KR100837109B1 - 주물 모형의 중공의 3차원 성형제작 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주물 모형의 중공의 3차원 성형제작 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 플라스틱을 녹인 후, 노즐을 통해 녹은 플라스틱을 모형의 단면 테두리를 따라 사출하면서 적층하고, 적층이 완료된 후에는 최종 경화된 플라스틱을 적층식 성형장치부와 동일한 축 상에 부착된 수치제어 가공수단부를 이용하여 최종수치로 가공하여 중공의 3차원 모형을 제작한다. 또한, 본 발명에 의한 성형 장치는 성형 장치부의 상단부에 위치한 고체 플라스틱을 저장하는 보관조와, 상기 보관조의 하단부에 연결되고, 고체의 플라스틱을 녹이는 가열수단을 구비하여, 녹은 플라스틱을 공급하는 공급수단과, 상기 공급수단의 하단부에 위치하여 녹은 플라스틱을 모형의 단면 테두리를 따라 사출시키는 노즐과, 상기 노즐의 끝단부에서 녹은 플라스틱의 공급을 조절하는 노즐셔터로 구성된 적층식 성형장치부와, 적층이 완료된 후, 상기 적층식 성형장치부와 동일한 축 상에 부착되어 최종 경화된 플라스틱을 최종수치로 가공하기 위한 수치제어 가공수단으로 구성된다.

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Description

주물 모형의 중공의 3차원 성형제작 방법 및 그 장치 {HOLLOW THREE-DIMENSIONAL MANUFACTURING METHOD OF A CASTING PATTERN MODEL AND THE APPARATUS THEREOF}

도 1은 본 발명에 의한 중공의 3차원 성형제작 장치(100)의 개략 구조도.

도 2는 도 1의 수치제어 가공수단부(A)의 개략 구조도.

도 3a는 도 1의 적층식 성형 장치부(B)의 개략 구조도.

도 3b는 플라스틱의 가열수단과 냉각수단이 부착된 노즐 부위의 개략 구조도.

도 4는 도 3b의 적층식 성형 장치부(B)의 노즐부위의 확대도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제작된 중공의 3차원 플라스틱 적층체의 사진.

도 6은 도 5의 3차원 플라스틱 적층체를 가공한 최종 모형의 사진.

종래에는 주조용 모형의 제작을 위하여 목재를 수작업을 통해서 목형을 제조하거나, 나무 소재를 이용하여 NC를 이용한 목형의 제조 방법이 주로 사용되었다.

그러나, 이러한 수작업을 통한 모형 제작을 위해서는 많은 경험과 노하우를 습득한 해당 업종의 특정 기술자를 이용하여야 하나, 인건비가 상승하고 있는 실정이다. 뿐만 아니라, NC를 통해 가공하더라도 목재를 이용함으로 인하여 목재칩의 폐기물이 발생하는 문제점과 재단된 모형재료의 요소 및 서브요소를 접착제를 이용하여 접착시키는 작업, 접착력을 강화하기 위하여 못을 이용하여 고정하는 작업, 가공을 위하여 못을 제거하는 작업, 적층 시 정확한 적층을 위하여 기준구멍을 가공하는 작업, 가공 시 적층된 모형재료의 고정을 위하여 바닥구멍을 내는 작업, 바닥에 접착제를 이용하여 고정시키는 작업, 가공 후 기준구멍 및 바닥 구멍을 보수하는 작업, 주로 목재를 이용하여 가공하므로 표면을 매끄럽게 하기 위하여 가공 후 표면을 연마하는 작업, 내수성 및 내충성을 위하여 연마 후 표면 처리하는 작업 등 많은 수작업 공정에 의한 후처리가 여전히 남아 있는 문제점을 안고 있다.

특히, 플라스틱의 사출을 이용한 주물제작용 모형의 제작에 있어서 종래의 제작방법을 통한 모형제작의 경우, 소형의 모형은 제품 단가에 비하여 소요되는 모형재료의 가격비가 큰 비중을 차지하지 않으나 대형의 모형제작은 제품단가에서 차지하는 모형재료(플라스틱이나 수지 또는 목재)의 가격비가 상대적으로 큰 비중을 차지한다.

이러한 어려움들을 해소하기 위하여 모형재료를 적층시킨 후 가공하여 제작하는 방법을 고려할 수 있으나, 대형의 제품일 경우 소요되는 재료비의 비중이 수작업 비용보다 오히려 증가하는 문제점을 안고 있으며, 기계가공에 의한 제작 방법을 선택할 경우, 수반되는 작업들을 자동화할 수 없을 때에는 오히려 제작기간이 증가하여 생산성을 현저히 떨어뜨리는 문제점을 안게 된다. 상기 문제점들로 인하여 모형재료를 적층시킨 후 기계가공방법을 통한 모형제작방법에 있어서 재료절감을 위한 효과적인 방안 및 제작공정의 자동화 방안이 필수적으로 마련되어야 한다.

또한, 종래 기술인 사출식 적층방법에 의한 모형의 제작 시 형상 단면 전체에 재료를 사출하여 속이 찬 모형(solid type)을 만든다. 이러한 경우 재료가 많이 사용되어 제작단가가 상승하는 것은 물론이고, 재료가 사용된 양에 따라, 즉 모형부위의 두께에 따라 응고되면서 수축 정도의 차이가 발생하고 이로 인한 모형의 변형이 유발될 가능성이 커진다. 또한, 큰 모형의 경우 재료 자체의 하중으로 인해 보관, 이송 및 관리의 어려움도 따르게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 컴퓨터를 이용한 과학적인 설계기술과 제작기술을 모형 제작에 적용하고 모형을 설계ㆍ제작하여 재료절감효과 및 신속한 제작과 높은 정밀도를 얻음으로써 생산성을 극대화할 수 있는 플라스틱 사출을 이용한 적층방식 모형제작법 및 모형제작장치를 제공하는 데 있다.

이를 위하여, 본 발명의 일 관점에 의한 3차원 성형제작 방법은 플라스틱을 녹인 후 노즐을 통해 녹은 플라스틱을 모형의 단면 테두리를 따라 사출하면서 적층하고, 적층이 완료된 후에는 최종 경화된 플라스틱을 적층식 성형장치부와 동일한 축 상에 부착된 수치제어 가공수단부를 이용하여 최종수치로 가공하여 중공의 3차 원 모형을 제작하는 단계들을 포함할 수 있다.

이때, 상기 적층 시 적층된 플라스틱의 자중에 의한 형상의 변형을 방지하기 위하여 새로이 적층되는 층은 냉각하고, 상기 새로이 적층되는 층과 기 적층되어 응고된 층과의 접착력을 향상시키기 위하여 상기 기 적층되어 응고된 층은 가열하면서, 플라스틱을 적층할 수도 있다. 또한, 상기 적층되는 플라스틱의 단면은 사각형상인 것으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 적층이 완료된 후, 적층식 성형장치부와 수치제어 가공수단을 동일한 축 상에 위치시켜 최종 경화된 플라스틱을 최종수치로 가공할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 3차원 성형 제작 장치는 성형 장치부의 상단부에 위치한 고체 플라스틱을 저장하는 보관조와, 상기 보관조의 하단부에 연결되고 고체의 플라스틱을 녹이는 가열수단을 구비하여 녹은 플라스틱을 공급하는 공급수단과, 상기 공급수단의 하단부에 위치하여 녹은 플라스틱을 모형의 단면 테두리를 따라 사출시키는 노즐과, 상기 노즐의 끝단부에서 녹은 플라스틱의 공급을 조절하는 노즐셔터로 구성된 적층식 성형장치부와, 적층이 완료된 후 상기 적층식 성형장치부와 동일한 축 상에 부착되어 최종 경화된 플라스틱을 최종수치로 가공하기 위한 수치제어 가공수단으로 구성되어 중공의 3차원 모형을 제작할 수 있다.

이때, 플라스틱의 사출시 노즐 주위에, 사출되어 적층되는 플라스틱을 자연경화보다 빠르게 경화시키기 위해 노즐의 외주에 부착된 플라스틱 냉각수단과, 기 사출되어 경화된 플라스틱을 연화시켜 새로이 적층되는 층과의 접착력을 향상시키 기 위해 노즐의 외주에 부착된 가열수단을 추가로 구성할 수도 있다. 그리고 노즐의 단면은 바람직하게는 사각형상을 적용할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 예를 각 도면을 참조하면서 기술한다.

먼저, 도 1은 3 방향(x,y,z) 이동축이 프레임에 설치된 본 발명에 의한 중공의 3차원 성형제작 장치(100)를 도시한다. 도 1을 참조하면, x, y, z 축의 3 방향으로 수치제어 가공수단부(A)와 적층식 성형 장치부(B)를 이동시키는 이동 3축(110, 120, 130)이 각각 지지프레임(104)에 부착된다. 지지프레임(104)의 저면에는 정반(103)이 위치하고, 상기 정반(103) 상에는 x 방향축으로 이동가능하도록 조방(102)이 부착된다. 상기 조방(102) 상면에는 플라스틱 적층체(101)가 쌓이게 된다.

또한, 제작하고자 하는 모형의 3차원 모형 데이터는 모델링을 실시하여 얻어지는데, 이는 공지된 상용 컴퓨터 설계 프로그램인 CAD(Computer Aided Design) 프로그램 또는 CAM(Computer Aided Manufacturing) 프로그램을 사용하여 3D 모델링을 구현할 수 있다. 이때, 상기 모델링된 모형의 설계에 대한 모든 정보는 컴퓨터의 소정의 저장장치에 저장된다. 상기 CAD 또는 CAM 프로그램은 추후 공정에서 필요에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 도 1에 도시하는 바와 같이 가공장치와 사출장치를 나란히 위치시켜 CAD나 CAM을 이용하여 사출장치를 제어하여 적정 사출한 후에는 가공장치를 제어하여 여유가공부위를 가공하는 단계를 반복함으로써 최종의 모형을 제작할 수 있다. 통상적으로 상기 사출 성형 후 최종 성형물을 가공 부로 이동시키거나, 이동시키지 않더라도 다른 축에 달린 가공장치를 사용하는 경우, 가공을 위하여 기준이 되는 원점을 다시 맞추어야 하는 시간적인 낭비와 에러가 발생할 가능성이 있고, 이로 인하여 제품의 정밀도가 떨어지는 문제가 발생하게 된다. 그러나, 본 발명의 일 실시예와 같이 사출장치를 위한 적층식 성형장치부(B)와 가공장치를 위한 수치제어 가공수단부(A)를 동일한 이동축(예를 들어, Z방향축)에 부착함으로써 사출과 성형을 위하여 사용되는 수치제어 장치와 관련된 하드웨어 및 소프트웨어를 하나로 사용할 수 있다. 즉, 이와 같이 동일한 축상에 2개의 가공수단부와 성형 장치부를 동시에 설치함으로써, 적층식 성형장치부(B)와 수치제어 가공수단부(A)에 각각 필요한 수치제어 장치와 관련된 하드웨어 및 소프트웨어를 하나로 사용할 수 있게 되므로, 경비절감 및 시간 절감을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 정밀도도 향상되어 매우 유리하다.

도 2는 도 1의 수치제어 가공수단부(A)의 개략 구조도이다. 도 2를 참조하면, 공구(a1)가 공구척(a2)에 물려있고, 가공기 모터(a3)를 통해서 공구척(a2)에 물려진 공구(a1)가 구동하면서 여유가공치를 포함하여 사출된 플라스틱 모형을 희망하는 수치로 최종가공하게 된다. 이때, 적층 조립된 초기모형 표면의 가공 여유 층을 제거하여 최종모형을 제작하기 위하여 최적 가공 (공구) 경로 값이 필요하다. 상기 가공경로는 상용 CAM 프로그램을 이용하여 생성한다. 최적 가공 (공구) 경로를 생성 시 기준점의 위치, 공구의 종류, 필요가공 간격, 적절한 가공방법을 필요에 따라 선택하여 생성한다.

또한, 상기 가공 여유층의 가공은 수치제어가공기계인 NC머신(Numerical Control Machine)을 사용하는 것이 바람직하며, 모형모델로부터 최적가공 공구경로를 생성한 후 가공조건정보에 따라 NC머신은 자동으로 적층모형을 최종모형으로 가공하게 된다.

도 3a는 도 1의 적층식 성형 장치부(B)의 개략 구조도이고, 도 3b는 플라스틱의 가열수단과 냉각수단이 부착된 노즐 부위의 개략 구조도이다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 수지(즉, 플라스틱) 공급통(b1)으로 공급된 플라스틱 재료는 수지대기통(b2)를 거쳐 가열히터(b3)가 내장 또는 외장된 노즐통을 따라 이동하게 된다. 상기 플라스틱 재료는 노즐팁으로 이동하면서 가열히터(b3)에 의하여 녹게 된다. 상기 플라스틱 재료의 이송은 사출 스크루나 플런저를 통해서 이루어지며, 일 예를 들어 스크류를 작동시키기 위해서는 유압모터(미도시)와 이를 구동하기 위한 통상적인 제어장치(미도시)가 사용될 수 있다. 또한, 가열로 인하여 녹은 플라스틱이 노즐로부터 흘러나오는 것을 막아주기 위하여 소정의 셔터가 상기 노즐팁의 끝에 구성된다.

또한, 상기 플라스틱의 사출시 사출온도가 너무 낮을 경우 기존에 쌓였던 모형재료와 접착력이 떨어져 견고함을 유지할 수 없으므로 일정 접착력 이상 갖도록 온도를 유지하여야 하며, 반대로 사출온도가 너무 높을 경우에는 녹은 플라스틱이 수평방향으로 퍼지는 넓이를 조절하기 어렵고 두께가 일정하게 생성되지 않게 된다. 따라서, 최소한의 접착력 이상으로 적층될 수 있는 적정 온도로 유지함으로써 균일한 두께와 넓이를 갖도록 사출함이 바람직하다.

도 4는 도 3b의 적층식 성형 장치부(B)의 노즐부위를 더 확대한 도면이다. 도 4를 참조하면, 노즐(b6)은 모형의 견고함을 위하여 사출 단면이 사각형상으로 되도록 함이 바람직하다. 예를 들어, 상기 노즐(b6)의 단면이 원형이거나 5각형 이상의 다각형일 경우, 노즐(b6)로부터 사출된 플라스틱이 적층 시 이미 적층된 플라스틱과 사이에 공간이 형성되어 추후 초기모형을 가공 후 최종모형에서 표면이 매끄럽지 않은 현상이 발생하게 된다. 상기 노즐(b6)의 위치이동은 사출경로를 이용하여 플라스틱 노즐의 위치를 수치제어 장치(NC)를 이용하여 제어함으로써 정확한 제어를 실시한다.

또한, 노즐셔터(b7)는 플라스틱이 사출을 조절하는 구성요소로서, 플라스틱이 사출 적층되면서 노즐(b6)의 위치가 변경될 경로와 사출되지 않고 노즐(b6)의 위치가 변경될 경로를 구분하여 사출노즐(b6)을 개폐한다. 바람직하게는 노즐(b6)의 개폐시 스크류 또는 플렌저의 움직임을 멈춤으로써 노즐(b6)을 통해 사출되는 플라스틱으로 인해 노즐(b6)이 변형되어 그 기능을 상실하는 것을 막는다. 노즐셔터(b7)의 기능은 노즐(b6)로부터 흘러나오는 플라스틱을 막고 기존에 이미 나와 적층된 플라스틱을 절단하는 기능을 하며, 플라스틱 재료의 특성상 유동성이 큰 고온에서는 잘 절단되지 않으므로 적절한 온도의 조절이 필요하다. 또한, 플라스틱을 사출 또는 압출하기 위해서는 큰 압력이 필요하므로, 스크류나 플렌저는 유압을 이용하여 작동시키고, 셔터는 상대적으로 작은 압력이 필요하고 동작속도가 신속함이 필요하므로 공압을 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 적층 시 적층된 플라스틱의 자중에 의한 형상의 변형을 방지하기 위하여 새로이 적층되는 층은 냉각하는 냉각수단(b10) 이 추가로 노즐(b6) 주위에 부착될 수 있다. 상기 냉각수단(b10)의 바람직한 일 실시 예로는 상온 또는 이보다 낮은 온도의 공기 또는 기체를 분사하는 장치로 구성될 수 있다. 냉각수단에서 공기 또는 기체를 분사시키는 노즐(b6)은 바람직하게는 하나의 오리피스(구멍)로 구성되기보다는 여러 개의 작은 오리피스로 구성함으로써, 발생되는 공기압에 의하여 적층되는 플라스틱이 변형되는 것을 방지할 수 있으며, 분사면적을 일정 압력을 유지한 상태에서 적절하게 분산시킬 수 있고, 또한 분사 방향을 적절히 선정할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 새로이 적층되는 층과 기 적층되어 응고된 층과의 접착력을 향상시키기 위하여 상기 기 적층되어 응고된 층을 가열하는 가열수단(b11)이 추가로 노즐(b6) 주위에 냉각수단(b10)과 함께 선택적으로 부착될 수 있다. 상기 가열수단(b11)의 바람직한 실시예로는 열선이 구비된 관을 통해 일정 압력의 공기 또는 기체를 공급하는 수단이 구성된 장치를 사용할 수 있다. 상기 열선이 구비된 관은 필요에 따라서 둘 이상으로 적정위치에 위치시킬 수도 있다. 상기의 냉각수단을 구성하는 노즐과 상기의 가열수단을 구성하는 관은 노즐(b6) 주위의 적절한 위치에 조절하여 위치시킨다.

도 5는 본 발명의 3차원 성형제작 방법 및 그 장치를 이용하여 제작된 중공의 3차원 플라스틱 적층체의 사진이다. 또한, 도 6은 도 5의 3차원 플라스틱 적층체를 가공한 최종 모형의 사진이다.

본 발명에 있어서 플라스틱이나 수지 재료로는 가공성이 좋고 고온에서 적당한 점도 및 유동성을 갖고 접착력이 뛰어나며 내충성/내수성이 뛰어나며 일정 이상 의 기계적 성질을 갖는 플라스틱이나 수지가 주로 사용되어 모형을 제작하는 것으로 하나, 원칙적으로 이러한 재료에 국한되지 않고 다양한 재료가 사용될 수 있음은 관련된 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 극히 당연하다.

또한, 본 발명의 3차원 성형제작 방법 및 그 장치에 대한 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 전문가에 의해 사용되어 질 수 있을 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 전문가에 의한 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허 청구 범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.

본 발명의 3차원 성형제작 방법 및 장치에 의하면, 컴퓨터를 이용하여 과학적인 설계 및 가공기술을 모형제작에 적용하고 생산 공정의 기계화 및 분업화로 모형의 품질을 향상시키며 생산성을 향상시킨다.

또한, 가공공정의 자동화로 신속한 공정이 이루어지므로 생산성을 높이고, 재료를 효율적으로 사용하여 재료의 낭비를 극소화함으로써 원가를 절감시키는 효과가 있다.

또한, 가공되고 발생한 플라스틱 칩을 다시 사용할 수 있으므로, 기존의 목형제조방식에서 발생되는 많은 양의 목재칩으로 인한 공해 및 폐기물 처리의 문제점이 해결된다.

Claims (8)

1. 3차원 모형을 제작하는 적층식 성형 방법에 있어서,

   플라스틱을 녹인 후, 노즐을 통해 녹은 플라스틱을 모형의 단면 테두리를 따라 사출하면서 적층하고, 상기 적층이 완료된 후에는 최종 경화된 플라스틱을 적층식 성형장치부와 동일한 축 상에 부착된 수치제어 가공수단부를 이용하여 최종수치로 가공하여 중공의 3차원 모형을 제작하는 성형 제작 방법.
2. 제1항에 있어서

   상기 적층시 적층된 플라스틱의 자중에 의한 형상의 변형을 방지하기 위하여 새로이 적층되는 층은 냉각하고, 상기 새로이 적층되는 층과 기 적층되어 응고된 층과의 접착력을 향상시키기 위하여 상기 기 적층되어 응고된 층은 가열하면서 플라스틱을 적층하는 것을 특징으로 하는 중공의 3차원 모형을 제작하는 성형 제작 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 적층되는 플라스틱의 단면은 사각형상인 것을 특징으로 하는 중공의 3차원 모형을 제작하는 성형 제작 방법.
4. 제1항 또는 제2항의 성형 제작 방법으로 제조된 모형.
5. 3차원 모형을 제작하는 적층식 성형 장치에 있어서,

   성형 장치부의 상단부에 위치한 고체 플라스틱을 저장하는 보관조와;

   상기 보관조의 하단부에 연결되고 고체의 플라스틱을 녹이는 가열수단을 구비하여 녹은 플라스틱을 공급하는 공급수단과;

   상기 공급수단의 하단부에 위치하여 상기 녹은 플라스틱을 모형의 단면 테두리를 따라 사출시키는 노즐과;

   상기 노즐의 끝단부에서 상기 녹은 플라스틱의 공급을 조절하는 노즐셔터로 구성된 적층식 성형장치부와;

   적층이 완료된 후, 상기 적층식 성형장치부와 동일한 축 상에 부착되어 최종 경화된 플라스틱을 최종수치로 가공하기 위한 수치제어 가공수단으로 구성되는 중공의 3차원 모형을 제작하는 성형 제작 장치.
6. 제5항에 있어서

   상기 노즐 주위에 사출되어 적층되는 플라스틱을 자연경화보다 빠르게 경화시키기 위해 상기 노즐의 외주에 부착된 플라스틱 냉각수단과;

   기 사출되어 경화된 플라스틱을 연화시켜 새로이 적층되는 층과의 접착력을 향상시키기 위해 상기 노즐의 외주에 부착된 가열수단으로 추가 구성되는 중공의 3차원 모형을 제작하는 성형 제작 장치.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,

   상기 노즐의 단면이 사각형상인 것을 특징으로 하는 중공의 3차원 모형을 제작하는 성형 제작 장치.
8. 제5항 또는 제6항의 성형 제작 장치를 이용하여 제조된 모형.

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