KR102434429B1

KR102434429B1 - 3차원 프린팅을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법

Info

Publication number: KR102434429B1
Application number: KR1020160039428A
Authority: KR
Inventors: 이상범; 김규형; 양소영; 최은창
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2022-08-22
Also published as: KR20170112407A

Abstract

3차원 프린팅을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법이 제공된다. 이 방법은, 3차원 이미지 데이터를 STL(STereoLithography) 형식의 입체 조형 데이터로 변환하는 단계; 상기 입체 조형 데이터를 렌더링(rendering)하여, 입체감을 갖는 3차원 모델을 생성하는 단계; 상기 3차원 모델을 다수의 슬라이스(slice)로 슬라이싱 하는 단계; 및 각 슬라이스 별로, 슬라이스의 내부 영역에서 노즐의 이동 경로를 나타내는 내부 툴패스와 슬라이스의 외부 영역에서 노즐의 이동 경로를 나타내는 외부 툴패스를 생성하는 단계;를 포함한다.

Description

3차원 프린팅을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법{METHOD OF GENERATING TOOLPATH FOR MANUFACTURING SCAFFOLD BY USING THREE DIMENSIONAL-PRINTING}

본 발명은 3차원 프린팅을 이용하여 다공성 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법에 관한 것이다.

3차원(three Dimensional) 프린팅 기술은 3차원 저작 툴이나 3차원 스캐너에 의해 디자인된 3차원 모델에 상응하는 3차원의 형상물을 단면(슬라이스) 단위로 한 층씩 적층하는 적층 가공(Additive Manufacturing) 방식으로 제작하는 기술을 말한다.

이러한 3차원 프린팅 기술은 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 최근 조직공학 및 조직재생 분야에서 주목 받고 있는 스캐폴드(scaffold)를 제조하기 위해 3D 프린팅 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

스캐폴드(scaffold)는 지지체 또는 뼈대를 의미하는 용어로, 조직공학 및 조직재생 분야에서는 세포가 부착하여 생장할 수 있는 3D의 구조체로 기능한다.

3D 프린팅 기술을 이용한 스캐폴드의 제조과정은 크게 제조하고자 하는 스캐폴드(scaffold)의 3차원 데이터를 생성하는 과정, 생성된 3D 데이터를 프린팅 장비가 인식할 수 있는 데이터로 변환하는 데이터 변환 과정 및 변환된 데이터에 따라 적층 가공 방식으로 3차원 형상의 스캐폴드를 제작하는 과정으로 이루어진다.

한편, 이상적인 스캐폴드는 세포나 조직의 성장을 돕기 위해 영양분 공급과 대사가 원활하도록 높은 다공성 구조를 가져야 한다.

높은 다공성 구조를 갖기 위해, 기공의 크기, 기공률, 기공의 형상 등이 조절되어야 하는데, 이러한 기공의 크기, 기공률, 기공의 형상 등은 프린팅 장비에 설치된 노즐(nozzle)의 툴패스(toolpath)에 의해 조절된다.

툴패스(toolpath)는 노즐의 이동 경로(움직임 경로 또는 가공 경로)를 의미하며, 이러한 노즐의 이동 경로는 앞에서 설명한 3차원 프린팅 기술을 이용한 스캐폴드의 제조과정 중 데이터 변환 과정에서 결정된다.

즉, 상기 데이터 변환 과정에서 노즐의 이동 경로를 나타내는 이동 경로 데이터가 생성되고, 프린팅 장비는 상기 생성된 이동 경로 데이터에 따라 노즐의 이동을 제어하여, 기공의 크기, 기공률, 기공의 형상 등이 조절된 3D 형상의 스캐폴드를 제조하게 된다.

그런데, 피스톤과 노즐을 이용하는 토출 기반의 프린팅 장비에서는 노즐이 이동하는 동안에도 재료가 지속적으로 토출되기 때문에, 노즐이 미완성된 스캐폴드의 상부 영역을 이동하는 과정에서 재료를 토출하면, 스캐폴드의 3차원 형상이 무너지게 되어, 제작자가 원하는 기공의 크기, 기공률, 기공의 형상을 갖는 스캐폴드를 제작할 수 없게 된다.

따라서, 피스톤과 노즐을 이용하는 토출 기반의 프린팅 장비에서 노즐의 이동 경로 즉, 노즐의 툴패스(toolpath)를 정밀하게 제어할 수 있는 방법이 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 노즐의 툴패스를 정밀하게 제어할 수 있는 3차원 프린팅 기술을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법을 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 3차원 프린팅을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법은, 3차원 이미지 데이터를 STL(STereoLithography) 형식의 입체 조형 데이터로 변환하는 단계; 상기 입체 조형 데이터를 렌더링(rendering)하여, 입체감을 갖는 3차원 모델을 생성하는 단계; 상기 3차원 모델을 다수의 슬라이스(slice)로 슬라이싱 하는 단계; 및 각 슬라이스 별로, 슬라이스의 내부 영역에서 노즐의 이동 경로를 나타내는 내부 툴패스와 슬라이스의 외부 영역에서 노즐의 이동 경로를 나타내는 외부 툴패스를 생성하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따르면, 슬라이스의 외부 영역에서의 외부 툴패스에 따라 결정된 노즐의 외부 이동 경로를 생성하여, 노즐의 이동을 정밀하게 제어함으로써, 노즐이 임의의 슬라이스에서 다른 슬라이스로 이동하는 과정에서 출력물을 지속적으로 토출하여 발생하는 문제로 인해 원하는 결과물을 얻지 못하는 종래의 문제점을 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 프린팅 장비의 주요 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 툴패스 생성부의 주요 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시한 슬라이싱부에서 3차원 모델의 슬라이싱 과정을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시한 3차원 모델을 구성하는 삼각형과 평면 사이의 교차 형태들을 나타내는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 N-1번째 슬라이스 내부에서 노즐의 이동 경로를 나타내는 내부 선분을 추출 과정을 도식적으로 나타낸 도면들이다.
도 8은 N번째 슬라이스에서의 내부 선분을 나타낸 도면이다.
도 9 및 10은 도 2에 도시한 선분 추출부에서 외부 툴패스에 해당하는 외부 선분의 생성과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 프린팅을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법을 나타낸 흐름도이다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 발명의 다양한 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나, 이는 본 발명의 다양한 실시예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 다양한 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.

본 발명의 다양한 실시예에서 사용될 수 있는“포함한다” 또는 “포함할 수 있다” 등의 표현은 개시(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 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.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 프린팅 장치의 주요 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 프린팅 장치는 3차원 프린팅 기술을 기반으로 3차원 형상의 스캐폴드(scaffold)(40)를 제작한다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 프린팅 장치(100)는 크게 제어부(110)와 상기 제어부(110)에 의해 제어되는 3차원 프린터(120, '3D 프린터'라 함)를 포함한다.

상기 제어부(110)는 상기 3D 프린터(120)의 전반적인 동작을 관리 및 제어하는 제어 데이터(30)를 생성하며, 상기 제어 데이터(30)는 입력된 3차원 이미지 데이터(10)에 상응하는 스캐폴드(40)를 제작하기 위한 툴패스(toolpath: 이동 경로 또는 가공 경로)를 포함한다. 툴패스는 상기 3D 프린터(120)에 구비된 노즐(124)의 이동 경로(또는 가공 경로)를 나타내는 데이터일 수 있다.

상기 3차원 이미지 데이터(10)는 제작자가 제작하고자 하는 스캐폴드(40)를 3차원 저작 툴이나 3차원 스캐너를 이용하여 디자인된 이미지 데이터로서, 재생 의학 분야에서 활용되는 스캐폴드(40)를 제작하는 경우, 상기 3차원 스캐너는 CT 또는 MRI 등의 의료 측정 장비일 수 있다.

상기 툴패스(26)를 생성하기 위해, 상기 제어부(110)는 데이터 변환부(112) 및 툴패스 생성부(114)를 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 데이터 변환부(112)는 입력된 3차원 이미지 데이터(10)를 스테레오리소그라피 (STereoLithography: STL) 형식의 입체 조형 데이터(20)로 변환한다. 상기 STL 형식의 입체 조형 데이터(20)는 수백만 개의 삼각형의 집합체인 메쉬 정보를 포함하도록 구성되며, 이러한 메쉬 정보는 꼭지점(vertex) 정보, 삼각형을 구성하기 위한 연결 정보 및 법선 벡터(normal vector) 정보의 집합체를 포함하도록 구성된다.

상기 툴패스 생성부(114)는 상기 STL 형식의 입체 조형 데이터(20)로부터 입체감이 부여된 3차원 모델을 생성하고, 생성된 3차원 모델을 해석하여, 노즐(124)의 이동 경로를 나타내는 툴패스를 생성한다. 이때, 생성된 툴패스는 각 슬라이스의 내부에서의 노즐(124)의 이동 경로를 나타내는 내부 툴패스와 각 슬라이스의 외부에서의 노즐(124)의 이동 경로를 나타내는 외부 툴패스를 포함한다.

또한 상기 툴패스 생성부(114)는 상기 생성된 툴패스에 따라 상기 3D 프린터(120)를 제어하기 위한 제어 데이터(30)를 생성한다. 이때, 상기 제어 데이터(30)는 상기 3D 프린터(120)에 구비된 노즐(124)의 이동을 제어하기 위한 명령어인 G-코드(G-code)일 수 있다.

상기 툴패스 생성부(114)에 대해서는 아래의 도 2를 참조하여 상세히 기술한다.

상기 3차원 프린터(120)는 상기 3차원 모델(10)에 상응하는 3차원의 스캐폴드(40)를 제작하는 구성으로, 구동 모터(122) 및 노즐(124)을 포함한다.

구동 모터(122)는 상기 툴패스 생성부(114)로부터 입력된 제어 데이터(30)에 따라 상기 노즐(124)을 X, Y 및 Z축으로 이동시키는 구동력을 출력한다. 구동 모터(122)는 상기 노즐(124)을 X축 방향의 이동과 Y축 방향의 이동을 제어하는 XY축 이동 장치(XY 이동 스테이지)와 상기 노즐(124)을 Y축 방향의 이동을 제어하는 Z축 이동 장치에 구동력을 제공하는 다수의 모터를 포함할 수 있다. 도면의 간략화를 위해, 도 1에서는 XY축 이동 장치 및 Z축 이동 장치를 도시하지는 않는다.

상기 노즐(124)은 상기 구동력에 따라 상기 툴패스에 따라 X, Y 및 Z축으로 이동하면서, 한 층씩 적층하는 방식으로 3차원 형상의 스캐폴드(40)를 제작하기 위해, 출력물을 출력한다. 여기서, 상기 출력물은 스캐폴드(40)의 제작 재료이다.

한편, 상기 노즐(124)은 상기 출력물을 작은 방울(droplet) 형태로 형성하여 불연속적으로 출력하는 잉크젯 방식 또는 피스톤(도시하지 않음)에 의해 연속적으로 출력하는 토출 방식으로 구현될 수 있으며, 본 실시예에서는 토출 방식으로 구현된 노즐을 가정한다.

도 2는 도 1에 도시한 툴패스 생성부의 주요 구성을 나타낸 블록도이다.

도 2를 참조하면, 상기 툴패스 생성부(114)는 렌더링부(114-2), 슬라이싱부(114-2), 선분 생성부(114-4) 및 G-코드(G-Code) 생성부(114-8)를 포함하도록 구성될 수 있다.

상기 렌더링부(114-2)는 상기 데이터 변환부로(112)로부터 입력되는 상기 STL 형식의 입체 조형 데이터(20)를 렌더링(rendering)하여, 입체감을 갖는 3차원 모델(22)을 생성한다.

상기 STL 형식은 텍스트 기반의 파일 포맷 혹은 바이너리로 저장된 3차원 좌표 데이터의 배열이다. 상기 슬라이싱부(114-2)에 수행하는 슬라이싱 과정은 입체감이 부여된 3차원 모델에서 처리되는 작업이므로, 상기 STL 형식의 3차원 모델(20)은 상기 렌더링부(114-2)에 의해 입체감이 부여된 3차원 모델(22)로 렌더링된다.

상기 슬라이싱부(114-2)는 상기 렌더링된 3차원 모델(22)을 다수의 슬라이스로 슬라이싱(slicing)하는 슬라이싱 작업을 수행한다. 슬라이싱 작업은 상기 렌더링된 3차원 모델을 나타내는 데이터를 여러 개의 얇은 층으로 나누어진 슬라이스를 나타내는 데이터로 변환하는 과정으로, 이러한 슬라이싱 작업의 원리가 도 2에 도식적으로 나타난다.

도 2에 도시된 바와 같이, 육면체의 3차원 모델(51)을 가정할 때, 육면체의 3차원 모델(51)을 슬라이싱 하기 위해, 우선, 기준 평면(53)이 정의된다. 기준 평면(53)은, 3차원 모델(51)을 슬라이싱 할 때, 사용하는 평면으로, X-Y 평면에 수평인 복수개의 평면으로 구성되고, 법선 방향은 Z축이다. 도 2에서는 도면의 간략화를 위해, 하나의 기준 평면(53)만을 도시한 것이다.

도 3에서는 X-Y-Z 축의 3차원 직교 좌표계에서 육면체의 3차원 모델(51)이 Z축으로 세워져 있는 경우이고, 이 경우, 기준 평면(53)은 XY 평면을 기준으로 Z축에서 3차원 모델의 최저값(Z_min)부터 최고값(Z_min)가지 슬라이싱을 수행한다.

슬라이싱이 완료되면, 3차원 모델(51)과 분할된 각 기준 평면(53) 사이의 교차를 탐색한다. 즉, 3차원 모델(51)을 구성하는 모든 삼각형과 각 기준 평면(53) 사이의 교차를 탐색한다.

3차원 모델(51)을 구성하는 삼각형과 각 기준 평면(53) 사이의 교차 형태는, 도 4에 도시된 바와 같이, 삼각형과 평면(53) 간의 교차가 없는 경우(A), 삼각형과 평면(53)이 점 형태로 교차하는 경우(B), 삼각형과 평면(53)이 선분 형태로 교차하는 경우(C), 삼각형과 평면(53)이 면 형태로 교차하는 4가지의 경우로 나눌 수 있다.

위의 4가지 경우들(A, B, C, D) 중 C 경우에 해당하는 선분 교차가 탐색되면, 선분 교차에 해당하는 선분(선분 데이터: 3차원의 좌표값)을 검출하고, 슬라이스 클래스에 저장한 후, 3차원 모델(51)과 모든 기준 평면(53) 간의 교차 탐색이 완료되면, 슬라이스 클래스 내에서 중복되는 선분을 제거하면, 다각형의 슬라이스를 획득하게 된다. 도 3의 육면체의 3차원 모델(51)의 경우, 사각형의 슬라이스가 획득된다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 선분 생성부(114-6)는 상기 슬라이싱부(114-4)에서 생성한 각 슬라이스 내부에서 노즐(124)의 이동 경로를 나타내는 내부 선분과 각 슬라이스의 외부에서의 노즐(124)의 이동 경로를 나타내는 외부 선분을 추출하고, 추출된 내부 선분과 외부 선분을 툴패스로 생성한다.

툴패스를 생성하기 위해, 먼저, X축 기준 선분과 Y축 기준 선분으로 이루어진 기준 선분이 정의된다.

상기 X축 기준 선분은 N-1번째 슬라이스 내부에서 노즐(124)의 이동 경로를 나타내는 내부 선분을 추출하기 위한 선분이고, 상기 Y축 기준 선분은 N번째 슬라이스 내부에서 노즐(124)의 이동 경로를 나타내는 내부 선분을 추출하기 위한 선분이다. 여기서, N은 2이상의 자연수이다.

상기 X축 기준 선분은 X축 방향과 평행하게 연장되고, Y축 방향의 등간격으로 배열되는 복수개로 정의되고, 상기 Y축 기준 선분은 Y축 방향과 평행하게 연장되고, X축 방향의 등간격으로 배열되는 복수개로 정의된다.

N-1번째 슬라이스 내부에서 노즐(124)의 이동 경로를 나타내는 내부 선분이 추출 과정에 대해서 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 도 5 내지 7에서는 육각형의 슬라이스(62)를 가정한다.

먼저, 도 5를 참조하면, X축 기준 선분(61)이 생성되면, 생성된 X축 기준 선분(61)과 육각형의 슬라이스(62) 간의 교차 선분(63)을 탐색한다.

이어, 도 6을 참조하면, 탐색된 교차 선분(63)의 양 끝점들을 탐색한다. 즉, 생성된 X축 기준 선분(61)과 육각형의 슬라이스(62) 간의 교차점(64)을 탐색한다. 여기서, 탐색된 교차점(64)은 툴패스로 사용될 선분의 시작점과 끝점을 결정하는데 사용된다.

이어, 도 7을 참조하면, 교차 선분의 양 끝점 중 선택된 끝점과 상기 교차 선분에 인접한 다른 교차 선분의 양 끝점 중 상기 선택된 끝점에 가장 가까운 끝점을 추가 선분(65)으로 연결함으로써, N-1번째 슬라이스 내부에서 노즐(124)의 이동 경로를 나타내는 내부 선분이 추출되고, 추출된 내부 선분은 N-1번째 슬라이스 내부에서 노즐(124)의 이동 경로를 나타내는 내부 툴패스로 생성된다.

N번째 슬라이스 내부에서 노즐(124)의 이동 경로를 나타내는 내부 선분을 추출하는 과정은 Y축 기준 선분을 이용하는 점에서 차이가 있을 뿐, N-1번째 슬라이스 내부에서 내부 선분을 추출하는 과정과 동일하다. 따라서, N번째 슬라이스 내부에서 노즐(124)의 이동 경로를 나타내는 내부 선분을 추출하는 과정은 N-1번째 슬라이스 내부에서 내부 선분을 추출하는 과정에 대한 설명으로 대신하며, N번째 슬라이스 내부에서 추출된 내부 선분은 도 8과 같다. 도 8에서, 참조 번호 67은 Y축 기준 선분을 나타낸다.

N번째 슬라이스에서의 내부 툴패스(내부 선분)은 Y축 기준 선분을 기준으로 생성된 것이므로, N-1번째 슬라이스에서 생성된 내부 툴패스와 N번째 슬라이스에서 추출된 내부 선분은 교차 구조를 갖게 되며, 이러한 교차 구조에 의해, 스캐폴드는 기공을 갖게 되며, 이러한 기공은 X축 기준 선분 및 Y축 기준 선분의 간격을 조정함으로써, 그 크기, 기공률, 형상 등을 다양하게 설정할 수 있다.

한편, 본 실시 예와 같이, 피스톤(도시하지 않음)에 의해 연속적으로 출력물을 토출 방식의 노즐(124)에서는, 출력물이 지속적으로 토출되기 때문에, 노즐(124)이 미완성된 스캐폴드의 상부 영역을 이동하는 과정에서 재료를 토출하여, 원하는 결과를 얻을 수 없다. 즉, N-1번째 슬라이스에서의 툴패스 종료 지점과 N번째 슬라이스에서의 툴패스 시작 지점이 다른 경우에는 지점 이동 간에도 소재가 지속적으로 토출되기 때문에 문제가 발생한다.

이를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 선분 생성부(114-6)는 슬라이스 영역을 벗어나 N-1번째 슬라이스에서의 툴패스 종료 지점에서 N번째 슬라이스에서의 툴패스 시작 지점으로 이동하는 노즐의 이동 경로를 나타내는 외부 선분 즉, 외부 툴패스를 생성한다. 이러한 외부 툴패스의 생성과정이 도 8에 도시된다.

도 9에 도시한 바와 같이, 슬라이스의 형상이 원형이고, N-1번째 슬라이스(S_n-1)에서 툴패스의 시작 지점(SP_n _- ₁)은 N-1번째 슬라이스(S_n _- ₁)의 가장 자리에서 좌측 상단에 위치하고, N-1번째 슬라이스(S_n _- ₁)에서 툴패스의 종료 지점(EP_n _- ₁)은 N-1번째 슬라이스(S_n _- ₁)의 가장 자리에서 우측 하단에 위치하는 것으로 가정한다. 그리고, 이러한 N-1번째 슬라이스(S_n _- ₁)의 툴패스와 교차하는 툴패스를 갖는 N번째 슬라이스(S_n)에서 N번째 슬라이스(S_n)의 툴패스 시작 지점(SP_n)은 좌측 하단에 위치하고, N번째 슬라이스(S_n)의 툴패스 종료 지점(EP_n)은 우측 상단에 위치하는 것으로 가정한다.

도 9와 같이, N-1번째 슬라이스(S_n _- ₁)의 종료 지점(EP_n _- ₁)과 N번째 슬라이스(S_n)의 시작 지점(SP_n)이 XY평면상에서 다른 위치에 있는 경우, 도 10과 같이, 슬라이스의 외부로 노즐을 이동시켜서 스캐폴드의 조형을 시작한다. 이때 노즐의 외부 툴패스 즉, 외부 선분(노즐의 외부 이동 경로)는 아래의 순서와 같이 결정된다.

도 10을 참조하면, 외부 선분을 생성하기 위해, 먼저, N-1번째 슬라이스(S_n _-1)의 종료 지점(EP_n _- ₁)과 N번째 슬라이스(S_n)의 시작 지점(SP_n)이 모두 표시된 하나의 슬라이스(S)와 상기 슬라이스(S)를 둘러싸는 도형을 생성한다. 상기 슬라이스(S)를 둘러싸는 도형은 다양한 형상을 가질 수 있으며, 본 실시 예에 따른 도형은 사각형(91)으로 가정한다.

이어, N-1번째 슬라이스(S_n _- ₁)의 종료 지점(EP_n _- ₁)과 사각형(91)의 가장 자리에 형성되는 점들 중에서 최단 거리를 형성하는 제1 지점(P1)을 탐색한 후, 종료 지점(EP_n-1)과 제1 지점(P1)을 연결하는 제1 선분(L1)을 생성한다.

이어, N번째 슬라이스(S_n)의 시작 지점(SP_n)과 사각형(91)의 가장 자리에 형성되는 점들 중에서 최단 거리를 형성하는 제2 지점(P2)을 탐색하고, 상기 시작 지점(SP_n)과 상기 제2 지점(P2)을 연결하는 제2 선분(L2)을 생성한다.

이어, 사각형(91)의 가장 자리 라인을 따라 생성되는 선분 중에서 상기 제1 지점과 상기 제2 지점을 최단 거리로 연결하는 제3 선분을 생성한 후, 상기 제1 내지 제3 선분(L1, L2, L3)을 연결하여, 외부 툴패스 즉, 노즐의 외부 이동 경로를 결정하는 외부 선분이 생성된다.

이와 같이, 각 슬라이스 별로 노즐(124)의 내부 툴패스와 외부 툴패스가 생성되면, 도 2의 G-코드 생성부(114-8)는 상기 내부 툴패스에 대응하는 제1 G-코드와 상기 외부 툴패스에 대응하는 제2 G-코드를 생성하고, 생성된 제1 및 제2 G-코드를 포함하는 제어 데이터(30)를 3D 프린터(120)로 전달한다.

상기 3D 프린터(120)는 상기 제어 데이터(30)에 의해 결정된 내부 툴패스와 외부 툴패스에 따라 노즐(124)의 이동 경로를 제어하는 방식으로 스캐폴드를 조형한다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 프린팅 장비는 슬라이스의 외부 영역에서의 외부 툴패스에 따라 결정된 노즐의 외부 이동 경로를 생성하는 방식으로 노즐의 이동을 정밀하게 제어함으로써, 노즐이 슬라이스에서 다른 슬라이스로 이동하는 과정에서 출력물을 지속적으로 토출하여 발생하는 문제로 인해 원하는 결과물을 얻지 못하는 종래의 문제점을 해결할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 프린팅을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법을 나타낸 흐름도이다. 아래의 각 단계에서 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 내용과 중복되는 내용은 간략히 기재하거나 생략하기로 한다.

도 11을 참조하면, 먼저, 단계 S110에서, 3차원 저작 툴이나 3차원 스캐너를 이용하여 디자인된 이미지 데이터를 STL(STereoLithography) 형식의 입체 조형 데이터로 변환한다.

이어, 단계 S120에서, 상기 입체 조형 데이터를 렌더링(rendering)하여, 입체감을 갖는 3차원 모델을 생성한다.

이어, 단계 S130에서, 상기 3차원 모델을 다수의 슬라이스(slice)로 슬라이싱한다. 이에 대한 설명은 도 3 및 4를 참조한 설명으로 대신한다.

이어, 단계 S140에서, 각 슬라이스 별로, 슬라이스의 내부 영역에서 노즐의 이동 경로를 나타내는 내부 툴패스와 슬라이스의 외부 영역에서 노즐의 이동 경로를 나타내는 외부 툴패스를 생성한다. 내부 툴패스의 생성은 도 5 내지 도 8을 참조한 설명으로 대신하고, 외부 툴패스의 생성은 도 9 및 도 10을 참조한 설명으로 대신한다.

이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

데이터 변환부와 툴패스 생성부를 포함하는 제어부와 상기 제어부로부터의 제어 데이터에 의해 제어되는 3차원 프린터를 포함하는 3차원 프린팅 장치의 3차원 프린팅을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법에 있어서,
상기 데이터 변환부에서, 입력된 3차원 이미지 데이터를 스테레오리소그라피 (stereolithography) 형식의 입체 조형 데이터로 변환하는 단계; 및
상기 툴패스 생성부에서, 상기 입체 조형 데이터에 상응하는 3차원 모델을 다수의 슬라이스로 슬라이싱하여, 각 슬라이스 별로, 노즐의 이동 경로를 나타내는 상기 제어 데이터를 생성하는 단계를 포함하고,
상기 제어 데이터는,
각 슬라이스의 내부 영역에서의 노즐의 이동 경로를 나타내는 내부 선분에 대응하는 내부 툴패스와 각 슬라이스의 외부 영역에서의 노즐의 이동 경로를 나타내는 외부 선분에 대응하는 외부 툴패스를 포함하는 것인 3차원 프린팅을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법.
제1항에서,
상기 제어 데이터를 생성하는 단계는,
상기 툴패스 생성부에 포함된 렌더링부에서, 상기 입체 조형 데이터를 렌더링(rendering)하여, 입체감을 갖는 3차원 모델을 생성하는 단계;
상기 툴패스 생성부에 포함된 슬라이싱부에서, 상기 3차원 모델을 다수의 슬라이스(slice)로 슬라이싱 하는 단계; 및
상기 툴패스 생성부에 포함된 선분 추출부에서, 상기 슬라이싱부에서 생성한 각 슬라이스 내부에서 노즐의 이동 경로를 나타내는 내부 선분과 각 슬라이스의 외부에서의 노즐의 이동 경로를 나타내는 외부 선분을 추출하고, 상기 추출된 내부 선분을 내부 툴패스로 생성하고, 상기 추출된 외부 선분을 상기 외부 툴패스로 생성하는 단계;
를 포함하는 3차원 프린팅을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법.
제2항에서,
상기 외부 선분은,
슬라이스 영역을 벗어나 N-1번째 슬라이스에서의 툴패스 종료 지점에서 N번째 슬라이스에서의 툴패스 시작 지점으로 이동하는 노즐의 이동 경로를 나타내는 것인 3차원 프린팅을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법.
제2항에서,
상기 추출된 외부 선분을 상기 외부 툴패스로 생성하는 단계는,
N-1번째 슬라이스의 종료 지점과 N번째 슬라이스의 시작 지점이 모두 표시된 하나의 슬라이스와 상기 슬라이스를 둘러싸는 도형을 생성하는 단계;
상기 N-1번째 슬라이스의 종료 지점과 상기 도형의 가장 자리에 형성되는 점들 중에서 최단 거리를 형성하는 제1 지점을 탐색한 후, 상기 종료 지점과 상기 제1 지점을 연결하는 제1 선분을 생성하는 단계;
상기 N번째 슬라이스의 시작 지점과 상기 도형의 가장 자리에 형성되는 점들 중에서 최단 거리를 형성하는 제2 지점을 탐색하고, 상기 시작 지점과 상기 제2 지점을 연결하는 제2 선분을 생성하는 단계; 및
상기 도형의 가장 자리 라인을 따라 생성되는 선분 중에서 상기 제1 지점과 상기 제2 지점을 최단 거리로 연결하는 제3 선분을 생성한 후, 상기 제1 내지 제3 선분을 연결하여, 상기 외부 선분을 생성하는 단계;
를 포함하는 3차원 프린팅을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법.
제4항에서,
상기 도형은 사각형인 것인 3차원 프린팅을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법.
제2항에서,
상기 툴패스 생성부에 포함된 G-코드 생성부에서, 상기 내부 툴패스에 대응하는 G-코드와 상기 외부 툴패스에 대응하는 G-코드를 포함하는 상기 제어 데이터를 상기 3차원 프린터로 전달하는 단계
를 더 포함하는 것인 3차원 프린팅을 이용하여 스캐폴드를 제조하기 위한 툴패스 생성방법.
데이터 변환부와 툴패스 생성부를 포함하는 제어부와 상기 제어부로부터의 제어 데이터에 제어되는 3차원 프린팅 작업을 수행하는 3차원 프린터를 포함하는 3차원 프린팅 장치에서,
상기 제어부는,
입력된 3차원 이미지 데이터를 스테레오리소그라피(stereolithography) 형식의 입체 조형 데이터로 변환하는 데이터 변환부; 및
상기 입체 조형 데이터에 상응하는 3차원 모델을 다수의 슬라이스로 슬라이싱하여, 각 슬라이스 별로, 노즐의 이동 경로를 나타내는 상기 제어 데이터를 생성하는 툴패스 생성부를 포함하고,
상기 제어데이터는,
각 슬라이스의 내부 영역에서의 노즐의 이동 경로를 나타내는 내부 선분에 대응하는 내부 툴패스와 각 슬라이스의 외부 영역에서의 노즐의 이동 경로를 나타내는 외부 선분에 대응하는 외부 툴패스를 포함하는 3차원 프린팅 장치.
제7항에서,
상기 툴패스 생성부는,
상기 입체 조형 데이터를 렌더링(rendering)하여, 입체감을 갖는 3차원 모델을 생성하는 렌더링부;
상기 3차원 모델을 다수의 슬라이스(slice)로 슬라이싱 하는 슬라이싱부; 및
상기 슬라이싱부에서 생성한 각 슬라이스 내부에서 노즐의 이동 경로를 나타내는 내부 선분과 각 슬라이스의 외부에서의 노즐의 이동 경로를 나타내는 외부 선분을 추출하고, 상기 추출된 내부 선분을 내부 툴패스로 생성하고, 상기 추출된 외부 선분을 상기 외부 툴패스로 생성하는 선분 추출부
를 포함하는 3차원 프린팅 장치.
제8항에서,
상기 선분 추출부는,
슬라이스 영역을 벗어나 N-1번째 슬라이스에서의 툴패스 종료 지점에서 N번째 슬라이스에서의 툴패스 시작 지점으로 이동하는 노즐의 이동 경로를 나타내는 상기 외부 선분을 추출하는 것인 3차원 프린팅 장치.
제8항에서,
상기 선분 추출부는,
N-1번째 슬라이스의 종료 지점과 N번째 슬라이스의 시작 지점이 모두 표시된 하나의 슬라이스와 상기 슬라이스를 둘러싸는 도형을 생성하는 프로세스;
상기 N-1번째 슬라이스의 종료 지점과 상기 도형의 가장 자리에 형성되는 점들 중에서 최단 거리를 형성하는 제1 지점을 탐색한 후, 상기 종료 지점과 상기 제1 지점을 연결하는 제1 선분을 생성하는 프로세스;
상기 N번째 슬라이스의 시작 지점과 상기 도형의 가장 자리에 형성되는 점들 중에서 최단 거리를 형성하는 제2 지점을 탐색하고, 상기 시작 지점과 상기 제2 지점을 연결하는 제2 선분을 생성하는 프로세스; 및
상기 도형의 가장 자리 라인을 따라 생성되는 선분 중에서 상기 제1 지점과 상기 제2 지점을 최단 거리로 연결하는 제3 선분을 생성한 후, 상기 제1 내지 제3 선분을 연결하여, 상기 외부 선분을 생성하는 프로세스
를 처리하는 것인 3차원 프린팅 장치.
제8항에서,
상기 툴패스 생성부는,
상기 내부 툴패스에 대응하는 G-코드와 상기 외부 툴패스에 대응하는 G-코드를 포함하는 상기 제어 데이터를 생성하는 G-코드 생성부를 더 포함하는 것인 3차원 프린팅 장치.