KR102291312B1 - 성형 챔버 모듈 및 이를 구비한 3차원 프린터 - Google Patents

성형 챔버 모듈 및 이를 구비한 3차원 프린터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 성형 챔버 모듈 및 이를 구비하는 3차원 프린터와 관련된다. 본 발명은 실시예로 장착 가능하게 이루어진 3차원 프린터의 성형 챔버 모듈로서, 이동이 가능한 케이싱부 내에 제품이 성형되는 성형부 또는 원재료 분말이 공급되는 분말공급부가 배치되고, 상기 성형부 또는 상기 분말공급부는, 상기 원재료 분말이 담기는 분말통부, 상기 분말통부의 외측에 접하도록 위치하고 열을 발생하여 상기 분말통부의 온도를 상승시키는 히팅부, 상기 히팅부 외측에 배치되고 상기 히팅부에서 발생한 열이 외부로 전달되지 않도록 차단하는 단열부 및 상기 분말통부와 연결되고 상기 분말통부가 상승 또는 하강하도록 구동시키는 구동부를 포함하는 성형 챔버 모듈 및 이를 구비하는 3차원 프린터를 제시한다.

Description

성형 챔버 모듈 및 이를 구비한 3차원 프린터{Molding chamber module and 3D printer having the same}
본 발명은 3차원 프린터의 성형 챔버 모듈에 관한 것으로서 상세하게는 적절한 예열 기능을 구비한 성형 챔버 모듈 및 이를 구비한 3차원 프린터와 관련된다.
종래에는 3차원 성형품을 제조하기 위해 주조나 단조 등의 전통적인 가공방법을 사용해 왔다. 또한 이와 같은 제조 방법을 이용할 때 제품의 품질을 유지하기 위해서는 전문적인 지식을 가진 작업자가 이를 수행해야 했다.
최근에는 3차원 성형품을 가공하기 위한 장치로 3차원 프린터가 사용되기 시작하고 있다. 3차원 프린터는 비전문가도 손쉽게 3차원의 성형품을 제작할 수 있다는 이점 때문에 점차 전통적인 가공방법을 대체하고 있다.
이러한 3차원 프린터 중 금속 분말을 원재료로 하여 성형하는 3차원 프린터가 있다. 이러한 금속 3차원 프린터는 금속의 내부 응력으로 인하여 성형이 만족스럽게 이루어지지 않을 수 있다.
한편 현재 3차원 프린터에 있어서, 성형 챔버를 교체 및 이동하면서 성형을 수행하는 성형 챔버 모듈의 개념이 도입되고 있다. 성형 챔버 모듈의 경우에도 금속 분말을 원재료로 하는 경우 상기와 같은 문제가 발생할 수 있다.
이에 따라 금속 분말을 원재료로 할 경우 성형품의 내부 응력을 해소하기 위한 성형 챔버 모듈의 연구가 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-1954019호 (2019.02.25) 대한민국 등록특허 제10-1646773 (2016.08.02)
본 발명은 원재료 분말을 적절하게 예열할 수 있도록 성형 챔버 모듈을 구성함으로써 성형품의 내부 응력을 해소하며, 성형품의 품질을 높일 수 있게 하는 성형 챔버 모듈 및 이를 구비한 3차원 프린터를 제시한다.
그 외 본 발명의 세부적인 목적은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
위 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 실시예로, 장착 가능하게 이루어진 3차원 프린터의 성형 챔버 모듈로서, 이동이 가능한 케이싱부 내에 제품이 성형되는 성형부 또는 원재료 분말이 공급되는 분말공급부가 배치되고, 상기 성형부 또는 상기 분말공급부는, 상기 원재료 분말이 담기는 분말통부, 상기 분말통부의 외측에 접하도록 위치하고 열을 발생하여 상기 분말통부의 온도를 상승시키는 히팅부, 상기 히팅부 외측에 배치되고 상기 히팅부에서 발생한 열이 외부로 전달되지 않도록 차단하는 단열부 및 상기 분말통부와 연결되고 상기 분말통부가 상승 또는 하강하도록 구동시키는 구동부를 포함하는 성형 챔버 모듈을 제시한다.
상기 성형 챔버 모듈은, 상기 단열부의 외측에 배치되는 냉각배관을 포함하여 상기 케이싱부 내부의 냉각 기능을 수행하는 냉각부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 냉각부는, 주변의 온도를 감지하는 온도감지수단, 상기 단열부의 외측을 통과하도록 배치되고 냉각수가 흐르는 냉각배관, 상기 냉각배관과 연결되고 상기 냉각배관에 공급되는 냉각수가 저장되는 저장수단 및 상기 냉각배관에 설치되고 상기 저장수단에 저장된 냉각수를 상기 냉각배관으로 공급하거나 공급된 냉각수를 저장수단으로 회수하는 펌핑수단을 포함할 수 있다.
한편 상기 분말통부와 상기 구동부는 단열재를 개재하여 연결될 수 있다.
또한 상기 케이싱부의 상측에는 슬라이딩 개폐가 가능한 도어가 구비되고, 상기 도어는 성형시 개방되고 개방된 공간으로 광빔이 조사될 수 있도록 이루어질 수 있다.
한편 위 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 실시예로, 장착 공간이 형성되는 몸체, 상기 몸체의 장착 공간에 장착되고 분말 공급부가 배치된 상술한 성형 챔버 모듈, 상기 몸체의 창착 공간에 장착되고 성형부가 배치된 상술한 성형 챔버 모듈, 상기 분말 공급부에서 공급되는 원재료 분말을 상기 성형부로 이동시키는 분말이동부 및 상기 몸체에 장착되고 상기 성형 챔버 모듈의 성형부에 광빔을 조사하여 성형품을 가공하는 광빔가공부를 포함하는 3차원 프린터를 제시한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성형 챔버 모듈에 있어서 원재료 분말을 적절하게 예열할 수 있으므로 성형품의 내부 응력을 해소할 수 있고 나아가 품질이 우수한 성형품을 얻을 수 있다.
그 외 본 발명의 효과들은 이하에 기재되는 구체적인 내용을 통하여, 또는 본 발명을 실시하는 과정 중에 이 기술분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 성형 챔버 모듈을 나타내는 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 성형 챔버 모듈의 분해사시도.
도 3은 도 1에 도시된 성형 챔버 모듈이 장착된 3차원 프린터를 나타내는 개략도.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 성형 챔버 모듈과 이를 구비한 3차원 프린터에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일유사한 구성에 대해서는 동일유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 성형 챔버 모듈을 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 성형 챔버 모듈 나타내는 분해사시도이다.
본 발명의 실시예에 따른 성형 챔버 모듈(100)은, 분리 및 장착이 가능하도록 이루어진 3차원 프린터(200)의 성형 챔버 모듈(100)로서, 이동이 가능한 케이싱부(6) 내에 제품이 성형되는 성형부(10) 또는 원재료 분말이 공급되는 분말공급부(20)가 배치된다.
또한 성형부(10) 또는 분말공급부(20)는, 분말통부(1), 히팅부(2), 단열부(3) 및 구동부(4)를 포함하여 이루어지고 냉각부(5)를 더 포함할 수 있다.
분말통부(1)에는 원재료 분말이 담긴다. 히팅부(2)는 분말통부(1)의 외측에 접하도록 위치하고 열이 발생하여 분말통부(1)의 온도를 상승시킨다. 한편 단열부(3)는 히팅부(2) 외측에 배치되고 히팅부(2)에서 발생한 열이 외부로 전달되지 않도록 차단한다. 또한 구동부(4)는 분말통부(1)와 연결되고 분말통부(1)가 상승 또는 하강하도록 구동시킨다.
이와 같이 구성된 성형 챔버 모듈은 원재료 분말을 적절하게 예열할 수 있으므로 성형품의 내부 응력을 해소할 수 있고 나아가 우수한 품질의 성형품을 얻을 수 있다.
이하 각 부의 구성에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
분말통부(1)는 원재료 분말이 담기는 구성이다. 3차원 프린터(200)에서 분말이 담기는 부분은 성형부(10)와 분말공급부(20)가 있다. 분말공급부(20)에서는 원재료 분말이 담긴 상태에서 바닥면(11)이 상승하여 챔버 내부에 원재료 분말을 일정량씩 공급하고, 성형부(10)에서는 바닥면(11)이 하강하면서 분말이동부(30)를 통해 분말공급부(20)로부터 이동된 분말을 수용하고 광빔을 조사하여 성형이 이루어진다.
분말통부(1)는 이와 같이 성형부(10)와 분말공급부(20)에 적용되기 위한 구성으로서 바닥면(11)은 후술하는 구동부(4)에 의해 상승 또는 하강이 가능하도록 이루어진다.
히팅부(2)는 분말통부(1)를 가열하기 위해 열을 발생시키는 구성이다. 히팅부(2)에서 열이 발생함으로써 분말통부(1)는 함께 가열이 되고 이에 따라 분말통부(1)에 담겨진 원재료 분말이 원활하게 성형될 수 있는 온도로 가열될 수 있다. 또한 성형품의 주변 온도를 높여 성형이 이루어진 후 성형품이 천천히 식도록 할 수 있다.
히팅부(2)는 전기를 이용한 발열수단인 히트 카트리지(21)를 구비하여 분말통부(1)를 가열할 수 있다. 히트 카트리지(21)는 분말통부(1)의 4개의 측면과 분말통부(1)의 바닥면(11)에 선택적으로 설치할 수 있다.
한편 히팅부(2)는 온도감지센서(미도시)를 구비함으로써 분말통부(1)가 적정 온도를 유지하도록 제어할 수 있다. 히팅부(2)는 대략 300도 정도의 열을 발생시킬 수 있는 것이 바람직하다.
금속 프린터의 경우 금속의 내부 응력으로 인하여 성형이 만족스럽게 이루어지지 않을 수 있다. 또한 성형품에 내부 응력이 발생되면 품질이 저하되고 불량을 유발하게 한다.
히팅부를 이용하여 예열을 하면 성형시 원재료 분말의 용융이 용이해지고 성형이 완료된 후 성형품이 천천히 식을 수 있으므로 응력을 50% 이상 줄일 수 있다.
단열부(3)는 히팅부(2)에서 발생한 열이 외부로 전달되지 않도록 차단하는 구성이다. 단열부(3)에 의해 히팅부(2)에서 발생한 열의 손실이 최소화되는 한편 분말통부(1) 외의 다른 구성이 가열되지 않도록 하여 손상을 방지할 수 있다.
단열부(3)는 히팅부(2)의 열에 대항하고 높은 온도에 견딜 수 있는 난연 또는 불연 소재를 채용한 단열재를 사용할 수 있고 인체에 무해한 비석면 계열의 단열재를 사용할 수 있다.
구동부(4)는 분말통부(1)의 바닥면(11)을 상승 또는 하강시키는 구성이다. 본 실시예에서 구동부(4)는 성형 챔버 모듈(100) 내에 포함된다. 구동부(4)가 성형 챔버 모듈(100) 내에 포함됨으로써 구동부(4)와 분말통부(1)의 위치 맞춤이 필요하지 않다. 또한 성형 챔버 모듈(100)의 분리 및 장착이 용이해 진다.
한편 분말통부(1)와 구동부(4)는 단열재(41)를 개재하여 연결될 수 있다. 분말통부(1)는 히팅부(2)에 의해 고온으로 가열되고 이때 발생한 열은 구동부(4)에 전달되어 구동부(4)의 손상을 가져올 수 있다.
따라서 분말통부(1)와 구동부(4)를 단열재(41)를 개재하여 연결함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다. 개재되는 단열재(41)는 커플링 형상으로 형성된 단열재를 사용할 수 있고 단열부의 단열재와 마찬가지로 난연 또는 불연 소재를 채용한 단열재로서 비석면 계열의 단열재를 사용할 수 있다.
냉각부(5)는 단열부(3)의 외측에 배치되는 냉각배관(52)을 포함하여 구성되고, 케이싱부(6) 내부의 냉각 기능을 수행한다. 냉각부(5)는 온도감지수단(51), 냉각배관(52), 저장수단(53) 및 펌핑수단(54)을 포함할 수 있다.
온도감지수단(51)은 주변의 온도를 감지한다. 구체적으로 온도감지수단(51)은 케이싱부(6) 내부에 장착되어 케이싱부(6) 내부의 온도를 감지할 수 있다. 냉각배관(52)은 단열부(3)의 외측을 통과하도록 배치되고 냉각배관(52)으로는 냉각수가 흐를 수 있다.
본 실시예에서 냉각배관(52)은 분말통부(1)의 후면에서 시작하여 분말통부(1)의 전체 측면을 차례로 이동한 후 다시 분말통부(1)의 후면으로 돌아오는 2개층의 관로 형태로 이루어진다.
온도감지수단(51)에서 감지된 온도에 따라 냉각배관(52)을 통해 냉각수를 흐르게 하여 케이싱부(6) 내부의 온도를 낮출 수 있다. 냉각배관(52)은 구리관으로 이루어질 수 있다.
한편 저장수단(53)은 냉각배관(52)과 연결되고 냉각배관(52)에 공급되는 냉각수가 저장된다. 또한 펌핑수단(54)이 냉각배관(52)에 설치되고 저장수단(53)에 저장된 냉각수를 냉각배관(52)으로 공급하거나 공급된 냉각수를 저장수단(53)으로 회수하도록 하여 냉각수의 순환을 가능하게 한다.
냉각부(5)에 의해 케이싱부(6) 내부의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있고 성형 챔버 모듈(100) 내부의 온도를 적절하게 유지하는 것이 가능하다.
또한 분말통부(1)에서 단열부(3) 및 냉각배관(52)이 배치된 외측으로 단열부(3)를 둘러싸도록 마감부재(7)를 덮어 마감할 수 있다.
케이싱부(6)에는 상술한 성형부(10) 또는 분말공급부(20)가 배치되어 장착되며 이에 따라 케이싱부(6)에는 성형부(10) 또는 분말이동부(30)를 구성하는 분말통부(1), 히팅부(2), 단열부(3), 구동부(4) 및 냉각부(5)가 구비될 수 있다.
한편 케이싱부(6)에는 성형 챔버 모듈(100) 사이의 결합을 위한 장착 구조 또는 장착자리를 갖는 3차원 프린터(200)와의 결합을 위한 장착 구조가 설치될 수 있다.
또한 상기 케이싱부의 상측에는 슬라이딩 개폐가 가능한 도어가 구비되고, 상기 도어는 성형시 개방되고 개방된 공간으로 광빔이 조사될 수 있도록 이루어질 수 있다.
또한 각 구성들의 제어를 위해 제어부(40)가 구비될 수 있다. 여기에서 제어부(40)는 케이싱부(6)의 내에 배치되어 특히 각 온도감지수단에서 감지된 온도에 따라 히팅부(2)와 냉각부(5)를 제어하여 분말통부(1)와 케이싱부(6) 내부가 적절한 온도로 유지되도록 제어할 수 있다.
이하에서는 상술한 성형 챔버 모듈(100)이 장착된 3차원 프린터(200)에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 성형 챔버 모듈이 장착된 3차원 프린터를 나타내는 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린터(200)는 몸체(60), 분말 공급부(20)가 배치된 성형 챔버 모듈(100), 성형부(10)가 배치된 성형 챔버 모듈(100), 분말이동부(30) 및 광빔가공부(50)를 포함한다.
몸체(60)는 성형 챔버 모듈(100)을 장착하기 위한 장착 공간이 형성되고 성형 챔버 모듈(100)이 안정적으로 고정되기 위한 각종 장착 구조가 구비될 수 있다. 이에 따라 성형 챔버 모듈(100)은 몸체(60)의 장착 공간에 안정적으로 장착될 수 있다.
또한 분말공급부(20)가 배치된 성형 챔버 모듈(100), 성형부(10)가 배치된 성형 챔버 모듈(100)이 순차적으로 장착될 수 있다.
분말이동부(30)는 분말공급부(20)에서 공급되는 원재료 분말을 성형부로 이동시킨다. 분말이동부(30)는 성형 챔버 모듈(100)과는 달리 몸체(60)에 이미 장착된 상태이다. 분말이동부(30)의 세부 구성은 이미 공지된 것과 동일한 것을 채용할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
광빔가공부(50)는 몸체(60)에 장착된 성형 챔버 모듈(100)의 성형부(10)에 광빔을 조사하여 성형품을 가공한다. 광빔가공부(50)는 분말이동부(30)와 같이 몸체(60)에 이미 장착된 상태이다. 광빔을 조사하기 위한 광빔가공부(50)의 세부 구성 역시 이미 공지된 것과 동일한 것을 채용할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
성형 챔버 모듈(100)이 이동되는 동안 원재료 분말은 예열될 수 있으며 몸체(60)에 장착된 즉시 성형이 가능할 수 있다. 한편 성형 챔버 모듈(100)의 제어부(40)는 다른 성형 챔버 모듈(100)의 제어부 또는 광빔가공부(50)와 분말공급부(20)를 제어하는 또 다른 제어부와 유무선 통신을 통해 데이터를 주고 받으면서 분말공급부(20)와 성형부(10)의 구동부(4) 및 분말이동부(30)를 작동시켜 성형 공정을 수행할 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 실시예에 따른 성형 챔버 모듈과 이를 구비한 3차원 프린터는 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.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 분말통부 11 : 바닥면
2 : 히팅부 21 : 히트 카트리지
3 : 단열부
4 : 구동부 41 : 단열재
5 : 냉각부
51 : 온도감지수단 52 : 냉각배관 53 : 저장수단 54 : 펌핑수단
6 : 케이싱부
7 : 마감부재
10 : 성형부 20 : 분말공급부 30 : 분말이동부 40 : 제어부
50 : 광빔가공부 60 : 몸체
100 : 성형 챔버 모듈 200 : 3차원 프린터

Claims (5)

  1. 장착 가능하게 이루어진 3차원 프린터의 성형 챔버 모듈로서,
    이동이 가능한 케이싱부,
    상기 케이싱부 내부에 배치되고 원재료 분말이 담기는 분말통부,
    상기 분말통부의 외측에 접하도록 위치하고 열을 발생하여 상기 분말통부의 온도를 상승시키는 히팅부,
    상기 히팅부 외측에 배치되고 상기 히팅부에서 발생한 열이 외부로 전달되지 않도록 차단하는 단열부 및
    상기 분말통부와 연결되고 상기 분말통부가 상승 또는 하강하도록 구동시키는 구동부를 포함하고,
    상기 단열부의 외측에 배치되는 냉각배관을 포함하여 상기 케이싱부 내부의 냉각 기능을 수행하는 냉각부를 더 포함하며,
    상기 냉각부는,
    주변의 온도를 감지하는 온도감지수단,
    상기 단열부의 외측을 통과하도록 배치되고 냉각수가 흐르는 냉각배관,
    상기 냉각배관과 연결되고 상기 냉각배관에 공급되는 냉각수가 저장되는 저장수단 및
    상기 냉각배관에 설치되고 상기 저장수단에 저장된 냉각수를 상기 냉각배관으로 공급하거나 공급된 냉각수를 저장수단으로 회수하는 펌핑수단
    을 포함하는 성형 챔버 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분말통부와 상기 구동부는 단열재를 개재하여 연결되는 성형 챔버 모듈.
  5. 장착 공간이 형성되는 몸체,
    상기 몸체의 장착 공간에 장착되는 청구항 1 또는 청구항 4의 성형 챔버 모듈을 포함하여 이루어지고 원재료 분말을 공급하는 분말공급부,
    상기 몸체의 장착 공간에 장착되는 청구항 1 또는 청구항 4의 성형 챔버 모듈을 포함하여 이루어지고 제품이 성형되는 성형부,
    상기 분말공급부에서 공급되는 원재료 분말을 상기 성형부로 이동시키는 분말이동부 및
    상기 몸체에 장착되고 상기 성형부에 광빔을 조사하여 성형품을 가공하는 광빔가공부
    를 포함하는 3차원 프린터.
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