KR101523692B1 - 3차원 프린터 - Google Patents

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KR101523692B1
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강민균
장광현
김성민
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Abstract

본 발명은 3차원 형상의 표면을 갖는 인쇄대상물을 입체적으로 출력할 수 있는 3차원 프린터에 관한 것으로서 보다 상세하게는 X,Y,Z축으로 이동이 가능한 헤드가 열가소성 필라멘트를 토출하여 작업판에 인쇄대상물과 동일한 형상의 성형물이 형성되도록 적층시키고, 출력된 성형물을 다양한 색상으로 구현시킬 수 있도록 제작된 3차원 프린터에 관한 것이다.

Description

3차원 프린터{THREE-DIMENSIONAL PRINTER}
본 발명은 3차원 형상의 표면을 갖는 인쇄대상물을 입체적으로 출력할 수 있는 3차원 프린터에 관한 것으로서 보다 상세하게는 X,Y,Z축으로 이동이 가능한 헤드가 열가소성 필라멘트를 토출하여 작업판에 인쇄대상물과 동일한 형상의 성형물이 형성되도록 적층시키고, 출력된 성형물을 다양한 색상으로 구현시킬 수 있도록 제작된 3차원 프린터에 관한 것이다.
일반적으로 3차원의 입체 형상을 가진 시제품(Prototype)을 제작하기 위해서는 설계도면에 의존하여 일일이 수작업에 의해 이루어지는 목업(mock-up) 제작방식과 컴퓨터 제어를 통한 CNC 밀링에 의한 제작방식 등이 있다. 이와 같은 목업 제작방식은 수작업에 의하므로 정교한 수치제어가 어렵고, 설계도면과 정확하게 일치하지 않을 뿐만 아니라 상당히 많은 시간이 소요되는 단점이 있으며, CNC 밀링에 의한 제작방식은 정교한 수치제어가 가능하지만 공구간섭에 의하여 가공하기 어려운 형상이 많다는 단점이 있었다.
이와 같은 단점으로 인해 최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 컴퓨터에서 만들어낸 3차원 모델링을 직접 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작할 수 있는 3차원 프린터 방식이 등장하게 되었다.
3D 프린터의 제품성형 방식은 크게 대상물체를 2차원의 평면형태로 성형한 것을 3차원으로 적층하면서 용융 부착하여 형태를 만들어가는 이른바 첨가형과, 재료덩어리를 조각하듯이 절삭해서 형태를 만들어가는 절삭형이 있다. 그리고 첨가형의 일종으로 열가소성 플라스틱으로 된 와이어 또는 필라멘트를 공급릴과 이송롤을 통해 공급하고 공급된 필라멘트를 작업대에 대하여 상대적으로 XYZ 세 방향으로 위치조절되는 3차원이송기구에 장착된 히터노즐에서 용융시켜서 배출함으로써 2차원 평면형태를 만들면서 이를 작업대 상에서 적층하여 물체를 3차원으로 성형하는 필라멘트 용융 적층 성형방법이 있다.
그런데 종래의 이런 필라멘트를 용융시켜 적층하는 3D 프린터는 종래에 단일의 색상으로 성형하는 것은 가능하지만 다양한 색상의 제품을 성형하기에는 어려움이 발생하였다. 색상을 교체하여 성형하려면 필라멘트 공급릴을 다른 색상의 필라멘트 공급릴로 교체한 후에 이를 다시 히터노즐로 연결하여야 하기 때문에 필라멘트의 교체에 따른 시간이 상당히 소요되고, 이러한 필라멘트의 교체에 따른 대기시간 동안 이미 성형된 용융부분이 경화되므로, 이어지는 부위에 불연속적인 이음매가 형성되어 제품의 외관이나 일체성이 저하되거나 재료의 분리 또는 구조적 강도가 저하되는 문제점이 있었다.
이와 같은 종래의 문제점으로 인해 복수개의 히터노줄이 구비된 3D프린터가 개발되었으나, 이는 히터노즐을 복수개 구비하는 만큼 장치의 구조가 복잡하고 작업하는 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 장치의 제어가 상당히 어려운 문제점이 발생하였다. 또한 다른 색상을 갖는 필라멘트가 잘 혼합되지 못해 색상이 사용자가 원하는 색상으로 구현되지 못하는 단점이 발생하였다.
따라서, 대상물을 빠르게 성형이 가공하고, 다양한 색상을 구현할 수 있는 3차원 프린터의 개발이 필요한 실정이다.
1. 등록특허공보 제10-1346704호 '멀티칼라 제품성형이 가능한 3D 프린터' (등록일자 2013.12.24) 2. 공개특허공보 제10-2008-0041095호 '3차원프린터' (공개일자2008.05.09) 3. 공개특허공보 제10-2013-0038101호 '멀티프로젝션을 이용한 고해상도 치아 모델 제작용 3차원 프린터 (공개일자2013.04.17)
본 발명의 상기된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 하나의 헤드로 사용자가 원하는 다양한 색상을 구현하여 제품을 성형할 수 있으며, 색상이 변경되는 부분의 이음매가 매끄럽게 형성되어 심미감을 향상시킬 수 있음은 물론 혼합되는 색상이 잘 혼합될 수 있는 3차원 프린터를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 헤드 내부에 경화되어 잔존하는 필라멘트와 가열부가 접촉되는 면적이 향상되어 가동전 예열하는 시간을 단축시킬 수 있는 3차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 3차원 프린터는 바닥판(110)을 포함하는 케이스(100); 상기 케이스(100)의 내부에 위치하며 일측으로부터 공급되는 복수개의 필라멘트(S)를 가열하여 외부로 토출시키는 노즐헤드(200); 상기 노즐헤드(200)를 상하방향으로 이동시키는 제1 구동부(310)와 상기 제1 구동부(310)와 연결되어 상기 노즐헤드(200)를 전후방향으로 이동시키는 제2 구동부(320) 및 상기 제2 구동부(320)와 연결되어 상기 노즐헤드(200)를 좌우방향으로 이동시키는 제3 구동부(330)를 포함하는 헤드이동수단(300); 상기 각각의 필라멘트(S)를 개별적으로 상기 노즐헤드(200)에 공급하는 필라멘트 공급부(400); 상기 노즐헤드(200)의 내부에 회전가능하도록 설치되어 상기 노즐헤드(200)로 인입되는 각각의 필라멘트(S)를 혼합하는 혼합스크류(500); 외부로부터 전력을 인가받아 상기 혼합스크류(500)를 회전시키도록 상기 노즐헤드(200)의 상측에 구비되는 구동모터(600); 상기 노즐헤드(200)로 공급되는 상기 각각의 필라멘트(S)의 공급량과 상기 노즐헤드(200)로부터 토출되는 필라멘트(S)의 토출량을 조절하도록 상기 필라멘트 공급부(400)와 상기 구동모터(600)의 작동을 제어하는 제어부(700);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 노즐헤드(200)는 상기 필라멘트(S)가 인입되는 인입부(210); 상기 인입부(210)로부터 공급되는 필라멘트(S)를 가열하도록 상기 제어부(700)에 의해 작동하는 가열부(221)와 상기 가열부(221)에 의해 가열된 상기 필라멘트(S)를 혼합하는 상기 혼합스크류(500)가 수용되는 혼합실(222)을 포함하는 헤드몸체(220); 및 상기 혼합실(222)로부터 혼합된 상기 각각의 필라멘트(S)가 토출되는 토출부(230);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 혼합스크류(500)의 외측면에는 다수개의 교반날개(510)가 형성되어 상기 혼합스크류(510)가 회전함에 따라 상기 교반날개(510)에 의해 상기 필라멘트(S)의 혼합시간이 단축되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 가열부(221)에는 상기 필라멘트(S)와 상기 가열부(221)의 접촉면적을 증가시키도록 다수개의 가열돌기(221-1)가 돌출 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다양한 색상을 갖는 다수개의 필라멘트가 노즐헤드로 공급되어 인쇄되는 대상물을 사용자가 원하는 색상으로 출력할 수 있고, 노즐헤드의 내부에 필라멘트를 혼합하는 혼합스크류가 구비되어 인쇄 대상물의 색상 불량률을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 혼합스크류의 외측면에 다수개의 교반날개가 형성되어 필라멘트의 혼합되는 시간을 단축시킬 수 있으며, 가열돌기를 통해 필라멘트와 가열부가 접촉되는 면적이 증가하고 이로 인해 예열 및 프린터의 가동시간을 감소시켜 신속한 작업수행이 가능한 이점이 있다.
도 1 은 본 발명의 3차원 프린터의 전체적인 모습을 나타낸 사시도.
도 2 는 본 발명의 3차원 프린터의 헤드부분을 나타낸 부분 사시도.
도 3 은 본 발명의 헤드부분의 내부 주요구성을 나타낸 단면도.
도 4 는 본 발명의 헤드부분의 다른 실시예를 도시한 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1 은 본 발명의 3차원 프린터의 전체적인 모습을 나타낸 사시도, 도 2 는 본 발명의 3차원 프린터의 헤드부분을 나타낸 부분 사시도, 도 3 은 본 발명의 헤드부분의 내부 주요구성을 나타낸 단면도, 도 4 는 본 발명의 헤드부분의 다른 실시예를 도시한 단면도에 관한 것이다.
도 1 을 참조하면 본 발명의 3차원 프린터는 케이스(100)를 갖는다. 케이스(100)는 내부에 수용공간이 형성되며 수용공간의 바닥면에는 바닥판(110)이 형성된다. 바닥판(110)은 소정의 두께를 갖는 판 형상으로 형성되며, 상면에 프린터를 통해 인쇄된 인쇄 대상물이 출력된다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 케이스(100)의 내부에는 노즐헤드(200)가 구비된다. 노즐헤드(200)는 상면으로부터 인쇄 대상물을 성형하여 출력하는 필라멘트(S)가 공급되는데, 이때 복수개의 서로 다른 색상을 갖는 필라멘트(S)를 공급받는다. 필라멘트(S)는 열가소성인 합성수지로 이루어지며 대표적으로는 PLA, PVC, ABS, PPS수지 등을 말할 수 있다. 상기 나열된 합성수지 외에도 다른 합성수지(신소재) 등으로 제작될 수 있다. 이와 같이 노즐헤드(200)로 필라멘트(S)가 공급되면 노즐헤드(200)는 필라멘트(S)를 가열하여 용융(溶融)된 필라멘트(S)를 외부로 토출시켜 인쇄 대상물을 성형한다.
도 1 을 참조하면 케이스(100)에는 노즐헤드(200)가 인쇄 대상물을 성형할 때 노즐헤드(200)를 이동시키는 헤드이동수단(300)이 구비된다. 헤드이동수단(300)은 노즐헤드(200)를 상하방향으로 이동시키는 제1 구동부(310), 제1 구동부(310)와 연결되어 노즐헤드(200)를 전후방향으로 이동시키는 제2 구동부(320) 및 제2 구동부(320)와 연결되어 노즐헤드(200)를 좌우방향으로 이동시키는 제3 구동부(330)를 포함한다.
먼저 제1 구동부(310)는 상하방향으로 세워지며 외주면에 나사산 및 스크류 등이 형성된 제1 이동봉(311)과 제1 이동봉(311)을 따라 상하방향으로 이동하는 제1 이동판(312)으로 제작될 수 있다.
제2 구동부(320)는 제1 이동판(312)과 연결되며 전후방향으로 연장 형성된 제2 이동봉(321)과 제2 이동봉(321)을 따라 전후방향으로 이동하는 제2 이동블록(322)으로 제작될 수 있으며, 제1 구동부(310)의 양측에 대칭으로 복수개 형성될 수 있다.
제3 구동부(330)는 일측과 타측이 제2 이동블록(322)에 연결되어 제2 이동블록(322)과 일체로 이동하는 제3 이동봉(331)과 제3 이동봉(331)을 따라 이동하도록 제3 이동봉(331) 체결되며, 일측에 노즐헤드(200)가 고정되는 제3 이동블록(332)으로 제작될 수 있다.
따라서, 노즐헤드(200)는 상하, 좌우 및 전후방향으로 자유롭게 이동이 가능하며, 노즐헤드(200)로부터 토출되는 필라멘트(S)를 통해 인쇄대상물을 3차원 형상으로 출력할 수 있다.
도 1 을 참조하면 케이스(100)의 일측에는 필라멘트 공급부(400)가 형성된다. 필라멘트 공급부(400)는 각각의 필라멘트(S)를 노즐헤드(200)로 공급해 주기위한 수단으로 형성된다. 즉 필라멘트(S)는 케이스(100)의 하단에 각각의 색상별로 원통형의 권취롤러에 권취되어 있는데, 이를 필라멘트 공급부(400)가 견인하여 노즐헤드(200)로 공급해준다. 이때 필라멘트 공급부(400)와 노즐헤드(200) 사이에는 필라멘트(S)를 안내하도록 내부가 중공된 이송관(410)이 형성된다. 따라서 필라멘트 공급부(400)가 필라멘트(S)를 노즐헤드(200) 방향으로 견인하면 필라멘트(S)는 이송관(410)에 안내되어 노즐헤드(200)로 공급될 수 있다.
도 3 을 참조하면 노즐헤드(200)의 내부에는 혼합스크류(500)가 회전 가능하도록 설치된다. 혼합스크류(500)는 상기 각각의 필라멘트(S)가 용융될 때 용융된 필라멘트(S)의 색상을 혼합시키기 위해 형성된다.
도 2 를 참조하면 노즐헤드(200)에는 혼합스크류(500)를 회전시키기 위한 구동모터(600)가 구비된다. 구동모터(600)는 외부로부터 전력을 인가받아 작동하며 필라멘트(S)가 노즐헤드(200)로 공급될 때 혼합스크류(500)를 회전시켜 필라멘트(S)의 색상을 혼합시킬 수 있다.
도 1 을 참조하면 케이스(100)에는 필라멘트 공급부(400)와 구동모터(600)의 작동을 제어하는 제어부(700)가 설치된다. 먼저 제어부(700)는 필라멘트 공급부(400)를 제어하여 노즐헤드(200)로 공급되는 각각의 필라멘트(S)의 공급량을 각각 조절한다. 즉 사용자가 원하는 색상으로 혼합된 필라멘트(S)를 토출시키기 위해 각각의 다른 색상으로 이루어진 필라멘트(S)를 사용자가 원하는 색상으로 혼합되도록 공급량을 조절하고 혼합스크류(500)를 통해 용융된 필라멘트(S)를 혼합시킨 후 노즐헤드(200)를 통해 외부로 토출시킨다.
또한 제어부(700)는 공급되는 필라멘트(S)의 공급량에 따라 구동모터(600)의 회전수를 조절하면 다수의 필라멘트(S) 공급으로 인해 색상이 혼합되지 못해 색상의 마블링(marbling) 현상의 발생을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 2 및 도 3 을 참조하면 노즐헤드(200)는 인입부(210)와 헤드몸체(220) 및 토출부(230)를 포함한다. 먼저 인입부(210)는 상기 이송관(410)의 일측과 연결되며 필라멘트(S)를 노즐헤드(200) 내부로 안내하기 위한 목적으로 형성된다. 인입부(210)는 노즐헤드(200)의 상측에 위치하는 것이 바람직하며, 공급되는 필라멘트(S)의 개수와 동일하거나 많은 개수로 이루어지는 것이 바람직하다.
헤드몸체(220)는 인입부(210)로부터 공급되는 필라멘트(S)를 가열하여 용융시키는 가열부(221)가 형성되며, 가열되어 용융된 필라멘트(S)가 수용되는 혼합실(222)을 포함한다. 이때 혼합실(222)에는 혼합스크류(500)가 구비되며 혼합스크류(500)가 회전함에 따라 혼합실(222)에 용융된 필라멘트(S)는 서로 혼합될 수 있다. 이후 혼합실(222)로부터 혼합된 필라멘트(S)는 토출부(230)를 통해 외부로 토출된다. 토출부(230)는 인쇄 대상물의 크기 및 형상에 따라 토출되는 직경의 크기가 다양한 규격으로 제작되며 사용자의 선택에 따라 교체하여 사용할 수 있다.
도 3 을 참조하면 혼합스크류(500)의 외측면에는 교반날개(510)가 돌출 형성된다. 교반날개(510)는 혼합스크류(500)의 외측면을 따라 일정간격 이격되어 다수개 형성될 수 있으며, 하방향으로 원호를 그리는 나선형 형상으로 형성될 수 있다. 교반날개(510)가 형성되면 혼합실(222)에서 필라멘트(S)가 혼합될 때 보다 빠른 시간에 필라멘트(S)를 혼합시킬 수 있는 이점이 발생한다.
도 4 를 참조하면 가열부(221)에는 다수개의 가열돌기(221-1)가 돌출 형성된다. 이는 필라멘트(S)와 가열부(221)의 접촉면적을 증가시켜 필라멘트(S)가 용융되는 시간을 단축시킬 수 있다. 이와 같이 가열부(221)에 가열돌기(221-1)가 형성되면 프린터를 재가동할 때 노즐헤드(200)의 내부에 경화되어 잔존하는 필라멘트(S)를 빠른 시간에 용융시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 3차원 프린터의 재가동시간을 감소시켜 신속한 작업수행이 가능하도록 하는 장점을 제공할 수 있다.
100 : 케이스 110 : 바닥판
200 : 노즐헤드 210 : 인입부
221 : 가열부 221-1 : 가열돌기
222 : 혼합실 220 : 헤드몸체
230 : 토출부 300 : 헤드이동수단
310 : 제1 구동부 320 : 제2 구동부
330 : 제3 구동부 400 : 필라멘트 공급부
410 : 이송관 500 : 혼합스크류
510 : 교반날개 600 : 구동모터
700 : 제어부 S : 필라멘트

Claims (4)

  1. 인쇄 대상물이 출력되는 바닥판을 포함하는 케이스;
    상기 케이스의 내부에 위치하며 일측으로부터 공급되는 서로 다른 색상을 갖는 복수개의 필라멘트를 가열하여 외부로 토출시키는 노즐헤드;
    상기 노즐헤드를 상하방향으로 이동시키는 제1 구동부와 상기 제1 구동부와 연결되어 상기 노즐헤드를 전후방향으로 이동시키는 제2 구동부 및 상기 제2 구동부와 연결되어 상기 노즐헤드를 좌우방향으로 이동시키는 제3 구동부를 포함하는 헤드이동수단;
    상기 각각의 필라멘트를 개별적으로 상기 노즐헤드에 공급하는 필라멘트 공급부;
    상기 노즐헤드의 내부에 회전 가능하도록 설치되며, 외측면에는 다수개의 교반날개가 형성되어 회전함에 따라 상기 교반날개에 의해 상기 필라멘트의 혼합시간을 단축시키도록 상기 노즐헤드로 인입되는 각각의 필라멘트를 혼합하기 위해 하방향으로 원호를 그리는 나선형 형상으로 형성되는 혼합스크류;
    외부로부터 전력을 인가받아 상기 혼합스크류를 회전시키도록 상기 노즐헤드의 상측에 구비되는 구동모터; 및
    상기 노즐헤드로 공급되는 상기 각각의 필라멘트의 공급량과 상기 노즐헤드로부터 토출되는 필라멘트의 토출량을 조절하도록 상기 필라멘트 공급부와 상기 복수개의 필라멘트의 색상 혼합 시 발생하는 마블링(marbling) 현상을 방지할 수 있도록 상기 구동모터의 회전수를 조절하는 제어부를 포함하고,
    상기 노즐헤드는 상기 필라멘트가 인입되는 인입부;
    상기 인입부로부터 공급되는 필라멘트를 가열하도록 상기 제어부에 의해 작동하는 가열부와 상기 가열부에 의해 가열된 상기 필라멘트를 혼합하는 상기 혼합스크류가 수용되는 혼합실을 포함하는 헤드몸체; 및
    상기 혼합실로부터 혼합된 상기 각각의 필라멘트가 토출되는 토출부를 포함하되,
    상기 토출부는 인쇄 대상물의 크기와 형상에 따라 토출되는 직경의 크기가 다양한 규격을 가지도록 제작되어 선택에 따라 교체가 가능한 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 3차원 프린터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 필라멘트와 상기 가열부의 접촉면적을 증가시키도록 다수개의 가열돌기가 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터.
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