KR20170103283A - 3d 프린팅 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린팅 제어방법에 대한 것으로, 종래 3D 프린터가 대중화되면서 많은 다양한 제품이 출시되고 있는데, FDM(또는 FFF)방식에서 사용가능한 재료의 종류는 매우 많은데 보통 PLA 또는 ABS 를 많이 사용하고 있다. 이중 ABS 재료는 주변 온도에 민감하여 일부분에서 수축되는 문제가 발생하고 출력중 또는 출력 후에도 상존하는 문제와, 종래 레이어 적층방법은 레이어 사이의 결합이 약하기 때문에 새로운 프린팅 제어방법을 통해 해결하고자 한다.

Description

3D 프린팅 제어방법{ Method control of the 3D printing}

본 발명은 3D 프린터에서 출력 제어방법에 대한 것이다. 종래 3D 프린터가 대중화되면서 다양한 제품이 많이 출시되고 있는데, 사용하는 어떤 재료에 대해서는 온도에 민감한 수축 문제로 인하여 출력이 실패하게 되고 그러면 소비한 긴 시간이 허무해지고 3D 프린터의 사용을 기피할 수 있다. 그리고 출력물의 레이어간 접착력이 약해서 강도가 요구되는 곳의 사용이 어려울 수 밖에 없다.

종래 3D 프린터는 메탈 또는 플라스틱 소재를 이용하여 3차원 물체를 형성하는 장치로 다양한 재료를 사용할 수 있고 출력하는 방식도 다양하다.

3D 프린팅 방식에는 광경화성 레진방식, 레이저 방식, FDM(또는 FFF) 용융수지 압출조형방식 등이 있고, 이들 중에 필라멘트를 사용하는 FDM 방식은 가는 실 같은 필라멘트 형태의 열가소성 물질을 노즐 안에서 녹여 얇은 필름 형태로 출력하여 한층(레이어), 한층 적층해 나가면서 3D 프린팅하는 방법이다. 노즐은 고열로 플라스틱 필라멘트를 녹이고 뽑아져 나온 필라멘트는 상온에서 경화된다.

3D 프린팅은 디지털 디자인 데이터를 이용하여 특수재료를 적층하는 방식으로 3차원 물체를 인쇄하듯 만들어 내는 기술로 볼 수 있다.

FDM(또는 FFF)방식에서 사용가능한 재료의 종류는 매우 많은데 보통 PLA 또는 ABS 를 많이 사용하고 있다. 이중 ABS 재료는 주변 온도에 민감하여 출력물 일부분에서 수축되는 문제가 발생하고 수축으로 인한 어떤 레이어가 갈라지거나 들뜨게 되는데, 3D 프린팅 중에는 물론이고 출력 완료 후에도 지속되어 증가하는 경향이 있다

PLA 에서도 수축이 발생하지만 재료의 강도가 강한 특징이 있어서 문제가 크게 확대되지 않고 쓸만하다고 생각하는 사람이 많다. 그러나 ABS 는 온도에 민감하여 수축이 심해져서 출력 중에도 레이어의 수축이 발생하고 심한 경우 결합이 약한 레이어 일부에서 갈라지기 시작하여 점점 더 확대되어 출력물이 쪼개지고 실패하는 경우가 상존하고 있다. 따라서 이를 해결하기 위하여 일부 제품에서는 3D 프린터를 챔버 속에 넣어 사용하거나 어느 정도 밀폐해서 사용함으로서 개선하고 있다. 그러나 개선한다고 하지만 현재 적층방식에서 레이어의 결합이 낮은 문제는 언제든지 문제를 야기할 수 있고 밀폐를 하기 때문에 내부 전자장치에 좋지않은 환경을 만들게 된다.

또한 광경화성 레진방식, 레이저 방식에서도 형성되는 출력물의 강도나 내구성이 종래 기계 가공에 의한 방법보다 약한 문제가 있다.

그리고 현재 3D 프린팅에서는 출력물의 적층방향은 보통 'Z'축이므로, 'Z'축 방향인 적층방향으로 노즐이 이송 또는 이동 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존 노즐의 경로에 생성되는 출력물의 단면을 자세하게 분석하여 그 해결점을 제시하고자 한다.

본 발명을 이루기 위한 수단으로 열융착 기술과 소프트웨어적인 방법을 이용하여 출력물을 구성하는 레이어 사이의 결합력을 높이고 견고한 결합을 제공함으로서 문제를 해결하고자 한다. 그리고 레이어 간에 열융착 기술을 이용함으로써 강도를 높이는 효과가 있다.

본 발명에서는 출력물을 형성하는 레이어 사이의 빈 공간을 제거하고, 레이어 간에 견고한 결합을 통해 출력물의 갈라짐을 해결하고 강도를 높일 수 있다.

도 1은 종래 3D 프린터의 소프트웨어 부분이고,
도 2는 종래 3D 프린터의 다른 방식의 3차원 동작이고,
도 3은 종래 FDM방식의 출력 적층방식이고,
도 4a는 종래 FDM방식에서 내부 공간을 30% 채울때 적층방식이고,
도 4b는 종래 FDM방식에서 내부 공간을 50% 채울때 적층방식이고,
도 4c는 종래 FDM방식에서 내부 공간을 100% 채울때 적층방식이고,
도 5a는 본 발명의 레이어별 상하 이동방식의 적층방식의 사시도이고,
도 5b는 본 발명의 레이어별 상하 이동방식의 적층방식의 정면도이고,
도 5c는 본 발명의 레이어별 상하 이동방식의 적층방식의 측면도이고,
도 5d는 본 발명의 레이어별 상하 이동방식의 적층방식의 평면도이고,
도 6a는 종래 FDM방식의 한 레이어 출력에서 XY이송 방향이고,
도 6b는 본 발명의 한 레이어 출력에서 XY이송 방향이고,
도 7은 본 발명의 프린팅 방법의 흐름도이고,
도 8은 본 발명의 프린팅 방법의 다른 흐름도이고,
도 9는 본 발명의 프린팅 방법의 또 다른 흐름도이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법은 종전에 볼 수 없던 새로운 기술을 적용하는데 이를 위해 본 발명에서 사용하는 단어를 먼저 정의할 수 있다.

"노즐"은 종래 3D 프린터에서 베드에 필라멘트를 출력하는 최종단으로서 노즐 구멍크기에 따라 출력량의 크기가 결정된다. 물론 모터 회전 수를 바꿔서 필라멘트의 가압 속도를 변경하여 출력량을 설정할 수 있지만 일차적으로 노즐 구멍에 의존된다.

"레이어"는 출력물은 Z축으로 적층하는 구조로 노즐을 통해 출력하며 한층 한층 쌓아 갈 때 그 한층을 하나의 레이어로 설명한다.

"필라멘트"는 종래 3D 프린터의 FDM 방식에서 사용되는 실 같은 모양의 원재료로서 ABS, PLA 등 많은 종류가 있다.

"STL 포맷"은 3D 디자인 데이터를 규정한 형식으로 3D 모델링 후에, "Slicing" 프로그램에 전달할 때 많이 사용하는 형식이다.

"Slicing"(슬라이싱)은 STL 포맷의 3D 디자인 데이터를 레이어별로 데이터를 분해하는 작업으로 이후에 3D 프린터에서 출력할 수 있는 형식(G-code)으로 변환한다.

"열융착"은 국어사전에 보면 열접착이란 말과 같은 말로서, 두 장의 열가소성 플라스틱의 표면을 열과 압력을 가하여 붙이는 일을 뜻한다.

종래 3D 프린터는 3D 모델링 작업을 하여 STL 포맷으로 슬라이싱 프로그램에 넘겨서 출력물의 특성에 맞게 여러 옵션을 주고 슬라이싱을 한다. 그리고 G-code 형식으로 출력하여 3D 프린터에 전달하게 된다. 3D 프린터에서는 출력물의 재료 선정과 노즐 또는 베드의 온도를 설정하고 출력을 시작하면 상기 슬라이싱된 G-code 데이터에 따라 3차원으로 움직여 노즐의 경로를 생성하면서 하나의 레이어씩 3D 형상을 생성하게 된다.

종래 3D 프린터는 도 1에 보면, "Print Bed"는 Y축 방향으로 움직이고, "Extruder"은 X축 방향으로 움직이게 된다. 그리고 "Extruder"를 고정하고 있는 지지대는 Z축으로 움직이게 된다. 처음 출력시 "Extruder"는 상기 "Print Bed"에 맞닿아서 "Hot End"의 노즐을 통해 용융된 "Filament"로 "Print Bed"에 그리게 된다. 첫 레이어를 다 그리면 "Extruder"를 고정하는 지지대는 Z축 방향 즉 위쪽으로 소정의 레이어 높이만큼 상승하고, 다시 "Hot End"의 노즐을 통해 용융된 "Filament"로 먼저 만들어져 굳어버린 출력물 위에 적층하는 방식으로 구동된다.

도 1은 종래 3D 프린터의 소프트웨어 부분의 순서를 보여주는 것으로, 3D 모델을 통해 G-CODE 제너레이터 즉, 슬라이싱을 해서 G-code 를 출력하면 3D 프린터에서는 G-code 순서대로 X - Y - Z 축을 이송하며 "Extruder"에서 재료를 출력하게 된다.

도 2는 종래 3D 프린터의 다른 방식의 3차원 동작으로, 출력물이 적층되는 모습을 자세하게 볼 수 있다. 이 방식의 차이는 Z축의 조형판(또는 베드)가 하향식으로 차이가 있고. "Extruder"는 X축 및 Y축으로 움직일 수 있는 차이가 있으나 출력물을 적층하는 방법은 동일하다. 도 2에서 "Extruder"는 듀얼노즐 타입을 보이고 있으나 싱글노즐 또는 듀얼노즐에서도 적층방법은 동일하다.

도 3은 종래 FDM방식의 출력 적층방식으로, 출력물이 3차원 적층되는 모습을 화살표대로 반시계방향으로 보여주고 있다. 상기 회색이 출력물이고 적색 부분은 해당 시간에서 출력되는 레이어의 위치를 보여주고 있다.

도 4a는 종래 FDM방식에서 내부 공간을 30% 채울때 적층방식으로서, 각 레이어별로 위아래 측만 접촉하는 모양으로 결합되며 내부 공간의 채움을 30% 로 하는 경우를 볼 수 있다. 내부 채움 모양이나 방법은 격자, 직각교차 또는 사선교차, 지그재그 방식 등 여러 모양이 가능하다. 그런데 출력 모양에서 한가지 특징을 찾으면 위아래 레이어 별로 일정 부분만이 접촉되는 특징을 갖고 있음을 알 수 있다.

도 4b는 종래 FDM방식에서 내부 공간을 50% 로 채울때 적층방식으로서, 도 4a보다 좀더 밀집되지만 구조적으로 동일하게 위아래 레이어 별로 일정 부분만이 접촉되는 특징을 갖고 있음을 알 수 있다. 전체적으로 보면 위아래 접촉부분은 도 4a보다 좀 더 많아서 결합력이 좋게 된다.

도 4c는 종래 FDM방식에서 내부 공간을 100% 로 채울때 적층방식으로서, 위아래 레이어가 거의 모두 접촉되는 모양이지만 구조적으로 동일하게 위아래 레이어별로 일정부분 만이 접촉되는 특징을 갖고 있음을 알 수 있다.

도 5a는 본 발명의 레이어별 상하 이동방식의 적층방식의 사시도로서, 도 4a와 같은 채움 30% 일 때에 본 발명의 방법으로 출력 중에 노즐을 상하이동시켜서 출력한 것이다. 도면을 보면 알 수 있듯이 출력 중인 어느 레이어에서 이전 레이어의 출력이 없는 빈 공간이 있으면 노즐을 이전 레이어 위치로 프린터의 Z축을 조절하여 낮춰서 출력하여 얻는 모양을 보여주고 있다. 이런 방법으로 출력함으로서 레이어 사이의 결합력을 높일 수 있다. 도면을 보면 어느 하나의 레이어는 노즐의 경로를 따라 아래 레이어 및 그아래 레이어와 단단한 접촉을 하게되어 종래 방식보다 결합력을 높이게 된다. 이런 방법의 출력시 얻는 결합력은 인접한 레이어 사이에는 위, 좌측, 우측 접촉으로 종래보다 3배의 접촉이 가능하고, 그아래 레이어와도 결합할 수 있게 됨으로서 훨씬 더 강한 결합을 제공할 수 있게 된다.

도 5b는 본 발명의 레이어별 상하 이동방식의 적층방식의 정면도로서, 도 5a의 도면을 정면에서 보는 도면이다.

도 5c는 본 발명의 레이어별 상하 이동방식의 적층방식의 측면도로서, 도 5a의 도면을 측면에서 보는 도면이다.

도 5d는 본 발명의 레이어별 상하 이동방식의 적층방식의 평면도로서, 도 5a의 도면을 평면에서 보는 도면이다. 도면의 설명은 내부 채움에 대한 방법으로 설명하고 있지만 본 발명은 내부 채움으로만 한정하는 것은 아니고 출력물의 표면에도 적용할 수 있는데 종래 표면 출력 방법과 혼합하여 사용할 수 있다.

도 6a는 종래 FDM방식의 한 레이어 출력에서의 XY이송 방향을 보여주는 한 예이다.

도 6b는 본 발명의 한 레이어 출력에서 XY이송 방향을 보여주는 것으로서, 노즐의 진행방향 중에서 노즐을 정지한 상태로 Z축을 조절하여 소정의 깊이와 시간으로 이전 레이어의 방향으로 이송(보통 하강으로 표현함)한 후에 상승 복귀하도록 한다. 이렇게 함으로서 고열의 노즐로 출력물의 일정 위치를 눌러줌으로서 열융착 작업을 하게 된다. 열융착은 열과 압력으로 두 물체를 결합 고정하는 한 방법으로 강한 결합을 얻을 수 있다. 본 발명에서는 고열을 내는 노즐을 출력물의 적층방향의 반대방향(이전 레이어의 방향)으로 이송시켜 출력물을 눌러줌으로서 압력을 대신하는 효과를 얻을 수 있다. 이런 방법은 가능한 표면보다 내부의 일정 위치에서 하는 것이 좋은 표면의 출력물을 얻을 수 있다.

도 7은 본 발명의 프린팅 방법의 흐름도로서, 시작 단계(S70), 3D 프린터가 3D모델링 Gcode 파일을 읽어들이는 단계(S71), 상기 모델링 데이터로 레이어를 출력하는 단계(S72), 레이어를 증가하여 출력하는 단계(S73), 노즐을 상기 데이터의 경로를 따라 이동하며 출력하는 단계(S74), 이전 레이어가 출력되었는지 판단하는 단계(S75), 출력된 이전 레이어에 공간이 있는지를 판단하는 단계(S76)로 만약 빈공간이 존재한다면 이전 레이어의 빈공간에 평소 노즐의 출력량을 2배로 출력하는 단계(S77)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이렇게 노즐에서 2배로 출력함으로써 이전 레이어의 측면은 물론이고 그 이전 레이어와도 접촉되어 높은 결합을 얻을 수 있다.

도 8은 본 발명의 프린팅 방법의 다른 흐름도로서, 시작 단계(S80), 3D 프린터가 3D모델링 Gcode 파일을 읽어들이는 단계(S81), 상기 모델링 데이터로 레이어를 출력하는 단계(S82), 레이어를 증가하여 출력하는 단계(S83), 노즐을 상기 데이터의 경로를 따라 이동하며 출력하는 단계(S84), 이전 레이어가 출력되었는지 판단하는 단계(S85), 출력된 이전 레이어에 공간이 있는지를 판단하는 단계(S86)로 만약 빈공간이 존재한다면 이전 레이어의 공간에는 노즐을 한 레이어 만큼 하강하여 출력하고 공간이 끝나는 위치에서 한 레이어 상승하여 출력을 계속한다. 이렇게 노즐을 하강 및 상승 복귀함으로써 이전 레이어의 측면은 물론이고 그 이전 레이어에도 출력되어 다수 레이어 사이에 높은 결합을 얻을 수 있다.

도 9는 본 발명의 프린팅 방법의 또 다른 흐름도로서, 시작 단계(S90), 3D 프린터가 3D모델링 Gcode 파일을 읽어들이는 단계(S91), 상기 모델링 데이터로 레이어를 출력하는 단계(S92), 레이어를 증가하여 출력하는 단계(S93), 노즐을 상기 데이터의 경로를 따라 이동하며 출력하는 단계(S94), 이전 레이어가 출력되었는지 판단하는 단계(S95), 현재 위치가 열융착점인지 판단하는 단계(S96)로 만약 열융착점 위치이면 노즐의 필라멘트 출력과 이송을 정지하고, 소정의 레이어 깊이만큼 노즐을 하강하고 소정의 시간만큼 기다렸다 상승 복귀하게 된다. 이렇게 노즐을 하강함으로써 현재 레이어와 이전 레이어를 열융착시켜 레이어 사이에 높은 결합을 얻을 수 있다.

상기 열융착점 위치는 슬라이싱 프로그램에서 랜덤하게 설정하여 G-code 파일을 출력하여 사용하거나 그런 열융착점 위치가 없는 G-code 파일 경우에는 3D 프린터에서 출력물을 형성하는 과정에서 랜덤한 위치에 열융착점을 사용할 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

1 : 노즐 2 : 필라멘트

Claims (5)

1. 3D 프린터에서 출력물을 형성하려는 재료와 구동장치를 포함하고,
   소정의 모델링을 출력하는 경우에 출력물을 형성하는 방법에 있어서,
   경로에 따라 노즐을 이동하는 단계를 포함하고,
   상기 노즐은 출력을 유지하며 이전 또는 다음 레이어로 이동하고 복귀하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 제어방법.
2. 제1항에서,
   현재 위치가 열융착점인지를 판단하는 단계를 포함하며,
   열융착점 위치이면 노즐 출력을 정지하고 노즐을 이전 레이어 방향으로 소정의 레이어와 시간만큼 이동한 후 복귀하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 제어방법.
3. 제1항에서,
   현재 위치에서 이전 레이어에 공간이 있는지를 판단하는 단계를 포함하며,
   공간이 있는 위치에는 노즐을 이전 레이어 방향으로 이동하여 출력하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 제어방법.
4. 제1항에서,
   현재 위치에서 이전 레이어에 공간이 있는지를 판단하는 단계를 포함하며,
   공간이 있는 위치에는 노즐은 레이어를 변경하지 않고 노즐의 출력량을 추가하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 제어방법.
5. 제1항 내지 제4항의 방법 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
   

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