KR102020359B1 - 모듈형 압력 제어 스마트노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모듈형 압력 제어 스마트노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3D 프린터에 모듈 형태로 탈부착 가능하되, 선형 소재와 펠릿형 소재를 융합하여 압출할 때, 기 설정된 비율로 혼합될 수 있도록 압력에 따라 펠릿형 소재의 압출속도를 제어하기 위한 모듈형 압력 제어 스마트노즐에 관한 것이다.
또한, 3D 프린터에 모듈 형태로 탈부착 가능하되, 압출 압력에 따라 압출 속도를 제어할 수 있도록 구성된 모듈형 압력 제어 스마트노즐에 있어서, 펠릿형 재료가 공급되는 압출 실린더와 상기 압출 실린더의 중앙에 길이방향으로 배치되어 선형 재료가 공급되는 중공 형태의 필라멘트 공급로와 상기 필라멘트 공급로의 외주면에 회전 가능하게 결합되어 압출 실린더 내의 펠릿형 재료를 압출하기 위한 스크류와 상기 압출 실린더의 외주면에 배치되는 복수 개의 히터와 상기 히터에 의해 용융된 펠릿형 소재의 중심에 선형 소재가 배치되도록 압출하는 노즐선단과 용융된 펠릿형 소재가 노즐선단을 통해 압출되기전의 압력 변화를 측정하기 위한 압력센서와 상기 압력센서를 통해 측정된 압력에 따라 상기 스크류의 회전 속도를 조절하여 회전시킴으로써 압출속도를 제어하기 위한 스크류 제어모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모듈형 압력 제어 스마트노즐{modular pressure control smart nozzle}

본 발명은 모듈형 압력 제어 스마트노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3D 프린터에 모듈 형태로 탈부착 가능하되, 선형 소재와 펠릿형 소재를 융합하여 압출할 때, 기 설정된 비율로 혼합될 수 있도록 압력에 따라 펠릿형 소재의 압출속도를 제어하기 위한 모듈형 압력 제어 스마트노즐에 관한 것이다.

일반적으로 2차원 또는 3차원 형태로 제품을 제조하기 위해서는 절삭 가공 또는 사출 성형 등의 방법이 사용되고 있으며, 고가의 금형 제조비로 인해 소량 생산의 경우 대부분 절삭가공에 의존하고 있다.

반면, 공구를 이용하여 가공하는 절삭가공의 한계로 인해 제조하기 어려운 형태의 제품들이 존재하였으며, 복잡한 제품을 보다 쉽고 빠르게 제조하기 위한 필요성에 의해 입력된 3D 모델링 데이터를 바탕으로 제품을 적층하여 제조하는 3D 프린터가 개발되었다.

그중 선형 소재인 필라멘트를 용융시켜 적층하는 FDM방식의 3D 프린터에 대해 여러 컬러 또는 소재의 필라멘트를 혼합 방사하기 위한 한국등록특허 제10-1451794호 "복합 3D 프린터 및 그 제어방법"과 같은 기술이 개발되어 복합소재 또는 다양한 컬러의 구현이 가능하게 되었다.

하지만, 복수 개의 필라멘트를 단순히 하나로 혼합하는 형태로만 구성됨에 따라, 각각 물성이 다른 선형 소재를 통해 효과적으로 구조체를 형성하기에는 어려운 문제점이 있었다.

또한, 종래의 3D 프린터는 노즐이 각 3D 프린터에 고정된 형태로써, 특성이 다른 노즐이 필요하더라도 새로운 3D 프린터 전체를 구입하거나, 노즐 전체를 분해한 후 교체를 실시해야 했으나, 고가의 비용이 소요되고, 분해 후 교체시 정렬이 틀어지는 문제점이 있었다.

한국등록특허 제10-1451794호 "복합 3D 프린터 및 그 제어방법"

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 소재의 특성이 다른 펠릿형 소재와 선형 소재를 일정한 형태로 압출하여 물리적 특성을 강화시키기 위한 모듈형 압력 제어 스마트노즐을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 선형 소재와 펠릿형 소재의 혼합비율을 정밀하게 제어하기 위한 모듈형 압력 제어 스마트노즐을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 모듈형 압력 제어 스마트노즐은 3D 프린터에 모듈 형태로 탈부착 가능하되, 압출 압력에 따라 압출 속도를 제어할 수 있도록 구성된 모듈형 압력 제어 스마트노즐에 있어서, 펠릿형 재료가 공급되는 압출 실린더와 상기 압출 실린더의 중앙에 길이방향으로 배치되어 선형 재료가 공급되는 중공 형태의 필라멘트 공급로와 상기 필라멘트 공급로의 외주면에 회전 가능하게 결합되어 압출 실린더 내의 펠릿형 재료를 압출하기 위한 스크류와 상기 압출 실린더의 외주면에 배치되는 복수 개의 히터와 상기 히터에 의해 용융된 펠릿형 소재의 중심에 선형 소재가 배치되도록 압출하는 노즐선단과 용융된 펠릿형 소재가 노즐선단을 통해 압출되기전의 압력 변화를 측정하기 위한 압력센서와 상기 압력센서를 통해 측정된 압력에 따라 상기 스크류의 회전 속도를 조절하여 회전시킴으로써 압출속도를 제어하기 위한 스크류 제어모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 용융된 펠릿형 소재가 노즐선단을 통해 압출되기전의 온도 변화를 측정하기 위한 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스크류는 상기 스크류 제어모터에 의해 회전력을 전달받는 중공 형태의 회전축과 상기 회전축의 하단 외주면에 형성된 제1 스크류와 상기 회전축의 상단 외주면에 회전 가능하게 배치되는 제2 스크류와 상기 제1 스크류와 제2 스크류 사이에 배치되되, 일단은 제1스크류에 탄성 지지되고, 타단은 제2 스크류에 탄성 지지되어 제2 스크류로 회전력을 전달하기 위한 탄성체로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 필라멘트 공급로는 상기 스크류의 회전에 의해 회전되지 않도록 상기 압출 실린더에 고정 지지되며, 상기 스크류에 의해 압출되는 펠릿형 소재가 상기 필라멘트 공급로를 통해 압출되는 선형 소재의 외주면에 밀착되어 배출되도록 상기 필라멘트 공급로의 하단에는 상기 스크류의 단부에서 연장되는 원뿔 형태의 정렬부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 모듈형 압력 제어 스마트노즐에 의하면, 소재의 특성이 다른 펠릿형 소재의 중심에 선형 소재를 배치하여 물리적 특성을 강화시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 모듈형 압력 제어 스마트노즐에 의하면, 선형 소재와 펠릿형 소재를 융합하여 압출할 때, 압력에 따라 펠릿형 소재의 압출속도를 제어하여 기 설정된 비율로 혼합시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 모듈형 압력 제어 스마트노즐을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 모듈형 압력 제어 스마트노즐의 다른 실시예를 도시한 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 모듈형 압력 제어 스마트노즐을 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명에 따른 모듈형 압력 제어 스마트노즐의 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 1은 본 발명에 따른 모듈형 압력 제어 스마트노즐을 도시한 것이며, 본 발명에 따른 모듈형 압력 제어 스마트노즐은 3D 프린터에 모듈 형태로 탈부착 가능하되, 압출 압력에 따라 압출 속도를 제어할 수 있도록 구성된 모듈형 압력 제어 스마트노즐에 있어서, 펠릿형 재료(100)가 공급되는 압출 실린더(1)와 상기 압출 실린더(1)의 중앙에 길이방향으로 배치되어 선형재료 공급장치(101b)에 의해 필라멘트와 같은 선형 재료(101)가 공급되는 중공 형태의 필라멘트 공급로(2)와 상기 필라멘트 공급로(2)의 외주면에 회전 가능하게 결합되어 압출 실린더(1) 내로 공급된 펠릿형 재료(100)를 압출하기 위한 스크류(3)와 상기 압출 실린더(1)의 외주면 또는 내부에 배치되는 복수 개의 히터(4)와 상기 히터(4)에 의해 용융된 펠릿형 소재(100)의 중심에 선형 소재(101)가 배치되도록 압출하는 노즐선단(5)과 용융된 펠릿형 소재(100a)가 노즐선단(5)을 통해 압출되기전의 압력 변화를 측정하기 위한 압력센서(6)와 상기 압력센서(6)를 통해 측정된 압력에 따라 상기 스크류(3)의 회전 속도를 조절하여 회전시킴으로써 압출속도를 제어하기 위한 스크류 제어모터(7)를 포함하여 구성된다.

보다 상세하게는, 본 발명에 따른 모듈형 압력 제어 스마트노즐의 탈부착은 나사, 볼트 및 너트, 클램프에 의한 결합 등 다양한 체결 방법에 의해 실시될 수 있으며, 상기 노즐선단(5)에 의해 용융된 펠릿형 소재(100a)가 압출될 때, 필라멘트 공급로(2)를 통해 공급되어 용융된 선형 소재(101a)가 압출되는 펠릿형 소재(100a)의 중심에 코어 형태로 위치하여 압출될 수 있도록 상기 필라멘트 공급로(2)의 단부는 노즐선단(5)의 중심에 위치하되, 압출하고자 하는 펠릿형 소재(100a)의 두께만큼 이격되어 배치됨이 바람직하다.

또한, 상기 압력센서(6)를 통해 측정된 압력변화에 따라 상기 스크류 제어모터(7)의 회전속도를 보다 정밀하게 제어하기 위한 제어부(7a)를 더 포함하여 구성됨이 바람직하며, 상기 제어부(7a)는 3D 프린터와 통신 가능하게 구성되어 3D 프린터로부터 전달받은 압출속도 데이터와 압력센서(6)를 통해 측정된 압력변화를 바탕으로 스크류 제어모터(7)의 회전속도를 정밀하게 제어하게 된다.

즉, 3D 프린터로부터 전달받은 압축속도 데이터에 맞춰 압출압력 및 압출속도를 제어하는 스마트한 환경을 제시할 수 있는 효과를 가진다.

또한, 용융된 펠릿형 소재(100a)가 노즐선단(5)을 통해 압출되기전의 온도 변화를 측정하기 위한 온도센서(8)를 더 포함하도록 구성될 수도 있으며, 상기 온도센서(8)를 통해 측정된 온도변화를 바탕으로 상기 제어부(7a)가 히터(4)의 온도를 제어하거나, 스크류 제어모터(7)의 회전을 제어하게 된다.

상기 스크류 제어모터(7)는 직접적으로 상기 스크류(3)를 회전시키도록 구성되거나, 피니언기어 또는 폴리 및 벨트와 같은 동력전달부재를 통해 스크류(3)를 회전시키도록 구성될 수도 있다.

또, 온도센서(8)를 통해 측정된 온도에 따라, 3D 프린터에 압출가능 속도에 대한 데이터 및 제어명령을 전달하도록 구성될 수 있다.

예를 들면, 온도센서(8)를 통해 측정된 온도가 기 설정된 온도 범위보다 낮을 경우, 히터(4)의 온도를 상승시키면서, 스크류 제어모터(7)의 회전속도를 낮추어 펠릿형 소재(100)가 압출 실린더(1) 내에서 체류하는 시간을 증가시켜 용융을 촉진시킴과 동시에 제어부(7a)가 3D 프린터에 압출 가능한 속도를 제공함으로써, 본 발명에 따른 모듈형 압력 제어 스마트노즐의 이송 속도를 낮추게 하거나, 직접적으로 이송 속도를 낮추기 위한 제어명령을 제공할 수도 있다.

또한, 상기 필라멘트 공급로(2)는 상기 스크류(3)의 회전에 의해 회전되지 않도록 상기 압출 실린더(1)에 고정 지지됨이 바람직하다.

이는, 선형 소재(101)가 공급되는 상기 필라멘트 공급로(2)가 상기 스크류(3)와 일체형으로 구성되거나, 상기 스크류(3)의 회전에 의해 회전될 경우, 필라멘트 공급로(2)의 내부로 공급되는 선형 소재(101)까지 회전하여 선형 소재(101)가 꼬여 공급이 원활하게 수행되기 어려울 수 있기 때문이다.

또한, 상기 스크류(3)가 상기 노즐선단(5)으로부터 소정의 거리만큼 이격된 상태로 회전될 수 있도록 상기 필라멘트 공급로(2)의 하단부에는 상기 스크류(3)를 지지하기 위한 정렬부(21)를 포함하여 구성됨이 바람직하다.

특히, 상기 정렬부(21)는 상기 스크류(3)에 의해 압출되는 펠릿형 소재(100a)가 상기 필라멘트 공급로(2)를 통해 압출되는 선형 소재(101a)의 외주면에 밀착되어 배출되도록 상기 필라멘트 공급로(2)의 하단에 배치되어 상기 스크류(3)의 단부에서 단차가 형성되지 않도록 연장되는 원뿔 형태로 구성됨이 바람직하다.

또한, 상기 정렬부(21)는 상기 스크류(3)의 회전에 따른 가압에 의해 노즐선단(5)으로 압출되는 펠릿형 소재(100a)가 스크류(3)의 회전에 따른 영향으로 회전하며 압출되지 않도록 수직하게 복수 개의 골이 형성된 형태일 수도 있다.

즉, 상기 정렬부(21)의 외주면에는 복수 개의 골이 수직하게 형성되어 상기 정렬부(21)와 노즐선단(5) 사이로 압출되는 펠릿형 소재(100a)가 상기 정렬부(21)의 수직한 골을 따라 수직하게 하향으로 압출되어 스크류(3)의 회전에 따른 영향을 최소화할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 모듈형 압력 제어 스마트노즐의 다른 실시예를 도시한 것이며, 도 2의 (2-I)에 도시된 바와 같이, 상기 스크류(3)는 상기 스크류 제어모터(7)에 의해 회전력을 전달받는 중공 형태의 회전축(30)과 상기 회전축(30)의 하단 외주면에 형성된 제1 스크류(31)와 상기 회전축(30)의 상단 외주면에 회전 가능하게 배치되는 제2 스크류(32)와 상기 제1 스크류(31)와 제2 스크류(32) 사이에 배치되되, 일단은 제1스크류(31)에 탄성 지지되고, 타단은 제2 스크류(32)에 탄성 지지되어 상기 스크류 제어모터(7)로부터 전달받은 회전력을 제2 스크류(32)로 전달하기 위한 탄성체(33)로 구성될 수도 있다.

보다 상세하게는, 상기 스크류(3)는 스크류 제어모터(7)의 회전에 따라 정밀하게 회전되어야 하나, 압출 실린더(1) 내로 공급된 직후의 펠릿형 소재(100)는 미용융된 상태로 상기 스크류(3)의 회전에 큰 저항으로 작용되어 스크류(3)의 정밀한 회전에 영향을 줄 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 모듈형 압력 제어 스마트노즐은 상기 스크류(3)가 미용융 상태의 펠릿형 소재(100)를 가압하기 위한 제2 스크류(32)와 용융된 펠릿형 소재를 가압하기 위한 제1 스크류(31)로 상,하 분할됨으로써, 미용융 펠릿형 소재에 의한 저항이 일부 작용하더라도 용융된 펠릿형 소재의 압출에 영향이 없도록 구성되어 있다.

이는, 제1 스크류(31)가 회전축(30)을 통해 상기 스크류 제어모터(7)로부터 회전력을 전달받아 정밀하게 회전하되, 상기 제2 스크류(32)는 상기 제1 스크류(31)로부터 제1 스크류(31)와 제2 스크류(32) 사이에 배치된 복수 개의 탄성체(33)에 의해 회전력을 전달받되, 도 2의 (2-I)에 도시된 바와 같이 미용융된 펠릿형 소재(100)에 의한 저항이 제2 스크류(32)에 가해질 경우, 도 2의 (2-II)에 도시된 바와 같이 탄성체(33)가 수축하면서 저항을 상쇄시킴으로써, 제1 스크류(33)의 회전에 영향을 주지 않게 된다.

그 후, 미용융된 펠릿형 소재(100)가 용융되면서 제2 스크류(32)에 작용하던 저항이 축소할 경우, 탄성체(33)가 복원되면서 제2 스크류(33)를 회전시키게 된다.

이를 위해, 상기 제1 스크류(31)의 상면에는 탄성체(33)의 하단이 수용되어 탄성체(33)의 일단을 탄성 지지하기 위한 제1 지지홈(31a)이 형성되어 있으며, 상기 제2 스크류(32)의 하면에는 탄성체(33)의 상단이 수용되어 탄성체(33)의 타단을 탄성 지지하기 위한 제2 지지홈(32a)이 형성되어 있다.

이상과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.

1 : 압출 실린더
2 : 필라멘트 공급로
3 : 스크류
4 : 히터
5 : 노즐선단
6 : 압력센서
7 : 스크류 제어모터
8 : 온도센서
21 : 정렬부
30 : 회전축
31 : 제1 스크류
32 : 제2 스크류
33 : 탄성체

Claims (4)

1. 3D 프린터에 모듈 형태로 탈부착 가능하되, 압출 압력에 따라 압출 속도를 제어할 수 있도록 구성된 모듈형 압력 제어 스마트노즐에 있어서,
   펠릿형 재료가 공급되는 압출 실린더와;
   상기 압출 실린더의 중앙에 길이방향으로 배치되어 선형 재료가 공급되는 중공 형태의 필라멘트 공급로와;
   상기 필라멘트 공급로의 외주면에 회전 가능하게 결합되어 압출 실린더 내의 펠릿형 재료를 압출하기 위한 스크류와;
   상기 압출 실린더의 외주면에 배치되는 복수 개의 히터와;
   상기 히터에 의해 용융된 펠릿형 소재의 중심에 선형 소재가 배치되도록 압출하는 노즐선단과;
   용융된 펠릿형 소재가 노즐선단을 통해 압출되기전의 압력 변화를 측정하기 위한 압력센서와;
   상기 압력센서를 통해 측정된 압력에 따라 상기 스크류의 회전 속도를 조절하여 회전시킴으로써 압출속도를 제어하기 위한 스크류 제어모터를 포함하며,
   상기 스크류는
   상기 스크류 제어모터에 의해 회전력을 전달받는 중공 형태의 회전축과;
   상기 회전축의 하단 외주면에 형성된 제1 스크류와;
   상기 회전축의 상단 외주면에 회전 가능하게 배치되는 제2 스크류와;
   상기 제1 스크류와 제2 스크류 사이에 배치되되, 일단은 제1스크류에 탄성 지지되고, 타단은 제2 스크류에 탄성 지지되어 제2 스크류로 회전력을 전달하기 위한 탄성체로 구성되는 것을 특징으로 하는
   모듈형 압력 제어 스마트노즐.
   
2. 제 1항에 있어서,
   용융된 펠릿형 소재가 노즐선단을 통해 압출되기전의 온도 변화를 측정하기 위한 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
   모듈형 압력 제어 스마트노즐.
   
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 필라멘트 공급로는 상기 스크류의 회전에 의해 회전되지 않도록 상기 압출 실린더에 고정 지지되며,
   상기 스크류에 의해 압출되는 펠릿형 소재가 상기 필라멘트 공급로를 통해 압출되는 선형 소재의 외주면에 밀착되어 배출되도록 상기 필라멘트 공급로의 하단에는 상기 스크류의 단부에서 연장되는 원뿔 형태의 정렬부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는
   모듈형 압력 제어 스마트노즐.
   
   

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