KR20170108729A - 3d프린터의 필라멘트 공급 검사 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D프린터의 필라멘트 동작 검출 방법에 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. 이들 필라멘트는 보통 스풀에 감겨져 사용되는데 보통 장시간 사용하게 되고 출력중에 필라멘트의 부족이나 슬립, 절단 등의 문제가 발생할 수 있다. 이런 경우 필라멘트의 상태를 검출하여 알람을 통해 해결하고자 한다.

Description

3D프린터의 필라멘트 공급 검사 장치 및 방법{ Method and apparatus for monitoring of filament feeding in 3D printer }

본 발명은 3D 프린터에서 필라멘트 공급 검사 장치 및 방법에 대한 것이다. 종래 3D 프린터가 대중화되면서 다양한 제품이 많이 출시되고 있는데, FDM방식 3D프린터에 사용하는 필라멘트는 노즐까지 공급이 제대로 되는지가 중요한 관건이 된다. 노즐은 고온으로 설정되고 제어되기 때문에 필라멘트가 노즐까지만 공급이 되면 출력은 정상적이라고 생각해도 된다. 하지만 현재 필라멘트 공급이 정상인지 확인할 수 있는 장치가 없고 있더라도 성능이 많이 부족하다.

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. 그런데 이러한 방식에서는 출력시간이 가장 오래걸리는 단점을 가지고 있는데 출력 중간에 필라멘트의 문제로 인하여 노즐에서 출력이 안된채로 계속 동작하는 문제가 있다. 그런 문제는 필라멘트의 부족이나 절단, 익스트루더모터에서 슬립문제 등 다양하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존 익스트루더모터와 노즐 사이에 센서를 추가하여 필라멘트의 공급 상태의 확인을 통해 해결점을 제시하고자 한다.

본 발명을 이루기 위한 수단으로 로드셀(load cell)이나 resistive strain gauge, pressure sensor, FSR(Force Sensitive Resistor), torque sensors, position sensors 등에서 하나를 이용할 수 있다.

상기 센서 중에서 본 발명의 설명에 이용되는 로드셀은 "압력 즉 단위면적당 가해지는 힘(인장 혹은 압축)을 측정하는 센서로, 엄밀히 말하면 하중(Load)를 측정하는 것인데, 측정된 하중을 센서의 계측부 면적으로 나누어 주면 압력이 된다." 로서 하중이나 압력 값을 측정할 수 있어서 노즐에 공급되는 필라멘트의 상태를 알 수 있기 때문에 문제를 해결할 수 있다.

본 발명에서는 노즐에 공급되는 필라멘트의 상태를 확인할 수 있어서 3D 프린터 사용 중의 문제에 초기 대응할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 3D 프린터의 소프트웨어 부분이고,
도 2는 종래 3D 프린터의 다른 방식의 3차원 동작이고,
도 3은 종래 FDM방식의 출력 적층방식이고,
도 4는 종래 FDM방식의 익스트루더모터와 노즐 어셈블리이고,
도 5는 본 발명에 사용되는 로드셀 사진이고,
도 6a는 본 발명의 익스트루더모터와 노즐 어셈블리의 사시도이고,
도 6b는 본 발명의 익스트루더모터와 노즐 어셈블리의 측면도이고,
도 6c는 본 발명의 익스트루더모터와 노즐 어셈블리의 정면도이고,
도 7은 본 발명의 로드셀 회로의 블럭 구성도이고,
도 8은 본 발명의 필라멘트 동작 검출 방법의 흐름도이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D프린터의 필라멘트 동작 검출 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.

"익스트루더(이하 압출로 표기)"은 필라멘트를 노즐에 삽입한다는 뜻이고,

"익스트루더모터"은 필라멘트를 노즐에 계속적으로 삽입하기 위한 모터를 의미하고,

"익스트루더모터와 노즐 어셈블리"는 필라멘트를 압출하기 위한 모터와 베어링, 기어, 모터 브라켓, 레버, 스프링, 너트, 쿨링팬, 베이스, 써멀배리어, 히팅블럭, 히터, 센서, 노즐 등을 포함한다.

"FSR(Force Sensitive Resistor)"는 압력센서의 하나로서 물리적인 압력, 무게 등을 측정할 수 있도록 고안된 센서로 구조도 간단하고 가격도 저렴한 장점이 있는 반면에 정확도는 떨어지는 편이다. FSR 이라는 이름처럼 압력 센서는 압력에 따라 센서의 저항값이 변화하고 아무런 압력이 없을 경우 센서는 무한대의 저항값을 가진다. 이것은 보통 누르는 힘에 비례하는 출력을 얻을 수 있다. 로드셀은 처음 한번은 ZERO 설정을 해줘야하는 차이가 있다.

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 4는 종래 FDM방식의 압출모터와 노즐 어셈블리로서, 필라멘트(미표시)를 필라멘트삽입구(41)에 삽입하여 베어링(42)와 모터(49) 축에 장착된 기어 사이로 끼워져 모터(49)가 동작하면 기어가 회전함으로써 필라멘트를 노즐(44)로 밀어주게 된다. 모터브라켓(43)은 모터(49)를 고정하기 위한 것이며, 레버(48)은 볼트와 스프링에 의해 일단에 장착된 베어링(42)를 상기 기어 쪽으로 밀고 있는 상태를 유지한다. 필라멘트를 베어링(42)와 기어 사이로 끼울 때에는 이 레버(48)을 아래로 누르면 스프링이 수축되고 레버(48)의 말단에 장착된 베어링(42)은 기어와 떨어지게 된다. 이때 필라멘트를 그 사이로 밀어넣고 상기 레버(48)를 놓게 되면 베어링(42)와 기어가 맞물리면서 필라멘트를 고정하게 된다. 이것을 준비상태라고 할 수 있는데 이후에 모터를 동작하게 되면 기어의 회전에 의해 필라멘트는 노즐 방향으로 공급할 수 있다.

필라멘트를 공급하는 방식은 다이렉트(Direct) 방식과 보우덴(Bowden)방식이 있는데, 각 방식의 장/단점이 있다.

상기 다이렉트(Direct) 방식은 압출모터가 노즐 바로 위에 위치하고 있어 필라멘트를 다이렉트로 밀어내 주는 방식으로서 장점은 필라멘트와 노즐 사이의 거리가 짧아 필라멘트를 안정적으로 공급해줄 수 있어서 출력 품질로 직결되어 이상적인 출력을 하기에 용이하다. 그러나 단점으로는 압출 모터가 헤드부에 장착되어 그만큼 구동부가 무거워지고 고속출력을 하기에 무리가 따른다.

상기 보우덴(Bowden)방식은 필라멘트를 공급하는 장치를 프린터 외각으로 빼내고 필라멘트의 불안전한 공급을 보정하기 위해서 테프론 튜브로 헤드부와 압출부를 연결한 방식으로서 장점은 압출 모터와 헤드부의 분리로 그만큼 구동부가 가벼워졌고 고속으로 출력이 용이하다는 것이다. 그러나 단점은 헤드부와 압출부의 거리로 인해 압출기의 모터가 많은 부하를 받게 되고, 압출 응답속도가 늦어져 출력 품질이 떨어질 우려가 있다.

상기 다이렉트와 보우덴 방식의 차이는 노즐과 압출모터의 거리 차이로 이해하는게 쉽다. 본 발명에서는 다이렉트방식으로 설명하고 있지만 보우덴 방식에서도 적용할 수 있음을 밝혀둔다.

도 5는 본 발명에 사용되는 로드셀 사진으로서, 로드셀의 일례를 보인 것이지 이런 모양으로 한정하는 것은 아니다. 로드셀은 전자식 체중계에서 주로 쓰이고 있는데 전원을 켜고 ZERO 버튼을 누른 후에 체중계에 올라가면 체중을 정확히 알려주는 특징이 있다.

도 6a는 본 발명의 익스트루더모터와 노즐 어셈블리의 사시도로서, 로드셀(70)이 모터(69)와 베이스(67) 사이에 추가된 것을 알 수 있다. 상기 베이스(67)는 보통 X축 이송모터와 연결된 벨트에 장착되어져 움직인다. 그리고 필라멘트 삽입 방법 및 모터(69) 동작은 종전과 동일하다.

도 6b는 본 발명의 익스트루더모터와 노즐 어셈블리의 측면도로서, 장착된 로드셀(70)을 잘 볼 수 있다. 로드셀(70) 위아래에는 스페이서(71)가 삽입되어 로드셀(70)의 비틀림이 가능하도록 유격을 확보해 준다. 상기 스페이서(71)는 로드셀(70)의 일단에 일체로 형성된 것을 사용하는 경우 생략해도 좋고 오히려 더 바람직하다.

모터브라켓(63)은 모터(69)를 장착하기 위한 것이며, 베이스(67)는 이 어셈블리를 X축 이송모터에 연결할 수 있게 한다.

도 6c는 본 발명의 익스트루더모터와 노즐 어셈블리의 정면도로서, 도 4와 비슷한데 로드셀(70)과 스페이서(71)이 추가된 것을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 로드셀 회로의 블럭 구성도로서, 로드셀(70)의 출력은 앰프(75)를 통해 ADC(76)으로 디지털 데이터로 변환되어 CPU(77)로 읽어들인다. CPU(77)에서는 로드셀(70)의 데이터 변화에 따라 지정된 동작을 할 수 있다. 이때 데이터의 변화는 센서의 특성에 따라 결정할 수 있다. 로드셀(70)은 특성이 절대값 대신에 상대적인 값을 얻을 수 있는데 이때에는 도 8의 흐름도에 따라 동작할 수 있다.

도 8은 본 발명의 필라멘트 동작 검출 방법의 흐름도로서, 시작 단계(S80), 노즐의 출력이 정상인지 판단하는 단계(S81)로 정상이 아니면 노즐 시험출력을 수행하는 단계(S82), 노즐 출력이 정상이면 압출모터의 압출시 발생하는 압력값을 로드셀로부터 획득하고 이것을 ZERO 로 설정한다. 로드셀은 특성상 상대적인 값을 얻기 때문에 ZERO 로 설정하는게 좋다.

상기 압출모터가 동작하는지 검출하는 단계((S84)로 동작하면 로드셀의 압력변화를 측정하는 단계(S85), 상기 압출모터의 회전 방향을 판단하는 단계(S86)로 정회전이면 압력변화값이 기준 압력값(Pth)보다 크게 변화되는지 판단하는 단계(S87)에서 크게 변화되면 노즐막힘이나 과부하를 알려주는 단계(S88)를 수행한다. 상기 압력변화값이 기준 압력값(Pth)보다 작게 변화되는지 판단하는 단계(S89)에서 작게 변화되면 필라멘트 문제가 있음을 알려주는 단계(S90)를 수행한다. 상기 단계(S87), 단계(S89)에 사용되는 압력값(Pth)은 서로 달리 사용할 수도 있다.

상기 단계(S86)에서 역회전 동작으로 판단되면, 압력변화값이 기준 압력값(Pth)보다 크게 변화되는지 판단하는 단계(S91)에서 크게 변화되면 어떤 이상문제가 발생했음을 알려주는 단계(S92)를 수행한다. 상기 압력변화값이 기준 압력값(Pth)보다 작게 변화되는지 판단하는 단계(S93)에서 작게 변화되면 필라멘트 문제가 있음을 알려주는 단계(S94)를 수행한다.

상기 판단하는 단계를 잘 넘어가면 필라멘트가 정상동작하고 있음을 알려주는 단계(S95)를 수행한다.

이상 본 발명에서는 필라멘트의 문제를 파악하는데 설명하고 있지만 압력변화를 정확히 획득하면 필라멘트의 압출량을 측정할 수도 있을 것이다. 그럼 압출량의 변화를 파악해서 필라멘트의 굵기나, 압출모터에서 슬립 현상 등을 확인할 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.

41, 61 : 필라멘트 삽입구 42, 62 : 베어링
43, 63 : 모터브라켓 44, 64 : 노즐
45, 65 : 히팅블럭 46, 66 : 히터
47, 67 : 베이스 48, 68 : 레버
49, 69 : 모터 70 : 로드셀
71 : 스페이서

Claims (5)

1. 3D 프린터에서 출력물을 형성하려는 필라멘트와 구동장치를 포함하고,
   소정의 모델링을 출력하는 경우에 노즐에 공급되는 필라멘트의 상태를 확인하는 방법에 있어서,
   압출모터의 동작과 센서의 출력을 읽어들이는 단계,
   상기 읽은 센서값을 기준값과 비교하는 단계를 포함하고,
   상기 상기 비교 결과에 따라 필라멘트의 공급이 정상인지 아닌지를 알려주는 것을 특징으로 하는 3D프린터의 필라멘트 동작 검출 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 압출모터의 동작에 따라 센서의 변화를 체크하여 필라멘트의 굵기 변화 또는 슬립을 알려주는 것을 특징으로 하는 3D프린터의 필라멘트 동작 검출 방법.
3. 제1항에 있어서,
   노즐을 시험출력하여 정상상태로 설정하는 단계를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 3D프린터의 필라멘트 동작 검출 방법.
4. 3D 프린터에서 출력물을 형성하려는 필라멘트와 구동장치를 포함하고,
   소정의 모델링을 출력하는 경우에 노즐에 공급되는 필라멘트의 상태를 확인하는 장치에 있어서,
   베이스에 장착되는 노즐,
   상기 노즐에 필라멘트를 공급하는 압출모터,
   상기 압출모터와 노즐 사이에서 필라멘트의 압력 등을 측정하는 센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 3D프린터의 필라멘트 동작 검출 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 압출모터와 센서의 일단에 장착된 모터브라켓을 추가하고,
   상기 센서의 일단은 상기 베이스에 장착되는 것을 특징으로 하는 3D프린터의 필라멘트 동작 검출 장치.

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