KR102427455B1 - 3ｄ 프린터의 베드 레벨링 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 출력물이 적층되는 평판 형상의 베드; 상기 베드의 상부에서 이동 가능하게 설치되고, 필라멘트를 용융시켜 상기 베드 상에 배출하는 노즐을 구비한 노즐 조립체; 상기 노즐 조립체의 일측에 구비되고, 상기 베드 측으로 이동하여 상기 베드와 접촉함으로써 상기 베드의 높이를 측정하는 터치 센서; 상기 베드의 4개의 모서리 부분에 각각 설치되어 상기 베드의 높이를 조정하는 구동부; 및 상기 터치 센서의 측정값에 기초하여 상기 구동부를 작동시켜 상기 베드의 높이를 조정하는 제어부를 포함하는 3D 프린터의 베드 레벨링 장치에 관한 것으로서, 산업용의 대형 3D 프린터에 적용이 가능하고, 베드의 재질에 영향을 받지 않으며, 정확하고 빠르게 베드 레벨링 작업을 수행할 수 있다.

Description

3Ｄ 프린터의 베드 레벨링 장치 및 방법{Apparatus and method for bed levelling of 3D printer}
본 발명은 3D 프린터의 노즐 팁과 베드 사이의 갭, 즉 오프셋을 자동으로 맞추기 위한 베드 레벨링 작업을 쉽고 빠르게 수행할 수 있는 3D 프린터의 베드 레벨링 장치 및 방법에 관한 것이다.
3D 프린터는 재료의 연속적인 레이어를 2차원 프린터와 같이 출력하여 이를 적층함으로써 대상물을 만드는 제조 장치로서, 디지털화된 도면 정보를 바탕으로 빠르게 대상물을 제작할 수 있어서 프로토타입 샘플 제작 등에 주로 사용된다.
이러한 3D 프린터의 제품 성형 방식에는, 광경화 수지에 레이저를 주사하여 주사된 부분이 경화되도록 하는 SLA(Stereo Lithography Apparatus) 방식, 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하여 소결시키는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식, 용융 수지를 압출하여 조형하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식, 고출력 레이저 빔으로 금속을 직접 성형하는 DMT(Laser-aid Direct Metal Tooling) 방식, 기계접합 조형 방식인 LOM(Laminated Object Manufacturing) 방식, 광경화성 수지가 저장된 수조의 하부로 광을 조사하여 경화시키는 DLP(Digital Light Processing) 방식 등이 있다.
이러한 3D 프린터의 출력물은 평평한 출력 베드 상에 적층되어 입체 형상을 유지하게 되고, 출력 베드 상의 출력물, 즉 조형물은 어느 정도 경화된 후에 출력 베드로부터 분리된다.
여기서, 3D 프린터의 출력물의 품질은 출력물의 첫 레이어(layer)와 베드 바닥의 부착 여부에 의해 큰 영향을 받는다. 즉, 3D 프린터의 노즐 팁(nozzle tip)과 베드(bed) 사이의 적절한 거리에 따라 출력 품질의 편차 및 조형 성공 여부가 결정된다. 노즐 팁과 베드 사이의 갭(gap)을 보통 오프셋(offset)이라 부르는데, 이 오프셋이 클 경우에는 출력물이 베드로부터 분리될 가능성이 높고, 너무 작을 경우에는 베드 상단을 노즐 팁이 긁거나, 필라멘트 사출량이 작아 조형물의 두께 감소가 발생할 수 있으며, 심할 경우 노즐의 정상 사출이 안되어 노즐 막힘 현상이 발생할 수도 있다. 이러한 문제점으로 인해 대부분의 3D 프린터는 조형 작업 전에 반드시 오프셋을 맞추는 작업, 즉 베드 레벨링(bed levelling) 작업을 진행하게 된다.
일반적으로 베드 레벨링 작업은 3D 프린터의 베드 평면 상에 3개의 지점을 설정하고, 이 3점의 높이를 측정하여 이 3점이 동일 높이가 되도록 베드의 높이를 조정하는 방식이다. 이러한 베드 레벨링 작업은 노즐 팁이 이동하면서 만드는 가상의 면이 거의 평면이고, 베드 면 또한 평면이라는 기본 가정에서 출발한다. 노즐 팁이 이동하면서 만드는 평면이나 베드 면이 모두 완전한 평면은 아니지만 그 정도의 오차는 가정용 3D 프린터의 기기 특성상 어느 정도 감안할 수 있기 때문에, 전술한 기본 가정은 베드 면적이 작을 때는 어느 정도 유효했다. 그러나, 산업용에 사용되는 대형 3D 프린터의 경우에는 구동부 및 노즐의 자중에 의한 처짐의 영향을 고려해야 하고, 베드 주변의 고온 환경에 따른 열변형의 영향도 고려해야 하므로, 노즐 팁과 베드 면이 평면이라는 가정은 더 이상 유효하지 않기 때문에, 산업용의 대형 3D 프린터에는 전술한 베드 레벨링 작업을 수행할 수 없었다.
또한, 종래의 베드 레벨링 작업은 비접촉식 광센서나 육안으로 측정된 Z축의 높이 값을 기준으로 베드 레벨링을 위해 스크류와 노브(knob)를 각각 돌려 평면도를 맞추고, 재차 평면도를 측정하는 일련의 과정을 반복적으로 수행하여 원하는 베드의 평면도를 맞추는 작업을 수행하게 된다. 그러나, 비접촉식 광센서의 경우 빛이 투과, 반사, 굴절되는 특성으로 인해 베드의 재질 선정에 영향을 미치며, 베드 주변의 고온 환경으로 인해 센서의 오차를 추가적으로 보정하기 위한 온도보정계수 작업 등을 거쳐야하는 번거로움이 있었다. 특히, 베드 재질이 투명한 유리 베드의 경우 종래의 광센서 타입의 경우 빛을 통과하는 문제점으로 인해 센싱 동작이 불가능한 경우가 있으며, 베드의 두께 변화의 경우에도 해당 센서를 그대로 사용하지 못하게 되며, 센서의 조립 포인트 이동 등의 작업이 별도로 수반되어야 하므로 유연한 대응이 어려웠다. 종래의 베드 레벨링 작업은 더욱이 베드의 높낮이를 조절할 수 있는 스크류와 노브를 사용하기 때문에, 사용자의 조작 능력에 베드 레벨링 결과가 크게 좌우되며 정밀도 및 소요 시간의 편차가 크게 발생하게 된다.
선행기술문헌 1: 한국등록특허 제10-1677452호(2016.11.18.)
선행기술문헌 2: 한국등록특허 제10-1899048호(2018.09.10.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 산업용의 대형 3D 프린터에 적용이 가능하고, 베드의 재질에 영향을 받지 않으며, 정확하고 빠르게 베드 레벨링 작업을 수행할 수 있는 3D 프린터의 베드 레벨링 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 장치는, 출력물이 적층되는 평판 형상의 베드; 상기 베드의 상부에서 이동 가능하게 설치되고, 필라멘트를 용융시켜 상기 베드 상에 배출하는 노즐을 구비한 노즐 조립체; 상기 노즐 조립체의 일측에 구비되고, 상기 베드 측으로 이동하여 상기 베드와 접촉함으로써 상기 베드의 높이를 측정하는 터치 센서; 상기 베드의 4개의 모서리 부분에 각각 설치되어 상기 베드의 높이를 조정하는 구동부; 및 상기 터치 센서의 측정값에 기초하여 상기 구동부를 작동시켜 상기 베드의 높이를 조정하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 터치 센서는 상기 노즐 조립체의 노즐 팁의 외측에 설치된 하우징 및 상기 하우징로부터 수직방향으로 연장되고 하방으로 이동하여 상기 베드와 접촉하는 터치 봉을 포함하고, 상기 터치 봉의 이동 거리에 기초하여 상기 베드와의 접촉 지점의 높이를 측정하는 접촉식 센서인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 구동부는 구동 모터, 상기 구동 모터와 상기 베드 사이에 수직방향으로 연결되고 상기 구동 모터의 구동에 의해 상기 베드의 높이를 조정하는 리드 스크류, 및 상기 리드 스크류와 나란하게 3D 프린터의 저면과 상기 베드 사이에 연장되어 상기 베드의 수직방향 이동을 가이드하는 가이드 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제어부는 상기 노즐 조립체의 이동과 상기 터치 센서의 작동을 제어하여 상기 베드의 외곽면의 높이를 조정하는 제1 레벨링 작업 및 상기 베드의 조형면의 높이를 조정하는 제2 레벨링 작업을 수행하고, 상기 제어부는 상기 노즐 조립체의 노즐 팁과 상기 베드 사이의 갭을 조정하는 오프셋값 설정 작업을 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 레벨링 작업은, 상기 베드의 외곽면의 4개의 모서리 지점의 각각의 높이를 측정하여 높이의 평균값을 계산한 후 이 평균값을 기준값으로 설정하고, 상기 구동부를 제어하여 상기 기준값에 맞춰 상기 베드의 4개의 모서리 지점의 높이를 조정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 레벨링 작업은, 상기 베드의 외곽면을 제외한 조형면을 복수의 조형 지점들로 나누고, 이 조형 지점들의 각각의 높이를 측정하여 저장한 후, 조형 작업시에 상기 구동부를 제어하여 사용자가 기 설정한 오프셋 값에 맞춰 상기 조형 지점들의 높이를 조정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 오프셋값 설정 작업은 상기 노즐 조립체의 노즐 팁과 상기 베드 사이에 두께 게이지를 삽입하고, 상기 구동부를 제어하여 상기 베드의 높이를 조정함으로써 상기 두께 게이지에 대응하는 오프셋 값을 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 방법은, a) 베드의 외곽면의 4개의 모서리 지점의 각각의 높이를 측정하여 높이의 평균값을 계산한 후 이 평균값을 기준값으로 설정하고, 구동부를 제어하여 상기 기준값에 맞춰 상기 베드의 4개의 모서리 지점의 높이를 조정하는 제1 베드 레벨링 단계; b) 상기 베드의 외곽면을 제외한 조형면을 복수의 조형 지점들로 나누고, 이 조형 지점들의 각각의 높이를 측정하여 저장하는 제2 베드 레벨링 단계; c) 상기 구동부를 제어하여 상기 베드의 높이를 조정함으로써, 노즐 조립체의 노즐 팁과 상기 베드 사이의 오프셋 값을 원하는 값으로 조정하는 오프셋 값 설정 단계; 및 d) 상기 노즐 조립체를 구동하여 상기 베드 상에 필라멘트를 사출하여 조형물을 출력하고, 상기 구동부를 제어하여 기 설정된 오프셋 값에 맞춰 상기 조형 지점들의 높이를 조정하는 조형 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 베드 레벨링 단계에서, 상기 노즐 조립체가 상기 베드의 4개의 모서리 지점들 중 하나의 지점으로 이동하여 터치 센서로 베드의 높이를 측정하고, 상기 베드의 나머지 모서리 지점들로의 상기 노즐 조립체의 이동 및 터치 센서의 높이 측정 과정을 순차적으로 반복한 후, 상기 베드의 4개의 모서리 저점들의 높이의 평균값을 계산하여 기준값을 설정하고, 상기 기준값을 기초로 구동부를 제어하여 상기 베드의 4개의 모서리 지점들의 높이를 조정하고, 상기 베드의 4개의 모서리 지점들의 높이 편차값이 설정값 이하인 경우, 상기 제1 베드 레벨링 단계가 종료되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2 베드 레벨링 단계에서, 상기 베드의 외곽면을 제외한 상기 베드의 조형면은 복수의 조형 지점들로 나뉘고, 상기 노즐 조립체는 복수의 조형 지점들로 이동하고 상기 터치 센서는 복수의 조형 지점들의 각각의 높이를 측정하여 저장하는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 조형 단계에서, 상기 노즐 조립체가 위치한 조형 지점에서 기 설정된 오프셋 값을 기준으로 상기 구동부를 제어하여 해당 조형 지점의 베드 높이를 조정한 후 조형 작업을 진행하고, 나머지 조형 지점들에서도 기 설정된 오프셋 값을 기준으로 상기 구동부를 제어하여 해당 조형 지점의 베드 높이를 조정한 후 조형 작업을 진행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 베드의 외곽 부분(모서리) 뿐만 아니라 베드의 중심 부분(조형면)의 레벨링 작업을 통해 조형 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 종래의 스크류와 노브를 이용한 수동 레벨링 작업에서 탈피하여 모서리 지점 및 조형 지점의 높이를 측정한 후 설정된 오프셋 값에 맞춰 자동으로 베드 레벨링 작업을 수행함으로써 항상 일정한 베드 평면도를 유지할 수 있고, 이에 따라 우수한 조형 품질을 보증할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 접촉식 터치 센서를 사용함으로써 베드의 높낮이 변화 및 베드의 재질 변경에 따라 유동적으로 대응이 가능하고, 사용자의 요구사항에 빠르게 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 장치를 개략적으로 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 장치의 노즐 조립체를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 장치의 터치 센서를 도시한 사시도,
도 4와 5는 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 장치의 제1 레벨링 작업을 도식화한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 장치의 제2 레벨링 작업을 도식화한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 장치의 오프셋 값 설정 작업을 도식화한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 방법을 개략적으로 도시한 플로우차트.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 참고로, 아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 장치는 출력물이 적층되면서 조형되는 평판 형상의 베드(110), 베드(110) 상에 필라멘트를 용융시켜 배출하는 노즐 조립체(120), 베드(110)의 높이를 측정하는 터치 센서(130), 베드(110)의 높이를 조정하는 구동부(140), 및 베드(110)의 높이를 조정하기 위해 구동부(140)의 작동을 제어하는 제어부(미도시)를 포함한다.
베드(110)는 수평 프레임(101) 상에 지지되고, 사각 평판 형상으로 형성되어 구동부(140)에 의해 높이가 조절된다.
노즐 조립체(120)는 베드(110)의 상부에서 수평방향으로, 즉 XY방향으로 이동 가능하게 설치된다. 이 노즐 조립체(120)는 필라멘트의 이송 경로, 이송 롤러 및 이송 모터가 구비된 본체(121), 그리고 본체로부터 이송된 필라멘트를 용융시켜 베드(110) 상으로 배출하는 노즐(122)을 포함한다.
터치 센서(130)는 노즐 조립체(120)의 일측에 구비되고, 베드(110)의 상면 측으로 이동하여 베드(110)와 접촉함으로써 베드(110)의 높이(Z값)를 측정한다. 여기서, 터치 센서(130)는 노즐 조립체(120)의 노즐 팁(123)의 외측에 설치된 하우징(131) 및 이 하우징(131)으로부터 수직방향으로 연장되고 하방으로 이동하여 베드(110)와 접촉하는 터치 봉(132)을 포함한다. 이 터치 센서(130)는 터치 봉(132)의 이동 거리, 즉, 터치 봉(132)과 베드(110) 사이의 거리에 기초하여 베드(110)와의 접촉 지점의 높이를 측정하도록 구성된다.
구동부(140)는 베드(110)의 외곽 부분, 구체적으로는 베드(110)의 4개의 모서리 부분에 각각 설치되어 베드(110)의 높이를 조정하도록 구성된다. 구체적으로, 구동부(140)는 지면(또는 3D 프린터의 저면)에 설치되는 구동 모터(141), 구동 모터(141)와 베드(110) 사이에 수직방향으로 연결되고 구동 모터(141)의 구동에 의해 베드(110)의 높이를 조정하는 리드 스크류(142), 및 리드 스크류(142)와 나란하게 3D 프린터의 저면과 베드(110) 사이에 연장되어 베드(110)의 수직방향 이동을 가이드하는 가이드 샤프트(143)를 포함한다.
제어부는 터치 센서(130)에 의해 측정된 베드(110)의 높이, 즉 Z값에 기초하여 구동부(140)를 작동시킴으로써 베드(110)의 높이를 조정하는 역할을 한다.
여기서, 제어부는 노즐 조립체(120)의 이동과 노즐 조립체(120)와 일체로 이동하는 터치 센서(130)의 작동을 제어하여 베드(110)의 외곽면의 4개의 모서리 지점들의 높이를 조정하는 제1 레벨링 작업 및 베드(110)의 조형면의 복수의 조형 지점들의 높이를 조정하는 제2 레벨링 작업을 수행한다. 또한, 제어부는 노즐 조립체(120)의 노즐 팁(123)과 베드(110) 사이의 갭(gap)을 조정하여 원하는 오프셋 값으로 설정하는 오프셋값 설정 작업을 수행한다.
도 4와 5를 참조하면, 제1 레벨링 작업은 다음과 같이 수행된다. 베드(110)의 외곽면의 4개의 모서리 지점들(B1, B2, B3, B4)의 각각의 높이(Z1, Z2, Z3, Z4)를 측정하여 평균값을 기준값으로 설정한다. 이어서, 제어부는 구동부(140)를 제어하여 기준값에 맞춰 베드(110)의 4개의 모서리 지점들(B1, B2, B3, B4)의 높이를 조정한다. 이러한 제1 레벨링 작업에 의해 베드(110)의 4개의 모서리 지점들의 높이가 대략 수평하게 조정될 수 있다. 도면에서 도면부호 M1, M2, M3, M4는 구동모터(141)를 의미하며, 도변부호 O는 베드의 중심점을 의미한다.
도 6을 참조하면, 제2 레벨링 작업은 다음과 같이 수행된다. 먼저, 베드(110)의 외곽면을 제외한 중심 부분의 조형면을 복수의 조형 지점들(Z(1,1), Z(1,2)..., Z(5,4), Z(5,5))로 나눈다. 도면에서는 조형면을 가로와 세로 각각 5개씩 총 25개의 조형 지점들로 나눈 예를 도시하였다. 그러나, 조형 지점들은 10×10=100개, 또는 다른 수의 지점들로 나뉠 수 있다. 이어서, 터치 센서(130)를 이용하여 베드 조형면의 조형 지점들의 각각의 높이를 측정하여 저장(기록)한다. 그리고, 노즐 조립체(120)에 의한 조형 작업시에, 제어부는 구동부(140)를 제어하여 사용자가 기 설정한 오프셋 값에 맞워 조형 지점들의 높이를 조정한다. 이러한 제2 레벨링 작업에 의해 베드(110)의 복수의 조형 지점들은 조형 작업 중에 기 설정한 오프셋 값에 맞춰 높이가 조절됨으로써 일정한 조형 품질을 유지할 수 있다.
한편, 도 7을 참조하면, 오프셋 값 설정 작업은 다음과 같이 수행된다. 먼저, 노즐 조립체(120)의 노즐 팁(123)과 베드(110) 사이에 두께 게이지(150)를 삽입하고, 구동부(140)를 제어하여 베드(110)의 높이를 조정한다. 이때, 두께 게이지(150)를 이용하여 노즐 팁(123)과 베드(110) 사이의 간격, 즉 갭(gap)를 측정하고, 사용자가 원하는 갭(gap)량 만큼 베드(110)의 높이를 조정한 후 그 값을 저장한다. 이 저장된 값이 설정된 오프셋 값이 된다. 그리고, 이와 같이 설정된 오프셋 값은 전술한 제2 레벨링 작업 중에 레벨링 기준값으로서의 역할을 한다.
이하, 도 1 내지 8을 참조하여 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 방법을 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 방법은 제1 베드 레벨링 단계(S100), 제2 베드 레벨링 단계(S200), 오프셋 값 설정 단계(S300), 및 조형 단계(S400)를 포함한다.
제1 베드 레벨링 단계(S100)는 베드(110)의 외곽면의 4개의 모서리 지점들(B1, B2, B3, B4)의 각각의 높이를 측정하여 평균값을 계산한 후 이 평균값을 기준값으로 설정하고, 구동부(140)를 제어하여 기준값에 맞춰 베드(110)의 4개의 모서리 지점의 높이를 조정하는 단계이다.
구체적으로, 제1 베드 레벨링 단계에서, 노즐 조립체(120)는 베드(110)의 하나의 모서리 지점(B1)위치로 이동하고, 이 위치에서 터치 센서(130)는 모서리 지점(B1)의 높이를 측정한다. 이어서, 노즐 조립체(120)는 베드(110)의 다른 모서리 지점(B4)로 이동하고, 이 위치에서 터치 센서(130)는 모서리 지점(B4)의 높이를 측정한다. 계속해서, 노즐 조립체(120)는 베드(110)의 다른 모서리 지점(B3)로 이동하고, 이 위치에서 터치 센서(130)는 모서리 지점(B3)의 높이를 측정한다. 마지막으로, 노즐 조립체(120)는 베드(110)의 다른 모서리 지점(B2)로 이동하고, 이 위치에서 터치 센서(130)는 모서리 지점(B2)의 높이를 측정한다. 그러면, 제어부는 측정된 4개의 모서리 지점들의 높이의 평균값을 계산하여 기준값을 설정하고, 이 기준값을 기초로 구동부(140)를 제어하여 베드(110)의 4개의 모서리 지점들의 높이를 조정함으로써, 개략적인 베드(110)의 평면도를 보장한다. 이때, 베드(110)의 4개의 모서리 지점들의 높이 편차값이 설정값, 예를 들면 0.02mm 이하인 경우, 제1 레벨링 단계가 종료된다.
제2 레벨링 단계(S200)는 베드(110)의 외곽면을 제외한 조형면을 복수의 조형 지점들(Z(1,1), Z(1,2)..., Z(5,4), Z(5,5))로 나누고, 이 조형 지점들의 각각의 높이를 측정하여 저장하는 단계이다.
이 제2 레벨링 단계에서, 베드(110)의 외곽면을 제외한 베드(110)의 조형면은 복수의 조형 지점들, 예를 들면 25개로 나뉜다. 그리고, 노즐 조립체(120)는 복수의 조형 지점들로 순차적으로 이동하면서 터치 센서(130)가 복수의 조형 지점들의 각각의 높이를 측정하여 저장한다.
오프셋 값 설정 단계(S300)는 노즐 조립체(120)의 노즐 팁(123)과 베드(110) 사이의 갭(gap)량, 즉 오프셋 값을 원하는 값으로 조정하기 위해, 구동부(140)를 제어하여 베드의 각 조형 지점들의 높이를 조정하는 단계이다.
이 오프셋 값 설정 단계는 다음과 같이 수행될 수 있다. 먼저, 노즐 조립체(120)의 노즐 팁(123)과 베드(110) 사이에 두께 게이지(150)를 삽입하고, 구동부(140)를 제어하여 베드(110)의 높이를 조정한다. 이때, 두께 게이지(150)를 이용하여 노즐 팁(123)과 베드(110) 사이의 간격, 즉 갭(gap)를 측정하고, 사용자가 원하는 갭(gap)량 만큼 베드(110)의 높이를 조정한 후 그 값을 저장한다. 이 저장된 값이 설정된 오프셋 값이 된다. 그리고, 이와 같이 설정된 오프셋 값은 전술한 제2 레벨링 작업 중에 레벨링 기준값으로서의 역할을 한다.
조형 단계(S400)는 노즐 조립체(120)를 구동하여 베드(110) 상에 필라멘트를 사출하여 조형물을 출력하는 단계로서, 이 조형 단계 동안에 구동부(140)를 제어하여 기 설정된 오프셋 값에 맞춰 조형 지점들의 높이를 조정함으로써, 조형 중에 각 조형 지점들의 오프셋 값을 일정하게 유지하기 위한 단계이다.
이 조형 단계에서, 노즐 조립체(120)가 위치한 조형 지점에서 기 설정된 오프셋 값을 기준으로 구동부(140)를 제어하여 해당 조형 지점의 베드 높이를 조정한 후 조형 작업이 진행된다. 즉, 조형을 위해 이동한 노즐 조립체(120)가 용융된 필라멘트를 조형 지점에 사출하기 전에 조형 지점의 오프셋 값을 설정된 값으로 조정한 후에 조형 작업이 이루어진다. 마찬가지로, 나머지 조형 지점들에서도 기 설정된 오프셋 값을 기준으로 구동부를 제어하여 해당 조형 지점의 베드 높이를 조정한 후 조형 작업이 진행된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 장치는 베드의 외곽 부분(모서리) 뿐만 아니라 베드의 중심 부분(조형면)의 레벨링 작업을 통해 조형 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 종래의 스크류와 노브를 이용한 수동 레벨링 작업에서 탈피하여 모서리 지점 및 조형 지점의 높이를 측정한 후 설정된 오프셋 값에 맞춰 자동으로 베드의 레벨링 작업을 수행함으로써 항상 일정한 베드 평면도를 유지할 수 있고, 이에 따라 우수한 조형 품질을 보증할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101: 수평 프레임 110: 베드
120: 노즐 조립체 121: 본체
122: 노즐 123: 노즐 팁
130: 터치 센서 131: 하우징
132: 터치 봉 140: 구동부
141: 구동 모터 142: 리드 스크류
143: 가이드 샤프트 150: 두께 게이지
B1, B2, B3, B4: 베드의 모서리 지점들
Z(1,1), Z(1,2)..., Z(5,4), Z(5,5): 베드의 조형 지점들

Claims (11)

  1. 출력물이 적층되는 평판 형상의 베드;
    상기 베드의 상부에서 이동 가능하게 설치되고, 필라멘트를 용융시켜 상기 베드 상에 배출하는 노즐을 구비한 노즐 조립체;
    상기 노즐 조립체의 일측에 구비되고, 상기 베드 측으로 이동하여 상기 베드와 접촉함으로써 상기 베드의 높이를 측정하는 터치 센서;
    상기 베드의 4개의 모서리 부분에 각각 설치되어 상기 베드의 높이를 조정하는 구동부; 및
    상기 터치 센서의 측정값에 기초하여 상기 구동부를 작동시켜 상기 베드의 높이를 조정하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 노즐 조립체의 이동과 상기 터치 센서의 작동을 제어하여 상기 베드의 외곽면의 높이를 조정하는 제1 레벨링 작업 및 상기 베드의 조형면의 높이를 조정하는 제2 레벨링 작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 베드 레벨링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터치 센서는 상기 노즐 조립체의 노즐 팁의 외측에 설치된 하우징 및 상기 하우징로부터 수직방향으로 연장되고 하방으로 이동하여 상기 베드와 접촉하는 터치 봉을 포함하고, 상기 터치 봉의 이동 거리에 기초하여 상기 베드와의 접촉 지점의 높이를 측정하는 접촉식 센서인 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 베드 레벨링 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 구동 모터, 상기 구동 모터와 상기 베드 사이에 수직방향으로 연결되고 상기 구동 모터의 구동에 의해 상기 베드의 높이를 조정하는 리드 스크류, 및 상기 리드 스크류와 나란하게 3D 프린터의 저면과 상기 베드 사이에 연장되어 상기 베드의 수직방향 이동을 가이드하는 가이드 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 베드 레벨링 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 노즐 조립체의 노즐 팁과 상기 베드 사이의 갭을 조정하는 오프셋값 설정 작업을 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 베드 레벨링 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 레벨링 작업은, 상기 베드의 외곽면의 4개의 모서리 지점의 각각의 높이를 측정하여 높이의 평균값을 계산한 후 이 평균값을 기준값으로 설정하고, 상기 구동부를 제어하여 상기 기준값에 맞춰 상기 베드의 4개의 모서리 지점의 높이를 조정하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 베드 레벨링 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 레벨링 작업은, 상기 베드의 외곽면을 제외한 조형면을 복수의 조형 지점들로 나누고, 이 조형 지점들의 각각의 높이를 측정하여 저장한 후, 조형 작업시에 상기 구동부를 제어하여 사용자가 기 설정한 오프셋 값에 맞춰 상기 조형 지점들의 높이를 조정하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 베드 레벨링 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 오프셋값 설정 작업은 상기 노즐 조립체의 노즐 팁과 상기 베드 사이에 두께 게이지를 삽입하고, 상기 구동부를 제어하여 상기 베드의 높이를 조정함으로써 상기 두께 게이지에 대응하는 오프셋 값을 설정하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 베드 레벨링 장치.
  8. 제1항에 따른 3D 프린터의 베드 레벨링 장치를 이용한 3D 프린터의 베드 레벨링 방법으로서,
    a) 베드의 외곽면의 4개의 모서리 지점의 각각의 높이를 측정하여 높이의 평균값을 계산한 후 이 평균값을 기준값으로 설정하고, 구동부를 제어하여 상기 기준값에 맞춰 상기 베드의 4개의 모서리 지점의 높이를 조정하는 제1 베드 레벨링 단계;
    b) 상기 베드의 외곽면을 제외한 조형면을 복수의 조형 지점들로 나누고, 이 조형 지점들의 각각의 높이를 측정하여 저장하는 제2 베드 레벨링 단계;
    c) 상기 구동부를 제어하여 상기 베드의 높이를 조정함으로써, 노즐 조립체의 노즐 팁과 상기 베드 사이의 오프셋 값을 원하는 값으로 조정하는 오프셋 값 설정 단계; 및
    d) 상기 노즐 조립체를 구동하여 상기 베드 상에 필라멘트를 사출하여 조형물을 출력하고, 상기 구동부를 제어하여 기 설정된 오프셋 값에 맞춰 상기 조형 지점들의 높이를 조정하는 조형 단계를 포함하는 3D 프린터의 베드 레벨링 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 베드 레벨링 단계에서, 상기 노즐 조립체가 상기 베드의 4개의 모서리 지점들 중 하나의 지점으로 이동하여 터치 센서로 베드의 높이를 측정하고, 상기 베드의 나머지 모서리 지점들로의 상기 노즐 조립체의 이동 및 터치 센서의 높이 측정 과정을 순차적으로 반복한 후, 상기 베드의 4개의 모서리 저점들의 높이의 평균값을 계산하여 기준값을 설정하고, 상기 기준값을 기초로 구동부를 제어하여 상기 베드의 4개의 모서리 지점들의 높이를 조정하고,
    상기 베드의 4개의 모서리 지점들의 높이 편차값이 설정값 이하인 경우, 상기 제1 베드 레벨링 단계가 종료되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 베드 레벨링 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 베드 레벨링 단계에서, 상기 베드의 외곽면을 제외한 상기 베드의 조형면은 복수의 조형 지점들로 나뉘고, 상기 노즐 조립체는 복수의 조형 지점들로 이동하고 상기 터치 센서는 복수의 조형 지점들의 각각의 높이를 측정하여 저장하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 베드 레벨링 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 조형 단계에서, 상기 노즐 조립체가 위치한 조형 지점에서 기 설정된 오프셋 값을 기준으로 상기 구동부를 제어하여 해당 조형 지점의 베드 높이를 조정한 후 조형 작업을 진행하고, 나머지 조형 지점들에서도 기 설정된 오프셋 값을 기준으로 상기 구동부를 제어하여 해당 조형 지점의 베드 높이를 조정한 후 조형 작업을 진행하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 베드 레벨링 방법.
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