KR20190111352A - 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법은 성형하고자 하는 제품 형태의 캐비티(cavity)가 내부에 형성된 주형의 형상을 전산적으로 모델링하여 주형 모델링 데이터를 얻는 제1단계, 미리 정해진 체적을 가진 블럭체 또는 분말 형태의 입상체를 공급하는 원료 공급부를 상기 주형 모델링 데이터에 포함된 좌표 정보에 따라 이동시키면서 상기 캐비티의 내부 영역에는 상기 입상체를 적층하고, 상기 캐비티의 외부 영역에는 상기 블럭체 또는 입상체를 선택적으로 적층하는 제2단계, 상기 제2단계의 수행 중에 상기 캐비티의 외부 영역에 적층되는 블럭체 또는 입상체를 서로 접합시키는 제3단계, 및 상기 주형의 형상이 완성될 때까지 상기 제2단계와 3단계를 반복한 이후에 상기 캐비티의 내부 영역에 적층된 입상체를 제거하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법{Manufacturing Method of Mold using 3-Dimensional Printing Method}

본 발명은 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 소재를 적층하여 입체적 형상을 성형하는 3차원 프린팅 방식을 이용하여 제품 형태의 캐비티(cavity)가 내부에 형성된 주형을 제작하되, 상기 주형에 의해 성형되는 제품의 형상에 영향을 미치는 상기 캐비티의 인접 영역에는 분말 형태의 입상체를 적층하고 상기 성형되는 제품의 형상에 영향을 미치지 않는 나머지 영역에는 미리 정해진 체적을 가지는 블럭체를 적층함으로써 주형 제작에 소요되는 시간과 비용을 현저히 저감시킬 수 있는 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법에 관한 것이다.

일반적으로, 주조(casting)라 함은 용해한 금속(이하, '용탕'이라 함)을 사형(모래형)이나 금형 등의 주형(mould) 속에 부어 넣고 응고시켜 각종 형태의 주물 제품을 생산하는 금속 가공 기법 중 하나이며, 단조, 판금, 용접 등의 다른 가공법보다 비교적 간단한 설비로 대량 생산할 수 있고 가공이 용이한 특징이 있다.

상술한 주조 제품을 얻기 위해서는, 먼저 성형하고자 하는 주물 제품의 형체를 갖는 주형이 구비되어야 하는데, 종래에는 이를 위하여 목재 재질을 이용하여 제품 형태의 모형(pattern)을 먼저 제작하고 그 외부에 주물사를 다져서 성형틀을 제작한 후 모형을 제거함으로써 상기 주물사로 이루어진 성형틀의 내부에 상기 모형 형상의 캐비티를 형성하는 방식으로 주형을 제작하였다.

그러나, 이와 같은 종래 기술에 따른 주형 제작 방식의 경우 모형 제작에 소요되는 시간과 비용이 과도할 뿐만 아니라, 모형의 가공에 수작업이 필요할 경우 작업자의 숙련도에 따라 작업 시간과 작업 정밀도(즉, 주형 치수)가 크게 달라지는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 3차원 프린터를 이용하여 사형이나 금형과 같은 주형을 제작하는 방법이 개발되었는데, 이러한 3차원 프린터를 이용한 주형 제작방법은 하기 [문헌 1] 등에 상세히 개시되어 있다.

하기 [문헌 1]에 따른 기술의 경우 주형의 형상을 단위 평면으로 나누고 각 평면마다 3차원 프린팅 방식을 이용하여 주형의 주된 소재 분말을 레이저로 용융시켜 적층하면서 자동으로 주형을 성형하는 방식이기 때문에 종래 기술과 대비할 때 주형 제작에 소요되는 시간과 비용을 저감하고 작업 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점을 가지게 된다.

그러나, 하기 [문헌 1]에 따른 방식의 경우 제작하고자 하는 주형의 사이즈가 작을 경우에는 상술한 장점을 가지게 되나, 제작하고자 하는 주형의 사이즈가 선박이나 자동차에 사용되는 실린더 블럭용 주형과 같이 대형일 경우에는 제작하고자 하는 주형의 체적만큼 소재 분말을 용융 및 적층시켜야 하기 때문에 주형 제작에 소요되는 시간과 비용이 종래 기술보다 오히려 과도해짐으로써 이들 대형 주형의 제작에 실질적으로 적용되기에는 곤란한 문제점이 있다.

[문헌 1] 한국공개특허 제2012-0128171호(2012. 11. 27. 공개)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 소재를 적층하여 입체적 형상을 성형하는 3차원 프린팅 방식을 이용하여 제품 형태의 캐비티(cavity)가 내부에 형성된 주형을 제작하되, 상기 주형에 의해 성형되는 제품의 형상에 영향을 미치는 상기 캐비티의 인접 영역에는 분말 형태의 입상체를 적층하고 상기 성형되는 제품의 형상에 영향을 미치지 않는 나머지 영역에는 미리 정해진 체적을 가지는 블럭체를 적층함으로써 주형 제작에 소요되는 시간과 비용을 현저히 저감시킬 수 있는 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 3차원 프린팅 방식에 의하여 주형을 제작하는 경우 상기 캐비티의 내부 영역에는 상기 입상체를 추후 제거가 가능하도록 충진하여 이를 기재로 하여 소재의 적층이 이루어지도록 함으로써 상기 캐비티의 형상이 언더컷이 존재하는 형상이거나 기하학적으로 비정형 형상인 경우(즉, 빈 공간의 상부에 소재를 적층해야 하는 형상인 경우)에도 주형 제작이 가능하기 때문에 종래 기술과 같이 상부 주형과 하부 주형을 별도로 제작하지 않더라도 하나의 주형에 의하여 제품을 성형할 수 있는 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법은 성형하고자 하는 제품 형태의 캐비티(cavity)가 내부에 형성된 주형의 형상을 전산적으로 모델링하여 주형 모델링 데이터를 얻는 제1단계, 미리 정해진 체적을 가진 블럭체 또는 분말 형태의 입상체를 공급하는 원료 공급부를 상기 주형 모델링 데이터에 포함된 좌표 정보에 따라 이동시키면서 상기 캐비티의 내부 영역에는 상기 입상체를 적층하고, 상기 캐비티의 외부 영역에는 상기 블럭체 또는 입상체를 선택적으로 적층하는 제2단계, 상기 제2단계의 수행 중에 상기 캐비티의 외부 영역에 적층되는 블럭체 또는 입상체를 서로 접합시키는 제3단계, 및 상기 주형의 형상이 완성될 때까지 상기 제2단계와 3단계를 반복한 이후에 상기 캐비티의 내부 영역에 적층된 입상체를 제거하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2단계는, 미리 정해진 방식에 따라 상기 주형 모델링 데이터를 상기 캐비티의 내부 영역인 제1영역, 상기 캐비티의 외부 영역 중 상기 제1영역에 인접한 영역인 제2영역, 및 상기 캐비티의 외부 영역 중 상기 제2영역의 외측 영역인 제3영역으로 구분하여 결정하는 제2-1단계, 상기 좌표 정보에 따라 이동되는 상기 원료 공급부의 현재 위치가 상기 제1영역 내지 제3영역 중 어느 하나인지 여부를 판단하는 제2-2단계, 및 상기 제2-2단계의 판단 결과 상기 원료 공급부의 현재 위치가 상기 제1영역 또는 제2영역인 경우에는 상기 입상체를 적층하고, 상기 제3영역인 경우에는 상기 블럭체를 적층하는 제2-3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캐비티는 상기 성형하고자 하는 제품의 전체 형상과 동일한 형태이고, 상기 주형의 일측면에는 상기 캐비티와 연통되는 개구가 형성되되, 상기 제4단계는 상기 개구를 통하여 상기 캐비티의 내부 영역에 적층된 입상체를 제거하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법은 소재를 적층하여 입체적 형상을 성형하는 3차원 프린팅 방식을 이용하여 제품 형태의 캐비티(cavity)가 내부에 형성된 주형을 제작하되, 상기 주형에 의하여 성형되는 제품의 형상에 영향을 미치는 상기 캐비티의 인접 영역에는 분말 형태의 입상체를 적층하고 상기 성형되는 제품의 형상에 영향을 미치지 않는 나머지 영역에는 미리 정해진 체적을 가지는 블럭체를 적층함으로써 주형 제작에 소요되는 시간과 비용을 현저히 저감시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법은 3차원 프린팅 방식에 의하여 주형을 제작하는 경우 상기 캐비티의 내부 영역에는 상기 입상체를 추후 제거가 가능하도록 충진하여 이를 기재로 하여 소재의 적층이 이루어지도록 함으로써 상기 캐비티의 형상이 언더컷이 존재하는 형상이거나 기하학적으로 비정형 형상인 경우(즉, 빈 공간의 상부에 소재를 적층해야 하는 형상인 경우)에도 주형 제작이 가능하기 때문에 종래 기술과 같이 상부 주형과 하부 주형을 별도로 제작하지 않더라도 하나의 주형에 의하여 제품의 성형이 가능한 장점이 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 주형을 이용하여 성형하고자 하는 제품의 형상을 나타낸 도면,
도2는 종래 기술에 의한 주조방법에 따라 도1에 도시한 제품을 성형하는 공정을 설명하기 위한 도면,
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 주형의 제작 및 이를 이용하여 도1에 도시한 제품을 성형하는 공정을 설명하기 위한 도면,
도4는 본 발명의 일실시예에 따라 3차원 프린팅 방식으로 주형을 제작하기 위한 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면,
도5는 도4의 장치에 사용된 원료 공급부의 구성을 나타낸 도면, 및
도6은 도4의 장치에 대한 동작 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따라 제작된 주형을 이용하여 성형하고자 하는 제품의 형상을 나타낸 도면이고, 도2는 종래 기술에 의한 주조방법에 따라 도1에 도시한 제품을 성형하는 공정을 설명하기 위한 도면이며, 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 주형의 제작 및 이를 이용하여 도1에 도시한 제품을 성형하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 본 발명에 따른 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법에 의해 제작된 주형을 이용하여 성형되는 제품(P)의 형상, 즉 주조품의 형상이 도1에 도시한 바와 같은 병 모양으로 이루어진 경우를 일예로서 설명한다.

도1에 도시한 형태의 제품(P)을 종래 기술에 따른 주조 방식에 의해 제조하는 경우 도2에 도시한 바와 같이 제1,2 정반(10,110)의 표면에 각각 주형 제작을 위한 제1,2모형(20,120)을 형성한 후, 상기 제1,2 정반(10,110)의 테두리 복수 개소(3개소 또는 4개소)에 후술하는 바와 같이 상하부 주형에 결합을 위한 홈/돌기 구조를 형성하기 위한 제1,2다월(30,130)을 결합하게 된다.

이 경우, 상기 제1다월(30)은 돌기형으로 구성되고 상기 제2다월(130)은 홈 형상으로 구성되는데, 상기 제2다월은 결합위치에 형성된 관통공(미도시)을 통하여 본체가 관통하여 제2정반(110)의 하부면 방향으로 돌출되도록 결합된다.

이와 같이 모형(20,120) 제작과 다월(30,130) 결합이 완성되면 각각의 정반(10,110) 상부에 주물사를 덮어 다진 후 각각 제1,2정반(10,110)을 제거하여 상부 주형(40)과 하부 주형(140)을 제작하게 된다.

이때, 상부 주형(40)과 하부 주형(140)의 표면에는 각각 주물 제품을 생성하기 위한 캐비티(C1,C2)가 형성되고, 캐비티(C1,C2) 외측으로는 주형 결합에 필요한 주형 결합홈(41)과 주형 결합돌기(141)가 각각 형성된다.

이와 같이 주형 제작이 완료되면 상기 주형 결합홈(41)과 주형 결합돌기(141)가 결합되도록 상부 주형(40)과 하부 주형(140)을 결합시킨 후 상기 캐비티(C1,C2)가 형성하는 공간에 용해된 금속 용액(즉, 용탕)을 부어 응고시킴으로써 주물 제품(P)을 완성하게 된다.

상술한 바와 같은 종래 기술에 따른 주형 제작방법은 목재 등을 가공하여 상기 모형(20,120)을 별도로 제작하여야 하기 때문에 모형 제작에 소요되는 시간과 비용이 과도할 뿐만 아니라, 모형의 가공에 수작업이 필요할 경우 작업자의 숙련도에 따라 작업 시간과 작업 정밀도(즉, 주형의 치수)가 크게 달라지는 문제점이 있었다.

또한, 종래 기술에 따른 주형 제작방법은 도1에 도시한 제품(P)의 중앙부에 형성된 곡면과 같이 성형하고자 하는 제품의 형상 중 일부가 언더컷이 존재하는 형상이거나 기하학적으로 비정형 형상인 경우 주형 제작시 모형의 제거가 가능하도록 하기 위하여 제품의 형상을 2 이상으로 분리한 후 분리된 형상 각각에 대한 모형 및 주형을 별도로 제작하여야 하기 때문에 주형 제작에 소요되는 시간 및 비용이 크게 증가될 뿐만 아니라 주조 방식에 의하여 제조할 수 있는 제품(P)의 형상에 제한이 발생되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 주형을 구성하는 영역에 따라 미리 정해진 체적을 가진 블럭체와 분말 형태의 입상체로 이루어지는 원료 소재를 선택적으로 적층 및 접합하는 3차원 프린팅 방식을 적용하여 주형을 제작함으로써 주형 제작에 소요되는 시간과 비용을 현저히 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 성형하고자 하는 제품의 형상에 구애됨이 없이 하나의 주형에 의하여 제품을 성형할 수 있도록 하는 것을 발명의 특징으로 한다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법은 주형의 형상(D)을 전산적으로 모델링하여 주형 모델링 데이터를 얻는 제1단계와, 상기 제1단계에서 얻어진 주형 모델링 데이터를 이용하여 상기 블럭체와 입상체를 적층하여 주형을 제작하는 제2단계를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 주형의 형상(D)은 내부에 성형하고자 하는 제품(P) 형태(즉, 본 실시예의 경우 도1의 병 모양)의 캐비티(cavity)(C)가 형성되도록 이루어지는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 주형의 외부 형상은 직육면체로 이루어진 경우라고 가정한다.

또한, 상기 주형 모델링 데이터는 3차원 형상을 모델링하기 위한 AUTOCAD, CATIA, PRO/ENGINEER 등 공지된 3-D 설계 프로그램 중 어느 하나를 이용하여 제품의 형상을 모델링하여 전산적 데이터 형태로 얻을 수 있으며, 이는 주형의 형상(D)을 구성하는 각 노드점에 대한 좌표 정보를 포함한다.

이와 같이, 상기 제1단계에서 주형의 형상(D)에 대한 주형 모델링 데이터가 얻어지면 주형 제작용 장치를 이용하여 3차원 프린팅 방식에 의하여 주형(240)을 제작하게 되는데, 상기 주형 제작용 장치에 관한 개략적인 구성을 도4 내지 도6에 도시하였다.

도4는 본 발명의 일실시예에 따라 3차원 프린팅 방식으로 주형을 제작하기 위한 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도5는 도4의 장치에 사용된 원료 공급부의 구성을 나타낸 도면이며, 도6은 도4의 장치에 대한 동작 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.

상기 주형 제작용 장치는 작업대(10)가 형성된 본체(1)의 상부에 X,Y,Z의 3축 방향으로 원료 공급부(5)와 원료접합 장치부(4)를 이송시키기 위한 이송축(2)과 상기 이송축(2)을 통하여 상기 원료 공급부(5)와 원료접합 장치부(4)를 이송시키는 이송모터(3)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 3축 방향 이송축(2)과 이송모터(3)의 구성은 공지된 기술이기 때문에 여기에서는 구체적인 설명은 생략하기로 하며, 상기 원료 공급부(5)는 상기 이송축(2)의 일측에 결합된 하우징 형태로 구성되고 내부에 미리 정해진 체적을 가진 블럭체(50a,50b)와 분말 형태의 입상체(5c)를 수용한 상태에서 상기 이송축(2)을 따라 이동하면서 필요한 위치에서 상기 블럭체(50a,50b) 또는 입상체(50c)를 공급하도록 구성된다.

이를 위하여, 상기 원료 공급부(5)는 후술하는 바와 같이 제어부(200)의 제어신호에 따라 상기 블럭체(50a,50b) 또는 입상체(50c)를 공급하거나 공급을 차단할 수 있도록 원료 배출구의 개폐를 제어할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 원료 공급부(5)는 제1체적의 블럭체(50a)를 공급하는 제1공급부(5a), 상기 제1체적 보다 작은 제2체적의 블럭체(50b)를 공급하는 제2공급부(5b), 및 분말 형태의 입상체(50c)를 공급하는 제3공급부(5c)로 구성될 수 있으며, 이 경우 각각의 공급부(5a,5b,5c)는 바인딩 장치(5d)에 의하여 하나의 어셈블리를 구성한 형태로 상기 이송축(2)의 일측에 결합될 수 있다.

또한, 상기 블럭체(50a,50b)는 도면에 도시된 바와 같이 구형체로 이루어질 수도 있으나, 필요에 따라서는 사면체, 육면체 등 여러 가지 다양한 형상으로 이루어질 수도 있다.

다만, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 상기 원료 공급부(5)가 제1체적의 블럭체(50a)를 공급하는 제1공급부(5a)와 분말 형태의 입상체(50c)를 공급하는 제3공급부(5c)로 구성된 경우를 일예로서 설명한다.

또한, 본 발명의 상세한 설명 및 특허청구범위 전체에서 상기 "분말 형태의 입상체"라 함은 분쇄된 가루 형태 뿐만 아니라 모래와 같은 입자 형태까지 모두 포함하는 개념이고, 상기 "블럭체"라 함은 압축이나 소결 등의 방식에 의하여 성형된 상기 입상체의 집합체(또는 덩어리) 형태이거나 기계적 가공 등에 의하여 상기 입상체의 단위 입자의 입경보다 수 배 내지 수십 배의 직경을 가지도록 성형된 형태를 포함하는 개념이다.

또한, 상기 블럭체(50a,50b)와 입상체(50c)는 주형 본연의 기능을 수행할 수 있도록 녹는점이 용탕의 최대온도 이상인 내화성 재질(즉, 모래, 석영, 석고 등과 같은 세라믹 소재 또는 고내화성 합성수지 소재 등)로 이루어지는 것이 바람직한데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 블럭체(50a,50b)와 입상체(50c)가 석영 재질로 이루어지는 것으로 구성하였다.

또한, 상기 원료접합 장치부(4)는 후술하는 바와 같이 제어부(200)의 제어신호에 의해 주형의 체적을 형성하기 위해 적층되는 상기 블럭체(50a)와 입상체(50c)를 서로 접합시켜 성형틀로서의 기능을 수행할 수 있도록 하기 위한 것으로서, 적층 소재인 상기 블럭체(50a)와 입상체(50c)의 재질에 따라 다르게 구성될 수 있다.

일예로서, 본 실시예에서와 같이 상기 블럭체(50a)와 입상체(50c)가 석영과 같은 세라믹 재질인 경우 상기 원료접합 장치부(4)는 접착제 기능을 하는 바인딩 수지를 공급하는 장치로 구성될 수 있으며, 상기 블럭체(50a)와 입상체(50c)가 합성수지 재질인 경우에는 레이저 용융장치로 구성될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 주형 제작용 장치는 입력부(210)를 통해 상술한 주형 모델링 데이터가 입력되면, 제어부(200)는 이를 주형 모델링 데이터 처리부(220)로 전달한다.

또한, 상기 주형 모델링 데이터 처리부(220)는 상기 전달된 주형 모델링 데이터를 복수의 영역으로 구분하여 결정하게 되는데, 본 실시예에서는 일예로서 상기 주형 모델링 데이터 처리부(220)는 주형 모델링 데이터를 상기 캐비티의 내부 영역인 제1영역, 상기 캐비티의 외부 영역 중 상기 제1영역에 인접한 영역인 제2영역, 및 상기 캐비티의 외부 영역 중 상기 제2영역의 외측 영역인 제3영역으로 구분하여 결정하게 된다.

이때, 상기 제2영역과 제3영역의 구분은 미리 정해진 방식에 의하여 이루어질 수 있는데, 일예로서 작업자가 입력부(210)를 통해 제2영역의 두께(즉, 상기 캐비티의 외면으로부터의 이격 거리)를 입력하는 방식으로 이루어지거나, 상기 주형 모델링 데이터 처리부(220)에 미리 저장된 프로그램에 의하여 상기 제2영역의 두께를 정하는 방식으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 미리 저장된 프로그램에 의하여 상기 제2영역의 두께가 정해지는 경우 상기 주형 모델링 데이터 처리부(220)는 상기 캐비티(C)의 국부적 형상에 따라 상기 제2영역의 두께를 다르게 설정할 수 있다(예를 들어, 캐비티의 외면 형상이 물결 모양 또는 지그재그 형상인 경우 산과 골에 대한 제2영역의 두께를 다르게 설정함으로써 제2영역과 제3영역의 경계면 형상은 평면이 되도록 할 수 있다)

또한, 상기 제어부(200)는 후술하는 바와 같이 상기 주형 모델링 데이터에 포함된 좌표 정보에 따라 상기 원료 공급부(5)와 원료접합 장치부(4)가 이동하면서 상기 주형 모델링 데이터 처리부(220)에서 결정된 영역별로 상기 블럭체(50a)와 입상체(50c)를 선택적으로 적층 및 접합하도록 상기 이송모터(3), 원료 공급부(5), 및 원료접합 장치부(4)의 동작을 제어하게 된다.

도3에는 상술한 바와 같이 동작되는 주형 제작용 장치를 이용하여 본 발명에 따른 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법에 의해 주형을 제작하는 공정을 순차적으로 도시하였는데, 도3의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이 상기 제어부(200)는 원료 공급부(5)를 상기 주형 모델링 데이터에 포함된 좌표 정보에 따라 이동시키면서 상기 캐비티(C)의 내부 영역에는 상기 입상체를 적층하고, 상기 캐비티(C)의 외부 영역에는 상기 블럭체 또는 입상체를 선택적으로 적층하게 된다.

이 경우, 상기 제어부(200)는 상기 좌표 정보에 따라 이동되는 상기 원료 공급부(5)의 현재 위치가 상기 제1영역 내지 제3영역 중 어느 하나인지 여부를 판단하고, 상기 판단 결과 상기 원료 공급부(5)의 현재 위치가 상기 제1영역 또는 제2영역인 경우에는 상기 입상체(50c)를 적층하고, 상기 제3영역인 경우에는 상기 블럭체(50a)를 적층하도록 상기 원료 공급부(5)의 동작을 제어하게 된다.

또한, 상기 제어부(200)는 상기 블럭체(50a) 또는 입상체(50c)를 적층하는 도중에 상기 캐비티(C)의 외부 영역(즉, 상기 제2영역과 제3영역)에 적층되는 블럭체(50a) 또는 입상체(50c)를 서로 접합시키도록 상기 원료접합 장치부(4)의 동작을 제어하게 된다.

상기와 같은 제어부(200)의 제어에 의하여 상기 제2영역과 제3영역에 적층되는 블럭체(50a)와 입상체(50c)는 서로 견고하게 접합됨으로써 후술하는 바와 같이 주조 방식에 의하여 제품(P)을 성형하기 위한 성형틀인 주형(240)으로서의 기능을 수행하게 된다.

참고로, 도3에서는 캐비티(C)의 내부 영역(즉, 제1영역)에 접합되지 않은 상태로 적층되는 입상체(50c)와 캐비티(C)의 외부 영역(즉, 제2영역)에 적층되어 서로 접합되는 입상체(50d)는 구별을 위하여 서로 다른 도면 부호를 부여하였다.

또한, 상기 제어부(200)는 상술한 바와 같이 상기 제1영역 내지 제3영역에 대하여 상기 블럭체(50a) 또는 입상체(50c)를 선택적으로 적층 및 접합하는 공정을 주형(240)의 형상이 완성될 때까지 반복하여 수행하게 된다.

이때, 상기 캐비티(C)는 상기 성형하고자 하는 제품(P)의 전체 형상과 동일한 형태이고, 상기 완성된 주형(240)의 일측면(본 실시예의 경우 상면)에는 상기 캐비티(C)와 연통되는 개구가 형성된다.

이와 같은 방식에 의하여 상기 주형(240)의 형상이 완료되면 도3의 (d)에 도시한 바와 같이 상기 개구를 통하여 상기 캐비티(C)의 내부 영역(즉, 상기 제1영역)에 적층된 입상체(50c)를 제거함으로써 주형(240)의 제작이 완료된다.

상술한 바와 같이 주형(240)이 완성되면 도3의 (e)와 (f)에 도시한 바와 같이 용탕 래들(60)을 이용하여 상기 개구를 통해 용탕을 주형(240)의 캐비티(C) 내부로 주입하고, 주입된 용탕의 응고가 완료되면 상기 주형(240)으로부터 제품(P)을 분리함으로써 상기 제품(P)의 주조가 완성된다.

이 경우 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 일예로서 상기 캐비티(C)의 상부면이 상기 개구인 경우를 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 상기 캐비티(C)는 주형의 내부에 관 형상으로 형성된 게이트(gate)를 통하여 상기 개구와 연통되도록 구성될 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법은 소재를 적층하여 입체적 형상을 성형하는 3차원 프린팅 방식을 이용하여 성형하고자 하는 제품 형태의 캐비티(cavity)가 내부에 형성된 주형을 제작하되, 상기 성형되는 제품의 형상에 영향을 미치는 상기 캐비티의 인접 영역에는 분말 형태의 입상체를 적층하고 상기 성형되는 제품의 형상에 영향을 미치지 않는 나머지 영역에는 미리 정해진 체적을 가지는 블럭체를 적층함으로써 주형 제작에 소용되는 시간과 비용을 현저히 저감시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법은 3차원 프린팅 방식에 의하여 주형을 제작하는 경우 상기 캐비티의 내부 영역에는 상기 입상체를 추후 제거가 가능하도록 충진하여 이를 기재로 하여 주형(240)의 체적을 구성하는 블럭체(50a) 또는 입상체(50c)의 적층 및 접합이 이루어지도록 함으로써 상기 캐비티의 형상이 언더컷이 존재하는 형상이거나 기하학적으로 비정형 형상인 경우(즉, 빈 공간의 상부에 소재를 적층해야 하는 형상인 경우)에도 주형 제작이 가능하기 때문에 종래 기술과 같이 상부 주형과 하부 주형을 별도로 제작하지 않더라도 하나의 주형에 의하여 제품의 성형이 가능한 장점이 있다.

3 : 이송모터 4 : 원료접합 장치부
5 : 원료 공급부 50a : 블럭체
50c : 입상체 200 : 제어부
220 : 주형 모델링 데이터 처리부 240 : 주형

Claims (3)

1. 성형하고자 하는 제품 형태의 캐비티(cavity)가 내부에 형성된 주형의 형상을 전산적으로 모델링하여 주형 모델링 데이터를 얻는 제1단계;
   미리 정해진 체적을 가진 블럭체 또는 분말 형태의 입상체를 공급하는 원료 공급부를 상기 주형 모델링 데이터에 포함된 좌표 정보에 따라 이동시키면서 상기 캐비티의 내부 영역에는 상기 입상체를 적층하고, 상기 캐비티의 외부 영역에는 상기 블럭체 또는 입상체를 선택적으로 적층하는 제2단계;
   상기 제2단계의 수행 중에 상기 캐비티의 외부 영역에 적층되는 블럭체 또는 입상체를 서로 접합시키는 제3단계; 및
   상기 주형의 형상이 완성될 때까지 상기 제2단계와 3단계를 반복한 이후에 상기 캐비티의 내부 영역에 적층된 입상체를 제거하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2단계는,
   미리 정해진 방식에 따라 상기 주형 모델링 데이터를 상기 캐비티의 내부 영역인 제1영역, 상기 캐비티의 외부 영역 중 상기 제1영역에 인접한 영역인 제2영역, 및 상기 캐비티의 외부 영역 중 상기 제2영역의 외측 영역인 제3영역으로 구분하여 결정하는 제2-1단계;
   상기 좌표 정보에 따라 이동되는 상기 원료 공급부의 현재 위치가 상기 제1영역 내지 제3영역 중 어느 하나인지 여부를 판단하는 제2-2단계; 및
   상기 제2-2단계의 판단 결과 상기 원료 공급부의 현재 위치가 상기 제1영역 또는 제2영역인 경우에는 상기 입상체를 적층하고, 상기 제3영역인 경우에는 상기 블럭체를 적층하는 제2-3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 캐비티는 상기 성형하고자 하는 제품의 전체 형상과 동일한 형태이고,
   상기 주형의 일측면에는 상기 캐비티와 연통되는 개구가 형성되되,
   상기 제4단계는 상기 개구를 통하여 상기 캐비티의 내부 영역에 적층된 입상체를 제거하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린팅 방식의 주형 제작방법.
   
   
   
   

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