KR102036571B1

KR102036571B1 - 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기

Info

Publication number: KR102036571B1
Application number: KR1020180060962A
Authority: KR
Inventors: 김강수; 한상원; 이윤정; 최승호
Original assignee: 서울시립대학교 산학협력단; (주)콘어스
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2019-10-25

Abstract

본 발명은 길이 방향 철근이 있는 경우에도 정량 압출이 가능하고, 경화제를 경제성 있게 사용할 수 있으며, 출력물의 형태에 따른 대응이 가능할 뿐만 아니라 출력물의 면고르기를 동시에 수행할 수 있도록 한 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기를 제공한다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기는, 일정 길이에 걸쳐서 원통 단면을 이루고 출력물을 내부 챔버로 공급받는 압출기 본체와; 압출기 본체의 하단부에 나사 결합을 통해 탈부착 가능하게 설치되고 하부로 출력물 토출구를 갖는 노즐과; 압출기 본체의 내부 챔버에 위치되어 압출기 본체로 유입된 출력물을 외주면에 구비된 나선형 날개를 통해 가압하여 노즐을 통해 정량적으로 출력시키는 압출스크류와; 노즐에 설치되어 출력물 토출구로 출력되는 출력물의 출력량을 조절하는 출력량 조절수단;을 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기{Multi-functional extruder suitable for concrete rapid prototyping system}

본 발명은 3D 콘크리트 프린터 사용되는 다기능 압출기에 관한 것으로, 특히 길이 방향 철근이 있는 경우에도 정량 압출이 가능하고, 경화제를 경제성 있게 사용할 수 있으며, 출력물의 형태에 따른 대응이 가능할 뿐만 아니라 출력물의 면고르기를 동시에 수행할 수 있도록 한 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기에 관한 것이다.

일반적으로 콘크리트 부재는 거푸집 제작, 철근 배치, 콘크리트 타설 과정을 거쳐 제조된다. 이러한 제조방식에서는 거푸집이 요구되며, 이는 재료, 노동력의 소모 및 공사시간 증가의 원인이 되고 있다. 최근에는 거푸집을 사용하여 제조하기 어려운 비정형 건축물의 수요가 증가하는 추세에 있다.

이에 따라 거푸집을 사용하지 않고 콘크리트 부재를 제조할 수 있는 콘크리트 신속조형 기술 개발의 필요성이 증가하고 있고, 기존의 콘크리트 신속조형 시스템은 단일정량펌프로 콘크리트를 이송해 노즐 끝에서 출력하는 방식이다. 이 경우 정량적인 압출이 어렵고, 정량펌프와 일체화된 노즐을 사용하기 때문에 단편적인 출력만 가능한 단점을 갖는다.

본 발명의 배경이 되는 기술로서 선등록된 등록특허 제10-1854331호(콘크리트 인쇄용 3차원 프린터 헤드 및 콘크리트 인쇄용 3차원 프린터) 및 공개특허 공개번호 제10-2018-0012432호(3차원 콘크리트 프린터의 시멘트 몰타르 공급장치)에는 회전스크류가 프린트 헤드에 설치되어 있어 콘크리트 혼합물을 압출시키는 기술이 제시되어 있다. 그러나 이들 배경기술에는 배출구의 단면을 조절할 수 있는 수단이 없어 출력물의 정량 조절이 어렵다. 또한 하나의 배출구만 가지므로 길이방향 철근이 나란하게 다수게 놓여져 있는 경우 이 곳에 콘크리트를 출력하면 표면이 올록볼록한 굴곡을 갖기 때문에 평탄한 면을 얻기가 곤란하다.

등록특허 제10-1854331호 공개특허 공개번호 제10-2018-0012432호

본 발명은 길이 방향 철근이 있는 경우에도 정량 압출이 가능하고, 경화제를 경제성 있게 사용할 수 있으며, 출력물의 형태에 따른 대응이 가능할 뿐만 아니라 출력물의 면고르기를 동시에 수행할 수 있도록 한 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기는, 일정 길이에 걸쳐서 원통 단면을 이루고 출력물을 내부 챔버로 공급받는 압출기 본체와; 압출기 본체의 하단부에 나사 결합을 통해 탈부착 가능하게 설치되고 하부로 출력물 토출구를 갖는 노즐과; 압출기 본체의 내부 챔버에 위치되어 압출기 본체로 유입된 출력물을 외주면에 구비된 나선형 날개를 통해 가압하여 노즐을 통해 정량적으로 출력시키는 압출스크류와; 노즐에 설치되어 출력물 토출구로 출력되는 출력물의 출력량을 조절하는 출력량 조절수단;을 포함한 것을 특징으로 한다.

또한, 노즐은 원추형, 원통형, 사각통형 중 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 출력량 조절수단은 노즐에 하나 이상으로 설치되어 출력물 토출구를 복수개 이상으로 분할시키는 노즐 칸막이와; 노즐에 슬라이딩 이동가능하게 설치되어 분할된 각 출력물 토출구의 통로 단면 크기를 조절하여 출력물의 출력량을 제어하는 복수개 이상의 출력량 조절판;을 포함한 것을 특징으로 한다.

또한, 각 출력물 토출구로 출력물의 경화를 촉진하는 경화제의 주입을 위해 노즐에 경화제 주입구가 더 형성되어 경화제 투입량이 조절되는 것을 특징으로 한다.

또한, 노즐은 토출구를 복수개 이상으로 나란하게 분할시키는 복수개 이상의 노즐 칸막이를 갖고 접어졌다펼쳐지는 자바라구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 노즐에 출력물의 옆면을 평탄하게 정리하는 하나 이상의 가이드 팁이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 가이드 팁은 각도 조절할 수 있도록 노즐에 피봇축을 통해 결합되어 강제 회전조작되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기에 따르면, 압출스크류와 함께 출력량 조절판을 사용하여 정량적인 압출량의 조절이 가능하다.

또한, 노즐이 압출기 본체로부터 탈부착이 가능하므로 다양한 시공 상황에서 교체해 사용할 수 있고, 노즐 내부에 출력물 토출구를 분할시키는 노즐 칸막이가 설치되고, 각 출력물 토출구의 통로 단면 크기를 조절하는 출력량 조절판이 설치되어져 콘크리트의 신속 조형 시 부분적인 컨트롤이 가능하다.

또한, 각 출력물 토출구로 출력물의 경화를 촉진하는 경화제의 주입을 위해 노즐에 경화제 주입구가 더 형성되어져 필요에 따라 경화제 투입량과 투입여부를 조절할 수 있으며, 이를 통해 콘크리트 출력물이 붕괴되는 것을 방지하고, 경화제 사용의 경제성을 확보할 수 있다. 또한, 칸막이가 있는 노즐을 자바라 형식으로 구성되는 경우, 필요에 따라 칸막이의 개수와 너비를 정하여 사용할 수 있고, 노즐 끝에 가이드 팁을 부착하여 콘크리트 신속 조형시 출력물의 옆면을 고르게 정리할 수 있고, 출력 높이에 따라 가이드 팁의 높이를 조절하여 부착할 수 있고, 가이드 팁이 각도 조절할 수 있도록 노즐에 설치되는 경우 출력물의 형태가 곡선인지 직선인지에 따라 팁의 각도를 쉽게 조절하여 프린팅 할 수 있다.

더욱이 기존의 신속조형 콘크리트에서는 철근을 사용하는 것이 매우 어려웠으나, 본 발명에 따르면 길이방향 철근이 있는 경우에도 노즐 칸막이가 있는 노즐을 이용하여 정량적으로 콘크리트를 출력하여 적층할 수 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 형태에 따른 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기의 구성도.
도 2a는 본 발명의 다른 형태에 따른 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기의 구성도.
도 2b는 도 2a의 A-A선에서 본 다양한 단면도.
도 3a는 본 발명의 또 다른 형태에 따른 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기의 구성도.
도 3b는 도 3a에서 출력량 조절판을 통해 출력량을 조절하는 사시도.
도 4는 도 3a의 분해사시도.
도 5a는 도 3a의 B-B선 단면도.
도 5b는 도 3b의 C-C선 단면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 자바라 형태에 따른 노즐의 구성도.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 또 다른 형태에 따른 가이드 팁의 다양한 설치상태도.
도 8은 본 발명에 따른 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기를 적용하여 최종출력물의 단면상태를 종래와 비교하여 나타낸 단면상태도.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기(10)는 철골 콘크리트 구조물의 시공을 위한 주지의 3D 콘크리트 프린터에 사용된다. 따라서 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기(10)는 3D 프린터의 압출헤드부에 설치되어 평면 운동 및 수직 운동의 이동제어를 받는다.

도 1 및 도 2와 같이 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기(10)는 일정 길이에 걸쳐서 원통 단면을 이루고 출력물을 내부 챔버(121)로 공급받는 압출기 본체(12)와, 압출기 본체(12)의 하부측 출구에 나사 결합을 통해 탈부착 가능하게 설치되고 하부로 출력물 토출구(141)를 갖는 노즐(14)과, 압출기 본체(12)의 내부 챔버(121)에 위치되어 압출기 본체(12)로 유입된 출력물을 외주면에 구비된 나선형 날개(161)를 통해 가압하여 노즐(14)을 통해 정량적으로 출력시키는 압출스크류(16)와, 노즐(14)에 설치되어 출력물 토출구(141)로 출력되는 출력물의 출력량을 조절하는 출력량 조절수단을 포함한다.

노즐(14)은 상부 내주면에 수나사(14a)가 형성되어 압출기 본체(12)의 하부측에 형성된 나사구멍(12a)에 나사 결합될 수 있다. 물론 반대로 압출기 본체(12)의 하부측 외주면에 수나사를 형성하여 노즐(14)의 내주면에 형성된 나사구멍에 나사 결합되는 구조를 가질 수 있다. 이때 노즐(14)에는 압출기 본체(12)와 결합 또는 교체시 회전 조작이 용이하도록 외주면에 다각단면을 갖는 부분이 구성될 수 있다. 따라서 노즐(14)은 나사 결합을 통해 압출기 본체(12)에 탈부착이 가능함으로써 크기나 형태에 따른 교체를 쉽게 할 수 있다. 이때 노즐(14)은 도 1 및 도 2b와 같이 원추형, 원통형, 사각통형 중 어느 하나의 형태를 가질 수 있다.

출력량 조절수단은 도 3 내지 도 5에서와 같이 노즐(14)에 하나 이상으로 설치되어 출력물 토출구(141)를 복수개 이상으로 나란하게 분할시키는 노즐 칸막이(21)와, 노즐(14)에 슬라이딩 이동가능하게 설치되어 분할된 각 출력물 토출구(141)의 통로 단면 크기를 조절하여 출력물의 출력량을 제어하는 복수개 이상의 출력량 조절판(22)을 포함한다. 출력량 조절판(22)은 노즐(14)에 형성된 슬롯(143)을 통해 삽입되어 슬라이딩 결합된다.

도 5a의 실시 예와 같이 노즐(14)에 노즐 칸막이(21)가 2개로 설치된 경우, 출력물 토출구(141)는 3개로 나란하게 분할되고, 이에 따라 출력량 조절판(22)은 각 분할된 출력물 토출구(141)마다 한 쌍씩 동일 평면상에 분할 설치되어져 이동위치에 따라 출력물 토출구(141)의 통로 단면 크기를 조절할 수 있다. 예를 들어 도 3b와 같이 ②번째 출력량 조절판(22)이 노즐(14)의 내부로 더 들어가면 출력물 토출구(141)의 통로 단면이 좁아져 토출량이 적어지고, 이와 반대로 ①,③번째 출력량 조절판(22)이 노즐(14)의 외부로 나올수록 해당 출력물 토출구(141)의 통로 단면이 넓어져 토출량이 많아진다.

이와 같이 본 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기(10)는 출력량 조절판(22)이 설치되어 있기 때문에 신속하게 출력량을 쉽게 조절할 수 있다.

압출스크류(16)는 구동모터(18)의 회전력을 전달받아 회전할 수 있다. 구동모터(18)는 감속기가 포함된다.

한편, 도 3 내지 도 5a와 같이 각 출력물 토출구(141)로 출력물의 경화를 촉진하는 경화제의 주입을 위해 노즐(14)에 경화제 주입구(142)가 더 형성되어 구성될 수 있다. 본 실시 예에서 출력물 토출구(141)는 3개가 마련되어 있기 때문에 경화제 주입구(142)를 최대 3개까지 형성시킬 수 있다.

또한, 도 6a와 같이 노즐(14)은 토출구(141)를 복수개 이상으로 나란하게 분할시키는 복수개 이상의 노즐 칸막이(21)를 갖고 접어졌다펼쳐지는 자바라구조를 가질 수 있다.

한편, 도 7과 같이 노즐(14)에 출력물의 옆면을 평탄하게 정리하는 하나 이상의 가이드 팁(17)이 더 설치될 수 있다. 가이드 팁(17)은 예로, 노즐(14)이 사각통 형태로 제작되는 경우 어느 일측 또는 양측 모두에 일체로 구성되거나 강제적인 끼워맞춤으로 결합되어 설치될 수 있다. 끼워맞춤 결합은 일예로 도브테일 결합이 될 수 있다.

여기서, 가이드 팁(17)은 도 7b와 같이 각도 조절할 수 있도록 노즐(14)에 피봇축(15)을 통해 결합되어 강제적으로 회전 조작될 수 있다. 이 경우 출력물의 직선 또는 곡선형태에 쉽게 대응할 수 있다.

이와 같이 구성된 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기(10)는 정량펌프(도시안됨)를 이용하여 압출기 본체(12)내로 주입포트(12b)를 통해 콘크리트가 유입되고, 압출스크류(16)를 회전 구동시켜 압출하므로 정량적인 압출이 가능하다.

또한, 노즐(14)이 압출기 본체(12)로부터 탈부착이 가능하므로 다양한 시공 상황에서 교체해 사용할 수 있는 이점을 갖는다.

또한, 노즐(14) 내부에 출력물 토출구(141)를 분할시키는 노즐 칸막이(21)를 설치하고, 각 출력물 토출구(141)의 통로 단면 크기를 조절하는 출력량 조절판(22)이 설치되어져 콘크리트의 신속 조형 시 부분적인 컨트롤이 가능하다.

또한, 각 출력물 토출구(141)로 출력물의 경화를 촉진하는 경화제의 주입을 위해 노즐(14)에 경화제 주입구(142)가 더 형성되어져 필요에 따라 경화제 투입량과 투입여부를 조절할 수 있으며, 이를 통해 콘크리트 출력물이 붕괴되는 것을 방지하며, 경화제 사용의 경제성을 확보할 수 있다.

또한, 칸막이가 있는 노즐(14)을 자바라 형태로 구성되는 경우, 필요에 따라 칸막이의 개수와 너비를 정하여 사용할 수 있고, 노즐(14)의 끝에 가이드 팁(17)을 부착하여 콘크리트 신속 조형시 출력물의 옆면을 고르게 정리할 수 있고, 출력 높이에 따라 가이드 팁의 높이를 조절하여 부착할 수 있으며, 가이드 팁(17)이 각도 조절할 수 있도록 노즐(14)에 설치되는 경우 출력물의 형태가 곡선인지 직선인지에 따라 가이드 팁(17)의 각도를 쉽게 조절하여 프린팅 할 수 있다.

더욱이 기존의 신속조형 콘크리트에서는 철근을 사용하는 것이 매우 어려웠을 뿐만 아니라 도 8의 (가)와 같이 올록볼록한 불량면이 발생하였으나, 본 발명에 따르면 도 8의 (나)와 같이 길이방향 철근이 있는 경우에도 노즐 칸막이(21)가 있는 노즐(14)을 이용하여 정량적으로 콘크리트를 출력하여 평탄하게 적층할 수 있다.

지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

12: 압출기 본체
14: 노즐
142: 경화제 주입구
16: 압출스크류
17: 가이드 팁
21: 노즐 칸막이
22: 출력량 조절판

Claims

철골 콘크리트 구조물의 시공을 위한 3D 프린팅 장치에 사용되는 다기능 압출기로서,
일정 길이에 걸쳐서 원통 단면을 이루고 출력물을 내부 챔버(121)로 공급받는 압출기 본체(12)와;
압출기 본체(12)의 하단부에 나사 결합을 통해 탈부착 가능하게 설치되고 하부로 출력물 토출구(141)를 갖는 노즐(14)과;
압출기 본체(12)의 내부 챔버(121)에 위치되어 압출기 본체(12)로 유입된 출력물을 외주면에 구비된 나선형 날개(161)를 통해 가압하여 노즐(14)을 통해 정량적으로 출력시키는 압출스크류(16)와;
노즐(14)에 설치되어 출력물 토출구(141)로 출력되는 출력물의 출력량을 조절하는 출력량 조절수단;을 포함하되,
노즐(14)은 토출구(141)를 복수개 이상으로 나란하게 분할시키는 복수개 이상의 노즐 칸막이(21)를 갖고 접어졌다펼쳐지는 자바라구조를 갖는 것을 특징으로 하는 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기.
제 1항에 있어서,
노즐(14)은 원추형, 원통형, 사각통형 중 어느 하나의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기.
제 1항에 있어서,
출력량 조절수단은,
노즐(14)에 하나 이상으로 설치되어 출력물 토출구(141)를 복수개 이상으로 분할시키는 노즐 칸막이(21)와;
노즐(14)에 슬라이딩 이동가능하게 설치되어 분할된 각 출력물 토출구(141)의 통로 단면 크기를 조절하여 출력물의 출력량을 제어하는 복수개 이상의 출력량 조절판(22);을 포함한 것을 특징으로 하는 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기.
제 3항에 있어서,
각 출력물 토출구(141)로 출력물의 경화를 촉진하는 경화제의 주입을 위해 노즐(14)에 경화제 주입구(142)가 더 형성되어 경화제 투입량이 조절되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기.
삭제
제 1항에 있어서,
노즐(14)에 출력물의 옆면을 평탄하게 정리하는 하나 이상의 가이드 팁(17)이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기.
제 6항에 있어서,
가이드 팁(17)은 각도 조절할 수 있도록 노즐(14)에 피봇축(15)을 통해 결합되어 강제 회전조작되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 신속조형 시스템에 적합한 다기능 압출기.