KR101725302B1 - 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 프린터의 노즐에 관한 것으로, 서로 다른 직경을 갖는 복수개의 원통형 노즐부재를 동심상으로 적층하여 설치하고, 상기 노즐부재들이 구동부에 의해 독립적으로 상하로 승강하도록 구성하여 프린팅 재료가 토출되는 노즐부재의 하단부 직경을 가변시켜 출력물의 적층 중 적층 폭을 다양하게 가변시킬 수 있도록 하고, 이로써 노즐과 노즐이 장착되는 구조물의 연결 부위의 강도 저하 및 정밀도 저하를 방지하고, 출력 시간을 대폭 단축시킬 수 있는 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐 및 그 작동 방법에 관한 것이다.

Description

3차원 프린터의 직경 가변형 노즐 및 그 제어방법{Nozzle Having Variable Diameter for 3D Printer and Method for Controlling the Same}

본 발명은 3차원 프린터의 노즐에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 서로 다른 직경을 갖는 복수개의 원통형 노즐부재를 동심상으로 적층하여 설치하고, 상기 노즐부재들을 상하로 승강 가능하게 구성하여 프린팅 재료가 토출되는 노즐부재의 하단부 직경을 가변시킴으로써 출력물의 적층 폭을 다양하게 가변시킬 수 있는 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐 및 그 작동 방법에 관한 것이다.

종래의 프린터 장치는, 평면 형상의 시트재 혹은 고체물의 평면에 대하여 소정의 인쇄를 하는 것으로서 모두 2차원 인쇄를 하는 것이었으나, 최근에는 3차원 형상의 표면(예를 들어, 원통면, 구면, 그 밖의 여러가지 곡면)을 가지는 대상물을 인쇄할 수 있는 3차원 프린터가 개발되어 사용되고 있다.

현재 사용되고 있는 3차원(3D) 프린터는 일반적으로 볼 수 있는 FDM 방식의 3D 프린터와 SLA, SLS, DLP 방식의 3D 프린터 등이 있다.

이 중 FDM 방식은 가는 실 같은 필라멘트 형태의 열가소성 재료를 노즐 안에서 녹여 얇은 필름 형태로 출력하여 한 층씩 적층해나가면서 3차원 입체 형상을 프린팅 하는 방식이다.

그런데 종래의 3차원 프린터는 노즐의 직경이 단일하게 구성되기 때문에 출력되는 프린팅 재료의 폭이 항상 일정할 수 밖에 없으며, 따라서 정밀도가 저하되거나 제작 시간이 증가하는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 직경이 다른 복수개의 노즐을 구성하고, 복수개의 노즐을 선택적으로 사용하여 재료를 토출함으로써 출력물의 폭을 가변시킬 수 있는 3D 프린터용 멀티 노즐이 개발된 바 있다(등록특허 제10-1430582호).

그러나, 직경이 다른 여러 개의 노즐을 구성하는 방식은 재료를 출력 중 직경이 다른 노즐로 변경시 FDM장비의 특성상 연결되는 부분의 강도가 저하되고, 정밀도가 저하되는 문제가 있으며, 여전히 출력에 많은 시간이 소요되는 문제점이 존재하고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1430582호(2014년08월08일 등록) 대한민국 등록특허 제10-0291953호(2001년03월19일 등록)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 서로 다른 직경을 갖는 복수개의 원통형 노즐부재를 동심상으로 적층하여 설치하고, 상기 노즐부재들이 상하로 승강하도록 구성하여 프린팅 재료가 토출되는 노즐부재의 하단부 직경을 가변시켜 출력물의 적층 중 적층 폭을 다양하게 가변시킴으로써, 노즐과 노즐이 장착되는 구조물의 연결 부위의 강도 저하 및 정밀도 저하를 방지하고, 출력 시간을 대폭 단축시킬 수 있는 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐 및 그 작동 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐은, 서로 다른 직경을 가지며 동심상으로 적층 배열되어 하단부를 통해 프린팅 재료를 토출하고, 상하방향으로 독립적으로 상대 이동이 가능하게 설치되어 상기 프린팅 재료가 토출되는 하단부 중심의 토출구의 직경 가변이 가능한 복수개의 노즐부재와; 상기 복수개의 노즐부재를 상하방향로 독립적으로 이동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 따른 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐의 작동 방법은,

(a) 노즐부재를 통해 토출되는 프린팅 재료의 폭을 설정하는 단계;

(b) 상기 프린팅 재료의 폭에 대응하도록 상기 노즐부재의 상하방향 높이를 조절하여 각각의 노즐부재의 하단부 중심에 형성된 토출구의 직경을 조절하는 단계;

(c) 상기 노즐부재를 스테이지에 대해 상대 이동하면서 상기 토출구를 통해 프린팅 재료를 토출하여 정해진 형태로 적층하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 복수개의 노즐부재의 높이를 가변시켜 노즐부재의 하단부 중심에 형성되는 토출구의 직경을 가변시킬 수 있으며, 이에 따라 토출구를 통해 배출되는 프린팅 재료의 폭을 원하는 다양한 크기로 조절할 수 있다.

따라서 정밀하거나 섬세한 표현이 요구되는 구간에서는 노즐부재를 통해 토출되는 프린팅 재료의 폭을 작게 하여 정밀하고 섬세한 출력물을 형성할 수 있으며, 단순한 표면이나 정밀도가 비교적 낮게 요구되는 부분에서는 프린팅 재료의 폭을 크게 하여 프린팅 작업에 요구되는 전체 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 직경 가변형 노즐의 직경이 가변된 예를 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 직경 가변형 노즐의 작동례를 나타낸 것으로, 노즐의 직경이 가변된 상태와 각각의 노즐 직경에서의 프린팅 재료의 폭의 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 종래의 FDM 방식의 노즐을 이용하여 스테이지 상에 프린팅 재료를 윤곽적층방식 및 지그재그(zigzag) 적층 방식으로 적층한 예를 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 FDM 방식의 노즐을 이용하여 스테이지 상에 프린팅 재료를 윤곽적층방식으로 적층한 예와 지그재그(zigzag) 적층 방식으로 적층한 예를 나타낸 평면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐 및 그 작동 방법을 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐은, 동심상으로 적층 배열된 복수개의 노즐부재(10)와, 상기 복수개의 노즐부재(10)를 상하방향으로 독립적으로 이동시키는 구동부와, 상기 노즐부재(10)의 외면에 설치되어 노즐부재(10)를 가열하는 히터(30)를 포함한다.

상기 노즐부재(10)는 하단부가 개방된 통형상으로 이루어지며, 서로 다른 직경을 갖는다. 상기 노즐부재(10)는 프린팅 재료(F)가 적층되는 스테이지(40)의 상측에 설치되는 구조물에 고정되는 고정 노즐부재(11)와, 상기 고정 노즐부재(11)의 내측에 동심상으로 적층되게 설치되어 상기 구동부에 의해 상하로 이동하는 적어도 1개 이상의 가동 노즐부재(12~15)를 포함한다.

상기 고정 노즐부재(11)는 상부면과 하부면이 개방된 원통형으로 이루어져 상기 복수개의 노즐부재(10)들중 최외곽에 배치되며, 스테이지(40)의 상측에서 전후 및 좌우 방향(X축 방향 및 Y축 방향)으로 수평 이동 가능하게 설치됨과 더불어 상하방향(Z축 방향)으로 이동 가능하게 설치된 선형운동부(미도시)에 결합되어 임의의 설정된 방향으로 이동하게 된다.

상기 가동 노즐부재(12~15) 역시 상부면과 하부면이 개방된 원통형으로 이루어져, 상기 고정 노즐부재(11)의 내측에 적어도 1개 이상(이 실시예에서 4개)이 동심상으로 적층 배열되며, 고정 노즐부재(11) 및 서로 인접하고 있는 가동 노즐부재(12~15)에 대해 상하 방향으로 슬라이딩 가능하게 설치된다.

상기 가동 노즐부재(12~15) 중 가장 안쪽의 가동 노즐부재(15)는 그 중심부에 프린팅 재료(F)가 토출되는 재료토출유로(16)가 상하방향으로 연장되게 형성되어 있다. 상기 재료토출유로(16)의 상단부는 재료공급장치와 연결되어 액상 또는 겔(gel)상의 프린팅 재료(F)를 공급받는다. FDM 방식의 노즐의 경우, 상기 프린팅 재료(F)는 수지가 용융된 필라멘트(filament)이다.

상기 고정 노즐부재(11) 및 가동 노즐부재(12~15) 중심의 중공부의 하단은 재료가 토출되는 토출구(17)를 이루게 된다.

상기 가동 노즐부재(12~15)를 상하방향으로 이동시키기 위한 구동부는 다양한 선형운동장치를 이용하여 구성할 수 있는데, 이 실시예에서 상기 구동부는 상기 각각의 가동 노즐부재(12~15)의 상단부에 설치되는 래크기어(21)와, 상기 각각의 래크기어(21)와 치합하는 피니언기어(22)와, 상기 각각의 피니언기어(22)를 회전시키는 구동모터(23)를 포함하여 구성된다.

따라서, 상기 가동 노즐부재(12~15)와 대응하는 구동모터(23)에 전원이 인가되어 구동모터(23)가 동작하게 되면, 상기 구동모터(23)의 동력이 피니언기어(22)에 전달되어 피니언기어(22)가 회전하게 되고, 이에 따라 피니언기어(22)와 치합된 래크기어(21)가 상측 방향 또는 하측 방향으로 소정 거리만큼 이동하여 가동 노즐부재(12~15)의 하단부 위치가 가변되고, 이로써 가동 노즐부재(12~15) 및/또는 고정 노즐부재(11)들의 하단부에 형성되는 토출구(17)의 직경이 가변될 수 있게 된다.

상기 히터(30)는 상기 노즐부재(10)들 중 고정 노즐부재(11)의 외면에 부착되어 노즐부재(10)를 가열함으로써 프린팅 재료의 유동성을 유지하고, 프린팅 재료가 토출되는 유로가 막히는 현상을 방지한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐은 도 3 내지 도 7에 도시된 것과 같이 가동 노즐부재(12~15)를 상측으로 이동시킴으로써 노즐부재(10)의 하단부 중심에 형성되는 토출구(17)의 직경을 가변시킬 수 있게 되고, 이에 따라 토출구(17)에서 토출되는 프린팅 재료(F)의 폭을 가변시킬 수 있다.

예를 들어, 도 3에 도시한 것과 같이 프린팅 재료(F)의 폭을 최소(0.4㎜)로 설정하여 프린팅을 하고자 할 경우, 모든 가동 노즐부재(12~15)와 고정 노즐부재(11)의 하단부를 동일한 높이로 유지하면, 토출구(17)의 직경은 가장 내측의 가동 노즐부재(12~15)의 재료토출유로(16)의 하단부 직경이 된다. 따라서, 상기 가동 노즐부재(12~15)의 재료토출유로(16)의 하단부를 통해 토출되는 프린팅 재료(F)의 폭은 재료토출유로(16)의 직경과 대응하는 0.4㎜ 가 된다.

그리고, 노즐을 통해 토출되는 프린팅 재료(F)의 폭을 전술한 도 3에 도시된 것보다 0.1㎜ 더 굵게 하고자 할 경우, 도 4에 도시한 것과 같이 가장 안쪽의 가동 노즐부재(15)를 구동부를 이용하여 상측으로 일정 거리 이동시키면, 바로 외측의 가동 노즐부재(14)의 하단부 중심의 토출구(17)가 프린팅 재료(F)가 토출되는 최종 토출구(17)가 되어 직경이 증가하게 된다.

또한 도 5 내지 도 7에 도시한 것과 같이, 프린팅 재료(F)의 폭을 전술한 것보다 더 굵게 하고자 할 경우 가동 노즐부재(12~15)와 고정 노즐부재(11) 중 프린팅 재료(F)의 폭과 대응하는 직경을 갖는 가동 노즐부재(12~15) 또는 고정 노즐부재(11)의 안쪽에 위치된 가동 노즐부재(12~15)들을 상측으로 이동시키면, 하단부 중심의 토출구(17) 직경이 원하는 직경으로 조절되어 프린팅 재료(F)의 폭을 원하는 대로 다양하게 가변시킬 수 있는 것이다.

도 8 및 도 9는 각각 노즐 직경 조절이 불가능한 종래의 FDM 방식의 노즐과, 본 발명에 따른 FDM 방식의 노즐을 이용하여 스테이지 상에 프린팅 재료를 윤곽적층방식으로 적층한 예(도 8 및 도 9의 (a) 도면)와 지그재그(zigzag) 방식으로 적층한 예(도 8 및 도 9의 (b) 도면)를 나타낸 평면도로, 도 8에 도시된 것처럼 종래의 노즐은 선폭의 변경이 불가능하여 프린팅 재료가 전체적으로 일정한 폭을 갖는다.

그러나, 도 9에 도시된 것과 같이 본 발명의 노즐은 상기와 같이 가동 노즐부재(12~15)를 상하로 이동시켜 하단부의 토출구(17)의 직경을 조절할 수 있기 때문에 프린팅 도중에 토출구(17) 직경을 가변시켜 프린팅 재료(F)의 폭을 변화시킬 수 있다.

한편 전술한 실시예에서는 최외곽에 고정 노즐부재(11)가 배치되고, 고정 노즐부재(11)의 안쪽으로 복수개의 가동 노즐부재(12~15)가 동심상으로 배치되어 가동 노즐부재(12~15)들이 구동부에 의해 상하로 이동하면서 프린팅 재료(F)가 배출되는 토출구(17)의 직경이 조절되었다. 그러나, 이와 다르게 가장 안쪽에 선형운동부(미도시)에 의해 고정되는 고정 노즐부재가 배치되고, 이 고정 노즐부재의 바깥쪽으로 복수개의 가동 노즐부재가 순차적으로 적층 배열되어 가동 노즐부재가 하측으로 이동하게 되면 토출구의 직경이 증가되는 구조로 노즐부재(10)를 구성할 수도 있다.

전술한 것과 같이 본 발명의 직경 가변형 노즐은, 프린팅 작업을 시작하기 전에 초기에 노즐부재(10)를 통해 토출되는 프린팅 재료의 폭을 설정하고, 상기 설정된 프린팅 재료의 폭에 대응하도록 상기 노즐부재(10)의 상하방향 높이를 조절하여 각각의 노즐부재(10)의 하단부 중심에 형성된 토출구(17)의 직경을 조절한 다음, 상기 노즐부재(10)를 스테이지(40)에 대해 상대 이동하면서 상기 토출구(17)를 통해 프린팅 재료를 토출하여 정해진 형태로 적층함으로써 원하는 폭으로 프린팅 재료(F)를 토출할 수 있다.

그리고 이러한 프린팅 작업 도중 프린팅 재료(F)의 폭을 더욱 두껍게 또는 더욱 얇게 변화시키고자 할 경우, 상기 노즐부재(10) 중 어느 하나 이상을 상하방향으로 이동하여 상기 노즐부재(10)의 하단부 중심에 형성된 토출구(17)의 직경을 다르게 가변시키면 된다. 이 때, 스테이지(40) 상에 적층되는 프린팅 재료(F)의 두께는 노즐부재(10)의 이동 속도를 조절함으로써 변화시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 복수개의 노즐부재(10)의 높이를 가변시켜 노즐부재(10)의 하단부 중심에 형성되는 토출구(17)의 직경을 가변시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 토출구(17)를 통해 배출되는 프린팅 재료(F)의 폭을 원하는 다양한 크기로 조절할 수 있다.

따라서 정밀하거나 섬세한 표현이 요구되는 구간에서는 노즐부재(10)를 통해 토출되는 프린팅 재료(F)의 폭을 작게 하여 정밀하고 섬세한 출력물을 형성할 수 있으며, 단순한 표면이나 정밀도가 비교적 낮게 요구되는 부분에서는 프린팅 재료(F)의 폭을 크게 하여 프린팅 작업에 요구되는 전체 시간을 단축시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

10 : 노즐부재 11 : 고정 노즐부재
12~15 : 가동 노즐부재 16 : 재료토출유로
17 : 토출구 21 : 래크기어
22 : 피니언기어 23 : 구동모터
30 : 히터 40 : 스테이지
F : 프린팅 재료

Claims (6)

1. 서로 다른 직경을 가지며 동심상으로 적층 배열되어 하단부를 통해 프린팅 재료를 토출하고, 상하방향으로 독립적으로 상대 이동이 가능하게 설치되어 상기 프린팅 재료가 토출되는 하단부 중심의 토출구(17)의 직경 가변이 가능한 복수개의 노즐부재(10)와;
   상기 복수개의 노즐부재(10)를 상하방향으로 독립적으로 이동시키는 구동부;를 포함하고,
   상기 노즐부재(10)는, 프린팅 재료가 적층되는 스테이지의 상측에 설치되는 구조물에 고정되는 원통형의 고정 노즐부재(11)와, 상기 고정 노즐부재(11)의 내측에 상하로 이동 가능하게 설치되어 상기 구동부에 의해 상하로 이동하는 적어도 1개 이상의 원통형의 가동 노즐부재(12~15)를 포함하여 상기 가동 노즐부재(12~15)의 상하방향 이동에 의해 고정 노즐부재(11)와 가동 노즐부재(12~15)의 하단부에 형성되는 토출구(17)의 직경이 가변되며,
   상기 가동 노즐부재(12~15) 중 가장 내측의 가동 노즐부재(15)의 중심부에는 외부의 재료공급장치와 연결되어 액상 또는 겔(gel) 상의 프린팅 재료를 공급받는 재료토출유로(16)가 상하방향으로 연장되게 형성되고,
   상기 고정 노즐부재(11)의 외면에는 히터(30)가 부착되어 노즐부재(10)를 가열함으로써 프린팅 재료의 유동성을 유지하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 구동부는, 상기 가동 노즐부재(12~15)의 상단부에 설치되는 래크기어(21)와, 상기 래크기어(21)와 치합하는 피니언기어(22)와, 상기 피니언기어(22)를 회전시키는 구동모터(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐.
5. 제1항 또는 제4항에 따른 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐의 작동 방법으로서,
   (a) 노즐부재(10)를 통해 토출되는 프린팅 재료의 폭을 설정하는 단계;
   (b) 상기 프린팅 재료의 폭에 대응하도록 상기 노즐부재(10)의 상하방향 높이를 조절하여 각각의 노즐부재(10)의 하단부 중심에 형성된 토출구(17)의 직경을 조절하는 단계;
   (c) 상기 노즐부재(10)를 스테이지에 대해 상대 이동하면서 상기 토출구(17)를 통해 프린팅 재료를 토출하여 정해진 형태로 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐의 작동 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 (c) 단계를 수행 중 노즐부재(10)의 적어도 어느 하나 이상을 상하방향으로 이동하여 상기 노즐부재(10)의 하단부 중심에 형성된 토출구(17)의 직경을 다르게 가변시켜 토출구(17)를 통해 토출되는 프린팅 재료의 폭을 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터의 직경 가변형 노즐의 작동 방법.
   

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