KR101968566B1 - 다각도 복합재 3d 프린터 노즐 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다각도 복합재 3D 프린터 노즐에 관한 것으로서, 일방향을 따라 연장되는 지지부; 지지부에 결합되어 이동 및 다축방향으로 방향전환하는 다각도 모듈; 및 다각도 모듈에 결합되며, 다각도 모듈의 방향전환에 따라 분사각도를 조절하는 혼합토출 노즐부;를 포함하며, 혼합토출 노즐부는 상측에 섬유재가 유입되는 유입홀이 형성되고 타측에 토출홀이 형성된 하우징; 하우징의 상단 양 측면에 각각 결합되어 하우징 내측으로 합성수지와 결합제를 공급하는 제1 공급관 및 제2 공급관; 및 하우징 내부에 배치되어 제1 공급관 및 제2 공급관을 통해 공급되는 합성수지와 결합제를 혼합하는 혼합수지를 형성하는 혼합부;를 구비한다.
본 발명에 의하면, 합성수지와 결합제를 스크류를 통하여 자동으로 중합 혼합하여 혼합수지를 형성하며, 다양한 형상에서 하중의 지지 방향을 고려하여 다각도로 노즐 방향을 조정하여 분사할 수 있어 보다 견고한 성형물을 형성할 수 있다.

Description

다각도 복합재 3D 프린터 노즐{3D Printer nozzle}
본 발명은 다각도 복합재 3D 프린터 노즐에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 합성수지와 결합제를 스크류를 통하여 자동으로 중합 혼합하여 혼합수지를 형성하며, 다양한 형상에서 하중의 지지 방향을 고려하여 다각도로 노즐 방향을 조정하여 분사할 수 있는 다각도 복합재 3D 프린터 노즐에 관한 것이다.
3D 프린터는 3차원 모델링의 데이터를 바탕으로 형상을 만드는 대표적인 기술로서 다양한 재료 및 제작 방법이 있다. 그중에서도 FDM(Fused Deposition Modeling)방식은 뜨거운 노즐을 통해 원료를 압출하는 방식을 말한다. 필라멘트 형태로 되어있는 재료를 재료 공급 장치에 의해 노즐로 전달하고, 전달된 재료는 실과 같은 형태로 얇게 녹여서 사출된다. 노즐에서 사출된 재료는 베드 위에 X, Y 평면으로 한층 씩 레이어를 쌓으며 Y축 방향으로 노즐의 위치를 올리거나 베드의 위치를 내려 다음의 층을 쌓는다. 이러한 과정을 반복적으로 수행하여 형상을 제작한다.
현재 가장 널리 쓰이는 3D 프린터의 주재료는 PLA(Polylactic acid), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 플라스틱이 주로 사용된다. 플라스틱이 주재료인 3D 프린터의 경우 실제 사용부품이나 하중을 받는 구조물에는 제한 적이다. 재료의 한계를 극복하기 위하여 필라멘트 형태의 재료에 탄소섬유가 함유된 소재가 개발되고 있다.
그러나 이러한 형태의 복합재료는 고강도의 조형물을 제작하기에는 제한적이다. 따라서 고강도의 구조물을 제작하기 위해서 연속적인 탄소 섬유를 이용한 복합재 3D 프린터가 개발되고 있다. 이러한 연속적인 탄소섬유를 재료로 하는 3D 프린터는 서로 다른 두 개의 노즐을 사용하며 각각의 노즐에는 탄소섬유 그리고 PLA, ABS같은 플라스틱 수지가 압출되어 조형물을 제작한다. 플라스틱 수지의 경우 구조물에 하중이 가해질 때 연속적인 탄소섬유와 결합력이 부족하여 탄소섬유가 하중을 받기 전에 플라스틱 수지와 파손이 발생한다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 다양한 재료를 이용한 3D 프린터 및 노즐이 개발이 요구되고 있다.
한편, DM 방식의 3D 프린터에서 주로 사용된는 플라스틱은 습기에 민감하고, 열 수축율이 높으며 내열성이 낮다는 단점이 있다. 습기를 머금게 된 플라스틱 재료로 3D 형상 제작 시 필라멘트가 녹는 과정에서 수증기를 발생시켜 조형물에 기공을 발생시키며 구조물의 강도를 저하시키며, 노즐이 막히는 문제를 발생시키기도 한다.
또한 열 수축에 의해 구조물에 변형이 생기거나 내부의 적층 패턴이 불균일하게 변형이 발생하기도 한다. 제작된 구조물도 습기에 취약하여 장시간 습도에 노출 되면 기계적인 강도가 저하되는 현상이 발생한다. FDM 방식의 제작 특성으로 인한 X, Y, Z 3차원을 기준으로 X, Y 방향으로 조형물에 결이 나타나게 되며 이는 제작 정밀도에 한계가 있음을 나타낸다. 특히 한층 씩 쌓아 만드는 적층 제조 방식의 특성으로 인해 Z 방향의 기계적인 강도가 X, Y 방향에 비해 저하되는 이방성을 나타내기도 한다.
연속적인 탄소 섬유에는 다양한 종류가 있으며, 섬유의 종류에 따라 함침이 잘 되는 최적의 배합된 열경화성 수지를 사용해야한다. 또한 구조물이 고강도를 얻기 위해서는 하중을 지지하는 방향에 따라 섬유의 배치 방향이 고려되어 제작되어야 한다.
(한국등록특허 제10-1760271호, 2017년 07월 24일)
본 발명의 목적은 보다 구체적으로는 합성수지와 결합제를 스크류를 통하여 자동으로 중합 혼합하여 혼합수지를 형성하며, 다양한 형상에서 하중의 지지 방향을 고려하여 다각도로 노즐 방향을 조정하여 분사할 수 있는 다각도 복합재 3D 프린터 노즐을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 일방향을 따라 연장되는 지지부; 지지부에 결합되어 이동 및 다축방향으로 방향전환하는 다각도 모듈; 및 다각도 모듈에 결합되며, 다각도 모듈의 방향전환에 따라 분사각도를 조절하는 혼합토출 노즐부;를 포함하며, 혼합토출 노즐부는 상측에 섬유재가 유입되는 유입홀이 형성되고 타측에 토출홀이 형성된 하우징; 하우징의 상단 양 측면에 각각 결합되어 하우징 내측으로 합성수지와 결합제를 공급하는 제1 공급관 및 제2 공급관; 및 하우징 내부에 배치되어 제1 공급관 및 제2 공급관을 통해 공급되는 합성수지와 결합제를 혼합하는 혼합수지를 형성하는 혼합부;를 구비한다.
본 실시예에 있어서, 혼합부는 섬유재의 이동방향을 따라 형성되는 혼합 스크류를 구비하여 합성수지와 결합제를 혼합할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 다각도 모듈은 일단이 지지부에 형성된 끼움홈에 결합되고 타단에 제1 힌지홀이 형성되어 일방향으로 직선이동하는 이동부; 및 일단에 제2 힌지홀을 구비하여 제1 힌지홀에 회동가능하도록 결합되며, 타단이 혼합토출 노즐부를 향하여 연장되며, 연장된 축방향을 중심으로 혼합토출 노즐부를 회전시키는 회전구동부를 구비하는 회전 모듈;을 구비할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 혼합토출 노즐부는 섬유재를 기설정된 장력을 유지하면서 하우징의 상단에 형성된 유입홀을 따라 내측으로 이동시키는 장력조절부;를 구비할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 하우징은 내부에 함침되는 혼합되는 혼합재의 온도를 일정한 온도로 유지시키는 온도코일을 구비할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 온도코일은 하우징의 축방향을 따라 나선방향으로 권취되어 하우징의 내측에 매립될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 하우징 내부의 온도, 섬유재의 장력, 합성수지와 결합제의 혼합 비율을 고려하여 혼합수지의 배출속도 및 혼합 스크류의 회전속도를 조정하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 다각도 복합재 3D 프린터 노즐은 합성수지와 결합제를 스크류를 통하여 자동으로 중합 혼합하여 혼합수지를 형성하며, 다양한 형상에서 하중의 지지 방향을 고려하여 다각도로 노즐 방향을 조정하여 분사할 수 있어 보다 견고한 성형물을 형성할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다각도 복합재 3D 프린터 노즐의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A 방향 단면도이다.
도 3은 도 1의 B-B 방향 단면도이다.
도 4는 도 1의 C방향 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다각도 복합재 3D 프린터 노즐의 혼합토출 노즐부가 회전한 상태를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, “~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다각도 복합재 3D 프린터 노즐의 사시도이며, 도 2는 도 1의 A-A 방향 단면도이고, 도 3은 도 1의 B-B 방향 단면도이고, 도 4는 도 1의 C방향 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 다각도 복합재 3D 프린터 노즐은 지지부(100), 다각도 모듈(200) 및 혼합토출 노즐부(300)를 포함하여 구성된다.
지지부(100)는 일방향을 따라 연장되며, 끼움홈(110)이 형성된다. 끼움홈(110)은 연장방향을 따라 다각도 모듈(200)의 이동을 안내하며 연장방향에 직각방향으로 분리되지 않도록 반장구형 형상으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서 지지부(100)는 단면이 대략 사각형 형상으로 형성되었지만, 반장구형으로 형성되는 끼움홈(110)을 통해 다각도 모듈(200)의 분리를 방지할 수 있는 형상이면, 다양한 단면형상으로 형성될 수 있다.
다각도 모듈(200)은 지지부(100)에 결합되어 이동 및 다축방향으로 방향전환하여 혼합토출 노즐부(300)의 토출각도를 조정하는 것으로서, 이동부(210) 및 회전구동부(220)를 포함하여 구성된다.
이동부(210)는 지지부(100)에 결합되어 일방향을 따라 이동하는 것으로서, 일단이 지지부(100)에 형성된 끼움홈(110)에 결합되는 끼움부(211)가 형성되고, 타단에 제1 힌지홀(212)이 형성된다.
끼임부(211)는 끼움홈(110)에 대응되는 반장구형상으로 형성되어 끼움홈(100)에 끼워진 상태에서 일방향을 따라 이동할 수 있다. 이때, 끼움부(211)는 끼움홈(110)과 끼움부(211)의 접촉에 대한 마찰을 줄일 수 있도록 내측으로 일방향을 따라 연속해서 복수의 홈(미도시)이 형성될 수 있다. 홈은 끼움홈(110)과 접촉면적을 감소시키고, 이를 통하여 이동부(210)가 일방향을 따라 이동할 때에 마찰력이 감소되어 보다 손쉽게 이동할 수 있게 된다. 또한, 이동부(210)는 지지부(100)의 끼움홈(110)을 따라 일방향으로 이동할 때에 모터(미도시) 구동을 통해 이동할 수 있다.
제1 힌지홀(212)은 회전 모듈(220)에서 일방향으로 연장된 제2 힌지홀(221)과 결합되어, 회전 모듈(220)의 일단이 연결된 축(C)을 중심으로 회동하도록 한다. 이때, 제1 힌지홀(212)은 제2 힌지홀(221)이 삽입되면서 결합될 수 있도록 삽입공간을 형성하면서 한 쌍으로 형성된다. 본 발명에서, 제1 힌지홀(212)은 한 쌍으로 형성되고, 제2 힌지홀(221)은 하나로 형성된 것으로 설명하였으나, 그 반대로 제1 힌지홀(212)이 하나로 형성되고, 제2 힌지홀(221)이 한 쌍으로 형성될 수 있다. 여기서, 제1 힌지홀(212)과 제2 힌지홀(221)은 구동모터(미도시)에 의해서 회전각도가 제어될 수 있다.
회전 모듈(220)은 일단에 구비된 제2 힌지홀(221)이 제1 힌지홀(212)에 회동가능하도록 결합되며, 타단이 혼합토출 노즐부(300)를 향하여 연장되어 결합된다. 이때, 연장된 회전 모듈(220)의 타단은 연장된 축방향을 중심(x축)으로 혼합토출 노즐부(300)를 회전시키는 회전모터를 구비한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 다각도 복합재 3D 프린터 노즐(10)은 지지부(100)에 대해서 일방향(y축)을 따라 직선이동하고, 지지부(100)에 연결된 이동부(210)가 지지부(100)의 연장방향(x축)을 중심으로 회전구동하고, 이동부(210)에 결합된 회전구동부(220)를 회전시킬 수 있어 후술하는 혼합토출 노즐부(300)의 분사각도를 다양하게 조절할 수 있는 특징이 발생하게 된다(도 5 참조).
혼합토출 노즐부(300)는 다각도 모듈(200)의 방향전환에 따라 분사각도를 조절하여 혼합수지와 섬유재(RF)를 함께 토출하여 3D 성형물을 성형하는 것으로서, 하우징(310), 제1 공급관(320), 제2 공급관(330), 토출노즐(340)을 포함하여 구성된다.
하우징(310)은 원통형상으로 형성되며 내부에 수납공간이 형성되고, 일측면에 섬유재(RF)가 유입되는 유입홀(311)이 형성되고 타측에 토출홀(312)이 형성된다. 하우징(310)의 종단은 토출방향을 따라 관경이 작아지는 테이퍼 형상으로 형성된다.
이때, 하우징(310)은 내부에 함침되는 혼합되는 혼합수지의 온도를 일정하게 유지시키는 온도코일(314)을 구비할 수 있다. 온도코일(314)은 하우징(300)의 축방향을 따라 나선방향으로 배치되어 하우징의 내측에 매립될 수 있다. 따라서, 온도코일(314)을 통해 하우징(310) 내부를 일정한 온도를 유지시킴으로써 합성수지와 결합제가 혼합되어 혼합수지를 형성할 때에 굳는 것을 방지할 수 있어, 3D 프린팅을 할 때에 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 온도코일(314)은 토출영역에는 반경방향을 향하여 2단으로 배치될 수 있다. 따라서, 토출영역에서 혼합수지가 토출되기 전에 혼합수지가 굳어지는 것을 방지함으로써 섬유재와 결합력을 최대로 증대시킬 수 있다.
이때, 하우징(310) 내부에는 하우징(310)의 내부 온도를 측정하는 온도센서(미도시)가 적어도 하나 이상 배치되며, 온도센서를 통해서 획득되는 온도 데이터를 통해서 온도코일(314)의 온도를 조정할 수 있다.
한편, 섬유재(RF)는 하우징(310)의 상측에 형성된 유입홀(311)을 따라 이동하게 된다. 이때, 하우징(310)의 상측에는 섬유재(RF)를 기설정된 장력을 유지하면서 하우징의 상단에 형성된 유입홀을 따라 내측으로 이동시키는 장력조절부(313)를 구비할 수 있다. 장력조절부(313)에서는 섬유재(RF)의 인장방향으로 센싱하고, 섬유재의 인장강도에 따라 섬유재(RF)의 공급속도와 장력을 조정하게 된다. 따라서 일정한 인장방향으로 제공되는 섬유재(RF)를 통하여 적층 제조 방법으로 시공되는 X,Y 평면에 대한 Z 축 방향의 축강성에 대한 강도를 증가시킬 수 있어 3D 프린터 제품의 Z 축 방향을 유지시킬 수 있다. 섬유재(RF)는 탄소섬유로 형성될 수 있으며, 탄소섬유에 미세한 표면처리를 통해서 후술하는 혼합수지과의 결합강도를 증대시킬 수 있다.
제1 공급관(320) 및 제2 공급관(330)은 각각 하우징(310)의 상단 양 측면에 각각 결합되어 하우징(100) 내측으로 합성수지와 결합제를 공급한다. 이때, 제1 공급관(320) 및 제2 공급관(330)은 각각 합성수지와 결합제가 공급될 때에 속도를 완화시킬 수 있도록 "ㄴ"자 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 합성수지와 결합제가 급격하게 공급되는 것을 방지함으로써 혼합부(330)에서 더욱 원활한 교반을 통한 혼합수지 형성을 제공할 수 있다.
혼합부(330)는 하우징(310) 내부에 배치되어 제1 공급관(320) 및 제2 공급관(330)을 통해 공급되는 합성수지와 결합제를 중합되도록 혼합하여 혼합수지를 형성한다. 이때, 혼합부(330)는 섬유재(RF)의 이동방향을 따라 형성되는 혼합 스크류로 형성되어 합성수지와 결합제를 혼합할 수 있다. 혼합 스크류의 외측면은 하우징(310)의 내주면과 기설정된 거리 이격되어 있기 때문에 공급되는 합성수지와 결합제를 혼합시키게 된다.
제어부(400)는 하우징(310) 내부의 온도, 섬유재(RF)의 장력, 합성수지와 결합제의 혼합 비율을 고려하여 혼합수지의 배출속도 및 혼합 스크류의 회전속도를 조정할 수 있다.
따라서, 제품을 형성할 때에 전체적인 공정조건을 고려한 상태에서 제품이 형성되므로써 제품의 품질을 일정하게 유지시킬 수 있게 된다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 지지부 110 : 끼움홈
200 : 다각도 모듈 210 : 이동부
211 : 끼움부 212 : 제1 힌지홀
220 : 회전구동부 221 : 제2 힌지홀
300 : 혼합토출 노즐부 310 : 하우징
311 : 유입홀 312 : 토출홀
313 : 장력조절부 320 : 제1 공급관
330 : 제2 공급관 340 : 토출노즐
400 : 제어부

Claims (7)

  1. 일방향을 따라 연장되는 지지부;
    상기 지지부에 결합되어 이동 및 다축방향으로 방향전환하는 다각도 모듈; 및
    상기 다각도 모듈에 결합되며, 상기 다각도 모듈의 방향전환에 따라 분사각도를 조절하는 혼합토출 노즐부;를 포함하며,
    상기 혼합토출 노즐부는,
    상측에 섬유재가 유입되는 유입홀이 형성되고 타측에 토출홀이 형성된 하우징;
    상기 하우징의 상단 양 측면에 각각 결합되어 상기 하우징 내측으로 합성수지와 결합제를 공급하는 제1 공급관 및 제2 공급관; 및
    상기 하우징 내부에 배치되어 상기 제1 공급관 및 제2 공급관을 통해 공급되는 상기 합성수지와 상기 결합제를 혼합하는 혼합수지를 형성하는 혼합부;를 구비하며,
    상기 다각도 모듈은,
    일단이 상기 지지부에 형성된 반장구 형상의 끼움홈에 결합되고 타단에 제1 힌지홀이 형성되며, 상기 반장구 형상의 끼움홈에 대응되는 반장구 형상의 끼움부가 형성되고, 상기 끼움부에 상기 끼움홈의 접촉에 대한 마찰력을 줄일 수 있도록 일방향을 따라 연속해서 복수의 홈이 형성되어 일방향으로 직선이동하는 이동부; 및
    일단에 제2 힌지홀을 구비하여 상기 제1 힌지홀에 회동가능하도록 결합되며, 타단이 상기 혼합토출 노즐부를 향하여 연장되며, 연장된 축방향을 중심으로 상기 혼합토출 노즐부를 회전시키는 회전구동부를 구비하는 회전 모듈;을 구비하며
    상기 하우징은 상기 내부에 함침되는 혼합되는 혼합재의 온도를 일정한 온도로 유지시키는 온도코일을 구비하고,
    상기 온도코일은 토출영역에서 반경방향을 향하여 2단으로 배치되어 토출영역에서 상기 혼합수지가 토출되기 전에 굳어지는 것을 방지하고,
    상기 제1 공급관 및 제2 공급관은,
    "ㄴ"자 형상으로 형성되어 상기 합성수지와 결합제가 공급될 때에 속도를 완화시켜 상기 합성수지와 결합제가 급격하게 공급되는 것을 방지하여 상기 혼합부에서 원활한 교반을 통해 상기 혼합수지가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 다각도 복합재 3D 프린터 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 혼합부는,
    상기 섬유재의 이동방향을 따라 형성되는 혼합 스크류를 구비하여 상기 합성수지와 상기 결합제를 혼합하는 것을 특징으로 하는 다각도 복합재 3D 프린터 노즐.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 혼합토출 노즐부는,
    상기 섬유재를 기설정된 장력을 유지하면서 상기 하우징의 상단에 형성된 상기 유입홀을 따라 내측으로 이동시키는 장력조절부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 다각도 복합재 3D 프린터 노즐.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 온도코일은,
    상기 하우징의 축방향을 따라 나선방향으로 권취되어 상기 하우징의 내측에 매립되는 것을 특징으로 하는 다각도 복합재 3D 프린터 노즐.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 내부의 온도, 상기 섬유재의 장력, 상기 합성수지와 상기 결합제의 혼합 비율을 고려하여 상기 혼합수지의 배출속도 및 혼합 스크류의 작동을 조정하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다각도 복합재 3D 프린터 노즐.

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