KR20200108351A - 3d 물체 인쇄용 프린터 - Google Patents
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Abstract
컴퓨터 모델에 기초하여 3D 물체를 인쇄하는 프린터로, 상기 프린터는 재료를 압축 또는 응고시키는 툴, 물체의 층을 지지하는 스테이지, 층 형상을 정의하는 모션 구조물, 및 물체를 제작하기 위해 추종되어야 하는 경로를 만들게 구성된 컨트롤러를 포함한다. 물체를 제작하는 속도와 정밀도 중 적어도 하나를 향상시키기 위해, 컨트롤러는 복수의 라인 세그먼트를 획정하고, 라인 세그먼트들 사이에 삽입하기 위한 전이 세그먼트를 획정하여 경로를 정의하게 구성된다. 컨트롤러는 또한 라인 세그먼트만을 따라 재료를 적층하고 전이 세그먼트를 따라서는 재료를 적층하지 않게 구성된다.
Description
본 개시는 컴퓨터 모델을 기반으로 3D 물체를 인쇄하는 프린터 및 인쇄 방법에 관한 것이다. 본 개시 내용과 관련된 프린터는 툴 명령에 기초하여 활성 및 비활성 상태 사이에서 이동하도록 구성된 툴을 포함한다. 활성화된 상태에서, 본 명세서에서 부가-위치라고 호칭되는 특정 위치에 재료를 부가한다. 부가-위치는 물체의 층 내의 위치이다. 부가-위치는 일반적으로 툴에 통합되어 있는 부분인 구조물을 정의하는 형상의 툴-위치에 의해 결정된다. 프린터는 툴에 의해 정의되는 동안 물체의 층을 지지하도록 배치된 스테이지를 추가로 포함한다. 프린터는 모션 명령을 수신하고 그에 기초하여 형상 정의 구조물의 이동에 의해 층의 형상을 정의하도록 구성된 모션 구조물을 추가로 포함한다. 프린터는 툴 및 모션 구조물과 통신하도록 구성되고, 툴 및 모션 구조물과의 통신에 의해 물체를 제작하도록 프로그래밍 되는 컨트롤러를 추가로 포함한다. 컨트롤러는 물체의 층 형상을 정의하는 형상 데이터를 수신하고, 형상 데이터를 기반으로 경로를 제공하며, 경로를 기반으로 모션 명령 및 툴 명령을 제공하도록 프로그래밍 되어 있다.
일반적으로 3D 프린팅이라고 하는 부가 제조(AM: additive manufacturing)는 컴퓨터 3D 도면에서 물체를 제작할 수 있게 하는 기술이다.
이 프로세스는 솔리드 모델을 슬라이스하여 2D 슬라이스를 형성하고, 슬라이스에 각각 해당하는 층을 제작하여 물체를 인쇄하는 과정을 포함한다. 하나의 층이 이전 층의 위에 배치되도록 프린터에 의해 층들이 하나씩 제작된다. 각 층에는 주어진 두께가 있기 때문에 실제 물체는 층이 추가될 때마다 체적을 얻게 된다. 압출 기반, 입상 기반, 광중합 기반 또는 라미네이션 기반의 다양한 유형의 기술이 존재한다. 각 기술은 서로 다른 유형의 재료와 층을 만드는 서로 다른 방법을 사용하지만, 이들 모두는 본 명세서에서 형상 정의 구조물(shape defining structure)로 호칭되는 툴 또는 툴의 일부를 솔리드 모델의 슬라이스로부터 정의되는 경로를 따라 안내하는 원리를 적용한다. 이 프로세스에서, 재료는 슬라이스의 형상에 따라 배열된다. 재료는 일반적으로 폴리머, 금속 합금, 플라스터 또는 광중합체이다.
이러한 종류의 공지의 프린터에서, 스테이지 위에 물체가 생성되고, 형상 정의 구조물은 스테이지에 대해 상대 이동한다. 종종 형상 정의 구조물은 머니퓰레이터에 의해 이동되고 및/또는 스테이지는 액추에이터에 의해 이동된다. 머니퓰레이터와 액추에이터 중 하나 또는 모두는 직교(Cartesian) 공간의 x, y 또는 z 방향으로 이동할 수 있다.
가장 일반적인 압출 기반 AM 기술은 Fused Deposition Modeling이다. 이 기술을 FDM이라고도 하며, FFF(Fused Filament Fabrication)라는 명칭을 사용하기도 한다. 이 압출 기술의 원리는 일반적으로 서모-폴리머 필라멘트와 같은 용융된 재료를 슬라이스에서 정의된 경로를 따라 압출하여 물체의 층을 만드는 것이다. US 5,121,329호는 이 기술의 하나의 예시를 제공한다.
일반적인 입상 기반 AM 기술은 레이저로 구형 폴리머 또는 금속 분말 요소를 소결하는 것을 기반으로 하는 SLS(Selective Laser Sintering)이다. 분말 층이 적용되고 물체의 층들이 선택적으로 소결된다. 그런 다음, 새로운 분말 층이 적용되고 프로세스가 반복된다.
또 다른 일반적인 입상 기반 AM 기술은 고진공에서 전자빔으로 금속 분말을 용융하여 완전히 조밀한 금속 부품을 직접 제조하는 데에 사용되는 SLM(Selective Laser Melting) 유형인 EBM(Electron Beam Melting)이다. 그 원리는 일반적으로 SLS의 원리와 동일하지만, 금속 분말이 소결될 뿐만 아니라 완전히 용융된다.
분말 베드 및 잉크젯 헤드 3d 프린팅은 결합제를 예컨대 플라스터인 분말 베드 위에 선택적으로 배치하는 잉크젯 프린트 헤드를 기반으로 한다.
가장 일반적인 광 경화 기술은 다음과 같다.
SLA(Stereolithography)는 자외선이나 레이저로 포토폴리머 액상 수지를 경화시킨다. 레이저는 슬라이스를 기반으로 정의된 경로의 형상을 그려서 경화 층을 형성한다. 그런 다음, 포토폴리머 액체가 추가되고, 다음 슬라이스의 형상이 그려져서 물체가 생성된다.
부가 제조 맥락에서, DLP(Digital Light Processing)는 SLA와 유사한데, UV 광선이나 레이저 대신 DLP 프로젝터를 적용하여 포토폴리머를 층층이 경화시킨다.
가장 일반적인 라미네이션 기반 AM 기술은 LOM(Laminated Object Manufacturing)이다. 예컨대 종이, 플라스틱 또는 금속 재료의 시트를 층별로 접착하여 접합한 다음 절단하여 물체의 형상을 정의한다.
3D 프린팅의 일반적인 문제는 속도와 품질 중 적어도 하나가 낮다는 것이다. 속도가 증가하면 허용 오차가 허용되지 않을 수 있고, 좁은 허용 오차를 얻으려면 속도를 줄여야만 한다.
기존 장치는 종종 특정 시간 동안 시스템에서 오버슈트 및 진동을 유발한다. 이러한 진동은 재료가 적층되는 중에 툴이 규정된 경로에서 벗어나게 하여 최종적으로 얻어지는 물체가 특히 예를 들어 예리한 모서리에서 움직임의 크기나 방향이 갑작스럽게 변경된 후 가시적 결함을 갖도록 한다. 이러한 결함을 일반적으로 "링잉(ringing)"이라고 한다. 이러한 결함은, 인쇄 시간을 절약하기 위해 모션 매개 변수(속도, 가속 및 저크)가 증가함에 따라 더욱 두드러지게 된다. 따라서 이러한 거동은 이 기술을 사용하는 기계가 빠르고 고품질의 인쇄를 수행하지 못하도록 하는 주요 병목 현상으로 작용한다.
본 개시의 실시형태들의 목적은 3D 물체를 더 빠르고 및/또는 더 정밀하게 인쇄하기 위한 프린터 및 방법을 제공하는 것이다. 이들 목적 및 추가 목적에 따라, 본 개시는 제1 측면에서 프린터, 프린터용 컨트롤러 및 인쇄 방법을 제공한다.
본 개시에 따른 프린터에서, 컨트롤러는 예를 들어 다음 단계를 언급된 순서대로 수행함으로써 경로를 정의하도록 구성된다.
a) 형상 데이터에 기초하여 복수의 라인 세그먼트를 획정한다. 일 예시에 의하면, 325개의 라인 세그먼트들이 정의될 수 있다. 라인 세그먼트들 각각은 소망하는 층 형상을 생성하기 위해 부가-위치가 라인 세그먼트들을 따라 이동되도록 즉 툴에 의해 부가되는 재료가 라인 세그먼트들을 따라 이동되도록 추종되는 서브-경로를 구성한다.
b) 각 라인 세그먼트에 대한 출발 지점 및 종료 지점을 획정한다. 이는, 부가-위치가 출발 지점에서부터 종료 지점으로 라인 세그먼트를 따라 이동하는 방향으로 각 라인 세그먼트에 할당된다는 것을 의미한다.
c) 인접한 라인 세그먼트의 리스트를 획정하게 라인 세그먼트의 순서를 획정한다. 이는, 예를 들어 넘버 1이 먼저 수행되고, 이어서 넘버 2, 넘버 3 그리고 넘버 4가 이를 따르는 것을 나타내는 1-2-3-4일 수 있다.
d) 인접한 라인 세그먼트의 리스트에서 적어도 한 쌍의 2개의 인접한 라인 세그먼트 사이에서, 전이 세그먼트를 획정하되, 전이 세그먼트에 의해 분리되는 적어도 한 쌍의 라인 세그먼트를 포함하는 인접한 라인 세그먼트에 의해 경로가 획정되도록 후속 라인 세그먼트에서 소망하는 최소 속도 및 최대 가속에 기초하여 각 전이 세그먼트가 획정됨으로서, 경로를 획정하게 구성된다. 일 예시로, 경로가 1-2-t-3-t-4일 수 있는데, 이는 전이 세그먼트가 라인 세그먼트 2와 3 사이에 삽입되고, 전이 세그먼트가 라인 세그먼트 3과 4 사이에 삽입되는 것을 의미한다.
여기서, 소망 최소 속도 및 최대 가속도는 안전 구역 속도 및 안전 구역 가속도로 정의된다.
단계 a) 내지 d)는 위에 언급한 순서대로 실시되거나 다른 순서로 실시될 수 있다. 일 예시로, 단계 b)가 단계 c) 이후에 실시될 수 있고, 단계 a) 내지 d)가 이들 단계들 중 하나 이상이 이들 단계들 중 하나의 단계가 실시된 후에 다시 생성되는 반복된 공정으로 실시될 수도 있다.
또한, 컨트롤러는, 부가-위치가 라인 세그먼트 내에 있을 때 툴이 활성화 되고, 부가-위치가 라인 세그먼트 바깥에 있을 때 툴이 비활성화 되도록 툴 명령을 제공하게 프로그램 되어 있다.
전이 세그먼트가 후속 라인 세그먼트에서의 소망 최소 속도 및 최대 가속을 기초로 정의되기 때문에, 그리고 툴은 라인 세그먼트 내에서만 활성화되기 때문에, 부정확한 모션 특성과 원치 않는 가속 프로파일에 의해 품질을 떨어뜨릴 위험 없이 속도가 증가될 수 있다.
본 개시의 장치는 스테이지에 대한 툴의 정밀하고 빠른 위치설정이 요구되는 모든 시스템에 적용될 수 있다. 그렇지만, 특히 물체의 윤곽을 생성하기 위해 예리하게 회전해야 하는 복잡한 2차원 경로를 툴이 추종하는 경우에서, 프린트 이동을 하는 중에 고속을 허용하지 않는 기계의 역학 한계가 있는 저렴한 부가 제조 시스템에 특히 적용될 수 있다.
컨트롤러는 프로세서가 규정된 단계들을 실시할 수 있도록 하는 컴퓨터 프로세싱 유닛과 호환 가능한 컴퓨터 프로그램 소프트웨어로 구성될 수 있다. 컨트롤러는 단계들을 실시하도록 하드-코딩된 컴퓨터 프로세싱 유닛일 수 있다.
3D 프린팅은 재료가 컴퓨터 제어되며 접합되거나 응고되어 3차원 물체를 생성하는 공정이다. 여기서, 재료를 접합하거나 응고시키는 공정을 재료를 "부가(adding)" 하는 것으로 정의한다.
부가-위치는 형상 정의 구조물의 툴-위치에 의해 결정된다. 부가-위치가 라인 세그먼트 내에 있을 때 툴이 활성화 되도록 툴 명령을 결정하기 위해, 컨트롤러는 형상 정의 구조물의 위치로부터 부가-위치를 추론하게 구성될 수 있다. 이에 따라, 컨트롤러는 모션 구조물과 양 방향(two-way) 통신하게 구성될 수 있다. 양 방향 통신에서 컨트롤러는 형상 정의 구조물의 위치와 관련된 위치 정보를 수신하고, 그에 기초하여 부가-위치를 결정한다. 부가-위치가 라인 세그먼트 내에 있을 때, 툴이 활성화된다.
툴이 전원을 켜고(power on) 끌(switched off) 수 있다. 관련 공정의 특성으로 인해 예를 들어 재료의 가열 또는 이동에 의해, 재료가 부가될 때까지 툴로부터 전원이 공급되는 데에 지연이 있을 수 있다. 여기서, 정의된 활성화 상태는 재료가 부가될 때 시작된다. 즉 툴의 전원이 켜진 시간부터 재료가 부가되는 시간까지의 지연을 고려하여 해당 상태는 툴 전원을 켜는 단계 이후에 발생한다. 일반적으로, 활성 상태와 비활성 사이를 전환하는 툴 명령은 툴의 전원을 켜거나 끄는 명령이므로, 이 명령은 원하는 활성 또는 비활성 시간 이전에 지연 시간을 제공해야 한다. 일 실시형태에서, 라인 세그먼트의 시작에서 활성화를 일치시키기 위해, 컨트롤러는 지연을 지정하는 구성 파일을 읽고, 스위칭을 얻기 위해 지연에 기초하여 툴 명령을 계산하도록 구성된다.
일 실시형태에서, 프린터는 용융 적층 모델링에서 압출 기반 AM 기술을 위해 구성된다. 이 실시형태에서, 툴은 필라멘트 또는 플라스틱 로드가 모터 시스템에 의해 운반되는 동안 용융되는 압출기를 형성한다. 이 실시형태에서, 툴-위치는 압출기 구조의 노즐의 위치이고, 형상 정의 구조물은 압출기의 노즐이며, 모션 구조물은 재료의 부가가 이루어지는 위치에 노즐을 배치하는 프린터의 모터 구조물이다.
일 실시형태에서, 프린터는 선택적 레이저 소결(SLS) 또는 선택적 레이저 용융을 위해 구성된다. 이 실시형태에서, 툴은 용융 또는 소결될 분말 위에서 레이저 빔을 안내하기 위한 레이저 및 미러를 형성한다. 미러는 모터 시스템에 의해 이동된다. 이 실시형태에서, 툴-위치는 미러의 위치이고, 형상 정의 구조물은 미러이며, 부가-위치는 레이저가 분말에 영향을 주는 위치이고, 모션 구조물은 미러를 툴-위치에 위치시키는 프린터의 모터 구조물이다.
일 실시형태에서 프린터는 전자 빔 용융(EBM)을 위해 구성된다. 이 실시형태에서, 툴은 용융될 분말 위로 전자 빔을 안내하기 위한 전자 방출 구조물 및 안테나 구조물을 형성한다. 안테나는 전자 시스템에 의해 제어된다. 이 실시형태에서, 툴-위치는 안테나의 위치이고, 부가-위치는 전자 빔이 분말에 영향을 주는 위치이며, 모션 구조물은 안테나를 제어하는 전자 시스템이다.
일 실시형태에서 프린터는 SLA(Stereolithography)용으로 구성된다. 이 실시형태에서, 툴은 경화될 액체 폴리머 위에 레이저 빔을 안내하기 위한 레이저 및 미러를 형성한다. 미러는 모터 시스템에 의해 이동된다. 이 실시형태에서, 툴-위치는 미러의 위치이고, 부가-위치는 레이저가 액체 폴리머에 영향을 주는 위치이며, 모션 구조물은 미러를 툴-위치에 배치하는 프린터의 모터 구조물이다. SLA 프로세스가 UV 경화를 기반으로 하는 경우, 툴-위치는 UV 램프의 위치가 될 수 있고, 부가-위치는 램프의 빛이 액체 폴리머에 영향을 미치는 위치이며, 모션 구조물은 UV 램프를 툴-위치에 배치하는 프린터의 모터 구조물이다.
안전 구역 속도 및 안전 구역 가속도는 예를 들어 특정 프린터에서 얻을 수 있는 최대 속도 및 가속도의 백분율로 표현될 수 있다. 안전 구역 속도는 특히 재료를 부가하는 동안 허용될 수 있는 것으로 간주되는 최소 속도이며, 안전 영역 가속은 특히 재료 부가 중에 허용될 수 있는 것으로 간주되는 최대 가속도이다. 일 실시형태에서, 안전 구역 속도는 프린터 최대 속도의 40 ~ 100%로 표현될 수 있고, 안전 구역 가속도는 프린터의 최대 가속도의 0-40%로 표현될 수 있다.
컨트롤러는 최소 속도 및 최대 가속도가 준수되어야하는 기하학적 경계를 형성하는 안전 구역의 정의를 적어도 하나 포함할 수 있다. 안전 구역은 안전 구역이 재정의 될 수 있도록 컨트롤러가 액세스할 수 있는 구성 파일에서 정의될 수 있다. 예를 들어 안전 구역의 정의는, 프린터의 기계적 조건, 정밀도에 대한 필요성에 대한 속도에 대한 필요성 또는 다른 프로세스 매개변수에 기초하여 만들어질 수 있다.
전이 세그먼트는 특히 속도 및 가속 프로파일의 조합을 정의할 수 있다. 하나의 예에서, 조합된 속도 및 가속도 프로파일은 증가(ramp up) 또는 감소(ramp down) 프로파일로 구성된다. 여기서 증가 프로파일이란 스텝, 선형, s-커브, 또는 임의의 종류의 지수 또는 사인 곡선 가속 프로파일을 의미한다.
- 가속 및 감속하는 모션 구조물의 능력을 획정하는 모션 구조물 프로파일을 수신하고,
- 가속 및 감속하는 모션 구조물의 능력을 전이 세그먼트에 후속하는 라인 세그먼트에서의 소망 최저 속도와 비교함으로써 전이 세그먼트의 필요 길이를 획정하고, 및
- 필요 길이에 기초하여 전이 세그먼트를 획정함으로써, 소망 최저 속도 및 최대 가속에 기초하여 전이 세그먼트가 획정될 수 있다.
따라서, 컨트롤러는 초기에 형상 정의 구조물이 경로를 추종할 때 허용되는 것으로 간주되는 최소 속도 및 최대 가속도 즉 얼마나 빠르게 부가-위치를 이동시키는지를 고려할 수 있다. 이 최소 속도 및 최대 가속도의 경계 내에서 이동시키기 위해, 컨트롤러는 모션 구조물이 부가-위치에 진입하기 전에 모션 구조물을 가속시키는 데에 필요한 전이 세그먼트의 길이를 계산할 수 있다.
컨트롤러는 모션 구조물의 이동을 제한하는 한계(limit)를 정의하고, 형상 정의 구조물이 경로를 따라 이동하는 중에 한계에 도달하였는지를 식별하게 구성될 수 있다. 한계는 본 명세서에서 하드 충돌로 호칭되는 것에 의해 야기될 수 있다. 하드 충돌(hard collision)은 프린터의 일부와 인쇄되는 물체 간의 물리적인 충돌 또는 모션 구조물의 한계와의 "충돌"을 의미한다. 즉 지탱 구조물, 선형 액추에이터 또는 유사 구조물의 한계에 도달하였는지를 의미한다. 한계는 본 명세서에서 소프트 충돌로 호칭되는 것에 의해 야기될 수 있다. 소프트 충돌(soft collision)은 움직임이 프로세스 관련 측면을 기반으로 인쇄된 물체와 충돌함을 의미한다. 즉, 이미 인쇄된 부분이 툴에 의해 용융되거나 파괴되는 것을 의미한다.
본 실시형태에서, 컨트롤러는 한계에 도달되었다는 식별에 응답하여 아래의 활동 중 적어도 하나를 수행하게 구성될 수 있다.
a) 경로를 따라 이동하는 중에 툴을 물체로부터 멀리 리프팅 시켜 툴과 스테이이지 사이의 거리를 변경시켜 충돌을 방지할 수 있다. 일반적으로, 이는 이동하는 중에 툴 경로의 z 좌표를 조작하여 이루어진다.
b) 라인 세그먼트의 순서를 변경시켜 충돌을 방지할 수 있다. 최단으로 또는 신속한 실행을 위해, 라인 세그먼트의 순서가 1-2-3-t-4-5일 수 있으며, 이 순서를 예를 들어 4-5-2-1-t-3으로 변경하여 충돌을 방지할 수 있다.
c) 전이 세그먼트의 변경하여 충돌을 방지할 수 있다. 이는 다른 형상의 전이 세그먼트를 생성하는 것과 관련된다.
컨트롤러는, 프린터의 적어도 일부의 형상을 획정하는 기하학적 데이터를 수신하고, 형상 데이터 및 기하학적 데이터를 고려하면서 경로를 따라 구조물을 획정하는 형상의 동작이 시뮬레이션 되는 충돌 시뮬레이션을 실시함으로써 하드-충돌을 예측하도록 구성되며, 컨트롤러는 충돌 시뮬레이션에 기초하여 한계를 획정하게 구성될 수 있다. 본 명세서에서 충돌 시뮬레이션은, 잠재적으로 하드-충돌이 관측되는 경로 주위로 부가-위치가 가상으로 이동하는 것으로 간주된다.
컨트롤러는, 모션 구조물의 동적 능력을 정의하는 동적 데이터를 수신하고, 형상 데이터 및 기하학적 데이터를 고려하면서 경로를 따라 구조물을 획정하는 형상의 동작이 시뮬레이션 되는 동적 시뮬레이션(kinematic simulation)을 실시함으로써 동적-한계를 예측하도록 구성되며, 컨트롤러는 동적 시뮬레이션에 기초하여 한계를 획정하게 구성될 수 있다. 본 명세서에서 동적 시뮬레이션은 동적 한계의 잠재적 도달이 관측되는 경로 주위를 가상으로 부가-위치가 이동하는 것으로 간주된다.
컨트롤러는, 툴이 재료를 층에 부가하는 공정과 관련된 공정 특성을 정의하는 공정 데이터를 수신하고, 공정 특성을 고려하여 구조물을 획정하는 형상의 동작과 관련된 문제를 식별하기 위해, 공정 데이터 및 형상 데이터를 고려하면서 경로를 따라 구조물을 획정하는 형상의 동작이 시뮬레이션 되는 소프트-충돌 시뮬레이션을 실시함으로써 소프트-충돌을 예측하도록 구성되며, 컨트롤러는 공정 시뮬레이션에 기초하여 한계를 획정하게 구성될 수 있다.
모션 구조물이 부가 위치가 다른 라인 세그먼트 순서를 추종하게 하는 데에 얼마나 많은 시간이 걸리는지를 평가하고, 가장 짧은 시간을 제공하는 순서를 선택함으로써 라인 세그먼트의 순서가 획정될 수 있다. 이 실시형태에서, 컨트롤러는 다양한 순서들을 비교하게 구성될 수 있다. 일 예로서, 순서 1-2-3-4는 실행하는 데에 5초가 걸릴 수 있고, 순서 3-2-4-1은 3초가 걸릴 수 있을 때, 컨트롤러는 이러한 대비 가능한 조합을 생성하여 최종 경로를 수행하는 데에 걸리는 시간을 고려하여 가장 확실한 해법을 제공하는 순서를 선택하게 구성될 수 있다. 특히, 컨트롤러는 최종 경로 즉 전이 세그먼트를 포함하는 경로에서 다양한 순서를 확립하고 가장 빠른 하나를 선택하게 구성될 수 있다.
툴이 파워 온 되고 스위치 오프될 수 있고, 일반적으로 프로세스 특성은 툴이 파워 온되는 시점에서부터 재료가 부가될 때까지의 지연을 정의한다. 컨트롤로는 이러한 지연을 정의하고, 툴-위치가 전이 세그먼트 내에 있는 동안에 툴에 전원이 공급되도록 하는 툴 명령을 제공하게 구성될 수 있다. 특히, 컨트롤러는 실제 부가가 라인 세그먼트의 출발점에서 정확하게 시작하는 이점을 얻도록 지연을 사용하게 구성될 수 있다. 이를 위해, 컨트롤러는 부가 위치가 라인 세그먼트에 도달하는 출발 시간에서 지연을 빼고, 출발 시간에서 지연을 뺀 것과 같은 시간에 툴에 전원을 공급하게 툴 명령을 제공할 수 있다.
컨트롤러는, 인접하는 라인 세그먼트의 리스트 내 하나의 라인 세그먼트의 제1 방향과 인접하는 라인 세그먼트의 리스트 내 후속 라인 세그먼트의 제2 방향을 비교하고, 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도를 제공하며, 상기 각도가 사전에 정해진 각도 값을 초과하는 경우 라인 세그먼트들 사이의 전이 세그먼트를 획정하게 구성될 수 있다. 이를 위해, 컨트롤러는 각도 값을 정의하는 구성-데이터-파일을 수신하게 구성될 수 있다.
컨트롤러는 적어도 전이 세그먼트의 가속 구역 및 전이 세그먼트의 후속 소산 구역을 획정함으로써 전이 세그먼트를 획정하게 구성되고, 컨트롤러는 모션 구조물이 구조물을 획정하는 형상을 가속 또는 감속시키는 구역으로서 가속 구역을 획정하고, 모션 구조물이 구조물을 획정하는 형상에 일정한 속도를 제공하며, 구조물을 획정하는 형상의 진동을 야기하게 선행 가속 구역에서의 가속 또는 감속이 시뮬레이션되는 구역으로서 소산 구역을 획정하게 구성될 수 있다.
컨트롤러는, 선행 가속 구역에서의 가속 또는 감속을 형상 정의 구조물 또는 형상 정의 구조물에 부착된 컴포넌트의 강성을 정의하는 구조-데이터-파일과 비교함으로써 선행 가속 구역에서의 가속 또는 감속이 형상 정의 구조물의 진동을 야기하는지 여부를 시뮬레이션 하게 구성될 수 있다.
제2 측면에서, 본 개시는
- 툴 명령에 기초하여 활성 상태 및 비활성 상태 사이에서 시프트하게 구성된 툴로, 상기 툴은 활성 상태에서 물체의 층 내에서 부가-위치로 재료를 부가하게 구성되되, 상기 부가-위치는 구조를 획정하는 형상의 툴-위치에 의해 결정되는, 툴;
- 물체의 층을 지지하게 배치되는 스테이지;
- 모션 명령을 수신하게 구성되며, 모션 명령에 기초하여 형상 정의 구조물의 이동에 의해 층의 형상을 획정하는, 모션 구조물; 및
- 툴 및 모션 구조물과 통신하게 구성되며, 물체의 층 형상을 획정하는 형상 데이터를 수신하고, 그 형상 데이터에 기초하는 경로를 제공하고, 부가-위치가 상기 경로를 추종하도록 모션 구조물을 위한 모션 명령을 제공하며, 경로에 기초하여 툴 명령을 제공하게 프로그램 되어 있는 컨트롤러를 포함하는, 프린터를 사용하여 컴퓨터 모델에 기초하여 3D 물체를 인쇄하는 방법으로,
상기 방법은,
- 형상 데이터에 기초하여 복수의 라인 세그먼트를 획정하는 단계;
- 각 라인 세그먼트에 대한 출발 지점 및 종료 지점을 획정하는 단계;
- 인접한 라인 세그먼트의 리스트를 획정하게 라인 세그먼트의 순서를 획정하는 단계; 및
- 인접한 라인 세그먼트의 리스트에서 적어도 한 쌍의 2개의 인접한 라인 세그먼트 사이에서, 전이 세그먼트를 획정하되, 전이 세그먼트에 의해 분리되는 적어도 한 쌍의 라인 세그먼트를 포함하는 인접한 라인 세그먼트에 의해 경로가 획정되도록 후속 라인 세그먼트에서 소망하는 최소 속도 및 최대 가속에 기초하여 각 전이 세그먼트가 획정됨으로서, 경로를 획정하는 단계를 포함하고,
상기 방법은 구조물을 획정하는 형상이 경로를 따르도록 모션 구조물에 대해 모션 명령을 제공하고, 부가-위치가 라인 세그먼트 내에 있을 때 툴이 활성화 되고, 부가-위치가 라인 세그먼트 바깥에 있을 때 툴이 비활성화 되도록 하는 툴 명령을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 3D 물체 인쇄 방법을 제공한다.
이 방법은 형상 정의 구조물이 경로를 따르도록 모션 구조물에 대해 모션 명령을 제공하는 단계 및 부가-위치가 라인 세그먼트 내에 있을 때 툴이 활성화되고 부가-위치가 라인 세그먼트 바깥에 있을 때 비활성화 되는 툴 명령을 제공하는 단계를 추가로 포함한다. 따라서, 이 방법은 라인 세그먼트 및 전이 세그먼트 내 경로의 분할(segment)로 인해 고속으로 물체를 제작할 수 있다.
본 개시의 제2 측면에 따른 방법은 일반적으로 본 개시의 제1 측면에 따른 프린터에 내포된 임의의 단계를 포함할 수 있다.
추가 측면에서, 본 발명은 제1 측면에 따른 프린터의 컨트롤러에 대해 설명 된 특징을 갖는 프린터용 컨트롤러를 제공한다.
이하에서 도면을 참고하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
도 1은 FDM 프린터를 도시한다.
도 2는 SLS 프린터를 도시한다.
도 3은 SLA 프린터를 도시한다.
도 4는 본 발명의 특정 실시형태를 도시한다.
도 5는 안전 구역 개념을 도시한다.
도 6은 물체의 슬라이싱을 도시한다.
도 7은 슬라이스로부터 라인 세그먼트를 생성하는 것을 도시한다.
도 8은 전이 세그먼트의 생성을 도시한다.
도 9는 완성된 경로를 도시한다.
도 10은 안전 구역 중에 추가의 가속의 부가를 도시한다.
도 11은 충돌의 다양한 유형을 도시한다.
도 12는 버퍼 구역 개념을 도시한다.
도 13은 전이 세그먼트 변형을 통한 충돌 방지를 도시한다.
도 14는 라인 세그먼트 배-배열을 통한 충돌 방지를 도시한다.
도 15는 툴 리프팅을 통한 충돌 방지를 도시한다.
도 16은 툴 활성화 지연 보상을 도시한다.
도 1은 FDM 프린터를 도시한다.
도 2는 SLS 프린터를 도시한다.
도 3은 SLA 프린터를 도시한다.
도 4는 본 발명의 특정 실시형태를 도시한다.
도 5는 안전 구역 개념을 도시한다.
도 6은 물체의 슬라이싱을 도시한다.
도 7은 슬라이스로부터 라인 세그먼트를 생성하는 것을 도시한다.
도 8은 전이 세그먼트의 생성을 도시한다.
도 9는 완성된 경로를 도시한다.
도 10은 안전 구역 중에 추가의 가속의 부가를 도시한다.
도 11은 충돌의 다양한 유형을 도시한다.
도 12는 버퍼 구역 개념을 도시한다.
도 13은 전이 세그먼트 변형을 통한 충돌 방지를 도시한다.
도 14는 라인 세그먼트 배-배열을 통한 충돌 방지를 도시한다.
도 15는 툴 리프팅을 통한 충돌 방지를 도시한다.
도 16은 툴 활성화 지연 보상을 도시한다.
발명의 상세한 설명으로부터 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이기 때문에, 상세한 설명 및 특정 실시예들은 본 발명의 실시형태를 나타내지만 단지 예시로서 제공되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 방법 및 장치가 스테이지에 대한 툴의 정확하고 빠른 위치 설정이 필요한 모든 시스템에 적용될 수 있지만, 특히 기계 역학의 한계로 인해 특히 툴이 물체의 윤곽을 정의하기 위해 날카롭게 회전하면서 복잡한 2차원 경로를 따르는 경우 인쇄 이동을 고속으로 할 수 없는 저비용 적층 제조 시스템에 적용할 수 있다.
도 1은 압출 기반 프린터(FDM)를 도시한다. 도시된 프린터는 열-중합체 필라멘트의 스풀 형태의 필라멘트 공급원(1)을 포함한다. 공급 모터(미도시)에 의해 필라멘트(2)가 압출기(3)에 공급된다. 공급 모터는 툴 명령에 의해 제어된다. 압출기(3)는 노즐(4) 및 전기 히터(미도시)를 포함한다. 히터도 또한 툴 명령을 통해 제어된다. 본 실시형태에서, 툴은 필라멘트 공급 장치와 노즐과 히터를 포함하는 압출기로 구성되며, 형상 정의 구조물은 노즐이다. 압출기(3)는 화살표(5)로 표시된 직교 공간의 두 방향으로 압출기, 히터 및 노즐을 이동할 수 있는 모션 구조물에 고정된다. 노즐이 슬라이스로부터 정의된 경로에 따라 이동될 때. 툴의 형상 정의 구조물, 즉 이 경우 노즐(4)은 툴 위치를 가지며, 툴 위치는 재료가 부가되며, 이에 따라 툴이 활성 상태에 있을 때 재료가 물체의 층을 획정하는 대응 부가-위치(adding-position)(6)를 결정한다.
필라멘트 공급에 내포된 시간 지연과 가열에 내포된 시간 지연으로 인해, 공급 모터와 노즐 히터는, 툴이 활성 상태에 있는 시점 이전에 전원이 켜져 있어야 한다. 본 실시형태에서, 툴에 전원이 켜 있다는 언급은 공급 모터와 히터 중 적어도 하나에 전원에 켜 있다는 것을 의미한다. 개선된 실시형태에서, 히터 및 공급 모터 중 적어도 하나는 상이한 속도들 또는 열 강도들 사이에서 제어되어 재료의 적층 속도를 제어한다.
하나의 층이 완료되면, 스테이지(7)가 화살표(8)로 표시된 대로 아래로 이동한다.
도 2는 구형 폴리머 또는 금속 분말이 레이저의 빛에 의해 소결되는 SLS 프린터를 도시한다. 프린터는 레이저 소스 또는 램프(21), 레이저 빔을 폴리머(23) 풀의 부가-위치(25)로 향하게 하는 미러(22)를 포함한다. 미러는 툴의 일부, 즉 형상 정의 구조물의 일부를 구성하고, 툴 위치는 모션 명령에 기초하여 모션 구조물에 의해 제어되는 미러의 위치이다. 모션 구조물은 화살표(24)로 도시되어 있다.
툴 위치는 부가-위치를 정의합니다. 스테이지는 소결되는 재료의 풀(23)로 구성된다.
분말 층이 소결되면 화살표 26으로 표시된 머니퓰레이터에 의해 스테이지가 아래로 이동하고, 풀에서 분말의 균일한 레벨을 제공하기 위해 레벨은 화살표 27로 표시된 위로 이동하는 머니퓰레이터에 의해 보상된다. 그런 다음, 새로운 분말 층이 소결된다.
도 3은 여러 면에서 SLS 프린터에 대응하는 SLA 프린터를 도시한다. SLA 프린터는 레이저 소스 또는 램프(31) 및 모션 구조물(34)을 통해 툴 위치를 변경함으로써 레이저 빔을 부가-위치(35)로 향하게 하는 미러(32)를 포함한다. 포토폴리머 액체 수지(33)는 레이저로부터 오는 UV 광에 의해 경화된다. 레이저는 슬라이스를 기반으로 정의된 경로의 형상을 그려서 경화된 층을 생성한다. 그 후, 포토폴리머 액체가 추가되고 다음 슬라이스의 윤곽이 물체가 생성될 때까지 레이저에 의해 그려진다. 스테이지는 화살표 37로 나타낸 머니퓰레이터에 의해 이동 가능한 지지판(36)으로 구성된다.
SLA 프린터 및 SLS 프린터의 툴은 램프(21, 31)를 켜거나 꺼서, 또는 램프와 미러 사이에 셔터를 적용하여 활성 상태에서 비활성 상태로 전환된다.
이러한 종류의 예시적인 장치가, 미국 특허 제5,121,329호에 설명된 바와 같이 툴이 압출 헤드인 저비용 3-차원 모델링 기계(Weistek Ideawerk-Speed)이다. 그러나 통상의 기술자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 사용되는 특정 툴 또는 기계의 가격에 관계없이 본 발명의 원래의 사상과 범위에서 벗어나지 않고 다양한 적층 제조 기계 및 방법에 적용될 수 있다.
도 4는 이 프린터(41)를 도시한다. 툴(42)은, 언급된 바와 같이, 압출 기반이다. 이 툴은 압출 헤드, 재료 공급원 및 인터페이스로 구성된다. 툴-위치, 즉 압출 헤드의 위치는 축(43)(X 좌표) 중 하나를 제공하는 한 방향으로 툴을 이동하고 다른 두 개의 축(45, 46)(Y 및 Z 좌표)을 제공하는 두 개의 다른 방향으로 스테이지(44)를 독립적으로 이동시킴으로써 달성된다. 이에 따라 임의의 3차원 경로를 생성할 수 있도록 3개의 독립적인 차원에서 툴의 상대 위치를 제어하는 능력을 제공한다. 실제 포지셔닝은 개방 루프 구성에서 작동하고 모션 구조물을 구성하는 타이밍 벨트, 풀리 및 스테퍼 모터를 사용하여 수행된다.
이 특정 예에서, 컨트롤러는 개인용 컴퓨터에서 실행되는 슬라이싱 소프트웨어(47)와 프린터에 내장된 마이크로 컨트롤러(48)를 포함한다. 컨트롤러는 인터페이스를 통해 모션 명령을 수신하는 모션 구조물에 연결된다. 명령에 기초하여, 툴에 대해 스테이지가 이동하여 층 형상을 정의한다.
원하는 안전 구역 속도 및 안전 구역 가속 한계가 컨트롤러에서 정의된다.
도 5는 시간의 함수로서의 속도를 도시한다. 안전 구역 속도(51)는 기계의 다른 한계, 예를 들어 최대 압출 속도(53)를 기반으로 할 수 있으며, 가속 한계는 경험적으로 발견될 수 있고 기계 상수로 간주하거나 인쇄 속도와 품질의 균형을 유지하는 방식으로 사용자가 선택한 매개변수일 수 있다. 따라야 하는 라인 세그먼트는 이 한계 내에서의 속도와 가속도를 따라야 하며, 각 라인 세그먼트에서 안전 구역 속도와 안전 구역 가속을 얻으려면 라인 세그먼트들 사이의 전환(52)이 계획되어야 한다. 여기서, 인접하는 라인 세그먼트들을 연결하는 세그먼트들을 전이 세그먼트(transition segment)라고 한다.
슬라이싱 소프트웨어(슬라이서)는 제공된 물체 형상을 기반으로 마이크로 컨트롤러에 대한 모션 명령을 생성한다.
모터의 동작 동기화는 슬라이서에서 받은 정보를 기초로 마이크로 컨트롤러에 의해 처리된다.
슬라이서는, 물체를 설명하는 삼각형들을 포함하는 3D 파일 형식(예컨대 .stl)을 사용하여 사용자가 제공한 기하형상(61)을 취하고, 미리 정의된 높이에서 이 3D 형상의 2D 슬라이스(32)를 생성한다.
이들 2D 슬라이스(62)에 기초하여, 원하는 기하학적 형상을 생성하기 위해 재료가 적층되어야하는 한 세트의 라인 세그먼트(71)가 설명된다. 따라서 부가-위치는 도구가 활성화 된 동안 모든 라인 세그먼트들을 따라야 한다.
이 프로세스는 예를 들어 물체의 외부 표면(72) 또는 물체의 내부 구조(73)를 정의하게 된다. 도 6은 형상 데이터에 정의되어 있는 층의 형상을 도시한다. 도 7은 형상을 복수의 라인 세그먼트들로 분할하여 얻은 인접한 라인 세그먼트(74)의 대응하는 리스트를 도시한다.
속도 편차로 인해 링잉이 발생할 수 있는 인접한 라인 세그먼트들 사이의 접점(junction)이 예를 들어 획득 가능한 속도를 정의된 안전 구역 속도와 비교하거나 접점에 연결된 2개의 라인 세그먼트들 사이의 각도를 평가함으로써 식별된다. 이러한 상황이 발생할 때마다 속도와 가속도가 선행 및 후속 라인 세그먼트들의 안전 구역 속도 및 가속 내에 있을 수 있도록 전이 세그먼트가 정의된다.
예를 들어 직선 전이 세그먼트와 선형 가속 프로필의 경우, 전이 세그먼트의 길이는 다음과 같이 가속율과 안전 구역 속도를 기반으로 한다.
여기서 L은 전이 세그먼트의 길이, v는 안전 구역 속도, a는 일반적으로 기계의 가능한 최대 가속에 가깝게 선택된 가속도이며, da는 가속도로 가속한 후에 필요한 소산 구역의 길이이다.
곡선 전이 세그먼트의 경우, 스플라인의 최소 곡률 반경(궁극적으로 최대 가속도 및 구역의 길이를 설정)은 다음과 같이 계산할 수 있다.
여기서 Rmin은 최소 곡률 반경이고, vs는 소망 안전 구역 속도이며, as는 최대 안전 구역 가속이다.
이와 같은 반경을 선택하면, 다음 경로에 들어가기 전에 소산 구역을 삽입할 필요가 없다. 그 이유는 프린터가 전이 중에 안전 구역 한계를 절대 초과하지 않고, 이에 따라서 가속이 끝난 직후에 재료 적층이 일어날 수 있기 때문이다.
이 단계 후에, 각 라인 세그먼트의 두 잠재적 시작(75)이 식별되고 기록된다.
그런 다음, 제1 포인트(81) 및 라인 세그먼트(82)가 선택되고, 초기 전이 세그먼트(83)는 제1 가속 및 소산 구역으로 정의된다. 가속 구역은 모션 구조물이 안전 구역 속도에 도달할 때까지 가속되는 영역이며, 일단 안전 구역 속도에 도달하면 가속이 안전 구역 가속을 초과하지 않도록 감소되는 영역이다.
그런 다음 슬라이서는 계속해서 다음 최적의 포인트를 찾고 예를 들어 다음과 같은 사전 정의된 매개변수 세트를 기반으로 하는 스플라인을 사용하여 연결한다.
- 검색 반경(84)
- 최소 곡률 반경(또는 최대 가속도)
-스플라인의 시작과 끝에서 접선 구속 조건
검색 반경(84)은 잠재적인 연결이 평가되는 최대 거리를 정의한다. 이는 필요한 처리 능력을 제한하기 위해 수행된다.
최소 곡률은 전이 구역 동안 최대 구심 가속도를 정의하며, 이는 궁극적으로 필요한 소산 영역의 길이를 정의한다.
마지막 매개변수는 스플라인 시작과 끝에서의 이탈(tangentiality) 요건이다. 이는 추가 진동을 일으키지 않고 스플라인에서 후속 라인 세그먼트로의 부드러운 전환을 보장하기 위해 도입될 수 있다.
이러한 매개변수에 기초하여 현재 라인 세그먼트의 끝점에서 후속 라인 세그먼트의 다음 시작점까지의 가능한 경로 세트(85)가 계획될 수 있으며, 한 라인 세그먼트에서 다음 라인 세그먼트로의 최단 경로가 선택될 수 있다.
레이어 상의 모든 라인 세그먼트들을 적어도 한 번 이상 방문하지 않을 때까지 이러한 방식으로 반복이 계속된다. 결과는 필요한 라인 세그먼트들 사이에 배열 된 전이 라인 세그먼트를 포함하는 인접한 라인 세그먼트의 리스트이다. 부가-위치가 라인 세그먼트 외부가 아닌 라인 세그먼트 내에 있는 동안에만 재료가 추가된다는 가정 하에 원하는 양을 초과하는 진동을 일으키지 않고 희망하는 속도로 최종 경로가 완료할 수 있습니다.
도 9는 4개의 라인 세그먼트 사이에 추가되는 연속적인 라인 세그먼트 및 전이 세그먼트의 리스트를 예시한다. 이를 인접 라인 세그먼트들의 경로라고 한다.
층의 끝(91)에서, 현재 층의 최종 포인트를 다음 층의 첫 번째 포인트와 연결하는 동일한 방법을 사용하여 서로 다른 층들 사이의 부드러운 전환을 달성할 수 있거나, 더 이상의 추가 층을 인쇄할 필요가 없다면 감속 영역(92)을 삽입할 수 있다.
마지막으로, 모션 명령이 생성되어 컨트롤러로 전송된다. 이 단계 동안, 예를 들어 라인 세그먼트를 구성하는 긴 직선 사이에 추가의 가속 및 감속을 삽입할 수 있다. 이것은 인쇄 속도를 더욱 높이기 위해 수행된다. 도 10은 이에 대한 예를 보여준다. 일정한 속도를 유지하는 대신, 시작 및 종료 속도를 동일하게 유지하면서 안전 영역 요구 사항을 충족하는 작은 가속(101) 및 감속(102)이 삽입된다. 이는 경로를 다시 계산할 필요가 없지만 추가 인쇄 속도를 얻을 수 있음을 의미한다. 이 방법을 사용할 때, 압출을 방지하기 위해 이 가속도와 일치하도록 압출을 제어 할 수 있다.
도 11은 본 발명을 구현하는 중에 발생할 수 있는 잠재적인 문제를 예시한다.
전이 세그먼트(111)가 물체의 경계(112) 외부로 확장되도록 생성되기 때문에, 잠재적 충돌(113)을 식별하고 완화하는 방법이 구현될 수 있다. 그렇지 않으면, 생성된 경로가 축 이동 한계(114)를 초과하거나 이미 인쇄된 물체의 다름 부분과 충돌하거나 또는 다른 물체(115)와의 충돌을 일으킬 위험이 있다.
작업 공간 내부에 물체를 배치할 수 있거나 배치할 수 없는 위치를 제한하여 충돌을 방지할 수 있는 잠재적 솔루션을 찾을 수 없는 상황을 피하기 위한 조치를 취할 수 있다. 도 12는 물체가 한계에 얼마나 가까이 있을 수 있는지를 제한하는 데 사용되는 물체 주변의 안전 구역을 도시한다. 라인 세그먼트 끝의 속도와 기계가 할 수 있는 최대 가속도를 고려하면, 기계가 임의의 각도로 회전할 수 있는 속도로 감속하는 데 필요한 거리(121)를 계산하거나, 또는 기계가 최대 속도로 회전 할 수 있는 반경(122)을 계산할 수 있다. 이러한 값 중 가장 작은 값을 취함으로써, 각 물체 주변에 "버퍼 구역"(123)이 생성될 수 있다. 그런 다음, 물체가 축 한계 또는 다른 물체에 이 거리보다 더 가깝게 배치되지 않도록 해야 한다. 이는 충돌 전에 툴을 안전하게 정지시키거나 전환할 수 있는 경로를 만들 수 없는 상황을 방지하기 위한 것이다.
이 첫 번째 안전 조치 후에, 프린터(111)의 작업 영역을 벗어나는 모든 전이 세그먼트 스플라인을 찾아 충돌을 피할 수 있다. 그 후, 이러한 전이 세그먼트는 충돌을 피하기 위해 수정된다. 도 13은 이를 위한 하나의 잠재적인 방법을 보여준다. 이 예에서, 스플라인에 대해 더 예리한 최소 코너 반경(131)을 선택함으로써, 전이 세그먼트의 크기가 감소되고, 다음 라인의 소산 구역(132)을 확장함으로써 더 높은 가속으로 인해 야기되는 추가 진동이 보상된다.
충돌 방지는 라인 세그먼트가 인쇄되어야 하는 순서를 결정할 때 매개변수 중 하나로 고려될 수도 있다. 도 14는 원래 계획된 세그먼트(142) 대신 다음 세그먼트에서 다른 시작점(141)을 선택함으로써, 축 한계(114)를 벗어나지 않고 모든 요구 사항을 만족하는 새로운 전이 세그먼트(143)를 만들 수 있는 예를 보여준다. 원래 전이 세그먼트(81)를 수정하는 것만으로는 이를 달성할 수 없었을 것입니다.
우리의 예에서 압출기와 같은 재료 적층 기법에 기초하는 접촉(contact)인 경우, 또 다른 잠재적 유형의 충돌이 고려될 수 있다. FDM 프린팅과 같은 기술 중에는 툴을 물체(115)의 이미 인쇄된 부분 위로 또는 가까이 이동하는 것은 매우 바람직하지 않다. 툴에서 나오는 복사열이 이미 인쇄된 부분을 재용융시키고 변형시켜서, 물리적 충돌이 발생하지 않더라도 인쇄 품질이 여전히 저하되는 "소프트(soft)" 충돌을 유발하는 인쇄된 물체에 결함을 발생시킬 수 있다.
도 15는 이 문제를 완화하는 방법을 보여준다. 잠재적인 소프트 충돌이 감지 될 때, Z 좌표(153)를 조작함으로써(스테이지(44)를 툴(42)로부터 멀어지게 이동) 전이 세그먼트(111) 동안 작업 평면(152)으로부터 툴을 멀리 들어 올린다(151).
본 발명을 구현하는 중에 잠재적으로 직면할 수 있는 또 다른 실제 문제는 라인 세그먼트의 시작과 끝 동안 툴을 정확하게 활성화 및 비활성화해야 한다는 요건이다.
도 16은 툴의 활성화 신호를 변조함으로써 툴의 활성화를 라인 세그먼트에 매칭시키는 방법을 예시한다.
예시적인 실시예에서 툴은 필라멘트 압출기이다. 이와 같은 툴의 경우, 활성화 신호(161)가 전송된 후 필라멘트 압출(163)이 시작되는 데 상당한 시간(162)이 소요되는데, 이는 노즐 내부에 압력이 축적되어야 하기 때문이다. 마찬가지로 비활성화 중에 노즐이 물리적으로 막히지 않는 한 필라멘트는 중력, 잔류 압력 및 열팽창으로 인해 계속 스며 나온다. 3D 프린팅에 사용되는 다른 유형의 툴에서도 유사한 지연이 발생한다.
예를 들어 과도 기간 동안 필라멘트를 철회하는 것과 같은 종래 기술에 설명 된 다른 응답 개선 방법을 사용하는 것 외에도, 이러한 기술에 더하여, 툴의 활성화를 라인 세그먼트(164)와 동기화하려는 시도로 전이 세그먼트의 형태로 추가된 경로를 사용하여 활성화 신호(161)를 약간 더 일찍 보낼 수도 있다.
Claims (18)
- 컴퓨터 모델에 기초하여 3D 물체를 인쇄하기 위한 프린터로, 상기 프린터는,
- 툴 명령에 기초하여 활성 상태 및 비활성 상태 사이에서 시프트하게 구성된 툴로, 상기 툴은 활성 상태에서 물체의 층 내에서 부가-위치로 재료를 부가하게 구성되되, 상기 부가-위치는 형상 정의 구조물의 툴-위치에 의해 결정되는, 툴;
- 물체의 층을 지지하게 배치되는 스테이지;
- 모션 명령을 수신하게 구성되며, 모션 명령에 기초하여 형상 정의 구조물의 이동에 의해 층의 형상을 획정하는, 모션 구조물; 및
- 툴 및 모션 구조물과 통신하게 구성되며, 물체의 층 형상을 획정하는 형상 데이터를 수신하고, 그 형상 데이터에 기초하는 경로를 제공하고, 부가-위치가 상기 경로를 추종하도록 모션 구조물을 위한 모션 명령을 제공하며, 경로에 기초하여 툴 명령을 제공하게 프로그램 되어 있는 컨트롤러를 포함하고,
상기 컨트롤러는,
- 형상 데이터에 기초하여 복수의 라인 세그먼트를 획정하고;
- 각 라인 세그먼트에 대한 출발 지점 및 종료 지점을 획정하고;
- 인접한 라인 세그먼트의 리스트를 획정하게 라인 세그먼트의 순서를 획정하고;
- 인접한 라인 세그먼트의 리스트에서 적어도 한 쌍의 2개의 인접한 라인 세그먼트 사이에서, 전이 세그먼트를 획정하되, 전이 세그먼트에 의해 분리되는 적어도 한 쌍의 라인 세그먼트를 포함하는 인접한 라인 세그먼트에 의해 경로가 획정되도록 후속 라인 세그먼트에서 소망하는 최소 속도 및 최대 가속에 기초하여 각 전이 세그먼트가 획정됨으로서, 경로를 획정하게 구성되며,
상기 컨트롤러는, 부가-위치가 라인 세그먼트 내에 있을 때 툴이 활성화 되고, 부가-위치가 라인 세그먼트 바깥에 있을 때 툴이 비활성화 되도록 툴 명령을 제공하게 프로그램 되어 있는 것을 특징으로 하는 프린터. - 제1항에 있어서,
컨트롤러는 적어도 하나의 안전 구역의 정의를 포함하되, 상기 안전 구역은 최소 속도 및 최대 가속을 준수해야 하는 기하학적 경계를 형성하는 것을 특징으로 하는 프린터. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
- 가속 및 감속하는 모션 구조물의 능력을 획정하는 모션 구조물 프로파일을 수신하고,
- 가속 및 감속하는 모션 구조물의 능력을 전이 세그먼트에 후속하는 라인 세그먼트에서의 소망 최저 속도와 비교함으로써 전이 세그먼트의 필요 길이를 획정하고, 및
- 필요 길이에 기초하여 전이 세그먼트를 획정함으로써, 소망 최저 속도 및 최대 가속에 기초하여 전이 세그먼트가 획정되는 것을 특징으로 하는 프린터. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
컨트롤러는 모션 구조물의 동작을 제한하는 한계를 획정하고, 경로를 따라 구조물을 획정하는 형상의 동작 중에 한계에 도달하는지를 식별하게 구성되고, 상기 컨트롤러는 한계에 도달되었다는 식별에 응답하여 아래의 활동 중 적어도 하나를 수행하게 구성되는 것을 특징으로 하는 프린터.
a) 툴과 스테이이지 사이의 거리를 변경
b) 라인 세그먼트의 순서를 변경
c) 전이 세그먼트의 변경 - 제4항에 있어서,
컨트롤러는, 프린터의 적어도 일부의 형상을 획정하는 기하학적 데이터를 수신하고, 형상 데이터 및 기하학적 데이터를 고려하면서 경로를 따라 구조물을 획정하는 형상의 동작이 시뮬레이션 되는 충돌 시뮬레이션을 실시함으로써 하드-충돌을 예측하도록 구성되며, 컨트롤러는 충돌 시뮬레이션에 기초하여 한계를 획정하게 구성되는 것을 특징으로 하는 프린터. - 제4항 또는 제5항에 있어서,
컨트롤러는, 모션 구조물의 동적 능력을 정의하는 동적 데이터를 수신하고, 형상 데이터 및 기하학적 데이터를 고려하면서 경로를 따라 구조물을 획정하는 형상의 동작이 시뮬레이션 되는 동적 시뮬레이션을 실시함으로써 동적-한계를 예측하도록 구성되며, 컨트롤러는 동적 시뮬레이션에 기초하여 한계를 획정하게 구성되는 것을 특징으로 하는 프린터. - 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
컨트롤러는, 툴이 재료를 층에 부가하는 공정과 관련된 공정 특성을 정의하는 공정 데이터를 수신하고, 공정 특성을 고려하여 구조물을 획정하는 형상의 동작과 관련된 문제를 식별하기 위해, 공정 데이터 및 형상 데이터를 고려하면서 경로를 따라 구조물을 획정하는 형상의 동작이 시뮬레이션 되는 소프트-충돌 시뮬레이션을 실시함으로써 소프트-충돌을 예측하도록 구성되며, 컨트롤러는 공정 시뮬레이션에 기초하여 한계를 획정하게 구성되는 것을 특징으로 하는 프린터. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
다른 라인 세그먼트 순서에 대한 경로를 따라가는 모션 구조물의 지속시간을 평가하고, 가장 짧은 지속시간을 제공하는 순서를 선택함으로써 라인 세그먼트의 순서가 획정되는 것을 특징으로 하는 프린터. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
툴이 파워 온 되고 스위치 오프될 수 있고, 툴은 툴이 파워 온되는 시점에서부터 재료가 부가될 때까지의 지연을 획정하는 특성을 구비하고, 컨트롤러는 상기 지연을 획정하게 구성되는 것을 특징으로 하는 프린터. - 제9항에 있어서,
부가-위치가 전이 세그먼트 내에 있는 중에 툴이 파워 온 되도록, 컨트롤러가 툴 명령을 제공하게 구성되는 것을 특징으로 하는 프린터. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
컨트롤러는, 인접하는 라인 세그먼트의 리스트 내 하나의 라인 세그먼트의 제1 방향과 인접하는 라인 세그먼트의 리스트 내 후속 라인 세그먼트의 제2 방향을 비교하고, 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도를 제공하며, 상기 각도가 사전에 정해진 각도 값을 초과하는 경우 라인 세그먼트들 사이의 전이 세그먼트를 획정하게 구성되는 것을 특징으로 하는 프린터. - 제11항에 있어서,
컨트롤러는, 각도 값을 획정하는 구성-데이터-파일을 수신하게 구성되는 것을 특징으로 하는 프린터. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
컨트롤러는 적어도 전이 세그먼트의 가속 구역 및 전이 세그먼트의 후속 소산 구역을 획정함으로써 전이 세그먼트를 획정하게 구성되고, 컨트롤러는 모션 구조물이 구조물을 획정하는 형상을 가속 또는 감속시키는 구역으로서 가속 구역을 획정하고, 모션 구조물이 구조물을 획정하는 형상에 일정한 속도를 제공하며, 구조물을 획정하는 형상의 진동을 야기하게 선행 가속 구역에서의 가속 또는 감속이 시뮬레이션되는 구역으로서 소산 구역을 획정하게 구성되는 것을 특징으로 하는 프린터. - 제13항에 있어서,
컨트롤러는 다음에 의해 전이 세그먼트를 획정하게 구성되는 것을 특징으로 하는 프린터.
- 선행 라인 세그먼트 및 후속 라인 세그먼트의 위치에 기초하여 직선 전이 세그먼트 또는 곡선 전이 세그먼트 사이에서 결정하되,
- 직선 전이 세그먼트가 선택되면, 다음 식으로 적용되는 길이를 직선 전이 세그먼트에 적용하되;
여기서, L은 직선 전이 세그먼트에 적용되는 길이이고, v는 컨트롤러에서 획정되는 안전 구역 속도이고, a는 컨트롤러에서 획정되는 가속이며, da는 가속 구역에서 가속된 후에 필요한 소산 구역의 길이이며,
- 곡선 전이 세그먼트가 선택되면, 다음 식으로 적용되는 곡률 반경을 곡선 전이 세그먼트에 적용하되;
여기서, Rmin은 최소 곡률 반경이고, vs는 컨트롤러에서 획정되는 안전 구역 속도이고, as는 컨트롤러에서 획정되는 최대 안전 구역 가속이다. - 제13항 또는 제14항에 있어서,
컨트롤러는, 선행 가속 구역에서의 가속 또는 감속을 구조물을 획정하는 형상 또는 구조물을 획정하는 형상에 부착된 컴포넌트의 강성을 획정하는 구조물-데이터-파일과 비교함으로써 선행 가속 구역에서의 가속 또는 감속이 구조물을 획정하는 형상의 진동을 야기하는지를 시뮬레이션하게 구성되는 것을 특징으로 하는 프린터. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
구조물을 획정하는 형상이 툴과 스테이지 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 프린터. - 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
컨트롤러는, 경로 내의 적어도 하나의 라인 세그먼트에 대한 증가 속도 및 감소 속도를 획정하게 구성되되, 증가 속도 및 감소 속도는 컨트롤러에서 획정된 안전 구역 가속 한계 내에서 획정되는 것을 특징으로 하는 프린터. - - 툴 명령에 기초하여 활성 상태 및 비활성 상태 사이에서 시프트하게 구성된 툴로, 상기 툴은 활성 상태에서 물체의 층 내에서 부가-위치로 재료를 부가하게 구성되되, 상기 부가-위치는 구조를 획정하는 형상의 툴-위치에 의해 결정되는, 툴;
- 물체의 층을 지지하게 배치되는 스테이지;
- 모션 명령을 수신하게 구성되며, 모션 명령에 기초하여 형상 정의 구조물의 이동에 의해 층의 형상을 획정하는, 모션 구조물; 및
- 툴 및 모션 구조물과 통신하게 구성되며, 물체의 층 형상을 획정하는 형상 데이터를 수신하고, 그 형상 데이터에 기초하는 경로를 제공하고, 부가-위치가 상기 경로를 추종하도록 모션 구조물을 위한 모션 명령을 제공하며, 경로에 기초하여 툴 명령을 제공하게 프로그램 되어 있는 컨트롤러를 포함하는, 프린터를 사용하여 컴퓨터 모델에 기초하여 3D 물체를 인쇄하는 방법으로,
상기 방법은,
- 형상 데이터에 기초하여 복수의 라인 세그먼트를 획정하는 단계;
- 각 라인 세그먼트에 대한 출발 지점 및 종료 지점을 획정하는 단계;
- 인접한 라인 세그먼트의 리스트를 획정하게 라인 세그먼트의 순서를 획정하는 단계; 및
- 인접한 라인 세그먼트의 리스트에서 적어도 한 쌍의 2개의 인접한 라인 세그먼트 사이에서, 전이 세그먼트를 획정하되, 전이 세그먼트에 의해 분리되는 적어도 한 쌍의 라인 세그먼트를 포함하는 인접한 라인 세그먼트에 의해 경로가 획정되도록 후속 라인 세그먼트에서 소망하는 최소 속도 및 최대 가속에 기초하여 각 전이 세그먼트가 획정됨으로서, 경로를 획정하는 단계를 포함하고,
상기 방법은 구조물을 획정하는 형상이 경로를 따르도록 모션 구조물에 대해 모션 명령을 제공하고, 부가-위치가 라인 세그먼트 내에 있을 때 툴이 활성화 되고, 부가-위치가 라인 세그먼트 바깥에 있을 때 툴이 비활성화 되도록 하는 툴 명령을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 물체 인쇄 방법.
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