KR102584949B1

KR102584949B1 - 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3d 프린팅 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102584949B1
Application number: KR1020210154836A
Authority: KR
Inventors: 하철우; 연시모; 강동석; 허웅범; 손용
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2021-11-11
Filing date: 2021-11-11
Publication date: 2023-10-10
Also published as: KR20230069295A

Abstract

본 발명은 하부 금형의 상단에 마크 레이저빔을 조사하여 패턴화된 정렬 마크를 형성시키고 파우더로 레이저빔을 조사하는 3D 프린터, 하부 금형의 상단에 대한 하부 금형의 상단 형상정보, 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 하부 금형의 내부에 형성되는 제1 냉각채널의 경계부 형상정보를 획득한 후 3D 프린터로 전송하는 비전장치 및 하부 금형의 상부에 형성시키기 위한 상부 금형에 대한 3차원 데이터를 기반으로 정렬 마크에 대한 패턴을 생성하여 3D 프린터로 전송하는 정보처리장치를 포함하고, 3D 프린터는 정렬 마크의 경계부 형상정보와 제1 냉각채널의 경계부 형상정보가 불일치될 경우, 정렬 마크의 경계부 형상정보가 제1 냉각채널의 경계부 형상정보와 일치되도록 정렬 마크의 경계부 형상정보의 위치를 보정한 후 파우더로 레이저빔을 조사하여 3차원 구조물을 3D 프린팅하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템 및 방법을 제공한다.

Description

정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템 및 방법{A 3D printing system and method of upper mold through alignment mark-based position correction}

본 발명은 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하부 금형에 상부 금형을 정렬시키기 위한 위치 보정을 수행한 결과를 3D 데이터에 반영하여 하부 금형의 상단에 상부 금형을 3D 프린팅하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템 및 방법에 관한 것이다.

주조 공정에서 활용되는 금형은 상부 및 하부 금형으로 나뉘게 된다. 하부 금형은 주조 공정을 위한 금형 기판으로 활용되며 단순한 구조를 갖추고 있다.

도 1의 (a), (b)는 종래기술에 따라 제조된 하부 금형 및 냉각 채널을 나타낸 개념도이다.

하부 금형은 전통 기계 가공 기술을 적용하면 저렴한 비용으로 쉽게 제작이 가능하며, 상기한 종래기술에 의해 제조된 하부 금형이 도 1의 (a), (b)에 도시되어 있다.

상부 금형은 주조공정을 통해 생산되는 제품의 형태를 잡아주는 역할을 수행한다. 주조 공정의 생산성 향상을 위해 상부 금형 내부에 채널을 형성하여 주조 공정 중에 금형이 빨리 냉각될 수 있도록 연구가 진행되고 있다.

3D 프린팅 공정은 복잡 다양한 형상의 제작에 유리한 공정 기술이다. 하지만 단순한 형상에 대해서는 전통적 기계 가공에 비해 가공속도가 느리고 비용이 많이 드는 단점이 있다. 따라서 하부 금형은 전통 기계 가공 기술이 유리하며 상부 금형은 3D 프린팅 기술로 제작이 유리하다. 이때, 서로 다른 공정 기술로 제작된 상부/하부 금형 기판을 하이브리드 하는 방식이 요구된다.

도 2의 (a), (b), (c)는 종래기술에 따른 3D 프린팅 시 상부 금형과 하부 금형의 형상이 정렬되지 않는 문제점을 나타낸 도면이다.

상기한 3D 프린팅을 이용할 시, 금형 냉각을 위해 상/하부 금형의 내부에 형성되는 냉각 채널을 포함하는 상/하부 금형 간의 형상 얼라인이 맞지 않으면(도 2의 (a), (b), (c) 참조), 냉각수가 원활히 흐르지 않거나 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 발생한다.

도 3의 (a)는 종래기술의 절삭가공으로 금형의 내부에 냉각채널을 제조한 것을 나타낸 도면이다. 도 4는 직선형 냉각채널과 곡선형 냉각채널의 형상적 차이에 따른 냉각속도 및 응고의 균일성 여부를 해석한 그래프이다.

이에 따라 기술적 한계에 의해 종래에는 절삭가공으로 금형의 냉각채널을 제작할 경우 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 제작하고자 하는 주조품 주변에 직선형의 냉각채널을 제작함으로써 주조품의 냉각을 수행하였으나, 도 4에 도시된 바와 같이 직선형 냉각채널의 경우, 냉각속도가 상대적으로 느리고 응고도 비균일하게 이루어짐에 따라 주조품의 변형으로 인한 불량율이 높았다.

도 5의 (a), (b), (c)는 종래기술에 따라 복잡한 형상의 채널 코어를 만든 후 냉각채널을 형성시킨 것을 나타낸 도면이다.

한편, 다른 종래기술로서, PVB(Polyvyinyl bulyral resin)로 복잡한 형상의 채널 코어를 만들고 금형의 제작 시, 채널 코어를 넣고 금형 제작 완료 후 알코올을 이용하여 PVB를 용해하여 복잡한 형상의 냉각채널을 가진 금형을 만드는 방법도 있으나, 상기한 종래기술은 채널 코어를 복잡한 형상을 만들어야 하므로 구현하기 쉽지 않다.

도 6은 종래기술에 따라 3D 프린팅할 시 1개의 레이어를 출력하고 공정을 멈춘 후 육안과 버니어캘리퍼로 정렬을 확인하는 방식을 나타낸 공정도이다.

다른 한편, 다른 종래기술로서, 냉각채널이 있는 기판 위에 3D프린팅을 할 때 1개의 레이어를 출력하고 공정을 멈추어 육안과 버니어캘리퍼로 얼라인을 확인하는 방식을 사용하는 방법도 있으나, 상기한 종래기술은 얼라인이 맞지 않으면 확인 후 위치 이동(translation)하거나, 회전 이동(rotation)하여 다시 한 층을 출력하고 육안으로 검사하는 방식을 반복해야 하는 문제점이 있었다.

(특허문헌 1) 등록특허공보 제10-2235921(2021.03.30.)

(특허문헌 2) 공개특허공보 제10-2019-0061552호(2019.06.05.)

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 주조 방식으로 제조된 하부 금형의 상단에 정렬 마크를 패턴 형성하고, 제1 비전센서로부터 획득된 하부 금형의 상단 형상정보, 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 제1 냉각채널의 경계부 형상정보를 이용하여 제1 냉각채널과 정렬 마크를 정렬시키기 위한 보상값을 3차원 데이터에 반영함에 따라 하부 금형의 상단에 3D 프린팅되는 상부 금형의 제2 냉각채널을 제1 냉각채널과 일치하도록 3D 프린팅하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 하부 금형의 상단에 마크 레이저빔을 조사하여 패턴화된 정렬 마크를 형성시키고 파우더로 레이저빔을 조사하는 3D 프린터; 상기 하부 금형의 상단에 대한 하부 금형의 상단 형상정보, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 상기 하부 금형의 내부에 형성되는 제1 냉각채널의 경계부 형상정보를 획득한 후 상기 3D 프린터로 전송하는 비전장치; 및 상기 하부 금형의 상부에 형성시키기 위한 상부 금형에 대한 3차원 데이터를 기반으로 상기 정렬 마크에 대한 패턴을 생성하여 상기 3D 프린터로 전송하는 정보처리장치;를 포함하고, 상기 3D 프린터는 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보와 상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보가 불일치될 경우, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보가 상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보와 일치되도록 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보의 위치를 보정한 후 상기 파우더로 상기 레이저빔을 조사하여 상기 3차원 구조물을 3D 프린팅하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 3D 프린터는, 상기 정보처리장치로부터 전송되는 상기 정렬 마크에 대한 패턴에 따라 상기 마크 레이저빔을 생성하는 레이저모듈; 및 상기 레이저모듈로부터 조사되는 상기 마크 레이저빔을 수신하는 광학계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 레이저모듈은, 상기 정보처리장치로부터 전송되는 상기 정렬 마크에 대한 패턴을 수신한 후 상기 마크 레이저빔을 생성하는 레이저부; 및 상기 레이저부로부터 조사되는 상기 마크 레이저빔을 공급받는 파이버팁(fiber tip);을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 광학계는, 상기 파이버팁으로부터 공급되는 상기 마크 레이저빔을 평행광선으로 만드는 시준기(Collimator); 상기 시준기로부터 공급되는 평행광선이 된 마크 레이저빔을 집중시키는 초점부(3D focus unit); 및 상기 초점부로부터 공급되는 상기 집중된 마크 레이저빔을 수신하는 제1 빔분리기(beam splitter);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 3D 프린터는, 상기 하부 금형을 지지하는 지지부; 및 상기 상부 금형을 향하도록 배치되고 상기 제1 빔분리기로부터 공급되는 상기 집중된 마크 레이저빔을 상기 하부 금형으로 반사시켜 상기 하부 금형의 상단에 상기 정렬 마크를 패턴 형성시키는 스캐닝부;를 더 포함하고, 상기 스캐닝부는 상기 마크 레이저빔이 상기 파우더를 조사한 후 반사되는 반사빔을 제1 빔분리기로 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 지지부는, 상하 방향으로 개방된 베드; 상기 베드의 내측면에 밀착되고 상기 베드의 내부에 위치하며 상면에 위치하는 상기 하부 금형을 지지하는 빌드 플레이트; 상기 빌드 플레이트의 하면에 밀착되고 상기 상하 방향으로 이동하면서 상기 빌드 플레이트를 승강 또는 하강시키는 빌드 피스톤; 상기 하부 금형과 상기 빌드 플레이트를 고정시키는 지그; 및 상기 베드의 상면에 위치하여 상기 베드, 상기 빌드 플레이트, 상기 지그 및 상기 하부 금형이 이루는 공간으로 상기 파우더를 공급하는 파우더 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 비전장치는, 상기 제1 빔분리기로부터 반사되는 상기 반사빔을 공급받는 미러; 상기 미러로부터 반사되는 상기 반사빔을 집중시키는 포커스 렌즈; 상기 포커스 렌즈로부터 공급되는 상기 반사빔을 분배하는 제2 빔분리기; 및 상기 제2 빔분리기로부터 분배되는 상기 반사빔의 일부를 수신하여 상기 하부 금형의 상단에 대한 하부 금형의 상단 형상정보, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 제1 냉각채널의 경계부 형상정보를 획득하는 제1 비전센서;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 3D 프린터는 상기 제1 냉각채널과 상기 정렬 마크의 불일치에 따른 오차를 보정하기 위한 위치보정모듈;을 더 포함하고, 상기 위치보정모듈은, 상기 하부 금형의 상단 형상정보를 기반으로 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보와 제1 냉각채널의 경계부 형상정보의 불일치에 따른 오차를 보정하는 위치보정부; 및 상기 레이저모듈, 상기 비전장치 및 상기 정보처리장치의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보는 상기 정렬 마크의 외곽선 및 상기 정렬 마크의 위치좌표를 포함하고, 상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보는 상기 제1 냉각채널의 외곽선 및 상기 제1 냉각채널의 위치좌표를 포함하며, 상기 위치보정부는 상기 정렬 마크의 외곽선이 상기 제1 냉각채널의 외곽선을 기준으로 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 위치 이동(translation)된 경우, 상기 정렬 마크의 위치좌표와 상기 제1 냉각채널의 위치좌표의 오차값에 대한 위치보상값(e_x, e_y, e_z)을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보는 상기 정렬 마크의 외곽선 및 상기 정렬 마크의 위치좌표를 포함하고, 상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보는 상기 제1 냉각채널의 외곽선 및 상기 제1 냉각채널의 위치좌표를 포함하며, 상기 위치보정부는 상기 정렬 마크의 외곽선이 상기 제1 냉각채널의 외곽선을 기준으로 회전 이동(rotation)된 경우, 상기 정렬 마크의 위치좌표와 상기 제1 냉각채널의 위치좌표의 오차값에 대한 회전보상값(θ_x, θ_y, θ_z)을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보는 상기 정렬 마크의 외곽선 및 상기 정렬 마크의 위치좌표를 포함하고, 상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보는 상기 제1 냉각채널의 외곽선 및 상기 제1 냉각채널의 위치좌표를 포함하며, 상기 위치보정부는 상기 정렬 마크의 외곽선이 상기 제1 냉각채널의 외곽선을 기준으로 찌그러져 틸팅(tilting)된 경우, 상기 정렬 마크의 외곽선과 상기 제1 냉각채널의 외곽선의 오차값에 대한 틸팅보상값(Φ_x, Φ_y, Φ_z)을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 정보처리장치는 상기 위치보정부로부터 전송되는 상기 위치보상값(e_x, e_y, e_z)을 상기 상부 금형에 대한 3차원 데이터에 반영하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 정보처리장치는 상기 위치보정부로부터 전송되는 상기 회전보상값(θ_x, θ_y, θ_z)을 상기 상부 금형에 대한 3차원 데이터에 반영하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 정보처리장치는 상기 위치보정부로부터 전송되는 상기 틸팅보상값(Φ_x, Φ_y, Φ_z)을 상기 상부 금형에 대한 3차원 데이터에 반영하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 비전장치는 상기 제2 빔분리기로부터 분배되는 상기 반사빔의 나머지 일부를 수신하여 보정된 상기 3차원 데이터를 검증하는 제2 비전센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 (a) 정보처리장치가 하부 금형의 상부에 형성시키기 위한 상부 금형에 대한 3차원 데이터를 기반으로 정렬 마크에 대한 패턴을 생성하는 단계; (b) 3D 프린터가 상기 하부 금형의 상단에 마크 레이저빔을 조사하여 패턴화된 정렬 마크를 형성시키는 단계; (c) 비전장치가 상기 하부 금형의 상단에 대한 하부 금형의 상단 형상정보, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 상기 하부 금형의 내부에 형성되는 제1 냉각채널의 경계부 형상정보를 획득하는 단계; (d) 상기 3D 프린터가 상기 하부 금형의 상단 형상정보, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보를 기반으로 보상값을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 단계; (e) 상기 정보처리장치가 상기 3차원 데이터에 상기 보상값을 반영하여 상기 3D 프린터로 전송하는 단계; 및 (f) 상기 3D 프린터가 상기 정보처리부로부터 전송되는 상기 보상값이 반영된 3차원 데이터를 기반으로 3차원 구조물을 3D 프린팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보는 상기 정렬 마크의 외곽선 및 상기 정렬 마크의 위치좌표를 포함하고, 상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보는 상기 제1 냉각채널의 외곽선 및 상기 제1 냉각채널의 위치좌표를 포함하며, 상기 (d) 단계는, (d1) 상기 3D 프린터에 구비된 위치보정모듈이 상기 정렬 마크의 외곽선이 상기 제1 냉각채널의 외곽선을 기준으로 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 위치 이동(translation)된 경우, 상기 정렬 마크의 위치좌표와 상기 제1 냉각채널의 위치좌표의 오차값에 대한 위치보상값(e_x, e_y, e_z)을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 단계; (d2) 상기 위치보정모듈이 상기 정렬 마크의 외곽선이 상기 제1 냉각채널의 외곽선을 기준으로 회전 이동(rotation)된 경우, 상기 정렬 마크의 위치좌표와 상기 제1 냉각채널의 위치좌표의 오차값에 대한 회전보상값(θ_x, θ_y, θ_z)을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 단계; (d3) 상기 위치보정모듈이 상기 정렬 마크의 외곽선이 상기 제1 냉각채널의 외곽선을 기준으로 찌그러져 틸팅(tilting)된 경우, 상기 정렬 마크의 외곽선과 상기 제1 냉각채널의 외곽선의 오차값에 대한 틸팅보상값(Φ_x, Φ_y, Φ_z)을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

도 1의 (a), (b)는 종래기술에 따라 제조된 하부 금형 및 냉각 채널을 나타낸 개념도이다.
도 2의 (a), (b), (c)는 종래기술에 따른 3D 프린팅 시 상부 금형과 하부 금형의 형상이 정렬되지 않는 문제점을 나타낸 도면이다.
도 3의 (a), (b)는 종래기술의 절삭가공으로 금형의 내부에 냉각채널을 제조한 것과 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템으로 금형의 내부에 냉각채널을 제조한 것을 비교한 도면이다.
도 4의 (a), (b), (c)는 종래기술에 따라 복잡한 형상의 채널 코어를 만든 후 냉각채널을 형성시킨 것을 나타낸 도면이다.
도 5는 종래기술에 따라 3D 프린팅할 시 1개의 레이어를 출력하고 공정을 멈춘 후 육안과 버니어캘리퍼로 정렬을 확인하는 방식을 나타낸 공정도이다.
도 6은 직선형 냉각채널과 곡선형 냉각채널의 형상적 차이에 따른 냉각속도 및 응고의 균일성 여부를 해석한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 정렬 마크와 이미지를 비교하여 위치를 보정한 후 3D 프린팅하는 과정을 나타낸 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법을 나타낸 블록도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 인쇄물을 설정하고 3D 데이터를 로딩하는 과정에서의 상부 금형의 형상을 나타낸 도면이다.
도 12의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 하부 금형의 상단에 정렬 마크를 패턴 형성시키고 비전센서로 하부 금형의 상단, 정렬 마크, 제1 냉각채널에 대한 형상정보를 획득하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 13의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 상부 금형과 하부 금형이 정렬된 경우와 정렬되지 않은 경우 하부 금형의 상단에 형성될 3차원 구조물의 출력예상도이다.
도 14의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 각각 위치 이동(translation), 회전 이동(rotation) 및 틸팅(tilting)에 대한 정의 및 3D 데이터의 보정을 통한 보상값을 연산하는 것을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 상부 금형과 하부 금형의 정렬 여부에 따른 예상 공정 결과를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 파우더에 조사된 레이저빔에 포함된 레이저 에너지의 흡수로 인한 빛의 방출 여부를 통한 방사율 평가를 통하여 정렬의 정확도를 평가하기 위한 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

1. 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템

이하, 도 3의 (b), 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템을 설명하도록 한다.

도 3의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템으로 금형의 내부에 냉각채널을 제조한 것을 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템은 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 금형물(part)의 외형에 상응하는 냉각 채널을 형성하기 위하여 하부 금형의 상단에 3D 프린터로 상부 금형을 3D 프린팅하고, 하부 금형의 내부에 형성되는 제1 냉각채널과 상부 금형의 제2 냉각채널이 정렬되도록 한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템을 나타낸 블록도이다.

상기한 바를 구현하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템은 도 7에 도시된 바와 같이 3D 프린터(100), 비전장치(200) 및 정보처리장치(300)를 포함한다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템을 나타낸 개념도이다.

도 8을 참조하면, 3D 프린터(100)는 하부 금형(20)의 상단에 마크 레이저빔을 조사하여 패턴화된 정렬 마크를 형성시키고 파우더(10)로 레이저빔을 조사한다.

또한, 3D 프린터(100)는 정렬 마크의 경계부 형상정보와 제1 냉각채널의 경계부 형상정보가 불일치될 경우, 정렬 마크의 경계부 형상정보가 제1 냉각채널의 경계부 형상정보와 일치되도록 정렬 마크의 경계부 형상정보의 위치를 보정한 후 파우더(10)로 레이저빔을 조사하여 3차원 구조물인 상부 금형(30)을 3D 프린팅한다.

3D 프린터(100)는 지지부(110), 레이저모듈(120), 광학계(130), 스캐닝부(140) 및 위치보정모듈(150)을 포함한다.

지지부(110)는 하부 금형(20)을 지지한다.

이를 위한 지지부(110)는 빌드 플레이트(111), 베드(112), 빌드 피스톤(113), 지그(114) 및 파우더 공급부(115)를 포함한다.

빌드 플레이트(111)는 베드(112)의 내측면에 밀착되고 베드(112)의 내부에 위치하며 상면에 위치하는 하부 금형(20)을 지지한다.

베드(112)는 상하 방향으로 개방되어 있다.

또한, 베드(112)의 상부는 외측방향으로 연장되어 있고, 베드(112)의 내부에는 빌드 피스톤(113), 빌드 플레이트(111) 및 하부 금형(20)가 하부로부터 순차적으로 위치한다.

빌드 피스톤(113)은 빌드 플레이트(111)의 하면에 밀착되고 상하 방향으로 이동하면서 빌드 플레이트(111)를 승강 또는 하강시킨다.

구체적으로 빌드 피스톤(113)의 상단은 빌드 플레이트(113)의 하단과 상응하도록 형성되어 빌드 플레이트(113)의 하단에 밀착되는 것이 바람직하다.

지그(114)는 하부 금형(20)과 빌드 플레이트(112)를 고정시킨다. 구체적으로 지그(114)는 하부 금형(20)의 외측면과 빌드 플레이트(112)의 상면에 밀착되어 하부 금형(20)과 빌드 플레이트(112)를 고정시킬 수 있다.

파우더 공급부(115)는 베드(114)의 상면에 위치하여 베드(114), 빌드 플레이트(112), 지그(114) 및 하부 금형(20)이 이루는 공간으로 파우더(10)를 공급한다. 이때, 파우더(10)는 금속 파우더일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

레이저모듈(120)은 정보처리장치(300)로부터 전송되는 정렬 마크(align-mark)에 대한 패턴에 따라 마크 레이저빔을 생성한다.

도 8을 참조하면, 상기한 레이저모듈(120)은 레이저부(121) 및 파이버팁(fiber tip)(122)을 포함한다.

레이저부(121)는 정보처리장치(300)로부터 전송되는 정렬 마크에 대한 패턴을 수신한 후 마크 레이저빔을 생성한다.

파이버팁(fiber tip)(122)은 레이저부(121)로부터 조사되는 마크 레이저빔을 공급받는다.

광학계(130)는 레이저모듈(120)로부터 조사되는 마크 레이저빔을 수신한다.

상기한 광학계(130)는 시준기(Collimator)(131), 초점부(3D focus unit)(132) 및 제1 빔분리기(beam splitter)(133)를 포함한다.

시준기(Collimator)(131)는 파이버팁(122)으로부터 공급되는 마크 레이저빔을 평행광선으로 만든다.

초점부(3D focus unit)(132)는 시준기로부터 공급되는 평행광선이 된 마크 레이저빔을 집중시킨다.

제1 빔분리기(beam splitter)(133)는 초점부(132)로부터 공급되는 집중된 마크 레이저빔을 수신한 후 스캐닝부(140)로 공급한다.

스캐닝부(140)는 하부 금형(20)을 향하도록 배치되고 제1 빔분리기(133)로부터 공급되는 집중된 마크 레이저빔을 하부 금형(20)으로 반사시켜 하부 금형(20)의 상단에 정렬 마크를 패턴 형성시킨다.

또한, 스캐닝부(140)는 마크 레이저빔이 파우더(10)를 조사한 후 반사되는 반사빔을 제1 빔분리기(133)로 공급한다.

위치보정모듈(150)은 하부 금형(20)의 내부에 형성되는 제1 냉각채널(21)(도 11에 도시)과 정렬 마크의 불일치에 따른 오차를 보정하기 위한 구성요소이다.

상기한 위치보정모듈(150)은, 위치보정부 및 제어부를 포함한다.

위치보정부(미도시)는 하부 금형(20)의 상단 형상정보를 기반으로 정렬 마크의 경계부 형상정보와 제1 냉각채널(21)(도 11에 도시)의 경계부 형상정보의 불일치에 따른 오차를 보정한다.

여기서, 하부 금형(20)의 상단 형상정보는 하부 금형(20)의 상단에 대한 이미지, 하부 금형(20)의 상단의 외곽선 및 하부 금형(20)의 위치정보(예를 들어, 위치좌표)를 포함한다.

또한, 정렬 마크의 경계부 형상정보는 정렬 마크에 대한 이미지, 정렬 마크의 외곽선 및 정렬 마크의 위치좌표를 포함하고, 제1 냉각채널의 경계부 형상정보는 제1 냉각채널에 대한 이미지, 제1 냉각채널의 외곽선 및 상기 제1 냉각채널의 위치좌표를 포함한다.

이에 따른 위치보정부는 정렬 마크의 외곽선이 제1 냉각채널(21)의 외곽선을 기준으로 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 위치 이동(translation)된 경우, 정렬 마크의 위치좌표(x, y, z)와 제1 냉각채널(21)의 위치좌표(x', y', z')의 오차값에 대한 위치보상값(e_x, e_y, e_z)을 생성하여 정보처리장치(300)로 전송한다.

한편, 위치보정부는 정렬 마크의 외곽선이 제1 냉각채널(21)의 외곽선을 기준으로 회전 이동(rotation)된 경우, 정렬 마크의 위치좌표(x, y, z)와 제1 냉각채널(21)의 위치좌표(x', y', z')의 오차값에 대한 회전보상값(θ_x, θ_y, θ_z)을 생성하여 정보처리장치(300)로 전송한다.

다른 한편, 위치보정부는 정렬 마크의 외곽선이 제1 냉각채널(21)의 외곽선을 기준으로 찌그러져 틸팅(tilting)된 경우, 정렬 마크의 외곽선과 제1 냉각채널(21)의 외곽선의 오차값에 대한 틸팅보상값(θ_x, θ_y, θ_z)을 생성하여 정보처리장치(300)로 전송한다.

제어부(미도시)는 레이저모듈(120), 비전장치(200) 및 정보처리장치(300)의 동작을 제어한다.

비전장치(200)는 하부 금형(20)의 상단에 대한 하부 금형의 상단 형상정보, 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 하부 금형의 내부에 형성되는 제1 냉각채널(21)의 경계부 형상정보를 획득한 후 3D 프린터(100)로 전송한다.

상기한 비전장치(200)는 미러(210), 포커스 렌즈(220), 제2 빔분리기(230), 제1 비전센서(240) 및 제2 비전센서(250)를 포함한다.

미러(210)는 제1 빔분리기(133)로부터 반사되는 반사빔을 공급받는다.

또한, 미러(210)는 반사된 빔을 포커스 렌즈(220)로 반사시킨다.

포커스 렌즈(220)는 미러(210)로부터 반사되는 반사빔을 집중시킨다.

제2 빔분리기(230)는 포커스 렌즈(220)로부터 공급되는 반사빔을 분배한다.

구체적으로 제2 빔분리기(230)는 제1 비전센서(240) 및 제2 비전센서(250)로 반사빔을 분배한다.

제1 비전센서(240)는 제2 빔분리기(230)로부터 분배되는 반사빔의 일부를 수신하여 하부 금형의 상단에 대한 하부 금형의 상단 형상정보, 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 제1 냉각채널(21)의 경계부 형상정보를 획득한 후 위치보정부로 전송한다.

제2 비전센서(250)는 제2 빔분리기(230)로부터 분배되는 반사빔의 나머지 일부를 수신하여 보정된 3차원 데이터를 검증한다.

구체적으로 제2 비전센서(250)는 금속 파우더가 흡수한 에너지를 흡수하면서 방출하는 빛(방사율 평가)을 통해 정렬 정확도를 검증 및 평가한다.

예시적으로 전술한 제1 비전센서(240) 및 제2 비전센서(250)는 포토다이오드일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

정보처리장치(300)는 하부 금형(20)의 상부에 형성시키기 위한 상부 금형(30)에 대한 3차원 데이터를 기반으로 정렬 마크에 대한 패턴을 생성하여 3D 프린터(100)로 전송한다.

이때, 3차원 데이터는 3D 프린팅을 수행하기 위한 3차원 구조물에 대한 형상정보가 포함된 3D 모델링 파일(예를 들어, 확장자가 STL, STEP 등)일 수 있다.

상기한 정보처리장치(300)는 위치보정부로부터 전송되는 위치보상값(e_x, e_y, e_z)을 상부 금형(30)에 대한 3차원 데이터에 반영한다.

한편, 정보처리장치(300)는 위치보정부로부터 전송되는 회전보상값(θ_x, θ_y, θ_z)을 상부 금형(30)에 대한 3차원 데이터에 반영한다.

다른 한편, 정보처리장치(300)는 위치보정부로부터 전송되는 틸팅보상값(θ_x, θ_y, θ_z)을 상부 금형(30)에 대한 3차원 데이터에 반영한다.

즉, 정보처리장치(300)는 위치 이동(translation), 회전 이동(rotation) 및 틸팅(tilting) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 문제가 발생할 경우, 보상값을 3차원 데이터에 반영한 후 보상값이 반영된 3차원 데이터를 3D 프린터(100)로 전송한다.

이후, 3D 프린터(100)는 보상값이 반영된 3차원 데이터를 기반으로 3차원 구조물을 3D 프린팅함으로써, 하부 금형(20)의 제1 냉각채널에 일치되는 제2 냉각채널(31)을 포함하는 상부 금형(30)을 구현할 수 있다.

2. 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법

이하, 도 3의 (b), 도 7 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법을 설명하도록 한다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 정렬 마크와 이미지를 비교하여 위치를 보정한 후 3D 프린팅하는 과정을 나타낸 블록도이다. 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법을 나타낸 블록도이다. 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 인쇄물을 설정하고 3D 데이터를 로딩하는 과정에서의 상부 금형의 형상을 나타낸 도면이다.

도 7 내지 도 9 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법은 (a) 정보처리장치(300)가 하부 금형(20)의 상부에 형성시키기 위한 상부 금형(20)에 대한 3차원 데이터를 기반으로 정렬 마크에 대한 패턴을 생성하는 단계, (b) 3D 프린터(100)가 하부 금형(20)의 상단에 마크 레이저빔을 조사하여 패턴화된 정렬 마크를 형성시키는 단계, (c) 비전장치(200)가 하부 금형(20)의 상단에 대한 하부 금형(20)의 상단 형상정보, 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 하부 금형(20)의 내부에 형성되는 제1 냉각채널(21)의 경계부 형상정보를 획득하는 단계, (d) 3D 프린터(100)가 하부 금형(20)의 상단 형상정보, 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 제1 냉각채널(21)의 경계부 형상정보를 기반으로 보상값을 생성하여 정보처리장치(300)로 전송하는 단계, (e) 정보처리장치(300)가 3차원 데이터에 보상값을 반영하여 3D 프린터(100)로 전송하는 단계 및 (f) 3D 프린터(100)가 정보처리부(300)로부터 전송되는 보상값이 반영된 3차원 데이터를 기반으로 3차원 구조물인 상부 금형(30)을 3D 프린팅하는 단계를 포함한다.

상기 (a) 단계에서는 도 11에 도시된 바와 같이 정보처리장치(300)가 하부 금형(20)의 상부에 형성시키기 위한 출력물인 상부 금형을 설정하고, 상부 금형(20)에 대한 3차원 데이터를 로딩한 후 3차원 데이터를 기반으로 정렬 마크에 대한 패턴을 생성한다.

이때, 도 11에 도시된 제1 냉각채널(21)을 포함하는 하부 금형(20)은 전통의 주조방식에 의해 제조된 금형이고, 본 발명에서 구현하고자 하는 제2 냉각채널(31)을 포함하는 상부 금형(30)은 하부 금형(20)의 상부에 형성된다.

도 12의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 하부 금형의 상단에 정렬 마크를 패턴 형성시키고 비전센서로 하부 금형의 상단, 정렬 마크, 제1 냉각채널에 대한 형상정보를 획득하는 과정을 나타낸 도면이다.

다음, 상기 (b) 단계에서는 3D 프린터(100)가 하부 금형(20)의 상단에 마크 레이저빔을 조사(도 12의 (a) 참조)하여 패턴화된 정렬 마크를 형성(도 12의 (b) 참조)시킨다.

다음, 상기 (c) 단계에서는 비전장치(200)에 구비된 제1 비전센서(240)가 하부 금형(20)의 상단에 대한 하부 금형(20)의 상단 형상정보, 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 하부 금형(20)의 내부에 형성되는 제1 냉각채널(21)의 경계부 형상정보를 획득한다.

도 13의 (a), (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 상부 금형과 하부 금형이 정렬된 경우와 정렬되지 않은 경우 하부 금형의 상단에 형성될 3차원 구조물의 출력예상도이다.

다음, 도 13의 (a), (b)를 참조하면, 상기 (d) 단계에서는 3D 프린터(100)가 하부 금형(20)의 상단 형상정보, 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 제1 냉각채널(21)의 경계부 형상정보를 기반으로 보상값을 생성한다.

구체적으로 위치보정모듈(140)에 구비된 위치보정부는 도 13의 (a)에 도시된 바와 같이 정렬 마크의 경계부 형상정보와 제1 냉각채널(21)의 경계부 형상정보가 일치할 경우, 별도의 보상값을 생성하지 않는다.

한편, 위치보정부는 도 13의 (b)에 도시된 바와 같이 정렬 마크의 경계부 형상정보와 제1 냉각채널(21)의 경계부 형상정보가 불일치할 경우, 보상값을 생성한다.

도 14의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 각각 위치 이동(translation), 회전 이동(rotation) 및 틸팅(tilting)에 대한 정의 및 3D 데이터의 보정을 통한 보상값을 연산하는 것을 나타낸 도면이다.

이를 위한 상기 (d) 단계는, (d1) 3D 프린터(100)에 구비된 위치보정모듈(140)이 정렬 마크의 외곽선이 제1 냉각채널(21)의 외곽선을 기준으로 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 위치 이동(translation)된 경우(도 14의 (a), [표 1] 참조), 정렬 마크의 위치좌표와 제1 냉각채널(21)의 위치좌표의 오차값에 대한 위치보상값(e_x, e_y, e_z)을 생성하여 정보처리장치(300)로 전송하는 단계, (d2) 위치보정모듈(140)이 정렬 마크의 외곽선이 제1 냉각채널(21)의 외곽선을 기준으로 회전 이동(rotation)된 경우(도 14의 (b), [표 1] 참조), 정렬 마크의 위치좌표와 제1 냉각채널(21)의 위치좌표의 오차값에 대한 회전보상값(θ_x, θ_y, θ_z)을 생성하여 정보처리장치(300)로 전송하는 단계 및 (d3) 위치보정모듈(140)이 정렬 마크의 외곽선이 제1 냉각채널(21)의 외곽선을 기준으로 찌그러져 틸팅(tilting)된 경우(도 14의 (c), [표 1] 참조), 정렬 마크의 외곽선과 제1 냉각채널(21)의 외곽선의 오차값에 대한 틸팅보상값(θ_x, θ_y, θ_z)을 생성하여 정보처리장치(300)로 전송하는 단계를 포함한다.

정렬(align) 에러 형태	정렬 마크(align-mark) 형태	보상값
위치 이동(translation)	하부 금형의 제1 냉각채널 기준, 일정 방향으로 패턴 이동	e_x, e_y, e_z
회전 이동(rotation)	하부 금형의 제1 냉각채널 기준, 패턴 회전	θ_x, θ_y, θ_z
찌그러짐(tiling)	하부 금형의 제1 냉각채널 형상 대비 패턴의 찌그러짐	Φ_x, Φ_y, Φ_z

이때, 정렬 마크의 경계부 형상정보는 전술한 바와 같이 정렬 마크의 외곽선 및 정렬 마크의 위치좌표를 포함하고, 제1 냉각채널(21)의 경계부 형상정보는 전술한 제1 냉각채널(21)의 외곽선 및 제1 냉각채널(21)의 위치좌표를 포함한다.

또한, 위치보정부는 하기의 [수학식 1]에 의해 3차원 데이터를 보정할 수 있다.

(여기서, (x, y, z)= 정렬 마크의 위치좌표, (x', y', z')=제1 냉각채널(21)의 위치좌표, (e_x, e_y, e_z)=위치보상값, R(θ)=회전보상값, R(Φ)=틸팅보상값

도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 상부 금형과 하부 금형의 정렬 여부에 따른 예상 공정 결과를 나타낸 도면이다.

도 15에 도시된 바와 같이 제2 비전센서(250)에서 반사빔(하부 금형(20)의 상단에 조사된 마크 레이저빔이 반사된 빔)에 대한 빛의 세기(light intensity)가 일정할 경우, 제1 냉각 채널(21)과 정렬 마크의 정렬이 잘 이루어진 것으로 판단한다.

한편, 도 15에 도시된 바와 같이 제2 비전센서(250)에서 반사빔(하부 금형(20)의 상단에 조사된 마크 레이저빔이 반사된 빔)에 대한 빛의 세기(light intensity)가 일정하다가 특정 구간에서 작아질 경우, 제1 냉각 채널(21)과 정렬 마크의 정렬이 잘 이루어지지 않은 것으로 판단한다.

도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법에서 파우더에 조사된 레이저빔에 포함된 레이저 에너지의 흡수로 인한 빛의 방출 여부를 통한 방사율 평가를 통하여 정렬의 정확도를 평가하기 위한 그래프이다.

도 16은 금속 파우더에 레이저빔을 조사할 시, 레이저 에너지 흡수에 의해 금속 분자가 양자역학적 상태 중 에너지가 가장 낮은 바닥 상태보다 에너지가 높은 상태인 여기(excitation) 상태가 된다.

이때, 금속 분자가 흡수한 에너지를 방출하면서 빛 방출하게 되는데, 상부 금형(30)과 하부 금형(20)의 정렬이 맞지 않아서 마크 레이저빔이 금속 파우더가 없는 곳을 조사할 경우, 빛의 방출량이 감소한다.

즉, 제2 비전센서(250)는 반사빔을 감지하면서 상기한 기술원리를 이용하여 빛의 방출량의 증감을 통해 제1 냉각채널(21)과 정렬 마크의 정렬을 확인할 수 있다.

상기한 원리를 이용한 방사율 평가를 통하여 상부 금형(30)과 하부 금형(20)의 정렬을 검증 및 평가한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 파우더
20: 하부 금형
21: 제1 냉각채널
30: 상부 금형
31: 제2 냉각채널
100: 3D 프린터
110: 지지부
111: 빌드 플레이트
112: 베드
113: 빌드 피스톤
114: 지그
115: 파우더 공급부
120: 레이저모듈
121: 레이저부
122: 파이버팁(fiber tip)
130: 광학계
131: 시준기(Collimator)
132: 초점부(3D focus unit)
133: 제1 빔분리기(beam splitter)
140: 스캐닝부
150: 위치보정모듈
200: 비전장치
210: 미러
220: 포커스 렌즈
230: 제2 빔분리기
240: 제1 비전센서
250: 제2 비전센서
300: 정보처리장치

Claims

하부 금형의 상단에 마크 레이저빔을 조사하여 패턴화된 정렬 마크를 형성시키고 파우더로 레이저빔을 조사하는 3D 프린터;
상기 하부 금형의 상단에 대한 하부 금형의 상단 형상정보, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 상기 하부 금형의 내부에 형성되는 제1 냉각채널의 경계부 형상정보를 획득한 후 상기 3D 프린터로 전송하는 비전장치; 및
상기 하부 금형의 상부에 형성시키기 위한 상부 금형에 대한 3차원 데이터를 기반으로 상기 정렬 마크에 대한 패턴을 생성하여 상기 3D 프린터로 전송하는 정보처리장치;를 포함하고,
상기 3D 프린터는 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보와 상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보가 불일치될 경우, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보가 상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보와 일치되도록 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보의 위치를 보정한 후 상기 파우더로 상기 레이저빔을 조사하여 3차원 구조물을 3D 프린팅하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 3D 프린터는,
상기 정보처리장치로부터 전송되는 상기 정렬 마크에 대한 패턴에 따라 상기 마크 레이저빔을 생성하는 레이저모듈; 및
상기 레이저모듈로부터 조사되는 상기 마크 레이저빔을 수신하는 광학계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 레이저모듈은,
상기 정보처리장치로부터 전송되는 상기 정렬 마크에 대한 패턴을 수신한 후 상기 마크 레이저빔을 생성하는 레이저부; 및
상기 레이저부로부터 조사되는 상기 마크 레이저빔을 공급받는 파이버팁(fiber tip);을 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제3 항에 있어서,
상기 광학계는,
상기 파이버팁으로부터 공급되는 상기 마크 레이저빔을 평행광선으로 만드는 시준기(Collimator);
상기 시준기로부터 공급되는 평행광선이 된 마크 레이저빔을 집중시키는 초점부(3D focus unit); 및
상기 초점부로부터 공급되는 상기 집중된 마크 레이저빔을 수신하는 제1 빔분리기(beam splitter);를 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 3D 프린터는,
상기 하부 금형을 지지하는 지지부; 및
상기 상부 금형을 향하도록 배치되고 상기 제1 빔분리기로부터 공급되는 상기 집중된 마크 레이저빔을 상기 하부 금형으로 반사시켜 상기 하부 금형의 상단에 상기 정렬 마크를 패턴 형성시키는 스캐닝부;를 더 포함하고,
상기 스캐닝부는 상기 마크 레이저빔이 상기 파우더를 조사한 후 반사되는 반사빔을 제1 빔분리기로 공급하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제5 항에 있어서,
상기 지지부는,
상하 방향으로 개방된 베드;
상기 베드의 내측면에 밀착되고 상기 베드의 내부에 위치하며 상면에 위치하는 상기 하부 금형을 지지하는 빌드 플레이트;
상기 빌드 플레이트의 하면에 밀착되고 상기 상하 방향으로 이동하면서 상기 빌드 플레이트를 승강 또는 하강시키는 빌드 피스톤;
상기 하부 금형과 상기 빌드 플레이트를 고정시키는 지그; 및
상기 베드의 상면에 위치하여 상기 베드, 상기 빌드 플레이트, 상기 지그 및 상기 하부 금형이 이루는 공간으로 상기 파우더를 공급하는 파우더 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제5 항에 있어서,
상기 비전장치는,
상기 제1 빔분리기로부터 반사되는 상기 반사빔을 공급받는 미러;
상기 미러로부터 반사되는 상기 반사빔을 집중시키는 포커스 렌즈;
상기 포커스 렌즈로부터 공급되는 상기 반사빔을 분배하는 제2 빔분리기; 및
상기 제2 빔분리기로부터 분배되는 상기 반사빔의 일부를 수신하여 상기 하부 금형의 상단에 대한 하부 금형의 상단 형상정보, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 제1 냉각채널의 경계부 형상정보를 획득하는 제1 비전센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제7 항에 있어서,
상기 3D 프린터는 상기 제1 냉각채널과 상기 정렬 마크의 불일치에 따른 오차를 보정하기 위한 위치보정모듈;을 더 포함하고,
상기 위치보정모듈은,
상기 하부 금형의 상단 형상정보를 기반으로 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보와 제1 냉각채널의 경계부 형상정보의 불일치에 따른 오차를 보정하는 위치보정부; 및
상기 레이저모듈, 상기 비전장치 및 상기 정보처리장치의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제8 항에 있어서,
상기 정렬 마크의 경계부 형상정보는 상기 정렬 마크의 외곽선 및 상기 정렬 마크의 위치좌표를 포함하고,
상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보는 상기 제1 냉각채널의 외곽선 및 상기 제1 냉각채널의 위치좌표를 포함하며,
상기 위치보정부는 상기 정렬 마크의 외곽선이 상기 제1 냉각채널의 외곽선을 기준으로 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 위치 이동(translation)된 경우, 상기 정렬 마크의 위치좌표와 상기 제1 냉각채널의 위치좌표의 오차값에 대한 위치보상값(e_x, e_y, e_z)을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제8 항에 있어서,
상기 정렬 마크의 경계부 형상정보는 상기 정렬 마크의 외곽선 및 상기 정렬 마크의 위치좌표를 포함하고,
상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보는 상기 제1 냉각채널의 외곽선 및 상기 제1 냉각채널의 위치좌표를 포함하며,
상기 위치보정부는 상기 정렬 마크의 외곽선이 상기 제1 냉각채널의 외곽선을 기준으로 회전 이동(rotation)된 경우, 상기 정렬 마크의 위치좌표와 상기 제1 냉각채널의 위치좌표의 오차값에 대한 회전보상값(θ_x, θ_y, θ_z)을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제8 항에 있어서,
상기 정렬 마크의 경계부 형상정보는 상기 정렬 마크의 외곽선 및 상기 정렬 마크의 위치좌표를 포함하고,
상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보는 상기 제1 냉각채널의 외곽선 및 상기 제1 냉각채널의 위치좌표를 포함하며,
상기 위치보정부는 상기 정렬 마크의 외곽선이 상기 제1 냉각채널의 외곽선을 기준으로 찌그러져 틸팅(tilting)된 경우, 상기 정렬 마크의 외곽선과 상기 제1 냉각채널의 외곽선의 오차값에 대한 틸팅보상값(Φ_x, Φ_y, Φ_z)을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제9 항에 있어서,
상기 정보처리장치는 상기 위치보정부로부터 전송되는 상기 위치보상값(e_x, e_y, e_z)을 상기 상부 금형에 대한 3차원 데이터에 반영하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제10 항에 있어서,
상기 정보처리장치는 상기 위치보정부로부터 전송되는 상기 회전보상값(θ_x, θ_y, θ_z)을 상기 상부 금형에 대한 3차원 데이터에 반영하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반 위치의 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제11 항에 있어서,
상기 정보처리장치는 상기 위치보정부로부터 전송되는 상기 틸팅보상값(Φ_x, Φ_y, Φ_z)을 상기 상부 금형에 대한 3차원 데이터에 반영하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
제11 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비전장치는 상기 제2 빔분리기로부터 분배되는 상기 반사빔의 나머지 일부를 수신하여 보정된 상기 3차원 데이터를 검증하는 제2 비전센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 시스템.
(a) 정보처리장치가 하부 금형의 상부에 형성시키기 위한 상부 금형에 대한 3차원 데이터를 기반으로 정렬 마크에 대한 패턴을 생성하는 단계;
(b) 3D 프린터가 상기 하부 금형의 상단에 마크 레이저빔을 조사하여 패턴화된 정렬 마크를 형성시키는 단계;
(c) 비전장치가 상기 하부 금형의 상단에 대한 하부 금형의 상단 형상정보, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 상기 하부 금형의 내부에 형성되는 제1 냉각채널의 경계부 형상정보를 획득하는 단계;
(d) 상기 3D 프린터가 상기 하부 금형의 상단 형상정보, 상기 정렬 마크의 경계부 형상정보 및 상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보를 기반으로 보상값을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 단계;
(e) 상기 정보처리장치가 상기 3차원 데이터에 상기 보상값을 반영하여 상기 3D 프린터로 전송하는 단계; 및
(f) 상기 3D 프린터가 상기 정보처리장치로부터 전송되는 상기 보상값이 반영된 3차원 데이터를 기반으로 3차원 구조물을 3D 프린팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법.
제16 항에 있어서,
상기 정렬 마크의 경계부 형상정보는 상기 정렬 마크의 외곽선 및 상기 정렬 마크의 위치좌표를 포함하고,
상기 제1 냉각채널의 경계부 형상정보는 상기 제1 냉각채널의 외곽선 및 상기 제1 냉각채널의 위치좌표를 포함하며,
상기 (d) 단계는,
(d1) 상기 3D 프린터에 구비된 위치보정모듈이 상기 정렬 마크의 외곽선이 상기 제1 냉각채널의 외곽선을 기준으로 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 위치 이동(translation)된 경우, 상기 정렬 마크의 위치좌표와 상기 제1 냉각채널의 위치좌표의 오차값에 대한 위치보상값(e_x, e_y, e_z)을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 단계;
(d2) 상기 위치보정모듈이 상기 정렬 마크의 외곽선이 상기 제1 냉각채널의 외곽선을 기준으로 회전 이동(rotation)된 경우, 상기 정렬 마크의 위치좌표와 상기 제1 냉각채널의 위치좌표의 오차값에 대한 회전보상값(θ_x, θ_y, θ_z)을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 단계;
(d3) 상기 위치보정모듈이 상기 정렬 마크의 외곽선이 상기 제1 냉각채널의 외곽선을 기준으로 찌그러져 틸팅(tilting)된 경우, 상기 정렬 마크의 외곽선과 상기 제1 냉각채널의 외곽선의 오차값에 대한 틸팅보상값(Φ_x, Φ_y, Φ_z)을 생성하여 상기 정보처리장치로 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 정렬 마크 기반의 위치 보정을 통한 상부 금형의 3D 프린팅 방법.