KR101610897B1 - 다양한 색상이 구현되는 3차원 프린터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 형상의 표면을 갖는 인쇄대상물이 다양한 색상으로 출력될 수 있는 3차원 프린터에 관한 것으로서 보다 상세하게는 X,Y,Z축으로 이동이 가능한 노즐헤드가 열가소성 필라멘트를 토출하며, 토출되는 필라멘트에 사용자가 원하는 색상을 혼합한 후 사용자에 의해 선택된 색상으로 제품을 성형할 수 있도록 제작된 다양한 색상이 구현되는 3차원 프린터에 관한 것이다.

Description

다양한 색상이 구현되는 3차원 프린터{VARIOUS COLORS ARE IMPLEMENTED THREE-DIMENSIONAL PRINTER}
본 발명은 3차원 형상의 표면을 갖는 인쇄대상물이 다양한 색상으로 출력될 수 있는 3차원 프린터에 관한 것으로서 보다 상세하게는 X,Y,Z축으로 이동이 가능한 노즐헤드가 열가소성 필라멘트를 토출하며, 토출되는 필라멘트에 사용자가 원하는 색상을 혼합한 후 사용자에 의해 선택된 색상으로 제품을 성형할 수 있도록 제작된 다양한 색상이 구현되는 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 평면 형태로 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 평면 형태를 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 히터노즐이 구비된 3D프린터가 개발되었으나, 이는 히터노즐을 복수개 구비하는 만큼 장치의 구조가 복잡하고 작업하는 시간이 오래걸릴 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, 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 헤드와 하나의 필라멘트만을 사용할 수 있어 간편하고, 출력된 제품에 다양한 색상을 구현할 수 있도록 필라멘트에 사용자가 원하는 잉크 색상을 주입한 후 잉크와 필라멘트를 혼합하여 제품을 성형할 수 있으며, 사용자의 선택에 의해 잉크가 주입의 유무를 조절할 수 있는 3차원 프린터를 제공하고자 한다.
본 발명의 다양한 색상이 구현되는 3차원 프린터는 다양한 내부에 수용공간(D)이 형성되며 상기 수용공간(D)에 바닥면에 안착되는 바닥판(110)을 포함하는 케이스(100); 상기 케이스(100)의 내부에 위치하며 일측으로부터 공급되는 필라멘트(S)를 가열하여 용융(熔融)시킨 후 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 케이스(100)의 일측에 형성되어 상기 필라멘트(S)를 상기 노즐헤드(200)로 견인하는 필라멘트 공급부(400); 내부에 잉크가 수용되며 상기 노즐헤드(200)에 설치되되, 상기 용융된 필라멘트(S)에 잉크가 혼합되어 상기 노즐헤드(200)로 토출되도록 상기 필라멘트(S)에 수용된 잉크를 분사하는 잉크헤더(500); 상기 노즐헤드(200)로부터 토출되는 필라멘트(S)의 토출량을 조절하도록 상기 노즐헤드(200)로 공급되는 상기 필라멘트(S)의 공급량을 조절하고, 상기 잉크 헤더(500)에서 분사되는 잉크의 분사량를 제어하는 제어부(600);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(600)에 의해 작동하는 가열부(221)와 상기 가열부(221)에 의해 가열된 상기 필라멘트(S)와 상기 잉크헤더(500)에서 분사된 잉크가 혼합되는 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 혼합실(222)의 내측면에는 혼합돌기(222-1)가 상기 혼합실(222)의 내측면을 따라 일정간격 이격되어 다수개 돌출 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 혼합실(222)에는 다수개의 혼합홀(710)이 관통 형성된 혼합판(700)이 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 가열부(221)는 상기 인입부(210)와 인접한 상기 헤드몸체(220)의 상측에 구비되는 제1 가열부(221-1)와 상기 혼합실(222)을 감싸도록 형성되는 제2 가열부(221-2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 노즐헤드에 잉크를 분사하는 잉크헤더가 구비되고, 잉크헤더에서 분사되는 잉크와 노즐헤드에서 용융된 필라멘트가 혼합실을 거쳐 외부로 토출되면 다양한 색상이 구현되는 인쇄 대상물을 출력할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은 용융된 필라멘트와 잉크가 혼합실을 통과하면서 혼합실에 구비된 다수개의 혼합돌기 및 혼합판을 통해 혼합이 원활하게 유지되어 출력되는 인쇄대상물의 색상의 불량률을 감소시킬 수 있는 장점이 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 노즐헤드부분의 내부 주요구성을 나타낸 단면도.
도 4 는 본 발명의 노즐헤드부분의 다른 실시예를 도시한 단면도.
도 5 는 본 발명의 노즐헤드부분의 다른 실시예를 도시한 단면도.
도 6 은 본 발명의 혼합판을 나타낸 사시도.
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 노즐헤드부분의 내부 주요구성을 나타낸 단면도, 도 4 는 본 발명의 노즐헤드부분의 다른 실시예를 도시한 단면도, 도 5 는 본 발명의 노즐헤드부분의 다른 실시예를 도시한 단면도, 도 6 은 본 발명의 혼합판을 나타낸 사시도에 관한 것이다.
도 1 을 참조하면 본 발명의 3차원 프린터는 케이스(100)를 갖는다. 케이스(100)는 내부에 수용공간(D)이 형성되도록 내부가 중공된 형상을 갖는다. 수용공간(D)의 바닥면에는 바닥판(110)이 형성된다. 바닥판(110)은 소정의 두께를 갖는 판 형상으로 형성되며, 상면에 하술하는 노즐헤드(200)를 통해 인쇄된 인쇄 대상물이 제작되어 안착될 수 있다
도 1 및 도 2 를 참조하면 케이스(100)의 내부에는 노즐헤드(200)가 구비된다. 노즐헤드(200)는 인쇄 대상물을 제작 및 성형하는 필라멘트(S)를 공급받을 수 있다. 이때 노즐헤드(200)의 상측으로부터 필라멘트(S)를 공급받을 수 있다. 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 일반적으로 필라멘트(S)는 고체상태로 노즐헤드(200)로 공급되는데, 이때 노즐헤드(200)는 전력을 인가받아 발열하여 필라멘트(S)를 가열한다. 따라서 용융(溶融)된 필라멘트(S)는 액체상태로 노즐헤드(200)의 외부로 토출되어 인쇄 대상물을 성형한다.
도 1 을 참조하면 케이스(100)에는 노즐헤드(200)가 인쇄 대상물을 성형할 때 노들헤드(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 가능하기 때문에 인쇄대상물을 3차원 형상, 즉 입체적으로 출력할 수 있는 것이다.
도 1 을 참조하면 케이스(100)의 일측에는 필라멘트 공급부(400)가 형성된다. 필라멘트 공급부(400)는 필라멘트(S)를 노즐헤드(200)로 공급해 주기 위한 목적으로 형성된다. 즉 필라멘트(S)는 케이스(100)의 하측에 구비된 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 2 를 참조하면 노즐헤드(200)에는 내부에 사용자에 의해 선택된 색상을 갖는 잉크가 수용된 잉크헤더(500)가 설치된다. 잉크헤더(500)는 노즐헤드(200)가 가열하여 용융된 필라멘트(S)에 잉크를 분사한다. 이후 필라멘트(S)와 잉크가 혼합된 후 잉크와 혼합되어 색상이 변경된 필라멘트(S)가 노즐헤드(200)의 외부로 토출된다. 따라서 인쇄 대상물은 잉크헤더(500)로부터 분사된 잉크와 동일한 색상을 가지도록 출력될 수 있다.
도 1 을 참조하면 케이스(100)에는 제어부(600)가 설치된다. 제어부(600)는 필라멘트 공급부(400) 및 잉크헤더(500)를 제어한다.
먼저 도 3 을 참조하여 필라멘트 공급부(400)의 제어를 설명하면 제어부(600)는 필라멘트 공급부(400)의 회전수를 조절하여 노즐헤드(200)로 공급되는 상기 필라멘트(S)의 공급량을 조절한다. 따라서 노즐헤드(200)로부터 토출되는 필라멘트(S)의 토출량이 조절될 수 있어 토출되는 필라멘트(S)의 굵기 등을 사용자의 선택에 의해 제어할 수 있다.
또한 잉크헤더(500)가 제어부(600)에 의해 제어되는 것을 설명하면 제어부(600)는 잉크헤더(500)에서 분사되는 잉크량을 조절한다. 예를 들면 필라멘트(S)의 고유색상을 흰색이라고 가정하면 잉크가 분사되는 분사량에 따라 잉크의 색상은 다양한 채도를 가지도록 출력될 수 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 바람직하다.
헤드몸체(220)에는 인입부(210)로부터 공급되는 필라멘트(S)를 가열하여 용융시키는 가열부(221)가 형성되며, 가열부(221)는 제어부(600)에 의해 제어되어 작동한다. 또한 헤드몸체(200)는 가열부(221)에 의해 가열되어 용융된 필라멘트(S)가 수용되는 혼합실(222)을 포함한다. 혼합실(222)에는 필라멘트(S)와 잉크헤더(500)에서 분사된 잉크가 혼합실(222)을 따라 이동하면서 상호 혼합된다.
토출부(230)는 혼합실(222)을 따라 이동하면서 잉크와 혼합된 필라멘트(S)를 외부로 토출시킨다. 또한 토출부(230)는 인쇄 대상물의 크기 및 형상에 따라 토출되는 직경의 크기가 다양한 규격으로 제작되며 사용자의 선택에 따라 교체하여 사용할 수 있다.
도 4 를 참조하면 혼합실(222)은 헤드몸체(220)의 내부에 엇갈리는 경사로 이루어지도록 형성될 수 있다. 이는 혼합실(222)을 통과하는 필라멘트(S)의 이동경로를 최대화하여 잉크와 필라멘트(S)가 잘 섞일 수 있도록 하기 위함이며, 이때 혼합실(222)의 이동경로를 따라 가열부(221)도 함께 연장되어 형성될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 3차원 프린터는, 혼합실(222)에 가열된 필라멘트와 분사된 잉크가 혼합되어 이동하는 이동경로 상에 적어도 하나의 굴절부가 형성되어, 다양한 색상을 구현할 수 있다.
또한 도 4 를 참조하면 혼합실(222)의 내측면에는 혼합돌기(222-1)가 돌출 형성된다. 혼합돌기(222-1)는 혼합실(222)의 내측벽면을 따라 일정간격 이격되어 다수개 형성된다. 잉크가 분사된 필라멘트(S)가 다수개의 혼합돌기(222-1)와 접촉되면서 이동하면 잉크와 필라멘트(S)의 혼합률이 상승되는 효과가 발생한다.
도 5 및 도 6 을 참조하면 혼합실(222)에는 다수개의 혼합홀(710)이 관통 형성된 혼합판(700)이 구비된다. 혼합판(700)은 혼합실(222)에서 일정간격 이격되어 복수개 형성될 수 있다. 즉 필라멘트(S)가 다수개의 혼합홀(710)을 통과하면서 잉크와 필라멘트(S)는 혼합되며, 혼합판(700)의 개수가 증가함에 따라 혼합률은 상승될 수 있다.
도 3 을 참조하면 가열부(221)는 제1 가열부(221-1)와 제2 가열부(221-2)를 포함한다. 제1 가열부(221-1)는 헤드몸체(220)의 상측에 구비되어 필라멘트(S)가 인입부(210)로 인입될 때 1차적으로 가열하기 위해 형성된다. 이후 필라멘트(S)는 잉크헤더(500)에서 분사되는 잉크와 함께 혼합실(222)로 유입된다. 즉 필라멘트(S)가 1차적으로 용융된 상태에서 잉크가 분사되면 잉크와 필라멘트(S)의 원활한 혼합을 유도할 수 있다.
제2 가열부(221-2)는 혼합실(222)을 감싸도록 헤드몸체(220)의 하측에 구비된다. 이는 혼합실(222)을 통과하는 필라멘트(S)가 경화되는 것을 방지하기 위하여 지속적으로 필라멘트(S)를 가열하기 위한 목적으로 형성된다.
이와 같은 본 발명의 다양한 색상이 구현되는 3차원 프린터는 노즐헤드(200)에 잉크를 분사하는 잉크헤더(500)가 구비되어 다양한 색상이 구현되는 인쇄 대상물을 출력할 수 있는 장점이 있다.
100 : 케이스 110 : 바닥판
200 : 노즐헤드 210 : 인입부
220 : 헤드몸체 221 : 가열부
221-1 : 제1 가열부 221-2 : 제2 가열부
222 : 혼합실 222-1 : 혼합돌기
300 : 헤드이동수단 310 : 제1 구동부
320 : 제2 구동부 330 : 제3 구동부
400 : 필라멘트 공급부 500 : 잉크헤더
600 : 제어부 700 : 혼합판
D : 수용공간 S : 필라멘트

Claims (5)

  1. 내부에 수용공간이 형성되며 상기 수용공간에 바닥면에 안착되는 바닥판을 포함하는 케이스;
    상기 케이스의 내부에 위치하며 일측으로부터 공급되는 필라멘트를 가열하여 용융(熔融)시킨 후 외부로 토출시키는 노즐헤드;
    상기 케이스의 일측에 형성되어 상기 필라멘트를 상기 노즐헤드로 견인하는 필라멘트 공급부;
    내부에 잉크가 수용되며 상기 노즐헤드에 설치되되, 상기 용융된 필라멘트에 잉크가 혼합되어 상기 노즐헤드로 토출되도록 상기 필라멘트에 수용된 잉크를 분사하는 잉크헤더; 및
    상기 노즐헤드로부터 토출되는 필라멘트의 토출량을 조절하도록 상기 노즐헤드로 공급되는 상기 필라멘트의 공급량을 조절하고, 상기 잉크 헤더에서 분사되는 잉크의 분사량를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 노즐헤드는
    상기 필라멘트가 인입되는 인입부;
    상기 인입부로부터 공급되는 필라멘트를 가열하도록 상기 제어부에 의해 작동하는 가열부와 상기 가열부에 의해 가열된 상기 필라멘트와 상기 잉크헤더에서 분사된 잉크가 혼합되는 혼합실을 포함하는 헤드몸체; 및
    상기 혼합실로부터 혼합된 상기 각각의 필라멘트가 토출되는 토출부를 구비하고,
    상기 혼합실에 상기 가열된 필라멘트와 상기 분사된 잉크가 혼합되어 이동하는 이동경로 상에 적어도 하나의 굴절부가 형성되는 다양한 색상이 구현되는 3차원 프린터.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합실의 내측면에는 혼합돌기가 상기 혼합실의 내측면을 따라 일정간격 이격되어 다수개 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 다양한 색상이 구현되는 3차원 프린터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합실에는 다수개의 혼합홀이 관통 형성된 혼합판이 구비되는 것을 특징으로 하는 다양한 색상이 구현되는 3차원 프린터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 인입부와 인접한 상기 헤드몸체의 상측에 구비되는 제1 가열부; 및
    상기 혼합실을 감싸도록 형성되는 제2 가열부를 포함하고,
    상기 제2 가열부는 상기 이동경로를 따라 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 다양한 색상이 구현되는 3차원 프린터.
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