KR101736568B1 - 다중재료 성형을 위한 3d 프린터용 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 헤드로 서로 다른 재료를 토출할 수 있는 3D 프린터용 헤드로서 헤드 프레임의 한쪽에 설치되면서 구조물 성형을 위한 비전도성 재료를 FDM 방식으로 토출하는 FDM 토출부 및 헤드 프레임의 다른 한쪽에 설치되면서 회로도선 성형을 위한 전도성 재료를 토출하는 전도성 재료 토출부를 포함하여, 3차원 회로 장치의 구조물 및 회로도선 성형을 위한 각 재료의 토출을 단일 공정에서 효과적으로 실시할 수 있는 새로운 형태의 다중재료 토출용 3D 프린터 헤드를 구현함으로써, 장비의 소형화는 물론 공정의 단순화를 도모할 수 있는 등 전체적인 장치의 구성을 단순화할 수 있는 동시에 공정의 효율성을 향상시킬 수 있는 3D 프린터용 헤드를 제공한다.

Description

다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드{3D printer Head for three dimension production comprised of multi material}

본 발명은 3D 프린터용 헤드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라스틱 재료를 녹여서 토출함과 동시에 액체 상태의 전도성 재료를 토출하는 방식으로 다중재료로 구성된 3차원 대상을 성형하는 3D 프린터에 사용되는 헤드에 관한 것이다.

일반적으로 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 3D 프린팅 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 기술 기술이 주목받고 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 다중재료를 동시에 적용하는 기술이 가장 발달되어 있다.

이러한 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.

하지만, 기존의 FDM 방식의 다중재료 3D 프린팅 기술은 유사한 특성의 폴리머 재료만 이용이 가능하다는 한계가 있다.

한편, FDM 뿐만 아니라 대부분의 일반적인 3D 프린팅 기술은 사용 재료와 재료를 가공하는 방식에 따라 기술이 분류된다.

따라서 현재의 3D 프린팅 기술은 색, 재질 그리고 성질이 다른 재료라 하더라도, 각각의 3D 프린팅 기술의 가공 방식에 적용할 수 있는 가공 특성이 동일한 재료의 이용만이 가능하다.

이에, 직접 제품생산에 적용할 수 있는 다중재료 3D 프린팅 기술을 통해 완성된 제품을 직접 생산하기 위해서는 전혀 다른 특성의 재료를 사용할 수 있는 기술의 개발이 필요하다.

한편, 직접주사(DW, direct writing) 기술은 유체에 직접 압력을 가하여 노즐을 통해 토출되게 하고, 노즐의 위치를 이송시스템을 통하여 직접 제어하여 원하는 형상의 패턴을 성형하는 기술이다.

이 기술은 직접인쇄회로 기술에 응용되어 전자회로, 센서, 소자 및 각종 전자제품 제작 등에 적용되기도 한다.

직접주사 기술은 패턴을 성형하는데 있어서 다른 기술들에 비하여 시스템 구성이 간단하며, 복잡한 공정없이 원하는 위치에 직접 원하는 재료를 성형할 수 있는 특징이 있다.

비전도성 재료를 사용하는 FDM 기술과 전도성 재료를 사용하는 직접주사 기술을 복합한 다중재료 3D 프린팅 기술을 통해 새로운 방식의 3차원 회로의 제작이 가능하다.

기존의 PCB(printed circuit board)는 평면의 형태로 제작되며, 회로 소자 또한 평면에 배열됨으로써 형상 설계에 제약이 있다.

따라서, 기존의 PCB는 제품 내부에 위치하여 제품 외부형상 설계에도 제약을 주게 된다.

반면에 새로운 형태의 3차원 회로는 3D 프린팅 기술을 통해 제품 외부형상과 PCB의 절연체 역할을 동시에 수행하는 구조물을 제작하며, 구조물 내부에 회로 소자를 3차원으로 배열함으로써 설계 자유도가 높은 전자제품을 제작할 수 있다.

한편, 다중재료 3D 프린팅 기술에 대한 연구들은 다음과 같은 여러 형태로 진행되고 있는 추세이다.

일 예로서, 압출 방식의 3D 프린팅 기술 기술을 적용하여 다수의 재료를 사용한 인공지지체 제작에 관한 연구를 진행하였다.

다른 예로서, 광경화 방식의 3D 프린팅 기술과 전도성 재료 성형 기술을 사용하여 전자회로를 제작하였다.

즉, 광경화 방식 중 SLA(Stereo Lithography Apparatus) 기술을 이용하여 구조물을 제작한 후 표면에 회로소자를 삽입하였다.

그 후에 구조물 표면에 직접주사 기술을 이용하여 전도성 재료를 토출하는 방식으로 회로를 성형하여 전자회로를 제작하였다.

또 다른 예로서, SLA 기술과 직접주사 기술을 적용하여 3차원 전자회로를 제작하였다.

SLA 기술을 통해 구조물을 제작하였으며, 구조물 제작 공정 중 내부에 표준화된 회로소자를 삽입하여 3차원으로 배열하였다.

또한, 구조물 내부에 직접주사 방식을 통해 전도성 재료를 성형하여 3차원 전자회로를 제작하였다.

또 다른 예로서, FDM 기술과 직접주사 기술을 적용하여 전자회로를 제작하였다.

특히, 직육면체 구조물의 마주보는 두 표면에 회로 도선을 성형한 후 이를 전기적으로 연결하였다.

하지만 이 연구는 구조물 제작 완료 후 구조물 표면에 전도성 재료를 성형하였다.

기존의 3D 프린팅 기술 기술을 적용한 전자회로 제작에 관한 연구들은 제작된 3차원 구조물 표면에 회로를 성형하는 연구가 대부분이었다.

또한, 다중재료 기술을 적용하였지만, 하나의 성형 공정을 완료한 후에 다른 성형 공정을 사용하고 있다.

즉, 단일공정을 적용한 3차원 회로 제작에 관한 연구는 미비하다.

특히, SLA 기술과 직접주사 기술을 적용하여 3차원으로 구성된 회로를 제작하는 예가 있는데, SLA 기술을 이용하면 높은 정밀도와 해상도로 구조물을 제작 할 수 있지만 액체 상태의 재료를 사용하기 때문에 회로 소자 및 도선 성형을 위해서는 세척 공정이 반드시 필요하며, 전체적인 제작 공정이 복잡해진다.

이와 같이, 기존의 연구들은 각각 독립적으로 구성한 공정 장비들을 적용하여 3차원 회로 장치를 제작하는 방식으로서, 이 경우 각각 독립적으로 구성된 장비를 이용하면 구조물과 회로 도선 성형을 위해 각 공정장비 사이에서 성형되는 제품을 이동해야 하는 불리함이 있고, 또한 각각의 공정장비를 제어하기 위한 스테이지 시스템이 별도로 필요하기 때문에 전체적인 장치 구성이 복잡해진다.

따라서, 본 발명은 고체 재료를 사용하는 FDM 기술을 적용하여 광조형 기술에 비해 단순하고 자동화된 단일공정으로 3차원 회로 장치 제작 공정 및 다중재료 복합 시스템을 구현할 수 있는 3D 프린터용 헤드 어셈블리를 그 안출의 대상으로 한다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 비전도성 재료 토출장치와 전도성 재료 토출장치를 하나의 헤드로 통합하여, 3차원 회로 장치의 구조물 및 회로도선 성형을 위한 각 재료의 토출을 단일 공정에서 효과적으로 실시할 수 있는 새로운 형태의 다중재료 토출용 3D 프린터 헤드를 구현함으로써, 장비의 소형화는 물론 공정의 단순화를 도모할 수 있는 등 전체적인 장치의 구성을 단순화할 수 있는 동시에 공정의 효율성을 향상시킬 수 있는 3D 프린터용 헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드는 다음과 같은 특징이 있다.

하나의 헤드로 서로 다른 재료를 토출할 수 있는 3D 프린터용 헤드로서, 헤드 프레임의 한쪽에 설치되면서 구조물 성형을 위한 비전도성 재료를 FDM 방식으로 토출하는 FDM 토출부 및 상기 헤드 프레임의 다른 한쪽에 설치되면서 회로도선 성형을 위한 전도성 재료를 토출하는 전도성 재료 토출부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 상기 3D 프린터용 헤드는 통합형으로 이루어진 하나의 헤드를 통해 다중재료를 토출하여 3차원 회로 장치를 효과적으로 제작할 수 있는 특징이 있다.

이때, 상기 전도성 재료 토출부는 직접주사 방식으로 전도성 재료를 토출하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 전도성 재료 토출부는 재료를 저장하면서 상기 헤드 프레임에 고정되는 주사기와, 상기 헤드 프레임 상에 설치되면서 재료 토출 작동을 위한 동력을 제공하는 구동부와, 상기 구동부측에 스크류 전동가능하게 결합되어 상하 동작하면서 주사기의 손잡이를 눌러주는 주사기 홀더를 포함하는 상기 직접주사 헤드부 및 상기 주사기의 끝부분에 장착되어 재료가 최종적으로 토출되는 직접주사 노즐을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때의 상기 주사기 홀더는 헤드 프레임 상에 수직 설치되는 가이드 바에 관통 지지되어 상하 동작 시 흔들림없는 정확한 안내를 받을 수 있다.

또한, 상기 구동부는 동력원인 스텝 모터와, 헤드 프레임 상에 수직 설치되면서 직접주사 헤드부의 주사기 홀더와 스크류 전동가능하게 결합되는 LM 스크류와, 상기 스텝 모터측과 LM 스크류측 사이에 연결되어 모터 동력을 스크류에 전달하는 벨트 전동장치를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 벨트 전동장치는 스텝 모터의 축에 장착되는 제1풀리와, 상기 LM 스크류의 상단부에 장착되는 제2풀리와, 상기 제1풀리와 제1벨트에 의해 연결되는 대풀리를 가지는 동시에 상기 제2풀리와 제2벨트에 의해 연결되며 소풀리를 가지는 듀얼 풀리를 포함하는 구조로 이루어질 수 있다.

이러한 상기 벨트 전동장치의 경우, 제1풀리는 대풀리에 비해 상대적으로 직경이 작게 하고, 제2풀리는 소풀리에 비해 상대적으로 직경이 크게 하여, 토크를 높일 수 있는 구조로 구성하는 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 3D 프린터용 헤드는 다음과 같은 장점이 있다.

전도성 재료 공급과 비전도성 재료 공급을 하나의 헤드로 통합하여, 단일 공정에서 구조물 성형을 위한 재료와 회로도선 성형을 위한 재료를 공정 계획에 따라 토출하면서 공정을 실시할 수 있도록 함으로써, 전체적인 장치의 구성을 단순화할 수 있음은 물론 장치의 소형화를 구현할 수 있으며, 특히 3D 회로 장치의 제작을 위한 전체 공정의 효율성을 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드를 나타내는 정면도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드에서 벨트 전동장치를 나타내는 평면도
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드의 작동상태를 나타내는 정면도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드를 사용하여 3차원 회로 장치를 제작하는 과정을 나타내는 개략도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드를 적용한 다중재료 복합 시스템의 개념도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드를 적용한 다중재료 복합 시스템에서, 스텝 모터의 회전속도에 따른 주사유량의 변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프

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

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드를 나타내는 정면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 3D 프린터용 헤드는 비전도성 재료를 토출하는 FDM 토출부와 전도성 재료를 토출하는 전도성 재료 토출부를 하나의 헤드로 통합하고, 이러한 통합형의 헤드로 다중재료를 순차적으로 토출하여 단일 공정에서 3차원 회로 장치를 효과적으로 제작할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위하여, 상기 3D 프린터용 헤드는 3D 프린터 장비의 X-Y 스테이지(미도시)에 설치되는 헤드 프레임(10)을 포함한다.

상기 헤드 프레임(10)은 사각 플레이트 형태로서, 이곳에 후술하는 FDM 헤드부(11) 및 FDM 노즐(12)을 포함하는 FDM 토출부와 직접주사 헤드부(13) 및 직접주사 노즐(14)을 포함하는 전도성 재료 토출부가 설치된다.

예를 들면, 상기 헤드 프레임(10)의 한쪽, 즉 좌측에는 위아래로 FDM 헤드부(11)와 FDM 노즐(12)이 설치되고, 우측으로는 위아래로 직접주사 헤드부(13)와 직접주사 노즐(14)이 설치된다.

이러한 헤드 프레임(10)은 X-Y 스테이지의 가동에 따라 X축 방향과 Y축 방향으로 위치 이동가능하게 되며, 결국 이러한 움직임에 의해 FDM 헤드부(11)와 직접주사 헤드부(13)도 위치를 옮겨가면서 각각의 재료는 토출할 수 있게 된다.

또한, 상기 3D 프린터용 헤드는 FDM 방식으로 구조물 성형을 위한 비전도성 재료를 토출하는 FDM 헤드부(11)와 FDM 노즐(12)을 포함한다.

상기 FDM 헤드부(11)와 FDM 노즐(12)은 헤드 프레임(10)의 한쪽(좌측)에서 상면과 저면에 각각 설치되며, 모터(미도시)에 의해 위아래로 움직이는 플런저(미도시)의 동작을 통해 노즐측으로 공급되는 용융 재료를 가압하고, 이렇게 가압된 용융 재료를 FDM 노즐(12)을 통해 토출되도록 하는 방식으로서, 이러한 FDM 헤드부(11)와 FDM 노즐(12)은 종래와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

물론, 도시하지는 않았지만 FDM 노즐측으로는 용융 재료 공급을 위한 튜브 등이 연결될 수 있게 된다.

또한, 상기 3D 프린터용 헤드는 직접주사 방식으로 회로도선 성형을 위한 전도성 재료를 토출하는 직접주사 헤드부(13) 및 직접주사 노즐(14)을 포함한다.

상기 직접주사 헤드부(13)와 직접주사 노즐(14)은 헤드 프레임(10)의 다른 한쪽(우측)에서 상면과 저면에 각각 설치된다.

그리고, 상기 직접주사 헤드부(15)에는 헤드 프레임(10)의 상면에 설치되면서 상부가 개방되어 있는 주사기 하우징(27)이 구비되며, 이곳에는 전도성 재료가 채워져 있는 주사기(16)가 장착 고정될 수 있게 된다.

이때, 상기 주사기(16)의 하단 토출구멍은 주사기 하우징(27) 내에 주사기(16)를 장착함과 동시에 직접주사 노즐(14)측과 연결될 수 있게 되며, 이에 따라 주사기 가압 시 주사기 내의 액체 재료는 직접주사 노즐(14)로 공급되어 노즐을 통한 토출이 이루어질 수 있게 된다.

특히, 상기 직접주사 헤드부(15)에는 주사기(16)의 손잡이를 눌러주는 수단으로 주사기 홀더(17)가 구비된다.

상기 주사기 홀더(17)는 플레이트 구조의 홀더 몸체부(17a)와, 상기 홀더 몸체(17a)의 상면에 수직 형성되면서 주사기 손잡이 부분을 포함하는 주사기 일부 길이를 내측으로 수용하는 원통형의 홀더 가압부(17b)로 구성된다.

이때, 상기 원통형의 홀더 가압부(17b)는 도면에 도시하지 않았지만 측면부가 개방되어 있어서 이곳을 통해 주사기(16)를 삽입한 후에 주사기 하우징(27)에 장착할 수 있게 된다.

이렇게 홀더 가압부(17b)를 통해 그 내측으로 삽입되면서 주사기 하우징(27)에 장착되는 주사기(16)의 손잡이는 홀더 가압부(17b)의 상단부 내면과 접촉가능하게 되고, 이에 따라 홀더 가압부(17b)가 아래로 이동하게 되면 주사기 손잡이가 눌려지면서 주사기(16) 내의 재료가 노즐측으로 공급될 수 있게 된다.

그리고, 상기 주사기 홀더(17)의 일측 끝단, 즉 홀더 몸체부(17a)의 한쪽 단부는 후술하는 LM 스크류(20)에 관통되면서 스크류 결합되며, 이에 따라 LM 스크류(20)의 회전 시 스크류 전동에 의해 주사기 홀더(17) 전체가 위아래로 이동될 수 있게 되고, 결국 하강 이동 시 주사기 손잡이가 눌려지면서 주사기 속의 재료가 빠져나갈 수 있게 된다.

이러한 주사기 홀더(17)는 상하 이동 시의 흔들림없는 정확한 움직임을 위하여 가이드 바(18)에 의한 안내를 받게 된다.

상기 가이드 바(18)는 헤드 프레임(10)의 상면 단부에 수직으로 세워지는 구조로 설치되며, 이렇게 설치되는 가이드 바(18)는 주사기 홀더(17)의 타측 끝단에 부싱(미도시) 등을 매개로 하여 관통 결합된다.

이에 따라, 상기 주사기 홀더(17)는 상하 이동 시 가이드 바(18)에 의한 안내를 받으면서 정확한 직선 궤적으로 움직일 수 있게 된다.

또한, 상기 3D 프린터용 헤드는 직접주사 헤드부(13)의 토출 작동을 위해 동력을 제공하는 스크류 구동 방식의 구동부(15)를 포함한다.

상기 구동부(15)는 헤드 프레임(10)의 일측, 예를 들면 FDM 헤드부(11)와 직접주사 헤드부(13) 사이에 위치되며, 스텝 모터(19), LM 스크류(20) 및 벨트 전동장치(21) 등으로 구성된다.

상기 스텝 모터(19)는 헤드 프레임(10) 상에 세워지는 브라켓(미도시)에 하단 지지되면서 축을 위로 하여 수직 자세로 설치되며, 이렇게 설치되는 스텝 모터(19)의 축에는 벨트 전동장치(21)의 제1풀리(22)가 장착된다.

그리고, 상기 LM 스크류(20)는 스텝 모터(19)의 앞쪽에 수직 위치되며, 하단부분은 베어링(미도시) 등을 매개로 하여 헤드 프레임(10)에 지지됨과 더불어 상단에서 약간 아래쪽 부분은 스텝 모터(19)의 몸체부에 부착되어 있는 스크류 지지블럭(28) 내에 역시 베어링(미도시) 등을 매개로 하여 지지되는 구조로 설치되고, 이렇게 설치되는 LM 스크류(20)의 상단부에는 제2풀리(23)가 장착된다.

이때의 LM 스크류(20)는 주사기 홀더(17)의 한쪽 단부를 수직으로 관통함과 동시에 주사기 홀더(17)측과 스크류 전동, 예를 들면 볼스크류 전동 가능한 구조로 결합된다.

이에 따라, 상기 LM 스크류(20)가 회전하게 되면 이때의 스크류 전동에 의해 주사기 홀더(17) 전체가 상하로 움직일 수 있게 된다.

상기 벨트 전동장치(21)는 스텝 모터(19)측과 LM 스크류(20)측 사이에 연결되어 모터 동력을 스크류에 전달하는 역할을 하게 된다.

이를 위하여, 상기 벨트 전동장치(21)는 3개의 풀리 및 2개의 벨트, 예를 들면 타이밍 벨트 조합을 이용하여 동력을 전달하면서 모터 회전 토크를 증가시킬 수 있게 된다.

예를 들면, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 스텝 모터(19)의 축에는 제1풀리(22)가 장착되는 동시에 상기 LM 스크류(20)의 상단부에는 제2풀리(23)가 장착되고, 아래쪽의 대풀리(25a)와 윗쪽의 소풀리(25b)의 조합으로 이루어진 듀얼 풀리(25)가 마련된다.

그리고, 상기 듀얼 풀리(25)의 대풀리(25a)와 제1풀리(22)는 제1벨트(24)에 의해 연결되고, 듀얼 풀리(25)의 소풀리(25b)와 제2풀리(23)는 제2벨트(26)에 의해 연결된다.

이에 따라, 스텝 모터(29)의 동력은 제1풀리(22)→대풀리(25a)→소풀리(25b)→제2풀리(23)를 경유하여 LM 스크류(20)까지 감속되는 형태로 전달될 수 있게 된다.

예를 들면, 상기 벨트 전동장치(21)의 제1풀리(22)는 대풀리(25a)에 비해 상대적으로 작은 직경으로 이루어지게 되고, 제2풀리(23)는 소풀리(25b)에 비해 상대적으로 큰 직경으로 이루어지게 되므로서, 모터 동력이 감속되는 형태로 전달되면서 모터의 회전 토크가 증가될 수 있게 된다.

여기서, 상기 듀얼 풀리의 대풀리와 소풀리는 서로 상대적인 직경차이를 가지는 풀리를 의미하며, 듀얼 풀리의 경우 스텝 모터의 지지를 위한 브라켓(미도시) 등을 이용하여 적절히 설치될 수 있게 된다.

물론, 상기 듀얼 풀리(25)의 대풀리(25a)와 스텝 모터(19)의 제1풀리(22)는 동일한 높이에 위치될 수 있게 되고, 마찬가지로 듀얼 풀리(25)의 소풀리(25b)와 LM 샤프트(20)의 제2풀리(23)도 동일한 높이에 위치될 수 있게 된다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드의 작동상태를 나타내는 정면도이다.

도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 여기서는 직접주사 헤드부(13) 및 직접주사 노즐(14)을 이용한 직접주사 방식으로 도전성 재료를 토출하는 작동상태를 보여준다.

예를 들면, 상기 스텝 모터(19)가 작동하게 되면 이때의 동력은 제1풀리(22)→대풀리(25a)→소풀리(25b)→제2풀리(23)로 전달되면서 LM 스크류(20)가 일방향으로 회전하게 되고, 이와 동시에 LM 스크류(20)와 스크류 전동 가능한 구조로 결합되어 있는 주사기 홀더(17)가 아래쪽으로 이동하게 된다.

이렇게 주사기 홀더(17)가 하강하게 되면 홀더 가압부(17b)가 직접주사 헤드부(13)에 장착되어 있는 주사기(16)의 손잡이를 가압하게 되고, 결국 주사기(16) 내의 재료가 직접주사 노즐(14)측으로 공급되어 직접주사 노즐(14)을 통한 재료의 토출이 이루어질 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드를 사용하여 3차원 회로 장치를 제작하는 과정을 나타내는 개략도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 여기서는 FDM 기술과 직접주사 기술을 통해 다중재료(비전도성 재료와 전도성 재료)를 단일 공정에서 동시에 성형하여 3차원 회로장치를 형성하는 과정을 보여준다.

즉, FDM 방식을 이용하여 비전도성 재료로 한층 한층 반복 적층하여 구조물을 만들고, 직접주사 방식을 이용하여 전도성 재료로 회로도선을 형성함과 더불어 회로소자의 장착 및 이를 전기적으로 연결함으로써, 복잡하고 다양한 형태의 3차원 회로를 단순한 공정을 통해 제작할 수 있는 방법을 보여준다.

이를 위하여, 비전도성의 고체재료, 예를 들면 ABS 계열 등의 플라스틱 재료를 용융시키고, 이렇게 용융시킨 고체재료를 FDM 노즐을 통해 압출하여 얇은 단면을 가지는 판 상의 구조물(100)을 형성한다.

이러한 판 상의 구조물(10O)은 적어도 1개층이 될 수 있으며, 회로소자(110)의 삽입 깊이 확보를 위해 복수 개의 층을 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 구조물(100)의 형성 시 회로소자(110)를 삽입하고 또 회로도선(120)을 성형하기 위한 홈(130)을 형성한다.

즉, FDM 방식을 통해 비전도성 재료를 적층하여 구조물(100)을 형성함에 있어서, 구조물 층에 회로소자(110)의 삽입 및 회로도선(120)의 성형을 위한 홈(130)을 형성하면서 3차원 회로를 제조할 수 있게 된다.

또한, 상기 구조물(100)의 형성 시 위아래 구조물(100)의 각 층 간을 전기적으로 연결하기 위한, 다시 말해 각 구조물(100)층에 삽입 및 형성되어 있는 회로소자 간, 회로도선 간, 또는 회로소자와 회로도선 간의 전기적 연결을 위한 수직방향의 홀(140)을 형성한다.

그리고, 직접주사 헤드부 및 직접주사 노즐을 이용한 직접주사 방식으로 회로도선(120)을 형성하고 회로소자(110)를 장착한다.

즉, 직접주사 노즐을 통해 구조물(100)의 홈(130)과 홀(140)에 전도성 재료를 토출하여 회로도선(120)을 형성하고, 구조물(100)의 홈(130)에 회로소자(110)를 장착하여 회로소자(110)와 회로도선(120)이 서로 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.

계속해서, FDM 노즐과 직접주사 노즐을 이용한 구조물 형성과 회로소자 삽입 및 회로도선 형성이 완료되면, 회로도선(120)과 회로소자(110)가 있는 구조물(100) 위에 FDM 방식으로 여러 층의 구조물(100)을 적층 형성하고, 위와 같은 과정을 반복하면 매우 단순한 공정을 통해 복잡한 형태의 3차원 회로 장치를 효과적으로 제작할 수 있다.

[실시예]

FDM 방식의 재료 공급 장치와 직접주사 방식의 재료 공급 장치를 하나의 헤드로 통합 구성하고, 이를 스테이지 시스템으로 제어함으로써 다중재료 복합 장치의 구성이 가능해진다.

도 6은 다중재료 복합 시스템의 개념도이다.

복합장치 개발을 위해 오픈소스 기반의 상용 장비 BFB3000을 이용하였으며, 직접주사 장치를 별도로 제작하여 복합 장치 헤드에 장착하였다.

제작한 직접주사 장치의 성능을 검증하기 위해 유량측정 실험을 진행하였다.

한편, 직접주사 기술은 공압으로 제어되는 펌프를 사용하는 공압 방식과 기계적인 구동으로 제어되는 주사기 펌프를 사용하는 기계 방식으로 나뉜다.

공압 방식은 발생된 공기의 압력을 이용하여 일정한 부피를 가지고 있는 용기내의 액체에 압력을 전달하여 액체를 토출하는 방식이다.

기계 방식은 모터의 회전을 통해 가압부를 이송시켜 주사기의 피스톤을 밀어줌으로써 액체를 토출하는 방식이다.

기계 방식의 직접주사 기술은 공압 방식에 비해 장치 구성이 간단하고 경제적인 특징을 가지고 있다.

하지만, 가압 및 감압에 따른 유체의 반응이 공압 방식에 비해 정밀하지 못하다는 단점이 있다.

본 연구에서 제작한 직접주사 장치는 기계 방식을 적용하였다.

따라서, 복합 시스템을 위한 직접주사 시스템에 일반적인 노즐을 적용할 경우 액적 맺힘, 흐름 그리고 노즐 막힘 등의 문제들이 발생하였다.

이러한 문제들을 해결하기 위해 개폐형 노즐을 개발하여 적용하였다. 이에 따라 기저판과 접촉하는 노즐 팁의 형상 및 팁의 작동에 관여하는 스프링 정수가 기저판에 미치는 영향을 파악하였다.

복합 장치 개발을 위해 오픈소스 기반의 상용화된 장비 BFB 3000을 개조하였다.

BFB 3000은 FDM 기술 기반의 장치로, PLA 및 ABS 계열의 플라스틱 재료의 사용이 가능하며, 본 연구에서는 ABS 계열의 재료를 사용하였다.

재료를 압출하는 가열 노즐의 직경은 0.5 mm이다. 구조물은 0.125, 0.25 그리고 0.5 mm의 적층 두께로 제작이 가능하며, 출력 오차 범위는 ±0.2 mm이다.

최대 100.100.200 mm 크기의 구조물의 성형이 가능하다.

복합 장치 제작을 위해 BFB 3000의 x, y, z 스테이지 및 제어 시스템은 그대로 이용하였다.

x, y축 스테이지는 스텝 모터에 의해 회전하는 풀리 및 벨트에 의해 구동되며, z축 스테이지는 볼 스크류에 의해 구동된다.

스테이지 시스템은 AXON을 통해 작성된 G코드 정보에 의해 동작한다.

장치의 구동을 위한 G코드에는 구조물 성형과 전도성 재료 성형 정보가 모두 포함되어있다.

즉, 스테이지 구동을 위한 위치 좌표, 이송속도 그리고 가공경로 정보 등이 포함되어 있으며, 재료 공급 장치 구동을 위한 노즐 온도, 재료 공급 스텝 모터 제어 정보 등이 포함되어있다.

FDM 방식의 재료 공급 장치와 직접주사 방식의 전도성 재료 공급 장치를 통합한 헤드를 개발하였다.

FDM 방식의 재료 공급 장치는 가열 노즐을 통해 용융된 플라스틱 재료를 압출하여 재료를 공급한다.

재료의 공급량은 스텝 모터의 회전수에 의해 제어된다.

한편, 직접주사 방식의 재료공급 장치는 기계 방식을 적용하였다.

두 가지 방식의 재료 공급 장치를 하나의 헤드에 통합 구성하였다.

FDM 방식과 직접주사 방식의 재료 공급 장치가 통합된 헤드를 도 1에 나타내었다.

구조물 제작 시에는 스테이지의 구동과 동시에 FDM 장치를 통해 재료가 공급되며, 전도성 재료 성형 시에는 직접주사 장치를 통해 재료가 공급된다.

이를 통해 자동화된 구조물 및 회로 도선의 성형이 가능해진다.

도 3a 및 도 3b에 직접주사 재료 공급 장치의 작동 원리를 나타내었다.

도 3a는 가압부가 가장 높은 위치, 도 3b는 가압부가 가장 낮은 위치에 있을 때를 나타내었다.

스텝 모터의 회전에 의해 LM 나사가 회전을 하며, 직접주사 장치의 가압부가 직선 운동을 하게 된다.

전도성 재료가 채워진 주사기가 직접주사 장치 내부에 위치하며, 가압부에 의해 가압되어 전도성 재료가 노즐을 통해 토출된다.

주사유량의 정밀 제어 및 회전 토크의 증가를 위해 스텝 모터에 연결된 LM 나사의 회전을 풀리와 타이밍 벨트를 통해 감속하였다.

풀리와 타이밍 벨트로 구성된 동력 전달 장치를 도 2에 나타내었다.

스텝 모터 회전축과 풀리 회전축은 각각 톱니 수 16개와 72개의 풀리가 장착되어 타이밍 벨트로 연결되며, 축의 회전은 4.5의 회전 비로 감속되었다.

풀리 축에는 다시 톱니 수 16개의 풀리가 장착되며, LM나사에는 톱니 수 72개의 풀리가 장착되어 타이밍 벨트로 연결되었다.

회전축은 다시 4.5의 회전 비로 감속되었다.

따라서, LM 나사는 스텝 모터에 대해 20.25의 회전 비로 감속되었다.

제작된 다중재료 복합 시스템의 통합 헤드는 X축 스테이지에 부착되며, X축 스테이지는 Y축 스테이지에 부착되어 있다.

따라서, 통합 헤드는 X, Y 평면에서 이송된다.

Z축 스테이지에는 조형판이 부착되어 있으며, 조형판의 위치 제어를 통해 구조물의 적층 두께가 조절된다.

개발한 직접주사 시스템은 액체재료의 토출을 위해 기계 방식을 적용하였다.

특히, 액체흐름을 기반으로 한 직접주사 기술에서는 전도성 재료 성형 시 선폭의 일정한 제어 및 원하는 선폭의 구현을 위해 원하는 유량을 일정하게 제어하는 것이 중요하다.

따라서, 직접주사 장치를 이용한 유량측정 실험을 통해 유체 토출 조건을 파악하고자 하였다.

노즐을 통해 토출되는 액체의 주사유량은 식 (1)과 같이 구할 수 있다.

D는 직접주사 장치에 장착된 주사기의 내경으로 20 mm이다.

l은 L M나사의 리드로 2 mm이다.

또한, s는 스텝 모터와 LM 나사의 회전 비로 20.25이다.

R은 스텝 모터의 회전속도로써, 스텝 모터의 회전속도에 따른 주사유량을 구하였다.

flow rate = π/4*D×R/s*l -----(1)

스텝 모터 회전속도를 4 ~ 12 RPM으로 2 RPM씩 증가시켜가며 실험을 진행하였다.

각의 스텝 모터 회전속도에 대하여 직경 250 ㎛의 노즐(TPND-25G, Musashi)을 통해 1시간 동안 토출된 증류수의 질량을 측정하였으며, 이를 통해 주사유량을 구하였다.

스텝 모터 회전속도에 따른 주사유량의 변화를 측정한 결과를 도 6에 나타내었다.

식 (1)을 통해 계산한 예측유량과 실험을 통해 측정한 측정유량의 차이가 거의 없는 것을 확인 할 수 있다.

따라서, 개발한 직접주사 장치가 설계 시 기대한 성능으로 작동한다고 판단된다.

또한, 회전속도가 증가함에 따라 주사유량이 비례하여 증가하는 것을 확인 할 수 있다.

특히, 회전속도에 따른 유량의 변화가 선형적으로 변하는 것을 볼 수 있다.

따라서, 직접주사 시스템의 제어가 가능할 것으로 판단된다.

이와 같이, 본 발명에서는 FDM 방식의 비전도성 재료 공급수단과 직접주사 방식의 전도성 재료 공급수단을 하나의 헤드로 통합함과 아울어 직접주사 방식에서의 재료 공급 구조를 개선함으로써, 장비의 소형화를 구현할 수 있으며, 구조물 제작 시에는 스테이지의 구동과 동시에 FDM 방식을 통해 재료가 공급되며, 전도성 재료 성형 시에는 직접주사 방식을 통해 재료가 공급되어 자동화된 구조물 및 회로도선의 성형이 가능한 효과를 기대할 수 있다.

10 : 헤드 프레임
11 : FDM 헤드부
12 : FDM 노즐
13 : 직접주사 헤드부
14 : 직접주사 노즐
15 : 구동부
16 : 주사기
17 : 주사기 홀더
17a : 홀더 몸체부
17b : 홀더 가압부
18 : 가이드 바
19 : 스텝 모터
20 : LM 스크류
21 : 벨트 전동장치
22 : 제1풀리
23 : 제2풀리
24 : 제1벨트
25 : 듀얼 풀리
25a : 대풀리
25b : 소풀리
26 : 제2벨트
27 : 주사기 하우징
28 : 스크류 지지블럭

Claims (7)

1. 헤드 프레임의 한쪽에 설치되면서 구조물 성형을 위한 비전도성 재료를 FDM 방식으로 토출하는 FDM 토출부와; 상기 헤드 프레임의 다른 한쪽에 설치되면서 회로도선 성형을 위한 전도성 재료를 토출하는 전도성 재료 토출부;를 포함하여 하나의 헤드로 서로 다른 재료를 토출할 수 있는 다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드로서,
   상기 전도성 재료 토출부는 재료를 저장하면서 상기 헤드 프레임에 고정되는 주사기와, 상기 헤드 프레임 상에 설치되면서 재료 토출 작동을 위한 동력을 제공하는 구동부와, 일측 끝단이 상기 구동부측에 스크류 전동가능하게 결합되어 상하 동작하면서 주사기의 손잡이를 눌러주는 주사기 홀더를 포함하는 직접주사 헤드부와; 상기 주사기의 끝부분에 장착되어 재료가 최종적으로 토출되는 직접주사 노즐;을 포함하되,
   상기 주사기 홀더는 상기 헤드 프레임의 상면 단부에 수직으로 세워진 가이드 바에 타측 끝단이 관통 결합되어 가이드 바에 의해 안내를 받으면서 움직이고,
   상기 구동부는 동력원인 스텝 모터와, 헤드 프레임 상에 수직 설치되면서 직접주사 헤드부의 주사기 홀더와 스크류 전동가능하게 결합되는 LM 스크류와, 상기 스텝 모터측과 LM 스크류측 사이에 연결되어 모터 동력을 스크류에 전달하는 벨트 전동장치를 포함하며,
   상기 벨트 전동장치는 스텝 모터의 축에 장착되는 제1풀리와, 상기 LM 스크류의 상단부에 장착되는 제2풀리와, 상기 제1풀리와 제1벨트에 의해 연결되는 대풀리를 가지는 동시에 상기 제2풀리와 제2벨트에 의해 연결되며 소풀리를 가지는 듀얼 풀리를 포함하되, 상기 제1풀리는 대풀리에 비해 상대적으로 직경이 작고, 제2풀리는 소풀리에 비해 상대적으로 직경이 큰 것을 특징으로 하는 다중재료 성형을 위한 3D 프린터용 헤드.
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