KR102165179B1 - 연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템 - Google Patents

연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템은 필라멘트를 용융하여 압출하는 노즐, 상기 노즐에 상기 필라멘트를 공급하는 필라멘트 공급부, 상기 노즐에 공급되는 상기 필라멘트를 가열시켜 용융시키는 가열부, 상기 가열부 상부에 배치되며 상기 필라멘트 공급부의 하단부를 감싸도록 배치되며 내부에 냉매가 수용되는 냉각 챔버 및 상기 냉각 챔버로부터 배출된 냉매를 공급받아 열전소자에 의해 상기 냉매를 냉각시키는 냉각부를 포함하며, 상기 냉각부에 의해 냉각되는 냉매는 상기 냉각 챔버에 순환하여 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템{COOLING SYSTEM OF 3D PRINTER BEING CAPABLE OF PRINTING SOFT MATERIALS}
본 발명은 연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 필라멘트를 용융 압출하여 소정 형상의 입체물을 제작하는 3D 프린터용 노즐에 있어서 필라멘트를 용융시키기 위한 가열부에 의해 발생하는 열을 냉각시키는 연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템에 관한 것이다.
3D 프린터는 3D 모델링 프로그램 등을 이용하여 3차원 도면을 완성한 후에, 이를 기초로 실물의 입체 모양 그대로 제작하는 기계를 일컫는다. 3D으로 모델링된 형상을 플라스틱, 금속, 세라믹 등 각종 소재를 층층이 쌓아서 3D 형상을 제작하게 된다.
이와 같이 3D 프린터는 소재를 적층시키면서 형상을 제작하기 때문에, 중공 구조, 기존 방법으로 가공이 불가능했던 복잡한 구조물도 제작이 가능하며, 나아가 주형 없이 즉각적으로 3D 제품을 제작할 수가 있다는 장점이 있어서, 산업 분야 뿐만 아니라 일반 개인에게 있어서도 널리 사용되고 있다.
3D 프린터는 소재를 출력하는 방법에 따라서 다양한 방법이 알려져 있는데, 대표적으로 용융 적층식(FDM) 방법이 알려져 있다. 용융 적층식 방법은 열가소성 수지로 만들어진 필라멘트를 가열 장치에 의해 해당 수지를 용융시키는 온도로 가열된 노즐에 공급하여 사출시키며 노즐을 수평으로 이동시켜 층을 형성하고, 층이 형성되면 노즐을 수직 방향으로 승강시키거나 작업 테이블을 하강시키는 방법으로 다음 층을 형성하는 방법으로 3D 물체를 제작하게 된다.
도 1은 종래의 3D 프린터의 노즐부를 도시하는데, 3D 프린터의 동작을 보다 자세히 설명을 하면, 모터 마운트(22)에 장착된 모터(21)의 회전에 따라서 압출 기어(23)를 회전시켜 압출기어(23)와 롤러 사이에 밀착된 필라멘트(P)를 노즐(41)에 공급하게 된다. 이때, 노즐(41)로부터 분사되기 직전에 노즐(41) 상부에 형성되는 히팅 블록(40)에 의해 히팅 블록(40)에 공급된 필라멘트(P)를 프린팅에 적합한 점도가 될 때까지 용융시키게 된다. 용융된 필라멘트(P)는 아직 용융되지 못한 상부의 필라멘트(P)에 의해 밀려가면서 노즐(41)을 통해 토출하게 된다.
이때, 장시간 프린팅을 진행할 경우, 히팅 블록(40)의 열이 상부로 전달되어 히팅 블록(40) 상부에 위치하는 필라멘트(P)가 유리전이 온도까지 올라갈 수가 있다. 이와 같이 히팅 블록(40)의 열 전달에 의해 상부의 용융된 필라멘트(P)는 강성이 약해져 히팅 블록(40)에서 용융된 재료를 밀어내는 힘이 현저히 떨어지게 될 뿐만 아니라, 압출 기어(23)에서 좌굴 현상이 발생할 수가 있다.
이로 인해, 출력 불량이 발생할 수가 있고, 특히 부드러운 연질 소재의 필라멘트(P)를 사용하는 경우 이러한 현상이 더욱 크게 발생하여 소재를 출력할 수가 없게 된다.
이와 같이 히팅 블록(40)의 열전달에 의한 사전 용융을 방지하기 위해 도 1에 도시되어 있는 것과 같이 종래에는 필라멘트(P)를 공급하는 공급 채널에 히트 싱크(31)를 형성하고 소형 팬(30)의 바람으로 상부로 전달되는 열을 제거하는 방법을 사용하였는데, 이 방법은 기계적 강성을 가지며 유리전이 온도가 비교적 높은 PLA, ABS 등의 소재에는 적합하나, 유리전이 온도가 더 낮은 연질 소재에는 적합하지 않는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1712433호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 가열부 상부에 위치하는 냉각 챔버에 열전소자에 의해 냉각된 냉매를 열전소자에 의해 냉각시켜 순환 공급시키는 방법으로, 히팅 블록에서 발생하여 상부의 필라멘트 공급부로 전달되는 열을 냉각시켜, 유리전이 온도가 낮은 연질 소재의 필라멘트에 대해서도 원활하게 프린팅을 수행할 수 있도록 하는 연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 필라멘트를 용융하여 압출하는 노즐; 상기 노즐에 상기 필라멘트를 공급하는 필라멘트 공급부; 상기 노즐에 공급되는 상기 필라멘트를 가열시켜 용융시키는 가열부; 상기 가열부 상부에 배치되며 상기 필라멘트 공급부의 하단부를 감싸도록 배치되며 내부에 냉매가 수용되는 냉각 챔버; 및 상기 냉각 챔버로부터 배출된 냉매를 공급받아 열전소자에 의해 상기 냉매를 냉각시키는 냉각부를 포함하며, 상기 냉각부에 의해 냉각되는 냉매는 상기 냉각 챔버에 순환하여 공급되는 연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템에 의해 달성될 수가 있다.
여기서, 상기 냉각부로부터 냉각된 냉매를 공급받아 상기 냉각 챔버로 공급하는 냉각수 공급부를 더 포함할 수가 있다.
여기서, 상기 냉각부는 냉각 챔버로부터 배출된 냉매를 냉각시키는 라디에이터를 더 포함하고, 상기 라디에이터를 통과한 냉매는 상기 열전소자에 의해 다시 냉각될 수가 있다.
여기서, 상기 노즐의 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함할 수가 있다.
여기서, 상기 온도 센서로부터 측정된 온도에 따라서 상기 냉각 챔버에 의한 냉각 온도를 조절시키는 냉각 온도 조절부를 더 포함할 수가 있다.
여기서, 상기 냉각 온도 조절부는 상기 열전 소자에 인가되는 전류를 제어하여 상기 냉매의 냉각 온도를 제어할 수가 있다.
여기서, 상기 냉각 온도 조절부는 상기 냉각 챔버로 공급되는 냉매의 유량을 제어할 수가 있다.
여기서, 상기 냉각 챔버로 냉매를 공급하는 배관에 형성되며 상기 냉각 온도 조절부에 의해 개폐량이 제어되는 밸브를 더 포함할 수가 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템에 따르면 히팅 블록 상부에 위치하는 냉각 챔버에 열전소자로 냉각된 냉매를 순환 공급시켜 히팅 블록으로부터 노즐 상부로 전달되는 열을 냉각시켜 상부에서 열전달로 인한 필라멘트가 미리 용융되지 않고 제 형태를 유지할 수 있어서, 필라멘트를 원활하게 프린팅할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 온도 센서와 냉각 온도 조절부에 의해 냉각 상태 또는 필라멘트의 소재에 따라서 냉각 온도를 제어하여 프린팅에 적합한 온도를 유지시킬 수가 있다는 장점도 있다.
또한, 기존의 공랭식 방법에 필요한 히트 싱크를 제거할 수가 있어서 압출 기어와 히트 싱크 사이의 길이를 줄여 필라멘트가 좌굴되어 출력이 안되는 현상을 제거할 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 종래의 3D 프린터의 노즐부를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 노즐부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 방열시스템을 도시하는 도면이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 삼차원 프린터의 방열 시스템을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린팅 장치의 노즐부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 방열시스템을 도시하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템은 노즐(410), 필라멘트 공급부, 가열부(400), 냉각 챔버(500), 및 냉각부(600, 610)를 포함하여 구성될 수가 있다. 또한, 냉각수 공급부(630)를 더 포함할 수가 있다. 또한, 온도 센서(미도시)를 더 포함할 수가 있다. 나아가, 냉각 온도 조절부(640)를 더 포함할 수가 있다.
필라멘트 공급부는 노즐(410)의 상부에 설치되어 노즐(410) 내부로 프린팅 소재를 공급하는데, 프린팅 소재는 필라멘트 형태로 이루어진 열가소성 물질일 수가 있다. 필라멘트(P)는 3D 프린터의 일측에 설치되는 릴(미도시)에 감겨 제공되는데, 모터 마운트(220)에 장착된 모터(210)의 회전에 따라 회전하는 한 쌍의 압출 기어(230) 사이에 필라멘트(P)가 제공되어 한 쌍의 압출 기어(230)의 회전에 따라서 아래의 노즐(410)로 필라멘트(P)를 공급하게 된다.
본 실시예에서는 필라멘트(P)의 양측을 지지하는 듀얼 압출 기어(230)를 사용함에 따라서 연질의 필라멘트(P)에 대해서도 보다 안정적으로 아래의 노즐(410)로 필라멘트(P)를 공급시킬 수가 있다.
또한, 도시되어 있지 않지만, 압출 기어(230)의 아래에는 필라멘트(P)의 이동을 가이드하는 채널 형태의 가이드부(미도시)가 형성될 수가 있다.
노즐(410)은 필라멘트 공급부의 아래에 형성되어 필라멘트 공급부로부터 공급되는 필라멘트(P)를 용융 온도까지 가열시켜 용융시키고 상부의 용융되지 않는 필라멘트(P)의 힘으로 작업 베드(미도시)를 향하여 필라멘트(P) 소재를 토출시키게 된다. 이때, 노즐(410)의 상부에는 필라멘트(P)를 용융시키는 온도로 가열시키는 가열부(400)가 형성될 수가 있다.
가열부(400)는 노즐(410)의 상부에 형성되어 필라멘트 공급부로부터 공급되는 필라멘트를 가열시켜 용융시킨다. 이때, 가열부(400)는 전기에 의해 순간적으로 고온으로 가열시킬 수 있는 히터(미도시)와 히터에서 발생한 고온의 열을 노즐(410)에 전달해주는 히팅 블록(400)으로 구성될 수가 있다. 따라서, 가열부(400)에 의해 노즐(410)은 고온으로 가열되고 노즐(410)을 통해 전달된 열에 의해 노즐(410) 내부로 공급되는 필라멘트(P)를 용융시킬 수가 있다.
필라멘트 공급부, 노즐(410), 가열부(400)를 포함하는 전체 노즐부는 도시되지 않은 이송 기구에 장착되어 필라멘트(P)가 적층되는 작업 베드 상에서 X축, Y축 상으로 이동하며 프린팅을 수행할 수가 있다. 나아가, 작업 베드가 Z축 방향으로 위치가 고정되는 경우에는 삼차원 형상으로 적층시킬 수 있도록 노즐부는 Z축 방향으로도 이송 기구에 의해 이동 가능하도록 제작될 수가 있다.
이와 같이 상부의 필라멘트 공급부에 의해 노즐(410)로 공급되는 필라멘트(P)는 가열부(400)에 의해 용융점 이상의 온도로 가열되어 용융되고 노즐(410) 상부의 용융되지 않는 필라멘트(P)의 힘으로 노즐(410)을 통해 아래로 토출될 수가 있다. 이때, 전술한 바와 같이 가열부(400)에 의한 열이 상부의 모터(210) 및 압출 기어(230)로 전달이 되면 노즐 상부에서 미리 필라멘트(P)의 용융이 발생하여 전술한 바와 같이 필라멘트(P)가 좌굴되어 프린팅이 안되거나 프린팅에 불량이 발생하는 문제가 발생할 수가 있다. 이하, 가열부(400)에서 발생하는 열이 상부로 전달되지 않도록 방열시키는 구조에 관하여 자세히 설명하기로 한다.
냉각 챔버(500)는 가열부(400) 상부에 배치되며 필라멘트 공급부의 하단부를 감싸도록 배치되며 내부에 냉매가 수용된다. 따라서, 냉각 챔버(500) 내부에 수용되는 냉매에 의해 가열부(400)에서 상부의 필라멘트 공급부를 향하여 전달되는 열을 냉각시킬 수가 있다.
이때, 본 발명에서는 냉각 챔버(500) 내에 수용되는 냉매는 순환하여 다시 냉각 챔버(500)에 공급될 수가 있다.
냉각 챔버(500)의 일측에는 냉각 챔버(500) 내에 수용된 냉매가 배출되는 배출구가 형성되고, 배출구로부터 배출된 냉매는 배관(620)을 통해 냉각부(600, 610)로 전달된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각부(610)는 열전소자(미도시)에 의해 냉각 챔버(500)로부터 배출된 냉매를 냉각시킬 수가 있다. 열전소자는 전기를 가하면 일측은 고온으로 온도가 올라가고 반대쪽 다른 일측은 저온으로 온도가 내려가는 전기 소자이다. 온도가 내려가는 일측을 통해 냉매를 접촉시켜 냉매를 냉각시키고 다른 일측에서 발생하는 고온의 열은 외부로 방출시키도록 하여 냉매를 냉각시킬 수가 있다. 이와 같이 냉각부(610)를 구성하는 열전소자에 의해 냉각된 냉매를 다시 냉각 챔버(500)로 공급시킴으로써 냉매의 순환에 의해 가열부(400) 상부로 전달되는 냉매를 더욱 효과적으로 냉각시킬 수가 있다.
이때, 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 열전소자에 의한 냉각부(610) 전단부에 라디에이터에 의한 냉각부(600)를 더 포함할 수가 있다. 열전소자에 의한 냉각부(610) 전단에서 라디에이터에 의한 냉각부(600)에 의해 미리 냉각을 수행하도록 함으로써 열전소자에 인가되는 전기 소모를 줄이고 냉각 속도를 증가시킬 수 있기 때문에 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수가 있다.
또한, 냉각부(600, 610)와 냉각 챔버(500) 사이에는 냉각부(600, 610)로부터 냉각된 냉매를 공급받아 냉각 챔버(500)로 공급하는 냉각수 공급부(630)를 더 포함할 수가 있다. 냉각수 공급부(630)는 냉각부(600, 610)에 의해 냉각된 냉매를 저장하며 후술하는 냉각 온도 조절부(640)에 의해 제어되어 냉매를 냉각 챔버(500)로 공급하게 된다.
노즐(410)에는 노즐(410)의 온도를 측정하는 온도 센서(미도시)가 배치될 수가 있는데, 냉각 온도 조절부(640)는 온도 센서로부터 측정된 온도를 전달 받아 측정된 노즐(410)의 온도에 따라서 냉각 챔버(500)에 의한 냉각 온도를 조절시키게 된다. 이때, 냉각 온도 조절부(640)는 냉매의 온도를 제어하거나 냉각 챔버(500)에 공급하는 냉매의 유량을 제어하여 냉각 온도를 제어할 수가 있다.
일 예로, 노즐(410)의 온도가 기준 온도보다 높은 경우에는 냉각 온도 조절부(640)는 열전소자에 인가되는 전류 공급량을 증가시켜 냉매의 냉각 온도를 더욱 낮추도록 제어하여 노즐(410)의 냉각 온도를 낮출 수가 있고, 반대로 노즐(410)의 온도가 기준 온도보다 낮은 경우에는 냉각 온도 조절부(640)는 열전소자에 인가되는 전류 공급량을 낮추어서 불필요한 전류의 소비를 줄이도록 제어할 수가 있다. 이와 같이, 온도 센서의 측정값에 따라서 냉매의 온도를 더욱 정밀하게 제어할 수가 있다.
또한, 냉각수 공급부(630)와 냉각 챔버(500) 사이의 배관(620)에 전기적으로 개폐의 정도가 제어되는 밸브(650)를 형성하여, 냉각 온도 조절부(640)에 의해 밸브(650)의 개폐량을 제어하는 방법으로 냉각 챔버(500)에 공급되는 냉매의 유량을 제어하여 냉각 온도를 제어할 수가 있다.
나아가, 필라멘트 공급부로부터 공급되는 필라멘트(P)의 종류에 따라서 용융 온도가 달라질 수가 있고, 따라서 이에 따른 냉각 온도도 달라질 수가 있다. 냉각 온도 조절부(640)는 필라멘트(P)의 종류에 따라서 전술한 바와 같이 열전소자에 인가되는 전류의 양을 제어하거나 냉각수 공급부(630)에서 냉각 챔버(500)로 공급되는 냉매의 유량을 제어하여 냉각 온도를 제어할 수가 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
P: 필라멘트
21: 모터
22: 모터 마운트
23: 압출 기어
30: 팬
31: 히트 싱크
40: 히팅 블록
41: 노즐
210: 모터
220: 모터 마운트
230: 압출 기어
400: 가열부, 히팅 블록
410: 노즐
500: 냉각 챔버
600: 라디에이터에 의한 냉각부
610: 열전소자에 의한 냉각부
620: 배관
630: 냉각수 공급부
640: 냉각 온도 조절부
650: 밸브

Claims (8)

  1. 필라멘트를 용융하여 압출하는 노즐;
    상기 노즐에 상기 필라멘트를 공급하는 필라멘트 공급부;
    상기 노즐에 공급되는 상기 필라멘트를 가열시켜 용융시키는 가열부;
    상기 가열부 상부에 배치되며 상기 필라멘트 공급부의 하단부를 감싸도록 배치되며 내부에 냉매가 수용되는 냉각 챔버;
    냉각 챔버로부터 배출된 냉매를 냉각시키는 라디에이터 및 상기 라디에이터로부터 냉각된 냉매를 공급받아 상기 냉매를 다시 냉각시키는 열전소자를 포함하는 냉각부;
    상기 노즐의 온도를 측정하는 온도 센서; 및
    상기 온도 센서로부터 측정된 온도에 따라서 상기 냉각 챔버에 의한 냉각 온도를 조절시키는 냉각 온도 조절부를 포함하며,
    상기 냉각 온도 조절부는 상기 열전 소자에 인가되는 전류를 제어하여 상기 냉매의 냉각 온도를 제어하고,
    상기 냉각부에 의해 냉각되는 냉매는 상기 냉각 챔버에 순환하여 공급되는 연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각부로부터 냉각된 냉매를 공급받아 상기 냉각 챔버로 공급하는 냉각수 공급부를 더 포함하는 연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 온도 조절부는 상기 냉각 챔버로 공급되는 냉매의 유량을 제어하는 연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 냉각 챔버로 냉매를 공급하는 배관에 형성되며 상기 냉각 온도 조절부에 의해 개폐량이 제어되는 밸브를 더 포함하는 연질 소재 프린팅이 가능한 삼차원 프린터의 방열 시스템.
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