KR101884420B1 - 열사이폰을 이용한 3d 프린터의 노즐 방열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린터의 노즐의 열을 방열시켜 냉각시키는 방열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면, 성형 재료가 되는 필라멘트를 용융 압출하여 적층하면서 소정의 입체물을 제작하는 3D 프린터의 노즐의 히트블록에서 발생되는 열을 전달받는 바렐의 과잉열을 방출시켜 원활한 필라멘트의 예열을 가능하도록 하는 열사이폰을 이용한 3D 프린터의 노즐 방열장치에 관한 기술분야가 개시된다.
또한, 본 발명은 주위환경의 온도에 따라 변화되는 3D 프린터 주위의 온도에 관계없이 필라멘트 재료에 일정한 온도가 유지될 수 있도록 하여 변화되는 온도에 따라 비례하여 방출열이 변화하므로 최적으로 필라멘트의 예열이 이루어지는 효과와, 이에 따라 히트블록으로부터 바렐에 전달되는 열을 효율적으로 방열시킴으로써, 질 높은 입체물을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 필라멘트 공급관이 막힘으로 인한 3D 프린터의 고장을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

열사이폰을 이용한 3D 프린터의 노즐 방열장치{Nozzle heat dissipation unit of 3D printer using thermosyphon and manufacturing method thereof}

본 발명은 3D 프린터의 노즐의 열을 방열시켜 냉각시키는 방열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면, 성형 재료가 되는 필라멘트를 용융 압출하여 적층하면서 소정의 입체물을 제작하는 3D 프린터의 노즐의 히트블록에서 발생되는 열을 전달받는 바렐의 과잉열을 방출시켜 최적으로 필라멘트의 예열을 가능하도록 하는 열사이폰을 이용한 3D 프린터의 노즐 방열장치에 관한 기술분야이다.

일반적으로, 3D 프린터는 컴퓨터 디자인 프로그램으로 만든 3차원 디지털 자료를 바탕으로 실물의 3차원 입체물을 인쇄 즉, 성형하는 장치로서, CAD 또는 3D 모델링 프로그램 등을 이용하여 3차원 디지털 즉, 도면을 완성한 후 소정 데이터 인터페이스를 통해 해당 데이터가 프린터 측으로 전송되고, 이에 따라, 상기 3D 프린터는 전송된 도면 데이터를 기초로 해당 입체물을 만드는 과정을 수행하게 된다.

이때, 상기 3D 프린터를 이용하여 입체물을 만드는 방법은 성형방식에 따라 분말로 된 소재를 레이저로 소결하는 SLS(Selective Laser Sintering)방식, 빛으로 소재를 굳히는 SLA(Stereolithography)방식, 필라멘트를 용융하는 FDM(Fused Deposition Modeling)방식이 있고, 이 중 소재의 필라멘트를 용융하여 적층하는 FDM방식이 다른 방식보다 생산 단가가 저렴하기 때문에 널리 사용되고 있다.

상기 FDM방식의 3D 프린터의 필라멘트는 필라멘트 공급관으로 투입되어 노즐을 통해 분사되고, 이때, 상기 노즐에서 분사되는 필라멘트가 레이어로 형성되어 적층되기 위해서는 상기 노즐에서 분사되기 이전에 용융되어야 하기 때문에 상기 필라멘트 공급관 또는 노즐에 필라멘트를 용융하기 위해 순간적으로 강한 열을 발생하는 히트블록이 구성된다.

이때, 상기 필라멘트 공급관은 바렐의 내부에 설치되어 보호되고, 상기 바렐은 필라멘트가 용융되기 전에 히트블록에서 전달된 열을 이용하여 상기 필라멘트를 예열시키는 역할을 하며, 이러한 필라멘트의 예열단계는 3D 프린터에 있어서 필수적인 중요한 요소이다.

그러나 종래의 3D 프린터 노즐은 상기 히트블록에서 발생된 열이 바렐에 과잉되게 전달되어 상기 바렐 내부에 설치된 필라멘트 공급관 내의 필라멘트가 팽창되어 마찰력이 크게 증가되는 문제점 또는 연화되어 취출모터로 필라멘트를 밀어 내는데 한계점에 달하게 되고, 이에 따라 반응속도가 느려져 출력물 즉, 인쇄되어 성형되는 입체물의 품질이 저하되는 문제점이 있으며, 심각하면 상기 필라멘트 공급관이 막혀 3D 프린터 장치의 고장을 유발하게되는 문제점이 있다.

이와는 반대로 바렐 내 필라멘트가 적정한 예열온도 이하로 과냉각될 경우 필라멘트를 충분히 용융시키지 못하여 입체물의 품질이 저하되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래기술로서, 대한민국 등록특허 제1712433호에는 필라멘트가 공급되는 필라멘트 공급관과 상기 필라멘트 공급관의 하단에 마련되는 노즐과 상기 노즐의 상부에 배치되어 상기 필라멘트 공급관을 가열시키는 히트블록과 상기 히트불록의 상부에 배치되어 상기 필라멘트 공급관을 냉각시키는 히트싱크 및 외부공기를 이용하여 상기 히트싱크와 상기 노즐에서 분사되는 필라멘트를 순차적으로 냉각시키는 냉각부를 포함하여 구성되는 것으로서, 외부 공기가 히트싱크와 냉각팬을 통하여 냉각효율을 증대시켜 필라멘트의 유동을 양호하게 하는 3D 프린터용 노즐의 냉각 시스템을 제시하고 있다.

그러나 상기 종래기술은 용융점이 낮은 필라멘트의 재료로 한정되어 사용되고, 계절 또는 주위환경에 따른 주위의 온도에 따라 3D 프린터의 필라멘트가 예열되는 온도차가 상대적으로 크기 때문에 인쇄되어 성형되는 입체물의 품질이 저하될 수 있으며, 노즐 및 3D 프린터의 수명에 영향을 미치는 등의 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제1712433호 대한민국 등록특허 제1594834호

본 발명은 상술한 종래기술에 따른 문제점을 해결하고자 안출된 기술로서, 종래의 3D 프린터용 노즐의 냉각 시스템은 예열되는 필라멘트의 온도차가 주위의 온도에 따라 상대적으로 크고, 인쇄되어 성형되는 입체물의 품질이 저하되는 문제가 발생하여, 이에 대한 해결점을 히트블록에서 바렐에 전달되는 과잉열을 효과적으로 방출하여 필라멘트의 예열이 원활하게 이루어지도록 하는 열사이폰을 이용한 3D 프린터의 노즐 방열장치를 통하여 제공하는 것을 주된 목적으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 열사이폰에서 작동유체의 종류, 내부의 진공도, 필라멘트 재료의 팽창계수와 용융점 및 유리전이온도를 고려하여 최적의 열방출량을 계산하고 설계가 가능하여 질 높은 입체물을 성형할 수 있는 3D 프린터의 노즐 방열장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 소기의 목적을 실현하고자, 필라멘트가 공급되는 필라멘트 공급관과 상기 필라멘트 공급관의 외주연에 결합되는 바렐과 상기 바렐의 하부에 결합되고, 상기 필라멘트 공급관과 연통되는 노즐과 상기 노즐의 외주연에 결합되는 히트블록 및 상기 바렐의 외주연에 결합되는 열사이폰을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열사이폰을 이용한 3D 프린터의 노즐 방열장치를 제시한다.

또한, 본 발명의 상기 열사이폰은 내부가 진공으로 형성되되, 작동유체가 채워지고, 상기 바렐의 외주연에 결합되는 증발부와 상기 증발부의 상부에 연통되도록 연장형성되는 응축부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 열사이폰은 필라멘트의 팽창계수와 용융점 및 유리전이온도를 고려하여 상기 바렐의 최적의 열방출량을 결정한 후, 작동유체의 종류 및 진공도를 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 증발부는 다수의 파이프 형태로 형성되고, 방사형태로 연장형성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 제시된 본 발명에 의한 열사이폰을 이용한 3D 프린터의 노즐 방열장치는 계절 혹은 주위환경의 온도에 따라 변화되는 3D 프린터 주위의 온도에 관계없이 필라멘트 재료에 일정한 온도가 유지될 수 있도록 하여, 변화되는 온도에 따라 비례하여 방출열이 변화하므로 원활하게 필라멘트에 최적의 예열이 이루어지는 효과와, 이에 따라 히트블록으로부터 바렐에 전달되는 과잉열을 효율적으로 방열시킴으로써, 질 높은 입체물을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 필라멘트 공급관이 막힘으로 인한 3D 프린터의 고장을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 방열장치를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 열사이폰을 나타낸 평면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 방열장치를 나타낸 측면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 방열장치를 나타낸 측단면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 방열장치의 냉각유체의 흐름을 나타낸 도 4의 "A" 부분 확대도.

본 발명은 3D 프린터의 노즐(30)의 열을 방열시켜 냉각시키는 방열장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면, 성형 재료가 되는 필라멘트를 용융 압출하여 적층하면서 소정의 입체물을 제작하는 3D 프린터의 노즐(30)의 히트블록(40)에서 발생되는 열을 전달받아 바렐(20) 내의 필라멘트를 예열하여 원활하게 공급되도록 하고, 상기 바렐(20)에 전달되는 과잉열은 열사이폰(50)에서 작동유체(51)의 종류와 내부의 진공도, 필라멘트 재료의 팽창계수와 용융점 및 고분자의 경우 유리전이온도, 금속일 경우 상변태를 고려하여 최적의 열방출량을 계산한 후 이에 따라 바렐(20)의 방출열량을 조절하여 질 높은 입체물을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 필라멘트에 의해 공급관(10)이 막힘으로 인한 3D 프린터의 고장을 방지할 수 있는 열사이폰을 이용한 3D 프린터의 노즐 방열장치에 관한 기술이다.

상기와 같은 본 발명을 달성하기 위한 구성은 본 발명은 상기와 같은 소기의 목적을 실현하고자, 필라멘트가 공급되는 필라멘트 공급관(10);과 상기 필라멘트 공급관(10)의 외주연에 결합되는 바렐(20);과 상기 바렐(20)의 하부에 결합되고, 상기 필라멘트 공급관(10)과 연통되는 노즐(30);과 상기 노즐(30)의 외주연에 결합되는 히트블록(40); 및 상기 바렐(20)의 외주연에 결합되는 열사이폰(50);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 열사이폰(50)은 내부가 진공으로 형성되되, 작동유체(Working Fluid)(51)가 채워지고, 상기 바렐(20)의 외주연에 결합되는 증발부(52);와 상기 증발부(52)의 상부에 연통되도록 연장형성되는 응축부(54);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 열사이폰은 필라멘트의 팽창계수와 용융점 및 유리전이온도 또는 상변태를 고려하여 상기 바렐(20)의 최적의 열방출량을 결정한 후, 작동 유체의 종류 및 진공도를 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 응축부(54)는 다수의 파이프 형태로 형성되며, 방사형태로 연장형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 도시한 도면 1 내지 5를 참고하여 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 달성하기 위한 주요 구성요소인 필라멘트 공급관(10)은 필라멘트가 공급되는 것으로서, 도시되지 않은 필라멘트 공급릴과 이송롤을 통해 출력물 즉, 입체물의 모재가 되는 필라멘트를 공급받을 수 있고, 3차원 이송기구(미도시)와 연결되어 필라멘트가 적층되는 베드(미도시) 상에서 X축, Y축, Z축 방향으로 이송될 수 있다.

이때, 본 발명의 필라멘트 공급관(10)은 이후에 설명될 바렐(20)의 내부에 결합되거나, 상기 바렐(20)의 내부에 형성되는 관통공에 해당될 수 있고, 이후에 언급될 히트블록(40)에서 발생되는 열이 상기 바렐(20)에 전달되면 필라멘트가 예열되어 이후에 설명될 노즐(30)에서 필라멘트가 원활하게 용융될 수 있도록 하는 효과를 실현케 한다.

즉, 본 발명을 달성하기 위한 주요 구성요소인 바렐(20)은 상기 필라멘트 공급관(10)의 외주연에 결합되거나, 내측에 중공형태의 필라멘트 공급관(10)이 형성되는 것으로서, 이후에 설명될 히트블록(40)에서 발생되는 열이 전달되어 상기 필라멘트 공급관(10) 내부의 필라멘트를 예열시킴으로써, 이후에 설명될 노즐(30)에서 필라멘트가 원활하게 용융되도록 하여 입체물을 제작할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명을 달성하기 위한 주요 구성요소인 노즐(30)은 상기 바렐(20)의 하부에 결합되고, 상기 필라멘트 공급관(10)과 연통되는 분사관(미표시)이 내측에 관통되어 형성되며, 상기 필라멘트 공급관(10)으로 공급된 후 이후에 설명될 히트블록(40)에 의해 가열되어 용융된 필라멘트를 베드 상에 분사시킨다.

그러나 본 발명은 상기 바렐(20)에 전달되는 과잉열을 방출하기 위한 것을 목적으로 하므로, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 노즐(30)의 상부 외주연에 결합되는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명의 히트블록(40)은 상기 노즐(30)의 상부에 배치된 상태에서 상기 필라멘트 공급관(10)의 길이방향 하부 외주연에 마련되고, 도시되지 않은 전원부로부터 전원을 공급받아 순간적으로 강한 열을 발생할 수 있으며, 이에 따라, 상기 바렐(20)은 상기 히트블록(40)으로부터 전달되는 열에 의해 가열되어 필라멘트를 예열시키고, 상기 노즐(30)은 상기 히트블록(40)에 의해 가열되어 필라멘트를 용융시키게 된다.

본 발명을 달성하기 위한 주요 구성요소인 열사이폰(50)은

상기 바렐(20)의 외주연에 결합되는 것으로서, 히트블록(40)으로부터 상기 바렐(20)에 전달된 열을 방열시켜 상기 바렐(20)에 과잉열이 발생되지 않도록 함으로써, 필라멘트가 상기 바렐(20)의 위치에서 팽창되어 필라멘트 공급관(10)과 마찰력이 커지거나 상기 필라멘트 공급관(10)을 막는 현상을 방지하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 본 발명의 열사이폰(50)은 내부가 진공으로 형성되되, 상기 바렐(20)의 외주연과 접촉되도록 작동유체(51)가 채워지고, 상기 바렐(20)의 외주연에 결합되는 증발부(52)와, 상기 증발부(52)의 상부에 연통되도록 연장 형성되는 응축부(54)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 증발부(52)는 내부에 작동유체(51)가 채워질 수 있도록 수용공간(미표시)이 형성되되, 상기 수용공간이 진공으로 형성되고, 히트블록(40)으로부터 바렐(20)에 전달된 과잉열을 상기 작동유체(51)가 흡수하여 증발되며, 증발된 작동유체의 수증기는 이후에 설명될 응축부(54)로 이동하여 외부로 열을 방출시킴으로써, 상기 바렐(20)의 과잉열을 방열시키는 것을 특징으로 한다.

즉, 상기 작동유체(51)는 바렐(20)의 과잉열을 흡수하여 증발되어 수증기로 되고, 상기 응축부(54)로 이동된 후 외부로 열을 방출시키며, 열을 방출한 후 액화되어 상기 응축부(54)의 벽면 즉, 내측면을 따라 중력에 의해 증발부(52)로 이동되는 순환을 함으로써, 바렐(20)의 과잉열을 지속적으로 방열이 이루어지는 효과를 실현케 한다.

즉, 상기 증발부(52) 및 응축부(54)는 상기 작동유체(51)의 증발과 응축으로 인한 잠열을 이용하여 작은 온도차에서도 대량의 열을 효과적으로 방출하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 응축부(54)는 기화된 작동유체(51)가 외부와의 접촉면적이 넓어져 상기 기화된 작동유체(51)에 포함된 열을 외부로 더욱더 효율적으로 방출시켜 액화될 수 있도록 도 1에 도시된 바와 같이, 다수개의 파이프 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 연관하여, 필라멘트 재료는 온도가 상승함에 따라 팽창률이 증가하여 필라멘트 공급관(10) 내에서 마찰력이 증대되거나 재료가 고분자 또는 유리의 경우 유리전이온도 및 금속의 경우 상변태온도 이상으로 가열되면 필라멘트가 연화되어 취출이 불가능하므로 그 이전까지의 온도를 필라멘트 예열온도로 하고 그 이상의 열을 과잉열로 방출해야 한다.

이에 따라, 본 발명의 열사이폰(50)은 필라멘트의 팽창계수와 용융점 및 유리전이온도 및 금속의 경우 상변태온도를 고려하여 상기 바렐(20)의 최적의 열방출량을 결정한 후 작동유체(51)의 종류 및 진공도를 결정하는 것을 특징으로 한다.

즉, 상기 작동유체(51)는 비등점과 임계점을 고려하고, 밀도, 표면장력, 증발잠열이 클수록 또한 액체의 점도가 작을 수록 바람직하며, 필라멘트의 종류에 따라서 작동 유체 및 진공도에 따른 증발온도를 결정한다.

아울러, 종래의 3D 프린터의 방열장치들은 냉각을 위해 진동을 발생시키는 팬(Fan) 등의 구성을 제외하고도 3D 프린터의 주위 환경의 온도에 영향을 받아 입체물의 질이 달라지지만, 본 발명은 주위의 온도에 변화에 따라 증발부(52)에서의 작동유체(51)의 흡수열량 및 응축부(54)에서의 작동유체(51)의 방출열량이 비례하여 변화되므로 주위 온도에 관계없이 열사이폰(50)의 증발온도가 일정하게 유지됨으로써, 질 높은 균일한 입체 성형품을 제조할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

상기는 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 설명하였으며, 상기의 실시예에 한정되지 아니하고, 상기의 실시예를 통해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경으로 실시할 수 있는 것이다.

10 : 필라멘트 공급관
20 : 바렐
30 : 노즐
40 : 히트블록
50 : 열사이폰
51 : 작동유체
52 : 증발부
54 : 응축부

Claims (5)

1. 필라멘트가 공급되는 필라멘트 공급관(10);과
   상기 필라멘트 공급관(10)의 외주연에 결합되는 바렐(20);과
   상기 바렐(20)의 하부에 결합되고, 상기 필라멘트 공급관(10)과 연통되는 노즐(30);과
   상기 노즐(30)의 외주연에 결합되는 히트블록(40); 및
   상기 바렐(20)의 외주연에 결합되는 열사이폰(50);을 포함하여 구성되고,
   상기 바렐(20)은
   히트블록(40)에서 발생되는 열이 전달되어 상기 필라멘트 공급관(10) 내부의 필라멘트를 예열시키고,
   상기 열사이폰(50)은
   내부가 진공으로 형성되되, 상기 바렐(20)의 외주연과 접촉되도록 작동유체(51)가 채워지고, 상기 바렐(20)의 외주연에 결합되어 상기 바렐(20)의 과잉열을 흡수시키는 증발부(52);와
   상기 증발부(52)의 상부에 연통되도록 연장형성되는 응축부(54);를 포함하여 구성되고,
   상기 응축부(54)는
   다수의 파이프 형태로 형성되고, 방사형태로 연장형성되는 한편,
   상기 과잉열은
   필라멘트 예열온도 그 이상의 열인 것을 특징으로 하고,
   상기 열사이폰(50)은
   필라멘트의 팽창계수와 용융점 및 유리전이온도 및 금속의 경우 상변태온도를 고려하여 상기 바렐(20)의 최적의 열방출량을 결정한 후, 작동유체(51)의 종류 및 진공도를 결정하는 것을 특징으로 하는 열사이폰을 이용한 3D 프린터의 노즐 방열장치.
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