KR101736567B1 - 액체재료 토출용 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체재료를 토출하여 3차원 회로을 만들어내는 3D 프린터에 사용되는 액체재료 토출용 노즐에 관한 것이다.
본 발명은 노즐에 의한 액체재료의 토출 시 노즐 팁이 기저판의 접촉을 통해 개폐되면서 재료가 토출되도록 한 새로운 형태의 접촉식 개폐형 노즐을 구현함으로써, 진동으로 인해 재료 액적이 떨어지는 현상은 물론 냉각팬 공기로 인해 노즐이 막히는 현상 등을 방지할 수 있는 등 적절한 재료 토출 방식의 적용에 따른 공정의 효율성을 높일 수 있는 액체재료 토출용 노즐을 제공한다.

Description

액체재료 토출용 노즐{Liquid discharging nozzle}

본 발명은 액체재료 토출용 노즐에 관한 것으로서, 특히 액체 재료를 토출하여 3차원 회로를 만들어내는 3D 프린터에 사용되는 노즐에 관한 것이다.

3D 프린팅 기술은 설계된 데이터에 따라 재료를 적층하여 3차원 형상을 제작하는 기술로써, 기존의 절삭 가공에 비해 쉽고 빠르게 형상을 제작할 수 있는 특징을 가지고 있다. 이러한 부가가공 기술은 사용 재료 및 기술적인 한계 등으로 인해 완성 제품보다는 개발 단계에서의 기능 확인을 위한 시제품 제작에 주로 이용되어 왔다.

대부분의 3D 프린팅 기술은 성형 방식 및 사용하는 재료의 특성 등 기술적인 한계로 인해 3차원 형상 제작에 단일재료를 사용한다. 최근에는 제품의 직접 생산을 위한 제조기술로써 다중재료를 사용하는 다중재료 3D 프린팅 기술이 주목 받고 있다. 다중재료를 사용하면 조립이나 용접 등의 여러 공정을 거치지 않고 단일 공정을 통해 제품을 제작할 수 있는 등의 장점이 있다.

특히, 3D 프린팅 기술 중 FDM(fused deposition modeling) 기술은 다중 재료를 동시에 적용하는 기술이 가장 발달되어 있다. FDM 기술은 필라멘트 형태의 열가소성 플라스틱 재료를 녹여 노즐을 통해 공급함과 동시에, 노즐의 위치를 제어함으로써 3차원 형상을 성형한다. 따라서 다수의 노즐과 재료공급 장치를 적용함으로써, 다른 방식의 3D 프린팅 기술에 비해 쉽게 이종의 재료를 사용할 수 있다.

한편, 직접주사(DW, direct writing) 기술은 일련의 유체에 직접 압력을 가하여 노즐을 통해 토출되게 하고, 노즐의 위치를 이송시스템을 통하여 직접 제어하여 원하는 형상의 패턴을 성형하는 기술이다. 직접주사 기술은 패턴을 성형하는데 있어서 다른 기술들에 비하여 시스템 구성이 간단하며, 복잡한 공정 없이 원하는 위치에 직접 원하는 재료를 성형 할 수 있는 특징이 있다.

따라서 직접주사 기술을 이용하여 바인더와 전도성 입자의 혼합물인 액체상태의 전도성 재료에 의한 회로 도선 형상을 성형할 수 있다. 특히, FDM 기술과 직접주사 기술을 통합한 다중재료를 적용한 3D 프린팅 기술을 이용하면 기존의 2차원 PCB(print circuit board)와는 전혀 다른 3차원 회로장치(circuit device)를 제작할 수 있다.

그런데, 이러한 액체 상태의 전도성 재료의 토출에 의한 3D 프린팅 방식은 노즐이 장착된 헤드의 이송 시에 발생하는 진동으로 인해 노즐로부터 점성이 낮은 전도성 재료 액적이 떨어지는 현상이 발생하며, 이로 인해 제작 중인 구조물이 오염되거나 특히 3차원 회로장치 제작 시에는 회로 도선의 합선 현상이 발생하는 문제점이 있다.

그리고, 이러한 노즐은 가열된 구조물을 식히기 위해 장착되어있는 냉각팬에 의한 공기의 유동에 노출될 수 있으며, 이 경우 노즐 끝의 전도성 재료가 경화되어 노즐이 막히는 현상이 발생하는 문제점이 있다.

한편, 일반적으로 사용되는 전도성 재료는 전도성 입자 외에 휘발성 유체를 혼합하여 제작되는데, 이 휘발성 액체는 도선 성형 후 가열 등의 방식으로 제거되어 최종적으로 전도성 입자에 의한 전도성이 발현된다.

따라서 냉각팬 등에 의한 휘발성 액체의 증발은 전도성 재료가 경화되는 원인이 된다.

더욱이, 종래의 노즐은 토출의 시작과 끝에서 재료가 정확하게 토출되지 않아서 원하는 형상을 정밀하게 성형하지 못하는 문제가 있었으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 공압제어 방식 등의 노즐 시스템을 사용하고 있으나 이는 매우 고가여서 일반적으로으로 널리 사용하기에는 한계가 있다.

한국등록특허공보 등록번호 10-1451794(2014.10.16.공고)

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 노즐에 의한 재료의 토출 시 진동으로 인해 재료 액적이 떨어지는 현상은 물론 노즐이 막히는 현상 등을 방지할 수 있는 액체재료 토출을 위한 3D 프린터용 노즐을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 액체재료 토출용 노즐은 다음과 같은 특징이 있다.

내부의 공간부와 하단의 노즐 홀을 가지는 노즐 바디와, 상기 노즐 바디의 내부에 설치되며 스프링에 의한 탄력 지지를 받는 동시에 노즐 바디의 노즐 홀을 통해 외부로 돌출되는 동시에 기저판과 접촉되는 하단의 접촉부를 통해 상하 이동되면서 노즐 홀을 개폐하는 노즐 팁과, 상기 노즐 바디의 상단부에 체결되어 공간부를 마감하면서 헤드측에 연결되는 커넥터를 포함하는 구조로 이루어진다.

따라서, 상기 3D 프린터용 노즐은 재료 토출 시 기저판과의 접촉에 의해 개폐되면서 재료를 토출함으로써, 진동에 의해 재료가 떨어지는 현상은 물론 노즐이 막히는 현상 등을 방지할 수 있는 특징이 있다.

이러한 상기 3D 프린터용 노즐은 노즐 바디의 내부에서 노즐 팁의 둘레에 설치되며 노즐 팁의 상하 이동을 안내하는 팁 홀더를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 노즐 바디의 하단부 내주면과 이에 접하는 노즐 팁의 하단부 외주면은 경사면으로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 노즐 팁의 접촉부는 라운드 타입으로 이루어진다.

본 발명에서 제공하는 액체재료 토출용 노즐은 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 헤드의 이송 시에 발생하는 진동으로 인해 노즐로부터 점성이 낮은 재료 액적이 떨어지는 현상을 막을 수 있으므로, 제작 중인 구조물이 오염되는 것을 막을 수 있고, 특히 3차원 회로 제작 시에 전도성 재료에 의해 성형되는 회로도선의 합선 현상을 원천적으로 막을 수 있다.

둘째, 구조물의 제작 중 발생하는 열 및 구조물 냉각을 위한 냉각팬의 공기유동에 전도성 재료가 노출되지 않기 때문에 노즐 막힘 현상을 방지할 수 있다.

셋째, 토출의 시작 시점 및 끝나는 시점에서 액체재료가 정확하게 토출되어 원하는 형상의 패턴을 정밀하게 성형할 수 있는 장점이 있다. 나아가 재료에 적절한 압력이 가해지고 있는 상태라면 노즐의 수평 또는 반대 방향으로도 토출될 수 있어 자유곡면에 전도성 재료의 토출이 가능해지는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체재료 토출용 노즐을 나타내는 결합 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체재료 토출용 노즐을 나타내는 분해 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체재료 토출용 노즐을 나타내는 단면도
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체재료 토출용 노즐의 작동상태를 나타내는 단면도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체재료 토출용 노즐에서 노즐 팁의 접촉부를 나타내는 개략도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체재료 토출용 노즐에서 노즐 개폐상태를 나타내는 개략도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체재료 토출용 노즐에서 노즐 팁 형상과 스프링 정수에 따른 기저판의 표면을 나타내는 사진
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체재료 토출용 노즐에서 노즐 팁 형태에 따른 전도성 재료 성형상태를 나타내는 사진

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체재료 토출용 노즐을 나타내는 결합 사시도, 분해 사시도 및 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 액체재료 토출용 노즐은 노즐 팁과 기저판의 접촉을 통해 개폐되는 접촉식 개폐형 노즐로서, 이송 시의 진동에 의해 재료 액적이 떨어지는 문제, 냉각풍에 재료가 노출되어 노즐이 막히는 문제 등을 완전히 배제할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위하여, 상기 액체재료 토출용 노즐은 노즐의 몸체부에 해당하는 노즐 바디(12)를 포함한다.

상기 노즐 바디(12)는 내부에 공간부(10)를 가지는 원통형으로 이루어지게 되고, 원추면을 이루는 하단부의 중심에는 재료 토출을 위한 노즐 홀(11)를 갖는다.

이러한 노즐 바디(12)에 있는 공간부(10)의 하단부 내주면, 즉 원추면으로 이루어진 하단부 외주면에 상응하는 내주면은 하측으로 갈수록 좁아지는 경사면(18a)으로 이루어지게 되고, 이때의 경사면(18a)은 후술하는 노즐 팁(15)의 경사면(18b)과 형합되면서 밀착될 수 있게 된다.

그리고, 상기 노즐 바디(12)에 있는 공간부(10)의 상단부 내주면에는 암나사부(19)가 형성되며, 이곳에는 후술하는 커넥터(16)의 수나사부(20)가 체결될 수 있게 된다.

또한, 상기 3D 프린터용 노즐은 노즐 개폐를 위한 수단으로 노즐 팁(15)을 포함한다.

상기 노즐 팁(15)은 하단부가 원추 형상으로 되어 있는 원통형으로 이루어지게 되고, 하단부에서 축선을 따라 일정 길이 연장되는 핀 모양의 접촉부(14)를 갖는다.

이때, 상기 접촉부(14)의 선단, 즉 기저판과 접촉하는 하단은 끝이 둥근 라운트 타입이나 끝이 편평한 플랫 타입, 또는 샤프 타입 등 다양한 형태로 이루어질 수 있게 된다.

이러한 노즐 팁(15)은 노즐 바디(12)의 내부에 동축으로 배치됨과 더불어 상하 이동가능하게 설치되며, 이렇게 설치되는 노즐 팁(15)의 하단 접촉부(14)는 노즐 바디(12)에 있는 노즐 홀(11)을 관통하여 외부로 돌출될 수 있게 된다.

여기서, 상기 접촉부(14)는 노즐 바디(12)의 노즐 홀(11)에 비해 상대적으로 작은 직경으로 되어 있어서, 재료가 접촉부(14)와 노즐 홀(11) 간의 간격(갭)을 통해 밖으로 토출될 수 있게 된다.

그리고, 상기 노즐 팁(15)의 둘레에는 스프링(13)이 끼워지게 되고, 이때의 스프링(13)이 노즐 팁(15)의 단차부분과 후술하는 팁 홀더(17)의 내측 상단부분에 양단 지지되는 구조로 장착되므로서, 노즐 팁(15)은 스프링(13)에 의한 탄력지지를 받으면서 상시 아래쪽으로 이동하려는 힘을 받게 된다.

특히, 상기 노즐 팁(13)의 하단부 외주면, 즉 원추 형상으로 이루어진 하단부 외주면은 하측으로 갈수록 좁아지는 경사면(18b)으로 이루어지게 되고, 이때의 경사면(18b)은 노즐 바디(12)에 있는 경사면(18a)에 밀착될 수 있게 되며, 이렇게 두 개의 경사면(18a,18b)이 서로 밀착된 상태에서는 노즐 홀(11)을 통한 재료의 토출이 이루어지지 않게 된다.

따라서, 재료 미토출 시 노즐 팁(15)은 스프링(13)의 힘을 받아 아래로 내려온 위치에 있게 됨과 더불어 이때의 접촉부(14)는 노즐 바디(12)의 노즐 홀(11)을 통해 외부로 돌출된 상태에 있게 된다.

한편, 재료 토출 시 기저판에 접촉부(14)가 눌려지면 노즐 팁(15)이 스프링(13)의 힘을 이기고 위로 이동하게 되고, 이와 동시에 서로 밀착되어 있던 경사면(18a,18b)이 떨어지면서 경사면(18a,18b) 간에 간격이 형성되며, 결국 이때의 간격을 통해 재료가 노즐 홀(11)을 통해 외부로 토출될 수 있게 된다.

그리고, 상기 노즐 바디(12) 전체의 상승에 따라 노즐 팁(15)의 접촉부(14)가 기저판으로부터 떨어지게 되면, 스프링(13)의 힘을 받은 노즐 팁(15)의 하강 이동에 따라 떨어져 있던 경사면(18a,18b)이 재차 밀착되므로서, 재료의 토출이 이루어지지 않게 된다.

또한, 상기 3D 프린터용 노즐은 마감부재의 역할과 헤드측 연결수단으로서의 역할을 하는 커넥터(16)를 포함한다.

상기 커넥터(16)는 중공의 원통형으로 이루어지게 되고, 하단부 외주면에는 수나사부(20)가 형성되어 있어서 이곳을 통해 노즐 바디(12)의 암나사부(19)에 체결되는 구조로 노즐 바디(12)에 조립될 수 있게 된다.

이렇게 커넥터(16)가 노즐 바디(12)에 체결구조로 조립되므로서, 노즐 바디(12)의 공간부(10)가 밀폐될 수 있게 된다.

그리고, 상기 커넥터(16)의 상단부에는 연결부(21)가 돌출 형성되어 있으며, 이때의 연결부(21)가 헤드측 주사기(미도시)에 체결구조로 연결되므로서, 주사기로부터 액상의 재료를 공급받을 수 있게 된다.

또한, 상기 3D 프린터용 노즐은 노즐 팁(15)이나 스프링(13)의 지지를 위한 수단으로 팁 홀더(17)를 포함한다.

상기 팁 홀더(17)는 2단 원통형 형태로서, 노즐 바디(12)의 내부에서 노즐 팁(15)의 둘레에 동축구조로 배치되어 상기 노즐바디(12)의 공간부(10)를 상하 2개의 공간으로 구획한다.

이러한 팁 홀더(17)는 노즐 바디(12)의 내부 아래쪽에 위치된 상태에서 노즐 바디(12)에 체결 조립되는 커넥터(16)의 하단부에 눌려지는 상태로 고정된다.

그리고, 상기 팁 홀더(17)에는 축선을 관통하는 가이드 홀(22)이 형성되어 있으며, 이때의 가이드 홀(22)에는 노즐 팁(15)의 상단부 끼워져 슬라이드되면서 상하 이동 시 안내를 받을 수 있게 된다.

물론, 도시하지는 않았지만 팁 홀더(17)에는 단차진 부분에 홀이 형성되어 있어서 이곳을 통해 재료가 노즐 바디(12)의 노즐 홀(11)이 있는 쪽으로 보내질 수 있게 된다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체재료 토출용 노즐의 작동상태를 나타내는 단면도이다.

도 4a에 도시한 바와 같이, 노즐 팁(15)의 접촉부(14)가 기저판(Substrate;100)에 접촉하지 않은 상태에서는 팁 홀더(17)와 노즐 팁(15) 사이의 스프링(13)이 노즐 팁(15)을 아래 방향으로 밀어주기 때문에 노즐 팁(15)의 경사면(18b)이 노즐 바디(12)의 경사면(18a)과 밀착되어 재료가 흐르지 않게 된다.

도 4b에 도시한 바와 같이, 노즐 팁(15)의 접촉부(14)가 기저판(100)에 접촉하게 되면 스프링(13)에 의한 힘을 이기고 노즐 팁(15)이 밀려 들어가게 된다.

이렇게 되면 노즐 팁(15)의 경사면(18b)이 노즐 바디(12)의 경사면(18a)으로부터 떨어지게 되고, 이곳으로 재료가 흐르게 된다.

[실시예]

도 5는 본 발명에 따라 제작된 라운드형, 플랫형 그리고 샤프형의 노즐 팁을 도시한 것이다.

개폐형 노즐은 노즐은 내경 700㎛이며, 접촉부는 외경이 500㎛이다.

도 6은 은 개폐형 노즐의 작동원리를 보여주는 개념도로서, (a)는 접촉부가 기저판에 접촉하지 않은 상태를 나타내며, 노즐 내부의 개폐부와 노즐 팁의 개폐부가 스프링에 의해 밀착하여 닫힌 상태를 유지한다.

(b)에 노즐 팁의 접촉부가 기저판과 접촉하여 노즐 팁이 밀려 올라가면서 개폐부의 간격이 벌어진 상태를 나타내었다.

이때 노즐이 열리며 노즐 구멍과 팁 사이의 간격을 통해 전도성 재료가 토출된다.

즉, 전도성 재료 성형을 위해 노즐이 기저판과 접촉하였을 때에만 노즐이 열리게 된다.

반면에 구조물 성형 시에는 노즐이 밀폐됨으로써 액적 흐름 현상을 방지할 수 있다.

또한, 구조물 제작 중 발생하는 열 및 구조물 냉각을 위한 냉각 팬의 공기 유동에 전도성 재료가 노출되지 않기 때문에 노즐 막힘 현상을 방지 할 수 있다. 따라서 복합 시스템에는 개폐형 노즐을 적용하는 것이 적합하다고 판단된다.

개폐형 노즐은 기저판과의 접촉을 통해 작동을 하며 접촉을 유지한 상태로 전도성 재료를 토출하여 성형하게 된다.

따라서, 전도성 재료 성형 시 노즐 팁이 플라스틱 기저판에 손상을 줄 것이다.

특히, 노즐 팁 끝단의 형상 및 노즐 팁 작동을 위한 스프링 정수에 의한 손상이 클 것이다.

따라서, 노즐 팁과 노즐 팁 작동을 위한 스프링의 정수가 기저판에 미치는 영향을 파악하였다.

노즐 팁은 라운드형, 플랫형 그리고 샤프형의 3가지 형태를 사용하였다.

각각의 노즐 팁 형상에 따라 스프링 정수를 0.5 ~ 2 N/mm로 0.5 N/mm씩 증가시켜가며 노즐을 이송하였다.

노즐의 이송속도는 10 mm/s이고. 이때 기저판에 가해진 영향을 보기위해 전도성 재료의 토출 없이 노즐을 이송하였다.

노즐 팁 형상과 스프링 정수에 따른 기저판의 표면을 도 7에 나타내었다.

노즐 팁의 형상에 따라 기저판에 가해진 손상이 다른 경향을 보이는 것을 확인 할 수 있다.

샤프형은 기저판이 팁에 의해 이송경로를 따라 파인 것을 볼 수 있다.

플랫형은 노즐 이송 경로를 따라 기저판이 간헐적으로 뜯기듯 손상되었으며, 라운드형의 경우 간헐적인 손상이 발생하였으나, 3가지 경우 중 손상이 가장 적었다.

또한, 스프링 정수가 증가함에 따라 3가지 팁 형상 모두 손상이 심해지는 것을 확인 할 수 있다.

1 N/mm의 스프링 정수로 팁 형태에 따라 전도성 재료를 성형한 것을 도 8에 나타내었다.

플랫과 샤프형의 경우 기저판에 손상을 주며, 동시에 성형된 전도성 재료에도 손상을 준 것을 확인 할 수 있다.

라운드형의 경우 전도성 재료가 손상 없이 성형된 것을 볼 수 있다.

기저판에 손상을 가장 적게 입히면서, 동시에 전도성 재료의 성형에 영향을 주지 않는 조건을 고려하여야 하기 때문에 라운드형태의 노즐 팁이 전도성 재료의 성형에 가장 적합하다.

또한, 노즐의 밀폐 성능 및 기저판의 손상 정도를 고려했을 때 1N/mm의 스프링 정수를 사용하는 것이 가장 적당하다.

따라서, 개폐형 노즐에는 라운드형 팁과 1N/mm의 스프링을 사용하는 것이 적합할 것이다.

이와 같이, 본 발명에서는 노즐에 의한 액체재료 토출 시에 노즐이 기저판과의 접촉에 의해 개폐되는 접촉식 개폐형 노즐을 구현함으로써, 헤드의 이송 시에 발생하는 진동으로 인해 액상의 재료 액적이 떨어지는 것을 방지할 수 있으며, 또한 구조물 제작 시의 열과 냉각팬의 공기 유동에 의한 영향을 재료가 받지 않도록 하여 노즐 막힘 현상을 방지할 수 있다.

10 : 공간부
11 : 노즐 홀
12 : 노즐 바디
13 : 스프링
14 : 접촉부
15 : 노즐 팁
16 : 커넥터
17 : 팁 홀더
18a,18b : 경사면
19 : 암나사부
20 : 수나사부
21 : 연결부
22 : 가이드 홀

Claims (5)

1. 내부의 공간부(10)와 하단의 노즐 홀(11)을 가지는 노즐 바디(12);
   상기 노즐 바디(12)의 내부에 설치되며, 스프링(13)에 의한 탄력 지지 받으면서 노즐 바디(12)의 노즐 홀(11)을 통해 외부로 돌출되는 동시에 기저판과 접촉되는 하단의 라운드 타입 접촉부(14)를 통해 상하 이동되면서 노즐 홀(11)을 개폐하는 노즐 팁(15);
   상기 노즐 바디(12)의 상단부에 체결되어 공간부(10)를 마감하면서 헤드측에 연결되는 커넥터(16);
   상기 노즐 바디(12)의 공간부(10)를 상하 2개의 공간으로 구획하고, 노즐 바디(12)의 내부에서 노즐 팁(15) 둘레에 설치되며, 노즐 팁(15)의 상단부 부분이 끼워지는 가이드 홀(22)이 형성되어 노즐 팁(15)의 상하 이동을 안내하는 팁 홀더(17);을 포함하고,
   상기 노즐 바디(12)의 하단부 내주면(18a)과 이에 접하는 노즐 팁(15)의 하단부 외주면(18b)은 하측으로 갈수록 좁아지는 경사면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체재료 토출용 노즐.
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