KR102431776B1 - 이중 챔버 구조를 갖는 3d 프린터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 챔버 구조를 갖는 3D 프린터에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 적층을 하는 조형 챔버와 어닐링을 하는 후처리 챔버를 갖는 3D 프린터로서 출력물의 조형 챔버와 후처리 챔버가 분리형 구조를 가짐으로써 적층 공정 및 챔버 내부 환경의 다양성을 증대시키는 효과가 있다.

Description

이중 챔버 구조를 갖는 3D 프린터{3D printer with double-chamber}

본 발명은 이중 챔버 구조를 갖는 3D 프린터에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 적층을 하는 조형 챔버와 어닐링을 하는 후처리 챔버를 갖는 3D 프린터로서 조형 챔버와 후처리 챔버를 연속 작업이 가능하도록 연결함으로써 3D 조형물의 제작 효율을 높이고, 후처리 챔버 내부 온도 프로파일을 최적화함으로써 원하는 강도 특성을 갖는 조형물을 갖는 3D 프린터 챔버 구조에 관한 것이다.

역사적으로 3D 프린터는 상품을 출시하기 전 시제품을 만들기 위해 개발되었다. 3D 프린터를 이용하여 사용자는 실제 상품과 구조 및 모양이 같은 시제품을 만들어 봄으로써 실제 상품의 문제점을 알아볼 수 있는 장점이 있다.

3D 프린터 기술이 발달함에 따라, 더욱 정교한 제품의 생산이 가능해지고 있으며 다양한 제품에 응용이 가능해 지고 있다. 이러한 3D 프린터는 다양한 방식으로 제품 제조가 가능하며, 대표적인 제품생산 방식으로는 광중합 방식, 분말 적층 용융 방식, 소재 분사 방식, 소재 압출 방식 등이 사용되고 있다.

이 중 적층형 3D 프린터는 재료를 층층히 쌓아올려 3차원 입체물을 만들어 내는 프린터로서 재료를 베드 위에 층층이 쌓아올리는 방식이므로 재료의 손실이 없게 된다. 이러한 장점으로 인해, 최근 출시되는 가정용 3D 프린터의 대부분은 적층형 3D 프린터를 채택하고 있다.

적층형 3D 프린터의 종류로는 고체형 재료를 사용하는 FDM(Fused Deposition Modeling)방식의 3D 프린터, 액체형 재료를 사용하는 SLA(SeteroLithography Appartus) 방식의 3D 프린터, 파우더형 재료를 사용하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식의 3D 프린터 등이 있다.

이처럼, 산업 현장이나 생활 속에서 필요한 제품을 쉽게 만들 수 있는 3D 프린터가 널리 보급화되어 효과적으로 사용되고 있다. 그러나 일반적으로 열전도성이 좋지 않은 플라스틱은 고온 압출과 급랭으로 인해 적층 시 내부응력(internal stress) 및 결정화도(degree of crystallinity)의 차이로 인해 비이상적인 층간 결합을 발생시켜 기계적 강도를 저하시키는 원인을 제공하게 된다. 이러한 이유로 FDM 3D 프린팅의 불규칙적인 급랭 등으로 발생되는 구조적 결함을 해결하는 방식에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.

FDM 방식은 대상 물체를 2차원의 평면 형태로 성형하면서 3차원으로 적층하여 형태를 만들어가는 방식으로서 와이어 형태의 필라멘트를 공급하고, 공급된 필라멘트를 노즐을 통해 용융시켜서 적층함으로써 물체를 3차원으로 성형하는 기술방식이며, 이에 대한 내용은 대한민국 공개특허 제10-2015-0134186호 등에 개시되어 있다.

공개특허공보 제10-2015-0134186호(2015.12.01.공개)

본 발명은 적층형 3D 프린터의 최대 단점인 적층 시 쌓인 내부 응력에 의한 변형 발생을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 3D 프린터 내에 녹은 필라멘트가 원하는 형상대로 적층이 되는 조형 챔버와 적층이 완료된 성형물의 기계적 강도를 높이기 위해 어닐링을 하는 후처리 챔버를 함께 구비한 3D 프린터를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 성형물이 적층되는 조형 챔버; 및 상기 조형 챔버에 인접하며, 완성된 성형물이 후처리되는 후처리 챔버를 포함하며, 하나의 3D 프린터 내에서 조형 작업과 후처리 작업이 동시에 진행될 수 있는 것을 특징으로 하는 이중 챔버 구조를 갖는 3D 프린터를 제공한다.

본 발명의 일 구현예로서, 상기 조형 챔버에서 성형물이 완성되면, 하부 플레이트의 180°회전에 의해 조형물이 후처리 챔버로 이동하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구현예로서, 상기 조형 챔버내 상부에는 상하로 승강하는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구현예로서, 상기 후처리 챔버는, 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 가스 분위기를 형성할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구현예로서, 상기 후처리 챔버는, 설정된 온도 프로파일에 따라 챔버 내부의 온도가 조절되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 3D 프린터 내부에 조형 챔버 및 후처리 챔버를 함께 가짐으로써 조형 챔버에서의 조형 작업과 후처리 챔버에서의 성형물의 후처리 작업이 동시에 수행될 수 있어 3D 프린팅의 작업 시간을 확연하게 단축시킬 수 있다.

또한, 후처리 챔버의 내부 온도에 대하여 원하는 온도 프로파일 설정을 통해 완성품의 물리적 특성을 강화할 수 있어 제품의 질을 향상시키는 효과를 갖는다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형물의 이동 및 조형 작업을 보여주는 개략도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예를 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

종래 3D 프린터 공정에서는 3D 대상물의 적층을 위한 설비와, 후처리를 위한 설비가 별도로 존재한다. 즉, 조형 작업 후에 별도의 후처리를 위한 챔버로 대상물을 이동시키고, 어닐링 등을 통해 열 응력을 제거하는 후처리 작업을 실시한다. 이에 따라 3D 대상물 적층 후 후처리 공정을 위한 설비로의 이송이 필요하여 최종 결과물 제조에 이르기까지 추가적인 물류라인이 필요하고 이송 공정이 복잡하다는 문제점이 있다. 그리고 이러한 후처리 공정에 많은 시간이 소요되고, 원가 상승 요인이 되고, 후처리를 위한 챔버로 대상물을 옮기는 과정에서 파생되는 여러가지 문제점과 불편함이 존재한다.

본 발명자들은 상기 문제점을 해결하고자 3D 프린터 내부에 조형 챔버와 후처리 챔버를 함께 가지는 3D 프린터를 착안하게 되었다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 이중 챔버를 갖는 3D 프린터에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조형 챔버와 후처리 챔버를 가진 3D 프린터를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1 (a)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(10)는 조형 챔버(100), 조형 챔버내 상부에 위치하는 노즐(110), 하부 플레이트(120), 조형 챔버의 하부에 위치하는 후처리 챔버(200)를 포함할 수 있다. 이 때, 조형 챔버(100)와 후처리 챔버(200)는, 회전 또는 이동이 가능한 격벽(130)과 고정된 중간벽(140)에 의해 분리될 수 있다.

조형 챔버(100)는 성형물이 적층되는 챔버로 성형물은 노즐을 통해 용융된 필라멘트가 하부 플레이트(120)위에 순서대로 적층이 일어나는 챔버이다.

상기 조형 챔버(100)의 하부에는 완성된 성형물이 후처리되는 후처리 챔버(200)가 존재한다. 이 때, 후처리 챔버(200)는 조형 챔버의 하부 위치 대신, 조형 챔버(100)의 옆 또는 뒤에 별도로 위치할 수 있다. 이 경우, 성형품의 이송은 별도의 이송장치(미도시)에 의해 이송될 수 있으며, 챔버 사이의 격벽(130)은 회전 방식이 아니라 미닫이 형태로 열리거나 닫힐 수 있다.

후처리 챔버(200)가 하부에 위치하는 경우, 성형이 완료된 성형물은 조형 챔버(100)로부터 승강장치(미도시)를 이용해서 후처리 챔버(200)로 이동하거나, 도 1 (b)에서와 같이 하부 플레이트(120) 및 회전이 가능한 격벽(130)이 함께 180°회전함에 따라 성형물이 후처리 챔버(200)로 이동할 수 있다.

예를 들어, 그림 1 (b)와 같이 하부 플레이트(120)가 포함된 격벽(130)이 180°회전을 한 다음, 돌출된 중간벽(140)에 적절한 고정 장치(미도시)에 의해 고정이 되면, 격벽(130)은 다시 조형 챔버(100)와 후처리 챔버(200)를 분리하는 역할을 수행하게 된다.

이처럼 180°회전 방식에 의해 성형물이 이동하는 경우에는 성형물은 하단과 상단이 뒤집힌 상태로 후처리가 진행된다.

회전을 원할히 하기 위하여 하부 플레이트(120) 또는 격벽(130)은 위에서 보았을 때 사각형 형태가 아니라 원형 형태를 가질 수 있다.

한편 성형물이 뒤집힌 상태로 후처리가 진행되는 경우에는 중력에 의해 무거운 성형물이 떨어지는 것을 방지하기 위하여 회전 전에 조형 챔버(100)에서 성형물을 고정 시키는 장치(미도시)에 의해 성형물을 고정시킬 수 있다.

성형물이 가벼운 경우에는 성형물이 거꾸로 뒤집힌 경우라도 하부 플레이트(120)에 붙어 있어 아래로 떨어지지 않은 상태에서 후처리가 가능하다.

후처리 챔버(200)에서 진행되는 후처리는 통상적인 열처리 작업만으로 한정되지 않고, 필요에 따라 성형물의 세정작업도 진행될 수 있다.

한편, 도 1의 (c)에서와 같이 후처리 챔버(200)에서 후처리 작업이 진행되는 동시에 조형 챔버(100)에서는 성형물이 적층될 수 있다. 이와 같이 하나의 3D 프린터 내에서 조형 작업과 후처리 작업이 동시에 일어날 수 있으므로 종래의 방식에 비해 3D 프린팅 시 시간 절약과 작업 효율이 높아지게 된다.

다음으로 본 발명의 실시예에 따른 조형 챔버(100)에는 상부에 노즐(110)이 위치하는 데 통상의 3D 프린터와는 달리 본 발명에서는 노즐(110)이 상하로 이동하면서 적층을 완성하게 된다.

그 이유는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부 플레이트(120)는 회전 방식에 의해 조형 챔버(100)에서 후처리 챔버(200)로 이동하거나 또는 반대 방향으로 이동을 해야 하기 때문에 하부 플레이트(120)가 상하로 움직일 수 없게 된다. 결과적으로 성형물이 아래부터 순서대로 적층이 되기 위해서는 노즐(110)이 상하로 이동을 하면서 적층을 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서의 노즐(110)은 고융점의 탄소 소재를 사용하는데 적합한 재질과 수냉식 냉각 방식을 채택할 수 있다.

한편, 통상적으로 FDM 방식의 3D 프린팅 시 무정형(amorphous)의 조직이 없는 필라멘트는 고온 노즐의 압출과 급랭을 거치면서 큰 결정(grain)으로 재구성이 이루어지게 되고 이때 커진 결정체의 결정 사이 선은 쉽게 분리될 수 있다.

또한 프린팅 구조물이 냉각될 때 표면과 내부의 냉각속도 차이,적층방향에 의한 분자배향(molecular orientation)으로 발생되는 내부응력 등 다양한 이유가 기계적 강도를 저하시키는 원인으로 예측되어진다.

특히, 프린팅 시 융융된 필라멘트의 3D 배열은 고분자 사슬로 안정된 상태로 정렬하려 하지만 안정화되기 전 고형화가 이루어지면서 프린팅 구조물에 주로 잔류응력이 발생하게 된다. 즉, 용융된 필라멘트가 노즐에서 압출되면서 바로 급랭되어 나타나는 현상이 잔류 응력이다.

이러한 프린팅 출력물(성형물)의 구조적 단점을 보완할 수 있는 방법으로 두 가지가 제시될 수 있다. 첫째, 후처리 챔버(200)의 전체적인 분위기를 불활성 기체(Ar) 또는 비활성 기체(N2) 분위기에서 어닐링을 하는 것이 바람직하다. 대기압 분위기 및 고온에서 어닐링이 진행되는 경우 성형물의 표면과 챔버 내의 산소가 서로 영향을 미쳐 원하는 출력물의 품질이 저하될 수 있으므로 이를 방지하기 위해 챔버 내 분위기를 불활성 또는 비활성 분위기로 바꾸는 것이 좋다.

둘째, 후처리 챔버(200)는 설정된 온도 프로파일에 따라 챔버 내부의 온도를 조절하는 것이 바람직하다. 성형물을 상온에 내보내기 전에 일정 시간동안 고온 환경에 노출시킴으로써 크랙에 대한 저항성 향상, 물성 및 내열성이 향상되는 효과가 발생한다.

특히, 카본 함유 슈퍼엔지니리어링 플라스틱의 경우에는 사용환경이 기존 3D 성형품보다 가혹한 조건에서 진행될 수 있으므로 이를 대비하기 위하여 성형물의 강도 등이 기존의 플라스틱보다 월등해야 한다. 이를 달성하기 위해서는 후처리에서의 어닐링 열처리 작업은 필수적이라고 볼 수 있다.

어닐링을 위한 온도 프로파일의 경우에는 이론적으로는 적용 플라스틱의 유리전이온도(Tg) 이상이 되어야 하며, 이 온도에서 스트레스 이완이 빠르게 일어난다. 최적의 어닐링 온도는 성형품의 두께, 모양, 크기, 열가공 이력 등에 의존하므로 실험적으로 결정하는 것이 바람직하다.

한편 본 발명의 일 실시예에 따르면, 조형 챔버(100)와 후처리 챔버(200)에는 각각 바깥방향으로 열릴 수 있는 문이 있어 이를 통해 성형물이 나오거나, 또는 사용자가 필요한 작업을 다른 챔버의 작업을 방해하지 않고 수행할 수 있다.

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 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 3D 프린터 100: 조형 챔버
110: 노즐 120: 하부 플레이트
130: 격벽 140: 중간벽
200: 후처리 챔버

Claims (5)

1. 성형물이 적층되는 조형 챔버; 및
   상기 조형 챔버의 하부에 위치하며, 완성된 성형물이 후처리되는 후처리 챔버를 포함하며,
   조형 챔버에서 성형물이 완성되면 하부 플레이트의 180°회전에 의해 상기 성형물이 후처리 챔버로 이동하며,
   하나의 3D 프린터 내에서 조형 챔버에서의 조형 작업과 후처리 챔버에서 성형물의 후처리 작업이 동시에 진행될 수 있으며,
   상기 후처리 작업은 성형물이 뒤집힌 상태로 후처리가 진행되는 것을 특징으로 하는
   이중 챔버 구조를 갖는 3D 프린터.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 조형 챔버내 상부에는 상하로 승강하는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는
   이중 챔버 구조를 갖는 3D 프린터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 후처리 챔버는, 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 가스 분위기를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는
   이중 챔버 구조를 갖는 3D 프린터.
5. 제1항에 있어서,
   상기 후처리 챔버는, 설정된 온도 프로파일에 따라 챔버 내부의 온도가 조절되는 것을 특징으로 하는
   이중 챔버 구조를 갖는 3D 프린터.
   

Images