KR20160128963A - 광 조형 방식 3ｄ 프린터의 적층방법 - Google Patents

광 조형 방식 3ｄ 프린터의 적층방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 3D 프린터의 적층방법에 있어서, 상기 3D 프린터와 연결된 제어 단말이, (a) 상기 3D 프린터의 출력물에 대해 3D 형상을 형성하는 단계, (b) 상기 3D 형상에 대해 2D 형상의 복수의 단면적으로 수직방향으로 분해하는 단계, (c) 상기 (b) 단계에서 복수의 단면적 데이터 중에서 제1 레이어 단면이 형성되면 제1 레이어의 상위 레이어로서 제2 레이어 데이터를 입력받아 상기 제2 레이어와 상기 제1 레이어 단면의 형상 및 크기를 비교하는 단계, (d) 상기 (c) 단계에서의 비교결과, 상기 제2 레이어와 상기 제1 레이어의 단면의 형상 및 크기가 일치하지 않을 경우에는 레이어간 간격만큼 수직축을 이동 후 상기 제2 레이어의 단면에 대해 조형을 진행하고, 상기 비교결과가 일치할 경우에는 레이어간 간격의 2배 만큼 수직축을 이동 후에 상기 제1 레이어의 단면에 대해 조형을 진행하는 단계, 및 (e) 전체 복수의 단면적에 대해 순차적으로 상기 (c) 및 상기 (d)의 단계를 반복해서 최종으로 최상단 레이어 단면의 조형을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광 조형 방식 3Ｄ 프린터의 적층방법{A layer laminating method for a stereolithography type 3 Dimensional printer}
본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연속된 동일 단면에 대해 제작시간 및 광조사량을 절감할 수 있는 3D 프린터의 적층방법에 관한 것이다.
일반적으로 3차원 입체 형상을 가진 시제품을 제작하기 위해서는 도면에 의존하여 수작업에 의해 이루어지는 목합 제작 방식과 CNC 밀링에 의한 제작 방법 등이 널리 알려져 있다.
그러나, 목합 제작 방식은 수작업에 의하므로 정교한 수치제어가 어렵고 많은 시간이 소요되며, CNC 밀링에 의한 제작 방법은 정교한 수치제어가 가능하지만 공구 간섭으로 인해 가공하기 어려운 형상이 많다.
따라서, 최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 CAD나 CAM을 이용하여 3차원 모델링 데이터를 생성하고, 생성한 데이터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린팅 방법이 등장하게 되었으며, 이러한 3D 프린터를 산업, 생활, 의학 등 다양한 분야에서 활용하고 있다.
3D 프린터는 재료의 연속적인 레이어를 2차원 프린터와 같이 출력하여 이를 적층함으로써 대상물을 만드는 제조장치이다. 또한, 3D 프린터는 디지털화된 도면 정보를 바탕으로 빠르게 대상물을 제작할 수 있어서 프로토타입 샘플제작 등에 주로 사용된다.
3D 프린터의 제품 성형방식은 광경화성 재료에 레이저 광선을 주사하여 광주사된 부분을 물체로 성형하는 방식, 성형재료를 절삭하여 성형하는 방식, 열가소성 필라멘트를 용융하여 적층하는 방식(FDM 방식) 등이 있다.
이러한 방식 중에서 광경화성 재료에 레이저 광선을 주사하는 광 조형 방식의 경우, 3D CAD 소프트웨어나 3D 모델링 소프트웨어, 3D 스캐너 등을 통해 3D 형상을 PC 상에 생성하게 되고, 3D 형상을 슬라이서 소프트웨어를 통해 2D 데이터를 갖는 다수의 단면적을 수직 방향으로 분해하게 된다.
이때, 수직으로 분해된 레이어간 간격(h)은,
레이어간 간격(h)= 전체 조형물 높이(H)/단면적 수(N)로 수식화할 수 있고,
이는 3D 프린터의 단위 적층레이어의 높이에 해당한다.
각 단면은 이미지 형상을 위해 위치기반의 데이터로 형성되어 있어, 3D 프린터는 상기 위치기반 데이터를 바탕으로 순차적으로 단면 데이터를 입력받아 단면 형상을 조형하게 된다.
최초의 최하단 레이어(n-1) 단면의 조형이 끝나면, h 만큼 수직축을 이동한 후, 상위 레이어(n)의 단면을 조형하고, 다시 h 만큼 수직축을 이동시켜 차상위 레이어(n+1)의 단면을 조형하는 과정을 반복해서 최종의 최상단 레이어((n-1)+N)단면을 조성하여 출력물을 완성하게 된다.
이때 소용되는 총 출력물 제작시간(T1)은,
T1=(h 이동시간*N)+(단면 조형시간*N)으로 수식화 될 수 있다.
그러나, 이와 같은 방법으로 출력물을 제작할 경우, 모든 레이어에 단면 조형 시간을 할당하여야 하므로 출력물 제작시간이 많이 소요되었다.
한국특허등록번호 10-0326155호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 순차적으로 연속된 레이어 상호 간의 단면의 형상 및 크기를 비교하여 일치할 경우에는 연속동일면수 만큼 수직축을 이동 후에 적층하는 방식으로, 출력물의 제작시간을 단축할 수 있는 3D 프린터의 적층방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 본 발명은, 3D 프린터의 적층방법에 있어서, 상기 3D 프린터와 연결된 제어 단말이, (a) 상기 3D 프린터의 출력물에 대해 3D 형상을 형성하는 단계, (b) 상기 3D 형상에 대해 2D 형상의 복수의 단면적으로 수직방향으로 분해하는 단계, (c) 상기 (b) 단계에서 복수의 단면적 데이터 중에서 제1 레이어 단면이 형성되면 제1 레이어의 상위 레이어로서 제2 레이어 데이터를 입력받아 상기 제2 레이어와 상기 제1 레이어 단면의 형상 및 크기를 비교하는 단계, (d) 상기 (c) 단계에서의 비교결과, 상기 제2 레이어와 상기 제1 레이어의 단면의 형상 및 크기가 일치하지 않을 경우에는 레이어간 간격만큼 수직축을 이동 후 상기 제2 레이어의 단면에 대해 조형을 진행하고, 상기 비교결과가 일치할 경우에는 레이어간 간격의 2배 만큼 수직축을 이동 후에 상기 제1 레이어의 단면에 대해 조형을 진행하는 단계, 및 (e) 전체 복수의 단면적에 대해 순차적으로 상기 (c) 및 상기 (d)의 단계를 반복해서 최종으로 최상단 레이어 단면의 조형을 진행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, (f) 상기 3D 프린터가 레이저를 다이내믹 미러로 조사하는 단계와, (g) 상기 다이내믹 미러가 X, Y축을 움직이며 전달받은 레이저 빔을 수조에 전달하는 단계와, (h) 상기 수조 안에 있던 광경화성 수지가 상기 레이저 빔에 의해 굳어지는데, 상기 (c) 내지 (e) 단계에서의 비교결과에 따라, 일치하지 않을 경우에는 상기 수조 안에 있던 조형판은 한 층씩 수지가 굳어질 때마다 상기 레이어간 간격만큼 내려가고, 일치할 경우에는 상기 조형판은 해당 연속 동일 단면수 만큼의 레이어간 간격이 내려가는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 (f) 내지 (h) 단계에서, 총 단면적에 대해 연속된 동일 단면이 있을 경우에는 광량 조절부를 통해 투과율을 고려하여 광조사량을 설정하고, 설정된 광조사량에 따라 상기 레이저 빔의 광량을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 리코더 블레이드가 상기 3D 프린터의 대상인 출력물의 표면을 지나가며 평탄화 작업을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, (i) 상기 3D 프린터가 DLP 프로젝터를 통해 수조 안의 조형이미지를 조사하는 단계와, (j) 상기 수조 안에 있던 광경화성 수지가 디지털 광에 의해 굳어지는데, 상기 (c) 내지 (e) 단계에서의 비교결과에 따라, 일치하지 않을 경우에는 상기 수조 안에 있던 조형판은 한 층씩 수지가 굳어질 때마다 상기 레이어간 간격만큼 올라가고, 일치할 경우에는 상기 조형판은 해당 연속 동일 단면수 만큼의 레이어간 간격이 올라가는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (i) 내지 (j) 단계에서, 총 단면적에 대해 연속된 동일 단면이 있을 경우에는 광량 조절부를 통해 투과율을 고려하여 광조사량을 설정하고, 설정된 광조사량에 따라 상기 DLP 프로젝터의 디지털 광량을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 출력물 제작 시간이 연속된 동일 단면의 해당 적층 시간만큼 시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 연속된 동일 단면에 대해서는 광조사량에서도 단순 해당 배수만큼의 광조사량을 조사하는 것이 아니므로 광조사량을 줄일 수 있어 에너지 소모량을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3D 프린터의 적층과정을 나타낸 플로우차트이다.
도 2는 도 1의 적층과정에서 SLA 과정을 나타낸 도면,
도 3은 도 1의 적층과정에서 DLP 과정을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 통해 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 여기에서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.
3D 프린터를 이용한 프린팅 과정에서, 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컴퓨터를 이용한 3D 프린팅 제어과정을 나타낸 플로우차트이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 컴퓨터 제어과정에 따라 광조형법을 이용하여 각각, SLA 방식 및 DLP 방식으로 형성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 3D 프린팅 제어과정을 살펴보면,
즉, 3D 캐드 소프트웨어, 3D 모델링 소프트웨어, 3D 스캐너 등을 통해 3D 프린터를 통해 출력해야 하는 대상물에 대해 3D 형상을 형성한다(S110).
이후, 슬라이서 소프트웨어를 통해 상기 3D 형상에 대해 2D 형상의 다수의 단면적으로 수직방향으로 분해한다(S120). 이때, 수직으로 분해된 레이어간 간격(h)은, 레이어간 간격(h)= 전체 조형물 높이(H)/단면적 수(N)로 수식화할 수 있고, 이는 3D 프린터의 단위 적층레이어의 높이에 해당한다. 또한, 각 단면은 이미지 형상을 위해 위치기반의 데이터로 형성되어 있어, 3D 프린터는 상기 위치기반 데이터를 바탕으로 순차적으로 단면 데이터를 입력받아 단면 형상을 조형하게 된다.
이후, 슬라이싱 된 단면 데이터 중에서 최초의 최하단 레이어(n-1) 단면이 형성되면(S130), 상위 레이어(n) 데이터를 입력받아 상위 레이어(n)와 최하단 레이어(n-1) 단면의 형상 및 크기를 비교한다(S140).
이때, 비교결과 상위 레이어(n)와 최하단 레이어(n-1)의 단면의 형상 및 크기가 일치하지 않을 경우, 레이어간 간격(h) 만큼 수직축을 이동 후 상위 레이어(n)의 단면에 대해 조형을 진행한다(S150). 그러나, 비교 결과 상위 레이어(n)와 최하단 레이어(n-1)의 단면의 형상 및 크기가 일치할 경우(차이가 발생하지 않을 경우)에는 레이어간 간격의 2배(2h) 만큼 수직축을 이동 후에 최하단 레이어(n-1)의 단면에 대해 조형을 진행한다(S160).
이후, 차상위 레이어(n+1) 데이터를 입력받아 상위 레이어(n)의 단면의 형상 및 크기를 비교하고, 비교결과에 따라 S140 내지 S160의 단계로 진행하여, 이와 같은 과정을 반복해서 최종으로 최상단 레이어(n-1)+N 단면을 조성하여, 총 단면적 개수 대해 적층을 진행한다(S170).
이에 따라, 본 발명에 따른 3D 프린터의 출력물 적층방법을 적용할 경우에는, 총 출력물 제작 시간(T2)는, T2=(h 이동시간*N)+((단면조형시간-연속된 동일 단면확인 수)*N)으로 수식화할 수 있고, 총 단면 조형시간에서 연속된 동일 단면 확인 수 총개수 시간을 뺀 시간의 차이만큼 시간을 단축할 수 있다.
이어, 도 1의 컴퓨터를 통한 3D 프린팅 적층 제어 방법을 이용하여, 각각 SLA 및 DLP 광조형법에 적용하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, SLA(Stereolightography Apparatus) 방식에서, 수직 분해된 총 N개의 2D 형상의 단면에 대해, 연속된 동일 단면의 개수에 대해서는 해당 개수 만큼의 한꺼번에 적층하도록 제어받으므로, 적층 동작을 줄일 수 있는 방식으로 컴퓨터를 통해 3D 프린팅을 제어받는다.
이에 따라, 3D 프린터가 레이저(210)를 다이내믹 미러(220)로 조사하면(S210), 다이내믹 미러(220)가 X, Y축을 움직이며 전달받은 레이저 빔을 수조(230)에 정확히 전달한다(S220). 이후, 수조(230) 안에 있던 광경화성 수지(240)가 상기 레이저 빔에 의해 굳어지는데(S230), 수조 안에 있던 조형판은 한 층씩 수지가 굳어질 때마다 정해진 층의 두께(h) 만큼 내려간다(S240). 이때, 정해진 층의 두께(h)는 전체 조형물의 높이(H)/단면적 수(N)로 나타낼 수 있고, 이는 단위 적층 레이어의 높이에 해당될 수 있다. 또한, 도 1의 프린팅 제어에 의해 총 N개의 단면적에 대해 연속된 동일 단면에 대해서는 한 층씩 수지가 굳어지는 것이 아니라 해당 연속 동일 단면수 만큼의 해당 층의 두께 만큼 내려간다. 이를 위해서는, S210의 광조사 단계에 있어서도, 총 N개의 단면적에 대해 연속된 동일 단면이 있을 경우에는 레이저의 광조사량도 연속된 동일 단면 개수만큼 증가할 수 있는데, 해당 광조사량은 해당 개수의 배수(2배수, 3배수) 만큼 증가하는 것이 아니라 광량 조절부를 통해 투과율을 고려하여 적합한 광조사량을 설정할 수 있으며 이에 따라 광량을 조절할 수 있다. 또한, 이와 같은 과정을 반복해서 최종으로 최상단 레이어(n-1)+N 단면을 조성하여, 총 단면적 개수 대해 적층을 진행한다.
이어, 리코더 블레이드(250)가 3D 프린터의 대상인 출력물의 표면을 지나가며 평탄화 작업을 수행한다(S250).
도 3을 참조하면, DLP(Digital Light Processing) 방식에서, 수직 분해된 총 N개의 2D 형상의 단면에 대해, 연속된 동일 단면의 개수에 대해서는 해당 개수만큼의 한꺼번에 적층하도록 제어받으므로, 적층 동작을 줄일 수 있는 방식으로 컴퓨터를 통해 3D 프린팅을 제어받는다.
이에 따라, 3D 프린터가 DLP 프로젝터(310)를 통해 수조(320) 안의 조형이미지를 조사하면(S310), 수조(320) 안에 있던 광경화성 수지(330)가 디지털 광에 의해 굳어진다(S320). 이후, 수조 안에 있던 조형판은 한 층씩 수지가 굳어질 때마다 정해진 층의 두께(h) 만큼 올라간다(S330). 이때, 정해진 층의 두께(h)는 전체 조형물의 높이(H)/단면적 수(N)로 나타낼 수 있고, 이는 단위 적층 레이어의 높이에 해당될 수 있다. 또한, 도 1의 프린팅 제어에 의해 총 N개의 단면적에 대해 연속된 동일 단면에 대해서는 한 층씩 수지가 굳어지는 것이 아니라 해당 연속 동일 단면수 만큼의 해당 층의 두께만큼 올라간다. 이를 위해서는, S310의 광조사 단계에 있어서도, 총 N개의 단면적에 대해 연속된 동일 단면이 있을 경우에는 DLP 프로젝터의 광조사량도 연속된 동일 단면 개수만큼 증가할 수 있는데, 해당 광조사량은 동일 단면 개수로 1 층에 대한 광조사량의 배수(2배수, 3배수) 만큼 증가하는 것이 아니라 광량 조절부를 통해 투과율을 고려하여 적합한 광조사량을 설정할 수 있으며 이에 따라 광조사량을 조절할 수 있다. 또한, 이와 같은 과정을 반복해서 최종으로 최상단 레이어(n-1)+N 단면을 조성하여, 총 단면적 개수 대해 적층을 진행한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 3D 프린터의 출력물 적층방법을 적용할 경우에는, 출력물 제작 시간이 연속된 동일 단면의 해당 적층 시간만큼 시간을 단축할 수 있으며, 연속된 동일 단면에 대해 광조사량에서도 단순 해당 배수 만큼의 광조사량 보다 투과율을 고려하여 줄일 수 있으므로 에너지 소모량을 절감할 수 있다.
210: 레이저
220: 다이내믹 미러
230, 320: 수조
240, 330: 광경화성 수지
250: 리코더 블레이드
310: DLP 프로젝터

Claims (3)

  1. 3D 프린터의 적층 방법에 있어서,
    상기 3D 프린터와 연결된 제어 단말이,
    (a) 상기 3D 프린터의 출력물에 대해 3D 형상을 형성하는 단계;
    (b) 상기 3D 형상에 대해 2D 형상의 복수의 단면적으로 수직방향으로 분해하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계에서 복수의 단면적 데이터 중에서 제1 레이어 단면이 형성되면 제1 레이어의 상위 레이어로서 제2 레이어 데이터를 입력받아 상기 제2 레이어와 상기 제1 레이어 단면의 형상 및 크기를 비교하는 단계;
    (d) 상기 (c) 단계에서의 비교결과, 상기 제2 레이어와 상기 제1 레이어의 단면의 형상 및 크기가 일치하지 않을 경우에는 레이어간 간격만큼 수직축을 이동 후 상기 제2 레이어의 단면에 대해 조형을 진행하고, 상기 비교결과가 일치할 경우에는 레이어간 간격의 2배 만큼 수직축을 이동 후에 상기 제1 레이어의 단면에 대해 조형을 진행하는 단계;
    (e) 전체 복수의 단면적에 대해 순차적으로 상기 (c) 및 상기 (d)의 단계를 반복해서 최종으로 최상단 레이어 단면의 조형을 진행하는 단계;
    (f) 상기 3D 프린터가 레이저를 다이내믹 미러로 조사하는 단계;
    (g) 상기 다이내믹 미러가 X, Y축을 움직이며 전달받은 레이저 빔을 수조에 전달하는 단계;
    (h) 상기 수조 안에 있던 광경화성 수지가 상기 레이저 빔에 의해 굳어지는데, 상기 (c) 내지 (e) 단계에서의 비교결과에 따라, 일치하지 않을 경우에는 상기 수조 안에 있던 조형판은 한 층씩 수지가 굳어질 때마다 상기 레이어간 간격만큼 내려가고, 일치할 경우에는 상기 조형판은 해당 연속 동일 단면수 만큼의 레이어간 간격이 내려가는 단계; 및
    (i) 상기 (f) 내지 (h) 단계에서, 총 단면적에 대해 연속된 동일 단면이 있을 경우에는 광량 조절부를 통해 투과율을 고려하여 광조사량을 설정하고, 설정된 광조사량에 따라 상기 레이저 빔의 광량을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 적층방법.
  2. 제1항에 있어서,
    리코더 블레이드가 상기 3D 프린터의 대상인 출력물의 표면을 지나가며 평탄화 작업을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 적층방법.
  3. 3D 프린터의 적층 방법에 있어서,
    상기 3D 프린터와 연결된 제어 단말이,
    (a) 상기 3D 프린터의 출력물에 대해 3D 형상을 형성하는 단계;
    (b) 상기 3D 형상에 대해 2D 형상의 복수의 단면적으로 수직방향으로 분해하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계에서 복수의 단면적 데이터 중에서 제1 레이어 단면이 형성되면 제1 레이어의 상위 레이어로서 제2 레이어 데이터를 입력받아 상기 제2 레이어와 상기 제1 레이어 단면의 형상 및 크기를 비교하는 단계;
    (d) 상기 (c) 단계에서의 비교결과, 상기 제2 레이어와 상기 제1 레이어의 단면의 형상 및 크기가 일치하지 않을 경우에는 레이어간 간격만큼 수직축을 이동 후 상기 제2 레이어의 단면에 대해 조형을 진행하고, 상기 비교결과가 일치할 경우에는 레이어간 간격의 2배 만큼 수직축을 이동 후에 상기 제1 레이어의 단면에 대해 조형을 진행하는 단계;
    (e) 전체 복수의 단면적에 대해 순차적으로 상기 (c) 및 상기 (d)의 단계를 반복해서 최종으로 최상단 레이어 단면의 조형을 진행하는 단계;
    (f) 상기 3D 프린터가 DLP 프로젝터를 통해 수조 안의 조형이미지를 조사하는 단계;
    (g) 상기 수조 안에 있던 광경화성 수지가 디지털 광에 의해 굳어지는데, 상기 (c) 내지 (e) 단계에서의 비교결과에 따라, 일치하지 않을 경우에는 상기 수조 안에 있던 조형판은 한 층씩 수지가 굳어질 때마다 상기 레이어간 간격만큼 올라가고, 일치할 경우에는 상기 조형판은 해당 연속 동일 단면수 만큼의 레이어간 간격이 올라가는 단계; 및
    (h) 상기 (f) 및 (g) 단계에서, 총 단면적에 대해 연속된 동일 단면이 있을 경우에는 광량 조절부를 통해 투과율을 고려하여 광조사량을 설정하고, 설정된 광조사량에 따라 상기 DLP 프로젝터의 디지털 광량을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 적층방법.
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