KR102055434B1 - 냉각 기능이 증대된 3d프린터 노즐장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 필라멘트 공급관을 냉각시키는 기능을 증대시키는 3D프린터 노즐장치에 관한 것으로서, 하단에 노즐이 연통된 필라멘트 공급관; 상기 노즐의 상부에 결합되어 상기 필라멘트 공급관(200)을 가열시키는 히트블럭; 및 상기 히트블럭의 상부에 위치되어 상기 필라멘트 공급관의 과열을 방지하는 방열판을 포함하는 3D프린터 노즐장치에 있어서, 상기 방열판은, 상기 필라멘트 공급관을 둘러싼 방열몸체; 상기 방열몸체의 양측면에서 수평방향으로 연장되어 형성된 다수의 방열핀; 및 상기 방열몸체의 일측에서 타측으로 관통되면서 형성된 방열홀을 포함하는 3D프린터 노즐장치에 관한 것이다.

Description

냉각 기능이 증대된 3D프린터 노즐장치{A 3D printer nozzle system with increased cooling}
본 발명은 냉각기능이 증대된 3D프린터 노즐장치에 관한 것으로서, 필라멘트 공급관을 둘러싼 방열몸체를 관통하는 홀을 형성시키되, 방열몸체에 연장되어 형성된 방열핀의 냉각 기능을 유지한 채 방열핀의 연장 방향에 수직인 상태로, 그리고 필라멘트 공급관이 직접적으로 외부 공기에 노출되도록 홀을 형성시켜, 필라멘트 공급관의 냉각 기능을 증대시킨 3D프린터 노즐장치에 관한 것이다.
고체 상태의 플라스틱 소재 등을 고온으로 반 용융시켜 조형물을 제조하는 FDM 방식의 3D프린터는, 노즐의 온도를 상승시킨 상태에서 필라멘트 형태의 재료가 투입되어 홀러나온 토출물로 층을 만들면서 입체적 형상의 조형물을 제조하는 방식이다. 이와 같은 원리에 의해 기존 금형, 사출 등과 같은 제조방식을 탈피하여 시제품 제조 시 발생하는 비용을 대폭 감속시킬 수 있는 새로운 제조방식이며, 다품종 소량생산이 가능하며, 나아가 문화예술, 건축, 디자인 등 산업 전반에 다양한 분야에 적용이 가능하여 근래 널리 이용되고 있다.
3D프린터는 플라스틱 등 실 형태의 필라멘트를 사용하게 되는데, 이와 같은 필라멘트는 필라멘트 공급관으로 투입되어 노즐을 통해 토출된다.
이때, 노즐에서 토출되는 필라멘트가 레이어로 형성되어 적층되기 위해서는 노즐에서 토출되기 이전에 용융되어야 하기 때문에 필라멘트 공급관에는 순간적으로 강한 열을 발생하는 히트블록이 마련된다.
하지만, 3D프린터의 노즐은 히트블록에 의해 용융된 필라멘트가 필라멘트 공급관의 내부에서 팽창되어 필라멘트 공급관의 내벽에 달라붙는 문제점이 있었다. 즉, 필라멘트가 히트블록에 의해 가열되어 필라멘트 공급관의 내부에서 순간적으로 팽창하게 되는데, 이때 팽창된 필라멘트와 필라멘트 공급관의 내벽 간에 마찰면적(접촉면적)이 증가되어 필라멘트 공급관의 내벽에 용융된 필라멘트가 달라붙는 것이다.
위와 같은 문제점은, 노즐을 통해 필라멘트가 완전히 토출되어도 필라멘트 공급관의 내벽에는 필라멘트 찌꺼기가 경화된 상태로 남아있기 때문에, 이후 작업시에 노즐에서 필라멘트가 원활하게 토출되지 못하여 출력물의 품질을 낮추고, 심각하게는 노즐이 막혀 3D프린터의 고장을 유발하게 된다.
이에 따라, 필라멘트 공급관의 외주면에 방열판을 마련하는 방식으로 상기 문제점을 해결하려 하였으나, 위와 같은 방식으로는 필라멘트 공급관의 온도를 낮추기에는 여전희 부족함이 있다.
이러한 문제점을 해결하고자 한 종래기술인 대한민국 등록특허 제10-1712433호를 살펴본다.
종래기술은 필라멘트 공급관의 냉각 기능을 증대시키기 위해, 방열판 주위에 냉각부를 구비시키되, 이러한 냉각부는 방열판과 마주하게 배치되는 공기유입구와 공기배출구가 형성된 덕트 및 덕트의 내부에 마련되는 냉각팬을 포함하고 있다.
그러나, 종래기술에 따르면 기존 방열판에 별도의 냉각장치를 장착해야 하는 바, 3D프린터 제조비용을 증가시킨다. 또한, 냉각장치 장착에 따라 3D프린터 내부 구조가 더욱 복잡해진다. 냉각장치에 작동에 따른 별도의 에너지 사용이 필요하며, 별도의 정교한 냉각장치가 장착됨에 따라 불필요한 고장이 야기되는 문제점을 안고 있다.
상술한 바와 같이, 종래기술에 따른 문제점을 해결하고, 별도의 냉각장치를 장착하지 않고 필라멘트 공급관을 냉각시키는 기능을 증대시킬 수 있는 3D프린터 노즐장치를 제공하고자 한다.
즉, 별도의 냉각장치가 구비되지 않은 상태에서도, 상온에서 충분히 필라멘트 공급관을 냉각시킬 수 있는 방열판의 구조를 제공하고자 한다.
상술한 종래기술에 따른 문제점을 해결하고자, 본 발명에 따른 3D프린터 노즐장치는, 하단에 노즐(100)이 연통된 필라멘트 공급관(200); 상기 노즐(100)의 상부에 결합되어 상기 필라멘트 공급관(200)을 가열시키는 히트블럭(300); 및 상기 히트블럭(300)의 상부에 위치되어 상기 필라멘트 공급관(200)의 과열을 방지하는 방열판(400)을 포함하는 3D프린터 노즐장치에 있어서, 상기 방열판(400)은, 상기 필라멘트 공급관(200)을 둘러싼 방열몸체(420); 상기 방열몸체(420)의 양측면에서 수평방향으로 연장되어 형성된 다수의 방열핀(440); 및 상기 방열몸체(420)의 일측에서 타측으로 관통되면서 형성된 방열홀(460)을 포함한다.
바람직하게는, 상기 방열홀(460)은, 상기 필라멘트 공급관(200)이 상기 방열판(400)에 결합된 상태에서 상기 방열몸체(420)의 일측에서 타측으로 관통되면서 형성된 제1방열홀(462); 및 상기 필라멘트 공급관(200)이 상기 방열판(400)에 결합된 상태에서 상기 방열몸체(420)의 외측면에서 관통되어 상기 필라멘트 공급관(200)의 외측면에 접촉되면서 차단되는 제2방열홀(464)을 포함하며, 상기 방열홀(460)이 관통되는 방향은 상기 방열핀(440)이 연장되는 방향을 기준으로 수직이며, 상기 제1방열홀(462)은 상기 제2방열홀(464)을 기준으로 양쪽에 한 쌍으로 형성되어 있다.
바람직하게는, 상기 다수의 방열핀(440)은 상하로 일정한 간격을 두고 위치되며, 상기 제1방열홀(462)은 상기 상하로 위치된 다수의 방열핀(440)의 사이에 해당하는 상기 방열몸체(420) 부분에 형성되며, 상기 한 쌍의 제1방열홀(462)이 상기 방열몸체(420)의 일측에서 타측으로 관통되되, 상기 필라멘트 공급관(200)의 양측면의 일부분이 접촉되도록 관통되며, 상기 제2방열홀(464)이 접촉되는 상기 필라멘트 공급관(200)의 외측면은 상기 필라멘트 공급관(200)의 정면의 일부분이며, 상기 필라멘트 공급관(200)의 양측면의 일부분 중 어느 한 측면의 일부분에서 상기 필라멘트 공급관(200)의 정면의 일부분까지의 거리와 상기 필라멘트 공급관(200)의 양측면의 일부분 중 다른 한 측면의 일부분에서 상기 필라멘트 공급관(200)의 정면의 일부분까지의 거리는 동일하다.
상술한 과제해결수단으로 인하여 추가적인 냉각장치 구비없이 간단한 홀 형성으로 필라멘트 공급관을 상온에서도 충분히 냉각시킬 수 있어 3D프린터 내부 구조를 단순화시키면서 필라멘트를 냉각시키는 기능을 더욱 증대시킬 수 있다. 이에 따라, 별도의 에너지 사용이 불필요하며, 불필요한 고장이 야기되는 문제점이 해소된다.
즉, 필라멘트 공급관에 전달되는 열을 방열시키는 방열핀 이외의 추가적인 수단인 홀을 형성시켜 외부 공기와의 접촉면적을 넓혀 냉각 기능을 증대시켰으며, 나아가 필라멘트 공급관 자체에 대해서도 방열판의 외부 공기에 접촉되도록 하여 필라멘트 공급관를 냉각시키는 기능을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 3D프린터 노즐장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 3D프린터 노즐장치에 대한 분해사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 기술적 특징을 설명하기 위하여 방열판의 단면도를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의성을 위해 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.
용융된 필라멘트가 토출되는 노즐(100)에 필라멘트 공급관(200)이 연통된다. 필라멘트 공급관(200)으로 실 형태의 필라멘트가 공급되고, 히트블럭(300)을 거치면서 필라멘트가 용융된다.
히트블럭(300)에 의해 공급된 열이 필라멘트 공급관(200)으로 직접적으로 전달되어 필라멘트 공급관(200)이 가열되는 것을 방지하기 위하여, 전달되는 열을 방열시키기 위해 방열판(400)이 필라멘트 공급관(200)을 둘러싼다. 이러한 상태에서 방열판(400)으로 전달된 열이 방열판(400)에서 방열되어 필라멘트 공급관(200)으로의 열 전달을 최소화한다.
방열판(400)은 필라멘트 공급관(200)을 둘러싼 상태의 방열몸체(420), 방열몸체(420)에서 수평방향으로 연장되어 형성된 다수의 방열핀(440) 및 방열몸체(420)의 일측에서 타측으로 관통되면서 형성된 방열홀(460)이 형성되어 있다. 외부 공기와의 접촉으로 방열 기능을 발휘하는 방열핀(440) 이외에 방열몸체(420)에서의 외부 공기와의 접촉면적을 증대시키기 위해 방열홀(460)이 형성되어 있다.
방열몸체(420)의 내측으로 필라멘트 공급관(200)이 관통된다.
방열홀(460)은, 필라멘트 공급관(200)이 방열판(400)에 결합된 상태에서 방열몸체(420)의 일측에서 타측으로 관통되면서 형성된 제1방열홀(462)과, 필라멘트 공급관(200)이 방열판(400)에 결합된 상태에서 방열몸체(420)의 외측면에서 관통되어 필라멘트 공급관(200)의 외측면에 접촉되면서 차단되는 제2방열홀(464)을 포함한다.
제1방열홀(462)은 방열몸체(420)에서 관통되어 형성되고, 필라멘트 공급관(200)이 방열몸체(420)에 결합된 상태에서도 일측과 타측으로 관통된다. 관통된 제1방열홀(462)로 인하여 방열몸체(420)가 외부 공기에 접촉되는 면적이 더 넓어지는 바, 전달된 열이 외부 공기에 의해 방열될 수 있다.
제2방열홀(464)은 방열몸체(420)에서 관통되어 형성되지만, 필라멘트 공급관(200)이 방열몸체(420)에 결합된 상태에서는 필라멘트 공급관(200)에 의해 방열몸체(420)의 일측에 타측으로 관통되지 않는다. 이에 따라, 제2방열홀(464)은 방열몸체(420)에서 관통되기 시작하여 필라멘트 공급관(200)의 외측면에 접촉된다. 방열몸체(420)가 외부 공기에 접촉되는 면적이 더 넓어지면서 동시에 필라멘트 공급관(200)의 외측면에 전달된 열이 제2방열홀(464)로 유동되는 외부 공기에 방열되어 필라멘트 공급관(200)이 냉각된다.
제1방열홀(462)이 관통되는 방향은 방열핀(440)이 연장되는 방향을 기준으로 수직으로 형성되되, 다수의 방열핀(440) 사이에 위치되는 방열몸체(420) 부분에 형성될 수 있다.
이러한 제1방열홀(462)의 형성은 방열핀(440)의 기능을 저하시키지 않으면서 형성됨이 바람직하다. 즉, 외부 공기에 접촉되는 면적을 증대시키고자 방열핀(440)은 수평방향으로 연장되어 형성되어 있다. 이러한 방열핀(440)은 상하로 다수로 위치되되, 일정한 간격을 두고 위치된다. 방열몸체(420)에 전달된 열을 최대한 넓은 접촉 면적으로 방열시키기 위함이다. 따라서, 방열몸체(420)에 전달된 열이 방열핀(440)으로 최대한 전달되도록 방열몸체(420)와 방열핀(440)은 열전달이 잘 되도록 전열체에 의해 연속적으로 연결된 상태임이 바람직하다.
이러한 상태에서 제1방열홀(462)은 이러한 방열몸체(420)와 방열핀(440) 사이에 형성됨이 없이 방열핀(440)이 연장되어 형성되지 않은 방열몸체(420) 부분에 형성됨이 바람직하다. 방열핀(440)의 방열 기능과 제1방열홀(462)의 방열 기능을 최대한 증대시키기 위함이다.
나아가, 제1방열홀(462)이 방열핀(440)의 연장 방향과 수평 방향으로 형성되는 경우, 한쪽 방향으로만으로 외부 공기와의 접촉 면적을 넓힐 우려가 있으며, 그 외 방열몸체(420)의 부분에서는 방열의 효과가 미진할 수 있다.
방열핀(440)과 같은 방향으로 형성되는 경우, 불균일한 방열으로 냉각 기능이 충분하지 않을 수 있는 바, 제1방열홀(464)이 형성되는 방향과 방열핀(440)의 연장 방향은 수직임이 바람직하다. 방열핀(440)이 연장되어 형성된 방열몸체(420)는 방열핀(440)으로 열이 전달되어 방열되고, 방열핀(440)이 연장되어 형성되지 않은 방열몸체(420)의 부분은 방열핀(440)의 연장 방향과 수직 방향으로 제1방열홀(462)이 형성되어, 방열몸체(420)에서 최대한 많은 부분이 외부 공기에 접촉되도록 하여 냉각 기능을 증대시킨다.
제1방열홀(462)은 제2방열홀(464)을 기준으로 양쪽에 한 쌍으로 형성되어 있을 수 있다. 제2방열홀(464)이 직접적으로 방열몸체(420)의 외측면에서 관통되어 필라멘트 공급관(200)의 정면에 해당하는 외측면에 접촉된 상태에서, 상술한 바와 같이 다수의 방열핀(440) 사이에 제1방열홀(462)이 방열핀(440)의 연장 방향에 수직으로 형성되어 있고, 방열핀(440)은 방열몸체(420)에 양쪽으로 한 쌍으로 형성되어 있는 바, 마찬가지로 제1방열홀(462)도 양쪽에 형성된 방열핀(440) 사이에 양쪽에 형성되어 있음은 당연하다. 최대한 외부 공기와의 접촉면적을 넓혀 냉각 기능을 증대시키고자 함이다.
나아가, 제1방열홀(462)이 방열몸체(420)의 일측에서 타측으로 관통되되, 상기 필라멘트 공급관(200)의 양측면의 일부분이 접촉되도록 관통되며, 이에 따라 제2방열홀(464)이 접촉되는 필라멘트 공급관(200)의 외측면은 필라멘트 공급관(200)의 정면임이 바람직하다.
제1방열홀(462)이 방열몸체(420)의 양쪽에서 형성되되, 필라멘트 공급관(200)의 정면에 직접적으로 전달된 열이 제2방열홀(464)로 방열될 뿐만 아니라 필라멘트 공급관(200)의 양측면에서도 열이 방열될 수 있도록 제1방열홀(462)에 필라멘트 공급관(200)의 양측면이 접촉되도록 형성될 수 있다. 즉, 필라멘트 공급관(200)의 양측면이 제1방열홀(462)로 유동되는 외부 공기에 접촉된다. 따라서, 방열핀(440)의 기능을 유지한 채, 방열몸체(420) 뿐만 아니라 필라멘트 공급관(200)의 외부 공기와의 접촉면적을 더욱 넓혀 냉각 기능을 최대화시킬 수 있다.
필라멘트 공급관(200)에 전달된 열 또는 방열몸체(420)에 전달된 열은 균일하게 방열될 필요가 있다. 어느 한 부분에서만 보다 높은 방열이 발생되는 경우, 필라멘트 공급관(200)으로 공급되는 필라멘트의 한쪽 방향에 치우쳐 전달된 열에 의해 필라멘트의 온도가 불균일한 상태일 수 있으며, 따라서 필라멘트가 한쪽 방향에서만 팽창될 수 있다. 불균일한 팽창으로, 팽창되지 않는 부분과 팽창된 부분이 필라멘트 공급관(200)으로 이동되는 경우, 팽창된 부분의 마찰력 증가로 팽창되지 않은 필라멘트 일부분만이 밀려서 노즐 쪽으로 이동되어, 결국 적정량의 필라멘트가 융용되어 노즐로 토출되지 않아 제품의 품질에 악영향을 미칠 수 있다.
이러한 문제점을 해결하고자, 필라멘트 공급관(200) 및 방열몸체(420)가 최대한 외부 공기에 접촉될 수 있도록 하되, 접촉되는 상태가 균일한 상태를 유지하기 위하여, 필라멘트 공급관(200)의 양측면의 일부분 중 제1방열홀(462)에 접촉되는 어느 한 측면의 일부분에서 제2방열홀(464)에 접촉되는 필라멘트 공급관(200)의 정면의 일부분까지의 거리와, 필라멘트 공급관(200)의 양측면의 일부분 중 제1방열홀(462)에 접촉되는 다른 한 측면의 일부분에서 제2방열홀(464)에 접촉되는 필라멘트 공급관(200)의 정면의 일부분까지의 거리는 동일할 수 있다.
정리하면, 방열몸체(420)에 연장되어 형성된 방열핀(440)의 방열 기능을 손상시키지 않으면서, 최대한 방열을 위하여 방열몸체(420) 또는 필라멘트 공급관(200)이 외부 공기에 접촉될 수 있는 면적을 최대화하고, 또한 외부 공기와의 균일한 접촉을 위하여 제1방열홀(462) 및 제2방열홀(464)를 구비시키고 있다.
이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 노즐
200: 필라멘트 공급관
300: 히트블럭
400: 방열판
420: 방열몸체
440: 방열핀
460: 방열홀
462; 제1방열홀
464; 제2방열홀

Claims (3)

  1. 하단에 노즐(100)이 연통된 필라멘트 공급관(200); 상기 노즐(100)의 상부에 결합되어 상기 필라멘트 공급관(200)을 가열시키는 히트블럭(300); 및 상기 히트블럭(300)의 상부에 위치되어 상기 필라멘트 공급관(200)의 과열을 방지하는 방열판(400)을 포함하는 3D프린터 노즐장치에 있어서,
    상기 방열판(400)은,
    상기 필라멘트 공급관(200)을 둘러싼 방열몸체(420);
    상기 방열몸체(420)의 양측면에서 수평방향으로 연장되어 형성된 다수의 방열핀(440); 및
    상기 방열몸체(420)의 일측에서 타측으로 관통되면서 형성된 방열홀(460)을 포함하며,
    상기 방열홀(460)은,
    상기 필라멘트 공급관(200)이 상기 방열판(400)에 결합된 상태에서 상기 방열몸체(420)의 일측에서 타측으로 관통되면서 형성된 제1방열홀(462); 및
    상기 필라멘트 공급관(200)이 상기 방열판(400)에 결합된 상태에서 상기 방열몸체(420)의 외측면에서 관통되어 상기 필라멘트 공급관(200)의 외측면에 접촉되면서 차단되는 제2방열홀(464)을 포함하며,
    상기 방열홀(460)이 관통되는 방향은 상기 방열핀(440)이 연장되는 방향을 기준으로 수직이며,
    상기 제1방열홀(462)은 상기 제2방열홀(464)을 기준으로 양쪽에 한 쌍으로 형성되어 있으며,
    상기 다수의 방열핀(440)은 상하로 일정한 간격을 두고 위치되며,
    상기 제1방열홀(462)은 상기 상하로 위치된 다수의 방열핀(440)의 사이에 해당하는 상기 방열몸체(420) 부분에 형성되며,
    상기 한 쌍의 제1방열홀(462)이 상기 방열몸체(420)의 일측에서 타측으로 관통되되, 상기 필라멘트 공급관(200)의 양측면의 일부분이 접촉되도록 관통되며,
    상기 제2방열홀(464)이 접촉되는 상기 필라멘트 공급관(200)의 외측면은 상기 필라멘트 공급관(200)의 정면의 일부분이며,
    상기 필라멘트 공급관(200)의 양측면의 일부분 중 어느 한 측면의 일부분에서 상기 필라멘트 공급관(200)의 정면의 일부분까지의 거리와 상기 필라멘트 공급관(200)의 양측면의 일부분 중 다른 한 측면의 일부분에서 상기 필라멘트 공급관(200)의 정면의 일부분까지의 거리는 동일한 3D프린터 노즐장치.
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