KR20200071871A - 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상온경화가 가능한 세라믹 원료소재를 압출식 적층제조를 통해서 3차원의 형상을 가지는 적층제조물을 형성할 수 있는 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법을 제공함에 따라 소재와 제품 디자인에 제약되는 공정의 불확실성을 극복할 수 있는 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법은, 상온 경화형 세라믹 압출 적층시 이송장치의 이송속도 프로파일을 이용하여 노드형 선형적층물을 적층제조하도록 구성된다.

Description

노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법{A method of manufacturing a ordinary temperature hardened ceramic extrusion laminate using a toolpath design of a node creation method}

본 발명은 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 상온경화가 가능한 세라믹 원료소재를 압출식 적층제조를 통해서 3차원의 형상을 가지는 적층제조물을 형성할 수 있는 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법에 관한 것이다.

상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조기술은 슬러리 혹은 페이스트 형태의 원료소재를 압출을 통해서 선형의 압출물을 생성하고 지정된 이송경로를 따라 적층을 통해 2차원 혹은 3차원의 파트나 제품을 제조하는 기술이다.

이러한 과정을 통해서 생성된 세라믹 제품을 그린 성형체라 하며 최종적으로 강도를 부여하기 위해서 세라믹 입자간의 상호 물질확산을 통한 치밀화 과정으로 알려진 소결을 수행하게 된다.

소결과정은 주로 열 혹은 열-기계 에너지를 성형체에 부여하여 전개된다.

반면에, 시멘트와 같은 소재는 소위 수화반응이라 알려진 상온 화학반응을 통해서 고강도를 구현하게 되는 특징을 가진다.

따라서, 제조된 성형체가 상온에서 강도를 가지는 최종제품화가 가능하다.

이러한 특성을 활용하여 압출식 적층제조를 통해서 건축물을 제조하는 소위 건축 3D 프린팅 기술이 상용화되고 있다.

상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조기술은 압출소재의 특성과 적층제조 공정 및 대상물의 3차원 형상에 따라서 품질이 달라진다.

상세히는 압출적층제조 전 주기에서 소재의 압출성, 압출 적층물의 형상 유지능, 3차원 형상을 이루는 적층물간의 계면 연속성, 3차원 적층 과정의 파트의 거시적 형상 유지능이 고려되어야 한다.

아울러, 최종 제품은 제품의 형상에 따라서 구조강도가 달라지게 된다.

이러한 복잡한 상관관계에 의해서 소량 생산되는 다양한 제품에 범용적으로 적용할 수 있는 공정 시공법이 제시되지 않는 경우 높은 소재-공정-제품 특성의 불확실성을 해소하기 어려우므로 기술의 상용화에 한계를 가지게 된다.

한국등록특허 제10-1828907호

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 소재와 제품 디자인에 제약되는 공정의 불확실성을 극복하기 위한 방안으로 노드 생성방식의 공정기법을 제시하고 이를 구현하기 위한 모델링과 적층제조 공법을 제시하는 것이며, 구체적으로, 상온경화가 가능한 세라믹 원료소재를 압출식 적층제조를 통해서 3차원의 형상을 가지는 적층제조물을 형성할 수 있는 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법은, 상온 경화형 세라믹 압출 적층시 이송장치의 이송속도 프로파일을 이용하여 노드형 선형적층물을 적층제조하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 상온경화가 가능한 세라믹 원료소재를 압출식 적층제조를 통해서 3차원의 형상을 가지는 적층제조물을 형성할 수 있는 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법을 제공함에 따라 소재와 제품 디자인에 제약되는 공정의 불확실성을 극복할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 기존의 압출적층물의 툴 패스와 본 발명의 노드 생성 방식의 툴 패스를 비교한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법에 의해 적층성형물을 제조하는 전주기 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법에 의해 적층성형물을 구현하는 공정모드의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법에 의해 적층성형물을 구현하는 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법에 의해 적층성형물을 구현하는 적층물의 패턴을 예시한 도면이다.

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

및/또는 이라는 용어는 복수 항목들의 조합 또는 복수 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 ‘연결되어’있다거나 ‘접속되어’있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 ‘직접 연결되어’있다거나 ‘직접 접속되어’있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, ‘포함하다’또는 ‘구비하다’, ‘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.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 상온경화가 가능한 세라믹 원료소재를 압출식 적층제조를 통해서 3차원의 형상을 가지는 적층제조물을 형성하는 것과 관련한 기술이며, 상세히는 압출식 적층제조와 관련한 원료소재의 특징, 적층공정의 특징 및 적층제조물의 품질의 상관관계를 기반으로 신뢰성 높은 상온 경화형 3차원 제품을 제조할 수 있는 노드 생성방식의 제품설계와 툴 패스설계 및 이를 구현하는 공정기법을 제시하고 있다.

도 1에는 본 발명에서 제시하고 있는 노드 생성방식 적층제어에서 요소가 되는 노드의 정의와 형상을 규정하고 있다.

(100)과 (200)에는 각각 기존의 압출식 적층물과 노드 생성방식 적층물의 평면 형상을 나타내고 (300)과 (400)은 각각의 3가 투상 형상을 나타낸다.

압출식 적층물의 경우 일반적으로 (100)과 같이 균일한 직선형의 형상을 구현하는 것이 일반적이나 본 발명에서는 일정한 주기 혹은 선택적 주기를 가지는 (210) 노드를 생성하는 방식의 적층물을 생성하는 것을 특징으로 한다.

(210)에서 제시하는 노드는 3차원의 구조물에 있어 강도를 보강하는 기능을 수행하는 동시에 높이 방향으로 상하로 교차하는 노드 경계의 접합강도를 확보하는 기능을 통해서 3차원 구조물의 품질 신뢰성을 확보할 수 있다.

노드 방식의 적층성형물을 제조하는 전주기의 공정도는 도 2에 나타냈다.

3차원 제품의 모델은 일반적으로 CAD 방식을 통해서 생성하게 된다.

CAD 파일에서 생성된 모델에서 노드 보강방식은 CAE를 통해서 최적의 노드를 설계하고 이를 통해서 노드가 보강된 3D 모델을 제조하는 방법이나 CAD 파일을 슬라이싱하는 단계에서 노드생성 알고리즘을 이용하여 직접 G-Code를 편집하는 방식이 가능하다.

CAE를 이용한 노드 보강단계는 노드의 크기와 패턴을 통해서 구조 안정성을 최적화하는 과정을 거치고 이를 통해서 노드가 보강된 3D 모델을 결정한다.

노드 보강 3D 모델은 슬라이싱 과정에서 노드 형성 표준 알고리즘을 통해서 압출기, 이송 구동부 및 노드 생성용 장치의 동작조건을 확정하고 이를 공정으로 구현하는 과정을 통해서 제품을 제조한다.

반면에, 슬라이싱 과정에서 노드 보강을 수행하는 경우는 비교적 단순한 형상이나 기존의 데이터 베이스를 토대로 표준화된 노드생성 알고리즘을 통해서 노드가 보강되는 과정을 거친다.

노드 생성 알고리즘은 노드 간격에 따라서 압출물의 부피를 계산하고 적층과정에 적층물의 위치별 계산된 부피를 구현하기 위해서 펄스화된 구동정보를 도출한다.

노드별 펄스 구동정보를 압출구동 혹은 이송구도 정보로 통합하는 과정을 통해서 G-Code를 생성하는 자동화된 방식이다.

노드의 생성점에서 추가적으로 노드 구현을 위한 보조장치의 구동 정보를 생성한다.

노드 구동장치에는 추가적으로 위치정보 센서를 장착함으로써 공정을 모니터링할 수 있다.

노드를 형성하는 방식은 도 3에 제시된 바와 같이 크게 3가지의 모드를 이용할 수 있다.

압출속도 제어 모드는 이송장치를 일정한 속도로 이송하는 과정에 압출기의 압출속도를 가변하는 방식으로 노드를 형성하는 방식이다.

이 경우에는 압출기가 지속적으로 운동하므로 타원형의 노드를 형성하게 되는 특징이 있다.

이송속도를 제어하는 방식은 일정한 방향으로 이동하는 압출기를 노드 형성점에서 감속 혹은 정지하는 방식으로 노드를 생성한다.

이 경우 압출속도는 일정하므로 과량 압출이 발생하여 노드화되는 특징을 가진다.

이송경로를 직접적으로 제어하는 경우에는 노드의 위치를 선형 적층물의 중앙이 아니라 중앙에서 벗어난 위치에 형성시킬 수 있다.

노드 구현 모드와 관계 없이 노드 형성은 노드 형성점에서 표준화된 노드형성 압출 사이클, 이송 사이클, 이송경로 사이클을 G-Code화하여 구현하고 노드와 노드 사이의 압출 및 이송정보를 생성하는 방식으로 편리한 경로설계가 가능한 알고리즘을 통해서 적층제조에 적용이 가능하다.

아울러, 각 노드가 제품화 및 제품화 과정의 기준점으로 활용이 가능하므로 적층제조 과정에서 발생하는 적층의 문제를 모니터링하고 해결을 위한 G-Code 수정시 작업위치에 대한 빠른 지정과 수정 작업을 위한 G-Code 발생을 쉽게 하는 장점을 가진다.

실제로, 3차원 적층모델에서 각 노드는 위치별 고유한 주소값이 주어지고, 공정과정에서 에러코드가 발생하는 경우 후속 적층과정에서 수정된 적층정보로 치유가 전개되도록 빠르게 G-code를 수정하는 것이 필요하다.

이 경우에 치유를 위한 영역 선정에 노드 주소를 활용하는 것이 피드백 공정의 결정을 빠르게 하며 지정된 노드의 후속 노드간 G-code 정보를 제한적으로 수정하는 방식을 통해서 진단-공정정보수정-수정정보이용 적층이 빠르게 진행될 수 있게 한다.

노드 방식의 적층성형물을 구현하기 위한 장치의 구성도는 도 4와 같다.

(410)은 압출물이 생성되는 노즐, (420)은 노드를 형성하기 위한 추가적인 부착 장치로 (440) 위치 센서를 통해서 기준 위치로부터 위치를 지정할 수 있고 회전이 가능하도록 가이드와 모터가 장착되는 것이 필수인 동시에, (420)과 (430)의 추가 장치를 부착하는 것이 가능하다.

(420)과 (430)은 각각 계면 윤활제, 경화 지연재 혹은 추가적인 입자상의 첨가물을 배출하는 장치를 선택적으로 탈부착할 수 있다.

이러한 부착장치는 (420) 장치에 고정되어 (420)의 회전에 따라서 방향이 제어될 수 있는 것이 특징인 장치이다.

(440)의 위치센서는 초기 위치와 노드 형성위치에서의 위치를 제어하는 목적으로 활용되는 동시에 노드 형성위치에서 노드 형성을 위해서 위치르 이동하는 조건을 스위치로 활용하여 압출기의 공간상에서의 상대적인 위치를 확인할 수 있도록 추가적인 기능이 포함된 센서 및 통신 모듈을 포함하고 있어 각 노드 생성시 압출기의 운동상태를 모니터링하는 기능이 가능하도록 한다.

노드 형성시 (420)은 압축기능과 회전기능을 통해서 적층물과 이전 적층 표면에 상대적인 운동조건을 형성하여 접합계면의 연속성이 강화되도록 하는 것이 핵심이다.

도 5에는 노드 방식의 적층 성형물을 구현하는 적층물의 패턴을 예시로 나타낸다.

도 3에서 제시된 공정모드와 도 4에서 제시된 장치를 이용하여 도 5와 같은 적층패턴이 가능하다.

이러한 노드를 구성하는 방식은 최종 적층제조 후 생성되는 3차원 구조물을 별도의 보강재 없이 형상적인 측면에서 보강하는 기능, 압축 노드 적층을 통해서 계면의 연속성을 높여 적층물간의 경계면에서 발생하는 불연속 결함의 발생을 최소화하거나 발생한 결함 전파를 억제하는 기능, 벽체의 수직방향 경사도를 구현시 지지체 역할 및 노드를 이용한 패턴의 적용을 통한 심미성의 개선이 가능하다.

(511), (512), 그리고 (513)은 하나의 선재로 구성된 벽면의 예시로 노드를 각각 다른 형태로 구현 가능하다.

(520)의 경우 이중 벽 구조물과 이중 벽 구조물의 내부를 보강하는 패턴의 적용시 노드를 형성한 예시가 된다.

1. 상온 경화형 세라믹 압출 적층시 이송장치의 이송속도 프로파일을 이용하여 노드형 선형적층물을 적층제조하는 기술

2. 노드의 형성시 노드의 상부와 하부의 접합력을 강화하기 위해서 링 형상의 가압장치가 가압하고 회전하는 방식의 기능, 하부 적층물과 계면의 연속성을 부여하기 위해서 계면 활성제, 경화 지연제를 도포하는 부가하는 기능, 공간상의 상대 좌표를 확인하여 공정을 모니터링하는 기능을 포함하는 장치

3. 적층 대상 3D 모델을 후공정을 통해서 노드를 발생시키고 이후 슬라이싱 과정을 통해서 툴패스 및 적층공정변수를 생성하는 과정을 포함하는 기술

4. 노드의 구현은 압출기의 압출속도 제어 또는 이송장치의 이송속도 제어를 통해서 구현하며 노드간 간격에 따라 자동으로 압출속도 혹은 이송장치 선속도가 펄스형으로 생성하는 과정을 포함하는 기술

5. 노드 방식의 적층물은 단일 벽체를 구성하는 선형 적층물의 경우 일정 주기별로 펄스화된 툴 패스를 통해서 구현하거나 이중 격벽의 경우 두 개의 격벽 사이에서 하나 이상의 격벽에 단독 혹은 지그재그 방식으로 구현하거나 이중 격벽의 중간에 강화용 패턴을 적용하는 경우 강화용 패턴 혹은 강화용 패텬과 외부벽과의 교차점에 노드를 형성하는 방식으로 구현이 가능한 기술

6. 노드형 격벽구조의 생성은 구조강화의 목적, 경화과정의 균열제어의 목적, 혹은 격벽의 외부에 돌출형 패턴의 형성을 목적으로 적용하는 것이 선택적으로 활용될 수 있는 기술

7. 노드 생성 방식의 적층제조 기술은 3차원 제품화에서 노드를 실시간 공정 모니터링과 공정 진단의 기준점으로 활용할 수 있고 피드백 전략의 도출과 구현을 위한 G-code 편집시 편집 영역의 선정과 수정 공정조건 변경을 용이하게 하는 기술

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.

Claims (1)

1. 상온 경화형 세라믹 압출 적층시 이송장치의 이송속도 프로파일을 이용하여 노드형 선형적층물을 적층제조하는 것을 특징으로 하는 노드 생성 방식의 툴 패스설계를 적용한 상온 경화형 세라믹 압출식 적층제조방법.

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