KR102210721B1 - 실시간 자가보정기능을 갖춘 3d 프린터 및 3d 프린터의 프린팅 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터는 출력부, 모니터링부 및 제어부를 포함한다. 출력부는 필라멘트를 프린팅 베드 상에 한 층씩 적층한다. 모니터링부는 프린팅 베드 상에 필라멘트가 한 층씩 적층되면서 출력물이 형성되고, 출력물의 형상을 실시간으로 모니터링한다. 제어부는 모니터링부로부터 출력물의 형상과 관련된 데이터를 실시간으로 전송받고, 출력물의 형상과 관련된 데이터를 사용자가 출력하고자 하는 구조물의 형상과 관련된 데이터와 실시간으로 비교하여, 출력물의 형상이 구조물의 형상과 일치하는지 판단한다. 제어부는, 출력물의 형상이 구조물의 형상과 불일치하면, 출력물의 형상에서 불일치한 형상이, 당해 제어부에 입력되어 있는 소정의 오류 형상들 중 어느 오류 형상에 해당하는지 판별하여 해당하는 오류 형상을 선정하고, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을, 선정된 오류 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하고, 출력물이 완성되도록 계속 출력하여 출력물의 형상이 구조물의 형상과 일치되도록 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터의 프린팅 방법은 데이터 비교 단계, 형상 일치 여부 판단 단계, 오류 형상 선정 단계 및 프린팅 변수 값 보정 단계를 포함한다. 데이터 비교 단계는 출력물의 형상과 관련된 데이터와 구조물의 형상과 관련된 데이터를 실시간으로 비교한다. 형상 일치 여부 판단 단계는 데이터 비교 단계를 통해 출력물의 형상이 구조물의 형상과 일치하는지 판단한다. 오류 형상 선정 단계는 형상 일치 여부 판단 단계에서 출력물의 형상이 구조물의 형상과 불일치하면, 출력물의 형상에서 불일치한 형상이 소정의 오류 형상들 중 어느 오류 형상에 해당하는지 판별하여 해당하는 오류 형상을 선정한다. 프린팅 변수 값 보정 단계는 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을, 오류 형상 선정 단계에서 선정된 오류 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하고 출력물이 완성되도록 계속 출력한다.

Description

실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터 및 3D 프린터의 프린팅 방법{3D printer and printing method of 3D printer with real-time self-calibration}
본 발명은 FDM 방식의 3D 프린터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실시간 자가보정 기능을 갖춘 FDM 방식의 3D 프린터 및 3D 프린터의 프린팅 방법에 관한 것이다.
3D 프린터는 복잡하고 다양한 형상의 출력물을 별도의 후처리 가공 없이도 고효율, 저비용으로 제작할 수 있다.
현재까지 다양한 방식의 3D 프린터가 개발되었는데 그 중 대중적으로 가장 많이 보급되고 사용되는 3D 프린터는 FDM(Fused Deposition Modelling) 방식의 3D 프린터이다.
FDM 방식의 3D 프린터는 가느다란 실과 같은 필라멘트 형태의 열가소성 수지를 고온의 프린팅 노즐을 통해 녹여서 사출하고, 이를 한 층(layer)씩 적층하여 출력물을 완성시키는 방식이다.
FDM 방식의 3D 프린터의 장점은 구조 및 기술적인 운용 방식이 다른 방식의 3D 프린터에 비해 상대적으로 단순하여 프린터 가격, 유지 비용 및 보수 비용이 저렴한 편이다.
또한, 프린팅 노즐이 2개가 장착된 이중 사출 FDM 방식의 3D 프린터(dual nozzle FDM 3D printer)는 서로 다른 두 가지 재료로 구성된 복합재료를 이용하여 복잡한 패턴이 적용된 구조물을 추가 가공 없이 효율적으로 제작할 수 있다.
다만, FDM 방식의 3D 프린터는 출력물이 적층 방식으로 완성되기 때문에 출력물의 표면 상태가 좋지 않고, 상대적으로 제작 속도가 느리다는 단점이 있다.
종래에는 출력물의 표면 상태를 향상시키기 위해 마이크로웨이브를 이용하여 출력물의 표면을 처리하는 방법에 관한 연구가 있었다.
실시간으로 출력물에 발생한 문제를 모니터링하고, 프린팅 변수의 적절한 보정과 프린터 자체 기능의 활성화를 통해 3D 프린터의 효율성을 향상시키고, 제작 시간을 단축시킬 수 있는 연구가 필요하다.
대한민국 등록특허 제1860188호 (공고일자 2018년 06월 28일)
본 발명의 목적은 실시간으로 출력물에 발생한 문제를 모니터링하고, 프린팅 변수의 적절한 보정과 프린터 자체 기능의 활성화를 통해, 3D 프린터의 효율성을 향상시키고 제작 시간을 단축시킬 수 있는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터 및 3D 프린터의 프린팅 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 목적은 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터는 출력부, 모니터링부 및 제어부를 포함한다. 출력부는 필라멘트를 프린팅 베드 상에 한 층씩 적층한다. 모니터링부는 프린팅 베드 상에 필라멘트가 한 층씩 적층되면서 형성되는 출력물의 형상을 실시간으로 모니터링한다. 제어부는 모니터링부로부터 출력물의 형상과 관련된 데이터를 실시간으로 전송받고, 출력물의 형상과 관련된 데이터를 사용자가 출력하고자 하는 구조물의 형상과 관련된 데이터와 실시간으로 비교하여, 출력물의 형상이 구조물의 형상과 일치하는지 판단한다. 제어부는, 출력물의 형상이 구조물의 형상과 불일치하면, 출력물의 형상에서 불일치한 형상이, 당해 제어부에 입력되어 있는 소정의 오류 형상들 중 어느 오류 형상에 해당하는지 판별하여 해당하는 오류 형상을 선정하고, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을, 선정된 오류 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하고, 출력물이 완성되도록 계속 출력하여 출력물의 형상이 구조물의 형상과 일치되도록 한다.
일 실시 예에 의하면, 소정의 오류 형상들은, 워핑(warping) 형상, 컬링(curling) 형상, 블럽(blob) 형상, 또는 출력부의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상을 포함한다.
일 실시 예에 의하면, 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터는 냉각부를 더 포함한다. 냉각부는 제어부와 연결되고, 제어부의 신호에 의해 온/오프(on/off)되거나 냉각의 세기가 조절된다. 선정된 오류 형상이 워핑 형상인 경우, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 워핑 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 프린팅 베드의 온도를 소정의 온도로 높이거나, 냉각부의 냉각의 세기를 소정의 세기로 낮춘다.
일 실시 예에 의하면, 선정된 오류 형상이 워핑 형상인 경우, 제어부는 워핑 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 출력물과 프린팅 베드가 접촉하고 있는 면에 아세톤과 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 수지를 섞어서 만든 용액을 살포하도록, 보정한다.
일 실시 예에 의하면, 선정된 오류 형상이 컬링 형상인 경우, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 컬링 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부의 온도 또는 프린팅 베드의 온도를 소정의 온도로 낮추거나, 냉각부를 작동(on) 또는 냉각의 세기를 소정의 세기로 높인다.
일 실시 예에 의하면, 선정된 오류 형상이 블럽 형상인 경우, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 블럽 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부의 온도를 소정의 온도가 되게 하거나, 출력부의 출력속도를 소정의 속도가 되게 한다.
일 실시 예에 의하면, 선정된 오류 형상이 블럽 형상인 경우, 제어부는 블럽 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 리트렉션(retraction) 기능이 작동(on)하도록, 보정한다.
일 실시 예에 의하면, 선정된 오류 형상이 출력부의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상인 경우, 제어부는 출력부의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 수평적 확장(horizontal expansion) 기능이 작동(on)하도록, 보정한다.
일 실시 예에 의하면, 출력부가 2개이고, 출력부 2개를 사용하여 각각 다른 재료를 사출할 때, 소정의 오류 형상들은 접착 불량 형상을 더 포함하고, 선정된 오류 형상이 접착 불량 형상인 경우, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 접착 불량 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부의 온도를 소정의 온도로 높인다.
일 실시 예에 의하면, 모니터링부는 백색광 또는 레이저를 이용한 비접촉식 3D 스캐닝을 이용하여 출력물의 형상을 실시간으로 모니터링한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터의 프린팅 방법은 데이터 비교 단계, 형상 일치 여부 판단 단계, 오류 형상 선정 단계 및 프린팅 변수 값 보정 단계를 포함한다. 데이터 비교 단계는 출력물의 형상과 관련된 데이터와 구조물의 형상과 관련된 데이터를 실시간으로 비교한다. 형상 일치 여부 판단 단계는 데이터 비교 단계를 통해 출력물의 형상이 구조물의 형상과 일치하는지 판단한다. 오류 형상 선정 단계는 형상 일치 여부 판단 단계에서 출력물의 형상이 구조물의 형상과 불일치하면, 출력물의 형상에서 불일치한 형상이 소정의 오류 형상들 중 어느 오류 형상에 해당하는지 판별하여 해당하는 오류 형상을 선정한다. 프린팅 변수 값 보정 단계는 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을, 오류 형상 선정 단계에서 선정된 오류 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하고 출력물이 완성되도록 계속 출력한다.
일 실시 예에 의하면, 오류 형상 선정 단계에서 선정된 오류 형상이 워핑 형상인 경우, 프린팅 변수 값 보정 단계는, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 워핑 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 프린팅 베드의 온도를 소정의 온도로 높이거나, 냉각부의 냉각의 세기를 소정의 세기로 낮춘다.
일 실시 예에 의하면, 오류 형상 선정 단계에서 선정된 오류 형상이 워핑 형상인 경우, 프린팅 변수 값 보정 단계는, 워핑 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 출력물과 프린팅 베드가 접촉하고 있는 면에 아세톤과 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 수지를 섞어서 만든 용액을 살포하도록 보정한다.
일 실시 예에 의하면, 오류 형상 선정 단계에서 선정된 오류 형상이 컬링 형상인 경우, 프린팅 변수 값 보정 단계는, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 컬링 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부의 온도 또는 프린팅 베드의 온도를 소정의 온도로 낮추거나, 냉각부를 작동(on) 또는 냉각의 세기를 소정의 세기로 높인다.
일 실시 예에 의하면, 오류 형상 선정 단계에서 선정된 오류 형상이 블럽 형상인 경우, 프린팅 변수 값 보정 단계는, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 블럽 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부의 온도를 소정의 온도가 되게 하거나, 출력부의 출력속도를 소정의 속도가 되게 한다.
일 실시 예에 의하면, 오류 형상 선정 단계에서 선정된 오류 형상이 블럽 형상인 경우, 프린팅 변수 값 보정 단계는, 블럽 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 리트렉션(retraction) 기능이 작동(on)하도록 보정한다.
일 실시 예에 의하면, 오류 형상 선정 단계에서 선정된 오류 형상이 출력부의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상인 경우, 프린팅 변수 값 보정 단계는, 출력부의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 수평적 확장(horizontal expansion) 기능이 작동(on)하도록 보정한다.
일 실시 예에 의하면, 소정의 오류 형상들은 접착 불량 형상을 더 포함하고, 오류 형상 선정 단계에서 선정된 오류 형상이 접착 불량 형상인 경우, 프린팅 변수 값 보정 단계는, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 접착 불량 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부의 온도를 소정의 온도로 높인다.
본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터 및 3D 프린터의 프린팅 방법은, 실시간으로 출력물의 형상을 모니터링 하여 출력물의 형상에 오류가 발생한 경우 스스로 보정할 수 있다.
또한, 3D 프린터의 효율성을 향상시키고, 제작 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 출력물의 왜곡을 최소화할 수 있고, 재료를 절감할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 3D 프린터의 출력부, 모니터링부 및 제어부를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 워핑(warping)이 발생한 출력물을 나타내는 도면이다.
도 4는 컬링(curling)이 발생한 출력물을 나타내는 도면이다.
도 5는 블럽(blob)이 발생한 출력물을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터의 프린팅 방법을 나타내는 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성요소 중 종래기술에 의하여 통상의 기술자가 명확하게 파악할 수 있고 용이하게 재현할 수 있는 것에 관하여는 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위하여 그 구체적인 설명을 생략하도록 한다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1) 및 3D 프린터(1)의 프린팅 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 3D 프린터의 출력부(20), 모니터링부(50) 및 제어부(60)를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1)의 프린팅 방식은 융합 증착 모델링(Fused Deposition Modelling, FDM) 방식을 기반으로 한다.
FDM 방식은 가는 실과 같은 필라멘트(filament) 형태의 열가소성 물질을 프린팅 노즐(Printing Nozzle) 안에서 녹여 얇은 필름(film) 형태로 출력하여 한층 한층 적층하면서 출력물(10)을 완성시키는 3D 프린팅 방식이다. 프린팅 노즐은 고열로 플라스틱 필라멘트를 녹이고 뽑아져 나온 필라멘트는 상온에서 경화된다.
본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1)는 출력부(20), 프린팅 베드(30)(Printing Bed), 냉각부(40), 모니터링(monitoring)부 및 제어부(60)를 포함한다.
출력부(20)는 녹은 필라멘트를 출력한다. 구체적으로 출력부(20)는 고열로 플라스틱 필라멘트를 녹이고, 녹은 필라멘트를 사출한다. 출력부(20)는 프린팅 노즐이거나 프린팅 노즐을 포함할 수 있다.
출력부(20)로부터 사출된 필라멘트는 프린팅 베드(30) 상에서 한층씩 적층된다.
출력부(20)는 하기에서 설명하는 제어부(60)와 연결되고, 제어부(60)의 신호에 의해 플라스틱 필라멘트를 고열을 이용하여 녹이고, 녹은 필라멘트를 사출한다.
출력부(20)는 제어부(60)의 신호를 받아 녹은 필라멘트를 프린팅 베드(30) 상에 출력할 수 있다. 프린팅 베드(30) 상에 출력된 녹은 필라멘트는 상온에서 경화되고 한 층씩 적층된다. 프린팅 베드(30) 상에 필라멘트가 한 층씩 적층되면서 물체가 형성된다. 이하에서는 프린팅 베드(30) 상에 필라멘트가 한 층씩 적층되면서 형성되고 있는 물체를 '출력물(10)' 이라 한다.
냉각부(40)는 일종의 냉각장치이며, 공기의 유동을 일으키는 기계장치일 수 있다. 예로 송풍기(fan)일 수 있다. 다만 송풍기에 한정되지 않고 다양한 냉각장치가 사용될 수 있다.
냉각부(40)는 제어부(60)와 연결되고, 제어부(60)의 신호에 의해 온/오프(on/off)될 수 있고, 냉각의 세기가 조절될 수 있다.
모니터링부(50)는 출력물(10)을 모니터링 할 수 있다. 구체적으로 모니터링부(50)는 프린팅 베드(30) 상에 필라멘트가 한 층씩 적층되면서 형성되는 출력물(10)의 형상을 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
모니터링부(50)는 백색광 또는 레이저(laser)를 이용한 비접촉식 3D 스캐닝을 이용하여 출력물(10)의 형상을 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
모니터링부(50)는 제어부(60)와 연결되고, 모니터링된 출력물(10)의 형상과 관련된 데이터를 제어부(60)에 실시간으로 전송할 수 있다. 이하에서는 모니터링부(50)에서 모니터링된 출력물(10)의 형상과 관련된 데이터를 '출력물(10)의 형상과 관련된 데이터' 라고 한다. 여기서 출력물(10)의 형상과 관련된 데이터는 출력물(10)의 크기, 높이, 너비 등을 말한다.
제어부(60)는 출력부(20), 냉각부(40) 및 모니터링부(50)와 연결되고, 출력부(20), 냉각부(40) 및 모니터링부(50)를 제어할 수 있다.
이하에서는 사용자가 3D 프린터로 출력하고자 하는 물체를 '구조물' 이라 한다.
사용자는 구조물의 형상과 관련된 데이터를 제어부(60)에 입력할 수 있다. 여기서 구조물의 형상과 관련된 데이터는 구조물의 크기, 높이, 너비 등을 말한다.
제어부(60)는 사용자가 입력한 구조물의 형상과 관련된 데이터대로 출력물(10)이 출력될 수 있도록 출력부(20)와 연계하여 출력부(20)를 제어할 수 있다.
제어부(60)는 출력부(20)에 신호를 보내 출력부(20)가 출력부(20) 내에 있는 플라스틱 필라멘트를 고열을 이용하여 녹이고, 녹은 필라멘트를 사출하도록 할 수 있다. 출력부(20)에서 사출된 필라멘트는 프린팅 베드(30) 상에 한층씩 적층되면서 출력물(10)이 형성된다.
제어부(60)는 냉각부(40)에 신호를 보내 냉각부(40)를 온/오프할 수 있고, 냉각부(40)의 냉각의 세기를 조절할 수 있다.
제어부(60)는 모니터링부(50)로부터 출력물(10)의 형상과 관련된 데이터를 실시간으로 전송받을 수 있다.
제어부(60)는 출력물(10)의 형상과 관련된 데이터와 구조물의 형상과 관련된 데이터를 실시간으로 비교할 수 있고, 상기 비교를 통해 출력물(10)에 소정의 오류들 중 어떤 오류가 발생하였는지 판별하여 해당하는 오류를 선정할 수 있다. 그리고 기존에 입력된 프린팅 변수 및 그 값을, 선정된 오류에 해당하는 프린팅 변수 및 그 값으로 보정하여 출력물(10)을 출력할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린터는, 출력물(10)의 형상과 관련된 데이터와 구조물의 형상과 관련된 데이터를 실시간으로 비교할 수 있고, 상기 비교를 통해 출력물(10)의 형상이 구조물의 형상과 일치하는지 판단하고, 불일치하면 출력물(10)의 형상에서 불일치한 형상이 소정의 오류들 중 어떤 오류에 해당하는지 스스로 판별하여 해당하는 오류를 선정할 수 있다. 그리고 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 및 그 값을, 선정된 오류에 해당하는 프린팅 변수 및 그 값으로 보정하고 출력물(10)이 완성되도록 계속 출력하여, 스스로 출력물(10)의 형상이 구조물의 형상과 일치하도록 할 수 있는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터이다. 이하에서는 이에 대해 좀더 구체적으로 설명한다.
사용자는 출력 전에 미리 제어부(60)에 구조물의 형상과 관련된 데이터 이외에 프린팅 변수 및 그 값을, 사용하려는 재료 별로 및/또는 하기에서 설명하는 오류 형상 별로 설정(입력)할 수 있다. 여기서 프린팅 변수는 출력부(20)의 온도, 프린팅 베드(30)의 온도, 냉각부(40)의 냉각의 세기 및 프린팅 속도 등을 말한다.
종래의 FDM 방식의 3D 프린터는, 3D 프린터로 출력물(10)을 출력하기 전에 사용자가 입력하여 설정된 프린팅 변수 및 그 값은 출력이 완료될 때까지 일정하게 유지되는데, 입력시 특정 재료에 최적화된 프린팅 변수 및 그 값이 설정되지 않거나 프린팅 수행 중 외부 환경(온도, 습도 등)이 급격하게 변화되는 경우에, 출력물(10)의 형상이 사용자가 출력하고자 하는 구조물의 형상과 일치하지 않는 오류가 발생할 수 있다. 출력물(10)에 오류가 발생하면 처음부터 출력을 다시 시작해야 하고, 이는 3D 프린터의 효율성을 저하시키는 요인이 된다.
프린팅 변수를 사용하려는 재료별로 적절하게 설정해야 구조물과 일치되는 양질의 출력물(10)을 제작할 수 있다. 일반적으로 3D 프린터 제조사는 재료별 설정 값을 제공하지만, 산업현장에서는 최적의 프린팅 변수 값을 얻기 위해 시행착오(trial and error)를 겪는다.
본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1)의 모니터링부(50)는 프린팅 베드(30) 상에 필라멘트가 한 층씩 적층되면서 출력물(10)이 형성되고 있을 때, 상기 출력물(10)의 형상을 실시간으로 모니터링하고, 출력물(10)의 형상과 관련된 데이터를 제어부(60)에 실시간으로 전송한다.
제어부(60)는 출력물(10)의 형상과 관련된 데이터와 구조물의 형상과 관련된 데이터를 실시간으로 비교하여, 출력물(10)의 형상이 구조물의 형상과 일치하는지(출력물(10)이 정상적으로 출력되고 있는지)를 판단한다.
제어부(60)는 출력물(10)의 형상이 구조물의 형상과 일치하면, 프린팅 작업을 계속 진행하도록 출력부(20)에 신호를 보낸다.
제어부(60)는 출력물(10)의 형상이 구조물의 형상과 불일치하면, 출력물(10)의 형상에서 불일치한 형상을 소정의 오류 형상들과 비교하여, 불일치한 형상이 소정의 오류 형상들 중에서 어떤 오류 형상에 해당하는지 스스로 판별한다. 여기서 소정의 오류 형상들은 사용자가 사전에 제어부(60)에 입력한 형상들을 말한다.
제어부(60)는 출력물(10)의 형상에서 불일치한 형상이 어떤 오류 형상에 해당하는 지 판별한 후, 소정의 오류 형상들 중에서 해당하는 오류 형상을 선정한다.
제어부(60)는 사용자가 출력 전에 미리 입력한 프린팅 변수 및 그 값을, 출력물(10)의 형상에서 불일치한 형상을 구조물의 형상과 일치시키기 위해 선정된 오류 형상에 해당하는 프린팅 변수 및 그 값으로 보정하고, 출력물(10)이 완성되도록 계속 출력하여, 스스로 출력물(10)의 형상이 구조물의 형상과 일치하도록 한다.
사용자는 제어부(60)에 소정의 오류 형상들을 입력하면서, 각각의 오류 형상들에 해당하는 오류를 해결하기 위해, 오류 형상 각각의 프린팅 변수 및 그 값을 입력할 수 있다. 즉, 사용자는 오류 형상에 따라서 보정되어야 하는 프린팅 변수 및 그 값을 입력(설정)할 수 있고, 그 변수 값이 얼마만큼 보정되어야 하는지 입력(설정)할 수 있다.
제어부(60)는 사용자가 출력 전에 미리 입력한 프린팅 변수 및 그 값을, 사용자가 출력 전에 미리 입력한 소정의 오류 형상들 중 선정된 오류 형상의 프린팅 변수 및 그 값으로 보정하고, 출력물(10)이 완성되도록 계속 출력하여, 출력물(10)의 형상이 구조물의 형상과 일치하도록 한다.
사용자는 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1)에, 사용자가 3D 프린터로 출력하고자 하는 물체, 즉 구조물을 출력물(10)로 출력하기 전에, 소정의 오류 형상들을 입력할 필요가 있고, 오류 형상 각각의 프린팅 변수와 그 변수 값을 입력할 필요가 있다.
상술한 소정의 오류 형상들은 워핑(warping), 컬링(curling) 및 블럽(blob) 등의 형상, 출력부(20)의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상 등을 예로 들 수 있다.
도 3은 워핑(warping)이 발생한 출력물을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 워핑 형상은 출력물(10)의 특정 부분(주로 바닥 면)의 형상이 왜곡되는 현상이다. 이러한 현상을 해결하기 위해서는 프린팅 변수인 프린팅 베드(30)의 온도를 소정의 온도로 높이거나, 냉각부(40)의 냉각의 세기를 소정의 세기로 낮춰야 한다.
또한, 제어부(60)는 워핑의 정도를 감소시키기 위해 출력물(10)과 프린팅 베드(30)가 접촉하고 있는 면에 아세톤과 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 수지를 섞어서 만든 용액을 살포할 수 있다.
사용자는 제어부(60)에 오류 형상으로 워핑 형상을 입력할 수 있고, 워핑 형상에 해당하는 오류를 해결하기 위해, 프린팅 변수 및 그 값으로써 프린팅 베드(30)의 온도를 높이는 적정 온도를 입력할 수 있고, 냉각부(40)의 냉각의 세기를 낮추는 적정 세기를 입력할 수 있다.
제어부(60)는 출력물(10)의 형상에서 불일치한 형상과 소정의 오류 형상들을 비교하여, 불일치한 형상이 소정의 오류 형상들 중에서 어떤 오류 형상에 해당하는지 스스로 판별한 후, 해당하는 워핑 형상을 선정할 수 있다. 그리고 제어부(60)는 워핑 형상을 해결하기 위해, 프린팅 변수 및 그 값을 입력된 워핑 형상의 프린팅 변수 및 그 값으로 보정할 수 있다. 구체적으로 제어부(60)는 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 워핑 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 프린팅 베드(30)의 온도를 소정의 온도로 높이거나, 냉각부(40)의 냉각의 세기를 소정의 세기로 낮출 수 있다.
제어부(60)는 입력된 워핑 형상의 프린팅 변수 값으로 보정하고, 출력물(10)이 완성되도록 계속 출력하여, 출력물(10)의 형상이 사용자가 원하는 구조물의 형상과 일치하도록 할 수 있다. 이런 실시간 보정을 통해, 출력물(10)에 워핑 형상이 발생하더라도 처음부터 출력을 다시 하지 않아도 되므로, 3D 프린터의 효율성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1)는, 출력물(10)의 형상과 구조물의 형상을 실시간으로 비교하여 서로 불일치하면, 출력물(10)의 형상에서 불일치한 형상과 소정의 오류 형상들을 비교하고, 불일치한 형상이 워핑 형상으로 판별 및 선정되면, 자동적으로 사용자가 출력 전에 입력한 워핑 형상의 프린팅 변수 및 그 값으로 보정을 실행한다. 제어부(60)는 프린팅 베드(30)의 온도를 입력된 온도로 높이고, 냉각부(40)의 냉각의 세기를 입력된 세기로 낮춘다. 예를 들면, 프린팅 베드(30)의 온도를 1 ℃씩, 냉각의 세기를 10%로 설정해두면 이에 따라 프린팅 변수들이 보정된다. 이러한 방식으로 프린팅 변수들을 보정하면서 3D 프린팅이 수행되며 이후에도 실시간으로 오류 형상을 모니터링 하여 오류가 해결될 때까지 프린팅 변수들을 보정한다. 프린팅 변수의 보정을 지속하면서 발생한 오류가 완화되고 더 이상 발생하지 않는 것으로 판단되면 보정을 멈추고 최종적으로 보정된 변수를 출력이 완료될 때까지 적용시킨다.
본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1)는 프린팅 변수와 3D 프린터의 자체 기능 외에도, 출력물(10)의 완성도를 향상시킬 수 있는 보정 작업을 추가할 수 있다.
구체적으로 출력물(10)과 프린팅 베드(30) 사이의 접착은 출력물(10)의 완성도에 상당한 영향을 미치는데, 접착이 불량하면 워핑 형상 등의 오류가 발생할 수 있다.
출력물(10)과 프린팅 베드(30) 사이의 접착 정도는 프린팅 베드(30)의 온도, 출력부(20)의 온도 및/또는 프린팅 베드(30)의 수평 등 여러 요소에 의해 결정된다.
프린팅 베드(30) 및 출력부(20)의 온도는 상술한 바와 같이 출력 중에 보정될 수 있지만, 프린팅 베드(30)의 수평 조절은 프린팅 베드(30) 위에 어떠한 물체도 없는 상태에서 출력 시작 전에 완료되어야 한다.
아세톤에 ABS 수지를 용해시켜 만든 용액을 출력 전 프린팅 베드(30)에 뿌려주면 출력물(10)과 프린팅 베드(30) 사이의 접착이 강해지는데, 이는 출력 중에도 적용될 수 있다.
출력물(10)과 프린팅 베드(30) 사이의 접착이 불량하여 워핑 형상이 발생한 경우에 워핑 형상의 발생 패턴은 초기에 그 정도가 약하다가 출력이 진행될수록 심해지는데, 초기에 출력물(10)의 형상과 구조물의 형상 비교를 통해 워핑 형상으로 판별되면, 출력물(10)과 프린팅 베드(30)의 접착 부위에 ABS 용액을 뿌려주면 오류가 악화되는 것을 방지할 수 있다. 본 발명의 3D 프린터에는 ABS 용액 분사용 노즐이 장착될 수 있고, 필요시 제어부(60)의 신호에 의해 분사될 수 있다.
도 4는 컬링(curling)이 발생한 출력물을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 컬링 형상은 출력물(10)의 특정부분의 형상이 휘어지는 현상이다. 이러한 현상은 프린팅 변수인 출력부(20)의 온도 및/또는 프린팅 베드(30)의 온도가 과도하게 높게 설정되거나, 냉각부(40)가 작동하지 않기 때문에 발생한다. 따라서, 이러한 현상을 해결하기 위해서는 출력부(20)의 온도 및/또는 프린팅 베드(30)의 온도를 소정의 온도로 낮추거나, 냉각부(40)를 작동시켜야 한다.
사용자는 제어부(60)에 오류 형상으로 컬링 형상을 입력할 수 있고, 컬링 형상에 해당하는 오류를 해결하기 위해, 프린팅 변수 및 그 값으로써 출력부(20)의 온도 및/또는 프린팅 베드(30)의 온도를 낮추는 적정 온도를 입력할 수 있고, 냉각부(40)가 작동(on)하도록 입력하거나 냉각부(40)의 냉각의 세기를 높이는 적정 세기를 입력할 수 있다.
제어부(60)는 출력물(10)의 형상에서 불일치한 형상과 소정의 오류 형상들을 비교하여, 불일치한 형상이 소정의 오류 형상들 중에서 어떤 오류 형상에 해당하는지 스스로 판별한 후, 해당하는 컬링 형상을 선정할 수 있다. 그리고 제어부(60)는 컬링 형상을 해결하기 위해, 프린팅 변수 및 그 값을 입력된 컬링 형상의 프린팅 변수 및 그 값으로 보정할 수 있다. 구체적으로 제어부(60)는 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 컬링 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부(20)의 온도 또는 프린팅 베드(30)의 온도를 소정의 온도로 낮추거나, 냉각부(40)를 작동(on) 또는 냉각의 세기를 소정의 세기로 높일 수 있다.
제어부(60)는 입력된 컬링 형상의 프린팅 변수 값으로 보정하고, 출력물(10)이 완성되도록 계속 출력하여, 출력물(10)의 형상이 사용자가 원하는 구조물의 형상과 일치하도록 할 수 있다. 이런 실시간 보정을 통해, 출력물(10)에 컬링 형상이 발생하더라도 처음부터 출력을 다시 하지 않아도 되므로, 3D 프린터의 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 블럽(blob)이 발생한 출력물을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 블럽 형상은 출력물(10)의 표면이 매끈하지 않고 지저분하게 출력되는 현상이다. 이런 현상을 해결하기 위해서는 프린팅 변수인 출력부(20)의 온도 및/또는 프린팅 속도(출력부(20)의 출력속도)를 최적으로 설정하거나, 일반적인 FDM 방식의 3D 프린터에서 제공하는 리트렉션(retraction) 기능을 활성화시켜야 한다. 도 5에서 좌측도면은 블럽 형상이 발생한 경우이고, 우측도면은 블럽 형상이 해소된 경우이다.
사용자는 제어부(60)에 오류 형상으로 블럽 형상을 입력할 수 있고, 블럽 형상에 해당하는 오류를 해결하기 위해, 프린팅 변수 및 그 값으로써 출력부(20)의 온도 및/또는 프린팅 속도(출력부(20)의 출력속도)를 최적화하는 적정 온도 및 속도를 입력할 수 있고, 리트렉션(retraction) 기능이 작동(on)하도록 입력할 수 있다.
제어부(60)는 출력물(10)의 형상에서 불일치한 형상과 소정의 오류 형상들을 비교하여, 불일치한 형상이 소정의 오류 형상들 중에서 어떤 오류 형상에 해당하는지 스스로 판별한 후, 해당하는 블럽 형상을 선정할 수 있다. 그리고 제어부(60)는 블럽 형상을 해결하기 위해, 프린팅 변수 및 그 값을 입력된 블럽 형상의 프린팅 변수 및 그 값으로 보정할 수 있고, 리트렉션(retraction) 기능을 작동(on)시킬 수 있다. 구체적으로 제어부(60)는 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 블럽 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부(20)의 온도를 소정의 온도가 되게 하거나, 출력부(20)의 출력속도를 소정의 속도가 되게 할 수 있다. 또는 블럽 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을 리트렉션(retraction) 기능이 작동(on)하도록 보정할 수 있다.
제어부(60)는 입력된 블럽 형상의 프린팅 변수 값으로 보정하거나 리트렉션(retraction) 기능을 작동(on)시켜, 출력물(10)이 완성되도록 계속 출력하여, 출력물(10)의 형상이 사용자가 원하는 구조물의 형상과 일치하도록 할 수 있다. 이런 실시간 보정을 통해, 출력물(10)에 블럽 형상이 발생하더라도 처음부터 출력을 다시 하지 않아도 되므로, 3D 프린터의 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한, 출력부(20)의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상이 나타나는 현상은, 출력부(20)가 필라멘트를 출력할 때, 출력이 일정하게 되지 않아 필라멘트가 초기 층(initial layer, 초기에 출력되는 부분)에는 과도하게 출력되고, 후기 층(후반부에 출력되는 부분)에는 빈약하게 출력되는 경우에 나타난다. 이런 현상을 해결하기 위해서는 출력량을 오프셋(offset)을 통하여 적절하게 조절할 수 있는 수평적 확장(horizontal expansion) 기능을 활성화시켜야 한다.
사용자는 제어부(60)에 오류 형상으로 출력부(20)의 일관성 없는 출력으로 인한 형상을 입력할 수 있고, 상기 형상에 해당하는 오류를 해결하기 위해, 수평적 확장(horizontal expansion) 기능이 작동(on)하도록 입력할 수 있다.
제어부(60)는 출력물(10)의 형상에서 불일치한 형상과 소정의 오류 형상들을 비교하여, 불일치한 형상이 소정의 오류 형상들 중에서 어떤 오류 형상에 해당하는지 스스로 판별한 후, 해당하는 출력부(20)의 일관성 없는 출력으로 인한 형상을 선정할 수 있다. 그리고 제어부(60)는 출력부(20)의 일관성 없는 출력으로 인한 형상을 해결하기 위해, 수평적 확장(horizontal expansion) 기능을 작동(on)시킬 수 있다. 구체적으로 제어부(60)는 출력부(20)의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을 수평적 확장(horizontal expansion) 기능이 작동(on)하도록 보정할 수 있다.
제어부(60)는 수평적 확장(horizontal expansion) 기능을 작동(on)시켜, 출력물(10)이 완성되도록 계속 출력하여, 출력물(10)의 형상이 사용자가 원하는 구조물의 형상과 일치하도록 할 수 있다. 이런 실시간 보정을 통해, 출력물(10)에 출력부(20)의 일관성 없는 출력으로 인한 형상이 발생하더라도 처음부터 출력을 다시 하지 않아도 되므로, 3D 프린터의 효율성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1)는 프린팅 노즐, 즉 출력부(20)가 2개일 수 있다. 출력부(20)가 2개 장착되어 필라멘트를 프린팅 베드(30) 상에 이중 사출할 수 있다.
출력부(20) 2개를 사용하여 두 가지 재료로 이루어진 복합재료를 출력할 때, 두 재료 간의 접착(adhesion)이 제대로 이루어지지 않는 형상(이하 '접착 불량 형상' 이라 한다)이 발생할 수 있다. 이런 현상을 해결하기 위해서는 프린팅 변수인 출력부(20)의 온도를 소정 온도로 높여야 한다.
사용자는 제어부(60)에 오류 형상으로 접착 불량 형상을 입력할 수 있고, 접착 불량 형상에 해당하는 오류를 해결하기 위해, 프린팅 변수 및 그 값으로써 출력부(20)의 온도를 높이는 소정의 적정 온도를 입력할 수 있다.
제어부(60)는 출력물(10)의 형상에서 불일치한 형상과 소정의 오류 형상들을 비교하여, 불일치한 형상이 소정의 오류 형상들 중에서 어떤 오류 형상에 해당하는지 스스로 판별한 후, 해당하는 접착 불량 형상을 선정할 수 있다. 그리고 제어부(60)는 접착 불량 형상을 해결하기 위해, 프린팅 변수 및 그 값을 입력된 접착 불량 형상의 프린팅 변수 및 그 값으로 보정할 수 있다. 구체적으로 제어부(60)는 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 접착 불량 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부(20)의 온도를 소정의 온도로 높일 수 있다.
제어부(60)는 입력된 접착 불량 형상의 프린팅 변수 값으로 보정하고, 출력물(10)이 완성되도록 계속 출력하여, 출력물(10)의 형상이 사용자가 원하는 구조물의 형상과 일치하도록 할 수 있다. 이런 실시간 보정을 통해, 출력물(10)에 접착 불량 형상이 발생하더라도 처음부터 출력을 다시 하지 않아도 되므로, 3D 프린터의 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터의 프린팅 방법을 나타내는 도면이다.
이하에서 설명하는 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1)의 프린팅 방법은, 상술한 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1)의 제어부(60)와 연관되어 설명된 내용과 동일하므로, 이하에서는 제어부(60)와 연관되어 설명된 내용과 중복되는 내용은 생략한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1)의 프린팅 방법은 데이터 비교 단계(S10), 형상 일치 여부 판단 단계(S20), 오류 형상 선정 단계(S30) 및 프린팅 변수 값 보정 단계(S40)를 포함할 수 있다.
데이터 비교 단계(S10)는 출력물(10)의 형상과 관련된 데이터와 구조물의 형상과 관련된 데이터를 실시간으로 비교할 수 있다.
형상 일치 여부 판단 단계(S20)는 데이터 비교 단계(S10)를 통해 출력물(10)의 형상이 구조물의 형상과 일치하는지 판단할 수 있다.
오류 형상 선정 단계(S30)는 형상 일치 여부 판단 단계(S20)에서 출력물(10)의 형상이 구조물의 형상과 불일치하면, 출력물(10)의 형상에서 불일치한 형상이 소정의 오류 형상들 중 어느 오류 형상에 해당하는지 판별하여 해당하는 오류 형상을 선정할 수 있다.
프린팅 변수 값 보정 단계(S40)는 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을, 오류 형상 선정 단계(S30)에서 선정된 오류 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하고 출력물(10)이 완성되도록 계속 출력할 수 있다.
상술한 소정의 오류 형상들은 워핑(warping) 형상, 컬링(curling) 형상, 블럽(blob) 형상, 또는 출력부(20)의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 오류 형상 선정 단계(S30)에서 선정된 오류 형상이 워핑 형상인 경우에, 프린팅 변수 값 보정 단계(S40)는 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 워핑 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 프린팅 베드(30)의 온도를 소정의 온도로 높이거나, 냉각부(40)의 냉각의 세기를 소정의 세기로 낮출 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 오류 형상 선정 단계(S30)에서 선정된 오류 형상이 워핑 형상인 경우에, 프린팅 변수 값 보정 단계(S40)는 워핑 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 출력물(10)과 프린팅 베드(30)가 접촉하고 있는 면에 아세톤과 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 수지를 섞어서 만든 용액을 살포하도록, 보정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 오류 형상 선정 단계(S30)에서 선정된 오류 형상이 컬링 형상인 경우에, 프린팅 변수 값 보정 단계(S40)는 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 컬링 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부(20)의 온도 또는 프린팅 베드(30)의 온도를 소정의 온도로 낮추거나, 냉각부(40)를 작동(on) 또는 냉각의 세기를 소정의 세기로 높일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 오류 형상 선정 단계(S30)에서 선정된 오류 형상이 블럽 형상인 경우에, 프린팅 변수 값 보정 단계(S40)는 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 블럽 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부(20)의 온도를 소정의 온도가 되게 하거나, 출력부(20)의 출력속도를 소정의 속도가 되게 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 오류 형상 선정 단계(S30)에서 선정된 오류 형상이 블럽 형상인 경우에, 프린팅 변수 값 보정 단계(S40)는 블럽 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 리트렉션(retraction) 기능이 작동(on)하도록 보정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 오류 형상 선정 단계(S30)에서 선정된 오류 형상이 출력부(20)의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상인 경우에, 프린팅 변수 값 보정 단계(S40)는 출력부(20)의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 수평적 확장(horizontal expansion) 기능이 작동(on)하도록 보정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라, 소정의 오류 형상들은 접착 불량 형상을 더 포함할 수 있고, 오류 형상 선정 단계(S30)에서 선정된 오류 형상이 접착 불량 형상인 경우에, 프린팅 변수 값 보정 단계(S40)는, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 접착 불량 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부(20)의 온도를 소정의 온도로 높일 수 있다.
이와 같이, 3D 프린터의 프린팅 변수인 출력부(20)의 온도, 프린팅 베드(30)의 온도, 냉각부(40)의 냉각의 세기 및 프린팅 속도와, 3D 프린터의 기능인 리트렉션(retraction) 기능 및 수평적 확장(horizontal expansion) 기능은 FDM 방식의 3D 프린터에서 출력물(10)의 완성도를 결정짓는 주요한 요소이다.
3D 프린터의 프린팅 변수 및 기능들이 적절하게 설정되지 않거나 활성화되지 않는 경우, 출력물(10)의 완성도가 현저히 감소하며, 사용자는 새로 프린팅 변수를 적절하게 설정하여 3D 프린팅을 다시 수행해야 한다. 이는 FDM 방식의 3D 프린터의 단점인 긴 제작시간과 맞물려 상당한 비효율성과 재료의 낭비를 초래한다.
상술한 문제점을 해결하기 위한, 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1) 및 3D 프린터(1)의 프린팅 방법은, 3D 프린팅이 수행될 때 실시간으로 출력물(10)의 형상을 모니터링하고, 출력물(10)의 형상과 사용자가 초기에 입력한 구조물의 형상을 실시간으로 비교하여 완성도를 판단하고, 출력물(10)의 형상에 소정의 오류 형상이 있다면 어떤 종류의 오류 형상인지 판별 및 선정하고, 소정의 오류 형상들 중에서 선정된 오류 형상을 해결하기 위해, 사용자가 출력 전에 미리 입력한 프린팅 변수 및 그 값(예로, 사용하려는 재료 별 프린팅 변수 및 그 값)을, 사용자가 출력 전에 미리 입력한 오류 형상 별 프린팅 변수 및 그 값으로 보정하고, 출력물(10)이 완성되도록 프린팅을 계속 실행할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1) 및 3D 프린터(1)의 프린팅 방법은 출력 과정 중에 발생한 오류를 실시간으로 해결할 수 있으므로, 제작시간을 단축할 수 있고, 이에 맞물려 효율성을 향상시키고 재료의 낭비를 막을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1) 및 3D 프린터(1)의 프린팅 방법은 출력물(10)의 형상을 모니터링 할 때, 출력물(10)의 크기, 높이, 너비 등뿐 아니라 출력물(10)의 가장자리 및 표면 등의 상태도 모니터링 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1) 및 3D 프린터(1)의 프린팅 방법은 실시간 모니터링 기능 및 자가 보정 기능을 내포한 FDM 방식의 3D 프린터 및 3D 프린터의 프린팅 방법으로써, 종래의 FDM 방식의 3D 프린터 대비 출력 작업의 효율성을 대폭 향상시킬 수 있다.
비효율성을 야기하는 종래의 FDM 방식의 3D 프린터는 외부환경의 변화나 적절치 않은 프린팅 변수의 설정으로 인해 출력물(10)에 오류가 발생해도 출력 중에는 프린팅 변수를 변경할 수 없었다.
또한, 종래의 FDM 방식의 3D 프린터는 프린터 자체에서 출력물(10)에 발생한 오류를 인식하는 기능이 없어 출력물(10)이 심각하게 왜곡되어도 출력이 완료될 때까지 계속해서 진행하였다. 이는 사용자로 하여금 새로운 재료를 가지고 다시 프린팅을 수행하게 함으로써 경제적, 시간적 비효율성을 초래하였다.
본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1) 및 3D 프린터(1)의 프린팅 방법은 출력 도중에 오류가 발생하면 이를 인식하고 분석하여 오류 해소가 가능하도록, 프린팅 변수 재설정 및 자체 기능을 활성화시킨다. 이를 통해 발생한 오류를 초기 단계에서 완화시키고, 더 이상 오류가 악화되는 것을 방지하여, 출력물(10)의 왜곡을 최소화하여 출력을 완료할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터(1) 및 3D 프린터(1)의 프린팅 방법은 프린팅 노즐(출력부(20))이 2개가 장착된 이중 사출 FDM 방식의 3D 프린터(dual nozzle FDM 3D printer)에도 적용될 수 있다.
이상에서 실시 형태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 형태에 포함되며, 반드시 하나의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 형태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 형태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 형태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시 형태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 즉, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 출력물
20: 출력부
30: 프린팅 베드
40: 냉각부
50: 모니터링부
60: 제어부

Claims (19)

  1. 필라멘트를 프린팅 베드 상에 한 층씩 적층하는 출력부;
    상기 프린팅 베드 상에 상기 필라멘트가 한 층씩 적층되면서 형성되는 출력물의 형상을 실시간으로 모니터링하는 모니터링부;
    상기 모니터링부로부터 상기 출력물의 형상과 관련된 데이터를 실시간으로 전송받고, 상기 출력물의 형상과 관련된 데이터를 사용자가 출력하고자 하는 구조물의 형상과 관련된 데이터와 실시간으로 비교하여, 상기 출력물의 형상이 상기 구조물의 형상과 일치하는지 판단하는 제어부; 및
    상기 제어부와 연결되고, 상기 제어부의 신호에 의해 온/오프(on/off)되거나 냉각의 세기가 조절되는 냉각부;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 출력물의 형상이 상기 구조물의 형상과 불일치하면, 상기 출력물의 형상에서 불일치한 형상이, 당해 제어부에 입력되어 있는 소정의 오류 형상들 중 어느 오류 형상에 해당하는지 판별하여 해당하는 오류 형상을 선정하고, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을, 선정된 상기 오류 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하고, 상기 출력물이 완성되도록 계속 출력하여 상기 출력물의 형상이 상기 구조물의 형상과 일치되도록 하고,
    상기 오류 형상은 워핑(warping) 형상, 컬링(curling) 형상, 블럽(blob) 형상, 및 상기 출력부의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상 중 적어도 하나 이상을 포함하고,
    상기 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 선정된 상기 오류 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 상기 프린팅 베드의 온도, 상기 냉각부의 냉각의 세기, 상기 냉각부의 작동, 상기 출력물과 상기 프린팅 베드가 접촉하고 있는 면에 아세톤과 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 수지를 섞어서 만든 용액 살포, 상기 출력부의 온도, 상기 출력부의 출력속도, 리트렉션(retraction) 기능의 작동, 및 수평적 확장(horizontal expansion) 기능의 작동 중 어느 하나 이상을 조절하는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    선정된 상기 오류 형상이 상기 워핑 형상인 경우,
    사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 상기 워핑 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 상기 프린팅 베드의 온도를 소정의 온도로 높이거나, 상기 냉각부의 냉각의 세기를 소정의 세기로 낮추는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    선정된 상기 오류 형상이 상기 워핑 형상인 경우,
    상기 제어부는 상기 워핑 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 상기 출력물과 상기 프린팅 베드가 접촉하고 있는 면에 아세톤과 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 수지를 섞어서 만든 용액을 살포하도록, 보정하는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    선정된 상기 오류 형상이 상기 컬링 형상인 경우,
    사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 상기 컬링 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 상기 출력부의 온도 또는 상기 프린팅 베드의 온도를 소정의 온도로 낮추거나, 상기 냉각부를 작동(on) 또는 냉각의 세기를 소정의 세기로 높이는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    선정된 상기 오류 형상이 상기 블럽 형상인 경우,
    사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 상기 블럽 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 상기 출력부의 온도를 소정의 온도가 되게 하거나, 상기 출력부의 출력속도를 소정의 속도가 되게 하는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    선정된 상기 오류 형상이 상기 블럽 형상인 경우,
    상기 제어부는 상기 블럽 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 리트렉션(retraction) 기능이 작동(on)하도록, 보정하는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    선정된 상기 오류 형상이 상기 출력부의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상인 경우,
    상기 제어부는 상기 출력부의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 수평적 확장(horizontal expansion) 기능이 작동(on)하도록, 보정하는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력부가 2개이고, 상기 출력부 2개를 사용하여 각각 다른 재료를 사출할 때,
    상기 소정의 오류 형상들은 접착 불량 형상을 더 포함하고, 선정된 상기 오류 형상이 상기 접착 불량 형상인 경우,
    사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 상기 접착 불량 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 상기 출력부의 온도를 소정의 온도로 높이는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터.
  10. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모니터링부는 백색광 또는 레이저를 이용한 비접촉식 3D 스캐닝을 이용하여 상기 출력물의 형상을 실시간으로 모니터링하는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터.
  11. 출력물의 형상과 관련된 데이터와 구조물의 형상과 관련된 데이터를 실시간으로 비교하는, 데이터 비교 단계;
    상기 데이터 비교 단계를 통해 상기 출력물의 형상이 상기 구조물의 형상과 일치하는지 판단하는, 형상 일치 여부 판단 단계;
    상기 형상 일치 여부 판단 단계에서 상기 출력물의 형상이 상기 구조물의 형상과 불일치하면, 상기 출력물의 형상에서 불일치한 형상이 소정의 오류 형상들 중 어느 오류 형상에 해당하는지 판별하여 해당하는 오류 형상을 선정하는, 오류 형상 선정 단계; 및
    사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을, 상기 오류 형상 선정 단계에서 선정된 상기 오류 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하고 상기 출력물이 완성되도록 계속 출력하는, 프린팅 변수 값 보정 단계;를 포함하고,
    상기 오류 형상은 워핑(warping) 형상, 컬링(curling) 형상, 블럽(blob) 형상, 및 출력부의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상 중 적어도 하나 이상을 포함하고,
    상기 프린팅 변수 값 보정 단계는, 상기 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 선정된 상기 오류 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 상기 프린팅 베드의 온도, 냉각부의 냉각의 세기, 상기 냉각부의 작동, 상기 출력물과 상기 프린팅 베드가 접촉하고 있는 면에 아세톤과 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 수지를 섞어서 만든 용액 살포, 상기 출력부의 온도, 상기 출력부의 출력속도, 리트렉션(retraction) 기능의 작동, 및 수평적 확장(horizontal expansion) 기능의 작동 중 어느 하나 이상을 조절하는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터의 프린팅 방법.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 오류 형상 선정 단계에서 선정된 상기 오류 형상이 상기 워핑 형상인 경우,
    상기 프린팅 변수 값 보정 단계는, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 상기 워핑 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 프린팅 베드의 온도를 소정의 온도로 높이거나, 냉각부의 냉각의 세기를 소정의 세기로 낮추는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터의 프린팅 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 오류 형상 선정 단계에서 선정된 상기 오류 형상이 상기 워핑 형상인 경우,
    상기 프린팅 변수 값 보정 단계는, 상기 워핑 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 출력물과 프린팅 베드가 접촉하고 있는 면에 아세톤과 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 수지를 섞어서 만든 용액을 살포하도록 보정하는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터의 프린팅 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 오류 형상 선정 단계에서 선정된 상기 오류 형상이 상기 컬링 형상인 경우,
    상기 프린팅 변수 값 보정 단계는, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 상기 컬링 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부의 온도 또는 프린팅 베드의 온도를 소정의 온도로 낮추거나, 냉각부를 작동(on) 또는 냉각의 세기를 소정의 세기로 높이는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터의 프린팅 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 오류 형상 선정 단계에서 선정된 상기 오류 형상이 상기 블럽 형상인 경우,
    상기 프린팅 변수 값 보정 단계는, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 상기 블럽 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부의 온도를 소정의 온도가 되게 하거나, 상기 출력부의 출력속도를 소정의 속도가 되게 하는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터의 프린팅 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 오류 형상 선정 단계에서 선정된 상기 오류 형상이 상기 블럽 형상인 경우,
    상기 프린팅 변수 값 보정 단계는, 상기 블럽 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 리트렉션(retraction) 기능이 작동(on)하도록 보정하는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터의 프린팅 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 오류 형상 선정 단계에서 선정된 상기 오류 형상이 출력부의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상인 경우,
    상기 프린팅 변수 값 보정 단계는, 상기 출력부의 일관성 없는 출력(inconsistent extrusion)으로 인한 형상에 해당하는 프린팅 변수 값을, 수평적 확장(horizontal expansion) 기능이 작동(on)하도록 보정하는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터의 프린팅 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 소정의 오류 형상들은 접착 불량 형상을 더 포함하고,
    상기 오류 형상 선정 단계에서 선정된 상기 오류 형상이 상기 접착 불량 형상인 경우,
    상기 프린팅 변수 값 보정 단계는, 사용자가 출력 전에 입력한 프린팅 변수 값을 상기 접착 불량 형상에 해당하는 프린팅 변수 값으로 보정하여, 출력부의 온도를 소정의 온도로 높이는, 실시간 자가보정기능을 갖춘 3D 프린터의 프린팅 방법.
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