KR20090032543A - 3차원 대형 조형물의 제작방법 - Google Patents

3차원 대형 조형물의 제작방법 Download PDF

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Abstract

이 발명은 3차원 조형물에 대한 3차원 형상데이터를 취득하는 단계와, 3차원 형상데이터를 최종적으로 제작에 필요한 크기로 변환하는 단계와, 크기 변환된 데이터를 그 내부에 공동을 갖는 공동 형태의 쉘 데이터로 변환하는 단계와, 쉘 데이터를 쾌속 조형기가 제작할 수 있는 파트 데이터의 크기 영역으로 분할하는 단계와, 분할된 파트 데이터 간의 맞닿는 면에 대한 접합 형상을 부가하는 단계와, 각각의 파트 데이터를 쾌속 조형기로 조형하여 각각의 조형 파트물을 제작하는 단계, 및 조형 파트물을 조립하여 완성하는 단계를 포함한다. 이 발명은 임의의 3차원 형상의 데이터의 내부를 비워 외곽의 일정 두께 요소만큼을 조형함으로써 대형 형상 조형시 문제시 되는 재료의 불필요한 소모를 줄일 수 있고 조형물 자체의 경량화가 가능하다. 또한, 이 발명은 분할 조형 방식을 이용함에 따라 일반 쾌속 조형기를 이용하여 조형 범위 이상의 대형 형상 조형물을 제작할 수 있으며, 분할 조형시 데이터에 다양한 접합 형상을 부가하여 조립을 견고히 할 수 있다.

Description

3차원 대형 조형물의 제작방법{Fabrication method of large scale 3 dimensional structure}
이 발명은 3차원 대형 조형물의 제작방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 데이터 변환을 통하여 일반 쾌속조형기로 제작할 수 있는 크기로 분할하되 재료 소모를 줄이기 위해 쉘 데이터화하여 분할하고, 각각의 쉘 파트 데이터 간의 연결 부위에 접합 형상의 개념을 도입함으로써, 종래 쾌속조형 장치가 제작할 수 있는 크기 범위를 벗어나는 대형 조형물을 3차원으로 제작할 수 있는 3차원 대형 조형물의 제작방법에 관한 것이다.
쾌속 조형(Rapid Prototyping)이라 불리는 종래의 3차원 형상 제작 방식은 장치에서 주어진 플랫폼 위에 액상이나 분말 형태의 재료를 분사, 도포하여 광경화, 냉각, 선택적 소결 등의 방법을 이용해 최종적인 3차원 형상을 얻는 방법이 있다. 또한, 종이나 스티로폼과 같은 판재를 주어진 3차원 형상의 단면 데이터를 따라 레이저나 열선 등으로 절단하여 각 층을 접착시켜 조형하는 방법이 있다.
그러나 종래의 3차원 조형 방식들은 장치에서 주어진 플랫폼이나 절단 재료가 되는 판재의 크기를 벗어나는 형상의 제작이 불가능하며 대부분의 방식이 형상 내부를 파트 재료로 채우게 되므로 재료의 소모가 불필요하게 발생하는 단점이 있다.
대한민국 공개번호 제2003-0071100호에는 "역설계 기법을 이용한 대형 조형물 제작 방법"에 대해 기술되어 있다. 이 공개공보에서는 3차원 스캐닝 장치를 이용하여 참조 조형물의 3차원 형상을 스캐닝하고 이를 데이터화한 다음, 참조 조형물의 3차원 형상의 데이터를 확대하고 이를 분할하는 조형의 개념을 기술하고 있다. 이러한 종래의 대형 조형물 제작 기술에서는 3차원 전체 형상의 단순 분할을 통하여 각 파트를 조형하고 이를 조립하는 방법을 제안하고 있다. 그런데, 이렇게 단순 분할된 솔리드 파트 데이터에서는 파트 조립시 필요 없는 부분인 전체 형상의 내부 부분까지 제작하게 되므로 과다한 재료의 소모와 제작 시간이 길어지는 단점을 가지고 있다. 또한, 종래 기술에는 제작된 솔리드 파트의 조립방식에 대해 전혀 언급되어 있지 않기 때문에, 솔리드 파트의 조립시 파트 간의 연결 위치의 오차로 인해 견고하게 조립되지 않는 문제점이 발생할 수도 있다.
따라서 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전체 3차원 모델링 데이터를 분할하기 이전에 이를 쉘 데이터화하여 분할하고 각각의 쉘 파트 데이터 간의 연결 부위에 접합 형상을 도입함으로써, 종래의 제작 범위를 벗어나는 형상을 제작할 수 있고 재료의 소모를 줄이며 파트 간의 견고한 조립이 가능한 3차원 대형 조형물의 제작방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 이 발명의 방법은, 3차원 조형물에 대한 3차원 형상데이터를 취득하는 제1 단계와, 3차원 형상데이터를 최종적으로 제작에 필요한 크기로 변환하는 제2 단계와, 크기 변환된 데이터를 그 내부에 공동을 갖는 공동 형태의 쉘 데이터로 변환하는 제3 단계와, 쉘 데이터를 쾌속 조형기가 제작할 수 있는 파트 데이터의 크기 영역으로 분할하는 제4 단계와, 각각의 파트 데이터를 쾌속 조형기로 조형하여 각각의 조형 파트물을 제작하는 제5 단계, 및 조형 파트물을 조립하여 완성하는 제6 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 발명의 제3 단계는 크기 변환된 데이터의 표면 데이터에서 필요한 두께만큼을 내측으로 오프셋하여 공동 형태의 쉘 데이터로 변환할 수 있다.
이 발명은 제4 단계와 제5 단계의 사이에, 분할된 파트 데이터 간의 맞닿는 면에 대한 접합 형상을 부가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 발명의 접합 형상은 파트 데이터 간의 맞닿는 면을 따라 블레이드 형태로 형성되거나, 파트 데이터 간의 맞닿는 면을 따라 간격을 두고 핀 접합 형태로 형성될 수 있다.
또한, 이 발명의 접합 형상은 파트 데이터 간의 맞닿는 면을 따라 간격을 두고 요부와 철부를 갖는 접합 형태로 형성될 수 있다. 이 때, 철부는 쐐기 모양을 갖거나, 파트 데이터의 면과 접하는 부분에 홈을 가질 수 있다.
이 발명은 요부와 철부의 사이에 액상의 접착물질을 도포하여 접합할 수 있다. 또한, 이 발명은 철부를 요부에 비해 크게 제작하고 철부의 내부를 비워 탄성 접합할 수 있다. 또한, 이 발명은 파트 데이터 간의 맞닿는 면에 각각의 구멍을 내고, 이들 구멍을 다른 재료의 핀으로 고정 접합할 수 있다.
이 발명은 임의의 3차원 형상의 데이터의 내부를 비워 외곽의 일정 두께 요소만큼을 조형함으로써 대형 형상 조형시 문제시 되는 재료의 불필요한 소모를 줄일 수 있고 조형물 자체의 경량화가 가능하다.
또한, 이 발명은 분할 조형 방식을 이용함에 따라 일반 쾌속 조형기를 이용하여 조형 범위 이상의 대형 형상 조형물을 제작할 수 있으며, 분할 조형시 데이터에 다양한 접합 형상을 부가하여 조립을 견고히 할 수 있다. 또한, 이 발명은 분할 조형과 조립 방식을 채택함으로써 제작 중에 일부 데이터에 결함이 있더라도 처 음부터 다시 제작할 필요가 없이 결함이 있는 파트만을 다시 제작하여 조립해도 되기 때문에 효율적인 제작이 가능하다.
아래에서, 이 발명에 따른 3차원 대형 조형물의 제작방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 3차원 대형 조형물의 제작방법을 나타낸 흐름도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 3차원 대형 조형물의 제작과정을 설명하기 위한 임의의 3차원 형상의 한 예와 이를 쉘 데이터화하고 분할하는 과정과 분할된 쉘 형상 데이터를 보여주는 개념도이다. 그리고 도 3은 도 1에 나타낸 3차원 대형 조형물의 제작과정에서 쉘 데이터화 후 분할된 파트 데이터의 접합 형상을 각각 나타낸 개념도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 먼저, 제작하고자 하는 3차원 대형 조형물에 대한 3차원 형상데이터(210)를 통상적인 방식으로 취득한다(S110). 그런 다음, 3차원 형상데이터(210)를 최종적으로 제작에 필요한 크기로 변환하는 과정을 수행한 후(S120), 크기 변환된 데이터를 데이터의 외곽 부분을 기준으로 일정 두께만큼의 공동(空洞) 형태의 쉘 데이터(220)로 변환한다(S130). 이 실시예에서는 이렇게 공동 형태의 쉘 데이터(220)로 변환하는 과정을 "쉘 데이터화"라고 한다. 이러한 쉘 데이터화 과정에서의 내부 면의 모양은 원래 외곽 데이터의 표면 데이터에서 필요한 두께만큼을 내측으로 오프셋하는 방법과, 단순 축소를 하는 방법을 그 일례로 들 수 있다. 쉘 데이터화 과정은 최종 형상으로 조립하였을 경우 형상의 왜곡이나 기계적 강도, 강성 면에서 결함이 생기지 않는 범위 내에서 자유로이 내부 부분을 비우는 과정으로 특징지을 수 있다. 즉, 그 내부 부분의 모양은 외부 모양의 축소 모양으로 한정 짓는 것이 아닌 다양한 공동 형태의 모양이 될 수 있다.
그런 다음, 쉘 데이터(220)를 분할면(230)을 따라 분할하는 과정을 수행하는데, 이 때 쉘 데이터(220)는 일반 쾌속 조형기가 제작할 수 있는 파트 데이터(240)의 크기 영역으로 각각 분할한다(S140). 통상적으로 쾌속 조형기가 제작할 수 있는 사이즈는 종류에 따라 수십 cm 정도로 한정된다. 따라서 이 실시예는 쉘 데이터가 쾌속 조형기로 제작할 수 있는 사이즈 이상의 크기를 가지고 있을 경우 제작 가능한 범위로 분할한다. 이 때, 분할하는 방식은 도 2에 도시된 바와 같이 8 등분하거나 그 이외에도 전체 형상과 쾌속 조형기의 제작 범위 그리고 각각 세부형상의 분포 및 형태를 고려하여 분할 횟수나 분할형태를 자유로이 할 수 있다. 즉, 이 실시예는 전체 형상 데이터에서 분할된 각 파트 데이터(240)의 크기가 쾌속 조형기의 제작 크기를 벗어나지 않는 범위 내에서 자유로운 분할을 특징으로 한다.
그런 다음, 분할된 파트 데이터(240) 간의 맞닿는 면에 대한 접합 형상을 부가하는 단계를 수행한다(S150). 도 3에 도시된 바와 같이, 파트 데이터(240) 간의 접합 구조는 각각의 분할 파트 간의 맞닿는 면을 따라 블레이드 형태로 형성될 수 있다[도 3의 (a)]. 즉, 한 쪽의 파트 데이터(240)에는 블레이드 형태의 돌출부(241)가 형성되고, 서로 맞닿는 다른 쪽의 파트 데이터(240a)에는 돌출부(241)가 끼워져 고정되는 블레이드 형태의 홈(241a)이 형성된다.
그리고 파트 데이터(240)는 블레이드 타입 이외에 분할 파트 간의 맞닿는 면을 따라 일정 간격으로 핀 형태의 접합이 가능하도록 구성될 수 있다[도 3의 (b)]. 즉, 한 쪽의 파트 데이터(250)에는 일정 간격으로 핀(251)이 돌출 형성되고, 서로 맞닿는 다른 쪽의 파트 데이터(250a)에는 핀(251)이 끼워져 고정되는 홈(251a)이 형성된다. 이러한 핀 형태의 접합 구조는 접합 강도나 접합 효율 측면을 고려하여 핀의 개수나 배열, 간격 등을 자유로이 조절할 수 있다.
이러한 접합 형상을 부가하는 데이터 변형 작업을 완료한 후에 각각의 파트 데이터를 통상적인 실제 쾌속 조형기를 사용하여 통상적인 방법으로 제작하고(S160), 이를 작업자들이 수작업 등을 통해 조립함으로써 최종적인 3차원 대형 조형물을 완성한다(S170).
도 4는 도 1에 나타낸 3차원 대형 조형물의 제작과정에서 분할된 파트 데이터의 여러 접합 형상의 단면을 각각 나타낸 개념도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이 실시예는 접합 형상을 단순한 원통이나 사각 모양으로 제작하는 것이 아니라 최종 조립 형태나 조립시 요구되는 기계적 성질에 따라 다양하게 구성하여 접합을 더욱 견고히 하고 조립을 용이하게 수행할 수 있다.
먼저, 접합 형상의 철부와 요부가 서로 맞닿는 부분, 즉 철부와 파트 데이터의 면이 만나는 부분의 둘레에 홈(320, 330)을 파서 조립이 이루어졌을 때 조립시 공차에 따른 최종 형상의 변형을 줄이고 견고함을 유지할 수 있다. 이러한 홈(320, 330)을 적용함에 있어서는 도 4와 같이 단면이 반원인 형태뿐만 아니라 사 각이나 삼각 모양으로 다양하게 형성하여 이용할 수 있다.
또한, 요부와 철부의 일부분에 홈을 넣을 뿐만 아니라 철부(310)를 쐐기 모양으로 형성하여 더욱 견고한 조립을 가능하게 할 수도 있다. 또한, 상기 언급된 접합 형상에서 요부나 철부의 공차가 생기는 부분에 액상의 접착물질(340)을 도포하여 철부와 요부의 상호 접합이 이루어진 후 굳어짐으로써 견고한 조립을 가능하게 할 수도 있다.
한편, 이 실시예는 접착물질(340)을 사용하지 않고 탄성 설계를 통해 조립할 수도 있다. 예를 들어, 철부(350)를 요부에 비해 크게 제작하고 철부의 내부를 비워 탄성 접합할 수 있다. 또한, 철부(350)의 끝단에 걸림돌기를 갖는 형태로 중앙을 비워 약간의 변형을 허용하고 요부의 끝단에 걸림홈을 갖도록 구성함으로써 철부가 요부의 결합 위치까지 도달하여 조립이 완성되게 구성할 수 있다. 또한, 이 실시예는 각각의 분할 데이터의 맞닿는 면에 일정 구멍(360)을 형성하고 이종재료(370)를 양쪽으로 삽입하여 고정할 수도 있다. 이 때 사용되는 이종재료(370)는 보통 기계적 강도 및 강성이 조형 재료보다 우수한 특징을 지니는 것을 이용하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 단면의 형태를 통해 설명한 접합 형상의 특징은 그 자체의 모양이 핀이나 블레이드 형태에만 적용되는 것이 아님을 밝혀둔다. 이 실시예는 상기에서 설명한 바와 같이 요철 형상에 따른 접합의 경우 일부분의 홈을 적용하는 것이나 측면의 쐐기 형태 적용, 접착물질 도포, 탄성 설계 등이 가능하다.
이상에서 이 발명의 3차원 대형 조형물의 제작방법에 대한 기술사항을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 3차원 대형 조형물의 제작방법을 나타낸 흐름도이고,
도 2는 도 1에 나타낸 3차원 대형 조형물의 제작과정을 설명하기 위한 임의의 3차원 형상의 한 예와 이를 쉘 데이터화하고 분할하는 과정과 분할된 쉘 형상 데이터를 보여주는 개념도이고,
도 3은 도 1에 나타낸 3차원 대형 조형물의 제작과정에서 쉘 데이터화 후 분할된 파트 데이터의 접합 형상을 각각 나타낸 개념도이며,
도 4는 도 1에 나타낸 3차원 대형 조형물의 제작과정에서 분할된 파트 데이터의 여러 접합 형상의 단면을 각각 나타낸 개념도이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
210 : 3차원 형상데이터 220 : 쉘 데이터
230 : 분할면 240 : 파트 데이터

Claims (11)

  1. 3차원 조형물에 대한 3차원 형상데이터를 취득하는 제1 단계와,
    상기 3차원 형상데이터를 최종적으로 제작에 필요한 크기로 변환하는 제2 단계와,
    크기 변환된 데이터를 그 내부에 공동을 갖는 공동 형태의 쉘 데이터로 변환하는 제3 단계와,
    상기 쉘 데이터를 쾌속 조형기가 제작할 수 있는 파트 데이터의 크기 영역으로 분할하는 제4 단계와,
    각각의 상기 파트 데이터를 상기 쾌속 조형기로 조형하여 각각의 조형 파트물을 제작하는 제5 단계, 및
    상기 조형 파트물을 조립하여 완성하는 제6 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 대형 조형물의 제작방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 단계는 상기 크기 변환된 데이터의 표면 데이터에서 필요한 두께만큼을 내측으로 오프셋하여 상기 공동 형태의 쉘 데이터로 변환하는 것을 특징으로 하는 3차원 대형 조형물의 제작방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제4 단계와 상기 제5 단계의 사이에, 분할된 상기 파트 데이터 간의 맞닿는 면에 대한 접합 형상을 부가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 대형 조형물의 제작방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 접합 형상은 상기 파트 데이터 간의 맞닿는 면을 따라 블레이드 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 대형 조형물의 제작방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 접합 형상은 상기 파트 데이터 간의 맞닿는 면을 따라 간격을 두고 핀 접합 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 대형 조형물의 제작방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 접합 형상은 상기 파트 데이터 간의 맞닿는 면을 따라 간격을 두고 요부와 철부를 갖는 접합 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 대형 조형물의 제작방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 철부는 쐐기 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 대형 조형물의 제작방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 철부는 상기 파트 데이터의 면과 접하는 부분에 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 대형 조형물의 제작방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 요부와 상기 철부의 사이에 액상의 접착물질을 도포하여 접합하는 것을 특징으로 하는 3차원 대형 조형물의 제작방법.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 철부를 상기 요부에 비해 크게 제작하고 상기 철부의 내부를 비워 탄성 접합하는 것을 특징으로 하는 3차원 대형 조형물의 제작방법.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 파트 데이터 간의 맞닿는 면에 각각의 구멍을 내고, 이들 구멍을 다른 재료의 핀으로 고정 접합하는 것을 특징으로 하는 3차원 대형 조형물의 제작방법.
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