KR20160011839A - 3차원 객체 생성 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 용융된 재료를 한 층씩 적층하여 입체물을 형성하는 3차원 객체 생성 장치에서의 3차원 객체 성형 방법에 있어서, 출력 대상 3차원 모델링 파일에 대응하여 미리 생성된 G-Code를 참조하여 압출 노즐의 공구 경로를 산출하는 단계와 상기 산출된 공구 경로의 하방으로 지지물이 존재하는지 판단하는 단계와 상기 판단 결과, 상기 지지물이 존재하지 않으면, 응고 팬을 구동시키는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 서포트를 사용하지 않고도 고품질의 3차원 객체를 생성하는 것이 가능한 3차원 객체 생성 방법 및 장치를 제공하는 장점이 있다.

Description

3차원 객체 생성 방법 및 장치{Method and apparatus for building three dimensional objects}
본 발명은 3차원 객체 생성 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상세하게, FDM(Fused Deposition Modeling) 또는 FFF(Fused Filament Fabrication) 방식으로 3차원 객체 생성 시 액화된 성형 물질(melted building material)의 응고 속도를 적응적으로 조절하여 압출 노즐에 통해 적층된 재료를 빠르게 고형화시키는 것이 가능한 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
쓰리디 프린터(Three-dimension printer 또는 3D printer)는 컴퓨터 디자인 프로그램으로 만든 3차원 도면을 기반으로 입체 모양의 실물로 성형하는 기계를 말한다.
쓰리디 프린터에 적용되는 기술은 3차원 입체물의 성형에 사용되는 재료 및 그것의 성형 방법에 따라 다양하다.
최근 쓰리디 프린터에 사용되는 재료가 다양해짐에 따라 쓰리디 프린터에 대한 관심과 보급도 활발해지고 있는 실정이다.
대표적인 쓰리디 프린팅 기법의 하나인 FDM(Fused Deposition Modeling) 또는 FFF(Fused Filament Fabrication) 방식은 스풀(Spool)에 말려진 열가소성 고체 필라멘트가 스테핑 모터(Stepping motor)로 구동되는 피더(feeder) 또는 공급 롤러를 통해 압출기(Extruder)에 전단에 전달되면, 압출기(Extruder) 내부의 액화기에 의해 녹아 반 액체 상태로 노즐을 통해 한층식 성형판(building plate, or building bed)에 적층됨으로써, 3차원의 입체물을 형성하는 방식이다.
이때, 압출기(Extruder)의 일측에는 반 액체 상태로 적층되는 재료를 응고시키기 위한 팬(Pan)이 장착된다. 일반적으로, 팬(Pan)의 회전 속도는 미리 설정된 값으로 고정된다. 따라서, 3차원 입체물을 성형하는 동안 팬의 회전 속도는 일정하게 유지된다.
특히, FDM 방식으로 내부가 비어 있는 3차원 입체물을 성형하는 경우, 적층되는 위치의 하방에 지지물이 없는 경우, 적층된 반 액체 상태의 재료가 하방으로 흘러내리는 현상이 발생한다. 이를 해결하기 위한 방법으로, 종래의 쓰리디 프린터는 하방 지지물이 없은 위치에 밀도가 낮은 서포트(Support)를 추가하도록 제어하는 옵션을 제공함으로써, 적층된 재료가 하방으로 흘러내리는 것을 방지하고 있다. 하지만, 서포트의 사용은 재료의 낭비를 야기하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 3차원 객체 생성 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 FDM(Fused Deposition Modeling) 또는 FFF(Fused Filament Fabrication) 방식으로 3차원 객체 생성 시 출력 대상 3차원 모델의 특성에 기반하여 액화된 성형 물질(melted building material)의 응고 속도를 적응적으로 조절하여 고형화시키는 것이 가능한 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 출력 대상 3차원 모델의 특성에 기반하여 용융된 재료 적층 시 응고 팬의 회전 속도를 적응적으로 제어함으로써, 적층된 재료가 하방으로 흘러내리는 것을 미연에 방지하는 것이 가능한 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 서포트(support)를 사용하지 않고, 적층된 재료의 흘러내림을 방지하는 것이 가능한 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 서포트를 사용하지 않음으로써, 3차원 입체물의 성형 시간을 단축시킬 뿐만 아니라 재료의 낭비를 최소화하는 것이 가능한 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 압출기 일측에 복수의 응고 팬을 구비하고, 출력 대상 3차원 모델의 모델링 특성에 따라 팬의 구동 개수를 적응적으로 제어함으로써, 적층된 재료가 하방으로 흘러내리는 것을 미연에 방지하는 것이 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 적층된 반 액체 상태의 재료를 응고시키기 위한 응고 팬의 풍향을 적응적으로 제어함으로써, 적층된 재료가 하방으로 흘러내리는 것을 미연에 방지하는 것이 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 출력 재료의 속성 및 프린팅 구성 파라메터에 따라 적응적으로 액화 질소를 이용한 냉기를 출력된 재료에 분사함으로써, 출력된 재료를 고속으로 냉각시키는 것이 가능한 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융된 재료를 한 층씩 적층하여 입체물을 형성하는 3차원 객체 생성 장치에서의 3차원 객체 성형 방법에 있어서, 출력 대상 3차원 모델링 파일에 대응하여 미리 생성된 G-Code를 참조하여 압출 노즐의 공구 경로를 산출하는 단계와 상기 산출된 공구 경로의 하방으로 지지물이 존재하는지 판단하는 단계와 상기 판단 결과, 상기 지지물이 존재하지 않으면, 응고 팬을 구동시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 응고 팬에 의해 생성된 냉기가 상기 압출 노즐의 공구 경로를 따라 분사될 수 있다.
여기서, 상기 냉기가 상기 압출 노즐의 진행 반대 방향에 분사되어 상기 압출 노즐을 통해 출력된 재료가 응고되도록 제어될 수 있다.
또한, 상기 출력 대상 3차원 모델링 파일에 대응하여 미리 설정된 프린팅 구성 파라메터에 기반하여, 상기 응고 팬의 회전 속도가 결정될 수 있다.
또한, 상기 프린팅 구성 파라메터에 기반하여 액체 질소를 이용한 냉각이 필요한지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하되, 상기 액체 질소를 이용한 냉각이 필요하면, 기화된 질소 가스가 상기 산출된 공구 경로를 따라 상기 압출 노즐에 의해 적층된 재료에 분사될 수 있다.
이때, 상기 프린팅 구성 파라메터는 상기 압출 노즐을 통해 출력되는 재료의 적층 두께 정보, 출력 속도 정보, 종류 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 판단 결과, 상기 산출된 공구 경로의 하방으로 기 적층된 지지물이 존재하면, 상기 응고 팬이 구동되지 않도록 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 용융된 재료를 한 층씩 적층하여 입체물을 형성하는 3차원 객체 생성 장치는 출력 대상 3차원 모델링 파일에 대응하여 미리 생성된 G-Code를 참조하여 압출 노즐의 공구 경로를 산출하고, 상기 산출된 공구 경로와 이전 적층된 레이어상의 공구 경로를 비교하여 상기 산출된 공구 경로 하방으로 상기 압출 노즐에 의해 출력될 재료가 흘러내릴지를 판단하는 공구 경로 비교부와 상기 판단 결과에 기반하여 상기 압출 노즐에 의해 출력된 재료를 응고시키기 위한 응고 팬을 구동시키는 응고 팬 구동부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 3차원 객체 생성 장치는 미리 설정된 프린팅 구성 파라메터에 기반하여 상기 응고 팬의 회전 속도를 산출하는 응고 팬 회전 속도 산출부를 더 포함하되, 상기 산출된 회전 속도로 상기 응고 팬이 구동될 수 있다.
여기서, 상기 프린팅 구성 파라메터는 상기 압출 노즐을 통해 출력되는 재료의 적층 두께 정보, 출력 속도 정보, 종류 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 프린팅 구성 파라메터에 기반하여 질소 가스 분사가 필요한 경우, 상기 응고 팬 구동부에 의해 상기 질소 가스가 상기 압출 노즐의 주변에 분사되도록 제어될 수 있다.
또한, 상기 응고 팬 구동부에 의해 상기 응고 팬에 의해 생성된 냉기가 상기 압출 노즐의 진행 반대 방향에 분사되도록 제어될 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 서포트를 사용하지 않고도 고품질의 입체물을 생성하는 것이 가능한 3차원 객체 생성 방법 및 장치를 제공하는 장점이 있다.
둘째, 본 발명은 FDM(Fused Deposition Modeling) 또는 FFF(Fused Filament Fabrication) 방식으로 3차원 객체 생성 시 출력 대상 3차원 모델의 특성에 기반하여 액화된 성형 물질(melted building material)의 응고 속도를 적응적으로 조절하여 고형화시키는 것이 가능한 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 장점이 있다.
셋째, 본 발명은 출력 대상 3차원 모델의 모델링 특성에 기반하여 용융된 재료 적층 시 응포 팬의 회전 속도를 적응적으로 제어함으로써, 적층된 재료가 하방으로 흘러내리는 것을 미연에 방지하는 것이 가능한 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 장점이 있다.
넷째, 본 발명은 서포트를 사용하지 않고, 적층된 재료의 흘러내림을 방지함으로써 재료의 낭비를 최소화시키는 것이 가능한 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 장점이 있다.
다섯째, 본 발명은 서포트를 사용하지 않고도 고품질의 입체물을 생성 가능하게 함으로써, 3차원 입체물의 성형 시간을 단축시킬 뿐만 아니라 재료의 낭비를 최소화시키는 효과를 기대할 수 있다.
여섯째, 본 발명은 압출기 일측에 복수의 팬을 구비하고, 출력 대상 3차원 모델의 모델링 특성 및 프린팅 구성 파라메터에 따라 팬의 구동 개수를 적응적으로 제어함으로써, 적층된 재료가 하방으로 흘러내리는 것을 미연에 방지하는 것이 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 장점이 있다.
일곱째, 본 발명은 적층된 반 액체(용융) 상태의 재료를 응고시키기 위한 응고 팬의 풍향을 적응적으로 제어함으로써, 적층된 재료가 하방으로 흘러내리는 것을 미연에 방지하는 것이 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 장점이 있다.
여덟째, 본 발명은 설정된 프린팅 구성 파라메터 및 재료의 속성에 따라 적응적으로 액화 질소를 이용한 냉기를 출력된 재료에 분사함으로써, 출력된 재료를 고속으로 냉각시키는 것이 가능한 3차원 객체 생성 방법 및 그 장치를 제공하는 장점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 일반적인 FDM 방식의 3D 프린터 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압출기의 외부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 생성 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4a는 종래 기술에 따른 서포트(support)가 없이 출력된 3차원 객체 출력물의 예를 보여준다.
도 4b는 종래 기술에 따른 서포트(support)가 추가되어 출력된 3차원 객체 출력물의 예를 보여준다.
도 4c는 본 발명에 따른 3차원 객체 생성 방법이 적용된 3차원 객체 출력물의 예를 보여준다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른, 3차원 객체 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 3차원 객체 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 3차원 객체 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 일반적인 FDM 방식의 3D 프린터 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 공급 릴(Spool, 101)에 감겨진 고체의 열가소성 필라멘트(102)는 압출기(Extruder)의 스텝핑 모터(Stepping Moter)에 의해 구동되는 휠(103)의 회전 방향으로 전진하며, 공급 파이프(Feeder, 104)를 따라 액화기(106)에 전달된다.
액화기(106)내에서 필라멘트(102)는 유동 가능한 온도로 가열된다. 유동 가능한 모델링 재료-즉, 용융 필라멘트(109)-는 액화기(105)의 일측에 장착된 압출 노즐(107)에서 외부로 밀어내어져 성형판(Building bed, 112)에 증착된다. 이후, 성형판(112)에 증착된 재료 위로 한층씩 적층되어 입체물을 형성할 수 있다.
고체 필라멘트(102)를 압출기(Extruder)의 스텝핑 모터(Stepping Moter)를 이용하여 액화기(106)에 밀어 넣는 방식은 필라멘트(102) 자체가 액화된 필라멘트를 압출 노즐(107) 밖으로 밀어내는 피스톤 기능을 수행한다. 여기서, 압출 노즐(107)을 통해 압출되는 재료의 양은 압출기 스텝핑 모터의 회전 속도-즉, 고체 필라멘트의 액화기(106)로의 유입 속도- 및 미리 설정된 프린팅 구성 파라메터에 의해 결정될 수 있다. 여기서, 프린팅 구성 파라메터는 압출 노즐(107)을 통해 적층되는 재료의 두께, 재료의 출력 속도 등을 포함할 수 있다.
따라서, 고체 필라멘트(102)는 액화기(106)에 전달되기 이전까지 고체 상태로 유지되는 것이 중요하다. 이를 위해, 압출기의 Cold End 영역의 일측에는 방열판(Heat sink, 110)와 냉각 팬(Cooling Pan, 111)이 장착될 수 있다. 이때, 냉각 팬(111)의 풍향이 압출 노즐(107) 쪽으로 향하지 않도록 냉각 팬(111)을 장착하여 Hot End 영역의 온도가 떨어지는 것을 방지한다.
또한, 압출기의 Hot End 영역의 열이 Cold End 영역으로 전달되는 것을 차단하기 위한 열차단재(108)가 삽입될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압출기의 외부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압출기는 상기한 도 1의 일반적인 압출기에 압출 노즐(107)을 통해 압출된 재료를 빠르게 응고시키기 위한 응고 팬(210) 및 응고 팬(210)에 의해 생성된 냉기를 유도하여 압출된 재료에 불어넣기 위한 냉풍관(220)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
냉풍관(220)의 일단에는 작은 구멍이 형성되며, 형성된 구멍을 통해 응고 팬(210)에 의해 생성된 냉기가 뿜어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압출기는 복수의 응고 팬(210) 및 냉풍관(210)을 포함하여 구성될 수도 있다. 이때, 냉풍관(210)을 통해 배출되는 냉기가 압출기의 가능한 공구 경로-즉, 압출 노즐(107)의 성형판(112)상에서의 이동 경로를 의미함-상에 배출될 수 있도록 냉풍관(210)을 압출 노즐(107) 주위에 배치하는 것이 중요하다. 일 예로, 냉풍관(210)이 4개인 경우, 각각의 냉풍관(210)은 압출 노즐(107)을 중심으로 90% 간격으로 배치될 수 있다.
또한, 냉풍관(210)을 통해 배출되는 냉기로 인해 압출 노즐(107)을 통해 압출된 재료(109)가 정상적으로 증착되기 이전에 응고되는 것을 방지하기 위해 압출 노즐(109)과 냉풍관(210)은 적절히 이격되어 설치될 수 있다.
본 발명에 따른, 응고 팬(210)은 압출기의 공구 경로 하방으로 지지물이 존재하지 않는 경우, 구동될 수 있다. 즉, 입체물 성형 시, 압출기의 이동 경로 아래로 기 적층된 재료가 없어서 압출되는 재료가 아래로 흘러내릴 가능성이 있는 경우, 응고 팬(210)이 구동될 수 있다. 이때, 응고 팬(210)의 회전 속도는 압출 노즐(109)을 통해 압출되는 재료의 직경, 적층 두께, 적층 속도, 종류 등에 기반하여 동적으로 제어될 수 있다. 일 예로, 압출 노즐(109)을 통해 압출되는 재료의 직경이 클수록 응고 팬(210)의 회전 속도는 증가할 수 있다. 또한, 용융화된 재료의 적층 두께가 두꺼울수록 응고 팬(210)의 회전 속도는 증가할 수 있다. 또한, 단위 시간 당 압출 노즐(109) 통해 적층되는 재료의 양-즉, 적층 속도 또는 출력 속도-이 많은 경우, 응고 팬(210)의 회전 속도는 증가할 수 있다.
이상에서는 응고 팬(210)을 이용하여 압출 노즐(109)을 통해 적층되고 있는 재료를 응고시키는 방법에 대해 설명하고 있으나, 본 발명의 다른 일 실시예는 압출된 재료를 보다 빠른 속도로 응고시키기 위해, 액체 질소를 이용한 냉각 방식이 사용될 수도 있다. 상세하게, 액체 질소에 의해 냉각된 공기(질소 가스)를 구비된 냉풍관(220)을 통해 압출된 재료에 불어 넣어줌으로써, 보다 빠르게 응고될 수 있도록 제어될 수 있다. 이때, 액체 질소를 이용한 냉각 방식 적용 여부는 압출 노즐(109)을 통해 압출되는 재료의 직경, 적층 두께, 적층 속도, 종류 등의 프린팅 구성 파라메터에 기반하여 동적으로 제어될 수 있다. 일 예로, 압출되는 재료의 직경이 소정 임계치 이상인 경우, 액체 질소를 이용한 냉각 방식이 적용되도록 제어될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 냉풍관(220)은 상기한 도2의 도면 부호 A에 도시된 바와 같이, 하나의 응고 팬(210)을 통해 생성되는 냉기가 압출 노즐(109) 주변에 원형으로 분사될 수 있도록 구성될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 생성 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 3차원 객체 생성 장치는 응고팬 구동부(310), 응고 팬(311), 공구 경로 비교부(320), 응고 팬 속도 산출부(330), 메모리부(340), 전원공급부(350), 제어부(360)를 포함하여 구성될 수 있다.
응고 팬 구동부(310)는 응고 팬(311)의 구동을 제어한다. 일 예로, 3차원 객체 생성 장치에 복수의 복수의 응고 팬(311)이 장착된 경우, 응고 팬 구동부(310)는 제어부(360)의 제어 신호에 따라 적어도 하나의 응고 팬(311)을 구동하고, 구동된 응고 팬(311)의 회전 속도를 제어할 수 있다.
또한, 응고 팬 구동부(310)는 응고 팬(311)에 의해 생성된 냉기가 압출 노즐의 진행 반대 방향에 분사될 수 있도록 제어할 수 있다. 즉, 응고 팬 구동부(310)는 압출 노즐을 통해 출력된 재료 주위에만 냉기가 분사되도록 제어할 수 있다.
또한, 응고 팬 구동부(310)는 질소 가스를 제공하는 질소 가스 콤프레셔와 연동될 수 있으며, 응고 팬 구동부(310)는 질소 가스가 압출 노즐 주변에 분사될 수 있도록 제어할 수 있다. 여기서, 질소 가스의 분사 여부는 미리 설정된 프린팅 구성 파라메터에 기반하여 결정될 수 있다. 일 예로, 압출 노즐을 통해 출력되는 재료의 적층 두께가 소정 임계치보다 굵은 경우, 질소 가스가 분사되도록 제어될 수 있다. 다른 일 예로, 압출 노즐을 통해 출력되는 재료의 속성 또는 종류에 기반하여, 질소 가스의 분사 여부가 결정될 수 있다.
공구 경로 비교부(320)는 이미 적층된 레이어-여기서, 이미 적층된 레어어는 바로 이전에 적층된 레이어일 수 있음-의 공구 경로와 다음으로 적층될 레이어의 공구 경로를 비교하여, 응고 팬(311)의 구동 여부를 판단하는 기능을 수행한다.
일 예로, 이전 레이어의 공구 경로와 다음으로 적층될 레이어의 공구 경로를 비교한 결과, 다음으로 적층될 레이어의 공구 경로 하방으로 지지물이 존재하지 않는 경우, 공구 경로 비교부(320)는 응고 팬(311)을 구동이 필요한 것으로 판단할 수 있다.
여기서, 공구 경로는 3차원 모델링 파일-예를 들면, STL 파일 등을 포함함- 및 프린팅 설정 정보 등에 기반하여 생성된 G-Code 명령에 의해 결정될 수 있다. G-Code 명령은 STL과 같은 3D 모델링 파일을 레이어 슬라이싱(Layer Slicing)한 후 G-Code 생성기에 의해 생성되는 3차원 객체 생성을 위한 제어 명령어로서, 압출 노즐을 통해 사출되는 재료 및 압출 노즐(또는 압출기)의 X/Y/Z 축으로의 이동 등을 제어하기 위해 사용되는 명령어이다. 따라서, 공구 경로 비교부(320)는 이전 레이어와 현재 적층할 레이어상에서의 G-Code 명령을 참조하여 현재 적층할 레이어상에서 압출 노즐을 통해 사출된 재료의 흘러내림 현상이 발생될 지 여부를 판단하고, 판단 결과에 기반하여 응고 팬(311)의 구동 여부를 결정할 수 있다.
응고 팬 회전 속도 산출부(330)는 응고 팬(311) 구동이 필요한 경우, 압출 노즐(109)을 통해 압출되는 재료의 직경, 적층 두께, 적층 속도, 종류 등에 기반하여 적응적으로 응고 팬(311)의 회전 속도를 산출하는 기능을 수행한다.
산출된 응고 팬(311)의 회전 속도는 제어부(360)를 통해 응고 팬 구동부(310)에 제공될 수 있다.
여기서, 상기한 압출 노즐(109)을 통해 압출되는 재료의 직경, 적층 두께, 적층 속도 및 종류 등의 프린팅 설정 정보는 소정 3차원 프린팅 제어 프로그램을 통해 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다. 여기서, 사용자 입력된 프린팅 설정 정보는 메모리부(340)에 유지될 수 있다.
메모리부(340)는 제어부(360) 및 하부 모듈의 동작을 위한 프로그램을 저장할 수 있고, 입/출력되는 데이터들(예를 들어, 출력 대상 3차원 모델링에 대응되어 미리 생성된 G-Code 명령어들, 사용자 설정된 프린팅 구성 파라메터 등)을 임시 저장할 수도 있다. 여기서, 하부 모듈은 상기한 응고팬 구동부(310), 공구 경로 비교부(320), 응고 팬 속도 산출부(330), 전원공급부(350) 등을 포함할 수 있다.
메모리부(340)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory) 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장 매체를 포함할 수 있다.
전원 공급부(350)는 제어부(360)의 제어 신호에 따라 3차원 객체 생성 장치의 동작에 필요한 전원을 제공한다.
상기한 도 3에는 도시되어 있지 않으나, 본 발명에 따른 3차원 객체 생성 장치는 프린팅 구성 파라메터 설정 및 변경을 위한 소정 사용자 입력부 및 설정된 구성 파라메터 및 3차원 객체 생성 장치의 상태를 확인하기 위한 표시부를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 일 실시에에 따른 3차원 객체 생성 장치는 외부 장치-예를 들면, PC, 노트북, 스마트폰 등을 포함함-와의 유/무선 통신-여기서, 유/무선 통신은 RS-232C 시리얼 통신, 블루투스 통신, 와이파이 통신, WCDMA 통신, LTE/LTE-A 통신 등을 포함할 수 있음-을 위한 통신부를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 사용자는 PC, 노트북, 스마트폰 등에 탑재된 어플리케이션을 실행하여 프린팅 구성 파라메터를 설정하고, 출력 대상 3D 모델링을 레어어 슬라이싱한 후 G-Code로 변환할 수 있다. 변환된 G-Code는 외부 장치와 설정된 통신 링크를 통해 3차원 객체 생성 장치에 로딩될 수 있다. 다른 일 예로, 사용자는 변환된 G-Code를 휴대용 메모리-예를 들면, SD 카드 또는 USB 메모리일 수 있음- 에 저장한 후, 3차원 객체 생성 장치에 구비된 SD 카드 리더기에 삽입할 수 있다. 3차원 객체 생성 장치는 사용자 입력된 프린팅 실행 명령에 따라 SD 카드로부터 해당 G-Code를 읽어와 프린팅을 수행할 수 있다.
이하에서는, 도면 번호 4a 내지 4c를 참조하며, 종래 기술에 따른 3차원 객체 출력물과 본 발명에 따른 3차원 객체 출력물의 차이점을 설명하기로 한다.
도 4a는 종래 기술에 따른 서포트(support)가 없이 출력된 3차원 객체 출력물의 예를 보여준다.
도 4a는 도시된 바와 같이, 브리지(Bridge) 형태의 3차원 모델이 서포트(support)가 없이 출력되는 경우, 출력된 입체물은 하방에 지지대가 없는 구간에서, 하방으로 재료가 흘러내리는 현상이 발생된다.
도 4b는 종래 기술에 따른 서포트(support)가 추가되어 출력된 3차원 객체 출력물의 예를 보여준다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 프린팅 설정에 서포트를 추가하는 경우, 하방 지지물이 없는 구간에서의 재료 흘러내림을 방지하기 위한 저밀도의 서포트(410)가 출력된 입체물에 포함될 수 있다. 이 경우, 사용자는 출력된 입체물에서 서포트(410)를 제거하는 절차가 수행해야 한다. 또한, 서포트(410)는 재료의 낭비를 초래한다.
도 4c는 본 발명에 따른 3차원 객체 생성 방법이 적용된 3차원 객체 출력물의 예를 보여준다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 본 발명은 하방 지지물이 없는 구간에서 출력된 재료를 빠르게 응고시키기 위한 응고 팬을 구동함으로써, 해당 구간에서 출력된 재료가 하방으로 흘러내리는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 객체 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 사용자는 출력 대상 3차원 모델링 파일-예를 들면, STL 파일일 수 있음-을 소정 3D 프린팅 설정 프로그램상에 읽어 들인 후, 프린팅 구성 파라메터를 설정할 수 있다(S501).
이 후, 설정된 프린팅 구성 파라메터에 따라 레어어 슬라이싱 과정이 수행된 후, G-Code 생성기에 의해 G-Code가 생성된다(S503).
3차원 객체 생성 장치는 설정된 프린팅 구성 파라메터를 참조하여, 서포트를 적용하는지 여부를 확인한다(S505).
확인 결과, 서프트가 적용되지 않으면, 3차원 객체 생성 장치는 생성된 G-Code를 참조하여 현재 출력할 레이어에서의 압출 노즐의 이동 경로-즉, 압출 노즐의 공구 경로-를 산출한다(S507). 반면, 확인 결과, 서포트가 적용되는 경우, 3차원 객체 생성 장치는 서포트를 적용하여 종래와 같이 프린팅을 수행한다(S519).
3차원 객체 생성 장치는 이전 레이어에서의 공구 경로와 산출된 압출 노즐의 이동 경로-즉, 현재 레이어에서의 공구 경로-를 비교하여, 산출된 공구 경로 하방으로 지지물이 존재하는지를 판단한다(S509).
판단 결과, 하방에 지지물이 존재하면, 3차원 객체 생성 장치는 응고 팬을 구동시키지 않고, 산출된 공구 경로상에서 프린팅을 수행한다.
상기한 509 단계의 판단 결과, 하방에 지지물이 존재하지 않는 경우, 3차원 객체 생성 장치는 설정된 프린팅 구성 파라메터에 기반하여 출력된 재료를 고속으로 응고시키기 위한 응고 팬의 회전 속도를 산출한다(S513).
연이어, 3차원 객체 생성 장치는 산출된 응고 팬의 회전 속도에 따라 응고 팬을 구동시킨 후 산출된 공구 경로상에서 프린팅을 수행한다(S515 내지 S517).
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른, 3차원 객체 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
상세하게, 도 6은 복수의 응고 팬이 구비된 3차원 객체 생성 장치에서의 3차원 객체 생성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 사용자는 출력 대상 3차원 모델링 파일-예를 들면, STL 파일일 수 있음-을 소정 3D 프린팅 설정 프로그램상에 읽어 들인 후, 프린팅 구성 파라메터를 설정할 수 있다(S601).
이 후, 설정된 프린팅 구성 파라메터에 따라 레어어 슬라이싱 과정이 수행된 후, G-Code 생성기에 의해 G-Code가 생성된다(S603).
3차원 객체 생성 장치는 설정된 프린팅 구성 파라메터를 참조하여, 서포트를 적용하는지 여부를 확인한다(S605).
확인 결과, 서프트가 적용되지 않으면, 3차원 객체 생성 장치는 생성된 G-Code를 참조하여 다음으로 출력할 레이어에서의 압출 노즐의 이동 경로-즉, 압출 노즐의 공구 경로-를 산출한다(S607). 반면, 확인 결과, 서포트가 적용되는 경우, 3차원 객체 생성 장치는 서포트를 적용하여 종래와 같이 프린팅을 수행한다(S619).
3차원 객체 생성 장치는 이전 레이어에서의 공구 경로와 산출된 압출 노즐의 이동 경로-즉, 현재 레이어에서의 공구 경로-를 비교하여, 산출된 공구 경로 하방으로 지지물이 존재하는지를 판단한다(S609).
판단 결과, 하방에 지지물이 존재하면, 3차원 객체 생성 장치는 응고 팬을 구동시키지 않고, 산출된 공구 경로상에서 프린팅을 수행한다(S617).
상기한 609 단계의 판단 결과, 하방에 지지물이 존재하지 않는 경우, 3차원 객체 생성 장치는 설정된 프린팅 구성 파라메터 및 산출된 공구 경로에 기반하여 출력된 재료를 고속으로 응고시키기 위한 적어도 하나의 응고 팬을 선택하고, 선택된 적어도 하나의 응고 팬의 회전 속도를 산출한다(S613). 일 예로, 3차원 객체 생성 장치는 산출된 공구 경로-즉, 압출 노즐의 진행 방향-의 후방에 위치한 적어도 하나의 응고 팬을 선택할 수 있다. 따라서, 출력된 재료가 하방으로 흘러내리기 전에 바로 응고될 수 있다.
연이어, 3차원 객체 생성 장치는 선택된 적어도 하나의 응고 팬을 산출된 회전 속도로 구동시킨 후 산출된 공구 경로상에서 프린팅을 수행한다(S615 내지 S617).
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 3차원 객체 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
상세하게, 도 7은 액화 질소 탱크가 구비된 3차원 객체 생성 장치에서의 3차원 객체 생성 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 사용자는 출력 대상 3차원 모델링 파일-예를 들면, STL 파일일 수 있음-을 소정 3D 프린팅 설정 프로그램상에 읽어 들인 후, 프린팅 구성 파라메터를 설정할 수 있다(S701).
이 후, 설정된 프린팅 구성 파라메터에 따라 레어어 슬라이싱 과정이 수행된 후, G-Code 생성기에 의해 G-Code가 생성된다(S703).
3차원 객체 생성 장치는 설정된 프린팅 구성 파라메터를 참조하여, 서포트를 적용하는지 여부를 확인한다(S705).
확인 결과, 서프트가 적용되지 않으면, 3차원 객체 생성 장치는 생성된 G-Code를 참조하여 다음으로 출력할 레이어에서의 압출 노즐의 이동 경로-즉, 압출 노즐의 공구 경로-를 산출한다(S707). 반면, 확인 결과, 서포트가 적용되는 경우, 3차원 객체 생성 장치는 서포트를 적용하여 종래와 같이 프린팅을 수행한다(S721).
3차원 객체 생성 장치는 이전 레이어에서의 공구 경로와 산출된 압출 노즐의 이동 경로-즉, 현재 레이어에서의 공구 경로-를 비교하여, 산출된 공구 경로 하방으로 출력된 재료의 흘러내림 현상이 발생될지 여부를 판단한다(S709). 일 예로, 산출된 공구 경로의 하방으로 지지물이 존재하더라도 이전 레이어에 적층된 재료와 현재 출력할 레이어에 적층될 재료의 접촉 면적이 작을 경우, 재료의 흘러내림 현상이 발생될 수도 있다.
판단 결과, 출력된 재료의 흘러내림 현상이 발생되면, 3차원 객체 생성 장치는 설정된 프린팅 구성 파라메터에 기반하여 액체 질소 냉각이 필요한지 여부를 판단한다(S713).
판단 결과, 액체 질소 냉각이 필요하면, 3차원 객체 생성 장치는 기화된 질소 가스를 냉풍관을 통해 분사하고 산출된 공구 경로를 따라 프린팅을 수행한다(S715 내지 S717). 여기서, 냉풍관을 통해 분사되는 질소 가스의 양은 설정된 프린팅 구성 파라메터에 기반하여 결정될 수 있다. 일 예로, 압출 노즐을 통해 적층되는 재료의 양이 많을수록, 냉풍관을 통해 분사되는 질소 가스의 양이 증가될 수 있다.
상기한 713 단계의 판단 결과, 액체 질소 냉각이 필요하지 않으면, 3차원 객체 생성 장치는 응고 팬을 구동시킨 후(S719) 산출된 공구 경로를 따라 프린팅을 수행할 수 있다(S717).
상기한 709 단계의 판단 결과, 출력된 재료의 흘러내림 현상이 발생되지 않는 경우, 3차원 객체 생성 장치는 산출된 공구 경로상에서 프린팅을 수행한다(S717).
상기한 도 7에서는 산출된 공구 경로상에 흘러내림 현상이 발생될 것으로 판단되면, 액체 질소를 이용하여 출력된 재료를 냉각시키는 것으로 설명되고 있으나, 이는 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 다른 일 실시예는 산출된 공구 경로 하방에 지지물이 없는 경우에도 액체 질소를 이용하여 출력된 재료를 냉각시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른, 3차원 객체 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8을 참조하면, 사용자는 출력 대상 3차원 모델링 파일-예를 들면, STL 파일일 수 있음-을 소정 3D 프린팅 설정 프로그램상에 읽어 들인 후, 프린팅 구성 파라메터를 설정할 수 있다(S801).
이 후, 설정된 프린팅 구성 파라메터에 따라 레어어 슬라이싱 과정이 수행된 후, G-Code 생성기에 의해 G-Code가 생성된다(S803).
3차원 객체 생성 장치는 설정된 프린팅 구성 파라메터를 참조하여, 서포트를 적용하는지 여부를 확인한다(S805).
확인 결과, 서프트가 적용되지 않으면, 3차원 객체 생성 장치는 생성된 G-Code를 참조하여 현재 출력할 레이어상에서의 압출 노즐의 이동 경로-즉, 압출 노즐의 공구 경로-를 산출한다(S807). 반면, 확인 결과, 서포트가 적용되는 경우, 3차원 객체 생성 장치는 서포트를 적용하여 종래와 같이 프린팅을 수행한다(S817).
3차원 객체 생성 장치는 이전 레이어에서의 공구 경로와 산출된 압출 노즐의 이동 경로-즉, 현재 레이어에서의 공구 경로-를 비교하여, 산출된 공구 경로 하방으로 출력된 재료의 흘러내림 현상이 발생될지 여부를 판단한다(S809).
판단 결과, 출력된 재료의 흘러내림 현상이 발생될 것으로 판단되면, 3차원 객체 생성 장치는 설정된 프린팅 구성 파라메터에 기반하여 출력된 재료를 고속으로 응고시키기 위한 재료 출력 속도-즉, 필라멘트의 공급 속도- 및 응고 팬의 회전 속도를 결정한다(S811).
연이어, 3차원 객체 생성 장치는 결정된 재료 출력 속도에 대응되도록 압출기(Extruder) Stepping 모터의 회전 속도를 제어하고, 결정된 응고 팬의 회전 속도에 따라 응고 팬을 구동시킬 수 있다(S813).
이 후, 3차원 객체 생성 장치는 산출된 공구 경로를 따라 프린팅을 수행한다(S815).
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
106: 액화기 107: 압출 노즐
112: 성형판 210: 응고 팬
220: 냉풍관 310: 응고 팬 구동부
320: 공구 경로 비교부 330: 응고 팬 회전 속도 산출부
340: 메모리부 350: 전원 공급부
360: 제어부

Claims (12)

  1. 용융된 재료를 한 층씩 적층하여 입체물을 형성하는 3차원 객체 생성 장치에서의 3차원 객체 성형 방법에 있어서,
    출력 대상 3차원 모델링 파일에 대응하여 미리 생성된 G-Code를 참조하여 압출 노즐의 공구 경로를 산출하는 단계;
    상기 산출된 공구 경로의 하방으로 지지물이 존재하는지 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과, 상기 지지물이 존재하지 않으면, 응고 팬을 구동시키는 단계
    를 포함하는, 3차원 객체 성형 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 응고 팬에 의해 생성된 냉기가 상기 압출 노즐의 공구 경로를 따라 분사되는, 3차원 객체 성형 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉기가 상기 압출 노즐의 진행 반대 방향에 분사되어 상기 압출 노즐을 통해 출력된 재료가 응고되도록 제어되는, 3차원 객체 성형 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 출력 대상 3차원 모델링 파일에 대응하여 미리 설정된 프린팅 구성 파라메터에 기반하여, 상기 응고 팬의 회전 속도가 결정되는, 3차원 객체 성형 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 프린팅 구성 파라메터에 기반하여 액체 질소를 이용한 냉각이 필요한지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하되, 상기 액체 질소를 이용한 냉각이 필요하면, 기화된 질소 가스가 상기 산출된 공구 경로를 따라 상기 압출 노즐을 통해 출력된 재료에 분사되는, 3차원 객체 성형 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 프린팅 구성 파라메터는 상기 압출 노즐을 통해 출력되는 재료의 적층 두께 정보, 출력 속도 정보, 종류 정보 중 적어도 하나를 포함하는, 3차원 객체 성형 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 판단 결과, 상기 산출된 공구 경로의 하방으로 지지물이 존재하면, 상기 응고 팬이 구동되지 않도록 제어되는, 3차원 객체 성형 방법.
  8. 용융된 재료를 한 층씩 적층하여 입체물을 형성하는 3차원 객체 생성 장치에 있어서,
    출력 대상 3차원 모델링 파일에 대응하여 미리 생성된 G-Code를 참조하여 압출 노즐의 공구 경로를 산출하고, 상기 산출된 공구 경로와 이전 적층된 레이어상의 공구 경로를 비교하여 상기 산출된 공구 경로 하방으로 상기 압출 노즐에 의해 출력될 재료가 흘러내릴지를 판단하는 공구 경로 비교부; 및
    상기 판단 결과에 기반하여 상기 압출 노즐에 의해 출력된 재료를 응고시키기 위한 응고 팬을 구동시키는 응고 팬 구동부
    를 포함하는, 3차원 객체 생성 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    미리 설정된 프린팅 구성 파라메터에 기반하여 상기 응고 팬의 회전 속도를 산출하는 응고 팬 회전 속도 산출부를 더 포함하되, 상기 산출된 회전 속도로 상기 응고 팬이 구동되는, 3차원 객체 생성 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프린팅 구성 파라메터는 상기 압출 노즐을 통해 출력되는 재료의 적층 두께 정보, 출력 속도 정보, 종류 정보 중 적어도 하나를 포함하는, 3차원 객체 생성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 프린팅 구성 파라메터에 기반하여 질소 가스 분사가 필요한 경우, 상기 응고 팬 구동부에 의해 상기 질소 가스가 상기 압출 노즐의 주변에 분사되도록 제어되는, 3차원 객체 성형 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 응고 팬 구동부에 의해 상기 응고 팬에 의해 생성된 냉기가 상기 압출 노즐의 진행 반대 방향에 분사되도록 제어되는, 3차원 객체 성형 방법.
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