KR102420688B1 - 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법은 필라멘트 또는 파우더를 포함하는 적층재료의 적층 경로를 제어하여 3차원의 적층 구조물을 제조하기 위한 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법에 있어서, 상기 적층재료의 층별 적층 경로를 생성하는 단계; 각 층마다 적층되는 상기 적층재료의 적층 시작점과 적층 종료점이 겹치지 않도록 상기 적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점을 설정하는 단계; 홀수층에서 적층되는 상기 적층재료와 짝수층에서 적층되는 상기 적층재료의 진행 방향이 서로 반대가 되도록 상기 적층재료의 층별 진행 방향을 설정하는 단계; 및 상기 적층재료를 상기 설정된 적층 시작점과 적층 종료점 사이에서, 상기 적층 경로를 따라 상기 설정된 진행방향으로 적층하여 상기 적층 구조물을 획득하는 단계;를 포함한다.

Description

3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법{Control method for 3D stacked structure}
본 발명은 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지그재그 경로 및 컨투어 경로를 포함하여 적층재료의 층별 적층 경로를 생성함으로써, 적층부의 균일한 기계적 물성을 확보할 수 있으며, 외관이 매끄러운 적층 구조물의 제조가 가능한 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 임의 형상 제작(solid freeform fabrication) 또는 3D 프린팅으로 또한 알려져 있는 적층 제조(AM; additive manufacturing)는 2차원 층들로의 원재료의 연속적인 디스펜싱(dispensing)으로부터 3차원 오브젝트들이 빌드 업(build-up)되는 제조 프로세스를 지칭한다.
이러한 적층 제조 프로세스들은 부품 품질 및 수율 요건들을 충족시키기 위해 정밀한 열적 제어를 필요로 한다. 예컨대, 적층 제조시 다층으로 구성되어 있는 3차원 오브젝트를 빌드 업 시에 이전층으로의 열전달의 누적 효과가 금속 조직의 불균질한 상변화를 유도하고, 적층 경로의 시작점 및 종료점 차이에 따른 용융금속 응고의 불균일함이 3차원 형상 정밀도를 떨어뜨린다. 또한, 층간 급격한 열 경사가 있는 경우, 부품의 뒤틀림(warping), 응력-유도 균열, 및 변형이 발생할 수 있다.
이와 같이, 적층 제조 프로세스 동안 부품 변형이 발생하는 경우, 변형된 부품들은 부품 치수 규격들에 대한 부적합으로 인해 부품 폐기(part rejection)를 필요로 하는 문제가 있다.
따라서, 적층 제조시 적층물의 응고 후의 형상제어가 고려되는 적층 경로의 설계, 및 층간 기계적 물성 차이를 줄이기 위하여 3D 프린팅의 냉각 속도의 제어가 필요하다.
공개특허공보 10-2020-0030616 (2020.03.20 공개)
본 발명의 과제는 지그재그 경로 및 컨투어 경로를 포함하여 적층재료의 층별 적층 경로를 생성함으로써, 적층부의 균일한 기계적 물성을 확보할 수 있으며, 외관이 매끄러운 적층 구조물의 제조가 가능한 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 과제는 적층재료가 적층될 때 최상단에 위치한 적층재료에 의한 적층부의 온도를 측정하면서 적층을 진행함으로써, 압출되는 적층재료의 충분한 냉각이 이루어진 이후 적층이 진행되도록 하여 축열에 의한 적층재료의 무너짐 현상을 방지할 수 있는 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법을 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법은 필라멘트 또는 파우더를 포함하는 적층재료의 적층 경로를 제어하여 3차원의 적층 구조물을 제조하기 위한 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법에 있어서, 상기 적층재료의 층별 적층 경로를 생성하는 단계; 각 층마다 적층되는 상기 적층재료의 적층 시작점과 적층 종료점이 겹치지 않도록 상기 적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점을 설정하는 단계; 홀수층에서 적층되는 상기 적층재료와 짝수층에서 적층되는 상기 적층재료의 진행 방향이 서로 반대가 되도록 상기 적층재료의 층별 진행 방향을 설정하는 단계; 및 상기 적층재료를 상기 설정된 적층 시작점과 적층 종료점 사이에서, 상기 적층 경로를 따라 상기 설정된 진행방향으로 적층하여 상기 적층 구조물을 획득하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 층별 적층 경로는 지그재그 경로 및 컨투어(Contour) 경로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 적층 구조물의 3D 모델링 파일을 획득한 후, 상기 3D 모델링 파일의 윤곽에 대응하는 컨투어 슬라이싱 데이터를 통해 상기 컨투어 경로를 생성하고, 상기 3D 모델링 파일의 윤곽 이외의 부분에 대응하는 메인 슬라이싱 데이터를 통해 상기 지그재그 경로를 생성할 수 있다.
또한, 상기 지그재그 경로와 상기 컨투어 경로 사이의 거리는 0.1mm ~ 1.0mm로 제공될 수 있다.
또한, 상기 적층재료의 층별 적층 경로를 생성하는 단계는 상기 적층재료를 지그재그 경로로 적층하여 내부 채움 구조물을 형성하는 과정과, 상기 적층재료를 컨투어 경로로 적층하여 상기 내부 채움 구조물을 커버하는 윤곽 구조물을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점을 설정하는 단계는 각 층의 적층 시작점과 적층 종료점이 겹치지 않도록 홀수층의 적층 시작점과 짝수층의 적층 시작점, 및 홀수층의 적층 종료점과 짝수층의 적층 종료점을 다른 위치에 설정할 수 있다.
또한, 상기 적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점을 설정하는 단계는 Y축을 기준으로 홀수층에 적층되는 적층재료의 적층 시작점과 짝수층에 적층되는 적층재료의 적층 시작점, 및 홀수층에 적층되는 적층재료의 적층 종료점과 짝수층에 적층되는 적층재료의 적층 종료점을 대칭되게 설정할 수 있다.
또한, 상기 적층 구조물을 획득하는 단계는 최상단에 위치한 상기 적층재료의 온도를 측정하는 과정과, 상기 측정된 온도가 기 설정된 온도범위를 초과하는 경우, 상기 적층재료를 적층하는 과정을 중단시켜 최상단에 위치한 상기 적층재료의 온도를 제어하는 과정과, 상기 최상단의 적층재료가 냉각되어 온도가 기 설정된 온도범위를 만족하는 경우, 상기 적층재료의 적층을 재시작하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 적층 구조물의 결함 여부를 판단하는 단계를 더 포함하고 상기 적층 구조물에 결함이 있는 경우, 상기 지그재그 경로와 컨투어 경로 사이의 거리를 제어하여 상기 적층재료의 층별 적층 경로를 재생성 할 수 있다.
또한, 상기 적층 구조물의 결함 여부를 판단하는 단계를 더 포함하고 상기 적층 구조물에 결함이 있는 경우, 상기 지그재그 경로와 컨투어 경로 사이의 거리와, 상기 적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점의 위치와, 상기 기 설정된 온도범위 중 적어도 하나를 제어한 후 상기 적층재료를 적층할 수 있다.
또한, 상기 적층재료는 아크에 의해 발생된 열을 이용하여 용융되며 적층되는 3차원 적층 구조물의 적층할 수 있다.
본 발명에 따른 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법은 필라멘트 또는 파우더를 포함하는 적층재료의 적층 경로를 제어하여 3차원의 적층 구조물을 제조하기 위한 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법에 있어서, 지그재그 경로 및 컨투어(Contour) 경로를 포함하는 상기 적층재료의 층별 적층 경로를 생성하는 단계; 각 층마다 적층되는 상기 적층재료의 적층 시작점과 적층 종료점이 겹치지 않도록 상기 적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점을 설정하는 단계; 홀수층에서 적층되는 상기 적층재료와 짝수층에서 적층되는 상기 적층재료의 진행 방향이 서로 반대가 되도록 상기 적층재료의 층별 진행 방향을 설정하는 단계; 및 상기 적층재료를 상기 설정된 적층 시작점과 적층 종료점 사이에서, 상기 적층 경로를 따라 상기 설정된 진행방향으로 적층하여 상기 적층 구조물을 획득하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 적층 구조물을 획득하는 단계는 최상단에 위치한 상기 적층재료의 온도를 측정하는 과정과, 상기 측정된 온도가 기 설정된 온도범위를 초과하는 경우, 상기 적층재료를 적층하는 과정을 중단시켜 최상단에 위치한 상기 적층재료의 온도를 제어하는 과정과, 상기 최상단의 적층재료가 냉각되어 온도가 기 설정된 온도범위를 만족하는 경우, 상기 적층재료의 적층을 재시작하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 적층 구조물의 결함 여부를 판단하는 단계를 더 포함하고 상기 적층 구조물에 결함이 있는 경우, 상기 지그재그 경로와 컨투어 경로 사이의 거리와, 상기 적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점의 위치와, 상기 기 설정된 온도범위 중 적어도 하나를 제어한 후 상기 적층재료를 적층할 수 있다.
본 발명에 따르면, 지그재그 경로 및 컨투어 경로를 포함하여 적층재료의 층별 적층 경로를 생성함으로써, 적층부의 균일한 기계적 물성을 확보할 수 있으며, 외관이 매끄러운 적층 구조물의 제조가 가능하다.
또한, 각 층의 적층 시작점과 적층 종료점이 겹치지 않도록 경로를 설정함으로써 크레이터(Crater)로 인한 층별 높이차를 줄일 수 있다.
또한, 홀수층에서 적층되는 적층재료와 짝수층에서 적층되는 적층재료의 진행 방향이 서로 반대가 되도록 경로를 설정함으로써 크레이터로 인해 적층 구조물이 무너지는 현상을 방지할 수 있다.
아울러, 최상단에 위치한 적층재료의 온도를 측정하여 충분한 냉각이 이루어진 이후 다음 층을 적층하도록 형성함으로써, 축열에 의하여 적층재료의 형상이 무너지는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법의 순서도이다.
도 2는 도 1의 적층 제어 방법에 의해 제어되는 적층 제어 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 적층 제어 방법에 의하여 생성된 적층재료의 층별 적층 경로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 적층 제어 방법에 의하여 설정된 지그재그 경로에 대한 적층재료의 층별 적층 시작점과 적증 종료점을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 1의 적층 제어 방법에 의하여 설정된 컨투어 경로의 적층재료의 층별 적층 시작점과 적증 종료점을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 1의 적층 제어 방법에 의하여 설정된 적층재료의 층별 진행 방향을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 1의 적층 제어 방법에 의하여 적층되는 적층재료를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8(a)는 종래의 적층 제어 방법에 따라 제조된 적층 구조물의 이미지이고, 도 8(b)는 본 발명의적층 제어 방법에 따라 제조된 적층 구조물의 이미지이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법의 순서도이다. 그리고, 도 2는 도 1의 적층 제어 방법에 의해 제어되는 적층 제어 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 적층 제어 방법에 의하여 생성된 적층재료의 층별 적층 경로를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 도 1의 적층 제어 방법에 의하여 설정된 지그재그 경로에 대한 적층재료의 층별 적층 시작점과 적증 종료점을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 1의 적층 제어 방법에 의하여 설정된 컨투어 경로의 적층재료의 층별 적층 시작점과 적증 종료점을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 6은 도 1의 적층 제어 방법에 의하여 설정된 적층재료의 층별 진행 방향을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법(S100)은 필라멘트 또는 파우더를 포함하는 적층재료(P)의 적층 경로를 제어하여 3차원의 적층 구조물(1)을 제조하기 위한 것으로서, 적층재료의 층별 적층 경로를 생성하는 단계(S110)와, 적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점을 설정하는 단계(S120)와, 적층재료의 층별 진행 방향을 설정하는 단계(S130)와, 적층 구조물을 획득하는 단계(S140), 및 적층 구조물의 결함 여부를 판단하는 단계(S150)를 포함할 수 있다.
적층재료의 층별 적층 경로를 생성하는 단계(S110)에서는 지그재그 경로 및 컨투어(Contour) 경로를 포함하는 층별 적층 경로를 생성할 수 있다. 예를 들어, 적층재료의 층별 적층 경로를 생성하는 단계(S110)에서는 적층 구조물(1)의 3D 모델링 파일을 획득한 후, 3D 모델링 파일의 윤곽에 대응하는 컨투어 슬라이싱 데이터를 통해 컨투어 경로를 생성하고, 3D 모델링 파일의 윤곽 이외의 부분에 대응하는 메인 슬라이싱 데이터를 통해 지그재그 경로를 생성할 수 있다.
즉, 제조하고자 하는 적층 구조물(1)의 사이즈, 형태, 부피를 나타내는 형상 데이터를 도출하여 데이터 베이스 형태로 저장할 수 있으며, 이러한 데이터 베이스를 토대로 컨투어 경로 및 지그재그 경로를 생성하는 것이다. 일 예로, 3D 프린터의 제어를 위해 주로 사용되는 프로그래밍 랭귀지가 G-Code를 이용하여 지그재그 경로 및 컨투어 경로를 포함하는 적층재료(P)의 층별 적층 경로를 생성할 수 있다.
G-Code는 가장 폭넓게 사용되고 있는 수치 제어 프로그래밍 언어로서 G 프로그래밍 언어라고도 불리며, 주로 컴퓨터 기반의 공작 기계(Machine tool)에 사용되고, 어느 위치로 움직이는지 또는 얼마나 빠르게 움직이는지 등의 제조 과정을 정의하는 언어라고 할 수 있다. 이러한 G-Code를 기반으로 정의된 경로와 속도에 따라 재료를 적층하여 3D 모델 출력물을 완성할 수 있다. 그러나, 본 발명에서의 적층재료(P)의 층별 적층 경로를 생성하기 위한 프로그래밍 랭귀지는 G-Code에 한정되지 않으며, 이외에도 다양한 프로그래밍 랭귀지가 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 적층재료의 층별 적층 경로를 생성하는 단계(S110)는 적층재료(P)를 지그재그 경로로 적층하여 내부 채움 구조물(11)을 형성하는 과정과, 적층재료(P)를 컨투어 경로로 적층하여 내부 채움 구조물(11)을 커버하는 윤곽 구조물(12)을 형성하는 과정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 적층재료(P)를 도 3(a)에 도시된 지그재그 경로로 적층하여 내부 채움 구조물(11)을 형성한 후, 도 3(b)에 도시된 컨투어 경로로 적측하여 내부 채움 구조물(11)의 측부를 커버할 수 있다. 이러한 적층 경로를 따라 적층된 적층재료(P)는 하나의 어레이(10)를 이루어 하나의 층을 형성할 수 있다.
이와 같이, 적층재료(P)가 지그재그 경로 및 컨투어 경로를 따라 하나의 어레이(10)를 형성하는 경우, 강도가 좋으면서도 외관이 매끄러운 적층 구조물(1)을 형성할 수 있다. 즉, 지그재그 경로로만 적층 구조물(1)을 제조하는 경우 적층재료(P)의 끝 단이 외부로 노출되어 있어 외관이 매끄럽지 못하고 곡면이 있는 단면 형상의 구현이 어려우며, 컨투어 경로로만 적층 구조물(1)을 제조하는 경우 내부가 비어 있는 형태여서 균일한 강도의 확보가 어려울 수 있다. 따라서, 지그재그 경로 및 컨투어 경로를 포함하여 적층재료(P)의 층별 적층 경로를 생성하는 경우, 적층부의 균일한 기계적 물성을 확보 할 수 있으며, 외관이 매끄러운 적층 구조물(1)을 제조할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 적층재료(P)의 층별 적층 경로의 생성시 지그재그 경로와 컨투어 경로 사이의 거리(d)는 0.1mm ~ 1.0mm로 제공될 수 있다. 이는 지그재그 경로와 컨투어 경로 사이의 거리(d)가 1.0mm를 초과하는 경우 융합 불량(Lack of fusion)이 발생할 수 있고, 0.1mm 미만인 경우에는 토치(110)를 통해 용융되며 압출되는 적층재료(P)가 지그재그 경로와 컨투어 경로를 지날 때, 서로 간섭될 수 있기 때문이다.
본 발명에서의 적층재료(P)는 아크에 의해 발생된 열을 이용하여 용융되며 적층될 수 있다. 이에 따라, 용접전류를 조정하여 적정한 온도의 아크를 발생시키며 적층재료(P)를 용융 및 압출하며 적층시킬 수 있다. 그러나, 적층재료(P)를 용융시키기 위한 열원은 이에 한정되지 않으며, 레이저, 플라즈마 등과 같이 다양하게 변경 가능하다.
적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점을 설정하는 단계(S120)에서는 각 층마다 적층되는 적층재료(P)의 적층 시작점과 적층 종료점이 겹치지 않도록 적층재료(P)의 층별 적층 시작점과 적층 종료점을 설정할 수 있다. 예를 들어, 각 층의 적층 시작점과 적층 종료점이 겹치지 않도록 홀수층의 적층 시작점과 짝수층의 적층 시작점, 및 홀수층의 적층 종료점과 짝수층의 적층 종료점을 다른 위치에 설정할 수 있다.
이와 같이, 각 층의 적층 시작점과 적층 종료점이 겹치지 않도록 형성하는 경우 크레이터(Crater)로 인한 층별 높이차를 줄일 수 있게 된다. 즉, 적층 제조의 경우 토치(110)를 이용하여 적층재료(P)를 용융 및 압출하는 방법으로 적층 제조가 이루어지는 구조이기 때문에 각 층간에 적층 시작점과 적층 종료점이 겹치는 경우, 크레이터에 의하여 적층 시작점과 적증 종료점의 높이차가 발생하게 된다. 이러한 높이차에 의해 적층 구조물(1)의 형상이 변형될 수 있는데, 본 발명의 경우 각 층의 적층 시작점과 적층 종료점이 겹치지 않도록 형성함으로써 보다 외관이 개선된 형상의 적층 구조물(1)을 획득할 수 있게 된다.
적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점을 설정하는 단계(S120)에서는 Y축을 기준으로 홀수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 시작점과 짝수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 시작점, 및 홀수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 종료점과 짝수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 종료점을 대칭되게 설정할 수 있다.
예를 들어, 도 4(a)는 홀수 층에 대한 지그재그 경로의 적층 시작점과 적층 종료점을 나타낸 도면이고, 도 4(b)는 짝수 층에 대한 지그재그 경로의 적층 시작점과 적층 종료점을 나타낸 도면으로서, 도 4에 도시된 바와 같이 지그재그 경로에서는 Y축을 기준으로 홀수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 시작점과 짝수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 시작점, 및 홀수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 종료점과 짝수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 종료점을 대칭되게 설정할 수 있다.
도 5(a)는 홀수 층에 대한 컨투어 경로의 적층 시작점과 적층 종료점을 나타낸 도면이고, 도 5(b)는 짝수 층에 대한 컨투어 경로의 적층 시작점과 적층 종료점을 나타낸 도면으로서, 컨투어 경로도 마찬가지로 Y축을 기준으로 홀수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 시작점과 짝수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 시작점, 및 홀수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 종료점과 짝수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 종료점을 대칭되게 설정할 수 있다.
이와 같이, Y축을 기준으로 홀수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 시작점과 짝수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 시작점, 및 홀수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 종료점과 짝수층에 적층되는 적층재료(P)의 적층 종료점을 대칭되게 형성하는 경우, 홀수층의 적층 종료점과 짝수층의 적층 시작점이 가장 먼 거리에 위치하여 홀수층에 적층된 적층재료(P)의 냉각시간을 최대로 확보하여 축열에 의한 적층 구조물(1)의 무너짐 현상을 예방할 수 있다.
적층재료의 층별 진행 방향을 설정하는 단계(S130)에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 홀수층에서 적층되는 적층재료(P)와 짝수층에서 적층되는 적층재료(P)의 진행 방향이 서로 반대가 되도록 적층재료(P)의 층별 진행 방향을 설정할 수 있다. 이와 같이, 홀수층에서 적층되는 적층재료(P)와 짝수층에서 적층되는 적층재료(P)의 진행 방향을 서로 다르게 형성하는 경우, 각 층마다 적층 시작점과 적층 종료점이 반대로 위치하기 때문에 크레이터로 인해 적층 구조물(1)이 무너지는 현상을 방지할 수 있다.
적층 구조물을 획득하는 단계(S140)에서는 적층재료(P)를 설정된 적층 시작점과 적층 종료점 사이에서, 적층 경로를 따라 설정된 진행방향으로 적층하여 적층 구조물(1)을 획득할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 적층 제조장치(100)의 토치(110)를 이용하여 작업대(120) 상에 적층재료(P)를 용융 및 압출할 수 있으며, 설정된 적층 경로에 따라 토치(110) 및 작업대(120)의 위치를 변경시키는 방법으로 적층 구조물(1)을 제조할 수 있다. 일례로, 토치(110)는 링크를 통해 토치 지지대(130) 상에 Z축 방향으로 이동 가능하게 연결될 수 있고, 작업대(120)는 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동 가능하게 형성된 스테이지(140) 상에 안착되어 X축 방향 및 Y축 방향으로의 이동이 가능해질 수 있다.
적층 구조물을 획득하는 단계(S140)는 최상단에 위치한 적층재료(P)의 온도를 측정하는 과정과, 측정된 온도가 기 설정된 온도범위를 초과하는 경우, 적층재료(P)를 적층하는 과정을 중단시켜 최상단에 위치한 적층재료(P)의 온도를 제어하는 과정과, 최상단의 적층재료(P)가 냉각되어 온도가 기 설정된 온도범위를 만족하는 경우, 적층재료(P)의 적층을 재시작하는 과정을 포함할 수 있다.
예를 들어, 적층 제조장치(100)에 마련된 온도 측정장치(150)를 이용하여 최상단에 위치한 적층재료(P)의 온도를 측정하고, 측정된 온도가 기 설정된 온도범위를 초과하는 경우 적층재료(P)의 냉각을 위하여 일정 시간동안 적층 동작을 중지할 수 있다. 이는 적층 구조물(1)의 특성상 축열에 의해 적층재료(P)의 냉각 속도가 느리기 때문에, 적층된 적층재료(P)가 충분히 냉각되지 않아 적층재료(P)의 형상이 무너지는 것을 방지하기 위함이다. 여기서, 온도 측정장치(150)는 최상단에 위치한 적층재료(P)를 비접촉 방식에 의해 온도를 측정하는 적외선 온도센서일 수 있으며, 적층재료(P)를 빠르게 냉각시키기 위하여 냉각수단을 더 포함할 수 있다.
한편, 상술한 기 설정된 온도범위는 적층재료(P)의 소재에 따라 달라질 수 있으므로, 자세한 범위는 생략하기로 한다.
적층 구조물의 결함 여부를 판단하는 단계(S150)에서는 비전 카메라 등과 같은 판독장치를 이용하여 적층 구조물(1)의 결함 여부를 판단할 수 있다. 만약, 적층 구조물(1)에 결함이 있는 경우, 지그재그 경로와 컨투어 경로 사이의 거리(d)와, 적층재료(P)의 층별 적층 시작점과 적층 종료점의 위치와, 기 설정된 온도범위 중 적어도 하나를 제어한 후 적층재료(P)의 적층을 재시작 할 수 있다.
예를 들어, 내부 채움 구조물(11)과 윤곽 구조물(12)의 융합 불량(Lack of fusion)이 발생한 경우에는 지그재그 경로와 컨투어 경로 사이의 거리(d)를 제어하고, 크레이터로 인한 층별 높이차가 발생한 경우에는 적층재료(P)의 층별 적층 시작점과 적층 종료점의 위치를 제어하고, 적층재료(P)가 축열에 의한 너무짐 현상이 발생한 경우에는 기 설정된 온도범위를 제어한 후, 적층재료(P)의 적층을 재시작할 수 있다.
도 7은 도 1의 적층 제어 방법에 의하여 적층되는 적층재료를 개략적으로 도시한 도면이로, 도 7을 참조하여 적층 구조물의 제조 과정을 계략적으로 설명하면 아래와 같다.
먼저, 적층재료(P)를 기 설정된 적층 시작점과 적층 종료점 사이에서 지그재그 경로를 따라 일방향으로 적층시켜 제1 내부 채움 구조물(11)을 형성한다. 그리고, 컨투어 경로를 따라 적층재료(P)를 적층시켜 제1 윤곽 구조물(12)이 제1 내부 채움 구조물(11)의 측부를 커버하도록 형성하여, 홀수층에 제1 어레이(10)를 마련한다.
이후, 홀수층의 지그재그 경로와 Y축을 기준으로 대칭되는 방향으로 설정된 짝수층의 지그재그 경로를 따라 적층재료(P)를 제1 내부 채움 구조물(11) 상에 적층시켜 제2 내부 채움 구조물(21)을 형성한다. 이때, 적층재료(P)의 진행 방향이 홀수층과는 반대 방향으로 진행되도록 함으로써 크레이터로 인한 적층 구조물(1)의 무너짐 현상을 방지할 수 있다.
그리고, 홀수층의 컨투어 경로와 Y축을 기준으로 대칭되는 방향으로 설정된 짝수층의 컨투어 경로를 따라 적층재료(P)를 적층시켜 제2 윤곽 구조물(22)이 제2 내부 채움 구조물(21)의 측부를 커버하도록 형성하여, 짝수층에 제2 어레이(20)를 마련한다.
도 8(a)는 종래의 적층 제어 방법에 따라 제조된 적층 구조물의 이미지이고, 도 8(b)는 본 발명의 적측 제어 방법에 따라 제조된 적층 구조물의 이미지이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 적층 제어 방법에 의하여 설정된 경로를 따라 적층재료(P)를 적층시키는 경우 홀수층가 짝수층 간의 적층 시작점과 적층 종료점이 겹치지 않아 크레이터로 인한 층별 높이차를 줄일 수 있다. 또한, 지그재그 경로와 컨투어 경로를 통해 각 층별 어레이를 형성하는 구조이기 때문에 종래의 적층 구조물에 비하여 적층 구조물(1)의 외관을 매끄럽게 형성할 수 있으며, 곡면 형상의 적층 구조물(1)까지도 구현이 가능해질 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
P: 적층재료
11: 내부 채움 구조물
12: 윤곽 구조물
110: 토치
120: 작업대
130: 토치 지지대
140: 스테이지
150: 온도 측정장치

Claims (14)

  1. 필라멘트 또는 파우더를 포함하는 적층재료의 적층 경로를 제어하여 3차원의 적층 구조물을 제조하기 위한 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법에 있어서,
    상기 적층재료의 층별 적층 경로를 생성하는 단계;
    각 층마다 적층되는 상기 적층재료의 적층 시작점과 적층 종료점이 겹치지 않도록 상기 적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점을 설정하는 단계;
    홀수층에서 적층되는 상기 적층재료와 짝수층에서 적층되는 상기 적층재료의 진행 방향이 서로 반대가 되도록 상기 적층재료의 층별 진행 방향을 설정하는 단계; 및
    상기 적층재료를 상기 설정된 적층 시작점과 적층 종료점 사이에서, 상기 적층 경로를 따라 상기 설정된 진행방향으로 적층하여 상기 적층 구조물을 획득하는 단계;를 포함하며,
    상기 층별 적층 경로는 지그재그 경로 및 컨투어(Contour) 경로를 포함하고,
    상기 적층 구조물을 획득하는 단계는, 최상단에 위치한 상기 적층재료의 온도를 측정하는 과정; 상기 측정된 온도가 기 설정된 온도범위를 초과하는 경우, 상기 적층재료를 적층하는 과정을 중단시켜 최상단에 위치한 상기 적층재료의 온도를 제어하는 과정; 및 상기 최상단의 적층재료가 냉각되어 온도가 기 설정된 온도범위를 만족하는 경우, 상기 적층재료의 적층을 재시작하는 과정;을 포함하고,
    최상단에 위치한 상기 적층재료의 온도를 측정하는 과정에서는, 최상단에 위치한 상기 적층재료와 대응되게 배치된 온도 측정장치를 이용하여 최상단에 위치한 상기 적층재료의 온도를 측정하되, 상기 온도 측정장치는 비접촉 방식에 의해 최상단에 위치한 상기 적층재료의 온도를 측정하도록 마련하며,
    최상단에 위치한 상기 적층재료의 온도를 제어하는 과정에서는, 상기 온도 측정장치에 측정된 온도가 기 설정된 온도범위를 초과하면 최상단에 위치한 상기 적층재료와 대응되게 배치된 냉각수단을 이용하여 최상단에 위치한 상기 적층재료의 온도를 냉각하고,
    상기 적층 구조물의 결함 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며,
    상기 적층 구조물에 결함이 있는 경우, 상기 지그재그 경로와 컨투어 경로 사이의 거리와, 상기 적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점의 위치와, 상기 기 설정된 온도범위 중 적어도 하나를 제어한 후 상기 적층재료의 층별 적층 경로를 재생성하여 상기 적층재료의 적층을 재시작하되,
    상기 적층 구조물의 내부에 채움된 구조물 및 상기 적층 구조물의 윤곽을 형성하는 구조물 간에 융합 불량(Lack of fusion)이 발생한 경우에는, 상기 지그재그 경로와 컨투어 경로 사이의 거리(d)를 제어하고,
    상기 적층 구조물이 크레이터로 인해 층별 높이차가 발생한 경우에는, 상기 적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점의 위치를 서로 다르게 제어하며,
    상기 적층재료가 축열에 의한 무너짐 현상이 발생한 경우에는, 기 설정된 온도범위를 낮추는 방향으로 제어한 후 상기 적층재료의 적층을 재시작하는 것을 특징으로 하는 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적층 구조물의 3D 모델링 파일을 획득한 후, 상기 3D 모델링 파일의 윤곽에 대응하는 컨투어 슬라이싱 데이터를 통해 상기 컨투어 경로를 생성하고, 상기 3D 모델링 파일의 윤곽 이외의 부분에 대응하는 메인 슬라이싱 데이터를 통해 상기 지그재그 경로를 생성하는 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지그재그 경로와 상기 컨투어 경로 사이의 거리는 0.1mm ~ 1.0mm로 제공되는 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적층재료의 층별 적층 경로를 생성하는 단계는,
    상기 적층재료를 지그재그 경로로 적층하여 내부 채움 구조물을 형성하는 과정과, 상기 적층재료를 컨투어 경로로 적층하여 상기 내부 채움 구조물을 커버하는 윤곽 구조물을 형성하는 과정을 포함하는 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점을 설정하는 단계는,
    각 층의 적층 시작점과 적층 종료점이 겹치지 않도록 홀수층의 적층 시작점과 짝수층의 적층 시작점, 및 홀수층의 적층 종료점과 짝수층의 적층 종료점을 다른 위치에 설정하는 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 적층재료의 층별 적층 시작점과 적층 종료점을 설정하는 단계는,
    Y축을 기준으로 홀수층에 적층되는 적층재료의 적층 시작점과 짝수층에 적층되는 적층재료의 적층 시작점, 및 홀수층에 적층되는 적층재료의 적층 종료점과 짝수층에 적층되는 적층재료의 적층 종료점을 대칭되게 설정하는 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 적층재료는 아크에 의해 발생된 열을 이용하여 용융되며 적층되는 3차원 적층 구조물의 적층 제어 방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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