KR102667895B1 - 미세격자구조체의 3d프린팅 데이터 생성장치 및 생성방법 - Google Patents

미세격자구조체의 3d프린팅 데이터 생성장치 및 생성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세격자구조체의 3D프린팅 데이터 생성장치 및 생성방법에 관한 것이다.
일 실시예에 따르면, 기본형상을 기초로 가이드요소가 반영된 유한요소구조물을 생성할 수 있는 가이드요소 반영부; 상기 가이드요소를 따라 생성된 미세격자구조체가 반영된 미세격자구조물을 생성할 수 있는 미세격자구조체 생성부; 상기 미세격자구조물의 특정 방향을 따라 수학적으로 정의 가능한 복수 개의 2D단면을 생성할 수 있는 단면 생성부; 및 복수 개의 상기 2D단면을 적층함으로써 상기 미세격자구조물을 포함하는 목적물체를 제조할 수 있는 3D프린팅 데이터를 생성할 수 있는 3D데이터생성부를 포함하는 미세격자구조의 3D프린팅 데이터 생성장치가 제공될 수 있다.

Description

미세격자구조체의 3D프린팅 데이터 생성장치 및 생성방법 {Data generation device and data generation method for 3D printing of micro-lattice structures}
본 발명은 미세격자구조체의 3D프린팅 데이터 생성장치 및 생성방법에 관한 것이다.
종래에 3D프린팅으로 제품을 제작하기 위해서는 3차원 입체로 정의된 형상의 표면을 다수개의 삼각형 면(Facet)으로 변환하여 3D프린팅의 표준 입력 파일인 STL파일로 변환하고, 단면 슬라이싱(Slicing) 과정을 통해 3차원 입체 정보를 적층단면별 단면 정보로 변환하는 과정이 필요했다.
미세격자구조체(Micro-lattice structure)는 다양한 형태의 단위셀(Unit cell)을 설계 공간 안에서 반복적으로 배열해 생성한 구조체로서 3D프린팅을 적용한 설계경량화 등의 목적으로 널리 사용되고 있다. 그러나 미세격자구조체는 복잡한 형상으로 인해 STL파일 생성을 위해서는 많은 데이터 용량이 필요하였으며, STL파일을 기반으로 적층 단면에 대한 조형 정보를 추출하는 과정에 많은 시간이 소요된다는 문제가 있었다.
통상적인 3D프린팅 방법(FDM, SLA, SLS 등)에서는 단면 정보에 따라압출헤드의 이동 경로 혹은 레이저의 조사 경로를 조절하여 원하는 단면을 프린팅한다. 반면 광조사형 3D프린팅 기법(DLP, LCD 등)의 경우는 STL파일을 기초로 단면 정보를 흑백(B/W) 영상파일로 변환하며, 적층하고자 하는 영역을 백색으로 나머지 영역을 흑색으로 표현하여 3D프린팅을 위한 단면 영상(복수 개의 2D단면)을 형성한다.
종래에는 광조사형 3D프린팅 기법을 이용하여 미세격자구조체를 포함하는 물체를 제조하는 경우 대용량의 STL파일의 생성이 필요하였으며, 이에 대한 단면 영상을 생성하기 위해 많은 시간이 소요되었다.
한국등록특허 10-1732970 (2017.04.27 공개)
본 발명의 일 실시예에 따른 미세격자구조체의 3D프린팅 데이터 생성장치 및 3D프린팅 데이터 생성방법은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, STL파일의 사용없이 광조사형 프린팅을 위한 2D 단면 영상을 생성함으로써 데이터 크기를 감소시키고 계산시간을 단축하고자 한다.
일 실시예에 따르면, 기본형상을 기초로 가이드요소가 반영된 유한요소구조물을 생성할 수 있는 가이드요소 반영부; 상기 가이드요소를 따라 생성된 미세격자구조체가 반영된 미세격자구조물을 생성할 수 있는 미세격자구조체 생성부; 상기 미세격자구조물의 특정 방향을 따라 수학적으로 정의 가능한 복수 개의 2D단면을 생성할 수 있는 단면 생성부; 및 복수 개의 상기 2D단면을 적층함으로써 상기 미세격자구조물을 포함하는 목적물체를 제조할 수 있는 3D프린팅 데이터를 생성할 수 있는 3D데이터생성부를 포함하는 미세격자구조의 3D프린팅 데이터 생성장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 단면 생성부는 일정 각도 경사진 원기둥 형상의 상기 미세격자구조물을 투영하여 수학적으로 정의 가능한 타원형단면으로 상기 2D단면을 형성하는 미세격자구조의 3D프린팅 데이터 생성장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 미세격자구조체의 3D프린팅 데이터 생성장치는, 상기 미세격자구조물의 적어도 일부에 추가구조체가 반영된 전체구조물을 생성할 수 있는 추가구조체 생성부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 미세격자구조체의 3D프린팅 데이터 생성장치는, 상기 미세격자구조물을 절단한 복수 개의 상기 2D단면을 각각 복제하여 상기 미세격자구조물에 대한 복수 개의 복제2D단면을 생성할 수 있고, 상기 추가구조체를 절단한 복수 개의 2D단면을 각각 복제하여 상기 추가구조체에 대한 복수 개의 복제2D단면을 생성할 수 있는 반복생성부를 더 포함하고, 상기 3D데이터생성부는, 상기 미세격자구조물에 대한 상기 복제2D단면과 상기 추가구조체에 대한 상기 복제2D단면을 특정 방향으로 적층하여 상기 미세격자구조물을 포함하는 복수 개의 목적물체를 제조할 수 있는 3D프린팅 데이터를 생성할 수 있는 미세격자구조의 3D프린팅 데이터 생성장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가이드요소 반영부에 의해 기본형상을 기초로 가이드요소가 반영된 유한요소구조물이 생성되는 단계(S1단계); 미세격자구조체 생성부에 의해 상기 가이드요소를 따라 생성된 미세격자구조체가 반영된 미세격자구조물이 생성되는 단계(S2단계); 단면 생성부에 의해 상기 미세격자구조물의 특정 방향을 따라 수학적으로 정의 가능한 복수 개의 2D단면이 생성되는 단계(S3단계); 반복생성부에 의해 복수 개의 상기 2D단면이 각각 복제되어 복수 개의 복제2D단면이 생성되는 단계(S4단계); 및 3D데이터생성부에 의해 복수 개의 상기 복제2D단면이 적층됨으로써 상기 미세격자구조물을 포함하는 복수 개의 목적물체를 제조할 수 있는 3D프린팅 데이터가 생성되는 단계(S5단계)를 포함하는 미세격자 구조의 3D프린팅 데이터 생성방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세격자구조체의 3D프린팅 데이터 생성장치 및 생성방법은 STL파일의 사용없이 광조사형 프린팅을 위한 2D 단면 영상을 생성함으로써 데이터 크기를 감소시키고 계산시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D프린팅 데이터 생성장치를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 3D프린팅 데이터 생성장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 3D프린팅 데이터 생성장치에 의해 실행되는 3D프린팅 데이터 생성방법의 순서도를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 3D프린팅 데이터 생성방법을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 특징구조체의 A부분을 확대한 도면 및 그에 대한 2D단면을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 특징구조체 및 특징구조체에서 z축 방향으로 Dz 만큼 이격된 2개의 2D단면을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 3의 S4단계의 2D단면이 복제되어 복수 개의 2D단면이 생성되는 과정을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 8는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D프린팅 데이터 생성방법을 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 전체구조물을 형성하기 위한 복수 개의 2D단면을 개념적으로 도시하는 도면이다.
도 10은 도 8의 3D프린팅 데이터 생성방법에 의해 제공된 3D프린팅 데이터에 의해 제조된 목적물체인 전체구조물의 사진이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D프린팅 데이터 생성장치(1)를 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 3D프린팅 데이터 생성장치(1)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 3D프린팅 데이터 생성장치(1)는 STL파일의 생성없이 광조사형 프린팅을 위한 2D단면을 포함하는 3D프린팅 데이터를 생성할 수 있는 장치로 이해될 수 있다.
여기서, 3D프린팅 데이터는 광조사형 3D프린팅(DLP, LCD 등)을 수행하여 목적물체를 생성하기 위한 복수 개의 2D단면을 포함하는 데이터일 수 있다. 본 실시예에서 3D프린팅에 의해 생성되는 목적물체는 후술하는 미세격자구조물(4) 또는 전체구조물(5)일 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
또한, 후술하는 2D단면은 광조사형 3D프린팅을 위한 단면영상으로서, 2D단면영상으로 명명되거나 이해될 수 있다.본 실시예의 3D프린팅 데이터 생성장치(1)는 프로세서(100), 메모리(12), 통신모듈(16) 및 입출력인터페이스(18)를 포함할 수 있다.
프로세서(100)는 기본적인 산술, 로직 및 및 입출력 연산을 수행함으로써, 컴퓨터 프로그램의 명령을 처리하도록 구성될 수 있다. 명령은 메모리(12) 또는 통신모듈(16)로부터 프로세서(100)로 제공될 수 있다.
프로세서(100)는 STL파일의 생성없이 광조사형 프린팅을 위한 2D단면을 포함하는 3D프린팅 데이터를 생성하기 위해 필요한 데이터의 입출력, 데이터의 처리, 데이터의 관리 등의 다양한 기능을 수행할 수 있으며, 이를 위한 프로세서(100)의 구체적인 구성요소들은 도면을 참조하여 후술하겠다. 이러한 프로세서(100)의 구성요소들은 메모리(12)에 저장된 프로그램 코드로 구현되는 기능적 모듈일 수 있다.
프로세서(100)는 가이드요소 반영부(110), 미세격자구조체 생성부(120), 단면 생성부(130), 3D데이터생성부(140), 추가구조체 생성부(150) 및 반복생성부(160) 중 적어도 하나이상을 포함할 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
메모리(12)는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체로서 RAM(Random Access Memory)과 같은 소멸성 기록장치와, ROM(Read Only Memory) 및 디스크 드라이브와 같은 비소멸성 대용량 기록장치(permanent mass storage device)를 포함할 수 있다.
메모리(12)에는 운영체제나 3D프린팅 데이터를 생성할 수 있는 적어도 하나의 프로그램 코드가 저장될 수 있다.
또한, 메모리(12)에는 STL파일의 생성없이 광조사형 프린팅을 위한 2D단면을 포함하는 3D프린팅 데이터를 생성하기 위해 필요한 데이터를 저장할 수 있는 데이터베이스(300)가 제공될 수 있다. 메모리(12)는 데이터베이스(300)를 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 데이터베이스(300)는 소프트웨어적으로 독립적으로 구축된 데이터베이스뿐만 아니라, 데이터를 저장할 수 있는 임의의 형태의 저장소일 수 있다.
메모리(12)는 물리적으로 복수 개가 제공될 수도 있고, 프로세서(100)와 통합된 물리적 장치로 제공될 수도 있다.
입출력인터페이스(18)는 사용자로부터 데이터를 입력 받거나, 프로세서(100)나 메모리(12), 통신모듈(16) 등으로부터 제공되는 데이터를 사용자에게 출력하는 구성요소로서, 물리적 측면의 하드웨어 인터페이스 및 논리적 측면의 소프트웨어 인터페이스를 모두 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 입출력인터페이스(18)는 입력 장치로서 키보드, 마우스, 마이크, 카메라 등의 장치를 포함하고, 출력 장치로서 스피커, 디스플레이 등과 같은 장치를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 입출력인터페이스(18)는 터치스크린과 같이 입력과 출력이 하나로 통합된 장치, 터치 펜 등의 입력 도구를 포함할 수도 있다.
사용자는 입출력인터페이스(18)를 통해 목적물체의 3D모델링파일(예를 들어, CAD파일)을 입력한 후, 목적물체의 제조를 위한 광조사형 프린팅을 위한 2D단면을 포함하는 3D프린팅 데이터를 출력할 수 있다.
통신모듈(16)은 다른 장치 또는 다른 서버와 통신하기 위한 기능을 제공할 수 있다.
도 3은 도 1의 3D프린팅 데이터 생성장치(1)에 의해 실행되는 3D프린팅 데이터 생성방법의 순서도를 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3의 3D프린팅 데이터 생성방법을 개념적으로 나타내는 도면이며, 도 5는 도 4의 미세격자구조체(42)의 A부분을 확대한 도면 및 그에 대한 2D단면을 개념적으로 나타내는 도면이며, 도 6은 도 5의 미세격자구조체(42) 및 미세격자구조체(42)에서 z축 방향으로 Dz 거리만큼 이격된 2개의 2D단면을 나타내는 도면이고, 도 7은 도 3의 S4단계의 2D단면이 복제되어 복수 개의 2D단면이 생성되는 과정을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 미세격자구조체의 3D프린팅 데이터 생성방법은 가이드요소 반영부(110)에 의해 기본형상(2)을 기초로 가이드요소(32)가 반영된 유한요소구조물(3)이 생성되는 단계(S1단계); 특징구조체 생성부(120)에 의해 상기 가이드요소(32)를 따라 생성된 미세격자구조체(42)가 반영된 미세격자구조물(4)이 생성되는 단계(S2단계); 단면 생성부(130)에 의해 상기 미세격자구조물(4)의 특정 방향을 따라 수학적으로 정의 가능한 복수 개의 2D단면이 생성되는 단계(S3단계); 반복생성부(160)에 의해 복수 개의 상기 2D단면이 각각 복제되어 복수 개의 복제2D단면이 생성되는 단계(S4단계); 3D데이터생성부(140)에 의해 복수 개의 상기 복제2D단면의 중심점이 이동된 후 적층됨으로써 상기 미세격자구조물(4)을 포함하는 복수 개의 목적물체를 제조할 수 있는 3D프린팅 데이터가 생성되는 단계(S5단계)를 포함할 수 있다.
먼저, 가이드요소 반영부(110)에 의해 기본형상(2)을 기초로 가이드요소(32)가 반영된 유한요소구조물(3)이 생성되는 단계(S1단계)에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다(도 4 참조).
여기서, 기본형상(2)은 생성하려는 목적물체의 골격이 되는 형상으로서 입력되는 3D모델링파일로부터 추출될 수 있다.
본 실시예에서 가이드요소(32)는 모서리를 갖는 격자구조인 것을 예를 들어 설명한다. 다만, 가이드요소(32)는 이에 한정되지 않으며 다양한 모양으로 형성되는 것을 포함할 수 있다. 이와 같은 가이드요소(32)에 대한 정보는 데이터베이스(300)에 저장되어 있을 수 있다.
S1단계에서 가이드요소 반영부(110)는 중심이 볼록한 원기둥 형태의 기본형상(2)에 대해 격자구조를 갖는 가이드요소(32)를 반영하여 유한요소구조물(3)을 생성할 수 있다(도 4 참조).
다음으로, 미세격자구조체 생성부(120)에 의해 가이드요소(32)를 따라 생성된 미세격자구조체(42)가 반영된 미세격자구조물(4)이 생성되는 단계(S2단계)에 대해 자세히 설명한다(도 4 참조).
본 실시예에서 미세격자구조체 생성부(120)에 의해 생성되는 미세격자구조체(42)는 단면이 수학적으로 정의 가능한 특징을 갖는다. 예를 들어, 미세격자구조체(42)는 원기둥 형상으로 형성될 수 있으며, 미세격자구조체(42)의 단면은 원 또는 타원으로 정의될 수 있다.
본 실시예에서 미세격자구조는 원기둥 형상인 것을 예를 들어 설명한다.
미세격자구조체 생성부(120)는 유한요소구조물(3)에서 가이드요소(32)를 따라 원기둥 형상의 미세격자구조체(42)를 생성할 수 있다.
다음으로, 단면 생성부(130)에 의해 미세격자구조물(4)의 특정 방향(예를 들어, 적층방향)을 따라 수학적으로 정의 가능한 복수 개의 2D단면이 생성되는 단계(S3단계)에 대해 자세히 설명한다.
본 실시예에서 미세격자구조물(4)의 특정 방향은 적층방향인 것을 예를 들어 설명하며, 도 4를 기준으로 적층방향은 z축 방향으로 이해될 수 있다.
도 5에는 미세격자구조물(4)을 형성하는 미세격자구조체(42)의 임의의 일부분을 절단한 2D단면(422)을 도시되어 있으며, 도 6에는 미세격자구조물(4)을 형성하는 미세격자구조체(42)의 일부분 및 미세격자구조체(42)를 적층방향을 따라 간격 Dz를 갖도록 절단한 2개의 2D단면을 도시한다. 본 실시예에서 2D단면은 미세격자구조물(4)의 적층방향(z축 방향)에 대해 수직한 방향으로 절단한 단면(xy 평면)으로 이해될 수 있다.
본 실시예에서는 미세격자구조물(4)의 임의의 두 점, 즉 P 1(X 1, Y 1, Z 1)과 P 2(X 2, Y 2, Z 2)을 지나는 원기둥 형상의 미세격자구조체(42)가 절단되어 타원형의 2D단면이 형성되는 것을 예를 들어 설명한다. 여기서, 미세격자구조체(42)의 절단(슬라이싱)을 수행하기 위해 원기둥의 직경()과 적층 두께()가 설정될 수 있다.
S3단계에서 수학적으로 정의 가능한 2D단면은 타원형단면(422)일 수 있으며, 타원형단면(422)은 경사진 원기둥이 투영되어 형성될 수 있다. 구체적으로, 단면 생성부(130)는 2D단면내의 경사각()만큼 기울어진 타원형단면 형태로 투영할 수 있다.
여기서, 타원형단면(422)의 장축의 길이()는 , 단축의 길이()는 로 정의될 수 있으며, 는 원기둥 형상의 미세격자구조체(42)의 직경으로 이해될 수 있고, 는 원기둥 형상의 미세격자구조체(42)이 기울어진 각도로 이해될 수 있다.
또한, 미세격자구조체(42)이 기울어진 각도()는 하기와 같이 정의될 수 있다.
여기서, , , 은 미세격자구조체(42)의 임의의 위치에서의 좌표로 이해될 수 있으며, , , 은 미세격자구조체(42)의 다른 임의의 위치에서의 좌표로 이해될 수 있다(도 5 참조).
S3단계에서 단면 생성부(130)에 의해 미세격자구조물(4)은 특정 방향을 따라 복수 개 절단됨으로써 복수 개의 2D단면이 생성될 수 있다.
예를 들어, 도 6을 참조하면 단면 생성부(130)는 임의의 2D단면을 생성한 후, 적층방향으로 만큼 이격된 2D단면을 생성할 수 있다.
2D단면(타원형 단면)은 적층방향 단면을 따라 면내 각도는 동일하게 유지하며 중심점 위치가 변화하게 된다. 예를 들어 i번째 2D단면에서의 타원 중심점을 라 할 때 (i+1)번째 2D단면에서의 타원 중심점 은 하기와 같이 이동될 수 있다
다음으로, 반복생성부(160)에 의해 복수 개의 상기 2D단면이 각각 복제되어 복수 개의 복제2D단면이 생성되는 단계(S4단계)에 대해 자세히 설명한다.
S4단계에서, 반복생성부(160)에 의해 미세격자구조물(4)의 적층방향을 따라 생성된 복수 개의 2D단면 각각이 복제되어 복수 개의 복제2D단면이 생성되는 단계를 포함할 수 있다.
도 7을 참조하여 예를 들어 설명하면, 도 7에는 단면 생성부(130)에 의해 생성된 미세격자구조물(4)의 적층방향을 따라 제공되는 3개의 2D단면(4222A, 4224A, 4226A)이 도시되어 있으며, 복수 개의 2D단면(4222A, 4224A, 4226A) 각각이 복제되어 복수 개의 복제2D단면(4222B, 4224B, 4226B)이 생성될 수 있다.
이 경우, 2D단면을 생성한 후 복제된 복제2D단면을 이용하여 3D프린팅을 실행함으로써, 미세격자구조물(4)을 포함하는 다수 개의 목적물체를 생성할 수 있는 장점이 있다.
예를 들어, 6x6 [mm] 단면 넓이를 가진 형상을 124x70 [mm]의 크기를 가진 DLP프린터에 대량생산하는 경우 최대 220개(20X11) 제작이 가능하며, 2D단면 복사 만으로 제작장비에 맞는 대량 생산을 위한 단면영상 생산이 가능하다는 장점이 있다.
다음으로 3D데이터생성부(140)에 의해 복수 개의 상기 복제2D단면의 중심점이 이동된 후 적층됨으로써 상기 미세격자구조물(4)을 포함하는 복수 개의 목적물체를 제조할 수 있는 3D프린팅 데이터가 생성되는 단계(S5단계)에 대해 자세히 설명한다.
S5단계에서, 복제2D단면의 중심점이 이동된 후 적층될 수 있다. 예를 들어, 예를 들어 i번째 2D단면에서의 타원 중심점을 라 할 때 (i+1)번째 2D단면에서의 타원 중심점 은 하기와 같이 이동되어 적층될 수 있다.
S4단계에서 특정 방향(예를 들어, 적층방향)을 따라 복제된 복수 개의 복제2D단면이 생성되며, S5단계에서 복제된 복제2D단면을 특정 방향(예를 들어, 적층방향)으로 적층한 복제2D단면 영상이 생성될 수도 있다.
이와 같은 복제2D단면 영상을 이용하여 광조사형 3D프린팅을 실행함으로써 미세격자구조물(4)을 각각 포함하는 복수 개의 목적물체를 생산할 수 있다.
도 8는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D프린팅 데이터 생성방법을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 9는 도 8에 도시된 전체구조물(5)을 형성하기 위한 복수 개의 2D단면을 개념적으로 도시하는 도면이며, 도 10은 도 8의 3D프린팅 데이터 생성방법에 의해 제공된 3D프린팅 데이터에 의해 제조된 목적물체인 전체구조물(5)의 사진이다.
도 8 내지 도 10에 도시된 실시예는 도 1 내지 도 7에 도시된 실시예와 비교하여 미세격자구조물(4)에 추가구조체(52; 52')가 더 반영된 것에 주요 차이가 있는바, 차이점을 위주로 설명하며 동일한 과정에 대해서는 상술한 실시예와 도면부호를 원용한다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세격자구조의 3D프린팅 데이터 생성방법은 가이드요소 반영부(110)에 의해 기본형상(2)을 기초로 가이드요소(32)가 반영된 유한요소구조물(3)이 생성되는 단계(S1단계); 미세격자구조체 생성부(120)에 의해 가이드요소(32)를 따라 생성된 미세격자구조체(42)가 반영된 미세격자구조물(4)이 생성되는 단계(S2단계); 추가구조체 생성부(150)에 의해 미세격자구조물(4)의 적어도 일부에 추가구조체(52; 52')가 반영된 전체구조물(5)이 생성되는 단계(S2'단계); 단면 생성부(130)에 의해 미세격자구조물(4)의 특정 방향을 따라 수학적으로 정의 가능한 복수 개의 2D단면이 생성되는 단계(S3단계); 단면 생성부(130)에 의해 추가구조체(52; 52')의 특정 방향을 따라 수학적으로 정의 가능한 복수 개의 2D단면이 생성되는 단계(S3'단계); 반복생성부(160)에 의해 미세격자구조물(4)에 대한 복수 개의 2D단면이 각각 복제되어 미세격자구조물(4)에 대한 복수 개의 복제2D단면이 생성되는 단계(S4단계); 반복생성부(160)에 의해 추가구조체(52; 52')에 대한 복수 개의 2D단면이 각각 복제되어 추가구조체(52; 52')에 대한 복수 개의 복제2D단면이 생성되는 단계(S4'단계); 3D데이터생성부(140)에 의해 상기 미세격자구조물(4)의 복제2D단면과 상기 추가구조체(52; 52')에 대한 복제2D단면이 특정 방향으로 배열되어 미세격자구조물(4)을 포함하는 복수 개의 목적물체를 제조할 수 있는 3D프린팅 데이터가 생성되는 단계(S5'단계)를 포함할 수 있다.
S1단계, S2단계, S3단계 및 S4단계는 도 1 내지 도 7에 기재된 실시예의 설명과 동일하며, 이하에서는 주요 차이가 있는 S2'단계, S3'단계, S4'단계, S5'단계에 대해 자세히 설명한다.
먼저, 추가구조체 생성부(150)에 의해 미세격자구조물(4)의 적어도 일부에 추가구조체(52; 52')가 반영된 전체구조물(5)이 생성되는 단계(S2'단계)에 대해 설명한다.
본 실시예에서 미세격자구조물(4)의 상측에 배치되는 추가구조체(52)는 반구형상을 갖고, 미세격자구조물(4)의 하측에 배치되는 추가구조체(52')는 원기둥 형상을 갖는 것을 예를 들어 설명한다. 다만, 추가구조체(52; 52')의 형상은 이에 한정되지 않는다.
다음으로, 단면 생성부(130)에 의해 추가구조체(52; 52')의 특정 방향(예를 들어, 적층방향)을 따라 수학적으로 정의 가능한 복수 개의 2D단면이 생성되는 단계(S3'단계)에 대해 설명한다.
본 실시예에서 추가구조체(52; 52')의 2D단면(522; 522')은 수학적으로 정의 가능한 원형단면 또는 타원형단면일 수 있다(도 9 참조).
예를 들어, 추가구조체(52; 52')의 2D단면은 하기의 수학식으로 표현되는 단면일 수 있다(도 9 참조).
예를 들어, 추가구조체(52; 52')의 2D단면은 하기의 수학식으로 표현되는 단면일 수 있다.
여기서, 는 추가구조체(52)의 2D단면의 최대 반지름, 은 반지름 를 갖는 2D단면으로부터 만큼 z축으로 이동한 2D단면의 반지름, n은 추가구조체(52)를 형성하기 위해 z축 방향으로 적층되는 임의의 개수로 이해될 수 있다.
다음으로, 반복생성부(160)에 의해 상기 추가구조체(52; 52')에 대한 복수 개의 2D단면이 각각 복제되어 상기 추가구조체(52; 52')에 대한 복수 개의 복제2D단면이 생성되는 단계(S4'단계)에 대해 설명한다.
반복생성부(160)는 추가구조체(52; 52')의 2D단면을 각각 복제하여 복제2D단면을 생성할 수 있다. S4'단계는 상술한 S4단계와 동일한 과정을 거쳐 복제2D단면을 생성하는바 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
다음으로, 3D데이터생성부(140)에 의해 미세격자구조물(4)의 복제2D단면과 추가구조체(52; 52')에 대한 복제2D단면이 특정 방향으로 배열되어 미세격자구조물(4)을 포함하는 복수 개의 목적물체를 제조할 수 있는 3D프린팅 데이터가 생성되는 단계(S5'단계)에 대해 설명한다.
3D데이터생성부(140)에 의해 추가구조체(52; 52')에 대한 복수 개의 상기 복제2D단면이 적층됨으로써 미세격자구조물(4)을 포함하는 목적물체인 전체구조물(5)을 생성할 수 있는 3D프린팅 데이터가 생성될 수 있다.
여기서, 추가구조체(52; 52')의 복제2D단면은 미세격자구조체(42)의 복제2D단면의 외측에 배치되어 적층될 수 있다.
예를 들어, 추가구조체(52)의 복제2D단면은 미세격자구조체(42)의 상측에 적층되어 반구 형상을 형성할 수 있고, 추가구조체(52')의 2복제2D단면은 미세격자구조체(42)의 하측에 적층되어 손잡이 형상을 형성할 수 있다.
이와 같은 과정을 거쳐 생산된 3D프린팅 데이터를 이용하여 광조형 3D프린팅을 실행함으로써, 도 10에 도시된 바와 같이 복수 개의 목적물체가 한 번에 생성될 수 있다.
이하에서는 상술한 3D프린팅 데이터 생성장치(1)의 프로세서(100)의 하위구성인 가이드요소 반영부(110), 미세격자구조체 생성부(120), 단면 생성부(130), 3D데이터생성부(140), 추가구조체 생성부(150) 및 반복생성부(160)에 대해 보다 자세히 설명한다.
가이드요소 반영부(110)는 기본형상(2)을 기초로 가이드요소(32)가 반영된 유한요소구조물(3)을 생성할 수 있다. 구체적으로, 가이드요소 반영부(110)는 중심이 볼록한 원기둥 형태의 기본형상(2)에 대해 격자구조를 갖는 가이드요소(32)를 반영하여 유한요소구조물(3)을 생성할 수 있따.
미세격자구조체 생성부(120)는 가이드요소(32)를 따라 생성된 미세격자구조체(42)가 반영된 미세격자구조물(4)을 생성할 수 있다.
미세격자구조체 생성부(120)는 2D단면이 수학적으로 정의 가능하게 제공되도록 미세격자구조체(42)를 생성할 수 있으며, 미세격자구조체(42)의 형상은 데이터베이스(300)에 저장되어 있을 수 있다.
본 실시예에서 미세격자구조체(42)의 형상은 원기둥 형상인 것을 예를 들어 설명한다.
미세격자구조체 생성부(120)는 유한요소구조물(3)에서 가이드요소(32)를 따라 원기둥 형상의 미세격자구조체(42)를 생성한 후, 미세격자구조체(42)를 남긴 후 나머지 부분을 삭제함으로써 미세격자구조물(4)을 생성할 수 있다.
단면 생성부(130)는 미세격자구조물(4)의 특정방향(예를 들어, 적층방향)을 따라 수학적으로 정의 가능한 복수 개의 2D단면을 생성할 수 있다. 예를 들어, 단면 생성부(130)는 미세격자구조체(42)의 2D단면을 수학적으로 정의 가능한 타원형단면으로 형성할 수 있다.
단면 생성부(130)는 추가구조체(52; 52')의 특정방향(예를 들어, 적층방향)을 따라 수학적으로 정의 가능한 복수 개의 2D단면을 생성할 수 있다. 예를 들어, 단면 생성부(130)는 추가구조체(52; 52')의 2D단면을 수학적으로 정의 가능한 원형단면으로 형성할 수 있다.
3D데이터생성부(140)는 미세격자구조물(4)의 복제2D단면과 추가구조체(52; 52')에 대한 복제2D단면을 특정 방향으로 배열하여 미세격자구조물(4)을 포함하는 복수 개의 목적물체를 제조할 수 있는 3D프린팅 데이터를 생성할 수 있다.
또한, 3D데이터생성부(140)는 복수 개의 복제2D단면을 특정 방향을 따라 적층할 수 있다.
또한, 3D데이터생성부(140)는 미세격자구조물(4)에 대한 복제2D단면과 추가구조체(52; 52')에 대한 복제2D단면을 기 설정된 순서에 따라 적층할 수 있다.
예를 들어, 3D데이터생성부(140)는 하부부터 추가구조체(52')의 복제2D단면, 전체구조물(5)의 복제2D단면, 추가구조체(52')의 복제2D단면을 적층할 수 있다.
또한, 3D데이터생성부(140)는 추가구조체(52; 52')의 2D단면을 미세격자구조체(42)의 2D단면의 외측에 배치시킬 수 있다.
추가구조체 생성부(150)는 미세격자구조물(4)의 적어도 일부에 추가구조체(52; 52')가 반영된 전체구조물(5)을 생성할 수 있다.
예를 들어, 추가구조체 생성부(150)는 미세격자구조물(4)의 외측에 추가구조체(52; 52')를 추가하여 전체구조물(5)을 생성할 수 있다.
반복생성부(160)는 미세격자구조물(4)의 특정 방향을 따라 생성된 복수 개의 2D단면 각각을 복제하여 복수 개의 복제2D단면을 생성할 수 있다.
또한, 반복생성부(160)는 추가구조체(52; 52')의 특정 방향을 따라 생성된 대한 복수 개의 2D단면 각각을 복제하여 추가구조체(52; 52')에 대한 복수 개의 복제2D단면을 생성할 수 있다.
이하에서는 상술한 3D프린팅 데이터 생성장치 및 3D프린팅 데이터 생성방법의 장점에 대해 설명한다.
종래에는 작은 크기의 격자구조를 포함하는 형상을 제작하고 3D프린팅을 통해 대량생산을 하기 위해서는 한가지 STL파일을 단면영상 제작프로그램에 삽입하여 파일 복제를 통해 대량생산이 필요하였다. 특히 도 10과 같은 비인두 검체봉을 다수개 생산하고자 하는 경우 단일 검체봉의 STL파일을 복제하여 실라이싱 작업을 수행해야 했다.
본 실시예는 복잡한 미세격자 형상에 대해 종래의 3D프린팅 데이터 준비과정(전용 소프트웨어를 사용한 3D형상설계, STL파일 생성, 단면 슬라이싱)을 생략하고 수치적 연산을 통해 광조사용 2D단면 영상데이터(3D프린팅 데이터)를 직접 생성할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 실시예는 2D단면 영상간의 논리연산을 통해 복잡한 형상의 단면영상을 재생산할 수 있으며, 이는 3D 형상정보(CAD data)간의 논리연산에 비해 계산시간 및 데이터 크기를 획기적으로 감소시켜, 별도의 STL파일 생성 및 부가적인 슬라이싱(slicing) 과정을 생략할 수 있는 장점이 있다.
본 실시예의 2D단면을 포함하는 3D프린팅 데이터 자동생성 알고리즘은 별도의 전용 소프트웨어에 의존하지 않고 컴퓨터 프로그래밍(python 등)으로 임의형상 구조물 내에 원하는 미세격자 구조와 공극률을 선택해 다양한 설계가 가능하며, 3d프린팅과 같은 적층제조 조형 데이터를 효율적으로 생산할 수 있는 장점이 있다.
또한 종래에는 3D프린팅을 위한 데이터는 대용량(약 15GB 이상)인 반면, 본 발명의 3D프린팅 데이터 생성방법을 적용시 1/300 수준의 저용량(약 50MB)으로 동일한 형상을 제작할 수 있는 장점이 있다.
또한, 종래에는 3D프린팅을 위한 데이터는 연산을 위해 약 1500초 정도의 시간이 필요한 반면, 3D프린팅 데이터 생성방법을 적용 시 연산을 위해 약 190초 정도가 소요되어, 연산 시간도 1/8 수준으로 획기적으로 줄어드는 장점이 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 미세격자구조의 3D프린팅 데이터 생성장치 및 3D프린팅 데이터 생성방법을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시 형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 실시 형태를 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
1 : 미세격자구조체의 3D프린팅 데이터 생성장치
100 : 프로세서
110 : 가이드요소 반영부
12 : 메모리
120 : 미세격자구조체 생성부
130 : 단면 생성부
140 : 3D데이터생성부
150 : 추가구조체 생성부
16 : 통신모듈
160 : 반복생성부
18 : 입출력인터페이스
2 : 기본형상
3 : 유한요소구조물
300 : 데이터베이스
32 : 가이드요소
4 : 미세격자구조물
42 : 미세격자구조체
5 : 전체구조물
52 : 추가구조체
52' : 추가구조체
522 : 원형단면
52; 52' : 추가구조체

Claims (5)

  1. 기본형상을 기초로 가이드요소가 반영된 유한요소구조물을 생성할 수 있는 가이드요소 반영부;
    상기 가이드요소를 따라 생성된 미세격자구조체가 반영된 미세격자구조물을 생성할 수 있는 미세격자구조체 생성부;
    상기 미세격자구조물의 특정 방향을 따라 수학적으로 정의 가능한 복수 개의 2D단면을 생성할 수 있는 단면 생성부;
    복수 개의 상기 2D단면을 적층함으로써 상기 미세격자구조물을 포함하는 목적물체를 제조할 수 있는 3D프린팅 데이터를 생성할 수 있는 3D데이터생성부를 포함하고,
    상기 단면 생성부는 일정 각도 경사진 원기둥 형상의 상기 미세격자구조물을 투영하여 수학적으로 정의 가능한 타원형단면으로 상기 2D단면을 형성하는
    미세격자구조의 3D프린팅 데이터 생성장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 미세격자구조체의 3D프린팅 데이터 생성장치는,
    상기 미세격자구조물의 적어도 일부에 추가구조체가 반영된 전체구조물을 생성할 수 있는 추가구조체 생성부를 더 포함하는
    미세격자구조의 3D프린팅 데이터 생성장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 미세격자구조체의 3D프린팅 데이터 생성장치는,
    상기 미세격자구조물을 절단한 복수 개의 상기 2D단면을 각각 복제하여 상기 미세격자구조물에 대한 복수 개의 복제2D단면을 생성할 수 있고, 상기 추가구조체를 절단한 복수 개의 2D단면을 각각 복제하여 상기 추가구조체에 대한 복수 개의 복제2D단면을 생성할 수 있는 반복생성부를 더 포함하고,
    상기 3D데이터생성부는,
    상기 미세격자구조물에 대한 상기 복제2D단면과 상기 추가구조체에 대한 상기 복제2D단면을 특정 방향으로 적층하여 상기 미세격자구조물을 포함하는 복수 개의 목적물체를 제조할 수 있는 3D프린팅 데이터를 생성할 수 있는
    미세격자구조의 3D프린팅 데이터 생성장치.
  5. 가이드요소 반영부에 의해 기본형상을 기초로 가이드요소가 반영된 유한요소구조물이 생성되는 단계(S1단계);
    미세격자구조체 생성부에 의해 상기 가이드요소를 따라 생성된 미세격자구조체가 반영된 미세격자구조물이 생성되는 단계(S2단계);
    단면 생성부에 의해 상기 미세격자구조물의 특정 방향을 따라 수학적으로 정의 가능한 복수 개의 2D단면이 생성되는 단계(S3단계);
    반복생성부에 의해 복수 개의 상기 2D단면이 각각 복제되어 복수 개의 복제2D단면이 생성되는 단계(S4단계); 및
    3D데이터생성부에 의해 복수 개의 상기 복제2D단면이 적층됨으로써 상기 미세격자구조물을 포함하는 복수 개의 목적물체를 제조할 수 있는 3D프린팅 데이터가 생성되는 단계(S5단계)를 포함하고,
    상기 S3단계에서 상기 단면 생성부는 일정 각도 경사진 원기둥 형상의 상기 미세격자구조물을 투영하여 수학적으로 정의 가능한 타원형단면으로 상기 2D단면을 형성하는
    미세격자 구조의 3D프린팅 데이터 생성방법.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101732970B1 (ko) 2015-12-09 2017-05-08 (주)솔리드이엔지 3d 캐드 데이터 처리 방법 및 장치
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