KR102041980B1 - 헤드 유닛 - Google Patents

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얀-안데르스 에드빈 만손
만손 퀸 창
김영태
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이이엘씨이이주식회사
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Abstract

본 발명은 헤드 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고분자 복합 재료의 경화를 막거나 방지할 수 있는 헤드 유닛에 관한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 실시 형태에 따른 헤드 유닛은, 고분자 복합 재료를 배출하는 배출구와 외면에 형성된 다수의 배기통로를 갖는 노즐, 및 상기 노즐의 외면과 상기 다수의 배기통로를 둘러싸는 노즐 커버를 포함하는 헤드부; 및 상기 헤드부의 노즐 커버에 결합되고, 열풍을 공급하는 열풍 공급부;를 포함하고, 상기 노즐의 외면과 상기 노즐 커버의 내면 사이에 소정의 공간이 형성되고, 상기 열풍 공급부로부터의 상기 열풍은 상기 소정의 공간과 상기 다수의 배기통로를 통해 배기되고, 상기 노즐의 외면에 형성된 상기 다수의 배기통로 각각은, 상기 노즐의 외면에 형성된 홈이다.

Description

헤드 유닛{HEAD UNIT}
본 발명은 헤드 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고분자 복합 재료의 경화를 막거나 방지할 수 있는 헤드 유닛에 관한 것이다.
최근, 플라스틱 복합소재를 이용하여 강도와 내구성을 보강하기 위한 내부 보강재(reinforcement)를 제조하는 기술이 이용되고 있다. 적층 가공(additive manufacturing) 장치 및 폴리머/복합재의 내부 보강재와 같은 내부 골격 제조 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
이를 이용하면, 경량 복합 소재 입체물의 원재료 사용량은 줄이면서도 기계적 성능을 높일 수 있다는 점에서 3D 프린팅이나 3D 몰딩이 각광받고 있다. 특히, 적층 가공 속도도 개선되어 자동화 공정의 일부로서 기능할 수 있게 되었다.
적층 가공은 자동차, 항공기, 전자제품, 가전제품(consumer electronics), 스포츠 용품(sporting goods), 건축소재 등 다양한 분야에서 이용되고 있지만, 제조의 정교성, 원가 절감, 제조 공정과 설비의 단순화 등 선결해야 할 과제가 아직 많다. 특히, 3D 프린팅이나 3D 몰딩에 의한 제품의 성능을 좌우하는 원재료의 강성과 내구성 향상에 대한 연구가 매우 필요한 상황이다.
적층 가공 장치(3D 프린터 등)는 가늘고 기다란 원재료의 토출 방향, 각도 및 위치를 제어하면서 원하는 형상의 제품을 형성한다. 제품의 정교한 형성을 위해서는 원재료가 적층 가공 장치에 의해 자유롭게 제어(투입에서 토출까지)될 수 있어야 한다. 또한, 최종 형성되는 제품의 성능을 위해, 원재료의 강성과 내구성이 뛰어나야 한다. 하지만, 상술한 선결 과제를 해결하면서, 강성과 내구성까지 확보할 수 있는 원재료에 대한 연구나 개발이 아직은 미진한 상태이다.
또한, 강성과 내구성이 뛰어난 원재료를 이용하여 3D 입체물을 제조하는 로봇 시스템이 미진한 상태이며, 특히, 상기 로봇 시스템에서 상기 원재료를 가공하여 배출하는 헤드 유닛에 개선되어야 할 문제점이 존재한다.
또한, 종래의 헤드 유닛은, 헤드 유닛의 배출구에서 토출되는 원재료에 외부에서 뜨거운 공기를 쐬게하여 상기 원재료의 경화를 방지하였다. 하지만, 이러한 방식은 정작 헤드 유닛 내부에서 원재료의 경화를 막지 못하는 문제가 있다. 게다가, 원재료 배출을 멈추고 소정 시간 경과 후 다시 원재료 배출을 시작할 경우, 헤드 유닛 내부에서 이미 원재료가 경화되어 원재료가 잘 나오지 않는 문제도 있다.
한국 공개특허 10-2015-0042660(공개일자 2015년 04월 21일)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 3D 입체물 제조 로봇 시스템에 장착가능하고, 고분자 복합 재료를 밖으로 배출하는 헤드 유닛을 제공한다.
또한, 내부에서 고분자 복합 재료가 경화되는 것을 막거나 방지할 수 있는 헤드 유닛을 제공한다.
또한, 한 번의 틸팅 및 한 번의 로테이팅을 포함하여 5축 이동이 가능한 헤드 유닛을 제공한다.
또한, 두 번의 틸팅 및 한 번의 로테이팅을 포함하여 6축 이동이 가능한 헤드 유닛을 제공한다.
상기 과제를 해결하기 위한 실시 형태에 따른 헤드 유닛은, 고분자 복합 재료를 배출하는 배출구와 외면에 형성된 다수의 배기통로를 갖는 노즐, 및 상기 노즐의 외면과 상기 다수의 배기통로를 둘러싸는 노즐 커버를 포함하는 헤드부; 및 상기 헤드부의 노즐 커버에 결합되고, 열풍을 공급하는 열풍 공급부;를 포함하고, 상기 노즐의 외면과 상기 노즐 커버의 내면 사이에 소정의 공간이 형성되고, 상기 열풍 공급부로부터의 상기 열풍은 상기 소정의 공간과 상기 다수의 배기통로를 통해 배기되고, 상기 노즐의 외면에 형성된 상기 다수의 배기통로 각각은, 상기 노즐의 외면에 형성된 홈이다.
여기서, 상기 노즐 커버의 내면에는 상기 노즐의 다수의 배기통로와 일대일로 대응하는 다수의 배기홈을 가질 수 있다.
실시 형태에 따른 헤드 유닛은, 고분자 복합 재료를 배출하는 배출구를 갖는 노즐, 및 상기 노즐의 외면을 둘러싸는 노즐 커버를 포함하는 헤드부; 및 상기 헤드부의 노즐 커버에 결합되고, 열풍을 공급하는 열풍 공급부;를 포함하고, 상기 노즐은 상기 열풍 공급부로부터의 상기 열풍이 유입되는 하나 또는 다수의 유입홀을 갖고, 상기 열풍은 상기 유입홀을 통해 상기 노즐 내부로 유입되고, 상기 노즐 내부로 유입된 상기 열풍은 상기 고분자 복합 재료와 함께 상기 배출구로 배출된다.
여기서, 상기 노즐은 상기 노즐 내부로 유입된 상기 열풍이 배기되는 하나 또는 다수의 배기홀을 가질 수 있다.
여기서, 상기 노즐의 외면과 상기 노즐 커버의 내면 사이에 소정의 공간이 형성되고, 상기 노즐의 외면은 다수의 배기통로를 갖고, 상기 열풍 공급부로부터의 상기 열풍의 일부는 상기 유입홀을 통해 상기 노즐 내부로 유입되고, 상기 열풍의 나머지는 상기 소정의 공간과 상기 다수의 배기통로를 통해 배기될 수 있다.
여기서, 상기 노즐 커버의 내면에는 상기 노즐의 다수의 배기통로와 일대일로 대응하는 다수의 배기홈을 가질 수 있다.
상기 실시 형태의 헤드 유닛들에 있어서, 상기 헤드부 상에 배치되고, 상기 헤드부를 회전축을 기준으로 회전시키는 회전부; 및 상기 헤드부와 상기 회전부 사이에 배치되고, 상기 헤드부를 상기 회전축을 기준으로 소정 각도 범위 내에서 틸팅시키는 하나 또는 다수의 틸팅부;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다수의 틸팅부는 제1 틸팅부와 제2 틸팅부를 포함하고, 상기 제1 틸팅부의 틸팅 방향은, 상기 제2 틸팅부의 틸팅 방향과 다를 수 있다.
여기서, 상기 회전부 상에 배치되고, 상기 헤드부를 3축 방향으로 직선 이동시키는 이동부;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 노즐의 배출구를 통해 배출되는 상기 고분자 복합 재료를 가이드하는 가이드부;를 더 포함하고, 상기 가이드부는 상기 헤드부의 일 측에 장착되어 상기 헤드부와 연동하고, 상기 열풍 공급부는 상기 헤드부의 타 측에 장착되어 상기 헤드부와 연동할 수 있다.
실시 형태에 따른 헤드 유닛을 사용하면, 3D 입체물 제조 로봇 시스템에 장착가능하고, 고분자 복합 재료를 안정적이고 부드럽게 배출할 수 있는 이점이 있다.
또한, 내부에서 고분자 복합 재료가 경화되는 것을 막거나 방지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 헤드부가 한 번의 틸팅 및 한 번의 로테이팅을 포함하여 5축 이동이 가능한 이점이 있다.
또한, 헤드부가 두 번의 틸팅 및 한 번의 로테이팅을 포함하여 6축 이동이 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 헤드 유닛을 일측에서 바라본 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 헤드 유닛의 일 부분을 확대한 확대 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 헤드 유닛에서 헤드부(180)의 배출구(185a) 부분을 더 확대한 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 노즐과 노즐 커버의 결합 사시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 헤드 유닛의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 헤드 유닛의 변형 예를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 헤드 유닛의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 헤드 유닛에 공급될 수 있는 고분자 복합 재료의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 고분자 복합 재료의 다른 일 예를 보여주는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 헤드 유닛에 대해 상세히 설명한다. 아래에서 설명하는 실시예는 본 발명을 이해하기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 구조, 사용, 응용 방식을 한정하려는 의도를 갖지 않는다. 본 발명의 실시예에 대한 설명은 첨부된 도면과 연관되어 이해할 수 있고, 첨부된 도면은 본 발명에 대한 설명의 일부로 간주될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 헤드 유닛을 일측에서 바라본 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 헤드 유닛은, 이동부(110), 회전부(130), 틸팅부(150), 열풍 공급부(170), 헤드부(180) 및 가이드부(190)를 포함할 수 있다.
이동부(110)는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 헤드 유닛을 소정의 축 방향으로 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 이동부(110)는 상기 헤드 유닛을 수평축(x) 방향으로 이동시킬 수도 있고, 수직축(z) 방향으로 이동시킬 수 있으며, 상기 수평축(x)과 상기 수직축(z)과 수직한 직교축(y) 방향으로 이동시킬 수도 있다.
이동부(110)가 다수의 축 방향으로 이동하기 때문에, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 헤드 유닛의 헤드부(180)를 다수의 축 방향으로 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 이동부(110)는 상기 헤드 유닛의 헤드부(180)를 3축 방향으로 이동시킬 수 있다.
이동부(110)는, 외부에 위치한 3D 입체물 제조 시스템 또는 로봇과 상기 헤드 유닛을 결합하기 위해서, 상기 3D 입체물 제조 시스템 또는 로봇에 직접 장착 또는 결합될 수 있다.
이동부(110)에는 회전부(130)가 장착될 수 있다. 이동부(110)의 일 측에 회전부(130)가 장착될 수 있다. 도면에서는 이동부(110)의 아래 측, 좀 더 구체적으로는 수직축(z) 방향으로 회전부(130)가 장착되어 있지만, 이에 한정하는 것은 아니다.
회전부(130)는 이동부(110)에 연결된 상태에서 회전할 수 있다. 회전부(130)의 회전에 의해서, 헤드부(180)가 회전축을 기준으로 회전 이동할 수 있다. 여기서, 상기 회전축은 도면에 도시된 바와 같이 수직축(z)일 수 있지만, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 회전부(130)가 이동부(110)의 수평축(x) 방향으로 장착된 경우, 상기 회전축은 수평축이 될 수 있다.
회전부(130)는 회전 구동 모듈(131) 및 회전 몸체(135)를 포함할 수 있다.
회전 구동 모듈(131)은 외부로부터 수신된 전원 신호 또는 제어 신호에 기초하여 회전부(135)를 회전시키도록 제어한다.
회전 구동 모듈(131)은 회전 몸체(135)를 회전시키기 위한 모터를 구비할 수 있고, 상기 모터를 구동시키기 위한 모터 제어 신호를 외부로부터 수신된 전원 신호 또는 제어 신호에 기초하여 생성할 수 있다.
회전 구동 모듈(131)은 이동부(110)와 회전 몸체(135) 사이에 장착 및 연결된다. 회전 구동 모듈(131)의 상단부에는 이동부(110)가 장착되고, 하단부에는 회전 몸체(135)가 장착된다.
회전 구동 모듈(131)에 장착된 회전 몸체(135)는 회전 구동 모듈(131)에 의하여 회전한다.
틸팅부(150)는 회전부(130)와 헤드부(180) 사이에 장착되고, 헤드부(180)를 소정 각도의 범위 내에서 틸팅시킬 수 있다. 여기서, 상기 소정 각도는 수직축(z) 기준으로 -180°초과 0°미만 또는 0°초과 180°미만 일 수 있다.
틸팅부(150)는 회전부(130)의 양단 중 일단에 장착될 수 있다. 여기서, 상기 양단 중 타단은 이동부(110)와 연결된다. 틸팅부(150)는 회전부(130)에 장착되므로, 회전부(130)의 회전 이동에 연동하여 회전할 수 있다.
틸팅부(150)는 틸팅 구동 모듈(151), 고정 가이드부(153), 재료 틸팅부(155), 헤드 틸팅부(157)를 포함할 수 있다.
틸팅 구동 모듈(151)은 외부로부터 수신된 전원 신호 또는 제어 신호에 기초하여 헤드 틸팅부(157)를 틸팅시키도록 제어한다. 헤드 틸팅부(157)의 틸팅에 연동하여 헤드부(180)가 틸팅된다.
틸팅 구동 모듈(151)은 헤드 틸팅부(157)를 회전시키기 위한 모터를 구비할 수 있고, 상기 모터를 구동시키기 위한 모터 제어 신호를 외부로부터 수신된 전원 신호 또는 제어 신호에 기초하여 생성할 수 있다.
고정 가이드부(153)는 틸팅 구동 모듈(151)을 고정시키는 역할을 한다. 고정 가이드부(153)는 'ㄱ'자 형상을 갖는다. 고정 가이드부(153)는 회전부(130)의 하단에 연결되는 가로 부재와 상기 가로 부재의 일 측에서 연장된 세로 부재를 포함할 수 있다. 상기 세로 부재는 틸팅 구동 모듈(151)의 일 부분이 삽입되어 고정되는 개구를 가질 수 있다.
재료 틸팅부(155)는 내부에 헤드부(180)로 이동 중인 고분자 복합 재료(50)를 헤드 틸팅부(157)의 틸팅 방향에 따라 구부리거나 펴준다. 이를 위해, 재료 틸팅부(155) 내부에는 이동 중인 고분자 복합 재료(50)를 구부리거나 펴주기 위한 롤러(미도시)를 포함할 수 있다.
헤드 틸팅부(157)는 재료 틸팅부(155)에 장착되고, 틸팅 구동 모듈(151)에 연결되어 틸팅 구동 모듈(151)에 의해 소정 각도의 범위 내에서 틸팅할 수 있다. 여기서, 상기 소정 각도는 수직축(z) 기준으로 -180°초과 0°미만 또는 0°초과 180°미만일 수 있다.
헤드 틸팅부(157)에는 헤드부(180)가 장착된다. 헤드부(180)가 헤드 틸팅부(157)에 장착되기 때문에, 헤드 틸팅부(157)의 틸팅에 따라 헤드부(180)도 연동하여 틸팅될 수 있다.
도 1에 도시된 헤드 유닛은 3축 직선 이동, 1축 회전 이동 및 1축 틸팅 이동을 포함한 5축 구동이 가능한 이점이 있다.
헤드부(180)는 틸팅부(150)에 장착된다. 좀 더 구체적으로는, 헤드부(180)는 틸팅부(150)의 헤드 틸팅부(157)에 장착되어 고정될 수 있다.
헤드부(180)는 회전부(130)에 의해서 회전축(z)을 기준으로 회전하고, 틸팅부(150)에 의해서 회전축(z)을 기준으로 소정 각도 범위 내에서 틸팅된다. 또한, 헤드부(180)는 이동부(110)에 의해서 3축 방향으로 이동 가능하다.
헤드부(180)는 회전부(130)로 입력되고 회전부(130)와 틸팅부(150) 내부를 통과하여 헤드부(180) 내부로 이동된 고분자 복합 재료(50)를 밖으로 토출한다.
열풍 공급부(170)는 헤드부(180)로 뜨거운 공기를 제공한다. 헤드부(180)로 뜨거운 공기를 제공하는 이유는, 헤드부(180) 내부에서 고분자 복합 재료(50)가 경화되는 것을 막기 위한 것이다.
열풍 공급부(170)는 헤드부(180)의 일 측과 연결되어, 헤드부(180) 내부로 뜨거운 공기를 제공한다.
열풍 공급부(170)는 헤드부(180)의 다른 일 측에 고정 설치되어 헤드부(180)와 연동한다.
가이드부(190)는 헤드부(180)에서 배출되는 고분자 복합 재료(50)를 가이드한다. 예를 들어, 가이드부(190)는 헤드부(180)에서 배출되는 고분자 복합 재료(50)를 사용자 원하는 특정 부분에 정확히 놓여질 수 있도록 할 수 있다.
가이드부(190)는 헤드부(180)의 일 측에 고정 설치되어 헤드부(180)와 연동한다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 헤드부(180), 열풍 공급부(170) 및 가이드부(190)의 구성을 상세히 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 헤드 유닛의 일 부분을 확대한 확대 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 헤드 유닛에서 헤드부(180)의 배출구(185a) 부분을 더 확대한 사시도이며, 도 4는 도 2에 도시된 노즐과 노즐 커버의 결합 사시도이고, 도 5는 도 2에 도시된 헤드 유닛의 단면도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 헤드부(180)는 노즐 커버(181), 노즐(185), 파이프(187), 파이프 히터(188) 및 파이프 커버(189)를 포함할 수 있다.
파이프(187) 내부로 고분자 복합 재료(50)가 이동한다.
파이프 히터(188)는 파이프(187)의 외면을 둘러싸 파이프(187)로 열을 가한다. 파이프 히터(188)로부터의 열에 의해서, 파이프(187) 내부에서 이동하는 고분자 복합 재료(50)의 경화가 방지될 수 있다.
노즐(185)은 파이프(187)의 배출구 측에 연결되고, 파이프(187)로부터 제공되는 고분자 복합 재료(50)를 외부로 배출한다. 노즐(185)은 파이프(187)의 배출구와 연결된 입구(185c)를 갖고, 고분자 복합 재료(50)가 배출되는 배출구(185a)를 갖는다. 입구(185c)의 개구면적은 배출부(185a)의 개구면적보다 클 수 있다.
노즐(185)은 내면과 외면을 포함한다. 노즐(185a)의 내면은 고분자 복합 재료(50)가 이동하는 통로를 형성한다. 또한, 노즐(185a)의 내면은 입구(185c)와 배출구(185a)를 정의한다.
노즐(185)의 외면은 뜨거운 공기를 밖으로 배출시키는 다수의 배기통로(185b)를 갖는다. 다수의 배기통로(185b)은 노즐(185)의 외면에서도 특히 배출구(185a) 측의 외면에 형성될 수 있다. 여기서, 뜨거운 공기는 열풍 공급부(170)에서 제공된 것이다. 열풍 공급부(170)에서 제공된 뜨거운 공기가 노즐 커버(181)의 내면과 노즐(185)의 외면 사이에 형성된 공간(S)을 지나 다수의 배기통로(185b)을 통해 외부로 배기된다.
노즐 커버(181)는 노즐(185)을 둘러싼다. 노즐 커버(181)의 내면과 노즐(185)의 외면 사이에는 소정의 공간(S)이 형성된다.
노즐 커버(181)의 일 단부는 노즐(185)의 배출구(185a)에 인접한 노즐(185)의 외면에 결합되고, 타 단부는 노즐(185)의 입구(185c)에 인접한 노즐(185)의 외면에 결합될 수 있다.
여기서, 노즐 커버(181)의 일 단부는 노즐(185)의 외면에 형성된 다수의 배기통로(185b)과 일대일 대응되는 다수의 배기홈(181b)을 가질 수 있다. 노즐 커버(181)가 다수의 배기홈(181b)을 가지면, 뜨거운 공기의 유동이 더 활발히 이루어지고, 노즐(185)를 데워서 상대적으로 온도가 낮아진 뜨거운 공기를 신속히 밖으로 배출할 수 있는 이점이 있다.
노즐 커버(181)는 열풍 공급부(170)의 열풍관(175)의 단부와 결합한다. 이를 위해, 노즐 커버(181)는 열풍관(175)의 단부와 연결되는 연결부(181a)를 갖는다. 여기서, 연결부(181a)는 열풍관(175)의 단부가 끼워져 삽입되는 개구를 가질 수 있다.
열풍 공급부(170)는 열풍 제어기(171)과 열풍관(175)을 포함할 수 있다. 열풍 제어기(171)는 열풍관(175)으로 공급되는 뜨거운 공기의 온도와 속도를 제어할 수 있다. 사용자는 열풍 제어기(171)를 조작하여 열풍관(175)으로 유입되는 공기의 온도와 유동 속도를 적절히 제어할 수 있고, 열풍 제어기(171)는 사용자의 셋팅 또는 디폴트로 설정된 온도 및 속도에 맞춰 열풍관(175)으로 유입되는 공기를 컨트롤할 수 있다.
열풍 공급부(170)는 헤드부(180)에 장착되어 헤드부(180)와 연동한다. 열풍 공급부(170)는 헤드부(180)와 체결하기 위한 체결부(178)을 포함할 수 있다. 체결부(178)는 헤드부(180)의 파이프 커버(189)의 일 측에 구비된 제1 체결부(186a)와 체결될 수 있다.
가이드부(190)는 노즐(185)의 배출구(185a)에서 배출되는 고분자 복합 재료(50)를 가이드하는 롤러(191), 롤러(191)가 장착되는 롤러 장착부(193), 롤러 장착부(193)를 직선 방향으로 이동시키는 로드(195), 로드(195)와 결합되어 상기 로드(195)를 구동시키는 실린더(197)를 포함할 수 있다.
가이드부(190)는 헤드부(180)에 장착되어 헤드부(180)와 연동한다. 가이드부(190)는 헤드부(180)와 체결하기 위한 체결부(199)을 포함할 수 있다. 체결부(199)는 헤드부(180)의 파이프 커버(189)의 다른 일 측에 구비된 제2 체결부(186b)와 체결될 수 있다.
도 2 내지 도 5에 도시된 헤드 유닛에서, 열풍관(175)을 통해 유입되는 뜨거운 공기는 연결부(181a)의 개구를 통해 노즐 커버(181)와 노즐(185) 사이에 형성된 공간(S)으로 유입되고, 상기 공간(S)으로 유입된 뜨거운 공기는 노즐(185)을 데운다. 그리고, 노즐(185)을 데운 뜨거운 공기는 노즐(185)의 단부측 외면에 형성된 다수의 배기통로(185b)를 통해 외부로 배출된다.
이러한 도 2 내지 도 5에 도시된 헤드 유닛은, 열풍 공급부(170)에서 제공되는 뜨거운 공기가 간접적으로 노즐(185) 내부에 위치한 고분자 복합 재료(50)를 데우기 때문에, 고분자 복합 재료(50)의 경화를 막거나 방지할 수 있는 이점이 있다.
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도 6은 도 5에 도시된 헤드 유닛의 변형 예를 보여주는 단면도이다.
도 6에 도시된 변형 예에 따른 헤드 유닛은, 도 5에 도시된 헤드 유닛과 비교하여, 노즐(185)에 있어서 차이가 있다. 나머지 구성은 동일하므로, 이하에서는 노즐(185)에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 6을 참조하면, 노즐(185)은 열풍 공급부(170)로부터의 뜨거운 공기가 유입되는 유입홀(185d)을 갖는다. 열풍 공급부(170)로부터의 뜨거운 공기의 전부 또는 일부가 유입홀(185d)을 통해 노즐(185) 내부로 유입될 수도 있다.
유입홀(185d)은 노즐 커버(180)의 연결부(181a)의 개구와 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 이는 열풍관(175)로부터의 뜨거운 공기를 바로 받아서 노즐(185) 내부로 유입시키기 위함이다.
뜨거운 공기의 전부가 유입홀(185d)을 통해 노즐(185) 내부로 유입될 경우, 노즐 커버(181)와 노즐(185) 사이에 형성되는 공간(S)이나 다수의 배기통로(185b)가 필요없을 수 있다. 한편, 뜨거운 공기의 일부가 유입홀(185d)을 통해 노즐(185) 내부로 유입될 경우, 나머지 뜨거운 공기는 노즐 커버(181)와 노즐(185) 사이에 형성된 공간(S)과 다수의 배기통로(185b)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
유입홀(185d)을 통해 뜨거운 공기가 노즐(185) 내부로 유입되면, 노즐(185) 내부에 위치하는 고분자 복합 재료(50)에 뜨거운 공기가 직접 닿기 때문에, 고분자 복합 재료(50)의 경화를 방지 및 막을 수 있다.
노즐(185) 내부로 유입된 뜨거운 공기는 고분자 복합 재료(50)와 함께 노즐(185)의 배출구(185a)로 배출될 수 있지만, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 노즐(185)은 노즐(185) 내부의 뜨거운 공기를 배기하는 하나 또는 다수의 배기홀(185e)을 가질 수 있다. 배기홀(185e)을 통해 노즐(185) 내부에 위치하였던 뜨거운 공기가 배출되고, 배출된 공기는 노즐 커버(181)와 노즐(185)의 외면 사이의 공간(S)으로 유입되고, 상기 공간(S)으로 유입된 공기는 노즐(185)의 다수의 배기통로(185b) 또는 노즐 커버(181)의 다수의 배기홈(181b)을 통해 밖으로 배출될 수 있다.
배기홀(185e)은 도 5에 도시된 바와 같이 유입홀(185d) 아래에 배치될 수도 있지만, 이에 한정하는 것은 아니다. 예를 들어 배기홀(185e)은 노즐(185)의 배출구(185a)에 인접하여 하나 또는 다수로 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 헤드 유닛은, 열풍 공급부(170)로부터 제공된 뜨거운 공기가 노즐(185) 내부로 유입되어 노즐(185) 내부에 위치한 고분자 복합 재료(50)를 직접 데운다. 따라서, 도 5에 도시된 헤드 유닛와 비교하여, 상대적으로 더 낮은 뜨거운 공기를 이용하여 고분자 복합 재료(50)의 경화를 막거나 방지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 도 6에 도시된 헤드 유닛은, 도 5에 도시된 헤드 유닛과 같이 열풍 공급부(170)로부터 제공된 뜨거운 공기로 노즐(185)을 데워 노즐(185) 내부에 위치한 고분자 복합 재료(50)에 간접적으로 열을 제공할 수 있으며, 노즐(185)에 형성된 배기홀(185d)을 통해 노즐(185) 내부에 위치한 고분자 복합 재료(50)에 간접적으로 열을 제공할 수 있는 이점도 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 헤드 유닛의 사시도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 헤드 유닛은, 이동부(110), 회전부(130), 다수의 틸팅부(650, 150), 헤드부(180), 열풍 공급부(170), 및 가이드부(190)를 포함할 수 있다.
도 7에 도시된 이동부(110), 회전부(130), 헤드부(180), 열풍 공급부(170) 및 가이드부(190)는, 도 1에 도시된 이동부(110), 회전부(130), 헤드부(180), 열풍 공급부(170) 및 가이드부(190)와 동일하므로 구체적인 설명은 앞서 설명한 내용으로 대체한다.
도 7에 도시된 다수의 틸팅부(650, 150)는 적어도 제1 틸팅부(150)와 제2 틸팅부(650)를 포함한다. 여기서, 제1 틸팅부(150)는 도 1에 도시된 틸팅부(150)와 동일하므로 구체적인 설명은 앞서 설명한 내용으로 대체한다.
제2 틸팅부(650)는 회전부(130)와 제1 틸팅부(150) 사이에 배치된다. 제2 틸팅부(650)의 일 측이 회전부(130)에 결합되고, 타 측이 제2 틸팅부(150)에 결합될 수 있다.
제2 틸팅부(650)는 헤드부(180)를 회전축을 기준으로 소정 각도 범위 내에서 틸팅시킨다.
제2 틸팅부(650)의 틸팅 방향은, 제1 틸팅부(150)의 틸팅 방향과 같지 않고, 서로 엇갈리게 형성된다. 예를 들어, 제2 틸팅부(650)의 틸팅 방향은, 제1 틸팅부(150)의 틸팅 방향과 서로 수직할 수 있다.
제2 틸팅부(650)는 틸팅 구동 모듈(651), 가이드부(653), 재료 틸팅부(655), 헤드 틸팅부(657)를 포함할 수 있다. 여기서, 틸팅 구동 모듈(651), 가이드부(653), 재료 틸팅부(655), 헤드 틸팅부(657)는 도 1에 도시된 틸팅 구동 모듈(151), 고정 가이드부(153), 재료 틸팅부(155), 헤드 틸팅부(157)와 동일하므로, 구체적인 설명은 생략한다.
도 7에 도시된 헤드 유닛은, 다수의 틸팅부(650, 150)가 회전부(130)과 헤드부(180) 사이에 배치되므로, 헤드부(180)를 서로 엇갈린 다수의 방향으로 각각 틸팅시킬 수 있다. 따라서, 도 6에 도시된 헤드 유닛은 3축 직선 이동, 1축 회전 이동 및 2축 틸팅 이동을 포함한 6축 구동이 가능한 이점이 있다.
도면으로 도시하지 않았지만, 다수의 틸팅부(650, 150)의 개수가 2개로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 3개 이상의 틸팅부가 다수의 틸팅부를 구성할 수도 있다.
한편, 도 1 내지 도 7에 도시된 헤드 유닛으로 공급되는 고분자 복합 재료(50)는, 고분자 재료(polymer material) 또는 복합 재료(composite material)의 연속적으로 이어진 스트랜드(strand), 얀(yarn), 고분자 복합 재료(tow), 번들(bundle), 밴드(band), 테이프(tape) 등이다. 고분자 재료로는 PLA, PE, PP, PA, ABS, PC, PET, PEI, PEEK 등의 열가소성 수지(thermoplastics) 혹은 에폭시(epoxy), 불포화 폴리에스터 수지(unsaturated polyester), PI, PUR 등의 열경화성 수지(thermosetting resins)일 수 있다. 고분자 물질은 이에 한정되지 않는다. 여기서, 보강재(reinforcing fibers)는 GF(glass fiber), CF(carbon fiber), NF(natural fiber), AF(aramid fiber) 등일 수 있다. 또한, 복합 재료는 상기 고분자 재료에 섬유를 혼합한 것으로, 상기 섬유는 유리 섬유, 탄소 섬유, 보론 섬유, 알루미나 섬유, 탄화규소 섬유, 아라미드 섬유, 각종 휘스커(whisker) 또는 이들의 조합일 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
고분자 복합 재료(50)의 다른 구체적인 예를 도 7 내지 도 8을 참조하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 헤드 유닛에 공급될 수 있는 고분자 복합 재료의 일 예이고, 도 9은 도 8에 도시된 고분자 복합 재료의 다른 일 예이다.
도 8과 도 9을 참조하면, 고분자 복합 재료(50, 50')는 심재(52)와 심재(52)를 둘러싸는 섬유층(54)과 코팅층(56)을 포함한다.
도 8에 도시된 고분자 복합 재료(50)는, 심재(52)를 섬유층(54)이 둘러싸고, 섬유층(54)을 코팅층(56)이 둘러싸는 구조이고, 도 9에 도시된 고분자 복합 재료(50')는 심재(52)를 코팅층(56)이 둘러싸고, 코팅층(56)을 섬유층(54)이 둘러싸는 구조인 점에서 차이가 있다.
도 8와 도 9에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')에서의 심재(52)는 고분자 화합물과 섬유재 중 적어도 하나 이상을 포함한다.
고분자 화합물은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고분자 화합물은 폴리 젖산(PolyLactic Acid; PLA), 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE), 폴리프로필렌(PolyPropylene; PP), 폴리아미드(PolyAmide; PA), 에이비에스(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene; ABS), 폴리메타크릴산메칠(Poly Methyl MethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate; PET), 폴리부틸렌테레프탈레이드(PolyButylene Terephthalate; PBT), 폴리에테르이미드(PolyEtherImide; PEI), 폴리페닐렌설파이드(PolyPhenylene Sulfide; PPS), 폴리에텔에텔케톤(PolyEtherEtherKetone; PEEK), 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate; EVA), 폴리우레탄(PolyUrethane; PU), 에폭시(EPoxy; EP), 불포화 폴리에스터(Unsaturated Polyester; UP), 폴리이미드(PolyImide; PI), 페놀릭(PHenolic; PF) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
섬유재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 천연 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 점조화 유체 섬유, 형상 기억 합금 섬유, 광 섬유, 압전 섬유 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 고분자 화합물과 혼합되었을 때 섬유재는 고분자 화합물의 보강재일 수 있다. 어떤 섬유재는 캡슐화될 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 몇몇의 층들로 코팅될 수 있다. 이 경우, 섬유재는 작은 직경을 갖는 케이블의 구조를 가질 수 있다.
심재(52)의 형태는 스트랜드 형태뿐만 아니라 밴드 형태 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 심재(52)의 형태는 연속적으로 이어진 스트랜드, 얀, 고분자 복합 재료, 번들, 밴드, 테이프 등의 형태와 실질적으로 동일할 수 있다. 심재(220)는 일방향성을 가질 수 있다.
예를 들어, 심재(52)는 일방향 스트랜드일 수 있다. 이를 위해 심재(52)는 예열된 재료 스트랜드를 압밀함으로써 형성될 수 있다. 즉, 심재(52)는 고분자 화합물 또는 섬유재 중 적어도 하나를 포함하는 재료 스트랜드를 소정의 온도에서 압밀함으로써 형성될 수 있다. 재료 스트랜드는 크릴 유닛이 구비한 적어도 하나의 보빈에 감길 수 있다. 실시예에 따라, 서로 다른 물질을 포함하는 2 이상의 재료 스트랜드들이 하나의 보빈에 감길 수 있다. 보빈은 재료 스트랜드를 정렬시킬 수 있고, 재료 스트랜드를 보관할 수 있다. 재료 스트랜드는 보빈에서 풀려나올 수 있고, 풀려나온 재료 스트랜드는 예열 유닛의 예열 위치로 공급될 수 있다. 예열 위치에서 재료 스트랜드는 기 설정된 온도로 예열될 수 있다. 여기서 기 설정된 온도는 재료 스트랜드가 압축 및 압밀되기에 충분한 온도일 수 있다. 재료 스트랜드는 예열 유닛에 의해 기 설정된 온도로 예열될 수 있고, 예열된 재료 스트랜드는 압축 유닛에 공급될 수 있다. 예열된 재료 스트랜드는 압밀될 수 있다. 기 설정된 온도를 갖는 재료 스트랜드는 압축 유닛에 의해 2 이상이 함께 압축 및 압밀될 수 있다. 예열 및 압밀 과정을 거치는 동안, 재료 스트랜드는 2 이상이 서로 합쳐질 수 있다. 그 결과, 일방향성을 갖는 심재(52)가 형성될 수 있다.
실시예에 따라, 구성 물질이 서로 다른 재료 스트랜드가 서로 합쳐질 수 있다. 이 경우, 형성된 심재(52)는 2 이상의 물질을 포함할 수 있다.
도 8와 도 9에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')에서의 섬유층(54)은 섬유재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유층은 유리 섬유, 탄소 섬유, 천연 섬유, 아라미드 섬유, 세라믹 섬유, 점조화 유체 섬유, 형상 기억 합금 섬유, 광 섬유, 압전 섬유 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 어떤 섬유재는 캡슐화될 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 몇몇의 층들로 코팅될 수 있다. 이 경우, 섬유재는 작은 직경을 갖는 케이블 구조를 가질 수 있다. 심재(52)에 포함된 섬유재와 섬유층(54)에 포함된 섬유재는 실질적으로 서로 동일할 수 있지만, 심재(52)에 포함된 섬유재와 섬유층(54)에 포함된 섬유재는 실질적으로 상이할 수 있다.
섬유층(54)은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 섬유층(54)은 폴리 젖산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 에이비에스, 폴리메타크릴산메칠, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이드, 폴리에테르이미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에텔에텔케톤, 에틸렌비닐아세테이트, 폴리우레탄, 에폭시, 불포화 폴리에스터, 폴리이미드, 페놀릭 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
섬유층(54)은 편조 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 섬유재는 편조 유닛에 의해 심재(52) 상에 편조될 수 있다. 여기서, 편조 유닛은 섬유재를 감고 있는 다수의 보빈을 구비할 수 있고, 보빈은 동일 원주 상에 소정의 간격을 두고 배치될 수 있다. 심재(52)가 원주 상의 중심을 통과할 때, 다수의 보빈은 회전함과 동시에 원주를 따라 이동할 수 있다. 이 때, 섬유재는 보빈으로부터 풀려나올 수 있고, 풀려나온 섬유재는 심재(52) 상에 편조됨으로써 편조 구조가 형성될 수 있다. 이렇게 편조된 섬유층(54)은 심재(52)가 방사상으로 가하는 압력(strain)이나 부하(load)를 견딜 수 있는 충분한 강성(rigidity/strength)을 가질 수 있다.
도 8와 도 9에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')에서의 코팅층(56)은 고분자 화합물을 포함할 수 있다. 여기서, 고분자 화합물은 코팅 폴리머(coating polymer)를 포함할 수 있다. 코팅 폴리머는 고분자 복합 재료(50)를 기초로 형성될 입체물을 결합시키기에 적절한 유동적 특성(rheological characteristic)을 가질 수 있다. 즉, 코팅 폴리머는 향후 고분자 복합 재료(50)를 기초로 형성될 입체물이 인접한 물질과 적절한 결합(suitable bonding)을 갖도록 할 수 있다. 이를 위해, 코팅 폴리머는 적절한 화학적 및/또는 물리적 접착력을 갖는 물질 중 하나로 선택될 수 있다. 예를 들어, 형성된 고분자 복합 재료(50)의 표면에 코팅층(160)이 위치하는 도 8에 도시된 실시예에서는 고점성(high viscosity)을 갖는 코팅 폴리머가 선택될 수 있다. 나아가, 코팅 폴리머는 향후 형성될 입체물이 인접한 물질과의 접촉면에서 발생되는 강한 전단력(shear)에도 견딜 수 있도록 선택될 수 있다.
한편, 특정 텍스처(texture)나 구조형태(configuration)가 고분자 복합 재료(50)에 요구된다면, 그립핑 구조(gripping configuration)가 고분자 복합 재료(50)의 표면에 형성될 수 있다. 즉, 코팅층(160)은 그립핑 구조를 포함할 수 있다. 그립핑 구조는 상호간의 기계적 결합력(bonding)을 향상시키는 구조일 수 있다. 예를 들어, 그립핑 구조는 고분자 복합 재료(50)와 후속으로 이루어지는 오버몰딩 재료 사이의 결합력을 향상시킬 수 있다. 코팅 폴리머는 "화학적" 본딩을 제공할 수 있고, 그립핑 구조는 부가적인 "기계적" 본딩을 제공할 수 있다. 그립핑 구조는 고분자 복합 재료(50)의 특정 표면 텍스처나 패턴을 구비할 수 있고, 전체적인 접촉 면적을 증가시킬 수도 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 고분자 복합 재료(50, 50')는 심재(52), 섬유층(54) 및 코팅층(56) 사이의 물리적 상호작용에 기초하여 강성, 내구성 및 충격성 등의 성능을 조절할 수 있다.
상술한 설명과 첨부된 도면은 본 발명의 가능한 실시예를 보여주고 있지만, 본 발명의 권리범위는 오로지 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 즉, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위나 사상으로부터 벗어나지 않는 한 다양한 부가, 변형 및 대체가 이루어질 수 있고, 다른 특정 형태, 구조, 배치, 성분, 크기로 구현되거나, 기타 요소, 물질, 부품과 함께 구현될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 기본적인 원리를 벗어나지 않으면서 특정 환경이나 동작 조건에 적응될 수 있을 것이며, 이는 당업자에 자명할 것이다.
50: 고분자 복합 재료
110: 이동부
130: 회전부
150, 650: 틸팅부
170: 열풍 공급부
180: 헤드부
190: 가이드부

Claims (10)

  1. 고분자 복합 재료를 배출하는 배출구와 외면에 형성된 다수의 배기통로를 갖는 노즐, 및 상기 노즐의 외면과 상기 다수의 배기통로를 둘러싸는 노즐 커버를 포함하는 헤드부; 및
    상기 헤드부의 노즐 커버에 결합되고, 열풍을 공급하는 열풍 공급부;를 포함하고,
    상기 노즐의 외면과 상기 노즐 커버의 내면 사이에 소정의 공간이 형성되고,
    상기 열풍 공급부로부터의 상기 열풍은 상기 소정의 공간과 상기 다수의 배기통로를 통해 배기되고,
    상기 노즐의 외면에 형성된 상기 다수의 배기통로 각각은, 상기 노즐의 외면에 형성된 홈인, 헤드 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐 커버의 내면에는 상기 노즐의 다수의 배기통로와 일대일로 대응하는 다수의 배기홈을 갖는, 헤드 유닛.
  3. 고분자 복합 재료를 배출하는 배출구를 갖는 노즐, 및 상기 노즐의 외면을 둘러싸는 노즐 커버를 포함하는 헤드부; 및
    상기 헤드부의 노즐 커버에 결합되고, 열풍을 공급하는 열풍 공급부;를 포함하고,
    상기 노즐은 상기 열풍 공급부로부터의 상기 열풍이 유입되는 하나 또는 다수의 유입홀을 갖고,
    상기 열풍은 상기 유입홀을 통해 상기 노즐 내부로 유입되고,
    상기 노즐 내부로 유입된 상기 열풍은 상기 고분자 복합 재료와 함께 상기 배출구로 배출되는, 헤드 유닛.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 노즐은 상기 노즐 내부로 유입된 상기 열풍이 배기되는 하나 또는 다수의 배기홀을 갖는, 헤드 유닛.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 노즐의 외면과 상기 노즐 커버의 내면 사이에 소정의 공간이 형성되고,
    상기 노즐의 외면은 다수의 배기통로를 갖고,
    상기 열풍 공급부로부터의 상기 열풍의 일부는 상기 유입홀을 통해 상기 노즐 내부로 유입되고,
    상기 열풍의 나머지는 상기 소정의 공간과 상기 다수의 배기통로를 통해 배기되는, 헤드 유닛.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 노즐 커버의 내면에는 상기 노즐의 다수의 배기통로와 일대일로 대응하는 다수의 배기홈을 갖는, 헤드 유닛.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 헤드부 상에 배치되고, 상기 헤드부를 회전축을 기준으로 회전시키는 회전부; 및
    상기 헤드부와 상기 회전부 사이에 배치되고, 상기 헤드부를 상기 회전축을 기준으로 소정 각도 범위 내에서 틸팅시키는 하나 또는 다수의 틸팅부;
    를 포함하는, 헤드 유닛.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 다수의 틸팅부는 제1 틸팅부와 제2 틸팅부를 포함하고,
    상기 제1 틸팅부의 틸팅 방향은, 상기 제2 틸팅부의 틸팅 방향과 다른, 헤드 유닛.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 회전부 상에 배치되고, 상기 헤드부를 3축 방향으로 직선 이동시키는 이동부;를 더 포함하는, 헤드 유닛.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 노즐의 배출구를 통해 배출되는 상기 고분자 복합 재료를 가이드하는 가이드부;를 더 포함하고,
    상기 가이드부는 상기 헤드부의 일 측에 장착되어 상기 헤드부와 연동하고,
    상기 열풍 공급부는 상기 헤드부의 타 측에 장착되어 상기 헤드부와 연동하는, 헤드 유닛.
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