KR102189510B1

KR102189510B1 - 삼차원 적층 제조 방법

Info

Publication number: KR102189510B1
Application number: KR1020190055691A
Authority: KR
Inventors: 한국현; 조봉우; 전정인; 차향운
Original assignee: 삼영기계(주)
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2020-12-11
Also published as: KR20200131018A

Abstract

본 발명은 일정 정도 이상의 점성을 가지는 적층물질을 분사하여 삼차원형상을 형성하는 방법에 관한 것으로, 노즐의 적층물질 분사 및 중단을 반복하는 과정에서 발생하는 거미줄 현상을 최소화하고, 삼차원형상의 적층속도를 향상시킬 수 있으며, 더 나아가 특정 물질 내부에 고점성의 물질을 적층하여 원하는 삼차원형상을 형성할 수 있는 삼차원 적층 제조 방법에 관한 것이다.

Description

삼차원 적층 제조 방법{Three-dimensional Additive Manufacturing Method}

본 발명은 삼차원 적층 제조 방법에 관한 것이다.

삼차원프린팅이란 삼차원형상을 구현하기 위한 전자적 정보(삼차원 도면)를 자동화된 출력장치를 통하여 입체화하는 작업을 의미하며, 이러한 삼차원프린팅을 하는 장치를 삼차원프린터라고 한다. 삼차원프린팅 방식은 크게 절삭형과 적층형으로 나뉘지만 일반적으로 삼차원프린팅이라고 하면 재료를 쌓아올리는 적층형을 의미하며, 한국 공개특허공보 제10-2016-0043872호("3D 프린터", 공개일 2016.04.22., 이하 선행기술 1)에는 적층형으로 삼차원형상을 구현하는 3D 프린터에 관하여 개시되어 있다.

도 1은 하나의 삼차원형상의 일예를 도시한 것이며, 각각 알파벳 B, O, N, G로 이루어져 있다. 도 2a는 도 1에 도시된 삼차원형상을 정면에서 도시한 것이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 삼차원형상은 하측에서 상측으로 적층된 다수개의 레이어로 이루어질 수 있다.

도 2a를 참조하면, 삼차원형상은 하측에서 상측으로 순차적으로 적층되는 제1레이어(L1), 제1레이어(L1)의 상측에 위치한 제2레이어를 포함한 다수개의 레이어를 포함할 수 있으며, 삼차원형상의 각각의 레이어에 포함된 일부분을 폴리곤이라고 하며, 알파벳 B는 제1레이어(L1)의 제1폴리곤(PG1), 제2레이어의 제3폴리곤(PG3)을 포함할 수 있으며, 알파벳 O는 제1레이어(L1)의 제2폴리곤(PG2)을 포함할 수 있다. 삼차원형상의 레이어들은 모두 동일한 높이를 가지고 있는데, 이는 삼차원형상이 동일한 규격의 노즐에서 적층물질을 분사하여 형성되기 때문이다.

도 2b는 도 2a에 도시된 삼차원형상 중, 제1레이어의 상면을 도시한 것이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 제1폴리곤(PG1)과 제2폴리곤(PG2)은 소정 면적을 가질 수 있다. 종래 제1폴리곤(PG1)과 제2폴리곤(PG2)이 형성되는 과정을 도 2a 및 도 2b를 참조하여 간단히 설명한다. 종래의 적층 방식은 노즐이 형성대상인 제1레이어(L1)의 제1폴리곤(PG1)으로 이동한 후, 적층물질을 분사하여 제1폴리곤(PG1)을 형성하고, 제1폴리곤(PG1)의 형성이 완료되면 적층물질의 분사를 중단한 상태에서 동일한 제1레이어(L1)의 제2폴리곤(PG2)으로 이동한 후 적층물질 분사하여 제2폴리곤(PG2)을 형성한다. 이러한 방식으로 제1레이어(L1)에 포함된 모든 폴리곤을 형성하면 제2레이어(L2)에 포함된 폴리곤들을 형성하게 되며, 순차적으로 삼차원형상에 포함된 모든 레이어를 형성하게 된다.

이러한 방식으로 노즐을 이용해 레이어들이 적층된 순서대로 폴리곤들을 형성하면, 노즐은 동일한 레이어의 폴리곤과 폴리곤 사이, 또는 하나의 레이어의 마지막 폴리곤을 형성한 후 다음 레이어의 폴리곤 사이를 이동하게 되는데, 이러한 종래 삼차원형상의 적층방식은 분사하는 물질이 점성이 없을 경우 별 문제없이 적층할 수 있었으나, 분사하는 물질이 일정 정도 이상의 점성을 가질 때, 노즐이 적층물질을 분사하고 중단하는 과정에서 적층물질이 늘어져 도 2a에 도시된 거미줄(20)이 생길 수 있었는데, 이러한 거미줄 현상은 삼차원형상의 품질을 저하시키는 문제점이 될 수 있었다. 또한, 종래의 방식은 노즐이 이동하는 거리가 증가함에 따라 출력시간 또한 증가하는 문제가 있다.

또한, 종래 방식의 문제는 단순히 공기 중에 점성물질을 출력하는데 그치지 않고, 특정 물질 내부에 일정 정도 이상의 점성을 가지는 물질을 분사하여 원하는 삼차원형상을 형성하는데도 적용되는 문제이다.

한국 공개특허공보 제10-2016-0043872호("3D 프린터", 공개일 2016.04.22.)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 삼차원 적층 제조 방법의 목적은 일정 정도 이상의 점성을 가지는 적층물질을 분사하여 삼차원형상을 형성하는 방법에 있어서, 노즐의 적층물질 분사 및 중단을 반복하는 과정에서 발생하는 거미줄 현상을 최소화하고, 삼차원형상의 적층속도를 향상시킬 수 있으며, 더 나아가 특정 물질 내부에 특정 물질과 다른 점성을 갖는 물질을 적층하여 원하는 삼차원형상을 형성하는 것이 가능한 삼차원 적층 제조 방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 삼차원 적층 제조 방법은, a) 적층할 삼차원형상의 정보를 입력받는 단계; b) 상기 삼차원형상을 적층 방향으로 다수개의 레이어로 나누는 단계; c) 적층 방향으로 분할된 상기 레이어 각각에 포함된 서로 적층 방향으로 이격된 다수개의 폴리곤을 인식하는 단계; d) 상기 삼차원형상을 적층되는 방향으로 서로 맞닿는 폴리곤끼리 이루어지는 파트로 구분하는 단계; 및 e) 노즐을 이용해 일정 정도 이상의 점성을 가지는 적층물질을 분사하여 상기 d) 단계에서 구분된 파트들을 각각 순차적으로 적층하여 삼차원형상을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 d) 단계는 d-1) 파트 리스트를 생성하는 단계 및 d-2) 상기 c) 단계에서 인식된 폴리곤들을 선택하고, 선택된 폴리곤과 상기 파트 리스트에 포함된 파트들 중, 나중에 형성되는 파트부터 후위 순회하면서 선택해, 선택된 파트의 최상단 폴리곤이 서로 맞닿을 경우 선택된 폴리곤을 해당 파트로 편입하고, 선택된 폴리곤이 모든 파트 각각의 최상단 폴리곤과 맞닿지 않을 경우, 선택된 폴리곤을 별개의 파트로 분류하여 상기 파트 리스트에 포함시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 d-2) 단계는 하측에 위치한 레이어에 포함된 폴리곤들부터 상측에 위치한 레이어에 포함된 폴리곤까지 순차적으로 선택하면서, 선택된 폴리곤을 파트로 분류하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 e) 단계는 소정 점도를 가지는 바탕물질 내에 상기 노즐을 삽입한 후, 적층물질을 분사해 상기 파트들을 순차적으로 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 바탕물질은 일정 정도 이상의 투명도를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 적층물질과 상기 바탕물질은 서로 점성이 다른 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 적층물질은 상기 바탕물질과 다른 색상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 e) 단계는 상기 노즐이 삽입되는 제1방향 끝에 위치한 파트부터 상기 제1방향의 반대방향 끝에 위치한 파트까지 순차적으로 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 d) 단계는 d-3) 상기 d-2) 단계 이후에 수행되며, 상기 d-2) 단계에서 구분된 파트들의 영역을 서로 비교하고, 제1파트의 영역이 상기 제1파트보다 나중에 형성될 제2파트의 영역과 겹쳐지되, 상기 제1파트의 겹쳐지는 영역이 상기 제2파트의 겹쳐지는 영역보다 상기 제1방향의 반대방향에 위치할 경우, 상기 제1파트의 겹쳐지는 영역을 상기 제1파트와 별도의 제3파트로 분리하여, 상기 제3파트가 상기 제2파트보다 나중에 형성되도록 순번을 재지정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 d-3) 단계는 상기 제1파트의 영역이 상기 제2파트의 영역에서 상기 노즐의 직경을 더한 영역과 겹쳐지되, 상기 제1파트의 겹쳐지는 영역이 상기 제2파트의 영역에서 상기 노즐의 직경을 더한 영역보다 상기 제1방향의 반대방향에 위치할 경우, 상기 제1파트의 겹쳐지는 영역을 상기 제1파트와 별도의 제3파트로 분리하여, 상기 제3파트가 상기 제2파트보다 나중에 형성되도록 순번을 지정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 e) 단계는 하나의 파트 형성이 종료되면, 상기 노즐에서 상기 적층물질의 분사를 중단하고, 분사단이 다음에 형성할 파트의 제1형성대상 레이어 일단에 위치하도록 노즐을 이동시켜, 다음 파트를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, d-4) 상기 e) 단계 이전에 수행되어, 상기 e) 단계 이전에 결정된 작업 정보를 저장하고, 상기 작업 정보를 적층 제조 제어장치에 전달하여, 상기 e) 단계에서 삼차원형상을 형성하도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 삼차원 형상을 포함하는 제품은 용기; 상기 용기 내부에 채워지는 바탕물질; 및 상기 바탕물질과 다른 점도를 가지고, 상기 바탕물질에 의해 둘러싸이며, 앞서 설명한 삼차원 적층 제조 방법을 이용해 형성된 삼차원형상으로서, 서로 이격된 다수개의 폴리곤 중 적층된 방향으로 서로 맞닿는 폴리곤으로 이루어지는 파트를 포함하고, 상기 파트가 적층 방향으로 구분되는 삼차원 형상;을 포함하여 구성된다.

상기 제품의 상기 바탕물질은 일정 점도를 갖는 제1 화장료 조성물이고, 상기 삼차원형상은 상기 바탕물질과 점도가 다른 제2 화장료 조성물인 것을 특징으로 하는 화장용 제품일 수 있다.

또한, 상기 제품의 상기 바탕물질은 일정 점도를 갖는 제1 식음용 조성물이고, 상기 삼차원형상은 상기 바탕물질과 점도가 다른 제2 식음용 조성물인 것을 특징으로 하는 식음용 제품일 수 있다.

또한. 상기 제품의 상기 바탕물질은 상기 바탕물질은 일정 점도를 갖는 제1 제약용 조성물이고, 상기 삼차원형상은 상기 바탕물질과 점도가 다른 제2 제약용 조성물인 것을 특징으로 하는 제약용 제품일 수 있다.

또한 상기 제품의 바탕물질은 일정 점도를 갖는 제1 바이오 조성물이고, 상기 삼차원형상은 상기 바탕물질과 점도가 다른 제2 바이오 조성물인 것을 특징으로 하는 바이오 제품일 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의한 삼차원 적층 제조 방법에 의하면, 삼차원형상을 레이어별로 순차적으로 형성하지 않고, 서로 연결된 폴리곤으로 이루어진 특정 파트를 먼저 형성하고, 다음 파트를 형성하기 때문에 노즐의 이동거리가 상대적으로 짧아져 출력시간이 감소되는 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하면, e) 단계에서 한 붓 그리기 방식으로 하나의 파트에 포함된 폴리곤들을 형성하기 때문에, 노즐의 이동거리가 상대적으로 짧아져 출력시간이 더욱 감소되고, 점성이 있는 적층물질을 분사하여 파트에 포함된 폴리곤을 형성할 때, 적층물질의 분사/분사중단 횟수가 감소하여 거미줄 현상의 발생을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 삼차원형상 일예의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 삼차원형상 일예의 정면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법을 수행하는 기기들의 개략도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법에서 삼차원형상을 다수개의 파트들로 구분한 개략도.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법의 d-2) 단계가 수행되는 과정의 개략도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법의 e) 단계가 수행되는 과정의 개략도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법을 이용해 제조된 제품의 일예.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법의 d-3) 단계의 개략도.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 삼차원 적층 제조 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법은, 노즐을 이용해 점성이 있는 적층물질을 분사하여, 원하는 삼차원형상을 형성하기 위한 방법이다. 적층물질은 일정정도 이상의 점성을 가지고, 분사 후 즉각적으로 고형화되어 삼차원형상이 형성되는 물질일 수 있고, 이와 달리 상술한 적층물질과 다른 바탕물질 내부에 적층물질이 분사되어 삼차원형상을 형성할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법을 수행하는 장치들을 개략적으로 도시한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법은 PC 또는 스마트폰과 같이 중앙처리장치(CPU)가 내장되어, 후술할 연산과정을 수행할 수 있는 프로그램이 설치된 전자기기(30)와 상기 전자기기(30)로부터 작업정보를 입력받아 실제적으로 삼차원 적층 제조 방법을 수행하는 적층 제조 장치(40)에 의해 수행될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법은, a) 단계, b) 단계, c) 단계, d) 단계 및 e) 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 상술한 a) 내지 e) 단계 중, a) 내지 d) 단계는 상술한 전자기기(30)에 의해 수행될 수 있으며, 가장 마지막에 수행되는 e) 단계는 적층 제조 장치(40)에 의해 수행될 수 있다.

본 실시예에서는 앞서 종래기술을 설명할 때 참고하여 설명한 도 1 및 도 2에 도시된 삼차원형상을 참조하여 a) 내지 e) 단계에 대하여 설명한다.

a) 단계는 적층할 삼차원형상의 정보를 입력받는 단계로, 도 3에 도시된 바와 같이, 사용자 또는 자동화 장치가 삼차원형상의 정보, 즉 3D 모델링 정보를 전자기기(30)에 입력하는 단계이다.

b) 단계는 전자기기(30)가 a) 단계에서 입력받은 삼차원형상을 일측으로 적층된 다수개의 레이어로 나누는 단계로, b) 단계는 앞서 도 2를 참조하여 설명한 종래의 방식과 동일하며, b) 단계에서 전자기기(30)는 적층 제조 장치에 포함되는 노즐의 직경을 고려하여, 해당 노즐에서 분사되는 적층물질의 두께와 나누어진 레이어의 높이가 동일하도록 삼차원형상을 일측으로 적층된 다수개의 레이어로 나눌 수 있다.

c) 단계는 b) 단계에서 나눠진 레이어들 각각에 포함된 서로 이격된 다수개의 폴리곤들을 인식하는 단계이다. 도 2에 도시된 제1레이어(L1)가 제1폴리곤(PG1)과 제2폴리곤(PG2)을 포함하는 것과 같이, 단일의 레이어에는 다수개의 폴리곤이 있을 수 있으며, 경우에 따라서는 도 2에 도시된 것과 달리 단일의 레이어에 하나의 폴리곤이 있을 수 있다.

d) 단계는 c) 단계에서 레이어별로 인식된 폴리곤들을 서로 맞닿는 폴리곤끼리 분류해 그룹화하는 것으로, d) 단계에서 그룹화된 폴리곤들을 파트라고 한다.

도 4는 b) 단계에서 나뉜 레이어와 c) 단계에서 인식된 폴리곤들에 대해, d) 단계가 수행됨으로써 삼차원형상이 총 11개의 파트로 나누어진 상태를 개략적으로 도시한 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 삼차원형상의 알파벳 B는 제1파트(PT1), 제6파트(PT6) 및 제10파트(PT10)로 구분되고, 알파벳 O는 제2파트(PT2) 및 제7파트(PT7)로 구분되며, 알파벳 N은 제3파트(PT3), 제4파트(PT4) 및 제9파트(PT9)로 구분되고, 알파벳 G는 제5파트(PT5), 제8파트(PT8) 및 제11파트(PT11)로 구분될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참고하여, 삼차원형상에 포함되는 다수개의 폴리곤들을 도 4에 도시된 바와 같은 파트로 구분하는 과정을 상세히 설명한다.

본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법에서 d) 단계는 d-1) 단계 및 d-2) 단계를 포함할 수 있다.

d-1) 단계는 파트 리스트를 생성하는 단계이다. 파트 리스트는 후술할 d-2) 단계에서 생성되는 파트가 저장되는 리스트이며, d-2) 단계가 수행되기 이전, 즉 최초로 생성된 파트 리스트에는 파트가 포함되지 않는다.

d-2) 단계는 c) 단계에서 인식된 폴리곤들을 소정 순서대로 선택하고, 선택된 폴리곤과 파트 리스트에 포함된 파트들 중, 후위 순회하면서 선택되는 파트의 최상단 폴리곤과 맞닿는지 판단하고, 선택된 폴리곤과 후위 순회하면서 선택된 파트의 최상단 폴리곤이 서로 맞닿을 경우, 선택된 폴리곤을 해당 파트로 편입한다. 단, 경우에 따라서는 d-2) 단계에서 선택된 폴리곤이 특정 파트의 최상단 폴리곤과 맞닿지 않거나, 파트 리스트에 파트가 포함되지 않을 수 있다. 이러한 경우 d-2) 단계는 선택된 폴리곤을 별도의 파트로 분류하여, 파트 리스트에 포함시킬 수 있다.

d-2) 단계는 모든 폴리곤에 대해 수행됨으로써, 모든 폴리곤이 별개의 파트로 구분될 수 있으며, 구분된 파트는 기설정된 기준에 따라 순번이 매겨질 수 있다. 기설정된 기준이란 노즐이 삽입되어 파트를 형성하는 순서가 될 수 있으며, 본 실시예에서 파트를 형성하는 순서는 하측에서 상측, 좌측에서 우측이다. 즉, 상하방향을 기준으로 일부분이 하측에 위치한 파트가 앞선 순번을 가지고, 복수의 파트들의 개별적인 일부분이 동일한 높이의 레이어에 위치할 경우, 해당 부분이 좌측에 위치한 파트가 앞선 순번을 가질 수 있으며, 이에 따라 결정된 순번이 도 4에 도시된 제1 내지 제11파트일 수 있다.

도 5는 앞서 도 4에 도시된 삼차원형상 중 알파벳 B와 O의 하부를 확대 도시한 것으로, 도 5를 참조하여 d-2) 단계를 보다 상세히 설명한다.

d-2) 단계는 도 5a에 도시된 제1레이어(L1)의 제1폴리곤(PG1)을 선택하고, 선택된 제1폴리곤(PG1)이 파트 리스트에 포함된 파트의 최상단 폴리곤과 맞닿는지를 판단하며, 이때 파트 리스트에 포함된 파트를 선택하는 기준은, 나중에 형성될 파트부터 먼저 형성될 파트까지 선택하는 후위 순회 방식일 수 있다. 그러나 상술했든 d-2) 단계가 최초로 수행될 때, 파트 리스트에 포함된 파트는 없으므로, d-2) 단계는 제1폴리곤(PG1)을 별도의 파트, 즉 제1파트(PT1)로 구분한 후, 제1파트(PT1)를 파트 리스트에 포함시킨다. 이후 d-2) 단계는 도 5에 도시된 제1레이어(L1)의 제2폴리곤(PG2)을 선택하고, 선택된 제2폴리곤(PG2)이 파트 리스트에 포함된 제1파트(PT1)의 최상단 폴리곤, 즉 제1폴리곤(PG1)과 맞닿는지를 판단한다. 그러나 도 5a에 도시된 바와 같이, 제1폴리곤(PG1)과 제2폴리곤(PG2)은 서로 맞닿지 않으므로, d-2) 단계는 제2폴리곤(PG2)을 제2파트(PT2)로 구분할 수 있다. 도 5에는 도시되지 않았지만, 삼차원형상의 알파벳 N과 G의 제1레이어(L1)에 포함된 폴리곤 또한 별개의 파트로 구분하고, 구분된 파트를 파트 리스트에 포함시킬 수 있다.

d-2) 단계에서 파트에 편입하기 위한 대상이 되는 폴리곤을 선택하는 기준은, 하측에 위치한 폴리곤을 먼저 선택할 수 있으며, 동일한 레이어에 다수개의 폴리곤이 포함될 경우, 좌측에 위치한 폴리곤을 선택할 수 있다.

d-2) 단계에서 제1레이어(L1)에 포함된 폴리곤들에 대해서 파트 생성이 종료되면, 제1레이어(L1)의 상측에 위치한 제2레이어에 포함된 폴리곤들 중, 좌측의 폴리곤을 선택한 후, 선택된 폴리곤과 파트 리스트 내의 파트들을 후위 순회하면서 선택하고, 선택된 파트의 최상단 폴리곤이 선택된 폴리곤과 맞닿는지 여부를 판단한다. 이때, 파트 리스트 내의 파트들은 나중에 형성되는 파트부터 후위 선택될 수 있는데, 이는 노즐이 삽입되어 적층물질을 분사하면서 파트들을 형성함에 따라, 노즐이 먼저 형성한 파트를 헤집는 현상을 방지하기 위함이다.

후위 순회란(Postorder traversal)란, 이진트리의 순회방법 중 하나로, 높이방향을 기준으로 하측에 위치한 파트를 먼저 선택하고, 좌우 방향을 기준으로 일측에 위치한 파트를 먼저 선택하는 방식이다. 본 실시예에서 좌우 방향 중 먼저 선택하는 파트의 기준 방향은 우측으로, 우측에 위치한 파트가 나중에 형성되기 때문이다. 단, 이는 본 실시예에서 결정된 방향일 뿐, 노즐이 삽입되어 형성하는 파트의 기준방향에 따라 후위 순회의 방향은 달라질 수 있다.

도 5a를 참조하여 제2레이어에 대한 d-2) 단계를 설명하면, d-2) 단계는 제3폴리곤(PG3)을 선택한 후, 제3폴리곤(PG3)이 파트 리스트에 포함된 파트들의 최상단 폴리곤과 맞닿는지 여부를 판단한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 제3폴리곤(PG3)은 제1파트(PT1)의 제1폴리곤(PG1)과 맞닿기 때문에 도 5b에 도시된 바와 같이 제3폴리곤(PG3)은 제1파트(PT1)에 편입되며, 마찬가지로 제4폴리곤(PG4)은 제2파트(PT2)에 편입된다. 이후에는 제3레이어에 포함된 제5폴리곤(PG5)과 제6폴리곤(PG6)에 대해서도 파트 편입여부를 결정할 수 있다.

도 6은 d-2) 단계가 수행되는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 제1파트(PT1)의 상부에는 제7폴리곤(PG7) 및 제8폴리곤(PG8)이 접촉되어 있다. 본 실시예의 d-2) 단계에서는 제7폴리곤(PG7)이 제8폴리곤(PG8)보다 먼저 선택되므로, 제7폴리곤(PG7)은 제1파트(PT1)에 편입된다. 이후 d-2) 단계는 제8폴리곤(PG8) 또한 파트 리스트에 포함된 파트들 중, 특정 파트의 최상단 폴리곤과 맞닿는지 여부를 검사하는데, 제7폴리곤(PG7)이 제1파트(PT1)에 편입되면서 제7폴리곤(PG7)이 제1파트(PT1)의 최상단 폴리곤이 되었으므로, 제8폴리곤(PG8)은 특정 파트의 최상단 폴리곤과 맞닿지 않는다. 따라서 도 6b에 도시된 바와 같이, 제8폴리곤(PG8)은 별도의 파트, 즉 제6파트(PT6)로 구분된다. 이는 제2부분모델(12)의 제9폴리곤(PG9)과 제10폴리곤(PG10) 또한 마찬가로, 먼저 선택되는 제9폴리곤(PG9)은 제2파트(PT2)에, 나중에 선택되는 제10폴리곤(PG10)은 별도의 파트인 제7파트(PT7)로 구분된 후, 파트 리스트에 포함된다.

도 7 또한 d-2) 단계가 수행되는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 제11폴리곤(PG11)에는 제1파트(PT1) 및 제6파트(PT6)의 최상단 폴리곤이 맞닿을 수 있다. 그러나 d-2) 단계에서는 파트 리스트에 포함된 파트들이 후위 순회하면서 선택되므로, 제6파트(PT6)가 먼저 선택되어 d-2) 단계가 수행되므로, 도 7b에 도시된 바와 같이, 제11폴리곤(PGG11)은 제6파트(PT6)에 포함될 수 있으며, 이렇듯 모든 폴리곤에 대해서 d-2) 단계가 수행되면, 삼차원형상은 도 4와 같이 다수개의 파트로 구분될 수 있다.

e) 단계는 노즐을 이용해 일정 정도 이상의 점성을 가지는 적층물질을 분사하여 상기 d) 단계에서 구분된 파트들을 순차적으로 형성하여 상기 삼차원형상을 형성한다.

도 8은 e) 단계가 수행되는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.

도 8에 도시된 바와 같이, e) 단계는 상술한 단계들에서 순번을 지정해 구분된 파트들 중, 가장 앞선 순번의 파트를 먼저 형성한다. e) 단계에서는 하나의 파트를 형성할 때, 가장 하측에 위치한 폴리곤을 먼저 형성할 수 있는데, 이는 상측에 위치한 폴리곤을 먼저 형성하고, 하측에 위치한 폴리곤을 이후에 형성할 경우, 노즐이 상측에 먼저 형성한 폴리곤을 헤집어놓을 수 있기 때문이다.

도 8을 참조하여 e) 단계를 구체적으로 설명하면, 도 8a에 도시된 바와 같이, e) 단계에서 노즐(50)은 가장 하측에 위치하면서 형성 예정인 제1폴리곤(PG1)을 한 붓 그리기 방식과 같이 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하면서 형성하는데, 이는 제1폴리곤(PG1)이 상부에서 봤을 때 소정 면적을 가지는 다각형이기 때문이다. 즉, 도 8은 설명의 편의를 위하여 제1폴리곤(PG1)을 선으로 표현하였을 뿐이다.

이후 e) 단계에서 노즐(50)은 도 8b에 도시된 바와 같이, 형성 예정인 제3폴리곤(PG3)을 형성하고, 이후 e) 단계에서 노즐(50)은 도 8c에 도시된 바와 같이, 형성 예정인 제5폴리곤(PG5)을 형성한다. 즉, 본 실시예의 e) 단계는 한 번에 하나의 레이어에 포함된 모든 폴리곤을 형성하지 않고, 파트별로 폴리곤을 형성한다. e) 단계와 같은 방식은 노즐(50)이 하나의 파트를 형성할 때 적층물질의 분사/분사중단을 반복하지 않거나, 적층물질의 분사/분사중단을 반복하더라고 그 횟수를 감소시킬 수 있으므로, 종래의 적층 방식보다 적층물질의 분사가 중단된 상태에서 이동하는 거리가 짧아져 거미줄 현상을 최소화함과 동시에 삼차원형상의 출력속도를 높일 수 있는 효과가 있다. 노즐(50)에서 분사되는 적층물질의 색상은 위치별로 다를 수 있으며, 이를 통해 정밀하고 다양한 형상의 삼차원형상을 현실감 있게 표현할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법에 의해 제조된 제품을 도시한 것이다.

도 9에 도시된 제품은 사용 시 서로 다른 두 개의 액체가 섞여 사용되되, 사용하기 이전에 그 형상이 유지되는 제품일 수 있으며, 이때 두 개의 액체는 상술한 바탕물질과 적층물질일 수 있다. 도 9에 도시된 제품의 대표적인 예로써 화장품, 식음료, 제약품 및 바이오 유관 제품등과 같은 종류일 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법은 바탕물질(70)이 채워진 용기(60)의 내부에서 수행되어, 삼차원형상(15)을 형성할 수 있다. 용기(60)는 뚜껑(61) 및 뚜껑(61)과 결합되는 용기의 입구(62)를 포함할 수 있으며, 상술했던 노즐은 입구(62)를 통해 바탕물질(70)에 삽입된 후, e) 단계를 거쳐 삼차원형상(15)을 형성할 수 있다.

도 9의 용기(60)에 담긴 바탕물질(70)은 일정 정도 이상의 투명도를 가져, 용기(60)의 외부에서 바탕물질(70) 내부에 형성된 삼차원형상(15)이 보이도록 할 수 있으며, 바탕물질(70)과 삼차원형상(15)을 형성하는 적층물질은 그 색상이 서로 다를 수 있다. 도 9에 도시된 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법에 의해 제조된 제품이 화장품일 경우, 바탕물질(70)과 적층물질로 형성된 삼차원형상(15)은 서로 다른 기능을 가진 점성 물질일 수 있다. 적층물질과 바탕물질(70)의 점성은 서로 다르게 구성되어, 외력이 작용하지 않는 한, 바탕물질(70) 내부에서 삼차원형상(15)이 유지되도록 할 수 있고, 바탕물질(70)의 점도가 적층물질의 점도보다 클 수도, 작을 수도 있다.

본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법에서 d) 단계는 d-3) 단계를 더 포함할 수 있다.

d-3) 단계는 d-2) 단계를 통해 구분된 각각의 파트들의 영역을 서로 비교하여, 먼저 형성되는 제1파트의 영역이 제1파트보다 나중에 형성될 제2파트의 영역과 겹쳐지되, 겹쳐지는 제1파트의 영역이 제2파트의 겹쳐지는 영역보다 상측에 위치할 경우, 제1파트의 해당 영역을 제1파트와 별도의 제3파트로 분리하여, 제2파트보다 나중에 형성되도록 순번을 지정한다. 이후에 설명할 제1 내지 제3파트는 앞서 설명했던 제1 내지 제3파트와 무관하다.

도 10은 d-3) 단계가 수행되는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.

도 10a에 도시된 삼차원형상은 앞서 수행된 a) 단계, b) 단계, c) 단계, d-1) 단계 및 d-2) 단계를 통해 제1파트(PT1), 제2파트(PT2) 및 제3파트(PT3)로 구분된 상태이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 가장 나중에 형성될 제3파트(PT3)의 제1라인(L1)에서 제2라인(L1)까지의 수평 영역인 W1은 제3파트(PT3)보다 앞서 형성되는 제1파트(PT1)의 수평영역과 겹쳐지고, 제3파트(PT3)의 제1라인(L1)에서 제3라인(L3)까지의 수평영역인 W2는 제3파트(PT3)보다 앞서 형성되는 제2파트(PT2)의 수평영역과 겹쳐지기 때문에, 제3파트(PT3)를 형성하기 위해 노즐이 삽입되면, 제1파트(PT1)와 제2파트(PT2)를 헤집는다. 본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법의 d-3) 단계는 이러한 문제점을 해소하기 위해, 도 10b에 도시된 바와 같이, 제1파트(PT1)에서 제3파트(PT3)와 겹쳐지는 부분을 제4파트(PT4)로 분리하고, 제2파트(PT2)에서 제3파트(PT3)와 겹쳐지는 부분을 제5파트(P5)로 분리하여, 제3파트(PT3)가 출력된 이후에 제4파트(PT4) 및 제5파트(PT5)가 형성되도록 할 수 있다.

상술한 과정에서, 나중에 형성될 제3파트(PT3)와 앞서 형성되는 제1파트(PT1) 및 제2파트(PT2)와의 영역 겹침 검사를 수행할 때 노즐의 두께를 고려하여 제3파트(PT3)의 수평영역을 확대하여 제1파트(PT1)와 제2파트(P2)와의 영역 겹침 검사를 수행할 수 있다.

도 11에는 노즐의 두께, 보다 상세히는 노즐의 반경만큼 확장된 제1라인(L1)과 제3라인(L3)이 도시되어 있으며, 확장된 라인에 의한 제3파트(PT3)의 영역인 W1 및 W2와, 제1파트(PT1) 또는 제2파트(PT2)의 영역 겹침을 검사한다. 본 실시예에서 노즐의 반경만큼 제1라인(L1)과 제3라인(L3)을 확장했지만, 본 발명은 영역 겹침을 검사할 때 확장하는 길이를 노즐의 반경에 한정하지 않고, 제2파트(PT2)를 노즐의 반경 이상의 길이인 임의의 오프셋 값만큼 확장하여 제1파트(PT1)와의 영역 겹침 검사가 수행될 수 있다.

상술한 d-3) 단계에서 영역 겹침 검사에서는 먼저 형성되는 제1파트와 나중에 형성되는 제3파트의 수평영역이 겹쳐지되, 제1파트의 겹쳐지는 영역이 제3파트의 겹쳐지는 영역보다 상측에 위치할 때, 제1파트를 분할한다. 단, 이때 겹쳐지는 영역의 구분에 대한 기준은 노즐이 삽입되는 위치와 노즐의 형상이 어떠한지(기역자 형태로 절곡되었는지) 여부에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명에 의한 삼차원 적층 제조 방법이 수행되는 용기 내부에 위치한 노즐의 형상이 곧고, 노즐이 용기 내부로 삽입되는 제1방향 및 상기 제1방향에 수직한 방향으로 왕복 이동하며 삼차원형상을 형성한다고 가정했을 때, 상기 제1방향에 수직한 평면을 기준으로, 먼저 형성되는 파트와 나중에 형성되는 파트의 영역 겹침 검사를 수행하고, 두 파트의 영역이 겹쳐지고, 나중에 형성되는 파트의 겹쳐지는 영역이 먼저 형성되는 파트의 겹쳐지는 영역보다 제1방향에 위치할 경우, 먼저 형성되는 파트의 겹쳐지는 영역을 분할할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의한 삼차원 적층 제조 방법의 d) 단계는 e) 단계 직전에 수행되는 d-4) 단계를 더 포함할 수 있다. d-4) 단계는 전자기기(30)에서 상술한 a) 단계, b) 단계, c) 단계, d-1) 단계, d-2) 단계 및 d-3) 단계를 통해 확정된 작업정보인 G-Code를 포함하는 파일을 생성하여 적층 제조 장치(40)로 송신하여, 적층 제조 장치(40)에서 확정된 작업정보를 통해 삼차원형상을 제조할 수 있도록 한다. 전자기기(30)에서 생성된 파일에 포함된 작업정보에는, 삼차원형상의 정보, 나누어진 파트의 정보, 노즐의 이동경로 등과 같은 정보가 포함될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 삼차원 적층 제조 방법을 통해, 용기, 상기 용기 내부에 채워지는 바탕물질 및 상기 바탕물질로 둘러싸여 형성된 삼차원형상을 포함하는 제품을 제조할 수 있다. 이 때, 상기 제품은, 용기, 상기 용기 내부에 채워지는 바탕물질; 및 상기 바탕물질과 다른 점도를 가지고, 상기 바탕물질에 의해 둘러싸이며, 앞선 삼차원 적층 제조 방법을 이용해 형성된 삼차원형상;을 포함하여 형성된다. 일실시예로 상기 바탕물질은 일정 점도를 갖는 제1 화장료 조성물이고, 상기 삼차원형상은 상기 바탕물질과 다른 점도를 갖는 제2 화장료 조성물인 것을 특징으로 하는 화장용 제품일 수 있다. 다른 실시예로 상기 바탕물질은 일정 점도를 갖는 제1 식음용 조성물이고, 상기 삼차원형상은 상기 바탕물질 보다 다른 점도를 갖는 제2 식음용 조성물인 것을 특징으로 하는 식음용 제품일 수 있다. 또 다른 실시예로 상기 바탕물질은 일정 점도를 갖는 제1 제약용 조성물이고, 상기 삼차원형상은 상기 바탕물질과 다른 점도를 갖는 제2 제약용 조성물인 것을 특징으로 하는 제약용 제품일 수 있다. 또 다른 실시예로, 상기 바탕물질은 일정 점도를 갖는 제1 바이오 조성물이고, 상기 삼차원형상은 상기 바탕물질과 다른 점도를 갖는 제2 바이오 조성물일 수 있다. 특히, 바이오 조성물은 세포나 배양액, 생체공학 관련 제품이 될 수 있으며, 이를 통해 인공 세포를 배양하거나 인공 장기를 제작할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

15 : 삼차원형상 20 : 거미줄
30 : 전자기기 40 : 적층 제조 장치
50 : 노즐 60 : 용기
61 : 뚜껑 62 : 입구
70 : 바탕물질
PT1 ~ PT11 : 제1파트 ~ 제11파트
PG1 ~ PG11 : 제1폴리곤 ~ 제11폴리곤

Claims

a) 적층할 삼차원형상의 정보를 입력받는 단계;
b) 상기 삼차원형상을 적층 방향으로 다수개의 레이어로 나누는 단계;
c) 적층 방향으로 분할된 상기 레이어 각각에 포함된 서로 적층 방향으로 이격된 다수개의 폴리곤을 인식하는 단계;
d) 상기 삼차원형상을 적층되는 방향으로 서로 맞닿는 폴리곤끼리 이루어지는 파트로 구분하는 단계; 및
e) 노즐을 이용해 일정 정도 이상의 점성을 가지는 적층물질을 분사하여 상기 d) 단계에서 구분된 파트들을 각각 순차적으로 적층하여 삼차원형상을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 적층 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 d) 단계는
d-1) 파트 리스트를 생성하는 단계 및
d-2) 상기 c) 단계에서 인식된 폴리곤들을 선택하고, 선택된 폴리곤과 상기 파트 리스트에 포함된 파트들 중, 나중에 형성되는 파트부터 후위 순회하면서 선택해, 선택된 파트의 최상단 폴리곤이 서로 맞닿을 경우 선택된 폴리곤을 해당 파트로 편입하고, 선택된 폴리곤이 모든 파트 각각의 최상단 폴리곤과 맞닿지 않을 경우, 선택된 폴리곤을 별개의 파트로 분류하여 상기 파트 리스트에 포함시키는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 적층 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 d-2) 단계는 하측에 위치한 레이어에 포함된 폴리곤들부터 상측에 위치한 레이어에 포함된 폴리곤까지 순차적으로 선택하면서, 선택된 폴리곤을 파트로 분류하는 것을 특징으로 하는 삼차원 적층 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 e) 단계는 소정 점도를 가지는 바탕물질 내에 상기 노즐을 삽입한 후, 적층물질을 분사해 상기 파트들을 순차적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 삼차원 적층 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 바탕물질은 일정 정도 이상의 투명도를 가지는 것을 특징으로 하는 삼차원 적층 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 적층물질과 상기 바탕물질은 서로 점성이 다른 것을 특징으로 하는 삼차원 적층 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 적층물질은 상기 바탕물질과 다른 색상인 것을 특징으로 하는 삼차원 적층 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 e) 단계는 상기 노즐이 삽입되는 제1방향 끝에 위치한 파트부터 상기 제1방향의 반대방향 끝에 위치한 파트까지 순차적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 삼차원 적층 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 d) 단계는
d-3) 상기 d-2) 단계 이후에 수행되며, 상기 d-2) 단계에서 구분된 파트들의 영역을 서로 비교하고, 제1파트의 영역이 상기 제1파트보다 나중에 형성될 제2파트의 영역과 겹쳐지되, 상기 제1파트의 겹쳐지는 영역이 상기 제2파트의 겹쳐지는 영역보다 상기 제1방향의 반대방향에 위치할 경우, 상기 제1파트의 겹쳐지는 영역을 상기 제1파트와 별도의 제3파트로 분리하여, 상기 제3파트가 상기 제2파트보다 나중에 형성되도록 순번을 재지정하는 단계
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 적층 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 d-3) 단계는 상기 제1파트의 영역이 상기 제2파트의 영역에서 기설정된 오프셋 길이를 더한 영역과 겹쳐지되, 상기 제1파트의 겹쳐지는 영역이 상기 제2파트의 영역에서 상기 오프셋 길이를 더한 영역보다 상기 제1방향의 반대방향에 위치할 경우, 상기 제1파트의 겹쳐지는 영역을 상기 제1파트와 별도의 제3파트로 분리하여, 상기 제3파트가 상기 제2파트보다 나중에 형성되도록 순번을 지정하며, 상기 오프셋 길이는 상기 노즐의 반경 이상인 것을 특징으로 하는 삼차원 적층 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 e) 단계는 하나의 파트 형성이 종료되면, 상기 노즐에서 상기 적층물질의 분사를 중단하고, 분사단이 다음에 형성할 파트의 제1형성대상 레이어 일단에 위치하도록 노즐을 이동시켜, 다음 파트를 형성하는 것을 특징으로 하는 삼차원 적층 제조 방법.
제1항 내지 제11항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
상기 d) 단계는
d-4) 상기 e) 단계 이전에 수행되어, 상기 e) 단계 이전에 결정된 작업 정보를 저장하고, 상기 작업 정보를 적층 제조 제어장치에 전달하여, 상기 e) 단계에서 삼차원형상을 형성하도록 하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 삼차원 적층 제조 방법.
용기;
상기 용기 내부에 채워지는 바탕물질; 및
상기 바탕물질과 다른 점도를 가지고, 상기 바탕물질에 의해 둘러싸이며, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 삼차원 적층 제조 방법을 이용해 형성된 삼차원형상으로서,
서로 이격된 다수개의 폴리곤 중 적층된 방향으로 서로 맞닿는 폴리곤으로 이루어지는 파트를 포함하고, 상기 파트가 적층 방향으로 구분되는 삼차원 형상;을 포함하는 제품.
제13항에 있어서,
상기 바탕물질은 일정 점도를 갖는 제1 화장료 조성물이고,
상기 삼차원형상은 상기 바탕물질과 점도가 다른 제2 화장료 조성물인 것을 특징으로 하는 화장용 제품.
제13항에 있어서,
상기 바탕물질은 일정 점도를 갖는 제1 식음용 조성물이고,
상기 삼차원형상은 상기 바탕물질과 점도가 다른 제2 식음용 조성물인 것을 특징으로 하는 식음용 제품.
제13항에 있어서,
상기 바탕물질은 일정 점도를 갖는 제1 제약용 조성물이고,
상기 삼차원형상은 상기 바탕물질과 점도가 다른 제2 제약용 조성물인 것을 특징으로 하는 제약용 제품.
제13항에 있어서,
상기 바탕물질은 일정 점도를 갖는 제1 바이오 조성물이고,
상기 삼차원형상은 상기 바탕물질과 점도가 다른 제2 바이오 조성물인 것을 특징으로 하는 바이오 제품.