KR101741339B1 - 다기능 3d 프린터 - Google Patents

Abstract

본 개시는 다기능 3D프린터의 프린터 모듈을 탈부착 가능하도록 제공된 교환 스테이션을 포함하는 프린터를 제공한다. 프린터 모듈은 전자기적 또는 기계적 구조를 통해 교환스테이션에 부착되어 프린팅 작업을 개시한다. 본 개시의 다기능 3D프린터는 견고하고 안정적으로 프린터 모듈을 지지한다.

Description

다기능 3D 프린터{Multi-functional 3D Printer}

본 개시는 다기능 3D 프린터에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

3D 프린팅은 디지털 파일로부터 3차원의 고형 물체를 제작하는 공정이다. 이 공정에서 고형 물체의 전체 형상은 재료의 연속층이 적층되어 이루어진다. 디지털 파일은 CAD와 같은 3D 모델링 프로그램 또는 3D 스캐너에 의해 구축된다. 3D 모델링 소프트웨어는 이미지를 수 백 또는 수 천개의 수평면 층으로 세분화한다. 3D 프린터는 세분화된 각각의 층(즉, 2차원 이미지)을 판독하여 프린팅하고 적층해 나간다. 한 층의 프린팅이 끝나면, 다음층의 적층을 위하여 재료가 놓여지는 베드 또는 스테이지는 아래로 이동한다. 거의 모든 공정은 3D 프린터에 구비된 컴퓨터에 의해 제어되고 실행된다.

3D 프린팅의 종류는 매우 다양하다. 가령, 재료 젯팅법(Material jetting)은 재료가 방울(droplet) 형상으로 소직경의 노즐을 통과한 후 자외선으로 경화시키는 방법이다. 용융 침착 모델링(Fused deposition modelling; FDM)은 코일로부터 권출된 플라스틱 필라멘트 또는 금속 와이어를 노즐을 통해 분사하고 자외선 없이 상온에서 바로 경화시키는 방법이다. 선택적 레이저 소결법(Selective laser sintering)은 고출력의 레이저로 플라스틱, 금속, 세라믹 또는 유리 분말을 용융시켜 정형하는 방법이다.

출원인은 대향하는 전극에 전원을 인가하여 정전기를 발생시킨 후에 발생되는 전기장에 의하여 전도성 잉크 액적을 분사하는 전기유체역학(electronichydrodynamics; EHD) 원리를 3D 프린터에 적용하였다.

EHD 방식의 원리는 재료젯팅법, FDM법, 레이저 소결법등에 두루 적용될 수 있다. 그런데, EHD 방식을 채용하는 경우에도 평평한 표면이 아닌 3차원의 형상을 가지는 표면을 대상으로 정밀한 인쇄 공정을 수행하는 것은 용이하지 않은 작업이다.

이 문제를 해결하기 위하여 출원인은 등록특허 제1390391호에서, 스테이지와 노즐 사이에 발생하는 전기장의 세기를 일정하게 유지하도록 노즐 또는 스테이지의 움직임 및 전원 공급부 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 제안하였다.

또, 출원인의 등록특허 제1518402호는 정전기력 원리를 FDM에 적용하여, 고체 상태의 피인쇄물질을 제공받으며, 내부에서 고체 상태의 피인쇄물질을 용융시킴으로써 기판 또는 기판 상측에 형성되는 패턴층을 향하여 액체 상태의 피인쇄물질을 토출하는 노즐부, 노즐부 측으로 고체 상태의 액체를 제공하는 저장부, 노즐부 내부에서 고체 상태의 액체가 액체 상태의 액체로 용융되도록 노즐부를 가열하는 가열부, 기판과 노즐부 사이에 전기장을 형성하되, 노즐부로부터 액체 상태의 피인쇄물질이 토출되도록 노즐부에 전압을 인가하는 전압공급부, 노즐부로부터 토출되는 액체 상태의 피인쇄물질의 선폭을 조절하도록 노즐부에 인가되는 전압의 세기를 제어하는 제어부를 포함하는 정전기력을 이용한 용융 침착 모델링 인쇄 장치를 제안하였다.

또, 출원인의 등록특허 제1552432호는 접촉식 패터닝을 이용한 3차원 패터닝 장치로서, EHD 원리를 잉크젯 방식에 적용하여, 노즐부, 유체의 표면에 전압을 인가하는 전압인가부에 더하여 유체가 기판부 또는 기판부 상에 형성되는 패턴층 상측에 연결된 상태를 유지하며 패터닝되도록 유체에 인가되는 전압의 세기를 조절하는 제어부를 포함하는 인쇄 장치를 제안하였다.

이와 같이 다양한 기능을 수행하는 3D 프린터는 다양한 사양의 인쇄 모듈을 토대로 제작된다. 그러나, 하나의 3D 프린터로 여러 기능을 수행하는 다기능의 3D 프린터는 지금까지 제안되지 않았다. 즉, 선행 기술의 3D 프린터는 EHD, FDM등의 방식에 따라 고정된 사양의 기계를 사용하여 왔으므로, 다른 방식의 프린팅을 원하는 경우에는 3D 프린터 자체를 재구입했어야만 했다. 따라서, 프린터의 교체에 고비용이 들고 다양한 파노라마의 인쇄 작업을 수행할 수 없는 불편이 컸다.

*이하 기술하는 본 개시의 설명은 선행 기술의 이러한 단점을 개선하기 위한 지견을 토대로 한 것이다.

따라서 본 개시는 프린터 모듈의 교체와 탈부착이 가능한 다기능 3D프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 개시는 교체된 프린터 모듈에 안정된 지지력과 흔들림 없는 위치 고정을 유지하는 다기능 3D프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위하여 본 개시의 일 실시예는 프린팅 대상이 위치하는 베드를 장착한 베이스, 베이스의 한쪽에서 기립하여 베이스의 폭 방향을 따라 설치된 지지대를 포함하며, 지지대는 다기능 3D프린터의 프린터 모듈을 탈부착 가능하도록 제공된 교환 스테이션을 포함하고, 교환 스테이션은 프레임을 포함하는 다기능 3D프린터를 제공한다.

여기서, 교환 스테이션의 프레임에는 프린터 모듈을 전자기적으로 부착하기 위한 자성체가 형성되거나 및/또는 프린터 모듈을 기계적으로 부착하기 위한 결합부가 형성되는 것이 바람직하다.

또, 자성체는 프레임의 높이 방향을 따라 설치된 복수의 자성체배열을 포함하며, 각각의 자성체배열은 동일한 높이에서 적어도 하나의 자성요소를 포함한다

또, 결합부는 프레임의 높이 방향을 따라 설치된 복수의 결합부배열을 포함하며, 각각의 결합부배열은 동일한 높이에서 적어도 하나의 결합요소를 포함한다.

탈부착 가능한 프린터 모듈은 고정밀EHD프린터 모듈, 표준EHD프린터 모듈, 전자-디스펜서 모듈, 잉크젯 모듈, FDM모듈, 레이저 모듈, 픽앤플레이스모듈 및 터치센서모듈일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

본 개시의 일 실시예에 의하면, 프린터 모듈에는 프레임상에 설치된 자성체 및/또는 결합부에 대응하는 위치에 흡착부 및/또는 피결합부를 형성한 다기능 3D프린터를 제공한다.

본 개시의 일 실시예에 의하면, 다양한 프린터 모듈의 탈부착과 교체가 가능한 다기능 3D프린터를 제공할 수 있다.

본 개시의 일 실시예에 의하면, 하나의 다기능 3D프린터로 다양하고 광범위한 3D프린팅 작업을 실시할 수 있다.

본 개시의 다기능 3D프린터는 견고하고 안정된 지지력을 프린터 모듈에 부여할 수 있다.

또, 이외에도, 본 발명의 효과는 실시예에 따라서 우수한 내구성을 가지는 등 다양한 효과를 가지며, 그러한 효과에 대해서는 후술하는 실시예의 설명 부분에서 명확하게 확인될 수 있다.

도 1은 본 개시의 다기능 3D프린터의 일례를 나타내는 전면 사시도이다.
도 2는 본 개시의 다기능 3D프린터의 다른례를 나타내는 후면 사시도이다.
도 3은 본 개시의 교환 스테이션의 전면 사시도이다.
도 4a 내지 도4h는 본 개시의 다기능 3D프린터에 탈부착 가능한 프린터 모듈의 일례를 도시한 정면도이다.
도 5는 본 개시의 교환 스테이션에 고정밀EHD프린터모듈이 부착되는 것을 도시한 사시도이다.
도 6은 본 개시의 교환 스테이션에 고정밀EHD프린터모듈이 부착된 후를 도시한 정면도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '체결'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '체결'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다

또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

이하 본 개시의 일 실시예로 제시되는 다기능 3D 프린터의 전체 구조, 모듈 및 장착 방법에 대하여 차례로 설명한다.

먼저 도 1을 참조로 본 개시의 일 실시예인 다기능 3D 프린터(1)의 전체 구조에 대하여 설명한다. 이하, 설명의 편의상 다기능 3D프린터(1)를 기준으로 폭 방향을 x축, 길이 방향을 y축, 높이 방향을 z축으로 예시하기로 한다.

본 개시의 다기능 3D프린터(1)는 교환 스테이션(100)을 구비한 플랫폼(2)을 포함한다. 플랫폼(2)은 대략 사각형의 베이스(6)와 베이스(6)의 일단에서 기립하여 베이스(6)를 가로질러 가교하도록 설치된 "ㄷ"자형의 지지대(4)를 포함한다.

지지대(4)의 전면, 그리고 도시된 예에서는 중앙 부근에 교환 스테이션(100)이 위치하고 있다. 교환 스테이션(100)에는 본 개시의 일례로 제시되는 고정밀EHD프린터모듈(10a)이 탈부착 가능하게 설치되어 있다. 교환 스테이션(100)의 위치는 특정 지점으로 한정되지 않으며, 프린팅 작업에 따라 이동할 수 있는 것이다.

베이스(6)의 폭 방향 중앙에는 베이스(6)의 길이 방향을 따라 단면 사각형의 y축가이드(16)가 길게 연장하여 설치되어 있다. y축가이드(16)의 양측면에는 캐터필러(10)가 y축 방향을 따라 슬라이딩 이동 가능하게 설치되고, 캐터필러(10)는 3D 프린팅의 인쇄재료가 적층되는 베드(8)를 양편에서 지지하고 있다. 당업자에게 주지된 것과 같이, 베드(8)는 처음부터 인쇄재료가 적층되어 형성되는 블랭크형일 수 있으나, 표면에 인쇄가 필요한 유형 물체를 지지하는 플랫폼형 일 수도 있다. 후자의 경우 대상 물체의 외면에서부터 3D 프린팅 작업이 개시된다.

지지대(4)의 가교부에는 x축 방향을 따라 x축 가이드로서의 가이드홈(14)이 설치되어 있다. 가이드 홈(14)으로는 교환 스테이션(100) 또는 교환 스테이션(100)에 장착되는 고정밀EHD프린터모듈(10a)의 도시하지 않은 가이드핀이 삽입되어 있다. 캐터필러(12)는 캐터필러(10)와 동일하게, 교환 스테이션(100) 및 고정밀EHD프린터모듈(10a)의 x축 방향 이동을 안내한다.

도시하지 않은 제어부에 연결된 모터의 구동으로 베드(8)는 베이스(6)의 길이 방향으로, 그리고 교환 스테이션(100)과 고정밀EHD프린터모듈(10a)은 폭방향으로 이동하면서 프린팅 작업을 수행한다.

고정밀EHD프린터모듈(10a)은 높이 방향으로는, 도시하지 않은 z축 구동기구에 의하여 이동한다. 한층의 인쇄가 종료하면 고정밀EHD프린터모듈(10a)은 다음층의 인쇄를 위하여 베드(8)로부터 소정의 거리 만큼 이격되어 상승한다. 이와 달리, 모듈을 고정시키고 베드(8)를 소정의 거리 만큼 하강하도록 구성해도 좋다.

이상 설명한 본 개시의 다기능 3D 프린터(1)의 부품 형상, 모양 및 크기는 일례를 제시한 것이며, 당업자의 수준에서 자유로이 변형 가능하다.

예를 들어, 도 2는 본 개시의 다기능 3D프린터(1)의 다른 예를 도시하는 후면 사시도이다.

도 1과 대비하여 다른 점은 지지대(4a)를 "H"자로 형성하고 가교부에 교환 스테이션(100)을 위치시킨 점이다.

또, 베드(8a)는 양측에 긴 홈이 형성된 y축 가이드(16a)위에 장착되고, 베드(8a)를 지지하는 브라켓트(10a)에 일체로 형성된 걸림부(12a)가 상기 홈에 삽입되어 브라켓트(10a)의 선형 이동에 의해, 길이 방향을 따라 전후로 이동하도록 되어 있다. "C"는 프린팅 동작을 제어하고 실행하는 컴퓨터와 같은 전자기기이다.

당업자에게 자명한 것과 같이, 전자기기(C)가 프린팅 동작을 제어하고 실행하는 것은 적어도 다음의 기능을 포함한다; 3D 프린터의 리셋, 프린터 모듈의 인식, 영점조절, 3D 모델링 프로그램에 의한 전자 파일 판독, 프린터 모듈의 구동, 세분화된 미세층의 적층 인쇄, 조형되는 물체의 형상 전송과 판독, 피드백 제어.

다음, 도 3을 참조로 본 개시의 교환 스테이션(100)에 대하여 설명한다.

본 개시의 교환 스테이션(100)은 긴 사각형의 평판형 프레임(102)을 포함한다. 프레임(102)은 교환 가능한 어떤 프린팅 모듈도 수용할 수 있도록 넓은 공간을 제공하도록 설계된다.

교환 스테이션(100)은 다양한 프린팅 모듈과의 탈부착을 위하여 프레임(102)상에 자성체(104)와 결합부(106)를 설치하고 있다. 자성체(104)는 교환 스테이션(100)의 프레임(102)에 프린터 모듈을 전자기적으로 부착하기 위한 것이며, 결합부(106)는 교환 스테이션(100)의 프레임(102)에 프린터 모듈을 기계적으로 부착하기 위한 것이다. 따라서, 본 개시에 의하면, 전자기적 흡착력과 기계적인 체결력의 이중 조합에 의하여 강한 지지력과 흔들림 없는 안정성을 부여할 수 있다.

자성체(104)는 프레임(102)의 높이를 기준으로 그 최하단에 설치된 제1자성체배열(104a)과, 제1자성체배열(104a)위에 소정 간격을 두고 차례로 위로 배열된 제2자성체배열(104b) 및 제3자성체배열(104c)과, 최상단에 설치된 제4자성체배열(104d)로 이루어진다. 각각의 자성체배열(104a~104d)은 프레임(102)의 높이 방향을 따라 균등 간격으로 상호 이격되어 배열되는 것이 바람직하다.

각각의 자성체배열(104a~104d)은 동일한 라인에서 적어도 하나의 자성요소를 포함하고 있다. 자성요소의 형상은 볼록하게 돌출한 원형 또는 짧은 실린더형이나 이에 국한되는 것은 아니다.

자성체의 재료로서는 자성을 가지는 한 어떤 것도 좋으나, 자화된 철, 니켈, 코발트 함유 금속 또는 산화철·산화크롬·페라이트 등 금속 산화물과 같은 합금 상태의 강자성 물질인 것이 바람직하다.

제1자성체배열(104a)은 프레임(102)의 폭 중심 위치에 하나의 자성요소를 배열하고 있으나, 같은 높이에 복수의 자성요소를 배열할 수 있다. 마찬가지로, 제2내지 제4자성체배열(104b~104d)은 프레임(102)의 폭 중심을 기준으로 좌우에 각각 하나의 자성요소를 배열하고 있으나, 3개 이상의 자성요소 또는 하나의 자성요소를 설치할 수 있다.

본 개시에서 자성체(104)를 복수개의 자성체 배열로 높이 별로 상이하게 형성하는 이유는 교환 스테이션(100)에 부착되는 프린터 모듈의 다양한 형상 - 높이와 점유 면적 - 을 고려하여 어느 프린터 모듈에 대해서도 강한 부착력과 견고한 지지력을 부여하기 위한 것이다. 일단 프린터 모듈이 교환 스테이션(100)에 부착되면, 흔들림 없이 고정된 위치에서 프린팅 작업을 수행하는 것이 중요하다.

다시 도 3을 참조하면, 결합부(106)는 프레임(102)의 높이를 기준으로 그 최하단에 설치된 제1결합부배열(106a)과, 제1결합부배열(106a)위에 소정 간격을 두고 차례로 위로 배열된 제2결합부배열(106b) 및 제3결합부배열(106c)로 이루어진다. 각각의 결합부배열(106a~106c)은 프레임(102)의 높이 방향을 따라 균등 간격으로 상호 이격되어 배열되는 것이 바람직하다.

각각의 결합부배열(106a~106c)은 같은 높이에서 적어도 하나의 결합요소를 포함하고 있다. 결합요소는 도시된 예에서는 볼록하게 돌출한 핀형이나 이에 국한되는 것은 아니다.

제1내지 제3결합부배열(106a~106c)은 프레임(102)의 폭 중심을 기준으로 좌우에 각각 하나의 결합요소를 배열하고 있으나, 3개 이상의 돌출부 또는 하나의 돌출부도 설치할 수 있는 것이다. 또, 자성체(104)와 마찬가지로 제4결합부배열을 프레임(102)의 최상단에 더 설치할 수 있다. 제2 및 제3결합부배열(106b,106c)은 그에 인접한 하부에 제2보조결합부(106b') 및 제3보조결합부(106c')를 더 설치하고 있다. 보조결합부는 인접한 결합부 배열의 체결력을 더욱 강화하기 위한 것이다. 보조결합부는 도시한 것과 같이 핀 형상일 수 있으나 이에 국한되는 것은 아니며, 가령 자성체(104)와 동일하게 제작하여 체결력을 높여도 좋다.

제1결합부배열(106a)의 형상과 치수는 다른 결합부배열보다 크도록 형성되는 것이 바람직하다. 교환 스테이션(100)에 장착되는 프린터 모듈의 경우 노즐부가 위치하는 하부를 견고히 부착하는 것이 유리하기 때문이다.

본 개시에서 결합부(106)를 복수개의 배열로 높이 별로 상이하게 형성하는 이유는 교환 스테이션(100)에 부착되는 프린터 모듈의 다양한 형상 - 높이와 점유 면적 - 을 고려하여 어느 프린팅 모듈에 대해서도 강한 부착력과 견고한 지지력을 부여하기 위한 것이다.

이상의 본 개시의 탈부착을 위한 자성체(104)와 결합부(106)에 의하면, 자성체(104)는 강한 전자기적 힘을 부여하고, 결합부(106)는 강한 기계적 체결력을 부여하며, 자성체(104)와 결합부(106)가 프레임(102)의 전면에 고르게 배치되어 있으므로 피체결부재인 프린터 모듈에 대하여 견고한 지지력을 부여할 수 있고, 일단 프린팅 모듈이 교환 스테이션(100)에 부착되면, 흔들림 없이 고정된 위치에서 프린팅 작업을 수행할 수 있는 효과를 발휘한다.

이상은 자성체(104)와 결합부(106)의 일례를 설명한 것이며, 프린터 모듈에 견고한 지지력을 제공하는 한 그 배열, 형상, 위치 및 크기는 적절히 변경 가능한 것임은 물론이다. 또, 하부를 견고히 지지하는 하나의 라인 배열만을 설치하거나, 자성체(104)와 결합부(106)중 어느 하나의 구조만을 채택하는 것도 가능하다.

이상의 자성체(104) 및/또는 결합부(106)에 대신하여 또는 추가하여 다음과 같은 체결 구조를 채용하는 것도 가능하다.

가. 핀 대신 또는 핀에 추가한 나사-볼트 결합

나. 자성체가 솔레노이드를 포함하도록 제작하고 가령 스위치 조작에 의한 코일 통전으로 프린터 모듈을 자력으로 흡착하는 결합

다시 도 3을 참조하면, 프레임(102)의 하부에는 인터페이스부(110)가 프레임(102)의 폭을 가로질러 설치되어 있다. 인터페이스부(110)에는 높이 방향으로 예를 들어 4열 정렬된 커넥터(112)가 형성되어 있다. 커넥터(112)는 전자기기(C)에 연결되어 있다. 프린터 모듈이 장착되면 프린터 모듈의 접속 단자와 커넥터(112)가 접속하여 전자기기(C)는 프린터 모듈을 인식하고 모듈 별로 설정된 3D 프린팅 제어를 실행하게 된다.

프레임(102)의 좌측면에는 프레임(102)의 아래에서부터 차례로 제1렌즈부(120), 홀더(124) 및 CCD카메라(126)가 부착되어 제1정렬기구를 형성하고 있다. (122)는 히트싱크로서 안쪽에는 LED가 위치하고 있다.

또, 프레임(102)의 우측면에는 프레임(102)의 아래에서부터 차례로 제2렌즈부(128) 및 위치 및 촛점조절부(130)가 부착되어 제2정렬기구를 형성하고 있다.

제1 및 제2정렬기구는 프린터 모듈에 따라 캘리브리이션(calibration), 즉 영점조절기능을 수행하기 위한 것이다. 영점조절기구와 그 방법에 대해서는 출원인의 별도 특허출원에서 상세히 설명하고 여기서는 생략하기로 한다.

도 4의 각 도면은 본 개시의 다기능 3D프린터(1)의 교환 스테이션(100)에 장착되는 프린터 모듈의 정면도를 도시한 것이다. 이하, 각 모듈에 대하여 설명한다.

도 4a는 고정밀EHD프린터모듈(10a)이다. 고정밀 패터닝 모듈로서, 공압 방식을 적용하며, 노즐 크기는 10㎛ 이하이며, 프리팅 선폭은 1㎛ 이하로 제어된다. 두 개의 입력부(10a1)를 통하여 공압이 전달되면 하나의 공압유로가 선택되며, 홀더(10a2)에 부착된 실린저(10a3)의 이동으로 SUS재질로 된 파이프(10a4)가 용액 재료를 노즐까지 전달하게 된다. EHD 방식에서는 도시하지 않은 전기장 제어부가 설치되어 용액에 전압을 인가하게 된다. 노즐에서 분출되는 액체의 유량과 유속에 맞추어 실린저의 압력과 이동 거리는 사전 셋팅될 수 있다.

도 4b는 표준EHD모듈(10b)이다. 고정밀 패터닝 모듈로서, 공압 방식을 적용하며, 노즐 크기는 100㎛ 내외이고, 프리팅 선폭은 2-3㎛ 까지 제어된다. 입력부(10b1)를 통하여 공압이 전달되면, 홀더(10b2)에 부착된 실린저(10b3)의 이동으로 용액 재료가 바로 노즐(10b4)까지 전달된다.

도 4c는 전자-디스펜서(E-dispenser)모듈(10c)이다. 전자-디스펜서 모듈은 주로 기존의 유형 물체의 표면에 3D 인쇄 작업을 실행할 때 이용된다. 용액으로서는 금속, 반도체, 중합체, 세라믹 및 조성물이 사용된다. 전자-디스펜서 모듈의 장점은 재료의 낭비가 없고 에너지 효율을 높일 수 있다는 점이다.

두 개의 입력부(10c1)를 통하여 공압이 전달되면 하나의 공압유로가 선택되며, 바렐(10c2)에 저장된 용액이 노즐(10c3)을 통하여 분출되면서 소결되거나 건조된다. 노즐(10c3)은 모세관형이어도 좋으며, 복수의 노즐을 설치하여 다양한 성질의 재료를 혼합하여 인쇄할 수 있다.

도 4d는 잉크젯모듈(10d)이다. 잉크젯모듈(10d)은 잉크 카트리지를 사용하는 등 보통의 잉크젯 프린팅과 유사하지만, 종이에 잉크 방울을 분사하는 대신, 조형 트레이에 경화되는 가령 액상의 포토폴리머층을 분사하는 점에서 기본적으로 상이하다. 입력부(10d1)를 통하여 공압이 전달되면, 바렐(10d2)에 저장된 용액이 노즐(10d3)을 통하여 분출되면서 소결되거나 건조된다. 바렐(10d2)과 노즐(10d3) 사이에는 밸브가 설치되어 밸브의 온 오프에 의하여 용액 분사가 개시 또는 중단된다.

도 4e는 FDM모듈(10e)이다. 압출기모터(10e1)의 구동으로 플라스틱 필라멘트 또는 금속 와이어와 같은 재료가 가열노즐(10e3)을 통해 용액으로 분사된다. 쿨링팬(10e2)은 가열노즐(10e3)을 냉각하기 위한 것이다.

도 4f는 레이저모듈(10f)이다. 레이저소스(10f1)로 부터 방사된 레이저는 가령 포커싱 렌즈를 포함하는 렌즈부(10f2)에 의해 집광되어 노즐(10f3)을 통과하면서 스팟을 형성한다.

도 4g는 픽앤플레이스모듈(10g:Pick & place module)이다. 픽앤플레이스모듈(10g)은 3D 프린팅의 분사 원리를 역으로 적용하여 가령 미세한 전자부품을 집어 설정된 위치로 이동시키는 것으로 모니터를 통해 정확한 부품의 픽업 및 위치 지정을 확인할 수 있다. 도입부(10g1)를 통해 진공압이 형성되면 부압의 작용으로 노즐(10g3)을 통해 미세 부품이 흡착되며, 모듈 이동 후 설정 위치에서 진공압을 해제하면 노즐(10g3)에 흡착된 부품이 낙하한다. (10g2)는 설정 위치에서 부품을 제자리에 위치시키기 위해 필요한 회전체이다.

도 4h는 터치센서모듈(10h)이다. 터치센서모듈(10h)은 3D 프린팅 작업 자체에 개입하지는 않으며, 센서팁(10h1) 부분이 위 아래로 작동하여 베드와 같은 기판의 높이 단차를 측정하고 기하학적 구조를 스캔하도록 한 것이다. 베드의 단차를 포함한 형상의 측정은 정확한 3D 프린팅 작업을 위한 사전 작업으로 필요하다. 센서팁(10h1)의 이동거리는 2mm 범위이다.

이상 설명한 각각의 프린터 모듈은 본 개시의 교환 스테이션(100)에 부착될 수 있는 모델의 일례를 든 것이며, 현재 또는 장래 개발될 어떠한 프린터 모듈도 본 개시의 교환 스테이션(100)에 부착 가능하다는 것을 유의해야 할 것이다.

다음, 도 5를 참조로 본 개시의 교환 스테이션(100)에 프린터 모듈이 부착 및 분리되는 구조에 대하여 설명한다. 편의상 고정밀EHD프린터모듈(10a)을 예로 설명하지만, 전술한 다른 프린터 모듈에도 적절히 변경하여 적용 가능함은 물론이다.

고정밀EHD프린터모듈(10a)의 후면에는 도시한 것과 같이, 프레임(102)상에 설치된 자성체(104)와 결합부(106)에 대응하는 위치에 흡착부(104') 및 피결합부(106')를 형성하고 있다. 이해의 편의를 위하여, 프레임(102)의 대응하는 각 부재에 대해서는 가능한 동일한 번호를 사용하고, 프라임(')을 첨가하였다.

흡착부(104')는 강자성체와 자력에 의해 결합되는 금속 재질을 포함하며, 오목한 원형의 소켓으로 형성될 수 있다.

또는 이와 달리 흡착부(104')를 생략하고, 고정밀EHD프린터모듈(10a)의 후면 전체를 평판형의 금속 재질로 제작하는 것도 가능하다.

피결합부(106')는 결합부(106)를 수용하는 오목홈의 형상이다. 피결합부(106')와 결합부(106')의 체결은 핀에 의한 삽입 또는 나사의 회전에 의한 결합 등 어느 것을 채용해도 좋다.

또, 이상의 예와 달리 결합부(106)를 오픈 슬롯으로 형성하고, 피결합부(106')를 돌출나사로 제작하여, 고정밀EHD프린터모듈(10a)를 교환 스테이션(100)에 가부착한 후 돌출나사를 조임하여 두 부재를 견고히 결합하는 것도 가능하다.

(110')은 프레임(102)의 인터페이스부(110)에 대응하는 접속연결부이며, 접속연결부(110')에는 인터페이스부(110)의 커넥터(112)에 대응하여 접속단자(112')가 형성되어 있다.

고정밀EHD프린터모듈(10a)은 프레임(102)의 높이를 넘어 연장되는 긴 부재이므로, 프레임(102)의 모든 자성체(104)와 결합부(106)에 대응하는 구성이 일대일로 존재한다. 이는 표준EHD프린터모듈(10b)에 대해서도 동일하다.

그러나 가령 프레임(102)의 높이 미만의 소형 모듈 - 픽앤플레이스 모듈 또는 터치센서모듈 - 의 경우에는 대응하는 구성이 모두 존재할 필요는 없다. 이러한 소형 모듈의 경우는 흡착부(104')와 피결합부(106')를 가령 1열 또는 2열 배치하는 등 크기와 사양에 맞추어 적절히 변경할 필요가 있다.

도 6은 도 5의 고정밀EHD프린터모듈(10a)이 교환 스테이션(100)에 장착된 상태를 도시한 정면도이다.

프린터모듈의 해체시에는 손 또는 공구로 프린터모듈을 분리하거나 솔레노이드로의 통전을 차단하면 되므로 해체 작업도 매우 편리하다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조로 설명하였으나, 본 개시는 실시예를 토대로 동일한 기술 사상 범위내에서 형상, 위치, 크기 및 배열에 대하여 다양한 변형이 가능한 것이다. 따라서, 본 개시의 권리범위는 상술한 특정 실시예로 한정되어서는 아니되며, 본 개시의 보호범위는 이하 첨부하는 청구범위와 동일 및 균등한 영역에까지 미침을 이해하여야 할 것이다.

Claims (10)

1. 다기능 3D프린터로서, 상기 다기능 3D프린터는
   프린팅 대상이 위치하는 베드를 장착한 베이스;
   상기 베이스의 한쪽에서 기립하여 베이스의 폭 방향을 따라 설치된 지지대;
   서로 다른 방식의 프린터 모듈을 인식하고 상기 프린터 모듈 별로 설정된 3D 프린팅 제어를 수행하는 전자기기; 및
   상기 전자기기에 연결되며 상기 프린터 모듈의 접속단자와 접속하는 커넥터를 포함하며,
   상기 지지대는 서로 다른 방식의 프린터 모듈을 탈부착 가능하도록 제공된 교환 스테이션을 포함하고, 상기 교환 스테이션은 프레임을 포함하는다기능 3D프린터.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 교환 스테이션의 상기 프레임에는 상기 프린터 모듈을 전자기적으로 부착하기 위한 자성체가 형성된 다기능 3D프린터.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 교환 스테이션의 상기 프레임에는 상기 프린터 모듈을 기계적으로 부착하기 위한 결합부가 형성된 다기능 3D프린터.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 자성체는 프레임의 높이 방향을 따라 설치된 복수의 자성체배열을 포함하며, 각각의 자성체배열은 동일한 높이에서 적어도 하나의 자성요소를 포함하는 다기능 3D프린터.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 자성체는 강자성 물질로 제작되는 다기능 3D프린터.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 자성체는 솔레노이드를 포함하며, 상기 솔레노이드로의 통전시 상기 프린터 모듈을 자력으로 흡착하도록 된 다기능 3D프린터.
7. 제 3항에 있어서,
   상기 결합부는 프레임의 높이 방향을 따라 설치된 복수의 결합부배열을 포함하며, 각각의 결합부배열은 동일한 높이에서 적어도 하나의 결합요소를 포함하는 다기능 3D프린터.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 결합요소는 돌출된 핀 형상인 다기능 3D프린터.
9. 제 3항에 있어서,
   상기 프린터 모듈은
   (a) 고정밀 패터닝 모듈로서, 두 개의 입력부, 홀더, 홀더에 부착된 실린저, 및 실린저의 이동으로 용액 재료를 노즐로 전달하는 파이프를 포함하는 고정밀EHD프린터 모듈;
   (b) 고정밀 패터닝 모듈로서, 입력부, 홀더, 홀더에 부착된 실린저 및 실린저의 이동으로 용액 재료를 분사하는 노즐을 포함하는 표준EHD프린터 모듈;
   (c) 두 개의 입력부, 입력부를 통한 공압으로 노즐에 용액을 전달하는 바렐 및 노즐을 포함하는 전자-디스펜서 모듈;
   (d) 잉크를 공급하는 잉크 카트리지, 입력부, 입력부를 통한 공압으로 노즐에 용액을 전달하는 바렐, 노즐 및 바렐과 노즐 사이에 설치된 밸브를 포함하는 잉크젯 모듈;
   (e) 압출기모터, 압출기 모터의 구동으로 플라스틱 필라멘트 또는 금속 와이어와 같은 재료를 용액으로 분사하는 가열 노즐 및 가열노즐을 냉각하는 쿨링팬을 포함하는 FDM모듈;
   (f) 레이저 소스, 레이저소스로 부터 방사된 레이저를 집광하는 포커싱 렌즈를 포함하는 렌즈부 및 레이저 스팟을 형성하는 노즐을 포함하는 레이저 모듈;
   (g) 진공압이 도입되는 도입부, 진공압의 작용으로 외부의 대상에 흡착력을 인가하는 노즐 및 외부의 대상을 회전시키기 위한 회전체를 포함하는 픽앤플레이스모듈; 및
   (h) 베드와 같은 기판의 높이 단차를 측정하고 기하학적 구조를 스캔하기 위한 센서팁을 포함하는 터치센서모듈 중 어느 하나인 다기능 3D프린터.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 프린터 모듈에는 상기 프레임상에 설치된 자성체 및 결합부에 대응하는 위치에 각각 흡착부 및 피결합부를 형성하여 상기 프린터모듈이 상기 교환 스테이션에 부착 및 분리되도록 한 다기능 3D프린터.

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