KR102167881B1 - 원료 압출 장치 및 이를 이용한 3d 프린터 - Google Patents

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Abstract

3차원 입체물을 제조하기 위하여 성형용 금형이 필요하고 고온 가열에 의해 용융 가능한 종래 원료인 필라멘트 대신 저온 가열에 의해 용융이 가능한 금속 분말 또는 세라믹 분말과 폴리머 분말의 혼합물을 원료로서 용융 압출하는 3D 프린터의 원료 압출 장치 및 이를 이용한 3D 프린터가 제공된다. 원료 압출 장치는 원료로서 금속 분말 또는 세라믹 분말과 폴리머 분말이 공급되는 호퍼; 상기 호퍼로부터의 상기 금속 분말 또는 상기 세라믹 분말과 상기 폴리머 분말를 혼합하여 혼합물을 생성하는 혼합실; 상기 혼합실을 둘러싸도록 형성되어 내장된 열선)에 의해 상기 혼합실을 가열하여 상기 혼합물을 용융하는 용융부; 상기 혼합실에 걸쳐 연장되도록 형성되고 상기 용융된 혼합물을 가압 이송하기 위한 스크류 축; 상기 스크류 축을 회전하는 모터; 및 상기 혼합실의 하단에 설치되어 상기 혼합실로부터 압출되는 혼합물을 외부로 토출하는 노즐을 포함한다.

Description

원료 압출 장치 및 이를 이용한 3D 프린터{Apparatus for extruding raw material and 3D printer using the same}
본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 입체물을 제조하기 위하여 금속 분말 또는 세라믹 분말과 폴리머 분말의 혼합물을 원료로서 용융 압출하는 원료 압출 장치 및 이를 이용한 3D 프린터에 관한 것이다.
빠르게 변화하는 시장의 경향만큼이나 제품의 개발 주기도 짧아지고 있다. 특정 제품의 개발 시간을 단축하기 위해 현재 3차원 임의 형상 제작 기술이 주목을 받고 있다.
청사진, 도면 등의 2차원 인쇄와 달리 입체물을 복제할 수 있는 3차원 프린팅 기술은 불과 수시간 정도의 짧은 시간에 제품의 모습을 그대로 제작해 낼 수 있어 산업 전반에 걸쳐 많은 변화를 가져올 것으로 기대되고 있다.
이러한 일을 가능케 하는 3차원 프린터는 물건을 찍어내는 실물 복제기로서, 물체를 3차원으로 설계해 컴퓨터 파일을 CAD 방식으로 만든 후, 프린터 노즐에서 액체형 플라스틱, 금속 파우더 등을 적층하여 설계 모양대로 만든다.
이러한 3D 프린터의 사용이 증대되고 있다. 이러한 3D 프린터의 제품성형방식은 광경화성 재료에 레이저 광선을 주사하여 광주사된 부분을 물체로 성형하는 방식, 성형 재료를 절삭하여 성형하는 방식, 열가소성 필라멘트를 용융하여 적층하는 방식(FDM 방식) 등이 있다. 이러한 방식 중에서 필라멘트를 용융하여 적층하는 방식의 3D 프린터가 다른 방식의 3D 프린터에 비해 생산 단가가 저렴한데, 이러한 이유로 인해 필라멘트를 이용하는 3D 프린터가 가정용, 공업용으로 대중화되고 있는 추세이다.
한편, 이러한 3D 프린터용 필라멘트는 열가소성 수지로 이루어지는데, 인체 및 환경에 무해한 PLA가 필라멘트 소재로 각광받고 있다. 그러나 인장강도가 낮은 단점 때문에 조형물이나 피규어 등 간단한 시제품 생산용으로만 사용되고 있다. 자동차부품 등 고강도 부품에 적용하기 위해서는 강도를 향상시킨 복합재료가 요구된다.
종래의 3D 프린터는 필라멘트를 용융시켜 3차원 입체물을 제조하는 기기로서, 히터 또는 고주파 유도가열을 이용하여 가열된 노즐에 공급된 필라멘트 형태의 열가소성 플라스틱 필라멘트 또는 금속합금 필라멘트를 녹여서 압출하고 바닥 판에 한 층씩 적층하여 3차원 조형물이 완성된다.
하지만, 종래 3D 프린터는 필라멘트 형태의 원료를 제조하여야 하므로, 고주파 전류를 유도 가열 코일에 공급하는 고주파 발생기를 노즐 몸체의 상단에 설치하여야 하고, 노즐을 1500℃ 내지 3000℃의 고온에서 가열하는 고주파 유도 가열 코일이 필요하고, 필라멘트 원료를 1500℃ 내지 3000℃에서 고온 가열하여 사출물을 성형하므로 가열후 냉각 공정을 수행할 냉각수 발생기와 같은 냉각 수단 및 사출물 성형용 금형이 필연적으로 추가되어야 하므로, 구조 및 제조 공정이 복잡해지는 단점이 있다.
특허 공개번호 제 10-1764058 호{등록일: 2017년 07월 26일}
본 발명은 3차원 입체물을 제조하기 위하여 성형용 금형이 필요하고 고온 가열에 의해 용융 가능한 종래 원료인 필라멘트 대신 저온 가열에 의해 용융이 가능한 금속 분말 또는 세라믹 분말과 폴리머 분말의 혼합물을 원료로서 용융 압출하는 3D 프린터의 원료 압출 장치 및 이를 이용한 3D 프린터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 3D 프린터의 원료 압출 장치는 원료로서 금속 분말 또는 세라믹 분말과 폴리머 분말이 공급되는 호퍼; 상기 호퍼로부터의 상기 금속 분말 또는 상기 세라믹 분말과 상기 폴리머 분말을 혼합하여 혼합물을 생성하는 혼합실; 상기 혼합실을 둘러싸도록 형성되어 내장된 열선에 의해 상기 혼합실을 가열하여 상기 혼합물을 용융하는 용융부; 상기 혼합실에 걸쳐 연장되도록 형성되고 상기 용융된 혼합물을 가압 이송하기 위한 스크류 축; 상기 스크류 축을 회전하는 모터; 및 상기 혼합실의 하단에 설치되어 상기 혼합실로부터 압출되는 혼합물을 외부로 토출하는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 금속 분말은 Sn계, Fe계, Ni계, Ti계 및 Al계로 구성되는 그룹에서 선택된 하나의 금속 분말 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있다. 상기 세라믹 분말은 지르코니아, 알루미나, 질화규소, 탄화규소, 사이알론 중 어느 하나일 수 있다.
상기 폴리머 분말은, 폴리테트라플루오로에틸렌, 퍼플루오로알콕시, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌, 폴리에텔에테르케톤, 폴리아미드이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리테트라 플루오로에틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 에틸렌 클로로트리플루오로에틸렌, 폴리벤조이미다졸, 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리디메틸실록산, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐알코올, 클로리네이티드 폴리비닐 클로라이드, 폴리스티렌, 스티렌아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴 부타디엔스티렌, 폴리락트산, 아크릴/스티렌/아크릴로니트릴 트리폴리머, 폴리술폰, 폴리우레탄, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리아라미드, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에스테르 엘라스토머, 에스테르 아크릴레이트, 비닐아세테이트, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리설퍼나이트라이드, 광경화성 수지, 에폭시, 및 하이드로겔로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 혼합실은 상기 호퍼로부터 상기 혼합물을 공급받고, 원통형으로 형성되어 하단으로 갈수록 깔때기 형상으로 점점 좁아지는 제1 혼합실; 및 상기 제1 혼합실에 연결되고, 상기 제1 혼합실의 단부와 동일한 직경의 원통형으로 형성되어 하단이 나머지 부위보다 좁은 제2 혼합실를 포함할 수 있다. 상기 용융부는 상기 열선에 의해 상기 혼합실를 150℃ 내지 300℃의 온도로 가열하는 연결 호스를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 원료 압출 장치는 원료로서 금속 분말 또는 세라믹 분말과 폴리머 분말이 공급되는 호퍼; 상기 호퍼로부터의 상기 금속 분말 또는 상기 세라믹 분말과 상기 폴리머 분말을 혼합하여 혼합물을 생성하는 혼합실; 상기 혼합실을 둘러싸도록 형성되어 내장된 열선에 의해 상기 혼합실을 가열하여 상기 혼합물을 용융하는 용융부; 상기 혼합실에 걸쳐 연장되도록 형성되고 상기 용융된 혼합물을 가압 이송하기 위한 스크류 축; 상기 스크류 축을 회전하는 모터; 및 상기 혼합실의 하단에 설치되어 상기 혼합실로부터 압출되는 혼합물을 외부로 토출하는 노즐을 포함하며, 상기 금속 분말은 Sn계, Fe계, Ni계, Ti계 및 Al계로 구성되는 그룹에서 선택된 하나의 금속 분말 또는 2종 이상의 혼합물이고, 상기 세라믹 분말은 지르코니아, 알루미나, 질화규소, 탄화규소, 사이알론 중 어느 하나이고, 상기 폴리머 분말은, 폴리테트라플루오로에틸렌, 퍼플루오로알콕시, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌, 폴리에텔에테르케톤, 폴리아미드이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리테트라 플루오로에틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 에틸렌 클로로트리플루오로에틸렌, 폴리벤조이미다졸, 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리디메틸실록산, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐알코올, 클로리네이티드 폴리비닐 클로라이드, 폴리스티렌, 스티렌아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴 부타디엔스티렌, 폴리락트산, 아크릴/스티렌/아크릴로니트릴 트리폴리머, 폴리술폰, 폴리우레탄, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리아라미드, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에스테르 엘라스토머, 에스테르 아크릴레이트, 비닐아세테이트, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리설퍼나이트라이드, 광경화성 수지, 에폭시, 및 하이드로겔로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 혼합실은 상기 호퍼로부터의 상기 혼합물을 공급받고, 원통형으로 형성되어 하단으로 갈수록 깔때기 형상으로 점점 좁아지는 제1 혼합실; 및 상기 제1 혼합실에 연결되고, 상기 제1 혼합실의 단부와 동일한 직경의 원통형으로 형성되어 하단이 나머지 부위보다 좁은 제2 혼합실을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 3D 프린터는 상기 원료 압출 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 프린터의 원료 압출 장치 및 이를 이용한 3D 프린터는 1500℃ 내지 3000℃의 고온 가열에 의해 용융 가능한 종래 원료인 필라멘트 대신 150℃ 내지 300℃의 저온 가열에 의해 용융이 가능한 금속 분말 또는 세라믹 분말과 폴리머 분말의 혼합물을 원료를 용융 압출하므로, 에너지 소모를 감소하고 성형용 금형이 불필요하므로 구조가 간단하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원료 압출 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 원료 압출 장치의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 원료 압출 장치의 평면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 원료 압출 장치 및 이를 이용한 3D 프린터를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원료 압출 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 원료 압출 장치의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 원료 압출 장치의 평면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 원료 압출 장치는 호퍼(100), 혼합실(200), 용융부(300), 스크류 축(400), 모터(500), 및 노즐(600)를 포함한다.
호퍼(100)는 원료로서 금속 분말 또는 세라믹 분말과 폴리머 분말이 공급된다.
상기 금속 분말은 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법에서 사용되는 원료분말로써, 상기 금속 분말은 Sn계, Fe계, Ni계, Ti계 및 Al계로 구성되는 그룹에서 선택된 하나의 금속 분말 또는 2종 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 Sn계는 Sn 또는 Sn 합금일 수 있고, 상기 Fe계는 Fe-Si, Fe-Al, Fe-Si-Al, Fe-Cr, Fe-Co, Fe-V, Fe-Co-V, Fe-Co-Cr-V일 수 있으며, 상기 Ni계는 Ni-Fe, Ni-Cr, Ni-Fe-Mo일 수 있다. 상기 세라믹 분말은 지르코니아, 알루미나, 질화규소, 탄화규소, 사이알론 중 어느 하나일 수 있다.
상기 폴리머 분말은, 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 퍼플루오로알콕시(perfluoroalkoxy), 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene), 폴리에텔에테르케톤(polyetherether ketone), 폴리아미드이미드(polyamide imide), 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole), 폴리테트라 플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene),폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene Sulfine), 에틸렌 클로로트리플루오로에틸렌(Ethylene-Chlorotrifluoroethylene; ECTFE), 폴리벤조이미다졸(benzimidazole), 폴리(메틸메타크릴레이트)(poly(methylmethacrylate); PMMA), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리비닐리덴플루오라이드(Polyvinylidene fluoride), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride; PVC), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 클로리네이티드 폴리비닐 클로라이드(chlorinated polyvinyl chloride;CPVC), 폴리스티렌(polystyrene; PS), 스티렌아크릴로니트릴(styreneacrylonitrile), 아크릴로니트릴 부타디엔스티렌(acrylonitrile butadiene styrene; ABS), 폴리락트산(polylactic acid; PLA), 아크릴/스티렌/아크릴로니트릴 트리폴리머(acryl styrene acrylonitrile tri polymer; ASA), 폴리술폰(polysulfone), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리아라미드(polyaramid), 폴리이미드(polyimide), 폴리에스테르(polyester), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에스테르 엘라스토머(polyester elastomer), 에스테르 아크릴레이트(esther acrylate), 비닐아세테이트(vinyl acetate), 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼나이트라이드(poly sulfur nitride), 광경화성 수지(photocurable resins), 에폭시(epoxies) 및 하이드로겔(hydrogels)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 혼합실(200)는 상기 호퍼(100)로부터 상기 금속 분말 또는 상기 세라믹 분말과 상기 폴리머 분말을 혼합하여 혼합물을 생성한다.
상기 혼합실(200)는 상기 호퍼(100)로부터 혼합물을 공급받고, 원통형으로 형성되어 하단으로 갈수록 깔때기 형상으로 점점 좁아지는 제1 혼합실(210); 및 상기 제1 혼합실(200)과 연결되고, 상기 제1 혼합실(210)의 단부와 동일한 직경의 원통형으로 형성되어 하단이 나머지 부위보다 좁은 제2 혼합실(220)를 포함할 수 있다.
용융부(300)는 상기 혼합실(200)를 둘러싸도록 형성되어 내장된 열선(310)에 의해 상기 혼합실(200)를 150℃ 내지 300℃의 온도로 가열하여 상기 혼합물을 용융하는 연결 호스를 포함한다.
스크류 축(400)은 상기 혼합실(200)에 걸쳐 연장되도록 형성되고 상기 용융된 혼합물을 가압 이송한다.
모터(500)는 상기 스크류 축(400)을 회전한다.
노즐(600)은 상기 혼합실(200)의 하단에 설치되어 상기 혼합실(200)로부터 압출되는 혼합물을 외부(프린터 헤드)로 토출한다.
상기 노즐(700)은 종래 3D 프린터에서 베드에 혼합물을 출력하는 최종단으로서 노즐 구멍 크기에 따라 출력량의 크기가 결정된다. 물론 모터 회전 수를 바꿔서 혼합분말의 가압 속도를 변경하여 출력량을 설정할 수 있지만 일차적으로 노즐 구멍에 의존된다.
한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 호퍼
200: 혼합실
210: 제1 혼합실
220: 제2 혼합실
300: 용융부
310: 열선
400: 스크류 축
500: 모터
600: 노즐

Claims (8)

  1. 원료로서 금속 분말 또는 세라믹 분말과 폴리머 분말이 공급되는 호퍼;
    상기 호퍼로부터의 상기 금속 분말 또는 상기 세라믹 분말과 상기 폴리머 분말을 혼합하여 혼합물을 생성하는 혼합실;
    상기 혼합실을 둘러싸도록 형성되어 내장된 열선에 의해 상기 혼합실을 가열하여 상기 혼합물을 용융하는 용융부;
    상기 혼합실에 걸쳐 연장되도록 형성되고 상기 용융된 혼합물을 가압 이송하기 위한 스크류 축;
    상기 스크류 축을 회전하는 모터; 및
    상기 혼합실의 하단에 설치되어 상기 혼합실로부터 압출되는 혼합물을 외부로 토출하는 노즐을 포함하며,
    상기 금속 분말은 Sn계, Fe계, Ni계, Ti계 및 Al계로 구성되는 그룹에서 선택된 하나의 금속 분말 또는 2종 이상의 혼합물을 포함하며,
    상기 세라믹 분말은 지르코니아, 알루미나, 질화규소, 탄화규소, 사이알론 중 어느 하나를 포함하며,
    상기 폴리머 분말은, 폴리테트라플루오로에틸렌, 퍼플루오로알콕시, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌, 폴리에텔에테르케톤, 폴리아미드이미드, 폴리벤즈이미다졸, 폴리테트라 플루오로에틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 에틸렌 클로로트리플루오로에틸렌, 폴리벤조이미다졸, 폴리(메틸메타크릴레이트), 폴리디메틸실록산, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐알코올, 클로리네이티드 폴리비닐 클로라이드, 폴리스티렌, 스티렌아크릴로니트릴, 아크릴로니트릴 부타디엔스티렌, 폴리락트산, 아크릴/스티렌/아크릴로니트릴 트리폴리머, 폴리술폰, 폴리우레탄, 폴리아세탈, 폴리아미드, 폴리아라미드, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에스테르 엘라스토머, 에스테르 아크릴레이트, 비닐아세테이트, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리설퍼나이트라이드, 광경화성 수지, 에폭시, 및 하이드로겔로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하며,
    상기 혼합실은
    상기 호퍼로부터 상기 혼합물을 공급받고, 원통형으로 형성되어 하단으로 갈수록 깔때기 형상으로 점점 좁아지는 제1 혼합실; 및
    상기 제1 혼합실에 연결되고, 상기 제1 혼합실의 단부와 동일한 직경의 원통형으로 형성되어 하단이 나머지 부위보다 좁은 제2 혼합실를 포함하며,
    상기 용융부는 상기 열선에 의해 상기 혼합실를 150℃ 내지 300℃의 온도로 가열하는 연결 호스를 포함하는 3D 프린터의 원료 압출 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1 항에 따른 상기 원료 압출 장치를 포함하는 3D 프린터.
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