KR101948547B1 - 시멘트계 재료의 상하층 결합 강화 및 형상 제어 기능을 가지는 건설구조물 구축용 3d 프린팅 노즐 및 이를 구비한 3d 프린팅 장치 - Google Patents

시멘트계 재료의 상하층 결합 강화 및 형상 제어 기능을 가지는 건설구조물 구축용 3d 프린팅 노즐 및 이를 구비한 3d 프린팅 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적층재료를 순차적으로 연직하게 적층하여 3차원 형태의 구조물을 형성하는 3D 프린팅 장치로서, 콘크리트, 모르타르 등의 시멘트계 재료를 적층재료로 사용하되, 상,하층 간의 적층재료 결합을 강화하며 시멘트계 적층재료의 적층 과정에서 하층의 형상이 변화되는 것을 감지하여 그 위에 적층되는 상층의 형상을 조절함으로써 3차원 형태의 건설구조물이 설계된 형상에 맞게 구축될 수 있게 하는 "시멘트계 재료의 상하층 결합 강화 및 형상 제어 기능을 가지는 건설구조물 구축용 3D 프린팅 장치와, 이에 사용되는 3D 프린팅 노즐"에 관한 것이다.

Description

시멘트계 재료의 상하층 결합 강화 및 형상 제어 기능을 가지는 건설구조물 구축용 3D 프린팅 노즐 및 이를 구비한 3D 프린팅 장치{3D Printing Apparatus and Nozzle therefore}
본 발명은 재료를 적층하여 구조물을 형성할 수 있는 3D 프린팅 장치와, 이에 사용되는 노즐(Nozzle)에 관한 것으로서, 구체적으로는 적층재료를 순차적으로 연직하게 적층하여 3차원 형태의 구조물을 형성하는 3D 프린팅 장치로서, 콘크리트, 모르타르 등의 시멘트계 재료를 적층재료로서 사용하되, 상,하층 간의 적층재료 결합을 강화하며, 시멘트계 적층재료의 적층 과정에서 하층의 형상이 변화되는 것을 감지하여 그 위에 적층되는 상층의 형상을 조절함으로써 3차원 형태의 건설구조물이 설계된 형상에 맞게 구축될 수 있게 하는 "시멘트계 재료의 상하층 결합 강화 및 형상 제어 기능을 가지는 건설구조물 구축용 3D 프린팅 장치와, 이에 사용되는 3D 프린팅 노즐"에 관한 것이다.
플라스틱 등의 재료를 노즐을 통해서 사출하면서 순차적으로 연직 적층하여 3차원의 입체적인 형상을 가지는 제품을 제작하는 3D 프린팅 장치(three Dimensional Printing Apparatus)가 주목을 받고 있다. 이러한 3D 프린팅 장치를 건설분야로 확대하여 적용하려는 시도가 이루어지고 있고, 그 일예로서 대한민국 등록특허 제10-1706473호에는 3D 프린팅 재료로서 콘크리트와 같은 시멘트계 재료를 사용하여 주택, 교량 등과 같은 건설구조물을 제작하려는 기술이 제안되어 있다.
그런데 3D 프린팅을 이용하여 3차원의 건설구조물을 구축하기 위하여 콘크리트, 모르타르 등과 같은 시멘트계 재료를 3D 프린팅용 적층재료로서 이용할 경우에는, 일반적은 플라스틱과 같은 합성수지와는 상이한 시멘트계 재료만의 고유한 특성을 고려하여야 한다. 참고로 본 명세서에서는 건설구조물의 구축을 위한 3D 프린팅용 적층재료로서 이용되는 콘크리트, 모르타르 등의 시멘트계 재료를 편의상 "3D 시멘트계 적층재료"라고 약칭한다. 3D 프린팅에 있어서는 적층재료가 노즐로부터 배출된 직후부터 상당한 정도의 강성을 가질 필요가 있기 때문에, 시멘트계 재료를 3D 프린팅용 적층재료로 이용하려면 시멘트계 재료는 슬럼프(slump)가 없거나 슬럼프가 거의 무시할 정도로 매우 작은 것이어야 한다. 이와 같이 슬럼프(slump)가 없거나 슬럼프가 거의 무시할 정도로 매우 작은 상태를 편의상 "제로 슬럼프(zero slump) 상태"라고 한다.
그런데 제로 슬럼프 상태의 3D 시멘트계 적층재료는, 상,하로 적층될 때 타설되는 시간 차이로 인하여 상,하층 간의 부착력이 매우 낮아지는 문제점이 있다. 이와 같이 상,하층 간의 부착력이 낮은 상태로 3D 시멘트계 적층재료가 적층되어 3차원 구조물이 구축되었을 경우, 3차원 구조물은 횡방향 하중에 매우 취약하게 된다.
종래의 3D 프린팅 장치에서는 적층재료가 노즐로부터 수직하게 배출된다. 도 1에는 종래의 3D 프린팅 장치에서 적층재료가 노즐로부터 수직하게 배출되는 상태를 설명하기 위한 개략적인 횡방향 단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 화살표 F-F에 따른 개략적인 종방향의 단면도가 도시되어 있다. 편의상 본 명세서에서 노즐이 이동하면서 노즐의 배출구에서 3D 시멘트계 적층재료가 배출되어 나오는 방향 즉, 3D 시멘트계 적층재료의 층이 길게 연장되는 방향을 "종방향"이라고 기재하며, 수평면에서 이와 직교하는 방향을 "횡방향"이라고 기재하고, 연직하게 직교하는 방향을 "연직방향"이라고 기재한다. 도 1 및 도 2에서 도면부호 1은 후술하는 "3D 프린트 스트립(strip)"이며, 도면부호 L은 하층에 이미 형성된 3D 프린트 스트립을 나타낸다.
제로 슬럼프 상태의 3D 시멘트계 적층재료가 도 1에 도시된 것처럼 노즐로부터 수직하게 배출되어 3D 프린트 스트립(1)의 형태로 적층되는 경우, 노즐로부터 배출된 위치와 적층된 위치 사이의 각도 차이로 인하여 3D 프린트 스트립(1)이 절곡되면서 큰 곡률을 가지는 부분이 존재하게 되고, 이렇게 큰 곡률이 존재하는 부분에서는 3D 프린트 스트립에 균열이나 단절이 발생할 위험이 매우 높아지는 문제점이 있다.
또한 아무리 제로 슬럼프를 가지도록 만들어진 3D 시멘트계 적층재료라고 하더라도, 시멘트계 재료의 특성상 경화되기까지는 상당 시간이 소요되며 그 과정에서 크리프(creep) 등이 발생할 수 있으며, 그에 따라 측면이 지지되지 않은 상태에서는 타설된 형상이 변형될 수 있다. 즉, 3D 시멘트계 적층재료의 경우에는 노즐로부터 배출되어 적층된 직후에는 그 형상을 유지할 수 있지만, 그 위쪽으로 새로운 층이 적층될 시점에서는 하층에 적층되었던 3D 시멘트계 적층재료가 크리프 등으로 인하여 애초의 형상을 유지하지 못할 수 있는 것이다. 하층의 3D 시멘트계 적층재료가 설계된 형상을 유지하지 못한 상태에서 상층이 적층될 경우에는 애초에 설계된 형태의 건설 구조물을 제작하는 것이 사실상 불가능하게 된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1706473호(2017. 02. 15. 공고).
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 3D 프린팅 장치에서 3D 시멘트계 적층재료를 이용하여 3D의 건설 구조물을 구축할 때, 노즐과 적층된 위치 사이에서 큰 곡률로 인하여 3D 시멘트계 적층재료에 균열이나 단절이 발생할 가능성을 낮추며, 상,하층 간의 기계적인 맞물림 형성 및 접착력 증가를 통해서 상,하층 간의 더욱 견고한 일체화를 이룰 수 있도록 하고, 상,하층의 적층 시간 간격 동안에 크리프 등과 같이 3D 시멘트계 적층재료 자체의 성질로 인하여 발생하는 하층의 형상 변화에 맞추어서 상층의 형상을 변화시키면서 적층을 수행할 수 있도록 함으로써 설계에 부합되는 형태로 3D 건설 구조물을 구축할 수 있도록 하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 시멘트계 재료로 이루어진 3D 프린팅용 적층재료를 적층하여 3차원의 건설구조물을 구축하기 위한 3D 프린팅 장치에 구비되는 3D 프린팅 노즐(100)로서, 3D 시멘트계 적층재료가 담겨져서 배출될 수 있는 내부공간을 가지고 있고; 3D 프린팅 노즐이 진행하는 종방향으로 하향 경사를 가지는 배출단부(10)를 가지고 있으며; 배출단부(10)에는 배출구(11)가 형성되어 있어서; 배출구(11)를 통해서 3D 시멘트계 적층재료가 종방향으로 사각형 단면을 가지는 스트립(strip) 형상의 3D 프린트 스트립(1)으로 경사진 상태로 연속 배출되어 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 노즐이 제공된다.
또한 본 발명에서는 상기한 목적을 달성하기 위하여, 3D 프린팅 노즐(100)을 구비하여 시멘트계 재료로 이루어진 3D 프린팅용 적층재료를 3D 프린팅 노즐(100)로 배출하면서 순차적으로 적층하여 3차원의 건설구조물을 구축하는 3D 프린팅 장치로서, 상기 3D 프린팅 노즐(100)은, 3D 시멘트계 적층재료가 담겨져서 배출될 수 있는 내부공간을 가지고 있고; 3D 프린팅 노즐이 진행하는 종방향으로 하향 경사를 가지는 배출단부(10)를 가지고 있으며; 배출단부(10)에는 배출구(11)가 형성되어 있어서; 배출구(11)를 통해서 3D 시멘트계 적층재료가 종방향으로 사각형 단면을 가지는 스트립(strip) 형상의 3D 프린트 스트립(1)으로 경사진 상태로 연속 배출되어 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치가 제공된다.
상기한 본 발명에 따른 3D 프린팅 노즐 및 이를 구비한 3D 프린팅 장치에 있어서, 3D 시멘트계 적층재료가 담겨지는 내부공간이 분리격벽(12)에 의해 아래층의 제1공간(13)과 위층의 제2공간(14)으로 분할되어 있으며; 제1공간(13)에는, 제2공간(14)에 공급되는 3D 시멘트계 적층재료보다 부착력이 더 큰 3D 시멘트계 적층재료가 공급됨으로써; 배출구(11)를 통해서 3D 시멘트계 적층재료가 배출되어 3D 프린트 스트립(1)이 만들어질 때, 3D 프린트 스트립(1)의 종방향 단면은, 2종의 3D 시멘트계 적층재료가 위,아래로 제1층과 제2층의 2개 층을 이루고 있는 상태가 되는 구성을 가질 수 있다.
더 나아가, 본 발명에서는 배출단부(10)에 형성된 배출구(11)로부터 스트립 형태로 배출되는 3D 프린트 스트립(1)이, 상면에는 오목부(19)가 오목하게 형성되어 있고 하면에는 볼록부(18)가 돌출형성되어 있는 종방향 단면형상을 가지도록 배출구(11)가 형성되어 있는 구성을 가질 수 있는데, 이 경우, 3D 프린팅 노즐(100)의 하면에는, 위층의 3D 프린트 스트립(1)을 적층해가면서 아래층에 위치하는 3D 프린트 스트립의 상면을 스캔하여 하층 3D 프린트 스트립(L)의 상면 형상을 판독하는 스캐너(23)가 구비되어 있고; 배출단부(10)에는, 오목부(19)의 형상으로 배출구(11)의 상부 일부를 가리는 제1 가변형 단면차단부재(21)와, 볼록부(18)의 형상으로 배출구(11)의 횡측 일부를 각각 가리는 제2 가변형 단면차단부재(22)가 구비되어 있어서; 배출구(11)로 3D 시멘트계 적층재료가 토출될 때, 제1가변 단면차단부재(21)와 제2가변 단면차단부재(22)에 의해 일부가 가려진 배출구(11)의 형상에 따라 볼록부(18)와 오목부(19)이 존재하는 종방향 단면형상으로 3D 프린팅 스트립(1)이 배출되는데; 제1 가변형 단면차단부재(21) 및 제2 가변형 단면차단부재(22)의 전부 또는 일부는 배출구(11)의 일부를 가리는 면적과 형상이 변화되는 구성을 가지고 있어서; 3D 프린팅 노즐(100)이 종방향으로 진행해가면서 스캐너(23)에 의하여 하층 3D 프린트 스트립(L)의 상면을 스캔하여 형상을 판독함으로써, 하층 3D 프린트 스트립(L)의 상면 형상에서의 변화에 맞추어서 제1,2 가변형 단면차단부재(21, 22)가 배출구(11)의 일부를 가리는 면적과 형상이 변화되어 상,하층의 3D 프린트 스트립이 상,하면이 기계적으로 일치하여 맞물리게 되는 구성을 가질 수도 있다.
본 발명에 의하면, 3D 프린팅 장치를 이용하여 3D 시멘트계 적층재료로 3D의 건설 구조물을 구축함에 있어서, 3D 프린팅 노즐로부터 배출되는 3D 프린트 스트립이 과도하게 큰 곡률로 꺾여서 발생하는 3D 시멘트계 적층재료의 균열 또는 단절의 문제점을 해소할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
또한 본 발명에 의하면, 상,하층의 3D 프린트 스트립이 요철 형태의 기계적인 결합을 가지도록 할 수 있으며, 이와 같은 요철 결합에 의한 상,하층 3D 프린트 스트립 간의 견고한 기계적인 맞물림 형성 및 접착력 증가를 통해서 더욱 상,하층 3D 프린트 스트립 간의 견고한 일체화를 이룰 수 있게 되는 장점이 있다.
더 나아가, 본 발명에서는 상,하층 3D 프린트 스트립의 적층 시간 간격 동안에 크리프 등과 같이 3D 시멘트계 적층재료 자체의 성질로 인하여 발생하는 하층 3D 프린트 스트립의 형상 변화에 맞추어서 상층 3D 프린트 스트립의 형상을 변화시키면서 적층을 수행할 수 있게 되므로, 설계에 부합되는 형태의 3D 건설 구조물을 정밀하게 구축할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
도 1은 종래의 3D 프린팅 장치에서 적층재료가 노즐로부터 수직하게 배출되는 상태를 설명하기 위한 개략적인 측면도이다.
도 2는 도 1의 화살표 F-F에 따른 개략적인 종방향의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 3D 프린팅 노즐의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 3D 프린팅 노즐에 의해 3D 시멘트계 적층재료가 배출되어 3D 프린트 스트립이 적층 형성되는 상태를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 5는 도 4의 화살표 A-A으로의 개략적인 횡방향의 단면도이다.
도 6은 도 4의 화살표 B-B에 따른 개략적인 종방향의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따라 내부공간이 분리격벽에 의해 분할되어 있는 구성의 3D 프린팅 노즐의 내부 구성이 보이도록 도시한 개략적인 반단면 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 3D 프린팅 노즐에 의해 3D 시멘트계 적층재료가 배출되어 3D 프린트 스트립이 적층 형성되는 상태를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 9는 도 8의 화살표 G-G로의 개략적인 횡방향의 단면도이다.
도 10은 도 8의 화살표 H-H에 따른 개략적인 종방향의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 3D 프린팅 노즐에 의해 요철이 형성된 단면형상의 3D 프린트 스트립이 배출되어 적층되는 것을 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 12는 도 11의 화살표 D-D에 따른 개략적인 종방향의 단면도가 도시되어 있다.
도 13은 종방향 단면도로서 볼록부 및 오목부를 가지는 3D 프린트 스트립에서 부착력이 더 큰 3D 시멘트계 적층재료로 이루어진 제1층에 의해 볼록부가 형성되어 있는 것을 보여주는 도 12에 대응되는 개략적인 종방향 단면도이다.
도 14 및 도 15는 각각 본 발명의 제4실시예에 따라 가변형 단면차단부재를 설치하여 배출구의 형상이 가변되도록 구성된 3D 프린팅 노즐을 바라보는 방향을 달리하여 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 16은 본 발명의 제4실시예에 구비된 제1 가변형 단면차단부재를 상세히 보여주는 도 14의 원 K 부분의 개략적인 확대도이다.
도 17은 본 발명의 제4실시예에 구비된 제2 가변형 단면차단부재를 상세히 보여주는 도 14의 원 M 부분의 개략적인 확대도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다. 합성수지를 적층재료로 이용한 3D 프린팅 장치 자체는 이미 공지된 것이고, 본 발명은 3D 프린팅 장치에 구비되는 "노즐" 자체에 발명의 특징이 있는 것이므로, 노즐을 제외한 3D 프린팅 장치의 기타 구성에 대해서는 설명을 생략한다.
도 3에는 본 발명의 제1실시예에 따른 3D 프린팅 노즐(100)의 개략적인 사시도가 도시되어 있으며, 도 4에는 도 3에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 3D 프린팅 노즐(100)을 이용하여 3D 시멘트계 적층재료가 배출되어 3D 프린트 스트립(1)이 적층 형성되는 상태를 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 도 5에는 도 4의 화살표 A-A에 따른 개략적인 횡방향의 단면도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 4의 화살표 B-B에 따른 개략적인 종방향의 단면도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼, 본 발명의 제1실시예에 따른 3D 프린팅 노즐(100)은 3D 시멘트계 적층재료가 담겨져서 배출될 수 있는 내부공간을 가지고 있는 부재로서, 종방향으로 하향 경사를 가지는 배출단부(10)를 가지고 있으며, 3D 프린팅 장치의 제어작동에 의해 이동하면서, 배출단부(10)에 형성된 배출구(11)를 통해서 3D 시멘트계 적층재료가 종방향으로 사각형 단면을 가지는 스트립(strip) 형태로 배출된다. 편의상 3D 프린팅 노즐(100)의 배출구를 통해서 3D 시멘트계 적층재료가 종방향으로 사각형 단면을 가지면서 길게 연장되는 스트립(strip) 형태로 배출된 것을 "3D 프린트 스트립"이라고 기재한다.
구체적으로 본 발명에 따른 3D 프린팅 노즐(100)은 하향 경사지게 연장되어 있는 배출단부(10)를 가지고 있다. 따라서 3D 프린팅 노즐(100)의 내부공간에 3D 시멘트계 적층재료가 담겨졌을 때, 자중(自重)에 의해 아래로 내려가서 공급되는 3D 시멘트계 적층재료가 경사진 배출단부(10)를 통해서 하향 경사진 형태로 배출구(11)를 통해서 배출되어 새로운 상층의 3D 프린트 스트립(1)이 만들어지면서 이미 존재하던 기존의 하층 3D 프린트 스트립(L) 위에 적층된다. 도 1에 도시된 것처럼 종래기술에서는 노즐로부터 3D 시멘트계 적층재료가 수직하게 배출된 후 절곡되면서 수평한 3D 프린트 스트립으로 만들어져서 하층의 3D 프린트 스트립 위에 적층되었으며, 이로 인하여 절곡된 부분에서 균열 등이 발생할 수 있었다. 그러나 본 발명에서는 도 5에 도시된 것처럼 3D 시멘트계 적층재료가 3D 프린팅 노즐(100)의 경사부(11)를 통해서 상당히 뉘어진 상태로 경사지게 배출됨으로써, 하층의 3D 프린트 스트립(U) 위에 새로운 상층 3D 프린트 스트립(1)이 수평한 상태로 배치되면서 적층된다. 따라서 본 발명에서는 종래기술과 같은 급격한 절곡부분이 발생되지 않으며, 미경화된 상태의 3D 시멘트계 적층재료의 3D 프린트 스트립에 균열이나 단절이 발생할 위험이 크게 낮아지게 되는 유리한 효과가 발휘된다. 특히, 3D 시멘트계 적층재료가 완만한 경사를 가지고 3D 프린팅 노즐(100)으로부터 배출되므로, 노즐로부터의 배출과정에서 두께를 가지는 3D 프린트 스트립에 발생하는 변형이 작아지며 그에 따라 3D 프린트 스트립이 설계된 단면형상을 가지도록 형성되는 장점도 발휘된다.
본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 3D 프린팅 노즐(100)의 배출구를 통해서 3D 프린트 스트립(1)이 배출될 때, 하나의 3D 프린트 스트립(1)의 종방향 단면에서 2종의 3D 시멘트계 적층재료가 위,아래로 2개의 층을 이룰 수 있으며, 이를 위해서는 3D 프린팅 노즐(100)의 내부공간이 분리격벽(12)에 의해 분할되어 있는 구성을 가진다. 도 7에는 본 발명의 제2실시예에 따라 내부공간이 분리격벽(12)에 의해 분할되어 있는 구성의 3D 프린팅 노즐(100)을 그 내부가 보이도록 도시한 개략적인 반단면 사시도가 도시되어 있고, 도 8에는 도 7에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 3D 프린팅 노즐에 의해 3D 시멘트계 적층재료가 배출되어 3D 프린트 스트립이 적층 형성되는 상태를 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 도 9에는 도 8의 화살표 G-G에 따른 개략적인 횡방향의 단면도가 도시되어 있고, 도 10에는 도 8의 화살표 H-H에 따른 개략적인 종방향의 단면도가 도시되어 있다.
도 7 내지 도 10에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 3D 프린팅 노즐(100)은 그 내부공간이 분리격벽(12)에 의해 아래층의 제1공간(13)과 위층의 제2공간(14)으로 분할되어 있다. 이러한 구성에서 제1공간(13)에는 제2공간(14)에 공급되는 3D 시멘트계 적층재료보다 부착력이 더 큰 3D 시멘트계 적층재료가 공급될 수 있다. 따라서 3D 프린팅 노즐(100)로부터 3D 시멘트계 적층재료가 배출되어 3D 프린트 스트립(1)이 만들어질 때, 하나의 3D 프린트 스트립(1)은, 2종의 3D 시멘트계 적층재료가 위,아래로 제1층과 제2층의 2개 층을 이루고 있는 상태의 종방향 단면을 가지게 된다. 이 때, 3D 프린트 스트립(1)의 종방향 단면에서 아래의 제1층은 제1공간(13)을 통해서 공급되는 3D 시멘트계 적층재료(Mix A)로 이루어지며, 위쪽의 제2층은 제2공간(14)을 통해서 공급되는 3D 시멘트계 적층재료(Mix B)로 이루어진다. 앞서 설명하였듯이, 제1공간(13)에 공급되는 3D 시멘트계 적층재료(Mix A)의 부착력은 제2공간(14)에 공급되는 3D 시멘트계 적층재료(Mix B)의 부착력보다 더 크다.
이와 같이, 부착력이 상이한 2종의 3D 시멘트계 적층재료가 위,아래로 제1층과 제2층의 2개 층을 이루고 있는 종방향 단면을 가지는 3D 프린트 스트립(1)이 배출되어, 이미 적층되어 있는 하층의 3D 프린트 스트립(L) 위에 놓여 적층되면, 큰 부착력을 가지는 제1층의 3D 시멘트계 적층재료(Mix A)에 의해, 상,하층의 3D 프린트 스트립(1, L)간에 매우 큰 부착력이 발휘되며, 그에 따라 상,하층의 3D 프린트 스트립이 매우 견고하게 일체화되는 효과가 발휘된다.
분리격벽(12)을 설치함에 있어서, 분리격벽(12)의 끝단은 3D 프린팅 노즐(100)의 배출단부보다 내측에 위치하는 것이 바람직하다. 즉, 도 9에 도시된 것처럼 분리격벽(12)이 3D 프린팅 노즐(100)의 내부에서 종료되어 분리격벽(12)의 끝단이, 시멘트계 적층재료가 배출되는 단부보다 내측에 위치하는 구성이 바람직한 것이다. 이와 같이 분리격벽(12)이 3D 프린팅 노즐(100)의 내부에서 종료되는 구성을 가지는 경우, 2종류의 3D 시멘트계 적층재료가 분리격벽(12)에 의해 3D 프린팅 노즐(100)의 내부공간에서는 서로 분리되어 공급 및 배출되지만, 3D 프린팅 노즐(100)로부터 배출되기 직전에는 상,하로 위치하는 2종류의 3D 시멘트계 적층재료가 서로 연속된 상태가 되고, 이렇게 2종류의 3D 시멘트계 적층재료가 서로 연속된 상태로 배출된다. 비록 도 10에 도시된 3D 프린트 스트립(1)의 종방향 단면에서, 부착력이 더 큰 3D 시멘트계 적층재료로 이루어진 제1층(130)과 상대적으로 부착력이 상대적으로 작은 3D 시멘트계 적층재료로 이루어진 제2층(140)이 점선으로 구분되어 있도록 표시되어 있지만, 실제 제1층(130)과 제2층(140) 간에 불연속면이 존재하는 것은 아니고, 3D 프린팅 노즐(100)로부터 배출되기 전에 제1층(130)과 제2층(140)은 상,하로 연속된 상태가 되며, 이와 같이 제1층(130)과 제2층(140)이 연속되어 있는 단면상태로 3D 프린트 스트립(1)이 배출되는 것이다. 따라서 적층되는 하나의 3D 프린트 스트립에서 제1,2층의 3D 시멘트계 적층재료(Mix A, Mix B)간의 재료 분리를 효율적으로 방지할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에서 3D 프린팅 노즐(100)로부터 배출되어 적층되는 3D 프린트 스트립이 상,하면에 요철이 형성된 단면형상을 가지도록 할 수 있다. 도 11에는 본 발명의 제3실시예에 따른 3D 프린팅 노즐(100)에 의해 요철이 형성된 단면형상의 3D 프린트 스트립이 배출되어 적층되는 것을 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있으며, 도 12에는 도 11에 도시된 본 발명의 제3실시예에 따른 3D 프린팅 노즐(100)로부터 배출되는 3D 프린트 스트립(1)의 종방향 단면형상을 보여주는 도 11의 화살표 D-D에 따른 개략적인 종방향의 단면도가 도시되어 있다.
도 11에 도시된 본 발명의 제3실시예에 따른 3D 프린팅 노즐(100)의 경우, 배출구(11)의 형상을 변경함으로써, 상면에는 오목부(19)가 오목하게 형성되어 있고 하면에는 볼록부(18)가 돌출형성되어 있는 종방향 단면형상으로 3D 프린트 스트립(1)이 배출된다. 이와 같이 볼록부(18)와 오목부(19)가 형성된 종방향 단면형상으로 3D 프린트 스트립(1)이 배출되어 상,하층의 3D 프린트 스트립이 적층되었을 때, 도 12에 도시된 것처럼 볼록부(18)가 오목부(19)에 끼워져서 상,하층 3D 프린트 스트립 사이에는 오목부(19)와 볼록부(18)의 기계적인 결합이 이루어지게 된다. 따라서 횡방향 하중에 대해 큰 저항력을 발휘할 수 있게 되고 그에 따라 상,하층의 3D 프린트 스트립 간의 더욱 견고한 일체화가 이루어지는 장점이 있다. 이 때, 부착력이 더 큰 3D 시멘트계 적층재료(Mix A)로 이루어진 제1층(130)에 의해 볼록부(18)가 형성되도록 하는 것도 바람직하다. 도 13에는 도 12에 대응되는 종방향 단면도로서 볼록부 및 오목부를 가지는 3D 프린트 스트립에서 부착력이 더 큰 3D 시멘트계 적층재료로 볼록부(18)가 형성되어 있는 것을 보여주는 개략적인 종방향 단면도가 도시되어 있다. 물론 3D 프린트 스트립에서 하면에 오목부가 형성되고 상면에 볼록부가 형성될 수도 있다.
위와 같이 3D 프린트 스트립(1)이 볼록부(18)와 오목부(19)를 가지는 종방향 단면형상으로 토출되도록 하기 위해서 3D 프린팅 노즐(100)의 배출단부 자체를 성형할 수도 있지만, 3D 프린팅 노즐(100)의 배출구(11)에 단면차단부재를 설치하여 배출구(11)의 형상을 원하는 3D 프린트 스트립(1)의 단면 형상과 동일하게 만들 수도 있다. 이 때, 필요에 따라서는 3D 프린팅 노즐(100)이 주행하는 동안에 단면차단부재가 배출구를 가로막는 크기와 형상을 변화시킴으로써 프린팅 노즐(100)의 배출구 형상을 변화시켜서 3D 프린트 스트립(1)의 볼록부(18)와 오목부(19)를 프린트할 때의 상황에 맞는 형상을 가지게 만들 수 있다.
도 14 및 도 15에는 각각 본 발명의 제4실시예에 따라 가변형 단면차단부재를 설치하여 배출구의 형상이 가변되도록 구성된 3D 프린팅 노즐(100)을 바라보는 방향을 달리하여 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 도 16에는 본 발명의 제4실시예에 구비된 가변형 단면차단부재 중에서 오목부의 형상과 크기를 변화시키기 위해 구비된 제1 가변형 단면차단부재(21)를 상세히 보여주는 도 14의 원 K 부분의 개략적인 확대도가 도시되어 있고, 도 17에는 본 발명의 제4실시예에 구비된 가변형 단면차단부재 중에서 볼록부의 형상과 크기를 변화시키기 위해 구비된 제2 가변형 단면차단부재(22)를 상세히 보여주는 도 14의 원 M 부분의 개략적인 확대도가 도시되어 있다.
도 14 내지 도 17에 도시된 본 발명의 제4실시예에서 3D 프린팅 노즐(100)의 배출단부에는 배출구의 형상을 변화시킬 수 있는 가변형 단면차단부재가 구비되어 있다. 구체적으로 3D 프린팅 노즐(100)의 배출단부(10)에서, 배출구(11)의 상측에는 오목부의 형상과 크기를 변화시키기 위한 제1 가변형 단면차단부재(21)가 구비되어 있으며, 횡방향 양측에는 각각 볼록부의 형상과 크기를 변화시키기 위한 제2 가변형 단면차단부재(22)가 구비되어 있다. 그리고 3D 프린팅 노즐(100)에는 위층의 3D 프린트 스트립(1)을 적층해가면서 아래층에 위치하는 하층 3D 프린트 스트립(L)의 상면을 스캔하여 하층 3D 프린트 스트립(L)의 상면 형상을 판독하기 위한 스캐너(23)가 구비되어 있다. 도 15에 도시된 것처럼 스캐너(23)는 3D 프린팅 노즐(100)의 배출단부 하면에 구비될 수 있다.
위와 같은 구성의 3D 프린팅 노즐(100)의 경우, 배출단부(10)에서 오목부(19)의 형상으로 배출구(11)의 상부 일부를 가리도록 제1 가변형 단면차단부재(21)가 배출구(11)의 상부에 연직하향으로 돌출 구비되어 있으며, 볼록부(18)의 형상으로 배출구(11)의 횡측 일부를 각각 가리도록 제2 가변형 단면차단부재(22)가 배출구(11)의 횡측에서 각각 횡방향으로 돌출 구비되어 있다. 따라서 3D 프린팅 노즐(100)의 배출구(11)로 3D 시멘트계 적층재료가 토출될 때, 제1가변 단면차단부재(21)와 제2가변 단면차단부재(22)에 의해 일부가 가려진 배출구(11)의 형상에 따라 볼록부(18)와 오목부(19)이 존재하는 종방향 단면형상으로 3D 프린팅 스트립이 배출되는데, 제1,2 가변형 단면차단부재(21, 22)의 돌출 위치 즉, 배출구를 가리는 정도가 달라짐으로써, 3D 프린팅 스트립에 형성된 볼록부(18)와 오목부(19)의 크기와 형상이 달라진다. 즉, 3D 프린팅 장치에 구비된 제어부로부터의 제어에 의해 제1,2 가변형 단면차단부재(21, 22)가 제어되어, 이를 통해서 형성되는 3D 프린팅 스트립에 형성된 볼록부(18)와 오목부(19)의 크기와 형상이 달라질 수 있는 것이다.
상기한 본 발명의 제4실시예에서 제1,2 가변형 단면차단부재(21, 22)는 도 16 및 도 17에 예시된 것처럼 각각 레일(27)과, 상기 레일(27)을 따라 슬라이딩될 수 있도록 설치되어 있는 차단판(28)과, 상기 차단판(28)을 움직이게 하는 모터와 같은 동력부재(29)를 포함하여 구성되어 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 동력부재(29)의 작동에 의해 차단판(28)이 레일(27)을 따라 움직이면서 배출구를 가리는 정도(면적과 형상)를 변화시키게 되고, 그에 따라 배출구 크기 및 형상을 변화시키게 되고, 3D 프린트 스트립에 형성되는 오목부와 볼록부의 형상과 크기가 달라진다.
3D 프린팅 장치에서는 3D 프린팅 노즐(100)이 종방향으로 이동하면서 3D 시멘트계 적층재료가 연속적으로 배출되어 새로운 상층의 3D 프린트 스트립(1)이 만들어지면서 하층 3D 프린트 스트립(L)에 적층된다. 앞서 언급한 것처럼, 아무리 제로 슬럼프를 가지는 3D 시멘트계 적층재료라고 하더라도, 시멘트계 재료의 특성상 경화되기까지는 상당 시간이 소요되고 그 과정에서 크리프(creep) 등이 발생할 수 있으며, 그에 따라 이미 형성되어 하층에 위치하는 3D 프린트 스트립의 경우, 크리프 등으로 인하여 애초의 형상 특히, 3D 프린팅 노즐(100)로부터의 배출 당시에 만들어졌던 상면의 오목부(19)의 크기와 형상이 유지되지 않을 수 있다. 이러한 상태에서 무작정 위층의 새로운 3D 프린트 스트립을 형성하여 적층할 경우, 위층의 새로운 3D 프린트 스트립의 하면에 형성된 볼록부와, 하층에 이미 형성되어 있던 3D 프린트 스트립의 상면에 존재하는 오목부가 서로 정확하게 맞물리지 않게 되며, 이는 결국 상,하층 3D 프린트 스트립 간의 불완전한 접합, 그리고 그에 따른 상,하층 3D 프린트 스트립 간의 불완전한 일체화 및 부실한 구조물 형성이라는 문제점을 야기하게 된다.
그렇지만 상기한 본 발명의 제4실시예에 의하면, 3D 프린팅 노즐(100)이 종방향으로 진행해가면서 스캐너(23)에 의하여 하층 3D 프린트 스트립(L)의 상면을 스캔하여 하층 3D 프린트 스트립(L)의 상면 형상을 판독함으로써, 하층 3D 프린트 스트립(L)의 상면 형상에서의 변화, 특히 오목부의 형상 변화에 대한 데이터를 취득하고, 이에 맞추어서 제1,2 가변형 단면차단부재(21, 22)에서 차단판(28)의 위치를 슬라이딩에 의해 가변시킴으로써, 3D 프린팅 노즐(100)의 주행과정에서 배출구(11) 형상을 변화시켜서 위층의 3D 프린트 스트립(1)의 볼록부가 형성된 하면 형상이, 하층 3D 프린트 스트립(L)의 상면 형상과 기계적으로 정확하게 맞물릴 수 있도록, 위층의 3D 프린트 스트립을 제작할 수 있는 것이다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 하층에 위치하는 3D 프린트 스트립(L)이, 크리프 등으로 인하여 3D 프린팅 노즐(100)로부터의 배출 당시에 만들어졌던 상면의 오목부(19)의 크기와 형상이 유지되지 못하더라도, 그 위쪽에 새로 형성되는 상층의 3D 프린트 스트립(l)은 하층 3D 프린트 스트립(L)의 상면과 정확하게 맞물리도록 제작될 수 있으며, 그에 따라 상,하층 3D 프린트 스트립 간에는 오목부-볼록부 간의 완전한 결합 및, 상,하면 간의 충분한 밀착에 의한 접합이 이루어지게 되고, 상,하층 3D 프린트 스트립 간의 충분한 일체화 및 견고한 구조물의 형성이 가능하게 된다.
비록 도면으로는 예시하지 않았지만, 배출구의 형상이 가변되도록 구성된 본 발명의 제4실시예에 따른 3D 프린팅 노즐(100)의 경우에도, 앞서 설명한 제2실시예와 마찬가지로 3D 프린팅 노즐(100)의 내부공간에 분리격벽(12)을 설치하여, 3D 프린트 스트립(1)의 종방향 단면이 위,아래로 서로 다른 부착력을 가지는 3D 시멘트계 적층재료로 이루어진 제1, 2층으로 이루어지게 할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 3D 프린팅 장치를 이용하여 3D 시멘트계 적층재료로 3D의 건설 구조물을 구축함에 있어서, 3D 프린팅 노즐로부터 배출되는 3D 프린트 스트립이 과도하게 큰 곡률로 꺾여서 발생하는 3D 시멘트계 적층재료의 균열 또는 단절의 문제점을 해소할 수 있게 되고, 요철 결합에 의한 상,하층 3D 프린트 스트립 간의 견고한 기계적인 맞물림 형성 및 접착력 증가를 통해서 더욱 상,하층 3D 프린트 스트립 간의 견고한 일체화를 이룰 수 있으며, 상,하층 3D 프린트 스트립의 적층 시간 간격 동안에 크리프 등과 같이 3D 시멘트계 적층재료 자체의 성질로 인하여 발생하는 하층 3D 프린트 스트립의 형상 변화에 맞추어서 상층 3D 프린트 스트립의 형상을 변화시키면서 적층을 수행할 수 있게 되므로, 설계에 부합되는 형태의 3D 건설 구조물을 정밀하게 구축할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
1: 3D 프린트 스트립
10: 배출단부
11: 배출구
100: 3D 프린팅 노즐

Claims (8)

  1. 3D 시멘트계 적층재료를 순차적으로 연직 적층하여 3차원의 건설구조물을 구축하기 위한 3D 프린팅 장치에 구비되는 3D 프린팅 노즐로서,
    3D 시멘트계 적층재료가 담겨져서 배출될 수 있는 내부공간을 가지고 있고;
    배출구가 형성되어 있는 배출단부를 가지고 있어서;
    배출구를 통해서 3D 시멘트계 적층재료가 종방향으로 사각형 단면을 가지는 3D 프린트 스트립으로 배출되어 순차적으로 적층되는데;
    상기 배출단부는 3D 프린팅 노즐이 진행하는 종방향으로 하향 경사를 가지고 있어서, 3D 프린트 스트립이 경사진 상태로 배출구로부터 배출되어 적층됨으로써, 3D 프린트 스트립이 배출되는 과정에서 구부러짐으로 인한 균열 손상이 발생하지 않게 되며;
    배출구는, 상면에는 오목부가 오목하게 형성되어 있고 하면에는 볼록부가 돌출형성되어 있는 종방향 단면형상으로 3D 프린트 스트립이 배출되게 만드는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    3D 시멘트계 적층재료가 담겨지는 내부공간이 분리격벽에 의해 아래층의 제1공간과 위층의 제2공간으로 분할되어 있으며;
    제1공간에는, 제2공간에 공급되는 3D 시멘트계 적층재료보다 부착력이 더 큰 3D 시멘트계 적층재료가 공급됨으로써;
    배출구를 통해서 3D 시멘트계 적층재료가 배출되어 3D 프린트 스트립이 만들어질 때, 3D 프린트 스트립의 종방향 단면은, 2종의 3D 시멘트계 적층재료가 위,아래로 제1층과 제2층의 2개 층을 이루고 있는 상태가 되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 노즐.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    3D 프린팅 노즐의 하면에는, 위층의 3D 프린트 스트립을 적층해가면서 아래층에 위치하는 3D 프린트 스트립의 상면을 스캔하여 하층 3D 프린트 스트립의 상면 형상을 판독하는 스캐너가 구비되어 있고;
    배출단부에는, 오목부의 형상으로 배출구의 상부 일부를 가리는 제1 가변형 단면차단부재와, 볼록부의 형상으로 배출구의 횡측 일부를 각각 가리는 제2 가변형 단면차단부재가 구비되어 있어서;
    배출구로부터 3D 시멘트계 적층재료가 토출될 때, 제1가변 단면차단부재와 제2가변 단면차단부재에 의해 일부가 가려진 배출구의 형상에 따라 볼록부와 오목부가 존재하는 종방향 단면형상으로 3D 프린팅 스트립이 배출되는데;
    제1 가변형 단면차단부재 및 제2 가변형 단면차단부재의 전부 또는 일부는, 배출구의 일부를 가리는 면적과 형상이 변화되는 구성을 가지고 있어서;
    3D 프린팅 노즐이 종방향으로 진행해가면서 스캐너에 의하여 하층 3D 프린트 스트립의 상면을 스캔하여 형상을 판독하고, 판독된 하층 3D 프린트 스트립의 상면 형상에서의 변화에 맞추어서 제1,2 가변형 단면차단부재가 배출구의 일부를 가리는 면적과 형상이 변화되어 상,하층의 3D 프린트 스트립이 상,하면이 기계적으로 일치하여 맞물리게 되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 노즐.
  5. 3D 프린팅용 적층재료를 3D 프린팅 노즐로 배출하면서 순차적으로 연직 적층하여 3차원의 건설구조물을 구축하는 3D 프린팅 장치로서,
    상기 3D 프린팅 노즐은,
    3D 시멘트계 적층재료가 담겨져서 배출될 수 있는 내부공간을 가지고 있고;
    배출구가 형성되어 있는 배출단부를 가지고 있어서;
    배출구를 통해서 3D 시멘트계 적층재료가 종방향으로 사각형 단면을 가지는 3D 프린트 스트립으로 배출되어 순차적으로 적층되는데;
    상기 배출단부는 3D 프린팅 노즐이 진행하는 종방향으로 하향 경사를 가지고 있어서, 3D 프린트 스트립은 경사진 상태로 배출구로부터 배출되어 적층됨으로써, 3D 프린트 스트립이 배출되는 과정에서 구부러짐으로 인한 균열 손상이 발생하지 않게 되며;
    배출구는, 상면에는 오목부가 오목하게 형성되어 있고 하면에는 볼록부가 돌출형성되어 있는 종방향 단면형상으로 3D 프린트 스트립이 배출되게 만드는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    3D 시멘트계 적층재료가 담겨지는 내부공간이 분리격벽에 의해 아래층의 제1공간과 위층의 제2공간으로 분할되어 있으며;
    제1공간에는, 제2공간에 공급되는 3D 시멘트계 적층재료보다 부착력이 더 큰 3D 시멘트계 적층재료가 공급됨으로써;
    배출구를 통해서 3D 시멘트계 적층재료가 배출되어 3D 프린트 스트립이 만들어질 때, 3D 프린트 스트립의 종방향 단면은, 2종의 3D 시멘트계 적층재료가 위,아래로 제1층과 제2층의 2개 층을 이루고 있는 상태가 되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    3D 프린팅 노즐의 하면에는, 위층의 3D 프린트 스트립을 적층해가면서 아래층에 위치하는 3D 프린트 스트립의 상면을 스캔하여 하층 3D 프린트 스트립의 상면 형상을 판독하는 스캐너가 구비되어 있고;
    배출단부에는, 오목부의 형상으로 배출구의 상부 일부를 가리는 제1 가변형 단면차단부재와, 볼록부의 형상으로 배출구의 횡측 일부를 각각 가리는 제2 가변형 단면차단부재가 구비되어 있어서;
    배출구로 3D 시멘트계 적층재료가 토출될 때, 제1가변 단면차단부재와 제2가변 단면차단부재에 의해 일부가 가려진 배출구의 형상에 따라 볼록부와 오목부가 존재하는 종방향 단면형상으로 3D 프린팅 스트립이 배출되는데;
    제1 가변형 단면차단부재 및 제2 가변형 단면차단부재의 전부 또는 일부는, 배출구의 일부를 가리는 면적과 형상이 변화되는 구성을 가지고 있어서;
    3D 프린팅 노즐이 종방향으로 진행해가면서 스캐너에 의하여 하층 3D 프린트 스트립의 상면을 스캔하여 형상을 판독함으로써, 판독된 하층 3D 프린트 스트립의 상면 형상에서의 변화에 맞추어서 제1,2 가변형 단면차단부재가 배출구의 일부를 가리는 면적과 형상이 변화되어 상,하층의 3D 프린트 스트립이 상,하면이 기계적으로 일치하여 맞물리게 되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 장치.
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