KR101451794B1 - 복합 3d 프린터 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열가소성 필라멘트 소재를 용융 및 적층하는 3D프린터에 관한 것으로, 상세하게는 방출공의 크기와 용융채의 이송속도를 가변범위가 넓고, 여러 종류의 소재를 혼합하여 방사하는 것이 가능한 3D프린터에 관한 것이다.
특히, 본 발명의 3D프린터 기술은 기존보다 제품의 성형속도 및 정밀도가 향상되고, 색상혼합 단계에서 완전하고 정밀한 혼합이 가능해서 풀칼라의 제품성형이 가능하고, 서로 다른 물성을 가진 소재를 혼합한 복합소재의 특성을 제품성형 단계에서 부여 가능한 획기적인 효과가 있다.
또한, 본 발명의 3D프린터 기술은 모듈형태로 제공되고, 구성요소의 변경이 용이하여 비용의 증가없이 복합적인 성능을 구현하는 것이 가능하다.

Description

복합 3D 프린터 및 그 제어방법{Complex 3D printer and its control method}

본 발명은 멀티칼라 제품성형이 가능한 3D 프린터에 관한 것으로서, 보다 상세히는 열가소성 필라멘트를 용융시켜 적층하는 3D 프린터에 관한 것이다.

특히, 3D 프린터내에서 다양한 소재를 융합할 수 있고, 256단계 이상의 완전한 풀칼라 제품성형이 가능하며, 신속하고 정밀한 제어가 가능하고, 복합적인 기능을 가진 3D 프린터이다.

본 발명의 배경기술로는 최근에 물체에 대한 3D 데이터를 이용하여 그 물건을 그대로 성형할 수 있는 3D 프린터의 사용이 증가 되고 있는 추세로써,

이러한 3D 프린터는 대량생산 이전의 모델링이나 샘플 제작과 일부산업용에서 시작하여 최근에는 가정용, 교육용 프린터에 그 적용범위가 점차 확대되고 있다.

또한, 3D 사진의 출력이나 실제 촬영한 사진을 피큐어로 제작해주는 업체도 생겨나고 있다.

또한, 3D 프린터를 사용하여 제품을 제작하면 다양한 종류의 제품을 생산할 수 있어 다품종 소량생산 제품을 중심으로 양산가능한 제품의 성형에도 사용될 수 있는 기술적 기반이 조성되고 있어서 앞으로 3D 프린터 시장은 점진적으로 증가할 것으로 예상된다.

소형 3D 프린터의 제품성형 방식은 첨가법, 절삭법이 주로 사용되고 있는데,

첨가법은 대상물체를 2차원의 평면형태로 성형한 것을 3차원으로 적층하면서 용융 부착하여 형성하는 방식이고,

절삭법은 고체재료를 조각하듯이 절삭해서 형태를 만들어가는 방식이다.

본 발명은 첨가법의 일종으로써 특히, 열가소성 플라스틱으로 된 와이어 또는 필라멘트를 공급릴과 이송롤을 통해 공급하고 공급된 필라멘트를 작업대에 대하여 상대적으로 XYZ 세 방향으로 위치조절되는 3차원이송기구에 장착된 캐리어에서 용융시켜서 방출함으로써 2차원 평면성형물를 만들고, 이를 순차적으로 적층함으로써 쌓아올려 물체를 3차원으로 성형하는 필라멘트 용융 적층 성형방법에 관한 것이다.

그런데 기존의 이런 필라멘트를 용융시켜 적층하는 3D 프린터는 종래에 단일의 색상의 필라멘트재로로 물품을 성형하는 것은 가능하지만 다채로운 색상을 가진 제품의 성형이 불가능하고, 성형속도가 느리고 정밀도가 낮고, 소재의 사용이 단일소재로 국한되어 다양한 성형물에 다양한 소재의 특성을 부여하지 못하는 문제점이 있다.

이러한 상기 문제점 중에서,

제한된 소재사용의 문제점을 극복하기 위하여 캐리어를 여러개 장착한 3D프린터가 제안되고 있다.

그러나 이는 3D 성형물에 제작하기 위해서 복수개의 캐리어를 구비하는 만큼 장치의 구조가 매우 복잡하고, 이에 따라 캐리어의 정밀한 제어가 어려워지고, 3D프린터의 제조비용 증가하는 문제점이 있다

상기의 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘등록특허 10-1346704’에 복수개의 도입공을 구비하고, 복수개의 필라멘트가 각각의 도입공으로 도입된 상태에서 예열된 상태에서 대기되고, 이 대기중인 복수개의 필라멘트 중에서 하나의 필라멘트가 선택되어지고, 선택된 하나의 필라멘트는 노즐헤드의 배출공내의 메인히터에 의해 가열과 함께 배출되면서 작업대 상에 3차원의 성형물을 순차적으로 적층하여 성형한다고 기술되어있다.

상기의 기존기술로는 적층되는 층별로 수개에서 십여개 이내의 단순한 색상을 표현하는 것을 가능하다.

그러나 상기의 기존기술로 더 많은 색상을 표현하려고 하면 색상이나 소재의 종류 많큼 도입공의 개수 증가가 반듯이 필요하고, 동시에 필라멘트공급릴, 필라멘트이송장치, 이송튜브등이 부가적인 장치의 동일하게 그 개수의 증가가 수반되어 풀칼라의 색상표현이나 프린터 내에서 다양한 소재를 복합적으로 혼합하여 물성조절하는 것은 불가능하다.

만약, 256단계의 색상을 표현하고자 하면 그 수만큼 장치의 개수도 증가하게 되는 데, 만약에 CMYK 4가지의 색상을 가진 필라멘트롤 혼합하여 색상을 표현하려고 한다면 1회의 캐리어 운동에 수십에서 수백회의 필라멘트교체동작이 필요하게 되어 풀칼라 성형물의 제작이 불가능하다.

즉, 표현가능한 색상이 선택가능한 필라멘트의 개수 이내로 제한적이다.

또한, 상기의 기존기술은 현재 사용되는 필라멘트에서 선택된 또 다른 필라멘트로 교체되는 과정에서 필라멘트의 끝단이 용융된 상태에서 선택된 또 다른 하나의 필라멘트로 교체되어 방출되므로 색상이 변하는 점이 매끄럽지 못하다.

또한, 상기의 기존기술은 화학적, 물리적 특성이 서로 다른 소재를 사용하는 것이 어려운데, 이는 성질이 다른 소재를 번갈아가면서 적층하면 이음매 부위에서 서로 수축률, 점성, 응고시간이 다르면 서로 다른 방향으로 작용하는 장력에 의해 재료가 파손 또는 분리될 수 있으며, 화학적 성질이나 밀도가 다르면 이음매 부위가 매끄럽지 못하고, 부착력의 저하, 일체성의 약화로 인해 품질이 저하된다.

한편, 기존의 제품 및 기술의 또 다른 문제점으로는 제품의 성형속도가 느리다는 단점이 있다.

기존의 3D 프린터는 방출면적이나 방출량을 가변시키는 것이 어려워서 정교한 성형이 필요 없는 부위에서도 일률적이고 느린속도로 적층할 수 밖에 없기 때문이다.

또한, 기존의 제품 및 기술은 노즐의 방출공의 공극 크기를 변경할 수 없어서 정밀도가 고정되어있다. 이러한 문제로 인해 성형할 수 있는 제품의 종류가 한정되고, 성형속도를 가변할 수 없어 효율적인 성형하는 것이 불가능하다.

또한, 노즐의 청소가 용이하지 못하고, 노즐의 막힘이나 고장이 발생하면 이로 인해 캐리어 전체를 교체해야하는 문제점도 있다.

한편, 기존의 프린터장치는 하나의 3D 프린터로 복합적인 기능을 동시에 제공함에 있어서 비용의 상승이 크고, 사용자가 필요한 기능에 따라 구성품을 변경하는 것이 어렵다.

기존의 복합 3D프린터에서 입체 물체의 형상을 스캔하기 위한 방법으로는, 3D 프린터내부에 여러대의 3D스캔장비를 설치하고 설치된 3D스캔장비를 사용하여 촬영 및 측정하여 스캔데이터를 출력하는 방법과,

수직 및 수평으로 이동할 수 있는 무빙 플레이트를 3D 프린터내부에 추가로 설치하고 이 무빙플레이트에 3D스캔장비를 탑제하여 무빙플레이트를 움직여서 다시점에서 촬영하는 방법이 있다.

이러한, 기존의 복합 3D 프린터는 하나의 3D 프린터에서 복합적인 다른 기능을 제공하기 위하여 불필요한 3D스캔장비 및 구성품의 추가가 필요하므로 제조가격이 상승하게 되고, 구성품을 변경하는 것이 용이하지 못하다.

본 발명은 상기의 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로.

전술한 바와 같은 종래의 열가소성 필라멘트소재를 사용하여 용융 및 적층하는 타입의 3D 프린터의 문제점에 착안하여 제안된 것으로서, 본 발명은 구조가 간단하면서도 256단계이상의 풀칼라 색상을 가진 성형품을 성형할 수 있고, 물성이 서로 다른 소재를 3D 프린터 내에서 혼합할 수 있으며, 정밀도 및 성형속도면에서도 획기적으로 향상된 새로운 구조의 3D 프린터를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명은 물성이 서로 다른 소재를 복합적으로 혼합하여 제품을 성형하여도 이음매가 매끄럽고, 물성이 다른 소재의 완전한 혼합으로 인해 제품이 파손되지 않거나 일체성이 약화 되지 않는다.

또한, 본 발명은 노즐의 청소가 용이하고 노즐의 막힘이나 고장으로 인해 캐리어 전체를 교체하지 않아도 되므로 유지비용이 절감되는 신개념 3D 프린터를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 특성에 따른 3D 프린터에 탑재된 캐리어(1)는

이송튜브(24)부터 도입되는 복수개의 필라멘트를 예열 및 용융하여 혼합부로 적절하게 공급하는 기능 및 장치를 도입부(11)와,

도입부(11)로부터급되는 필라멘트를 용융혼합하고 방출속도를 최종적으로 조절하는 기능 및 장치를 포함하는 혼합부(12)와,

혼합부(12)로부터 이송된 필라멘트를 최종적으로 방출시킴으로써 작업대(34)에 적층시키는 기능 및 장치를 노즐부(13)부로 구성된다.

또한, 상기 캐리어(1)의 도입부(11)로 필라멘트(25,26)를 이송하기 위한 필라멘트이송장치(2)가 더 포함될 수 있으며, 이 필라멘트이송장치(2)에는 이송롤러(22)와 이송롤러(22)에 동력을 전달하는 동력장치(23)가 기계적으로 연결되어 있고, 센싱장치(21)를 포함하여 구성된다.

여기서, 각각의 구성의 동작은 제어를 담당하는 메인 콘트롤러(7)에 전기적 제어신호로 연결되어 복합적으로 연동제어 될 수 있다.

여기서, 상기 도입부(11)의 장치는 주재부(111)와 첨가부(112)로 구성될 수 있고, 각각 복수개의 도입공(113)(導入孔)이 구성될 수 있고,, 개별적인 도입공(113)은 개별적인 도입로(114)로 연결되고, 각각의 도입로(114)는 개별적인 예열히터(27)를 구비할 수 있다.

또한, 상기 도입부(11)의 주재부(111)와 첨가부(112)는 모듈형태 일 수도 있으며, 교체 및 분해가 가능하도록 제공될 수 있다.

또한, 도입부(11)는 스토퍼(114)를 더 구비할 있다.

이 스토퍼(114)는 도입부로 이송 및 도입되는 필라멘트(25,26)에 외력(外力)을 가하여 정지 및 고정할 수 있는 전자식스토퍼 또는 기계식스토퍼일 수 있다

또한, 상기 개별적인 예열히터(27)는 메인 콘트롤러(7)와 상호전기적으로 연동되어 온도가 제어될 수 있다.

여기서, 상기 혼합부(12)의 장치는 리드스크류(121) 및 리드스크류(121)와 기계적으로 연결된 가변모터(122)로 구성되고, 상기 혼합부(12)는 메인히터(124)로 구성될 수 있다.

또한, 상기 리드스크류(121)는 복수개로 구성될 수 있으며, 교반날개(impeller)가 추가될 수 있다.

또한, 리드스크류(121)와 가변모터(122)는 일축의 샤프트(123)에 의해 연결될 수 있고, 변속장치(122a)가 추가될 수 있다.

또한, 상기 가변모터(122)는 메인 콘트롤러(7)와 상호전기적으로 연동되어 회전속도가 제어될 수 있다.

여기서, 상기 노즐부(13)의 장치는 노즐히터(131a)가 장착된 메인노즐(131)과 서브노즐(132)로 구성될 수 있다,

또한, 서브노즐(132)은 메인노즐(131)에 장착되어 분리 및 조립이 가능하도록 구성될 수 있으며, 서브노즐히터(132a)를 더 구비할 수 있다.

여기서, 상기 캐리어(1)는 캐리어(1)에 복합센서(CS, 도시되지 아니함)를 더 탑재할 수 있다.

또한, 상기 복합센서(CS, 도시되지 아니함)는 모듈형태로 탈부착이 가능하도록 제공되는 것일 수 있다.

단일의 캐리지(1)내에서 여러 종류의 소재를 하나로 융합하여 복합소재의 제품성형이 가능하고. 여러 색상을 가진 필라멘트(26)를 혼합하여 풀칼라(Full color)의 제품성형이 가능하고, 방출면적을 제어하여 제품의 정밀도와 성형속도향상이 가능하다.

또한, 노즐의 청소가 쉽고, 노즐의 막힘이나 고장시 일부만 교체할 수 있어 유지비용이 절감되는 효과가 있으며, 센싱장치(21)를 통해 정밀하고 자동화된 제어가 가능하다.

또한, 본 발명의 3D프린터 기술은 모듈형태로 제공되고, 구성요소의 변경이 용이하여 비용의 증가없이 복합적인 성능을 구현하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 캐리어(1)의 구조를 설명하기 위한 캐리어(1)의 상측 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 캐리어(1)의 구조를 설명하기 위한 정면측 단면도 이다.
도 3는 본 발명의 다른실시예에 따라 캐리어(1)에 도입부(11)의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른실시예에 따라 캐리어(1)에 도입부(11)의 도입공(113)의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 필라멘트이송장치(2)의 (11)의 설명도이다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터의 전체 구성도이다.

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 붙였다.

또한, 본 발명의 구성은 사상적 범위내에서 어떠한 변경이나 추가하는 것도 가능하다,

특히, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제어하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기위하여 일 실시예를 통해 상세하게 설명하고 있으나 실시예에 한정되지 않는다.

이때, 본 발명의 캐리어(1)구조의 이해를 돕기 위해 도입부(11), 혼합부(12), 노즐부(13)로 나누어 설명하고 있으나, 일체형으로 제공할 수도 있으며, 더 세분화된 구성부로써 제공될 수 있다.

이때, 본 발명에서 사용되는 열가소성 필라멘트로는 대표적으로 PLA, ABS, PE, PET, PP, PV, PVC, PC, PPS,PU, PA, PVDC, PTFE, PEEK, PEI 등의 수지를 예로 들 수 있으나, 이들 수지외에도 적합한 물성을 가진 다른 수지 또는 신소재가 사용될 수 있다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 캐리어(1)의 구조를 설명하기 위한 캐리어(1)의 상측 평면도이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 캐리어(1)의 구조를 설명하기 위한 정면측 단면도 이다.

도 3는 본 발명의 다른실시예에 따라 캐리어(1)에 도입부(11)의 예시도이다.

도 4는 본 발명의 또 다른실시예에 따라 캐리어(1)에 도입부(11)의 도입공(113)의 구성도이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 필라멘트이송장치(2)의 (11)의 설명도이다.

도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터의 전체 구성도이다.

[실시예1 (캐리어)]

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면,

본 발명의 특성에 따른 3D 프린터에 탑재된 캐리어(1)는

도입되는 하나 이상의 주제 필라멘트(25)와 하나 이상의 부제 필라멘트(26)를 개별적으로 예열 및 용융하여 혼합부(12)로 공급하는 도입부(11)와-;

상기 도입부(11)로부터 공급되는 상기 주제 필라멘트(25)와 상기 부제 필라멘트(26)는 설정된 각각의 혼합비율에 따라 혼합용융되고 방출속도가 조절되는 혼합부(12)와-;

상기 혼합부(12)로부터 이송되는 필라멘트를 방출하여 3차원 성형물을 형성하는 노즐부(13)부-;

로 구성된 캐리어(1)로 구성된다.

여기서, 도입부(11); 혼합부(12); 노즐부(13)의 각각의 구성부는 상기에 설명된 기능을 적절하게 수행할 수 있는 개별적인 세부적인 구성요소을 더 포함함을 의미한다. 이 세부적인 구성요소는 본 발명의 범주안에서, 통상의 실시권자에 의해 실행될 수 있는 적절한 기계적, 전기적 장치 및 구성일 수 있다.

이하, 상기 구성부의 특징에 관하여, 실시예를 통해, 상세하게 살펴보고자 한다.

본 발명의 일 특징으로, 도 1과 도 2에서 도입부(11)는 주재부(111)와 첨가부(112)로 구성될수 있고, 각각 복수개의 도입공(113)(導入孔)이 구성될 수 있고, 각각의 도입공(113)은 개별적인 도입로(114)로 연결되고, 각각의 도입로(114)는 개별적인 예열히터(27)를 구비할 수 있다. 이 예열히터(27)는 메인 콘트롤러(7)와 상호전기적으로 연동되어 온도가 제어되는 것을 본 발명의 일 특징으로 한다. 이를 통해 개별적인 도입공(113)으로부터 도입되는 각각의 필라멘트(25,26)를 서로 다른 온도로 예열하는 것이 가능하다.

여기서, 도 1 및 도 2에 도시된 주재부(111)와 첨가부(112)는 모듈형태로 제공될 수 있으며, 교체 및 분해가 가능하도록 제공될 수 있다.

이로 인하여, 사용되는 소재의 특성에 맞는 적절한 도입부를 구성하거나, 용도를 변경할 수 있어 사용범위가 획기적으로 넓어지게 되며, 캐리어(1)의 청소 및 관리가 용이하다.

보다 구체적인 예로는, 통상적으로 사용되는 필라멘트 소재인 PLA, ABS, PE, PET, PP, PV, PVC, PC, PPS,PU, PA, PVDC, PTFE, PEEK, PEI 등의 각 소재는 용융점(melting point)이 각기 다른 특성을 가지고 있으며, 이에 따른 적절한 예열범위를 가진 히팅장치가 필요하게 된다.

여기서, 주재부(111)는 성형물의 주재(base)가 되는 주재 필라멘트(25)가 도입공(113)을 통해 공급되고, 첨가부(112)는 성형물에 색상 및 소재특성을 첨가하기 위한 부제 필라멘트(26)의 공급을 담당한다.

여기서, 도 4에서 예시된 바와 같이 상기 도입부(11)는 필요에 따라 스토퍼(114)(stopper)를 더 구비할 수도 있는데 이는 혼합부(12)의 리드스크류(121)에 회전운동에 의해 강제적으로 공급되는 것을 방지하기 위해 더 추가될 수 있다. 이 스토퍼(114)는 전자석스토퍼일 수도 있으며, 기계적스토퍼 일 수도 있다.

여기서, 상기 도입부(11)는 예열히터(115)의 온도를 측정하기 위해 온도센서가 더 추가될 수 있다.

여기서, 상기 도입부(11)의 하단에는 필라멘트의 용융상태를 측정하기 위한 측정장비(senser)가 더 추가될 수 있다.

특히, 온도 특성 및 섬도(filament size), 밀도, 점도, 화학성분 등의 물리적, 화학적 특성이 다른 복수개의 필라멘트(25,26)는 융점(melting point)이 서로 다르기 때문에 동일한 단일의 혼합부(12)에서 혼합되는 것이 어렵게 되는 데, 이를 완전하게 혼합하기 위해서는 각각의 필라멘트(25)의 특성 맞게 다른 온도로 예열함으로써 해결할 수 있다.

상기와 같이 도입부(11)에서 개별적인 예열히터(27)를 구비하여 각기 다른 온도를 부여함으로써,

도입공(113)으로부터 공급되는 물리적특성 및 화학적 특성 다른 복수개의 필라멘트(25,26)에 적절한 용융상태를 부여할 수 있어 혼합부(12)의 혼합성능이 증가하고, 정밀한 방출속도의 제어가 가능해 다양하고 정밀한 제품성형이 가능하다.

본 발명의 다른 특징으로, 도 2에서 혼합부(12)는 리드스크류(121) 및 리드스크류(121)와 기계적으로 연결된 가변모터(122)로 구성되고, 가변모터(122)는 메인 콘트롤러(7)와 상호전기적으로 연동되어 회전속도가 제어된다.

또한, 상기 혼합부(12)는 메인히터(124)를 더 포함 할 수 있다.

여기서, 도 3에 도시된 혼합부(12)의 다른 실시예와 같이 리드스크류(121)는 복수개로 구성될 수 있으며, 교반날개(impeller)가 추가될 수 있다.

여기서, 도 2의 일 실시예와 같이 리드스크류(121)와 가변모터(122)는 일축의 샤프트(123)에 의해 연결될 수 있고, 도 3의 다른 실시예와 같이 복수개의 리드스크류(121)의 정밀하고 개별적인 속도제어를 위해 변속장치(122a)가 추가될 수 있다.

또한, 도 3에서 도시된 바와 같이 혼합부(12)의 내벽(內壁)에 혼합패턴(125)를 형성할 수 있으며, 이 혼합패턴(125)은 용융된 복수개의 필라멘트(25,26)가 서로 혼합될 수 있도록 와류를 생성하거나 유체교환이 가능하도록 형성된 다양한 패턴도 사용될 수 있다. 예를 들면, 이 혼합패턴(125)은 복수개의 상기 필라멘트(25,26)가 용융되어진 유체가 혼합패턴(125)의 유로(water course)를 따라 서로 교차, 충돌하도록 형성된 유로패턴 일 수 있으며, 또는 와류를 형성하기 위한 돌기(突起)형태 일 수도 있다.

상기 혼합부(12)는 도입부(11)에서 1차적으로 용융된 복수개의 필라멘트(25,26)는 리드스크류(121)의 회전운동에 의해 혼합교반된다.

또한, 가변되는 리드스크류(121)의 회전속도에 따라 노즐부(13)로 혼합이송되는 필라멘트(25,26)의 공급량을 조절할 수 있다.

또한, 혼합부의 내부온도를 균일하게 유지하기 위해 상기 리드스크류(121)는 가열이 가능도록 리드스크류(121)의 내부에 히터를 더 포함할 수 있고, 이 히터는 메인 콘트롤러(7)와 상호 전기적으로 연결되어 온도가 제어될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징으로, 도 2에서 노즐부(13)는 노즐히터(131a)가 장착된 메인노즐(131)과 서브노즐(132)로 구성될 수 있고, 서브노즐(132)은 메인노즐(131)에 장착되어 교체 및 분해가 가능하도록 구성된다.

또한, 노즐부(13)는 노즐히터(131a)가 장착된 메인노즐(131)과 메인노즐(131) 하단에 분리 및 조립이 가능하도록 장착되는 서브노즐(132)을 포함하여 구성하되, 상기 서브노즐(132)은 개별적으로 서브노즐히터(132a)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 도에서 도시된 바와 같이 캐리어(1)에 일체된 메인노즐(131)에 공극 크기가 다른 서브노즐(132)의 서브-방출공(132b)이 추가 또는 교체됨으로써 방출속도 및 방출면적을 변경할 수 있다.

여기서, 도에서 예시된 바와 같이 메인노즐(131) 또는 서브노즐(132)은 전자식 또는 기계식으로 방출공(131b, 132b)의 공극 크기가 가변될 수 있다.

상기 노즐부(13)의 방출공(131b, 132b)에 의해 가변되어 선택된 방출면적으로 배출되면서 작업대(34)상에 3차원의 성형물을 순차적으로 적층하여 성형하게 된다.

또한, 상기 캐리어(1)는 캐리어(1)에 복합센서(CS, 도시되지 아니함)를 더 탑재할 수 있다.

여기서, 상기 복합센서(CS, 도시되지 아니함)는 모듈형태로 탈부착이 가능하도록 제공되는 것일 수 있다.

여기서, 상기 복합센서(CS, 도시되지 아니함)는 광센서, 온도측정센서, 초음파센서, 자기센서 등이 사용될 수 있으며, 이 외에도 다양한 센서가 복합적으로 사용될 수 있다.

이 복합센서(CS, 도시되지 아니함)는 작업대(34)위에 방출공(131b,132b)을 통해 방출되어 적층되는 성형물의 색상, 온도, 두께, 물성 등을 측정할 수 있다.

예를 들면, 특성이 다른 복수개의 필라멘트(25,26)의 혼합정도를 측정을 위해 광학센서와 초음파센서가 사용될 수 있고,

적층되는 성형물의 물성 및 두께를 측정하기 위해 초음파센서에 의해 측정될 수 있다.

또 다른 예로는, 광학센서의 일종인 CCD 센서(Charge Coupled Device)를 사용하여 작업대(34)위에 적층되는 성형물의 색상을 측정할 수 있다.

이러한 상기 복합센서(CS, 도시되지 아니함)를 통해 측정된 신호 데이터는 메인 콘트롤러(7)로 전송되고, 기 측정된 신호를 메인 콘트롤러(7)에서 비교분석하여 도입부(11)내의 복수개의 개별적인 예열히터(115)를 적절한 온도로 재조정할 수 있고, 혼합부에 구비된 하나이상의 리드스크류(121)의 속도를 재조정함으로써 적절한 혼합비와 혼합성을 부여할 수 있다.

또한, 상기 복합센서(CS, 도시되지 아니함)는 입체 물체의 형상을 스캔하기 위한 것일 수 있다.

여기서, 상기 복합센서(CS, 도시되지 아니함)는 3D 스캔을 위한 센서모듈일 수 있다.

구체적으로, 캐리어(1)에 CCD센서와 레이저센서로 구성된 복합센서(CS, 도시되지 아니함)를 모듈형태로 더 탑제하고, 이 캐리어(1)를 상하좌우 전방향으로 이동시키면서 다시점(multi-view)에서 촬영하여 작업대(34)위에 놓인 피사체를 스캔할 수 있다.

이 복합센서(CS, 도시되지 아니함)의 다시점에서 투사 및 촬상된 복수개의 3D스캔정보를 각각의 3D스캔정보가 측정된 좌표위치(X,Y,Z)와 함께 데이터화함으로써, 입체 물체의 형상을 스캔할 수 있다.

보다 구체적으로 예를 들어 설명하면,

상기 캐리어(1)에 탑제된 복합센서(CS, 도시되지 아니함)는 작업대(34) 위에 놓여진 피사체를 3차원으로 스캔하기 위한 복합센서로 구성되며,

상기 캐리어(1)에 탑제된 상기 복합센서(CS, 도시되지 아니함)는 캐리어(1)의 위치가 이동되면서 다시점에서 투사 및 촬상하여 복수개의 3차원 스캔정보를 추출 및 생성하고-;

상기 복합센서(CS, 도시되지 아니함)가 통해 투사 및 촬상된 시점과 위치정보를 데이터화하여 스캐닝좌표정보(X,Y,Z)를 추출 및 생성하고-;

상기 복수개의 3차원 스캔정보에 대응하는 상기 스캐닝좌표정보(X,Y,Z)를 동기화하여 복합 데이터(composite data)를 생성하고-;

상기 복합 데이터를 분석하여 가상의 3D객체데이터정보(3D Object data information)를 추출 및 생성함으로써 물체의 입체적인 정보를 획득하는 것이 가능하다.

상기에서 3D프린터의 캐리어(1)에 탑제된 복합센서(CS, 도시되지 아니함)는 작업대(34)위에 놓인 피사체를 스캔할 수 있는 것으로 예시하고 있으나, 3D프린터 위에 놓은 물체나 사람의 얼굴형상이 3D스캔될수 있도록 제공되는 것은 물론이다.

이와 같이, 3D프린터의 캐리어(1)에 상기 복합센서(CS, 도시되지 아니함)를 더 탑제함으로써, 불필요한 3D스캔장비 및 구성품의 추가없이 3D스캔기능을 복합적인 기능을 하나의 캐리어(1)에서 제공할 수 있다.

이러한 캐리어(1) 구조에 따라 기존보다 진보된 특징적 효과를 부여할 수 있는 데, 효과는 다음과 같다.

첫 번째는 상기 도입부(11) 및 혼합부(12)의 구성상 특징에 의해,

온도 특성 및 섬도(filament size), 밀도, 점도, 화학성분 등의 물리적, 화학적 특성이 다른 복수개의 필라멘트(25)를 하나로 혼합하는 것이 가능한 특징으로 인해 단일의 캐리지(1)내에서 여러 종류의 소재를 하나로 융합하여 새로운 복합소재를 가진 3차원 성형물을 제작할 수 있는 효과가 있다.

예를 들어, 단일의 캐리어(1)를 통해 제작되는 하나의 3차원 성형물에 다양한 강연성(剛軟性])의 변화를 부여하고자 한다면, 주제 필라멘트(25)는 연성을 가진 소재를 사용하고, 부제 필라멘트(26)는 강성을 가진 소재를 사용하여 이를 혼합부에서 적절한 혼합비율로 혼합함으로써 256단계 이상의 다양한 강연성변화 특성을 부여하는 것이 가능하다.

또한, 베이스 필라멘트와 CMYK 4가지 색상을 가진 필라멘트를 혼합하여 새로운 색상형성이 가능해지는 데, 이에 따라 256단계 이상의 풀칼라(Full color)의 색감을 3차원 성형물에 부여하는 것도 가능하다.

예를 들어, 서로다른 색상을 가진 복수개의 필라멘트(25,26)를 사용하여 256단계 이상의 풀칼라의 색감을 성형물에 부여하고자 하면,

주제 필라멘트(25)는 투명 또는 흰색(White)에 근접한 색상의 소재 사용하고,

부제 필라멘트(26)는 Cyan, Magenta, Yellow, Black 의 색상의 소재를 사용하고, 이를 본 발명의 캐리어(1)를 통해 용융혼합하여 적층함으로써 풀칼라 성형물을 제작할 수 있다.

구체적으로, 풀칼라 성형물의 색상 결정은,

명도(明度)는 ‘White’ 색상의 주제 필라멘트(25)의 ‘black’ 색상의 필라멘트(26)의 혼합비율에 의해 결정될 수 있으며, 채도(彩度)는 ’Cyan, Magenta, Yellow,‘의 색상을 가진 3종의 부제 필라멘트(26)의 혼합비율에 의해 결정될 수 있다.

예를 들면, 상기 혼합비율에 의해 결정되는 성형물의 결정색상()은 하기 수학식에 의해 예측될 수 있다.

상기 수학식에서, 방출되는 필라멘트의 결정색상을

는 혼합용융되어 방출되는 성형물의 결정색상이고,

는 White 색상의 주제 필라멘트(25)의 혼입비율이고,

는 Black 색상의 주제 필라멘트(25)의 혼입비율이고,

는 Cyan 색상의 주제 필라멘트(25)의 혼입비율이고,

은 Magent 색상의 주제 필라멘트(25)의 혼입비율이고,

는 Yellow 색상의 주제 필라멘트(25)의 혼입비율이고,

는 감마보정값이다.

즉, 다양한 색상을 가진 복수개의 필라멘트(25,26)가 본 발명의 혼합부(12)를 통해 완전한 혼합과 혼합비율의 세밀한 조절이 가능해서 256단계 이상의 부드러운 색상변화를 3차원 성형물에 부여할 수 있는 획기적인 특성이 있다.

두 번째는 상기 혼합부(12) 및 노즐부(13)의 구성상 특징에 의해 최종적으로 방출되는 필라멘트(25)의 방출면적을 자유롭게 제어할 수 있어 제품의 정밀도와 성형속도향상의 효과가 있다.

세 번째는 노즐부(13)의 방출공(131b,132b)의 공극 크기를 가변할 수 있어 축소된 공극 크기를 통해 더욱 세밀한 제품을 성형할 수도 있고, 반대로 증가된 공극 크기를 통해 성형속도를 높일 수 있는 효과가 있다.

네 번째는 노즐의 청소가 쉽고, 노즐의 막힘이나 고장시 일부만 교체할 수 있어 유지비용이 절감되는 효과가 있다.

[ 실시예3 (필라멘트이송장치(2)]

본 발명에 또 다른 특징에 의하면,

도5에서 필라멘트이송장치(2)에는 이송롤러(22)와 이송롤러(22)에 동력을 전달하는 동력장치(23)가 기계적으로 연결되어 있고, 센싱장치(21)가 구비된다.

이 센싱장치(21)는 이송되는 필라멘트의 물리적, 광학적 특성을 측정하여 이를 메인 콘트롤러(7) 전달하고, 메인 콘트롤러(7)는 측정신호에 따라 이송롤러(22)와 연결된 동력장치(23)를 개별적으로 제어하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

여기서, 필라멘트이송장치(2)에 탑재된 센싱장치(21)는 필라멘트(25,26)의 물리적, 화학적 특성의 측정이 가능한 어떤 종류의 센서를 탑재하여도 된다.

여기서, 센싱장치(21)는 모듈형태로 구성되어 필라멘트이송장치(2)에 탈부착 할 수 있도록 제공될 수 있다.

상기 센싱장치(21)을 통해 정밀하고 자동화된 제어가 가능한데,

예를 들면, 공급되는 필라멘트(25,26)의 색상을 광학센서 모듈을 부착하여 3D 성형물의 색상을 제어하는 것이 가능하고, 또는 필라멘트(25,26)의 두께를 감지하는 센싱롤러를 부착하여 서로 다른 두께를 가진 필라멘트(25,26)의 공급량을 적절히 제어하는 것이 가능하다.

한편, 필라멘트이송장치(2)는 도입공(113)으로 이송되는 복수개의 필라멘트(25,26)을 혼합부(12)의 기 설정된 혼합비율에 따라 개별적으로 이송량을 제어할 수 있다.

[ 실시예4 (3D프린터의 전체구성)]

한편, 실시예를 통해 3D 프린터의 전체적인 구성을 도5에서 상세히 살펴보고자 한다.

3D 프린터의 전체적인 구성에 있어서는 본 발명의 특성에 따른 캐리어(1)와 필라멘트이송장치(2)를 외에도, 기존의 구성을 포함할 수 있다.

먼저 기존의 3D 프린터의 일반적인 구성을 보면, 도 6에서 3D 프린터의 전체적인 구성으로는, 대략 직육면체 형태의 프레임(1)의 상부에 X축-가이드기어(51)에 의해 왕복 슬라이드되는 리니어 블록(52)을 포함하는 X축선형운동안내장치(5)와,

이 X축선형운동안내장치(5)의 리니어 블록(52)의 일측에 형성되는 Y축-가이드 레일(41)을 따라 Y방향으로 왕복 슬라이드되는 작동블록(42)을 포함하는 Y축선형운동안내장치(4)를 포함하고, 이 작동블록(42)에는 본 발명에 따른 캐리어(1)가 장착되어 탑재되고, 이 캐리어(1)의 하부에는 수직설치된 가이드포스트(32)와 이 가이드포스트(32)를 따라 승강되는 승강블록(33)을 포함하는 Z축선형운동안내장치(3)가 구비되고, 성형물이 성형되는 작업대(18)가 승강블록(33)에 장착되어 승강 및 하강되면서 순차적으로 적층하여 성형물을 형성한다.

도 6에서 도시된 실시예에서는 캐리어(1)는 XY방향으로 평면상에서 수평이동되고, 작업대(34)가 승강블록(33)을 따라 Z방향으로 수직이동되는 것으로 예시하고 있으나, 반대로 캐리어(1)가 Z방향으로 수직이동되고 작업대(34)가 XY방향으로 평면상에서 수평이동될 수도 있다.

그리고, 프레임(6)의 일측에는 와이어형태의 열가소성 필라멘트(25, 26)를 전진이송시키는 복수개의 필라멘트이송장치(2)가 구비되는데,

이들 필라멘트이송장치(2)에는 이송롤러(22)와 이송롤러(22)에 동력을 전달하는 동력장치(23)가 기계적으로 연결되어 있고, 이송되는 필라멘트의 물리적, 광학적 특성을 측정하기 위한 본 발명의 모듈형태의 센싱장치(21)가 구비된다.

각각의 이송롤러(22)는 회전운동을 통해 필라멘트공급릴(27)에서부터 캐리어(1)의 도입공(113)으로 필라멘트(25)를 전진이송시키는 데, 이 필라멘트 이송장치(2)에는 이들 필라멘트(25)의 이송경로를 안내하는 이송튜브(24)가 배치된다.

필라멘트이송장치(2)와 필라멘트공급릴(27)의 설치위치는 이송가능한 어떠한 위치에 배치되어도 된다.

도 6에서는 여덜가지의 필라멘트(25,26)가 여덜개의 필라멘트공급릴(27)과 여덜개의 필라멘트이송장치(3)를 통해 공급이송되는 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것으로서 두가지 이상의 필라멘트(25,26)가 두개 이상의 필라멘트이송장치(3) 및 두가지 이상의 필라멘트공급릴(27)을 통해 공급되고 이송될 수 있음은 물론이다.

또한, 메인 콘트롤러(7)가 프레임(6)의 일측에 구비되는데, 이 메인 콘트롤러(7)는 캐리어(1)의 각 구성부의 제어와 필라멘트이송장치(2)와 X,Y,Z선형운동안내장치(3,4,5)를 제어한다.

여기서, 메인 콘트롤러(7)는 상기의 장치 이외에 추가 될 시 해당 장치의 제어의 필요성에 따라 추가적으로 제어할 수 있다.

여기서, 메인 콘트롤러(7)는 외부기기와 무선으로 송수신하기 위한 통신시스템(71)이 추가될 수 있는 데 이 통신시스템(71)에 의해 데이터 및 제어신호를 송수신할 수 있다.

통신시스템(71)은 RF, 블루투스, 지그비, NFC 등 다양한 종류의 방식이 사용될 수 있음은 물론이다.

1. 캐리어
11.도입부
111. 주재부
112. 첨가부
113. 도입공
114. 도입로
115. 예열히터
116. 스토퍼
12. 혼합부
121. 리드스크류
122. 가변모터
122a. 변속장치
123. 샤프트
124. 메인히터
125. 혼합패턴
13. 노즐부
131.메인노즐
131a.노즐히터
131b. 메인-방출공
132. 서브노즐
132a.서브노즐히터
132b. 서브-방출공
2. 필라멘트이송장치
21. 센싱장치
22. 이송롤러
23. 동력장치
24. 이송튜브
25. 주제 필라멘트
26. 부제 필라멘트
27. 필라멘트공급릴
3. Z축선형운동안내장치
31. 리프트 장치
32. 가이드 포스트
33. 승강블록
34. 작업대
4. Y축선형운동안내장치
41. Y축-가이드 레일
42. 작동블록
5. X축선형운동안내장치
51. X축-가이드기어
52. 리니어 블록
6. 프레임
7. 메인 콘트롤러
71. 통신시스템

Claims (18)

1. 도입되는 하나 이상의 주제 필라멘트(25)와 하나 이상의 부제 필라멘트(26)를 개별적으로 예열 및 용융하여 혼합부(12)로 공급하는 도입부(11)와,
   리드스크류(121) 및 리드스크류(121)와 기계적으로 연결된 가변모터(122)고 구성되고, 리드스크류(121)의 회전운동에 의해 도입부(11)로부터 공급되는 상기 주제 필라멘트(25)와 상기 부제 필라멘트(26)를 교반 및 혼합용융하여 노즐부(13)로 공급하는 혼합부(12)와,
   상기 혼합부(12)로부터 혼합이송되는 필라멘트를 방출하여 3차원 성형물을 형성하는 노즐부(13)부로 구성된 캐리어(1)를 포함하는 복합 3D 프린터.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 도입부(11)는 교체 및 분해가 가능한 모듈형태로 제공되고,
   복수개의 도입로(114)는 개별적인 예열히터(27)로 구성된 캐리어(1)를 포함하는 복합 3D 프린터.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 혼합부(12)의 상기 리드스크류(121)는 복수개로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 3D 프린터.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 혼합부(12)는 리드스크류(121)는 일 이상의 교반날개(도시되지 아니함)를 더 포함하여 구성된 복합 3D 프린터.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 혼합부(12)는 메인히터(124)를 더 포함하여 구성된 복합 3D 프린터.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 혼합부(12)의 리드스크류(121)는 리드스크류(121)와 기계적으로 연결된 변속장치(122a)를 더 포함하여 구성된 복합 3D 프린터.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 노즐부(13)는 노즐히터(131a)가 장착된 메인노즐(131)과 서브노즐(132)로 구성되고, 서브노즐(132)은 메인노즐(131)에서 분리 및 교체가 가능한 모듈형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 복합 3D 프린터.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 노즐부(13)는 메인노즐(131) 및 서브노즐(132)은 전자식으로 방출공(131b, 132b)의 공극 크기가 가변되는 가변장치를 더 포함하는 구성된 복합 3D 프린터.
9. 제 7항에 있어서,
   상기 노즐부(13)는 메인노즐(131) 및 서브노즐(132)은 기계식으로 방출공(131b, 132b)의 공극 크기가 가변되는 가변장치를 더 포함하는 구성된 복합 3D 프린터.
10. 제 7항에 있어서,
    상기 서브노즐(132)은 서브노즐히터(132a) 더 포함하여 구성된 복합 3D 프린터.
11. 제 1항에 있어서,
    메인 콘트롤러(7)를 더 포함하고,
    상기 캐리어(1)와 상기 메인 콘트롤러(7)는 전기적으로 연결되어 제어신호에 의해 복합적으로 연동제어되는 것을 특징으로 하는 복합 3D 프린터.
12. 제 11항에 있어서,
    주제 필라멘트(25)와 부제 필라멘트(26)를 캐리어(1)로 개별적으로 이송 및 제어하는 복수개의 필라멘트이송장치(2)를 더 포함하고,
    상기 필라멘트이송장치(2)와 상기 메인 콘트롤러(7)는 전기적으로 연결되어 제어신호에 의해 복합적으로 연동제어되는 것을 특징으로 하는 복합 3D 프린터.
13. 제 12항에 있어서,
    상기 필라멘트이송장치(2)는 이송롤러(22)와 이송롤러(22)에 동력을 전달하는 동력장치(23)가 기계적으로 연결되고, 모듈형태로 구성된 센싱장치(21)를 더 포함하여 구성된 복합 3D 프린터.
14. 제 1항에 있어서,
    3D 프린터용 캐리어(1)는 3D 프린터용 캐리어(1)에 탈부착이 가능한 모듈형태로 구성된 복합센서(CS, 도시되지 아니함)를 더 포함하여 구성된 복합3D 프린터.
15. 제 14항에 있어서,
    상기 3D 프린터용 캐리어(1)에 더 포함하여 구성된 상기 복합센서(CS, 도시되지 아니함)는 작업대(34) 위에 놓여진 피사체를 3차원으로 스캔하기 위한 복합센서(CS, 도시되지 아니함)로 구성되며,
    상기 캐리어(1)에 탑제된 상기 복합센서(CS, 도시되지 아니함)는 캐리어(1)의 위치가 이동되면서 다시점에서 투사 및 촬상하여 복수개의 3차원 스캔정보를 추출 및 생성하고-;
    상기 복합센서(CS, 도시되지 아니함)를 통해 투사 및 촬상된 시점과 위치정보를 데이터화하여 스캐닝좌표정보(X,Y,Z)를 추출 및 생성하고-;
    상기 복수개의 3차원 스캔정보에 대응하는 상기 스캐닝좌표정보(X,Y,Z)를 동기화하여 복합 데이터(composite data)를 생성하고-;
    상기 복합 데이터를 분석하여 가상의 3D객체데이터정보(3D Object data information)를 추출 및 생성함으로써,
    피사체의 입체적인 정보를 획득할 수 있는 복합 3D 프린터.
    
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