KR20180138299A

KR20180138299A - 고속 삼차원 구조체 출력 장치

Info

Publication number: KR20180138299A
Application number: KR1020170078326A
Authority: KR
Inventors: 박성호; 정지훈
Original assignee: 박성호
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2018-12-31

Abstract

본 발명은 고속 삼차원 구조체 출력 장치에 관한 것으로, 본 발명의 고속 삼차원 구조체 출력 장치는 하우징부, 하우징부의 내부에 위치하고 삼차원 구조체를 구성하는 재료인 필라멘트를 공급하는 공급부, 공급부의 종단부에 구비되고, 필라멘트를 가열하는 필라멘트 가열부, 가열된 필라멘트를 기 결정된 용량씩 기 결정된 시간에 토출하는 노즐부, 노즐부에서 토출된 필라멘트가 적층되는 베드부, 공급부, 필라멘트 가열부, 노즐부 및 베드부의 전반적인 동작을 제어하는 제어부 및 제어부와 인터페이스하고, 공급부, 필라멘트 가열부 및 노즐부의 동작 속도를 제어하는 속도 제어부를 포함하되, 속도 제어부는, 사용자에 의해서 설정된 공급부의 필라멘트의 이송 속도를 감지하고, 감지된 이송 속도에 따라 필라멘트 가열부의 가열 온도 또는 노즐부의 토출 속도를 제어하여 베드부에 적층되는 토출된 필라멘트의 적층 속도를 조절한다.

Description

고속 삼차원 구조체 출력 장치{THREE DIMENSIONAL PRINTING APPARATUS WITH HIGH OUTPUT SPEED}

본 발명은 삼차원 구조체 출력 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사용자의 제어에 따라 고속 출력이 가능한 고속 입체 구조체 출력 장치에 관한 것이다.

일반적으로 삼차원 구조체 출력 장치로 3D 프린터가 널리 사용되고 있다. 3D프린터(Three Dimensional Printer ; 3D printer)는 FFF(Fused Filament Fabrication)/FDM(Fused Deposition Modeling), SLA(Stereolithography Apparatus), DLP(Digital Light Processing), PBP(Powder Bed and inkjet head 3d printing), SLS(Selective Laser Sintering), Polyjet/MUM(Multi jet Modeling), LOM(Laminated object manufacturing) 등 다양한 방식이 존재한다.

3D 프린팅 방식에 따라 사용 재료가 달라지고, 출력 속도가 달라진다. 일반적으로 널리 보급된 3D프린터는 FDM 방식이다. FDM 방식은 필라멘트의 소재로 ABS, PLA, Nylon, Hips 등을 사용되고, 필라멘트가 노즐 모터(Nozzle Motor)를 통과해서 노즐에 연결된 히트 코어에 의해서 가열된 뒤 프린팅 베드에 적층되어 3차원 구조체을 형성하는 방식이다.

이러한 FDM 방식의 3D 프린터의 경우에는 속도가 느리다는 단점이 지적되고 있다. 3D 프린터의 출력 속도를 높이기 위해서 제어 속도를 향상시키는 방안이 제안되고 있지만, 제어 속도를 높여도 압출량 및 노즐 온도 등의 제어가 병행되어야 하고, 압출량 및 노즐 온도를 제어하는 방식에 대한 연구가 계속되고 있다.

따라서, 종래의 3D 프린터의 제어 속도를 향상시키면서 3D 프린터 재료의 압출량과 노즐 온도를 적절하게 제어함으로써 삼차원 구조체의 출력 속도를 개선하는 새로운 방식의 삼차원 구조체 출력 기술에 대한 필요성이 요구되고 있다.

특허문헌 : 등록특허 10-1740266(공고일자 : 2017년 5월 26일)

본 발명은 사용자의 제어 모드에 따라 제어 속도, 압출량 및 노즐 온도를 동시 또는 순차적으로 제어하여 고속으로 삼차원 구조체를 출력할 수 있는 고속 삼차원 구조체 출력 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 삼차원 구조체 출력 장치는, 하우징부, 상기 하우징부의 내부에 위치하고, 삼차원 구조체를 구성하는 재료인 필라멘트를 공급하는 공급부, 상기 공급부의 종단부에 구비되고, 상기 필라멘트를 가열하는 필라멘트 가열부, 상기 가열된 필라멘트를 기 결정된 용량씩 기 결정된 시간에 토출하는 노즐부, 상기 노즐부에서 토출된 필라멘트가 적층되는 베드부, 상기 공급부, 상기 필라멘트 가열부, 상기 노즐부 및 상기 베드부의 전반적인 동작을 제어하는 제어부 및 상기 제어부와 인터페이스하고, 상기 공급부, 필라멘트 가열부 및 노즐부의 동작 속도를 제어하는 속도 제어부를 포함하되, 상기 속도 제어부는, 사용자에 의해서 설정된 상기 공급부의 필라멘트의 이송 속도를 감지하고, 감지된 이송 속도에 따라 상기 필라멘트 가열부의 가열 온도 또는 상기 노즐부의 토출 속도를 제어하여 상기 베드부에 적층되는 상기 토출된 필라멘트의 적층 속도를 조절한다.

이 경우에, 상기 속도 제어부는, 표준 모드, 고정밀모드, 고속모드 및 수동 모드 중 선택된 하나의 동작 모드에 따라 상기 고속 삼차원 구조체 출력 장치의 출력 속도를 제어하되, 상기 모드의 종류별로 기 결정된 출력 속도에 따라 상기 공급부의 공급 속도, 상기 필라멘트 가열부의 온도 및 상기 노즐부의 압출량을 통합 제어한다.

이 경우에, 상기 속도 제어부는, 상기 공급부의 공급 속도, 상기 필라멘트 가열부의 온도 및 상기 노즐부의 압출량을 동시에 증가시켜, 상기 베드부에 적층되는 필라멘트의 적층 속도를 증가시킨다.

또한, 상기 속도 제어부는, 상기 하우징부의 외부에서 탈착가능하게 설치되고, 인터페이스 모듈을 통해서 외부 단말과 접속하여 상기 공급부, 상기 필라멘트 가열부, 상기 노즐부의 기본 설정값을 변경하여 각각의 동작 설정을 제어할 수 있다.

이 경우에, 상기 인터페이스 모듈은, 통신 모듈이고, 상기 통신 모듈에 의해서 사용자 단말로부터 제어 신호를 수신하면, 수신된 제어 신호에 따라 상기 공급부, 상기 필라멘트 가열부 및 상기 노즐부의 동작 설정을 제어할 수 있다.

본 발명의 다양한 실시 예에 따르면 사용자의 제어 모드에 따라 제어 속도, 압출량 및 노즐 온도를 동시 또는 순차적으로 제어하여 고속으로 삼차원 구조체를 출력하여 삼차원 구조체의 생산 속도를 향상시킬 수 있는 효과를 발휘한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 삼차원 구조체 출력 장치의 구조를 예시적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 삼차원 구조체 출력 장치의 동작 모드를 설명하기 위한 도면, 그리고,
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고속 삼차원 구조체 출력 장치의 속도 제어 방법을 설명하는 흐름도.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 다양한 실시 예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 다양한 실시 예에서 도면의 축적이나 비율은 예시적인 것에 불과하고, 실시 예에 따라 도면에 도시된 본 발명의 구성요소는 모양, 형태, 치수 또는 크기가 다르게 설계될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 삼차원 구조체 출력 장치의 구조를 예시적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 고속 삼차원 구조체 출력 장치는 3D 프린터(100)와 속도 제어부(200)를 포함한다.

3D 프린터(100)는 하우징부(110), 공급부(120), 필라멘트 가열부(130), 노즐부(140), 베드부(150), 제어부(160) 및 스텝모터(170)를 포함한다.

하우징부(110)는 3D 프린터(100)을 구성하는 구성품을 내부에 보관하고, 프린팅 과정에서 발생하는 열, 냄새, 먼지 등을 외부와 차단시키는 역할을 수행한다. 하우징부(110)는 투명, 반투명, 불투명 재질로 구성될 수 있고, 투명 재질로 구성될 경우에는 내부의 3D프린팅 과정을 외부에서 지켜볼 수 있다. 바람직하게 하우징부(110)는 투명, 반투명, 불투명 재질을 함께 사용하여 내부 프린팅 상황을 감시할 수 있는 구조로 형성할 수 있다.

공급부(120)는 삼차원 구조체를 구성하는 필라멘트를 공급하는 장치이다. 필라멘트는 종류에 따라 고체, 액체로 구분될 수 있다. 고체의 경우에는 고체 필라멘트 형태로 감겨 있고, 공급부(120)는 감겨있는 고체 필라멘트를 노즐부(140)쪽으로 이송시킬 수 있다. 본 발명은 이해의 편의를 위해서 FDM 방식을 중심으로 설명하고 있지만, 반드시 FDM 방식으로 권리 범위가 제한되는 것은 아님을 밝힌다.

필라멘트 가열부(130)는 공급부(120)에 의해서 공급된 고체 필라멘트에 열을 가하여 고체를 유동성있는 상태로 녹이는 장치이다. 일반적으로 FDM 방식의 3D 프린터의 경우에는 고체 재료를 유동성있는 상태로 녹여서 작업 베드에 적층시켜 삼차원 구조체를 프린팅한다. 필라멘트 가열부(130)의 가열 방식에 대해서는 본 발명을 이해하는데 있어 어려움이 없으므로 자세한 설명은 생략한다.

노즐부(140)는 필라멘트 가열부(130)에 의해서 가열됨으로써 고체에서 액체 상태로 녹은 재료를 베드부(150)로 토출하는 장치이다. 노즐부(140)는 제어부(160)의 제어에 따라 기 결정된 시간에 기결정된 용량만큼 재료를 토출한다. 또한, 노즐부(140)는 제어부(160)의 제어에 따라 위치 이동 중에는 재료를 외부로 토출하지 않고, 정확한 토출 위치에 놓일 경우에 재료를 베드부(150)로 토출한다.

베드부(150)는 삼차원 구조체가 만들어지는 작업 공간이다. 베드부(150)는 일정한 온도 이상으로 가열되어 있으므로, 노즐부(140)에서 토출된 재료를 일정한 온도 이상으로 유지시킬 수 있다. 베드부(150)는 수평이 맞춰진 상태에서 재료가 적층되어 삼차원 구조체가 형성될 수 있도록 삼차원 구조체를 지지한다.

제어부(160)는 공급부(120)의 필라멘트 공급을 제어하고, 필라멘트의 잔량을 감지하고, 감지 결과에 따라 잔량을 사용자에게 표시하도록 제어한다. 제어부(160)는 필라멘트 가열부(130)의 가열 온도를 제어한다. 제어부(160)는 노즐부(140)에서 토출되는 필라멘트 재료의 토출량, 토출속도 등을 제어한다. 제어부(160)는 노즐부(140)와 베드부(150)의 상대적 위치를 감지하여 노즐부(140)를 베드부(150) 상에서 이동하도록 제어한다.

스텝 모터(170)는 노즐부(140)가 베드부(150)을 움직일 수 있도록 X-Y 방향의 운동 에너지를 제공한다. 스텝 모터(170)는 베드부(150)를 기준으로 노즐부(140)를 Z방향으로 이동시키는 운동 에너지를 제공한다.

속도 제어부(200)는 하우징부(110)의 외부에 탈착가능하게 설치될 수 있다. 속도 제어부(200)는 사용자에 의해서 설정된 상기 공급부의 필라멘트의 이송 속도를 감지하고, 감지된 이송 속도에 따라 상기 필라멘트 가열부의 가열 온도 또는 상기 노즐부의 토출 속도를 제어하여 상기 베드부에 적층되는 상기 토출된 필라멘트의 적층 속도를 조절한다.

속도 제어부(200)는 공급부(120)의 공급 속도, 필라멘트 가열부(130)의 온도 및 노즐부(140)의 압출량을 동시에 증가시켜, 베드부(150)에 적층되는 필라멘트 재료의 적층 속도를 증가시킨다.

속도 제어부(200)는 하우징부(110)의 외부에서 탈착가능하게 설치된다. 속도 제어부(200)는 인터페이스 모듈을 구비하고, 인터페이스 모듈을 통해서 외부 단말과 접속한다. 속도 제어부(200)는 외부 단말로부터 제어 신호를 수신하면, 제어 신호에 기초하여 공급부(120), 필라멘트 가열부(130), 노즐부(140)의 기본 설정값을 변경하여 각각의 동작 설정을 제어할 수 있다.

속도 제어부(200)는 표준 모드, 고정밀모드, 고속모드 및 수동 모드 중 선택된 하나의 동작 모드에 따라 상기 고속 삼차원 구조체 출력 장치의 출력 속도를 제어한다. 구체적으로, 속도 제어부(200)는 사용자에 의해서 설정된 모드의 종류에 따라 기 결정된 출력 속도를 결정하고, 결정된 출력 속도에 따라 공급부(120)의 공급 속도, 필라멘트 가열부(130)의 온도 및 노즐부(140)의 압출량을 통합적으로 제어한다. 속도 제어부(200)에 의해서 제어되는 다양한 모드에 대한 자세한 설명은 이하에서 별도의 도면을 참고하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 삼차원 구조체 출력 장치의 동작 모드를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참고하면, 본 발명의 고속 삼차원 구조체 출력 장치는 다양한 출력 모드를 제공한다. 출력 모드별로 출력 속도, 출력 품질 등은 다음의 표 1과 같다. 하기 표 1을 참고하여 출력 모드별로 출력 속도 및 출력 품질에 관하여 설명하면 다음과 같다.

출력 모드별	표준 모드	고정밀 모드	고속 모드	수동 모드
출력 속도	중간 속도	낮은 속도	빠른 속도	사용자 설정값
출력 품질	중간 품질	높은 품질	하위 품질	사용자 설정값

표준 모드는 출력 속도가 중간 속도(Middle Speed)로 설정된다. 출력 속도는 출력물의 형태, 출력 방식, 출력 재료 등에 따라 달라지며, 중간 속도는 상대적인 개념의 속도로서 빠른 속도(High Speed)에 비하여 20% 이상 느린 속도를 의미하고, 낮은 속도에 비해서는 20% 이상 빠른 속도를 의미한다. 또한, 표준 모드는 출력 품질이 중간 품질로 설정된다. 출력 품질은 삼차원 구조체를 정밀하게 표현하는 정도를 의미한다. 표준 모드의 출력 품질은 고속 모드의 출력 품질보다 20% 높고, 고정밀 모드의 출력 품질에 비하여 20% 낮은 수준으로 구조체가 출력됨을 의미한다.

고정밀 모드는 출력 속도가 느린 속도(Low Speed)로 설정된다. 출력 속도는 출력물의 형태, 출력 방식, 출력 재료 등에 따라 달라지며, 느린 속도는 상대적인 개념의 속도로서 중간 속도(Middle Speed)에 비하여 20% 이상 느린 속도를 의미한다. 고정밀 모드는 출력 품질이 높은 품질로 설정된다. 높은 품질은 중간 품질에 비하여 120% 정밀한 수준으로 구조체가 출력됨을 의미한다.

고속 모드는 출력 속도가 빠른 속도(High Speed)로 설정된다. 출력 속도는 출력물의 형태, 출력 방식, 출력 재료 등에 따라 달라지며, 빠른 속도는 상대적인 개념의 속도로서 중간 속도(Middle Speed)에 비하여 20% 이상 빠른 속도를 의미한다. 고속 모드는 출력 품질이 하위 품질로 설정된다. 하위 품질은 중간 품질에 비하여 80% 정밀한 수준으로 구조체가 출력됨을 의미한다.

수동 모드는 출력 속도를 사용자가 임의대로 설정할 수 있다. 또한, 수동 모드에서는 출력 품질도 사용자가 임의대로 설정할 수 있다. 예컨대, 수동 모드에서 출력 속도를 빠른 속도로 설정하고, 출력 품질을 높은 품질로 설정할 수 있다.

이와 같이 수동 모드를 설정할 경우, 출력 속도와 출력 품질을 모두 높이기 위해서는 필라멘트 재료의 공급 속도, 필라멘트 재료의 가열 속도, 필라멘트 재료의 토출 속도 등을 종합적으로 제어해야 한다.

본 발명은 3D 프린터의 제어 속도를 높이기 위해서 가열 속도 및 토출 속도를 동시에 제어함으로써 속도 향상으로 인하여 출력 품질이 떨어지는 것을 방지하는 효과를 발휘한다.

도 2에 도시된 바와 같이 3D 프린터(100)는 속도 제어부(200)에 의해서 동작 모드가 제어되고, 수동 모드가 선택되면 출력 속도 및 출력 품질을 모두 제어할 수 있는 이점이 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고속 삼차원 구조체 출력 장치의 속도 제어 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 3을 참고하면, 사용자가 3D 프린터의 외부에 설치된 속도 제어부(200)를 통해서 동작 모드를 입력한다(S301). 사용자가 입력한 동작 모드가 수동모드인지 아닌지를 판단한다(S302). 수동모드가 선택되지 않은 경우(S302-NO), 사용자에 의해서 선택된 모드를 분석하여 제어 속도를 판단한다(S303). 수동모드가 선택된 경우(S302-YES), 사용자가 3D 프린팅 설정값을 입력할 수 있도록 입력창을 표시하고, 사용자는 입력창에 3D 프린팅 설정값을 입력한다(S304).

단계(S303)에서 표준 속도(Standard Speed; SS), 빠른 속도(High Speed ; HS), 느린 속도(Low Speed ; LS)인지를 판단하면, 각 판단 결과에 따라 표준 속도의 경우(S303-SS), 표준 모드 제어를 실행한다(S305). 빠른 속도로 판단한 경우(S303-HS), 고속 모드 제어를 실행한다(S306). 느린 속도로 판단한 경우(S303-LS), 고정밀 모드 제어를 실행한다(S307).

만약 단계(S304)에서, 설정된 출력 속도가 빠른 속도, 표준 속도, 느린 속도 중 어느 하나의 속도이고, 설정된 출력 품질이 높은 품질, 중간 품질, 하위 품질 중 어느 하나의 품질이면, 설정된 값에 따라 속도 및 품질을 결정하여 3D 프린팅을 진행한다.

또한, 단계(S305 내지 S308)에서 결정된 출력 속도 및 출력 품질에 따라 3D 프린팅을 실행한다(S309).

비록 본 발명의 예시적인 실시예 및 적용예가 도시되고 설명되었더라도, 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 많은 변화 및 수정이 가능하고, 이러한 변형은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있습니다. 따라서, 설명된 실시예는 예시적이지 제한적인 것이 아니며, 본 발명은 첨부된 상세한 설명에 의해서 제한되는 것이 아니지만 청구항의 기술적 범위 내에서 수정가능하다.

100 : 3D프린터 110 : 하우징부
120 : 공급부 130 : 필라멘트 가열부
140 : 노즐부 150 : 베드부
160 : 제어부 170-1, 170-2 : 제1, 2 스텝 모터
200 : 속도 제어부

Claims

고속 삼차원 구조체 출력 장치에 있어서,
하우징부;
상기 하우징부의 내부에 위치하고, 삼차원 구조체를 구성하는 재료인 필라멘트를 공급하는 공급부;
상기 공급부의 종단부에 구비되고, 상기 필라멘트를 가열하는 필라멘트 가열부;
상기 가열된 필라멘트를 기 결정된 용량씩 기 결정된 시간에 토출하는 노즐부;
상기 노즐부에서 토출된 필라멘트가 적층되는 베드부;
상기 공급부, 상기 필라멘트 가열부, 상기 노즐부 및 상기 베드부의 전반적인 동작을 제어하는 제어부; 및
상기 제어부와 인터페이스하고, 상기 공급부, 필라멘트 가열부 및 노즐부의 동작 속도를 제어하는 속도 제어부를 포함하되,
상기 속도 제어부는, 사용자에 의해서 설정된 상기 공급부의 필라멘트의 이송 속도를 감지하고, 감지된 이송 속도에 따라 상기 필라멘트 가열부의 가열 온도 또는 상기 노즐부의 토출 속도를 제어하여 상기 베드부에 적층되는 상기 토출된 필라멘트의 적층 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 고속 삼차원 구조체 출력 장치.
제1항에 있어서,
상기 속도 제어부는, 표준 모드, 고정밀모드, 고속모드 및 수동 모드 중 선택된 하나의 동작 모드에 따라 상기 고속 삼차원 구조체 출력 장치의 출력 속도를 제어하되,
상기 모드의 종류별로 기 결정된 출력 속도에 따라 상기 공급부의 공급 속도, 상기 필라멘트 가열부의 온도 및 상기 노즐부의 압출량을 통합 제어하는 것을 특징으로 하는 고속 삼차원 구조체 출력 장치.
제2항에 있어서,
상기 속도 제어부는, 상기 공급부의 공급 속도, 상기 필라멘트 가열부의 온도 및 상기 노즐부의 압출량을 동시에 증가시켜, 상기 베드부에 적층되는 필라멘트의 적층 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 고속 삼차원 구조체 출력 장치.
제1항에 있어서,
상기 속도 제어부는, 상기 하우징부의 외부에서 탈착가능하게 설치되고, 인터페이스 모듈을 통해서 외부 단말과 접속하여 상기 공급부, 상기 필라멘트 가열부, 상기 노즐부의 기본 설정값을 변경하여 각각의 동작 설정을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 고속 삼차원 구조체 출력 장치.
제2항에 있어서,
상기 인터페이스 모듈은, 통신 모듈이고, 상기 통신 모듈에 의해서 사용자 단말로부터 제어 신호를 수신하면, 수신된 제어 신호에 따라 상기 공급부, 상기 필라멘트 가열부 및 상기 노즐부의 동작 설정을 제어하는 것을 특징으로 하는 고속 삼차원 구조체 출력 장치.