KR101713420B1

KR101713420B1 - 다중소재 토출 노즐 헤드 및 토출 방법

Info

Publication number: KR101713420B1
Application number: KR1020150094854A
Authority: KR
Inventors: 나경환; 박창순
Original assignee: 단국대학교 산학협력단
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2017-03-07
Also published as: KR20170004469A

Abstract

본 발명은 다중소재 토출 노즐 헤드 및 토출 방법으로, 내부에 수직으로 관통홀(11)이 형성되며 하부 중앙에 상기 관통홀(11)과 연통되는 출구(13)가 형성된 헤드부(10)와, 상기 관통홀(11) 내에 복수로 배치되며 푸시수단(40)에 의해 상기 출구(13) 방향으로 수직 이동하여 일단이 상기 출구(13)에 선택적으로 위치하고, 타단은 내부가 격벽으로 분리되어 형성된 소재공급챔버(50)와 각각 연결되어 이종소재가 유입될 수 있도록 된 노즐 팁(20)을 포함한다.
본 발명은 다중소재를 선택적으로 토출하여 이종소재의 물리적 특성을 잘 구현할 수 있을 뿐 아니라 3차원 구조물의 다양한 색상 연출이 가능한 이점이 있다.

Description

다중소재 토출 노즐 헤드 및 토출 방법{MULTI-MATERIAL EJECTING NOZZLE HEAD AND EJECTING METHOD THEREOF}

본 발명은 다중소재 토출 노즐 헤드 및 토출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3D 프린팅 방식에서, 다중소재를 선택적으로 토출하여 3차원 구조체의 다양한 색상 연출과 이종소재의 물리적 특성을 구현할 수 있는 다중소재 토출 노즐 헤드 및 토출 방법에 관한 것이다.

3D 프린팅은 플라스틱 액체 또는 기타 소재를 토출하거나 적층, 응고시켜 3차원 구조체를 제작하는 기술을 말한다.

3D 프린팅 기술 중 현재 가장 보편화된 것은 용융 적층 모델링 또는 용융수지 압출 적층 방식으로 불리는 FDM방식이다. 이는 열가소성 고체 필라멘트를 가는 철사 줄처럼 동그랗게 말아놓은 것과 유사한 소재를 회전모터로 구동하는 피더에 넣고 압출기를 통해 노즐로 자동 분사해 한 층씩 쌓아 올리는 방식이다.

또한, 상용화된 3D 프린팅 기술로 노즐을 통해 광경화액상수지를 분사, UV광원을 이용해 플라스틱으로 응고시키는 MJM방식과, 가루타입의 소재에 컬러 본드를 뿌려 재료를 응고시키면서 컬러 표현된 구조체를 제작하는 PBP방식 등이 있다.

그런데, 종래의 3D 프린팅 방식은 단일 노즐 헤드에서 단일소재만 토출할 수 있는 경우가 대부분이고, 멀티 노즐 헤드의 경우 어레이(arrary)형태의 배열을 통해 멀티 노즐을 구성하나, 배열된 길이만큼 노즐 헤드의 공간적 지배 영역이 늘어나게 되고 단일 토출 지점에 다중소재를 토출함에 있어 이송장치의 모션 연동이 필수적이어야 하는 문제점이 있다.

본 발명과 관련되는 선행기술로는, 한국등록특허 제1513252호(노즐 삽입 방식의 멀티 노즐 헤드 및 이를 이용한 잉크 토출 방법)가 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 복수의 노즐 팁을 단일 노즐 헤드 내에 배치시키고 필요시 단일 토출 지점에 다중소재를 선택적으로 토출할 수 있게 구성하는 다중소재 토출 노즐 헤드 및 토출 방법에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 내부에 수직으로 관통홀이 형성되며 하부 중앙에 상기 관통홀과 연통되는 출구가 형성된 헤드부와, 상기 관통홀 내에 복수로 배치되며 푸시수단에 의해 상기 출구 방향으로 수직 이동하여 일단이 상기 출구에 선택적으로 위치하고, 타단은 내부가 격벽으로 분리되어 형성된 소재공급챔버와 각각 연결되어 이종소재가 유입될 수 있도록 된 노즐 팁을 포함한다.

상기 헤드부의 관통홀은 상기 출구 부분에서 외경이 좁아지는 호퍼 형상을 갖는다.

상기 푸시수단은 모터에 의해 구동되어 상기 노즐 팁을 상기 출구 방향으로 수직 이동시키는 기어 또는 와이어이다.

상기 노즐 팁은 연성재질의 캐필러리 형상으로 된다.

상기 노즐 팁으로 공급되는 소재의 유량 제어를 위한 공압 제어기가 구비된다.

헤드부 내에 소재가 유입되는 복수의 노즐 팁을 배치하고, 상기 노즐 팁 중 하나를 상기 헤드부의 출구에 위치되게 하강시켜 제1 소재를 토출하는 단계와, 상기 제1 소재의 토출 후, 상기 제1 소재를 토출한 노즐 팁을 상승시켜 상기 헤드부 내에 재 위치시키고 나머지 노즐 팁 중 하나를 상기 헤드부의 출구에 위치되게 하강시켜 제2 소재를 토출하는 단계를 포함한다.

상기 제1 소재와 상기 제2 소재는 이종소재이다.

상기 제1 소재와 상기 제2 소재의 토출시, 상기 노즐 팁으로 공급되는 상기 제1 소재와 상기 제2 소재의 유량은 공압 제어기가 제어한다.

본 발명은 3차원 구조체 프린팅 과정에서 복수의 노즐 팁을 사용하여 단일 토출 지점에 다중소재를 선택적으로 토출할 수 있다. 따라서, 다양한 색상 구현과 서포트 소재 적용을 통한 3D 구조체의 하중 분할이 용이하여 보다 우수한 표면품질의 3D 프린팅을 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 복수의 노즐 팁이 하나의 큰 헤드부 내에 배치되고 소재의 토출시에만 하강하여 헤드부의 출구에 위치되므로 미세한 노즐 팁을 외력으로부터 보호하고 소재의 공기 중 노출로 인한 성분 변화를 예방할 수 있는 효과가 있다.

이와 같이, 본 발명은 다중소재를 선택적으로 토출하여 이종소재의 물리적 특성을 잘 구현할 수 있을 뿐 아니라 3차원 구조물의 다양한 색상 연출이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 다중소재 토출 노즐 헤드를 보인 도면.
도 2는 본 발명의 실시예로 푸시수단을 보인 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예로 푸시수단을 보인 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 다중소재 토출 노즐 헤드는, 도 1에 도시된 바와 같이, 헤드부(10)와 헤드부(10) 내에 복수로 배치되어 다중소재를 선택적으로 토출할 수 있도록 된 노즐 팁(20)을 포함한다.

헤드부(10)는 수평 및 수직으로 이동할 수 있도록 3D 프린터 바디(미도시)에 설치되며, 마이크로컨트롤러에서 작동되는 CAM 소프트웨어를 사용하여 컨트롤할 수 있다.

헤드부(10) 하부로는 프린팅되는 3차원 구조체(M)를 지지할 수 있도록 프린팅 베드(30)가 배치될 수 있다.

헤드부(10)는 내부에 수직으로 관통홀(11)이 형성되며 하부 중앙에 관통홀(11)과 연통되는 출구(13)가 형성된다. 헤드부(10)의 출구(13)가 다중소재를 선택적으로 토출할 수 있는 단일 토출 지점이 된다. 출구(13)는 프린팅 베드(30)와 마주보도록 개구되어 노즐 팁(20)을 통한 소재의 토출시 프린팅 베드(30)상에 3차원 구조체(M)의 프린팅 작업이 수행될 수 있도록 한다.

헤드부(10)의 관통홀(11)은 출구(13) 부분에서 외경이 좁아지는 호퍼 형상을 갖는다. 관통홀(11)에서 출구(13) 부분의 호퍼 형상은 관통홀(11) 내로 공기 유입을 최소화시켜 노즐 팁(20)에 공급된 소재의 공기 노출로 인한 성분 변화를 방지하고 이물질 유입을 방지시켜 노즐 팁(20)의 토출구(21) 막힘 현상을 방지한다.

노즐 팁(20)은 헤드부(10)의 관통홀(11) 내에 복수로 배치되며 푸시수단(40)에 의해 출구(13) 방향으로 수직 이동하여 일단이 출구(13)에 선택적으로 위치된다. 그리고, 각 노즐 팁(20)의 타단은 소재공급챔버(50)와 연결되어 각 노즐 팁(20)에 각기 다른 이종소재를 공급받을 수 있도록 된다.

일단이 헤드부(10)의 출구에 위치되게 이동한 노즐 팁(20)은 소재를 토출하여 3차원 구조체(M)를 프린팅할 수 있다. 노즐 팁(20)의 일단이 소재를 토출하는 토출구(21)가 된다.

헤드부(10) 내에 복수의 노즐 팁(20)을 배치하는 것은 각각의 노즐 팁(20)으로 서로 다른 소재를 공급하여 소재의 섞임과 공기 중 노출로 인한 성분 변화를 방지하기 위한 것이다.

노즐 팁(20)은 연성재질의 캐필러리 형상으로 된다. 3차원 구조체(M)를 표현하는 해상력은 소재를 미세하게 토출할 수 있는 노즐 팁을 필요로 한다. 따라서, 노즐 팁(20)은 연성재질의 캐필러리 형상을 채용하여 소재를 미세하게 토출하면서도 안정한 토출이 가능하게 한다. 캐필러리 형상은 직경이 작은 가늘고 긴관을 의미한다.

또한, 노즐 팁(20)은 직경이 작아질수록 내구성이 낮아지는 문제가 있으므로 내구성 향상을 위해 헤드부(10) 내에 배치된다. 즉, 노즐 팁(20)은 소재의 토출시에만 선택적으로 헤드부(10)의 출구에 배치되며, 소재를 토출하지 않는 나머지 노즐 팁(20)은 헤드부(10) 내에 배치되어 물리적인 보호를 받을 수 있다.

푸시수단(40)은 모터(41)에 의해 구동되어 노즐 팁(20)을 출구 방향으로 수직 이동시키는 기어 또는 와이어일 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 기어는 모터(41)의 구동에 의해 회전하는 구동축(43)과 연결된 구동기어(45)와, 구동기어(45)와 연결되고 노즐 팁(20)의 외면에 구비되어 구동기어(45)의 회전시 노즐 팁(20)을 상하이동시키는 종동기어(47)일 수 있다. 본 실시예에서는 종동기어로 렉기어를 사용하였다.

도 3에 도시된 바와 같이, 와이어(49)는 모터(41)의 구동에 의해 회전되는 구동축(43)에 감기거나 풀리면서 노즐 팁(20)을 상하이동시킬 수 있다.

이와 같이, 노즐 팁(20)은 각각 모터(41)의 동력을 이용하여 헤드부(10) 내에서 출구(13) 방향으로 상하이동할 수 있다. 모터와 기어 및 와이어는 각 노즐 팁(20)을 선택적으로 상하이동시키도록 노즐 팁(20)의 개수에 대응되는 개수로 구비됨이 바람직하다.

소재공급챔버(50)는 내부가 격벽으로 분리 형성되어 복수의 챔버부(51,53,55)로 구성됨으로써 각 챔버부(51,53,55)에 각기 다른 소재 즉, 다중소재가 저장될 수 있다. 챔버부(51,53,55)의 개수는 관통홀(11) 내에 배치되는 노즐 팁(20)의 개수와 1대 1로 대응되도록 한다.

노즐 팁(20)으로 공급되는 소재의 유량 제어를 위한 공압 제어기(60)가 구비된다. 노즐 팁(20) 각각은 공압 제어기(60)의 정밀한 유량 제어를 통해 각 챔버부(51,53,55)로부터 소재를 공급 받는다.

공압 제어기(60)는 공기 흡입을 위한 공기 압축기(61)와 공기 압축기(61)에서 공급된 공기의 압력을 조정하는 레귤레이터(63)와 압력 조정된 공기를 챔버부(51,53,55)에 선택적으로 공급하는 공급밸브(65)를 구비할 수 있다. 공압 제어기(60)는 공기압력을 조정하여 챔버부(51,53,55)로부터 노즐 팁(20)에 공급되는 소재의 유량을 조절하므로 정밀한 유량 제어가 가능하다.

노즐 팁(20)의 출구(13)방향 상하이동 및 하강된 노즐 팁(20)을 통한 소재의 토출을 제어하기 위한 제어부(70)가 구비된다. 제어부(70)는 푸시수단(40) 및 공압 제어기(60)에 신호를 전송하여 동작을 제어한다.

제어부(70)는 프린팅 작업 중인 노즐 팁(20)은 하강하여 소재를 토출하고 나머지 노즐 팁(20)은 헤드부(10) 내에 위치하고 소재의 토출이 멈춘 상태로 유지되게 제어할 수 있다.

또한, 제어부(70)는 공압 제어기(60)의 작동을 제어하여 프린팅 작업 중인 노즐 팁(20)에 공급되는 소재의 유량 조절이 정밀하게 제어되도록 할 수 있다.

다중소재 토출 노즐 헤드를 이용한 다중소재 토출 방법은, 헤드부(10) 내에 소재가 유입되는 복수의 노즐 팁(20)을 배치하고, 노즐 팁(20a) 중 하나를 헤드부(10)의 출구(13)에 위치되게 하강시켜 제1 소재(m1)를 토출하는 단계와, 제1 소재(m1)의 토출 후, 제1 소재(m1)를 토출한 노즐 팁(20)을 상승시켜 헤드부(10) 내에 재 위치시키고 나머지 노즐 팁(20b) 중 하나를 헤드부(10)의 출구에 위치되게 하강시켜 제2 소재(m2)를 토출하는 단계를 포함한다.

제1 소재(m1)와 제2 소재(m2)는 이종소재이다.

노즐 팁(20)은 연성재질의 캐필러리 형상으로 제작된 것이며, 하나의 큰 헤드부(10) 내에 복수의 노즐 팁(20)이 배치된다. 설명의 편의를 위해, 본 실시예에서 노즐 팁(20)은 하나의 큰 헤드부(10) 내에 3개가 배치되는 것으로 도시하였다.

노즐 팁(20)은 헤드부(10) 내에서 푸시수단(40)에 의해 상하방향으로 이동되며, 헤드부(10)의 출구(13)로 하강된 노즐 팁(20)은 챔버부(51,53,55)로부터 공급받은 소재를 토출하여 3차원 구조체(M)를 프린팅할 수 있다.

예를 들어, 3차원 구조체의 프린팅시 다양한 색상의 연출과 더불어 이종소재인 베이스 구조체, 서포트 구조체를 구분지어 프린팅할 수 있다.

베이스 구조체를 플라스틱 소재로 제작하고 서포트 구조체를 수용성 소재로 제작하는 경우, 복수의 노즐 팁(20) 중 하나에서는 플라스틱 소재를 토출하고 나머지 노즐 팁(20) 중 하나에서 수용성 소재를 토출한다.

구체적인 방법은, 플라스틱 소재(제1 소재)를 토출하는 노즐 팁(20)이 하강하여 헤드부(10)의 출구에 위치된 후 플라스틱 소재(제1 소재)를 토출하고 상승하면, 수용성 소재(제2 소재)를 토출하는 노즐 팁(20)이 하강하여 헤드부(10)의 출구(13)에 위치되고 수용성 소재(제2 소재)를 토출하게 된다.

상기한 방법으로 3차원 구조체의 프린팅이 완료되면 수용성 소재(제2 소재)를 물로 세척함으로써 서포트 구조체를 쉽게 제거하고 베이스 구조체를 획득할 수 있다.

이는 서포트 구조체 적용을 통한 3차원 구조체의 하중 분할이 용이하여 보다 나은 품질의 3D 프린팅 작업이 가능하게 한다.

또한, 단일 토출 지점에 다중소재를 선택적으로 토출할 수 있어 여러 가지 소재를 활용하여 3차원 구조물을 용이하게 프린팅할 수 있다.

이때, 노즐 팁(20)은 공압 제어기(60)의 정밀한 유량 제어를 통해 챔버부(51,53,55)로부터 소재를 공급받으므로 소재를 미세하게 토출할 수 있다.

또한, 노즐 팁(20)은 푸시수단 즉, 모터(41)의 동력으로 헤드부(10)의 내부에서 출구(13) 방향으로 이동 가능하므로 단일 토출 지점에 다중소재의 토출이 가능하다.

또한, 노즐 팁(20)은 소재의 토출시에만 선택적으로 헤드부(10)의 출구(13)에 배치되며, 소재를 토출하지 않는 나머지 노즐 팁(20)은 헤드부(10)의 내부에 배치되므로 물리적인 보호를 받을 수 있고, 공간적 지배 영역도 최소화할 수 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 복수의 노즐 팁을 단일 노즐 헤드에 배치시키고 필요시 단일 토출 지점에 다중소재를 선택적으로 토출할 수 있게 구성하는 다중소재 토출 노즐 헤드 및 토출 방법에 그 목적이 있다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

10: 헤드부 11: 관통홀
13: 출구 20: 노즐 팁
21: 토출구 30: 프린팅 베드
40: 푸시수단 41: 모터
43: 구동축 45: 구동기어
47: 종동기어 49: 와이어
50: 소재공급챔버 51,53,55: 챔버부
60: 공압 제어기 61: 공기 압축기
63: 레귤레이터 65: 공급밸브
70: 제어부

Claims

내부에 수직으로 관통홀이 형성되며 하부 중앙에 상기 관통홀과 연통되는 출구가 형성된 헤드부;
상기 관통홀 내에 복수로 배치되며 푸시수단에 의해 상기 출구 방향으로 수직 이동하여 일단이 상기 출구에 선택적으로 위치하고, 타단은 내부가 격벽으로 분리되어 형성된 소재공급챔버와 각각 연결되어 이종소재가 유입될 수 있도록 된 노즐 팁;을 포함하고,
상기 노즐 팁은 연성재질의 캐필러리 형상으로 되며,
상기 헤드부의 관통홀은
상기 출구 부분에서 외경이 좁아지는 호퍼 형상을 가져
복수의 노즐 팁을 사용하여 단일 토출 지점에 다중소재를 선택적으로 토출할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 다중소재 토출 노즐 헤드.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 푸시수단은
모터에 의해 구동되어 상기 노즐 팁을 상기 출구 방향으로 수직 이동시키는 기어 또는 와이어인 것을 특징으로 하는 다중소재 토출 노즐 헤드.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 노즐 팁으로 공급되는 소재의 유량 제어를 위한 공압 제어기가 구비되는 것을 특징으로 하는 다중소재 토출 노즐 헤드.
헤드부 내에 연성재질의 캐필러리 형상으로 제작되어 소재가 유입되는 복수의 노즐 팁을 배치하고, 상기 노즐 팁 중 하나를 상기 헤드부의 출구에 위치되게 하강시켜 제1 소재를 토출하는 단계;
상기 제1 소재의 토출 후, 상기 제1 소재를 토출한 노즐 팁을 상승시켜 상기 헤드부 내에 재 위치시키고 나머지 노즐 팁 중 하나를 상기 헤드부의 출구에 위치되게 하강시켜 상기 제1 소재와 이종소재인 제2 소재를 토출하는 단계;를 포함하며,
복수의 노즐 팁을 사용하여 단일 토출 지점에 다중소재를 선택적으로 토출할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 다중소재 토출 방법.
삭제
청구항 6에 있어서,
상기 제1 소재와 상기 제2 소재의 토출시,
상기 노즐 팁으로 공급되는 상기 제1 소재와 상기 제2 소재의 유량은 공압 제어기가 제어하는 것을 특징으로 하는 다중소재 토출 방법.