KR102092767B1 - Apparatus and method of printing active variable structure - Google Patents

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Abstract

본원은 능동 가변형 구조물 프린팅 방법에 대해 개시하고 있다. 본원의 일 실시예는, 소정의 베드에 형상기억소재의 필라멘트를 압출하도록 형성되는 노즐과, 상기 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 상기 노즐의 온도를 조절하도록 형성되는 온도 조절부와, 그리고, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여 상기 노즐이 압출된 상기 필라멘트를 인장하도록 형성되는 노즐 제어부를 포함하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치를 제공한다. Disclosed herein is an active variable structure printing method. An embodiment of the present application, a nozzle formed to extrude a filament of a shape memory material on a predetermined bed, a temperature control unit formed to adjust the temperature of the nozzle to a temperature range in which the permanent shape of the filament is maintained, and , It provides an active variable structure printing apparatus including a nozzle control unit configured to control the speed at which the nozzle extrudes the filament and the moving speed of the nozzle to tension the extruded filament.

Description

능동 가변형 구조물 프린팅 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF PRINTING ACTIVE VARIABLE STRUCTURE}Active variable structure printing device and method {APPARATUS AND METHOD OF PRINTING ACTIVE VARIABLE STRUCTURE}

본 발명은 능동 가변형 구조물 프린팅 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 형상 기억 소재를 3차원 프린터의 필라멘트로 사용하여 출력된 후 외형 복원이 가능한 구조물을 출력할 수 있는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an active variable structure printing device and method, and more specifically, an active variable structure printing device and method capable of outputting a structure capable of restoring appearance after being output using a shape memory material as a filament of a 3D printer. It is about.

3차원 프린터(이하, 3D 프린터)는 2차원 프린터(2D 프린터)가 활자나 그림을 인쇄하듯이 입력된 도면을 바탕으로 3차원의 입체 물품을 만들어 내는 기계를 의미한다. 3D 프린터에 적용되는 대표적인 3D 프린팅 방식으로는 SLS(Selective Laser Sintering) 프린팅 방식과 FDM(Fused Deposition Modeling) 프린팅 방식이 있다. SLS 프린팅 방식은 파우더 형태의 물질을 응고시키면서 모양을 만들어내는 방식을 일컫는데, SLS 프린팅 방식이 적용된 프린터는 매우 고가이므로 상대적으로 저가인 FDM 프린팅 방식이 많이 쓰이고 있다.A 3D printer (hereinafter referred to as a 3D printer) means a machine that creates a 3D three-dimensional object based on an input drawing such that a 2D printer (2D printer) prints letters or pictures. Typical 3D printing methods applied to a 3D printer include a selective laser sintering (SLS) printing method and a fused deposition modeling (FDM) printing method. The SLS printing method refers to a method of forming a shape while solidifying a powder 물질 type material, and since the printer to which the SLS printing method is applied is very expensive, a relatively inexpensive FDM printing method is widely used.

FDM 프린팅 방식의 예를 도시한 도 1을 참조하면, FDM 프린팅 방식은 압출 모터의 힘을 토대로 녹은 상태의 필라멘트 형태의 재료를 노즐을 통해 압출시키고, 압출된 출력물을 베드 위에 차곡차곡 쌓아 올리는 출력 방식이다. 이 때, 사전에 프로그래밍된 노즐과 베드 사이의 상대적인 움직임에 따라 출력물이 미리 설계된 형상을 갖추게 된다.Referring to FIG. 1 showing an example of the FDM printing method, the FDM printing method is an output method of extruding a filament-like material through a nozzle based on the power of an extruding motor and stacking the extruded output on the bed one by one. to be. At this time, according to the relative movement between the pre-programmed nozzle and the bed, the output has a pre-designed shape.

한편, 자가변형이 가능한 재료를 이용하여 3D 프린팅을 수행하는, 이른바 4D 프린팅 기술이 최근 3D 프린터 기술의 한 분야로 성장하고 있다. 다시 말해, 3D 프린팅된 출력물이 스스로 움직일 수 있게 하는 기술을 4D 프린팅이라고 부른다. 4D 프린팅은 원하는 결과물의 형상대로만 출력 해야 하는 기존의 3D 프린팅과는 달리 출력물의 형상을 변화시켜 최종 형상에 이르게 하기 때문에 최종 형상에 비해 출력 형상을 간소화할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라, 4D 프린팅은 복잡한 형상을 구현할 수 있으며, 출력에 걸리는 시간과 재료를 절약할 수 있다. 4D 프린팅은 출력 후에 형상 변화가 필요한 바이오메디컬 분야, 전자 분야 등에 사용되고 있다.Meanwhile, so-called 4D printing technology, which performs 3D printing using a material capable of self-deformation, has recently grown into one field of 3D printer technology. In other words, a technique that allows 3D printed output to move on its own is called 4D printing. 4D printing has the advantage of simplifying the output shape compared to the final shape because it changes the shape of the output to the final shape, unlike the conventional 3D printing, which requires only the output of the desired result. Accordingly, 4D printing can realize a complex shape and save time and material for printing. 4D printing is used in biomedical and electronic fields that require shape change after printing.

3D 프린팅된 출력물이 스스로 움직이게 하는 기술분야인 4D 프린팅은 재료 자체가 구동기의 역할을 수행해야 하므로 필연적으로 재료 스스로가 구동기의 역할을 하는 재료인 스마트 재료(Smart material)를 사용한다. 그 중에서도 대표적으로 형상기억수지(Shape Memory Polymer)를 이용한 4D 프린팅 연구가 활발하게 진행되고 있다. 형상기억수지는 초기의 특정한 형태를 기억하여 형태 변형이 일어난 뒤에도 열 등의 적절한 외부 자극을 받았을 때 원래 형태로 돌아가려는 성질(형상 기억 효과)을 가지는 고분자이다. 4D printing, which is a technical field in which 3D printed outputs move by themselves, inevitably uses a smart material, which is the material that itself acts as a driver because the material itself must act as a driver. Among them, 4D printing research using a shape memory polymer is actively conducted. The shape memory resin is a polymer that remembers a specific shape in the early stage and returns to the original shape (shape memory effect) when an appropriate external stimulus such as heat is applied even after the shape transformation occurs.

형상기억수지의 경우 스스로 힘을 발생시키는 재료가 아닌 외력에 의해 발생한 내부 응력을 저장해 두었다가 방출하는 방식으로 구동되는 재료이다. 따라서, 형상기억수지를 이용하는 종래의 4D 프린팅 기술의 경우 프린팅 과정에서 출력물의 외형 복원을 위해 출력물에 외력을 인가하는 과정이 반드시 필요했다. 비단 형상기억수지뿐만 아니라 출력 단계에서부터 출력물이 에너지를 지니게 할 수 있도록 하는 4D 프린팅 기술은 아직 존재하지 않는 실정이다. 따라서, 이와 같은 기술의 구현은 4D 프린팅 분야의 가장 큰 과제 중 하나로 인식되고 있다.In the case of the shape memory resin, it is not a material that generates force by itself, but a material that is driven by storing and releasing internal stress caused by an external force. Therefore, in the case of the conventional 4D printing technology using a shape memory resin, a process of applying an external force to the output is essential in order to restore the appearance of the output in the printing process. In addition to silk-shaped memory, 4D printing technology that allows an output to have energy from an output stage has not yet existed. Therefore, the implementation of this technology is recognized as one of the biggest challenges in the field of 4D printing.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 형상 기억 소재를 인장시켜 사전 변형된 상태로 출력함으로써, 외부 자극에 의해 외형 복원이 가능한 출력물을 프린트할 수 있는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치 및 방법을 제공하는 것이다.The present invention has been devised to solve the above problems, and the technical problem to be achieved by the present invention is to print out an output capable of restoring its appearance by external stimulation by tensioning the shape memory material and outputting it in a pre-deformed state. It is to provide an active variable structure printing apparatus and method.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description. There will be.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 3차원 프린터에 있어서, 소정의 베드에 형상기억소재의 필라멘트를 압출하도록 형성되는 노즐과, 상기 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 상기 노즐의 온도를 조절하도록 형성되는 온도 조절부와, 그리고, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여 상기 노즐이 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하도록 형성되는 노즐 제어부를 포함하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치를 제공한다.In order to solve the above technical problem, an embodiment of the present invention, in a three-dimensional printer, the nozzle is formed to extrude the filament of the shape memory material on a predetermined bed, and the temperature range in which the permanent shape of the filament is maintained The temperature control unit is formed to control the temperature of the nozzle, and the speed at which the nozzle extrudes the filament and the movement speed of the nozzle according to the movement of the nozzle to control the filament in which the nozzle is melted is an internal stress ( It provides an active variable structure printing apparatus including a nozzle control unit formed to print in a form having a pre-strain.

본 실시예에 있어서, 상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며, 상기 온도 조절부는 상기 노즐의 온도를 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트 계열의 가교 결합 유지 온도 범위 내에서 상기 폴리머 체인의 소프트 세그먼트 계열의 전이 온도 이상으로 조절하도록 형성될 수 있다.In this embodiment, the filament is formed of a shape memory resin, and the polymer chain of the shape memory resin has a hard segment series to maintain the original state and a soft segment series that is fixed or deformed based on the transition temperature. The temperature control unit may be formed to control the temperature of the nozzle to be equal to or higher than the transition temperature of the soft segment series of the polymer chain within a range of the temperature range of the crosslinking of the hard segment series of the polymer chain.

본 실시예에 있어서, 상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며, 상기 노즐 제어부는 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 상기 노즐이 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트가 사전 변형되어 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하도록 형성될 수 있다. In this embodiment, the filament is formed of a shape memory resin, and the polymer chain of the shape memory resin has a hard segment series to maintain the original state and a soft segment series that is fixed or deformed based on the transition temperature. The nozzle control unit controls the speed at which the nozzle extrudes the filament and the moving speed of the nozzle according to the movement of the nozzle, so that the nozzle internal stress (pre -strain) can be formed to print.

본 실시예에 있어서, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력은 상기 소정의 베드와 수직된 방향으로 형성되고 상기 노즐의 이동 속력은 상기 소정의 베드와 수평된 방향으로 형성되며, 상기 노즐 제어부는 상기 이동 속력을 상기 필라멘트를 압출하는 속력보다 크게 제어하도록 형성될 수 있다.In this embodiment, the speed at which the nozzle extrudes the filament is formed in a direction perpendicular to the predetermined bed, and the moving speed of the nozzle is formed in a direction parallel to the predetermined bed, and the nozzle control unit is the It may be formed to control the moving speed greater than the speed of extruding the filament.

본 실시예에 있어서, 상기 노즐 제어부는 상기 이동 속력에 대한 상기 필라멘트를 압출하는 속력의 비를 0.1 내지 0.9로 제어하도록 형성될 수 있다.In this embodiment, the nozzle control unit may be formed to control the ratio of the speed of extruding the filament to the moving speed from 0.1 to 0.9.

본 실시예에 있어서, 상기 형상기억소재는 형상기억수지로 형성되며, 상기 3차원 프린터는 용융 적층 모델링 방식으로 상기 필라멘트를 압출할 수 있다.In this embodiment, the shape memory material is formed of a shape memory resin, and the three-dimensional printer can extrude the filament by a melt lamination modeling method.

또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 다른 실시예는, 노즐, 온도 조절부 및 노즐 제어부를 포함하는 3차원 프린터를 이용한 프린팅 방법에 있어서, (a) 특정 영구 형태를 갖는 형상기억소재로 형성되는 필라멘트가 상기 노즐에 주입되는 단계와, (b) 상기 온도 조절부가 상기 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 상기 노즐의 온도를 조절하여 상기 필라멘트를 용융시키는 단계와, 그리고, (c) 상기 노즐 제어부가 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하도록 하는 단계를 포함하는 능동 가변형 구조물 프린팅 방법을 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention to solve the above technical problem, in a printing method using a three-dimensional printer including a nozzle, a temperature control unit and a nozzle control unit, (a) as a shape memory material having a specific permanent shape The step of injecting the filament to be formed into the nozzle, and (b) the temperature control unit melting the filament by adjusting the temperature of the nozzle to a temperature range in which the permanent shape of the filament is maintained, and (c) The nozzle control unit controls the speed of extruding the filament and the movement speed of the nozzle according to the movement of the nozzle, so as to print the molten filament in a form having an internal stress (pre-strain). Provided is a method for printing a variable structure.

본 실시예에 있어서, 상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며, 상기 (b) 단계는, 상기 온도 조절부가, 상기 노즐의 온도를 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트 계열의 가교 결합 유지 온도 범위 내에서 상기 폴리머 체인의 소프트 세그먼트 계열의 전이 온도 이상으로 조절하는 단계일 수 있다.In this embodiment, the filament is formed of a shape memory resin, and the polymer chain of the shape memory resin has a hard segment series to maintain the original state and a soft segment series that is fixed or deformed based on the transition temperature. The step (b) may be a step of adjusting the temperature of the nozzle to a transition temperature of the soft segment series of the polymer chain within a range of the crosslinking retention temperature of the hard segment series of the polymer chain.

본 실시예에 있어서, 상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며, 상기 (c) 단계는, 상기 노즐 제어부가, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 상기 노즐이 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트가 사전 변형되어 용융된 상태의 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하는 단계일 수 있다.In this embodiment, the filament is formed of a shape memory resin, and the polymer chain of the shape memory resin has a hard segment series to maintain the original state and a soft segment series that is fixed or deformed based on the transition temperature. In the step (c), the nozzle control unit controls the speed at which the nozzle extrudes the filament and the moving speed of the nozzle according to the movement of the nozzle, so that the nozzle is pre-deformed and melts the hard segment of the polymer chain. It may be a step of printing the filament in a state having an internal stress (pre-strain).

본 실시예에 있어서, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력은 상기 소정의 베드와 수직된 방향으로 형성되고 상기 노즐의 이동 속력은 상기 소정의 베드와 수평된 방향으로 형성되며, 상기 (c) 단계는 상기 노즐 제어부가 상기 이동 속력이 상기 필라멘트를 압출하는 속력보다 크도록 제어하여 인장된 상기 필라멘트가 압출되도록 하는 단계일 수 있다.In this embodiment, the speed at which the nozzle extrudes the filament is formed in a direction perpendicular to the predetermined bed, and the moving speed of the nozzle is formed in a direction parallel to the predetermined bed, and step (c). The step may be a step in which the nozzle control unit controls the moving speed to be greater than the speed at which the filament is extruded so that the tensioned filament is extruded.

본 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계는 상기 노즐 제어부가 상기 이동 속력에 대한 상기 필라멘트를 압출하는 속력의 비를 0.1 내지 0.9로 제어하여 인장된 상기 필라멘트가 압출되도록 하는 단계일 수 있다.In this embodiment, step (c) may be a step of controlling the ratio of the speed at which the nozzle control unit extrudes the filament to the moving speed to 0.1 to 0.9 to extrude the tensioned filament.

본 실시예에 있어서, 상기 형상기억소재는 형상기억수지로 형성되며, 상기 (c) 단계는 상기 노즐 제어부가 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여 인장된 상기 필라멘트가 압출되도록 하되, 용융 적층 모델링 방식으로 상기 필라멘트를 압출하는 단계일 수 있다.In the present embodiment, the shape memory material is formed of a shape memory resin, and step (c) controls the speed at which the nozzle control unit extrudes the filament and the moving speed of the nozzle so that the stretched filament is extruded. However, it may be a step of extruding the filament in a melt lamination modeling method.

본 발명에 따르면, 하드 세그먼트의 가교 결합을 유지할 수 있는 범위 내의 소프트 세그먼트의 전이 온도 이상에서 사전 변형시킨 형상기억소재를 압출함으로써 출력물이 출력 단계에서부터 에너지를 지니도록 할 수 있고, 출력물이 압출됨과 동시에 자동으로 내부 응력을 가지도록 할 수 있다. According to the present invention, by extruding the shape memory material pre-deformed above the transition temperature of the soft segment within a range capable of maintaining the crosslinking of the hard segment, the output can have energy from the output stage, and the output is simultaneously extruded. It can be made to have internal stress automatically.

또한, 본 발명에 따르면, 사전 변형 시킨 형상기억소재를 제어하여 정교한 출력물의 설계 및 출력이 가능하도록 할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to control the shape memory material that has been previously deformed to enable the design and output of sophisticated outputs.

또한, 본 발명에 따르면, 사전 변형시킨 형상기억소재를 압출함으로써 출력물에 외력을 인가하는 과정 등의 별도의 후처리 과정 없이 출력물의 외형이 복원될 수 있고 정교한 출력물의 설계 및 출력이 가능한 바, 4D 프린팅의 절차가 간소화되고 출력물의 제조 시간 및 단가를 절약할 수 있다.In addition, according to the present invention, by extruding the pre-deformed shape memory material, the appearance of the print can be restored without a separate post-processing process such as a process of applying an external force to the print, and a sophisticated print design and output can be performed. The printing process is simplified and the production time and cost of the printout can be saved.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 종래의 FDM 방식의 3D 프린터를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 제어부의 제어 방법을 구체적으로 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트의 출력 과정과 성질을 구체적으로 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트의 변형률과 온도간의 관계 및 필라멘트의 변형률과 노즐의 이동 속력에 대한 압출 속력의 비간의 관계에 대한 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트의 변형률에 따른 출력물의 변형률에 대한 그래프 및 출력 온도에 따른 출력물의 변형률에 대한 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법의 절차를 도시한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따라 프린팅한 출력물의 모습과 출력물을 가열하여 외형을 복원한 모습을 설명하기 위해 도면이다.
1 is a diagram illustrating a conventional FDM 3D printer.
2 is a block diagram showing a schematic configuration of a 3D printer according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining in detail the control method of the nozzle control unit according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing in detail to explain the output process and properties of the filament according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a relationship between the strain and temperature of the filament according to an embodiment of the present invention, and the relationship between the strain of the filament and the ratio of the extrusion speed to the moving speed of the nozzle.
6 is a graph showing a graph of strain of an output according to a strain of a filament and a graph of strain of an output according to an output temperature according to an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a procedure of a 3D printing method according to another embodiment of the present invention.
8 is a view for explaining the appearance of the printed output according to embodiments of the present invention and a state in which the output is restored by heating the output.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태, 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 명세서 전체에 대하여 동일/유사한 부분에 대해서는 동일/유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical spirit disclosed in the specification is not limited by the accompanying drawings, and all modifications included in the spirit and technical scope of the present invention It should be understood to include water, equivalents or substitutes. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and the size, shape, and shape of each component shown in the drawings may be variously modified, and the same / similar parts for the entire specification The same / similar reference numerals are attached.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하였다.The suffixes "modules" and "parts" for the components used in the following description are given or mixed only considering the ease of writing the specification, and do not have meanings or roles distinguished from each other in themselves. In addition, in the description of the embodiments disclosed herein, when it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed herein, detailed descriptions thereof are omitted.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(구비 또는 마련)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 “포함(구비 또는 마련)”할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected (connected, contacted, or coupled)" with another part, this means that other members in the middle, as well as when "directly connected (connected, contacted or coupled)" Also included is a case in which they are "indirectly connected (connected, contacted, or combined)" between them. Also, when a part is said to "include (equipment or provision)" a component, it does not exclude other components unless specifically stated to "include (equipment or provision)" other components. It means you can.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 분산되어 실시되는 구성요소들은 특별한 제한이 있지 않는 한 결합된 형태로 실시될 수도 있다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions, unless the context clearly indicates otherwise, and distributed components may be implemented in a combined form unless otherwise specified. In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and that one or more other features are present. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 가변형 구조물 프린팅 장치(이하 “프린팅 장치(10)”라 함)의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.2 is a block diagram showing a schematic configuration of an active variable structure printing device (hereinafter referred to as “printing device 10”) according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 프린팅 장치(10)는 노즐(11), 온도 조절부(12) 및 노즐 제어부(13)를 포함하도록 형성된다.2, the printing apparatus 10 is formed to include a nozzle 11, a temperature control unit 12 and a nozzle control unit 13.

노즐(11)은 소정의 베드에 형상기억소재의 필라멘트를 압출(또는 토출)하도록 형성된다. 노즐(11)에 용융된 형상기억소재의 필라멘트가 주입될 수 있으며, 노즐(11)의 토출구의 크기는 예컨대 다양하게 형성될 수 있다. 예컨대, 토출구의 크기는 형상기억소재로 형성된 필라멘트의 지름의 크기 이하의 크기로 형성될 수 있다. 여기서, 형상기억소재는 형상기억수지일 수 있다.The nozzle 11 is formed to extrude (or discharge) the filament of the shape memory material on a predetermined bed. The filament of the molten shape memory material may be injected into the nozzle 11, and the size of the discharge port of the nozzle 11 may be variously formed, for example. For example, the size of the discharge port may be formed to a size equal to or less than the diameter of the filament formed of the shape memory material. Here, the shape memory material may be a shape memory resin.

온도 조절부(12)는 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 노즐(11)의 온도 및/또는 필라멘트의 온도를 조절하도록 형성된다. 바람직하게 온도 조절부(12)는 노즐(11) 온도 및/또는 필라멘트의 온도를 140°C 내지 190°C로 조절하도록 형성될 수 있다.The temperature control unit 12 is formed to control the temperature of the nozzle 11 and / or the filament in a temperature range in which the permanent form of the filament is maintained. Preferably, the temperature control unit 12 may be formed to adjust the temperature of the nozzle 11 and / or the filament to 140 ° C to 190 ° C.

노즐 제어부(13)는 노즐(11)이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 노즐(11)이 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하도록 형성된다. 여기서 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태란 형상기억소재로 형성된 필라멘트가 사전 변형되어 인장된 상태임과 동시에 영구 형태로 돌아가려는 내부 응력을 가진 상태를 의미한다. The nozzle control unit 13 controls the speed at which the nozzle 11 extrudes the filament and the moving speed of the nozzle according to the movement of the nozzle, thereby pre-straining the filament in which the nozzle 11 is melted. It is formed to print in the form having a. Here, the shape having an internal stress (pre-strain) means a state in which a filament formed of a shape memory material is pre-deformed and stretched, and has an internal stress to return to a permanent shape.

이와 관련하여, 구체적으로 본 명세서 상에서 설명되는 형상기억수지는 기 형성된 고분자의 망상구조 형태를 유지하려는 성질을 가진다. 또한, 형상기억수지는 이러한 성질로 인해 외력을 받아 일시 형태(Temporary shape)로 변형시키더라도 기억된 영구 형태(Permanent shape)로 되돌아 가려는 형상기억효과(Shape Memory Effect)를 가진다.In this regard, the shape memory resin described in detail herein has the property of maintaining the network structure of the preformed polymer. In addition, the shape memory resin has a shape memory effect to return to the memorized permanent shape even if it is transformed into a temporary shape by external force due to these properties.

형상기억수지를 영구 형태에서 일시 형태로 형상을 변형시키는 과정은 형상기억수지의 유리전이 온도(예컨대, DiaPLEX의 경우 약 55°) 이상에서 외력을 가하여 이루어진다. 형상기억수지는 유리전이 온도 이하에서는 고체상태였다가 유리전이 온도를 거치며 고무상태로 상 변화를 하여 급격한 강성감소를 보인다.The process of deforming the shape memory resin from a permanent shape to a temporary shape is performed by applying an external force at a glass transition temperature (for example, about 55 ° for DiaPLEX) of the shape memory resin. The shape memory resin is in a solid state below the glass transition temperature, and then undergoes a glass transition temperature to change to a rubber state, showing a sharp decrease in stiffness.

형상기억수지는 온도가 높아지면 새로운 망상구조가 형성되어 기존에 기억된 영구 형태(Permanent shape)를 잃어버린다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면 형상기억수지를 기억된 상태에서 기계적으로 잡아 늘려 사전 변형(인장)을 인가한다. 그 과정에서 새로운 형상기억수지의 새로운 영구 형태가 형성되어 버리면 다시 원래 길이로 돌아가려는 성질이 없어져 버린다. When the temperature is increased, the shape memory resin forms a new network structure and loses the previously memorized permanent shape. According to various embodiments of the present invention, pre-deformation (tensile) is applied by mechanically stretching the shape memory resin in a memorized state. In the process, when a new permanent form of a new shape memory resin is formed, the nature of returning to the original length disappears.

더욱 상세하게는, 형상기억수지의 폴리머 체인은(Polymer Chain) 고분자의 가교 결합에 의해 원상태를 유지하려는 성질을 띠는 하드 세그먼트(hard segment) 계열과 전이 온도를 기점으로 고정되거나 변형되는 소프트 세그먼트(soft segment) 계열을 포함하며, 즉 두 개의 분리된 도메인으로 구성된다. 형상 기억 효과의 발현을 위해서는 가교 결합을 형성하는 프로세싱(processing) 과정과, 형성된 형상에서 새로운 형상으로 성형하는 프로그래밍(programming)과정이 필요한데, 프로그래밍 과정은 다음 절차를 따른다. More specifically, the polymer chain of the shape memory resin (Polymer Chain) is a hard segment series having the property of maintaining the original state by crosslinking of the polymer and a soft segment that is fixed or deformed based on the transition temperature ( soft segment), that is, it is composed of two separate domains. For the expression of the shape memory effect, a processing process of forming a crosslink and a programming process of forming a new shape from a formed shape are necessary. The programming procedure follows the following procedure.

먼저, 형상기억수지를 전이 온도 이상으로 가열하여 소프트 세그먼트가 형상 변형 가능한 유동적인 상(phase)이 되어 외력에 의한 성형이 가능해지도록 한다. 다음, 형상기억수지에 외력을 가해 성형한 뒤 형상기억수지를 소프트 세그먼트의 전이 온도 이하로 냉각하여 하드 세그먼트에 사전 변형이 인가된 상태로 형상기억수지가 고정될 수 있도록 한다. 이와 같은 방법으로 프로그래밍 된 형상기억수지를 전이 온도 이상으로 가열하면 소프트 세그먼트가 유동적인 상으로 전환되고 하드 세그먼트의 복원력에 의해서, 성형된 형상으로부터 가교 결합으로 형성된 본 형상으로 복귀한다. First, the shape memory resin is heated to a transition temperature or higher, so that the soft segment becomes a fluid phase capable of shape deformation, thereby enabling molding by external force. Next, after shaping by applying an external force to the shape memory resin, the shape memory resin is cooled below the transition temperature of the soft segment so that the shape memory resin can be fixed in a state in which pre-deformation is applied to the hard segment. When the shape memory resin programmed in this way is heated above the transition temperature, the soft segment is converted into a fluid phase, and by the resilience of the hard segment, the molded shape returns to the main shape formed by crosslinking.

따라서, 본 발명의 다양한 실시예에서는 온도가 지나치게 높아져 새로운 가교 결합 구조가 형성되어 원래 기억된 형상이 소실되는 것을 방지하기 위해 기존의 일반적인 3D 프린팅에서 사용하는 온도보다 낮은 온도를 사용할 수 있다. 그러나, 너무 낮은 온도에서 형상기억소재로 된 필라멘트를 출력시 압출 불량 문제가 발생할 수 있기 때문에 적절한 온도로 필라멘트의 온도를 제어해야 할 필요가 있다.Accordingly, in various embodiments of the present invention, a temperature lower than the temperature used in the conventional 3D printing may be used to prevent the temperature from being excessively high and thus a new crosslinked structure is formed and the original memorized shape is lost. However, it is necessary to control the temperature of the filament to an appropriate temperature since an extrusion failure problem may occur when the filament of the shape memory material is output at a temperature that is too low.

예를 들어, 본 실시예에서 필라멘트가 형상기억수지로 형성된 경우, 상술한 바와 같이, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지닌다. 이 때, 온도 조절부(12)는 노즐(11)의 온도를 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트 계열의 가교 결합 유지 온도 범위 내에서 상기 폴리머 체인의 소프트 세그먼트 계열의 전이 온도 이상으로 조절하도록 형성될 수 있다.For example, in the present embodiment, when the filament is formed of a shape memory resin, as described above, the polymer chain of the shape memory resin is a soft segment that is fixed or deformed based on a series of hard segments and transition temperatures to maintain the original state. It has a series. At this time, the temperature control unit 12 may be formed to control the temperature of the nozzle 11 to be higher than the transition temperature of the soft segment series of the polymer chain within the temperature range of the crosslinking retention of the hard segment series of the polymer chain. .

또한, 위와 같은 예에서, 노즐 제어부(13)는 노즐(11)이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 노즐(11)이 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트가 사전 변형되어 용융된 상태의 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하도록 할 수 있다. In addition, in the above example, the nozzle control unit 13 controls the speed at which the nozzle 11 extrudes the filament and the moving speed of the nozzle according to the movement of the nozzle, so that the nozzle 11 is hard in the polymer chain. The segment may be pre-deformed to print the filament in a molten state in a form having an internal stress (pre-strain).

한편, 본 발명은 용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM) 방식으로 필라멘트를 압출할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에는 상술한 형상기억수지 뿐만 아니라 형상기억효과를 지니고 있는 모든 필라멘트가 적용될 수 있다.On the other hand, the present invention can be extruded filaments by a melt deposition modeling (Fused Deposition Modeling, FDM) method, but is not limited thereto. In addition, all filaments having a shape memory effect as well as the shape memory resin described above can be applied to the present invention.

도 3은 노즐 제어부(13)의 제어 방법을 구체적으로 설명하기 위해 도시한 도면이다.3 is a view for explaining a control method of the nozzle control unit 13 in detail.

이해의 편의를 위해 필라멘트의 압출 속력에 대한 노즐의 이동 속력을 무차원 변수

Figure 112018048860010-pat00001
라고 정의했을 때, 본 발명에서는 의도적으로
Figure 112018048860010-pat00002
의 값을 높임으로써 출력물을 기계적으로 인장시킬 수 있다.
Figure 112018048860010-pat00003
의 값이 커지면 커질수록 출력물이 늘어나는 정도(Stretched rate)가 늘어나며, 그 결과 출력물의 변형률 또한 커지게 된다. 본 발명은 이를 이용해 출력 중에
Figure 112018048860010-pat00004
의 값을 변화시키며 출력물에 인가되는 사전 변형의 정도를 원하는 대로 조절할 수 있다. For ease of understanding, the moving speed of the nozzle relative to the extrusion speed of the filament is a dimensionless variable.
Figure 112018048860010-pat00001
When defined as, in the present invention,
Figure 112018048860010-pat00002
The output can be mechanically tensioned by increasing the value of.
Figure 112018048860010-pat00003
The larger the value of, the greater the stretched rate of the output, and as a result the strain of the output also increases. The present invention uses this during output
Figure 112018048860010-pat00004
By changing the value of, the degree of pre-deformation applied to the output can be adjusted as desired.

도 3을 참조하면, 노즐 제어부(13)는 노즐(11)이 필라멘트를 압출하는 속력(31)과 노즐(11)의 움직임에 따른 노즐(11)의 이동 속력(32)을 제어하여, 노즐(11)이 인장된 필라멘트를 압출하도록 형성된다. 여기서, 노즐(11)이 필라멘트를 압출하는 속력(31)은 소정의 베드와 수직된 방향으로 형성되고 노즐(11)의 이동 속력(32)은 소정의 베드와 수평된 방향으로 형성될 수 있다.Referring to FIG. 3, the nozzle control unit 13 controls the speed 31 at which the nozzle 11 extrudes the filament and the moving speed 32 of the nozzle 11 according to the movement of the nozzle 11, thereby controlling the nozzle ( 11) This is formed to extrude the tensioned filament. Here, the speed 31 at which the nozzle 11 extrudes the filament may be formed in a direction perpendicular to the predetermined bed, and the moving speed 32 of the nozzle 11 may be formed in a horizontal direction with the predetermined bed.

또한, 노즐 제어부(13)는 이동 속력(32)을 압출 속력(31)보다 크게 제어하도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 노즐 제어부(13)는 이동 속력(32)에 대한 압출 속력(31)(압출속력/이동속력)의 비(속력비)를 0.1 내지 0.9로 제어하도록 형성될 수 있다. 속력비에 대해서는 이하에서 도 5를 참조하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.Also, the nozzle control unit 13 may be formed to control the moving speed 32 larger than the extrusion speed 31. Specifically, the nozzle control unit 13 may be formed to control the ratio (speed ratio) of the extrusion speed 31 (extrusion speed / travel speed) with respect to the movement speed 32 to 0.1 to 0.9. The speed ratio will be described in more detail with reference to FIG. 5 below.

이와 같이, 프린팅 장치(10)는 사전 변형시킨 형상기억소재를 압출함으로써 출력물이 출력 단계에서부터 에너지를 지니도록 할 수 있고, 출력물이 압출됨과 동시에 자동으로 내부 응력을 가지도록 할 수 있다. 프린팅 장치(10)는 사전 변형 시킨 형상기억소재를 제어하여 정교한 출력물의 설계 및 출력이 가능하도록 할 수 있다.In this way, the printing device 10 can extrude the pre-deformed shape memory material so that the output has energy from the output stage, and can automatically have internal stress at the same time as the output is extruded. The printing device 10 may control the shape memory material that has been pre-deformed to enable the design and output of sophisticated prints.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트의 출력 과정과 성질을 구체적으로 설명하기 위해 도시한 도면이다.4 is a view showing in detail to explain the output process and properties of the filament according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 압출 직전 상태 해당하는 41에서는 필라멘트가 영구 형태를 기억된 채로 용융되어 있다. 다음, 압출 직후 상태에 해당하는 42에서는 필라멘트가 노즐 제어부(13)의 외력 인가(인장)에 의해 내부 응력이 발생된 일시 형태의 상태이다. 다음, 출력 완료 상태인 43에서는 필라멘트가 냉각됨에 따라 내부 응력이 발휘되지 않은 홀딩(holding) 상태이다. 다음, 가열 등의 외부 자극에 의해 출력된 필라멘트가 내부 응력을 방출하게 되면 필라멘트는 본래 기억된 영구 형태의 형상으로 돌아가게 된다.Referring to FIG. 4, in the 41 corresponding to the state immediately before extrusion, the filament is melted while remembering the permanent shape. Next, in the 42 corresponding to the state immediately after extrusion, the filament is a state in which the internal stress is generated by the external force application (tensile) of the nozzle control unit 13. Next, in the output completion state 43, as the filament is cooled, there is a holding state in which internal stress is not exerted. Next, when the filament output by an external stimulus such as heating releases an internal stress, the filament returns to the shape of the permanent shape that was originally memorized.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트의 변형률과 온도간의 관계 및 필라멘트의 변형률과 노즐의 이동 속력에 대한 압출 속력의 비간의 관계에 대한 그래프를 도시한 도면이다.FIG. 5 is a graph showing a relationship between the strain and temperature of the filament according to an embodiment of the present invention, and the relationship between the strain of the filament and the ratio of the extrusion speed to the moving speed of the nozzle.

상술한 바와 같이, 노즐의 온도를 너무 낮출 경우 굳어진 필라멘트의 압출물이 노즐을 막아 압출 불량이 발생하게 되고, 노즐의 온도를 너무 높일 경우 필라멘트가 기존에 기억된 영구 형태로 돌아가려는 형상기억효과가 사라지게 된다. 따라서, 도 5에 도시된 51의 그래프와 같이 온도 조절부(12)는 노즐의 온도를 적절히 조절할 필요가 있다. 이에 따라, 프린팅 장치(10)의 온도 조절부(12)는 노즐(11)의 온도를 140°C 내지 190°C로 조절하여 필라멘트가 형상기억효과를 잃어버리지 않도록 하면서도 압출 불량 문제가 생기지 않도록 할 수 있다.As described above, if the temperature of the nozzle is too low, the extrudate of the hardened filament will block the nozzle, resulting in poor extrusion, and if the temperature of the nozzle is too high, the shape memory effect that the filament will return to the previously memorized permanent shape will have. Will disappear. Therefore, as shown in the graph of 51 shown in FIG. 5, the temperature control unit 12 needs to properly adjust the temperature of the nozzle. Accordingly, the temperature control unit 12 of the printing device 10 adjusts the temperature of the nozzle 11 to 140 ° C to 190 ° C so that the filament does not lose its shape memory effect and does not cause extrusion problems. You can.

또한, 속력비가 낮을수록, 다시 말해 노즐의 이동 속력에 비해 필라멘트 압출 속력이 낮을수록 높은 사전 변형(인장)이 이루어진다. 이것 역시 속력비가 너무 낮을 경우 불안정한 출력이 발생한다. 따라서, 도 5에 도시된 51의 그래프와 같이 노즐 제어부(13)는 일정 수준의 속력비를 유지하여야 할 필요가 있고, 상술한 바와 같이 노즐 제어부(13)는 이동 속력에 대한 압출 속력의 비를 0.1 내지 0.9로 제어하도록 형성될 수 있다.In addition, the lower the speed ratio, that is, the lower the filament extrusion speed compared to the moving speed of the nozzle, the higher the pre-deformation (tensile). This also produces unstable output when the speed ratio is too low. Therefore, as shown in the graph of 51 shown in FIG. 5, the nozzle control unit 13 needs to maintain a constant speed ratio, and as described above, the nozzle control unit 13 determines the ratio of the extrusion speed to the moving speed. It may be formed to control from 0.1 to 0.9.

도 6은 본 발명의 일 실험예에 따른 실험 결과를 그래프로 도시한 것으로서, 61은 출력물이 늘어나는 정도(stretched rate)에 따른 최종 출력물의 변형률 변화 그래프를 도시한 것이고, 62는 출력 온도에 따른 출력물의 변형률 변화 그래프를 도시한 것이다.6 is a graph showing the experimental results according to an experimental example of the present invention, 61 is a graph showing a strain change of the final output according to the stretched rate (stretched rate), 62 is the output according to the output temperature It shows a graph of the strain change.

도 6의 61을 참조하면, 노즐 제어부(13)가 사전 변형의 비율을 높일수록 최종 출력물의 변형률 역시 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 도6의 62를 참조하면, 출력 온도에 따라 출력물의 변형률이 상이해지는 것을 알 수 있으며, 너무 높은 경우에는 필라멘트의 하드 세그먼트의 가교 결합 유지가 깨질 수 있고, 반면 출력 온도가 너무 낮을 경우 압출 불량의 문제가 발생할 수 있음을 알 수 있다.Referring to 61 of FIG. 6, it can be seen that as the nozzle control unit 13 increases the ratio of pre-deformation, the strain rate of the final output also increases. In addition, referring to 62 of FIG. 6, it can be seen that the strain of the output differs depending on the output temperature, and if it is too high, cross-linking retention of the hard segment of the filament may be broken, whereas when the output temperature is too low, extrusion It can be seen that problems with defects may occur.

앞서 설명한 도 1 내지 도 6을 기초로, 이하에서는 본 실시예에 따른 구체적인 실험예를 설명하도록 한다.Based on FIGS. 1 to 6 described above, a detailed experimental example according to this embodiment will be described below.

장비와 재료와 관련하여, 본 실험예에서는 상용 형상기억수지 필라멘트(DiAPLEX, SMP Technologies Inc.)를 상용 FDM 3D 프린터(CORE200, 메이킹툴)로 출력하여 사전변형이 인가된 3D 출력물을 제작하였다.With regard to equipment and materials, in this experimental example, a commercial shape memory resin filament (DiAPLEX, SMP Technologies Inc.) was output to a commercial FDM 3D printer (CORE200, a manufacturing tool) to produce a 3D output with pre-deformation applied.

재료(형상기억수지 필라멘트 DiAPLEX)의 특성은 녹는점은 약 210℃ 이고, 유리전이온도는 약 55℃ 이며, 직경은 1.75mm로 형성된다.The properties of the material (shape resin filament DiAPLEX) have a melting point of about 210 ° C., a glass transition temperature of about 55 ° C., and a diameter of 1.75 mm.

이외의 장비와 재료를 선택하여도 서로 직경이 호환 가능하다면 상호 균등물을 사용하여도 무방하다. 다만, 재료(형상기억수지 필라멘트)가 달라져서 녹는점과 유리전이온도 등의 특성온도가 달라졌을 때는 그 재료에 해당하는 온도에 맞추어 출력하여야 한다.Even if other equipment and materials are selected, if the diameters are compatible with each other, mutual equivalents may be used. However, when the material (shape retardant filament) is different and the characteristic temperature such as melting point and glass transition temperature is different, it should be output according to the temperature corresponding to the material.

본 실험예에서는 보다 용이한 출력을 위해 노즐의 직경을 보통의 경우보다 크게 가공하여(3mm) 사용하였다. 3D 프린터의 해상도를 위해 작은 직경의 노즐을 사용해야 하므로 노즐의 직경을 늘리는 과정은 생략 가능하다.In this example, the diameter of the nozzle was processed larger than usual (3 mm) for easier output. For the resolution of the 3D printer, a small diameter nozzle must be used, so the process of increasing the diameter of the nozzle can be omitted.

본 실험예의 출력 조건과 관련하여, 재료의 녹는점(본 실험예에서는 210℃ )보다 낮은 온도에서 출력하되, 너무 낮은 온도에서는 압출이 제대로 되지 않을 수 있는 바, 실험을 통해 적정한 출력온도를 설정하도록 하였다. 이에 따라, 본 실험예에서는140℃ ~ 200℃ 사이의 온도에서 출력하여 변형률의 변화를 살펴 봤고, 압출속력을 바꾸면서 실험할 때는 150℃ 로 고정해둔 상태에서 실험하였다. 또한, 본 실험예에서 노즐의 이동 속력은 150mm/min로 고정하였고, 압출 속력은 22.5mm/min, 45mm/min, 135mm/min, 180mm/min, 225mm/min, 450mm/min 등으로 바꾸어가면서 변형률의 변화를 살펴 보았다. 온도를 바꾸면서 실험할 때는 99mm/min로 압출 속력을 고정해둔 상태에서 실험하였다. 또한, 노즐과 베드의 거리는0.3mm로 고정한 채로 실험하였으며, 베드의 온도는 따로 설정하지 않고 실온으로 하였다.With regard to the output conditions of this example, the material is output at a temperature lower than the melting point (210 ° C in this example), but extrusion may not work properly at too low a temperature. Did. Accordingly, in this experiment example, the output was examined at a temperature between 140 ° C and 200 ° C to examine the change in strain, and when changing the extrusion speed, the experiment was performed while being fixed at 150 ° C. In addition, in this experiment, the moving speed of the nozzle was fixed at 150 mm / min, and the extrusion speed was changed to 22.5 mm / min, 45 mm / min, 135 mm / min, 180 mm / min, 225 mm / min, 450 mm / min, etc. I looked at the changes. When experimenting while changing the temperature, the experiment was performed with the extrusion speed fixed at 99 mm / min. In addition, the distance between the nozzle and the bed was experimented while being fixed at 0.3 mm, and the temperature of the bed was set to room temperature without setting separately.

본 실험예의 출력 과정에서, 3mm 노즐로 베드와 노즐의 거리가 0.3mm인 채로 75mm~95mm짜리 두 줄을 출력하되, 접착을 위해 0.4mm씩 중첩되게 출력하면 (75~95)mm × 5.6mm × 0.3mm의 시편이 제작되도록 하였다.In the printing process of this example, two lines of 75mm to 95mm are printed with the distance between the bed and the nozzle being 0.3mm with a 3mm nozzle, but when overlapped by 0.4mm for adhesion (75 ~ 95) mm × 5.6mm × A specimen of 0.3 mm was prepared.

본 실험예의 작동 조건은 유리전이온도(약 55℃ )보다 높은 온도인 약 70℃ 의 자연대류식 오븐에서 10분간 가열하는 것으로 설정하였다.The operating conditions of this experimental example were set to heat for 10 minutes in a natural convection oven at a temperature of about 70 ° C, which is higher than the glass transition temperature (about 55 ° C).

본 실험예의 작동 결과는 다음 표들과 같다The operation results of this experimental example are shown in the following tables.

아래 표 1은 온도를 바꿔가면서 실험하되, 노즐의 이동 속력은 150mm/min로, 압출 속력은 99mm/min로, 노즐과 베드 사이의 거리는 0.3mm로, 베드 온도는 상온으로 각각 고정한 실험예의 결과값을 나타낸 것이다.Table 1 below experiments while changing the temperature, but the moving speed of the nozzle is 150 mm / min, the extrusion speed is 99 mm / min, the distance between the nozzle and the bed is 0.3 mm, and the bed temperature is fixed at room temperature. It shows.

번호number 온도Temperature 출력후 길이Length after printing 가열후 길이Length after heating 변화량Amount of change 변형률Strain T(℃)T (℃) mmmm mmmm mmmm %% 1-11-1 140140 9191 5555 3636 39.56 39.56 1-21-2 140140 9191 5656 3535 38.46 38.46 1-31-3 140140 9090 5454 3636 40.00 40.00 1-41-4 140140 9292 5656 3636 39.13 39.13 1-51-5 140140 9292 5656 3636 39.13 39.13 3-13-1 150150 9090 6262 2828 31.11 31.11 3-23-2 150150 9191 6161 3030 32.97 32.97 3-33-3 150150 9191 6262 2929 31.87 31.87 3-43-4 150150 8989 6262 2727 30.34 30.34 3-53-5 150150 9090 6060 3030 33.33 33.33 2-12-1 160160 9090 6464 2626 28.89 28.89 2-22-2 160160 9191 6565 2626 28.57 28.57 2-32-3 160160 9191 6565 2626 28.57 28.57 2-42-4 160160 9292 6666 2626 28.26 28.26 2-52-5 160160 9191 6666 2525 27.47 27.47 3-13-1 170170 9191 7373 1818 19.78 19.78 3-23-2 170170 9191 7272 1919 20.88 20.88 3-33-3 170170 9292 7373 1919 20.65 20.65 3-43-4 170170 9090 7070 2020 22.22 22.22 3-53-5 170170 9191 7171 2020 21.98 21.98 4-14-1 180180 9292 7979 1313 14.13 14.13 4-24-2 180180 9292 7979 1313 14.13 14.13 4-34-3 180180 9292 7878 1414 15.22 15.22 4-44-4 180180 9292 7979 1313 14.13 14.13 4-54-5 180180 9292 7979 1313 14.13 14.13 5-15-1 190190 9393 8585 88 8.60 8.60 5-25-2 190190 9191 8181 1010 10.99 10.99 5-35-3 190190 9292 8282 1010 10.87 10.87 5-45-4 190190 9292 8282 1010 10.87 10.87 5-55-5 190190 9292 8282 1010 10.87 10.87 6-16-1 200200 9393 8787 66 6.45 6.45 6-26-2 200200 9292 8585 77 7.61 7.61 6-36-3 200200 9292 8585 77 7.61 7.61 6-46-4 200200 9090 8383 77 7.78 7.78 6-56-5 200200 9191 8484 77 7.69 7.69

아래 표 2는 압출 속력을 바꿔 가면서 실험하되, 노즐의 이동 속력은 150mm/min로, 출력 온도는 150℃ 로, 노즐과 베드 사이의 거리는 0.3mm로, 베드의 온도는 상온으로 각각 고정한 경우의 실험예의 결과값이다. Table 2 below experiments while changing the extrusion speed, but the moving speed of the nozzle is 150mm / min, the output temperature is 150 ℃, the distance between the nozzle and the bed is 0.3mm, and the temperature of the bed is fixed at room temperature. This is the result of the example.

번호number 압출속력Extrusion speed 출력후 길이Length after printing 가열후 길이Length after heating 변화량Amount of change 변형률Strain Λ(mm/min)Λ (mm / min) mmmm mmmm mmmm %% 1-11-1 22.522.5 9292 4949 4343 46.74 46.74 1-21-2 22.522.5 9090 4646 4444 48.89 48.89 1-31-3 22.522.5 9090 4747 4343 47.78 47.78 1-41-4 22.522.5 8989 4747 4242 47.19 47.19 1-51-5 22.522.5 8989 4848 4141 46.07 46.07 2-12-1 4545 8585 5050 3535 41.18 41.18 2-22-2 4545 9090 5252 3838 42.22 42.22 2-32-3 4545 9191 5252 3939 42.86 42.86 2-42-4 4545 9191 5050 4141 45.05 45.05 2-52-5 4545 9191 5151 4040 43.96 43.96 3-13-1 135135 9292 6161 3131 33.70 33.70 3-23-2 135135 9191 6363 2828 30.77 30.77 3-33-3 135135 9090 6161 2929 32.22 32.22 3-43-4 135135 8989 6161 2828 31.46 31.46 3-53-5 135135 9292 6363 2929 31.52 31.52 4-14-1 180180 9090 6666 2424 26.67 26.67 4-24-2 180180 9090 6666 2424 26.67 26.67 4-34-3 180180 8989 6565 2424 26.97 26.97 4-44-4 180180 9191 6666 2525 27.47 27.47 4-54-5 180180 9191 6666 2525 27.47 27.47 5-15-1 225225 8989 6565 2424 26.97 26.97 5-25-2 225225 8888 6363 2525 28.41 28.41 5-35-3 225225 8888 6262 2626 29.55 29.55 5-45-4 225225 8888 6464 2424 27.27 27.27 5-55-5 225225 8888 6464 2424 27.27 27.27 6-16-1 450450 9393 8282 1111 11.83 11.83 6-26-2 450450 9191 8282 99 9.89 9.89 6-36-3 450450 9090 8181 99 10.00 10.00 6-46-4 450450 8888 7878 1010 11.36 11.36 6-56-5 450450 8888 7979 99 10.23 10.23

도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 실험예에 따른 결과를 통해 출력 온도에 따라 출력물의 변형률이 달라지는 사실과, 이동 속력에 대한 압출 속력의 비에 따라 출력물의 변형률이 상이해짐을 알 수 있다. As described with reference to FIG. 6, it can be seen through the results according to this experimental example that the strain of the output varies depending on the output temperature, and the strain of the output differs depending on the ratio of the extrusion speed to the moving speed.

또한, 본 발명의 실시예들에 따라 프린팅한 출력물의 모습과 출력물을 가열하여 외형을 복원한 모습을 설명하기 위해 도시한 도 8을 참조하면, 801과 같이 출력물 시편의 길이는 약 3cm이나 가열후 외형 복원된 시편의 길이는 약 1.8cm로 1.2cm의 가열에 의한 외형 복원시 출력물의 길이 변화가 생기는 것을 알 수 있다. 또한, 802와 같이, 출력물의 모습은 평평한 형태이나 출력물을 가열하여 외형 복원이 되면 형상이 변화하여 3차원 형태의 꽃잎 형상이 형성됨을 알 수 있다. 또한, 803과 같이, 출력물의 모습은 평평한 형태이나 출력물을 가열하여 외형 복원이 되면 중심에 있는 물체를 감싸는 형태로 형상이 변화됨을 알 수 있다.In addition, referring to FIG. 8 shown to describe the appearance of the printed output according to the embodiments of the present invention and the appearance of the output restored by heating, the length of the output specimen as shown in 801 is about 3 cm, but after heating The length of the restored specimen is about 1.8 cm, and it can be seen that the length of the output changes when the outer shape is restored by heating 1.2 cm. In addition, it can be seen that the shape of the output is flat, but the shape changes when the output is restored by heating the output, thereby forming a three-dimensional petal shape. In addition, as shown in 803, it can be seen that the shape of the output is changed to a flat shape or a shape surrounding an object in the center when the output is restored by heating the output.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 능동 가변형 구조물 프린팅 방법의 절차를 도시한 흐름도로서, 본 실시예에 따른 프린팅 방법은 앞서 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 프린팅 장치(10)를 이용한 프린팅 방법이다. 즉, 프린팅 장치(10)가 수행하는 모든 기능들과 절차들은 아래에서 설명될 프린팅 방법에 일 과정으로서 포함될 수 있다. 따라서, 이하에서는 상술한 내용과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.7 is a flowchart showing a procedure of an active variable structure printing method according to another embodiment of the present invention, the printing method according to this embodiment is a printing using the printing device 10 described with reference to Figures 1 to 6 above It is a way. That is, all functions and procedures performed by the printing device 10 may be included as a process in the printing method described below. Therefore, hereinafter, descriptions overlapping with the above-described contents will be omitted.

본 실시예에 따른 능동 가변형 구조물 프린팅 방법은 노즐, 온도 조절부 및 노즐 제어부를 포함하는 3차원 프린터를 이용한 프린팅 방법에 있어서, (a) 특정 영구 형태를 갖는 형상기억소재로 형성되는 필라멘트가 상기 노즐에 주입되는 단계(S71)와, (b) 상기 온도 조절부가 상기 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 상기 노즐의 온도를 조절하여 상기 필라멘트를 용융시키는 단계(S72), 그리고, (c) 상기 노즐 제어부가 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 상기 노즐이 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 갖는 형태로 프린팅하는 단계(S73)를 포함한다.The active variable structure printing method according to the present embodiment is a printing method using a 3D printer including a nozzle, a temperature controller and a nozzle control unit, (a) the filament formed of a shape memory material having a specific permanent shape is the nozzle Step (S71) to be injected, and (b) the temperature control unit to melt the filament by adjusting the temperature of the nozzle to a temperature range in which the permanent shape of the filament is maintained (S72), and (c) the And controlling the speed at which the nozzle control unit extrudes the filament and the moving speed of the nozzle to print the filament in which the nozzle is melted in a form having an internal stress (pre-strain) (S73).

여기서, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력은 상기 소정의 베드와 수직된 방향으로 형성되고 상기 노즐의 이동 속력은 상기 소정의 베드와 수평된 방향으로 형성될 수 있다.Here, the speed at which the nozzle extrudes the filament may be formed in a direction perpendicular to the predetermined bed, and the moving speed of the nozzle may be formed in a direction horizontal to the predetermined bed.

또한, (b) 단계(S72)는 상기 온도 조절부가 상기 노즐의 온도를 140°C 내지 190°C로 온도를 조절하여 상기 필라멘트를 용융시키는 단계일 수 있다.In addition, step (b) (S72) may be a step of melting the filament by adjusting the temperature of the nozzle to 140 ° C to 190 ° C by the temperature control unit.

또한, (c) 단계(S73)는 상기 노즐 제어부가 상기 이동 속력이 상기 필라멘트를 압출하는 속력보다 크도록 제어하여 압출된 상기 필라멘트가 인장되도록 하는 단계일 수 있다.In addition, step (c) (S73) may be a step in which the nozzle control unit controls the movement speed to be greater than the speed at which the filament is extruded so that the extruded filament is stretched.

또한, (c) 단계(S73)는 상기 노즐 제어부가 상기 이동 속력에 대한 상기 필라멘트를 압출하는 속력의 비를 0.1 내지 0.9로 제어하여 압출된 상기 필라멘트가 인장되도록 하는 단계일 수도 있다.In addition, step (c) (S73) may be a step of controlling the ratio of the speed at which the nozzle control unit extrudes the filament to the moving speed to 0.1 to 0.9 so that the extruded filament is stretched.

이에 더하여, (c) 단계(S73)는 상기 노즐 제어부가 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여 압출된 상기 필라멘트가 인장되도록 하되, 용융 적층 모델링 방식으로 상기 필라멘트를 압출하는 단계일 수 있다.In addition, step (c) (S73) is a step in which the nozzle control unit controls the speed of extruding the filament and the moving speed of the nozzle so that the extruded filament is tensioned, and extruding the filament by a melt lamination modeling method. Can be

또한, 앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 있어서 상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지닌 경우를 예로 든다. 이 때, (b) 단계(S72)는, 상기 온도 조절부가, 상기 노즐의 온도를 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트 계열의 가교 결합 유지 온도 범위 내에서 상기 폴리머 체인의 소프트 세그먼트 계열의 전이 온도 이상으로 조절하는 단계일 수 있다. 또한, 같은 예에서, (c) 단계(S73)는, 상기 노즐 제어부가, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 상기 노즐이 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트가 사전 변형되어 용융된 상태의 상기 필라멘트를, 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하는 단계일 수 있다.In addition, as described above, in the present embodiment, the filament is formed of a shape memory resin, and the polymer chain of the shape memory resin is a soft segment that is fixed or deformed based on a hard segment series and a transition temperature to maintain the original state. Take the case of having a series as an example. At this time, (b) step (S72), the temperature control unit, the temperature of the nozzle is adjusted to the transition temperature of the soft-segment series of the polymer chain within the cross-linking retention temperature range of the hard segment series of the polymer chain It may be a step. In addition, in the same example, (c) step (S73), the nozzle control unit, the nozzle to control the speed of extruding the filament and the movement speed of the nozzle according to the movement of the nozzle, the nozzle is the polymer It may be a step of printing the filament in a state in which the hard segment of the chain is pre-deformed and melted in a form having an internal stress (pre-strain).

이와 같이, 본 실시예에 따른 프린팅 방법을 이용하면, 사전 변형(인장)시킨 형상기억소재를 압출함으로써 출력물에 외력을 인가하는 과정 등의 별도의 후처리 과정 없이 출력물의 외형이 복원될 수 있고 정교한 출력물의 설계 및 출력이 가능한 바, 4D 프린팅의 절차가 간소화되고 출력물의 제조 시간 및 단가를 절약할 수 있다.As described above, when the printing method according to the present embodiment is used, the appearance of the output can be restored without a separate post-treatment process such as a process of applying an external force to the output by extruding the shape memory material that has been pre-deformed (tensile) The design and printing of prints are possible, which simplifies the process of 4D printing and saves the manufacturing time and cost of prints.

상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The above description of the present invention is for illustration only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be interpreted to be included in the scope of the present invention.

Claims (12)

3차원 프린터에 있어서,
소정의 베드에 형상기억소재의 필라멘트를 압출하도록 형성되는 노즐;
상기 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 상기 노즐의 온도를 조절하도록 형성되는 온도 조절부; 및
상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여 상기 이동 속력에 대한 상기 필라멘트를 압출하는 속력의 비를 상기 필라멘트를 압출하는 중에 변화시켜 출력물에 인가되는 사전 변형을 조절하여, 상기 노즐이 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력을 가지는 형태로 프린팅하도록 제어하는 노즐 제어부를 포함하며,
상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며,
상기 온도 조절부는 상기 노즐의 온도를 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트 계열의 가교 결합 유지 온도 범위 내에서 상기 폴리머 체인의 소프트 세그먼트 계열의 전이 온도 이상으로 조절하도록 형성되며,
상기 노즐 제어부는 상기 노즐이 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트가 사전 변형되어 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 용융된 상태의 상기 필라멘트를 프린팅하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치.
For a 3D printer,
A nozzle formed to extrude a filament of shape memory material into a predetermined bed;
A temperature control unit formed to control the temperature of the nozzle in a temperature range in which the permanent form of the filament is maintained; And
The ratio of the speed at which the nozzle extrudes the filament and the speed at which the nozzle extrudes the filament by controlling the moving speed of the nozzle according to the movement of the nozzle is changed during extrusion of the filament to be applied to the output. It includes a nozzle control unit to control the pre-strain to print the filament in which the nozzle is melted in a form having an internal stress,
The filament is formed of a shape memory resin, the polymer chain of the shape memory resin has a hard segment series to maintain the original state and a soft segment series that is fixed or deformed based on the transition temperature,
The temperature control unit is formed to adjust the temperature of the nozzle to a transition temperature of the soft segment series of the polymer chain within a range of the crosslinking retention temperature range of the hard segment series of the polymer chain,
The nozzle control unit is an active variable structure printing device, characterized in that the nozzle is formed to print the filament in a molten state in a form having a pre-strain by pre-straining the hard segment of the polymer chain.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력은 소정의 베드와 수직된 방향으로 형성되고 상기 노즐의 이동 속력은 상기 소정의 베드와 수평된 방향으로 형성되며,
상기 노즐 제어부는 상기 이동 속력을 상기 필라멘트를 압출하는 속력보다 크게 제어하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치.
According to claim 1,
The speed at which the nozzle extrudes the filament is formed in a direction perpendicular to the predetermined bed, and the moving speed of the nozzle is formed in a direction parallel to the predetermined bed,
The nozzle control unit is an active variable structure printing device, characterized in that formed to control the movement speed greater than the speed of extruding the filament.
제1항에 있어서,
상기 노즐 제어부는 상기 이동 속력에 대한 상기 필라멘트를 압출하는 속력의 비를 0.1 내지 0.9로 제어하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치.
According to claim 1,
The nozzle control unit is an active variable structure printing device, characterized in that formed to control the ratio of the speed of extruding the filament to the moving speed from 0.1 to 0.9.
제1항에 있어서,
상기 3차원 프린터는 용융 적층 모델링 방식으로 상기 필라멘트를 압출하는 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치.
According to claim 1,
The three-dimensional printer is an active variable structure printing apparatus, characterized in that extruding the filament in a melt-laminated modeling method.
노즐, 온도 조절부 및 노즐 제어부를 포함하는 3차원 프린터를 이용한 프린팅 방법에 있어서,
(a) 특정 영구 형태를 갖는 형상기억소재로 형성되는 필라멘트가 상기 노즐에 주입되는 단계;
(b) 상기 온도 조절부가 상기 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 상기 노즐의 온도를 조절하여 상기 필라멘트를 용융시키는 단계; 및
(c) 상기 노즐 제어부가 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여 상기 이동 속력에 대한 상기 필라멘트를 압출하는 속력의 비를 상기 필라멘트를 압출하는 중에 변화시켜 출력물에 인가되는 사전 변형을 조절하여, 상기 노즐이 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력을 가지는 형태로 프린팅하도록 제어하는 단계를 포함하며,
상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며,
상기 (b) 단계는, 상기 온도 조절부가 상기 노즐의 온도를 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트 계열의 가교 결합 유지 온도 범위 내에서 상기 폴리머 체인의 소프트 세그먼트 계열의 전이 온도 이상으로 조절하는 단계이며,
상기 (c) 단계는, 상기 노즐 제어부가 상기 노즐이 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트가 사전 변형되어 용융된 상태의 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하는 단계인 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 방법.
In the printing method using a three-dimensional printer including a nozzle, a temperature control unit and a nozzle control unit,
(A) a filament formed of a shape memory material having a specific permanent shape is injected into the nozzle;
(b) melting the filament by adjusting the temperature of the nozzle to a temperature range in which the temperature control unit maintains the permanent shape of the filament; And
(c) the nozzle control unit extrudes the filament at a ratio of the speed at which the nozzle extrudes the filament and the speed at which the nozzle extrudes the filament by controlling the moving speed of the nozzle according to the movement of the nozzle And controlling the pre-deformation applied to the output by changing during the process so that the nozzle prints the molten filament in a form having internal stress,
The filament is formed of a shape memory resin, the polymer chain of the shape memory resin has a hard segment series to maintain the original state and a soft segment series that is fixed or deformed based on the transition temperature,
The step (b) is a step in which the temperature control unit adjusts the temperature of the nozzle to a transition temperature of the soft segment series of the polymer chain within a range of the crosslinking retention temperature of the hard segment series of the polymer chain,
In the step (c), the nozzle control unit is characterized in that the nozzle is a step in which the hard segment of the polymer chain is pre-deformed to print the filament in a molten state in a form having an internal stress (pre-strain). Active variable structure printing method.
삭제delete 삭제delete 제7항에 있어서,
상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력은 소정의 베드와 수직된 방향으로 형성되고 상기 노즐의 이동 속력은 상기 소정의 베드와 수평된 방향으로 형성되며,
상기 (c) 단계는 상기 노즐 제어부가 상기 이동 속력이 상기 필라멘트를 압출하는 속력보다 크도록 제어하여 인장된 상기 필라멘트가 압출되도록 하는 단계인 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 방법.
The method of claim 7,
The speed at which the nozzle extrudes the filament is formed in a direction perpendicular to the predetermined bed, and the moving speed of the nozzle is formed in a direction parallel to the predetermined bed,
The (c) step is an active variable structure printing method, characterized in that the step of controlling the nozzle so that the moving speed is greater than the speed of extruding the filament so that the tensioned filament is extruded.
제7항에 있어서,
상기 (c) 단계는 상기 노즐 제어부가 상기 이동 속력에 대한 상기 필라멘트를 압출하는 속력의 비를 0.1 내지 0.9로 제어하여 인장된 상기 필라멘트가 압출되도록 하는 단계인 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 방법.
The method of claim 7,
The (c) step is an active variable structure printing method, characterized in that the step of controlling the ratio of the speed at which the nozzle extrudes the filament to the moving speed is 0.1 to 0.9 to extrude the tensioned filament.
제7항에 있어서,
상기 (c) 단계는 상기 노즐 제어부가 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여 인장된 상기 필라멘트가 압출되도록 하되, 용융 적층 모델링 방식으로 상기 필라멘트를 압출하는 단계인 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 방법.
The method of claim 7,
The step (c) is characterized in that the nozzle control unit controls the speed of extruding the filament and the moving speed of the nozzle so that the stretched filament is extruded, but extruding the filament in a melt lamination modeling method. Active variable structure printing method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150158244A1 (en) 2013-12-05 2015-06-11 Stratasys Ltd. Object Of Additive Manufacture With Encoded Predicted Shape Change And Method Of Manufacturing Same
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101849255B1 (en) * 2016-04-07 2018-04-16 이진후 3d printing filament composition having shape memory polyurethane resin

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150158244A1 (en) 2013-12-05 2015-06-11 Stratasys Ltd. Object Of Additive Manufacture With Encoded Predicted Shape Change And Method Of Manufacturing Same
US20170151733A1 (en) 2015-11-30 2017-06-01 President And Fellows Of Harvard College Method of 4d printing a hydrogel composite structure
WO2017095773A1 (en) 2015-11-30 2017-06-08 President And Fellows Of Harvard College Hydrogel composite ink formulation and method of 4d printing a hydrogel composite structure
US20170252976A1 (en) 2016-03-02 2017-09-07 University Of Miami Apparatus, system, and method for 4-dimensional molecular printing
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