삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물{ASSEMBLY TYPE SCULPTURES PRINTED BY 3D-PRINTER}

본 발명은 삼차원 프린터를 이용해 출력된 조립식 조형물 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 접착제를 사용하지 않고 견고하고 안정적으로 조립될 수 있는 조립식 조형물 및 그 제작 방법에 관한 것이다.

일반적으로 특정한 형상을 지닌 모형의 제작은 광범위한 분야에서 널리 사용되고 있다.

삼차원 형상을 지닌 케릭터 상품, 유명 건축물 또는 유적의 외형을 복제하여 생산되는 중소형 조형물등을 그 예로 들 수 있으며, 이러한 모형 제작 산업 및 기술은 근래들어 삼차원 프린터 기술의 발전과 함께 그 산업적 이용 가능성 및 이를 필요로 하는 시장의 확대로 이어지고 있다.

단순한 형상의 모형이나 조형물과 같은 경우 단순한 성형이나 삼차원 프린터를 통해 간단하게 출력 생산될 수 있으나, 그 구조 및 형상이 복잡한 조형물 또는 모형의 경우에는 각각 영역별로 구획하여 생산하는 방법이 널리 쓰이고 있다.

가공이나 출력의 편의에 따라 분할된 다수 개의 영역을, 각각 독립적으로 제작하고 각각의 분할되어 제작된 영역을 결합함으로 최종 외형을 결정하게 된다.

이때, 각각의 분할된 영역을 결합함에 있어 결합면에 접착제를 도포하여 접착하는 방법, 결합면에 결합홈 및 결합돌기를 형성하여 억지끼움 방식으로 결합하는 방법등이 주로 활용되고 있다.

하지만, 접착제를 통해 조형물의 조립을 완성하는 경우 분해를 할 수 없다는 단점을 지니고 있었고, 억지끼움 방식과 같은 결합방법은 결합돌기 또는 결합홈의 가공상태에 따라 조립이 불편하거나 정교한 결합이 어려운 경우가 빈번하다는 단점 또한 지니고 있었다.

특히, 삼차원 프린터를 이용해 조형물을 출력하는 경우 도 1에 도시된 바와 같이, 수평하게 연장되는 구역을 출력하기 위해선 노즐(1)을 통해 분사되어 적층되는 레이어(3)가 수평을 유지할 수 있도록 하부에서 지지하여 주는 서포터(5)를 필요로 하였고, 이러한 서포터(5)는 출력 후 제거되는 과정에서 표면의 품질을 저하 시킨다는 문제점이 있었다.

따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서 삼차원 프린터를 통해 분할되어 출력되는 조형물의 부분들을 접착제의 사용 없이도 견고하게 조립할 수 있도록 하고, 분해 및 조립을 반복함이 수월하며 조립된 조형물의 외관이 깔끔한 결과를 얻을 수 있는 조립식 조형물 및 그 제작 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물은 일단이 바닥과 접하여 지지되고 타단이 상부로 길게 형성되는 지주 및 지주가 관통되는 결합구가 형성되고, 적어도 두 개 이상이 지주에 관통되어 적층되는 조형블록을 포함하고, 결합구는 내측면이 지주의 외측면과 접한다.

또는, 일단이 바닥과 접하여 지지되고 상부로 갈수록 횡단면적이 감소하는 지주 및 지주가 관통되는 결합구가 형성되고, 적어도 두 개 이상이 지주에 관통되어 적층되는 조형블록을 포함하고, 결합구는 내측면이 지주의 외측면과 접하고 상부로 갈수록 넓이가 감소한다.

그리고, 지주는 횡단면의 형상이 다각형으로 형성되고, 결합구는 지주의 횡단면의 형상과 동일한 다각형으로 형성된다.

또는, 조형블록은 적어도 두 개 이상의 블록편이 결합되어 형성되고, 각각의 블록편은 관통형성 된 체결구가 구비되고, 체결구에 직선 형상의 체결바가 삽입되어 결합된다.

그리고, 체결구는 그 단면의 형상이 원형 또는 홀수 개의 모서리를 지닌 다각형으로 형성된다.

또는, 블록편은 상부를 가로방향으로 길게 관통되어 형성되는 상부체결구 및 상부체결구와 교차되고, 하부를 가로방향으로 길게 관통되어 형성되는 하부체결구를 포함하고, 체결바는 상부체결구에 삽입되는 직선 형상의 상부체결바 및 하부체결구에 삽입되는 직선 형상의 하부체결바를 포함한다.

그리고, 상부체결바 및 하부체결바는 각각 복수 개가 구비되어 격자 형상을 이루도록 상부체결구 및 하부체결구에 삽입되고, 상부체결바 또는 하부체결바는 서로 교차되는 지점에 교차홈이 형성되어 상부체결바 및 하부체결바가 교차되는 지점에서 중첩된다.

또는, 조형블록은 적어도 두 개 이상의 블록편이 결합되어 형성되고, 각각의 블록편은 상방 또는 하방으로 돌출된 단턱이 구비되고, 중앙에 개구부가 형성된 체결프레임에 의해 상기 단턱이 구속되어 결합된다.

그리고, 적어도 하나 이상의 조형블록은 가로방향으로 관통되는 고정구 및 고정구를 관통하여 결합되고 일단이 지주에 삽입되어 조형블록의 상하방향 움직임을 구속하는 고정바를 포함한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 제작 방법은 특정 조형물의 형상을 이미지로 변환하는 스캔단계, 이미지를 분석하여 삼차원 형상정보를 도출하는 모델획득단계, 삼차원 형상정보에 의한 형상을 상하로 관통하며 상부에서 하부로 갈수록 그 넓이가 넓어지는 결합구를 설정하는 결합구설정단계, 결합구가 설정된 삼차원 형상정보를 가로방향으로 경계를 설정하여 복수 개의 조형블록으로 나누는 가로분할단계, 각각의 조형블록 및 지주를 출력하는 출력단계 및 지주의 직경이 넓은 일단을 바닥에 고정하고 각각의 조형블록을 지주가 관통되도록 적층하여 결합하는 조립단계를 포함한다.

그리고, 가로분할단계는 각각의 조형블록을 분석하여 단턱을 지닌 블록편 또는 체결구를 지닌 블록편으로 분할하는 조형블록분할단계를 포함하고, 출력단계는 블록편, 체결구와 대응되는 형상의 체결바 및 상기 단턱을 구속하는 체결프레임을 출력하고, 상기 조형블록을 조립하는 조형블록조립단계를 포함한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물 및 그 제작 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 삼차원 프린팅을 통해 출력되는 과정에서 서포터를 필요로 하지 않아 깔끔한 출력 결과를 얻을 수 있는 효과가 있고, 이로인해 조립시 결합품질이 향상되는 효과 또한 얻을 수 있다.

둘째, 하부가 넓고 상부가 좁은 형상을 지닌 지주에 분할된 조형블록이 적층되어 결합되므로 견고하고 안정된 결합품질을 도출할 수 있고, 지주의 상단에 조형블록을 끼워 조립하므로 조립 및 분해도 간단하며 빠르게 수행되는 효과가 있다.

셋째, 접착제를 사용하지 않고 조립을 수행할 수 있도록 구성되어 조형물의 분해 및 재조립이 가능한 효과가 있다.

넷째, 조형블록을 다수개의 블록편으로 분할하고 블록편은 격자형상으로 체결바에 의해 관통되어 결합되므로 보다 견고한 결합관계를 유지할 수 있으며, 체결바의 삽입 및 제거가 용이한 효과 또한 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 삼차원 프린터의 레이어가 적층되는 상태 및 서포터를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 블록편 및 체결바를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 블록편이 체결바로 체결되어 조형블록을 형상한 상태를 나타낸 투시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 블록편이 체결프레임으로 체결되는 상태를 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 고정바가 구비된 상태를 나타낸 단면도 및 부분 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물이 다수 개의 지주가 결합하여 하나의 조형물을 형성하는 것을 나타낸 사시도이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물은 하기 되는 것과 같이 실시될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 분해 사시도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물은 일단이 바닥과 접하여 지지되고 타단이 상부로 길게 형성되는 지주(100) 및 지주(100)가 관통되는 결합구(220)가 형성되고, 적어도 두 개 이상이 지주(100)에 관통되어 적층되는 조형블록(200)을 포함하고, 결합구(220)는 내측면이 지주(100)의 외측면과 접한다.

또는, 일단이 바닥과 접하여 지지되고 상부로 갈수록 횡단면적이 감소하는 지주(100), 지주(100)가 관통되는 결합구(220)가 형성되고 적어도 두 개 이상이 지주(100)에 관통되어 적층되는 조형블록(200)을 포함하고, 결합구(220)는 내측면이 지주(100)의 외측면과 접하며 상부로 갈수록 넓이가 감소하도록 구현될 수 있다.

아래에서는 상기된 각각의 구성을 구체적으로 자세하게 설명한다.

본 발명에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물(10)은 다양한 형상의 조형물 또는 모형에 적용될 수 있다.

아래에서는 본 발명의 일 실시예로서 조형물(10)은 석탑구조를 들어 설명한다.

지주(100)는 일단이 바닥면과 접하여 지지되며 타단은 상방으로 연장되어 형성되고, 하단부의 넓이가 넓고 상단부로 갈수록 횡단면의 넓이가 점진적으로 감소하게 된다.

또한, 지주(100)는 횡단면의 형상이 다각형으로 형성될 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 사각형으로 실시된다.

상세하게는, 단면의 형상이 사각형으로 형성되고, 하부에서 상부로 갈수록 그 면적이 점진적으로 감소하는 사각뿔 형상으로 구현될 수 있다.

조형블록(200)은 조형물(10)의 외형을 그 외형적인 특징에 따라 다수개로 분할하여 나누어진 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이 삼차원 프린터를 통하여 출력하기 용이한 형상으로 조형물(10)을 구획하여 나뉘어 진다.

이때, 조형물(10)을 구획하여 다수 개의 조형블록(200)으로 분할함에 있어서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 가로방향으로 구획을 하는 것이 바람직하며, 각각의 구획된 조형블록(200)은 중심부에 상하로 관통되는 결합구(220)가 구비된다.

결합구(220)는 지주(100)의 횡단면의 형상과 대응되는 다각형으로 형성되고, 조형물(10)의 하부로부터 상부로 갈수록 결합구(220)의 면적이 감소하도록 구성된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 조형물(10)의 하단부에서부터 조형블록(200)이 적층되어 지주(100)와 결합되고, 조형블록(200)들이 적층되어 조형물(10)을 형성하고 있는 상태에서 하단부로부터 상단부로 갈수록 결합구(220)의 넓이가 감소하도록 형성된다.

상술하였던 지주(100)의 횡단면이 상부로 갈수록 점진적으로 감소하는 것과, 조형블록(200)의 중심부가 개방되어 형성되는 결합구(220)의 면적이 상부로 갈수록 감소하는 것이 서로 대응되도록 구성된다.

이는 지주(100)의 넓게 형성되는 일단이 지면에 접하여 지주(100)가 가로방향으로 세워진 상태에서 각각의 조형블록(200)이 지주의 상방으로부터 결합될 때, 각각의 조형블록(200)의 상하 적층 순서가 섞이거나 잘못 결합 되는 것을 방지하고, 하부로 갈수록 안정적으로 넓게 형성되는 지주(100)에 의해 조형물(10)이 안정적으로 구성되도록 하는 효과가 있다.

조형물(10)이 지주(100)를 중심으로 한 회전체일 경우 지주(100)의 횡단면이 원형으로 형성되어도 될 것이고, 지주(100)가 원뿔형상으로 구현될 수도 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 블록편 및 체결바를 나타낸 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 블록편이 체결바로 체결되어 조형블록을 형상한 상태를 나타낸 투시도, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 블록편이 체결프레임으로 체결되는 상태를 나타낸 사시도이다.

도 5 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 조형블록(200)은 다수 개의 블록편(210)이 결합되어 형성될 수 있다.

블록편(210)은 조형블록(200)을 적어도 두 개 이상으로 나누어 놓은 조형블록(200)의 일부로서, 다수개의 블록편(210)이 서로 결합되어 하나의 조형블록(200)을 형성하게 된다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 블록편(210)은 다수 개의 체결바(214)로 관통되어 결합될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 블록편(210) 네 개가 하나의 조형블록(200)을 형성하고, 각각의 블록편(210)은 상부가 가로방향으로 관통되어 형성되는 상부체결구(212b), 하부가 가로방향으로 관통되어 형성되되 상부체결구(212b)와 교차되는 하부체결구(212a)가 구비된다.

상부체결구(212b) 및 하부체결구(212a)는 서로 직각으로 교차될 수 있으며, 이는 예시적인 것으로서 본 발명이 적용되는 실시예에 따라 다양한 각도로 교차되도록 구현될 수 있다.

상부체결구(212b) 및 하부체결구(212a)는 결합시 서로 이웃하여 접하는 블록편(210)간을 연통되도록 형성된다.

상부체결구(212b) 및 하부체결구(212a)에는 길이방향으로 길게 형성되는 체결바(214)가 각각 삽입된다.

상부체결구(212b)에는 상부체결바(214b)가, 하부체결구(212a)에는 하부체결바(214b)가 삽입되고, 도 6에 도시된 바와 같이 각각의 상부체결바(214b) 및 하부체결바(214a)는 격자 형상, 상세하게는 우물 정(井)자와 같은 형상으로 교차된다.

이때, 상부체결바(214b)의 하단부의 하부체결바(214a)와 교차되는 지점에 오목하게 함몰되어 형성되는 교차홈(215)이 구비되거나, 하부체결바(214a)의 상단부에 상부체결바(214b)와 교차되는 지점에 오목하게 함몰되어 형성되는 교차홈(215)이 구비될 수 있다.

교차홈(215)은 상부체결바(214b) 및 하부체결바(214a)가 격자 형태로 교차되는 지점에서 서로간에 간섭되도록 하여 결합관계를 보다 견고하게 하는 효과를 얻을 수 있게 된다.

또한, 이러한 교차홈(215)을 통하여 상부체결바(214b) 및 하부체결바(214a)가 서로간에 중첩되어 결합되도록 하기 위해서, 블록편(210)에 구비되는 상부체결구(212b) 및 하부체결구(212a) 간에는 상부체결바(214b) 및 하부체결바(214a)가 교차되는 위치에서 각각의 공간이 연통 되도록 형성된다.

그리고, 상부체결구(212b) 및 하부체결구(212a)의 형상은 원형 또는 홀수 개의 모서리를 지닌 다각형으로 구현될 수 있다.

이는 삼차원 프린터를 이용해 출력되는 블록편(210)의 특성상 도 1에서와 같이 수평하게 측방으로 연장되는 형상을 출력하기 위해서는 서포터(5)를 배치하여야 하므로, 본 발명의 일 실시예에서는 서포터(5)의 배치 없이 매끈한 외형을 지닌 출력 결과물을 얻기 위해 측방으로 수평하게 연장되는 형상을 배제하기 위함이다.

또는, 사각형을 포함한 다양한 변의 개수를 지닌 다각형으로 형성되어도 될 것이나 삼차원 프린터를 통해 출력시 상부체결구(212b) 및 하부체결구(212a)의 최상단에는 다각형 단면 형상에서 모서리부분이 배치되도록 구성되어야 할 것이다.

상부체결바(214b) 및 하부체결바(214a)의 단면 형상은 상술한 상부체결구(212b) 및 하부체결구(212a)의 형상과 대응되도록 형성된다.

블록편(210)은 체결프레임(218)에 의해 결합될 수 있다.

도 2 및 도 7에 도시된 바와 같이, 각각의 블록편(210)은 상방 또는 하방으로 돌출된 단턱(216)이 형성되고, 단턱(216)은 중심부가 개방된 체결프레임(218)으로 구속된다.

복수 개의 블록편(210)에 구비된 단턱(216)이 체결프레임(218)으로 구속되어 체결됨으로 하나의 조형블록(200)을 형성하게 된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 고정바가 구비된 상태를 나타낸 단면도 및 부분 사시도이다.

도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물은 조형블록(200) 및 지주(100)를 관통하는 고정구(232)가 구비되고, 고정구(232)에 가로방향으로 삽입되어 조형블록(200)을 지주(100)에 고정시키는 고정바(230)가 구비될 수 있다.

고정구(232) 및 고정구(232)에 삽입되는 고정바(230)의 단면 형상은 상술하였던 상부체결구(212b) 및 하부체결구(212a), 상부체결바(214b) 및 하부체결바(214a)의 경우와 동일하다.

고정구(232) 및 고정바(230)는 지주(100)의 형상이 하단부에서 넓고 상단부로 갈수록 좁아지게 형성되어 지주(100)에 결합되는 조형블록(200)이 상부로 이탈하여 조형물(10)이 분해되는 것을 방지하기 위하여 조형물(10)의 상부에 위치한 조형블록(200)을 지주(100)에 고정하게 된다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물이 다수 개의 지주가 결합하여 하나의 조형물을 형성하는 것을 나타낸 사시도이다.

그리고, 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물은 하나의 지주(100)로 구성되는 조형물(10)에 국한되지 않고, 하나의 조형물(10)내에 다수 개의 지주(100)가 구비되고, 각각의 지주(100)에 조형블록(200)이 상술하였던 바와 같이 결합되어 실시될 수 있다.

상기와 같은 구성을 바탕으로 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터로 출력된 조립식 조형물의 제작 방법을 설명한다.

특정 조형물의 형상을 본떠 복제된 조립식 조형물을 제작하는 방법으로서, 특정 조형물의 형상을 영상정보로 획득하여 이미지로 변환하는 스캔단계, 특정 조형물의 형상 이미지를 분석하여 삼차원 형상정보를 도출하는 모델획득단계, 모델획득단계를 통해 도출된 형상을 상하로 관통하며 상부에서 하부로 갈수록 그 넓이가 넓어지는 결합구(220)를 설정하는 결합구설정단계, 결합구(220)가 설정된 삼차원 형상정보를 삼차원 프린터를 통해 출력하기 용이한 형상으로 구획하되, 가로방향으로 경계를 설정하여 복수 개의 조형블록(200)으로 나누는 가로분할단계, 각각의 조형블록(200) 및 지주(100)를 삼차원 프린트를 통해 출력하는 출력단계 및 지주(100)의 직경이 넓은 일단을 바닥에 고정하고 각각의 출력된 조형블록(200)의 결합구(220)에 지주(100)가 관통되도� �� 적층하여 결합하는 조립단계를 포함한다.

가로분할단계는 각각의 조형블록(200)의 형상을 분석하여 단턱(216)을 지닌 블록편(210) 또는 체결구(212)를 지닌 블록편(210)으로 분할하는 조형블록분할단계가 더 포함될 수 있고, 이때 출력단계는 블록편(210), 체결구(212)와 대응되는 형상의 체결바(214), 단턱(216)을 구속하는 체결프레임(218)을 삼차원 프린터기를 통해 출력하고, 각각의 블록편(210)을 체결바(214) 또는 체결프레임(218)을 이용해 결합하여 조형블록(200)을 조립하는 조형블록조립단계를 더 포함하게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

1: 노즐
3: 레이어
5: 서포터
10: 조형물
100: 지주
200: 조형블록 210: 블록편
212: 체결구 214: 체결바
215: 교차홈 216: 단턱
218: 체결프레임 220: 결합구
230: 고정바 232: 고정구