KR102227577B1 - 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치 - Google Patents

수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 삼차원 구조체 출력 장치를 개시한다. 본 발명의 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치는 삼차원 구조체 출력물을 지지하는 배드와 배드를 X축 방향 또는 Y축 방향 또는 X축과 Y축 동시에 이동시키는 X-Y 이동수단을 구비한 제1 하우징부, 제1 하우징부의 상부와 제1 격벽으로 구획되고, 제1 격벽 상에 제1 출력 재료를 저장하는 제1 호퍼, 제1 공급관, 제2 출력 재료를 저장하는 제2 호퍼, 제2 공급관, 제1 모터 및 출력 노즐을 구비하되, 출력 노즐의 일부는 제1 격벽을 관통하여 제1 하우징부의 내부로 노출되며, 제1 호퍼, 제1 공급관, 제2 호퍼, 제2 공급관 및 제1 모터는 제1 하우징부와 격리된 상태로 설치된 제2 하우징부 및 제2 하우징부에 설치된 제1 호퍼 및 제1 공급관의 일부, 제2 호퍼 및 제2 공급관의 일부 및 제1 모터를 외부로 노출시키되, 제1 공급관의 나머지, 제2 공급관의 나머지 및 출력 노즐은 제2 하우징부의 내부에 유지되도록 제2 하우징부의 상부를 차폐시키는 상판부를 포함한다.

Description

수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치{Three-Dimensional Structure Output Device for High-Melting Super Engineering Plastics with Water-Cooled Nozzles}
본 발명은 삼차원 구조체 출력 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치에 관한 것이다.
종래 3D 프린터에 사용되는 주요 소재는 합성수지였다. 최근에는 엔지니어링 플라스틱, 금속분말, 콘크리트, 탄소섬유 강화플라스틱 등 다양화되면서 활용할 수 있는 산업 분야도 확대되고 있다.
이러한 산업용 소재는 녹는점(융점)이 높아서 3D 프린터의 출력 노즐에 과도한 열이 집중됨으로써 노즐이 파손될 수 있거나 또는 출력 노즐의 엔드 포인트의 열 관리의 실패로 출력물의 신뢰성을 보장할 수 없는 문제점 등이 제기되고 있다.
하지만, 이러한 어려움에도 불구하고, 산업용 소재를 3D 프린터에 활용할 경우에는 전통적인 금형 제작 방식을 대체할 수 있으므로, 제조 원가를 낮출 수 있는 경제적 효과를 가져온다.
따라서, 산업용 소재를 사용하여 3D 프린팅을 할 수 있도록 고온 수지용 노즐 시스템을 구비한 3D 프린터 장치에 대한 필요성이 요구되고 있다.
기존의 FDM방식 3D프린터에서 출력이 불가능한 고융점 엔지니어링 플라스틱 수지 필렛(pellet)을 적용한 정밀 출력이 가능한 삼차원 구조체 출력 장치에 대한 시장의 요구가 있다.
특히, 의료용 제품으로 사용이 가능한 피크(PEEK) 수지의 경우 입자(pellet)형태의 원재료를 출력할 수 있는 노즐 형태의 개발이 필요하다. 고융점 수지의 출력을 위한 고온용 Nozzle 개발 및 출력물 수축 최소화를 위한 고온 Chamber 내의 다양한 핵심모듈의 온도 제어가 정밀하게 이루어져야 한다.
핫엔드(hot-end)의 내부온도 영향에 따른 노즐 막힘 문제 최소화 및 시스템 안정성 확보를 위하여 수냉방식을 적용한 노즐의 개발의 필요성이 요구되고 있다.
특허문헌 1 : 한국 등록특허 제10-1594834호(공고일 : 2016년 02월 11일) 특허문헌 2 : 한국 등록특허 제10-1715865호(공고일 : 2017년 03월 07일) 특허문헌 3 : 한국 공개특허 제10-2017-0057900호(공개일 : 2017년 05월 26일) 특허문헌 4 : 한국 등록특허 제10-1537494호(공고일 : 2015년 07월 16일)
상술한 필요성에 의해서 안출된 본 발명은 탄소섬유과 같은 고융점 수지를 재료로 사용할 경우에 노즐의 엔드 포인트의 열적 영향을 경감시켜서 신뢰성 있는 3차원 구조체를 출력할 수 있는 탄소 소재를 출력할 수 있는 삼차원 구조체 출력 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고융점 엔지니어링 플라스틱 수지 필렛(Pellet)을 정밀하게 출력할 수 있으므로, 엄격한 허용 오차, 견고성 및 환경 안정성 또는 정전기 분산, 반투명성, 생체적합성, VO인화성 및 FST 등급 같은 전문화된 특성을 요구하는 응용 분야에 적용 가능한 삼차원 구조체 출력 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치는 삼차원 구조체 출력물을 지지하는 배드와 상기 배드를 X축 방향 또는 Y축 방향 또는 X축과 Y축 동시에 이동시키는 X-Y 이동수단을 구비한 제1 하우징부, 상기 제1 하우징부의 상부와 제1 격벽으로 구획되고, 상기 제1 격벽 상에 제1 출력 재료를 저장하는 제1 호퍼, 제1 공급관, 제2 출력 재료를 저장하는 제2 호퍼, 제2 공급관, 제1 모터 및 출력 노즐을 구비하되, 상기 출력 노즐의 일부는 상기 제1 격벽을 관통하여 상기 제1 하우징부의 내부로 노출되며, 상기 제1 호퍼, 상기 제1 공급관, 상기 제2 호퍼, 상기 제2 공급관 및 상기 제1 모터는 상기 제1 하우징부와 격리된 상태로 설치된 제2 하우징부 및 상기 제2 하우징부에 설치된 상기 제1 호퍼 및 상기 제1 공급관의 일부, 상기 제2 호퍼 및 상기 제2 공급관의 일부 및 제1 모터를 외부로 노출시키되, 상기 제1 공급관의 나머지, 상기 제2 공급관의 나머지 및 상기 출력 노즐은 상기 제2 하우징부의 내부에 유지되도록 상기 제2 하우징부의 상부를 차폐시키는 상판부를 포함한다.
이 경우에, 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치는 상기 출력 노즐의 외주면에 설치되는 열교환 하우징, 상기 열교환 하우징에 냉각된 냉매를 공급하고, 가열된 냉매를 회수하는 냉매 공냉수를 공급하고, 온수를 회수하는 냉매 수송관 및 상기 냉매 수송관을 통해서 냉매가 유통될 수 있도록 유체 압력을 제공하는 제2 모터를 포함하는 열관리부를 더 포함한다.
한편, 상기 제1 호퍼는, 카본(carbon), 나무(wood), 옥(jade) 또는 이들의 조합된 재료를 저장하고, 상기 제2 호퍼는, PLA(Poly Lactic Acid), ABS(acrylonitrile-butadiene-styrene), 나일론, PEEK(Polyetheretherketone) 또는 이들의 조합된 재료를 저장한다.
한편, 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치는 제1 공급관 및 제2 공급관에 재료의 유동을 제어하기 위한 제어부재를 더 포함한다.
한편, 상기 제1 격벽은, 상기 제1 하우징부의 내부 온도를 기 설정된 제1 온도를 유지하고, 상기 제2 하우징부의 내부 온도를 기 설정된 제2 온도를 유지하도록, 상기 제1 하우징부와 상기 제2 하우징부 사이의 열 교환을 차단한다.
한편, 상기 제2 하우징부는, 하부면에 상기 제1 하우징부의 내부를 가열하기 위한 제1 히터 및 제2 히터를 더 포함한다.
한편, 상기 출력 노즐은, 상기 제1 공급관 및 상기 제2 공급관으로부터 분리가능하다.
한편, 상기 출력 노즐은, 내부에 나선 형태의 홈이 구비되어 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 탄소섬유, 콘크리트, 금속분말 등 고융점의 소재를 3차원 구조체를 출력하기 위한 소재로 사용할 경우에도 노즐의 엔드 포인트에 대한 열적 영향을 경감시키는 효과를 발휘한다.
또한, 노즐의 성능 저하를 방지함으로써 3차원 구조체의 출력 신뢰성이 높아지고, 출력 속도가 빨라지는 효과를 발휘한다.
또한, 엄격한 허용 오차, 견고성 및 환경 안정성 또는 정전기 분산, 반투명성, 생체적합성, VO인화성 및 FST 등급 같은 전문화된 특성을 요구하는 응용 분야에 적용 가능하도록 고융점 엔지니어링 플라스틱 수지 필렛(Pellet)을 정밀하게 출력할 수 있는 효과를 발휘한다
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치를 설명하는 도면,
도 2는 도 1에 도시된 삼차원 구조체 출력 장치의 분해도,
도 3은 도 1에 도시된 삼차원 구조체 출력 장치의 정면 투사도,
도 4는 도 1에 도시된 삼차원 구조체 출력 장치의 챔버의 열 관리를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 프린팅부와 열관리부의 구조를 설명하는 도면,
도 6은 도 5에 도시된 프린팅부에서 열관리부를 분해한 상태를 예시적으로 설명하는 도면,
도 7은 도 5에 도시된 프린팅부를 분해한 상태를 예시적으로 설명하는 도면,
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 프린팅부를 분해한 상태를 예시적으로 설명하는 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력 노즐의 내부 나선 구조를 설명하기 위한 도면,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 삼차원 구조체 출력 장치의 열 관리를 예시적으로 설명하는 도면. 그리고,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 필렛 형태의 수지를 출력하는 노즐의 일 실시예를 예시적으로 설명한 도면,
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수냉방식이 적용된 핫엔드 부분을 예시적으로 설명하는 도면,
도 13은 본 발명의 다른 실시 에에 따른 삼차원 구조체 출력 장치의 조립 사시도를 예시적으로 도시한 도면,
도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수냉방식 냉각 메커니즘이 적용된 노즐을 예시적으로 설명하는 도면,
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 필렛 방식의 노즐 시스템을 예시적으로 설명하는 도면,
도 16은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수냉식 노즐을 예시적으로 설명하는 도면,
도 17은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치의 외관을 예시적으로 설명하는 도면,
도 18은 도 17의 삼차원 구조체 출력 장치의 노즐부 및 냉각부를 확대 도시한 도면,
도 19는 도 17의 삼차원 구조체 출력 장치에 의해서 삼차원 구조체를 출력하는 일 예를 설명하는 도면, 그리고,
도 20는 도 17에 도시된 삼차원 구조체 출력 장치의 노즐부 및 냉각부에 필렛과 냉각수가 공급되는 일 예를 도시한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 다양한 실시 예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 다양한 실시 예에서 도면의 축적이나 비율은 예시적인 것에 불과하고, 실시 예에 따라 도면에 도시된 본 발명의 구성요소는 모양, 형태, 치수 또는 크기가 다르게 설계될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치를 설명하는 도면이다. 도 1을 참고하면, 삼차원 구조체 출력장치는 하우징부(100), 프린팅부(200) 및 열관리부(300)를 포함한다.
구체적으로 하우징부(100)는 제1 하우징부(110), 제2 하우징부(130) 및 상판부(150)로 구성된다. 제1 하우징부(110)는 출력장치의 하부를 구성하는 구성요소이다. 제1 하우징부(110)는 출력물을 지지하는 배드(bed)와 배드를 X축 방향과 Y축 방향으로 움직이게 하는 X-Y 축 이동 수단 및 제2 하우징부(130)을 Z축 방향으로 이동시키는 Z축 이동 수단을 포함한다.
본 명세서에서는 X-Y축 이동 수단 및 Z축 이동 수단의 구체적인 설명을 하지 않는다. 다만, 체인, 스프링, 스텝 모터 등을 이용하여 X, Y, Z축 방향으로 배드 및 노즐 등을 이동시킨다.
본 발명은 제1 하우징부(110)와 제2 하우징부(130)로 구획하고, 제1 하우징부(110)에는 배드(111), 이송수단(113), 제어부(미도시) 등을 포함한다. 제어부는 미도시하였으나, 배드(111) 및 노즐(270)의 움직임을 제어하기 위하여 이송수단(113) 등의 동작을 제어하는 마이크로 프로세서로 구성된 제어 장치이다.
제2 하우징부(130)에는 프린팅부(200)를 구비한다. 제2 하우징부(130)는 프린팅부(200)의 열관리를 위해서, 프린팅부(200)를 제1 하우징부(110)와 공간적으로 분리시킨다.
격벽부(150)는 프린팅부(200)의 유지 및 보수가 편리하도록 하면서 열관리를 위해서 구비된 구성요소이다. 구체적으로, 격벽부(150)는 제1 호퍼(210), 제2 호퍼(230) 및 제1 모터(250)를 외부로 노출시키되, 출력 노즐(270)를 제2 하우징부(130)의 내부에 유지시킨다. 이러한 구조를 채택함으로써 제1 호퍼(210) 및 제2 호퍼(230)에 재료 투입을 용이하게 하면서 제2 하우징부(130)의 내부 온도가 낮아지는 것을 방지함으로써 기 결정된 온도를 유지함으로써 열 관리를 할 수 있다.
다만, 고융점의 재료를 사용할 경우에 출력 노즐(270)에 열적 스트레스가 가해지는 것을 방지하기 위하여 출력 노즐(270)에 집중되는 열을 외부로 방출시키는 냉각 시스템인 열관리부(300)를 출력 노즐(270)에 구비함으로써 제2 하우징부(130)의 내부 온도를 기 설정된 제2 온도 이상을 유지하면서도 특정 부품(출력 노즐)에 집중되는 열적 영향을 감소시켜서 3차원 구조체 출력장치의 출력 속도를 향상시킬 수 있는 효과를 발휘한다.
도 2는 도 1에 도시된 삼차원 구조체 출력 장치의 분해도이다. 도 2를 참고하면, 제1 하우징부(110)에는 출력물을 지지하는 배드(111)와 배들(111)을 X축과 Y축 방향으로 이동시키는 이송수단(113)을 구비한다. 도 2에 도시되어 있지 않지만, 이송수단(113)을 제어하기 위한 제어부(미도시)를 더 포함한다.
제1 하우징부(110)의 상부에 구비되는 제2 하우징부(130)에는 프린터부(200)를 구성하는 구성들이 포함된다. 제2 하우징부(130)의 하부면에는 제1 히터(131)와 제2 히터(133)를 구비한다. 제1, 2 히터(131, 133)는 제1 하우징부(110)의 내부 온도를 기 결정된 제1 온도로 유지시키기 위해서 열을 제공한다. 제1, 2 히터(131, 133)에 의해서 제1 하우징부(110)의 내부 온도가 일정한 온도 이상(50℃ 내지 300℃)을 유지할 경우에, 열관리부(300)를 구비하지 않을 경우에는 출력 노즐(270)에 열적 스트레스가 집중되므로 손상이 발생되거나 출력의 신뢰성에 문제가 발생될 수 있다. 예를 들어, 출력 노즐(270)의 온도가 150℃ 내지 500℃의 범위가 적절하며, 500℃ 이상으로 상승할 경우에는 열적 스트레스로 인한 문제점이 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위해서 제2 하우징부(130)의 내부 온도를 전체적으로 낮출 경우에, 냉각 효율이 좋지 못하므로, 출력 노즐(270)의 토출구를 제외한 부분만을 냉각시키기 위한 냉각 부재가 필요하다. 만약 제2 하우징부(130)의 내부 온도를 전체적으로 낮출 경우에 열 관리 효율이 떨어지고, 노즐(270)의 열적 스트레스 및 호퍼 연결부(290)로의 열 전달로 인하여 노즐(270)의 막힘 현상이 발생하게 될 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같이 제1 하우징부(110)와 제2 하우징부(130)의 내부 온도를 서로 다르게 관리하고, 제2 하우징부(130) 중에서도 전체 온도를 일정하게 유지하면서도 출력 노즐(270)의 주변 온도를 열관리부(300)에 의해서 별도로 관리하여 출력 노즐(270)이 열적 스트레스로 인하여 고장이 발생하는 것을 감소시킬 수 있다. 또한, 출력 노즐(270)의 작동 수명도 증가하는 효과를 발휘한다.
이러한 열관리부(300)는 수냉식 방식으로 구현될 수 있고, 수냉식일 경우에 냉매를 출력 노즐(270)에 접촉시켜서 출력 노즐(270)의 온도를 신속하게 낮추거나, 일정한 온도를 유지시킬 수 있다. 열관리부(300)는 출력 노즐(270)을 둘러싸는 열교환 모듈(350)과, 열 교환 모듈(350)에 냉매를 제공하는 냉매 수송관(310)과, 냉매 수송관(310)에 냉매를 유통시키기 위한 유체 압력을 제공하는 제2 모터(330)로 구성될 수 있다. 이때 사용하는 냉매는 물(H2O)를 사용할 수 있다.
또한, 프린팅부(200)는 제1 호퍼(210), 제2 호퍼(230) 및 제1 모터(250)를 외부로 노출되도록 구성된다. 외부로 노출된 구성은 사용자에 의해서 관리가 편리한 장점이 있다.
도 3은 도 1에 도시된 삼차원 구조체 출력 장치의 정면 투사도이다. 도 3을 참고하면, 제1 하우징부(110)에 의해서 제공되는 챔버(Area 1)에는 온도가 50℃ 내지 300℃의 제1 온도 범위를 유지하게 된다. 반면에, 제2 하우징부(130)에 의해서 제공되는 인쇄 준비 영역(Area 2)에는 온도가 제1 온도 범위보다 낮게 유지되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제1 호퍼, 제2 호퍼, 제1 모터 등에 높은 열이 가해지면 열적 문제를 야기할 수 있기 때문이다. 반면, 출력 노즐(270)은 고온을 유지해야 하므로 제2 하우징부(130)의 내부 온도를 전체적으로 관리하는 것이 쉽지 않다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 출력 노즐(270)의 열을 관리하는 열관리부(300)를 별도로 구성한다.
또한, 제1 호퍼(210), 제2 호퍼(230) 및 제1 모터(250)는 외부로 노출되도록 구성됨으로써 사용자가 손쉽게 수리, 교체, 재료 리필 등을 할 수 있으므로, 유지 보수가 용이한 효과를 발휘한다.
도 4는 도 1에 도시된 삼차원 구조체 출력 장치의 챔버 열관리를 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참고하면, 삼차원 구조체 출력 장치에서 구조체를 출력하는 공간(이하, 챔버)는 도 4에서 점선으로 표시된 영역이다. 해당 챔버에는 일정한 온도를 유지하기 위하여 적어도 2개소에 제1, 2 히터(131, 133)을 구비한다. 해당 히터는 챔버의 내부 온도를 일정하게 유지하기 위한 열을 공급한다. 챔버의 내부 온도는 50 내지 300℃ 범위를 유지한다.
챔버의 상부에는 프린팅부(200)의 각종 부품이 위치한다. 앞서 설명한 바와 같이 프린팅부(200)의 구성 중 노즐(270)의 일부는 챔버의 안쪽으로 노출되고, 노즐(270)의 나머지는 열교환 하우징(350)에 의해서 열 교환이 이루어진다. 즉, 출력 노즐(270)은 동작 상태에 따라 150℃ 내지 500℃의 온도 범위로 가열되므로, 수냉식 방식으로 출력 노즐(270)의 나머지 부분만을 냉각시킨다.
이처럼, 챔버의 내부 온도를 제1 온도로 유지하면서 출력 노즐(270)의 일부분을 수냉식 방법으로 부분적으로 냉각시켜주면, 삼차원 구조체의 출력 속도가 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 프린팅부와 열관리부의 구조를 설명하는 도면이다. 도 5를 참고하면, 프린팅부(200) 중 출력 노줄(270)에 열관리부(300)를 구비함으로써, 출력 노즐(270)에 대한 열 관리를 효율적으로 할 수 있다. 구체적으로, 열관리부(300)는 냉매 수송관(310), 냉매 수송관(310)을 흐르는 냉매를 유통시키는 유체 압력을 제공하는 제2 모터(330), 냉매 수송관(310)에 의해서 제공되는 냉각된 냉매를 출력 노즐(270)에 접촉시키고, 출력 노즐(270)로부터 열을 획득하여 가열된 냉매를 출력 노즐(270)로부터 회수함으로써 열교환을 통한 열관리를 수행한다.
도 6은 도 5에 도시된 프린팅부에서 열관리부를 분해한 상태를 예시적으로 설명하는 도면이다. 도 6을 참고하면, 프린팅부(200)는 출력 노즐(270)에서 재료를 토출하는 토출구를 제외하고 출력 노즐(270)의 외주면 전체가 열교환 모듈(350)에 의해서 둘러싸이게 된다. 열교환 모듈(350)은 냉각된 냉매가 유입되고, 가열된 냉매가 유출됨으로써 열 교환을 통하여 출력 노즐(270)의 온도를 낮춘다. 도 5에 도시된 바와 같이, 프린팅부(200)는 열관리부(300)를 쉽게 분리할 수 있는 구조로 설계된다.
도 7은 도 5에 도시된 프린팅부를 분해한 상태를 예시적으로 설명하는 도면이다. 도 7을 참고하면, 제1 호퍼(210), 제1 공급관(220), 제2 호퍼(230), 제2 공급관(240), 제1 모터(250) 및 출력 노즐(270)로 각각 분리될 수 있다. 도 6에서는 제1 공급관(220)와 제2 공급관(240)이 제1 호퍼(210) 및 제2 호퍼(230)와 분리된 상태로 도시되지 않았으나, 실시 예에 따라 제1 공급관(220) 및 제2 공급관(240)은 제1 호퍼(210) 및 제2 호퍼(230)로부터 각각 분리될 수 있다.
또한, 출력 노즐(270)은 제1 공급관(220), 제2 공급관(240) 및 제1 모터(250)로부터 분리가능하므로, 출력 노즐(270)을 분리하여 세척할 수 있다. 출력 노즐(270)을 손쉽게 분리하여 세척할 수 있고, 제1 호퍼(210) 및 제1 공급관(220)을 분리하고 제2 호퍼(230) 및 제2 공급관(240)을 별도로 분리할 수 있으므로, 다양한 재료를 사용하더라도 재료가 출력 노즐(270)에서 섞이는 것 이외에 공급관에서 재료가 혼합되는 문제가 발생하지 않는다.
이렇게 분리가능한 호퍼, 공급관, 출력 노즐을 구비함으로써, 음식 재료를 사용해서 음식을 삼차원 구조체 출력장치로 출력할 수도 있다. 또한, 출력 노즐(270)은 필렛(pellet) 형태의 수지를 출력할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 프린팅부를 분해한 상태를 예시적으로 설명하는 도면이다. 도 8을 참고하면, 출력 노즐(270)은 상단에 호퍼 연결부(290)를 구비하고, 호퍼 연결부(290)를 통해서 제1 호퍼(210) 및 제2 호퍼(230)와 제1 공급관(220) 및 제2 공급관(240)에 의해서 재료를 공급받는다.
이때, 노즐(270)이 고온으로 가열된 상태에서 노즐(270)의 열이 호퍼 연결부(290)에 전달될 경우에 공급된 재료가 녹아서 관을 노즐(270), 제1 공급관(220), 제2 공급관(240)을 막을 수 있다. 이러한 고장을 방지하기 위하여 호퍼 연결부(290)에 열교환 하우징(350)을 구비하고, 냉매 수송관(310)을 통해서 냉매를 순환시켜줌으로써 냉각시켜준다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력 노즐의 내부 나선 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 9를 참고하면, 출력 노즐(270)은 내부에 나선 형태의 나사산 구조(271)를 구비하고 있음을 확인할 수 있다. 이렇게 출력 노즐(270)은 내부에 나사산 구조(271)을 구비함으로써, 제1 호퍼(210)와 제2 호퍼(230)에서 각각 공급되는 이질적인 재료를 혼합하여 출력할 경우에 재료의 혼합을 보다 쉽게 이뤄지게 도움을 준다. 또한, 나사산 구조(271)이므로 외주면에 구비된 열교환 모듈(350)과의 열교환 효율도 높아지는 효과를 발휘한다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 출력 노즐(270)을 통해서 다양한 종류의 재질을 출력할 수 있으며, 산업용 재료의 경우에는 재료별로 별도의 출력 노즐(270)을 구비할 필요가 없고, 출력 노즐(270)을 세척하여 사용할 수 있으므로, 사용 재료의 확장성이 높아지는 뛰어난 효과를 발휘한다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 삼차원 구조체 출력 장치의 열관리부를 예시적으로 설명하는 도면이다. 도 10을 참고하면, 열관리부(300)는 출력 노즐(270) 및 제2 모터(330)에 집중되는 열을 관리하기 위해서 구비된다. 구체적으로, 출력 노즐(270)은 재료를 용융시키는 고온으로 인하여 150℃ 내지 500℃ 까지 가열될 수 있다. 열관리부(300)는 고온으로 인한 열적 스트레스를 받는 출력 노즐(270)에 대한 열적 스트레스를 해소시키기 위해서 노즐(270)을 둘러싸는 열교환 하우징(350)을 구비한다. 열관리부(300)는 워터 탱크(390)로부터 냉매 수송관(310)을 통해서 냉매인 물을 열교환 하우징(250)에 공급하고, 출력 노즐(270)의 주변을 지나가면서 회수한 열에 의해서 가열된 물을 제2 모터(330)에 의해서 순환시켜서 라디에이터(370)를 통과시켜 냉각시킨 뒤, 워터 탱크(390)로 회수한다. 열관리부(300)는 수냉식 열관리 방식을 채택함으로써 출력 노즐(270)의 토출부를 제외한 나머지 부분만을 냉각시켜서 열 관리를 할 수 있다.
비록 본 발명의 예시적인 실시예 및 적용예가 도시되고 설명되었더라도, 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 범위에서 많은 변화 및 수정이 가능하고, 이러한 변형은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있습니다. 따라서, 설명된 실시예는 예시적이지 제한적인 것이 아니며, 본 발명은 첨부된 상세한 설명에 의해서 제한되는 것이 아니지만 청구항의 기술적 범위 내에서 수정가능하다.
100 : 하우징부 110 : 하부 하우징부
111 : 배드 113 : X-Y 이송수단
130 : 상부 하우징부 131 : 제1 히터
133 : 제2 히터 135 : 제1 격벽
150 : 상판부 200 : 프린팅부
210 : 제1 호퍼 220 : 제1 공급관
230 : 제2 호퍼 240 : 제2 공급관
250 : 제1 모터 270 : 출력 노즐
290 : 호퍼 혼합부 300 : 열관리부
310 : 냉매 수송관 330 : 제2 모터
350 : 열교환하우징 370 : 라디에이터
390 : 워터 탱크

Claims (5)

  1. 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치에 있어서,
    삼차원 구조체 출력물을 지지하는 배드와 상기 배드를 X축 방향 또는 Y축 방향 또는 X축과 Y축 동시에 이동시키는 X-Y 이동수단을 구비하여 챔버 영역을 제공하는 제1 하우징부;
    상기 제1 하우징부의 상부와 제1 격벽으로 구획되고, 상기 제1 격벽 상에 제1 출력 재료를 저장하는 제1 호퍼, 제1 공급관, 제2 출력 재료를 저장하는 제2 호퍼, 제2 공급관, 제1 모터 및 출력 노즐을 구비하되, 상기 출력 노즐의 일부는 상기 제1 격벽을 관통하여 상기 제1 하우징부의 내부로 노출되며, 상기 제1 호퍼, 상기 제1 공급관, 상기 제2 호퍼, 상기 제2 공급관 및 상기 제1 모터는 상기 제1 하우징부와 격리된 상태로 설치되서 인쇄 준비 영역을 제공하는 제2 하우징부;
    상기 제2 하우징부에 설치된 상기 제1 호퍼 및 상기 제1 공급관의 일부, 상기 제2 호퍼 및 상기 제2 공급관의 일부 및 제1 모터를 외부로 노출시키되, 상기 제1 공급관의 나머지, 상기 제2 공급관의 나머지 및 상기 출력 노즐은 상기 제2 하우징부의 내부에 유지되도록 상기 제2 하우징부의 상부를 차폐시키는 상판부; 및
    상기 출력 노즐의 외주면에 설치되는 열교환 하우징, 상기 열교환 하우징에 냉각된 냉매를 공급하고, 가열된 냉매를 회수하는 냉매 수송관 및 상기 냉매 수송관을 통해서 냉매가 유통될 수 있도록 유체 압력을 제공하는 제2 모터를 포함하는 열관리부를 포함하고,
    상기 제2 하우징부는, 하부면에 제1 히터 및 제2 히터를 더 구비하고,
    상기 제1 히터 및 제2 히터는 상기 제1 하우징부의 상기 챔버 영역의 내부 온도를 제1 온도 범위로 유지하며,
    상기 제1 온도 범위는 상기 제2 하우징부의 인쇄 준비 영역의 내부 온도인 제2 온도 범위보다 높게 유지되는 것을 특징으로 하는 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 호퍼는, 카본, 나무, 옥 또는 이들의 조합된 재료를 저장하고,
    상기 제2 호퍼는, PLA, ABS, 나일론, PEEK 또는 이들의 조합된 재료를 저장하는 것을 특징으로 하는 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    제1 공급관 및 제2 공급관에 재료의 유동을 제어하기 위한 제어부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 출력 노즐은, 상기 제1 공급관 및 상기 제2 공급관으로부터 분리가능한 것을 특징으로 하는 수냉식 노즐이고, 내부에 나선 형태의 홈이 구비된 것을 특징으로 하는 수냉식 노즐을 갖는 고융점 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 위한 삼차원 구조체 출력 장치.



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