KR20190134931A - 능동 가변형 구조물 프린팅 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본원은 능동 가변형 구조물 프린팅 방법에 대해 개시하고 있다. 본원의 일 실시예는, 소정의 베드에 형상기억소재의 필라멘트를 압출하도록 형성되는 노즐과, 상기 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 상기 노즐의 온도를 조절하도록 형성되는 온도 조절부와, 그리고, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여 상기 노즐이 압출된 상기 필라멘트를 인장하도록 형성되는 노즐 제어부를 포함하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치를 제공한다.

Description

능동 가변형 구조물 프린팅 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF PRINTING ACTIVE VARIABLE STRUCTURE}

본 발명은 능동 가변형 구조물 프린팅 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 형상 기억 소재를 3차원 프린터의 필라멘트로 사용하여 출력된 후 외형 복원이 가능한 구조물을 출력할 수 있는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치 및 방법에 관한 것이다.

3차원 프린터(이하, 3D 프린터)는 2차원 프린터(2D 프린터)가 활자나 그림을 인쇄하듯이 입력된 도면을 바탕으로 3차원의 입체 물품을 만들어 내는 기계를 의미한다. 3D 프린터에 적용되는 대표적인 3D 프린팅 방식으로는 SLS(Selective Laser Sintering) 프린팅 방식과 FDM(Fused Deposition Modeling) 프린팅 방식이 있다. SLS 프린팅 방식은 파우더　형태의 물질을 응고시키면서 모양을 만들어내는 방식을 일컫는데, SLS 프린팅 방식이 적용된 프린터는 매우 고가이므로 상대적으로 저가인 FDM 프린팅 방식이 많이 쓰이고 있다.

FDM 프린팅 방식의 예를 도시한 도 1을 참조하면, FDM 프린팅 방식은 압출 모터의 힘을 토대로 녹은 상태의 필라멘트 형태의 재료를 노즐을 통해 압출시키고, 압출된 출력물을 베드 위에 차곡차곡 쌓아 올리는 출력 방식이다. 이 때, 사전에 프로그래밍된 노즐과 베드 사이의 상대적인 움직임에 따라 출력물이 미리 설계된 형상을 갖추게 된다.

한편, 자가변형이 가능한 재료를 이용하여 3D 프린팅을 수행하는, 이른바 4D 프린팅 기술이 최근 3D 프린터 기술의 한 분야로 성장하고 있다. 다시 말해, 3D 프린팅된 출력물이 스스로 움직일 수 있게 하는 기술을 4D 프린팅이라고 부른다. 4D 프린팅은 원하는 결과물의 형상대로만 출력 해야 하는 기존의 3D 프린팅과는 달리 출력물의 형상을 변화시켜 최종 형상에 이르게 하기 때문에 최종 형상에 비해 출력 형상을 간소화할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라, 4D 프린팅은 복잡한 형상을 구현할 수 있으며, 출력에 걸리는 시간과 재료를 절약할 수 있다. 4D 프린팅은 출력 후에 형상 변화가 필요한 바이오메디컬 분야, 전자 분야 등에 사용되고 있다.

3D 프린팅된 출력물이 스스로 움직이게 하는 기술분야인 4D 프린팅은 재료 자체가 구동기의 역할을 수행해야 하므로 필연적으로 재료 스스로가 구동기의 역할을 하는 재료인 스마트 재료(Smart material)를 사용한다. 그 중에서도 대표적으로 형상기억수지(Shape Memory Polymer)를 이용한 4D 프린팅 연구가 활발하게 진행되고 있다. 형상기억수지는 초기의 특정한 형태를 기억하여 형태 변형이 일어난 뒤에도 열 등의 적절한 외부 자극을 받았을 때 원래 형태로 돌아가려는 성질(형상 기억 효과)을 가지는 고분자이다.

형상기억수지의 경우 스스로 힘을 발생시키는 재료가 아닌 외력에 의해 발생한 내부 응력을 저장해 두었다가 방출하는 방식으로 구동되는 재료이다. 따라서, 형상기억수지를 이용하는 종래의 4D 프린팅 기술의 경우 프린팅 과정에서 출력물의 외형 복원을 위해 출력물에 외력을 인가하는 과정이 반드시 필요했다. 비단 형상기억수지뿐만 아니라 출력 단계에서부터 출력물이 에너지를 지니게 할 수 있도록 하는 4D 프린팅 기술은 아직 존재하지 않는 실정이다. 따라서, 이와 같은 기술의 구현은 4D 프린팅 분야의 가장 큰 과제 중 하나로 인식되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 형상 기억 소재를 인장시켜 사전 변형된 상태로 출력함으로써, 외부 자극에 의해 외형 복원이 가능한 출력물을 프린트할 수 있는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 3차원 프린터에 있어서, 소정의 베드에 형상기억소재의 필라멘트를 압출하도록 형성되는 노즐과, 상기 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 상기 노즐의 온도를 조절하도록 형성되는 온도 조절부와, 그리고, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여 상기 노즐이 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하도록 형성되는 노즐 제어부를 포함하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치를 제공한다.

본 실시예에 있어서, 상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며, 상기 온도 조절부는 상기 노즐의 온도를 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트 계열의 가교 결합 유지 온도 범위 내에서 상기 폴리머 체인의 소프트 세그먼트 계열의 전이 온도 이상으로 조절하도록 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며, 상기 노즐 제어부는 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 상기 노즐이 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트가 사전 변형되어 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하도록 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력은 상기 소정의 베드와 수직된 방향으로 형성되고 상기 노즐의 이동 속력은 상기 소정의 베드와 수평된 방향으로 형성되며, 상기 노즐 제어부는 상기 이동 속력을 상기 필라멘트를 압출하는 속력보다 크게 제어하도록 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 노즐 제어부는 상기 이동 속력에 대한 상기 필라멘트를 압출하는 속력의 비를 0.1 내지 0.9로 제어하도록 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 형상기억소재는 형상기억수지로 형성되며, 상기 3차원 프린터는 용융 적층 모델링 방식으로 상기 필라멘트를 압출할 수 있다.

또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 다른 실시예는, 노즐, 온도 조절부 및 노즐 제어부를 포함하는 3차원 프린터를 이용한 프린팅 방법에 있어서, (a) 특정 영구 형태를 갖는 형상기억소재로 형성되는 필라멘트가 상기 노즐에 주입되는 단계와, (b) 상기 온도 조절부가 상기 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 상기 노즐의 온도를 조절하여 상기 필라멘트를 용융시키는 단계와, 그리고, (c) 상기 노즐 제어부가 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하도록 하는 단계를 포함하는 능동 가변형 구조물 프린팅 방법을 제공한다.

본 실시예에 있어서, 상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며, 상기 (b) 단계는, 상기 온도 조절부가, 상기 노즐의 온도를 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트 계열의 가교 결합 유지 온도 범위 내에서 상기 폴리머 체인의 소프트 세그먼트 계열의 전이 온도 이상으로 조절하는 단계일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며, 상기 (c) 단계는, 상기 노즐 제어부가, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 상기 노즐이 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트가 사전 변형되어 용융된 상태의 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하는 단계일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력은 상기 소정의 베드와 수직된 방향으로 형성되고 상기 노즐의 이동 속력은 상기 소정의 베드와 수평된 방향으로 형성되며, 상기 (c) 단계는 상기 노즐 제어부가 상기 이동 속력이 상기 필라멘트를 압출하는 속력보다 크도록 제어하여 인장된 상기 필라멘트가 압출되도록 하는 단계일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계는 상기 노즐 제어부가 상기 이동 속력에 대한 상기 필라멘트를 압출하는 속력의 비를 0.1 내지 0.9로 제어하여 인장된 상기 필라멘트가 압출되도록 하는 단계일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 형상기억소재는 형상기억수지로 형성되며, 상기 (c) 단계는 상기 노즐 제어부가 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여 인장된 상기 필라멘트가 압출되도록 하되, 용융 적층 모델링 방식으로 상기 필라멘트를 압출하는 단계일 수 있다.

본 발명에 따르면, 하드 세그먼트의 가교 결합을 유지할 수 있는 범위 내의 소프트 세그먼트의 전이 온도 이상에서 사전 변형시킨 형상기억소재를 압출함으로써 출력물이 출력 단계에서부터 에너지를 지니도록 할 수 있고, 출력물이 압출됨과 동시에 자동으로 내부 응력을 가지도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 사전 변형 시킨 형상기억소재를 제어하여 정교한 출력물의 설계 및 출력이 가능하도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 사전 변형시킨 형상기억소재를 압출함으로써 출력물에 외력을 인가하는 과정 등의 별도의 후처리 과정 없이 출력물의 외형이 복원될 수 있고 정교한 출력물의 설계 및 출력이 가능한 바, 4D 프린팅의 절차가 간소화되고 출력물의 제조 시간 및 단가를 절약할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 종래의 FDM 방식의 3D 프린터를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 제어부의 제어 방법을 구체적으로 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트의 출력 과정과 성질을 구체적으로 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트의 변형률과 온도간의 관계 및 필라멘트의 변형률과 노즐의 이동 속력에 대한 압출 속력의 비간의 관계에 대한 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트의 변형률에 따른 출력물의 변형률에 대한 그래프 및 출력 온도에 따른 출력물의 변형률에 대한 그래프를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법의 절차를 도시한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따라 프린팅한 출력물의 모습과 출력물을 가열하여 외형을 복원한 모습을 설명하기 위해 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태, 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 명세서 전체에 대하여 동일/유사한 부분에 대해서는 동일/유사한 도면 부호를 붙였다.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(구비 또는 마련)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 “포함(구비 또는 마련)”할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 분산되어 실시되는 구성요소들은 특별한 제한이 있지 않는 한 결합된 형태로 실시될 수도 있다. 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.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 가변형 구조물 프린팅 장치(이하 “프린팅 장치(10)”라 함)의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 프린팅 장치(10)는 노즐(11), 온도 조절부(12) 및 노즐 제어부(13)를 포함하도록 형성된다.

노즐(11)은 소정의 베드에 형상기억소재의 필라멘트를 압출(또는 토출)하도록 형성된다. 노즐(11)에 용융된 형상기억소재의 필라멘트가 주입될 수 있으며, 노즐(11)의 토출구의 크기는 예컨대 다양하게 형성될 수 있다. 예컨대, 토출구의 크기는 형상기억소재로 형성된 필라멘트의 지름의 크기 이하의 크기로 형성될 수 있다. 여기서, 형상기억소재는 형상기억수지일 수 있다.

온도 조절부(12)는 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 노즐(11)의 온도 및/또는 필라멘트의 온도를 조절하도록 형성된다. 바람직하게 온도 조절부(12)는 노즐(11) 온도 및/또는 필라멘트의 온도를 140°C 내지 190°C로 조절하도록 형성될 수 있다.

노즐 제어부(13)는 노즐(11)이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 노즐(11)이 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하도록 형성된다. 여기서 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태란 형상기억소재로 형성된 필라멘트가 사전 변형되어 인장된 상태임과 동시에 영구 형태로 돌아가려는 내부 응력을 가진 상태를 의미한다.

이와 관련하여, 구체적으로 본 명세서 상에서 설명되는 형상기억수지는 기 형성된 고분자의 망상구조 형태를 유지하려는 성질을 가진다. 또한, 형상기억수지는 이러한 성질로 인해 외력을 받아 일시 형태(Temporary shape)로 변형시키더라도 기억된 영구 형태(Permanent shape)로 되돌아 가려는 형상기억효과(Shape Memory Effect)를 가진다.

형상기억수지를 영구 형태에서 일시 형태로 형상을 변형시키는 과정은 형상기억수지의 유리전이 온도(예컨대, DiaPLEX의 경우 약 55°) 이상에서 외력을 가하여 이루어진다. 형상기억수지는 유리전이 온도 이하에서는 고체상태였다가 유리전이 온도를 거치며 고무상태로 상 변화를 하여 급격한 강성감소를 보인다.

형상기억수지는 온도가 높아지면 새로운 망상구조가 형성되어 기존에 기억된 영구 형태(Permanent shape)를 잃어버린다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면 형상기억수지를 기억된 상태에서 기계적으로 잡아 늘려 사전 변형(인장)을 인가한다. 그 과정에서 새로운 형상기억수지의 새로운 영구 형태가 형성되어 버리면 다시 원래 길이로 돌아가려는 성질이 없어져 버린다.

더욱 상세하게는, 형상기억수지의 폴리머 체인은(Polymer Chain) 고분자의 가교 결합에 의해 원상태를 유지하려는 성질을 띠는 하드 세그먼트(hard segment) 계열과 전이 온도를 기점으로 고정되거나 변형되는 소프트 세그먼트(soft segment) 계열을 포함하며, 즉 두 개의 분리된 도메인으로 구성된다. 형상 기억 효과의 발현을 위해서는 가교 결합을 형성하는 프로세싱(processing) 과정과, 형성된 형상에서 새로운 형상으로 성형하는 프로그래밍(programming)과정이 필요한데, 프로그래밍 과정은 다음 절차를 따른다.

먼저, 형상기억수지를 전이 온도 이상으로 가열하여 소프트 세그먼트가 형상 변형 가능한 유동적인 상(phase)이 되어 외력에 의한 성형이 가능해지도록 한다. 다음, 형상기억수지에 외력을 가해 성형한 뒤 형상기억수지를 소프트 세그먼트의 전이 온도 이하로 냉각하여 하드 세그먼트에 사전 변형이 인가된 상태로 형상기억수지가 고정될 수 있도록 한다. 이와 같은 방법으로 프로그래밍 된 형상기억수지를 전이 온도 이상으로 가열하면 소프트 세그먼트가 유동적인 상으로 전환되고 하드 세그먼트의 복원력에 의해서, 성형된 형상으로부터 가교 결합으로 형성된 본 형상으로 복귀한다.

따라서, 본 발명의 다양한 실시예에서는 온도가 지나치게 높아져 새로운 가교 결합 구조가 형성되어 원래 기억된 형상이 소실되는 것을 방지하기 위해 기존의 일반적인 3D 프린팅에서 사용하는 온도보다 낮은 온도를 사용할 수 있다. 그러나, 너무 낮은 온도에서 형상기억소재로 된 필라멘트를 출력시 압출 불량 문제가 발생할 수 있기 때문에 적절한 온도로 필라멘트의 온도를 제어해야 할 필요가 있다.

예를 들어, 본 실시예에서 필라멘트가 형상기억수지로 형성된 경우, 상술한 바와 같이, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지닌다. 이 때, 온도 조절부(12)는 노즐(11)의 온도를 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트 계열의 가교 결합 유지 온도 범위 내에서 상기 폴리머 체인의 소프트 세그먼트 계열의 전이 온도 이상으로 조절하도록 형성될 수 있다.

또한, 위와 같은 예에서, 노즐 제어부(13)는 노즐(11)이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 노즐(11)이 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트가 사전 변형되어 용융된 상태의 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하도록 할 수 있다.

한편, 본 발명은 용융 적층 모델링(Fused Deposition Modeling, FDM) 방식으로 필라멘트를 압출할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에는 상술한 형상기억수지 뿐만 아니라 형상기억효과를 지니고 있는 모든 필라멘트가 적용될 수 있다.

도 3은 노즐 제어부(13)의 제어 방법을 구체적으로 설명하기 위해 도시한 도면이다.

이해의 편의를 위해 필라멘트의 압출 속력에 대한 노즐의 이동 속력을 무차원 변수

라고 정의했을 때, 본 발명에서는 의도적으로

의 값을 높임으로써 출력물을 기계적으로 인장시킬 수 있다.

의 값이 커지면 커질수록 출력물이 늘어나는 정도(Stretched rate)가 늘어나며, 그 결과 출력물의 변형률 또한 커지게 된다. 본 발명은 이를 이용해 출력 중에

의 값을 변화시키며 출력물에 인가되는 사전 변형의 정도를 원하는 대로 조절할 수 있다.

도 3을 참조하면, 노즐 제어부(13)는 노즐(11)이 필라멘트를 압출하는 속력(31)과 노즐(11)의 움직임에 따른 노즐(11)의 이동 속력(32)을 제어하여, 노즐(11)이 인장된 필라멘트를 압출하도록 형성된다. 여기서, 노즐(11)이 필라멘트를 압출하는 속력(31)은 소정의 베드와 수직된 방향으로 형성되고 노즐(11)의 이동 속력(32)은 소정의 베드와 수평된 방향으로 형성될 수 있다.

또한, 노즐 제어부(13)는 이동 속력(32)을 압출 속력(31)보다 크게 제어하도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 노즐 제어부(13)는 이동 속력(32)에 대한 압출 속력(31)(압출속력/이동속력)의 비(속력비)를 0.1 내지 0.9로 제어하도록 형성될 수 있다. 속력비에 대해서는 이하에서 도 5를 참조하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

이와 같이, 프린팅 장치(10)는 사전 변형시킨 형상기억소재를 압출함으로써 출력물이 출력 단계에서부터 에너지를 지니도록 할 수 있고, 출력물이 압출됨과 동시에 자동으로 내부 응력을 가지도록 할 수 있다. 프린팅 장치(10)는 사전 변형 시킨 형상기억소재를 제어하여 정교한 출력물의 설계 및 출력이 가능하도록 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트의 출력 과정과 성질을 구체적으로 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 압출 직전 상태 해당하는 41에서는 필라멘트가 영구 형태를 기억된 채로 용융되어 있다. 다음, 압출 직후 상태에 해당하는 42에서는 필라멘트가 노즐 제어부(13)의 외력 인가(인장)에 의해 내부 응력이 발생된 일시 형태의 상태이다. 다음, 출력 완료 상태인 43에서는 필라멘트가 냉각됨에 따라 내부 응력이 발휘되지 않은 홀딩(holding) 상태이다. 다음, 가열 등의 외부 자극에 의해 출력된 필라멘트가 내부 응력을 방출하게 되면 필라멘트는 본래 기억된 영구 형태의 형상으로 돌아가게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트의 변형률과 온도간의 관계 및 필라멘트의 변형률과 노즐의 이동 속력에 대한 압출 속력의 비간의 관계에 대한 그래프를 도시한 도면이다.

상술한 바와 같이, 노즐의 온도를 너무 낮출 경우 굳어진 필라멘트의 압출물이 노즐을 막아 압출 불량이 발생하게 되고, 노즐의 온도를 너무 높일 경우 필라멘트가 기존에 기억된 영구 형태로 돌아가려는 형상기억효과가 사라지게 된다. 따라서, 도 5에 도시된 51의 그래프와 같이 온도 조절부(12)는 노즐의 온도를 적절히 조절할 필요가 있다. 이에 따라, 프린팅 장치(10)의 온도 조절부(12)는 노즐(11)의 온도를 140°C 내지 190°C로 조절하여 필라멘트가 형상기억효과를 잃어버리지 않도록 하면서도 압출 불량 문제가 생기지 않도록 할 수 있다.

또한, 속력비가 낮을수록, 다시 말해 노즐의 이동 속력에 비해 필라멘트 압출 속력이 낮을수록 높은 사전 변형(인장)이 이루어진다. 이것 역시 속력비가 너무 낮을 경우 불안정한 출력이 발생한다. 따라서, 도 5에 도시된 51의 그래프와 같이 노즐 제어부(13)는 일정 수준의 속력비를 유지하여야 할 필요가 있고, 상술한 바와 같이 노즐 제어부(13)는 이동 속력에 대한 압출 속력의 비를 0.1 내지 0.9로 제어하도록 형성될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실험예에 따른 실험 결과를 그래프로 도시한 것으로서, 61은 출력물이 늘어나는 정도(stretched rate)에 따른 최종 출력물의 변형률 변화 그래프를 도시한 것이고, 62는 출력 온도에 따른 출력물의 변형률 변화 그래프를 도시한 것이다.

도 6의 61을 참조하면, 노즐 제어부(13)가 사전 변형의 비율을 높일수록 최종 출력물의 변형률 역시 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 도6의 62를 참조하면, 출력 온도에 따라 출력물의 변형률이 상이해지는 것을 알 수 있으며, 너무 높은 경우에는 필라멘트의 하드 세그먼트의 가교 결합 유지가 깨질 수 있고, 반면 출력 온도가 너무 낮을 경우 압출 불량의 문제가 발생할 수 있음을 알 수 있다.

앞서 설명한 도 1 내지 도 6을 기초로, 이하에서는 본 실시예에 따른 구체적인 실험예를 설명하도록 한다.

장비와 재료와 관련하여, 본 실험예에서는 상용 형상기억수지 필라멘트(DiAPLEX, SMP Technologies Inc.)를 상용 FDM 3D 프린터(CORE200, 메이킹툴)로 출력하여 사전변형이 인가된 3D 출력물을 제작하였다.

재료(형상기억수지 필라멘트 DiAPLEX)의 특성은 녹는점은 약 210℃　이고, 유리전이온도는 약 55℃ 이며, 직경은 1.75mm로 형성된다.

이외의 장비와 재료를 선택하여도 서로 직경이 호환 가능하다면 상호 균등물을 사용하여도 무방하다. 다만, 재료(형상기억수지 필라멘트)가 달라져서 녹는점과 유리전이온도 등의 특성온도가 달라졌을 때는 그 재료에 해당하는 온도에 맞추어 출력하여야 한다.

본 실험예에서는 보다 용이한 출력을 위해 노즐의 직경을 보통의 경우보다 크게 가공하여(3mm) 사용하였다. 3D 프린터의 해상도를 위해 작은 직경의 노즐을 사용해야 하므로 노즐의 직경을 늘리는 과정은 생략 가능하다.

본 실험예의 출력 조건과 관련하여, 재료의 녹는점(본 실험예에서는 210℃ )보다 낮은 온도에서 출력하되, 너무 낮은 온도에서는 압출이 제대로 되지 않을 수 있는 바, 실험을 통해 적정한 출력온도를 설정하도록 하였다. 이에 따라, 본 실험예에서는140℃ ~ 200℃ 사이의 온도에서 출력하여 변형률의 변화를 살펴 봤고, 압출속력을 바꾸면서 실험할 때는 150℃ 로 고정해둔 상태에서 실험하였다. 또한, 본 실험예에서 노즐의 이동 속력은 150mm/min로 고정하였고, 압출 속력은 22.5mm/min, 45mm/min, 135mm/min, 180mm/min, 225mm/min, 450mm/min 등으로 바꾸어가면서 변형률의 변화를 살펴 보았다. 온도를 바꾸면서 실험할 때는 99mm/min로 압출 속력을 고정해둔 상태에서 실험하였다. 또한, 노즐과 베드의 거리는0.3mm로 고정한 채로 실험하였으며, 베드의 온도는 따로 설정하지 않고 실온으로 하였다.

본 실험예의 출력 과정에서, 3mm 노즐로 베드와 노즐의 거리가 0.3mm인 채로 75mm~95mm짜리 두 줄을 출력하되, 접착을 위해 0.4mm씩 중첩되게 출력하면 (75~95)mm × 5.6mm × 0.3mm의 시편이 제작되도록 하였다.

본 실험예의 작동 조건은 유리전이온도(약 55℃ )보다 높은 온도인 약 70℃　의 자연대류식 오븐에서 10분간 가열하는 것으로 설정하였다.

본 실험예의 작동 결과는 다음 표들과 같다

아래 표 1은 온도를 바꿔가면서 실험하되, 노즐의 이동 속력은 150mm/min로, 압출 속력은 99mm/min로, 노즐과 베드 사이의 거리는 0.3mm로, 베드 온도는 상온으로 각각 고정한 실험예의 결과값을 나타낸 것이다.

번호	온도	출력후 길이	가열후 길이	변화량	변형률
	T(℃)	mm	mm	mm	%
1-1	140	91	55	36	39.56
1-2	140	91	56	35	38.46
1-3	140	90	54	36	40.00
1-4	140	92	56	36	39.13
1-5	140	92	56	36	39.13
3-1	150	90	62	28	31.11
3-2	150	91	61	30	32.97
3-3	150	91	62	29	31.87
3-4	150	89	62	27	30.34
3-5	150	90	60	30	33.33
2-1	160	90	64	26	28.89
2-2	160	91	65	26	28.57
2-3	160	91	65	26	28.57
2-4	160	92	66	26	28.26
2-5	160	91	66	25	27.47
3-1	170	91	73	18	19.78
3-2	170	91	72	19	20.88
3-3	170	92	73	19	20.65
3-4	170	90	70	20	22.22
3-5	170	91	71	20	21.98
4-1	180	92	79	13	14.13
4-2	180	92	79	13	14.13
4-3	180	92	78	14	15.22
4-4	180	92	79	13	14.13
4-5	180	92	79	13	14.13
5-1	190	93	85	8	8.60
5-2	190	91	81	10	10.99
5-3	190	92	82	10	10.87
5-4	190	92	82	10	10.87
5-5	190	92	82	10	10.87
6-1	200	93	87	6	6.45
6-2	200	92	85	7	7.61
6-3	200	92	85	7	7.61
6-4	200	90	83	7	7.78
6-5	200	91	84	7	7.69

아래 표 2는 압출 속력을 바꿔 가면서 실험하되, 노즐의 이동 속력은 150mm/min로, 출력 온도는 150℃ 로, 노즐과 베드 사이의 거리는 0.3mm로, 베드의 온도는 상온으로 각각 고정한 경우의 실험예의 결과값이다.

번호	압출속력	출력후 길이	가열후 길이	변화량	변형률
	Λ(mm/min)	mm	mm	mm	%
1-1	22.5	92	49	43	46.74
1-2	22.5	90	46	44	48.89
1-3	22.5	90	47	43	47.78
1-4	22.5	89	47	42	47.19
1-5	22.5	89	48	41	46.07
2-1	45	85	50	35	41.18
2-2	45	90	52	38	42.22
2-3	45	91	52	39	42.86
2-4	45	91	50	41	45.05
2-5	45	91	51	40	43.96
3-1	135	92	61	31	33.70
3-2	135	91	63	28	30.77
3-3	135	90	61	29	32.22
3-4	135	89	61	28	31.46
3-5	135	92	63	29	31.52
4-1	180	90	66	24	26.67
4-2	180	90	66	24	26.67
4-3	180	89	65	24	26.97
4-4	180	91	66	25	27.47
4-5	180	91	66	25	27.47
5-1	225	89	65	24	26.97
5-2	225	88	63	25	28.41
5-3	225	88	62	26	29.55
5-4	225	88	64	24	27.27
5-5	225	88	64	24	27.27
6-1	450	93	82	11	11.83
6-2	450	91	82	9	9.89
6-3	450	90	81	9	10.00
6-4	450	88	78	10	11.36
6-5	450	88	79	9	10.23

도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 본 실험예에 따른 결과를 통해 출력 온도에 따라 출력물의 변형률이 달라지는 사실과, 이동 속력에 대한 압출 속력의 비에 따라 출력물의 변형률이 상이해짐을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따라 프린팅한 출력물의 모습과 출력물을 가열하여 외형을 복원한 모습을 설명하기 위해 도시한 도 8을 참조하면, 801과 같이 출력물 시편의 길이는 약 3cm이나 가열후 외형 복원된 시편의 길이는 약 1.8cm로 1.2cm의 가열에 의한 외형 복원시 출력물의 길이 변화가 생기는 것을 알 수 있다. 또한, 802와 같이, 출력물의 모습은 평평한 형태이나 출력물을 가열하여 외형 복원이 되면 형상이 변화하여 3차원 형태의 꽃잎 형상이 형성됨을 알 수 있다. 또한, 803과 같이, 출력물의 모습은 평평한 형태이나 출력물을 가열하여 외형 복원이 되면 중심에 있는 물체를 감싸는 형태로 형상이 변화됨을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 능동 가변형 구조물 프린팅 방법의 절차를 도시한 흐름도로서, 본 실시예에 따른 프린팅 방법은 앞서 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 프린팅 장치(10)를 이용한 프린팅 방법이다. 즉, 프린팅 장치(10)가 수행하는 모든 기능들과 절차들은 아래에서 설명될 프린팅 방법에 일 과정으로서 포함될 수 있다. 따라서, 이하에서는 상술한 내용과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.

본 실시예에 따른 능동 가변형 구조물 프린팅 방법은 노즐, 온도 조절부 및 노즐 제어부를 포함하는 3차원 프린터를 이용한 프린팅 방법에 있어서, (a) 특정 영구 형태를 갖는 형상기억소재로 형성되는 필라멘트가 상기 노즐에 주입되는 단계(S71)와, (b) 상기 온도 조절부가 상기 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 상기 노즐의 온도를 조절하여 상기 필라멘트를 용융시키는 단계(S72), 그리고, (c) 상기 노즐 제어부가 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 상기 노즐이 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 갖는 형태로 프린팅하는 단계(S73)를 포함한다.

여기서, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력은 상기 소정의 베드와 수직된 방향으로 형성되고 상기 노즐의 이동 속력은 상기 소정의 베드와 수평된 방향으로 형성될 수 있다.

또한, (b) 단계(S72)는 상기 온도 조절부가 상기 노즐의 온도를 140°C 내지 190°C로 온도를 조절하여 상기 필라멘트를 용융시키는 단계일 수 있다.

또한, (c) 단계(S73)는 상기 노즐 제어부가 상기 이동 속력이 상기 필라멘트를 압출하는 속력보다 크도록 제어하여 압출된 상기 필라멘트가 인장되도록 하는 단계일 수 있다.

또한, (c) 단계(S73)는 상기 노즐 제어부가 상기 이동 속력에 대한 상기 필라멘트를 압출하는 속력의 비를 0.1 내지 0.9로 제어하여 압출된 상기 필라멘트가 인장되도록 하는 단계일 수도 있다.

이에 더하여, (c) 단계(S73)는 상기 노즐 제어부가 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여 압출된 상기 필라멘트가 인장되도록 하되, 용융 적층 모델링 방식으로 상기 필라멘트를 압출하는 단계일 수 있다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 있어서 상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지닌 경우를 예로 든다. 이 때, (b) 단계(S72)는, 상기 온도 조절부가, 상기 노즐의 온도를 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트 계열의 가교 결합 유지 온도 범위 내에서 상기 폴리머 체인의 소프트 세그먼트 계열의 전이 온도 이상으로 조절하는 단계일 수 있다. 또한, 같은 예에서, (c) 단계(S73)는, 상기 노즐 제어부가, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 상기 노즐이 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트가 사전 변형되어 용융된 상태의 상기 필라멘트를, 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하는 단계일 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 프린팅 방법을 이용하면, 사전 변형(인장)시킨 형상기억소재를 압출함으로써 출력물에 외력을 인가하는 과정 등의 별도의 후처리 과정 없이 출력물의 외형이 복원될 수 있고 정교한 출력물의 설계 및 출력이 가능한 바, 4D 프린팅의 절차가 간소화되고 출력물의 제조 시간 및 단가를 절약할 수 있다.

상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

1. 3차원 프린터에 있어서,
   소정의 베드에 형상기억소재의 필라멘트를 압출하도록 형성되는 노즐;
   상기 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 상기 노즐의 온도를 조절하도록 형성되는 온도 조절부; 및
   상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 상기 노즐이 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하도록 형성되는 노즐 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며,
   상기 온도 조절부는 상기 노즐의 온도를 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트 계열의 가교 결합 유지 온도 범위 내에서 상기 폴리머 체인의 소프트 세그먼트 계열의 전이 온도 이상으로 조절하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며,
   상기 노즐 제어부는 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 상기 노즐이 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트가 사전 변형되어 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 용융된 상태의 상기 필라멘트를 프린팅하도록 형성되는 노즐 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력은 상기 소정의 베드와 수직된 방향으로 형성되고 상기 노즐의 이동 속력은 상기 소정의 베드와 수평된 방향으로 형성되며,
   상기 노즐 제어부는 상기 이동 속력을 상기 필라멘트를 압출하는 속력보다 크게 제어하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 노즐 제어부는 상기 이동 속력에 대한 상기 필라멘트를 압출하는 속력의 비를 0.1 내지 0.9로 제어하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 형상기억소재는 형상기억수지로 형성되며,
   상기 3차원 프린터는 용융 적층 모델링 방식으로 상기 필라멘트를 압출하는 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 장치.
   
7. 노즐, 온도 조절부 및 노즐 제어부를 포함하는 3차원 프린터를 이용한 프린팅 방법에 있어서,
   (a) 특정 영구 형태를 갖는 형상기억소재로 형성되는 필라멘트가 상기 노즐에 주입되는 단계;
   (b) 상기 온도 조절부가 상기 필라멘트의 영구 형태가 유지되는 온도 범위로 상기 노즐의 온도를 조절하여 상기 필라멘트를 용융시키는 단계; 및
   (c) 상기 노즐 제어부가 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 상기 노즐이 용융된 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며,
   상기 (b) 단계는, 상기 온도 조절부가, 상기 노즐의 온도를 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트 계열의 가교 결합 유지 온도 범위 내에서 상기 폴리머 체인의 소프트 세그먼트 계열의 전이 온도 이상으로 조절하는 단계인 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 방법.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 필라멘트는 형상기억수지로 형성되고, 상기 형상기억수지의 폴리머 체인은 원 상태를 유지하려는 하드 세그먼트 계열과 전이 온도를 기점으로 고정 또는 변형되는 소프트 세그먼트 계열을 지니며,
   상기 (c) 단계는, 상기 노즐 제어부가, 상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 움직임에 따른 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여, 상기 노즐이 상기 폴리머 체인의 하드 세그먼트가 사전 변형되어 용융된 상태의 상기 필라멘트를 내부 응력(pre-strain)을 가지는 형태로 프린팅하는 단계인 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 방법.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 노즐이 상기 필라멘트를 압출하는 속력은 상기 소정의 베드와 수직된 방향으로 형성되고 상기 노즐의 이동 속력은 상기 소정의 베드와 수평된 방향으로 형성되며,
    상기 (c) 단계는 상기 노즐 제어부가 상기 이동 속력이 상기 필라멘트를 압출하는 속력보다 크도록 제어하여 인장된 상기 필라멘트가 압출되도록 하는 단계인 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 방법.
    
11. 제7항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 노즐 제어부가 상기 이동 속력에 대한 상기 필라멘트를 압출하는 속력의 비를 0.1 내지 0.9로 제어하여 인장된 상기 필라멘트가 압출되도록 하는 단계인 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 방법.
    
12. 제7항에 있어서,
    상기 형상기억소재는 형상기억수지로 형성되며,
    상기 (c) 단계는 상기 노즐 제어부가 상기 필라멘트를 압출하는 속력과 상기 노즐의 이동 속력을 제어하여 인장된 상기 필라멘트가 압출되도록 하되, 용융 적층 모델링 방식으로 상기 필라멘트를 압출하는 단계인 것을 특징으로 하는 능동 가변형 구조물 프린팅 방법.
    
    
    

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