KR102655339B1 - Apparatus and method for controlling 3D printer for multi-material 3D printing - Google Patents
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Abstract
다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 장치 및 방법이 개시된다. 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 방법은, 목표 결과물 정보를 입력받는 단계, 입력된 목표 결과물 정보를 이용하여, 목표 결과물의 형상을 3D 프린팅하기 위한 프린터 노즐의 움직임을 계산하는 슬라이싱(Slicing) 및 목표 결과물의 형상을 복셀 단위로 분해하고 분해된 각 복셀을 출력할 다중 소재 필라멘트 상의 각 위치로 매핑하는 복셀화(voxelation)를 수행하는 단계, 복셀화로 생성된 각 복셀의 물성에 따라, 출력할 다중 소재 필라멘트의 재료 구성을 설정하는 단계, 설정된 다중 소재 필라멘트의 재료 구성에 따라 출력할 다중 소재 필라멘트의 프린팅 스케줄을 생성하는 단계 및 재료 구성 및 프린팅 스케줄에 따라 출력할 다중 소재 필라멘트가 출력되도록 제어하는 단계를 포함한다.A 3D printer control device and method for multi-material 3D printing are disclosed. The 3D printer control method for multi-material 3D printing includes the steps of receiving target result information, slicing to calculate the movement of the printer nozzle to 3D print the shape of the target result using the input target result information, and A step of performing voxelation in which the shape of the target result is decomposed into voxel units and each decomposed voxel is mapped to each position on the multi-material filament to be output. According to the physical properties of each voxel generated by voxelization, the multi-material to be output Setting the material composition of the material filament, creating a printing schedule for the multi-material filament to be printed according to the material composition of the set multi-material filament, and controlling the multi-material filament to be printed according to the material composition and printing schedule. Includes.
Description
본 발명은 3D 프린팅에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to 3D printing, and more specifically, to a 3D printer control device and method for multi-material 3D printing.
3D 프린팅은 디지털 설계된 물체를 3차원적으로 조형할 수 있어 다양한 산업계에서 널리 활용되고 있다. 3D 프린팅 기술이 점차 다양한 소재를 동시에 사용하여 출력할 수 있도록 발전하게 되면서, 단순한 프로토타이핑 뿐만 아니라 최종 상품을 3D 프린팅하는 단계에까지 이르고 있다.3D printing is widely used in various industries as it can create digitally designed objects in three dimensions. As 3D printing technology gradually develops to enable printing using various materials simultaneously, it is reaching the stage of 3D printing the final product as well as simple prototyping.
도 1은 FDM(Fused deposition modeling) 3D프린터를 이용한 3D프린팅을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이다.Figure 1 is a diagram schematically illustrating 3D printing using a fused deposition modeling (FDM) 3D printer.
도 1을 참조하면, FDM 3D프린팅 방식은 가는 실 형태의 필라멘트로 되어 있는 열가소성 소재를 노즐을 통해 용융 압출 및 적층하여 3차원 조형을 만들어 내는 출력 방식이다. 이때, 각각의 노즐은 단일소재로 된 필라멘트 하나를 압출할 수 있다. FDM 방식 프린터는 기술적 문제로 인해 통상 1~2개의 노즐만을 탑재하므로, 결과적으로 FDM 방식으로 동시에 출력 가능한 소재가 1~2가지로 제한되는 문제가 있다. 이러한 단점은 FDM 방식의 산업적 활용도를 낮추는 가장 큰 원인이라고 할 수 있다.Referring to Figure 1, the FDM 3D printing method is an output method that creates a three-dimensional sculpture by melting, extruding and laminating a thermoplastic material made of a thin filament through a nozzle. At this time, each nozzle can extrude one filament made of a single material. Due to technical issues, FDM printers are usually equipped with only 1 to 2 nozzles, resulting in the problem that the materials that can be printed simultaneously using the FDM method are limited to 1 or 2 types. These shortcomings can be said to be the biggest cause of lowering the industrial utilization of the FDM method.
한편, 필라멘트의 물성을 바꾸기 위한 필라멘트 생산 공정들이 개발되고 있으나, 대부분의 결과물은 단일한 물성을 갖는 필라멘트를 개발하는 데 그쳤을 뿐 아니라, 실제 3D 프린팅 결과물은 FDM 방식의 한계로 1~2가지 물성을 포함하는 출력물을 만들어내는 수준에 머무르고 있다.Meanwhile, filament production processes are being developed to change the physical properties of filament, but most of the results are limited to developing filaments with a single physical property, and actual 3D printing results only have 1 or 2 physical properties due to the limitations of the FDM method. It remains at the level of producing output that includes
본 발명은 기존의 FDM(Fused deposition modeling) 3D 프린터를 이용하여, 목표 결과물에 적용되는 복수의 소재로 이루어진 다중 소재 필라멘트를 3D 프린팅하고, 3D 프린팅된 다중 소재 필라멘트를 이용하여 목표 결과물을 3D 프린팅하는 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention uses an existing FDM (Fused deposition modeling) 3D printer to 3D print a multi-material filament made of multiple materials applied to the target result, and 3D prints the target result using the 3D printed multi-material filament. To provide a 3D printer control device and method for multi-material 3D printing.
본 발명의 일 측면에 따르면, 3D 프린터 제어 장치가 수행하는 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 방법이 개시된다.According to one aspect of the present invention, a 3D printer control method for multi-material 3D printing performed by a 3D printer control device is disclosed.
본 발명의 실시예에 따른 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 방법은, 목표 결과물 정보를 입력받는 단계, 상기 입력된 목표 결과물 정보를 이용하여, 상기 목표 결과물의 형상을 3D 프린팅하기 위한 프린터 노즐의 움직임을 계산하는 슬라이싱(Slicing) 및 목표 결과물의 형상을 복셀 단위로 분해하고 분해된 각 복셀을 출력할 다중 소재 필라멘트 상의 각 위치로 매핑하는 복셀화(voxelation)를 수행하는 단계, 상기 복셀화로 생성된 각 복셀의 물성에 따라, 상기 출력할 다중 소재 필라멘트의 재료 구성을 설정하는 단계, 상기 설정된 다중 소재 필라멘트의 재료 구성에 따라 상기 출력할 다중 소재 필라멘트의 프린팅 스케줄을 생성하는 단계 및 상기 재료 구성 및 상기 프린팅 스케줄에 따라 상기 출력할 다중 소재 필라멘트가 출력되도록 제어하는 단계를 포함한다.A 3D printer control method for multi-material 3D printing according to an embodiment of the present invention includes receiving target result information, using the input target result information, of a printer nozzle for 3D printing the shape of the target result. Slicing to calculate movement and voxelization to decompose the shape of the target result into voxels and map each decomposed voxel to each position on the multi-material filament to be output, the voxelization generated by the voxelization According to the physical properties of each voxel, setting the material composition of the multi-material filament to be output, generating a printing schedule of the multi-material filament to be output according to the material composition of the set multi-material filament, and the material composition and the It includes controlling the multi-material filament to be printed according to a printing schedule.
상기 목표 결과물 정보는 상기 목표 결과물의 3차원 형상 정보 및 부분별 물성 정보를 포함한다.The target result information includes 3D shape information and physical property information for each part of the target result.
상기 재료 구성을 설정하는 단계는, 상기 출력할 다중 소재 필라멘트를 상기 재료 구성을 나타내는 복수의 레이어로 구성한다.In the step of setting the material composition, the multi-material filament to be output is composed of a plurality of layers representing the material composition.
상기 프린팅 스케줄을 생성하는 단계는, 상기 레이어 구성을 이용하여, 다른 레이어를 덮는 레이어가 발생하지 않도록 하층에서 상층으로 순차적으로 재료가 동일한 레이어를 그룹핑하여 복수의 그룹을 생성하고, 생성된 복수의 그룹을 순차적으로 프린팅하는 프린팅 스케줄을 생성한다.In the step of creating the printing schedule, using the layer configuration, a plurality of groups are created by grouping layers with the same material sequentially from the lower layer to the upper layer to prevent the generation of a layer that covers another layer, and the generated plurality of groups Create a printing schedule to print sequentially.
상기 물성은 색상, 기계적 인장 및 굽힘 특성 및 전기전도성을 포함한다.The physical properties include color, mechanical tensile and bending properties, and electrical conductivity.
상기 3D 프린터 제어 방법은, 상기 출력된 다중 소재 필라멘트를 이용하여 목표 결과물이 출력되도록 제어하는 단계를 더 포함한다.The 3D printer control method further includes controlling the target result to be output using the output multi-material filament.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 장치가 개시된다.According to another aspect of the present invention, a 3D printer control device for multi-material 3D printing is disclosed.
본 발명의 실시예에 따른 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 장치는, 명령어를 저장하는 메모리 및 상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되, 상기 명령어는, 목표 결과물 정보를 입력받는 단계, 상기 입력된 목표 결과물 정보를 이용하여, 상기 목표 결과물의 형상을 3D 프린팅하기 위한 프린터 노즐의 움직임을 계산하는 슬라이싱(Slicing) 및 목표 결과물의 형상을 복셀 단위로 분해하고 분해된 각 복셀을 출력할 다중 소재 필라멘트 상의 각 위치로 매핑하는 복셀화(voxelation)를 수행하는 단계, 상기 복셀화로 생성된 각 복셀의 물성에 따라, 상기 출력할 다중 소재 필라멘트의 재료 구성을 설정하는 단계, 상기 설정된 다중 소재 필라멘트의 재료 구성에 따라 상기 출력할 다중 소재 필라멘트의 프린팅 스케줄을 생성하는 단계 및 상기 재료 구성 및 상기 프린팅 스케줄에 따라 상기 출력할 다중 소재 필라멘트가 출력되도록 제어하는 단계를 포함하는 3D 프린터 제어 방법을 수행한다.A 3D printer control device for multi-material 3D printing according to an embodiment of the present invention includes a memory for storing a command and a processor for executing the command, wherein the command includes the steps of receiving target result information, the input Using target result information, slicing calculates the movement of the printer nozzle to 3D print the shape of the target result, and decomposes the shape of the target result into voxels and prints each decomposed voxel on a multi-material filament. Performing voxelization for mapping to each location, setting the material composition of the multi-material filament to be output according to the physical properties of each voxel generated by the voxelization, and the material composition of the set multi-material filament A 3D printer control method is performed, including generating a printing schedule for the multi-material filament to be output and controlling the multi-material filament to be output according to the material configuration and the printing schedule.
본 발명의 실시예에 따른 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 장치 및 방법은, 기존의 FDM(Fused deposition modeling) 3D 프린터를 이용하여, 목표 결과물에 적용되는 복수의 소재로 이루어진 다중 소재 필라멘트를 3D 프린팅하고, 3D 프린팅된 다중 소재 필라멘트를 이용하여 목표 결과물을 3D 프린팅함으로써, 다양한 물성을 가지는 목표 결과물을 제작할 수 있으므로, 기존에 널리 보급되어 있는 FDM 3D 프린터의 활용도를 크게 향상시킬 수 있다.A 3D printer control device and method for multi-material 3D printing according to an embodiment of the present invention uses an existing FDM (fused deposition modeling) 3D printer to 3D print a multi-material filament made of a plurality of materials applied to a target result. By printing and 3D printing the target result using the 3D printed multi-material filament, the target result with various physical properties can be produced, greatly improving the usability of the existing widely distributed FDM 3D printer.
도 1은 FDM(Fused deposition modeling) 3D프린터를 이용한 3D프린팅을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터 제어 장치가 수행하는 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 방법을 개략적으로 예시하여 나타낸 흐름도.
도 3 내지 도 8은 도 2의 본 발명의 실시예에 따른 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 방법을 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 장치의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.Figure 1 is a diagram schematically illustrating 3D printing using a fused deposition modeling (FDM) 3D printer.
Figure 2 is a flowchart schematically illustrating a 3D printer control method for multi-material 3D printing performed by a 3D printer control device according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3 to 8 are diagrams for explaining a 3D printer control method for multi-material 3D printing according to an embodiment of the present invention of FIG. 2.
Figure 9 is a diagram schematically illustrating the configuration of a 3D printer control device for multi-material 3D printing according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.As used herein, singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “consists of” or “comprises” should not be construed as necessarily including all of the various components or steps described in the specification, and some of the components or steps may be included in the specification. It may not be included, or it should be interpreted as including additional components or steps. In addition, terms such as "... unit" and "module" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or as a combination of hardware and software. .
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다. Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터 제어 장치가 수행하는 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 방법을 개략적으로 예시하여 나타낸 흐름도이고, 도 3 내지 도 8은 도 2의 본 발명의 실시예에 따른 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 2를 중심으로, 본 발명의 실시예에 따른 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 방법에 대하여 설명하되, 도 3 내지 도 8을 참조하기로 한다.Figure 2 is a flowchart schematically illustrating a 3D printer control method for multi-material 3D printing performed by a 3D printer control device according to an embodiment of the present invention, and Figures 3 to 8 are the embodiment of the present invention in Figure 2. This is a drawing to explain the 3D printer control method for multi-material 3D printing. Hereinafter, a 3D printer control method for multi-material 3D printing according to an embodiment of the present invention will be described, focusing on FIG. 2, with reference to FIGS. 3 to 8.
S210 단계에서, 3D 프린터 제어 장치는, 목표 결과물 정보를 입력받고, 입력된 목표 결과물 정보를 이용하여 목표 결과물의 형상을 3D 프린팅하기 위한 프린터 노즐의 움직임을 계산하는 슬라이싱(Slicing) 및 목표 결과물의 형상을 복셀 단위로 분해하고 분해된 각 복셀을 출력할 다중 소재 필라멘트 상의 각 위치로 매핑하는 복셀화(voxelation)를 수행한다. 여기서, 목표 결과물 정보는 목표 결과물의 3차원 형상 정보 및 부분별 물성 정보를 포함할 수 있다.In step S210, the 3D printer control device receives target result information, uses the input target result information to calculate the movement of the printer nozzle to 3D print the shape of the target result, and calculates the shape of the target result. Voxelization is performed by decomposing into voxel units and mapping each decomposed voxel to each position on the multi-material filament to be output. Here, the target result information may include 3D shape information and physical property information for each part of the target result.
즉, 3D 프린터 제어 장치는 목표 결과물의 형상을 슬라이싱하여, 프린터 노즐의 이동 경로, 속도 및 필라멘트 필요량을 산출하고, 목표 결과물의 형상을 프린팅 경로를 나타내는 개별 라인 단위로 분해할 수 있다.That is, the 3D printer control device can slice the shape of the target result, calculate the movement path, speed, and filament requirement of the printer nozzle, and decompose the shape of the target result into individual lines representing the printing path.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터 제어 방법에 따라 수행되는 다중 소재 필라멘트 3D 프린팅 및 이를 이용한 다중 소재 3D 프린팅의 전반적인 과정을 나타내고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터 제어 방법의 개념을 나타낸다.Figure 3 shows the overall process of multi-material filament 3D printing and multi-material 3D printing using the same performed according to a 3D printer control method according to an embodiment of the present invention, and Figure 4 shows a 3D printer control method according to an embodiment of the present invention. represents the concept of
도 3 및 도 4를 참조하면, 필라멘트 상에서 설정되는 해상도는 재료 전이 구간을 고려하여 필라멘트의 길이방향으로 2mm 이상으로 설정될 수 있다. 그래서, 고유의 물성을 가질 수 있는 복셀은, 복셀을 생성하는데 필요한 피라멘트의 길이방향의 양이 해상도 값보다 크도록 묶인 복수의 단위 라인의 집합으로 정의될 수 있다. 각각의 복셀은 프린팅 순서에 따라 필라멘트 상의 특정 지점과 매핑될 수 있다.Referring to Figures 3 and 4, the resolution set on the filament may be set to 2 mm or more in the longitudinal direction of the filament in consideration of the material transition section. Therefore, a voxel that can have unique physical properties can be defined as a set of a plurality of unit lines bound so that the longitudinal amount of filament required to generate the voxel is greater than the resolution value. Each voxel can be mapped to a specific point on the filament according to the printing order.
S220 단계에서, 3D 프린터 제어 장치는, 복셀화로 생성된 각 복셀의 물성에 따라, 출력할 다중 소재 필라멘트의 재료 구성을 설정하여 출력할 다중 소재 필라멘트의 설계 이미지를 생성한다. 여기서, 설계 이미지는 다중 소재 필라멘트의 종단면 및 횡단면에 대하여 재료 구성을 나타내는 복수의 레이어로 표시될 수 있다.In step S220, the 3D printer control device creates a design image of the multi-material filament to be printed by setting the material composition of the multi-material filament to be printed according to the physical properties of each voxel generated by voxelization. Here, the design image may be displayed as multiple layers representing the material composition with respect to the longitudinal and transverse sections of the multi-material filament.
즉, 3D 프린터 제어 장치는 목표 결과물의 부분별 물성 정보를 이용하여 각 복셀의 물성을 결정하고, 각 복셀의 결정된 물성을 구현하기 위한 필라멘트 상의 재료 구성을 설정할 수 있다. 여기서, 적용 가능한 물성은 색상, 기계적 인장 및 굽힘 특성, 전기전도성 등을 포함할 수 있다.That is, the 3D printer control device can determine the physical properties of each voxel using the physical property information for each part of the target result and set the material composition on the filament to implement the determined physical properties of each voxel. Here, applicable physical properties may include color, mechanical tensile and bending properties, electrical conductivity, etc.
물성을 결정하는 인자에는, 원재료의 종류와 혼합 비율{φ}, 균일도 변수(homogeneity parameter, η)로 표현되는 교차형 레이어 배치(interdigitated layer arrangement)가 있다. 이외에, 프린터 노즐의 온도, 베드 온도, 프린팅 속도 등의 인자는 균일하게 설정될 수 있다.Factors that determine physical properties include the type of raw material, mixing ratio {ϕ}, and interdigitated layer arrangement expressed as a homogeneity parameter (η). In addition, factors such as printer nozzle temperature, bed temperature, and printing speed can be set uniformly.
다중 소재 필라멘트 상에 배치될 여러 원재료들은 목표 결과물을 프린팅하는 과정에서 혼합된다. 이때, 혼합을 촉진하는 기전은 다중 소재 필라멘트를 용융 사출하는 과정에서 발생하는 폴리머 간의 확산이다.The various raw materials to be placed on the multi-material filament are mixed during the process of printing the target result. At this time, the mechanism that promotes mixing is diffusion between polymers that occurs during the process of melting and injecting multi-material filaments.
도 5는 3D 프린팅된 다중 소재 필라멘트가 FDM 3D 프린터에서 용융사출되는 과정의 예를 나타낸다.Figure 5 shows an example of a process in which a 3D printed multi-material filament is melt-injected in an FDM 3D printer.
도 5를 참조하면, 확산 거리 Δx는 픽키안 확산(Fickian diffusion)을 설명하는 공식에 의하여, 와 같이 나타낼 수 있으며, 여기서, D 및 t는 각각 확산 상수 및 다중 소재 필라멘트가 용융 사출되는 시간을 나타낸다. 주어진 FDM 프린팅 조건 하에서 확산 거리는 용융 사출물(extrudate)의 직경 df에 비해 현저히 작아, 재료들이 국소적으로 분리된 채로 남게 된다. 이에, 본 발명에서는, 확산이 일어나는 재료 계면을 증가시키는 방향으로 다중 소재 필라멘트를 설계함으로써, 원재료 간 혼합이 촉진될 수 있다. 서로 다른 재료 층이 엇갈려 배치되는 교차형 레이어 배치를 통해, 동일한 혼합 비율 하에서도 재료 계면의 면적을 크게 증가시켜 균일한 혼합물이 획득될 수 있다. 이러한 설계 방법은, 균일도 변수 에 의해 표현될 수 있으며, 여기서, Wi는 이종 재료층 간의 계면 폭(Interfacial width)을 나타내고, df는 다중 소재 필라멘트의 직경을 나타낸다.Referring to Figure 5, the diffusion distance Δx is determined by the formula explaining Fickian diffusion: It can be expressed as follows, where D and t represent the diffusion constant and the time at which the multi-material filament is melt-injected, respectively. Under given FDM printing conditions, the diffusion distance is significantly small compared to the diameter d f of the molten extrudate, leaving the materials locally separated. Accordingly, in the present invention, mixing between raw materials can be promoted by designing the multi-material filament in a direction to increase the material interface where diffusion occurs. Through a cross-layer arrangement in which different material layers are alternately arranged, a uniform mixture can be obtained by greatly increasing the area of the material interface even under the same mixing ratio. This design method, uniformity variable It can be expressed by, where W i represents the interfacial width between different material layers, and d f represents the diameter of the multi-material filament.
목표 결과물의 물성은 원재료 간의 혼합 비율에 비례하는 경향이 있다. 예를 들어, 고강성 소재와 유연 소재를 혼합할 때 유연 소재의 비율을 증가시키면, 목표 결과물의 굽힘 강성이 감소하게 된다. 그리고, 2가지 원색(primary color)을 혼합할 때 혼합비에 따라 두 원색 사이의 경사(gradient)가 생성될 수 있다. 이를 확장하여, CMYW 4색을 혼합한 필라멘트 프린팅을 통해 36가지 이상의 색상을 생성하여 풀 컬러(Full color) 프린팅이 구현될 수 있다.The physical properties of the target result tend to be proportional to the mixing ratio between the raw materials. For example, when mixing a high-stiffness material and a flexible material, increasing the proportion of the flexible material reduces the bending stiffness of the target result. Also, when two primary colors are mixed, a gradient between the two primary colors can be created depending on the mixing ratio. Expanding on this, full color printing can be implemented by generating more than 36 colors through filament printing that mixes four CMYW colors.
이때, 균일도 변수는 원재료 간의 균일한 혼합을 촉진시켜, 프린팅된 결과물 상에서 원재료가 국소적으로 박리되는 것을 방지하고 원하는 물성을 낼 수 있게 한다. 예를 들어, 고강성 소재와 유연 소재의 혼합 비율이 50 대 50로 동일한 시편을 인장시킬 때, 균일도 변수가 낮은 시편은 낮은 변형률에서 고강성 소재의 박리가 일어나는 반면, 균일도 변수가 높은 시편은 그 10배 이상의 변형률에서도 혼합된 상태를 유지한다. 다양한 인자 프리셋에 따라 실험적으로 측정된 물성은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같다. 주어진 프리셋 중 원하는 물성에 근접하는 것을 선택하거나, 각각의 변수가 수동으로 설정됨으로써, 다중 소재 필라멘트가 설계될 수 있다.At this time, the uniformity variable promotes uniform mixing between raw materials, preventing local peeling of the raw materials on the printed result and producing desired physical properties. For example, when tensing a specimen with the same mixing ratio of high-stiffness material and flexible material at 50:50, the specimen with a low uniformity parameter experiences delamination of the high-stiffness material at a low strain rate, while the specimen with a high uniformity parameter experiences delamination of the high-stiffness material at a low strain rate. It maintains the mixed state even at a strain rate of 10 times or more. Physical properties experimentally measured according to various factor presets are shown in Figures 6 and 7. Multi-material filaments can be designed by selecting one that is close to the desired properties among the given presets or by manually setting each variable.
예를 들어, 도 4에서는, 두 개의 원재료(옐로와 시안)의 혼합 비율을 단계적으로 변화시킴으로써, 13가지의 색상 경사를 생성하는 과정을 나타내고 있다. 여기서, 균일도 변수는 원재료를 제외하고 2로 설정되었는데, 이는 흔히 쓰이는 조색 기법에서도 볼 수 있듯이, 두 가지 색상이 국소적으로 박리된 상태에서도 새로운 색상 인지를 쉽게 만들어낼 수 있기 때문이다.For example, Figure 4 shows the process of creating 13 color gradients by gradually changing the mixing ratio of two raw materials (yellow and cyan). Here, the uniformity variable was set to 2, excluding the raw materials, because, as can be seen in commonly used coloring techniques, new color perception can be easily created even when two colors are locally separated.
S230 단계에서, 3D 프린터 제어 장치는, 설정된 다중 소재 필라멘트의 재료 구성에 따라 다중 소재 필라멘트의 프린팅 스케줄을 생성한다.In step S230, the 3D printer control device generates a printing schedule for the multi-material filament according to the material composition of the set multi-material filament.
즉, 3D 프린터 제어 장치는, 설계 이미지를 이용하여 다른 레이어를 덮는 레이어가 발생하지 않도록 하층에서 상층으로 순차적으로 재료가 동일한 레이어를 그룹핑하여 복수의 그룹을 생성하고, 생성된 복수의 그룹을 순차적으로 프린팅하는 프린팅 스케줄을 생성할 수 있다.In other words, the 3D printer control device uses the design image to create a plurality of groups by grouping layers with the same material sequentially from the lower layer to the upper layer to prevent the generation of layers that cover other layers, and sequentially groups the created plurality of groups. You can create a printing schedule for printing.
일반적으로, 프린팅 스케줄은 원재료(필라멘트)를 교체하는 횟수를 최소화하는 방향으로 설정될 수 있다. 3D 프린터는 재료를 수직 방향으로 적층하기 때문에, 재료가 서로 다른 층이 수직 방향으로 교차하는 경우, 아래층을 먼저 프린팅한 다음 윗층을 프린팅해야 한다. 이를 위하여, 대부분의 3D 프린터는 모든 층에서 재료 교체가 수행되는데, 이는 복수의 재료를 이용하는 3D 프린팅의 작업 소요를 크게 증가시키는 원인이 된다.In general, the printing schedule can be set to minimize the number of times the raw material (filament) is replaced. Because 3D printers stack materials vertically, if layers of different materials intersect vertically, the lower layer must be printed first and then the upper layer. To this end, most 3D printers replace materials in all layers, which greatly increases the work requirements of 3D printing using multiple materials.
이러한 문제를 완화하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터 제어 장치는, 다중 소재 필라멘트의 설계 이미지를 이용하여 출력할 다중 소재 필라멘트를 단일 재료로 구성되어 재료 교체가 필요없이 한번에 출력 가능한 복수의 그룹으로 나눈다. 이때, 이종 재료가 배치된 구간 간의 수직적 교차가 일어나는 층을 기준으로 그룹핑될 수 있다.In order to alleviate this problem, the 3D printer control device according to an embodiment of the present invention uses a design image of the multi-material filament to print a plurality of multi-material filaments made of a single material that can be printed at once without the need for material replacement. Divide into groups. At this time, they may be grouped based on the layer where vertical intersection between sections where heterogeneous materials are placed occurs.
예를 들어, 임의의 원재료 층 Lm,n을 가정한다. 여기서, m 및 n은 각각 다중 소재 필라멘트 상의 원재료 및 층 번호를 나타낸다. 그룹화 과정은 특정 재료 k로 구성되며, 그룹에 포함되지 않은 재료층 Lk,n으로부터 시작된다. Lk,n+1이 존재하고, Lm≠k,n과 교차하지 않는다면, Lk,n+1을 그룹에 추가한다. 만약, 교차가 발생한다면, Lk,n+1를 프린팅하기 전에 Lm≠k,n를 먼저 프린팅해야 하므로, 그룹화 과정을 종료하고, 재료를 교체하여 새 그룹을 생성한다. 이 과정을 다음 층에 교차하는 구간이 나타나거나, 위 층에 동종재료가 없을 때까지 반복한다. 이 과정을 통해 여러 층에 걸친 단일재료 프린팅 그룹이 형성된다. 이 단일재료 프린팅 그룹은 재료 교체 없이 한 번에 프린팅될 수 있다. 그 다음 재료에 대해서도, 첫 번째 층에서부터 앞과 동일한 결정 과정을 반복함으로써, 두 번째 프린팅 그룹을 형성한다. 이와 같은 작업을 다중 소재 필라멘트의 전 구간에 걸쳐 수행한다.For example, assume an arbitrary raw material layer L m,n . Here, m and n represent the raw material and layer number on the multi-material filament, respectively. The grouping process consists of a specific material k and starts from the material layer L k,n that is not included in the group. If L k,n+1 exists and does not intersect L m≠k,n , add L k,n+1 to the group. If intersection occurs, L m≠k,n must be printed first before printing L k,n+1 , so the grouping process is terminated and a new group is created by replacing the material. This process is repeated until an intersecting section appears in the next layer or until there is no homogeneous material in the layer above. Through this process, a multi-layer, single-material printing group is formed. This single-material printing group can be printed at once without material replacement. For the next material, the same decision process is repeated starting from the first layer to form a second printing group. This work is performed throughout the entire length of the multi-material filament.
그래서, 도 4에 도시된 바와 같은 3개의 그룹(G1, G2, G3)이 생성될 수 있다.So, three groups (G 1 , G 2 , G 3 ) as shown in FIG. 4 can be created.
S240 단계에서, 3D 프린터 제어 장치는, 다중 소재 필라멘트의 재료 구성 및 프린팅 스케줄에 따라 다중 소재 필라멘트가 출력되도록 제어한다.In step S240, the 3D printer control device controls the multi-material filament to be output according to the material composition and printing schedule of the multi-material filament.
S250 단계에서, 3D 프린터 제어 장치는, 출력된 다중 소재 필라멘트를 이용하여 목표 결과물이 출력되도록 제어한다.In step S250, the 3D printer control device controls the output of the target result using the output multi-material filament.
예를 들어, 3D 프린터 제어 장치는 제1 FDM(Fused deposition modeling) 3D프린터가 다중 소재 필라멘트를 출력하고, 출력된 다중 소재 필라멘트로 제2 FDM 3D 프린터가 목표 결과물을 출력하도록 제어할 수 있다.For example, the 3D printer control device may control the first fused deposition modeling (FDM) 3D printer to output a multi-material filament and the second FDM 3D printer to output a target result using the output multi-material filament.
도 8은 3D 프린팅된 다종 소재 필라멘트를 이용한 풀컬러 프린팅의 예를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 4가지 원색 소재의 혼합 비율을 달리함으로써, 36가지의 색상이 3D 프린팅되었다. 이와 같이 획득될 수 있는 색상의 개수는 제한되지 않으며, 혼합 비율을 더욱 정교하게 조정하거나 다른 원색을 추가함으로써 수없이 많은 색상이 생성될 수 있다. 풀 컬러 3D 프린팅은 극히 일부의 고가 장비와 재료로만 가능했던 것으로, 이를 저렴한 FDM 방식으로 구현한 것은 상업적으로 큰 의미가 있다.Figure 8 shows an example of full-color printing using 3D printed multi-material filament. Referring to Figure 8, 36 colors were 3D printed by varying the mixing ratio of the four primary color materials. The number of colors that can be obtained in this way is not limited, and countless colors can be created by adjusting the mixing ratio more precisely or adding other primary colors. Full-color 3D printing was only possible with a small number of expensive equipment and materials, and implementing it using an inexpensive FDM method has great commercial significance.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 장치의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이다.Figure 9 is a diagram schematically illustrating the configuration of a 3D printer control device for multi-material 3D printing according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 장치는 프로세서(10), 메모리(20), 통신부(30) 및 인터페이스부(40)를 포함한다.Referring to FIG. 9, the 3D printer control device for multi-material 3D printing according to an embodiment of the present invention includes a
프로세서(10)는 메모리(20)에 저장된 처리 명령어를 실행시키는 CPU 또는 반도체 소자일 수 있다.The
메모리(20)는 다양한 유형의 휘발성 또는 비휘발성 기억 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(20)는 ROM, RAM 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 메모리(20)는 본 발명의 실시예에 따른 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 방법을 수행하는 명령어들을 저장할 수 있다.For example, the
통신부(30)는 통신망을 통해 다른 장치들과 데이터를 송수신하기 위한 수단이다.The
인터페이스부(40)는 네트워크에 접속하기 위한 네트워크 인터페이스 및 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다.The
한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.Meanwhile, the components of the above-described embodiment can be easily understood from a process perspective. In other words, each component can be understood as a separate process. Additionally, the processes of the above-described embodiments can be easily understood from the perspective of the components of the device.
또한 앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Additionally, the technical contents described above may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc., singly or in combination. Program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiments or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -Includes optical media (magneto-optical media) and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, etc. Examples of program instructions include machine language code, such as that produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc. A hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The above-described embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and such modifications, changes, and additions will be possible. should be regarded as falling within the scope of the patent claims below.
10: 프로세서
20: 메모리
30: 통신부
40: 인터페이스부10: processor
20: memory
30: Department of Communications
40: interface part
Claims (7)
목표 결과물의 3차원 형상 정보 및 부분별 물성 정보를 포함하는 목표 결과물 정보를 입력받는 단계;
상기 입력된 목표 결과물 정보를 이용하여, 상기 목표 결과물의 형상을 3D 프린팅하기 위한 프린터 노즐의 움직임을 계산하는 슬라이싱(Slicing) 및 상기 목표 결과물의 형상을 복셀 단위로 분해하고 분해된 각 복셀을 출력할 다중 소재 필라멘트 상의 각 위치로 매핑하는 복셀화(voxelation)를 수행하는 단계;
상기 복셀화로 생성된 각 복셀의 물성에 따라, 상기 출력할 다중 소재 필라멘트의 재료 구성을 설정하는 단계;
상기 설정된 다중 소재 필라멘트의 재료 구성에 따라 상기 출력할 다중 소재 필라멘트의 프린팅 스케줄을 생성하는 단계;
상기 재료 구성 및 상기 프린팅 스케줄에 따라 상기 출력할 다중 소재 필라멘트가 출력되도록 제어하는 단계; 및
상기 출력된 다중 소재 필라멘트를 이용하여 상기 목표 결과물이 출력되도록 제어하는 단계를 포함하되,
상기 재료 구성을 설정하는 단계는,
상기 부분별 물성 정보에 따라 각 복셀의 물성을 구현하기 위한 상기 재료 구성을 설정하고,
상기 출력할 다중 소재 필라멘트의 종단면 및 횡단면에 대하여 상기 재료 구성을 나타내는 복수의 레이어로 구성하고,
상기 물성은 색상, 기계적 인장 및 굽힘 특성 및 전기전도성을 포함하고,
상기 프린팅 스케줄을 생성하는 단계는,
상기 레이어 구성을 이용하여, 다른 레이어를 덮는 레이어가 발생하지 않도록 하층에서 상층으로 순차적으로 재료가 동일한 레이어를 그룹핑하여 복수의 그룹을 생성하고, 생성된 복수의 그룹을 순차적으로 프린팅하는 프린팅 스케줄을 생성하고,
상기 출력할 다중 소재 필라멘트가 출력되도록 제어하는 단계 및 상기 목표 결과물이 출력되도록 제어하는 단계는,
제1 3D 프린터가 상기 다중 소재 필라멘트를 출력하도록 제어하고, 상기 출력된 다중 소재 필라멘트로 제2 3D 프린터가 목표 결과물을 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 방법.
In a 3D printer control method for multi-material 3D printing performed by a 3D printer control device,
Receiving target result information including 3D shape information and physical property information for each part of the target result;
Using the input target result information, slicing calculates the movement of the printer nozzle for 3D printing the shape of the target result, decomposes the shape of the target result into voxels, and outputs each decomposed voxel. Performing voxelation to map each location on the multi-material filament;
Setting the material composition of the multi-material filament to be output according to the physical properties of each voxel generated by the voxelization;
generating a printing schedule for the multi-material filament to be output according to the set material composition of the multi-material filament;
Controlling the multi-material filament to be printed to be printed according to the material composition and the printing schedule; and
Including controlling the target result to be output using the output multi-material filament,
The step of setting the material composition is,
Setting the material configuration to implement the physical properties of each voxel according to the physical property information for each part,
Consisting of a plurality of layers representing the material composition with respect to the longitudinal and transverse sections of the multi-material filament to be output,
The physical properties include color, mechanical tensile and bending properties, and electrical conductivity,
The step of creating the printing schedule is,
Using the above layer configuration, multiple groups are created by grouping layers with the same material sequentially from the lower layer to the upper layer to prevent layers that cover other layers, and a printing schedule is created to sequentially print the created multiple groups. do,
The step of controlling so that the multi-material filament to be output is output and the step of controlling so that the target result is output,
A 3D printer control method for multi-material 3D printing, characterized in that controlling a first 3D printer to output the multi-material filament and controlling a second 3D printer to output a target result using the output multi-material filament.
명령어를 저장하는 메모리; 및
상기 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되,
상기 명령어는,
목표 결과물의 3차원 형상 정보 및 부분별 물성 정보를 포함하는 목표 결과물 정보를 입력받는 단계;
상기 입력된 목표 결과물 정보를 이용하여, 상기 목표 결과물의 형상을 3D 프린팅하기 위한 프린터 노즐의 움직임을 계산하는 슬라이싱(Slicing) 및 상기 목표 결과물의 형상을 복셀 단위로 분해하고 분해된 각 복셀을 출력할 다중 소재 필라멘트 상의 각 위치로 매핑하는 복셀화(voxelation)를 수행하는 단계;
상기 복셀화로 생성된 각 복셀의 물성에 따라, 상기 출력할 다중 소재 필라멘트의 재료 구성을 설정하는 단계;
설정된 다중 소재 필라멘트의 재료 구성에 따라 상기 출력할 다중 소재 필라멘트의 프린팅 스케줄을 생성하는 단계;
상기 재료 구성 및 상기 프린팅 스케줄에 따라 상기 출력할 다중 소재 필라멘트가 출력되도록 제어하는 단계; 및
상기 출력된 다중 소재 필라멘트를 이용하여 상기 목표 결과물이 출력되도록 제어하는 단계를 포함하는 3D 프린터 제어 방법을 수행하고,
상기 재료 구성을 설정하는 단계는,
상기 부분별 물성 정보에 따라 각 복셀의 물성을 구현하기 위한 상기 재료 구성을 설정하고,
상기 출력할 다중 소재 필라멘트의 종단면 및 횡단면에 대하여 상기 재료 구성을 나타내는 복수의 레이어로 구성하고,
상기 물성은 색상, 기계적 인장 및 굽힘 특성 및 전기전도성을 포함하고,
상기 프린팅 스케줄을 생성하는 단계는,
상기 레이어 구성을 이용하여, 다른 레이어를 덮는 레이어가 발생하지 않도록 하층에서 상층으로 순차적으로 재료가 동일한 레이어를 그룹핑하여 복수의 그룹을 생성하고, 생성된 복수의 그룹을 순차적으로 프린팅하는 프린팅 스케줄을 생성하고,
상기 출력할 다중 소재 필라멘트가 출력되도록 제어하는 단계 및 상기 목표 결과물이 출력되도록 제어하는 단계는,
제1 3D 프린터가 상기 다중 소재 필라멘트를 출력하도록 제어하고, 상기 출력된 다중 소재 필라멘트로 제2 3D 프린터가 목표 결과물을 출력하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다중 소재 3D 프린팅을 위한 3D 프린터 제어 장치.In a 3D printer control device for multi-material 3D printing,
Memory for storing instructions; and
Including a processor that executes the instructions,
The command is:
Receiving target result information including 3D shape information and physical property information for each part of the target result;
Using the input target result information, slicing calculates the movement of the printer nozzle for 3D printing the shape of the target result, decomposes the shape of the target result into voxels, and outputs each decomposed voxel. Performing voxelation to map each location on the multi-material filament;
Setting the material composition of the multi-material filament to be output according to the physical properties of each voxel generated by the voxelization;
Generating a printing schedule for the multi-material filament to be output according to the material composition of the set multi-material filament;
Controlling the multi-material filament to be printed to be printed according to the material composition and the printing schedule; and
Performing a 3D printer control method including the step of controlling the target result to be output using the output multi-material filament,
The step of setting the material composition is,
Setting the material configuration to implement the physical properties of each voxel according to the physical property information for each part,
Consisting of a plurality of layers representing the material composition with respect to the longitudinal and transverse sections of the multi-material filament to be output,
The physical properties include color, mechanical tensile and bending properties, and electrical conductivity,
The step of creating the printing schedule is,
Using the above layer configuration, multiple groups are created by grouping layers with the same material sequentially from the lower layer to the upper layer to prevent layers that cover other layers, and a printing schedule is created to sequentially print the created multiple groups. do,
The step of controlling so that the multi-material filament to be output is output and the step of controlling so that the target result is output,
A 3D printer control device for multi-material 3D printing, characterized in that controlling a first 3D printer to output the multi-material filament and controlling a second 3D printer to output a target result using the output multi-material filament.
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KR1020230070884A KR102655339B1 (en) | 2023-06-01 | 2023-06-01 | Apparatus and method for controlling 3D printer for multi-material 3D printing |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN118238409A (en) * | 2024-05-21 | 2024-06-25 | 东莞市宏盛达三维科技有限公司 | Consumable color mixing method and device for 3D printing |
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KR102383350B1 (en) | 2021-01-29 | 2022-04-11 | 경북대학교 산학협력단 | Method for manufacturing filament for 3d printing and filament for 3d printing manufactured by the same |
-
2023
- 2023-06-01 KR KR1020230070884A patent/KR102655339B1/en active IP Right Grant
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