KR102530681B1

KR102530681B1 - 적층가공의 이종재료 투입 제어방법 및 그 시스템

Info

Publication number: KR102530681B1
Application number: KR1020220053507A
Authority: KR
Inventors: 김대중
Original assignee: 주식회사 에이엠솔루션즈
Priority date: 2022-04-29
Filing date: 2022-04-29
Publication date: 2023-05-10
Also published as: WO2023211017A1

Abstract

본 발명은 적층가공의 이종재료 투입 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제공받은 3차원 이미지 데이터를 복수의 슬라이스로 슬라이싱하고 노즐의 이동경로를 결정하는 툴패스 생성단계, 수치해석을 통해 목적함수에 대한 이종재료의 민감도를 도출하고 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용하는 민감도 적용단계, 이종재료를 공급하고 혼합하여 적층하는 적층제어단계를 포함하고, 민감도 적용단계는, 3차원 이미지 데이터의 형상이 가지는 물성의 최적화 목표에 따른 목적함수를 결정하는 목적함수 지정단계, 상기 목적함수에 따라 수치해석을 수행하여 재료에 대한 민감도를 도출하는 수치해석단계, 재료에 대한 민감도를 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 맵핑하는 맵핑단계를 포함하여 수치해석 결과를 맵핑한 툴패스를 생성하고, 적층가공에 사용되는 재료에 대한 물성치 데이터베이스 등을 통해 투입 재료를 수치해석 결과에 따라 실시간으로 변경함으로써, 종래의 레이어별로 나눠지던 투입재료를 실시간으로 변경이 가능하게 하여 3D프린터로 적층가공하는 생성물에 대해 공정 결함을 배제하고 목표한 물성을 오차를 최소화하면서 구현이 가능하도록 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법에 대한 것이다.

Description

적층가공의 이종재료 투입 제어방법 및 그 시스템{Method and System for Controlling the Supply of Dissimilar Materials in Additive Manufacturing}

3D프린터는 3차원 컴퓨터 지원 설계(CAD 등)를 이용해 만든 형상을 실물로 제작하여 설계 오차를 줄이고 주조 등의 제조에 비해 간편하게 목적물을 제조할 수 있도록 하며, 이중 도 1에 도시된 것과 같은 금속적층가공 기술은 기존 폴리머 소재를 사용하는 3D 프린팅 기술과는 달리 금속 파우더 및 금속 와이어를 이용하여 3차원의 형상을 적층하는 기술이다. 종래의 금속적층가공은 CAM S/W에서 레이어 기반 툴패스를 생성하고 투입재료, 열원 설정과 같은 공정변수를 적용하는 방식으로 진행되었으며, 레이어별로 다른 물성 및 공정변수를 적용하는 방식으로 기술이 발전하였다.

그러나 상기 기술은 설정한 공정변수들이 레이어별로 동일하게 적용되기 때문에 한 레이어 상에서 형상의 복잡성, 환경변수 등으로 인한 공정결함의 발생을 회피할 수 없고, 다종재료 투입을 통한 물성부여를 위해 다종의 툴패스를 구비해야한다는 문제를 가지고 있다. 특히 목적하고자 하는 물성부여를 위해 다종재료를 사용한 금속적층가공을 수행하고자 하는 경우, 목적물의 영역을 분할하여 특정 영역에는 한가지 재료를 사용하고, 다른 영역에는 다른 재료를 사용하는 등의 방식을 사용하거나, 이종재료를 혼합하여 금속적층을 수행하더라도 하나의 슬라이싱 또는 레이어에 이종재료의 조성비가 일정한 상태로 적층되고 있기 때문에, 목적물이 복잡한 형상을 가지거나 목적물의 작동환경에서 열원에 노출되는 등 열전도성, 강도변화 등 목적하는 물성에 따라 효과적으로 재료의 조성비를 변화시킬 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,

본 발명의 목적은 제공받은 3차원 이미지 데이터를 복수의 슬라이스로 슬라이싱하고 노즐의 이동경로를 결정하는 툴패스 생성단계, 수치해석을 통해 목적함수에 대한 이종재료의 민감도를 도출하고 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용하는 민감도 적용단계, 이종재료를 공급하고 혼합하여 적층하는 적층제어단계를 포함하고, 민감도 적용단계는, 3차원 이미지 데이터의 형상이 가지는 물성의 최적화 목표에 따른 목적함수를 결정하는 목적함수 지정단계, 상기 목적함수에 따라 수치해석을 수행하여 재료에 대한 민감도를 도출하는 수치해석단계, 재료에 대한 민감도를 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 맵핑하는 맵핑단계를 포함하여 수치해석 결과를 맵핑한 툴패스를 생성하고, 적층가공에 사용되는 재료에 대한 물성치 데이터베이스 등을 통해 투입 재료를 수치해석 결과에 따라 실시간으로 변경함으로써, 종래의 레이어별로 나눠지던 투입재료를 실시간으로 변경이 가능하게 하여 3D프린터로 적층가공하는 생성물에 대해 공정 결함을 배제하고 목표한 물성을 오차를 최소화하면서 구현이 가능하도록 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은 상기 민감도 적용단계는, 3차원 이미지 데이터의 형상이 가지는 물성의 최적화 목표에 따른 목적함수를 결정하는 목적함수 지정단계, 상기 목적함수에 따라 수치해석을 수행하여 재료에 대한 민감도를 도출하는 수치해석단계, 재료에 대한 민감도를 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 맵핑하는 맵핑단계를 포함하여 단일 툴패스에 재료에 따른 민감도를 맵핑하여 적층가공 시 단일 툴패스로 이종재료를 혼합하여 적층이 가능한 적층가공의 이종재료 투입 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 상기 맵핑단계는 좌표별로 정의된 민감도를 상기 좌표에 대응되는 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스의 스팟에 맵핑하도록 함으로써 단일 툴패스에서 이종재료의 혼합비율이 민감도에 맞게 변경될 수 있는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 상기 민감도 적용단계는 수치해석으로 도출된 민감도 중 이종재료가 사용되도록 하는 민감도를 가지는 영역을 결정하는 천이영역 결정단계를 더 포함하고, 상기 맵핑단계는 천이영역 내의 민감도를 맵핑하도록 하여 툴패스의 해석 및 재료공급에 사용되는 리소스 양을 절감할 수 있는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 상기 적층제어단계는, 복수의 재료를 공급하는 재료공급단계, 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용된 민감도에 따라 재료의 공급량을 제어하는 공급량 제어단계, 복수의 재료를 혼합하는 혼합단계, 3D프린터에서 재료를 공급하고 적층시키는 적층단계를 포함하여 민감도에 따라 재료의 공급량이 제어되는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 상기 공급량 제어단계는, 민감도가 맵핑된 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스 내에서 소정 범위의 민감도를 지정하고, 상기 3D프린터로 하여금, 소정 범위의 이하의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제1재료, 소정 범위의 이상의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제2재료를 공급하며, 소정 범위 내의 민감도 영역에서는 제1재료와 제2재료를 혼합하여 공급하도록 하되, 소정 범위 내 민감도의 변화에 따라 제1재료와 제2재료의 혼합비율을 다르게 하여 공급하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 상기 공급량 제어단계는 적어도 하나 이상의 제3재료를 추가로 공급하여 강화된 물성 적용이 가능한 적층가공의 이종재료 투입 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 상기 적층제어단계는 상기 공급량 제어단계 이전에 민감도를 스무딩하는 스무딩단계를 포함하고, 상기 스무딩단계는 상기 공급량 제어단계에서의 공급량 변화 주기를 설정하고, 공급량 변화 주기에 따라 툴패스 상의 연속되는 소정 개수 스팟의 민감도를 연산하여 스무딩하여 과도한 공급량 변화를 방지하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 적어도 하나 이상의 재료를 노즐을 통해 분사한 후 가열하여 표면에 용착시켜 적층가공을 수행하는 3D프린터, 3차원 이미지 데이터를 제공받고 상기 3D프린터를 통해 제공되는 적어도 하나 이상의 재료 공급량을 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 3D프린터는 적층가공을 위해 분사할 분말을 저장하고 공급하는 적어도 하나 이상의 재료공급부, 상기 재료공급부로부터 공급된 재료를 혼합하는 혼합부, 상기 3D프린터의 일측에 결합되어 혼합된 재료를 표면상에 토출하는 노즐, 노즐을 통해 표면상에 분사되는 재료를 가열하여 용융상태로 형성하는 가열부를 포함하며, 상기 제어기는 제공받은 3차원 이미지 데이터를 복수의 슬라이스로 슬라이싱하고 노즐의 이동경로를 결정하는 툴패스 생성부, 수치해석을 통해 목적함수에 대한 이종재료의 민감도를 도출하고 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용하는 수치해석부, 분말공급지령을 통해 상기 3D프린터에서 재료의 공급속도와 공급량을 제어하는 공급제어부를 포함하되, 상기 공급제어부는 툴패스에 맵핑된 목적함수에 대한 이종재료의 민감도에 따라 이종재료가 혼합되도록 재료의 공급량을 제어함으로써, 투입 재료를 수치해석 결과에 따라 실시간으로 변경함으로써, 종래의 레이어별로 나눠지던 투입재료를 실시간으로 변경이 가능하게 하여 3D프린터로 적층가공하는 생성물에 대해 공정 결함을 배제하고 목표한 물성을 오차를 최소화하면서 구현이 가능하도록 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은, 상기 공급제어부는 민감도가 맵핑된 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스 내에서 소정 범위의 민감도를 지정하고, 상기 3D프린터로 하여금, 소정 범위의 이하의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제1재료, 소정 범위의 이상의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제2재료를 공급하며, 소정 범위 내의 민감도 영역에서는 제1재료와 제2재료를 혼합하여 공급함으로써, 얻고자 하는 물성에 따라 재료를 달리하면서 재료에 따라 물성이 달라지는 영역에서는 영역별로 재료를 혼합하여 적층가능한 적층가공의 이종재료 투입 제어시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 목적은 상기 공급제어부는 상기 3D프린터의 재료공급부로부터 공급되는 재료의 공급량 변화 주기를 설정하고, 공급량 변화 주기에 따라 툴패스 상의 연속되는 소정 개수 스팟의 민감도를 연산하여 스무딩한 후 재료의 공급량을 제어함으로써 과도한 공급량 변화를 방지하는 적층가공의 이종재료 투입 제어시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 제공받은 3차원 이미지 데이터를 복수의 슬라이스로 슬라이싱하고 노즐의 이동경로를 결정하는 툴패스 생성단계, 수치해석을 통해 목적함수에 대한 이종재료의 민감도를 도출하고 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용하는 민감도 적용단계, 이종재료를 공급하고 혼합하여 적층하는 적층제어단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 상기 민감도 적용단계는, 3차원 이미지 데이터의 형상이 가지는 물성의 최적화 목표에 따른 목적함수를 결정하는 목적함수 지정단계, 상기 목적함수에 따라 수치해석을 수행하여 재료에 대한 민감도를 도출하는 수치해석단계, 재료에 대한 민감도를 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 맵핑하는 맵핑단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 맵핑단계는 좌표별로 정의된 민감도를 상기 좌표에 대응되는 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스의 스팟에 맵핑하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 맵핑단계는 맵핑된 민감도에 따라 적어도 하나 이상의 재료 혼합비율을 상기 스팟에 저장하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 민감도 적용단계는 수치해석으로 도출된 민감도 중 이종재료가 사용되도록 하는 민감도를 가지는 영역을 결정하는 천이영역 결정단계를 더 포함하고, 상기 맵핑단계는 천이영역 내의 민감도를 맵핑하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 적층제어단계는, 복수의 재료를 공급하는 재료공급단계, 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용된 민감도에 따라 재료의 공급량을 제어하는 공급량 제어단계, 복수의 재료를 혼합하는 혼합단계, 3D프린터에서 재료를 공급하고 적층시키는 적층단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공급량 제어단계는, 민감도가 맵핑된 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스 내에서 소정 범위의 민감도를 지정하고, 상기 3D프린터로 하여금, 소정 범위의 이하의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제1재료, 소정 범위의 이상의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제2재료를 공급하며, 소정 범위 내의 민감도 영역에서는 제1재료와 제2재료를 혼합하여 공급하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공급량 제어단계는 소정 범위 내 민감도의 변화에 따라 제1재료와 제2재료의 혼합비율을 다르게 하여 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공급량 제어단계는 적어도 하나 이상의 제3재료를 추가로 공급하며, 상기 제3재료는 목적함수에 영향을 미치는 제1재료와 제2재료의 물성치 사이의 물성치를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 적층제어단계는 상기 공급량 제어단계 이전에 민감도를 스무딩하는 스무딩단계를 포함하고, 상기 스무딩단계는 상기 공급량 제어단계에서의 공급량 변화 주기를 설정하고, 공급량 변화 주기에 따라 툴패스 상의 연속되는 소정 개수 스팟의 민감도를 연산하여 스무딩하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 재료공급단계에서는 복수의 재료가 분말 상으로 공급되고, 상기 혼합단계에서는 상기 3D프린터 내부에 형성되는 기류를 통해 분말이 혼합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 적어도 하나 이상의 재료를 노즐을 통해 분사한 후 가열하여 표면에 용착시켜 적층가공을 수행하는 3D프린터, 3차원 이미지 데이터를 제공받고 상기 3D프린터를 통해 제공되는 적어도 하나 이상의 재료 공급량을 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 3D프린터는 적층가공을 위해 분사할 분말을 저장하고 공급하는 적어도 하나 이상의 재료공급부, 상기 재료공급부로부터 공급된 재료를 혼합하는 혼합부, 상기 3D프린터의 일측에 결합되어 혼합된 재료를 표면상에 토출하는 노즐, 노즐을 통해 표면상에 분사되는 재료를 가열하여 용융상태로 형성하는 가열부를 포함하며, 상기 제어기는 제공받은 3차원 이미지 데이터를 복수의 슬라이스로 슬라이싱하고 노즐의 이동경로를 결정하는 툴패스 생성부, 수치해석을 통해 목적함수에 대한 이종재료의 민감도를 도출하고 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용하는 수치해석부, 분말공급지령을 통해 상기 3D프린터에서 재료의 공급속도와 공급량을 제어하는 공급제어부를 포함하되, 상기 공급제어부는 툴패스에 맵핑된 목적함수에 대한 이종재료의 민감도에 따라 이종재료가 혼합되도록 재료의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공급제어부는 민감도가 맵핑된 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스 내에서 소정 범위의 민감도를 지정하고, 상기 3D프린터로 하여금, 소정 범위의 이하의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제1재료, 소정 범위의 이상의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제2재료를 공급하며, 소정 범위 내의 민감도 영역에서는 제1재료와 제2재료를 혼합하여 공급하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공급제어부는 상기 3D프린터의 재료공급부로부터 공급되는 재료의 공급량 변화 주기를 설정하고, 공급량 변화 주기에 따라 툴패스 상의 연속되는 소정 개수 스팟의 민감도를 연산하여 스무딩한 후 재료의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은, 제공받은 3차원 이미지 데이터를 복수의 슬라이스로 슬라이싱하고 노즐의 이동경로를 결정하는 툴패스 생성단계, 수치해석을 통해 목적함수에 대한 이종재료의 민감도를 도출하고 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용하는 민감도 적용단계, 이종재료를 공급하고 혼합하여 적층하는 적층제어단계를 포함하고, 민감도 적용단계는, 3차원 이미지 데이터의 형상이 가지는 물성의 최적화 목표에 따른 목적함수를 결정하는 목적함수 지정단계, 상기 목적함수에 따라 수치해석을 수행하여 재료에 대한 민감도를 도출하는 수치해석단계, 재료에 대한 민감도를 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 맵핑하는 맵핑단계를 포함하여 수치해석 결과를 맵핑한 툴패스를 생성하고, 적층가공에 사용되는 재료에 대한 물성치 데이터베이스 등을 통해 투입 재료를 수치해석 결과에 따라 실시간으로 변경함으로써, 종래의 레이어별로 나눠지던 투입재료를 실시간으로 변경이 가능하게 하여 3D프린터로 적층가공하는 생성물에 대해 공정 결함을 배제하고 목표한 물성을 오차를 최소화하면서 구현이 가능하도록 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법을 제공하는 효과를 준다.

본 발명은, 상기 민감도 적용단계는, 3차원 이미지 데이터의 형상이 가지는 물성의 최적화 목표에 따른 목적함수를 결정하는 목적함수 지정단계, 상기 목적함수에 따라 수치해석을 수행하여 재료에 대한 민감도를 도출하는 수치해석단계, 재료에 대한 민감도를 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 맵핑하는 맵핑단계를 포함하여 단일 툴패스에 재료에 따른 민감도를 맵핑하여 적층가공 시 단일 툴패스로 이종재료를 혼합하여 적층이 가능하다.

본 발명은, 상기 맵핑단계는 좌표별로 정의된 민감도를 상기 좌표에 대응되는 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스의 스팟에 맵핑하도록 함으로써 단일 툴패스에서 이종재료의 혼합비율이 민감도에 맞게 변경될 수 있는 효과를 준다.

본 발명은, 상기 민감도 적용단계는 수치해석으로 도출된 민감도 중 이종재료가 사용되도록 하는 민감도를 가지는 영역을 결정하는 천이영역 결정단계를 더 포함하고, 상기 맵핑단계는 천이영역 내의 민감도를 맵핑하도록 하여 툴패스의 해석 및 재료공급에 사용되는 리소스 양을 절감할 수 있다.

본 발명은, 상기 적층제어단계는, 복수의 재료를 공급하는 재료공급단계, 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용된 민감도에 따라 재료의 공급량을 제어하는 공급량 제어단계, 복수의 재료를 혼합하는 혼합단계, 3D프린터에서 재료를 공급하고 적층시키는 적층단계를 포함하여 민감도에 따라 재료의 공급량이 제어된다.

본 발명은, 상기 공급량 제어단계는, 민감도가 맵핑된 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스 내에서 소정 범위의 민감도를 지정하고, 상기 3D프린터로 하여금, 소정 범위의 이하의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제1재료, 소정 범위의 이상의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제2재료를 공급하며, 소정 범위 내의 민감도 영역에서는 제1재료와 제2재료를 혼합하여 공급하도록 하되, 소정 범위 내 민감도의 변화에 따라 제1재료와 제2재료의 혼합비율을 다르게 하여 공급할 수 있다.

본 발명은, 상기 공급량 제어단계는 적어도 하나 이상의 제3재료를 추가로 공급하여 강화된 물성 적용이 가능한 효과가 있다.

본 발명은, 상기 적층제어단계는 상기 공급량 제어단계 이전에 민감도를 스무딩하는 스무딩단계를 포함하고, 상기 스무딩단계는 상기 공급량 제어단계에서의 공급량 변화 주기를 설정하고, 공급량 변화 주기에 따라 툴패스 상의 연속되는 소정 개수 스팟의 민감도를 연산하여 스무딩하여 과도한 공급량 변화를 방지하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법을 제공하는 효과가 있다.

본 발명은 적어도 하나 이상의 재료를 노즐을 통해 분사한 후 가열하여 표면에 용착시켜 적층가공을 수행하는 3D프린터, 3차원 이미지 데이터를 제공받고 상기 3D프린터를 통해 제공되는 적어도 하나 이상의 재료 공급량을 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 3D프린터는 적층가공을 위해 분사할 분말을 저장하고 공급하는 적어도 하나 이상의 재료공급부, 상기 재료공급부로부터 공급된 재료를 혼합하는 혼합부, 상기 3D프린터의 일측에 결합되어 혼합된 재료를 표면상에 토출하는 노즐, 노즐을 통해 표면상에 분사되는 재료를 가열하여 용융상태로 형성하는 가열부를 포함하며, 상기 제어기는 제공받은 3차원 이미지 데이터를 복수의 슬라이스로 슬라이싱하고 노즐의 이동경로를 결정하는 툴패스 생성부, 수치해석을 통해 목적함수에 대한 이종재료의 민감도를 도출하고 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용하는 수치해석부, 분말공급지령을 통해 상기 3D프린터에서 재료의 공급속도와 공급량을 제어하는 공급제어부를 포함하되, 상기 공급제어부는 툴패스에 맵핑된 목적함수에 대한 이종재료의 민감도에 따라 이종재료가 혼합되도록 재료의 공급량을 제어함으로써, 투입 재료를 수치해석 결과에 따라 실시간으로 변경함으로써, 종래의 레이어별로 나눠지던 투입재료를 실시간으로 변경이 가능하게 하여 3D프린터로 적층가공하는 생성물에 대해 공정 결함을 배제하고 목표한 물성을 오차를 최소화하면서 구현이 가능하도록 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어시스템을 제공하는 효과가 있다.

본 발명은, 상기 공급제어부는 민감도가 맵핑된 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스 내에서 소정 범위의 민감도를 지정하고, 상기 3D프린터로 하여금, 소정 범위의 이하의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제1재료, 소정 범위의 이상의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제2재료를 공급하며, 소정 범위 내의 민감도 영역에서는 제1재료와 제2재료를 혼합하여 공급함으로써, 얻고자 하는 물성에 따라 재료를 달리하면서 재료에 따라 물성이 달라지는 영역에서는 영역별로 재료를 혼합하여 적층가능하다.

본 발명은 상기 공급제어부는 상기 3D프린터의 재료공급부로부터 공급되는 재료의 공급량 변화 주기를 설정하고, 공급량 변화 주기에 따라 툴패스 상의 연속되는 소정 개수 스팟의 민감도를 연산하여 스무딩한 후 재료의 공급량을 제어함으로써 과도한 공급량 변화를 방지하는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 적층가공의 개념도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층가공의 이종재료 투입 제어방법의 흐름도
도 3은 본 발명을 수행하기 위한 제어기(10)와 3D프린터(20)의 블록도
도 4는 본 발명의 툴패스생성부(13)에서 툴패스를 생성하는 것을 도시한 도면
도 5는 본 발명의 3D프린터의 개념도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 민감도 적용단계(S50)의 흐름도
도 7은 수치해석을 통해 도출된 민감도 분포를 나타낸 도면
도 8은 민감도를 툴패스에 매칭한 것을 나타낸 도면
도 9는 도 8의 R 부분을 확대한 도면
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층제어단계(S70)의 흐름도
도 11은 본 발명의 혼합단계(S77)에 따라 혼합된 이종재료의 다양한 실시예를 도시한 도면

이하에서는 본 발명에 따른 적층가공의 이종재료 투입 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 동일하고 만약 본 명세서에 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니고, 다른 구성요소 또한 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 명세서에 기재된 "~부" 등의 용어는 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다. 또한, 어떤 구성요소간 "연결"된다고 할 때, 이는 구성요소끼리 직접 접촉하며 체결된다는 것에 한정되는 것이 아니라 다른 구성요소를 통하여 체결되는 것을 포함하며, 체결되어있지 않더라도 소정의 힘이나 에너지를 전달할 수 있도록 배치된다는 것을 의미할 수 있다. "제1~", "제2~"와 같은 용어는 동일하거나 실질적으로 동일한 구성을 순서를 달리 표기하기 위해 사용될 수 있고 "제1", "제2" 등을 표시하지 않은 구성과 실질적으로 같은 구성으로 해석될 수 있다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2를 참고하면, 본 발명에 의한 적층가공의 이종재료 투입 제어방법(S)은 수치해석 결과를 맵핑한 툴패스를 생성하고, 적층가공에 사용되는 재료에 대한 물성치 데이터베이스 등을 통해 투입 재료를 수치해석 결과에 따라 실시간으로 변경함으로써, 종래의 레이어별로 나눠지던 투입재료를 실시간으로 변경이 가능하게 하여 3D프린터로 적층가공하는 생성물에 대해 공정 결함을 배제하고 목표한 물성을 오차를 최소화하면서 구현이 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다. 상기 적층가공의 이종재료 투입 제어방법(S)은 도 3에 도시된 것과 같은 3D프린터(20) 및 제어기(10)에 의해 수행될 수 있으며, 모델링 인풋단계(S10), 툴패스 생성단계(S30), 민감도 적용단계(S50) 및 적층제어단계(S70)를 포함할 수 있다.

먼저 도 3을 참고하여 본 발명을 실시하기 위한 3D프린팅 장치의 주요 구성을 설명하면, 상기 3D프린팅 장치는 3D프린터(20) 및 제어기(10)를 포함한다.

상기 제어기(10)는 3D프린터(20)의 전반적인 동작을 관리하고 제어하도록 구성되며, 인풋되는 3D모델링 데이터, 3차원 이미지 데이터에 대응하는 생성물을 적층공정을 통해 제작하기 위한 툴패스를 형성하고, 수치해석을 통해 생성물의 목적하는 물성의 재료에 대한 민감도를 도출한 후 3D프린터를 통해 제공되는 복수의 이종재료의 공급량을 제어할 수 있다. 이를 위해 상기 제어기(10)는 적어도 하나 이상의 프로세서에 의해 구동될 수 있으며, 데이터변환부(11), 툴패스 생성부(13), 수치해석부(15) 및 공급제어부(17)를 포함할 수 있다.

상기 데이터변환부(11)는 입력된 3차원 이미지 데이터를 STL 등의 형식을 가지는 입체조형 데이터로 변환하도록 구비될 수 있다. 변환된 입체조형 데이터는 각 메쉬의 꼭지점의 정보, 메쉬가 형성하는 면에 대한 정보를 포함한다.

상기 툴패스생성부(13)는 입체조형 데이터로부터 3차원 모델을 렌더링하고, 적층가공 시 노즐의 이동 경로인 툴패스를 생성하는 구성이다. 상기 툴패스생성부(13)는 슬라이싱모듈(131), 선분추출모듈(133)을 포함한다.

도 4를 참고하면, 상기 슬라이싱모듈(131)은 렌더링된 3D모델링 데이터, 3차원 이미지 데이터(P)를 복수의 평면으로 슬라이싱하고, 상기 선분추출모듈(133)은 3차원 이미지 데이터(P)와 각 평면이 교차하는 영역에 대해 소정 알고리즘을 따라 복수의 선분을 그어 노즐의 이동경로인 툴패스를 생성한다. 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에서 상기 툴패스는 교차하는 영역을 지그재그 방향으로 채울 수 있으며, 동심원 형상 등을 포함하는 다른 형상으로 교차하는 영역을 채우는 것을 권리범위에서 배제하지 않는다. 상기 툴패스는 교차하는 영역을 따라 채워지는 선분의 간격을 조정함으로써 크기와 기공률 등을 조절할 수 있다.

다시 도 3 을 참고하면, 상기 수치해석부(15)는 목적함수에 따라 수치해석을 수행하여 재료에 대한 민감도를 도출하도록 구비된다. 상기 수치해석부(15)는 3차원 이미지 데이터의 형상이 가지는 물성의 최적화 목표에 따른 목적함수를 지정하고, 정해진 목적함수에 따라 수치해석을 수행하여 재료에 대한 민감도를 도출할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 민감도는 0부터 1까지의 값으로 도출될 수 있으나, 0부터 100까지의 값 등 다른 값의 범위로 도출되는 것을 권리범위에서 배제하지 않는다. 후술하는 바와 같이, 상기 수치해석부(15)에서의 수치해석을 통해 도출된 민감도 영역을 툴패스와 맵핑하여 툴패스의 영역별로 재료의 공급을 다르게 제어하도록 할 수 있다. 상기 수치해석부(15)는 스무딩모듈(151) 및 맵핑모듈(153)을 포함할 수 있다.

상기 스무딩모듈(151)은 수치해석 과정에서 도출된 민감도를 스무딩하도록 구비될 수 있으며, 공급량 변화 주기에 따라 툴패스 상의 연속되는 소정 개수 스팟의 민감도를 연산하여 스무딩할 수 있다. 본 발명에서는 툴패스별로 다른 재료를 사용하거나 재료의 혼합비가 달라지는 것이 아니라, 툴패스의 스팟, 즉 툴패스 및/또는 3차원 이미지 데이터의 좌표별로 민감도 및 재료의 혼합비율이 변화하게 되는데, 좌표별로 변화하는 민감도 및 재료의 혼합비율에 따라 공급량을 달리하는 경우, 적층속도에 따라 제어가 불가능하거나 지나치게 많은 제어데이터가 필요하게 된다. 따라서 상기 스무딩모듈(151)은 공급량 변화주기에 따라 지정된 연속되는 소정 개수 스팟의 민감도를 평균연산 등의 방법을 통해 스무딩하고, 이종재료의 공급량을 스무딩된 혼합비율 및 민감도에 따라 제어할 수 있다.

상기 맵핑모듈(153)은 재료에 대한 민감도를 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 맵핑할 수 있다. 상기 맵핑모듈(153)은 바람직하게는 좌표별로 정의된 민감도를 상기 좌표에 대응되는 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스의 스팟에 맵핑할 수 있다. 즉 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스가 가지는 좌표값에 대하여, 대응되는 좌표값에서의 민감도를 적용시킬 수 있다.

상기 공급제어부(17)는 3D프린터(20)에서 노즐을 통해 공급되는 재료의 종류, 양, 속도 등을 제어하는 구성으로, 공급제어부(17)에서의 분말공급지령을 통해 재료의 공급속도와 공급량이 실시간으로 전달되어 복수의 이종재료 투입이 가능하게 된다. 상기 공급제어부(17)는 툴패스에 맵핑된 목적함수에 대한 이종재료의 민감도에 따라 이종재료가 혼합되도록 재료의 공급량을 제어할 수 있으며, 민감도가 맵핑된 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스 내에서 소정 범위의 민감도를 지정하고, 소정 범위의 이하의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제1재료, 소정 범위의 이상의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제2재료를 공급하며, 소정 범위 내의 민감도 영역에서는 제1재료와 제2재료를 혼합하여 공급하도록 분말공급지령을 상기 3D프린터에 전달할 수 있다. 나아가, 상기 공급제어부는 상기 3D프린터의 재료공급부로부터 공급되는 재료의 공급량 변화 주기를 설정하고, 공급량 변화 주기에 따라 툴패스 상의 연속되는 소정 개수 스팟의 민감도를 연산하여 스무딩한 후 재료의 공급량을 제어할 수 있는데, 상기 공급제어부(17)를 통한 공급제어 과정은 후술하는 적층제어단계(S70)에서 설명하도록 한다.

도 3 및 도 5를 참고하여 본 발명의 실시를 위한 3D프린터(20)를 설명하면, 상기 3D프린터는 적층가공을 통해 생성물을 형성하며, 바람직하게는 금속분말을 노즐을 통해 분사한 후 레이저 등의 가열수단을 통해 표면에 용착시킴으로써 적층가공을 수행할 수 있다. 상기 3D프린터(20)는 복수 종류의 재료를 공급하여 혼합한 후 노즐을 통해 분사할 수 있도록 구비되며, 재료공급부(21), 혼합부(23), 노즐(25) 및 가열부(27)를 포함한다.

상기 재료공급부(21)는 적층가공을 위해 분사할 분말을 저장하고 공급하는 부분으로, 재료의 종류에 따라 복수개 구비될 수 있으며, 본 발명의 다른 실시예에서는 금속분말이 아닌 세라믹 분말, 필라멘트 등을 공급하도록 구비될 수도 있다. 바람직한 일 실시예에서, 상기 재료공급부(211)는 재료저장부(211), 공급모듈(213) 및 이송관(215)을 포함할 수 있다.

상기 재료저장부(211)는 공급을 위한 재료를 저장하며, 소정 부피를 가진 용기로 구비될 수 있다. 하나의 재료저장부(211)에는 단일 재료가 저장되는 것이 바람직하다.

상기 공급모듈(213)은 재료저장부(211) 내 저장된 재료를 후술하는 혼합부(23)로 공급하는 구성으로, 재료저장부로부터 재료가 공급되는 속도를 조절할 수 있도록 구비될 수 있다. 상기 공급모듈(213)은 재료저장부(211)의 개폐 정도 및 모터의 회전속도를 조절함으로써 재료저장부(211)로부터 반출되는 재료의 양 및/또는 속도를 조절할 수 있으며, 재료가 재료저장부(211)로부터 반출될 때 진동 주파수를 조절하여 재료의 양 및/또는 속도를 조절할 수도 있다. 즉, 상기 공급모듈(213)을 통한 재료공급의 제어는 상술한 공급제어부(17)로부터의 제어 데이터에 의해 수행됨이 바람직하다. 상기 공급모듈(213)에는 재료저장부(211)로부터 금속분말 재료를 공급할 때 발생하는 진동을 제어하도록 댐퍼구조가 구비될 수 있다.

상기 이송관(215)은 후술하는 재료저장부(211)로부터 공급되는 재료를 혼합부(23)로 이송시키는 구성으로, 복수의 이송관(215)이 각각의 재료저장부(211)로부터 연장되어 혼합부(23)와 연결될 수 있다.

상기 혼합부(23)는 재료공급부(211)로부터 공급된 재료를 혼합하는 구성으로, 재료공급부(211)와 노즐(25) 사이에서 구비될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 툴패스 상에 맵핑된 민감도에 따라 적어도 하나 이상의 제1재료가 공급되거나 적어도 하나 이상의 제2재료가 공급될 수 있고, 제1재료와 제2재료가 혼합된 후 공급될 수 있는데, 상기 혼합부(23)는 하나 이상의 재료가 공급되는 경우 상기 재료들을 혼합한 후 노즐 측으로 이동시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 재료공급부(211)로부터 공급되는 재료는 금속 분말 상을 가질 수 있으므로, 원활한 혼합을 통해 상기 혼합부(23)는 내부에 기류를 형성하여 분말 상의 재료들을 혼합할 수 있다. 이때 기류란 공정가스의 유동을 통해 형성되는 공기의 흐름일 수 있으며, 또한 혼합부 내부에 각 재료의 혼합을 위한 분위기를 형성할 수도 있다.

상기 노즐(25)은 3D프린터의 일측에 결합되어 혼합부(23)에서 혼합된 재료를 표면상에 토출 내지 분사하도록 구비된다.

상기 가열부(27)는 노즐(25) 측 일단에서 노즐을 통해 표면상에 분사되는 재료를 가열하여 용융상태로 만들도록 구비될 수 있다. 용융된 재료는 온도가 낮아짐에 따라 경화되어 생성물을 형성한다. 상기 가열부(27)는 레이저를 조사하는 방식으로 재료를 가열할 수 있으나, 표면 상에서 재료를 용융시키기에 적합한 다른 구성일 수도 있다.

이하에서는 3D프린터(20) 및 제어기(10)를 통해 수행되는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층가공의 이종재료 투입 제어방법의 각 단계를 설명하도록 한다.

다시 도 2를 참고하면, 상기 모델링 인풋단계(S10)는 3D 모델링을 포함한 3차원 이미지 데이터를 입력받는 단계로, 상술한 제어기(10)의 데이터변환부(11)에서 수행될 수 있다. 모델링 인풋단계(S10)는 외부로부터 3차원 이미지 데이터가 제공되거나, 내부에서 사용자의 조작에 의해 생성된 3차원 이미지 데이터를 제공받을 수 있다. 모델링 인풋단계(S10)는 입력된 3차원 이미지 데이터를 STL 등의 형식을 가지는 입체조형 데이터로 변환하여 인풋할 수 있다.

상기 툴패스 생성단계(S30)는 제공받은 3차원 이미지 데이터를 복수의 슬라이스로 슬라이싱하고 노즐의 이동경로를 결정하는 과정으로, 툴패스생성부(13)에서 수행될 수 있으며, 인풋받은 3차원 이미지 데이터를 3차원 객체로 렌더링한 후 복수의 평면으로 슬라이싱을 수행할 수 있다. 또한 상기 툴패스 생성단계(S30)는 3차원 이미지 데이터(P)와 각 평면이 교차하는 영역에 대해 소정 알고리즘을 따라 복수의 선분을 그어 노즐의 이동경로인 툴패스를 생성할 수 있으며, 도 4에서와 같이 3차원 이미지 데이터(P)와 각 평면이 교차하는 영역을 지그재그 방향으로 채우거나, 동심원 형상으로 채우도록 할 수 있다.

도 6을 참고하면, 상기 민감도 적용단계(S50)는 수치해석을 통해 목적함수에 대한 이종재료의 민감도를 도출하고 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용하는 과정으로, 상기 제어기(10)의 수치해석부(15)에 의해 수행될 수 있다. 민감도 적용단계(S50)에서 잔류응력, 부위별 강도, 열전달 계수 등과 같이 재료에 따라 달라질 수 있는 생성물(P)의 부위별 물성치에 따라 목적함수를 지정하고, 수치해석을 통해 도출된 목적함수에 대한 민감도를 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 맵핑할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 슬라이싱 후 생성된 툴패스에 도출된 민감도를 맵핑할 수 있으나, 슬라이싱 전 3차원 이미지 데이터의 각 스팟에 민감도를 맵핑한 후 툴패스를 생성하는 것을 권리범위에서 배제하지는 않는다. 즉 상술한 툴패스 생성단계(S30)가 민감도 적용단계(S50)에 우선하여 수행되는 것이 필연적인 것이 아니고, 민감도 적용단계(S50)의 수행 후 민감도가 맵핑된 3차원 이미지 데이터를 슬라이싱하여 툴패스를 생성하는 것 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해될 수 있다. 상기 민감도 적용단계(S50)는 목적함수 지정단계(S51), 수치해석단계(S53), 천이영역 결정단계(S55) 및 맵핑단계(S57)를 포함할 수 있다.

상기 목적함수 지정단계(S51)는, 3차원 이미지 데이터의 형상이 가지는 물성의 최적화 목표에 따른 목적함수를 결정하는 과정으로 선택된 목표에 따라 데이터베이스로부터 콜업되거나 프로그래밍된 알고리즘을 통해 목적함수가 지정될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 목적함수는 생성물의 소정 부위의 강도 증가로 두고, 재료에 의한 지나친 무게 증가를 방지하기 위하여 비중 등을 제한조건으로 둘 수 있다. 상기 목적함수는 생성물에 부여하려는 물성에 따라 둘 이상이 지정되어 다중 목적함수가 사용될 수도 있다.

상기 수치해석단계(S53)는, 정해진 목적함수에 따라 수치해석을 수행하여 재료에 대한 민감도를 도출하는 과정으로, 바람직한 일 실시예에서 민감도는 0부터 1까지의 값으로 도출될 수 있으나, 0부터 100까지의 값 등 다른 값의 범위로 도출되는 것을 권리범위에서 배제하지 않는다. 상기 민감도는 목적함수를 가지는 목표하는 물성이 재료에 따라 얼마나 민감하게 변화할 수 있는지를 나타내며, 낮은 민감도를 가지는 영역의 경우 생성물의 물성이 재료와의 관련성이 떨어지며, 높은 민감도를 가지는 영역의 경우 적층가공을 통한 생성물의 해당 부위의 물성이 재료와의 관련성이 크다는 것을 의미한다고 이해될 수 있다.

상기 천이영역 결정단계(S55)는 수치해석으로 도출된 민감도 중 이종재료가 사용되도록 하는 민감도를 가지는 영역을 결정하는 과정으로, 이종재료란 제1재료와 제2재료가 혼합되어 공급된 후 적층되는 것을 뜻한다. 본 발명의 일 실시예에서는 0과 1 사이의 민감도 값을 가지는 영역이 천이영역으로 정의될 수 있으나, 다른 실시예에서는 소정 범위, 예를 들면 0.2 내지 0.8의 민감도 값을 가지는 영역이 천이영역으로 정의될 수 있으며 민감도 값의 범위는 목적함수와 알고리즘에 따라 달라질 수 있다.

도 7에서 볼 수 있는 것과 같이, 수치해석 결과 목적함수의 민감도가 1을 가지는 영역(Domain A)과 0을 가지는 영역(Domain B)이 존재하고, 해당 영역들 사이에 천이영역(Domain B)이 존재할 수 있다. 도 7과 같은 민감도 맵이 도출되는 경우, 적층 공정에서 설정한 기본재료를 민감도 0의 영역(Domain C)에 배치하고, 재료 데이터베이스 상 도출된 최적 재료를 민감도 1의 영역에 배치하여 생성물의 물성을 효과적으로 조절할 수 있다. 이때 두 영역 사이의 천이영역(Domain B)의 재료 설정은 설정 알고리즘에 따라 두 영역에 사용된 재료의 비중을 설정하여 공급할 수 있는데, 재료공급의 제어는 후술하는 적층제어단계(S70)에서 수행될 수 있다. 후술하겠으나, 적층제어단계(S70)에서의 재료 혼합을 통해 이종재료의 비율이 점진적으로 Gradient material을 구현하거나, 다종 소재를 무작위 배열하는 방식이 채용될 수 있다.

도 8 및 도 9를 참고하면, 상기 맵핑단계(S57)는 재료에 대한 민감도를 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 맵핑하는 과정으로, 바람직하게는 좌표별로 정의된 민감도를 상기 좌표에 대응되는 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스의 스팟에 맵핑할 수 있다. 즉 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스가 가지는 좌표값에 대하여, 대응되는 좌표값에서의 민감도를 적용시킨다. 도 7에 도시된 민감도 영역이 툴패스에 적용되는 경우, 도 8과 같이 표현되는 민감도가 적용 내지 맵핑된 툴패스가 도출될 수 있다. 이때 각 툴패스의 좌표에는 민감도 값이 저장될 수 있다.

도 8의 R 부분을 확대한 도 9에 도시된 일 실시예에서, 상기 맵핑단계(S57)는 맵핑된 민감도에 따라 적어도 하나 이상의 재료 혼합비율을 상기 스팟에 저장할 수 있다. 이때 각 스팟은 3차원 이미지의 단위 좌표값을 나타내며, 스팟의 좌표값에 재료의 혼합비율이 (w1, w2, ...), (w3, w4, ...)과 같은 형태로 저장될 수 있다. 이때 w1, w3은 제1재료의 혼합비, w2, w4는 제2재료의 혼합비이며, 3가지 이상의 재료를 혼합하는 경우 제3 이상의 재료의 혼합비도 저장될 수 있다. 이에 따라, 사용하고자 하는 재료별로 다종의 툴패스를 각각 구비하는 것이 아니라 하나의 툴패스에 민감도에 따른 재료 혼합비를 저장함으로써 하나의 툴패스로 적층공정이 한번에 이루어져 간소화 가능하다.

일 실시예에서, 상기 맵핑단계(S57)는 툴패스 상의 연속되는 소정 개수의 스팟을 노드로 정의하고, 상기 스팟들의 재료 혼합비율을 연산한 재료 혼합비율을 상기 노드에 저장할 수 있다. 스팟들의 재료 혼합비율은 평균연산되어 노드의 전체 재료 혼합비율로 저장될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 소정 범위 내의 민감도 값을 가지는 천이영역 내에서만 민감도를 맵핑할 수도 있다. 즉 적층 공정에서 설정한 기본재료를 사용하는 Domain C의 영역과 재료 데이터베이스 상 도출된 최적 재료를 사용하는 Domain A의 영역에서는 이종재료인 제1재료와 제2재료의 혼합을 배제하고, 두 영역 사이의 천이영역(Domain B)에서 혼합비율을 달리하도록 저장함으로써 툴패스의 해석 및 재료공급에 사용되는 리소스 양을 절감할 수 있다.

다시 도 2 및 도 10을 참고하면, 상기 적층제어단계(S70)는 이종재료를 공급하고 혼합하여 적층하는 과정으로, 3D프린터(20)에서 적층공정을 수행하는 과정에서 제어기(10)의 제어데이터에 따라 적층과정이 제어될 수 있다. 상기 적층제어단계(S70)는 스무딩단계(S71), 재료공급단계(S73), 공급량 제어단계(S75), 혼합단계(S77) 및 적층단계(S79)를 포함한다. 상기 공급량 제어단계(S75), 혼합단계(S77) 및 적층단계(S79)는 재료공급단계(S73)가 수행되는 중에 실시간으로 제어기(10)의 제어데이터에 의해 수행될 수 있다. 즉 재료공급단계(S73)에서 재료가 공급됨과 함께 공급량이 제어되고, 동시에 혼합과 적층공정이 수행됨으로써 연속적인 적층공정이 가능하다.

상기 스무딩단계(S71)는 민감도를 스무딩하는 과정으로, 후술하는 공급량 제어단계(S73)에서의 공급량 변화 주기를 설정하고, 공급량 변화 주기에 따라 툴패스 상의 연속되는 소정 개수 스팟의 민감도를 연산하여 스무딩한다. 공급량 제어단계(S73)에서는 상술한 것과 같이 모터의 속도 제어, 재료공급부(21)의 개폐정도 제어를 통해 단위시간당 재료 공급량을 조절하게 된다. 본 발명에서는 툴패스별로 다른 재료를 사용하거나 재료의 혼합비가 달라지는 것이 아니라, 툴패스의 스팟, 즉 툴패스 및/또는 3차원 이미지 데이터의 좌표별로 민감도 및 재료의 혼합비율이 변화하게 된다. 좌표별로 변화하는 민감도 및 재료의 혼합비율에 따라 공급량을 달리하는 경우, 적층속도에 따라 제어가 불가능하거나 지나치게 많은 제어데이터가 필요하게 된다. 따라서 상기 스무딩단계(S71)는 도 9에서와 같이 설정된 공급량 변화주기에 따라 지정된 연속되는 소정 개수 스팟의 민감도를 평균연산 등의 방법을 통해 스무딩하고, 이종재료의 공급량을 스무딩된 혼합비율 및 민감도에 따라 제어할 수 있다.

상기 재료공급단계(S73)는 복수의 재료를 노즐(25)을 향해 공급하는 과정으로, 제어기(10)로부터의 공급지령에 의해 수행될 수 있다.

상기 공급량 제어단계(S75)는 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용된 민감도에 따라 재료의 공급량을 제어하는 과정으로, 적층공정의 속도에 따라 재료의 공급량을 조절하거나, 맵핑된 민감도 및 재료의 혼합비율에 따라 복수의 재료 공급량을 제어할 수 있다. 상기 공급량 제어단계(S75)는 민감도가 맵핑된 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스 내에서 소정 범위의 민감도를 지정한 후, 소정 범위의 이하의 민감도 영역(Domain C)에서는 적어도 하나 이상의 제1재료, 소정 범위의 이상의 민감도(Domain A)에서는 적어도 하나 이상의 제2재료를 공급하며, 소정 범위 내의 민감도 영역(Domain B)에서는 제1재료와 제2재료를 혼합하여 공급하도록 할 수 있으며, 상기 소정 범위 내의 민감도 영역(Domain B)에서는 제1재료와 제2재료의 혼합비율을 다르게 하여 공급할 수 있다. 상기 제1재료와 제2재료는 단일 금속분말재료일 수 있으나, 재료공급부(21)에 저장되는 시점에 다른 물성을 가진 재료가 혼합된 복합재료일 수도 있다.

또한, 공급량 제어단계(S75)에서는 목적하고자 하는 물성에 따라 천이영역(Domain B)에서 제3재료를 추가로 공급할 수도 있는데, 이때 제3재료는 목적함수에 영향을 미치는 제1재료와 제2재료의 물성치 사이의 물성치를 가지는 재료일 수 있다. 이때 제3재료는 물성 부여를 목적으로 비금속계 재료를 사용할 수 있으며, 일 실시예에서는 제1재료와 제2재료 사이의 고용성이 낮은 경우 상기 제1재료 및 제2재료와 고용성이 좋은 재료를 사용하여 제1재료와 제2재료의 중간층(interlayer)으로 기능하도록 할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 목적함수를 여러개 지정하여 수치해석을 하는 경우에도 제3재료가 혼합될 수 있다. 다중 목적함수를 지정한 경우, 소정 목적에 대해서는 제2재료가 적합하나, 다른 물성을 위한 목적에는 제2재료가 적합하지 않을 수 있고, 이에 따라 다른 목적함수에 대한 민감도가 높은 영역에 대해 제3재료가 혼합되도록 할 수 있는 것이다. 즉 본 발명을 통하여 제3재료 외에 제4재료, 제5재료도 혼합될 수 있는 것이 통상의 기술자에게 이해된다.

상기 혼합단계(S77)는 재료공급부로부터 공급된 복수의 재료를 혼합하는 과정으로, 본 발명의 일 실시예에서는 분말 상으로 공급된 복수의 재료를 내부에 형성되는 기류 및/또는 분위기를 통해 혼합할 수 있다. 도 11에서 도시되는 바와 같이, 상기 혼합단계(S77)에서의 혼합으로 인해, 노즐(25) 측으로 공급되는 재료의 혼합물은 제1재료(alloy A)로부터 제2재료(alloy B)까지 점진적으로 비율이 변화하거나(a), 도 11의 (a)에서 제1재료와 제2재료가 혼합되는 그래디언트가 복수 회 반복되는 형상을 띌 수도 있다(b). 또한 제3재료를 추가하여 혼합된 재료의 물성을 강화할 수 있으며(c), 제1재료로서 금속 분말 상 사이에 제2재료로서 세라믹 입자를 혼합하여 공급할 수도 있다(d).

상기 적층단계(S79)는 노즐(25)을 통해 재료를 공급하고 적층시키는 과정으로, 민감도에 따라 소정 혼합비율로 혼합된 이종재료가 적층됨으로써 목적하는 생성물에 대해 공정 결함을 배제하고 목표한 물성의 구현이 가능하도록 한다.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

10: 제어기
11: 데이터변환부 13: 툴패스생성부
15: 수치해석부 17: 공급제어부
20: 3D프린터
21: 재료공급부 23: 혼합부
25: 노즐부 27: 가열부
S: 적층가공의 이종재료 투입 제어방법
S10: 모델링 인풋단계 S30: 툴패스 생성단계
S50: 민감도 적용단계
S51: 목적함수 지정단계 S53: 수치해석단계
S55: 천이영역 결정단계 S57: 맵핑단계
S70: 적층제어단계 S71: 스무딩단계
S73: 재료공급단계 S75: 공급량 제어단계
S77: 혼합단계 S79: 적층단계

Claims

제공받은 3차원 이미지 데이터를 복수의 슬라이스로 슬라이싱하고 노즐의 이동경로를 결정하는 툴패스 생성단계, 수치해석을 통해 목적함수에 대한 이종재료의 민감도를 도출하고 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용하는 민감도 적용단계, 이종재료를 공급하고 혼합하여 적층하는 적층제어단계를 포함하고,
상기 적층제어단계는, 복수의 재료를 공급하는 재료공급단계, 민감도를 스무딩하는 스무딩단계, 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용된 민감도에 따라 재료의 공급량을 제어하는 공급량 제어단계를 포함하며,
상기 스무딩단계는 상기 공급량 제어단계에서의 공급량 변화 주기를 설정하고, 공급량 변화 주기에 따라 툴패스 상의 민감도를 연산하여 스무딩하는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 민감도 적용단계는, 3차원 이미지 데이터의 형상이 가지는 물성의 최적화 목표에 따른 목적함수를 결정하는 목적함수 지정단계, 상기 목적함수에 따라 수치해석을 수행하여 재료에 대한 민감도를 도출하는 수치해석단계, 재료에 대한 민감도를 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 맵핑하는 맵핑단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법.
제2항에 있어서, 상기 맵핑단계는 좌표별로 정의된 민감도를 상기 좌표에 대응되는 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스의 스팟에 맵핑하는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법.
제3항에 있어서, 상기 맵핑단계는 맵핑된 민감도에 따라 적어도 하나 이상의 재료 혼합비율을 상기 스팟에 저장하는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법.
제3항에 있어서, 상기 민감도 적용단계는 수치해석으로 도출된 민감도 중 이종재료가 사용되도록 하는 민감도를 가지는 영역을 결정하는 천이영역 결정단계를 더 포함하고,
상기 맵핑단계는 천이영역 내의 민감도를 맵핑하는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법.
제3항에 있어서, 상기 적층제어단계는, 복수의 재료를 혼합하는 혼합단계, 3D프린터에서 재료를 공급하고 적층시키는 적층단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법.
제6항에 있어서, 상기 공급량 제어단계는, 민감도가 맵핑된 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스 내에서 소정 범위의 민감도를 지정하고,
상기 3D프린터로 하여금, 소정 범위의 이하의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제1재료, 소정 범위의 이상의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제2재료를 공급하며, 소정 범위 내의 민감도 영역에서는 제1재료와 제2재료를 혼합하여 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법.
제7항에 있어서, 상기 공급량 제어단계는 소정 범위 내 민감도의 변화에 따라 제1재료와 제2재료의 혼합비율을 다르게 하여 공급하는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법.
제7항에 있어서, 상기 공급량 제어단계는 적어도 하나 이상의 제3재료를 추가로 공급하는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법.
제1항에 있어서, 상기 스무딩단계는 공급량 변화 주기에 따라 툴패스 상의 연속되는 소정 개수 스팟의 민감도를 스무딩하는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법.
제7항에 있어서, 상기 재료공급단계에서는 복수의 재료가 분말 상으로 공급되고, 상기 혼합단계에서는 상기 3D프린터 내부에 형성되는 기류를 통해 분말이 혼합되는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법.
제4항에 있어서, 상기 맵핑단계는 툴패스 상의 연속되는 소정 개수의 스팟을 노드로 정의하고, 상기 스팟들의 재료 혼합비율을 연산한 재료 혼합비율을 상기 노드에 저장하는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어방법.
적어도 하나 이상의 재료를 노즐을 통해 분사한 후 가열하여 표면에 용착시켜 적층가공을 수행하는 3D프린터, 3차원 이미지 데이터를 제공받고 상기 3D프린터를 통해 제공되는 적어도 하나 이상의 재료 공급량을 제어하는 제어기를 포함하고,
상기 3D프린터는 적층가공을 위해 분사할 분말을 저장하고 공급하는 적어도 하나 이상의 재료공급부, 상기 재료공급부로부터 공급된 재료를 혼합하는 혼합부, 상기 3D프린터의 일측에 결합되어 혼합된 재료를 표면상에 토출하는 노즐, 노즐을 통해 표면상에 분사되는 재료를 가열하여 용융상태로 형성하는 가열부를 포함하며,
상기 제어기는 제공받은 3차원 이미지 데이터를 복수의 슬라이스로 슬라이싱하고 노즐의 이동경로를 결정하는 툴패스 생성부, 수치해석을 통해 목적함수에 대한 이종재료의 민감도를 도출하고 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스에 적용하는 수치해석부, 분말공급지령을 통해 상기 3D프린터에서 재료의 공급을 제어하는 공급제어부를 포함하되,
상기 공급제어부는 툴패스에 맵핑된 목적함수에 대한 이종재료의 민감도에 따라 이종재료가 혼합되도록 재료의 공급량을 제어하되,
상기 3D프린터의 재료공급부로부터 공급되는 재료의 공급량 변화 주기를 설정하고, 공급량 변화 주기에 따라 툴패스 상의 연속되는 소정 개수 스팟의 민감도를 연산하여 스무딩한 후 재료의 공급량을 제어하는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어시스템.
제13항에 있어서, 상기 공급제어부는 민감도가 맵핑된 상기 3차원 이미지 데이터 또는 툴패스 내에서 소정 범위의 민감도를 지정하고,
상기 3D프린터로 하여금, 소정 범위의 이하의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제1재료, 소정 범위의 이상의 민감도에서는 적어도 하나 이상의 제2재료를 공급하며, 소정 범위 내의 민감도 영역에서는 제1재료와 제2재료를 혼합하여 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 적층가공의 이종재료 투입 제어시스템.
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