KR101581746B1 - 2축 직선운동과 선회운동이 가능한 3d 프린터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2축 직선운동과 선회운동이 가능한 3D 프린터에 관한 것으로, 금속 재질의 베이스 프레임과; 상기 베이스 프레임에 하단부가 고정 설치된 복수 개의 가이드 컬럼과; 상기 복수 개의 가이드 컬럼의 상단부에 고정된 금속 판재의 상판과; 상기 상판의 하부면에 제공된 XZ 구동수단과; 상기 베이스 프레임의 상부면에 설치된 선회 구동부와, 상기 선회 구동부의 상부면에 회전 또는 회동 가능하도록 설치되며 측면에 개구부가 형성된 가공 챔버와, 상기 가공 챔버의 상부면에 형성된 가이드 슬릿을 갖는 턴테이블과; 상기 가공 챔버 내부에 수용된 압출기와; 상기 상판의 상부면에 설치되어 있으며 상기 압출기와 연동된 재료 공급부와; 상단부는 상기 XZ 구동수단과 결합되어 있으며, 상기 가이드 슬릿을 관통하여 하단부는 상기 압출기의 상부면과 결합된 Z축 가이드와; 상기 XZ 구동수단, 상기 선회 구동부, 상기 압출기 및 상기 재료 공급부를 제어하는 제어기로 구성됨으로써, 진원에 가까운 가공물 제작이 가능하여 가공물 제작후 반드시 수행되던 버(burr) 제거 또는 거친 표면을 다듬기 위한 후공정이 불필요해져 제작 기간을 혁신적으로 단축하고 제조단가를 절감할 수 있음은 물론, 전체적인 장비의 구성이 간단한 특징이 있다.

Description

2축 직선운동과 선회운동이 가능한 3D 프린터 {3D printer that is able to move 2-axis linear and rotary direction}

본 발명은 2축 직선운동과 선회운동이 가능한 3D 프린터에 관한 것이다.

3D 프린터는 3D 모델링 데이터로부터 생성된 G-code에 따라 압축기를 3축 직선운동시켜 프린팅 재료를 순차적으로 적층함으써 3D 가공물을 생성하는 장치이다.

대한민국 공개특허 제2014-36285호(공개일자: 2014. 3. 25., 발명의 명칭: 3D 프린터 (반)액상소재용 카트리지 및 압출장치)는 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 프레임(1)의 상부에 배치되어 X축 구동모터(4)에 의해 좌우방향으로 위치조절되는 압출장치(2)와, 상기 압출장치(2)에 대하여 Y축으로 위치조절을 하는 Y축 모터를 탑재하여 전,후방으로 위치조절되는 한편, 프레임(1)의 하부에 배치되어 있는 Z축 구동모터(6)에 의해 상하로 위치조절되며 출력물을 안착시키는 작업대(5)를 구비하고, 상기 압출장치(2)에 의해 카트리지(3) 내에 충진되어 있는 소재가 작업대(5)위에 적층되는 것을 특징으로 하는 (반)액상소재용 카트리지 및 압출장치가 개시되어 있다.

이러한 종래 기술은, 카트리지(3)에 잔여물이 남지않게 되어, 사용 후 식자재 잔여물(3a4,3b4,3c4) 제거를 위한 불편함이 제거되고, 상기 카트리지(3) 최상단에 접합부(3a1) 또는 밀봉탭(3b1,3c1)을 구비하여, 유통과정 중에도 밀폐상태를 유지할 수 있어 식품오염 및 부패 문제가 해결된다고 주장하고 있는 반면, 전형적인 3D 프린터에 해당되며 압출기가 단순한 3축 운동만을 하기 때문에 진원을 형성할 수 없으나 추후 후가공에 의해 버(burr)를 제거하여야 하는 근원적인 문제점이 있었다.

또한, 대한민국 등록특허 제1346704호(등록일자: 2013. 12. 24., 발명의 명칭: 멀티칼라 제품성형이 가능한 3D 프린터)는 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 프레임(1)의 상부에 배치되는 X직선이동기구(4)와 Y직선이동기구(7)에 탑재되어 XY방향으로 위치조절되는 히터노즐(20)과, 상기 히터노즐(20)에 대하여 상대적으로 Z방향으로 위치조절되는 Z직선운동기구(14)에 탑재되는 작업대(18)와, 상기 프레임(1)의 일측에 배치되며 와이어형태로 된 복수개의 열가소성 필라멘트(3)를 상기 히터노즐(20)로 각각 이송하는 복수개의 필라멘트이송부(31)를 구비하고, 상기 히터노즐(20)은 상기 복수개의 필라멘트(3)가 개별적으로 도입되는 복수개의 도입공(22)이 형성된 노즐바디(21)와, 이들 복수개의 도입공(22)이 단일의 통로로 합류되어 배출되는 단일의 배출공(26)이 형성된 노즐헤드(25)와, 상기 히터노즐(20)의 XYZ상의 위치 조절과 상기 복수개의 필라멘트이송부(31)의 이송동작을 개별적으로 제어하는 콘트롤러(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터가 개시되어 있다.

이러한 종래 기술은, 칼라가 다른 필라멘트뿐만 아니라 재료의 용융과 적층성형에 영향을 주지 않는 범위 내에서 물성과 기능을 달리하는 서로 다른 필라멘트 소재를 이용하여 복합재료 성형품을 제조할 수도 있다고 주장하는 반면, 종래의 3D 프린터와 같이 압축기가 단순한 3축 직선 운동을 함으로써 진원에 가까운 3D 가공물 제작이 곤란하고 추후 후공정을 진행하여야 하는 단점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자 창출된 본 발명의 목적은, 진원에 가까운 3D 가공물을 후공정 없이 제작할 수 있음은 물론 구성이 간단한 2축 직선운동과 선회운동이 가능한 3D 프린터를 제공하는 데 있다.

이러한 본 발명의 목적은, 금속 재질의 베이스 프레임과; 상기 베이스 프레임에 하단부가 고정 설치된 복수 개의 가이드 컬럼과; 상기 복수 개의 가이드 컬럼의 상단부에 고정된 금속 판재의 상판과; 상기 상판의 하부면에 제공된 XZ 구동수단과; 상기 베이스 프레임의 상부면에 설치된 선회 구동부와, 상기 선회 구동부의 상부면에 회전 또는 회동 가능하도록 설치되며 측면에 개구부가 형성된 가공 챔버와, 상기 가공 챔버의 상부면에 형성된 가이드 슬릿을 갖는 턴테이블과; 상기 가공 챔버 내부에 수용된 압출기와; 상기 상판의 상부면에 설치되어 있으며 상기 압출기와 연동된 재료 공급부와; 상단부는 상기 XZ 구동수단과 결합되어 있으며, 상기 가이드 슬릿을 관통하여 하단부는 상기 압출기의 상부면과 결합된 Z축 가이드와; 상기 XZ 구동수단, 상기 선회 구동부, 상기 압출기 및 상기 재료 공급부를 제어하는 제어기로 구성된 2축 직선운동과 선회운동이 가능한 3D 프린터에 의해 달성될 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 상기 가이드 컬럼은 금속 재질의 연마봉인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 발명의 상기 제어기는 상기 Z축 가이드가 상기 가이드 슬릿을 따라 움직이도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 발명의 상기 선회 구동부는 감속기가 부설된 서보 모터인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 본 발명의 상기 가공 챔버는 내부의 온도를 25 ~ 45℃로 유지할 수 있도록 히터와, 상기 개구부를 개폐하는 도어를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명은 진원에 가까운 가공물 제작이 가능하여 가공물 제작후 반드시 수행되던 버(burr) 제거 또는 거친 표면을 다듬기 위한 후공정이 불필요해져 제작 기간을 혁신적으로 단축하고 제조단가를 절감할 수 있음은 물론, 전체적인 장비의 구성이 간단한 특징이 있다.

또한, 본 발명은 압축기는 2축 직선운동을 하고 턴테이블은 선회 운동을 하도록 함으로써 장비 설계시 구동 장치의 배치 및 설계에 자유도가 매우 높은 특징이 있다.

도 1은 종래 기술의 일 실시예에 의한 3D 프린터 (반)액상소재용 카트리지 및 압출장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 종래 기술의 다른 실시예에 의한 멀티칼라 제품성형이 가능한 3D 프린터를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 2축 직선운동과 선회운동이 가능한 3D 프린터를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 요부 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 의한 2축 직선운동과 선회운동이 가능한 3D 프린터(100)는 베이스 프레임(10), 가이드 컬럼(20), 상판(30), XZ 구동수단(40), 턴테이블(60), 압축기(70), 재료 공급수단(90) 및 제어기(COM)로 구성되어 있다.

베이스 프레임(10)은 본 발명에 의한 3D 프린터(100)의 작동시 진동이나 충격을 방지하기 위하여 중량의 금속 재질로 제작되어 있으며, 하부면에는 방진 패드 또는 방진 캐스터가 구비되어 있으나 이에 대한 상세한 설명이나 도시는 생략되어 있다.

가이드 컬럼(20)은 베이스 프레임(10)의 각 모서리 부분에 하단부가 고정 설치된 복수 개의 금속 봉재이다. 여기서, 가이드 컬럼(20)은 연마봉이 가장 바람직하며, 특히 본 발명은 후술되는 상판(30)이 승강되지 않는 구조이지만 만약 상판(30)이 승강되는 구조인 경우에는 연마봉을 사용하여야 사각 봉재는 사용하지 않는 것이 바람직하다.

상판(30)은 복수 개의 가이드 컬럼(20)의 상단부에 고정된 판재로써, 중량의 금속 재질로 제작되는 것이 바람직하다. 여기서, 상판(30)의 형상은 사각 형상으로 도시되어 있으나 이에 한정되지 않고 원형 형상으로 제작되어도 기능상 문제가 발생되지 않는다.

XZ 구동수단(40)은 후술되는 압출기(70)를 Z축 방향으로 승강시키거나 또는 턴테이블(60)이 가이드 슬릿(63)을 따라 직선 운동되도록 상판(30)의 하부면에 제공되어 있다. 여기서, XZ 구동수단(40)은 볼 스크류 타입의 LM(Linear Motion) 구동수단이지만, 실린더를 이용하여 X축 및 Z축으로 압출기(70)를 운동시킬 수도 있다.

턴테이블(60)은 베이스 프레임(10)의 상부면에 설치된 선회 구동부(61)와, 선회 구동부(61)의 상부면에 회전 또는 회동 가능하도록 설치되며 측면에 개구부(62a)가 형성된 가공 챔버(62)와, 가공 챔버(62)의 상부면에 형성된 가이드 슬릿(63)으로 이루어져 있다. 여기서, 선회 구동부(61)는 감속기가 부설된 서보 모터가 가장 바람직하며 가공 챔버(62)를 정역 회전시킨다.

그리고, 가이드 슬릿(63)은 가공 챔버(62)의 상부면 중심을 지나는 직선 형상의 장방형 구멍이다. 여기서, 가이드 슬릿(63)은 후술되는 Z축 가이드(80)가 이송되는 가이드 구멍이기 때문에 내부의 표면 거칠기가 매우 양호하여야 한다.

또한, 가공 챔버(62)는 25 ~ 45℃를 유지할 수 있는 히터가 내장되어 있으나 도면에는 생략되어 있으며, 개구부(62a)를 자동 또는 수동 개폐할 수 있는 도어가 부설되어 있으나 도면에는 생략되어 있다. 여기서, 자동 도어는 후술되는 제어기(COM)에 의해 제어되어야 한다.

압출기(70)는 가공 챔버(62) 내부에 수용되어 있다. 여기서, 본 발명의 압출기(70)는 나일론, PLA(Polylactic Acid), 액상 수지 등이 사용가능하다. 그리고, 나일론이나 PLA를 사용하는 경우에는 롤 자재를 사용한다. 또한, 압출기(70)의 구조는 공지 기술에 불과하기 때문에 이에 대한 상세한 설명이나 도시는 생략하기로 한다.

Z축 가이드(80)는 상단부가 전술된 XZ 구동수단(40)와 결합되어 있으며, 가이드 슬릿(63)를 삽통한 하단부는 압출기(70)의 상부면과 결합되어 있다. 여기서, Z축 가이드(80)는 XZ 구동수단(40)에 연동되어 가이드 슬릿(63)을 따라 연동되거나 승강하도록 구성된 금속 재질의 연마봉이다. 특히, X축은 가이드 슬릿(63)의 방향으로 X축이라 가정한다.

재료 공급부(90)는 압축기(70)에 재료를 공급하도록 상판(30)의 상부면에 설치되어 있다. 특히, 본 발명의 재료 공급부(90)는 상판(30)의 상부면에 한정되어 설치된 것으로 도시되어 있으나 이는 단순히 일례에 불과함을 미리 밝혀둔다.

제어기(COM)는 선회 구동부(61), XZ 구동수단(40), 압출기(70) 및 재료 공급부(90)를 제어하도록 설치되어 있다.

이와 같은 본 발명의 3D 프린터(100)는 가공 데이터를 제어기(COM)가 입력받아 압출기(70)가 가공 챔버(62) 내부의 바닥면에 3D 가공물을 형성하되, 턴테이블(60)의 회전 또는 회동에 의하여 진원에 가까운 가공물을 제작할 수 있기 때문에 거친 가공면에 의한 추후 후공정이 불필요한 특징이 있다. 또한, 본 발명의 3D 프린터(100)는 압출기(70)는 XZ 방향으로 운동하고, 나머지는 턴테이블(60)에 의해 선회(회전 또는 회도) 운동을 하는 구성이기 때문에 구동부의 구성이 매우 간단한 장점이 있다.

이상과 같은 본 발명은 일 실시예에 한정되어 설명되었으나, 이에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 사상을 토대로 변형되는 실시예들은 모두 본 발명의 권리범위에 속함이 분명하다.

10 : 베이스 프레임
20 : 가이드 컬럼
30 : 상판
40 : XZ 구동수단
60 : 턴테이블 61 : 선회 구동부
62 : 가공 챔버 62a : 개구부
63 : 가이드 슬릿
70 : 압출기
80 : Z축 가이드
90 : 재료 공급부
COM : 제어기
100 : 2축 직선운동과 선회운동이 가능한 3D 프린터

Claims (5)

1. 금속 재질의 베이스 프레임과;
   상기 베이스 프레임에 하단부가 고정 설치된 복수 개의 가이드 컬럼과;
   상기 복수 개의 가이드 컬럼의 상단부에 고정된 금속 판재의 상판과;
   상기 상판의 하부면에 제공된 XZ 구동수단과;
   상기 베이스 프레임의 상부면에 설치된 선회 구동부와, 상기 선회 구동부의 상부면에 회전 또는 회동 가능하도록 설치되며 측면에 개구부가 형성된 가공 챔버와, 상기 가공 챔버의 상부면에 형성된 가이드 슬릿을 갖는 턴테이블과;
   상기 가공 챔버 내부에 수용된 압출기와;
   상기 상판의 상부면에 설치되어 있으며 상기 압출기와 연동된 재료 공급부와;
   상단부는 상기 XZ 구동수단과 결합되어 있으며, 상기 가이드 슬릿을 관통하여 하단부는 상기 압출기의 상부면과 결합된 Z축 가이드와;
   상기 XZ 구동수단, 상기 선회 구동부, 상기 압출기 및 상기 재료 공급부를 제어하는 제어기로 구성되어지되,
   상기 가이드 컬럼은 금속 재질의 연마봉이고,
   상기 제어기는 상기 Z축 가이드가 상기 가이드 슬릿을 따라 움직이도록 제어하고,
   상기 선회 구동부는 감속기가 부설된 서보 모터이고,
   상기 가공 챔버는 내부의 온도를 25 ~ 45℃로 유지할 수 있도록 히터와, 상기 개구부를 개폐하는 도어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 직선운동과 선회운동이 가능한 3D 프린터.
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