KR102246186B1

KR102246186B1 - 3d 프린터

Info

Publication number: KR102246186B1
Application number: KR1020180151780A
Authority: KR
Inventors: 박영민; 안미선
Original assignee: 안미선
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2021-04-29
Also published as: KR20200071804A

Abstract

본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터는 성형공간을 구비하는 본체(11), 및 본체(11)의 전면에 배치되어 성형공간을 개폐하는 도어(13)를 포함하는 챔버(10), 고상의 열가소성 재료(M)를 용융시켜 배출하는 헤드(20), 헤드(20)의 아래에 배치되는 작업대(30), 헤드(20)를 X축 및 Y축 방향으로 구동시켜 작업대(30) 상에 열가소성 재료(M)를 상향으로 경화 적층시켜 제1 성형품(P1)을 성형하고, 본체(11)의 전면으로 슬라이딩되어 탈착 가능하게 본체(11)에 안착되는 헤드 구동 유닛(40), 작업대(30)를 Z축 방향으로 승하강시키는 승하강부(50), 작업대(30)의 아래에 배치되고, 액상의 광경화성 수지(R)를 수용하며, 상부가 개방된 수지 저장조(60), 승하강부(50)에 연결되고, 작업대(30)와 수지 저장조(60) 사이에 배치되며, 수지 저장조(60)의 상부를 통해 광경화성 수지(R)에 침지되었다가 상승하는 조형대(70), 및 투사 방향을 바꾸면서 수지 저장조(60)에 광을 투사하여, 조형대(70)의 하면에 광경화성 수지(R)를 하향으로 경화 적층시켜 제2 성형품(P2)을 성형하는 광조사부(80)를 포함한다.

Description

3D 프린터{3D PRINTER}

본 발명은 3D 프린터에 관한 것이다.

3D 프린터는 입력된 설계도에 따라 3차원 입체적 형상을 찍어내는 기계로서, 본래는 기업에서 시제품을 생산하기 위해 개발되었으나, 최근 들어서는 초기 플라스틱 소재에서 벗어나 나일론, 금속 등과 같이 소재 범위가 확장되었고, 산업용 시제품 제조뿐만 아니라 다양한 분야에서 상용화 단계로 진입하였다. 3D 프린터의 원리는 잉크젯 프린터의 원리와 유사하다. 2D 프린터인 잉크젯 프린터는 디지털화된 파일을 전송받아 잉크분사 노즐을 X축과 Y축으로 이동시키면서 종이에 잉크를 분사하여 활자나 그림 등의 2D 이미지를 인쇄하는데, 3D 프린터는 여기에 Z축 방향의 움직임을 더하여 3차원 입체 형상을 구현한다.

좀 더 구체적으로, 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 종래 3D 프린터는 필라멘트(filament)를 공급하는 익스트루더(extruder), 필라멘트를 용융시켜 분사하는 핫엔드 노즐 등으로 구성된다. 익스트루더를 통해 공급된 필라멘트는 핫엔드 노즐의 히터에 의해 용융되어 노즐을 통해 분사되는데, 이때 핫엔드 노즐이 3축 방향으로 이동하면서 필라멘트 박막을 적층하는 방식으로 3차원 물품을 만들어낸다. 상기 방식을 취하는 종래 3D 프린터는 구조가 단순하여 제작이 매우 용이하고 제조원가를 절감할 수 있으며 성형을 빠르게 진행할 수 있는 장점이 있으나, 표면이 거칠고 정밀하게 성형할 수 없는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하고자 다양한 3D 프린터가 개발되었으나, 프린팅 방식에 따른 재료 사용이 제한적이므로 원하는 정밀도를 구현하기 위해서는 그에 맞는 프린터를 선택적으로 사용해야 한다. 이에 사용자는 프린팅 소재 및 방식이 서로 다른 여러 대의 3D 프린터를 구매할 수밖에 없는 바, 이러한 문제를 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있다.

KR

10-2014-0121034

A

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 결합되어 승하강하는 작업대와 조형대를 중심으로 상부에서는 헤드를 통해 열가소성 재료를 용융 배출하여 작업대에서 성형품을 성형할 수 있고, 하부에서는 광경화성 수지에 광을 조사하여 조형대에서 다른 성형품을 선택적으로 성형할 수 있는 3D 프린터를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은 헤드를 구동시키는 헤드 구동 유닛을 모듈화하여 탈부착 가능하고, 광경화성 수지를 저장하는 수지 저장조를 크기(저장용량)에 따라 선택적으로 탈부착할 수 있는 3D 프린터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 측면은 3D 프린팅 공정 동안 작업대 및 조형대가 승하강할 때에 발생하는 진동을 저감하고, 상부에서의 열가소성 재료에 의한 성형 시 발생하는 열 전달을 방지할 수 있는 3D 프린터를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 따른 3D 프린터는 성형공간을 구비하는 본체, 및 상기 본체의 전면에 배치되어 상기 성형공간을 개폐하는 도어를 포함하는 챔버; 고상의 열가소성 재료를 용융시켜 배출하는 헤드; 상기 헤드의 아래에 배치되는 작업대; 상기 헤드를 X축 및 Y축 방향으로 구동시켜 상기 작업대 상에 상기 열가소성 재료를 상향으로 경화 적층시켜 제1 성형품을 성형하고, 상기 본체의 전면으로 슬라이딩되어 탈착 가능하게 상기 본체에 안착되는 헤드 구동 유닛; 상기 작업대를 Z축 방향으로 승하강시키는 승하강부; 상기 작업대의 아래에 배치되고, 액상의 광경화성 수지를 수용하며, 상부가 개방된 수지 저장조; 상기 승하강부에 연결되고, 상기 작업대와 상기 수지 저장조 사이에 배치되며, 상기 수지 저장조의 상부를 통해 상기 광경화성 수지에 침지되었다가 상승하는 조형대; 및 투사 방향을 바꾸면서 상기 수지 저장조에 광을 투사하여, 상기 조형대의 하면에 상기 광경화성 수지를 하향으로 경화 적층시켜 제2 성형품을 성형하는 광조사부;를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터에 있어서, 상기 헤드 구동 유닛의 양측 가장자리가 슬라이딩되도록, 상기 본체의 서로 마주보는 내면에 각각 배치된 슬라이딩 가이드레일;을 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터에 있어서, 상기 헤드 구동 유닛은 상기 헤드를 관통하면서 X축 또는 Y축 방향으로 배치되는 헤드 가이드봉; 상기 헤드 가이드봉의 말단에 연결되는 결합블록; 상기 헤드 가이드봉에 대해 수직으로 배치되도록, 상기 결합블록을 관통하는 헤드 이송봉; 외부 전원에 연결되는 커넥터, 및 상기 커넥터로부터 전력을 공급받아 상기 결합블록을 이송시키는 구동모터를 포함하는 구동부; 및 상기 헤드 이송봉을 지지하고, 상기 슬라이딩 가이드레일을 따라 슬라이딩되는 지지체;를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터에 있어서, 상기 지지체가 슬라이딩되어 상기 성형공간에 안착되는 동시에 상기 커넥터가 상기 외부 전원과 상호접속된다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터에 있어서, 상기 수지 저장조는 수지 저장용량이 서로 다른 복수 개로, 탈착 가능하게 상기 챔버 내부에 부착된다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터에 있어서, 상기 승하강부는 상기 작업대의 하면 및 상기 조형대의 상면을 결합시키는 결합뭉치; 봉 형상으로, 상기 결합뭉치를 관통하면서 Z축 방향을 따라 배치되고, 외면에 나사산이 형성되어 회전하면서 상기 결합뭉치를 승하강시키는 나사봉; 및 봉 형상으로, 상기 나사봉을 사이에 두고 서로 마주보도록 Z축 방향을 따라 배치되고, 상기 결합뭉치의 승하강을 가이드하는 한 쌍의 가이드봉;을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터에 있어서, 상기 결합뭉치는 전단의 상면에 상기 작업대의 하면이 탈착 가능하게 부착되고, 서로 마주보도록 양측단이 하향으로 절곡되며, 후단에 상기 나사봉이 통과하는 천공을 구비하는 결합편; 후단에 개구부가 형성된 블록 형태로 형성되고, 하부에 상기 조형대의 상면이 결합되는 조형대 결합체; 전단이 상기 조형대 결합체의 개구부에 삽입되어 체결되며, 상기 결합편의 하면 및 양측단 내면에 의해 둘러싸이도록 배치되는 체결부; 및 상기 결합편의 양측단의 외면에 각각 배치되고, 상기 가이드봉이 통과하는 관통공을 구비하는 슬라이딩 마운트;를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터에 있어서, 상기 결합뭉치는 말단이 상기 조형대 결합체의 전면을 관통하여 상기 개구부 내로 돌출되고, 상기 체결부의 전단에 나사결합되는 결합나사;를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터에 있어서, 상기 결합뭉치는 상기 결합편의 양측단의 외면으로부터 각각 돌출된 적어도 하나 이상의 축부; 및 상기 축부에 부착되어 상기 결합편의 평형을 조절하는 평형추;를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터에 있어서, 상기 결합편의 후단의 상면에 배치되고, 상기 천공과 소통되도록 관통된 너트공을 구비하는 너트 하우징; 및 상기 나사봉과 상기 너트공 사이에 배치되는 적어도 하나 이상의 강구(ball);을 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터에 있어서, 상기 슬라이딩 마운트는 상기 결합편의 양측단 외면의 상부 및 하부에 각각 하나씩 배치되고, 상기 관통공 내면과 상기 가이드봉의 외면 사이에 배치되는 구름 베어링;을 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터에 있어서, 판 형상으로, 상기 작업대의 하면과 상기 결합뭉치 사이에 배치되어, 상기 제1 성형품이 성형될 때에 발생하는 열(heat)의 전달을 차단하는 단열판;을 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터에 있어서, 상기 단열판의 양측 가장자리로부터 서로 마주보도록 하향으로 돌출된 적어도 2개 이상의 스토퍼; 및 상기 스토퍼와 상기 결합뭉치를 연결하는 브라켓;을 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터에 있어서, 상기 단열판에 의해 구획되는 상기 본체의 내상부 및 내하부 각각에 배치되어 내부 공기를 순환시키는 순환팬; 및 상기 본체의 내상부 및 내하부 각각에 배치되어 내부 공기를 상기 챔버 외부로 배출하는 배기부;를 더 포함한다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따르면, 작업대와 조형대가 서로 결합되어 승하강하며, 상부 영역에는 헤드를 통해 열가소성 재료를 작업대에 용융 배출하여 성형할 수 있고, 하부 영역에서는 광경화성 수지에 광을 조사하여 조형대에서 성형할 수 있으므로, 한 대의 3D 프린터로 서로 다른 재료를 사용하되 재료에 적합한 방식으로 성형하여 사용자가 원하는 3D 성형 공정에 따라 최적화된 성형품을 제조할 수 있다.

또한, 헤드 구동 유닛 및/또는 수지 저장조의 탈부착이 자유로우므로, 사용자가 원하는 성형품을 제조할 수 있고, 다양한 크기로 제작된 수지 저장조를 선택적으로 사용할 수 있다.

나아가, 열가소성 재료 또는 광경화성 수지를 선택하여 성형 공정을 수행할 때에 작업대 및 조형대가 승하강하면서 발생하는 진동을 저감하고, 열가소성 재료에 의한 성형 시 발생하는 열 전달을 방지함으로써, 어느 하나의 공정이 다른 공정에 미치는 영향을 배제하여 안정적이고 정밀한 3D 성형을 할 수 있다.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터의 정면도이다.
도 4 내지 도 5는 도 3에 도시된 결합뭉치의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 정면도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터의 정면도이며, 도 4 내지 도 5는 도 3에 도시된 결합뭉치의 분해 사시도이다. 여기서, 도 2 및 도 3은 발명의 설명을 용이하게 하기 위해서, 도 1의 챔버가 제거된 상태에서 도시된 사시도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린터는 성형공간을 구비하는 본체(11), 및 본체(11)의 전면에 배치되어 성형공간을 개폐하는 도어(13)를 포함하는 챔버(10), 고상의 열가소성 재료(M)를 용융시켜 배출하는 헤드(20), 헤드(20)의 아래에 배치되는 작업대(30), 헤드(20)를 X축 및 Y축 방향으로 구동시켜 작업대(30) 상에 열가소성 재료(M)를 상향으로 경화 적층시켜 제1 성형품(P1)을 성형하고, 본체(11)의 전면으로 슬라이딩되어 탈착 가능하게 본체(11)에 안착되는 헤드 구동 유닛(40), 작업대(30)를 Z축 방향으로 승하강시키는 승하강부(50), 작업대(30)의 아래에 배치되고, 액상의 광경화성 수지(R)를 수용하며, 상부가 개방된 수지 저장조(60), 승하강부(50)에 연결되고, 작업대(30)와 수지 저장조(60) 사이에 배치되며, 수지 저장조(60)의 상부를 통해 광경화성 수지(R)에 침지되었다가 상승하는 조형대(70), 및 투사 방향을 바꾸면서 수지 저장조(60)에 광을 투사하여, 조형대(70)의 하면에 광경화성 수지(R)를 하향으로 경화 적층시켜 제2 성형품(P2)을 성형하는 광조사부(80)를 포함한다.

본 발명은 3차원 입체적 형상을 성형하는 3D 프린터에 관한 것으로, 종래 압출적층조형(Fused Deposition Molding, FDM) 방식을 채택하는 3D 프린터는 열가소성 재료로 만들어진 필라멘트(filament)로 그 재료가 제한적이고, 성형품의 표면 거칠기와 정밀도가 떨어지는 문제가 있는바, 이에 대한 해결방안으로서 안출되었다.

구체적으로, 본 발명에 따른 3D 프린터는 챔버(10), 헤드(20), 작업대(30), 헤드 구동 유닛(40), 승하강부(50), 수지 저장조(60), 조형대(70), 및 광조사부(80)를 포함한다.

챔버(10)는 본체(11)와 도어(13)로 형성되는데, 본체(11)의 내부에 구비된 성형공간에서 성형품(P1, P2)이 성형되고, 성형이 완료된 성형품(P1, P2)은 본체(11)의 전면에 개방된 개구부를 통해 수거된다. 여기서, 본체(11)의 전면 개구부는 도어(13)에 의해 개폐된다. 한편, 상기 본체(11)의 내부에는 후술하는 헤드(20), 작업대(30), 헤드 구동 유닛(40), 승하강부(50), 수지 저장조(60), 조형대(70), 및 광조사부(80)가 배치 내지 내장된다.

헤드(20)는 고상의 열가소성 재료(M)를 용융시켜 배출한다. 고상의 열가소성 재료(M)는 열(heat)이 가해질 때에 용융되었다 식으면서 경화되는 성질을 가지는 재료로서, 예를 들어 ABS나 PLA 등으로 이루어진 플라스틱 필라멘트(filament) 등과 같이 3차원 프린팅 소재이면 제한 없이 선택할 수 있다.

헤드(20)는 일례로, 고상의 열경화성 재료(M)를 공급받아 이송하는 노즐관, 노즐관에 배치되어 상기 열경화성 재료(M)를 용융시키는 히터, 및 용융된 재료를 외부로 배출하는 노즐 등으로 구현될 수 있다. 또한, 서로 다른 색채와 성질을 가지는 다수의 열가소성 재료(M)를 혼합하기 위해 용융된 재료를 혼합하여 노즐로 공급할 수 있는 재료혼합부가 추가적으로 형성될 수 있다. 재료혼합부는, 예를 들어 다수의 재료가 공급되도록 다수의 공급관로를 구비하고, 그 공급관로가 수렴되는 일지점을 히터가 가열하여 재료를 용융 혼합시키며, 그 수렴 지점과 노즐을 소통시키는 배출관로가 구비되어 구현될 수 있다. 다만, 헤드(20)는 열가소성 재료(M)를 용융시켜 외부로 배출할 수 있는 수단이기만 하면 상기의 구성에 의해 권리범위가 한정되어서는 안 된다.

작업대(30)는 헤드(20)의 아래에 배치되어, 배출되는 열가소성 재료(M)가 적층되는 영역을 제공하고, 이에 의해 성형된 제1 성형품(P1)을 지지한다. 이러한 기능을 수행하기 위해서, 작업대(30)는 예를 들어, 판(plate) 형상으로 형성될 수 있다.

헤드 구동 유닛(40)은 헤드(20)를 X축 및 Y축 방향으로 이동시키는 이동수단으로서, 헤드(20)를 이동시킴으로써 열가소성 재료(M)를 좌우방향으로 작업대(30)의 상면에 배출 및 적층시켜 제1 성형품(P1)을 성형한다. 여기서, 헤드 구동 유닛(40)은 본체(11)의 전면으로 슬라이딩되어 탈착 가능하게 본체(11) 내부에 안착된다. 이를 구현하기 위한 일실시예로서, 본체(11)의 전방에서 바라볼 때 서로 마주보는 양측 내면에 각각 슬라이딩 가이드레일(90)이 배치될 수 있다. 슬라이딩 가이드레일(90)은 헤드 구동 유닛(40)의 양측 가장자리와 접촉하여 헤드 구동 유닛(40)이 슬라이딩되도록 안내하는데, 헤드 구동 유닛(40)의 양측 가장자리가 삽입되거나 지지되도록, 길이방향에 대해 수직인 횡단면이 "ㄷ"자, 또는 "ㄴ"자 형으로 형성될 수 있다. 이러한 슬라이딩 가이드레일(90)은 별도의 부재로서 본체(11)의 내면에 부착되거나, 또는 본체(11)의 내면에 홈을 내어 형성할 수 있다. 한편, 도시되지는 않았지만, 슬라이딩 가이드레일(90)에 슬라이딩되는 헤드 구동 유닛(40)과의 마찰을 줄이기 위해, 다수의 롤러(도시되지 않음)가 슬라이딩 가이드레일(90)의 길이방향을 따라 서로 이격되어 배치될 수도 있다.

헤드 구동 유닛(40)을 보다 구체적으로 설명하면, 그 일실시예로서 헤드 가이드봉(41), 결합블록(43), 헤드 이송봉(45), 구동부(47), 및 지지체(49)를 포함할 수 있다. 헤드 가이드봉(41)은 봉 형상으로, 헤드(20)를 관통하면서 X축 또는 Y축 방향으로 배치되어, 헤드(20)의 X축 또는 Y축 방향으로의 이동을 안내한다. 즉, 헤드(20)는 헤드 가이드봉(41)을 따라 움직인다. 결합블록(43)은 헤드 가이드봉(41)의 말단에 연결되어, 헤드 가이드봉(41)과 헤드 이송봉(45)을 서로 연결한다. 헤드 이송봉(45)은 결합블록(43)을 관통하면서, 헤드 가이드봉(41)에 대해 수직으로 배치된다. 여기서, 결합블록(43)은 구동부(47)에 의해 이송되므로, 헤드 이송봉(45)은 결합블록(43)의 이송을 안내한다. 구동부(47)는 외부 전원(도시되지 않음)과 전기적으로 연결되는 커넥터(도시되지 않음)로부터 전력을 공급받아 회전하는 구동모터(47a)를 사용하여 결합블록(43)을 이송한다. 일례로, 서로 마주보도록 배치된 한 쌍의 구동모터(47a)에 벨트(47b)가 감기고, 그 벨트(47b)에 결합블록(43)이 연결되어, 구동모터(47a)의 회전방향에 따라 전후진하도록 구현될 수 있다. 한편, 헤드 가이드봉(41)은 X축 및 Y축 각각의 방향으로 2개가 배치되고, 각각의 헤드 가이드봉(41) 양말단에 하나씩 결합블록(43)이 결합되며, 사각 링(ring) 형태로 4개의 헤드 이송봉(45)이 배치되어, 보다 안정적으로 헤드(20)를 X축 및 Y축 방향으로 이송할 수 있다. 이러한 헤드 가이드봉(41), 결합블록(43), 헤드 이송봉(45) 및 구동부(47)는 서로 유기적으로 작동할 수 있도록 정렬되고, 지지체(49)에 의해 지지된다. 이때, 헤드 이송봉(45)이 지지체(49)에 연결될 수 있는데, 그 외의 다른 부분이 지지체(49)에 연결되어도 무방하다. 이 경우, 본체(11) 내부로 슬라이딩되는 부분은 지지체(49)이다. 결과적으로, 헤드 구동 유닛(40)은 헤드(20)를 이송시키는 모듈로서, 본체(11)에 탈착 가능하게 그 내부에 부착된다. 이 경우, 지지체(49)가 슬라이딩되어 본체(11) 내부의 성형공간에 안착되는 동시에 커넥터가 외부 전원과 상호접속될 수 있다. 이를 위해, 커넥터와 외부 전원의 단자가 서로 대응되는 위치에 배치될 수 있다. 일례로, 커넥터가 지지체(49) 상에 부착되고, 외부 전원의 단자가 슬라이딩 가이드레일(90)에 배치되어, 전기적으로 접속될 수 있다.

승하강부(50)는 작업대(30)를 Z축 방향, 즉 상하방향으로 승하강시키는 수단으로, 제1 성형품(P1)을 성형하는 동안 헤드(20)와 작업대(30) 사이의 이격 거리를 조절한다. 이러한 승하강부(50)는 결합뭉치(51), 나사봉(53), 및 한 쌍의 가이드봉(55)으로 구현될 수 있다.

여기서, 결합뭉치(51)는 작업대(30)의 하면 및 후술할 조형대(70)의 상면을 결합시킨다. 결합뭉치(51)에 관한 자세한 사항은 후술한다. 나사봉(53)은 봉 형상으로 형성된 부재로서, 결합뭉치(51)를 관통하면서 Z축 방향을 따라 배치되는데, 그 외면에 나사산이 형성된다. 따라서, 나사봉(53)이 Z축을 회전축으로 하여 회전하게 되면, 회전방향에 따라 결합뭉치(51)가 승하강함으로써 작업대(30)를 승하강시킬 수 있다. 한편, 한 쌍의 가이드봉(55)은 각각 봉 형상으로 형성된 부재로, 결합뭉치(51)의 좌우를 관통하도록 나사봉(53)을 사이에 두고 서로 마주보도록 Z축 방향을 따라 배치됨으로써, 결합뭉치(51)가 좌우 평행을 유지하면서 상하방향으로 슬라이딩되도록 가이드한다.

수지 저장조(60)는 상부가 개방된 용기로서, 상부로 주입된 액상의 광경화성 수지(R)를 내부에 수용한다. 이러한 수지 저장조(60)는 작업대(30)의 아래에 배치된다. 광경화성 수지(R)는 액상으로 존재하다가 레이저, UV 등의 광에 노출되면 경화하는 고분자 소재로 제2 성형품(P2)을 제조하기 위한 재료이다. 수지 저장조(60)는 본체(11)의 내하부에 배치된 받침대 상에 배치되는데, 탈부착이 가능하다. 따라서, 본체(11)의 외부에서 상기 광경화성 수지(R)가 수지 저장조(60)에 주입된 후, 본체(11)에 배치될 수 있다.

한편, 수지 저장조(60)는 복수 개로 서로 교체하여 사용할 수 있다. 각각의 수지 저장조(60)는 크기, 즉 수지 저장용량이 서로 다르게 형성되어, 제2 성형품(P2)의 부피 등을 고려하여 선택적으로 교체 사용이 가능하다. 이 경우, 이미 제품화된 용기를 수지 저장조(60)로 사용하는 것도 가능해진다. 여기서, 수지 저장조(60)는 상기 헤드 구동 유닛(40)과 동일한 방식으로 슬라이딩되면서 탈착 가능하게 배치될 수 있는데, 이 경우 슬라이딩 홈 및 그 슬라이딩 홈에 삽입되는 돌기 중 어느 하나는 받침대에 다른 하나는 수지 저장조(60)에 형성될 수 있다. 다만, 이는 일실시예에 불과하고, 다른 슬라이딩 방식이나, 또는 슬라이딩 방식이 아니라 받침대 바닥에 수지 저장조(60)가 탈착 가능하게 결합되는 방식을 채용할 수도 있다.

조형대(70)는 하면에 제2 성형품(P2)을 부착한다. 따라서, 조형대(70)의 하면은 일정 면적을 가지는 평면으로 형성된다. 조형대(70)는 작업대(30)와 수지 저장조(60) 사이에 배치되는데, 승하강부(50)에 연결되어 승하강되므로, 수지 저장조(60)의 개방된 상부를 통해 광경화성 수지(R)에 침지되어 그 하면에 제2 성형품(P2)의 상부가 부착되고, 상승하면서 광경화성 수지(R)가 하향으로 경화 적층되어 제2 성형품(P2)의 하부를 성형하게 된다.

광조사부(80)는 제2 성형품(P2)이 만들어지도록 수지 저장조(60)에 광을 투사하는 장치이다. 이때, 제2 성형품(P2)을 성형하기 위해서는 광의 투사 방향이 바뀌어야 하므로, 예를 들어 광을 발생시키는 광원과 투사 방향을 전환시키는 갈바노미터(galvanometer)로 구현될 수 있다. 여기서, 광원은 조사되는 광에 따라, 레이저 발진기, UV 램프 등을 사용할 수 있다.

종합적으로, 본 발명에 따르면, 작업대(30)와 조형대(70)가 승하강부(50)에 의해 서로 결합되어 승하강하도록 구성되고, 상부 영역에서 헤드(20)가 열가소성 재료(M)를 작업대(30)에 용융 배출하여 제1 성형품(P1)을 성형할 수 있고, 하부 영역에서는 광경화성 수지(R)에 광을 조사하여 조형대(70)에서 제2 성형품(P2)을 성형할 수 있으므로, 한 대의 3D 프린터로 서로 다른 재료를 사용하여 그 재료에 적합한 방식으로 각각 성형품을 성형함으로써 사용자가 원하는 3D 성형 공정에 따라 최적화된 성형품을 제조할 수 있다. 이때, 작업대(30)와 조형대(70)가 함께 승하강하므로, 제1 성형품(P1)과 제2 성형품(P2)은 별도로 성형되는 것이 원칙이지만, 성형품의 형태에 따라서는 2개의 성형품이 동시에 성형될 수도 있다. 또한, 성형품(P1, P2), 성형공정 등을 고려하여 사용자가 자유롭게 헤드 구동 유닛(40) 및/또는 수지 저장조(60)를 교체 사용할 수 있다.

이하에서는 결합뭉치(51)에 대해 자세하게 설명한다.

도 4 내지 도 5를 참고로, 결합뭉치(51)는 결합편(51a), 조형대 결합체(51b), 체결부(51c), 및 슬라이딩 마운트(51d)를 포함할 수 있다.

결합편(51a)은 전단의 상면에 작업대(30)의 하면이 탈착 가능하게 부착되고, 양측단(s)이 하향으로 절곡되어 서로 마주보도록 형성된다. 또한, 후단에는 나사봉(53)이 통과할 수 있도록 천공이 구비되어, 나사봉(53)과 결합편(51a)이 서로 연결된다.

조형대 결합체(51b)는 조형대(70)를 결합편(51a)에 결합시키는 부재로, 전체적으로 블록 형태로 형성되되, 후단에 개구부(b)를 구비하고, 하부는 조형대(70)의 상면과 결합된다.

체결부(51c)는 조형대 결합체(51b)와 결합편(51a)을 체결하는 부재이다. 체결부(51c)의 상면 및 양측면은 결합편(51a)의 하면 및 양측단(s) 내면에 의해 둘러싸이도록 결합편(51a)에 삽입 배치되되, 체결부(51c)의 전단의 외면과 결합편(51a)의 내면 사이에 유격이 생기도록 형성된다. 또한, 체결부(51c)의 전단은 조형대 결합체(51b)의 개구부(b)에 삽입되어 체결되는바, 그 개구부(b)의 형상과 대응되는 형상으로 형성된다. 한편, 상기 유격은 체결부(51c)의 전단이 삽입된 조형대 결합체(51b)의 개구부(b)를 형성하는 외면에 의해 채워진다. 여기서, 체결부(51c)의 후단이 그 전단보다 너비가 넓게 형성됨으로써, 후단의 양측면이 결합편(51a)의 양측단(s) 내면에 밀착되어 고정될 수 있다(도 4 참조). 이때, 체결부(51c)의 후단 양측면과 결합편(51a)의 양측단(s)은 볼트 등과 같은 체결구를 통해 견고하게 고정될 수 있다.

슬라이딩 마운트(51d)는 가이드봉(55)과 결합편(51a)을 연결하는 부재로서, 상하방향으로 관통된 관통공(d)을 구비한 블록 형태로 형성되고, 결합편(51a)의 양측단(s)의 외면에 각각 결합 배치되어, 가이드봉(55)이 관통공(d)을 통과하면서 결합편(51a)과 가이드봉(55)을 연결한다.

한편, 결합뭉치(51)가 나사봉(53)의 회전에 따라 승하강하는 동안, 조형대 결합체(51b)와 체결부(51c) 사이의 유격, 결합편(51a)의 천공과 나사봉(53) 사이의 유격 및 마찰, 슬라이딩 마운트(51d)의 관통공(d)과 가이드봉(55) 사이의 유격 및 마찰로 인해 진동이 발생할 수 있는바, 본 발명에서는 아래와 같이 진동 저감 수단을 제공할 수 있다.

먼저, 결합뭉치(51)는 결합나사(51e)를 더 포함할 수 있다. 결합나사(51e)는 두부와 두부의 중심에서부터 일방향으로 돌출된 나사부로 구성되는데, 나사부의 말단이 조형대 결합체(51b)의 전면을 관통하여 개구부(b) 내로 돌출되어 체결부(51c)의 전단부와 나사결합한다. 이로 인해, 조형대 결합체(51b)와 체결부(51c) 사이에 유격이 존재하더라도, 양자(51b, 51c)가 견고하게 결합할 수 있어, 진동을 최소화할 수 있다. 이때, 결합나사(51e)의 두부는 조형대 결합체(51b)의 전면으로부터 돌출되어 노출될 수 있고, 그 외주면에 요철 형태로 논슬립처리가 되어 사용자가 손쉽게 결합나사(51e)를 체결 내지 해제할 수 있으며, 드라이버 등을 통한 체결이 가능하도록 두부의 상면에 드라이버홈이 구비될 수도 있다.

또한, 결합뭉치(51)는 축부(shaft, 51f), 및 평형추(51g)를 더 포함할 수 있다. 결합편(51a)과 나사봉(53) 사이, 그리고 슬라이딩 마운트(51d)와 가이드봉(55) 사이의 유격으로 인해 결합편(51a)의 좌우 수평이 맞지 않을 수 있다. 이에, 본 발명에서는 결합편(51a)의 양측단(s)의 외면으로부터 좌우로 각각 돌출된 적어도 하나 이상의 축부(51f)가 형성되고, 그 좌우 축부(51f)에 평형추(51g)가 부착됨으로써, 결합편(51a)의 좌우 평형을 조절한다. 일례로, 축부(51f)는 외면에 나사산이 형성된 너트 형태로 형성되고, 평형추(51g)는 나비 너트 형태로 형성될 수 있는데, 이 경우 사용자가 나비 너트를 조이거나 풀어서 위치를 조정함으로써 평형을 조절할 수 있다.

나사봉(53)과 결합편(51a) 사이의 유격 및 마찰을 보완하기 위해서, 본 발명은 너트 하우징(100), 및 강구(ball, 도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 너트 하우징(100)은 결합편(51a)의 후단의 상면에 결합 배치되는 부재로, 결합편(51a)의 천공과 소통되도록 관통된 너트공(101)을 구비한다. 따라서, 나사봉(53)은 결합편(51a)의 천공 및 너트공(101)을 통과하게 된다. 강구는 구 형태로 형성된 볼(ball)로서, 나사봉(53)과 너트공(101) 사이에 배치되어, 나사봉(53)과 너트공(101) 사이에 밀착되어 유격을 해소하고, 나사봉(53)이 회전할 때 발생하는 마찰을 저감하여 진동을 억제한다.

또한, 슬라이딩 마운트(51d)가 결합편(51a)의 양측단(s) 외면의 상부 및 하부에 이격되어 각각 하나씩 배치되고, 슬라이딩 마운트(51d)의 관통공(d) 내면과 가이드봉(55)의 외면 사이에 구름 베어링(도시되지 않음)이 배치될 수 있다. 이 경우, 결합편(51a)의 양측단(s) 중 어느 하나인 일측단을 기준으로, 2개의 슬라이딩 마운트(51d)가 상하 배열되고, 하나의 가이드봉(55)이 그 2개의 슬라이딩 마운트(51d)의 관통공(d)을 통과하므로, 가이드봉(55)의 서로 다른 상하부 영역을 각각의 슬라이딩 마운트(51d)와 구름 베어링이 고정하게 된다. 따라서, 어느 하나의 가이드봉(55)을 2중 베어링 구조로 지지하여 진동을 저감한다.

한편, 본 발명에 따른 3D 프린터는 상부와 하부 영역에서 서로 다른 재료와 방식으로 3D 성형을 수행하는바, 그 상부와 하부의 공정조건이 다를 수밖에 없으므로, 상부와 하부 영역이 서로 영향을 받지 않도록 아래와 같은 수단을 추가할 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 정면도로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터는 단열판(110)을 더 포함할 수 있다.

단열판(110)은 단열 소재를 이용해 판 형상으로 형성된 부재이다. 이러한 단열판(110)은 작업대(30)의 하면과 결합뭉치(51) 사이에 배치되어 고정된다. 제1 성형품(P1, 도 1 참조)을 성형하는 경우 열가소성 재료는 열을 흡수하여 용융되었다가 열을 방출하면서 경화되기 때문에 그 열이 하부로 이동하여 수지 저장조(60) 내의 광경화성 수지에 영향을 미칠 수 있는바, 단열판(110)으로써 상부에서부터 하부로 전달되는 열을 차단한다.

한편, 본 발명에 따른 3D 프린터는 작업대(30) 및 조형대(70)를 승하강하면서, 재료를 상향 또는 하향으로 적층하여 성형하므로, 조형대(70)의 높이가 너무 낮아지면 수지 저장조(60)와 충돌할 수 있다. 이에 본 발명은 스토퍼(120), 및 브라켓(130)을 더 포함할 수 있다.

스토퍼(120)는 단열판(110)의 양측 가장자리로부터 서로 마주보도록 하향으로 돌출되어 적어도 2개 이상 형성될 수 있다. 스토퍼(120)는 조형대(70)와 수지 저장조(60)가 서로 충돌되지 않을 정도의 높이를 가지므로, 조형대(70)가 하강할 때에 스토퍼(120)가 수지 저장조(60)를 지지하는 받침대에 닿게 되어, 조형대(70)와 수지 저장조(60)의 충돌을 방지한다. 여기서, 받침대와 닿는 경우 충격이 단열판(110)을 통해 작업대(30) 및 조형대(70)로 전해질 수 있으므로, 스토퍼(120)가 충격을 흡수할 수 있는 소재로 제조되거나, 스프링 또는 댐퍼와 같은 별도의 충격흡수장치가 스토퍼(120)에 장착될 수 있다.

브라켓(130)은 스토퍼(120)가 받침대에 닿는 충격으로 인한 변형 및 파손을 방지하기 위해서, 스토퍼(120)와 결합뭉치(51)를 연결하여, 스토퍼(120)를 견고하게 고정한다.

또한, 본 발명에 따른 3D 프린터는 단열판(110)을 기준으로 상부와 하부 영역의 공기를 순환시키고 이를 배출하기 위해서, 순환팬(150), 및 배기부(160)를 더 포함할 수 있다.

챔버(10)의 본체(11, 도 1 참조)의 성형공간은 단열판(110)에 의해 내상부와 내하부로 구획된다. 이때, 단열판(110)의 가장자리가 본체(11)의 내면과 밀착되고, 그 경계의 전부 또는 일부가 씰링(sealing)될 수 있다.

이렇게 구획된 본체(11)의 내상부 및 내하부 각각에 순환팬(150) 및 배기부(160)가 배치될 수 있다. 순환팬(150)은 내부 공기를 순환시키기 위해 제공된 장비이고, 배기부(160)는 내부 공기를 챔버(10) 외부로 배출하는 장비로서, 덕트, 배기팬, 배기펌프 등을 통해 구현될 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10: 챔버 11: 본체
13: 도어 20: 헤드
30: 작업대 40: 헤드 구동 유닛
41: 헤드 가이드봉 43: 결합블록
45: 헤드 이송봉 47: 구동부
47a: 구동모터 47b: 벨트
49: 지지체 50: 승하강부
51: 결합뭉치 53: 나사봉
55: 가이드봉 51a: 결합편
51b: 조형대 결합체 51c: 체결부
51d: 슬라이딩 마운트 51e: 결합나사
51f: 축부 51g: 평형추
60: 수지 저장조 70: 조형대
80: 광조사부 90: 슬라이딩 가이드레일
101: 너트공 100: 너트 하우징
110: 단열판 120: 스토퍼
130: 브라켓 140: 순환팬
150: 배기부 P1: 제1 성형품
P2: 제2 성형품 M: 열가소성 재료
R: 광경화성 수지

Claims

성형공간을 구비하는 본체, 및 상기 본체의 전면에 배치되어 상기 성형공간을 개폐하는 도어를 포함하는 챔버;
고상의 열가소성 재료를 용융시켜 배출하는 헤드;
상기 헤드의 아래에 배치되는 작업대;
상기 헤드를 X축 및 Y축 방향으로 구동시켜 상기 작업대 상에 상기 열가소성 재료를 상향으로 경화 적층시켜 제1 성형품을 성형하고, 상기 본체의 전면으로 슬라이딩되어 탈착 가능하게 상기 본체에 안착되는 헤드 구동 유닛;
상기 작업대를 Z축 방향으로 승하강시키는 승하강부;
상기 작업대의 아래에 배치되고, 액상의 광경화성 수지를 수용하며, 상부가 개방된 수지 저장조;
상기 승하강부에 연결되고, 상기 작업대와 상기 수지 저장조 사이에 배치되며, 상기 수지 저장조의 상부를 통해 상기 광경화성 수지에 침지되었다가 상승하는 조형대; 및
투사 방향을 바꾸면서 상기 수지 저장조에 광을 투사하여, 상기 조형대의 하면에 상기 광경화성 수지를 하향으로 경화 적층시켜 제2 성형품을 성형하는 광조사부;를 포함하고,
상기 헤드 구동 유닛의 양측 가장자리가 슬라이딩되도록, 상기 본체의 서로 마주보는 내면에 각각 배치된 슬라이딩 가이드레일; 및
상기 성형공간에 배치되고, 외부 전원에서 생성된 전력을 상기 헤드 구동 유닛에 공급하는 외부 전원 단자;를 더 포함하며,
상기 헤드 구동 유닛은,
상기 헤드를 관통하면서 X축 또는 Y축 방향으로 배치되는 헤드 가이드봉;
상기 헤드 가이드봉의 말단에 연결되는 결합블록;
상기 헤드 가이드봉에 대해 수직으로 배치되도록, 상기 결합블록을 관통하는 헤드 이송봉;
상기 외부 전원 단자와 분리 가능하게 연결되는 커넥터, 및 상기 커넥터로부터 전력을 공급받아 상기 결합블록을 이송시키는 구동모터를 포함하는 구동부; 및
상기 헤드 이송봉을 지지하고, 상기 슬라이딩 가이드레일을 따라 슬라이딩되는 지지체;를 포함하고,
상기 헤드 구동 유닛이 상기 성형공간 내에 안착되도록, 상기 지지체가 슬라이딩될 때에, 분리되었던 상기 커넥터가 상기 외부 전원 단자를 향해 접근하면서 상기 외부 전원 단자와 전기적으로 상호접속되어 상기 전력을 공급하는 3D 프린터.
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청구항 1에 있어서,
상기 수지 저장조는
수지 저장용량이 서로 다른 복수 개로, 탈착 가능하게 상기 챔버 내부에 부착되는 3D 프린터.
청구항 1에 있어서,
상기 승하강부는
상기 작업대의 하면 및 상기 조형대의 상면을 결합시키는 결합뭉치;
봉 형상으로, 상기 결합뭉치를 관통하면서 Z축 방향을 따라 배치되고, 외면에 나사산이 형성되어 회전하면서 상기 결합뭉치를 승하강시키는 나사봉; 및
봉 형상으로, 상기 나사봉을 사이에 두고 서로 마주보도록 Z축 방향을 따라 배치되고, 상기 결합뭉치의 승하강을 가이드하는 한 쌍의 가이드봉;을 포함하는 3D 프린터.
청구항 6에 있어서,
상기 결합뭉치는
전단의 상면에 상기 작업대의 하면이 탈착 가능하게 부착되고, 서로 마주보도록 양측단이 하향으로 절곡되며, 후단에 상기 나사봉이 통과하는 천공을 구비하는 결합편;
후단에 개구부가 형성된 블록 형태로 형성되고, 하부에 상기 조형대의 상면이 결합되는 조형대 결합체;
전단이 상기 조형대 결합체의 개구부에 삽입되어 체결되며, 상기 결합편의 하면 및 양측단 내면에 의해 둘러싸이도록 배치되는 체결부; 및
상기 결합편의 양측단의 외면에 각각 배치되고, 상기 가이드봉이 통과하는 관통공을 구비하는 슬라이딩 마운트;를 포함하는 3D 프린터.
청구항 7에 있어서,
상기 결합뭉치는
말단이 상기 조형대 결합체의 전면을 관통하여 상기 개구부 내로 돌출되고, 상기 체결부의 전단에 나사결합되는 결합나사;를 더 포함하는 3D 프린터.
청구항 7에 있어서,
상기 결합뭉치는
상기 결합편의 양측단의 외면으로부터 각각 돌출된 적어도 하나 이상의 축부; 및
상기 축부에 부착되어 상기 결합편의 평형을 조절하는 평형추;를 더 포함하는 3D 프린터.
청구항 7에 있어서,
상기 결합편의 후단의 상면에 배치되고, 상기 천공과 소통되도록 관통된 너트공을 구비하는 너트 하우징; 및
상기 나사봉과 상기 너트공 사이에 배치되는 적어도 하나 이상의 강구(ball);을 더 포함하는 3D 프린터.
청구항 7에 있어서,
상기 슬라이딩 마운트는 상기 결합편의 양측단 외면의 상부 및 하부에 각각 하나씩 배치되고,
상기 관통공 내면과 상기 가이드봉의 외면 사이에 배치되는 구름 베어링;을 더 포함하는 3D 프린터.
청구항 6에 있어서,
판 형상으로, 상기 작업대의 하면과 상기 결합뭉치 사이에 배치되어, 상기 제1 성형품이 성형될 때에 발생하는 열(heat)의 전달을 차단하는 단열판;을 더 포함하는 3D 프린터.
청구항 12에 있어서,
상기 단열판의 양측 가장자리로부터 서로 마주보도록 하향으로 돌출된 적어도 2개 이상의 스토퍼; 및
상기 스토퍼와 상기 결합뭉치를 연결하는 브라켓;을 더 포함하는 3D 프린터.
청구항 12에 있어서,
상기 단열판에 의해 구획되는 상기 본체의 내상부 및 내하부 각각에 배치되어 내부 공기를 순환시키는 순환팬; 및
상기 본체의 내상부 및 내하부 각각에 배치되어 내부 공기를 상기 챔버 외부로 배출하는 배기부;를 더 포함하는 3D 프린터.