KR102363295B1 - 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 높은 분말효율과 장시간 사용이 가능한 고에너지 직접조사(Directed Energy Deposition) 방식의 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템에 있어서, 적층될 분말이 공급되는 분말공급로와, 상기 분말공급로의 하부에 연결되어 상기 분말공급로로부터 공급되는 분말을 분사하는 노즐부와, 및 상기 노즐부에 결합되어 상기 노즐부를 회전시키는 회전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템을 제공한다.

Description

금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템{Powder injection system for metal 3D printing system}

본 발명은 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템에 관한 것으로, 높은 분말효율과 장시간 사용이 가능한 고에너지 직접조사(Directed Energy Deposition; 이하 DED) 방식의 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 3D 프린팅 기술은 청사진, 도면 등의 2D 평면 인쇄와 달리 입체적으로 형상을 구현 및 복제하는 기술이며, 불과 수 시간 정도의 짧은 시간에 제품 모습을 그대로 제작해 낼 수 있어 산업 전반에 걸쳐 기획부터 제품 생산에 이르기까지 많은 변화를 가져왔다.

3D 프린팅 기술은 기존에 사용하던 평면 프린팅 방식을 개선하여 출력물을 단계별로 쌓아 실제 모양을 만들어 내게 되며, 의료산업에서는 치아 모형, 수술 전 모의수술 실험용 형상 등에 사용되고 있고, 건설산업에서는 소형 건축물 및 실시간 건축 디자인 형상 제작에 실제로 적용되고 있다.

또한, 3차원 프린팅 기술은 이미 제작된 형상물을 복제하거나, 3차원 컴퓨터 지원 설계(CAD)를 이용해 만든 형상을 실물로 제작함으로써 설계 오차를 줄이고 리버스 엔지니어링(완성된 제품을 상세히 분석해 기본적인 설계내용을 추적) 설계가 이루어질 수 있도록 해주고 있다.

상술한 바와 같이, 3D 프린팅은 디지털 설계 도면과 3D 프린트 장치만 있으면 누구나 전 세계 어디서든 필요한 제품 생산이 가능하여, 제조 공정의 획기적인 간소화를 통한 제조업 패러다임 변화의 핵심으로 주목받고 있다.

DED 방식 금속 3D 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템은 크게 2가지 타입으로 구분된이다. 첫번째는 불연속형(discrete) 분말 분사 방식이며 두번째는 연속형(continuous) 분말 분사 방식이다.

불연속형은 보통 3개나 4개의 독립된 노즐을 통하여 직선으로 분말을 분사하게 되며, 연속형은 원추형(conical)으로 균일하게 분말을 분사하게 되며 불연속형은 연속형에 비하여 분말이 더 조밀하고 높은 속도로 분사되는 특징을 갖는다.

불연속형은 연속형과 비교하여 적층속도가 빠르다는 장점을 갖고 있으나 불연속적으로 3개 또는 4개의 노즐을 통하여 분말이 분사되므로 적층부품의 형상이나 적층방향에 따라 스테이지에 적층되는 분말량이 바뀌기 때문에 균일한 두께로 적층이 어렵다는 단점을 갖는다.

대한민국 등록특허공보 제10-2152465호 (발명의 명칭: 3D 프린팅 시스템 분말제어 장치 및 방법, 공고일: 2020. 09. 07)

상술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기존 불연속형 분말 분사 시스템을 개선하여 연속형 분말 분사 시스템과 거의 동일한 수준의 분말 분사 성능을 갖는 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술할 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 적층될 분말이 공급되는 분말공급로와, 상기 분말공급로의 하부에 연결되어 상기 분말공급로로부터 공급되는 분말을 분사하는 노즐부와, 상기 노즐부에 결합되어 상기 노즐부를 회전시키는 회전부를 포함하되, 상기 노즐부는 n개의 노즐이 360/n 각도로 이격되어 방사형으로 배치되며, 상기 노즐로부터 상기 분말이 분사되어 스테이지에 균일한 두께로 적층이 되도록, 상기 회전부는 상기 360/n 각도의 1/2 각도로 상기 노즐부를 좌우로 회전시키는 것을 특징으로 하는 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템을 제공한다.

여기서, 상기 회전부는 상기 분말공급로와 상기 노즐부 사이에 개재되는 베어링과, 상기 노즐부의 외측에 결합되어 상기 노즐부에 회전력을 전달하는 회전부재를 포함할 수 있다.

또한, 상기 노즐부는 복수의 노즐이 방사형으로 배치될 수 있다.

또한, 상기 방사형으로 배치되는 복수의 노즐은 일정 각도로 이격되어 배치되되, 상기 회전부는 상기 일정 각도의 1/2 각도로 상기 노즐부를 좌우로 회전시킬 수 있다.

또한, 상기 회전부를 구동시키는 회전구동부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 회전구동부는 모터와, 상기 모터와 결합되어 상기 모터의 회전력을 상기 회전부재에 전달하는 회전구동부재를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 노즐이 일정 각도로 좌우로 회전하는 경우 적층시 적층부품의 형상이나 적층방향에 따라 스테이지에 적층되는 분말량의 차이가 거의 없기 때문에 균일한 두께로 적층이 가능해진다는 이점이 있다.

둘째, 기존 불연속형 분말 분사 시스템의 노즐은 적층시간동안 지속적인 적층부의 열이 전달되기 때문에 이로 인하여 노즐의 막힘이 발생하여 적층을 중단하고 노즐의 교체 후 다시 적층을 수행해야 하는 과정 없이, 노즐부가 일정각도로 좌우로 회전하는 경우 적층부의 열이 노즐부에 지속적으로 전달되는 현상을 방지하여 노즐의 수명이 증가할뿐만 아니라 노즐의 사용시간이 증대되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템의 노즐부의 실시예를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템의 노즐부의 실시예에 따른 구성 예시를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템의 노즐부의 분사각도 예시를 도시한 도면이다.

이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템을 설명하기 앞서, 본 발명에 따른 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템이 운용되는 금속 3차원 프린팅 시스템을 설명하면 다음과 같다.

금속 3차원 프린팅 시스템은 금속 분말을 분사하여 성형재료를 적층하는 3D 프린터로, 다중 노즐(210)을 구비한 노즐부(200)로부터 스테이지(S) 방향으로 분말이 분사되고, 분말의 포커싱 위치에 따라 적층되는 영역의 크기가 달라진다.

또한, 상기 금속 분말을 용융시키는 열원부(500)는 결과적으로 제작하고자 하는 대상물을 용융된 금속분말로 적층되도록 하며, 상기 열원부(500)의 열원은 레이저, 아크 및 전자빔 등으로 구성될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 도시한 도면이며, 본 발명에 따른 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템은 분말공급로(100), 노즐부(200), 회전부(300) 및 회전구동부(400)를 포함한다.

상기 분말공급로(100)는 스테이지(S)에 적층될 분말이 공급되며, 상기 분말은 금속재질인 것이 바람직하다.

상기 노즐부(200)는 상기 분말공급로(100)의 하부에 연결되어, 상기 분말공급로(100)로부터 공급되는 분말을 분사하며, 상기 노즐부(200)의 중심부는 상기 열원부의 열원이 상기 분말로 도달할 수 있도록 중공부로 형성되고, 상기 노즐부(200)는 상기 분말을 분사하는 복수개의 노즐(210)이 방사형으로 배치된다.

이때, 방사형으로 배치되는 복수개의 상기 노즐(210)은 일정 각도로 이격되어 배치될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.

또한, 상기 노즐(210)은 도 6에 도시된 바와 같이, 노즐부(200)의 길이방향(G)을 기준으로 분사되는 각도가 조절될 수 있다.

상기 회전부(300)는 상기 노즐부(200)에 결합되어 상기 노즐부(200)를 회전시키며, 구체적으로 상기 회전부(300)는 베어링(310)과 회전부재(320)를 포함한다.

상기 베어링(310)은 상기 분말공급로(100)와 상기 노즐부(200) 사이에 개재되어 고정된 상기 분말공급로(100)를 기준으로 상기 노즐부(200)가 용이하게 회전할 수 있도록 한다.

상기 회전부재(320)는 상기 노즐부(200)의 외측에 결합되어 후술하는 상기 회전구동부(400)로부터 동력을 전달받아 회전함으로써 결과적으로 상기 노즐부(200)에 회전력을 전달하여 상기 노즐부(200)가 회전할 수 있도록 한다.

즉, 상기 회전부(300)는 일정 각도로 상기 노즐부(200)를 좌우로 회전시킬 수 있다.

상기 회전구동부(400)는 상기 회전부(300)에 동력을 전달하여 회전부(300)를 구동시키며, 구체적으로 상기 회전구동부(400)는 모터(410)와 회전구동부재(420)를 포함한다.

상기 모터(410)는 상기 회전구동부재(420)에 동력을 전달하며, 상기 회전구동부재(420)는 상기 모터(410)로부터 동력을 전달받아 회전하며, 상기 회전부재(320)와 연결되어, 상기 회전부재(320)에 회전력을 전달하여 상기 회전부재(320)가 회전하도록 한다.

즉, 상기 회전부재(320)와 상기 회전구동부재(420)는 기어나 풀리로 구성되어 맞물려 회전함으로써 동력을 전달할 수 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템의 노즐부(200)의 실시예를 도시한 도면이다.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 노즐부(200)에 형성된 상기 노즐(210)은 복수개로 구성되어 방사형으로 배치되되, 복수개의 노즐(210)은 동일한 각도에 이격되어 배치될 수 있다.

또는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 노즐부(200)에 형성되는 상기 노즐(210)은 복수개로 구성되어 방사형으로 배치되되, 복수개의 노즐(210)은 제1 각도 및 제 2 각도로 각각 이격되어 배치될 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템의 노즐부(200)의 실시예에 따른 구성 예시를 도시한 도면이다.

먼저, 도 4는 상술한 도 2에 도시된 노즐부(200)로, 상기 노즐(210)로부터 상기 분말이 분사되면서, 상기 모터(410)가 구동됨에 따라 상기 회전구동부재(420)가 회전하고, 상기 회전구동부재(420)의 회전력이 상기 회전부재(320)에 전달됨으로써 상기 노즐부(200)가 회전한다.

이때, 상기 노즐부(200)는 360도로 회전할 수도 있고, 또는 상기 노즐부(200)에 배치된 상기 노즐(210)을 중심으로 좌우로 배치각도의 1/2 각도만큼 회전하면서 상기 분말을 분사할 수 있다.

도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 노즐(210)의 배치각도가 α만큼 이격되도록 상기 노즐(210)이 방사형으로 배치된 경우, 상기 노즐부(200)는 상기 노즐(210)을 중심으로 좌측방향으로 α/2만큼, 우측방향으로 α/2만큼 회전하여 결과적으로 노즐(210)의 배치각도인 α만큼 노즐부(200)가 회전하면서 상기 분말을 분사한다.

또한, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 노즐(210)의 배치각도가 β만큼 이격되도록 상기 노즐(210)이 방사형으로 배치된 경우, 상기 노즐부(200)는 상기 노즐(210)을 중심으로 좌측방향으로 β/2만큼, 우측방향으로 β/2만큼 회전하여 결과적으로 노즐(210)의 배치각도인 β만큼 노즐부(200)가 회전하면서 상기 분말을 분사한다.

즉, 상기 노즐부(200)가 회전하는 각도를 조정할 수 있으며, 상기 노즐부(200)의 회전 각도에 따라 상기 노즐(210)로부터 상기 분말이 분사되어 적층되는 적층량을 조절할 수 있다.

또는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 노즐부(200)에 복수개의 상기 노즐(210)이 상기 제1 각도(α) 및 상기 제1 각도(α)보다 큰 상기 제2 각도(β)로 각각 이격되어 배치된 경우, 상기 노즐부(200)는 360도 회전할 수도 있고, 상기 노즐부(200)의 배치된 상기 노즐(210)의 상기 제1 각도(α) 또는 제2 각도(β)의 1/2 각도만큼 좌우로 회전하면서 분말을 분사할 수도 있다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 노즐부(200)는 상기 노즐(210)을 중심으로 좌측방향으로 α/2만큼, 우측방향으로 α/2만큼 회전하여 결과적으로 노즐(210)의 배치각도인 α만큼 노즐부(200)가 회전하면서 상기 분말을 분사할 수도 있고, 상기 노즐부(200)는 상기 노즐(210)을 중심으로 좌측방향으로 β/2만큼, 우측방향으로 β/2만큼 회전하여 결과적으로 노즐(210)의 배치각도인 β만큼 노즐부(200)가 회전하면서 상기 분말을 분사할 수도 있다.

이때, 상기 노즐부(200)가 360도 회전할 때의 상기 스테이지(S)에 적층되는 분말량은 상기 노즐부(200)가 상기 제2 각도의 1/2 각도만큼 좌우로 회전할 때의 상기 스테이지(S)에 적층되는 분말량보다 많고, 상기 노즐부(200)가 상기 제2 각도의 1/2 각도만큼 좌우로 회전할 때의 상기 스테이지(S)에 적층되는 분말량은 상기 노즐부(200)가 상기 제1 각도의 1/2 각도만큼 좌우로 회전할 때의 상기 스테이지(S)에 적층되는 분말량보다 많다.

상술한 바와 같이, 상기 노즐부(200)의 회전 각도에 따라 상기 스테이지(S)에 적층되는 분말량이 조절됨에 따라, 상기 노즐부(200)가 이동하는 곡률에 따라 상기 노즐부(200)의 이동 속도가 변화할 때, 상기 스테이지에 동일한 양의 분말을 적층할 수 있도록 한다.

예를 들어, 상기 노즐부(200)가 이동하는 구간이 직선구간인 경우, 상기 노즐부(200)는 360도 회전하면서 상기 분말을 분사하고, 상기 노즐부(200)가 이동하는 구간이 곡선구간인 경우, 상기 곡선구간에서의 상기 노즐부(200)의 이동속도가 상기 직선구간의 상기 노즐부(200)의 이동속도보다 느리기 때문에, 상기 노즐부(200)가 상기 직선구간에서와 동일하게 360도 회전하면서 이동하게 되면, 상기 스테이지에 적층되는 분말의 양이 더 증가하는 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 노즐부(200)의 이동속도를 기반으로 상기 노즐부(200)의 회전각도를 상기 제1 각도 또는 제2 각도의 1/2 각도로 노즐을 중심으로 좌우 회전하여 상기 분말을 분사함으로써, 상기 스테이지(S)에 적층되는 분말량을 줄인다.

이에 따라 상기 노즐부(200)의 이동속도가 구간에 따라 변화할 때에도 상기 노즐부(200)의 회전 각도를 조절하여 영역별로 균일한 양의 분말을 스테이지에 적층할 수 있게 된다.

물론, 상기 노즐부(200)에 배치되는 상기 노즐(210)의 배치는 상술한 제1 각도 및 제2 각도에 한정되지 아니하며, 복수개로 구성된 노즐(210) 각각이 이루는 각도가 모두 상이할 수 있고, 이에 따라 상기 노즐(210)이 n개로 구성되고, 상기 노즐(210) 각각이 이루는 각도가 360/n각도로 구성된 경우, 상기 노즐부(200)의 회전 각도는 360/n각도의 1/2 각도만큼 좌우로 회전하면서 이동하여 상기 스테이지(S)에 균일한 양의 분말을 적층할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 노즐(210)의 배치각도의 1/2 각도로 좌우로 상기 노즐부(200)가 회전하는 경우 적층시 적층부품의 형상이나 적층방향에 따라 상기 스테이지(S)에 적층되는 분말량의 차이가 거의 없기 때문에 균일한 두께로 적층이 가능해진다.

또한, 기존 불연속형 분말 분사 시스템의 노즐(210)은 적층시간동안 지속적인 적층부의 열이 전달되기 때문에 이로 인하여 노즐(210)의 막힘이 발생하여 적층을 중단하고 노즐(210)의 교체 후 다시 적층을 수행해야 하는 과정 없이, 노즐부(200)가 일정각도로 좌우로 회전하는 경우 적층부의 열이 노즐부(200)에 지속적으로 전달되는 현상을 방지하여 노즐(210)의 수명이 증가할뿐만 아니라 노즐의 사용 시간이 증대된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

100: 분말공급로
200: 노즐부
210: 노즐
300: 회전부
310: 베어링
320: 회전부재
400: 회전구동부
410: 모터
420: 회전구동부재
500: 열원부

Claims (6)

1. 적층될 분말이 공급되는 분말공급로;
   상기 분말공급로의 하부에 연결되어 상기 분말공급로로부터 공급되는 분말을 분사하는 노즐부; 및
   상기 노즐부에 결합되어 상기 노즐부를 회전시키는 회전부를 포함하되,
   상기 노즐부는 n개의 노즐이 360/n 각도로 이격되어 방사형으로 배치되며,
   상기 노즐로부터 상기 분말이 분사되어 스테이지에 균일한 두께로 적층이 되도록, 상기 회전부는 상기 360/n 각도의 1/2 각도로 상기 노즐부를 좌우로 회전시키는 것을 특징으로 하는 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전부는,
   상기 분말공급로와 상기 노즐부 사이에 개재되는 베어링; 및
   상기 노즐부의 외측에 결합되어 상기 노즐부에 회전력을 전달하는 회전부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제2항에 있어서,
   상기 회전부를 구동시키는 회전구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 회전구동부는,
   모터; 및
   상기 모터와 결합되어 상기 모터의 회전력을 상기 회전부재에 전달하는 회전구동부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 3차원 프린팅 시스템의 분말 분사 시스템.
   

Images