KR102358094B1

KR102358094B1 - 4d 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법

Info

Publication number: KR102358094B1
Application number: KR1020200151755A
Authority: KR
Inventors: 박근
Original assignee: 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2022-02-07
Also published as: WO2022102896A1

Abstract

본 발명에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법은, 재료 압출형(material extrusion) 방식의 3D 프린터에서 히팅 노즐(heating nozzle)을 사용하여 3D 프린터의 작업대 상에 원주 방향으로 프린팅 경로를 설정하여 폐곡선 형태의 2.5D 평면형 출력물(planar part)을 형성하고, 열 공급 장치를 사용하여 평면형 출력물을 상기 열 공급 장치의 내부에 위치시키면서, 열 공급 장치에 구비되어 곡면 형상에 상응하는 고정구(fixture)를 평면형 출력물 상에 위치시키고, 열 공급 장치의 온도를 평면형 출력물의 열변형 온도 이상으로 유지시킨 상태에서, 열 공급 장치로부터 평면형 출력물에 열을 전달하는 동안 고정구 주위를 향해 평면형 출력물의 굽힘 변형을 유발시켜 고정구에 대응하는 형상으로 3D 곡면형 성형품(curved part)을 형성하는 것을 포함한다.

Description

4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법{METHOD OF FABRICATING CURVED PART USING 4-DIMENSIONAL PRINTING TECHNOLOGY}

본 발명은, 재료압출형(Material extrusion) 방식의 3D 프린터에서 특정 경로로 프린팅된 폐곡선 형태의 평면형 출력물(planar part)에 열을 적용시키는 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품(curved part)의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 재료 압출형(material extrusion) 또는 FDM(fused deposition modeling) 방식의 3D 프린터(이하, '3D 프린터'로 지칭함)는, 외부 컴퓨터를 사용하여 프린팅용 3D 조형 모델을 만들고 외부 컴퓨터를 사용하여 3D 조형물을 얇은 조각으로 반복적으로 잘라서 개별 얇은 조각을 제작하는 기계 명령어(= G-Code)를 만든 후, 외부 컴퓨터로부터 기계 명령어를 공급받아 기계 명령어에 따라 히팅 노즐을 움직여 작업대 상에 3D 조형 모델에 해당하는 압출 출력물을 출력한다.

이를 위해, 구조적으로 볼 때, 상기 3D 프린터(60)는, 도 1과 같이, 작업대(10)와 히팅 노즐(20)과 압출기(30)와 필라멘트 감개(filament spool; 50)로 개략적으로 이루어진다. 상기 3D 프린터(60)의 동작 전(前), 상기 필라멘트 감개(50)는 3D 프린터(60)에서 플라스틱 필라멘트(72)로 이루어진 가늘고 긴 선으로 감겨진다. 상기 3D 프린터(60)의 동작 동안, 상기 3D 프린터(60)가 외부 컴퓨터에 전기적으로 연결되어서, 상기 3D 프린터(60)는 필라멘트 감개(50)로부터 압출기(30)를 향해 플라스틱 필라멘트(72)를 전달한다.

상기 플라스틱 필라멘트(72)는 압출기(30)로부터 히팅 노즐(20)에 전달되어 히팅 노즐(20)의 내부에서 녹아 히팅 노즐(20)을 통해 고온의 플라스틱 라인(73 또는 75)으로 도 1 내지 도 2와 같이 변형된다. 상기 플라스틱 필라멘트(72)는, 열가소성 수지(thermoplastic resin)로써, 아크릴로나이트릴 뷰타다이엔 스타이렌(acrylonitrile butadiene styrene; ABS) 또는 폴리 락 티드(polylactide; PLA)일 수 있다.

상기 플라스틱 라인(73 또는 75)은 작업대(10)의 X축 및 Y축의 이동과 히팅 노즐(30)의 Z축 이동을 통해 작업대(10) 상에 도 1 또는 도 2와 같이 프린팅된다. 이와 유사하게, 상기 플라스틱 라인(73 또는 75)은 작업대(10)의 Z축의 이동과 히팅 노즐(30)의 X축 및 Y축의 이동을 통해 작업대(10) 상에 프린팅될 수도 있다. 예를 들면, 상기 3D 프린터(60)는 외부 컴퓨터의 기계어(= G-Code)에 따라 작업대(10)와 히팅 노즐(20)을 움직여 작업대(10) 상에 별 모양의 압출 출력물(extruded printout; 80)을 도 3과 같이 프린팅할 수 있다.

여기서, 상기 압출 출력물(80)은 5 개의 다이아몬드 형상(79)을 조합해서 만들어진다. 개별 다이아몬드 형상(79)은 복수의 제1 출력판(도 2 또는 도 3의 74)과, 복수의 제1 출력판(74) 상에 위치되는 복수의 제2 출력판(도 2 또는 도 3의 76)으로 이루어진다. 개별 제1 출력판(74)은 횡방향에 따라 복수의 플라스틱 라인(73)을 반복적으로 수평하게 프린트하여 형성된다. 개별 제2 출력판(76)은 종방향을 따라 복수의 플라스틱 라인(75)을 반복적으로 수직하게 프린트하여 형성된다.

상기 압출 출력물(80)이 작업대(10) 상에 별 모양으로 프린팅된 후, 상기 압출 출력물(80)은, 개별 제1 출력판(74)에서 길이 방향으로 압축 잔류응력을 가지고, 개별 제2 출력판(76)에서 길이 방향으로 인장 잔류응력을 갖는다. 즉, 상기 개별 제1 출력판(74)과 개별 제2 출력판(76)은 압출 출력물(80)에서 길이방향으로 상반되는 잔류응력을 갖는다.

이후로, 상기 압출 출력물(80)은 작업대(10)로부터 분리되어 4D 프린팅 기술을 적용받아 별 모양으로부터 다른 모양으로 변환될 수 있다. 상기 4D 프린팅 기술은 3D 프린터(60)의 압출 출력물(80)에 열, 진동, 중력, 또는 공기 등 환경이나 에너지원을 적용시켜 시간에 따라 압출 출력물(80)의 초기 형상을 변형시키도록 수행된다. 여기서, 상기 4D 프린팅 기술은 본 발명의 설명을 단순화시키기 위해 압출 출력물(80)에 열을 적용시키는데 주안점을 두기로 한다.

상기 압출 출력물(80)은 4D 프린팅 기술에서 150

분 동안 열 적용받아 개별 제1 출력물(74)의 길이 방향의 팽창과 개별 제2 출력물(76)의 길이 방향의 수축을 유발시켜 시간에 따라 5 개의 다이아몬드(79)에서 불가사리의 움직임을 보이면서 별 모양의 중심을 향해 개별 다이아몬드(79)의 자유 단부를 굽혀 굽힘 성형물(curvedly-molded matter; 85)로 도 3과 같이 변형된다.

상기 굽힘 성형물(85)은 굽힘 변형에 기반한 관계로 인하여 도 3의 압출 출력물(80)과 같이 자유 단부 또는 개방된 끝단을 갖는 형상에 한해 유효하다. 또한 상기 굽힘 성형물(85)은 압출 출력물(80)에서 개별 다이아몬드(79)의 자유 단부를 불규칙하게 굽혀 형성되기 때문에 굽힘 성형물(85)의 형상에 대해 일관성과 재현성과 균일성을 갖지 못한다.

한편, 상기 굽힘 성형물의 제조방법은 한국등록특허공보 제10-1885474호에 종래기술로써 유사하게 개시되고 있다.

한국등록특허공보 제10-1885474호

본 발명은, 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 재료 압출형 방식의 3D 프린터에 의해 프린팅된 폐곡선 형태의 2.5D 평면형 출력물(planar part)에 열을 적용시켜 평면형 출력물을 굽혀 만든 곡면형 성형품(curved part)의 형상에 대해 일관성과 재현성과 균일성을 가지도록 하는데 적합한 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법은, 재료 압출형(material extrusion) 방식의 3D 프린터에서 히팅 노즐(heating nozzle)을 사용하여 상기 3D 프린터의 작업대 상에 원주 방향으로 프린팅 경로를 설정하여 폐곡선 형태의 2.5D 평면형 출력물(planar part)을 형성하고, 열 공급 장치를 사용하여 상기 평면형 출력물을 상기 열 공급 장치의 내부에 위치시키면서, 상기 열 공급 장치에 구비되어 곡면 형상에 상응하는 고정구(fixture)를 상기 평면형 출력물 상에 위치시키고, 상기 열 공급 장치의 온도를 상기 평면형 출력물의 열변형 온도 이상으로 유지시킨 상태에서, 상기 열 공급 장치로부터 상기 평면형 출력물에 열을 전달하는 동안 상기 고정구 주위를 향해 상기 평면형 출력물의 굽힘 변형을 유발시켜 상기 고정구에 대응하는 형상으로 3D 곡면형 성형품(curved part)을 형성하는 것을 포함하고, 상기 평면형 출력물은, 상기 3D 프린터의 상기 작업대 상에서 상기 원주 방향을 따라 닫힌 형상을 가지면서 상기 원주 방향으로 인장 잔류응력과 반경 방향으로 압축 잔류응력을 가지고, 상기 곡면형 성형품은, 상기 열 공급 장치로부터 상기 열을 전달받는 동안, 열 전도의 시간에 따라 상기 고정구를 향해 상기 평면형 출력물을 방사상으로 동시에 그리고 일정하게 굽혀 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 평면형 출력물은, 상기 3D 프린터의 상기 작업대 상에 적어도 하나의 환형 층으로 이루어지면서, 개별 환형 층의 내측 영역에서 빈 공간과 함께, 상기 개별 환형 층의 상기 내측 영역으로부터 외측 영역을 향해 상기 히팅 노즐을 통해 출력되는 플라스틱 라인을 사용하여 여러 겹으로 동심원을 그리면서 원형으로 출력되도록 프린팅 경로를 설정하여 형성되는 소정 폭의 이방성 출력판(anisotropically printed plate)을 가지고, 상기 개별 환형 층의 내경에 위치되는 프린팅 시작점과 상기 개별 환형 층의 외경에 위치되는 프린팅 종료점 사이에서 상기 플라스틱 라인의 개별 겹을 나선 형태로 이어주는 라인 전이 영역(line transition region)을 가질 수 있다.

상기 곡면형 성형품은, 적어도 하나의 환형 층으로 이루어져 개별 환형 층에 이방성 출력판을 가지는 평면형 출력물을 바탕으로, 상기 평면형 출력물에 상기 열 공급 장치의 상기 열을 전달하는 동안, 상기 평면형 출력물에서 이방성 출력판의 원주 방향을 따라 인장 잔류응력이 이완되어 수축과 함께, 상기 평면형 출력물에서 상기 이방성 출력판의 반경 방향을 따라 압축 잔류응력이 이완되어 팽창을 야기시켜, 상기 평면형 출력물의 내경 대비 외경에서 상대적으로 더 큰 변형률 차이에 의해 상기 평면형 출력물에서 상기 고정구를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하여 형성될 수 있다.

상기 평면형 출력물은, 상기 3D 프린터의 상기 작업대 상에 순차적으로 적층되는 하부 환형층들과 기능성 박막 소재와 상부 환형 층들로 이루어지면서, 개별 하부 또는 상부 환형 층의 내측 영역에서 빈 공간과 함께, 상기 개별 하부 또는 상부 환형 층의 상기 내측 영역으로부터 외측 영역을 향해 상기 히팅 노즐을 통해 출력되는 플라스틱 라인을 사용하여 여러 겹으로 동심원을 그리면서 원형으로 출력되도록 프린팅 경로를 설정하여 형성되는 소정 폭의 이방성 출력판을 가지고, 상기 개별 하부 또는 상부 환형 층의 내경에 위치되는 프린팅 시작점과 상기 개별 하부 또는 상부 환형 층의 외경에 위치되는 프린팅 종료점 사이에서 상기 플라스틱 라인의 개별 겹을 나선 형태로 이어주는 라인 전이 영역을 가지고, 상기 하부 환형층들 중 최상위 층과 상기 상부 환형층들 중 최하위 층은, 상기 기능성 박막 소재를 통해 접촉하고, 상기 기능성 박막 소재의 두께는, 개별 환형층의 두께보다 더 작고, 개별 하부 환형층의 라인 전이 영역은, 개별 상부 환형층의 라인 전이 영역 바로 위에 위치되거나 상기 개별 상부 환형층의 상기 라인 전이 영역으로부터 이격될 수 있다.

상기 곡면형 성형품은, 순차적으로 적층되는 하부 환형층들과 기능성 박막 소재와 상부 환형 층들로 이루어져 개별 하부 또는 상부 환형 층에 이방성 출력판을 가지는 평면형 출력물을 바탕으로, 상기 평면형 출력물에 상기 열 공급 장치의 상기 열을 전달하는 동안, 상기 평면형 출력물에서 상기 이방성 출력판의 원주 방향을 따라 인장 잔류응력이 이완되어 수축과 함께, 상기 평면형 출력물에서 상기 이방성 출력판의 반경 방향을 따라 압축 잔류응력이 이완되어 팽창을 야기시켜, 상기 평면형 출력물의 내경 대비 외경에서 상대적으로 더 큰 변형률 차이에 의해 상기 평면형 출력물에서 상기 고정구를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하여 형성될 수 있다.

상기 평면형 출력물은, 상기 3D 프린터의 상기 작업대 상에 복수의 다각 라운드 환형층으로 이루어지면서, 개별 다각 라운드 환형층의 내측 영역에서 빈 공간과 함께, 상기 개별 다각 라운드 환형층을 따라, 모서리 마다 호(弧; arc) 형상의 이방성 출력판과, 두 개의 모서리 사이 마다 사각(四角; rectangular) 형상의 등방성 출력판을 가지고, 상기 이방성 출력판에서 상기 히팅 노즐을 통해 출력되는 플라스틱 라인을 사용하여 상기 개별 다각 라운드 환형층 마다 동심원으로 복수의 호를 프린팅하도록 상기 플라스틱 라인을 여러 겹으로 수평하게 감고, 상기 등방성 출력판에서 상기 플라스틱 라인을 사용하여 두 개의 다각 라운드 환형층 마다 층별로 교차되는 대각선을 반복적으로 가지고, 상기 이방성 출력판의 양 측에 위치되는 제1 라인 전이 영역은, 상기 등방성 출력판의 양 측에 위치되는 제2 라인 전이 영역을 따라 접촉할 수 있다.

상기 곡면형 성형품은, 복수의 다각 라운드 환형층으로 이루어져 개별 다각 라운드 환형층에서 모서리 마다 호 형상의 이방성 출력판과 두 개의 모서리 사이 마다 사각 형상의 등방성 출력판을 갖는 평면형 출력물을 바탕으로, 상기 평면형 출력물에 상기 열 공급 장치의 상기 열을 전달하는 동안, 상기 평면형 출력물에서 이방성 출력판의 원주 방향을 따라 인장 잔류응력이 이완되어 수축과 함께, 상기 평면형 출력물에서 상기 이방성 출력판의 반경 방향을 따라 압축 잔류응력이 이완되어 팽창을 야기시켜, 상기 이방성 출력판의 내경 대비 외경에서 상대적으로 더 큰 변형률 차이에 의해 상기 평면형 출력물에서 상기 고정구를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하여 형성될 수 있다.

상기 평면형 출력물은, 상기 3D 프린터의 상기 작업대 상에 환형 층들과, 상기 환형 층들의 내측 영역에서 순차적으로 적층되는 복수의 연결층으로 이루어져 상기 환형 층들의 상기 내측 영역을 분할하는 연결부를 가지면서, 개별 환형 층에서, 상기 히팅 노즐을 통해 출력되는 플라스틱 라인을 사용하여 여러 겹으로 동심원을 그리면서 원형으로 출력되도록 프린팅 경로를 설정하여 형성되는 소정 폭의 환형 이방성 출력판(annularly and anisotropically printed plate)을 가지며, 상기 환형 층들의 상기 내측 영역에서 상기 연결부를 형성하기 위해, 두 개의 연결층 마다, 상기 두 개의 연결층 중 하나에, 일 방향을 따라 제1 곧은 긴 선을 수평하게 여러 겹으로 배열시키고, 상기 두 개의 연결층 중 나머지에, 상기 일 방향과 직교하는 타 방향을 따라 제2 곧은 긴 선을 수평하게 여러 겹으로 배열시킨 직교 이방성 출력판(perpendicularly and anisotropically printed plate)을 가지고, 상기 환형 이방성 출력판의 제1 라인 전이 영역은, 상기 직교 이방성 출력판의 제2 라인 전이 영역에 접촉되거나 비접촉되고, 상기 연결부는, 상기 환형 층들의 상기 내측 영역에 적어도 하나 형성되고, 상기 환형 층들의 상기 내측 영역에 두 개 이상으로 형성되는 때, 상기 환형 층들의 상기 내측 영역을 방사상으로 이어줄 수 있다.

상기 곡면형 성형품은, 환형 층들과, 상기 환형 층들의 내측 영역에 적어도 하나 형성되면서 상기 환형 층들의 상기 내측 영역을 분할하고 복수의 연결층을 갖는 연결부로 이루어져 개별 환형 층에 환형 이방성 출력판과 두 개의 연결층 마다 직교 이방성 출력판을 가지는 평면형 출력물을 바탕으로, 상기 평면형 출력물에 상기 열 공급 장치의 상기 열을 전달하는 동안, 상기 환형 이방성 출력판의 원주 방향 및 반경 방향을 따라 인장 잔류응력 및 압축 잔류응력이 각각 이완되어 수축 및 팽창과 함께, 상기 직교 이방성 출력판의 길이 방향 및 폭 방향을 따라 인장 잔류응력 및 압축 잔류응력이거나 압축 잔류응력 및 인장 잔류응력이 각각 이완되어 수축 및 팽창이거나 팽창 및 수축을 야기시켜서, 상기 환형 이방성 출력판의 내경과 외경에서 그리고 상기 직교 이방성 출력판의 상기 길이 방향과 상기 폭 방향에서 변형률 차이에 의해, 상기 환형 이방성 출력판에서 상기 고정구를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하고, 상기 환형 층들의 굽어지는 방향을 따라 볼 때, 상기 직교 이방성 출력판에서 중앙 영역 대비 주변 영역을 높게 하여 형성될 수 있다.

상기 평면형 출력물은, 상기 3D 프린터의 상기 작업대 상에 환형 층들과, 상기 환형 층들의 내측 영역을 차폐시키는 원형 층들로 이루어지면서, 개별 환형 층에서, 상기 히팅 노즐을 통해 출력되는 플라스틱 라인을 사용하여 여러 겹으로 동심 원을 그리면서 원형으로 출력되도록 프린팅 경로를 설정하여 형성되는 소정 폭의 환형 이방성 출력판을 가지고, 상기 환형 층들의 상기 내측 영역에 상기 원형 층들을 형성하기 위해, 개별 원형 층에서, 상기 플라스틱 라인을 사용하여 두 개의 원형 층 마다 층 별로 교차되는 등방성 출력판(isotropically printed plate)을 가지고, 상기 환형 이방성 출력판의 제1 라인 전이 영역은, 상기 등방성 출력판의 제2 라인 전이 영역에 접촉될 수 있다.

상기 곡면형 성형품은, 환형 층들과, 상기 환형 층들의 내측 영역을 차폐시키는 원형 층들로 이루어져 개별 환형 층에 환형 이방성 출력판과 두 개의 원형 층 마다 층별로 교차되는 등방성 출력판을 가지는 평면형 출력물을 바탕으로, 상기 평면형 출력물에 상기 열 공급 장치의 상기 열을 전달하는 동안, 상기 환형 이방성 출력판의 원주 방향 및 반경 방향을 따라 인장 잔류응력 및 압축 잔류응력이 각각 이완되어 수축 및 팽창을 야기시켜서, 상기 환형 이방성 출력판의 내경 대비 외경에서 더 큰 변형률 차이에 의해, 상기 환형 이방성 출력판에서 상기 고정구를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하고, 상기 원형 층들에서 볼 때, 상기 환형 층들 대비 상기 원형 층들에서 상대적으로 평탄하게 형성될 수 있다.

상기 평면형 출력물은, 상기 3D 프린터의 상기 작업대 상에 순차적으로 적층되는 하부 환형 패드(lower annular pad)와 금속 도선부와 상부 환형 패드로 이루어지도록, 상기 히팅 노즐을 통해 출력되는 플라스틱 라인을 사용하여 상기 금속 도선부를 삽입하기 위한 상기 하부 환형 패드와 상기 상부 환형 패드를 가지면서, 상기 하부 환형 패드에서 상기 금속 도선부의 환형 몸체를 수용하는 음각의 홈과 함께 상기 금속 도선부에서 상기 환형 몸체의 내부 및 외부를 향해 방사상으로 돌출하는 복수의 사각 단자를 각각 수용하는 복수의 단자 수용 홈을 가지고, 상기 하부 환형 패드와 상기 상부 환형 패드에서, 상기 환형 몸체와 함께 상기 개별 사각 단자의 중앙 영역을 덮으며, 상기 개별 사각 단자의 양 단을 노출시키고, 상기 하부 환형 패드와 상기 상부 환형 패드는, 환형 이방성으로 원주 방향을 따라 인장 잔류응력과 반경 방향을 따라 압축 잔류 응력을 가질 수 있다.

상기 곡면형 성형품은, 상기 평면형 출력물에 상기 열 공급 장치의 상기 열을 전달하는 동안, 하부 또는 상부 환형 패드의 원주 방향 및 반경 방향을 따라 상기 인장 잔류응력 및 상기 압축 잔류응력이 각각 이완되어 수축 및 팽창을 야기시켜서, 상기 하부 또는 상부 환형 패드의 내경 대비 외경에서 더 큰 변형률 차이에 의해, 상기 하부 또는 상부 환형 패드에서 상기 고정구를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하고, 상기 금속 도선부에서 상기 하부 환형 패드와 상기 상부 환형 패드 사이의 굴곡을 따라 휘어지게 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법은, 재료 압출(material extrusion) 방식의 3D 프린터에서 플라스틱 라인을 사용하여 작업대 상에 폐곡선 형태의 2.5D 평면형 출력물(planar part)을 형성한 후, 작업대로부터 평면형 출력물을 열 공급 장치의 내부에 삽입시켜 평면형 출력물의 중앙 영역에 열 공급 장치의 고정구를 위치시킨 상태에서, 평면형 출력물에 열 공급 장치의 열을 전달하는 동안, 평면형 출력물을 고정구 주위를 향해 굽혀지는 변형을 유발하여 곡면형 성형품(curved part)을 형성하므로, 열 공급 장치의 가열 효과와 고정구의 형상 구속을 통해 평면형 출력물을 굽혀 만든 곡면형 성형품의 형상에 대해 일관성과 재현성과 균일성을 부여할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 종래 재료 압출형 3D 프린팅 기술과 이를 사용한 4D 프린팅 기술을 설명해주는 개략도이다.
도 4 내지 도 7, 그리고 도 17 및 도 18은 본 발명의 제1 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법을 설명해주는 개략도이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법을 설명해주는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법을 설명해주는 개략도이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법을 설명해주는 개략도이다.
도 15은 본 발명의 제5 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법을 설명해주는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 제6 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법을 설명해주는 개략도이다.

상술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 제한적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 제한된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 4 내지 도 7, 그리고 도 17 및 도 18은 본 발명의 제1 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법을 설명해주는 개략도이다. 이 경우에, 재료 압출형(material extrusion) 방식의 3D 프린터가 입체 형상을 출력하지만, 4D 프린팅 기술을 명확하게 설명하기 위해, 아래에서, 용어 '2.5D(2.5-dimensional) 평면형(planar type)'은, 입체 형상에 열(熱)을 적용하기 전(前), 차원 및 평탄도를 지칭하고, 용어 '3D 곡면형(curved type)'은, 입체 형상에 열을 적용한 후(後), 차원 및 변형도를 지칭한다.

도 4 내지 도 7, 그리고 도 17 및 도 18을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법은, 재료 압출형(material extrusion) 방식의 3D 프린터(도 1의 60)에서 히팅 노즐(heating nozzle; 20)을 사용하여 3D 프린터(60)의 작업대(10) 상에 원주 방향으로 프린팅 경로를 도 4와 같이 설정하여 폐곡선 형태의 2.5D 평면형 출력물(planar part; 120, 이하, '평면형 출력물'로 지칭함)을 도 5와 같이 형성하는 것을 포함한다.

상기 평면형 출력물(120)은, 3D 프린터(60)의 작업대(10) 상에 적어도 하나의 환형 층으로 이루어지면서, 개별 환형 층의 내측 영역에서 빈 공간과 함께, 개별 환형 층의 내측 영역으로부터 외측 영역을 향해 도 4의 히팅 노즐(20)로부터 출력되는 플라스틱 라인(114)을 사용하여 여러 겹으로 동심원을 그리면서 원형으로 출력되도록 프린팅 경로를 설정하여 형성되는 소정 폭의 이방성 출력판(anisotropically printed plate; 118)을 도 5와 같이 가지고, 개별 환형 층의 내경에 위치되는 프린팅 시작점(T1)과 개별 환형 층의 외경에 위치되는 프린팅 종료점(T2) 사이에서 플라스틱 라인(114)의 개별 겹을 나선 형태로 이어주는 라인 전이 영역(line transition region; S1)을 도 5와 같이 갖는다.

상기 프린팅 시작점(T1)과 프린팅 종료점(T2)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 라인 전이 영역(S1)에서 대각(對角)으로 마주한다. 상기 라인 전이 영역(S1)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 프린팅 시작점(T1)과 프린팅 종료점(T2) 사이에 n번째 플라스틱 라인(114)과 n+1번째 플라스틱 라인(114)(단, n은 양의 정수임)을 이어주는 사선(diagonal line)을 반복적으로 갖는다. 상기 평면형 출력물(120)은, 3D 프린터(60)의 작업대(10) 상에서 원주 방향을 따라 도 5의 닫힌 형상을 가지면서 원주 방향으로 인장 잔류응력과 반경 방향으로 압축 잔류응력을 갖는다.

왜냐하면, 상기 히팅 노즐(20)은 개구(開口)를 통해 프린팅 길이 또는 원주 방향을 따라 고온의 플라스틱 라인(114)을 인장시키며 프린팅 길이(또는 원주) 방향에 직각으로, 예를 들면, 반경 방향으로 고온의 플라스틱 라인(114)을 압축시키면서 3D 프린터(60)의 작업대(10) 상에 고온의 플라스틱 라인(114)을 노출시켜 플라스틱 라인(114)에 잔류응력을 생성시키기 때문이다.

다음으로, 상기 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법은, 도 6과 같이, 열 공급 장치(145)를 사용하여 평면형 출력물(120)을 열 공급 장치(145)의 내부에 위치시키면서, 열 공급 장치(145)에 구비되어 곡면 형상에 상응하는 고정구(140)를 평면형 출력물(120) 상에 위치시키는 것을 포함한다. 여기서, 상기 열 공급 장치(145)는 전기 오븐을 포함한다.

상기 고정구(140)는 열 공급 장치(145)의 챔버(도면에 미도시)에 위치되어 평면형 출력물(120)의 내측에 위치될 수 있다. 상기 고정구(140)는 4D 프린팅 변형 형상에 대응하도록 경사면을 갖는다.

이후로, 상기 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법은, 도 6 및 도 7을 고려해 볼 때, 열 공급 장치(145)의 온도를 평면형 출력물(120)의 열변형 온도 이상으로 유지시킨 상태에서, 열 공급 장치(145)로부터 평면형 출력물(120)에 열을 전달하는 동안 고정구(140) 주위를 향해 평면형 출력물(120)의 굽힘 변형을 유발시켜 고정구(140)에 대응하는 형상으로 3D 곡면형 성형품(curved part; 130, 이하, '곡면형 성형품'으로 지칭함)을 형성하는 것을 포함한다.

상기 곡면형 성형품(130)은, 도 6 및 도 7을 고려해 볼 때, 상기 열 공급 장치(145)로부터 열을 전달받는 동안, 열 전달의 시간에 따라 고정구(140)를 향해 평면형 출력물(120)을 방사상으로 동시에 그리고 일정하게 굽혀 형성된다. 좀 더 상세하게 설명하면, 도 5와 관련하여 도 17(a) 및 도 17(b)를 고려해 볼 때, 상기 3D 프린터(60)의 노즐(20)을 사용하여 작업대(10) 상에서, 상기 평면형 출력물(120)의 사분의 일에 해당하는 시험 평면형 출력물(100)이 제작될 수 있다.

여기서, 상기 시험 평면형 출력물(100)은 적어도 하나의 시험 이방성 출력판(98)을 갖는다. 상기 시험 이방성 출력판(98)은 플라스틱 라인(94)을 사용하여 동심원으로 복수의 호를 프린팅하도록 플라스틱 라인(94)을 여러 겹으로 수평하게 감아 형성된다. 상기 시험 이방성 출력판(98)은 좌측 및 우측에 라인 전이 영역(S11)을 가지고, 상기 시험 이방성 출력판(98)의 우측 라인 전이 영역(S11)에 프린팅 시작점(T11)과 프린팅 종료점(T12)을 갖는다.

따라서, 상기 시험 이방성 출력판(98)은, 도 5의 이방성 출력판(118)과 다르게, 닫힌 형상이 아니다. 상기 시험 평면형 출력물(100)에 적용되는 4D 프린팅 기술을 이해하기 위해, 상기 시험 이방성 출력판(98)의 외경을 60 mm 로 고정시키고, 상기 시험 이방성 출력판(98)의 폭(w)을 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, 및 50 mm 로 변화시켜서, 상기 시험 평면형 출력물(100)이 도 17(a)와 같이, 복수로 준비될 수 있다.

상기 복수의 시험 평면형 출력물(100)이 열 공급 장치(도면에 미도시)에 삽입될 수 있다. 상기 열 공급 장치는 챔버에 도 5의 고정구를 갖지 않는다. 상기 복수의 시험 평면형 출력물(100)이 열 공급 장치의 열을 전달받는 동안, 상기 복수의 시험 평면형 출력물(100)의 내경 및 외경의 변형률 차이는, 도 17(a) 및 도 18을 고려해 볼 때, 시험 이방성 출력판(98)의 폭(w)을 증가시킬수록 점진적으로 크게 나타난다.

도 17(a) 및 도 17(b)에서 볼 때, 상기 시험 이방성 출력판(98)이 도 5의 이방성 출력판(118)과 같이 닫힌 형상으로 이루어지지 않기 때문에, 상기 복수의 시험 평면형 출력물(100)은 열 공급 장치로부터 열을 받아도 2차원 평면에서 수축 및 팽창만 할 뿐이다. 즉, 상기 복수의 시험 평면형 출력물(100)은, 열 공급 장치로부터 열을 받는 동안, 원주 방향으로 수축과 반경 방향으로 팽창을 유발하여 내경 및 외경의 변형률 차이, 좀 더 상세하게는, 내경의 변형률(수축)보다 더 큰 외경의 변형률(수축) 차이로 인해 복수의 비굽힘 성형품(105)으로 각각 변형된다.

그러나, 도 5 내지 도 7을 다시 고려해 볼 때, 상기 곡면형 성형품(130)은, 적어도 하나의 환형 층으로 이루어져 개별 환형 층에 이방성 출력판(118)을 가지는 평면형 출력물(120)을 바탕으로, 평면형 출력물(120)에 열 공급 장치(145)의 열을 전달하는 동안, 평면형 출력물(120)에서 이방성 출력판(118)의 원주 방향을 따라 인장 잔류응력이 이완되어 수축과 함께, 평면형 출력물(120)에서 이방성 출력판(118)의 반경 방향을 따라 압축 잔류응력이 이완되어 팽창을 야기시켜, 평면형 출력물(120)의 내경 대비 외경에서 상대적으로 더 큰 변형률 차이에 의해 평면형 출력물(120)에서 소정 방향(R1)을 따라 고정구(140)을 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하여 형성된다.

왜냐하면, 상기 평면형 출력물(120)이 닫힌 형상으로 이루어지므로, 상기 평면형 출력물(120)은, 열 공급 장치(145)로부터 열을 전달받는 동안, 평면형 출력물(120)의 내경 및 외경의 변형률 차이로 생기는 내부 응력을 외부로 발산시키지 못하여 내부 응력을 3차원 공간에서 자체 형상 변형으로 사용하기 때문이다. 따라서, 상기 곡면형 성형품(130)은, 평면형 출력물(120)에 대한 열 공급 장치(145)의 열 구속과 고정구(140)의 성형 구속을 통해 곡면형 성형품(130)의 형상에 대해 일관성과 재현성과 균일성을 가지면서 만들어진다. 한편, 상기 평면형 출력물(120)의 라인 전이 영역(S1)은 곡면형 성형품(130)의 표면에 도 7과 같이 흔적으로 남는다.

도 8 내지 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법을 설명해주는 개략도이다.

이 경우에, 도 12(a)는 도 11의 곡면형 성형품을 평면적으로 확대시킨 이미지이고, 도 12(b)는 도 12(a)에서 Region A를 확대한 이미지이고, 도 12(c)는 도 12(a)에서 Region B를 확대한 이미지이고, 도 12(d)는 도 12(a)에서 절단선 °Ⅰ?' 를 따라 취해서 곡면형 성형품의 단면을 보여주는 이미지이다.

도 8 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법이, 도 4 내지 도 7에 유사하게 개시되지만, 도 8 내지 도 12의 평면형 출력물(180) 및 곡면형 성형품(190)은 도 4 내지 도 7의 평면형 출력물(120) 및 곡면형 성형품(130)과 구조적으로 다르다.

즉, 상기 평면형 출력물(180)은, 3D 프린터(도 1의 60)의 작업대(도 9의 10) 상에 순차적으로 적층되는 하부 환형층들(도 8 또는 도 9의 140)과 기능성 박막 소재(도 8 또는 도 9의 160)와 상부 환형 층들(도 8 또는 도 9의 170)로 이루어지면서, 개별 하부 또는 상부 환형 층(140 또는 170)의 내측 영역에서 빈 공간과 함께, 개별 하부 또는 상부 환형 층(140 또는 170)의 내측 영역으로부터 외측 영역을 향해 히팅 노즐(도 4의 20)을 통해 출력되는 플라스틱 라인(114)을 사용하여 여러 겹으로 동심원을 그리면서 원형으로 출력되도록 프린팅 경로를 설정하여 형성되는 소정 폭의 이방성 출력판(도 5의 118 참조)을 가지고, 개별 하부 또는 상부 환형 층(140 또는 170)의 내경에 위치되는 프린팅 시작점(도 5의 T1)과 개별 하부 또는 상부 환형 층(140 또는 170)의 외경에 위치되는 프린팅 종료점(도 5의 T2) 사이에서 플라스틱 라인(114)의 개별 겹을 나선 형태로 이어주는 라인 전이 영역(도 11의 S2 또는 S3)을 갖는다.

여기서, 도 12(c)와 도 12(d)를 고려해 볼 때, 상기 하부 환형층들(140) 중 최상위 층과 상부 환형층들(170) 중 최하위 층은, 기능성 박막 소재(160)를 통해 접촉하고, 상기 기능성 박막 소재의 두께는, 개별 환형층(160 또는 170)의 두께보다 더 작다. 또한, 개별 하부 환형층(140)의 라인 전이 영역(S2)은, 개별 상부 환형층(170)의 라인 전이 영역(S3) 바로 위에 위치되거나 개별 상부 환형층(170)의 라인 전이 영역(S3)으로부터 이격될 수 있다. 상기 기능성 박막 소재(160)는 도 8 또는 도 11 또는 도 12(b)에 도시된 바와 같이 복수의 메시(155)를 갖는 다공성 필터 원단을 포함한다. 한편, 상기 평면형 출력물(180)은 도 6의 4D 프린팅 기술을 적용받아 곡면형 성형품(190)으로 변형된다.

구체적으로는, 상기 곡면형 성형품(190)은, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 순차적으로 적층되는 하부 환형층들(140)과 기능성 박막 소재(160)와 상부 환형 층들(170)로 이루어져 개별 하부 또는 상부 환형 층(140 또는 170)에 이방성 출력판(118)을 가지는 평면형 출력물(180)을 바탕으로, 평면형 출력물(180)에 열 공급 장치(도 6 145)의 열을 전달하는 동안, 평면형 출력물(180)에서 이방성 출력판(118)의 원주 방향을 따라 인장 잔류응력이 이완되어 수축과 함께, 평면형 출력물(180)에서 이방성 출력판(118)의 반경 방향을 따라 압축 잔류응력이 이완되어 팽창을 야기시켜, 평면형 출력물(180)의 내경 대비 외경에서 상대적으로 더 큰 변형률 차이에 의해 평면형 출력물(180)에서 소정 방향(R2)을 따라 고정구를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하여 형성된다.

여기서, 상기 곡면형 성형품(190)은, 도 12(b) 및 도 12(d)를 고려해 볼 때, 개별 하부 또는 상부 환형 층(140 또는 170)의 표면에서 플라스틱 라인(114)들 사이를 따라 원형의 프린팅 경로(175)를 갖는다. 또한, 상기 곡면형 성형품(190)은, 도 12(c) 및 도 12(d)를 고려해 볼 때, 기능성 박막 소재(160)를 통해 하부 환형 층(140)과 상부 환형 층(170)을 연결시킨다.

도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법을 설명해주는 개략도이다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법이, 도 4 내지 도 7에 유사하게 개시되지만, 도 13의 평면형 출력물(210) 및 곡면형 성형품(220)은 도 4 내지 도 7의 평면형 출력물(120) 및 곡면형 성형품(130)과 구조적으로 다르다.

즉, 상기 평면형 출력물(210)은, 3D 프린터(도 1의 60)의 작업대(10) 상에 복수의 다각 라운드 환형층으로 이루어지면서, 개별 다각 라운드 환형층의 내측 영역에서 빈 공간과 함께, 개별 다각 라운드 환형층을 따라, 모서리 마다 호(弧; arc) 형상의 이방성 출력판(204)과, 두 개의 모서리 사이 마다 사각(四角; rectangular) 형상의 등방성 출력판(208)을 가지고, 도 17(b)에 도시된 바와 같이, 이방성 출력판(204)에서 히팅 노즐(도 4의 20)을 통해 출력되는 플라스틱 라인(114)을 사용하여 개별 다각 라운드 환형층 마다 동심원으로 복수의 호를 프린팅하도록 플라스틱 라인(114)을 여러 겹으로 수평하게 감고, 등방성 출력판(208)에서 플라스틱 라인(114)을 사용하여 두 개의 다각 라운드 환형층 마다 층별로 교차되는 대각선을 반복적으로 갖는다.

여기서, 상기 이방성 출력판(204)의 양 측에 위치되는 제1 라인 전이 영역(도 17(b)의 S11 참조)은, 등방성 출력판(208)의 양 측에 위치되는 제2 라인 전이 영역(도면에 미도시)을 따라 접촉한다. 상기 등방성 출력판(208)은 재료 압출형 방식의 3D 프린터(60)에서 면내 이방성(in-plane anisotropy)을 제거하기 위해 사용된다. 한편, 상기 평면형 출력물(210)은 도 6의 4D 프린팅 기술을 적용받아 곡면형 성형품(220)으로 변형된다.

구체적으로는, 상기 곡면형 성형품(220)은, 복수의 다각 라운드 환형층으로 이루어져 개별 다각 라운드 환형층에서 모서리 마다 호 형상의 이방성 출력판(204)과 두 개의 모서리 사이 마다 사각 형상의 등방성 출력판(208)을 갖는 평면형 출력물(210)을 바탕으로, 평면형 출력물(210)에 열 공급 장치(도 6의 145)의 열을 전달하는 동안, 평면형 출력물(210)에서 이방성 출력판(204)의 원주 방향을 따라 인장 잔류응력이 이완되어 수축과 함께, 평면형 출력물(210)에서 이방성 출력판(204)의 반경 방향을 따라 압축 잔류응력이 이완되어 팽창을 야기시켜, 이방성 출력판(204)의 내경 대비 외경에서 상대적으로 더 큰 변형률 차이에 의해 평면형 출력물(210)에서 고정구(도 6의 140)를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하여 형성된다.

여기서, 상기 등방성 출력판(208)이 면내 이방성을 갖지 않으므로, 상기 등방성 출력판(208)은, 평면형 출력물(210)에 열 공급 장치(145)의 열을 전달하는 동안, 초기 형상을 계속하여 유지한다.

도 14는 본 발명의 제4 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법을 설명해주는 개략도이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법은, 도 4 내지 도 7에 유사하게 개시되지만, 도 14의 평면형 출력물(240) 및 곡면형 성형품(250)은 도 4 내지 도 7의 평면형 출력물(120) 및 곡면형 성형품(130)과 구조적으로 다르다.

즉, 상기 평면형 출력물(240)은, 3D 프린터(도 1의 60)의 작업대(10) 상에 환형 층들과, 환형 층들의 내측 영역에서 순차적으로 적층되는 복수의 연결층(도면에 미도시)으로 이루어져 환형 층들의 내측 영역을 분할하는 연결부(도 14(a) 또는 도 14(b) 또는 도 14(c)의 239)를 가지면서, 개별 환형 층에서, 히팅 노즐(도 4의 20)을 통해 출력되는 플라스틱 라인(114)을 사용하여 여러 겹으로 동심원을 그리면서 원형으로 출력되도록 프린팅 경로를 설정하여 형성되는 소정 폭의 환형 이방성 출력판(annularly and anisotropically printed plate; 234)을 가지며, 환형 층들의 내측 영역에서 연결부(239)를 형성하기 위해, 두 개의 연결층 마다, 두 개의 연결층 중 하나에, 일 방향을 따라 제1 곧은 긴 선(도면에 미도시)을 수평하게 여러 겹으로 배열시키고, 두 개의 연결층 중 나머지에, 일 방향과 직교하는 타 방향을 따라 제2 곧은 긴 선(도면에 미도시)을 수평하게 여러 겹으로 배열시킨 직교 이방성 출력판(perpendicularly and anisotropically printed plate; 238)을 갖는다.

여기서, 상기 환형 이방성 출력판(234)의 제1 라인 전이 영역(도 5의 S1 참조)은, 직교 이방성 출력판(238)의 제2 라인 전이 영역(도면에 미도시)에 접촉되거나 비접촉될 수 있다. 상기 연결부(239)는, 환형 층들의 내측 영역에 도 14(a) 또는 도 14(b) 또는 도 14(c)와 같이 적어도 하나 형성되고, 환형 층들의 내측 영역에 도 14(b) 또는 도 14(c)와 같이 두 개 이상으로 형성되는 때, 환형 층들의 내측 영역을 방사상으로 이어준다.

상기 직교 이방성 출력판(238)은, 두 개의 연결층 마다, 두 개의 연결층 중 하나에서, 길이 방향을 따라 인장 잔류응력과 폭 방향을 따라 압축 잔류응력을 가지며, 두 개의 연결층 중 나머지에서, 길이 방향을 따라 압축 잔류응력과 폭 방향을 따라 인장 잔류응력을 갖는다. 한편, 상기 평면형 출력물(240)은 도 6의 4D 프린팅 기술을 적용받아 곡면형 성형품(250)으로 변형된다.

구체적으로는, 상기 곡면형 성형품(250)은, 환형 층들과, 상기 환형 층들의 내측 영역에 적어도 하나 형성되면서 상기 환형 층들의 상기 내측 영역을 분할하고 복수의 연결층을 갖는 연결부(239)로 이루어져 개별 환형 층에 환형 이방성 출력판(234)과 두 개의 연결층 마다 직교 이방성 출력판(238)을 가지는 평면형 출력물(240)을 바탕으로, 평면형 출력물(240)에 도 6의 열 공급 장치(145)의 열을 전달하는 동안, 환형 이방성 출력판(234)의 원주 방향 및 반경 방향을 따라 인장 잔류응력 및 압축 잔류응력이 각각 이완되어 수축 및 팽창과 함께, 직교 이방성 출력판(238)의 길이 방향 및 폭 방향을 따라 인장 잔류응력 및 압축 잔류응력이거나 압축 잔류응력 및 인장 잔류응력이 각각 이완되어 수축 및 팽창이거나 팽창 및 수축을 야기시켜서, 환형 이방성 출력판(234)의 내경과 외경에서 그리고 직교 이방성 출력판(238)의 길이 방향과 폭 방향에서 변형률 차이에 의해, 환형 이방성 출력판(234)에서 고정구(도 6의 140)를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하고, 환형 층들의 굽어지는 방향을 따라 볼 때, 직교 이방성 출력판(238)에서 중앙 영역 대비 주변 영역을 높게 하여 형성된다.

여기서, 상기 직교 이방성 출력판(238)은, 평면형 출력물(240)에 열 공급 장치(145)의 열을 전달하는 동안, 도 3에서 설명된 바와 같이, 굽힘 변형이 발생하여 불가사리의 움직임을 유사하게 보인다.

도 15은 본 발명의 제5 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법을 설명해주는 개략도이다.

도 15를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법은, 도 4 내지 도 7에 유사하게 개시되지만, 도 15의 평면형 출력물(270) 및 곡면형 성형품(280)은 도 4 내지 도 7의 평면형 출력물(120) 및 곡면형 성형품(130)과 구조적으로 다르다.

즉, 상기 평면형 출력물(270)은, 3D 프린터(도 1의 60)의 작업대(10) 상에 환형 층들과, 환형 층들의 내측 영역을 차폐시키는 원형 층들로 이루어지면서, 개별 환형 층에서, 히팅 노즐(도 4의 20)을 통해 출력되는 플라스틱 라인(114)을 사용하여 여러 겹으로 동심 원을 그리면서 원형으로 출력되도록 프린팅 경로를 설정하여 형성되는 소정 폭의 환형 이방성 출력판(264)을 가지고, 환형 층들의 내측 영역에 원형 층들을 형성하기 위해, 개별 원형 층에서, 플라스틱 라인(1140을 사용하여 두 개의 원형 층 마다 층 별로 교차되는 등방성 출력판(isotropically printed plate; 268)을 갖는다.

여기서, 상기 환형 이방성 출력판(264)의 제1 라인 전이 영역(도 5의 S1 참조)은, 상기 등방성 출력판(268)의 제2 라인 전이 영역(도면에 미도시)에 접촉된다. 상기 등방성 출력판(268)은, 도 13에서 설명된 바와 같이, 면내 이방성을 제거시키기 위해 사용된다. 한편, 상기 평면형 출력물(270)은 도 6의 4D 프린팅 기술을 적용받아 곡면형 성형품(280)으로 변형된다.

구체적으로는, 상기 곡면형 성형품(280)은, 환형 층들과, 환형 층들의 내측 영역을 차폐시키는 원형 층들로 이루어져 개별 환형 층에 환형 이방성 출력판(264)과 두 개의 원형 층 마다 층별로 교차되는 등방성 출력판(268)을 가지는 평면형 출력물(270)을 바탕으로, 평면형 출력물(270)에 도 6의 열 공급 장치(145)의 열을 전달하는 동안, 환형 이방성 출력판(264)의 원주 방향 및 반경 방향을 따라 인장 잔류응력 및 압축 잔류응력이 각각 이완되어 수축 및 팽창을 야기시켜서, 환형 이방성 출력판(264)의 내경 대비 외경에서 더 큰 변형률 차이에 의해, 환형 이방성 출력판(264)에서 도 6의 고정구(140)를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하고, 원형 층들에서 볼 때, 환형 층들 대비 원형 층들에서 상대적으로 평탄하게 형성된다.

도 16은 본 발명의 제6 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법을 설명해주는 개략도이다.

도 16을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법은, 도 4 내지 도 7에 유사하게 개시되지만, 도 16의 평면형 출력물(340) 및 곡면형 성형품(도면에 미도시)은 도 4 내지 도 7의 평면형 출력물(120) 및 곡면형 성형품(130)과 구조적으로 다르다.

상기 평면형 출력물(340)은, 3D 프린터(도 1의 60)의 작업대(10) 상에 순차적으로 적층되는 하부 환형 패드(lower annular pad; 300)와 금속 도선부(320)와 상부 환형 패드(330)로 이루어지도록, 히팅 노즐(20)을 통해 출력되는 플라스틱 라인(114)을 사용하여 금속 도선부(320)를 삽입하기 위한 하부 환형 패드(300)와 상부 환형 패드(330)를 가지면서, 하부 환형 패드(300)에서 금속 도선부(320)의 환형 몸체(314)를 수용하는 음각의 홈(294)과 함께 금속 도선부(320)에서 환형 몸체(314)의 내부 및 외부를 향해 방사상으로 돌출하는 복수의 사각 단자(318)를 각각 수용하는 복수의 단자 수용 홈(298)을 가지고, 하부 환형 패드(300)와 상부 환형 패드(330)에서, 환형 몸체(314)와 함께 개별 사각 단자(318)의 중앙 영역을 덮으며, 개별 사각 단자(318)의 양 단을 노출시킨다.

여기서, 상기 하부 환형 패드(300)와 상부 환형 패드(330)는, 환형 이방성으로 원주 방향을 따라 인장 잔류응력과 반경 방향을 따라 압축 잔류 응력을 가질 수 있다. 한편, 상기 평면형 출력물(340)은 도 6의 4D 프린팅 기술을 적용받아 곡면형 성형품으로 변형된다.

구체적으로는, 상기 곡면형 성형품은, 순차적으로 적층된 하부 환형 패드(300)와 금속 도선부(320)와 상부 환형 패드(330)로 이루어지는 평면형 출력물(340)을 바탕으로, 평면형 출력물(340)에 도 6의 열 공급 장치(145)의 열을 전달하는 동안, 하부 또는 상부 환형 패드(300 또는 330)의 원주 방향 및 반경 방향을 따라 인장 잔류응력 및 압축 잔류응력이 각각 이완되어 수축 및 팽창을 야기시켜서, 하부 또는 상부 환형 패드(300 또는 330)의 내경 대비 외경에서 더 큰 변형률 차이에 의해, 하부 또는 상부 환형 패드(300 또는 330)에서 도 6의 고정구(140)를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하고, 금속 도선부(320)에서 하부 환형 패드(300)와 상부 환형 패드(330) 사이의 굴곡을 따라 휘어지게 형성된다.

여기서, 상기 곡면형 성형품은, 평면형 출력물(340)에 열 공급 장치(140)의 열을 전달하는 동안, 금속 도선부(320) 주변에서 하부 환형 패드(300)와 상부 환형 패드(330)를 연결시켜 형성된다. 따라서, 상기 금속 도선부(320)는, 하부 환형 패드(300)와 상부 환형 패드(330)에 고정된다. 상기 곡면형 성형품은, 웨어러블 기기에서 주변 형상에 정합(整合)되는 전극(electrode)으로 사용될 수 있다.

118; 이방성 출력판, 130; 굽힘 성형물
S1; 라인 전이 영역

Claims

재료 압출형(material extrusion) 방식의 3D 프린터에서 히팅 노즐(heating nozzle)을 사용하여 상기 3D 프린터의 작업대 상에 원주 방향으로 프린팅 경로를 설정하여 폐곡선 형태의 2.5D 평면형 출력물(planar part)을 형성하고,
열 공급 장치를 사용하여 상기 평면형 출력물을 상기 열 공급 장치의 내부에 위치시키면서, 상기 열 공급 장치에 구비되어 곡면 형상에 상응하는 고정구(fixture)를 상기 평면형 출력물 상에 위치시키고,
상기 열 공급 장치의 온도를 상기 평면형 출력물의 열변형 온도 이상으로 유지시킨 상태에서, 상기 열 공급 장치로부터 상기 평면형 출력물에 열을 전달하는 동안 상기 고정구 주위를 향해 상기 평면형 출력물의 굽힘 변형을 유발시켜 상기 고정구에 대응하는 형상으로 3D 곡면형 성형품(curved part)을 형성하는 것을 포함하고,
상기 평면형 출력물은,
상기 3D 프린터의 프린팅 작업 후, 상기 3D 프린터의 상기 작업대 상에서 상기 원주 방향을 따라 닫힌 형상을 가지면서 상기 닫힌 형상에 상기 원주 방향으로 인장 잔류응력과 반경 방향으로 압축 잔류응력을 가지고,
상기 곡면형 성형품은,
상기 열 공급 장치로부터 상기 열을 전달받기 전, 상기 고정구 아래에서 상기 고정구로부터 이격하여 상기 고정구 주위에 상기 평면형 출력물을 상기 닫힌 형상으로 위치시킨 상태에서,
상기 열 공급 장치로부터 상기 열을 전달받는 동안, 상기 평면형 출력물의 상기 닫힌 형상에 내부 변형을 구속시켜 상기 잔류 응력을 자체 형상 변형에 사용하면서, 열 전도의 시간에 따라 상기 고정구를 향해 상기 평면형 출력물을 방사상으로 동시에 그리고 일정하게 굽혀 형성되는, 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 평면형 출력물은,
상기 3D 프린터의 상기 작업대 상에 적어도 하나의 환형 층으로 이루어지면서,
개별 환형 층의 내측 영역에서 빈 공간과 함께, 상기 개별 환형 층의 상기 내측 영역으로부터 외측 영역을 향해 상기 히팅 노즐을 통해 출력되는 플라스틱 라인을 사용하여 여러 겹으로 동심원을 그리면서 원형으로 출력되도록 프린팅 경로를 설정하여 형성되는 소정 폭의 이방성 출력판(anisotropically printed plate)을 가지고,
상기 개별 환형 층의 내경에 위치되는 프린팅 시작점과 상기 개별 환형 층의 외경에 위치되는 프린팅 종료점 사이에서 상기 플라스틱 라인의 개별 겹을 나선 형태로 이어주는 라인 전이 영역(line transition region)을 가지는, 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법.
제2 항에 있어서,
상기 곡면형 성형품은,
상기 평면형 출력물에 상기 열 공급 장치의 상기 열을 전달하는 동안, 상기 평면형 출력물에서 이방성 출력판의 원주 방향을 따라 인장 잔류응력이 이완되어 수축과 함께, 상기 평면형 출력물에서 상기 이방성 출력판의 반경 방향을 따라 압축 잔류응력이 이완되어 팽창을 야기시켜, 상기 평면형 출력물의 내경 대비 외경에서 상대적으로 더 큰 변형률 차이에 의해 상기 평면형 출력물에서 상기 고정구를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하여 형성되는, 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 평면형 출력물은,
상기 3D 프린터의 상기 작업대 상에 순차적으로 적층되는 하부 환형층들과 기능성 박막 소재와 상부 환형 층들로 이루어지면서,
개별 하부 또는 상부 환형 층의 내측 영역에서 빈 공간과 함께, 상기 개별 하부 또는 상부 환형 층의 상기 내측 영역으로부터 외측 영역을 향해 상기 히팅 노즐을 통해 출력되는 플라스틱 라인을 사용하여 여러 겹으로 동심원을 그리면서 원형으로 출력되도록 프린팅 경로를 설정하여 형성되는 소정 폭의 이방성 출력판을 가지고,
상기 개별 하부 또는 상부 환형 층의 내경에 위치되는 프린팅 시작점과 상기 개별 하부 또는 상부 환형 층의 외경에 위치되는 프린팅 종료점 사이에서 상기 플라스틱 라인의 개별 겹을 나선 형태로 이어주는 라인 전이 영역을 가지고,
상기 하부 환형층들 중 최상위 층과 상기 상부 환형층들 중 최하위 층은,
상기 기능성 박막 소재를 통해 접촉하고,
상기 기능성 박막 소재의 두께는,
개별 환형층의 두께보다 더 작고,
개별 하부 환형층의 라인 전이 영역은,
개별 상부 환형층의 라인 전이 영역 바로 위에 위치되거나 상기 개별 상부 환형층의 상기 라인 전이 영역으로부터 이격되는, 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법.
제4 항에 있어서,
상기 곡면형 성형품은,
상기 평면형 출력물에 상기 열 공급 장치의 상기 열을 전달하는 동안, 상기 평면형 출력물에서 상기 이방성 출력판의 원주 방향을 따라 인장 잔류응력이 이완되어 수축과 함께, 상기 평면형 출력물에서 상기 이방성 출력판의 반경 방향을 따라 압축 잔류응력이 이완되어 팽창을 야기시켜, 상기 평면형 출력물의 내경 대비 외경에서 상대적으로 더 큰 변형률 차이에 의해 상기 평면형 출력물에서 상기 고정구를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하여 형성되는, 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 평면형 출력물은,
상기 3D 프린터의 상기 작업대 상에 복수의 다각 라운드 환형층으로 이루어지면서,
개별 다각 라운드 환형층의 내측 영역에서 빈 공간과 함께, 상기 개별 다각 라운드 환형층을 따라, 모서리 마다 호(弧; arc) 형상의 이방성 출력판과, 두 개의 모서리 사이 마다 사각(四角; rectangular) 형상의 등방성 출력판을 가지고,
상기 이방성 출력판에서 플라스틱 라인을 사용하여 상기 개별 다각 라운드 환형층 마다 동심원으로 복수의 호를 프린팅하도록 상기 히팅 노즐을 통해 출력되는 상기 플라스틱 라인을 여러 겹으로 수평하게 감고,
상기 등방성 출력판에서 상기 플라스틱 라인을 사용하여 두 개의 다각 라운드 환형층 마다 층별로 교차되는 대각선을 반복적으로 가지고,
상기 이방성 출력판의 양 측에 위치되는 제1 라인 전이 영역은,
상기 등방성 출력판의 양 측에 위치되는 제2 라인 전이 영역을 따라 접촉하는, 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법.
제6 항에 있어서,
상기 곡면형 성형품은,
상기 평면형 출력물에 상기 열 공급 장치의 상기 열을 전달하는 동안, 상기 평면형 출력물에서 이방성 출력판의 원주 방향을 따라 인장 잔류응력이 이완되어 수축과 함께, 상기 평면형 출력물에서 상기 이방성 출력판의 반경 방향을 따라 압축 잔류응력이 이완되어 팽창을 야기시켜, 상기 이방성 출력판의 내경 대비 외경에서 상대적으로 더 큰 변형률 차이에 의해 상기 평면형 출력물에서 상기 고정구를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하여 형성되는, 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 평면형 출력물은,
상기 3D 프린터의 상기 작업대 상에 환형 층들과, 상기 환형 층들의 내측 영역에서 순차적으로 적층되는 복수의 연결층으로 이루어져 상기 환형 층들의 상기 내측 영역을 분할하는 연결부를 가지면서,
개별 환형 층에서, 상기 히팅 노즐을 통해 출력되는 플라스틱 라인을 사용하여 여러 겹으로 동심원을 그리면서 원형으로 출력되도록 프린팅 경로를 설정하여 형성되는 소정 폭의 환형 이방성 출력판(annularly and anisotropically printed plate)을 가지며,
상기 환형 층들의 상기 내측 영역에서 상기 연결부를 형성하기 위해, 두 개의 연결층 마다, 상기 두 개의 연결층 중 하나에, 일 방향을 따라 제1 곧은 긴 선을 수평하게 여러 겹으로 배열시키고, 상기 두 개의 연결층 중 나머지에, 상기 일 방향과 직교하는 타 방향을 따라 제2 곧은 긴 선을 수평하게 여러 겹으로 배열시킨 직교 이방성 출력판(perpendicularly and anisotropically printed plate)을 가지고,
상기 환형 이방성 출력판의 제1 라인 전이 영역은,
상기 직교 이방성 출력판의 제2 라인 전이 영역에 접촉되거나 비접촉되고,
상기 연결부는,
상기 환형 층들의 상기 내측 영역에 적어도 하나 형성되고,
상기 환형 층들의 상기 내측 영역에 두 개 이상으로 형성되는 때, 상기 환형 층들의 상기 내측 영역을 방사상으로 이어주는, 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법.
제8 항에 있어서,
상기 곡면형 성형품은,
상기 평면형 출력물에 상기 열 공급 장치의 상기 열을 전달하는 동안, 상기 환형 이방성 출력판의 원주 방향 및 반경 방향을 따라 인장 잔류응력 및 압축 잔류응력이 각각 이완되어 수축 및 팽창과 함께, 상기 직교 이방성 출력판의 길이 방향 및 폭 방향을 따라 인장 잔류응력 및 압축 잔류응력이거나 압축 잔류응력 및 인장 잔류응력이 각각 이완되어 수축 및 팽창이거나 팽창 및 수축을 야기시켜서,
상기 환형 이방성 출력판의 내경과 외경에서 그리고 상기 직교 이방성 출력판의 상기 길이 방향과 상기 폭 방향에서 변형률 차이에 의해, 상기 환형 이방성 출력판에서 상기 고정구를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하고, 상기 환형 층들의 굽어지는 방향을 따라 볼 때, 상기 직교 이방성 출력판에서 중앙 영역 대비 주변 영역을 높게 하여 형성되는, 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 평면형 출력물은,
상기 3D 프린터의 상기 작업대 상에 순차적으로 적층되는 하부 환형 패드(lower annular pad)와 금속 도선부와 상부 환형 패드로 이루어지도록,
상기 히팅 노즐을 통해 출력되는 플라스틱 라인을 사용하여 상기 금속 도선부를 삽입하기 위한 상기 하부 환형 패드와 상기 상부 환형 패드를 가지면서,
상기 하부 환형 패드에서 상기 금속 도선부의 환형 몸체를 수용하는 음각의 홈과 함께 상기 금속 도선부에서 상기 환형 몸체의 내부 및 외부를 향해 방사상으로 돌출하는 복수의 사각 단자를 각각 수용하는 복수의 단자 수용 홈을 가지고,
상기 하부 환형 패드와 상기 상부 환형 패드에서, 상기 환형 몸체와 함께 상기 개별 사각 단자의 중앙 영역을 덮으며, 상기 개별 사각 단자의 양 단을 노출시키고,
상기 하부 환형 패드와 상기 상부 환형 패드는,
환형 이방성으로 원주 방향을 따라 인장 잔류응력과 반경 방향을 따라 압축 잔류 응력을 가지고,
상기 곡면형 성형품은,
상기 평면형 출력물에 상기 열 공급 장치의 상기 열을 전달하는 동안, 하부 또는 상부 환형 패드의 원주 방향 및 반경 방향을 따라 상기 인장 잔류응력 및 상기 압축 잔류응력이 각각 이완되어 수축 및 팽창을 야기시켜서,
상기 하부 또는 상부 환형 패드의 내경 대비 외경에서 더 큰 변형률 차이에 의해, 상기 하부 또는 상부 환형 패드에서 상기 고정구를 향해 내경 측 대비 외경 측을 상대적으로 경사지게 솟구치게 하고, 상기 금속 도선부에서 상기 하부 환형 패드와 상기 상부 환형 패드 사이의 굴곡을 따라 휘어지게 형성되는, 4D 프린팅 기술을 사용한 곡면형 성형품의 제조 방법.