KR101772563B1

KR101772563B1 - 3d 프린터용 히팅노즐 구조

Info

Publication number: KR101772563B1
Application number: KR1020150168805A
Authority: KR
Inventors: 강지훈
Original assignee: 주식회사 포머스팜
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-08-30
Also published as: KR20170062965A

Abstract

본 발명은 3D 프린터용 히팅노즐 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부에 소경부와 대경부로 이루어진 토출공이 관통형성되는 노즐과, 노즐의 상부에 결합되는 히터블럭과, 히터블럭의 상부에 노즐과 연통되도록 결합되는 히트싱크와, 히트싱크의 상부에 결합되는 가이드관을 포함하되, 상기 노즐의 소경부는 대경부보다 길이가 길게 형성되며 상기 히트싱크의 내부에는 중앙부에 상기 가이드관의 내경보다 작은 직경을 갖는 통공이 형성된 진공형성용 밀폐링이 삽입설치되도록 구성함으로써, 필라멘트의 리트랙션 동작시 노즐의 내부에 진공흡입력을 발생시켜 용융된 필라멘트의 흘러내림 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 하므로 용융된 필라멘트의 흘러내림으로 인한 성형불량을 완전히 해소할 수 있도록 하는 3D 프린터용 히팅노즐 구조에 관한 것이다.

Description

3D 프린터용 히팅노즐 구조{Heating nozzle structure for 3D printer}

최근 3차원의 물체를 성형할 수 있는 3D 프린터의 사용이 증대되고 있는데, 3D 프린터는 제품성형방식에 따라 광경화성 재료에 레이저 광선을 주사하여 광주사된 부분을 물체로 성형하는 방식, 성형재료를 절삭하여 성형하는 방식, 열가소성 필라멘트를 용융하여 적층하는 방식 등으로 구분된다.

이와 같이 다양한 방식의 3D 프린터 중에서 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 와이어형태로 된 열가소성 필라멘트를 용융시켜 적층하는 방식, 즉 FFF(Fused Filament Fabrication) 방식의 3D 프린터(30)가 다른 방식의 3D 프린터에 비해 생산 단가가 저렴함에 따라 가정용이나 공업용으로 널리 보급되고 있다.

이러한 FFF 방식의 3D 프린터(30)는 열가소성 필라멘트를 용융시켜 압출하기 위한 히팅노즐(20)이 필수적으로 구비되는데, 종래의 3D 프린터용 히팅노즐은 대부분 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 내부에 소경부(22a)와 대경부(22b)로 이루어진 토출공(22)이 관통형성되는 노즐(21)과, 상기 노즐(21)의 상부에 결합되는 히터블럭(23)과, 상기 히터블럭(23)의 상부에 노즐(21)과 연통되도록 결합되는 히트싱크(24)와, 상기 히트싱크(24)의 상부에 결합되는 가이드관(25)을 포함하도록 구성된다.

이와 같이 구성되는 종래의 3D 프린터용 히팅노즐(20)은 가이드관(25)을 통해 압입되는 필라멘트(7)를 히터블럭(23)의 내부에 설치된 히터(23a)에 의해 용융시킨 후 노즐(21)의 토출공(22)을 통해 외부로 토출하게 된다.

그러나, 상기와 같이 구성되는 종래의 3D 프린터용 히팅노즐(20)은 토출을 멈춘 상태에서 다른 위치로 이동할 때마다 노즐(21)의 내부에 있는 용융된 필라멘트(7a)가 토출공(22)을 통해 가느다란 실처럼 흘러내려 출력물에 들러붙게 되는데, 이로 인해 출력물의 표면이 지저분해지게 되거나 심할 경우 성형불량이 발생하게 되는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 해소하기 위해 종래에는 히팅노즐(20)이 토출을 멈춘 상태에서 다른 위치로 이동할 때마다 용융된 필라멘트(7a)가 흘러내리지 않도록 히팅노즐(20)로 공급되는 필라멘트(7)를 반대방향으로 당겨주는 리트랙션(retraction) 동작을 실시하게 되는데, 이러한 리트랙션 동작시 필라멘트(7)를 반대방향으로 당겨주더라도 고체상태인 필라멘트(7)에 가해지는 장력이 액체상태인 용융된 필라멘트(7a)에 제대로 전달되지 않으므로 용융된 필라멘트(7a)의 흘러내림으로 인한 성형불량을 완전히 해소할 수 없는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0116585호

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 내부에 소경부와 대경부로 이루어진 토출공이 관통형성되는 노즐과, 노즐의 상부에 결합되는 히터블럭과, 히터블럭의 상부에 노즐과 연통되도록 결합되는 히트싱크와, 히트싱크의 상부에 결합되는 가이드관을 포함하되, 상기 노즐의 소경부는 대경부보다 길이가 길게 형성되며 상기 히트싱크의 내부에는 중앙부에 상기 가이드관의 내경보다 작은 직경을 갖는 통공이 형성된 진공형성용 밀폐링이 삽입설치되도록 구성함으로써, 필라멘트의 리트랙션 동작시 노즐의 내부에 진공흡입력을 발생시켜 용융된 필라멘트의 흘러내림 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 하므로 용융된 필라멘트의 흘러내림으로 인한 성형불량을 완전히 해소할 수 있도록 하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 내부에 소경부와 대경부로 이루어진 토출공이 관통형성되는 노즐과, 상기 노즐의 상부에 결합되는 히터블럭과, 상기 히터블럭의 상부에 노즐과 연통되도록 결합되는 히트싱크와, 상기 히트싱크의 상부에 결합되는 가이드관을 포함하는 3D 프린터용 히팅노즐 구조에 있어서, 상기 노즐의 소경부는 대경부보다 길이가 길게 형성되되, 소경부의 길이는 3 ~ 30mm로 형성되며, 상기 히트싱크의 내부에는 중앙부에 상기 가이드관의 내경보다 작은 직경을 갖는 통공이 형성된 진공형성용 밀폐링이 삽입설치되는 것을 특징으로 한다.

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상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 의한 3D 프린터용 히팅노즐 구조에 의하면, 필라멘트의 리트랙션 동작시 노즐의 내부에 진공흡입력을 발생시켜 용융된 필라멘트의 흘러내림 현상을 방지할 수 있게 되므로 용융된 필라멘트의 흘러내림으로 인한 성형불량을 완전히 해소할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 종래의 3D 프린터를 나타내는 사시도.
도 2는 종래의 3D 프린터용 히팅노즐의 구조를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 3D 프린터용 히팅노즐의 외관을 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명에 의한 3D 프린터용 히팅노즐의 구조를 나타내는 분해 사시도.
도 5는 본 발명에 의한 3D 프린터용 히팅노즐의 조립상태를 나타내는 단면도.
도 6의 (가)(나)는 본 발명에 의한 3D 프린터용 히팅노즐의 작동과정을 나타내는 설명도.
도 7의 (가)(나)는 본 발명에 의한 3D 프린터용 히팅노즐의 작동원리를 나타내는 설명도.

이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 도 3 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 3D 프린터용 히팅노즐은 도 3 내지 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 노즐(1), 히터블럭(3), 히트싱크(4), 가이드관(5), 진공형성용 밀폐링(6)을 포함하도록 구성된다.

상기 노즐(1)은 용융된 필라멘트가 직경이 축소되면서 외부로 토출되는 부분으로서, 내부에 소경부(2a)와 대경부(2b)로 이루어진 토출공(2)이 관통형성되는데, 상기 토출공(2)의 대경부(2b)는 용융된 필라멘트(7a)가 노즐(1)의 내부로 유입되는 부분이며, 소경부(2a)는 용융된 필라멘트(7a)가 직경이 축소된 상태로 토출되는 부분이다.

본 발명에 의한 3D 프린터용 히팅노즐(10)에서는 상기 소경부(2a)의 길이가 대경부(2b)보다 길게 형성되는데, 그 이유는 필라멘트의 리트랙션 동작시 상기 히트싱크(4)의 내부에 삽입설치되는 진공형성용 밀폐링(6)에 의해 노즐(1)의 내부에 진공흡입력이 발생할 때 소경부(2a) 내에 있던 용융된 필라멘트(7a)가 대경부(2b) 측으로 완전히 빨려들어가게 되는 것을 방지하기 위함이다.

즉, 본 발명에 의한 3D 프린터용 히팅노즐(10)에서는, 히팅노즐(10)이 토출을 멈춘 상태에서 다른 위치로 이동할 때마다 용융된 필라멘트(7a)가 흘러내리지 않도록 히팅노즐(10)로 공급되는 필라멘트(7)를 반대방향으로 당겨주는 리트랙션 동작시 상기 히트싱크(4)의 내부에 삽입설치되는 진공형성용 밀폐링(6)에 의해 노즐(1)의 내부에 진공흡입력이 발생하게 되고, 이로 인해 소경부(2a) 내에 있던 용융된 필라멘트(7a)가 대경부(2b) 측으로 빨려들어가게 되는데, 이때 소경부(2a) 내에 있던 용융된 필라멘트(7a)가 대경부(2b) 측으로 완전히 빨려들어가게 되면 소경부(2a)가 외부로 개방되는 동시에 개방된 소경부(2a)를 통해 외부공기가 노즐(1)의 내부로 빨려들어오게 된다. 참고로 노즐(1)의 내부로 외부공기가 유입되면 용융된 필라멘트(7a)가 토출될 때 뚝뚝 끊어지는 현상이 발생하게 된다.

그러나, 상기 소경부(2a)의 길이를 대경부(2b)보다 길게 형성하면, 진공흡입력에 의해 대경부(2b) 측으로 빨려들어가는 양보다 많은 양의 용융된 필라멘트(7a)가 소경부(2a)의 내부에 머물러 있게 되므로, 필라멘트의 리트랙션 동작시 노즐(1)의 내부에 진공흡입력이 발생하더라도, 소경부(2a) 내에 있던 용융된 필라멘트(7a)의 일부만 대경부(2b) 측으로 빨려들어가고 나머지는 소경부(2a) 내에 남아 소경부(2a)의 폐쇄상태를 유지할 수 있게 됨에 따라 외부공기가 노즐(1)의 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있게 된다.

그리고, 상기 노즐(1)에 형성된 소경부(2a)의 길이(d)는 3 ~ 30mm로 형성하는 것이 바람직한데, 그 이유는 소경부(2a)의 길이가 3mm 미만일 경우 소경부(2a)의 내부에 충분한 양의 용융된 필라멘트(7a)가 머물러 있지 못하게 되므로 필라멘트의 리트랙션 동작시 노즐(1)의 내부에 외부공기가 유입될 우려가 있으며, 소경부(2a)의 길이가 30mm 초과할 경우 필라멘트의 리트랙션 동작시 노즐(1)의 내부에 발생되는 진공흡입력이 소경부(2a)의 말단부까지 미치지 못하게 되므로 진공흡입력에 의한 흘러내림 방지효과가 현저히 저하되기 때문이다.

상기 히터블럭(3)은 상기 노즐(1)의 상부에 결합되는 것으로서, 내부에 필라멘트(7)를 용융시키기 위한 히터(3a)가 설치된다.

상기 히트싱크(4)는 상기 히터블럭(3)의 상부에 노즐(1)과 연통되도록 결합되는 것으로서, 상기 노즐(1)과 가이드관(5)을 연결하는 관형상으로 된 몸체의 외주면에 다수의 방열핀(4a)이 형성된다.

상기 히트싱크(4)는 히터블럭(3)으로부터 전달된 열을 외부로 발산하는 동시에 가이드관(5)을 통해 노즐(1)의 내부로 압입되는 필라멘트(7)를 예열시키는 역할을 하게 된다.

상기 가이드관(5)은 상기 히트싱크(4)의 상부에 결합되는 것으로서, 상기 노즐(1)로 압입되는 필라멘트(7)를 안내하는 역할을 하게 된다.

상기 진공형성용 밀폐링(6)은 상기 히트싱크(4)의 내부에 삽입설치되는 것으로서, 중앙부에 상기 가이드관(5)의 내경보다 작은 직경을 갖는 통공(6a)이 형성된다.

상기 진공형성용 밀폐링(6)은 상기 노즐(1)의 내부를 진공상태로 유지하기 위한 패킹 역할을 하는 것이므로 기존의 기밀용 패킹 재질로 제작하는 것이 가능한데, 그 중에서도 필라멘트(7)의 외주면에 단단하게 밀착될 수 있을 정도의 탄성을 가지는 동시에 히터블럭(3)으로부터 전달되는 열에 잘 견딜 수 있도록 내열실리콘 재질로 제작하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 진공형성용 밀폐링(6)의 통공(6a)의 직경을 상기 가이드관(5)의 내경보다 작게 형성한 이유는, 예열상태인 필라멘트(7)가 빡빡하게 끼워지도록 함으로써 필라멘트의 리트랙션 동작시 노즐(1)의 내부에 진공상태가 효과적으로 형성될 수 있도록 하기 위함이다.

일례로서, 직경 1.75mm인 필라멘트를 사용할 경우 상기 가이드관(5)의 내경은 상기 필라멘트가 원활하게 통과할 수 있도록 2mm로 형성되는데, 상기 진공형성용 밀폐링(6)의 통공(6a)의 직경을 가이드관(5)의 내경보다 작게 1.9mm로 형성하게 되면, 직경 1.75mm의 필라멘트(7)가 진공형성용 밀폐링(6)의 통공(6a)에 빡빡하게 끼워지게 되므로 필라멘트의 리트랙션 동작시 노즐(1)의 내부에 진공상태가 효과적으로 형성될 수 있게 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 3D 프린터용 히팅노즐의 작용관계를 설명하면 다음과 같다.

도 6의 (가)에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 3D 프린터용 히팅노즐(10)에 필라멘트(7)를 압입하게 되면, 가이드관(5)을 통해 압입되는 필라멘트(7)가 히트싱크(4)의 내부에 삽입설치된 진공형성용 밀폐링(6)의 통공(6a)을 통과한 후 히터블럭(3)의 내부에 설치된 히터(3a)에 의해 액상으로 용융된 다음, 노즐(1)의 토출공(22)의 대경부(2b)로 유입된 후 소경부(2a)을 거쳐 직경이 축소되면서 외부로 토출된다.

이어서, 도 6의 (나)에 도시되어 있는 바와 같이 히팅노즐(10)의 토출을 멈춘 상태에서 히팅노즐(10)로 공급되는 필라멘트(7)를 반대방향으로 당겨주는 리트랙션(retraction) 동작을 실시하게 되면, 상기 히트싱크(4)의 내부에 삽입설치된 진공형성용 밀폐링(6)의 통공(6a)에 빡빡하게 끼워져 있던 필라멘트(7)가 후퇴할 때 노즐(1)의 내부에 진공상태가 형성되면서 진공흡입력이 발생하게 되고, 이로 인해 소경부(2a) 내에 있던 용융된 필라멘트(7a)의 일부가 대경부(2b) 측으로 빨려들어가게 되면서 노즐(1)의 내부에 있는 용융된 필라멘트(7a)가 아래로 흘러 내리게 되는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

이는 도 7의 (가)에 도시되어 있는 바와 같이 피스톤 주사기(40)의 선단부를 수조(43)에 담근 상태에서 피스톤(42)을 후퇴시킬 때, 주사기본체(41)의 내부에 진공상태가 형성되면서 진공흡입력이 발생하게 되고, 이로 인해 수조(43)의 물(44)이 주사기본체(41)의 내부로 빨려들어가게 되는 것과 동일한 원리임을 밝혀둔다.

상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 의한 3D 프린터용 히팅노즐 구조에 의하면, 필라멘트의 리트랙션 동작시 노즐의 내부에 진공흡입력을 발생시켜 용융된 필라멘트의 흘러내림 현상을 효과적으로 방지할 수 있게 되므로 용융된 필라멘트의 흘러내림으로 인한 성형불량을 완전히 해소할 수 있게 된다.

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1 : 노즐
2 : 토출공
2a : 소경부
2b : 대경부
3 : 히터블럭
3a : 히터
4 : 히트싱크
4a : 방열핀
5 : 가이드관
6 : 진공형성용 밀폐링
6a : 통공
7 : 필라멘트
7a : 용융된 필라멘트
10 : 히팅노즐

Claims

내부에 소경부와 대경부로 이루어진 토출공이 관통형성되는 노즐과,
상기 노즐의 상부에 결합되는 히터블럭과,
상기 히터블럭의 상부에 노즐과 연통되도록 결합되는 히트싱크와,
상기 히트싱크의 상부에 결합되는 가이드관을 포함하는 3D 프린터용 히팅노즐 구조에 있어서,
상기 노즐의 소경부는 대경부보다 길이가 길게 형성되되, 소경부의 길이는 3 ~ 30mm로 형성되며,
상기 히트싱크의 내부에는 중앙부에 상기 가이드관의 내경보다 작은 직경을 갖는 통공이 형성된 진공형성용 밀폐링이 삽입설치되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 히팅노즐 구조.
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