KR102067873B1 - 3d 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3D 프린터에 공급되는 금속파우더량을 효율적으로 공급하기 위한 공급량 산출방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 금속파우더 공급 후 레이저 조사 부위에 재공급되는 금속파우더를 효율적으로 공급할 수 있는 산출방법에 관한 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법은 출력된 경로에 따라 조사한 레이저에 의하여 상기 금속파우더가 멜팅(melting)된 레이어를 확인하는 제1단계; 상기 레이어의 좌표값의 확인하는 제2단계; 상기 제2단계에서 좌표값이 존재하는 경우, 상기 좌표값의 시작점과 종료점을 이용하여 출력거리를 계산하는 제3단계; 상기 계산된 출력거리와 상기 레이저의 직경을 이용하여 출력단면적을 계산하는 제4단계; 상기 계산된 출력단면적을 리스트화하는 제5단계; 상기 제2단계에서 확인된 좌표값의 다음 좌표값을 확인하는 제6단계; 상기 제6단계에서 확인되는 좌표값이 없는 경우, 상기 제5단계에서 리스트화된 출력단면적을 합산하여 총단면적을 계산하는 제7단계; 상기 총단면적과 상기 레이어의 두께를 이용하여 출력부피를 구하는 제8단계; 상기 계산된 출력부피를 이용하여 금속파우더공급량을 계산하는 제9단계;를 포함하는 과정으로, 상기 레이저 조사로 금속 파우더가 멜팅되면서 함몰되는 양을 예측하여, 다음 레이어 적층을 위하여 필요한 금속파우더가 보다 정확한 량으로 공급될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법{METHOD FOR CALCULATING METAL POWDER SUPPLY RATE OF 3D PRINTER}
본 발명은 3D 프린터에 공급되는 금속파우더량을 효율적으로 공급하기 위한 공급량 산출방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 금속파우더 공급 후 레이저 조사 부위에 재공급되는 금속파우더를 효율적으로 공급할 수 있는 산출방법에 관한 것이다.
삼차원(3D) 인쇄는 연속적인 계층의 물질을 적층하여 3차원 물체를 만들어내는 기술로, 제품 도면을 통한 시제품 생산 등에 사용되어 산업분야에 널리 적용되고 있다. 삼차원 프린터는 플라스틱, 금속, 잉크 등 다양한 소재를 층층이 쌓아 올려 입체적 형상의 물건을 제작하게 된다.
삼차원 프린터를 이용하여 물건을 제작하는 방법은, 먼저 만들고자 하는 대상이 되는 물건을 스캐너를 이용하여 삼차원 스캔 후 컴퓨터에 이미지 데이터로 저장한다. 다음으로, 저장된 데이터를 미분하듯이 가로로 1 만개 이상 잘라 분석한 후, 얇은 막(레이어)을 한 층씩 쌓아 물건의 바닥부터 상부까지 완성한다. 보다 구체적으로, 금속 소재를 이용하여 상기 레이어를 쌓는 과정은, 상기 레이어 적층 두께 만큼 금속 파우더가 공급되면 상기 금속파우더에 레이저를 조사하여 적층시켜 나간다. 이를 SLM방법이라 한다.
일반적으로 SLM방법은 상기 금속파우더에 레이저를 조사하고 상기 레이저가 조사된 부위만 멜팅(melting) 되므로, 출력물 크기만큼 금속파우더를 더 공급해야한다. 그러나 금속파우더의 경우 가격이 비싸고, 재활용하여 사용하기 어려우며, 많은 양의 금속파우더를 공급하게 되면 낭비가 심하여 출력물 최대크기만큼 출력하기에는 부족한 문제점이 있었다.
한국등록특허 10-1700669 {삼차원 회로 구조체의 제조 방법, 그 방법에 의해 제조된 삼차원 회로 구조체 및 삼차원 회로 구조체를 제조하는 장치}
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 3D 프린터의 레이어 적층하고 레이저를 조사한 후 멜팅(melting)되는 양을 효율적으로 제공 가능한 3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 적층되는 레이러별 모양이 달라져도 효율적으로 금속파우더를 공급 가능한 3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 의한 3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법은 출력된 경로에 따라 조사한 레이저에 의하여 상기 금속파우더가 멜팅(melting)된 레이어를 확인하는 제1단계; 상기 레이어의 좌표값을 확인하는 제2단계; 상기 제2단계에서 좌표값이 존재하는 경우, 상기 좌표값의 시작점과 종료점을 이용하여 출력거리를 계산하는 제3단계; 상기 계산된 출력거리와 상기 레이저의 직경을 이용하여 출력단면적을 계산하는 제4단계; 상기 계산된 출력단면적을 리스트화하는 제5단계; 상기 제2단계에서 확인된 좌표값의 다음 좌표값을 확인하는 제6단계; 상기 제6단계에서 해당 레이어의 확인되는 좌표값이 없는 경우, 상기 제5단계에서 리스트화된 출력단면적을 합산하여 총단면적을 계산하는 제7단계; 상기 총단면적과 상기 레이어의 두께를 이용하여 출력부피를 구하는 제8단계; 상기 계산된 출력부피를 이용하여 금속파우더공급량을 계산하는 제9단계;를 포함하는 과정으로, 상기 레이저 조사로 금속 파우더가 멜팅되면서 함몰되는 양을 예측하여, 다음 레이어 적층을 위하여 필요한 금속파우더가 보다 정확한 량으로 공급될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명은 레이저 조사 후 다양한 조사 범위에 따른 멜팅으로 인해, 추가적으로 효율적인 금속 파우더 공급을 위한 3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 제작되는 출력물이 달라져도 효율적으로 금속파우더를 공급 가능한 3D 프린터의 금속파우더를 공급할 수 있다.
또한, 본 발명은 가장 적절한 금속파우더 공급량을 계산하여, 낭비되는 금속파우더를 절약할 수 있고 또한 다양한 출력 경로나 해칭 간격에 따라 유동적으로 정량의 파우더 공급이 가능하다.
또한, 상기 레이저 조사로 금속 파우더가 멜팅되면서 함몰되는 양을 예측하여, 다음 레이어 적층을 위하여 필요한 금속파우더가 보다 정확한 량으로 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명인 3D 프린터의 금속파우더 공급량을 산출하는 방법에서 3D 프린터가 제어되는 제어 구성도이다.
도 2는 본 발명인 3D 프린터의 금속파우더 공급량을 산출하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명인 3D 프린터의 금속파우더 공급량을 산출하는 방법의 일실시예이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
본 발명은 3D 프린터에 공급되는 금속파우더량을 효율적으로 공급하기 위한 공급량 산출방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 금속파우더 공급 후 레이저 조사 부위에 추가 공급되는 금속파우더를 효율적으로 공급할 수 있는 산출방법에 관한 것이다.
즉, 상기 3D 프린터는, 프린팅하고자 하는 제품의 형상 데이터를 입력받고, 상기 입력받은 제품의 형상 데이터에 기초하여, 금속파우더의 투입, 레이저의 조사 여부 및 지점 등을 제어하는 제어부(200)를 포함하고, 이하에서 설명할 3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법은 상기 제어부에 의하여 수행될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 1의 제어구성도에 나타난 바와 같이, 상기 제어부(200)는 상기 레이저에 의해 멜팅되는 레이어를 확인하는 센서부(100)에 의해 좌표값이 입력되면 상기 제어부(200)에서 상기 좌표값을 제어하여 상기 금속파우더의 공급부(300)로 데이터를 전송한다.
도 2의 3D 프린터의 급속파우더 공급량을 산출하는 방법을 나타낸 순서도를 통해, 하기에 본 발명에 대해 보다 자세하게 설명하기로 한다.
먼저, 제1단계(S10)는 금속파우더가 출력된 경로에 따라 레이저를 조사하여 상기 금속파우더를 멜팅(melting)하여 레이어를 생성한다. 보다 구체적으로, 상기 레이저 조사된 금속파우더는 용융점까지 온도가 증가하여 멜팅되고, 출력부분의 열에 의한 밀집으로 인해 추가 파우더 양이 필요로 하게 된다. 상기 레이저에 의해 용융 또는 멜팅된 부분을 레이어로 지정한다.
상기 레이어 생성은 멜팅된 부분 중 두께가 일정한 부분을 동일한 레이어로 생성하고, 두께가 다른 경우 상이한 레이어로 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 레이저에 의해 멜팅(melting)된 레이어를 확인한다. 보다 구체적으로, 상기 레이저에 의해 상기 레이어가 멜팅되면서 상기 레이저에 마련된 센서부(100)에 의해 상기 부피가 감소된 레이어를 확인한다.
다음으로, 제2단계(S20)는 상기 레이어의 좌표값의 확인한다. 보다 구체적으로, 상기 레이어의 좌표값은 상기 레이저에 마련된 센서부(100)에 의해 확인되어 데이터가 상기 제어부(200)로 전송되어 확인되며, X축과 Y축의 2차원 값으로 확인되는 것이 바람직하다.
상기 좌표값은 상기 시작점과 종료점이 하나의 쌍을 이루며, 상기 쌍을 이룬 좌표값이 존재하는지 유무를 판단하여 쌍을 이룬 좌표값이 존재하면 하기 제3단계(S30)으로 진행하고, 상기 쌍을 이룬 좌표값이 존재하지 않으면 하기에 설명할 제7단계(S70)을 진행한다.
다음으로, 제3단계(S30)는 상기 제2단계(S20)에서 좌표값이 존재하는 경우, 상기 좌표값의 시작점과 종료점을 이용하여 상기 제어부(200)에 의해 출력거리를 계산한다.
상기 제3단계(S30)에서 확인된 좌표값의 시작점이 P1이고, 종료점이 P2이면 상기 출력거리(d)는 하기의 수학식 1에 의해 계산한다.
Figure 112017095237277-pat00001
다음으로, 제4단계(S40)는 상기 계산된 출력거리(d)와 상기 레이저의 직경(D)을 이용하여 출력단면적(S)을 계산한다.
상기 제3단계(S30)에서 계산된 출력거리(d)에 상기 레이저 직경(D)를 곱한 하기 수학식 2에 의해 산출되어 상기 출력단면적(S)을 계산한다.
Figure 112017095237277-pat00002
다음으로, 제5단계(S50)는 상기 계산된 출력단면적(S)을 상기 제어부(200)에서 리스트화한다. 보다 구체적으로, 상기 리스트화된 출력단면적(S)을 저장한 뒤, 하기 제7단계(S70)에서 상기 저장된 출력단면적의 합을 계산할 수 있도록 한다.
다음으로, 제8단계(S80)는 상기 제2단계(S20)에서 확인된 좌표값의 다음 좌표값을 확인한다. 상기 제6단계(S60)에서 확인되는 좌표값이 있는 경우, 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 제3단계(S30)부터 피드백 제어되는 단계를 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제6단계(S60)에서 확인되는 좌표값이 없는 경우, 도 2에 나타난 바와 같이, 하기 제7단계(S70)를 실시한다.
다음으로, 제7단계(S70)는 상기 제6단계(S60)에서 확인되는 좌표값이 없는 경우, 상기 제5단계(S50)에서 리스트화된 출력단면적(S1, S2, S3, ····)을 합산하여 총단면적(A)을 계산한다.
상기 총단면적(A)는 하기 수학식 3에 의해 계산된다.
Figure 112017095237277-pat00003
다음으로, 제8단계(S80)는 상기 총단면적(A)과 상기 레이어의 두께(H)를 이용하여 출력부피를 구한다.
Figure 112017095237277-pat00004
상기 총단면적(A)는 상기 제4단계(S40)에서 계산된 값이며, 상기 레이어높이(H)는 상기 제1단계(S10)에서 동일한 두께가 마련된 경우 동일한 레이어로 지정하였으므로, 상기 레이어높이(H)는 일정한 값이 될 수 있다.
다음으로, 제90단계(S90)는 상기 계산된 출력부피를 이용하여 금속파우더공급량을 계산한다. 상기 금속파우더공급량은 하기 나타난 [수학식 5]와 같이, 상기 제8단계(S80)에서 계산된 출력부피(V)에 이미 적층된 레이어의 다음 레이어 적층을 위하여 필요한 금속파우더량을 합하여 산출되는 것이 바람직하다. 즉, 다음 적층될 레이어의 금속파우더량을 Un 이라하고, 상기 제8단계(S80)에서 계산된, 멜팅되어 추가로 필요한 출력부피를 Vn 이라하면, n층에 필요한 금속파우더공급량 Yn은 하기 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017095237277-pat00005
하기에는 본 발명인 3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법을 상세한 실시예를 통하여 설명하고자 한다.
도 3에 나타난 바와 같이, 상기 레이저에 의해 멜팅된 레이어가 다이아몬드 모양이고, 적층된 출력물의 크기는 10mm X 10mm X 10mm이며, 상기 레이저의 직경(D)은 0.05mm, 해칭(hatching)거리는 1mm, 해칭 오프(hatching off)는 0.05mm, 레이어높이(H)는 0.03mm라고 가정한다.
도 3에 나타난 상기 다이아몬드 모양의 출력물의 시작점과 종료점의 X값 및 Y값을 하기 표1에 나타내었고, 상기 수학식 1에 의해 출력거리(d)와 상기 수학식 2에 의해 출력단면적(S)를 각각 계산하여 하기 표1에 함께 나타내었다. 상기 시작점과 종료점은 도 3에 점으로 표시하였다.
X값 Y값 출력거리*
(d, ㎜)		 출력단면적*
(S, ㎟)
S1 P11 58.9999 64.0013 2.00 0.100
P12 58.9999 66.0003
S2 P21 59.9999 67.0003 4.00 0.200
P22 59.9999 63.0013
S3 P31 60.9999 62.0013 6.00 0.300
P32 60.9999 68.0003
S4 P41 61.9999 69.0003 8.00 0.400
P42 61.9999 61.0013
S5 P51 62.9999 60.0013 10.00 0.500
P52 62.9999 70.0003
S6 P61 63.9999 71.0003 12.00 0.600
P62 63.9999 59.0013
S7 P71 64.9999 58.0013 14.00 0.700
P72 64.9999 72.0003
S8 P81 65.9999 71.002 12.00 0.600
P82 65.9999 58.9996
S9 P91 66.9999 59.9996 10.00 0.500
P92 66.9999 70.002
S10 P101 67.9999 69.002 8.00 0.400
P102 67.9999 60.9996
S11 P111 68.9999 61.9996 6.00 0.300
P112 68.9999 68.002
S12 P121 69.9999 67.002 4.00 0.200
P122 69.9999 62.9996
S13 P131 70.9999 63.9996 2.00 0.100
P132 70.9999 66.002
S14 P141 57.9299 65.001 7.07 0.354
P142 65.001 72.072
S15 P151 65.001 72.072 7.07 0.354
P152 72.072 65.001
S16 P161 72.072 65.001 7.07 0.354
P162 65.001 57.9299
S17 P171 65.001 57.9299 7.07 0.354
P172 57.9299 65.001
*출력거리는 소수점 두 자리까지 나타내었고, 출력단면적은 소수점 3자리까지 나타내었음
일례로, 상기 제1출력거리(d1)은,
Figure 112017095237277-pat00006
이고,
상기 제1출력단면적(S1)은,
Figure 112017095237277-pat00007
을 산출할 수 있다.
파란색 공간으로 표시된 제1출력단면적(S1) 내지 제13출력단면적(S13)의 합은 상기 도 3의 다이아몬드 모양의 출력물 내부의 단면적이며, 붉은색 공간으로 표시된 제14출력단면적(S14) 내지 제17출력단면적(S17)의 합은 상기 다이아몬드 모양의 단부에 추가로 상기 금속 파우더가 공급될 필요가 있는 경우 산출되는 단면적이다. 상기 붉은색 공간으로 표시된 제14출력단면적(S14) 내지 제17출력단면적(S17)의 산출은 사용자에 의해 선택적으로 시행될 수 있다.
상기 표 1에서 구한 출력단면적(S)을 합하여 총단면적(A)을 구하면 아래와 같은 값을 확인할 수 있다.
Figure 112017095237277-pat00008
다음으로, 상기 총단면적(A)값에 상기 레이어의 두께(H)를 곱하여 출력부피(V)를 구한다.
Figure 112017095237277-pat00009
다음으로, 상기 적층된 레이어의 적층두께를 0.03mm이고, 상기 산출된 출력부피(V)가 두 번째 층에서 멜팅된 레이어라고 하면 V3이고, 세 번째 레이어에서 공급될 금속파우더량(U3)를 더하여 전체 금속파우더공급량(Y3)을 하기와 같이 산출한다.
Figure 112017095237277-pat00010
따라서, 3D 프린트기의 파우더룸에 상기 급속파우더를 3.18945(㎣)만큼 더 공급할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명은 레이저 조사 후 재공급되는 금속파우더를 멜팅(melting)되는 양에 따라 효율적으로 공급 가능한, 3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 제작되는 출력물이 달라져도 효율적으로 금속파우더를 공급 가능한 3D 프린터의 금속파우더를 공급할 수 있다.
본 발명은 가장 적절한 금속파우더 공급량을 계산하여, 낭비되는 금속파우더를 절약할 수 있고 제작되는 출력물의 가격을 낮출 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100. 레이어확인센서부
200. 제어부
300. 금속파우더공급부
S10. 출력된 경로에 따라 조사한 레이저에 의하여 상기 금속파우더가 멜팅(melting)된 레이어를 확인하는 제1단계;
S20. 상기 레이어의 좌표값을 확인하는 제2단계;
S30. 상기 제2단계에서 좌표값이 존재하는 경우, 상기 좌표값의 시작점과 종료점을 이용하여 출력거리를 계산하는 제3단계;
S40. 상기 계산된 출력거리와 상기 레이저의 직경을 이용하여 출력단면적을 계산하는 제4단계;
S50. 상기 계산된 출력단면적을 리스트화하는 제5단계;
S60. 상기 제2단계에서 확인된 좌표값의 다음 좌표값을 확인하는 제6단계;
S70. 상기 제6단계에서 해당 레이어의 확인되는 좌표값이 없는 경우, 상기 제5단계에서 리스트화된 출력단면적을 합산하여 총단면적을 계산하는 제7단계;
S80. 상기 총단면적과 상기 레이어의 두께를 이용하여 출력부피를 구하는 제8단계;
S90. 상기 계산된 출력부피를 이용하여 금속파우더공급량을 계산하는 제9단계;

Claims (5)

  1. 선택적 레이저 용융(SLM)에 있어서,
    출력된 경로에 따라 조사한 레이저에 의하여 금속파우더가 멜팅(melting)된 레이어를 확인하는 제1단계;
    상기 레이어의 좌표값을 확인하는 제2단계;
    상기 제2단계에서 좌표값이 존재하는 경우, 상기 좌표값의 시작점과 종료점을 이용하여 출력거리를 계산하는 제3단계;
    상기 계산된 출력거리와 상기 레이저의 직경을 이용하여 출력단면적을 계산하는 제4단계;
    상기 계산된 출력단면적을 리스트화하는 제5단계;
    상기 제2단계에서 확인된 좌표값의 다음 좌표값을 확인하는 제6단계;
    상기 제6단계에서 확인되는 좌표값이 없는 경우, 상기 제5단계에서 리스트화된 출력단면적을 합산하여 총단면적을 계산하는 제7단계;
    상기 총단면적과 상기 레이어의 두께를 이용하여 출력부피를 구하는 제8단계;
    상기 계산된 출력부피를 이용하여 금속파우더공급량을 계산하는 제9단계;를 포함하는 과정으로,
    상기 레이저 조사로 금속 파우더가 멜팅되면서 함몰되는 양을 예측하여, 다음 레이어 적층을 위하여 필요한 금속파우더가 정확한 량으로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제3단계에서 상기 좌표값의 시작점과 종료점을 이용하여 계산되는 출력거리(d)는 하기 수학식1에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법
    [수학식 1]
    상기 시작점은 P1이고 상기 종료점을 P2라고 할 때,
    각 좌표는 시작점 P1(X1, Y1), 종료점 P2(X2, Y2)이라고 가정하면,
    Figure 112019071928719-pat00011
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제4단계의 출력단면적(S)은 하기 수학식2에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법
    [수학식 2]
    Figure 112019071928719-pat00012
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제8단계의 출력부피는 하기 수학식 4에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법
    [수학식 4]
    Figure 112019071928719-pat00013
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제9단계의 금속파우더공급량은,
    하기 수학식5에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 금속파우더 공급량 산출방법
    [수학식 5]
    Figure 112019071928719-pat00014
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