KR101679194B1

KR101679194B1 - 다색 3d 프린터의 필라멘트 공급장치

Info

Publication number: KR101679194B1
Application number: KR1020150058822A
Authority: KR
Inventors: 김호찬
Original assignee: 안동대학교 산학협력단
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2016-11-24
Also published as: KR20160127425A

Abstract

다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치에 관한 것으로,
복수의 필라멘트를 지지하는 고정프레임; 상기 고정프레임의 상부에 전후방향으로 이동 가능하게 설치되는 이동프레임; 상기 고정프레임의 내부 하부 중앙에 설치되어 필라멘트를 공급 이송하는 이송유니트; 상기 이동프레임의 하부에 설치되어 복수의 필라멘트 중에서 선택된 필라멘트를 가압하는 가압유니트; 이동프레임의 하단 일측에 설치되어 필라멘트를 절단하는 커터; 이동프레임의 일측에 설치되어 공급할 필라멘트를 용융하는 용융노즐;을 포함하는 기술 구성을 통하여
고정프레임에 지지된 복수의 필라멘트 중에 선택된 필라멘트를 안정적으로 공급할 수 있게 되는 것이다.

Description

다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치 { MULTI COLOR 3D PRINTER }

본 발명은 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치에 관한 것으로, 더 자세하게는 복수의 필러멘트를 사용하는 다색 3D 프린터에서 각 필러멘트를 효율적으로 공급할 수 있도록 한 것에 관한 것이다.

일반적으로 3D 프린터는 캐드시스템과 같은 소프트웨어를 통해 모델링된 3차원 형상을 복수의 얇은 단면 층으로 분할한 슬라이스 데이터로 변경한 후에 이를 사용하여 판형 시트를 조형하고, 이를 적층하여 제품을 완성한다.

상기 3D 프린터는 석고나 금속파우더 등의 이용하는 방식 및 광경화성 플라스틱을 녹인 레진을 사용하는 방식, 그리고 열가소성 플라스틱의 필라멘트를 사용하는 방식이 있다.

본 발명은 특히 열가소성 플라스틱 재질의 필라멘트를 사용하는 방식의 3D 프린터에 관계한다.

상기 필라멘트 방식의 3D 프린터는 열가소성 수지인 필라멘트를 압출하여 적층하며 조형하는 방식으로, 압출기의 공급기를 통해 필라멘트를 공급하면 공급된 필라멘트는 필라멘트를 녹일 수 있는 온도로 가열된 노즐을 통해 액체상태로 압출되어 한 층씩 적층된다.

이러한 3D 프린터의 압출기는 하나의 공급기에 하나의 노즐로 구성되어 다양한 재료의 사용, 다양한 색의 구현, 노즐의 직경을 변경하는 것이 한계가 있다는 문제점이 있었다.

그러나 최근에 복수의 필라멘트를 선택적으로 사용하여 다색의 제품을 생산할 수 있도록 하는 다색 3D 프린터가 개발되었다.

하기의 특허문헌 1에는 멀티 공급기와 회전형 멀티 노즐로 구성된 압출기로 이루어진 3차원 프린터 장치 및 그 구동방법이 개시되어 있다.

특허문헌 1의 3차원 프린터 장치는 3차원 프린터의 외관을 형성하는 본체; 하나의 모터로 제어되며 복수의 필라멘트를 수용하는 멀티 공급기; 상기 멀티 공급기를 통해 공급된 필라멘트를 하기 회전형 멀티 노즐로 이동시키기 위하여, 상기 멀티 공급기와 하기 회전형 멀티 노즐을 연결하는 튜브; 상기 멀티 공급기를 통해 공급된 필라멘트를 분사하기 위한 회전형 멀티 노즐; 상기 회전형 멀티 노즐 일측에는 상기 회전형 멀티 노즐을 X축으로 이송가능하게 설치되는 X축 이송부; 상기 회전형 멀티 노즐이 설치된 X축 이송부를 Y축으로 이송가능하게 설치되는 Y축 이송부; 상기 회전형 멀티 노즐에서 필라멘트가 분사되어 적층되는 조형물이 부착되는 베드; 베드를 상하로 이송가능하게 지지하는 베드 이송부; 를 포함한다.

하기의 특허문헌 2에는 멀티칼라 제품성형이 가능한 3D 프린터가 개시되어 있다.

특허문헌 2의 3D 프린터는 프레임의 상부에 배치되는 X직선이동기구와 Y직선이동기구에 탑재되어 XY방향으로 위치조절되는 히터노즐; 상기 히터노즐에 대하여 상대적으로 Z방향으로 위치조절되는 Z직선운동기구에 탑재되는 작업대; 상기 프레임의 일측에 배치되며 와이어형태로 된 복수개의 열가소성 필라멘트를 상기 히터노즐로 각각 이송하는 복수개의 필라멘트이송부;를 포함하고, 상기 히터노즐이 상기 복수개의 필라멘트가 개별적으로 도입되는 복수개의 도입공이 형성된 노즐바디; 이들 복수개의 도입공이 단일의 통로로 합류되어 배출되는 단일의 배출공이 형성된 노즐헤드; 상기 히터노즐의 XYZ상의 위치조절과 상기 복수개의 필라멘트이송부의 이송동작을 개별적으로 제어하는 콘트롤러;를 포함한다.

대한민국 등록특허공보 제10-1430582호 (2014년 08월 08일 공고) 대한민국 등록특허공보 제10-1346704호 (2013년 12월 24일 공고)

그러나 특허문헌 1 및 특허문헌 2를 포함한 종래 기술에 따른 다색 3D 프린터의 필러멘트 공급장치는 소요부품이 많아 제작이 번거롭고, 작동이 불안정하여 필라멘트를 안정적으로 공급하지 못하게 되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 복수의 필라멘트를 사용하는 다색 3D 프린터에 복수의 필라멘트 중에서 선택된 필라멘트를 보다 안정적으로 공급할 수 있도록 하는 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치를 제공하는 데에 있는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치는 복수의 필라멘트를 지지하는 고정프레임; 상기 고정프레임의 상부에 전후방향으로 이동 가능하게 설치되는 이동프레임; 상기 고정프레임의 내부 하부 중앙에 설치되어 필라멘트를 공급 이송하는 이송유니트; 상기 이동프레임의 하부에 설치되어 복수의 필라멘트 중에서 선택된 필라멘트를 가압하는 가압유니트; 이송프레임의 하단 일측에 설치되어 필라멘트를 절단하는 커터; 이송프레임의 일측에 설치되어 공급할 필라멘트를 용융하는 용융노즐;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치는 상기 고정프레임의 일측에 절단된 필라멘트를 회수할 수 있도록 하는 회수통이 마련된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치는 상기 고정프레임에 가압공간부가 마련되고, 가압공간부의 내부 상단 양측에 전후방향으로 복수의 돌출부가 마련된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치는 상기 가압공간부의 내부 일측에 요입홈이 마련되고, 요입홈에 필라멘트를 탄성 지지하는 지지스프링과 지지부재가 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치는 상기 이송유니트가 회전축; 회전축에 설치되고, 각 필라멘트의 하부에 위치되는 복수의 이송롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치는 상기 가압유니트가 상기 이동프레임의 하부에 설치되는 가압실린더; 가압실린더의 실린더본체와 고정프레임 사이에 설치되어 가압실린더의 피스톤을 탄성 지지하는 지지스프링; 가압실린더의 피스톤 하단에 마련되는 가압롤러 장착블록의 하부 양측에 설치되어 필라멘트를 가압하는 가압롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치에 의하면, 전후방향으로 이동되는 이동프레임에 마련된 가압장치를 통해 고정프레임에 지지된 복수의 필라멘트 중에서 공급하고자 하는 필라멘트를 선택할 수 있게 한 후 고정프레임의 이송유니트를 통해 안정적으로 공급할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치에 의하면, 적은 수의 부품으로 간편하게 제작할 수 있게 되고, 고장의 우려 없이 각 필라멘트를 안정적으로 공급할 수 있게 되어 다색 3D 프린터의 상품성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치가 적용된 다색 3D 프린터의 사시도,
도 2는 동 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치의 평면도,
도 3a 및 도 3b은 동 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치의 종단면도,
도 4a, 도 4b, 도 4c는 동 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치의 고정프레임의 요부 단면도,
도 5는 동 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치의 용융노즐의 종단면도.

이하 본 발명에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.

도 1a 및 도 1b은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치가 적용된 다색 3D 프린터의 사시도이다.

본 발명에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치(100)는 도 1a와 같이 다색 3D 프린터 본체의 스테이지 상부에서 이동되는 방식으로 장착될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치(100)는 도 1b와 같이 다색 3D 프린터 본체에 착탈 가능하게 장착되는 방식으로 장착될 수 있다.

도 1b와 같이 3D 프린터의 필라멘트 공급장치(100)를 다색 3D 프린터 본체에 착탈 가능하게 장착하는 경우 3D 프린터의 필라멘트 공급장치(100)의 관성저항을 감소시킬 수 있으므로 다색 3D 프린터 본체의 스테이지 구동부를 경량화할 수 있게 되고, 프린팅의 정밀도를 높일 수 있게 된다

도 2는 동 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치의 평면도이고, 도 3a 및 도 3b은 동 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치의 종단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치(100)는 고정프레임(110), 이동프레임(120), 이송유니트(130), 가압유니트(140), 커터(150), 용융노즐(160)를 포함한다.

고정프레임(110)은 복수의 필라멘트(F)를 지지하기 위한 것으로, 상단에 전후방향으로 복수의 필라멘트 가이드구멍(111)이 마련된다.

상기 고정프레임(110)의 일측에는 절단된 필라멘트(F)를 회수할 수 있도록 하는 회수통(112)이 마련된다.

도 4a, 도 4b, 도 4c는 동 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치의 고정프레임의 요부 단면도이다.

상기 고정프레임(110)에는 후술할 가압유니트(140)의 가압롤러(143)가 내장되는 가압공간부(113)가 마련되고, 가압공간부(113)의 내부 양측의 각 필라멘트 가이드구멍(111)이 형성되고, 가압유니트의 상부면과 미끄럼되는 부분인 고정프레임(120)의내부 상단면에는 필라멘트가 배치되는 위치마다 상단면에서 하측방향으로 돌출부(114)가 마련되고 돌출부(114)의 전방부위와 후방부위에는 경사면(114a)이 형성되고 상기 전방부위와 후방부위에는 수평의 상단면이 형성된다.

다시 설명하면, 상기 고정프레임(110) 내측 상단면의 형상은 돌출부(114), 경사면(114a), 상단면, 경사면(114a), 돌출부(114) 순으로 연속적으로 형성된다.

또한, 상기 가압공간부(113)의 내부 일측 각 필라멘트 가이드구멍(111)의 하부에는 요입홈(115)이 마련되고, 요입홈(115)에 필라멘트(F)를 탄성 지지하는 지지스프링(116)과 지지부재(117)가 설치된다.

따라서 각 필라멘트 가이드구멍(111)에 삽입 설치된 필라멘트(F)는 지지스프링(116)의 탄성력이 작용하는 지지부재(117)에 의해 각 필라멘트 가이드구멍(111)의 상단쪽으로 밀착되어 흘러내리지 않게 된다.

이동프레임(120)은 가압유니트(140) 및 용융노즐(160)을 좌우방향으로 이동하기 위한 것으로, 상기 고정프레임(110)의 상부에 전후방향으로 이동 가능하게 설치된다.

이동프레임(120)은 일측 하부와 타측 상부에 이송가이드 접속구멍(121)이 마련된다.

이송유니트(130)는 필라멘트(F)를 공급 이송하기 위한 것으로, 상기 고정프레임(110)의 내부 하부 중앙에 설치된다.

상기 이송유니트(130)는 회전축(131); 회전축(131)에 설치되고 각 필라멘트(F)의 하부에 위치되는 복수의 이송롤러(132);를 포함한다.

가압유니트(140)는 복수의 필라멘트(F) 중에서 선택된 필라멘트(F)를 이송롤러(130)에 가압 접촉시킬 수 있도록 하는 것으로, 상기 이동프레임(120)의 하부에 설치된다.

상기 가압유니트(140)는 상기 이동프레임(120)의 하부에 설치되는 가압실린더(141); 가압실린더(141)의 실린더본체(141a)와 고정프레임(110) 사이에 설치되어 가압실린더(141)의 피스톤(141b)을 탄성 지지하는 지지스프링(142); 가압실린더(141)의 피스톤(141b) 하단에 마련되는 가압롤러 장착블록(141c)의 하부 양측에 설치되어 필라멘트(F)를 가압하는 가압롤러(143);를 포함한다.

커터(150)는 필라멘트(F)를 절단하기 위한 것으로, 이동프레임(120)의 하단 일측에 설치된다.

용융노즐(160)은 공급할 필라멘트(F)를 용융하기 위한 것으로, 이동프레임(120)의 일측에 설치된다.

도 5는 동 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치의 용융노즐의 종단면도이다.

상기 용융노즐(160)은 본체(161); 본체(161) 내부에 설치되는 전열튜브(162)를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치(100)는 고정프레임(110)의 상단에 설치된 복수의 필라멘트(F) 중에서 선택된 필라멘트(F)를 용융하여 제품이 성형되는 베드로 공급한다.

즉, 리니어모터 등의 수평이동수단(미도시)를 통해 전후방향으로 이송되는 이동프레임(120)을 통해 가압유니트(140)를 복수의 필라멘트(F) 중에서 공급하고자 하는 필라멘트(F)의 상부에 위치시키게 되면 가압유니트(140)의 가압롤러(142)가 해당 필라멘트(F)의 상단을 가압하게 되고, 그에 따라 해당 필라멘트(F)의 하단이 이송롤러(132)에 접촉된다.

상기와 같이 가압유니트(140)가 이동된 상태에서 이송유니트(130)의 회전축(131) 및 이송롤러(132)가 회전 작동되면 해당 필라멘트(F)는 용융노즐(160) 쪽으로 이송되고, 용융노즐 본체(161) 내부의 전열튜브(162)에 의해 용융되어 베드에서 적층된다.

상기에서 해당 필라멘트(F)를 통한 적층이 완료되면 이동프레임(120)의 하단 일측에 설치된 커터(150)가 작동하여 해당 필라멘트(F)를 절단하게 되고, 절단된 용융노즐(160) 쪽의 필라멘트(F)는 고정프레임(110)의 일측 마련된 회수통(112)으로 낙하한다.

한편, 다른 필라멘트(F)를 공급할 때에는 이동프레임(120) 및 가압유니트(140)가 전방 또는 후방으로 이송된다.

도 4a 같은 필라멘트(F)의 가압 상태에서 이동프레임(120) 및 가압유니트(140)가 해당 필라멘트(F)를 벗어나 다른 필라멘트(F)로 이송되는 과정에서는 도 4b와 같이 가압롤러 장착블록(141c)의 상단면이 해당 필라멘트(F)와 대응되는 고정프레임(110)의 해당 돌출부(114)로부터 벗어나 경사면(114a), 상단면으로 이동되므로 도 3b와 같이 지지스프링(142)의 탄성력을 통해 피스톤(141b) 및 가압롤러 장착블록(141c)이 상승하게 되고, 그에 따라 가압롤러(142)가 해당 필라멘트(F)에서 분리된다.

또한, 상기 이동프레임(120) 및 가압유니트(140)가 상단면, 경사면(114a)을 거쳐 돌출부(114)인 다른 필라멘트(F) 상부로 이동되는 때에는 도 4c와 같이 가압롤러 장착블록(141c)의 상단면이 다른 필라멘트(F)와 대응되는 고정프레임(110)의 다른 돌출부(114)에 위치되면서 피스톤(141b) 및 가압롤러 장착블록(141c)이 하강하게 되고, 그에 따라 가압롤러(142)가 다른 필라멘트(F)를 가압하게 된다.

이처럼 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치(100)는 가압유니트(140)를 전후방향으로 이동시켜 복수의 필라멘트(F) 중의 어느 하나의 필라멘트(F)를 선택적으로 공급할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치(100)에 있어서 용융노즐(160)에 복수의 필라멘트(F) 중의 두 개 이상을 필요한 만큼 순차 투입 절단하게 되면 용융노즐(160)에 투입된 두 개 이상의 필라멘트(F)가 용융되는 과정에서 혼색되어 토출됨으로써 보다 다양한 색상을 용융 필라멘트(F)를 공급할 수 있게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

100 : 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치
110 : 고정프레임
120 : 이동프레임
130 : 이송유니트
140 : 가압유니트
150 : 커터
160 : 용융노즐

Claims

복수의 필라멘트(F)를 지지하는 고정프레임(110);
상기 고정프레임(110)의 상부에 전후방향으로 이동 가능하게 설치되는 이동프레임(120);
상기 고정프레임(110)의 내부 하부 중앙에 설치되어 필라멘트(F)를 공급 이송하는 이송유니트(130);
상기 이동프레임(120)의 하부에 설치되어 복수의 필라멘트(F) 중에서 선택된 필라멘트(F)를 가압하는 가압유니트(140);
이동프레임(120)의 하단 일측에 설치되어 필라멘트(F)를 절단하는 커터(150);
이동프레임(120)의 일측에 설치되어 공급할 필라멘트(F)를 용융하는 용융노즐(160);을 포함하고,
상기 고정프레임(110)에 가압공간부(113)가 마련되고, 가압공간부(113)의 내부 상단면에 필라멘트(F)에 대응되는 위치에 돌출부(114), 경사면(114a), 상단면, 경사면(114a), 돌출부(114) 순으로 연속적으로 배열 형성되고, 가압유니트(140)가 돌출부(114) 위치에서는 필라멘트(F)를 가압시키고, 가압유니트(140)가 상단면 위치에서는 필라멘트(F)를 가압하지 않는 것을 특징으로 하는 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치.
제1항에 있어서,
상기 고정프레임(110)의 일측에 절단된 필라멘트(F)를 회수할 수 있도록 하는 회수통(112)이 마련된 것을 특징으로 하는 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 가압공간부(113)의 내부 일측에 요입홈(115)이 마련되고, 요입홈(115)에 필라멘트(F)를 탄성 지지하는 지지스프링(116)과 지지부재(117)가 설치된 것을 특징으로 하는 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치.
제1항에 있어서,
상기 이송유니트(130)는
회전축(131);
회전축(131)에 설치되고, 각 필라멘트(F)의 하부에 위치되는 복수의 이송롤러(132);를 포함하는 것을 특징으로 하는 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치.
제1항에 있어서,
상기 가압유니트(140)는
상기 이동프레임(120)의 하부에 설치되는 가압실린더(141);
가압실린더(141)의 실린더본체(141a)와 고정프레임(110) 사이에 설치되어 가압실린더(141)의 피스톤(141b)을 탄성 지지하는 지지스프링(142);
가압실린더(141)의 피스톤(141b) 하단에 마련되는 가압롤러 장착블록(141c)의 하부 양측에 설치되어 필라멘트(F)를 가압하는 가압롤러(143);를 포함하는 것을 특징으로 하는 다색 3D 프린터의 필라멘트 공급장치.