KR102320668B1 - 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3d프린터 헤드 장치 및 제어방법 - Google Patents

연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3d프린터 헤드 장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

종래 기술과 비교하여 발포성의 연질 고분자 재료와 경질 고분자 재료는 용융온도 내지 전이 온도, 물성, 점성, 열적특성 등 다양한 물리적 특성이 다르기 때문에 이를 종래의 3D프린터 노즐로는 혼합하여 압출하기 어려움 문제점이 있었으나, 본 발명의 3D프린터 헤드 장치를 통해 투입되는 필라멘트의 재료의 물리적 특성에 대응하여 완전한 혼합을 통한 새로운 물리적 특성을 가진 재료를 적층할 수 있어서, 1회 출력으로 다양한 유연성과 강도를 가진 조형물을 생성할 수 있다.
이를 통해 신발, 의족, 의수와 같이 인체와 밀접한 제품과 다양한 물성의 재료로 제작되는 제품을 1회 출력으로 완제품을 생성할 수 있다.

Description

연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치 및 제어방법{3D Printer Head Device and Control Method for Blended Drainage Control of Soft Foamed Polymer Materials}
본 발명은 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치 및 제어방법에 관한 것으로, 특히 FDM(Fused Deposition Modeling)방식의 3차원 프린터에 연질 발포 고분자 필라멘트와 경질 고분자 필라멘트를 혼합장치로 혼합 교반함으로써 사용자가 원하는 물성의 재료를 출력할 수 있는 3D 프린터 헤드 장치와 연질 발포 고분자 재료의 혼합 물성제어를 위한 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 한국산업기술진흥원에서 시행한 WC300 R&D 사업(과제명 : 라이트닝 NVNA 제조기술, 3D프린팅기술, ICT기반 스마트기술을 응용한 신발 제조기술 개발, 과제번호 : S2482319)의 지원으로 발명된 것이다.
종래 기술은 본 발명의 동일출원인으로부터 제안된 대한민국 특허출원 번호 “10-2014-0039111”의 “복합 3D 프린터 및 그 제어방법” 은 색상이 서로 다른 열가소성 필라멘트를 혼합하여 풀 컬러 조형물의 출력을 위한 방법이 소개되어있다.
상기 종래 기술은 열가소성 필라멘트를 제조하기 위한 압출장비의 개념을 도입한 것으로 압출스크류를 통해 다양한 색상의 열가소성 필라멘트를 혼합하여 컬러를 출력을 위한 방법으로 연질 특성과 경질특성의 서로 다른 물리적 특성을 가진 소재를 혼합하기에는 적합하지 못한 문제점이 있다.
특히, 연질 특성과 경질특성의 서로 다른 물리적 특성이 다른 소재의 경우 용융온도가 서로 다르기 때문에 혼합특성이 낮고, 3D프린터 헤드와 같이 혼합구간이 짧을 경우 서로 혼합되지 못하여 FDM 3D프린팅 방식으로 적층하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 상기 두 종류의 재료를 혼합하기 위해서는 각각의 재료를 재료특성에 맞는 용융점까지 1차 가열하여 완전히 용융시킨 후, 혼합단계에서 적절한 혼합온도와 압출속도를 제어하여야 재료의 완전한 혼합이 가능하다
또한, 1차 예열된 필라멘트가 실린더 내부로 투입되는 방향에 있어서 위에서 아랫방향으로 공급하게 되도록 구성되면, 필라멘트를 공급을 중단하여도 1차 예열로 인해 용융된 필라멘트 유체가 실린더로 흘러내려 원하는 혼합비율을 제어하기 힘들고, 스크류의 나선면 회전방향과 일치하지 않기 때문에 투입량이 정확하게 제어되기 어렵다.
또한, 상기 종래 특허는 분말, 액상으로 구성되는 원료상태의 첨가물을 더 첨가할 수 없기에 다양한 재료를 혼합하거나 출력되는 조형물의 물리적 성질을 자유롭게 제어하기 매우 어려운 실정이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는,연질 특성과 경질특성의 서로 다른 융점, 점성 등의 물리적 특성이 다른 소재를 혼합하여 새로운 물성의 재료를 3D프린터로 출력하기 3D프린터 헤드 및 혼합방법에 관하여 제안하고자 한다.
연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치의 구성에 있어서,
용융온도 내지 전이 온도가 서로 다른 연질 고분자 필라멘트(P1)와 경질 고분자 필라멘트(P2)를 공급하기 위한 공급장치는;
연질 고분자 필라멘트(P1)를 연질부 익스트루더(12)를 통해 이송 속도를 제어하여 혼합 챔버(3) 내부로 공급하는 연질재료 공급부(1)와;
경질 고분자 필라멘트(P2)를 경질부 익스트루더(22)를 통해 이송 속도를 제어하여 혼합 챔버(3) 내부로 공급하는 경질재료 공급부(2)로 구성되고,
상기 연질재료 공급부(1)는 상기 연질 고분자 필라멘트(P1)에 대응하는 용융온도로 가열하는 연질부 히팅블럭(11)와 상기 경질재료 공급부(2)는 상기 경질 고분자 필라멘트(P2)에 대응하는 용융온도로 가열하는 경질부 히팅블럭(21)로 구성되며,
혼합 챔버(3)는 상기 연질재료 공급부(1) 및 상기 경질재료 공급부(2)의 일측과 결합되어, 공급되는 재료(P1, P2)를 교반하는 혼합장치(S)와 서로 융점이 다른 재료의 혼합특성에 대응되는 용융온도로 가열하기 위한 혼합 챔버 히팅블럭(31)로 구성하되;
상기 혼합장치(S)는 모터(M)로부터 동력을 전달받아 회전운동에 의해 교반 되도록 구성되고,
상기 고분자 필라멘트(P1, P2)의 혼합물성에 대응하여 각각의 장치를 제어하기 위한 제어시스템(C)를 포함하여 구성되는 것;
을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치.
종래 기술과 비교하여 발포성의 연질 고분자 재료와 경질 고분자 재료는 용융온도 내지 전이 온도, 물성, 점성, 열적특성 등 다양한 물리적 특성이 다르기 때문에 이를 종래의 3D프린터 노즐로는 혼합하여 압출하기 어려움 문제점이 있었으나, 본 발명의 3D프린터 헤드 장치를 통해 투입되는 필라멘트의 재료의 물리적 특성에 대응하여 완전한 혼합을 통한 새로운 물리적 특성을 가진 재료를 적층할 수 있어서, 1회 출력으로 다양한 유연성과 강도를 가진 조형물을 생성할 수 있다.
이를 통해 신발, 의족, 의수와 같이 인체와 밀접한 제품과 다양한 물성의 재료로 제작되는 제품을 1회 출력으로 완제품을 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 혼합 토출용 3D 프린터 헤드의 구성 및 원리를 설명하기 위한 정단면도이다.
도 2은 본 발명의 혼합 토출용 3D 프린터 헤드의 부품의 구성요소를 예시를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 혼합 토출용 3D 프린터 헤드의 부품의 구성요소의 조립된 상태를 예시한 조립도이다.
도 4은 본 발명의 혼합 토출용 3D 프린터 헤드의 가교제 필라멘트를 더 투입하기 위한 장치를 설명하기 위한 정단면도이다.
도 5은 본 발명의 혼합 토출용 3D 프린터 헤드의 혼합장치 중 색스턴 스크류를 설명하기 위한 색스턴 스크류의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 혼합 토출용 3D 프린터 헤드의 혼합장치 중 혼합 돌기를 설명하기 위한 색스턴 스크류의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 혼합 토출용 3D 프린터 헤드의 혼합챔버와 노즐 사이에 결합되는 오리피스 부재의 예시도이다.
도 8은 본 발명의 혼합 토출용 3D 프린터 헤드 제어부의 구성도이다.
도 9은 본 발명의 혼합 토출용 3D 프린터 헤드 혼합 챔버의 구역별로 분할된 히팅싱크의 실시예이다.
도 10과 도11은 본 발명의 혼합 토출용 3D 프린터 헤드 제어방법의 순서도이다.
도 12는 본 발명의 혼합 토출용 3D 프린터 헤드 장치를 3D프린터에 장착한 예시도이다.
이하, 본 발명에 의한 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치 및 제어방법에 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다.
상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 당업자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되어지며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구성요소의 폭, 길이, 두께 또는 형상 등은 과장되어 표현될 수도 있다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용된 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석 될 수 없다.
이하, ‘히팅블럭’이라는 용어는 설정된 온도까지 가열하기 위한 가열장치를 포함한 구간으로 통상 가열하기 위한 히터(heater)와 냉각을 위한 히트 싱크(heat sink) 장치를 포함하고 있으며,
이하, ‘가교제’라는 용어는 사슬 모양 고분자 화합물 사슬 사이에서 가교 역할을 하는 물질로써, 가교는 수지(樹脂)에 경도(硬度)나 탄력성 등 기계적 강도와 화학적 안정성을 부여할 수 있으며, 본 발명에서 두 종류 이상의 서로다른 고분자 화합물의 결합성능을 향상 시키기 위해 가교반응을 유도하는 재료를 말한다. 또한 고분자 물질의 경우 가교 대신 경화(硬化, curing)라는 말도 쓰일 수 있으며 경화제는 가교제에 해당한다.
이하, ‘익스트루더’라는 용어는 필라멘트를 이송하기 위한 장치로써 통상 회전식 롤러의 회전운동에 의해 필라멘트가 이송되는 이송장치를 말하고,
이하, ‘스크류’라는 용어는 회전축 끝에 나선면을 이룬 금속 날개가 달려 있어서 회전을 하면 무엇을 밀어내는 힘이 생기는 장치를 말하며,
이하, ‘제어시스템’라는 용어는 본 발명의 3D프린터 헤드를 제어하기 위한 시스템 일체를 말한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치의 구성 및 원리를 설명하기 위한 정단면도가 도시되어있고, 도 2에는 이들 3D프린터 헤드 장치의 구성요소를 예시적으로 설명하기 위한 구성도가 도시되어있다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 용융온도 내지 전이 온도가 서로 다른 연질 고분자 필라멘트(P1)와 경질 고분자 필라멘트(P2)를 공급하기 위해 연질 고분자 필라멘트(P1)를 연질부 익스트루더(12)를 통해 이송 속도를 제어하여 혼합 챔버(3) 내부로 공급하는 연질재료 공급부(1)와 경질 고분자 필라멘트(P2)를 경질부 익스트루더(22)를 통해 이송 속도를 제어하여 혼합 챔버(3) 내부로 공급하는 경질재료 공급부(2)로 공급되어진다.
여기서, 상기 연질부 익스트루더(12)와 상기 경질부 익스트루더(22)는 각각 상기 연질 고분자 필라멘트(P1)와 상기 경질 고분자 필라멘트(P2)의 혼합비율에 따라 이송속도를 제어하여 재료의 공급량이 결정되어진다,
그리고, 상기 연질재료 공급부(1)는 상기 연질 고분자 필라멘트(P1)에 대응하는 용융온도로 가열하는 연질부 히팅블럭(11)와 상기 경질재료 공급부(2)는 상기 경질 고분자 필라멘트(P2)에 대응하는 용융온도로 가열하는 경질부 히팅블럭(21)로 구성되어지며, 상기 연질재료 공급부(1) 및 상기 경질재료 공급부(2)는 혼합 챔버(3)의 일측에 결합되어 융해된 필라멘트 유체를 공급받도록 구성하되, 공급되는 재료(P1, P2)를 교반하는 혼합장치(S)와 서로 융점이 다른 재료의 혼합특성에 대응되는 용융온도로 가열하기 위한 혼합 챔버 히팅블럭(31)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 상기 혼합 챔버(3) 통로 내부에는 혼합성능 향상을 위해 표면 돌기(32)가 형성될 수 있고, 혼합 챔버(3) 표면에 형성된 돌기에 의해 와류 형성으로 인한 혼련(混練)성능이 향상되어 단시간에 이종의 재료를 교반할 수 있다.
그리고, 상기 고분자 필라멘트(P1, P2)의 혼합물성에 대응하여 각각의 장치를 제어하기 위한 제어시스템(C)를 포함하여 구성되어진다.
여기서, 상기 혼합장치(S)는 모터(M)로부터 동력을 전달받아 회전운동에 의해 두 종류 이상의 재료가 서로 교반 되도록 구성되어지는 데, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 혼합장치(S)는 나선형태의 스크류 날개를 가진 압출 스크류(S1)로 구성되어 이종의 재료를 혼합하면서 압출될 수 있다.
여기서, 도 5에 예시된 바와 같이 압출 스크류(S1)는 혼합성능 향상을 위하여 파인애플 형태의 색스턴 스크류(41)로 구성될 수 있으며, 도 6에서 예시된 바와 같이 압출 스크류(S1)의 일 측에 혼합 돌기(42)를 더 포함하여 구성되는 것일 수 있다,
도 3에는 본 발명의 혼합 토출용 3D 프린터 헤드의 부품의 구성요소의 조립된 상태를 예시한 조립도가 예시되어있으며, 각각의 구성요소는 일체형으로 조립되어 구성되어질 수 있다.
여기서, 상기 연질재료 공급부(1)의 온도를 측정하기 위한 연질부 온도센서(51)와 상기 경질재료 공급부(2)의 온도를 측정하기 위한 경질부 온도센서(52)와 혼합 챔버(3)의 온도를 측정하기 위한 혼합부 온도센서(52)를 더 포함하여 구성될 수 있는 데, 상기 각 구성부의 가열온도를 측정하여 설정된 가열온도를 유지할 수 있게 된다.
그리고, 도 1에서 도시된 바와 같이 상기 연질재료 공급부(1) 및 경질재료 공급부(2)는 혼합 챔버(3) 사이에 깔대기 형태의 유체 흐름 방지 관(T)이 추가로 구성될 수 있는 데, 이는 익스트루더(12, 22)에 의한 재료의 이송속도가 줄어드는 과정에서 재료 공급부(1, 2)에서 융해된 필라멘트 유체가 혼합 챔버(3)로 흘러내림을 방지하는 기능을 한다. 융해된 고분자 재료는 높은 점성을 가지고 있어 표면장력에 의해 불필요한 유체가 혼합 챔버(3)로 흘러들어가는 것을 방지하여 재료 공급을 정밀하게 제어할 수 있게 된다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 혼합 챔버(3) 가교 특성과 열적 특성 향상을 위해 가교제 필라멘트(P4)를 공급하는 가교제 공급부(4)를 더 포함하여 구성될 수 있는 데, 여기서 가교제 필라멘트(P4)란 혼합 챔버(3)로 투입되는 이종 재료의 고분자의 그물구조를 형성함으로써 내열성, 응집력 등을 향상시킬 수 있는 첨가제가 다량으로 포함된 필라멘트이다. 또한 가교제 필라멘트(P4)는 필라멘트 형태가 아닌 액상, 분말 등 여러 가지 형태로 제공되어 투입되는 것을 포함할 수 있으며 그 형태를 한정하지 아니한다.
추가적으로, 혼합 챔버(3)에 안료 분말 내지 색상 펠렛을 추가로 공급할 수 있도록 구성될 수 있는 데, 이를 통해 출력되는 조형물에 다양한 색상을 입힐 수 있도록 구성될 수 있다.
한편, 도 7에서 도시된 바와 같이 1종 이상의 공극으로 구성된 오리피스 부재(O)를 더 포함하여 구성될 수 있는 데 상기 오리피스 부재(O)는 혼합 챔버(3)와 노즐(nozle) 사이에 삽입되는 것이 적절하다. 상기 혼합 챔버(3)에서 일부 혼합되지 못한 유체가 상기 오리피스 부재(O)를 지나면서 분산되어 혼합성능을 향상시키게 된다.
도 8에서 상기 제어시스템(C)의 구성에 있어서 상세히 살펴보면, 3D프린터 헤드 장치를 통합 제어하는 중앙 제어부(C0)와 중앙 제어부(C0)에 상호 연동하여 제어되는 압출속도 제어부(C0)와 필라멘트 혼합비 제어부(C0)와 용융온도 제어부(C0)로 구성되고, 상기 압출속도 제어부(C0)는 모터(M)의 회전속도를 제어하여 혼합장치(S)의 혼합성능 및 압출속도를 제어하도록 구성되며, 상기 필라멘트 혼합비 제어부(C0)는 상기 연질부 익스트루더(12)와 상기 경질부 익스트루더(22)를 제어하여 출력물의 혼합물성을 제어하고, 가교부 익스트루더(42)를 통해 가교제 필라멘트(P4)의 투입량을 제어하도록 구성되며, 상기 용융온도 제어부(C0)는 연질부 히팅블럭(11)와 경질부 히팅블럭(21)의 온도를 각각의 투입되는 필라멘트에 대응되는 용융온도까지 가열되도록 제어하고, 혼합 챔버 히팅블럭(31)는 두 종류 이상의 재료의 혼합특성에 대응되는 온도를 유지하도록 제어되도록 상기 제어시스템(C)이 구성될 수 있다
여기서, 상기 혼합 챔버 히팅블럭(31)는 도9에 예시된 바와 같이 두 종류의 이상의 히팅블럭으로 구성되어 각 구간의 특성에 대응하여 온도가 유지될 수 있다.
도 9의 일 실시예에 따라 상세히 살펴보면, 제1 혼합 챔버 히팅블럭(311)와 제2 혼합 챔버 히팅블럭(312)로 분할되어 구성되고, 각 혼합 챔버 히팅블럭(311, 312)은 상기 아래 [수식1]에 의해 혼합 챔버(3)의 온도가 제어되도록 구성될 수 있다.
[수식1]
Figure 112019117458897-pat00001
여기서,
Figure 112019117458897-pat00002
는 전체 구간의 평균 가열온도이고,
Figure 112019117458897-pat00003
는 제1 혼합 챔버 히팅블럭(313) 구역의 길이 이고,
Figure 112019117458897-pat00004
은 제2 혼합 챔버 히팅블럭(312) 구역의 총 길이 이고,
Figure 112019117458897-pat00005
은 연질 필라멘트의 용융온도이고,
Figure 112019117458897-pat00006
경질 필라멘트의 용융온도이고,
Figure 112019117458897-pat00007
은 연질 필라멘트의 상대적 혼합비율(%)이고,
Figure 112019117458897-pat00008
은 경질 필라멘트의 상대적 혼합비율(%)이고,
Figure 112019117458897-pat00009
는 단위 시간당 투입되는 필라멘트의 총 체적(volume)으로
Figure 112019117458897-pat00010
또는
Figure 112019117458897-pat00011
로 구하여진다.[수식1]
Figure 112019117458897-pat00012
여기서,
Figure 112019117458897-pat00013
는 전체 구간의 평균 가열온도이고,
Figure 112019117458897-pat00014
는 제1 혼합 챔버 히팅블럭(313) 구역의 길이 이고,
Figure 112019117458897-pat00015
은 제2 혼합 챔버 히팅블럭(312) 구역의 총 길이 이고,
Figure 112019117458897-pat00016
은 연질 필라멘트의 용융온도이고,
Figure 112019117458897-pat00017
경질 필라멘트의 용융온도이고,
Figure 112019117458897-pat00018
은 연질 필라멘트의 상대적 혼합비율(%)이고,
Figure 112019117458897-pat00019
은 경질 필라멘트의 상대적 혼합비율(%)이고,
Figure 112019117458897-pat00020
는 단위 시간당 투입되는 필라멘트의 총 체적(volume)으로
Figure 112019117458897-pat00021
또는
Figure 112019117458897-pat00022
로 구하여진다..
또 다른 실시예로써, 각 혼합 챔버 히팅블럭(311, 312)은 상기 아래 [수식2]에 의해 혼합 챔버(3)의 온도가 제어되도록 구성될 수 있다.
[수식2]
Figure 112019117458897-pat00023
여기서,
Figure 112019117458897-pat00024
는
Figure 112019117458897-pat00025
구간에 해당하는 혼합을 위한 용융온도이고,
Figure 112019117458897-pat00026
는 해당 혼합구간의 시작점에서부터
Figure 112019117458897-pat00027
포인트까지의 길이이고,
Figure 112019117458897-pat00028
은 혼합구간의 총 길이 이고,
Figure 112019117458897-pat00029
는
Figure 112019117458897-pat00030
구간의 길이 이고,
Figure 112019117458897-pat00031
은 연질 필라멘트의 용융온도이고,
Figure 112019117458897-pat00032
경질 필라멘트의 용융온도이고,
Figure 112019117458897-pat00033
은 연질 필라멘트의 상대적 혼합비율(%)이고,
Figure 112019117458897-pat00034
은 경질 필라멘트의 상대적 혼합비율(%)이고,
Figure 112019117458897-pat00035
는 단위 시간당 투입되는 필라멘트의 체적(volume)으로
Figure 112019117458897-pat00036
또는
Figure 112019117458897-pat00037
로 구하여진다.
여기서, 도 10에서 상기 제어시스템(C)을 사용한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 제어방법은 연질 고분자 필라멘트(P1)와 경질 고분자 필라멘트(P2)의 혼합비율을 설정하는 단계(T1), 상기 혼합비율에 대응하여 투입량을 제어하기 위하여 연질 고분자 필라멘트(P1)와 경질 고분자 필라멘트(P2)의 이송속도를 제어하는 단계(T2), 상기 연질 고분자 필라멘트(P1)와 경질 고분자 필라멘트(P2)를 각각의 용융온도에 대응하여 1차 가열하는 단계(T3), 상기 연질 고분자 필라멘트(P1)와 경질 고분자 필라멘트(P2)의 혼합특성에 맞게 혼합 챔버 히팅블럭(31)의 제어하여 가열온도를 제어하는 단계(T4), 상기 연질 고분자 필라멘트(P1)와 경질 고분자 필라멘트(P2)의 혼합단계에서 전이 온도 특성에 대응하여 혼합장치(S)의 회전속도를 제어하여 압출 속도를 제어하는 단계(T5)로 진행될 수 있다.
한편, 도 11에서 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 제어방법에 있어서, 연질 고분자 필라멘트(P1)와 경질 고분자 필라멘트(P2)는 서로 다른 색상의 필라멘트를 사용하여 혼합 토출용 3D프린터 헤드(D)로 혼합하여 조형물 시료를 출력하는 단계(Z1), 상기 출력된 조형물 시료를 임의위치에서 2회 이상 광학 센서를 사용하여 색상을 측정하는 단계(Z2), 상기 색상측정정보를 통해 출력된 조형물 시료의 색상혼합상태를 판별하는 단계(Z3), 색상혼합상태에 대응하여 혼합 토출용 3D프린터 헤드(D)의 제어부(S)의 제어정보를 설정하는 단계(Z4)로 진행되는 것일 수 있다.
여기서, 상기 출력된 조형물의 색상혼합상태를 판별하는 단계(Z3)는 패턴인식 혼합모형을 통해 혼합 분포도를 계산하는 것일 수 있다.
상기 패턴인식 혼합모형을 통한 혼합 분포도의 계산방법의 일 실시예는 아래 [수식3]에 의해아래 [수식3]에 의해 산출되어질 수 있다.
[수식3]
Figure 112019117458897-pat00038
여기서,
Figure 112019117458897-pat00039
는 연질 필라멘트의 명도값(
Figure 112019117458897-pat00040
)와 경질 필라멘트의 명도값(
Figure 112019117458897-pat00041
)의 평균값으로
Figure 112019117458897-pat00042
로 구하여지지고,
Figure 112019117458897-pat00043
는 출력된 조형물의
Figure 112019117458897-pat00044
포인트에서 측정된 명도값이다.
상기 패턴인식 혼합모형을 통한 혼합 분포도의 계산방법의 다른 실시예는 아래 [수식4]에 의해 산출 되어질 수 있다,
[수식4]
Figure 112019117458897-pat00045
여기서,
Figure 112019117458897-pat00046
경질과 연질 필라멘트의 혼합분포확률이고,
Figure 112019117458897-pat00047
는 연질 필라멘트의 명도값(
Figure 112019117458897-pat00048
)와 경질 필라멘트의 명도값(
Figure 112019117458897-pat00049
)의 평균값으로
Figure 112019117458897-pat00050
로 구하여지지고,
Figure 112019117458897-pat00051
는
Figure 112019117458897-pat00052
포인트의 측정위치에서 측정된 명도값이고,
Figure 112019117458897-pat00053
는 측정된 명도값의 표준편차이고,
Figure 112019117458897-pat00054
는 네이피어 상수(거듭제곱상수, exp)이고,
Figure 112019117458897-pat00055
는 출력조형물의 중앙위치(기준점)로부터 측정위치 떨어진 정도를 나타내는 척도로써
Figure 112019117458897-pat00056
로 산출될 수 있다. 여기에서
Figure 112019117458897-pat00057
는 측정위치의 평균이고,
Figure 112019117458897-pat00058
는 중앙위치로부터 측정위치점(
Figure 112019117458897-pat00059
)까지의 거리이다.
도 12는 혼합 토출용 3D 프린터 헤드 장치를 장착한 3D프린터의 예시로써, 본 발명에서 얻고자 하는 용융온도 내지 전이 온도, 물성, 점성, 열적특성이 다른 연질 고분자 재료와 경질 고분자 재료를 혼합하여 새로운 물리적 특성의 재료를 출력할 수 있다,
3D프린터 헤드(H)
고분자 필라멘트(P)
연질 고분자 필라멘트(P1)
경질 고분자 필라멘트(P2)
가교제 필라멘트(P4)
연질재료 공급부(1)
연질부 히팅블럭(11)
연질부 익스트루더(12)
경질재료 공급부(2)
경질부 히팅블럭(21)
경질부 익스트루더(22)
혼합 챔버(3)
혼합 챔버 히팅블럭(31)
표면 돌기(32)
가교제 공급부(4)
가교부 익스트루더(42)
혼합장치(S)
압출 스크류(S1)
색스턴 스크류(S2)
혼합 돌기(S2)
온도센서(5)
연질부 온도센서(51)
경질부 온도센서(52)
혼합부 온도센서(52)
오리피스 부재(O)
유체 흐름 방지 관(T)
모터(M)
제어시스템(C)
중앙 제어부(C0)
압출속도 제어부(C0)
필라멘트 혼합비 제어부(C0)
용융온도 제어부(C0)
노즐(nozle)

Claims (18)

  1. 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치의 구성에 있어서,
    용융온도 내지 전이 온도가 서로 다른 연질 고분자 필라멘트(P1)와 경질 고분자 필라멘트(P2)를 공급하기 위한 공급장치는;
    연질 고분자 필라멘트(P1)를 연질부 익스트루더(12)를 통해 이송 속도를 제어하여 혼합 챔버(3) 내부로 공급하는 연질재료 공급부(1)와;
    경질 고분자 필라멘트(P2)를 경질부 익스트루더(22)를 통해 이송 속도를 제어하여 혼합 챔버(3) 내부로 공급하는 경질재료 공급부(2)로 구성되고,
    상기 연질재료 공급부(1)는 상기 연질 고분자 필라멘트(P1)에 대응하는 용융온도로 가열하는 연질부 히팅블럭(11)와 상기 경질재료 공급부(2)는 상기 경질 고분자 필라멘트(P2)에 대응하는 용융온도로 가열하는 경질부 히팅블럭(21)로 구성되며,
    혼합 챔버(3)는 상기 연질재료 공급부(1) 및 상기 경질재료 공급부(2)의 일측과 결합되어, 공급되는 재료(P1, P2)를 교반하는 혼합장치(S)와 서로 융점이 다른 재료의 혼합특성에 대응되는 용융온도로 가열하기 위한 혼합 챔버 히팅블럭(31)로 구성하되;
    상기 혼합장치(S)는 모터(M)로부터 동력을 전달받아 회전운동에 의해 교반 되도록 구성되고,
    상기 고분자 필라멘트(P1, P2)의 혼합물성에 대응하여 각각의 장치를 제어하기 위한 제어시스템(C)를 포함하여 구성되며,
    혼합 챔버(3)와 노즐(nozle) 사이에 1종 이상의 공극으로 구성된 오리피스 부재(O)를 더 포함하여 구성되는 것;
    을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연질재료 공급부(1)의 온도를 측정하기 위한 연질부 온도센서(51)와 상기 경질재료 공급부(2)의 온도를 측정하기 위한 경질부 온도센서(52)와 혼합 챔버(3)의 온도를 측정하기 위한 혼합부 온도센서(52)를 더 포함하여 구성되는 것;
    을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 챔버(3) 통로 내부에는 혼합성능 향상을 위해 표면 돌기(32)가 형성되고,
    상기 연질재료 공급부(1) 및 경질재료 공급부(2)는 혼합 챔버(3) 사이에 유체 흐름 방지 관(T)을 추가로 구성하여 유체 점성에 의하여 공급량의 정밀한 제어를 할 수 있도록 구성되는 것;
    을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합장치(S)는 나선형태의 스크류 날개를 가진 압출 스크류(S1)로 구성되는 것;
    을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    압출 스크류(S1)는 혼합성능 향상을 위하여 파인애플 형태의 색스턴 스크류(41)로 구성되는 것;
    을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    압출 스크류(S1)는 혼합성능 향상을 위하여 혼합 돌기(42)를 더 포함하여 구성되는 것;
    을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 챔버(3) 가교 특성과 열적 특성 향상을 위해 가교제 필라멘트(P4)를 공급하는 가교제 공급부(4)를 더 포함하는 것;
    을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 챔버(3)에 안료 분말 내지 색상 펠렛을 추가로 공급할 수 있도록 구성되는 것;
    을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치.
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어시스템(C)은 3D프린터 헤드 장치를 통합 제어하는 중앙 제어부(C0)와 중앙 제어부(C0)에 상호 연동하여 제어되는 압출속도 제어부(C0)와 필라멘트 혼합비 제어부(C0)와 용융온도 제어부(C0)로 구성되고,
    상기 압출속도 제어부(C0)는 모터(M)의 회전속도를 제어하여 혼합장치(S)의 혼합성능 및 압출속도를 제어하도록 구성되며;
    상기 필라멘트 혼합비 제어부(C0)는 상기 연질부 익스트루더(12)와 상기 경질부 익스트루더(22)를 제어하여 출력물의 혼합물성을 제어하고, 가교부 익스트루더(42)를 통해 가교제 필라멘트(P4)의 투입량을 제어하도록 구성되며;
    상기 용융온도 제어부(C0)는 연질부 히팅블럭(11)와 경질부 히팅블럭(21)의 온도를 각각의 투입되는 필라멘트에 대응되는 용융온도까지 가열되도록 제어하고, 혼합 챔버 히팅블럭(31)는 두 종류 이상의 재료의 혼합특성에 대응되는 온도를 유지하도록 제어되는 것;
    을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합 챔버 히팅블럭(31)는 각각의 가열구역으로 분할된 두 종류의 이상의 히팅블럭으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 혼합 챔버 히팅블럭(31)는 제1 혼합 챔버 히팅블럭(311)와 제2 혼합 챔버 히팅블럭(312)로 분할되어 구성되고,
    아래 [수식1]에 의해 혼합 챔버(3)의 온도가 제어되는 것을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 제어방법을 포함하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치.
    [수식1]
    Figure 112021026954036-pat00060

    여기서,
    Figure 112021026954036-pat00061
    는 전체 구간의 평균 가열온도이고,
    Figure 112021026954036-pat00062
    는 제1 혼합 챔버 히팅블럭(313) 구역의 길이 이고,
    Figure 112021026954036-pat00063
    은 제2 혼합 챔버 히팅블럭(312) 구역의 총 길이 이고,
    Figure 112021026954036-pat00064
    은 연질 필라멘트의 용융온도이고,
    Figure 112021026954036-pat00065
    경질 필라멘트의 용융온도이고,
    Figure 112021026954036-pat00066
    은 연질 필라멘트의 상대적 혼합비율(%)이고,
    Figure 112021026954036-pat00067
    은 경질 필라멘트의 상대적 혼합비율(%)이고,
    Figure 112021026954036-pat00068
    는 단위 시간당 투입되는 필라멘트의 총 체적(volume)으로
    Figure 112021026954036-pat00069
    또는
    Figure 112021026954036-pat00070
    로 구하여진다.
  13. 청구항 11에 있어서,
    아래 [수식2]에 의해 혼합 챔버(3)의 온도가 제어되는 것을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 제어방법을 포함하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치.
    [수식2]
    Figure 112021026954036-pat00071

    여기서,
    Figure 112021026954036-pat00072
    는
    Figure 112021026954036-pat00073
    구간에 해당하는 혼합을 위한 용융온도이고,
    Figure 112021026954036-pat00074
    는 해당 혼합구간의 시작점에서부터
    Figure 112021026954036-pat00075
    포인트까지의 길이이고,
    Figure 112021026954036-pat00076
    은 혼합구간의 총 길이 이고,
    Figure 112021026954036-pat00077
    는
    Figure 112021026954036-pat00078
    구간의 길이 이고,
    Figure 112021026954036-pat00079
    은 연질 필라멘트의 용융온도이고,
    Figure 112021026954036-pat00080
    경질 필라멘트의 용융온도이고,
    Figure 112021026954036-pat00081
    은 연질 필라멘트의 상대적 혼합비율(%)이고,
    Figure 112021026954036-pat00082
    은 경질 필라멘트의 상대적 혼합비율(%)이고,
    Figure 112021026954036-pat00083
    는 단위 시간당 투입되는 필라멘트의 체적(volume)으로
    Figure 112021026954036-pat00084
    또는
    Figure 112021026954036-pat00085
    로 구하여진다.
  14. 삭제
  15. 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 장치의 구성에 있어서,
    용융온도 내지 전이 온도가 서로 다른 연질 고분자 필라멘트(P1)와 경질 고분자 필라멘트(P2)를 공급하기 위한 공급장치는;
    연질 고분자 필라멘트(P1)를 연질부 익스트루더(12)를 통해 이송 속도를 제어하여 혼합 챔버(3) 내부로 공급하는 연질재료 공급부(1)와;
    경질 고분자 필라멘트(P2)를 경질부 익스트루더(22)를 통해 이송 속도를 제어하여 혼합 챔버(3) 내부로 공급하는 경질재료 공급부(2)로 구성되고,
    상기 연질재료 공급부(1)는 상기 연질 고분자 필라멘트(P1)에 대응하는 용융온도로 가열하는 연질부 히팅블럭(11)와 상기 경질재료 공급부(2)는 상기 경질 고분자 필라멘트(P2)에 대응하는 용융온도로 가열하는 경질부 히팅블럭(21)로 구성되며,
    혼합 챔버(3)는 상기 연질재료 공급부(1) 및 상기 경질재료 공급부(2)의 일측과 결합되어, 공급되는 재료(P1, P2)를 교반하는 혼합장치(S)와 서로 융점이 다른 재료의 혼합특성에 대응되는 용융온도로 가열하기 위한 혼합 챔버 히팅블럭(31)로 구성하되;
    연질 고분자 필라멘트(P1)와 경질 고분자 필라멘트(P2)는 서로 다른 색상의 필라멘트를 사용하여 혼합 토출용 3D프린터 헤드(D)로 혼합하여 조형물 시료를 출력하는 단계(Z1);
    상기 출력된 조형물 시료를 임의위치에서 2회 이상 광학 센서를 사용하여 색상을 측정하는 단계(Z2);
    상기 색상측정정보를 통해 출력된 조형물 시료의 색상혼합상태를 판별하는 단계(Z3);
    색상혼합상태에 대응하여 혼합 토출용 3D프린터 헤드(D)의 제어부(S)의 제어정보를 설정하는 단계(Z4);
    로 진행되는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 제어방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 출력된 조형물의 색상혼합상태를 판별하는 단계(Z3)는 패턴인식 혼합모형을 통해 혼합 분포도를 계산하는 단계;
    를 포함하여 진행되는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 제어방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기의 출력된 조형물의 색상혼합상태를 측정하기 위한 패턴인식 혼합모형은 아래 [수식3]에 의해 혼합 분포도를 산출하는 것을 특징으로 하는
    연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 제어방법.
    [수식3]
    Figure 112019117458897-pat00086

    여기서,
    Figure 112019117458897-pat00087
    는 연질 필라멘트의 명도값(
    Figure 112019117458897-pat00088
    )와 경질 필라멘트의 명도값(
    Figure 112019117458897-pat00089
    )의 평균값으로
    Figure 112019117458897-pat00090
    로 구하여지지고,
    Figure 112019117458897-pat00091
    는 출력된 조형물의
    Figure 112019117458897-pat00092
    포인트에서 측정된 명도값이다.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기의 출력된 조형물의 색상혼합상태를 측정하기 위한 패턴인식 혼합모형은 아래 [수식4]에 의해 혼합 분포도를 산출하는 것을 특징으로 하는 연질 발포 고분자 재료의 혼합물성 제어를 위한 혼합 토출용 3D프린터 헤드 제어방법.
    [수식4]
    Figure 112019117458897-pat00093

    여기서,
    Figure 112019117458897-pat00094
    경질과 연질 필라멘트의 혼합분포확률이고,
    Figure 112019117458897-pat00095
    는 연질 필라멘트의 명도값(
    Figure 112019117458897-pat00096
    )와 경질 필라멘트의 명도값(
    Figure 112019117458897-pat00097
    )의 평균값으로
    Figure 112019117458897-pat00098
    로 구하여지지고,
    Figure 112019117458897-pat00099
    는
    Figure 112019117458897-pat00100
    포인트의 측정위치에서 측정된 명도값이고,
    Figure 112019117458897-pat00101
    는 측정된 명도값의 표준편차이고,
    Figure 112019117458897-pat00102
    는 네이피어 상수(거듭제곱상수, exp)이고,
    Figure 112019117458897-pat00103
    는 출력조형물의 중앙위치(기준점)로부터 측정위치 떨어진 정도를 나타내는 척도로써
    Figure 112019117458897-pat00104
    로 산출될 수 있다. 여기에서
    Figure 112019117458897-pat00105
    는 측정위치의 평균이고,
    Figure 112019117458897-pat00106
    는 중앙위치로부터 측정위치점(
    Figure 112019117458897-pat00107
    )까지의 거리이다.
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