파단면을 100배 확대한 사진이고, 도 12의 (b)는 Flat 30 시편의 파단면을 100배 확대한 사진이다. 도 12의 (c)는 Up 45 시편의 파단면을 500배 확대한 사진이고, 도 12의 (d)는 Flat 30 시편의 파단면을 500배 확대한 사진이다.
파단면을 관찰하면, 느리게 냉각된 Up 45 시편은 연성 파괴의 특징을 가지며, 급속하게 냉각된 Flat 30 시편은 취성 파괴의 특징을 갖는다.
따라서, 동일한 프린트 소재를 동일한 공정에서 가공해도 열 이력에 따라 다른 물성을 가질 수 있음을 확인할 수 있다.
도 13은 시편의 인장 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13의 (a)는 Up 45 시편의 인장 특성을 나타내고, 도 13의 (b)는 Flat 30 시편의 인장 특성을 나타낸다.
인장 시험 결과, 느리게 냉각된 Up 45 시편은 연성 재료의 특징을 가지며, 급속하게 냉각된 Flat 30 시편은 취성 재료의 특징을 갖는 것으로 나타났다.
결국, 열 빠짐 정도, 다시 말해 냉각 속도에 따라 결정되는 열 축적 상태에 따라 적층 과정에서 조직의 성장이 다르게 발생되고 결과적으로 기계적 물성이 달라짐을 알 수 있다. 따라서, 물성 에러는 제1 대상물(10)의 각 부분이 열 축적으로 인해 서로 다른 온도를 갖는 것에 기인한다.
층 단위로 프린트 소재를 적층시키며 제1 대상물(10)을 형성하는 3D 프린팅 과정에서 기계적 물성 변화는 동일 층에서도 다르게 나타날 수 있다. 예를 들어, 특정 층의 일부분은 취성 성질을 갖는 반면, 해당 특정 층의 타부분은 연성 성질을 가질 수 있다. 하나의 제1 대상물(10) 내에서 각 부분마다 물성이 달라지면, 제1 대상물(10)의 형성 과정 중 변형 에러가 발생되기 쉽다. 설사, 심각한 변형 에러가 발생되지 않더라도 제1 대상물(10)의 내구도가 낮은 문제, 수명이 줄어드는 문제가 쉽게 발생될 수 있다.
따라서, 열 축적에 따른 변형 에러, 내구도 문제, 사용 수명 문제 등을 개선하기 위해 제1 대상물(10)의 물성을 균일화해야 한다. 물성의 균일화를 위해 프린팅 과정 중 제1 대상물(10)의 각 부분의 온도차를 설정 범위 내로 제한할 필요가 있다. 상온으로 냉각된 부분을 고려하면서 각 부분의 온도차를 설정 범위로 제한하기 위해, 설정 온도 이상으로 열 축적되는 부분을 방지해야 한다.
3D 프린팅의 단점 중 하나는 제작 속도가 매우 느리다는 것이다. 이러한 단점을 갖는 상태에서, 물성 에러가 발생되면 문제가 심각해질 수 있다. 왜냐하면, 디자인과 동일한 제1 대상물(10)을 제조하기 위해, 일단 3D 프린팅을 수행하고 온도장에 따른 물성 에러를 확인하며 물성 에러의 대비책을 마련하고, 대비책을 반영해서 다시 3D 프린팅을 수행해야 하기 때문이다. 그 결과, 물성 에러가 해소된 제1 대상물(10)을 제조하는데 극악하게 긴 시간이 소요될 수밖에 없다.
제1 대상물(10)을 반복적으로 제조함으로써 물성 에러를 극복하는 방식을 탈피하기 위해, 프린트 소재의 적층과 적층 사이에 무조건 3D 프린터를 쉬게 하는 방식이 적용될 수 있다.
프린트 소재가 충분히 냉각될 수 있는 휴식 시간이 보장되므로, 열 축적에 기인한 물성 에러가 방지될 수 있다. 그러나, 무조건 적용되는 휴식 시간으로 이해 가뜩이나 느린 3D 프린팅의 속도가 기하급수적으로 느려지는 문제가 있다.
도 14는 비교 실시예를 나타낸 개략도이다.
도 14의 (a)와 같이 비교 실시예는 별도의 온도 센서(90)를 포함할 수 있다.
온도 센서(90)는 실제 환경에서 3D 프린터(200)에 의해 성형되는 제1 대상물(10)의 성형 과정을 모니터링하고, 모니터링된 결과를 기반으로 쉼 명령을 3DP 컨트롤러(70)로 전달할 수 있다. 쉼 명령은 3D 프린터(200)가 제1 대상물(10)의 표면을 지지는 레이저 빔의 출력을 중지시킬 수 있다.
도 14의 (b)를 살펴보면, 온도 센서(90)가 적용되지 않은 공정(Standard Process)의 경우, 제1 대상물의 표면 온도가 붉은색 그래프와 같이 설정값을 넘는다. 설정값을 넘는 표면 온도를 가지면 물성 에러가 유발되기 쉽다.
온도 센서(90)가 적용된 공정(Controlled Process)의 경우, 제1 대상물의 표면 온도가 파란색 그래프, 보라색 그래프와 같이 설정값을 넘지 않는 것을 알 수 있다. 따라서, 실제 프린팅 환경에 추가된 온도 센서(90)에 따르면 열 축적에 따른 물성 에러의 방지가 가능할 것으로 기대된다.
그러나, 비교 실시예는 3D 프린터(200)에 의한 프린트 소재의 적층 과정에서 쉼 명령이 추가되는 수동 제어(passive control)에 의존하므로, 무조건 쉼 명령이 추가되는 것과 비교하여 양호하지만 어쨌든 적층 과정 전체의 시간이 늘어나는 단점이 있다.
특히, 비교 실시예는 물성 에러를 유발하는 제1 코드의 보정이 불가능하다. 따라서, 표면 온도가 설정값을 넘게 하는 명령이 포함된 제1 코드가 그대로 이용되므로 표면 온도가 설정값을 넘는 부분이 항상 발생되며, 그때마다 항상 쉼 명령이 3DP 컨트롤러로 전달되어야 한다. 또한, 쉼 명령을 3DP 컨트롤러로 제공하는 온도 센서(90)가 지속적으로 마련되어야 한다.
본 발명은 실제로 3D 프린팅이 수행되기 전에 물성 에러를 파악하고 해결 방안을 제공하기 위한 것일 수 있다. 사전에 물성 에러를 파악하기 위해 파악부(130)가 이용될 수 있다.
다시 도 1로 돌아가서, 파악부(130)는 제1 대상물(10)의 실제 프린팅 과정에서 열 축적에 의해 제1 대상물(10)의 물성이 불균일해지는 물성 에러를 제1 대상물(10)의 실제 프린팅 과정 이전에 제1 코드를 이용해서 파악할 수 있다.
파악부(130)에 의해 물성 에러가 파악되면, 보정부(150)는 물성 에러의 발생을 방지하는 대비책을 마련할 수 있다. 일 예로, 보정부는 물성 에러를 유발하는 제1 코드를 보정할 수 있다.
보정부(150)는 제1 코드(1st code)를 기반으로 물성 에러가 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 레이저 빔의 경로를 파악하고, 물성 에러의 발생이 억제되게 레이저 빔의 경로 등이 수정된 제2 코드를 생성할 수 있다.
제1 대상물(10)의 형상이 설계값과 다르게 변형되는 변형 에러는 3D 프린터(200)로부터 출력된 프린트 소재의 결합 변형, 열 변형, 물성 에러 등에 기인할 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 물성 에러가 예상되는 불균일 위치를 파악할 수 있다.
보정부(150)는 불균일 위치에 대한 물성 에러를 유발하는 에러 명령어, 다시 말해 불균일 위치를 설정값 이상의 온도로 가열하는 에러 명령어를 상기 제1 코드에서 파악할 수 있다.
보정부(150)는 제1 코드에서 에러 명령어가 보정된 제2 코드를 생성하며, 제1 코드를 대신해서 제2 코드를 3D 프린터(20)로 제공할 수 있다.
파악부(130)는 제1 대상물의 표면의 온도 분포를 시뮬레이션을 통해 파악할 수 있다. 파악부(130)는 제1 대상물(10)의 표면 중 설정 온도를 만족하는 위치를 물성 에러의 발생이 예상되는 불균일 위치로 파악할 수 있다.
보정부(150)는 불균일 위치를 가공하는 제1 코드의 에러 명령어를 보정할 수 있다.
일 예로, 에러 명령어의 보정은 3D 프린터(200)의 레이저 빔이 불균일 위치에 조사되기 전에 3D 프린터(200)의 레이저 빔 출력을 설정 시간동안 중지시키는 것이거나, 레이저 빔이 불균일 위치를 우회하여 불균일 위치보다 후순위의 다른 위치를 먼저 조사하게 하는 것일 수 있다.
에러 명령어가 보정된 제2 코드에 따라 동작하는 3D 프린터(20)는 열 축적에 기인한 물성 에러가 예상되는 불균일 위치에 대한 가열 동작, 예를 들어 레이저 빔 조사 동작을 멈출 수 있다.
그 결과, 불균일 위치의 온도는 설정값을 넘지 않게 되므로, 열 축적 및 온도차에 기인한 물성 에러가 방지될 수 있다.
실제 프린팅 과정 전에 불균일 위치를 파악하기 위해, 파악부(130)는 제1 코드를 이용해서 가상 공간에 제1 대상물의 형성 과정을 시뮬레이션할 수 있다.
시뮬레이션의 정확도를 개선하고, 시뮬레이션을 통한 물성 에러 또는 불균일 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 제1 대상물의 성형 과정을 시뮬레이션하기 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 물성 에러 또는 변형 에러를 파악할 수 있다. 예상 수단(139)은 물성 에러의 양, 물성 에러가 발생된 불균일 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 에러를 유발하는 원인이 되므로, 모의 수단(135)에서 이루어지는 제1 대상물(10)의 제작 시뮬레이션 과정에 변형 에러가 나타날 수 있다. 변형 에러는 변형 에러와 관련된 물성 에러를 보정하는 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 레이저 빔에 의해 지져지는 위치의 진행 경로 또는 프린트 소재가 출력되는 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 에러의 파악에는 별다른 무리가 없다. 복셀(11)에 따르면, 변형 에러를 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 에러를 파악할 수 있다. 일 예로, 예상 수단(139)은 스트레인 텐서 또는 스트레스 텐서가 기설정된 설정값을 초과하면 변형 에러가 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 에러가 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 데이터의 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). 시뮬레이션을 통해 형성 중인 제1 대상물의 표면 온도가 열 변형량의 계산을 통해 시뮬레이션 단계에서 파악될 수 있다.
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 에러가 보정된 제2 코드의 생성에 이용될 수 있다.
표시부(170)로 전달된 시뮬레이션 결과는 디스플레이를 통해 사용자에게 시각적으로 표시될 수 있다.
도 15는 파악부의 동작을 나타낸 개략도이다.
파악부(130)는 3D 프린터(200)가 제1 대상물(10)을 형성하는 가상의 시뮬레이션 환경에서 제1 대상물(10)의 표면(17)을 지지는 3D 프린터(200)의 레이저 빔 조사 위치를 따라다니는 모니터링 서클(monitoring circle)(137)을 생성할 수 있다.
파악부(130)는 모니터링 서클(137)을 이용해서 제1 대상물의 표면 온도를 스캔하고, 물성 에러의 발생이 예상되는 불균일 위치를 파악할 수 있다. 일 예로, 모의 수단(135)은 프린트 소재의 특성, 레이저 빔의 온도 등을 이용해서 제1 대상물(10)의 표면 온도를 모의적으로 파악할 수 있다.
모니터링 서클(137)은 레이저 빔의 조사 영역(207)보다 큰 스캔 면적을 갖는 폐곡선 형상으로 형성될 수 있다. 일 예로, 모티터링 서클(137)은 다각형 또는 도 15에 도시된 바와 같이 원형으로 형성될 수 있다.
파악부(130)는 모니터링 서클(137)의 스캔 위치 중 스캔 면적의 온도, 예를 들어 스캔 면적 전체의 평균 온도가 설정 온도를 만족하는 위치를 불균일 위치로 파악할 수 있다. 모니터링 서클(137)은 폐곡선의 중심이 레이저 빔의 조사 위치에 일치하도록 레이저 빔을 따라다닐 수 있다.
레이저 빔에 의해 지져지는 조사 영역(207)의 온도는 설정 온도보다 높을 수 있다. 그러나, 조사 영역(207) 주변의 온도는 설정 온도보다 낮을 수 있다. 따라서, 레이저 빔을 중심에 두고 레이저 빔을 따라다니는 모니터링 서클(137)을 이용하면, 현재 레이저 빔에 지져지고 있는 지점 및 그 지점 주변 영역의 열 축적 상태를 파악할 수 있다. 해당 영역의 열 축적 상태는 모니터링 서클(137) 내 전체 면적의 평균 온도에 의해 파악될 수 있다.
파악부(130)는 제1 대상물(10)에서 레이저 빔에 의해 프린트 소재가 새롭게 적층되는 적층 표면을 기준으로 온도장 결과를 예측할 수 있다. 이때, 파악부(130)는 모니터링 서클(137) 내부 온도장의 평균 온도, 다시 말해 스캔 면적의 평균 온도가 프린트 소재 융점의 30%를 만족하는 스캔 위치(모니터링 서클의 중심)를 불균일 위치로 파악할 수 있다.
불균일 위치는 실제로 점 단위가 아닌 면 단위일 수 있다. 따라서, 최초 불균일 위치가 파악된 이후에도 해당 최초 불균일 위치를 유발한 제1 코드를 따라 프린트 소재를 적층하면서 다른 불균일 위치를 찾는 것이 무의미하다. 의미를 갖는 불균일 위치를 탐색하기 위해 파악부(130)에서 제1 대상물을 형성하는 시뮬레이션 과정에 보정부(150)가 개입될 수 있다.
도 16은 파악부와 보정부의 동작을 나타낸 개략도이다.
파악부(130)는 모니터링 서클(137)을 이용해 스캔하는 과정 중 불균일 위치 e가 파악되면, 불균일 위치 e의 정보를 보정부(150)로 전달할 수 있다.
보정부(150)는 파악부(130)로부터 불균일 위치 e를 전달받고, 제1 코드에서 불균일 위치 e를 경유하는 레이저 빔의 조사 경로를 파악할 수 있다.
보정부(150)는 조사 경로를 따라 이동하는 레이저 빔의 조사 위치가 불균일 위치 e에 도달하기 전에 불균일 위치 e를 우회하도록 레이저 빔의 조사 경로를 보정할 수 있다.
파악부(130)는 보정부(150)에 의해 레이저 빔의 조사 경로가 변경된 제1 코드를 이용해서 제1 대상물(10)을 형성하는 나머지 시뮬레이션 과정을 수행할 수 있다.
일 예로, 3D 프린터(200)는 프린트 소재를 30㎛ 두께로 적층해가며 제1 대상물(10)을 형성할 수 있다.
도면에서 3D 프린터(200)는 x축 방향을 따라가면서 프린트 소재를 적층하고, y축 방향으로 프린트 소재의 적층없이 이동한 후 다시 x축 방향을 따라가면서 소재를 적층할 수 있다. 3D 프린터(200)의 실제 동작은 파악부(130)에 의해 가상 공간 상에서 동일하게 동작할 수 있다.
예를 들어, 3D 프린터(200)는 y축 방향으로 설정 간격만큼 이격된 제1 라인 y1, 제2 라인 y2, 제3 라인 y3,...,제n 라인 yn을 따라 가며 프린트 소재를 적층할 수 있다.
제1 라인 y1은 y축 방향 상으로 제1 위치에 형성되고 x축을 따라 연장되는 가상선일 수 있다. 제2 라인 y2는 y축 방향 상으로 제2 위치에 형성되고 x축을 따라 연장되는 가상선일 수 있다.
제1 라인 y1을 따라가면서 프린트 소재의 적층을 완료한 레이저 빔은 y축 방향 상으로 제2 위치로 프린트 소재의 적층없이 이동한 후 제2 라인 y2를 따라 이동하며 프린트 소재를 적층할 수 있다.
이때, 모니터링 서클(137)은 레이저 빔을 따라 이동하면서, 제1 대상물 표면(17)의 온도를 스캔할 수 있다. 스캔 결과 제2 라인 y2를 따라 프린트 소재를 적층하는 중간에 불균일 위치 e가 파악될 수 있다.
불균일 위치 e를 전달받은 보정부(150)는 불균일 위치 e를 시간적 또는 공간적으로 우회하도록 레이저 빔의 조사 경로를 보정할 수 있다.
일 예로, 보정부(150)는 제1 라인 y1에 대한 프린트 소재의 적층이 완료되고 제2 라인 y2에 대한 프린트 소재의 적층이 개시되기 전에, 설정 시간동안 레이저 빔의 출력을 중지시키는 것을 통해 불균일 위치 e를 시간적으로 우회할 수 있다. 보정부(150)의 보정 정보는 파악부(130)로 전달될 수 있다.
파악부(130)는 보정 정보에 따라 제1 라인 y1에 대한 프린트 소재의 적층이 완료되고 제2 라인 y2에 대한 프린트 소재의 적층이 개시되기 전에, 설정 시간동안 레이저 빔의 출력을 중지시키는 상황을 시뮬레이션할 수 있다. 해당 시뮬레이션에 따르면 기파악된 불균일 위치 e는 레이저 빔의 출력이 멈춘 설정 시간동안 냉각되므로 정상 위치로 변경될 수 있다. 따라서, 파악부(130)는 설정 시간의 쉼 구간을 가진 후 제2 라인 y2에 대한 프린트 소재의 적층을 정상적으로 수행할 수 있다.
스캔 결과 제2 라인 y2를 따라 프린트 소재를 적층하는 중간에 불균일 위치 e가 파악되면, 보정부(150)는 제2 라인 y2를 건너뛰는 것을 통해 불균일 위치 e를 공간적으로 우회할 수 있다.
구체적으로, 보정부(150)는 제1 라인 y1에 대한 프린트 소재의 적층이 완료된 후 제2 라인 y2를 건너뛰고 제1 코드에서 제2 라인 y2의 후순위에 해당하는 제3 라인 y3이 먼저 적층되도록 할 수 있다.
파악부(130)는 보정부(150)의 보정 정보에 따라 제1 라인 y1에 대한 프린트 소재의 적층이 완료된 후, 제3 라인 y3에 대한 프린트 소재의 적층을 수행할 수 있다.
보정부(150)는 제3 라인 y3에 대한 적층이 완료된 후 제2 라인 y2의 적층이 수행되도록 할 수 있다. 만약, 제2 라인 y2의 불균일 위치가 여전히 해소되지 않으면, 보정부는 제4 라인 y4에 대한 적층을 제2 라인 y2보다 먼저 수행하도록 할 수 있다.
공간적 우회에 따르면, 불균일 위치 e가 포함된 특정 라인 전체에 대한 적층 공정이 후순위로 밀리게 되나, 쉼 구간이 발생되지 않으므로 전체 프린팅 공정 시간이 물성 에러를 고려하지 않는 공정 시간에 수렴되는 장점이 있다.
보정부(130)는 파악부(130)에 의한 제1 대상물의 시뮬레이션 도중 또는 시뮬레이션이 완료되면, 해당 시뮬레이션 과정 중 파악부(130)로 전달한 보정 정보를 이용해서 제1 코드를 수정하여 제2 코드를 생성할 수 있다.
도 17은 제2 코드를 생성하는 보정부의 동작을 나타낸 개략도이다.
일 예로, 제1 코드(1st code)는 제1 라인 y1, 제2 라인 y2, 제3 라인 y3, 제4 라인 y4의 순서대로 프린트 소재를 적층할 수 있다.
도 17의 (a)와 같이 보정부(150)는 제2 라인 y2에서 불균일 위치 e가 스캔되면, 제1 코드의 제2 라인 처리 명령어와 제3 라인 처리 명령어의 순서를 변경할 수 있다.
보정부(150)의 처리 결과는 파악부(130)에 반영될 수 있다.
파악부(130)는 불균일 위치 e가 스캔되기 전의 작업 라인부터 보정부(150)의 처리 결과에 따라 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 일 예로, 제2 라인에 불균일 위치 e가 발견되면, 제1 라인의 완료 시점으로 돌아간 후 보정부(150)에 의해 변경된 순서에 따라 제2 라인은 건너뛰고 제3 라인을 처리하는 시뮬레이션을 수행할 수 있다.
한번 제2 라인의 다음 순위에 해당하는 제3 라인 y3에서도 불균일 위치가 발견될 수 있다.
제3 라인의 후순위에 해당하는 작업 라인이 제3 라인보다 먼저 처리되어야 한다. 그런데, 도 17의 (a)에 나타난 제2 코드(2nd code)를 살펴보면, 보정부(150)의 이전 보정 작업에 의해 제3 라인 y3의 후순위가 제2 라인 y2인 상태이다. 이 경우, 불균일 위치 e가 포함된 제2 라인과 제3 라인이 무한 반복되게 순서가 바뀌는 보정이 발생될 수 있으며, 보정 결과에 따라 시뮬레이션 순서가 달라지는 파악부(130) 역시 정상적으로 동작하기 어렵다.
따라서, 보정부는 현재 작업 라인과 이전 작업 라인 모두에 불균일 위치 e가 존재하면, 도 17의 (b)와 같이 현재 작업 라인의 처리 명령어와 이전 작업 라인의 처리 명령어를 그룹으로 묶어서 다음 후순위 작업 라인과 순서를 바꿀 수 있다.
불균일 위치 e로 인해 다른 작업 라인 또는 다른 명령어의 후순위로 밀린 특정 라인 또는 특정 명령어는 해당 층에 대한 나머지 부분의 적층이 완료된 후 적층되거나 실행될 수 있다.
한편, 불균일 위치 e를 공간적으로 우회하여 후순위 부분을 먼저 적층하기 위해 모니터링 서클(137)의 스캔 면적 s 크기가 적절하게 정해져야 한다.
예를 들어, 특정 층의 전체 면적이 10이고 스캔 면적 s가 20이면, 불균일 위치가 발견되더라도 해당 불균일 위치를 우회하더라도 적층할 수 있는 다른 부분이 없는 문제가 발생된다.
결국, 정상적인 공간적 우회를 위해 스캔 면적 s는 현재 적층 대상이 되는 특정 층의 전체 면적보다 작아야 한다. 일 예로, 모니터링 서클(137)의 넓이는 현재 적층 대상이 되는 특정 층의 전체 면적에 대해 5%이하인 것이 좋다.
3D 프린터(200)는 한 층씩 프린트 소재를 적층 시켜가며 상기 제1 대상물(10)을 형성할 수 있다. 이때, 각 층의 넓이는 서로 다를 수 있다.
파악부(130)는 현재 적층되는 특정 층의 전체 표면적에 비례하게 스캔 면적 s를 조절할 수 있다.
스캔 면적 s는 파악부(130)에 의해 각 층마다 적응적으로 변경될 수 있다.
일 예로, 제1 층의 전체 면적이 100이고 제2 층의 전체 면적이 200일 수 있다. 이때, 파악부(130)는 제1 층에 대한 모니터링 서클(137)의 넓이를 5로 조절하고, 제2 층에 대한 모니터링 서클(137)의 넓이를 10으로 조절할 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는 제1 대상물(10)의 적층 과정을 가상 공간에서 시뮬레이션하고 가상 공간에 형성되는 제1 대상물(10)의 표면(레이저 빔에 의해 지져지는 면) 온도를 열 해석을 통해 파악할 수 있다.
열 해석을 통해 불균일 위치를 파악하고, 불균일 위치와 관련된 제1 코드를 보정할 수 있다. 가상 공간에서 제1 대상물의 가상 적층이 완료되면, 제1 코드에 보정 내용이 반영된 제2 코드가 형성되며, 해당 제2 코드는 실제의 3D 프린터 또는 3DP 컨트롤러로 제공될 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치에 따르면, 제1 대상물의 물성이 균일화될 수 있다. 물성의 균일화로 인해 각종 변형 에러가 예방되며, 제1 대상물의 내구성 및 사용 수명이 개선될 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...시편 15...마이크로 스트럭쳐
17...제1 대상물의 표면 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 137...모니터링 서클
139...예상 수단 150...보정부
170...표시부 200...3D 프린터
207...레이저 빔의 조사 영역

Claims (9)

  1. 제1 대상물을 프린팅하기 위해 3D 프린터를 제어하는 제1 코드가 마련될 때, 상기 제1 코드를 획득하는 획득부;
    상기 제1 대상물의 실제 프린팅 과정에서 열 축적에 의해 상기 제1 대상물의 물성이 불균일해지는 물성 에러를 상기 제1 대상물의 실제 프린팅 과정 전에 상기 제1 코드를 이용해서 파악하는 파악부;
    상기 물성 에러를 유발하는 상기 제1 코드를 보정하는 보정부;
    를 포함하고,
    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 물성 에러가 예상되는 불균일 위치를 파악하며,
    상기 보정부는 상기 불균일 위치에 대한 물성 에러를 유발하는 에러 명령어를 상기 제1 코드에서 파악하고,
    상기 보정부는 상기 제1 코드에서 상기 에러 명령어가 보정된 제2 코드를 생성하며, 상기 제1 코드를 대신해서 상기 제2 코드를 상기 3D 프린터로 제공하고,
    상기 파악부는 상기 제1 대상물의 표면의 온도 분포를 시뮬레이션을 통해 파악하고, 상기 제1 대상물의 표면 중 설정 온도를 만족하는 위치를 상기 물성 에러의 발생이 예상되는 불균일 위치로 파악하며,
    상기 보정부는 상기 불균일 위치를 가공하는 상기 제1 코드의 에러 명령어를 보정하고,
    상기 에러 명령어의 보정은 상기 3D 프린터의 레이저 빔이 상기 불균일 위치에 조사되기 전에 상기 3D 프린터의 레이저 빔 출력을 설정 시간동안 중지시키는 것이거나, 상기 레이저 빔이 상기 불균일 위치를 우회하여 상기 불균일 위치보다 후순위의 다른 위치를 먼저 조사하게 하는 것인 3D 프린팅 장치.

  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 파악부는 상기 3D 프린터가 상기 제1 대상물을 형성하는 가상의 시뮬레이션 환경에서 상기 3D 프린터의 레이저 빔 조사 위치를 따라다니면서 상기 제1 대상물의 표면 온도를 스캔하는 모니터링 서클(monitoring circle)을 이용하여 상기 물성 에러의 발생이 예상되는 불균일 위치를 파악하는 3D 프린팅 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 모니터링 서클은 상기 레이저 빔의 조사 영역보다 큰 스캔 면적을 갖는 폐곡선 형상으로 형성되고,
    상기 파악부는 상기 모니터링 서클의 스캔 위치 중 상기 스캔 면적의 온도가 설정 온도를 만족하는 위치를 상기 불균일 위치로 파악하는 3D 프린팅 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모니터링 서클은 상기 폐곡선의 중심이 상기 레이저 빔의 조사 위치에 일치하도록 상기 레이저 빔을 따라다니는 3D 프린팅 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 보정부는 상기 제1 코드에서 상기 불균일 위치를 경유하는 상기 레이저 빔의 조사 경로를 파악하고,
    상기 보정부는 상기 조사 경로를 따라 이동하는 상기 레이저 빔의 조사 위치가 상기 불균일 위치에 도달하기 전에 상기 불균일 위치를 우회하도록 상기 레이저 빔의 조사 경로를 보정하며,
    상기 파악부는 상기 보정부에 의해 상기 레이저 빔의 조사 경로가 보정된 제1 코드를 이용해서 상기 제1 대상물을 형성하는 나머지 시뮬레이션 과정을 수행하는 3D 프린팅 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 3D 프린터는 한 층씩 프린트 소재를 적층 시켜가며 상기 제1 대상물을 형성하고,
    상기 파악부는 현재 적층되는 특정 층의 전체 표면적에 비례하게 상기 스캔 면적을 조절하며,
    상기 스캔 면적은 상기 파악부에 의해 각 층마다 적응적으로 변경되는 3D 프린팅 장치.
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