KR20170074059A - 3d 프린터 시스템 및 이를 이용한 3d 출력 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특히 인쇄물의 휨 방지 수단을 갖는 3D 프린터 시스템 및 이를 이용한 3D 출력 방법에 관한 것으로서, PC 본체와, 입력장치와, 출력장치로 이루어져서 인쇄 정보를 생성시키는 입출력부와, PC로부터 디지털 형태의 상기 인쇄 정보를 입력받아 아날로그 위치 좌표로 변환시키는 연산기와, 상기 위치 좌표를 따라 이동되는 노즐과, 상기 위치 좌표를 따라 노즐을 이동시키는 구동수단으로 이루어져 노즐로부터 분사되는 소재를 상기 인쇄 정보에 따른 형상대로 적층시키는 출력부와, 노즐 하부에 배치되는 평판 형상의 플랫폼과, 플랫폼 상부에 배치되는 베드와, 베드를 원형으로 둘러싸며 열선이 내장되는 히팅밴드로 이루어지는 베드부 및 상기 히팅밴드로 둘러싸이는 공간 내부로 에어를 주입시키는 에어주입부로 구성됨으로써 추가 열원인 히팅밴드의 온도를 낮게 유지시키더라도 개방형 프린터 구조에서도 인쇄물의 휨 변형이 방지되어 정밀한 인쇄물을 얻을 수 있고, 화재 및 화상의 위험이 최소화 되는 3D 프린터 시스템 및 이를 이용한 3D 출력 방법을 제공하고자 한다.

Description

3D 프린터 시스템 및 이를 이용한 3D 출력 방법{3D printer system and 3D printing method using it}

본 발명은 3D 프린터 시스템을 이용한 3D 출력 방법에 관한 것으로, 특히 인쇄물의 휨 방지 수단을 갖는 3D 프린터 시스템을 이용한 3D 출력 방법에 관한 것이다.

3차원 적층 가공 기술(Additive Manufacturing, AM)은 정밀도의 향상과 가격이 저렴해 짐에 따라 산업 현장은 물론 개인 사용자에게도 보급이 가속화 되고 있으며 이에 따른 시장의 규모가 점차 커지고 있다. 적층 가공 기술은 종래의 출력 기술과는 달리 제작 하려는 물체의 Z방축 방향으로 얇게 단면을 나누고 이 단면을 한층 한층 입체적으로 출력이 가능하며, 3D CAD 도면이 있다면 복잡하고 다양한 물체를 손쉽게 제작 할 수 있는 것이 장점이다.

이러한 3D프린터는 현재 적접적인 생산기술로 활용되기 보다는 완제품 이전의 시제품 제작 또는 금형 제작 등에 주로 사용되고 있다. 왜냐하면 사용 되는 재료가 제작 공정의 특성상 단일 재료, 또는 한정적인 재료이기 때문이다. 따라서 제작 하는 형상물의 강도 및 정밀도가 제한적이다. 이에 따른 3D프린터에 대한 정밀도 향상의 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

적층가공 기술은 1980년대부터 사용이 되고 있으며, 현재는 수십 종류의 공정들이 개발 되었다. 이 중에서 FDM방식은 적층가공기술 중 Extrusion Material 기술의 대표적인 기술이다. Stratasys社(미국)가 최초의 산업용 기계(FDM으로 명칭)를 출시한 이후 산업용 시장이 형성이 되고 있다. 2006년 영국에서 Reprap 프로젝트가 시작되고 2008년 오픈소스 형태의 제품이 출시가 되었다. 그리고 2014년 2월 FDM 방식의 특허가 만료되고 판매가 가능한 보급형 오픈소스의 제품이 등장하였다. 이때부터 시장이 급속하게 성장하면서 지금에 이르게 되었다.

FDM방식의 정밀도 향상의 관한 연구는 다양한 관점에서 진행이 되어 지고 있지만, 정밀도 향상을 위하여 출력물의 설계를 바꾸고, 제작 오차를 예측하여 설계치수를 바꾸는 등의 설계적인 관점으로의 연구가 진행 되어져 온 반면, 출력물의 온도와 정밀도에 관한 연구는 미흡한 실정이다.

일반사용자용 FDM 3D프린터의 경우 PLA와 ABS재질을 사용하며, ABS재질을 사용할 경우 도 1과 같이 출력물의 휨이 발생하여 출력물 정밀도가 매우 낮다.

현재 출력물 정밀도 향상을 위하여 출력 공간 하부에 베드(Heat Bad)를 설치하지만, 정밀한 출력물을 생성하기는 어렵다고 할 수 있다. 문제를 해결하기 위해 도 2에 도시된 바와 같은 밀폐형 챔버(Heated Build Chamber:HBC)가 장착된 프린터를 사용하지만 밀폐형 챔버가 장착된 프린터는 너무 고가인 것이 단점이다.

또한 열 수축현상을 방지하기 위하여 인쇄물이 출력되는 공간을 고온으로 유지시켜야 하지만, 밀폐형의 경우 PCB, Stepping Motor, 타이밍 벨트(Timing Belt) 등에 고온으로 인한 기기적인 결함을 유발할 수 있기 때문에 고온으로 온도를 유지하기 힘들다.

따라서 개방형으로 출력 제품의 공간에만 높은 온도로 조절 할 수 있는 외부 히팅 시스템을 생성하면 장비에 영향을 줄여줄 수 있으며, 출력 시 제품을 관찰하기 용이하여 오류를 줄일 수 있을 것 이다. 예상되는 개방형의 장점은 다음과 같다.

1. 높은 온도로 유지시켜 출력물의 정밀도가 향상된다.

2. 출력 시 출력물의 온도 분포를 고르게 하여 하부의 휘어짐을 완화 시킬 수 있다.

3. 개방형으로 출력 시 육안으로 확인이 가능하여 오류 및 비상시에 대응이 가능하다.

따라서 이러한 개방형 히팅 구조가 적용되면서도, 출력시의 변형을 대비한 별도의 설계변형 없이 출력되는 인쇄물의 변형이 방지될 수 있는 3D 프린터 시스템의 개발이 절실히 요청된다.

공개특허공보 제10-2015-0111146(공개일자: 2015. 10. 05)

이에 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 3D 프린터 시스템에 있어서, 인쇄물과 노즐 및 노즐 구동수단이 개방 공간에 노출되어 고열로 인한 기기 이상이 방지되면서도 출력되는 인쇄물의 휨 변형이 방지될 수 있는 히팅구조를 가지는 3D프린터 시스템 및 이를 이용한 3D 출력 방법을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D프린터 시스템은 입력장치와, 출력장치로 이루어져서 인쇄 정보를 생성시키는 입출력부와; 입출력부로부터 디지털 형태의 상기 인쇄 정보를 입력받아 아날로그 위치 좌표로 변환시키는 연산기와, 상기 위치 좌표를 따라 이동되는 노즐과, 상기 위치 좌표를 따라 노즐을 이동시키는 구동수단으로 이루어져 노즐로부터 분사되는 소재를 상기 인쇄정보에 따른 형상대로 적층시키는 출력부와, 노즐 하부에 배치되는 평판 형상의 플랫폼과, 플랫폼 상부에 배치되는 베드와, 베드를 원형으로 둘러싸며 열선이 내장되는 히팅밴드로 이루어지는 베드부 및, 상기 히팅밴드로 둘러싸이는 공간 내부로 에어를 주입시키는 에어주입부로 이루어진다.

또한 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D프린터 시스템을 이용한 3D 출력 방법은 상기 입출력부에 출력정보를 입력하여 디지털 형태의 출력정보를 생성시키는 제1단계와, 상기 디지털 형태의 출력정보를 출력부로 전송하여 연산기로 상기 디지털 형태의 출력정보를 아날로그 위치 정보로 변환시키는 제2단계와, 상기 아날로그 위치 정보에 따라 구동수단으로 노즐을 이동시키면서 노즐로부터 인쇄 재료를 분사하여 인쇄물을 출력하는 제3단계와, 상기 인쇄물을 지지하는 플랫폼 둘레에 히팅밴드를 원형으로 배치하여 히팅밴드로부터 인쇄물에 열을 복사시키는 제4단계 및 상기 히팅밴드로 둘러싸이는 공간 내부에 에어주입부로 에어를 분사하여 대류시키는 제5단계로 이루어지되, 제3단계 내지 제5단계는 시간의 선후 관계는 없는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 3D 프린터 시스템 및 이를 이용한 3D 출력 방법에 따르면, 3D 프린터 시스템에 있어서, 인쇄물과 노즐 및 노즐 구동수단이 개방 공간에 노출되는 개방형 구조를 가지면서도 출력되는 인쇄물의 휨 변형이 방지될 수 있게 되어 휨 변형을 예상한 추가적인 설계변형 없이도 정밀도가 보장되고, 개방형 구조를 가짐으로써 고열로 인한 기기 이상이 방지되며, 낮은 온도의 열원을 추가함으로써 휨 변형이 방지되므로 화재나 화상 등의 사고가 방지되는 효과가 있다.

도 1은 종래의 개방형 3D 프린터로 출력되는 인쇄물의 휨 변형을 나타내는 사진,
도 2는 종래의 밀폐형 챔버 구조의 3D 프린터 사진
도 3는 본 발명에 의한 3D 프린터 시스템의 구성을 나타내는 블럭도,
도 4a는 본 발명에 의한 3D 프린터 시스템의 사시도,
도 4b는 본 발명에 의한 3D 프린터 시스템의 확대도,
도 5은 본 발명에 의한 3D 프린터 시스템에서 호스의 사시도,
도 6은 본 발명에 의한 3D 프린터 시스템의 공기 대류를 나타내는 정단면도,
도 7은 인쇄물의 온도분포를 나타내는 부분 사시도,
도 8는 테스트 인쇄물의 휨 변형을 나타내는 사진,
도 9은 테스트를 위한 종래 프린터의 사시도,
도 10은 도 10에서 히팅밴드를 적용한 사시도,
도 11a는 히팅밴드의 구성을 나타내는 사진,
도 11b는 온도제어기의 구성을 나타내는 사진,
도 12은 본 발명에서 에어 유동 흐름을 나타내는 정면도,
도 13는 본 발명에 의한 3D 프린터의 테스트 사진,

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서는 특히 가격이 저렴하여 널리 보급되고 2차 가공성이 뛰어난 ABS 수지가 사용되는 경우에도 휨 변형 방지가 가능한 구조를 가지는 3D 프린터 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

따라서 본 발명에 의하면 ABS 수지 보다 변형이 적은 다른 소재를 인쇄물의 재료로 하는 경우에도 모두 적용될 수 있게 된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 3D 프린터 시스템은 도 3의 블럭도에 도시된 바와 같이 입출력부(100)와, 출력부(200)와, 베드부(300)와, 에어주입부(400)로 구성된다.

입출력부(100)는 통상의 퍼스널 컴퓨터로서, 메인 프로세서와 저장장치가 내장되는 입력장치(120)와, 입력장치(120)의 정보 처리 과정 및 결과를 시각적으로 현출시키는 출력장치(130)로 이루어진다. 입출력부(100)는 원하는 형태의 3D 인쇄물을 위한 디지털 형태의 인쇄 정보를 생성시키는 작용을 한다.

출력부(200)는 연산기(210)와, 구동수단(220) 및 노즐(230)로 이루어진다. 연산기(210)는 입출력부(100)로부터 전송받는 상기 디지털 형태의 인쇄 정보를 아날로그 위치 좌표 정보로 변환시키는 작용을 한다. 여기서 아날로그 위치 좌표 정보에 따라 구동수단(220)이 노즐을 이동시키게 된다. 구동수단(220)은 2차원 또는 3차원 이동이 가능하도록 스테핑 모터와, 스테핑 모터의 운동에너지를 전달하는 동력전달 수단과, 노즐을 지지하는 프레임으로 이루어질 수 있는데(미도시), 이러한 3D 프린터의 출력부는 공지 기술이므로 여기서는 구조에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 노즐은 인쇄를 위한 재료를 용융상태로 분사하는 기구이다.

베드부(300)는 인쇄물(P)이 인쇄와 동시에 안착될 수 있게 지지하는 한편 인쇄물(P)의 온도를 유지시키는 구성으로서, 평판형상의 플랫폼(310)과, 플랫폼(310) 상부에 배치되는 베드(320)와, 베드(320)를 원형으로 둘러싸며 열선이 내장되는 히팅밴드(330)로 이루어진다.

여기서 베드(320)는 종래의 기술로서 개방형 구조를 가지는 3D 프린터에서 인쇄물(P)의 변형 방지를 위하여 인쇄물(P)의 저면에 배치되어 인쇄물(P)을 가열시키는 작용을 한다.

히팅밴드(330)는 본 발명에서 도입되는 구성으로서 열선이 내장되는 밴드이며, 도 4b에 도시된 바와 같이 인쇄물(P)의 둘레를 원형으로 둘러쌈으로서 원형의 벽의 형상으로 배치될 수 있다. 따라서 히팅밴드(330)로 인하여 인쇄물(P)은 주변부로부터 복사열을 받아 가열됨으로써 출력되는 인쇄물(P)의 전체적인 온도분포가 좀 더 고르게 되도록 하는 작용을 한다. 이 경우 히팅밴드(330)는 한 면으로만 열을 발산시키게 제작될 수 있으며 반대 면은 단열 소재가 부착되어 열의 발산이 방지될 수 있다. 이때 열을 발산시키는 면이 원형으로 인쇄물(P)을 둘러싸는 히팅밴드(330)의 내주면이 된다. 그리고 히팅밴드(330)로부터 인쇄물(P)을 향하여 적절한 양의 열이 발산되도록 히팅밴드(330)에는 온도제어기(335) 및 온도센서(337)가 구비될 수 있다.

에어주입부(400)는 히팅밴드(330)로 둘러싸이는 공간 내부에 에어를 주입시킴으로써 히팅밴드(330)로부터 발산되는 복사열이 대류되도록 하여 히팅밴드(330)로 둘러싸이는 공간의 온도 분포를 고르게 함으로써 인쇄물(P)의 국부적인 온도 편차로 인한 휨 변형의 발생을 보다 철저하게 방지시키는 작용을 한다.

이때 에어주입부(400)는 도 4b 및 도 5에 도시된 바와 같이 원형의 호스로 이루어질 수 있다. 이 경우 도 3에 도시된 바와 같이 에어주입부(400)에 공기를 공급하는 주지의 콤프레샤(420)가 구비될 수 있으며, 콤프레샤(420)로부터 공기를 공급받기 위하여 도 4b에 도시된 바와 같은 에어공급구(411)가 형성될 수 있다.

또한 에어주입부(400)에는 히팅밴드(330)로 둘러싸이는 공간 내부로 에어를 분사시키는 에어노즐(412)이 형성되는데, 바람직하게는 에어노즐(412)이 에어를 분사시키는 방향은 히팅밴드(330)에서 열이 발산되는 히팅밴드(330)의 내주면을 향하도록 한다. 왜냐하면 에어주입부(400)에 공급되는 공기 자체는 가열된 상태가 아니므로 에어주입부(400)로부터 인쇄물로 곧바로 공기가 공급되면 오히려 인쇄물이 냉각 될 우려가 있기 때문이다.

특히 이때 에어주입부(400)는 도 4b 및 도 6에 도시된 바와 같이 히팅밴드(330)의 상부에 배치됨으로써 에어 분사 각도(A)가 히팅밴드(330)의 내주면에 대하여 일정한 경사각을 취하도록 함이 바람직하다.

즉 에어주입부(400)에 의한 에어 분사 각도가 히팅밴드(330)의 내주면에 수직방향이나 상향 방향이 아니라 도 6에 도시된 바와 같이 하향 경사각을 취함으로써 에어노즐(412)로부터 분사되는 공기는 히팅밴드(330)의 내주면에 부딪히면서 가열되자마자 가속도로 인하여 바닥으로 하강하고 히팅밴드(330)에 반사될 때 흐름 방향이 인쇄물(P)을 향하도록 변함으로써 가열된 에어가 인쇄물(P)을 테두리부터 가열시켜 결과적으로 인쇄물(P) 전체가 고른 온도로 유지될 수 있다.

가열되는 공기는 팽창하여 압력이 낮아짐으로써 일반적으로 상승하게 되므로 이처럼 에어 분사 각도(A)가 하향 경사각을 취하도록 에어노즐(412)을 배치하지 않는다면 에어주입부(400)에 의한 열 대류 작용은 그 효과가 반감될 수 있다.

이처럼 본 발명에서는 히팅밴드(330)와 에어주입부(400)가 서로 유기적으로 상호작용 됨으로써 가장 휨 변형이 많이 발생되는 ABS 수지를 재료로 하는 인쇄물의 경우에도 휨 변형이 극히 미세한 정도로 축소될 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명에 의한 3D 프린터 시스템으로 인하여 휨 변형이 현저하게 방지되는 것을 입증하기 위하여, 실험데이터를 히팅밴드(330) 설치 전과, 히팅밴드(330) 설치 후 및, 히팅밴드(330)와 에어주입부(400)를 함께 설치하는 세 단계로 나누어 제시하기로 한다.

<1. 히팅밴드 설치 전>

본 연구에서 사용한 3D프린터의 출력 사이즈는 160Φ×200(mm)이고, Printing 방식은 FDM(Fused Deposition Modeling)이며 노즐은 싱글 노즐이다.

본 연구에서는 FDM방식에 가장 많이 사용되고 또한 가정용, 저가용 프린터에 많이 사용되지만 휨 현상이 많이 발생하는 ABS재질을 사용하여 실험 하였다.

휨의 원인 및 부위를 정확하게 실측하기 위하여 유한요소 해석을 실시하였다.

출력물의 형상을 결정하기 위하여 다수의 출력물을 출력하여 관찰하였으며, 출력되는 인쇄물(P)의 휘어짐 현상은 도 8에서와 같이 모서리가 있는 부분부터 발생하며 일정한 높이가 되면 더 이상 휘지 않는 것이 확인 된다.

출력되는 인쇄물(P)이 휘지 않는 높이를 찾기 위하여 고전 적층 이론(Classical Lamination Theory)을 이용하였다. 고전 적층이론이란 이방성의 얇은 층을 조합한 적층 복합재의 강성과 강도 예측을 위해 주로 사용된다.

고전 적층이론의 출력물 곡률변형(δ)공식은 다음과 같다.

출력되는 인쇄물(P) 크기(ℓ)를 50mm로 결정한 후 곡률변형(δ)이 가장 크게 발생하는 적층 수를 Matlab R2010a를 이용하여 계산하였으며 계산한 코드는 다음과 같다.

>> l=50;

>> k=1:1:100;

>> delta=(1./k).*(1-cosd((k.*l)/2));

>> plot(k,delta)

>> xlabel layer; ylabel delta;

그래프 1

위의 공식에 의한 계산 결과 5번째 레이어 에서 0.3147mm로 가장 높았으며 점점 줄어들어 안정화 되는 것을 알 수 있다. 휘어지는 부분보다 더 높게 출력을 해야 휘어짐 량을 측정할 수 있으므로 20번째 적층까지로 결정 하였으며, 3D프린터로 출력시 한 개의 레이어는 0.2mm로 20번째 층까지 적층 할 수 있도록 Z축 높이를 4mm로 정하였다. 따라서 인쇄물(P)의 출력시 휨이 발생되는 이유를 찾기 위해 육면체 인쇄물(50×50×4[mm])을 생성하여 프린터의 베드(320) 중앙에 배치하였으며 출력상태를 재연하기 위하여 노즐(230)을 출력물 중앙에 배치하였다. 유한 요소 해석은 해당 출력되는 인쇄물(P)이 가장 잘 휘는 최악의 상황을 상정하여 진행 하였다.

유한 요소 해석을 위한 최종 모델링은 도 10에 도시된 바와 같다.

해석 조건은 ABS재질로 출력시와 동일하게 다음과 같이 정의 하였다. 경계조건은 출력상황에 맞게 설정하였다. 해석된 결과는 도 7에 도시된 바와 같다.

출력되는 인쇄물(P)의 최고 온도는 83.62℃로 노즐과 맞닿아 있는 부분에서 발생하였고, 최저 온도는 53.60℃로 인쇄물(P) 외각에서 발생 하였다. 또한 휨이 가장 많이 발생하는 각 모서리의 온도를 측정하였으며 최고 온도는 56.11℃로 중간부분에서 나타났으며, 최저 온도는 53.27℃로 모서리 양 끝부분에서 나타났으며 측정한 그래프는 아래의 그래프 2와 같다. 인쇄물(P)의 출력시 각 부분의 온도 분포가 균일 하지 못하여 인쇄물(P)의 각 부위 간 수축량이 동일하지 않게 되어 휨이 발생하는 것으로 예상된다.

그래프 2

<2. 히팅밴드 설치 후>

유한 요소 해석에 의해 인쇄물(P)의 온도 분포가 균일하지 않아 열 수축에 의해 휨이 발생하는 것으로 예측 되었으며, 인쇄물(P)의 모서리 양 끝 부분에서 온도가 가장 낮은 것을 알 수 있다. 따라서 양 끝 부분의 온도를 상승시켜 온도 분포를 균일하게 해 주기위하여 도 11과 같이 베드(320) 형상을 따라 Z방향으로 추가적인 열원인 히팅밴드(330)를 설치하였으며, 해당 열원에서 온도가 상승할수록 출력되는 인쇄물(P)의 온도 분포가 균일해지는가를 전산해석 프로그램을 사용하여 해석하였다.

해석은 이전 유한 요소 해석과 동일한 조건으로 Heat Sources는 노즐부에서 250℃로, 베드(320)에서 80℃로 발열 하고, 개방형에 맞게 경계조건을 설정하였으며, 추가로 생성된 Heating Source부분인 히팅밴드(330)에는 베드(320) 온도인 80℃ 에서부터 10℃ 씩 상승시켰으며 휨이 가장 많이 발생하는 인쇄물(P)의 모서리 부분의 온도 분포가 균일하게 되는 온도를 찾아 보았다.

그래프 3

상기 그래프 3은 추가된 Heating Source인 히팅밴드(330)에 80℃를 적용 하였을 때의 인쇄물(P) 각 모서리의 온도를 측정한 그래프이다. 앞서의 히팅밴드(330) 적용 전에 비하여 평균온도는 약 54.5℃에서 약 81℃로 26.5℃만큼 상승 하였으며, 각 모서리의 온도차가 많이 줄어든 것이 확인된다. 또한 인쇄물(P)의 중간과 모서리의 온도차이가 약 3℃차이가 발생하였으나 히팅밴드(330)를 추가함에 따라 약 1℃정도의 차이로 줄어든 것을 확인 하였다. 출력시 온도의 분포가 균일하게 이루어져야 열 수축량이 균일하게 이루어져 휨이 발생되지 않는다. 따라서 온도 분포 그래프의 기울기가 0에 가까울수록 인쇄물(P)의 온도가 균일하다고 할 수 있다. 그래프 3에 도시된 그래프는 대칭을 이루고 있으므로, 25mm부터 50mm까지의 데이터를 수치해석 기법인 최소자승법(Least Square Method)를 이용하여 데이터의 최적 접합을 찾고 해당 기울기를 구하여 최적의 적용 온도를 찾아냈다.

실험 측정한 값들을 최소자승법을 이용하여 데이터를 아래와 같은 공식으로 정리 하였다.

출력된 인쇄물의 히팅밴드 온도별 온도분포 그래프의 기울기는 아래의 표 2와 같다.

표 2

아래의 그래프 4는 히팅밴드(330)의 온도가 80℃인 경우의 온도분포 그래프의 기울기이며, 기울기가 -33.693로 매우 경사가 급해 온도 분포가 균일하지 않고 인쇄물(P) 중간 부분이 열이 가장 높은 것을 알 수 있었다. 이 경우 히팅밴드(330)의 온도가 올라 갈수록 기울기가 0에 가까워짐이 확인되고, 가장 0에 가까운 온도는 170℃로서 이 경우에 기울기는 -1.57822로 측정이 되었으며 이 경우는 아래의 그래프 5에 나타나 있다. 또한 열원의 적용 온도를 170℃이상으로 높일수록 기울기가 0에서 멀어지는 것이 확인된다.

그래프 4

그래프 5

해석은 210℃까지 진행 하였으며 170℃로 해석하였을 경우가 온도 분포가 가장 수평에 가까웠으며 온도를 더욱 상승시켰을 경우에는 오히려 기울기가 더욱 급해지는 것이 확인된다. 결론적으로 열 해석을 통하여 출력물 휨의 원인으로 예상되는 온도 차이는 개방된 히팅 시스템을 통하여 완화시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 해석의 신빙성을 높이기 위하여 실험을 진행 하였다.

실험에 사용된 장비는 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같다. 장비의 구성은 히팅밴드(330)와, 온도제어기(335)와, 온도센서(337)로 이루어진다.

최종적으로 히팅밴드(330)를 베드(320) 상부에 배치하였으며 실험은 상온에서부터 10℃씩 증가시켜 온도분포 기울기가 0에 가장 근접했던 170℃까지 실험하였다.

실험은 총 5회 반복 실험 하였으며 관심 요인 외에 기타 원인들의 영향이 실험 결과에 미치지 않게 하기 위하여 실험 순서는 랜덤화(Randomization)하였다. 각 실험 측정한 결과의 평균값은 아래의 표 3과 같다. 측정은 가장 휨이 발생하지 않는 인쇄물(P) 정 중앙의 크기와 휨이 가장 많이 발생되는 인쇄물(P)의 모서리 부분을 측정하였으며 그 차를 휨의 값으로 정하였다. 또한 Z방향 설계 치수인 4mm와 출력물 정 중앙의 차를 제작 오차로 서 표기 하였다.

표 3

휘어짐 정도의 실험 결과의 그래프는 아래의 그래프 6과 같다. 상온에서 출력시 약 2mm정도의 휘어짐이 발생하였으며 30℃까지는 휘어짐 완화가 눈에 띄게 좋아지지 않았다. 그러나 40℃부터는 상온 대비 약 36%이상 완화 효과가 발생하였으며 온도를 높여 갈수록 설계 치수에 근접함을 알 수 있었다. 120℃로 적용하였을 경우 인쇄물(P)의 휘어짐이 0.1mm이하인 0.068mm의 정밀도로 출력되는 것이 확인되며, 온도를 120도 이상으로 적용하면 휘어짐의 완화폭이 줄어들고 휘어짐의 량이 0.1mm이하로 오르락내리락 하는 것이 확인된다.

그래프 6

아래의 그래프 7과 그래프 8은 설계치수와 측정 치수를 비교한 그래프로서 온도가 높아질수록 설계 치수에 근접함을 알 수 있고, 120℃에서 평균적으로 설계 치수와 측정 치수가 같아짐이 확인되며 그보다 높은 온도를 적용하면 치수의 차이가 다시 조금씩 멀어지는 것이 확인된다.

그래프 7

그래프 8

유한 요소 해석에 의해 170℃로 적용 하였을 때가 가장 휘어짐이 없을 것 이라고 예측 하였는데, 120℃이상으로 적용을 하면 휘어짐이 0.1mm이하로 나타났으며 90℃이상으로 적용을 하면 설계치수와 평균 0.02mm이하로 정밀하게 출력이 가능한 것이 확인된다.

실험 측정한 값들을 최소제곱 회귀분석을 이용하여 데이터를 정리 하였다. 상기 그래프 6은 종속변수와 독립변수의 관계사 선형 관계가 아니기 때문에 회귀분석에 적합한 형태로 데이터를 표현하기 위하여 멱방정식(Power equation)으로 변환하여 사용하였다.

여기서 α와 β는 상수이다. 이 모델은 공학 및 과학의 많은 분야에서 널리 사용되고 있으며, 잠재적인 모델이 알려져 있지 않은 실험 데이터를 접합하기 위하여 자주 사용된다.

α₀는 그래프의 절편을, α₁은 그래프의 기울기를 나타내었고, 휨을 종속변수y, 온도를 독립변수 x로 나타내었다.

최소제곱 접합은 다음과 같다.

해당 그래프의 직선을 원래 좌표로 나타내기 위하여 계수 α와 β를 구한다.

x와 y를 대신하여 온도와 휨을 사용한 최소제곱접합의 최종 식은 다음과 같다.

해당 공식을 사용하여 최종적으로 나타낸 적용 온도별 휘어짐 값의 그래프는 아래의 그래프 9와 같다.

그래프 9

<3-1. 히팅밴드와 에어주입부를 모두 적용하는 경우>

히팅밴드를 사용한 실험에 의해 120℃로 적용하였을 시 출력물 정밀도가 매우 좋아진 것을 확인하였다. 그렇지만 개발하고자 하는 방식은 개방형 시스템이기 때문에 사용자의 부주의로 인한 사고, 안전성이나 화재의 위험이 있을 수 있다. 따라서 히팅밴드의 온도를 낮추어 주면서 출력물 정밀도가 좋아질 수 있는 방법을 연구하였다.

히팅밴드에 열을 발생 시키는 해석 실험을 통하여 추가적인 열원만 가지고도 출력물의 휨이 줄어드는 것을 확인하였다. 그러나 이러한 복사 열전달(Thermal Radiation)만으로는 순환력이 낮고, 출력물의 온도차이가 여전히 발생하므로, 히팅밴드의 낮은 온도에서는 출력물의 휨이 발생한다. 따라서 히팅밴드의 발열량을 줄여서 온도를 낮추더라도 출력되는 인쇄물의 휨 변형을 줄일 수 있는 수단에 대한 연구가 지속되었다.

이 경우 대류-복사 복합열전달이 발생 할 수 있는 시스템을 구성하면 출력되는 공간의 순환력이 증대되고, 이에 따라 공간내부의 온도분포를 균일하게 만들어 줄 수 있을 것이라는 점에 착안하게 되었다. 따라서 순환력의 증대를 위해 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 에어주입부를 추가하였다. 에어주입부는 히팅밴드 상부로 배치하였고, 바깥방향 아래 45도를 중심으로 한 0도 내지 90도 사이의 각도로 에어 분사 각도가 형성되게 에어노즐을 제작하여 열의 순환이 더욱 잘 되도록 하였다.

에어 방출의 위치를 히팅밴드 상부로 한 이유는 에어가 발열체보다 하부에 위치하게 되면 가열된 유체의 밀도가 낮아져 상부로 유동하게 되고, 온도가 낮은 유체는 하부로 유동하게 되어 유체의 유동이 원활하게 이루어지기 어렵지만, 발열체가 하부에 위치되고 에어가 상부로부터 강제로 주입되면 히팅밴드에 충돌되는 에어는 강제로 바닥까지 하강하게 되고 에어의 방향은 히팅밴드에 반사되면서 출력되는 인쇄물을 향하게 되어 결국 인쇄물의 하부 가장자리도 고르게 가열되기 때문이다.

전산해석에 사용한 모델은 도 4b에 도시된 바와 같으며, 해석 조건은 에어주입부 설치 전의 해석과 동일한 조건으로 개방형에 맞는 경계조건을 설정하여 유체 및 열이 프린터의 내 외부를 자유롭게 오갈 수 있게 하였으며 히팅 밴드의 온도는 베드 온도인 80℃부터10℃씩 상승시켜 120℃까지 상승시켰으며, 에어주입부의 에어공급구 부분에 Inlet Volume Flow를 110L/min로 적용하였다.

도 13은 히팅밴드에 열을 120℃로 적용하였을 때의 열의 유동을 확인한 것이다. 에어공급구로 들어온 공기가 에어노즐로 뿜어져 나오며 히팅밴드의 내주면에 부딪히고, 히팅밴드로 둘러싸이는 공간을 순환하는 것을 확인하였으며, 이에 따라 열의 대류가 일어나 히팅밴드로 둘러싸이는 공간의 온도가 균일하게 유지되는 것이 확인된다. 출력되는 인쇄물의 온도 분포를 정량화 시켜 확인하기 위하여 최소자승법을 이용하여 기울기를 측정 하였으며, 각 온도 적용별 기울기는 아래의 표 4와 같다.

표 4

아래의 그래프 10부터 14까지는 히팅 시스템과 에어 히팅 시스템의 각 온도별 기울기의 비교 그래프이다. 에어주입부와 히팅밴드를 모두 적용 하였을 경우 출력물의 평균적인 온도는 에어주입부를 적용하지 않았을 때 보다 10℃가 감소하였으며, 기울기는 80℃ 적용시 약 81%, 90℃ 적용시 약 61%, 100℃ 적용시 약 99%, 110℃ 적용시 약 84% 120℃ 적용시 약 88%로 완화가 되었다. 히팅 테이프만을 이용한 히팅 시스템의 경우 출력물의 열 분포도 그래프 기울기가 10이하로 내려가려면 140℃ 이상의 열이 필요하지만 에어주입부와 히팅밴드를 함께 적용하면 낮은 온도에서도 기울기가 낮은 것이 확인된다. 이 경우 출력되는 인쇄물의 평균적인 온도는 적용 온도별로 약 10℃하락 하였지만, 온도 분포가 월등히 균등해지므로 출력되는 인쇄물의 정밀도가 히팅밴드의 적용 온도가 낮음에도 불구하고 현저하게 향상될 것으로 예상된다.

그래프 10

그래프 11

그래프 12

그래프 13

그래프 14

<3-2. 에어주입부 적용 후의 실험>

해석의 신빙성을 높이기 위하여 에어주입부를 적용한 후의 실험을 진행 하였다. 에어 히팅 시스템 실험을 위하여 설치한 장비는 도 13의 사진에 도시된 바와 같다. 실험은 기존 히팅 시스템 상부에 8 파이 공압 호스를 배치하였으며 2mm 에어노즐은 도 6에서의 에어 분사 각도가 45도가 되게 하여 60개를 생성하였다.

실험은 총 2회 반복하여 실시하였으며 실험 순서는 앞서 히팅밴드만 적용된 경우와 마찬가지로 랜덤화 하여 진행하였다. 실험결과의 평균은 아래의 표 5와 같다.

표 5

휘어짐 정도의 실험 결과의 그래프는 아래의 그래프 15와 같다. 상온에서 출력시 약 0.7mm정도의 휘어짐이 발생하였으며 온도가 올라갈수록 히팅밴드만 적용된 경우와 유사하게 휨이 줄어드는 것을 확인하였다.

그래프 16은 설계치수와 측정 치수를 비교한 그래프로서 온도가 높아질수록 설계 치수에 근접함을 알 수 있었으며, 110℃에서 설계 치수와 측정 치수가 같아짐을 확인 하였다.

그래프 15

그래프 16

실험 측정한 값들을 최소제곱 회귀분석(Least Square Method)을 이용하여 데이터를 정리 하였으며, 최소제곱접합의 최종 식은 다음과 같다.

해당 공식을 사용하여 최종적으로 나타낸 그래프는 아래의 그래프 17과 같이 나타나며, 아래의 그래프 18은 히팅밴드만 적용되는 경우와 히팅밴드와 에어주입부가 함께 적용되는 경우를 비교한 휨 변형량을 나타낸 그래프이다.

그래프 17

그래프 18

실험 결과 상온에서 히팅밴드와 에어주입부가 함께 적용된 경우는 히팅밴드만 적용되는 경우에 비하여 약 1.238mm 만큼 휨이 줄어든 것이 확인된다. 히팅밴드만 적용되는 경우에는 휘어짐량이 0.1mm이하로 내려가려면 120℃이상으로 발열을 해야 했지만, 에어주입부가 함께 적용되는 경우에는 70℃이상의 온도를 방출하면 휘어짐량이 0.1mm이하로 내려가는 것을 알 수 있다.

표 6은 히팅밴드만 적용되는 경우와 히팅밴드가 에어주입부와 함께 적용되는 경우에 각 적용 온도별 휘어짐의 개선 정도를 나타냈으며, 평균 52% 휘어짐이 향상 된 것으로 확인 된다.

히팅밴드의 열을 낮추면서 히팅밴드로 둘러싸이는 공간의 온도 분포를 고르게 하기 위한 실험은 성공적으로 진행되었으며, 사용자의 부주의로 인해 히팅밴드에 접촉되는 일이 생겨도 에어주입부가 함께 적용되는 경우 온도를 낮출 수 있으므로 장시간 접촉하지 않으면 위험 하지 않고, 화재 등의 사고 위험을 줄일 수 있다.

결론적으로 실험 결과 히팅밴드와 에어주입부가 함께 적용됨으로써 1. 낮은 범위의 히팅밴드 온도로도 출력되는 인쇄물의 정밀도가 향상되고, 2. 3D 프린터가 개방형 구조를 취하더라도 정밀도 향상으로 인하여 휨 변형이 억제되므로 개방형 구조의 장점을 최대한 살려 출력되는 인쇄물이 육안으로 확인이 가능하여 오류 발생시나 비상시에 즉각적인 대응이 가능한 효과가 있으며, 3. 낮은 온도 범위에서 인쇄물의 정밀도가 향상되는 결과 화상이나 화재의 위험이 현저하게 감소되는 것을 알 수 있다.

그리고 본 발명에 의한 3D 프린터 시스템을 이용한 3D 인쇄 방법에 관한 상세한 설명은 앞서의 설명과 중복되므로 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

A: 에어 분사 각도 P: 인쇄물
100: 입출력부 110: PC본체
120: 입력장치 130: 출력장치
200: 출력부 210: 연산기
220: 구동수단 230: 노즐
300: 베드부 310: 플랫폼
320: 베드 330: 히팅밴드
335: 온도제어기 337: 온도센서
400: 에어주입부 410: 호스
411: 에어공급구 412: 에어노즐
413: 에어공급관 420: 콤프레샤

Claims (8)

1. 입력장치와, 출력장치로 이루어져서 인쇄 정보를 생성시키는 입출력부와;
   상기 입출력부로부터 디지털 형태의 상기 인쇄 정보를 입력받아 아날로그 위치 좌표로 변환시키는 연산기와, 상기 위치 좌표를 따라 이동되는 노즐과, 상기 위치 좌표를 따라 노즐을 이동시키는 구동수단으로 이루어져 노즐로부터 분사되는 소재를 상기 인쇄 정보에 따른 형상대로 적층시키는 출력부; 및
   노즐 하부에 배치되는 평판 형상의 플랫폼과, 플랫폼 상부에 배치되는 베드와, 베드를 둘러싸며 열선이 내장되는 히팅밴드로 이루어지는 베드부;를 포함하는 3D 프린터 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 히팅밴드로 둘러싸이는 공간 내부로 에어를 주입시키는 에어주입부를 더 포함하는 3D프린터 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 에어주입부가 히팅밴드로 둘러싸이는 공간 내부로 에어를 주입시키는 방향은 히팅밴드 표면을 향하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 에어주입부는 히팅밴드의 형상에 대응되는 호스로 이루어지고, 상기 호스 표면에는 복수개의 분사 노즐이 형성되며, 호스 표면의 일정 위치에 에어 주입구가 구비되는 것을 특징으로 하는 3D프린터 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 에어주입부와 히팅밴드는 히팅밴드가 에어주입부를 둘러싸는 형상을 이루되, 에어주입부는 히팅밴드의 상부에 배치되어, 노즐의 분사방향과 히팅밴드의 내주면이 이루는 각도는 0도와 90도 사이의 일정한 각도인 것을 특징으로 하는 3D프린터 시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항으로 이루어지는 3D 프린터 시스템을 이용한 3D 출력 방법에 있어서,
   상기 입출력부에 출력정보를 입력하여 디지털 형태의 출력정보를 생성시키는 제1단계;
   상기 디지털 형태의 출력정보를 출력부로 전송하여 연산기로 상기 디지털 형태의 출력정보를 아날로그 위치 정보로 변환시키는 제2단계;
   상기 아날로그 위치 정보에 따라 구동수단으로 노즐을 이동시키면서 노즐로부터 인쇄 재료를 분사하여 인쇄물을 출력하는 제3단계;
   상기 인쇄물을 지지하는 플랫폼 둘레에 히팅밴드를 원형으로 배치하여 히팅밴드로부터 인쇄물에 열을 복사시키는 제4단계; 및
   상기 히팅밴드로 둘러싸이는 공간 내부에 에어주입부로 에어를 분사하여 대류시키는 제5단계;로 이루어지되,
   제3단계 내지 제5단계는 시간의 선후 관계는 없는 것을 특징으로 하는 3D 프린터 시스템을 이용한 3D 출력 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제5단계에서 에어를 히팅밴드의 내주면에 분사하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터 시스템을 이용한 3D 출력 방법.
8. 제7항에 있어서,
   에어 분사 각도가 히팅밴드의 상부에서 히팅밴드 내주면에 대하여 0도와 90도 사이의 일정한 각도가 되게 에어주입부를 배치하여 분사하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터 시스템을 이용한 3D 출력 방법.

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