KR101796890B1 - 3d 프린터용 교환형 압출장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전동력을 발생하는 구동 모터; 3D 프린팅하기 위한 고형 재료를공급하는 호퍼; 상기 호퍼가 일측에 설치된 압출실린더에 압출스크류가 내장되고, 상기 구동 모터의 구동에 의해서 상기 호퍼를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 압출하여 노즐부로 이송하는 압출이송부; 상기 3D 프린팅 재료를 용융하는 가열부; 및 교체가 가능한 토출노즐을 구비하여, 상기 가열부에서 용융된 3D 프린팅 재료를 필라멘트로 압출하면서 동시에 3D 조형물을 3D 프린팅하는 노즐부를 포함하는 3D 프린터용 교환형 압출장치 및 이를 포함하는 3D 프린터에 관한 것으로, 본 발명의 3D 프린터용 교환형 압출장치에 의하면 별로의 필라멘트 제조장치를 이용하지 않고 분말, 비드, 펠렛 상의 재료를 이용해서 바로 3D 프린팅을 할 수 있다.

Description

3D 프린터용 교환형 압출장치{EXCHANGEABLE EXTRUDER FOR THREE DIMENSIONAL PRINTER}
본 발명은 3D 프린터용 교환형 압출장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린팅하기 위한 고형 재료를 바로 압출해서 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터에서 사용 가능하고, 노즐 막힘이 없고 다양한 소재를 혼합하여 사용 가능한 3D 프린터용 교환형 압출장치에 관한 것이다.
3D 프린터는 특정 소프트웨어에 의해서 작성된 3차원 설계도에 기초해서 연속적인 계층의 물질을 분사해서 3차원 물체를 제조하는 장치로, 개발 초기에는 주로 시제품의 제작에 사용되었으나, 최근에는 선박, 자동차, 건축, 의료, 식품 등 산업의 전분야에서 널리 이용되고 있고, 또한 소비자가 자기만의 스타일과 디자인으로 물건을 맞춤 생산하기 위한 용도로도 이용이 확대되고 있다.
이러한 3D 프린터의 제품 성형 방식은 크게 FDM 방식(Fused Deposition Modelling), DLP 방식(Digital Light Processing), SLA 방식(Stereo lithography Apparatus) 그리고 SLS 방식(Selective Laser Sintering)으로 구분되고 있다. 이러한 방식 중에서 열가소성 소재의 필라멘트를 용융하여 적층하는 FDM 방식의 3D 프린터가 다른 방식의 3D 프린터에 비해 생산 단가가 저렴하여, 실험용, 공업용으로 대중화되고 있는 추세이다.
기존의 FDM 방식의 3D 프린터는 열가소성 소재로 구성되는 필라멘트를 이용하여 조형하는 방식으로, 필라멘트를 용융 가능한 온도로 가열된 노즐을 통해 반액상으로 압출하여 한 층씩 적층하여 조형물을 완성한다. 이러한 기존의 FDM 방식의 3D 프린터의 일례를 도 1에 도시하였다. 도 1에 도시된 바와 같이, 3D 프린터는 바닥판(110)은 Y축으로 움직이고, 인쇄 헤드(120)가 X축과 Z축으로 움직이면서 필라멘트(130)를 토출하면서 한 층씩 적층하여 소정의 형상을 구축하는 방식으로 수행된다. 이때 필라멘트(130)는 릴(140)로부터 풀려서 유도관(150)을 통하여 공급이 된다. 용융된 필라멘트가 압출되어 바닥판(110) 상에 프린트층을 형성하고 이러한 프린트층을 계속 적층시켜 조형물(160)을 형성하게 된다.
이러한 기존의 3D 프린터에 사용되는 고분자 소재를 필라멘트 형태로 만들기 위해서는 대형 압출기를 통해 펠렛 상태의 고분자를 와이어 형태로 용융 압출하여야 한다. 이와 같이 기존의 필라멘트 제조는 대형압출기를 사용하여야 하기 때문에 다품종 소량 생산하는데 한계가 있고, 원료 및 전력 등의 소모가 많아서 다양한 요구의 제품을 구현할 때 경제적인 면에서 불리한 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 3D 프린터에 장착해서, 즉석에서 다양한 소재를 블렌딩하여 필라멘트로 압출함과 동시에 3D 조형물로 프린팅할 수 있는 3D 프린터용 교환형 압출장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 대형 압출기를 이용한 필라멘트 제조 공정을 생략할 수 있고, 시간과 장소의 제약 없이 필요한 다성분계 고분자 필라멘트를 최소의 에너지로 제조할 수 있어, 3D 프린팅 공정에 사용되는 에너지를 대폭 절감하고, 다양한 소재의 사용이 가능하고, 재료의 낭비를 줄일 수 있으며, 노즐의 직경을 용이하게 변경하여 조형물의 제작 시 안정성 및 품질을 높일 수 있는 3D 프린터용 교환형 압출장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고형 재료를 사용하여 2개 이상의 호퍼를 도입하여 다성분계 고분자 재료를 즉석에서 블렌딩하여 최소한의 에너지로 3D 프린팅할 수 있게 하는 3D 프린터용 교환형 압출장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 필라멘트를 압출하기 위한 압출기와 노즐이 모듈로 구성되고, 다양한 소재에 맞는 다양한 스크류가 장착된 다수의 압출기 모듈들을 필요에 따라서 교환하면서 사용할 수 있도록 구성된 3D 프린터를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, 회전동력을 발생하는 구동 모터; 3D 프린팅하기 위한 고형 재료를 공급하는 호퍼; 상기 호퍼가 일측에 설치된 압출실린더에 압출스크류가 내장되고, 상기 구동 모터의 구동에 의해서 상기 호퍼를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 압출하여 노즐부로 이송하는 압출이송부; 상기 3D 프린팅 재료를 용융하는 가열부; 및 교체가 가능한 토출노즐을 구비하여, 상기 가열부에서 용융된 3D 프린팅 재료를 필라멘트로 압출하면서 동시에 3D 조형물을 프린팅하는 노즐부를 포함하는 3D 프린터용 교환형 압출장치에 관한 것이다. 상기 가열부는 상기 압출실린더 외곽에 하나 이상의 가열 구간에 설치된 유도 가열 튜브로 구성되거나 압출실린더에 일체형으로 구성될 수 있다. 대안으로 상기 가열부는 탄소발열체 상부면과 연결되는 제1 전극; 탄소발열체에 내장되는 온도센서; 3D 프린팅 재료를 가열하는 탄소발열체; 탄소발열체 외곽에 형성되는 절연부재 및 탄소발열체 하부면과 전기적으로 연결되는 제2 전극으로 구성될 수 있다.
상기 압출실린더에 연결되는 호퍼는 복수로 형성되고, 각각의 호퍼는 모터와 공급용 스크류로 구성되고, 이러한 스크류의 회전에 의해서 각각의 호퍼로부터 공급되는 각각의 3D 프린팅 재료들을 용융하여 압출실린더에 공급하는 예비압출부를 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은 상술한 3D 프린터용 교환형 압출장치가 장착되어, 즉석에서 바로 3D 프린팅을 위한 재료를 용융 블렌딩하여 다양한 소재를 활용하여 3D 프린팅할 수 있는 3D 프린터에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예의 3D 프린터는 구동 모터와 가열부는 압출장치의 위치를 조절하는 축이송부의 지지판에 고정되고, 호퍼, 압출이송부 및 노즐부는 하나의 모듈로 구성되어, 3D 프린터의 압출장치의 위치를 조정하는 축이송부의 지지판에 고정될 때, 상기 구동 모터 및 상기 가열부와 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 3D 프린터는 다양한 색상 또는 다양한 소재의 3D 프린팅 재료를 압출하기 위한 두 개 이상의 상기 호퍼, 상기 압출이송부 및 상기 노즐부로 구성되는 압출장치 모듈들과 이들 압출장치 모듈들을 거치하는 거치대를 추가로 포함하거나 또는 거치대 없이 사용할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 의하면, FDM(Fused Deposition Modeling)용 별도의 3D 필라멘트 제조를 위한 장치를 이용하지 않고도, 원하는 3D 프린팅 재료를 필라멘트 상으로 압출해서 바로 3D 프린팅할 수 있는 이점을 수득할 수 있다.
또한, 본 발명의 3D 프린터용 교환형 압출장치는 토출노즐이 탈착식으로 구성되어 노즐의 직경을 변경하는 것이 용이하여, 3D 프린팅 시에 적층되는 두께를 토출되는 양으로 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 3D 프린터용 교환형 압출장치는 다양한 소재 및 다양한 색상의 필라멘트를 즉석에서 제조할 수 있기 때문에 창의적이고 독립적인 칼라 및 소재를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 3D 프린터용 교환형 압출장치에 의하면, 기존에 필라멘트형 소재로 국한되었던 것을 넘어 파우더형, 비드형, 과립형 및 필렛형 소재도 사용할 수 있게 되어 전력과 소재의 절약을 통해 소재의 활용 범위를 확대할 수 있다.
더욱이, 기존의 3D 프린터는 소재를 용융시키는데 상대적으로 시간을 많이 소모하기 때문에 많은 시간이 소요되지만, 본 발명의 3D 프린터를 이용하면 노즐의 직경 변경 및 소재의 급속 용융을 가능하게 하는 가열부를 도입하여 결과적으로 고속 3D 프린팅을 할 수 있다.
또한, 본 발명의 3D 프린터는 호퍼, 압출이송부, 및 노즐부로 구성되는 압출기 모듈을 거치대에 여러 개 준비하고, 필요에 따라서 선택 사용가능하므로 기존의 3D 프린터보다 본 발명의 장치를 이용하면 노즐의 직경 변경 및 소재의 급속 용융을 가능하게 하여 결과적으로 고속 3D 프린팅을 할 수 있다.
도 1은 일반적인 3D 프린터의 개략사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 3D 프린터용 교환형 압출장치의 개략사시도 및 일부절개사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 3D 프린터용 교환형 압출장치의 단면도 및 정면도이다.
도 4a-b는 본 발명의 다른 실시예의 3D 프린터용 교환형 압출장치의 일부 절개 개략 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 3D 프린터용 교환형 압출장치가 3D 프린터의 X축 이송부에 장착되는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예의 3D 프린터용 교환형 압출장치의 개략사시도 및 일부 절개 사시도이다.
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예의 3D 프린터용 교환형 압출장치의 개략분해사시도이고, 도 7b는 도 7a의 교환형 압출장치의 조립된 상태의 개략사시도이며, 도 7c는 조립된 상태의 단면도이다.
도 8a-b는 본 발명의 다른 실시예의 3D 프린터용 교환형 압출장치가 3D 프린터에 장착되는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예의 3D 프린터의 개략사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예의 3D 프린터의 개략사시도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 3D 프린터용 교환형 압출장치의 개략사시도 및 일부절개사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예의 3D 프린터용 교환형 압출장치의 단면도 및 정면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예의 3D 프린터용 교환형 압출장치(100)는 회전동력을 발생하는 구동 모터(10); 3D 프린팅하기 위한 고형 재료를 공급하는 호퍼(20); 상기 호퍼가 일측에 설치된 압출실린더(31)에 압출스크류 (32)가 내장되고, 상기 구동 모터의 구동에 의해서 상기 호퍼(20)를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 압출하여 노즐부(60)로 이송하는 압출이송부(30); 상기 3D 프린팅 재료를 용융하는 가열부(50); 및 상기 가열부(50)에서 용융된 3D 프린팅 재료를 필라멘트로 압출하면서 3D 조형물을 프린팅하는 노즐부(60)를 포함한다.
상기 구동 모터(10)는 압출장치(100)의 상단에 위치하며 외부로부터 전원을 인가받아 회전동력을 발생한다. 그리고 상기 구동 모터(10)가 발생한 회전동력은 압출이송부(30)의 압출스크류(32)에 전달되어 3D 프린팅 재료를 노즐부(60)로 이송하는데 사용된다.
상기 압출이송부(30)에는 압출용 압출스크류(32)가 내장되어, 상기 구동 모터(10)의 구동에 의해서 상기 호퍼(20)를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 혼합이송하며, 외부에 가열부가 배치되는 가열 구간(33) 및 출구 측에는 직경이 좁은 경사압출부(34)를 포함한다. 상기 압출이송부의 스크류(32)는 단일 스크류 또는 두 개 이상의 스크류를 포함할 수 있다. 이러한 경사압출부(34)의 직경(d)은 압출실린더의 직경(D)의 1/3 내지 1/2이 되도록 구성될 수 있다. 이와 같이 경사압출부(34)를 구성하면, 용융압출이 급속하게 이루어진 후, 3D 프린팅 재료의 유변학적 흐름을 개선하여, 압출 실린더 내부에서 발생하는 강한 배압(back pressure)을 극복하고 3D 프린팅 재료가 노즐부(60)로 전진하는데 큰 도움을 준다.
상기 호퍼(20)는 압출스크류(32)의 진행방향에 대해서 90도 내지 160도로 경사지게 형성될 수 있다. 상기 호퍼(20)는, 도 4a-b를 참조하면, 상기 압출실린더(32)에 연결되는 호퍼(20)는 복수로 형성되고, 각각의 호퍼(21, 22, 23)는 모터(24)와 공급용 스크류(25) 및 예열히터(미도시)로 구성되고, 이러한 공급용 스크류(24)의 회전에 의해서 각각의 호퍼(21, 22, 23)로부터 공급되는 각각의 3D 프린팅 재료를 용융하여 압출실린더에 공급하는 예비압출부(24, 25)를 포함할 수 있다. 이러한 예비압출부에 의해서 다양한 소재의 원활한 물리화학적 블렌딩이 가능하다. 또한, 대형 압출기에 의해서 압출된 필라멘트를 스풀에 감아서 사용하는 기존의 3D 프린터에서는 필라멘트 용융 시 필라멘트를 중간에 정확하게 절단하는 것이 어렵고, 압출기 내부에서 서로 상이한 필라멘트가 혼합되어 혼합색의 그래디언트가 생기는 문제점이 있는데, 본 발명의 압출장치에서는 분말, 과립, 비드 또는 펠렛 상의 재료를 즉석에서 필라멘트로 압출해서 바로 3D 프린팅에 이용하기 때문에, 혼합색의 그래디언트가 생기지 않도록 색상 매치를 할 수 있다.
본 발명의 필라멘트 제조 장치에서 호퍼(20)가 복수로 형성되는 경우에, 상기 압출이송부(30)는 내부에 배합용 스크류(311)가 장착되어, 복수의 호퍼를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 혼합해 주는 배합부(310); 압출부(330)의 열이 배합부(310)로 전달되지 않도록 차단하는 단열부(320); 및 상기 배합부(310)에서 배합된 3D 프린팅 재료를 전달받아 예비가열 및 압출하는 압출부(330)로 구성될 수 있다. 배합부(310)의 하단에는 배합부(310)에서 혼합된 3D 프린팅 재료가 완전하게 배합되기 전에 압출부(330) 내로 이동하는 것을 통제하고, 배합이 완료된 후에 압출부(320)로 이동하도록 하는 디스크 게이트(미도시)가 설치될 수 있다. 상기 압출부(330)에는 압출용 압출스크류(331)가 내장되어, 상기 구동 모터(10)의 구동에 의해서 상기 호퍼(20)를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 혼합이송하며, 외부에 가열부가 배치되는 가열 구간(333) 및 출구 측에는 직경이 좁은 경사압출부(334)를 포함하고, 이러한 경사압출부(334)의 직경(d)은 압출스크류 직경(D)의 1/3 내지 1/2이 되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 압출장치는 3D 프린터에 장착되어, 분말, 비드, 과립, 펠렛 상의 3D 프린팅 재료를 바로 필라멘트로 압출해서 3D 프린팅에 사용할 수 있는 장치로서, 3D 프린팅 재료의 급속 용융을 위해 가열부(50)는 압출실린더(30)를 유도 가열튜브 또는 탄소 발열체로 감싸서 전기적 발열로 급속 용융이 가능하도록 압출실린더 외부 또는 내부에 설치될 수 있다. 이러한 가열부(50)는 3D 프린팅 재료의 압출을 위한 호퍼(20), 압출이송부(30) 및 노즐부(60)와 일체형으로 형성될 수도 있지만, 분리구성되어 호퍼(20), 압출이송부(30), 노즐부(60) 부분만 모듈식으로 구성되어 3D 프린터에 탈부착할 수 있도록 구성된다. 3D 프린터의 본체에는 X축 이송부, Y축 이송부, 및 Z축 이송부가 구비되는데, 본 발명의 압출장치는, 도 5에 도시된 바와 같이, 하나의 축 방향의 축이송부(230)에 고정될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 가열부(50)는, 상기 압출실린더 외곽의 하나 이상의 가열 구간(333)에 설치된 단면 형상이 원형 또는 사각형인 유도 가열 튜브(51, 52)로 구성될 수 있다. 이와 같이 유도가열튜브(51, 52)는 일례로 중공형의 구리관으로 내부에 냉각용 냉각수가 순환되는 구조를 가질 수 있다. 이러한 가열부(50)의 유도가열튜브(51, 52)들은 압출실린더(31)의 경사압출부(34)의 바로 위의 가열 구간(33)과 경사압출부(34) 외곽의 가열 구간 중 하나 이상의 위치에 배치될 수 있다. 유도가열튜브(51, 52)는 도 5에 도시된 바와 같이, 두 개 이상 복수로 구성될 수 있는데, 이와 같이 복수로 구성될 경우에, 3D 프린팅 재료의 특성에 맞게 용융 정도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 분자량이 큰 소재의 경우에는 유도가열튜브 51, 52를 모두 사용해서 가열하는 것이 필요하고, 분자량이 작은 3D 프린팅 재료의 경우 노즐 끝에서 흘러 버리면 안 되기 때문에, 상부의 유도가열튜브 51만 사용하여 가열할 수도 있다. 상기 가열부(50)는 3D 프린팅 재료를 150도~450도 범위로 가열할 수 있도록 구성되는데, 가열부(50)의 유도가열튜브들(51, 52)은 고분자, 금속산화물, 금속전구체 분말, 또는 금속함유 고분자 복합체를 용융시킬 수 있도록 구성된다. 상기 가열부(50)는 노즐이 막히는 문제를 근본적으로 해결하고 3D 프린팅 재료의 용융 속도를 제어하기 위해서 불소 코팅될 수 있다.
압출장치(100)의 노즐부(60)는 노즐을 압출 실린더에 연결하기 위한 노즐 연결 고정부재(61)와 가열부(50)에서 용융된 3D 프린팅 재료를 필라멘트로 압출함과 동시에 3D 조형물로 프린팅하는 토출노즐(62)로 구성된다. 이러한 토출노즐(62)은 불소, 불소 코팅 부재 또는 세라믹으로 구성될 수 있다. 상기 토출노즐(62)은 가열부(50) 내부에서 용융된 재료를 압출장치(100)의 외부로 사출하면서 동시에 3D 조형물을 프린팅하기 위한 구성요소로, 상기 가열부(50)의 내부와 연통하도록 구성된다. 또한, 이러한 토출노즐(62)은 분리 및 조립이 가능하도록 구성된다.
상기 압출장치(100)의 토출노즐(62)의 길이는 1 cm 내지 20 cm 범위 내이고, 상기 토출노즐(62)은 직경 0.5 mm 내지 2.5 mm의 범위의 노즐을 선택하여 사용할 수 있도록 교체 가능한 타입이다. 상기 토출노즐(62)의 길이는 재료의 냉각을 고려하여 압출실린더의 길이의 0.2배 내지 1배 정도의 길이로 형성될 수 있다. 필요에 따라서 상기 노즐부(60)의 외곽에는 냉각수가 순환되는 냉각코일이 설치될 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명의 다른 실시예의 3D 프린터용 교환형 압출장치의 가열부(50)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 탄소발열체 상부면과 연결되는 제1 전극(51a); 탄소발열체에 내장되는 온도센서(52a); 3D 프린팅 재료를 가열하는 탄소발열체(53a); 탄소발열체 외곽에 형성되는 절연부재(54a) 및 탄소발열체 하부면과 전기적으로 연결되는 제2 전극(55a)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제1 전극(51a)은 링형 전극이고, 제2 전극(55a)은 파이프형 전극일 수 있다.
가열부(50)가 탄소발열체로 구성되는 경우에, 상기 압출장치(100)의 토출노즐(61a)은 불소, 불소 코팅 부재 또는 세라믹으로 구성될 수 있고, 특히 그 내부 또는 전체가 불소로 코팅될 수 있다. 토출노즐(61a)의 외측에는 압출된 필라멘트에 가열된 실린더의 열이 전달되지 않도록 차단하고 지지하는 단열 캡(62a)이 형성되는데, 체결 나사(63a)에 의해 압출실린더(31)에 고정된다.
도 7a-c를 참조하면, 가열부(50)가 탄소발열체로 구성되는 실시예에서도, 상기 압출실린더(31)에 연결되는 호퍼(20)는 복수로 형성되고, 각각의 호퍼는 모터(24)와 공급용 스크류(25)로 구성되고, 이러한 공급용 스크류(25)의 회전에 의해서 호퍼로부터 공급되는 각각의 3D 프린팅 재료를 용융하여 압출실린더에 공급하는 예비압출부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 압출이송부는 도 7b에 도시된 바와 같이, 내부에 배합용 스크류(311)가 장착되어, 복수의 호퍼를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 혼합해 주는 배합부(310); 압출부의 열이 배합부(310) 내의 3D 프린팅 재료에 전달되지 않도록 차단하는 단열부(320); 및 상기 배합부(310)에서 배합된 3D 프린팅 재료를 전달받아 압출용 스크류(331)를 이용하여 3D 프린팅 재료를 예비가열 및 압출하는 압출부(330)로 구성된다. 상기 배합부(310)의 하단에는 디스크 게이트(312)가 배치되어, 배합부(310)에서 혼합된 3D 프린팅 재료가 완전하게 배합되기 전에 압출부(330) 내로 이동하는 것을 통제하고, 배합이 완료된 후에 압출부 (330)로 이동하도록 한다. 이러한 디스크 게이트(312)에 의해서 혼합색의 그래디언트가 생기지 않도록 색상을 매치할 수 있다. 상기 디스크 게이트(312)는 디스크 면에 다수의 3D 프린팅 재료를 전달하기 위한 홀이 형성된 2개의 디스크로 구성되고, 2개의 디스크 상의 홀의 위치가 일치되는 경우에는 3D 프린팅 재료가 이동되고, 상기 홀들의 위치가 엇갈리는 경우에는 3D 프린팅 재료의 이동이 통제된다.
또한, 본 발명의 압출장치는 3D 프린팅 재료의 유도 가열을 위한 자속을 발생시키는 유도가열튜브(51, 52)에 전류 펄스를 제공하는 전원(미도시); 및 상기 구동 모터(10), 압출용 스크류(32) 및 유도가열튜브(51, 52)에 대한 제어 신호를 발생시키는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 전원 및 상기 제어부는 본 발명의 압출장치가 3D 프린터에 장착되는 경우에 3D 프린터의 전원 및 제어부와 공유할 수 있다.
본 발명의 3D 프린터용 교환형 압출장치에서, 상기 호퍼(20), 상기 압출이송부(30), 가열부(50) 및 노즐부(60)는 하나의 모듈(120)로 구성되어, 3D 프린터 본체와 탈부착이 가능하도록 구성될 수 있다. 도 8a-b를 참조하면, 본 발명의 압출장치(100)의 구동 모터(10)는 3D 프린터에 고정될 수 있다. 따라서 3D 프린팅 재료를 다양한 직경의 필라멘트 상으로 자유자재로 압출하여 바로 3D 프린팅할 수 있고, 노즐이 막혀 사용할 수 없을 때 노즐만 교체하여 사용 가능하고 각각의 파트가 분리되도록 구성되어 수리, 및 유지 보수가 쉬운 장점이 있다.
도 8a는 가열부를 탄소 히터로 구성한 본 발명의 다른 실시예의 3D 프린터용 교환형 압출장치가 3D 프린터의 X축 이송부에 장착되는 방식을 설명하기 위한 도면이다. 도 8a를 참조하면, 가열부를 탄소히터로 구성하는 실시예에서는, 3D 프린팅 재료의 압출을 위한 호퍼(20), 압출이송부(30), 가열부(50) 및 노즐부(60)는 하나의 모듈(120)로 분리구성되어 3D 프린터에 탈부착할 수 있도록 구성된다. 3D 프린터의 본체에는 X축 이송부, Y축 이송부, 및 Z축 이송부가 구비되는데, 본 발명의 압출장치는, 도 8a에 도시된 바와 같이, 하나의 축 방향의 축이송부(230)에 고정될 수 있다. 상기 축이송부(230)에 고정된 구동 모터(10)와 상기 압출기 모듈(120)은 다양한 방식으로 서로 체결될 수 있는데, 일례로, 도 8b에 도시된 바와 같이, 나사 결합될 수 있다.
본 발명에서 가열부(50)를 탄소 히터로 구성하는 경우에도, 필요에 따라서 압출실린더의 외주면에 별도의 유도가열튜브를 설치할 수도 있다.
다른 실시예에서, 3D 프린터용 교환형 압출장치는 소재, 성상, 또는 색상이 상이한 3D 프린팅 재료를 동시에 압출할 수 있도록 다중-스크류 압출기로 구성될 수 있다. 즉, 본 발명의 압출장치는 하나의 하우징 안에 세그멘트로 구획되어 서로 다른 소재를 압출하기 위한 각각의 압출용 실린더 및 스크류가 포함되고, 호퍼도 별개로 연결될 수 있다. 또한, 토출노즐도 2개 이상의 멀티 노즐로 구성하고, 멀티 노즐을 구동함으로써 경제적으로 제작비용 및 구동비용을 절감할 수 있다.
이하에서 본 발명의 3D 프린터용 교환형 압출장치의 동작을 설명한다. 구동 모터(10)는 압출용 실린더(31)의 외부에 위치하며, 압출용 실린더(31)에 결합한다. 구동 모터(10)는 전원(미도시)에 의하여 전력을 공급받고, 공급된 전력을 이용하여 압출용 압출스크류(32)를 회전시킬 수 있다. 압출스크류(32)는 고속으로 회전하면서 공급된 분말 또는 펠렛 상의 3D 프린팅 재료를 혼합해 준다. 압출 실린더(31) 내부에 3D 프린팅 재료가 삽입된 상태에서 압출장치(100)를 동작시키게 되면, 구동 모터(10)는 회전동력을 발생하여 압출용 압출스크류(32)를 회전시키게 된다. 이때 가열부(50)는 압출실린더 또는 그 외부에 독립적으로 설치된 유도 가열튜브 또는 탄소발열체에 의해서 짧은 시간에 3D 프린팅 재료를 녹일 수 있다. 용융된 3D 프린팅 재료는 토출노즐(62)을 통해서 압출되어 3D 조형물을 형성한다.
본 발명의 3D 프린터용 교환형 압출장치는 3D 프린터에 연결 시에, 전력의 손실을 줄이고 고형 재료를 안정적이며 빠른 속도로 바로 3D 프린팅할 수 있게 한다. 나아가, 노즐부의 교체에 의해서, 노즐부의 직경 사이즈를 조절함으로써 용융토출되는 재료의 양을 조절하여 3D 프린팅의 적층 속도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 본 발명의 3D 프린터용 교환형 압출장치가 장착된 3D 프린터에 관한 것이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예의 3D 프린터용 교환형 압출장치가 3D 프린터에 장착된 상태의 개략사시도이다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예의 3D 프린터는 본 발명의 압출장치를 포함하고, 이러한 압출장치는 3D 프린팅 재료가 압출되는 헤드를 하나의 축 방향(예컨대, X축, Y축 또는 Z축) 으로 이송가능하게 설치되는 다수의 축이송부(210)와 상기 압출장치(100) 하부에는 상기 압출장치(100)에서 필라멘트가 분사되어 적층되는 조형물이 부착되는 베드(240)를 포함한다. 본 발명의 압출장치의 구동 모터(10)와 가열부(50)는 압출장치의 위치를 조정하는 축이송부(210)의 지지판(230)에 고정되고, 상기 호퍼(20), 상기 압출이송부 (30) 및 상기 노즐부(60)는 하나의 모듈(110)로 구성되어, 상기 축이송부(210)에 고정될 때, 상기 가열부(50)와 연결되도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 3D 프린터는, 도 10에 도시된 바와 같이, 다양한 색상 또는 다양한 소재의 3D 프린팅 재료를 압출하기 위한 두 개 이상의 상기 호퍼, 상기 압출이송부 및 상기 노즐부로 구성되는 압출장치 모듈들(110)과 이들 압출장치 모듈들(110)을 거치하기 위한 다수의 삽입공(251)들을 갖는 거치대(250)를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 3D 프린터는 연결된 압출장치를 이용하여 시간과 장소의 제약 없이 다양한 소재, 성상 및 색상의 소재를 바로 3D 프린팅할 수 있어, 전력 및 원료 비용 등이 절감되며, 소재의 급속 용융을 가능하게 하여 고속 3D 프린터의 상용화에 기여할 수 있다.
이상에서 본 발명을 그 특정의 예시적인 실시예를 참조하여 상세하게 설명하였다. 그러나 이하의 청구항에서 설명되는 바와 같이 본 발명의 더 넓은 취지 및 범위에서 벗어나지 않고 이에 각종 수정이 있을 수 있다는 것은 자명하다. 따라서 명세서 및 도면은 제한적인 것이라기보다는 예시적인 개념으로 이해되어야 한다.
100: 압출장치 200: 3D 프린터
10: 구동 모터 20: 호퍼
30: 압출이송부 50: 가열부
60: 노즐부

Claims (10)

  1. 회전동력을 발생하는 구동 모터; 3D 프린팅하기 위한 고형 재료를 공급하는 호퍼; 상기 호퍼가 일측에 설치된 압출실린더에 압출스크류가 내장되고, 상기 구동 모터의 구동에 의해서 상기 호퍼를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 압출하여 노즐부로 이송하는 압출이송부; 상기 3D 프린팅 재료를 용융하는 가열부; 및 교체가 가능한 토출노즐을 구비하여, 상기 가열부에서 용융된 3D 프린팅 재료를 필라멘트로 압출하면서 3D 조형물을 프린팅하는 노즐부를 포함하고,
    상기 가열부는 상기 압출실린더 외곽에 하나 이상의 가열 구간에 설치된 유도가열튜브이고, 상기 토출노즐은 직경이 상이한 노즐을 선택하여 사용할 수 있도록 교체 가능한 타입이고,
    상기 가열부는 탄소발열체 상부면과 연결되는 제1 전극; 탄소발열체에 내장되는 온도센서; 3D 프린팅 재료를 가열하는 탄소발열체; 탄소발열체 외곽에 형성되는 절연부재 및 탄소발열체 하부면과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하며,
    상기 노즐부는 그 내부 또는 전체가 불소로 코팅된 노즐; 및 상기 압출실린더에 체결나사에 의해서 고정되고, 압출된 필라멘트에 가열된 압출실린더의 열을 차단하고 노즐을 지지하는 단열캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 교환형 압출장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압출실린더에 연결되는 호퍼는 복수로 형성되고, 각각의 호퍼는 모터와 공급용 스크류로 구성되고, 이러한 공급용 스크류의 회전에 의해서 호퍼로부터 공급되는 각각의 3D 프린팅 재료를 용융하여 압출실린더에 공급하는 예비압출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 교환형 압출장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압출이송부는 내부에 배합용 스크류가 장착되어, 복수의 호퍼를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 혼합해 주는 배합부; 압출부의 열이 배합부로 전달되지 않도록 차단하는 단열부; 및 상기 배합부에서 배합된 3D 프린팅 재료를 전달받아 예비가열 및 압출하는 압출부로 구성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 교환형 압출장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 압출이송부는 출구 측에 직경이 좁은 경사압출부를 포함하고, 이러한 경사압출부의 직경은 압출실린더의 직경의 1/3 내지 1/2이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 교환형 압출장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가열부는 압출실린더의 경사압출부 바로 위의 가열 구간과 경사압출부 외곽 또는 내부의 가열 구간 중 하나 이상에 설치되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 교환형 압출장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 토출노즐은 직경 0.5 mm 내지 2.5 mm의 범위의 노즐을 선택하여 사용할 수 있도록 교체 가능한 타입인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 교환형 압출장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 구동 모터, 상기 호퍼, 상기 압출이송부 및 상기 노즐부는 하나의 모듈로 구성되어, 3D 프린터의 본체와 탈부착이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 교환형 압출장치.
  10. 제1항 내지 제5항, 제8항 및 제9항 중 어느 하나의 항의 3D 프린터용 교환형 압출장치가 장착된 3D 프린터.

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