KR20200071861A - 지능형 3d 푸드 프린팅 장치 - Google Patents

지능형 3d 푸드 프린팅 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3D 적층 방식으로 식품을 프린팅하는 장치에 있어서: 아암(11) 상에 서포트레일(13)과 거치대(15)를 3축운동 가능하게 구비하는 본체(10); 상기 서포트레일(13)에 복수의 시린지를 탑재하고, 상기 거치대(15)에 익스트루더(25)를 탑재하는 적층수단(20); 상기 본체(10)에 적층수단(20)의 가동 상태를 검출하도록 설치되는 검출수단(30); 및 상기 본체(10), 적층수단(20), 검출수단(30)에 연결되어 설정된 프린팅 알고리즘으로 적층물을 생성하는 제어기(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 복합재료로 형성된 식품을 3차원 프린팅으로 성형함에 멀티 시린지를 기반으로 사물인터넷(IOT) 기술과 접목하여 시수를 단축하는 동시에 성형 불량을 방지하는 효과가 있다.

Description

지능형 3D 푸드 프린팅 장치 {Intelligent 3D food printing apparatus}
본 발명은 3D 푸드 프린팅 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 사물인터넷(IOT) 기술과 접목하여 3차원 형태의 음식물을 출력할 수 있는 지능형 3D 푸드 프린팅 장치에 관한 것이다.
3D 프린팅 기술을 이용하여 출력된 3차원 형태의 음식물들은 단순히 디자인적, 구조적인 자유로움 뿐 만 아니라 우주식품, 전투식량, 환자의 특성에 맞는 맞춤형 보건식품 등 특수용도의 식품 제조에도 활용이 가능하다. 현재 시장의 많은 3D프린터는 오픈소스 기반으로 개발되어 3D프린터 자체로만 동작하는 스탠드 얼론 타입이 대부분으로 사용자가 사용하기에 불편하고, 3D프린터는 장시간 프린팅이 요구되어 실제 프린터가 진행되는 상황을 외부에서 모니터링이 불가능하므로 장시간 잘못 프린팅되는 경우가 자주 발생하고 있다.
3D 푸드 프린팅과 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 공개특허공보 제2015-0054618호(선행문헌 1), 한국 공개특허공보 제2018-0061679호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.
선행문헌 1은 음식 재료를 공급하는 복수의 공급부; 복수의 공급부를 연결하여 플레이트 상의 음식 재료 가공 영역을 이동하는 이송부; 및 피가공 대상물 정보에 따라 이송부를 이동시켜 복수의 공급부를 통해 음식 재료 공급을 제어하는 제어부;를 포함한다. 이에, 사용자의 정보를 분석 및 이미지 처리하여 피가공 대상물을 성형하는 효과를 기대한다.
선행문헌 2는 모델링 단계, 성형 단계, 마무리 단계를 포함하는 3차원 식품 성형 방법에 있어서, 3차원 식품 성형기는 식재료 분출통로가 적어도 2개 이상 구비된 노즐을 구비하여, 성형 단계에서 복수의 분출통로를 통해 식재료가 각각 독립적으로 분출되어 프린팅한다. 이에, 복수개의 식재료를 동시에 사용하여 복합 물질의 식품을 제작하는 효과를 기대한다.
그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 식품의 3차원 성형에서 장시간을 소요하면서 성형 상태의 모니터링이 곤란한 문제점을 극복하기 미흡하다.
한국 공개특허공보 제2015-0054618호 "음식재료를 이용한 형상 가공 장치" (공개일자 : 2015.05.20.) 한국 공개특허공보 제2018-0061679호 "3Ｄ 인쇄 기술을 이용한 식품 성형방법" (공개일자 : 2018.06.08.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 복합재료로 형성된 식품의 3차원 성형에 있어서 멀티 시린지를 기반으로 사물인터넷(IOT) 기술과 접목하여 양산 기술의 실효성을 높이기 위한 지능형 3D 푸드 프린팅 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 3D 적층 방식으로 식품을 프린팅하는 장치에 있어서: 아암 상에 서포트레일과 거치대를 3축운동 가능하게 구비하는 본체; 상기 서포트레일에 복수의 시린지를 탑재하고, 상기 거치대에 익스트루더를 탑재하는 적층수단; 상기 본체에 적층수단의 가동 상태를 검출하도록 설치되는 검출수단; 및 상기 본체, 적층수단, 검출수단에 연결되어 설정된 프린팅 알고리즘으로 적층물을 생성하는 제어기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 적층수단은 서프트레일 상에 장착된 이송기에 메인시린지 및 서브시린지를 연결하여 이동과 이탈을 유발하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 변형예로서, 상기 적층수단은 고형물을 정렬된 상태로 수용하는 트레이, 트레이의 고형물을 적층물에 로딩하는 피더를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 검출수단은 시린지의 내용물 잔량을 검출하는 잔량검출부, 작업 온도와 습도를 검출하는 기상검출부, 3D 적층 상태를 검출하는 오류검출부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기는 무선통신부를 통하여 스마트폰과 연결되어 복수의 시린지, 복수의 익스트루더, 피더에 대한 선택적 제어를 실행하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 복합재료로 형성된 식품을 3차원 프린팅으로 성형함에 멀티 시린지를 기반으로 사물인터넷(IOT) 기술과 접목하여 시수를 단축하는 동시에 성형 불량을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 나타내는 사시도
도 2는 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 나타내는 정면도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 주요부를 평면에서 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 장치의 변형예를 평면으로 나타내는 모식도
도 5는 본 발명에 따른 장치의 제어 회로를 나타내는 블록도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 3D 적층 방식으로 식품을 프린팅하는 장치에 관하여 제안한다. 특히 사물인터넷(IOT) 기술과 접목되어 지능형으로 식품을 적층 제조하는 장치를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 식품회사, 베이커리샵, 교육기관 등에서 취급되는 식품을 적층물로 형성하도록 적용 가능하다.
본 발명에 따른 본체(10)는 아암(11) 상에 서포트레일(13)과 거치대(15)를 3축운동 가능하게 구비하는 구조를 이루고 있다. 본체(10)는 크게 베이스, 컬럼, 아암(11)으로 구성된다. 도 1 및 도 2를 참조하면 본체(10) 상에 X축, Y축, Z축 운동을 구현하는 3축모션기(12)가 예시된다. 아암(11)은 컬럼을 이용하여 X축 및 Z축 운동 가능하게 설치된다. 서프트레일(13)과 거치대(15)는 아암(11) 상에 Y축 운동 가능하게 설치된다.
또한, 본 발명에 따르면, 적층수단(20)이 상기 서포트레일(13)에 복수의 시린지를 탑재하고, 상기 거치대(15)에 익스트루더(25)를 탑재하는 구조이다. 복수의 시린지(21)(22)는 동일한 원통형 구조를 기반으로 하고, 서프트레일(13) 상에 지지를 위해 외부에 별도의 각형 케이싱을 구비한다. 익스트루더(25)는 시린지(21)(22)와 착탈 가능한 방식으로 구성되고, 결합된 상태에서 노즐을 통한 내용물의 압출을 유발한다. 노즐은 익스트루더(25)에 구비되는 것이 좋으나 착탈 용이성을 위해 시린지(21)(22)에 구비될 수도 있다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 적층수단(20)은 서프트레일(13) 상에 장착된 이송기(23)에 메인시린지(21) 및 서브시린지(22)를 연결하여 이동과 이탈을 유발하는 것을 특징으로 한다. 도 3에서 서프트레일(13) 상에 1개의 메인시린지(21)와 3개의 서브시린지(22)가 인접하게 장착된 상태를 예시한다. 메인시린지(21)와 서브시린지(22)는 특별한 구분이 없고 작업하는 순서로 정해진다. 시린지(21)(22)는 서프트레일(13) 상에 탑재된 이송기(23)에 맞물려 동시에 이동된다.
보다 구체적으로, 서프트레일(13)은 적어도 일측에 시린지(21)(22)의 직선운동을 유도하는 레일을 구비한다. 서프트레일(13)의 일단과 타단에는 시린지(21)(22)를 로딩/언로딩하기 위한 출납구(13a)를 구비한다. 출납구(13a)는 레일이 배제되고 다른 부분에 비하여 치수가 크게 형성된다. 시린지(21)(22)는 FIFO(first in first out) 방식으로 서프트레일(13) 상으로 출입되면서 교체 가능하다. 서프트레일(13)의 적어도 일측에는 타이밍 벨트와 모터를 지닌 이송기(23)가 설치되어 시린지(21)(22)와 치형으로 맞물린다. 이송기(23)는 익스트루더(25)에 맞물린 선단의 시린지가 소진되면 모든 시린지(21)(22)를 설정된 거리만큼 출납구(13a)로 밀어서 별도의 수집함(도시 생략)으로 이탈 및 낙하를 유도할 수 있다.
이때, 익스트루더(25)는 착탈기(26)를 개재하여 메인시린지(21)와 착탈 가능하다. 메인시린지(21)의 내용물이 소진되면 착탈기(26)로 익스트루더(25)를 분리하고 다음의 서브시린지(22)에 익스트루더(25)를 결합하여 작업을 속행한다.
한편, 복합소재의 식품을 적층물로 성형하기 위해서 메인시린지(21)를 2개 이상로 설정하여 다른 소재의 내용물을 충전할 수도 있다. 물론 이 경우 서브시린지(22)의 수량도 이에 맞추어 증감하는 것이 좋다.
도 4를 참조하면, 본체(10)의 컬럼에 2개의 아암(11)이 평행을 유지하도록 설치된 상태를 예시한다. 각각의 아암(11)은 전술한 서프트레일(13), 시린지(21)(22), 익스트루더(25) 등을 동일한 방식으로 탑재한다. 일측과 타측의 아암(11)에 상호 다른 재료의 내용물을 배정한다. 이와 같은 구성에 의하면 복합소재 식품의 성형이 보다 신속하고 용이하게 수행될 수 있다.
본 발명의 변형예로서, 상기 적층수단(20)은 고형물을 정렬된 상태로 수용하는 트레이(18), 트레이(18)의 고형물을 적층물에 로딩하는 피더(28)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 작업 대상의 적층물이 축하용 케이크라면 빵과 크림 외에 비스킷, 과일, 장식판 등의 고형물이 추가된다. 고형물을 별도로 적층 성형하는 것은 시수를 매우 증가시킬뿐더러 장치 구조의 복잡화를 유발하게 된다. 고형물은 본체(10) 상의 별도의 트레이(18)에 가지런히 정렬된 상태로 수납한다. 피더(28)는 본체(10)의 일변에 설치되는 적어도 3축 운동의 로봇아암으로 구성한다. 고형물은 적충물의 완성 후 외면에 투입되는 것이 선호되지만, 경우에 따라서는 적층물을 적층하는 중간에 내부로 투입될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 검출수단(30)이 상기 본체(10)에 적층수단(20)의 가동 상태를 검출하도록 설치되는 구조이다. 3D 프린팅에서 식품을 적층물로 생성하는 경우 비교적 시간 소요가 길고 환경을 비롯한 외란에 의한 불량의 여지도 크다. 검출수단(30)은 궁극적으로 사물인터넷(IOT) 기술과 접목되는 지능형 제어의 필수적 요소에 해당한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 검출수단(30)은 시린지(21)(22)의 내용물 잔량을 검출하는 잔량검출부(31), 작업 온도와 습도를 검출하는 기상검출부(33), 3D 적층 상태를 검출하는 오류검출부(35)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 잔량검출부(31)는 서프트레일(13)에 하중센서를 설치하는 구성이 선호되지만 비접촉식의 초음파센서를 사용하는 것도 가능하다. 기상검출부(33)는 본체(10)가 수용되는 챔버의 온도와 습도를 검출한다. 일부 식품의 적층 성형에 있어서 온습도 조건이 반영되는 것이 중요하다. 오류검출부(35)는 적층물의 상태를 감시하도록 본체(10)의 다수의 지점에 카메라를 설치하는 구성을 택한다. 이외에 오류검출부(35)는 익스트루더(25)의 출력 상태, 무선통신 상태 등을 감시할 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면 검출수단(30)의 위치검출부(37)가 서프트레일(13) 상에서 메인시린지(21)의 정확한 작동 위치를 감시하는 상태를 예시한다. 위치검출부(37)의 신호는 이송기(23)를 구동하기 위한 데이터로 활용된다. 이외에 위치검출부(37)는 3축모션기(12)의 운동 상태, 피더(28)의 운동 상태 등을 감시하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 제어기(40)가 상기 본체(10), 적층수단(20), 검출수단(30)에 연결되어 설정된 프린팅 알고리즘으로 적층물을 생성하는 구조이다. 제어기(40)는 마이컴부(41), 구동부(42), 무선통신부(43) 등으로 구성된다. 마이컴부(41)는 CPU(ARM Cortex-A7 Quad-core 이상)를 기반으로 각종 메모리, 각종 인터페이스(CSI, UART, USB)를 탑재한다. 구동부(42)는 각종 전력소자를 기반으로 구성되어 3축모션기(12), 이송기(23), 익스트루더(25), 착탈기(26), 피더(28) 등에 연결된다. 무선통신부(43)는 저전력 통신 WIFI, Bluetooth 4.0, ZigBee, ZWave 방식을 선택적으로 사용한다. 제어기(40)는 입출력의 유저 인터페이스를 위한 터치스크린을 구비하지만, 스마트폰 활용에 의하여 SD카드는 사용하지 않아도 무방하다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어기(40)는 무선통신부(43)를 통하여 스마트폰과 연결되어 복수의 시린지(21)(22), 복수의 익스트루더(25), 피더(28)에 대한 선택적 제어를 실행하는 것을 특징으로 한다. 스마트폰이나 타블렛 PC는 UART 등을 통하여 무선통신부(43)와 연결되고 설치된 앱을 통하여 제어 알고리즘을 변경할 수 있다. 복수의 시린지(21)(22)에 충진된 소재가 다른 경우 적층 순서를 변경할 수 있고, 복수의 익스트루더(25)가 설치된 경우 작동 순서를 변경할 수 있고, 피더(28)에 의한 고형물 투입 순서를 변경할 수 있다. 본체(10)와 적층수단(20)의 가동 상태와 적층물의 성형 상태는 실시간 동영상 스트리밍을 통하여 스마트폰의 화면상으로 표시된다.
한편, 본 발명은 도 1에 예시하듯이 본체(10)의 아암(11)에 냉온풍기(45)를 구비할 수 있다. 냉온풍기(45)는 펠티어 소자를 이용하여 소형으로 구성하고, 적층물 성형 과정에서 냉기/온기를 부가하여 품질 저하를 방지한다.
작동의 일예로서, 대상 적층물에 소요되는 재료가 충전된 시린지(21)(22)를 서프트레일(13)에 탑재하고 저장된 프로그램을 실행하면, 익스트루더(25)가 해당 시린지에 결합된 상태로 작업을 진행하고, 해당 시린지가 소진된 것으로 감지되면 이송기(23)를 가동하여 배출시키고, 인접한 서브시린지(22)를 메인시린지(21)로 인식하여 작업을 속행한다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 본체 11: 아암
12: 3축모션기 13: 서포트레일
15: 거치대 18: 트레이
20: 적층수단 21: 메인시린지
22: 서브시린지 23: 이송기
25: 익스트루더 26: 착탈기
28: 피더 30: 검출수단
31: 잔량검출부 33 : 기상검출부
35: 오류검출부 37: 위치검출부
40: 제어기 41: 마이컴부
42: 구동부 43: 무선통신부
45: 냉온풍기

Claims (5)

  1. 3D 적층 방식으로 식품을 프린팅하는 장치에 있어서:
    아암(11) 상에 서포트레일(13)과 거치대(15)를 3축운동 가능하게 구비하는 본체(10);
    상기 서포트레일(13)에 복수의 시린지를 탑재하고, 상기 거치대(15)에 익스트루더(25)를 탑재하는 적층수단(20);
    상기 본체(10)에 적층수단(20)의 가동 상태를 검출하도록 설치되는 검출수단(30); 및
    상기 본체(10), 적층수단(20), 검출수단(30)에 연결되어 설정된 프린팅 알고리즘으로 적층물을 생성하는 제어기(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지능형 3D 푸드 프린팅 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적층수단(20)은 서프트레일(13) 상에 장착된 이송기(23)에 메인시린지(21) 및 서브시린지(22)를 연결하여 이동과 이탈을 유발하는 것을 특징으로 하는 지능형 3D 푸드 프린팅 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 적층수단(20)은 고형물을 정렬된 상태로 수용하는 트레이(18), 트레이(18)의 고형물을 적층물에 로딩하는 피더(28)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 지능형 3D 푸드 프린팅 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 검출수단(30)은 시린지(21)(22)의 내용물 잔량을 검출하는 잔량검출부(31), 작업 온도와 습도를 검출하는 기상검출부(33), 3D 적층 상태를 검출하는 오류검출부(35)를 구비하는 것을 특징으로 하는 지능형 3D 푸드 프린팅 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어기(40)는 무선통신부(43)를 통하여 스마트폰과 연결되어 복수의 시린지(21)(22), 복수의 익스트루더(25), 피더(28)에 대한 선택적 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 지능형 3D 푸드 프린팅 장치.
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