KR102237232B1 - 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치는 베드에 재료를 분사하여 공급하는 분사노즐을 구비하는 헤드, 상기 헤드를 3축 방향으로 이동시키는 이동부, 상기 헤드에 상기 재료를 공급하는 재료공급부, 상기 이동부를 제어하는 제1제어부, 상기 재료공급부를 제어하는 제2제어부 및 구동명령이 수신되면 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부에 제공되는 이동명령 및 재료공급명령을 생성하는 메인제어부를 포함한다.

Description

3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치 및 그 제어방법{APPARATUS AND CONTROL METHOD FOR SUPPLYING FOR MANUFACTURING THREE DIMENSIONAL SHAPES MATERIAL}
이하의 설명은 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 3차원 프린터는 제조하고자 하는 제품의 CAD 데이터를 컴퓨터 상에서 한 방향으로 슬라이싱하고, 슬라이싱된 2차원 단면 형상을 순차적으로 프린팅하여 적층함으로서 3차원 형상을 제조하는 장치를 의미한다.
3차원 프린터는 신제품을 시장에 출시하기 전에 시제품을 제작함으로써 실제 제품에 어떤 문제점이 있는지 검출 및 수정하기 위하여 주로 이용되었으나, 최근에는 3차원 프린팅 공정 및 소재 물성이 발전되어 3차원 프린터에 의해 제조된 제품의 내구성과 치수 정밀도가 향상되면서 그 이용분야가 점차 늘고 있는 실정이다.
이러한 3차원 프린터는 크게 PBF(Powder Bed Fusion) 방식과 DED(Directed Energy Deposition) 방식으로 구분된다. DED방식은 베드에 재료를 분사하여 적층하고, 고에너지의 레이저나 전자빔을 선택적으로 조사하여 경화하는 방법으로 생산성이 높고 재현 반복성이 뛰어나다. 다만, DED 방식은 헤드의 이동, 재료의 분사량 등에 따라 금속층의 높이가 달라지기 때문에, 이를 정밀 제어하기 위해 공정변수의 실시간 제어가 필요하다.
이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제 10-1966954호 "3차원 형상 제조를 위한 분말공급장치"에 가공 헤드의 이동속도가 감소되면, 헤드 또는 분말 분사부를 상승시켜 베드에 공급되는 분말의 양을 감소시키는 구성이 개시되어 있다. 하지만 이러한 경우 많은 양의 분사된 재료를 계속 공급하고 있기 때문에 재료의 낭비가 심해져 결국 재료 비용에 대한 상승이 발생하는 문제점이 있다.
실시 예의 목적은, 재료공급부에서의 재료의 공급 속도를 제어하여 베드의 재료의 높이를 일정하게 유지하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 재료의 공급량을 제어함으로써 재료의 불필요한 손실을 방지하여 재료 비용을 감소시키는 3차원 형상재료 적층을 위한 공급장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
실시 예들에서 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 따른 3차원 재료 적층을 위한 공급장치에 대해 설명한다.
3차원 재료 적층을 위한 공급장치는 베드에 재료를 분사하여 공급하는 분사노즐을 구비하는 헤드, 상기 헤드를 3축 방향으로 이동시키는 이동부, 상기 헤드에 상기 재료를 공급하는 재료공급부, 상기 이동부를 제어하는 제1제어부, 상기 재료공급부를 제어하는 제2제어부 및 구동명령이 수신되면, 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부에 제공되는 이동명령 및 재료공급명령을 생성하는 메인제어부를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 메인제어부는 구동명령이 수신되면, 상기 이동부가 상기 재료공급부보다 상기 재료공급부에서 상기 재료가 상기 헤드로 이송되는 공급지연시간만큼 지연되어 구동되도록 상기 이동명령 및 상기 재료공급명령을 생성할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 메인제어부는 상기 구동명령을 수신하는 수신부, 상기 구동명령에 포함된 3D 형상 정보를 해석하여 이동 궤적에 대한 모션 프로파일로 생성하여 상기 모션 프로파일을 포함하는 이동명령을 생성하는 이동명령 생성부, 상기 재료공급명령을 생성하는 재료공급명령 생성부 및 상기 이동명령에 상기 공급지연시간을 포함해 제공하거나, 상기 이동명령을 상기 재료공급명령보다 상기 공급지연시간만큼 지연시켜 제공하는 명령전달부를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 메인제어부는 상기 이동명령에서 좌표의 수치 명령에 의한 상기 헤드의 이동 속도를 예측하고, 상기 예측된 헤드의 이동 속도에 비례한 재료 공급 속도를 연산하여 재료공급명령을 생성하여 상기 제2제어부에 제공할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 메인제어부는, 상기 구동명령을 수신하는 수신부, 상기 구동명령에 포함된 3D 형상 정보를 해석하여 이동 궤적에 대한 모션 프로파일로 생성하여 상기 모션 프로파일을 포함하는 이동명령을 생성하는 이동명령 생성부, 상기 모션 프로파일을 가상으로 수행하는 모션 프로파일 수행부, 상기 모션 프로파일 수행부에서 수행된 모션 프로파일에 대한 좌표 수치에 따른 헤드의 이동속도 변화량을 산출하고 상기 산출된 이동속도 변화량에 따른 상기 재료공급부의 속도와 가속시간을 연산하는 연산부, 상기 재료공급부의 속도정보 및 가속시간 정보를 포함하는 재료공급명령을 생성하는 재료공급명령 생성부 및 상기 이동명령 및 상기 재료공급명령을 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부에 전달하는 명령전달부를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 연산부는 상기 헤드의 이동속도의 가속시간과 동일한 가속시간을 갖도록 상기 재료공급부의 재료공급량의 가속시간을 연산할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 연산부는, 상기 헤드의 이동속도 증가량과 상기 재료공급부의 공급속도 증가량이 비례하도록 재료공급부의 공급속도를 연산할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 모션 프로파일 수행부는 상기 제1제어부가 상기 이동부를 제어하여 모션 프로파일을 수행하기 전에, 가상으로 수행할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 헤드에 캐리어 가스를 공급하는 가스공급부를 더 포함할 수 있다.
일측에 따르면,상기 캐리어 가스는 공기를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 메인제어부, 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부는 하나의 제어기에 구비되고, 상기 메인제어부는 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부를 각각 제어할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 메인제어부는 제1제어기에 구비되고, 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부는 제2제어기에 구비되고, 상기 메인제어부는 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부를 각각 제어할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 메인제어부, 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부는 각각 별도의 제어기에 구비되고, 상기 메인제어부가 구비된 제어기는 상기 제1제어부 또는 상기 제2제어부를 구비하는 별도의 제어기를 각각 제어할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 이동부는, 상기 헤드를 3축으로 이동시키는 로봇일 수 있다.
실시 예에 따른 따른 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치의 제어방법에 대해 설명한다.
공급장치의 제어방법은 상기 공급장치의 구동명령이 수신하는 단계 및 이동부가 재료공급부보다 상기 재료공급부에서 재료가 분사노즐로 이송되는 시간만큼 지연되어 구동되도록 이동명령 및 재료공급명령을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일측에 따르면, 상기 구동명령에서 좌표의 수치에 따른 헤드의 이동속도 변화량을 산출하고 상기 산출된 이동속도 변화량에 따른 상기 재료공급부의 속도와 가속시간을 연산하는 단계를 더 포함하고, 상기 이동명령 및 재료공급명령을 생성하는 단계는 상기 헤드의 이동속도 변화량을 포함하는 이동명령 및 상기 재료공급부의 속도와 가속시간을 포함하는 재료공급명령을 생성할 수 있다.
실시 예에 따르면, 재료공급부에서의 재료의 공급 속도를 제어하여 베드의 재료의 높이를 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 재료의 공급량을 제어함으로써 재료의 불필요한 손실을 방지하여 재료 비용을 감소시킬 수 있다.
실시 예에 따른 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치 및 그 제어방법의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시 예에 따른 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 메인제어부의 블록도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 헤드의 PTP 모션의 이동 궤적을 나타내는 도면다.
도 4는 일 실시 예에 따른 헤드의 블랜딩(Blending) 모션의 이동 궤적을 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 공급 지연시간이 반영된 재료의 적층 높이 그래프이다.
도 6은 다른 실시 예에 따른 메인제어부의 블록도이다.
도 7은 실시 예에 따른 모션 프로파일의 수행 순서를 나타내는 도면이다.
도 8은 비교 예에 따른 재료 공급 지연이 존재하지 않을 때, 실제 헤드 이동속도와 실제 공급모터의 회전속도의 가속도 기울기가 일정한 경우에 대한 PTP 모션의 재료 적층 높이를 나타낸 그래프이다.
도 9는 다른 실시 예에 따른 재료의 공급 지연이 존재하지 않을 때, 실제 헤드 이동속도와 실제 공급모터의 회전속도의 가속 시간이 일정한 경우 재료의 적층 높이를 나타낸 그래프이다.
도 10은 비교 예에 따른 재료의 공급 지연시간이 존재할 때, PTP 모션에서 헤드의 이동속도 증가량과 관계없이 재료공급부의 공급속도가 일정한 경우를 나타낸 그래프이다.
도 11은 다른 실시 예에 따른 재료의 공급 지연시간이 존재할 때, PTP 모션에서 상기 헤드의 이동속도 증가량과 상기 재료공급부의 공급속도 증가량이 비례한 경우를 나타낸 그래프이다.
도 12은 비교 예에 따른 재료의 공급 지연시간이 존재할 때, 블랜딩(Blending) 모션에서 헤드의 이동속도 증가량과 관계없이 재료공급부의 공급속도가 일정한 경우를 나타낸 그래프이다.
도 13은 다른 실시 예에 따른 재료의 공급 지연시간이 존재할 때, 블랜딩(Blending) 모션 에서 상기 헤드의 이동속도 증가량과 상기 재료공급부의 공급속도 증가량이 비례한 경우를 나타낸 그래프이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
실시 예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시 예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시 예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
일 실시 예에 따른 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치(1)의 제어방법은 상기 공급장치(1)의 구동명령이 수신하는 단계 및 이동부(20)가 재료공급부(40)보다 상기 재료공급부(40)에서 재료(M1)가 분사노즐(12)로 이송되는 시간만큼 지연되어 구동되도록 이동명령 및 재료공급명령을 생성하는 단계를 포함한다.
또한, 다른 실시 예에 따른 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치(2)의 제어방법은 일 실시 예와 비교하여, 구동명령에서 좌표 수치에 따른 헤드(10)의 이동속도 변화량을 산출하고, 산출된 이동속도 변화량에 따른 상기 재료공급부(40)의 속도와 가속시간을 연산하는 단계를 더 포함한다. 여기서, 이동명령 및 재료공급명령을 생성하는 단계는 헤드(10)의 이동속도 변화량을 포함하는 이동명령 및 재료공급부(40)의 속도와 가속시간을 포함하는 재료공급명령을 생성할 수 있다.
이하, 실시 예에 따른 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치(1)를 설명하며 제어방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치(1)를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 메인제어부(70)의 블록도이며, 도 3은 일 실시 예에 따른 헤드(10)의 PTP 모션의 이동 궤적을 나타내는 도면이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 헤드(10)의 블랜딩(Blending) 모션의 이동 궤적을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치(1)는 레이저(L) 또는 전자빔을 조사하여 재료를 용착하여 3차원 형상을 제조할 때, 베드(B)에 재료(M1)를 공급하는데 이용된다. 여기서, 재료(M1)는 금속 분말, 복합 소재 분말, 식재료(M1) 분말 중 적어도 어느 하나를 포함하는 고체 재료 또는 식음료, 생크림, 액체형태의 식재료 중 적어도 어느 하나를 포함하는 액체 재료일 수 있다. 3원 형상 재료 적층을 위한 공급장치(1)는 그 자체로 이용이 가능하나, 로봇에 구비되어 로봇에 구비된 툴로도 이용이 가능할 수 있다. 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치(1)는 헤드(10), 이동부(20), 제1제어부(30), 재료공급부(40), 가스공급부(50), 제2제어부(60), 메인제어부(70)를 포함한다.
헤드(10)는 재료(M1)를 베드(B)에 분사하고 분사된 재료(M1)에 레이저(L)를 조사하여 재료(M1)를 용착한다. 헤드(10)는 레이저 조사부(11) 및 분사노즐(12)을 포함한다.
레이저 조사부(11)는 베드(B)에 공급되는 재료(M1)를 용융시키기 위한 레이저(L)가 조사된다. 레이저 조사부(11)는 가공 헤드(10)의 중앙부에 구비되고, 내부에는 레이저 출력부(미도시)에서 출력되어 전송되는 레이저(L)를 집광할 수 있는 집광 렌즈(미도시) 등이 구비될 수 있다.
분사노즐(12)은 베드(B)에 공급되는 재료(M)를 분사한다. 분사노즐(12)은 레이저 조사부(11)의 외측에 설치된다. 분사노즐(12)은 후술하는 재료공급부(40)로부터 재료(M1)를 공급받아 베드(B)로 분사한다. 베드(B)에 분사된 재료(M1)에 레이저(L)가 조사되고 조사되는 레이저(L)의 열에너지에 의해 재료(M1)가 용착되면서 재료층(M2)이 형성될 수 있다.
분사노즐(12)은 레이저 조사부(11)의 둘레에 일정 각도 이격되게 복수로 배치될 수 있으며, 레이저 조사부(11)의 둘레를 감싸는 환형의 홀 형태로 형성될 수도 있다.
실시 예에서 헤드(10)는 레이저 조사부(11)과 분사노즐(12)이 모두 포함되는 것으로 도시하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 재료를 분사하여 적층하는 기능만 가능하도록 분사노즐만 구비된 형태로 가능할 수 있다.
이동부(20)는 헤드(10)를 3축방향으로 이동시킨다. 예를 들어, 이동부(20)는 헤드(10)를 서로 직교하는 3축방향으로 이동시키도록 구성된 갠트리 로봇일 수 있다. 갠트리 로봇은 각 축이 레일, 랙 앤 피니언 또는 나사로 구성되고, X축 구동을 위한 제1모터(21), Z축 구동을 위한 제2모터(22), Y축 구동을 의한 제3모터(23)를 포함하여 3개의 모터(21, 22, 23)의 구동으로 각 축 방향으로 헤드(10)를 이동시킬 수 있다. 각 모터(21, 22, 23)는 회전속도를 제어할 수 있는 모터 드라이브(미도시)가 구비된다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 이동부(20)는 로봇암, 산업용 로봇, 의료용 로봇, 휴머노이드, 안드로이드 등 헤드를 3축으로 이동시킬 수 있는 모든 로봇이 가능할 수 있다. 여기서, 로봇은 자동 기계로, 사전에 정해진 규칙에 따라 행동이 가능한 기계를 의미한다.
한편, 실시 예에 따른 공급장치(1)는 3D 프린터 또는 산업현장의 로봇의 단부에 구비되는 도구로써 사용이 가능하다. 예를 들어, 이동부는 다른 로봇의 단부에 연결되어 구동이 가능할 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며 공급장치(1)는 식재료를 공급하여 적층하는 로봇에 구비되는 도구 등, 재료를 적층하여 사용하는 다양한 환경에서 모두 사용이 가능할 수 있다.
제1제어부(30)는 이동부(20)를 제어한다. 예를 들어, 제1제어부(30)는 모션 프로파일이 수신되면, 모션 프로파일에 따라 헤드(10)가 이동되도록 모터 드라이브를 제어하여 이동부(20)를 제어한다. 여기서, 모션 프로파일은 헤드(10)의 이동궤적에 대한 좌표의 수치 및 수치 명령을 포함하는 좌표정보 및 속도정보가 포함될 수 있다. 여기서
재료공급부(40)는 재료(M1)를 내부에 구비하였다가 재료공급명령에 따라 헤드(10)와 연결된 재료공급관(41)을 통해 재료(M1)를 공급한다. 예를 들어, 재료공급부(40)는 재료(M1)를 재료공급관(41)으로 이동시키는 스크류(미도시), 스크류를 회전시키는 공급모터(미도시) 및 공급모터의 회전속도를 제어할 수 있는 공급모터 드라이브(미도시)를 포함할 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 재료공급부(40)는, 펌프나 실린더 형태로 재료(M1)를 공급하는 구성도 가능할 수 있다.
가스공급부(50)는 캐리어 가스를 내부에 저장하고, 가스공급명령 시 캐리어 가스를 헤드(10)와 연결된 가스공급관(51)을 통해 헤드(10)에 캐리어 가스를 공급한다. 여기서, 캐리어 가스는 공기, 산소, 헬륨, 아르곤, 질소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
제2제어부(60)는 재료(M1) 및 캐리어 가스를 공급하도록 재료공급부(40) 및 가스공급부(50)를 제어한다. 예를 들어, 제2제어부(60)는 재료공급명령 및 가스공급명령에 따라 재료(M1) 및 캐리어 가스의 공급속도를 조절하여 제공한다. 여기서, 재료공급명령 및 가스공급명령은 재료(M1) 및 캐리어 가스의 공급속도정보를 각각 포함할 수 있다.
메인제어부(70)는 별도로 구비된 입력장치로부터 구동명령이 수신되면 제1제어부(30) 및 제2제어부(60)에 제공되는 이동명령 및 재료공급명령을 생성한다. 메인 제어부는 공급장치(1)의 구동명령이 수신되면, 구동명령에 따른 제1제어부(30)에 제공될 이동명령 및 제2제어부(60)에 제공될 재료공급명령 및 가스공급명령을 생성한다. 여기서, 메인제어부(70)는 이동부(20)가 재료공급부(40)보다 재료공급부(40)에서 재료(M1)가 분사노즐(12)로 이송되는 시간만큼 지연되어 구동되도록 이동명령 및 재료공급명령을 생성한다. 메인제어부(70)는 수신부(71), 이동명령 생성부(72), 재료공급명령 생성부(73), 가스공급명령 생성부(74), 명령전달부(75)를 포함한다.
수신부(71)는 구동명령을 수신한다. 예를 들어, 수신부(71)는 통신수단을 통해 PC, 랩탑, 태블릿 PC 또는 스마트폰 등의 사용자 기기와 연결되어 사용자 기기를 통해 구동명령을 수신한다. 여기서 구동명령은 3D 형상정보를 포함할 수 있다. 여기서, 3D 형상정보는 3D 모델링 데이터로써, 캐드 또는 3D 그래픽을 생성하는 프로그램으로부터 생성된 데이터 일 수 있다.
이동명령 생성부(72)는 구동명령에 포함된 3D 형상정보를 해석하여 이동 궤적에 대한 모션 프로파일로 생성하며, 이 모션 프로파일을 포함하는 이동명령을 생성한다. 예를 들어, 이동명령 생성부(72)는 3D 형상정보를 2D로 슬라이스하여 가공해드의 모션 프로파일로 생성하는 공지된 3D 형상의 모션 프로파일 생성 방법에 의해 이동궤적에 대한 모션 프로파일을 생성하고 이를 포함하는 이동명령을 생성한다. 모션 프로파일은 헤드(10) 이동경로 및 이동속도를 포함할 수 있다.
여기서, 이동명령 생성부(72)는 도 3에 도시된 바와 같이 PTP(Point To Point) 모션의 이동 궤적을 가지는 모션 프로파일 또는 도 4에 도시된 바와 같이 블랜딩(Blending) 모션 이동 궤적을 가지는 모션 프로파일을 생성할 수 있다. PTP(Point To Point)모션 프로파일의 경우 각 지점마다 헤드(10)가 이동되며 각 지점에서 공급헤드(10)가 일시적으로 정지할 수 있다. 블랜딩(Blending) 모션 프로파일의 경우에는 각 지점에 대해 공급헤드(10)가 정지하지 않고 각 지점간 속도변화만 있을 뿐 연속적으로 움직이게 된다.
재료공급명령 생성부(73)는 모션 프로파일에 포함된 재료(M1)의 적층높이에 따라 재료공급속도를 포함하는 재료공급명령을 생성한다.
가스공급명령 생성부(74)는 재료(M1)가 분사될 수 있도록 가스공급명령을 생성한다.
명령전달부(75)는 이동명령을 제1제어부(30)에 전달하고, 재료공급명령 및 가스공급명령을 제2제어부(60)에 전달한다. 이 때, 명령전달부(75)는 이동명령에 공급지연시간을 포함해 제공하거나, 이동명령을 재료공급명령보다 공급지연시간만큼 지연시켜 제공한다. 이 경우, 이동부(20)는 재료공급부(40)의 작동시점보다 공급지연시간만큼 지연되어 작동된다. 여기서, 공급지연시간은 재료(M1)가 재료공급부(40)에서 헤드(10)에 도달하는 시간을 측정한 기 저장된 값 또는 재료공급부(40)의 재료공급속도 및 재료공급관(41)에 따라 재료(M1)가 재료공급부(40)에서 헤드(10)에 도달하는 시간을 실시간으로 연산하여 생성한 값일 수 있다.
한편, 메인제어부(70), 제1제어부(30) 및 제2제어부(60)는 하나의 제어기에 구비될 수 있다. 이때, 메인제어부(70)는 제1제어부(30) 및 제2제어부(60)를 각각 제어할 수 있다. 여기서 제어기는 헤드의 이동과 재료의 분사를 총괄하는 정보처리 장치로 필요한 정보를 수신하여 공급장치를 구동시킬 수 있다. 각각의 제어부는 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록된 형태를 가질 수 있다.
또한, 메인제어부는 제1제어부 및 제2제어부와 별도의 제어기에 구비되는 것도 가능하다. 일 례로 메인제어부는 제1제어기에 구비되고, 제1제어부 및 제2제어부는 제2제어기에 구비되는 형태도 가능하다. 이때, 제1제어기의 메인제어부는 제1제어부 및 제2제어부를 각각 제어할 수 있다.
다른 예로, 메인제어부, 제1제어부 및 제2제어부는 각각 별도의 제어기에 구비되는 형태도 가능하다. 이때, 메인제어부가 구비된 제어기는 제1제어부 또는 제2제어부를 구비하는 별도의 제어기를 각각 제어할 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 공급 지연시간이 반영된 재료(M1)의 적층 높이 그래프이다.
도 5를 참조하면, 일 실시 예에 따른 공급 지연시간이 반영된 헤드(10)의 이동거리, 명령 헤드(10) 이동속도, 실제 헤드(10) 이동속도, 명령 공급모터 회전속도, 실제 공급모터 회전속도, 재료 분사량 및 재료 적층높이가 개시된다. 메인제어부(70)는 이동명령 및 재료공급명령을 통해 헤드(10)의 이동보다 재료공급을 공급지연시간(Td)만큼 앞당김으로써 헤드(10)에서 재료(M1)가 분사되는 순간과 헤드(10)의 이동시점을 일치시킨다. 이에 따라 헤드(10)의 이동 궤적에 따른 재료(M1)의 적층 높이가 일정하게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 메인제어부(70)는 헤드(10)의 정지보다 재료공급 정지 시점을 공급지연시간(Td)만큼 앞당김으로써 헤드(10)의 이동궤적 전체에 걸쳐 재료(M1)의 적층 높이가 일정하게 형성되는 것을 확인할 수 있다.
이하, 도 6 내지 도 13을 참조하여 다른 실시 예에 따른 공급장치(1)에 대해 설명한다. 다른 실시 예에 따른 공급장치(1)는 일 실시 예에 따른 공급장치(1)와 비교하여, 메인제어부(70)의 구성만 차이가 있을 뿐, 헤드(10), 이동부(20), 제1제어부(30), 재료공급부(40), 가스공급부(50) 및 제2제어부(60) 구성은 동일한 구성요소를 포함하고 있어 설명을 생략한다.
도 6은 다른 실시 예에 따른 메인제어부(80)의 블록도이고, 도 7은 실시 예에 따른 모션 프로파일의 수행 순서를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 메인제어부(80)는 수신부(71), 이동명령 생성부(72), 모션 프로파일 수행부(81), 연산부(82), 재료공급명령 생성부(83), 가스공급명령 생성부(74) 및 명령전달부(84)를 포함한다.
여기서, 수신부(71), 이동명령 생성부(72), 가스공급명령 생성부(74)는 일 실시 에에 따른 공급장치(1)와 동일한 구성요소를 포함하고 있어 설명을 생략한다.
모션 프로파일 수행부(81)는 모션 프로파일을 가상으로 수행한다. 예를 들어, 모션 프로파일 수행부(81)는 이동명령 생성부(72)에서 생성한 모션 프로파일을 분석하여, 헤드(10)의 가상 궤적 및 속도를 시뮬레이션한다. 여기서, 시뮬레이션은 가상 현실기반으로 시뮬레이션 하는 것도 가능하지만, 헤드(10)의 가상궤적 및 속도를 수치화된 데이터로 얻는 것도 가능할 수 있다.
연산부(82)는 모션 프로파일 수행부(81)에서 수행된 모션 프로파일에 대한 좌표 수치에 따른 헤드(10)의 이동속도 변화량을 산출하고 산출된 이동속도 변화량에 따른 재료공급부(40)의 속도와 가속시간을 연산한다. 연산부(82)는 헤드(10)의 이동속도의 가속시간과 동일한 가속시간을 갖도록 재료공급부(40)의 재료공급량의 가속시간을 연산한다.
또한, 연산부(82)는 헤드(10)의 이동속도 증가량과 재료공급부(40)의 공급속도 증가량이 비례하도록 재료공급부(40)의 공급속도를 연산한다. 헤드(10)의 이동속도 증가량과 재료공급부(40)의 공급속도 증가량을 비례하게 증가시키면 재료(M1)의 적층 높이가 일정하게 된다.
재료공급명령 생성부(83)는 재료공급부(40)의 속도정보 및 가속시간 정보를 포함하여 재료공급명령을 생성한다.
명령전달부(84)는 이동명령 및 재료공급명령을 제1제어부(30) 및 제2제어부(60)에 전달한다. 여기서 명령전달부(84)는 일 실시 예와 동일하게 공급지연시간을 적용할 수 있다.
메인제어부(80)는 도 7에 도시된 바와 같이 모션 프로파일에 대한 시뮬레이션후에 이동명령을 생성하여 모션 프로파일에 따른 실제 공급장치(1)의 구동을 수행할 수 있다. 이에 따라, 연산부(82)가 실제 공급장치(1)의 구동보다 먼저 헤드(10)의 이동속도 변화를 연산할 수 있게 되어, 이동부(20)의 속도 및 가속시간에 따른 공급모터의 속도 및 가속시간을 동기화가 가능할 수 있다.
도 8은 비교 예에 따른 재료(M1) 공급 지연이 존재하지 않을 때, 실제 헤드(10) 이동속도와 실제 공급모터의 회전속도의 가속도 기울기가 일정한 경우에 대한 PTP 모션의 재료(M1) 적층 높이를 나타낸 그래프이고, 도 9는 다른 실시 예에 따른재료(M1)의 공급 지연이 존재하지 않을 때, 실제 헤드(10) 이동속도와 실제 공급모터의 회전속도의 가속 시간이 일정한 경우 재료(M1)의 적층 높이를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 재료(M1) 공급 지연이 발생하지 않는 경우에 가속도의 기울기(Ag)가 일정한 경우 실제 헤드(10) 이동속도의 가속 시간(At)과 실제 공급모터의 회전속도의 가속 시간(At`)이 같지 않아 베드(B)의 재료(M1) 적층 높이가 변화된다. 실제 헤드(10) 이동속도가 느린 위치에서는 헤드(10)의 분사노즐(12)에서 분사되는 재료(M1)의 양이 빠르게 증가하여 실제 헤드(10)의 이동속도가 등속에 이루기 전에 공급모터의 회전속도가 이미 등속을 형성하여 결국 재료(M1) 적층 높이가 높아져 굴곡이 생기는 문제가 발생하게 된다.
도 9를 참조하면, 실제 헤드(10) 이동속도의 가속 시간과 실제 공급모터의 회전속도의 가속 시간이 일정한 경우 실제 헤드(10) 이동속도의 가속 시간(At)과 실제 공급모터의 회전속도의 가속 시간(At`) 이 같아지게 되어 베드(B)의 재료(M1) 적층 높이가 일정하게 된다. 헤드(10) 이동속도가 느린 위치에서는 헤드(10)의 분사노즐(12)에서 분사되는 재료(M1)의 양이 감소되어 재료(M1) 적층 높이가 일정하게 되며, 헤드(10) 이동속도가 빠른 위치에서는 헤드(10)의 분사노즐(12)에서 분사되는 재료(M1)의 양이 증가되어 재료(M1) 적층 높이가 일정하게 유지될 수 있다.
도 10은 비교 예에 따른 재료(M1)의 공급 지연시간이 존재할 때, PTP 모션에서 헤드(10)의 이동속도 증가량과 관계없이 재료공급부(40)의 공급속도가 일정한 경우를 나타낸 그래프이고, 도 11은 다른 실시 예에 따른 재료(M1)의 공급 지연시간이 존재할 때, PTP 모션에서 헤드(10)의 이동속도 증가량과 재료공급부(40)의 공급속도 증가량이 비례한 경우를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 헤드(10) 이동속도 변화량과 관계없이 재료공급부(40)의 공급속도가 일정하면 헤드(10)에서 분사되는 재료(M1)의 양이 일정하여 베드(B)의 재료(M1) 적층 높이가 일정하지 않게 된다. 이에 따라, 헤드(10)의 이동속도가 느린 위치에서는 헤드(10)에서 분사되는 재료(M1)의 양이 감소되지 않아 재료(M1) 적층 높이가 높아지고 헤드(10) 이동속도가 빠른 위치에서는 헤드(10)에서 분사되는 재료(M1)의 양이 증가되지 않아 베드(B)의 재료(M1) 적층 높이가 낮아진다.
이와 비교하여, 도 11을 참조하면, 헤드(10)의 이동속도 변화량에 따라 실제 공급모터의 회전속도의 속도가 비례하여 변화되면 헤드(10)에서 분사되는 재료(M1)의 양이 헤드(10)의 이동속도 변화량과 비례하게 변화되어 베드(B)의 재료(M1) 적층 높이가 일정하게 된다. 헤드(10)의 이동속도가 느린 위치에서는 헤드(10)에서 분사되는 재료(M1)의 양이 감소되고 헤드(10)의 이동속도가 빠른 위치에서는 헤드(10)의 노즐에서 분사되는 재료(M1)의 양이 증가되어 베드(B)의 재료(M1) 적층 높이가 일정해질 수 있다.
도 12은 비교 예에 따른 재료(M1)의 공급 지연시간이 존재할 때, 블랜딩(Blending) 모션 에서 헤드(10)의 이동속도 증가량과 관계없이 재료공급부(40)의 공급속도가 일정한 경우를 나타낸 그래프이고, 도 13은 다른 실시 예에 따른 재료(M1)의 공급 지연시간이 존재할 때, 블랜딩(Blending) 모션에서 헤드(10)의 이동속도 증가량과 재료공급부(40)의 공급속도 증가량이 비례한 경우를 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 도 10과 같이 헤드(10)의 이동 속도 변화량에 따라 재료공급부(40)의 공급속도가 일정하면 분사되는 재료(M1)의 양이 일정하여 베드(B)의 재료(M1) 적층 높이가 일정하지 않게 된다. 다시 말하면 헤드(10)의 이동속도가 느린 위치에서는 헤드(10)에서 분사되는 재료(M1)의 양이 감소되지 않고 헤드(10) 이동속도가 빠른 위치에서는 헤드(10)에서 분사되는 재료(M1)의 양이 증가되지 않아 베드(B)의 재료(M1) 적층 높이가 낮아진다.
이와 비교하여, 헤드(10)의 이동속도 변화량에 따라 재료공급부(40)의 공급속도가 비례하게 변화되면 헤드(10)에서 분사되는 재료(M1)의 양이 변화되어 베드(B)의 재료(M1) 적층 높이가 일정하게 된다. 다시 말하면, 헤드(10) 이동속도가 느린 위치에서는 헤드(10)에서 분사되는 재료(M1)의 양이 감소되고 헤드(10)의 이동속도가 빠른 위치에서는 헤드(10)에서 분사되는 재료(M1)의 양이 증가되어 베드(B)의 재료(M1) 적층 높이가 일정해질 수 있다.
이상과 같이 실시 예에 따르면, 재료공급부에서의 재료의 공급속도를 제어하여 베드의 재료의 높이를 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 재료의 공급량을 제어함으로써 재료의 불필요한 손실을 방지하여 재료 비용을 감소시킬 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (15)

  1. 베드에 재료를 분사하여 공급하는 분사노즐을 구비하는 헤드;
    상기 헤드를 3축 방향으로 이동시키는 이동부;
    상기 헤드에 상기 재료를 공급하는 재료공급부;
    상기 이동부를 제어하는 제1제어부;
    상기 재료공급부를 제어하는 제2제어부; 및
    입력장치로부터 구동명령이 수신되면, 상기 제1제어부에 이동명령을 생성하고 및 상기 제2제어부에 재료공급명령을 생성하는 메인제어부;
    를 포함하고,
    상기 메인제어부는,
    상기 재료공급부에서 상기 재료가 상기 분사노즐로 이송되는 공급지연시간만큼 상기 이동부가 상기 재료공급부보다 지연되어 구동되도록 상기 이동명령을 생성하고,
    상기 이동명령에서 좌표의 수치 명령에 의한 상기 헤드의 이동 속도를 예측하고, 상기 예측된 헤드의 이동 속도에 비례하여 재료공급속도를 연산하여 상기 재료공급명령을 생성하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메인제어부는,
    상기 구동명령을 수신하는 수신부;
    상기 구동명령에 포함된 3D 형상 정보를 해석하여 이동 궤적에 대한 모션 프로파일로 생성하여 상기 모션 프로파일을 포함하는 이동명령을 생성하는 이동명령 생성부;
    상기 재료공급명령을 생성하는 재료공급명령 생성부; 및
    상기 이동명령에 상기 공급지연시간을 포함해 제공하거나, 상기 이동명령을 상기 재료공급명령보다 상기 공급지연시간만큼 지연시켜 제공하는 명령전달부;
    를 포함하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메인제어부는,
    상기 구동명령을 수신하는 수신부;
    상기 구동명령에 포함된 3D 형상 정보를 해석하여 이동 궤적에 대한 모션 프로파일로 생성하여 상기 모션 프로파일을 포함하는 이동명령을 생성하는 이동명령 생성부;
    상기 모션 프로파일을 가상으로 수행하는 모션 프로파일 수행부;
    상기 모션 프로파일 수행부에서 수행된 모션 프로파일에 대한 좌표 수치에 따른 헤드의 이동속도 변화량을 산출하고 상기 산출된 이동속도 변화량에 따른 상기 재료공급부의 속도와 가속시간을 연산하는 연산부;
    상기 재료공급부의 속도정보 및 가속시간 정보를 포함하는 재료공급명령을 생성하는 재료공급명령 생성부; 및
    상기 이동명령 및 상기 재료공급명령을 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부에 전달하는 명령전달부;
    를 포함하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 헤드의 이동속도의 가속시간과 동일한 가속시간을 갖도록 상기 재료공급부의 재료공급량의 가속시간을 연산하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 헤드의 이동속도 증가량과 상기 재료공급부의 공급속도 증가량이 비례하도록 재료공급부의 공급속도를 연산하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 모션 프로파일 수행부는,
    상기 제1제어부가 상기 이동부를 제어하여 모션 프로파일을 수행하기 전에, 가상으로 수행하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 헤드에 캐리어 가스를 공급하는 가스공급부;
    를 더 포함하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 캐리어 가스는 공기를 포함하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 메인제어부, 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부는 하나의 제어기에 구비되고,
    상기 메인제어부는 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부를 각각 제어하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 메인제어부는 제1제어기에 구비되고,
    상기 제1제어부 및 상기 제2제어부는 제2제어기에 구비되고,
    상기 메인제어부는 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부를 각각 제어하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 메인제어부, 상기 제1제어부 및 상기 제2제어부는 각각 별도의 제어기에 구비되고,
    상기 메인제어부가 구비된 제어기는 상기 제1제어부 또는 상기 제2제어부를 구비하는 별도의 제어기를 각각 제어하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치.
  14. 제1항에 따른 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치의 제어방법에 있어서,
    상기 공급장치의 구동명령이 수신하는 단계; 및
    이동부가 재료공급부보다 상기 재료공급부에서 재료가 분사노즐로 이송되는 시간만큼 지연되어 구동되도록 이동명령 및 상기 이동명령에 따른 헤드의 이동 속도에 비례하여 재료공급속도를 연산하여 재료공급명령을 생성하는 단계;
    를 포함하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치 장치의 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 이동명령 및 재료공급명령을 생성하는 단계에서는,
    상기 구동명령에서 좌표 수치에 따른 헤드의 이동속도 변화량을 산출하고 상기 산출된 이동속도 변화량에 따른 상기 재료공급부의 속도와 가속시간을 연산하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 이동명령은 상기 헤드의 이동속도 변화량을 포함하고,
    상기 재료공급명령은 상기 재료공급부의 속도와 가속시간을 포함하는 3차원 형상 재료 적층을 위한 공급장치 장치의 제어방법.
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