KR102043017B1 - 3ｄ 프린터 - Google Patents

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KR102043017B1
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Abstract

본 발명은 낱개의 봉형필라멘트(F)를 봉형수직홀(81)에 끼운 상태에서 봉형피스톤(P)으로 하강시켜 언더히팅모듈(90)에 의한 용융필라멘트(Y)로 용융시킴과 동시에 노즐(N)로서 베드(B) 위에 3D 프린팅시키도록 하여 다양한 소재로 이루어진 입체물품(A)을 마련할 수 있는 3D 프린터에 관한 발명이다.

Description

3Ｄ 프린터{THREE DIMENSIONAL PRINTER}
본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소재의 한계로 연속된 외줄의 필라멘트를 마련치 못하는 경우라도 낱개의 봉형필라멘트로서 3D 프린팅을 가능케 하여 더욱 다양한 소재로 이루어진 입체물품을 마련토록 할 수 있는 3D 프린터에 관한 것이다.
통상적인 프린터는 종이와 같은 2차원 평면에 텍스트나 이미지를 인쇄하는 데 반하여, 3D 프린터는 3차원의 입체적인 공간에 기하학적 물품이나 입체적인 물품, 즉 입체물품을 3D 프린팅으로 형성한다.
도 1은 선행기술문헌(대한민국 공개특허공보 제2015-0122504호)의 3D 프린터용 헤드 어셈블리의 실시 예에 따른 사시도이고, 도 2는 선행기술문헌의 3D 프린터용 헤드 어셈블리의 실시 예에 따른 분해 사시도이고, 도 3은 선행기술문헌의 3D 프린터용 헤드 어셈블리의 실시 예에 따른 정면도이고, 도 4는 선행기술문헌의 3D 프린터용 헤드 어셈블리의 실시 예에 따른 용융분사부 사시도이고, 도 5는 선행기술문헌의 3D 프린터용 헤드 어셈블리의 실시 예에 따른 정면 단면도이고, 도 6은 선행기술문헌의 3D 프린터용 헤드 어셈블리의 실시 예에 따른 측면 단면도이이며, 도 7은 선행기술문헌의 3D 프린터용 헤드 어셈블리가 설치된 3D 프린터 사시도이다.
선행기술문헌에 따른 3D 프린터용 헤드 어셈블리는 도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이 상부에 세로벽(211)을 형성하고 전방에 클램핑부(212)를 형성한 피딩바디(210)와, 세로벽(211)에 회동 가능케 설치되고 일측 하부에 피딩롤러(223)가 설치되는 롤러브라켓(220)과, 클램핑부(212) 상부에 설치되어 필라멘트(50)를 안내하는 피딩가이드(230)와, 피딩롤러(223)와 근접 설치되어 피딩롤러(223)에 외접하는 필라멘트(50)를 스텝모터(241)의 구동력으로 압송하는 피딩기어(240)와, 롤러브라켓(220)과 피딩가이드(230) 간에 설치되어 롤러브라켓(220)이 탄력 회동케 하는 코일스프링(250)으로 구성되어 필라멘트(50)를 공급하는 피딩부(20)와; 클램핑부(212)에 상단부가 결합되어 피딩부(20)에서 공급되는 필라멘트(50)가 투입되는 노즐(310)과, 노즐(310) 일측에 설치되어 노즐(310)로 투입된 필라멘트(50)를 용융하는 히팅수단(320)으로 구성되어 피딩부(20)에서 공급되는 필라멘트(50)를 용융시켜 분사하는 용융분사부(30)와; 노즐(310)이 중앙에 형성된 통공부(412)를 관통하도록 피딩부(20) 하부에 설치되며 외측면에는 냉각팬(413)이 설치되어 냉각풍을 생산하는 냉각챔버(410)와, 냉각팬(413)에 의해 생산된 냉각풍을 중앙의 바람배출구(421)로 유도 배출하는 윈드가이드(420)로 구성되어 용융분사부(30)에서 분사된 용융액(51)을 냉각하는 쿨링부(40)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
상기 구성으로 이루어진 선행기술문헌에 따른 3D 프린터용 헤드 어셈블리는 외줄의 필라멘트(50)가 피딩부(20)에서 노즐(310)을 향해 외줄로서 연속하여 공급되어 기하학적 물품이나 입체적인 물품, 즉 입체물품을 형성할 수 있는 것으로 되어 있다.
대한민국 공개특허공보 제2015-0122504호: 3D 프린터용 헤드 어셈블리
본 발명의 목적은 소재의 한계로 연속된 외줄의 필라멘트를 마련치 못하는 경우라도 낱개의 봉형필라멘트로서 3D 프린팅을 가능케 하여 더욱 다양한 소재로 이루어진 입체물품을 마련토록 할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 소재의 특성상 연속적이지 않은 봉형필라멘트임에도 불구하고 지속적인 새로운 봉형필라멘트의 주입 또는 교체로 입체물품으로의 3D 프린팅을 가능케 할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 다수 개의 봉형필라멘트들을 끼워 넣을 수 있도록 봉형수직홀들을 롤렛형회전체에 원호 간격으로 균등하게 배치시켜 소재의 한계로 인한 연속적이지 않은 구조임에도 불구하고 롤렛형회전체의 회전에 의한 지속적인 3D 프린팅을 가능케 할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 봉형피스톤의 승강시 롤렛형회전체의 회전을 멈추도록 하는 반면 봉형수직홀로부터 봉형피스톤의 이탈시 롤렛형회전체를 원 스텝 회전시켜 3D 프린팅을 위한 동작시의 안전성을 보장케 할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 어퍼승강모듈의 어퍼센터홈 및 언더히팅모듈의 언더센터홈에 어퍼탄성버튼 및 언더탄성버튼이 착탈 가능하게 끼워져 회전중심을 이룰 수 있도록 하여 롤렛형회전체의 제자리 회전을 가능케 할 뿐만 아니라 봉형수직홀들 속으로 봉형필라멘트를 보충하고자 할 때 자유롭게 롤렛형회전체를 분리하여 채운 후 다시 간단히 조립토록 할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 봉형수직홀 속의 봉형필라멘트 및 봉형피스톤의 유무에 따라 센터스텝모터의 회전을 정지시키거나 원 스텝 회전되도록 하여 다수 개의 봉형수직홀 속에 채워진 봉형필라멘트들이 롤렛형회전체의 원 스텝 회전에 따라 봉형피스톤의 하강선에 일치될 수 있도록 한 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 세라믹분말 40∼60Vol.％에 바인더 40∼60Vol.％를 혼합시킨 피드스톡을 활용하여 연속된 외줄로 제작하지 아니하고 낱개의 봉형필라멘트로 마련하여 3D 프린터에 적용된 헤드로서 지속적인 3D 프린팅을 가능케 할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 세라믹분말로서 지르코니아(Zirconia), 알루미나(Alumina) 또는 질화규소(Silicon nitride)의 산화물을 적용하고, 바인더로서 형상을 유지시키는 결합제, 가소제 및 윤활제를 적용하여 3D 프린팅을 가능케 할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 가소제 및 윤활제를 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 바인더를 마련한 후, 이 바인더를 120∼190℃의 온도에서 용융한 후 세라믹분말을 넣고 40∼80분 동안 혼합하여 피드스톡을 마련하여 봉형필라멘트를 완성케 할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 가소제 및 윤활제의 충분한 용융 혼합을 위해 미리 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 바인더를 마련한 후 다시 세라믹분말과 더불어 바인더를 120∼190℃의 온도에서 40∼80분 동안 용융 혼합하여 피드스톡을 마련하여 원형, 사각형, 마름모형 또는 다각형 형태의 봉형필라멘트를 완성할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 금속분말 55∼65Vol.％에 바인더 35∼45Vol.％를 혼합시킨 피드스톡을 활용하여 연속된 외줄로 제작하지 아니하고 낱개의 봉형필라멘트로 마련하여 지속적인 3D 프린팅을 가능케 할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 금속분말로서 스테인리스(Stainless Steel), 철(Iron), 니켈(Nickel), 구리(Cooper), 텅스텐(Tungsten) 또는 타이타늄(Titanium)을 적용하고, 바인더로서 형상을 유지시키는 결합제, 가소제 및 윤활제를 적용하여 3D 프린팅을 가능케 할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 가소제 및 윤활제를 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 바인더를 마련한 후, 이 바인더를 120∼190℃의 온도에서 용융한 후 금속분말을 넣고 40∼80분 동안 혼합하여 피드스톡을 마련하여 봉형필라멘트를 완성케 할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 가소제 및 윤활제의 충분한 용융 혼합을 위해 미리 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 바인더를 마련한 후 다시 금속분말과 더불어 바인더를 120∼190℃의 온도에서 40∼80분 동안 용융 혼합하여 피드스톡을 마련하여 원형, 사각형, 마름모형 또는 다각형 형태의 봉형필라멘트를 완성케 할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은 피드스톡으로 별도 마련된 봉형필라멘트들을 낱개씩 봉형수직홀들 속에 삽입시켜 센터카트리지모듈을 마련할 수 있고, 피드스톡을 봉형수직홀들 속으로 직접 압출시켜 봉형필라멘트들을 압출성형으로 센터카트리지모듈을 마련할 수 있으며, 피드스톡을 봉형수직홀들 속으로 인서트시켜 봉형필라멘트들을 인서트사출로서 센터카트리지모듈을 마련할 수 있는 3D 프린터를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은
Z축 방향으로 승강되는 베드와, XY축 방향으로 회동되는 헤드와, 상기 베드 및 헤드를 내장한 함체를 포함하는 3D 프린터에 있어서,
상기 헤드는
상기 함체의 상단에 고정되어 XY축 방향으로 회동되는 바디와,
상기 바디의 상부 전방에 마련되어 봉형피스톤을 승강시키는 어퍼승강모듈과,
상기 바디의 중부 전방에 마련되어 상기 봉형피스톤의 승강통로로 활용됨과 동시에 봉형필라멘트들을 각각 수용하는 봉형수직홀들을 지닌 센터카트리지모듈과,
상기 바디의 하부 전방에 마련되어 상기 봉형피스톤의 하강에 의해 상기 센터카트리지모듈의 봉형필라멘트들 중 어느 하나가 상기 봉형수직홀을 통해 하강될 경우 용융필라멘트로 용융시키면서 하강토록 하는 언더히팅모듈과,
상기 바디의 하단 전방에 마련되어 상기 언더히팅모듈에 의해 용융된 용융필라멘트를 토출시켜 상기 베드 위에 입체물품으로 3D 프린팅시키는 노즐을 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.
본 발명은 소재의 한계로 연속된 외줄의 필라멘트를 마련치 못하는 경우라도 낱개의 봉형필라멘트로서 3D 프린팅을 가능케 하여 더욱 다양한 소재로 이루어진 입체물품을 마련토록 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 소재의 특성상 연속적이지 않은 봉형필라멘트임에도 불구하고 지속적인 새로운 봉형필라멘트의 주입 또는 교체로 입체물품으로의 3D 프린팅을 가능케 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 다수 개의 봉형필라멘트들을 끼워 넣을 수 있도록 봉형수직홀들을 롤렛형회전체에 원호 간격으로 균등하게 배치시켜 소재의 한계로 인한 연속적이지 않은 구조임에도 불구하고 롤렛형회전체의 회전에 의한 지속적인 3D 프린팅을 가능케 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 봉형피스톤의 승강시 롤렛형회전체의 회전을 멈추도록 하는 반면 봉형수직홀로부터 봉형피스톤의 이탈시 롤렛형회전체를 원 스텝 회전시켜 3D 프린팅을 위한 동작시의 안전성을 보장케 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 어퍼승강모듈의 어퍼센터홈 및 언더히팅모듈의 언더센터홈에 어퍼탄성버튼 및 언더탄성버튼이 착탈 가능하게 끼워져 회전중심을 이룰 수 있도록 하여 롤렛형회전체의 제자리 회전을 가능케 할 뿐만 아니라 봉형수직홀들 속으로 봉형필라멘트를 보충하고자 할 때 자유롭게 롤렛형회전체를 분리하여 채운 후 다시 간단히 조립토록 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 봉형수직홀 속의 봉형필라멘트 및 봉형피스톤의 유무에 따라 센터스텝모터의 회전을 정지시키거나 원 스텝 회전되도록 하여 다수 개의 봉형수직홀 속에 채워진 봉형필라멘트들이 롤렛형회전체의 원 스텝 회전에 따라 봉형피스톤의 하강선에 일치될 수 있도록 하여 지속적인 봉형필라멘트의 공급을 가능케 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 세라믹분말 40∼60Vol.％에 바인더 40∼60Vol.％를 혼합시킨 피드스톡을 활용하여 연속된 외줄로 제작하지 아니하고 낱개의 봉형필라멘트로 마련하여 3D 프린터에 적용된 헤드로서 지속적인 3D 프린팅을 가능케 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 세라믹분말로서 지르코니아(Zirconia), 알루미나(Alumina) 또는 질화규소(Silicon nitride)의 산화물을 적용하고, 바인더로서 형상을 유지시키는 결합제, 가소제 및 윤활제를 적용하여 3D 프린팅을 가능케 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 결합제로서 저밀도폴리에틸렌, 고밀도폴리에틸렌, 에틸렌초산비닐공중합체 또는 폴리옥시메틸렌을 적용하여 3D 프린팅을 가능케 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 가소제 및 윤활제를 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 바인더를 마련한 후, 이 바인더를 120∼190℃의 온도에서 용융한 후 세라믹분말을 넣고 40∼80분 동안 혼합하여 피드스톡을 마련하여 봉형필라멘트를 완성케 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 가소제 및 윤활제의 충분한 용융 혼합을 위해 미리 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 바인더를 마련한 후 다시 세라믹분말과 더불어 바인더를 120∼190℃의 온도에서 40∼80분 동안 용융 혼합하여 피드스톡을 마련하여 원형, 사각형, 마름모형 또는 다각형 형태의 봉형필라멘트를 완성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 금속분말 55∼65Vol.％에 바인더 35∼45Vol.％를 혼합시킨 피드스톡을 활용하여 연속된 외줄로 제작하지 아니하고 낱개의 봉형필라멘트로 마련하여 지속적인 3D 프린팅을 가능케 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 금속분말로서 스테인리스(Stainless Steel), 철(Iron), 니켈(Nickel), 구리(Cooper), 텅스텐(Tungsten) 또는 타이타늄(Titanium)을 적용하고, 바인더로서 형상을 유지시키는 결합제, 가소제 및 윤활제를 적용하여 3D 프린팅을 가능케 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 가소제 및 윤활제를 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 바인더를 마련한 후, 이 바인더를 120∼190℃의 온도에서 용융한 후 금속분말을 넣고 40∼80분 동안 혼합하여 피드스톡을 마련하여 봉형필라멘트를 완성케 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 가소제 및 윤활제의 충분한 용융 혼합을 위해 미리 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 바인더를 마련한 후 다시 금속분말과 더불어 바인더를 120∼190℃의 온도에서 40∼80분 동안 용융 혼합하여 피드스톡을 마련하여 원형, 사각형, 마름모형 또는 다각형 형태의 봉형필라멘트를 완성케 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 피드스톡으로 별도 마련된 봉형필라멘트들을 낱개씩 봉형수직홀들 속에 삽입시켜 센터카트리지모듈을 마련할 수 있고, 피드스톡을 봉형수직홀들 속으로 직접 압출시켜 봉형필라멘트들을 압출성형으로 센터카트리지모듈을 마련할 수 있으며, 피드스톡을 봉형수직홀들 속으로 인서트시켜 봉형필라멘트들을 인서트사출로서 센터카트리지모듈을 마련할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 선행기술문헌의 3D 프린터용 헤드 어셈블리의 실시 예에 따른 사시도.
도 2는 선행기술문헌의 3D 프린터용 헤드 어셈블리의 실시 예에 따른 분해 사시도.
도 3은 선행기술문헌의 3D 프린터용 헤드 어셈블리의 실시 예에 따른 정면도.
도 4는 선행기술문헌의 3D 프린터용 헤드 어셈블리의 실시 예에 따른 용융분사부 사시도.
도 5는 선행기술문헌의 3D 프린터용 헤드 어셈블리의 실시 예에 따른 정면 단면도.
도 6은 선행기술문헌의 3D 프린터용 헤드 어셈블리의 실시 예에 따른 측면 단면도.
도 7은 선행기술문헌의 3D 프린터용 헤드 어셈블리가 설치된 3D 프린터 사시도.
도 8은 본 발명에 따른 3D 프린터를 개략적으로 나타내는 사시도.
도 9는 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드 및 헤드의 동작으로 입체물품을 3D 프린팅시키는 모습을 나타내는 사시도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터에 적용된 헤드를 개략적으로 나타내는 사시도.
도 11은 본 발명에 따른 3D 프린터에 적용된 헤드를 개략적으로 나타내는 분해사시도.
본 발명에 따른 3D 프린터의 바람직한 실시예를 도면을 참조하면서 설명하기로 하고, 그 실시예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 이러한 실시예를 통하여 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 더욱 잘 이해할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 3D 프린터를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 9는 본 발명에 따른 3D 프린터의 베드(B) 및 헤드(H)의 동작으로 입체물품(A)을 3D 프린팅시키는 모습을 나타내는 사시도이다.
본 발명에 따른 3D 프린터는 도 8에 도시된 봐와 같이 Z축 방향으로 승강되는 베드(B)와, XY축 방향으로 회동되는 헤드(H)와, 이들 베드(B) 및 헤드(H)를 내장한 함체(C)를 기본적으로 포함한다.
함체(C) 내에서 베드(B)가 Z축 방향으로 승강됨과 동시에 헤드(H)가 XY축 방향으로 회동되면서 도 9에 도시된 바와 같은 입체물품(A)을 3D 프린팅시킬 수 있도록 하는 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터에 적용된 헤드(H)를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
본 발명에 따른 3D 프린터에 적용된 헤드(H)는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 함체(C)의 상단에 고정되어 XY축 방향으로 회동되는 바디(60)와, 바디(60)의 상부 전방에 마련되어 봉형피스톤(P)을 승강시키는 어퍼승강모듈(70)과, 바디(60)의 중부 전방에 마련되어 봉형피스톤(P)의 승강통로로 활용됨과 동시에 봉형필라멘트(F)들을 각각 수용하는 봉형수직홀(81)들을 지닌 센터카트리지모듈(80)과, 바디(60)의 하부 전방에 마련되어 봉형피스톤(P)의 하강에 의해 센터카트리지모듈(80)의 봉형필라멘트(F)들 중 어느 하나가 봉형수직홀(81)을 통해 하강될 경우 용융필라멘트(Y)로 용융시키면서 하강토록 하는 언더히팅모듈(90)과, 바디(60)의 하단 전방에 마련되어 언더히팅모듈(90)에 의해 용융된 용융필라멘트(Y)를 토출시켜 베드(B) 위에 입체물품(A)으로 3D 프린팅시키는 노즐(N)을 포함한다.
선행기술문헌에 공지된 외줄의 필라멘트(50)를 피딩부(20)에서 연속적으로 공급하여 기하학적인 물품이나 입체적인 물품으로 프린팅시키는 것과 달리 본 발명에서는 낱개의 봉형필라멘트(F)를 봉형수직홀(81)에 끼운 상태에서 봉형피스톤(P)으로 하강시켜 언더히팅모듈(90)에 의한 용융필라멘트(Y)로 용융시킴과 동시에 노즐(N)로서 베드(B) 위에 3D 프린팅시키도록 함으로써 선행기술문헌과 같이 소재[세라믹분말 또는 금속분말의 소재를 함유할 경우 외줄형태의 필라멘트의 제작이 어려움 => 와인딩이 안 되며 부러지는 현상이 나타남]의 한계로 연속된 외줄의 필라멘트(50)를 마련치 못하는 경우라도 낱개의 봉형필라멘트(F)로서 3D 프린팅을 가능케 하여 더욱 다양한 소재로 이루어진 입체물품(A)을 마련토록 할 수 있어 더욱 바람직하게 되는 것이다.
이때, 바디(60)는 통상의 함체(C)의 상단에 고정되어 XY축 방향으로 회동되고, 어퍼승강모듈(70)은 봉형피스톤(P)을 승강시켜 센터카트리지모듈(80)의 봉형수직홀(81)들 중 어느 하나에 수용된 봉형필라멘트(F)를 언더히팅모듈(90)로 하강시키고, 언더히팅모듈(90)은 봉형필라멘트(F)를 용융필라멘트(Y)로 하강시켜 노즐(N)을 통해 베드(B) 위로 토출될 수 있도록 하는 것이다.
본 발명에 따라 어퍼승강모듈(70)은 바디(60)에 내장되어 정역 회전되는 어퍼스텝모터(71)와, 일측톱니(P1)를 지닌 봉형피스톤(P)의 타측을 받쳐주는 가이드롤러(72)와, 일측톱니(P1)에 맞물려 어퍼스텝모터(71)의 정역 회전운동을 봉형피스톤(P)의 승강운동으로 변환시키는 어퍼사이드기어(73)를 포함한다.
어퍼스텝모터(71)의 정회전시 일측톱니(P1)에 맞물린 어퍼사이드기어(73)가 정회전되면서 가이드롤러(72)에 의해 지지되는 봉형피스톤(P)을 하강시켜 봉형필라멘트(F)의 하강을 가능케 하는 반면 어퍼스텝모터(71)의 역회전시 일측톱니(P1)에 맞물린 어퍼사이드기어(73)가 역회전되면서 가이드롤러(72)에 의해 지지되는 봉형피스톤(P)을 상승시켜 봉형수직홀(81)에 새로운 봉형필라멘트(F)가 수용될 수 있도록 하여, 소재의 특성상 연속적이지 않은 봉형필라멘트(F)임에도 불구하고 지속적인 새로운 봉형필라멘트(F)의 주입 또는 교체로 입체물품(A)으로의 3D 프린팅을 가능케 할 수 있도록 하는 것이다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따라 어퍼승강모듈(70)은 도 10에 도시된 바와 같이 바디(60)에 내장되어 정역 회전되는 어퍼스텝모터(71)와, 나선형나사산(P2)을 지닌 봉형피스톤(P)에 치합되어 어퍼스텝모터(71)의 회전운동을 봉형피스톤(P)의 승강운동으로 변환시키는 어퍼원통형기어(74)를 포함한다.
어퍼스텝모터(71)의 정회전시 나선형나사산(P2)에 치합된 어퍼원통형기어(74)가 정회전되면서 봉형피스톤(P)을 하강시켜 봉형필라멘트(F)의 하강을 가능케 하는 반면 어퍼스텝모터(71)의 역회전시 나선형나사산(P2)에 맞물린 어퍼원통형기어(74)가 역회전되면서 봉형피스톤(P)을 상승시켜 봉형수직홀(81)에 새로운 봉형필라멘트(F)가 수용될 수 있도록 하여, 소재의 특성상 연속적이지 않은 봉형필라멘트(F)임에도 불구하고 지속적인 새로운 봉형필라멘트(F)의 주입 또는 교체로 입체물품(A)으로의 3D 프린팅을 가능케 할 수 있도록 하는 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 3D 프린터에 적용된 헤드(H)를 개략적으로 나타내는 분해사시도이다.
본 발명에 따른 센터카트리지모듈(80)은 도 11에 도시된 바와 같이 봉형수직홀(81)들을 원호 간격으로 균등하게 배치한 롤렛형(Roulette Type)회전체[82)와, 봉형피스톤(P)의 승강시 회전을 멈춘 후 봉형피스톤(P)의 이탈상태에서 롤렛형회전체(82)를 원 스텝 회전시키도록 동작시키는 센터스텝모터(83)를 포함할 수 있다.
다수 개의 봉형필라멘트(F)들을 끼워 넣을 수 있도록 봉형수직홀(81)들을 롤렛형회전체(82)에 원호 간격으로 균등하게 배치시켜 소재의 한계로 인한 연속적이지 않은 구조임에도 불구하고 롤렛형회전체(82)의 회전에 의한 지속적인 3D 프린팅을 가능케 할 수 있어 바람직하게 되고, 특히 봉형피스톤(P)의 승강시 롤렛형회전체(82)의 회전을 멈추도록 하는 반면 봉형수직홀(81)로부터 봉형피스톤(P)의 이탈시 롤렛형회전체(82)를 원 스텝 회전시켜 3D 프린팅을 위한 동작시의 안전성을 보장케 하여 더욱 바람직하게 된다.
구체적으로, 센터카트리지모듈(80)은 어퍼승강모듈(70)의 하부에 마련된 어퍼센터홈(84)과, 언더히팅모듈(90)의 상부에 마련된 언더센터홈(85)과, 롤렛형회전체(82)의 상하부에 마련되어 어퍼센터홈(84) 및 언더센터홈(85)에 각각 탄성적으로 착탈 가능하게 끼워지면서 회전중심을 이루는 어퍼탄성버튼(86) 및 언더탄성버튼(87)을 포함한다.
어퍼승강모듈(70)의 어퍼센터홈(84) 및 언더히팅모듈(90)의 언더센터홈(85)에 어퍼탄성버튼(86; 예를 들면 스프링의 탄성 구조로 된 버튼) 및 언더탄성버튼(87; 예를 들면 스프링의 탄성 구조로 된 버튼)이 착탈 가능하게 끼워져 회전중심을 이룰 수 있도록 하여 롤렛형회전체(82)의 제자리 회전을 가능케 할 뿐만 아니라 봉형수직홀(81)들 속으로 봉형필라멘트(F)를 보충하고자 할 때 자유롭게 롤렛형회전체(82)를 분리하여 채운 후 다시 간단히 조립토록 할 수 있어 더욱 바람직하게 된다[롤렛형회전체(82)는 바디(60)의 중부 전방에 조립된 후 미 도시된 여닫이도어로 커버링하여 보호될 수 있도록 할 수 있음은 물론이다].
나아가, 센터카트리지모듈(80)은 봉형수직홀(81)들 중 봉형피스톤(P)이 승강되는 어느 하나의 봉형수직홀(81) 속에 봉형필라멘트(F) 또는 봉형피스톤(P)이 존재할 경우 센터스텝모터(83)의 회전을 정지시키는 반면 봉형수직홀(81)들 중 봉형피스톤(P)이 승강되는 어느 하나의 봉형수직홀(81) 속에 봉형필라멘트(F) 및 봉형피스톤(P)이 존재하지 않을 경우 센터스텝모터(83)의 원 스텝 회전을 구동시키도록 시그널을 보내는 동작센서(88)를 구비한다.
동작센서(88)는 예를 들어 미 도시된 발광소자 및 수광소자로 이루어질 수 있고, 봉형수직홀(81) 속의 봉형필라멘트(F) 및 봉형피스톤(P)의 유무에 따라 센터스텝모터(83)의 회전을 정지시키거나 원 스텝 회전되도록 하여 다수 개의 봉형수직홀(81) 속에 채워진 봉형필라멘트(F)들이 롤렛형회전체(82)의 원 스텝 회전에 따라 봉형피스톤(P)의 하강선에 일치될 수 있도록 하여 지속적인 봉형필라멘트(F)의 공급을 가능케 하는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 3D 프린터는 소재의 특성상 선행기술문헌의 필라멘트(50)처럼 연속적인 외줄로 마련되지 못하는 한계를 지닌 소재로 제작되는 봉형필라멘트(F)를 감안하여 제안된 것이며, 이러한 봉형필라멘트(F)는 40∼60Vol.％의 세라믹분말에 40∼60Vol.％의 바인더를 혼합시킨 피드스톡(Feedstock)으로 마련된다.
세라믹(CERAMICS)은 도자기에서부터 석고 유리 법랑 타일 내화물, 절연체 또는 내열재는 물론이거니와 표면코팅제 또는 세라믹소결체 등으로 제작되어 장신구, 임플란트 및 액세서리와 같은 내외장재 부품으로 응용되고 있는데, 세라믹의 특성상 필라멘트를 제작코자 할 때 얇은 직경을 지닌 외줄로서 연속적으로 제작할 수 없는 문제가 있다.
이러한 특성을 감안하여 본 발명에서는 세라믹분말 40∼60Vol.％에 바인더 40∼60Vol.％를 혼합시킨 피드스톡을 활용하여 연속된 외줄로 제작하지 아니하고 낱개의 봉형필라멘트(F)로 마련하여 본 발명의 3D 프린터에 적용된 헤드(H)로서 지속적인 3D 프린팅을 가능케 하는 것이다.
이때, 세라믹분말이 40Vol.％ 이하일 경우 입체물품(A)으로 완성된 후 탈지 및 소결시 강도가 떨어져 바람직하지 않고 60Vol.％ 이상일 경우 언더히팅모듈(90)의 히팅시 용융이 어려워 바람직하지 않아 40∼60Vol.％로 하는 것이며, 나아가 바인더가 40Vol.％ 이하일 경우 3D 프린팅시 흐름성이 좋지 않고 피드스톡 제조가 용이하지 않기 때문에 바람직하지 않고 60Vol.％ 이상일 경우 수축율이 지나치게 높아 바람직하지 않아 바인더를 40∼60Vol.％로 하는 것이다.
세라믹분말은 지르코니아(Zirconia), 알루미나(Alumina) 또는 질화규소(Silicon nitride)의 산화물로 이루어질 수 있다.
지르코니아(ZrO2)는 지르코늄의 산화물이고, 분자량 123.22, 녹는점 약 2,700℃, 소결온도 1,400∼1,450℃이며, 급격한 온도의 변화에 견디는 성질이 있어 급열·급랭의 기구류(도가니), 세라믹 시계, 액세서리 및 섬유부품, 반도체부품 및 치과부품 등에 사용된다.
알루미나(Al2O3; 산화알루미늄)는 분자량 101.96이며, 굴절률 1.76∼1.77이고, 소결온도 1,600∼1,650℃이며, 강도가 강하여 연마제로서 사용되고, 고온에서 소결이 완료되면 산이나 알칼리에 잘 녹지 않게 되므로 소결하여 알루미나 자기(磁器)를 만들 수 있는 특성이 있으며, 절연소재, 내화학성, 내식성, 비자성체, 유독성기체 분위기 및 내고온 소재 등의 상업용 세라믹 재료로서 주로 사용되고 있다.
질화규소(Si3N4)는 내열 충격성이 뛰어나고 상온에서 고온까지 광범위하게 고강도를 유지하기 때문에 세라믹 터빈이나 엔진 재료로 유망되며, 이 밖에도 내열 내식성이 요구되는 용도의 베어링 등 내마모부품, 제강 플랜트의 기계부품 등에 이용될 수 있으며, 특히 열팽창률이 낮고 내열충격성이 뛰어나며, 1200℃까지의 영역에서 고강도(상온 굽힘강도 100~140㎏/㎟, 1200℃에서 60~100㎏/㎟)를 유지하는 것이 다른 구조용 세라믹과 비교되는 특징을 가진다.
본 발명에서는 이러한 특징과 성질을 지닌 지르코니아, 알루미나 또는 질화규소를 활용하여 반인더의 혼합 및 용융으로 입체물품(A)을 3D 프린팅시키고자 하는 것이며, 이후 탈지 및 소결로서 최종 입체물품(A)을 완성토록 하는 것이다.
그리고, 바인더는 세라믹분말에 결합되어 노즐(N)을 통한 입체물품(A)으로의 3D 프린팅 시 형상을 유지시키는 35∼45wt％의 결합제와, 세라믹분말 및 결합제 상호간을 중화시켜 합체되도록 하는 52∼62wt％의 가소제와, 노즐(N)을 통한 용융필라멘트(Y)의 토출시 부드럽게 하는 1∼5wt％의 윤활제로 이루어질 수 있도록 한다.
결합제를 설계하는데 있어 먼저 고려할 사항은 점도이며, 점도가 낮을수록 피드스톡의 점도를 낮게 유지할 수 있어 3D 프린팅 시 유동성이 좋게 된다. 그러나 점도만을 낮게 유지시킬 경우 세라믹분말 및 결합제 상호간의 분리가 발생할 수 있어 바람직하지 않게 된다.
따라서, 결합제는 입체물품(A)의 3D 형상을 형성시키는데 큰 영향을 미치며, 35wt％ 이하일 경우 세라믹분말 대비 함량이 낮아 탈지·소결 공정에서 변형이 일어나고 45wt％ 이상일 경우 점도가 너무 높아 3D 프린팅 후 베드(B) 위에 입체물품(A)으로의 3D 프린팅이 어려울 뿐만 아니라 피드스톡의 제조 역시 어려워 35∼45wt％가 바람직하게 된다.
가소제는 결합제의 유연성을 보장할 수 있도록 세라믹분말 및 결합제 상호간을 중화시켜 합체되도록 하는 것으로 52wt％ 이하일 경우 결합제의 유연성을 확보할 수 없어 바람직하지 않고 62wt％ 이상일 경우 결합제의 유연성이 지나쳐 바람직하지 않아, 52∼62wt％로 하는 것이며, 구체적으로, 가소제는 파라핀왁스(Paraffin Wax), 카나우바 왁스(Carnauba Wax) 또는 폴리에틸렌 왁스(Polyethylene Wax)로 이루어질 수 있다.
윤활제는 피드스톡을 언더히팅모듈(90)에서 용융시켜 용융필라멘트(Y)로 노즐(N)을 통한 토출시 부드럽게 빠져나갈 수 있도록 하는 것으로 1wt％ 이하일 경우 윤활작용이 현저히 떨어지고 5wt％ 이상일 경우 윤활제가 넘쳐 바람직하지 않아, 1∼5wt％로 하는 것이며, 구체적으로 윤활제는 스테아린산(SA; Stearic Acid)으로 이루어질 수 있다.
더욱 구체적으로, 결합제는 저밀도폴리에틸렌(LDPE; Low Density Polyethylene), 고밀도폴리에틸렌(HDPE; High Density Polyethylene), 에틸렌초산비닐공중합체(EVA; Ethylene-Vinyl Acetate copolymer) 또는 폴리옥시메틸렌(POM; PolyOxyMethylene)으로 이루어질 수 있다.
저밀도폴리에틸렌은 상온에서 투명한 고체로 결정화가 낮아 가공성과 유연성, 투명성이 우수해 세라믹분말의 믹싱 용융을 원활하게 하면서 세라믹분말의 3D 프린팅까지 부드럽게 하여 바람직하고, 고밀도폴리에틸렌은 경도 기계적 강도 내열성 등이 우수하고 내한성(耐寒性)이 뛰어나 세라믹분말의 믹싱 용융을 원활하게 하면서 세라믹분말의 3D 프린팅까지 부드럽게 하여 바람직하고, 에틸렌초산비닐공중합체는 에틸렌과 초산 비닐 모노머를 공중합시켜 얻어지는 중합체로 EVA라고 하며, 초산 비닐의 함유량이 증가함에 따라 밀도가 증가하지만 결정화는 떨어져 유연성이 늘어나고, 보통의 저밀도폴리에틸렌과 같이 가공되어 내충격성(특히 저온시)이 우수하여 세라믹분말의 믹싱 용융을 원활하게 하면서 세라믹분말의 3D 프린팅까지 부드럽게 할 수 있어 바람직하고, 폴리옥시메틸렌은 엔지니어링 플라스틱의 일종으로 강도와 내마모성이 우수해 세라믹분말의 믹싱 용융을 원활하게 하면서 세라믹분말의 3D 프린팅까지 부드럽게 하여 바람직하게 된다.
한편, 바인더는 가소제 및 윤활제를 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 마련되며, 피드스톡은 바인더를 120∼190℃의 온도에서 용융한 후 세라믹분말을 넣고 40∼80분 동안 혼합하여 마련될 수 있다.
가소제 및 윤활제의 충분한 용융 혼합을 위해 미리 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 바인더를 마련한 후 다시 세라믹분말과 더불어 바인더를 120∼190℃의 온도에서 40∼80분 동안 용융 혼합하여 피드스톡을 마련하여 원형, 사각형, 마름모형 또는 다각형 형태의 봉형필라멘트(F)를 완성할 수 있도록 하는 것이다.
다른 한편으로, 본 발명에 따른 3D 프린터는 소재의 특성상 선행기술문헌의 필라멘트(50)처럼 연속적인 외줄로 마련되지 못하는 한계를 지닌 소재로 제작되는 봉형필라멘트(F)임을 감안하여 제안된 것이며, 이러한 봉형필라멘트(F)는 55∼65Vol.％의 금속분말에 35∼45Vol.％의 바인더를 혼합시킨 피드스톡(Feedstock)으로 마련된다.
금속분말은 스테인리스(Stainless Steel), 철(Iron), 니켈(Nickel), 구리(Cooper), 텅스텐(Tungsten) 또는 타이타늄(Titanium)으로 이루어질 수 있고, 금속분말의 특성상 필라멘트를 제작코자 할 때 얇은 직경을 지닌 외줄로서 연속적으로 제작할 수 없는 한계가 있다.
이러한 특성을 감안하여 본 발명에서는 금속분말 55∼65Vol.％에 바인더 35∼45Vol.％를 혼합시킨 피드스톡을 활용하여 연속된 외줄로 제작하지 아니하고 낱개의 봉형필라멘트(F)로 마련하여 본 발명의 3D 프린터에 적용된 헤드(H)로서 지속적인 3D 프린팅을 가능케 하는 것이다.
이때, 금속분말이 55Vol.％ 이하일 경우 입체물품(A)으로 완성된 후 탈지 및 소결시 강도가 떨어져 바람직하지 않고 65Vol.％ 이상일 경우 언더히팅모듈(90)의 히팅시 점도가 높고 흐름성이 좋지 않아 55∼65Vol.％로 하는 것이며, 나아가 바인더가 35Vol.％ 이하일 경우 3D 프린팅시 흐름성이 좋지 않고 피드스톡 제조가 용이하지 않기 때문에 바람직하지 않고 65Vol.％ 이상일 경우 수축율이 지나치게 높아 바람직하지 않아 바인더를 35∼45Vol.％로 하는 것이다.
스테인리스는 철의 최대 결점인 내식성의 부족을 개선할 목적으로 만들어진 내식용 강(鋼)으로서 철-크로뮴계의 페라이트 스테인리스강과, 철-니켈-크로뮴계의 오스테나이트 스테인리스강으로 분류되어 본 발명의 금속분말로서 활용될 수 있다.
철은 은회색의 금속 고체이고 습한 공기에서는 산화되나 수분이 없는 공기에서는 안정하고, 금속 중에서는 알루미늄 다음으로 많이 존재하여 그 활용이 용이하여 본 발명의 금속분말로 활용될 수 있다.
니켈은 은백색의 강한 광택이 있는 금속이며, 공기 중에서 변하지 않고 산화 반응을 일으키지 않아 도금이나 합금 등을 통해 동전의 재료로 사용되고, 전성·연성이 풍부하고 연마가공도 가능하고, 전기통신기 재료로서도 널리 쓰이는데 판(板) 및 선의 형태로 진공관 재료로 쓰이고 합금으로서 자성재료 및 전열재료로 사용되어 본 발명의 금속분말로 활용될 수 있다.
구리는 전성과 연성이 좋으며, 다른 원소를 첨가하면 단단해지며, 전선, 난방용 배관, 자동차 라디에이터, 지붕 재료, 조리 기구, 주화 등으로 제작되고 있고, 항균작용이 있으며 인체 독성은 거의 없어, 본 발명의 금속분말로 활용될 수 있다.
텅스텐은 굳고 단단한 백색 또는 회백색의 금속원소이고, 철망간중석을 알칼리융해하거나 회중석을 염산으로 처리하여 얻은 산화텅스텐수화물을 수소기류 속에서 가열하여 만들 수 있는 것으로, 본 발명의 금속분말로 활용될 수 있다.
타이타늄은 티탄 또는 티타늄이라고도 불리고, 금속 자체로 또는 여러 금속들과 합금을 만들어 아주 다양한 용도로 사용되며, 이산화 타이타늄은 아주 안정한 흰색 안료로 치약에서 페인트까지 아주 광범위하게 사용되고, 또한 태양 빛을 이용하여 물이나 오염 물질을 분해시키는 광 촉매와 햇빛차단제로 사용되어, 본 발명의 금속분말로 활용될 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 스테인리스 철 니켈 구리 텅스텐 또는 타이타늄의 특징과 성질을 활용하여 반인더의 혼합 및 용융으로 입체물품(A)을 3D 프린팅시키고자 하는 것이며, 이후 탈지 및 소결로서 최종 입체물품(A)을 완성토록 하는 것이다.
그리고, 바인더는 금속분말에 결합되어 노즐(N)을 통한 입체물품(A)으로의 3D 프린팅 시 형상을 유지시키는 35∼45wt％의 결합제와, 금속분말 및 결합제 상호간을 중화시켜 합체되도록 하는 52∼62wt％의 가소제와, 노즐(N)을 통한 용융필라멘트(Y)의 토출시 부드럽게 하는 1∼5wt％의 윤활제로 이루어질 수 있도록 한다.
결합제를 설계하는데 있어 먼저 고려할 사항은 점도이며, 점도가 낮을수록 피드스톡의 점도를 낮게 유지할 수 있어 3D 프린팅 시 유동성이 좋게 된다. 그러나 점도만을 낮게 유지시킬 경우 금속분말 및 결합제 상호간의 분리가 발생할 수 있어 바람직하지 않게 된다.
따라서, 결합제는 입체물품(A)의 3D 형상을 형성시키는데 큰 영향을 미치며, 35wt％ 이하일 경우 금속분말 대비 함량이 낮아 탈지·소결 공정에서 변형이 일어나고 45wt％ 이상일 경우 점도가 너무 높아 3D 프린팅 후 베드(B) 위에 입체물품(A)으로의 3D 프린팅이 어려울 뿐만 아니라 피드스톡의 제조 역시 어려워 35∼45wt％가 바람직하게 된다.
가소제는 결합제의 유연성을 보장할 수 있도록 금속분말 및 결합제 상호간을 중화시켜 합체되도록 하는 것으로 52wt％ 이하일 경우 결합제의 유연성을 확보할 수 없어 바람직하지 않고 62wt％ 이상일 경우 결합제의 유연성이 지나쳐 바람직하지 않아, 52∼62wt％로 하는 것이며, 구체적으로 가소제는 파라핀왁스(Paraffin Wax), 카나우바 왁스(Carnauba Wax) 또는 폴리에틸렌 왁스(Polyethylene Wax)로 이루어질 수 있다.
윤활제는 피드스톡을 언더히팅모듈(90)에서 용융시켜 용융필라멘트(Y)로 노즐(N)을 통한 토출시 부드럽게 빠져나갈 수 있도록 하는 것으로 1wt％ 이하일 경우 윤활작용이 현저히 떨어지고 5wt％ 이상일 경우 윤활제가 넘쳐 바람직하지 않아, 1∼5wt％로 하는 것이며, 구체적으로 윤활제는 스테아린산(SA; Stearic Acid)으로 이루어질 수 있다.
더욱 구체적으로, 결합제는 저밀도폴리에틸렌(LDPE; Low Density Polyethylene), 고밀도폴리에틸렌(HDPE; High Density Polyethylene), 에틸렌초산비닐공중합체(EVA; Ethylene-Vinyl Acetate copolymer) 또는 폴리옥시메틸렌(POM; PolyOxyMethylene)으로 이루어질 수 있다.
저밀도폴리에틸렌은 상온에서 투명한 고체로 결정화가 낮아 가공성과 유연성, 투명성이 우수해 금속분말의 믹싱 용융을 원활하게 하면서 금속분말의 3D 프린팅까지 부드럽게 하여 바람직하고, 고밀도폴리에틸렌은 경도 기계적 강도 내열성 등이 우수하고 내한성(耐寒性)이 뛰어나 금속분말의 믹싱 용융을 원활하게 하면서 금속분말의 3D 프린팅까지 부드럽게 하여 바람직하고, 에틸렌초산비닐공중합체는 에틸렌과 초산 비닐 모노머를 공중합시켜 얻어지는 중합체로 EVA라고 하며, 초산 비닐의 함유량이 증가함에 따라 밀도가 증가하지만 결정화는 떨어져 유연성이 늘어나고, 보통의 저밀도폴리에틸렌과 같이 가공되어 내충격성(특히 저온시)이 우수하여 금속분말의 믹싱 용융을 원활하게 하면서 금속분말의 3D 프린팅까지 부드럽게 할 수 있어 바람직하고, 폴리옥시메틸렌은 엔지니어링 플라스틱의 일종으로 강도와 내마모성이 우수해 금속분말의 믹싱 용융을 원활하게 하면서 금속분말의 3D 프린팅까지 부드럽게 하여 바람직하게 된다.
한편, 바인더는 가소제 및 윤활제를 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 마련되며, 피드스톡은 바인더를 120∼190℃의 온도에서 용융한 후 금속분말을 넣고 40∼80분 동안 혼합하여 마련될 수 있다.
가소제 및 윤활제의 충분한 용융 혼합을 위해 미리 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 바인더를 마련한 후 다시 금속분말과 더불어 바인더를 120∼190℃의 온도에서 40∼80분 동안 용융 혼합하여 피드스톡을 마련하여 원형, 사각형, 마름모형 또는 다각형 형태의 봉형필라멘트(F)를 완성할 수 있도록 하는 것이다.
바람직하게, 본 발명에 따른 센터카트리지모듈(80)은 피드스톡으로 마련된 봉형필라멘트(F)들을 봉형수직홀(81)들 속에 낱개씩 삽입시키는 것, 피드스톡을 봉형수직홀(81)들 속으로 압출시켜 봉형필라멘트(F)들을 압출성형시키는 것, 피드스톡을 봉형수직홀(81)들 속으로 인서트시켜 봉형필라멘트(F)들을 인서트사출시키는 것 중 어느 하나로 마련될 수 있다.
피드스톡으로 별도 마련된 봉형필라멘트(F)들을 낱개씩 봉형수직홀(81)들 속에 삽입시켜 센터카트리지모듈(80)을 마련할 수 있고, 피드스톡을 봉형수직홀(81)들 속으로 직접 압출시켜 봉형필라멘트(F)들을 압출성형으로 센터카트리지모듈(80)을 마련할 수 있으며, 피드스톡을 봉형수직홀(81)들 속으로 인서트시켜 봉형필라멘트(F)들을 인서트사출로서 센터카트리지모듈(80)를 마련할 수 있는데, 이러한 방식으로 제작될 수 있는 근거는 바로 봉형필라멘트(F)를 외줄로서 연속하여 제작하는 것이 아닌 낱개씩 제작할 수 있기 때문이다.
상기한 바와 같은 구성 및 방법으로 제작된 입체물품(A)을 탈지공정에 의해 바인더를 제거한 후 소결 나아가 열간 정수압 소결로서 고강도의 입체물품(A)을 완성케 할 수 있는 것이다.
본 발명은 3D 프린터 관련 산업분야에 이용될 수 있다.
60 : 바디 P : 봉형피스톤
P1 : 일측톱니 P2 : 나선형나사산
70 : 어퍼승강모듈 71 : 어퍼스텝모터
72 : 가이드롤러 73 : 어퍼사이드기어
74 : 어퍼원통형기어 80 : 센터카트리지모듈
81 : 봉형수직홀 82 : 롤렛형회전체
83 : 센터스텝모터 84 : 어퍼센터홈
85 : 언더센터홈 86 : 어퍼탄성버튼
87 : 언더탄성버튼 88 : 동작센서
90 : 언더히팅모듈 N : 노즐
B : 베드 H : 헤드
C : 함체 F : 봉형필라멘트
Y : 용융필라멘트 A : 입체물품

Claims (16)

  1. 베드(B) 및 헤드(H)를 내장한 함체(C)를 포함하는 3D 프린터에 있어서,
    상기 헤드(H)는
    상기 함체(C)의 상단에 고정되는 바디(60)와,
    상기 바디(60)의 상부 전방에 마련되어 봉형피스톤(P)을 승강시키는 어퍼승강모듈(70)과,
    상기 바디(60)의 중부 전방에 마련되어 상기 봉형피스톤(P)의 승강통로로 활용됨과 동시에 봉형필라멘트(F)들을 각각 수용하는 봉형수직홀(81)들을 지닌 센터카트리지모듈(80)과,
    상기 바디(60)의 하부 전방에 마련되어 상기 봉형피스톤(P)의 하강에 의해 상기 센터카트리지모듈(80)의 봉형필라멘트(F)들 중 어느 하나가 상기 봉형수직홀(81)을 통해 하강될 경우 용융필라멘트(Y)로 용융시키면서 하강토록 하는 언더히팅모듈(90)과,
    상기 바디(60)의 하단 전방에 마련되어 상기 언더히팅모듈(90)에 의해 용융된 용융필라멘트(Y)를 토출시켜 상기 베드(B) 위에 입체물품(A)으로 3D 프린팅시키는 노즐(N)을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 어퍼승강모듈(70)은
    상기 바디(60)에 내장되어 정역 회전되는 어퍼스텝모터(71)와,
    일측톱니(P1)를 지닌 상기 봉형피스톤(P)의 타측을 받쳐주는 가이드롤러(72)와,
    상기 일측톱니(P1)에 맞물려 상기 어퍼스텝모터(71)의 정역 회전운동을 상기 봉형피스톤(P)의 승강운동으로 변환시키는 어퍼사이드기어(73)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 어퍼승강모듈(70)은
    상기 바디(60)에 내장되어 정역 회전되는 어퍼스텝모터(71)와,
    나선형나사산(P2)을 지닌 상기 봉형피스톤(P)에 치합되어 상기 어퍼스텝모터(71)의 회전운동을 상기 봉형피스톤(P)의 승강운동으로 변환시키는 어퍼원통형기어(74)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센터카트리지모듈(80)은
    상기 봉형수직홀(81)들을 원호 간격으로 균등하게 배치한 롤렛형회전체(82)와,
    상기 봉형피스톤(P)의 승강시 회전을 멈춘 후 상기 봉형피스톤(P)의 이탈상태에서 상기 롤렛형회전체(82)를 원 스텝 회전시키도록 동작시키는 센터스텝모터(83)를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센터카트리지모듈(80)은
    상기 어퍼승강모듈(70)의 하부에 마련된 어퍼센터홈(84)과,
    상기 언더히팅모듈(90)의 상부에 마련된 언더센터홈(85)과,
    상기 롤렛형회전체(82)의 상하부에 마련되어 상기 어퍼센터홈(84) 및 언더센터홈(85)에 각각 탄성적으로 착탈 가능하게 끼워지면서 회전중심을 이루는 어퍼탄성버튼(86) 및 언더탄성버튼(87)을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 센터카트리지모듈(80)은 상기 봉형수직홀(81)들 중 상기 봉형피스톤(P)이 승강되는 어느 하나의 봉형수직홀(81) 속에 상기 봉형필라멘트(F) 또는 봉형피스톤(P)이 존재할 경우 상기 센터스텝모터(83)의 회전을 정지시키는 반면 상기 봉형수직홀(81)들 중 상기 봉형피스톤(P)이 승강되는 어느 하나의 봉형수직홀(81) 속에 상기 봉형필라멘트(F) 및 봉형피스톤(P)이 존재하지 않을 경우 상기 센터스텝모터(83)의 원 스텝 회전을 구동시키도록 시그널을 보내는 동작센서(88)를 구비하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 봉형필라멘트(F)는 40∼60Vol.％의 세라믹분말에 40∼60Vol.％의 바인더를 혼합시킨 피드스톡(Feedstock)으로 마련되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 바인더는 상기 세라믹분말에 결합되어 상기 노즐(N)을 통한 상기 입체물품(A)으로의 프린팅 시 형상을 유지시키는 35∼45wt％의 결합제와, 상기 세라믹분말 및 결합제 상호간을 중화시켜 합체되도록 하는 52∼62wt％의 가소제와, 상기 노즐(N)을 통한 상기 용융필라멘트(Y)의 토출시 부드럽게 하는 1∼5wt％의 윤활제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 세라믹분말은 지르코니아(Zirconia), 알루미나(Alumina) 또는 질화규소(Silicon nitride)의 산화물로 이루어지고,
    상기 결합제는 저밀도폴리에틸렌(LDPE; Low Density Polyethylene), 고밀도폴리에틸렌(HDPE; High Density Polyethylene), 에틸렌초산비닐공중합체(EVA; Ethylene-Vinyl Acetate copolymer) 또는 폴리옥시메틸렌(POM; PolyOxyMethylene)으로 이루어지고,
    상기 가소제는 파라핀왁스(Paraffin Wax), 카나우바 왁스(Carnauba Wax) 또는 폴리에틸렌 왁스(Polyethylene Wax)로 이루어지고,
    상기 윤활제는 스테아린산(SA; Stearic Acid)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 바인더는 상기 가소제 및 윤활제를 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 상기 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 마련되며,
    상기 피드스톡은 상기 바인더를 120∼190℃의 온도에서 용융한 후 상기 세라믹분말을 넣고 40∼80분 동안 혼합하여 마련되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 봉형필라멘트(F)는 55∼65wt％의 금속분말에 35∼45wt％의 바인더를 혼합시킨 피드스톡(Feedstock)으로 마련되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 바인더는 상기 금속분말에 결합되어 상기 노즐(N)을 통한 상기 입체물품(A)으로의 프린팅 시 형상을 유지시키는 35∼45wt％의 결합제와, 상기 금속분말 및 결합제 상호간을 중화시켜 합체되도록 하는 52∼62wt％의 가소제와, 상기 노즐(N)을 통한 상기 용융필라멘트(Y)의 토출시 부드럽게 하는 1∼5wt％의 윤활제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 금속분말은 스테인리스(Stainless Steel), 철(Iron), 니켈(Nickel), 구리(Cooper), 텅스텐(Tungsten) 또는 타이타늄(Titanium)으로 이루어지고,
    상기 결합제는 저밀도폴리에틸렌(LDPE; Low Density Polyethylene), 고밀도폴리에틸렌(HDPE; High Density Polyethylene), 에틸렌초산비닐공중합체(EVA; Ethylene-Vinyl Acetate copolymer) 또는 폴리옥시메틸렌(POM; PolyOxyMethylene)으로 이루어지고,
    상기 가소제는 파라핀왁스(Paraffin Wax), 카나우바 왁스(Carnauba Wax) 또는 폴리에틸렌 왁스(Polyethylene Wax)로 이루어지고,
    상기 윤활제는 스테아린산(SA; Stearic Acid)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 바인더는 상기 가소제 및 윤활제를 90∼150℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합한 후 상기 결합제를 넣어 150∼200℃의 온도에서 30∼60분 동안 혼합하고 상온에서 냉각 및 건조시켜 마련되며,
    상기 피드스톡은 상기 바인더를 120∼190℃의 온도에서 용융한 후 상기 금속분말을 넣고 40∼80분 동안 혼합하여 마련되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 센터카트리지모듈(80)은 상기 피드스톡으로 마련된 상기 봉형필라멘트(F)들을 상기 봉형수직홀(81)들 속에 낱개씩 삽입시키는 것, 상기 피드스톡을 상기 봉형수직홀(81)들 속으로 압출시켜 상기 봉형필라멘트(F)들을 압출성형시키는 것, 상기 피드스톡을 상기 봉형수직홀(81)들 속으로 인서트시켜 상기 봉형필라멘트(F)들을 인서트사출시키는 것 중 어느 하나로 마련되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 센터카트리지모듈(80)은 상기 피드스톡으로 마련된 상기 봉형필라멘트(F)들을 상기 봉형수직홀(81)들 속에 낱개씩 삽입시키는 것, 상기 피드스톡을 상기 봉형수직홀(81)들 속으로 압출시켜 상기 봉형필라멘트(F)들을 압출성형시키는 것, 상기 피드스톡을 상기 봉형수직홀(81)들 속으로 인서트시켜 상기 봉형필라멘트(F)들을 인서트사출시키는 것 중 어느 하나로 마련되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
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