KR102332533B1 - Wire arc directed energy deposition 3d printing method for forming inner core and flattening outer surface - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3D 프린팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부 코어 형성 및 외부 표면 평탄화를 위한 와이어 아크 직접에너지적층 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a 3D printing method, and more particularly, to a wire arc direct energy deposition 3D printing method for forming an inner core and planarizing an outer surface.
3D 프린터는 입체 조형물을 제작하는 장치로서, 3차원 형상의 입체 조형물의 형상에 관한 데이터를 미분하여 2차원 평면에 관한 데이터로 생성하고, 생성된 데이터에 따라 재료를 층층이 쌓거나, 재료를 절삭하여 입체 조형물을 제작할 수 있다.A 3D printer is a device for producing a three-dimensional object, and it differentiates data about the shape of a three-dimensional object of a three-dimensional shape to generate data about a two-dimensional plane, and according to the generated data, it stacks materials layer by layer or cuts the material You can create three-dimensional objects.
금속 소재의 입체 조형물을 제조하는 방식 중 하나로 용가재와 모재의 간극에 발생하는 아크 열로 용가재 및 모재를 용융시켜, 한층씩 부착시키며 적층하여 조형물을 제조하는 방식이 있다.One of the methods of manufacturing a three-dimensional sculpture of a metal material is to melt the filler metal and the base material with arc heat generated in the gap between the filler metal and the base material, attach them layer by layer, and stack them to manufacture the sculpture.
이때, 모재는 적층 과정 중에 아크 열에 의해 용융되어 오목하게 함몰되는데, 용융풀의 중앙은 집속되는 아크열로 인해 6000℃ 이상의 온도를 갖게 되며, 용융풀의 최외곽은 고상과 액상의 경계로 약 1500℃ 정도의 온도를 갖는다. 따라서, 용융풀 내 매우 극심한 온도구배가 발생되고, 이로 인한 용융풀 내 용융물의 급속한 자연 유동 및 프린팅 속도에 따른 용융풀의 이동에 의해, 용융물은 파도물결이 발생하게 되며, 프린팅 표면에 일정 간격으로 파도모양의 리플(Ripple)이 형성하게 된다.At this time, the base material is melted by arc heat during the lamination process and is concavely depressed. It has a temperature of about °C. Therefore, a very extreme temperature gradient is generated in the molten pool, and due to the rapid natural flow of the molten material in the molten pool and the movement of the molten pool according to the printing speed, the molten material generates waves, and at regular intervals on the printing surface. A wave-shaped ripple is formed.
즉, 종래의 와이어 아크 직접에너지적층 금속 3D 프린팅 장치는 리플을 제거하기 위해서 별도의 표면가공이 요구되는 실정이다.That is, the conventional wire arc direct energy lamination metal 3D printing apparatus is a situation in which a separate surface processing is required to remove the ripple.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 패턴재와 조형 틀을 이용하여 복수의 적층물로 이루어지는 패턴 조형물을 생성하고, 각 적층물의 일측에 프린팅 용가재를 적층함으로써, 내부 코어를 형성하고 외부 표면이 평탄화된 프린팅 조형물을 제작할 수 있는 3D 프린팅 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to create a pattern sculpture made of a plurality of laminates using a pattern material and a molding frame, and laminate a printing filler material on one side of each laminate, thereby forming an inner core and printing with a flat outer surface It is to provide a 3D printing method capable of producing a sculpture.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. There will be.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 프린팅하고자 하는 프린팅 조형물을 제작하기 위한 패턴재를 준비하는 단계와, 라우터가, 상기 프린팅 조형물의 내부 또는 외부의 표면 패턴 제작을 위해, 상기 준비된 패턴재를 가공하여 내부 패턴 또는 외부 패턴의 제1 층을 제작하는 단계와, 프린팅 노즐이, 상기 제1 층의 일측에 프린팅 용가재를 적층함에 따라 제1 프린팅 레이어를 제작하는 단계와, 상기 라우터가, 상기 프린팅 조형물의 형상을 고려하여, 상기 제1 층과 같거나 다른 내부 패턴 또는 외부 패턴으로 가공한 패턴재를 상기 제1 층의 상면에 적층함에 따라 제2 층을 제작하는 단계와, 상기 프린팅 노즐이, 상기 제2 층의 일측에 프린팅 용가재를 적층함에 따라 상기 제1 프린팅 레이어 위에 제2 프린팅 레이어를 적층하는 단계를 포함하는 3D 프린팅 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical object, an embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a pattern material for producing a printing sculpture to be printed, and a router, for producing a surface pattern inside or outside the printing sculpture, the Manufacturing a first layer of an inner pattern or an outer pattern by processing the prepared pattern material, and manufacturing a first printing layer as a printing nozzle laminates a printing filler material on one side of the first layer, the router A, in consideration of the shape of the printing sculpture, manufacturing a second layer by laminating a pattern material processed into the same or different inner pattern or outer pattern as the first layer on the upper surface of the first layer; The printing nozzle provides a 3D printing method comprising laminating a second printing layer on the first printing layer as the printing nozzle laminates a printing filler material on one side of the second layer.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 패턴재는 주물사(molding sand) 또는 혼합점토이고, 상기 패턴재를 준비하는 단계는, 조형 틀 내부에 상기 주물사를 주입하는 단계와, 상기 조형 틀 내부에 주입된 주물사를 다지는 단계와, 상기 다진 주물사를 건조시키는 단계를 포함하거나, 혼합점토를 미리 정해진 두께의 판상으로 제작 후 건조시키거나 상기 미리 정해진 두께의 판상으로 제작된 혼합점토를 상기 설정된 온도로 소결하는 단계를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the pattern material is a molding sand or mixed clay, and the step of preparing the pattern material includes the steps of injecting the molding sand into the molding frame, and the molding sand injected into the molding frame. compacting and drying the minced casting sand, or drying the mixed clay into a plate shape of a predetermined thickness, or sintering the mixed clay manufactured in the plate shape of the predetermined thickness at the set temperature may include
본 발명의 실시예에 있어서, 패턴재로서 도자기용 혼합 점토를 이용하여, 내부에 프린팅 조형물과 같은 형상의 중공부를 가지는 패턴 조형물 전체를 제작하고, 프린팅하고자 하는 프린팅 조형물의 형상을 고려하여 정해지는 두께만큼 층별 분할한 후, 분할된 패턴 조형물의 각 층이 적층됨에 따라 프린팅 노즐이 중공부에 프린팅 용가재를 적층함으로써, 상기 프린팅 조형물을 프린팅할 수 있다.In an embodiment of the present invention, by using mixed clay for ceramics as a pattern material, the entire pattern sculpture having a hollow part having the same shape as the printing object inside is manufactured, and the thickness determined in consideration of the shape of the printing object to be printed After dividing by as much as each layer, as each layer of the divided pattern sculpture is stacked, the printing nozzle laminates the printing filler material in the hollow part, so that the printing sculpture can be printed.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 층을 제작한 이후, 상기 제1 층 위에 상기 제2 층을 적층하기 위하여 상기 라우터가 상기 제1 층의 상면에 위치 확인용 표시점 또는 고정 핀 홀을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, after manufacturing the first layer, in order to laminate the second layer on the first layer, the router makes a position check mark or a fixed pin hole on the upper surface of the first layer. It may further include the step of forming.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 위치 확인용 표시점을 형성하는 단계는, 상기 위치 확인용 표시점에 대한 좌표 정보를 입력받는 단계를 더 포함하고, 상기 라우터는 상기 입력받은 위치 확인용 표시점에 대한 좌표 정보를 고려하여 상기 제1 층의 상면에 상기 위치 확인용 표시점을 형성할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the step of forming the location check mark further includes receiving coordinate information on the location check mark point, and the router receives the input location check mark point. In consideration of the coordinate information for , the display point for positioning may be formed on the upper surface of the first layer.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 프린팅 레이어가 제작된 이후, 상기 제1 층에 결합재를 도포하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 층을 제작하는 단계는, 상기 결합재가 도포된 상기 제1 층의 상면에 적층될 수 있다.In an embodiment of the present invention, after the first printing layer is manufactured, the method further comprises the step of applying a binder to the first layer, and the manufacturing of the second layer includes: It can be laminated on the upper surface of one layer.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 프린팅 레이어가 제작된 이후, 상기 고정 핀 홀에 상기 제2 층을 고정시키기 위한 고정 핀의 일부를 삽입하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 층은 상기 일부의 고정 핀이 삽입된 상기 제1 층의 상면에 적층될 수 있다.In an embodiment of the present invention, after the first printing layer is manufactured, the method further comprises inserting a part of a fixing pin for fixing the second layer into the fixing pin hole, wherein the second layer is Some fixing pins may be laminated on the top surface of the inserted first layer.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 내부 패턴 또는 외부 패턴인 상기 제1 층 및 상기 제2 층을 제거함에 따라 상기 제1 프린팅 레이어 및 상기 제2 프린팅 레이어를 포함하는 상기 프린팅 조형물을 획득할 수 있다.In an embodiment of the present invention, by removing the first layer and the second layer that are the inner pattern or the outer pattern, the printing sculpture including the first printing layer and the second printing layer can be obtained. .
본 발명의 실시예에 따르면, 패턴재와 조형 틀을 이용하여 복수의 적층물로 이루어지는 패턴 조형물을 생성하고, 각 적층물의 일측에 프린팅 용가재를 적층함으로써, 내부 코어를 형성하고 외부 표면이 평탄화된 프린팅 조형물을 제작할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a patterned object made of a plurality of laminates is created using a pattern material and a molding frame, and a printing filler material is laminated on one side of each laminate, thereby forming an inner core and printing with a flat outer surface. You can create sculptures.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법을 시간의 흐름에 따라 도시한 흐름도이다.
도2 내지 도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법을 순서에 따라 도시한 참고도이다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴재를 준비하는 과정을 설명하기 위해 도시한 참고도이다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 점토를 이용한 층상분할 방법을 설명하기 위해 도시한 참고도이다.1 is a flowchart illustrating a 3D printing method according to an embodiment of the present invention over time.
2 to 7 are reference diagrams sequentially illustrating a 3D printing method according to an embodiment of the present invention.
8 is a reference diagram illustrating a process of preparing a pattern material according to an embodiment of the present invention.
9 is a reference diagram illustrating a stratification method using mixed clay according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in several different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be “connected (connected, contacted, coupled)” with another part, it is not only “directly connected” but also “indirectly connected” with another member interposed therebetween. "Including cases where In addition, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further provided without excluding other components unless otherwise stated.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprises" or "have" are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법을 시간의 흐름에 따라 도시한 흐름도이다. 그리고, 도2 내지 도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법을 순서에 따라 도시한 참고도이며, 도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴재를 준비하는 과정을 설명하기 위해 도시한 참고도이다.1 is a flowchart illustrating a 3D printing method according to an embodiment of the present invention over time. And, Figure 2 to Figure 7 is a reference diagram showing a 3D printing method according to an embodiment of the present invention in order, Figure 8 is to explain the process of preparing a pattern material according to an embodiment of the present invention It is a reference diagram shown.
본 발명의 실시예에 따른 와이어 아크 직접에너지적층 3D 프린팅 방법은, 3D 프린팅 시스템이 프린팅하고자 하는 프린팅 조형물을 제작하기 위하여 수행하는 방법이다. 보다 상세하게는, 3D 프린팅 시스템이 평탄화된 프린팅 조형물을 제작하기 위해 수행하는 3D 프린팅 방법이다. 본 발명의 3D 프린팅 시스템은, 3D 프린팅 장치 및 패턴재 제작을 위한 라우터 장치를 포함하여 구성될 수 있다.The wire arc direct energy stacking 3D printing method according to an embodiment of the present invention is a method performed by the 3D printing system to produce a printing object to be printed. More specifically, it is a 3D printing method performed by the 3D printing system to produce a flattened printing sculpture. The 3D printing system of the present invention may include a 3D printing device and a router device for pattern material production.
도1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법은 먼저 S110 단계에서 프린팅하고자 하는 프린팅 조형물을 제작하기 위한 패턴재를 준비할 수 있다.Referring to FIG. 1 , in the 3D printing method according to an embodiment of the present invention, a pattern material for manufacturing a printing object to be printed may be prepared in step S110 first.
여기서, 패턴재란 주물사 또는 도자기용 혼합 점토로 마련될 수 있다. Here, the pattern material may be provided as molding sand or mixed clay for ceramics.
예컨대, 본 발명의 패턴재가 도자기용 혼합 점토로 마련되는 경우, 혼합 점토는 여러 성질의 도자기용 1차 점토와 2차 점토를 프린팅 용도에 맞게 성분비를 조성하여 판상으로 성형하고, 이를 건조 및 적절한 온도로 초벌구이한 후 후가공 함에 따라 패턴 조형물을 제작할 수 있다.For example, when the pattern material of the present invention is prepared as a mixed clay for ceramics, the mixed clay is formed into a plate shape by composing a composition ratio of primary clay and secondary clay for ceramics of various properties according to the printing use, and drying it and a suitable temperature Pattern sculptures can be produced by unglazing and post-processing.
본 발명의 다른 실시예에 따른 본 발명의 주물사는 코어 사(core sand), 포트랜트 시멘트(Portland cement), 규산나트륨(sodium silicate), 특수 합성사(specialized composite sand), 카올린(kaolin) 또는 고령토, 벤토나이트(bentonite), 볼 클레이(ball clay), 알루미나(alumina) 중 선택되는 재료 단독으로 사용하거나 적어도 두 개 이상을 혼합하여 사용할 수 있고, 이는 제작하고자 하는 프린팅 조형물의 특성(형상, 크기, 용도)에 따라 선택될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 본 발명에서 사용하는 코어 사(core sand)의 입자크기는 100~1000 μm로 마련됨이 바람직하다. 코어 사의 입자크기가 1000 μm 이상이면 표면이 다소 거칠고, 100 μm 이하이면 미세한 표면을 구현할 수 있다.The molding sand of the present invention according to another embodiment of the present invention is a core sand, Portland cement, sodium silicate, special composite sand, kaolin or kaolin, A material selected from bentonite, ball clay, and alumina may be used alone or as a mixture of at least two or more, which is the characteristic (shape, size, use) of the printing object to be produced. can be selected according to According to one embodiment, it is preferable that the particle size of the core sand used in the present invention is 100 to 1000 μm. If the particle size of the core yarn is 1000 μm or more, the surface is somewhat rough, and if it is 100 μm or less, a fine surface can be realized.
도면에 따로 도시하지는 않았으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴재를 준비하는 단계(S110)는, 조형 틀 내부에 주물사를 주입한 후, 조형 틀 내부에 주입된 주물사를 다지고, 다진 주물사를 건조시켜, 건조된 주물사를 3D 프린팅 장치의 작업대 위에 로딩함으로써 패턴재를 준비할 수 있다. 도8을 참조하여 보다 상세하게 후술한다.Although not shown in the drawing, the step of preparing the pattern material according to an embodiment of the present invention (S110) is, after injecting the molding sand into the molding frame, compacting the molding sand injected into the molding frame, and drying the chopped molding sand Thus, the pattern material can be prepared by loading the dried casting sand onto the workbench of the 3D printing apparatus. It will be described later in more detail with reference to FIG. 8 .
도8을 참조하면, 본 발명의 3D 프린팅 방법은 먼저 도8의 (a)에 도시된 바와 같이 준비된 조형 틀(200)의 내부에 도8의 (b)와 같이 주물사(100)를 주입할 수 있다.Referring to Figure 8, the 3D printing method of the present invention can first inject the
도8의 (b)와 같이 주물사(100)를 조형 틀(200) 내부에 주입한 후, 도8의 (c)와 같이 롤러(90)를 이용하여 주입된 주물사(100)를 눌러 다진 후, 건조시킴으로써 패턴재로서 주물사를 준비할 수 있다.After injecting the
이때, 본 발명의 조형 틀(200) 프레임의 내벽에는 주입되는 주물사가 조형 틀 밖으로 이탈되지 않도록 주물사와의 결합을 위한 이탈 방지 핀(201)이 구비될 수 있다. 방지 핀(201)은 주입된 주물사가 이탈되지 않도록 주물사를 견고하게 잡아줄 수 있다. 본 실시예에서는 조형 틀(200)이 사각 형상인 것으로 예시하여 도시하였으나, 이에 제한되지 않고, 원형, 육각형, 삼각형 등 제작하고자 하는 프린팅 조형물의 형태에 따라 다양한 형상으로 마련될 수 있다.At this time, a
또 다른 실시예로, 본 발명의 조형 틀(200)은 도8의 (d)에 도시된 바와 같이, 조형 틀(200) 내에 중공부(205)를 형성하는 조형 판(203)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 본 실시예에 따른 조형 판(203)은 구현하고자 하는 패턴 조형물의 형상에 맞는 형태를 가지는 중공부(205)를 포함할 수 있고, 주물사(100)는 상기 중공부(205) 내에 주입됨으로써, 패턴 조형물은 중공부(205)의 형태에 상응하는 형태로 제작될 수 있다.In another embodiment, the
상술한 바와 같은, 본 발명의 조형 틀(200)은 와이어 아크 직접에너지층에 의한 프린팅 조형물의 외부 표면의 평탄화를 위해 패턴 조형물에 외부 패턴을 형성시킴으로써, 프린팅 과정에서 발생하게 되는 프린팅 조형물의 리플(Ripple)을 개선할 수 있고, 치수 정밀성을 높일 수 있다.As described above, the
도8을 참조한 설명은, 패턴재가 주물사인 경우에 해당하는 실시예이고, 본 발명의 다른 실시예로 패턴재가 도자기용 혼합 점토로 마련되는 경우에는, 도8에서 설명한 바와 같은 조형 틀(200)을 이용하지 않고서도 원하는 형태의 패턴 조형물을 제작할 수 있다.The description with reference to FIG. 8 is an embodiment corresponding to the case where the pattern material is a molding sand, and in another embodiment of the present invention, when the pattern material is prepared with mixed clay for ceramics, the
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 점토를 이용한 층상분할 방법을 설명하기 위해 도시한 참고도이다.9 is a reference diagram illustrating a stratification method using mixed clay according to an embodiment of the present invention.
도9를 참조하면, 도9의 (a)는 프린팅 조형물을 얻기 위한 패턴을 가지는 패턴 조형물의 단면도이고, 도9의 (b)는 프린팅 조형물을 얻기 위한 패턴을 가지는 패턴 조형물을 층별로 분할한 단면도이며, 도9의 (c)는 (b)와 같은 패턴 조형물을 층별로 분할한 단면-입체도이고, 도9의 (d)는 프린팅 조형물을 도시한 도면이다.Referring to Figure 9, (a) of Figure 9 is a cross-sectional view of a pattern sculpture having a pattern for obtaining a printing sculpture, Fig. 9 (b) is a cross-sectional view of a pattern sculpture having a pattern for obtaining a printing sculpture divided into layers 9, (c) is a cross-sectional view in which the pattern sculpture as shown in (b) is divided into layers - a three-dimensional view, and FIG. 9 (d) is a view showing a printing sculpture.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법은, 패턴재로서 도자기용 혼합 점토를 이용하여, 도9 (a)와 같은 내부에 프린팅 조형물과 같은 형상의 중공부(101)를 가지는 패턴 조형물(100) 전체를 제작하고, 도9의 (b) 및 (c)와 같이, 프린팅하고자 하는 프린팅 조형물의 형상을 고려하여 정해지는 두께만큼 층별 분할 한 후, 분할된 패턴 조형물(100)의 각 층이 적층됨에 따라 프린팅 노즐이 중공부(101)에 프린팅 용가재를 적층함으로써, 도9의 (d)와 같은 프린팅 조형물(300)을 프린팅할 수 있다.The 3D printing method according to an embodiment of the present invention uses a mixed clay for ceramics as a pattern material, and a
다시 도1을 참조하면, 패턴재의 준비(S110)가 완료되면, S120 단계에서 라우터(30)가 프린팅 조형물의 내부 또는 외부의 표면 패턴 제작을 위해, 준비된 패턴재를 가공하여 내부 패턴 또는 외부 패턴의 제1 층을 제작할 수 있다.Referring back to FIG. 1, when the preparation of the pattern material (S110) is completed, in step S120, the
그리고, S130 단계에서 프린팅 노즐이 패턴재를 기초로 하는 제1 층의 일측에 프린팅 용가재를 적층함에 따라 제1 프린팅 레이어를 제작할 수 있다.And, as the printing nozzle laminates the printing filler material on one side of the first layer based on the pattern material in step S130, the first printing layer may be manufactured.
그리고, S140 단계에서 라우터(30)가 프린팅하고자 하는 프린팅 조형물의 형상을 고려하여, 제1 층과 같거나 다른 내부 패턴 또는 외부 패턴으로 가공한 패턴재를 제1 층의 상면에 적층함에 따라 제2 층을 제작할 수 있다.Then, in step S140, in consideration of the shape of the printing sculpture to be printed by the
그리고, S150 단계에서 프린팅 노즐이 제2 층의 일측에 프린팅 용가재를 더욱 적층함에 따라, 제1 프린팅 레이어 위에 제2 프린팅 레이어를 적층할 수 있다.And, as the printing nozzle further stacks the printing filler material on one side of the second layer in step S150, the second printing layer may be stacked on the first printing layer.
그리고, S160 단계에서 상기 프린팅 조형물의 내부 또는 외부의 표면 패턴 형성을 위한, 패턴재를 기초로 하는 내부 패턴 또는 외부 패턴인 제1 층과 제2 층을 제거함으로써, 제1 프린팅 레이어 및 제2 프린팅 레이어로 이루어진 프린팅 조형물을 획득할 수 있다.And, by removing the first layer and the second layer, which are an inner pattern or an outer pattern based on a pattern material, for forming an inner or outer surface pattern of the printing sculpture in step S160, the first printing layer and the second printing You can obtain a printed sculpture made of layers.
본 실시예에서는, 프린팅하고자 하는 프린팅 조형물이 제1 프린팅 레이어와 제2 프린팅 레이어로 이루어지는 것으로 예시하여 설명하였지만, 본 발명의 프린팅 조형물은 제작하고자 하는 조형물의 크기 및 형상에 따라 3개 이상의 프린팅 레이어로 이루어질 수도 있고, 1개의 프린팅 레이어로 이루어질 수도 있다. 마찬가지로, 패턴 조형물 또한, 구현되는 프린팅 레이어의 층 수에 맞게 1개의 층 또는 2개의 층 이상으로 마련될 수 있음은 자명하다.In this embodiment, the printing sculpture to be printed has been illustrated and described as consisting of a first printing layer and a second printing layer, but the printing sculpture of the present invention is three or more printing layers depending on the size and shape of the object to be produced. It may be formed or may be formed of one printing layer. Likewise, it is obvious that the pattern sculpture may also be provided in one layer or two or more layers according to the number of printed layers to be implemented.
예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 패턴 조형물의 각 층은 5 내지 20 mm 두께로 형성될 수 있다.For example, each layer of the pattern sculpture according to the embodiment of the present invention may be formed to a thickness of 5 to 20 mm.
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법을 수행하는 3D 프린팅 시스템은, 와이어 아크 직접에너지적층3D 프린팅 장치 및 라우터 장치를 포함하여 구성될 수 있다. 본 실시예에 따른 라우터 장치는 도2에 도시된 바와 같이, 라우터 작업대(10), 및 라우터(30)를 포함하여 구성될 수 있고, 본 실시예에 따른3D 프린팅 장치는 도3에 도시된 바와 같이, 프린팅 작업대(20) 및 프린팅 노즐(50)을 포함하여 구성될 수 있다. 도4와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치는 위치 센서(51)를 더 포함하여 구성될 수 있다.The 3D printing system for performing the 3D printing method according to an embodiment of the present invention may be configured to include a wire arc direct energy lamination 3D printing device and a router device. The router device according to this embodiment may be configured to include a
먼저, 라우터 장치에 대하여 설명한다. 라우터 장치의 라우터 작업대(10)는 제작하고자 하는 프린팅 조형물을 지지하는 구성요소로서, 라우터(30)의 하측에 일정간격 이격되어 배치되며, 판상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 라우터 작업대(10)는 X축과 Y축이 형성하는 XY 평면에 위치하거나 XY 평면과 나란히 배치될 수 있다. Z축은 XY 평면과 수직인(vertical) 축이라 할 수 있다. XY 평면은, 수평면(horizontal plane)이라 할 수 있다.First, a router device will be described. The
라우터(30)는 프린팅 조형물의 내부 또는 외부의 표면의 패턴을 형성시키는 패턴 조형물을 제작하기 위해, 패턴재를 가공하는 절삭 작업을 하는 장치이다. 본 발명의 실시예에 따른 라우터(30)는 밀링 커터와 엔드밀이 장착되어 있을 수 있고, 본 실시예에 따른 엔드밀은 패턴재의 내부 또는 외부를 가공하여 패턴을 형성할 수 있고, 밀링 커터는 패턴 조형물의 표면을 매끄럽게 가공할 수 있다. 예컨대, 패턴재로서 혼합 점토를 사용할 때, 점토의 건조와 초벌 구이 과정에서 점토가 변형될 수 있으므로, 이 경우 밀링 커터가 패턴재를 기초로 하는 패턴 조형물의 표면을 편평하게 가공할 수 있다.The
다음으로, 3D 프린팅 장치에 대하여 설명한다. 와이어 아크 직접에너지적층 3D 프린팅 장치의 프린팅 작업대(20)는 제작하고자 하는 프린팅 조형물 및 패턴 조형물을 지지하는 구성요소로서, 프린팅 노즐(50)의 하측에 일정간격 이격되어 배치되며, 판상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 프린팅 작업대(20)는 X축과 Y축이 형성하는 XY 평면에 위치하거나 XY 평면과 나란히 배치될 수 있다. Z축은 XY 평면과 수직인(vertical) 축이라 할 수 있다. XY 평면은, 수평면(horizontal plane)이라 할 수 있다.Next, a 3D printing apparatus will be described. The
프린팅 노즐(50)은 프린팅 작업대(20)의 위에 위치하여, 패턴 조형물과 인접한 위치에 프린팅 용가재를 적층함으로써, 프린팅하고자 하는 프린팅 조형물을 제작하는 장치이다.The
일 실시예인 도3 내지 도7에서는 프린팅 노즐(50)과 위치 센서(51)을 각각 따로 도시하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅 노즐(50) 및 위치 센서(51)는 프린팅 작업대(20) 위에 설치되어, 프린팅 작업대(20)의 길이 방향으로 설치되는 노즐 위치조절부재(70)에 서로 이격되어 설치될 수 있다. 일 예로, 상기 노즐 위치조절부재(70)는 XY방향 뿐만 아니라, Z 방향으로도 움직일 수 있도록 구현될 수 있다.3 to 7, which are one embodiment, the
도2 내지 도7을 참조하면 라우터 장치는 라우터(30)의 위치를 조절하는 라우터 위치조절부재(60)를 포함하고, 3D 프린팅 장치는 프린팅 노즐(50) 및 위치 센서(51)의 위치를 조절하는 노즐 위치조절부재(70)를 포함할 수 있다.2 to 7 , the router device includes a router
일 실시예에 따르면, 본 발명의 라우터 장치는 3축 구동장치일 수 있고, 3D 프린팅 장치는 5축 구동장치로 구비될 수 있다.According to an embodiment, the router device of the present invention may be a 3-axis driving device, and the 3D printing device may be provided as a 5-axis driving device.
이하, 도2 내지 도7을 참조한 설명은, 조형 틀(200)을 이용하여 프린팅 조형물을 제작하는 과정에 대한 실시예이다. 도2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제1 층을 제작하는 과정을 설명하기 위해 도시한 참고도이다.Hereinafter, the description with reference to FIGS. 2 to 7 is an embodiment of a process of manufacturing a printing sculpture using the
도2를 참조한다. 먼저, 라우터(30)는 라우터 작업대(10) 위에 도8에서 설명한 바와 같은 과정을 통해 준비된 패턴재를 가공하여, 패턴재의 내부 패턴 또는 외부 패턴의 제1 층(110)을 제작할 수 있다. 예컨대, 본 실시예에 따른 라우터(30)는 라우터 작업대(10) 위에 준비된 패턴재를 절삭하여, 내부 패턴 또는 외부 패턴을 형성할 수 있다.See FIG. 2 . First, the
여기서, 상기 내부 패턴 또는 외부 패턴이란, 제작될 프린팅 조형물의 내부표면 또는 외부 표면의 패턴을 형성하기 위한 패턴을 의미하는 것으로서, 내부 패턴 또는 외부 패턴인 제1 층 옆에 프린팅 용가재를 적층함으로써, 상기 내부 패턴 또는 외부 패턴에 상응하는 패턴을 가지는 프린팅 조형물이 형성되는 것이다.Here, the inner pattern or the outer pattern means a pattern for forming a pattern on the inner or outer surface of the printing sculpture to be produced, and by laminating a printing filler material next to the first layer that is the inner pattern or outer pattern, the A printing sculpture having a pattern corresponding to the inner pattern or the outer pattern is formed.
일 실시예인 도2에서는 조형 틀(200)이 프린팅 조형물의 외부 표면의 패턴을 형성하기 위한 패턴 조형물의 외부 패턴으로서의 역할을 하고, 라우터(30)가 S110 단계에서 준비된 패턴재를 가공한 출력물이 프린팅 조형물의 내부 표면의 패턴을 형성하기 위한 패턴 조형물이 내부 패턴으로서의 역할을 하는 것일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예로, 프린팅 조형물의 외부 표면의 패턴을 형성하기 위한 패턴 조형물의 외부 패턴으로서, 조형 틀(200)이 아닌 패턴재를 라우터(30)가 가공하여 제작된 외부 패턴으로 구현될 수도 있다.In Fig. 2, which is an embodiment, the
이렇게, 패턴 조형물의 제1 층(110)의 제작이 완료되면, 라우터(30)가 제작된 제1 층(110)의 위에 제2 층(130)을 적층시키기 위하여, 제1 층(110)의 상면에 위치 복수개의 확인용 표시점들(111)과, 복수개의 고정핀 홀들(113)을 형성한다.In this way, when the production of the
본 발명의 실시예에 따른 라우터(30)는 캠(computer aided manufacturing)으로부터 생성된 위치 확인용 표시점에 대한 좌표 정보를 전달받고, 전달받은 좌표 정보를 토대로 제1 층(110)의 상면에 위치 확인용 표시점(111)을 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 위치 확인용 표시점(111)은 이후에 적층될 제2 층(130)의 패턴과 제1 층(110)의 패턴이 정확히 매칭될 수 있도록 가이드하는 역할을 한다.The
또한, 본 실시예에 따른 라우터(30)는 위치 확인용 표시점(111)과 다른 지점에 고정 핀 홀(113)을 형성시킬 수 있다. 예컨대, 위치 확인용 표시점(111)은 잉크를 이용하여 형성하는 점일 수 있고, 고정 핀 홀(113)은 기 설정된 깊이만큼 제1 층(110)을 절삭함에 따라 생성되는 홀일 수 있다.In addition, the
그리고, 위치 센서(51)가 위치 확인용 표시점(111)과 고정 핀 홀(113)이 형성된 제1 층(110)을 프린팅 작업대(20) 위에 고정시킬 위치를 결정하고, 결합재(예를 들어, 세라믹 본드)를 이용하여 결정된 위치에 제1 층(110)을 고정시킨 후, 도3에 도시된 바와 같이 프린팅 노즐(50)이 제1 층(110)의 일측에 프린팅 용가재를 적층함에 따라 제1 프린팅 레이어(310)를 제작할 수 있다.Then, the
본 발명의 일 실시예에 따른 결합재는 세라믹 본드로 구비될 수 있고, 이와 같은 결합재의 사용은 아크 및 용융물(molten metal)에 의한 패턴의 밀림 또는 들뜸 현상을 방지할 수 있다.The binder according to an embodiment of the present invention may be provided as a ceramic bond, and the use of such a binder may prevent the pattern from being pushed or lifted by arcs and molten metal.
도3과 같이, 제1 프린팅 레이어(310)가 제작 완료되면, 도4에 도시된 바와 같이, 프린팅 노즐(50)의 위치 센서(51)가 제2 층(130)이 위치할 지점을 확인한 후, 내부 패턴 고정 핀(115)을 삽입할 수 있다. 또한, 위치 센서(51)는 제1 층의 외부 패턴(210)에도 제2 층의 외부 패턴(230)이 위치할 지점을 확인 후, 외부 패턴 고정 핀(213)을 더욱 삽입할 수 있다.As shown in FIG. 3, when the production of the
본 발명의 실시예에 따른 위치 센서(51)는 레이저를 이용하는 레이저 포인터인 레이저 위치 센서로 구현될 수 있다. 본 실시예에 따른 위치 센서(51)는 프린팅 노즐(50)과 같은 위치에 설치될 수 있으며, 위치 센서(51)는 프린팅 노즐(50)이 프린팅 작업 중에는 프린팅 작업에 방해되지 않도록 위치가 변경될 수 있다.The
그리고, 제1 층(110) 위에 결합재를 도포한다.Then, a binder is applied on the
도5를 참조하면, 도2에서 설명한 바와 같은 작업을 통해 생성되는 제2 층(130)을 결합재가 도포된 제1 층(110) 위에 적층시킨다. 그리고, 외부 패턴의 제1 층(310) 위에 외부 패턴의 제2 층(330)도 적층시킨다.Referring to FIG. 5 , the
일 실시예에 따른 제2 층(130)은 제1 층(110)과 형상이 같을 수도 있고, 다를 수도 있다. 제1 층(110)과 제2 층(130)의 형상은, 프린팅하고자 하는 프린팅 조형물의 높이별 형태에 따라 결정될 수 있다.The shape of the
제2 층(130)의 제작이 완료되면, 도6에 도시된 바와 같이, 프린팅 노즐(50)은 제2 층(130)의 일측에 프린팅 용가재를 추가적으로 더 도포함에 따라 제2 프린팅 레이어(330)를 제작할 수 있다.When the production of the
도7을 참조하면, 제2 프린팅 레이어(330)의 제작이 완료된 후, 제1 프린팅 레이어(310) 및 제2 프린팅 레이어(330)의 측부에 위치하는 제1 층(110) 및 제2 층(130)의 패턴 조형물(100)과, 제1 층 및 제2 층의 외부 패턴 조형물(200)을 제거함에 따라, 표면 리플(ripple)이 없고, 정밀한 코어(core)가 형성된 제1 프린팅 레이어(310) 및 제2 프린팅 레이어(330)를 포함하는 프린팅 조형물(300)을 획득할 수 있다.Referring to FIG. 7 , after the production of the
도7의 좌측 도면은 제1 프린팅 레이어(310)와 제2 프린팅 레이어(330)를 포함하는 프린팅 조형물(300)의 상면의 평탄화 작업을 하기 이전의 모습이고, 도7의 우측 도면은 프린팅 조형물(300)의 상면을 평탄화 작업한 이후의 모습을 도시한 것이다.The left view of FIG. 7 is a view before flattening the upper surface of the
도2 내지 도7을 참조한 설명에서는, 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 조형물(300)이 제1 프린팅 레이어(310)와 제2 프린팅 레이어(330)가 적층됨에 따라 생성되는 것으로 예시하여 설명하였지만, 당업자가 설계하고자 하는 프린팅 조형물(300)의 형상에 따라 더 많은 프린팅 레이어가 적층됨에 따라 생성되는 것으로 구현될 수도 있다. 보다 구체적으로는, 제작하고자 하는 프린팅 조형물의 굴곡부, 돌출부, 경상부 등과 같은 외부 형상에 따라 기 정해진 높이(두께)를 고려하여, 적층시킬 레이어의 개수를 결정할 수 있다.In the description with reference to FIGS. 2 to 7, the
본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법은, 와이어 아크 직접에너지적층, 레이저 직접에너지적층, 분말베드용융 PBF(Powder bed fusion) 중 적어도 하나의 기법을 이용하여 수행될 수 있다. 보다 상세하게는, 레이저 직접에너지적층 및 분말베드용융 PBF 기법들은 금속분말을 사용하기에 표면 거칠기 처리효과 면에서 와이어 아크 직접에너지적층보다 우수하므로, 레이저 직접에너지적층 및 분말베드용융 PBF 기법을 사용함이 보다 바람직하다.The 3D printing method according to an embodiment of the present invention may be performed using at least one technique of wire arc direct energy lamination, laser direct energy lamination, and powder bed fusion (PBF). More specifically, laser direct energy lamination and powder bed melting PBF techniques are superior to wire arc direct energy lamination in terms of surface roughness treatment effect because they use metal powder, so laser direct energy lamination and powder bed melting PBF techniques are used. more preferably.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.
10: 라우터 작업대
20: 프린팅 작업대
30: 라우터
50: 프린팅 노즐
51: 위치 센서
60: 라우터 위치조절부재
70: 노즐 위치조절부재
90: 롤러
100: 주물사
200: 조형 틀
300: 프린팅 조형물10: router workbench
20: printing workbench
30: router
50: printing nozzle
51: position sensor
60: router positioning member
70: nozzle positioning member
90: roller
100: foundry
200: molding frame
300: printing sculpture
Claims (7)
라우터가, 상기 프린팅 조형물의 내부 또는 외부의 표면 패턴 제작을 위해, 상기 준비된 패턴재를 가공하여 내부 패턴 또는 외부 패턴의 제1 층을 제작하는 단계와,
프린팅 노즐이, 상기 제1 층의 일측에 프린팅 용가재를 적층함에 따라 제1 프린팅 레이어를 제작하는 단계와,
상기 라우터가, 상기 프린팅 조형물의 형상을 고려하여, 상기 제1 층과 같거나 다른 내부 패턴 또는 외부 패턴으로 가공한 패턴재를 상기 제1 층의 상면에 적층함에 따라 제2 층을 제작하는 단계와,
상기 프린팅 노즐이, 상기 제2 층의 일측에 프린팅 용가재를 적층함에 따라 상기 제1 프린팅 레이어 위에 제2 프린팅 레이어를 적층하는 단계를 포함하되,
상기 패턴재는 주물사(molding sand)이고,
상기 패턴재를 준비하는 단계는,
조형 틀 내부에 상기 주물사를 주입하는 단계와,
상기 조형 틀 내부에 주입된 주물사를 다지는 단계와,
상기 다진 주물사를 건조시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
A step of preparing a pattern material for producing a printing object to be printed;
The router processing the prepared pattern material for the production of the inner or outer surface pattern of the printing sculpture to produce a first layer of the inner pattern or the outer pattern;
manufacturing a first printing layer as the printing nozzle stacks a printing filler material on one side of the first layer;
manufacturing a second layer by laminating, by the router, a pattern material processed into the same or different inner pattern or outer pattern as the first layer, on the upper surface of the first layer in consideration of the shape of the printing object; ,
Laminating a second printing layer on the first printing layer as the printing nozzle laminates a printing filler material on one side of the second layer,
The pattern material is a molding sand,
The step of preparing the pattern material,
injecting the molding sand into the molding frame;
compacting the molding sand injected into the molding frame;
3D printing method comprising the step of drying the chopped molding sand.
상기 제1 층을 제작한 이후, 상기 제1 층 위에 상기 제2 층을 적층하기 위하여 상기 라우터가 상기 제1 층의 상면에 위치 확인용 표시점 또는 고정 핀 홀을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
According to claim 1,
After manufacturing the first layer, the router further comprises the step of forming a mark point for positioning or a fixing pin hole on the upper surface of the first layer in order to laminate the second layer on the first layer Characterized by a 3D printing method.
상기 위치 확인용 표시점을 형성하는 단계는, 상기 위치 확인용 표시점에 대한 좌표 정보를 입력받는 단계를 더 포함하고,
상기 라우터는 상기 입력받은 위치 확인용 표시점에 대한 좌표 정보를 고려하여 상기 제1 층의 상면에 상기 위치 확인용 표시점을 형성하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
4. The method of claim 3,
The step of forming the display point for positioning further includes the step of receiving coordinate information for the display point for positioning,
3D printing method, characterized in that the router forms the location check mark on the upper surface of the first layer in consideration of the received coordinate information on the location check mark point.
상기 제1 프린팅 레이어가 제작된 이후, 상기 제1 층에 결합재를 도포하는 단계를 더 포함하고,
상기 제2 층을 제작하는 단계는, 상기 결합재가 도포된 상기 제1 층의 상면에 적층되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
According to claim 1,
After the first printing layer is manufactured, further comprising the step of applying a binder to the first layer,
3D printing method, characterized in that the manufacturing of the second layer is laminated on the upper surface of the first layer to which the binder is applied.
상기 제1 프린팅 레이어가 제작된 이후, 상기 고정 핀 홀에 상기 제2 층을 고정시키기 위한 고정 핀의 일부를 삽입하는 단계를 더 포함하고,
상기 제2 층은 상기 고정 핀의 일부가 삽입된 상기 제1 층의 상면에 적층되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
4. The method of claim 3,
After the first printing layer is manufactured, the method further comprising inserting a part of a fixing pin for fixing the second layer into the fixing pin hole,
3D printing method, characterized in that the second layer is laminated on an upper surface of the first layer into which a part of the fixing pin is inserted.
상기 내부 패턴 또는 외부 패턴인 상기 제1 층 및 상기 제2 층을 제거함에 따라 상기 제1 프린팅 레이어 및 상기 제2 프린팅 레이어를 포함하는 상기 프린팅 조형물을 획득하는 단계를 더 포함하는 3D 프린팅 방법.
According to claim 1,
3D printing method further comprising the step of obtaining the printing sculpture including the first printing layer and the second printing layer by removing the first layer and the second layer that are the inner pattern or the outer pattern.
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