KR101682599B1

KR101682599B1 - 3d 프린터의 필라멘트 자동 투입 및 제거 방법

Info

Publication number: KR101682599B1
Application number: KR1020140064188A
Authority: KR
Inventors: 이명술; 이학규
Original assignee: 주식회사 쓰리디스퀘어; 이학규
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2017-01-13
Also published as: KR20150137153A

Abstract

본 발명은 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입 및 제거 방법에 관한 것으로, 그 방법은 피더 전단에 필라멘트 존재 유무 센서를 구비하고, 피더에 필라멘트의 이송거리 및 이송속도를 측정하기 위한 엔코더 휠과 엔코더 센서를 구비한 것을 특징으로 하는 3D 프린터에 있어서, 필라멘트 유무 감지센서 상태, 필라멘트 유무 플래그 상태 및 필라멘트 제거명령 여부를 체크하여 필라멘트 투입동작 또는 필라멘트 제거동작이 필요한지를 판단하는 제1과정; 필라멘트 투입동작이 시작되면 엔코더 데이터를 측정하여 필라멘트의 이송거리 및 속도를 체크하면서 히터노즐을 가열하고 모터를 구동하여 필라멘트를 녹여서 노즐 밖까지 밀어내는 제2과정; 필라멘트 제거동작이 시작되면 엔코더 데이터를 측정하여 필라멘트의 이송거리 및 속도를 체크하면서 히터노즐을 가열하고 모터를 구동하여 필라멘트를 녹여서 피더 전단까지 밀어내는 제3과정; 을 포함하여 구성한다.
이에 따라, 필라멘트를 히터노즐에 투입하기 위해서 사용자는 필라멘트를 투입구까지만 밀어 넣는 단순한 작업만 취함으로써, 별도의 키 조작 또는 컴퓨터 명령을 주거나, 히터노즐이 가열될 때까지 기다리거나, 양손을 사용해야 하는 불편함을 제거하는 효과를 제공하며, 필라멘트를 히터노즐까지 밀어 넣는 양을 가늠해야하는 어려움을 제거하는 효과를 제공한다.

Description

3D 프린터의 필라멘트 자동 투입 및 제거 방법{a method for automatic loading and unloading of filament in 3D printer}

본 발명은 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 필라멘트 투입구에 필라멘트를 삽입하면 센서를 통하여 이를 감지하고 모터를 구동하여 필라멘트를 자동으로 노즐까지 이송시키며, 키 조작 또는 컴퓨터를 통하여 필라멘트 제거 명령을 입력하면 모터를 구동하여 노즐에 삽입되어 있는 필라멘트를 필라멘트 투입까지 자동으로 배출시키기 위한 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 방법에 관한 것이다.

일반적으로 3차원의 입체 형상을 가진 시제품(Prototype)을 제작하기 위해서는 도면에 의존하여 수작업에 의해 이루어지는 목합 제작방식과 CNC 밀링에 의한 제작방식 등이 있다. 그러나, 목합 제작방식은 수작업에 의하므로 정교한 수치제어가 어렵고 많은 시간이 소요되며, CNC 밀링에 의한 제작방식은 정교한 수치제어가 가능하지만 공구간섭에 의하여 가공하기 어려운 형상이 많다. 따라서, 최근에는 제품의 디자이너 및 설계자가 만들어낸 3차원 모델링에서 생성된 데이터를 저장한 컴퓨터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린터 방식이 등장하게 되었다.

이러한 3차원 프린터 방식에는 경화성 수지에 레이저 광선을 주사하여 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 SLA(StereoLithograhhic Apparatus)와, SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속분말을 사용하며 레이저 광선을 주사하여 고결(固結)시켜 성형하는 원리를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering)와, 접착제가 칠해져 있는 종이를 원하는 단면으로 레이져 광선을 이용하여 절단하여 한층씩 적층하여 성형하는 LOM(Laminated Object Manufacturing)과, 잉크젯(Ink-Jet) 프린터 기술을 이용한 BPM(Ballistic Particle Manufacturing)과 가열된 노즐을 사용 조형 재료를 녹여 층층히 쌓아올려 조형하는 FDM(Fused deposition modeling)방식 등이 있다.

도 1은 FDM 3D 프린터의 구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 구성을 통해 FDM 방식 3D 프린터의 필라멘트 공급 경로의 도시한 개략도이다. 먼저, 도 1 내지 2를 참조하여 FDM 3D 프린터의 구성 및 동작을 살펴보면, 필라멘트(32)를 녹여서 분사시키는 히터노즐(10)과, 이송로(50)를 따라서 스풀(30)에서 히터노즐(10)까지 필라멘트(32)를 이송시키는 피더(40)와, 히터노즐(10)을 탑재하고 이동시키기 위한 캐리어(2)와, 히터노즐(10)에서 분사된 필라멘트(32)가 자연 경화되면서 형성되는 출력물을 적재하기 위한 배드(20)와, 배드(20) 상에 출력물의 형상을 구현하기 위하여 히터노즐(10)을 탑재한 캐리어(2)를 해당 인쇄위치로 이동시키기 위한 X축, Y축, Z축 구동부로 구성된다.

한편, X축, Y축, Z축 구동부는 모터로부터 발생한 동력을 캐리어(2) 및 배드(20)에 전달하여 상기 히터노즐을 해당 인쇄위치로 이동시키도록 구성된다.

도 2에 도시된 바와 같이 스풀(30)에 감겨져 있는 필라멘트(32)는 피더(40)의 동작에 의해 이송경로(50)를 따라서 히터노즐(10)까지 이송되는데, 이때, 상기 피더(40)는 모터(도면 미도시)에 연결되어 있는 피드롤러(42), 아이들롤러(44) 및 양쪽 롤러간에 힘을 가하기 위한 스프링 부재(46)가 구성될 수 있다. 모터의 구동에 따라 피드롤러(42)가 회전하게 되고, 스프링 장력과 작용으로 인한 마찰력이 발생되어 필라멘트를 이송하게 된다.

한편, 히터노즐(10)에 주입된 필라멘트(32)는 히터의 열에 의해 액체로 되어 히터노즐 밖으로 분사된 후 상온에서 경화되어 배드(20)에 적재됨으로써 프린팅 과정을 진행하게 된다. 이때, 히터노즐(10)에는 노즐에 열을 가하기 위한 히터(14)와 노즐에 발생한 온도를 읽어서 온도 제어에 필요한 정보를 주기 위한 온도센서(12)가 구비되어 일정한 온도를 유지할 수 있다.

도 3은 종래의 FDM 방식의 3D 프린터의 필라멘트 투입/제거 방법을 설명하는 개략도이며, 필라멘트(32)을 투입할 경우는 별도의 키 조작이나 컴퓨터 명령을 통해서 히터노즐(10)에 필라멘트(32)가 녹을 수 있는 정도의 열이 가해질 때까지 기다린 후 한 손으로 릴리즈레버(60)를 눌러서 피드롤러(42)와 아이들롤러(44)를 이격시킨 상태에서 다른 한 손으로 필라멘트(32)를 히터노즐(10)까지 밀어 넣은 후 릴리즈레버(60)에서 손을 뗀다.

한편, 히터노즐(10)에 투입되어 있는 필라멘트(32)를 제거할 경우는 별도의 키 조작이나 컴퓨터 명령을 통해서 히터노즐(10)에 필라멘트(32)가 녹을 수 있는 정도의 열이 가해질 때까지 기다린 후 한 손으로 릴리즈레버(60)를 눌러서 피드롤러(42)와 아이들롤러(44)를 이격시킨 상태에서 다른 한 손으로 필라멘트(32)가 히터노즐(10)에서 빠져나올 때까지 필라멘트(32)를 잡아당긴다.

이상과 같은 종래의 기술에서는 필라멘트(32)를 투입/제거시 사용자는 별도의 키 조작이나 컴퓨터 명령을 통해서 히터노즐(10)에 열을 가하는 동작을 해야 하고 히터노즐(10)에 적당한 열이 가해질 때까지 기다려야 하는 불편함이 있다.

또한, 릴리즈레버(60)를 누르고 필라멘트(32) 밀어넣거나 잡아당기기 위하여 양손을 사용해야 하는 불편함이 있다.

또한, 필라멘트(32)를 투입시 필라멘트(32)를 밀어넣는 길이를 가늠하기 어려운 불편함이 있다.

또한, 필라멘트(32)를 투입/제거 동작을 반복할 경우 릴리즈레버(60)를 누룰때 가해지는 힘이 프린터에 전달되어 변형에 의한 성능 저하의 우려가 있다.

1. 3차원 검사장치 일체형 스크린 프린터(Screen printer having 3D inspection device) (출원번호 제10-2010-0015349호) 2. 3차원 프린터(THREE-DIMENSIONAL PRINTER) (출원번호 제10-2012-7012134호) 3. 3차원 프린터(Three-Dimensional Printer) (출원번호 제10-2008-0019551호)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 필라멘트 투입구를 통해서 필라멘트를 피더까지만 밀어 넣으면 이를 자동으로 감지하고 모터에 연결된 피더를 통하여 필라멘트를 히터노즐 밖까지 자동으로 밀어내는 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 히터노즐에 투입되어 있는 필라멘트를 제거하기 위해서는 단 한번의 키 조작이나 컴퓨터 명령만으로 모터에 연결된 피더를 통하여 필라멘트를 히터노즐에서 피더 전단까지 자동으로 밀어내기 위한 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입 및 제거 방법을 제공하기 위한 것이다

그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 장치는 스풀에 감겨져 있는 필라멘트를 히터노즐까지 경로를 가이드하기 위해 일측은 필라멘트를 투입을 위한 투입구, 타 일측은 히터노즐에 연결되는 필라멘트 이송로와, 필라멘트 이송로 중간에서 필라멘트를 이송시키기 위해 모터와 연결되어 회전하는 피드롤러와 피드롤러 방향으로 힘을 제공하는 아이들롤러 및 스프링 부재를 포함하는 피더와, 필라멘트를 녹여서 분사시키기 위해 열을 가하는 위한 히터와 온도를 체크하여 온도제어에 필요한 정보를 제공하는 온도 센서를 포함하는 히터노즐과, 출력물의 형상을 구현하기 위해 히터노즐을 탑재하고 해당 인쇄위치로 이동시키기는 캐리어와, 히터노즐에서 분사된 필라멘트가 자연 경화되면서 형성되는 출력물을 적재하기 위한 배드와, 캐리어 및 배드에 구동력을 제공하는 X축, Y축, Z축 구동부를 포함하는 FDM 3D 프린터에 있어서, 필라멘트가 상기 피드롤러와 상기 아이들롤러 사이를 통과할 때 필라멘트와 아이들롤러 사이의 마찰력에 의해 회전하는 아이들 롤러에 연결되어 회전하는 엔코더롤러; 상기 엔코더롤러와 동축으로 결합된 엔코더 휠; 상기 엔코더 휠의 회전을 감지하여 펄스를 발생하는 엔코더 센서;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피드롤러와 상기 아이들롤러 사이에 상기 필라멘트가 존재하지 않고 모터만 회전할 경우에도 아이들 롤러가 회전하는 것을 방지하기 위하여 상기 피드롤러와 상기 아이들롤러 사이에 필라멘트의 직경보다 작은 캡을 유지하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피더의 전단에 구비되어 필라멘트 이송로 상에 필라멘트의 존재여부를 감지하는 필라멘트 유무 감지센서를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 장치는 필라멘트 투입구를 통해서 필라멘트가 피더까지 투입되면 피더 전단에 설치된 필라멘트 유무 감지센서가 이를 감지하여 모터를 정방향으로 구동하고 필라멘트가 녹을 정도로 히터노즐을 가열하여 필라멘트를 히터노즐 밖으로 배출시키는 자동 투입동작을 실행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 장치는 필라멘트가 히터노즐에 투입되어 있는 상태에서 키 조작이나 컴퓨터로부터 필라멘트 제거 명령을 받으면 필라멘트가 녹을 정도로 히터노즐을 가열하고 모터를 역방향으로 구동하여 필라멘트를 피더 전단 까지 밀어내는 자동 제거동작을 실행하는 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 장치 방법은, 필라멘트 투입 및 제거동작이 시작되면 변수를 초기화하고 필라멘트 유무 감지센서 상태, 필라멘트 유무 플래그 상태 및 필라멘트 제거명령 여부를 체크하여 필라멘트 투입동작 또는 필라멘트 제거동작이 필요한지를 판단하는 제 1 과정; 필라멘트 투입동작이 시작되면 엔코더 데이터를 측정하여 필라멘트의 이송거리 및 속도를 체크하면서 히터노즐을 가열하고 모터를 구동하여 필라멘트를 녹여서 노즐 밖까지 밀어내는 제 2 과정; 및 필라멘트 제거동작이 시작되면 엔코더 데이터를 측정하여 필라멘트의 이송거리 및 속도를 체크하면서 히터노즐을 가열하고 모터를 구동하여 필라멘트를 녹여서 피더 전단까지 밀어내는 제 3 과정;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 방법은, 제 1 과정에 있어서, 필라멘트 유무 감지센서가 ON 상태에서 필라멘트 유무플래그가 설정(SET) 되어있지 않으면 필라멘트가 투입되어 있지 않은 상태이므로 필라멘트 투입동작을 시작하는 단계; 필라멘트 유무 플래그가 설정(SET) 되어 있으면 필라멘트가 이미 투입되어 있는 상태이므로 필라멘트 제거명령의 입력 여부를 확인하여 제거명령이 있으면 필라멘트 제거동작을 시작하는 단계; 및 제거명령이 없으면 초기단계로 회귀하는 단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 방법은, 제 2 과정에 있어서, 필라멘트 투입동작이 시작되면 엔코더 데이터를 측정하여 필라멘트의 이송거리 및 속도를 체크하면서, 필라멘트를 피터롤러와 아이들 롤러 사이에 삽입시키기 위하여 모터를 저속으로 구동하여 필라멘트를 피더 후단까지 1차 정방향 피딩시키는 단계; 필라멘트를 히터노즐까지 이송시키기 위하여 모터를 고속 또는 정속으로 구동하여 필라멘트를 히터노즐까지 2차 정방향 피딩시키는 단계; 필라멘트를 녹이기 위해 히터를 ON시키는 단계; 및 필라멘트르 히터노즐 밖으로 밀어내기 위해 모터를 정속으로 구동하여 필라멘트를 일정한 길이만큼 3차 정방향 피딩시키는 단계;를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 방법은, 제 3 과정에 있어서, 필라멘트 제거동작이 시작되면 필라멘트를 녹이기 위해 히터를 ON시키는 단계; 필라멘트를 히터노즐로부터 이탈시키기 위하여 엔코더 데이터를 측정하여 필라멘트의 이송거리 및 속도를 체크하면서 모터를 저속으로 구동하여 필라멘트를 히터노즐 전단까지 1차 역방향 피딩시키는 단계; 절전 및 안전을 위해 히터를 OFF시키는 단계; 필라멘트를 피더 전단까지 이송시키기 위해 모터를 고속 또는 정속으로 구동하여 필라멘트를 2차 역방향 피딩시키는 단계; 필라멘트 유무 감지센서가 OFF될 때까지 기다리는 단계; 및 필라멘트가 히터노즐에서 제거되었다는 것을 표시하기 위해 필라멘트 유무 플래그가 CLEAR 시키는 단계;를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 방법은, 필라멘트를 히터노즐에 투입하기 위해서 사용자는 필라멘트를 투입구까지만 밀어 넣는 단순한 작업만 취함으로써, 별도의 키 조작 또는 컴퓨터 명령을 주거나, 히터노즐이 가열될 때까지 기다리거나, 양손을 사용해야 하는 불편함을 제거하는 효과를 제공하며, 필라멘트를 히터노즐까지 밀어 넣는 양을 가늠해야하는 어려움을 제거하는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 방법은 히터노즐에 투입되어 있는 필라멘트를 제거하기 위해서 사용자는 히터노즐이 가열될 때 까지 기다리거나, 릴리즈레버 및 필라멘트에 손을 댈 필요 없이 단 한번의 키 조작이나 컴퓨터 명령만 주는 작업만으로 필라멘트 제거 동작이 완료되는 사용자의 편의성을 제공하는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 방법은 필라멘트 제거 및 투입시 릴리즈레버의 작동이 불필요하므로 릴리즈 레버에 가해지는 힘이 프린터 전체에 전달되어 프린터 성능저하의 우려를 배제할 수 있다

도 1은 일반적인 FDM 3D 프린터의 구성을 도시한 사시도
도 2는 일반적인 FDM 방식 3D 프린터의 필라멘트 공급 경로를 도시한 개략도
도 3은 종래의 FDM 방식의 3D 프린터의 필라멘트 투입/제거 장치를 도시한 개략도
도 4는 본 발명에 따른 FDM 3D 프린터의 필라멘트 투입/제거 장치의 구성을 도시한 계략도
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 FDM 3D 프린터의 필라멘트 투입/제거 방법을 도시한 흐름도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 FDM 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입/제거 장치의 구성을 도시한 것으로서, 필라멘트 이송로(50), 피더(40), 히터노즐(10), 엔코더 휠(62), 엔코더 센서(64), 필라멘트 유무 감지센서(70)를 포함하여 프로그램화된 알고리즘에 의해 동작되도록 구성된다.

그 세부구성 및 동작을 살펴보면, 스풀(30)에서 히터노즐(10)사이에 필라멘트(32)의 경로를 가이드 하기 위한 필라멘트 이송로(50)가 설치되고, 즉, 필라멘트 이송로(50)의 한쪽 끝은 필라멘트(32)를 투입하기 위한 투입구이며, 다른 한쪽은 필라멘트(32)를 열을 가해 녹여서 분사하는 히터노즐(10)로 구성된다.

또한, 상기 히터노즐(10)은 히터노즐에 열을 가하기 위한 히터(14)와 히터노즐의 온도를 체크하여 온도제어에 필요한 정보를 제공하기 위한 온도센서(12)가 구비되며, 필라멘트 이송로(50) 중간에 필라멘트(32)를 사이에 두고 모터(도면 미도시)와 연결되어 필라멘트(32)를 이송시키기 위한 피드롤러(42)가 위치하고, 필라멘트(32)와 피드롤러(42) 사이에 마찰력을 발생시키기 위하여 필라멘트에 피드롤러 방향으로 힘을 가하기 위한 아이들 롤러(44)와 스프링(46)으로 구성된다.

이때, 상기 피드롤러(42)와 상기 아이들롤러(44) 사이에 상기 필라멘트(32)가 존재하지 않고 모터만 회전할 경우에도 아이들 롤러가 회전하는 것을 방지하기 위하여 상기 피드롤러(42)와 상기 아이들롤러 (44)사이에 필라멘트의 직경보다 작은 캡을 유지하도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 피드롤러(42) 및 아이들 롤러(46) 전단에 필라멘트(32)의 존재 여부를 감지하기 위한 필라멘트 유무 감지센서(70)가 구비되고, 상기 필라멘트(32)가 상기 피드롤러(42)와 상기 아이들 롤러(44) 사이를 통과할 때 필라멘트와 아이들롤러 사이의 마찰력에 의해 회전하는 상기 아이들롤러(44)에 연결되어 회전하는 엔코더롤러(60); 상기 엔코더롤러(60)와 동축으로 결합된 엔코더 휠(62); 상기 엔코더 휠의 회전을 감지하여 펄스를 발생하는 엔코더 센서(64)를 더 포함하여 구성된다.

상기의 구성에 따라 필라멘트 자동 투입/제거 방법의 절차를 첨부된 도 5a ~ 도 5b 의 흐름도를 참조하여 세부적으로 설명하면, 필라멘트 투입구를 통해서 상기 필라멘트(32)가 상기 피더(40)까지 투입되면 상기 피더(40) 전단에 설치된 상기 필라멘트 유무 감지센서(70)가 이를 감지하여 모터를 정방향으로 구동하고 필라멘트가 녹을 정도로 상기 히터노즐(10)을 가열하여 상기 필라멘트(32)를 히터노즐(10) 밖으로 배출시키는 자동 투입동작을 하며, 또한, 상기 필라멘트(32)가 상기 히터노즐(10)에 투입되어 있는 상태에서 키 조작이나 컴퓨터로부터 필라멘트 제거 명령을 받으면 상기 필라멘트(32)가 녹을 정도로 상기 히터노즐(10) 을 가열하고 모터를 역방향으로 구동하여 상기 필라멘트(32)를 피더(40) 전단까지 밀어내는 자동 제거동작을 한다.

상기 컴퓨터 알고리즘의 세부동작을 살펴보면, 필라멘트 자동 투입/제거 동작이 시작되면 해당 변수를 초기화 하고(S10 단계), 필라멘트 유무 감지센서(70)의 상태를 체크하여(S20 단계), ON 상태가 아니면 반복체크 하기 위하여 회귀하고, ON 상태이면 필라멘트 유무 플래그 상태를 체크하여(S30 단계) 설정(SET) 되어 있지 않으면 필라멘트가 투입되어 있지 않는 상태이므로 필라멘트 투입동작을 시작하고, 설정(SET)되어 있으면 필라멘트가 이미 투입되어 있는 상태이므로 필라멘트 제거명령의 입력 여부를 확인하여(S40 단계) 제거명령이 있으면 필라멘트 제거동작을 시작하고 없으면 초기 단계로 회귀한다.

한편, 필라멘트 투입동작이 시작되면 필라멘트(32)를 피터롤러(42)와 아이들롤러(44) 사이에 삽입 시키기 위해 엔코더 데이터를 측정하면서 모터를 저속으로 구동하여 필라멘트를 피더 후단까지 정방향으로 1차 피딩시키고(S100 단계), 엔코더 데이터를 필라멘트의 이송거리 또는 속도로 환산하여 정상인지를 체크하고(S110단계), 정상일 때까지 S110단계를 반복한다.

정상이면, 필라멘트(32)를 히터노즐(10)까지 이송시키기 위하여 엔코더 데이터를 측정하면서 모터를 고속 또는 정속으로 구동하여 필라멘트를 정방향으로 2차 피딩시키고 (S120단계), 엔코더 데이터를 이송거리 또는 속도로 환산하여 필라멘트가 히터노즐(10)까지 도달하여 이송이 정지되었는지를 체크하고(S130단계), 정지될 때까지 S120단계를 반복한다.

히터노즐(10)을 가열시키기 위해 히터(12)를 ON시키고 (S140단계), 히터노즐(10) 온도를 체크하고(S150단계), 히터노즐(10)이 필라멘트(32)가 녹는 온도로 상승될 때까지 기다린다(S160단계).

필라멘트르 히터노즐밖으로 배출하기 위해 엔코더 데이터를 측정하면서 모터를 정속으로 구동하여 필라멘트를 일정한 길이만큼 정방향으로 3차 피딩시키고(S170단계), 엔코더 데이터를 이송거리 또는 속도로 환산하여 정상적으로 배출되었느지를 확인한다(S180단계). 정상이면, 히터를 OFF시킨다(S190단계).

필라멘트가 히터노즐에 투입되어 있다는 것을 표시하기 위해 필라멘트 유무플래그가 SET 시킨다(S200단계).

한편, 필라멘트 제거동작이 시작되면, 히터노즐(10)을 가열시키기 위해 히터(12)를 ON시키고(S300단계), 필라멘트(32)가 녹는 온도로 상승할 때까지 기다린다(S310, S320단계).

필라멘트(32)를 히터노즐(10)로 부터 이탈시키기 위하여 엔코더 데이터를 측정하면서 모터를 저속으로 구동하여 필라멘트(32)를 히터노즐(1) 전단까지 역방향으로 1차 피딩시키고(S330단계), 엔코더 데이터를 필라멘트의 이송거리 또는 속도로 환산하여 정상인지를 체크하고(S340단계), 정상일 때까지 S330단계를 반복한다.

정상이면, 히터(12)를 OFF시킨다(S350단계).

필라멘트를 피더(40) 전단까지 이송시키기 위해 엔코더 데이터를 측정하면서 모터를 고속 또는 정속으로 구동하여 필라멘트를 역방향으로 2차 피딩시키고(S360단계), 엔코더 데이터를 필라멘트의 이송거리 또는 속도로 환산하여 정상인지를 체크하고(S370단계), 정상일 때까지 S360 단계를 반복한다.

정상이면, 필라멘트 유무 감지센서(70)가 OFF될 때까지 기다린다(S380단계).

필라멘트(32)가 히터노즐(10)에서 제거되었다는 것을 표시하기 위해 필라멘트 유무플래그를 CLEAR 시킨다.

엔코더 데이터가 정상인지를 판단하기 위해서는 모터에 의해 구동하는 이송거리 또는 속도와 엔코더 측정 데이터를 환산한 이송거리 또는 속도를 비교하여 그 비율로 결정하며, 판단 기준은 실험치로 정해진다.

모터 구동에 의한 이송거리 (Lm)는

Lm = π * Dp * (θm / 360)

여기서,

Dp는 모터에 결합된 풀리의 직경이고,

θm은 모터의 회전각임.

엔코더 측정 데이터에 의한 이송거리 (Le)는

Le = r * π * Di * (n / Num)

여기서,

Di는 아이들롤러의 직경이고,

r은 아이들롤러와 엔코더롤러의 감속비이고,

n은 엔코더로 부터 측정된 펄스수이고,

Num 은 엔코더의 전체 홀(hall)수 임.

모터 구동에 의한 이송속도 (Vm)는

Vm = Lm/tm

여기서, tm는 모터 구동시간임

엔코더 측정 데이터에 의한 이송속도 (Ve)는

Ve = Le/te

여기서, te는 엔코더 측정 시간임.

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

2 : 캐리어
10 : 히터노즐
12 : 히터
14 : 온도센서
20 : 배드
30 : 스풀
32 : 필라멘트
40 : 피더
42 : 피드롤러
44 : 아이들롤러
46 : 스프링 부재
50 : 필라멘트 이송로
60 : 엔코더 롤러
62 : 엔코더 휠
64 : 엔코더 센서
70 : 필라멘트존재유무 감지센서
80 : 릴리즈 레버

Claims

스풀에 감겨져 있는 필라멘트를 히터노즐까지 경로를 가이드 하기 위해 일측은 필라멘트를 투입을 위한 투입구, 타 일측은 히터노즐에 연결되는 필라멘트 이송로와, 필라멘트 이송로 중간에서 필라멘트를 이송시키기 위해 모터와 연결되어 회전하는 피드롤러와 피드롤러 방향으로 힘을 제공하는 아이들롤러 및 스프링 부재를 포함하는 피더와, 필라멘트를 녹여서 분사시키기 위해 열을 가하는 위한 히터와 온도를 체크하여 온도제어에 필요한 정보를 제공하는 온도 센서를 포함하는 히터노즐과, 출력물의 형상을 구현하기 위해 히터노즐을 탑재하고 해당 인쇄위치로 이동시키기는 캐리어와, 히터노즐에서 분사된 필라멘트가 자연 경화되면서 형성되는 출력물을 적재하기 위한 배드와, 캐리어 및 배드에 구동력을 제공하는 X축, Y축, Z축 구동부를 포함하고, 필라멘트가 상기 피드롤러와 상기 아이들롤러 사이를 통과할 때 필라멘트와 아이들롤러 사이의 마찰력에 의해 회전하는 아이들 롤러에 연결되어 회전하는 엔코더롤러; 상기 엔코더롤러와 동축으로 결합된 엔코더 휠; 상기 엔코더 휠의 회전을 감지하여 펄스를 발생하는 엔코더 센서; 및 피더의 전단에 구비되어 필라멘트 이송로 상에 필라멘트의 존재 여부를 감지하는 필라멘트 유무 감지센서;를 포함하여 필라멘트 투입구를 통해서 필라멘트가 피더까지 투입되면 피더 전단에 설치된 필라멘트 유무 감지센서가 이를 감지하여 모터를 정방향으로 구동하고 필라멘트가 녹을 정도로 히터노즐을 가열하여 필라멘트를 히터노즐 밖으로 배출시키는 자동 투입동작을 실행하는 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입 및 제거 방법에 있어서,
필라멘트 투입 및 제거동작이 시작되면 변수를 초기화하고 필라멘트 유무 감지센서 상태, 필라멘트 유무 플래그 상태 및 필라멘트 제거명령 여부를 체크하여 필라멘트 유무 감지센서가 ON 상태에서 필라멘트 유무플래그가 설정(SET) 되어있지 않으면 필라멘트가 투입되어 있지 않은 상태이므로 필라멘트 투입동작을 시작하고, 필라멘트 유무 플래그가 설정(SET) 되어 있으면 필라멘트가 이미 투입되어 있는 상태이므로 필라멘트 제거명령의 입력 여부를 확인하여 제거명령이 있으면 필라멘트 제거동작을 시작하고, 제거명령이 없으면 초기단계로 회귀하는 제 1 과정;
필라멘트 투입동작이 시작되면 히터노즐을 가열하고 엔코더 데이터를 측정하여 필라멘트의 이송거리 및 속도를 체크하면서 필라멘트를 피터롤러와 아이들 롤러 사이에 삽입시키기 위하여 모터를 저속으로 구동하여 필라멘트를 피더 후단까지 1차 정방향 피딩시키고, 필라멘트를 히터노즐까지 이송 시키기 위하여 모터를 고속 또는 정속으로 구동하여 필라멘트를 히터노즐까지 2차 정방향 피딩시키고, 필라멘트를 녹이기 위해 히터를 ON시키고, 필라멘트르 히터노즐 밖으로 밀어내기 위해 모터를 정속으로 구동하여 필라멘트를 일정한 길이만큼 3차 정방향 피딩시켜 필라멘트를 녹여서 노즐 밖까지 밀어내는 제 2 과정; 및
필라멘트 제거동작이 시작되면 필라멘트를 녹이기 위해 히터를 ON시키고, 필라멘트를 히터노즐로부터 이탈시키기 위하여 엔코더 데이터를 측정하여 필라멘트의 이송거리 및 속도를 체크하면서 모터를 저속으로 구동하여 필라멘트를 히터노즐 전단까지 1차 역방향 피딩시키고, 절전 및 안전을 위해 히터를 OFF시키고, 필라멘트를 피더 전단까지 이송시키기 위해 모터를 고속 또는 정속으로 구동하여 필라멘트를 2차 역방향 피딩시키고, 필라멘트 유무 감지센서가 OFF될 때까지 기다린 후, 필라멘트가 히터노즐에서 제거되었다는 것을 표시하기 위해 필라멘트 유무 플래그가 CLEAR 시켜 필라멘트를 녹여 피더 전단까지 밀어내는 제 3 과정;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 필라멘트 자동 투입 및 제거 방법.
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