KR102094686B1 - 유리 용융 증착형 3d 프린터용 노즐 및 이를 이용한 유리 용융 증착형 3d 프린터 - Google Patents

유리 용융 증착형 3d 프린터용 노즐 및 이를 이용한 유리 용융 증착형 3d 프린터 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 유리로 이루어진 필라멘트가 유입되는 필라멘트 가이드와, 상기 필라멘트 가이드를 둘러싸서 수용하는 하우징 본체와, 상기 필라멘트 가이드 하부에 연결되어 용융된 필라멘트를 일시적으로 저장하거나 목표하는 양만큼 배출하기 위한 노즐팁과, 상기 노즐팁을 수용하는 공간을 제공하면서 상기 하우징 본체 하부에 결합되어 상기 필라멘트 가이드와 상기 노즐팁이 분리되지 않게 고정하고 상기 하우징 본체에서 착탈될 수 있게 구비되는 하우징 결합부와, 상기 필라멘트 가이드로 유입된 필라멘트를 가열하기 위한 발열체와, 상기 발열체와 상기 하우징 본체 사이에 구비되고 상기 발열체와 상기 하우징 본체가 단락되지 않게 하며 내부 열이 외부로 빠져나가는 것을 억제하는 역할을 하는 단열재를 포함하는 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐 및 이를 이용한 유리 용융 증착형 3D 프린터에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 3차원 출력물의 제작을 위한 원료로 유리로 이루어진 필라멘트를 사용할 수 있고 소모품인 필라멘트 가이드와 노즐팁의 교환이 용이하다.

Description

유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐 및 이를 이용한 유리 용융 증착형 3D 프린터{Nozzle for 3D printer based on glass fused deposition and 3D printer based on glass fused deposition using the nozzle}
본 발명은 3D 프린터용 노즐 및 이를 이용한 3D 프린터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 출력물(제품)의 제작을 위한 원료로 유리로 이루어진 필라멘트를 사용할 수 있고 소모품인 필라멘트 가이드와 노즐팁의 교환이 용이한 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐 및 이를 이용한 유리 용융 증착형 3D 프린터에 관한 것이다.
최근에는 3차원(3 dimension; 3D) 데이터를 이용하여 목표하는 물건을 출력할 수 있는 3D 프린터에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 복잡한 구조의 제품을 기획한 디자인대로 손쉽게 출력하여 제작할 수 있어 앞으로 3D 프린터의 시장은 매우 커질 것으로 기대된다.
세라믹 3D 프린팅은 디지털 디자인 데이터를 이용하여 세라믹 소재를 적층하여 3차원 세라믹 출력물을 만드는 공정이다.
3D 프린터를 이용한 3D 프린팅은 소재의 특성 등을 고려하여 다음의 5가지 3D 프린팅 방식으로 구분될 수 있다.
광중합식(Photopolymerization, PP)은 빛의 조사로 고분자 소재의 중합반응을 일으켜 선택적 고형화 시키는 방식이다.
재료분사식(Material Jetting, MJ)은 용액 형태의 소재를 제팅(jetting)으로 토출시키고 자외선 등으로 경화시키는 방식이다.
재료압출식(Material Extrusion, ME)은 고온 가열한 재료를 노즐을 통해 압력으로 연속적으로 밀어내며 위치를 이동시켜 물체를 형성시키는 방식이다.
분말적층용융식(Powder Bed Fusion, PBF)은 분말 형태의 모재 위에 고에너지빔(레이저나 전자빔)을 주사하며 조사해 선택적으로 결합시키는 방식이다.
접착제분사식(Binder Jetting, BJ)은 분말 형태의 모재 위에 액체 형태의 접착제를 토출시켜 모재를 결함시키는 방식이다.
3D 프린팅 기술 중에서 재료압출식(ME)은 FDM(fused deposition modelling)이라고도 하며, 하나의 동일한 속성을 가진 원료를 고열로 녹여 지정된 지점에 소량 압출하여 한층씩 쌓아 형태를 완성해 나가는 방식이다.
상기 재료압출식(ME)을 적용한 유리 용융 증착형 3D 프린터는 공급되는 필라멘트가 플라스틱(ABS(acrylonitrile butadiene styrene), PLA(polylactic acid) 등)이 아닌 유리(glass) 이다. 그러므로, 유리 필라멘트를 녹여 압출할 수 있는 노즐 제작이 필요하다. 노즐 온도는 사용하는 필라멘트 소재에 의존하며, 플라스틱 소재의 경우 200℃ 정도인데 반해, 유리(glass) 소재의 경우 1000℃ 이상의 고온에서 작동 가능한 노즐이 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0085211호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 3차원 출력물(제품)의 제작을 위한 원료로 유리로 이루어진 필라멘트를 사용할 수 있고 소모품인 필라멘트 가이드와 노즐팁의 교환이 용이한 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐 및 이를 이용한 유리 용융 증착형 3D 프린터를 제공함에 있다.
본 발명은, 유리로 이루어진 필라멘트가 유입되는 필라멘트 가이드와, 상기 필라멘트 가이드를 둘러싸서 수용하는 하우징 본체와, 상기 필라멘트 가이드 하부에 연결되어 용융된 필라멘트를 일시적으로 저장하거나 목표하는 양만큼 배출하기 위한 노즐팁과, 상기 노즐팁을 수용하는 공간을 제공하면서 상기 하우징 본체 하부에 결합되어 상기 필라멘트 가이드와 상기 노즐팁이 분리되지 않게 고정하고 상기 하우징 본체에서 착탈될 수 있게 구비되는 하우징 결합부와, 상기 필라멘트 가이드로 유입된 필라멘트를 가열하기 위한 발열체와, 상기 발열체와 상기 하우징 본체 사이에 구비되고 상기 발열체와 상기 하우징 본체가 단락되지 않게 하며 내부 열이 외부로 빠져나가는 것을 억제하는 역할을 하는 단열재를 포함하며, 상기 하우징 본체로부터 상기 하우징 결합부의 착탈을 통해 상기 노즐팁과 상기 필라멘트 가이드의 착탈이 가능한 것을 특징으로 하는 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐을 제공한다.
상기 필라멘트 가이드는 속이 비어있는 파이프 형태로 구비될 수 있다.
상기 필라멘트 가이드는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(Si3N4), 알루미늄나이트라이드(AlN), 글라스세라믹스(glass-ceramics), 흑연(graphite) 및 뮬라이트(mullite) 중에서 선택된 1종 이상의 세라믹 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 하우징 본체는 인코넬(Inconel) 또는 서스(SUS; stainless steel) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 하우징 본체는 속이 비어있는 파이프 형태의 몸체부와, 상기 몸체부의 상부와 연결되어 있는 원판 형태의 고정판을 포함하는 구조로 이루어질 수 있고, 상기 필라멘트 가이드는 파이프 형태의 상기 몸체부 내부에 삽입되어 설치된다.
상기 하우징 결합부는 집게형 형태의 하우징 결합부로 이루어질 수 있고, 상기 집게형 형태의 하우징 결합부는 상기 필라멘트 가이드와 상기 노즐팁이 분리되지 않도록 꺾임쇠 모양의 집게형 지지대를 포함할 수 있으며, 볼트를 통해 상기 하우징 본체로부터 착탈이 가능하며 이를 통해 상기 노즐팁과 상기 필라멘트 가이드의 착탈이 가능할 수 있다.
상기 하우징 결합부는 원통형 형태의 하우징 결합부로 이루어질 수 있고, 상기 원통형 형태의 하우징 결합부는 상기 필라멘트 가이드와 상기 노즐팁이 분리되지 않도록 원통형 모양으로 구비될 수 있으며, 상기 원통형 형태의 하우징 결합부의 내부 내주면에는 나사산이 구비될 수 있고, 상기 하우징 본체의 몸체부 하단 외주면에는 상기 나사산과 나사 결합되는 나사산이 구비될 수 있으며, 상기 원통형 형태의 하우징 결합부는 상기 나사 결합에 의해 위치 조정이 가능할 수 있고, 상기 원통형 형태의 하우징 결합부를 돌려 상기 하우징 본체로부터 착탈이 가능하며 이를 통해 상기 노즐팁과 상기 필라멘트 가이드의 착탈이 가능할 수 있다.
상기 노즐팁은 용융된 필라멘트가 붙는 현상을 억제하기 위하여 접촉각이 낮은 백금(Pt) 또는 흑연으로 이루어지거나, 백금(Pt) 또는 DLC(diamond like carbon)로 표면이 코팅된 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 단열재는 열차단을 위한 세라믹 재질인 내화물, 세라믹 섬유 보드(Ceramic Fiber Board) 또는 세라믹 블랭킷(Ceramic Blanket)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 노즐팁으로부터 배출되는 용융 유리의 점도는 103∼1010 포이즈(poise) 범위를 갖게 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 유리로 이루어진 필라멘트를 공급하기 위한 필라멘트 스풀과, 상기 필라멘트 스풀로부터 공급되는 필라멘트를 끌어당겨 노즐로 공급하기 위한 필라멘트 이송장치와, 상기 필라멘트 이송장치에 의해 이송된 필라멘트를 용융하여 노즐팁을 통해 배출하기 위한 노즐과, 상기 노즐의 노즐팁을 통해 배출되는 용융된 필라멘트가 순차 적층되어 목표하는 형태로 성형되는 공간을 제공하는 작업대와, 상기 필라멘트 이송장치와 상기 노즐의 동작을 독립적으로 제어하기 위한 제어장치를 포함하며, 유리로 이루어진 필라멘트가 유입되는 필라멘트 가이드와, 상기 필라멘트 가이드를 둘러싸서 수용하는 하우징 본체와, 상기 필라멘트 가이드 하부에 연결되어 용융된 필라멘트를 일시적으로 저장하거나 목표하는 양만큼 배출하기 위한 노즐팁과, 상기 노즐팁을 수용하는 공간을 제공하면서 상기 하우징 본체 하부에 결합되어 상기 필라멘트 가이드와 상기 노즐팁이 분리되지 않게 고정하고 상기 하우징 본체에서 착탈될 수 있게 구비되는 하우징 결합부와, 상기 필라멘트 가이드로 유입된 필라멘트를 가열하기 위한 발열체와, 상기 발열체와 상기 하우징 본체 사이에 구비되고 상기 발열체와 상기 하우징 본체가 단락되지 않게 하며 내부 열이 외부로 빠져나가는 것을 억제하는 역할을 하는 단열재를 포함하고, 상기 하우징 본체로부터 상기 하우징 결합부의 착탈을 통해 상기 노즐팁과 상기 필라멘트 가이드의 착탈이 가능한 것을 특징으로 하는 유리 용융 증착형 3D 프린터를 제공한다.
본 발명에 의하면, 3차원 출력물(제품)의 제작을 위한 원료로 유리로 이루어진 필라멘트를 사용할 수 있고 소모품인 필라멘트 가이드와 노즐팁의 교환이 용이하다.
도 1은 유리 용융 증착형 3D 프린터(3D printer based on glass fused deposition)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 일 예에 따른 유리 용융 증착형 3D 프린터를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐을 도시한 사시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐을 도시한 단면도이다.
도 6은 일 예에 따른 하우징 본체를 도시한 사시도이다.
도 7은 일 예에 따른 하우징 본체를 도시한 단면도이다.
도 8은 일 예에 따른 집게형 형태의 하우징 결합부(140a)를 도시한 단면도이다.
도 9는 다른 예에 따른 집게형 형태의 하우징 결합부(140a)를 도시한 단면도이다.
도 10은 일 예에 따른 집게형 형태의 하우징 결합부(140a)가 하우징 본체(120)의 몸체부(122)에 결합된 모습을 보여주는 사진이다.
도 11은 도 10의 'A' 부분을 나타낸 단면도로서 필라멘트 가이드(110)와 노즐팁(130)이 삽입 설치되어 있는 모습을 도시한 도면이다.
도 12는 일 예에 따른 원통형 형태의 하우징 결합부(140b)가 하우징 본체(120)의 몸체부(122)에 결합된 모습을 보여주는 사시도이다.
도 13은 일 예에 따른 원통형 형태의 하우징 결합부(140b)가 하우징 본체(120)의 몸체부(122)에 결합된 모습을 보여주는 단면도이다.
도 14는 일 예에 따른 원통형 형태의 하우징 결합부(140b)가 하우징 본체(120)의 몸체부(122)에 결합된 모습을 보여주는 사진이다.
도 15는 도 14의 'B' 부분을 확대하여 나타낸 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐은, 유리로 이루어진 필라멘트가 유입되는 필라멘트 가이드와, 상기 필라멘트 가이드를 둘러싸서 수용하는 하우징 본체와, 상기 필라멘트 가이드 하부에 연결되어 용융된 필라멘트를 일시적으로 저장하거나 목표하는 양만큼 배출하기 위한 노즐팁과, 상기 노즐팁을 수용하는 공간을 제공하면서 상기 하우징 본체 하부에 결합되어 상기 필라멘트 가이드와 상기 노즐팁이 분리되지 않게 고정하고 상기 하우징 본체에서 착탈될 수 있게 구비되는 하우징 결합부와, 상기 필라멘트 가이드로 유입된 필라멘트를 가열하기 위한 발열체와, 상기 발열체와 상기 하우징 본체 사이에 구비되고 상기 발열체와 상기 하우징 본체가 단락되지 않게 하며 내부 열이 외부로 빠져나가는 것을 억제하는 역할을 하는 단열재를 포함하며, 상기 하우징 본체로부터 상기 하우징 결합부의 착탈을 통해 상기 노즐팁과 상기 필라멘트 가이드의 착탈이 가능하다.
상기 필라멘트 가이드는 속이 비어있는 파이프 형태로 구비될 수 있다.
상기 필라멘트 가이드는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(Si3N4), 알루미늄나이트라이드(AlN), 글라스세라믹스(glass-ceramics), 흑연(graphite) 및 뮬라이트(mullite) 중에서 선택된 1종 이상의 세라믹 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 하우징 본체는 인코넬(Inconel) 또는 서스(SUS; stainless steel) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 하우징 본체는 속이 비어있는 파이프 형태의 몸체부와, 상기 몸체부의 상부와 연결되어 있는 원판 형태의 고정판을 포함하는 구조로 이루어질 수 있고, 상기 필라멘트 가이드는 파이프 형태의 상기 몸체부 내부에 삽입되어 설치된다.
상기 하우징 결합부는 집게형 형태의 하우징 결합부로 이루어질 수 있고, 상기 집게형 형태의 하우징 결합부는 상기 필라멘트 가이드와 상기 노즐팁이 분리되지 않도록 꺾임쇠 모양의 집게형 지지대를 포함할 수 있으며, 볼트를 통해 상기 하우징 본체로부터 착탈이 가능하며 이를 통해 상기 노즐팁과 상기 필라멘트 가이드의 착탈이 가능할 수 있다.
상기 하우징 결합부는 원통형 형태의 하우징 결합부로 이루어질 수 있고, 상기 원통형 형태의 하우징 결합부는 상기 필라멘트 가이드와 상기 노즐팁이 분리되지 않도록 원통형 모양으로 구비될 수 있으며, 상기 원통형 형태의 하우징 결합부의 내부 내주면에는 나사산이 구비될 수 있고, 상기 하우징 본체의 몸체부 하단 외주면에는 상기 나사산과 나사 결합되는 나사산이 구비될 수 있으며, 상기 원통형 형태의 하우징 결합부는 상기 나사 결합에 의해 위치 조정이 가능할 수 있고, 상기 원통형 형태의 하우징 결합부를 돌려 상기 하우징 본체로부터 착탈이 가능하며 이를 통해 상기 노즐팁과 상기 필라멘트 가이드의 착탈이 가능할 수 있다.
상기 노즐팁은 용융된 필라멘트가 붙는 현상을 억제하기 위하여 접촉각이 낮은 백금(Pt) 또는 흑연으로 이루어지거나, 백금(Pt) 또는 DLC(diamond like carbon)로 표면이 코팅된 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 단열재는 열차단을 위한 세라믹 재질인 내화물, 세라믹 섬유 보드(Ceramic Fiber Board) 또는 세라믹 블랭킷(Ceramic Blanket)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 노즐팁으로부터 배출되는 용융 유리의 점도는 103∼1010 포이즈(poise) 범위를 갖게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 용융 증착형 3D 프린터는, 유리로 이루어진 필라멘트를 공급하기 위한 필라멘트 스풀과, 상기 필라멘트 스풀로부터 공급되는 필라멘트를 끌어당겨 노즐로 공급하기 위한 필라멘트 이송장치와, 상기 필라멘트 이송장치에 의해 이송된 필라멘트를 용융하여 노즐팁을 통해 배출하기 위한 노즐과, 상기 노즐의 노즐팁을 통해 배출되는 용융된 필라멘트가 순차 적층되어 목표하는 형태로 성형되는 공간을 제공하는 작업대와, 상기 필라멘트 이송장치와 상기 노즐의 동작을 독립적으로 제어하기 위한 제어장치를 포함하며, 유리로 이루어진 필라멘트가 유입되는 필라멘트 가이드와, 상기 필라멘트 가이드를 둘러싸서 수용하는 하우징 본체와, 상기 필라멘트 가이드 하부에 연결되어 용융된 필라멘트를 일시적으로 저장하거나 목표하는 양만큼 배출하기 위한 노즐팁과, 상기 노즐팁을 수용하는 공간을 제공하면서 상기 하우징 본체 하부에 결합되어 상기 필라멘트 가이드와 상기 노즐팁이 분리되지 않게 고정하고 상기 하우징 본체에서 착탈될 수 있게 구비되는 하우징 결합부와, 상기 필라멘트 가이드로 유입된 필라멘트를 가열하기 위한 발열체와, 상기 발열체와 상기 하우징 본체 사이에 구비되고 상기 발열체와 상기 하우징 본체가 단락되지 않게 하며 내부 열이 외부로 빠져나가는 것을 억제하는 역할을 하는 단열재를 포함하고, 상기 하우징 본체로부터 상기 하우징 결합부의 착탈을 통해 상기 노즐팁과 상기 필라멘트 가이드의 착탈이 가능하다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐 및 이를 이용한 유리 용융 증착형 3D 프린터를 더욱 구체적으로 설명한다.
3D 프린팅 기술 중에서 재료압출식(ME)은 FDM(fused deposition modelling)이라고도 하며, 하나의 동일한 속성을 가진 원료를 고열로 녹여 지정된 지점에 소량 압출하여 한층씩 쌓아 형태를 완성해나가는 방식이다.
도 1은 유리 용융 증착형 3D 프린터(3D printer based on glass fused deposition)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 일 예에 따른 유리 용융 증착형 3D 프린터를 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐을 도시한 사시도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐을 도시한 단면도이다. 도 6은 일 예에 따른 하우징 본체를 도시한 사시도이고, 도 7은 일 예에 따른 하우징 본체를 도시한 단면도이다. 도 8은 일 예에 따른 집게형 형태의 하우징 결합부(140a)를 도시한 단면도이고, 도 9는 다른 예에 따른 집게형 형태의 하우징 결합부(140a)를 도시한 단면도이다. 도 10은 일 예에 따른 집게형 형태의 하우징 결합부(140a)가 하우징 본체(120)의 몸체부(122)에 결합된 모습을 보여주는 사진이며, 도 11은 도 10의 'A' 부분을 나타낸 단면도로서 필라멘트 가이드(110)와 노즐팁(130)이 삽입 설치되어 있는 모습을 도시한 도면이다. 도 12는 일 예에 따른 원통형 형태의 하우징 결합부(140b)가 하우징 본체(120)의 몸체부(122)에 결합된 모습을 보여주는 사시도이고, 도 13은 일 예에 따른 원통형 형태의 하우징 결합부(140b)가 하우징 본체(120)의 몸체부(122)에 결합된 모습을 보여주는 단면도이며, 도 14는 일 예에 따른 원통형 형태의 하우징 결합부(140b)가 하우징 본체(120)의 몸체부(122)에 결합된 모습을 보여주는 사진이며, 도 15는 도 14의 'B' 부분을 확대하여 나타낸 사진이다.
도 1 내지 도 15를 참조하면, 상기 재료압출식(ME)을 적용한 유리 용융 증착형 3D 프린터는 유리로 이루어진 필라멘트(유리 필라멘트)를 공급하기 위한 필라멘트 스풀(10)과, 필라멘트 스풀(10)로부터 공급되는 필라멘트를 끌어당겨 노즐(100)로 공급하기 위한 필라멘트 이송장치(20)와, 필라멘트 이송장치(20)에 의해 이송된 필라멘트를 용융하여 노즐팁(130)을 통해 배출하기 위한 노즐(100)과, 노즐(100)의 노즐팁(130)을 통해 배출되는 용융된 필라멘트가 순차 적층되어 목표하는 형태로 성형되는 공간을 제공하는 작업대(30)와, 필라멘트 이송장치(20)와 노즐(100)의 동작을 독립적으로 제어하기 위한 제어장치(40)를 포함한다.
상기 필라멘트(50)는 유리로 이루어진 필라멘트(유리 필라멘트)를 포함한다. 유리의 종류는 그 제한이 없으며, 소다라임계 유리, 붕규산계 유리, 알루미노실리케이트계 유리, 인산염계 유리 등을 사용할 수 있다. 유리의 예를 구체적으로 들어보면, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)-인산(P2O5)계, 산화납(PbO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화납(PbO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화납(PbO)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화납(PbO)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화비스무트(Bi2O3)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)계, 산화비스무트(Bi2O3)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계, 산화비스무트(Bi2O3)-산화아연(ZnO)-산화붕소(B2O3)-산화규소(SiO2)-산화알루미늄(Al2O3)계 유리 등을 그 예로 들 수 있다. 상기 필라멘트(50)는 무채색의 투명한 유리 재질로 이루어질 수 있으며, 또한 유채색의 색상을 갖는 유리 재질로 이루어질 수도 있다. 유리 재질을 필라멘트(50)로 사용할 수 있으므로 열가소성 수지를 사용하는 경우에 비하여 출력물의 열적 내구성, 화학적 내구성, 내산화성 등이 증진될 수 있다. 유리로 이루어진 필라멘트(50)를 원료로 사용하는 경우에는 열가소성 수지를 원료로 사용하는 경우에 비하여 출력물의 질감이 뛰어나다는 장점이 있다.
필라멘트 스풀(10)은 필라멘트(50)를 공급하는 역할을 하며, 복수 개 구비될 수도 있다. 필라멘트 스풀(10)은 필라멘트가 감겨질 수 있는 릴 형태로 구비될 수 있다.
필라멘트 이송장치(20)는 필라멘트 스풀(10)로부터 공급되는 필라멘트(50)를 노즐(100)로 이송시키는 역할을 한다. 필라멘트 이송장치(20)에는 적어도 한쌍의 이송롤이 구비될 수 있으며, 이송롤에 의해 필라멘트는 노즐(100)로 공급될 수 있다. 필라멘트는 한쌍의 이송롤의 사이에 맞물려서 전진 이송되게 된다. 한쌍의 이송롤이 복수 개 구비되는 경우에 각각의 한쌍의 이송롤은 서로 독립적으로 구동될 수 있다.
작업대(30)는 노즐(100)의 노즐팁(130)을 통해 배출되는 용융 원료(용융 유리)가 순차 적층되어 목표하는 형태로 성형되는 공간을 제공한다. 작업대(30)는 이동수단에 의해 Z 방향으로 승강(상승 또는 하강)될 수 있게 구비되거나, X 방향과 Y 방향으로 평면상에서 왕복 수평이동되게 구비될 수 있다.
노즐(100)은 필라멘트 이송장치(20)에 의해 이송된 필라멘트(50)를 용융하여 노즐팁(130)을 통해 배출하여 목표하는 형태의 성형물이 제작될 수 있게 하는 역할을 한다. 노즐(100)은 그 위치가 조절될 수 있다. 노즐(100)은 X 방향과 Y 방향으로 평면상에서 왕복 수평이동되게 구비되거나, Z 방향으로 승강(상승 또는 하강)될 수 있게 구비될 수 있다. 예컨대, 작업대(30)가 Z 방향으로 승강될 수 있게 구비되는 경우에 노즐(100)은 X 방향과 Y 방향으로 평면상에서 왕복 수평이동되게 구비되며, 작업대(30)가 X 방향과 Y 방향으로 평면상에서 왕복 수평이동되게 구비되는 경우에 노즐(100)은 Z 방향으로 승강될 수 있게 구비될 수 있다. 작업대(30)가 고정되는 경우에는 노즐(100)은 X 방향, Y 방향 및 Z 방향으로 왕복 이동될 수 있게 구비될 수도 있다. 노즐(100)은 작업대(30)의 상부에 위치되고, 노즐(100)의 위치가 조절되면서 목표하는 형태의 성형물이 3차원으로 제작되게 된다.
작업대(30) 또는 노즐(100)의 위치를 조절하는 이동수단의 형태와 방식은 다양할 수 있다. 예컨대, X 방향의 안내가이드를 따라 왕복 이동되고, Y 방향의 안내가이드를 따라 왕복 이동되며, Z 방향의 안내가이드를 따라 왕복 이동되는 방식을 그 예로 들 수 있다.
제어장치(40)는 필라멘트 이송장치(20)와 노즐(100)의 동작을 독립적으로 제어하는 역할을 한다. 제어장치(40)는 필라멘트 이송장치(20)의 동작을 제어하여 필라멘트(50)의 이송 속도 등을 조절할 수 있다. 또한, 제어장치(40)는 노즐(100)의 위치 등을 조절할 수 있다. 또한, 제어장치(40)는 작업대(30)가 Z 방향으로 승강되게 구비되거나, X 방향과 Y 방향으로 평면상에서 수평이동되게 구비되는 경우에 작업대(30)의 위치를 제어하는 역할을 할 수도 있다. 제어장치(40)는 성형할 물체의 3D 데이터에 따라 노즐(100)이나 작업대(30)의 위치를 조절한다.
유리 용융 증착형 3D 프린터의 작동 순서는 다음과 같다.
필라멘트 이송장치(20)가 필라멘트(50)를 필라멘트 스풀(filament spool)(10)로부터 끌어당긴다.
동시에 필라멘트 이송장치(20)가 일정한 압력으로 필라멘트(50)를 노즐(100)로 공급한다.
노즐(100)에서 용융된 필라멘트는 액상 형태로 압출되며, 압출된 소재는 작업대(30)에 설정된 값만큼 적층된다.
상기 유리 용융 증착형 3D 프린터의 노즐(100)에 공급되는 필라멘트(50)가 플라스틱(ABS(acrylonitrile butadiene styrene), PLA(polylactic acid) 등)이 아닌 유리(glass) 재질이다. 그러므로, 유리 재질의 필라멘트(50)를 녹여 압출할 수 있는 노즐(100) 제작이 필요하다. 필라멘트(50)를 용융시키기 위한 노즐(100) 내부의 온도는 사용하는 필라멘트 소재에 의존하며, 플라스틱 소재의 경우 200℃ 정도인데 반해, 유리(glass) 필라멘트의 경우 1000℃ 이상의 고온에서 작동 가능한 노즐(100)이 필요하다.
이러한 점들을 고려하여 설계된 노즐(100)은 필라멘트가 유입되는 필라멘트 가이드(110)와, 필라멘트 가이드(110)를 둘러싸서 수용하는 하우징 본체(120)와, 필라멘트 가이드(110) 하부에 연결되어 용융된 필라멘트를 일시적으로 저장하기나 목표하는 양만큼 배출하기 위한 노즐팁(130)과, 상기 노즐팁(130)을 수용하는 공간을 제공하면서 하우징 본체(120) 하부에 결합되어 필라멘트 가이드(110)와 노즐팁(130)이 분리되지 않게 고정하고 하우징 본체(120)에서 착탈될 수 있게 구비되는 하우징 결합부(140a, 140b)와, 필라멘트 가이드(110)로 유입된 필라멘트(50)를 가열하기 위한 발열체(150)와, 발열체(150)와 하우징 본체(120) 사이에 구비되고 발열체(150)와 하우징 본체(120)가 단락되지 않게 하며 내부 열이 외부로 빠져나가는 것을 억제하는 역할을 하는 단열재(160)를 포함한다.
필라멘트(50)는 필라멘트 이송장치(20)의 구동에 따라 노즐(100)의 필라멘트 가이드(110) 내부로 유입된다. 필라멘트 가이드(110)는 필라멘트(150)가 부러지지 않도록 잡아주는 역할을 하며, 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(Si3N4), 알루미늄나이트라이드(AlN), 글라스세라믹스(glass-ceramics), 흑연(graphite), 뮬라이트(mullite) 또는 이들의 혼합물 등의 고온용 세라믹을 파이프 형태로 제조하여 사용할 수 있다. 필라멘트 가이드(110)는 속이 비어있는 파이프 형태(관형 구조)로 구비된다. 필라멘트 가이드(110)는 필라멘트(50)를 수용하고 필라멘트(50)가 노즐팁(130)으로 이동되는 중간 매개 역할을 하면서 발열체(150)에 의한 가열에 의해 필라멘트(50)가 용융되는 공간을 제공하는 역할을 하기도 한다.
하우징 본체(120)는 필라멘트 가이드(110)를 둘러싸서 수용한다. 하우징 본체(120)는 필라멘트 가이드(110)가 내부로부터 압력을 받아 파손되지 않도록 감싸주는 역할을 하며, 인코넬(Inconel), 서스(SUS; stainless steel) 등 온도에 맞게 여러 가지 금속 또는 금속합금 소재 등이 적용 가능하다. 하우징 본체(120)는 속이 비어있는 파이프 형태(관형 구조)의 몸체부(122)와, 몸체부(122)의 상부와 연결되어 있는 원판 형태의 고정판(124)을 포함하는 구조로 이루어질 수 있다. 필라멘트 가이드(110)는 파이프 형태의 몸체부(122) 내부에 삽입되어 설치된다. 필라멘트 가이드(110)는 몸체부(122) 하부를 통해 삽입 설치될 수 있다.
노즐팁(130)은 필라멘트 가이드(110) 하부에 연결되어 용융된 필라멘트(50)를 일시적으로 저장하기나 목표하는 양만큼 배출하는 역할을 한다. 노즐팁(130)은 필라멘트 가이드(110) 끝부분에 끼워지며, 용융된 필라멘트가 얇은 선폭을 가진 섬유 형태로 사출되도록 하는 역할을 한다. 노즐팁(130)은 표면 강도가 높고 필라멘트의 용융 온도에서도 견딜 수 있으며 용융 유리가 붙는 현상을 억제하기 위하여 접촉각이 낮은 물질로 이루어진 것이 바람직하며, 이를 위해 백금(Pt), 흑연과 같은 물질로 이루어지거나, 백금(Pt) 또는 DLC(diamond like carbon)와 같은 물질로 표면이 코팅된 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 예컨대, 철(Fe), 티타늄(Ti)과 같은 금속 또는 이들의 합금이나 텅스텐 카바이드(WC)와 같은 초경소재 표면에 백금(Pt) 또는 DLC(diamond like carbon)와 같은 물질이 코팅된 것을 노즐팁(130)으로 사용할 수 있다. 상기 노즐팁(130)으로부터 배출되는 용융 유리의 점도는 유리의 딜라토메트릭 연화점(Tdsp)에 해당하는 점도보다 높은 점도로서 103∼1010 포이즈(poise) 범위를 갖게 하는 것이 바람직하다. 노즐팁(130)은 작업대(30) 내의 목표하는 위치로 용융된 원료(용융 유리)를 배출하는 부분으로서, 용융 유리가 배출되는 방향을 따라 직경이 동일한 형태로 구비될 수 있으며, 깔때기 형상으로 이루어지거나 용융 유리가 배출되는 방향을 따라 직경이 점점 작아지는 형태로 구비될 수도 있다. 노즐팁(130)의 직경은 필라멘트(50)의 물성이나 출력물의 특성 등을 고려하여 적절하게 선택하여 결정한다.
발열체(150)는 외부에서 전력이 들어오면 열을 발열하여 노즐(100) 내부의 온도를 높이는 역할을 한다. 필라멘트 가이드(110)로 유입된 필라멘트(50)는 발열체(150)에 의해 가열된다. 발열체(150)은 단열재(160)의 둘레에 배치되며, 노즐(100)의 필라멘트 가이드(110)로 유입된 필라멘트(50)를 가열하여 용융시키는 역할을 한다. 발열체(150)에 의한 가열온도는 필라멘트(50)의 물성이나 출력물의 특성 등을 고려하여 적절하게 선택하여 설정한다. 노즐(100)의 필라멘트 가이드(110)로 유입된 필라멘트(50)는 발열체(120)에 의해 적절한 온도로 가열되어 용융되게 된다. 유리 필라멘트(50)를 원료로 사용하는 경우에, 발열체(150)에 의해 가열되는 필라멘트 가이드(110) 내부의 온도는 유리의 딜라토메트릭 연화점(dilatometric softening point; Tdsp) 보다 높은 온도로서 유리 필라멘트(50)가 충분히 용융될 수 있는 온도인 것이 바람직하다. 유리의 딜라토메트릭 연화점(Tdsp)은 유리의 종류 또는 성분 등에 따라 고유값을 가진다. 필라멘트 가이드(110) 내부 온도는 용융되는 필라멘트(50)의 종류에 따라 온도를 적절하게 조절하며, 발열체(150)는 필라멘트의 특성에 따라 온도를 제어할 수 있는 특징을 가진다. 고주파(radio frequency; RF) 유도가열 방식을 이용하는 경우, 상기 발열체(150)는 RF 코일일 수 있다. 이 경우에, 발열체(150)는 고주파 발생기에 연결되어 있으며, 고주파 발생기에서 발생된 고주파 전력(RF power)이 발열체(150)를 통하여 인가된다. 필라멘트 가이드(110)로 유입된 필라멘트(50)는 발열체(150)를 통해 목표하는 온도로 가열될 수 있다.
단열재(160)는 발열체(150)와 하우징 본체(120) 사이에 구비된다. 단열재(160)는 발열체(150)와 하우징 본체(120)가 단락되지 않게 하며, 내부 열이 밖으로 빠져 나가지 못하게 하는 역할을 한다. 단열재(160)는 하우징(130)을 둘러싸는 형태로 구비되는 것이 바람직하다. 단열재(160)는 내화물, 세라믹 섬유 보드(Ceramic Fiber Board), 세라믹 블랭킷(Ceramic Blanket) 등의 세라믹 재질의 열 차단 효과가 있는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
하우징 결합부(140a, 140b)는 하우징 본체(120) 하부에 결합되어 필라멘트 가이드(110)와 노즐팁(130)이 분리되지 않게 고정하는 역할을 한다. 하우징 결합부(140a, 140b)는 하우징 본체(120)의 몸체부(122) 하부에 결합된다. 하우징 결합부(140a, 140b)는 필라멘트 가이드(110)와 노즐팁(130)이 분리되지 않게 기계적으로 고정하는 기능을 하며, 동시에 노즐팁(130)이 외부로 밀리지 않게 지지하도록 설계되어야 한다. 또한, 하우징 결합부(140a, 140b)는 소모품인 필라멘트 가이드(110)와 노즐팁(130)의 교환이 용이할 수 있도록 설계된다. 하우징 본체(120)로부터 하우징 결합부(140a, 140b)의 착탈을 통해 노즐팁(130)과 필라멘트 가이드(110)의 착탈이 가능하다.
상기 하우징 결합부(140a, 140b)는 집게형 형태의 하우징 결합부(140a)로 이루어지거나, 원통형 형태의 하우징 결합부(140b)로 이루어질 수 있다.
집게형 형태의 하우징 결합부(140a)는 필라멘트 가이드(110)와 노즐팁(130)이 분리되지 않도록 꺾임쇠 모양의 집게형 지지대(142)가 구비되어 있다. 상기 집게형 지지대(142)는 볼트(144)에 의해 위치 조정이 가능하게 설계될 수도 있다. 볼트(144)는 하우징 본체(120)의 몸체부(122)에 수직하게(몸체부(122)의 길이 방향에 수직하게) 삽입될 수 있으며, 이에 대응하여 몸체부(122)에는 볼트(144)가 삽입되는 홀(구멍)이 구비되어 있을 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 볼트(144)는 수직방향으로 복수 개의 단(도 9에서는 2개의 단으로 구성)으로 구비될 수도 있다. 집게형 형태의 하우징 결합부(140a)는 볼트(144)에 의해 하우징 본체(120)와 착탈될 수 있다. 집게형 하우징(140a)은 볼트를 돌려서 착탈이 가능하며, 이를 통해 소모품인 노즐팁(130)과 필라멘트 가이드(110)의 착탈이 가능하다.
원통형 형태의 하우징 결합부(140b)는 필라멘트 가이드(110)와 노즐팁(130)이 분리되지 않도록 원통형 모양으로 구비된다. 원통형 형태의 하우징 결합부(140b)의 내부 내주면에는 나사산이 구비되고, 하우징 본체(120)의 몸체부(122) 하단 외주면에는 상기 나사산과 나사 결합되는 나사산(126)이 구비되어 있다. 원통형 형태의 하우징 결합부(140b)의 내부 내주면에 구비된 나사산과 하우징(130)의 몸체부(132) 하단 외주면에 구비된 나사산(126)의 결합을 통해 하우징 본체(120)과 원통형 형태의 하우징 결합부(140b)가 서로 결합될 수가 있다. 원통형 형태의 하우징 결합부(140b)는 상기 나사 결합(나사산들의 결합)에 의해 위치 조정이 가능하다. 원통형 형태의 하우징 결합부(140b)를 돌려 상기 하우징 본체(120)로부터 착탈이 가능하며 이를 통해 소모품인 노즐팁(130)과 필라멘트 가이드(110)의 착탈이 가능하다.
노즐(100)은 필라멘트 이송장치(20)의 이송롤 수, 필라멘트 스풀(10)의 수 등에 따라 복수 개 구비될 수도 있다. 노즐(100)이 복수 개 구비되는 경우에 복수 개의 노즐(100)은 하나의 군을 이루어 그 위치가 조절되게 구비될 수 있다. 이와 같이 노즐(100)이 복수 개 구비되는 경우에 제어장치(40)의 제어를 통해 동작시킬 적어도 하나의 노즐(100)을 선택하고 선택된 노즐(100)의 노즐팁(130)으로부터 융융된 원료가 배출되게 설정할 수 있다.
제어장치(40)의 제어에 따라 필라멘트 이송장치(20)를 제어함으로써 노즐(100로 유입되는 필라멘트(50)의 함량, 유입 속도 등을 조절할 수 있다. 필라멘트 이송장치(20)에서 한쌍의 이송롤이 복수 개 구비되고 이에 대응하여 노즐(100)이 복수 개 구비되는 경우에, 제어장치(40)의 제어에 따라 필라멘트 이송장치(20)를 선택적으로 제어함으로써 노즐(100)로 유입되는 필라멘트(50)를 선택적으로 공급할 수도 있다. 서로 다른 필라멘트 이송장치(20)를 통해 서로 다른 색상의 필라멘트(50)가 각각의 노즐(100)로 공급되는 경우에 제어장치(40)의 제어에 따라 목표하는 위치별로 서로 다른 색상으로 연속적으로 성형할 수가 있다. 서로 다른 색상으로 성형함으로써 원하는 다양한 색상을 갖는 출력물을 제작할 수 있다.
융융된 필라멘트가 노즐팁(130)을 통해 분사되어 목표하는 형태의 성형물이 3차원으로 제작되게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용융 유리 증착형 3D 프린터를 이용하게 되면, 열적 내구성, 화학적 내구성 및 내산화성이 우수하고 질감이 뛰어난 3차원 출력물(제품)을 제작할 수가 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
10: 필라멘트 스풀
20: 필라멘트 이송장치
30: 작업대
40: 제어장치
50: 필라멘트
100: 노즐
110: 필라멘트 가이드
120: 하우징 본체
130: 노즐팁
140a, 140b: 하우징 결합부
150: 발열체
160: 단열재

Claims (11)

  1. 유리로 이루어진 필라멘트가 유입되는 필라멘트 가이드;
    상기 필라멘트 가이드를 둘러싸서 수용하는 하우징 본체;
    상기 필라멘트 가이드 하부에 연결되어 용융된 필라멘트를 일시적으로 저장하거나 목표하는 양만큼 배출하기 위한 노즐팁;
    상기 노즐팁을 수용하는 공간을 제공하면서 상기 하우징 본체 하부에 결합되어 상기 필라멘트 가이드와 상기 노즐팁이 분리되지 않게 고정하고 상기 하우징 본체에서 착탈될 수 있게 구비되는 하우징 결합부;
    상기 필라멘트 가이드로 유입된 필라멘트를 가열하기 위한 발열체; 및
    상기 발열체와 상기 하우징 본체 사이에 구비되고 상기 발열체와 상기 하우징 본체가 단락되지 않게 하며 내부 열이 외부로 빠져나가는 것을 억제하는 역할을 하는 단열재를 포함하며,
    상기 하우징 본체는 속이 비어있는 파이프 형태의 몸체부와, 상기 몸체부의 상부와 연결되어 있는 원판 형태의 고정판을 포함하는 구조로 이루어지고,
    상기 필라멘트 가이드는 상기 몸체부의 하부를 통해 파이프 형태의 상기 몸체부 내부에 삽입되어 설치되며,
    상기 노즐팁은 상기 필라멘트 가이드 끝부분에 끼워지며,
    상기 하우징 본체로부터 상기 하우징 결합부의 착탈을 통해 상기 노즐팁과 상기 필라멘트 가이드의 착탈이 가능하고,
    상기 하우징 결합부는 상기 하우징 본체의 몸체부 하부에 결합되는 집게형 형태의 하우징 결합부로 이루어지고,
    상기 집게형 형태의 하우징 결합부는 상기 필라멘트 가이드와 상기 노즐팁이 분리되지 않도록 꺾임쇠 모양의 집게형 지지대를 포함하며,
    볼트를 통해 상기 하우징 본체로부터 착탈이 가능하며 이를 통해 상기 노즐팁과 상기 필라멘트 가이드의 착탈이 가능하고,
    상기 볼트는 상기 하우징 본체의 몸체부에 수직하게 삽입되고,
    상기 몸체부에는 상기 볼트가 삽입되는 홀이 구비되어 있는 것을 특징으로 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐.
  2. 제1항에 있어서, 상기 필라멘트 가이드는 속이 비어있는 파이프 형태로 구비된 것을 특징으로 하는 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐.
  3. 제1항에 있어서, 상기 필라멘트 가이드는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘나이트라이드(Si3N4), 알루미늄나이트라이드(AlN), 글라스세라믹스(glass-ceramics), 흑연(graphite) 및 뮬라이트(mullite) 중에서 선택된 1종 이상의 세라믹 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐.
  4. 제1항에 있어서, 상기 하우징 본체는 인코넬(Inconel) 또는 서스(SUS; stainless steel) 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 노즐팁은 용융된 필라멘트가 붙는 현상을 억제하기 위하여 접촉각이 낮은 백금(Pt) 또는 흑연으로 이루어지거나, 백금(Pt) 또는 DLC(diamond like carbon)로 표면이 코팅된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐.
  9. 제1항에 있어서, 상기 단열재는 열차단을 위한 세라믹 재질인 내화물, 세라믹 섬유 보드(Ceramic Fiber Board) 또는 세라믹 블랭킷(Ceramic Blanket)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐.
  10. 제1항에 있어서, 상기 노즐팁으로부터 배출되는 용융 유리의 점도는 103∼1010 포이즈(poise) 범위를 갖게 하는 것을 특징으로 하는 유리 용융 증착형 3D 프린터용 노즐.
  11. 유리로 이루어진 필라멘트를 공급하기 위한 필라멘트 스풀;
    상기 필라멘트 스풀로부터 공급되는 필라멘트를 끌어당겨 노즐로 공급하기 위한 필라멘트 이송장치;
    상기 필라멘트 이송장치에 의해 이송된 필라멘트를 용융하여 노즐팁을 통해 배출하기 위한 노즐;
    상기 노즐의 노즐팁을 통해 배출되는 용융된 필라멘트가 순차 적층되어 목표하는 형태로 성형되는 공간을 제공하는 작업대; 및
    상기 필라멘트 이송장치와 상기 노즐의 동작을 독립적으로 제어하기 위한 제어장치를 포함하며,
    상기 노즐은,
    유리로 이루어진 필라멘트가 유입되는 필라멘트 가이드;
    상기 필라멘트 가이드를 둘러싸서 수용하는 하우징 본체;
    상기 필라멘트 가이드 하부에 연결되어 용융된 필라멘트를 일시적으로 저장하거나 목표하는 양만큼 배출하기 위한 노즐팁;
    상기 노즐팁을 수용하는 공간을 제공하면서 상기 하우징 본체 하부에 결합되어 상기 필라멘트 가이드와 상기 노즐팁이 분리되지 않게 고정하고 상기 하우징 본체에서 착탈될 수 있게 구비되는 하우징 결합부;
    상기 필라멘트 가이드로 유입된 필라멘트를 가열하기 위한 발열체; 및
    상기 발열체와 상기 하우징 본체 사이에 구비되고 상기 발열체와 상기 하우징 본체가 단락되지 않게 하며 내부 열이 외부로 빠져나가는 것을 억제하는 역할을 하는 단열재를 포함하고,
    상기 하우징 본체는 속이 비어있는 파이프 형태의 몸체부와, 상기 몸체부의 상부와 연결되어 있는 원판 형태의 고정판을 포함하는 구조로 이루어지고,
    상기 필라멘트 가이드는 상기 몸체부의 하부를 통해 파이프 형태의 상기 몸체부 내부에 삽입되어 설치되며,
    상기 노즐팁은 상기 필라멘트 가이드 끝부분에 끼워지며,
    상기 하우징 본체로부터 상기 하우징 결합부의 착탈을 통해 상기 노즐팁과 상기 필라멘트 가이드의 착탈이 가능하고,
    상기 하우징 결합부는 상기 하우징 본체의 몸체부 하부에 결합되는 집게형 형태의 하우징 결합부로 이루어지고,
    상기 집게형 형태의 하우징 결합부는 상기 필라멘트 가이드와 상기 노즐팁이 분리되지 않도록 꺾임쇠 모양의 집게형 지지대를 포함하며,
    볼트를 통해 상기 하우징 본체로부터 착탈이 가능하며 이를 통해 상기 노즐팁과 상기 필라멘트 가이드의 착탈이 가능하고,
    상기 볼트는 상기 하우징 본체의 몸체부에 수직하게 삽입되고,
    상기 몸체부에는 상기 볼트가 삽입되는 홀이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 유리 용융 증착형 3D 프린터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102289037B1 (ko) * 2019-12-30 2021-08-12 한국세라믹기술원 유리 3d 프린터용 고온 베드
CN114292017B (zh) * 2021-12-28 2022-11-29 哈尔滨工业大学 一种星际壤资源原位增材制造多功能集成系统及应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101575061B1 (ko) 2014-06-30 2015-12-07 배유근 3d 프린터의 노즐 가변수단
KR101660293B1 (ko) * 2015-01-29 2016-09-27 한국세라믹기술원 3d 프린터를 이용한 머시너블 유리 세라믹 성형물의 제조방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150085211A (ko) 2014-01-15 2015-07-23 한국세라믹기술원 3d 프린터용 인쇄 헤드 및 이를 이용한 3d 프린터
KR101701477B1 (ko) * 2015-03-17 2017-02-06 주식회사 에이엠티코리아 금속 조각을 이용하는 3차원 프린터
KR101714183B1 (ko) * 2015-07-31 2017-03-22 캐논코리아비즈니스솔루션 주식회사 집게 형상으로 구비되어 착탈이 용이한 3차원 프린터의 노즐 유니트
KR101817786B1 (ko) * 2016-03-29 2018-01-12 박화중 노즐 조립체 및 3ｄ 프린터용 인쇄 헤드

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101575061B1 (ko) 2014-06-30 2015-12-07 배유근 3d 프린터의 노즐 가변수단
KR101660293B1 (ko) * 2015-01-29 2016-09-27 한국세라믹기술원 3d 프린터를 이용한 머시너블 유리 세라믹 성형물의 제조방법

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