KR101825319B1 - 3차원 프린터의 출력물 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 노즐부를 통해 압출되는 열가소성 필라멘트를 용융시켜 적층하는 출력물을 성형시 적층되는 출력물의 열적 변형을 최소화하고 안정적으로 출력물을 제작하기 위해 압출되는 선형의 용융물이 적층되는 출력물을 신속히 냉각하도록 설치되는 것으로서, 필라멘트 용융 압출형 3차원 프린터의 노즐부에 설치되는 냉각장치에 있어서, 상기 냉각장치는, 지지판의 외측에 바람을 발생시키는 팬과, 상기 지지판의 내측에 연결되면서 상기 지지판에 연결되는 일단에 유입구가 형성되어 상기 유입구에 내통되면서 내부에 제1유로가 형성된 만곡형의 제1블록과, 상기 제1블록의 타단에 연결되면서 제1유로와 내통되어 내부에 원주형의 제2유로를 형성되는 링형의 제2블록과, 상기 제2블록의 내주 일면에 상기 제2유로와 일단이 내통되어 연결되면서 타단에 배출구를 가지는 덕트로 구성되는 일체의 구조를 가지는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치를 제공한다.

Description

3차원 프린터의 출력물 냉각장치{COOLING APPARATUS FOR OUTPUT OF 3D PRINTER}
본 발명은 3차원 프린터의 출력물 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 노즐부를 통해 압출되는 열가소성 필라멘트를 용융시켜 적층하는 출력물을 성형시 적층되는 출력물의 열적 변형을 최소화하고 안정적으로 출력물을 제작하기 위해 압출되는 선형의 용융물이 적층되는 출력물을 신속히 냉각하도록 설치되는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치에 관한 것이다.
3D Printing 기술은 설계 데이터 기반의 3차원 형상을 제작하기 위하여 CAD/CAM(Computer aided design/Computer aided manufacturing) System을 활용한 Digital data화 된 3차원 형상을 2차원 단면으로 한 층씩 적층시켜 최종 구조물을 제작하는 제조기법이다. 최근에 활발히 연구되고 있는 3D Printing 기술은 원재료의 소모가 적고 제품을 신속하게 제작할 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 특히, 가장 보편적으로 사용되고 있는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식은 일정한 온도로 가열된 노즐에 열가소성 수지 필라멘트(Filament)가 이송된 후 용융 압출시키는 형태이다.
일반적으로 3D 프린터가 대형으로 커질수록 소재 직경 또한 두꺼워 지게 되는데 출력되는 뜨거운 필라멘트가 제대로 냉각되지 않아 적층 과정에서 재료의 연결성에서 끊어져 작업에 문제가 발생하게 되며, 한 층을 적층한 뒤 다음 층을 그 위에 적층하였을 때, 아래쪽 층이 지지하여야 하는데, 쿨러의 냉각이 잘 되지 않는 경우에 아래쪽 층이 말랑말랑하거나 흘러내린 상태에서 다음 층을 적층하였을 때, 제대로 지지하지 못하여 품질이 저하 되는 것과 노즐이 굳어져 연속작업이 이루어지지 못할 때 작업 시간의 Loss가 많이 걸리는 경우가 많으며, 또한 출력물 제작시 보통 210℃~230℃ 의 온도에서 필라멘트를 녹여 출력하게 되는데 노즐에서 압출되어 적층시 출력물의 하부 또는 상향으로 갈수록 출력물의 잠열에 의해 출력물의 표면이 흘러내리는 문제점이 발생하게 된다.
대한민국 등록특허 제 10-1575061호(발명의 명칭 : 3D 프린터의 노즐 가변수단)
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 3차원 프린터의 노즐부 단부에 형성된 노즐공을 통해 용융 및 압출되는 선형의 용융물이 적층되어 출력물을 제작시 적층되는 출력물 또는 압출되는 용융물을 신속히 냉각함과 아울러 냉각장치의 공기배출 분포를 균등하게 배출되어 적층되는 출력물이 안정적인 지지구조를 가지도록 노즐 주변에 설치되는 냉각장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 서술한 문제점을 해결하고자 다음과 같은 실시예를 통하여 과제를 해결하고자 한다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명의 일실시예는 필라멘트 용융 압출형 3차원 프린터의 노즐부에 설치되는 냉각장치에 있어서,
상기 냉각장치는, 지지판의 외측에 바람을 발생시키는 송풍팬과,
상기 지지판의 내측에 연결되면서 상기 지지판에 연결되는 일단에 유입구가 형성되어 상기 유입구에 내통되면서 내부에 제1유로가 형성된 만곡형의 제1블록과,
상기 제1블록의 타단에 연결되면서 제1유로와 내통되어 내부에 원주형의 제2유로를 형성되는 링형의 제2블록과,
상기 제2블록의 내주 일면에 상기 제2유로와 일단이 내통되어 연결되면서 타단에 배출구를 가지는 덕트로 구성되는 일체의 구조를 가지는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치를 제공한다.
한편, 상기 제2블록이 수평형으로 형성되면서 제2블록 내주면에 등간격으로 다수 개의 덕트가 형성되고,
상기 다수 개의 덕트가 원주방향으로 배열되는 중앙에 노즐부가 위치하는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치를 제공한다.
한편, 상기 덕트의 배출구가 형성된 단부가 하향으로 경사지게 형성되는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치를 제공한다.
한편, 상기 덕트의 배출구와 노즐부 외주면이 이격되게 형성되는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치를 제공한다.
한편, 상기 냉각장치의 제2블록 내주에 마련되어 노즐부 외주면에 이격되게 배치되며, 상기 덕트의 단부가 내속되도록 외주면에 덕트의 수에 대응되는 수로 형성되는 결합홀이 원주방향으로 형성되며, 상기 결합홀과 연통되어 하부가 개방되면서 노즐부가 관통하도록 내부에 확산홀을 가지는 제1결합체와,
상기 제1결합체의 상부에 연결되어 확산홀과 내통되는 결합홀이 형성되어 상기 결합홀을 통해 내속된 노즐부 외주면에 결합되는 제2결합체로 구성되는 확산부재가 더 포함되는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치를 제공한다.
한편, 상기 제1결합체의 확산홀 내주면 하부에 부착되어 하향으로 갈수록 폭이 넓어지는 직각삼각형의 단면을 가진 날개부가 등간격으로 이격되게 다수 개가 원주방향으로 형성되는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치를 제공한다.
본 발명의 3차원 프린터의 출력물 냉각장치는 기존의 3차원 프린터에 의해 제작되는 출력물의 품질 저하에 대한 적층구조의 불안정한 지지구조를 극복하기 위해 점진적으로 적층되는 출력물을 지속적으로 냉각시켜 안정적인 지지구조를 기반으로 출력물의 질을 향상시킬 수 있으며, 냉각장치를 통해 적층되어 만들어진 출력물의 외형이 깨끗하고 품질이 우수함을 초래하고, 적층과정에서의 흘러내림 등 문제가 발생되지 않아 출력시간이 줄어드는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린터의 출력물 냉각장치가 설치된 3차원 프린터의 필라멘트 공급부의 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린터의 출력물 냉각장치가 설치된 3차원 프린터의 필라멘트 공급부의 정면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 노즐부에 3차원 프린터의 출력물 냉각장치가 설치된 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 노즐부에 3차원 프린터의 출력물 냉각장치가 설치된 정면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 노즐부에 3차원 프린터의 출력물 냉각장치가 설치된 단면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 노즐부에 3차원 프린터의 출력물 냉각장치가 설치된 분리도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린터의 출력물 냉각장치에서 제1블록-제2블록-덕트 일체구조의 사시도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린터의 출력물 냉각장치에서 제1블록-제2블록-덕트 일체구조의 평면도(a)와 절단 사시도(b).
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 노즐부에 장착되는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치와 확산부재의 조립 구조도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 노즐부에 장착되는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치와 확산부재의 조립된 상태의 단면도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 프린터의 출력물 냉각장치에서 확산부재의 사시도(a), 단면도(b) 및 평면도(c).
상기한 목적을 달성하기 위해 하기와 같은 실시예를 도면을 통해 상세히 설명한다.
본 발명에 사용되는 3차원 프린터는 도 1과 도 2에 나타낸 바와 같이 필라멘트를 압출기(40)로 삽입시켜 노즐부(10)로 정확한 필라멘트의 양을 공급하게 되며, 이때 노즐부(10)로 유입되어 통과되는 필라멘트를 히터 헤드 블록(30, Heater head block)으로 이동되며, 히터 헤드 블록(30)의 온도는 필라멘트가 녹을 수 있는 260℃로 가열되어 더 작은 직경의 필라멘트로 출력시키게 되며, 이때 상기 히터 헤드 블록(30)에서 발생되는 열원이 노즐부(10) 상부로 전달되는 것을 방지하기 위해 히터 헤드 블록(30) 상부의 노즐부(10) 외주면에 방열부(20)가 구비되어 제공된다.
그리고, 상기 방열부(20)는 히트싱크(21)와 냉각팬(22)으로 구성되어 있으며, 상기 방열부(20)가 장착되는 노즐부(10)의 외주면에 방열핀(25)이 형성되어 있다.
본 발명의 일실시예는 도 3 내지 도 8에 나타낸 바와 같이 필라멘트 용융 압출형 3차원 프린터의 노즐부(10)에 설치되는 냉각장치(100)에 있어서,
상기 냉각장치(100)는, 지지판(110)의 외측에 바람을 발생시키는 송풍팬(120)과,
상기 지지판(110)의 내측에 연결되면서 상기 지지판(110)에 연결되는 일단에 유입구(131)가 형성되어 상기 유입구(131)에 내통되면서 내부에 제1유로(132)가 형성된 만곡형의 제1블록(130)과,
상기 제1블록(130)의 타단에 연결되면서 제1유로(132)와 내통되어 내부에 원주형의 제2유로(141)를 형성되는 링형의 제2블록(140)과,
상기 제2블록(140)의 내주 일면에 상기 제2유로(141)와 일단이 내통되어 연결되면서 타단에 배출구(151)를 가지는 덕트(150)로 구성되는 일체의 구조를 가지는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치(100, 이하, ‘냉각장치’라 칭함)를 제공한다.
본 발명의 냉각장치(100)는 도 3 내지 도 6에 나타낸 바와 같이 노즐부(10)에 마련되어 노즐부(10)의 하단에 형성된 노즐공(11)을 통해 필라멘트가 용융 압출되어 선형의 용융물로 배출되어 적층되는 부위를 냉각시켜 주는 장치에 관한 것으로서, 지지판(110)의 외즉에 설치되는 송풍팬(120)과, 상기 지지판(110)의 내측에 연결되는 제1블록(130)과, 상기 제1블록(130)에 연결되는 수평형 링형태의 제2블록(140) 및, 상기 제2블록(140) 내주면에 형성되는 덕트(150)로 구성되는 일체의 결합구조를 가진다.
도 5와 도 6에 나타낸 바와 같이 상기 지지판(110)은 외측면에 설치되는 송풍팬(120)과 내측면에 결합되는 제1블록(130)을 지지하는 것으로서, 상기 송풍팬(120)에 의해 방출되는 바람이 통과하도록 송풍팬(120)이 부착되는 중앙이 관통되어 있으며, 상기 송풍팬(120)에 의해 발생된 바람이 제1블록(130)의 유입구(131)로 이동하게 된다.
도 6 내지 도 8에 나타낸 바와 같이 상기 지지판(110)의 내측에 연결되는 제1블록(130)은 지지판(110)의 내측에 연결되는 일단에 유입구(131)가 형성되면서 내부로 내통되는 제1유로(132)가 형성되어 상기 송풍팬(120)에 의해 발생된 바람이 유입구(131)를 통해 제1유로(132)로 이동하게 되며, 상기 제1블럭(130)은 하향으로 경사진 만곡형의 형태로 형성된다.
그리고, 도 7 및 도 8의 (a)와 (b)에 나타낸 바와 같이 상기 제2블록(140)은 수평의 링형태를 가지면서 제1블록(130)의 타단에 일면이 연결되어 제1블록(130)의 제1유로(132)와 연통되도록 내부에 제2유로(141)를 가지며, 상기 제1블록(130)의 제1유로(132)로 이동된 바람이 제2유로(141)로 진입하게 된다.
그리고, 도 7 및 도 8의 (a)와 (b)에 나타낸 바와 같이 상기 덕트(150)는 바람이 배출되는 방향을 가이드하는 역할로서, 제2블록(140)의 내주 일면에 일단이 연결되면서 제2유로(141)와 연통되어 타단에 배출구(151)가 형성되며, 상기 제2유로(141)로 이동된 바람이 상기 덕트(150)의 배출구(151)로 배출되게 된다.
또한, 도 8에 나타낸 바와 같이 상기 덕트(150)는 제2블록(140)의 내주면에 등간격으로 이격되게 다수 개로 형성되며, 이때 상기 다수 개의 덕트(150)가 원주방향으로 배열되는 중앙 즉, 원주방향으로 배열되는 덕트(150)들의 중앙에 원형의 공간이 형성되며, 이 공간을 통해 노즐부(10)가 배치되되, 상기 덕트(150)의 단부가 노즐부(10)의 외주면에 면접되지 않고 이격된 형태로 덕트(150)의 단부가 위치하게 된다.
또한, 상기 덕트(150)는 수평으로 형성하지 않고 하향의 경사진 형태로 덕트(150)의 배출구(151)가 노즐부(10)의 단부 즉, 노즐부(10) 노즐공(11)의 하측으로 위치하게 된다.
이렇게 본 발명의 냉각장치(100)가 노즐부(10)의 노즐공(11)을 통해 용융 압출되어 적층되는 출력물의 부위로 바람이 전달되어 출력물을 냉각시켜 덕트(150)를 통한 바람의 흐름 및 방향이 노즐부(10)의 단부에 집중되어 유량손실 또한 최소화되면서 용융 압출된 선형의 용융물 표면을 균일하게 냉각시킬 수 있다.
또한, 도 9 내지 도 11에 나타낸 바와 같이 본 발명의 일실시예인 냉각장치(100)를 통해 배출되는 바람의 방향을 정밀하면서 출력물 표면에 대한 바람의 면적률을 확산하기 위해 다음과 같은 확산부재(200)가 더 포함되게 된다.
상기 냉각장치(100)의 제2블록(140) 내주에 마련되어 노즐부(10) 외주면에 이격되게 배치되며, 상기 덕트(150)의 단부가 내속되도록 외주면에 덕트(150)의 수에 대응되는 수로 형성되는 결합홀(211)이 원주방향으로 형성되며, 상기 결합홀(211)과 연통되어 하부가 개방되면서 노즐부(10)가 관통하도록 내부에 확산홀(212)을 가지는 제1결합체(210a)와,
상기 제1결합체(210a)의 상부에 연결되어 확산홀(212)과 내통되는 체결홀(213)이 형성되어 상기 체결홀(213)을 통해 내속된 노즐부(10) 외주면에 결합되는 제2결합체(210b)로 구성되는 확산부재(200)가 더 포함되는 냉각장치(100)를 제공한다.
도 10과 도 11에 나타낸 바와 같이 상기 확산부재(200)는 노즐부(10)에 결합되는 상부의 제2결합체(210b)와 노즐부(10)의 하부로 바람을 확산시키는 하부의 제2결합체(210a)로 일체의 구조로 구성되며, 상기 제1결합체(210a)는 외주면에 다수 개의 결합홀(211)과 내부의 확산홀(212)로 구성되어 서로 연통되는 구조를 가진다.
상기 결합홀(211)로 상기 냉각장치(100)의 덕트(150)의 단부가 내속되어 결합되며, 내부의 확산홀(212) 내주면과 상기 확산홀(212)로 내속되는 노즐부(10)의 외주면이 이격되게 형성되어 상기 덕트(150)를 통해 배출되는 바람이 상기 확산홀(212)로 이동되어 노즐부(10) 외주면 및 확산홀(212)의 내주면과 바람이 충돌하면서 제1결합체(210a)의 개방된 하부로 빠른 속도로 바람이 확산되게 된다.
그리고, 도 10과 도 11에 나타낸 바와 같이 제2결합체(210b)는 제1결합체(210a)의 확산홀(212)과 연통되도록 내부에 체결홀(213)을 가지는 원통형의 형태로서, 상기 확산홀(212)을 통해 내속되는 노즐부(10)가 체결홀(213)을 통해 내속되어 노즐부(10)의 외주면에 긴밀히 결합하게 된다.
또한, 상기 제1결합체(210a)의 확산홀(212) 내주면 하부에 부착되어 하향으로 갈수록 폭이 넓어지는 직각삼각형의 단면을 가진 날개부(220)가 등간격으로 이격되게 다수 개가 원주방향으로 형성되는 냉각장치(100)를 제공한다.
상기 확산홀(212)의 내주면 하부에 원주방향으로 이격되게 다수 개로 형성되는 날개(220)가 구비됨으로서 상기 날개(220)의 형태가 하향으로 갈수록 폭이 점진적으로 넓어지는 직각삼각형의 형태로 구비되어 확산홀(212)로 진입된 바람이 상기 날개(220)의 외측변 즉, 경사진 변과 양측면에 의해 바람이 충돌하면서 속도가 증가하게 되면서 날개(220)와 날개(220) 사이를 통해 바람이 확산되어 하측으로 분산되게 된다. 이때 바람의 확산속도 증가되면서 냉각효율을 빠르게 진행되며, 게다가 확산 범위가 넓어져 출력물 표면의 넓은 분포로 냉각이 진행된다.
또한, 상기 날개(220)가 수직형으로 형성되는 대신에 경사지게 배열되어 바람의 배출방향을 랜덤하게 배출되어 바람의 확산범위를 증가하게 된다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
노즐부 10 노즐공 11 냉각장치 100
지지판 110 송풍팬 120 제1블록 130
유입구 131 제1유로 132 제2블록 140
제2유로 141 덕트 150 배출구 151
확산부재 200 제1결합체 210a 제2결합체 210b
결합홀 211 확산홀 212 체결홀 213
날개 220

Claims (6)

  1. 필라멘트 용융 압출형 3차원 프린터의 노즐부에 설치되는 냉각장치에 있어서,
    상기 냉각장치는, 지지판의 외측에 바람을 발생시키는 송풍팬과, 상기 지지판의 내측에 연결되면서 상기 지지판에 연결되는 일단에 유입구가 형성되어 상기 유입구에 내통되면서 내부에 제1유로가 형성된 만곡형의 제1블록과, 상기 제1블록의 타단에 연결되면서 제1유로와 내통되어 내부에 원주형의 제2유로를 형성되는 링형의 제2블록과, 상기 제2블록의 내주 일면에 상기 제2유로와 일단이 내통되어 연결되면서 타단에 배출구를 가지는 덕트로 구성되는 일체의 구조를 가지며,
    상기 냉각장치의 제2블록 내주에 마련되어 노즐부 외주면에 이격되게 배치되며, 상기 덕트의 단부가 내속되도록 외주면에 덕트의 수에 대응되는 수로 형성되는 결합홀이 원주방향으로 형성되며, 상기 결합홀과 연통되어 하부가 개방되면서 노즐부가 관통하도록 내부에 확산홀을 가지는 제1결합체와, 상기 제1결합체의 상부에 연결되어 확산홀과 내통되는 체결홀이 형성되어 상기 체결홀을 통해 내속된 노즐부 외주면에 결합되는 제2결합체로 구성되는 확산부재가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 덕트의 배출구가 형성된 단부가 하향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1결합체의 확산홀 내주면 하부에 부착되어 하향으로 갈수록 폭이 넓어지는 직각삼각형의 단면을 가진 날개부가 등간격으로 이격되게 다수 개가 원주방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 프린터의 출력물 냉각장치.
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