KR20180118359A - 3d 프린터의 가변 압출 방법, 3d 모델 출력 방법 및 이를 위한 3d 모델 출력 시스템 - Google Patents

Abstract

3D 프린터의 가변 압출을 위한 컴퓨터 구현 방법(Computer implemented method)으로서, (a) 상기 3D 프린터의 압출량을 일정하게 고정하는 단계; 및 (b) 3D 프린트할 3D 모델 데이터에 기반하여 출력할 위치의 압출 면적에 따라 상기 3D 프린터 헤드의 이동 속도를 가변시키는 단계를 포함하는 3D 모델 출력을 위한 3D 프린터의 가변 압출 방법이 제공된다.

Description

3D 프린터의 가변 압출 방법, 3D 모델 출력 방법 및 이를 위한 3D 모델 출력 시스템{Variable extruding method of 3D printer, 3D model printing method and 3D model printing system}

본 발명은 3D 프린터의 가변 압출 방법, 3D 모델 출력 방법 및 이를 위한 3D 모델 출력 시스템에 관한 것이다.

개인용 FDM 3D 프린터와 투명조각자기 모델을 만들어주는 프로그램의 보급으로 많은 사람들이 투명조각자기를 출력하게 되었다.

하지만, 종래의 FDM 3D 프린터가 압출 면적을 변경하려면 스텝 모터의 회전속도를 변경하였다. 하지만 스텝 모터와 노즐 사이의 간격으로 인해 변경된 회전속도가 전파되는데 시간이 걸리는 단점이 있다.

또한, 종래에는 단일한 압출 면적으로 내부를 완전히 채워야하기 때문에 출력 경로가 길어지고 안정된 결과물을 얻기 위해서 느린 이동 속도를 유지하기 때문에 완성되는데 오랜 시간이 걸리는 단점이 있었다.

1. 한국특허공개 제10-2016-0041766호, "반경 방향 속도 편차를 보상하기 위한 3차원 프린터 작동 시스템 및 방법"

본 발명은 스텝 모터의 회전 속도 변경 없이 프린터 헤드 이동 속도를 이용하여 압출 면적을 조절할 수 있는 3D 프린터의 가변 압출 방법, 3D 모델 출력 방법 및 이를 위한 3D 모델 출력 시스템을 제공하기 위한 것이다.

이를 통해, 본 발명은 FDM 3D 프린터로 3차원 모델을 출력하는데 걸리는 시간을 단축할 수 있는 3D 프린터의 가변 압출 방법, 3D 모델 출력 방법 및 이를 위한 3D 모델 출력 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 3D 프린터의 가변 압출 방법, 이를 이용한 3D 모델 출력 방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 3D 프린터의 가변 압출을 위한 컴퓨터 구현 방법(Computer implemented method)으로서, (a) 상기 3D 프린터의 압출량을 일정하게 고정하는 단계; 및 (b) 3D 프린트할 3D 모델 데이터에 기반하여 출력할 위치의 압출 면적에 따라 상기 3D 프린터 헤드의 이동 속도를 가변시키는 단계를 포함하는 3D 모델 출력을 위한 3D 프린터의 가변 압출 방법이 제공될 수 있다.

상기 (b) 단계는, 상기 3D 모델 데이터를 이용하여 상기 3D 프린터가 출력할 위치의 내벽과 외벽 사이의 단위 압출 면적을 계산하는 단계; 및 상기 출력할 위치의 내벽과 외벽의 중간을 따라 상기 3D 프린터 헤드를 이동시키되, 상기 단위 압출 면적에 따라 상기 3D 프린터 헤드의 이동 속도를 가변시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 (a) 단계는, 상기 3D 프린터의 스텝 모터의 회전 속도를 일정한 속도로 고정시켜 상기 압출량을 고정할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3D 프린터의 가변 압출에 기반하여 3D 모델을 출력하기 위한 컴퓨터 구현 방법(Computer implemented method)으로서, 2차원 출력 대상 이미지를 입력받는 단계; 상기 2차원 출력 대상 이미지를 이용하여 3D 모델 높이 맵을 생성하는 단계; 3D 모델의 기하 형태를 선택받는 단계; 상기 선택된 기하 형태에 상기 3D 모델 높이 맵을 매핑시켜 3D 모델을 생성하는 단계; 상기 3D 모델을 슬라이싱(slicing)하여 3D 프린터 출력 제어를 위한 출력 데이터를 생성하되, 상기 3D 모델의 슬라이싱에 상응하여 내벽과 외벽 사이의 중간으로 출력 경로가 생성되도록 상기 출력 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 출력 데이터에 따라 3D 모델을 출력하도록 3D 프린터를 제어하는 단계를 포함하는 3D 모델 출력 방법이 제공될 수 있다.

상기 출력 데이터를 생성하는 단계는, G-Code를 생성하는 단계이되, 상기 3D 프린터의 스텝 모터의 회전 속도를 일정한 속도로 고정시키도록 상기 G-Code를 생성할 수 있다..

상기 출력 데이터를 생성하는 단계는, 상기 3D 프린터의 압출량을 일정하게 고정시키고, 상기 3D 모델의 출력 위치에 따른 압출 면적에 따라 3D 프린터 헤드의 이동 속도를 가변하도록 상기 G-Code를 생성할 수 있다.

상기 3D 모델 높이 맵을 생성하는 단계는, 상기 2차원 출력 대상 이미지를 흑백 이미지로 변환하는 단계; 및 상기 흑백 이미지로 변환된 출력 대상 이미지의 각 픽셀의 픽셀값을 반전시켜 상기 3D 모델 높이 맵을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 3D 프린터의 가변 압출에 기반하여 3D 프린터를 제어하여 3D 모델을 생성하는 3D 모델 출력 시스템이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 3D 프린터를 제어하여 3D 모델을 생성하는 3D 모델 출력 시스템에 있어서, 메모리; 및 상기 메모리에 의해 적재된 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서에 의해 실행된 명령어는, 상기 3D 프린터의 압출량을 일정하게 고정하는 단계; 및 (b) 3D 프린트할 3D 모델 데이터에 기반하여 출력할 위치의 압출 면적에 따라 상기 3D 프린터 헤드의 이동 속도를 가변시키는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 모델 출력 시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3D 프린터를 제어하여 3D 모델을 생성하는 3D 모델 출력 시스템에 있어서, 메모리; 및 상기 메모리에 의해 적재된 명령어들을 실행하는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서에 의해 실행된 명령어들은, 2차원 출력 대상 이미지를 입력받는 단계; 상기 2차원 출력 대상 이미지를 이용하여 3D 모델 높이 맵을 생성하는 단계; 3D 모델의 기하 형태를 선택받는 단계; 상기 선택된 기하 형태에 상기 3D 모델 높이 맵을 매핑시켜 3D 모델을 생성하는 단계; 상기 3D 모델을 슬라이싱(slicing)하여 3D 프린터 출력 제어를 위한 출력 데이터를 생성하되, 상기 3D 모델의 슬라이싱에 상응하여 내벽과 외벽 사이의 중간으로 출력 경로가 생성되도록 상기 출력 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 출력 데이터에 따라 3D 모델을 출력하도록 3D 프린터를 제어하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 모델 출력 시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 가변 압출 방법, 3D 모델 출력 방법 및 이를 위한 3D 모델 출력 시스템을 제공함으로써, 스텝 모터의 회전 속도 변경 없이 프린터 헤드 이동 속도를 이용하여 압출 면적을 조절할 수 있다.

이를 통해, 본 발명은 FDM 3D 프린터로 3차원 모델을 출력하는데 걸리는 시간을 단축할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 가변 압출 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 스텝 모터의 회전 속도에 따르는 압출량 지연을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 압출 방법에 기반하여 3D 모델을 출력하는 방법을 나타낸 순서도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기하 형태를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 높이맵 생성을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기하 형태에 3D 모델 높이맵 매핑을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 8은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 내부를 채우는 방법을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 9는 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 내부를 채운 결과를 비교한 도면.
도 10은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 결과물을 나타낸 도면.
도 11은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 출력 시간을 비교한 도면.
도 12는 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 결과물을 비교한 도면.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 출력 시스템의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 명세서 전체에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하나 이상의 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있음을 의미한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 가변 압출 방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 스텝 모터의 회전 속도에 따르는 압출량 지연을 설명하기 위해 도시한 도면이다.

3D 모델을 출력하기 위한 3D 프린터의 제어를 위해 가장 일반적으로 사용되는 프로그래밍 랭귀지가 G-Code이다. 본 발명의 일 실시예에서는 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 G-Code에 기반하여 3D 프린터의 가변 압출 방법에 대해 설명하기로 한다. 그러나 G-Code 이외에도 다른 랭귀지에서도 동일하게 적용될 수 있음은 자명하다.

이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 G-Code에 대해 간략하게 설명하기로 한다. G-Code는 해당 3D 모델의 프린팅을 위해 3D 프린터의 프린팅 동작을 제어하기 위한 제어 정보를 포함하는 프로그램 랭귀지를 의미한다.

G-Code는 가장 폭넓게 사용되고 있는 수치 제어 프로그래밍 언어로서 G 프로그래밍 언어라고도 불리고 있다. 주로 컴퓨터 기반의 공작 기계(Machine tool)에 사용되고 있으며, 어느 위치로 움직이는지 또는 얼마나 빠르게 움직이는지 등의 제조 과정을 정의하는 언어라고 할 수 있다. 대부분의 개인용 FDM 3D 프린터도 이러한 G-Code를 기반으로 기계를 제어하고 있으며 정의된 경로와 속도에 따라 재료를 적층하여 3D 모델 출력물을 완성한다.

이러한 G-Code는 다양한 명령어를 포함하고 있으나, 본 발명의 주요 논지를 설명하기 위해 필요한 명령 코드 및 변수에 대해서만 간단하게 설명하기로 한다. 나머지 G-Code에 대한 명령어들에 대한 설명은 본 발명의 주요 논지와는 무관하며 이를 흐릴 수 있으므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

기본적으로 3D 프린터를 통해 3D 모델의 출력물을 완성하기 위해 일반적으로 가장 널리 사용되는 명령 코드가 G00와 G01 명령코드이다.

G00 명령어는 빠른 이송을 위한 급속 위치 결정 명령어이다.

즉, G00 명령어는 적층 재료인 필라멘트를 사출하지 않고, G00 명령어 후단에 위치되는 위치로 프린터 헤드를 이동시키는 명령코드이다.

G01 명령어는 직선 보간 명령어로 G01 명령어에 후속하는 목표 좌표까지 프린터 헤드를 이동시킬 수 있는 명령 코드이다. G01 명령어는 F 코드(이송 속도)와 E 코드(압출량)를 함께 사용하여 필라멘트를 사출해가면서 목표 위치까지 프린터 헤드를 이동시키는 명령어이다.

G00 명령의 경우는 적층 재료인 필라멘트를 사출하지 않고 3D 프린터의 노즐(Nozzle)을 해당 위치로만 이동시키는 명령 코드이고, G01 명령은 목표 위치까지 필라멘트를 사출해가면서 이동시키는 명령 코드이다.

G-Code의 E 코드(변수 E)는 프린터 헤드의 이동 거리에 따라 계산된 압출량으로 스텝 모터의 회전 속도를 조절한다.

이로 인해, 3D 모델 프린팅시 G-Code의 변수 E값에 의해 압출량을 제어하면 스텝 모터의 변화된 회전 속도에 따라 필라멘트가 이동하게 된다.

그러나 도 2에서 보여지는 바와 같이, 그러나 실제로 출력되는 프린터 노즐까지의 거리 때문에 속력 변화에 지연이 발생하여 압출량을 정밀하게 제어하기 어려운 문제점이 있다.

이로 인해, 본 발명의 일 실시예에서는 프린터 헤드의 이동 속도로 압출 면적을 조절하여 압출량 변화에 지연이 없도록 할 수 있다. 이하에서는 이에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

단계 110에서 3D 모델 출력 시스템은 3D 프린터의 압출량을 일정하게 고정한다.

보다 상세히 설명하면, 3D 모델 출력 시스템은 3D 프린터의 스텝 모터의 회전 속도를 일정하게 유지(고정)시킴으로써 압출량을 고정시킬 수 있다.

G-Code의 E 코드값은 압출 면적(A)에 이동 거리(l)을 곱한 것이다.

따라서, 수학식 1에서 보여지는 바와 같이 프린터 헤드의 이동 속도의 변화율로 프린터 헤드의 이동 속도를 나눔으로써 일정한 압출 면적을 만들 수 있다.

여기서, E는 압출량을 나타내고,

는 프린터 헤드의 이동 속도를 나타내며,

는 프린터 헤드의 이동 속도의 변화율을 나타낸다.

결과적으로, 수학식 1과 같이 계산된 결과값 e를 G-code의 변수 E값에 넣어주면 프린터 헤드의 이동 속도의 변화에도 일정한 스텝 모터의 회전 속도를 가질 수 있고, 프린터 헤드의 이동 속도로 압출 면적을 정밀하게 제어할 수 있게 된다.

단계 115에서 3D 모델 출력 시스템은 3D 프린팅할 3D 모델 데이터에 기반하여 출력할 위치의 압출 면적에 따라 3D 프린터 헤드의 이동 속도를 가변시킨다.

결과적으로 3D 프린터의 스텝 모터의 회전 속도를 일정하게 유지시킴으로써 압출량을 고정시킨 상태에서 프린터 헤드의 이동 속도를 변화시킴으로써 압출 면적을 조절할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 출력 시스템은 3D 모델 데이터를 이용하여 3D 프린터가 출력할 위치의 내벽과 외벽 사이의 단위 압출 면적을 계산할 수 있다. 이어, 3D 모델 출력 시스템은 출력할 위치의 내벽과 외벽 중간을 따라 3D 프린터 헤드가 이동하도록 제어하며 단위 압출 면적에 따라 3D 프린터 헤드의 이동 속도를 조절(가변)할 수 있다. 결과적으로 스텝 모터의 회전 속도가 유지(고정)되어 있으므로 일정한 압출량으로 출력되는 상태에서 프린터 헤드의 이동 속도를 조절함으로써 압출 면적을 조절할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 압출 방법에 기반하여 3D 모델을 출력하는 방법을 나타낸 순서도이며, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기하 형태를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 높이맵 생성을 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 기하 형태에 3D 모델 높이맵 매핑을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 8은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 내부를 채우는 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 9는 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 내부를 채운 결과를 비교한 도면이다.

단계 310에서 3D 모델 출력 시스템은 사용자로부터 출력 대상 이미지를 입력받는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 출력 시스템은 3D 프린터와 연결되며, 3D 프린터를 제어하여 3D 모델을 출력할 수 있다. 3D 모델 출력 시스템은 예를 들어, 출력 대상 이미지를 투명조각자기 형태의 3D 모델로 출력할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 3D 모델 출력 시스템이 출력 대상 이미지를 입력받아 투명조각자기 형태로 3D 모델을 출력하는 것을 가정하여 이를 중심으로 설명하나 이외에도 다양한 형태의 3D 모델을 출력하는데도 제한 없이 적용될 수 있음은 당연하다.

단계 315에서 3D 모델 출력 시스템은 출력 대상 이미지를 이용하여 3D 모델 높이 맵을 생성한다.

예를 들어, 3D 모델 출력 시스템은 출력 대상 이미지를 전처리하여 흑백 이미지로 변환한다. 이어, 3D 모델 출력 시스템은 흑백 이미지의 각 픽셀값을 반전시킴으로써 각 픽셀의 높이값을 각각 생성할 수 있다. 흑백 이미지에서 각 픽셀의 픽셀값을 반전시키는 방법은 당업자에게는 자명한 사항이므로 각 픽셀의 픽셀값을 반전시키는 상세한 방법에 대해서는 별도의 설명은 생략하기로 한다.

이하에서는 출력 대상 이미지의 각 픽셀의 높이값을 3D 모델 높이 맵으로 통칭하기로 한다.

단계 320에서 3D 모델 출력 시스템은 3D 모델의 모양(기하 형태) 및 기하 매개 변수 중 적어도 하나를 선택받는다.

이는 3D 프린터에 의해 출력될 제조물의 기하학적 형태(출력 대상 이미지가 입혀지기 전의 외형적인 기하 형태)를 결정하기 위한 절차이다.

여기서, 3D 모델 모양(기하 형태)는 바탕 기하의 추상적인 형태를 정의한 것으로, 모델/제품 라이브러리(미도시)에 사전 정의되어 있을 수 있다. 즉, 모델/제품 라이브러리에는 사용자가 선택 가능한 바탕 기하의 추상적 형태가 미리 저장되어 있고, 사용자는 이 중 어느 하나를 선택할 수 있다.

이러한 바탕 기하의 기하 형태는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 속이 비어 있는 원통형(cylinder type) lithophane(부조와 같은 조각품 혹은 투명 조각품)이 예시되고 있지만, 모델/제품 라이브러리에는 이외에도 다양한 기하 형태가 미리 저장되어 있을 수 있다. 예를 들어, 사면체, 육면체, 구 형태, 각 기둥 형태 등의 다양한 기본 기하 형태가 존재할 수 있으며, 속이 비어 있는 형태, 일부 찌그러진 형태 등의 기본 기하 형태의 변형 형태가 존재할 수 있다. 이때, 바탕 기하의 기하 형태는 반드시 그 바탕 기하 자체가 3차원 형상을 가질 필요는 없으며, 2차원의 평판 형태를 가질 수도 있다. 평판 형태를 갖더라도 향후 기하 매개 변수의 지정(예를 들어, 평판의 두께 지정)에 의해 또는 출력 대상 이미지에 의해 생성된 높이맵(3D 모델 높이맵)에 의해 생성된 두께에 의해 3D 모델로 생성될 수도 있다.

또한, 기하 매개 변수는 지정된 기하 형태에 관한 바탕 기하의 기하학적 정보를 정의하는데 필요한 매개 변수를 의미한다. 즉, 기하 매개 변수는 미리 추상적으로 정의된 바탕 기하를 구체화하기 위한 매개 변수를 지칭하는 것으로서, 이 또한 모델/제품 라이브러리에 미리 정의되어 있을 수 있다.

따라서, 사용자는 모델/제품 라이브러리를 참조하여 해당 라이브러리에 정의된 추상적인 기하 형태를 선택한 후, 그 추상적 기하 형태를 구체화할 매개 변수를 지정함으로써, 구체적인 바탕 기하가 생성될 수 있도록 할 수 있다. 이러한 기하 매개 변수는, 생성할 바탕 기하의 높이, 반지름(구 형태인 경우), 장방 길이 및 단방 길이(원통 형태의 경우), 곡률, 두께(속이 빈 상태의 바탕 기하인 경우 표면 두께 또는 평판인 경우) 등 다양할 수 있다.

상술한 기하 형태 또는/및 기하 매개 변수는 사용자가 모델/제품 라이브러리를 참조하여 직접 선택(지정)할 수도 있지만, 사용자에 의한 선택이 없는 경우에는 모델/제품 라이브러리에 기본 셋팅된 기하 형태 및 기하 매개 변수가 자동 지정될 수도 있다. 물론 사용자가 기하 형태만을 선택하면, 그 기하 형태에 적합한(또는 최적인) 기하 매개 변수는 모델/제품 라이브러리를 통해서 자동 지정되는 방식도 가능하다. 후자의 방식에 의할 경우, 상기 3차원 모델 생성 시스템은 UI 화면 구성을 통해서 사용자가 최소한의 기하 매개 변수만을 선택하여도 되도록 유도할 수도 있다.

이와 같이 모델/제품 라이브러리에는 서비스 제공자가 미리 정의해 놓은 기하 형태와 구체적 기하학적 정보를 구성하기 위한 기하 매개 변수들 그리고 그러한 기하 정보를 바탕으로 3D 모델을 생성할 때(즉, 3D 프린팅 등 디지털 제조를 위한 3D 모델을 생성할 때) 최적화된 가공 정보들을 미리 가지고 있을 수 있다. 즉, 모델/제품 라이브러리에는 일반적으로 디지털 제조에 적합한 3D 모델 생성에 필요한 매개 변수들의 집합을 미리 가지고 있기 때문에, 대부분의 경우 사용자는 기본적으로 주어지는 기하 매개 변수들을 그대로 이용할 수 있다. 이때, 보다 구체적인 조절을 원하는 사용자들의 경우 기하 매개 변수들을 직접 조절하면 된다.

이에 따라, 본 발명의 실시예예서는 사용자에 의한 개입이 최소화한 상태에서도 3D 모델을 생성하는데 필요한 기하 정보들이 선택될 수 있는 이점이 있다. 이상에서는 바탕 기하의 구체적 형태를 정의하기 위한 기하 매개 변수의 지정의 케이스를 중심으로 설명하였지만, 사용자는 기하 매개 변수의 지정을 통해서 바탕 기하에 입혀질 출력 대상 이미지의 두께(예를 들어, 바탕 기하의 표면에 양각 형태로 사용자 정의 2차원 이미지가 전사(轉寫)되는 경우 그 양각될 두께)를 직접 지정할 수도 있다. 물론 이 또한 사용자에 의한 직접 지정이 아닌, 모델/제품 라이브러리에 셋팅된 기본 두께로 자동 지정될 수도 있음은 앞서 설명한 바와 동일하다.

이와 같이, 기하 형태 및 기하 매개 변수가 지정되면, 3D 모델 출력 시스템은 해당 기하 형태에 지정된 기하 매개 변수를 적용하여 구체적으로 바탕 기하를 생성할 수 있다.

상술한 바와 같이, 3D 모델의 기하 형태 및 기하 매개 변수가 지정되어 바탕 기하가 생성되면, 단계 325에서 3D 모델 출력 시스템은 입력된 3D 모델의 모양에 3D 모델 높이 맵을 대응시켜 3D 모델을 생성한다.

이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 lena 이미지를 이용하여 3D 모델을 생성하는 방법에 대해 설명하기로 한다.

예를 들어, 사용자가 3D 모델로서 출력할 이미지로서 도 6의 610과 같이 "lena" 이미지를 선택하였다고 가정하기로 한다.

사용자에 의해 선택되는 "lena" 이미지와 같은 일반적인 이미지는 2차원 형태의 이미지로 깊이 정보를 가지고 있지 않다. 따라서, 3D 모델 출력 시스템은 사용자에 의해 선택된 2차원 이미지를 기반으로 3차원 모델을 생성하기 위해 출력 대상 이미지에 대한 높이맵(깊이맵)을 생성해야만 한다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 출력 시스템은 출력 대상 이미지(예를 들어, 칼라 이미지인 "lena"이미지)를 흑백 이미지로 변환한다. 본 발명의 일 실시예에서는 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 도 6의 620과 같이 칼라 이미지인 출력 대상 이미지를 그레이스케일 형태의 흑백 이미지로 변환하는 것을 가정하여 설명하기로 한다.

그러나, 이미 공지된 바와 같이 칼라 이미지를 흑백 이미지로 변환하는 방법은 그레이스케일 이외에도 다양한 방법이 존재하며, 공지된 흑백 이미지로 변환하는 방법이 모두 동일하게 적용될 수 있음은 당연하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 출력 시스템은 흑백 이미지로 변환된 출력 대상 이미지를 각 픽셀의 높이(깊이)값을 가지도록 변환하기 위해 각 픽셀의 픽셀값을 반전시킴으로써 3D 모델의 높이값(깊이값)으로 변경한다(도 6의 630 참조).

이하에서는 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 이와 같이 흑백 이미지를 반전시킨 이미지를 3D 모델 높이 맵으로 통칭하기로 한다.

이와 같이 3D 모델의 높이 맵이 생성되고, 도 7의 710과 같이 3D 모델의 바탕 기하(모양)이 선택되면, 3D 모델 출력 시스템은 3D 모델의 모양(바탕 기하)에 출력 대상 이미지의 3D 모델 높이맵을 매핑시켜 3D 모델을 생성할 수 있다(도 7의 720 참조).

이러한 3D 모델의 바탕 기하(모양)에 3D 모델 높이 맵을 매핑하는 과정을 통해 3D 모델의 바탕 기하는 각각 높이(깊이)값을 가지게 된다.

이와 같이, 3D 모델의 모양에 출력 대상 이미지의 3D 모델 높이맵을 매핑시킴에 있어, 출력 대상 이미지의 3D 모델 높이맵의 사이즈와 3D 모델의 모양의 사이즈가 상이할 수 있다.

이와 같은 경우, 3D 모델 출력 시스템은 출력 대상 이미지의 3D 모델 높이맵의 해상도 /사이즈를 조절함으로써 3D 모델의 모양의 사이즈에 일치시킨 후 출력 대상 이미지의 3D 모델 높이맵을 3D 모델의 모양에 매핑시킬 수 있다.

단계 330에서 3D 모델 출력 시스템은 생성된 3D 모델에 대해 슬라이싱 알고리즘을 적용하여 3D 모델을 3D 프린터가 출력할 수 있도록 출력 데이터(예를 들어, G-Code)를 만든다. 일반적인 3D 프린터 사용자는 주로 슬라이싱(Slicing) 알고리즘을 통해 G-Code를 생성한다.

슬라이싱 알고리즘은 어떠한 3D 모델을 여러 개의 레이어(Layer)로 잘라내고 각 레이어에서 적층 경로를 계산한다. 대표적인 슬라이서(Slicer)로는 Cura, Kisslicer, Sli3er가 있으며, G-Code 명령어들은 3D 프린터 오픈 소스 프로젝트인 RepRap(Replication Rapid Prototype)에서 상세히 설명되어 있다.

G-Code를 생성함에 있어, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 출력 시스템은 3D 모델의 슬라이싱에 따라 내벽과 외벽 사이의 중간으로 출력 경로가 생성되도록 G-Code를 생성할 수 있다.

도 8을 참조하면, 일반적으로 내부를 채우는 방법은 도 8의 (a)와 같은 나선형, (b)와 같은 지그재그형 및 (c)와 같은 혼합형이 존재한다.

종래의 나선형은 테두리와 평행한 형태로 일정한 두께를 줄여나가면서 내부를 채우는 방법이다. 지그재그형은 양쪽테두리를 연결하듯이 내부를 채우는 방법이다. 그리고 혼합형은 나선형과 지그재그형을 결합한 것으로 두 방법의 장점을 극대화시킨 방법이다.

그러나, 본 발명은 종래의 방법대로 출력 경로를 생성하지 않고, 압출 면적을 조절하여 내부를 채우는 방법으로 경로를 생성한다. 즉, 압출 면적을 조절할 수 있기 때문에 외벽과 내벽 사이의 간격을 계산하여 그 중심을 이동하도록 출력 데이터(G-code)를 생성할 수 있다.

이로 인해, 종래의 기술은 여러번 이동하여 내부를 채우는 반면, 본 발명은 단 한번의 이동으로 내부를 채움으로써 출력 시간을 단축할 수 있는 이점이 있다.

도 9는 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 출력 결과를 비교한 도면이다. 도 9의 910는 종래의 동일한 압출 면적으로 내부를 채운 결과이며, 920은 본 발명의 일 실시예에 따른 압출 면적을 조절하여 내부를 채운 결과이다. 두 경우 모두 내부를 한번만 이동하고 있는데 910의 단일한 압출 면적으로 내부를 채운 경우에는 두께에 따라 빈 공간이 발생한 반면에 920의 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 빈 공간 없이 내부를 모두 채운 것을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 출력 시스템은 3D 프린터의 압출량을 일정하게 고정시키고, 슬라이싱에 따라 3D 모델의 출력 위치에 따른 압출 면적에 따라 3D 프린터 헤드의 이동 속도를 가변하도록 G-Code를 생성할 수 있다.

단계 335에서 3D 모델 출력 시스템은 출력 데이터를 읽어(G-Code를 읽어) 3D 모델을 출력하여 출력물을 생성한다. 이러한 출력물 뒤에서 빛을 비추면 그림이 나타나는 투명조각자기가 완성된다.

도 10은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 결과물을 나타낸 도면이고, 도 11은 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 출력 시간을 비교한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방법이 가장 빨리 출력되었고 그 다음으로 나선형, 혼합형, 지그재그형 순으로 출력된 것을 알 수 있다. 종래의 방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 이용한 3D 모델 출력 시간을 비교해보면 본 발명의 일 실시예에 따른 방법이 평균적으로 나선형에 비해서는 32%, 혼합형은 38%, 지그재그형은 42%의 출력 시간을 단축시킨 것을 알 수 있다.

도 12는 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 결과물을 비교한 도면이다.

도 12는 Marilyn Monroe와Audrey Hepburn의 이미지를 합쳐 하나의 원통형 투명조각자기로 만든 결과물이다.

도 12의 (a)는 종래의 나선형으로 출력한 출력물의 단면이고, (b)는 종래의 지그재그형으로 출력한 출력물의 단면이며, (c)는 본 발명의 일 실시예에 따라 출력한 출력물의 단면이고, (d)는 종래의 나선형의 결과물과 표면의 확대 이미지이고, (e)는 종래의 지그재그형의 결과물과 표면의 확대 이미지이고, (f)는 본 발명의 일 실시예에 따라 출력한 결과물과 표면의 확대 이미지이며, (g)는 종래의 나선형의 결과물에 빛을 비춘 모습이며,

(h)는 종래의 지그재그형의 결과물에 빛을 비춘 모습이고, (i)는 본 발명의 일 실시예에 따른 결과물에 빛을 비춘 모습이다.

투명조각자기에서 빛 투과의 핵심인 내부가 채워지는 정도는 도 `12의 (a), (b), (c)와 같이 각각의 방법으로 출력한 결과물의 단면을 통해 비교했다. (a)는 불규칙적으로 빈 공간이 발생하는 것을 확인할 수 있다. (b)는 일정한 규칙을 가지고 외벽 근처에 빈 공간들이 발생하는 것을 확인할 수 있다. (c)는 단 한번의 이동으로 빈 공간 없이 내부를 모두 채운 것을 확인할 수 있다.

투명조각자기의 출력 품질을 비교하기 위해서 도 12의 (d), (e), (f)처럼 출력한 결과물의 표면의 거칠기를 비교했다. (d)나선형과 (f)우리가 제안한 방법으로 출력한 결과물은 확대된 사진에 보이듯이 표면이 매끄럽게 출력되었다. 그러나 (e) 지그재그형의 확대한 사진을 보면 표면이 미세하게 오돌토돌한 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 방법과 나선형은 출력 경로가 표면과 평행하기 때문에 표면과 충돌을 줄일 수 있어 매끄럽게 출력되었다. 그러나 지그재그형의 출력 경로는 (b)의 단면에 보이듯 두 외곽을 바느질하는 것과 같이 출력된 것을 알 수 있다. 그 결과 지그재그형은 표면과의 잦은 충돌로 인해서 표면이 거칠다.

마지막으로 도 12의 (g), (h), (i)의 출력 결과물에 빛을 비춘 결과를 가지고 종합적으로 비교 분석을 했다. (g)에서는 내부의 불규칙한 빈 공간들 때문에 빛의 투과를 정밀하게 조절하지 못했고 그 결과 가로 줄무늬들이 발생한 것을 알 수 있다. (h)와 (i)는 내부를 규칙적으로 채워 (g)처럼 줄무늬가 발생하지 않았다.

하지만 본 발명의 방법은 지그재그형과 달리 내부를 완전히 채웠기 때문에 빛의 투과량을 정밀하게 조절하여 명암이 더 선명한 것을 확인할 수 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 출력 시스템의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 출력 시스템은 메모리(1310) 및 프로세서(1320)를 포함하여 구성된다.

메모리(1310)는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 출력을 위한 3D 프린터의 가변 압출 방법 및 이를 이용한 3D 모델 출력 방법을 위한 적어도 하나의 명령어를 저장할 수 있다.

프로세서(1320)는 메모리에 저장된 명령어를 실행할 수 있다. 프로세서에 의해 실행된 명령어는 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한 바와 같이 3D 모델 출력을 위한 3D 프린터의 가변 압출 방법 및 이를 이용한 3D 모델 출력 방법을 위한 다양한 단계를 수행할 수 있다. 이에 대해서는 이미 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한 바와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 도 13에는 상세히 도시되어 있지 않으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 모델 출력 시스템은 3D 프린터와 연결되어 해당 3D 프린터를 제어할 수 있음은 자명하다.

상술한 본 발명에 따른 3D 모델 출력을 위한 3D 프린터의 가변 압출 방법 및 이를 이용한 3D 모델 출력 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래쉬 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

1310: 메모리
1320: 프로세서

Claims (10)

1. 3D 프린터의 가변 압출을 위한 컴퓨터 구현 방법(Computer implemented method)으로서,
   (a) 상기 3D 프린터의 압출량을 일정하게 고정하는 단계; 및
   (b) 3D 프린트할 3D 모델 데이터에 기반하여 출력할 위치의 압출 면적에 따라 상기 3D 프린터 헤드의 이동 속도를 가변시키는 단계를 포함하는 3D 모델 출력을 위한 3D 프린터의 가변 압출 방법.
   
2. 제1 항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
   상기 3D 모델 데이터를 이용하여 상기 3D 프린터가 출력할 위치의 내벽과 외벽 사이의 단위 압출 면적을 계산하는 단계; 및
   상기 출력할 위치의 내벽과 외벽의 중간을 따라 상기 3D 프린터 헤드를 이동시키되, 상기 단위 압출 면적에 따라 상기 3D 프린터 헤드의 이동 속도를 가변시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 모델 출력을 위한 3D 프린터의 가변 압출 방법.
   
3. 제1 항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
   상기 3D 프린터의 스텝 모터의 회전 속도를 일정한 속도로 고정시켜 상기 압출량을 고정하는 것을 특징으로 하는 3D 모델 출력을 위한 3D 프린터의 가변 압출 방법.
   
4. 3D 프린터의 가변 압출에 기반하여 3D 모델을 출력하기 위한 컴퓨터 구현 방법(Computer implemented method)으로서,
   2차원 출력 대상 이미지를 입력받는 단계;
   상기 2차원 출력 대상 이미지를 이용하여 3D 모델 높이 맵을 생성하는 단계;
   3D 모델의 기하 형태를 선택받는 단계;
   상기 선택된 기하 형태에 상기 3D 모델 높이 맵을 매핑시켜 3D 모델을 생성하는 단계;
   상기 3D 모델을 슬라이싱(slicing)하여 3D 프린터 출력 제어를 위한 출력 데이터를 생성하되, 상기 3D 모델의 슬라이싱에 상응하여 내벽과 외벽 사이의 중간으로 출력 경로가 생성되도록 상기 출력 데이터를 생성하는 단계; 및
   상기 출력 데이터에 따라 3D 모델을 출력하도록 3D 프린터를 제어하는 단계를 포함하는 3D 모델 출력 방법.
   
5. 제4 항에 있어서,
   상기 출력 데이터를 생성하는 단계는,
   G-Code를 생성하는 단계이되,
   상기 3D 프린터의 스텝 모터의 회전 속도를 일정한 속도로 고정시키도록 상기 G-Code를 생성하는 것을 특징으로 하는 3D 모델 출력 방법.
   
6. 제5 항에 있어서,
   상기 출력 데이터를 생성하는 단계는,
   상기 3D 모델의 출력 위치에 따른 압출 면적에 따라 3D 프린터 헤드의 이동 속도를 가변하도록 상기 G-Code를 생성하는 것을 특징으로 하는 3D 모델 출력 방법.
   
7. 제5 항에 있어서,
   상기 3D 모델 높이 맵을 생성하는 단계는,
   상기 2차원 출력 대상 이미지를 흑백 이미지로 변환하는 단계; 및
   상기 흑백 이미지로 변환된 출력 대상 이미지의 각 픽셀의 픽셀값을 반전시켜 상기 3D 모델 높이 맵을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 모델 출력 방법.
   
8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 하나의 항에 따른 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드를 기록한 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체 제품.
   
9. 3D 프린터를 제어하여 3D 모델을 생성하는 3D 모델 출력 시스템에 있어서,
   메모리; 및
   상기 메모리에 의해 적재된 명령어를 실행하는 프로세서를 포함하되,
   상기 프로세서에 의해 실행된 명령어는,
   상기 3D 프린터의 압출량을 일정하게 고정하는 단계; 및
   (b) 3D 프린트할 3D 모델 데이터에 기반하여 출력할 위치의 압출 면적에 따라 상기 3D 프린터 헤드의 이동 속도를 가변시키는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 모델 출력 시스템.
   
10. 3D 프린터를 제어하여 3D 모델을 생성하는 3D 모델 출력 시스템에 있어서,
    메모리; 및
    상기 메모리에 의해 적재된 명령어들을 실행하는 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서에 의해 실행된 명령어들은,
    2차원 출력 대상 이미지를 입력받는 단계;
    상기 2차원 출력 대상 이미지를 이용하여 3D 모델 높이 맵을 생성하는 단계;
    3D 모델의 기하 형태를 선택받는 단계;
    상기 선택된 기하 형태에 상기 3D 모델 높이 맵을 매핑시켜 3D 모델을 생성하는 단계;
    상기 3D 모델을 슬라이싱(slicing)하여 3D 프린터 출력 제어를 위한 출력 데이터를 생성하되, 상기 3D 모델의 슬라이싱에 상응하여 내벽과 외벽 사이의 중간으로 출력 경로가 생성되도록 상기 출력 데이터를 생성하는 단계; 및
    상기 출력 데이터에 따라 3D 모델을 출력하도록 3D 프린터를 제어하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 3D 모델 출력 시스템.
    

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