KR102196692B1 - ３ｄ 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치 - Google Patents

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주식회사신도리코
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Abstract

본 발명은 필라멘트 이송 경로, 이송 롤러 및 이송 모터가 설치된 본체; 상기 본체로부터 이송된 필라멘트를 용융시켜 배출하는 노즐을 구비한 핫 엔드부; 및 상기 본체 또는 상기 핫 엔드부의 하부에 설치되고, 상기 노즐 주변을 둘러싸도록 배치되어 상기 노즐로부터 배출되는 출력물을 냉각시키는 냉각 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치에 관한 것으로서, 출력물의 양호한 냉각이 가능하여 양호한 출력물 품질을 얻을 수 있다.

Description

３Ｄ 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치{Cooling apparatus of nozzle assembly for 3D printer}
본 발명은 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 노즐로부터 출력되는 출력물을 효과적으로 냉각시킬 수 있는 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치에 관한 것이다.
3D 프린터는 재료의 연속적인 레이어를 2차원 프린터와 같이 출력하여 이를 적층함으로써 대상물을 만드는 제조 장치로서, 디지털화된 도면 정보를 바탕으로 빠르게 대상물을 제작할 수 있어서 프로토타입 샘플 제작 등에 주로 사용된다.
3D 프린터의 제품 성형방식은 광경화성 레진에 레이저 광선을 주사하여 광주사된 부분을 물체로 성형하는 광경화성 레진 조형 방식(SLA; Stereo Lithography Apparatus), 빛에 반응하는 아크릴이나 에폭시 계열의 광경화성 수지(Photocurable resin)가 들어있는 수조(Vat)에 레이저(Laser) 빔을 주사해 원하는 모델을 조형하는 선택적 레이저 용융 방식(SLM; Selective laser melting) 및 열가소성 필라멘트를 용융하여 적층하는 압출 적층 방식(FDM; Fused Deposition Modeling) 등이 있다.
이러한 3D 프린터의 성형 방식 중에서 열가소성 필라멘트를 용융하여 적층하는 압출 적층 방식(FDM)의 3D 프린터는 필라멘트를 이송 및 배출하기 위해 이송 경로, 이송 롤러 및 이송 모터 등이 구비된 본체를 포함하고, 이 본체의 하류측에는 필라멘트를 용융시켜 배출하는 핫 엔드부가 구비되며, 본체와 핫 엔드부를 합쳐서 노즐 조립체라 부른다.
여기서, 핫 엔드부는 일반적으로 방열 부재, 베럴 및 노즐을 포함하고, 일측에는 냉각팬이 구비될 수 있다. 또한, 핫 엔드부는 유지 보수를 위해 본체로부터 착탈 가능하게 구성된다.
도 1은 종래의 FDM 방식의 3D 프린터의 노즐 조립체를 도시한 도면이고, 도 2는 노즐 조립체의 본체와 핫 엔드부가 분리된 상태를 도시한 도면이며, 도 3은 핫 엔드부의 노즐 외부에 설치된 팬 덕트를 도시한 도면이다.
종래 3D 프린터의 노즐 조립체는 핫 엔드부(20)가 본체(10)로부터 수직방향으로 착탈되도록 구성된다. 구체적으로, 본체(10)의 저면 외측에는 핫 엔드부(20)와 결합되는 후크(11)가 구비되고, 핫 엔드부(20)의 상면 외측에는 본체(10)의 후크(11)가 결합될 수 있는 결합 홈(21)이 구비된다. 또한, 핫 엔드부(20)는 하부 중심에 노즐(22)이 구비되고, 이 노즐의 주변에 냉각팬을 구비한 팬 덕트(23)가 설치된다.
이러한 구조의 노즐 조립체의 경우, 노즐(22)과 팬 덕트(23) 사이가 개방된 형태로 되어 있어, 냉각팬의 출력에 비해 노즐 및 출력물의 실제 냉각 효율이 양호하지 않다는 문제점이 있다. 이러한 출력물 냉각 효율 저하는 출력물의 품질 저하로 이어질 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 출력물의 양호한 냉각이 가능하여 양호한 출력물 품질을 얻을 수 있는 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 필라멘트 이송 경로, 이송 롤러 및 이송 모터가 설치된 본체; 상기 본체로부터 이송된 필라멘트를 용융시켜 배출하는 노즐을 구비한 핫 엔드부; 및 상기 본체 또는 상기 핫 엔드부의 하부에 설치되고, 상기 노즐 주변을 둘러싸도록 배치되어 상기 노즐로부터 배출되는 출력물을 냉각시키는 냉각 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 냉각 수단은 냉각 팬 및 상기 냉각 팬을 수용하는 팬 덕트를 포함하고, 상기 팬 덕트는 상기 냉각 팬 수용부 및 상기 노즐 둘레에 배치되는 송풍부를 포함하고, 상기 송풍부는 원형 또는 U자형 형태로 이루어지고, 상기 노즐이 중심에 배치되도록 상면 및 저면이 개방된 형태를 가지며, 상기 노즐을 향하여 개방되어 있는 원형 또는 유선형의 송풍구를 구비한 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 팬 덕트는 판형의 하부 하우징 및 상기 하부 하우징의 상부에 결합되는 상부 하우징을 포함하고, 상기 상부 하우징은 내부에 상기 냉각 팬이 수용되고 송풍 유로가 형성되도록 소정의 공간을 구비하며, 상기 송풍구는 상기 상부 하우징과 상기 하부 하우징 사이의 소정의 틈으로 형성되어, 상기 노즐을 둘러싸도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 송풍부는 상기 냉각 팬으로부터 멀어질수록 단면적이 감소되는 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 송풍부의 영역에서, 상기 상부 하우징은 일단이 상기 하부 하우징의 외측단과 결합되어 수직 상방으로 연장된 외벽 및 상기 외벽의 상단으로부터 벤딩되어 하방으로 경사지게 연장된 내벽을 구비하며, 상기 상부 하우징과 하부 하우징은 각각 서로 나란하게 일정간격 이격되어 수평방향으로 연장된 플랜지 형태의 내측 단부를 구비하고, 상기 상부 하우징과 하부 하우징의 내측 단부들 사이의 개방된 공간에 의해 상기 송풍구가 형성되는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 하부 하우징의 내측 단부에는 내주면을 따라 서로 일정간격 이격되고 상방으로 돌출된 복수의 돌기들을 구비하고, 상기 돌기들은 상기 상부 하우징의 내측 단부와 접촉하여 상기 상부 하우징과 하부 하우징의 내측 단부들 사이의 간격을 유지하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 상부 하우징과 하부 하우징의 내측 단부들 사이에는 원형 또는 U자형의 열차단 부재가 구비되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 상부 하우징 및 하부 하우징은 상기 냉각 팬으로부터 송풍되는 바람이 상기 송풍구를 향하여 고르게 송풍되도록 원형 또는 U자형의 가이드 벽을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치는 종래 구조의 팬 덕트에 비해 양호한 평균 유속 및 낮은 온도 분포를 갖고, U자형 팬 덕트의 경우, 가장 낮은 최고 온도 분포를 갖기 때문에, 고온의 출력물을 더욱 균일하고 효과적으로 냉각시킬 수 있어 출력물의 양호한 품질을 유지할 수 있다.
도 1은 종래의 FDM 방식의 3D 프린터의 노즐 조립체를 도시한 도면,
도 2는 노즐 조립체의 본체와 핫 엔드부가 분리된 상태를 도시한 도면,
도 3은 핫 엔드부의 노즐 외부에 설치된 팬 덕트를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치 및 이를 구비한 노즐 조립체를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치를 도시한 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치를 도시한 분해 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치의 하부 하우징 및 송풍 유체의 흐름을 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치의 일부를 절개하여 도시한 사시도,
도 9는 본 발명에 따른 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치의 다른 형태를 도시한 사시도,
도 10은 팬 덕트와 노즐 주변의 냉각 유체(송풍되는 바람)의 속도 분포 및 평균 유속을 나타낸 유동 해석 결과를 나타낸 도면,
도 11은 팬 덕트와 노즐 주변의 온도 분포를 나타낸 유동 해석 결과를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 참고로, 아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 4와 5를 참조하면, 본 발명에 따른 3D 프린터의 노즐 조립체는 필라멘트 이송 경로, 이송 롤러 및 이송 모터가 설치된 본체(100), 본체(100)로부터 이송된 필라멘트를 용융시켜 배출하는 노즐(210)을 구비한 핫 엔드부(200) 및 핫 엔드부(200)의 노즐(210)로부터 배출되는 출력물을 냉각시키는 냉각 수단(300)을 포함한다.
핫 엔드부(200)는 본체(100)와 착탈 가능하게 구성된다. 구체적으로, 핫 엔드부(200)는 상부에 방열 부재(220)를 구비하고, 하부에는 수직방향으로 연장된 노즐(210)을 구비한다. 그리고, 핫 엔드부(200)의 중심부의 양측면에는 본체(100)와 결합되는 후크 부재(230)가 형성된다.
또한, 본체(100)는 핫 엔드부(200)와 대면하는 전면에 핫 엔드부(200)의 후크 부재(230)와 결합되는 결합 부재(110)를 포함하며, 핫 엔드부(200)의 후크 부재(230)와 본체(100)의 결합 부재(110)는 핫 엔드부(200)와 본체(100)가 착탈될 수 있도록 서로 결합 및 해제된다.
냉각 수단(300)은 본체(100) 또는 핫 엔드부(200)의 하부에 설치되고, 노즐(210) 주변을 둘러싸도록 배치되어 노즐(210)로부터 배출되는 출력물을 냉각시킴으로써 출력물의 품질을 유지하는 역할을 한다.
여기서, 냉각 수단(300)은 냉각 팬(310) 및 냉각 팬(310)을 수용하는 팬 덕트(320)를 포함한다. 팬 덕트(320)는 냉각 팬(310)을 수용하는 냉각 팬 수용부(321)와 노즐(210) 둘레에 배치되어 냉각 팬(310)으로부터 송풍되는 공기를 노즐(210) 측으로 공급하는 송풍부(322)를 포함한다.
먼저, 냉각 팬 수용부(321)는 냉각 수단(300)의 후방 측에 마련되고, 중심에는 냉각 팬(310)의 원형 중공부(311)가 끼워질 수 있는 원형 홈(321a)을 구비한다. 송풍부(322)는 냉각 팬 수용부(321)의 전방 측에 냉각 팬 수용부(321)와 일체의 부재로 형성되고, 노즐(210)을 둘러싸도록 원형 또는 U자형 형태로 이루어진다. 도 5와 6에는 U자형의 송풍부가 도시되어 있고, 도 9에는 원형의 송풍부가 도시되어 있다.
구체적으로, 송풍부(322)는 노즐(210)이 중심에 배치되도록 상면 및 저면이 개방된 형태를 가지며, 노즐(210)을 향하여 개방되어 있는 원형 또는 유선형의 송풍구(323)를 구비한다. 즉, 송풍구(323)는 노즐(210)의 주변을 따라 원형 또는 U자형으로 배치된다.
도 6 내지 8을 참조하면, 팬 덕트(320)는 판형의 하부 하우징(320B)과 하부 하우징(320B)의 상부에 결합되는 상부 하우징(320A)을 포함한다. 여기서, 상부 하우징(320A)은 내부에 냉각 팬(310)이 수용되고 송풍 유로가 형성되도록 소정의 공간을 구비하며, 상면에는 본체(100)와의 결합을 위한 브라켓(340)이 구비된다.
또한, 송풍구(323)는 상부 하우징(320A)과 하부 하우징(320B) 사이의 소정의 틈으로 형성된다. 즉, 송풍구(323)는 노즐(210)이 배치되는 송풍부(322)의 중심 저면 측에서 노즐(210)을 둘러싸도록 배치된다.
바람직하게는, 팬 덕트(320)의 송풍부(322)는 냉각 팬(310)으로부터 멀어질수록 단면적이 감소되는 형상을 갖는다. 도 7에 도시된 것처럼, U자형 송풍부(322)는 냉각 팬 수용부(321)로부터 송풍부(322)의 두 갈래로 갈라진 단부를 향하여 그 단면적이 감소하는 형상을 갖는다. 이러한 송풍부(322)의 단면적 감소 구조는 냉각 팬(310)으로부터 멀어질수록 유량 및 유속이 감소하는 것을 방지하여 노즐(210) 주변에 균일하게 공기가 송풍될 수 있도록 함으로써, 출력물이 전체적으로 균일하게 냉각될 수 있게 하기 위한 것이다. 물론 도 9에 도시된 원형의 송풍부(322')도 마찬가지로, 냉각 팬(310)으로부터 멀어질수록 단면적이 감소하는 형상을 갖는다.
도 8을 참조하면, 팬 덕트(320)의 송풍부(322)의 영역에서, 상부 하우징(320A)은 일단이 하부 하우징(320B)의 외측단과 결합되어 수직 상방으로 일정길이 연장되는 외벽(324)을 구비한다. 그리고, 외벽(324)의 상단으로부터 벤딩되어 하방으로 경사지게 연장되는 내벽(325)을 구비한다. 여기서, 상부 하우징(320A)의 내벽(325)은 하부가 절단된 원뿔 형태를 갖는다.
또한, 상부 하우징(320A)과 하부 하우징(320B)은 각각 서로 나란하게 일정간격 이격되어 수평방향으로 연장된 플랜지 형태의 내측 단부(320a, 320b)를 구비한다. 그리고, 상부 하우징(320A)과 하부 하우징(320B)의 내측 단부들(320a, 320b) 사이의 개방된 공간에 의해 전술한 송풍구(323)가 형성된다. 즉, 송풍구(323)는 상부 하우징(320A)의 내벽(325)의 하단 부분에 노즐(210)을 둘러싸도록 U자 형상 또는 원형의 배치를 가질 수 있다.
바람직하게는, 상부 하우징(320A)과 하부 하우징(320B)의 내측 단부들(320a, 320b) 사이에는 송풍부(322)의 형상에 대응하도록 원형 또는 U자형의 열차단 부재(350)가 구비될 수 있다. 이 열차단 부재(350)는 고온의 노즐(210)로부터 발생하는 열일 팬 덕트(320) 내부로 유입되는 것을 차단하는 역할을 한다. 예를 들면, 열차단 부재(350)는 운모 재질일 수 있다.
한편, 열차단 부재(350)는 상부 하우징(320A)의 내측 단부로서 구비될 수 있고, 이 경우 상부 하우징(320)은 플랜지 형상의 내측 단부를 구비할 필요가 없다.
다시 도 6과 7을 참조하면, 하부 하우징(320B)의 내측 단부에는 내주면을 따라 서로 일정간격 이격되고 상방으로 돌출된 복수의 돌기들(327)을 구비할 수 있다. 이 돌기들(327)은 상부 하우징(320A)의 내측 단부(320a) 또는 열차단 부재(350)와 접촉하여 상부 하우징(320A)과 하부 하우징(320B)의 내측 단부들(320a, 320b) 사이의 간격을 유지함으로써, 상부 하우징(320A)과 하부 하우징(320B)의 내측 단부들(320a, 320b) 사이의 소정 틈으로 형성된 송풍구(3232)가 형성되도록 한다.
부가적으로, 상부 하우징(320A)과 하부 하우징(320B)은 냉각 팬(310)으로부터 송풍되는 바람이 송풍구(323)를 향하여 고르게 송풍되도록 원형 또는 U자형의 가이드 벽(328)을 구비할 수 있다.
도 10과 11은 도 1 내지 3에 도시된 종래 구조의 팬 덕트, 도 8에 도시된 본 발명에 따른 원형의 팬 덕트 및 도 5에 도시된 본 발명에 따른 U자형의 팬 덕트의 유동 해석 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 팬 덕트와 노즐 주변의 냉각 유체(송풍되는 바람)의 속도 분포 및 평균 유속을 나타낸 유동 해석 결과이고, 도 11은 팬 덕트와 노즐 주변의 온도 분포를 나타낸 유동 해석 결과이다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 종래 구조의 팬 덕트의 경우, 출력물 주변의 평균 유속은 1.58m/sec인 반면, 본 발명에 따른 원형 팬 덕트는 4.79m/sec, U자형 팬 덕트는 4.52m/sec의 평균 유속을 갖는다.
또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, 종래 구조의 팬 덕트의 경우, 출력물 주변의 평균 온도는 37.1℃인 반면, 본 발명에 따른 원형 팬 덕트는 25.4℃, U자형 팬 덕트는 27.7℃의 평균 온도를 갖는다. 특히, U자형 팬 덕트는 최고 온도가 91.4℃로 가장 낮은 온도를 갖는다. 더욱이, 종래 구조의 팬 덕트는 0.00019㎥/sec의 체적 유량을 나타내고, 원형 팬 덕트는 0.00058㎥/sec의 체적 유량을 나타내며, U자형 팬 덕트의 경우 0.00073㎥/sec의 체적 유량을 나타내었다.
이와 같이, 본 발명에 따른 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치는 종래 구조의 팬 덕트에 비해 양호한 평균 유속 및 낮은 온도 분포를 갖고, U자형 팬 덕트의 경우, 가장 낮은 최고 온도 분포 및 가장 높은 체적 유량을 갖기 때문에, 고온의 출력물을 더욱 균일하고 효과적으로 냉각시킬 수 있어 출력물의 양호한 품질을 유지할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 본체 110: 결합 부재
200: 핫 엔드부 210: 노즐
220: 방열 부재 230: 후크 부재
300: 냉각 수단 310: 냉각 팬
320: 팬 덕트 320A: 상부 하우징
320B: 하부 하우징 320a, 320b: 내측 단부
321: 팬 수용부 321a: 원형 홈
322: 송풍부 323: 송풍구
324: 외벽 325: 내벽
327: 돌기 328: 가이드 벽
340: 브라켓 350: 열차단 부재

Claims (8)

  1. 필라멘트 이송 경로, 이송 롤러 및 이송 모터가 설치된 본체;
    상기 본체로부터 이송된 필라멘트를 용융시켜 배출하는 노즐을 구비한 핫 엔드부; 및
    상기 본체 또는 상기 핫 엔드부의 하부에 설치되고, 상기 노즐 주변을 둘러싸도록 배치되어 상기 노즐로부터 배출되는 출력물을 냉각시키는 냉각 수단을 포함하고,
    상기 냉각 수단은 냉각 팬 및 상기 냉각 팬을 수용하는 팬 덕트를 포함하고,
    상기 팬 덕트는 상기 냉각 팬 수용부 및 상기 노즐 둘레에 배치되는 송풍부를 포함하고, 상기 송풍부는 원형 또는 U자형 형태로 이루어지고, 상기 노즐이 중심에 배치되도록 상면 및 저면이 개방된 형태를 가지며, 상기 노즐을 향하여 개방되어 있는 원형 또는 유선형의 송풍구를 구비하고,
    상기 팬 덕트는 판형의 하부 하우징 및 상기 하부 하우징의 상부에 결합되는 상부 하우징을 포함하고, 상기 상부 하우징은 내부에 상기 냉각 팬이 수용되고 송풍 유로가 형성되도록 소정의 공간을 구비하며, 상기 송풍구는 상기 상부 하우징과 상기 하부 하우징 사이의 소정의 틈으로 형성되어, 상기 노즐을 둘러싸도록 배치되고,
    상기 상부 하우징과 하부 하우징은 각각 서로 나란하게 일정간격 이격되어 수평방향으로 연장된 플랜지 형태의 내측 단부를 구비하고, 상기 상부 하우징과 하부 하우징의 내측 단부들 사이에는 원형 또는 U자형의 열차단 부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송풍부는 상기 냉각 팬으로부터 멀어질수록 단면적이 감소되는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송풍부의 영역에서, 상기 상부 하우징은 일단이 상기 하부 하우징의 외측단과 결합되어 수직 상방으로 연장된 외벽 및 상기 외벽의 상단으로부터 벤딩되어 하방으로 경사지게 연장된 내벽을 구비하며,
    상기 상부 하우징과 하부 하우징의 내측 단부들 사이의 개방된 공간에 의해 상기 송풍구가 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부 하우징의 내측 단부에는 내주면을 따라 서로 일정간격 이격되고 상방으로 돌출된 복수의 돌기들을 구비하고, 상기 돌기들은 상기 상부 하우징의 내측 단부와 접촉하여 상기 상부 하우징과 하부 하우징의 내측 단부들 사이의 간격을 유지하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 상부 하우징 및 하부 하우징은 상기 냉각 팬으로부터 송풍되는 바람이 상기 송풍구를 향하여 고르게 송풍되도록 원형 또는 U자형의 가이드 벽을 구비하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 노즐 조립체의 냉각 장치.
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