KR102422428B1

KR102422428B1 - 3d프린터용 듀얼 노즐식 헤드

Info

Publication number: KR102422428B1
Application number: KR1020200116642A
Authority: KR
Inventors: 강민주; 김성훈
Original assignee: 김성훈
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2022-07-25
Also published as: KR20220034363A

Abstract

본 발명은 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드에 관한 것으로, 한 쌍의 노즐모듈의 노즐 단부를 수직을 이루도록 선택적으로 틸팅하여 3D프린터의 출력물의 품질을 향상시킬 수 있고 노즐의 위치조정을 정확하고도 간편하며 서로 다른 직경을 갖는 2개의 노즐을 사용하여 외관상 보이지 않는 출력물의 내부는 대구경 노즐을 사용하여 빠른 속도로 채우고 외곽의 표면은 소구경 노즐을 사용하여 처리함으로써 전체적으로 출력시간을 대폭 단축할 수 있어 동일한 시간에 더욱 큰 대형 출력물을 출력할 수 있으므로 기존 출력시간으로 인해 시도 되지 못한 크기의 출력물을 더욱 빠르게 출력 가능하며, 이에 다양한 분야, 특히 건축 모형, 대형 피규어 제작 등에 폭넓게 활용 가능한 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드를 제공한다.

Description

3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드 {Dual nozzle type head for 3D printer}

본 발명은 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 한 쌍의 노즐모듈을 구비하여 각자 공급되는 필라멘트를 용융시켜 출력하면서도 작동중인 노즐모듈과 대기중인 노즐모듈의 틸팅방식을 개선하여 출력 품질 및 정밀도를 향상시키면서도 3D프린터 출력물의 출력시간을 현저하게 단축시킬 수 있는 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드에 관한 것이다.

전 세계의 산업 구조를 바꾸고 있는 4차 산업의 한축인 3D 프린터는 산업과 생활 속에 빠른 속도로 다가 오고 있다. 초창기의 다루기 까다롭고 높은 가격은 기술개발 등을 통해 저가형의 교육용 모델부터 시작해서 가정용, 산업용 등 다양한 종류의 3D 프린터들 출시되고 있다.

플라스틱, 고무, 콘크리트, 음식재료, 금속 등의 다양한 재료들이 사용되고 있으며, 다양한 방식의 출력방법을 채용한 프린터들이 개발 되고 있다.

그 중 플라스틱류의 소재를 이용한 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 프린터가 단순한 구조, 저렴한 가격과 낮은 유지비 등으로 가장 많이 쓰이고 있다.

이러한 FDM(Fused Deposition Modeling)방식의 3D 프린터는 수지계열의 원료를 가열하여 액체상태의 용해된 재료를 구경이 작은 노즐을 통해 출력판에 수지를 그림 그리듯이 출력하여 한층 한층씩 적층하여 구조물을 만들어 내는 방식으로, 비교적 간단한 구조와 저렴한 비용 및 저렴한 재료비로 인해 가장 많이 상용화된 방식이지만 출력속도가 느리다는 단점이 있다. 일반적으로 출력물을 출력 시 0.4mm 구경의 노즐과 0.1~0.4mm의 적층 높이가 가장 많이 사용되는 방식이다.

다양한 소재 등의 개발 및 기계적 구조개선 등을 통해 초창기 제품에 비해 많은 품질 및 속도의 향상이 이루어 졌으나, 출력방식의 한계로 인해 여전히 느린 속도 때문에 대부분 출력물의 가로, 세로, 높이가 최대 30cm를 넘지 않는 제품이 대부분이며, 출력물의 크기가 커지면 커질수록 출력 시간이 길어지며, 30cm 급의 물품을 출력 시에도 2~3일의 시간이 걸리는 경우가 대부분이다.

이러한 FDM 프린터의 출력시간을 줄일 수 있는 방법은 출력용 노즐의 직경을 키우는 방법을 통해 출력 시 노즐이 더 많은 재료를 분사하여 출력시간을 줄일 수 있는 있지만 출력노즐의 직경을 크게 하면 당연히 그에 비례하여 출력물의 표면 품질이 떨어지는 결과도 나타나며, 이에 대한 절충안으로 대부분의 프린터는 0.4mm 직경의 노즐을 가장 많이 사용하고 있는 실정이다.

한편, 최근에는 3D 프린터에 노즐이 2개가 장착된 듀얼노즐 3D 프린터가 제안되고 있으며, 보통은 2가지의 색상이 다른 재료를 동시에 사용하여 출력물에 다양한 표면 색상을 적용하기 위해 사용되어지고 있다. 이러한 듀얼노즐 3D 프린터의 헤드에 관한 선행기술로 등록특허 제10-1903635호(참고문헌 1)가 제안된 바 있다. 이는 듀얼 노즐을 갖는 3차원 프린터용 압출 장치에 관한 것으로, 고정블럭과, 회전형 파지부와, 두 토출노즐 및 동작부를 포함하여 구성되며, 특히 상기 두 토출노즐은 상기 회전형 파지부의 양측에 각각 위치되어 상기 동작부의 동작에 따른 회전형 파지부의 회전에 의해 양측으로 기울어지면서 서로의 높낮이가 달리 이루어지도록 구성된다.

그런데, 상기 참고문헌 1의 압출장치는 두 노즐이 구비되어 필요에 따라 선택적으로 어느 일측의 노즐이 선택되어 출력이 가능하도록 하나, 틸팅 동작으로 어느 일측 노즐이 타측 노즐보다 낮게 위치되도록 하는데, 틸팅됨에 따라 노즐의 출구각이 수직하방이 아닌 경사각을 이루게 됨에 따라 오히려 출력 품질을 저해할 수 있다.

물론, 이러한 참고문헌 1의 문제점을 해소하기 위한 선행기술로 등록특허 제10-2098054호(참고문헌 2)가 제안된 바 있다. 이는 3D 프린터용 듀얼 헤드에 관한 것으로 이격거리를 두고 두 개의 오목한 삽입구가 형성되며 발열 기능을 갖는 히터블럭; 하단에 출력구가 형성되어 상기 삽입구에 끼워지게 되는 노즐이 구비되고, 상단에 하방으로 힘을 가하는 탄성체가 설치되는 한 쌍의 노즐모듈; 상기 노즐모듈 중 어느 하나를 상승시켜서 상기 노즐이 상기 삽입구와 비접촉 상태가 되게 하는 스위칭모듈을 포함하는 것으로, 스위칭모듈은 정면부에 좌우 대칭이면서, 좌우 가장자리가 높게 형성되어 상기 하부지지판을 밀어올리게 되는 단차부를 갖는 가동스위치와, 상기 가동스위치를 좌우 이동되게 하는 푸셔를 포함한다.

그런데, 상기 참고문헌 2의 듀얼 헤드는 두 개의 헤드가 선택적으로 수직으로 승강이 가능하지만, 그 구조가 복잡할 뿐만 아니라 두 노즐모듈에 투입되는 필라멘트 역시 승강되는 노즐모듈에 의해 개별 승강됨에 따라 필라멘트를 균일한 압력으로 노즐모듈에 투입하기 어려운 문제점이 있다.

아울러, 상기 참고문헌 1 및 2는 모두 노즐을 구비하여 각 색상별(혹은, 재질별) 필라멘트가 동시에 제공되도록 하거나 이종 소재의 필라멘트를 제공하는 것에 주안점을 둔 것으로, 3D프린터 출력물의 출력시간을 현저하게 단축시키는데에도 구조적인 한계가 있다.

참고문헌 1: 등록특허 제10-1903635호 참고문헌 2: 등록특허 제10-2098054호

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 한 쌍의 노즐모듈을 구비하여 각자 공급되는 필라멘트를 용융시켜 출력하면서도 작동중인 노즐모듈과 대기중인 노즐모듈의 틸팅방식을 개선하여 작동중인 노즐모듈의 노즐 단부의 출구각이 수직하방을 이루게 하여 3D프린터의 출력 품질을 향상시키면서도 구조가 간단한 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 한 쌍의 노즐모듈의 출구 구경을 대구경 및 소구경으로 서로 다르게 하여 3D프린터 출력물의 내벽 및 외벽과 그 사이에 채워지는 채움재의 출력 밀도를 달리하여 출력 품질 및 정밀도를 향상시키면서도 3D프린터 출력물의 출력시간을 현저하게 단축시킬 수 있는 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드에 있어서, 듀얼 노즐식 헤드는 제1 및 제2 노즐이 구비되어 제1 및 제2 필라멘트를 용융하여 출력하는 제1 및 제2 노즐모듈로 이루어지되, 상기 제1 및 제2 노즐은 직경이 서로 다른 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은;

3D프린터에 고정되는 노즐베이스와, 상기 노즐베이스에 전후방향으로 지지되는 틸팅샤프트와, 상기 틸팅샤프트에 중앙 하측이 힌지결합되는 틸팅본체와, 상기 틸팅본체의 좌우 양측에 대칭되게 외측으로 경사지게 구비되며 하단에 제1 및 제2 노즐이 구비되어 제1 및 제2 필라멘트를 용융하여 출력하는 제1 및 제2 노즐모듈과, 상기 제1 또는 제2 노즐의 단부가 수직하방을 항하도록 상기 틸팅본체를 상기 틸팅샤프트를 중심으로 좌우로 틸팅시키는 틸팅구동수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드를 제공한다.

이때, 상기 노즐베이스는 틸팅본체의 중앙 하부가 회동가능하게 안착되는 안착홈부가 상측이 개구되도록 형성되고 상기 안착홈부의 전단과 후단에는 틸팅샤프트의 전후 양단이 지지되는 제1 및 제2축공이 형성되는 제1 및 제2 축지지부가 구비되며, 상기 틸팅본체는 좌우 대칭되는 구조로 이루어지며 중앙 하측에 좌우로 틸팅이 가능하도록 상기 노즐베이스의 안착홈부에 삽입되며 상기 틸팅샤프트가 관통하는 힌지공이 전후방향으로 형성되며 상기 힌지공의 전후측에는 전면 및 후면베어링이 구비되어 상기 틸팅샤프트의 전반부 및 후반부가 지지되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 틸팅본체의 중앙 좌우측에는 제1 및 제2 제한돌기가 나란히 구비되고, 상기 노즐베이스의 중앙 상단에는 상기 제1 및 제2 제한돌기 사이에 접촉가능하게 구비되어 상기 틸팅본체의 좌우 틸팅을 제한하는 스토퍼돌부가 상향 돌출되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 틸팅본체의 스토퍼돌부 좌측면 방향으로 단부가 향하도록 상기 노즐베이스의 제1 제한돌기에는 측면방향으로 제1 나사공이 형성되어 제1 노즐높이 조절나사가 좌측에서 우측으로 나사결합되고, 상기 스토퍼돌부의 우측면 방향으로 단부가 향하도록 상기 제2 제한돌기에는 측면방향으로 제2 나사공이 형성되어 제2 노즐높이 조절나사가 우측에서 좌측으로 나사결합되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 틸팅본체의 좌측 및 우측 하부에는 틸팅본체의 좌우 양측에서 외측으로 대칭 경사지게 제1 및 제2 노즐모듈이 구비되어 상기 제1 노즐높이 조절나사의 단부가 상기 스토퍼돌부의 좌측면에 접촉시 상기 제1 노즐모듈은 수직으로 하향하고, 상기 제2 노즐높이 조절나사의 단부가 상기 스토퍼돌부의 우측면에 접촉시 상기 제2 노즐모듈은 수직으로 하향하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 틸팅본체의 좌측에는 제1 필라멘트를 제1 노즐모듈로 안내하는 한쌍의 제1 구동롤러 및 제1 안내롤러가 구비되고, 틸팅본체의 우측에는 제2 필라멘트를 제2 노즐모듈로 안내하는 한쌍의 제2 구동롤러 및 제2 안내롤러가 구비되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 제1 노즐모듈의 제1 노즐은 직경 0.4mm의 노즐이고, 상기 제2 노즐모듈의 제2 노즐은 직경 0.8mm의 노즐인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 틸팅구동수단은 상기 노즐베이스에 하측이 나사 등의 체결수단에 의해 고정되고 상부 좌측 및 우측에 제1 및 제2 구동판이 구비되는 구동부재와, 상기 틸팅본체의 상측에 고정되어 회전축이 전방으로 돌출되는 틸팅모터와, 상기 회전축에 고정되되 상기 제1 또는 제2 구동판의 내측면을 선택적으로 가압하도록 상기 제1 및 제2 구동판 사이에 제1 및 제2 가압구가 편심되게 구비되는 디스크로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제1 및 제2 구동판은 탄성을 갖는 금속판으로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 가압구는 상기 제1 및 제2 구동판을 따라 저항없이 접촉되도록 상기 디스크 표면에 편심되게 구비되어 자유회전이 가능한 볼베어링으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 틸팅본체의 좌우 양측 하부에 한 쌍의 노즐모듈을 구비하여 각자 공급되는 필라멘트를 용융시켜 출력하면서도 작동중인 노즐모듈과 대기중인 노즐모듈의 틸팅방식을 개선하여 작동중인 노즐모듈의 노즐 단부의 출구각이 수직하방을 이루게 하여 3D프린터의 출력물의 품질을 향상시키는 효과가 있다.

아울러, 본 발명에 따르면 2개의 노즐의 정렬 및 세팅의 편리성과 2개의 노즐을 통해 필라멘트를 용융시켜 번갈아가며 출력시 대기 중인 노즐이 출력물에 간섭을 일으키는 문제를 해소할 뿐만 아니라 노즐의 위치조정을 정확하고도 간편하고 수행할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따르면 서로 다른 직경을 갖는 2개의 노즐을 사용하여 3D 프린팅을 함으로써 외관상 보이지 않는 출력물의 내부는 대구경 노즐(예를 들어, 0.8mm ~ 1mm 노즐)을 사용하여 빠른 속도로 채우고, 외곽의 표면은 소구경 노즐(예를 들어, 0.4mm 노즐)을 사용하여 처리함으로써, 전체적으로 출력시간을 평균 60% 이상 단축할 수 있어, 동일한 시간에 더욱 큰 대형 출력물을 출력할 수 있으므로, 기존 출력시간으로 인해 시도 되지 못한 크기의 출력물을 더욱 빠르게 출력 가능하며, 이에 다양한 분야, 특히 건축 모형, 대형 피규어 제작 등에 폭넓게 활용 가능한 장점이 있다.

이에 더해 본 발명은 2개의 노즐을 사용시 통상적으로 많이 사용하는 저가의 PLA 소재 외에 특수한 효과를 위해 고가의 특수한 소재의 필라멘트를 함께 사용하는 것도 가능해 출력물의 외부는 고가의 소재로 출력하며, 내부를 채우는 소재는 저렴한 PLA소재를 사용함으로써 출력비용 중 재료비용도 대폭 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드의 결합 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드의 주요 구성 분해도이다.
도 3은 본 발명에 따른 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드의 4mm 노즐만을 이용한 출력예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드의 일 예로서 4mm 및 8mm 노즐을 함께 이용한 출력예를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 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.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드는 3D프린터에 장착시 2개의 노즐을 가지고 동시에 2종류의 필라멘트(F1,F2)를 공급받고 용융시켜 토출 할 수 있는 장치로서, 출력 중 활성화 되어 작동중인 노즐 대비 대기중인 노즐(142 또는 152)이 기출력된 출력물에 간섭하여 열 변형 등의 영향을 주는 현상을 막기 위해 대기중인 노즐(142 또는 152)을 기(旣) 출력된 출력물과 이격시키기 위해 틸팅방식을 적용하여 구조를 단순화시키고 유격 등의 발생요인을 줄여 정밀도를 향상하며, 3D프린터 운영 시에 각각의 노즐(142 또는 152)과 베드 간격을 직관적으로 정밀하게 조정함으로써 노즐과 베드의 수평높이 조정이 편리한 장치이다.

이와 같은 본 발명에 따른 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드(100)는 3D프린터에 고정되는 노즐베이스(110)와, 상기 노즐베이스(110)에 전후방향으로 지지되는 틸팅샤프트(120)와, 상기 틸팅샤프트(120)에 중앙 하측이 힌지결합되는 틸팅본체(130)와, 상기 틸팅본체(130)의 좌우 양측에 대칭되게 외측으로 경사지게 구비되며 하단에 제1 및 제2 노즐(142,152)이 구비되어 제1 및 제2 필라멘트(F1,F2)를 용융하여 출력하는 제1 및 제2 노즐모듈(140,150)과, 상기 틸팅본체(130)의 상측에 구비되어 상기 틸팅본체(130)를 상기 틸팅샤프트(120)를 중심으로 좌우로 틸팅시키는 틸팅구동수단(160)으로 구성된다.

이하 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.

상기 노즐베이스(110)는 3D프린터에 일체로 고정되는 것으로, 노즐베이스(110)는 틸팅본체(130)의 중앙 하부가 회동가능하게 안착되는 안착홈부(112)가 상측이 개구되도록 형성되고 상기 안착홈부(112)의 전단과 후단에는 틸팅샤프트(120)의 전후 양단이 지지되는 제1 및 제2축공(114a,115a)이 형성되는 제1 및 제2 축지지부(114,115)가 구비된다.

이때, 상기 틸팅샤프트(120)는 원기둥 형상으로 이루어지는 것으로 전단과 후단이 상기 제1 및 제2 축지지부(114,115)의 제1 및 제2축공(114a,115a)에 각각 지지된다.

한편, 상기 틸팅본체(130)는 좌우 대칭되는 구조로 이루어지는 것으로 중앙 하측에 좌우로 틸팅이 가능하도록 상기 노즐베이스(110)의 안착홈부(112)에 삽입되며 상기 틸팅샤프트(120)가 관통하는 힌지공(132)이 전후방향으로 형성된다.

그리고, 상기 힌지공(132)의 전후측에는 전면 및 후면베어링(134,135)이 구비되어 상기 틸팅샤프트(120)의 전반부 및 후반부가 지지되어, 상기 틸팅본체(130)가 틸팅샤프트(120)를 중심으로 좌우로 부드럽게 틸팅이 가능하다. 이때 상기 전면 및 후면베어링(134,135)은 볼베어링으로 구성될 수 있다.

이러한 구조에 의하면 상기 틸팅본체(130)의 전면 중앙에 노즐베이스(110)의 제1 축지지부(114)가 위치하게 되며, 3D 프린터에 고정되는 틸팅본체(130)에 고정되는 틸팅샤프트(120)를 중심으로 틸팅본체(130)의 좌우측이 틸팅이 가능하게 된다.

이때, 상기 틸팅본체(130)의 중앙 좌우측에는 제1 및 제2 제한돌기(136,137)가 나란히 구비되고, 상기 노즐베이스(110)의 제1 축지지부(114)의 중앙 상단에는 상기 제1 및 제2 제한돌기(136,137) 사이에 위치하는 스토퍼돌부(116)가 상향 돌출된다.

이러한 구조에 의하면 상기 틸팅본체(130)가 틸팅샤프트(120)를 중심으로 우측 하방으로 회동하면 제1 제한돌기(136)가 스토퍼돌부(116)의 좌측면에 접촉되어 더 이상 우측 하방으로 회동하지 않고 멈추게 되고, 상기 틸팅본체(130)가 틸팅샤프트(120)를 중심으로 좌측 하방으로 회동하면 제2 제한돌기(137)가 스토퍼돌부(116)의 우측면에 접촉되어 더 이상 좌측 하방으로 회동하지 않고 멈추게 되며, 따라서 상기 틸팅본체(130)는 틸팅샤프트(120)를 중심으로 제한된 범위에서 틸팅된다.

이 경우 상기 스토퍼돌부(116)의 좌측면 방향으로 단부가 향하도록 상기 제1 제한돌기(136)에는 측면방향으로 제1 나사공(136a)이 형성되어 제1 노즐높이 조절나사(136b)가 좌측에서 우측으로 나사결합되고, 상기 스토퍼돌부(116)의 우측면 방향으로 단부가 향하도록 상기 제2 제한돌기(137)에는 측면방향으로 제2 나사공(137a)이 형성되어 제2 노즐높이 조절나사(137b)가 우측에서 좌측으로 나사결합된다.

이에 따라 제1 노즐높이 조절나사(136b)를 조절하면 단부가 상기 스토퍼돌부(116)의 좌측면 방향으로 전후진하게 되어 스토퍼돌부(116)와의 접촉거리를 조절할 수 있게 되며 이에 따라 틸팅본체(130)가 틸팅샤프트(120)를 중심으로 좌측 하방으로 틸팅 각도를 더욱 미세하게 조절할 수 있고, 제2 노즐높이 조절나사(137b)를 조절하면 단부가 상기 스토퍼돌부(116)의 우측면 방향으로 전후진하게 되어 스토퍼돌부(116)와의 접촉거리를 조절할 수 있게 되며 이에 따라 틸팅본체(130)가 틸팅샤프트(120)를 중심으로 우측 하방으로 회동시 틸팅각도를 더욱 미세하게 조절할 수 있다.

이는 듀얼 노즐 방식의 3D 프린터에서 제1 및 제2 노즐모듈(140,150)의 최하단에 위치하는 제1 및 제2 노즐(142,152)의 단부가 각각 정밀하게 수평 높이를 일치 시켜야 하며, 이를 위해 높이를 정렬시켜야 하는데 이때 여러 번의 시행착오를 거쳐야 하는 정렬 작업은 까다롭고 번거로운데 이를 제1 및 제2 노즐높이 조절나사(136b,137b)를 회전시키는 작업을 통해 정밀 조정할 수 있으므로 유지보수에 있어 많은 이점이 있다. 이 경우 제1 및 제2 노즐높이 조절나사(136b,137b)는 일 예로 육각렌치로 회전시킬 수 있는 렌치홈이 구비된 나사를 사용할 수 있다.

그리고, 상기 틸팅본체(130)의 좌측에는 제1 필라멘트(F1)를 제1 노즐모듈(140)로 안내하는 한쌍의 제1 구동롤러(170) 및 제1 안내롤러(171)가 구비되고, 틸팅본체(130)의 우측에는 제2 필라멘트(F2)를 제2 노즐모듈(150)로 안내하는 한쌍의 제2 구동롤러(180) 및 제2 안내롤러(181)가 구비된다.

이때, 상기 제1 및 제2 안내롤러(171,181)는 제1 및 제2 링크(172,182)에 회전이 자유롭게 설치되는 것으로, 상기 제1 및 제2 링크(172,182)의 하단은 상기 틸팅본체(130)의 좌측 및 우측 하부에 제1 및 제2 힌지핀(173,183)에 의해 힌지결합되고, 상기 제1 및 제2 링크(172,182)의 상단은 상기 틸팅본체(130)의 좌측 및 우측 상부에 일단부가 고정되는 제1 및 제2 탄성 스프링(174,184)의 타단에 연결되고 탄성 지지됨에 따라 제1 및 제2 필라멘트(F1,F2)에 가해지는 압력을 일정하게 조절해준다.

또한, 상기 틸팅본체(130)의 좌측 및 우측 하부에는 틸팅본체(130)의 좌우 양측에서 외측으로 대칭 경사지게 제1 및 제2 노즐모듈(140,150)이 구비된다. 이때 상기 제1 노즐높이 조절나사(136b)의 단부가 상기 스토퍼돌부(116)의 좌측면에 접촉시 상기 제1 노즐모듈(140)은 수직으로 하향하고, 상기 제2 노즐높이 조절나사(137b)의 단부가 상기 스토퍼돌부(116)의 우측면에 접촉시 상기 제2 노즐모듈(150)은 수직으로 하향하게 된다.

따라서, 노즐과 베드의 수평높이 즉 위치가 맞지 않는 경우 상기 제1 및 제2 노즐높이 조절나사(136b,137b)를 조절하여 상기 제1 및 제2 노즐모듈(140,150)의 틸팅범위를 미세하게 조정할 수 있다.

이때, 상기 제1 노즐모듈(140)은 내부로 제1 필라멘트(F1)가 통과하는 제1 노즐몸체(141)와, 상기 제1 노즐몸체(141)의 하측 끝단에 결합되는 제1 노즐(142)과, 상기 제1 노즐몸체(141)의 둘레면에 결합되어 상기 제1 노즐(142)을 통해 토출되는 제1 필라멘트(F1)를 용융시키는 제1 히터(143) 및 상기 제1 히터(143)의 상부에 위치하는 제1 방열판(144)을 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 제2 노즐모듈(150)은 내부로 제2 필라멘트(F2)가 통과하는 제2 노즐몸체(151)와, 상기 제2 노즐몸체(151)의 하측 끝단에 결합되는 제2 노즐(152)과, 상기 제2 노즐몸체(151)의 둘레면에 결합되어 상기 제2 노즐(152)을 통해 토출되는 제2 필라멘트(F2)를 용융시키는 제2 히터(153) 및 상기 제2 히터(153)의 상부에 위치하는 제2 방열판(154)을 포함하여 구성된다.

이러한 제1 및 제2 노즐모듈(140,150)은 하단이 서로 외측으로 경사지게 배치됨에 따라 예를 들어 제1 노즐모듈(140) 또는 제2 노즐모듈(150)이 수직으로 틸팅되어 작동중인 노즐모듈 기능을 하는 경우 대기중인 노즐모듈인 제2 노즐모듈(150) 또는 제1 노즐모듈(140)은 출력물과 이격됨으로써 대기중인 노즐모듈이 출력 중인 출력물에 높은 열을 전달되어 변형되는 현상을 막을 수 있다.

이때, 상기 제1 및 제2 노즐(142,152)의 출구 구경은 서로 다른 직경 즉 대구경 및 소구경으로 서로 다르게 하여 3D프린터 출력물의 내벽 및 외벽과 그 사이에 채워지는 채움재의 출력 밀도를 달리하여 출력 품질 및 정밀도를 향상시키면서도 3D프린터 출력물의 출력시간을 현저하게 단축시킬 수 있다. 일반적으로 가장 많이 사용하는 직경 0.4mm 노즐과 직경 0.8mm의 노즐을 각각 한 개씩 적용하며, 일 예로 상기 제1 노즐(142)은 0.4mm의 직경을 갖는 노즐로 이루어지고, 상기 제2 노즐(152)은 0.8mm의 직경을 갖는 노즐로 이루어질 수 있으며, 이에 슬라이싱 작업에 있어 출력물의 외벽과 내벽은 0.4mm 노즐을 사용하며, 내부 채움은 0.8mm 노즐을 적용하여 출력작업을 진행할 경우 출력물의 구조에 따라 평균 40%이상의 출력시간을 단축할 수 있다.

이는 3D프린터 출력물의 표면은 0.4mm 노즐을 이용하여, 높은 품질의 표면상태를 유지하며, 내부에 채워지는 출력물을 0.8mm노즐을 적용하여 출력물의 품질은 떨어지지만 0.4mm 노즐 대비 0.8mm 노즐의 높은 분사량으로 인해 출력시간을 줄일 수 있으며, 표면질감 등의 표현을 위해 고비용의 재료를 사용할 경우 내부 채움에 사용되는 재료는 저비용의 일반재료를 사용함으로써 재료비용 역시 절감할 수 있다.

물론, 상기 제1 노즐(142)은 0.4mm 이하의 것도 사용 가능하며 상기 제2 노즐(152)은 0.8mm ~ 1mm의 노즐을 선택적으로 사용할 수 있다.

이 경우 상기 제1 및 제2 필라멘트(F1,F2)는 PLA 소재 외에 특수한 효과를 위해 고가의 특수한 소재의 필라멘트를 사용할 경우 출력물의 외부는 고가의 소재로 출력하며, 내부를 채우는 소재는 저렴한 PLA소재를 사용함으로써 출력비용 중 재료비용도 대폭 절감할 수 있다.

물론, 상기 제1 및 제2 필라멘트(F1,F2)는 단일의 색상은 물론 서로 다른 다양한 색상의 것을 사용할 수 있다.

그리고, 상기 틸팅구동수단(160)은 틸팅본체(130)의 상측에 구비되어 상기 틸팅본체(130)를 상기 틸팅샤프트(120)를 중심으로 좌우로 틸팅시키는 구성으로서, 상기 노즐베이스(110)에 하측이 나사 등의 체결수단(161c)에 의해 고정되고 상부 좌측 및 우측에 제1 및 제2 구동판(161a,161b)이 구비되는 구동부재(161)와, 상기 틸팅본체(130)의 상측에 고정되어 회전축(162a)이 전방으로 돌출되는 틸팅모터(162)와, 상기 회전축(162a)에 고정되되 상기 제1 또는 제2 구동판(161a,161b)의 내측면을 선택적으로 가압하도록 상기 제1 및 제2 구동판(161a,161b) 사이에 제1 및 제2 가압구(163a,163b)가 편심되게 구비되는 디스크(163)로 구성된다.

이때, 제1 및 제2 구동판(161a,161b)은 탄성을 갖는 금속판으로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 가압구(163a,163b)는 상기 디스크(163) 표면에 편심되게 구비되어 자유회전이 가능한 볼베어링으로 구성되어 상기 제1 및 제2 구동판(161a,161b)을 따라 저항없이 접촉된다.

그리고, 상기 상기 틸팅본체(130)의 상측에는 모터고정부(138)가 형성되어 회전축(162a)이 전방으로 돌출되도록 틸팅모터(162)가 고정된다.

이러한 구성에 의하면 상기 틸팅모터(162)의 구동으로 디스크(163)가 일방향으로 회전하여 제1 가압구(163a)가 구동부재(161)의 제1 구동판(161a) 내측면을 가압하면 상기 틸팅모터(162)가 고정되는 틸팅본체(130)가 틸팅샤프트(120)를 중심으로 우측으로 틸팅되어 제2 노즐모듈(150)이 수직으로 틸팅되어 작동중인 노즐모듈 기능을 하게 되며, 상기 틸팅모터(162)의 구동으로 디스크(163)가 타방향으로 회전하여 제2 가압구(163b)가 구동부재(161)의 제2 구동판(161b) 내측면을 가압하면 상기 틸팅모터(162)가 고정되는 틸팅본체(130)가 틸팅샤프트(120)를 중심으로 좌측으로 틸팅되어 제1 노즐모듈(140)이 수직으로 틸팅되어 작동중인 노즐모듈 기능을 하게 된다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참고로 본 발명에 따른 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드의 출력 예를 설명한다.

우선 일반적으로 3D 프린터로 대상물을 출력하기 위해서는 슬라이서라는 프로그램을 통해 3차원 설계된 도면을 3D 프린터로 출력하기 위한 GCode로 변환하는 슬라이싱 작업을 거치게 되는데 이러한 슬라이싱 작업은 슬라이서라고 하는 소프트웨어를 통해 이루어진다. 슬라이싱 작업의 목적은 3차원 도면을 3D 프린터를 이용해 수지 재료를 녹여 원형 노즐을 이용해 한층씩 한층씩 적층하기 위해서 3D 프린터에 적용 가능한 GCode라는 명령코드들을 생성해내는 것이 목적이다. 슬라이싱 작업에 있어 도 3 및 도 4에서와 같이 출력물(10,20)의 구성은 크게 외벽(11,12,13)(21,22,23), 내벽(14,15,16)(24,25,26) 및 내부채움(17,18,19)(27,28,29)이라는 구조로 단순화시켜볼 수 있다.

여기서, 외벽(11,12,13)(21,22,23)은 실제 출력물의 겉부분 즉 표면에 해당하며 출력물의 품질로 표현될 수 있는 부분이며, 내벽(14,15,16)(24,25,26)은 외벽(11,12,13)(21,22,23)의 내구성을 위해 보강되는 부분이며, 내부채움(17,18,19)(27,28,29)은 출력물(10,20)의 내구성을 유지하면서 출력시간과 소비되는 재료의 양을 줄이기 위해 출력물(10,20)의 내부를 완전히 채우지 않고 주로 격자구조를 이용하여, 내부를 20% 정도만 채우는 방식을 이용한다.

우선 틸팅모터(162)의 구동으로 디스크(163)가 일방향 또는 타방향으로 회전하여 제1 또는 제2 가압구(163a,163b)가 구동부재(161)의 제1 또는 제2 구동판(161a,161b)의 내측면을 가압하면 상기 틸팅모터(162)가 고정되는 틸팅본체(130)가 틸팅샤프트(120)를 중심으로 상대적으로 우측 또는 좌측으로 틸팅되어 제2 노즐모듈(150) 또는 제1 노즐모듈(140)이 수직으로 틸팅되어 용융된 필라멘트를 출력하여 출력물(10,20)이 생성된다.

이 경우 상기 제1 노즐모듈(140)의 제1 노즐(142)은 0.4mm의 직경을 갖는 노즐로 이루어져 높은 품질의 표면상태를 유지하도록 하고, 상기 제2 노즐모듈(150)의 제2 노즐(152)은 0.8mm의 직경을 갖는 노즐로 이루어져 내부에 채워지는 출력물은 품질은 떨어지지만 0.4mm 노즐 대비 0.8mm 노즐의 높은 분사량으로 인해 출력시간을 줄일 수 있다.

아울러, 표면질감 등의 표현을 위해 고비용의 재료를 사용 할 경우 내부 채움에 사용되는 재료는 저비용의 일반재료를 사용함으로써 재료비용 역시 절감할 수 있다.

이 경우 예를 들어 도 3은 0.4mm의 직경을 갖는 제1 노즐(142)만을 이용하여 출력하는 상태를 도시한 도면으로, 이의 출력물(10) 구조는 외벽(11,12,13), 내벽(14,15,16) 이외에 내부채움(17,18,19)은 20%의 형태로 3개의 층이 적층된 진행상황을 도시한 도면이다.

이에 반해 예를 들어 도 4는 0.4mm의 직경을 갖는 제1 노즐(142)과 0.8mm의 직경을 갖는 제2 노즐(152)를 함께 사용하여 출력하는 상태를 도시한 도면으로, 이의 출력물(20) 구조는 외벽(21,22,23), 내벽(24,25,26)은 0.4mm의 직경을 갖는 제1 노즐(142)을 이용하여 출력하고, 내부채움(27,28,29)은 0.8mm의 직경을 갖는 제2 노즐(152)을 이용하여 20% 채움을 하여 3개의 층이 적층된 진행상황이다.

여기서 0.4mm 노즐의 직경 면적은 π x 0.4²≒ 0.502㎟ 이며, 0.8mm 노즐의 직경 면적은 π x 0.8²≒ 2.010㎟ 이다.

따라서, 도 3 및 도 4에서와 같이 내부채움(17,18,19)(27,28,29) 비율을 같은 20%로 적용시에 0.8mm 노즐의 경우 노즐의 분사량 증가로 인해 내부채움의 노즐 진행 경로가 줄어들며, 이는 결국 출력시간의 감소를 가져오게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10, 20: 출력물 100: 듀얼 노즐식 헤드
110: 노즐베이스 116: 스토퍼돌부
120: 틸팅샤프트 130: 틸팅본체
136: 제1 제한돌기 136b: 제1 노즐높이 조절나사
137: 제2 제한돌기 137b: 제2 노즐높이 조절나사
140: 제1 노즐모듈 142: 제1 노즐
150: 제1 노즐모듈 152: 제2 노즐
160: 틸팅구동수단 161: 구동부재
162: 틸팅모터 163: 디스크
170: 제1 구동롤러 171: 제1 안내롤러
180: 제2 구동롤러 181: 제2 안내롤러
F1: 제1 필라멘트 F2: 제2 필라멘트

Claims

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3D프린터에 고정되는 노즐베이스와, 상기 노즐베이스에 전후방향으로 지지되는 틸팅샤프트와, 상기 틸팅샤프트에 중앙 하측이 힌지결합되는 틸팅본체와, 상기 틸팅본체의 좌우 양측에 대칭되게 외측으로 경사지게 구비되며 하단에 제1 및 제2 노즐이 구비되어 제1 및 제2 필라멘트를 용융하여 출력하는 제1 및 제2 노즐모듈과, 상기 제1 또는 제2 노즐의 단부가 수직 하방을 항하도록 상기 틸팅본체를 상기 틸팅샤프트를 중심으로 좌우로 틸팅시키는 틸팅구동수단으로 구성되고,
상기 틸팅본체의 중앙 좌우측에는 제1 및 제2 제한돌기가 나란히 구비되고, 상기 노즐베이스의 중앙 상단에는 상기 제1 및 제2 제한돌기 사이에 접촉가능하게 구비되어 상기 틸팅본체의 좌우 틸팅을 제한하는 스토퍼돌부가 상향 돌출되며,
상기 틸팅본체의 스토퍼돌부 좌측면 방향으로 단부가 향하도록 상기 노즐베이스의 제1 제한돌기에는 측면방향으로 제1 나사공이 형성되어 제1 노즐높이 조절나사가 좌측에서 우측으로 나사결합되고, 상기 스토퍼돌부의 우측면 방향으로 단부가 향하도록 상기 제2 제한돌기에는 측면방향으로 제2 나사공이 형성되어 제2 노즐높이 조절나사가 우측에서 좌측으로 나사결합되는 것을 특징으로 하는 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드.
제 2항에 있어서,
상기 노즐베이스는 틸팅본체의 중앙 하부가 회동가능하게 안착되는 안착홈부가 상측이 개구되도록 형성되고 상기 안착홈부의 전단과 후단에는 틸팅샤프트의 전후 양단이 지지되는 제1 및 제2축공이 형성되는 제1 및 제2 축지지부가 구비되며,
상기 틸팅본체는 좌우 대칭되는 구조로 이루어지며 중앙 하측에 좌우로 틸팅이 가능하도록 상기 노즐베이스의 안착홈부에 삽입되며 상기 틸팅샤프트가 관통하는 힌지공이 전후방향으로 형성되며 상기 힌지공의 전후측에는 전면 및 후면베어링이 구비되어 상기 틸팅샤프트의 전반부 및 후반부가 지지되는 것을 특징으로 하는 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드.
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제 2항에 있어서,
상기 틸팅본체의 좌측 및 우측 하부에는 틸팅본체의 좌우 양측에서 외측으로 대칭 경사지게 제1 및 제2 노즐모듈이 구비되어 상기 제1 노즐높이 조절나사의 단부가 상기 스토퍼돌부의 좌측면에 접촉시 상기 제1 노즐모듈은 수직으로 하향하고, 상기 제2 노즐높이 조절나사의 단부가 상기 스토퍼돌부의 우측면에 접촉시 상기 제2 노즐모듈은 수직으로 하향하는 것을 특징으로 하는 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드.
제 2항에 있어서,
상기 틸팅본체의 좌측에는 제1 필라멘트를 제1 노즐모듈로 안내하는 한쌍의 제1 구동롤러 및 제1 안내롤러가 구비되고, 틸팅본체의 우측에는 제2 필라멘트를 제2 노즐모듈로 안내하는 한쌍의 제2 구동롤러 및 제2 안내롤러가 구비되는 것을 특징으로 하는 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드.
제2항에 있어서,
상기 제1 노즐모듈의 제1 노즐은 직경 0.4mm의 노즐이고, 상기 제2 노즐모듈의 제2 노즐은 직경 0.8mm의 노즐인 것을 특징으로 하는 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드.
제 2항에 있어서,
상기 틸팅구동수단은 상기 노즐베이스에 하측이 나사 등의 체결수단에 의해 고정되고 상부 좌측 및 우측에 제1 및 제2 구동판이 구비되는 구동부재와, 상기 틸팅본체의 상측에 고정되어 회전축이 전방으로 돌출되는 틸팅모터와, 상기 회전축에 고정되되 상기 제1 또는 제2 구동판의 내측면을 선택적으로 가압하도록 상기 제1 및 제2 구동판 사이에 제1 및 제2 가압구가 편심되게 구비되는 디스크로 구성되는 것을 특징으로 하는 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드.
제 9항에 있어서,
상기 제1 및 제2 구동판은 탄성을 갖는 금속판으로 이루어지며, 상기 제1 및 제2 가압구는 상기 제1 및 제2 구동판을 따라 저항없이 접촉되도록 상기 디스크 표면에 편심되게 구비되어 자유회전이 가능한 볼베어링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D프린터용 듀얼 노즐식 헤드.