KR102140967B1 - 초음파를 이용한 3d 프린팅 방법 및 3d 프린터 - Google Patents

초음파를 이용한 3d 프린팅 방법 및 3d 프린터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면 자극에 의해 상태가 변화하는 물질에 초음파를 집속하여 원하는 형태로 고체화시킴으로써 대상물을 제작할 수 있는 완전히 새로운 3D 프린팅 방식이 제공된다. 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법은, 자극에 의해 상태가 변화하는 물질을 제공하는 단계; 상기 물질 내에 목표 초점을 설정하는 단계; 적어도 하나의 초음파 출력부를 이용하여 상기 목표 초점에 초음파를 집속하는 단계; 및 상기 집속된 초음파로 상기 물질에 자극을 가함으로써 상기 물질의 상태 변화를 유도하는 단계를 포함한다.
이에 따르면, 복수개의 초음파 출력부를 이용하여 동시다발적으로 초음파를 집속할 수 있기 때문에, 노즐을 이용하여 아래에서부터 물질을 쌓아 올리는 종래의 적층형 3D 프린터에 비해 더 빠르게 대상물을 제작할 수 있다. 또한, 종래의 적층형 3D 프린터는 매질을 분사하는 노즐의 두께에 의해서만 정밀도를 제어할 수 있으므로, 일단 출력이 시작되면 노즐을 교체하는 것이 번거로워 정밀도를 제어하기 어려웠으나, 본 발명의 실시예에 따르면 시스템 상에서 초음파 출력부의 주파수 또는 목표 초점의 크기를 제어함으로써 출력의 정밀도를 제어할 수 있다.

Description

초음파를 이용한 3D 프린팅 방법 및 3D 프린터{METHOD FOR 3D PRINTING AND 3D PRINTER USING ULTRASOUND}
본 발명은 초음파를 이용한 3D 프린팅 방법과 3D 프린터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자극에 의해 상태가 변화하는 물질에 집속 초음파로 자극을 가하여 물질의 상태 변화를 유도함으로써 3D 프린팅을 수행하는 방법과 이를 구현하기 위한 3D 프린터에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 한국과학기술연구원의 주관 하에, 보건복지부의 연구중심병원 육성사업(비침습형 초음파 기반의 신경조절 및 근육재활 시스템 개발, 과제고유번호: 1465026068)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
3D 프린터는 3D 도면을 바탕으로 입체 대상물을 제작할 수 있는 기계를 의미한다. 종래의 인쇄 프린터는 x축, y축 평면 정보에 기초하여 잉크를 출력하여 평면상에 문자, 도면을 출력하였지만, 3D 프린터는 제작하고자 하는 대상물의 x축, y축, z축 3차원 정보에 기초하여 플라스틱, 금속, 종이 등의 물질을 절삭하거나 적층함으로써 3차원 대상물을 제작할 수 있다.
3D 프린터의 출력 방식은 크게 두 가지로 분류할 수 있는데, 커다란 원재료 덩어리를 칼날이나 레이저로 조각하여 대상물을 제작하는 절삭형 방식과, 분말이나 액상 형태의 매질을 필드에 차례로 쌓아 올려 대상물을 제작하는 적층형 방식이 있다.
절삭형 3D 프린터는 4축 또는 5축 가공기를 이용한 CNC(Computer Numerical Control) 장비의 일종으로서, 일체로 된 원재료 덩어리를 가공하여 대상물을 제작하므로 내구성이 튼튼하여 산업 현장에서 널리 사용되고 있으나 가격이 비싸고 제작에 오래 걸린다는 단점이 있다.
적층형 3D 프린터는 노즐(nozzle)을 이용하여 매질을 아래에서부터 차례로 쌓아 올리는 방식으로서, 절삭형 프린터에 비해 대상물 내부에 정교한 구조를 구현할 수 있고 가격이 상대적으로 저렴하여 최근에는 가정용으로도 상용화되고 있다. 널리 이용되는 적층형 프린터에는 플라스틱 재료를 녹여 노즐에서 분사하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식, 액상 광경화성 수지를 노즐에서 분사한 후 광에너지를 이용하여 경화시키는 폴리제트(Polyjet) 방식, 분말재료를 필드에 깐 후 레이저로 선택된 부분을 녹이고 굳히기를 반복하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식 등이 있다.
최근 3D 프린터는 관련 기술의 발전에 힘입어 300종이 넘는 물질을 잉크 소재로 사용할 수 있게 되면서, 생활용품이나 산업부품의 제작, 건축, 의료, 군사, 우주항공 분야 등에서 폭넓게 활용되고 있다.
하지만 기술의 발전에도 불구하고 3D 프린터는 종래의 공정에 비해 제조 시간이 오래 걸린다는 문제가 여전히 남아 있는데, 원재료 덩어리를 조각하여 대상물을 제작하는 절삭형 방식은 물론이고, 적층형 방식 또한 노즐을 이용해 매질을 아래에서 위로 쌓아 올릴 수 밖에 없으므로 공장에서 주형(template)을 이용해 제품을 대량생산하는 방식에 비해 공정 속도가 느리다는 단점이 있다.
이에, 3D 프린터의 출력을 고속화하기 위한 방법들이 연구되었다. 예를 들어 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0067972호에 따르면, 하나의 적층형 3D 프린터에 다수의 형상물을 동시에 제작할 수 있는 다중 출력부를 구비함으로써 대상물의 제작 속도를 향상시키고자 하였다. 그러나 노즐을 이용하여 물질을 적층하는 종래의 3D 프린팅 방식을 이용하는 한 근본적인 해결책이 될 수는 없었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0067972호
이에, 본 명세서는 완전히 새로운 방식의 3D 프린터를 제공하고자 한다. 구체적으로, 자극에 의해 상태가 변화하는 물질(예를 들어, 고온이나 진동에 의해 고체화되는 유체)에 초음파를 집속하여 원하는 형태로 고체화시킴으로써 대상물을 제작하는 새로운 방식의 3D 프린터 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 3D 프린팅 방법은, 자극에 의해 상태가 변화하는 물질을 제공하는 단계; 상기 물질 내에 목표 초점을 설정하는 단계; 적어도 하나의 초음파 출력부를 이용하여 상기 목표 초점에 초음파를 집속하는 단계; 및 상기 집속된 초음파로 상기 물질에 자극을 가함으로써 상기 물질의 상태 변화를 유도하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 물질 내에 목표 초점을 설정하는 단계는, 제작하고자 하는 대상물의 3D 도면 정보를 수신하는 단계; 상기 대상물의 3D 도면 정보에 기초하여 일련의 목표 초점들을 결정하는 단계; 및 상기 일련의 목표 초점들에 대하여, 각 목표 초점에 초음파를 집속하기 위한 적어도 하나의 초음파 출력부를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방법은, 상기 적어도 하나의 초음파 출력부가 출력하는 주파수 또는 목표 초점의 크기를 제어함으로써 3D 프린팅의 정밀도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 물질은 임계값 이상의 자극에 의해 고체화되는 유체이며, 상기 초음파 출력부는 상기 유체 내 목표 초점에 초음파를 집속함으로써 임계값 이상의 자극을 유도하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자극은 온도 변화 또는 기계적인 진동을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 물질은 임계값 이상의 자극에 의해 제거될 수 있는 고체이며, 상기 초음파 출력부는 상기 고체 내 목표 초점에 초음파를 집속함으로써 임계값 이상의 자극을 유도하여 상기 고체의 일부를 제거하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 저장되며, 제작하고자 하는 대상물의 3D 도면 정보를 수신하는 단계; 상기 대상물의 3D 도면 정보에 기초하여 일련의 목표 초점들을 결정하는 단계; 상기 일련의 목표 초점들에 대하여, 각 목표 초점에 초음파를 집속하기 위한 적어도 하나의 초음파 출력부를 결정하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 초음파 출력부가 상기 결정된 일련의 목표 초점들에 초음파를 집속하도록 초음파 출력부를 제어하는 단계를 프로세서가 수행하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 3D 프린터는, 자극에 의해 상태가 변화하는 물질을 담기 위한 하우징; 초음파를 출력하여 목표 초점에 초음파를 집속하기 위한 초음파 출력부; 및 상기 초음파 출력부를 제어하기 위한 제어부를 포함하고, 상기 초음파 출력부는 초음파를 이용해 상기 물질에 자극을 가함으로써 상기 물질의 상태 변화를 유도하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 초음파 출력부는 복수개의 단일 집적 초음파 소자들로 구성되며, 각각의 초음파 소자는 기계적으로 움직이거나, 전기적인 입력을 수신함으로써 초음파가 집속되는 목표 초점을 조정할 수 있고, 상기 제어부는 각각의 초음파 소자를 기계적으로 움직이거나 전기적으로 제어함으로써 3D 프린팅을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초음파 출력부는 복수개의 1차원 배열 유닛으로 구성되며, 각각의 1차원 배열 유닛은 1차원으로 배열된 복수개의 단일 집적 초음파 소자들로 구성되며, 상기 제어부는 각각의 1차원 배열 유닛을 기계적으로 움직임으로써 3D 프린팅을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초음파 출력부는 복수개의 2차원 배열 유닛으로 구성되며, 각각의 2차원 배열 유닛은 2차원으로 배열된 복수개의 단일 집적 초음파 소자들로 구성되며, 상기 제어부는 각각의 2차원 배열 유닛을 전기적으로 제어함으로써 3D 프린팅을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 큰 움직임에 있어서는 상기 초음파 출력부를 기계적으로 움직임으로써 목표 초점을 조정하고, 미세한 움직임에 있어서는 상기 초음파 출력부를 전기적으로 제어함으로써 목표 초점을 조정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 단일 집적 초음파 소자는, 압전 재료를 이용한 초음파 트랜스듀서, CMUT, PMUT, 광음향 효과를 이용하는 초음파 트랜스듀서, 또는 전자기력을 이용하는 초음파 트랜스듀서로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 제작하고자 하는 대상물의 3D 도면 정보를 수신하고, 상기 대상물의 3D 도면 정보에 기초하여 일련의 목표 초점들을 결정하고, 상기 일련의 목표 초점들에 대하여, 각 목표 초점에 초음파를 집속하기 위한 적어도 하나의 초음파 출력부를 결정하고, 상기 결정된 초음파 출력부가 상기 일련의 목표 초점들에 초음파를 집속하도록 제어한다.
일 실시예에서, 상기 제어부는, 상기 적어도 하나의 초음파 출력부가 출력하는 초음파의 주파수 또는 목표 초점의 크기를 제어할 수 있도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 물질은 임계값 이상의 자극에 의해 고체화되는 유체이며, 상기 초음파 출력부는 상기 유체 내 목표 초점에 초음파를 집속함으로써 임계값 이상의 자극을 유도할 수 있도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 자극은 온도 변화 또는 기계적인 진동을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 물질은 임계값 이상의 자극에 의해 제거될 수 있는 고체이며, 상기 초음파 출력부는 상기 고체 내 목표 초점에 초음파를 집속함으로써 임계값 이상의 자극을 유도하여 상기 고체의 일부를 제거할 수 있도록 구성된다.
본 명세서에서 제공하는 실시예들에 따르면, 자극에 의해 상태가 변화하는 물질에 초음파를 집속하여 원하는 형태로 고체화시킴으로써 대상물을 제작할 수 있는 완전히 새로운 방식의 3D 프린터가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수개의 초음파 출력부를 이용하여 복수개의 목표 초점에 동시다발적으로 초음파를 집속할 수 있기 때문에, 노즐을 이용하여 아래에서부터 물질을 쌓아 올리는 종래의 적층형 3D 프린터에 비해 더 빠르게 대상물을 제작할 수 있다.
또한, 종래의 적층형 3D 프린터는 매질을 분사하는 노즐의 두께에 의해서만 정밀도를 제어할 수 있으므로, 일단 출력이 시작되면 노즐을 교체하는 것이 번거로워 정밀도를 제어하기 어려웠으나, 본 발명의 실시예에 따르면 시스템 상에서 초음파 출력부의 주파수 또는 목표 초점의 크기를 제어함으로써 출력의 정밀도를 제어할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 3D 프린터를 나타낸 모식도이다.
도 2는 초음파를 이용한 3D 프린터의 제어 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 3D 프린팅 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4a 및 4b는 초음파를 통해 물질의 상태 변화를 유도하여 3D 프린팅을 구현하는 과정을 나타낸 도면들이다.
도 5는 하나의 목표 초점에 대해 복수개의 초음파 출력부를 할당하는 것을 나타낸 도면이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 청구하고자 하는 범위는 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
또한, 본 명세서에 기술된 실시예는 전적으로 하드웨어이거나, 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어이거나, 또는 전적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 본 명세서에서 "부(unit)", "장치(device)", "서버(server)" 또는 "시스템(system)" 등은 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 또는 소프트웨어 등 컴퓨터 관련 엔티티(entity)를 지칭한다. 예를 들어, 부, 장치, 서버 또는 시스템은 플랫폼(platform)의 일부 또는 전부를 구성하는 하드웨어 및/또는 상기 하드웨어를 구동하기 위한 애플리케이션(application) 등의 소프트웨어를 지칭하는 것일 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
초음파를 이용한 3D 프린터의 구성요소
도 1은 일 실시예에 따른 초음파를 이용한 3D 프린터를 나타낸 모식도이고, 도 2는 초음파를 이용한 3D 프린터의 제어 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하여 초음파를 이용한 3D 프린터(1)의 구조를 살펴보면, 물질을 담기 위한 하우징(H)과 상기 하우징에 부착된 복수개의 초음파 출력부(T)로 구성될 수 있다. 다만, 이는 본 발명의 핵심적인 기술특징을 구현하기 위해 필요한 구성요소만을 기술한 것이고, 프린터를 구성하는 본체, 제어회로, 전지 등 일반적인 3D 프린터에 포함되는 요소에 대해서는 설명을 생략하도록 한다.
도 2를 참조하면, 제어부(10)는 각각의 초음파 출력부(T1 내지 TN)와 유선 또는 무선으로 연결되어 초음파 출력부의 목표 초점, 집속 강도, 초음파 주파수 등의 설정 값을 제어하도록 구성된다.
하우징(H)은 3D 프린팅의 매개가 되는 물질을 수용하기 위한 상자 형태의 부품을 가리킨다. 도 1에서는 직사각형의 하우징(H)이 도시되어 있으나 특정 형태로 한정되지 않으며 물질을 수용할 수 있는 임의의 형태로 구성될 수 있다. 재질 또한 한정되지 않으며, 예를 들어 아크릴과 같은 플라스틱, 유리 등 다양한 소재로 제작될 수 있다. 다만, 초음파 출력부(T)가 상기 하우징(H)의 내부가 아닌 외부에 설치될 경우에는 초음파가 통과할 수 있는 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
초음파 출력부(T)는 사용자가 원하는 목표 초점(target focal point)에 원하는 강도(intensity)로 초음파를 집속할 수 있는 음원(sound source)을 가리킨다. 초음파 출력부에 포함된 적어도 하나의 트랜스듀서(transducer)는 압전효과 또는 자왜(磁歪) 효과를 응용하여, 20 KHz 이상의 교류 에너지를 같은 주파수의 기계적 진동으로 변환한다. 예를 들어, 트랜스듀서는 일측이 개구된 몸체와 압전소자를 포함하는 구조이며, 몸체 내부는 공기로 충진되며, 각 압전소자에는 전압을 인가하기 위한 전선이 연결된 구조일 수 있다. 압전소자는 수정(Quartz) 및 전기석(Turmaline)과 같은 압전효과를 일으키는 물질을 이용하며, 트랜스듀서는 압전소자의 압전효과를 이용해 초음파를 발생 출력시킬 수 있다. 이와 같은 트랜스듀서의 구조는 예시적일 뿐이며, 특정 구조나 효과로 한정되지 않는다. 트랜스듀서의 압전소자는 목적에 따라 출력을 조정함으로써, 적절한 강도의 초음파를 출력할 수 있고, 출력된 초음파는 중첩을 일으켜 초음파 빔을 형성한다.
초음파 출력부(T)는 단일 초점을 갖는 단일 트랜스듀서 소자뿐만 아니라, 복수개의 초음파 소자가 1차원 또는 2차원으로 배열된 어레이(array) 유닛을 포괄하는 개념으로 이해되어야 한다. 각각의 초음파 소자는 압전 재료를 이용한 초음파 트랜스듀서, CMUT 및 PMUT 등의 micromachined ultrasonic transducer, 광음향 효과를 이용하는 초음파 트랜스듀서, 전자기력을 이용하는 초음파 트랜스듀서 등 모든 종류의 초음파 소자를 포함할 수 있다.
도 1에는 직사각형 하우징(H)의 각 면에 복수개의 초음파 출력부(T)가 부착된 3D 프린터가 도시되어 있으나, 본 발명의 기술적 사상은 특정한 결합구조에 한정되지 아니한다. 예를 들어, 초음파 출력부(T)가 하우징(H)에 직접 부착되지 않고 3D 프린터의 본체에 연결되거나, 하우징 내에 독립적으로 어레이(array)를 형성하는 형태일 수도 있다. 초음파 출력부(T)의 개수나 형태도 한정되지 아니하며 용도에 따라 적합한 개수와 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 작고 단순한 대상물을 만들기 위한 3D 프린터에는 최소한의 초음파 출력부만 구비될 수 있다.
제어부(10)는 초음파 출력부(T)를 제어하기 위한 하드웨어 및/또는 소프트웨어가 결합된 장치로서, 초음파 출력부를 구성하는 단일 집적 초음파 소자(T1 내지 TN) 각각을 독립적으로 제어하거나 초음파 어레이 유닛을 제어하여 사용자가 원하는 목표 초점에 초음파를 집속하는 역할을 수행한다. 나아가, 제어부(10)는 초음파 출력부가 출력하는 초음파의 주파수 또는 목표 초점의 크기를 조정하여 프린팅의 정밀도를 제어할 수 있다.
각각의 초음파 소자는 기계적으로 움직이거나, 전기적인 입력을 수신함으로써 초음파가 집속되는 목표 초점(F)을 조정할 수 있고, 제어부(10)는 각각의 초음파 소자(T1 내지 TN)를 기계적으로 움직이거나 전기적으로 제어함으로써 3D 프린팅을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 복수개의 초음파 소자(T1 내지 TN)는 1차원(가로 또는 세로방향) 또는 2차원(가로 및 세로 방향)으로 배열되어 1차원 배열 유닛 또는 2차원 배열 유닛을 구성할 수 있고, 제어부는 각각의 배열 유닛을 기계적으로 움직이거나 전기적으로 제어함으로써 3D 프린팅을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부는 큰 움직임에 있어서는 초음파 출력부(단일 소자 또는 어레이)를 기계적으로 움직임으로써 목표 초점을 조정하고, 미세한 움직임에 있어서는 초음파 출력부(단일 소자 또는 어레이)를 전기적으로 제어함으로써 목표 초점을 조정할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 1차원 배열 유닛은 기계적으로 움직이고 2차원 배열 유닛은 전기적으로 제어하는 방식으로 3D 프린팅을 수행할 수 있다.
상기에서 설명한 초음파 출력부의 배열 구성이나 이를 기계적/전기적으로 제어하는 방법은 예시일 뿐이며 한정되지 아니한다. 예를 들어, 정렬식 어레이 뿐만 아니라 초음파 소자가 드문 드문 배치된 스파스 어레이(sparse array) 또는 바둑판과 같이 교대로 정렬되는 형태도 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 제어부(10)는 3D 프린터 본체(1)에 포함되는 프로세서뿐만 아니라, 명령을 입력 받아 3D 프린터로 전송하는 외부 디바이스(예를 들어, 랩톱, 데스크톱, 태블릿, 스마트폰 등)에 포함되는 프로세서 및 각 프로세서와 네트워크를 통해 연결된 외부 서버 등을 모두 포함하는 포괄적인 개념이다. 즉, 입력(대상물의 3D 도면 정보에 기초한 자동 입력 또는 사용자의 수동 입력 등)에 따라 초음파 출력부를 제어하는 프로세스에 참여하는 모든 형태의 하드웨어/소프트웨어를 포괄한다.
이하에서는 상기 구성요소들을 통해 구현되는 3D 프린팅 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
초음파를 이용한 3D 프린팅 방법
본 발명에 의하면, 자극에 의해 상태가 변화하는 물질에 초음파를 집속하여 원하는 형태로 고체화시킴으로써 대상물을 제작할 수 있는 새로운 방식의 3D 프린팅 기술이 제공될 수 있다.
먼저, 제작(프린팅)하고자 하는 대상물을 구성하는 매질로서 자극에 의해 상태가 변화하는 물질이 제공된다. 이 물질은 하우징(H)에 수용된다. 일 실시예에서, 상기 물질은 임계값 이상의 자극(온도 상승 또는 기계적인 진동)에 의해 고체화될 수 있는 성질을 가진 유체(fluid)이며, 예를 들어 Poly(N-isopropylacrylamide), Poly(N,N-diethylacrylamide), Poly(methyl vinyl ether), Poly(N-vinylcaprolactam) 등의 온도 응답성 중합체(Temperature-responsive or thermoresponsive polymers) 또는 poly-3-hexylthiophene 와 같이 소노크리스탈라이제이션(Sonocrystallization) 에 사용되는 화합물 또는 중합체로 구성될 수 있다.
이어서, 제어부(10)는 상기 물질 내에 목표 초점(F)을 설정한다. 목표 초점(F)은 각각의 초음파 출력부(T)에서 발생한 초음파가 집속되는 지점으로서, 해당 지점을 중심으로 온도 상승 또는 강력한 진동이 발생할 수 있다. 목표 초점(F)은 제작하고자 하는 대상물의 3D 도면 정보에 기초하여 자동으로 설정될 수도 있고, 사용자가 임의로 설정할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 제어부(10)는 입력에 따라 목표 초점을 설정하고, 초음파 출력부를 제어하는 일련의 프로세서를 모두 포함하는 개념이다.
이어서, 초음파 출력부(T)를 이용하여 상기 설정된 목표 초점(F)에 초음파를 집속하여 물질을 고체화시킨다. 마지막으로 고체화된 부분을 제외한 나머지 물질을 제거함으로써 대상물(100)을 완성할 수 있다.
이에 따르면, 하우징의 각 면에 설치된 복수개의 초음파 소자를 이용하여 복수개의 목표 초점에 동시다발적으로 초음파를 집속할 수 있다. 따라서 노즐을 이용하여 아래에서부터 물질을 쌓아 올리는 종래의 적층형 3D 프린터에 비해 더 빠르게 대상물을 제작할 수 있다.
도 3은 초음파를 이용한 3D 프린팅 방법의 일 실시예를 나타낸 순서도이다. 이하에서는 도 3을 참조하여 각 단계를 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 프린팅 하고자 하는 대상물의 3D 도면 정보를 수신한다(S100). 도 2에 도시된 것처럼 제어부(10)는 유선/무선 네트워크를 통해 자동차모형(대상물)의 3D 도면을 수신한다. 대상물의 3D 도면 정보는 3D 프린터의 내부 스토리지에 저장되어 있거나 외부 디바이스 또는 서버로부터 수신할 수 있다. 3D 도면 정보에는 대상물을 입체적으로 제작하는데 필요한 3차원 좌표 정보가 포함된다.
이어서, 상기 대상물의 3D 도면 정보에 기초하여 일련의 목표 초점들을 결정하는 단계가 수행된다(S200). 일련의 목표 초점들(F1 내지 FN)은, 상기 3차원 좌표 정보에 대응되며, 목표 초점들의 개수, 위치, 크기, 집속 순서 등 대상물을 실질적으로 제작하기 위해 요구되는 고유한 설정 값을 포함한다.
목표 초점들이 결정되면, 각각의 목표 초점에 대하여 초음파를 집속할 초음파 출력부(단일 초음파 소자 또는 어레이)를 결정하는 단계가 수행된다(S300). 도 2를 참조하면, N개의 목표 초점(F1 내지 FN)에 대하여 초음파를 집속하는 n개의 초음파 출력 소자(T1 내지 Tn)가 할당될 수 있다. 실시예에서, 하나의 초음파 출력 소자(예를 들어, 제1 초음파 출력 소자)가 복수개의 목표 초점(예를 들어, 제1, 제2 목표 초점)에 순차적으로 초음파를 집속하도록 설정될 수 있고, 반대로 하나의 목표 초점(예를 들어, 제3 목표 초점)에 대하여 복수개의 초음파 출력 소자(예를 들어, 제3, 제4 초음파 출력 소자)가 초음파를 집속하도록 설정될 수 있다. 초음파 출력부는 목표 초점과 초음파 출력부의 위치 관계, 초점의 크기 등 다양한 조건을 고려하여 적절하게 결정될 수 있다.
이어서, 목표 초점에 초음파를 집속하는 단계(S400), 및 이를 통해 물질에 자극을 가함으로써 고체화를 유도하는 단계(S500)가 동시에 수행된다.
일 실시예에서, 매개가 되는 물질은 임계값 이상의 자극에 의해 고체화되는 유체이며, 상기 초음파 출력부는 상기 유체 내 목표 초점에 초음파를 집속함으로써 임계값 이상의 자극을 가할 수 있다.
도 4a 및 4b는 초음파를 이용하여 물질의 상태 변화를 유도함으로써 3D 프린팅을 구현하는 과정을 나타낸 도면들이다. 도 4a 및 4b는 본 발명의 원리를 설명하기 위해 3D 프린터의 일부 구조를 단순하게 표현한 것이다. 도 4a와 같이, 하우징(H) 내부에는 유체(자극에 의해 고체화되는 특성을 가진 유체)가 가득 차 있는 상태이며, 두 개의 초음파 출력부(T1, T2)는 각각 목표 초점(F1, F2)에 초음파를 집속하도록 설정된다.
여기서, 유체(fluid)는 상온에서 액체 상태이지만 임계값 이상의 온도 상승 또는 기계적인 진동에 의해 고체화되는 특성을 가진다. 초음파 출력부(T1, T2)에서 출력되는 초음파는 유체를 통과하면서 에너지를 전달하고 이에 따라 열과 진동을 발생시키지만 임계값 이하의 자극이기 때문에 유체가 고체화되지 않는다.
그러나 목표 초점(F1, F2)에서는 트랜스듀서에 의해 발생한 복수의 초음파 빔 라인이 한 점으로 집속되므로 유체에 전달되는 에너지가 매우 크다. 따라서 도 4b에 도시된 것처럼 목표 초점(F1, F2)을 중심으로 유체가 고체화될 수 있다. 고체화되는 영역의 크기는 초음파의 주파수, 집속 강도, 집속 시간 등의 설정 값에 따라 변동될 수 있다. 또한, 유체의 종류에 따라 고체화되기 위해 필요한 에너지가 상이하므로, 제어부는 초음파 출력부의 집속 강도, 집속 시간 등의 설정 값을 조정하여 목표 초점에 집속되는 에너지의 크기를 제어할 수 있다.
도 5는 하나의 목표 초점(F1)에 대해 두 개의 초음파 출력부(T1, T2)를 할당하는 것을 나타낸 도면이다. 예를 들어, 출력 영역(즉, 유체를 고체화시켜 대상물의 윤곽을 구성하는 하나의 점, 선 또는 영역)이 다른 영역에 비해 큰 지점에서는 더 큰 에너지가 필요한데, 이 때 복수개의 초음파 출력부가 하나의 목표 초점을 자극하도록 제어하여 프린팅에 소요되는 시간을 감축할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부는 초음파 출력부가 출력하는 초음파의 주파수 또는 목표 초점의 크기를 조정하여 프린팅의 정밀도를 제어할 수 있다. 종래의 적층형 3D 프린터는 매질을 분사하는 노즐(nozzle)의 두께에 의해서만 정밀도를 제어할 수 있으므로, 일단 출력이 시작되면 노즐을 교체하는 것이 번거로워 정밀도를 제어하기 어려웠다. 본 발명의 실시예에 따르면 시스템 상에서 초음파의 주파수를 조정하거나 목표 초점의 크기를 조정함으로써 출력의 정밀도를 제어할 수 있다.
마지막으로, 고체화된 부분을 제외한 나머지 물질을 제거함으로써 대상물을 완성한다(S600). 단계(S500) 이후에 하우징(H)의 배수구를 통해 유체를 배출하면 고체화된 대상물(100)만 남게 된다. 일 실시예에 따른 3D 프린터는, 본 단계(S600)에서 대상물(100)의 표면을 열처리하거나 코팅하기 위한 히터 또는 코팅기를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 물질은 유체가 아닌 임계값 이상의 자극에 의해 제거 가능한 고체로 구성될 수 있다. 이 경우, 초음파 출력부는 상기 고체 내 목표 초점에 초음파를 집속하여 고체의 일부를 제거할 수 있도록 구성된다. 앞에서 설명한 방식, 즉 유체 물질을 고체화시켜서 대상물을 프린팅하는 방식이 양각(陽刻)이라면, 고체 물질의 원하는 부분을 제거하여 입체 대상물을 표현하는 방식은 음각(陰刻)에 해당한다. 일 실시예에서, 사용자는 제어부의 설정을 통해 초음파 출력부의 집속 강도를 제어함으로써 양각 또는 음각 프린팅 방식을 선택할 수 있다. 목표 초점에서 고체 물질을 파괴하기 위해서는 고강도 집속 초음파(High-Intensity focused ultrasound)를 이용하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 제작하고자 하는 대상물의 3차원 좌표와 연관된 일련의 목표 초점에 초음파를 순차적으로 또는 동시에 집속하여 물질의 상태 변화를 유도하는 방식으로 3D 프린팅을 구현할 수 있다. 다시 도 1, 2을 참조하여 정리하자면, 제어부(10)가 수신한 자동차모형(대상물)의 3D 도면 정보에 기초하여 목표 초점들을 설정하고, 대응되는 초음파 출력부(T)를 이용하여 하우징(H)에 수용된 물질을 부분적으로 고체화함으로써 대상물(100)을 제작할 수 있다.
전술한 3D 프린팅 방법은, 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예들에 따르면, 자극에 의해 상태가 변화하는 물질에 초음파를 집속하여 고체화시키는(또는 제거하는) 방식으로 원하는 형태를 구현하여 대상물을 제작할 수 있는 새로운 방식의 3D 프린터가 제공된다.
이에 따르면, 복수개의 초음파 출력부를 이용하여 복수개의 목표 초점에 동시다발적으로 초음파를 집속할 수 있기 때문에, 노즐을 이용하여 아래에서부터 물질을 쌓아 올리는 종래의 적층형 3D 프린터에 비해 더 빠르게 대상물을 제작할 수 있다. 또한 종래의 방식에서는 더 정밀한 표현을 위해서 더 얇은 노즐로 교체하여야 했지만, 본 발명의 실시예에 의하면 출력되는 초음파의 주파수나 초점 크기를 제어함으로써 정밀도를 제어할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 초음파를 이용한 3D 프린터
10: 제어부
100: 대상물
T1 내지 Tn: 초음파 출력부
F1 내지 FN: 목표 초점

Claims (18)

  1. 초음파를 이용한 3D 프린팅 방법으로서,
    자극에 의해 상태가 변화하는 물질을 제공하는 단계;
    상기 물질 내에 목표 초점을 설정하는 단계;
    적어도 하나의 초음파 출력부를 이용하여 상기 목표 초점에 초음파를 집속하는 단계; 및
    상기 집속된 초음파로 상기 물질에 자극을 가함으로써 상기 물질의 상태 변화를 유도하는 단계를 포함하는, 초음파를 이용한 3D 프린팅 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물질 내에 목표 초점을 설정하는 단계는,
    제작하고자 하는 대상물의 3D 도면 정보를 수신하는 단계;
    상기 대상물의 3D 도면 정보에 기초하여 일련의 목표 초점들을 결정하는 단계; 및
    상기 일련의 목표 초점들에 대하여, 각 목표 초점에 초음파를 집속하기 위한 적어도 하나의 초음파 출력부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린팅 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 적어도 하나의 초음파 출력부가 출력하는 주파수 또는 목표 초점의 크기를 제어함으로써 3D 프린팅의 정밀도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린팅 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 물질은 임계값 이상의 자극에 의해 고체화되는 유체이며,
    상기 초음파 출력부는 상기 유체 내 목표 초점에 초음파를 집속함으로써 임계값 이상의 자극을 유도하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린팅 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자극은 온도 변화 또는 기계적인 진동을 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린팅 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 물질은 임계값 이상의 자극에 의해 제거될 수 있는 고체이며,
    상기 초음파 출력부는 상기 고체 내 목표 초점에 초음파를 집속함으로써 임계값 이상의 자극을 유도하여 상기 고체의 일부를 제거하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린팅 방법.
  7. 초음파를 이용한 3D 프린팅 방법을 구현하기 위한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로서,
    제작하고자 하는 대상물의 3D 도면 정보를 수신하는 단계;
    상기 대상물의 3D 도면 정보에 기초하여 일련의 목표 초점들을 결정하는 단계;
    상기 일련의 목표 초점들에 대하여, 각 목표 초점에 초음파를 집속하기 위한 적어도 하나의 초음파 출력부를 결정하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 초음파 출력부가 상기 결정된 일련의 목표 초점들에 초음파를 집속하도록 초음파 출력부를 제어하는 단계를 프로세서가 수행하도록 구성되는, 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  8. 자극에 의해 상태가 변화하는 물질을 담기 위한 하우징;
    초음파를 출력하여 목표 초점에 초음파를 집속하기 위한 초음파 출력부; 및
    상기 초음파 출력부를 제어하기 위한 제어부를 포함하고,
    상기 초음파 출력부는 초음파를 이용해 상기 물질에 자극을 가함으로써 상기 물질의 상태 변화를 유도하는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 초음파 출력부는 복수개의 단일 집적 초음파 소자들로 구성되며,
    각각의 초음파 소자는 기계적으로 움직이거나, 전기적인 입력을 수신함으로써 초음파가 집속되는 목표 초점을 조정할 수 있고,
    상기 제어부는 각각의 초음파 소자를 기계적으로 움직이거나 전기적으로 제어함으로써 3D 프린팅을 수행하는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 초음파 출력부는 복수개의 1차원 배열 유닛으로 구성되며,
    각각의 1차원 배열 유닛은 1차원으로 배열된 복수개의 단일 집적 초음파 소자들로 구성되며,
    상기 제어부는 각각의 1차원 배열 유닛을 기계적으로 움직임으로써 3D 프린팅을 수행하는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 초음파 출력부는 복수개의 2차원 배열 유닛으로 구성되며,
    각각의 2차원 배열 유닛은 2차원으로 배열된 복수개의 단일 집적 초음파 소자들로 구성되며,
    상기 제어부는 각각의 2차원 배열 유닛을 전기적으로 제어함으로써 3D 프린팅을 수행하는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린터.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제어부는,
    큰 움직임에 있어서는 상기 초음파 출력부를 기계적으로 움직임으로써 목표 초점을 조정하고,
    미세한 움직임에 있어서는 상기 초음파 출력부를 전기적으로 제어함으로써 목표 초점을 조정하는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린터.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 단일 집적 초음파 소자는, 압전 재료를 이용한 초음파 트랜스듀서, CMUT, PMUT, 광음향 효과를 이용하는 초음파 트랜스듀서, 또는 전자기력을 이용하는 초음파 트랜스듀서로 구성되는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린터.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    제작하고자 하는 대상물의 3D 도면 정보를 수신하고,
    상기 대상물의 3D 도면 정보에 기초하여 일련의 목표 초점들을 결정하고,
    상기 일련의 목표 초점들에 대하여, 각 목표 초점에 초음파를 집속하기 위한 초음파 출력부를 결정하고,
    상기 결정된 초음파 출력부가 상기 일련의 목표 초점들에 초음파를 집속하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 초음파 출력부가 출력하는 초음파의 주파수 또는 목표 초점의 크기를 제어할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린터.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 물질은 임계값 이상의 자극에 의해 고체화되는 유체이며,
    상기 초음파 출력부는 상기 유체 내 목표 초점에 초음파를 집속함으로써 임계값 이상의 자극을 유도할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린터.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 자극은 온도 변화 또는 기계적인 진동을 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린터.
  18. 제8항에 있어서,
    상기 물질은 임계값 이상의 자극에 의해 제거될 수 있는 고체이며,
    상기 초음파 출력부는 상기 고체 내 목표 초점에 초음파를 집속함으로써 임계값 이상의 자극을 유도하여 상기 고체의 일부를 제거하는 것을 특징으로 하는, 초음파를 이용한 3D 프린터.
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