KR20240077547A - 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3d 프린팅 장치 및 적층헤드의 스크류 회전 제어 방법 - Google Patents

적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3d 프린팅 장치 및 적층헤드의 스크류 회전 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 적층헤드 내부의 압력센서가 적층물질의 일부에 대한 압력을 측정하여 제어에 이용되므로 측정 정확도가 감소하는 현상을 방지하는 기술을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3D 프린팅 장치는, 외부로부터 전달된 적층재료의 용융으로 형성된 적층물질에 압력을 제공하여 유동시키는 압출스크류를 구비하는 압출기 및, 압출기로부터 적층물질을 전달받아 토출하여 적층레이어를 형성하는 노즐을 구비하는 적층헤드; 압출기의 내부를 따라 유동하여 통과하는 적층물질의 압력을 측정하는 압력센서; 노즐, 적층레이어 및 노즐로부터 토출 중인 적층물질의 토출라인을 촬상하는 비전센서부; 및 비전센서부의 촬상이미지를 분석하여 도출된 적층물질의 토출량과 압력센서에 의한 압력 정보를 이용하여, 압출스크류의 작동이 제어되도록 하는 제어부를 포함한다.

Description

적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3D 프린팅 장치 및 적층헤드의 스크류 회전 제어 방법 {A 3D printing apparatus that facilitates control of the rotational force of the screw of the printing head and a method of controlling the rotational force of the screw of the printing head}
본 발명은 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3D 프린팅 장치 및 적층헤드의 스크류 회전 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 적층헤드 내부의 압력센서가 적층물질의 일부에 대한 압력을 측정하여 제어에 이용되므로 측정 정확도가 감소하는 현상을 방지하는 기술에 관한 것이다.
탄소섬유강화 복합재(CFRP; Carbon Fiber Reinforced Plastic)란 강도와 탄성률(강성)이 높은 탄소섬유와 고분자인 수지가 복합된 재료 및 제품이며, CFRP는 수지의 종류에 따라서 열경화성 CFRP와 열가소성 CFRP로 나뉘며, 탄소섬유의 길이에 따라 단섬유, 장섬유, 연속섬유 CFRP로 구분되는데, 이와 같은 탄소섬유강화 복합재는 기계적 특성 등이 우수하여 다양한 산업 기술 분야에서 적용되는 범위가 확대되고 있다.
특히, 탄소섬유강화 복합재는 자동차, 항공기 부품 등에 다수 이용되고 있으며, 이에 따라, 탄소섬유강화 복합재를 이용하여 대형의 부품을 제조하는 경우가 증가하고 있다. 대형 부품을 3D 프린터로 제작 시, 복잡한 형상의 제품 구현 및 조립되는 전체 부품 수를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
대형 제품의 3D 프린팅을 수행하기 위하여, FDM(Fused Deposition Modeling) 방식, SLA(Stereo Lithography Apparatus) 방식, 와이어 용융 제조(WAAM) 방식, 바인더 젯(Binder Jet) 방식 등이 이용되고 있는데, 탄소섬유강화 복합재를 이용한 3D 프린팅에서는 FDM 방식이 주로 이용되고 있다.
FDM 방식은, FFF 방식으로도 불리우며, 해당 재료를 열에 의해 녹여 일정 압력으로 노즐을 통하여 압출해가며 적층 조형하는 방식이다. 이와 같은 FDM 방식에 이용되는 소재는 연속된 필라멘트 형상 또는 복수 개의 분절된 필라멘트(Chpperd CFRP) 형상으로 공급되어 이용되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-2216703호(발명의 명칭: 3D 프린터용 노즐장치)에서는, 펠렛 형태의 원료를 일시 저장하였다가 공급하는 원료저장고(110); 상기 원료저장고(110)의 하부와 이송관(140)으로 연결되며, 진공펌프(220)의 작동으로 상기 원료저장고(110)에 저장된 원료를 흡입하여 일시 저장하는 호퍼(210); 상기 호퍼(210)의 하부에 장착되어 상기 호퍼(210)에 저장된 원료를 압출스크류 이송방식으로 하향 이송시키면서 가열하여 용융 상태로 사출하는 노즐부(310); 압축 공기(Air)를 발생시키는 에어컴퓨레셔(410); 및, 상기 에어컴퓨레셔(410)에서 발생하여 분출하는 압축 공기를 가열하는 에어히팅부(420);를 포함하는 3D 프린터용 노즐장치가 개시되어 있다.
대한민국 등록특허 제10-2216703호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 적층헤드 내부의 압력센서가 적층물질의 일부에 대한 압력을 측정하여 제어에 이용되므로 측정 정확도가 감소하는 현상을 방지하는 것이다.
그리고, 본 발명의 목적은, 일부 구성에 대한 제어만 수행하는 것이 아닌 압출스크류와 호퍼 등 전체적인 장치의 제어를 통해 적층물질의 토출량 제어가 수행되도록 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 외부로부터 전달된 적층재료의 용융으로 형성된 적층물질에 압력을 제공하여 유동시키는 압출스크류를 구비하는 압출기 및, 상기 압출기로부터 적층물질을 전달받아 토출하여 적층레이어를 형성하는 노즐을 구비하는 적층헤드; 상기 압출기의 내부를 따라 유동하여 통과하는 상기 적층물질의 압력을 측정하는 압력센서; 상기 노즐, 상기 적층레이어 및 상기 노즐로부터 토출 중인 상기 적층물질의 토출라인을 촬상하는 비전센서부; 및 상기 비전센서부의 촬상이미지를 분석하여 도출된 상기 적층물질의 토출량과 상기 압력센서에 의한 압력 정보를 이용하여, 상기 압출스크류의 작동이 제어되도록 하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 적층재료는 탄소섬유강화복합재(CFRP)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 적층물질의 토출량은, 상기 토출라인으로 토출된 상기 적층물질의 단위 시간 당 부피량일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 촬상이미지에 의한 상기 토출라인의 형상을 분석함으로써 상기 적층물질의 토출량을 측정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 비전센서부는, 상기 토출라인을 촬상하는 제1비전센서; 및 상기 노즐과 상기 적층레이어를 촬상하는 제2비전센서를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제1비전센서는, 상기 적층헤드와 결합될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 적층헤드의 외부에 형성되는 호퍼로부터 상기 적층재료를 전달받고, 상기 적층재료를 상기 압출기로 전달하는 재료전달부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 재료전달부는, 상기 재료전달부에 저장된 상기 적층재료를 상기 압출기로 전달하는 전달스크류; 및 상기 전달스크류와 결합하고 상기 전달스크류에 구동력을 전달하는 전달구동부를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 적층헤드는, 상기 압출스크류와 결합하고 상기 제어부의 제어신호를 전달받아 상기 압출스크류를 구동시키는 압출구동부를 더 구비할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 압출스크류에 의해 이동되는 상기 적층재료가 용융되어 상기 적층물질이 형성되고, 상기 압출스크류의 회전 가압에 의해 상기 적층물질이 상기 노즐을 통해 토출되는 제1단계; 상기 압력센서의 압력 정보를 전달받은 상기 제어부가 상기 압출스크류의 작동을 제어하는 제2단계; 상기 비전센서부에서 상기 노즐, 상기 적층레이어 및 상기 토출라인에 대한 촬상을 수행하고, 상기 비전센서부로부터 상기 제어부로 상기 촬상이미지가 전송되는 제3단계; 및 상기 제어부가 상기 촬상이미지를 분석하여 상기 적층물질의 토출량을 측정하고, 상기 압출스크류의 작동을 제어하는 제4단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제3단계에서, 상기 제1비전센서로부터 상기 제어부로 제1촬상이미지가 전달되고, 상기 제2비전센서로부터 상기 제어부로 제2촬상이미지가 전달될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 압출기로 공급되는 상기 적층재료의 양을 조절하는 제5단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 압력센서를 이용한 압출스크류 작동 제어를 신속하게 수행한 다음, 비전센서부를 이용한 압출스크류 작동 제어를 수행하여 정밀한 제어를 수행하므로, 전체 제어 시간을 단축시키면서도 적층물질의 토출량 제어를 정밀하게 수행할 수 있다는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 일부 구성에 대한 제어만 수행하는 것이 아닌 압출스크류와 호퍼 등 전체적인 장치의 제어를 통해 적층물질의 토출량 제어가 수행되도록 하여, 연속적인 적층물질의 토출로 형성되는 각각의 적층레이어에서 설계오차가 최소화됨으로써 적층물의 품질이 향상될 수 있다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치의 구성에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치의 일 부위에 대한 개략도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "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.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치의 구성에 대한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3D 프린팅 장치의 일 부위에 대한 개략도이다.
도 1과 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 3D 프린팅 장치는, 외부로부터 전달된 적층재료의 용융으로 형성된 적층물질에 압력을 제공하여 유동시키는 압출스크류(211)를 구비하는 압출기(210) 및, 압출기(210)로부터 적층물질을 전달받아 토출하여 적층레이어(10)를 형성하는 노즐(220)을 구비하는 적층헤드; 압출기(210)의 내부를 따라 유동하여 통과하는 적층물질의 압력을 측정하는 압력센서(130); 노즐(220), 적층레이어(10) 및 노즐(220)로부터 토출 중인 적층물질의 토출라인(20)을 촬상하는 비전센서부; 및 비전센서부의 촬상이미지를 분석하여 도출된 적층물질의 토출량과 압력센서(130)에 의한 압력 정보를 이용하여, 압출스크류(211)의 작동이 제어되도록 하는 제어부(410)를 포함한다.
적층재료는 탄소섬유강화복합재(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 적층헤드의 압출기(210)에는 적층재료로써 조각 형상의 밀리미터(mm) 단위의 길이를 구비하는 탄소섬유강화복합재 조각(chopped CFRP)이 공급되고, 이와 같은 탄소섬유강화복합재 조각이 압출기(210)에서 용융되고 가압 이동된 후 노즐(220)로부터 배출되어 적층레이어(10)를 형성하는 적층물질을 형성할 수 있다.
상기와 같은 탄소섬유강화복합재를 이용하여 본 발명의 3D 프린팅 장치에서는, 탄소섬유강화복합재를 3D 프린팅 방식으로 제조할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는, 적층재료로 탄소섬유강화복합재 조각이 이용된다고 설명하고 있으나, 탄소섬유강화복합재는 필라멘트, 와이어 등의 형상으로 공급될 수 있음은 물론이다.
상기와 같이, 압출스크류(211)는 적층재료를 압출기(210)의 상부로부터 하부로 이송시켜 적층재료가 용융되면서 이송되도록 할 수 있으며, 압출기(210)는 내부로 공급된 적층재료를 가열하여 용융시킴으로써 적층물질이 생성되도록 하는 히터인 재료히터(212)를 구비할 수 있다.
재료히터(212)는 압출기(210)의 내부에서 압출스크류(211)의 길이 방향을 따라 압출스크류(211)에 의해 이송되는 적층재료를 가열할 수 있는 위치에 형성되며, 재료히터(212)는 압출스크류(211)의 외측에 형성될 수 있다.
압출스크류(211)는 회전을 수행하여 적층재료를 이송시키며, 압출스크류(211)에 의한 이송이 완료된 적층재료는 용융되어 적층물질로 됨으로써 압출기(210)의 하단에 결합된 노즐(220)을 통해 토출될 수 있다.
적층헤드는, 압출스크류(211)와 결합하고 제어부(410)의 제어신호를 전달받아 압출스크류(211)를 구동시키는 압출구동부(230)를 더 구비할 수 있다. 압출구동부(230)는 압출기(210)의 상부에 형성되고, 압출구동부(230)의 하부에 압출스크류(211)의 상단이 결합되며, 압출구동부(230)가 압출스크류(211)에 구동력을 전달함으로써, 압출스크류(211)가 회전을 수행할 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는, 복수 개의 적층레이어(10)가 적층되는 평면을 제공하는 베이스(440)를 더 포함할 수 있다. 적층물질은 평면인 베이스(440)의 상부 표면을 향해 토출되어 적층되어 적층레이어(10)를 형성하며, 복수 개의 적층레이어(10) 각각이 순차적으로 적층될 수 있다.
압출기(210)의 상부에는 압출기(210)의 위치를 조절하는 헤드구동부(420)가 형성될 수 있다. 그리고, 헤드구동부(420)는 겐트리(430)와 결합될 수 있으며, 헤드구동부(420)는 겐트리(430)의 길이 방향(좌우 방향)으로 이동하면서 압출기(210)의 위치를 변경시킬 수 있다. 또한, 헤드구동부(420)는 압출기(210)를 상하 방향으로 이동시키면서 압출기(210)의 위치를 변경시킬 수 있다. 이와 같은 압출기(210)의 위치 변경에 따라 노즐(220)의 위치도 변경되며, 적층물질의 토출 위치도 변경될 수 있다.
비전센서부는, 토출라인(20)을 촬상하는 제1비전센서(110); 및 노즐(220)과 적층 중인 적층레이어(10)를 촬상하는 제2비전센서(120)를 구비할 수 있다.
여기서, 제1비전센서(110)는, 적층헤드와 결합될 수 있다. 그리고, 제2비전센서(120)와 노즐(220) 간 거리가 일정하게 유지하도록, 노즐(220)의 이동에 따라 제2비전센서(120)가 3차원 이동을 수행할 수 있다.
일단이 압출기(210)와 결합하고 타단이 제1비전센서(110)와 결합하는 비전지지부(140)가 형성됨으로써, 제1비전센서(110)는 압출기(210)에 결합될 수 있으며, 이에 따라, 적층헤드의 이동에 따라 제1비전센서(110)가 이동되어, 제1비전센서(110)에 의한 토출라인(20)의 촬상이 안정적으로 수행될 수 있다.
그리고, 적층헤드를 이용하여 대형의 적층물을 3D 프린팅하는 경우, 제2비전센서(120)와 노즐(220) 간 거리가 과도하게 이격되면 제2비전센서(120)에 의한 노즐(220)과 적층레이어(10)의 촬상이 용이하지 않을 수 있으므로, 상기와 같이 제2비전센서(120)의 이동으로 제2비전센서(120)와 노즐(220) 간 거리가 일정하게 유지되어 제2비전센서(120)에 의한 촬상이 용이하게 지속적으로 수행될 수 있다.
적층물질의 토출량은, 토출라인(20)으로 토출된 적층물질의 단위 시간 당 부피량일 수 있다. 그리고, 제어부(410)는, 촬상이미지에 의한 토출라인(20)의 형상을 분석함으로써 적층물질의 토출량을 측정할 수 있다. 여기서, 단위 시간의 시간 단위는 분(min)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
비전센서부의 제1비전센서(110)와 제2비전센서(120)의 작동에 의해, 제1비전센서(110)는 토출라인(20)에 대한 촬상을 수행하여 촬상이미지인 제1촬상이미지를 획득할 수 있다.
그리고, 제2비전센서(120)는, 노즐(220)에 대한 촬상을 수행함과 동시에, 노즐(220)과 인접한 위치에서 적층 진행 중인 적층레이어(10)인 최상층레이어에 대한 촬상을 수행하여 제2촬상이미지를 획득할 수 있다.
상기와 같은 제1촬상이미지와 제2촬상이미지가 제어부(410)로 전달될 수 있으며, 제어부(410)에서는 각각의 촬상이미지를 분석하여 토출라인(20)의 폭 및 토출라인(20)의 토출길이를 측정할 수 있다.
토출라인(20)은, 노즐(220)로부터 적층물질이 배출되어 적층되기 전의 적층레이어이다. 또한, 토출라인(20)의 폭은, 토출라인(20)의 이동 방향에 수직한 방향의 너비이다. 그리고, 토출라인(20)의 토출길이는, 적층레이어(10)의 형성을 위해 노출로부터 소정의 시간 동안 토출된 토출라인(20)의 길이이다.
여기서, 압출스크류(211)의 회전속도 또는 토크의 증가로 압출스크류(211)에 의한 가압력에 증가하는 경우 토출라인(20)의 폭이 증가할 수 있고, 압출스크류(211)의 회전속도 또는 토크의 감소로 압출스크류(211)에 의한 가압력에 감소하는 경우 토출라인(20)의 폭이 감소할 수 있다.
노즐(220) 배출구의 단면적 형태는 원형, 타원형, 다각형 또는 직사각형 형태에서 좌우측의 변이 외측으로 볼록하게 돌출된 형태(ex.) 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 이와 같은 노즐(220) 배출구의 단면적 형태와 노즐(220)의 배출구 단면적에 대한 정보는 사전에 제어부(410)에 저장될 수 있다. 여기서, 제1비전센서(110)는 토출라인(20)의 폭 최대값, 즉, 노즐(220) 배출구의 단면적 형태에서 최장축인 부위를 향해 촬상할 수 있는 위치에 설치될 수 있다.
제어부(410)에서는 제1비전센서(110)로부터 제1촬상이미지를 전달받아 분석하여 토출라인(20)의 폭 최대값을 도출할 수 있다. 그리고, 제어부(410)는, 도출된 토출라인(20)의 폭 최대값과 노즐(220) 배출구의 단면적 형태에서 최장축 값의 비율인 토출비율을 연산하고, 기 저장된 노즐(220)의 배출구 단면적 값과 상기된 토출비율을 이용하여 토출라인(20)의 단면적을 연산할 수 있다.
또한, 제어부(410)에서는 제2비전센서(120)로부터 제2촬상이미지를 전달받아 분석하여 토출라인(20)의 토출길이 및 노즐(220)의 이동 거리를 도출할 수 있다.
구체적으로, 제2촬상이미지에서는 소정의 시간 동안 노즐(220)의 이동에 따라 형성된 최상층적층레이어(10)가 표시되고, 이와 같이 노즐(220)의 이동에 따라 적층된 최상층적층레이어(10)의 길이는 노즐(220)의 이동에 따라 토출된 토출라인(20)의 토출길이와 동일하다.
이에 따라, 제어부(410)에서는 최상층적층레이어(10)의 길이를 도출함으로써 토출라인(20)의 토출길이를 도출할 수 있다. 그리고, 제어부(410)는 노즐(220)의 이동 동안의 촬상 시간을 이용하여 노즐(220)의 이동 시간을 도출할 수 있다.
상기와 같은 분석을 이용하여, 제어부(410)는 단위 시간 당 토출된 적층물질의 부피량인 적층물질의 토출량을 연산할 수 있다. 구체적으로, 토출라인(20)의 토출길이와 토출라인(20)의 단면적을 곱하여 토출라인(20)으로 토출된 적층물질의 부피량을 도출할 수 있다.
그리고, 노즐(220)의 이동 시간은 적층레이어(10)의 적층 시간 및 토출라인(20)의 토출시간과 동일하므로, 제어부(410)는 토출라인(20)으로 토출된 적층물질의 부피량을 노즐(220)의 이동 시간으로 나누기 연산함으로써, 단위 시간 당 토출된 적층물질의 부피량인 적층물질의 토출량을 연산할 수 있다.
결과적으로, 적층물질의 토출량은 하기된 [수식 1]에 의해 연산될 수 있다.
[수식 1]
적층물질의 토출량 = (토출라인의 토출길이 X 토출라인(20)의 단면적)/노즐(220)의 이동 시간
압출스크류(211)에 대한 작동 제어에 있어서, 압력센서(130)의 압력 정보를 전달받은 제어부(410)가 압출스크류(211)의 작동을 제어한 다음, 상기와 같이, 제어부(410)가 각각의 촬상이미지를 분석하여 적층물질의 토출량을 측정하고 압출스크류(211)의 작동을 제어할 수 있다.
이에 따라, 압력센서(130)를 이용한 압출스크류(211) 작동 제어를 신속하게 수행한 다음, 비전센서부를 이용한 압출스크류(211) 작동 제어를 수행하여 정밀한 제어를 수행하므로, 전체 제어 시간을 단축시키면서도 적층물질의 토출량 제어를 정밀하게 수행할 수 있다.
구체적으로, 압출기(210)의 내부에서 압출스크류(211)가 형성되고 적층물질이 이송되는 공간인 압출공간 내 압력을 압력센서(130)가 측정하고, 이와 같은 압력센서(130)의 압력 정보가 제어부(410)로 전달될 수 있다.
제어부(410)에는 압출공간 내 압력, 즉, 압출공간 내 이송되는 적층물질의 압력에 따라 노즐(220)로부터 토출되는 적층물질의 토출량에 대한 데이터인 압력대비토출량데이터가 사전에 저장될 수 있다.
적층헤드에 의한 적층레이어(10)의 형성이 수행되는 경우, 제어부(410)는 적층물에 적합한 적층레이어(10)의 형성을 위한 적층물질의 토출량인 공정토출량에 대한 정보가 저장되어 있다.
또한, 제어부(410)는 압력대비토출량데이터를 이용하여 공정토출량에 대응되는 압력인 공정압력을 도출할 수 있으며, 제어부(410)는 압력센서(130)의 압력 정보에 의한 압출공간 내 압력인 센서압력과 공정압력을 비교할 수 있다.
그리고, 제어부(410)에서 센서압력이 공정압력 초과인 것으로 판단되는 경우, 제어부(410)는 압출구동부(230)로 제어신호를 전달하고, 이에 따라 압출스크류(211)의 회전속도 또는 토크가 감소하여 센서압력이 감소하고 적층물질의 토출량이 감소할 수 있다.
또한, 제어부(410)에서 센서압력이 공정압력 미만인 것으로 판단되는 경우, 제어부(410)는 압출구동부(230)로 제어신호를 전달하고, 이에 따라 압출스크류(211)의 회전속도 또는 토크가 증가하여 센서압력이 증가하고 적층물질의 토출량이 증가할 수 있다.
압력센서(130)는 압출공간의 하부에 형성되어 노즐(220)로부터 토출되기 전의 적층물질에 대한 압력을 측정할 수 있다. 다만, 상기와 같은 압력센서(130)를 이용한 제어에 있어서, 압력센서(130)는 압출공간 내부의 일 부위에 대한 압력을 측정하는데 그치므로, 압력센서(130)만을 이용한 압출스크류(211) 제어로는 적층물질의 토출량에 오차가 발생할 수 있다.
적층물질의 토출량 오차 발생을 방지하여 적층물질의 토출량 제어의 정밀도를 향상시키기 위하여, 비전센서부를 이용한 압출스크류(211) 작동 제어를 수행하며, 제어부(410)에서는 상기와 같이 각각의 촬상이미지 분석을 통해 도출된 현재 실시간의 적층물질의 토출량인 이미지분석토출량과 공정토출량을 비교할 수 있다.
그리고, 제어부(410)에서 이미지분석토출량이 공정토출량 초과인 것으로 판단되는 경우, 제어부(410)는 압출구동부(230)로 제어신호를 전달하고, 이에 따라 압출스크류(211)의 회전속도 또는 토크가 감소하여 센서압력이 감소하고 적층물질의 토출량이 감소할 수 있다.
또한, 제어부(410)에서 이미지분석토출량이 공정토출량 미만인 것으로 판단되는 경우, 제어부(410)는 압출구동부(230)로 제어신호를 전달하고, 이에 따라 압출스크류(211)의 회전속도 또는 토크가 증가하여 센서압력이 증가하고 적층물질의 토출량이 증가할 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치는, 적층헤드의 외부에 형성되는 호퍼(320)로부터 적층재료를 전달받고, 적층재료를 압출기(210)로 전달하는 재료전달부(310)를 더 포함할 수 있다. 호퍼(320)로부터 배출된 적층재료는 호퍼배관(321)을 통해 이송되어 재료전달부(310)으로 전달될 수 있다.
여기서, 재료전달부(310)는, 재료전달부(310)에 저장된 적층재료를 압출기(210)로 전달하는 전달스크류(311); 및 전달스크류(311)와 결합하고 전달스크류(311)에 구동력을 전달하는 전달구동부(312)를 구비할 수 있다.
재료전달부(310)는 적층헤드의 상부에 결합될 수 있으며, 적층헤드의 이동에 따라 재료전달부(310)가 이동하게 되므로, 압출기(210)에 대한 적층재료의 공급이 신속하게 수행되어, 노즐(220)의 적층물질 토출이 용이하게 수행될 수 있다.
상기와 같이 압력센서(130)의 압력 정보를 분석하여 수행되는 압출스크류(211)의 작동 제어 및 비전센서부의 촬상이미지를 분석하여 수행되는 압출스크류(211)의 작동 제어가 수행됨으로써, 압출구동부(230)에서는 압출스크류(211)의 회전속도 또는 토크 각각의 변화량이 측정될 수 있다.
그리고, 제어부(410)에는, 압출스크류(211)의 회전속도 또는 토크에 따라 재료전달부(310)로부터 압출기(210)로 전달되어야 하는 단위 시간 당 적층재료의 이송량에 대한 기준인 기준이송량에 대한 정보가 저장되어 있다. 또한, 제어부(410)에는 기준이송량에 따라 재료전달부(310) 내부의 적층재료를 압출기(210)로 전달하기 위한 전달스크류(311)의 토크 변화량에 대한 정보가 저장되어 있다.
제어부(410)는 압출구동부(230)로부터 압출스크류(211)의 회전속도 또는 토크 각각의 변화량에 대한 정보를 전달받고 기준이송량을 도출할 수 있으며, 이와 같은 기준이송량에 적합한 전달스크류(311)의 토크 변화량을 도출하여 전달구동부(312)로 전달함으로써 회전하는 전달스크류(311)의 토크를 조절할 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 3D 프린팅 장치를 이용하는 경우, 일부 구성에 대한 제어만 수행하는 것이 아닌 압출스크류와 호퍼 등 전체적인 장치의 제어를 통해 적층물질의 토출량 제어가 수행되도록 하여, 연속적인 적층물질의 토출로 형성되는 각각의 적층레이어에서 설계오차가 최소화됨으로써 적층물의 품질이 향상될 수 있다는 것이다.
이하, 본 발명의 3D 프린팅 장치를 이용한 적층헤드의 압출스크류(211) 회전 제어 방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 제1단계에서, 압출스크류(211)에 의해 이동되는 적층재료가 용융되어 적층물질이 형성되고, 압출스크류(211)의 회전 가압에 의해 적층물질이 노즐(220)을 통해 토출될 수 있다. 그리고, 제2단계에서, 압력센서(130)의 압력 정보를 전달받은 제어부(410)가 압출스크류(211)의 작동을 제어할 수 있다.
다음으로, 제3단계에서, 비전센서부에서 토출라인(20)에 대한 촬상을 수행하고, 비전센서부로부터 제어부(410)로 촬상이미지가 전송될 수 있다. 여기서, 제1비전센서(110)로부터 제어부(410)로 제1촬상이미지가 전달되고, 제2비전센서(120)로부터 제어부(410)로 제2촬상이미지가 전달될 수 있다.
그 후, 제4단계에서, 제어부(410)가 촬상이미지를 분석하여 적층물질의 토출량을 측정하고, 압출스크류(211)의 작동을 제어할 수 있다. 그리고, 압출기(210)로 공급되는 적층재료의 양을 조절하는 제5단계를 더 수행될 수 있다.
본 발명의 3D 프린팅 장치를 이용한 적층헤드의 압출스크류(211) 회전 제어 방법에 대한 나머지 상세한 사항은, 상기된 본 발명의 3D 프린팅 장치의 설명에 기재된 사항과 동일하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 적층레이어 20 : 토출라인
110 : 제1비전센서 120 : 제2비전센서
140 : 비전지지부 130 : 압력센서
210 : 압출기 211 : 압출스크류
212 : 재료히터 220 : 노즐
230 : 압출구동부 310 : 재료전달부
311 : 전달스크류 312 : 전달구동부
320 : 호퍼 321 : 호퍼배관
410 : 제어부 420 : 헤드구동부
430 : 겐트리 440 : 베이스

Claims (12)

  1. 외부로부터 전달된 적층재료의 용융으로 형성된 적층물질에 압력을 제공하여 유동시키는 압출스크류를 구비하는 압출기 및, 상기 압출기로부터 적층물질을 전달받아 토출하여 적층레이어를 형성하는 노즐을 구비하는 적층헤드;
    상기 압출기의 내부를 따라 유동하여 통과하는 상기 적층물질의 압력을 측정하는 압력센서;
    상기 노즐, 상기 적층레이어 및 상기 노즐로부터 토출 중인 상기 적층물질의 토출라인을 촬상하는 비전센서부; 및
    상기 비전센서부의 촬상이미지를 분석하여 도출된 상기 적층물질의 토출량과 상기 압력센서에 의한 압력 정보를 이용하여, 상기 압출스크류의 작동이 제어되도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3D 프린팅 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적층재료는 탄소섬유강화복합재(CFRP)를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3D 프린팅 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 적층물질의 토출량은, 상기 토출라인으로 토출된 상기 적층물질의 단위 시간 당 부피량인 것을 특징으로 하는 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3D 프린팅 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 촬상이미지에 의한 상기 토출라인의 형상을 분석함으로써 상기 적층물질의 토출량을 측정하는 것을 특징으로 하는 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3D 프린팅 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 비전센서부는,
    상기 토출라인을 촬상하는 제1비전센서; 및
    상기 노즐과 상기 적층레이어를 촬상하는 제2비전센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3D 프린팅 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    청구항 5에 있어서,
    상기 제1비전센서는, 상기 적층헤드와 결합되는 것을 특징으로 하는 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3D 프린팅 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 적층헤드의 외부에 형성되는 호퍼로부터 상기 적층재료를 전달받고, 상기 적층재료를 상기 압출기로 전달하는 재료전달부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3D 프린팅 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 재료전달부는,
    상기 재료전달부에 저장된 상기 적층재료를 상기 압출기로 전달하는 전달스크류; 및
    상기 전달스크류와 결합하고 상기 전달스크류에 구동력을 전달하는 전달구동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3D 프린팅 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 적층헤드는, 상기 압출스크류와 결합하고 상기 제어부의 제어신호를 전달받아 상기 압출스크류를 구동시키는 압출구동부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3D 프린팅 장치.
  10. 청구항 5의 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3D 프린팅 장치를 이용한 적층헤드의 스크류 회전 제어 방법에 있어서,
    상기 압출스크류에 의해 이동되는 상기 적층재료가 용융되어 상기 적층물질이 형성되고, 상기 압출스크류의 회전 가압에 의해 상기 적층물질이 상기 노즐을 통해 토출되는 제1단계;
    상기 압력센서의 압력 정보를 전달받은 상기 제어부가 상기 압출스크류의 작동을 제어하는 제2단계;
    상기 비전센서부에서 상기 노즐, 상기 적층레이어 및 상기 토출라인에 대한 촬상을 수행하고, 상기 비전센서부로부터 상기 제어부로 상기 촬상이미지가 전송되는 제3단계; 및
    상기 제어부가 상기 촬상이미지를 분석하여 상기 적층물질의 토출량을 측정하고, 상기 압출스크류의 작동을 제어하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층헤드의 스크류 회전 제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제3단계에서, 상기 제1비전센서로부터 상기 제어부로 제1촬상이미지가 전달되고, 상기 제2비전센서로부터 상기 제어부로 제2촬상이미지가 전달되는 것을 특징으로 하는 적층헤드의 스크류 회전 제어 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 압출기로 공급되는 상기 적층재료의 양을 조절하는 제5단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층헤드의 스크류 회전 제어 방법.
KR1020220157862A 2022-11-22 2022-11-22 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3d 프린팅 장치 및 적층헤드의 스크류 회전 제어 방법 KR20240077547A (ko)

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KR1020220157862A KR20240077547A (ko) 2022-11-22 2022-11-22 적층헤드의 스크류 회전 제어가 용이한 3d 프린팅 장치 및 적층헤드의 스크류 회전 제어 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102216703B1 (ko) 2019-04-23 2021-02-17 한양대학교 에리카 산학협력단 3d 프린터용 노즐장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102216703B1 (ko) 2019-04-23 2021-02-17 한양대학교 에리카 산학협력단 3d 프린터용 노즐장치

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