WO2022114569A1

WO2022114569A1 - 3d 프린팅 출력 안정성을 위한 보조 서포트 생성 방법

Info

Publication number: WO2022114569A1
Application number: PCT/KR2021/015752
Authority: WO
Inventors: 이혜인; 신화선; 전성환; 박성훈
Original assignee: 한국전자기술연구원
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2021-11-03
Publication date: 2022-06-02
Also published as: US20230415422A1; KR102338498B1

Abstract

상향식 적층 제조 방식의 3D 프린팅 출력 안정성을 위한 보조 서포트를 생성하는 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 보조 서포트 생성 방법은, 3D 모델을 복수의 2D 레이어들로 슬라이싱하는 단계; 슬라이싱된 2D 레이어들의 넓이를 기초로 보조 서포트의 위치를 계산하는 단계; 및 계산 결과를 기초로, 보조 서포트를 생성하는 단계;를 포함한다. 이에 의해, 적층 면의 분리력이 균등하도록 보조 서포트 위치 및 크기를 자동으로 생성하여 출력 안정성을 높일 수 있다.

Description

3D 프린팅 출력 안정성을 위한 보조 서포트 생성 방법

본 발명은 3D 프린팅 관련 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상향식 적층 제조 방식의 3D 프린팅 출력 안정성을 위한 보조 서포트를 생성하는 방법에 관한 것이다.

SLA(Stereolithography Apparatus)나 DLP(Digital Light Processing)와 같이 액상 재료를 경화시키며 빌드 플레이트를 끌어올려 적층하는 출력 방식은, 경화된 레이어를 들어올리는 과정에서 경화된 영역과 액상 재료 사이의 분리력이 발생하고, 이 분리력이 끌어올리는 힘보다 크면 출력에 실패하는 문제점이 존재한다.

종래에는 이러한 문제점을 해결하고자 액상 재료의 점성에 따라 빌드 플레이트 올리는 속도를 조절하거나 너무 넓은 영역이 생기지 않도록 모델을 회전하는 방법을 이용하였으나, 이러한 방법만으로는 형상에 따라 도 1 내지 도 2에 예시된 바와 같이 적층영역의 균형이 맞지 않는 경우 출력 안정성을 보장하기 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 액상 재료를 이용한 상향식 적층 제조 시 보조 서포트를 생성함으로써 적층 면의 분리력을 균등하게 만들어 출력 안정성을 높일 수 있는 보조 서포트 생성 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 보조 서포트 생성 방법은, 3D 모델을 복수의 2D 레이어들로 슬라이싱하는 단계; 슬라이싱된 2D 레이어들의 넓이를 기초로 보조 서포트의 위치를 계산하는 단계; 및 계산 결과를 기초로, 보조 서포트를 생성하는 단계;를 포함한다.

그리고 계산 단계는, 슬라이싱된 2D 레이어들의 출력 영역을 나누어, 각 영역별 넓이를 계산하고, 각 영역별 넓이의 분포도를 계산하여, 계산된 분포도를 기초로 보조 서포트의 위치를 계산할 수 있다.

또한, 계산 단계는, 이미지로 출력되는 DLP(Digital Light Processing) 방식인 경우, 픽셀을 포인트로 치환하여 분포도를 계산할 수 있다.

그리고 계산 단계는, 경로를 통해 출력되는 SLA(Stereolithography Apparatus) 방식인 경우, 외곽선의 넓이밀도(면밀도)를 통해 분포도를 계산할 수 있다.

또한, 계산 단계는, 계산된 각 영역별 넓이 분포도의 균일 여부에 따라 보조 서포트의 위치를 계산할 수 있다.

그리고 계산 단계는, 각 영역별 넓이 분포도가 임계치 이하로 낮아 각 영역별 넓이 분포가 균일하지 않은 경우, 보조 서포트를 생성하기로 결정하고, 보조 서포트를 생성하기로 결정하면, 경화된 2D 레이어를 들어올리는 과정에서 경화된 영역과 액상 재료 사이의 분리력을 각 영역별로 계산할 수 있다.

또한, 계산 단계는, η가 점성이고, r이 영역의 직경이고, v가, 빌드 플레이트 속도이며, h가 2D 레이어 두께인 경우, 하기 수식 1을 이용하여, 영역별 분리력(F)을 계산할 수 있다.

(수식 1)

그리고 계산 단계는, 각 영역별 분리력을 계산하여, 분포도가 가장 높은 영역의 분리력 계산 결과(Fs)와 분포도가 가장 낮은 영역의 분리력 계산 결과(Fw)를 비교하여, Fw와 Fs의 차이값이 임계값 이하의 크기가 되도록 하는 위치를 계산할 수 있다.

또한, 보조 서포트는, 상향식 적층 제조 시, 경화된 2D 레이어를 들어올리는 과정에서 경화된 영역과 액상 재료 사이의 분리력이 균등하지 않은 경우, 분리력의 균형을 맞춰주기 위해 이용되는 보조 서포트일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 보조 서포트 생성 시스템은, 3D 모델을 복수의 2D 레이어들로 슬라이싱하고, 슬라이싱된 2D 레이어들의 넓이를 기초로 보조 서포트의 위치를 계산하여, 계산 결과를 기초로 보조 서포트를 생성하는 프로세서; 및 3D 모델을 이루는 2D 레이어들 및 보조 서포트에 대한 정보를 화면에 출력하는 출력부;를 포함한다.

그리고 본 발명의 다른 실시예에 따른, 보조 서포트 생성 방법은, 슬라이싱된 2D 레이어들의 넓이를 기초로 보조 서포트의 위치를 계산하는 단계; 및 계산 결과를 기초로, 보조 서포트를 생성하는 단계;를 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는, 슬라이싱된 2D 레이어들의 넓이를 기초로 보조 서포트의 위치를 계산하는 단계; 및 계산 결과를 기초로, 보조 서포트를 생성하는 단계;를 포함하는 보조 서포트 생성 방법을 수행할 수 있는 프로그램이 수록된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 적층 면의 분리력이 균등하도록 보조 서포트 위치 및 크기를 자동으로 생성하여 출력 안정성을 높일 수 있다.

도 1 내지 2는, 종래의 액상 재료를 이용한 상향식 적층제조 시 출력 형상이 균등하지 않아 분리력이 한쪽으로 쏠리는 경우가 예시된 도면,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 서포트 생성 방법의 설명에 제공된 흐름도,

도 4 내지 도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 서포트 생성 방법을 이용하여 생성되는 보조 서포트를 통해, 분리력을 균등하게 분포시킨 경우가 예시된 도면,

도 6은, Build Plate로부터 연장형성되는 부분과 분포도가 가장 낮은 영역에 생성되는 보조 서포트의 직경이 다르게 형성되는 경우가 예시된 도면,

도 7은, 출력물이 복수인 경우, 분리력을 균등하게 분포시킨 경우가 예시된 도면, 그리고

도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 서포트 생성 시스템의 설명에 제공된 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 서포트 생성 방법의 설명에 제공된 흐름도이고, 도 4 내지 도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 보조 서포트 생성 방법을 이용하여 생성되는 보조 서포트를 통해, 분리력을 균등하게 분포시킨 경우가 예시된 도면이며, 도 6은, Build Plate로부터 연장형성되는 부분과 분포도가 가장 낮은 영역에 생성되는 보조 서포트의 직경이 다르게 형성되는 경우가 예시된 도면이고, 도 7은, 출력물이 복수인 경우, 분리력을 균등하게 분포시킨 경우가 예시된 도면이다.

종래의 상향식 적층 제조 방식의 3D 프린팅 출력은, 도 1 내지 도 2에 예시된 바와 같이 출력 형상이 균등하지 않아 분리력이 한쪽으로 쏠리는 경우, 출력 안정성을 보장하기 어렵다는 문제점이 존재한다.

본 실시예에 따른 보조 서포트 생성 방법은, 액상 재료를 이용한 상향식 적층 제조 시, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 상향식 적층 제조 시, 경화된 2D 레이어를 들어올리는 과정에서 경화된 영역과 액상 재료 사이의 분리력이 균등하지 않은 경우, 적층 면의 분리력을 균등하게 만들어 줄 수 있는 보조 서포트를 생성할 수 있다.

구체적으로, 보조 서포트 생성 방법은, 3D 모델을 복수의 2D 레이어들로 슬라이싱하고, 슬라이싱된 2D 레이어들의 넓이를 기초로 보조 서포트의 위치를 계산하며, 계산 결과를 기초로, 보조 서포트를 생성할 수 있다.

도 3을 참조하면, 슬라이싱 단계에서는, 입력된 3D 모델을 설정된 레이어 두께 h만큼 Z축으로 일정하게 슬라이싱 하게 된다.

단면 넓이의 계산 단계에서는, 출력 영역을 나눠 각 구역별 넓이를 계산할 수 있다. 이때, 출력 영역을 나누는 방식은 사용자(또는 공정 전문가)에 의해 결정된다.

단면 넓이의 분포도 계산 단계에서는 구역별 넓이의 분포도를 계산한다.

구체적으로, 단면 넓이의 분포도 계산 단계에서는 이미지로 출력되는 DLP(Digital Light Processing) 방식인 경우, 픽셀을 포인트로 치환하여 분포도를 계산하고, 경로를 통해 출력되는 SLA(Stereolithography Apparatus) 방식인 경우, 외곽선의 넓이밀도(면밀도)를 통해 분포도를 계산할 수 있다.

보조 서포트 생성 방법은, 계산된 각 영역별 넓이 분포도의 균일 여부에 따라 보조 서포트의 생성 여부를 결정하고, 보조 서포트 생성 시, 생성되는 보조 서포트의 위치를 계산할 수 있다.

예를 들면, 보조 서포트 생성 방법은, 각 영역별 넓이 분포도가 임계치 이하로 낮아 각 영역별 넓이 분포가 균일하지 않은 경우, 보조 서포트를 생성하기로 결정하고, 보조 서포트를 생성하기로 결정하면, 경화된 2D 레이어를 들어올리는 과정에서 경화된 영역과 액상 재료 사이의 분리력을 각 영역별로 계산할 수 있다.

즉, 보조 서포트 생성 방법은, 단면 넓이의 분포도 계산이 완료되면, 계산된 분포도가 균일한 것인지 여부를 판단하고, 계산된 분포도가 균일하지 않은 경우, 보조 서포트 생성 단계로 넘어가게 된다.

보조 서포트 생성 단계에서는, 분포도가 높은 영역의 분리력을 계산하고, 분포도가 낮은 영역의 분리력을 계산하여, 분포도가 낮은 영역에 보조 서포트를 생성하게 된다.

이때, 영역별 분리력(F)은, 하기 수식 1을 이용하여 계산할 수 있다.

(수식 1)

여기서, η는 점성이고, r은 영역의 직경이고, v는 빌드 플레이트 속도이며, h는 2D 레이어 두께를 의미한다.

구체적으로, 보조 서포트 생성 단계에서는, 각 영역별 분리력을 계산하여, 분포도가 가장 높은 영역의 분리력 계산 결과(Fs)와 분포도가 가장 낮은 영역의 분리력 계산 결과(Fw)를 비교하여, Fw와 Fs의 차이값이 임계값 이하의 크기가 되도록 하는 위치를 계산할 수 있다.

보조 서포트 생성 단계에서는, 보조 서포트의 위치 계산이 완료되면, 재료 특성(점성)과 장비 특성(빌드 플레이트 속도)을 반영하여 생성된 3D 보조 서포트 모델을 계산된 위치에 생성할 수 있다.

정리하면, 보조 서포트 생성 단계에서는, 보조 서포트의 단면적을 설정하고, 설정된 보조 서포트의 단면적에 따라 위치를 계산하여, 생성하되, 각 영역별 분리력을 계산하여, 분포도가 가장 높은 영역의 분리력 계산 결과(Fs)와 분포도가 가장 낮은 영역의 분리력 계산 결과(Fw)를 비교하여, Fw와 Fs의 차이값이 임계값 이하의 크기가 되도록 하는 위치를 계산하는 것이다.

다만, 계산된 위치에 따라 Fw와 Fs의 차이값이 임계값 이하의 크기가 되기 어렵다고 판단되면, 설정된 보조 서포트의 단면적을 재설정할 수 있다.

설정된 보조 서포트의 단면적을 재설정하는 경우에는, 단면적을 단위 면적만큼 크게 재설정하고, 각 영역별 분리력을 계산하여, 분포도가 가장 높은 영역의 분리력 계산 결과(Fs)와 분포도가 가장 낮은 영역의 분리력 계산 결과(Fw)를 비교하여, Fw와 Fs의 차이값이 임계값 이하의 크기가 되도록 하는 위치를 계산하고, 이 때도, 계산된 위치에 따라 Fw와 Fs의 차이값이 임계값 이하의 크기가 되기 어렵다고 판단되면, 재차 보조 서포트의 단면적을 단위 면적만큼 크게 설정하여, 점차적으로 단면적이 크게 설정되도록 재설정할 수 있다.

이를 통해, 적층 면의 분리력이 균등하도록 보조 서포트 위치 및 크기를 자동으로 생성하여 출력 안정성을 높일 수 있다.

한편, 보조 서포트 생성 단계에서는, 레이어별로 보조 서포트의 생성 여부와 생성 여부에 따른 위치가 결정되면, 각각의 보조 서포트가 생성될 수 있어, 도 7에 예시된 바와 같이 출력물이 복수인 경우에도, 분리력을 균등하게 분포시킬 수 있다.

이때, 생성되는 보조 서포트는, 도 6에 예시된 바와 같이 Build Plate로부터 연장형성되는 부분과 분포도가 가장 낮은 영역에 생성되는 보조 서포트의 직경이 다르게 형성될 수 있다.

구체적으로, 생성되는 각각의 보조 서포트는, Build Plate로부터 연장형성되는 제1 부분과 제1 부분의 하단에 연결되어, 결정된 위치(분포도가 가장 낮은 영역)에 생성되어, Fw와 Fs의 차이값이 임계값 이하의 크기가 되도록 하는 제2 부분으로 구성될 수 있는데, 제1 부분의 직경은, 보조 서포트의 재료 소모량을 절감시키기 위해, 제2 부분의 직경에 비해 상대적으로 작게 형성될 수 있다.

도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 보조 서포트 생성 시스템은, 통신부(110), 입력부(120), 프로세서(130), 출력부(140) 및 저장부(150)를 포함한다.

통신부(110)는 3D 프린터를 포함한 외부 기기들과 통신하고 네트워크를 통해 서버, 클라우드 등에 접속하기 위한 수단으로, 3D 프린팅에 필요한 데이터를 전송/수신/업로드/다운로드 할 수 있다.

입력부(120)는 3D 프린팅 및 보조 서포트 생성과 관련한 설정/명령을 입력받기 위한 수단이다.

프로세서(130)는 도 3 내지 도 6을 참조하여 전술한 보조 서포트 생성 방법을 수행할 수 있다.

구체적으로, 프로세서(130)는, 3D 모델을 복수의 2D 레이어들로 슬라이싱하고, 슬라이싱된 2D 레이어들의 넓이를 기초로 보조 서포트의 위치를 계산하여, 계산 결과를 기초로 보조 서포트를 생성할 수 있다.

출력부(140)는, 3D 모델을 이루는 2D 레이어들 및 보조 서포트에 대한 정보를 화면에 출력하는 디스플레이이며, 저장부(150)는 프로세서(130)가 정상적으로 동작하는데 있어 필요한 저장공간을 제공하는 저장매체이다.

한편, 본 실시예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims

3D 모델을 복수의 2D 레이어들로 슬라이싱하는 단계;

슬라이싱된 2D 레이어들의 넓이를 기초로 보조 서포트의 위치를 계산하는 단계; 및

계산 결과를 기초로, 보조 서포트를 생성하는 단계;를 포함하는 보조 서포트 생성 방법.
청구항 1에 있어서,

계산 단계는,

슬라이싱된 2D 레이어들의 출력 영역을 나누어, 각 영역별 넓이를 계산하고,

각 영역별 넓이의 분포도를 계산하여, 계산된 분포도를 기초로 보조 서포트의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 보조 서포트 생성 방법.
청구항 2에 있어서,

계산 단계는,

이미지로 출력되는 DLP(Digital Light Processing) 방식인 경우, 픽셀을 포인트로 치환하여 분포도를 계산하는 것을 특징으로 하는 보조 서포트 생성 방법.
청구항 2에 있어서,

계산 단계는,

경로를 통해 출력되는 SLA(Stereolithography Apparatus) 방식인 경우, 외곽선의 넓이밀도(면밀도)를 통해 분포도를 계산하는 것을 특징으로 하는 보조 서포트 생성 방법.
청구항 2에 있어서,

계산 단계는,

계산된 각 영역별 넓이 분포도의 균일 여부에 따라 보조 서포트의 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 보조 서포트 생성 방법.
청구항 5에 있어서,

계산 단계는,

각 영역별 넓이 분포도가 임계치 이하로 낮아 각 영역별 넓이 분포가 균일하지 않은 경우, 보조 서포트를 생성하기로 결정하고,

보조 서포트를 생성하기로 결정하면, 경화된 2D 레이어를 들어올리는 과정에서 경화된 영역과 액상 재료 사이의 분리력을 각 영역별로 계산하는 것을 특징으로 하는 보조 서포트 생성 방법.
청구항 6에 있어서,

계산 단계는,

η가 점성이고, r이 영역의 직경이고, v가, 빌드 플레이트 속도이며, h가 2D 레이어 두께인 경우, 하기 수식 1을 이용하여, 영역별 분리력(F)을 계산하는 것을 특징으로 하는 보조 서포트 생성 방법.

(수식 1)
청구항 6에 있어서,

계산 단계는,

각 영역별 분리력을 계산하여, 분포도가 가장 높은 영역의 분리력 계산 결과(Fs)와 분포도가 가장 낮은 영역의 분리력 계산 결과(Fw)를 비교하여, Fw와 Fs의 차이값이 임계값 이하의 크기가 되도록 하는 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 보조 서포트 생성 방법.
청구항 1에 있어서,

보조 서포트는,

상향식 적층 제조 시, 경화된 2D 레이어를 들어올리는 과정에서 경화된 영역과 액상 재료 사이의 분리력이 균등하지 않은 경우, 분리력의 균형을 맞춰주기 위해 이용되는 보조 서포트인 것을 특징으로 하는 보조 서포트 생성 방법.
3D 모델을 복수의 2D 레이어들로 슬라이싱하고, 슬라이싱된 2D 레이어들의 넓이를 기초로 보조 서포트의 위치를 계산하여, 계산 결과를 기초로 보조 서포트를 생성하는 프로세서; 및

3D 모델을 이루는 2D 레이어들 및 보조 서포트에 대한 정보를 화면에 출력하는 출력부;를 포함하는 보조 서포트 생성 시스템.
슬라이싱된 2D 레이어들의 넓이를 기초로 보조 서포트의 위치를 계산하는 단계; 및

계산 결과를 기초로, 보조 서포트를 생성하는 단계;를 포함하는 보조 서포트 생성 방법.
슬라이싱된 2D 레이어들의 넓이를 기초로 보조 서포트의 위치를 계산하는 단계; 및

계산 결과를 기초로, 보조 서포트를 생성하는 단계;를 포함하는 보조 서포트 생성 방법을 수행할 수 있는 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.