KR102097569B1 - 3d 프린터용 재료 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광경화 수지와 첨가재료를 공급받으며, 일측에 토출구가 구비되는 재료투입부, 상기 재료투입부 내부에 배치되며, 상기 광경화 수지와 상기 첨가재료를 혼합하는 혼합부, 상기 재료투입부 내부의 상기 토출구 측에 원기둥의 구조로 마련되며, 외주면에 복수의 나사산이 형성되어 상기 혼합부에서 혼합된 혼합재료를 상기 토출구로 이동시키는 스크류부 및 상기 토출구에서 토출되는 혼합재료가 안착되는 조형베드를 포함하는 3D 프린터용 재료 공급 장치를 제공한다.

Description

3D 프린터용 재료 공급 장치{Material supplying device for 3D printer}
실시예는 3D 프린터용 재료 공급 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 광경화 수지와 첨가재료의 조성비를 균일하게 공급하며, 수지의 낭비를 최소화할 수 있는 3D 프린터용 재료 토출 장치에 관한 것이다.
3D프린터의 진보는 가벼우면서 새로운 기능과 복잡한 구조를 갖는 고기능 제품의 개발을 가속화할 뿐만 아니라 상품기획, 설계, 제조프로세스의 디지털화로 제조업에 혁명을 가져올 잠재기술로 지속적으로 발전하고 있다.
이와 더불어 단순 형상뿐만 아니라 다양한 기능이 부여된 재료에 대한 개발이 요구되고 있다. 이러한 필요성에 의해 고강도, 특수 기능을 가진 3D프린팅 재료에 관한 연구가 진행되며 특정한 재료를 조형할 수 있는 장비 및 시스템 개발이 진행되고 있다.
다양한 3D프린팅 기술 중 SLA(Stereo Lithography Apparratus)는 광경화성 수지를 특정파장의 레이저로 국부 조사하여 조형물을 성형하는 기술로, 광경화성 수지 조성물이 담긴 수조에 자외선 파장의 레이저를 조사하여 경화시켜 조형물을 적층한다.
그러나, 기존의 기술에서는 광경화성 수지 조성물을 수조에 담아두어야 조형이 가능하기 때문에 다량의 수지가 소모되며, 다른 수지를 교환하여 사용하기 어려운 점이 있었다. 또한 앞서 언급한 내용과 같이 기능이 부여된 재료를 만들기 위해서는 광경화성 수지에 새로운 물질(세라믹, 금속, Micro/Nano fiber 등)의 첨가가 요구되는데, 서로 다른 물질 간에는 분리가 일어나려는 다수의 물리적 성질이 작용하기 때문에 수지와 첨가물의 분리에 대한 대안이 필요하다. 뿐만 아니라 광경화 수지에 다른 첨가물을 혼합하게 될 시에 물성이 변화하게 되는데 대표적으로 점도의 변화가 일어난다. 점도는 SLA방식의 3D프린팅에서 성형성과 강도, 경도, 수축율 등의 변화에 크게 작용하는 요인 중 하나이다.
실시예는 광경화 수지와 첨가재의 조성비를 균일하게 할 수 있는 3D 프린터용 재료 토출 장치를 제공한다.
또한, 수지의 낭비를 최소화하고, 복수의 재료를 중첩하여 적층할 수 있는 3D 프린터용 재료 토출 장치를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는, 광경화 수지와 첨가재료를 공급받으며, 일측에 토출구가 구비되는 재료투입부; 상기 재료투입부 내부에 배치되며, 상기 광경화 수지와 상기 첨가재료를 혼합하는 혼합부; 상기 재료투입부 내부의 상기 토출구 측에 원기둥의 구조로 마련되며, 외주면에 복수의 나사산이 형성되어 상기 혼합부에서 혼합된 혼합재료를 상기 토출구로 이동시키는 스크류부; 및 상기 토출구에서 토출되는 혼합재료가 안착되는 조형베드;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 조형베드에서 전후방으로 이동가능하도록 마련되어, 상기 조형베드에 안착된 혼합재료를 일정두께로 정렬하는 블레이드;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 토출구로부터 공급되는 혼합재료를 수용하며, 복수의 토출홀을 구비하는 몸체부와 상기 몸체부의 내부에 위치하는 상기 혼합재료를 가압하여 상기 조형베드로 혼합재료를 토출시키는 가압부를 구비하는 재료가압확산부;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 몸체부는 부채꼴 형상의 단면을 구비하며, 상기 가압부는 부채꼴의 중심에 일단이 연결되어 회전하는 구조를 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 블레이드와 상기 재료가압확산부의 양측에는 가이드부가 구비되며, 상기 블레이드와 상기 재료가압확산부는 상기 가이드부를 따라 이동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 혼합부와 상기 스크류부는 하나의 축으로 연결되어 회전하며, 상기 혼합부는 복수의 날개를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 날개의 단부는 돌출부가 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예에 따르면, SLA 조형 방식을 활용하여 조형물 제작시 첨가하는 재료가 기존의 광경화 액상수지에 균일한 조성비를 가지도록 혼합할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존의 상용화된 첨가재료 외에 다양한 재료를 혼합하여 물성이 다른 다기능의 조형물을 제작할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존의 수조에 광경화 액상 수지를 다량 적재해두는 방식이 아닌 일정량 수지를 토출하는 방식으로 재료를 절약할 수 있다.
또한, 다양한 점도의 광경화 액상 수지의 사용과 첨가 재료의 혼합시 변화되는 점도에 유연하게 대응할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터용 재료 토출 장치의 구조를 나타내는 도면이고,
도 2는 도 1의 구성요소인 블레이드의 구조를 나타내는 도면이고,
도 3은 도 1의 구성요소인 재료 가압 확산부를 통해 재료가 공급되는 상태를 나타내는 도면이고,
도 4는 도 3의 구성요소에 의해 재료가 펼쳐지는 상태를 나타내는 도면이고,
도 5는 도 1의 구성요소인 혼합부의 구조를 나타내는 도면이고,
도 6은 도 1의 구성요소인 재료투입부가 복수로 구비되는 구조를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예를 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 실시 예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 1 구성 요소도 제 2 구성 요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 5는, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터용 재료 토출 장치의 구조를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 구성요소인 블레이드의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터용 재료 공급 장치는 재료공급부(30), 재료투입부(100), 혼합부(200), 스크류부(300), 조형베드(20), 블레이드(400), 재료확산가압부(530) 및 광원부(50)를 포함할 수 있다.
재료공급부(30)는 3D 프린터로 조형물을 형성하는 재료를 재료투입부(100)로 공급할 수 있다. 재료공급부(30)는 복수로 구획되어 광경화성 수지와 첨가재료를 공급할 수 있다. 재료공급부(30)를 통해 공급되는 수지 및 첨가재료 각각은 함량이 조절될 수 있다. 일실시예로, 첨가재료는 세라믹, 금속, Micro/Nano fiber 등이 사용될 수 있으며, 3D 프린터로 만들고자 하는 조형물의 성질에 따라 다양한 재료로 변형실시될 수 있다.
재료투입부(100)는 재료공급부(30)로부터 광경화 수지와 첨가재료를 공급받으며, 일측에 토출부가 구비될 수 있다. 재료투입부(100)의 입구는 재료의 유입을 용이하게 하기 위해 경사면을 구비할 수 있으며, 재료공급부(30) 내부에는 광경화 수지와 첨가재료를 혼합하기 위한 혼합부(200)와 혼합재료(10)를 토출구(110)로 이동시키기 위한 스크류부(300)가 구비될 수 있다. 재료투입부(100)의 토출구(110) 측은 관 구조로 마련되어 스크류부(300)가 배치될 수 있다.
혼합부(200)는 재료투입부(100)의 내부에 배치되어 광경화 수지와 첨가재료를 혼합할 수 있다. 일실시예로, 혼합부(200)는 거품기 또는 복수의 날개(230)를 가지는 구조로 마련되어 서로 다른 재질의 재료를 혼합할 수 있다.
스크류부(300)는 원기둥의 구조로 마련되며, 외주면에 복수의 나사산(310)이 형성되어 혼합부(200)에서 혼합된 혼합재료(10)를 재료투입부(100)의 일측에 형성된 토출구(110)로 이동시킬 수 있다. 스크류부(300)에 형성된 나사산(310)은 스크류부(300)가 회전시 나사산(310) 사이로 혼합재료(10)를 이동시킬 수 있다.
혼합부(200)와 스크류부(300)는 하나의 회전축(210)으로 연결되어 회전할 수 있다. 축의 단부에는 혼합모터(40)가 연결될 수 있다. 혼합부(200)와 스크류부(300)는 서로 연결되어 있어, 혼합부(200)에서 혼합되는 혼합재료(10)가 연속하여 스크류부(300)로 이동할 수 있다.
조형베드(20)는 재료투입부(100)로부터 토출되는 혼합재료(10)가 안착될 수 있다.
블레이드(400)는 조형베드(20)에서 전후방으로 이동가능하도록 마련되어 조형베드(20)에 안착된 혼합재료(10)를 일정두께로 정렬할 수 있다. 블레이드(400)는 조형베드(20)로부터 일정간격 이격되도록 배치되며, 블레이드(400)가 이동하면서 혼합재료(10)를 일정두께로 도포할 수 있다.
재료확산가압부(530)는 몸체부(510)와 가압부(530)를 구비할 수 있다.
몸체부(510)는 토출구(110)로부터 토출되는 혼합재료(10)를 수용하며, 복수의 토출홀(511)을 구비할 수 있다. 몸체부(510)는 블레이드(400)와 연결되어 전후방으로 이동할 수 있다. 일실시예로, 몸체부(510)는 부채꼴형상의 단면을 구비할 수 있으며, 하부에는 복수의 토출홀(511)이 일렬로 배치될 수 있다. 토출홀(511)의 형상은 제한이 없으며, 균일한 토출을 위해 일정간격으로 배치될 수 있다.
가압부(530)는 몸체부(510) 내부에 위치하는 혼합재료(10)를 가압하여 조형배드로 혼합재료(10)를 토출할 수 있다. 일실시예로, 가압부(530)는 부채꼴의 단면형상을 구비하는 몸체부(510)의 중심에 일단이 연결되어 회전하는 구조를 구비할 수 있다. 가압부(530)는 회전을 통해 혼합재료(10)를 가압하게 되며, 회전을 위한 구동부가 연결될 수 있다.
블레이드(400)와 재료확산가압부(530) 연결되어 이동모터(60)의 구동에 의해 동작할 수 있다. 이때, 재료확산가압부(530)의 양측에는 가이드부(600)가 구비될 수 있다.
가이드부(600)는 일정높이를 가지는 벽 구조물로 마련될 수 있으며, 블레이드(400)는 가이드부(600) 상부에 안착되어 가이드부(600)를 따라 전후방으로 이동할 수 있다. 가이드부(600)의 높이는 재료확산가압부(530)에서 혼합재료(10)가 토출되는 토출홀(511)과 일정간격 이격되는 높이를 구비할 수 있다. 블레이드(400)의 높이는 사용자가 도포가 필요한 높이로 이격 되도록 높이를 조절할 수 있다.
일실시예로, 가이드부(600)의 상부에는 고형의 고형 윤활제가 배치되어 재료확산가압부(530)의 이동을 용이하게 할 수 있다.
가이드부(600)는 재료확산가압부(530)의 이동을 가이드할 뿐만 아니라, 혼합재료(10)를 블레이드(400)로 도포시 필요없는 영역까지 확산 도포되는 것을 방지하여 재료의 낭비를 막을 수 있다.
광원부(50)는 도포된 혼합재료(10)에 열원을 공급하여 조형물을 제작할 수 있다. 일실시예로, 광원부(50)는 레이저가 사용될 수 있으며, 재료에 따라 다양한 파장의 광원이 사용될 수 있다.
도 3은 도 1의 구성요소인 재료 가압 확산부를 통해 재료가 공급되는 상태를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 3의 구성요소에 의해 재료가 펼쳐지는 상태를 나타내는 도면으로, 도 4의 (a)는 토출홀(511)이 하나인 경우에 재료가 펼쳐지는 상태를 나타내는 도면이고, 도 4의 (b)는 복수의 토출홀(511)이 구비되는 경우 재료가 펼쳐지는 상태를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 몸체부(510)에 혼합재료(10)가 채워지면, 가압부(530)가 회전하여 혼합재료(10)를 가압하게 된다. 이후, 몸체부(510)의 하부에 위치하는 토출홀(511)을 통해 혼합재료(10)가 조형베드(20)로 공급된다. 이후, 블레이드(400)가 조형베드(20)를 이동하면서 일정높이로 혼합재료(10)를 도포하게 된다.
도 4의 (a)에 나타나는 것과 같이 토출홀(511)이 하나만 형성되는 경우에는 조형베드(20) 전체에 도포를 하는 것이 어려워질 수 있다. 그러나, 도 4의 (b)에 나타나는 것과 같이 복수의 토출홀(511)이 배치되는 경우, 블레이드(400)가 이동시 조형베드(20) 전체가 도포되는 효과가 있다.
도 5는 도 1의 구성요소인 혼합부(200)의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 혼합부(200)는 복수의 날개(230)를 구비할 수 있다. 혼합부(200)는 혼합모터(40)와 회전축(210)을 통해 연결되어, 혼합모터(40)의 회전에 의해 회전하게 되며, 복수의 날개(230)는 광경화 수지와 첨가재료를 혼합하게 된다.
일실시예로, 날개(230)의 단부에는 돌출부(240)가 구비될 수 있다. 돌출부(240)는 날개(230)의 길이방향으로 배치될 수 있다.
광경화 수지와 첨가재료가 서로 다른 비중을 가지는 경우, 혼합된 재료에서 비중이 높은 첨가재료가 가라앉게 된다. 이 경우, 스크류날로 이동되는 혼합재료(10)에는 첨가재료의 함유량이 일정하지 않은 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 돌출부(240)는 비중에 의해 가라앉을 수 있는 첨가재료를 효율적으로 상승시켜 스크류부(300)로 이동시킬 수 있다.
도 5에서는 돌출부(240)의 단면형상이 삼각형의 구조로 나타나고 있으나, 이에 한정되지 않으며, 다양한 형상으로 마련될 수 있다.
도 6은 도 1의 구성요소인 재료투입부(100)가 복수로 구비되는 구조를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 구성요소인 재료투입부(100)는 복수로 구비될 수 있다. 복수의 재료투입부(100)는 서로 다른 소재를 조형베드(20)로 공급할 수 있다. 이는 순차적인 공정을 통해 층간 이종소재의 조형이 가능하도록 할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 혼합재료 20 : 조형베드
30 : 재료공급부 40 : 혼합모터
50 : 광원부 60 : 이동모터
100 : 재료투입부 110 : 토출구
200 : 혼합부
210 : 회전축 230 : 날개
240 : 돌출부 300 : 스크류부
310 : 나사산 400 : 블레이드
500 : 재료가압확산부 510 : 몸체부
511 : 토출홀 530 : 가압부
600 : 가이드부

Claims (5)

  1. 광경화 수지와 첨가재료를 공급받으며, 일측에 토출구가 구비되는 재료투입부;
    상기 재료투입부 내부에 배치되며, 상기 광경화 수지와 상기 첨가재료를 혼합하는 혼합부;
    상기 재료투입부 내부의 상기 토출구 측에 원기둥의 구조로 마련되며, 외주면에 복수의 나사산이 형성되어 상기 혼합부에서 혼합된 혼합재료를 상기 토출구로 이동시키는 스크류부;
    상기 토출구에서 토출되는 혼합재료가 안착되는 조형베드;
    상기 조형베드에서 전후방으로 이동가능하도록 마련되어, 상기 조형베드에 안착된 혼합재료를 일정두께로 정렬하는 블레이드; 및
    상기 토출구로부터 공급되는 혼합재료를 수용하며, 복수의 토출홀을 구비하는 몸체부와 상기 몸체부의 내부에 위치하는 상기 혼합재료를 가압하여 상기 조형베드로 상기 혼합재료를 토출시키는 가압부를 구비하는 재료가압확산부;
    를 포함하는 3D 프린터용 재료 공급 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 블레이드와 상기 재료가압확산부의 양측에는 가이드부가 구비되며,
    상기 블레이드와 상기 재료가압확산부는 상기 가이드부를 따라 이동하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 재료 공급 장치.
  4. 제1 항 또는 3항에 있어서,
    상기 혼합부와 상기 스크류부는 하나의 회전축으로 연결되어 회전하며,
    상기 혼합부는 복수의 날개를 구비하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 재료 공급 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 날개의 단부는 돌출부가 구비되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 재료 공급 장치.
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