KR102102730B1

KR102102730B1 - 타워형 3d 프린터 및 이를 이용한 구조물의 건설 방법

Info

Publication number: KR102102730B1
Application number: KR1020190122241A
Authority: KR
Inventors: 이형천
Original assignee: 이형천
Priority date: 2019-10-02
Filing date: 2019-10-02
Publication date: 2020-04-21

Abstract

하면에 구동유닛이 배치되는 베이스플레이트; 상기 베이스플레이트의 상면 중앙에 결합되며, 높이가 조절되는 높이조절부; 상기 높이조절부의 상측 공간에 위치하며, 전후 방향으로 길이가 조절되는 슬라이드부; 상기 높이조절부와 상기 슬라이드부 사이에 결합되며, 상기 슬라이드부를 상기 높이 방향을 축으로 회동시키는 로테이터부; 상기 슬라이드부의 전단에 배치되며 시멘트 혼합물을 분사시키는 노즐부; 및 구조물의 형상에 따라 상기 구동유닛, 상기 높이조절부, 상기 슬라이드부, 상기 로테이터부 및 상기 노즐부를 제어하는 제어부;를 포함하는 타워형 3d 프린터를 제공한다.

Description

타워형 3d 프린터 및 이를 이용한 구조물의 건설 방법{TOWER TYPE 3D PRINTER AND CONSTRUCTION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 시멘트 등을 이용하여 입체 구조물을 건설할 수 있는 타워형 3d 프린터 및 이를 이용한 구조물의 건설 방법에 관한 것이다.

최근 건설 분야에서도 3D 프린터를 이용한 구조물의 건설 방법이 도입되고 있다. 건설용 3D 프린터는 대상 구조물을 2차원의 평면 형태로 한 층씩 적층하는 방법을 반복 적용하여 3차원 구조물을 형성한다. 한편, 이런 3D 프린터는 그 원료로 내구성 및 내열성이 우수하여 임의의 형상을 지닌 구조물도 용이하게 시공할 수 있는 시멘트 혼합물을 사용한다.

종래 건설 현장에서 사용되던 3D 프린터는 박스 타입으로 분사 노즐이 3차원 공간 내에서 자유롭게 이동 가능하도록 3축으로 이동 가능한 이송 프레임 구조를 포함하였다. 그러나 이는 작업 공간이 한정되는 관계로 건설할 수 있는 구조물 크기를 제한하였으며, 다양한 형상의 구조물을 구현할 수 없다는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1854331호 대한민국 등록특허 제10-1479900호 대한민국 등록특허 제10-1616306호

본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 작업 공간을 확장할 수 있는 타워형 3d 프린터를 제공하고자 한다. 또한, 시멘트 혼합물을 정밀하게 조절하여 분사할 수 있는 타워형 3d 프린터를 제공하고자 한다.

또한, 작업 시작 시점부터 작업 종료 시점까지 모든 동작을 자동으로 제어할 수 있는 타워형 3d 프린터를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 하면에 구동유닛이 배치되는 베이스플레이트; 상기 베이스플레이트의 상면 중앙에 결합되며, 높이가 조절되는 높이조절부; 상기 높이조절부의 상측 공간에 위치하며, 전후 방향으로 길이가 조절되는 슬라이드부; 상기 높이조절부와 상기 슬라이드부 사이에 결합되며, 상기 슬라이드부를 상기 높이 방향을 축으로 회동시키는 로테이터부; 상기 슬라이드부의 전단에 배치되며 시멘트 혼합물을 분사시키는 노즐부; 및 구조물의 형상에 따라 상기 구동유닛, 상기 높이조절부, 상기 슬라이드부, 상기 로테이터부 및 상기 노즐부를 제어하는 제어부;를 포함하는 타워형 3d 프린터를 제공한다.

높이조절부는 내부에 삽입된 회전스크류의 회동에 의해 축이 상기 높이 방향으로 왕복 이동하는 실린더부;를 포함할 수 있다.

상기 구동유닛은 레일 위에서 구름 운동하는 바퀴; 일단이 상기 베이스플레이트에 결합되며, 상기 바퀴의 구동축 양단이 거치되는 바퀴프레임; 및 상기 구동유닛이 상기 레일에서 이탈되지 않도록 상기 바퀴의 일 측면에 형성되는 가이드서클판과 상기 바퀴프레임의 단부에 형성되는 가이드경사부로 이루어지는 이탈방지부;를 포함할 수 있다.

상기 슬라이드부는 후단부 하면이 상기 로테이터부의 상단과 고정 결합되는 베이스프레임; 상기 베이스프레임에서 전방으로 적어도 2단 이상 단계적으로 인입출되는 전방슬라이드부; 및 상기 전방슬라이드부의 구동에 따라 종속 제어되며, 상기 베이스프레임에서 후방으로 인입출되는 후방슬라이드부;를 포함할 수 있다.

상기 노즐부는 일단부가 상기 슬라이드부의 말단에 결합되는 절곡편; 상기 절곡편의 타단부에 결합되며, 적어도 2단 이상 단계적으로 인입출되어 길이가 조절되는 분사노즐; 및 상기 분사노즐의 말단에 결합되며, 힌지 구동에 의해 소정 각도 범위 이내에서 회동하는 틸팅노즐;을 포함할 수 있다.

타워형 3d 프린터를 이용한 구조물의 건설 방법으로서, 구조물에 따라 작업 시작점부터 작업 종료점까지 상기 타워형 3d 프린터를 자동 제어하는 프로그램을 제공하는 제1단계; 상기 구조물이 건설되는 작업 공간의 내측 바닥면에 미리 설정된 배치 형태의 작업레일과, 상기 작업 공간의 외측 바닥면에서 상기 구조물의 입구로 연장되어 상기 작업레일과 연결되는 진입레일을 각각 설치하는 제2단계; 상기 타워형 3d 프린터를 상기 작업 시작점에 위치시킨 후 상기 타워형 3d 프린터의 전원 버튼을 On으로 전환하면, 상기 타워형 3d 프린터가 상기 진입레일을 따라 이동하고, 상기 작업레일에 도달하는 제3단계; 상기 타워형 3d 프린터가 상기 작업레일 위에 고정 또는 상기 작업레일을 따라 이동하면서 시멘트 혼합물을 분사하여 상기 구조물의 각 시멘트층을 적층하는 제4단계; 및 상기 구조물의 건설이 완료되면, 상기 타워형 3d 프린터가 상기 진입레일을 따라 상기 작업 종료점으로 이동하고, 상기 작업레일과 상기 진입레일을 각각 철거하는 제5단계;를 포함하는 타워형 3d 프린터를 이용한 구조물의 건설 방법을 제공한다.

상기 제4단계에서, 상기 구조물의 경사면을 건설하기 위한 적층은 경사 각도에 따라 바로 위에 적층되는 시멘트층이 바로 아래 적층되는 시멘트층의 폭 방향으로 소정 거리 이격되도록 상기 제어부를 통해 상기 노즐부의 분사 방향을 연직 하방으로 고정시킨 상태에서, 상기 슬라이드부를 제어하는 것이 바람직하다.

상기 제4단계에서, 상기 구조물의 곡면을 건설하기 위한 적층은 상기 제어부를 통해 상기 노즐부의 말단에 결합되는 틸팅노즐이 소정 각도 회동된 상태에서 이루어지되, 바로 위에 적층되는 시멘트층이 그 상면이 경사진 상태에서 바로 아래 적층되는 시멘트층의 폭 방향으로 소정 거리 이격되는 것이 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 타워형 3d 프린터는 작업 공간 내측에 설치되는 다양한 형태의 레일을 통해 자유롭게 이동 가능한 바, 종래와 달리 작업 공간을 확장할 수 있다. 이는 구조물의 규모에 따른 제한을 해결한다. 또한, 타워형 3d 프린터는 그 자체에서 발생하는 다양한 동작 제어를 통해 시멘트 혼합물을 정밀하게 조절하여 분사할 수 있다. 이는, 형상이 복잡한 구조물을 구현 가능하도록 한다.

또한, 타워형 3d 프린터는 미리 설정, 제공되는 프로그램을 통해 작업 시작 시점부터 작업 종료 시점까지 모든 동작이 자동으로 제어되는 바, 관리자의 감독이 없더라도 구조물을 건설할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타워형 3d 프린터의 사시도.
도 2는 도 1의 정면도.
도 3은 도 1의 평면도.
도 4는 도 1의 구동유닛에 대한 단면도.
도 5는 도 1의 노즐부에 대한 확대도.
도 6은 앵커부를 포함하는 구동유닛에 대한 단면도.
도 7a 및 도 7b는 구조물의 경사면과 곡면을 건설하기 위한 시멘트층의 적층 방법을 도시한 개략도.

이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타워형 3d 프린터의 사시도이고, 도 2는 도 1의 정면도이며, 도 3은 도 1의 평면도이고, 도 4는 도 1의 구동유닛에 대한 단면도이며, 도 5는 도 1의 노즐부에 대한 확대도이고, 도 6은 앵커부를 포함하는 구동유닛에 대한 단면도이다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 타워형 3d 프린터는 베이스플레이트(200), 높이조절부(300), 슬라이드부(400), 로테이터부(500), 노즐부(600) 및 제어부(미도시) 등을 포함한다. 베이스플레이트(200)는 금속 등의 견고한 재질로 형성되며, 예를 들어, 얇은 정사각형 평판 형태를 갖는다. 이 때, 베이스플레이트(200)의 하면에는 구동유닛(100)이 배치된다.

일 실시예에 따른 구동유닛(100)은 바퀴(110), 바퀴프레임(130), 이탈방지부(140) 등을 포함하며, 베이스플레이트(200)의 각 모서리에 배치된다. 바퀴(110)는 모터 등에 의해 회동하며, 레일(700) 위에서 구름 운동한다. 바퀴프레임(130)은 일단이 베이스플레이트(200)에 결합되며, 바퀴(110)의 구동축 양단이 거치된다. 바퀴프레임(130)은 예를 들어, 그 내부에 바퀴(110)가 수용되는 ㄷ자 프레임으로 형성될 수 있다. 바퀴프레임(130)은 볼트 등의 체결 수단을 통해 베이스플레이트(200)에 결합된다.

이탈방지부(140)는 구동유닛(100)이 레일(700)에서 이탈되지 않도록 바퀴(110)의 일 측면에 형성되는 가이드서클판(142)과 바퀴프레임(130)의 단부에 형성되는 가이드경사부(144)로 이루어진다. 여기서, 가이드서클판(142)은 바퀴(110)와 동심축을 갖도록 형성되며, 바퀴(110)보다 큰 반경을 갖는다. 이런, 가이드서클판(142)은 바퀴(110)와 일체로서 형성될 수 있다. 가이드경사부(144)는 바퀴프레임(130)의 단부 내측면에 형성되되, 말단으로 갈수록 그 두께가 감소하는 형상을 갖는다.

한편, 가이드서클판(142)과 가이드경사부(144) 사이의 이격 거리는 선로부(712)의 폭보다 크게 형성된다. 그 결과, 바퀴(110)가 구름 이동할 때, 가이드서클판(142)의 내측면은 선로부(712)의 외측면과 접촉하거나 미세하게 이격된 상태를 유지할 수 있다. 또한, 바퀴(110)가 구름 이동할 때, 가이드경사부(144) 역시 선로부(712)의 외측면과 접촉하거나 미세하게 이격된 상태를 유지한다. 이를 통해, 이탈방지부(140)는 바퀴(110)가 레일(700) 위에서 이탈되는 것을 방지한다.

구동유닛(100)과 레일(700)은 타워형 3d 프린터가 미리 설정된 레일(700)을 따라 이동할 수 있도록 한다. 또한, 구동유닛(100)은 레일(700) 위에서의 타워형 3d 프린터에 대한 위치 정보를 수집할 수 있도록 하는 센서부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 또한, 구동유닛(100)은 바퀴프레임(130)의 어느 일 측에 배치되며, 레일(700)과 결합되어 베이스플레이트(200)가 레일(700) 중 원하는 위치에 선택적으로 고정되도록 하는 앵커부(120)를 포함할 수 있다.

앵커부(120)는 타워형 3d 프린터가 후술할 작업레일 위에 고정될 수 있도록 한다. 타워형 3d 프린터는 구조물의 규모가 작은 경우, 작업 공간 내측 정중앙에 고정된 상태에서 구조물을 건설할 수 있다.

일 실시예에 따른 앵커부(120)는 바퀴(110)의 어느 일 측에 배치되어 승하강 운동이 가능하도록 형성된다. 이를 위해, 구동유닛(100)은 앵커부(120)를 승하강시키는 승하강유닛(120)을 더 포함한다. 또한, 앵커부(120)는 승하강유닛(120)과 결합되는 봉체(121), 봉체(121)의 단부에 형성되어 레일(700)과 자기 결합을 하는 앵커헤드(122)를 포함할 수 있다. 이를 위해, 앵커헤드(122)의 단부 표면에는 자석부(미도시)가 더 배치될 수 있다. 이와 달리, 앵커헤드(122)의 단부 표면에는 레일(700)의 연장 방향으로 나사산이 배치되는 톱니 모양의 톱니결합부(미도시)가 형성될 수 있다.

한편, 앵커부(120)는 바퀴(110)가 정지 중이고, 노즐부(600)를 통해 시멘트 혼합물이 분사될 예정인 경우, 하강 위치로 이동하여 레일(700)과 결합된다. 이는 타워형 3d 프린터를 레일(700) 위에 안정적으로 고정시켜 시멘트 혼합물의 분사를 정밀하게 제어하도록 한다.

레일(700)은 구조물이 건설되는 작업 공간 주변에 설치된다. 이 때, 레일(700) 사이의 폭은 베이스플레이트(200)의 폭과 대응되도록 형성된다. 레일(700)은 금속 재질로 형성되며, 바퀴(110)의 구름면이 접촉하는 선로부(712)를 포함한다. 또한, 레일(700)은 선로부(712)의 어느 일 측에 형성되어 앵커부(120)가 결합되는 앵커선로부(714)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 선로부(712)와 앵커선로부(714) 사이에는 단차가 형성된다. 구체적으로, 앵커선로부(714)는 선로부(712)보다 낮은 위치에 형성된다. 또한, 앵커선로부(714)의 상면은 자석부가 자기 결합 가능하게 평탄하거나, 톱니결합부가 결합 가능하도록 이에 대응하는 톱니 모양일 수 있다.

또한, 레일(700)은 작업레일과 진입레일로 구분할 수 있다. 작업레일과 진입레일은 선로부(712)의 폭, 두께 등 기본적 스펙이 동일한 바, 전체적으로 동일한 단위 형상을 갖는다. 다만, 작업레일은 진입레일과 달리 앵커선로부(714)를 더 포함할 수 있다.

작업레일은 전술한 작업 공간의 내측 바닥면에 미리 설정된 배치 형태로 설치된다. 또한, 작업레일은 필요에 따라 작업 공간의 외측 바닥면에도 설치될 수 있다. 일 실시예에 따른 작업레일은 직선 구간만으로 이루어질 수 있다. 따라서, 일 실시예에 따른 작업레일은 그 방향이 90도씩 전환되는 사각형 모양의 폐루프 형태일 수 있다. 또한, 다른 실시예에 따른 작업레일은 직선 구간과 곡선 구간을 포함할 수 있다. 곡선 구간은 구동유닛(100)이 작업레일 위에서 일정 속도로 구동할 수 있도록 한다. 즉, 타워형 3d 프린터는 작업레일 위에서 시멘트층(900)을 적층할 때, 등속으로 운동하는 것이 바람직하다. 이는 시멘트층(900)의 경화 속도 등을 고려한 것이다.

전술한 것처럼, 작업레일은 구조물의 내벽면으로부터 이격되어 설치되며, 폐루프 형태일 수 있다. 또한, 작업레일은 페루프 중 대향하는 어느 일 개소와 타 개소 사이를 직접 연결하는 작업보조레일을 더 포함할 수 있다. 작업보조레일은 작업레일 위에서의 타워형 3d 프린터에 대한 위치를 보다 확장시킨다.

또한, 작업 공간의 외측 바닥면에는 구조물의 입구로 연장되어 작업레일과 연결되는 진입레일이 설치될 수 있다. 그 결과, 타워형 3d 프린터는 레일(700)을 이용하여 구조물 외측에서 구조물의 작업 공간으로 자유롭게 이동할 수 있으며, 구조물의 건설이 완료되면 다시 구조물 외측으로 자유롭게 이동할 수 있다. 이는 제어부에 의해 모두 자동으로 이루어진다.

높이조절부(300)는 베이스플레이트(200)의 상면 중앙에 결합되며, 높이(z축 방향)가 조절된다. 이 때, 구조물이 건축되는 작업 공간의 바닥면은 xy 평면으로 설정한다. 높이조절부(300)는 내부에 삽입된 회전스크류의 회동에 의해 축(312)이 높이 방향으로 왕복 이동하는 실린더부(310)를 포함할 수 있다. 여기서, 회전스크류는 외주면에 형성되는 나선으로 인해 그 회동이 정밀하게 제어된다. 회전스크류가 정회전 또는 역회전하면 회전 운동이 직선 운동으로 전환되어 축(312)은 높이 방향으로 왕복 이동하게 된다. 이를 통해, 실린더부(310)는 높이 조절의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

한편, 일 실시예에 따른 높이조절부(300)는 길이 방향으로 연장되며, 그 내부가 빈 공간으로 중공되는 기둥프레임(예를 들어, 사각프레임, 원형프레임 등)을 더 포함할 수 있다. 이 때, 실린더부(310)는 기둥프레임 내부에 수용된다. 그리고, 회전스크류가 회동하면, 축(312) 말단은 기둥프레임의 상단 개구를 통해 인입출된다.

이와 달리, 다른 실시예에 따른 높이조절부(300)는 베이스플레이트(200)에 결합되는 하단플레이트(320), 하단플레이트(320)와 이격되어 대향 배치되는 상단플레이트(330), 하단플레이트(320)와 상단플레이트(330) 사이의 간격을 유지시키는 복수 개의 기둥봉(340) 및 기둥봉(340) 사이 빈 공간에 위치하는 실린더부(310)를 포함할 수 있다. 한편, 회전스크류가 회동하면, 실린더부(310)의 축(312) 말단은 상단플레이트(330)에 형성되는 개구를 통해 인입출된다.

이외에 높이조절부(300)는 회전스크류의 회동과 관련하여 모터 등 공지의 부품을 더 포함할 수 있다.

슬라이드부(400)는 높이조절부(300)의 상측 공간에 위치하며, 전후 방향으로 길이가 조절된다. 구체적으로, 슬라이드부(400)는 베이스프레임(410), 전방슬라이드부(420), 후방슬라이드부(430) 등을 포함한다. 베이스프레임(410)은 후단부 하면이 로테이터부(500)의 상단과 고정 결합된다. 이 때, 베이스프레임(410)은 그 단면이 예를 들어, ㄷ자, ㅁ자 등의 모양으로 형성된다. 일 실시예에 따른 베이스프레임(410)은 상면이 개방되는 ㄷ자 모양으로 형성된다. 한편, 전술한 결합은 볼트 등 통상적인 체결 수단을 통해 이루어진다.

전방슬라이드부(420)는 베이스프레임(410)에서 전방으로 적어도 2단 이상 단계적으로 인입출되는 방식으로 길이가 조절된다. 이를 위해, 전방슬라이드부(420)는 전방제1프레임, 전방제2프레임, … 및 전방제n프레임 등을 포함할 수 있다. 이 때, 전방제1프레임 내지 전방제n프레임은 순차적으로 그 비율이 동일하게 축소되는 동종 형상을 갖는다. 일 실시예에 따른 전방제1프레임 내지 전방제n프레임은 베이스프레임(410)과 동일하게 상면이 개방되는 ㄷ자 모양으로 형성된다. 한편, 전방슬라이드부(420)의 길이 조절은 제어부의 펌웨어 프로그램에 의해 자동으로 이루어진다. 이를 위해, 전방슬라이드부(420)는 모터 등 공지의 부품을 더 포함한다.

전방슬라이드부(420)가 예를 들어, 3단 구성인 경우, 전방제1프레임(421)은 베이스프레임(410)의 내측에 배치된 상태에서 정해진 왕복 구간을 슬라이딩 이동할 수 있다. 이 때, 전방제1프레임(421)과 베이스프레임(410) 사이에는 복수 개의 롤러(미도시)가 개재되어 원활한 슬라이딩이 구현되도록 한다. 여기서, 롤러의 회동은 모터 등에서 제공되는 구동력을 통해 이루어진다. 한편, 베이스프레임(410)의 적어도 일 내측면에는 슬라이딩을 안내하는 가이드부(미도시)가 형성될 수 있다. 또한, 가이드부의 양단에는 전방제1프레임(421)의 이동을 제한하는 구속돌기(미도시) 등이 더 형성될 수 있다.

동일한 방법으로, 전방제2프레임(422)은 전방제1프레임(421)의 내측에 배치된 상태에서 정해진 왕복 구간을 슬라이딩 이동할 수 있다. 또한, 전방제3프레임(423)은 전방제2프레임(423)의 내측에 배치된 상태에서 정해진 왕복 구간을 슬라이딩 이동할 수 있다. 한편, 전술한 롤러, 가이드부, 구속돌기는 전방제2프레임(422)과 전방제1프레임(421) 사이, 전방제3프레임(423)과 전방제2프레임(422) 사이에도 형성될 수 있다. 즉, 서로 이웃하는 전방프레임 사이에는 동일한 인입출 구조가 형성될 수 있다.

후방슬라이드부(430)는 전방슬라이드부(420)의 구동에 따라 종속 제어되며, 베이스프레임(410)에서 후방으로 인입출된다. 후방슬라이드부(430)는 전방슬라이드부(420)의 구동에 따라 슬라이드부(400)가 전방으로 기울어지지 않게 즉, 수평 균형을 유지할 수 있도록 구동된다. 이는, 시멘트 혼합물의 분사를 정확하게 제어함과 동시에 전방슬라이드부(420)의 구동에 따른 흔들림, 진동 등의 발생을 완충한다.

구체적으로, 후방슬라이드부(430)는 베이스프레임(410)에서 후방으로 적어도 2단 이상 단계적으로 인입출되는 방식으로 길이가 조절된다. 이를 위해, 후방슬라이드부(430)는 후방제1프레임, 후방제2프레임, … 및 후방제n프레임 등을 포함할 수 있다. 후방제1프레임 내지 후방제n프레임은 예를 들어, 순차적으로 그 비율이 동일하게 축소되는 동종 형상을 갖는다. 또한, 일 실시예에 따른 후방제1프레임 내지 후방제n프레임은 베이스프레임(410)과 동일하게 상면이 개방되는 ㄷ자 모양으로 형성된다.

한편, 후방슬라이드부(430)의 길이 조절은 제어부의 펌웨어 프로그램에 의해 자동 제어된다. 이를 위해, 후방슬라이드부(430)는 모터 등 공지의 부품을 더 포함한다. 한편, 후방슬라이드부(430)는 그 말단부 하측면에 볼트 등의 체결 수단으로 고정 결합되는 무게추(435)를 더 포함할 수 있다. 무게추(435)는 전방슬라이드부(420)와 후방슬라이드부(430)가 각각 베이스프레임(410) 내측으로 최대 인입된 상태에서, 슬라이드부(400)의 수평 균형이 유지될 수 있도록 그 무게를 선정하는 것이 바람직하다.

후방슬라이드부(430)가 예를 들어, 2단 구성인 경우, 후방제1프레임(431)은 베이스프레임(410)의 내측에 배치된 상태에서 정해진 왕복 구간을 슬라이딩 이동할 수 있다. 이 때, 후방제1프레임(431)과 베이스프레임(410) 사이에는 복수 개의 롤러가 개재되어 원활한 슬라이딩이 구현되도록 한다. 여기서, 롤러의 회동은 모터에서 제공되는 구동력을 통해 이루어진다. 또한, 베이스프레임(410)의 적어도 일 내측면에는 슬라이딩을 안내하는 가이드부가 형성될 수 있다. 또한, 가이드부의 양단에는 후방제1프레임의 이동을 제한하는 구속돌기 등이 더 형성될 수 있다.

동일한 방법으로, 후방제2프레임(432)은 후방제1프레임(431)의 내측에 배치된 상태에서 정해진 왕복 구간을 슬라이딩 이동할 수 있다. 그리고, 롤러, 가이드부, 구속돌기는 후방제2프레임(432)과 후방제1프레임(431) 사이에도 형성될 수 있다. 즉, 서로 이웃하는 후방프레임 사이에는 동일한 인입출 구조가 형성될 수 있다.

로테이터부(500)는 높이조절부(300)와 슬라이드부(400) 사이에 결합되며, 슬라이드부(400)를 높이(z축) 방향을 축으로 회동시킨다. 구체적으로, 로테이터부(500)는 일측이 실린더부(310)의 축(312) 말단과 결합되고, 타측이 베이스프레임(410)의 하면과 결합된다. 이를 통해, 로테이터부(500)는 z축을 기준으로 슬라이드부(400)를 정회전 또는 역회전시킬 수 있다. 여기서, 정회전 또는 역회전에 따른 회전 각도는 범위에 대한 제한이 없다. 즉, 로테이터부(500)는 어느 일 방향으로 반복적 회전이 가능하다.

노즐부(600)는 슬라이드부(400)의 전단에 배치되며, 시멘트 혼합물을 분사시킨다. 시멘트 혼합물은 시멘트 페이스트(시멘트+물) 또는 시멘트 모르타르(시멘트+물+모래) 등을 포함한다. 이 때, 시멘트 혼합물에는 신속한 경화를 위해 경화촉진제가 포함된다. 한편, 시멘트 혼합물을 수용하기 위해 작업 공간 외측에는 호퍼부(미도시)가 배치될 수 있다. 호퍼부는 그 내부에 수용되는 시멘트 혼합물을 교반시킨다. 또한, 호퍼부에는 소정 길이를 갖는 후술할 이송노즐(640)이 연결되어 있다.

일 실시예에 따른 노즐부(600)는 절곡편(610), 분사노즐(620), 틸팅노즐(630), 이송노즐(640) 등을 포함한다. 절곡편(610)은 ㄱ자 형상이며, 일단부가 슬라이드부(400)의 말단에 결합된다. 분사노즐(620)은 절곡편(610)의 타단부에 결합되며, 적어도 2단 이상 단계적으로 인입출되어 길이가 조절된다. 여기서, 분사노즐(620)의 길이 조절은 모터 등의 구동력과 제어부에 의해 자동으로 이루어진다.

틸팅노즐(630)은 분사노즐(620)의 말단에 결합되며, 힌지 구동에 의해 소정 각도 범위 이내에서 회동한다. 일 실시예에 따른 틸팅노즐(630)은 힌지 축을 기준으로 +90도에서 ??90도까지 회동 가능하다. 이는 구조물 내의 경사면, 곡면 등을 건설하기 위한 적층 과정에서 유용하다. 여기서, 틸팅노즐(630)의 힌지 구동 역시 모터 등의 구동력과 제어부에 의해 자동으로 이루어진다.

여기서, 틸팅노즐(630)은 단면적일정부(632)와 단면적축소부(634)로 이루어진다. 단면적일정부(632)는 봉 형태의 관체를 의미하며, 단면적일정부(632)의 내주면에는 길이 방향을 따라 나선이 형성된다. 이 때, 나선의 높이는 단면적축소부(634)로 갈수록 낮아질 수 있다. 나선은 시멘트 혼합물의 혼합과 이송을 보다 원활하게 한다. 단면적축소부(634)는 틸팅노즐(630)의 말단에 형성되며, 분사공 방향으로 갈수록 단면적이 축소된다. 이는, 단면적의 차이를 이용하여 시멘트 혼합물을 보다 강한 압력으로 토출, 분사시킨다.

이송노즐(640)은 일단이 분사노즐(620)의 입구 측에 끼움 결합되며, 타단이 호퍼부에 연결되어 있다. 이송노즐(640)은 플렉서블한 재질로 형성되어, 그 길이가 연장 또는 축소될 수 있다. 또한, 이런 이송노즐(640)을 고정시키기 위해 절곡편(610), 전방슬라이드부(420) 등에는 마운트부(660)가 더 형성될 수 있다.

제어부는 구조물의 형상에 따라 구동유닛(100), 높이조절부(300), 슬라이드부(400), 로테이터부(500) 및 노즐부(600) 등을 포함하며 그 하위 부품을 제어한다. 제어부는 구동유닛(100), 높이조절부(300), 슬라이드부(400), 로테이터부(500) 및 노즐부(600) 중 적어도 하나 이상을 독립적으로 또는 종속적으로 제어한다. 예를 들어, 제어부는 구동유닛(100), 슬라이드부(400) 및 노즐부(600)를 동시에 독립적으로 제어할 수 있다. 그 결과, 타워형 3d 프린터를 사용하면 구조물에 대한 건설 전 과정을 자동으로 진행할 수 있다. 이를 위해, 제어부는 각 부품을 별도 제어하는 예를 들어, 제1제어부, 제2제어부 등의 서브 제어부를 더 포함할 수 있다. 제어부는 펌웨어 프로그램 기반으로 형성되며, 구조물이 선정되면, 그에 따라 작업 시작 시점부터 작업 종료 시점까지 타워형 3d 프린터의 동작 전체를 자동으로 구동되도록 한다.

한편, 타워형 3d 프린터는 제어부와 별도로 구조물 형상, 작업레일의 설치 형태에 대응하여 타워형 3d 프린터의 이동 경로를 최적으로 설정하는 경로제어부를 더 포함할 수 있다. 경로제어부는 작업레일과 작업보조레일의 설치 형태를 반영하여 폐루프 알고리즘에 따라 타워형 3d 프린터의 경로를 제어한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 타워형 3d 프린터를 이용한 구조물의 건설 방법을 살펴본다.

제1단계는 구조물에 따라 작업 시작점부터 작업 종료점까지 타워형 3d 프린터를 자동 제어하는 프로그램을 제공하는 단계이다. 작업 시작점과 작업 종료점은 진입레일의 적어도 어느 일 위치를 의미한다. 작업자, 감독자 등은 타워형 3d 프린터를 미리 설정된 프로그램에 의해 자동으로 작동되도록 한다. 여기서, 프로그램은 펌웨어 형태로 구조물에 따라 달리 제공된다.

그 다음, 제2단계는 구조물이 건설되는 작업 공간의 내측 바닥면에 미리 설정된 배치 형태의 작업레일과, 작업 공간의 외측 바닥면에서 구조물의 입구로 연장되어 작업레일과 연결되는 진입레일을 각각 설치하는 단계이다. 작업레일과 진입레일을 통해 타워형 3d 프린터는 수평적 작업 공간을 보다 확장할 수 있다. 한편, 작업레일과 진입레일에 대해서는 전술한 것과 동일한 바, 이하 구체적 설명은 생략한다.

그 다음, 제3단계는 타워형 3d 프린터를 작업 시작점에 위치시킨 후 타워형 3d 프린터의 전원 버튼을 On으로 전환하면, 타워형 3d 프린터가 진입레일을 따라 이동하고, 작업레일에 도달하는 단계이다. 여기서, 감독자 등은 타워형 3d 프린터를 작업 시작점으로 이동시키는 역할을 한다.

그 다음, 제4단계는 타워형 3d 프린터가 작업레일 위에 고정 또는 작업레일을 따라 이동하면서 시멘트 혼합물을 분사하여 구조물의 각 시멘트층(900)을 적층하는 단계이다. 구조물의 규모가 작은 경우, 작업레일에 도달한 타워형 3d 프린터는 그 위에 고정된 상태에서 구조물을 건설한다. 이를 위해, 제4단계에서 타워형 3d 프린터의 제어부는 구동유닛(100)을 제어하여 앵커부(120)가 앵커선로부(714) 위에 결합될 수 있도록 한다. 앵커부(120)와 앵커선로부(714)에 대해서는 전술한 바, 이하 그 구체적 설명을 생략한다. 그 다음, 제어부는 각 시멘트층(900)을 적층할 수 있도록 높이조절부(300), 슬라이드부(400), 로테이터부(500) 및 노즐부(600)를 제어한다.

이와 달리, 구조물의 규모가 큰 경우, 작업레일에 도달한 타워형 3d 프린터는 예를 들어, 폐루프 형태의 작업레일을 따라 이동하면서 구조물을 건설한다. 마찬가지로, 제어부는 구조물의 형상에 대응하여 각 시멘트층(900)을 적층할 수 있도록 높이조절부(300), 슬라이드부(400), 로테이터부(500) 및 노즐부(600)를 제어한다.

도 7a 및 도 7b는 구조물의 경사면과 곡면을 건설하기 위한 시멘트층(900)의 적층 방법을 도시한 개략도이다. 도 7a를 참조하면, 제4단계에서, 구조물의 규모와 상관없이 구조물의 경사면을 건설하기 위한 적층은 다음과 같다. 구조물의 경사면을 건설하기 위한 적층은 경사 각도에 따라 바로 위에 적층되는 시멘트층(900)이 바로 아래 적층되는 시멘트층(900)의 폭 방향으로 소정 거리 이격되도록 제어부를 통해 노즐부(600)의 분사 방향을 연직 하방으로 고정시킨 상태에서, 슬라이드부(400)를 제어하는 방법을 사용한다. 이 때, 분사되는 시멘트층(900)의 폭은 동일한 바, 이격되는 거리는 폭의 절반 이하인 것이 바람직하다.

또한, 도 7b를 참조하면, 제4단계에서, 구조물의 규모와 상관없이 구조물의 곡면을 건설하기 위한 적층은 제어부를 통해 노즐부(600)의 말단에 결합되는 틸팅노즐(630)이 소정 각도 회동된 상태에서 이루어지되, 바로 위에 적층되는 시멘트층(900)이 그 상면이 경사진 상태에서 바로 아래 적층되는 시멘트층(900)의 폭 방향으로 소정 거리 이격되도록 한다. 마찬가지로, 이 때, 분사되는 시멘트층(900)의 폭은 동일한 바, 이격되는 거리는 폭의 절반 이하인 것이 바람직하다.

그 다음, 제5단계는 구조물의 건설이 완료되면, 타워형 3d 프린터가 진입레일을 따라 작업 종료점으로 이동하고, 작업레일과 진입레일을 각각 철거하는 단계이다. 즉, 건설이 완료되면, 타워형 3d 프린터는 제어부에 의해 자동으로 작업 공간에서 이탈하여 미리 지정된 작업 종료점으로 이동한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

100: 구동유닛 200: 베이스플레이트
300: 높이조절부 400: 슬라이드부
500: 로테이터부 600: 노즐부
110: 바퀴 120: 앵커부
121: 봉체 122: 앵커헤드
130: 바퀴프레임 140: 이탈방지부
142: 가이드서클판 144: 가이드경사부
700: 레일 712: 선로부
714: 앵커선로부 310: 실린더부
312: 축 320: 하단플레이트
330: 상단플레이트 340: 기둥봉
410: 베이스프레임 420: 전방슬라이드부
430: 후방슬라이드부 435: 무게추
610: 절곡편 620: 분사노즐
630: 틸팅노즐 640: 이송노즐
632: 단면적일정부 634: 단면적축소부
660: 마운트부 900: 시멘트층

Claims

하면에 구동유닛이 배치되는 베이스플레이트;
상기 베이스플레이트의 상면 중앙에 결합되며, 높이가 조절되는 높이조절부;
상기 높이조절부의 상측 공간에 위치하며, 전후 방향으로 길이가 조절되는 슬라이드부;
상기 높이조절부와 상기 슬라이드부 사이에 결합되며, 상기 슬라이드부를 상기 높이 방향을 축으로 회동시키는 로테이터부;
상기 슬라이드부의 전단에 배치되며 시멘트 혼합물을 분사시키는 노즐부; 및
구조물의 형상에 따라 상기 구동유닛, 상기 높이조절부, 상기 슬라이드부, 상기 로테이터부 및 상기 노즐부를 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부와 별도로 타워형 3d 프린터의 이동 경로를 설정하는 경로제어부;를 더 포함하며,
높이조절부는 내부에 삽입된 회전스크류의 회동에 의해 축이 상기 높이 방향으로 왕복 이동하는 실린더부; 및 내부에 상기 실린더부가 수용되도록 내부가 빈 공간으로 중공되는 기둥프레임;을 포함하며, 상기 회전스크류가 회동하면 축 말단은 상기 기둥프레임의 상단 개구를 통해 인입출되고,
상기 구동유닛은 레일 위에서 구름 운동하는 바퀴; 일단이 상기 베이스플레이트에 결합되며, 상기 바퀴의 구동축 양단이 거치되는 바퀴프레임; 및 상기 구동유닛이 상기 레일에서 이탈되지 않도록 상기 바퀴의 일 측면에 상기 바퀴와 동심축을 갖도록 형성되는 가이드서클판과 상기 바퀴프레임의 단부 내측면에 말단으로 갈수록 그 두께가 감소하는 형상으로 형성되는 가이드경사부로 이루어지는 이탈방지부;를 포함하는 타워형 3d 프린터.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 슬라이드부는
후단부 하면이 상기 로테이터부의 상단과 고정 결합되는 베이스프레임;
상기 베이스프레임에서 전방으로 적어도 2단 이상 단계적으로 인입출되는 전방슬라이드부; 및
상기 전방슬라이드부의 구동에 따라 종속 제어되며, 상기 베이스프레임에서 후방으로 인입출되는 후방슬라이드부;를 포함하는 타워형 3d 프린터.
제1항에 있어서, 상기 노즐부는
일단부가 상기 슬라이드부의 말단에 결합되는 절곡편;
상기 절곡편의 타단부에 결합되며, 적어도 2단 이상 단계적으로 인입출되어 길이가 조절되는 분사노즐; 및
상기 분사노즐의 말단에 결합되며, 힌지 구동에 의해 소정 각도 범위 이내에서 회동하는 틸팅노즐;을 포함하는 타워형 3d 프린터.
제1항, 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 따른 타워형 3d 프린터를 이용한 구조물의 건설 방법으로서,
구조물에 따라 작업 시작점부터 작업 종료점까지 상기 타워형 3d 프린터를 자동 제어하는 프로그램을 제공하는 제1단계;
상기 구조물이 건설되는 작업 공간의 내측 바닥면에 미리 설정된 배치 형태의 작업레일과, 상기 작업 공간의 외측 바닥면에서 상기 구조물의 입구로 연장되어 상기 작업레일과 연결되는 진입레일을 각각 설치하는 제2단계;
상기 타워형 3d 프린터를 상기 작업 시작점에 위치시킨 후 상기 타워형 3d 프린터의 전원 버튼을 On으로 전환하면, 상기 타워형 3d 프린터가 상기 진입레일을 따라 이동하고, 상기 작업레일에 도달하는 제3단계;
상기 타워형 3d 프린터가 상기 작업레일 위에 고정 또는 상기 작업레일을 따라 이동하면서 시멘트 혼합물을 분사하여 상기 구조물의 각 시멘트층을 적층하는 제4단계; 및
상기 구조물의 건설이 완료되면, 상기 타워형 3d 프린터가 상기 진입레일을 따라 상기 작업 종료점으로 이동하고, 상기 작업레일과 상기 진입레일을 각각 철거하는 제5단계;를 포함하는 타워형 3d 프린터를 이용한 구조물의 건설 방법.
제6항에 있어서, 상기 제4단계에서,
상기 구조물의 경사면을 건설하기 위한 적층은 경사 각도에 따라 바로 위에 적층되는 시멘트층이 바로 아래 적층되는 시멘트층의 폭 방향으로 소정 거리 이격되도록 상기 제어부를 통해 상기 노즐부의 분사 방향을 연직 하방으로 고정시킨 상태에서, 상기 슬라이드부를 제어하는 타워형 3d 프린터를 이용한 구조물의 건설 방법.
제6항에 있어서, 상기 제4단계에서,
상기 구조물의 곡면을 건설하기 위한 적층은 상기 제어부를 통해 상기 노즐부의 말단에 결합되는 틸팅노즐이 소정 각도 회동된 상태에서 이루어지되, 바로 위에 적층되는 시멘트층이 그 상면이 경사진 상태에서 바로 아래 적층되는 시멘트층의 폭 방향으로 소정 거리 이격되는 타워형 3d 프린터를 이용한 구조물의 건설 방법.