WO2015126183A1 - Fdm 3d 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치 및 감시 방법 - Google Patents

Fdm 3d 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치 및 감시 방법 Download PDF

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WO2015126183A1
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feed
printer
transfer
speed
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PCT/KR2015/001667
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이학규
이명술
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(주)디토스
이학규
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
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    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]

Definitions

  • the present invention relates to an automatic monitoring apparatus and a monitoring method for filament transfer of a 3D printer. More specifically, the printing operation is stopped when the supply of the filament is interrupted or a problem occurs during the transfer.
  • the present invention relates to an automatic monitoring apparatus and a monitoring method for filament transfer of a FDM 3D printer capable of real-time monitoring of feed and transfer of filaments.
  • SLA StepoLithograhhic Apparatus
  • a functional polymer or metal powder is used instead of the photocurable resin in the SLA.
  • SLS Selective Laser Sintering
  • LOM Laminated Object Manufacturing
  • Filament a raw material of FDM type 3D printer, is used to process heat-soluble material in the form of a thin thread and wind it in a spool, and melt and spray the feeder and filament that transfer the filament.
  • It consists of a carrier for mounting the nozzle for moving to the printing position and a bed for moving the printing and printing position, and the filament wound on the spool is continuously fed through the feeder and injected into the nozzle, and the filament injected into the nozzle is The liquid filament is sprayed out of the nozzle by the heat generated in the stack and accumulated in the bed for loading the output, and the injected liquid filament is operated to form an image by the movement of the carrier and the bed, resulting in a three-dimensional output.
  • the filament supplied from the spool should be transported continuously without any abnormality until the output is completed, but when the filament is stopped due to lack of filament wound on the spool, tangled filament or other abnormalities Often occurs, and the time to complete the output varies depending on the size of the output and the performance of the printer, and it usually takes several tens to tens of hours, which is not detected even when the filament stops feeding, and the printing operation continues.
  • the filament may not be output, so that the printed product that has been printed for a long time may not be used as an unfinished product, resulting in a problem of waste of time and waste of material.
  • the present invention is to solve the above problems, stop the printing operation when a problem occurs in the supply and transfer of the filament, and can be monitored in real time whether the transfer of the filament in order to proceed with the printing operation after the problem is eliminated It is to provide an automatic monitoring device and a monitoring method for filament transfer of an FDM 3D printer.
  • the present invention encodes using a feeder for transferring the filament and the monitoring roller rotated by the transfer of the filament at the front or rear end of the feeder and the pulse signal of the encoder wheel and the encoder sensor connected to the encoder wheel connected thereto
  • the automatic monitoring device and monitoring method of filament transfer of FDM 3D printer which can save the time and material according to the unfinished output by measuring the rotational speed of the filament and checking the filament transfer and its operation by comparing with the target feed rate of the filament It is to provide.
  • an automatic monitoring apparatus for filament transfer of an FDM 3D printer includes a heater nozzle for melting and spraying filaments, a feeder for transferring the filament from the spool to the heater nozzle, and a heater nozzle. And a carrier for loading and moving, a bed for loading an output formed while the filament sprayed from the heater nozzle is naturally cured, and a carrier equipped with a heater nozzle to realize the shape of the output on the bed to the printing position.
  • the automatic monitoring device for filament transfer of the FDM 3D printer configured to be located in front or rear of the feeder filament and Spring member to apply pressure between monitoring roller, idle roller and mutual roller
  • an encoder wheel connected to the monitoring roller is rotated as the monitoring roller rotates by the friction force between the monitoring roller and the filament. It is characterized in that it comprises a encoder sensor for rotating and generating a pulse signal by detecting the rotation of the encoder wheel.
  • an automatic monitoring method of filament transfer of an FDM 3D printer requires that the filament be fed in accordance with a print command or a transfer command of the filament when the transfer detection of the filament wound on the spool is started.
  • an automatic monitoring apparatus and a monitoring method for filament transfer in a FDM 3D printer may stop a printing operation when a problem occurs in the supply of the filament, and the filament may be subsequently operated when the problem is eliminated.
  • Real-time monitoring of the supply provides the effect of continuous feeding of the filament until the output is completed according to the normal supply.
  • the feed roller for transferring the filament and the monitoring roller rotated by the transfer of the filament to the front or rear of the feeder and the encoder wheel and encoder connected thereto
  • the pulse signal of the encoder sensor that detects the rotation of the wheel, it measures the rotational speed of the encoder and compares the filament's target feed speed to check the filament transfer and its operation, saving time and material according to unfinished output. It provides an effect that can be done.
  • the automatic monitoring device and monitoring method of filament transfer of the FDM 3D printer according to the present invention there is an effect that eliminates the hassle of having to estimate the completion of the output of the filament remaining before the printing start of the conventional 3D printer. .
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of a typical FDM 3D printer
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing a filament supply path of an FDM type 3D printer
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a filament feed detection apparatus of an FDM 3D printer according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a filament feed detection apparatus of an FDM 3D printer according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flow chart showing a filament transfer detection method of the FDM 3D printer according to the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the FDM 3D printer
  • Figure 2 is a schematic diagram showing a filament supply path of the FDM type 3D printer through the configuration of FIG.
  • the heater nozzle 10 for melting and spraying the filament 32 and the filament 32 from the spool 30 to the heater nozzle 10 will be described.
  • the X-axis, Y-axis, Z-axis drive unit is configured to transfer the power generated from the motor to the carrier 2 and the bed 20 to move the heater nozzle to the printing position.
  • the filament 32 wound on the spool 30 is transferred to the heater nozzle 10 through the feeder 40 by the operation of the feeder 40, wherein the feeder 40 is
  • the feed roller 42 and the idle roller 44 connected to the motor may be provided with a spring member 46 for applying a force between both rollers.
  • the feed roller 42 rotates, and frictional force generated by the action of the spring tension is generated to transfer the filament.
  • the filament 32 wound on the spool 30 is manually supplied from the spool 30 to the feeder 40, and the filament 32 injected into the heater nozzle 10 is a liquid by the heat of the heater. It is sprayed out of the heater nozzle to proceed the printing process.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of an automatic filament transfer detecting apparatus of an FDM 3D printer according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1 to FIG. 3, the detailed operation thereof is wound around the spool 30. Four rollers 42, 44, 52, and 54 are provided between the filament 32 and the heater nozzle 10 to transfer the filament 32 and to monitor the transfer.
  • the filament feed automatic monitoring device may be installed at the front end of the feed, or selectively installed at the rear end of the feed.
  • the feeder 40 is a spring member 46 for applying an interaction force between the feed roller 42, the idle roller 44 and the roller, and a motor (not shown) for applying power to the feed roller 42.
  • a motor (not shown) for applying power to the feed roller 42.
  • the encoder wheel 50 may be coaxially connected with the monitoring roller 52 or may be composed of the same parts, or may be connected by a power transmission means such as a gear or a belt.
  • the CPU inside the monitoring apparatus measures the rotation speed of the encoder wheel 50 using the signal generated from the encoder sensor 51 and converts the feed rate of the filament.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of an apparatus for automatically detecting filament transfer of an FDM 3D printer according to a second embodiment of the present invention. The detailed operation thereof will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
  • the feed roller 42, the idle roller 44 and the spring member 46 for the transfer of the filament 32 is provided in the same manner as in the first embodiment, but the monitoring roller 52 is connected to the feed roller 42.
  • the monitoring roller 52 is configured to be rotated by the rotation of the idle roller 44 by being connected to the corresponding idle roller 44.
  • the feed roller 42 connected to the motor rotates as the motor (not shown) rotates
  • the feed roller 42 and the filament 32 are driven by the action force of the spring member 46.
  • the filament is transferred by the friction force generated in the liver, and the idle roller 44 is rotated by the friction force between the filament and the idle roller 44.
  • the monitoring roller 52 connected to the idle roller 44 rotates in synchronization with the idle roller 44 so that the encoder wheel 50 is rotated to generate a signal through the encoder sensor 51. do.
  • the idle roller 44 and the encoder wheel 50 may be connected by direct contact or may be connected by using a power transmission means such as a gear or a belt.
  • the monitoring device has a constant smaller than the diameter (Df) of the filament to prevent the idle roller 44 is rotated even when only the motor rotates without the filament between the feed roller 42 and the idle roller 44
  • One gap X is configured to be maintained.
  • the error judging reference speeds (Vth1, Vth2) are determined by the feed target speed (Vm) of the filament determined by the print command or the feed command of the filament and the tolerance ratios ( ⁇ , ⁇ ) determined by the experimental value. Will yield.
  • Vm Vf / (rs * ⁇ * Ds)
  • rs is the reduction ratio of encoder drive system
  • Ds represents the diameter of the monitoring roller.
  • Vth1 The printer cannot calibrate itself, and the judgment speed that can be judged as a state requiring calibration by the user is
  • Vth1 Vm * ⁇
  • Vth1 is abnormal operation and reference value of the feed speed of filament that needs to be compensated externally
  • Vth2 The reference speed that can be judged as the state that can be calibrated by the printer itself
  • Vth2 Vm * ⁇
  • Vth2 is a normal, but self-correcting feedrate reference for filaments.
  • the determination reference speeds Vth1 and Vth2 obtained through the calculation process are used as a reference for performing the corresponding processing in comparison with the measurement speed Vs detected by the signal of the encoder sensor 51.
  • Vs ⁇ Vth1: Since the filament cannot be calibrated by the printer itself according to the transfer, error processing is performed for the printer's self-compensation, including notifying the user of the error, and (Vs) is the primary error judging reference speed ( The operation of detecting the feed rate is continued until it becomes larger than Vth1).
  • Vs> Vth2 The filament is being conveyed normally. Check whether the filament is stopped by the printing operation stop or stop filament transfer. If the filament is stopped, stop the filament feed detection operation. If it is not in this state, the transfer detection operation continues.
  • the target rotational speed Vm of the encoder wheel 50 corresponding to the target feed line speed Vf of the filament determined according to the printing command or the filament transfer command presented above and the signal of the encoder sensor 51 Looking at the detailed operation of the algorithm based on the flowchart shown in FIG. 5 attached to the measured rotational speed Vs of the encoder wheel 50 detected through the first, the filament 32 wound on the spool 30 first
  • the target wheel speed (Vm) of the encoder wheel corresponding to the target feed line speed (Vf) of the filament determined according to the printing command or the feed command of the filament is used and the tolerance ratios ⁇ and ⁇ obtained from the experimental values are used.
  • the error determination reference speeds Vth1 and Vth2 are calculated for the detected feed speed. (See step S10.)
  • the rotation speed detection method of the encoder wheel 50 has a method of using the number of pulse signals generated from the encoder sensor for a predetermined time and a method of measuring and using the time between the pulse signals generated from the encoder sensor 51.
  • step S45 the operation of detecting the feed rate is continued until the feed rate Vs becomes larger than the first error judging reference speed Vth1 by external measures such as supplying a new filament or eliminating tangled portions of the filament.
  • Vs feed rate
  • Vth2 secondary error judgment reference speed
  • step S80 check whether the filament transfer target speed is changed. If the target speed (Vm) is not changed, return to step S20 and repeat the above step, and if it is changed, step S10. The operation is repeated after calculating a new error determination reference speed by returning to.

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Abstract

본 발명은 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치 및 감시 방법에 관한 것으로, 인쇄명령이나 필라멘트 이송명령에 의해 정해진 필라멘트의 목표 이송속도와 엔코더 휠 및 엔코드 센서를 통해서 검출된 측정속도를 비교하여 정상적인 경우는 인쇄중지 명령이나 필라멘트 이송중지 명령이 발생할 때 까지 필라멘트의 이송 및 이송감시 동작을 계속하고 정상적이지는 않지만 프린터 자체적으로 보정이 가능하다고 판단되면 자체적으로 보정처리를 한 후 이송 및 이송감지 동작을 진행하고 프린터 자체적으로 보정이 가능하지 않다고 판단되면 필라멘트 이송동작을 일시 중지하고 에러상태를 사용자에게 알려준다. 이에 따라, 종래의 3D 프린터의 인쇄 시작전에 남아 있는 필라멘트로 출력물의 완성 여부를 가늠해야 하는 번거러움을 제거할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

Description

FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치 및 감시 방법
본 발명은 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치 및 감시 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 필라멘트의 공급이 중단되거나 이송에 문제가 발생하면 인쇄동작을 중지하고, 문제점이 제거되면 이어서 인쇄동작을 진행이 가능하도록 필라멘트의 공급 및 이송 여부를 실시간 감시할 수 있는 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치 및 감시 방법에 관한 것이다.
일반적으로 3차원의 입체 형상을 가진 시제품(Prototype)을 제작하기 위해서는 도면에 의존하여 수작업에 의해 이루어지는 목합 제작방식과 CNC 밀링에 의한 제작방식 등이 있다. 그러나, 목합 제작방식은 수작업에 의하므로 정교한 수치제어가 어렵고 많은 시간이 소요되며, CNC 밀링에 의한 제작방식은 정교한 수치제어가 가능하지만 공구간섭에 의하여 가공하기 어려운 형상이 많다. 따라서, 최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 만들어낸 3차원 모델링에서 생성된 데이터를 저장한 컴퓨터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린터 방식이 등장하게 되었다.
이러한 3차원 프린터 방식에는 광경화성 수지에 레이저 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(StereoLithograhhic Apparatus)와, SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하며 레이저 광선을 주사하여 고결(固結)시켜 성형하는 원리를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering)와, 접착제가 칠해져 있는 종이를 원하는 단면으로 레이져 광선을 이용하여 절단하여 한층씩 적층하여 성형하는 LOM(Laminated Object Manufacturing)과, 잉크젯(Ink-Jet) 프린터 기술을 이용한 BPM(Ballistic Particle Manufacturing)과 가열된 노즐을 사용 조형 재료를 녹여 층층히 쌓아올려 조형하는 FDM(Fused deposition modeling)방식 등이 있다.
FDM 방식의 3D 프린터의 원재료인 필라멘트(Filament)는 열에 녹는 물질을 가는 실 형태로 가공하여 스플(Spool)에 감아서 사용하는데, 필라멘트를 이송시키는 피더(Feeder)와 필라멘트(Filament)를 녹여서 분사하기 위한 노즐을 탑재하고 인쇄위치로 이동시키는 캐리어 및 출력물을 적재 및 인쇄 위치를 이동시키는 배드로 구성되고, 스풀에 감겨져 있는 필라멘트는 피더를 통하여 연속으로 이송시켜서 노즐로 주입되고 노즐에 주입된 필라멘트는 노즐에서 발생하는 열에 의해 액체상태로 되어 노즐 밖으로 분사되어 출력물을 적재하는 배드에 쌓이게 되어 분사된 액체상태의 필라멘트는 캐리어와 배드의 이동에 의해 이미지가 형성되어 결과로써 3차원 출력물이 형성되도록 동작된다.
FDM 방식의 3D 프린터는 스풀에서부터 공급되는 필라멘트는 출력물이 완성될 때까지 이상 없이 연속해서 이송되어야 하나, 스풀에 감겨져 있는 필라멘트가 부족하거나 필라멘트가 엉키거나 또는 다른 이상으로 인해 필라멘트의 이송이 중단되는 경우가 종종 발생하고, 출력물을 완성하는 시간은 출력물의 크기 및 프린터의 성능에 따라 차이가 있으며, 통상 수십분에서 수십시간이 소요되는데, 이는 인쇄 도중 필라멘트의 이송 중단이 되더라도 이를 감지하지 못하고 인쇄동작은 계속하나 필라멘트가 출력되지 않을 수 있어 장시간 동안 인쇄했던 출력물은 미 완성물로써 사용할 수 없게 되어, 시간적인 낭비와 재료의 낭비가 발생하는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 필라멘트의 공급 및 이송에 문제가 발생하면 인쇄동작을 중지하고, 문제점이 제거되면 이어서 인쇄동작을 진행이 가능하도록 필라멘트의 이송 여부를 실시간 감시할 수 있는 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치 및 감시 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 필라멘트를 이송시키는 피더와 피더 전단 또는 후단에 필라멘트의 이송에 의해 회전되는 감시롤러와 이에 연결된 엔코드 휠과 엔코드휠의 회전을 감지하는 엔코드 센서의 펄스신호를 이용하여 엔코드의 회전속도를 측정하여 필라멘트의 목표 이송속도와 비교하여 필라멘트 이송 및 그 동작 여부를 확인함으로써 미완성된 출력물에 따른 시간 및 재료를 절약할 수 있는 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치 및 감시 방법을 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치는 필라멘트를 녹여서 분사시키는 히터노즐과, 필라멘트를 스풀에서 히터노즐까지 이송시키는 피더와, 히터노즐을 탑재하고 이동시키기 위한 캐리어와, 히터노즐에서 분사된 필라멘트가 자연 경화되면서 형성되는 출력물을 적재하기 위한 배드와, 배드 상에 출력물의 형상을 구현하기 위하여 히터노즐을 탑재한 캐리어를 해당 인쇄위치로 이동시키기 위한 X축, Y축, Z축 구동부와, 상기 피더는 필라멘트 이송로를 통해 히터노즐 결합부과 체결되어 구성된 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치에 있어서, 상기 피더 전단 또는 후단에 위치하여 필라멘트와 대응되도록 감시롤러와 아이들롤러 및 상호 롤러간에 압력이 가해지도록 스프링부재가 구비되고, 상기 피더의 동력에 의해서 필라멘트가 이송되고 이송된 필라멘트가 상기 감시롤러와 상기 아이들롤러 사이를 통과하면 감시롤러와 필라멘트간의 마찰력에 의해서 감시롤러가 회전함에 따라 감시롤러에 연결된 엔코드 휠이 회전하고 엔코더 휠의 회전을 감지하여 펄스신호를 발생하는 엔코드 센서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 방법은, 스풀에 감겨진 필라멘트의 이송감지가 시작되면 인쇄명령이나 필라멘트의 이송명령에 따라 필라멘트가 이송되어야 할 목표속도(Vm)와 실험치로 얻어진 허용오차 비율 α 와 β를 이용하여 검출된 이송속도에 대한 에러판단 기준속도(Vth1, Vth2)를 산출하는 제 1 단계; 엔코드휠과 엔코드센서로부터 발생한 신호를 통해서 실제 필라멘트 이송속도(Vs)의 검출여부를 체크하고 검출되지 않았을 경우는 검출될 때까지 대기하는 제 2 단계; 필라멘트의 이송속도가 검출되면 검출된 이송속도(Vs)와 1차 에러 판단 기준속도(Vth1)를 비교하여 이송속도(Vs)가 1차 에러판단 기준속도(Vth1)보다 큰 경우 (Vs>Vth1) 2차 에러판단 기준속도(Vth2)와 비교하는 제 3 단계; 제 3 단계가 이루어진 후, 이송속도(Vs)가 2차 에러판단 기준속도(Vth2)보다 큰 경우(Vs>Vth2) 필라멘트의 이송동작이 진행되고, 인쇄동작 중지 또는 필라멘트 이송중지의 명령에 의해 필라멘트의 이송 중지여부를 확인하여 중지된 상태이면 필라멘트 이송감지동작을 종료하는 제 4 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치 및 감시 방법은, 필라멘트의 공급에 문제가 발생하면 인쇄동작을 중지하고, 문제점이 제거되면 이어서 인쇄동작을 진행이 가능하도록 필라멘트가 공급 여부를 실시간 감시할 수 있어 필라멘트가 정상적인 공급에 따라 출력물의 완성될 때까지 연속적으로 이송이 가능한 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 FDM 3D프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치 및 감시 방법은, 필라멘트를 이송시키는 피더와 피더 전단 또는 후단에 필라멘트의 이송에 의해 회전되는 감시롤러와 이에 연결된 엔코드 휠과 엔코드 휠의 회전을 감지하는 엔코드 센서의 펄스신호를 이용하여 엔코드의 회전속도를 측정하여 필라멘트의 목표 이송속도와 비교하여 필라멘트 이송 및 그 동작 여부를 확인함으로써 미완성된 출력물에 따른 시간 및 재료를 절약할 수 있는 효과를 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치 및 감시 방법은, 종래의 3D 프린터의 인쇄 시작 전에 남아 있는 필라멘트로 출력물의 완성 여부를 가늠해야 하는 번거로움을 없애주는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 FDM 3D 프린터의 구성을 도시한 사시도
도 2는 FDM 방식 3D 프린터의 필라멘트 공급 경로를 도시한 개략도
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송 감지 장치의 개략도
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송 감지 장치의 개략도
도 5는 본 발명에 따른 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송 감지 방법을 도시한 흐름도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 FDM 3D 프린터의 구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 구성을 통해 FDM 방식 3D 프린터의 필라멘트 공급 경로의 도시한 개략도이다. 먼저, 도 1 내지 2를 참조하여 FDM 3D 프린터의 구성이 동작을 살펴보면, 필라멘트(32)를 녹여서 분사시키는 히터노즐(10)과, 필라멘트(32)를 스풀(30)에서 히터노즐(10)까지 이송시키는 피더(40)와, 히터노즐을 탑재하고 이동시키기 위한 캐리어(2)와, 히터노즐(10)에서 분사된 필라멘트(32)가 자연 경화되면서 형성되는 출력물을 적재하기 위한 배드(20)와, 배드(20) 상에 출력물의 형상을 구현하기 위하여 히터노즐(10)을 탑재한 캐리어(2)를 해당 인쇄위치로 이동시키기 위한 X축, Y축, Z축 구동부와, 상기 피더(40)는 필라멘트 이송로를 통해 히터노즐 결합부(15)과 연결되어 구성된다.
한편, X축, Y축, Z축 구동부는 모터로부터 발생한 동력을 캐리어(2) 및 배드(20)에 전달하여 상기 히터노즐을 해당 인쇄위치로 이동시키도록 구성된다.
도 2에 도시된 바와 같이 스풀(30)에 감겨져 있는 필라멘트(32)는 피더(40)의 동작에 의해 피더(40)를 통해서 히터노즐(10)까지 이송되는데, 이때, 상기 피더(40)는 모터(도면 미도시)에 연결돠어 있는 피드롤러(42) 및 아이들롤러(44)는 양쪽 롤러간에 힘을 가하기 위한 스프링 부재(46)가 구성될 수 있다. 모터의 구동에 따라 피드롤러(42)가 회전하게 되고, 스프링 장력과 작용으로 인한 마찰력이 발생되어 필라멘트를 이송하게 된다. 한편, 초기에는 스풀(30)에 감겨진 필라멘트(32)는 스풀(30)에서 피더(40)까지 수동으로 공급이 되고, 히터노즐(10)에 주입된 필라멘트(32)는 히터의 열에 의해 액체되어 히터노즐 밖으로 분사되어 프린팅 공정을 진행하게 된다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송 자동 감지 장치의 개략도를 도시한 것으로서, 그 세부적인 동작을 도 1 내지 도 3을 참조하여 살펴보면, 스풀(30)에 감겨진 필라멘트(32)와 히터노즐(10)사이에 4개의 롤러(42,44, 52, 54)를 구비하여 상기 필라멘트(32)를 이송시키고, 이송을 감시하기 위하여 구성된다.
보다 세부적으로, 상기 필라멘트 이송 자동 감시장치는 피드 전단에 설치할 수도 있고, 피드 후단에 선택적으로 설치할 수 있다.
상기 피더(40)는 피드롤러(42)와 아이들롤러(44)와 롤러간에 상호 작용력을 부가하기 위한 스프링 부재(46) 및 상기 피드롤러(42)에 동력을 인가하기 위한 모터(도면 미표시)로 구비되어 모터의 회전에 따라 모터에 연결되어 있는 상기 피드 롤러(42)가 회전하면 상기 스프링 부재(46)와의 작용력에 의해 상기 피드롤러(42)와 상기 필라멘트(32) 간에 발생된 마찰력에 의해 필라멘트가 이송되고 필라멘트가 상기 감지롤러(52)와 아이들롤러(54)사이를 통과하면 상기 스프링 부재(56)와의 상호 작용력에 의해 상기 감지롤러(52)가 회전하게 되며, 이때 감지롤러(52)와 연결된 상기 엔코더휠(50)이 회전하고 상기 엔코더센서(51)가 상기 엔코더 휠(50)의 회전에 따라 신호를 발생하게 된다.
또한, 상기 엔코더 휠(50)은 상기 감시롤러(52)와 동축으로 연결할 수도 있고 동일 부품으로 구성될 수도 있으며 기어 또는 벨트와 같은 동력전달 수단으로 연결될 수도 있다.
또한, 감시장치 내부의 CPU(도면 미표시)는 상기 엔코더 센서(51)로부터 발생된 신호를 이용하여 상기 엔코드 휠(50)의 회전속도를 측정하여 필라멘트의 이송속도로 환산하게 된다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송 자동 감지 장치의 개략도를 도시한 것으로서, 그 세부적인 동작을 도 1 내지 도 4를 참조하여 살펴보면,
상기 필라메트(32)의 이송을 위한 피드롤러(42)와 아이들롤러(44) 및 스프링 부재 (46)는 제1 실시예와 동일하게 구비하되 감시롤러(52)는 상기 피드롤러(42) 에 대응하는 상기 아이들롤러(44)에 연결하여 아이들롤러(44)의 회전에 의해 상기 감시롤러(52)가 회전되도록 구성한 것이다.
보다 세부적으로는, 모터(도면 미표시)의 회전에 따라 모터에 연결되어 있는 상기 피드롤러(42)가 회전하면 상기 스프링 부재(46)와의 작용력에 의해 상기 피드롤러(42)와 상기 필라멘트(32) 간에 발생된 마찰력에 의해 필라멘트가 이송되고, 필라멘트와 상기 아이들롤러(44) 간의 마찰력에 의해 아이들롤러(44)가 회전하게 된다.
이때, 상기 아이들롤러(44)에 연결된 상기 감시롤러(52)가 아이들롤러(44)와 동기되어 회전함으로써 상기 엔코드 휠(50)이 회전되고 상기 엔코드 센서(51)를 통해서 신호를 발생하게 된다.
상기 아이들롤러(44)와 엔코더 휠(50)는 직접 접촉하여 연결할 수도 있고 기어나 벨트와 같은 동력전달 수단을 이용하여 연결할 수도 있다.
또한, 상기 감시장치는 피드롤러(42)와 아이들롤러(44) 사이에 필라멘트가 없이 모터만 회전할 때에도 상기 아이들롤러(44)가 회전되는 것을 방지하기 위하여 필리멘트의 직경(Df)보다 작은 일정 한 갭(X)이 유지되도록 구성된다.
즉, 0 < x < Df
상기의 구성에 따라 스풀(30)에 감겨진 필라멘트(32)가 히터노즐(10)로 이송됨에 따라 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송 감지 방법의 동작을 첨부된 도 5의 흐름도를 참조하여 세부적으로 설명한다.
먼저, 이송감지 동작이 시작되면 인쇄명령이나 필라멘트의 이송명령에 따라 정해진 필라멘트의 이송 목표속도 (Vm)와 실험치에 의해 정해진 허용오차 비율(α, β)에 의해 에러판단 기준속도(Vth1, Vth2)를 산출하게 된다.
상기 필라멘트(32)의 선속도(Vf)에 상응하는 상기 엔코드 휠(50)의 회전속도(Vm)는
Vm = Vf / (rs * π * Ds)
rs 는 엔코더 구동계의 감속비,
Ds 는 감시롤러의 직경을 나타낸다.
Vth1: 프린터 자체로 보정이 불가하며, 사용자에 의해 보정이 요구되는 상태로 판단할 수 있는 판단기준 속도는
Vth1 = Vm * α
α 는 실험치로 정해지며,
Vth1은 비정상적 동작으로써 외부적으로 보정이 필요한 필라멘트의 이송속도 기준치
Vth2: 프린터 자체로 보정이 가능한 상태로 판단할 수 있는 판단기준 속도는,
Vth2 = Vm * β
β 는 실험치로 정해지며,
Vth2는 정상적은 아니지만 자체적으로 보정 가능한 필라멘트의 이송속도 기준치.
상기 연산과정을 통해서 얻어진 판단기준 속도(Vth1, Vth2)는 상기 엔코더 센서(51)의 신호에 의해 검출된 측정속도(Vs)와 비교하여 해당 처리를 하기 위한 기준으로 활용된다.
Vs <= Vth1 이면 : 필라멘트가 이송에 따라 프린터 자체로 보정이 불가능한 상태이므로 사용자 에게 에러의 상태를 알리는 것을 포함한 프린터 자체보상 불가에 대한 에러처리를 하고, (Vs)가 1차 에러판단 기준속도(Vth1)보다 커질 때까지 이송속도를 검출하는 동작을 계속한다
Vs <= Vth2 이면 : 필라멘트의 이송이 정상적은 아니지만 히터노즐의 온도를 조정하거나 모터의 전류를 조정하는 등의 프린터 자체에서 보상이 가능한 경우이므로 자체보상처리를 한다.
Vs > Vth2 이면 : 필라멘트가 정상적으로 이송되고 있는 경우로서, 인쇄동작 중지 또는 필라멘트 이송중지 등의 명령에 의해 필라멘트의 이송이 중지된 상태인가를 확인하고 중지된 상태이면 필라멘트 이송감지동작을 종료하고, 중지된 상태가 아니면 계속해서 이송감지 동작을 진행한다.
상기에 제시된 인쇄명령이나 필라멘트의 이송명령 에 따라 정해진 필라멘트의 목표 이송 선속도(Vf)에 상응하는 상기 엔코드 휠(50)의 목표 회전속도(Vm) 와 상기 엔코드 센서(51)의 신호를 통해서 검출된 엔코드 휠(50)의 측정 회전속도(Vs)를 기준으로 첨부된 도 5에서 도시된 흐름도를 기초로 그 알고리즘의 세부동작을 살펴보면, 먼저 스풀(30)에 감겨진 필라멘트(32)의 이송감지가 시작되면 인쇄명령이나 필라멘트의 이송명령에 따라 정해진 필라멘트의 목표 이송 선속도(Vf)에 상응하는 엔코드 휠의 목표 회전속도(Vm)와 실험치로 얻어진 허용오차 비율 α 와 β를 이용하여 검출된 이송속도에 대한 에러판단 기준속도(Vth1, Vth2)를 산출한다.(S10 단계참조)
이후, 상기 엔코드휠(50)과 엔코드센서(51)로부터 발생한 신호를 통해서 실제 필라멘트(32)의 이송속도(Vs)가 검출되었는가를 체크하고 검출되지 않았을 경우는 검출될 때까지 기다린다.(S20 단계참조)
이때, 엔코드 휠(50)의 회전속도 검출 방법은 일정한 시간동안 엔코드 센서로부터 발생한 펄스신호의 수를 이용하는 방법과 엔코드 센서(51)로부터 발생한 펄스신호 간의 시간을 측정하여 이용하는 방법이 있다.
상기 필라멘트(32)의 이송속도가 검출되면 검출된 이송속도(Vs)와 1차 에러 판단 기준속도(Vth1)를 비교하여(S30 단계 참조) 만약 이송속도(Vs)가 1차 에러판단 기준속도(Vth1)보다 작거나 같으면 (Vs <= Vth1) 프린터 자체로 보정이 불가능한 상태이므로 사용자에게 에러의 상태를 알리는 것을 포함한 프린터 자체보상 불가에 대한 에러처리를 한다.(S40 단계참조)
이후, 새로운 필라멘트를 공급하거나 필라멘트의 엉킨 부분을 해소시키는 등의 외부의 조치에 의해 이송속도 (Vs)가 1차 에러판단 기준속도(Vth1)보다 커질 때까지 이송속도를 검출하는 동작을 계속한다.(S45 단계참조)
만약, 만약 이송속도(Vs)가 1차 에러판단 기준속도(Vth1)보다 큰 경우 (Vs>Vth1)는 2차 에러판단 기준속도(Vth2)와 비교하여(S50 단계참조) 이송속도(Vs)가 2차 에러판단 기준속도(Vth2)보다 작거나 같으면 (Vs <= Vth2) 필라멘트가 정상적으로 이송되고 있지는 않지만 히터노즐의 온도를 조정하거나 모터의 전류를 조정하는 등의 프린터 자체에서 보상이 가능한 경우이므로 자체보상처리를 하고(S60 단계참조) S50 단계로 회귀한다.
만약 이송속도(Vs)가 2차 에러판단 기준속도(Vth2)보다 큰 경우 (Vs>Vth2)는 필라멘트의 이송동작이 정상적으로 이루어지고 있는 경우로서, 인쇄동작 중지 또는 필라멘트 이송중지 등의 명령에 의해 필라멘트의 이송이 중지된 상태인가를 확인하고(S70 단계참조) 중지된 상태이면 필라멘트 이송감지동작을 종료한다.
한편, 필라멘트이송이 진행중인 상태이면 필라멘트이송 목표속도가 변경 되었는가를 확인하고(S80 단계참조) 목표속도(Vm)가 변경되지 않은 경우는 S20 단계로 회귀하여 상기 단계를 반복하고, 변경된 경우는 S10 단계로 회귀하여 새로운 에러판단 기준 속도를 산출한 후 상기 동작을 반복한다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (7)

  1. 필라멘트(32)를 녹여서 분사시키는 히터노즐(10)과, 필라멘트(32)를 스풀(30)에서 히터노즐(10)까지 이송시키는 피더(40)와, 히터노즐을 탑재하고 이동시키기 위한 캐리어(2)와, 히터노즐(10)에서 분사된 필라멘트(32)가 자연 경화되면서 형성되는 출력물을 적재하기 위한 배드(20)와, 배드(20) 상에 출력물의 형상을 구현하기 위하여 히터노즐(10)을 탑재한 캐리어(2) 및 배드(20)를 해당 인쇄위치로 이동시키기 위한 X축, Y축, Z축 구동부와, 상기 피더(40)는 필라멘트 이송로를 통해 히터노즐 결합부(15)과 연결되어 구성된 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치에 있어서,
    상기 피더(40) 전단 또는 후단에 위치하여 필라멘트(32)와 대응되도록 감시롤러(52)와 아이들롤러(54) 및 상호 롤러간에 압력이 가해지도록 스프링부재(56)가 구비되고,
    상기 피더(40)의 동력에 의해서 필라멘트가 이송되고 이송된 필라멘트가 상기 감시롤러(52)와 상기 아이들롤러(54) 사이를 통과하면 감시롤러와 필라멘트간의 마찰력에 의해서 감시롤러가 회전함에 따라 감시롤러에 연결된 엔코드 휠(50)이 회전하고 엔코더 휠의 회전을 감지하여 펄스신호를 발생하는 엔코드 센서(51)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치.
  2. 필라멘트(32)를 녹여서 분사시키는 히터노즐(10)과, 필라멘트(32)를 스풀(30)에서 히터노즐(10)까지 이송시키는 피더(40)와, 히터노즐을 탑재하고 이동시키기 위한 캐리어(2)와, 히터노즐(10)에서 분사된 필라멘트(32)가 자연 경화되면서 형성되는 출력물을 적재하기 위한 배드(20)와, 배드(20) 상에 출력물의 형상을 구현하기 위하여 히터노즐(10)을 탑재한 캐리어(2) 및 배드(20)를 해당 인쇄위치로 이동시키기 위한 X축, Y축, Z축 구동부와, 상기 피더(40)는 필라멘트 이송로를 통해 히터노즐 결합부(15)과 연결되어 구성된 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치에 있어서,
    상기 감시롤러(52)는 상기 피드롤러(42)에 대응하는 상기 아이들롤러(44)에 연결되어 상기 피더(40)의 동력에 의해서 필라멘트가 이송되고,
    필라멘트(32)의 이송에 따라 아이들롤러(44)와 아이들롤러(44)에 연결된 감시롤러(52) 및 감시롤러에 연결된 엔코드휠(50)이 회전하고,
    엔코더 휠의 회전을 감지하여 펄스신호를 발생하는 상기 엔코드 센서(51)를 포함하여 구성되되
    피드롤러(42)와 아이들롤러(44) 사이에 필라멘트가 없이 모터만 회전할 때에도 상기 아이들롤러(44)가 회전되는 것을 방지하기 위하여 필리멘트의 직경(Df)보다 작은 일정 한 갭(X)이 유지(0 < x < Df) 되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 장치.
  3. 스풀(30)에 감겨진 필라멘트(32)의 이송감지 동작이 시작되면 인쇄명령이나 필라멘트의 이송명령에 따라 정해진 필라멘트의 목표 이송 선속도(Vf)에 상응하는 엔코드 휠(50)의 목표 회전속도(Vm)와 실험치로 얻어진 허용오차 비율 α 와 β를 이용하여 검출된 이송속도에 대한 에러판단 기준속도(Vth1, Vth2)를 산출하는 제 1 단계;
    엔코드휠(50)과 엔코드센서(51)로부터 발생한 신호를 통해서 실제 필라멘트(32) 이송속도(Vs)의 검출여부를 체크하고 검출되지 않았을 경우는 검출될 때까지 대기하는 제 2 단계;
    상기 필라멘트(32)의 이송속도가 검출되면 검출된 이송속도(Vs)와 1차 에러 판단 기준속도(Vth1)를 비교하여 이송속도(Vs)가 1차 에러판단 기준속도(Vth1)보다 큰 경우 (Vs>Vth1) 2차 에러판단 기준속도(Vth2)와 비교하는 제 3 단계;
    제 3 단계가 이루어진 후, 이송속도(Vs)가 2차 에러판단 기준속도(Vth2)보다 큰 경우(Vs>Vth2) 필라멘트의 이송동작이 진행되고, 인쇄동작 중지 또는 필라멘트 이송중지의 명령에 의해 필라멘트의 이송 중지여부를 확인하여 중지된 상태이면 필라멘트 이송감지동작을 종료하는 제 4 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 단계의 인쇄명령이나 필라멘트 이송명령에 의해 정해진 필라멘트 목표 이송 선속도(Vf)에 상응하는 엔코드 휠(50)의 목표 회전속도(Vm)와 실험치에 의해 정해진 허용오차 비율(α, β)에 의해 에러판단 기준속도(Vth1, Vth2)는
    제 1 단계의 필라멘트 목표 이송 선속도(Vf)에 상응하는 엔코드 휠(50)의 목표 회전속도(Vm)는
    Vm = Vf / (rs * π * Ds)
    rs 는 엔코더 구동계의 감속비,
    Ds 는 감시롤러의 직경이고,
    Vth1 = Vm * α
    α 는 실험치로 정해지며,
    Vth1은 비정상적 동작으로써 외부적으로 보정이 필요한 필라멘트의 이송속도 기준치
    Vth2 = Vm * β
    β 는 실험치로 정해지며,
    Vth2는 정상적은 아니지만 자체적으로 보정 가능한 필라멘트의 이송속도 기준치로 설정되고,
    상기 제 2 단계에서
    상기 엔코드 휠(50)과 엔코드 센서(51)의 신호에 의해 검출된 측정속도(Vs)와 비교하여
    Vs <= Vth1 이면 : 필라멘트가 이송에 따라 프린터 자체로 보정이 불가능한 상태이므로 사용자 에게 에러의 상태를 알리는 것을 포함한 프린터 자체보상 불가에 대한 에러처리를 하고, (Vs)가 1차 에러판단 기준속도(Vth1)보다 커질 때까지 이송속도를 검출하는 동작을 계속하고,
    Vs <= Vth2 이면 : 필라멘트의 이송이 정상적은 아니지만 히터노즐의 온도를 조정하거나 모터의 전류를 조정하는 등의 프린터 자체에서 보상이 가능한 경우이므로 자체보상처리를 하고,
    Vs > Vth2 이면 : 필라멘트가 정상적으로 이송되고 있는 경우로서, 인쇄동작 중지 또는 필라멘트 이송중지의 명령에 의해 필라멘트의 이송이 중지된 상태인가를 확인하고 중지된 상태이면 필라멘트 이송감지동작을 종료하고, 중지된 상태가 아니면 계속해서 이송감지 동작을 진행하는 것을 특징으로 하는 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 단계가 이루어진 후,
    이송속도(Vs)가 1차 에러판단 기준속도(Vth1)보다 작거나 같으면(Vs≤ Vth1) 프린터 자체로 보정이 불가능한 상태로서 프린터 자체보상 불가에 대한 에러처리하고, 이송속도(Vs)가 1차 에러판단 기준속도(Vth1)보다 커질 때까지 이송속도를 검출하는 동작을 진행하는 것을 특징으로 하는 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 3 단계에서,
    이송속도(Vs)가 2차 에러판단 기준속도(Vth2)보다 작거나 같으면 (Vs≤ Vth2) 필라멘트가 정상적으로 이송되고 있지는 않지만 히터노즐의 온도를 조정하거나 모터의 전류를 조정하여 프린터 자체보상처리를 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    제 3 단계가 이루어진 후,
    이송속도(Vs)가 2차 에러판단 기준속도(Vth2)보다 큰 경우(Vs>Vth2) 필라멘트의 이송동작이 진행되고, 인쇄동작 중지 또는 필라멘트 이송중지의 명령에 의해 필라멘트의 이송 중지여부를 확인하여 필라멘트이송이 진행중인 상태이면 필라멘트이송 목표속도 변경여부를 확인하여 목표속도(Vm)가 변경되지 않은 경우는 제 2 단계로 회귀하여 상기 단계를 반복하고, 변경된 경우는 제 1 단계로 회귀하여 새로운 에러판단 기준 속도를 산출하여 상기 동작을 반복하도록 구성된 것을 특징으로 하는 FDM 3D 프린터의 필라멘트 이송의 자동 감시 방법.
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