KR20230064696A - 3d 프린팅 장치 및 방법 - Google Patents

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김경복
윤나경
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 출력물의 형태가 절곡되는 지점에서도 압출되는 연속섬유가 올바른 자세로 출력되도록 할 수 있는 3D 프린팅 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 3D 프린팅 장치는 FDM(Fused Deposition Method) 방식의 3D 프린팅 장치로서, 상면으로 출력물이 출력되는 공간을 제공하는 프린팅 베드와; 상기 프린팅 베드의 상부에 Z축선을 회전축으로 하여 회전되도록 구비되고, 연속적인 띠 형태로 공급되는 연속섬유 프리프레그를 용융시킨 다음 압출시켜서 상기 프린팅 베드로 출력하는 노즐부와; 상기 노즐부를 상기 프린팅 베드의 상부에서 X축, Y축 및 Z축으로 이송시키는 이송부와; 상기 노즐부로 압출되는 용융된 연속섬유 프리프레그의 압출 시점을 제어하고, 상기 이송부의 작동 유무 및 노즐부의 회전 시점을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

3D 프린팅 장치 및 방법{Apparatus and Method for 3D Printing}
본 발명은 3D 프린팅 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 출력물의 형태가 절곡되는 지점에서도 압출되는 연속섬유가 올바른 자세로 출력되도록 할 수 있는 3D 프린팅 장치 및 방법에 관한 것이다.
3D 프린팅은 3차원 구조 제품을 성형하는 기술로 3차원 구조물을 신속하게 성형할 수 있을 뿐만 아니라 조립/해체가 불가능한 형상도 제작할 수 있는 장점이 있다. 이러한 3D 프린팅은 본격적인 연구가 시작된 지 오래되었고, 종래에는 3D 프린팅이 가능한 소재에 한계가 있고, 장비가 고가여서 항공 우주 관련 부품제작이나 자동차 등의 시제작품 제작 등 제한적인 분야에만 활용되는 등 널리 보급되지는 않았었으나, 최근 여러 가지 분야에 널리 사용이 시도되고 되어 그 활용 영역이 넓어지고 있다.
3D 프린팅 기술은 크게 분류하여, 고체형 재료를 사용하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식, 액체형 재료를 사용하는 SLA(Setero Lithography Apparatus) 방식 및 DLP(Digital Lighting Processing) 방식, 파우더형 재료를 사용하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식 등 다양한 방식이 실시되고 있다.
3D 프린팅 기술 중 FDM 방식은 고체형 재료를 녹인 다음 와이어와 같이 만들어 노즐을 통해 출력하는 방식으로서, 다른 방식들에 비하여 저렴하게 3D 프린팅을 구현할 수 있고, 다양한 색을 출력할 수 있는 장점이 있다.
한편, 일반적으로 3D 프린팅 소재로 사용되는 플라스틱 레진은 열에 의한 수축과 팽창이 모든 방향으로 일어난다. 특히, FDM 방식의 경우에는 출력물을 성형할 때 프린팅 베드 위에 플라스틱 레진을 출력하기 때문에 플라스틱 출력물의 밑바닥이 프린팅 베드와 붙어있게 된다. 이 상태로 출력물을 냉각하게 되면 출력물의 바닥부분이 프린팅 베드와의 온도 차이에 의해 수축이 많이 발생하고 출력 및 적층이 진행됨에 따라 n층과 n+1층에 대해서 온도 구배가 발생하여 상대적으로 수축이 많이 일어나 출력물이 뒤틀리는 변형이 발생된다.
또한, 출력이 완료되어 출력물을 프린팅 베드에서 분리할 때 출력물이나 프린팅 베드의 표면이 손상되는 문제가 발생된다.
한편, 최근에는 출력물의 변형을 방지하고 강성을 보강하기 위하여 출력소재로 탄소섬유 또는 유리섬유와 같은 강화섬유를 함께 사용하는 방법이 제안되었다.
출력소재로 강화섬유를 사용하는 방법은 크게 두가지로 구분된다.
첫번째는 프린팅 베드 상에 출력물의 형상에 대응되는 형상으로 강화섬유를 미리 직조하여 배치한 다음 플라스틱 레진을 강화섬유 직조물에 출력하는 방법이다.
이러한 방법은 노즐의 이동방향과 강화섬유의 배향방향이 일치하는 경우에는 노즐에서 출력되는 플라스틱 레진이 강화섬유에 효과적으로 함침되어 출력물의 변형 방지 및 강성 보강 효과를 기대할 수 있다.
하지만, 노즐의 이동방향과 강화섬유의 배향방향이 일치하지 않거나 수직인 경우에는 오히려 노즐에서 출력되는 플라스틱 레진이 강화섬유에 올바르게 적층되는 것이 방해되면서 플라스틱 레진이 강화섬유에 불완전하게 함침되어 출력물이 완전하게 출력되지 않거나 강화섬유와 플라스틱 레진 사이의 접합력이 저하되는 문제가 발생된다.
두번째는 강화섬유와 플라스틱 레진을 함께 출력하거나 순차적으로 출력하여 출력을 획득하는 방법이다.
이러한 방법은 강화섬유와 플라스틱 레진 사이의 접합력이 첫번째 방법보다 상대적으로 높아지는 장점이 있지만, 강화섬유를 출력하는 노즐과 플라스틱 레진을 출력하는 노즐을 별개로 구비하여 제어하여야 하는 어려움이 있다.
그래서, 최근에는 동일방향으로 배향되거나 직조된 강화섬유에 플라스틱 레진을 함침시킨 띠 형태의 연속섬유 프리프레그를 미리 준비한 다음 연속섬유 프리프레그를 가열하여 함침된 플라스틱 레진을 용융시키고, 연속섬유와 함께 용융된 플라스틱 레진을 대구경의 노즐을 통하여 압출시킴으로써 원하는 형태의 출력물을 출력하는 기술이 제안되었다.
이러한 방법은 띠 형태의 연속섬유 프리프레그를 사용하게 됨으로써, 플라스틱 레진이 용융되더라도 연속섬유가 띠 형태로 출력된다.
그래서, X축과 Y축으로 이루어지는 평면 상에서 출력물을 직선 형태로 출력하는 경우에는 별다른 문제가 발생하지 않았지만, 출력물을 곡선 형태로 출력하는 경우에는 연속섬유가 출력되는 각도가 변침되는 지점에서 띠 형태의 연속섬유가 꺽이거나 접히는 문제가 발생하였다.
이렇게 연속섬유가 꺽이거나 접히는 경우에는 해당 부위와 다른 부위의 두께 편차가 발생되거나 연속섬유의 압출시 부정확한 접착이 초래되는 문제가 발생하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 6097898 B2 (2017.02.24)
본 발명은 출력물의 형태가 절곡되는 지점에서도 압출되는 연속섬유가 올바른 자세로 출력되도록 할 수 있는 3D 프린팅 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 3D 프린팅 장치는 FDM(Fused Deposition Method) 방식의 3D 프린팅 장치로서, 상면으로 출력물이 출력되는 공간을 제공하는 프린팅 베드와; 상기 프린팅 베드의 상부에 Z축선을 회전축으로 하여 회전되도록 구비되고, 연속적인 띠 형태로 공급되는 연속섬유 프리프레그를 용융시킨 다음 압출시켜서 상기 프린팅 베드로 출력하는 노즐부와; 상기 노즐부를 상기 프린팅 베드의 상부에서 X축, Y축 및 Z축으로 이송시키는 이송부와; 상기 노즐부로 압출되는 용융된 연속섬유 프리프레그의 압출 시점을 제어하고, 상기 이송부의 작동 유무 및 노즐부의 회전 시점을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 노즐부는, 선단에 노즐팁이 구비되어 연속섬유 프리프레그를 용융시킨 다음 압출시키는 본체부와; Z축선을 회전축으로 하여 상기 본체부를 회전시키는 회전부와; 상기 회전부를 선택적으로 작동시키는 제 1 서보모터와; 상기 본체부로 상기 연속섬유 프리프레그를 공급시키는 공급롤러와; 상기 공급롤러를 선택적으로 작동시키는 제 2 서보모터를 포함한다.
상기 노즐팁에는 상기 연속섬유 프리프레그가 압출되는 슬릿형상의 토출공이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, X축과 Y축으로 이루어지는 평면 상에서 상기 이송부의 작동에 의해 상기 노즐부가 직선으로 이송되는 시점과 상기 노즐부가 이송되는 각도가 변침되는 시점에 따라 상기 제 1 서보모터 및 제 2 서보모터의 작동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 노즐부가 직선으로 이송되는 시점에는 상기 이송부 및 제 2 서보모터의 작동을 유지하면서 상기 제 1 서보모터는 작동을 정지시켜서 상기 노즐팁으로 용융된 연속섬유 프리프레그를 압출시켜서 출력물을 출력시키고, 상기 노즐부가 이송되는 각도가 변침되는 시점에는 상기 이송부의 작동을 정지시키고, 상기 제 2 서보모터의 작동을 유지하면서 상기 제 1 서보모터를 작동시켜서 상기 노즐부가 변침되는 각도만큼 회전되는 동안 상기 노즐팁으로 용융된 연속섬유 프리프레그가 압출되는 것이 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 노즐부가 이송되는 각도가 변침되는 시점에 제 1 서보모터의 작동에 의한 노즐부의 회전 속도는 제 2 서보모터의 작동에 의해 노즐팁으로 압출되는 연속섬유 프리프레그의 압출 속도와 동기화되는 것을 특징으로 한다.
상기 이송부는, 상기 프린팅 베드의 양측 가장자리에 구비되어 X축 방향으로 배치되는 한 쌍의 X축 레일과; 상기 한 쌍의 X축 레일에 각각 Z축 방향으로 배치되어 상기 X축 레일을 따라 X축 방향으로 이송되는 한 쌍의 Z축 레일과; 양단이 상기 한 쌍의 Z축 레일에 각각 연결되어 상기 Z축 레일을 따라 Z축 방향으로 이송되는 Y축 레일을 포함하고, 상기 Y축 레일에는 노즐에 연결되어 일체로 이송되는 이송체가 구비되어 상기 Y축 레일을 따라 Y축 방향으로 이송되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 3D 프린팅 방법은 FDM(Fused Deposition Method) 방식의 3D 프린팅 방법으로서, 용융된 연속섬유 프리프레그가 압출되는 노즐부를 이송시키는 이송단계와; 상기 노즐부를 X축과 Y축으로 이루어지는 평면 상에서 직선으로 이송시키면서 용융된 연속섬유 프리프레그를 압출시키는 직선 출력단계와; 상기 노즐부를 Z축선 회전축으로 하여 회전시키면서 용융된 연속섬유 프리프레그를 압출시키는 회전 출력단계와; 상기 이송단계, 직선 출력단계 및 회전 출력단계의 실시 여부를 제어하는 제어단계를 포함한다.
상기 출력물이 n층 레이어에서 직선으로 형성되는 경우에는 상기 제어단계에서 상기 이송단계와 직선 출력단계가 동시에 이루어지도록 제어하며, 상기 출력물이 n층 레이어에서 절곡되어 형성되는 시점에는 상기 제어단계에서 상기 회전 출력단계가 이루어지도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 회전 출력단계에서, 노즐부가 회전되는 속도는 노즐부로 압출되는 연속섬유 프리프레그의 압출 속도와 동기화되는 것을 특징으로 한다.
강화섬유를 동일방향으로 배향하거나 직조하여 연속적인 연속섬유를 준비하고, 준비된 연속섬유에 플라스틱 레진을 함침시켜서 연속적인 띠 형태의 연속섬유 프리프레그를 준비하는 연속섬유 프리프레그 준비단계를 더 포함한다.
상기 직선 출력단계 및 회전 출력단계에서 용융된 연속섬유 프리프레그는 연속섬유 프리프레그에 함침된 플라스틱 레진이 용융 또는 반용융된 상태인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 띠 형태의 연속섬유 프리프레그에 포함된 연속섬유가 절곡된 형태로 출력되는 경우에 연속섬유가 출력물이 절곡되는 형태에 대응하여 회전되면서 출력되도록 함으로써, 연속섬유가 출력되면서 꺽이거나 접히는 것을 방지할 수 있다.
이에 따라 출력물의 절곡부위에서 두께편차가 발생하는 것을 방지할 수 있고, 연속섬유와 플라스틱 레진이 부정확하게 접착되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치를 보여주는 도면이고,
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 노즐부를 보여주는 도면이며,
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐부의 노즐팁을 보여주는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 3D 프린팅을 실시하는 경우에 제어단계에서 실시되는 제어로직을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치를 보여주는 도면이고, 이고, 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 노즐부를 보여주는 도면이며, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐부의 노즐팁을 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치는 FDM(Fused Deposition Method) 방식의 3D 프린팅 장치에 적용된다.
이에 따라 3D 프린팅 장치는 상면으로 출력물이 출력되는 공간을 제공하는 프린팅 베드(100)와; 상기 프린팅 베드(100)의 상부에 Z축선을 회전축으로 하여 회전되도록 구비되고, 연속적인 띠 형태로 공급되는 연속섬유 프리프레그(S)를 용융시킨 다음 압출시켜서 상기 프린팅 베드(100)로 출력하는 노즐부(400)를 포함한다.
그리고, 상기 노즐부(400)를 상기 프린팅 베드(100)의 상부에서 X축, Y축 및 Z축으로 이송시키는 이송부(200)와; 상기 노즐부(400)로 압출되는 용융된 연속섬유 프리프레그(S)의 압출 시점을 제어하고, 상기 이송부(200)의 작동 유무 및 노즐부(400)의 회전 시점을 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함한다.
프린팅 베드(100)는 출력물이 출력되는 공간을 제공하는 수단으로서, 상면이 평평한 플레이트 형태로 마련되어 개방된 공간에 설치된다.
이때 프린팅 베드(100)에는 프린팅 베드(100)의 온도를 조절할 수 있는 가열수단(미도시)이 더 구비될 수 있다.
이송부(200)는 원하는 형상의 출력물(P1, P2)을 출력하기 위하여 프린팅 베드(100)의 상부에서 노즐부(400)를 원하는 위치로 이동시키는 수단으로서, 노즐부(400)를 X축, Y축 및 Z축으로 이동되는 이송체(300)가 구비되고, 이송체(300)에 노즐부(400)가 일체로 결합되어 이송체(300)의 X축, Y축 및 Z축 방향 이동에 의해 노즐부(400)도 일체로 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이동된다.
이송부(200)는 이송체(300)를 X축, Y축 및 Z축 방향으로 자유롭게 이송시킬 수 있는 다양한 방식이 적용될 수 있다. 예를 들어 이송부(200)는 겐트리(Gantry) 구조로 구현될 수 있다.
부연하자면, 이송부(200)는 프린팅 베드(100)의 양측 가장자리에 구비되어 X축 방향으로 배치되는 한 쌍의 X축 레일(210)과; 한 쌍의 X축 레일(210)에 각각 Z축 방향으로 배치되어 X축 레일(210)을 따라 X축 방향으로 이송되는 한 쌍의 Z축 레일(220)과; 양단이 한 쌍의 Z축 레일(220)에 각각 연결되어 Z축 레일(220)을 따라 Z축 방향으로 이송되는 Y축 레일(230)을 포함한다.
그리고, Y축 레일(230)에는 이송체(300)가 구비되어 Y축 레일(230)을 따라 Y축 방향으로 이동됨에 따라 이송체(300)는 프린팅 베드(100)의 상부에서 X축, Y축 및 Z축 방향으로 자유롭게 이송될 수 있다.
이때 이송체(300)는 Y축 레일(230)을 따라 이송되는 블록 형태로 구현될 수 있다.
한편, 노즐부(400)는 연속적인 띠 형태로 공급되는 연속섬유 프리프레그(S)를 용융시킨 다음 압출시켜서 프린팅 베드(100)로 출력하는 수단이다. 특히, 본 실시예에서는 노즐부(400)가 프린팅 베드(100)의 상부에 Z축선을 회전축으로 하여 회전되도록 구비된다.
여기서, 연속적인 띠 형태로 공급되는 연속섬유 프리프레그(S)는 탄소섬유 또는 유리섬유와 같은 연속섬유(S1)를 동일방향으로 배향되거나 직조한 다음 플라스틱 레진(S2)을 함침시켜서 준비된 것을 의미한다. 그래서 가열시 연속섬유 프리프레그(S)에 포함된 플라스틱 레진(S2)이 용융 또는 반융용되고, 이를 출력하여 원하는 형상의 출력물(P)을 제조하게 된다. 이하의 설명에서 연속섬유 프리프레그(S)가 용융된다고 기재하는 것은 연속섬유 프리프레그(S)에 포함된 플라스틱 레진(S2)이 용융 또는 반융용 되는 것을 의미한다.
한편, 노즐부(400)는 선단에 노즐팁(411)이 구비되어 연속섬유 프리프레그(S)를 용융시킨 다음 압출시키는 본체부(410)와; Z축선을 회전축으로 하여 상기 본체부(410)를 회전시키는 회전부(420)와; 상기 회전부(420)를 선택적으로 작동시키는 제 1 서보모터(421)와; 상기 본체부(410)로 상기 연속섬유 프리프레그(S)를 공급시키는 공급롤러(430)와; 상기 공급롤러(430)를 선택적으로 작동시키는 제 2 서보모터(431)를 포함한다.
본체부(410)는 내부에 연속섬유 프리프레그(S)가 용융되면서 이송되는 공간을 형성하는 원통형상으로 형성된다. 그래서, 본체부(410)는 Z축선을 따라 상하방향으로 길게 형성된다.
이때 본체부(410)의 외부 또는 내부에는 본체부(410) 내부를 통과하는 연속섬유 프리프레그(S)를 가열시켜 용융되도록 하는 히터(미도시)가 구비되는 것이 바람직하다.
그리고, 본체부(410)의 선단에는 용융된 연속섬유 프리프레그(S)가 압출되는 노즐팁(411)이 구비된다.
이때 노즐팁(411)에는 띠 형태의 연속섬유 프리프레그(S)가 압출될 수 있도록 슬릿형상의 토출공(412)이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 회전부(420)는 Z축선을 회전축으로 하여 상기 본체부(410)를 회전시키는 수단이다.
회전부(420)는 본체부(410)의 중심을 통과하는 Z축선을 회전축으로 하여 본체부(410)를 회전시킬 수 있다면 어떠한 형태 및 방식으로 구현되어도 무방하다.
예를 들어 회전부(420)는 본체부(410)의 후단에 구비되어 외주면에 기어가 형성되는 스프라켓 형태로 형성될 수 있다.
그래서, 제 1 서보모터(421)의 작동축에 구비되는 기어에 치합되어 제 1 서보모터(421)의 작동에 의해 기어가 회전되면서 회전부(420)를 회전시킴으로써 상기 본체부(410)를 일체로 회전시킬 수 있다.
물론, 회전부(420)의 구성은 이에 한정되지 않고, 다양한 방식으로 변경되어 구현될 수 있을 것이다.
그리고, 본체부(410)의 후단에는 제 2 서보모터(431)의 작동에 의해 동작되는 한 쌍의 공급롤러(430)가 구비되어 한 쌍의 공급롤러(430) 사이로 연속섬유 프리프레그(S)가 인입된 다음 한 쌍의 공급롤러(430)가 회전되면서 연속섬유 프리프레그(S)를 본체부(410)의 내부로 인입시킨다.
이때 한 쌍의 공급롤러(430)와 본체부(410) 사이에는 연속섬유 프리프레그(S)를 절단할 수 있는 커터(440)가 구비될 수 있다.
또한, 노즐부(400)의 본체부(410)에는 공급배관(402)을 통하여 연결되면서 고체형 출력소재인 연속섬유 프리프레그(S)를 공급하는 피더(401)가 연결된다.
한편, 제어부는 띠 형태의 연속섬유 프리프레그(S)가 압출되면서 출력되는 과정에서 꺽이거나 접히는 것을 방지하기 위하여 X축과 Y축으로 이루어지는 평면 상에서 이송부(200)의 작동에 의해 상기 노즐부(400)가 직선으로 이송되는 시점과 노즐부(400)가 이송되는 각도가 변침되는 시점에 따라 제 1 서보모터(421) 및 제 2 서보모터(431)의 작동을 제어한다.
예를 들어 노즐부(400)가 직선으로 이송되는 시점에는 제 1 서보모터(421)는 작동을 정지시킨 상태에서 이송부(200) 및 제 2 서보모터(431)의 작동을 유지하여 노즐팁(411)을 통하여 용융된 연속섬유 프리프레그(S)를 압출시켜서 출력물(P)을 출력한다.
그리고, 노즐부(400)가 이송되는 각도가 변침되는 시점에는 이송부(200)의 작동을 정지시키고, 제 2 서보모터(431)의 작동을 유지하면서 제 1 서보모터(421)를 작동시켜서 회전부(420)에 의해 노즐부(400)가 변침되는 각도만큼 회전되는 동안 노즐팁(411)으로 용융된 연속섬유 프리프레그(S)가 압출되는 것이 유지되도록 한다.
이때 제어부는 노즐부(400)가 이송되는 각도가 변침되는 시점에 제 1 서보모터(421)의 작동에 의한 노즐부(400)의 회전 속도와 제 2 서보모터(431)의 작동에 의해 노즐팁(411)으로 압출되는 연속섬유 프리프레그(S)의 압출 속도를 동기화시키는 것이 바람직하다.
그래서, 노즐팁(411)을 통하여 압출되는 띠 형태의 용융된 연속섬유 프리프레그(S)가 변침되는 시점에 연속섬유 프리프레그(S)에 포함된 연속섬유(S1)가 그 형태에 의해 꺽이거나 접히는 것을 방지할 수 있다.
다음으로, 상기와 같이 마련되는 3D 프린팅 장치를 이용하여 출력물을 출력하는 3D 프린팅 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 3D 프린팅을 실시하는 경우에 제어단계에서 실시되는 제어로직을 보여주는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법은 띠 형태의 연속섬유 프리프레그(S)를 출력소재로 사용하는 FDM(Fused Deposition Method) 방식의 3D 프린팅 방법으로서, 용융된 연속섬유 프리프레그(S)를 띠 형태로 압출시키면서 원하는 형태의 출력물(P)을 출력한다.
이때 출력물(P)이 X축과 Y축으로 이루어지는 평면 상에서 출력되는 동안 직선형태의 출력물(P)을 출력하는 경우에는 노즐부(400)를 직선으로 이송시키면서 용융된 연속섬유 프리프레그(S)를 압출시켜서 원하는 출력물(P)을 출력한다.
하지만, 노즐부(400)를 소정 각도로 변침하여 이송시켜야 하는 경우에는 노즐부(400)의 이송 경로가 변침되는 지점에서 노즐부(400)를 Z축선을 회전축으로 하여 회전시키면서 용융된 연속섬유 프리프레그(S)를 압출시킨다. 그러면, 용융된 연속섬유 프리프레그(S)에 포함된 연속섬유(S1)가 꺽이거나 접히는 것이 방지되면서 소정의 R값을 갖는 절곡 형태로 용융된 연속섬유 프리프레그(S)가 압출되면서 출력물(P)을 출력한다.
부연하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 방법은 용융된 연속섬유 프리프레그(S)가 압출되는 노즐부(400)를 이송시키는 이송단계와; 상기 노즐부(400)를 X축과 Y축으로 이루어지는 평면 상에서 직선으로 이송시키면서 용융된 연속섬유 프리프레그(S)를 압출시키는 직선 출력단계와; 상기 노즐부(400)를 Z축선 회전축으로 하여 회전시키면서 용융된 연속섬유 프리프레그(S)를 압출시키는 회전 출력단계와; 상기 이송단계, 직선 출력단계 및 회전 출력단계의 실시 여부를 제어하는 제어단계를 포함한다.
다만, 본 실시예에서는 띠 형태의 연속섬유 프리프레그(S)를 출력소재로 사용하기 위하여, 먼저 탄소섬유 또는 유리섬유와 같은 강화섬유를 동일방향으로 배향하거나 직조하여 연속적인 연속섬유(S1)를 준비하고, 준비된 연속섬유(S1)에 플라스틱 레진(S2)을 함침시켜서 연속적인 띠 형태의 연속섬유 프리프레그(S)를 준비한다.(프리프레그 준비단계)
이렇게 연속적인 띠 형태의 연속섬유 프리프레그(S)가 준비되면, 제어단계에 따른 제어에 의해 이송단계, 직선 출력단계 및 회전 출력단계가 선택적으로 실시된다.
이때 이송단계, 직선 출력단계, 회전 출력단계 및 제어단계는 단순히 각 단계가 시계열적으로 진행되는 것을 의미하지 않는다. 예를 들어 이송단계, 직선 출력단계 및 회전 출력단계는 각 단계 중 어느 단계는 동시에 실시되고 어느 단계는 시계열적으로 실시될 수 있다. 그리고, 제어단계는 이송단계, 직선 출력단계 및 회전 출력단계가 실시되는 시점을 제어하는 단계이다.
부연하자면, 이송단계는 이송부(200)를 통하여 본체부(410)를 출력물(P)의 형태에 따라 이송시키는 단계이다.
그리고, 직선 출력단계 및 회전 출력단계는 출력물(P)의 n층 레이어를 형성하기 위하여 본체부(410)를 통하여 용융된 연속섬유 프리프레그(S)를 압출시키는 단계이다.
직선 출력단계 및 회전 출력단계는 출력되는 출력물(P)이 직선 형태로 출력되는 구간인지 아니면 절곡된 형태로 출력되는 구간인지에 따라 선택적으로 실시된다.
예를 들어 출력물(P)이 n층 레이어에서 직선으로 형성되는 경우에는 제어단계에서 이송단계와 직선 출력단계가 동시에 이루어지도록 제어한다.
그리고, 출력물(P)이 n층 레이어에서 절곡되어 형성되는 시점에는 상기 제어단계에서 회전 출력단계가 이루어지도록 제어한다.
부연하자면, 출력물(P)이 직선형태로 출력되는 구간에서는 이송부(200)를 작동하여 본체부(410)를 X축과 Y축으로 이루어지는 평면 상에서 직선 형태로 이동시킨다. 이렇게 본체부(410)를 이동시키는 동안 제 2 서보모터(431)를 작동하여 용융된 연속섬유 프리프레그(S)가 직선형태로 출력되도록 한다.
그리고, 출력물(P)이 출력되는 각도가 변침되는 지점에서는 본체부(410)의 이동을 정지시키고, 제 2 서보모터(431)를 작동시키셔 회전부(420)에 의해 본체부(410)를 회전시킨다.
본체부(410)가 회전되는 동안에도 제 1 서보모터(421)의 작동을 유지하여 용융된 연속섬유 프리프레그(S)가 소정의 R값을 갖는 절곡 형태로 출력되도록 한다.
그리고, 본체부(410)의 회전이 원하는 변침 각도로 회전되었다면, 제 2 서보모터(431)의 작동을 중지시키고, 이송부(200)를 작동하여 본체부(410)가 X축과 Y축으로 이루어지는 평면 상에서 직선 형태로 이동되면서 용융된 연속섬유 프리프레그(S)가 직선형태로 출력되도록 하는 직선 출력단계를 다시 실시한다.
이렇게 직선 출력단계와 회전 출력단계를 출력물(P)의 형상에 따라 선택적으로 실시함으로서, 출력물(P)에서 연석섬유 프리프레그(S1)에 포함된 연속섬유(S1)가 꺽이거나 접히는 것을 방지할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
100: 프린팅 베드
00: 이송부
210: X축 레일
220: Z축 레일
230: Y축 레일
300: 이송체
400: 노즐부
401: 피더
402: 공급배관
410: 본체부
411: 노즐팁
412: 토출공
420: 회전부
421: 제 1 서보모터
430: 공급롤러
431: 제 2 서보모터
440: 커터
P: 출력물
S: 연속섬유 프리프레그
S1: 연속섬유
S2: 플라스틱 레진

Claims (12)

  1. FDM(Fused Deposition Method) 방식의 3D 프린팅 장치로서,
    상면으로 출력물이 출력되는 공간을 제공하는 프린팅 베드와;
    상기 프린팅 베드의 상부에 Z축선을 회전축으로 하여 회전되도록 구비되고, 연속적인 띠 형태로 공급되는 연속섬유 프리프레그를 용융시킨 다음 압출시켜서 상기 프린팅 베드로 출력하는 노즐부와;
    상기 노즐부를 상기 프린팅 베드의 상부에서 X축, Y축 및 Z축으로 이송시키는 이송부와;
    상기 노즐부로 압출되는 용융된 연속섬유 프리프레그의 압출 시점을 제어하고, 상기 이송부의 작동 유무 및 노즐부의 회전 시점을 제어하는 제어부를 포함하는 3D 프린팅 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐부는,
    선단에 노즐팁이 구비되어 연속섬유 프리프레그를 용융시킨 다음 압출시키는 본체부와;
    Z축선을 회전축으로 하여 상기 본체부를 회전시키는 회전부와;
    상기 회전부를 선택적으로 작동시키는 제 1 서보모터와;
    상기 본체부로 상기 연속섬유 프리프레그를 공급시키는 공급롤러와;
    상기 공급롤러를 선택적으로 작동시키는 제 2 서보모터를 포함하는 3D 프린팅 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 노즐팁에는 상기 연속섬유 프리프레그가 압출되는 슬릿형상의 토출공이 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    X축과 Y축으로 이루어지는 평면 상에서 상기 이송부의 작동에 의해 상기 노즐부가 직선으로 이송되는 시점과 상기 노즐부가 이송되는 각도가 변침되는 시점에 따라 상기 제 1 서보모터 및 제 2 서보모터의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 노즐부가 직선으로 이송되는 시점에는 상기 이송부 및 제 2 서보모터의 작동을 유지하면서 상기 제 1 서보모터는 작동을 정지시켜서 상기 노즐팁으로 용융된 연속섬유 프리프레그를 압출시켜서 출력물을 출력시키고,
    상기 노즐부가 이송되는 각도가 변침되는 시점에는 상기 이송부의 작동을 정지시키고, 상기 제 2 서보모터의 작동을 유지하면서 상기 제 1 서보모터를 작동시켜서 상기 노즐부가 변침되는 각도만큼 회전되는 동안 상기 노즐팁으로 용융된 연속섬유 프리프레그가 압출되는 것이 유지되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 노즐부가 이송되는 각도가 변침되는 시점에 제 1 서보모터의 작동에 의한 노즐부의 회전 속도는 제 2 서보모터의 작동에 의해 노즐팁으로 압출되는 연속섬유 프리프레그의 압출 속도와 동기화되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 이송부는,
    상기 프린팅 베드의 양측 가장자리에 구비되어 X축 방향으로 배치되는 한 쌍의 X축 레일과;
    상기 한 쌍의 X축 레일에 각각 Z축 방향으로 배치되어 상기 X축 레일을 따라 X축 방향으로 이송되는 한 쌍의 Z축 레일과;
    양단이 상기 한 쌍의 Z축 레일에 각각 연결되어 상기 Z축 레일을 따라 Z축 방향으로 이송되는 Y축 레일을 포함하고,
    상기 Y축 레일에는 노즐에 연결되어 일체로 이송되는 이송체가 구비되어 상기 Y축 레일을 따라 Y축 방향으로 이송되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  8. FDM(Fused Deposition Method) 방식의 3D 프린팅 방법으로서,
    용융된 연속섬유 프리프레그가 압출되는 노즐부를 이송시키는 이송단계와;
    상기 노즐부를 X축과 Y축으로 이루어지는 평면 상에서 직선으로 이송시키면서 용융된 연속섬유 프리프레그를 압출시키는 직선 출력단계와;
    상기 노즐부를 Z축선 회전축으로 하여 회전시키면서 용융된 연속섬유 프리프레그를 압출시키는 회전 출력단계와;
    상기 이송단계, 직선 출력단계 및 회전 출력단계의 실시 여부를 제어하는 제어단계를 포함하는 3D 프린팅 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 출력물이 n층 레이어에서 직선으로 형성되는 경우에는 상기 제어단계에서 상기 이송단계와 직선 출력단계가 동시에 이루어지도록 제어하며,
    상기 출력물이 n층 레이어에서 절곡되어 형성되는 시점에는 상기 제어단계에서 상기 회전 출력단계가 이루어지도록 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 회전 출력단계에서,
    노즐부가 회전되는 속도는 노즐부로 압출되는 연속섬유 프리프레그의 압출 속도와 동기화되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    강화섬유를 동일방향으로 배향하거나 직조하여 연속적인 연속섬유를 준비하고, 준비된 연속섬유에 플라스틱 레진을 함침시켜서 연속적인 띠 형태의 연속섬유 프리프레그를 준비하는 연속섬유 프리프레그 준비단계를 더 포함하는 3D 프린팅 방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 직선 출력단계 및 회전 출력단계에서 용융된 연속섬유 프리프레그는 연속섬유 프리프레그에 함침된 플라스틱 레진이 용융 또는 반용융된 상태인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
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