KR20160042724A

KR20160042724A - 종이 파이프로 제작한 블록을 적층하는 3d 프린팅 시스템 및 종이 파이프 블록 적층형 3d 프린팅 방법

Info

Publication number: KR20160042724A
Application number: KR1020140137062A
Authority: KR
Inventors: 영선 조; 영실 김; 기현 이; 소희 임; 혜지 김; 고유정
Original assignee: 쓰리디토시스 주식회사
Priority date: 2014-10-11
Filing date: 2014-10-11
Publication date: 2016-04-20

Abstract

본 발명에 따른 종이파이프 블록 적층형 건축물 및 시설물 제작용 3D 프린팅 시스템의 개략도로서, 본 발명에 따른 종이파이프 블록 적층형 3D 프린팅 시스템은 3D 프린터(100), 단말기 및 컴퓨터(200), 운영서버(300) 및 유무선 통신망(400)을 포함한다. 즉, 3D 건축물 및 시설물(190)을 설계하고 설계된 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 설계 데이터를 생성하는 단말기 및 컴퓨터(200); 상기 단말기 및 컴퓨터(200)로부터 설계된 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 설계 데이터를 수신하여, 상기 3D 건축물 및 시설물(190)에 사용될 블록의 종류와 수를 계산하고, 상기 블록의 종류와 수에 따라 발생되는 비용을 정산하는 운영서버(300); 상기 단말기 및 컴퓨터(200) 또는 상기 운영서버(300)로부터 상기 블록 적층 방식의 3D 건축물 및 시설물 설계 데이터를 수신받아 상기 3D 건축물 및 시설물(190)을 블록으로 적층하는 3D 프린터(100); 및 상기 단말기 및 컴퓨터(200)와 상기 운영 서버(300) 그리고 상기 블록 적층 방식의 3D 프린터(100) 간의 데이터 전송을 담당하는 통신망(400);을 포함한다. 상기 블록은 종이파이프로 제작할 수 있다. 본 발명에 따른 종이파이프 블록(지관)을 적층하여 제작한 건축물 및 시설을 3D 프린팅하는 시스템 및 블록 적층형 3D 프린팅 방법은 난민촌이나 텐트촌을 빠르고 경제적으로 구축해주는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 어린이들이 레고 디지털 디자이너 혹은 마인크래프트 SW와 같은 형태의 프로그램을 이용하여 블록을 쌓아 건축물 및 시설물을 설계한 후, 종이파이프 블록 적층형 3D 프린팅 방법으로 어린이가 생활할 수 있는 실제 크기로 제작할 수 있어 이를 체험함으로써 교육적인 효과가 있다.

Description

종이 파이프로 제작한 블록을 적층하는 3D 프린팅 시스템 및 종이 파이프 블록 적층형 3D 프린팅 방법 {3D PRINTING SYSTEM USING PAPER PIPE BLOCK TYPE STRUCTURE AND THE METHOD FOR PAPER PIPE BLOCK 3D PRINTING}

본 발명은 종이 파이프로 제작한 블록을 적층하는 3D 프린팅 시스템 및 종이 파이프 블록 적층형 3D 프린팅 방법으로서, 더욱 상세하게는 모바일 디바이스(스마트폰 포함) 혹은 컴퓨터 등의 프로그램에서 다양한 블록을 선택하여 조립/적층 설계한 3D 디자인 작업들의 결과(일례로 전용 프로그램 혹은 레고 디지털 디자이너 및 마인크래프트 게임 SW)를 사이버 공간에서만 보고 사용하는 한계를 넘어서, 사이버 공간에서 만든 작품 혹은 이미지(주로 건축물 및 시설물)를 현실 세계에서 3D 건축물 및 시설물 등을 종이 파이프로 제작한 블록을 쌓아 실물로 완성시켜 줌으로써, 모바일 디바이스 혹은 컴퓨터 프로그램에서도 생산성과 창조성 확보라는 새로운 흐름과 문화적 유행을 만들어주는 방법 및 분야에 관한 것이다. 종이 파이프로 제작한 블록(100 x 100 x 50mm 내외, 벽돌크기 90 x 190 x 57mm 참조) 은 레고 블록(최소크기 8 x 8 x 4mm)과 달리 실제 벽돌 크기를 기본 크기로 할 수 있다. 즉, 본 발명은 3D 디자인 작업들의 결과(일례로 레고 디지털 디자이너 및 마인크래프트 SW)를 실제적으로 거주가 가능한 건축물 혹은 시설물(가구 외) 등을 주로 종이 파이프 블록으로 사용하는 블록 적층 3D 프린팅 방식으로 신속하고 매우 저렴한 비용(1층 3 x 3m 크기의 경우 수십만원으로 건축 가능)으로 제작하는 방법에 관한 것이다.

최근 제 3차 산업혁명을 유발할 기술로 주목받는 분야는 3D 프린팅 기술로, 3D 프린팅은 디지털 설계 도면과 3D 프린터만 있으면 누구나 전 세계 어디서든 필요한 제품 생산이 가능하여, 제조 공정의 획기적인 간소화를 통한 제조업 패러다임 변화의 핵심으로 주목받고 있다.

3D 프린팅 자체는 이미 1980 년대 말부터 생산현장에서 시제품 제작에 주로 이용되어 왔지만, 최근 소재 기술의 발달로 플라스틱 뿐만 아니라 유리, 금속, 음식물 재료 등으로까지 적용되면서 제작 범위가 다양해졌다.

수억 원대에 달했던 제품 가격이 수천만 원대로 하락하였으며 수백만 원대의 보급형 제품의 출시로 대중화가 눈앞에 있다.

개인의 요구가 다양화됨에 따라 기존의 표준화된 대량생산 공정으로는 생산하기 힘든 개인화된 제품들을 3D 프린터로 직접 제작할 수 있으며, 제조 산업에서는 제품 기획부터 시제품 구현까지의 시행착오가 획기적으로 단축되어 개발의 혁신이 가속화될 것으로 전망된다.

3D 프린팅 기술은 사용하는 재료가 액체인지 고체인지 혹은 파우더인지, 또 이 재료를 가지고 어떤 방식으로 형상을 만드느냐에 따라 분류된다. 3D 프린팅 기술은 지금까지 약 20가지의 방식이 상용화된 것으로 알려졌지만 공통점은 '미분'과 '적분'의 원리에 따라 만들어지고 있으며, 크게 3단계로 나뉜다. 먼저, 컴퓨터에서 3D 디자인 프로그램 등을 이용해 디자인한 후 이를 정해진 데이터 양식(STL 포맷 등)으로 저장하고, 3D 프린터는 이렇게 그려진 입체적인 디자인을 '미분'하듯이 얇은 가로 층으로 나눠 분석하고, 이후 디자인 파일에 그려진 형태대로 재료를 바닥부터 꼭대기까지 차곡차곡 쌓아올리게 되면 입체 모형이 완성된다.

즉 하나의 모형을 한없이 잘게 썰어 가는 미분과, 이 잘게 썰어진 조각을 합쳐 원래의 모형으로 환원시키는 적분의 원리를 모두 사용하고 있는 셈이다.

새로운 혁명 잠재력을 제공할 수 있는 3D 프린터를 공정 방식(고체, 액체, 파우더 기반) 별로 분류한 기존의 FDM(고체 기반, 수지압출법), SLS(파우더 기반 쾌속조형기술) 및 DLP, SLA(액체 기반, 광경화수지조형) 등이 상용화되었다.

FDM(수지압출법) 방식의 경우, 열에 녹는 고체 플라스틱과 같은 재료를 실타래처럼 뽑아 이것을 조금씩 녹여가며 쌓는 방식으로, 재료가 전후좌우 이동이 가능한 분사기에 삽입되면 분사기는 재료를 순간적으로 녹여 모형을 만드는 자리를 오가며 조금씩 재료를 분사해 형체를 만든다. 비용이 상대적으로 저렴하다는 장점과, 재료를 다양하게 투입할 수 있고 만들어진 모형의 내구성도 강한 편이지만 재료 분사기의 굵기 때문에 표면에 층이 확연히 드러나고 제작 속도도 오래 걸리며 정밀도가 아주 높지 않고, 완성된 제작물의 표면이 거칠기 때문에 표면을 다듬는 후처리 과정이 필요하다. 후처리 과정으로는 CNC 조각기를 사용하여 3D 입체 형태에 따라 절삭 및 연마 툴(Tool)로 표면을 가공하여 표면 상태를 개선시킬 수 있다.

SLA(광경화수지조형) 방식은 빛에 반응하는 액체 형태의 광경화성 플라스틱이 들어있는 수조에 레이저를 쏘아 한 층씩 굳히는 방법으로, 조형판이 수조 안에서 아래로 내려가면서 조금씩 굳어진 재료가 쌓이게 되므로, 표면이 매끄럽고 복잡하거나 섬세한 형상을 만드는 데 적합하지만 재료 가격과 비용이 고가인 문제점이 있다.

DLP(디지털광학기술) 방식은 레이저나 강한 자외선에 반응하는 광경화 플라스틱을 판 위에 얇게 분사해 가며 결과물을 얻는 방식으로, 분사된 액체는 분사기 양 옆에 달려 있는 자외선램프에 의해 즉시 굳게 되며 이렇게 굳은 층 위에 다시 원료를 분사해 가면서 쌓아올린다. 정밀도는 가장 높아 섬세한 표현까지 가능하지만 시간이 오래 걸리고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 정밀도와 표면마감, 제작속도는 DLP 방식이 유리하지만 재료 강도는 FDM 방식이 유리하다. 이와 같이 3D 프린터는 입체적으로 그려진 물건을 마치 미분하듯이 가로로 1만 개 이상 잘게 잘라 분석한 데이터를 만들고, 아주 얇은 막(레이어)을 한 층씩 쌓아 물건의 바닥부터 꼭대기까지 완성한다. 잉크젯프린터가 빨강, 파랑, 노랑 세 가지 잉크를 조합해 다양한 색상을 만드는 것처럼 3D 프린터는 설계에 따라 레이어를 넓거나 좁게, 위치를 조절해 쌓아 올린다. 현재까지 개발된 3차원 프린터는 1시간당 1~3cm 내외의 높이를 쌓아 올릴 수 있으며, 레이어의 두께는 약 0.01~0.2 mm로 종이 한 장보다도 얇다. 레이어가 얇으면 얇을수록 물건이 더 정교해지지만 프린팅 시간이 오래걸리며, 적층하는 방식이로 모형을 만들어가므로 실제 곡면을 100% 완벽하게 재현하는 데는 한계가 있다. 즉, 현재까지 알려진 고체 및 액체 및 파우더 기반의 3D 프린팅 방식은 매우 느린 적층 속도, 약한 모형 강도(시작품으로 용도 제한), 재료 및 색상 혼용 어려움, 고난도 3D 그래픽 설계 기술이 필요하다는 근본적 문제점들이 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해, 새로운 제 4의 3D 프린팅 원리로 판단되는 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템 및 3D 프린팅을 위한 설계 데이터 생성 방법을 본 출원인에 의하여 특허 출원 10-2013-0107216호로 제시하였으며, 본 발명을 통해 종이 파이프 형태의 블록을 쌓는 방식으로 건축물 등을 빠르고 경제적으로 제작하는 단계로 개량 및 발전시키고자 한다.

3D 프린터로 건축물을 제작하는 방식에 있어서는 작업 환경 및 소재에서 한계가 많아, 현재까지 발표된 방식으로는 세밀한 콘크리트 반죽을 튜브로 공급받아 노즐의 위치를 제어하여 콘크리트를 적층시켜 가면서 양생하는 방법이 대부분이다. 콘크리트를 양생하는 것은 시간이 오래 걸리고, 콘크리트를 노즐에서 적층시키는 면이 매끄럽지 못해 미관에도 한계가 있으며, 실제 사람이 거주하는 영구적인 건축물을 3D 프린팅으로 제작하는 데는 소재, 속도, 비용, 완성도 측면에서 여러 한계가 있다.

이와 함께 터치스크린과 모션센서, 10 메가픽셀급 카메라센서, 풀HD급(1920x1080) 고해상도 디스플레이, 2GHz급 옥타코어 프로세서를 갖춘 스마트폰의 대중화가 급격히 진행되고 있으며, 디스플레이도 4인치급을 벗어나 6인치에 이르고 있어 스마트폰과 함께 패블릿, 스마트패드, 태블릿PC 등과 같은 6인치 이상의 모바일 기기들이 등장하여 컴퓨터를 급격하게 대체하고 있는 만큼, 3D 그래픽 전문 기술을 배워야만 사용할 수 있는 현행 3D 프린팅의 사용자 접근성을 개선하여, 표준화된 종이 파이프로 제작한 블록들을 쌓는 방식(Voxel)으로 3D 건축물을 디자인하도록 구성하거나 스웨덴 모장 회사의 마이크래프트로 게이머들이 설계한 3D 건축물을 재현하도록 구성하여, 모바일 기기로도 원하는 3D 건축물을 쉽게 디자인할 수 있도록 제공할 필요가 있다.

대한민국 특허 출원 제 10-2013-0107216호

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 영구적인 건축물보다는 주로 임시 건축물로 사용하도록 주로 종이 파이프(다른 소재의 블록도 포함하도록 구성)로 제작한 블록을 적층하는 3D 프린팅 시스템 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 임시 건축물의 특성상 건축이 빠르게 이루어지도록, 블록 적층형 3D 프린팅 시스템을 차량에 설치함으로써 건축 현장으로 이동이 용이한 종이 파이프로 제작한 블록을 적층하는 3D 프린팅 시스템 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 임시 건축물의 특성상 필요한 기초는 종이 파레트를 사용하여 만들고, 기둥 및 벽을 구성하는 블록의 최하단부를 종이 파레트(혹은 목재 등과 같은 다른 소재로 제작한 바닥판)에 설치된 홈 혹은 돌출부에 끼우는 방식으로 적층하는 3D 프린팅 방법 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 기둥과 벽을 쌓은 후 상단에 보를 구성하는 블록을 적층한 다음, 자체 전기 에너지를 위하여 상단 보 블록 위에 태양광발전 전지판을 지붕으로 올려 구성하는 종이 파이프로 제작한 블록을 적층하는 3D 프린팅 방법 제공도 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 기둥과 벽을 쌓은 후 방습 및 방풍을 위해 스프레이 등으로 스프레이 하는 것을 포함하는 종이 파이프로 제작한 블록을 적층하는 3D 프린팅 시스템 및 방법 제공을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 3D 건축물의 작업 순서에 따라 종이 파이프 블록뿐만 아니라 다양한 색상과 형태 및 재질의 블록(컨베이어 혹은 용기 등에 보관된)을 선택하여 순차적으로 정렬시켜 공급해 주는 장치를 블록 공급 수단에 추가함으로써, 순서대로 선별된 블록을 가이드 레일로 자동공급 하도록 하는, 주로 종이 파이프로 제작한 블록을 적층하는 3D 프린팅 시스템 및 방법의 제공을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 종이파이프를 절단하여 제작한 블록 적층형 3D 프린팅 시스템은 3D 건축물 및 시설을 설계하고, 설계된 3D 건축물 및 시설물의 설계 데이터를 생성하는 단말기 및 컴퓨터; 단말기 및 컴퓨터로부터 설계된 상기 3D 건축물 및 시설물의 설계 데이터를 수신하여, 3D 건축물 및 시설물에 사용될 블록의 종류와 수를 계산하고, 사용된 블록의 종류와 수에 따라 발생되는 비용을 정산하는 운영서버; 단말기 및 컴퓨터 또는 운영서버로부터 블록 적층 방식의 3D 건축물 및 시설물 설계 데이터를 수신받아 3D 건축물 및 시설물을 해당 블록들을 쌓아올리는 블록 적층형 3D 프린터; 및 단말기 및 컴퓨터와 운영 서버 그리고 블록 적층 방식의 3D 프린터 간의 데이터 전송을 담당하는 통신망을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 블록공급 수단까지 블록을 가지러 가는 시간(block loading time)을 줄이기 위해, 가이드레일을 통한 블록 자동공급 방식을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 가이드 레일을 통한 블록 자동공급 방식의 블록 적층형 3D 프린팅 방법은 a) 색상, 재질 및 형상이 상이하게 제작된 블록을 제작하는 단계, b) 제작된 블록을 조합시켜 3D 건축물 및 시설물을 수동 혹은 자동으로 디자인하는 단계, c) 블록 적층형 3D 프린터가 외부 통신 수단를 통해 단말기 및 컴퓨터 또는 운영서버로부터 3D 프린팅 대상이 되는 `b`단계에서 디자인된 3D 건축물 및 시설물의 설계 데이터를 수신받는 단계, d) 블록 적층형 3D 프린터의 블록 공급수단과 헤더 및 구동장치를 연결하여 블록을 연속적으로 이송하는 가이드 레일이 설계 데이터에서 요구하는 성형된 블록들을 블록 공급 수단으로부터 공급받아 이송하는 단계, e) 가이드 레일을 통해 블록을 순차적으로 연속 공급받는 헤더 및 구동장치를 모션 제어 수단으로 제어하여, 블록 공급 수단에서 공급되는 블록들을 작업 테이블(종이 파레트 등으로 제작한 바닥판 위)의 설계된 좌표 위치에 헤더 및 구동장치의 블록 토출 수단으로 내려놓아 적층시켜 가면서 3D 모형를 쌓는 단계; 및 f) 블록 적층형 3D 프린터의 본딩 및 융착 수단이 헤더 및 구동장치에 의해 적층하는 블록들을 고정시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 종이파이프 블록(지관)을 적층하여 제작한 건축물 및 시설물을 3D 프린팅하는 시스템 및 블록 적층형 3D 프린팅 방법은 독특한 집 혹은 시설물(난민촌이나 텐트촌 포함)을 빠르고 경제적(수십만원/채 내외)으로 구축해주는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 종이파이프 블록을 적층시켜 제작한 건축물 및 시설물은 철거할하는 경우에도, 수거한 종이파이프 블록을 다시 펄프로 만들 수 있어 재활용 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 종이파이프 블록을 적층시켜 제작한 건축물 및 시설물은 종이파이프 블록 공간에는 열전달율이 낮은 공기가 대부분 채워져 있으므로, 단열 기능이 있어 건축물 내부가 여름에는 시원하고 겨울에는 따스한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 종이파이프 블록을 적층시켜 제작한 건축물 및 시설물은 스프레이 코팅 혹은 비닐 테이프를 부착하는 것으로 방수 및 방풍 효과가 있다.

또한, 어린이들이 레고 디지털 디자이너 혹은 마인크래프트 프로그램 등으로 블록을 쌓아 건축물 및 시설물을 설계한 후, 본 발명의 종이파이프 블록 적층형 3D 프린팅 방법으로 어린이가 생활할 수 있는 실제 크기로 제작하고 이를 체험함으로써 교육적인 효과가 있다. 종이파이프 블록으로 제작한 시설물의 경우 자신의 집 내부에 설치할 경우 가구들을 대체할 수 있는 효과가 있다. 종이파이프 블록으로 제작한 시설물을 사무실 및 공장에 설치할 경우 파티션 및 가구들을 대체하는 효과가 있다. 종이파이프 블록의 경우 날카로운 모서리가 없고 탄력적이므로 안전한 주거 환경을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 종이파이프 블록을 적층 순서에 맞추어 순차적으로 헤드부에 가이드 레일을 통해 연속 공급하도록 구성하여, 블록 로딩을 위한 헤드부 이동 시간을 제거함으로써 초고속으로 블록을 적층하여 건축물 및 시설물을 신속히 제작할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 가이드 레일을 통한 블록 자동공급 방식의 종이파이프 블록 적층형 3D 프린팅 시스템 및 3D 프린팅 방법은 여러 형태와 재질 및 색상의 블록을 컨베어 및 벌크 용기에 장착하고 해당 블록(일례로 64가지 칼라 블록)을 자동 선택하여 가이드 레일로 연속 이송함으로써 해당 블록을 순차적으로 적층하여 다양한 재질과 색상의 3D 건축물 및 시설을 제작할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 종이파이프 블록 적층형 3D 프린팅 시스템 및 3D 프린팅 방법은 모바일 기기의 프로그램에서 수행한 작업들의 결과를 사이버 공간에서 보고 사용하는 한계를 넘어서 디자인한 3D 건축물 및 시설물을 현실 세계에서 실물로 즉시 만들 수 있게 되어 창작, 교육, 지능 개발 요소를 동시에 접목시키고, 작업한 결과를 실제로 제작하여 사용하는 비즈니스라는 새로운 수익 모델로 개척할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 작업자가 일일이 조립한 페이퍼 하우스의 사진 이미지,
도 2는 레고로 조립한 마인크래프트의 사진 이미지,
도 3은 종이파이프로 제작한 블록의 구성도,
도 4는 종이파이프로 제작한 파레트의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 종이파이프 블록 적층형 건축물 및 시설 제작용 3D 프린팅 시스템으로 건축물을 제작하는 과정을 나타내는 이미지,
도 6은 본 발명에 따른 3D 프린팅 시스템을 설치하는 고정공간이 설치된 카고 크렌인의 이미지도이다.
도 7은 본 발명에 따른 종이파이프 블록 적층형 건축물 및 시설 제작용 3D 프린팅 시스템의 개략도, 및
도 8은 본 발명에 따른 종이파이프 블록 적층형 건축물 및 시설 제작용 3D 프린팅 시스템의 상세 블록도이다.
도 9는 본 발명에 따른 종이파이프 블록으로 구성한 바닥판 파레트, 기둥, 블록, 지붕을 설치한 건축물의 구성도,
도 10은 본 발명에 따른 종이파이프 블록으로 구성한 사무실 혹은 공장의 칸막이와 파티션 및 가구를 대체하는 시설물 구성도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 작업자가 일일이 조립한 페이퍼 하우스의 사진 이미지로 난민촌 등에 신속하게 가건물을 세우기 위해 작업자가 종이 파이프를 엮어서 제작하였다. 종이 파이프는 내부가 비어 있어 단열 효과가 우수하다는 장점이 있지만 별도로 코팅 처리를 하지 않으면 습기에 취약하다는 단점이 있다. 건조한 지역에서는 최상의 건축 재료로 사용할 수 있다.

도 2는 레고로 조립한 마인크래프트의 사진 이미지다. 마인크래프트 게임은 오픈 월드 게임의 특성상 게임의 목표가 없고 자유롭다. 마인크래프트는 블록을 부수고, 설치하는 행위부터 시작하며, 세계는 3D의 정육면체 형태의 블록으로 이루어져 있다. 이러한 마인크래프트와 레고를 결합하여 건축물을 단순화시켜 조립한 이미지로, 본 발명을 통해 이러한 이미지의 건축물을 실제 어린이가 생활할 수 있는 크기로 자동으로 제작할 수 있다.

도 3은 종이파이프로 제작한 블록의 구성도로서, 국내다인기술이 국내 특허로 등록한 제품(다각형 단면을 갖는 지관의 제조 방법 및 장치 및 그 방법에 의하여 제조된 지관)으로, 펄프를 와인딩하여 고강도 지관을 만들고, 이를 절단하여 고강도 블록을 제작한다. 필요시 방수코팅을 실시할 수도, 색종이를 와인딩하여 색상을 재현할 수도 있으며, 규격 100 x 100 x t 12 mm 블록의 경우 압축하중 300kgf 이상이 보장된다. 본 발명은 이러한 종이파이프 블록을 중점적으로 사용하여 건축물 및 시설물을 제작하고자 한다. 종이파이프 블록을 쌓고 그 상단에 판재를 접착하고 그 위에 다시 종이파이프 블록을 접착하여 쌓는 과정을 반복하면 건축물을 제작할 수 있음은 주지의 사실이다. 혹은, 종이파이프 지관의 양단 혹은 상단에 판재를 미리 접착하여 부착한 블록을 사용할 수도 있다.

도 4는 종이파이프로 제작한 파레트의 구성도이다. 종이 파레트는 습기에 취약하므로 이를 방지하기 위해 하단부에 방수 지지캡과 하부 플레이트를 부착하고 그 위해 종이 파이프 블록을 고정시키고 상판을 부착하는 형태로 구성된다. 건축물을 3D 프린터로 출력하기 위해서는 건축물을 짓는 대지에 기초 및 바닥판을 설치해야 하는데. 이러한 파레트를 건축하고자 하는 대지 면적에 설치하면 바닥판을 만들 수 있다. 이러한 파레트에 고정기구를 부착하여 대지에 말뚝 등을 박아 고정하는 방법이 필요하다. 기둥 블록 및 최하단부의 벽을 구성하는 블록을 고정시키기 위한 홈 혹은 돌출물을 파레트(종이 혹은 목재 등으로 제작) 위에 설치할 수 있다. 대지는 일반적으로 콘크리트 혹은 도로 포장 재료로 포장되어 있는 위치를 대상으로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 종이파이프 블록 적층형 건축물 및 시설 제작용 3D 프린팅 시스템으로 건축물을 제작하는 과정을 나타내는 이미지다. 블록적층형 3D 프린팅 시스템이 장착되어 있는 이동형 차량(카고 크레인 포함)으로 블록을 쌓아서 건축물을 신속하게 구축하도록 하였다. 블록을 가져오고 쌓는 X,Y,Z 방향의 모션 기구(gantry)를 직교 형태로 구성할 수 있지만, 카고 크레인에 사용되는 회전 + 직선 운동 형태로 구성할 수 있다. 혹은 카고크렌인 상단의 고정수단(cabin)에 3D 프린팅 시스템을 고정시켜, 카고크레인의 고정수단을 작업공간으로 이동시키고 해당 위치에서 3D 프린팅 시스템이 세밀하게 작동하도록 하이브리드 형태로 구성할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 3D 프린팅 시스템을 설치하는 고정공간이 설치된 카고 크렌인의 이미지도이다.

도 7은 본 발명에 따른 종이파이프 블록 적층형 건축물 및 시설물 제작용 3D 프린팅 시스템의 개략도로서, 본 발명에 따른 종이파이프 블록 적층형 3D 프린팅 시스템은 3D 프린터(100), 단말기 및 컴퓨터(200), 운영서버(300) 및 유무선 통신망(400)을 포함한다. 즉, 3D 건축물 및 시설물(190)을 설계하고 설계된 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 설계 데이터를 생성하는 단말기 및 컴퓨터(200); 상기 단말기 및 컴퓨터(200)로부터 설계된 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 설계 데이터를 수신하여, 상기 3D 건축물 및 시설물(190)에 사용될 블록의 종류와 수를 계산하고, 상기 블록의 종류와 수에 따라 발생되는 비용을 정산하는 운영서버(300); 상기 단말기 및 컴퓨터(200) 또는 상기 운영서버(300)로부터 상기 블록 적층 방식의 3D 건축물 및 시설물 설계 데이터를 수신받아 상기 3D 건축물 및 시설물(190)을 블록으로 적층하는 3D 프린터(100); 및 상기 단말기 및 컴퓨터(200)와 상기 운영 서버(300) 그리고 상기 블록 적층 방식의 3D 프린터(100) 간의 데이터 전송을 담당하는 통신망(400);을 포함한다. 상기 블록은 종이파이프로 제작할 수 있다.

이때, 상기 상기 3D 건축물 및 시설물(190)을 블록으로 적층하는 3D 프린터(100)는 무인 자동비행체(일례로 드론)로 구성하여 해당 위치로 자동 비행시킨 후 블록을 쌓도록 구성하면 공간적인 제한을 극복할 수 있다. 이 경우, 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는 영상처리를 통해 상기 작업 공간(110)에서 작업 중인 3D 건축물 및 시설물의 위치좌표를 명확히 추출하는 영상처리 수단(160); 및 상기 영상처리 수단(160)으로부터 위치좌표 정보를 수신하여 상기 제작된 블록이 정밀하게 놓아질 수 있도록, 해당 위치로 정밀 비행하거나 혹은 상기 헤더 및 구동장치(140)의 정밀한 제어를 담당하는 모션 제어수단(180);을 더 포함하도록 구성할 수 있다. 일반 제을 3D 프린팅과 달리, 3D 건축물 및 시설물은 크기가 매우 크므로 이에 대응하여 3D 프린터의 크기를 증대시키는 데는 물리적인 혹은 경제적인 한계가 있으므로, 무인자동 비행체를 활용하여 GPS 혹은 영상인식 기반으로 정밀하게 해당 위치로 비행시킨 후 블록을 쌓도록 하는 것도 매우 경쟁력있는 개념이 될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 종이파이프 블록 적층형 건축물 및 시설 제작용 3D 프린팅 시스템의 상세 블록도이다. 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는, 상기 단말기 및 컴퓨터(200) 또는 상기 운영서버(300)로부터 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 설계 데이터를 수신받는 상기 3D프린터(100)의 외부 통신 수단(170); 상기 설계 데이터의 3D 건축물 및 시설물(190)을 조립하기 위한 선택된 블록을 쌓는 기초판 위의 작업 공간(110); 상기 작업 공간(110)에서 작업 중인 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 해당 설계된 위치에 블록을 놓아 적층시키는 헤더 및 구동장치(140);를 포함하되, 상기 헤더 및 구동장치(140)에 의해 해당 설계된 위치에 놓아지는 상기 성형된 블록들을 고정시키기 위한 본딩 및 융착 수단(150);을 포함한다.

이 경우, 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는 영상처리를 통해 상기 작업 공간(110)에서 작업 중인 3D 건축물 및 시설물의 위치좌표를 명확히 추출하는 영상처리 수단(160); 및 상기 영상처리 수단(160)으로부터 위치좌표 정보를 수신하여, 상기 제작된 블록이 정밀하게 놓아질 수 있도록 상기 헤더 및 구동장치(140)의 정밀한 제어를 담당하는 모션 제어수단(180);을 더 포함하도록 구성할 수 있다.

건축물 및 시설물을 제작하는 3D 프린터는 작업공간이 수 m에 이르므로, 블록 보관 및 공급 위치까지 일일이 헤드 및 구동장치(140)가 이동하는 것은 많은 시간이 소요된다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해서는 헤더 및 구동장치(140)로 가이드 레일을 통해 블록을 자동으로 공급하는 방식(종이 파이프로 제작한 블록은 가운데가 뚫려 있으므로 케이블형 가이드 레일로 이송 가능) 혹은 헤더 및 구동장치(140) 근처로 블록을 이송시키는 방법이 있다. 즉, 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는, 상기 헤더 및 구동장치(140)와 연결된 상기 제작된 블록의 연속 공급을 위한 가이드 레일(130); 상기 가이드 레일(130)에 상기 제작된 블록을 순차적으로 연속 공급(제공)하는 블록 공급 수단(195); 상기 헤더 및 구동장치(140)에 설치되어 상기 가이드 레일(130)를 통하여 공급받는 상기 제작된 블록을 선택 후, 작업 공간(110)으로 내리는 블록 토출 수단(120); 을 포함하여 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템을 구성한다.

한 가지 종류의 블록을 사용하는 경우는 단순하게, 상기 블록 공급 수단(195)과 상기 헤더 및 구동장치(140) 사이를 한 개의 상기 가이드 레일(130)로 연결하고, 상기 가이드 레일(130)를 통하여 블록 공급 수단(195)의 블록을 헤더 및 구동장치(140)에 연속적으로 공급하도록 구성할 수도 있다. 이때, 상기 블록 공급 수단(195)의 용기를 바울(bowl) 형태로 구성하고, 상기 바울 안에 블록을 넣고 순차적으로 한 개씩 상기 가이드 레일(130)로 이송시키도록 구성할 수 있다.

한 가지 종류 이상의 블록을 사용하는 경우는 복잡하지만, 상기 블록 공급 수단(195)과 상기 헤더 및 구동장치(140) 사이를 복수의 상기 가이드 레일(130)로 연결하고, 상이한 크기, 색상 및 재질의 성형된 블록을 동시에 공급되도록 구성하여 헤더 및 구동장치에서 블록을 선택하여 적층하도록 한다. 다른 방법으로는, 상기 블록 공급 수단(195)에서 적층 순서에 따라 각각의 상기 블록 보관 용기에서 해당 블록을 선택되어, 상기 가이드 레일(130)를 통해 순차적으로 이송되면, 상기 헤드 및 구동장치(140)가 순차적으로 이송된 각각의 블록을 정해진 위치에 적층하여 복수의 칼라 및 재질을 갖는 3D 건축물 및 시설물을 제작하도록 구성할 수 있다. 즉, 상기 블록 공급 수단(195)과 상기 제작된 종이 파이프 형태의 블록의 가운데 빈 공간 부분을 상기 가이드 레일(130)에 끼우게 하고 연속적으로 공급하도록 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 블록 토출 수단(120)은 상기 헤더 및 구동장치(140) 하단에 상기 가이드 레일(130)로부터 이송된 제작된 블록을 정렬 위치시키는 수단; 및 토출구(121)를 통해 상기 작업 공간(110) 방향으로 정렬된 상기 제작된 블록을 밀어내는 수단;으로 구성된다.

블록을 견고하게 적층 및 접착시키기 위하여, 상기 본딩 및 융착 수단(150)은상기 가이드 레일(130)로부터 공급된 블록을 선택하여 상기 작업 공간(110)으로 내리는 상기 블록 토출 수단(120)을 통해 토출되는 블록을 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 해당 설계된 위치에 토출 적층시키기 전에 접착처리부로 이동하여 블록 하단에 접착제를 묻히는 수단을 포함할 수 있다. 혹은, 상기 본딩 및 융착 수단(150)은조립중인 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 해당 설계된 위치에 상기 제작된 블록을 내려놓기 전에, 상기 헤더 및 구동장치(140)에 설치되어 블록을 놓는 위치에 접착제를 주사 혹은 분무하는 수단으로 구성할 수도 있다. 혹은, 상기 본딩 및 융착 수단(150)은 상기 제작된 블록을 상기 헤더 및 구동장치(140)로 해당 층에 쌓는 것을 시작하기 전에, 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 블록을 쌓는 해당 층 접착부 전체에 접착제를 미리 주사 혹은 분무하도록 구성할 수도 있다. 이러한 상기 본딩 및 융착 수단(150)은, 접착제의 종류에 따라서 상기 접착제의 경화를 촉진하는 수단을 더 포함하도록 구성할 수 있다. 즉, 상기 제작된 블록은 접착 면이 사전에 접착제(일례로 UV 접착제)로 본딩 처리되는 방식을 포함할 수 있다. 혹은, 상기 제작된 블록을 내려놓는 위치에 접착 재료를 주사 혹은 분무하는 수단인 디스펜서(dispenser)를 상기 헤더 및 구동장치(140)에 설치하여, 상기 작업 공간(110)에서 조립중인 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 해당 설계된 위치에 블록을 내려놓기 전에 해당 위치에 접착 재료를 주사 혹은 분무하도록 구성할 수 있다. 이와 함께, 상기 본딩 및 융착 수단(150)은 상기 블록을 한층 쌓을 때마다 코팅 재료를 도포하거나, 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 적층이 완료된 후 코팅 재료를 도포하여 상기 제작된 블록을 고정함과 함께 방수와 방풍을 위해 블록 사이의 틈을 메꾸는 것을 포함하도록 구성한다. 혹은, 상기 제작된 블록을 쌓아 상기 3D 건축물 및 시설물(190)을 완성한 후, 상기 3D 건축물 및 시설물 (190) 전체에 본딩 재료를 다시 도포하여, 블록 사이의 갭(GAP)에 상기 본딩 재료를 채워 고정되도록 구성할 수도 있다.

그리고, 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는, 상기 모션 제어수단(180)의 제어를 받아 상기 헤더 및 구동장치(140)가 지정된 블록들을 설계된 좌표 위치로 이송하고 내려놓는 과정을 통해 해당 층의 블록들을 모두 쌓고, 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 다음 층 블록 적층 높이로 상기 모션 제어수단(180)이 상기 헤더 및 구동장치(140)의 높이(Z축)를 제어함에 따라, 상기 헤더 및 구동장치(140)가 다음 층을 쌓도록 구성한다. 이때, 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는 이동 차량(일례로 컨테이너)에 설치되어, 블록으로 쌓은 건축물을 제작하고자 하는 장소로 이동하여 블록을 적층하도록 구성한다. 이 경우, 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)에 공급되는 블록들은 이동 차량(일례로 컨테이너)에 색상 및 형태별로 가이드레일에 끼워져 있고, 상기 헤더 및 구동장치(140)는 해당 블록이 있는 가이드레일에선 블록을 집어 해당 위치에 블록을 적층하여 건축물을 제작하도록 구성한다.

3D 프린터(100)에 의한 프린팅 방법에 있어서는, (a) 색상, 재질 및 형상이 상이하게 제작된 블록을 제작하는 단계; (b) 상기 제작된 블록을 조합시켜 3D 건축물 및 시설물(190)을 수동 혹은 자동으로 디자인하는 단계; (c) 블록 적층형 3D 프린터(100)가 외부 통신 수단(170)를 통해 단말기 및 컴퓨터(200) 또는 상기 운영서버(300)로부터 3D 프린팅 대상이 되는 상기 `(b)`단계에서 디자인된 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 설계 데이터를 수신받는 단계; (d) 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)의 헤더 및 구동장치(140)가 블록 공급 수단으로 이동하여 선택된 블록을 가져오거나, 혹은 블록 공급 수단(195)과 헤더 및 구동장치(140) 사이에 블록을 공급하는 가이드 레일(130)을 설치하여 상기 설계 데이터에서 요구하는 제작된 블록들을 상기 블록 공급 수단(195)으로부터 공급받아 이송하는 단계; (e) 상기 헤더 및 구동장치(140)를 상기 모션 제어 수단(180)가 제어하여, 상기 블록 공급 수단(195)에서 공급되는 상기 제작된 블록들을 작업 공간(110)의 설계된 좌표 위치에 상기 헤더 및 구동장치(140)의 블록 토출 수단(120)으로 내려놓아 적층시켜 가면서 상기 3D 건축물 및 시설물(190)를 쌓는 단계; 및 (f) 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)의 본딩 및 융착 수단(150)이 상기 헤더 및 구동장치(140)에 의해 적층되는 상기 제작된 블록들을 고정시키는 단계;를 포함하여 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층형 3D 프린팅 방법을 제공한다. 이와 함께 본 발명은 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물을 포함한다. 이 경우, 상기 블록은 종이파이프를 절단하여 제작할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 종이파이프 블록으로 구성한 바닥판 파레트, 기둥, 블록, 지붕을 설치한 건축물의 구성도이며, 도 10은 본 발명에 따른 종이파이프 블록으로 구성한 사무실 혹은 공장의 칸막이와 파티션 및 가구를 대체하는 시설물 구성도 사례이다. 이와 같이, 3D 프린터(100)에 의한 건축물에 있어서, (a) 색상, 재질 및 형상이 상이하게 설계된 블록을 제작하는 단계; (b) 상기 제작된 블록을 조합시켜 3D 건축물 및 시설물(190)을 바닥판과 기둥과 블록으로 벽을 쌓는 것을 수동 혹은 자동으로 디자인하는 단계; (c) 블록 적층형 3D 프린터(100)의 외부 통신 수단(170)를 통해 단말기 및 컴퓨터(200) 또는 상기 운영서버(300)로부터 3D 프린팅 대상이 되는 상기 `(b)`단계에서 디자인된 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 설계 데이터를 수신받는 단계; (d) 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)의 헤더 및 구동장치(140)가 선택된 블록을 공급받아, 상기 헤더 및 구동장치(140)를 상기 모션 제어 수단(180)가 제어하여, 상기 블록 공급 수단(195)에서 공급되는 상기 제작된 블록들을 작업 공간(110)의 설계된 좌표 위치에 상기 헤더 및 구동장치(140)의 블록 토출 수단(120)으로 내려놓아 적층시켜 가면서 상기 3D 건축물 및 시설물을 쌓는 단계에 있어서, 기초 및 포장이 된 대지에 건축하는 면적만큼 바닥판(660)들을 내려놓는 단계; 바닥판(660)의 기둥 및 블록 고정기구(650)인 홈 혹은 돌출부에 기둥 일체형 블록(620)을 끼우는 단계; 기둥(620) 사이에 벽면 블록(640)을 쌓아 벽을 만드는 단계; 기둥과 벽 상단부에 지붕을 만드는 구조보강 보(600)를 구성하는 블록을 고정시키는 단계; 및 지붕을 구성하는 넓은 블록을 고정시키는 단계; (e) 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)의 본딩 및 융착 수단(150)이 상기 헤더 및 구동장치(140)에 의해 적층되는 상기 제작된 블록들을 고정시키는 단계;를 포함하는 방식으로 건축물 제작을 위한 블록 적층형 3D 프린팅 방법을 제공한다. 본 발명은 이와 같은 방법으로 제작된 건축물을 포함한다. 이 경우, 상기 지붕을 구성하는 넓은 블록은 태양광발전 전지판(610)으로 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 블록은 종이파이프로 제작하도록 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 바닥판에는 기둥 및 벽을 구성하는 블록을 고정시키는 고정기구 (650)인 홈 혹은 돌출부가 설치되어 있고, 종이가 아닌 다른 재질의 방수 지지캡(630, 일례로 프레스 성형 스틸캡)이 설치된 파레트 형태로 구성할 수 있다. 이 경우 바닥판에 홈 혹은 돌출부에 고정시키는 기둥형 블록의 높이는 해당 건축물의 높이로 구성할 수 있다. 이 경우, 기둥 사이에 블록을 쌓아 벽을 만드는 단계에 있어서, 블록을 지그재그로 쌓은 후, 그 상단에 판재를 접착시켜 고정하고, 그 위에 블록을 쌓는 과정을 반복하여 벽을 구성한다. 이 경우, 상기 3D 건축물(190)의 적층 과정 혹은 적층이 완료된 후, 코팅 재료를 도포하여, 상기 제작된 블록을 고정함과 함께 방수와 방풍을 위해 블록 사이의 틈을 메꾸도록 구성할 수 있다. 이 경우, 종이파이프로 제작한 상기 블록은 양단이 뚫려 있으므로, 양단의 한쪽은 볼록한 형태의 보조물(일례로 플라스틱)을 고정시키고, 반대쪽은 오목한 형태로 형성한 보조물을 고정시켜 레고처럼 조립 결합하도록 구성할 수 있다. 상기와 같이 본 발명은 건축물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물에만 국한되지 않고 도 9의 종이파이프 블록으로 구성한 사무실 혹은 공장의 칸막이와 파티션 및 가구를 대체하는 시설물로 확대할 수 있고 이를 포함할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실 시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 3D 프린터 110 : 작업 공간
115 : 바닥판 120 : 블록 토출 수단
130 : 가이드 레일 140 : 헤더 및 구동장치
150 : 본딩 및 융착 수단 160 : 영상 처리 수단
170 : 외부 통신 수단 180 : 모션 제어 수단
190 : 3D 모형 195 : 블록 공급 수단
200 : 단말기 및 컴퓨터
300 : 운영서버
400 : 유무선 통신망
600 : 구조보강 보 610 : 태양광발전 전지판
620 : 기둥 일체형 블록 630 : 방수 캡
640 : 벽면 종이파이프 블록 650 : 기둥 및 블록 고정 기구
660 : 바닥판

Claims

3D 건축물 및 시설물(190)을 설계하고 설계된 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 설계 데이터를 생성하는 단말기 및 컴퓨터(200);
상기 단말기 및 컴퓨터(200)로부터 설계된 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 설계 데이터를 수신하여, 상기 3D 건축물 및 시설물(190)에 사용될 블록의 종류와 수를 계산하고, 상기 블록의 종류와 수에 따라 발생되는 비용을 정산하는 운영서버(300);
상기 단말기 및 컴퓨터(200) 또는 상기 운영서버(300)로부터 상기 블록 적층 방식의 3D 건축물 및 시설물 설계 데이터를 수신받아 상기 3D 건축물 및 시설물(190)을 블록으로 적층하는 3D 프린터(100); 및
상기 단말기 및 컴퓨터(200)와 상기 운영 서버(300) 그리고 상기 블록 적층 방식의 3D 프린터(100) 간의 데이터 전송을 담당하는 통신망(400);을 포함하는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 블록은 종이파이프로 제작함을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 블록으로 적층하는 3D 프린터(100)는 무인 자동비행체(일례로 드론)로 구성하여 해당 위치로 자동 비행시킨 후 블록을 쌓도록 구성함을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는
영상처리를 통해 상기 작업 공간(110)에서 작업 중인 3D 건축물 및 시설물의 위치좌표를 명확히 추출하는 영상처리 수단(160); 및
상기 영상처리 수단(160)으로부터 위치좌표 정보를 수신하여 상기 제작된 블록이 정밀하게 놓아질 수 있도록,
해당 위치로 정밀 비행하거나 혹은 상기 헤더 및 구동장치(140)의 정밀한 제어를 담당하는 모션 제어수단(180);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는,
상기 단말기 및 컴퓨터(200) 또는 상기 운영서버(300)로부터 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 설계 데이터를 수신받는 상기 3D프린터(100)의 외부 통신 수단(170);
상기 설계 데이터의 3D 건축물 및 시설물(190)을 조립하기 위한 선택된 블록을 쌓는 바닥판 위의 작업 공간(110);
상기 작업 공간(110)에서 작업 중인 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 해당 설계된 위치에 블록을 놓아 적층시키는 헤더 및 구동장치(140);를 포함하되
상기 헤더 및 구동장치(140)에 의해 해당 설계된 위치에 놓아지는 상기 성형된 블록들을 고정시키기 위한 본딩 및 융착 수단(150);을 포함하는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는
영상처리를 통해 상기 작업 공간(110)에서 작업 중인 3D 건축물 및 시설물의 위치좌표를 명확히 추출하는 영상처리 수단(160); 및
상기 영상처리 수단(160)으로부터 위치좌표 정보를 수신하여, 상기 제작된 블록이 정밀하게 놓아질 수 있도록 상기 헤더 및 구동장치(140)의 정밀한 제어를 담당하는 모션 제어수단(180);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는,
상기 헤더 및 구동장치(140)와 연결된 상기 제작된 블록의 연속 공급을 위한 가이드 레일(130);
상기 가이드 레일(130)에 상기 제작된 블록을 순차적으로 연속 공급하는 블록 공급 수단(195);
상기 헤더 및 구동장치(140)에 설치되어 상기 가이드 레일(130)를 통하여 공급받는 상기 제작된 블록을 선택 후, 작업 공간(110)으로 내리는 블록 토출 수단(120); 을 포함하는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 블록 공급 수단(195)과 상기 헤더 및 구동장치(140) 사이를 한 개의 상기 가이드 레일(130)로 연결하고, 상기 가이드 레일(130)를 통하여 블록 공급 수단(195)의 블록을 헤더 및 구동장치(140)에 연속적으로 공급하도록 구성함을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 블록 공급 수단(195)의 용기를 바울(bowl) 형태로 구성하고, 상기 바울 안에 블록을 넣고 순차적으로 한 개씩 상기 가이드 레일(130)로 이송시키는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층 방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 블록 공급 수단(195)과 상기 헤더 및 구동장치(140) 사이를 복수의 상기 가이드 레일(130)로 연결하고, 상이한 크기, 색상 및 재질의 성형된 블록을 동시에 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층 방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 블록 공급 수단(195)에서 적층 순서에 따라 각각의 상기 블록 보관 용기에서 해당 블록을 선택되어, 상기 가이드 레일(130)를 통해 순차적으로 이송되면, 상기 헤드 및 구동장치(140)가 순차적으로 이송된 각각의 블록을 정해진 위치에 적층하여 복수의 칼라 및 재질을 갖는 3D 건축물 및 시설물을 제작하는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층 방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 블록 공급 수단(195)이 설치되어, 상기 제작된 사각 파이프 형태의 블록의 가운데 빈 공간 부분을 상기 가이드 레일(130)에 끼우게 하고 연속적으로 공급하는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층 방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 블록 토출 수단(120)은
상기 헤더 및 구동장치(140) 하단에 상기 가이드 레일(130)로부터 이송된 제작된 블록을 정렬 위치시키는 수단; 및 토출구(121)를 통해 상기 작업 공간(110) 방향으로 정렬된 상기 제작된 블록을 밀어내는 수단;으로 구성된 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층 방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 본딩 및 융착 수단(150)은
상기 가이드 레일(130)로부터 공급된 블록을 선택하여 상기 작업 공간(110)으로 내리는 상기 블록 토출 수단(120)을 통해 토출되는 블록을 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 해당 설계된 위치에 토출 적층시키기 전에 접착처리부로 이동하여 블록 하단에 접착제를 묻히는 수단인 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 본딩 및 융착 수단(150)은
조립중인 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 해당 설계된 위치에 상기 제작된 블록을 내려놓기 전에, 상기 헤더 및 구동장치(140)에 설치되어 블록을 놓는 위치에 접착제를 주사 혹은 분무하는 수단인 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 본딩 및 융착 수단(150)은
상기 제작된 블록을 상기 헤더 및 구동장치(140)로 해당 층에 쌓는 것을 시작하기 전에, 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 블록을 쌓는 해당 층 접착부 전체에 접착제를 미리 주사 혹은 분무하는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 본딩 및 융착 수단(150)은
상기 접착제의 경화를 촉진하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 제작된 블록은
접착 면이 사전에 접착제(일례로 UV 접착제)로 본딩 처리되는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서
상기 제작된 블록을 내려놓는 위치에 접착 재료를 주사 혹은 분무하는 수단인 디스펜서(dispenser)를 상기 헤더 및 구동장치(140)에 설치하여, 상기 작업 공간(110)에서 조립중인 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 해당 설계된 위치에 블록을 내려놓기 전에 해당 위치에 접착 재료를 주사 혹은 분무함을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서
상기 본딩 및 융착 수단(150)은
상기 블록을 한층 쌓을 때마다 코팅 재료를 도포하거나,
상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 적층이 완료된 후 코팅 재료를 도포하여 상기 제작된 블록을 고정함과 함께 방수와 방풍을 위해 블록 사이의 틈을 메꾸는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서
상기 제작된 블록을 쌓아 상기 3D 건축물 및 시설물(190)을 완성한 후, 상기 3D 건축물 및 시설물 (190) 전체에 본딩 재료를 다시 도포하여, 블록 사이의 갭(GAP)에 상기 본딩 재료를 채워 고정되도록 하는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는
상기 모션 제어수단(180)의 제어를 받아 상기 헤더 및 구동장치(140)가 지정된 블록들을 설계된 좌표 위치로 이송하고 내려놓는 과정을 통해 해당 층의 블록들을 모두 쌓고, 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 다음 층 블록 적층 높이로 상기 모션 제어수단(180)이 상기 헤더 및 구동장치(140)의 높이(Z축)를 제어함에 따라, 상기 헤더 및 구동장치(140)가 다음 층을 쌓는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층 방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는 이동 차량(일례로 카고 크레인)에 설치되어
블록으로 쌓은 건축물을 제작하고자 하는 장소로 이동하여 블록을 적층함을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층 방식의 3D 프린팅 시스템.
제 23항에 있어서,
상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는 이동 차량(일례로 카고 크레인)에 설치되고, 블록을 가져오고 쌓는 X,Y,Z 방향의 모션 기구(gantry)를
직교 형태로 구성 하거나; 혹은
카고 크레인에 사용되는 회전 + 직선 운동 형태로 구성하거나; 혹은
카고 크렌인 상단의 고정수단(cabin)에 3D 프린팅 시스템을 고정시킨 후 카고 크레인의 고정수단을 작업공간으로 이동시키고 해당 위치에서 3D 프린팅 시스템이 작동하도록 하이브리드 형태로 구성함을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층 방식의 3D 프린팅 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 블록 적층형 3D 프린터(100)에 공급되는 블록들은 이동 차량(일례로 컨테이너)에 색상 및 형태별로 가이드 레일에 끼워져 있고,
상기 헤더 및 구동장치(140)는 해당 블록이 있는 가이드 레일에선 블록을 집어 해당 위치에 블록을 적층하여 건축물을 제작함을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층 방식의 3D 프린팅 시스템.
3D 프린터(100)에 의한 프린팅 방법에 있어서,
(a) 색상, 재질 및 형상이 상이하게 제작된 블록을 제작하는 단계;
(b) 상기 제작된 블록을 조합시켜 3D 건축물 및 시설물(190)을 수동 혹은 자동으로 디자인하는 단계;
(c) 블록 적층형 3D 프린터(100)가 외부 통신 수단(170)를 통해 단말기 및 컴퓨터(200) 또는 상기 운영서버(300)로부터 3D 프린팅 대상이 되는 상기 `(b)`단계에서 디자인된 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 설계 데이터를 수신받는 단계;
(d) 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)의 헤더 및 구동장치(140)가 블록 공급 수단으로 이동하여 선택된 블록을 가져오거나,
혹은 블록 공급 수단(195)과 헤더 및 구동장치(140) 사이에 블록을 공급하는 가이드 레일(130)을 설치하여 상기 설계 데이터에서 요구하는 제작된 블록들을 상기 블록 공급 수단(195)으로부터 공급받아 이송하는 단계;
(e) 상기 헤더 및 구동장치(140)를 상기 모션 제어 수단(180)가 제어하여, 상기 블록 공급 수단(195)에서 공급되는 상기 제작된 블록들을 작업 공간(110)의 설계된 좌표 위치에 상기 헤더 및 구동장치(140)의 블록 토출 수단(120)으로 내려놓아 적층시켜 가면서 상기 3D 건축물 및 시설물(190)를 쌓는 단계; 및
(f) 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)의 본딩 및 융착 수단(150)이 상기 헤더 및 구동장치(140)에 의해 적층되는 상기 제작된 블록들을 고정시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층형 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물
제 26항에 있어서,
상기 블록은 종이파이프로 제작함을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물.
제 26항에 있어서,
상기 상기 3D 건축물 및 시설물을 블록으로 적층하는 상기 헤더 및 구동장치(140)는 무인 자동비행체(일례로 드론)로 구성하여 해당 위치로 자동 비행시킨 후 블록을 쌓도록 구성함을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물.
제 26항에 있어서,
상기 블록 적층형 3D 프린터(100)는
영상처리를 통해 상기 작업 공간(110)에서 작업 중인 3D 건축물 및 시설물의 위치좌표를 명확히 추출하는 영상처리 수단(160); 및
상기 영상처리 수단(160)으로부터 위치좌표 정보를 수신하여 상기 제작된 블록이 정밀하게 놓아질 수 있도록,
해당 위치로 정밀 비행하거나 혹은 상기 헤더 및 구동장치(140)의 정밀한 제어를 담당하는 모션 제어수단(180);을 더 포함하여 블록을 적층하는 것을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물.
3D 프린터(100)에 의한 건축물에 있어서,
(a) 색상, 재질 및 형상이 상이하게 제작된 블록을 제작하는 단계;
(b) 상기 제작된 블록을 조합시켜 3D 건축물 및 시설물(190)을 바닥판과 기둥과 블록으로 벽을 쌓는 것을 수동 혹은 자동으로 디자인하는 단계;
(c) 블록 적층형 3D 프린터(100)의 외부 통신 수단(170)를 통해 단말기 및 컴퓨터(200) 또는 상기 운영서버(300)로부터 3D 프린팅 대상이 되는 상기 `(b)`단계에서 디자인된 상기 3D 건축물 및 시설물(190)의 설계 데이터를 수신받는 단계;
(d) 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)의 헤더 및 구동장치(140)가 선택된 블록을 공급받아, 상기 헤더 및 구동장치(140)를 상기 모션 제어 수단(180)가 제어하여, 상기 블록 공급 수단(195)에서 공급되는 상기 제작된 블록들을 작업 공간(110)의 설계된 좌표 위치에 상기 헤더 및 구동장치(140)의 블록 토출 수단(120)으로 내려놓아 적층시켜 가면서 상기 3D 건축물 및 시설물(190)를 쌓는 단계에 있어서,
기초 및 포장이 된 대지에 건축하고자 하는 면적만큼 바닥판(660)들을 내려놓는 단계;
바닥판(660)의 기둥 및 블록 고정기구(650)인 홈 혹은 돌출부에 기둥 일체형 블록(620)을 끼우는 단계;
기둥(620) 사이에 벽면 블록(640)을 쌓아 벽을 만드는 단계;
기둥과 벽 상단부에 지붕을 만드는 구조보강 보(600)를 구성하는 블록을 고정시키는 단계; 및
지붕을 구성하는 넓은 블록을 고정시키는 단계;
(e) 상기 블록 적층형 3D 프린터(100)의 본딩 및 융착 수단(150)이 상기 헤더 및 구동장치(140)에 의해 적층되는 상기 제작된 블록들을 고정시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 건축물 제작을 위한 블록 적층형 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물
제 30항에 있어서,
상기 지붕을 구성하는 넓은 블록은 태양광발전 전지판(610)으로 구성함을 특징으로 하는 건축물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물.
제 30항에 있어서,
상기 블록은 종이파이프로 제작함을 특징으로 하는 건축물 및 시설물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물과 시설물.
제 32항에 있어서,
상기 바닥판(660)에는 기둥 및 벽 블록을 고정시키는 고정기구(650)인 홈 혹은 돌출부가 설치되어 있고,
종이가 아닌 다른 재질의 방수 지지캡(630, 일례로 프레스 성형 스틸캡)이 설치된 파레트 형태로 구성함을 특징으로 하는 건축물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물.
제 32항에 있어서,
바닥판에 홈 혹은 돌출부에 고정시키는 기둥형 블록의 높이는
해당 건축물의 높이로 함을 특징으로 하는 건축물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물.
제 32항에 있어서,
기둥 사이에 블록을 쌓아 벽을 만드는 단계에 있어서
블록을 지그재그로 쌓은 후
그 상단에 판재를 접착시켜 고정하고
그 위에 블록을 쌓는 과정을 반복하여 벽을 구성함을 특징으로 하는 건축물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물.
제 32항에 있어서
상기 3D 건축물(190)의 적층 과정 혹은 적층이 완료된 후
코팅 재료를 도포하여
상기 제작된 블록을 고정함과 함께 방수와 방풍을 위해 블록 사이의 틈을 메꾸는 것을 특징으로 하는 건축물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물.
제 32항에 있어서
종이파이프로 제작한 상기 블록은 양단이 뚫려 있으므로,
양단의 한쪽은 볼록한 형태의 보조물(일례로 플라스틱)을 고정시키고
반대쪽은 오목한 형태로 형성한 보조물을 고정시켜 레고처럼 조립 결합함을 특징으로 하는 건축물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물.
제 32항에 있어서
종이파이프로 제작한 상기 블록은 양단이 뚫려 있으므로,
양단의 한쪽 혹은 양쪽에 판재를 미리 접착 고정시켜 사용함을 특징으로 하는 건축물 제작을 위한 블록 적층방식의 3D 프린팅 방법 및 블록 적층 방식으로 제작된 건축물과 시설물.