KR102018537B1 - 3d 프린터 노즐 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 프린터의 프린트 헤드에서 토출되는 재료를 평탄한 판 형태의 베드(Bed)에 성형하기 위하여 조형물을 프린팅하기 전에 노즐의 상하 이동을 통해 접점의 이격 또는 접촉되는 상태를 측정 장치로 활용하여 프린트 헤드와 베드(Bed)가 X, Y 좌표에서 같은 거리를 유지함은 물론 X, Y 좌표에 해당하는 Z축 OFFSET으로 베드를 위아래(Z축방향)로 프린팅 전에 모터에 의해 조정하거나 또는 노즐의 이동시 베드를 조정한 후 프린팅을 할 수 있도록 한 3D 프린터 노즐 구조에 관한 것으로, 상기 노즐은 필라멘트가 공급되는 로드가 결합된 실린더의 상부에 접점으로 이루어진 접점부가 구성되어 프린터 헤드와 베드의 이격 및 접촉 상태를 감지하는 것을 특징으로 하며, 조형물을 프린팅하기 전에 미리 노즐을 이용하여 베드의 평탄도를 측정하여 미리 모터에 의해 베드의 평탄도를 형성한 후 프린팅을 진행하거나 또는 모터가 구성되지 않았을 시에 프린팅을 시작한 후에 노즐이 이동할 때마다 노즐의 X, Y 좌표에 해당하는 오프셋(OFFSET)만큼 베드를 위아래(Z축방향)로 이동시키면서 프린팅하므로 조형물을 성형의 성공률이 매우 높은 효과가 있다.

Description

3D 프린터 노즐 구조{3D Printer Nozzle Structure}

본 발명은 3D 프린터 노즐 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린터의 프린트 헤드에서 토출되는 재료를 평탄한 판 형태의 베드(Bed)에 성형하기 위하여 조형물을 프린팅하기 전에 노즐의 상하 이동을 통해 접점의 이격 또는 접촉되는 상태를 측정 장치로 활용하여 프린트 헤드와 베드(Bed)가 X, Y 좌표에서 같은 거리를 유지함은 물론 X, Y 좌표에 해당하는 Z축 OFFSET으로 베드를 위아래(Z축방향)로 프린팅 전에 모터에 의해 조정하거나 또는 노즐(100)의 이동시 베드를 조정한 후 프린팅을 할 수 있도록 한 3D 프린터 노즐 구조에 관한 것이다.

3D 구조물을 형성하는 기술에는 열 가소성 플라스틱류를 압출하여 적층하는 방식, 액체 상태의 '광경화성 수지'가 담긴 수조(Vat) 안에 레이저 빔을 투사하고 수조 안에 있는 조형물이 한 층(Layer) 씩 만들어질 때마다 수조가 층 두께만큼 하강하고 다시 레이저를 주사하여 입체 구조물을 형성하는 방식, 액체 상태의'광경화성 수지(빛을 받으면 경화되는 수지)'에 조형하고자 하는 모양의 빛을 투사하면서 수지를 층층이 굳혀 입체 구조물을 형성하는 방식, 잉크젯 프린터 원리를 이용하여 프린터 헤드의 노즐에서 액체 상태의 컬러 잉크와 경화물질(바인더)을 분말 원료에 압출하여 입체 구조물을 형성하는 방식 등 다양한 방식이 있다. 이 가운데 열 가소성 플라스틱류를 압출하여 적층하는 방식은 하나의 동일한 액화 원료(플라스틱, 왁스, 금속 등)를 지정(목표)된 범위에 적층시켜 입체 구조물을 완성 시킨다.

여기서, 3차원 프린터는 물체의 입체형상을 3차원 그래픽 설계 프로그램을 통해 분석하여 2차원 단면 형상 데이터 조합으로 생성한 후, 생성된 2차원 다면 형상 정보에 기초하여 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene),PLA(Poly Lactic Acid) 등과 같은 플라스틱 등의 원료물질을 압출하여 조형판에 순차적으로 적층하고, 이를 통하여 물체의 입체 조형물을 제조하게 된다.

이때 노즐과 조형판은 모든 X, Y 좌표에서 같은 거리를 유지해야 하는데, 실제의 조형판은 이상적인 평탄면이 아니므로 여러 X, Y 좌표에서의 노즐과 조형판 간 간격을 측정하고 Software적으로 offset을 적용하여 노즐과 Bed간 간격을 일정하게 유지되도록 한다.

노즐과 조형판 간의 간격을 측정하는 방법은 노즐에 스위치와 같은 별도의 측정장치를 이용하는 방법과 노즐 자체를 이용하는 방법이 있는데 별도의 장치를 이용하는 경우에는 노즐과 별도 측정장치 간의 거리를 모든 제품에 일정하게 유지해야 하므로 양산 적용에 어려움이 있다.

그러나 노즐 자체를 이용하여 측정하는 경우에도 그 방법에 따라 장단점이 존재하는데 먼저, 노즐과 조형판을 전극으로 활용하여 노즐이 Bed에 닿았을 때 전기적으로 감지하도록 하는 경우 측정 정확도가 매우 우수하고 오차가 적지만, 재료 탄화 등 쉽게 오염될 수 있는 노즐과 Bed의 표면 상태에 따라 전기 저항이 달라져 정확한 측정에 실패할 수 있다. 또한, 조형판의 소재로 절연물을 사용할 수 없다는 제약도 존재한다.

또한, 노즐에 스프링 구조를 채택하여 노즐의 상하 운동이 가능하도록 하고 Bed를 상승시켜 조형판이 노즐을 밀어올리면 노즐의 상하 이동량을 측정하여 Bed와 닿았음을 감지하도록 할 수 있다.

이 경우에는 일반적인 환경 조건에서는 항상 일정한 측정값을 얻을 수 있지만, 수백 도의 고온으로 노즐을 가열하고 수십 도의 장치 내부 온도 변화가 있는 3차원 프린터에서 반도체 방식의 센서의 측정값은 항상 일정하지 않아 그 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 선행기술로 한국 공개특허공보 제2017-0015442호(2017년02월08일 공개) "압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터"는 조형물을 거치하는 작업 테이블; 3D 프린팅 재료를 적층하는 프린트 헤드; 상기 프린트 헤드를 5축 이상의 축 방향으로 구동하는 다축 구동수단을 포함하고, 상기 프린트 헤드는 회전동력을 발생하는 구동 모터; 3D 프린팅하기 위한 고형 재료를 공급하는 호퍼; 상기 호퍼가 일측에 설치된 압출실린더에 압출스크류가 내장되고, 상기 구동 모터의 구동에 의해서 상기 호퍼를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 압출하여 노즐부로 이송하는 압출이송부; 상기 3D 프린팅 재료를 용융하는 가열부; 및 교체가 가능한 토출노즐을 구비하여, 상기 가열부에서 용융된 3D 프린팅 재료를 필라멘트로 압출하면서 3D 조형물을 프린팅하는 노즐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터에 관한 것으로, 본 발명의 다축 3D 프린터에 의하면 별도의 필라멘트 제조장치를 이용하지 않고 분말, 비드, 펠렛 상의 재료를 이용해서 바로 3D 프린팅을 할 수 있고, 더 나아가 프린트 헤드와 작업 테이블을 5축 이상의 다축 방향으로 상대적으로 이동되도록 제어함으로써, 평면뿐만 아니라 곡면 및 빗면도 고정밀도로 매끄럽게 프린팅할 수 있는 이점을 수득할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

그러나 상기와 같이 프린트 헤드와 작업 테이블 간의 간격을 조정하기 위해 작업 테이블을 5축 이상으로 구성하여 평형을 맞추도록 하기 위한 구성이 매우 복잡한 것은 물론 제작비용 또한 많이 들어가는 문제점이 있다.

한국 공개특허공보 제2017-0015442호(2017년02월08일 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 3D 프린터의 프린트 헤드에서 토출되는 재료를 평탄한 판 형태의 베드(Bed)에 적층하여 프린팅을 할 수 있도록 프린팅 전에 노즐과 베드간 거리를 측정하고, 측정된 값을 기반으로 모든 X, Y 좌표에서의 오프셋(OFFSET) 정보를 계산하며, 계산한 정보를 토대로 베드에 틸트용 모터가 구비된 경우에는 오프셋(OFFSET)만큼 베드를 틀어서 미리 최대한 평탄하게 한 후에 프린팅을 하고, 베드에 틸트용 모터가 구비되지 않은 경우 노즐이 이동할 때마다 노즐의 X, Y 좌표에 해당하는 오프셋(OFFSET)만큼 베드를 위아래(Z축방향)로 이동시키면서 프린팅을 할 수 있도록 한 3D 프린팅 노즐 구조를 제공하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 출력 전 프린터 헤드와 베드 간 거리를 측정할 때 측정 정확도에 따라 이런 보정 알고리즘의 효과는 크게 차이를 보이게 되므로 측정시 정밀도를 향상시키고 내외부 환경에 영향을 받지 않을 수 있도록 한 3D 프린팅 노즐 구조를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로,

3D 프린터의 노즐에 있어서, 상기 노즐은 필라멘트가 공급되는 로드가 결합된 실린더의 상부에 고정접점과 가동접점으로 이루어진 접점부가 구성되어 프린트 헤드와 베드의 이격 및 접촉 상태를 감지하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 노즐 구조를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 접점부는, 고정접점과 가동접점을 포함하여 구성되되, 상기 고정접점은 실린더의 상부에 설치되고, 상기 가동접점은 가이드부재에 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 가동접점은, 로드 및 가이드부재의 이동에 따라 연동작용을 할 수 있도록 고정접점과 접촉 가능하게 접점고정체에 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 가이드부재의 이동에 의해 가동접점이 고정접점이 접촉되면 접촉에 의해 발생하는 신호를 통해 프린트 헤드와 베드의 이격 된 상태를 3D 프린터의 컨트롤러에서 감지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 가동접점은, 상기 로드에 결합된 가이드부재에 설치된 접점고정체에 결합되어 로드 및 가이드부재의 이동에 따라 연동작용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 발명의 노즐은, 3D 프린터를 이용하여 조형물을 프린팅하기 전에 미리 접점부를 통해 프린터 헤드와 베드 간의 간격을 측정하여 베드의 평탄도를 측정하고, 베드에 모터가 설치된 경우에는 베드의 평탄도를 형성한 후 프린팅을 진행하며, 베드에 모터가 구성되지 않았을 시에 프린팅을 시작한 후에 프린터 헤드가 이동할 때마다 X, Y 좌표에 해당하는 오프셋(OFFSET)만큼 베드를 위아래(Z축방향)로 이동시키면서 프린팅하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 노즐 구조를 제공한다.

본 발명은 출력 전 프린터 헤드와 베드 간 거리를 측정할 때 측정 정확도에 따라 이런 보정 알고리즘의 효과는 크게 차이를 보이게 되므로 측정시 정밀도를 향상시키고 내외부 환경에 영향을 받지 않는 효과가 있다.

본 발명의 3D 프린팅 노즐 구조 자체를 측정 장치로 활용하기 때문에 종래와 같이 별도의 스위치 부착에 의한 장치별 편차가 발생하지 않는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 3D 프린터를 이용하여 조형물을 프린팅하기 전에 미리 노즐을 이용하여 베드의 평탄도를 측정하여 미리 모터에 의해 베드의 평탄도를 형성한 후 프린팅을 진행하거나 또는 모터가 구성되지 않았을 시에 프린팅을 시작한 후에 노즐이 이동할 때마다 노즐의 X, Y 좌표에 해당하는 오프셋(OFFSET)만큼 베드를 위아래(Z축방향)로 이동시키면서 프린팅하므로 조형물을 성형의 성공률이 매우 높은 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전기 접점 방식의 접점부를 노즐에 내장하였기 때문에 오염에 의한 측정 실패 문제도 해결되는 효과가 있다.

본 발명은 노즐 자체가 측정장치가 되므로 여러 대의 프린터 간에도 편차가 발생하지 않아 양산 후 별도의 튜닝 작업이 필요하지 않은 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 3D 프린팅 노즐 구조를 나타낸 정면도.
도 2는 본 발명에 의한 3D 프린팅 노즐 구조의 구성을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 3D 프린팅 노즐 구조의 작동 상태를 나타낸 도면.

이하, 본 발명에 의한 본 발명은 3D 프린터 노즐 구조를 첨부된 도면을 통해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 3D 프린팅 노즐 구조를 나타낸 정면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 3D 프린팅 노즐 구조의 구성을 나타낸 단면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 3D 프린팅 노즐 구조의 작동 상태를 나타낸 도면이다.

도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명에 의한 3D 프린터 노즐 구조는 헤드블럭(110), 실린더(120), 하우징(130), 로드(140), 가이드부재(150), 덮개(160) 및 접점부(170)로 이루어지는 노즐(100)을 포함한다.

상기 헤드블럭(110)은 재료를 공급받는 부분으로 상부에서 하부로 관통되게 형성되며, 재료가 굳는 것을 방지하기 위하여 히터(111)가 설치된다.

상기 헤드블럭(110)은 공급되는 재료를 이용하여 조형물을 프린팅하기 위한 프린트 헤드(112)가 설치되고, 상기 프린트 헤드(112) 내측으로 재료가 공급되어 프린팅이 이루어진다.

상기 실린더(120)는 상부에서 하부로 관통되게 형성되어 하우징(130)의 내측에 위치되면서 끝단이 헤드블럭(110) 내측으로 인입되게 설치된다. 또한, 상기 실린더(120)는 프린트 헤드(112)가 베드(200)에 접촉되었을 시에 하우징(130)의 상부 쪽으로 이동될 수 있도록 설치된다.

상기 하우징(130)은 상부에서 하부로 관통되게 형성되에 헤드블럭(110)의 상부에서 일정거리가 떨어진 곳에 위치되어 실린더(120)가 내측에 결합되게 구성되며, 재료공급부(1)의 일측에 구성된다.

상기 로드(140)는 재료공급부(1)를 통해 유입되는 재료를 프린트 헤드(112)로 공급할 수 있도록 상부에서 하부로 관통되게 이루어져 실린더(120) 내측에 설치된다.

상기 가이드부재(150)는 로드(140)의 상부에 설치되어 재료공급부(1)에서 공급되는 재료가 로드(140)의 내측으로 용이하게 공급되도록 한다. 또한, 상기 가이드부재(150)는 입구에서 내측 방향으로 일정한 각도로 경사면(151)이 형성되어 재료의 유입이 용이하도록 한다.

상기 덮개(160)는 하우징(130)의 상부에 설치되어 접점부(170)가 설치되는 공간이 폐쇄되도록 하여 먼지, 습기 등이 유입되지 못하도록 한다.

상기 접점부(170)는 고정접점(171), 가동접점(172) 및 접점고정체(173)로 이루어져 하우징(130)과 덮개(160)에 의해 형성된 폐쇄공간 내에 설치된다.

상기 고정접점(171)은 실린더(120)에 볼트의 의해 고정되어 가동접점(172)과 연동작용에 의해 베드(200)와 프린트 헤드(112)의 이격 된 상태(떨어진 상태) 또는 밀착된 상태를 감지할 수 있도록 한다.

상기 가동접점(172)은 실린더(120) 및 로드(140)의 이동에 의해 가동접점(172)과 접촉되면, 베드(200)와 프린트 헤드(112)가 이격 된 상태인 것으로 감지한다. 그리고 고정접점(171)과 가동접점(172)과 이격되면, 베드(200)와 프린트 헤드(112)가 접촉된 상태를 감지할 수 있도록 한다.

상기 접점고정체(173)는 볼트에 의해 실린더(120) 상부에 고정된다. 또한, 접점고정체(173)에는 가동접점(172)이 설치되고, 상기 가동접점(172)은 고정접점(171)에 대응되는 위치된다.

상기 고정접점(171)과 가동접점(172)의 쇼트에 의해 발생하는 시그널은 3D 프린터에 설치된 컨트롤러(미도시)로 인가되고, 상기 인가된 시그널에 의해 컨트롤러는 프린트 헤드(112)와 베드(200)에서 이격 된 것으로 판단할 수 있다.

또한, 상기와 같이 고정접점(171)과 가동접점(172)의 쇼트가 발생하지 않으면 3D 프린터에 설치된 컨트롤러에서는 프린트 헤드(112)와 베드(200)가 밀착된 상태인 것으로 판단할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 3D 프린터 노즐 구조의 작용을 설명한다.

3D 프린터의 필라멘트공급장치를 통해 공급되는 재료는 재료공급부(1)에 의해 가이드부재(150), 로드(140) 및 프린트 헤드(112)로 공급되며, 이때 재료는 히터(111)에 의해 재료가 굳는 것이 방지된다.

상기와 같은 경로를 통해 공급되는 재료는 프린트 헤드(112)에서 분사되어 X, Y 좌표에 따른 데이터에 의해 이동하면서 조형물을 프린팅한다.

이때 프린트 헤드(112)는 베드(200)에서 모든 X, Y 좌표에서 같은 일정한 거리를 유지해야 하는데, 실제로 베드(200)는 이상적인 평탄면으로 이루어지지 않았기 때문에 여러 X, Y 좌표에서의 프린트 헤드(112)와 베드(200)가 일정한 간격을 유지하지 못하는 현상이 발생한다.

상기와 같이 일정한 간격을 유지하지 못하는 현상을 방지하기 위하여 출력전에 측정한 X, Y 좌표에 대한 데이터를 이용하여 프린터 헤드(112)와 베드(200) 간의 간격을 측정한 데이터를 이용하여 프린터 헤드(112)가 위치하는 곳의 좌표에 해당하는 Z축 오프셋으로 반영하여 구동축이 틀어짐이나 베드(200)의 굴곡으로 인한 프린터 헤드(112)와 베드(200) 간의 간격변화를 최소화시키면서 프린팅이 이루어지도록 한다.

그러므로 프린터 헤드(112)가 베드(200)에 충돌하는 사고를 미연에 방지할 수 있고 해당 레이어에서 출력물의 두께가 달라져 조형물의 품질이 저하되는 문제점을 해결할 수 있는 이점이 있다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명의 3D 프린터 노즐 구조 자체를 측정 장치로 활용하기 때문에 출력 전 프린터 헤드(112)와 베드(200) 간 거리를 측정할 때 측정 정확도에 따라 이런 보정 알고리즘의 효과는 크게 차이를 보이게 되므로 측정시 정밀도를 향상시키고 내외부 환경에 영향을 받지 않는 이점이 있다.

종래와 같이 별도의 스위치 부착에 의한 장치별 편차가 발생하지 않는 것은 물론 프린트 헤드(112)와 연결된 로드(140) 및 가이드부재(150)의 상하 이동만을 감지하기 때문에 베드(200)의 소재 구분없이 사용 가능하다는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 접점부(170)를 폐쇄된 공간에 내장하였기 때문에 먼지, 습기 등에 의한 오염 때문에 측정 실패의 문제가 발생하지 않는 이점도 있다.

본 발명의 3D 프린터 노즐 구조 자체가 측정장치되므로 여러 대의 프린터 간에도 편차가 발생하지 않아 양산 후 별도의 튜닝 작업이 필요하지 않은 장점도 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 몇 가지 실시 예들과 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주하여야 할 것이다.

1: 재료공급부 100: 노즐
110: 헤드블럭 111: 히터
112: 프린트 헤드 120: 실린더
130: 하우징 140: 로드
150: 가이드부재 151: 경사면
160: 덮개 170: 접점부
171: 고정접점 172: 가동접점
173: 접점고정체 200: 베드

Claims (5)

1. 3D 프린터의 노즐에 있어서,
   상기 노즐(100)은,
   상부에서 하부로 관통되게 형성되며, 재료가 굳는 것을 방지하기 위하여 히터(111)와 재료를 이용하여 조형물을 프린팅하기 위한 프린트 헤드(112)가 설치되는 헤드블럭(110)과;
   프린트 헤드(112)가 베드(200)에 접촉되었을 시에 하우징(130)의 상부 쪽으로 이동될 수 있도록 상부에서 하부로 관통되게 형성되어 하우징(130)의 내측에 위치되면서 끝단이 헤드블럭(110) 내측으로 인입되게 설치되는 실린더(120)와;
   헤드블럭(110)의 상부에서 일정거리가 떨어진 곳에 위치되어 실린더(120)가 내측에 결합되게 구성되며, 상부에서 하부로 관통되게 형성되어 재료공급부(1)의 일측에 구성되는 하우징(130)과;
   재료공급부(1)를 통해 유입되는 재료를 프린트 헤드(112)로 공급할 수 있도록 상부에서 하부로 관통되게 이루어져 실린더(120) 내측에 설치되는 로드(140)와;
   로드(140)의 상부에 설치되어 재료공급부(1)에서 공급되는 재료가 로드(140)의 내측으로 용이하게 공급되도록 입구에서 내측 방향으로 일정한 각도로 경사면(151)이 형성되는 가이드부재(150)와;
   접점부(170)가 설치되는 공간이 폐쇄되도록 하여 먼지, 습기 등이 유입되지 못하도록 하우징(130)의 상부에 설치되는 덮개(160);로 이루어져
   필라멘트가 공급되는 로드가 결합된 실린더(120)의 상부에 접점으로 이루어진 접점부(170)가 구성되어 프린터 헤드(112)와 베드(200)의 이격 및 접촉 상태를 감지하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 노즐 구조.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 접점부(170)는,
   고정접점(171)과 가동접점(172)을 포함하여 구성되되,
   상기 고정접점(171)은 실린더(120)의 상부에 설치되고,
   상기 가동접점(172)은 가이드부재(150)에 설치되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 노즐 구조.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 가동접점(172)은,
   로드(140) 및 가이드부재(150)의 이동에 따라 연동작용을 할 수 있도록 고정접점(171)과 접촉 가능하게 접점고정체(173)에 결합되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 노즐 구조.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 가이드부재(150)의 이동에 의해 가동접점(172)이 고정접점(171)이 접촉되면 접촉에 의해 발생하는 신호를 통해 프린터 헤드(112)와 베드(200)의 이격 된 상태를 3D 프린터의 컨트롤러에서 감지하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 노즐 구조.
   
5. 삭제

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