[논문]3D 프린터 다중 관리를 위한 IoT 시스템 설계

장대성; 이효승; 오재철

doi:10.13067/jkiecs.2020.15.4.759

초록
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4차 산업혁명에 맞춰 제조·생산의 패러다임 또한 변경되고 있는 상황에서 인더스트리 4.0에 대한 사회적 요구 및 방향은 이미 되돌릴 수 없으며, 그로 인하여 3D프린팅 기술의 확장성과 범용성이 주목받고 있다. 3D 프린터는 제품 개발 비용 감소를 위한 목적으로 개발된 기술로, 최근 3D 프린터 기술특허가 만료되면서 관련 기술이 공개되었고 이를 적용한 다양한 기술이 연구 개발되고 있으며 이로 인해 다양한 특이점이 발견 및 보완되고 있다. 이에 본 연구에서는 3D 프린터 사용에 있어 오프라인에서 기계를 직접 조정하고, 모델링 데이터의 직접 입력을 통해 3D프린팅 시작해야 하는 현재 출력방식에 대한 불편함을 보완하기 위해 다중 3D 프린터에 대한 실시간 온라인 출력요청 및 정상적인 출력물을 기대할 수 있는 모니터링 기능 그리고 다중 3D 프린터에 대한 온라인 실시간 원격관리 기능을 수행하기 위해 IoT 시스템에 대한 설계를 제안한다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the paradigm of manufacturing and production is also changing in line with the fourth industrial revolution, the social demands and directions for Industry 4.0 cannot be reversed, and the scalability and universality of 3D printing technology are attracting attention. 3D printer is a technology d...

As the paradigm of manufacturing and production is also changing in line with the fourth industrial revolution, the social demands and directions for Industry 4.0 cannot be reversed, and the scalability and universality of 3D printing technology are attracting attention. 3D printer is a technology developed for the purpose of reducing product development costs, and with the recent expiration of 3D printer technology patent, related technology has been revealed and various technologies applied are being researched and developed, and various singularities have been discovered and supplemented. Thus, to compensate for the inconvenience of the current output method, which requires direct offline adjustment of the machine in the use of 3D printers and 3D printing through direct input of modeling data, the design of the IoT system is proposed to perform real-time online output requests for multiple 3D printers, monitoring functions that can expect normal outputs, and online real-time remote management functions for multiple 3D printers.

주제어

표/그림 (6)

그림 그림 1. 3D프린팅 중 이벤트 발생으로 출력 실패 Fig. 1 Output failed due to event during 3D printing
그림 그림 2. 3D 프린터 다중 관리를 위한 IoT 디바이스 Fig. 2 IoT devices for 3D PRINTER multi-management
그림 그림 3. 3D 프린터 다중 관리를 위한 IoT 디바이스 설계 Fig. 3 Design of IoT devices for 3D PRINTER multi-management
그림 그림 4. 중앙 관리 장치 Fig. 4 Center managed device
그림 그림 5. 보조 관리 시스템 Fig. 5 Auxiliary management system
그림 그림 6. 원격관리 애플리케이션 설계 Fig. 6. Design remote management applications

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 인더스트리 4.0이 추구하는 기술의 발전방향에 맞추어 3D 프린터 기술의 효율적이고 범용성과 확장성을 가진 생산능력 기술에 집중하여 논문 연구를 진행하였다. 여러 대의 3D 프린터를 원활하고쾌적하게 관리가 가능하게 하는 기술로 ‘3D 프린터다중 관리를 위한 IoT 디바이스’ 설계를 제안하였다.

제안 방법

그리고 아두이노 기반의 보조 관리 시스템에 대해서도 관리 제어가 요구되어 중앙 관리 시스템으로IoT 기반의 라즈베리파이를 적용하고자 한다.
IoT 디바이스의 구성 중 중앙 관리 시스템은3D 프린터에서 발생하는 이벤트가 보조 관리 시스템-하드웨어 센서에 관측되어 중앙 관리 시스템에 이벤트 데이터를 전송하면, 중앙 관리 시스템에서 이벤트알림을 유·무선네트워크를 통해 사용자의 모바일로팝업 알림으로 표시한다. 기존 3D 프린터용 디바이스가 가지고 있었던 네트워크 문제를 유선 네트워크로보완하였다. 사용자는 발생한 이벤트를 확인하고 이벤트에 관한 설정 및 원격 출력설정을 전송 및 실행할수 있다.
여러 대의 3D 프린터를 원활하고쾌적하게 관리가 가능하게 하는 기술로 ‘3D 프린터다중 관리를 위한 IoT 디바이스’ 설계를 제안하였다.
이 밖에도 3D 모델링 출력 시 매우 다양한 변수들이 발생하게 되는데 이러한다양한 변수에 따른 각종 이벤트 발생 여부 확인과그에 따른 신속한 대응이 완벽한 출력물을 도출할 수있으며 이를 통해 3D 프린터에 높은 생산성 부여가가능하다[3][4]. 이 점을 고려하여 본 연구에서는 다중의 3D 프린터에 대한 연결 및 원격 출력요청, 진행모니터링 및 관리 그리고 각종 이벤트에 대한 알림등을 통해 올바른 출력 유도 및 출력에 대한 생산성향상을 위한 3D 프린터 다중 관리 IoT 시스템의 설계를 진행하였다.
사용자는 알림을통해 발생한 이벤트를 확인하고 원격으로 기기에 대한 제어 명령을 전송할 수 있다. 이에 사용자는 현재위치에서 3D 프린터를 실시간으로 관리 및 제어할수 있도록 설계하였다.
한편, 디바이스 시스템에 접근하는 원격 제어 권한에 대해서는 권한을 가진 유저만 접속 가능해야 하는보안 문제를 예상할 수 있는데, 이를 위해 제어 권한에 접근 사용자에 따라 고유 식별 코드를 부여하고 외부에서 연결할 경우 해당 식별 코드를 입력하는 방식으로 취약점을 보완하여 설계하였다.

대상 데이터

시스템 설계에 대한 구성은 라즈베리파이, 아두이노, 유·무선통신(WiFi, LAN), 3D 프린터 하드웨어 관리 센서, LCD Display, 전원 릴레이 스위치, usb 허브, 웹캠, MicroSD Card 등으로 구성되며, 이는 하드웨어 센서를 통해 검출된 이벤트를 관리하고 사용자모바일에 팝업 알림으로 표시한다.

성능/효과

그리고 보조관리 시스템에서 관측해서 전송되는 이벤트 데이터에 대한 기록을 유·무선네트워크를 통해 사용자 모바일에 전송되고 사용자 모바일에서 원격으로 보내지는 제어 명령 또한 유·무선네트워크를 통해 수신되어 이를 프로세서가 해석 및 변환 실행하며 연결된 LCD디스플레이에도 진행 상황을 표시하여 기기를 직접관리하는 상황에도 상태를 확인할 수 있으며, 보조 관리 시스템에 연결된 웹캠으로 실시간 기기 모니터링이 가능하며 오류 발생 이벤트에 대해 사용자가 외부에서 원격제어 명령이 가능하다.

후속연구

본 연구를 통해 다중의 3D 프린터에 대해 프린터의 설정, 관리, 출력 및 이벤트 알림을 통해 사용자가실시간으로 다중 3D 프린터에 대한 원격 관리 기능을 제공하여 유휴 3D 프린터에 대한 시간 낭비 및재료의 불필요한 낭비를 줄일 수 있을 것으로 기대한다[2].
이를 통해 기존 이용환경인 직접 대면을 통한 1개의 기기 운용은 오프라인 데이터 전송, 불안정한 환경에 의한 출력 이벤트로 인한 실패 등 기기에 대한 문제에 더해 불필요한 노동력의 낭비를 발생하게 하였고, 효율적 관리 및 생산 능력의 저하를 야기하고 있는 시스템으로 운영되고 있었다면, 본 연구에서는 연구 디바이스를 적용 후 1인이 다수의 기기를 운용하며 관리하는 형태로 작업 활동의 범위가 늘어날 것으로 예상되며 제조 생산에서의 불량률 감소를 통한 손해 발생의 감소 효과와 고품질 제품 생산력 증대, 제품 생산 시간 대비 능률 향상 등의 효율적 관리 및제어가 가능할 것으로 기대하고, 본 논문에 대한 발전형태가 디지털 제조 장비와 공장까지 확장될 수 있다면 온라인 주문형(On-Demand) 제조 서비스의 미래에 더욱 가까워질 것으로 생각한다.
무선네트워크 문제 발생 시 대체 네트워크 연결이 불가하고 실시간 영상 전송을 통해 현재 3D 프린터의 진행상황을 모니터링하는 정도로 기기의 내·외부에서 발생하는 이벤트에 대한 알림을 지원하지 않는다[7]. 이에 본 연구에서는 실시간 영상 전송 기술과 하드웨어관측 센서 적용하여 여러 대의 3D 프린터를 통합 관리할 수 있는 시스템을 통해 원격지에서도 출력요청,3D 프린터 환경설정, 출력작업관리, 오류 보고와 같은기능을 제공하고 이를 토대로 한 출력물에 대한 신속하고 적극적인 대응으로 3D 프린터의 작업 효율을높일 수 있을 것으로 예상된다[8][9]. 이후 디지털 제조 장비나 스마트 공장에까지 활용 범위가 확장될 경우 온라인 주문형(On-Demand) 제조 서비스의 미래에 더욱 가까워질 수 있지 않을까 생각된다[10].
3D 프린터는 3차원 설계도를 바탕으로 입체적으로물건을 인쇄하는 기계 자체를 의미하며, 3D프린팅은3D 프린터로 입체적인 물건을 인쇄하는 모든 과정으로 입체적인 물건을 인쇄하는 것뿐만 아니라, 물건을인쇄하기 위해 디자인하고, 설계하는 모든 과정을 통하여 결과물을 생성하는 과정을 말한다. 즉, 입력한모델링에 따라 연속적인 계층의 물질(실, 액체, 가루형태 등)을 뿌려 3차원 입체 물품을 만들어내는 제조기술이며, 3D 바이오프린팅 기술의 개발로 인공장기시대를 열 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다[1].
향후 연구에서는 현재 대중적으로 사용되고 있는FDM(: Fused Deposition Modeling, 용융 적층 모델링) 방식에 대한 ‘3D 프린터 멀티 컨트롤 IoT 시스템디바이스’ 구현을 통해 시스템 제어 명령의 효율적 설계를 할 예정이며 해당 연구를 바탕으로 다양한 출력방식의 3D 프린터에 대한 관리시스템을 구축 및 오류 수정과 함께 발전시킬 수 있는 확장된 연구를 진행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D 프린터란 무엇인가?	3D 프린터는 3차원 설계도를 바탕으로 입체적으로물건을 인쇄하는 기계 자체를 의미하며, 3D프린팅은3D 프린터로 입체적인 물건을 인쇄하는 모든 과정으로 입체적인 물건을 인쇄하는 것뿐만 아니라, 물건을인쇄하기 위해 디자인하고, 설계하는 모든 과정을 통하여 결과물을 생성하는 과정을 말한다. 즉, 입력한모델링에 따라 연속적인 계층의 물질(실, 액체, 가루형태 등)을 뿌려 3차원 입체 물품을 만들어내는 제조기술이며, 3D 바이오프린팅 기술의 개발로 인공장기시대를 열 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다[1].
	3D 프린터가 개발된 목적은 무엇인가?	0에 대한 사회적 요구 및 방향은 이미 되돌릴 수 없으며, 그로 인하여 3D프린팅 기술의 확장성과 범용성이 주목받고 있다. 3D 프린터는 제품 개발 비용 감소를 위한 목적으로 개발된 기술로, 최근 3D 프린터 기술특허가 만료되면서 관련 기술이 공개되었고 이를 적용한 다양한 기술이 연구 개발되고 있으며 이로 인해 다양한 특이점이 발견 및 보완되고 있다. 이에 본 연구에서는 3D 프린터 사용에 있어 오프라인에서 기계를 직접 조정하고, 모델링 데이터의 직접 입력을 통해 3D프린팅 시작해야 하는 현재 출력방식에 대한 불편함을 보완하기 위해 다중 3D 프린터에 대한 실시간 온라인 출력요청 및 정상적인 출력물을 기대할 수 있는 모니터링 기능 그리고 다중 3D 프린터에 대한 온라인 실시간 원격관리 기능을 수행하기 위해 IoT 시스템에 대한 설계를 제안한다.
	3D 프린터다중 관리를 위한 IoT 디바이스 설계를 통해 기대해 볼 수 있는 점은?	이를 통해 기존 이용환경인 직접 대면을 통한 1개의 기기 운용은 오프라인 데이터 전송, 불안정한 환경에 의한 출력 이벤트로 인한 실패 등 기기에 대한 문제에 더해 불필요한 노동력의 낭비를 발생하게 하였고, 효율적 관리 및 생산 능력의 저하를 야기하고 있는 시스템으로 운영되고 있었다면, 본 연구에서는 연구 디바이스를 적용 후 1인이 다수의 기기를 운용하며 관리하는 형태로 작업 활동의 범위가 늘어날 것으로 예상되며 제조 생산에서의 불량률 감소를 통한 손해 발생의 감소 효과와 고품질 제품 생산력 증대, 제품 생산 시간 대비 능률 향상 등의 효율적 관리 및제어가 가능할 것으로 기대하고, 본 논문에 대한 발전형태가 디지털 제조 장비와 공장까지 확장될 수 있다면 온라인 주문형(On-Demand) 제조 서비스의 미래에 더욱 가까워질 것으로 생각한다.

참고문헌 (10)

S. Lim, "An Establishment of Development Strategy for 3D Printer Related Industry of Korea," Master's Thesis, Korea University, 2014.
W. Kim, "Design of an Abnormal Output Status Detection Module for the Material Extrusion 3D Printer," Master's Thesis, Korea University of Industrial Technology, 2016.
S. Kim, "Copyright protection service for 3D Design data using remote 3D Pringting," Master's Thesis, Incheon National University, 2015.
D. Jang, "Design of Individual 3D Printer Remote Safety and Quality Management System Based on IoT Beacon," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 15, no. 2, Apr. 2020, pp. 225-230.
E. Lee, "For Smart Factory 3D Printer Adoption Productivity Analysis - Mobile case-driven," Master's Thesis, Yonsei University, 2018.
S. Bang, "Based on IoT SoC Module considering scalability Implementing a mobile open platform," Master's Thesis, Korea University of Industrial Technology, 2017.
D. Kim, "Web-based HLS(Http Live Streaming) Multi-view System for Real-time High Quality Video," International J. OF CONTENTS, vol. 17, no. 11, Sept. 2017, pp. 312-318.
J. Jeon and M. Yi, "Smart Multiple-Tap System Based on WiFi for reduction of Standby-Powe," J. of The Korea Society of Computer and Information, vol. 22 no. 6, June 2017, pp. 123-129.
D. Ryu and T. Choi, "Development of the Compact Smart Device for Industrial IoT," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 13, no. 4, Aug. 2018, pp. 751-756.
D. Lee and J. Lee, "Under-Thread Sewing Yarn Sensing Monitoring System of Sewing Machine for Smart Manufacturing," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Science, vol. 13, no. 1, Feb. 2018, pp. 53-60.

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