KR102527966B1

KR102527966B1 - 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터

Info

Publication number: KR102527966B1
Application number: KR1020220057365A
Authority: KR
Inventors: 이찬; 김효찬; 김현길
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2022-05-10
Publication date: 2023-05-02
Also published as: KR20220085754A

Abstract

본 발명의 한 실시예는 전자기 유도 가열 방식의 열원공급과 자동 교체식 분리형 구조가 적용되는 프린팅 베드의 가열속도를 개선하고 온도분포를 균일화하게 유지할 수 있으며, 프린팅이 종료된 이후에는 프린팅 베드에서 출력물을 용이하게 제거할 수 있는 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따른 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터는 3차원 프린터의 출력에 대응하여 생성되는 출력물을 지지하며, 전자기 유도 가열의 히팅방식이 적용되는 패널을 포함하여 복수의 층으로 형성되어 적어도 일부 층이 서로 분리 결합구조를 갖고 교체 가능하게 구비되는 프린팅 베드를 포함하고, 프린팅 베드는 미리 설정된 탄성을 갖고 일면에서 형성되는 출력물을 지지하며, 전자기 유도 가열로 용적 히팅이 발생되어 균일한 온도분포를 갖고 직접 발열되는 제1 패널, 절연 기능을 갖고 일면이 제1 패널의 타면에 분리 결합구조로 결합되는 제2 패널, 그리고 전자기 유도 방식의 히터 기능을 갖고 제2 패널의 타면에 일면이 결합되어 제1 패널을 가열하는 제3 패널을 포함하며, 프린팅이 종료된 이후 제1 패널이 제2 패널로부터 분리되어 교체된다.

Description

프린팅 베드 교체형 3차원 프린터{3D PRINTER WITH REPLACEMENT PRINTING BED}

본 발명은 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터에 관한 것이다.

3차원(3D) 프린팅 기술 중 용융 수지를 적층하는 방식으로 프린팅하는 용융 증착 모델링(FDM ; Fused Deposition Modeling) 또는 적층 제조형 방식의 융합 필라멘트 제작(FFF ; Fused Filament Fabrication) 기술이 있다. FDM 방식의 프린터는 가열된 열가소성 플라스틱 필라멘트를 노즐을 통해 압출하며, 압출된 플라스틱을 컴퓨터 수치제어(CNC ; Computer　Numerical　Control) 기기를 이용해 정확한 위치에 부착시키는 원리를 사용한다. FDM 방식의 3D 프린터는 출력시 플라스틱의 하부 층이 베드에 단단히 부착될 필요가 있다.

한편, FDM 방식의 프린팅 과정에서 노즐이 플라스틱과 마찰을 일으켜 전단응력을 발생시키므로, 부착력이 부족할 경우 플라스틱 층이 올바르게 적층되지 않고 한쪽으로 쓸리는 현상이 발생된다. 그리고 프린트된 물체의 일부가 들려 올라가는 현상, 프린트된 물체가 아예 떨어져나가 상부 레이어 전체가 망가지는 현상 등이 일어날 수 있다. 2차적으로 정상적인 플라스틱 압출을 막아 압출기에 플라스틱 덩어리가 뭉쳐 정상작동을 방해하고, 과열되어 화재를 유발하는 등의 문제를 초래할 수도 있다.

관련 선행문헌으로 한국공개특허 2018-0128831는 "유도가열방식을 이용한 3D 프린터"을 개시한다.

한국공개특허 2018-0128831

본 발명의 한 실시예는 전자기 유도 가열 방식의 열원공급과 자동 교체식 분리형 구조가 적용되는 프린팅 베드의 가열속도를 개선하고 온도분포를 균일화하게 유지할 수 있으며, 프린팅이 종료된 이후에는 프린팅 베드에서 출력물을 용이하게 제거할 수 있는 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터를 제공하기 위한 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터는 3차원 프린터의 출력에 대응하여 생성되는 출력물을 지지하며, 전자기 유도 가열의 히팅방식이 적용되는 패널을 포함하여 복수의 층으로 형성되어 적어도 일부 층이 서로 분리 결합구조를 갖고 교체 가능하게 구비되는 프린팅 베드를 포함하고, 프린팅 베드는 미리 설정된 탄성을 갖고 일면에서 형성되는 출력물을 지지하며, 전자기 유도 가열로 용적 히팅이 발생되어 균일한 온도분포를 갖고 직접 발열되는 제1 패널, 절연 기능을 갖고 일면이 제1 패널의 타면에 분리 결합구조로 결합되는 제2 패널, 그리고 전자기 유도 방식의 히터 기능을 갖고 제2 패널의 타면에 일면이 결합되어 제1 패널을 가열하는 제3 패널을 포함하며, 프린팅이 종료된 이후 제1 패널이 제2 패널로부터 분리되어 교체된다.

본 발명의 한 실시예는 전자기 유도 가열 방식의 열원공급으로 프린팅 베드의 가열속도를 개선하고 온도분포를 균일화하게 유지할 수 있으며, 프린팅 베드를 자동 교체식 분리형 구조로 적용하므로써 프린팅이 종료된 이후 프린팅 베드에서 출력물을 용이하게 제거할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드의 제1 패널 분리상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드의 전자기 유도 코일이 배치되는 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드의 제1 패널과 제2 패널의 결합관계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드의 제1 패널이 교체되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 도면들을 참조하여 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터를 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드의 제1 패널 분리상태를 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드의 전자기 유도 코일이 배치되는 상태를 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드의 제1 패널과 제2 패널의 결합관계를 도시한 도면이다. 그리고 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드의 제1 패널이 교체되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터는 3차원 프린터의 출력에 대응하여 생성되는 출력물(20)을 지지하는 프린팅 베드(100)를 포함하며, 프린팅 베드(100)를 자동 교체식 분리형 구조로 적용하므로써 프린팅이 종료된 이후 프린팅 베드(100)에서 출력물(20)을 용이하게 제거할 수 있으며, 전자기 유도 가열 방식의 열원공급으로 프린팅 베드(100)의 가열속도를 개선하고 온도분포를 균일화하게 유지할 수 있다. 3차원 프린터는 본체(10), 분사부(12), 분사부(12)의 이동을 안내하는 가이드부(14), 프린팅 베드(100)를 지지하는 지지부(30)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터에서 3차원 프린터는 직교형 FDM 프린터를 적용할 수 있으며, 오픈형 구조 또는 인클로저형 구조를 적용할 수 있다. 따라서, 일반적인 3차원 프린터의 구조와 기능에 대한 상세 설명은 생략한다.

프린팅 베드(100)는 전자기 유도 가열의 히팅방식이 적용되는 패널을 포함하여 복수의 층으로 형성되며, 적어도 일부 층이 서로 분리 결합구조를 갖고 교체 가능하게 구비된다. 프린팅 베드(100)는 제1 패널(112), 제2 패널(114), 그리고 제3 패널(116)을 포함하며, 전자기 유도 가열 및 자동 교체식 분리형 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 분사부에서 압출된 열가소성 수지가 직접적으로 붙는 강자성체의 탄성 상판을 제1 패널(112)로 형성하고, 절연 기능을 갖는 중판을 제2 패널(114)로 형성하며, 전자기 유도 방식의 히터 기능을 갖는 히팅 하판을 제3 패널(116)을 포함하는 프린팅 베드(100)를 자동 교체식 분리형으로 형성할 수 있다.

좀 더 구체적으로, 제1 패널(112)은 미리 설정된 탄성을 갖고 일면에서 형성되는 출력물(20)을 지지하는 기능을 한다. 제1 패널(112)은 압출된 열가소성 수지가 직접적으로 접하여 출력물(20)을 지지하는 부분이므로 높은 편평도를 유지할 수 있는 패널 형상으로 형성될 수 있다. 제1 패널(112)의 표면은 출력물(20)과의 접착력 향상을 위해 추가적인 코팅 등의 표면 처리를 할 수 있다. 제1 패널(112)은 전자기 유도로 발열되는 강자성체를 포함할 수 있다. 제1 패널(112)의 가열 방식을 전자기 유도 가열 방식인 인덕션 히터로 구비할 수 있다. 제1 패널(112)의 전자기 유도 방식 가열구조로 가열 속도를 빠르게 하고 온도분포를 균일화할 수 있다. 그리고 분리형 구조의 강자성체 탄성판을 제1 패널(112)로 사용하여 프린팅이 종료된 이후에는 제1 패널(112)에서 출력물(20)을 용이하게 제거할 수 있다. 3D 프린팅의 출력 품질을 보장하기 위해서는 프린팅 베드(100)에 출력물(20)이 안정적으로 부착되어야 한다. 현재 FDM 방식 프린터의 경우 프린팅 베드를 적정 온도로 가열하고 유지하여 열가소성 수지의 점착력을 증가시키는 방법이 널리 사용되고 있다. FDM 방식 프린터의 가열 방식은 프린팅 베드의 하부에 구비된 전기 저항체에 전류를 인가하여 가열하는 줄 히팅 방식을 사용한다. 이러한 가열 방식은 단순하고 제어가 편리하다는 장점이 있으나, 전기 저항체의 발열에 의존하므로 실제 프린팅 베드까지 열이 퍼지는 데에 시간이 소요되는 점과 전기 저항체의 분포에 따라 프린팅 베드의 온도분포가 달라질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터는 프린팅 베드(100)에서 상부에 위치되어 출력물(20)과 직접 접하는 제1 패널(112)의 가열 방식을 전자기 유도 가열 방식으로 구비하여 가열 속도를 빠르게 하고 온도분포를 균일화시킬 수 있다. 또한 프린팅이 종료된 이후에는 분리형의 강자성체 탄성 상판인 제1 패널(112)을 제2 패널(114)로부터 별도로 분리하여 실질적인 프린팅 베드(100)로 사용하므로써 프린팅 베드(100)에서 출력물(20)을 용이하게 제거할 수 있다.

한편, 제1 패널(112)은 출력물(20)이 형성 완료된 상태에서 이송부의 구동에 따라 제2 패널(114)로부터 분리되어 자동으로 교체될 수 있다. 이송부는 제1 패널(112)을 제1 방향으로 이동시키는 제1 이송부, 그리고 제1 이송부와 분리되어 구비되며, 제1 패널(112)을 제2 방향으로 이동시키는 제2 이송부, 제1 이송부와 제2 이송부 사이에 구비되어 제1 이송부의 제1 패널(112)을 제2 이송부로 이송하는 이송용 암(400)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 이송부는 프린팅 베드(100)의 하부에서 프린팅 베드(100)를 지지하며, 제1 방향으로 프린팅 베드(100)를 이송시키는 지지부(30)를 포함할 수 있다. 지지부(30)는 길이방향을 따라 길게 레일 형태로 구비될 수 있다. 그리고 제2 이송부는 3차원 프린터의 일측에 구비되어 제2 방향을 따라 해당되는 이송라인을 형성하는 컨베이어 벨트(500)를 포함할 수 있다.

제2 패널(114)은 절연 기능을 갖고 일면이 제1 패널(112)의 타면에 분리 결합구조로 결합될 수 있다. 제2 패널(114)은 투자율이 낮고 전기적으로 절연되는 절연층을 포함할 수 있다. 제2 패널(114)은 절연층을 포함하는 복수층으로 형성되어 제1 패널(112)과의 직접 열전달을 방지할 수 있다. 즉, 제2 패널(114)은 절연층을 포함하는 복수층으로 형성됨에 따라 제3 패널(116)의 전자기 유도 방식의 열원이 직접적으로 제1 패널(112)에 맞닿아 전기가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 한편, 제1 패널(112)과 제2 패널(114) 사이에 분리층을 더 포함할 수 있다. 여기서, 분리층은 자성체(113)를 포함할 수 있다. 분리층은 점착물질(115)을 포함할 수도 있다.

제3 패널(116)은 전자기 유도 방식의 히터 기능을 갖고 제2 패널(114)의 타면에 일면이 결합되어 제1 패널(112)을 가열할 수 있다. 제3 패널(116)은 직접 열을 발생시키는 저항 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제3 패널(116)은 미리 설정된 패턴을 갖고 열을 발생시키는 전자기 유도 코일을 포함할 수 있다. 제3 패널(116)은 제1 패널(112)과 대향되는 반대면에서 절연과 보온재 적층 구조로 형성될 수 있다. 히팅 기능을 갖는 제3 패널(116)은 프린팅 베드(100)의 상측에 구비된 탄성 기능의 제1 패널(112)로 압출된 열가소성 수지(예, ABS ; Acrylonitrile Butadiene Styrene)와 제1 패널(112)의 계면 온도를 적정 수준으로 유지시키는 기능을 한다. 제3 패널(116)은 압출된 열가소성 수지의 경도를 낮춰 점착력을 상승시킬 뿐 아니라, 열가소성 수지가 식으면서 발생하는 열수축을 억제하는 효과가 있다. 또한 3차원 프린팅이 종료된 이후에는 프린팅 베드(100)에서 출력물(20)을 용이하게 떼어낼 수 있어야 하는데, 프린팅 베드(100)의 가열을 멈추면 점착력이 떨어져 출력물(20)의 분리를 용이하게 하는 효과가 있다. 열수축 정도가 높은 열가소성 수지의 경우 프린팅 베드(100)뿐만 아니라 설정 온도까지 가열할 필요가 있다. 온도 유지가 적합하지 못한 경우 바닥면이 들뜨거나(warping) 적층면이 갈라지는(cracking) 등의 변형이 발생할 수 있다.

출력물(20) 접착에서 중요한 것은 제1 패널(112) 표면의 온도이다. 일반적인 발열 베드 구조에서는 제3 패널(116)을 가열하면 제2 패널(114)을 거쳐야 제1 패널(112)이 가열되는 열전달 경로가 형성된다. 세라믹 등 흔히 쓰이는 절연성 물질은 열전달 계수가 낮은 경우가 일반적이며, 패널과 패널 사이에 미세한 공기층이 존재하므로 열전달을 방해하는 기능적 모순이 발생할 수 있다. 또한 제3 패널(116)의 하부인 공기중으로도 열이 빠져나가므로 비효율적이다. 전자기 유도 방식의 인덕션 히터 도입을 위해서는 프린팅 베드(100)에서 제3 패널(116)을 전자기 유도 코일로 구비하며, 전자기 유도 코일의 작동을 위한 제어기(인버터)가 포함될 수 있다. 또한 제2 패널(114)과 제1 패널(112)의 재질을 제한할 필요가 있다. 예를 들어, 제2 패널(114)은 투자율이 낮고 전기적으로 절연되는 구조로 형성할 수 있다. 제1 패널(112)은 전자기 유도로 발열이 용이하게 일어나는 강자성체 재질(ferromagnetic material)로 패널로 형성할 수 있다. 제3 패널(116)의 전자기 유도 코일이 동작하면 제1 패널(112)에 유도 전류가 발생하며, 제1 패널(112)의 용적 히팅(volumetric heating)이 이루어지므로 빠르고 균일한 가열을 기대할 수 있다. 이러한 프린팅 베드(100)의 분리 결합 구조에서는 제2 패널(114)의 절연성이 열전 경로를 방해하는 모순이 해결될 수 있다.

전자기 유도 코일을 배치하는 예시로 도 3에 도시된 바와 같은 방안을 제시할 수 있다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드의 전자기 유도 코일이 배치되는 상태를 도시한 도면이다. 도 3의 좌측은 프린팅 베드(100)의 제3 패널(116) 전체를 하나의 전자기 유도 코일(200)이 균등하게 커버하는 기본적인 배치안을 나타낸다. 그리고 도 3의 가운데 부분은 제3 패널(116a)의 크기보다 작은 크기의 전자기 유도 코일(200a)이 제3 패널(116a) 전체의 면적에서 복수로 균등하게 각각의 구역을 가열하는 예시를 나타낸다. 일반적으로 프린팅에 소요되는 시간은 수 시간에서 수백시간 수준이며, 출력물(20)이 부착되지 않은 위치의 프린팅 베드(100)의 가열은 해당 시간 동안의 무의미한 에너지 낭비를 의미한다. 출력물(20)이 부착되지 않는 부분은 프린팅 베드(100)를 가열할 필요가 없으므로 이와 같이 프린팅 베드(100)의 구획을 나누어 선택적으로 가열하는 방법으로 출력 중의 전력 소모를 낮출 수 있다. 출력 전에 3차원 모델링 파일을 컴퓨터 수치제어(CNC ; computer　numerical　control)의 G코드로 변환하는 슬라이서 프로그램에서 출력물(20)의 물리적 위치를 인식하고 예상할 수 있으므로, 해당 단계에서 프린팅 베드(100)의 가열될 구획을 미리 계획하고 프로그램을 입력할 수 있다. 도 3의 우측 부분은 제3 패널(116b)의 가열면적을 불균등하게 분할하여 작은 크기의 코일 여러 개로 가열하는 예시를 나타낸다. 매번 출력물(20)이 프린팅 베드(100) 전체를 채우는 것은 아니며, 특별한 이유가 없다면 프린팅 베드(100)의 중심부에 출력물(20)이 배치되는 것이 일반적이므로 출력물(20)이 배치될 가능성이 높은 프린팅 베드(100)의 중앙부에 제1 크기의 패턴을 갖는 전자기 유도 코일로 제1 가열부를 형성할 수 있다. 그리고 상대적으로 출력물(20)이 배치될 가능성이 낮은 프린팅 베드(100)의 외각부에는 제1 크기보다 작은 제2 크기의 패턴을 갖는 제2 가열부를 배치하여 선택적으로 가열하도록 할 수 있다. 한편, 프린팅 베드(100)가 정사각형이 아닌 경우 프린팅 베드(100) 형상에 대응하는 전지가 유도 코일을 배치할 수도 있다. 3D 프린터의 프린팅 베드(100) 형태는 필요에 따라 비정형적인 치수로 만들어질 수 있으며, 그 경우에도 영역 분할을 통해 효율적인 가열을 할 수 있다. 이 경우에도 불균등 배치를 응용할 수 있다.

일반적인 줄 히팅 방식의 프린팅 베드는 출력면의 온도구배를 줄이기 위한 방편으로 두꺼운 상판을 사용하고, 패널 사이의 간극을 최소화하기 위한 밀착구조가 필요하므로 비용이 증가한다. 본 발명의 실시예에 따른 전자기 유도 가열 방식을 사용할 경우 발열구조상 온도구배가 적으므로 상대적으로 얇은 패널을 사용할 수 있다. 그리고 제1 패널(112)이 직접 발열하므로 패널 사이의 간극이 벌어져도 열전달 성능상의 문제가 없어 저비용으로 제작할 수 있다. 또한, 탄성 기능을 갖는 제1 패널(112)의 경우 사용상의 부주의 등으로 영구적인 변형이 발생할 우려가 있으며, 이로 인해 편평도나 평활도가 떨어지면 이후의 출력물(20) 유지에 악영향을 미칠 수 있으나 저비용으로 형성할 수 있으므로 용이하게 새로운 제1 패널(112)로 교체해가며 사용할 수 있다. 다수의 3차원 프린터를 사용해 주문 제작하는 스마트 팩토리의 경우, 3차원 프린터에 작업물의 정보를 입력하고 프린팅 과정을 제어하는 작업은 네트워크로 연결된 제어 컴퓨터를 통해 24시간 원격으로 관리할 수 있다. 하지만 출력이 종료된 후에는 작업자가 기계를 찾아가 프린팅 베드에서 출력물을 제거하고 프린팅 베드 표면을 청소한 뒤에야 새로운 출력을 시작할 수 있기 때문에 해당 작업을 마칠 때 까지는 기기가 작업을 할 수 없는 휴지기간이 발생하고, 무인운전 실현에 장애물로 작용한다. 따라서, 자동으로 분리되는 제1 패널(112)의 특성을 이용해 프린트가 완료되면 제1 패널(112)을 통째로 분리해 내 별도 공간으로 이동시키고, 비어있는 새로운 제1 패널(112)을 장착한 뒤 다음 작업을 시작하는 자동화 기능을 적용하면 기기의 휴지시간을 감소시켜 전체 시스템의 생산성을 향상시킬 수 있다.

한편, 3차원 프린터를 이용한 출력 중에는 출력물(20)이 프린팅 베드(100)에 단단하게 접착되어야 하나, 출력이 종료된 이후에는 용이하게 제거되어야 한다. 현재 스크레이퍼 등 단단하고 얇은 판형의 도구를 사용해 출력물과 프린팅 베드 사이의 틈새를 벌려 분리시키는 방식이 널리 사용되나, 이는 프린팅 베드나 출력물에 기계적 손상을 주기 쉽다. 최근에는 제1 패널(112)에 온도에 따라 공극(pore)의 크기가 달라지는 물질을 도포해 고온에서는 접착력이 상승하고 저온에서는 접착력이 낮아지는 기능을 부여하는 방법도 있으나, 시간이 지날수록 도포된 물질이 벗겨져 나가며 기능성이 저하될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 실시예에서는 탄성 재질의 제1 패널(112)을 사용한다. 예를 들어, 제1 패널(112)은 스프링 판 등 탄성과 복원력이 높은 탄성 재질로 형성할 수 있다. 이러한 경우, 출력 후에 출력물(20)과 함께 분리된 제1 패널(112)을 통째로 휘는 방식으로 출력물(20)을 쉽게 떼어낼 수 있다. 그리고 제1 패널(112)을 강자성체로 형성하여 자력을 이용해 제2 패널(114)로부터 용이하게 분리시킬 수 있다. 한편, 3차원 출력물(20)의 출력 중에는 프린팅 베드(100)를 형성하는 패널들 중 제1 패널(112)과 제2 패널(114)의 결합력이 높고 프린트 후에는 출력물(20) 제거가 용이하게 제1 패널(112)과 제2 패널(114)의 분리가 용이하게 구현할 필요가 있다. 예를 들어, 출력물(20)의 출력 중에는 제1 패널(112)이 제2 패널(114)에 들뜸 없이 완벽하게 밀착하며, 전단력으로 인해 흔들리거나 이동하지 않아야 한다. 또한 출력 후에는 제1 패널(112)과 제2 패널(114)이 힘들이지 않고 용이하게 분리될 수 있어야 한다. 이와 같은 조건을 만족하면서 제1 패널(112)과 제2 패널(114)의 결합을 유지하는 방법으로 클램핑 방식, 자성체 결합방식, 점착물질 도포 방식 등을 포함할 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드의 제1 패널과 제2 패널의 결합관계를 도시한 도면이다. 도 4의 상부에 도시된 클램핑 방식은 제2 패널(114)과 제1 패널(112)에 물리적인 고정기구인 클램프(300)를 이용하여 출력 중에 제1 패널(112)과 제2 패널(114)이 움직이지 않게 하는 방안이다. 이러한 경우, 제1 패널(112)과 제2 패널(114)의 사이에서 분리층은 스프링이나 클립 등의 기구로 쉽게 탈착이 가능하게 구현할 수 있다.

도 4의 가운데 부분은 분리층으로 자성체(113)를 포함하며, 자성체(113)의 전자기적 힘으로 제1 패널(112)을 제2 패널(114)에 밀착시키는 방법이다. 제1 패널(112)은 전자기 유도로 가열하기 용이한 강자성체로 형성할 수 있으며, 영구적인 자성을 띨 수 있으므로 제2 패널(114)에 자성체(113)를 배치하는 방법으로 제1 패널(112)과 제2 패널(114)을 밀착시킬 수 있다. 열은 자성을 약화시키는 문제가 있으나, 일반적으로 FDM 방식의 프린터에서 프린팅 베드의 온도는 최대 120 ℃ 이하 수준으로 사용되므로 자성을 소멸시키는 퀴리 온도 수준으로 올라가지 않는다. 그리고 전자기력은 면으로 작용하므로 최대한의 부착력을 위해서는 제1 패널(112)과 동일한 면적의 자성판을 사용할 수 있으며, 자력이 충분한 경우 면적을 줄여 일부에만 배치할 수도 있다. 또한 제2 패널(114)에 배치하는 자성체(113)를 일반적인 영구 자석이 아닌 전자석을 사용할 수 있다. 전자석은 선택적으로 자성의 극을 바꿀 수 있으므로 고정이 필요한 출력 중에는 제1 패널(112)과 제2 패널(114)의 극성을 반대로 조정하고, 분리가 필요한 출력 후에는 제1 패널(112)과 제2 패널(114)의 극성을 동일하게 조정하는 방법으로 고정과 분리가 모두 용이하게 구현할 수 있다.

도 4의 하부에 도시된 바와 같이 분리층으로 점착물질(115)을 사용하는 경우, 제2 패널(114)과 제1 패널(112) 사이에 점착물질(115)을 도포하는 방법으로 구현할 수 있다. 3차원 프린팅 중에 가해지는 힘은 주로 전단력이므로, 제1 패널(112)과 제2 패널(114) 간의 마찰력을 증가시키는 점착물질(115)을 사용하여 전단력에 대한 저항성을 확보할 수 있다. 프린트 후에는 제1 패널(112)의 모서리 부분부터 천천히 들어올리는 방법으로 전단력이 아닌 수직 방향의 힘을 가하여 용이하게 제1 패널(112)을 제2 패널(114)로부터 분리시킬 수 있다. 전단력으로 인한 제1 패널(112)의 수평 방향 흔들림을 최소화하기 위하여 점착물질(115)은 경도가 높아 변형되지 않는 재질을 포함할 수 있다. 그리고 분리층은 최대한 얇게 형성할 수 있다. 상기한 바와 같이 제1 패널(112)과 제2 패널(114)의 결합과 분리 방식은 클램핑 방식, 자성체 결합 방식, 점착물질 도포 방식이 각각 독립적으로 적용될 수 있으며, 필요에 따라 서로 조합하여 적용될 수도 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 프린팅 베드의 제1 패널이 교체되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 프린팅 베드(100)를 자동 교체하는 방법의 예시로 제1 이송부, 제2 이송부, 이송용 암(400)을 포함하는 이송부로 구현할 수 있다. 직교형 FDM 프린터의 기본 구조를 응용한 이송부를 구비하여 프린팅 베드(100) 자동 교체를 구현할 수 있다. 출력이 종료되었을 때에 프린팅 베드(100)를 제1 이송부를 따라 일측으로 이동시키고, 이송용 암(400)을 접근시켜 제1 패널(112)만을 분리시켜 이동시킬 수 있다. 분리된 제1 패널(112)은 별도의 공간으로 이동시키거나, 제2 이송부인 컨베이어 벨트(500) 등에 올려 다른 공정라인으로 이동시킬 수 있다. 제1 패널(112)을 제2 패널(114)로부터 분리시킬 때와 반대 순서로, 별도의 공간이나 컨베이어 벨트(500)에 준비된 빈 제1 패널(112)을 이송용 암(400)을 이용해 다시 프린팅 위치에 올려놓으면 다음 출력을 위한 준비가 완료된다. 한편, 제1 패널(112)과 제2 패널(114)의 결합구조 특성을 고려하여 제1 패널(112)을 분리시킬 때의 분리 공정에 변화를 줄 수 있다. 예를 들어, 물리적 클램핑 방식을 적용한 경우 이송용 암(400)의 접속 전에 제1 패널(112)과 제2 패널(114)의 클램핑을 풀어내는 동작을 추가할 수 있다. 그리고 점착물질(115)을 사용한 경우 이송용 암(400)이 모서리부를 잡고 천천히 들어올리는 방식으로 제1 패널(112)과 제2 패널(114)의 분리 동작을 구현할 수 있다. 이러한 방식은 프린팅 베드(100) 주변이 노출되어 있는 오픈형 프린터 뿐 아니라, 온도조절 등의 목적으로 프린팅 베드(100)에 벽을 둘러친 인클로저형 프린터에도 응용이 가능하다.

출력물(20)의 크기와 3차원 프린터의 성능에 따라 차이가 크지만 일반적으로 3차원 프린팅에 소요되는 시간은 수 시간에서 수백 시간이 소요될 수 있다. 프린팅 베드(100)와 출력물(20) 간의 접착력이 부족하거나, 반대로 출력이 종료된 후에도 지나치게 큰 접착력이 발생하는 경우, 최대 수백시간이 소요된 출력물(20)이 일시에 파손되는 문제가 발생할 수 있다. 본 발명의 실시예는 출력물(20)이 부착되는 제1 패널(112)을 자동으로 교체하는 시스템을 이용해 생산성을 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10 ; 본체 20 ; 출력물
30 ; 지지부 100 ; 프린팅 베드
112 ; 제1 패널 113 ; 자성체
114 ; 제2 패널 115 ; 점착물질
116 ; 제3 패널 300 ; 클램프
400 ; 이송용 암 500 ; 컨베이어 벨트

Claims

3차원 프린터의 출력에 대응하여 생성되는 출력물을 지지하며, 전자기 유도 가열의 히팅방식이 적용되는 패널을 포함하여 복수의 층으로 형성되어 적어도 일부 층이 서로 분리 결합구조를 갖고 교체 가능하게 구비되는 프린팅 베드를 포함하고,
상기 프린팅 베드는
미리 설정된 탄성을 갖고 일면에서 형성되는 출력물을 지지하며, 전자기 유도 가열로 용적 히팅이 발생되어 균일한 온도분포를 갖고 직접 발열되는 제1 패널,
절연 기능을 갖고 일면이 상기 제1 패널의 타면에 분리 결합구조로 결합되는 제2 패널,
미리 설정된 패턴을 갖고 전자기 유도 가열을 발생시키는 저항 회로를 포함하며, 전자기 유도 방식의 히터 기능을 갖고 상기 제2 패널의 타면에 일면이 결합되어 상기 제1 패널을 가열하여 상기 제1 패널의 계면 온도를 미리 설정된 온도로 유지하는 제3 패널, 그리고
상기 제1 패널과 상기 제2 패널 사이에 구비되어 상기 제2 패널로부터 상기 제1 패널의 분리를 용이하게 구현하는 분리층
을 포함하며,
프린팅이 종료된 이후 상기 출력물을 지지하는 상기 제1 패널이 상기 제2 패널로부터 분리되어 교체되고,
상기 프린팅 베드의 중앙부에 제1 크기의 패턴을 갖는 제1 가열부를 형성하고, 상기 프린팅 베드의 외곽부에는 상기 제1 크기보다 작은 제2 크기의 패턴을 갖는 제2 가열부를 배치하여 상기 프린팅 베드의 가열 구획을 나누어 선택적으로 가열하여 출력 중의 전력 소모를 감소시키는 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터.
제1항에서,
상기 제1 패널은 전자기 유도로 발열되는 강자성체를 포함하는 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터.
제1항에서,
상기 제1 패널은 상기 출력물이 형성 완료된 상태에서 이송부의 구동에 따라 상기 제2 패널로부터 분리되어 자동으로 교체되는 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터.
제3항에서,
상기 이송부는,
상기 제1 패널을 제1 방향으로 이동시키는 제1 이송부,
상기 제1 이송부와 분리되어 구비되며, 상기 제1 패널을 제2 방향으로 이동시키는 제2 이송부, 그리고
상기 제1 이송부와 상기 제2 이송부 사이에 구비되어 상기 제1 이송부의 제1 패널을 상기 제2 이송부로 이송하는 이송용 암
을 포함하는 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터.
제3항에서,
상기 제2 패널은 전기적으로 절연되는 절연층을 포함하는 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터.
제5항에서,
상기 제2 패널은 상기 절연층을 포함하는 복수층으로 형성되어 상기 제1 패널과의 직접 열전달을 방지하는 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터.
삭제
제1항에서,
상기 분리층은 자성체를 포함하는 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터.
제1항에서,
상기 분리층은 전자석을 포함하는 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터.
제1항에서,
상기 분리층은 점착물질을 포함하는 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터.
제3항에서,
상기 제3 패널은 전자기 유도 코일을 포함하는 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터.
제11항에서,
상기 제3 패널은 상기 제1 패널과 대향되는 반대면에서 절연과 보온재 적층 구조로 형성되는 프린팅 베드 교체형 3차원 프린터.