KR101602055B1 - 3d 프린터용 필라멘트 가이드 - Google Patents

3d 프린터용 필라멘트 가이드 Download PDF

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Abstract

3D 프린트용 필라멘트 가이드가 개시된다.
본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트 가이드는 필라멘트를 압출기에 인입하기 위한 가이드로서, 압출기는 필라멘트가 이동하는 관통홀를 포함하며, 상기 필라멘트 가이드는 압출기의 관통홀에 끼워지되, 상측은 넓고 하측은 좁은 깔대기 형상이고, 상측으로부터 하측에 이르기까지 곡면부, 절곡홈부 및 직선부가 연이어 형성되며, 상기 필라멘트 가이드의 곡면부는 위에서 아래로 갈수록 점차적으로 좁게 형성되고, 상기 절곡홈부는 가이드의 외측에 중심을 갖는 반경을 갖으며, 상기 직선부는 관통홀과 동일한 외경을 갖도록 형성된다.

Description

3D 프린터용 필라멘트 가이드{FILAMENT GUIDE FOR 3D PRINTER}
본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로서, 필라멘트를 압출기로 인입을 쉽게 유도하고 적층 공정시 압출기의 이동에 의해 필라멘트의 절곡을 방지하기 위한 필라멘트 가이드에 관한 것이다.
3D 인쇄란 입체로 디자인된 설계도를 이용하여 플라스틱, 금속, 세라믹 등 각종 소재를 층층이 쌓아 제조하는 것을 말한다. 3D 프린터는 소재를 출력하는 방식에 따라 구분되는데, 분말로 된 소재를 레이저로 소결하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식, 빛으로 소재를 굳히는 SLA(Stereolithography) 방식, 플라스틱 필라멘트를 용융하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식이 널리 사용되고 있다.
FDM 방식을 이용한 3D 프린터는 X-Y축으로 이동하는 이송 헤드와, 이 이송 헤드에 장착되는 압출기와, 베드를 포함하여 구성되고, 상기 압출기에는 필라멘트가 공급된다. FDM 방식은 필라멘트를 토출시켜 베드의 바닥에서부터 순차적으로 적층하면서 디자인된 형상을 조형한다.
필라멘트는 공급릴에 감겨져 있고, 이송 헤드에 장착된 한 쌍의 드라이버 휠(DW: Drive Wheel)로부터 가이드되어 압출기로 공급된다. 압출기에 형성된 노즐로부터 토출되는 용융된 필라멘트는 베드의 상부에 순차적으로 적층된다.
필라멘트를 용융하여 적층하는 3D 프린터는 주로 열가소성 플라스틱 재료인 ABS 또는 PLA 등을 필라멘트로 사용한다. 일반적으로 공급릴은 3D 프린터의 일측에 고정되어 설치된다.
프린팅을 수행하기 위해서 필라멘트 공급릴에서 필라멘트의 일단을 압출기의 필라멘트 입구로 연결하여야 하는데, 필라멘트 입구는 필라멘트의 크기와 동일하여 매우 좁은 입구로 형성되어 있어 사용자가 쉽게 필라멘트를 필라멘트 입구에 투입하기는 어렵다.
또한 원하는 조형을 수행하기 위하여는 압출기가 수평으로 또는 수직으로 이동하게 되는데, 조형을 수행 중에는 필라멘트 공급릴과 압출기 사이의 필라멘트는 압출기의 수평 또는 수직 이동에 따라 변형이 이루어진다.
따라서 공정 시작 전에 필라멘트를 쉽게 압출기의 필라멘트 입구로 투입할 수 있으며, 프린팅 도중에 필라멘트의 꼬임이나 절곡이 이루어지지 않아야 한다.
등록특허공보 제10-1441030호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 3D 프린터에서 필라멘트가 압출기로 원활히 공급될 수 있는 구조를 제공하려는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트 가이드는 필라멘트를 압출기에 인입하기 위한 가이드로서, 압출기는 필라멘트가 이동하는 관통구를 포함하며, 상기 필라멘트 가이드는 압출기의 관통구에 끼워지되, 상측은 넓고 하측은 좁은 대략 깔대기 형상이고, 상측으로부터 하측에 이르기까지 곡면부, 절곡홈부 및 직선부가 연이어 형성되며, 상기 필라멘트 가이드의 곡면부는 위에서 아래로 갈수록 점차적으로 좁게 형성되고, 상기 절곡홈부는 가이드의 외측에 중심을 갖는 반경을 갖으며, 상기 직선부는 관통홀과 동일한 외경을 갖도록 형성된다.
또한 상기 압출기의 관통구는 하측에서 상측에 이르기까지 핫 엔드 영역, 쿨 엔드 영역 및 가이드 고정 영역을 갖고, 상기 가이드 고정 영역에 상기 필라멘트 가이드가 결합된다.
또한 상기 필라멘트 가이드는 조형이 진행중에 필라멘트의 인입 각도가 변화되면 필라멘트 가이드는 필라멘트가 공급되는 방향으로 기울어지게 되어 상기 필라멘트가 과도하게 절곡되는 것을 방지하도록 구성된다.
또한 상기 절곡홈부는 고정구의 외경보다 크게 형성할 수 있으며, 바람직하게는 절곡홈부의 반경은 고정구의 반경에 비해 1.3 내지 1.7 배로 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면 압출기의 쿨 엔드 영역의 상측에 가이드 고정 영역을 마련하고, 상기 가이드 고정 영역에 필라멘트 가이드를 결합하여, 필라멘트를 손쉽게 압출기로 인입할 수 있는 이점이 있다.
또한 프린팅 도중에 압출기가 수평 이동할 때에도 필라멘트가 쉽게 절곡을 방지할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압출기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드 고정 영역을 나타낸 것이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트 가이드를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 필라멘트 가이드를 압출기의 관통구에 결합한 것을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트 가이드를 장착한 압출기를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 상, 하, 좌, 우, 위 및 아래에 대한 표현은 특별한 언급이 없는 한 도면을 기준으로 설명한다. 또한 도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 나타낸 것이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터는 X축과 Y축 방향으로 이동하는 압출기(100)와, Z축 방향으로 이동하여 승강하는 베이스(200)를 포함한다. 베이스의 상부에는 디자인된 형상으로 조형되는 조형체가 적층하게 된다. 조형체가 적층함에 따라 베이스는 점차적으로 상승하게 된다.
압출기는 X축 및 Y축 가이드구(미도시)에 의해 수평으로 슬라이딩하여 이동하도록 구성된다. 상기 압출기에는 상하로 관통하는 관통구(110)가 형성된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압출기의 단면도이다.
도면을 참조하면, 상기 압출기의 관통구 상단에는 필라멘트가 인입되며, 관통구의 하단에는 노즐이 결합되어 있다. 리지드(rigid)한 필라멘트는 압출기의 관통구를 통과하면서 최종적으로 노즐(110a)로 토출된다.
압출기에는 상기 관통구를 통과하는 필라멘트를 상태 변화에 따라 핫 엔드 영역(111)과 쿨 엔드 영역(112)으로 나누어지고, 쿨 엔드 영역의 상측에 가이드 고정 영역(113)을 갖는다. 압출기의 측면에서 보면, 압출기의 상측에서 하측으로 가이드 고정 영역, 쿨 엔드 영역, 핫 엔드 영역이 순차적으로 이어진다. 도면에서 점선은 핫 엔드 영역, 쿨 엔드 영역 및 가이드 고정 영역을 구분하기 위하여 표시하였다.
가이드 고정 영역(113)은 필라멘트가 인입되는 부분이며, 필라멘트 가이드의 하측 단부가 고정될 수 있도록 내부에 단턱이 형성된다. 필라멘트 가이드가 가이드 고정 영역에 끼워지면 필라멘트 가이드의 필라멘트 출구는 필라멘트의 단면과 동일한 크기를 갖는다. 그리고 이어지는 관통구는 필라멘트 출구와 동일한 크기를 갖는다.
필라멘트는 관통구 내부를 지나면서 리지드한 상태에서 용융된 상태로 변화되어야 하는데, 쿨 엔드 영역은 필라멘트가 리지드한 상태를 유지할 수 있도록 낮은 온도로 형성하여야 한다. 이와 달리, 핫 엔드 영역은 필라멘트가 용융된 상태를 유지할 수 있도록 높은 온도를 형성하여야 한다. 이를 위해 핫 엔드 영역은 히터가 결합되며, 쿨 엔드 영역은 냉각핀이 결합된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드 고정 영역을 나타낸 것이다.
압출기 상단의 관통구에는 삼각 방향으로 홀이 수평방향으로 형성되어 있고, 관통구와 연결되는 홀(113-1)은 돌기(113-1a)가 형성된다. 상기 홀에는 스프링(113-s)의 탄성력을 받는 구형상의 고정구(113-b)가 설치된다. 상기 돌기는 스프링의 탄성력에 의해 고정구가 더 이상 관통구 방향으로 나아가지 않는다. 상기 홀에 결합되는 고정구는 탄성에 의해 필라멘트 가이드를 지지한다.
한편, 홀이 형성되는 부분은 냉각핀이 결합되는 부분의 상측에 형성하는 것이 바람직하다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트 가이드를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 필라멘트 가이드(300)는 가요성을 갖는 재질로 이루어지며, 그 상측은 넓고 하측은 좁은 대략 깔대기 형상을 갖는다. 필라멘트 가이드는 필라멘트가 쉽게 인입될 수 있도록 그 단면이 원형이며 상측은 넓고 하측은 좁은 가이드홀(300h)을 갖는다. 필라멘트 가이드는 상측으로부터 하측에 이르기까지 곡면부(310), 절곡홈부(320) 및 직선부(330)로 이루어진다.
상기 곡면부(310)의 외측은 위에서 아래로 갈수록 점차적으로 좁게 형성된다.
상기 절곡홈부(320)는 상기 고정구와 면접촉한다. 절곡홈부의 반경은 가이드의 외측에 중심을 갖는 곡면을 갖으며, 고정구의 반경보다 크게 형성된다.
한편 조형 도중에 압출기는 수평으로 여러 위치로 변동되며, 이에 따라 필라멘트는 압출기의 위치로 과도한 절곡없이 공급되어야 한다. 필라멘트 가이드는 압출기의 입구에 설치되어 필라멘트의 과도한 절곡을 방지하고 원활히 압출기로 공급하는 역할을 수행한다.
만약 과도한 필라멘트의 공급라인과 압출기의 필라멘트 인입이 과도한 각도를 이룬다면 필라멘트 가이드의 중심축은 관통구의 중심축과 최대 이격을 갖는다. 이때, 고정구와 절곡홈부가 접촉하는 위치 역시 최대 이격을 이루게 된다. 따라서 절곡홈부와 고정구의 면접촉 위치는 이동하여야 하므로, 절곡홈부는 고정구의 반경에 비하여 충분한 반경을 갖도록 설계된다. 바람직하게는 상기 절곡홈부의 홈의 반경은 고정구의 반경에 비해 1.3 내지 1.7 배로 형성된다.
상기 직선부(330)의 외경은 압출기의 관통구에 쉽게 끼움될 수 있도록 관통구의 크기와 동일한 크기를 갖거나 다소 작게 형성할 수 있다.
도면에는 도시하지 않았지만, 상기 절곡홈부와 직선부의 내부 및/또는 외부 표면에는 크롬, 니켈, 구리 등에서 선택된 금속으로 코팅이 수행된다. 금속 코팅에 의해 절곡홈부와 직선부는 리지드(rigid)한 상태로 되므로, 고정구에 의해 절곡홈부와 직선부의 내부가 중심 방향으로 융기되는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 절곡홈부와 직선부의 내부 표면은 필라멘트가 이동하면서 접촉하게 되므로 상기 금속 코팅의 표면에는 내식성 및 내마모성을 낮추기 위해 폴리에틸렌이나 폴리우레탄으로 표면 코팅이 수행될 수 있다. 본 발명에서는 절곡홈부와 직선부의 내부 및/또는 외부에 금속 코팅을 수행하는 것을 실시예로 하고 있으나, 반드시 이에 한정하지 아니하고, 원통형의 금속재를 제작하고 이를 절곡홈부와 직선부의 내부 및/또는 외부에 결합하는 것도 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 필라멘트 가이드를 압출기의 관통구에 결합한 것을 나타낸 것이다.
도면을 참조하면, 필라멘트 가이드의 하단부를 압출기의 관통구에 삽입하여 끼우면, 필라멘트 가이드의 절곡홈부에서 고정구와 면접촉하게 된다. 본 발명에 따르면 조형이 진행중에 필라멘트의 인입 각도가 변화되면 필라멘트 가이드는 필라멘트가 공급되는 방향으로 쉽게 기울어지도록 하여 과도한 절곡을 방지할 수 있다.
한편, 도 5의 A부분 참조하면, 필라멘트 가이드가 입입되는 압출기의 관통구의 입구측에는 관통구 내부 보다 다소 넓게 라운딩처리되어 있다. 3D 프린터의 조형 도중에 필라멘트의 유동에 따라 필라멘트 가이드가 유동을 자유롭게 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 필라멘트 가이드를 장착한 압출기를 나타낸 것이다.
프린팅이 진행되는 도중에 필라멘트는 정해진 위치에서 공급된다. 그런데 압출기는 디자인된 조형물에 따라 베이스 상에서 여러 방향으로 이동될 수 있다. 필라멘트 가이드는 여러 방향에서 공급되는 필라멘트를 가이드하고 과도한 절곡을 방지할 수 있다. 도면에서 화살표는 필라멘트가 좌측에서 우측으로 또는 우측에서 좌측으로 이동하는 것을 예시적으로 나타낸 것이고, 필라멘트의 크기는 설명의 편의상 관통구에 비하여 작게 표시되어 있다.
그리고 필라멘트 가이드는 가요성을 가지므로, 필라멘트의 도입되는 방향으로 절곡이 이루어질 수 있음은 당연하다. 도면에서는 홀, 고정구 및 스프링은 설명의 편의상 생략하여 도시하였다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100 : 압출기
110 : 관통구
110a : 노즐
111 : 핫 엔드 영역
112 : 쿨 엔드 영역
113 : 가이드 고정 영역
113-1 : 홀
113-1a : 돌기
113-s : 스프링
113-b : 고정구
200 : 베이스
300 : 필라멘트 가이드
300h : 가이드 홀
310 : 곡면부
320 : 절곡홈부
330 : 직선부

Claims (5)

  1. 필라멘트를 압출기에 인입하기 위한 필라멘트 가이드로서,
    상기 압출기는 필라멘트가 이동하는 관통구(110)를 포함하고,
    상기 압출기의 관통구는 압출기의 하측에서 상측에 이르기까지 핫 엔드 영역, 쿨 엔드 영역 및 가이드 고정 영역을 갖고, 상기 가이드 고정 영역에 필라멘트 가이드가 결합되고,
    상기 가이드 고정 영역의 관통구 상단에는 홀(113-1)이 수평방향으로 형성되고, 상기 관통구에는 필라멘트 가이드가 고정될 수 있도록 내부에 단턱이 형성되며,
    상기 홀(113-1)에는 돌기(113-1a)가 형성되고, 상기 홀에는 스프링(113-s)의 탄성력을 받은 구형상의 고정구(113-b)가 설치되되, 상기 고정구는 돌기에 의해 관통구 방향으로 나아가지 않도록 구성되며,
    상기 필라멘트 가이드는 압출기의 관통구에 끼워지되, 상측은 넓고 하측은 좁은 깔대기 형상이고, 상측으로부터 하측에 이르기까지 곡면부(310), 절곡홈부(320) 및 직선부(330)가 연이어 형성되고,
    상기 필라멘트 가이드의 곡면부(310)는 위에서 아래로 갈수록 점차적으로 좁게 형성되고, 상기 절곡홈부(320)는 가이드의 외측에 중심을 갖는 반경을 갖으며, 고정구(113-b)의 외경보다 크게 형성되고, 상기 직선부(330)는 관통구(110)과 동일한 외경을 갖도록 형성되고,
    상기 필라멘트 가이드는 조형이 진행중에 필라멘트의 인입 각도가 변화되면 필라멘트가 공급되는 방향으로 기울어지게 되어 필라멘트가 과도하게 절곡되는 것을 방지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트 가이드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 절곡홈부의 반경은 고정구의 반경에 비해 1.3 내지 1.7 배로 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 필라멘트 가이드.

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