KR102572003B1 - Apparatus for controlling 3d printing considering a surface tension of output material and method thereof - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 출력물의 품질을 향상시킬 수 있는 3D 프린팅 제어 장치 및 방법을 개시한다. 출력 소재의 표면장력 특성에 따라 최적의 채움 밀도를 설정하면 최소한의 출력 경로 설정이 가능하다. 출력 경로의 설정은 출력 소재의 표면장력에 따라 출력 소재가 토출된 후 퍼져나가는 특성을 고려하여 출력 경로의 폭이 설정될 수 있다. 출력 소재의 표면장력 특성은 토출된 방울의 반지름을 측정하여 산출될 수 있다.The present specification discloses a 3D printing control device and method capable of improving the quality of output. By setting the optimal filling density according to the surface tension characteristics of the output material, it is possible to set the minimum output path. In setting the output path, the width of the output path may be set in consideration of the spreading characteristics of the output material after being ejected according to the surface tension of the output material. The surface tension characteristics of the output material can be calculated by measuring the radius of the ejected droplet.
Description
본 발명은 3D 프린팅에 관한 것이다. The present invention relates to 3D printing.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 명세서에 기재된 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 종래 기술을 구성하는 것은 아니다.The content described in this section merely provides background information on the embodiments described herein and does not necessarily constitute prior art.
3D 프린팅(3D printing) 기술의 응용 및 발전 분야인 3D 바이오프린팅(bioprinting)은 3D 프린트 기술을 기반으로 하여, 콜라겐과 같은 세포외기질(Extracellular Matrix: 이하 ECM) 또는 이를 모방한 바이오 잉크(bio-ink)를 세포 및 다른 바이오 물질(biomaterials)와 결합하여 원하는 형태를 만드는 기술이다. 현재 3D 바이오프린팅은 원하는 목적과 생물학적 환경에 맞추어 다양한 방법이 개발되고 있으며, 이와 더불어 다양한 바이오 잉크 역시 연구되고 있다.3D bioprinting, which is a field of application and development of 3D printing technology, is based on 3D printing technology and uses extracellular matrix (ECM) such as collagen or bio-ink that imitates it. It is a technology to create a desired shape by combining ink with cells and other biomaterials. Currently, various methods of 3D bioprinting are being developed according to the desired purpose and biological environment, and various bioinks are also being studied.
도 1은 종래 기술에 따른 3D 프린팅의 일 예시이다.1 is an example of 3D printing according to the prior art.
도 1을 참조하면, 출력 소재가 액체인 경우 고체 상태인 3D 그물망 구조의 골격(scaffold)을 구성하고, 액체 상태의 출력 소재(예: 바이오 잉크(bioink))를 적층한다. 이때, 골격(scaffold)의 소재는 자연 분해되는 소재로서, 출력 이후 시간이 지남에 따라 자연 분해되는 방식으로 3D 프린팅이 진행된다.Referring to FIG. 1 , when an output material is a liquid, a scaffold of a 3D mesh structure in a solid state is formed, and an output material (eg, bioink) in a liquid state is laminated. At this time, the material of the scaffold is a material that is naturally decomposed, and 3D printing proceeds in a way that it is naturally decomposed over time after output.
이러한 종래 방식에 따른 3D 프린팅의 경우, 출력 소재 및 조형하고자 하는 3D 형상에 따라 최적 조건으로 출력 변수를 설정해야만 원하는 형상을 제작할 수 있다. 출력 소재인 액체의 종류가 변경되거나 또는 동일한 액체라 하여도 혼합 비율이 변경되는 경우, 액체의 고유 성질인 표면장력과 점도가 변하여 출력품질에 영향을 줄 수 있다.In the case of 3D printing according to such a conventional method, a desired shape can be produced only when output variables are set to optimum conditions according to the output material and the 3D shape to be modeled. When the type of liquid, which is an output material, is changed or the mixing ratio of the same liquid is changed, surface tension and viscosity, which are inherent properties of the liquid, may change, which may affect output quality.
따라서, 출력 소재가 바뀔 때 마다 새로운 소재에 대해 최적 조건을 갖도록 출력 설정을 찾는 것은 많은 시간과 비용 투자가 필요하게 된다. 나아가, 출력 소재에 따라 적합한 3D 프린링의 출력 설정 값을 여러 번의 시행착오를 거쳐 찾아야 함으로 비용과 시간이 많이 소모되는 문제가 있다. 또한 이러한 방식은 출력물의 표면 품질을 향상시키기 위해 여러 레이어(layer)로 적층하여 3D 형상을 제작함으로 출력시간이 오래 걸리는 단점이 있다.Therefore, whenever the output material is changed, it takes a lot of time and money to find the output setting to have the optimal condition for the new material. Furthermore, there is a problem in that a lot of cost and time is consumed because the output setting value of 3D printing suitable for the output material must be found through several trials and errors. In addition, this method has a disadvantage in that it takes a long time to print because a 3D shape is produced by stacking several layers in order to improve the surface quality of the output.
본 명세서는 출력물의 품질을 향상시킬 수 있는 3D 프린팅 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present specification is to provide a 3D printing control device and method capable of improving the quality of output.
본 명세서는 상기 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.This specification is not limited to the above-mentioned tasks, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 3D 프린팅 제어 장치는, 출력 소재의 표면장력 특성에 의해 출력 라인의 폭을 설정하는 프로세서;를 포함할 수 있다.The 3D printing control device according to the present specification for solving the above problems may include a processor configured to set a width of an output line according to surface tension characteristics of an output material.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 출력 소재의 표면장력 특성은 물의 표면장력에 대한 출력 소재의 표면장력 비율일 수 있다.According to one embodiment of the present specification, the surface tension characteristic of the output material may be a ratio of the surface tension of the output material to the surface tension of water.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 출력 소재의 표면장력 비율은 디스펜서 니들이 바닥면으로부터 미리 설정된 거리만큼 떨어진 상태에서 토출된 후 형성된 원 모양 방울의 반지름 값을 이용하여 산출된 것일 수 있다.According to one embodiment of the present specification, the surface tension ratio of the output material may be calculated using a radius value of a circular drop formed after the dispenser needle is ejected from the bottom by a preset distance.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서는 아래 수식을 통해 상기 출력 라인의 폭(LD)을 산출할 수 있다.According to one embodiment of the present specification, the processor may calculate the width (L D ) of the output line through the following formula.
: 출력물 채움 밀도, : 니들 내경, : 출력 라인 간격, H: 출력물의 높이, : 물방울의 반지름, : 물과 출력하는 소재의 표면장력 비, : 표면장력 측정을 위해 출력된 방울의 부피 : Output filling density, : needle inner diameter, : Output line spacing, H: Output height, : the radius of the water drop, : Surface tension ratio of water and the material to be printed, : Volume of droplet printed for surface tension measurement
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서는 아래 수식에 따라 압출 길이를 더 설정할 수 있다.According to one embodiment of the present specification, the processor may further set the extrusion length according to the formula below.
: 출력물의 부피, : 디스펜서 내경, : 압출 길이 : Volume of output, : inner diameter of the dispenser, : extrusion length
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서는 설정된 출력 라인의 폭에 따라 출력 속도를 더 설정할 수 있다.According to one embodiment of the present specification, the processor may further set the output speed according to the set width of the output line.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서는 아래 수식을 통해 상기 출력 평균 속도(vavg)을 산출할 수 있다.According to one embodiment of the present specification, the processor may calculate the output average speed (v avg ) through the following formula.
: 출력 평균 속도, 디스펜서를 눌러주는 최대 속도, : 디스펜서 내경, : 출력물 채움 밀도, : 니들 내경, : 출력 라인 간격, : 출력물의 높이 : output average speed, The maximum speed at which the dispenser is pressed, : inner diameter of the dispenser, : Output filling density, : needle inner diameter, : output line spacing, : the height of the output
상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 3D 프린팅 제어 방법은, (a) 프로세서가 출력 소재의 표면장력 특성에 대한 값을 입력받는 단계; 및 (b) 프로세서가 상기 입력된 출력 소재의 표면장력 특성 값에 의해 출력 라인의 폭을 정하는 단계;를 포함할 수 있다.3D printing control method according to the present specification for solving the above problems, (a) the processor receives a value for the surface tension characteristics of the output material; and (b) determining, by the processor, the width of the output line based on the input surface tension characteristic value of the output material.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 출력 소재의 표면장력 특성 값은 물의 표면장력에 대한 출력 소재의 표면장력 비율 값일 수 있다.According to one embodiment of the present specification, the surface tension characteristic value of the output material may be a ratio value of the surface tension of the output material to the surface tension of water.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 출력 소재의 표면장력 비율 값은, (a-1) 프로세서가 디스펜서 니들이 바닥면으로부터 미리 설정된 거리만큼 떨어진 상태가 되도록 제어하는 단계; (a-2) 프로세서가 디스펜서 니들에서 미리 설정된 양의 출력 소재가 토출되도록 제어하는 단계; 및 (a-3) 프로세서가 토출된 후 형성된 원 모양 방울의 반지름 값을 이용하여 출력 소재의 표면장력 비율 값을 산출하는 단계;를 거쳐서 산출된 것일 수 있다.According to one embodiment of the present specification, the surface tension ratio of the output material may include: (a-1) controlling the dispenser needle to be separated from the bottom by a preset distance by a processor; (a-2) controlling, by a processor, a preset amount of output material to be discharged from the dispenser needle; and (a-3) calculating the surface tension ratio value of the output material using the radius value of the circular drop formed after the processor is ejected.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 (a-3)단계는, 상기 프로세서가 상기 출력 소재가 토출되어 형성된 원(방울)을 촬영한 카메라에서 출력된 이미지에서 방울의 반지름을 측정하는 단계일 수 있다.According to one embodiment of the present specification, the step (a-3) may be a step in which the processor measures the radius of the drop in an image output from a camera that captures a circle (drop) formed by ejecting the output material. there is.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계는 프로세서가 아래 수식을 통해 상기 출력 라인의 폭(LD)을 산출하는 단계일 수 있다.According to one embodiment of the present specification, the step (b) may be a step in which the processor calculates the width (L D ) of the output line through the following formula.
: 출력물 채움 밀도, : 니들 내경, : 출력 라인 간격, H: 출력물의 높이, : 물방울의 반지름, : 물과 출력하는 소재의 표면장력 비, : 표면장력 측정을 위해 출력된 방울의 부피 : Output filling density, : needle inner diameter, : Output line spacing, H: Output height, : the radius of the water drop, : Surface tension ratio of water and the material to be printed, : Volume of droplet printed for surface tension measurement
본 명세서에 따른 3D 프린팅 제어 방법은, (c) 프로세서가 아래 수식에 따라 압출 길이를 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The 3D printing control method according to the present specification may further include: (c) the processor setting the extrusion length according to the formula below.
: 출력물의 부피, : 디스펜서 내경, : 압출 길이 : Volume of output, : inner diameter of the dispenser, : extrusion length
본 명세서에 따른 3D 프린팅 제어 방법은, (d) 프로세서가 설정된 출력 라인의 폭에 따라 출력 속도를 설정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The 3D printing control method according to the present specification may further include (d) setting the output speed according to the width of the set output line by the processor.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 (d) 단계는 프로세서가 아래 수식을 통해 상기 출력 평균 속도(vavg)을 산출하는 단계일 수 있다.According to one embodiment of the present specification, the step (d) may be a step in which the processor calculates the output average speed (v avg ) through the following formula.
: 출력 평균 속도, 디스펜서를 눌러주는 최대 속도, : 디스펜서 내경, : 출력물 채움 밀도, : 니들 내경, : 출력 라인 간격, : 출력물의 높이 : output average speed, The maximum speed at which the dispenser is pressed, : inner diameter of the dispenser, : Output filling density, : needle inner diameter, : output line spacing, : the height of the output
본 명세서에 따른 3D 프린팅 제어 방법은, 컴퓨터에서 3D 프린팅 제어 방법의 각 단계들을 수행하도록 작성되어 컴퓨터로 독출 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터프로그램의 형태로 구현될 수 있다.The 3D printing control method according to the present specification may be implemented in the form of a computer program written to perform each step of the 3D printing control method in a computer and recorded on a computer-readable recording medium.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.
본 명세서의 일 측면에 따르면, 출력 소재가 액체 혼합물인 경우 출력물의 품질을 향상시킬 수 있도록 적합한 출력 설정을 생성할 수 있다.According to one aspect of the present specification, when the output material is a liquid mixture, suitable output settings may be created to improve the quality of the output material.
본 명세서의 다른 측면에 따르면, 액체 혼합물을 출력할 때, 출력물 채움 밀도와 속도를 최적으로 설정하여 최소의 레이어로 최단시간에 출력을 완료할 수 있다.According to another aspect of the present specification, when printing a liquid mixture, it is possible to complete printing in the shortest time with the minimum number of layers by optimally setting the filling density and speed of the print object.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
도 1은 종래 기술에 따른 3D 프린팅의 일 예시이다.
도 2는 채움 밀도에 대한 이해를 돕기 위한 참고도이다.
도 3은 본 명세서에 따라 출력 소재의 표면장력을 찾는 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 4는 표면장력에 대한 이해를 돕기 위한 참고도이다.1 is an example of 3D printing according to the prior art.
2 is a reference diagram to help understand the filling density.
3 is a schematic flow chart of a method for finding the surface tension of an output material according to the present specification.
4 is a reference diagram to aid understanding of surface tension.
본 명세서에 개시된 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 명세서가 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 명세서의 개시가 완전하도록 하고, 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자(이하 '당업자')에게 본 명세서의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서의 권리 범위는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Advantages and features of the invention disclosed in this specification, and methods for achieving them, will become clear with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present specification is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in a variety of different forms, and only the present embodiments make the disclosure of the present specification complete, and are common in the art to which the present specification belongs. It is provided to fully inform the technical person (hereinafter referred to as 'one skilled in the art') of the scope of the present specification, and the scope of rights of the present specification is only defined by the scope of the claims.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 명세서의 권리 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.Terms used in this specification are for describing the embodiments and are not intended to limit the scope of the present specification. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" does not exclude the presence or addition of one or more other elements other than the recited elements.
명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.Like reference numerals throughout the specification refer to like elements, and “and/or” includes each and every combination of one or more of the recited elements. Although "first", "second", etc. are used to describe various components, these components are not limited by these terms, of course. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, it goes without saying that the first element mentioned below may also be the second element within the technical spirit of the present invention.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings commonly understood by those skilled in the art to which this specification belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless explicitly specifically defined. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
액체 소재를 이용한 3D 프린팅에서, 액체 소재의 특성 및 출력 높이에 따라서 결과물이 달라질 수 있다. 액체 소재가 토출되는 디스펜서 니들(dispenser needle)이 바닥면과 근접하여 출력하는 경우 출력되는 액체 소재의 거동은 액체 소재의 표면장력에 지배적인 영향을 받을 것이며, 바닥면과 거리를 두고 출력하는 경우 출력되는 액체 소재의 거동은 액체 소재의 점도에 지배적인 영향을 받을 것이다. 예를 들어, 점도가 높은 액체 소재를 낮은 채움 밀도로 출력하면, 출력된 액체의 퍼짐이 부족하여 디스펜서 니들이 이동한 경로(출력 라인) 사이에서 빈 공간이 발생할 수 있다. 또한, 디스펜서 니들의 이동 속도가 출력된 액체 소재 사이의 빈 공간을 채워주는 속도보다 빠를 경우 최종 출력물 내부에 버블 형태의 공간이 발생하여, 출력물의 두께가 두꺼워지는 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 출력 소재의 특성에 따라 최적화된 디스펜스 니들의 높이, 출력 속도 및/또는 출력 경로의 설정이 필요하다.In 3D printing using a liquid material, results may vary depending on the characteristics of the liquid material and the output height. When the dispenser needle that discharges liquid material is printed close to the floor, the behavior of the liquid material printed will be dominantly influenced by the surface tension of the liquid material. The behavior of a liquid material to be used will be influenced predominantly by the viscosity of the liquid material. For example, if a high-viscosity liquid material is printed with a low filling density, an empty space may occur between paths (output lines) along which the dispenser needle moves due to lack of spreading of the printed liquid. In addition, when the moving speed of the dispenser needle is faster than the speed of filling the empty space between the printed liquid materials, a bubble-shaped space may be generated inside the final printed object, and the thickness of the printed object may increase. Therefore, it is necessary to set the height of the dispense needle, the output speed, and/or the output path optimized according to the characteristics of the output material.
참고로, 본 명세서에서 "디스펜서 니들(dispenser needle)"이란, 3D 프린터에 포함된 부품으로서, 출력 소재인 액체가 최종적으로 밖으로 토출되는 곳이다. 일반적으로, 3D 프린팅은 디스펜서 니들이 지그-재그 방식으로 이동하면서 소재를 출력한다. 이때, 니들이 이동한 경로(출력 라인) 사이의 간격은 채움 밀도에 따라 달라질 수 있다. 본 명세서에서 "채움 밀도(Densityprint)"란, 니들의 안쪽 직경에 대한 출력 라인 간격의 비율이다. 이를 수학식으로 표현하면 아래와 같다.For reference, in this specification, a "dispenser needle" is a part included in a 3D printer, and is a place where liquid, which is an output material, is finally discharged to the outside. In general, 3D printing outputs a material while a dispenser needle moves in a zig-zag manner. At this time, the distance between the paths (output lines) along which the needles moved may vary according to the filling density. In this specification, "filling density (Density print )" is the ratio of the output line spacing to the inner diameter of the needle. Expressing this mathematically, it is as follows.
: 출력물 채움 밀도 : Output filling density
: 니들 내경 : needle inner diameter
: 출력 라인 간격 : Output line spacing
도 2는 채움 밀도에 대한 이해를 돕기 위한 참고도이다.2 is a reference diagram to help understand the filling density.
도 2를 참조하면, 같은 모양을 출력하는 경우 출력 밀도에 따라 출력 라인의 간격이 다른 예시가 도시되어 있다. 출력 소재의 퍼지는 성질이 높은 경우, 도 2의 (a)와 같이, 출력 밀도를 낮추어(즉, 출력 라인의 간격을 넓혀서) 출력 라인의 전체 길이를 줄일 수 있다. 반면, 출력 소재의 퍼지는 성질이 낮은 경우, 도 2의 (b)와 같이, 출력 밀도를 높여서(즉, 출력 라인의 간격을 좁혀서) 출력 라인의 전체 길이가 증가할 수 있다. 따라서, 출력 소재의 특성에 따라 출력 밀도를 적절하게 설정하면, 최소의 출력 라인으로 원하는 형상을 출력할 수 있으며, 출력 시간도 줄일 수 있다.Referring to FIG. 2 , an example in which the spacing of the output lines is different according to the power density when outputting the same shape is shown. When the spreading property of the output material is high, as shown in FIG. On the other hand, when the spreading property of the output material is low, as shown in FIG. Therefore, if the power density is appropriately set according to the characteristics of the output material, a desired shape can be output with the minimum output line, and the output time can be reduced.
본 명세서에서는 출력 소재의 특성 중 하나인 출력 소재의 표면장력(surface tension)를 고려한 최적의 출력 설정을 찾는 방법을 설명하겠다. 먼저, 출력 소재의 특성 중 하나인 출력 소재의 표면장력을 찾는 방법을 설명한다. 출력 소재의 표면장력에 대한 정보를 미리 알고 있는 경우, 본 과정은 생략될 수 있다. 본 명세서에서 출력되는 액체 소재는 비압축성 뉴턴유체로 가정한다.In this specification, a method for finding an optimal output setting considering the surface tension of the output material, which is one of the characteristics of the output material, will be described. First, a method for finding the surface tension of the output material, which is one of the characteristics of the output material, will be described. If information on the surface tension of the output material is known in advance, this process can be omitted. It is assumed that the liquid material output in this specification is an incompressible Newtonian fluid.
도 3은 본 명세서에 따라 출력 소재의 표면장력을 찾는 방법의 개략적인 흐름도이다.3 is a schematic flow chart of a method for finding the surface tension of an output material according to the present specification.
도 3을 참조하면, 단계 S20에서 프로세서가 디스펜서 니들이 바닥면으로부터 미리 설정된 거리만큼 떨어진 상태가 되도록 제어한다. 출력 소재가 출력될 때, 액체의 퍼짐 정도는 주변 온도, 압력, 바닥면의 재질 및 기하학적 형상에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 출력 소재의 표면장력을 측정할 때, 주변 온도와 압력, 바닥면의 재질과 기하학적 형상은 고정된 것으로 가정한다. 바람직하게, 상기 온도, 압력, 바닥면의 재질 및 형상은 출력하고자 하는 환경과 동일하다. 또한, 출력 소재가 바뀌어도 상기 니들과 바닥면 사이의 거리는 항상 일정한 것이 바람직하다.Referring to FIG. 3 , in step S20, the processor controls the dispenser needle to be separated from the floor by a preset distance. When the output material is printed, the spreading degree of the liquid may vary depending on the ambient temperature, pressure, material and geometry of the bottom surface. Therefore, when measuring the surface tension of the output material, it is assumed that the ambient temperature and pressure, the material and geometric shape of the bottom surface are fixed. Preferably, the temperature, pressure, material and shape of the bottom surface are the same as those of the environment to be output. In addition, even if the output material is changed, it is preferable that the distance between the needle and the bottom surface is always constant.
다음 단계 S21에서 프로세서가 디스펜서 니들에서 미리 설정된 양의 출력 소재가 토출되도록 제어한다. 이때, 토출된 액체 소재는 퍼져서 원 모양을 형성하게 되며, 액체 소재의 표면장력에 의해 접촉각과 반지름에 차이가 발생하게 된다.In the next step S21, the processor controls a preset amount of output material to be discharged from the dispenser needle. At this time, the discharged liquid material spreads to form a circular shape, and a difference occurs in the contact angle and radius due to the surface tension of the liquid material.
다음 단계 S22에서 형성된 원의 반지름 값을 이용하여 출력 소재의 표면장력 값을 산출할 수 있다.The surface tension value of the output material may be calculated using the radius value of the circle formed in the next step S22.
본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 출력 소재가 토출되어 형성된 원(방울)의 반지름은 직접 측정될 수 있다. 예를 들어, 사람이 자를 이용하여 방울의 반지름을 측정하고, 직접 그 반지름 값을 입력하는 방법이다.According to one embodiment of the present specification, the radius of a circle (drop) formed by discharging the output material may be directly measured. For example, it is a method in which a person measures the radius of a drop using a ruler and directly inputs the radius value.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 카메라를 이용하여 상기 출력 소재가 토출되어 형성된 원(방울)의 반지름을 측정할 수 있다. 카메라를 상기 방울을 촬영하도록 설치한다. 바람직하게, 상기 카메라는 상기 토출된 방울을 수직 상방에서 촬영하도록 설치될 수 있다. 그리고 상기 프로세서는 상기 카메라에서 출력된 이미지를 분석하여 방울의 반지름을 산출할 수 있다.According to another embodiment of the present specification, the radius of a circle (drop) formed by ejecting the output material may be measured using a camera. A camera is set up to photograph the droplet. Preferably, the camera may be installed to photograph the ejected droplets from a vertical upward direction. The processor may calculate the radius of the drop by analyzing the image output from the camera.
도 4는 표면장력에 대한 이해를 돕기 위한 참고도이다.4 is a reference diagram to aid understanding of surface tension.
도 4를 참조하면, 액체의 외부와 내부 압력차이()는 표면장력()에 비례하고 방울의 반지름()에 반비례하는 관계이다. 이러한 관계를 영-라플라스 방정식(Young-Laplace Equation)을 이용하여 표현하면 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.Referring to Figure 4, the external and internal pressure difference of the liquid ( ) is the surface tension ( ) and the radius of the droplet ( ) is inversely proportional to If this relationship is expressed using the Young-Laplace Equation, it can be expressed as in Equation 2 below.
: 고체-기체, 고체-액체, 액체-기체간 접촉면의 단위길이당 힘 : Force per unit length of contact surface between solid-gas, solid-liquid, and liquid-gas
: 접촉각 : contact angle
: 표면장력 : surface tension
: 액체 내부 압력 : liquid internal pressure
: 기체 압력 : gas pressure
상기 수학식 2에서 접촉각을 무시하고, 측정된 출력 소재의 반지름만을 이용하여 정리하면, 아래 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.By ignoring the contact angle in Equation 2 and using only the radius of the measured output material, it can be expressed as Equation 3 below.
: 소재의 밀도 : material density
: 출력된 소재의 표면장력 : Surface tension of the printed material
: 표면장력 측정을 위해 출력된 방울의 부피 : Volume of droplet printed for surface tension measurement
: 중력가속도 : gravitational acceleration
그리고 출력 소재의 반지름 비()는 물방울을 기준으로 상기 수학식 3을 정리하여 아래 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.And the radius ratio of the output material ( ) can be expressed as Equation 4 below by arranging Equation 3 based on water droplets.
/ /
: 물과 출력하는 소재의 표면장력 비 : Ratio of surface tension between water and the material to be printed
: 출력 소재 방울의 반지름 : Radius of output material droplet
: 물방울의 반지름 : the radius of the water drop
: 계수 : Coefficient
상기 수학식 4에서 물방울의 양은 출력 소재 방울의 양과 동일한 것을 전제로 한다. 출력 소재의 표면장력을 측정할 때에는 미리 설정된 양을 토출하지만, 출력 소재를 이용한 실제 3D 프린팅을 할 때에는 다양한 속도와 압출양으로 토출할 수 있다. 따라서, 실제 토출되는 양이 "V"일 때, 출력 소재가 퍼지는 반지름(r)은 아래 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.In Equation 4, it is assumed that the amount of water droplets is the same as the amount of droplets of the output material. When measuring the surface tension of the output material, a preset amount is discharged, but when performing actual 3D printing using the output material, it can be discharged at various speeds and extrusion amounts. Therefore, when the actual discharged amount is “V”, the radius (r) in which the output material spreads can be expressed as in Equation 5 below.
: 단위 출력 길이당 출력 소재 방울 반지름 : Output material droplet radius per unit output length
: 단위 출력 길이당 출력 소재 방울의 부피 : Volume of droplets of output material per unit output length
이하에서는 출력 소재의 표면장력 특성을 고려하여 최적의 출력 설정을 결정하는 방법에 대해서 설명하겠다. 출력 소재의 표면장력이 많은 영향을 미치는 환경 예를 들어, 디스펜서 니들의 높이가 상대적으로 낮은 경우 채움 밀도()는 표면장력에 비례한다. 따라서, 표면장력이 작은 소재로 출력하는 경우 채움 밀도를 낮추어 출력할 수 있고, 표면장력이 높은 소재로 출력하는 경우 채움 밀도를 높여서 출력할 수 있다. 이 경우, 출력 소재의 경화 속도가 출력 속도 보다 느리고 출력 소재의 표면장력에 따른 출력물의 퍼짐 속도()가 출력 속도 보다 빠른 것을 전제로 한다. 표면장력 비와 채움 밀도에 대한 관계식은 아래 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.Hereinafter, a method for determining an optimal output setting in consideration of surface tension characteristics of an output material will be described. Environments in which the surface tension of the output material has a large influence, for example, when the height of the dispenser needle is relatively low, the fill density ( ) is proportional to the surface tension. Therefore, in the case of printing with a material having a small surface tension, the filling density may be lowered, and in the case of printing with a material having a high surface tension, the filling density may be increased. In this case, the curing speed of the output material is slower than the output speed, and the spreading speed of the output material according to the surface tension of the output material ( ) is assumed to be faster than the output speed. The relational expression for the surface tension ratio and the filling density can be expressed as Equation 6 below.
: 단위 출력 길이당 물방울 반지름 : Droplet radius per unit output length
: 단위 출력 길이당 물방울의 부피 : Volume of droplets per unit output length
: 출력물 채움 밀도 : Output filling density
: 출력물의 부피 : volume of output
H: 출력물의 높이H: the height of the output
: 출력 경로 총 길이 : total length of the output path
상기 수학식 6과 수학식 1의 관계에서 니들 내경()은 실제 출력 환경에서 하드웨어에 의해 결정되는바, 출력 소재의 표면장력 특성을 고려하여 적절한 출력 라인 간격()을 설정할 수 있다. 이때 출력 라인간 간격()은 출력 속도를 고려하여 최대 경계 값인 이하로 설정하여 조건을 만족하도록 한다. 상기 최대 경계 값()는 출력된 라인들이 만나는 최대 시간( 동안 출력된 라인이 양 옆으로 퍼지는 폭을 나타내며, 수학식 3으로부터 유도될 수 있다.In the relationship between Equation 6 and Equation 1, the inner diameter of the needle ( ) is determined by the hardware in the actual output environment, considering the surface tension characteristics of the output material, the appropriate output line spacing ( ) can be set. At this time, the interval between the output lines ( ) is the maximum boundary value considering the output speed set below to satisfy the condition. The maximum boundary value ( ) is the maximum time at which the output lines meet ( represents the width that the output line spreads to both sides during and can be derived from Equation 3.
한편, 채움 밀도를 낮춘 대신 압출 길이()을 높여 출력하게 되면 출력 소재가 옆으로 퍼지면서 빈 공간을 메꾸게 되어 출력 경로를 최소화하면서 1층(layer)으로 출력을 완성할 수 있다. 압출 길이()란, 출력 소재를 디스펜서에서 출력된 소재의 길이를 의미한다. 디스펜서의 내경 면적을 압출 길이를 곱하면 출력에 사용한 소재의 양을 의미하게 된다. 이 경우, 압출 길이()은 아래 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.On the other hand, instead of lowering the filling density, the extrusion length ( ) is increased, the output material spreads to the side and fills the empty space, so it is possible to complete the output in one layer while minimizing the output path. extrusion length ( ) means the length of the material output from the dispenser. Multiplying the inner diameter area of the dispenser by the extrusion length means the amount of material used for printing. In this case, the extrusion length ( ) can be expressed as in Equation 7 below.
: 출력물의 부피 : volume of output
: 디스펜서 내경 : inner diameter of dispenser
: 디스펜서 압출 길이 : Dispenser extrusion length
한편, 디스펜서가 출력 경로를 따라 이동하는 출력 속도()는 디스펜서 최대 압출 속도와 소재의 점도가 퍼지는 총 시간()을 고려하여 목표한 시간() 내에 출력이 완료될 수 있도록 설정할 수 있다(). 디스펜서를 눌러주는 최대 속도()는 니들의 내경과 3D Printer의 H/W에 의해 결정되는 변수이다. 따라서, 출력 라인을 적층하는 동안 압출된 소재가 퍼져 빈공간이 발생하지 않도록 출력 속도는 아래 수학식 8에 의해 조절될 수 있다.On the other hand, the output speed at which the dispenser moves along the output path ( ) is the maximum extrusion speed of the dispenser and the total time for the viscosity of the material to spread ( ) in consideration of the target time ( ) can be set so that the output can be completed within ( ). The maximum speed at which the dispenser is pressed ( ) is a variable determined by the inner diameter of the needle and the H/W of the 3D Printer. Therefore, the output speed may be adjusted by Equation 8 below so that the extruded material does not spread and no empty space is generated during the stacking of the output lines.
: 출력 라인의 총 길이 : total length of the output line
: 출력에 걸리는 총 시간 : total time taken for output
: 단위 시간당 압출 길이(단위 시간당 디스펜서 밀대 로딩 거리) : Extrusion length per unit time (dispenser push rod loading distance per unit time)
: 출력 평균 속도 : output average speed
: 출력물의 부피를 높이로 나눈 면적 값 : Area value divided by the height of the output volume
: 출력물의 높이 : the height of the output
상기 프로세서는 상술한 산출 및 다양한 제어 로직을 실행하기 위해 본 발명이 속한 기술분야에 알려진 ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로, 레지스터, 통신 모뎀, 데이터 처리 장치 등을 포함할 수 있다. 또한, 상술한 제어 로직이 소프트웨어로 구현될 때, 상기 프로세서는 프로그램 모듈의 집합으로 구현될 수 있다. 이 때, 프로그램 모듈은 상기 메모리 장치에 저장되고, 프로세서에 의해 실행될 수 있다.The processor may include an application-specific integrated circuit (ASIC) known in the art to which the present invention pertains, other chipsets, logic circuits, registers, communication modems, data processing devices, etc. to execute the above-described calculation and various control logics. there is. Also, when the above-described control logic is implemented as software, the processor may be implemented as a set of program modules. At this time, the program module may be stored in the memory device and executed by the processor.
상기 전술한 컴퓨터프로그램은, 상기 컴퓨터가 프로그램을 읽어 들여 프로그램으로 구현된 상기 방법들을 실행시키기 위하여, 상기 컴퓨터의 프로세서(CPU)가 상기 컴퓨터의 장치 인터페이스를 통해 읽힐 수 있는 C/C++, C#, JAVA, Python, 기계어 등의 컴퓨터 언어로 코드화된 코드(Code)를 포함할 수 있다. 이러한 코드는 상기 방법들을 실행하는 필요한 기능들을 정의한 함수 등과 관련된 기능적인 코드(Functional Code)를 포함할 수 있고, 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 소정의 절차대로 실행시키는데 필요한 실행 절차 관련 제어 코드를 포함할 수 있다. 또한, 이러한 코드는 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 실행시키는데 필요한 추가 정보나 미디어가 상기 컴퓨터의 내부 또는 외부 메모리의 어느 위치(주소 번지)에서 참조되어야 하는지에 대한 메모리 참조관련 코드를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 컴퓨터의 프로세서가 상기 기능들을 실행시키기 위하여 원격(Remote)에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 통신이 필요한 경우, 코드는 상기 컴퓨터의 통신 모듈을 이용하여 원격에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 어떻게 통신해야 하는지, 통신 시 어떠한 정보나 미디어를 송수신해야 하는지 등에 대한 통신 관련 코드를 더 포함할 수 있다.The above-described computer program is C / C ++, C #, JAVA that can be read by a processor (CPU) of the computer through a device interface of the computer so that the computer reads the program and executes the methods implemented as a program. , Python, may include code coded in a computer language such as machine language. These codes may include functional codes related to functions defining necessary functions for executing the methods, and include control codes related to execution procedures necessary for the processor of the computer to execute the functions according to a predetermined procedure. can do. In addition, these codes may further include memory reference related codes for which location (address address) of the computer's internal or external memory should be referenced for additional information or media required for the computer's processor to execute the functions. there is. In addition, when the processor of the computer needs to communicate with any other remote computer or server in order to execute the functions, the code uses the computer's communication module to determine how to communicate with any other remote computer or server. It may further include communication-related codes for whether to communicate, what kind of information or media to transmit/receive during communication, and the like.
상기 저장되는 매체는, 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상기 저장되는 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있지만, 이에 제한되지 않는다. 즉, 상기 프로그램은 상기 컴퓨터가 접속할 수 있는 다양한 서버 상의 다양한 기록매체 또는 사용자의 상기 컴퓨터상의 다양한 기록매체에 저장될 수 있다. 또한, 상기 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장될 수 있다.The storage medium is not a medium that stores data for a short moment, such as a register, cache, or memory, but a medium that stores data semi-permanently and is readable by a device. Specifically, examples of the storage medium include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, etc., but are not limited thereto. That is, the program may be stored in various recording media on various servers accessible by the computer or various recording media on the user's computer. In addition, the medium may be distributed to computer systems connected through a network, and computer readable codes may be stored in a distributed manner.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 명세서의 실시예를 설명하였지만, 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. Although the embodiments of the present specification have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present specification pertains can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. you will be able to understand Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.
Claims (16)
상기 프로세서는 아래 수식을 통해 상기 출력 라인의 폭(LD)을 산출하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 제어 장치.
: 출력물 채움 밀도, : 니들 내경, : 출력 라인 간격, H: 출력물의 높이, : 물방울의 반지름, : 물과 출력하는 소재의 표면장력 비, : 표면장력 측정을 위해 출력된 방울의 부피The method of claim 1,
The processor is a 3D printing control device, characterized in that for calculating the width (L D ) of the output line through the formula below.
: Output filling density, : needle inner diameter, : Output line spacing, H: Output height, : the radius of the water drop, : Surface tension ratio of water and the material to be printed, : Volume of droplet printed for surface tension measurement
상기 프로세서는, 아래 수식에 따라 압출 길이을 더 설정하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 제어 장치.
: 출력물의 부피, : 디스펜서 내경, : 압출 길이The method of claim 1,
The processor, 3D printing control device, characterized in that for further setting the extrusion length according to the formula below.
: Volume of output, : inner diameter of the dispenser, : extrusion length
상기 프로세서는, 설정된 출력 라인의 폭에 따라 출력 평균 속도(vavg)를 더 설정하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 제어 장치.The method of claim 1,
The processor further sets the output average speed (v avg ) according to the set width of the output line.
상기 프로세서는, 아래 수식을 통해 상기 출력 평균 속도(vavg)을 산출하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 제어 장치.
: 출력 평균 속도, 디스펜서를 눌러주는 최대 속도, : 디스펜서 내경, : 출력물 채움 밀도, : 니들 내경, : 출력 라인 간격, : 출력물의 높이The method of claim 6,
The processor, 3D printing control device, characterized in that for calculating the output average speed (v avg ) through the formula below.
: output average speed, The maximum speed at which the dispenser is pressed, : inner diameter of the dispenser, : Output filling density, : needle inner diameter, : output line spacing, : the height of the output
(a-2) 프로세서가 디스펜서 니들에서 미리 설정된 양의 출력 소재가 토출되도록 제어하는 단계;
(a-3) 프로세서가 디스펜서 니들이 바닥면으로부터 미리 설정된 거리만큼 떨어진 상태에서 토출된 후 형성된 원 모양 물방울의 반지름 값 대비 토출된 후 형성된 원 모양 출력 소재 방울의 반지름 값을 이용하여 물의 표면장력에 대한 출력 소재의 표면장력 비율 값을 산출하는 단계; 및
(b) 프로세서가 상기 산출된 출력 소재의 표면장력 특성 값에 반비례하게 출력 라인의 폭을 정하는 단계;를 포함하는 3D 프린팅 제어 방법.(a-1) controlling the dispenser needle to be separated from the floor by a preset distance by a processor;
(a-2) controlling, by a processor, a preset amount of output material to be discharged from the dispenser needle;
(a-3) The surface tension of water is determined by using the radius value of the circular output material droplet formed after the processor is discharged compared to the radius value of the circular water droplet formed after the dispenser needle is discharged at a preset distance from the bottom surface. Calculating the surface tension ratio value of the output material; and
(b) determining, by a processor, the width of the output line in inverse proportion to the calculated surface tension characteristic value of the output material; 3D printing control method comprising the.
상기 (a-3)단계는, 상기 프로세서가 상기 출력 소재가 토출되어 형성된 원(방울)을 촬영한 카메라에서 출력된 이미지에서 방울의 반지름을 측정하는 단계인 3D 프린팅 제어 방법.The method of claim 8,
The step (a-3) is a step in which the processor measures the radius of the drop in an image output from a camera that captures a circle (drop) formed by ejecting the output material.
상기 (b) 단계는, 프로세서가 아래 수식을 통해 상기 출력 라인의 폭(LD)을 산출하는 단계인 3D 프린팅 제어 방법.
: 출력물 채움 밀도, : 니들 내경, : 출력 라인 간격, H: 출력물의 높이, : 물방울의 반지름, : 물과 출력하는 소재의 표면장력 비, : 표면장력 측정을 위해 출력된 방울의 부피The method of claim 8,
The step (b) is a 3D printing control method in which a processor calculates the width (L D ) of the output line through the following formula.
: Output filling density, : needle inner diameter, : Output line spacing, H: Output height, : the radius of the water drop, : Surface tension ratio of water and the material to be printed, : Volume of droplet printed for surface tension measurement
(c) 프로세서가 아래 수식에 따라 압출 길이를 설정하는 단계;를 더 포함하는 3D 프린팅 제어 방법.
: 출력물의 부피, : 디스펜서 내경, : 압출 길이The method of claim 8,
(c) the processor setting the extrusion length according to the formula below; 3D printing control method further comprising.
: Volume of output, : inner diameter of the dispenser, : extrusion length
(d) 프로세서가 설정된 출력 라인의 폭에 따라 출력 평균 속도(vavg)를 설정하는 단계;를 더 포함하는 3D 프린팅 제어 방법.The method of claim 8,
(d) setting the output average speed (v avg ) according to the width of the set output line by the processor; 3D printing control method further comprising.
상기 (d) 단계는, 프로세서가 아래 수식을 통해 상기 출력 평균 속도(vavg)을 산출하는 단계인 3D 프린팅 제어 방법.
: 출력 평균 속도, 디스펜서를 눌러주는 최대 속도, : 디스펜서 내경, : 출력물 채움 밀도, : 니들 내경, : 출력 라인 간격, : 출력물의 높이The method of claim 14,
The step (d) is a 3D printing control method in which a processor calculates the output average speed (v avg ) through the following formula.
: output average speed, The maximum speed at which the dispenser is pressed, : inner diameter of the dispenser, : Output filling density, : needle inner diameter, : output line spacing, : the height of the output
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