WO2022114570A1 - 금속 3d 프린팅 열쏠림 현상 최소화를 위한 공구 경로 최적화 방법 - Google Patents

금속 3d 프린팅 열쏠림 현상 최소화를 위한 공구 경로 최적화 방법 Download PDF

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전성환
이혜인
박성훈
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Definitions

  • the present invention relates to metal 3D printing technology, and more particularly, to a method of optimizing a tool path for minimizing metal 3D printing heat dissipation.
  • tomographic information is generated, and a tool path of the laser is generated based on the shape of the laminated surface included in the tomographic information.
  • the laser moves along the tool path while generating heat of 600 to 1600 degrees to melt the metal powder (metal powder), and the metal powder solidifies to form an output.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to measure the heat distribution of the currently output layered surface and the residual heat distribution remaining in the previously output lower stacked surfaces through simulated heat data. It is intended to provide a tool path optimization method that can minimize the heat dissipation phenomenon in consideration.
  • a tool path optimization method includes a slicing step of slicing a 3D model to generate tomographic data; A tool path data generation step of applying equipment settings to the generated fault data to generate tool path data including a movement path of a tool moving inside the fault layer; a thermal data generating step of generating thermal data (A) of the first tomography and thermal data (B1, B2, B3) of the lower three layers of the first tomography based on the tool path data; a column data analysis step of merging column data A, B1, B2, and B3 to generate column data contour lines; A thermal data application step of dividing a region in which the heat concentration phenomenon is concentrated based on the column data contour line and setting a division region (D); and a tool path optimization step of optimizing the tool path for the segmentation area (D).
  • the 3D model may be sliced by a preset Z-axis interval to generate 2D polygons that are tomographic data having a thickness of the Z-axis interval.
  • the input parameter is applied to the tool moving inside the 2D polygon that is the tomographic data. You can create a travel route.
  • the tool path data generation step when the movement path of the tool is generated, the tool path data that can be actually output is generated by reflecting the generated tool movement path and adjustment information of the metal 3D printer parts, and the generated tool path data Through this, it is possible to calculate the required time when outputting the 2D polygon of the first tomography.
  • the thermal data generation step generates thermal data (A) for the entire area of the first fault based on the tool path data, and stores the generated thermal data (A) and the calculated time required for the first fault, , it is possible to generate thermal data (B1, B2, B3) by taking into account the heat loss that occurs as time elapses for the time required for the first fault in each of the pre-stored thermal data for the three lower layers of the first fault. have.
  • each weight is applied to the column data A, B1, B2, B3, and the column data A, B1,
  • the total sum of the weights applied to B2 and B3 may be set to 1.
  • the column data to which the weight has been applied is merged, and regions within a specific range are grouped together in the merged column data C to generate a column data contour line that separates the heat concentration regions, and the generated column data Contours can be applied to 2D polygons.
  • the thermal data (C) in which the thermal stray regions are divided and the tool path data are matched, and the region divided by the thermal intensive region in the thermal data (C) and the divided region (pattern) in the tool path data
  • the region divided by the thermal intensive region in the thermal data (C) and the divided region (pattern) in the tool path data By comparing , it is possible to analyze which region of the quartiles of the divided regions in the tool path data has the thermal concentration, and to divide the region where the thermal concentration is concentrated in the tool path data to create the division region D.
  • the tool path pattern may be modified, the processing order may be changed, or the laser speed of a specific section may be adjusted so that the heat dissipation phenomenon within the division area D may be minimized.
  • a tool path optimization system an input unit for inputting parameters for equipment setting; and slicing the 3D model to generate tomographic data, and applying equipment settings to the generated tomographic data to generate tool path data including the movement path of the tool moving inside the fault, and based on the tool path data, the first Generate column data (A) of a single layer and column data (B1, B2, B3) of the lower three layers of the first fault layer, and merge column data A, B1, B2, B3 to generate a column data contour line; and a processor configured to classify a region in which the heat scattering phenomenon is concentrated based on the contour line of the thermal data, set the division region D, and optimize a tool path for the division region D.
  • a method for optimizing a tool path includes: generating tool path data including a movement path of a tool moving inside a fault by applying equipment settings to fault data; a thermal data generating step of generating thermal data (A) of the first tomography and thermal data (B1, B2, B3) of the lower three layers of the first tomography based on the tool path data; a column data analysis step of merging column data A, B1, B2, and B3 to generate column data contour lines; A thermal data application step of dividing a region in which the heat concentration phenomenon is concentrated based on the column data contour line and setting a division region (D); and a tool path optimization step of optimizing the tool path for the segmentation area (D).
  • the computer-readable recording medium generates tool path data for generating tool path data including a movement path of a tool moving inside the fault by applying equipment settings to the fault data. step; a thermal data generating step of generating thermal data (A) of the first tomography and thermal data (B1, B2, B3) of the lower three layers of the first tomography based on the tool path data; a column data analysis step of merging column data A, B1, B2, and B3 to generate column data contour lines; A thermal data application step of dividing a region in which the heat concentration phenomenon is concentrated based on the column data contour line and setting a division region (D); and a tool path optimization step of optimizing the tool path for the division area D; a program capable of performing a tool path optimization method including a.
  • FIG. 3 is a flowchart provided in the description of a method for optimizing a tool path according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 4 is a view provided for the description of the tool path optimization method of Fig. 3 above;
  • 5 is a diagram provided to explain the process of generating tool path data
  • FIG. 8 is a diagram provided for explanation of a tool path optimization system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart provided to explain a tool path optimization method according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a view provided to explain the tool path optimization method of FIG. 3
  • FIG. 5 is tool path data generation A drawing provided for the description of the process.
  • FIG. 6 is a diagram provided to explain a thermal data analysis process
  • FIG. 7 is a diagram provided to explain a thermal data application process and a tool path optimization process.
  • the tool path optimization method minimizes the heat dissipation phenomenon by considering the heat distribution of the currently output layered layer and the residual heat distribution remaining in the previously outputted sublayered layers through simulated heat data.
  • this tool path optimization method modifies the tool path, which is the movement path of the laser, based on thermal data that simulates the heat dissipation caused by the laser during metal additive manufacturing, so that the tool path with the minimized heat dissipation phenomenon is obtained.
  • the present tool path optimization method includes a slicing step ( S310 ) of slicing a 3D model to generate tomographic data, and applying equipment settings to the generated tomographic data, a tool including a movement path of the tool moving inside the tomography
  • a tool path data generation step of generating path data ( S320 ) based on the tool path data, generates thermal data (A) of the first fault layer and thermal data (B1, B2, B3) of the lower three layers of the first fault layer column data generation step (S330), column data analysis step (S340) of merging column data A, B1, B2, and B3 to generate column data contour lines (S340);
  • it may be composed of a thermal data application step (S350) for setting the division area (D) and a tool path optimization step (S360) for optimizing a tool path for the division area (D).
  • the 3D model may be sliced by a preset Z-axis interval to generate 2D polygons that are tomographic data having a thickness of the Z-axis interval.
  • the input parameter is applied to a tool that moves inside a 2D polygon that is tomographic data You can create a movement path for
  • the tool path data generation step ( S320 ) when the movement path of the tool is generated, the tool path data that can be actually output is generated by reflecting the generated tool movement path and adjustment information of the metal 3D printer parts, and the generated tool When outputting the 2D polygon of the first tomography through the path data, it is possible to calculate the required time.
  • parameters such as pattern shape, pattern size, hatching interval and hatch length that can control the tool path are input from the process operator as illustrated in FIG. 5 , and the equipment parameters are If set, the set parameter may be applied to generate a movement path of the laser moving inside the 2D polygon.
  • tool path data generation step (S320) after the tool path is created, tool path data that can be actually output including adjustment information of metal 3D printer parts such as laser is generated, and 2D polygons of the corresponding layer are outputted through the tool path data. You can calculate the time it takes to do it.
  • thermal data (A) for the entire area of the first fault layer is generated based on the tool path data, and the generated thermal data (A) and the calculated time required for the first fault layer are stored.
  • the thermal data B1, B2, and B3 can be generated.
  • each weight is calculated for the column data A, B1, B2, and B3. can be applied
  • the column data to which the weight has been applied is merged, and the column data contour lines are generated by tying regions within a specific range within the merged column data C to separate the heat concentration regions, and the generated Thermal data contours can be applied to 2D polygons.
  • each weight is applied to the input column data A, B1, B2, and B3, and the sum C of the column data to which the weight is applied is obtained.
  • a column-based contour line may be generated that separates the heat agglomeration regions by grouping regions within a specific range within the thermal data C. Then, by applying it to the 2D polygon, the regions of the corresponding 2D polygon of the contour line are divided.
  • the tool path data is matched with the thermal data C in which the thermal intensive areas are divided, and the area and the tool divided into the thermal intensive regions in the thermal data C are matched.
  • the segmented area (pattern) in the path data it analyzes which area of the quartiles of the segmented area in the tool path data has a heat concentration, and divides the concentrated area in the tool path data into a division area (D) can be created.
  • the tool path pattern may be modified, the processing order may be changed, or the laser speed of a specific section may be adjusted so that the heat dissipation phenomenon within the division area D may be minimized.
  • the midpoint of the division region D is used as a reference point, and the closer the tool path to the reference point is, the closer the tool path is. It can be adjusted so that the moving speed of the moving laser is increased and the interval between the output patterns of the laser is widened.
  • FIG. 8 is a diagram provided for explanation of a tool path optimization system according to an embodiment of the present invention.
  • the tool path optimization system includes a communication unit 110 , an input unit 120 , a processor 130 , an output unit 140 , and a storage unit 150 .
  • the communication unit 110 is a means for communicating with external devices including a 3D printer and connecting to a server, a cloud, etc. through a network, and may transmit/receive/upload/download data required for 3D printing.
  • the input unit 120 is a means for receiving a parameter, etc. for equipment setting.
  • the processor 130 may perform the tool path optimization method described above with reference to FIGS. 3 to 7 .
  • the processor 130 generates tomographic data by slicing the 3D model, and applies equipment settings to the generated tomographic data to generate tool path data including a movement path of a tool moving inside the tomography, Based on the tool path data, the column data of the first fault layer (A) and the column data of the lower three layers of the first fault layer (B1, B2, B3) are generated, and the column data A, B1, B2, B3 are merged to , it is possible to generate a contour line of the thermal data, classify a region where the thermal shedding phenomenon is concentrated based on the contour line of the thermal data, set the segmentation area D, and optimize the tool path for the segmentation area D.
  • the output unit 140 is a display for outputting information generated/processed by the processor 130 on the screen
  • the storage unit 150 is a storage medium that provides a storage space necessary for the processor 130 to operate normally.
  • the storage unit 150 may store tomographic data for each layer generated by slicing the 3D model and the time required to output the 2D polygon for each tomographic layer.
  • the technical idea of the present invention can be applied to a computer-readable recording medium containing a computer program for performing the functions of the apparatus and method according to the present embodiment.
  • the technical ideas according to various embodiments of the present invention may be implemented in the form of computer-readable codes recorded on a computer-readable recording medium.
  • the computer-readable recording medium may be any data storage device readable by the computer and capable of storing data.
  • the computer-readable recording medium may be a ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical disk, hard disk drive, or the like.
  • the computer-readable code or program stored in the computer-readable recording medium may be transmitted through a network connected between computers.

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Abstract

금속 3D 프린팅 열쏠림 현상 최소화를 위한 공구 경로를 최적화하는 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 공구 경로 최적화 방법은, 3D 모델을 슬라이싱하여 단층 데이터를 생성하는 슬라이싱 단계; 생성된 단층 데이터에 장비 설정을 적용하여, 단층 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 포함하는 공구 경로 데이터를 생성하는 공구 경로 데이터 생성 단계; 공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 열 데이터(A)와 제1 단층의 하위 3개 층의 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성하는 열 데이터 생성 단계; 열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하여, 열 데이터 등고선을 생성하는 열 데이터 분석 단계; 열 데이터 등고선을 기반으로 열 쏠림 현상이 집중된 영역을 구분하여, 구분 영역(D)을 설정하는 열 데이터 적용 단계; 및 구분 영역(D)에 대한 공구 경로를 최적화하는 공구 경로 최적화 단계;를 포함한다. 이에 의해, 금속 적층 제조 시 발생하는 열 쏠림 현상을 시뮬레이션된 열 데이터를 근거로 공구 경로를 수정하여 열 쏠림 현상이 최소화된 공구 경로를 수정 및 재생성함으로써, 현재 금속 3D 프린팅 제조 현장에서 발생하는 비용을 절감할 수 있다.

Description

금속 3D 프린팅 열쏠림 현상 최소화를 위한 공구 경로 최적화 방법
본 발명은 금속 3D 프린팅 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 3D 프린팅 열쏠림 현상 최소화를 위한 공구 경로를 최적화하는 방법에 관한 것이다.
금속 3D 프린팅의 경우, 도 1 내지 도 2에 예시된 바와 같이 3D 모델을 슬라이싱하여, 단층 정보를 생성하고, 단층 정보에 포함된 적층면의 형상에 근거하여 레이저의 공구 경로를 생성한다.
공구 경로가 생성되면, 공구 경로를 따라 레이저가 600~1600도의 열을 발생시키면서 이동하면서 금속 파우더(금속 분말)를 융해시키고, 금속 파우더가 응고되면서 출력물을 형성하게 된다.
이때, 레이저가 이동하면서 특정 구역에 열 쏠림 현상이 발생하게 된다. 이는 금속의 열전도성 때문에, 직접적으로 레이저가 가열하고 있지 않다 하더라도 열 쏠림 현상이 발생하게 되며, 이러한 열 쏠림 현상은 출력 품질을 저하시키는 문제를 발생시킨다.
종래에는 동일한 재료, 출력환경으로 금속 적층제조를 하여도 출력하고자 하는 모델 형상별로 시간에 따라 변하는 열 분포가 다르기 때문에, 공정 작업자의 노하우에 근거하여 공구 경로의 진행 순서, 방향 등에 변화를 주어 열 쏠림 현상을 축소시키고자 하였으나, 이런 방식은 열 쏠림 현상을 최소화하는 공구 경로를 찾는데 소요되는 시간, 재료, 인력 등의 비용이 계속해서 발생하며, 경험이 없는 공정 작업자는 출력 품질이 안정화된 금속 적층제조 출력물을 만들어 내기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 시뮬레이션된 열 데이터를 통해 현재 출력 중인 적층면의 열 분포와 기 출력된 하위 적층면들에 남아있는 잔류 열 분포를 고려하여 열 쏠림 현상을 최소화할 수 있는 공구 경로 최적화 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 공구 경로 최적화 방법은, 3D 모델을 슬라이싱하여 단층 데이터를 생성하는 슬라이싱 단계; 생성된 단층 데이터에 장비 설정을 적용하여, 단층 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 포함하는 공구 경로 데이터를 생성하는 공구 경로 데이터 생성 단계; 공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 열 데이터(A)와 제1 단층의 하위 3개 층의 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성하는 열 데이터 생성 단계; 열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하여, 열 데이터 등고선을 생성하는 열 데이터 분석 단계; 열 데이터 등고선을 기반으로 열 쏠림 현상이 집중된 영역을 구분하여, 구분 영역(D)을 설정하는 열 데이터 적용 단계; 및 구분 영역(D)에 대한 공구 경로를 최적화하는 공구 경로 최적화 단계;를 포함한다.
그리고 슬라이싱 단계는, 기설정된 Z축 간격만큼 3D 모델을 슬라이싱하여, Z축 간격의 두께를 갖는 단층 데이터인 2D 폴리곤을 생성할 수 있다.
또한, 공구 경로 데이터 생성 단계는, 패턴 형상, 패턴 크기, 해칭 간격 및 해치 길이 중 적어도 하나의 설정을 위한 파라미터가 입력되면, 입력되는 파라미터를 적용하여, 단층 데이터인 2D 폴리곤 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 생성할 수 있다.
그리고 공구 경로 데이터 생성 단계는, 공구의 이동 경로가 생성되면, 생성된 공구의 이동 경로 및 금속 3D 프린터 부품의 조절 정보를 반영하여 실제 출력이 가능한 공구 경로 데이터를 생성하고, 생성된 공구 경로 데이터를 통해, 제1 단층의 2D 폴리곤을 출력할 때, 소요 시간을 계산할 수 있다.
또한, 열 데이터 생성 단계는, 공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 전체 영역에 대한 열 데이터(A)를 생성하고, 생성된 열 데이터(A)와 계산된 제1 단층의 소요 시간을 저장하며, 기저장된 제1 단층의 하위 3개 층에 대한 각각의 열 데이터에 제1 단층의 소요 시간만큼 시간이 경과되면서 발생하는 열 손실을 감안하여, 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성할 수 있다.
그리고 열 데이터 분석 단계는, 생성된 열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하기 전에, 열 데이터 A, B1, B2, B3에 대해 각각의 가중치(Weight)를 적용하며, 열 데이터 A, B1, B2, B3에 적용되는 각각의 가중치의 총 합은 1이 되도록 할 수 있다.
또한, 열 데이터 분석 단계는, 가중치가 적용된 열 데이터들을 병합하여, 병합된 열 데이터(C) 내에서 특정 범위 내에 있는 구역끼리 묶어 열 쏠림 영역들을 구분하는 열 데이터 등고선을 생성하고, 생성된 열 데이터 등고선을 2D 폴리곤에 적용할 수 있다.
그리고 열 데이터 적용 단계는, 열 쏠림 영역들이 구분된 열 데이터(C)와 공구 경로 데이터를 매칭시켜, 열 데이터(C) 내의 열 쏠림 영역으로 구분된 영역과 공구 경로 데이터 내의 구분된 영역(패턴)을 비교하여 공구 경로 데이터 내의 구분된 영역의 사분위 중 어느 영역에 열 쏠림 현상이 있는 지 분석하여, 열 쏠림이 집중된 영역을 공구 경로 데이터 내에서 구분하여 구분 영역(D)을 생성할 수 있다.
또한, 공구 경로 최적화 단계는, 구분 영역(D) 내에서 열 쏠림 현상이 최소화될 수 있도록, 공구 경로 패턴을 수정하거나, 진행 순서를 변동하거나 또는 특정 구간의 레이저 속도를 조절할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 공구 경로 최적화 시스템은, 장비 설정을 위한 파라미터가 입력되는 입력부; 및 3D 모델을 슬라이싱하여 단층 데이터를 생성하고, 생성된 단층 데이터에 장비 설정을 적용하여, 단층 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 포함하는 공구 경로 데이터를 생성하고, 공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 열 데이터(A)와 제1 단층의 하위 3개 층의 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성하며, 열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하여, 열 데이터 등고선을 생성하고, 열 데이터 등고선을 기반으로 열 쏠림 현상이 집중된 영역을 구분하여, 구분 영역(D)을 설정하며, 구분 영역(D)에 대한 공구 경로를 최적화하는 프로세서;를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 공구 경로 최적화 방법은, 단층 데이터에 장비 설정을 적용하여, 단층 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 포함하는 공구 경로 데이터를 생성하는 공구 경로 데이터 생성 단계; 공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 열 데이터(A)와 제1 단층의 하위 3개 층의 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성하는 열 데이터 생성 단계; 열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하여, 열 데이터 등고선을 생성하는 열 데이터 분석 단계; 열 데이터 등고선을 기반으로 열 쏠림 현상이 집중된 영역을 구분하여, 구분 영역(D)을 설정하는 열 데이터 적용 단계; 및 구분 영역(D)에 대한 공구 경로를 최적화하는 공구 경로 최적화 단계;를 포함한다.
그리고 본 발명의 다른 실시예에 따른, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는, 단층 데이터에 장비 설정을 적용하여, 단층 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 포함하는 공구 경로 데이터를 생성하는 공구 경로 데이터 생성 단계; 공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 열 데이터(A)와 제1 단층의 하위 3개 층의 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성하는 열 데이터 생성 단계; 열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하여, 열 데이터 등고선을 생성하는 열 데이터 분석 단계; 열 데이터 등고선을 기반으로 열 쏠림 현상이 집중된 영역을 구분하여, 구분 영역(D)을 설정하는 열 데이터 적용 단계; 및 구분 영역(D)에 대한 공구 경로를 최적화하는 공구 경로 최적화 단계;를 포함하는 공구 경로 최적화 방법을 수행할 수 있는 프로그램이 수록된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 금속 적층 제조 시 발생하는 열 쏠림 현상을 시뮬레이션된 열 데이터를 근거로 공구 경로를 수정하여 열 쏠림 현상이 최소화된 공구 경로를 수정 및 재생성함으로써, 현재 금속 3D 프린팅 제조 현장에서 발생하는 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 금속 분말을 이용하는 금속 3D 프린팅의 설명에 제공된 도면,
도 2는, 금속 분말을 이용하는 금속 3D 프린팅 과정의 설명에 제공된 도면,
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 공구 경로 최적화 방법의 설명에 제공된 흐름도,
도 4는, 상기 도 3의 공구 경로 최적화 방법의 설명에 제공된 도면,
도 5는, 공구 경로 데이터 생성 과정의 설명에 제공된 도면,
도 6은, 열 데이터 분석 과정의 설명에 제공된 도면,
도 7은, 열 데이터 적용 과정 및 공구 경로 최적화 과정의 설명에 제공된 도면, 그리고
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 공구 경로 최적화 시스템의 설명에 제공된 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 공구 경로 최적화 방법의 설명에 제공된 흐름도이고, 도 4는, 상기 도 3의 공구 경로 최적화 방법의 설명에 제공된 도면이며, 도 5는, 공구 경로 데이터 생성 과정의 설명에 제공된 도면이다. 그리고 도 6은, 열 데이터 분석 과정의 설명에 제공된 도면이고, 도 7은, 열 데이터 적용 과정 및 공구 경로 최적화 과정의 설명에 제공된 도면이다.
본 실시예에 따른 공구 경로 최적화 방법은, 시뮬레이션된 열 데이터를 통해 현재 출력 중인 적층면(Layer)의 열 분포와 기출력된 하위 적층면들에 남아있는 잔류 열 분포를 고려하여 열 쏠림 현상을 최소화하기 위해 마련된다.
구체적으로, 본 공구 경로 최적화 방법은, 금속 적층 제조 시, 레이저에 의해 발생하는 열 쏠림 현상을 시뮬레이션된 열 데이터를 근거로 레이저의 이동 경로인 공구 경로를 수정하여 열 쏠림 현상이 최소화된 공구 경로를 생성하고자 한다.
일반적으로 금속 3D 프린팅 기술 분야는, 3D 모델의 형태에 따라 달라지는 공구 경로를 안정화시키기 위해 다수의 출력 시도가 필요한데, 본 공구 경로 최적화 방법은, 적층면에 대한 2D 폴리곤 기반 생성된 공구 경로에 대해 시뮬레이션된 열 데이터를 바탕으로 열 쏠림이 발생하는 구역을 미리 예측하고, 공구 경로를 수정하여 열 쏠림 현상이 최소화된 공구 경로를 재생성함으로써, 공구 경로를 안정화시키기 위해 발생하는 출력 실패율을 낮추어 적층 제조 비용을 줄이고자 하는 것이다.
이를 위하여, 본 공구 경로 최적화 방법은, 3D 모델을 슬라이싱하여 단층 데이터를 생성하는 슬라이싱 단계(S310), 생성된 단층 데이터에 장비 설정을 적용하여, 단층 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 포함하는 공구 경로 데이터를 생성하는 공구 경로 데이터 생성 단계(S320), 공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 열 데이터(A)와 제1 단층의 하위 3개 층의 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성하는 열 데이터 생성 단계(S330), 열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하여, 열 데이터 등고선을 생성하는 열 데이터 분석 단계(S340), 열 데이터 등고선을 기반으로 열 쏠림 현상이 집중된 영역을 구분하여, 구분 영역(D)을 설정하는 열 데이터 적용 단계(S350) 및 구분 영역(D)에 대한 공구 경로를 최적화하는 공구 경로 최적화 단계(S360)로 구성될 수 있다.
슬라이싱 단계(S310)에서는, 기설정된 Z축 간격만큼 3D 모델을 슬라이싱하여, Z축 간격의 두께를 갖는 단층 데이터인 2D 폴리곤을 생성할 수 있다.
공구 경로 데이터 생성 단계(S320)에서는, 패턴 형상, 패턴 크기, 해칭 간격 및 해치 길이 중 적어도 하나의 설정을 위한 파라미터가 입력되면, 입력되는 파라미터를 적용하여, 단층 데이터인 2D 폴리곤 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 생성할 수 있다.
그리고 공구 경로 데이터 생성 단계(S320)에서는, 공구의 이동 경로가 생성되면, 생성된 공구의 이동 경로 및 금속 3D 프린터 부품의 조절 정보를 반영하여 실제 출력이 가능한 공구 경로 데이터를 생성하고, 생성된 공구 경로 데이터를 통해, 제1 단층의 2D 폴리곤을 출력할 때, 소요 시간을 계산할 수 있다.
구체적으로, 공구 경로 데이터 생성 단계(S320)에서는, 도 5에 예시된 바와 같이 공정 작업자로부터 공구 경로를 조절할 수 있는 패턴 형상, 패턴 크기, 해칭 간격 및 해치 길이 등의 파라미터를 입력 받아, 장비 파라미터가 설정되면, 설정된 파라미터가 적용되어, 2D 폴리곤 내부를 이동하는 레이저의 이동 경로를 생성할 수 있다.
그리고 공구 경로 데이터 생성 단계(S320)에서는, 공구 경로 생성 후, 레이저 등 금속 3D 프린터 부품 조절 정보까지 포함하여 실제 출력이 가능한 공구 경로 데이터를 생성하고, 공구 경로 데이터를 통해 해당 층의 2D 폴리곤을 출력할 때 소요되는 시간을 계산할 수 있다.
열 데이터 생성 단계(S330)에서는, 공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 전체 영역에 대한 열 데이터(A)를 생성하고, 생성된 열 데이터(A)와 계산된 제1 단층의 소요 시간을 저장하며, 기저장된 제1 단층의 하위 3개 층에 대한 각각의 열 데이터에 제1 단층의 소요 시간만큼 시간이 경과되면서 발생하는 열 손실을 감안하여, 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성할 수 있다.
열 데이터 분석 단계(S340)에서는, 생성된 열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하기 전에, 도 6에 예시된 바와 같이 열 데이터 A, B1, B2, B3에 대해 각각의 가중치(Weight)를 적용할 수 있다.
이때, 열 데이터 A, B1, B2, B3에 적용되는 각각의 가중치의 총 합은 1이 된다.
Total Weight = wA + wB1 + wB2 + wB3
그리고 열 데이터 분석 단계(S340)에서는, 가중치가 적용된 열 데이터들을 병합하여, 병합된 열 데이터(C) 내에서 특정 범위 내에 있는 구역끼리 묶어 열 쏠림 영역들을 구분하는 열 데이터 등고선을 생성하고, 생성된 열 데이터 등고선을 2D 폴리곤에 적용할 수 있다.
구체적으로, 열 데이터 분석 단계(S340)에서는, 입력받은 열 데이터들(A, B1, B2, B3)에 대해 각각의 가중치(Weight)를 적용하고, 가중치가 적용된 열 데이터들의 합(C)를 구한 후, 열 데이터(C) 내에서 특정 범위 내에 있는 구역끼리 묶어 열 쏠림 영역들을 구분하는 열 기반 등고선을 생성할 수 있다. 그리고 2D 폴리곤에 적용하여 해당 등고선 2D 폴리곤의 영역들을 분할하게 된다.
열 데이터 적용 단계(S350)에서는, 도 7에 예시된 바와 같이 열 쏠림 영역들이 구분된 열 데이터(C)와 공구 경로 데이터를 매칭시켜, 열 데이터(C) 내의 열 쏠림 영역으로 구분된 영역과 공구 경로 데이터 내의 구분된 영역(패턴)을 비교하여 공구 경로 데이터 내의 구분된 영역의 사분위 중 어느 영역에 열 쏠림 현상이 있는 지 분석하여, 열 쏠림이 집중된 영역을 공구 경로 데이터 내에서 구분하여 구분 영역(D)을 생성할 수 있다.
공구 경로 최적화 단계(S360)에서는, 구분 영역(D) 내에서 열 쏠림 현상이 최소화될 수 있도록, 공구 경로 패턴을 수정하거나, 진행 순서를 변동하거나 또는 특정 구간의 레이저 속도를 조절할 수 있다.
예를 들면, 공구 경로 최적화 단계(S360)에서는, 제1 단층 내 구분 영역(D)가 생성되면, 구분 영역(D)의 중점을 기준점으로 하여, 공구 경로가 기준점에서 가까울수록 상대적으로 공구 경로를 따라 이동하는 레이저의 이동 속도가 빨라지고, 레이저의 출력 패턴 간격이 넓어지도록 조절할 수 있다.
이를 통해, 금속 적층 제조 시 발생하는 열 쏠림 현상을 시뮬레이션된 열 데이터를 근거로 공구 경로를 수정하여 열 쏠림 현상이 최소화된 공구 경로를 수정 및 재생성함으로써, 현재 금속 3D 프린팅 제조 현장에서 발생하는 비용을 절감할 수 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 공구 경로 최적화 시스템의 설명에 제공된 도면이다.
도 8을 참조하면, 공구 경로 최적화 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 장비 설정을 위한 파라미터 등을 입력받기 위한 수단이다.
프로세서(130)는 도 3 내지 도 7을 참조하여 전술한 공구 경로 최적화 방법을 수행할 수 있다.
구체적으로, 프로세서(130)는, 3D 모델을 슬라이싱하여 단층 데이터를 생성하고, 생성된 단층 데이터에 장비 설정을 적용하여, 단층 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 포함하는 공구 경로 데이터를 생성하고, 공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 열 데이터(A)와 제1 단층의 하위 3개 층의 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성하며, 열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하여, 열 데이터 등고선을 생성하고, 열 데이터 등고선을 기반으로 열 쏠림 현상이 집중된 영역을 구분하여, 구분 영역(D)을 설정하며, 구분 영역(D)에 대한 공구 경로를 최적화할 수 있다.
출력부(140)는, 프로세서(130)에 의해 생성/처리 되는 정보들이 화면에 출력하는 디스플레이이며, 저장부(150)는 프로세서(130)가 정상적으로 동작하는데 있어 필요한 저장공간을 제공하는 저장매체이다.
저장부(150)는, 3D 모델이 슬라이싱 되어 생성되는 각 층별 단층 데이터 및 각 단층별 2D 폴리곤 출력에 소요되는 소요 시간을 저장할 수 있다.
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 (12)

  1. 3D 모델을 슬라이싱하여 단층 데이터를 생성하는 슬라이싱 단계;
    생성된 단층 데이터에 장비 설정을 적용하여, 단층 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 포함하는 공구 경로 데이터를 생성하는 공구 경로 데이터 생성 단계;
    공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 열 데이터(A)와 제1 단층의 하위 3개 층의 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성하는 열 데이터 생성 단계;
    열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하여, 열 데이터 등고선을 생성하는 열 데이터 분석 단계;
    열 데이터 등고선을 기반으로 열 쏠림 현상이 집중된 영역을 구분하여, 구분 영역(D)을 설정하는 열 데이터 적용 단계; 및
    구분 영역(D)에 대한 공구 경로를 최적화하는 공구 경로 최적화 단계;를 포함하는 공구 경로 최적화 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    슬라이싱 단계는,
    기설정된 Z축 간격만큼 3D 모델을 슬라이싱하여, Z축 간격의 두께를 갖는 단층 데이터인 2D 폴리곤을 생성하는 것을 특징으로 하는 공구 경로 최적화 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    공구 경로 데이터 생성 단계는,
    패턴 형상, 패턴 크기, 해칭 간격 및 해치 길이 중 적어도 하나의 설정을 위한 파라미터가 입력되면, 입력되는 파라미터를 적용하여, 단층 데이터인 2D 폴리곤 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 생성하는 것을 특징으로 하는 공구 경로 최적화 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    공구 경로 데이터 생성 단계는,
    공구의 이동 경로가 생성되면, 생성된 공구의 이동 경로 및 금속 3D 프린터 부품의 조절 정보를 반영하여 실제 출력이 가능한 공구 경로 데이터를 생성하고,
    생성된 공구 경로 데이터를 통해, 제1 단층의 2D 폴리곤을 출력할 때, 소요 시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 공구 경로 최적화 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    열 데이터 생성 단계는,
    공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 전체 영역에 대한 열 데이터(A)를 생성하고, 생성된 열 데이터(A)와 계산된 제1 단층의 소요 시간을 저장하며,
    기저장된 제1 단층의 하위 3개 층에 대한 각각의 열 데이터에 제1 단층의 소요 시간만큼 시간이 경과되면서 발생하는 열 손실을 감안하여, 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성하는 것을 특징으로 하는 공구 경로 최적화 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    열 데이터 분석 단계는,
    생성된 열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하기 전에, 열 데이터 A, B1, B2, B3에 대해 각각의 가중치(Weight)를 적용하며,
    열 데이터 A, B1, B2, B3에 적용되는 각각의 가중치의 총 합은 1이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 공구 경로 최적화 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    열 데이터 분석 단계는,
    가중치가 적용된 열 데이터들을 병합하여, 병합된 열 데이터(C) 내에서 특정 범위 내에 있는 구역끼리 묶어 열 쏠림 영역들을 구분하는 열 데이터 등고선을 생성하고, 생성된 열 데이터 등고선을 2D 폴리곤에 적용하는 것을 특징으로 하는 공구 경로 최적화 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    열 데이터 적용 단계는,
    열 쏠림 영역들이 구분된 열 데이터(C)와 공구 경로 데이터를 매칭시켜, 열 데이터(C) 내의 열 쏠림 영역으로 구분된 영역과 공구 경로 데이터 내의 구분된 영역(패턴)을 비교하여 공구 경로 데이터 내의 구분된 영역의 사분위 중 어느 영역에 열 쏠림 현상이 있는 지 분석하여, 열 쏠림이 집중된 영역을 공구 경로 데이터 내에서 구분하여 구분 영역(D)을 생성하는 것을 특징으로 하는 공구 경로 최적화 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    공구 경로 최적화 단계는,
    구분 영역(D) 내에서 열 쏠림 현상이 최소화될 수 있도록, 공구 경로 패턴을 수정하거나, 진행 순서를 변동하거나 또는 특정 구간의 레이저 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 공구 경로 최적화 방법.
  10. 장비 설정을 위한 파라미터가 입력되는 입력부; 및
    3D 모델을 슬라이싱하여 단층 데이터를 생성하고, 생성된 단층 데이터에 장비 설정을 적용하여, 단층 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 포함하는 공구 경로 데이터를 생성하고, 공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 열 데이터(A)와 제1 단층의 하위 3개 층의 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성하며, 열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하여, 열 데이터 등고선을 생성하고, 열 데이터 등고선을 기반으로 열 쏠림 현상이 집중된 영역을 구분하여, 구분 영역(D)을 설정하며, 구분 영역(D)에 대한 공구 경로를 최적화하는 프로세서;를 포함하는 공구 경로 최적화 시스템.
  11. 단층 데이터에 장비 설정을 적용하여, 단층 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 포함하는 공구 경로 데이터를 생성하는 공구 경로 데이터 생성 단계;
    공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 열 데이터(A)와 제1 단층의 하위 3개 층의 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성하는 열 데이터 생성 단계;
    열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하여, 열 데이터 등고선을 생성하는 열 데이터 분석 단계;
    열 데이터 등고선을 기반으로 열 쏠림 현상이 집중된 영역을 구분하여, 구분 영역(D)을 설정하는 열 데이터 적용 단계; 및
    구분 영역(D)에 대한 공구 경로를 최적화하는 공구 경로 최적화 단계;를 포함하는 공구 경로 최적화 방법.
  12. 단층 데이터에 장비 설정을 적용하여, 단층 내부를 이동하는 공구의 이동 경로를 포함하는 공구 경로 데이터를 생성하는 공구 경로 데이터 생성 단계;
    공구 경로 데이터를 기반으로 제1 단층의 열 데이터(A)와 제1 단층의 하위 3개 층의 열 데이터(B1, B2, B3)를 생성하는 열 데이터 생성 단계;
    열 데이터 A, B1, B2, B3를 병합하여, 열 데이터 등고선을 생성하는 열 데이터 분석 단계;
    열 데이터 등고선을 기반으로 열 쏠림 현상이 집중된 영역을 구분하여, 구분 영역(D)을 설정하는 열 데이터 적용 단계; 및
    구분 영역(D)에 대한 공구 경로를 최적화하는 공구 경로 최적화 단계;를 포함하는 공구 경로 최적화 방법을 수행할 수 있는 프로그램이 수록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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