KR20230103386A - 3d 프린터를 이용한 비정형 채널 적층 제조용 서포트 생성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3D 프린터를 이용하여 내부에 비정형 채널(유로)를 갖는 출력 구조물의 제작 시에 출력 안정성을 높이고 유동 저항을 최소화할 수 있는 비정형 채널 적층 제조용 서포트의 생성방법에 관한 것으로, 출력 구조물의 3차원 구조의 모델링을 수행하는 단계(S10)와; 출력 구조물의 서포트 구조를 형성하되, 출력 구조물의 채널 내부 유동장을 고려한 서포트의 형상을 최적화하는 단계(S20)를 포함한다.

Description

3D 프린터를 이용한 비정형 채널 적층 제조용 서포트 생성방법{Support generation method for atypical channel additive manufacturing using 3D printer}
본 발명은 3D 프린터를 이용하여 내부에 비정형 채널(유로)를 갖는 출력 구조물의 제작 시에 출력 안정성을 높이고 유동 저항을 최소화할 수 있는 비정형 채널 적층 제조용 서포트의 생성방법에 관한 것이다.
3D 프린터는 형성하고자 하는 입체 성형물을 인쇄기법에 의해 성형할 수 있는 장치를 말하며, 최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 CAD 나 CAM을 이용하여 3차원 모델링 데이터를 생성하고, 생성한 데이터를 이용하여 3차원 입체 형상의 성형물을 제작하는 이른바 3차원 프린팅 방법이 등장하게 되었으며, 이러한 3D 프린터는 산업, 생활, 의학 등 매우 다양한 분야에서 활용하고 있다.
일반적인 3D 프린터의 기본적인 원리는 얇은 2D 레이어를 쌓아서 3D 성형물을 만드는 것으로, 3D 프린터 방법에는 FDM, SLA, SLS, Polyjet 등의 다양한 방식이 있으며, 그 중에서 분말베드용용(Power Bed Fusion: PBF) 방식의 3D 프린터는 얇게 분말 재료(플라스틱, 금속, 세라믹 등)를 필드에 깐 다음에 높은 열의 레이저로 선택된 부분만 용융, 고결하는 과정을 반복함으로써 레이어를 연속적으로 적층하여 입체 성형물을 제작하며, 금속 3D 프린터는 주로 PBF 방식이 사용된다.
도 1은 일반적인 3D 프린터를 이용한 제품의 제작 과정을 간략히 보여주는 흐름도이다.
도 1을 참고하면, 일반적인 3D 프린터를 이용한 제작 방법은, 모델링 단계(S10), 슬라이싱 단계(S20), 및 출력 단계(S30)로 구성된다.
모델링 단계(S10)는 제품의 3차원의 입체 형상을 디자인/설계하는 과정으로, 라이노(Rhino), 지브러시(Z-brush), 오토캐드(AutoCAD), 카티아(CATIA), 인벤터(Inventer), 솔리드웍스(SolidWorks) 등의 다양한 3차원 모델링 소프트웨어가 사용될 수 있다.
슬라이싱 단계(S20)는 출력에 앞서서 슬라이서(Slicer) 프로그램을 이용하여출력 구조물에 대한 3차원의 모델 데이터를 여러 개의 얇은 층으로 나뉘어서 데이터로 변환되며, 변환 작업 및 출력에 관련된 세팅이 이루어지면 3D 프린터가 읽을 수 있는 G-code 파일로 저장된다. G-code는 모델링 단계에서 생성된 데이터 파일을 3차원의 입체 형상을 구현하기 위하여 3D 프린터를 제어하는 기능을 수행하는 수치제어 명령을 정리해 놓은 프로그램 언어(또는 코드)이다.
출력 단계(S30)는 G-code 파일을 3D 프린터에 넣고 출력이 이루어지는 과정이다. 출력이 완료된 후에는 출력 구조물의 서포트를 제거하고 용도와 목적에 따라서 도색 작업과 같은 후가공 작업이 이루어진다.
한편, 3D 프린터를 이용한 구조물의 적층 과정에서는 출력물을 지지하기 위한 별도의 서포트(support) 구조가 요구되며, 서포트 구조는 출력 후에 제거된다. 이러한 서포트 구조는 구조물과의 접촉 면적이 큰 경우에는 서포트의 제거 시에 출력물(구조물)의 품질을 저하시키며, 따라서 구조물과 접촉하는 부분은 서포트 팁(support tip)과 같은 뾰족한 형상을 갖는다.
서포트 구조는 3D 프린터를 이용한 구조물을 제조하는 과정에서 Z축과 입체 구조물의 표면이 이루는 각도(overhang)를 고려하여 생성하게 되며, 출력 안정성과 출력 품질에 많은 영향을 미치며, 또한 출력 시간과 출력에 사용되는 재료의 양에도 많은 영향을 미치게 되어 적절한 위치에 적절한 서포트 형상을 생성하는데 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
특히 성형 구조물이 내부에 비정형의 채널을 갖는 경우에 채널 내에 서포트가 필요한 오버행(overhang) 영역이 발생할 수 있으며, 이하에서는, 3D 프린터를 이용하여 제작된 내연기관용 피스톤 주물금형을 예시하여 설명한다.
도 2는 비정형 채널을 갖는 내연기관용 피스톤 주물금형의 단면 구조를 보여주는 사진이다.
도 2를 참고하면, 주물 금형의 운전온도가 매우 높기 때문에 금형을 냉각하기 위한 냉각 채널이 요구된다. 일반적으로, 주물 금형의 냉각 채널은 내연기관용 피스톤을 제작하기 위한 금형 모델에서 살빼기 방법으로 형성되며, 주물금형은 이러한 냉각 채널을 형성하기 위한 비정형 구조의 패널이 형성된다. 본 발명자는 3D 프린터를 이용하여 피스톤 주물금형을 출력하는 경우에 냉각 채널의 다운페이스 영역에서 표면조도의 불량이 발생하여 적층과정에서 구조물을 지지하거나 금속 분말의 용융, 고결 과정에서 열원(레이저)를 통해 발생된 열을 효과적으로 배출할 수 있는 서포트가 필요한 것을 확인하였다. 그러나, 이러한 비정형 채널을 갖는 출력 구조물은 후가공 단계에서 채널 내의 서포트 제거가 어려운 문제점이 발생한다.
공개특허공보 제10-2020-0119416호(공개일자: 2020.10.20.) 공개특허공보 제10-2021-0067103호(공개일자: 2021.06.08)
본 발명은 3D 프린터를 이용하여 내부에 비정형 채널(유로)를 갖는 출력 구조물의 제작 시에 출력 안정성을 높일 수 있는 서포트 구조를 생성하고, 후가공 작업에서 이러한 서포트 구조를 제거하지 않고 비정형 채널 내에 잔존하면서도 채널을 따라 흐르는 유체의 유동 저항을 최소화할 수 있는 비정형 채널 적층 제조용 서포트의 생성방법을 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3D 프린터를 이용한 비정형 채널 적층 제조용 서포트 생성방법은, 출력 구조물의 3차원 구조의 모델링을 수행하는 단계와; 출력 구조물의 서포트 구조를 형성하되, 출력 구조물의 채널에 대한 유체의 유동장을 고려해 서포트의 형상을 최적화하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 서포트는 채널 내에서 유체의 유동 방향과 평행한 박형이며, 보다 바람직하게는, 상기 서포트는 상기 채널의 다운페이스에서 기준점을 결정하고 상기 기준점으로부터 수직축 방향으로 일정 높이 이동하고 유동 방향으로 단위 길이 만큼 이동하여 얻은 삼각형 요소의 조합에 의해 생성된다.
바람직하게는, 상기 출력 구조물의 비정형 채널에 대한 열이력 시뮬레이션 단계를 더 포함하여 상기 서포트의 위치가 결정된다.
본 발명의 3D 프린터를 이용한 비정형 채널 적층 제조용 서포트 생성방법은, 출력 구조물의 3차원 구조의 모델링을 수행하는 단계와; 출력 구조물의 서포트 구조를 형성하되, 출력 구조물의 채널에 대한 유체의 유선을 고려해 서포트의 형상을 최적화하는 단계를 포함하여, 유선을 고려해 생성된 서포트는 출력 안정성을 높이면서도 출력 후에 제거될 필요가 없이 채널 내에 유동 저항을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 3D 프린터를 이용한 구조물의 제작 과정을 간략히 보여주는 흐름도이다.
도 2는 비정형 채널을 갖는 내연기관용 피스톤 주물금형의 단면 구조를 보여주는 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 3D 프린터를 이용한 구조물의 제작 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4의 (a)(b)는 본 발명의 방법에 의해 제작된 내연기관용 피스톤 주물금형을 보여주는 도면이다.
도 5의 (a)(b)는 각각 본 발명의 방법에 의해 제작된 내연기관용 피스톤 주물금형의 유체해석에 의한 속도장과 압력장을 보여주는 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 6의 (a)(b)는 각각 본 발명의 방법에 의한 서포트의 생성과정을 간략히 예시하여 설명하기 위한 도면이다.
도 7의 (a)(b)는 각각 종래기술과 본 발명의 방법에 의해 생성된 서포트를 갖는 시편의 보여주는 사진이다.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적인 실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 3D 프린터를 이용한 구조물의 제작 과정을 간략히 보여주는 흐름도로서, 종래기술과 중복되는 설명은 생략하고 본 발명의 요부 구성을 중심으로 설명한다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 비정형 채널 적층 제조용 서포트 생성방법은, 출력 구조물의 3차원 구조의 모델링을 수행하는 단계(S110)와, 출력 구조물의 서포트 구조를 형성하되, 출력 구조물의 비정형 채널 내에 형성되는 서포트 형상에 대한 유체해석 등의 방법으로 유동장을 고려해 서포트의 형상을 최적화하는 단계(S120)를 포함한다. 한편, 모델링된 구조물의 출력을 위한 슬라이싱 단계(S200)와 출력 단계(S300)는 종래기술과 실질적으로 동일하다.
모델링 단계(S110)는 제품의 3차원의 입체 형상을 디자인/설계하는 과정으로, 종래기술에서 설명한 것과 같이 다양한 주지의 3차원 모델링 소프트웨어에 의해 수행될 수 있다.
특히 본 발명은 슬라이싱 단계(S200)의 전작업 과정으로, 모델링된 출력 구조물에 서포트를 생성하게 되며, 바람직하게는, 채널 내의 오버행 영역 내에 유동장 정보를 통해 서포트의 형상을 최적화하는 단계(S20)를 포함한다.
구체적인 일례로서, 도 4의 (a)(b)는 본 발명의 방법에 의해 제작된 출력구조물인 내연기관용 피스톤 주물금형을 예시하여 보여주는 도면으로, (a)는 종단면도이고 (b)는 주물금형의 다운페이스 영역에 서포트가 생성된 부분의 단면을 보여주는 도면이다.
내연기관용 피스톤 주물금형(100)은 냉각수가 흐르게 되는 채널(110)이 형성되며, 이 채널(110)의 오버행 영역(120)의 다운페이스(121)에 유동장을 고려해 최적화된 복수의 서포트(130)가 생성되며, 이러한 서포트(130)는 출력 구조물인 피스톤 주물금형의 모델링 데이터에 대한 유체해석 등의 방법으로 유선을 고려해 최적화가 이루어진다.
구체적으로, 도 5의 (a)(b)는 각각 본 발명의 방법에 의해 제작되는 내연기관용 피스톤 주물금형의 유체해석에 의한 속도장과 압력장을 보여주는 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 5의 (a)는 유체해석에 의한 속도장을 보여주고 있으며, 좌측은 서포트가 없는 모델링 데이터의 시뮬레이션 결과를 보여주는 것이며, 우측은 서포트가 생성된 모델링 데이터의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 좌측(서포트 없음)과 우측(서포트 있음)의 유체해석(유동장)의 시뮬레이션 결과로부터 유동 분배 양상이 상당히 유사하여 채널 내에 생성된 서포트가 존재하더라도 유동 균일성이 확보될 수 있는 것을 확인할 수 있다.
다음으로 도 5의 (b)는 유체해석에 의한 압력장을 보여주고 있으며, 좌측과 우측은 각각 서포트의 유무에 따른 냉각 채널의 입구와 출구의 압력차를 시뮬레이션한 것이다. 좌측(서포트 없음)은 5.8kPA의 압력차가 발생하며, 우측(서포트 있음)은 6.0kPA의 압력차가 발생하여 채널 내에 서포트 구조가 있는 경우에 약 0.2kPA의 압력이 증가하여 압력 손실도 거의 없는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 사출 구조물의 채널 내에 생성되는 서포트는 유체해석을 통하여 유동 균일성과 에너지 손실(압력차)을 최소화할 수 있도록 최적화가 이루어진다.
도 6의 (a)(b)는 각각 본 발명의 방법에 의한 서포트의 생성과정을 간략히 예시하여 설명하기 위한 비정형 채널로서, (a)는 채널의 종단면 구성도이며, (b)는 채널의 횡단면 구성도이다.
도 6을 참고하면, 채널(110)의 다운페이스(121)에서 기준점(121a)을 결정하고, 그 기준점(121a)으로부터 z축 상의 일정 높이(Δz) 아래의 위치(121b)(121c)에서 유동 방향으로 단위 길이(Δx) 만큼 이동하여 얻은 삼각형의 요소들을 생성하여 서포트(130)를 생성할 수 있다. 본 실시예에서 z축 상의 기준점의 개수는 4개를 예시하고 있으나, 기준점의 개수와 간격은 유동장 결과를 고려하여 결정될 수 있다.
한편, 채널(110)의 다운페이스(121)에서 서포트(130)의 기준점(121a)은 출력 구조물의 모델링 데이터에 대한 다운페이스 영역의 열이력 시뮬레이션에 의해 결정될 수 있으며, 열축적이 과다하게 발생하는 다운페이스 지점을 고려하여 서포트(130)가 생성될 수 있도록 서포트(130)의 기준점(121a)을 결정할 수 있다.
도 7의 (a)(b)는 각각 종래기술(서포트 없음)과 본 발명의 방법에 의해 생성된 채널 내에 서포트(130)를 갖는 시편의 다운페이스 영역을 보여주는 사진으로, 종래기술(a)에서는 다운페이스의 표면 조도가 상당히 불량한 반면에, 본 발명(a)에서는 다운페이스의 표면 조도가 대폭 개선된 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 3D 프린터를 이용한 출력 구조물의 비정형 채널 내의 생성되는 서포트는 출력 안정성을 높이면서도 출력 후에 제거될 필요가 없이 채널 내에 유동 저항을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
100 : 주물금형 110 : 채널
120 :오버행 영역 121 : 다운페이스
130 : 서포트

Claims (4)

  1. 출력 구조물의 3차원 구조의 모델링을 수행하는 단계와;
    출력 구조물의 서포트 구조를 형성하되, 출력 구조물의 채널 내부 유동장을 고려한 서포트의 형상을 최적화하는 단계를 포함하는 3D 프린터를 이용한 비정형 채널 적층 제조용 서포트 생성방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 서포트는 채널 내에서 유체의 유동 방향과 평행한 박형인 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 비정형 채널 적층 제조용 서포트 생성방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 서포트는 상기 채널의 다운페이스에서 기준점을 결정하고 상기 기준점으로부터 수직축 방향으로 일정 높이 이동하고 유동 방향으로 단위 길이 만큼 이동하여 얻은 삼각형 요소의 조합에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 비정형 채널 적층 제조용 서포트 생성방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 출력 구조물의 비정형 채널에 대한 적층 열이력 시뮬레이션 단계를 더 포함하여 상기 서포트의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터를 이용한 비정형 채널 적층 제조용 서포트 생성방법.
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