KR101876662B1 - 3d 프린터용 헤드 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린터용 헤드 유닛에 관한 것이다. 본 발명에 의한 3D 프린터용 헤드 유닛은, 외부로부터 공급되는 금속 분말이 유입되고, 그 유입된 금속 분말을 용융시켜 주기 위한 용융 수단을 구비하는 용융 헤드; 상기 용융 헤드의 연직 상측에 위치되고 상기 금속 분말의 이동 경로를 제공하는 적어도 하나의 수송관과, 상기 수송관을 상기 용융 헤드의 연직 상측으로부터 벗어난 위치에 배치시킬 수 있도록, 일측은 모터의 회전축에 연결되고 타측은 상기 수송관에 동력적으로 연결되는 메인 연결축을 구비하는 공급 모듈; 및 상기 모터의 회전축을 중심으로 하여 상기 공급 모듈과는 반대측에 위치되고, 압축공기가 토출되는 적어도 하나의 토출구가 형성되어 있는 토출 헤드와 일측은 상기 회전축에 연결되고 타측은 상기 토출 헤드에 연결되는 서브 연결축을 구비하여서. 상기 공급 모듈과는 선택적으로 상기 용융 헤드의 연직 상측에 위치된 경우에 그 용융 헤드에 잔류한 잔류 금속을 제거시키는 제거 모듈;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

3D 프린터용 헤드 유닛{3D Printer head unit}

본 발명은 3D 프린터용 헤드 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 간소한 구성에 의해서도 서로 다른 재질의 금속을 용융 헤드 측에 원활하게 공급시켜 줄 수 있고 이와는 선택적으로 용융 헤드에 잔류한 잔류 금속을 적시에 신속하게 제거시켜 줄 수 있도록, 구조가 개선된 3D 프린터용 헤드 유닛에 관한 것이다.

3차원 프린팅은 3차원 형상을 컴퓨터 모델링 작업을 통해 디지털 디자인 데이터로 만들고 이를 2차원 평면으로 미분한 후, 미분화된 소재를 3차원 프린팅 장치로 평면에 프린트한다. 프린트된 것을 층 쌓기(layer-bylayer) 방식으로 계속 쌓아 올려 3차원 제품을 제작하는 기술이다. 재료를 자르거나 깎아 생산하는 절삭가공(Subtractive Manufacturing)과 대비되는 개념으로 공식용어는 적층제조(AM: Additive Manufacturing) 또는 쾌속조형(RP: Rapid Prototyping)이라고 하며, 고분자 소재로 시작하여 최근에는 금속 소재에 대한 3차원 프린팅이 비약적으로 발전하고 있다.

이러한 금속 소재를 이용한 3차원 프린팅 기술은 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, 금속 소재를 분말 또는 액상 형태로 공급하여 주어야 하기 때문에, 다양한 금속을 원활하게 공급하여 주기 위한 구조, 공급된 금속을 히팅시켜 주기 위한 구조 및 잔류한 금속 찌꺼기를 제거해 주기 위한 구조가 마련되어 있어야 한다.

결국, 금속 소재를 이용한 3차원 프린팅 기술은, 금속이 하나의 금속 재질로 이루어지는 것이 아니라 합금 소재로 이루어지는 것이 대부분이어서 다양한 금속을 원활하게 공급하여 주기 위한 구조 설계가 요구되고, 무엇보다도 잔류한 금속 찌꺼기 때문에 프린팅의 정밀성이 저해되는 것을 방지하기 위한 구조 설계가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 금속을 이용하여 3차원 프린팅을 하는 경우 공급된 금속을 용융시켜 주기 위한 용융 헤드에 사용하고 남은 금속 찌꺼기가 잔류하는 것을 억제시킬 수 있는 3D 프린터용 헤드 유닛을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 간소한 구성에 의해서도 서로 다른 재질의 금속을 용융 헤드 측에 원활하게 공급시켜 줄 수 있고 이와는 선택적으로 용융 헤드에 잔류한 잔류 금속을 적시에 신속하게 제거시켜 줄 수 있는 3D 프린터용 헤드 유닛을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 3D 프린터용 헤드 유닛은, 외부로부터 공급되는 금속 분말이 유입되고, 그 유입된 금속 분말을 용융시켜 주기 위한 용융 수단을 구비하는 용융 헤드; 상기 용융 헤드의 연직 상측에 위치되고 상기 금속 분말의 이동 경로를 제공하는 적어도 하나의 수송관과, 상기 수송관을 상기 용융 헤드의 연직 상측으로부터 벗어난 위치에 배치시킬 수 있도록, 일측은 모터의 회전축에 연결되고 타측은 상기 수송관에 동력적으로 연결되는 메인 연결축을 구비하는 공급 모듈; 및 상기 모터의 회전축을 중심으로 하여 상기 공급 모듈과는 반대측에 위치되고, 압축공기가 토출되는 적어도 하나의 토출구가 형성되어 있는 토출 헤드와 일측은 상기 회전축에 연결되고 타측은 상기 토출 헤드에 연결되는 서브 연결축을 구비하여서. 상기 공급 모듈과는 선택적으로 상기 용융 헤드의 연직 상측에 위치된 경우에 그 용융 헤드에 잔류한 잔류 금속을 제거시키는 제거 모듈;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 수송관은, 서로 다른 재질의 금속 공급이 가능하도록, 복수개로 형성되고, 본 발명은, 상기 복수의 수송관들의 용융 헤드에 대한 상대위치가 용이하게 결정될 수 있도록, 상기 메인 연결축에 연결되며, 그 메인 연결축을 중심으로 하여 방사형으로 배열되고 상기 각 수송관의 관통에 의한 끼움결합을 가능하게 하는 관통공들이 형성되어 있는 고정지그를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 토출 헤드의 외면은, 상기 용융 헤드의 내면과 동일한 곡면을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 토출 헤드를 상기 용융 헤드의 내면에 대하여 접근 및 이격시키기 위한 승강 수단을 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 토출 헤드를 상기 서브 연결축에 대하여 상대회전 시키기 위한 회전 수단을 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 3D 프린터용 헤드 유닛은,모터의 회전축을 구동시켜서 용융 헤드의 상측에 위치한 수송관들을 그 용융 헤드로부터 벗어난 위치로 이송시킴으로써 공급 모듈을 이용한 성형 공정을 중단할 수 있게 하고, 이와 동시에 제거 모듈의 토출 헤드를 이용하여 용융 헤드에 잔류한 잔류 금속을 제거시킬 수 있도록 구성됨으로써, 모터를 구동시키는 것에 의하여 제품의 성형 공정과 잔류물질 제거 공정을 선택적으로 수행할 수 있게 됨에 따라 간소한 구성에 의해서도 다른 재질의 금속을 이용한 합금소재 제품 성형을 가능하게 하는 장점과, 용융 헤드에 잔류한 잔류 금속을 적시에 신속하게 제거시켜 줄 수 있게 하여 제품 성형의 정밀도를 높일 수 있는 장점을 가진다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 헤드 유닛의 사시도
도 2는 본 발명 일실시예의 정면도.
도 3은 본 발명 일실시예에 채용된 용융 헤드와 공급 모듈 간의 동작 과정을 설명하기 위한 도면/
도 4 및 도 5는 본 발명 일실시예에 채용된 용융 헤드와 제거 모듈 간의 동작 과정을 설명하기 위한 도면들.
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 동작 원리를 설명하기 위한 도면.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 헤드 유닛을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 헤드 유닛의 사시도이고, 도 2는 본 발명 일실시예의 정면도이며, 도 3은 본 발명 일실시예에 채용된 용융 헤드와 공급 모듈 간의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 4 및 도 5는 본 발명 일실시예에 채용된 용융 헤드와 제거 모듈 간의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 헤드 유닛은, 금속 또는 금속 합금을 이용하여 3D 프린팅 공정으로 제품을 성형하기 위한 것으로, 용융 헤드(10)와 공급 모듈(20)과 제거 모듈(40)을 포함하여 이루어진다.

상기 용융 헤드(10)는, 외부로부터 공급되는 금속 분말이 유입된 이후 일시적으로 수용되는 부분으로, 예컨대 고로(高爐)와 같이 유입된 분말을 용융시켜 주기 위한 용융 수단을 구비한다. 여기서, 용융 수단으로는 그 용융 헤드(10)를 코일 형태로 감싸는 히팅 코일(12) 구조가 채용될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 구조로 구현할 수 있음은 물론이다.

상기 공급 모듈(20)은, 메인 연결축(24)과 적어도 하나의 수송관(22)을 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 수송관(22)은, 상기 용융 헤드(10)의 연직 상측에 위치되고, 상기 금속 분말의 이동 경로를 제공하는 역할을 한다.

이러한 수송관(22)은, 단일 재질의 금속을 상기 용융 헤드(10) 측에 공급시켜 줄 수 있도록 하나의 개수로 마련될 수 있음은 물론이나, 합금 소재를 이용한 프린팅을 위해 다양한 재질의 금속을 공급하여 줄 수 있도록 복수개로 마련되는 것이 바람직하다.

한편, 본 실시예에서 상기 수송관(22)을 통해 상기 용융 헤드(10) 측에 공급되는 재료는 금속 재료인 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 예컨대 고분자 화합물, 복합재료 등 다양한 화합물을 포함할 수 있음은 물론이다.

상기 메인 연결축(24)은, 일측이 모터의 회전축(30)에 연결되고 타측이 수송관(22)에 동력적으로 연결됨으로써, 상기 모터의 회전력을 상기 수송관(22)에 전달하여 주는 동력매개체 역할을 한다.

상기 제거 모듈(40)은, 압축공기(A)가 일시적으로 수용될 수 있게 하는 공간을 가지는 토출 헤드(42)와, 일측은 상기 회전축(30)에 연결되고 타측은 상기 토출 헤드(42)에 연결되는 서브 연결축(44)을 포함하여 이루어진다.

상기 토출 헤드(42)는, 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 상기 압축공기(A)가 토출되는 적어도 하나의 토출구가 형성되어 있어서, 그 토출구를 통해 분사되는 압축공기(A)로 용융 헤드(10)에 잔류한 금속 찌꺼기를 원활하게 제거시킬 수 있게 한다.

상기 서브 연결축(44)은, 상기 모터의 회전축(30)와 토출 헤드(42)를 동력적으로 연결시켜 주는 동력 매개체 역할을 하는 것으로, 상기 회전축(30)을 중심으로 하여 메인 연결축(24)과 반대측에 위치된다.

이러한 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 헤드 유닛은, 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 다수의 수송관(22)을 통해 이송되는 서로 다른 재질의 금속을 용융 헤드(10) 측에 유입시키고, 그 용융 헤드(10)를 히팅시켜서 합금소재의 용탕을 만들어 내게 되고, 이러한 용탕을 용융 헤드(10)로부터 토출시킨 이후 경화시킴으로써 원하는 형상을 형성시킬 수 있게 한다 .

그리고, 본 실시예는, 필요에 따라 도 4 및 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 상기 모터의 회전축(30)을 구동시켜서 용융 헤드의 상측에 위치한 수송관(22)들을 그 용융 헤드(10)로부터 벗어난 위치로 이송시킴으로써 상기 공급 모듈(20)을 이용한 성형 공정을 중단할 수 있게 하고, 이와 동시에 상기 제거 모듈(40)의 토출 헤드(42)를 이용하여 상기 용융 헤드(10)에 잔류한 잔류 금속을 제거시킬 수 있도록 구성됨으로써, 모터를 구동시키는 것에 의하여 제품의 성형 공정과 잔류물질 제거 공정을 선택적으로 수행할 수 있게 됨에 따라 간소한 구성에 의해서도 다른 재질의 금속을 이용한 합금소재 제품 성형을 가능하게 하는 장점과, 용융 헤드(10)에 잔류한 잔류 금속을 적시에 신속하게 제거시켜 줄 수 있게 하여 제품 성형의 정밀도를 높일 수 있는 장점을 기대할 수 있게 한다.

특히, 잔류 금속은, 그 제거 시점에 따라 제거효율의 차이가 확연히 달라지게 되는데, 본 실시예에 의하면 용융 헤드(10)와 공급 모듈(20)을 이용하여 제품 성형을 하는 도중에도 모터의 회전축(30)을 회전시켜서 제품 성형을 중단하고 토출 헤드(42)를 이용한 금속 잔류 물질 제거를 가능하게 함으로써, 적시에 신속한 잔류금속 제거가 가능하게 된다.

본 실시예는, 상기 수송관(22)이 서로 다른 재질의 금속 공급이 가능하도록 복수개로 형성되고, 상기 복수의 수송관(22)들의 용융 헤드에 대한 상대위치가 용이하게 결정될 수 있게 하는 고정지그(26)를 포함하여 이루어진다.

상기 고정지그(26)는, 상기 메인 연결축(24)에 연결되고 그 메인 연결축(24)을 중심으로 하여 방사형으로 배열되는 복수의 관통공들을 구비한다. 이러한 관통공은, 상기 각 수송관(22)의 고정지그(26)에 대한 끼움결합을 가능하게 한다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 고정지그(26)를 통한 복수의 수송관(22)들의 위치결정이 용이하게 이루어질 수 있게 됨에 따라, 구성품 간의 간섭을 방지하고 공간 효율을 높이기 위한 최적 배치를 가능하게 하고 완제품 조립과정의 효율을 높일 수 있게 하는 효과를 도출한다.

그리고, 상기 토출 헤드(42)의 외면은, 도 4 및 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 상기 용융 헤드(10)의 내면과 동일한 곡면을 가지도록 구성되는 것이 바람직하다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 토출 헤드(42)가 도 4와 같이 용융 헤드(10) 측에 접근하는 과정에서 그 용융 헤드의 내면에 잔류한 금속 찌꺼기를 하측으로 강제 이동시킬 수 있게 하고, 필요에 따라 도 5와 같이 서브 연결축(44)에 대해 상대회전을 하면서 금속 찌꺼기의 그라인딩(grinding)을 가능하게 함에 따라, 잔류 금속 제거 효율을 높일 수 있는 장점을 가진다.

이러한 장점을 도출할 수 있도록, 본 실시예는 상기 토출 헤드(42)를 승강시키는 승강 수단과 상기 토출 헤드(42)를 서브 연결축(44)에 대해 회전시키는 회전 수단을 포함하여 이루어진다.

즉, 상기 승강 수단은, 예컨대 상기 서브 연결축(44)에 승강용 모터를 지지되게 설치하고 그 승강용 모터에 의해 토출 헤드(42)를 승강시킬 수 있도록 구성하는 것에 의하여 상기 토출 헤드(42)를 도 4의 이점쇄선과 같은 위치에서 하강시켜 도 4의 실선과 같은 위치로 이동시킬 수 있게 하고, 상기 회전 수단은, 예컨대 상기 토출 헤드(42)를 승강시키는 승강용 모터와는 별개의 회전용 모터를 서브 연결축(44)에 지지되게 설치하고 그 회전용 모터에 의해 토출 헤드(42)를 회전시킬 수 있도록 구성하는 것에 의하여 금속 찌꺼기의 그라인딩을 가능하게 한다.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 이 도면에 도시된 실시예는, 앞에서 설명한 실시예와는 달리, 토출 헤드(420)가 수송관(240)들과 함께 승강되는 구조를 가진다.

즉, 본 실시예는, 토출 헤드(420)와 수송관(240)들을 지지시켜 주는 모터의 회전축(300) 자체를 상하로 승강되게 구성하는 것에 의하여 토출 헤드(420)의 용융 헤드(10)에 대한 승강 동작이 가능하게 됨으로써, 상대적으로 제품 설계가 용이하게 이루어지게 됨에 따라 제조원가 절감 및 제품 양산성 향상을 기대할 수 있게 한다.

이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

10:용융 헤드 12:히팅 코일
20:공급 모듈 22:수송관
24:메인 연결축 26:고정지그
30:회전축 40:제거 모듈
42:토출 헤드 44:서브 연결축
A:압축공기

Claims (5)

1. 외부로부터 공급되는 금속 분말이 유입되고, 그 유입된 금속 분말을 용융시켜 주기 위한 용융 수단을 구비하는 용융 헤드;
   상기 용융 헤드의 연직 상측에 위치되고 상기 금속 분말의 이동 경로를 제공하는 적어도 하나의 수송관과, 상기 수송관을 상기 용융 헤드의 연직 상측으로부터 벗어난 위치에 배치시킬 수 있도록, 일측은 모터의 회전축에 연결되고 타측은 상기 수송관에 동력적으로 연결되는 메인 연결축을 구비하는 공급 모듈; 및
   상기 모터의 회전축을 중심으로 하여 상기 공급 모듈과는 반대측에 위치되고, 압축공기가 토출되는 적어도 하나의 토출구가 형성되어 있는 토출 헤드와 일측은 상기 회전축에 연결되고 타측은 상기 토출 헤드에 연결되는 서브 연결축을 구비하여서. 상기 공급 모듈과는 선택적으로 상기 용융 헤드의 연직 상측에 위치된 경우에 그 용융 헤드에 잔류한 잔류 금속을 제거시키는 제거 모듈;을 포함하여 이루어지고,
   상기 수송관은, 서로 다른 재질의 금속 공급이 가능하도록, 복수개로 형성되고,
   상기 복수의 수송관들의 용융 헤드에 대한 상대위치가 용이하게 결정될 수 있도록, 상기 메인 연결축에 연결되며, 그 메인 연결축을 중심으로 하여 방사형으로 배열되고 상기 각 수송관의 관통에 의한 끼움결합을 가능하게 하는 관통공들이 형성되어 있는 고정지그를 포함하여 이루어지며,
   상기 용융 헤드의 용융 수단은, 상기 용융 헤드를 코일 형태로 감싸는 히팅 코일로 이루어지고,
   상기 토출 헤드는, 용융 헤드에 잔류한 금속 찌꺼기를 원활하게 제거시킬 수 있도록, 압축공기가 일시적으로 수용되는 공간을 형성하고 상기 토출구로 압축공기를 토출시키는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 헤드 유닛.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 토출 헤드의 외면은, 상기 용융 헤드의 내면과 동일한 곡면을 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 헤드 유닛.
4. 제1항에 있어서,
   상기 토출 헤드를 상기 용융 헤드의 내면에 대하여 접근 및 이격시키기 위한 승강 수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 헤드 유닛.
5. 제1항에 있어서,
   상기 토출 헤드를 상기 서브 연결축에 대하여 상대회전 시키기 위한 회전 수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 헤드 유닛.

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