KR102278253B1 - 필라멘트 공급 채널을 이중화한 3ｄ 프린팅 시스템 및 그 이중화 방법 - Google Patents

필라멘트 공급 채널을 이중화한 3ｄ 프린팅 시스템 및 그 이중화 방법 Download PDF

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Abstract

필라멘트 공급 채널을 이중화한 3Ｄ 프린팅 시스템 및 그 이중화 방법이 개시된다. 본 발명의 3Ｄ 프린팅 시스템은 제1 필라멘트 공급부와 제2 필라멘트 공급부를 포함하여 제1 필라멘트 공급부가 공급하는 필라멘트가 소진되면 자동으로 제2 필라멘트 공급부가 필라멘트를 공급하도록 함으로써 필라멘트 공급이 중단되지 않도록 할 수 있다. 이러한 구성은 비교적 대형 조형물을 인쇄함에 따라 많은 필라멘트가 필요할 때 유리하다.

Description

필라멘트 공급 채널을 이중화한 3Ｄ 프린팅 시스템 및 그 이중화 방법{3D Pringing System Having Duplicated Filament-Supplying Channel and Duplicating Method thereof}
본 발명은 필라멘트를 공급 채널을 이중화하여 필라멘트의 공급 중단이 발생하지 않도록 한 3D 프린팅 시스템 및 그 이중화 방법에 관한 것이다.
3D 프린터는 종이에 잉크를 분사하여 그림이나 글자를 인쇄하는 인쇄방법을 응용하여 3차원으로 확장한 것으로서, 합성수지를 노즐을 통해 3차원 공간에 분사하여 입체 형상을 만드는 방법이다. 3D 프린팅 방법의 하나인 FDM(Fused Deposition Modeling)은 압출기를 이용하여 필라멘트(Filament)를 이송하고 노즐을 통해 배출하기 전에 필라멘트를 가열함으로써 노즐을 통해서 스트랜드(Strand) 형상으로 얇게 배출되도록 한 다음, 바닥부터 쌓아 올려 입체 형상물을 만드는 방식이다. 여기에 사용되는 필라멘트는 천연수지, 합성수지 또는 이들의 혼합물 등이 사용된다.
종래의 3D 프린터는 하나의 압출기를 사용한다. 압출기는 모터를 이용하여 필라멘트를 이송하는 장치이다. 3D 프린터는 압출기를 배치하는 방식에 따라 직접 압출식과 보우덴(Bowden) 방식이 있다. 직접 압출식은 압출기를 노즐과 함께 배치하는 방식이고, 보우덴 방식은 압출기가 노즐과 이격되어 배치하는 방식이다.
보우덴 방식은 필라멘트 스풀(Spool)과 노즐 사이의 필라멘트 이송거리가 길뿐 아니라 필라멘트의 이송에 사용되는 튜브와 필라멘트 사이에 마찰 때문에 직접 압출식에 비해 압출이 어렵고 모터 제어도 어렵다.
한편, 직접 방식과 보우덴 방식 모두 장시간의 인쇄 중에 필라멘트가 소진되거나 단선되는 것을 방지하기 위한 수단을 갖출 필요가 있다. 종래에는 프린팅 제어 프로그램이 필라멘트 예상 소모량을 계산해서 알려주기 때문에, 필라멘트 교체 시점을 눈대중으로 판단하였다. 개량된 기술로는, 일부 제품에서 필라멘트 잔존량을 실시간으로 계산하여 필라멘트가 부족하면 사용자가 필라멘트를 교체할 때까지 멈추는 기능을 제공한다. 프린팅이 멈춘 사이에 사용자가 필라멘트를 교체할 수 있다. 그러나 종래의 어떤 방식도 필라멘트 교체를 위해 인쇄를 중단하지 않는 것이 없다. 새로운 필라멘트를 교체하는 과정에서 입체 조형물에는 크랙이 생기고 불균일한 면이 생길 수 있다.
또한, 입체 조형물의 크기에 따라 작업반경이 최소 1.5 미터 이상 공간에서 3D 프린팅으로 대형 조형물을 만드는 경우에는 종래의 필라멘트 압출 방식으로 스풀에 감긴 필라멘트를 적절한 피드로 공급하기도 어렵다.
[관련 기술 문헌]
1. 3Ｄ 프린터 및 이에 이용되는 ＸＹＺ축 구동장치(대한민국 공개특허 제10-2018-0091781호)
본 발명의 목적은, 필라멘트를 공급 채널을 이중화하여 필라멘트의 공급 중단이 발생하지 않는 연속공급체계를 구현한 3D 프린팅 시스템 및 그 이중화 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D 프린팅 시스템은, 제1 필라멘트 스풀과 상기 제1 필라멘트 스풀에서 필라멘트를 압출하는 제1 압출기를 구비한 제1 필라멘트 공급부와; 제2 필라멘트 스풀과 상기 제2 필라멘트 스풀에서 필라멘트를 압출하는 제2 압출기를 구비한 제2 필라멘트 공급부와; 상기 제1 압출기에서 공급되는 필라멘트와 제2 압출기에서 공급되는 필라멘트를 입력받아 그 중 하나를 노즐로 제공하는 연결부와; 상기 연결부와 노즐 사이에 마련되어 상기 연결부에서 공급되는 필라멘트를 가열하는 히터부와; 상기 히터부에서 가열된 필라멘트를 배출하는 상기 노즐과; 3차원 공간에서 상기 노즐의 위치와 자세를 바꾸는 노즐구동부와; 상기 제1 압출기에서 공급되는 필라멘트가 소진된 때에 상기 제2 압출기가 필라멘트를 공급하도록 제어하는 압출제어부를 포함한다.
필라멘트 공급 채널의 이중화
3D 프린팅 시스템은 상기 연결부와 노즐 사이에 마련되어 상기 연결부로부터 제공되는 필라멘트를 당겨 노즐로 제공하는 제3 압출기를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제1 필라멘트 공급부는 상기 제1 필라멘트 스풀에서 압출되는 필라멘트를 검출하는 제1 검출기를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 압출제어부는 상기 제1 검출기가 상기 제1 필라멘트 스풀에서 압출되는 필라멘트를 검출하지 못한 시점에 상기 제3 압출기의 동작을 유지하되 상기 제1 압출기의 동작을 중지하고, 기설정된 대기시간 이후에 상기 제2 압출기가 상기 제2 필라멘트 스풀에 감긴 필라멘트를 압출하도록 제어한다.
여기서, 본 발명의 3D 프린팅 시스템은 상기 제2 필라멘트 공급부는 상기 제2 필라멘트 스풀에서 압출되는 필라멘트를 검출하는 제2 검출기를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 압출제어부는 상기 제2 검출기가 상기 제2 필라멘트 스풀에서 압출되는 필라멘트를 검출하지 못한 시점에 상기 제3 압출기의 동작을 유지하되 상기 제2 압출기의 동작을 중지하고, 기설정된 대기시간 이후에 상기 제1 압출기가 상기 제1 필라멘트 스풀에 감긴 필라멘트를 압출하도록 제어할 수 있다.
연결부
실시 예에 따라, 상기 연결부는, 상기 제1 압출기에서 공급되는 필라멘트를 지지하는 제1 지지부와; 상기 제2 압출기에서 공급되는 필라멘트를 지지하는 제2 지지부와; 상기 제1 지지부 또는 제2 지지부에 의해 지지된 필라멘트를 출력단으로 안내하는 가이드를 포함할 수 있다.
상기 제1 지지부 및 제2 지지부는 서로 반대방향으로 회전하면서 사이를 지나는 필라멘트를 지지하는 한 쌍의 롤러(Roller)일 수 있다.
필라멘트 공급 중단 모드
실시 예에 따라, 상기 압출제어부는 상기 노즐 구동부의 동작을 제어하는 구동제어부로부터 동작 중단을 요청하는 제어명령을 수신하면 동작 재기를 다시 요청하는 제어명령을 수신할 때까지 상기 제1 압출기, 제2 압출기 및 제3 압출기가 동작하지 않도록 제어하여 상기 노즐을 통해 필라멘트가 분사되지 않도록 할 수 있다. 이때에도, 상기 구동제어부는 상기 동작 중단 중에도 상기 노즐 구동부를 제어하여 상기 노즐의 위치 및 자세 중 하나가 바뀌도록 제어한다.
노즐 구동부
실시 예에 따라, 상기 노즐구동부는 4축 이상의 다관절 로봇 장치일 수 있다.
필라멘트 공급 채널 이중화 방법
본 발명은 3D 프린팅 시스템의 필라멘트 공급 채널 이중화 방법에도 미친다. 본 발명의 방법은, (1) 제1 필라멘트 스풀의 필라멘트를 제1 압출기를 거쳐 연결부의 제1 입력단으로 삽입하고, 제2 필라멘트 스풀의 필라멘트를 제2 압출기를 거쳐 상기 연결부의 제2 입력단으로 삽입한 다음, 상기 제1 입력단으로 삽입된 필라멘트를 상기 연결부의 출력단을 통해 제3 압출기에 삽입해 둔 상태에서, 압출제어부가 프린팅 개시명령을 대기하는 단계와; (2) 상기 프린트 개시명령에 따라, 상기 압출제어부가 상기 제1 압출기를 제어하여 상기 제1 필라멘트 스풀의 필라멘트를 압출하도록 제어하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 출력단을 통해 배출된 상기 제1 필라멘트 스풀의 필라멘트는 히터부에 의해 가열된 다음 노즐을 통해 분사된다.
또한, 본 발명의 방법은 (3) 상기 제1 압출기의 동작 중에, 제1 검출기가 상기 제1 필라멘트 스풀에서 압출되는 필라멘트를 검출하는 단계와; (4) 상기 제1 검출기가 필라멘트를 검출하지 못한 경우, 상기 압출제어부는 상기 제3 압출기의 동작을 유지하되 상기 제1 압출기의 동작을 중지하고 기설정된 대기시간을 대기하는 단계와; (5) 상기 압출제어부가 상기 대기시간 후에 상기 제2 압출기가 상기 제2 필라멘트 스풀로부터 필라멘트를 압출하도록 제어하는 단계를 포함하여 상기 노즐로 공급되는 필라멘트의 공급 채널을 이중화할 수 있다. 이때, 상기 제2 필라멘트 스풀의 필라멘트는 상기 출력단으로 배출되어 상기 제3 압출기를 통해 상기 노즐로 공급된다.
실시 예에 따라, 본 발명의 방법은, 상기 프린팅 개시명령 이후에, 상기 노즐의 위치 및 자세 중 적어도 하나를 바꾸는 노즐 구동부를 제어하는 구동제어부로부터 '동작 중단'을 요청하는 제어명령을 수신하는 단계와; 상기 제어명령에 따라, 상기 압출제어부는 상기 구동제어부로부터 '동작 재개'를 요청하는 제어명령이 다시 수신할 때까지 상기 제1 압출기, 제2 압출기 및 제3 압출기의 동작을 중단하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 동작 중단 중에도, 상기 구동제어부는 상기 노즐의 위치 및 자세 중 적어도 하나가 바뀌도록 상기 노즐 구동부를 제어하게 된다.
본 발명의 3Ｄ 프린팅 시스템은 이중화된 필라멘트 공급부를 포함하여 일측의 필라멘트가 소진되면 자동으로 다른 필라멘트 공급부가 필라멘트를 공급하도록 함으로써 필라멘트 공급이 중단되지 않는다. 또한, 대형 조형물을 인쇄하기 위해 큰 작업장을 사용하는 경우에도 필라멘트를 적절한 속도와 텐션으로 압출하기 위한 구조를 제시한다. 따라서 본 발명의 프린팅 시스템은 비교적 대형 조형물을 인쇄함에 따라 많은 필라멘트가 필요할 때 더 유리하다.
본 발명은 노즐 어셈블리의 위치와 자세를 3차원 공간에서 바꾸는 노즐 구동수단을 다관절 로봇장치를 이용할 수 있으며, 로봇장치를 제어하는 구동제어부와 필라멘트 공급을 제어하는 압출제어부가 상호 연동함으로써 노즐의 위치와 자세가 변경되는 중에 필라멘트의 분사를 중단하기 위한 동작 등을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 3D 프린팅 시스템을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 연결부를 도시한 측단면도, 그리고
도 3은 본 발명의 3D 프린팅 동작의 설명에 제공되는 흐름도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 3D 프린팅 시스템(100)은 필라멘트로 사용하여 3차원 인쇄방식으로 입체 조형물을 만들 수 있으며, 복수의 필라멘트 스풀(Spool)을 연속적으로 이용할 수 있는 이중화된 필라멘트 연속공급 채널을 제공한다. 이를 위해, 본 발명의 3D 프린팅 시스템(100)은 제1 필라멘트 공급부(110a), 제2 필라멘트 공급부(110b), 연결부(131), 노즐 어셈블리(150), 노즐 구동부(170) 및 압출제어부(190)를 포함한다.
제1 필라멘트 공급부(110a)와 제2 필라멘트 공급부(110b)는 이중화된 필라멘트 연속공급 채널을 형성한다. 제1 필라멘트 공급부(110a)와 제2 필라멘트 공급부(110b)는 각각 필라멘트 공급 채널을 형성하며, 연결부(131)의 두 개 입력단(201a, 203a)에 각각 연결된다. 제1 필라멘트 공급부(110a)는 필라멘트를 수용하는 제1 필라멘트 스풀(111a)과, 제1 필라멘트 스풀(111a)에서 필라멘트를 압출하는 제1 압출기(113a)와, 제1 필라멘트 스풀(111a)에서 압출되는 필라멘트를 검출하는 제1 검출기(115a)를 구비한다. 제2 필라멘트 공급부(110b)는 필라멘트를 수용하는 제2 필라멘트 스풀(111b)과, 제2 필라멘트 스풀(111b)에서 필라멘트를 압출하는 제2 압출기(113b)와, 제2 필라멘트 스풀(111b)에서 압출되는 필라멘트를 검출하는 제2 검출기(115b)를 구비한다.
제1 압출기(113a)와 제2 압출기(113b)는 종래에 알려진 다양한 형태의 압출기를 사용할 수 있다. 예를 들어, 제1 압출기(113a)와 제2 압출기(113b)는 상호 반대 방향으로 회전하는 두 개의 롤러가 사이에 끼워진 필라멘트를 압출하는 방식으로 구현될 수 있으며, 롤러는 모터에 의해 회전한다. 한편, 아래에서 설명하는 제3 압출기(133)도 제1 압출기(113a) 또는 제2 압출기(113b)와 동일한 구조를 가질 수 있다.
제1 검출기(115a)는 제1 필라멘트 스풀(111a)에서 압출되는 필라멘트를 검출하기 위한 센서로서 필라멘트를 인식하지 못한 경우에 압출제어부(190)에게 기설정된 검출신호를 제공한다. 제1 검출기(115a)는 제1 필라멘트 스풀(111a)과 제1 압출기(113a) 사이에 배치될 수도 있고, 제1 압출기(113a)와 연결부(131)의 제1 입력단(201a) 사이에 배치될 수도 있다. 제2 검출기(115b)는 제2 필라멘트 스풀(111b)에서 압출되는 필라멘트를 검출하기 위한 센서로서 필라멘트를 인식하지 못한 경우에 압출제어부(190)에게 기설정된 검출신호를 제공한다. 제2 검출기(115b)는 제2 필라멘트 스풀(111b)과 제2 압출기(113b) 사이에 배치될 수도 있고, 제2 압출기(113b)와 연결부(131)의 제2 입력단(203a) 사이에 배치될 수도 있다. 다른 실시 예에 따라서, 제1 검출기(115a)와 제2 검출기(115b)는 연결부(131) 내에 각각 배치될 수 있다.
제1 검출기(115a)와 제2 검출기(115b)는 이송 중인 필라멘트를 인식할 수 있는 것이면 어떠한 것이어도 무방하다. 예를 들어, 적외선 등을 이용하는 광학 방식, 기계식 접촉에 의해 필라멘트를 인식하는 접촉 방식뿐 아니라 카메라와 같은 영상 방식의 센서도 제1 검출기(115a)와 제2 검출기(115b)로 사용할 수 있다.
제1 필라멘트 공급부(110a)와 제2 필라멘트 공급부(110b)는 이중화된 필라멘트 공급 채널을 형성하기 때문에, 압출제어부(190)에 의해 두 개 공급부 중 하나만 필라멘트를 공급한다. 압출제어부(190)는 제1 검출기(115a)와 제2 검출기(115b)의 검출신호를 이용하여 제1 압출기(113a) 또는 제2 압출기(113b)가 동작하도록 제어함으로써 제1 필라멘트 공급부(110a)와 제2 필라멘트 공급부(110b) 중 어느 하나만이 필라멘트를 공급하도록 제어한다. 이에 대해서는 아래에서 다시 자세히 설명한다.
연결부(131)는 제1 압출기(113a), 제2 압출기(113b) 및 제3 압출기(133) 사이에 마련되어, 제1 압출기(113a)에서 공급되는 필라멘트와 제2 압출기(113b)에서 공급되는 필라멘트 중 하나를 노즐 어셈블리(150)로 제공한다.
도 2에 예시적으로 도시된 연결부(131)는 파이프 형상의 제1 입력부(201), 제2 입력부(203) 및 출력부(205)가 Y자 모양으로 결합된 것이며, 제1 입력부(201)에는 제1 입력단(201a)을 통해 입력되는 필라멘트를 지지하는 제1 지지부(201b)를 포함하고, 제2 입력부(203)에는 제2 입력단(203a)을 통해 입력되는 필라멘트를 지지하는 제2 지지부(203b)를 포함한다. 출력부(205)에는 제1 지지부(201b) 또는 제2 지지부(203b)에 의해 지지된 필라멘트를 출력단(205a)으로 안내하는 가이드(205b)를 포함한다. 필라멘트가 제1 입력단(201a)을 통해 입력된 것인지 제2 입력단(203a)을 통해 입력된 것인지 무관하게 출력단(205a)에서 필라멘트가 배출되는 위치가 동일해야, 자동으로 교체된 필라멘트가 노즐 어셈블리(150)의 입력단으로 장애 없이 유입될 수 있다. 따라서, 가이드(205b)는 깔때기 형상으로 출력부(205)의 입구 내측에 마련되어 제1 지지부(201b) 또는 제2 지지부(203b)에서 유입되는 필라멘트를 출력단(205a)으로 안내한다.
제1 입력단(201a)으로 제1 필라멘트 스풀(111a)이 공급하는 필라멘트가 들어가고, 제2 입력단(203a)으로 제2 필라멘트 스풀(111b)이 공급하는 필라멘트가 들어간다. 다만, 사용자는 제1 입력단(201a)과 제2 입력단(203a)으로 공급된 필라멘트 중에서 먼저 사용할 필라멘트를 출력단(205a)을 통해 노즐 어셈블리(150)까지 연결해 두고, 나머지 하나는 해당 입력단의 지지부에 지지된 상태로 두어 출력단(205a)쪽으로 들어가지 않도록 배치한다. 도 2에서는 제1 필라멘트 스풀(111a)에서 공급된 필라멘트를 먼저 사용하기 위해, 제1 입력단(201a)으로 입력된 필라멘트를 출력단(205a)을 거쳐 노즐 어셈블리(150)에 연결한 것이다.
도 2에는 제1 지지부(201b)와 제2 지지부(203b)는 서로 반대방향으로 회전하면서 사이를 지나는 필라멘트를 지지하는 한 쌍의 롤러(Roller)를 포함함으로써, 필라멘트를 지지하면서도 필라멘트의 이송 저항을 최소화하였다.
노즐 어셈블리(150)는 연결부(131)에서 공급되는 필라멘트를 가열하는 히터부(151)와, 히터부(151)에서 가열된 필라멘트를 최종적으로 분사하는 노즐(153)을 포함하는 모듈로서, 노즐 구동부(170)의 일단에 부착되어 3차원 공간 상을 움직이면서 필라멘트를 분사하여 입체 조형물을 만든다.
필라멘트 연속공급 채널을 구현하기 위해, 도 1에서처럼, 본 발명의 3D 프린팅 시스템(100)은 필라멘트의 압출에 기여하는 제3 압출기(133)를 더 포함한다. 제3 압출기(133)는 노즐 어셈블리(150)와 연결부(131) 사이에 배치되어 제1 압출기(113a) 또는 제2 압출기(113b)와 함께 필라멘트를 압출한다. 제1 필라멘트 공급부(110a)와 제2 필라멘트 공급부(110b) 사이의 필라멘트 자동 교체를 위해 제1 압출기(113a)와 제2 압출기(113b)를 대신하여 먼저 사용된 필라멘트를 끝까지 압출할 수 있는 압출기가 필요하다. 또한, 본 발명의 3D 프린팅 시스템(100)이 대형 조형물을 만들 경우에는 제1 압출기(113a) 또는 제2 압출기(113b)가 충분한 압출 속도와 압출 텐션(Tension)을 유지하기 어려울 수 있기 때문에, 제1 압출기(113a) 또는 제2 압출기(113b)가 푸시(Push) 기능을 수행하는 것에 대응하여 제3 압출기(133)가 풀(Pull) 기능을 수행하여 공동으로 필라멘트를 압출하는 것이 좋다. 또한, 아래에서 설명하는 제1 필라멘트 공급부(110a)와 제2 필라멘트 공급부(110b)의 필라멘트 공급의 자동 이중화 방법을 위해서는 제3 압출기(133)가 필수 구성이 된다.
노즐 구동부(170)는 노즐 어셈블리(150)를 3차원 공간의 궤적을 따라 움직일 수 있는 이송 메커니즘을 가진 것이면 어떠한 것이어도 무방하다. 예를 들어, 종래의 통상의 전후, 좌우 및 상하의 3축의 직선 운동을 만들어내는 이송 시스템이 노즐 구동부(170)에 해당할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 도 1에 도시된 것처럼, 적어도 4축 이상의 회전운동으로 3차원 공간 움직임을 만들어내는 '다관절 로봇'을 노즐 구동부(170)로 사용할 수도 있다. 도 1에서 4축은 노즐 구동부 몸체의 제1 회전축(171), 몸체에 연결된 링크의 단부에 부착된 제2 회전축(172), 제2 회전축(172)에서 연장된 링크의 단부에 부착된 제3 회전축(173), 그리고 제3 회전축(173)에서 연장된 링크의 단부에 부착된 제4 회전축(174)을 포함하는 것이지만, 이러한 형태에 한정될 필요는 없고 3차원 공간상의 궤적을 따라 노즐 어셈블리(150)의 위치와 자세를 바꿀 수 있는 것이면 어떠한 구조이어도 무방하다.
본 발명에서, 노즐 구동부(170)는 자체의 구동제어부(175)에 의해 동작한다. 구동제어부(175)는 개별 입체 조형물을 위한 3D 프린팅 동작제어 프로그램에 따라 노즐 구동부(170)의 동작을 제어함으로써 노즐 어셈블리(150)를 이송하고 그 자세를 제어한다. 한편, 구동제어부(175)는 프린팅 개시 및 종료, 프린팅 중단 및 재개 시점을 알리는 제어신호를 압출제어부(190)에게 제공함으로써, 압출제어부(190)가 제어신호에 연동하여 압출기를 제어하도록 한다.
한편, 노즐(153)의 위치와 자세를 결정하는 노즐 구동부(170)의 위치와 자세는 노즐(153)을 통한 필라멘트의 분사와 동기되어야 하므로, 구동제어부(175)는 제어신호 이외에 동기를 맞추기 위한 '동기신호'를 압출제어부(190)에게 제공할 수도 있다.
압출제어부(190)는 제1 필라멘트 공급부(110a), 제2 필라멘트 공급부(110b) 및 제3 압출기(133)의 동작을 제어하여 노즐(153)로의 필라멘트 공급을 제어하며, 본 발명에 특징적인 필라멘트 연속 공급채널을 구현함으로써 입체 조형물의 생성 중에 필라멘트의 공급이 중단되는 것을 방지한다. 여기서, 필라멘트 연속공급 채널은 예를 들어 제1 필라멘트 공급부(110a)에서 공급 중인 필라멘트가 모두 소진되기 전에 제2 필라멘트 공급부(110b)가 동작하여 필라멘트 공급이 중단되지 않도록 하고, 반대로 제2 필라멘트 공급부(110b)에서 공급 중인 필라멘트가 모두 소진되기 전에 제1 필라멘트 공급부(110a)가 동작하여 필라멘트 공급이 중단되지 않도록 하는 것이다.
압출제어부(190)는 제1 필라멘트 공급부(110a), 제2 필라멘트 공급부(110b), 제3 압출기(133) 및 구동제어부(175)와 연결되며, 제1 검출기(115a)와 제2 검출기(115b)로부터 검출신호를 제공받고 구동제어부(175)로부터 제어신호를 제공받아 제1 압출기(113a), 제2 압출기(113b) 및 제3 압출기(133)를 제어한다. 실시 예에 따라, 압출제어부(190)는 히터부(151)의 동작(온/오프)도 제어할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 프린팅 동작을 도 3을 참조하여 압출제어부(190)를 중심으로, 제1 필라멘트 공급부(110a)와 제2 필라멘트 공급부(110b)의 필라멘트 연속 공급방법을 설명한다. 설명의 편리를 위해, 제1 필라멘트 공급부(110a)가 먼저 필라멘트를 공급하는 것으로 설명한다.
<프린팅 개시 및 종료: S301>
제1 필라멘트 공급부(110a)가 먼저 필라멘트를 공급하도록 하기 위해, 제1 필라멘트 스풀(111a)의 필라멘트가 연결부(131)와 제3 압출기(133)를 지나 노즐 어셈블리(150)로 삽입해 둔다. 제2 필라멘트 스풀(111b)의 필라멘트는 도 2에서처럼 연결부(131)의 제2 지지부(203b)에 지지해 둔다.
압출제어부(190)는 구동제어부(175)로부터 '프린팅 개시' 명령을 대기하였다가 프린팅 개시 명령이 있으면 인쇄동작을 시작하도록 제어한다. 한편, 압출제어부(190)는 프린팅 개시명령에 따른 인쇄 중에 구동제어부(175)로부터 '프린팅 종료' 명령을 대기하였다가 프린팅 종료 명령이 있으면 인쇄 동작을 종료하도록 제어한다.
<제1 필라멘트 공급부의 동작: S303>
- 제1 압출기 ON/ 제2 압출기 OFF/ 제3 압출기 ON
프린팅 개시 명령에 따라, 압출제어부(190)는 제1 압출기(113a)와 제3 압출기(133)가 동작하도록 제어하고, 제2 필라멘트 공급부(110b)의 제2 압출기(113b)는 동작시키지 않는다. 제1 압출기(113a)와 제3 압출기(133)가 동작하면서, 제1 필라멘트 스풀(111a)의 필라멘트가 제1 압출기(113a), 제1 검출기(115a), 연결부(131) 및 제3 압출기(133)를 지나 노즐 어셈블리(150)로 공급된다. 노즐 어셈블리(150)에서 필라멘트는 히터부(151)에 의해 용융되어 노즐(153)을 통해 분사된다. 한편, 구동제어부(175)는 노즐 구동부(170)의 위치와 자세 중 적어도 하나를 제어함으로써, 입체 조형물의 형상을 인쇄할 수 있도록 노즐(153)의 위치와 자세 중 적어도 하나를 바꾸어준다.
<구동제어부의 중단 요청에 따른 동작 중단: S305>
- 제1 압출기 OFF/ 제2 압출기 OFF/ 제3 압출기 OFF
S303 단계를 통해 제1 필라멘트 스풀(111a)의 필라멘트가 노즐(153)로 공급되는 중에 구동제어부(175)로부터 '동작 중단'을 요청하는 제어명령이 있으면, 압출제어부(190)는 동작 중이던 제1 압출기(113a)와 제3 압출기(133)의 동작을 중단시킨다. '동작 중단'을 요청하는 제어명령은 노즐(153)의 위치와 자세가 바뀌는 것과 무관하게 노즐(153)의 필라멘트의 분사를 중단할 필요가 있을 때 수행된다. 따라서 S305 단계를 수행하는 중에도, 구동제어부(175)는 노즐(153)의 위치와 자세 중 적어도 하나는 바뀌도록 노즐 구동부(170)를 제어한다. 예를 들어, 특정 레이어(Layer)의 인쇄를 수행하는 중에 일정한 영역의 인쇄를 중단하였다가 다시 인쇄를 재개할 필요가 있을 때, 노즐(153)의 위치와 자세 중 적어도 하나가 바뀌어도 필라멘트 분사는 중단될 필요가 있다.
제1 압출기(113a)와 제3 압출기(133)의 동작이 멈추면, 제1 필라멘트 스풀(111a)에서 제1 압출기(113a), 제1 검출기(115a), 연결부(131) 및 제3 압출기(133)를 지나 노즐 어셈블리(150)로 공급 중이던 필라멘트의 이송이 중단된다.
동작 중단 제어명령에 따른 동작 중단은, 구동제어부(175)로부터 '동작 재개'를 요청하는 제어명령이 다시 올 때까지 지속되며, 압출제어부(190)는 구동제어부(175)의 동작 재개 요청이 있으면 원래 상태로 복귀한다. 따라서 압출제어부(190)는 S303 단계로 복귀하여 제1 압출기(113a)와 제3 압출기(133)를 동작시킨다.
<제1 필라멘트 스풀의 필라멘트 소진에 따른 공급 채널의 전환: S307>
- 제1 압출기 OFF/ 제2 압출기 OFF/ 제3 압출기 ON
S303 단계를 통해 제1 필라멘트 스풀(111a)의 필라멘트가 노즐(153)로 공급되는 중에 압출제어부(190)는 제1 검출기(115a)의 검출신호를 대기한다. 제1 검출기(115a)는 제1 필라멘트 스풀(111a)로부터 공급되는 필라멘트의 말단을 인식함으로써 제1 필라멘트 스풀(111a)의 필라멘트 소진 시점을 인식한다. 제1 필라멘트 스풀(111a)에서 공급되던 필라멘트의 단선이 발생해서 제1 검출기(115a)가 인식한 경우도 제1 필라멘트 스풀(111a)의 필라멘트의 말단을 인식한 것은 아니지만 제2 필라멘트 공급부(110b)로 대체되어야 하는 동일한 상황이다.
압출제어부(190)는 제1 검출기(115a)의 검출신호가 있으면, 제1 필라멘트 스풀(111a)의 필라멘트가 소진되었다고 판단하고 동작 중이던 제1 압출기(113a)의 동작을 중단시킨 다음, 일정시간 대기한다. 이때 필라멘트의 말단이 아직 이송 중이기 때문에 제3 압출기(133)는 여전히 동작 중이어야 한다.
대기시간은 제1 필라멘트 스풀(111a)의 필라멘트의 말단이 연결부(131)를 통과하는 시점까지이며, 제1 검출기(115a)와 연결부(131) 사이의 거리와 제3 압출기(133)의 피딩 속도 등을 고려하여 실측할 수 있다.
<제2 필라멘트 공급부의 동작: S309>
- 제1 압출기 OFF/ 제2 압출기 ON/ 제3 압출기 ON
대기시간이 종료하면, 압출제어부(190)는 제2 압출기(113b)를 동작시킨다. 이로써, 제2 압출기(113b)와 제3 압출기(133)가 동작하고, 제1 압출기(113a)는 동작을 멈춘 상태가 된다. 제2 압출기(113b)가 동작하면서, 연결부(131)의 제2 지지부(203b)에 지지되어 있던 필라멘트가 제1 필라멘트 스풀(111a)의 말단을 따라 출력단(205a)을 통해 배출된 다음 제3 압출기(133)로 유입된다. 이때 대기시간에 따라 제1 필라멘트 스풀(111a)의 말단과 제2 필라멘트 스풀(111b)에서 공급하는 필라멘트 사이에 미소한 간격이 생길 수도 있으나 무시할 정도가 된다.
이로써, 제1 검출기(115a)가 제1 필라멘트 스풀(111a)의 필라멘트 소진을 검출하고 일정시간 후에, 제2 필라멘트 스풀(111b)의 필라멘트가 제2 압출기(113b), 제2 검출기(115b), 연결부(131) 및 제3 압출기(133)를 지나 노즐 어셈블리(150)로 공급되는 이송을 시작하면서 필라멘트 공급 채널의 전환이 완료된다. 마찬가지로, 노즐 어셈블리(150)에서 필라멘트는 히터부(151)에 의해 용융되어 노즐(153)을 통해 분사하고, 구동제어부(175)는 노즐 구동부(170)의 위치와 자세를 제어함으로써 입체 조형물의 형상을 인쇄할 수 있도록 노즐(153)의 위치와 자세를 바꾸어준다.
<구동제어부의 중단 요청에 따른 동작 중단: S311>
- 제1 압출기 OFF/ 제2 압출기 OFF/ 제3 압출기 OFF
S309 단계를 통해 제2 필라멘트 스풀(111b)의 필라멘트가 노즐(153)로 공급되는 중에 구동제어부(175)로부터 '동작 중단'을 요청하는 제어명령이 있으면, 압출제어부(190)는 S305 단계와 동일하게 동작한다. 따라서 압출제어부(190)는 동작 중이던 제2 압출기(113b)와 제3 압출기(133)의 동작을 중단시킨다.
제2 압출기(113b)와 제3 압출기(133)의 동작이 멈추면, 제2 필라멘트 스풀(111b)에서 제2 압출기(113b), 제2 검출기(115b), 연결부(131) 및 제3 압출기(133)를 지나 노즐 어셈블리(150)로 공급 중이던 필라멘트의 이송이 중단된다. 압출제어부(190)는 구동제어부(175)로부터 '동작 재개'를 요청하는 제어명령을 대기하였다가, S309 단계로 복귀하여 제2 압출기(113b)와 제3 압출기(133)를 동작시킨다.
<제2 필라멘트 스풀의 필라멘트 소진에 따른 공급 채널의 전환: S313>
- 제1 압출기 OFF/ 제2 압출기 OFF/ 제3 압출기 ON
이 단계의 동작은 S307 단계의 동작과 동일하다. S309 단계를 통해 제2 필라멘트 스풀(111b)의 필라멘트가 노즐(153)로 공급되는 중에 압출제어부(190)는 제2 검출기(115b)의 검출신호를 대기한다. 제2 검출기(115b)는 제2 필라멘트 스풀(111b)로부터 공급되는 필라멘트의 말단을 인식함으로써 제2 필라멘트 스풀(111b)의 필라멘트 소진 시점을 인식한다.
압출제어부(190)는 제2 검출기(115b)의 검출신호가 있으면, 제2 필라멘트 스풀(111b)의 필라멘트가 소진되었다고 판단하고 동작 중이던 제2 압출기(113b)의 동작을 중단시킨 다음, 일정시간 대기한다. 이때 필라멘트의 말단이 아직 이송 중이기 때문에 제3 압출기(133)는 여전히 동작 중이어야 한다.
여기서의 대기시간은 제2 필라멘트 스풀(111b)의 필라멘트의 말단이 연결부(131)를 통과하는 시점까지이며 S307 단계의 대기시간과 다를 수 있다. 대기시간은 제2 검출기(115b)와 연결부(131) 사이의 거리와 제3 압출기(133)의 피딩 속도 등을 고려하여 실측할 수 있다. 대기시간이 종료하면, S303 단계로 돌아가 제1 필라멘트 스풀(111a)의 필라멘트를 공급한다.
이상의 방법으로, 본 발명의 필라멘트 연속 공급방법이 수행된다. 이 방법에 의하여, 본 발명의 3D 프린팅 시스템(100)의 대형 조형물을 인쇄할 때 필라멘트의 공급의 실질적인 중단과 그 중단에 따른 형상 오류 없이 조형물을 인쇄할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (10)

  1. 3D 프린팅 시스템에 있어서,
    제1 필라멘트 스풀, 상기 제1 필라멘트 스풀에서 필라멘트를 압출하는 제1 압출기 및 상기 제1 필라멘트 스풀에서 압출되는 필라멘트를 검출하는 제1 검출기를 구비한 제1 필라멘트 공급부;
    제2 필라멘트 스풀, 상기 제2 필라멘트 스풀에서 필라멘트를 압출하는 제2 압출기 및 상기 제2 필라멘트 스풀에서 압출되는 필라멘트를 검출하는 제2 검출기를 구비한 제2 필라멘트 공급부;
    상기 제1 압출기에서 공급되는 필라멘트를 지지하는 제1 지지부, 상기 제2 압출기에서 공급되는 필라멘트를 지지하는 제2 지지부 및 상기 제1 지지부 또는 제2 지지부에 의해 지지된 필라멘트를 출력단으로 안내하는 가이드를 구비하고 상기 제1 압출기에서 공급되는 필라멘트와 제2 압출기에서 공급되는 필라멘트를 입력받아 그 중 하나를 노즐로 제공하는 연결부;
    상기 연결부와 노즐 사이에 마련되어 상기 연결부로부터 제공되는 필라멘트를 당겨 노즐로 제공하는 제3 압출기;
    상기 제3 압출기에서 공급되는 필라멘트를 가열하는 히터부;
    상기 히터부에서 가열된 필라멘트를 배출하는 상기 노즐;
    3차원 공간에서 상기 노즐의 위치와 자세를 바꾸는 4축 이상의 다관절 로봇 장치인 노즐구동부; 및
    상기 제1 압출기에서 공급되는 필라멘트가 소진된 때에 상기 제2 압출기가 필라멘트를 공급하도록 제어하되, 상기 제1 검출기가 상기 제1 필라멘트 스풀에서 압출되는 필라멘트를 검출하지 못한 시점에 상기 제3 압출기의 동작을 유지하되 상기 제1 압출기의 동작을 중지하고 기설정된 대기시간 이후에 상기 제2 압출기가 상기 제2 필라멘트 스풀에 감긴 필라멘트를 압출하도록 제어하며, 상기 제2 검출기가 상기 제2 필라멘트 스풀에서 압출되는 필라멘트를 검출하지 못한 시점에 상기 제3 압출기의 동작을 유지하되 상기 제2 압출기의 동작을 중지하고 상기 대기시간 이후에 상기 제1 압출기가 상기 제1 필라멘트 스풀에 감긴 필라멘트를 압출하도록 제어하는 압출제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 지지부 및 제2 지지부는 서로 반대방향으로 회전하면서 사이를 지나는 필라멘트를 지지하는 한 쌍의 롤러(Roller)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압출제어부는 상기 노즐 구동부의 동작을 제어하는 구동제어부로부터 동작 중단을 요청하는 제어명령을 수신하면 동작 재기를 다시 요청하는 제어명령을 수신할 때까지 상기 제1 압출기, 제2 압출기 및 제3 압출기가 동작하지 않도록 제어하여 상기 노즐을 통해 필라멘트가 분사되지 않도록 하되
    상기 구동제어부는 상기 동작 중단 중에도 상기 노즐 구동부를 제어하여 상기 노즐의 위치 및 자세 중 하나가 바뀌도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 시스템.
  8. 삭제
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