KR20010094830A

KR20010094830A - 선형 열절단 시스템을 이용한 가변 적층 쾌속조형방법 및쾌속조형장치

Info

Publication number: KR20010094830A
Application number: KR1020000018175A
Authority: KR
Inventors: 양동열; 안동규; 신보성; 이상호
Original assignee: 윤덕용; 한국과학기술원
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2001-11-03
Also published as: US20010040003A1; US6627030B2; DE10112629A1; JP2001301044A; JP3699359B2; KR100362737B1; DE10112629B4

Abstract

본 발명은 발포성 수지, 열가소성 수지, 열경화성 수지 등의 재료를 여러가지 두께의 판재 띠 형태로 연속적으로 공급한 후 이 판재 띠를 4자유도 선형 열절단 시스템으로 CAD 데이터에서 요구되는 폭, 경사 및 길이로 자유로이 절단하여 접착 및 적층함으로써, 조형시간과 정밀도를 획기적으로 향상시키고 재료손실 또한 현저히 감소시킬 수 있는 쾌속조형방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 건축 모델, 조형물, 캐릭터 상품, 시작품 및 로스트 폼 주조 코어를 제작하는 쾌속조형장치에 있어서, 절단이 가능한 판재 띠(strip) 형상의 재료를 저장하는 저장수단과, 상기 저장수단에 저장된 판재 띠를 수평 이송시키는 이송수단과, 이송되는 판재 띠의 하면에 접착제를 도포하는 도포수단과, 이송된 판재 띠를 제작물의 3차원 CAD 데이터에 따라 선형 열원을 이용하여 가변폭, 가변경사 및 가변길이로 절단하는 절단수단과, 상기 절단수단에 의해 절단되는 판재 띠를 그 수직방향에서 고정하고 수직방향으로 이동시키는 고정수단과, 절단된 판재 띠가 3차원 제작물의 각 위치에 적층되도록 3차원적으로 이동하는 이동수단을 포함하는 가변 적층 쾌속조형장치가 제공된다.

Description

선형 열절단 시스템을 이용한 가변 적층 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치{Variable lamination manufacturing method and apparatus by using linear heat cutting system}

본 발명은 쾌속조형장치에 관한 것이며, 특히, 발포성 수지, 열가소성 수지 및 열경화성 수지 등의 재료를 여러가지 폭 및 두께로 공급한 후 4자유도를 갖는 선형 열절단 시스템을 이용하여 가변폭, 가변경사 및 가변길이로 절단하여 접착 및 적층하여 3차원 형상의 제품을 제작하는 가변 적층 쾌속조형장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 시제품이나 몰드를 제작하는 기존의 쾌속조형방법에 대하여 표면치수정밀도를 향상시켜 후처리 공정(특히, Decubing)이 거의 필요 없으며 소요시간을 획기적으로 향상시킨 쾌속조형방법에 관한 것이기도 하다.

본 발명은 건축 모델 제작, 조형물 제작, 시작품 형상/설계/기능 검토(예 : 항공기 터빈 브레이드, 원심 압축기의 임펠러, 핸드폰 등등), 캐릭터 상품 제작(예 : 피카츄 인형, 둘리 인형 등등) 및 로스트 폼(Lost Foam) 주조의 코어 등 여러 산업 분야에서 활용될 수 있다. 특히, 본 발명은 3축 혹은 5축 절삭가공으로 제작이 불가능한 복잡한 3차원 형상을 빠른 시간내에 신속히 제작하는 데 사용된다.

종래의 쾌속조형방법은 액체상태의 재료를 레이저 광선을 조사하여 경화시켜 3차원 형상을 제조하는 경화법과, 입상(粒狀) 또는 층상(層狀)으로 된 고체 소재를 원하는 형태로 접합시켜 만드는 방법 등 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

여기에서, 쾌속조형방법이란 종이, 왁스, ABS 및 플라스틱 등의 여러 가지 비금속, 금속재료를 사용하여 3차원 CAD 데이터로부터 직접 3차원 형상의 시작품 또는 몰드를 곧바로 조형하는 방법을 일컫는 것으로서, 최근에는 이에 사용되는 재질이 금속분말 및 금속와이어(wire) 등으로 다양한 방법이 개발되고 있는 실정이다.

먼저, 상기의 경화법 중의 하나인 광조형(stereolithography, SLA ; 3D Systems사)방법은 액체상태의 광경화성 수지(photo polymer)에 선택적으로 레이저빔을 조사하여 응고시키는 방식으로 한 층씩 계속적으로 적층해 나가는 방식이다. 이런 광조형 방법은 레이저빔을 국소적으로 조사하는 방법(3D Systems사-SLA, Quadrax사, Sony사, Dupont사 등)과, 자외선 램프를 이용하여 한꺼번에 한 층씩을 조사하는 방법(Cubital사-SGC, Light Sculpting사 등) 등 두 가지 방식이 있다.

그러나, 이런 광조형 방법은 작업공정 중 응고된 광경화성 수지가 경화시에 수축되고 이로 인해 뒤틀림 현상이 발생된다는 단점이 있다. 또한, 돌출부가 있는 제품을 제작할 경우에는 이런 돌출부를 형성하기 위해 사용되는 광경화성 수지가 아래로 떨어지지 않도록 지지하는 지지대가 필요하다는 단점이 있다. 또한, 수지가 재료로 사용되므로 강도가 떨어져 기능성 재료로서의 이용이 어렵다는 단점이 있다.

그리고, 분말재료를 이용하여 형상을 제조하는 방법에는, 선택적 레이저 소결조형(selective laser sintering, SLS ; DTM사)방법과 3차원 프린팅(three dimension printing ; Solingen사, Z Corp. 등 - MIT개발)방법 등이 있다.

이런 선택적 레이저 소결조형방법은 플라스틱류의 분말재료를 도포하고, 레이저빔을 조사하여 분말을 결합하는 방식으로 제품을 제작한다. 또한, 이런 선택적 레이저 소결조형방법은 플라스틱을 표면에 코팅한 철분말을 이용하여 금속제품이나 몰드를 제작하는 데 사용되기도 한다.

그러나, 이렇게 플라스틱을 표면에 코팅한 철분말을 이용하여 금속제품이나 몰드를 제작할 경우에는, 표면에 코팅된 플라스틱을 제거하고 철분말들을 서로 결합할 수 있도록 소결(sintering)하여야 한다. 또한, 철분말들 사이에 형성된 공극을 채울 수 있도록 구리용침을 하는 등 후처리가 필요하다. 그러나, 이런 선택적 레이저 소결조형방법은 후처리 과정에서 열변형에 의한 수축이 일어나므로 치수정밀도를 맞추기가 어렵다는 단점이 있다.

그리고, 3차원 프린팅방법은 도포된 분말에 액체상태의 결합제를 선택적으로 뿌려서 제품을 만든다. 즉, 이런 3차원 프린팅방법을 이용함으로써, 세라믹 분말로부터 인베스트먼트 케스팅(investment casting)용 세리믹쉘(ceramic shell)을 직접 만들거나, 녹말(starch)성분을 기본으로 하는 분말재료를 사용하여 제품을 제작할 수도 있다. 그러나, 이런 3차원 프린팅방법은 제품의 밀도와 강도증가를 위해 후처리가 필수적이므로 열변형에 의한 수축이 발생한다는 단점이 있다.

또한, 박판재료 적층(laminated object manufacturing, LOM ; Helisys사)방법은 얇은 박판형상의 종이를 가열된 롤러를 사용하여 접착하고 레이저로 절단하는 과정을 반복하여 제품을 제작한다. 그러나, 이런 박판재료 적층방법은 재료로 종이를 사용하므로 운영비가 저렴하다는 장점은 있지만, 제품 제작후 제품을 빼내는데 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다.

예를 들어, 구형상의 제품을 제작할 경우에 있어서, 종이를 순차적으로 적층 및 절단하는 과정을 통해 구형상의 제품이 제작되면, 구형상 제품 이외의 잔류 종이부분이 제작된 구형상 제품의 둘레를 감싸고 있어 이런 잔류 종이부분으로부터구형상 제품을 빼내는데 많은 시간이 소요된다. 또한, 현재 플라스틱 박판재료가 개발되어 플라스틱 제품을 제작할 수 있으나 종이의 경우와 마찬가지로 제품을 빼내는 공정이 어렵다는 단점이 있다.

또한, 용착조형(fused deposition modeling, FDM ; Stratasys사)방법은 필라멘트(filament)형태의 플라스틱류 재료를 압출금형과 유사한 형태의 가열된 노즐사이로 통과시켜 용융상태로 만들어서 접착하는 방식으로 제품을 제작한다. 그러나, 이런 용착조형방법은 필라멘트 형태의 재료를 사용하기 때문에 표면이 거칠다는 단점이 있다.

아래에서는 금속과 같은 기능성 재료의 제품이나 몰드를 직접 제작하는 쾌속조형방법에 대해 설명하겠다.

최근 상용화된 LENS(Laser Engineered Net Shaping ; Optomec사 - Sandia National Lab. 개발)방법은 레이저빔을 이용하여 금속 기저(substrate)를 국부적으로 가열하여 작은 용탕풀(melt pool)을 만들고, 이 곳에 금속분말을 가스를 이용하여 떨어뜨리는 방식으로 제품을 제작한다.

그러나, 이런 LENS 방법은 금속을 완전히 녹여서 제품을 제작하기 때문에 응고시 변형이 심하여 치수 정밀도가 떨어진다는 단점이 있다. 또한, 이런 LENS 방법은 용융물을 이용한 제품의 제작방법이므로 돌출부나 외팔보 형태를 지닌 제품을 제작하기가 불가능하다는 단점이 있다.

그리고, SDM(Shape Deposition Manufacturing ; Stanford Univ, Carnegie Mellon Univ)방법은 금속 용착(deposition)과 CNC 기계가공을 결합한 방법이다.이런 SDM 방법은 먼저 금속을 용착한 후에 다축 CNC 밀링을 이용하여 원하는 두께와 경계형상을 갖도록 가공하고, 같은 층의 나머지 부분은 다른 금속재료로 채운 후에 다시 CNC 가공을 하여 한 층을 완성한다. 이렇게 한 층이 완성된 후에는 잔류응력을 제거하기 위하여 숏 피닝(shot peening) 작업을 한다. 이런 일련의 과정을 수행함으로써 원하는 제품을 제작하게 된다.

그러나, 이런 SDM 방법은 여러 가지 과정을 반복적으로 수행해야 함으로 제품을 제작하는데 많은 시간이 소요된다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 발포성 수지, 열가소성 수지, 열경화성 수지 등의 재료를 여러가지 두께의 판재 띠(Strip) 형태로 연속적으로 공급한 후 이 판재 띠를 4자유도 선형 열절단 시스템으로 CAD 데이터에서 요구되는 폭, 경사 및 길이로 자유로이 절단하여 접착 및 적층함으로써, 조형시간과 정밀도를 획기적으로 향상시키고 재료손실 또한 현저히 감소시킬 수 있는 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 선형 열절단 시스템을 이용한 가변 적층 쾌속조형방법의 전체적인 개략도이고,

도 2는 본 발명의 선형 열절단 시스템을 이용한 가변 적층 쾌속조형장치의 전체적인 개략도이고,

도 3a 내지 도 3d는 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 재료 저장롤 및 재료 저장롤 지지부의 개략도이고,

도 4a 내지 도 4d는 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 열선 절단기의 개략도이고,

도 5는 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 열선 절단기의 제어시스템 구성도이고,

도 6은 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 절단제품 고정장치의 개략도이고,

도 7은 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 절단제품 고정장치의 제어시스템 구성도이고,

도 8은 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 XYZ 이동 테이블의 제어시스템 구성도이고,

도 9a 및 도 9b는 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 접착제 부착장치의 개략도이고,

도 10은 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 접착보조장치의 개략도이고,

도 11은 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 잔여재료 제거 및 저장장치의 개략도이며,

도 12는 본 발명에서 단위형상 조각의 적층시 결합을 효과적으로 수행하기 위해 상면과 하면에 경사를 부여하는 방법에 대한 개략도.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

11 : 저장롤 지지부 12 : 재료 저장롤

13 : 조절롤러 14 : 후방 이송장치

15 : 전방 이송장치 16 : 열선 절단기

17 : 열선 18 : 절단제품 고정장치

19 : 절단제품 흡입기 20 : 아이들 롤러

21 : XYZ 이동 테이블 22 : 접착 보조장치

23 : 접착제 부착장치 24 : 접착롤러

25 : 잔여재료 절단기 26 : 이동가이드

27 : 잔여재료 제거기 28 : 잔여재료 저장장치

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 건축 모델, 조형물, 캐릭터 상품, 시작품 및 로스트 폼 주조 코어를 제작하는 쾌속조형방법에 있어서, 절단이 가능한 판재 띠(strip) 형상의 재료를 이송하면서 상기 판재 띠의 하면에 접착제를 도포하는 단계와, 이송되는 판재 띠를 제작물의 3차원 CAD 데이터에 따라선형 열원을 이용하여 가변폭, 가변경사 및 가변길이로 절단하는 단계와, 절단된 판재 띠를 3차원 제작물의 각 위치에 위치하도록 이동 테이블에 적층하는 단계 및, 순차적으로 적층되어 접착되는 절단된 판재 띠에 의해 3차원 제작물이 완성되었지 여부를 판단하는 단계를 포함하는 가변 적층 쾌속조형방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 선형 열원에 의해 절단되고 잔류하는 잔여재료를 절단한 후 저장하는 단계를 부가적으로 포함하는 가변 적층 쾌속조형방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 선형 열원은 열선(hotwire), 레이저(laser), 플라즈마(plasma), 열빔(heat beam), 열가스(heat gas) 중의 어느 하나인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 판재 띠는 발포성 수지, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 건축 모델, 조형물, 캐릭터 상품, 시작품 및 로스트 폼 주조 코어를 제작하는 쾌속조형장치에 있어서, 절단이 가능한 판재 띠(strip) 형상의 재료를 저장하는 저장수단과, 상기 저장수단에 저장된 판재 띠를 수평 이송시키는 이송수단과, 이송되는 판재 띠의 하면에 접착제를 도포하는 도포수단과, 이송된 판재 띠를 제작물의 3차원 CAD 데이터에 따라 선형 열원을 이용하여 가변폭, 가변경사 및 가변길이로 절단하는 절단수단과, 상기 절단수단에 의해 절단되는 판재 띠를 그 수직방향에서 고정하고 수직방향으로 이동시키는 고정수단과, 절단된 판재 띠가 3차원 제작물의 각 위치에 적층되도록 3차원적으로 이동하는 이동수단을 포함하는 가변 적층 쾌속조형장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 선형 열원에 의해 절단되고 잔류하는 잔여재료를 절단하고 저장하는 절단저장수단을 부가적으로 포함하는 가변 적층 쾌속조형장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 하면에 접착제가 도포된 잔여재료가 상기 이송수단을 지날 때에 상기 이송수단에 묻지 않도록 잔여재료의 하면에 부착될 얇은 종이를 제공하는 공급롤러를 포함하는 가변 적층 쾌속조형장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 절단수단은 병진운동 및 회전운동이 가능한 4자유도 선형 열절단기인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 이동수단에 순차적으로 적층되는 판재 띠의 상면을 눌러 하층의 판재 띠와 밀착접합될 수 있도록 하는 접착 보조장치를 포함하는 가변 적층 쾌속조형장치를 제공한다.

아래에서, 본 발명에 따른 선형 열절단 시스템을 이용한 가변 적층 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 선형 열절단 시스템을 이용한 가변 적층 쾌속조형방법의 전체적인 개략도이고, 도 2는 본 발명의 선형 열절단 시스템을 이용한 가변 적층 쾌속조형장치의 전체적인 개략도이다. 그리고, 도 3a 내지 도 3d는 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 재료 저장롤 및 재료 저장롤 지지부의 개략도이고, 도 4a 내지 도 4d는 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 열선 절단기의 개략도이며, 도 5는 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 열선 절단기의 제어시스템 구성도이다. 그리고, 도 6 및 도 7은 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 절단제품 고정장치의 개략도 및 그 제어시스템 구성도이고, 도 8은 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 XYZ 이동 테이블의 제어시스템 구성도이다. 그리고, 도 9a 및 도 9b는 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 접착제 부착장치의 개략도이고, 도 10은 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 접착보조장치의 개략도이다. 그리고, 도 11은 도 2에 도시된 쾌속조형장치의 잔여재료 제거 및 저장장치의 개략도이며, 도 12는 본 발명에서 단위형상 조각의 적층시 결합을 효과적으로 수행하기 위해 상면과 하면에 경사를 부여하는 방법에 대한 개략도이다.

도 2에 보이듯이, 본 발명의 쾌속조형장치는 발포성 수지, 열가소성 수지, 열경화성 수지 등의 판재 띠 형태의 재료를 감아서 보관하는 재료 저장롤(12)을 포함한다. 이런 재료 저장롤(12)은 저장롤 지지부(11)에 의해 상하이동도 가능하게 지지되어 있다. 이렇게 배치된 재료 저장롤(12)에 감긴 재료는 이송되는 재료의 높이를 평형하게 유지하는 조절롤러(13)를 통과하여 전방 이송장치(15) 및 후방 이송장치(14)에 의해 연속 또는 단속적으로 공급된다.

그리고, 후방 이송장치(14)의 측면에는 접착제 부착장치(23)가 설치되어 있는 데, 이런 접착제 부착장치(23)는 후방 이송장치(14)에 의해 공급되는 판재 띠의 하부면 전체를 접착제가 묻어 있는 접착롤러(24)로 연속적으로 도포하게 된다. 그러면, 이송되는 판재 띠의 하부면 전체에 접착제가 골고루 도포된다.

그리고, 전방 이송장치(15)와 후방 이송장치(14)의 사이에는 이송되는 판재띠를 절단하는 열선 절단기(16)가 설치되어 있다. 이런 열선 절단기(16)는 X, Y, θ_x, θ_y방향으로 이동 및 조절될 수 있도록 구성된 것으로서, 고온의 열선(17)을 이용하여 공급된 판재 띠 형태의 재료를 CAD 데이터와 동일한 형상을 가진 단위형상 조각으로 절단한다. 이런 열선 절단기(16)에 의한 단위형상 조각 절단시 CAD 데이터에 따라 가변폭, 가변 측면경사 및 가변 길이가 공정 중에 제어된다.

그리고, 열선 절단기(16)에 의해 판재 띠가 절단될 경우에, 이런 판재 띠를 고정하는 절단제품 고정장치(18)가 이송되는 판재 띠의 상부면에 설치되어 있다. 즉, 판재 띠가 열선 절단기(16)에 의해 절단될 때, 절단제품 고정장치(18)의 절단제품 흡입기(19)가 수직으로 이동하여 절단 중인 단위형상 조각을 고정하여 단위형상 조각이 최종적으로 절단하는 순간 좌우로 흔들리지 않도록 고정한다. 그리고, 단위형상 조각이 완전히 생성되면 절단제품 흡입기(19)가 추가적인 수직방향 이동을 수행하여 단위형상 조각을 이송되는 판재 띠의 하부면에 위치하는 XYZ 이동테이블(21)위에 위치시킨다. 이 때, 절단된 단위형상 조각은 CAD 데이터의 정해진 3차원 좌표에 따라 XYZ 이동테이블(21)위에 위치한다.

그리고, XYZ 이동 테이블(21)은 절단제품 흡입기(19)에 의해 수직 이동된 단위형상 조각이 목적물의 CAD 데이터와 일치하는 3차원 공간상에 위치할 수 있도록, 이동 테이블(21)의 동일층내 조형시에는 XY 위치를 이동시키며 층간 이동은 재료 두께만큼 Z축 이동으로 3차원 좌표에 위치시킨다.

그리고, XYZ 이동 테이블(21)의 측면에는 접착 보조장치(22)가 설치되어 있다. 이런 접착 보조장치(22)는 절단제품 흡입기(19)에 의해 XYZ 이동 테이블(21) 위에 위치한 단위형상 조각의 상면을 가압하여, 접착제 부착장치(23)에 의해 바닥면에 도포된 접착제에 의해 아래층에 위치하는 단위형상 조각과 잘 접착될 수 있도록 한다.

그리고, 전방 이송장치(15)의 전방에는 열선 절단기(16)에 의해 일정 형태로 절단되고 남은 잔여재료, 즉 하면에 접착제가 묻어 있는 잔여재료가 전방 이송장치(15)를 지날 때에 접착제가 전방 이송장치(15)에 묻지 않도록 얇은 종이를 연속적으로 공급하는 아이들 롤러(20)가 설치되어 있다.

그리고, 전방 이송장치(15)의 후방에는 열선 절단기(16)에 의해 단위형상 조각으로 절단된 것 이외의 잔여 판재 띠를 절단하는 잔여재료 절단기(25)가 설치되어 있다. 이 때, 잔여 판재 띠는 전방 이송장치(15)와 잔여재료 절단기(25)의 사이에 위치하는 이동가이드(26)를 따라 이동한다.

그리고, 잔여재료 절단기(25)의 후방에는 절단된 재료를 잔여재료 제거기(27)를 따라 이동시킨 후 저장하는 잔여재료 저장장치(28)가 설치되어 있다.

아래에서는 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 가변 적층 쾌속조형장치를 이용한 쾌속조형방법을 도 1 및 도 2를 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

제작하고자 하는 제품에 대한 CAD 데이터(*.DTL, *.IGES, *.dxf 등등)가 입력되면 제어장치에서 전반적으로 제어한다. 즉, 제어장치가 재료 저장롤(12)에 감겨 있는 판재 띠의 이송속도를 후방 이송장치(14) 및 전방 이송장치(15)를 이용하여 제어한다(재료공급부). 이송된 판재 띠는 열선 전단기(16)에 의해 절단되고절단된 단위형상 조각은 절단제품 고정장치(18)에 의해 XYZ 이송 테이블(21)로 이송된다(트리밍부). 즉, 제어장치가 판재 띠의 절단속도(Vs), 절단온도(T) 및 절단 형상정보 등을 제어한다. 여기에서, 절단 형상정보란 절단할 판재 띠의 두께방향의 중간부위의 포인트 데이터(x, y, z), 절단각(θ₁, θ₂) 및 마스터/슬래브 정보를 의미하는 것으로서, 마스터/슬래브 정보는 절단형상에 따라 열선 전단기(16)의 2개의 열선(17) 중 어느 것을 마스터 또는 슬래브로 정할 것인가를 결정하는 것이다(형상정보부).

그리고, XYZ 이송 테이블(21)로 이송되는 단위형상 조각은 제어장치의 접착부위정보에 따라 원점이 설정된 이송 테이블(21)을 따라 순차적으로 적층 및 접착된다(적층/접착부). 그리고, 잔여 재료는 잔여재료 절단기(25)에 의해 절단되어 잔여재료 저장장치(28)에 저장된다(잔여재료 절단/저장부).

위와 같은 일련의 순서에 따라 원하는 형상이 제작될 때까지 진행된다.

아래에서는 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 가변 적층 쾌속조형장치의 작동관계 및 쾌속조형방법을 더욱 구체적으로 설명하겠다.

먼저, 판재 띠 형태의 발포성 수지, 열가소성 수지 및 열경화성 수지를 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이 구성된 재료 저장롤 지지부(11)에 의해 지지되는 재료 저장롤(12)로부터 조절롤러(13)로 이동시켜 판재 띠에 결함(잔주름, 꺽임 등)이 발생하지 않토록 한 뒤, 이런 판재 띠를 후방 이송장치(14) 및 전방 이송장치(15)를 이용하여 연속 및 단속적으로 이송시킨다. 이 때, 이송 속도와 이송 길이 등은 도 1의 제어장치에 의해 결정된다.

이런 판재 띠가 후방 이송장치(14)를 지나는 순간, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이 이송되는 판재 띠의 하부면에 위치하는 접착 부착장치(23)의 접착롤러(24)에 의해 판재 띠의 하부면에 접착제가 골고루 도포된다.

이렇게 하부면에 접착제가 골고루 도포된 판재 띠는 열선 절단기(16)에 의해 단위형상 조각으로 절단된다. 이 때, 열선 절단기(16)의 절단속도(Vs), 절단온도(T) 및 절단 형상정보 등은 제어장치에 의해 제어된다.

이런 열선 절단기(16)는 판재 띠를 절단하기 위해 2대가 설치되는 데, 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, 양단부에 와이어 카트리지가 각각 설치되어 있고, 이런 카트리지에 의해 열선(17)이 연결되어 있다. 그리고, 이런 열선 절단기(16)는 4자유도를 갖는 병진운동 및 회전운동이 가능하도록 구성된 것으로서, x축 및 y축방향으로 병진운동하고, θ_x, θ_y로 회전운동할 수 있도록 구성되어 있다. 즉, 열선 절단기(16)는 양단부에 위치하는 열선(17)이 원하는 형상을 자유롭게 절단할 수 있도록 구성되어 있다.

이렇게 구성된 열선 절단기(16)를 사용하여 단위형상 조각을 절단하기 위해서는 도 5에 도시된 제어시스템에 의해 열선 절단기(16)가 작동되어야 한다. 즉, 열선 절단기의 제어시스템은 도 5의 S/W부와 같이 단위형상 조각의 상면과 하면에 대한 형상정보(STL File)를 이용하여 중간 단면에 대한 위치좌표(X, Y)와 측면경사(θ_x, θ_y)를 계산하고 이 결과를 이용하여 형상 복잡도를 계산한다. 여기서 계산된 형상 복잡도로부터 마스터/슬래브 및 열선 절단기의 이동경로를 선정하고, 열선 절단기(16)의 이송속도(V_Cut), 재료의 이송속도(V_F)를 계산한 후 열선(17)의 이송속도와 재료의 이송속도의 상대속도(V_Cut-V_F)를 계산한다. 이 상대속도를 경험적으로 얻어진 열선(17)의 온도 대 상대속도 관계에서 상대속도에 해당하는 열선온도(T_h)를 찾는다. 이 결과를 모두 도 5의 H/W부의 각 제어 시스템의 입력값으로 넣어 열선 절단기(16)를 작동시킨다.

그리고, 단위형상 조각 절단시 단위형상 조각의 X방향 상면과 하면은 도 12와 같이 경사(θ₁, θ₂)를 주어 절단하여, 접착시에 단위형상 조각의 자리잡기가 용이할 뿐만 아니라 접착능력을 향상시킬 수 있도록 하였다.

이런 원리에 따라 열선 절단기(16)에 의해 단위형상 조각이 절단되는 공정 중에 절단제품 고정장치(18)의 절단제품 흡입기(19)가 수직으로 이동하여, X방향으로 1/2이상 절단된 단위형상 조각의 기 절단된 면을 흡입하여 지지한다. 그리고, 단위형상 조각의 절단완료 후, 단위형상 조각을 XYZ 이동 테이블(21)위의 정해진 위치에 안착시킨다. 이런 절단제품 고정장치(18)의 수직이동과 단위 형상고정을 위해서는 도 7에 도시된 제어시스템에 의해 절단제품 고정장치(18)가 작동하여야 한다.

즉, 절단제품 고정장치(18)의 제어시스템은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 S/W부에서 단위형상 조각의 상면 CAD 데이터를 받아들여 상면윤곽을 계산한 후, 이 윤곽내에 위치한 절단제품 흡입기(19)를 선택한다. 그런 다음, 선택된 절단제품 흡입기(19)들의 단위형상 조각의 고정순서를 계산한다. 그리고, 재료 두께, 장비의 3차원 배치 등을 고려하여 절단제품 흡입기(19)의 수직 이동거리를 계산한다. 이 결과를 모두 도 7의 H/W부의 각 제어시스템에 입력값으로 넣어 절단제품 고정장치(18) 및 절단제품 흡입기(19)를 작동시킨다.

이렇게 절단된 단위형상 조각은 XYZ 이동 테이블(21)위에 적층되는데, 이 때에는 도 8과 같은 제어시스템에 의해 작동되어야 한다. 즉, XYZ 이동 테이블(21)의 제어시스템은 도 8과 같이 S/W부에서 단위형상 조각의 하면 CAD 데이터를 받아들여 각 단위형상 조각의 하면 중심좌표(X_C, Y_C)을 계산 한 후, 이 점을 XY 이동 테이블위의 좌표로 변환하여 각 단위형상 조각의 하면 중심좌표(X_CT, Y_CT)를 계산한다. 또한, CAD 데이터로부터 적층방향(Xdir 또는 Ydir), 공급재료 두께(t) 및 장비의 3차원 배치(P_tz) 등을 고려하여 XYZ 이동 테이블(21)의 이동거리를 계산한다. 이렇게 좌표변환을 통해 단위형상 조각의 하면 중심좌표를 계산하는 것은 적층좌표가 일치하지 않음에 따라 발생하는 적층에러를 미연에 예방하기 위해서다. 이 결과를 모두 도 8의 XY 이동 테이블의 제어시스템에 입력값으로 넣어 XYZ 이동 테이블(21)을 작동시킨다.

이렇게 XYZ 이동 테이블(21)위에 단위 형성조각이 적층되면, 단위형상 조각의 하면과 앞층의 상면이 잘 접착되도록 도 10과 같이 구성된 접착 보조장치(22)를 부가하여 단위형상 조각의 상면을 조금씩 눌러준다. 이로써, 원하는 제품의 형상이 순차적으로 형성된다.

그리고, 공급된 판재 띠 중 단위형상 조각으로 절단된 영역을 제외한 잔여 재료들은 전방 이송장치(15)에 의해 도 11과 같은 잔여재료 절단기(25)에 의해 절단되어 잔여재료 저장장치(28)에 저장된다. 즉, 잔여재료가 이동 가이드(26)를 통과할 때, 잔여재료 절단기(25)가 수직운동을 하여 잔여재료를 절단하고, 이렇게 절단된 잔여재료는 잔여재료 제거기(27)에 의해 인도되어 잔여재료 저장장치(28)에 저장된다.

본 발명은 위와 같은 일련의 과정을 순차적으로 반복함으로써, 원하는 제품의 형상을 만드는 것이다.

앞서 설명한 실시예에서는 열선을 이용하여 판재 띠를 절단하도록 구성하였지만, 레이저(laser), 플라즈마(plasma), 열빔(heat beam), 열가스(heat gas) 등과 같은 선형 열원을 사용하여 판재 띠를 절단할 수도 있다.

앞서 설명한 바와 같은 과정을 통해 조형되는 본 발명의 가변 적층 쾌속조형방법은 종래의 박판재료 적층(LOM)방법과 용착조형(FDM)방법에 비해 다음과 같은 차이점이 있다.

첫째, 발포성 수지, 열가소성 수지, 열경화성 수지 및 선형 열절단 시스템으로 절단 가능한 요든 재료에 대해 적용 가능하다.

둘째, 조형폭 및 조형 길이를 조형 중에 제어할 수 있어 복잡한 형상을 한번만에 조형가능하다.

셋째, 조형면의 경사를 공정 중에 제어할 수 있어 최종 제품외관의 기하학적 정밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있다.

넷째, 판재 띠의 두께를 여러가지로 공급함으로써 조형시간이 기존의 어떤 공정보다도 비교할 수 없을 만큼 빠르다.

다섯째, 영역 분할에 의하여 단위형상 조각들을 조합으로써 한 층을 형성한 후, 다음 층의 적층에도 같은 방법을 반복하여 3차원 형상을 생성함으로써, 잔여 재료처리(Decubing)가 거의 요구되지 않으며, LOM방법에 비하여 재료 손실률이 현저히 줄어든다.

항목(Item)	Helisys사의 LOM공정	Stratasys사의 FDM공정	본 발명의 VLM-S 공정
사용 재질	종이	WAX, ABS, MABS	발포성 수지, 열가소성수지 및 열경화성 수지
접합 방식	종이에 미리 접합제를 바름	전기식 용착방식	접착제 부착
조형 단위	면(Plane)	선(Line)	형상을 갖는 한층내의 조각 (단위 형상 조각 : Part)
조형 폭	미리 절단	여러번의 선	공정중에 폭제어
조형 경사	계단식	계단식	공정중에 경사제어
조형 두께	종이두께(일정)	선두께(1-2가지유형)	여러 가지 두께
작업 환경	실험실 / 공장	사무실 / 실험실	사무실/실험실 / 공장

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 가변 적층 쾌속조형장치는 여러가지 두께와 폭을 가진 판재 띠를 공급하여 연속 및 불연속 모드에서 4자유도 선형 열절단 시스템으로 폭, 경사, 길이를 변화시키면서 절단하고, 이렇게 절단된 단위형상 조각의 조합으로 3차원 형상을 조형함으로 생산 속도가 획기적으로 향상된다.

또한, 본 발명의 가변 적층 쾌속조형장치는 4자유도 선형 열절단 시스템으로 폭, 길이, 측면 경사를 조절하여 공급된 판재 띠를 절단함으로 최종제품의 외관의 정밀도를 대폭 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 가변 적층 쾌속조형장치는 한 층을 여러가지 단위형상 조각의 조합으로 구성함으로 재료에 대한 손실을 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 잔여재료 제거작업(Decubing)을 수행할 필요가 없어 추가적인 후처리 공정이 거의 소요되지 않는다.

또한, 본 발명의 가변 적층 쾌속조형장치는 발포성 수지, 열가소성 수지, 열경화성 수지 및 열선 절단기 시스템으로 절단 가능한 모든 재료를 사용하여 건축모델 제작, 조형물 제작, 시작품 형상/설계/기능 검토, 캐릭터 상품제작 및 로스트 폼 주조의 코어 등 여러 산업 분야에서 활용할 수 있다.

이상에서 본 발명의 선형 열절단 시스템을 이용한 가변 적층 쾌속조형방법 및 쾌속조형장치에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

건축 모델, 조형물, 캐릭터 상품, 시작품 및 로스트 폼 주조 코어를 제작하는 쾌속조형방법에 있어서,

절단이 가능한 판재 띠(strip) 형상의 재료를 이송하면서 상기 판재 띠의 하면에 접착제를 도포하는 단계와, 이송되는 판재 띠를 제작물의 3차원 CAD 데이터에 따라 선형 열원을 이용하여 가변폭, 가변경사 및 가변길이로 절단하는 단계와, 절단된 판재 띠를 3차원 제작물의 각 위치에 위치하도록 이동 테이블에 적층하는 단계 및, 순차적으로 적층되어 접착되는 절단된 판재 띠에 의해 3차원 제작물이 완성되었지 여부를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 적층 쾌속조형방법.
제1항에 있어서, 상기 선형 열원에 의해 절단되고 잔류하는 잔여재료를 절단한 후 저장하는 단계를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 적층 쾌속조형방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선형 열원은 열선(hotwire), 레이저(laser), 플라즈마(plasma), 열빔(heat beam), 열가스(heat gas) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가변 적층 쾌속조형방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 판재 띠는 발포성 수지, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 적층 쾌속조형방법.
건축 모델, 조형물, 캐릭터 상품, 시작품 및 로스트 폼 주조 코어를 제작하는 쾌속조형장치에 있어서,

절단이 가능한 판재 띠(strip) 형상의 재료를 저장하는 저장수단과, 상기 저장수단에 저장된 판재 띠를 수평 이송시키는 이송수단과, 이송되는 판재 띠의 하면에 접착제를 도포하는 도포수단과, 이송된 판재 띠를 제작물의 3차원 CAD 데이터에 따라 선형 열원을 이용하여 가변폭, 가변경사 및 가변길이로 절단하는 절단수단과, 상기 절단수단에 의해 절단되는 판재 띠를 그 수직방향에서 고정하고 수직방향으로 이동시키는 고정수단과, 절단된 판재 띠가 3차원 제작물의 각 위치에 적층되도록 3차원적으로 이동하는 이동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 적층 쾌속조형장치.
제5항에 있어서, 상기 선형 열원에 의해 절단되고 잔류하는 잔여재료를 절단하고 저장하는 절단저장수단을 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 적층 쾌속조형장치.
제6항에 있어서, 하면에 접착제가 도포된 잔여재료가 상기 이송수단을 지날 때에 상기 이송수단에 묻지 않도록 잔여재료의 하면에 부착될 얇은 종이를 제공하는 공급롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 적층 쾌속조형장치.
제5항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 절단수단은 병진운동 및 회전운동이 가능한 4자유도 선형 열절단기인 것을 특징으로 하는 가변 적층 쾌속조형장치.
제5항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이동수단에 순차적으로 적층되는 판재 띠의 상면을 눌러 하층의 판재 띠와 밀착접합될 수 있도록 하는 접착 보조장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 적층 쾌속조형장치.