KR102139726B1

KR102139726B1 - 접착제 도포 기능을 갖는 3d 프린터 및 그 구동 방법

Info

Publication number: KR102139726B1
Application number: KR1020180090505A
Authority: KR
Inventors: 홍정욱; 고권환; 이상언
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2020-07-31
Also published as: KR20200019273A

Abstract

본 발명에 의한 접착제 도포 기능을 갖는 3D 프린터 및 그 구동 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터는 프린팅 베드; 상기 프린팅 베드 상에 제1 재료를 토출하는 제1 프린팅 노즐부; 상기 프린팅 베드 상에 제2 재료를 토출하는 제2 프린팅 노즐부; 토출된 상기 제1 재료 또는 상기 제2 재료의 상부 또는 측면에 소정의 접착력을 갖는 접착제를 출력하여 도포하는 접착제 출력부; 및 상기 제1 프린팅 노즐부 와 상기 제2 프린팅 노즐부를 교대로 구동시키고, 상기 제1 프린팅 노즐부 또는 상기 제2 프린팅 노즐부를 구동시킬 때마다 상기 접착제 출력부를 순차 구동시켜, 상기 제1 재료과 상기 제2 재료 중 적어도 하나의 재료로 이루어진 층을 접착 결합하는 방식으로 복수개 적층하여 상기 프린팅 베드 상에 3D 모델의 조형물이 형성되도록 제어하는 제어부; 및 상기 제1 프린팅 노즐부, 상기 접착제 출력부, 상기 제2 프린팅 노즐부를 동일 수평면 상에서 서로 수직인 제1축 방향과 제2축 방향으로 이동시키는 이송부;를 포함할 수 있다. 상기 이송부는 제1 이송부와 2개의 제2 이송부를 포함할 수 있다. 상기 제1 이송부는 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부의 일측에 결합되어, 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 상기 제1축 방향으로 직선 이동시키고, 2개의 상기 제2 이송부는 상기 제1 이송부의 양단에 결합되어, 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 상기 제2축 방향으로 직선 이동시킬 수 있다.

Description

접착제 도포 기능을 갖는 3D 프린터 및 그 구동 방법{3D PRINTER HAVING ADHESIVE COATING FUNCTION AND OPERATING METHOD THEREOF}

본 발명은 3D(3Dimension) 프린터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복합재 출력을 위한 접착제 도포 기능을 갖는 3D 프린터 및 그 구동 방법에 관한 것이다.

일반적으로 건설 및 기계 분야에서는 단일 재료의 강도 및 연성, 취성 등의 한계를 개선하기 위해 여러 재료를 섞은 복합재를 활용한다. 예를 들어 파괴강도는 높지만 연성이 낮은 재료의 경우에는 충격이나 굽힘 하중에 취약할 수 있다. 이를 개선하기 위해 강한 재료 사이에 연성이 높은 재료를 섞어 줌으로써 복합재의 연성을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 강한 단일 재료에 비해 파괴 강도는 감소하지만 연성이 증가하며, 재료가 흡수하는 총 에너지는 증가하는 효과를 기대할 수 있다.

최근 3D 프린터 시장의 성장과 기술의 발달로 두 개 이상의 재료가 복잡한 형태로 섞인 복합재를 3D 프린터를 이용하여 비교적 쉽게 제작 가능하다.

특히, 이중 사출 3D 프린터(dual extruder 3D printer)을 이용하면 2가지 재료를 이용하여 복합재를 출력할 수 있다. 3D 모델링 파일에 재료를 설정한 뒤 3D 프린터에 입력하면, 두 개의 노즐이 번갈아 가며 각각의 재료를 출력하는 작업을 반복하며 복합재를 제작하게 된다.

이중 사출 3D 프린터는 한 개의 구조 재료와 한 개의 서포터 재료를 사용하거나 두 개의 구조 재료를 사용하여 복합재를 출력한다. 한 노즐에서 서포터 재료를 출력하는 경우, 구조 재료와 서포터 재료가 섞인 형태로 출력되지만, 서포터 재료는 출력이 완료된 후에 물에 녹이거나 기타 가공을 통해 쉽게 제거될 수 있어, 단일 사출 3D 프린터로 제작하기 힘든 구조를 만들 수 있다. 두 개의 구조 재료를 사용할 경우 두 재료의 복합 작용으로 단일 재료와 다른 물리적 성질을 나타낸다.

하지만 3D 모델의 출력과정에서 두 재료의 조합에 따라 재료 간 접착이 잘 이루어지지 않는 경우가 있다. 두 재료의 분리가 쉽게 발생할 경우, 약간의 하중만 가해져도 재료 간의 박리가 발생하여 본래의 기능을 상실하는 문제가 발생한다.

3D 프린터가 일반적으로 제공하는 기능 예컨대, 온도조절, 쿨링(cooling), 아이어닝(ironing)을 활용하여 재료간 분리 문제를 일부 개선 가능하다. 온도조절 기능은 노즐의 온도를 높여 두 재료가 액체 상태로 접착되도록 하여 재료 간의 접착이 약간 개선되도록 한다. 쿨링 기능은 노즐에서 재료가 출력되는 즉시 팬(fan)을 가동하여 열을 식혀주는 기능이다. 아이어닝 기능은 이미 출력된 파트의 윗면을 고온의 노즐이 이동을 반복하며 매끄럽게 펴는 작업을 말한다. 하지만 이러한 기능들로 재료 간 분리를 충분히 방지할 수 없었으며, 재료간 접착이 개선되는 대신, 결과물의 퀄리티(quality) 하락이 발생하였다.

현존하는 이중 사출 3D 프린터로 2가지 재료의 특정 구조를 제작할 경우, 위에서 예로 들었던 기능적 모델이 제 기능을 하기 위해 요구되는 재료 간의 접착은 실현되기 어려울 것으로 판단된다. 따라서, 2가지 재료로 이루어진 특정 기능적 모델을 제작할 경우 두 재료 간 접착의 세기가 요구되는 만큼, 이를 실현시킬 수 있는 성능이 탑재된 3D 프린터의 개발이 필요하다.

등록특허공보 제10-1641709호, 공고일자 2016년07월29일 등록특허공보 제10-1648767호, 공고일자 2016년08월17일

이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 재료를 출력하는 2개의 노즐부와 접착제를 출력하는 1개의 출력부를 구비하고, 2개의 노즐부를 교대로 구동시키되 하나의 노즐부가 제1 재료를 출력하면 그 제1 재료의 상부나 측면에 출력부가 접착제를 분사한 후 다른 노즐부가 제2 재료를 출력하도록 한, 접착제 도포 기능을 갖는 3D 프린터 및 그 구동 방법을 제공하는데 있다.

다만, 본 발명의 목적은 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 관점에 따른 3D 프린터는 프린팅 베드; 상기 프린팅 베드 상에 제1 재료를 토출하는 제1 프린팅 노즐부; 상기 프린팅 베드 상에 제2 재료를 토출하는 제2 프린팅 노즐부; 토출된 상기 제1 재료 또는 상기 제2 재료의 상부 또는 측면에 소정의 접착력을 갖는 접착제를 출력하여 도포하는 접착제 출력부; 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 교대로 구동시키고, 상기 제1 프린팅 노즐부 또는 상기 제2 프린팅 노즐부가 구동될 때마다 상기 접착제 출력부를 순차 구동시켜, 상기 제1 재료과 상기 제2 재료 중 적어도 하나의 재료로 이루어진 층을 접착 결합하는 방식으로 복수개 적층하여 상기 프린팅 베드 상에 3D 모델의 조형물이 형성되도록 제어하는 제어부; 및 상기 제1 프린팅 노즐부, 상기 접착제 출력부, 상기 제2 프린팅 노즐부를 동일 수평면 상에서 서로 수직인 제1축 방향과 제2축 방향으로 이동시키는 이송부;를 포함할 수 있다. 상기 이송부는 제1 이송부와 2개의 제2 이송부를 포함할 수 있다. 상기 제1 이송부는 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부의 일측에 결합되어, 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 상기 제1축 방향으로 직선 이동시키고, 2개의 상기 제2 이송부는 상기 제1 이송부의 양단에 결합되어, 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 상기 제2축 방향으로 직선 이동시킬 수 있다.

또한, 상기 접착제 출력부는 상기 제1 재료 또는 상기 제2 재료의 상부 또는 측면에 접착제를 분사하는 분사기일 수 있다.

또한, 상기 접착제 출력부는 상기 제1 재료 또는 상기 제2 재료의 상부 또는 측면에 접착제를 토출하는 노즐일 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 접착제 출력부를 통해 형성될 접착제의 두께가 a로 설정된 경우, 상기 제1 재료의 두께와 상기 제2 재료의 두께 각각을 a/2만큼 축소시켜 출력하도록 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부의 구동을 제어할 수 있다.

또한, 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부는, 나란히 배치되어, 함께 이동하고, 상기 제1 재료와 상기 제2 재료 중 어느 하나를 토출하도록 구동될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터는 상기 제1 프린팅 노즐부, 상기 접착제 출력부, 상기 제2 프린팅 노즐부를 동일 수평면 상에서 서로 수직인 제1축 방향과 제2축 방향으로 이동시키는 이송부를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터는 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부에 연결되고, 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부 중 재료를 출력할 어느 하나를 상기 프린팅 베드에 대해 수직 방향으로 이동시키는 노즐 구동부를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터는 상기 프린팅 베드를 수직 방향으로 이동시키는 베드 이송부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 층이 상기 제1 재료와 상기 제2 재료의 두 개의 재료로 형성되는 경우, 상기 제1 재료와 상기 제2 재료가 수직 방향 또는 수평 방향으로 적어도 1회 이상 교대로 적층되어 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 한 관점에 따른 3D 프린터의 구동 방법은 3D 모델을 입력 받으면, 상기 3D 모델을 복수의 층으로 분할하여 각 층에 대한 정보를 획득하는 3D 모델 입력 단계; 상기 획득된 각 층에 대한 정보를 기초로 제1 재료 또는 제2 재료를 토출하는 재료 토출 단계; 토출된 상기 제1 재료 또는 상기 제2 재료의 상부 또는 측면에 소정의 접착력을 갖는 접착제를 출력하여 도포하는 접착제 출력 단계; 및 상기 재료 토출 단계, 상기 접착제 출력 단계를 반복 수행하여, 상기 제1 재료과 상기 제2 재료 중 적어도 하나의 재료로 이루어진 층을 접착 결합하는 방식으로 복수개 적층하여 상기 3D 모델의 조형물을 완성하는 조형물 완성 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 재료는 제1 프린팅 노즐부에서 토출되고, 상기 제2 재료는 제2 프린팅 노즐부에서 토출된다. 이송부는 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 동일 수평면 상에서 서로 수직인 제1축 방향과 제2축 방향으로 이동시킨다. 상기 이송부는 제1 이송부와 2개의 제2 이송부를 포함한다. 상기 제1 이송부는 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부의 일측에 결합되어, 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 상기 제1축 방향으로 직선 이동시킨다. 2개의 상기 제2 이송부는 상기 제1 이송부의 양단에 결합되어, 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 상기 제2축 방향으로 직선 이동시킨다.

또한, 상기 접착제 출력 단계에서는 분사기를 이용하여 상기 제1 재료 또는 상기 제2 재료의 상부 또는 측면에 상기 접착제를 분사하여 도포할 수 있다.

또한, 상기 접착제 출력 단계에서는, 노즐을 이용하여 상기 제1 재료 또는 상기 제2 재료의 상부 또는 측면에 상기 접착제를 토출하여 도포할 수 있다.

이처럼 본 발명은 재료를 출력하는 2개의 노즐부와 접착제를 출력하는 1개의 출력부를 구비하고, 2개의 노즐부를 교대로 구동시키되 하나의 노즐부가 제1 재료를 출력하면 그 제1 재료의 상부나 측면에 출력부가 접착제를 분사한 후 다른 노즐부가 제2 재료를 출력하도록 함으로써, 2가지 이상의 재료가 겹겹이 쌓인 적층형 복합재 또는 뼈와 인대로 이루어진 관절과 같이 2가지 재료를 사용해서 제작해야 되는 복합구조 등을 제작할 때 재료 간의 접착을 개선하고 더 나아가 접착력을 제작자가 원하는 만큼 발현이 가능할 수 있다.

또한, 본 발명은 균열 발생을 감소시키거나 균열 형상을 유도하여 복합재가 파괴되기 전까지 흡수하는 에너지의 총량을 증가시킬 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 프린팅 베드의 이동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은는 도 1에 도시된 이송부의 이동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 듀얼 프린팅 노즐부의 상세 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 노즐 구동부의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 재료 공급부의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 구동 방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 재료 적층 원리를 설명하기 위한 도면이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 접착제 도포 기능을 갖는 3D 프린터 및 그 구동 방법을 설명한다. 특히, 본 발명에서는 재료를 출력하는 2개의 노즐부와 접착제를 출력하는 1개의 출력부를 구비하고, 2개의 노즐부를 교대로 구동시키되 하나의 노즐부가 제1 재료를 출력하면 그 제1 재료의 상부나 측면에 출력부가 접착제를 분사한 후 다른 노즐부가 제2 재료를 출력하도록 한, 새로운 방안을 제안한다.

부연 설명하면, 이중 사출 3D 프린터(dual extruder 3D printer)을 이용하여 별도의 접착 작업 없이 2가지 재료로 이루어진 모델을 제작할 수 있다. 제작하고자 하는 3D 모델링 파일을 3D 프린터에 입력하면 두 개의 노즐이 번갈아 가며 입력된 3D 모델에 맞게 각각의 재료를 출력하는 작업을 반복하여 제작을 완성하게 된다. 하지만 모델의 출력과정에서 별도의 각각의 재료로 제작된 파트 사이의 접착 작업이 없고 이미 출력된 재료 위에 곧바로 다른 재료가 출력되기 때문에 재료 간의 접착이 잘 이루어지지 않는다.

따라서 본 발명은 이러한 기존 이중 사출 3D 프린터의 재료를 출력하는 2개의 노즐에 추가적으로 하나의 접착용 분사기를 장착하여, 그 접착용 분사기에 특정 접착제를 채워 넣어 모델이 제작될 때 해당 접착제가 분사되도록 한다.

도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 나타내는 도면이다.

도 1a 내지 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식으로 노즐에서 재료가 출력되어 한층씩 겹겹이 쌓이면서 입력된 모델을 제작할 수 있다. 이러한 이중 사출 3D 프린터는 프레임(frame)(110), 프린팅 베드(printing bed)(120), 베드 이송부(122), 이송부(130), 듀얼 프린팅 노즐부(140), 재료 공급부(150), 접착제 출력부(160), 접착제 공급부(170), 제어부(180)를 포함할 수 있다.

프레임(110)은 3D 프린터의 전체적인 틀을 형성할 수 있다. 프레임(110)은 전체적인 외곽의 형상이 육면체로 형성될 수 있는데, 이에 한정되지 않는다.

프린팅 베드(120)는 미리 정해진 3차원 모델이 형성되는 평면을 제공 수 있다. 베드 이송부(121)는 프린팅 베드(120)를 제1축 방향과 제2축 방향으로 직선 이동하는 듀얼 프린팅 노즐부(140)에 대하여 상대적으로 제3축 방향으로 이동시킬 수 있다. 여기서, 제1축 방향은 X축 방향을 나타내고, 제2축 방향은 Y축 방향을 나타내며, 제3축 방향은 Z축 방향을 나타낸다.

도 2는 도 1에 도시된 프린팅 베드의 이동 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 이송부(122)는 프린팅 베드(120)의 하부에 배치되어, 제3 축 방향으로 상승하거나 하강함으로써, 그 상부에 배치된 프린팅 베드(120)를 제3축 방향으로 이동 즉, 상승 또는 하강시킬 수 있다. 예컨대, 베드 이송부(122)는 프린팅 베드(120)에 3차원 모델의 각 층이 적층될 때마다 프린팅 베드(120)를 일정 거리만큼 제3축 방향으로 하강시킬 수 있다. 이때, 베드 이송부(122)는 프린팅 베드(120)에 적층된 높이만큼 프린팅 베드(120)를 하강시킬 수 있다.

이송부(130)는 듀얼 프린팅 노즐부(140)와 접착제 출력부(160)가 결합되어 듀얼 프린팅 노즐부(140)와 접착제 출력부(160)를 제1축 방향과 제2축 방향으로 직선 이동시킬 수 있다. 이러한 이송부(130)는 수평면 상에서 서로 수직으로 배치된 제1 이송부(131)와 2개의 제2 이송부(132)를 포함할 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 이송부의 이동 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 3의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이송부(130)는 제1 이송부(131)와 2개의 제2 이송부(132)를 포함하고, 제1 이송부(131)는 듀얼 프린팅 노즐부(140)의 일측에 결합되어, 듀얼 프린팅 노즐부(140)를 제1축 방향으로 직선 이동시킬 수 있다.

도 3의 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이송부(130)는 제1 이송부(131)와 2개의 제2 이송부(132)를 포함하고, 2개의 제2 이송부(132)는 제1 이송부(131)의 양단이 결합되어, 듀얼 프린팅 노즐부(140)를 제2축 방향으로 직선 이동시킬 수 있다.

듀얼 프린팅 노즐부(140)는 2개의 노즐로 구현되어, 2개의 노즐 각각을 통해 서로 다른 재료를 프린팅 베드(120) 상에 출력하여 복합재를 형성할 수 있다. 예컨대, 듀얼 프린팅 노즐부(140)를 통해 강도가 높은 재료와 연성이 높은 재료를 섞어 복합재를 형성함으로써, 파괴 강도는 감소하지만 연성이 증가하고 재료가 흡수하는 총 에너지를 증가하는 복합재를 얻을 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 듀얼 프린팅 노즐부의 상세 구성을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 듀얼 프린팅 노즐부(140)는 제1 프린팅 노즐부(141), 제2 프린팅 노즐부(142), 노즐 구동부(143), 연결부(144)를 포함할 수 있다.

제1 프린팅 노즐부(141)는 제1 재료를 출력하고, 제2 프린팅 노즐부(142)는 제2 재료를 출력할 수 있다. 제1 프린팅 노즐부(141)와 제2 프린팅 노즐부(142)는 소정 거리 이격되어 나란히 배치되고, 함께 이동하고, 제1 재료와 제2 재료 중 어느 하나를 토출하도록 구동될 수 있다.

노즐 구동부(143)는 복수의 모터를 구비하고, 모터를 이용하여 제1 이송부(131)를 따라 X축 방향으로 직선 이동시키거나, 제1 프린팅 노즐부(141)와 제2 프린팅 노즐부(142)을 Z축 방향으로 직선 이동시킬 수 있다.

연결부(144)는 듀얼 프린팅 노즐부(140)를 제1 이송부(131)에 연결할 수 있다.

도 5는 노즐 구동부의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 5의 (a)를 참조하면, 노즐 구동부(143)는 제1 재료를 출력하고자 할 경우 모터를 이용하여 제1 프린팅 노즐부(141)를 Z축 방향으로 일정 거리 하강시킬 수 있다. 노즐 구동부(143)는 제1 프린팅 노즐부(141)의 출력이 끝나면, 제1 프린팅 노즐부(141)를 하강시킨 거리만큼 다시 상승시킬 수 있다.

도 5의 (b)를 참조하면, 노즐 구동부(143)는 제2 재료를 출력하고자 할 경우 모터를 이용하여 제2 프린팅 노즐부(142)를 Z축 방향으로 일정 거리 하강시킬 수 있다. 노즐 구동부(143)는 제2 프린팅 노즐부(142)의 출력이 끝나면, 제1 프린팅 노즐부(142)를 하강시킨 거리만큼 다시 상승시킬 수 있다.

노즐 구동부(143)는 제1 프린팅 노즐부(141)와 제2 프린팅 노즐부(142)를 구동시키기 위한 모터 이외에, 제1 프린팅 노즐부(141)와 제2 프린팅 노즐부(142)에 공급된 고체 상태 재료를 액체 상태의 재료로 만들기 위한 히터(heater)를 더 포함할 수 있다. 또한, 노즐 구동부(143)는 제1 프린팅 노즐부(141)와 제2 프린팅 노즐부(142)를 통해 출력된 액체 상태인 재료의 열을 식히기 위한 팬(fan)을 더 포함할 수 있다.

재료 공급부(150)는 열가소성 소재를 실처럼 만든 고체 상태인 필라멘트 형태의 재료를 소정의 경로를 통하여 듀얼 프린팅 노즐부(140)로 공급할 수 있다. 재료 공급부(150)는 제1 프린팅 노즐부(141)에 제1 재료를 공급하는 제1 재료 공급부(151)와 제2 프린팅 노즐부(142)에 제2 재료를 공급하는 제2 재료 공급부(152)를 포함할 수 있다.

이때, 열가소성 소재로는 대표적으로 PLA(Poly Lactic Acid) 수지, PVC(Polyvinyl Chloride) 수지, ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 수지, PPS(Poly Phenylene Sulfide) 수지 등을 포함할 수 있다.

도 6은 도 1에 도시된 재료 공급부의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 재료 공급부(150)즉, 제1 재료 공급부(151)와 제2 재료 공급부(152)는 각각 재료 공급릴(153), 재료 피딩부(154)를 포함할 수 있다.

재료 공급릴(153)에는 필라멘트 형태의 재료가 감겨 있고, 재료 피딩부(154)는 두 개의 기어로 구현되어, 두 개의 기어가 회전하여 필라멘트 형태의 재료를 가압하면서 듀얼 프린팅 노즐부(140)로 공급할 수 있다. 이때, 본 발명에서는 재료 피딩부(152)를 두 개의 기어로 구현한 경우를 일 예로 설명하고 있지만, 반드시 이에 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이때, 재료 공급부(150)와 듀얼 프린팅 노즐부(140) 즉, 재료 공급부(150)와 제1 프린팅 노즐부(141) 사이, 재료 공급부(150)와 제2 프린팅 노즐부(142)의 사이에는 필라멘트 형태의 재료를 이송하기 위한 필라멘트 가이드부가 배치될 수 있다.

접착제 출력부(160)는 듀얼 프린팅 노즐부(140)와 소정 거리 이격되어 배치되어 독립적으로 구동되고, 듀얼 프린팅 노즐부(140)의 이동 방향과 동일하게 이동될 수 있다. 접착제 출력부(160)는 듀얼 프린팅 노즐부(140)의 제1 프린팅 노즐부(141)가 제1 재료를 출력하거나 제2 프린팅 노즐부(142)가 제2 재료를 출력하면, 그 출력된 제1 재료나 제2 재료의 상부 또는 측면에 접착제를 출력할 수 있다. 여기서 접착제 출력부(160)는 접착제를 분사하는 경우를 일 예로 설명한다.

접착제 출력부(160)는 접착제의 종류, 부피 등에 따라 출력 형태가 다르게 구현될 수 있다. 예컨대, 접착제 출력부(160)는 접착제를 분사할 수 있는 분사기로 구현되거나, 접착제를 토출할 수 있는 노즐로 구현될 수 있다.

접착제 공급부(170)는 접착제를 접착제 출력부(160)에 공급할 수 있다. 접착제 공급부(170)는 압력을 이용하여 접착제를 접착제 출력부(160)에 공급할 수 있다. 접착제는 두 재료, 즉, 제1 재료, 제2 재료와 접착력이 좋고, 재료 사이의 접착력이 두 재료 중 약한 재료의 강도 이상을 갖는 것을 이용한다.

이때, 접착제 공급부(170)와 접착제 출력부(160)의 사이에는 접착제를 이송하기 위한 접착제 가이드부 예컨대, 접착제 가이드 튜브가 배치될 수 있다.

제어부(180)는 3D 모델을 입력 받아 복수의 층(layer)으로 분할하고, 각 층을 형성할 때마다 제1 프린팅 노즐부(141)와 제2 프린팅 노즐부(142)를 교대로 구동시키고, 제1 프린팅 노즐부(141)나 제2 프린팅 노즐부(142)를 구동시킬 때마다 접착제 출력부(160)를 순차적으로 구동시켜, 제1 재료과 제2 재료 중 적어도 하나의 재료로 이루어진 층을 형성하는 과정을 복수회 반복 수행함으로써, 최종적으로 층이 복수개 적층된 3D 모델의 조형물이 제작되도록 제어할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 구동 방법을 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 구동 방법은 3D 모델 입력 단계(S710), 재료 토출 단계(S720), 접착제 출력 단계(S730), 조형물 완성 단계(S740)를 포함할 수 있다.

3D 모델 입력 단계(S710)에서, 제어부(180)는 3D 모델을 입력 받으면, 입력 받은 3D 모델을 N개의 층(layer)으로 분할하여 각 층에 대한 정보 예컨대, 단면 정보를 획득할 수 있다.

이때, 제어부(180)는 분할된 층 수를 나타내는 변수 i=1로 설정하고 다음 단계를 수행한다. 여기서 3D 모델의 가장 하단에 위치하는 층 수 i=1이다.

재료 토출 단계(S720)에서, 제어부(180)는 획득된 각 층에 대한 정보를 기초로 제1 프린팅 노즐부를 구동시켜 제1 재료를 토출하거나 제2 프린팅 노즐부를 구동시켜 제2 재료를 토출할 수 있다. 이때, 제어부(180)는 제1 프린팅 노즐부와 제2 프린팅 노즐부를 교대로 구동시켜 제1 재료나 제2 재료를 교대로 토출할 수 있다.

접착제 출력 단계(S730)에서, 제어부(180)는 제1 프린팅 노즐부가 구동된 후 제2 프린팅 노즐부를 바로 구동시키거나 제2 프린팅 노즐부가 구동된 후 제1 프린팅 노즐부를 바로 구동시키지 않고, 제2 프린팅 노즐부나 제1 프린팅 노즐부를 구동시키기 전에 접착제 출력부를 구동시켜 제1 재료나 제2 재료의 상부나 측면에 소정의 접착력을 갖는 접착제를 출력하여 도포할 수 있다.

이때, 하나의 층은 하나의 재료만으로 이루어지거나 복수의 재료들로 이루어질 수 있다. 즉, 하나의 층은 제1 재료나 제2 재료 하나만으로 형성되거나 제1 재료와 제2 재료가 수직 방향 또는 수평 방향으로 적어도 1회 교대로 적층되어 형성될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 재료 적층 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 5개의 층 L1, L2, L3, L4, L5으로 이루어진 적층 구조를 보여주고 있는데, 5개의 L1, L2, L3, L4, L5 중 L1, L3, L5 층은 2개의 재료(10, 20)가 교대로 적층되어 형성되고, L2, L4 층은 하나의 재료(20)로만 형성된 것임을 알 수 있다.

따라서 제어부(180)는 제1 재료 또는 제2 재료가 토출된 후 해당 층 i이 완성되었는지를 판단하고, 해당 층 i이 완성되지 않았으면 접착제를 출력한 후 재료 토출 단계부터 다시 수행한다.

반면, 제어부(180)는 해당 층이 완성되었다고 판단되면, 분할된 층 수를 나타내는 변수 i=N인지를 판단하여, 변수 i=N이면 모든 층이 완성되었다고 판단하고, 변수 i=N이 아니면 모든 층이 완성되지 않았다고 판단하여, 변수 i를 1 증가시킨 후 접착제를 출력한 후 재료 토출 단계부터 다시 수행한다.

이때, 접착제가 넓게 퍼지지 않고 부피를 가지는 경우 두 재료 사이에 간격을 임의로 만들 수 있다. 예컨대, 제어부(180)는 접착제의 두께가 a로 설정된 경우, 제1 재료의 두께와 제2 재료의 두께 각각을 a/2만큼 축소시켜 출력하도록 제1 프린팅 노즐부와 제2 프린팅 노즐부의 구동을 제어할 수 있다.

조형물 완성 단계(S740)에서, 제어부(180)는 모든 층이 완성되었다고 판단되면, 최종적으로 층이 복수개 적층된 3D 모델의 조형물을 완성할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 제1 프린팅 노즐부와 제2 프린팅 노즐부를 교대로 구동시키고, 제1 프린팅 노즐부 또는 제2 프린팅 노즐부가 구동될 때마다 접착제 출력부를 순차 구동시켜, 제1 재료와 제2 재료 중 적어도 하나의 재료로 이루어진 한 층을 완성한 후, 프린팅 베드를 수직 방향으로 하강시켜 다음 층을 출력하고, 이 과정을 연속적으로 반복하여 분할된 모든 층이 형성되면, 최종적으로 3D 모델의 조형물을 완성할 수 있다. 따라서, 제어부(180)는 3D 모델의 조형물이 완성됨에 따라 모든 과정을 종료할 수 있다.

이처럼 본 발명에서는 접착제를 이용하여 두 재료 간의 접착력을 강하게 구현할 수 있을 뿐 아니라, 분사기에 여러 종류의 접착제를 충전시킬 수 있기 때문에 제작자가 원하는 만큼 두 재료 사이의 접착력을 구현할 수 있다.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110: 프레임
120: 프린팅 베드
121: 베드 이송부
130: 이송부
140: 듀얼 프린팅 노즐부
141: 제1 프린팅 노즐부
142: 제2 프린팅 노즐부
143: 노즐 구동부
150: 재료 공급부
160: 접착제 출력부
170: 접착제 공급부
180: 제어부

Claims

프린팅 베드;
상기 프린팅 베드 상에 제1 재료를 토출하는 제1 프린팅 노즐부;
상기 프린팅 베드 상에 제2 재료를 토출하는 제2 프린팅 노즐부;
토출된 상기 제1 재료 또는 상기 제2 재료의 상부 또는 측면에 소정의 접착력을 갖는 접착제를 출력하여 도포하는 접착제 출력부;
상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 교대로 구동시키고, 상기 제1 프린팅 노즐부 또는 상기 제2 프린팅 노즐부를 구동시킬 때마다 상기 접착제 출력부를 순차 구동시켜, 상기 제1 재료와 상기 제2 재료 중 적어도 하나의 재료로 이루어진 층을 접착 결합하는 방식으로 복수개 적층하여 상기 프린팅 베드 상에 3D 모델의 조형물이 형성되도록 제어하는 제어부; 및
상기 제1 프린팅 노즐부, 상기 접착제 출력부, 상기 제2 프린팅 노즐부를 동일 수평면 상에서 서로 수직인 제1축 방향과 제2축 방향으로 이동시키는 이송부;를 포함하고,
상기 이송부는 제1 이송부와 2개의 제2 이송부를 포함하고,
상기 제1 이송부는 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부의 일측에 결합되어, 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 상기 제1축 방향으로 직선 이동시키고,
2개의 상기 제2 이송부는 상기 제1 이송부의 양단에 결합되어, 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 상기 제2축 방향으로 직선 이동시키고,
상기 접착제 출력부는 상기 제1 재료 또는 상기 제2 재료의 상부 또는 측면에 접착제를 토출하는 노즐이고,
상기 제어부는, 상기 접착제 출력부를 통해 형성될 접착제의 두께가 a로 설정된 경우, 상기 제1 재료의 두께와 상기 제2 재료의 두께 각각을 a/2만큼 축소시켜 토출하도록 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부의 구동을 제어하는, 3D 프린터.
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제1항에 있어서,
상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부는, 나란히 배치되어, 함께 이동하고, 상기 제1 재료와 상기 제2 재료 중 어느 하나를 토출하도록 구동되는, 3D 프린터.
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제1항에 있어서,
상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부에 연결되고, 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부 중 재료를 출력할 어느 하나를 상기 프린팅 베드에 대해 수직 방향으로 이동시키는 노즐 구동부;을 더 포함하는, 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 프린팅 베드를 수직 방향으로 이동시키는 베드 이송부;를 더 포함하는, 3D 프린터.
제1항에 있어서,
상기 층이 상기 제1 재료와 상기 제2 재료의 두 개의 재료로 형성되는 경우, 상기 제1 재료와 상기 제2 재료가 수직 방향 또는 수평 방향으로 적어도 1회 이상 교대로 적층되어 형성되는, 3D 프린터.
3D 모델을 입력 받으면, 상기 3D 모델을 복수의 층으로 분할하여 각 층에 대한 정보를 획득하는 3D 모델 입력 단계;
상기 획득된 각 층에 대한 정보를 기초로 제1 재료 또는 제2 재료를 토출하는 재료 토출 단계;
상기 제1 재료 또는 상기 제2 재료의 상부 또는 측면에 소정의 접착력을 갖는 접착제를 출력하여 도포하는 접착제 출력 단계; 및
상기 재료 토출 단계, 상기 접착제 출력 단계를 반복 수행하여, 상기 제1 재료과 상기 제2 재료 중 적어도 하나의 재료로 이루어진 층을 접착 결합하는 방식으로 복수개 적층하여 상기 3D 모델의 조형물을 완성하는 조형물 완성 단계;를 포함하고,
상기 제1 재료는 제1 프린팅 노즐부에서 토출되고, 상기 제2 재료는 제2 프린팅 노즐부에서 토출되고,
이송부는 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 동일 수평면 상에서 서로 수직인 제1축 방향과 제2축 방향으로 이동시키고,
상기 이송부는 제1 이송부와 2개의 제2 이송부를 포함하고,
상기 제1 이송부는 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부의 일측에 결합되어, 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 상기 제1축 방향으로 직선 이동시키고,
2개의 상기 제2 이송부는 상기 제1 이송부의 양단에 결합되어, 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부를 상기 제2축 방향으로 직선 이동시키고,
상기 접착제 출력 단계에서는, 노즐을 이용하여 상기 제1 재료 또는 상기 제2 재료의 상부 또는 측면에 상기 접착제를 토출하여 도포하고,
상기 재료 토출 단계에서는, 상기 접착제 출력 단계를 통해 형성될 상기 접착제의 두께가 a로 설정된 경우, 상기 제1 재료의 두께와 상기 제2 재료의 두께 각각을 a/2만큼 축소시켜 토출하도록 상기 제1 프린팅 노즐부와 상기 제2 프린팅 노즐부의 구동을 제어하는, 3D 프린터의 구동 방법.
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