KR102589111B1 - 3d 프린터의 출력 오류 검출방법 - Google Patents

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Abstract

본 3D 프린터의 출력 오류 검출방법에 관한 것으로서, 액상소재를 공급하는 소재공급부와 공급된 액상소재를 평탄화 하는 리코팅블레이드와 리코팅블레이드에 가해지는 힘을 측정하는 가압센서를 포함하는 리코터, 소재공급부에 의해 액상소재가 공급되어 위치하는 빌드플레이트 및 빌드플레이트에 공급된 소재에 광을 조사하는 광조사부를 포함하는 3D 프린터의 출력 오류 검출방법에 있어서, 액상소재가 빌드플레이트에 공급되는 제1공급단계, 제1공급단계에서 공급된 액상소재가 리코팅블레이드의 이동에 의해 평탄화되는 평탄화단계, 광의 조사에 의해 평탄화된 액상소재가 경화되어 레이어가 형성되는 경화단계, 액상소재가 레이어에 공급되는 제2공급단계, 제2공급단계에서 공급된 액상소재가 리코팅블레이드의 이동에 의해 평탄화되는 평탄화단계 및 평탄화단계 수행 중에 수행되며, 이동하는 리코팅블레이드와 액상소재가 경화되어 형성된 레이어 간에 발생하는 마찰력을 측정하는 가압력측정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 출력 오류 검출방법을 제공한다.

Description

3D 프린터의 출력 오류 검출방법{Method for detecting the output error of 3D printer}
본 발명은 3D 프린터의 출력 오류 검출방법에 관한 것이다.
3D 프린터는 3차원 도면을 3D 프린팅 언어로 변환시킨 이후 기기에 맞는 재료를 사용하여 적층하는 방법을 통해 3차원 물체인 출력물을 만들어내는 장치이다.
3차원 프린터 방식에는 광경화성 수지 등 액상의 소재에 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 방식과, 액상의 소재 대신에 기능성 고분자 또는 금속 분말을 사용하며 광선을 주사하여 고결(固結)시켜 성형하는 원리를 이용한 방식 등이 있다.
기능성 고분자 또는 금속 분말을 이용하여 적층할 경우 고가의 레이저 장비가 필요하고, 금속 분말을 조사한 뒤에 레이저를 조사하여 소결시켜야 하기 때문에 많은 프린팅에 많은 시간이 소요되는 문제가 있었다 또한, 레이저를 이용하여 금속 분말을 소결할 때, 기공이 형성되기 때문에 생성된 입체 조형물의 밀도가 낮아져 불량률이 증가하는 문제가 있다.
한편, 광경화성 수지 등 액상의 소재는 광경화뿐만 아니라 열경화도 발생하므로, PBF에서 일반적으로 사용하는 장치의 일종으로서 상하 이동하는 빌드플레이트 및 빌드플레이트의 가장자리에 접하는 벽체로 구성되는 장치를 사용하여 적층할 경우, 빌드플레이트와 벽체 사이에 액상의 소재가 침투하여 열경화되어 장치의 손상을 일으키는 문제가 있다.
또한, 빌드플레이트 상부에 액상의 소재를 공급하여 적층할 경우, 공급된 액상의 소재가 경화될 때까지 중력에 의해 최초 두께를 유지하지 못해 정확한 치수의 출력물을 형성하지 못하는 문제가 있다. 이에 대한민국 등록특허공보 제10-2331977호에서 액상 다이렉트 적층이 가능한 3D 프린터 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법을 제시하였으나, 소재가 분사되는 즉시 적층되어 응고되도록 소재를 기설정된 고/액 혼합 영역 온도로 제어하여 플레이트에 직접 분사하는 방식을 채택하여 비용이 상승하는 문제점이 있다.
한편, 빌드플레이트 상부에 액상의 소재를 공급하여 적층할 때, 적층된 레이어가 원하는 경도, 형상 등으로 형성되지 않아 결함이 발생할 수 있다. 이러한 결함은 검출하기가 쉽지 않으며 이를 위해 대한민국 공개특허공보 제10-2021-0144790호에서 이미지센서를 이용하여 3차원으로 인쇄된 구성체에서의 결함 검출방법을 제시하였다. 하지만, 이미지센서를 이용하는 방법을 사용할 경우 비용이 상승하고 정확도가 높지 않은 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-2331977호 대한민국 공개특허공보 제10-2021-0144790호
본 발명은 일 실시예를 통하여, 액상의 소재를 이용하여 정확한 출력물을 형성할 수 있는 3D 프린터의 출력방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 일 실시예를 통하여, 액상의 소재를 이용하여 적층된 레이어의 결함을 저렴한 장치를 이용하여 비교적 정확하게 검출할 수 있는 3D 프린터의 출력 오류 검출방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여, 빌드플레이트상의 영역 중 출력물이 형성되는 출력영역 및 출력물이 형성되지 않는 비출력영역을 설정하는 영역설정단계: 액상소재가 상기 비출력영역에 공급되는 제1공급단계; 상기 제1공급단계에서 공급된 액상소재가 리코팅블레이드의 이동에 의해 평탄화되는 평탄화단계; 광의 조사에 의해 상기 평탄화된 액상소재가 경화되는 경화단계; 및 액상소재가 상기 경화단계에서 경화된 부분에 공급되는 제2공급단계;를 포함하며, 상기 출력영역은 상기 출력영역 내측 둘레를 따라 연장되며, 소정의 폭을 가지는 제1출력영역; 및 상기 제1출력영역에 둘러싸인 제2출력영역;을 포함하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 3D프린터의 출력방법을 제공한다.
상기 제1공급단계에서 상기 액상소재는 상기 비출력영역에 형성된 제1공급선을 따라 공급되며, 상기 제1공급선의 길이는 상기 제1출력영역의 일측면의 길이보다 더 길 수 있다.
상기 평탄화단계에서 상기 공급된 액상소재는 평탄화 되어 상기 출력영역 전체를 덮을 수 있다.
상기 제2공급단계에서 상기 액상소재는 상기 제1출력영역에서 경화된 부분에 공급될 수 있다.
상기 제2공급단계에서 상기 액상소재는 상기 제1출력영역에 형성된 제2공급선을 따라 공급되며, 상기 제2공급선의 길이는 상기 제2출력영역의 일측면의 길이보다 더 길 수 있다.
상기 경화단계에서 상기 액상소재의 경화는 상기 제1출력영역 및 상기 제2출력영역에서 동시에 이루어질 수 있다.
상기 빌드플레이트의 하부에는 상기 빌드플레이트의 면적보다 더 큰 면적을 가지며 액상소재를 수용하도록 형성되는 소재받이부가 구비되며, 상기 경화단계 이후 비출력영역의 액상소재를 상기 리코팅블레이드를 사용하여 소재받이부로 낙하시키는 낙하단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 액상소재를 공급하는 소재공급부와 공급된 액상소재를 평탄화 하는 리코팅블레이드와 상기 리코팅블레이드에 가해지는 힘을 측정하는 가압센서를 포함하는 리코터; 상기 소재공급부에 의해 공급된 액상소재가 놓여지는 빌드플레이트; 및 상기 빌드플레이트에 공급된 소재에 광을 조사하는 광조사부;를 포함하는 3D 프린터의 출력 오류 검출방법에 있어서, 액상소재가 상기 빌드플레이트에 공급되는 제1공급단계; 상기 제1공급단계에서 공급된 액상소재가 리코팅블레이드의 이동에 의해 평탄화되는 평탄화단계; 광의 조사에 의해 상기 평탄화된 액상소재가 경화되어 제1경화레이어가 형성되는 경화단계; 액상소재가 상기 경화레이어에 공급되는 제2공급단계; 상기 제2공급단계에서 공급된 액상소재가 리코팅블레이드의 이동에 의해 평탄화되는 평탄화단계; 및 상기 평탄화단계 수행 중에 수행되며, 상기 이동하는 리코팅블레이드와 상기 경화레이어 간에 발생하는 마찰력을 측정하는 가압력측정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 출력 오류 검출방법을 제공함으로써 상술한 과제를 해결한다.
상기 리코터는 상기 평탄화단계가 수행될 수 있도록 일방향 및 상기 일방향과 반대방향인 타방향으로 이동하는 경로가 포함된 소정의 경로를 따라 왕복운동을 하며, 일측면에 오목하게 함입 형성되는 오복부가 구비되는 제1프레임; 상기 오목부에 구비되는 가압센서; 상기 가압센서에 연결되는 리코팅블레이드; 상기 제1프레임의 상면에 구비되는 제2프레임; 상기 제2프레임에 구비되며, 상기 일방향과 교차하는 방향으로 이격되는 한 쌍의 브라켓; 상기 한 쌍의 브라켓 사이에 구비되는 가이드레일; 및 상기 가이드레일을 따라 왕복이동하는 소재공급부;를 포함하며 상기 평탄화단계에서 상기 리코팅블레이드의 이동은 상기 상기 리코팅블레이드가 상기 일방향을 따라 이동할 수 있다.
상기 리코팅블레이드는 하단부가 상기 타방향으로 만곡될 수 있다.
상기 오목부는 상기 제1프레임의 측면 중 상기 일방향으로 바라보는 측면에 구비될 수 있다.
상기 가압센서는 로드셀(Load Cell)을 포함할 수 있다.
상기 평탄화단계에서 상기 리코팅블레이드는 초기위치인 제1위치 및 상기 제1위치로부터 일방향으로 이격된 제2위치 사이를 왕복이동하며, 상기 가압력측정단계에서 측정된 마찰력이 상한치를 초과하면, 상기 리코팅블레이드가 상기 제1위치로 복귀하는 복귀단계; 및 상기 복귀단계 이후 상기 3D 프린터의 동작을 중단하고, 사용자에게 미리 설정된 알람신호를 전달하는 알림단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 평탄화단계에서 상기 리코팅블레이드는 제1위치 및 상기 제1위치로부터 일방향으로 이격된 제2위치 사이를 왕복이동하며, 상기 가압력측정단계에서 측정된 마찰력이 하한치를 미만이면, 사용자에게 미리 설정된 알람신호를 전달하는 알림단계;를 더 포함할 수 있다.
이상에서와 같이, 본 발명의 실시예는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 액상의 소재를 이용하여 정확한 출력물을 형성할 수 있는 효과를 제공한다.
둘째, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 액상의 소재를 이용하여 적층된 레이어의 결함을 저렴한 장치를 이용하여 비교적 정확하게 검출할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 빌드플레이트 위에 공급된 액상소재 및 경화된 레이어 위에 공급된 액상소재의 각각의 두께가 시간이 지남에 따라 중력에 의해 감소하는 것을 설명하는 도면이다.
도 4는 빌드플레이트 상에서 설정되는 출력영역 및 비출력영역을 나타내는 일 예와 함께 소재공급부가 액상소재를 공급하는 위치를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4에서 도시된 빌드플레이트(310) 상의 출력영역 및 비출력영역(A3) 설정에 따라 액상소재(F)가 경화된 부분(B1, B2)을 나타내는 일 예 및 소재공급부(110)가 액상소재(F)를 레이어의 경화된 부분에 공급하는 위치를 설명하는 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 방법을 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 8은 가압센서가 구비된 리코터를 나타내는 도면이다.
도 9는 리코팅블레이드와 가업센서의 결합 구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 오류 검출방법을 나타내는 순서도이다.
이하에서 설명되는 실시예는 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용되는 제1, 제2 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다", "이루어진다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서상 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터는 빌드플레이트(310)에 소재를 공급한 후 얇게 펴서 평탄화 하는 리코터(100), 빌드플레이트(310)에 공급된 소재에 광을 조사하는 광조사부(200), 액상소재(F)가 공급되어 위치하는 빌드플레이트(310) 및 3D 프린터를 일정한 데이터에 기초하여 제어하는 제어부(미도시)를 포함한다.
리코터(100)는 소재를 공급하는 소재공급부(110), 소재공급부(110)를 제1축(X)상을 따라 이송시키는 제1이송부(120), 소재공급부(110)를 제1축(X)과 교차하는 제2축(Y)상을 따라 이송시키는 제2이송부(130) 및 빌드플레이트(310)에 공급된 액상소재(F)를 평탄화 하는 리코팅블레이드(140)를 포함한다. 상호 교차하는 제1축(X)과 제2축(Y)에 의해 형성되는 평면은 빌드플레이트(310)의 상면과 대략 평행하다.
소재공급부(110)는 액체 상태의 소재뿐만 아니라 고체 상태의 소재를 공급할 수 있는 노즐팁(111) 및 노즐팁(111)을 지지하는 노즐지지부(112)를 포함한다.
제1이송부(120)는 노즐지지부(112)를 지지하는 제1지지프레임(121), 제1지지프레임(121)에 구비되는 한 쌍의 브라켓(124), 브라켓(124) 사이에 구비되며 제1축(X)을 따라 연장되는 제1가이드레일(125), 브라켓(124)에 구비되는 제1이송모터(122), 제1이송모터(122)에 연결되어 제1가이드레일(125)과 나란하게 배치되며 외주면에 나사선이 형성되는 제1회전축(123)을 포함한다. 제1가이드레일(125) 및 제1회전축(123)과 노즐지지부(112)를 관통하며, 제1회전축(123)의 회전에 의해 제1회전축(123)과 나사 결합하는 노즐지지부(112)가 제1가이드레일(125)을 따라 왕복이동한다.
제2이송부(130)는 제1지지프레임(121)에 구비되는 제2지지프레임(131), 제1축(X)과 교차하는 방향으로 연장되며 제2지지프레임(131)을 가이드하는 제2가이드레일(132), 브라켓(미도시)에 의해 지지되는 제2이송모터(134), 제2이송모터(134)에 연결되며 제2지지프레임(131)과 나사결합하는 제2회전축(133)을 포함한다. 제2이송부(130)의 작동원리는 제1이송부(120)와 동일하다.
한편 리코터(100)를 제1축(X) 및 제2축(Y)과 교차하고 상하방향으로 연장되는 제3축(Z)을 따라 왕복이동시키는 제3이송부(170)가 구비된다. 이러한 제3이송부(170)는 제2이송부(130)와 구조 및 작동 원리가 동일하여 상세한 설명을 생략한다.
광조사부(200)는 빌드플레이트(310)에 구비되어 UV광 등 사용되는 액상소재(F)에 따라 다양한 광을 사용하도록 형성된다.
빌드플레이트(310)는 상면이 편평한 형상의 플레이트로 형성되며, 제4이송부(180)에 의해 상하방향으로 이동한다. 제4이송부(180)는 상술한 제2이송부(130)와 구조 및 작동 원리가 동일하며 상세한 설명을 생략한다.
빌드플레이트(310) 하측에는 빌드플레이트(310)에서 흘러 아래로 떨어지는 액상소재(F)를 수용하는 소재받이부(320)가 구비될 수 있다. 소재받이부(320)는 빌드플레이트(310)의 면적보다 더 큰 면적을 가지며 액상소재(F)를 수용할 수 있는 수용공간이 상면에 형성된다. 수용공간의 면적 역시 빌드플레이트(310)의 면적보다 넓다. 이에 따라 빌드플레이트(310)에서 흘러 낙하하는 액상소재(F)는 소재받이부(320)의 수용공간에 떨어져 수용될 수 있다.
제어부(미도시)는 리코터(100), 광조사부(200) 및 빌드플레이트(310)를 포함한 3D 프린터의 구성을 제어하도록 형성된다. 이하 설명되는 3D 프린터의 출력방법과 3D 프린터의 출력 오류 검출방법은 3D 프린터의 구성이 제어부의 제어신호에 의해 동작하는 것을 전제로 한다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력방법에 대해 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력방법은 빌드플레이트(310)상의 특정 영역을 설정하는 영역설정단계(S10), 액상소재(F)가 공급되는 제1공급단계(S20), 공급된 액상소재(F)가 평탄화되는 제1평탄화단계(S30), 평탄화된 액상소재(F)가 경화되는 제1경화단계(S40) 및 경화단계 이후 액상소재(F)가 공급되는 제2공급단계(S50)를 포함한다.
액상소재(F)가 빌드플레이트(310)에 공급되면, 도 3에서 도시된 바와 같이, 공급된 액상소재(F)는 제1높이(h1)에 해당하는 두께를 형성한다. 이후 액상소재(F)는 시간이 흘러감에 따라 중력에 의해 빌드플레이트(310) 상에서 점점 넓게 퍼져 두께는 계속 감소한다.
이때 광을 조사하여 액상소재(F)의 일부 또는 전부를 경화하면, 제2높이(h2)에 해당하는 두께를 가지는 제1레이어(L1)가 형성된다. 제2높이(h2)는 경화된 시점의 높이이며, 제1높이(h1)보다 낮으며, 경화 시점 및 액상의 점도에 따라 다르다.
경화되어 형성된 제1레이어(L1)에 다시 액상소재(F)가 공급되면, 최초에는 제1높이(h1)에 해당하는 두께를 형성한다. 하지만, 공급된 액상소재(F)는 미리 경화된 레이어 상에서 점점 넓게 퍼져 경화된 제1레이어(L1)의 가장자리에 도달한 후 아래로 흘러내리게 되면서, 빌드플레이트(310)에 공급되었을 때보다 더 빠른 속도로 두께가 감소된다.
이때 광을 조사하여 액상소재(F)의 일부 또는 전부를 경화하면 제3높이(h3)에 해당하는 두께를 가지는 제2레이어(L2)가 형성된다. 제3높이(h3)는 경화된 시점의 높이이며, 제2높이(h2)보다 낮으며, 경화된 레이어의 넓이, 경화 시점 및 액상의 점도에 따라 다르다.
이러한 과정을 따르면, 동일한 두께의 레이어가 계속해서 적층되어 출력물이 생산되도록 설계된 경우, 출력물의 정확도가 떨어진다. 또한, 출력물의 정확도를 높이기 위해 액상소재(F)의 두께가 감소되는 속도를 고려하여 액상소재(F)의 공급량을 조절해볼 수 있으나, 액상소재(F)의 두께가 감소되는 속도는 다양한 인자에 의해 영향을 받으므로 설계에 반영하기가 매우 곤란하다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력방법에서는 적어도 2가지의 출력물이 생성된다. 하나의 출력물은 목적한 조형물이고 나머지 출력물은 조형물 주위에 형성되며 최종적으로 제거되는 부분이다.
이하, 영역설정단계(S10), 제1공급단계(S20) 및 제1평탄화단계(S30)에 대해 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 빌드플레이트(310) 상에서 설정되는 출력영역 및 비출력영역(A3)을 나타내는 일 예와 함께 소재공급부(110)가 액상소재(F)를 공급하는 위치를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면 영역설정단계(S10)는 빌드플레이트(310) 상면의 영역 중 출력물이 형성되는 출력영역 및 출력물이 형성되지 않는 비출력영역(A3)이 설정되는 단계이다.
이러한 출력영역은 제1출력영역(A1) 및 제2출력영역(A2)을 포함한다.
제1출력영역(A1)은 도 4에서 빌드플레이트(310)에 표시된 제1표시선(P1) 및 제2표시선(P2) 사이에 위치한 영역이다. 제1표시선(P1)은 빌드플레이트(310) 상의 일정한 영역을 표시하며, 제2표시선(P2)은 제1표시선(P1)에 의해 표시된 영역 내부에 위치하며, 제1표시선(P1)과 마찬가지로 일정한 영역을 둘러싸서 표시한다.
제1출력영역(A1)은 빌드플레이트(310) 가장자리로부터 이격되되 빌드플레이트(310)의 내측 둘레를 따라 연장되며, 소정의 폭을 가지는 영역이다.
제1출력영역(A1)은 도 4에서 대략 직사각형 형상으로 도시되나 이에 한정되는 것은 아니며, 조형물의 단면적 등의 형태에 맞춰 다양한 형상으로 형성된다.
제1출력영역(A1)을 정의하는 제1표시선(P1) 및 제2표시선(P2)은 필요에 따라 서로 유사하지 않은 형상의 영역을 표시할 수 있다. 이에 따라 제1출력영역(A1)은 소정의 폭이 빌드플레이트(310)의 내측 둘레를 따라 일정하지 않을 수 있다.
제1출력영역(A1)은 일 예로 'O'자 형상으로 형성될 수 있으며, 다른 예로 일측이 결실된 'C'자 형상으로 형성될 수도 있으며, 또 다른 예로 마주보는 양측이 결실된 '11'자 형상으로 형성될 수도 있다. 제1출력영역(A1)은 제2출력영역(A2)을 둘러쌀 수 있는 한도 내에서 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 특정한 형상으로 제한되지 않는다.
제1출력영역(A1)에서 형성되는 출력물은 제2출력영역(A2)에서 형성되는 출력물의 외곽에 배치되어 제2출력영역(A2)에서 형성되는 출력물을 둘러싸는 벽체(wall)형 형상으로 형성된다. 벽체형 형상은 상술한 제1출력영역(A1)의 형상에 따라 연속되지 않으며, 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
제2출력영역(A2)은 제2표시선(P2)으로 둘러싸인 영역이며, 제1출력영역(A1)의 내측에 위치한다. 제1출력영역(A1)의 내측에 위치함에 따라, 제2출력영역(A2)은 제1출력영역(A1)에 둘러싸여 비출력영역(A3)과 연통되지 않을 수 있으나, 상술한 바와 같이 제1출력영역(A1)의 형상에 따라, 제2출력영역(A2)은 제1출력영역(A1)에 둘러싸인 채로 비출력영역(A3)과 연통될 수 있다. 또한, 제2출력영역(A2)은 조형물을 수용할 수 있는 소정의 넓이를 가진다.
비출력영역(A3)은 빌드플레이트(310)의 상면의 영역 중 제2표시선(P2)과 빌드플레이트(310)의 가장자리 사이에 위치한 영역이다. 비출력영역(A3)은 제1출력영역(A1)의 외측에 위치하며, 어떠한 출력물도 생성되지 않는 영역이다.
제1공급단계(S20)는 소재공급부(110)가 액상소재(F)를 빌드플레이트(310) 상에 공급하는 단계이다. 제1공급단계(S20)에서 소재공급부(110)는 액상소재(F)가 출력영역 전체를 덮을 수 있도록 비출력영역(A3)에 액상소재(F)를 공급한다.
구체적으로, 제1공급단계(S20)에서 소재공급부(110)의 노즐팁(111)이 제1축(X)을 따라 이동하면서 비출력영역(A3)에 형성된 제1공급선(P3) 상에 액상소재(F)를 공급한다. 제1공급선(P3)은 제1축(X)과 나란하며, 제1공급선(P3)의 길이는 제1출력영역(A1)의 일측면의 길이보다 더 길다.
제1평탄화단계(S30)는 리코팅블레이드(140)가 제2축(Y)을 따라 도면상 우측으로 이동하면서 공급된 액상소재(F)를 밀어 고른 높이로 평탄화하여 출력영역 전체에 넓게 퍼지게 하는 단계이다. 제1평탄화단계(S30)에서는 공급된 액상소재(F)가 리코팅블레이드(140)의 이동에 의해 평탄화 되어 출력영역 전체를 덮는다.
이하, 제1경화단계(S40) 및 제2공급단계(S50)에 대해 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 도 4에서 도시된 빌드플레이트(310) 상의 출력영역 및 비출력영역(A3) 설정에 따라 액상소재(F)가 경화된 부분(B1, B2)을 나타내는 일 예 및 소재공급부(110)가 액상소재(F)를 레이어의 경화된 부분에 공급하는 위치를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1경화단계(S40)는 광조사부(200)가 평탄화된 액상소재(F)에 광을 조사하여 액상소재(F)를 경화시켜 제1레이어(L1)를 형성시키는 단계이다. 제1경화단계(S40)가 수행되면, 제1레이어(L1)는 제1출력영역(A1)의 액상소재(F)가 경화된 부분(B1)과 제2출력영역(A2)의 액상소재(F)가 경화된 부분(B2)과 제2출력영역(A2) 중 나머지 부분으로서 액상소재(F)가 경화되지 않아 액상으로 남아있는 부분을 포함한다.
제1경화단계(S40)에서 광조사부(200)는 제1출력영역(A1)의 액상소재(F)와 제2출력영역(A2)의 액상소재(F)를 광을 조사하여 이시(異時) 또는 동시(同時)에 경화시킬 수 있다. 제1경화단계(S40)에서 광조사부(200)는 제1출력영역(A1) 전체에 광 조사하여 액상소재(F)를 경화시킨다. 제1경화단계(S40)에서 광조사부(200)는 조형물의 단면적 형상에 따라 제2출력영역(A2)의 전체 또는 일부에 광 조사하여 액상소재(F)를 경화시킨다.
제1출력영역(A1)에서 액상소재(F)가 경화되어 형성되는 출력물(B1)은 제2출력영역(A2) 상의 경화된 부분(B2)을 제외한 액상소재(F)가 제2출력영역(A2) 외측으로 흘러나가는 것을 방지한다. 이에 따라 제2출력영역(A2)의 액상소재(F)가 경화되어 형성되는 제1레이어(L1)의 두께는 일정하며, 출력물의 정확도는 상승한다.
제2공급단계(S50)는 액상소재(F)가 제1경화단계(S40)에서 경화된 부분에 공급되는 단계이다. 제2공급단계(S50)에서 소재공급부(110)는 제1축(X)을 따라 이동하면서 액상소재(F)를 제1출력영역(A1)의 경화된 부분에 공급한다. 이때 소재공급부(110)는 제1축(X)과 나란한 제2공급선(P4) 상에 액상소재(F)를 공급한다. 제2공급선(P4)은 제1출력영역(A1)의 경화된 부분(B1)에 위치하며, 제2공급선(P4)의 길이는 상기 제2출력영역(A2)의 일측면의 길이보다 더 길다.
제2공급단계(S50)에서는 소재공급부(110)가 비출력영역(A3)에 액상소재(F)를 공급하지 않고 제1출력영역(A1)에 공급함으로써, 액상소재(F)가 비출력영역(A3)으로 이동하는 것이 최소화 되어 비용이 절감될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력방법은 제2평탄화단계(S60) 및 제2경화단계(S70)를 더 포함한다.
제2평탄화단계(S60)는 제1평탄화단계(S30)와 마찬가지로 리코팅블레이드(140)가 제2축(Y)을 따라 이동하면서 제2공급선(P4)상에 공급된 액상소재(F)를 밀어 고른 높이로 평탄화하여 출력영역 전체에 넓게 퍼지게 하는 단계이다. 제2평탄화단계(S60)에서는 공급된 액상소재(F)가 리코팅블레이드(140)의 이동에 의해 평탄화 되어 출력영역 전체를 덮는다.
제2경화단계(S70)는 광조사부(200)가 평탄화된 액상소재(F)에 광을 조사하여 액상소재(F)를 경화시켜 제1레이어(L1) 위에 제2레이어(L2: 도 7에서 도시)를 형성시키는 단계이다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 방법을 도 6 및 도 7을 참조하여 순차적으로 설명한다. 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 방법을 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 우선 소재공급부(110)는 제1축(X)을 따라 이동하면서 액상소재(F)를 비출력영역(A3)에 공급한다. 이에 따라 액상소재(F)는 비출력영역(A3) 상에 위치한 제1공급선(P3) 상에 위치한다.
리코팅블레이드(140)는 화살표 방향으로 제2축(Y)을 따라 이동하면서 제1공급선(P3) 상에 위치한 액상소재(F)를 밀어서 평탄화되도록 하여 출력영역을 덮도록 한다.
광조사부(200)는 평탄화된 액상소재(F)에 광을 조사하여 액상소재(F)를 경화시켜 제1레이어(L1)를 형성시킨다. 이때 제1출력영역(A1)에 위치한 액상소재(F)는 전부 또는 일부 경화되어 벽체형 형상(B1)을 형성하게 된다. 제2출력영역(A2)에 위치한 액상소재(F)는 출력물의 단면 형상에 따라 전부 또는 일부가 경화된다. 이에 따라 제1레이어(L1)는 출력영역상에 형성되며, 벽체형 형상(B1)과 벽체형 형상에 둘러싸이는 경화된 부분(B2)을 포함한다.
한편, 일 예로 제1출력영역(A1)에 위치한 액상소재(F) 및 제2출력영역(A2)에 위치한 액상소재(F)는 이시(異時)에 경화될 수 있다. 이 때 제1출력영역(A1)에 위치한 액상소재(F)가 제2출력영역(A2)에 위치한 액상소재(F)보다 먼저 경화될 수 있다. 다른 예로 제1출력영역(A1)에 위치한 액상소재(F) 및 제2출력영역(A2)에 위치한 액상소재(F)는 동시(同時)에 경화될 수 있다.
제1출력영역(A1)에 위치한 액상소재(F)가 경화되어 형성되는 벽체형 형상(B1)은 제2출력영역(A2)의 액상소재(F)가 제2출력영역(A2)의 외측으로 흐름에 따라 발생하는 두께 감소를 최소화하며, 이에 따라 제2출력영역(A2)의 출력물의 정확도를 높여준다.
이후, 빌드플레이트(310)가 하방으로 이동하거나 리코터(100) 등이 상방으로 이동한다.
소재공급부(110)는 제1축(X)을 따라 이동하면서 액상소재(F)를 제1레이어(L1)의 벽체형 형상(B1)의 상면에 공급한다. 이에 따라 액상소재(F)는 벽체형 형상(B1)의 상면에 위치한 제2공급선(P4) 상에 위치한다. 액상소재(F)가 비출력영역(A3)에 위치하지 않음에 따라 액상소재(F)의 양이 절감될 수 있다.
리코팅블레이드(140)는 화살표 방향으로 제2축(Y)을 따라 이동하면서 제1공급선(P3) 상에 위치한 액상소재(F)를 평탄화시켜 제1레이어(L1)를 덮도록 한다.
광조사부(200)는 평탄화된 액상소재(F)에 광을 조사하여 액상소재(F)를 경화시켜 제2레이어(L2)를 형성시킨다. 제2레이어(L2)의 벽체형 형상(B1')은 제1레이어(L1)의 벽체형 형상(B1)과 대략 동일하다. 제2레이어(L2)의 벽체형 형상 내측의 일부 경화된 부분(B2')은 조형물의 형상에 따라 형성된다.
이후 이러한 과정이 반복되어 레이어가 순차적으로 적층된다. 레이어들의 적층이 완료되면, 제1출력영역(A1)의 출력물인 벽체형 형상은 제거된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D프린터의 출력방법은 제1경화단계(S40) 또는 제2경화단계(S70) 이후 비출력영역(A3)의 액상소재(F)를 리코팅블레이드(140)를 사용하여 소재받이부(320)로 낙하시키는 낙하단계를 더 포함할 수 있다. 낙하단계에서 리코팅블레이드(140)는 비출력영역(A3)을 쓸듯이 이동할 수 있다.
한편, 레이어의 적층 과정에서 리코팅블레이드(140) 또는 빌드플레이트(310)가 올바르게 장착되어 있지 않거나, 레이어가 완전히 경화되지 않는 등으로 인해 출력 상의 결함이 발생할 수 있다. 이하, 이러한 결함을 적층 과정에서 검출하는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 결함 검출방법에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 결함 검출방법에서는 리코팅블레이드(140)가 제2평탄화단계(S60)를 수행하는 동안 리코팅블레이드(140)를 통해 전달되는 힘의 크기가 측정되고 및 판단되어 최종적으로 출력 결함 유무가 판단된다.
리코팅블레이드(140)를 통해 가해지는 힘이 측정될 수 있도록 리코터(100')에는 리코팅블레이드(140)에 가해지는 힘을 측정하는 가압센서(153)가 구비된다.
이하 도 8을 참조하여 리코팅블레이드(140)를 통해 가해지는 힘을 측정하는 가압센서(153)에 대해 설명한다. 도 8은 가압센서(153)가 구비된 리코터(100')를 나타내는 도면이다. 이하에서 설명되는 실시예는 상술한 일 실시예와 동일한 구조에 대해서는 동일한 도면 번호를 사용하며 그 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 8을 참조하면, 리코터(100')는 오목하게 함입 형성되는 오목부(152)가 구비되는 제1프레임(151), 오목에 구비되는 가압센서(153), 가압센서(153)에 연결되는 리코팅블레이드(140), 제1프레임(151)의 상면에 구비되는 제2프레임(161), 제2프레임(161)에 구비되며 일방향(A)과 교차하는 방향으로 이격되는 한 쌍의 브라켓(162), 한 쌍의 브라켓(162) 사이에 구비되는 가이드레일(163) 및 가이드레일(163)을 따라 왕복이동하는 소재공급부(110)를 포함한다.
제1프레임(151)은 제2평탄화단계(S60)가 수행될 수 있도록 일방향(A) 및 일방향(A)과 반대방향인 타방향(B)으로 이동하는 경로가 포함된 소정의 경로 즉 가이드레일(미도시)를 따라 왕복운동을 한다. 제1프레임(151)은 평탄화단계가 수행되기 전의 최초 위치인 제1위치로부터 제2위치까지 일방향(A)을 이동하여 제2평탄화단계(S60)가 수행되도록 하고, 이후 제2위치로부터 제1위치까지 타방향(B)으로 복귀한다.
오목부(152)는 제1프레임(151)의 일방향(A)을 향하는 일측면에 구비된다.
리코팅블레이드(140)는 평탄화를 위해 제1프레임(151)과 함께 일방향(A)으로 이동하며, 이동 후 일방향(A)과 반대방향인 타방향(B)으로 이동하여 복귀한다. 이러한 리코팅블레이드(140)는 하단부가 타방향(B)으로 만곡된다.
가압센서(153)는 로드셀(Load Cell)을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 센서를 포함할 수 있다.
소재공급부(110)의 노즐팁은 리코팅블레이드(140)로부터 일방향(A)으로 소정의 거리만큼 이격된다.
이하, 리코팅블레이드(140)가 액상소재(F)를 평탄화하기 위해 이동할 때 발생하는 마찰력과 발생한 마찰력을 측정하는 가압센서(153)에 대해 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9는 리코팅블레이드(140)와 가압센서(153)의 결합 구조를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 공급된 액상소재(F)를 평탄화하기 위해 리코팅블레이드(140)가 일방향(A)으로 이동하게 되면, 리코팅블레이드(140)의 하단은 미리 적층된 레이어의 상면과 접촉한다. 이때, 리코팅블레이드(140)의 하단에는 타방향(B)으로 작용하는 마찰력이 발생한다. 마찰력은 레이어마다 다르고, 리코팅블레이드(140)가 접촉하는 레이어 상의 위치마다 다르며, 각각의 경우마다 적절한 허용범위가 정해질 수 있다.
한편, 리코팅블레이드(140) 또는 빌드플레이트(310)가 올바르게 장착되어 있지 않거나, 레이어가 완전히 경화되지 않는 등으로 요인들로 인하여 출력 상의 결함이 발생하면, 마찰력은 허용범위을 벗어날 수 있다. 이 경우 출력 상의 결함을 일으키는 요인이 발생하는 경우 마찰력의 크기가 허용범위를 벗어나게 된다. 따라서 마찰력의 크기가 측정되어 허용범위에 속하는지를 판단하면 출력 상의 결함이 검출될 수 있다.
일 예로 미리 적층된 레이어가 충분히 경화되지 않으면 마찰력이 허용범위의 하한치 아래 값을 가질 수 있다. 또한, 미리 적층된 레이어가 미리 설정된 경화영역보다 넓은 경화영역을 가지거나 미리 설정된 두께보다 더 두껍게 형성되면, 마찰력이 허용범위의 상한치를 초과하는 값을 가질 수 있다. 다른 예로 리코팅블레이드(140) 또는 빌드플레이트(310)가 올바르게 장착되어 있지 않는 경우에도 마찰력이 허용범위를 벗어나는 값을 가진다.
리코팅블레이드(140)가 일방향(A)으로 이동하는 경우, 마찰력은 리코팅블레이드(140)에 타방향(B)으로 작용하며 리코팅블레이드(140)에 결합한 가압센서(153)를 타방향(B)으로 가압한다. 가압센서(153)는 가압에 의해 전달된 마찰력의 크기를 측정하여 제어부(미도시)에 전달한다. 제어부는 전달받은 마찰력의 크기를 미리 설정된 허용범위와 비교하여 최종적으로 결함 여부를 판단한다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 오류 검출방법을 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 오류 검출방법을 나타내는 순서도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 오류 검출방법은 적어도 한 층의 레이어가 적층되고, 적층된 레이어에 액상소재(F)가 공급되어 평탄화가 될 때부터 수행된다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 오류 검출방법에서는 리코팅블레이드(140)가 이동함에 따라 기 적층된 레이어 상의 액상소재(F)가 평탄화될 때, 가압센서(153)가 리코팅블레이드(140)에 가해지는 마찰력을 측정하여 측정값을 제어부로 전달하고, 제어부가 마찰력의 크기가 허용범위를 벗어나는지 여부를 판단한 후 그에 따라 소정의 제어가 수행된다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 오류 검출방법에서는 마찰력측정단계(S81) 및 마찰력판단단계를 포함한다.
마찰력측정단계(S81)는 리코팅블레이드(140)가 이동함에 따라 기 적층된 레이어 상의 액상소재(F)가 평탄화될 때, 가압센서(153)가 리코팅블레이드(140)와 기 적층된 레이어 간의 마찰력을 측정하는 단계이다.
마찰력판단단계는 측정된 마찰력이 허용범위를 벗어나는지를 제어부가 가압센서(153)로부터 수신한 신호를 바탕으로 판단하는 단계이다. 마찰력판단단계는 제1판단단계(S82) 및 제2판단단계(S86)를 포함한다.
제1판단단계(S82)에서는 측정된 마찰력이 허용범위의 상한치를 초과하는지 여부가 판단된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 오류 검출방법은 제1판단단계(S82)에서 마찰력이 허용범위의 상한치를 초과하는 것을 판단되면(S82-예), 초기위치인 제1위치로 복귀하는 복귀단계(S83), 복귀단계(S83) 이후 3D 프린터의 동작이 중단되는 중단단계(S84) 및 중단단계(S84) 이후 사용자에게 미리 설정된 알람신호를 전달하는 알림단계(S87)를 더 포함한다. 복귀단계(S83), 중단단계(S84) 및 알림단계(S87)는 순차적으로 수행된다.
마찰력이 허용범위의 상한치를 초과하지 않으면(S82-아니요), 마찰력측정단계(S81)에서 측정된 마찰력이 허용범위의 하한치 미만인지 여부가 판단되는 제2판단단계(S86)가 수행된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 오류 검출방법은 마찰력이 하한치 미만이면(S86-예) 사용자에게 미리 설정된 알람신호를 전달하는 알림단계(S87)를 더 포함한다. 마찰력이 하한치 미만이면, 3D 프린터의 동작은 중단되지 않는다. 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 오류 검출방법은 마찰력이 하한치 미만이 아니면(S86-아니요), 다시 액상소재가 공급(S50)된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 오류 검출방법은 미리 설정된 레이어 수가 적층되면 종료된다(미도시).
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 출력 오류 검출방법은 액상소재(F)가 상기 빌드플레이트(310)에 공급되는 제1공급단계(S20), 제1공급단계(S20)에서 공급된 액상소재(F)가 리코팅블레이드(140)의 이동에 의해 평탄화되는 제1평탄화단계(S30), 광의 조사에 의해 평탄화된 액상소재(F)가 경화되어 제1레이어(L1)가 형성되는 제1경화단계(S40), 액상소재(F)가 제1레이어(L1)에 공급되는 제2공급단계(S50) 및 제2공급단계(S50)에서 공급된 액상소재(F)가 리코팅블레이드(140)의 이동에 의해 평탄화되는 제2평탄화단계(S60)를 더 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이 제2평탄화단계(S60)가 수행되는 동안 마찰력측정단계(S81)도 수행된다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
100: 리코터
200: 광조사부
310: 빌드플레이트

Claims (7)

  1. 광경화성 수지 등 액상소재를 공급하는 소재공급부와, 공급된 액상소재를 일방향으로 이동하여 평탄화 하고 타방향으로 복귀하는 리코팅블레이드와, 상기 리코팅블레이드에 가해지는 힘을 측정하는 가압센서를 포함하는 리코터; 상기 소재공급부에 의해 액상소재가 공급되어 위치하는 빌드플레이트; 및 상기 빌드플레이트에 공급된 소재에 광을 조사하는 광조사부;를 포함하는 3D 프린터의 출력 오류 검출방법에 있어서,
    액상소재가 상기 빌드플레이트에 공급되는 제1공급단계;
    상기 제1공급단계에서 공급된 액상소재가 리코팅블레이드의 이동에 의해 평탄화되는 제1평탄화단계;
    광의 조사에 의해 상기 평탄화된 액상소재가 경화되어 레이어가 형성되는 경화단계;
    액상소재가 상기 레이어에 공급되는 제2공급단계; 상기 제2공급단계에서 공급된 액상소재가 리코팅블레이드의 이동에 의해 평탄화되는 제2평탄화단계; 및
    상기 제2평탄화단계 수행 중에 수행되며, 상기 이동하는 리코팅블레이드와 상기 액상소재가 경화되어 형성된 레이어 간에 발생하는 마찰력을 측정하는 가압력측정단계;를 포함하며,
    상기 리코팅블레이드는 하단부가 상기 타방향으로 만곡된 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 출력 오류 검출방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리코터는
    상기 제2평탄화단계가 수행될 수 있도록 일방향 및 상기 일방향과 반대방향인 타방향으로 이동하는 경로가 포함된 소정의 경로를 따라 왕복운동을 하며, 일측면에 오목하게 함입 형성되는 오목부가 구비되는 제1프레임;
    상기 오목부에 구비되는 가압센서;
    상기 가압센서에 연결되는 리코팅블레이드;
    상기 제1프레임의 상면에 구비되는 제2프레임;
    상기 제2프레임에 구비되며, 상기 일방향과 교차하는 방향으로 이격되는 한 쌍의 브라켓;
    상기 한 쌍의 브라켓 사이에 구비되는 가이드레일; 및
    상기 가이드레일을 따라 왕복이동하는 소재공급부;를 포함하며
    상기 제2평탄화단계에서 상기 리코팅블레이드의 이동은 상기 리코팅블레이드가 상기 일방향을 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 출력 오류 검출방법.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 오목부는 상기 제1프레임의 측면 중 상기 일방향으로 바라보는 측면에 구비되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 출력 오류 검출방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 가압센서는 로드셀(Load Cell)을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 출력 오류 검출방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2평탄화단계에서 상기 리코팅블레이드는 초기위치인 제1위치 및 상기 제1위치로부터 일방향으로 이격된 제2위치 사이를 왕복이동하며,
    상기 가압력측정단계에서 측정된 마찰력이 상한치를 초과하면, 상기 리코팅블레이드가 상기 제1위치로 복귀하는 복귀단계; 및
    상기 복귀단계 이후 상기 3D 프린터의 동작을 중단하고, 사용자에게 미리 설정된 알람신호를 전달하는 알림단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 출력 오류 검출방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제2평탄화단계에서 상기 리코팅블레이드는 제1위치 및 상기 제1위치로부터 일방향으로 이격된 제2위치 사이를 왕복이동하며,
    상기 가압력측정단계에서 측정된 마찰력이 하한치를 미만이면, 사용자에게 미리 설정된 알람신호를 전달하는 알림단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 출력 오류 검출방법.
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