KR101641709B1 - 단일노즐과 단일 노즐히터를 적용하여 멀티컬러 제품성형이 가능한 3d원 프린터 구동 방법 - Google Patents
단일노즐과 단일 노즐히터를 적용하여 멀티컬러 제품성형이 가능한 3d원 프린터 구동 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 단일의 노즐과 단일의 노즐히터를 사용해서 멀티컬러 제품성형이 가능한 3차원 프린터 장치 및 그 구동 방법이다.{multi color 3D printer}
본 발명은 단일의 노즐(17)과 단일의 노즐히터(11)를 사용해서 멀티컬러 제품성형이 가능한 3차원 프린터 장치 및 그 구동 방법에 관한 것으로, FDM (Fused Deposition Modeling)방식 3차원 프린터에 복수의 필라멘트 압출기(8)를 단일의 노즐히터(17)와 단일의 노즐(11)을 사용해서 다양한 재료의 사용, 다양한 색의 구현하는 것이 가능한 헤드(6)로 이루어진 3차원 프린터 장치 및 그 구동방법에 관한 것이다.
단일의 노즐(17)과 단일의 노즐히터(11)로 다수의 색상을 표현할 수 있도록 구동함으로써, 경제적으로 제작비용 및 구동비용을 절감할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 필라멘트 압출기(8)는 적어도 2개로 구성되어 적어도 2개의 재료 및 적어도 2개의 색상을 각각 공급함으로써, 필라멘트를 공급할 때 적어도 2가지 재질의 필라멘트를 공급하는 것이 가능하고, 적어도 2가지 색상의 필라멘트를 공급하는 것이 가능하므로, 조형물의 다양한 색을 구현할 수 있다는 효과가 있다.
프레임(1)의 상부에 배치되는 X축 직선이동기구(4)와 Y축 직선이동기구(5)에 탑재되어 XY축 방향으로 위치 조절되는 헤드(6)와, 상기 헤드(6)에 대하여 상대적으로 Z축 방향으로 위치 조절되는 Z축 직선 이동기구(16)에 탑재되는 베드(2)와, 상기 프레임(1)의 한쪽에 배치되며 철사형태로 된 복수의 열가소성 필라멘트(7)를 헤드블록(10)으로 각각 이송하는 복수의 필라멘트 압출기(8)를 구비하고, 상기 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)은 상기 복수의 필라멘트(7)가 개별적으로 도입되는 복수의 도입공(10-a)이 형성되고, 이들 복수의 도입공(10-a)이 단일의 통로로 합류되어 배출되는 단일의 배출공(10-b)이 형성된 것으로 이 단일의 배출공(10-b)을 통해 단일의 필라멘트(7)가 단일의 노즐히터(11)와 단일의 노즐(17)을 통과하는 구조를 되어 있고, 상기 노즐(17)의 XYZ 축 상의 위치조절과 상기 복수의 필라멘트 압출기(8)의 이송동작을 개별적으로 제어하는 컨트롤러(3)와 상기 프레임(1)의 내 측에 배치되는 노즐클리너(12)를 포함하는 3차원 프린터로 이루어져 있다.
본 발명은 단일의 노즐(17)과 단일의 노즐히터(11)를 사용해서 멀티컬러 제품성형이 가능한 3차원 프린터 장치 및 그 구동 방법에 관한 것으로, FDM (Fused Deposition Modeling)방식 3차원 프린터에 복수의 필라멘트 압출기(8)를 단일의 노즐히터(17)와 단일의 노즐(11)을 사용해서 다양한 재료의 사용, 다양한 색의 구현하는 것이 가능한 헤드(6)로 이루어진 3차원 프린터 장치 및 그 구동방법에 관한 것이다.
단일의 노즐(17)과 단일의 노즐히터(11)로 다수의 색상을 표현할 수 있도록 구동함으로써, 경제적으로 제작비용 및 구동비용을 절감할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 필라멘트 압출기(8)는 적어도 2개로 구성되어 적어도 2개의 재료 및 적어도 2개의 색상을 각각 공급함으로써, 필라멘트를 공급할 때 적어도 2가지 재질의 필라멘트를 공급하는 것이 가능하고, 적어도 2가지 색상의 필라멘트를 공급하는 것이 가능하므로, 조형물의 다양한 색을 구현할 수 있다는 효과가 있다.
프레임(1)의 상부에 배치되는 X축 직선이동기구(4)와 Y축 직선이동기구(5)에 탑재되어 XY축 방향으로 위치 조절되는 헤드(6)와, 상기 헤드(6)에 대하여 상대적으로 Z축 방향으로 위치 조절되는 Z축 직선 이동기구(16)에 탑재되는 베드(2)와, 상기 프레임(1)의 한쪽에 배치되며 철사형태로 된 복수의 열가소성 필라멘트(7)를 헤드블록(10)으로 각각 이송하는 복수의 필라멘트 압출기(8)를 구비하고, 상기 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)은 상기 복수의 필라멘트(7)가 개별적으로 도입되는 복수의 도입공(10-a)이 형성되고, 이들 복수의 도입공(10-a)이 단일의 통로로 합류되어 배출되는 단일의 배출공(10-b)이 형성된 것으로 이 단일의 배출공(10-b)을 통해 단일의 필라멘트(7)가 단일의 노즐히터(11)와 단일의 노즐(17)을 통과하는 구조를 되어 있고, 상기 노즐(17)의 XYZ 축 상의 위치조절과 상기 복수의 필라멘트 압출기(8)의 이송동작을 개별적으로 제어하는 컨트롤러(3)와 상기 프레임(1)의 내 측에 배치되는 노즐클리너(12)를 포함하는 3차원 프린터로 이루어져 있다.
Description
본 발명은 단일의 노즐과 단일의 노즐히터를 사용하여 멀티컬러 제품성형이 가능한 3D 프린터 장치 및 그 구동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 FDM (Fused Deposition Modeling)방식 3차원 프린터에서 복수의 필라멘트 압출기를 단일의 노즐히터와 단일의 노즐과 단일의 헤드블록으로 구성된 헤드를 이용하여 다양한 재료의 사용, 다양한 색의 구현이 가능한 3차원 프린터 장치 및 그 구동방법에 관한 것이다.
최근 3차원 프린터는 양산품을 생산하기 전 시제품을 만들기 위해 사용되고 있는데, 이는 실제 상품에 어떤 문제점이 있는지 알아보기 위하여 실제상품을 만드는 대신 3차원 프린터를 이용하여 실제상품과 똑같은 시제품을 만들어, 비용과 시간을 절약하며 실제상품의 문제점을 알아볼 수 있기 때문이다.
이러한 3차원 프린터는 캐드시스템과 같은 소프트웨어를 통해 모델링된 3차원 형상을 복수의 얇은 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터로 변경한 후에 이를 사용하여 판형 시트를 조형하고, 이를 적층하여 조형물을 완성한다. 이렇게 판 형태의 시트를 조형하는 방법으로 쾌속조형 방식이 개발되어있다.
이러한 쾌속조형 방식에는 석고나 나일론 등의 가루를 사용하는 파우더를 이용한 쾌속조형 방식, 광경화성 플라스틱을 녹인 액체(레진)를 사용하는 플라스틱 액체를 이용한 쾌속조형 방식, 플라스틱을 실처럼 자아낸 고체를 이용한 조형 방식으로 나눌 수 있다.
그 중에서도, 열가소성 소재(플라스틱)를 실처럼 자아낸 고체상태인 필라멘트를 이용한 조형 방식에는 대표적으로 FDM (Fused Deposition Modeling)방식이 있는데, 이는 열가소성 수지를 압출하여 적층하며 조형하는 방식으로, 압출기를 통해 필라멘트를 공급하면, 공급된 필라멘트는 필라멘트를 녹일 수 있는 온도로 가열된 노즐을 통해 액체상태로 압출되어 한 층씩 적층되며 조형물이 완성된다.
하지만, 종래 FDM방식 3차원 프린터의 압출기는 하나의 공급기에 하나의 노즐로 구성되어 다양한 재료의 사용, 다양한 색 변경하는 것이 한계가 있다는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 멀티 노즐을 구현하는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 멀티 노즐이 연동되어 동일평면상에 위치하고 있을 경우 프린트 중에 작동하지 않는 노즐이 조형물과 접촉하여 조형물이 베드로부터 떨어질 수 있다는 문제점이 있다. 또한 노즐이 이동경로가 바뀌는 지점에서 정지한 후 다음 압출 구간으로 이동할 때 과다 압출이나 미달 압출이 발생되어 동일평면상 보다 높은 구간이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
그리고 3차원 프린터 장치의 구동 시 필라멘트를 녹이기 위하여 노즐을 가열하는데 가열된 상태로 장시간 유지됨에 따라, 멀티 노즐의 사용하지 않는 노즐에서 잔류물이 흘러나와 조형물에 오염을 유발시킬 수 있고, 설계되지 않은 구간에 압출되어 단차가 발생하거나 노즐 입구에 잔류물이 경화되어 노즐과 조형물의 접촉이 발생하며 불량 조형물이 생성될 수 있다는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 노즐 내에 음의 압력을 가하여 잔류물이 흘러나오지 않도록 조절할 수 있으나, 이 또한, 노즐이 장시간 고온에 노출될 경우 중력에 의한 녹은 필라멘트의 흘러내림이 발생하며, 사용 시 그 양을 정확히 제어할 수 없어 표면의 품질을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
이러한 3차원 프린터는 캐드시스템과 같은 소프트웨어를 통해 모델링된 3차원 형상을 복수의 얇은 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터로 변경한 후에 이를 사용하여 판형 시트를 조형하고, 이를 적층하여 조형물을 완성한다. 이렇게 판 형태의 시트를 조형하는 방법으로 쾌속조형 방식이 개발되어있다.
이러한 쾌속조형 방식에는 석고나 나일론 등의 가루를 사용하는 파우더를 이용한 쾌속조형 방식, 광경화성 플라스틱을 녹인 액체(레진)를 사용하는 플라스틱 액체를 이용한 쾌속조형 방식, 플라스틱을 실처럼 자아낸 고체를 이용한 조형 방식으로 나눌 수 있다.
그 중에서도, 열가소성 소재(플라스틱)를 실처럼 자아낸 고체상태인 필라멘트를 이용한 조형 방식에는 대표적으로 FDM (Fused Deposition Modeling)방식이 있는데, 이는 열가소성 수지를 압출하여 적층하며 조형하는 방식으로, 압출기를 통해 필라멘트를 공급하면, 공급된 필라멘트는 필라멘트를 녹일 수 있는 온도로 가열된 노즐을 통해 액체상태로 압출되어 한 층씩 적층되며 조형물이 완성된다.
하지만, 종래 FDM방식 3차원 프린터의 압출기는 하나의 공급기에 하나의 노즐로 구성되어 다양한 재료의 사용, 다양한 색 변경하는 것이 한계가 있다는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 멀티 노즐을 구현하는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 멀티 노즐이 연동되어 동일평면상에 위치하고 있을 경우 프린트 중에 작동하지 않는 노즐이 조형물과 접촉하여 조형물이 베드로부터 떨어질 수 있다는 문제점이 있다. 또한 노즐이 이동경로가 바뀌는 지점에서 정지한 후 다음 압출 구간으로 이동할 때 과다 압출이나 미달 압출이 발생되어 동일평면상 보다 높은 구간이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
그리고 3차원 프린터 장치의 구동 시 필라멘트를 녹이기 위하여 노즐을 가열하는데 가열된 상태로 장시간 유지됨에 따라, 멀티 노즐의 사용하지 않는 노즐에서 잔류물이 흘러나와 조형물에 오염을 유발시킬 수 있고, 설계되지 않은 구간에 압출되어 단차가 발생하거나 노즐 입구에 잔류물이 경화되어 노즐과 조형물의 접촉이 발생하며 불량 조형물이 생성될 수 있다는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 노즐 내에 음의 압력을 가하여 잔류물이 흘러나오지 않도록 조절할 수 있으나, 이 또한, 노즐이 장시간 고온에 노출될 경우 중력에 의한 녹은 필라멘트의 흘러내림이 발생하며, 사용 시 그 양을 정확히 제어할 수 없어 표면의 품질을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
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그 중에서도, 열가소성 소재(플라스틱)를 실처럼 짜아낸 고체상태인 필라멘트를 이용한 조형 방식에는 대표적으로 FDM (Fused Deposition Modeling)방식이 있는데, 이는 열가소성 수지를 압출하여 적층하며 조형하는 방식으로, 필라멘트 압출기를 통해 필라멘트를 공급하면, 공급된 필라멘트는 필라멘트를 녹일 수 있는 온도로 가열된 노즐을 통해 액체상태로 압출되어 한 층씩 적층되며 조형물이 완성된다.
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하지만, 종래 FDM방식 3차원 프린터의 필라멘트 압출기는 하나의 공급기에 하나의 노즐로 구성되어 다양한 재료의 사용, 다양한 색 변경하는 것이 한계가 있다는 문제점이 있었다.
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그리고 3차원 프린터 구동 시 필라멘트를 녹이기 위하여 노즐을 가열하는데 가열된 상태로 장시간 유지됨에 따라, 멀티 노즐의 사용하지 않는 노즐에서 잔류물이 흘러나와 조형물에 오염을 유발시킬 수 있고, 설계되지 않은 구간에 압출되어 단차가 발생하거나 노즐 입구에 잔류물이 경화되어 노즐과 조형물의 접촉이 발생하며 불량 조형물이 생성될 수 있다는 문제점이 있다.
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본 발명은 종래의 열가소성 필라멘트소재를 사용하여 용융 및 적층하는 타입의 3차원 프린터의 문제점에 착안하여 제안된 것으로서, 본 발명은 구조가 간단하면서도 복수개의 색상으로 성형품을 성형할 수 있는 새로운 구조의 3차원 프린터를 제공하고자 하는 것이다. 또한 본 발명은 복수개의 칼라를 구현하더라도 색상이 혼합되거나 불연속적인 이음매가 형성되지 않아서 제품의 외관이나 일체성 또는 구조적 강도가 저하되지 않는 새로운 구조의 3차원 프린터 장치 및 3차원 프린터 장치의 구동방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
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본 발명의 한 특징에 따르면, 프레임(1)의 상부에 배치되는 X축 이송기구(4)와 Y축 이송기구(5)에 탑재되어 XY축 방향으로 위치 조절되는 헤드(6)와, 이 헤드(6)에 대하여 상대적으로 Z축 방향으로 위치 조절되는 Z축 이송기구(16)에 탑재되는 베드(2)와, 프레임(1)의 일 측에 배치되며 와이어형태로 된 복수개의 필라멘트(7)를 헤드블록(10)으로 각각 이송하는 복수개의 압출기(8)를 구비하고, 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)은 복수개의 필라멘트(7)가 개별적으로 도입되는 복수개의 도입공(10-a)이 형성되고, 이들 복수개의 도입공(10-a)이 단일의 통로로 합류되어 배출되는 단일의 배출공(10-b)이 형성된 것으로 이 단일의 배출공(10-b)을 통해 단일의 필라멘트(7)가 헤드블록(10) 아래에 위치한 별개로 구성된 단일의 노즐히터(11)와 단일의 노즐(17)을 통과하는 구조를 되어 있고, 노즐(17)의 XYZ축상의 위치조절과 복수개의 압출기(8)의 이송동작을 개별적으로 제어하는 컨트롤러(3)와 프레임(1)의 내 측에 배치되는 노즐 클리너(12)를 포함하는 3차원 프린터.
프레임(1)의 X축 이송기구(4)와 Y축 이송기구(5)에 탑재되어 XY축 방향으로 위치 조절되며 압출기(8)로부터 필라멘트가 이송 공급되어 용융상태로 배출되는 3차원 프린터용 헤드(6)에 있어서, 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)은 복수의 필라멘트(7)가 개별적으로 도입되는 복수의 도입공(10-a)이 형성되고, 이들 복수의 도입공(10-a)이 단일의 통로로 합류되어 배출되는 단일의 배출공(10-b)이 형성된 것으로 이 단일의 배출공(10-b)을 통해 단일의 필라멘트(7)가 헤드블록(10) 아래에 위치한 별개로 구성된 단일의 노즐히터(11)과 단일의 노즐(17)을 통과하는 구조를 특징으로 하는 3차원 프린터 헤드.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 모델링 프로그램을 통해 3차원 형상을 모델링한 뒤, 복수의 얇은 단면 층으로 분할한 슬라이스 정보로 변환하는 제 1 단계와, 복수의 필라멘트를 복수의 압출기를 통과해 가이드튜브의 내부를 통과해 헤드블록 상단에 각각 장착시키는 제 2 단계와, 단일의 노즐히터를 이용해 단일의 노즐을 가열시키는 제 3 단계와, 노즐을 통해 첫 번째 필라멘트가 압출되어 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드 상부에 프린트되는 제 4 단계와, 두 번째 필라멘트로 교체하기 위해 헤드가 노즐 클리너 위치로 이동하는 제 5단계와, 두 번째 필라멘트가 헤드블록 내부의 배출공을 지나 노즐 내부에 투입이 되기 위해서는 첫 번째 필라멘트를 배출공내에서 제거해 주어야 하기 때문에 첫 번째 필라멘트의 맨 앞단이 배출공과 도입공을 지나 헤드블록 상단부로 후퇴해서 대기상태로 전환하는 6단계와, 노즐 내부에 남아있는 첫 번째 필라멘트 잔류물을 완전히 제거하기 위해 두 번째 필라멘트를 노즐을 통해 강제 배출해서 노즐 내부를 두 번째 필라멘트로만 채워주는 제7단계와, 노즐 외부에 붙어있는 두 번째 필라멘트 찌꺼기를 제거해 주어야만 프린트시 출력물 외관에 이물질이 형성되지 않기 때문에 노즐 클리너를 이용해 노즐 외부에서 두 번째 필라멘트 찌꺼기를 제거해 주는 제 8단계와, 노즐을 통해 두 번째 필라멘트가 압출되어 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드 상부에 프린트되는 제 9 단계와, 제 4 단계에서 제 9단계를 수행해서 베드 상부에 하나의 적층(one layer) 프린트가 완성된 제 10 단계와, 제 10 단계를 통해 제작된 제 1 적층 높이만큼 베드가 하강하여 이동하는 제 11 단계와, 제 4 단계 에서 제 11 단계를 수행한 후 제 1 적층 시트의 상부에 다음 적층 시트를 프린트하는 제 12 단계와, 첫 번째 필라멘트로 교체하기 위해 헤드가 노즐 클리너 위치로 이동하는 제 13 단계와, 첫 번째 필라멘트가 헤드블록 내부의 배출공을 지나 노즐 내부에 투입이 되기 위해서는 두 번째 필라멘트를 배출공내에서 제거해 주어야하기 때문에 두 번째 필라멘트의 맨 앞단이 배출공과 도입공을 지나 헤드블록 상단부로 후퇴해서 대기상태로 전환하는 14단계와, 노즐 내부에 남아있는 두 번째 필라멘트잔류물을 완전히 제거하기 위해 첫 번째 필라멘트를 노즐을 통해 강제 배출해서 노즐 내부를 첫 번째 필라멘트로만 채워주는 제15단계와, 노즐 외부에 붙어있는 첫 번째 필라멘트 찌꺼기를 제거해 주어야만 프린트 시 출력물 외관에 이물질이 형성되지 않기 때문에 노즐 클리너를 이용해 노즐 외부에서 첫 번째 필라멘트 찌꺼기를 제거해 주는 제 16단계와, 노즐을 통해 첫 번째 필라멘트가 압출되어 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드 상부에 프린트되는 제 17 단계와, 제작하고자 하는 조형물이 완성될 때까지 제 5 단계 및 제 17 단계를 반복 수행하는 제 18 단계를 포함하는 단일의 노즐과 단일 노즐히터를 사용해서 멀티칼라 제품성형이 가능한 3차원 프린터 장치의 구동 방법이다.
프레임(1)의 X축 이송기구(4)와 Y축 이송기구(5)에 탑재되어 XY축 방향으로 위치 조절되며 압출기(8)로부터 필라멘트가 이송 공급되어 용융상태로 배출되는 3차원 프린터용 헤드(6)에 있어서, 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)은 복수의 필라멘트(7)가 개별적으로 도입되는 복수의 도입공(10-a)이 형성되고, 이들 복수의 도입공(10-a)이 단일의 통로로 합류되어 배출되는 단일의 배출공(10-b)이 형성된 것으로 이 단일의 배출공(10-b)을 통해 단일의 필라멘트(7)가 헤드블록(10) 아래에 위치한 별개로 구성된 단일의 노즐히터(11)과 단일의 노즐(17)을 통과하는 구조를 특징으로 하는 3차원 프린터 헤드.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 모델링 프로그램을 통해 3차원 형상을 모델링한 뒤, 복수의 얇은 단면 층으로 분할한 슬라이스 정보로 변환하는 제 1 단계와, 복수의 필라멘트를 복수의 압출기를 통과해 가이드튜브의 내부를 통과해 헤드블록 상단에 각각 장착시키는 제 2 단계와, 단일의 노즐히터를 이용해 단일의 노즐을 가열시키는 제 3 단계와, 노즐을 통해 첫 번째 필라멘트가 압출되어 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드 상부에 프린트되는 제 4 단계와, 두 번째 필라멘트로 교체하기 위해 헤드가 노즐 클리너 위치로 이동하는 제 5단계와, 두 번째 필라멘트가 헤드블록 내부의 배출공을 지나 노즐 내부에 투입이 되기 위해서는 첫 번째 필라멘트를 배출공내에서 제거해 주어야 하기 때문에 첫 번째 필라멘트의 맨 앞단이 배출공과 도입공을 지나 헤드블록 상단부로 후퇴해서 대기상태로 전환하는 6단계와, 노즐 내부에 남아있는 첫 번째 필라멘트 잔류물을 완전히 제거하기 위해 두 번째 필라멘트를 노즐을 통해 강제 배출해서 노즐 내부를 두 번째 필라멘트로만 채워주는 제7단계와, 노즐 외부에 붙어있는 두 번째 필라멘트 찌꺼기를 제거해 주어야만 프린트시 출력물 외관에 이물질이 형성되지 않기 때문에 노즐 클리너를 이용해 노즐 외부에서 두 번째 필라멘트 찌꺼기를 제거해 주는 제 8단계와, 노즐을 통해 두 번째 필라멘트가 압출되어 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드 상부에 프린트되는 제 9 단계와, 제 4 단계에서 제 9단계를 수행해서 베드 상부에 하나의 적층(one layer) 프린트가 완성된 제 10 단계와, 제 10 단계를 통해 제작된 제 1 적층 높이만큼 베드가 하강하여 이동하는 제 11 단계와, 제 4 단계 에서 제 11 단계를 수행한 후 제 1 적층 시트의 상부에 다음 적층 시트를 프린트하는 제 12 단계와, 첫 번째 필라멘트로 교체하기 위해 헤드가 노즐 클리너 위치로 이동하는 제 13 단계와, 첫 번째 필라멘트가 헤드블록 내부의 배출공을 지나 노즐 내부에 투입이 되기 위해서는 두 번째 필라멘트를 배출공내에서 제거해 주어야하기 때문에 두 번째 필라멘트의 맨 앞단이 배출공과 도입공을 지나 헤드블록 상단부로 후퇴해서 대기상태로 전환하는 14단계와, 노즐 내부에 남아있는 두 번째 필라멘트잔류물을 완전히 제거하기 위해 첫 번째 필라멘트를 노즐을 통해 강제 배출해서 노즐 내부를 첫 번째 필라멘트로만 채워주는 제15단계와, 노즐 외부에 붙어있는 첫 번째 필라멘트 찌꺼기를 제거해 주어야만 프린트 시 출력물 외관에 이물질이 형성되지 않기 때문에 노즐 클리너를 이용해 노즐 외부에서 첫 번째 필라멘트 찌꺼기를 제거해 주는 제 16단계와, 노즐을 통해 첫 번째 필라멘트가 압출되어 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드 상부에 프린트되는 제 17 단계와, 제작하고자 하는 조형물이 완성될 때까지 제 5 단계 및 제 17 단계를 반복 수행하는 제 18 단계를 포함하는 단일의 노즐과 단일 노즐히터를 사용해서 멀티칼라 제품성형이 가능한 3차원 프린터 장치의 구동 방법이다.
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프레임(1)의 X축 직선이동기구(4)와 Y축 직선이동기구(5)에 탑재되어 XY축 방향으로 위치 조절되며 필라멘트 압출기(8)로부터 필라멘트가 이송 공급되어 용융상태로 배출되는 3D 프린터용 헤드(6)에 있어서, 상기 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)은 상기 복수의 필라멘트(7)가 개별적으로 도입되는 복수의 도입공(10-a)이 형성되고, 이들 복수의 도입공(10-a)이 단일의 통로로 합류되어 배출되는 단일의 배출공(10-b)이 형성된 것으로 이 단일의 배출공(10-b)을 통해 단일의 필라멘트(7)가 단일의 노즐히터(11)과 단일의 노즐(17)을 통과하는 구조를 특징으로 하는 3차원 프린터용 헤드이다.
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또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 모형화 프로그램을 통해 3차원 형상을 모형화한 뒤, 복수의 얇은 단면 층으로 분할한 슬라이스 정보로 변환하는 제1단계와, 다수의 상기 필라멘트를 다수의 상기 필라멘트 압출기를 통과해 상기 가이드튜브의 내부를 통과해 상기 헤드블록 상단에 각각 장착시키는 제2단계와, 단일의 상기 노즐히터를 이용해 단일의 상기 노즐을 가열시키는 제3단계와, 상기 노즐을 통해 첫 번째 필라멘트가 압출되어 상기 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 상기 베드 상부에 프린트되는 제4단계와, 두 번째 필라멘트로 교체하기 위해 상기 헤드가 상기 노즐클리너 위치로 이동하는 제5단계와, 상기 두 번째 필라멘트가 상기 헤드블록 내부의 상기 배출공을 지나 상기 노즐 내부에 투입되기 위해서는 상기 첫 번째 필라멘트를 상기 배출공내에서 제거해 주어야 하기 때문에 상기 첫 번째 필라멘트의 맨 앞 단이 상기 배출공과 상기 도입공을 지나 상기 헤드블록 상단부로 후퇴해서 대기상태로 전환하는 제6단계와, 상기 노즐 내부에 남아있는 상기 첫 번째 필라멘트 잔류물을 완전히 제거하기 위해 상기 두 번째 필라멘트를 노즐을 통해 강제 배출해서 상기 노즐 내부를 두 번째 필라멘트로만 채워주는 제7단계와, 상기 노즐 외부에 붙어있는 상기 두 번째 필라멘트 찌꺼기를 제거해 주어야만 프린트시 출력물 외관에 이물질이 형성되지 않기 때문에 상기 노즐클리너를 이용해 상기 노즐 외부에서 상기 두 번째 필라멘트 찌꺼기를 제거해 주는 제8단계와, 상기 노즐을 통해 상기 두 번째 필라멘트가 압출되어 상기 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드 상부에 프린트되는 제9단계와, 상기 제4단계에서 제9단계를 수행해서 베드 상부에 하나의 적층(one layer) 프린트가 완성된 제10단계와, 상기 제10단계를 통해 제작된 제1 적층 높이만큼 상기 베드가 하강하여 이동하는 제11단계와, 상기 제4단계에서 제11단계를 수행한 후 상기 제1 적층 시트의 상부에 다음 적층 시트를 프린트하는 제12단계와, 상기 첫 번째 필라멘트로 교체하기 위해 상기 헤드가 상기 노즐 클리너 위치로 이동하는 제13단계와, 상기 첫 번째 필라멘트가 상기 헤드블록 내부의 상기 배출공을 지나 상기 노즐 내부에 투입되기 위해서는 상기 두 번째 필라멘트를 상기 배출공 내에서 제거해 주어야 하기 때문에 상기 두 번째 필라멘트의 맨 앞 단이 상기 배출공과 상기 도입공을 지나 상기 헤드블록 상단부로 후퇴해서 대기상태로 전환하는 제14단계와, 상기 노즐 내부에 남아있는 상기 두 번째 필라멘트잔류물을 완전히 제거하기 위해 상기 첫 번째 필라멘트를 노즐을 통해 강제 배출해서 상기 노즐 내부를 첫 번째 필라멘트로만 채워주는 제15단계와, 상기 노즐 외부에 붙어있는 상기 첫 번째 필라멘트 찌꺼기를 제거해 주어야만 프린트 시 출력물 외관에 이물질이 형성되지 않기 때문에 상기 노즐클리너를 이용해 상기 노즐 외부에서 상기 첫 번째 필라멘트 찌꺼기를 제거해 주는 제16단계와, 상기 노즐을 통해 상기 첫 번째 필라멘트가 압출되어 상기 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드 상부에 프린트되는 제17단계와, 제작하고자 하는 조형물이 완성될 때까지 상기 제5단계 및 제17단계를 반복 수행하는 제18단계를 포함하는 단일의 상기 노즐과 단일 상기 노즐히터를 사용해서 멀티컬러 제품성형이 가능한 3D 프린터 장치의 구동 방법이다.
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본 발명에 따르면, 열가소성 필라멘트소재를 사용하여 용융 및 적층 하는 3D 프린터에서 복수의 필라멘트 압출기(8)를 구비하고, 상기 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)은 상기 복수의 필라멘트(7)가 개별적으로 도입되는 복수의 도입공(10-a)이 형성되고, 이들 복수의 도입공(10-a)이 단일의 통로로 합류되어 배출되는 단일의 배출공(10-b)이 형성된 것으로 이 단일의 배출공(10-b)을 통해 단일의 필라멘트(7)가 단일의 노즐히터(11)과 단일의 노즐(17)을 통과하는 구조를 되어 있어, 복수의 필라멘트(7)를 다른 색상의 필라멘트소재로 사용하는 경우에 멀티컬러를 구현할 수 있는 새로운 3D 프린터가 제공된다.
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도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 압출기와 단일헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터장치의 외관도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터의 내부 구조를 나타내 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터의 구성 원리를 나타내는 개략도.
도 4는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 구성도와 A-A 부분 단면도.
도 5는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)의 내부구조를 나타내는 A-A 부분 단면도.
도 6은 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 조립된 단면으로 필라멘트(7)가 번갈아 작동하는 원리를 나타내는 원리도.
도 7는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일의 노즐과 단일의 노즐히터를 사용해서 멀티칼라 제품성형이 가능한 3차원 프린터 장치의 구동방법을 도시한 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터의 내부 구조를 나타내 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터의 구성 원리를 나타내는 개략도.
도 4는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 구성도와 A-A 부분 단면도.
도 5는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)의 내부구조를 나타내는 A-A 부분 단면도.
도 6은 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 조립된 단면으로 필라멘트(7)가 번갈아 작동하는 원리를 나타내는 원리도.
도 7는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일의 노즐과 단일의 노즐히터를 사용해서 멀티칼라 제품성형이 가능한 3차원 프린터 장치의 구동방법을 도시한 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명한다. 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위는 이들 실시 예에만 한정되는 것은 아니다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터장치의 외관도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터의 내부 구조를 나타내 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터 의 구성 원리를 나타내는 개략도이고, 도 4는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 구성도와 A-A 부분 단면도이고, 도 5는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)의 내부구조를 나타내는 A-A 부분 단면도이고, 도 6은 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 조립된 단면으로 필라멘트(7)가 번갈아 작동하는 원리를 나타내는 원리도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 대략 직육면체 형태의 프레임(1)의 상부에 리니어 가이드(4-a)를 따라 X축 방향을 따라 왕복 슬라이드 되는 리니어 블록(4-b)을 포함하는 X축 이송기구(4)와, 이 X축 이송기구(4)의 일측에 형성되는 리니어 가이드(5-a)을 따라 Y축 방향으로 왕복 슬라이드 되는 리니어 블록(5-b)을 포함하는 Y축 이송기구(5)를 포함한다. 이러한 X 및 Y축 직선운동기구는 예시적인 것으로서 그 형태와 방식은 다양하게 변경될 수 있다. 그리고 이 리니어 블록(4-b)에는 본 발명에 따른 헤드(6)가 장착된다.
그리고 이 헤드(6)의 하부에는 수직 설치된 샤프트(15)와 이 샤프트(15)를 따라 승강 되는 리니어베어링을 포함하는 승강블록(14)과 이 승강블록(14)의 Z축 이송을 위한 Z축 이송기구(16)가 구비된다. 그리고 성형물이 성형되는 베드(2)가 승강블록(14)에 장착되어 승강된다. 도시된 실시 예에서는 헤드(6)가 XY축 방향으로 평면상에서 수평 이동되고, 베드(2)가 승강블록(14)을 따라 Z축 방향으로 수직 이동되는 것으로 설명되었으나, 이와 달리 헤드(6)과 베드(2)의 위치가 3차원적으로 위치 조절될 수 있는 다른 방법이 채택될 수 있음은 물론이다. 예를 들어 베드(2)가 아니라 헤드(6)가 승강될 수도 있고, 또한 베드(2)가 수평 이동될 수도 있을 것이다.
그리고 프레임(1)의 일측에는 와이어형태의 필라멘트(7)를 전진 이송시키는 복수개의 압출기 (8)가 구비된다. 열가소성 필라멘트로는 대표적으로 PLA, PVC, ABS, PPS수지를 예로 들 수 있으나, 이들 수지 외에도 적합한 물성을 가진 다른 수지 또는 신소재가 사용될 수 있다. 이들 압출기(8)에는 모터(8-a)가 구비되어, 프레임(1)의 일측에 병렬 배치되는 복수개의 필라멘트 공급릴(13)로부터 공급되는 각각의 필라멘트(7)를 전진 이송시킨다. 이 압출기(8)의 후단에는 이들 필라멘트(7)의 이송을 유도하는 필라멘트 가이드튜브(9)가 배치된다. 압출기(8)와 필라멘트 공급릴(13)의 설치위치는 적절하게 변경될 수 있다. XYZ축 이동기구 와 압출기(8)는 성형할 물체의 3차원데이터에 따라서 컨트롤러(3)의 제어에 의해 개별적으로 작동된다.
한편 압출기(8)의 필라멘트 가이드튜브(9)는 프레임(1) 상부의 X축 이송기구(4)에 탑재된 헤드블록(10)으로 연결된다. 이 헤드블록(10)은 도 5에 도시된 바와 같이, 복수개의 필라멘트(7)가 개별적으로 공급되는 복수개의 도입공(10-a)과, 이들 도입공(10-a)이 단일의 통로로 합류되어 배출되는 단일의 배출공(10-b) 이 형성되어 있다. 그리고 이들 각각의 도입공(10-a)을 통해 공급되는 각각의 필라멘트(7)는 컨트롤러(3)의 제어에 따라 압출기(8)를 개별적으로 제어함으로써 선택적으로 공급되어 배출공(10-b)으로 투입된다.
배출공(10-b)으로 투입된 하나의 필라멘트(7)는 헤드블록(10) 아래에 위치한 노즐히터(11)에 의해 충분하고 적절한 정도로 가열되어 노즐(17)을 통해 배출되면서 베드(2) 상에 3차원의 성형물을 순차적으로 적층하여 성형하게 된다.
이러한 구조에 따라 서로 다른 압출기(8)를 통해 서로 다른 칼라의 필라멘트(7)를 공급한다면 컨트롤러(3)의 제어에 따라 성형부위별로 서로 다른 칼라의 제품을 연속적으로 성형할 수가 있으며, 이와 같이 서로 다른 칼라의 성형재료의 이음매가 없이 매끄러운 멀티칼라의 성형품을 달성할 수 있다. 따라서 이음매 부위에서 발생될 수 있는 부착력의 저하나 재료의 분리 또는 구조적 일체성의 약화나 외관 품질의 저하를 방지할 수 있다. 그리고 만일 서로 다른 압출기(8)에서 재료의 용융과 적층성형에 영향을 주지 않는 범위 내에서 물성이나 기능을 달리하는 서로 다른 필라멘트(7) 소재를 이송 공급한다면 기능성이 우수한 복합재료 성형품을 달성할 수 있을 것이다.
도시된 실시 예에서는 2가지의 필라멘트(7)가 2개의 필라멘트 공급릴(13)과 2개의 압출기(8)를 통해 공급 이송되는 것으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로서 2가지 이상의 필라멘트(7)가 2개 이상의 압출기(8) 및 2가지 이상의 필라멘트 공급릴(13)을 통해 공급되고 이송될 수 있음은 물론이다.
한편, 도 7를 참고하면 본 발명에 의한 단일의 노즐 과 단일의 노즐히터를 사용해서 멀티칼라 제품성형이 가능한 3차원 프린터 장치의 구동방법은, 모델링 프로그램을 통해 3차원 형상을 모델링한 뒤, 복수의 얇은 단면 층으로 분할한 슬라이스 정보로 변환하는 제 1 단계와(S1),
이때, 모델링 프로그램은 오토캐드, 3D 맥스, 솔리드웍스, 카티아, 스케치업, 마야, 인벤토, 프로엔지니어 등을 포함하는 3차원 모델링 프로그램이 가능하다. 3차원 모델링 프로그램으로 조형물의 3차원 형상을 모 델링하고, 이를 STL 파일로 변환한 뒤 슬라이스 작업을 하고, 이를 3차원 프린터가 인식할 수 있는 G-Code로 변환한다.
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복수의 필라멘트(7)를 복수의 압출기(8)를 통과해 필라멘트 가이드튜브(9)의 내부를 통과해 헤드블록(10) 상단에 각각 장착시키는 제 2 단계와(S2),
단일의 노즐히터(11)를 이용해 단일의 노즐(17)을 가열시키는 제 3 단계와(S3),
제 3 단계에서 가열된 노즐(17)을 통해 첫 번째 필라멘트(7-a)가 압출되어 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드(2) 상부에 프린트되는 제 4 단계와(S4),
제 4 단계가 완료되면 두 번째 필라멘트(7-b)로 교체하기위해 헤드(6)가 노즐 클리너(12) 위치로 이동하는 제 5단계와 (S5),
제 5 단계가 완료되면 두 번째 필라멘트(7-b)가 헤드블록(10) 내부의 배출공(10-b)을 지나 노즐(17) 내부에 투입이 되기 위해서는 첫 번째 필라멘트(7-a)를 배출공(10-b)내에서 제거해 주어야 하기 때문에 첫 번째 필라멘트(7-a)의 맨 앞단이 배출공(10-b)과 도입공(10-a)을 지나 헤드블록(10) 상단부로 후퇴해서 대기상태로 전환하는 6단계와 (S6),
제 6 단계가 완료되면 노즐(17)내부에 남아있는 첫 번째 필라멘트(7-a) 잔류물을 완전히 제거하기 위해 두 번째 필라멘트(7-b)를 노즐을 통해 강제 배출해서 노즐(17) 내부를 두 번째 필라멘트로(7-b)만 채워주는 제7단계와(S7),
제 7 단계가 완료되면 노즐(17) 외부에 붙어있는 두 번째 필라멘트(7-b) 찌꺼기를 제거해 주어야만 프린트시 출력물 외관에 이물질이 형성되지 않기 때문에 노즐 클리너(12)를 이용해 노즐(17) 외부에서 두 번째 필라멘트(7-b) 찌꺼기를 제거해 주는 제 8단계와 (S8),
제 3 단계에서 가열된 노즐(17)을 통해 두 번째 필라멘트(7-b)가 압출되어 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드(2) 상부에 프린트되는 제 9 단계와 (S9),
제 4 단계에서 제 9단계를 수행해서 베드(2) 상부에 하나의 적층(one layer) 프린트가 완성된 제 10 단계와 (S10),
제 10 단계를 통해 제작된 제 1 적층 높이만큼 베드(2)가 하강하여 이동하는 제 11 단계와 (S11),
제 4 단계 에서 제 11 단계를 수행한 후 제 1 적층 시트의 상부에 다음 적층 시트를 프린트하는 제 12 단계와(S12),
제 12 단계가 완료되면 첫 번째 필라멘트(7-a)로 교체하기위해 헤드(6)가 노즐 클리너(12) 위치로 이동하는 제 13단계와 (S13),
제 13 단계가 완료되면 첫 번째 필라멘트(7-a)가 헤드블록(10) 내부의 배출공(10-b)을 지나 노즐(17) 내부에 투입이 되기 위해서는 두 번째 필라멘트(7-b)를 배출공(10-b)내에서 제거해 주어야 하기 때문에 두 번째 필라멘트(7-b)의 맨 앞단이 배출공(10-b)과 도입공(10-a)을 지나 헤드블록(10) 상단부로 후퇴해서 대기상태로 전환하는 14단계와(S14),
제 14 단계가 완료되면 노즐(17)내부에 남아있는 두 번째 필라멘트(7-b) 잔류물을 완전히 제거하기 위해 첫 번째 필라멘트(7-a)를 노즐을 통해 강제 배출해서 노즐(17) 내부를 첫 번째 필라멘트로(7-a)만 채워주는 제15단계와(S15),
제 15 단계가 완료되면 노즐(17) 외부에 붙어있는 첫 번째 필라멘트(7-a) 찌꺼기를 제거해 주어야만 프린트 시 출력물 외관에 이물질이 형성되지 않기 때문에 노즐 클리너(12)를 이용해 노즐(17) 외부에서 첫 번째 필라멘트(7-a) 찌꺼기를 제거해 주는 제 16단계와 (S16),
제 3 단계에서 가열된 노즐(17)을 통해 첫 번째 필라멘트(7-a)가 압출되어 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드(2) 상부에 프린트되는 제 17 단계와(S17),
제작하고자 하는 조형물이 완성될 때까지 제 5 단계 및 제 17 단계를 반복 수행하는 제 18 단계(S18)를 완료하여 조형물이 완성된다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터장치의 외관도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 복수의 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터의 내부 구조를 나타내 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터 의 구성 원리를 나타내는 개략도이고, 도 4는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 구성도와 A-A 부분 단면도이고, 도 5는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)의 내부구조를 나타내는 A-A 부분 단면도이고, 도 6은 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 조립된 단면으로 필라멘트(7)가 번갈아 작동하는 원리를 나타내는 원리도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 대략 직육면체 형태의 프레임(1)의 상부에 리니어 가이드(4-a)를 따라 X축 방향을 따라 왕복 슬라이드 되는 리니어 블록(4-b)을 포함하는 X축 이송기구(4)와, 이 X축 이송기구(4)의 일측에 형성되는 리니어 가이드(5-a)을 따라 Y축 방향으로 왕복 슬라이드 되는 리니어 블록(5-b)을 포함하는 Y축 이송기구(5)를 포함한다. 이러한 X 및 Y축 직선운동기구는 예시적인 것으로서 그 형태와 방식은 다양하게 변경될 수 있다. 그리고 이 리니어 블록(4-b)에는 본 발명에 따른 헤드(6)가 장착된다.
그리고 이 헤드(6)의 하부에는 수직 설치된 샤프트(15)와 이 샤프트(15)를 따라 승강 되는 리니어베어링을 포함하는 승강블록(14)과 이 승강블록(14)의 Z축 이송을 위한 Z축 이송기구(16)가 구비된다. 그리고 성형물이 성형되는 베드(2)가 승강블록(14)에 장착되어 승강된다. 도시된 실시 예에서는 헤드(6)가 XY축 방향으로 평면상에서 수평 이동되고, 베드(2)가 승강블록(14)을 따라 Z축 방향으로 수직 이동되는 것으로 설명되었으나, 이와 달리 헤드(6)과 베드(2)의 위치가 3차원적으로 위치 조절될 수 있는 다른 방법이 채택될 수 있음은 물론이다. 예를 들어 베드(2)가 아니라 헤드(6)가 승강될 수도 있고, 또한 베드(2)가 수평 이동될 수도 있을 것이다.
그리고 프레임(1)의 일측에는 와이어형태의 필라멘트(7)를 전진 이송시키는 복수개의 압출기 (8)가 구비된다. 열가소성 필라멘트로는 대표적으로 PLA, PVC, ABS, PPS수지를 예로 들 수 있으나, 이들 수지 외에도 적합한 물성을 가진 다른 수지 또는 신소재가 사용될 수 있다. 이들 압출기(8)에는 모터(8-a)가 구비되어, 프레임(1)의 일측에 병렬 배치되는 복수개의 필라멘트 공급릴(13)로부터 공급되는 각각의 필라멘트(7)를 전진 이송시킨다. 이 압출기(8)의 후단에는 이들 필라멘트(7)의 이송을 유도하는 필라멘트 가이드튜브(9)가 배치된다. 압출기(8)와 필라멘트 공급릴(13)의 설치위치는 적절하게 변경될 수 있다. XYZ축 이동기구 와 압출기(8)는 성형할 물체의 3차원데이터에 따라서 컨트롤러(3)의 제어에 의해 개별적으로 작동된다.
한편 압출기(8)의 필라멘트 가이드튜브(9)는 프레임(1) 상부의 X축 이송기구(4)에 탑재된 헤드블록(10)으로 연결된다. 이 헤드블록(10)은 도 5에 도시된 바와 같이, 복수개의 필라멘트(7)가 개별적으로 공급되는 복수개의 도입공(10-a)과, 이들 도입공(10-a)이 단일의 통로로 합류되어 배출되는 단일의 배출공(10-b) 이 형성되어 있다. 그리고 이들 각각의 도입공(10-a)을 통해 공급되는 각각의 필라멘트(7)는 컨트롤러(3)의 제어에 따라 압출기(8)를 개별적으로 제어함으로써 선택적으로 공급되어 배출공(10-b)으로 투입된다.
배출공(10-b)으로 투입된 하나의 필라멘트(7)는 헤드블록(10) 아래에 위치한 노즐히터(11)에 의해 충분하고 적절한 정도로 가열되어 노즐(17)을 통해 배출되면서 베드(2) 상에 3차원의 성형물을 순차적으로 적층하여 성형하게 된다.
이러한 구조에 따라 서로 다른 압출기(8)를 통해 서로 다른 칼라의 필라멘트(7)를 공급한다면 컨트롤러(3)의 제어에 따라 성형부위별로 서로 다른 칼라의 제품을 연속적으로 성형할 수가 있으며, 이와 같이 서로 다른 칼라의 성형재료의 이음매가 없이 매끄러운 멀티칼라의 성형품을 달성할 수 있다. 따라서 이음매 부위에서 발생될 수 있는 부착력의 저하나 재료의 분리 또는 구조적 일체성의 약화나 외관 품질의 저하를 방지할 수 있다. 그리고 만일 서로 다른 압출기(8)에서 재료의 용융과 적층성형에 영향을 주지 않는 범위 내에서 물성이나 기능을 달리하는 서로 다른 필라멘트(7) 소재를 이송 공급한다면 기능성이 우수한 복합재료 성형품을 달성할 수 있을 것이다.
도시된 실시 예에서는 2가지의 필라멘트(7)가 2개의 필라멘트 공급릴(13)과 2개의 압출기(8)를 통해 공급 이송되는 것으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로서 2가지 이상의 필라멘트(7)가 2개 이상의 압출기(8) 및 2가지 이상의 필라멘트 공급릴(13)을 통해 공급되고 이송될 수 있음은 물론이다.
한편, 도 7를 참고하면 본 발명에 의한 단일의 노즐 과 단일의 노즐히터를 사용해서 멀티칼라 제품성형이 가능한 3차원 프린터 장치의 구동방법은, 모델링 프로그램을 통해 3차원 형상을 모델링한 뒤, 복수의 얇은 단면 층으로 분할한 슬라이스 정보로 변환하는 제 1 단계와(S1),
이때, 모델링 프로그램은 오토캐드, 3D 맥스, 솔리드웍스, 카티아, 스케치업, 마야, 인벤토, 프로엔지니어 등을 포함하는 3차원 모델링 프로그램이 가능하다. 3차원 모델링 프로그램으로 조형물의 3차원 형상을 모 델링하고, 이를 STL 파일로 변환한 뒤 슬라이스 작업을 하고, 이를 3차원 프린터가 인식할 수 있는 G-Code로 변환한다.
,
복수의 필라멘트(7)를 복수의 압출기(8)를 통과해 필라멘트 가이드튜브(9)의 내부를 통과해 헤드블록(10) 상단에 각각 장착시키는 제 2 단계와(S2),
단일의 노즐히터(11)를 이용해 단일의 노즐(17)을 가열시키는 제 3 단계와(S3),
제 3 단계에서 가열된 노즐(17)을 통해 첫 번째 필라멘트(7-a)가 압출되어 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드(2) 상부에 프린트되는 제 4 단계와(S4),
제 4 단계가 완료되면 두 번째 필라멘트(7-b)로 교체하기위해 헤드(6)가 노즐 클리너(12) 위치로 이동하는 제 5단계와 (S5),
제 5 단계가 완료되면 두 번째 필라멘트(7-b)가 헤드블록(10) 내부의 배출공(10-b)을 지나 노즐(17) 내부에 투입이 되기 위해서는 첫 번째 필라멘트(7-a)를 배출공(10-b)내에서 제거해 주어야 하기 때문에 첫 번째 필라멘트(7-a)의 맨 앞단이 배출공(10-b)과 도입공(10-a)을 지나 헤드블록(10) 상단부로 후퇴해서 대기상태로 전환하는 6단계와 (S6),
제 6 단계가 완료되면 노즐(17)내부에 남아있는 첫 번째 필라멘트(7-a) 잔류물을 완전히 제거하기 위해 두 번째 필라멘트(7-b)를 노즐을 통해 강제 배출해서 노즐(17) 내부를 두 번째 필라멘트로(7-b)만 채워주는 제7단계와(S7),
제 7 단계가 완료되면 노즐(17) 외부에 붙어있는 두 번째 필라멘트(7-b) 찌꺼기를 제거해 주어야만 프린트시 출력물 외관에 이물질이 형성되지 않기 때문에 노즐 클리너(12)를 이용해 노즐(17) 외부에서 두 번째 필라멘트(7-b) 찌꺼기를 제거해 주는 제 8단계와 (S8),
제 3 단계에서 가열된 노즐(17)을 통해 두 번째 필라멘트(7-b)가 압출되어 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드(2) 상부에 프린트되는 제 9 단계와 (S9),
제 4 단계에서 제 9단계를 수행해서 베드(2) 상부에 하나의 적층(one layer) 프린트가 완성된 제 10 단계와 (S10),
제 10 단계를 통해 제작된 제 1 적층 높이만큼 베드(2)가 하강하여 이동하는 제 11 단계와 (S11),
제 4 단계 에서 제 11 단계를 수행한 후 제 1 적층 시트의 상부에 다음 적층 시트를 프린트하는 제 12 단계와(S12),
제 12 단계가 완료되면 첫 번째 필라멘트(7-a)로 교체하기위해 헤드(6)가 노즐 클리너(12) 위치로 이동하는 제 13단계와 (S13),
제 13 단계가 완료되면 첫 번째 필라멘트(7-a)가 헤드블록(10) 내부의 배출공(10-b)을 지나 노즐(17) 내부에 투입이 되기 위해서는 두 번째 필라멘트(7-b)를 배출공(10-b)내에서 제거해 주어야 하기 때문에 두 번째 필라멘트(7-b)의 맨 앞단이 배출공(10-b)과 도입공(10-a)을 지나 헤드블록(10) 상단부로 후퇴해서 대기상태로 전환하는 14단계와(S14),
제 14 단계가 완료되면 노즐(17)내부에 남아있는 두 번째 필라멘트(7-b) 잔류물을 완전히 제거하기 위해 첫 번째 필라멘트(7-a)를 노즐을 통해 강제 배출해서 노즐(17) 내부를 첫 번째 필라멘트로(7-a)만 채워주는 제15단계와(S15),
제 15 단계가 완료되면 노즐(17) 외부에 붙어있는 첫 번째 필라멘트(7-a) 찌꺼기를 제거해 주어야만 프린트 시 출력물 외관에 이물질이 형성되지 않기 때문에 노즐 클리너(12)를 이용해 노즐(17) 외부에서 첫 번째 필라멘트(7-a) 찌꺼기를 제거해 주는 제 16단계와 (S16),
제 3 단계에서 가열된 노즐(17)을 통해 첫 번째 필라멘트(7-a)가 압출되어 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드(2) 상부에 프린트되는 제 17 단계와(S17),
제작하고자 하는 조형물이 완성될 때까지 제 5 단계 및 제 17 단계를 반복 수행하는 제 18 단계(S18)를 완료하여 조형물이 완성된다.
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이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 필라멘트 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터장치의 외관도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 필라멘트 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터의 내부 구조를 나타내 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 복수의 필라멘트 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐클리너로 이루어진 3차원 프린터의 구성 원리를 나타내는 개략도이고, 도 4는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 구성도와 A-A 부분 단면도이고, 도 5는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)의 내부구조를 나타내는 A-A 부분 단면도이고, 도 6은 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 조립된 단면으로 필라멘트(7)가 번갈아 작동하는 원리를 나타내는 원리도이다.
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그리고 프레임(1)의 한쪽에는 철사형태의 열가소성 필라멘트(7)를 전진이송시키는 복수의 필라멘트 압출기 (8)가 구비된다. 열가소성 필라멘트로는 대표적으로 PLA, PVC, ABS, PPS 수지를 예로 들 수 있으나, 이들 수지 외에도 적합한 물성을 가진 다른 수지 또는 신소재가 사용될 수 있다. 이들 복수의 필라멘트 압출기(8)에는 모터(8-a)가 구비되어, 프레임(1)의 한쪽에 병렬 배치되는 복수의 필라멘트공급릴(13)로 부터 공급되는 각각의 필라멘트(7)를 전진 이송시킨다. 이 필라멘트 압출기(8)의 후단에는 이들 필라멘트(7)의 이송을 유도하는 가이드튜브(9)가 배치된다. 필라멘트 압출기(8)와 필라멘트 공급릴(13)의 설치위치는 적절하게 변경될 수 있다. 상기 XYZ축 직선이동기구와 필라멘트 압출기(8)는 성형할 물체의 3D데이터에 따라서 컨트롤러(3)의 제어에 의해 개별적으로 작동된다.
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도시된 실시 예에서는 2가지의 필라멘트(7)가 2개의 필라멘트 공급릴(13)과 2개의 필라멘트 압출기(8)를 통해 공급 이송되는 것으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로서 2가지 이상의 필라멘트(7)가 2개 이상의 필라멘트압출기(8) 및 2가지 이상의 필라멘트공급릴(13)을 통해 공급되고 이송될 수 있음은 물론이다.
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한편, 도 7을 참고하면 본 발명에 의한 단일의 노즐과 단일의 노즐히터를 사용해서 멀티컬러 제품성형이 가능한 3차원 프린터의 구동방법은, 모형화 프로그램을 통해 3차원 형상을 모형화한 뒤, 복수의 얇은 단면 층으로 분할한 슬라이스 정보로 변환하는 제1단계와(S1),
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이때, 상기 모형화 프로그램은 오토캐드, 3D 맥스, 솔리드웍스, 카티아, 스케치업, 마야, 인벤토, 프로엔지니어 등을 포함하는 3차원 모형화 프로그램이 가능하다. 상기 3차원 모형화 프로그램으로 조형물의 3차원 형상을 모형화하고, 이를 STL 파일로 변환한 뒤 슬라이스 작업을 하고, 이를 3차원 프린터가 인식할 수 있는 G-Code로 변환한다.,
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복수의 상기 필라멘트(7)를 상기 복수의 필라멘트 압출기(8)를 통과해 상기 가이드튜브(9)의 내부를 통과해 상기 헤드블록(10) 상단에 각각 장착시키는 제2단계와(S2),
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상기 제7단계가 완료되면 상기 노즐(17) 외부에 붙어있는 상기 두 번째 필라멘트(7-b) 찌꺼기를 제거해 주어야만 프린트시 출력물 외관에 이물질이 형성되지 않기 때문에 상기 노즐클리너(12)를 이용해 상기 노즐(17) 외부에서 상기 두 번째 필라멘트(7-b) 찌꺼기를 제거해 주는 제8단계와 (S8),
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상기 제15단계가 완료되면 상기 노즐(17) 외부에 붙어있는 상기 첫 번째 필라멘트(7-a) 찌꺼기를 제거해 주어야만 프린트 시 출력물 외관에 이물질이 형성되지 않기 때문에 상기 노즐클리너(12)를 이용해 상기 노즐(17) 외부에서 상기 첫 번째 필라멘트(7-a) 찌꺼기를 제거해 주는 제16단계와 (S16),
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도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 필라멘트 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터장치의 외관도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 필라멘트 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터의 내부 구조를 나타내 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 필라멘트 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터의 구성 원리를 나타내는 개략도.
도 4는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 구성도와 A-A 부분 단면도.
도 5는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)의 내부구조를 나타내는 A-A 부분 단면도.
도 6은 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 조립된 단면으로 필라멘트(7)가 번갈아 작동하는 원리를 나타내는 원리도.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일의 노즐과 단일의 노즐히터를 사용해서 멀티컬러 제품성형이 가능한 3차원 프린터의 구동방법을 도시한 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 필라멘트 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터의 내부 구조를 나타내 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 필라멘트 압출기와 단일 헤드블록, 단일 노즐히터와 단일 노즐 및 노즐 클리너로 이루어진 3차원 프린터의 구성 원리를 나타내는 개략도.
도 4는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 구성도와 A-A 부분 단면도.
도 5는 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)의 내부구조를 나타내는 A-A 부분 단면도.
도 6은 헤드(6)에 설치되는 헤드블록(10)과 노즐히터(11)와 노즐(17)의 조립된 단면으로 필라멘트(7)가 번갈아 작동하는 원리를 나타내는 원리도.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일의 노즐과 단일의 노즐히터를 사용해서 멀티컬러 제품성형이 가능한 3차원 프린터의 구동방법을 도시한 순서도.
1. 프레임
2. 베드
3. 컨트롤러
4. X축 이송기구
4-a : 리니어 가이드
4-b : 리니어 블록
5. Y축 이송기구
5-a : 리니어 가이드
5-b : 리니어 블록
6. 헤드
7. 필라멘트
7-a : 첫 번째 필라멘트
7-b : 두 번째 필라멘트
8. 필라멘트 압출기
8-a : 모터
9. 필라멘트 가이드튜브
10. 헤드블록
10-a : 도입공
10-b : 배출공
11. 노즐히터
12. 노즐 클리너
13. 필라멘트 공급릴
14. 승강블록
15. 샤프트
16. Z축 이송기구
17. 노즐
18. 히터가이드튜브
2. 베드
3. 컨트롤러
4. X축 이송기구
4-a : 리니어 가이드
4-b : 리니어 블록
5. Y축 이송기구
5-a : 리니어 가이드
5-b : 리니어 블록
6. 헤드
7. 필라멘트
7-a : 첫 번째 필라멘트
7-b : 두 번째 필라멘트
8. 필라멘트 압출기
8-a : 모터
9. 필라멘트 가이드튜브
10. 헤드블록
10-a : 도입공
10-b : 배출공
11. 노즐히터
12. 노즐 클리너
13. 필라멘트 공급릴
14. 승강블록
15. 샤프트
16. Z축 이송기구
17. 노즐
18. 히터가이드튜브
1. 프레임
2. 베드
3. 컨트롤러
4. X축 이송기구
4-a : 리니어 가이드
4-b : 리니어 블록
5. Y축 이송기구
5-a : 리니어 가이드
5-b : 리니어 블록
6. 헤드
7. 필라멘트
7-a : 첫 번째 필라멘트
7-b : 두 번째 필라멘트
8. 압출기
8-a : 모터
9. 필라멘트 가이드튜브
10. 헤드블록
10-a : 도입공
10-b : 배출공
11. 노즐히터
12. 노즐 클리너
13. 필라멘트 공급릴
14. 승강블록
15. 샤프트
16. Z축 이송기구
17. 노즐
18. 히터가이드튜브
2. 베드
3. 컨트롤러
4. X축 이송기구
4-a : 리니어 가이드
4-b : 리니어 블록
5. Y축 이송기구
5-a : 리니어 가이드
5-b : 리니어 블록
6. 헤드
7. 필라멘트
7-a : 첫 번째 필라멘트
7-b : 두 번째 필라멘트
8. 압출기
8-a : 모터
9. 필라멘트 가이드튜브
10. 헤드블록
10-a : 도입공
10-b : 배출공
11. 노즐히터
12. 노즐 클리너
13. 필라멘트 공급릴
14. 승강블록
15. 샤프트
16. Z축 이송기구
17. 노즐
18. 히터가이드튜브
Claims (5)
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- 복수의 필라멘트가 개별적으로 도입되는 복수의 도입공이 형성되고, 이들 복수의 도입공이 단일의 통로로 합류되어 배출되는 단일의 배출공이 형성됨에 따라 상기 단일의 배출공을 통해 복수의 필라멘트중 선택된 단일의 필라멘트가 단일노즐 히터와 단일노즐을 통과하는 프린터 헤드블록 및 노즐클리너를 갖춘 3D 프린터의 구동방법에 있어서
모형화 프로그램을 통해 3차원 형상을 모형화한 뒤, 복수의 얇은 단면 층으로 분할한 슬라이스 정보로 변환하는 제1단계와,
복수의 상기 필라멘트(7)를 복수의 상기 필라멘트 압출기(8)를 통과해 가이드튜브(9)의 내부를 통과해 상기 헤드블록(10) 상단에 각각 장착시키는 제2단계와,
단일의 상기 노즐히터(11)를 이용해 단일의 상기 노즐(17)을 가열시키는 제3단계와,
상기 제3단계에서 가열된 상기 노즐(17)을 통해 첫 번째 필라멘트(7-a)가 압출되어 상기 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드(2) 상부에 프린트되는 제4단계와,
상기 제4단계가 완료되면 두 번째 필라멘트(7-b)로 교체하기 위해 헤드(6)가 상기 노즐 클리너(12) 위치로 이동하는 제5단계와,
상기 제5단계가 완료되면 상기 두 번째 필라멘트(7-b)가 상기 헤드블록(10) 내부의 상기 배출공(10-b)을 지나 상기 노즐(17) 내부에 투입되기 위해, 상기 첫 번째 필라멘트(7-a)의 맨 앞 단이 상기 배출공(10-b)과 상기 도입공(10-a)을 지나 상기 헤드블록(10) 상단부로 후퇴해서 대기상태로 전환하는 제6단계와,
상기 제6단계가 완료되면 상기 노즐(17) 내부에 남아있는 상기 첫 번째 필라멘트(7-a) 잔류물을 완전히 제거하기 위해 상기 두 번째 필라멘트(7-b)를 노즐을 통해 강제 배출해서 상기 노즐(17) 내부를 두 번째 필라멘트로(7-b)만 채워주는 제7단계와,
상기 제7단계가 완료되면 상기 노즐(17) 외부에 붙어있는 상기 두 번째 필라멘트(7-b) 찌꺼기를 제거하여 프린트시 출력물 외관에 이물질이 형성되지 않도록 하기 위해 상기 노즐클리너(12)를 이용해 상기 노즐(17) 외부에서 상기 두 번째 필라멘트(7-b) 찌꺼기를 제거해 주는 제8단계와,
상기 가열된 상기 노즐(17)을 통해 상기 두 번째 필라멘트(7-b)가 압출되어 상기 슬라이스 정보에 따라 정해 영역의 라인만큼 베드(2) 상부에 프린트되는 제9단계와,
상기 제4단계에서 제9단계까지를 수행하여 베드(2) 상부에 하나의 적층(one layer) 프린트가 완성된 제10단계와,
상기 제10단계를 통해 제작된 제1적층 높이만큼 상기 베드(2)가 하강하여 이동하는 제11단계와,
프린트과정중에 다시 첫번째 필라멘트가 요구되면, 상기 첫 번째 필라멘트(7-a)로 교체하기 위해 상기 헤드(6)가 상기 노즐 클리너(12) 위치로 이동하는 제12단계와,
상기 제12단계가 완료되면 상기 첫 번째 필라멘트(7-a)가 상기 헤드블록(10) 내부의 상기 배출공(10-b)을 지나 상기 노즐(17) 내부에 투입되기 위해, 상기 두 번째 필라멘트(7-b)의 맨 앞 단이 상기 배출공(10-b)과 상기 도입공(10-a)을 지나 상기 헤드블록(10) 상단부로 후퇴해서 대기상태로 전환하는 제13단계와,
상기 제13단계가 완료되면 상기 노즐(17) 내부에 남아있는 상기 두 번째 필라멘트(7-b) 잔류물을 완전히 제거하기 위해 상기 첫 번째 필라멘트(7-a)를 노즐을 통해 강제 배출해서 상기 노즐(17) 내부를 첫 번째 필라멘트로(7-a)만 채워주는 제14단계와,
상기 제14단계가 완료되면 상기 노즐(17) 외부에 붙어있는 상기 첫 번째 필라멘트(7-a) 찌꺼기를 제거하여 프린트 시 출력물 외관에 이물질이 형성되는 것을 방지하기 위해 상기 노즐클리너(12)를 이용해 상기 첫 번째 필라멘트(7-a) 찌꺼기를 제거해 주는 제15단계와,
상기 가열된 상기 노즐(17)을 통해 상기 첫 번째 필라멘트(7-a)가 압출되어 상기 슬라이스 정보에 따라 정해진 영역의 라인만큼 베드(2) 상부에 프린트되는 제16단계와,
제작하고자 하는 조형물이 완성될 때까지 상기 제5단계 및 제17단계를 반복 수행하는 제17단계를 포함하는 단일노즐과 단일 노즐히터를 적용하여 멀티컬러 제품성형이 가능한 3D 프린터 구동 방법
- 제 4 항에 있어서,
상기 복수의 필라멘트 압출기(8)는, 적어도 2개 이상으로 구성되어 적어도 2개 이상의 재료 및 적어도 2개 이상의 색상을 각각 공급하는 단일노즐과 단일 노즐히터를 적용하여 멀티컬러 제품성형이 가능한 3D 프린터 구동 방법
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