KR20230063066A - 출력 소재의 점도를 고려한 3d 프린팅 제어 장치 및 방법 - Google Patents

출력 소재의 점도를 고려한 3d 프린팅 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 출력물의 품질을 향상시킬 수 있는 3D 프린팅 제어 장치 및 방법을 개시한다. 출력 소재의 점도 특성에 따라 최적의 채움 밀도를 설정하면 최소한의 출력 경로 설정이 가능하다. 출력 경로의 설정은 출력 소재의 점도가 토출된 후 퍼져나가는 특성을 고려하여 출력 경로의 폭이 설정될 수 있다. 출력 소재의 점도 특성은 토출된 2개의 방울이 만나는 시간을 측정하여 산출될 수 있다.

Description

출력 소재의 점도를 고려한 3D 프린팅 제어 장치 및 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING 3D PRINTING CONSIDERING A VISCOSITY OF OUTPUT MATERIAL AND METHOD THEREOF}
본 발명은 3D 프린팅에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 명세서에 기재된 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 종래 기술을 구성하는 것은 아니다.
3D 프린팅(3D printing) 기술의 응용 및 발전 분야인 3D 바이오프린팅(bioprinting)은 3D 프린트 기술을 기반으로 하여, 콜라겐과 같은 세포외기질(Extracellular Matrix: 이하 ECM) 또는 이를 모방한 바이오 잉크(bio-ink)를 세포 및 다른 바이오 물질(biomaterials)와 결합하여 원하는 형태를 만드는 기술이다. 현재 3D 바이오프린팅은 원하는 목적과 생물학적 환경에 맞추어 다양한 방법이 개발되고 있으며, 이와 더불어 다양한 바이오 잉크 역시 연구되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 3D 프린팅의 일 예시이다.
도 1을 참조하면, 출력 소재가 액체인 경우 고체 상태인 3D 그물망 구조의 골격(scaffold)을 구성하고, 액체 상태의 출력 소재(예: 바이오 잉크(bioink))를 적층한다. 이때, 골격(scaffold)의 소재는 자연 분해되는 소재로서, 출력 이후 시간이 지남에 따라 자연 분해되는 방식으로 3D 프린팅이 진행된다.
이러한 종래 방식에 따른 3D 프린팅의 경우, 출력 소재 및 조형하고자 하는 3D 형상에 따라 최적 조건으로 출력 변수를 설정해야만 원하는 형상을 제작할 수 있다. 출력 소재인 액체의 종류가 변경되거나 또는 동일한 액체라 하여도 혼합 비율이 변경되는 경우, 액체의 고유 성질인 표면장력과 점도가 변하여 출력품질에 영향을 줄 수 있다.
따라서, 출력 소재가 바뀔 때 마다 새로운 소재에 대해 최적 조건을 갖도록 출력 설정을 찾는 것은 많은 시간과 비용 투자가 필요하게 된다. 나아가, 출력 소재에 따라 적합한 3D 프린링의 출력 설정 값을 여러 번의 시행착오를 거쳐 찾아야 함으로 비용과 시간이 많이 소모되는 문제가 있다. 또한 이러한 방식은 출력물의 표면 품질을 향상시키기 위해 여러 레이어(layer)로 적층하여 3D 형상을 제작함으로 출력시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
대한민국 등록특허공보　10-1828345 (2018.02.06)
본 명세서는 출력물의 품질을 향상시킬 수 있는 3D 프린팅 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서는 상기 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 3D 프린팅 제어 장치는 출력 소재의 점도 특성에 의해 출력 라인의 폭을 설정하는 프로세서;를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 출력 소재의 점도 특성은 물의 점도에 대한 출력 소재의 점도 비율일 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 출력 소재의 점도 비율은 2개의 디스펜서 니들이 바닥면으로부터 미리 설정된 거리만큼 떨어져 미리 설정된 간격을 유지한 상태에서 토출된 후 2개의 방울이 만나는 시간 값을 이용하여 산출될 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서는 아래 수식을 통해 상기 출력 라인의 폭(LD)을 산출할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
: 출력 라인의 간격,
Figure pat00004
: 출력시 니들 높이,
Figure pat00005
: 출력시 방울이 붙는데 걸리는 시간,
Figure pat00006
: 물과 출력 소재의 점도 비,
Figure pat00007
: 출력 소재의 점도,
Figure pat00008
: 물의 점도,
Figure pat00009
: 테스트 할 때 출력 소재가 서로 만날 때까지 걸린 시간,
Figure pat00010
: 물이 서로 만날 때까지 걸린 시간,
Figure pat00011
: 방울이 떨어진 시간,
Figure pat00012
: 테스트 할 때 2개의 니들 간격,
Figure pat00013
: 테스트 할 때 니들 높이,
Figure pat00014
: 계수
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서는 아래 수식에 따라 압출 량을 더 설정할 수 있다.
Figure pat00015
Figure pat00016
: 출력물의 부피,
Figure pat00017
: 디스펜서 내경,
Figure pat00018
: 압출 길이
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서는 설정된 출력 라인의 폭에 따라 출력 속도를 더 설정할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서는 아래 수식을 통해 상기 출력 평균 속도(vavg)을 산출할 수 있다.
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
: 출력 평균 속도,
Figure pat00022
디스펜서를 눌러주는 최대 속도,
Figure pat00023
: 디스펜서 내경,
Figure pat00024
: 출력물 채움 밀도,
Figure pat00025
: 니들 내경,
Figure pat00026
: 출력 라인 간격,
Figure pat00027
: 출력물의 높이
상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 3D 프린팅 제어 방법은, (a) 프로세서가 출력 소재의 점도 특성에 대한 값을 입력받는 단계; 및 (b) 프로세서가 상기 입력된 출력 소재의 점도 특성 값에 의해 출력 라인의 폭을 정하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 출력 소재의 점도 특성 값은 물의 점도에 대한 출력 소재의 점도 비율 값일 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 출력 소재의 점도 비율 값은, (a-1) 프로세서가 2개의 디스펜서 니들이 바닥면으로부터 미리 설정된 거리만큼 떨어져 미리 설정된 간격을 유지한 상태가 되도록 제어하는 단계; (a-2) 프로세서가 2개의 디스펜서 니들에서 미리 설정된 양의 출력 소재가 동시에 토출되도록 제어하는 단계; 및 (a-3) 프로세서가 2개의 방울이 만나는 시간 값을 이용하여 출력 소재의 점도 값을 산출하는 단계;를 거쳐서 산출된 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 (a-3)단계는, 상기 프로세서가 토출된 2개의 방울이 퍼지면서 만나게 될 때까지 연속적으로 이미지를 출력한 카메라에서 출력된 이미지를 분석하여 2개의 방울이 만나는 시간 값을 산출하는 단계일 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계는 프로세서가 아래 수식을 통해 상기 출력 라인의 폭(LD)을 산출하는 단계일 수 있다.
Figure pat00028
Figure pat00029
Figure pat00030
: 출력 라인의 간격,
Figure pat00031
: 출력시 니들 높이,
Figure pat00032
: 출력시 방울이 붙는데 걸리는 시간,
Figure pat00033
: 물과 출력 소재의 점도 비,
Figure pat00034
: 출력 소재의 점도,
Figure pat00035
: 물의 점도,
Figure pat00036
: 테스트 할 때 출력 소재가 서로 만날 때까지 걸린 시간,
Figure pat00037
: 물이 서로 만날 때까지 걸린 시간,
Figure pat00038
: 방울이 떨어진 시간,
Figure pat00039
: 테스트 할 때 2개의 니들 간격,
Figure pat00040
: 테스트 할 때 니들 높이,
Figure pat00041
: 계수
본 명세서에 따른 3D 프린팅 제어 방법은, (c) 프로세서가 아래 수식에 따라 압출 길이를 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
Figure pat00042
Figure pat00043
: 출력물의 부피,
Figure pat00044
: 디스펜서 내경,
Figure pat00045
: 압출 길이
본 명세서에 따른 3D 프린팅 제어 방법은, (d) 프로세서가 설정된 출력 라인의 폭에 따라 출력 속도를 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 (d) 단계는 프로세서가 아래 수식을 통해 상기 출력 평균 속도(vavg)을 산출하는 단계일 수 있다.
Figure pat00046
Figure pat00047
Figure pat00048
: 출력 평균 속도,
Figure pat00049
디스펜서를 눌러주는 최대 속도,
Figure pat00050
: 디스펜서 내경,
Figure pat00051
: 출력물 채움 밀도,
Figure pat00052
: 니들 내경,
Figure pat00053
: 출력 라인 간격,
Figure pat00054
: 출력물의 높이
본 명세서에 따른 3D 프린팅 제어 방법은 컴퓨터에서 3D 프린팅 제어 방법의 각 단계들을 수행하도록 작성되어 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터프로그램의 형태로 구현될 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 명세서의 일 측면에 따르면, 출력 소재가 액체 혼합물인 경우 출력물의 품질을 향상시킬 수 있도록 적합한 출력 설정을 생성할 수 있다.
본 명세서의 다른 측면에 따르면, 액체 혼합물을 출력할 때, 출력물 채움 밀도와 속도를 최적으로 설정하여 최소의 레이어로 최단시간에 출력을 완료할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 3D 프린팅의 일 예시이다.
도 2는 채움 밀도에 대한 이해를 돕기 위한 참고도이다.
도 3은 본 명세서에 따라 출력 소재의 점도를 찾는 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 4는 2개의 방울이 토출된 후 만나는 과정에 대한 참고도이다.
도 5는 2개의 출력 라인을 따라 출력된 소재가 퍼지면서 공간을 채우는 과정에 대한 참고도이다.
본 명세서에 개시된 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 명세서가 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 명세서의 개시가 완전하도록 하고, 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자(이하 '당업자')에게 본 명세서의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서의 권리 범위는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 명세서의 권리 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
액체 소재를 이용한 3D 프린팅에서, 액체 소재의 특성 및 출력 높이에 따라서 결과물이 달라질 수 있다. 액체 소재가 토출되는 디스펜서 니들(dispenser needle)이 바닥면과 근접하여 출력하는 경우 출력되는 액체 소재의 거동은 액체 소재의 표면장력에 지배적인 영향을 받을 것이며, 바닥면과 거리를 두고 출력하는 경우 출력되는 액체 소재의 거동은 액체 소재의 점도에 지배적인 영향을 받을 것이다. 예를 들어, 점도가 높은 액체 소재를 낮은 채움 밀도로 출력하면, 출력된 액체의 퍼짐이 부족하여 디스펜서 니들이 이동한 경로(출력 라인) 사이에서 빈 공간이 발생할 수 있다. 또한, 디스펜서 니들의 이동 속도가 출력된 액체 소재 사이의 빈 공간을 채워주는 속도보다 빠를 경우 최종 출력물 내부에 버블 형태의 공간이 발생하여, 출력물의 두께가 두꺼워지는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 출력 소재의 특성에 따라 최적화된 디스펜스 니들의 높이, 출력 속도 및/또는 출력 경로의 설정이 필요하다.
참고로, 본 명세서에서 "디스펜서 니들(dispenser needle)"이란, 3D 프린터에 포함된 부품으로서, 출력 소재인 액체가 최종적으로 밖으로 토출되는 곳이다. 일반적으로, 3D 프린팅은 디스펜서 니들이 지그-재그 방식으로 이동하면서 소재를 출력한다. 이때, 니들이 이동한 경로(출력 라인) 사이의 간격은 채움 밀도에 따라 달라질 수 있다. 본 명세서에서 "채움 밀도(Densityprint)"란, 니들의 안쪽 직경에 대한 출력 라인 간격의 비율이다. 이를 수학식으로 표현하면 아래와 같다.
Figure pat00055
Figure pat00056
: 출력물 채움 밀도
Figure pat00057
: 니들 내경
Figure pat00058
: 출력 라인 간격
도 2는 채움 밀도에 대한 이해를 돕기 위한 참고도이다.
도 2를 참조하면, 같은 모양을 출력하는 경우 출력 밀도에 따라 출력 라인의 간격이 다른 예시가 도시되어 있다. 출력 소재의 퍼지는 성질이 높은 경우, 도 2의 (a)와 같이, 출력 밀도를 낮추어(즉, 출력 라인의 간격을 넓혀서) 출력 라인의 전체 길이를 줄일 수 있다. 반면, 출력 소재의 퍼지는 성질이 낮은 경우, 도 2의 (b)와 같이, 출력 밀도를 높여서(즉, 출력 라인의 간격을 좁혀서) 출력 라인의 전체 길이가 증가할 수 있다. 따라서, 출력 소재의 특성에 따라 출력 밀도를 적절하게 설정하면, 최소의 출력 라인으로 원하는 형상을 출력할 수 있으며, 출력 시간도 줄일 수 있다.
본 명세서에서는 출력 소재의 특성 중 하나인 출력 소재의 점도(viscosity)를 고려한 최적의 출력 설정을 찾는 방법을 설명하겠다. 먼저, 출력 소재의 특성 중 하나인 출력 소재의 점도를 찾는 방법을 설명한다. 출력 소재의 점도에 대한 정보를 미리 알고 있는 경우, 본 과정은 생략될 수 있다. 본 명세서에서 출력되는 액체 소재는 비압축성 뉴턴유체로 가정한다.
도 3은 본 명세서에 따라 출력 소재의 점도를 찾는 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 단계 S10에서 프로세서가 2개의 디스펜서 니들이 바닥면으로부터 미리 설정된 거리만큼 떨어져 미리 설정된 간격을 유지한 상태가 되도록 제어한다. 출력 소재가 출력될 때, 액체의 퍼짐 정도는 주변 온도, 압력, 바닥면의 재질 및 기하학적 형상에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 출력 소재의 점도를 측정할 때, 주변 온도와 압력, 바닥면의 재질과 기하학적 형상은 고정된 것으로 가정한다. 바람직하게, 상기 온도, 압력, 바닥면의 재질 및 형상은 출력하고자 하는 환경과 동일하다. 또한, 출력 소재가 바뀌어도 상기 니들과 바닥면 사이의 거리와 상기 2개의 니들 사이의 간격은 항상 일정한 것이 바람직하다.
다음 단계 S11에서 프로세서가 2개의 디스펜서 니들에서 미리 설정된 양의 출력 소재가 동시에 토출되도록 제어한다. 이때, 2개의 니들에서 토출된 두 액체 방울들이 간직한 에너지로 인해 사방으로 퍼지면서 서로 만나게 된다.
다음 단계 S12에서 프로세서가 2개의 방울이 만나는 시간 값을 이용하여 출력 소재의 점도 값을 산출할 수 있다.
도 4는 2개의 방울이 토출된 후 만나는 과정에 대한 참고도이다.
도 4의 (a)는 출력 소재가 토출된 직후(t0)이다. 2개의 니들 사이의 간격(LDT)으로 2개의 방울(Liquid)이 바닥면(Solid)에 떨어진 것을 확인할 수 있다. 이후 시간이 지나면 도 4의 (b)와 같이, 2개의 방울이 만나게 된다. 토출된 후 2개의 방울이 만나는데 까지 걸린 시간(tf)는 출력 소재의 점도에 따라 비례한다.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 2개의 방울이 만나는 소요된 시간은 직접 입력될 수 있다. 예를 들어, 사람이 스톱워치를 이용하여 2개의 방울이 만나는 시간을 측정하고, 직접 그 시간 값을 입력하는 방법이다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 카메라를 이용하여 시간을 측정할 수 있다. 카메라를 상기 2개의 방울을 촬영하도록 설치한다. 바람직하게, 상기 카메라는 상기 토출된 2개의 방울을 수직 상방에서 촬영하도록 설치될 수 있다. 그리고 상기 프로세서는 앞서 단계 S12를 실행할 때 시작 시간 "t0"으로 설정하고, 상기 카메라는 2개의 방울이 퍼지면서 만나게 될 때까지 연속적으로 이미지를 출력할 수 있다. 상기 프로세서는 상기 카메라에서 출력된 이미지를 분석하여 2개의 방울이 만나는 시점(tf)을 판단할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 출력 소재의 점도는 물방울의 점도를 기준으로 하여 상대적인 비율값으로 점도 값으로 산출될 수 있다. 즉, 출력 소재의 상대 점도 값은 물방울을 기준으로 한 시간과의 비율(
Figure pat00059
)을 이용하여 계산할 수 있다. 두 방울이 만나는 시간은 방울 간의 간격(
Figure pat00060
)에 비례하고 니들의 높이(
Figure pat00061
)에 반비례한다. 따라서, 이들의 관계를 아래 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00062
Figure pat00063
Figure pat00064
Figure pat00065
: 물과 출력 소재의 점도 비
Figure pat00066
: 출력 소재의 점도
Figure pat00067
: 물의 점도
Figure pat00068
: 테스트 할 때 출력 소재가 서로 만날 때까지 걸린 시간
Figure pat00069
: 물이 서로 만날 때까지 걸린 시간
Figure pat00070
: 방울이 떨어진 시간
Figure pat00071
: 테스트 할 때 2개의 니들 간격
Figure pat00072
: 테스트 할 때 니들 높이
Figure pat00073
: 계수
한편, 점도 측정을 위한 테스트가 아닌 실제 출력을 할 때에는 미리 설정된 니들의 높이와 다른 니들 높이(
Figure pat00074
)와 출력 라인간 간격(
Figure pat00075
)을 사용할 수 있다. 이때, 출력된 방울이 퍼지며 만나는 시간(
Figure pat00076
)은 아래의 수학식 3의 관계로 나타낼 수 있다.
Figure pat00077
Figure pat00078
Figure pat00079
: 출력시 방울이 붙는데 걸리는 시간
Figure pat00080
: 출력 라인의 간격
Figure pat00081
: 출력시 니들 높이
이하에서는 출력 소재의 점도 특성을 고려하여 최적의 출력 설정을 결정하는 방법에 대해서 설명하겠다. 출력 소재의 점도가 많은 영향을 미치는 환경 예를 들어, 디스펜서 니들의 높이가 상대적으로 높은 경우 채움 밀도(
Figure pat00082
)는 점도에 비례한다. 이 경우, 출력 소재의 경화 속도가 출력 속도 보다 느리고 출력 소재의 점도에 따른 출력물의 퍼짐 속도(
Figure pat00083
)가 출력 속도 보다 빠른 것을 전제로 한다.
도 5는 2개의 출력 라인을 따라 출력된 소재가 퍼지면서 공간을 채우는 과정에 대한 참고도이다.
도 5의 (a)는 출력 직후의 모습이고, 도 5의 (b)는 출력 소재가 퍼지는 모습이며, 도 5의 (c)는 출력 소재가 서로 만나서 공간을 채운 모습이다. 먼저 도 5의 (a)를 참조하면, 아래 수학식 4과 같은 관계식이 도출될 수 있다.
Figure pat00084
Figure pat00085
: 출력 직후 출력 라인 폭
Figure pat00086
: 니들 내경
Figure pat00087
: 출력 라인의 높이
Figure pat00088
: 출력 라인 간격
Figure pat00089
: 출력 라인 사이의 빈 공간의 거리
그리고 도 5의 (b) 및 (c)를 참조하면, 아래 수학식 5와 같은 관계식이 도출될 수 있다.
Figure pat00090
Figure pat00091
Figure pat00092
Figure pat00093
: t시간이 흐른 후 출력 라인 폭
Figure pat00094
: t시간이 흐른 후 출력 라인의 높이
Figure pat00095
: t시간이 흐른 후 출력 라인 사이의 빈 공간의 거리
Figure pat00096
: 출력 라인이 만나기 직전의 폭
Figure pat00097
: 두 라인이 만나기 직전 빈 공간의 거리(값은 0)
Figure pat00098
: 두 라인이 만나기 직전까지 폭의 변화량
채움 밀도(
Figure pat00099
)는 점도에 비례하므로, 이를 수학식으로 표현하면 아래의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00100
Figure pat00101
Figure pat00102
Figure pat00103
Figure pat00104
: 출력물 채움 밀도
Figure pat00105
: 출력 라인간 최대 간격
Figure pat00106
: 출력된 라인들이 만나는 최대 시간
상기 수학식 6에 출력 소재의 점도비 값을 입력하여 산출된 낮은 채움 밀도(
Figure pat00107
)로 출력이 가능하다. 이때 출력 라인간 간격(
Figure pat00108
)은 출력 속도를 고려하여 최대 경계 값인
Figure pat00109
이하로 설정하여
Figure pat00110
조건을 만족하도록 한다. 상기 최대 경계 값(
Figure pat00111
)는 출력된 라인들이 만나는 최대 시간(
Figure pat00112
동안 출력된 라인이 양 옆으로 퍼지는 폭을 나타내며, 수학식 3으로부터 유도될 수 있다.
한편, 채움 밀도를 낮춘 대신 압출 길이(
Figure pat00113
)을 높여 출력하게 되면 출력 소재가 옆으로 퍼지면서 빈 공간을 메꾸게 되어 출력 경로를 최소화하면서 출력을 완성할 수 있다. 압출 길이(
Figure pat00114
)란, 출력 소재를 디스펜서에서 출력된 소재의 길이를 의미한다. 디스펜서의 내경 면적을 압출 길이를 곱하면 출력에 사용한 소재의 양을 의미하게 된다. 이 경우, 압출 길이(
Figure pat00115
)은 아래 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00116
Figure pat00117
Figure pat00118
: 출력물의 부피
Figure pat00119
: 디스펜서 내경
Figure pat00120
: 디스펜서 압출 길이
한편, 디스펜서가 출력 경로를 따라 이동하는 출력 속도(
Figure pat00121
)는 디스펜서 최대 압출 속도와 소재의 점도가 퍼지는 총 시간(
Figure pat00122
)을 고려하여 목표한 시간(
Figure pat00123
) 내에 출력이 완료될 수 있도록 설정할 수 있다(
Figure pat00124
). 디스펜서를 눌러주는 최대 속도(
Figure pat00125
)는 니들의 내경과 3D Printer의 H/W에 의해 결정되는 변수이다. 따라서, 출력 라인을 적층하는 동안 압출된 소재가 퍼져 빈공간이 발생하지 않도록 출력 속도는 아래 수학식 8에 의해 조절될 수 있다.
Figure pat00126
Figure pat00127
Figure pat00128
Figure pat00129
Figure pat00130
Figure pat00131
Figure pat00132
: 출력 라인의 총 길이
Figure pat00133
: 출력에 걸리는 총 시간
Figure pat00134
: 단위 시간당 압출 길이(단위 시간당 디스펜서 밀대 로딩 거리)
Figure pat00135
: 출력 평균 속도
Figure pat00136
: 출력물의 부피를 높이로 나눈 면적 값
Figure pat00137
: 출력물의 높이
한편, 도 5에는 이해의 편의를 위해 2개의 출력 라인이 동시에 생성된 것을 가정하였으나, 상기 출력 라인이 반드시 동시에 생성될 필요는 없다. 니들이 한 개인 경우, 2개의 출력 라인은 시간 차이를 가지고 생성될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 설명된 방법은 출력 라인의 생성 시점에 따라 제한되지 않는다.
상기 프로세서는 상술한 산출 및 다양한 제어 로직을 실행하기 위해 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 포함할 수 있다. 또한, 상술한 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 프로세서는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 상기 메모리 장치에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다.
상기 전술한 컴퓨터프로그램은, 상기 컴퓨터가 프로그램을 읽어 들여 프로그램으로 구현된 상기 방법들을 실행시키기 위하여, 상기 컴퓨터의 프로세서(CPU)가 상기 컴퓨터의 장치 인터페이스를 통해 읽힐 수 있는 C/C++, C#, JAVA, Python, 기계어 등의 컴퓨터 언어로 코드화된 코드(Code)를 포함할 수 있다. 이러한 코드는 상기 방법들을 실행하는 필요한 기능들을 정의한 함수 등과 관련된 기능적인 코드(Functional Code)를 포함할 수 있고, 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 소정의 절차대로 실행시키는데 필요한 실행 절차 관련 제어 코드를 포함할 수 있다. 또한, 이러한 코드는 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 실행시키는데 필요한 추가 정보나 미디어가 상기 컴퓨터의 내부 또는 외부 메모리의 어느 위치(주소 번지)에서 참조되어야 하는지에 대한 메모리 참조관련 코드를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 컴퓨터의 프로세서가 상기 기능들을 실행시키기 위하여 원격(Remote)에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 통신이 필요한 경우, 코드는 상기 컴퓨터의 통신 모듈을 이용하여 원격에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 어떻게 통신해야 하는지, 통신 시 어떠한 정보나 미디어를 송수신해야 하는지 등에 대한 통신 관련 코드를 더 포함할 수 있다.
상기 저장되는 매체는, 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상기 저장되는 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있지만, 이에 제한되지 않는다. 즉, 상기 프로그램은 상기 컴퓨터가 접속할 수 있는 다양한 서버 상의 다양한 기록매체 또는 사용자의 상기 컴퓨터상의 다양한 기록매체에 저장될 수 있다. 또한, 상기 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장될 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 명세서의 실시예를 설명하였지만, 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (16)

  1. 출력 소재의 점도 특성에 의해 출력 라인의 폭을 설정하는 프로세서;를 포함하는 3D 프린팅 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 출력 소재의 점도 특성은 물의 점도에 대한 출력 소재의 점도 비율인 3D 프린팅 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 출력 소재의 점도 비율은 2개의 디스펜서 니들이 바닥면으로부터 미리 설정된 거리만큼 떨어져 미리 설정된 간격을 유지한 상태에서 토출된 후 2개의 방울이 만나는 시간 값을 이용하여 산출된 것인 3D 프린팅 제어 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 프로세서는 아래 수식을 통해 상기 출력 라인의 폭(LD)을 산출하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 제어 장치.
    Figure pat00138

    Figure pat00139

    Figure pat00140
    : 출력 라인의 간격,
    Figure pat00141
    : 출력시 니들 높이,
    Figure pat00142
    : 출력시 방울이 붙는데 걸리는 시간,
    Figure pat00143
    : 물과 출력 소재의 점도 비,
    Figure pat00144
    : 출력 소재의 점도,
    Figure pat00145
    : 물의 점도,
    Figure pat00146
    : 테스트 할 때 출력 소재가 서로 만날 때까지 걸린 시간,
    Figure pat00147
    : 물이 서로 만날 때까지 걸린 시간,
    Figure pat00148
    : 방울이 떨어진 시간,
    Figure pat00149
    : 테스트 할 때 2개의 니들 간격,
    Figure pat00150
    : 테스트 할 때 니들 높이,
    Figure pat00151
    : 계수
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는, 아래 수식에 따라 압출 길이를 더 설정하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 제어 장치.
    Figure pat00152

    Figure pat00153
    : 출력물의 부피,
    Figure pat00154
    : 디스펜서 내경,
    Figure pat00155
    : 압출 길이
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로세서는, 설정된 출력 라인의 폭에 따라 출력 속도를 더 설정하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 제어 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 프로세서는, 아래 수식을 통해 상기 출력 평균 속도(vavg)을 산출하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 제어 장치.
    Figure pat00156

    Figure pat00157

    Figure pat00158
    : 출력 평균 속도,
    Figure pat00159
    디스펜서를 눌러주는 최대 속도,
    Figure pat00160
    : 디스펜서 내경,
    Figure pat00161
    : 출력물 채움 밀도,
    Figure pat00162
    : 니들 내경,
    Figure pat00163
    : 출력 라인 간격,
    Figure pat00164
    : 출력물의 높이
  8. (a) 프로세서가 출력 소재의 점도 특성에 대한 값을 입력받는 단계; 및
    (b) 프로세서가 상기 입력된 출력 소재의 점도 특성 값에 의해 출력 라인의 폭을 정하는 단계;를 포함하는 3D 프린팅 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 출력 소재의 점도 특성 값은 물의 점도에 대한 출력 소재의 점도 비율 값인 3D 프린팅 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 출력 소재의 점도 비율 값은,
    (a-1) 프로세서가 2개의 디스펜서 니들이 바닥면으로부터 미리 설정된 거리만큼 떨어져 미리 설정된 간격을 유지한 상태가 되도록 제어하는 단계;
    (a-2) 프로세서가 2개의 디스펜서 니들에서 미리 설정된 양의 출력 소재가 동시에 토출되도록 제어하는 단계; 및
    (a-3) 프로세서가 2개의 방울이 만나는 시간 값을 이용하여 출력 소재의 점도 값을 산출하는 단계;를 거쳐서 산출된 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 (a-3)단계는, 상기 프로세서가 토출된 2개의 방울이 퍼지면서 만나게 될 때까지 연속적으로 이미지를 출력한 카메라에서 출력된 이미지를 분석하여 2개의 방울이 만나는 시간값을 산출하는 단계인 3D 프린팅 제어 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 (b) 단계는, 프로세서가 아래 수식을 통해 상기 출력 라인의 폭(LD)을 산출하는 단계인 3D 프린팅 제어 방법.
    Figure pat00165

    Figure pat00166

    Figure pat00167
    : 출력 라인의 간격,
    Figure pat00168
    : 출력시 니들 높이,
    Figure pat00169
    : 출력시 방울이 붙는데 걸리는 시간,
    Figure pat00170
    : 물과 출력 소재의 점도 비,
    Figure pat00171
    : 출력 소재의 점도,
    Figure pat00172
    : 물의 점도,
    Figure pat00173
    : 테스트 할 때 출력 소재가 서로 만날 때까지 걸린 시간,
    Figure pat00174
    : 물이 서로 만날 때까지 걸린 시간,
    Figure pat00175
    : 방울이 떨어진 시간,
    Figure pat00176
    : 테스트 할 때 2개의 니들 간격,
    Figure pat00177
    : 테스트 할 때 니들 높이,
    Figure pat00178
    : 계수
  13. 청구항 8에 있어서,
    (c) 프로세서가 아래 수식에 따라 압출 길이를 설정하는 단계;를 더 포함하는 3D 프린팅 제어 방법.
    Figure pat00179

    Figure pat00180
    : 출력물의 부피,
    Figure pat00181
    : 디스펜서 내경,
    Figure pat00182
    : 압출 길이
  14. 청구항 8에 있어서,
    (d) 프로세서가 설정된 출력 라인의 폭에 따라 출력 속도를 설정하는 단계;를 더 포함하는 3D 프린팅 제어 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 (d) 단계는, 프로세서가 아래 수식을 통해 상기 출력 평균 속도(vavg)을 산출하는 단계인 3D 프린팅 제어 방법.
    Figure pat00183

    Figure pat00184

    Figure pat00185
    : 출력 평균 속도,
    Figure pat00186
    디스펜서를 눌러주는 최대 속도,
    Figure pat00187
    : 디스펜서 내경,
    Figure pat00188
    : 출력물 채움 밀도,
    Figure pat00189
    : 니들 내경,
    Figure pat00190
    : 출력 라인 간격,
    Figure pat00191
    : 출력물의 높이
  16. 컴퓨터에서 청구항 8 내지 청구항 15 중 어느 한 청구항에 따른 3D 프린팅 제어 방법의 각 단계들을 수행하도록 작성되어 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터프로그램.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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