KR102231611B1

KR102231611B1 - 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드

Info

Publication number: KR102231611B1
Application number: KR1020190138444A
Authority: KR
Inventors: 김완진
Original assignee: 주식회사 더하임
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2021-03-24

Abstract

본 발명은 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드에 있어서, 필라멘트를 공급받는 필라멘트 공급부; 상기 필라멘트 공급부로부터 공급된 필라멘트를 가열하여 용용시키는 히트 블록과, 상기 용융된 필라멘트를 분사하는 노즐을 갖는 노즐부; 상기 노즐부 상부측에 설치되는 1단 바렐; 상기 필라멘트 공급부 하단에 연결되는 2단 바렐; 상기 2단바렐 및 상기 필라멘트 공급부 중 적어도 어느 하나의 외면 일측에 구비되는 히트 싱크; 상기 1단 바렐의 상부 끝단과, 상기 2단 바렐의 하부 끝단을 결합시키고, 상기 히트블록의 열을 상부측으로 확산되는 것을 방지하기 위한 히트 브레이크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드에 관한 것이다.

Description

히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드{Printing head nozzle structure with high degree of heat dissipation characteristics to use molding materials with high melting points in fused deposition modeling}

본 발명은 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드에 관한 것이다.

일반적으로, 인쇄하여 제품을 입체적으로 만드는 3D프린터는 방식에 따라 액체 기반의 방식인 SLA(Stereolithography)와, 파우더 기반 방식인 SLS(Selective Laser Sintering) 그리고 고체 기반 방식인 FDM(Fused Deposition Modeling)이 있다.

이 중에서 FDM(Fused Deposition Modeling)는 오늘날 가장 널리 보급된 3D프린팅 방식 중 한가지이다. FDM은 컴퓨터 프로그램으로 만든 3차원 도면을 바탕으로 컴퓨터 제어 신호를 생성하여 이 데이터를 3D 프린터로 전송하여 3D 프린터 헤드를 움직이게 한다. 그리고 3D프린터 헤드의 노즐에선 용융된 물질이 제어 신호에 맞추어 분사되며, 분사된 용융물은 평면 구조물에 적층된다. 이후 냉각의 과정을 거쳐 3차원 입체물이 만들어지며, 이러한 입체 구조물은 적층에 의한 평면 구조물에 평행한 무늬가 나타나는 것이 특징이다.

그런데 기존의 3D프린터는 노즐이 자주 막히는 문제점이 있다. 노즐 주변은 모재인 필라멘트를 녹이기 위해 매우 고온으로 유지되는데, 노즐 주변의 온도가 노즐 상부로 전달되면 필라멘트가 공급되는 공급로가 함께 가열된다.

이에 따라 공급로의 필라멘트가 녹아 흘러넘치고, 냉각된 후에는 고체화되어 노즐을 막는 것이다.

또한, 공급로 주변으로 노즐의 열기가 전달되면, 전달된 열은 공급로에 진입하는 필라멘트를 흐물흐물하게 만든다. 필라멘트는 노즐에 이르기까지는 어느 정도 그 형태를 유지해야 원활한 공급이 이루어질 수 있는데, 흐물흐물해진 필라멘트는 원활한 공급을 어렵게 하는 문제점도 있다.

현재 국내에서는 300x300mm2 이하의 베드크기를 갖는 중소형 FDM 3D 프린터의 경우 대체로 중국에서 생산된 제품이 유통되고 있으며, 국내에서는 큐비콘社의 제품이 대표적이라 할 수 있지만, 대체로 노즐 막힘 문제가 빈번히 발생하고 있어 다른 전자제품과 비교할 때 잦은 AS가 필요한 실정이다.

이를 해결하기 위하여 MOMENT社 등에서는 특수 노즐구조를 고안하여 신뢰성이 높은 제품을 출시하고 있으나, 출력베드의 크기가 150x150mm² 수준임에도 불구하고 판매가격이 200만원 가량에 이르고 있어, 보급화 되기 어려운 상황이다.

뿐만 아니라 현재 출시된 대부분의 300x300mm² 이하의 베드크기를 갖는 중소형 FDM 3D 프린터는 대체로 250도 이하로 Hot-end 노즐을 가열하므로, 높은 기계적 특성을 갖는 탄소섬유, 엔지니어링 플라스틱 등을 이용한 3D 출력이 불가능한 실정이다.

대한민국 등록특허 10-1718613 대한민국 등록특허 10-1736551 대한민국 등록특허 10-1952352 대한민국 공개특허 10-2019-0063819

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 종래 익스트루더 상부와 하부(노즐부) 간의 열차단을 위해 활용된 히트 브레이크(Heat Break) 구조는 열전도율이 낮은 단일 재료를 이용한 구조로서 상부와 하부가 함께 체결되어 있는 것에 비하여, 본 발명의 실시예에 따른 구조는 높은 온도를 유지하는 히트 블록(Heat block)으로부터 히트 브레이크(Heat break)로 향하는 1단 배럴을 가지며 이러한 1단 배럴과 히트 브레이크에서 히트 싱크로 향하는 2단 배럴이 히트 브레이크에 의하여 연결된 구조를 가짐으로써 익스트루더 상부로의 열확산을 방지할 수 있는, 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 용융적층형 성형 방식을 적용하고 있는 3D 프린터기기에서 산업적 활용도가 높은 폴리카보네이트, PEEK(Poly Ether Ether Ketone) 및 PAEK(Polyaryletherketone) 등의 엔지니어링 플라스틱을 활용하여 출력할 수 있도록 높은 용융점에 대응할 수 있는 히트블록과 필라멘트가 주입되는 익스트루더 상부 간의 높은 단열특성을 확보할 수 있는 익스트루더 노즐 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드에 있어서, 필라멘트를 공급받는 필라멘트 공급부; 상기 필라멘트 공급부 외면 일측에 구비되는 히트 싱크; 상기 필라멘트 공급부의 하부측에 구비되는 바렐; 상기 필라멘트 공급부로부터 공급된 필라멘트를 가열하여 용용시키는 히트 블록과, 상기 용융된 필라멘트를 분사하는 노즐을 갖는 노즐부; 및 상기 노즐부의 상부 끝단과, 상기 바렐을 결합시키고, 상기 히트블록의 열을 상부측으로 확산되는 것을 방지하기 위한 히트 브레이크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 히트 브레이크는 상기 바렐 하부 끝단과 상기 노즐부 상부 끝단이 특정 이격 공간을 갖도록 결합시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 히트 브레이크는 열전달계수가 특정값 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 이격 공간은 공기층으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 히트 브레이크는 AISI304 및 세라믹 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드에 있어서, 필라멘트를 공급받는 필라멘트 공급부;상기 필라멘트 공급부로부터 공급된 필라멘트를 가열하여 용용시키는 히트 블록과, 상기 용융된 필라멘트를 분사하는 노즐을 갖는 노즐부; 상기 노즐부 상부측에 설치되는 1단 바렐; 상기 필라멘트 공급부 하단에 연결되는 2단 바렐; 상기 2단바렐 및 상기 필라멘트 공급부 중 적어도 어느 하나의 외면 일측에 구비되는 히트 싱크; 상기 1단 바렐의 상부 끝단과, 상기 2단 바렐의 하부 끝단을 결합시키고, 상기 히트블록의 열을 상부측으로 확산되는 것을 방지하기 위한 히트 브레이크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 히트 브레이크는 상기 1단 바렐과 2단바렐과 이종소재로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 히트 브레이크는 상기 1단 바렐의 상부 끝단과, 상기 2단 바렐의 하부 끝단이 특정 이격 공간을 갖도록 결합시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 높은 열확산 특성을 갖는 용융압출성형용 노즐 구조에 따르면, 필라멘트의 용융이 일어나는 히트블록과 필라멘트가 주입되는 익스트루더 상부 간 열적 분리를 통해 용융점이 상대적으로 높은 엔지니어링 플라스틱류(예를 들어, PEEK, PAEK 등) 및 저융점 금속 등을 가공할 수 있으며 노즐 막힘 등을 방지하여 질 높은 출력을 기대할 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드에 따르면, 신뢰성이 개선된 중형체적 build가 가능한 3D 프린터의 상품화 개발이 가능해 지며, 소형에서 중형 및 대형 프린터로 변화하는 시장수요 변화 대응할 수 있으며, 소량 다품종 생산 산업에 본격 대응(완구/맞춤형 디지털 액세서리 등)이 가능하고, 맞춤형 의료보조기 제작특성 강화 Prototype 제작 가능 산업을 확대할 수 있으며, 고융점 열가소성수지 프린팅이 가능한 기술력을 확보할 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드의 정면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드의 정면도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드의 부분 단면 사시도,
도 4a는 본 발명의 제1실시예에서, 히트 블록 260℃일 때의 열해석 결과,
도 4b는 도 4a의 부분도,
도 4c는 본 발명의 제1실시예에서, 히트 블록 220℃일 때의 열해석 결과,
도 4d는 본 발명의 제1실시예에서, 히트 블록 350℃일 때의 열해석 결과,
도 5a는 본 발명의 제1실시예에서 히트 브레이크의 재질을 니켈(K=46)에서 AISI 304(K=15)로 변경한 경우의 히트 블록 260℃일 때의 열해석 결과,
도 5b는 도 5a의 부분도,
도 5c는 본 발명의 제1실시예에서 히트 브레이크의 재질을 니켈(K=46)에서 AISI 304(K=15)로 변경한 경우의 히트 블록 220℃일 때의 열해석 결과,
도 5d는 본 발명의 제1실시예에서 히트 브레이크의 재질을 니켈(K=46)에서 AISI 304(K=15)로 변경한 경우의 히트 블록 350℃일 때의 열해석 결과,
도 6a는 종래 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드(비교예, 두께 0.5mm)의 단면도와, 히트 블록 260℃일 때의 열해석 결과,
도 6b는 비교예에서, 히트 블록 220℃일 때의 열해석 결과,
도 6c는 비교예에서, 히트 블록 350℃일 때의 열해석 결과,
도 7a는 비교예에서 히트브레이트의 두께가 1.0mm인 경우, 단면도와 히트 블록 260℃일 때의 열해석 결과,
도 7b는 비교예에서 히트브레이트의 두께가 1.0mm인 경우, 히트 블록 220℃일 때의 열해석 결과,
도 7c는 비교예에서 히트브레이트의 두께가 1.0mm인 경우, 히트 블록 350℃일 때의 열해석 결과,
도 8a는 비교예에서 히트브레이트에 냉각핀을 설치한 경우, 단면도와 히트 블록 260℃일 때의 열해석 결과,
도 8b는 비교예에서 히트브레이트에 냉각핀을 설치한 경우, 히트 블록 220℃일 때의 열해석 결과,
도 8c는 비교예에서 히트브레이트에 냉각핀을 설치한 경우, 히트 블록 350℃일 때의 열해석 결과,
도 9a는 본 발명의 제1실시예에서 히트 브레이크의 재질을 세라믹(K=1.49)으로 변경한 경우의 히트 블록 260℃일 때의 열해석 결과,
도 9b는 본 발명의 제1실시예에서 히트 브레이크의 재질을 세라믹(K=1.49)으로 변경한 경우의 히트 블록 220℃일 때의 열해석 결과,
도 9c는 본 발명의 제1실시예에서 히트 브레이크의 재질을 세라믹(K=1.49)으로 변경한 경우의 히트 블록 350℃일 때의 열해석 결과,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드의 단면도,
도 11a는 본 발명의 제2실시예에서, 히트 블록 260℃일 때의 열해석 결과,
도 11b는 본 발명의 제2실시예에서, 히트 블록 220℃일 때의 열해석 결과,
도 11c는 본 발명의 제2실시예에서, 히트 블록 350℃일 때의 열해석 결과,
도 12a는 본 발명의 제3실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드의 정면도,
도 12b는 본 발명의 제3실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드의 단면도,
도 12c는 본 발명의 제3실시예에서, 히트 블록 350℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.

먼저. 도 1은 종래 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드(1)의 정면도를 도시한 것이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드(100)의 정면도를 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 익스트루더 상부와 하부(노즐부) 간의 열차단을 위해 활용된 히트 브레이크(Heat Break) 구조는 열전도율이 낮은 단일 재료를 이용한 구조로서 상부와 하부가 함께 체결되어 있는 것에 비하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 익스트루더 상부로 연결된 바렐과 노즐이 열전도도가 낮은 이종물질을 활용하여 구성함으로써, 익스트루더 상부로의 열확산을 방지하고 필라멘트 유출현상을 억제할 수 있는 구조를 갖는다.

이하에서는 본 발명의 제1실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드(100)의 구성을 보다 상세히 설명하고, 히트 블록(52)이 260℃, 220℃, 350℃이때 열해석 결과에 대해 설명하도록 한다. 열해석 실험시 대류 열전달은 5W/(m²K), 외기온도 22℃, 부품간 열접촉 전도도는 1,000W/(m²K)로 고려하였다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드의 부분 단면 사시도를 도시한 것이다. 도 4a는 본 발명의 제1실시예에서, 히트 블록(52) 260℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이고, 도 4b는 도 4a의 부분도, 도 4c는 본 발명의 제1실시예에서, 히트 블록(52) 220℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이고, 도 4d는 본 발명의 제1실시예에서, 히트 블록(52) 350℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다.

도 3 및 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드는, 필라멘트를 공급받는 필라멘트 공급부(10)와, 필라멘트 공급부(10) 외면 일측에 구비되는 히트 싱크(20)와, 필라멘트 공급부(10)의 하부측에 구비되는 바렐(30)과, 필라멘트 공급부(10)로부터 공급된 필라멘트를 가열하여 용용시키는 히트 블록(52)과, 상기 용융된 필라멘트를 분사하는 노즐(51)을 갖는 노즐부(50)와, 상기 노즐부(50)의 상부 끝단과, 상기 바렐(30)을 결합시키고, 상기 히트블록(52)의 열을 상부측으로 확산되는 것을 방지하기 위한 히트 브레이크(40)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다.

그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 히트 브레이크(40)는 바렐 하부 끝단(31)과 노즐부 상부 끝단(53)이 특정 이격 공간을 갖도록 결합시키게 된다. 이러한 이격 공간은 공기층(32)으로 형성되며, 히트 브레이크(40) 내부 공간에 공기층(32)을 두게 됨으로써, 상부로의 열확산을 방지하게 된다.

또한, 히트 브레이크(40)는 열전달계수가 특정값 이하로 구성된다. 즉, 열전도도가 낮은 재질을 적용하게 된다.

열해석 결과, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 260℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 72.5℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 133.0℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 238.8℃임을 알 수 있다.

그리고 도 4c에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 220℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 64.2℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 115.6℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 212.1℃임을 알 수 있다.

또한, 도 4d에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 350℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 92.0℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 177.1℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 319.4℃임을 알 수 있다.

도 5a는 본 발명의 제1실시예에서 히트 브레이크(40)의 재질을 니켈(K=46)에서 AISI 304(K=15)로 변경한 경우의 히트 블록(52) 260℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이고, 도 5b는 도 5a의 부분도이다. 그리고 도 5c는 본 발명의 제1실시예에서 히트 브레이크(40)의 재질을 니켈(K=46)에서 AISI 304(K=15)로 변경한 경우의 히트 블록(52) 220℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이고, 도 5d는 본 발명의 제1실시예에서 히트 브레이크(40)의 재질을 니켈(K=46)에서 AISI 304(K=15)로 변경한 경우의 히트 블록(52) 350℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다.

도 5a 내지 도 5d는, 제1실시예에서 열전도율이 더 낮은 AISI 304(K=15)로 변경한 경우의 열해석 결과를 나타낸 것이다.

열해석 결과, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 260℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 69.5℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 127.8℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 239.9℃임을 알 수 있다. 히트 싱크(20)로의 열전달량이 줄어 들면서 노즐의 온도는 상승하고 바렐(30) 및 히트 싱크(20) 온도는 약 3 ~ 4도 정도 감소하였음을 알 수 있다.

그리고 도 5c에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 220℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 61.7℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 111.8℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 212.4℃임을 알 수 있다.

또한, 도 5d에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 350℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 87.8℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 170.8℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 337.4℃임을 알 수 있다.

도 6a는 종래 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드(비교예, 두께 0.5mm)의 단면도와, 히트 블록(52) 260℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다. 그리고 도 6b는 비교예에서, 히트 블록(52) 220℃일 때의 열해석 결과, 도 6c는 비교예에서, 히트 블록(52) 350℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다.

열해석 결과, 도 6a에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 260℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 73.9℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 259.0℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 259.0℃임을 알 수 있다.

그리고 도 6b에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 220℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 65.1℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 218.0℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 218.2℃임을 알 수 있다.

또한, 도 6c에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 350℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 93.6℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 346.4℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 347.1℃임을 알 수 있다.

도 7a는 비교예에서 히트브레이트의 두께가 1.0mm인 경우, 단면도와 히트 블록(52) 260℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다. 그리고 도 7b는 비교예에서 히트브레이트의 두께가 1.0mm인 경우, 히트 블록(52) 220℃일 때의 열해석 결과, 도 7c는 비교예에서 히트브레이트의 두께가 1.0mm인 경우, 히트 블록(52) 350℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다.

열해석 결과, 도 7a에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 260℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 100.2℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 256.0℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 258.0℃임을 알 수 있다.

그리고 도 7b에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 220℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 87.1℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 217.3℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 218.3℃임을 알 수 있다.

또한, 도 7c에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 350℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 130.0℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 345.5℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 346.8℃임을 알 수 있다.

도 8a는 비교예에서 히트브레이트에 냉각핀을 설치한 경우, 단면도와 히트 블록(52) 260℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다. 그리고 도 8b는 비교예에서 히트브레이트에 냉각핀을 설치한 경우, 히트 블록(52) 220℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다. 도 8c는 비교예에서 히트브레이트에 냉각핀을 설치한 경우, 히트 블록(52) 350℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다.

열해석 결과, 도 8a에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 260℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 76.2℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 256.0℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 257.0℃임을 알 수 있다.

그리고 도 8b에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 220℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 67.1℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 217.7℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 217.7℃임을 알 수 있다.

또한, 도 8c에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 350℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 96.8℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 346.2℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 346.3℃임을 알 수 있다.

도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 히트 브레이크(40)는 열전달 면적을 줄여 온도차이를 유도하였으나, 냉각핀(2)을 장착하면 핀에 의한 냉각보다 온도차에 의한 전도차가 커서 히트 브레이크 기능을 다하지 못하는 것으로 판단된다.

도 9a는 본 발명의 제1실시예에서 히트 브레이크(40)의 재질을 세라믹(K=1.49)으로 변경한 경우의 히트 블록(52) 260℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다. 그리고 도 9b는 본 발명의 제1실시예에서 히트 브레이크의 재질을 세라믹(K=1.49)으로 변경한 경우의 히트 블록(52) 220℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이고, 도 9c는 본 발명의 제1실시예에서 히트 브레이크의 재질을 세라믹(K=1.49)으로 변경한 경우의 히트 블록(52) 350℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다.

열해석 결과, 도 9a에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 260℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 49.4℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 85.4℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 246.0℃임을 알 수 있다.

그리고 도 9b에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 220℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 44.7℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 78.1℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 208.5℃임을 알 수 있다.

또한, 도 9c에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 350℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 60.0℃, 바렐 하부 끝단(31) 온도는 115.0℃, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 330.9℃임을 알 수 있다.

도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드의 단면도를 도시한 것이다.

본 발명의 제2실시예에 따른 구조는 높은 온도를 유지하는 히트 블록(52)(Heat block)으로부터 히트 브레이크(Heat break)로 향하는 1단 배럴을 가지며 이러한 1단 배럴과 히트 브레이크에서 히트 싱크(20)로 향하는 2단 배럴이 히트 브레이크에 의하여 연결된 구조를 가짐으로써 익스트루더 상부로의 열확산을 방지할 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드는, 필라멘트를 공급받는 필라멘트 공급부(10); 필라멘트 공급부(10)로부터 공급된 필라멘트를 가열하여 용용시키는 히트 블록(52)과, 상기 용융된 필라멘트를 분사하는 노즐을 갖는 노즐부(50); 상기 노즐부(50) 상부측에 설치되는 1단 바렐(60); 상기 필라멘트 공급부(10) 하단에 연결되는 2단 바렐(11); 상기 2단바렐(11) 및 상기 필라멘트 공급부(10) 중 적어도 어느 하나의 외면 일측에 구비되는 히트 싱크(20); 및 상기 1단 바렐(60)의 상부 끝단(61)과, 상기 2단 바렐의 하부 끝단(12)을 결합시키고, 상기 히트블록(52)의 열을 상부측으로 확산되는 것을 방지하기 위한 히트 브레이크(40);를 포함하여 구성됨을 알 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따른 히트 브레이크(40)는 상기 1단 바렐(60)과 2단바렐(11)과 이종소재로 구성된다. 예를 들어, 1단 바렐(60)와 2단 바렐(11)은 SS304로 구성되고, 히트 브레이크(40)는 세라믹으로 구성될 수 있다. 그리고 노즐부(50)는 황동으로 구성된다.

그리고 히트 브레이크(40)는 1단 바렐(60)의 상부 끝단(61)과, 2단 바렐(11)의 하부 끝단(12)이 특정 이격 공간을 갖도록 결합시키도록 구성된다. 이러한 이격 공간은 공기층(32)으로 형성된다.

또한, 히트 브레이크(40)는 열전달계수가 특정값 이하, 즉 낮은 열전달계수를 갖는 재질로 구성됨이 바람직하다.

도 11a는 본 발명의 제2실시예에서, 히트 블록(52) 260℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이고, 도 11b는 본 발명의 제2실시예에서, 히트 블록(52) 220℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이며, 도 11c는 본 발명의 제2실시예에서, 히트 블록(52) 350℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다.

열해석 결과, 도 11a에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 260℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 47.2℃, 2단 바렐 하부 끝단(12) 온도는 80.2℃, 1단 바렐 상부 끝단(61) 온도는 227.0℃이고, 1단 바렐 하부 끝단 온도는 253.0℃이며, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 257.0℃임을 알 수 있다.

그리고 도 11b에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 220℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 42.8℃, 2단 바렐 하부 끝단(12) 온도는 72.3℃, 1단 바렐 상부 끝단(61) 온도는 189.3℃이고, 1단 바렐 하부 끝단 온도는 214.5℃이며, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 217.8℃임을 알 수 있다.

또한, 도 11c에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 350℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 56.6℃, 2단 바렐 하부 끝단(12) 온도는 105.5℃, 1단 바렐 상부 끝단(61) 온도는 299.2℃이고, 1단 바렐 하부 끝단 온도는 340.9℃이며, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 346.3℃임을 알 수 있다.

그리고 도 12a는 본 발명의 제3실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드의 정면도를 도시한 것이다. 그리고 도 12b는 본 발명의 제3실시예에 따른 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드의 단면도를 도시한 것이다.

본 발명의 제3실시예에 따른 노즐 헤드는 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 제2실시예와 대비하여 히트 브레이크(40)의 높이 길이가 더 크며, 이러한 히트 브레이크의 외면에 복수의 냉각핀(41)이 설치되어 짐을 알 수 있다. 또한, 이러한 히트 브레이크(40)의 내면 중단에는 돌출단이 형성되어, 2단 바렐(11)과 1단바렐(60) 사이에 위치하게 된다.

도 12c는 본 발명의 제3실시예에서, 히트 블록 350℃일 때의 열해석 결과를 도시한 것이다. 도 12c에 도시된 바와 같이, 히트블록(52) 350℃일 때, 히트 싱크(20) 온도는 79.7℃, 2단 바렐 입구는 79.9℃, 히트 브레이트 입구 온도는 138.6℃이고, 2단 바렐 하부 끝단(12) 온도는 168.4℃, 1단 바렐 상부 끝단(61) 온도는 181.2℃이고, 히트 브레이크(40) 출구 온도는 189.7℃이고, 1단 바렐 하부 끝단 온도는 297.8℃이며, 노즐부 상부 끝단(53) 온도는 326.7℃임을 알 수 있다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:종래 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드
10:필라멘트 공급부
11:2단 바렐
12:2단 바렐 하부끝단
20:히트싱크
30:바렐
31:바렐 하부끝단
32:공기층
40:히트브레이크
50:노즐부
51:노즐
52:히트블록
53:노즐부 상부끝단
60:1단 바렐
61:1단 바렐 상부끝단
100:히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드

Claims

프린팅용 익스트루더 노즐 헤드에 있어서,
필라멘트를 공급받는 필라멘트 공급부;
상기 필라멘트 공급부 외면 일측에 구비되는 히트 싱크;
상기 필라멘트 공급부의 하부측에 결합되는 바렐;
상기 필라멘트 공급부로부터 공급된 필라멘트를 가열하여 용융시키는 히트 블록과, 상기 용융된 필라멘트를 분사하는 노즐을 갖는 노즐부; 및
상기 노즐부의 상부 끝단과, 상기 바렐을 결합시키고, 상기 히트블록의 열을 상부측으로 확산되는 것을 방지하기 위한 히트 브레이크;를 포함하고,
상기 히트 브레이크는 상기 바렐 하부 끝단과 상기 노즐부 상부 끝단이 특정 이격 공간을 갖도록 결합시키며, 상기 이격 공간은 공기층으로 형성되고
상기 히트 브레이크는 열전달계수가 특정값 이하인 것을 특징으로 하는 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드.
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제 1항에 있어서,
상기 히트 브레이크는 AISI304 및 세라믹 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드.
프린팅용 익스트루더 노즐 헤드에 있어서,
필라멘트를 공급받는 필라멘트 공급부;
상기 필라멘트 공급부로부터 공급된 필라멘트를 가열하여 용융시키는 히트 블록과, 상기 용융된 필라멘트를 분사하는 노즐을 갖는 노즐부;
상기 노즐부 상부측에 설치되는 1단 바렐;
상기 필라멘트 공급부 하단에 연결되는 2단 바렐;
상기 2단바렐 및 상기 필라멘트 공급부 중 적어도 어느 하나의 외면 일측에 구비되는 히트 싱크;
상기 1단 바렐의 상부 끝단과, 상기 2단 바렐의 하부 끝단을 결합시키고, 상기 히트블록의 열을 상부측으로 확산되는 것을 방지하기 위한 히트 브레이크;를 포함하고,
상기 히트 브레이크는 상기 1단 바렐의 상부 끝단과, 상기 2단 바렐의 하부 끝단이 특정 이격 공간을 갖도록 결합시키며, 상기 이격 공간은 공기층으로 형성되고,
상기 히트 브레이크는 열전달계수가 특정값 이하인 것을 특징으로 하는 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드.
제 6항에 있어서,
상기 히트 브레이크 외면에 구비되는 적어도 하나의 냉각핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드.
제 7항에 있어서,
상기 히트 브레이크는 상기 1단 바렐과 2단바렐과 이종소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드.
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제 6항에 있어서,
상기 히트 브레이크는 AISI304 및 세라믹 중 적어도 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 히트 브레이크를 갖는 프린팅용 익스트루더 노즐 헤드.