KR101502342B1

KR101502342B1 - 스크류 압출 방식을 이용하는 3d 프린터 원료 압출 장치 및 상기 장치를 이용한 3d 프린터

Info

Publication number: KR101502342B1
Application number: KR20130113704A
Authority: KR
Inventors: 최두원; 허승회
Original assignee: (주)하이비젼시스템
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2015-03-13

Abstract

본 발명은 3D 프린터의 원료를 요구되는 만큼 정확하고 균일한 상태로 압출할 수 있는 스크류 압출 방식을 이용하는 3D 프린터 원료 압출 장치 및 상기 장치를 이용한 3D 프린터에 관한것 으로서, 스크류 압출 방식을 이용하는 3D 프린터 원료 압출 장치에 있어서, 원료를 압출하는 노즐; 상기 노즐을 가열하는 노즐 가열부; 상기 노즐로 상기 원료를 공급하는 스크류; 및 상기 스크류를 회전시키는 모터를 포함하는 3D 프린터 원료 압출 장치 및 상기 3D 프린터 원료 압출 장치를 이용하는 3D 프린터를 제공한다.

Description

스크류 압출 방식을 이용하는 3D 프린터 원료 압출 장치 및 상기 장치를 이용한 3D 프린터{APPARATUS SPOUTING 3D PRINTING MATERIAL BY USING SCREW AND 3D PRINTER USING THE APPARATUS}

본 발명은 3D 프린터의 원료를 요구되는 양 만큼 정확하고 균일한 상태로 압출할 수 있는 스크류 압출 방식을 이용하는 3D 프린터 원료 압출 장치 및 상기 장치를 이용한 3D 프린터에 관한 것이다.

3D 구조물을 형성하는 기술에는 열 가소성 플라스틱류를 압출하여 적층하는 방식, 액체 상태의 '광경화성 수지'가 담긴 수조(Vat) 안에 레이저 빔을 투사하고 수조 안에 있는 조형물이 한 층(Layer) 씩 만들어질 때마다 수조가 층 두께만큼 하강하고 다시 레이저를 주사하여 입체 구조물을 형성하는 방식, 액체 상태의'광경화성 수지(빛을 받으면 경화되는 수지)'에 조형하고자 하는 모양의 빛을 투사하면서 수지를 층층이 굳혀 입체 구조물을 형성하는 방식, 잉크젯 프린터 원리를 이용하여 프린터 헤드의 노즐에서 액체 상태의 컬러 잉크와 경화물질(바인더)을 분말 원료에 압출하여 입체 구조물을 형성하는 방식 등 다양한 방식이 있다. 이 가운데 열 가소성 플라스틱류를 압출하여 적층하는 방식은 하나의 동일한 액화 원료(플라스틱, 왁스, 금속 등)를 지정(목표)된 범위에 적층시켜 입체 구조물을 완성 시킨다. FFF(Fused Filament Fabrication) 또는 FDM(Fused Deposition Modeling)로 불리는 이러한 기술 방식에서는, 도 1에 도시된 바와 같이 롤러의 회전에 의해 원료가 노즐로 공급되고, 높은 열에 의해 원료가 녹아 압출된다. 그러나 고체 상태인 원료가 녹아 액체가 되면, 원료의 물성 및 온도에 따라 노즐에서 압출되는 원료의 양이 일정하지 않게 되는 문제가 발생한다. 따라서 종래 방법에 의하면 생성된 입체 구조물의 정밀도가 떨어지고 표면이 거칠어지는 단점을 갖는다. 원료를 회전롤러의 제어부를 이용해서 노즐 액화기에 밀어 넣는 방법으로 압출하여 적층하기 때문에 제한적 보상의 문제 소지가 생길 수 있다.

본 발명은 상기한 종래의 FFF(Fused Filament Fabrication) 또는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식에서 발생되는 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 회전 스크류를 이용하여 원료를 요구되는 만큼 정확하고 균일한 상태로 압출할 수 있는 스크류 압출 방식을 이용하는 3D 프린터 원료 압출 장치 및 상기 장치를 이용한 3D 프린터를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 개시된 기술의 제1 특징은 스크류 압출 방식을 이용하는 3D 프린터 원료 압출 장치에 있어서, 원료를 압출하는 노즐; 상기 노즐을 가열하는 노즐 가열부; 상기 노즐로 상기 원료를 공급하는 스크류; 및 상기 스크류를 회전시키는 모터를 포함하는 3D 프린터 원료 압출 장치를 제공한다.

여기서 상기 3D 프린터 원료 압출 장치는 상기 원료로서 열 가소성 수지를 이용하는 것을 특징으로 하며,

상기 스크류는 상기 원료를 와인딩하여 상기 노즐로 공급하는 특징을 갖는다.

또한, 상기 3D 프린터 원료 압출 장치는 상기 원료가 상기 스크류의 나사 골에 위치되도록 상기 원료를 가이드하는 원료 가이드(150)를 더 포함하는 특징을 갖는다.

또한, 상기 스크류는 상기 원료를 상기 노즐로 공급하는 보조 스크류를 더 포함하는 특징을 갖는다.

한편, 3D 프린터 원료 압출 장치는 상기 스크류를 수용하는 스크류 하우징을 더 포함한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 개시된 기술의 제2 특징은 스크류 압출 방식을 이용하는 3D 프린터 원료 압출 장치에 있어서, 원료를 압출하는 노즐(110); 상기 노즐을 가열하는 노즐 가열부(120); 상기 노즐로 상기 원료를 공급하는 스크류(130); 및 상기 스크류를 회전시키는 모터를 포함하는 3D 프린터 원료 압출 장치(140)를 이용하는 3D 프린터를 제공한다.

개시된 기술의 실시예들은 다음의 장점을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명에 따른 스크류 압출 방식을 이용하는 3D 프린터 원료 압출 장치 및 상기 장치를 이용한 3D 프린터는 압출되는 원료의 양을 보다 정밀하게 조절할 수 있으므로, 종래 방식에서 발생하던 입체 구조물의 정밀도가 떨어지는 단점 및 표면이 거칠어지는 단점을 보완할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 3D 프린터 원료 압출 장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터 원료 압출 장치를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터 원료 압출 장치를 보여주는 도면이다.
도 4는 종래 기술에 따른 3D 프린터 원료 압출 장치를 이용한 3D 프린터로 출력한 출력물을 보여준다.
도 5는 본 발명에 따른 3D 프린터 원료 압출 장치를 이용한 3D 프린터로 출력한 출력물을 보여준다.

개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

“제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

FFF(Fused Filament Fabrication) 또는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식에서는 가소성 플라스틱류를 용융하고 압출하여 원료를 한 방울씩 떨어 뜨려 적층한다.

도 1은 종래 기술에 따른 3D 프린터 원료 압출 장치를 보여주는 도면이다.

도 1에 도시된 바에 의하면 롤러의 회전에 의해 원료가 노즐로 공급된다. 원료는 노즐에서 가열되어 액화 되고 롤러의 회전에 의해 액화된 원료가 한 방울씩 노즐로부터 압출된다. 이때, 노즐에서 압출되는 원료의 양이 일정하지 않게 되는 문제가 발생한다.

도 4는 종래 기술에 따른 3D 프린터 원료 압출 장치를 이용한 3D 프린터로 출력한 출력물을 보여준다. 도시된 바와 같이 노즐에서 압출되는 원료의 양이 균일 하지 못하므로 결과물의 표면이 거칠게 형성된 것을 알 수 있다.

본 발명은 회전 스크류를 이용하여 원료를 요구되는 만큼 정확하고 균일한 상태로 압출할 수 있는 스크류 압출 방식을 이용하는 3D 프린터 원료 압출 장치 및 상기 장치를 이용한 3D 프린터에 관한 것으로서, 이하 본 발명의 각 실시예를 도 2, 도3 및 도 5를 참조하여 상세히 설명 하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터 원료 압출 장치를 보여주는 도면이다.

도 2에 의하면 3D 프린터 원료 압출 장치(100)는 원료를 압출하는 노즐(110), 상기 노즐을 가열하는 노즐 가열부(120), 상기 노즐로 상기 원료를 공급하는 스크류(130), 상기 스크류를 회전시키는 모터(140), 상기 원료가 상기 스크류의 나사 골에 위치되도록 상기 원료를 가이드하는 원료 가이드(150) 및 상기 스크류를 수용하는 스크류 하우징(160)을 포함한다.

상기 3D 프린터 원료 압출 장치(100)는 상기 원료로서 열 가소성 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 열 가소성 수지는 PLA, ABS, HDPE, 나일론, 래이우드(Laywood)를 포함할 수 있으며, 원료는 필라멘트 형태로 제공될 수 있다.

노즐(110)은 액화된 원료를 압출한다. 노즐(110)의 구경은 0.25mm 내지 0.4mm 구경을 가지는 것이 바람직하나, 원료의 종류 및 원료를 액화하는 온도에 따라 원료의 점성은 변화하므로 이에 한정되지 않는다. 따라서, 노즐(110)의 구경은 적절히 변형 실시 가능하다.

노즐 가열부(120)는 원료를 액화하여 압출하기 위하여 노즐을 가열한다. 원료가 액화되는 온도로 가열되었는지 확인하기 위하여 실시예에 따라 노즐 가열부(120)는 온도 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.

노즐(110)이 움직이면 관성에 의해 원료 압출 상태가 아닌 경우에도 원료가 압출될 수 있다. 따라서 노즐 가열부(120)는 노즐(110)의 압출 상태가 아닌 경우에는 노즐(110)의 온도를 원료의 액화 온도보다 낮은 온도로 유지하고, 원료 압출 상태인 경우에만 순간적으로 노즐(110)을 가열하는 것이 바람직하다. 실시예에 따라 노즐 가열부(120)는 방열기구(미도시)를 더 포함할 수 있다.

스크류(130)는 노즐(110)로 원료를 공급한다. 구체적으로, 필라멘트 형태로 공급되는 원료는 스크류(130)의 나사 골에 감기어 노즐(110)로 공급된다. 이때, 원료의 원활한 공급을 위해 원료가 나사 골에 위치 되도록 하는 원료 가이드(150)가 더 구비될 수 있다.

모터(140)는 스크류(130)를 회전시킨다. 원료는 스크류(130)의 회전에 따라 노즐(110)로 진행하게 되는데, 실시예에 따라, 원료가 나사 골에 밀착되어 진행 되도록 스크류(130)는 스크류(130a)에 결합되는 보조 스크류(130b)가 더 구비될 수 있다(도 3 참조). 또한, 원료가 나사 골에 밀착되어 진행 되도록 스크류(130)을 수용하는 스크류 하우징(160)이 더 구비될 수 있다.

실시예에 따르면, 원료는 스크류(130)에 감긴 형태로 진행되므로, 스크류(130)의 회전에 따라 원료 공급량이 정확하게 제어될 수 있다.

종래의 도 1과 비교하면, 종래에는 원료가 회전롤러와 한 점에서 접하여 공급되므로, 롤러가 헛돌 경우 원료의 공급량이 정확하게 유지될 수 없다. 반면, 본 발명에서는 원료가 스크류에 완전히 감긴 상태에서 공급되므로 스크류가 헛도는 경우를 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 모터(140)는 스크류(130)의 나사골의 피치(Pitch)를 고려하여 스크류(130)를 회전시킨다. 따라서 종래에 비해 보다 정교하게 원료의 공급을 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 원료는 스크류(130)와 스크류 하우징(160)에 의해 밀폐되어 노즐(110)로 진행되는데, 노즐 가열부(120)의 배치에 따라, 스크류 하우징(160)의 하부를 미리 가열해 둘 수 있다.

즉, 원료를 대량 압출해야 하는 경우, 스크류(130)에 감겨있는 원료를 미리 액화 해둘 수 있으므로, 3D 프린터 원료 압출 장치(100)의 원료 압출 속도를 높일 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 3D 프린터 원료 압출 장치를 이용한 3D 프린터로 출력한 출력물을 보여준다. 본 발명에 따르면, 노즐에서 압출되는 원료의 양이 균일 하므로 결과물이 품질이 개선된 것을 알 수 있다.

이러한 개시된 기술인 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 개시된 기술의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : 3D 프린터 원료 압출 장치
110: 노즐
120 : 노즐 가열부
130 : 스크류
140 : 모터
150 : 원료 가이드
160 : 스크류 하우징

Claims

스크류 압출 방식을 이용하는 3D 프린터 원료 압출 장치에 있어서,
필라멘트 형태인 원료를 압출하는 노즐;
상기 노즐을 가열하는 노즐 가열부;
상기 노즐로 상기 원료를 공급하는 스크류; 및
상기 스크류를 회전시키는 모터를 포함하는 3D 프린터 원료 압출 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 스크류는 상기 원료를 와인딩하여 상기 노즐로 공급하는 3D 프린터 원료 압출 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 3D 프린터 원료 압출 장치는 상기 원료가 상기 스크류의 나사 골에 위치되도록 상기 원료를 가이드하는 원료 가이드를 더 포함하는 3D 프린터 원료 압출 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 스크류는 상기 원료를 상기 노즐로 공급하는 보조 스크류를 더 포함하는 3D 프린터 원료 압출 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 3D 프린터 원료 압출 장치는 상기 스크류를 수용하는 스크류 하우징을 더 포함하는 3D 프린터 원료 압출 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 3D 프린터 원료 압출 장치는 상기 원료로서 열 가소성 수지를 이용하는 3D 프린터 원료 압출 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 스크류를 회전시키는 모터를 더 포함하고,
상기 모터는 상기 스크류의 나사골의 피치(Pitch)를 고려하여 상기 스크류를 회전시키는 3D 프린터 원료 압출 장치.
청구항 1의 3D 프린터 원료 압출 장치를 이용하는 3D 프린터.