KR20180036499A - 공종별 분리가 가능한 콘트롤 포인트 기반 비정형 외장패널의 3d 프린팅 시스템 및 방법 - Google Patents

공종별 분리가 가능한 콘트롤 포인트 기반 비정형 외장패널의 3d 프린팅 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공종별 분리가 가능한 콘트롤 포인트 방식을 이용한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템 및 방법에 관한 것으로, 성형판(110) 하부면에 연결되는 다수개의 높이 조절봉(130)이 수직방향으로 이동되도록 일정한 간격으로 배열되어 설치된 성형 작업대; 성형 작업대 하부에서 상기 높이 조절봉(130)과 각각 체결되고 회동을 통해 상기 높이 조절봉(130)의 상하 이동을 제어하여 성형판 표면의 지점(control point)별 높이를 설정하는 성형판 표면 높이 설정장치(200); 및 표면 높이가 설정된 상기 성형판 상부에 비정형 외장패널 형상을 3D 프린팅하는 3D 프린팅 장치를 포함하여 구성된다.

Description

공종별 분리가 가능한 콘트롤 포인트 기반 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템 및 방법{DETACHABLE CONTROL-POINT-BASED 3D PRINTING SYSTEM AND METHOD FOR IRREGULARLY SHAPED PANELS}
본 발명은 3D 프린팅 장치 및 방법에 관한 것으로, 별도의 거푸집이 필요치 않고, 각 공정별 분리작업이 가능하여, 생산효율성이 높고, 경제성도 우수하면서도, 표면품질이 우수한 비정형 콘크리트 외장패널을 제조할 수 있는 콘트롤 포인트 기반 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템 및 방법에 관한 것이다.
종래의 비정형 콘크리트 부재 생산은 수작업 또는 CNC기계로 스티로폼으로 거푸집을 깎고 유리섬유강화콘크리트(GFRC)를 부어 만들었지만, 이 방법이 매우 느려 경제성이 떨어졌다. 이를 개선하기 위하여 MPSF (multiple post stretch forming) 방식으로 금속판을 성형하여 거푸집으로 사용하는 기법이 개발되었다. 그러나, MPSF의 경우, 금속판을 거푸집으로 이용하여 그 단가가 비쌌다. 이를 보완할 수 있는 기술로 디쉐이프(D-Shape)나 아말가마(Amalggama) 등의 회사에서 파우더베드 (power-bed) 방식의 3D 프린팅을 사용하여 비정형 콘크리트 패널을 만드는 도 1의 파우더 베드 방식의 기술을 개발하였다. 그러나, 도 2는 종래의 파우더 베드 방식으로 결과물의 예로, 종래의 파우더 베드 방식은 그 마감이 매우 거칠다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1648768호(등록일자: 2016년08월10일) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0094684호(공개일자: 2015년08월19일)
본 발명에 따른 공종별 분리가 가능한 콘트롤 포인트 기반 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템 및 방법은 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 본 발명은 별도의 거푸집 제작과정이 필요치 않아, 생산성이 높고 경제성이 우수한 외장패널 프린팅 시스템 및 방법을 제공하고자 함이다.
둘째, 거푸집 대신 비정형 패널의 형태에 따라 주요 지점(control point)을 조절하여 원하는 비정형 형상을 만들어 줄 수 있는 특수 성형판을 이용하여, 빠르고 경제적인 비정형 외장패널을 제조할 수 있는 3D 프린팅 장치 및 방법을 제공하고자 함이다.
셋째, 본 발명은 비정형 패널 생산을 위한 여러 세부 공종(task or job)별로 장비의 분리가 가능하여 연속적으로 여러 공종을 동시에 수행할 수 있도록 함으로써, 간단한 구성과 구조로 비정형 패널의 대량생산이 가능하게 되고 공정시간을 단축시킬 수 있으며, 제작원가도 낮출 수 있는 3D 프린팅 장치 및 방법을 제공하고자 함이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 제1 특징은, 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템으로, 성형판 하부면에 연결되는 다수개의 높이 조절봉이 수직방향으로 이동되도록 배열되어 설치된 성형 작업대; 성형 작업대 하부에서 상기 높이 조절봉과 각각 체결되고 회전을 통해 높이 조절봉의 상하 이동을 제어하여 성형판 표면의 지점(control point)별 높이를 설정하는 성형판 표면 높이 설정장치; 및 표면 높이가 설정된 상기 성형판 상부에 비정형 외장패널 형상을 3D 프린팅하는 3D 프린팅 장치를 포함한다.
여기서, 상기 성형판의 재질은 유연소재인 것이 바람직하고, 상기 성형판 상부에 적어도 하나의 성형패드가 부착되는 것이 바람직하고, 상기 성형 작업대는, 다리; 성형 작업대 상판에 고정된 회전이 가능하도록 수직방향으로 배치된 다수의 암나사; 및 상기 암나사에 삽입 체결되어 암나사의 회전으로 수직방향의 이동이 가능한 스크류형 높이 조절봉을 포함하는 것이 바람직하다.
더하여, 상기 높이 조절봉은, 각 상단 단부에 상기 성형판의 하부면과의 유연 연결이 가능한 볼 조인트가 설치된 것이 바람직하고, 상기 성형판 표면 높이 설정장치는, 상기 각 암나사의 하단에 체결되는 체결부; 상기 체결부를 위아래로 올리거나 내려 암나사와 체결하거나 분리해주는 체결부 높이조절장치; 및 상기 체결된 BIM 모델로부터 받은 형상정보에 따라 암나사를 회전시키는 회전 구동부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 생산할 비정형 패널의 BIM(building information modeling) 모델에 따라 상기 성형판 표면 높이 설정장치 및 3D 프린팅 장치를 제어하는 통합 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하고, 성형판 표면 높이 설정장치에 의해 표면 높이가 설정된 성형판을 스캔하여, 성형판 상에서 생산할 비정형 패널의 BIM(building information modeling) 모델의 형상과 일치하는 위치를 찾아 주는 3D 레이저 스캐너를 더 포함하는 것이 바람직하다.
더하여, 상기 성형 작업대는, 공정 라인을 따라 이동 가능하도록 바퀴 또는 레일과 같이 이동이 가능한 수단을 구비하는 것이 바람직하고, 상기 3D 프린팅 장치는, 성형판 표면 높이 설정장치에 의해 표면 높이가 설정된 성형판에 프린팅 구역의 외곽 테두리를 프린팅하는 제1 3D 프린팅 장치; 및 프린팅된 외곽 테두리 내부 구역을 프린팅하는 제2 3D 프린팅 장치를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 성형판 표면 높이 설정장치에 의해 표면의 지점(control point)별 높이를 설정된 성형판 상부를 스캔하여 3D 프린팅할 형상 정보를 획득하는 3D 스캐너를 더 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 제2 특징은, 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 방법으로, 상술한 3D 프린팅 시스템을 이용하여, (a) 표면 높이 설정장치가 개별적인 각 높이 조절봉을 수직 상방으로 이동시켜 미리 설정된 성형판 표면의 지점(control point)별 높이를 설정하는 단계; (b) 3D 스캐너에 의해 표면의 지점(control point)별 높이를 설정된 성형판을 스캔하여 성형판 상에서 비정형 패널을 출력할 위치정보를 획득하는 단계; 및 (c) 3D 프린팅 장치가, 획득한 위치정보를 바탕으로 성형판에 비정형 패널의 형상을 3D 프린팅하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (a) 단계는, (a1) 표면 높이 설정장치를 각 상기 높이 조절봉의 하단에 체결하는 단계; 및 (a2) 표면 높이 설정장치를 구동하여, 미리 설정된 성형판 표면의 지점(control point)별 높이를 설정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 (c) 단계는, (c1) 제1 3D 프린팅 장치가 성형판 표면 높이 설정장치에 의해 표면 높이가 설정된 성형판에 프린팅 구역의 외곽 테두리를 프린팅하는 단계; 및 (c2) 제2 3D 프린팅 장치가 프린팅된 외곽 테두리 내부 구역을 프린팅하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 각 단계별로 작업대를 이동하여 작업하는 연속 공정인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 공종별 분리가 가능한 콘트롤 포인트 기반 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 일반적인 거푸집 대신 성형판을 콘트롤 포인트(Control Point) 방식으로 원하는 형상으로 만들고, 그 성형판 위에 유리강화섬유콘크리트(GFRC) 또는 기타 재료를 3D 프린팅하여 비정형 패널을 생산하는 방식을 제안함으로써, 다양한 형태의 우수한 표면 품질의 비정형 패널을 빠르고 경제적으로 제조할 수 있는 비정형 콘크리트 외장패널 3D 프린팅 시스템 및 방법을 제공한다.
둘째, 본 발명은 각각의 높이 조절봉이 비정형 형상의 성형판 굴곡 형상으로 형성되도록 각 지점별 높이로 셋팅되고, 필요시 성형판 높이 설정장치와 분리하여 다음 작업이 가능하도록 이동할 수 있는 구조를 제안함으로써, 간단한 구성과 구조로 비정형 패널의 대량생산이 가능하도록 하고 공정시간을 단축시킬 수 있다.
셋째, 본 발명은 외곽 테두리에 경화가 빠른 재료로 1차 프린팅을 한 후 내부를 2차 프린팅하는 방식으로 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있는 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템 및 방법을 제공한다.
넷째, 본 발명은 성형판과 높이 조절봉이 볼 조인트로 연결되어 각각의 높이 조절봉이 수직 이동하면서 높이가 달라지게 되더라도, 볼 조인트가 회동하면서 자연스러운 유연 연결이 가능하게 되어 성형판의 서로 다른 표면 높이 설정에 따른 형상 왜곡을 최소화할 수 있는 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 2는 종래의 파우더 베드(Power-bed) 방식의 3D 프린팅 결과물을 나타낸 예이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공종별 분리가 가능한 콘트롤 포인트 기반 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공종별 분리가 가능한 콘트롤 포인트 기반 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템에서 성형 작업대와 성형판 표면 높이 설정장치의 결합 측면도이다.
도 5는 성형 작업대의 높이 조절봉과 성형판의 연결을 나타내는 측면 확대도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공종별 분리가 가능한 콘트롤 포인트 기반 비정형 외장패널의 3D 프린팅 방법의 프로세스를 나타내는 모식도이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "체결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 체결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 체결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 비정형 외장패널의 소재는 외장패널로서의 강도가 확보될 수 있는 다양한 소재를 모두 포함하며, 특정 소재에 한정되지 아니함은 명확하다. 다만, 설명의 용이함을 위하여, '콘크리트 소재'로 구비된 비정형 콘크리트 외장패널을 주요 실시예로 삼아 본 발명을 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분리가 가능한 콘트롤 포인트 기반 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템의 구성을 나타내는 모식도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템은, 성형판 하부면에 연결되는 다수개의 높이 조절봉(130)이 수직방향으로 이동되도록 일정한 간격으로 배열되어 설치된 성형 작업대(100); 성형 작업대(100) 하부에서 상기 높이 조절봉(130)과 각각 체결되고 회전을 통해 상기 높이 조절봉(130)의 상하 이동을 제어하여 성형판 표면의 지점(control point)별 높이를 설정하는 성형판 표면 높이 설정장치(200); 및 표면 높이가 설정된 상기 성형판 상부에 비정형 외장패널 형상을 3D 프린팅하는 3D 프린팅 장치를 포함하여 구성된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템은, 연속적인 공정 라인을 따라 이동할 수 있고, 다수의 높이 조절봉(130)이 수직 상하 이동되도록 일정한 간격으로 배열되어 설치된 작업대(100)와, 성형 작업대(100) 하부에서 상기 높이 조절봉(130)과 체결되어 3차원 BIM(Building Information Modeling) 모델로부터 높이정보를 받아 그 값에 따라 높이 조절봉(130)을 수직방향으로 구동시켜 성형판 표면의 지점(control point)별 높이를 설정하는 성형판 표면 높이 설정장치(200)와, 3D 레이저 스캐너(400)와, 비정형 패널의 테두리 출력을 위한 제1 3D 프린팅 장치(530)와 비정형 패널의 몸체를 출력하는 제2 3D 프린팅 장치(550)를 포함하여 구성되는 필요시 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널 3D 프린팅 시스템이다.
여기서, BIM 모델은 3D 프린팅 하고자 하는 구조물의 3차원 형상을 모델링 한 것으로, 본 발명의 실시예에서는 성형판 표면 높이 설정장치(200)의 구동을 제어할 수 있는 정보를 제공할 뿐만 아니라, 3D 프린팅을 위한 정보 제공도 가능하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템에서 성형 작업대(100)와 성형판 표면 높이 설정장치(200)의 결합 측면도이다.
본 발명의 실시예는 콘트롤 포인트(Control Point) 방식을 이용하는 것으로, 여기서 콘트롤 포인트(Control Point) 방식이란 3차원 BIM 모델로부터 받은 비정형 패널형상 정보에 맞추어 자동으로 성형판의 주요 지점의 높이를 조정하여 원하는 표면형상을 만드는 방법을 말한다.
여기서, 성형판 표면 높이 설정장치(200)는 체결부(210)와 체결부 높이조절장치(230) 및 체결부를 회전시키는 회전 구동부(250)를 포함하여 구성될 수 있고, 회전 구동부(250)는 체결부를 회전시켜 암나사를 회전시키는 장치를 말하는 것으로, 서보모터, 감속기 및 기타 제어장치 등으로 구성될 수 있다.
먼저, 높이 조절봉(130)과 성형판 표면 높이 설정장치(200)의 체결부(210)와 1:1로 연결시켜 준다. 다음으로 3차원 모델로부터 받은 패널형상 정보에 따라 회전 구동부(250)의 서보모터 등을 회전시켜 성형 작업대(100)의 높이 조절봉(130)을 위아래로 움직이게 함으로써, 각 높이 조절봉(130)의 상단 단부와 연결된 성형판의 지점(control point)별 높이가 설정되도록 하여 외장 패널의 비정형 표면 굴곡 형상을 용이하게 형성할 수 있게 된다.
이렇게 생산할 비정형 패널의 형태대로 설정된 성형판 위에 3D 프린팅하는 방식으로, 비정형 패널 몸체를 출력할 경우, 3D 프린팅 재료가 경사면을 따라 흘러내러 내려가지 않도록 하기 위하여 먼저 비정형 패널의 외곽 테두리 형태를 경화가 빠른 재료로 1차 프린팅을 한 후, 비정형 패널 몸체를 먼저 출력한 테두리 내부에 2차 프린팅하는 방식으로 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있는 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템 및 방법을 제공한다.
높이 조절봉(130)은 성형작업대 상판에 형성되는 회전만 가능하도록 고정된 다수개의 암나사(135)에 나사(screw)형태로 삽입 체결되어, 암나사(135)가 회전하면 수직방향으로 이동이 가능한 구조를 형성한다.
도 5는 성형 작업대(100)의 높이 조절봉(130)과 성형판의 연결을 나타내는 측면 확대도이다.
여기서, 성형판(110)과 높이 조절봉(130)의 연결은 나사나 볼 조인트(137) 등의 고정된 방식일 수 있고, 성형판을 각 높이 조절봉에 밀착시켜 접착하는 흡착패드에 의한 연결일 수도 있다.
볼 조인트(137)는 관의 끝에 볼 부분을 만들어 케이싱으로 싸고, 그 틈새를 개스킷으로 밀봉한 것으로서, 볼 부분이 케이싱내에서 자유롭게 회전할 수 있는 구조로서, 체결부 높이조절장치(230)의 회동으로 암나사(135)가 회전하게 되면 높이 조절봉(130)이 상하 수직 방향으로 이동하게 되면, 성형판의 각 지점은 높이가 개별적으로 달라지면서 성형판의 하부면과 높이 조절봉(130)의 연결 부위가 성형판이 기울어지는 정도에 따라 유연하게 연결되어 성형판의 서로 다른 표면 높이 설정에 따른 왜곡을 최소화할 수 있어야 하기 때문에 본 발명이 실시예에 따른 성형판과 높이 조절봉(130)의 연결구조에 적합하다.
또한 성형 작업대(100)는 탁자 모양으로 4개의 다리에 바퀴(170)를 구비하여 공정 라인을 따라 빠르게 다음 공정으로 이동할 수 있게 하여, 성형판을 형성하고, 1, 2차 프린팅을 하는 과정이 동시에, 그리고 연속적으로 이루어질 수 있어서 대량 생산이 가능한 비정형 패널 3공종별 분리가 가능한 D 프린팅 시스템을 제공할 수 있게 된다.
여기서, 성형판(110)은 유연성(flexible)을 갖는 복합재료로, 성형판 표면 높이 설정장치(200)에 의해 각 지점(spot)별 높이를 조절하기 위해서는 유연하고 탄력성이 있어야 하고, 각 높이 조절봉(130)에 의해 특정 지점에서 외력이 가해져 각 지점(control point)별 높이가 명확히 구분되어야 3차원 BIM(Building Information Modeling) 모델에 따른 비정형 패널의 형상이 구현될 수 있다.
또한, 성형판은 상부에 적어도 하나의 성형패드가 부착되어, 비정형 패널을 생산한 후에 성형판 전체를 교체하는 것이 아니라, 성형판에서 성형패드만 떼어내고 새로운 성형패드로 교체하여 다음 패널 생산을 할 수 있으며, 얇은 성형패드를 복수겹으로 적층하여 맨 겉장의 성형패드만 떼어내는 방식으로도 사용할 수도 있어서, 교체비용 및 시간을 최소화하여 경제적이고 빠르게 여러 개의 비정형 패널을 생산할 수 있게 된다.
그 외에도 본 발명의 실시예에서는 성형판 표면 높이 설정장치(200), 3D 스캐너(400) 및 3D 프린팅 장치의 구성을 명령하고 제어하는 통합 제어부를 더 구비할 수 있다. 이와 같은 통합 제어부를 통해 전체 공정의 각 프로세스를 단계적으로 제어하고, 공정라인을 따라 작업을 수행할 수 있도록 제어할 수 있다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템을 사용하여 3D 프린팅 방법의 프로세스를 나타내는 모식도이다.
본 발명의 실시예에 따른 비정형 패널의 3D 프린팅 방법은, 상술한 3D 프린팅 시스템을 이용하여, (a) 성형판 표면 높이 설정장치(200)가 BIM 모델로부터 비정형 패널형상 정보를 받아 각 높이 조절봉(130)을 수직 방향으로 이동시켜 성형판(110) 표면의 각 지점(control point)의 높이를 비정형 패널형상과 일치하도록 설정하는 단계; (b) 성형판(110)을 3D 스캐너(400)로 스캔하여 성형판 상에 비정형 패널을 출력할 정확한 위치정보를 획득하는 단계; (c) 스캔한 정보를 기반으로 비정형 패널 테두리를 3D 프린팅할 경로를 설정하고, 급속경화재료를 3D 프린팅 하는 단계; 및 제2의 3D 프린터로 비정형 패널의 몸체를 3D 프린팅하는 단계를 포함하여 구성된다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 비정형 외장패널의 3D 프린팅 방법을 단계별로 설명한다. 전술한 본 3D 프린팅 시스템에 포함된 내용은 본 3D 프린팅 방법에도 그대로 적용됨은 물론이다. 따라서, 동일한 내용의 중복을 최소화하고, 중요한 내용을 위주로 설명하고자 한다.
(a) 단계로서, 성형 작업대를 표면 높이 설정장치(200)의 상부에 위치시키고 포면 높이 설정장치의 각 체결부(210)와 각 높이 조절봉(130)의 하단부를 체결하고, BIM 모델에 따라 회전 구동부(250)의 서보모터 등을 구동하여 개별적으로 각 높이 조절봉(130)을 수직 상방으로 이동시켜 미리 설정된 성형판(110) 표면의 지점(spot)별 높이를 설정한다.
즉, (a) 단계는, (a1) 표면 높이 설정장치(200)를 각 상기 높이 조절봉(130)의 하단에 체결하는 단계와, (a2) 표면 높이 설정장치(200)를 구동하여, 미리 설정된 성형판(110) 표면의 지점(spot)별 높이를 설정하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 생산할 비정형 패널의 BIM 모델로부터 받은 비정형 패널 형상 정보에 따라 체결부 높이조절장치(230)는 체결부(210)를 위로 들어 올려 주어 높이 조절봉(130)과 높이조절장치와 1:1로 연결시켜 준 후, 3차원 BIM 모델로부터 받은 패널형상 정보에 따라 회전 구동부(250)를 구동시켜 성형 작업대(100)의 높이 조절봉(130)을 위아래로 움직이게 함으로써, 각 높이 조절봉(130)의 상단 단부와 연결된 성형판의 지점(control point)별 높이가 설정되도록 하여 외장 패널의 비정형 표면 굴곡 형상을 형성하게 된다.
이처럼 본 발명의 실시예에서는 종래의 CNC밀링머신, MPSF(Multi-Point Stretch Forming) 등의 장비로 거푸집을 성형 후 GFRC로 제작하는 방식과 달리, 성형 작업대(100)와 성형판 표면 높이 설정장치(200)를 사용하여 불필요 거푸집 제작이 필요 없이 성형판(110)의 지점(control point)별 높이를 조절하여 비정형 패널 형상으로 쉽고 안정적으로 3D 프린팅을 위한 성형판(110) 셋팅을 할 수 있게 된다.
(b) 단계는, 3D 스캐너(400)에 의해 표면의 지점(control point)별 높이가 설정된 성형판(110)을 스캔하여 미리 설정된 형상에 따른 비정형 패널의 형상정보를 획득하는 단계이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 성형판 표면 높이 설정장치(200)에 의해 성형판(110)이 비정형 패널 형상으로 세팅된 후, 성형 작업대(100)를 표면 높이 설정장치(200)와 분리하여 이동시키고 3D 스캐너(400) 또는 3D 레이저 스캐너를 통해 성형판(110)을 스캔하여, 비정형 패널의 외곽 테두리를 출력할 위치의 정보를 획득한다.
이처럼 3D 스캐너(400)를 통해 비정형 패널의 형상에 따른 외곽 테두리를 출력할 형상정보를 획득하는 것은, BIM 모델에 따른 형상과 실제 성형판(110)에 나타난 형상과의 매칭을 통해 성형판 상에 비정형 패널의 형상을 출력할 정확한 위치를 파악 하기 위함이다. 이러한 과정을 표면등록(surface-based registration)이라고 한다.
(c) 단계는, 3D 프린팅 장치가, 경계선의 형상정보로부터 성형판(110)에 외곽 테두리를 3D 프린팅하고, 프린팅된 외곽 테두리 내부로 콘크리트 등의 비정형 패널 소재를 3D 프린팅하는 단계이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, (b) 단계에서 획득한 비정형 패널의 형상에 따른 외곽 테두리의 형상정보에 따라 제1 3D 프린팅 장치(530)에 의해 외곽 경계선 또는 테두리를 3D 프린팅하게 된다. 테두리의 3D 프린팅은 플라스틱 소재나 조기 가능한 소재로 프린팅하는 것이 바람직한데, 이는 플라스틱 소재와 같이 경화 시간이 짧은 소재를 사용하여 비정형 패널 형상의 외곽 테두리를 성형함으로써, 차후에 내부를 3D 프린팅할 때, 프린팅 소재의 형상 밖으로 유출되는 것을 방지하여 빠르고 안정적으로 비정형 콘크리트 외장패널을 형성할 수 있게 된다.
그리고, 도 9에 나타낸 바와 같이, 다시 성형 작업대(100)을 공정라인을 따라 이동시키고 제1 3D 프린팅 장치(530)에 의해 프린팅 된 비정형 패널의 형상에 따른 외곽 테두리 내부에 제2 3D 프린팅 장치(550)로 콘크리트 등의 비정형 패널 소재의 재질을 프린팅하여 성형하게 된다.
여기서, 본 발명에 따른 제1 3D 프린팅 장치(530)와 제2 3D 프린팅 장치(550)는 물리적으로 분리된 2개의 장치가 될 수도 있고, 물리적인 1개의 3D 프린팅 장치에서 순차적으로 작업이 수행되는 것도 가능하다.
즉, (c) 단계는, (c1) 제1 3D 프린팅 장치(530)가 성형판 표면 높이 설정장치(200)에 의해 표면 높이가 설정된 성형판(110)에 프린팅 구역의 외곽 테두리를 프린팅하는 단계와, (c2) 제2 3D 프린팅 장치(550)가 프린팅된 외곽 테두리 내부 구역을 콘크리트 프린팅하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
테두리 내부의 3D 프린팅은 1차적으로 유리섬유강화콘크리트(GFRC)와 같이 스프레이 하여 테두리와 성형판 패드와 같은 성형판(110) 사이의 미세하게 들뜬 부분을 메워주고 마감 품질을 높일 수 있고, 그리고 나서, 콘크리트 부재 등을 내부에 제2 3D 프린팅 장치(550)에 의해 프린팅하는 것도 가능하다.
테두리 내부의 3D 프린팅의 경우에는, BIM 모델에 따른 비정형 패널의 형상에 따라 프린팅 시작점 및 방향을 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 비정형 패널 형상이 오목 형상의 경우, 중심에서 외측으로 프린팅하고, 볼록 형상의 경우, 외측에서 중심으로 프린팅하는 것이 바람직하다. 이는 중력에 의해 3D 프린팅 장치의 노즐에서 압출되는 콘크리트 부재가 흘러내려 전체적인 3D 프린팅 레이어 형상이 흐트러질 수 있기 때문이다. 그리고, 성형하고자 하는 비정형 외장패널의 형상에 테두리가 필요 없는 경우, 상술한 테두리를 제1 3D 프린팅 장치에 프린팅하는 절차를 생략할 수 있음은 물론이다.
[표 1]은 본 발명의 실시예에 따른 비정형 콘크리트 외장패널의 3D 프린팅 시스템 및 방법과 생산량이나 경제성, 표면마감품질을 벤치 마크한 종래의 기술들과 비교분석한 결과를 나타낸다.
Figure pat00001
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 성형 작업대 110: 성형판
130: 높이 조절봉 135: 암나사
137: 볼 조인트 150: 성형 작업대 상판
170: 바퀴 200: 성형판 표면 높이 설정장치
210: 체결부 230: 체결부 높이조절장치
250: 회전 구동부 400: 3D 스캐너
530: 제1 3D 프린팅 장치 550: 제2 3D 프린팅 장치

Claims (15)

  1. 성형판 하부면에 연결되는 다수개의 높이 조절봉이 수직방향으로 이동되도록 배열되어 설치된 성형 작업대;
    성형 작업대 하부에서 상기 높이 조절봉과 각각 체결되고 회전을 통해 높이 조절봉의 상하 이동을 제어하여 성형판 표면의 지점(control point)별 높이를 설정하는 성형판 표면 높이 설정장치; 및
    표면 높이가 설정된 상기 성형판 상부에 비정형 외장패널 형상을 3D 프린팅하는 3D 프린팅 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 비정형 패널의 3D 프린팅 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 성형판의 재질은 유연소재인 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 성형판 상부에 적어도 하나의 성형패드가 부착되는 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 성형 작업대는,
    다리;
    성형 작업대 상판에 고정된 회전이 가능하도록 수직방향으로 배치된 다수의 암나사; 및
    상기 암나사에 삽입 체결되어 암나사의 회전으로 수직방향의 이동이 가능한 스크류형 높이 조절봉을 포함하는 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 높이 조절봉은,
    각 상단 단부에 상기 성형판의 하부면과의 유연 연결이 가능한 볼 조인트가 설치된 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 성형판 표면 높이 설정장치는,
    상기 각 암나사의 하단에 체결되는 체결부;
    상기 체결부를 위아래로 올리거나 내려 암나사와 체결하거나 분리해주는 체결부 높이조절장치; 및
    상기 체결된 BIM 모델로부터 받은 형상정보에 따라 암나사를 회전시키는 회전 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    생산할 비정형 패널의 BIM(building information modeling) 모델에 따라 상기 성형판 표면 높이 설정장치 및 3D 프린팅 장치를 제어하는 통합 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    성형판 표면 높이 설정장치에 의해 표면 높이가 설정된 성형판을 스캔하여, 성형판 상에서 생산할 비정형 패널의 BIM(building information modeling) 모델의 형상과 일치하는 위치를 찾아 주는 3D 레이저 스캐너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 성형 작업대는,
    공정 라인을 따라 이동 가능하도록 바퀴 또는 레일과 같이 이동이 가능한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 3D 프린팅 장치는,
    성형판 표면 높이 설정장치에 의해 표면 높이가 설정된 성형판에 프린팅 구역의 외곽 테두리를 프린팅하는 제1 3D 프린팅 장치; 및
    프린팅된 외곽 테두리 내부 구역을 프린팅하는 제2 3D 프린팅 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    성형판 표면 높이 설정장치에 의해 표면의 지점(control point)별 높이를 설정된 성형판 상부를 스캔하여 3D 프린팅할 형상 정보를 획득하는 3D 스캐너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 시스템.
  12. 청구항 1의 3D 프린팅 시스템을 이용하여,
    (a) 표면 높이 설정장치가 개별적인 각 높이 조절봉을 수직 상방으로 이동시켜 미리 설정된 성형판 표면의 지점(control point)별 높이를 설정하는 단계;
    (b) 3D 스캐너에 의해 표면의 지점(control point)별 높이를 설정된 성형판을 스캔하여 성형판 상에서 비정형 패널을 출력할 위치정보를 획득하는 단계; 및
    (c) 3D 프린팅 장치가, 획득한 위치정보를 바탕으로 성형판에 비정형 패널의 형상을 3D 프린팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 표면 높이 설정장치를 각 상기 높이 조절봉의 하단에 체결하는 단계; 및
    (a2) 표면 높이 설정장치를 구동하여, 미리 설정된 성형판 표면의 지점(control point)별 높이를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c1) 제1 3D 프린팅 장치가 성형판 표면 높이 설정장치에 의해 표면 높이가 설정된 성형판에 프린팅 구역의 외곽 테두리를 프린팅하는 단계; 및
    (c2) 제2 3D 프린팅 장치가 프린팅된 외곽 테두리 내부 구역을 프린팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 방법.
  15. 청구항 12에 있어서,
    각 단계별로 작업대를 이동하여 작업하는 연속 공정인 것을 특징으로 하는 공종별 분리가 가능한 비정형 외장패널의 3D 프린팅 방법.
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