KR102142700B1 - Nozzle for 3D Printer Comprising Eccentric Outlet and 3D printer Comprising the Nozzle - Google Patents

Nozzle for 3D Printer Comprising Eccentric Outlet and 3D printer Comprising the Nozzle Download PDF

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Abstract

소정의 3D 프린팅 소재가 분사되는 3D 프린터용 노즐로서, 상기 노즐의 저면(bottom surface) 상에 배치되어, 상기 3D 프린팅 소재가 분사되는 토출구를 포함하고, 상기 토출구는 상기 노즐의 저면의 중심으로부터 편심(decentaration)되어 위치하도록 배치되는, 3D 프린터용 노즐 및 이를 포함하는 노즐부를 포함하는 3D 프린터를 제공한다.A nozzle for a 3D printer in which a predetermined 3D printing material is injected, disposed on a bottom surface of the nozzle, and including an outlet through which the 3D printing material is injected, wherein the outlet is eccentric from the center of the bottom surface of the nozzle It provides a 3D printer including a nozzle for a 3D printer and a nozzle unit including the nozzle, which is arranged to be positioned (decentaration).

Description

편심 토출구를 포함하는 3D 프린터용 노즐 및 이를 포함하는 3D 프린터 {Nozzle for 3D Printer Comprising Eccentric Outlet and 3D printer Comprising the Nozzle}Nozzle for 3D Printer Comprising Eccentric Outlet and 3D Printer Comprising the Nozzle}

본 발명은 편심 토출구를 포함하는 3D 프린터용 노즐 및 이를 포함하는 3D 프린터에 관한 것이다.The present invention relates to a nozzle for a 3D printer including an eccentric discharge port and a 3D printer including the same.

3D 프린팅은 적층 가공(Additive manufacturing), 예를 들어 스캐닝이나 모델링을 통한 3차원의 디지털 자료를 기반으로, 소재를 차례로 적층하는 공정을 통하여 원하는 형상을 만드는 적층 가공을 의미한다. 3D 프린팅 공정은 기존 다른 가공 공정에 비해 제작에 소요되는 에너지를 약 50% 이상 절감할 수 있고, 소재를 약 90% 이상 절감할 수 있다고 알려져 있다.3D printing refers to additive manufacturing, for example, additive manufacturing based on three-dimensional digital data through scanning or modeling, to create a desired shape through a process of sequentially stacking materials. It is known that the 3D printing process can reduce the energy required for production by more than 50% and save the material by more than 90% compared to other processing processes.

3D 프린팅은 적층 방식에 따라, 크게 9가지의 유형으로 나뉘어지는데, 그 중에서 물질분사(Material Extrusion: ME) 방식이 하드웨어 구성이 가장 간단하여, 전문가가 아니더라도 형상을 직접 만들어 사용할 수 있기 때문에, 가정용으로 보급화되어 있다. 상기 ME방식을 사용한 3D 프린터 중에서도, FFF(fused filament fabrication), FDM(fused deposition modeling)으로 지칭되는 열가소성 수지를 이용한 3D 프린터가 가장 많이 보급화되어 있으며, 상기 3D 프린터들은 주로 필라멘트 형태의 플라스틱 소재를 사용한다. 상기 3D 프린터는 1.75 밀리미터의 직경과 3 밀리미터의 치수를 가지는 필라멘트 형태의 플라스틱 소재를 녹인 후, 노즐을 통해 토출한다.3D printing is divided into 9 types according to the lamination method. Among them, the Material Extrusion (ME) method is the simplest in terms of hardware configuration, so even if you are not an expert, you can create and use the shape yourself. It is popularized. Among the 3D printers using the ME method, 3D printers using a thermoplastic resin called fused filament fabrication (FFF) or fused deposition modeling (FDM) are most widely used, and the 3D printers mainly use a filament-shaped plastic material. do. The 3D printer melts a filament-shaped plastic material having a diameter of 1.75 millimeters and a dimension of 3 millimeters, and then discharges it through a nozzle.

상기 ME 방식을 사용한 3D 프린팅 공정을 포함하여, 일반적으로 3D 프린팅 공정은 소재를 차례로 적층하는 방식으로 출력물을 제작하는데, 이때 한 층을 이루는 직선의 출력 라인들이 지속적으로 프린팅되어, 전체적인 출력물을 이루게 된다. 그러나, 이러한 직선의 출력 라인은 소재 물성의 한계로 인해, 변형률을 높이거나, 표면적을 늘리기 어렵다. 변형률을 높이기 위한 별도의 프린팅 구조를 설계할 수도 있으나, 이는 별도의 설계 공정이 필요할 뿐만 아니라, 프린팅 공정에서 직선 형태의 선들의 연속으로 이루어진 결합 구조체는 복잡한 형태를 구현함에 있어서, 한계를 갖고 있다.In general, including the 3D printing process using the ME method, the 3D printing process generally produces an output by stacking materials one after the other, wherein the output lines of a straight line forming one layer are continuously printed, thereby forming an overall output. . However, such a straight line output line is difficult to increase a strain rate or increase a surface area due to limitations in material properties. A separate printing structure may be designed to increase the strain, but this requires not only a separate design process, but also has a limitation in implementing a complex form of a coupling structure consisting of continuous lines of straight lines in the printing process.

따라서, 출력물의 표면적을 늘리고, 변형률을 높일 수 있는 새로운 3D 프린팅 방식에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high need for a new 3D printing method that can increase the surface area of the output and increase the strain.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 노즐의 저면의 중심으로부터 편심된 위치에 토출구를 배치함으로써, 구불구불한(meandering) 구조의 출력물을 출력할 수 있는 3D 프린터용 노즐을 제공하는 것이다.Accordingly, the technical problem of the present invention was devised in this regard, and the object of the present invention is to provide a 3D printer capable of outputting a meandering structure by arranging a discharge port at an eccentric position from the center of the bottom surface of the nozzle. It is to provide a nozzle.

본 발명의 다른 목적은, 상기 3D 프린터용 노즐을 채용함으로써, 특별한 개조 없이도 저비용으로 출력물의 변형률을 증가시키고, 표면적을 향상시킬 수 있는 3D 프린터를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a 3D printer capable of increasing the strain rate of an output at low cost and improving the surface area without special modification by employing the nozzle for the 3D printer.

본 발명의 일 측면에 따른 3D 프린터용 노즐은 소정의 3D 프린팅 소재가 분사되는 3D 프린터용 노즐로서, The nozzle for a 3D printer according to an aspect of the present invention is a nozzle for a 3D printer in which a predetermined 3D printing material is injected,

상기 노즐의 저면(bottom surface) 상에 배치되어, 상기 3D 프린팅 소재가 분사되는 토출구를 포함하고,It is disposed on the bottom surface (bottom surface) of the nozzle, and includes an outlet through which the 3D printing material is injected,

상기 토출구는 상기 노즐의 저면의 중심으로부터 편심(decentaration)되어 위치하도록 배치된다.The discharge port is arranged to be located eccentrically from the center of the bottom surface of the nozzle.

일 구현예에 있어서, 상기 토출구는 상기 노즐의 저면의 중심으로부터 반경 1 ㎛ 내지 100 cm 영역 내에 위치하도록 배치될 수 있다.In one embodiment, the discharge port may be disposed to be located within a region of 1 μm to 100 cm in radius from the center of the bottom surface of the nozzle.

일 구현예에 있어서, 상기 토출구는 상기 3D 프린터용 노즐의 직경을 기준으로 10 내지 30% 범위의 직경을 가질 수 있다.In one embodiment, the discharge port may have a diameter in the range of 10 to 30% based on the diameter of the nozzle for the 3D printer.

일 구현예에 있어서, 상기 토출구는 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있다.In one embodiment, the outlet may be circular, elliptical or polygonal.

일 구현예에 있어서, 상기 노즐의 저면은 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있다.In one embodiment, the bottom surface of the nozzle may be circular, elliptical or polygonal.

일 구현예에 있어서, 상기 3D 프린팅 소재는 열가소성 고분자, 금속, 복합소재, 생체친화성 소재 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the 3D printing material may include any one selected from the group consisting of thermoplastic polymers, metals, composite materials, biocompatible materials, and combinations thereof.

일 구현예에 있어서, 상기 열가소성 고분자는 폴리락트산(polylactic acid, PLA), ABS 수지, 나일론(nylon), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.In one embodiment, the thermoplastic polymer may be any one selected from the group consisting of polylactic acid (PLA), ABS resin, nylon, polyvinyl alcohol, and combinations thereof.

일 구현예에 있어서, 상기 노즐 내부에 상기 3D 프린팅 소재가 통과하는 유로를 더 포함하고,In one embodiment, the nozzle further includes a passage through which the 3D printing material passes,

상기 유로는 상기 노즐의 저면 상에 배치된 토출구와 연결될 수 있다.The flow path may be connected to a discharge port disposed on the bottom surface of the nozzle.

일 구현예에 있어서, 상기 유로의 형태는 원통형, 회전축의 수직단면이 다각형인 통형 또는 다면체형일 수 있다.In one embodiment, the shape of the flow path may be a cylindrical shape or a cylindrical or polyhedral shape in which a vertical cross-section of the rotation axis is polygonal.

일 구현예에 있어서, 상기 유로는 상기 노즐의 저면을 직교하는 방향으로 토출구와 연결될 수 있다.In one embodiment, the flow path may be connected to the discharge port in a direction orthogonal to the bottom surface of the nozzle.

다른 구현예에 있어서, 상기 유로는 상기 노즐의 저면을 직교하지 않는 방향으로 토출구와 연결될 수 있다.In another embodiment, the flow path may be connected to the discharge port in a direction not orthogonal to the bottom surface of the nozzle.

일 구현예에 있어서, 상기 유로는 하나 이상의 절곡부를 포함하거나, 또는 절곡부를 포함하지 않을 수 있다.In one embodiment, the flow path may include one or more bent portions, or may not include bent portions.

본 발명의 다른 측면에 따른 3D 프린터는,3D printer according to another aspect of the present invention,

전술한 바와 같은 3D 프린터용 노즐을 포함하는 하나 이상의 노즐부;At least one nozzle unit including a nozzle for a 3D printer as described above;

상기 노즐부를 사방으로 이동시키는 노즐 이동부; 및A nozzle moving part that moves the nozzle part in all directions; And

상기 노즐부 아래에 배치되며, 상면에 상기 노즐부의 3D 프린터용 노즐로부터 토출되는 3D 프린팅 소재가 적층되어 소정의 출력물이 조성되는 출력부;를 포함한다.And an output unit disposed under the nozzle unit and stacked with 3D printing material discharged from the nozzle for the 3D printer on the upper surface to form a predetermined output.

일 구현예에 있어서, 상기 소정의 출력물이 조성되기 위해 요구되는 프린팅 속도(printing speed, Vp)에 대한 상기 노즐로부터 상기 3D 프린팅 소재가 토출되는 속도(feeding speed, Vt)의 비(Vt/Vp)는 0.1 내지 10일 수 있다.In one embodiment, the ratio (V t ) of the speed at which the 3D printing material is discharged from the nozzle relative to the printing speed (V p ) required for the predetermined output to be formed (V t ) /V p ) may be 0.1 to 10.

일 구현예에 있어서, 상기 출력부는 종이, 목재, 금속, 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 소재로 이루어진 기재(substrate)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the output unit may include a substrate made of any one material selected from the group consisting of paper, wood, metal, polymer, and combinations thereof.

일 구현예에 있어서, 상기 출력부를 상하 방향으로 변위시키는 구동부를 포함할 수 있다.In one embodiment, the output unit may include a driving unit for displacement in the vertical direction.

일 구현예에 있어서, 상기 3D 프린터는 퓨즈드 필라멘트 기법(fused filament fabrication) 또는 퓨즈드 증착 모델링(fused deposition modeling)을 적용한 방식일 수 있다.In one embodiment, the 3D printer may be a method using fused filament fabrication or fused deposition modeling.

일 구현예에 있어서, 상기 출력부에 조성되는 소정의 출력물은 적어도 하나 이상의 컬링부(curling area)를 포함할 수 있다.In one embodiment, a predetermined output composition formed in the output unit may include at least one curling area.

일 구현예에 있어서, 상기 출력부에 조성되는 소정의 출력물은 직선 패턴(straight pattern), 웨이브 패턴(wavy pattern), 교호 패턴(alternating pattern), 코일링 패턴(coiling pattern), 오버래핑 패턴(overlapping pattern), 및 편조 패턴(braided pattern) 중 하나 이상의 패턴을 포함할 수 있다.In one embodiment, the predetermined output composition formed in the output unit is a straight pattern (straight pattern), wave pattern (wavy pattern), alternating pattern (alternating pattern), coiling pattern (coiling pattern), overlapping pattern (overlapping pattern) ), and one or more of a braided pattern.

일 구현예에 있어서, 상기 출력부에 조성되는 소정의 출력물은 상기 3D 프린팅 소재가 2층 이상 적층되어 조성된 복층 구조일 수 있다.In one embodiment, a predetermined output composition formed on the output unit may be a multi-layer structure formed by stacking two or more layers of the 3D printing material.

일 구현예에 있어서, 상기 복층 구조는In one embodiment, the multilayer structure is

i) 하나 이상의 컬링부를 포함하는 층만이 적층된 구조이거나, 또는i) Only a layer comprising at least one curling part is a stacked structure, or

ii) 하나 이상의 컬링부를 포함하는 층 및 컬링부를 포함하지 않는 층이 무작위의 순서로 적층된 구조일 수 있다.ii) A layer including one or more curling portions and a layer not including the curling portions may be stacked in a random order.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 4D 프린터는,4D printer according to another aspect of the present invention,

3D 프린터용 노즐을 각각 포함하는 제1 노즐부 및 제2 노즐부;A first nozzle part and a second nozzle part each including a nozzle for a 3D printer;

상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부를 각각 사방으로 이동시키는 노즐 이동부; 및A nozzle moving part for moving the first nozzle part and the second nozzle part in all directions; And

상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부 아래에 배치되며, 상면에 상기 각각의 제1 노즐부 및 제2 노즐부의 3D 프린터용 노즐로부터 토출되는 3D 프린팅 소재가 각각 적층되어 소정의 출력물이 조성되는 출력부;를 포함하고,Outputs arranged under the first nozzle part and the second nozzle part, and 3D printing materials discharged from the nozzles for 3D printers of the respective first nozzle parts and the second nozzle parts are stacked on the upper surface to produce a predetermined output. Including;

상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부 중 하나 이상은 전술한 3D 프린터용 노즐을 포함한다.At least one of the first nozzle portion and the second nozzle portion includes the nozzle for the 3D printer described above.

일 구현예에 있어서, i) 상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부 중 하나 이상은 중심 토출구를 포함하거나, In one embodiment, i) at least one of the first nozzle portion and the second nozzle portion includes a central discharge port,

ii) 상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부가 모두 편심 토출구를 포함할 수 있다.ii) Both the first nozzle portion and the second nozzle portion may include an eccentric discharge port.

본 발명에 따른 3D 프린터용 노즐을 사용할 경우, 노즐의 교체 만으로도 기존의 3D 프린터와 비교하여, 3D 프린터에 의한 출력물의 변형률(strain)이 현저하게 증가할 수 있다. 또한, 기존의 3D 프린터와 비교하여, 동일한 수준의 제작 속도를 유지하면서도, 보다 복잡하고 창의적인 구조의 출력물을 제작하는 것이 가능하여, 표면적이 매우 큰 3차원의 곡면 제작이 가능하다.When the nozzle for a 3D printer according to the present invention is used, the strain of an output by a 3D printer can be significantly increased compared to a conventional 3D printer by simply replacing the nozzle. In addition, compared to the existing 3D printer, while maintaining the same level of production speed, it is possible to produce a more complex and creative structure of the output, and it is possible to produce a three-dimensional curved surface with a very large surface area.

도 1은 종래의 중심 토출구 노즐과 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐을 비교한 모식도이다.
도 2는 다른 구현예에 따른 편심 토출구 노즐을 도시한 모식도이다.
도 3은 종래의 중심 토출구 노즐에 의해 형성된 직선형의 출력물로부터 벗어나서, 상대 속도 Vt/Vp에 따라 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐에 의해 형성된 구불구불한(meandering) 출력물들의 이미지이다.
도 4는 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐에 의해 형성된 출력물들이 공정 변수 조절을 통해 포함할 수 있는 다양한 패턴들의 이미지이다.
도 5는 종래의 중심 토출구 노즐에 의해 형성된 출력물과 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐에 의해 형성된 출력물에 대한 인장 강도 테스트를 통한 변형 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 여러가지 패턴 조합을 이용하여 구현한 복층 구조의 출력물의 단면을 나타낸 이미지이다.
도 7은 단층 구조의 출력물과 도 6의 복층 구조의 출력물의 변형률을 측정한 그래프이다.
도 8은 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐에 의해 구현된 복층 구조의 출력물들에 대하여 변형을 가하여 변형 거동이 일어난 후의 결과를 나타낸 이미지이다.
도 9는 종래의 중심 토출구 노즐에 의해 구현된 3차원 출력물 및 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐에 의해 구현된 3차원 출력물의 이미지이다.
1 is a schematic diagram comparing a conventional central outlet nozzle and an eccentric outlet nozzle according to an embodiment.
2 is a schematic view showing an eccentric discharge nozzle according to another embodiment.
3 is an image of meandering outputs formed by an eccentric outlet nozzle according to one embodiment according to a relative speed V t /V p , away from a straight output formed by a conventional central outlet nozzle.
4 is an image of various patterns that can be included in the outputs formed by the eccentric outlet nozzle according to one embodiment through process parameter adjustment.
5 is a graph showing the results of deformation through a tensile strength test for an output formed by a conventional central outlet nozzle and an output formed by an eccentric outlet nozzle according to one embodiment.
6 is an image showing a cross-section of an output of a multi-layer structure implemented using various pattern combinations.
7 is a graph measuring the strain of the output of the single-layer structure and the output of the multi-layer structure of FIG. 6.
8 is an image showing a result after a deformation behavior occurs by applying deformation to outputs of a multi-layer structure implemented by an eccentric discharge nozzle according to an embodiment.
9 is an image of a three-dimensional output realized by a conventional central outlet nozzle and a three-dimensional output implemented by an eccentric outlet nozzle according to one embodiment.

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.For a detailed description of the present invention, which will be described later, reference is made to the accompanying drawings that illustrate, by way of example, specific embodiments in which the present invention may be practiced. These examples are described in detail enough to enable those skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and properties described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in relation to one embodiment. In addition, it should be understood that the location or placement of individual components within each disclosed embodiment can be changed without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the following detailed description is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if appropriately described, is limited only by the appended claims, along with all ranges equivalent to those claimed. In the drawings, similar reference numerals refer to the same or similar functions across various aspects.

이하, 도면들을 참조하여 일 구현예에 따른 3D 프린터용 노즐 및 이를 포함하는 3D 프린터에 대해 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, a 3D printer nozzle and a 3D printer including the same will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명의 일 측면에 따르면, 소정의 3D 프린팅 소재가 분사되는 3D 프린터용 노즐로서, 상기 노즐의 저면(bottom surface) 상에 배치되어, 상기 3D 프린팅 소재가 분사되는 토출구를 포함하고, 상기 토출구는 상기 노즐의 저면의 중심으로부터 편심(decentaration)되어 위치하도록 배치되는, 3D 프린터용 노즐이 제공된다.According to an aspect of the present invention, a nozzle for a 3D printer in which a predetermined 3D printing material is injected, disposed on a bottom surface of the nozzle, and including an outlet through which the 3D printing material is injected, the outlet There is provided a nozzle for a 3D printer, which is arranged to be positioned eccentrically from the center of the bottom surface of the nozzle.

본 명세서에서 '편심되어 위치한'은 특정한 영역의 중심에서 벗어나도록 위치하는 것을 의미하며, 중심에서 벗어나는 정도는 특별히 한정되지 않는다. 또한, 본 명세서에서 '편심 토출구'는 노즐의 저면의 중심으로부터 편심되어 위치하도록 배치된 토출구를 의미하며, '편심 토출구 노즐'은 상기 편심 토출구를 포함하는 노즐을 의미한다.'Eccentrically located' in the present specification means to be positioned to deviate from the center of a specific area, and the degree of deviating from the center is not particularly limited. In addition, in this specification, the'eccentric discharge port' means a discharge port arranged to be eccentrically positioned from the center of the bottom surface of the nozzle, and the'eccentric discharge port nozzle' means a nozzle including the eccentric discharge port.

도 1은 종래의 중심 토출구 노즐과 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐을 비교한 모식도이다. 구체적으로, 도 1(a)는 종래의 중심 토출구 노즐 및 이에 의해 토출되는 3D 프린팅 소재의 적층 형태를 나타낸 것이고, 도 1(b)는 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐 및 이에 의해 토출되는 3D 프린팅 소재의 적층 형태를 나타낸 것이다. 종래의 중심 토출구 노즐(10)은 토출구(11)가 노즐의 저면(12)의 중심에 위치하는 반면, 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐(20)은 토출구(21)가 노즐의 저면(22)의 중심으로부터 편심되어 위치한다.1 is a schematic view comparing a conventional central outlet nozzle and an eccentric outlet nozzle according to an embodiment. Specifically, Figure 1 (a) shows a conventional central outlet nozzle and a stacked form of 3D printing material discharged thereby, Figure 1 (b) is an eccentric outlet nozzle according to an embodiment and 3D printing discharged thereby It shows the lamination form of the material. In the conventional central discharge port nozzle 10, the discharge port 11 is located at the center of the bottom surface 12 of the nozzle, while the eccentric discharge port nozzle 20 according to an embodiment has a discharge port 21 and the bottom surface 22 of the nozzle It is located eccentrically from the center.

도 1에서 보는 바와 같이, 종래의 중심 토출구 노즐(10)을 사용한 경우, 3D 프린팅 소재의 적층 형태는 직선형에 가까운 반면, 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐(20)을 사용한 경우, 구불구불한 형태로 3D 프린팅 소재를 적층할 수 있어, 출력물의 변형률을 높일 수 있다.As shown in FIG. 1, when the conventional central outlet nozzle 10 is used, the stacked shape of the 3D printing material is close to a straight line, whereas when the eccentric outlet nozzle 20 according to one embodiment is used, a serpentine shape 3D printing material can be stacked to increase the strain rate of the output.

본 발명에 따른 3D 프린터용 노즐은 편심 토출구를 포함함으로써, 노즐 내부에서 용융된 3D 프린팅 소재의 불균일한 유동, 즉, 토출구에서 가까운 부분에서의 유동이 먼 부분보다 빠르게 되는 현상을 야기하여, 상기 3D 프린팅 소재의 토출 속도 차이로 인한 압출 결함이 나타나게 된다. 구체적으로, 상기 불균일한 유동은 편심 압출 곡률 및 불균일한 국부 변형을 일으키게 되어, 상기 3D 프린팅 소재가 편심 노즐을 통해 구불구불한 형태로 토출되도록 한다.The nozzle for a 3D printer according to the present invention includes an eccentric discharge port, thereby causing a non-uniform flow of the 3D printing material melted inside the nozzle, that is, a flow at a portion closer to the discharge port is faster than a distant portion, thereby causing the 3D printing. Extrusion defects appear due to the difference in the discharge speed of the material. Specifically, the non-uniform flow causes eccentric extrusion curvature and non-uniform local deformation, so that the 3D printing material is discharged in a serpentine shape through an eccentric nozzle.

하나의 구체적인 예에서, 상기 토출구는 상기 노즐의 저면의 중심으로부터 반경 1 ㎛ 내지 100 cm 영역 내에 위치하도록 배치될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 토출구는 상기 노즐의 저면의 중심으로부터 반경 1 ㎛ 내지 1000 ㎛ 영역 내에 위치하도록 배치될 수 있다. 다른 구현예에 있어서, 상기 토출구를 포함한 3D 프린터가 크기가 큰 구조물을 제작하기 위해 사용될 경우, 상기 토출구는 상기 노즐의 저면의 중심으로부터 반경 1 cm 내지 100 cm 영역 내에 위치하도록 배치될 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 상기 토출구가 상기 노면의 저면의 중심으로부터 반경 1 ㎛ 미만의 영역에 위치할 경우, 일반적으로 토출구가 편심된 정도가 낮아, 소망하는 수준의 변형률을 달성하기 어렵다.In one specific example, the discharge port may be arranged to be located within a region of 1 μm to 100 cm in radius from the center of the bottom surface of the nozzle. In one embodiment, the discharge port may be arranged to be located in a region of 1 μm to 1000 μm in radius from the center of the bottom surface of the nozzle. In another embodiment, when a 3D printer including the outlet is used to fabricate a large-sized structure, the outlet may be arranged to be located within a region of 1 cm to 100 cm in radius from the center of the bottom surface of the nozzle. Outside the above range, when the discharge port is located in an area of less than 1 µm in radius from the center of the bottom surface of the road surface, the degree of eccentricity of the discharge port is generally low, so it is difficult to achieve a desired level of strain.

하나의 구체적인 예에서, 상기 토출구는 상기 3D 프린터용 노즐의 직경을 기준으로 10 내지 30% 범위의 직경을 가질 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 상기 토출구의 직경이 상기 3D 프린터용 노즐의 직경을 기준으로 10% 미만일 경우, 토출구의 막힘(Clogging) 현상이 잦고, 동일한 크기의 출력물을 출력할 때, 출력 시간이 지나치게 길어지는 문제점이 있으며, 반면에 상기 토출구의 직경이 상기 3D 프린터용 노즐의 직경을 기준으로 30%를 초과할 경우, 구불구불한 구조체를 제어하기가 용이하지 않으며, 출력물이 직선형 구조로 나오기 쉽다는 문제점이 있다. In one specific example, the discharge port may have a diameter in the range of 10 to 30% based on the diameter of the nozzle for the 3D printer. Outside the above range, when the diameter of the outlet is less than 10% based on the diameter of the nozzle for the 3D printer, clogging of the outlet frequently occurs, and when outputting the same sized output, the output time becomes too long On the other hand, on the other hand, if the diameter of the discharge port exceeds 30% based on the diameter of the nozzle for the 3D printer, it is not easy to control the serpentine structure, and there is a problem that the output is likely to come out in a straight structure. have.

예를 들어, 상기 토출구는 100 내지 400 ㎛의 직경을 가질 수 있다. 다만, 상기 토출구의 직경은 반드시 상기 범위에 한정되는 것은 아니며, 프린터의 구조가 커질 경우, 그에 따라 토출구 직경의 바람직한 상한 범위도 증가할 수 있다.For example, the discharge port may have a diameter of 100 to 400 ㎛. However, the diameter of the discharge port is not necessarily limited to the above range, and when the structure of the printer is increased, a desirable upper limit range of the discharge port diameter may be increased accordingly.

하나의 구체적인 예에서, 상기 토출구는 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있다. 또한, 상기 토출구가 배치되는 상기 노즐의 저면은 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있다. 상기 토출구 및 노즐의 저면의 형상은 서로 독립적으로 선택될 수 있으며, 서로 동일한 형상이거나 상이한 형상일 수 있다.In one specific example, the outlet may be circular, elliptical or polygonal. In addition, the bottom surface of the nozzle in which the discharge port is disposed may be circular, elliptical or polygonal. The shape of the bottom surface of the discharge port and the nozzle may be selected independently of each other, and may be the same shape or different shapes from each other.

하나의 구체적인 예에서, 상기 3D 프린팅 소재는 열가소성 고분자, 금속, 복합소재, 생체친화성 소재 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.In one specific example, the 3D printing material may include any one selected from the group consisting of thermoplastic polymers, metals, composite materials, biocompatible materials, and combinations thereof.

이 때, 상기 열가소성 고분자는 폴리락트산(polylactic acid, PLA), ABS 수지, 나일론(nylon), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 3D 프린팅 소재로 폴리락트산을 적용할 경우, 폴리락트산은 친환경 수지이고 유해요소를 포함하지 않고 있어, 최근 기술 개발의 친환경성 경향에 적합하고, 다른 소재들에 비하여 수축의 발생이 적고, 기포의 발생이 없어 제작이 용이할 수 있으나, 폴리락트산에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 3D 프린팅 소재는 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 알루미늄, 백금, 은, 금 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 3D 프린팅 소재는 복합소재를 포함할 수 있고, 예를 들어 유기발광소재, TiO2와 플라스틱의 복합소재 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.At this time, the thermoplastic polymer may be any one selected from the group consisting of polylactic acid (PLA), ABS resin, nylon, polyvinyl alcohol, and combinations thereof. When polylactic acid is applied as the 3D printing material, polylactic acid is an eco-friendly resin and does not contain harmful elements, which is suitable for the trend of eco-friendliness in recent technological developments, and less shrinkage than other materials. Since there is no occurrence, it may be easy to manufacture, but is not limited to polylactic acid. For example, the 3D printing material may include metal, for example, aluminum, platinum, silver, gold, and the like, but is not limited thereto. For example, the 3D printing material may include a composite material, and may include, for example, an organic light emitting material, a composite material of TiO 2 and plastic, etc., but is not limited thereto.

다른 구현예에 따르면, 상기 3D 프린팅 소재는 필라멘트 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.According to another embodiment, the 3D printing material may be in the form of a filament, but is not limited thereto.

도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 편심 토출구 노즐을 도시한 모식도이다. 이하에서 전술한 도 1(a), (b) 및 도 2를 함께 참조하여, 노즐 내부에 포함된 유로에 대해 설명한다.2 is a schematic view showing an eccentric discharge nozzle according to another embodiment of the present invention. Hereinafter, the flow path included in the nozzle will be described with reference to FIGS. 1 (a), (b), and 2 described above.

하나의 구체적인 예에서, 본 발명의 3D 프린터용 노즐(20, 30)은, 상기 노즐(20, 30) 내부에 상기 3D 프린팅 소재가 통과하는 유로(23, 33)를 더 포함하고, 상기 유로(23, 33)는 상기 노즐의 저면(22, 32) 상에 배치된 토출구(21, 31)와 연결될 수 있다.In one specific example, the 3D printer nozzles 20 and 30 of the present invention further include flow paths 23 and 33 through which the 3D printing material passes inside the nozzles 20 and 30, and the flow paths ( 23, 33) may be connected to the discharge ports (21, 31) disposed on the bottom surface (22, 32) of the nozzle.

예를 들어, 상기 유로의 형태는 원통형, 회전축의 수직단면이 다각형인 통형 또는 다면체형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.For example, the shape of the flow path may be a cylindrical shape, a cylindrical shape or a polyhedron shape having a vertical cross-section of the rotation axis, but is not limited thereto.

일 구현예에 따르면, 상기 유로는 상기 노즐의 저면을 직교하는 방향으로 토출구와 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 도 1(b)를 참조하면, 노즐(20) 내부에 포함되는 유로(23)가 노즐의 저면(22)을 직교하는 방향(Y방향)으로 토출구(21)와 연결되어 있다.According to one embodiment, the flow path may be connected to the discharge port in a direction orthogonal to the bottom surface of the nozzle. In this regard, referring to FIG. 1(b), the flow path 23 included in the nozzle 20 is connected to the discharge port 21 in a direction orthogonal to the bottom surface 22 of the nozzle (Y direction).

다른 구현예에 따르면, 상기 유로는 상기 노즐의 저면을 직교하지 않는 방향으로 토출구와 연결될 수 있다. 이와 관련하여, 도 2를 참조하면, 노즐(30) 내부에 포함되는 유로(33)가 노즐의 저면(32)을 직교하지 않는 방향으로 토출구(31)와 연결되어 있다.According to another embodiment, the flow path may be connected to the discharge port in a direction not orthogonal to the bottom surface of the nozzle. In this regard, referring to FIG. 2, the flow path 33 included in the nozzle 30 is connected to the discharge port 31 in a direction not perpendicular to the bottom surface 32 of the nozzle.

일 구현예에 따르면, 상기 유로는 하나 이상의 절곡부를 포함하거나, 또는 절곡부를 포함하지 않을 수 있다. 상기 유로가 하나 이상의 절곡부를 포함할 경우, 절곡부의 위치, 절곡 정도, 절곡부의 개수 등의 변수들을 조절하여, 출력물의 변형률을 원하는 수준으로 조절할 수 있다.According to one embodiment, the flow path may include one or more bent portions, or may not include bent portions. When the flow path includes one or more bent portions, variables such as the position of the bent portion, the degree of bending, and the number of bent portions may be adjusted to adjust a strain of the output to a desired level.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 3D 프린터용 노즐을 포함하는 하나 이상의 노즐부; 상기 노즐부를 사방으로 이동시키는 노즐 이동부; 및 상기 노즐부 아래에 배치되며, 상면에 상기 노즐부의 3D 프린터용 노즐로부터 토출되는 3D 프린팅 소재가 적층되어 소정의 출력물이 조성되는 출력부;를 포함하는 3D 프린터가 제공된다.According to another aspect of the invention, at least one nozzle unit including the nozzle for the 3D printer; A nozzle moving part that moves the nozzle part in all directions; And an output unit disposed under the nozzle unit and stacked with 3D printing material discharged from the nozzle for the 3D printer nozzle on the upper surface to form a predetermined output. 3D printer is provided.

예를 들어, 상기 3D 프린터는 하나의 노즐부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 3D 프린터는 둘 이상의 노즐부를 포함할 수 있다.For example, the 3D printer may include one nozzle unit. For example, the 3D printer may include two or more nozzle parts.

하나의 구체적인 예에서, 상기 소정의 출력물이 조성되기 위해 요구되는 프린팅 속도(printing speed, Vp)에 대한 상기 노즐로부터 상기 3D 프린팅 소재가 토출되는 속도(feeding speed, Vt)의 비(Vt/Vp)는 0.1 내지 10일 수 있다. 예를 들어, 상기 Vt/Vp는 1.0 내지 2.0일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one specific example, the ratio (V t ) of the speed at which the 3D printing material is ejected from the nozzle to the printing speed (V p ) required for the predetermined output to be formed (V t ) /V p ) may be 0.1 to 10. For example, the V t /V p may be 1.0 to 2.0, but is not limited thereto.

종래의 중심 토출구 노즐의 경우, 특별한 추가 장치를 포함하는 경우가 아니라면, 직선형의 출력물 만을 형성할 수 있다. 반면에, 본 발명에서와 같이 편심 토출구 노즐을 포함하는 3D 프린터의 경우, Vt/Vp를 조절함으로써 출력물의 형태를 원하는 대로 형성할 수 있다.In the case of the conventional center outlet nozzle, only a straight output can be formed, unless a special additional device is included. On the other hand, in the case of a 3D printer including an eccentric outlet nozzle as in the present invention, the shape of the output can be formed as desired by adjusting V t /V p .

일 구현예에 따르면, 상기 출력부에 조성되는 소정의 출력물은 적어도 하나 이상의 컬링부(curling area)를 포함할 수 있다.According to one embodiment, a predetermined output composition formed in the output unit may include at least one curling area.

다른 구현예에 따르면, 상기 출력부에 조성되는 소정의 출력물은 직선 패턴(straight pattern), 웨이브 패턴(wavy pattern), 교호 패턴(alternating pattern), 코일링 패턴(coiling pattern), 오버래핑 패턴(overlapping pattern), 및 편조 패턴(braided pattern) 중 하나 이상의 패턴을 포함할 수 있다.According to another embodiment, the predetermined output composition formed in the output unit is a straight pattern, a wave pattern, an alternating pattern, a coiling pattern, an overlapping pattern ), and one or more of a braided pattern.

도 3은 종래의 중심 토출구 노즐에 의해 형성된 직선형의 출력물로부터 벗어나서, 상대 속도 Vt/Vp에 따라 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐에 의해 형성된 구불구불한(meandering) 출력물들의 이미지이고, 도 4는 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐에 의해 형성된 출력물들이 공정 변수 조절을 통해 포함할 수 있는 다양한 패턴들의 이미지이다. 도 3을 참조하면, Vt/Vp가 증가함에 따라, 출력물의 형태가 저주파수 파동(low frequency wave) 형태에서 고주파수 파동(high frequency wave) 형태로 변화함을 확인할 수 있다.3 is an image of meandering outputs formed by an eccentric outlet nozzle according to one embodiment according to a relative speed V t /V p , away from a straight output formed by a conventional central outlet nozzle, and FIG. 4 Is an image of various patterns that the outputs formed by the eccentric outlet nozzle according to one embodiment may include through process parameter adjustment. Referring to FIG. 3, it can be seen that as V t /V p increases, the shape of the output changes from a low frequency wave form to a high frequency wave form.

구체적으로, Vt/Vp를 조절함에 따라, 예를 들어 하기와 같이 다양한 형상의 구불구불한 패턴을 나타낼 수 있으며, 각 패턴들의 형상은 도 4에 도시된다:Specifically, by adjusting V t /V p , it is possible to exhibit a serpentine pattern of various shapes, for example, as follows, and the shape of each pattern is shown in FIG. 4:

a) Vt/Vp=1.0인 경우, 웨이브 패턴(wavy pattern)을 나타낼 수 있고;a) When V t /V p =1.0, a wave pattern may be represented;

b) 1.0<Vt/Vp≤1.4인 경우, 교호 패턴(alternating pattern) 또는 코일링 패턴(coiling pattern)을 나타낼 수 있고;b) when 1.0<V t /V p ≤1.4, it may represent an alternating pattern or a coiling pattern;

c) 1.4<Vt/Vp≤1.6인 경우, 교호 패턴(alternating pattern), 코일링 패턴(coiling pattern), 또는 오버래핑 패턴(overlapping pattern)을 나타낼 수 있고;c) when 1.4<V t /V p ≤1.6, it may represent an alternating pattern, a coiling pattern, or an overlapping pattern;

d) 1.6<Vt/Vp≤2.0인 경우, 코일링 패턴(coiling pattern), 오버래핑 패턴(overlapping pattern), 또는 편조 패턴(braided pattern)을 나타낼 수 있으며,d) When 1.6<V t /V p ≤2.0, it may represent a coiling pattern, an overlapping pattern, or a braided pattern,

단, 이는 예시적인 것이며, 상기 Vt/Vp 범위에 따라 각 패턴들의 형상이 상기와 같이 한정되는 것은 아니다.However, this is exemplary, and the shape of each pattern is not limited as described above according to the V t /V p range.

Vt/Vp, 즉 상대 속도를 높게 설정하면, 프린팅 속도 대비 토출되는 3D 프린팅 소재의 양이 많아져서, 상기 3D 프린팅 소재가 표면, 예를 들어 출력물이 조성되는 출력부에 닿을 때 좌굴 불안정 상태(buckling instability)가 되며, 이에 따라 길이 방향으로의 압축 응력(longitudinal compressive stress)으로 인해 컬(curl) 모양을 갖는 컬링부가 형성된다. Vp가 감소할수록 Vt와의 차이는 증가하고, 3D 프린팅 소재는 동일 프린팅 이동거리 내에서 더 많이 누적되어, 구불거리는 정도가 더욱 증가하고, 주파수도 증가하여 웨이브 패턴에서 오버래핑 패턴으로 형태가 변한다.When V t /V p , that is, when the relative speed is set high, the amount of 3D printing material discharged compared to the printing speed increases, so that the buckling unstable state when the 3D printing material touches the surface, for example, the output part where the output material is formed It becomes (buckling instability), and accordingly, a curling portion having a curl shape is formed due to a longitudinal compressive stress. As V p decreases, the difference from V t increases, and the 3D printing material accumulates more within the same printing movement distance, the degree of twist increases, and the frequency also increases, changing the shape from a wave pattern to an overlapping pattern.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 출력부에 조성되는 소정의 출력물은 상기 3D 프린팅 소재가 2층 이상 적층되어 조성된 복층 구조일 수 있다. According to another embodiment, a predetermined output composition formed on the output unit may be a multi-layer structure formed by stacking two or more layers of the 3D printing material.

예를 들어, 상기 복층 구조는 i) 하나 이상의 컬링부를 포함하는 층만이 적층된 구조이거나, 또는 ii) 하나 이상의 컬링부를 포함하는 층 및 컬링부를 포함하지 않는 층이 무작위의 순서로 적층된 구조일 수 있다.For example, the multi-layer structure may be i) a structure in which only a layer including at least one curling part is stacked, or ii) a layer including at least one curling part and a layer not including curling parts are stacked in a random order. have.

여기서, 컬링부를 포함하는 층은 예를 들어, 웨이브 패턴, 교호 패턴, 코일링 패턴, 오버래핑 패턴, 또는 편조 패턴 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 컬링부를 포함하지 않는 층은 직선 패턴 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Here, the layer including the curling portion may include, for example, a wave pattern, an alternating pattern, a coiling pattern, an overlapping pattern, or a braided pattern, but is not limited thereto. In addition, the layer not including the curling portion may include a straight line pattern, but is not limited thereto.

예를 들어, 상기 복층 구조는 전술한 직선 패턴, 웨이브 패턴, 교호 패턴, 코일링 패턴, 오버래핑 패턴, 또는 편조 패턴 등을 포함한 여러가지 패턴들의 임의의 조합으로 이루어질 수 있다. 상기와 같이, 편심 토출구 노즐을 통해 복층 구조의 출력물을 출력할 경우, 종래의 중심 토출구 노즐을 사용한 경우와 비교하여, 출력물의 변형률을 현저히 향상시킬 수 있다.For example, the multi-layer structure may be formed of any combination of various patterns including the above-described straight line pattern, wave pattern, alternating pattern, coiling pattern, overlapping pattern, or braid pattern. As described above, when the output of the multi-layer structure is output through the eccentric discharge nozzle, the strain of the output can be significantly improved compared to the case of using a conventional central discharge nozzle.

하나의 구체적인 예에서, 상기 출력부는 종이, 목재, 금속, 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 소재로 이루어진 기재(substrate)를 포함할 수 있다.In one specific example, the output unit may include a substrate made of any one material selected from the group consisting of paper, wood, metal, polymer, and combinations thereof.

상기 3D 프린터는 상기 출력부를 상하 방향으로 변위시키는 구동부를 더 포함할 수 있다.The 3D printer may further include a driving unit that displaces the output unit in the vertical direction.

바람직하게는, 상기 구동부는 상하 방향 길이가 가변되어, 상기 출력부의 위치가 상하 방향으로 가변되도록 구성될 수 있다.Preferably, the length of the driving unit is variable in the vertical direction, so that the position of the output unit is variable in the vertical direction.

하나의 구체적인 예에서, 상기 3D 프린터는 퓨즈드 필라멘트 기법(fused filament fabrication) 또는 퓨즈드 증착 모델링(fused deposition modeling)을 적용한 방식일 수 있다.In one specific example, the 3D printer may be a method using fused filament fabrication or fused deposition modeling.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 3D 프린터용 노즐을 각각 포함하는 제1 노즐부 및 제2 노즐부; 상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부를 각각 사방으로 이동시키는 노즐 이동부; 및 상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부 아래에 배치되며, 상면에 상기 각각의 제1 노즐부 및 제2 노즐부의 3D 프린터용 노즐로부터 토출되는 3D 프린팅 소재가 각각 적층되어 소정의 출력물이 조성되는 출력부;를 포함하고, 상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부 중 하나 이상은 전술한 3D 프린터용 노즐을 포함하는, 4D 프린터가 제공된다.According to another aspect of the present invention, a first nozzle unit and a second nozzle unit each including a nozzle for a 3D printer; A nozzle moving part for moving the first nozzle part and the second nozzle part in all directions; And 3D printing materials disposed under the first nozzle part and the second nozzle part and discharged from the nozzles for 3D printers of the respective first nozzle part and the second nozzle part, respectively, are stacked on the upper surface to produce a predetermined output. And an output unit, wherein at least one of the first nozzle unit and the second nozzle unit includes a nozzle for the 3D printer described above.

즉, 전술한 바와 같이 편심 토출구를 포함하는 노즐을 포함하는 노즐부를 포함하면서, 추가로 노즐부를 포함할 경우, 두 개의 노즐부에서 각각 토출되는 3D 프린팅 소재가 소정의 적층 순서에 따라, 원하는 출력물을 조성하여, 이른바 4D 프린터를 구현할 수 있다.That is, as described above, while including a nozzle portion including a nozzle including an eccentric discharge port, and further including a nozzle portion, the 3D printing material discharged from the two nozzle portions, in accordance with a predetermined stacking order, the desired output By composition, a so-called 4D printer can be realized.

일 구현예에 있어서, i) 상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부 중 하나 이상은 중심 토출구를 포함하거나, ii) 상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부가 모두 편심 토출구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 노즐부는 중심 토출구를 포함하고, 제2 노즐부는 편심 토출구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 노즐부는 편심 토출구를 포함하고, 제2 노즐부는 중심 토출구를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부는 편심 토출구를 포함할 수 있다.In one embodiment, i) one or more of the first nozzle portion and the second nozzle portion may include a central outlet, or ii) both the first nozzle portion and the second nozzle portion may include an eccentric outlet. For example, the first nozzle portion may include a central discharge port, and the second nozzle portion may include an eccentric discharge port. For example, the first nozzle portion may include an eccentric outlet, and the second nozzle portion may include a central outlet. For example, the first nozzle portion and the second nozzle portion may include an eccentric discharge port.

예를 들어, 상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부는 상기 출력부에 평행한 평면 상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부는 상기 출력부에 평행하지 않은 평면 상에 위치할 수 있다.For example, the first nozzle portion and the second nozzle portion may be located on a plane parallel to the output portion. For example, the first nozzle portion and the second nozzle portion may be located on a plane that is not parallel to the output portion.

한편, 전술한 3D 프린터용 노즐 등을 제외한, 3D 프린터 또는 4D 프린터의 구조 및 그것의 제작 방법은 당업계에 공지되어 있으므로, 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.On the other hand, the structure of the 3D printer or the 4D printer, except for the nozzle for the 3D printer described above, and a method of manufacturing the same are known in the art, and thus detailed description thereof will be omitted.

이하에서는 실험을 통해 본 발명의 효과를 상세하게 설명한다.Hereinafter, the effects of the present invention will be described in detail through experiments.

실험예 1Experimental Example 1

각각 종래의 중심 토출구 노즐과 본 발명의 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐을 이용하여 출력물을 형성한 것을 제외하고는, 동일한 조건 하에서 출력물을 형성하여 인장 시편들을 제작한 후, 각각의 인장 시편에 대하여 인장 강도 테스트를 수행하였다. 상기 인장 강도 테스트를 통한 변형 결과를 나타낸 그래프를 도 5에 도시하였다.Except for forming the output using the conventional central outlet nozzle and the eccentric outlet nozzle according to an embodiment of the present invention, after forming the output under the same conditions to produce tensile specimens, for each tensile specimen Tensile strength tests were performed. A graph showing the results of deformation through the tensile strength test is shown in FIG. 5.

도 5를 참조하면, 중심 토출구 노즐을 이용하여 제작된 인장 시편과 비교하여, 편심 토출구 노즐을 이용하여 제작된 인장 시편의 경우, 제작 공정 변수 중 Vp를 고정하고, Vt를 변화시킴으로써, 상대 속도를 제어하여 다양한 형상의 패턴을 만들 수 있다. 특히, 직선 패턴과 비교하여, 코일링 패턴은 약 10 배 이상의 변형을 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 5, in comparison with a tensile specimen produced using a central discharge nozzle, in the case of a tensile specimen produced using an eccentric discharge nozzle, the relative pressure is obtained by fixing V p among the manufacturing process parameters and changing V t , By controlling the speed, patterns of various shapes can be made. In particular, compared to a straight line pattern, the coiling pattern may exhibit a strain of about 10 times or more.

실험예 2Experimental Example 2

종래의 중심 토출구 노즐을 이용하여, 2 개의 층을 직선 형태 만으로 적층한 복층 구조(이하, S-S 구조(이하에서, S는 Straight(직선)을 의미함), 중심 토출구 노즐을 이용하여 첫번째 층을 적층하고, 편심 토출구 노즐을 이용하여 두번째 층을 적층한 구조(이하, S-C 구조(이하에서, C는 Curly(곡선)을 의미함), 및 편심 토출구 만을 이용하여 2 개의 층을 적층한 구조(이하, C-C 구조)의 출력물들을 출력하였다. 상기 각각 S-S 구조, S-C 구조, 및 C-C 구조의 출력물들의 단면을 나타낸 이미지를 도 6에 도시하였다. 구체적으로, 도 6(a)는 S-S 구조를 도시하고, 도 6(b)는 S-C 구조를 도시하며, 도 6(c)는 C-C 구조를 도시한다.Multilayer structure (hereinafter, SS structure (hereinafter, S stands for Straight)) in which two layers are stacked in a straight line by using a conventional central outlet nozzle, and the first layer is laminated using a central outlet nozzle. Then, a second layer is laminated using an eccentric outlet nozzle (hereinafter, SC structure (hereinafter, C means Curly)), and a structure in which two layers are laminated using only an eccentric outlet (hereinafter, The outputs of the CC structure) are shown in Fig. 6. The images showing the cross sections of the outputs of the SS structure, the SC structure, and the CC structure are shown in Fig. 6. Specifically, Fig. 6(a) shows the SS structure, and 6(b) shows the SC structure, and FIG. 6(c) shows the CC structure.

상기 출력물들에 더하여, 중심 토출구 노즐에서 구현된 단층 구조(이하, S 구조)의 출력물 및 편심 토출구 노즐에서 구현된 단층 구조(이하, C 구조)의 출력물들에 대해, 인장 테스트를 수행하였다. 상기 인장 테스트 결과, 각각의 출력물들의 변형률을 측정한 그래프를 도 7에 도시하였다.In addition to the above outputs, a tensile test was performed on the outputs of the single-layer structure (hereinafter, S structure) implemented in the central outlet nozzle and the outputs of the single-layer structure (hereinafter, C structure) implemented in the eccentric outlet nozzle. As a result of the tensile test, a graph measuring strain of each output is shown in FIG. 7.

도 7을 참조하면, 중심 토출구 노즐에서 구현된 출력물 중, S 구조는 1.87%, S-S 구조는 2.42%의 변형률을 나타내었다. 반면, 편심 토출구 노즐에서 구현된 출력물 중 C 구조는 3.92%, C-C 구조는 3.94%의 변형률을 나타내었다. 즉, 편심 토출구 노즐에서 구현된 출력물의 경우, 단층 및 복층 구조 모두, 중심 토출구 노즐에서 구현된 출력물들과 비교하여, 높은 변형률을 나타냄을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7, among the outputs implemented in the central outlet nozzle, the S structure has a strain of 1.87% and the S-S structure has a strain rate of 2.42%. On the other hand, among the outputs implemented in the eccentric outlet nozzle, the C structure showed a strain of 3.92% and the C-C structure showed a strain of 3.94%. That is, in the case of the output material implemented in the eccentric outlet nozzle, it can be seen that both the single-layer and multi-layer structures exhibit a high strain, compared to the output materials implemented in the central outlet nozzle.

특히, S-C 구조의 경우, 변형률이 1.58%로 오히려 S 구조나 S-S 구조보다도 낮음을 확인할 수 있다.In particular, in the case of the S-C structure, it can be confirmed that the strain is 1.58%, which is lower than the S structure or the S-S structure.

실험예 3Experimental Example 3

적층 후 출력물들이 열에 반응할 수 있도록, 3D 프린팅 소재로 열가소성 소재인 폴리락트산(PLA)를 사용하여, 출력물들을 제조하였다. 열가소성 소재의 특성을 이용하여 PLA의 유리 전이 온도 이상에서 형상을 2배의 길이로 늘린 다음 변형된 형상을 유리 전이 온도 이하에서 고정시킨다. 이후 다시 유리 전이 온도 이상 노출시키면 변형된 형상이 원래의 형상으로 되돌아가려 하는데 이 때 소재나 구조적 특성에 따라 다른 변형을 유도할 수 있다. 도 8은 이러한 특성을 이용함에 있어 편심 토출구 노즐로 제작된 구불구불한 패턴의 효과를 보여주는 결과이다. 도 8(a) 및 도 8(b)은 편심 토출구 노즐에 의해 구현된 복층 구조의 출력물들에 대하여 변형을 가하여 변형 거동이 일어난 후의 결과를 나타낸 이미지이다. 도 8(a)에 따르면 첫 번째 층과 두 번째 층의 패턴이 모두 같은 S-S 조합의 경우 열이 100도에서 25도로 바뀌었을 때 상대적 변형 거동이 같기 때문에 거의 변화가 일어나지 않은 반면, 도 8(b)에서처럼 S-C 조합의 경우 직선과 구불구불한 선의 변형률의 차이로 인해 C의 변형이 훨씬 많이 일어나서 형상이 S층 방향으로 돌돌 말리는 결과를 가져오게 된다.After lamination, the prints were prepared using polylactic acid (PLA), a thermoplastic material, as a 3D printing material so that the prints could react to heat. Using the properties of the thermoplastic material, the shape is increased to twice the length above the glass transition temperature of PLA and then the deformed shape is fixed below the glass transition temperature. Subsequently, when the glass transition temperature is exposed again, the deformed shape tries to return to the original shape, and at this time, different deformities may be induced depending on the material or structural characteristics. 8 is a result showing the effect of the serpentine pattern produced by the eccentric outlet nozzle in using these characteristics. 8(a) and 8(b) are images showing the result after deformation behavior by applying deformation to the outputs of the multi-layer structure implemented by the eccentric outlet nozzle. According to FIG. 8(a), in the case of SS combinations in which the patterns of the first layer and the second layer are all the same, when the heat is changed from 100 to 25 degrees, the relative deformation behavior is the same, so little change occurs, whereas FIG. 8(b) As in ), due to the difference between the strain rate of the straight line and the serpentine line, in the case of the SC combination, the deformation of C occurs much more, resulting in the shape being curled in the direction of the S layer.

실험예 4Experimental Example 4

각각 종래의 중심 토출구 노즐과 본 발명의 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐을 이용하여 출력물을 형성한 것을 제외하고는, 동일한 조건 하에서 출력물을 형성하여 3차원 구조체를 구현하였으며, 각각의 3차원 구조체의 이미지를 도 9에 도시하였다. 구체적으로, 도 9(a)는 중심 토출구 노즐을 이용하여 출력한 3차원 구조체를 도시하고, 도 9(b)는 편심 토출구 노즐을 이용하여 출력한 3차원 구조체를 도시하였다.Each of the three-dimensional structures was implemented by forming an output under the same conditions, except that the outputs were formed using the conventional central outlet nozzle and the eccentric outlet nozzle according to one embodiment of the present invention. The image is shown in FIG. 9. Specifically, FIG. 9(a) shows a three-dimensional structure output using a central discharge nozzle, and FIG. 9(b) shows a three-dimensional structure output using an eccentric discharge nozzle.

도 9(a)를 참조하면, 종래의 중심 토출구 노즐을 이용하여 출력한 3차원 구조체는, 출력 시 프린팅 소재가 층간에 입력된 간격을 갖고 적층되기 때문에, 3차원 구조체는 상대적으로 균일한 표면 형상을 갖게 되어, 표면적이 크지 않다.Referring to FIG. 9(a), since a 3D structure output using a conventional central outlet nozzle is stacked with a gap inputted between layers during printing, the 3D structure has a relatively uniform surface shape. , And the surface area is not large.

반면 도 9(b)를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 편심 토출구 노즐을 이용하여 출력한 3차원 구조체는, 표면이 구불구불한 형상을 갖게 되어, 종래의 경우와 비교하여 보다 넓은 표면적을 가질 수 있다.On the other hand, referring to Figure 9 (b), the three-dimensional structure output by using the eccentric discharge nozzle according to an embodiment of the present invention, the surface has a serpentine shape, a larger surface area compared to the conventional case Can have

이상과 같은 3D 프린터용 노즐 및 이를 포함하는 3D 프린터의 경우, 토출구를 노즐의 중심에서 벗어난 편심으로 포함함으로써, 출력물의 적층 시 직선이 아닌 여러 형상의 곡선 형상의 선이 나타나도록 출력물의 표면적을 높이고, 변형률을 높일 수 있어서, 3차원 프린팅 소재의 변형 한계를 넘어서는 초물성 구조의 출력물을 구현하는 것이 가능하다. 특히, 기존의 물질 분사 3D 프린팅 시스템에서, 노즐 구조 만을 교체하는 것만으로도 하드웨어를 구성할 수 있고, 노즐 토출구의 위치 및 상대 속도 등과 같은 적층 조건을 조절함으로써, 출력물의 표면적 및 변형 한계를 증가시킬 수 있다. In the case of the nozzle for 3D printer as described above and a 3D printer including the same, by including the discharge port as an eccentricity away from the center of the nozzle, the surface area of the output is increased so that curved lines of various shapes appear instead of straight when stacking the output. , It is possible to increase the strain rate, so that it is possible to realize an output of a super-material structure that exceeds the deformation limit of a 3D printing material. In particular, in the conventional material injection 3D printing system, the hardware can be configured only by replacing the nozzle structure, and by controlling the lamination conditions such as the position and relative speed of the nozzle outlet, the surface area and deformation limit of the output can be increased. Can be.

Claims (20)

소정의 3D 프린팅 소재가 분사되는 3D 프린터용 노즐로서,
상기 노즐의 저면(bottom surface) 상에 배치되어, 상기 3D 프린팅 소재가 분사되는 토출구를 포함하고,
상기 토출구는 상기 노즐의 저면의 중심으로부터 편심(decentaration)되어 위치하도록 배치되는, 3D 프린터용 노즐을 포함하는 하나 이상의 노즐부;
상기 노즐부를 사방으로 이동시키는 노즐 이동부; 및
상기 노즐부 아래에 배치되며, 상면에 상기 노즐부의 3D 프린터용 노즐로부터 토출되는 3D 프린팅 소재가 적층되어 소정의 출력물이 조성되는 출력부;를 포함하고,
상기 소정의 출력물이 조성되기 위해 요구되는 프린팅 속도(printing speed, Vp)에 대한 상기 노즐로부터 상기 3D 프린팅 소재가 토출되는 속도(feeding speed, Vt)의 비(Vt/Vp)는 0.1 내지 10인, 3D 프린터.
As a nozzle for a 3D printer in which a predetermined 3D printing material is injected,
It is disposed on the bottom surface (bottom surface) of the nozzle, and includes an outlet through which the 3D printing material is injected,
The discharge port is arranged to be located eccentrically (decentaration) from the center of the bottom surface of the nozzle, at least one nozzle unit including a nozzle for a 3D printer;
A nozzle moving part that moves the nozzle part in all directions; And
It is disposed under the nozzle portion, the output portion is a 3D printing material is discharged from the nozzle for 3D printer nozzles on the upper surface is laminated to produce a predetermined output; includes,
The ratio (V t /V p ) of the printing speed (V t ) of the 3D printing material discharged from the nozzle to the printing speed (V p ) required to form the predetermined output is 0.1 To 10 people, 3D printer.
제1항에 있어서,
상기 토출구는 상기 노즐의 저면의 중심으로부터 반경 1 ㎛ 내지 100 cm 영역 내에 위치하도록 배치되는, 3D 프린터.
According to claim 1,
The discharge port is arranged to be positioned within a region of 1 μm to 100 cm in radius from the center of the bottom surface of the nozzle.
제1항에 있어서,
상기 토출구는 상기 3D 프린터용 노즐의 직경을 기준으로 10 내지 30% 범위의 직경을 갖는, 3D 프린터.
According to claim 1,
The discharge port has a diameter in the range of 10 to 30% based on the diameter of the nozzle for the 3D printer, 3D printer.
제1항에 있어서,
상기 토출구는 원형, 타원형 또는 다각형인, 3D 프린터.
According to claim 1,
The outlet is circular, oval or polygonal, 3D printer.
제1항에 있어서,
상기 노즐의 저면은 원형, 타원형 또는 다각형인, 3D 프린터.
According to claim 1,
The bottom surface of the nozzle is a circular, elliptical or polygonal, 3D printer.
제1항에 있어서,
상기 노즐 내부에 상기 3D 프린팅 소재가 통과하는 유로를 더 포함하고,
상기 유로는 상기 노즐의 저면 상에 배치된 토출구와 연결된, 3D 프린터.
According to claim 1,
The nozzle further includes a passage through which the 3D printing material passes,
The flow path is connected to the discharge port disposed on the bottom surface of the nozzle, a 3D printer.
제6항에 있어서,
상기 유로의 형태는 원통형, 회전축의 수직단면이 다각형인 통형 또는 다면체형인 것인, 3D 프린터.
The method of claim 6,
The shape of the flow path is cylindrical, the vertical cross-section of the axis of rotation is a cylindrical or polyhedron, 3D printer.
제6항에 있어서,
상기 유로는 상기 노즐의 저면을 직교하는 방향으로 토출구와 연결된, 3D 프린터.
The method of claim 6,
The passage is connected to the discharge port in a direction orthogonal to the bottom surface of the nozzle, a 3D printer.
제6항에 있어서,
상기 유로는 상기 노즐의 저면을 직교하지 않는 방향으로 토출구와 연결된, 3D 프린터.
The method of claim 6,
The passage is connected to the discharge port in a direction not perpendicular to the bottom surface of the nozzle, a 3D printer.
제6항에 있어서,
상기 유로는 하나 이상의 절곡부를 포함하거나, 또는 절곡부를 포함하지 않는, 3D 프린터.
The method of claim 6,
The flow path includes one or more bent parts, or a 3D printer.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 출력부에 조성되는 소정의 출력물은 적어도 하나 이상의 컬링부(curling area)를 포함하는, 3D 프린터.
According to claim 1,
The predetermined output composition formed on the output unit includes at least one curling area, a 3D printer.
제1항에 있어서,
상기 출력부에 조성되는 소정의 출력물은 직선 패턴(straight pattern), 웨이브 패턴(wavy pattern), 교호 패턴(alternating pattern), 코일링 패턴(coiling pattern), 오버래핑 패턴(overlapping pattern), 및 편조 패턴(braided pattern) 중 하나 이상의 패턴을 포함하는, 3D 프린터.
According to claim 1,
The predetermined outputs formed on the output unit include a straight pattern, a wave pattern, an alternating pattern, a coiling pattern, an overlapping pattern, and a braided pattern ( braided pattern), a 3D printer.
제1항에 있어서,
상기 출력부에 조성되는 소정의 출력물은 상기 3D 프린팅 소재가 2층 이상 적층되어 조성된 복층 구조인, 3D 프린터.
According to claim 1,
The 3D printer, which is a multi-layer structure formed by stacking two or more layers of the 3D printing material, is a predetermined output produced on the output unit.
제15항에 있어서,
상기 복층 구조는
i) 하나 이상의 컬링부를 포함하는 층만이 적층된 구조이거나, 또는
ii) 하나 이상의 컬링부를 포함하는 층 및 컬링부를 포함하지 않는 층이 무작위의 순서로 적층된 구조인, 3D 프린터.
The method of claim 15,
The multilayer structure
i) Only a layer comprising at least one curling part is a stacked structure, or
ii) A 3D printer in which a layer comprising at least one curling part and a layer not including a curling part are stacked in a random order.
제1항에 있어서,
상기 출력부를 상하 방향으로 변위시키는 구동부를 포함하는, 3D 프린터.
According to claim 1,
And a driving unit for displacing the output unit in the vertical direction.
제1항에 있어서,
퓨즈드 필라멘트 기법(fused filament fabrication) 또는 퓨즈드 증착 모델링(fused deposition modeling)을 적용한 방식인 3D 프린터.
According to claim 1,
3D printer, which is a method using fused filament fabrication or fused deposition modeling.
제1항에 있어서,
3D 프린터용 노즐을 각각 포함하는 제1 노즐부 및 제2 노즐부;
상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부를 각각 사방으로 이동시키는 노즐 이동부; 및
상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부 아래에 배치되며, 상면에 상기 각각의 제1 노즐부 및 제2 노즐부의 3D 프린터용 노즐로부터 토출되는 3D 프린팅 소재가 각각 적층되어 소정의 출력물이 조성되는 출력부;를 포함하고,
상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부 중 하나 이상은 상기 제1항에 정의된 3D 프린터용 노즐을 포함하는 노즐부인, 3D 프린터.
According to claim 1,
A first nozzle part and a second nozzle part each including a nozzle for a 3D printer;
A nozzle moving part for moving the first nozzle part and the second nozzle part in all directions; And
Outputs arranged under the first nozzle part and the second nozzle part, and 3D printing materials discharged from the nozzles for 3D printers of the respective first nozzle part and the second nozzle part are respectively stacked on the upper surface. Including;
At least one of the first nozzle unit and the second nozzle unit is a nozzle unit including the nozzle for the 3D printer defined in claim 1, 3D printer.
제19항에 있어서,
i) 상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부 중 하나 이상은 중심 토출구를 포함하거나,
ii) 상기 제1 노즐부 및 제2 노즐부가 모두 편심 토출구를 포함하는 3D 프린터.
The method of claim 19,
i) at least one of the first nozzle portion and the second nozzle portion includes a central discharge port,
ii) The first nozzle part and the second nozzle part all include an eccentric outlet 3D printer.
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