KR102078812B1

KR102078812B1 - 분말 정량 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터

Info

Publication number: KR102078812B1
Application number: KR1020190087623A
Authority: KR
Inventors: 배성우; 김해정
Original assignee: 주식회사 에스에프에스
Priority date: 2019-07-19
Filing date: 2019-07-19
Publication date: 2020-02-19
Also published as: WO2021015416A1

Abstract

본 발명은 3차원 입체 조형물을 조형할 수 있는 분말 정량 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터에 관한 것으로서, 내부에 3차원 프린터용 분말 소재가 저장되는 분말 호퍼와, 상기 분말 호퍼의 하부와 연결되게 설치되어 상기 분말 호퍼에 저장된 상기 분말 소재가 공급되고, 내부에서 회전하는 스크류 축의 회전량 조절에 의해 상기 분말 호퍼로부터 공급되는 상기 분말 소재의 양을 제어할 수 있는 분말 공급 조절부 및 3차원 프린터의 작업테이블 상면에 설치된 한 쌍의 레일에 왕복 이동 가능하게 설치되어, 일방향으로 이동하면서 상기 분말 공급 조절부로부터 전달받은 상기 분말 소재를 상기 작업테이블 상면에 도포하고, 상기 일방향과 반대 방향인 타방향으로 이동하면서 상기 작업테이블 상면에 도포된 상기 분말 소재를 균일한 높이로 가압하는 리코터부를 포함할 수 있다.

Description

분말 정량 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터{Powder application device and 3D printer including the same}

본 발명은 분말 정량 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 3차원 입체 조형물을 조형할 수 있는 분말 정량 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터에 관한 것이다.

3차원 프린팅 기술은 3차원 입체 도면을 기반으로 3차원 공간 안에 인쇄하듯 물품을 만들어내는 제조기술을 말한다. 개발 초기에는 플라스틱 소재에만 국한되고 제한된 용도로 사용되었지만 나일론과 금속 등으로 범위가 확대되고, 휴대전화 케이스, 자동차 부속품까지 출력할 수 있는 정도로 전 산업분야에 응용되고 있는 추세이다.

일반적으로, 대다수 산업용 금속 3D 프린터는 금속 분말을 도포하고 원하는 부분만 레이저로 용융시켜 제품을 만드는 선택적 레이저 소결(SLS) 방식을 따르고 있다. 그러나, 선택적 레이저 소결 방식은, 정교한 제품 제작은 가능하지만 대형 제품 제작이 어렵고 생산 속도가 느리다는 단점이 있다. 이에 따라, 최근에는, 금속이나 플라스틱 분말을 조형 박스의 스테이지 상에 도포하고 원하는 부분에 접착제를 분사해 제품을 만드는 바인더 젯(Binder-Jet) 방식이 부각되고 있다. 바인더 젯 방식은 더 빠른 속도로 많은 제품을 한 번에 출력할 수 있으며 제품 크기의 제약도 SLS 방식에 비해 적다는 장점이 있다.

그러나, 이러한 종래의 바인더 젯 방식을 이용한 3차원 프린터는, 조형 박스의 조형 스테이지 상에 분말 소재를 도포한 후 블레이드를 일방향으로 이동시켜 평탄하게 펴는 과정을 실시하는데, 블레이드가 단순히 도포된 분말 소재의 상측을 지나가며 블레이드의 하면보다 높게 쌓여있는 분말 소재를 퍼트리는 기능만을 하기 때문에, 분말 소재가 균일하게 퍼지지 않을 뿐만 아니라 분산되어 있는 분말 소재의 밀도가 매우 낮은 문제점이 있었다.

이에 따라, 조형 스테이지 상에 부위별로 분산되어 있는 분말 소재의 양이 서로 달라 입체 조형물을 조형하였을 때 그 표면 상태가 정밀하게 형성되지 못하고, 분말과 분말 사이에 공극이 다수 발생하여 입체 조형물의 강도가 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 조형 박스의 조형 스테이지 상에 정량으로 계량된 분말 소재를 도포하고, 도포된 분말 소재를 균일한 높이로 가압하여 조형 스테이지 상에 높은 밀도로 균일하게 퍼지게 함으로써, 조형되는 입체 조형물의 정밀도 및 강도를 증가시킬 수 있는 분말 정량 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 3차원 프린터의 분말 정량 도포 장치가 제공된다. 상기 3차원 프린터의 분말 정량 도포 장치는, 내부에 3차원 프린터용 분말 소재가 저장되는 분말 호퍼; 상기 분말 호퍼의 하부와 연결되게 설치되어 상기 분말 호퍼에 저장된 상기 분말 소재가 공급되고, 내부에서 회전하는 스크류 축의 회전량 조절에 의해 상기 분말 호퍼로부터 공급되는 상기 분말 소재의 양을 제어할 수 있는 분말 공급 조절부; 및 3차원 프린터의 작업테이블 상면에 설치된 한 쌍의 레일에 왕복 이동 가능하게 설치되어, 일방향으로 이동하면서 상기 분말 공급 조절부로부터 전달받은 상기 분말 소재를 상기 작업테이블 상면에 도포하고, 상기 일방향과 반대 방향인 타방향으로 이동하면서 상기 작업테이블 상면에 도포된 상기 분말 소재를 균일한 높이로 가압하는 리코터부;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 분말 호퍼는, 상방이 개방된 역피라미드 형상으로 형성된 호퍼 몸체; 및 상기 호퍼 몸체의 하면에 형성되는 분말 공급구;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 분말 공급 조절부는, 상기 작업테이블의 폭 방향으로 길게 연장되게 형성되어 일측이 상기 분말 공급구의 위치와 대응되는 위치에 설치되고, 상기 분말 호퍼로부터 공급받은 상기 분말 소재를 수용하는 상방이 개방된 내부 공간이 형성되는 계량 챔버; 상기 계량 챔버의 내부 공간에서 회전 가능하게 설치되고, 외경면에 나선형의 날개부가 형성되는 상기 스크류 축; 상기 계량 챔버의 양측에서 상기 계량 챔버를 회전가능하게 지지하는 지지부; 및 상기 계량 챔버의 후측에서 상기 계량 챔버의 후면 상부와 연결되게 설치되어, 길이가 가변되는 직선적인 구동력에 의해 상기 계량 챔버를 상기 계량 챔버의 전방에 설치된 상기 리코터부 방향으로 회전시키는 구동 실린더;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 계량 챔버는, 전면이 상부로 갈수록 상기 리코터부 방향으로 경사지게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 분말 공급 조절부는, 상기 지지부의 일측에 설치되어 상기 스크류 축이 회전할 수 있도록 구동력을 인가하는 구동 모터; 및 상기 구동 모터와 전기적으로 연결되어 설정된 상기 분말 소재의 공급량에 따라 상기 구동 모터를 제어하여 상기 스크류 축의 회전수를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 리코터부는, 상기 계량 챔버의 길이와 대응되는 길이로 길게 연장되게 형성되어, 상기 계량 챔버로부터 전달받은 상기 분말 소재를 수용하는 상방이 개방된 내부 공간이 형성되고, 하면에 상기 분말 소재를 하방으로 도포할 수 있는 도포 슬릿이 형성되는 공급 챔버; 및 상기 공급 챔버의 내부 공간에 상기 도포 슬릿과 대응되는 위치에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 상기 분말 소재를 상기 도포 슬릿을 통해 도포하는 피딩 롤러;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 피딩 롤러는, 외주면을 따라 복수 개의 피딩 홈부가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 리코터부는, 상기 공급 챔버의 내부 공간에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 상기 공급 챔버에 수용된 상기 분말 소재를 교반시키는 교반 롤러;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 교반 롤러는, 외주면에 볼트 형상으로 돌출되게 형성되는 복수개의 돌출부가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 리코터부는, 상기 공급 챔버의 외부의 일측에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 도포된 상기 분말 소재를 균일한 높이로 가압하는 리코팅 롤러;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3차원 프린터가 제공된다. 상기 3차원 프린터는, 분말 소재가 수용되어 입체 조형물이 조형될 수 있는 내부 공간이 형성될 수 있도록 상방이 개방된 박스 형상으로 형성되고, 내부에 승하강 가능하게 구비되어 상면에 상기 입체 조형물이 복수의 레이어(Layer)로 적층되어 조형되는 조형 스테이지를 포함하는 조형 박스; 상기 조형 박스가 수납되는 조형 박스 수납부가 형성되는 몸체; 상기 몸체의 상부의 일측에 설치되어, 상기 조형 박스 수납부에 수납된 상기 조형 박스의 상기 조형 스테이지 상에 소정 두께의 분말층이 형성될 수 있도록 상기 분말 소재를 정량으로 도포하는 분말 도포 장치; 상기 몸체의 상부의 타측에 설치되어 상기 조형 스테이지 상에 도포된 상기 분말층에 접착물질을 잉크젯 방식으로 분사하는 프린팅 장치; 및 상기 조형 박스 수납부의 하부에 설치되어 상기 조형 박스의 상기 조형 스테이지를 승하강시키는 승하강 장치;를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 조형 박스의 조형 스테이지 상에 정량으로 계량된 분말 소재를 도포하고, 도포된 분말 소재를 균일한 높이로 가압하여 조형 스테이지 상에 높은 밀도로 균일하게 퍼지게 함으로써, 조형되는 입체 조형물의 정밀도 및 강도를 증가시킬 수 있는 분말 정량 도포 장치 및 이를 포함하는 3차원 프린터를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 3차원 프린터의 분말 정량 도포 장치를 개략적으로 나타내는 사시도 및 단면도이다.
도 4 및 도 5는 도 2의 분말 정량 도포 장치의 분말 호퍼 및 분말 공급 조절부의 작동 상태를 나타내는 사시도들이다.
도 6 및 도 7은 도 2의 분말 정량 도포 장치의 리코터부를 개략적으로 나타내는 전후면 사시도들이다.
도 8은 도 6의 리코터부의 피딩 롤러를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 9는 도 6의 리코터부의 교반 롤러를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 10 및 도 11은 도 3의 절취선 A-A를 따라 취한 단면을 기준으로 분말 공급 조절부의 작동 상태를 나타내는 단면도들이다.
도 12 내지 도 14는 도 1의 3차원 프린터의 조형 박스의 내부 공간에서 입체 조형물이 조형되는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도들이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터(1000)를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 3차원 프린터(1000)의 분말 정량 도포 장치(100)를 개략적으로 나타내는 사시도 및 단면도이며, 도 4 및 도 5는 도 2의 분말 정량 도포 장치(100)의 분말 호퍼(10) 및 분말 공급 조절부(20)의 작동 상태를 나타내는 사시도들이다. 그리고, 도 6 및 도 7은 도 2의 분말 정량 도포 장치(100)의 리코터부(30)를 개략적으로 나타내는 전후면 사시도들이고, 도 8 및 도 9는 도 6의 리코터부(30)의 피딩 롤러(32) 및 교반 롤러(33)를 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 10 및 도 11은 도 3의 절취선 A-A를 따라 취한 단면을 기준으로 분말 공급 조절부(20)의 작동 상태를 나타내는 단면도들이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터(1000)는, 분말 정량 도포 장치(100)와, 몸체(200)와, 조형 박스(300)와, 프린팅 장치(400) 및 승하강 장치(500)를 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 조형 박스(300)는, 분말 소재(M)가 수용되어 입체 조형물(A)이 조형될 수 있는 내부 공간이 형성될 수 있도록 상방이 개방된 박스 형상으로 형성되고, 내부에 승하강 가능하게 구비되어 상면에 입체 조형물(A)이 복수의 레이어(Layer)로 적층되어 조형되는 조형 스테이지(310)를 포함할 수 있다.

또한, 몸체(200)는, 내부에 조형 박스(300)가 수납되는 조형 박스 수납부(210)가 형성되고, 그 상면에 분말 정량 도포 장치(100)와, 프린팅 장치(400)가 설치되어 지지할 수 있는 일종의 프레임 구조체일 수 있다. 예컨대, 이러한 몸체(200)는, 일체형 사출 구조물이나, 주물이나, 다양한 형상의 판재, 선재, 파이프재, 수직 부재, 수평 부재 및 경사 부재들을 서로 용접하거나 연결하여 이루어지는 프레임 구조체일 수 있다.

분말 정량 도포 장치(100)는, 몸체(200)의 상부의 일측에 설치되어, 조형 박스 수납부(210)에 수납된 조형 박스(300)의 조형 스테이지(310) 상에 소정 두께의 분말층이 형성될 수 있도록 분말 소재(M)를 정량으로 도포할 수 있다.

또한, 프린팅 장치(400)는, 몸체(200)의 상부 타측에 설치되고, 몸체(200)의 작업 스테이지 상에서 XY축으로 이동할 수 있는 프린팅 헤드(PH)를 구비하여, 조형 스테이지(310) 상에 도포된 상기 분말층에 액상의 접착물질을 잉크젯 방식으로 분사할 수 있다. 아울러, 승하강 장치(500)는, 조형 박스 수납부(210)의 하부에 설치되어 조형 박스(300)의 조형 스테이지(310)를 승하강시킬 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 3차원 프린터(1000)의 분말 정량 도포 장치(100)는, 크게, 분말 호퍼(10)와, 분말 공급 조절부(20) 및 리코터부(30)를 포함할 수 있다.

예컨대, 분말 호퍼(10)는, 내부에 3차원 프린터(1000)용 분말 소재(M)가 저장될 수 있다. 더욱 구체적으로, 분말 호퍼(10)는, 상방이 개방된 역피라미드 형상으로 형성된 호퍼 몸체(11) 및 호퍼 몸체(11)의 하면에 형성되는 분말 공급구(12)를 포함할 수 있다.

또한, 분말 공급 조절부(20)는, 분말 호퍼(10)의 하부와 연결되게 설치되어 분말 호퍼(10)에 저장된 분말 소재(M)가 공급되고, 내부에서 회전하는 스크류 축(22)의 회전량 조절에 의해 분말 호퍼(10)로부터 공급되는 분말 소재(M)의 양을 제어할 수 있다.

더욱 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 분말 공급 조절부(20)는, 3차원 프린터(1000)의 작업테이블(T)의 폭 방향으로 길게 연장되게 형성되어 일측이 분말 공급구(12)의 위치와 대응되는 위치에 설치되고, 분말 호퍼(10)로부터 공급받은 분말 소재(M)를 수용하는 상방이 개방된 내부 공간이 형성되는 계량 챔버(21)와, 계량 챔버(21)의 내부 공간에서 회전 가능하게 설치되고, 외경면에 나선형의 날개부가 형성되는 스크류 축(22)과, 계량 챔버(21)의 양측에서 계량 챔버(21)를 회전가능하게 지지하는 지지부(23) 및 계량 챔버(21)의 후측에서 계량 챔버(21)의 후면 상부와 연결되게 설치되어, 길이가 가변되는 직선적인 구동력에 의해 계량 챔버(21)를 계량 챔버(21)의 전방에 설치된 리코터부(30) 방향으로 회전시키는 구동 실린더(24)를 포함할 수 있다.

따라서, 분말 공급 조절부(20)는, 계량 챔버(21) 내부의 스크류 축(22)이 회전하면, 분말 호퍼(10)의 분말 공급구(12)를 통해 공급된 분말 소재(M)가 스크류 축(22)의 나선형 날개부를 따라 계량 챔버(21)의 일측에서 타측으로 이동하면서 계량 챔버(21) 내부에 채워질 수 있다.

이때, 지지부(23)의 일측에 설치되어 스크류 축(22)이 회전할 수 있도록 구동력을 인가하는 구동 모터(25)에 의해 계량 챔버(21) 내부의 스크류 축(22)이 회전할 수 있으며, 구동 모터(25)는 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다. 이에 따라, 상기 제어부에 분말 소재(M)의 공급량을 입력하여 설정하면, 상기 제어부가 설정된 분말 소재(M)의 공급량에 따라 스크류 축(22)의 회전수를 결정하고, 구동 모터(25)를 제어하여 그 회전수 만큼 스크류 축(22)을 회전 구동시킬 수 있다.

이와 같이, 분말 공급 조절부(20)는, 스크류 컨베이어(Screw conveyor)와 같은 구조로서, 스크류 축(22)의 회전 수에 따라 계량 챔버(21) 내에 분말 소재(M)를 설정된 정량으로 수용할 수 있다.

이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 구동 실린더(24)를 구동하여 그 길이를 신장시키면, 계량 챔버(21)가 약 90도 정도 회전하여 내부에 정량으로 계량되어 수용된 분말 소재(M)를 리코터부(30)로 전달할 수 있다. 이때, 계량 챔버(21)의 회전 시, 내부에 수용된 분말 소재(M)가 계량 챔버(21)의 회전 방향으로 용이하게 쏟아질 수 있도록, 계량 챔버(21)의 전면이 상부로 갈수록 리코터부(30) 방향으로 경사지게 형성될 수 있다.

또한, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 리코터부(30)는, 3차원 프린터(1000)의 작업테이블(T) 상면에 설치된 한 쌍의 레일(R)에 왕복 이동 가능하게 설치되어, 일방향으로 이동하면서 분말 공급 조절부(20)로부터 전달받은 분말 소재(M)를 작업테이블(T) 상면에 도포하고, 상기 일방향과 반대 방향인 타방향으로 이동하면서 작업테이블(T) 상면에 도포된 분말 소재(M)를 균일한 높이로 가압할 수 있다.

예컨대, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 리코터부(30)는, 계량 챔버(21)의 길이와 대응되는 길이로 길게 연장되게 형성되어, 계량 챔버(21)로부터 전달받은 분말 소재(M)를 수용하는 상방이 개방된 내부 공간이 형성되고, 하면에 분말 소재(M)를 하방으로 도포할 수 있는 도포 슬릿(31a)이 형성되는 공급 챔버(31)와, 공급 챔버(31)의 내부 공간에 도포 슬릿(31a)과 대응되는 위치에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 분말 소재(M)를 도포 슬릿(31a)을 통해 도포하는 피딩 롤러(32) 및 공급 챔버(31)의 외부의 일측에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 도포된 분말 소재(M)를 균일한 높이로 가압하는 리코팅 롤러(34)를 포함할 수 있다. 또한, 리코터부(30)는, 공급 챔버(31)의 내부 공간에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 공급 챔버(31)에 수용된 분말 소재(M)를 뭉치지 않도록 교반시키는 교반 롤러(33)를 더 포함할 수 있다.

더욱 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 피딩 롤러(32)는, 외주면을 따라 복수 개의 피딩 홈부(32a)가 형성되어, 피딩 롤러(32)가 공급 챔버(31)의 내부에서 회전하면서 피딩 홈부(32a)로 수용된 분말 소재(M)를 도포 슬릿(31a)을 통해 공급 챔버(31)의 외부로 도포할 수 있다.

이와 같은, 피딩 롤러(32)로 인하여 공급 챔버(31) 내부의 분말 소재(M)가 도포 슬릿(31a)을 통해 한번에 도포되지 않고, 일정량씩 순차적으로 도포되도록 유도할 수 있다. 이러한, 피딩 롤러(32)의 피딩 홈부(32a)의 형상은, 도 8에 도시된 바와 같이, 피딩 롤러(32)의 길이 방향을 따라 길게 형성될 수 있으나, 반드시 이에 국한되지 안하고, 분말 소재(M)를 일정량씩 순차적으로 도포할 수 있도록 매우 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 교반 롤러(33)는, 외주면에 볼트 형상으로 돌출되게 형성되는 복수개의 돌출부(33a)가 형성되어, 공급 챔버(31)의 내부에서 회전 시 돌출부(33a)에 의해 공급 챔버(31) 내부에 수용된 분말 소재(M)를 뭉치지 않도록 교반시킬 수 있다. 이러한, 돌출부(33a)에 형상 또한 반드시 볼트 형상에 국한되지 않고, 나선형의 날개 형상 등 분말 소재(M)를 효과적으로 교반시킬 수 있는 매우 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

따라서, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 분말 공급 조절부(20)를 통해 분말 소재(M)를 정량으로 계량한 후, 계량 챔버(21)를 리코터부(30) 방향으로 회전시키면, 정량으로 계량된 분말 소재(M)가 리코터부(30)의 공급 챔버(31)로 전달될 수 있다.

이때, 리코터부(30)의 공급 챔버(31)로 전달되어 수용된 분말 소재(M)는, 공급 챔버(31) 내에서 회전하는 교반 롤러(33)에 의해 뭉치지 않도록 계속해서 교반될 수 있으며, 피딩 롤러(32)가 회전하면 도포 슬릿(31a)을 통해서 일정량씩 순차적으로 분말 소재(M)가 도포될 수 있다.

이하에서는, 상술한, 분말 정량 도포 장치(100)를 이용하여, 조형 박스(300)의 조형 스테이지(310) 상에 분말 소재(M)를 정량으로 도포하고, 일정한 높이로 가압하는 과정을 포함하는 입체 조형물(A)의 3D 프린팅 과정에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.

도 12 내지 도 14에는 분말 정량 도포 장치(100)가 분말 소재(M)를 도포 및 가압하고, 입체 조형물(A)이 조형되는 과정을 개략적으로 나타내는 단면도들이 도시되어 있다.

먼저, 도 12를 참조하면, 분말 정량 도포 장치(100)가 3차원 프린터(1000)의 작업테이블(T) 상에서 일방향으로 이동하면서, 정량으로 계량된 분말 소재(M)를 조형 박스(300)의 조형 스테이지(310) 상에 도포할 수 있다. 이때, 조형 스테이지(310) 상에 도포된 분말 소재(M)의 표면은 다소 불규칙하게 형성될 수 있다.

이어서, 도 13에 도시된 바와 같이, 분말 정량 도포 장치(100)가 상기 일방향과 반대 방향으로 되돌아오면서, 리코팅 롤러(34)를 이용하여 조형 스테이지(310) 상에 도포된 분말 소재(M)를 균일한 높이로 가압함으로써, 조형 스테이지(310) 상에 도포된 분말 소재(M)의 표면을 매우 균일하게 형성하면서 분말 소재(M)의 밀도를 높일 수 있다.

이어서, 도 14에 도시된 바와 같이, 프린팅 장치(400)의 프린팅 헤드(PH)가 이동하면서 접착물질(B)을 분사하여 입체 조형물(A)의 단면층과 대응되는 형상의 접착층을 형성할 수 있다.

이후, 다음 접착층 형성을 위해 승하강 장치(500)에 의해 조형 스테이지(310)가 소정 거리 하강하여 상술한 단계를 반복하여 진행함으로써, 복수의 접착층을 적층하여 형성하면서 입체 조형물(A)을 조형할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 분말 정량 도포 장치(100) 및 이를 포함하는 3차원 프린터(1000)에 따르면, 조형 박스(300)의 조형 스테이지(310) 상에 정량으로 계량된 분말 소재(M)를 도포하고, 조형 스테이지(310) 상에 도포된 분말 소재(M)를 균일한 높이로 가압할 수 있다. 이에 따라, 조형 스테이지 상(310)에 정량의 분말 소재(M)가 높은 밀도로 균일하게 퍼지게 함으로써, 3차원 프린팅 과정에서 소모되는 분말 소재(M)의 양을 절감할 수 있으며, 조형되는 입체 조형물(A)의 정밀도 및 강도를 증가시켜 3차원 프린팅의 품질을 증가시키는 효과를 가질 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 분말 호퍼
20: 분말 공급 조절부
30: 리코터부
100: 분말 정량 도포 장치
200: 몸체
300: 조형 박스
400: 프린팅 장치
500: 승하강 장치
M: 분말 소재
T: 작업 테이블
A: 입체 조형물
B: 접착물질
PH: 프린팅 헤드
1000: 3차원 프린터

Claims

내부에 3차원 프린터용 분말 소재가 저장되는 분말 호퍼;
상기 분말 호퍼의 하부와 연결되게 설치되어 상기 분말 호퍼에 저장된 상기 분말 소재가 공급되고, 내부에서 회전하는 스크류 축의 회전량 조절에 의해 상기 분말 호퍼로부터 공급되는 상기 분말 소재의 양을 제어할 수 있는 분말 공급 조절부; 및
3차원 프린터의 작업테이블 상면에 설치된 한 쌍의 레일에 왕복 이동 가능하게 설치되어, 일방향으로 이동하면서 상기 분말 공급 조절부로부터 전달받은 상기 분말 소재를 상기 작업테이블 상면에 도포하고, 상기 일방향과 반대 방향인 타방향으로 이동하면서 상기 작업테이블 상면에 도포된 상기 분말 소재를 균일한 높이로 가압하는 리코터부;를 포함하고,
상기 분말 호퍼는,
상방이 개방된 역피라미드 형상으로 형성된 호퍼 몸체; 및
상기 호퍼 몸체의 하면에 형성되는 분말 공급구;를 포함하고,
상기 분말 공급 조절부는,
상기 작업테이블의 폭 방향으로 길게 연장되게 형성되어 일측이 상기 분말 공급구의 위치와 대응되는 위치에 설치되고, 상기 분말 호퍼로부터 공급받은 상기 분말 소재를 수용하는 상방이 개방된 내부 공간이 형성되는 계량 챔버;
상기 계량 챔버의 내부 공간에서 회전 가능하게 설치되고, 외경면에 나선형의 날개부가 형성되는 상기 스크류 축;
상기 계량 챔버의 양측에서 상기 계량 챔버를 회전가능하게 지지하는 지지부; 및
상기 계량 챔버의 후측에서 상기 계량 챔버의 후면 상부와 연결되게 설치되어, 길이가 가변되는 직선적인 구동력에 의해 상기 계량 챔버를 상기 계량 챔버의 전방에 설치된 상기 리코터부 방향으로 회전시키는 구동 실린더;를 포함하고,
상기 스크류 축의 회전에 따라 상기 계량 챔버 내에 상기 분말 소재가 설정된 정량으로 채워지면, 상기 구동 실린더에 의해 상기 계량 챔버가 상기 리코터부 방향으로 회전되어 내부에 수용된 상기 분말 소재가 상기 리코터부로 전달되는, 3차원 프린터의 분말 정량 도포 장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 계량 챔버는,
전면이 상부로 갈수록 상기 리코터부 방향으로 경사지게 형성되는, 3차원 프린터의 분말 정량 도포 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 분말 공급 조절부는,
상기 지지부의 일측에 설치되어 상기 스크류 축이 회전할 수 있도록 구동력을 인가하는 구동 모터; 및
상기 구동 모터와 전기적으로 연결되어 설정된 상기 분말 소재의 공급량에 따라 상기 구동 모터를 제어하여 상기 스크류 축의 회전수를 제어하는 제어부;
를 더 포함하는, 3차원 프린터의 분말 정량 도포 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 리코터부는,
상기 계량 챔버의 길이와 대응되는 길이로 길게 연장되게 형성되어, 상기 계량 챔버로부터 전달받은 상기 분말 소재를 수용하는 상방이 개방된 내부 공간이 형성되고, 하면에 상기 분말 소재를 하방으로 도포할 수 있는 도포 슬릿이 형성되는 공급 챔버; 및
상기 공급 챔버의 내부 공간에 상기 도포 슬릿과 대응되는 위치에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 상기 분말 소재를 상기 도포 슬릿을 통해 도포하는 피딩 롤러;
를 포함하는, 3차원 프린터의 분말 정량 도포 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 피딩 롤러는,
외주면을 따라 복수 개의 피딩 홈부가 형성되는, 3차원 프린터의 분말 정량 도포 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 리코터부는,
상기 공급 챔버의 내부 공간에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 상기 공급 챔버에 수용된 상기 분말 소재를 교반시키는 교반 롤러;
를 더 포함하는, 3차원 프린터의 분말 정량 도포 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 교반 롤러는,
외주면에 볼트 형상으로 돌출되게 형성되는 복수개의 돌출부가 형성되는, 3차원 프린터의 분말 정량 도포 장치.
제 6 항에 있어서,
상기 리코터부는,
상기 공급 챔버의 외부의 일측에 회전 가능하게 설치되어, 회전에 의해 도포된 상기 분말 소재를 균일한 높이로 가압하는 리코팅 롤러;
를 더 포함하는, 3차원 프린터의 분말 정량 도포 장치.
분말 소재가 수용되어 입체 조형물이 조형될 수 있는 내부 공간이 형성될 수 있도록 상방이 개방된 박스 형상으로 형성되고, 내부에 승하강 가능하게 구비되어 상면에 상기 입체 조형물이 복수의 레이어(Layer)로 적층되어 조형되는 조형 스테이지를 포함하는 조형 박스;
상기 조형 박스가 수납되는 조형 박스 수납부가 형성되는 몸체;
상기 몸체의 상부의 일측에 설치되어, 상기 조형 박스 수납부에 수납된 상기 조형 박스의 상기 조형 스테이지 상에 소정 두께의 분말층이 형성될 수 있도록 상기 분말 소재를 정량으로 도포하는 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 9 항 및 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 분말 정량 도포 장치;
상기 몸체의 상부의 타측에 설치되어 상기 조형 스테이지 상에 도포된 상기 분말층에 접착물질을 잉크젯 방식으로 분사하는 프린팅 장치; 및
상기 조형 박스 수납부의 하부에 설치되어 상기 조형 박스의 상기 조형 스테이지를 승하강시키는 승하강 장치;
를 포함하는, 3차원 프린터.