KR101867433B1 - Fdm-3d프린터 노즐 - Google Patents

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KR101867433B1
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filaments
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손용
박진호
이낙규
이혜진
박석희
이지은
박성제
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명에 따른 FDM-3D프린터노즐은 노즐바디, 상기 노즐바디의 일단에 구비되어 용융된 필라멘트가 주입되는 주입부, 상기 노즐바디의 타단에 구비되어 상기 용융된 필라멘트가 사출되는 배출부, 및 상기 배출부에 인접하게 구비되어 상기 배출부를 통해 사출되는 필라멘트가 프린팅 되는 위치에 점유된 기 사출된 필라멘트의 일부에 열을 가하는 가열부를 포함한다.

Description

FDM-3D프린터 노즐{FDM-3D PRINTER NOZZLE}
본 발명은 FDM-3D프린터노즐에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사출되는 필라멘트가 직육면체로 형성되고 기 사출된 필라멘트의 일부를 가열할 수 있는 가열부가 구비된 3D프린터노즐에 관한 것이다.
3D 프린터 공정의 발전으로 다양한 분야에서 3D 프린터를 이용한 제작이 이루어지고 있다. 3D 프린터의 제작방식은 매우 다양하나 대부분 FDM(Fused Deposition Method), 즉 용융된 필라멘트를 층층이 쌓아 형태를 만들어 가는 방식이 채택된다.
도 1은 FDM-3D 프린터의 구성을 나타내는 간략한 도면이다. 필라멘트는 모터(Feeding Motor)에 의해 노즐로 주입되기 전에 열원(Heat Block)에서 열을 전달받아 용융된다. 그리고 용융된 필라멘트는 노즐을 통해 사출되어 베드 상에 적층되는 방식으로 프린팅 된다. 이러한 FDM-3D 프린터는 가격이 저렴하고 제작속도가 다른 방식에 비해 빠르다는 장점이 있다.
다만 종래의 FDM-3D 프린터의 경우 배출부의 사출면이 원형으로 이루어져 다음과 같은 단점이 존재한다.
도 3을 참조하면, 노즐의 사출면이 원형이므로 필라멘트의 형태 또한 둥근 형태로 사출된다. 이러한 둥근 형태의 필라멘트 간의 적층 시, 필라멘트 사이의 공극이 발생한다. 그리고 공극으로 인해 전체적인 제품의 강도가 약해진다.
또한, 종래의 FDM-3D 프린터를 이용할 경우 필라멘트가 한 층씩 적층되므로 다음과 같은 문제점이 있다.
기 사출된 필라멘트에 사출되는 필라멘트가 적층 시 양 필라멘트 간의 온도차이로 인해 취성에 약하게 된다.
구체적으로, 기 사출된 필라멘트는 응고된 상태이고 사출되는 필라멘트는 용융된 상태이므로 양 필라멘트간의 온도차이는 크다.
결국 종래의 FDM-3D 프린터의 노즐은 배출부의 사출면이 원형으로 이루어지고 기 사출되어 응고된 필라멘트에 별도의 가열과정이 없어, 기 사출된 필라멘트와 사출되는 필라멘트 간의 적층 시 공극이 존재하고 양 필라멘트 간의 온도 차이로 인해 강도에 매우 약하다.
이러한 FDM-3D프린터가 갖는 한계를 극복하기 위해 다음과 같은 방법이 요구된다.
등록특허공보 10-1664695
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 기 사출되어 응고된 필라멘트와 사출되는 필라멘트 간의 적층 시 공극이 최소화 될 수 있도록 특정 형상으로 이루어진 사출면이 구비된 배출부를 포함하는 3D프린터노즐을 제공하기 위함이다.
또한 기 사출된 필라멘트와 사출되는 필라멘트 간의 온도차이를 보상하기 위하여 기 사출된 필라멘트 일부에 열을 가하는 가열부가 구비된 3D프린터노즐을 제공함에 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명인 FDM-3D프린터노즐은 노즐바디, 상기 노즐바디의 일단에 구비되어 용융된 필라멘트가 주입되는 주입부, 상기 노즐바디의 타단에 구비되어 상기 용융된 필라멘트가 사출되는 배출부, 및 상기 배출부에 인접하게 구비되어, 상기 배출부를 통해 사출되는 필라멘트가 프린팅 되는 위치에 점유된 기 사출된 필라멘트의 일부에 열을 가하는 가열부를 포함한다.
그리고, 상기 배출부는 사출되는 필라멘트와 기 사출된 필라멘트간의 공극이 최소화되며 적층되도록, 상기 배출부의 사출면이 다각형의 적어도 한 변의 중심이 인입되는 형상으로 이루어진다.
또한, 상기 가열부는 노즐바디 내에 구비되어, 상기 배출부의 적어도 일부를 둘러싸는 형상으로 구비된다.
그리고, 상기 노즐바디는 상기 노즐바디의 상, 하 방향 축을 기준으로 회전 가능하게 구비된다.
또한, 상기 가열부는 상기 가열부의 끝 단이 상기 배출부의 끝 단보다 하부에 위치한다.
그리고, 상기 가열부는 상기 노즐바디에 형성되고, 필라멘트 응고시 산화방지를 위한 불활성가스가 유동하는 유로로 형성된다.
또한, 유로의 끝 단은 배출부의 끝 단보다 하부에 위치한다.
그리고, 노즐바디, 상기 노즐바디의 일단에 구비되어 용융된 필라멘트가 주입되는 주입부, 및 상기 노즐바디의 타단에 구비되고, 상기 용융된 필라멘트가 다각형의 적어도 한 변의 중심이 인입되는 형상으로 이루어지는 사출면을 통해 사출되는 배출부를 포함한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 FDM-3D프린터 노즐은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 사출되는 필라멘트와 기 사출된 필라멘트 간의 적층 시 공극이 최소화 되어 강도의 향상을 기대할 수 있다.
둘째, 사출되는 필라멘트와 기 사출된 필라멘트 간의 적층이 이루어지기 전에 기 사출된 필라멘트의 일부를 가열함으로써 양 필라멘트간의 온도차이의 저감을 유도하여 강도의 향상을 기대할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 관련 기술인 FDM-3D프린터의 일반적인 형상을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 FDM-3D프린터에의 배출부의 사출면과 이에 따라 필라멘트 적층시 발생하는 공극을 나타낸 단면도이다.
도 3은 FDM-3D프린터에서 용융된 필라멘트가 사출 시 발생하는 다이스웰(Dieswell) 현상을 나타낸 사진이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 노즐의 배출부의 사출면과 이에 따라 공극이 최소화되도록 적층되는 필라멘트를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 가열부에 의해 가열이 요구되는 기 사출된 필라멘트의 일부를 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 제 2실시예에 따른 배출부의 사출면과 가열부의 형상을 나타낸 도면이다. 그리고,
도 10 및 도 11은 본 발명의 제 3실시예에 따른 배출부의 사출면과 가열부의 끝단 간의 단차를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 동일 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 명칭 및 동일부호를 사용할 뿐 실질적으론 종래와 완전히 동일하지 않음을 미리 밝힌다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명인 3D프린터노즐은 노즐바디(10), 주입부(20), 배출부(30), 및 가열부(40)가 구비된다.
노즐바디(10)는 노즐을 구성하는 본체와 같은 역할을 한다. 그리고 하기에서 기술하는 주입부(20)와 배출부(30)가 연결되는 통로를 포함할 수 있다.
주입부(20)는 용융된 필라멘트(F)가 투입되는 노즐의 일부를 의미한다. 노즐바디(10)의 일단에 구비되며 용융된 필라멘트(F)가 주입부(20)를 통해 노즐에 투입된다.
배출부(30)는 주입부(20)를 통해 투입된 용융된 필라멘트(F)가 압출되는 부분이다. 노즐바디(10)의 타단에 구비되며 주입부(20)를 통해 투입된 용융된 필라멘트(F)가 배출부(30)를 통해 사출된다.
본 발명에서 주입부(20)와 배출부(30)의 위치는 문제되지 않으며 용융된 필라멘트(F)가 투입되어 사출될 수 있는 어떠한 형상도 무관하다.
도 7을 참조하여 가열부(40)에 대하여 설명한다.
가열부(40)는 기 사출되어 응고된 필라멘트(100) 중 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)와 사출되는 필라멘트(200)가 접하는 부분(150)을 가열하기 위해 구비된다.
가열부(40)는 다양한 종류의 히터 등이 적용될 수 있고, 후술하는 것과 같이 가열된 유체가 유동하면서 가열대상과 접촉을 하는 유로 형태로 구비될 수도 있을 것이다.
가열부(40)는 배출부(30)에 인접하게 구성된다. 즉, 가열부(40)는 노즐 내에 위치할 수 있고, 노즐바디(10)의 외부를 감싸는 형상으로 이루어질 수도 있다.
가열부(40)는 FDM-3D프린터의 특성상 적층 시 발생하는 시간차이에 따른 온도차이를 보상하여 3D프린터로 제작되는 제품의 접착 강도를 강하게 하기 위하여 요구된다.
즉, 상술한 바와 같이 FDM-3D프린터는 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)와 접하도록 사출되는 필라멘트(200)가 한층 씩 쌓이게 된다. 이 때 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)는 시간이 경과하여 응고된 상태이고 사출되는 필라멘트(200)는 용융된 상태이다.
양 필라멘트 사이에는 온도차이가 존재하고 이러한 온도차이가 3D프린터를 통해 제작되는 제품의 강도를 약하게 한다.
이러한 단점을 극복하기 위해 가열부(40)는 배출부(30)를 통해 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)의 일부를 가열한다.
즉 가열부(40)는 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)에 열을 가하고 가열과정을 거친 후에 사출되는 필라멘트(200)가 프린팅 되어 적층된다.
또한, 노즐 상부의 히트블록(Heat Block)에 의해 1차적으로 가열되어 주입되는 용융된 필라멘트(F)에 본 발명의 가열부(40)를 통하여 2차적으로 열이 전달되어 필라멘트의 온도를 조절 할 수 있다.
도 7은 가열부(40)를 통해 가열되는 기 사출되어 응고된 필라멘트의 일부(150)를 표현한 도면이다.
구체적으로는, 배출부(30)를 통해 사출되는 필라멘트(200)가 프린팅 되는 위치에 점유된 기 사출된 필라멘트(100)의 일부에 열을 가한다.
즉, 상술한 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)와 사출되는 필라멘트(200) 간의 온도 차이를 줄이기 위하여 기 사출된 필라멘트의 일부(150)에 가열이 요구된다.
다만, 가열부(40)는 도 7의 기 사출되어 응고된 필라멘트의 일부(150)에 열을 가할 수 있는 것이라면 형상이나 위치는 무방하다.
도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 제 1실시예에 대하여 설명한다.
도 3은 용융된 필라멘트(F)가 사출 시 발생하는 다이스웰(Dieswell) 현상을 나타낸 사진이고, 도 4 내지 도 6은 노즐의 배출부(30)의 사출면(30a)과 필라멘트(F)의 적층을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, FDM-3D프린터는 용융된 필라멘트(F)를 이용하게 되어 배출부(30)의 사출면(30a)의 형상과 사출되는 필라멘트(F)의 형상이 다른 다이스웰 현상이 나타난다.
즉, 용융된 필라멘트(F)의 점탄성 성질에 의해 사출되는 필라멘트는 원형모양을 이루게 되고, 이는 도 2에서 살펴본 바와 같이 적층되는 필라멘트 간의 공극을 넓혀 취성에 약하다.
다이스웰에 의해 발생하는, 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)와 사출되는 필라멘트(200) 간의 공극을 최소화 하기 위하여 다이스웰 현상을 역보상한 사출면(30a)을 가지는 배출부(30)가 요구된다.
이는 다음과 같은 수식을 통해 계산이 가능하다.
[수식] D/d=[1+0.5*(N1/2τ)]^(1/6)+0.13
상기 수식에서 D는 다이 직경, d는 압출물의 직경, N1은 벽면에서의 제1법선 응력차, 그리고 τ는 벽면에서의 전단응력을 나타낸다.
위 수식의 결과값에 따라 다각형의 적어도 한 변의 중심이 인입되어 구비되는 배출부(30)의 사출면(30a)의 형상에 대하여 설명한다.
도 4는 사출면(30a)이 사각형의 각 변의 중심이 인입 된 형상으로 이루어진 노즐과 이러한 노즐에서 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)의 형상을 나타낸다.
즉, 사각형의 각 변의 중심이 인입 된 사출면(30a)을 통해 사출되는 필라멘트(200)는 다이스웰 현상에 의해 도 4와 같이 단면이 사각형에 가까운 모양을 가진다.
따라서 도 5에서 볼 수 있듯이 직육면체 형상으로 적층 될 수 있어 원형일 경우와 비교하여 공극이 현저히 줄어듦을 알 수 있다.
다만 배출부(30)의 사출면(30a)은 사각형의 각 변의 중심이 인입된 형상에 한정되지 않는다. 즉 필라멘트의 소재, 적층 형태 등에 따라 사각단면이 아닌 다른 형태의 단면의 사출면(30a)으로 프린팅을 하여야 하는 경우에도 적용이 될 수 있을 것이다.
예를 들어 도 6에서 알 수 있듯이, 사출면(30a)이 삼각형의 각 변의 중심이 인입된 형상으로 구비된 배출부(30)의 경우에도 공극을 최소화 하며 프린트가 가능하다.
도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명의 제2실시예에 대하여 설명한다.
도 8에 따르면 가열부(40)는 배출부(30)의 일부를 둘러싸며 노즐 내에 구비된다.
도 7에서 살펴 보았듯이, 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)에 가열이 요구되는 부분(150)은 사출되는 필라멘트(200)와 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)가 접하는 부분이다. 이는 상술한 바와 같이 도 7에서의 빗금 친 부분(150)을 의미한다. 그리고, FDM-3D프린터는 사용자의 디자인에 따라 일정한 방향성을 가지고 프린팅을 한다.
이러한 이유 때문에 프린팅하는 방향과 정 반대방향에 위치한 필라멘트의 가열은 무의미하다.
따라서, 가열부(40)도 배출부(30)의 일부를 둘러싸는 경우라 하더라도 동일한 가열 효과를 가진다.
다만 상기 일부의 의미에 대해서는 배출부(30)의 사출면(30a)의 형상에 따라 달라질 것이다.
구체적으로는, 도 8과 같이 배출부(30)의 사출면(30a)이 사각형의 각 변의 중심이 인입 된 형상인 경우에는 가열부(40)는 적어도 270도의 각도로 배출부(30)를 둘러싸야 한다. 그리고 배출부(30)의 사출면(30a)이 삼각형의 각 변의 중심이 인입 된 형상인 경우에는 가열부(40)는 적어도 240도의 각도로 배출부(30)를 둘러싸야 한다.
같은 방식으로, 배출부(30)의 사출면(30a)이 다각형의 적어도 한 변의 중심이 인입되는 형상으로 이루어지는 경우에 대해서도 배출부(30)의 일부를 둘러싸는 가열부(40)의 형상에 대해서 고찰이 가능하다.
또한, 도 9와 같이 배출부(30)의 사출면(30a)이 사각형의 각 변의 중심이 인입 된 형상인 경우 가열부(40)는 'ㄷ'자 형태로 구비될 수 있다.
즉 사출되는 필라멘트(200)와 대응되는 형상으로 구비된 가열부(40)이다. 이러한 가열부(40)의 형상은 기 사출된 필라멘트(100)에 효율적인 가열이 가능하다. 사출되는 필라멘트의 단면이 사각형에 가깝기 때문이다.
가열부(40)가 배출부(30)의 일부를 둘러싸도록 구비되는 경우, 노즐바디(10)는 노즐바디(10)의 상, 하 방향 축을 기준으로 회전할 수 있다.
이는 기 사출되어 응고된 필라멘트(100) 중 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)와 사출되는 필라멘트(200) 간의 접하는 부분(150)의 가열이 일관되게 이루어지게 하기 위함이다.
구체적으로는, 노즐바디(10)가 회전하지 않아 배출부(30)의 일부를 둘러싸는 가열부(40)가 고정되는 경우 프린팅 방향에 따라 가열이 요구되는 부분이 아닌 다른 부분이 가열될 수 있다. 노즐바디(10)가 회전되도록 구비되면 상기와 같은 문제를 방지할 수 있다.
도 10 및 도 11을 참조하여 본 발명의 제3실시예에 대하여 설명한다.
본 실시예에 따르면, 가열부(40)는 가열부(40)의 끝 단이 배출부(30)의 끝 단보다 하부에 위치하도록 구비될 수 있다.
이러한 구조는 가열이 요구되는 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)의 일부(150)에 가열부(40)를 통한 가열이 효과적으로 이루어 지도록 한다.
즉, 상기와 같은 구조의 경우 결과적으로 가열부(40)가 배출부(30) 보다 아래로 길게 형성되어 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)에 열을 전달하기 용이하다.
구체적으로는, 가열부(40)의 끝 단이 배출부(30)의 끝 단보다 하부에 구비되는 경우라야 가열부(40)가 기 사출되어 응고된 필라멘트(100)에 근접하여 가열이 효율적이다.
그리고 도 11을 참조하면, 가열부(40)는 노즐바디(10)에 형성되고 별도의 유로로 구비될 수 있다.
구체적으로는, 사출되는 필라멘트(200)의 산화를 방지하기 위하여 가열부(40)는 불활성가스(G)를 사용할 수 있다. 불활성가스의 유동을 위하여 불활성가스가 유동하는 유로가 노즐바디(10)에 형성된다.
즉, 가열부(40)의 하단은 도 10과 같이 차단되어 있을 수도 있고 도 11과 같이 불활성가스를 사용하는 경우에는 유동을 위해 개방되어 있을 수도 있다.
그리고 상기와 같이 가열부(40)가 별도의 유로로 구비된 경우에도 유로의 끝 단이 배출부(30)의 끝 단보다 하부에 위치할 수 있다.
이러한 구조는 앞서 설명한 효율적인 가열을 위함이다.
도 4를 참조하면 본 발명인 FDM-3D프린터 노즐의 경우 노즐바디(10), 주입부(20), 및 다각형의 적어도 한 변의 중심이 인입되는 형상으로 이루어지는 사출면(30a)을 포함하는 배출부(30)로 구성될 수도 있다.
상기 노즐바디(10), 주입부(20), 및 배출부(30)의 구성 및 효과는 앞서 설명한 바와 같으므로 생략한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
F: 필라멘트 10: 노즐바디
20: 주입부 30: 배출부
30a: 배출부의 사출면 40: 가열부
100: 기 사출된 필라멘트 150: 가열되는 부분 200: 사출되는 필라멘트

Claims (8)

  1. 노즐바디;
    상기 노즐바디의 일단에 구비되어 용융된 필라멘트가 주입되는 주입부;
    상기 노즐바디의 타단에 구비되어 상기 용융된 필라멘트가 사출되는 배출부; 및
    상기 배출부에 인접하게 구비되어, 상기 배출부를 통해 사출되는 필라멘트가 프린팅 되는 위치에 점유된 기 사출된 필라멘트의 일부에 열을 가하여 상기 기 사출된 필라멘트에 상기 배출부를 통해 사출되는 필라멘트가 적층 시 발생하는 시간차이에 따른 온도차이를 보상하여 제품의 접착 강도를 향상시키거나 상기 용융된 필라멘트의 온도를 조절하는 가열부;
    를 포함하고,
    상기 노즐바디는 상기 가열부가 상기 기 사출된 필라멘트에 상기 배출부를 통해 사출되는 필라멘트가 적층되는 부분의 가열이 일관되도록 상기 노즐바디의 상, 하 방향 축을 기준으로 회전 가능하게 구비되고,
    상기 가열부는 상기 노즐바디 내에 상기 배출부에 인접하게 유로 형태로 구비되어, 상기 배출부의 적어도 일부를 둘러싸는 형상으로 구비되고, 상기 기 사출된 필라멘트에 용이하게 열을 전달하도록 상기 가열부의 끝 단이 상기 배출부의 끝 단보다 하부에 위치되는 FDM-3D프린터노즐.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배출부는,
    사출되는 필라멘트와 기 사출된 필라멘트간의 공극이 최소화되며 적층되도록, 상기 배출부의 사출면이 다각형의 적어도 한 변의 중심이 인입되는 형상으로 이루어지는 FDM-3D프린터노즐.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 노즐바디에 형성되고, 필라멘트 응고시 산화방지를 위한 불활성가스가 유동하는 유로로 형성되는 FDM-3D프린터노즐.
  7. 제 6항에 있어서,
    유로의 끝 단은 배출부의 끝 단보다 하부에 위치하는 FDM-3D프린터노즐.
  8. 삭제
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