KR101788674B1 - 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터 - Google Patents

노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터 Download PDF

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임충현
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주식회사 신도리코
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Abstract

본 발명은 와이어 형태의 필라멘트를 권취하고, 권취된 필라멘트를 공급해주는 필라멘트 공급부; 길이방향으로 연장되고 내부에 필라멘트 이송 경로가 형성된 노즐을 구비하고, 상기 필라멘트 공급부로부터 공급된 필라멘트를 가열 수단으로 용융시켜 외부로 배출함으로써 3차원 인쇄물을 출력하는 필라멘트 출력부; 및 상기 필라멘트 공급부로부터 상기 필라멘트 출력부에 필라멘트를 공급하고, 상기 필라멘트 출력부로부터 상기 필라멘트 공급부 방향으로 필라멘트를 배출하는 구동부를 포함하며, 기 설정된 청소 주기에 따라, 상기 필라멘트 구동부는 상기 필라멘트의 사출 후에 소정 시간이 지난 다음 상기 필라멘트를 사출 방향과는 반대방향으로 배출시킴으로써 상기 노즐 내부의 필라멘트를 상기 노즐 외부로 뽑아내는 것을 특징으로 하는 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터에 관한 것으로서, 노즐 청소 작업 시에 필라멘트가 끊어지거나 변형되지 않고 완전하게 노즐 밖으로 배출되도록 할 수 있다.

Description

노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터{Apparatus for cleaning nozzle of 3D printer with function of cleaning nozzle}
본 발명은 노즐 내부에 고착된 필라멘트를 제거하기 위한 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터에 관한 것이다.
일반적으로 3차원 입체 형상을 가진 시제품을 제작하기 위해서는 도면에 의존하여 수작업에 의해 이루어지는 목합 제작 방식과 CNC 밀링에 의한 제작 방법 등이 널리 알려져 있다.
그러나 목합 제작 방식은 수작업에 의하므로 정교한 수치제어가 어렵고 많은 시간이 소요되며, CNC 밀링에 의한 제작 방법은 정교한 수치제어가 가능하지만 공구 간섭으로 인해 가공하기 어려운 형상이 많다.
따라서 최근에는 제품의 설계자가 CAD나 CAM을 이용하여 3차원 모델링 데이터를 생성하고, 생성한 데이터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품을 제작하는 이른바 3차원 프린팅 방법이 등장하게 되었으며, 이러한 3D 프린터를 산업, 생활, 의학 등 다양한 분야에서 활용하고 있다.
3D 프린터는 재료의 연속적인 레이어를 2차원 프린터와 같이 출력하여 이를 적층함으로써 대상물을 만드는 제조장치이다. 3D 프린터는 디지털화된 도면 정보를 바탕으로 빠르게 대상물을 제작할 수 있어서 프로토타입 샘플 제작 등에 주로 사용된다.
3D 프린터의 제품 성형방식은 광경화성 재료에 레이저 광선을 주사하여 광주사된 부분을 물체로 성형하는 방식, 성형재료를 절삭하여 성형하는 방식, 열가소성 필라멘트를 용융하여 적층하는 방식(FDM 방식) 등이 있다.
이러한 방식 중에서 필라멘트를 용융하여 적층하는 방식의 3D 프린터가 다른 방식의 3D 프린터에 비해 생산 단가가 저렴하기 때문에, 필라멘트를 이용하는 3D 프린터가 가정용, 공업용으로 대중화되고 있는 추세이다.
여기서, 필라멘트를 이용하는 3D 프린터는 필라멘트를 용융하여 분사하도록 구성된 노즐 조립체(nozzle assembly)를 구비한다. 도 1은 종래의 3차원 프린터의 노즐 조립체(20)를 개략적으로 도시한 종단면도이다. 노즐 조립체(20)는 피팅(21), 히트 싱크(22), 베럴(barrel; 23) 및 노즐(24)이 종방향으로 정렬되어 결합되고, 피팅(21)과 히트 싱크(22)의 내부에는 종방향을 따라 테프론 튜브(30)가 삽입된다. 그리고, 이 테프론 튜브(30)에 필라멘트가 삽입되고, 필라멘트는 베럴(23) 및 노즐(24)을 거쳐 용융되면서 분사된다.
여기서, 종래의 노즐 조립체(20)는 노즐 막힘 현상을 방지하기 위해, 인쇄 후에, 즉 필라멘트 사출 후에 노즐(24) 안에 고착되어 있는 필라멘트를 제거하는 노즐 청소 작업을 수행해야 한다. 이러한 노즐 청소 작업에는 일반적으로 필라멘트를 정방향으로 사출하거나, 필라멘트를 정방향 및 역방향으로 반복 이송하여 노즐(24) 내부에 남아있는 필라멘트를 노즐(24) 밖으로 배출하는 방법이 이용된다. 또는 노즐 자체를 분해하여 노즐 내부를 청소하는 방법이 이용될 수 있다.
그런데, 노즐 내부에 노즐의 구멍보다 큰, 용해되지 않는 이물질(예를 들면 금속칩 등)이 존재하는 경우에는 종래의 노즐의 청소 방법으로는 노즐 내부를 청소하는 것이 불가능하다.
또한, 노즐 내부에 남아있는 필라멘트 중 일부는 사출 중에도 노즐 벽면에서 움직이지 않고 붙어있게 되고, 장시간 사출되지 않고 고온에서 변성되어 노즐 내부의 용해되지 않는 이물질이 될 수 있다. 이러한 이물질은 노즐 내벽에 붙어서 노즐의 사출 부하를 증가시키고 가열 수단으로부터의 열전달 효율을 저하시켜 노즐의 사출 부하를 증가시키게 된다. 이러한 노즐의 사출 부하 증가는, 실제로 노즐이 막히지 않은 경우에도 필라멘트 사출을 불가능하게 만들 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 노즐 내부에서 필라멘트를 완전히 제거할 수 있는 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 와이어 형태의 필라멘트를 권취하고, 권취된 필라멘트를 공급해주는 필라멘트 공급부; 필라멘트 이송 경로가 형성된 노즐을 구비하고, 상기 필라멘트 공급부로부터 공급된 필라멘트를 가열 수단으로 용융시켜 외부로 배출함으로써 3차원 인쇄물을 출력하는 필라멘트 출력부; 및 상기 필라멘트 공급부로부터 상기 필라멘트 출력부에 필라멘트를 공급하고, 상기 필라멘트 출력부로부터 필라멘트가 외부로 배출되도록 하는 구동부를 포함하며, 기 설정된 청소 주기에 따라, 상기 구동부는 상기 필라멘트의 사출 후에 소정 시간이 지난 다음 상기 필라멘트를 사출 방향과는 반대방향으로 배출시킴으로써 상기 노즐 내부의 필라멘트를 상기 노즐 외부로 뽑아내는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 구동부는, 상기 필라멘트가 정방향 또는 역방향으로 이송되도록 구동력을 발생시키는 구동 모터; 상기 구동 모터의 구동력을 전달받아 상기 필라멘트를 정방향 또는 역방향으로 이송하는 구동 롤러; 상기 구동 모터의 구동력을 전달받아 상기 필라멘트를 정방향 또는 역방향으로 이송하는 이송 롤러; 및 상기 구동 모터와 상기 구동 롤러 사이에 그리고 상기 구동 모터와 상기 이송 롤러 사이에 구비되어 상기 구동 모터의 구동력을 상기 구동 롤러 및 상기 이송 롤러에 전달하는 전달 기어들을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 노즐의 청소 작업 시에, 상기 구동 모터는 상기 필라멘트가 PLA 재질인 경우 20 ~ 40mm/s의 속도로, 상기 필라멘트가 ABS 재질인 경우 10 ~ 40mm/s의 속도로 배출되도록 작동하고, 상기 가열 수단은 상기 필라멘트가 PLA 재질인 경우 상기 노즐 내부의 온도가 70 ~ 120℃가 되도록, 그리고 상기 필라멘트가 ABS 재질인 경우 상기 노즐 내부의 온도가 110 ~ 130℃가 되도록 작동하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 필라멘트 출력부는 상기 노즐을 냉각하는 냉각팬을 구비하고, 상기 노즐의 청소 작업 시에, 상기 냉각팬이 소정 시간 작동하여 상기 노즐 내부의 필라멘트를 연성의 고체 상태로 만드는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 노즐의 청소 작업 시에, 상기 구동 모터가 정방향으로 구동되어 상기 노즐에 소정량의 필라멘트를 공급하고, 이후 상기 구동 모터가 역방향으로 구동되어 상기 노즐 내부의 필라멘트를 상기 노즐 외부로 뽑아내는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 예에 따르면, 본 발명은 와이어 형태의 필라멘트를 권취하고, 권취된 필라멘트를 공급해주는 필라멘트 공급부; 필라멘트 이송 경로가 형성된 노즐을 구비하고, 상기 필라멘트 공급부로부터 공급된 필라멘트를 가열 수단으로 용융시켜 외부로 배출함으로써 3차원 인쇄물을 출력하는 필라멘트 출력부; 상기 필라멘트 공급부로부터 상기 필라멘트 출력부에 필라멘트를 공급하고, 상기 필라멘트 출력부로부터 필라멘트가 외부로 배출되도록 하는 구동부; 및 상기 필라멘트 공급부와 상기 구동부 사이에 설치되고, 상기 노즐의 청소 시에 상기 필라멘트 출력부로부터 역방향으로 인출된 필라멘트의 단부를 절단하는 필라멘트 커팅부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 필라멘트 커팅부는, 상기 필라멘트가 안착되도록 반원형상으로 형성된 필라멘트 안착홈; 및 상기 필라멘트 안착홈에 안착된 필라멘트를 절단하는 커터를 포함하고, 상기 커터는 상기 필라멘트를 사선방향으로 절단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 노즐 청소 작업시에, 용융 상태의 고온의 필라멘트를 소정 시간 동안 방치하거나 냉각팬을 이용하여 소정 시간 동안 냉각하여 연성을 갖는 고체 상태로 변화시킨 후에 역방향으로 배출함으로써, 필라멘트가 끊어지거나 변형되지 않고 완전하게 노즐 밖으로 배출되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 노즐 청소 작업 시에 역방향으로 인출된 필라멘트의 단부를 사선으로 절단함으로써, 3차원 인쇄를 위해 필라멘트를 다시 필라멘트 출력부의 이송 경로에 삽입할 때 필라멘트가 이송 경로에 쉽게 삽입될 수 있게 한다.
도 1은 종래의 3차원 프린터의 노즐 조립체를 개략적으로 도시한 종단면도,
도 2a는 본 발명에 따른 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터를 개략적으로 도시한 평면도,
도 2b는 도 2a의 필라멘트 출력부를 개략적으로 도시한 사시도,
도 3은 일정 시간 냉각된 상태에서, 본 발명에 따른 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터의 노즐 부분을 도시한 종단면도,
도 4는 본 발명에 따른 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터의 노즐 부분을 도시한 종단면도로서, 필라멘트가 역방향으로 배출되는 모습을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터를 이용하여 노즐 청소 수행시에 배출된 필라멘트를 촬영한 사진으로서, 필라멘트 배출 속도 및 가열 온도에 달리하여 배출된 필라멘트의 상태를 나타낸 사진,
도 6은 본 발명에 따른 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터의 노즐 부분을 도시한 종단면도로서, 과냉각된 상태에서 필라멘트에 공동이 생성된 모습을 나타낸 도면,
도 7은 필라멘트 커팅부를 추가로 구비한 본 발명에 따른 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터를 개략적으로 도시한 평면도,
도 8a는 도 7의 필라멘트 커팅부를 개략적으로 도시한 사시도,
도 8b는 도 8a의 커팅부를 개략적으로 도시한 평면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 참고로, 아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 2 내지 5를 참조하면, 본 발명에 따른 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터는 열가소성 플라스틱 소재의 필라멘트를 용융하여 적층하는 방식(FDM 방식)으로 3차원 인쇄물을 출력하는 장치로서, 필라멘트 출력부의 노즐 내부에 남아있는 필라멘트를 배출하여 노즐을 청소하도록 구성된다.
구체적으로, 본 발명에 따른 3차원 프린터는 필라멘트 공급부(100), 필라멘트 출력부(400) 및 구동부(200)를 포함한다.
필라멘트 공급부(100)는 와이어 형태의 열가소성 플라스틱 소재로 제조된 필라멘트를 권취하고, 권취된 필라멘트를 필라멘트 출력부로 공급하는 역할을 한다. 이 필라멘트 공급부(100)는 박스 형상의 케이스(110) 및 케이스(110) 내부에 장착되는 필라멘트 권취용 보빈(120)을 포함한다. 케이스(110)는 일측에 필라멘트가 배출될 수 있는 필라멘트 출구(111)를 구비하고, 전면에 개폐 가능한 커버(미도시)를 구비한다. 이 케이스(110)는 3D 프린터(10)의 본체(11)에 착탈 가능하게 구성된다. 그리고 보빈(120)은 서로 이격된 한 쌍의 원판 사이에 필라멘트를 권취할 수 있게 구성되고, 케이스(110)의 중심에 구비된 회전축에 회전 가능하게 장착된다.
필라멘트 출력부(400)는 필라멘트 공급부(100)로부터 공급된 필라멘트를 용융시켜 배출함으로써 3차원 인쇄물을 출력하는 역할을 한다. 필라멘트 출력부(400)는 후술되는 구동부(200)의 하류측 단부에, 즉 배출구(220)에 이송 튜브(250)를 통해 연결되고 내부에 필라멘트 이송 경로가 형성된 핫 엔드 조립체로 형성된다. 또한, 필라멘트 출력부(400)의 주변에는 필라멘트(P)를 용융시키기 위한 가열 수단(410) 및 필라멘트 출력부(400)의 온도를 하강시키기 위한 냉각팬(420)을 구비한다. 또한, 방열부재(430)의 외측에도 냉각팬(460)이 설치될 수 있다.
구동부(200)는 필라멘트 공급부(100)로부터 공급된 필라멘트가 유입되는 유입구(210) 및 필라멘트를 배출하는 배출구(220)를 구비하고 유입구(210)와 배출구(220) 사이에 필라멘트 이송 경로를 구비한 본체를 갖는다. 구동부(200)는 필라멘트 공급부(100)로부터 필라멘트 출력부에 필라멘트(400)를 자동으로 공급하고, 필라멘트 출력부(400)로부터 외부로 필라멘트가 사출되도록 하는 역할을 한다. 여기서, 구동부(200)는 3차원 인쇄를 위한 정방향(필라멘트 공급부(100)에서 필라멘트 출력부(400)를 향하는 방향) 및 고착된 필라멘트의 배출을 위한 역방향(필라멘트 출력부(400)에서 필라멘트 공급부(100)를 향하는 방향)으로 필라멘트를 이송하는 역할을 한다.
구체적으로, 구동부(200)는 구동 모터(310), 구동 롤러(320), 이송 롤러(330) 및 전달 기어들(341 ~ 345)을 포함한다. 구동 모터(310)는 필라멘트 출력부에 구비되어 필라멘트가 정방향 또는 역방향으로 이송되도록 구동력을 발생시킨다. 구동 롤러(320)는 구동 모터(310)의 (필라멘트의 보급 방향을 기준으로) 상류측에 구비되고, 구동 모터(310)의 구동력을 전달받아 필라멘트가 정방향 또는 역방향으로 이송되도록 한다. 이송 롤러(330)는 필라멘트 공급부(100)에, 즉 케이스(110)의 내부에 구비되고, 구동 모터(310)의 구동력을 전달받아 필라멘트를 정방향 또는 역방향으로 이송한다. 전달 기어(341)는 구동 모터(310)와 구동 롤러(320) 사이에 구비되어 구동 모터(310)의 구동력을 구동 롤러(320)에 전달한다. 또한, 전달 기어들(342 ~ 345)은 구동 모터(310)와 이송 롤러(330) 사이에 구비되어 구동 모터(310)의 구동력을 이송 롤러(330)에 전달한다. 즉, 구동 롤러(320)와 이송 롤러(330)는 하나의 구동 모터(310)에 의해 동시에 구동될 수 있다.
한편, 필라멘트 출력부(400)는 길이방향으로 연장된 방열부재(430), 방열부재(430)의 하류측에 설치되는 노즐(440), 방열부재(430)와 노즐(440)을 연결하는 베럴(450)을 포함한다. 그리고, 방열부재(430), 베럴(450) 및 노즐(440)의 내부에는 서로 일렬로 정렬된 필라멘트 이송 경로(A)가 형성된다.
여기서, 방열부재(430)는 내부에 길이방향을 따라 필라멘트 이송 경로가 형성되는 원통형 부재로 이루어진다. 이 방열부재(430)는 열전도가 양호한 알루미늄으로 만들어질 수 있다.
노즐(440)은 내부에 방열부재(430)의 필라멘트 이송 경로와 길이방향으로 정렬되어 연통하는 이송 경로가 형성되고, 가열 수단(410)에 의해 필라멘트를 용융시켜 외부로 분사한다.
베럴(450)은 방열부재(430)의 이송 경로와 노즐(440)의 이송 경로가 길이방향으로 정렬되어 서로 연통하도록 방열부재(430)와 노즐(440)을 연결한다. 여기서, 베럴(450)은 스테인레스 스틸 재질의 전산 볼트 형태로 형성되어 방열부재(430)와 노즐(440)을 나사 체결 방식으로 연결할 수 있다.
여기서, 구동부(200)는 기 설정된 필라멘트 청소 주기에 따라 필라멘트를 사출 방향과는 반대방향으로 배출시켜 노즐(440) 내부의 필라멘트를 노즐(440)의 외부로 뽑아내도록 구동된다.
구체적으로, 3차원 프린터의 사용 중에 기 설정된 청소 주기에 도달하면, 필라멘트의 사출 후에 소정 시간이 지난 다음에 역방향으로 필라멘트를 배출하도록 구동부(200)의 구동 모터(310)가 역방향으로 구동된다.
도 5를 참조하면, 필라멘트의 배출 속도 및 온도에 따라 배출된 필라멘트의 상태가 달라지는 것을 알 수 있다. 이 실험 결과에 의하면, 필라멘트의 배출 속도가 대략 20 ~ 40mm/s이고, 필라멘트의 온도가 대략 70 ~ 120℃일 때, 필라멘트가 끊어지지 않고 노즐(440)로부터 배출될 수 있는 것을 확인할 수 있다. 바람직하게는, 필라멘트의 배출 속도가 대략 30mm/s이고 필라멘트의 온도가 대략 80 ~ 100℃인 경우에, 필라멘트(P)의 형상이 변형되지 않고 완전하게 노즐(440)로부터 배출될 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
아래 표 1은 PLA(Poly Lactic Acid) 재질의 필라멘트의 테스트 결과를 나타낸다.
　 70˚C 80˚C 90˚C 100˚C 110˚C 120˚C
White 20mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○X
30mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
40mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
Blue 20mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
30mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
40mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
Black 20mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
30mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
40mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
Gray 20mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
30mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
40mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
Red 20mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
30mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
40mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
Yellow 20mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
30mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
40mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
Green 20mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
30mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
40mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
여기서, 노즐 청소 시에, 배출되는 필라멘트의 형상이 끊어지거나 변형되지 않고 완전하게 배출되어야만, 노즐(440) 내부에 남아 있는 필라멘트 및 다른 이물질이 역방향으로 배출되는 필라멘트와 함께 노즐(440) 외부로 배출됨으로써, 노즐의 청소가 이루어질 수 있다. 그러므로, 노즐 청소 시에, 구동 모터(310)는 대략 30mm/s의 속도로 필라멘트가 배출되도록 역방향으로 구동되고, 가열 수단(410) 또는 냉각팬(420)은 노즐(440) 내부의 온도가 대략 80 ~ 100℃가 되도록 제어되는 것이 바람직하다.
한편, 아래의 표 2는 ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene copolymer) 재질의 필라멘트의 테스트 결과를 나타낸다.
　 90˚C 100˚C 110˚C 120˚C 130˚C 140˚C
White 10mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○X
20mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○X
30mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○X
40mm/s ○X ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
Blue 10mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
20mm/s ○X ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
30mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
40mm/s ○○○ ○X ○○○ ○○○ ○○○ ○X
Black 10mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
20mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
30mm/s ○○X ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
40mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
Gray 10mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
20mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
30mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
40mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
Red 10mm/s ○X ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○X
20mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
30mm/s ○X ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
40mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
Yellow 10mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
20mm/s ○○X ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
30mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
40mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
Green 10mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
20mm/s ○X ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
30mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
40mm/s ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○ ○○○
이 실험 결과에 의하면, 필라멘트의 배출 속도가 대략 10 ~ 40mm/s이고, 필라멘트의 온도가 대략 110 ~ 130℃일 때, 필라멘트가 끊어지지 않고 노즐(440)로부터 배출될 수 있는 것을 확인할 수 있다.
더 바람직하게는, 노즐의 청소 작업 시에, 냉각팬(420)은 소정 시간 동안 작동하면서 노즐(440) 내부의 온도를 하강시켜 필라멘트가 연성의 고체 상태로 변화되는 시간을 단축한다. 도 3을 참조하면, 3차원 출력물을 인쇄하기 위해 필라멘트의 사출 작업이 종료된 후에, 소정 시간 동안 냉각팬(420)이 작동하게 되면, 액체 상태로 용융된 고온의 필라멘트가 소정 온도로 냉각되어 연성을 갖는 고체 상태의 필라멘트로 변화된다. 이 상태에서, 구동 모터(310)가 역방향으로 구동되면, 고체 상태의 필라멘트(P)가 역방향으로 배출되어 노즐(440)로부터 배출된다. 이때, 노즐(440) 내부의 다른 이물질 역시 필라멘트(P)에 고착되어 함께 노즐(440) 밖으로 배출됨으로써, 노즐(440)의 청소가 완료된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터는, 노즐 청소 작업시에, 사출 시 용융 상태의 고온의 필라멘트를 소정 시간 동안 방치하거나 냉각팬(420)을 이용하여 소정 시간 동안 냉각하여 연성을 갖는 고체 상태로 변화시킨 후에, 역방향으로 배출함으로써, 필라멘트가 끊어지거나 변형되지 않고 완전하게 노즐(440) 밖으로 배출되도록 할 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 노즐의 청소 작업 전에, 용융 상태의 필라멘트(P)가 소정 시간 동안 냉각되면, 노즐(440) 내부의 필라멘트(P)는 수축되어 필라멘트의 내부에 공동(C)이 생성될 수 있다. 이러한 필라멘트의 공동(C)은 역방향으로의 필라멘트 배출 시에 필라멘트의 끊어짐을 초래할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터는 필라멘트의 수축에 따른 필라멘트의 공동(C) 생성을 방지하도록 구성된다. 이를 위해, 노즐의 청소 작업 시에, 구동 모터(310)가 정방향으로 구동되어 노즐(440) 내부에 소정량의 필라멘트(P)가 공급된다. 그러면, 냉각에 의해 필라멘트(P)가 수축되는 공간이 채워져 필라멘트의 내부에 공동(C)이 발생하지 않게 된다. 그리고, 이후에 구동 모터(310)가 역방향으로 구동되어 노즐(440) 내부의 필라멘트(P)를 노즐(440) 외부로 뽑아낸다. 이러한 구동 모터(310)의 정방향 및 역방향 구동은 노즐의 온도에 따라 제어된다.
따라서, 노즐의 청소 작업 시에, 필라멘트가 냉각되어도 공동이 생성되지 않아, 필라멘트가 끊어지지 않고 완전하게 노즐(440) 외부로 배출될 수 있다.
한편, 도 7, 8a 및 8b를 참조하면, 본 발명에 따른 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터는 노즐 청소 시에 역방향으로 배출되는 필라멘트를 커팅하기 위한 커팅부(500)를 추가로 포함한다.
이 커팅부(500)는 필라멘트 공급부(100)와 구동부(200) 사이에 설치되고, 필라멘트 출력부(400)의 노즐 청소 시에, 필라멘트 출력부로부터 역방향으로 인출된 필라멘트의 단부를 절단하는 역할을 한다. 노즐 청소 시에 인출된 필라멘트의 단부는 그 형상이 변형되어 있거나 다른 이물질이 고착되어 있기 때문에, 3차원 인쇄를 위해 필라멘트를 다시 필라멘트 출력부(100)의 이송 경로에 삽입할 때, 필라멘트가 이송 경로에 쉽게 삽입되는 것을 방해하게 된다. 따라서, 노즐 청소시에 인출된 필라멘트의 단부는 깨끗하게 절단되어야 한다.
구체적으로, 커팅부(500)는 인출된 필라멘트(P)를 지지하는 지지 블록(510) 및 지지 블록(540) 상에 지지된 필라멘트(P)를 절단하는 커터(520)를 포함한다. 지지 블록(510)에는 필라멘트(P)를 가이드하고 필라멘트(P)가 안착되도록 하는 반원형상의 안착홈(511)이 형성된다. 여기서, 지지 블록(510)은 그 단부가 비스듬하게 사선방향으로 배열되고, 커터(520) 역시 지지 블록(510)의 단부와 대응되는 위치에 설치된다. 따라서, 커터(520)가 작동하여 지지 블록(510)에 안착된 필라멘트(P)를 절단하면, 절단된 필라멘트(P)의 단부는 사선으로 절단된다.
이와 같이 사선으로 절단된 필라멘트(P)의 단부는, 3차원 인쇄를 위해 필라멘트를 다시 필라멘트 출력부의 이송 경로에 삽입할 때, 필라멘트(P)가 이송 경로에 쉽게 삽입될 수 있게 한다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 와이어 형태의 필라멘트를 권취하고, 권취된 필라멘트를 공급해주는 필라멘트 공급부;
    필라멘트 이송 경로가 형성된 노즐을 구비하고, 상기 필라멘트 공급부로부터 공급된 필라멘트를 가열 수단으로 용융시켜 외부로 배출함으로써 3차원 인쇄물을 출력하는 필라멘트 출력부; 및
    상기 필라멘트 공급부로부터 상기 필라멘트 출력부에 필라멘트를 공급하고, 상기 필라멘트 출력부로부터 필라멘트가 외부로 배출되도록 하는 구동부를 포함하며,
    기 설정된 청소 주기에 따라, 상기 구동부는 상기 필라멘트의 사출 후에 소정 시간이 지난 다음 상기 필라멘트를 사출 방향과는 반대방향으로 배출시킴으로써 상기 노즐 내부의 필라멘트를 상기 노즐 외부로 뽑아내고,
    상기 구동부는,
    상기 필라멘트가 정방향 또는 역방향으로 이송되도록 구동력을 발생시키는 구동 모터;
    상기 구동 모터의 구동력을 전달받아 상기 필라멘트를 정방향 또는 역방향으로 이송하는 구동 롤러;
    상기 구동 롤러의 구동력을 전달받아 상기 필라멘트를 정방향 또는 역방향으로 이송하는 이송 롤러; 및
    상기 구동 모터와 상기 구동 롤러 사이에 그리고 상기 구동 모터와 상기 이송 롤러 사이에 구비되어 상기 구동 모터의 구동력을 상기 구동 롤러 및 상기 이송 롤러에 전달하는 전달 기어들을 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노즐의 청소 작업 시에, 상기 구동 모터는 상기 필라멘트가 PLA 재질인 경우 20 ~ 40mm/s의 속도로, 상기 필라멘트가 ABS 재질인 경우 10 ~ 40mm/s의 속도로 배출되도록 작동하고,
    상기 가열 수단은 상기 필라멘트가 PLA 재질인 경우 상기 노즐 내부의 온도가 70 ~ 120℃가 되도록, 그리고 상기 필라멘트가 ABS 재질인 경우 상기 노즐 내부의 온도가 110 ~ 130℃가 되도록 작동하는 것을 특징으로 하는 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 필라멘트 출력부는 상기 노즐을 냉각하는 냉각팬을 구비하고, 상기 노즐의 청소 작업 시에, 상기 냉각팬이 소정 시간 작동하여 상기 노즐 내부의 필라멘트를 연성의 고체 상태로 만드는 것을 특징으로 하는 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 노즐의 청소 작업 시에, 상기 구동 모터가 정방향으로 구동되어 상기 노즐에 소정량의 필라멘트를 공급하고, 이후 상기 구동 모터가 역방향으로 구동되어 상기 노즐 내부의 필라멘트를 상기 노즐 외부로 뽑아내는 것을 특징으로 하는 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 필라멘트 공급부와 상기 구동부 사이에 설치되고, 상기 노즐의 청소 시에 상기 필라멘트 출력부로부터 역방향으로 인출된 필라멘트의 단부를 절단하는 필라멘트 커팅부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 필라멘트 커팅부는,
    상기 필라멘트가 안착되도록 반원형상으로 형성된 필라멘트 안착홈; 및
    상기 필라멘트 안착홈에 안착된 필라멘트를 절단하는 커터를 포함하고,
    상기 커터는 상기 필라멘트를 사선방향으로 절단하는 것을 특징으로 하는 노즐 청소 기능을 갖는 3차원 프린터.
  7. 삭제
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