KR20240012035A - 출력물의 내구성 향상을 위한 3d 프린터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 재료 선택의 폭을 넓히고 내구성이 더욱 향상된 출력물을 출력할 수 있는 출력물의 내구성 향상을 위한 3D 프린터에 관한 것으로, 출력재료를 용융시켜 토출하는 노즐부, 상기 노즐부로부터 토출된 출력재료가 쌓이게 되는 베드를 포함하여 이루어지는 3D 프린터에 있어서 : 상기 노즐부 및 상기 베드가 내부에 위치되는 다각통 형태의 일부를 형성하도록 배치되어 일측면이 개방된 챔버를 형성하는 복수의 고정용 벽체, 상기 챔버의 개방된 일측면을 개폐하기 위하여 마련되는 도어용 벽체, 상기 챔버의 하부를 막는 하부 수평판, 상기 챔버의 상부를 막는 상부 수평판, 상기 챔버의 내부에 마련되는 전열 히터, 상기 히터의 열을 상기 고정용 벽체의 내측면과 상기 하부 수평판의 상면과 상기 상부 수평판의 하면에 전달하기 위한 히트 파이프를 포함하며, 상기 고정용 벽체와 상기 도어용 벽체와 상기 하부 수평판과 상기 상부 수평판 각각은, 금속판의 일면에 단열재 및 다른 금속판이 순차적으로 적층된 형태인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 재료 선택의 폭을 넓히고 내구성이 더욱 향상된 출력물을 출력할 수 있는 출력물의 내구성 향상을 위한 3D 프린터에 관한 것이다.
1980년대 초반, 미국 3D Systems사(社)에 의해 플라스틱 액체를 굳혀서 입체적인 형상의 물건을 만드는 방식이 최초로 제시된 이후 3D 프린터는 다양한 방식으로 발전해왔다. 플라스틱 소재에 국한되었던 초기 단계에서 발전하여 현재 나일론과 금속 소재도 3D 프린터의 출력 원료로 사용되고 있으며, 더욱 정밀도가 높아져 맞춤형 의료기를 생산하기 위한 장비로도 사용되고 있다.
3D 프린터는 입체적인 형상의 출력물을 만들어내는 방법에 따라 크게 FDM(Fused Deposition Modeling), SLA(Stereolithography Apparatus), SLS(Selective Laser Simtering), DLP(Direct Light Processing) 방식으로 나뉜다.
상기의 다양한 3D 프린팅 방식 중 3D Systems사(社)에 의해 1986년에 개발된 SLA 방식과 Stratasys사(社)에 의해 1989년에 개발된 FDM 방식이 가장 일반적으로 사용되고 있으며, 특히 FDM 방식의 3D 프린터는 그 구조가 간단하고 가격이 저렴하여 교육용과 개인용으로도 널리 사용되고 있다.
FDM 방식은 PLA(Poly Latic Acid) 또는 ABS(Acryontrie Butadiene Styrene) 등의 플라스틱 필라멘트를 프린터 헤드에서 녹여서 적층하는 방식이다. 더 구체적으로는 용융되어 분출된 플라스틱 필라멘트를 종이보다 얇은 0.01~0.08mm의 층으로 겹겹이 쌓아 입체적인 형상을 만들어내는 것이다.
일반적으로 FDM 방식의 3D 프린터는 출력재료를 용융시켜 토출하는 프린터헤드와 토출된 출력재료가 쌓이게 되는 베드 그리고 프린터헤드와 베드를 이동시키기 위한 구동부로 이루어진다.
3차원 직교 좌표계에서 x축과 y축으로 프린터헤드와 베드를 이동시켜 출력재료를 인쇄하면 2차원의 출력물이 만들어진다. 상기의 상태에서 z축으로 프린터헤드 또는 베드를 이동하여 기존의 출력물 위에 새로운 층이 형성되도록 인쇄하면 z축으로 높이를 가진 3차원 출력물이 만들어진다. 상기 작업을 반복하여 원하는 형태의 입체적인 형상을 만들어내는 것이 상기 FDM 방식의 3D 프린터의 인쇄 원리이다.
상기와 같은 FDM 방식의 3D 프린터는 종래에 널리 알려진 기술로서, 대한민국 공개특허번호 제10-2009-0119904호 "변성 ABS 물질을 이용한 3차원 물체 생성 방법"과 대한민국 공개특허번호 제10-2015-0089240호 "3D 프린터" 등이 있다.
한편, 현재 제작되는 대부분의 의족의 경우 모든 과정이 수작업으로 이루어진다고 할 수 있으며, 수작업으로 인하여 제작 소요기간이 길고 제작과정에서 수정이 필요한 경우 수정이 어려워 다시 제작하여야 하는 번거로움이 있다.
즉 수작업 의족 제작 과정은, 사용자의 적용 부위의 본을 뜨고 틀을 제작하고 그 틀에 맞는 소켓을 제작하는 과정 등의 석고를 이용한 번거로운 과정들이 필요하다.
이와 같은 의족 제작을 위하여 3D 프린터를 이용한다면 기존 의족 제작 수작업 과정에서 발생하는 문제를 해결하고 사용자와 제작자 간의 부담을 줄여 의족시장의 새로운 활로를 확보할 수 있을 것이다.
그러나 기존 FDM 방식의 3D 프린터는 노즐, 베드, 내부 온도의 한계로 인하여 출력재료인 필라멘트 선택의 폭이 좁으며(PLA, ABS 필라멘트를 이용한 출력이 주를 이룸), 이와 같이 선택의 폭이 좁은 필라멘트의 출력물은 층과 층을 쌓는 출력 방식의 특성상 접합력이 다소 떨어져(도 4과 같이, 다음 레이어가 올라가기 전에 아래 레이어가 굳어버리면서 레이어와 레이어간 접합력이 저하됨.) 최종 출력물의 내구성이 약하다.
이와 같은 종래의 FDM 방식의 문제로 인하여, 3D 프린터로 의족을 제작한다면 출력된 의족의 내구성이 약하고 언제 파손될 지 모르기 때문에, 사용자의 체중을 버티면서 일상 생활에서 계속 사용되어야 하는 의족 등에는 적용하기 적절하지 않다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 재료 선택의 폭을 넓히고 내구성이 더욱 향상된 출력물을 출력할 수 있는 출력물의 내구성 향상을 위한 3D 프린터를 제공하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 출력재료를 용융시켜 토출하는 노즐부, 상기 노즐부로부터 토출된 출력재료가 쌓이게 되는 베드를 포함하여 이루어지는 3D 프린터에 있어서 : 상기 노즐부 및 상기 베드가 내부에 위치되는 다각통 형태의 일부를 형성하도록 배치되어 일측면이 개방된 챔버를 형성하는 복수의 고정용 벽체, 상기 챔버의 개방된 일측면을 개폐하기 위하여 마련되는 도어용 벽체, 상기 챔버의 하부를 막는 하부 수평판, 상기 챔버의 상부를 막는 상부 수평판, 상기 챔버의 내부에 마련되는 전열 히터, 상기 히터의 열을 상기 고정용 벽체의 내측면과 상기 하부 수평판의 상면과 상기 상부 수평판의 하면에 전달하기 위한 히트 파이프를 포함하며, 상기 고정용 벽체와 상기 도어용 벽체와 상기 하부 수평판과 상기 상부 수평판 각각은, 금속판의 일면에 단열재 및 다른 금속판이 순차적으로 적층된 형태인 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 본 발명은, 재료 선택의 폭을 넓히고 내구성이 더욱 향상된 출력물을 출력할 수 있는 출력물의 내구성 향상을 위한 3D 프린터를 제공할 수 있다.
또한 이와 같은 본 발명의 출력물의 내구성 향상을 위한 3D 프린터에 의하여 실사용이 가능하도록 충분한 내구성을 가진 의족을 출력할 수 있다.
이에 의하여 의족 등의 출력 과정을 단순화 시킬 수 있으며, 출력물이 사용자에게 맞지 않을 경우에도 수정 출력이 매우 용이하다.
또한 기존 의족 제작 시 이용되는 석고 틀은 1회성으로 사용되는 반면, 3D 스캐너를 통하여 환부를 스캔하는 방식은 파일로 저장되기 때문에 의족 교체시기에 석고틀을 다시 제작하는 번거로움과 시간을 단축시킬 수 있다.
따라서 의족 제작에 따른 제작자의 피로도를 줄이며, 수작업으로 인한 높은 제작 단가를 낮출 수 있으며, 사용자의 교체 비용 부담을 줄이고 제작자의 판매 이익률을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 출력물의 내구성 향상을 위한 3D 프린터의 측면 개념도,
도 2는 도 1의 A-A 기준 단면 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 적층융합방식의 개념도,
도 4는 종래의 기술에 의한 FDM 프린터의 출력 방식의 개념도.
도 2는 도 1의 A-A 기준 단면 개념도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 적층융합방식의 개념도,
도 4는 종래의 기술에 의한 FDM 프린터의 출력 방식의 개념도.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 출력물의 내구성 향상을 위한 3D 프린터의 측면 개념도이며, 도 2는 도 1의 A-A 기준 단면 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 적층융합방식의 개념도이다.
본 실시예는 챔버 형태의 3D 프린터(이하 "출력물의 내구성 향상을 위한 3D 프린터"라고 함.)에 관한 것이다.
챔버 형태를 구성하기 위하여 도어용 벽체(120)와 복수의 고정용 벽체(110)에 의하여 다각통 형태를 형성한다.
복수의 고정용 벽체(110)는 일측면이 개방된 챔버 형태를 형성하면서 다각 통 형태의 일부를 형성하도록 배치된다.
본 실시예에서 3개의 고정용 벽체(110)는 사각통 형태의 일부를 형성하도록 배치된다.
도어용 벽체(120)는, 챔버의 개방된 일측면을 개폐하기 위하여 마련된다.
도어용 벽체(120)는 일측이 어느 하나의 고정용 벽체(110)에 힌지 형태로 결합되어 챔버의 개방된 일측면을 개폐하게 된다.
따라서 3개의 고정용 벽체(110)와 도어용 벽체(120)에 의하여 사각 기둥 형태의 챔버가 형성된다.
챔버의 하부는 하부 수평판(130)에 의하여 막히며, 챔버의 상부는 상부 수평판(140)에 의하여 막히게 된다.
이와 같이 하부 수평판(130), 도어용 벽체(120), 복수의 고정용 벽체(110), 상부 수평판(140)에 의하여 밀폐된 공간인 챔버를 형성할 수 있으며, 챔버 내부에 출력물의 내구성 향상을 위한 3D 프린터의 주요 구동부가 배치된다.
즉 출력재료를 용융시켜 토출하는 노즐부 및 노즐부로부터 토출된 출력재료가 쌓이게 되는 베드 등이 챔버 내부에 위치된다.
아울러 노즐부 내지 베드를 이동시키기 위한 구동수단 등도 챔버 내부에 위치된다.
한편 고정용 벽체(110)와 도어용 벽체(120)와 하부 수평판(130)과 상부 수평판(140) 각각은, 금속판(101)의 일면에 단열재(102) 및 다른 금속판(103)이 순차적으로 적층된 형태이다.
본 실시예에서 단열 효과를 높이기 위하여, 고정용 벽체(110)와 도어용 벽체(120)와 하부 수평판(130)과 상부 수평판(140) 각각은, 금속판(101)의 일면에 단열재(102) 및 다른 금속판(101), 다른 단열재(102), 또다른 금속판(101)이 순차적으로 적층된 형태이다.
여기에서 단열재(102)는 글라스울 단열재를 채택할 수 있다.
한편 챔버의 내부에 전열 히터(150)가 마련되며, 전열 히터(150)의 열을 고정용 벽체(110)의 내측면과 하부 수평판(130)의 상면과 상부 수평판(140)의 하면에 전달하기 위한 히트파이프(160)가 마련된다.
히트파이프(160)는 고정용 벽체(110)의 내측면과 하부 수평판(130)의 상면과 상부 수평판(140)의 하면 전체에 대하여 사행(蛇行)되는 것이 바람직하다.
한편 히트파이프(160)와 금속판(101) 등의 접촉부에는 열전달 면적을 보다 많이 확보하고 충분한 구조적 안정성을 유지하기 위하여 납땜 등의 방법으로 결합시키는 것이 바람직하다.
히트파이프(160)의 일종으로 진동 세관형 히트파이프가 주로 사용되고 있다.
진동 세관형 히트파이프는 윅(wick)에 의한 증발부로의 작동액 환원 없이, 유체의 진동에 의하여 열을 수송하는 열전달 기구로서, 세관을 사행(serpentine)시킨 밀폐 구조로서, 세관을 진공 상태로 만든 후 임의의 비율로 작동유체를 충전시킨 매우 단순한 구조로 되어 있다.
진동 세관형 히트파이프의 기본적인 작동은 작동액 및 증기포의 불규칙적인 루프내 순환 또는 축방향 진동에 의한 것이며, 가열부에 주어진 열량 만큼의 핵비등을 일으키고, 핵비등에 의해 발생된 기포는 합쳐진 후 기액 슬러그류(slug flow)의 형태로 된다. 슬러그류는 압력파를 발생시킴과 동시에 축방향 진동을 동반하는 유동으로 되어 순환하고, 증기의 기포가 대류 열전달과 잠열 수송을 하며, 이러한 작동을 위하여는 세관형 튜브의 내경이 충분히 작아야 된다.
일반적으로 히트파이프는 밀폐된 용기내에 작동유체를 주입한 후 진공배기한 것으로 작동유체의 증발과 응축에 의하여 별도의 외부동력없이 열을 전달하는 기구로서, 통상적으로 사용되는 히트파이프의 경우 증발부로부터 응축부로의 기체의 이동은 압력차에 의하여 발생하며, 응축부에서 증발부로의 이동은 용기내에 형성된 다공성 윅을 이용한다.
히트파이프의 특수한 형태로서, 서모사이폰(thermosyphon)은 별도의 윅구조를 가지지 않으면서 중력에 의하여 액체가 증발부로 이동하는 구조이며, 서모사이폰은 반드시 수직의 형태로 설치되어야 한다.
이와 같이 일반적인 히트파이프 내지 서모사이폰과는 달리 진동 세관형 히트파이프는 충분히 작은 내경으로 인한 표면장력과 축방향 진동에 의한 순환운동을 이용하므로 그 길이에 있어서 거의 제한이 없다.
본 실시예의 진동 세관형 히트파이프는 작동유체로서의 R-22(클로로디플루오르메탄)를 동관에 내체적비 30%로 충전하여 사용하였으며, 동관의 외경은 4mm이며, 동관의 내경은 2.6mm이다.
진동 세관형 히트파이프와 일반 동의 전도율을 비교하였을 때, 진동 세관형 히트파이프는 일반 동보다 약 2,000배 이상 빠른 것으로 나타난다.
따라서 전열 히터(150)에서 발생되는 열이 히트파이프(160)를 거쳐 고정용 벽체(110)의 내측면과 하부 수평판(130)의 상면과 상부 수평판(140)의 하면에 매우 빠르게 전달되며, 이에 의하여 챔버 내부의 온도를 80℃~100℃로 유지할 수 있다.
이에 의하여 ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Stryene), PLA(Poly Lactic Acid)를 비롯한 PETG(PolyEthylene Terephthalate Glycol), 카본, 울템 등 고온을 요구하는 필라멘트 등과 같이 선택의 폭이 다양하게 되어 다양한 재료를 출력할 수 있다.
또한 고온 환경에서의 출력으로 인하여, 도 3과 같이 새로운 레이어가 올라가기 전에 아래의 레이어가 굳는 현상을 방지할 수 있어 레이어간 접합력이 증가되어 출력되는 제품의 내구성이 향상될 수 있다.
따라서 본 발명의 하나의 출력물로서, 기존 수작업에 의한 의족 제품과 동일한 강도 내지 내구성을 가질 수 있는 의족 바디를 출력할 수 있다.
한편 노즐부는 수냉식 냉각 구조를 가지는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 노즐부는 최대 600℃이내의 온도를 버틸 수 있도록 설계하며, 이러한 설계에도 불구하고 고온 출력으로 인하여 발생하는 필라멘트 흘러내림 등을 예방하고 노즐의 기대 수명을 높이기 위하여 수냉식 냉각 구조를 도입하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101 : 금속판
102 : 단열재
110 : 고정용 벽체 120 : 도어용 벽체
130 : 하부 수평판 140 : 상부 수평판
150 : 전열 히터 160 : 히트파이프
110 : 고정용 벽체 120 : 도어용 벽체
130 : 하부 수평판 140 : 상부 수평판
150 : 전열 히터 160 : 히트파이프
Claims (1)
- 출력재료를 용융시켜 토출하는 노즐부, 상기 노즐부로부터 토출된 출력재료가 쌓이게 되는 베드를 포함하여 이루어지는 3D 프린터에 있어서 :
상기 노즐부 및 상기 베드가 내부에 위치되는 다각통 형태의 일부를 형성하도록 배치되어 일측면이 개방된 챔버를 형성하는 복수의 고정용 벽체,
상기 챔버의 개방된 일측면을 개폐하기 위하여 마련되는 도어용 벽체,
상기 챔버의 하부를 막는 하부 수평판, 상기 챔버의 상부를 막는 상부 수평판,
상기 챔버의 내부에 마련되는 전열 히터,
상기 히터의 열을 상기 고정용 벽체의 내측면과 상기 하부 수평판의 상면과 상기 상부 수평판의 하면에 전달하기 위한 히트 파이프를 포함하며,
상기 고정용 벽체와 상기 도어용 벽체와 상기 하부 수평판과 상기 상부 수평판 각각은, 금속판의 일면에 단열재 및 다른 금속판이 순차적으로 적층된 형태인 것을 특징으로 하는 출력물의 내구성 향상을 위한 3D 프린터.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220089461A KR20240012035A (ko) | 2022-07-20 | 2022-07-20 | 출력물의 내구성 향상을 위한 3d 프린터 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20240012035A true KR20240012035A (ko) | 2024-01-29 |
Family
ID=89717161
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090119904A (ko) | 2007-03-14 | 2009-11-20 | 스트래터시스,인코포레이티드 | 변성 ａｂｓ 물질을 이용한 ３차원 물체 생성 방법 |
| KR20150089240A (ko) | 2014-01-27 | 2015-08-05 | 노영진 | 3d 프린터 |
-
2022
- 2022-07-20 KR KR1020220089461A patent/KR20240012035A/ko unknown
Patent Citations (2)
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