KR20200010634A - 출력조건 제어식 3d 프린터 - Google Patents

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KR20200010634A KR1020180072962A KR20180072962A KR20200010634A KR 20200010634 A KR20200010634 A KR 20200010634A KR 1020180072962 A KR1020180072962 A KR 1020180072962A KR 20180072962 A KR20180072962 A KR 20180072962A KR 20200010634 A KR20200010634 A KR 20200010634A
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Abstract

본 발명은 사용자가 입력한 출력조건과 실제 출력물 사이에 발생되는 차이를 최소화하여 사용자의 의도에 최대한 근접한 출력물을 제공하도록 하는 3D 프린터에 관한 것으로, 본 발명은 사용자로부터 출력조건을 입력받는 입력부와; 사용자로부터 제공된 출력물의 설계 및 출력조건에 따라 출력물이 출력되도록 프린터를 제어하는 제어유닛과; 상기 제어유닛의 제어에 따라 모재를 용융시켜 토출하여 출력물을 출력하는 출력모듈; 그리고 상기 출력조건을 보정할 보정값들이 저장되는 데이터베이스를 포함하여 구성되고: 상기 제어유닛은, 입력된 출력조건을 판단하여, 실제 출력물의 적층두께가 입력된 출력조건의 적층두께와 일치하도록, 사용자가 설정한 출력조건의 압출량을 보정값에 의해 보정하여 출력시 압출량을 설정하는 상기 압출량 설정부와; 사용자가 설정한 출력조건의 노즐의 온도를 보정값에 의해 보정하여 출력시 노즐의 온도를 설정하는 온도 설정부와; 사용자가 설정한 출력조건의 밀도를 보정값에 의해 보정하여 출력시 밀도를 설정하는 밀도 설정부; 그리고 상기 압출량 설정부, 온도 설정부 및 밀도설정부에서 보정시 필요한 보정값을 산출하는 보정값 설정부를 포함하여 구성된다. 이와 같은 본 발명에 의하면 본 발명에서는 FDM 방식의 3D 프린터에서 입력된 출력조건을 판단하여, 실제 출력물의 적층두께가 출력조건에 포함된 적층두께와 일치하도록 다른 출력조건을 정정값을 통해 보정하므로, 출력조건에 포함된 적층두께와 오차가 최소화된 출력물을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

출력조건 제어식 3D 프린터 { 3D-PRINTER HAVING CONTROLLER FOR CONTROL OF PRINTING CONDITIONS }
본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로, 사용자가 입력한 출력조건과 실제 출력물 사이에 발생되는 차이를 최소화하여 사용자의 의도에 최대한 근접한 출력물을 제공하도록 하는 3D 프린터에 관한 것이다.
3D 프린터는 특수 소재를 순차적으로 분사하여 미세한 두께로 층층이 쌓아 올리면서 입체적인 형상물을 제작하는 장비로, 최근 다양한 분야에서 사용이 확산되고 있다.
이와 같은 3D 프린터의 확산과 함께 다양한 방식의 3D 프린터가 개발되어 이용되고 있으며, 이를 크게 출력방식에 따라 구분하면, FDM(적층방식), SLS(분말소결), SLA 그리고 DLP(액체수지)로 구분된다.
먼저, FDM 방식은, 국내에서 가장 널리 적용되는 방식으로, 적층방식을 통해 쌓아올리는 방식으로, 3D프린터는 소재를 실처럼 가늘게 용융-압출하여 한 줄씩 형상을 순차적으로 적층하여 제품을 출력한다.
상기 FDM 방식의 3D 프린터에 적용되는 소재(필라멘트)는 대표적으로 PLA (PolyLactic Acid) 소재와 ABS (Acrylonitile Poly-Butadiens Styrene) 소재가 있다.
상기 PLA 소재는 FDM 방식의 3D프린터에 가장 많이 사용되는 소재로, 친환경 수지로 녹아도 냄새가 나지 않고 유해요소가 거의 없다는 장점이 있다.
한편, 상기 PLA 소재를 이용한 프린팅 제품은 후 가공이 어려워, 출력시 기밀성 및 표면 출력 상태가 양호할 것을 요한다.
그리고 상기 ABS 소재는 기본적으로 Acrylonitile, Poly-Butadiene 및 Styrene로 이루어진 합성수지로, 후 가공이 용이하나 소재를 출력시 냄새가 나며, 상기 PLA 소재에 비하여 균열 및 수축현상이 크게 발생되는 단점이 있다.
한편, 본 발명의 대상이 되는 FDM 방식의 3D에 제공되는 필라멘트는 재료 특성에 따라 녹는점이 상이할 뿐만 아니라, 프린팅 후 신속하게 고화되도록 하여, 변형 없이 치수 및 형태의 안정성을 확보하면서 프린팅 속도를 향상시킬 수 있도록 하기 위하여, 다양한 필라멘트 조성물과 각 필라멘트에 대한 출력조건에 대한 최적화 연구가 활발히 진행되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0103283호에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 출력되는 레이어 사이의 결합력을 확보하기 위하여, 출력노즐을 수평이동과 함께 수직 방향으로 이동시켜 레이어간 접촉면적을 증가시켜, 결합력이 증대된 출력물을 산출하는 기술내용이 개시되어 있다.
한편, 이와 같은 FDM 3D 프린터는 사용자가 제어프로그램을 통해 출력조건을 설정하여 프린팅을 수행하는데, 사용자가 입력한 제어조건과 실제 출력물 사이에는 차이가 발생하게 된다.
구체적으로 FDM 3D 프린터에서 사용자는 적층 두께(Layer Height), 압출량(Flow), 노즐온도(Temp) 및 재료밀도(Density)의 조건을 선택하여 출력을 수행하게 된다.
여기서 적층두께는 출력물의 치밀도 및 표면의 질감을 결정하는 중요한 요인이고, 이와 같은 적층두께는 다른 출력조건들에 의해 상호 영향을 받아, 설정된 두께보다 오차가 발생한다.
이에 따라 사용자는 정확히 원하는 형태의 출력물을 얻기 위하여, 출력조건을 변경하여 반복적인 출력을 반복하게 되고, 이에 따른 자원의 낭비 및 시간적 손실이 발생하는 문제점이 있었다.
(001) 대한민국 공개특허 제10-2017-0103283호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 사용자가 FDM 방식의 3D 프린터에 출력조건을 입력하여 출력물을 프린팅하는 경우, 출력조건에 포함된 적층두께와 오차가 최소화되도록 다른 출력조건을 보정하여 출력조건이 수정되도록 하는 출력조건 제어식 3D 프린터를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 노즐온도의 변화에 따라 노즐공의 변형이 최소화되어, 노즐온도의 변화에 의해 적층두께와 오차가 최소화되도록 하는 출력조건 제어식 3D 프린터를 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 사용자로부터 출력조건을 입력받는 입력부와; 사용자로부터 제공된 출력물의 설계 및 출력조건에 따라 출력물이 출력되도록 프린터를 제어하는 제어유닛과; 상기 제어유닛의 제어에 따라 모재를 용융시켜 토출하여 출력물을 출력하는 출력모듈; 그리고 상기 출력조건을 보정할 보정값들이 저장되는 데이터베이스를 포함하여 구성되고: 상기 제어유닛은, 입력된 출력조건을 판단하여, 실제 출력물의 적층두께가 입력된 출력조건의 적층두께와 일치하도록, 사용자가 설정한 출력조건의 압출량을 보정값에 의해 보정하여 출력시 압출량을 설정하는 상기 압출량 설정부와; 사용자가 설정한 출력조건의 노즐의 온도를 보정값에 의해 보정하여 출력시 노즐의 온도를 설정하는 온도 설정부와; 사용자가 설정한 출력조건의 밀도를 보정값에 의해 보정하여 출력시 밀도를 설정하는 밀도 설정부; 그리고 상기 압출량 설정부, 온도 설정부 및 밀도설정부에서 보정시 필요한 보정값을 산출하는 보정값 설정부를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 보정값 설정부는, 상기 데이터베이스에 출력조건에 따라 저장된 보정값으로부터 보정값을 독출할 수도 있다.
그리고 상기 보정값은, 적층두께가 0.2mm인 경우, 입력된 설정조건의 압출량, 노즐온도 및 밀도가 각각 120%, 245℃ 및 30 내지 75%가 되도록 보정하는 값일 수도 있다.
한편, 상기 보정값은, 사용자가 프린터를 통해 출력물을 출력한 사용이력으로부터 기계학습을 통해 학습될 수도 있다.
이때, 상기 보정값은, (A) 사용자로부터 출력물의 출력명령이 입력되는 경우, 해당 출력명령이 보정출력명령인지 여부를 판별하는 단계와; (B) 상기 출력명령이 보정출력명령인 경우, 사용자가 입력한 출력조건에 데이터베이에 저장된 보정값을 반영하여 출력조건을 보정하여 출력물을 출력하는 단계와; (C) 상기 제어유닛은 종전 출력조건과 최종 출력조건을 대비하여, 압출량, 온도 및 밀도에 대한 변화량을 판단하는 단계와; (D) 상기 압출량, 온도 및 밀도에 대한 변화량에 대응하는 압출정정값, 온도정정값 및 밀도정정값을 각각 산출하는 단계와; (E) 상기 압출정정값, 온도정정값 및 밀도정정값을 상기 데이터베이스에 임시저장하는 단계; 그리고 (F) 상기 출력명령이 보정출력명령이 아닌 경우, 상기 데이터베이스에 저장된 보정값을 임시저장된 정정값으로 정정하여 저장하는 단계를 포함하여 학습될 수도 있다.
여기서 상기 보정출력명령은, 직전에 입력된 출력명령과 동일한 출력물에 대하여 출력조건이 변경되어 입력된 출력명령일 수도 있다.
그리고 상기 정정값은, 상기 데이터베이스에 저장된 보정값을 정정하기 위한 값일 수도 있다.
한편, 상기 출력모듈은, 필라멘트 형태의 원재료를 압출하는 노즐과; 상기 노즐을 가열하는 가열모듈; 그리고 가열된 필라멘트를 상기 노즐을 통해 압출하도록 가압력을 발생시키는 가압부를 포함하여 구성되고: 상기 필라멘트는, 폴리락트산(Polylactic acid), 에틸렌 비스 스테아마이드(N,N Ethylene bis(stearamide)), 산화방지제(Antioxidant) 및 안료(Pigment)를 포함하여 구성되며: 상기 노즐은, 서로 다른 두 가지 금속재가 결합되어 구성될 수 있다.
이때, 상기 노즐은, 상기 노즐의 외측을 구성하는 외측노즐부와; 상기 외측노즐부의 내측에 결합되어 상기 노즐의 하단부 내측을 구성하는 내측노즐부를 포함하여 구성될 수도 있다.
그리고 상기 외측노즐부 내측과 상기 내측노즐부의 외측에는 나사산이 형성되어, 상기 내측노즐부가 상기 외측노즐부 내에 나사 결합될 수도 있다.
또한, 상기 외측노즐부와 내측노즐부는 서로 다른 열팽창계수를 갖는 금속 부재로 구성될 수도 있다.
그리고 상기 외측노즐부는 상기 외측노즐부보다 열팽창계수가 낮은 금속으로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 외측노즐부는, 철, 크롬, 몰리브덴, 니켈 또는 이들의 합금으로 구성되고; 상기 내측노즐부는, 비교적 열팽창계수가 큰 알루미늄으로 구성될 수도 있다.
그리고 상기 내측노즐부 단부에는, 상기 내측노즐부의 회전을 위한 복수 개의 삽입홈이 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명은 상기 삽입홈에 대응하는 형태의 돌출부가 형성되어, 상기 돌출부가 상기 삽입홈에 삽입되어 상기 내측노즐부를 회전시키기 위한 회전유닛을 더 포함하여 구성될 수도 있다.
한편, 상기 노즐은, 단부에 원통형의 결합홈이 형성되는 노즐부와; 상기 결합홈에 삽입되는 실린더형의 보정편을 포함하여 구성될 수도 있다.
이때, 상기 보정편은, 원통형의 수직부와; 상기 수직부 단부로부터 내측으로 연장되어 형성되고, 중앙부에 노즐공이 형성된 확장부를 포함하여 구성될 수도 있다.
그리고 상기 노즐부와 보정편은 서로 다른 열팽창계수를 갖는 금속 부재로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 노즐부는 상기 보정편 보다 열팽창계수가 낮은 금속으로 구성될 수도 있다.
그리고 상기 노즐부는, 철, 크롬, 몰리브덴, 니켈 또는 이들의 합금으로 구성되고; 상기 보정편은, 비교적 열팽창계수가 큰 알루미늄으로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 보정편은, 상기 노즐부를 상기 가열모듈을 통해 임계온도까지 가열한 후, 상기 결합홈에 상기 보정편을 삽입하고; 상기 노즐부를 냉각시켜 상기 결합홈을 압축시킴에 의해 상기 보정편을 상기 결합홈에 고정시켜 상기 노즐부에 결합될 수도 있다.
위에서 살핀 바와 같은 본 발명에 의한 출력조건 제어식 3D 프린터에서는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 FDM 방식의 3D 프린터에서 입력된 출력조건을 판단하여, 실제 출력물의 적층두께가 출력조건에 포함된 적층두께와 일치하도록 다른 출력조건을 정정값을 통해 보정하므로, 출력조건에 포함된 적층두께와 오차가 최소화된 출력물을 얻을 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명에서는 출력조건을 보정하는 정정값을 사용자의 3D 프린터 출력이력에 따라 누적 학습함에 따라, 실제 사용자가 원하는 형태의 출력물에 최적화되도록 출력조건이 보정되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서는 노즐 온도의 변화에도 노즐공의 크기 변화가 최소화되므로, 설정된 출력조건에 일치하는 출력물을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 FDM 방식의 3D 프린터 출력제어의 일 예를 도시한 흐름도.
도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 3D 프린터의 구성을 블록도.
도 3은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 3D 프린터의 출력조건 설정방법을 도시한 흐름도.
도 4는 본 발명의 구체적인 실시예에 의해 출력조건을 설정하기 위한 정정값 산출예를 도시한 흐름도.
도 5는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 3D 프린터 노즐의 제1실시예를 도시한 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 3D 프린터 노즐의 제1실시예를 구성하는 내측노즐부의 구성을 도시한 예시도.
도 7은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 3D 프린터 노즐의 제2실시예를 도시한 단면도.
도 8은 본 발명에 의한 3D 프린터 노즐의 제2실시예를 구성하는 보정편의 구성을 도시한 예시도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 출력조건 제어식 3D 프린터를 살펴보기로 한다.
본 발명에 의한 3D 프린터를 설명하기에 앞서, FDM 방식의 3D 프린터 구조와 출력조건에 대하여 먼저 설명하고, 본 발명에 의한 출력조건 제어식 3D 프린터를 설명하기로 한다.
먼저, 통상의 FDM 방식의 3D 프린터(델타봇 타입)는 바닥판이 고정된 상태로 상기 바닥판 상에 인쇄 헤드가 X, Y 및 Z축으로 움직이면서 필라멘트를 토출하여, 한 층씩 쌓아가며 소정의 형상을 구축하는 방식으로 3차원 인쇄를 수행한다.
이때, 상기 필라멘트는 상단으로부터 풀려서 인쇄 헤드로 공급되는데, 인쇄 헤드로 공급된 필라멘트는 핫 멜트 접착제 건(gun)과 유사한 방식으로 용융되어 바닥판 상에 인쇄층을 형성하고 이러한 인쇄층을 연속적으로 적층시켜 출력물을 형성하게 된다.
한편, 본 발명에 의한 필라멘트는 폴리락트산(polylactic acid, PLA) 계열의 조성물로, 폴리락트산(Polylactic acid), 에틸렌 비스 스테아마이드(N,N Ethylene bis(stearamide)), 산화방지제(Antioxidant) 및 안료(Pigment)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 필라멘트 조성물의 조성비는 출력물의 특성 및 조건에 따라 다양하게 변화될 수 있다.
그리고 이와 같은 FDM 3D 프린터는 사용자에 의해 출력조건을 입력받고, 해당 출력조건으로 출력물을 출력한다.
이때, 출력조건은 기본적으로 적층두께(Layer Height), 압출량(Flow), 노즐온도(Temp) 및 재료밀도(Density)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 적층두께(Layer Height)는 하나의 층(Layer)를 구성하는 단위두께(높이)를 말하는 것으로, 출력물의 치밀한 정도 및 표면의 매끄러운 정도를 결정하는 주요한 원인이 된다.
그리고 상기 압출량(Flow)은 노즐을 통해 출력되는 재료의 양을 나타내며, 노즐온도(Temp)는 모재가 토출되는 온도를 결정하며, 재료밀도(Density)는 노즐에 공급되는 재료의 밀도를 의미한다.
이하에서는 이와 같이, 본 발명에 의한 FDM 3D 프린터를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 3D 프린터의 구성을 블록도이고, 도 3은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 3D 프린터의 출력조건 설정방법을 도시한 흐름도이며, 도 4는 본 발명의 구체적인 실시예에 의해 출력조건을 설정하기 위한 정정값 산출예를 도시한 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 3D 프린터 노즐의 제1실시예를 도시한 단면도이며, 도 6은 본 발명에 의한 3D 프린터 노즐의 제1실시예를 구성하는 내측노즐부의 구성을 도시한 예시도이고, 도 7은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 3D 프린터 노즐의 제2실시예를 도시한 단면도이며, 도 8은 본 발명에 의한 3D 프린터 노즐의 제2실시예를 구성하는 보정편의 구성을 도시한 예시도이다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 3D 프린터는 입력부(10), 제어유닛(20), 출력모듈(30) 및 데이터베이스(40)를 포함하여 구성된다.
상기 입력부(10)는 사용자로부터 출력조건 등을 입력받는 부분으로, 프린터에 구비된 기계적인 입력장치들뿐만 아니라, PC, 저장장치 등을 연결하여 출력물의 설계도면등을 입력받는 접속 단자 등을 포함하는 포괄적인 장치들을 의미한다.
또한, 상기 제어유닛(20)은 사용자로부터 제공된 설계 및 출력조건에 따라 출력물이 프린팅되도록 3D 프린터를 제어하는 부분으로, 상기 제어유닛(20)의 구성과 기능에 대하여는 다시 설명하기로 한다.
그리고 상기 출력모듈(30)은 상기 제어유닛(20)의 제어에 따라 용융된 필라멘트(모재)를 토출하여 출력물을 출력하는 부분으로 본 발명과 관련하여는 노즐의 구성에 있어 특징이 있는 바, 상기 노즐의 구조에 대하여는 다시 설명하기로 한다.
한편, 상기 데이터베이스(40)는 사용자로부터 제공된 출력물의 설계정보(출력 데이터) 및 3D 프린터의 구동 이력이 순차적으로 저장되는 부분으로, 이와 함께, 상기 제어유닛(20)에서 산출하여 설정한 보정값들이 저장되는 부분이다.
이하에서 전술한 제어유닛(20)에 대하여 상세히 설명하면, 상기 제어유닛(20)은 사용자로부터 출력물에 대한 출력명령이 입력되면, 해당 출력물을 설정된 출력조건에 따라 출력하게 된다.
이때, 상기 제어유닛(20)은 설정된 출력조건을 판단하여, 실제 출력물의 적층두께가 설정된 출력조건의 적층두께와 일치하도록 압출량, 온도 및 밀도를 조정하여 설정한다.
이를 위해 상기 제어유닛(20)은 적층두께 설정부(21), 압출량 설정부(23), 온도 설정부(25), 밀도 설정부(27) 및 보정값 설정부(29)를 포함하여 구성되는데, 상기 적층두께 설정부(21)는 사용자가 설정한 출력조건의 적층두께에 따라 출력시 적층두께를 설정하는 부분이고, 상기 압출량 설정부(23)는 사용자가 설정한 출력조건의 압출량을 보정값에 의해 보정하여 출력시 압출량을 설정하는 부분이며, 상기 온도 설정부(25)는 사용자가 설정한 출력조건의 노즐온도를 보정값에 의해 보정하여 출력시 노즐의 온도를 설정하는 부분이고, 상기 밀도 설정부(27)는 사용자가 설정한 출력조건의 밀도를 보정값에 의해 보정하여 출력시 밀도를 설정하는 부분이다.
그리고 상기 보정값 설정부(29)는 상기 압출량 설정부(23), 온도 설정부(25) 및 밀도설정부(27)에서 보정시 필요한 보정값을 산출하는 부분으로, 상기 보정값은 알출보정값, 온도보정값 및 밀도보정값을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 보정값 설정부(29)는 상기 보정값을 상기 데이터베이스(40)에 저장된 값으로부터 독출 할 수 있다.
즉, 상기 데이터베이스(40)에는 출력조건에 따른 보정값이 저장될 수 있다.
예를 들어, 적층두께를 0.2mm로 설정한 경우, 압출량, 노즐온도 및 밀도의 설정값 변화에 의해 실제 적층두께가 어떻게 변화되는지 실험한 결과가 아래 표들로 정리되어 있다.
출력 조건(Flow : 90%, Temp. : 240℃, Density : 30∼75%) 변화시 출력물 Layer height 측정값
No. Flow(%) Temp(℃) Density(%) Thickness(mm)
1 90 240 30 0.18
2 35 0.17
3 40 0.18
4 45 0.17
5 50 0.16
6 55 0.16
7 60 0.17
8 65 0.16
9 70 0.16
10 75 0.15
Average 0.166
출력 조건(Flow : 100%, Temp. : 240℃, Density : 30∼75%) 변화시 출력물 Layer height 측정값
No. Flow(%) Temp(℃) Density(%) Thickness(mm)
1 100 240 30 0.20
2 35 0.19
3 40 0.19
4 45 0.19
5 50 0.19
6 55 0.19
7 60 0.19
8 65 0.19
9 70 0.19
10 75 0.18
Average 0.190
출력 조건(Flow : 100%, Temp. : 245℃, Density : 30∼75%) 변화시 출력물 Layer height 측정값
No. Flow(%) Temp(℃) Density(%) Thickness(mm)
1 100 245 30 0.19
2 35 0.18
3 40 0.18
4 45 0.20
5 50 0.18
6 55 0.18
7 60 0.18
8 65 0.20
9 70 0.20
10 75 0.20
Average 0.189
출력 조건(Flow : 110%, Temp. : 240℃, Density : 30∼75%) 변화시 출력물 Layer height 측정값
No. Flow(%) Temp(℃) Density(%) Thickness(mm)
1 110 240 30 0.20
2 35 0.21
3 40 0.21
4 45 0.20
5 50 0.19
6 55 0.19
7 60 0.20
8 65 0.19
9 70 0.20
10 75 0.19
Average 0.198
출력 조건(Flow : 120%, Temp. : 240℃, Density : 30∼75%) 변화시 출력물 Layer height 측정값
No. Flow(%) Temp(℃) Density(%) Thickness(mm)
1 120 240 30 0.22
2 35 0.20
3 40 0.21
4 45 0.20
5 50 0.23
6 55 0.21
7 60 0.20
8 65 0.20
9 70 0.20
10 75 0.21
Average 0.208
출력 조건(Flow : 120%, Temp. : 245℃, Density : 30∼75%) 변화시 출력물 Layer height 측정값
No. Flow(%) Temp(℃) Density(%) Thickness(mm)
1 120 245 30 0.20
2 35 0.21
3 40 0.19
4 45 0.19
5 50 0.20
6 55 0.21
7 60 0.20
8 65 0.19
9 70 0.20
10 75 0.21
Average 0.200
이들 실험 결과에 나타난 바와 같이, Layer Height가 0.2mm로 설정된 경우, Flow : 120%, Temp. : 245℃, Density : 30∼75%에서 실체 출력물의 Layer Height가 0.2mm로 나타남을 알 수 있다.
따라서 본 발명에 있어, 상기 적층두께가 0.2mm인 경우, 상기 보정값은 설정된 설정조건의 압출량, 노즐온도 및 밀도가 각각 120%, 245℃ 및 30 내지 75%가 되도록 하는 값으로 정해질 수 있다.
이 경우, 상기 보정값은 각각의 적층두께에 따라 실험된 결과값으로 상기 데이터베이스(40)에 저장될 수 있다.
또 다르게는 상기 보정값은 3D 프린터를 사용자가 사용함에 의해 누적되는 사용이력으로부터 기계학습을 통해 학습될 수 있는데, 이에 대하여는 도 4를 설명함에 있어 다시 설명하기로 한다.
이하에서는 이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 출력조건 제어식 3D 프린터의 출력물 출력 방법을 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 의한 출력조건 제어식 3D 프린터는 도 3에 도시된 바와 같이, 사용자로부터 출력조건을 수신받는 것으로부터 시작된다(S100).
이때, 상기 출력조건은 적층두께(Layer Height), 압출량(Flow), 노즐의 온도(Temp) 및 재료의 밀도(Density)를 포함한다.
물론, 이 경우, 사용자로부터 출력물의 출력명령도 함께 입력되는 것을 전제로 한다.
이후, 상기 보정값산출부(29)는 적층두께에 따라 압출량, 온도 및 밀도에 대한 보정값을 산출한다(S200).
이때, 상기 보정값은 상기 데이터베이스(40)에 저장된 값으로, 사용자에 의해 입력되어 저장된 값일 수도 있고, 3D 프린터가 기계학습에 의해 학습되어 저장된 값일 수도 있다.
다음으로, 상기 압출량 설정부(23)는 사용자가 설정한 출력조건의 압출량을 보정값에 의해 보정하여 출력시 압출량을 설정한다(S300).
그리고 상기 온도 설정부(25)는 사용자가 설정한 출력조건의 노즐온도를 보정값에 의해 보정하여 출력시 노즐의 온도를 설정한다(S400).
또한, 상기 밀도 설정부(27)는 사용자가 설정한 출력조건의 밀도를 보정값에 의해 보정하여 출력시 밀도를 설정한다(S500).
이와 같이, 상기 보정값에 의해 상기 압출량, 온도 및 밀도가 보정되어 설정되면, 보정된 설정값에 의해 출력물을 출력(프린트)한다(S600).
이에 따라 실제 출력물의 적층두께는 사용자가 입력한 적층두께와의 오차가 최소화된다.
한편, 상기 보정값을 3D프린터가 기계학습을 통해 학습하는 과정을 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 제어유닛(20)은 사용자로부터 출력물의 출력명령이 입력되는 경우, 해당 출력명령이 보정출력명령인지 여부를 판별한다(S210, S220).
이때, 상기 보정출력명령이라 함은 직전에 입력된 출력명령과 동일한 출력물에 대하여 출력조건 만이 변경되어 입력된 출력명령을 말한다.
구체적으로, 사용자는 특정 출력조건으로 출력물을 출력한 후, 출력물 결과에 만족하지 못한 경우, 출력조건을 변경하여 다시 출력물을 출력하는데 이때 입력되는 출력명령을 보정출력명령이라 한다.
여기서 상기 출력명령이 보정출력명령인 경우, 사용자가 입력한 출력조건에 데이터베이에 저장된 보정값을 반영하여 출력조건을 보정하여 출력물을 출력한다(S240).
그리고 상기 제어유닛은 종전 출력조건과 최종 출력조건을 대비하여, 압출량, 온도 및 밀도에 대한 변화량을 판단하여, 해당 조건별 변화량에 대응하는 압출정정값, 온도정정값 및 밀도정정값을 각각 산출한다(S250, S260, S270).
이때, 산출된 압출정정값, 온도정정값 및 밀도정정값은 상기 데이터베이스(40)에 임시저장된다.
여기서, 정정값이라 함은 데이터베이스(40)에 저장된 보정값을 정정하기 위한 값으로, 위에서 산출된 정정값을 바로 보정값에 반영하지 않고 임시저장하는 이유는, 변화된 출력조건에 의한 출력물에 대하여 사용자가 만족하는 경우에만 정정값을 보정값에 반영하여 상기 보정값을 정정하기 위함이다.
즉, 제220단계의 판단결과 출력명령이 보정출력명령인 경우, 사용자가 출력물에 대하여 만족하지 못하고 다시 출력조건을 변경하여 출력을 시도하는 것이므로 임시저장된 정정값은 무시되고, 제220단계의 판단결과 출력명령이 보정출력명령이 아닌 경우, 사용자가 출력물에 대하여 만족하고 새로운 대상에 대하여 출력을 하는 것이므로, 데이터베이스(40)에 저장된 보정값을 임시저장된 정정값으로 정정하여 저장한다(S230).
따라서, 제220단계의 판단결과 출력명령이 보정출력명령이 아닌 경우, 상기 제어유닛(20)은 데이터베이스(40)에 저장된 보정값을 임시저장된 정정값으로 정정하여 저장하고, 정정된 보정값으로 사용자가 입력한 출력조건을 보정하여 출력물을 출력한다.
이에 따라 사용자가 3D 프린터를 통해 다양한 조건에서 출력물을 출력하고, 재출력하는 과정이 반복됨에 따라, 사용자의 입력조건을 사용자 의도에 부합되도록 학습에 의해 보정할 수 있게 된다.
한편, 3D 프린터에서 노즐의 온도가 변화됨에 따라 금속재의 노즐공 직경이 변화되어, 출력조건의 압출량이 유지되지 않는다.
따라서, 본 발명에서는 전술한 바와 같은 제어유닛(20)에 의한 출력조건 보정과 함께 온도변화에도 노즐공의 직경변화가 최소화되도록 하는 기구적 구성이 부가되는 경우, 본 발명의 제어효과가 상승되므로, 이하에서는 온도변화에 따라 노즐공의 직경변화가 최소화되는 노즐 구조에 대하여 설명하기로 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 3D 프린터 노즐의 제1실시예는 노즐의 외측을 구성하는 외측노즐부(210)와 상기 외측노즐부(210)의 내측에 결합되어 상기 노즐의 하단부 내측을 구성하는 내측노즐부(220)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 외측노즐부(210) 내측에는 나사산이 형성되고, 상기 내측노즐부(220)의 외측에는 나사산(224)이 형성되어, 상기 내측노즐부(220)가 상기 외측노즐부(210) 내에 나사결합된다.
즉, 상기 외측노츨부(210)와 상기 내측노출부(220)가 결합하여 노즐을 구성하는데, 중심부에는 용융된 모재의 토출을 위한 이동로가 형성된다.
여기서, 상기 외측노즐부(210) 및 내측노즐부(220) 모두 금속재로 구성되나, 각각 서로 다른 열팽창계수를 갖는 부재로 구성된다.
구체적으로, 상기 외측노즐부(210)는 열팽창계수가 낮은 금속으로 구성되고, 상기 내측노즐부(220)는 열팽창계수가 상기 외측노즐부(210) 보다 높은 금속으로 구성된다.
바람직하게는 상기 외측노즐부(210)는 철, 크롬, 몰리브덴, 니켈 또는 이들의 합금으로 구성될 수 있고, 상기 내측노즐부(220)는 비교적 열팽창계수가 큰 알루미늄으로 구성될 수 있다.
한편, 상기 내측노즐부(220)는 도 6에 도시된 바와 같이, 외측면에 나사산(224)이 형성되어 상기 외측노즐부(210) 내측에 결합되어, 노즐의 단부에 노즐공(230)을 형성한다.
그리고 상기 내측노즐부(220) 단부에는 상기 내측노즐부(220)의 회전을 위한 복수개의 삽입홈(222)이 형성될 수 있다.
상기 삽입홈(222)은 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 내측노즐부(220)를 회전시키기 위한 회전유닛(226)의 단부가 삽입될 수 있도록 하기 위한 것이다.
본 발명에 의한 3D 프린터 노즐의 제1실시예에 의한 노즐공의 열팽창 원리를 살피면, 상기 가열모듈(100)에 의해 외측노즐부(210) 및 내측모듈부(220)가 가열됨에 따라 상기 외측노즐부(210)는 확장된다. 이에 반하여 동일한 온도증가에 따라 상기 내측노즐부(220)는 상기 외측노즐부 보다 더 많이 확장하려고 하나, 상기 외측노즐부(210)에 의해 외측으로의 확장이 구속되므로, 내부 응력이 발생하여, 상기 내측노즐부(220)는 내측으로 확장되어 노즐공(230)의 직경이 감소하게 된다.
이에 따라 상기 외측노즐부(210)의 확장된 크기와 상기 내측노즐부(220)의 축소된 노즐공(230)의 크기가 상쇄되어, 온도의 상승에 의해서도 PLA 부재가 배출되는 노즐공(230)의 직경은 일정하게 유지되거나 변화 정도를 감소시킬 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 상기 내측노즐부(220)는 상기 외측노즐부(210) 보다 열팽창률이 높은 금속으로 구성되는데, 바람직하게는 상기 외측노즐부(210)는 철, 크롬, 몰리브덴, 니켈 또는 이들의 합금으로 열팽창률이 크지 않은 일반적인 금속으로 형성되고, 상기 내측노즐부(220)는 열팽창률이 큰 알루미늄 등의 금속 및 합금으로 구성된다.
이하에서는 본 발명에 의한 3D프린터 노즐의 제2실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 3D 프린터 노즐의 제2실시예를 도시한 단면도이고, 도 8은 본 발명에 의한 3D 프린터 노즐의 제2실시예를 구성하는 보정편의 구성을 도시한 예시도이다.
본 발명에 의한 3D 프린터 노즐의 제2실시예는, 도 7에 도시된 바와 같이, 금속으로 형성되는 노즐부(240) 단부에 원통형의 결합홈(242)이 형성되고, 상기 결합홈(242)에 실린더형의 보정편(250)이 삽입되어 구성된다.
이때, 상기 보정편(250)은 도 8에 도시된 바와 같이, 원통형의 수직부(252)와, 상기 수직부(252) 단부로부터 내측으로 연장되어 형성되고, 중앙부에 노즐공(230)이 형성된 확장부(254)를 포함하여 구성된다.
상기 확장부(254)는 상기 노즐부(240) 가열시에 온도 상승에 따라 노즐공(230)의 크기가 줄어드는 부분으로, 이를 위해 상기 보정편(250)은 상기 노즐부(240)보다 열팽창율이 큰 금속으로 형성된다.
전술한 바와 같이, 상기 노즐부(240)는 철, 크롬, 몰리브덴, 니켈 또는 이들의 합금으로 구성될 수 있고, 상기 보정편(250)은 비교적 열팽창계수가 큰 알루미늄으로 구성될 수 있다.
본 발명에 의한 3D 프린터 노즐의 제2실시예에 의한 노즐공의 열팽창 원리를 살피면, 상기 가열모듈(100)에 의해 노즐부(240)가 가열됨에 따라 상기 노즐부(240)는 확장된다.
이에 반하여 동일한 온도증가에 따라 상기 보정편(250)의 확장부(254)는 상기 노즐부(240) 보다 더 많이 확장되려고 하나, 상기 노즐부(240)에 의해 외측으로의 확장이 구속되므로 내측으로 응력이 발생하여, 상기 확장부(254)가 내측으로 확장되어 노즐공(230)의 직경이 감소하게 된다.
즉, 노즐부(240)의 가열전에 노즐공(230)의 직경을 Φ라 하고, 노즐부(240) 내측의 길이를 D1이라 하며, 확장부(254)의 길이를 R1이라 가정하면, 노즐부(240)의 내측 길이는 확장부(254)의 길이와 같다(D1=R1).
이후, 상기 가열유닛(100)에 의해 상기 노즐부(240) 및 보정편(250)이 가열되면, 노즐부(240) 내경의 길이는 노즐부(240)의 열팽창에 의해 확장된다.
이때, 상기 노즐부(240)의 내측 길이는 노즐부(240)의 열팽창에 의해 Δ1 만큼 연장되어 D1+Δ1이 된다.
그리고 상기 확장부(254)의 길이는 상기 확장부(254)의 열팽창에 의해 Δ2 만큼 연장되어 R1+Δ2가 된다.
이때, 상기 확장부(254)의 열팽창률이 더 크므로 Δ1<Δ2이므로, 도시된 바와 같이, D1+Δ1<R1+Δ2이 된다.
이에 따라, 상기 노즐부(240)가 가열에 따라 확장된 직경이 상기 확장부(254)의 확장 길이에 의해 상쇄되어, 결과적으로 온도의 상승에 의해 PLA 부재가 배출되는 노즐공의 직경(Φ)은 일정하게 유지되거나 변화 정도를 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 노즐부(240)와 상기 보정편(250)의 결합 방법을 살피면, 상기 보정편(250)이 상기 결합홈(242)에 단순 압입되어 결합될 수도 있으나, 상기 노즐부(240)를 상기 가열모듈(100)을 통해 임계온도까지 가열한 후, 상기 결합홈(242)에 상기 보정편(250)을 삽입하고, 상기 노즐부(240)의 냉각에 의해 상기 결합홈(242)이 압축되면서 상기 보정편(250)이 고정되도록 할 수도 있다.
이에 따라, 또 다른 금속재료로 구성된 보정편을 교체하는 것이 용이해지는 효과가 있다.
한편, 상기 임계온도는 상기 가열모듈(100)의 최대 가열온도를 의미하는 것으로, 본 발명과 같이, FDM 방식의 3D 프린터의 경우, 상기 임계온도는 약 400℃ 일 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
본 발명은 사용자가 입력한 출력조건과 실제 출력물 사이에 발생되는 차이를 최소화하여 사용자의 의도에 최대한 근접한 출력물을 제공하도록 하는 3D 프린터에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 FDM 방식의 3D 프린터에서 입력된 출력조건을 판단하여, 실제 출력물의 적층두께가 출력조건에 포함된 적층두께와 일치하도록 다른 출력조건을 정정값을 통해 보정하므로, 출력조건에 포함된 적층두께와 오차가 최소화된 출력물을 얻을 수 있는 효과가 있다.
10 : 입력부 20 : 제어유닛
21 : 적층두께 설정부 23 : 압출량 설정부
25 : 온도 설정부 27 : 밀도 설정부
29 : 보정값 산출부 30 : 출력모듈
40 : 데이터베이스 100 : 가열모듈
210 : 외측노즐부 220 : 내측노즐부
222 : 삽입홈 224 : 나사산
226 : 회전유닛 230 : 노즐공
240 : 노즐부 242 : 결합홈
250 : 보정편 252 : 수직부
254 : 확장부

Claims (6)

  1. 사용자로부터 출력조건을 입력받는 입력부와;
    사용자로부터 제공된 출력물의 설계 및 출력조건에 따라 출력물이 출력되도록 프린터를 제어하는 제어유닛과;
    상기 제어유닛의 제어에 따라 모재를 용융시켜 토출하여 출력물을 출력하는 출력모듈; 그리고
    상기 출력조건을 보정할 보정값들이 저장되는 데이터베이스를 포함하여 구성되고:
    상기 제어유닛은, 입력된 출력조건을 판단하여, 실제 출력물의 적층두께가 입력된 출력조건의 적층두께와 일치하도록,
    사용자가 설정한 출력조건의 압출량을 보정값에 의해 보정하여 출력시 압출량을 설정하는 상기 압출량 설정부와;
    사용자가 설정한 출력조건의 노즐의 온도를 보정값에 의해 보정하여 출력시 노즐의 온도를 설정하는 온도 설정부와;
    사용자가 설정한 출력조건의 밀도를 보정값에 의해 보정하여 출력시 밀도를 설정하는 밀도 설정부; 그리고
    상기 압출량 설정부, 온도 설정부 및 밀도설정부에서 보정시 필요한 보정값을 산출하는 보정값 설정부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 출력조건 제어식 3D 프린터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정값 설정부는,
    상기 데이터베이스에 출력조건에 따라 저장된 보정값들로부터 보정값을 독출함을 특징으로 하는 출력조건 제어식 3D 프린터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보정값은,
    적층두께가 0.2mm인 경우,
    입력된 설정조건의 압출량, 노즐온도 및 밀도가 각각 120%, 245℃ 및 30 내지 75%가 되도록 보정하는 값임을 특징으로 하는 출력조건 제어식 3D 프린터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보정값은,
    사용자가 프린터를 통해 출력물을 출력한 사용이력으로부터 기계학습을 통해 학습됨을 특징으로 하는 출력조건 제어식 3D 프린터.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력모듈은,
    필라멘트 형태의 원재료를 압출하는 노즐과;
    상기 노즐을 가열하는 가열모듈; 그리고
    가열된 필라멘트를 상기 노즐을 통해 압출하도록 가압력을 발생시키는 가압부를 포함하여 구성되고:
    상기 필라멘트는,
    폴리락트산(Polylactic acid), 에틸렌 비스 스테아마이드(N,N Ethylene bis(stearamide)), 산화방지제(Antioxidant) 및 안료(Pigment)를 포함하여 구성되며:
    상기 노즐은,
    서로 다른 두 가지 금속재가 결합되어 구성됨을 특징으로 하는 출력조건 제어식 3D 프린터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 노즐은,
    상기 노즐의 외측을 구성하는 외측노즐부와;
    상기 외측노즐부의 내측에 결합되어 상기 노즐의 하단부 내측을 구성하는 내측노즐부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 출력조건 제어식 3D 프린터.
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KR20170103283A (ko) 2016-03-03 2017-09-13 백상주 3d 프린팅 제어방법

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