KR102226324B1 - 마이크로파를 활용한 3d 프린터 노즐 장치 - Google Patents

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Abstract

일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치는. 메인 프레임; 상기 메인 프레임에 장착되는 압출 모터; 상기 메인 프레임에 장착되고, 상기 압출 모터의 구동에 의해 전달되는 필라멘트를 하방으로 안내하고, 상기 필라멘트를 냉각시키기 위한 냉각 파트; 상기 냉각 파트를 통과하여 전달된 상기 필라멘트를 하방으로 안내하는 가이드; 상기 가이드를 감싸는 가열용 코일; 상기 가이드의 하단에 위치하고, 상기 가이드를 통과하여 전달된 상기 필라멘트를 외부로 토출하기 위한 노즐; 및 상기 메인 프레임에 장착되고, 상기 가열용 코일에 마이크로파를 인가하기 위한 마이크로파 발생기를 포함할 수 있다.

Description

마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치{3D PRINTER NOZZLE DEVICE USING MICROWAVE}
아래의 설명은 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치에 관한 것이다.
기존 3D 프린터의 경우, 핫 엔드의 히팅 블록에 세라믹 히터 카트리지를 장착하고, 히팅 블록을 가열시키는 방식으로 노즐의 온도를 조정하는 방식을 채용하고 있다. 이와 같은 구조에 따르면, 3D 프린터의 발열 시스템에서 필수적인 요소는 히팅 블록, 노즐, 세라믹 히터 카트리지 및 온도 센서를 포함한다. 온도 센서는 세라믹 히터 카트리지가 목표 온도까지 도달하였는지 여부를 판단하기 위해 필수적으로 요구되어 왔다. 예를 들어, 온도 센서에서 측정된 온도가 목표 온도 이상일 경우, 세라믹 히터 카트리지로 들어가는 전원을 중단하고, 온도 센서에서 측정된 온도가 목표 온도에 도달하지 못하였을 경우 전원을 지속적으로 인가하게 된다.
도 6은 종래의 3D 프린터 노즐 장치의 시간에 대한 세라믹 히터 카트리지의 온도를 도시한 그래프이다. 도 6을 참조하면, 세라믹 히터 카트리지의 온도는 일정하지 않을 수 있다. 세라믹 히터 카트리지에 전원이 인가되는 동안, 세라믹 히터 카트리지의 온도는 목표 온도(T2) 보다 높은 온도 영역(A, C)에 도달할 수 있고, 세라믹 히터 카트리지에 전원이 인가되지 않아 온도가 하강할 경우, 세라믹 히터 카트리지의 온도는 목표 온도(T2) 보다 낮은 온도 영역(B, D)에 도달할 수 있다. 온도 영역(A, C)에서 필라멘트는 과도하게 용융되어 점도가 목표치보다 낮아질 수 있고, 온도 영역(B, D)에서 필라멘트는 부족하게 용융되어 점도가 목표치보다 커지거나 완전히 용융되지 못한 부분을 포함할 수 있다.
또한, 히팅 블록, 노즐, 세라믹 히터 카트리지 및 온도 센서를 포함하는 3D 프린터 노즐 장치의 경우, 세라믹 히터 카트리지로부터 히팅 블록으로 열이 전도 방식으로 전달되므로 열손실이 클 수 있고, 열평형에 도달하기까지 시간이 길 수 있다.
상기 논의된 문제점들을 해소하기 위한 기술이 요구되는 실정이다.
일 실시 예의 목적은, 고속 열응답성을 갖고 열평형에 빠르게 도달할 수 있으며, 온도 구배가 없으며, 열 손실이 상대적으로 적고 열 효율이 높은 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치는. 메인 프레임; 상기 메인 프레임에 장착되는 압출 모터; 상기 메인 프레임에 장착되고, 상기 압출 모터의 구동에 의해 전달되는 필라멘트를 하방으로 안내하고, 상기 필라멘트를 냉각시키기 위한 냉각 파트; 상기 냉각 파트를 통과하여 전달된 상기 필라멘트를 하방으로 안내하는 가이드; 상기 가이드를 감싸는 가열용 코일; 상기 가이드의 하단에 위치하고, 상기 가이드를 통과하여 전달된 상기 필라멘트를 외부로 토출하기 위한 노즐; 및 상기 메인 프레임에 장착되고, 상기 가열용 코일에 마이크로파를 인가하기 위한 마이크로파 발생기를 포함할 수 있다.
상기 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치는. 상기 가이드 또는 노즐의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 구비하지 않고, 상기 가열용 코일의 온도는 상기 마이크로파 발생기에 의해 인가되는 마이크로파의 주파수와 일대일 매칭되어 결정될 수 있다.
상기 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치는, 상기 냉각 파트 및 가이드를 연결하고, 절연체로 형성되는 절연 파트; 및 상기 절연 파트를 감싸고, 상기 가열용 코일의 상부 및 측부를 커버하는 전자파 차폐 블록을 더 포함할 수 있다.
상기 가열용 코일은 상기 가이드의 외표면에 접촉된 상태로 배치될 수 있다.
상기 가열용 코일은 상기 마이크로파 발생기로부터 동일한 주파수의 마이크로파를 일정 시간 이상으로 인가 받을 경우, 온도가 일정하게 유지될 수 있다.
일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치에 따르면, 가열 시간을 단축할 수 있다. 구체적으로, 마이크로파는 순간적으로 피가열물인 가열용 코일 속으로 침투해 발열하므로, 열전도에 필요한 시간이 불필요해져 열전도에 의한 외부 가열 방법에 비해, 단 시간에 목표 온도에 도달할 수 있다. 또한, 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치는 고속 열응담성을 가지고 있으므로, 열평형에 따르게 도달할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치에 따르면, 온도 구배가 없을 수 있다. 구체적으로, 외부 가열에서는 내외의 온도 구배를 피할 수 없고 균일 가열을 하려고 하면 시간이 소요된다. 마이크로파 가열에서는 특정 주파수대에서 온도가 일대일 매칭되어 있고, 온도 상승도 일정하게 진행되므로 마이크로파 가열에서는 내외의 발열량을 동일하게 할 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치에 따르면, 마이크로파는 피가열물인 가열용 코일에만 흡수되고, 주위의 공기 및 구조물 등은 가열하지 않으므로 열 효율이 높을 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치의 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치를 부분적으로 절개하여 도시한 정면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치의 분해 사시도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치의 블록도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치의 가열용 코일에 마이크로파가 인가될 경우, 시간에 대한 가열용 코일의 온도를 도시한 그래프이다.
도 6은 종래의 3D 프린터 노즐 장치의 시간에 대한 세라믹 히터 카트리지의 온도를 도시한 그래프이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치의 사시도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치를 부분적으로 절개하여 도시한 정면도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치의 분해 사시도이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치의 블록도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치(1)는 마이크로파를 활용하여 가열용 코일을 가열함으로써, 필라멘트를 보다 효율적으로 가열할 수 있다. 3D 프린터 노즐 장치(1)는 메인 프레임(11), 압출 모터(12), 마이크로파 발생기(13), 냉각 파트(14), 전자파 차폐 블록(15), 절연 파트(16), 가열용 코일(17), 가이드(18), 입력부(90) 및 연결 라인(91, 92)를 포함할 수 있다.
메인 프레임(11)은 3D 프린터를 구성하는 바디(미도시)에 장착될 수 있다. 메인 프레임(11)은 외부로부터 전달되는 필라멘트를 수용하고, 냉각 파트(14)로 전달할 수 있다. 메인 프레임(11)은 복수 개의 분절 프레임을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메인 프레임(11)은 압출 모터(12)를 지지하기 위한 제 1 프레임(111)과, 마이크로파 발생기(13)를 지지하기 위한 제 2 프레임(112)을 포함할 수 있다.
압출 모터(12)는 메인 프레임(11)에 장착될 수 있다. 압출 모터(12)는 메인 프레임(11) 내부로 수용되는 필라멘트에 동력을 인가하여, 필라멘트가 하측에 위치한 냉각 파트(14)로 전달될 수 있도록 보조할 수 있다. 압출 모터(12)는 사용자가 요구하는 압출 속도에 따라 동력의 세기를 조절할 수 있다.
마이크로파 발생기(13)는 가열용 코일(17)에 마이크로파를 인가할 수 있다. 마이크로파 발생기(13)는 마이크로파를 생성하여 가열용 코일(17) 전달하고, 이 경우 가열용 코일(17)의 분자 내의 쌍극자에 회전 및 진동 에너지가 인가될 수 있고, 내부 마찰열을 통해 가열용 코일(17)은 급속도로 가열될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 기존 전도 방식의 예열 시간에 대비하여 상대적으로 빠른 가열 시간을 구현할 수 있다. 또한, 마이크로파 발생기(13)는 마이크로파를 통해 가열용 코일(17)을 가열시킴에 따라, 가열용 코일(17) 전반적으로 균일한 온도를 구현할 수 있으며, 온도 구배 문제를 해결할 수 있다. 또한, 마이크로파 발생기(13)가 가열용 코일(17)에 인가하는 주파수에 따라 가열용 코일(17)의 온도가 정해지므로, 피드백이 필요 없는 오픈 루프 시스템(open loop system)을 구현할 수 있다. 따라서, 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치(1)는 온도 센서를 요구하지 않고, 열을 전달하는 매체가 마이크로파의 가열용 코일(17)이므로 히트 블록이 요구되지 않는다. 이러한 특징들로 인해, 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치(1)는 시스템을 간소화시킬 수 있다.
냉각 파트(14)는 메인 프레임(11)에 장착되고, 압출 모터(12)에 의해 메인 프레임(11)으로부터 전달되는 필라멘트를 하방으로 안내할 수 있다. 냉각 파트(14)는 필라멘트를 수용하기 위한 냉각 파트 홀(14a)을 구비할 수 있다. 냉각 파트(14)는 필라멘트를 냉각시킬 수 있다. 냉각 파트(14)는 필라멘트를 냉각시키기 위한 복수 개의 디스크 형상의 구조를 가질 수 있다. 복수 개의 디스크 형상의 구조는 냉각 파트(14)의 표면적을 증가시키는 방식으로 냉각 효율을 높일 수 있다. 냉각 파트(14)는 수냉 및/또는 공냉 방식으로 필라멘트를 냉각시킬 수 있다.
전자파 차폐 블록(15)은 가열용 코일(17)을 감쌀 수 있다. 전자파 차폐 블록(15)은 절연체로 형성될 수 있고, 가열용 코일(17)에서 생성되는 전자파가 냉각 파트(14)에 전달되거나, 냉각 파트(14)에서 생성되는 전자파가 가열용 코일(17)에 전달되는 것을 차단할 수 있다. 전자파 차폐 블록(15)은 절연 파트(16)를 감쌀 수 있다. 전자파 차폐 블록(15)의 상측은 절연 파트(16)를 완전히 둘러쌀 수 있고, 전자파 차폐 블록(15) 및 절연 파트(16) 사이는 밀폐될 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 냉각 파트(14)가 가열용 코일(17)에 간섭하는 현상을 줄이거나 차단할 수 있다. 전자파 차폐 블록(15)은 가열용 코일(17)의 상부 및 측부를 커버할 수 있다. 전자파 차폐 블록(15)은 가열용 코일(17)에서 발생되는 열이 외부로 빠져나가는 것을 감소시키고, 가열용 코일(17)에 외부 전자파가 간섭하는 것을 감소시킴으로써, 열효율을 높일 수 있다.
절연 파트(16)는 냉각 파트(14) 및 가이드(18)를 연결할 수 있다. 절연 파트(16)는 절연체로 형성될 수 있다. 절연 파트(16)는 냉각 파트(14)가 가이드(18) 및/또는 가열용 코일(17)과 간섭하는 것을 방지하거나 차단할 수 있다. 절연 파트(16)는 냉각 파트(14)로부터 전달된 필라멘트를 수용하기 위한 절연 파트 홀(16a)을 구비할 수 있다.
가열용 코일(17)은 마이크로파 발생기(13)로부터 마이크로파를 전달받아 가열될 수 있다. 가열용 코일(17)은 가이드(18)를 감쌀 수 있다. 예를 들어, 가열용 코일(17)은 가이드(18)의 상단부로부터 하단부까지 가이드(18)를 감쌀 수 있다. 가열용 코일(17)은 가이드(18)의 외표면에 접촉된 상태로 배치될 수 있다. 가열용 코일(17)은 가이드(18)에 열을 전달함으로써, 가이드(18)를 통과하는 필라멘트에 열을 인가할 수 있다.
가열용 코일(17)은 마이크로파 발생기(13)로부터 인가되는 마이크로파의 주파수에 따라 그 온도가 일대일 매칭될 수 있다. 예를 들어, 마이크로파 발생기(13)에서 생성하는 마이크로파의 주파수와, 가열용 코일(17)의 온도 사이에는 매칭 테이블이 있을 수 있고, 사용자는 상기 매칭 테이블에 기초하여 마이크로파 발생기(13)에서 생성하는 마이크로파의 주파수를 설정하는 방식으로, 가열용 코일(17)의 온도를 설정할 수 있다.
가열용 코일(17)은 마이크로파 발생기(13)로부터 동일한 주파수의 마이크로파를 일정 시간 이상으로 인가 받을 경우, 온도가 일정하게 유지될 수 있다. 가열용 코일(17)은 상단과 하단의 온도가 중앙부 보다 낮지 않고, 전체적으로 일정한 온도를 유지할 수 있다.
가이드(18)는 냉각 파트(14)를 통과하여 전달된 필라멘트를 하방으로 안내할 수 있다. 가이드(18)는 내부에 중공을 갖는 기둥 형상을 가질 수 있다.
노즐(19)은 가이드(18)를 통과한 필라멘트를 외부로 토출할 수 있다.
입력부(90)는 사용자에 의해 조작되는 구성일 수 있다. 사용자는 입력부(90)를 통해 마이크로파 발생기(13)가 생성하는 마이크로파의 주파수를 조절할 수 있다. 예를 들어, 입력부(90)는 마이크로파 발생기(13)에 유선 또는 무선으로 전기적으로 연결될 수 있다.
연결 라인(91, 92)은 마이크로파 발생기(13) 및 가열용 코일(17)을 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 전자파 차폐 블록(15)은 제 1 연결 라인(91)을 통과시키기 위한 블록 홀(15a)을 구비할 수 있다. 예를 들어, 제 2 연결 라인(91)은 전자파 차폐 블록(15)의 하단을 통과할 수 있다.
마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치(1)는 온도 센서를 구비하지 않고, 마이크로파 발생기(13) 및 가열용 코일(17)을 통해 가이드(18)를 가열하는 방식으로 효과적으로 필라멘트 가열을 수행할 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치의 가열용 코일에 마이크로파가 인가될 경우, 시간에 대한 가열용 코일의 온도를 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 마이크로파 발생기에서 마이크로파를 가열용 코일에 인가할 경우, 가열용 코일의 온도는 상승되어 목표 온도(T1)에 도달 시간(t1)에 도달할 수 있다. 목표 온도(T1)에 도달한 가열용 코일의 온도는 도달 시간(t1) 이후에 일정하게 유지될 수 있다.
반면, 도 6을 참조하면, 종래의 3D 프린터 노즐 장치의 시간에 대한 세라믹 히터 카트리지의 온도의 경우, 목표 온도(T2)에 근사하여 열평형에 도달한 시간인 도달 시간(t2)는 도달 시간(t1)에 비해 크고, 카트리지의 온도는 도달 시간(t2) 이후에도 일정하지 않으므로, 필라멘트 상태가 양호하지 않을 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (5)

  1. 메인 프레임;
    상기 메인 프레임에 장착되는 압출 모터;
    상기 메인 프레임에 장착되고, 상기 압출 모터의 구동에 의해 전달되는 필라멘트를 하방으로 안내하고, 상기 필라멘트를 냉각시키기 위한 냉각 파트;
    상기 냉각 파트를 통과하여 전달된 상기 필라멘트를 하방으로 안내하는 가이드;
    상기 가이드를 감싸는 가열용 코일;
    상기 가이드의 하단에 위치하고, 상기 가이드를 통과하여 전달된 상기 필라멘트를 외부로 토출하기 위한 노즐;
    상기 메인 프레임에 장착되고, 상기 가열용 코일에 마이크로파를 인가하기 위한 마이크로파 발생기;
    상기 마이크로파 발생기에 전기적으로 연결되는 입력부;
    상기 냉각 파트 및 가이드를 연결하고, 절연체로 형성되는 절연 파트; 및
    상기 절연 파트를 감싸고, 상기 가열용 코일의 측부를 커버하여, 상기 가열용 코일 및 상기 냉각 파트 사이에서 전자파가 전달되는 것을 차단하는 전자파 차폐 블록을 포함하고,
    상기 전자파 차폐 블록은, 상기 가열용 코일의 길이 방향에 대해 수직한 방향을 기준으로 상기 가열용 코일로부터 이격되어 있고, 상기 냉각 파트로부터 이격되어 있고,
    상기 가이드 또는 노즐의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 구비하지 않고,
    상기 마이크로파 발생기는, 상기 입력부에 입력된 정보를 전달받아 상기 마이크로파를 발생시키고 발생된 상기 마이크로파를 상기 가열용 코일에 인가하고, 오픈 루프 시스템으로 구현되고,
    상기 가열용 코일의 온도는 상기 마이크로파 발생기에 의해 인가되는 마이크로파의 주파수와 일대일 매칭되어 결정되는 것을 특징으로 하는, 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열용 코일은 상기 가이드의 외표면에 접촉된 상태로 배치되는 것을 특징으로 하는, 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열용 코일은 상기 마이크로파 발생기로부터 동일한 주파수의 마이크로파를 일정 시간 이상으로 인가 받을 경우, 온도가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는, 마이크로파를 활용한 3D 프린터 노즐 장치.
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