KR102114754B1 - 3차원 프린팅 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치는 금속 분말과 바인더를 포함하는 펠릿이 하나 이상 적층되는 카트리지; 일측에 상기 카트리지가 결합되는 결합부가 구비되는 하우징; 상기 하우징의 타측에 구비되는 피스톤; 상기 하우징에 구비되어, 상기 결합부에 결합된 카트리지의 상기 펠릿을 상기 피스톤으로 이송하는 이송부; 및 상기 피스톤의 일측에 구비되어 상기 피스톤으로 이송된 상기 펠릿을 가열하는 가열부; 를 포함한다.

Description

3차원 프린팅 장치 {THREE DIMENSIONAL PRINTING APPARATUS}
본 발명은 3차원 프린팅 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 분말 함유 원료를 이용하여 고강도성과 함께 높은 정밀도를 요구하는 금속 제품을 3차원 프린팅 기술로 제조할 수 있도록 하는 3차원 프린팅 장치에 관한 것이다.
최근에는 물체에 대한 3차원(3D) 데이터를 이용하여 물체와 동일 또는 유사한 형태를 갖도록 3차원으로 성형할 수 있는 3차원 프린터의 사용이 증대되고 있다.
이러한 3차원 프린터는 과거에는 대량생산 이전의 모델링이나 샘플 제작과 같은 용도로 활용되었으나, 최근에는 다품종 소량생산 제품을 중심으로 양산 가능한 제품의 성형에도 사용될 수 있는 기술적 기반이 조성되고 있으며 향후 3차원 프린터 시장은 급격하게 확대될 것으로 예상된다.
3차원 프린터의 제품성형 방식은 크게 대상물체를 2차원의 평면형태로 성형한 것을 3차원으로 적층하면서 용융부착하여 형태를 만들어가는 이른바 첨가형과, 재료덩어리를 조각하듯이 절삭해서 형태를 만들어가는 절삭형이 있다. 그리고, 첨가형의 일종으로 열가소성 플라스틱으로 된 와이어 또는 필라멘트를 공급릴과 이송롤을 통해 공급하고, 공급된 필라멘트를 작업대에 대하여 상대적으로 XYZ 세 방향으로 위치조절되는 3차원 이송기구에 장착된 압출헤드의 노즐에서 용융시켜 배출함으로써 2차원 평면형태(프린트 층)를 베이스 플레이트 상에 반복적으로 적층하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상을 갖는 제품을 성형하는 필라멘트 용융 적층 성형방법(FDM방법)이 있다.
그러나, 종래에 사용되던 3차원 성형방식은 상술한 바와 같이 플라스틱 원료를 이용하기 때문에 고강도성과 높은 정밀도를 요하는 금속 부품과 같은 제품을 성형하기에는 접합하지 아니한 문제가 있다.
또한, 금속 부품을 성형하기 위해 금속 분말이 함유된 원료를 제조하여 3차원 제품을 성형하고자 할 경우, 금속 분말이 함유된 원료의 형태로 인하여 기존의 FDM방법과 같이 연속적으로 원료를 공급하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 분말 함유 원료를 이용하여 고강도성과 함께 높은 정밀도를 요구하는 금속 제품을 3차원 프린팅 기술로 제조할 수 있도록 하는 3차원 프린팅 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치는 금속 분말과 바인더를 포함하는 펠릿이 하나 이상 적층되는 카트리지; 일측에 상기 카트리지가 결합되는 결합부가 구비되는 하우징; 상기 하우징의 타측에 구비되는 피스톤; 상기 하우징에 구비되어, 상기 결합부에 결합된 카트리지의 상기 펠릿을 상기 피스톤으로 이송하는 이송부; 및 상기 피스톤의 일측에 구비되어 상기 피스톤으로 이송된 상기 펠릿을 가열하는 가열부; 를 포함한다.
또한, 상기 펠릿은 저면에 가이드 홈이 형성되고, 외주면에 이송홈이 형성된 평면부가 형성될 수 있다.
또한, 상기 카트리지는, 상기 펠릿이 인입되는 개구부가 형성되고 내부에 상기 펠릿이 적층되는 카트리지 바디; 상기 카트리지 바디의 내면에 돌출되게 형성되어, 상기 펠릿이 일방향으로 정렬되도록 상기 가이드 홈에 결합되는 가이드 돌기; 상기 카트리지 바디의 내측에 구비되어 상기 펠릿을 상기 개구부로 밀어내는 푸쉬부; 상기 개구부의 일측에 돌출되게 형성되어 상기 펠릿이 상기 개구부에서 이탈되는 것을 방지하는 지지부; 및 상기 개구부의 저면에 개구되게 형성되어, 상기 펠렛이 상기 이송부에 의해 상기 피스톤으로 이송되도록 하는 통과부; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이송홈은 나사산으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 이송부는, 상기 이송홈에 대응되는 이송 나사산이 외주면에 형성되어, 상기 카트리지가 상기 결합부에 결합 시 상기 이송홈에 상기 이송 나사산이 접촉되는 스크류; 상기 스크류를 회전시키는 구동력을 제공하는 구동부; 및 상기 구동부와 상기 스크류 사이에 구비되어 상기 구동력을 상기 스크류로 전달하는 전달부; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 스크류의 회전 시 상기 펠릿은 상기 통과부를 통과하여 상기 피스톤으로 이송될 수 있다.
또한, 상기 이송홈은 상기 펠릿의 저면을 기준으로 수평하게 하나 이상 형성될 수 있다.
또한, 상기 이송부는, 상기 이송홈에 대응되는 이송돌기가 외면에 형성되어, 상기 카트리지가 상기 결합부에 결합 시 상기 이송홈에 상기 이송돌기가 접촉되는 타이밍 벨트; 및 상기 타이밍 벨트에 구동력을 전달하는 기어부; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 타이밍 벨트의 회전 시 상기 펠릿은 상기 통과부를 통과하여 상기 피스톤으로 이송될 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 프린팅 장치에 따르면, 금속 분말 함유 원료를 이용하여 고강도성과 함께 높은 정밀도를 요구하는 금속 제품을 3차원 프린팅 기술로 제조할 수 있게 된다.
또한, 금속 분말 함유 원료를 펠릿 형태로 성형한 후 카트리지에 적층되게 저장하여 저장성을 높이고, 펠릿의 소진 시 카트리지를 교환하여 사용 가능하게 구성하여 사용 편의성을 향상시키며, 이송부에서 카트리지에 저장된 펠릿을 피스톤으로 이송하여 사용함으로써 펠릿의 연속적인 공급 및 토출이 가능하게 된다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 금속 분말 함유 원료를 이용한 3차원 프린팅 장치로 3차원 제품을 제조하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 개략도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 펠릿의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지가 원료 공급부에 결합되기 전의 상태를 나타내는 분해도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지가 원료 공급부에 결합된 상태를 나타내는 결합도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 펠릿의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이송부를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치이다.
본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 조작자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 도면부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 금속 분말 함유 원료를 이용한 3차원 프린팅 장치로 3차원 제품을 제조하는 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 방법은 원료 준비단계(S10)에서 금속 분말과 바인더를 포함하는 금속 분말 함유 원료를 제조한다.
금속 분말은 공지의 금속 재질로 실시될 수 있다. 바인더는 결합제, 가소제, 윤활제 및 계면활성제를 포함할 수 있다. 금속 분말은 금속 분말 함유 원료의 80 ~ 99 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 금속 분말과 바인더는 혼련기(Kneading machine)에 균질하게 혼합되어, 금속 분말 함유 원료로 형성될 수 있다.
바인더를 구성하는 결합제는 폴리스틸렌(PS; Polystyrene), 폴리에틸렌(PE; Polyethylene), 폴리프로필렌(PP; polypropylene), 에틸렌비닐아세테이트(EVA; Ethylene-vinylacetate), 에틸렌에틸아크릴레이트(EEA; Ethylene-ethylacrylate), 메틸메타아크릴레이트(MMA; Methal-methacrylate), 부틸메타아크릴레이트(BMA; Butyl-methacrylate) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
가소제는 프탈산디부틸(DBP; Dibutyl-phthalate), 프탈산디옥틸(DOP; Dioctyl-phthalate), 엘라이딘알콜(Elaidic alcohol), 브틸스테알레이트(3-Octadecyloxy-1-propanol), 스테아로아미드(Stearamide) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
윤활제는 스테아린산(Stearic acid), 오레인산(Oleic acid), 파라핀 왁스(Paraffin wax), 몬탄 왁스(Montan wax) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
성형기에서 금속 분말과 바인더가 혼합된 금속 분말 함유 원료를 펠릿(10)(pallet) 형태로 성형한다. 금속 분말 함유 원료는 성형기에서 펠릿(10) 형태로 사출 성형될 수 있으나, 이에 성형기 또는 성형 방법이 한정되는 것은 아니다. 이 경우, 펠릿(10)은 후술하는 것과 같이 도 3 이하에 도시된 형태로 성형될 수 있다.
성형기에서 성형된 펠릿(10)은 카트리지(110)에 적층되어 저장된다. 이 경우 후술하는 것과 같이 펠릿(10)의 평면부(13)가 카트리지(110)의 개구부(113) "?향?? 위치되게 배치되도록 일방향으로 정렬되어 저장된다. 또한, 펠릿(10)이 적층된 카트리지(110)는 복수개가 준비될 수 있다.
원료 공급단계(S20)에서는 원료 공급부(100)에 펠릿(10)을 공급하여 용융된 상태의 펠릿(10)이 노즐로 공급된다. 원료 공급단계(S20)에서는 먼저 원료 공급부(100)에 카트리지(110)를 결합시키고, 이송부(120)에서 카트리지(110)에 적층된 펠릿(10)을 피스톤(130)으로 이송시킨다. 피스톤(130)으로 이송된 펠릿(10)은 가열부(150)에서 가열되어 용융된다.
피스톤(130)에 가압부(170)가 더 구비될 경우, 가압부(170)가 피스톤(130)에 가압력을 전달하여, 가열부(150)에서 가열되어 용융된 펠릿(10)에 가압력이 제공될 수 있다. 이 경우, 펠릿(10)에 제공된 가압력은 용융된 펠릿(10)이 가열부(150)에서 압출헤드(210)까지 고압으로 유동되도록 한다.
적층단계(S30)에서는 프린팅부(200)의 압출헤드(210)가 노즐(210a)을 통해 용융된 펠릿(10)을 베이스 플레이트(250) 표면으로 토출하여 베이스 플레이트(250) 상에 프린트 층이 적층된다.
성형단계(S40)에서는 프린팅부(200)는 적층 단계를 반복 수행하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린트 층을 연속으로 적층하여 반제품(50)이 성형된다.
탈지단계(S50)에서는 성형단계(S40)에서 추출된 반제품(50)을 탈지부로 이송시켜, 탈지부에서 반제품(50)에 함유된 바인더가 제거된다.
마지막으로, 소결단계(S60)에서는 바인더가 제거된 반제품(50)을 소결부로 이송시켜, 소결부에서 반제품(50)을 소결하여 최종적으로 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상을 갖는 완제품을 제조한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 개략도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치(1)는 원료 공급부(100)와 프린팅부(200)를 포함한다.
원료 공급부(100)는 원료 준비단계(S10)을 통해 금속 분말과 바인더가 균질하게 혼합되어 형성된 펠릿(10)을 프린팅부(200)로 공급한다. 이 경우, 원료 공급부(100)는 펠릿(10)을 가열하여 용융된 상태로 프린팅부(200)에 공급한다. 원료 공급부(100)의 상세 구조에 대하여는 도 3 이하에서 후술한다.
프린팅부(200)는 원료 공급부(100)(100)로부터 공급된 용융된 펠릿(10)을 재료로 하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린팅을 수행한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 프린팅부(200)는 원료 공급부(100)(100)로부터 용융된 펠릿(10)을 공급받아 토출하는 압출헤드(210), 원료 공급부(100)에서 용융된 펠릿(10)을 압출헤드(210)로 공급하는 연결튜브(270), 일측에 압출헤드(210)가 설치되고, 외부의 제어 시스템(미도시)에 의해 제어되어 베이스 플레이트(250) 상부에서 X/Y/Z축 방향으로 이동하는 이동부(230), 압출헤드(210)로부터 토출되는 금속 분말 함유 원료가 적층되는 베이스 플레이트(250)를 포함한다.
압출헤드(210)는 노즐(210a)을 통해 용융된 펠릿(10)을 베이스 플레이트(250)의 표면으로 토출하여 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 프린트 층을 연속적으로 적층함으로써 반제품(50)을 성형한다.
반제품(50)을 성형하는 프린팅부(200)의 동작을 살펴보면, 원료 공급부(100)(100)로부터 공급된 용융된 펠릿(10)이 압출헤드(210)에 공급된 후 이동부(230)가 외부의 제어 시스템(미도시)에 의해 제어되어 베이스 플레이트(250) 상부에서 X/Y/Z축 방향으로 이동하고, 이동부(230)의 일측에 설치된 압출헤드(210)가 노즐(210a)를 통해 금속 분말 함유 원료(40)를 베이스 플레이트(250) 표면으로 토출하여 베이스 플레이트(250) 상에 프린트 층을 연속으로 적층함으로써 반제품(50)을 성형하는 순서로 동작한다.
반제품(50)은 탈지부(미도시) 및 소결부(미도시)를 거쳐 최종 제품으로 제조된다. 탈지부는 프린팅부(200)에 의해 제작된 반제품(50)에서 바인더를 제거한다. 이때, 탈지부는 용매 탈지, 열간 탈지 또는 촉매 탈지 중 어느 하나의 탈지방식이나, 이들을 조합한 탈지방식으로 반제품(50)으로부터 바인더 성분을 제거할 수 있다.
소결부는 탈지부에 의해 바인더 성분이 제거된 반제품(50)을 소결한다. 소결부에서는 반제품(50)에 함유된 금속 분말이 용융 소결되어 반제품(50)에서 최종 제품인 완제품이 제조된다.
이때, 소결부는 일반 소결, 가압 소결, 열간 정수압 소결 중 어느 하나의 소결방식 또는 이들을 조합한 소결방식으로 바인더 성분이 제거된 반제품(50)을 소결하여 완제품을 제조할 수 있다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 펠릿(10)의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지(110)의 사시도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지(110)가 원료 공급부(100)에 결합되기 전의 상태를 나타내는 분해도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지(110)가 원료 공급부(100)에 결합된 상태를 나타내는 결합도이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 원료 공급부(100)에 대하여 설명한다.
도 3 내지 도 6을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치의 원료 공급부(100)는 금속 분말과 바인더를 포함하는 펠릿(10)이 하나 이상 적층되는 카트리지(110), 일측에 카트리지(110)가 결합되는 결합부(101)가 구비되는 하우징(140), 하우징(140)의 타측에 구비되는 피스톤(130), 하우징(140)에 구비되어 결합부(101)에 결합된 카트리지(110)의 펠릿(10)을 피스톤(130)으로 이송하는 이송부(120), 및 피스톤(130)에 구비되어 피스톤(130)으로 이송된 펠릿(10)을 가열하는 가열부(150)를 포함한다.
펠릿(10)은 상술한 것과 같이 금속 분말과 바인더를 포함한다. 금속 분말은 공지의 금속 재질로 실시될 수 있다. 바인더는 결합제, 가소제, 윤활제 및 계면활성제를 포함할 수 있다. 금속 분말은 금속 분말 함유 원료(40)의 80 ~ 99 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
바인더를 구성하는 결합제는 폴리스틸렌(PS; Polystyrene), 폴리에틸렌(PE; Polyethylene), 폴리프로필렌(PP; polypropylene), 에틸렌비닐아세테이트(EVA; Ethylene-vinylacetate), 에틸렌에틸아크릴레이트(EEA; Ethylene-ethylacrylate), 메틸메타아크릴레이트(MMA; Methal-methacrylate), 부틸메타아크릴레이트(BMA; Butyl-methacrylate) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
가소제는 프탈산디부틸(DBP; Dibutyl-phthalate), 프탈산디옥틸(DOP; Dioctyl-phthalate), 엘라이딘알콜(Elaidic alcohol), 브틸스테알레이트(3-Octadecyloxy-1-propanol), 스테아로아미드(Stearamide) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
윤활제는 스테아린산(Stearic acid), 오레인산(Oleic acid), 파라핀 왁스(Paraffin wax), 몬탄 왁스(Montan wax) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
펠릿(10)은 상술한 것과 같이 성형기에서 특정한 형상으로 성형될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 펠릿(10)은, 도 3에 도시된 것과 같이, 원주형으로 성형된다. 이 경우, 펠릿(10)의 저면(17)에 가이드 홈(19)이 형성되고, 외주면(11)에 이송홈(15)이 형성된 평면부(13)가 형성될 수 있다.
가이드 홈(19)은 후술하는 카트리지(110)에 펠릿(10)을 적층 시 펠릿(10)을 일방향으로 정렬시키기 위해 형성된다. 가이드 홈(19)은 카트리지(110)의 가이드 홈(19)에 결합되도록 함몰되게 형성될 수 있다. 가이드 홈(19)은 원주의 두 개의 저면(17) 중 적어도 어느 하나에 형성될 수 있으며, 바람직하게는 원주 양단의 저면(17)인 상면과 하면에 모두 형성될 수 있다.
펠릿(10)의 외주면(11)은 만곡되게 형성된다. 펠릿(10)의 외주면(11) 중 일측에는 평면부(13)가 형성될 수 있다. 평면부(13)는 원주의 단면을 기준으로 볼 때 지름 또는 지름이 아닌 현이 존재하는 위치에 형성된 면으로 실시될 수 있다. 평면부(13)는 현을 따라 절단한 형태의 절단면으로 실시될 수 있다.
평면부(13)에는 이송홈(15)이 형성된다. 이송홈(15)은 실시예에 따라 다양하게 실시될 수 있다. 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 이송홈(15)은 나사산으로 형성될 수 있다.
카트리지(110)에는 펠릿(10)이 저장된다. 펠릿(10)은 카트리지(110)에 하나 이상 적층될 수 있다. 카트리지(110)는 복수개가 준비될 수 있다. 사용자는 펠릿(10)이 저장된 카트리지(110)를 준비하여 하나의 카트리지(110)의 펠릿(10)이 소진 시 다른 카트리지(110)로 교환하여 원료 공급부(100)에 펠릿(10)을 재공급 할 수 있다. 카트리지(110)의 상세 구조에 대하여는 후술한다.
하우징(140)은 원료 공급부(100)의 외관을 형성한다. 하우징(140)의 일측에는 카트리지(110)가 결합되는 결합부(101)가 구비될 수 있다. 이 경우, 결합부(101)에는 카트리지(110)를 고정하기 위한 고정 돌기(103)가 형성될 수 있으며, 카트리지(110)에는 고정 돌기(103)가 결합되는 고정홈(112)이 형성될 수 있다.
결합부(101)의 일측에는 스토퍼(105)가 돌출되게 형성될 수 있다. 스토퍼(105)는 카트리지(110)가 결합부(101)에 결합 시 카트리지(110)의 일면을 지지하여 고정 돌기(103)와 함께 카트리지(110)의 결합위치를 결정하는 기능을 한다.
피스톤(130)은 하우징(140)의 타측에 구비된다. 피스톤(130)은 후술하는 것과 같이 이송부(120)에서 전달받은 펠릿(10)을 가열부(150)로 전달한다. 이때, 피스톤(130)에는 펠릿(10)이 통과되는 중공이 형성될 수 있다.
피스톤(130)에는 가압부(170)가 더 구비될 수 있다. 가압부(170)는 피스톤(130)부에 가압력을 전달하여, 피스톤(130)이 후술하는 가열부(150)에서 가열되어 용융된 펠릿(10)에 가압력을 제공할 수 있게 한다. 가압력은 용융된 펠릿(10)이 가열부(150)에서 압출헤드(210)까지 압출헤드(210)로 고압으로 유동되도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가압부(170)는 공기 압축기(Air compressor)로 실시될 수 있다. 가압부(170)는 외부의 제어에 의해 공기압을 피스톤(130)으로 전달하고, 피스톤(130)에 전달된 공기압에 의해 용융된 펠릿(10)이 연결튜브(270)로 유동하여, 최종적으로는 용융된 펠릿(10)이 압출헤드(210)에서 사출되도록 한다.
이송부(120)는 하우징(140)에 구비된다. 이송부(120)는 결합부(101)에 결합된 카트리지(110)의 펠릿(10)을 피스톤(130)으로 이송한다. 이송부(120)는 구동력을 전달받아 펠릿(10)을 피스톤(130)으로 이송되게 한다. 이송부(120)의 상세 구조에 대하여는 후술한다.
가열부(150)는 피스톤(130)의 일측에 구비된다. 가열부(150)는 피스톤(130)으로 이송된 펠릿(10)을 가열한다. 가열부(150)는 펠릿(10)을 가열하여 용융된 상태로 만든다. 펠릿(10)은 용융된 상태로 가열부(150)와 압출헤드(210) 사이에 연결된 연결튜브(270)를 따라 유동된다. 이 경우, 실시예에 따라 피스톤(130)에 구비된 가압부(170)가 용융된 펠릿(10)에 가압력을 제공할 수 있다. 압출헤드(210)로 공급된 용융된 펠릿(10)은 압출헤드(210)에서 토출되어 상술한 것과 같이 3차원의 반제품(50)으로 성형된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원료 공급부(100)는 3차원 완제품의 금속 분말 함유 원료를 펠릿(10) 형태로 성형한 후 카트리지(110)에 적층되게 저장하여 저장성을 높이고, 펠릿(10)의 소진 시 카트리지(110)를 교환하여 사용 가능하게 구성하여 사용 편의성을 향상시키고, 이송부(120)에서 카트리지(110)에 저장된 펠릿(10)을 피스톤(130)으로 이송하여 사용함으로써 펠릿(10)의 연속적인 공급 및 토출이 가능하게 된다.
이하에서는 카트리지(110)의 상세 구성에 대하여 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지(110)는, 도 4에 도시된 것과 같이, 펠릿(10)이 인입되는 개구부(113)가 형성되고 내부에 펠릿(10)이 적층되는 카트리지 바디(111), 카트리지 바디(111)의 내면에 돌출되게 형성되어, 펠릿(10)이 일방향으로 정렬되도록 가이드 홈(19)에 결합되는 가이드 돌기(115), 카트리지 바디(111)의 내측에 구비되어 펠릿(10)을 개구부(113)로 밀어내는 푸쉬부(114), 개구부(113)의 일측에 돌출되게 형성되어 펠릿(10)이 개구부(113)로 이탈되는 것을 방지하는 지지부(119), 및 개구부(113)의 저면(17)에 개구되게 형성되어 펠렛이 이송부(120)에 의해 피스톤(130)으로 이송되도록 하는 통과부(117)를 포함한다.
카트리지 바디(111)에는 펠릿(10)이 하나 이상 저장되어 적층된다. 이때, 카트리지 바디(111)의 내부에는 다수의 펠릿(10)이 저장되는 공동(cavity)의 수용공간이 형성된다.
카트리지 바디(111)의 일측에는 펠릿(10)이 인입되는 개구부(113)가 형성된다. 사용자는 카트리지 바디(111)의 개구부(113)로 펠릿(10)을 하나씩 인입시켜 카트리지 바디(111)의 수용공간에 다수개의 펠릿(10)을 적층시킬 수 있다.
펠릿(10)은 금속 분말과 바인더로 형성되어 탄성변형이 가능하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 사용자는 펠릿(10)을 가압하여 후술하는 지지부(119)를 통과시켜 개부부를 통해 카트리지 바디(111)에 펠릿(10)을 적층시킬 수 있게 된다.
카트리지 바디(111)에는 가이드 돌기(115)가 형성된다. 가이드 돌기(115)는 카트리지 바디(111)의 내면에 돌출되게 형성될 수 있다. 가이드 돌기(115)는 펠릿(10)의 저면(17)에 형성된 가이드 홈(19)에 결합될 수 있도록 대응되게 형성된다. 실시예에 따라, 펠릿(10)의 상면 및 하면 모두에 가이드 홈(19)이 형성될 경우, 가이드 홈(19)은 카트리지 바디(111)의 상측 및 하측 내면 모두에 돌출되어 형성될 수 있다.
가이드 돌기(115)는 펠릿(10)을 일방향으로 정렬시킨다. 즉, 가이드 돌기(115)는 가이드 홈(19)에 결합된 펠릿(10)이 개구부(113) "?향?? 이송홈(15)이 위치되게 배치되도록, 펠릿(10)을 일방향으로 정렬시킨다. 이 경우, 가이드 홈(19) 및 가이드 돌기(115)의 방향은 펠릿(10)의 이송홈(15)이 형성된 평면부(13)에 수직한 법선 방향으로 배치될 수 있다.
카트리지 바디(111)의 내측에는 푸쉬부(114)가 구비된다. 푸쉬부(114)는 카트리지 바디(111)에 적층된 펠릿(10)을 개구부(113)로 밀어낸다. 푸쉬부(114)는 도 5에 도시된 것과 같이 펠릿(10)을 가압하는 푸쉬 플레이트(114-1), 푸쉬 플레이트(114-1)에 탄성력을 제공하는 탄성부재(114-2)로 구성될 수 있으나, 이에 실시예가 한정되는 것은 아니다.
지지부(119)는 개구부(113)의 일측에 돌출되게 형성된다. 지지부(119)는, 카트리지 바디(111)에 적층된 펠릿(10) 중, 푸쉬부(114)에 의해 개구부(113)로 밀려나는 펠릿(10)이 개구부(113)에서 이탈되는 것을 방지한다.
지지부(119)는 개구부(113)의 양측에서 펠릿(10)의 외주면(11)을 지지하도록 개구부(113) "?항으?? 만곡되게 형성될 수 있다. 이 경우, 상술한 것과 같이 펠릿(10)은 금속 분말과 바인더로 형성되어 탄성변형이 가능하게 형성되므로, 사용자가 펠릿(10)을 가압하여 지지부(119)를 통과시켜 카트리지 바디(111)에 펠릿(10)을 적층시킬 수 있다.
통과부(117)는 개구부(113)의 저면(17)에 형성된다. 통과부(117)는 펠릿(10)이 통과되도록 개구되게 형성될 수 있다. 통과부(117)는 카트리지 바디(111)의 상면보다 내측으로 더 함몰되게 형성된다. 통과부(117)는 카트리지(110)가 결합부(101)에 결합된 후, 이송부(120)에 의해 펠릿(10)이 피스톤(130)으로 이송될 수 있도록, 펠릿(10)이 통과할 수 있는 크기로 개구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지(110)에 의하면 다수의 펠릿(10)을 하나의 카트리지(110)에 저장하므로, 펠릿(10)의 소진 시 카트리지(110)를 간단히 교체하여 펠릿(10)을 재공급할 수 있는 이점이 있다.
또한, 펠릿(10)에 형성된 가이드 홈(19)에 결합되는 가이드 돌기(115)가 카트리지(110) 내면에 형성되어 펠릿(10)의 이송홈(15)이 개구부(113) "?향?? 위치되게 배치되므로, 이송부(120)에 의해 펠릿(10)이 피스톤(130)으로 연속적으로 공급될 수 있게 된다.
이하에서는 이송부(120)의 상세 구성에 대하여 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따라 평면부(13)의 이송홈(15)에 나사산이 형성될 경우, 이송부(120)의 구조도 이에 대응되게 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이송부(120)는, 도 5 내지 도 6에 도시된 것과 같이, 이송홈(15)에 대응되는 이송 나사산(121a)이 외주면(11)에 형성되어, 카트리지(110)가 결합부(101)에 결합 시 이송홈(15)에 이송 나사산(121a)이 접촉되는 스크류(121), 스크류(121)를 회전시키는 구동력을 제공하는 구동부(125), 및 구동부(125)와 스크류(121) 사이에 구비되어 구동력을 스크류(121)로 전달하는 전달부(123)를 포함한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따라 펠릿(10)에 이송홈(15)이 나사산으로 형성되는 경우, 이송홈(15)은 너트의 내측면에 형성된 나사산과 같은 형태로 형성될 수 있다.
이때, 스크류(121)에는 이송홈(15)에 대응되는 이송 나사산(121a)이 외주면(11)에 형성된다. 카트리지(110)가 결합부(101)에 결합 시 이송 나사산(121a)은 이송홈(15)에 접촉된다. 펠릿(10)은 상술한 것과 같이 이송홈(15)이 개구부(113)에 위치되도록 가이드 홈(19) 및 가이드 돌기(115)에 의해 정렬되어 배치되므로, 카트리지(110)가 결합부(101)에 결합 시 이송 나사산(121a)이 이송홈(15)에 접촉된다.
구동부(125)는 스크류(121)를 회전시키는 구동력을 제공한다. 구동부(125)는 외부로부터 전원을 받는 모터 등으로 실시될 수 있으나 이에 실시예가 한정되는 것은 아니다.
전달부(123)는 구동부(125)와 스크류(121) 사이에 구비된다. 전달부(123)는 구동부(125)의 구동력을 스크류(121)로 전달한다. 전달부(123)는 풀리, 기어, 벨트 등의 공지된 다양한 실시예로 실시될 수 있다.
구동부(125)가 구동력을 발생하여 전달부(123)를 통해 스크류(121)로 구동력을 전달하면, 스크류(121)가 회전된다. 스크류(121)가 회전되면 이송 나사산(121a)이 회전하고, 회전하는 이송 나사산(121a)은 이송홈(15)에 상대운동을 하여, 펠릿(10)이 일방향으로 이송된다.
이에 따라, 스크류(121)의 회전 시 펠릿(10)은 통과부(117)를 통과하여 피스톤(130)으로 이송된다. 상술한 것과 같이 개구부(113)의 일측에는 통과부(117)가 개구되어 형성되므로 펠릿(10)은 스크류(121)와의 상대운동을 통해 통과부(117)를 통과하여 피스톤(130) 방향으로 이송되고, 스크류(121)의 종단지점까지 이송되어 최종적으로 피스톤(130)에 이송된다.
이 경우, 하나의 펠릿(10)이 이송된 후, 푸쉬부(114)에 의해 카트리지(110)에 저장된 또 다른 펠릿(10)이 개구부(113)로 위치된다. 푸쉬부(114)에 의해 개구부(113)로 밀려난 펠릿(10)은 이송홈(15)이 스크류(121)의 이송 나사산(121a)에 접촉되고, 스크류(121)의 회전에 의해 통과부(117)를 통과하여 피스톤(130) 방향으로 이송된다.
따라서, 카트리지(110)에 적층된 다수의 펠릿(10)은 스크류(121)의 회전 시 연속적으로 피스톤(130)으로 공급되게 된다. 이후, 상술한 것과 같이 펠릿(10)이 가열부(150)에 의해 용융되며, 가압부(170)에 의해 가압되어 연결튜브(270)를 통해 최종적으로 압출헤드(210)로 공급된다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 펠릿(10)의 사시도이고, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이송부(120)를 나타내는 도면이다.
이하에서는 펠릿(10) 및 이송부(120)의 또 다른 실시예에 대하여 설명한다. 이하에서는 차이점이 있는 구성요소 위주로 설명하고, 설명 또는 도시되지 않은 구성요소는 상술한 구성요소에 대한 설명 및 도시된 내용으로 대체한다.
도 7에 도시된 것과 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이송홈(25)은 펠릿(10)의 저면(17)을 기준으로 수평하게 형성된다. 즉, 도 3에 도시된 펠릿(10)의 나사산 형태와 상이하게, 이송홈(25)은 펠릿(10)의 저면(17)을 기준으로 수평방향으로 이송홈(25)이 형성된다. 이송홈(25)은 하나 이상이 서로 평행하게 형성될 수 있다.
이송부(320)의 구조는 이송홈(25)의 형상에 대응되게 실시될 수 있다. 이송홈(25)이 도 7과 같이 형성된 경우, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이송부(320)는, 이송홈(25)에 대응되는 이송돌기(321a)가 외면에 형성되어, 카트리지(110)가 결합부(101)에 결합 시 이송홈(25)에 이송돌기(321a)가 접촉되는 타이밍 벨트(321) 및 타이밍 벨트(321)에 구동력을 전달하는 기어부(323)를 포함한다.
타이밍 벨트(321)는 벨트 또는 캐터필러(caterpillar)로 실시될 수 있으나 이에 실시예가 한정되는 것은 아니다.
타이밍 벨트(321)의 외면에는 이송돌기(321a)가 형성된다. 이송돌기(321a)는 돌출되게 형성된다. 이송돌기(321a)는 이송홈(25)에 결합되도록 대응되게 형성될 수 있다.
이송돌기(321a)는, 본 발명의 일 실시예와 같이, 카트리지(110)가 결합부(101)에 결합 시 이송홈(25)에 접촉된다. 이때, 펠릿(10)은 상술한 것과 같이 이송홈(25)이 개구부(113)에 위치되도록 가이드 홈(19) 및 가이드 돌기(115)에 의해 정렬되어 배치되므로, 카트리지(110)를 결합부(101)에 결합 시 이송돌기(321a)가 이송홈(25)에 접촉되게 된다.
기어부(323)는 타이밍 벨트(321)에 구동력을 전달한다. 구동력은 본 발명의 일 실시예와 같이 다양한 구동부(125)에 의해 제공될 수 있다. 기어부(323)에 구동력이 전달되면 타이밍 벨트(321)가 회전된다.
구동력이 기어부(323)에 인가되어 기어부(323)가 회전하면 타이밍 벨트(321)가 회전된다. 타이밍 벨트(321)가 회전하면 타이밍 벨트(321)의 이송돌기(321a)는 이송홈(25)에 결합된 펠릿(10)을 일방향으로 이송시킨다.
이에 따라, 타이밍 벨트(321)의 회전 시 펠릿(10)은 통과부(117)를 통과하여 피스톤(130)으로 이송된다. 상술한 것과 같이 개구부(113)의 일측에는 통과부(117)가 개구되어 형성되므로 펠릿(10)은 타이밍 벨트(321)의 회전에 의해 통과부(117)를 통과하여 피스톤(130) 방향으로 이송되고, 타이밍 벨트(321)의 종단지점까지 이송되어 최종적으로 피스톤(130)에 이송된다.
이 경우, 하나의 펠릿(10)이 이송된 후, 푸쉬부(114)에 의해 카트리지(110)에 저장된 또 다른 펠릿(10)이 개구부(113)로 위치된다. 개구부(113)에 위치된 펠릿(10)은 타이밍 벨트(321)의 이송돌기(321a)에 이송홈(25)이 접촉되므로, 타이밍 벨트(321)의 회전에 의해 통과부(117)를 통과하여 피스톤(130) 방향으로 이송된다.
따라서, 카트리지(110)에 적층된 다수의 펠릿(10)은 타이밍 벨트(321)의 회전 시 연속적으로 피스톤(130)으로 공급되게 된다. 이후, 상술한 것과 같이 펠릿(10)이 가열부(150)에 의해 용융되며, 가압부(170)에 의해 가압되어 최종적으로 압출헤드(210)로 공급된다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치(2)이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 프린팅 장치(2)는 원료 공급부(100)와 노즐(410)이 직결되게 배치된다. 이 경우, 압출헤드(210) 및 연결튜브(270)가 생략된다. 즉, 압출헤드(210) 대신 본 발명의 일 실시예에 따른 원료 공급부(100)가 압출헤드(210)에 위치하고, 가열부(150)의 일단에 노즐(410)을 직결시켜 별도의 압출헤드(210)를 구비할 필요가 없는 노즐 일체형 원료 공급부(400)로 실시된다. 이에 따라, 사용자는 펠릿(10)의 소진 시 노즐 일체형 원료 공급부(400)의 카트리지(110)를 교환하여, 3차원의 반제품(50)이 성형되도록 할 수 있다.
기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 원료 공급부 120 : 이송부
110 : 카트리지 130 : 피스톤
150 : 가열부

Claims (9)

  1. 금속 분말과 바인더를 포함하는 펠릿이 하나 이상 적층되는 카트리지;
    일측에 상기 카트리지가 결합되는 결합부가 구비되는 하우징;
    상기 하우징의 타측에 구비되는 피스톤;
    상기 하우징에 구비되어, 상기 결합부에 결합된 카트리지의 상기 펠릿을 상기 피스톤으로 이송하는 이송부; 및
    상기 피스톤의 일측에 구비되어 상기 피스톤으로 이송된 상기 펠릿을 가열하는 가열부; 를 포함하며
    상기 펠릿은 저면에 가이드 홈이 형성되고, 외주면에 이송홈이 형성된 평면부가 형성되고,
    상기 카트리지는, 상기 펠릿이 인입되는 개구부가 형성되고 내부에 상기 펠릿이 적층되는 카트리지 바디; 상기 카트리지 바디의 내면에 돌출되게 형성되어, 상기 펠릿이 일방향으로 정렬되도록 상기 가이드 홈에 결합되는 가이드 돌기; 상기 카트리지 바디의 내측에 구비되어 상기 펠릿을 상기 개구부로 밀어내는 푸쉬부; 상기 개구부의 일측에 돌출되게 형성되어 상기 펠릿이 상기 개구부에서 이탈되는 것을 방지하는 지지부; 및 상기 개구부의 저면에 개구되게 형성되어, 상기 펠릿이 상기 이송부에 의해 상기 피스톤으로 이송되도록 하는 통과부;를 포함하는,
    3차원 프린팅 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이송홈은 나사산으로 형성되는 3차원 프린팅 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이송부는,
    상기 이송홈에 대응되는 이송 나사산이 외주면에 형성되어, 상기 카트리지가 상기 결합부에 결합 시 상기 이송홈에 상기 이송 나사산이 접촉되는 스크류;
    상기 스크류를 회전시키는 구동력을 제공하는 구동부; 및
    상기 구동부와 상기 스크류 사이에 구비되어 상기 구동력을 상기 스크류로 전달하는 전달부;
    를 포함하는 3차원 프린팅 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스크류의 회전 시 상기 펠릿은 상기 통과부를 통과하여 상기 피스톤으로 이송되는 3차원 프린팅 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이송홈은 상기 펠릿의 저면을 기준으로 수평하게 하나 이상 형성되는 3차원 프린팅 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이송부는,
    상기 이송홈에 대응되는 이송돌기가 외면에 형성되어, 상기 카트리지가 상기 결합부에 결합 시 상기 이송홈에 상기 이송돌기가 접촉되는 타이밍 벨트; 및
    상기 타이밍 벨트에 구동력을 전달하는 기어부;
    를 포함하는 3차원 프린팅 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 타이밍 벨트의 회전 시 상기 펠릿은 상기 통과부를 통과하여 상기 피스톤으로 이송되는 3차원 프린팅 장치.
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