KR102539388B1 - 고속 압출 3d 프린터 노즐 - Google Patents

고속 압출 3d 프린터 노즐 Download PDF

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에센티움, 인크.
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Abstract

3D 프린터 필라멘트를 수용 및 분배하기 위해 노즐이 구성된다. 상기 노즐은 배럴, 가열 요소 및 단부 팁을 구비한다. 상기 배럴은 내부 보어 및 외부 표면을 갖는다. 상기 내부 보어는 필라멘트 수용 단부 및 필라멘트 배출 단부를 갖는다. 상기 배럴의 외부 표면에는 히트 브레이크가 형성된다. 상기 가열 요소는 필라멘트 배출 단부에 근접한다. 상기 가열 요소는 상기 배럴의 외부 표면 주위에 래핑된 가열 와이어를 구비한다. 상기 단부 팁은 필라멘트 배출 단부에 근접한다. 상기 3D 필라멘트는 가열 요소에 의해 가열된 필라멘트 수용 단부에 수용되고 필라멘트 배출 단부에 근접한 단부 팁을 통해 분배된다.

Description

고속 압출 3D 프린터 노즐
본 개시는 2019년 7월 26일자로 출원된 미국 가출원 62/703,700호의 출원일 이익을 청구한 미국 가출원 16/268,873호의 우선권을 주장하며, 상기 출원들의 교시내용은 본원에 참고로 편입된다.
본 개시내용은 일반적으로 3D 프린터 노즐에 관한 것으로, 특히 고속 압출을 위해 구성된 노즐에 관한 것이다.
본 섹션의 기재는 단지 본 개시내용에 관련된 배경 정보를 제공하거나 선행기술을 구성하지 않을 수 있다.
종래의 3D 프린터 노즐은 배럴, 히트 블록, 히터 카트리지, 온도 센서 및 노즐 팁으로 구성된다. 배럴은 전형적으로 냉각 핀을 갖는 냉각 배럴과, 냉각 배럴의 가열을 유지하도록 핀 위로 공기를 송풍하는 팬 내에 나사 결합된다. 배럴은 배럴의 더 큰 직경 섹션에 대해 주어진 길이의 감소된 직경 섹션을 갖는다. 배럴의 더 큰 직경 섹션은 히트 블록 내의 제1 보어 내에 나사 결합된다. 히트 블록 내에 배치된 제2 보어는 히터 카트리지를 수용하도록 구성된다. 온도 센서는 히트 블록의 외부 표면에 고정된다. 노즐 팁은 배럴에 인접한 히트 블록 내의 제1 보어 내에 나사 결합된다. 3D 필라멘트가 배럴 내에 수용되고, 노즐 팁을 통해 가열 및 분배되어 3D 구조를 형성한다.
따라서, 현재의 3D 프린터 노즐이 의도된 목적을 성취하지만, 3D 구조를 형성하기 위해 3D 필라멘트 재료를 수용 및 분배하기 위한 새롭고 개선된 노즐 및 방법이 요구된다. 3D 필라멘트 재료를 수용 및 분배하기 위한 새롭고 개선된 노즐 및 방법은 보다 콤팩트하고, 용이하게 구성가능한, 강화된 온도 제어성을 갖는 노즐 구조를 제공해야 한다.
일부 관점에 따르면, 3D 프린터 필라멘트를 수용 및 분배하기 위한 노즐이 제공된다. 상기 노즐은 배럴, 가열 요소, 히트 브레이크(heat break) 및 단부 팁을 구비한다. 상기 배럴은 내부 보어 및 외부 표면을 갖는다. 상기 내부 보어는 필라멘트 수용 단부 및 필라멘트 배출 단부를 갖는다. 상기 히트 브레이크는 배럴의 외부 표면에 형성된다. 상기 가열 요소는 필라멘트 배출 단부에 근접한다. 상기 가열 요소는 배럴의 외부 표면 주위에 래핑된 가열 와이어를 구비한다. 상기 단부 팁은 필라멘트 배출 단부에 근접한다. 상기 3D 필라멘트는 가열 요소에 의해 가열된 필라멘트 수용 단부에 수용되고 단부 팁 내의 배출 오리피스를 통해 분배된다.
본 개시내용의 다른 관점에서, 상기 단부 팁을 배럴에 기계적으로 보유하기 위해 보유 캡이 제공되며, 상기 보유 캡은 배럴을 수용하기 위한 제1 개방 단부 및 단부 팁을 수용하기 위한 제2 개방 단부를 갖는다.
본 개시내용의 다른 관점에서, 상기 배럴은 제1 섕크 및 제2 섕크를 구비한다.
본 개시내용의 다른 관점에서, 상기 가열 요소는 제2 섕크 상에 위치된다.
본 개시내용의 다른 관점에서, 상기 배럴의 외부 표면에 부착된 온도 센서가 제공된다.
본 개시내용의 다른 관점에서, 상기 배럴은 제1 직경부, 제2 직경부, 제3 직경부 및 제4 직경부를 갖는다.
본 개시내용의 다른 관점에서, 상기 제1 직경부는 제2 직경부의 직경보다 큰 직경을 갖는다.
본 개시내용의 다른 관점에서, 상기 제3 직경부는 제1 직경부의 직경과 동일한 직경을 갖는다.
본 개시내용의 다른 관점에서, 상기 제4 직경부는 제3 직경부의 직경보다 작은 직경을 갖는다.
본 개시내용의 다른 관점에서, 상기 배럴은 보유 캡에 형성된 내부 보어 내에 수용된다.
본 개시내용의 다른 관점에서, 상기 가열 요소는 바이필러 코일(bifilar coil)을 구비한다.
일부 관점에 따르면, 3D 프린터 필라멘트를 수용 및 분배하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 노즐을 사용하여 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계, 3D 프린터 필라멘트를 가열 요소로 가열하는 단계, 및 3D 프린터 필라멘트를 분배하는 단계를 구비한다. 상기 방법은 배럴 및 단부 팁을 갖는 노즐을 사용하여 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계를 더 포함한다. 상기 배럴은 내부 보어, 외부 표면 및 상기 외부 표면에 형성된 히트 브레이크를 구비한다. 상기 내부 보어는 필라멘트 수용 단부 및 필라멘트 배출 단부를 갖는다. 3D 프린터 필라멘트를 가열하는 단계는 필라멘트 배출 단부에 근접한 가열 요소를 사용하여 성취된다. 상기 가열 요소는 배럴의 외부 표면 주위에 래핑된 가열 와이어를 구비한다. 상기 3D 프린터 필라멘트는 필라멘트 배출 단부에 근접한 단부 팁을 사용하여 분배된다.
본 명세서에 제공된 설명으로부터 또 다른 적용 영역이 명백해질 것이다. 설명 및 특정 예들은 단지 예시를 목적으로 의도되고, 본 개시내용의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
본 명세서에 기술된 도면들은 단지 예시를 위한 것이며, 어떠한 방식으로도 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
도 1a는 본 발명의 일 관점에 따른 3D 구조체를 제조하기 위한 3D 프린터에 사용하기 위한 노즐의 측면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 관점에 따른, 도 1a의 노즐의 단부도이다.
도 1c는 본 발명의 일 관점에 따른, 도 1a 및 1b의 노즐의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 관점에 따른 노즐의 배럴 상에 배치된 가열 요소의 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 일 관점에 따른, 도 1a의 노즐의 단부 팁의 사시도이다.
도 3b는 본 발명의 일 관점에 따른, 도 1a 및 도 3a의 노즐의 단부 팁의 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 관점에 따른, 도 1a의 노즐의 보유 캡의 사시도이다.
도 4b는 본 발명의 일 관점에 따른, 도 1a 및 도 4a의 노즐의 보유 캡의 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 일 관점에 따른 노즐의 정면도이다.
도 5b는 본 발명의 일 관점에 따른 노즐의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 관점에 따른 배럴 및 단부 팁의 분해 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 관점에 따른 노즐의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 관점에 따른 배럴 주위에 래핑된 바이필러 가열 코일의 사시도이다.
도 9a는 본 발명의 일 관점에 따른 보유 캡의 사시도이다.
도 9b는 본 발명의 일 관점에 따른 도 9a의 보유 캡의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 관점에 따른 노즐의 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 관점에 따른 노즐의 사시도이다.
이하의 설명은 단지 예시적인 것일 뿐이며, 본 개시내용, 적용 또는 용도를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
본 발명은 3D 구조체를 점진적으로 형성하도록 3D 필라멘트를 수용 및 분배하기 위한 노즐을 제공한다. 3D 필라멘트는 전형적으로 다양한 중합체 또는 비-중합체 재료로 제조된 신장된 관형 부재이다. 노즐은 3D 필라멘트를 수용하고, 3D 필라멘트를 가열하고, 3D 필라멘트를 지지 플랫폼 상에 분배한다. 3D 구조체는 노즐로부터 3D 필라멘트 재료의 연속적인 층을 분배함으로써 형성된다. 각종 상이한 3D 필라멘트 재료가 상이한 구조적 특성 및 외관을 갖는 상이한 3D 구조를 형성하는데 사용될 수 있다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 관점에 따라 3D 구조체를 제조하기 위한 3D 프린터에 사용하기 위한 노즐(10)의 측면도가 도시되어 있다. 노즐(10)은 3D 프린터 필라멘트를 수용, 가열 및 분배하도록 구성된다. 3D 프린터 필라멘트는 외부 필라멘트 공급 장치(도시하지 않음)로부터의 압력 하에 노즐 내에 공급되어 노즐에 의해 수용된다.
도 1a 내지 도 1c를 계속 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 노즐(10)의 단부도 및 단면도가 더 상세하게 도시되어 있다. 노즐(10)은 배럴(12), 가열 요소(14), 단부 팁(16), 보유 캡(18) 및 온도 센서(20)를 구비한다.
배럴(12)은 내부 보어(24)를 갖는 신장된 바디(22)를 갖는다. 배럴(12)은 제1 직경부(26), 제2 직경부(28), 제3 직경부(30) 및 제4 직경부(3)를 갖는다. 제1 직경부(26)는 제2 직경부(28)의 직경보다 큰 직경을 갖는다. 제3 직경부(30)는 제1 직경부(26)의 직경과 동일한 직경을 갖는다. 제4 직경부(32)는 제3 직경부(30)의 직경보다 작은 직경을 갖는다. 이에 따라, 제2 직경부(28)는 길이 "n"을 갖는 배럴(12)의 신장된 바디(22)의 넥다운 섹션(necked down section)이다. 제2 직경부(28)의 길이 "n"은 신장된 바디(22)의 넥다운 섹션이 배럴(12)의 외부 표면(40)에 형성된 히트 브레이크로서 기능하도록 구성된다. 히트 브레이크는 제2 직경부(28)의 넥다운 섹션, 또는 배럴의 분할부(split)과 같은 특징으로서 이해될 수 있으며, 이는 배럴을 따라 전도에 의한 것과 같은 열의 전달을 감소시킨다. 또한, 제2 직경부(28)의 길이 "n"를 따르는 제2 직경부(28)의 냉각은 제2 직경부(28)에 인접하거나 중첩되는 냉각 핀(도시되지 않음)의 추가에 의해 용이하게 된다.
내부 보어(24)는 신장된 바디(22)의 크기에 형성하며 필라멘트 수용 단부(34) 및 필라멘트 배출 단부(36)를 갖는 관통 보어이다. 필라멘트 수용 단부(34)는 3D 프린터 필라멘트의 수용을 용이하게 하기 위한 모따기된 에지(38)를 갖는다. 또한, 배럴(12)은 가열 요소(14)가 배치되는 외부 표면(40)을 갖는다.
도 1c 및 도 2를 계속 참조하면, 배럴(12) 상에 배치된 가열 요소(14)의 사시도가 본 발명의 실시예에 따라 더 상세하게 도시되어 있다. 가열 요소(14)는 제3 직경부(30) 상의 외부 표면(40) 위의 필라멘트 배출 단부(36)에 근접하게 배치되고, 적어도 제4 직경부(32)의 일부와 중첩된다. 가열 요소(14)는 배럴(12)의 외부 표면(40) 주위에 래핑된 연속적인 가열 와이어(42)를 구비한다. 가열 와이어(42)는 배럴(12)의 제3 직경부(30) 및 제4 직경부(32)를 따라 외부 표면(40) 주위에 이격된 루프(43)를 갖는 니켈-크롬 와이어 또는 티타늄 와이어이다.
에폭시, 유리섬유 피복, 액체 세라믹 등의 절연 코팅 또는 층(44)이 래핑된 가열 와이어(42) 위에, 그리고 관점에서, 가열 와이어(42) 아래에 도포된다. 관점에서, 액체 세라믹이 사용되는 경우, 절연체는 배럴(12)의 외부 표면(40)의 일부이거나 또는 코일(42)에 근접한 코팅일 수 있다. 관점에서, 절연층(44)은 하나의 에폭시층, 몇 개의 에폭시층, 또는 액체 세라믹을 갖는 배럴 상의 코팅을 포함할 수 있다. 절연 코팅 또는 층(44)은 가열 와이어(42)의 루프(43) 위에 보호성 전기 절연 피복을 제공한다. 또한, 층(44)은 차례 차례로 도포된 몇 개의 층일 수 있으며, 가열 와이어(42)에 의해 생성되어 배럴(12)에 전달되는 열을 보유 및 제어하는데 도움을 주기 위해 단열 특성을 제공할 수 있다.
관점에서, 가열 와이어(42)는 마이크로-용접과 같은 공정에 의해 전력 소스 또는 제어 시스템(도시되지 않음)에 이르는 다양한 위치 또는 와이어 리드에 부착될 수 있다. 마이크로-용접은 1mm 내지 5mm와 같은 모든 값 및 범위를 포함하는 5mm 이하의 용접부를 생성할 수 있는 텅스텐 불활성가스(TIG) 용접 공정 또는 레이저 용접 공정으로서 이해된다.
도 1c 및 도 3a, 3b를 계속 참조하면, 단부 팁(16)의 사시도 및 단면도가 본 발명의 실시예에 따라 더 상세하게 도시되어 있다. 단부 팁(16)은 배럴(12)의 필라멘트 배출 단부(36)에 고정된다. 단부 팁(16)은 배럴(12)의 필라멘트 배출 단부(36)에 인접한 필라멘트 수용 단부(46)를 갖는다. 단부 팁(16)의 필라멘트 수용 단부(46)는 도 1b 및 3b의 단면도에 도시된 바와 같이 절두원추형 개구(50)를 갖는다. 절두원추형 개구(50)는 배출 오리피스(54)에서 종결되는 직선 보어 섹션(52)으로 전이한다. 추가적으로, 단부 팁(16)은 그 사이에 환형 선반(60)을 형성하는 제2 직경 섹션(58)으로 전이하는 제1 직경 섹션(56)을 갖는다. 제1 직경부(56)는 제2 직경부(58D)의 직경보다 큰 직경을 갖는다. 단부 팁(16)은 루비, 사파이어, 탄화물, 세라믹, 강철, 유리, 석영 등으로 제조된다. 개선된 압출은 가열 요소(14)로부터 3D 필라멘트로의 열전달의 더 큰 조절성을 통해 단부 팁(16)으로 달성된다. 다양한 단부 팁(16)의 구성은 상이한 코팅, 경도, 내부 마무리, 연마, 텍스처, 및 3D 필라멘트의 유동을 제어하기 위한 입구 및 출구 프로파일을 갖는 것으로 고려된다. 특정 단부 팁(16)의 구성(즉, 재료 선택, 내부 마무리 등)이 주어진 3D 필라멘트에 대해 선택되어 필라멘트 호환성, 접착 및 단부 팁(16)의 착용성을 보장한다. 따라서, 3D 필라멘트는 필라멘트 수용 단부(34)에 수용되고, 가열 요소(14)에 의해 가열되고, 필라멘트 배출 단부(36)에 근접한 단부 팁(16)을 통해 분배된다. 단부 팁(16)의 재료 특성 및 마무리, 코팅 등을 선택하는 능력은 단부 팁(16)을 대체할 필요 없이 보다 긴 가동 시간을 달성할 수 있게 한다.
도 1c 및 도 4a 및 4b를 계속 참조하면, 보유 캡(18)의 사시도와 단면도가 본 발명의 실시예에 따라 더 상세하게 도시되어 있다. 보유 캡(18)은 단부 팁(16)을 배럴(12)에 기계적으로 고정하도록 구성되고, 관점에서 보유 캡(18)은 예를 들어 마이크로-용접에 의해 배럴에 부착될 수 있다. 이를 위해, 보유 캡(18)은 배럴(12)을 수용하기 위한 제1 개방 단부(70) 및 단부 팁(16)을 수용하기 위한 제2 개방 단부(72)를 갖는다. 내부 보어(74)는 제1 개방 단부(70)를 제2 개방 단부(72)에 연결하고 단부 팁(16)의 삽입을 수용하도록 충분한 치수의 내경을 갖는다. 보다 구체적으로, 내부 보어(74)의 내부 표면(76)은 배럴(12) 상의 보유 캡(18)을 고정하기 위해 배럴(12)의 외부 표면(40) 상의 외부 나사산과 맞물리는 내부 나사선과 같은 보유 수단을 갖는다. 대안적으로, 내부 보어(74)는 배럴(12)의 외부 표면(40)과 억지 또는 압입 끼워맞춤되는 크기를 갖는다. 보유 캡(18)의 제2 개방 단부(72)의 환형 림(78)은 단부 팁(16)의 선반(60)과 결합되어, 보유 캡(18) 내에 단부 팁(16)을 포획한다. 그 결과, 단부 팁(16)은 보유 캡(18)과 배럴(12) 사이에서 가압 또는 샌드위치되어, 단부 팁(16)의 제2 직경부(58)가 보유 캡(18)의 제2 개방 단부(72)에 수용된다. 관점에서, 보유 캡(18)은 배럴(12)에 마이크로 용접되어, 압력 및 가열 사이클 하에서 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1b, 1c 및 2를 계속 참조하면, 배럴(12) 상에 배치된 온도 센서(20)의 사시도가 본 발명의 실시예에 따라 더 상세하게 도시된다. 온도 센서(20)는 내부 보어(24)에 인접한 배럴(12)의 온도를 검출하기 위해 배럴(12)의 외부 표면(40) 상에 배치된다. 본 발명은 도 1c에 도시된 바와 같이 배럴(12)을 따라 복수의 온도 센서(20)의 배치를 고려한다. 온도 센서(20)는 배럴(12)의 제3 직경부에 부착되고,본 발명의 다른 실시예에서, 추가적인 온도 센서(20)가 배럴(12)의 제4 직경부에 부착된다. 관점에서, 온도 센서(20)는 중합체 접착제, 금속-충전된 중합체 접착제, 금속 솔더링/브레이징 재료, 또는 유사한 재료로 부착되고, 다른 관점에서 은 충전된 에폭시를 구비한다. 배럴(12)을 따라 다양한 위치에서 온도 센서(20)의 위치설정은 배럴(12)을 따라 온도 프로파일의 더 큰 제어를 가능하게 한다. 예를 들어, 온도 센서(20)는 배럴(12)을 가열하도록 가열 와이어(42)를 활성화하고 배럴(12) 내의 열을 온도 센서(20)로 감지하여 배럴(12) 내의 소정의 온도 프로파일을 성취하기 위해 가열 와이어(42)의 가열을 증가 또는 감소시키도록 제어 로직을 구비하는 제어 시스템(도시되지 않음)과 와이어 리드(90)를 통해 전기 통신한다. 와이어 리드(90)는 온도 센서(20) 또는 다른 와이어에 다양한 위치에 부착될 수 있으며, 이는 내구성, 성능 및 안전성을 향상시킨다. 다시, 부착은 마이크로-용접을 통해 이루어질 수 있다. 관점에서, 온도 센서(20) 중 하나 이상은 배럴(12)의 외부 표면(40)에 형성된 채널에서 적용되는 것이 본원에 추가로 설명된다. 채널(도 6의 "124" 참조)은 온도 센서(20)가 내부 보어(24)에 더 근접하게 놓이고, 일부 경우에, 내부 보어(24)로부터 0.5mm 이하, 예를 들어 0.1mm 내지 0.5mm, 0.3mm, 0.2mm 등과 같은 모든 값 및 범위를 포함한다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 추가적이거나 상호교환가능하거나 또는 대안적인 관점에 따라 3D 구조체를 제조하기 위한 3D 프린터에 사용하기 위한 노즐(1)의 정면도 및 단면도를 도시한다. 도 1a 내지 1c의 노즐과 유사하게, 노즐(1)은 배럴(112), 가열 요소(114), 단부 팁(116) 및 온도 센서(120)를 구비한다.
도 5a 및 도 5b과, 배럴(112) 및 보유 캡(118)의 분해 단면도를 도시하는 도 6을 계속 참조하면, 배럴(112)은 내부 보어(124)를 갖는 신장된 바디(122)를 갖는다. 또한, 배럴(112)은 제1 직경부(126), 적어도 하나의 제2 직경부(128), 제3 직경부(130) 및 제4 직경부(132)를 갖는다. 제1 직경부(126)는 제2 직경부(128)의 직경보다 큰 직경을 갖는다. 제3 직경부(130)는 제1 직경부(12)의 직경과 동일한 직경을 갖는다. 제4 직경부(132)는 제3 직경부(130)의 직경보다 작은 직경을 갖는다. 이에 따라, 제2 직경부(128)는 길이 "n"을 갖는 배럴(112)의 신장된 바디(122)의 넥다운 섹션이다. 제2 직경부(128)의 길이 "n"은 신장된 바디(122)의 넥다운 섹션이 배럴(1)의 외부 표면(140)에 형성된 히트 브레이크로서 기능하도록 구성된다. 또한, 제2 직경부(128)는, 본원에 추가적으로 기술되며 도 5b, 10 및 11에 도시된 바와 같이, 클램프(216) 및 프레임(218)을 위한 특징부를 제공하여, 클램프(216) 및 프레임(218)과 연동하여 클램프(216) 및 프레임(218)에 대한 배럴(112)의 수직운동을 방지한다.
도 6에 도시된 관점에서, 배럴(112)은 멀티-부품 배럴(112)이며, 신장된 바디(122)를 함께 형성하는 제1 섕크(180) 및 제2 섕크(182)를 구비한다. 각각의 섕크(180, 182)는 배럴(112)이 조립될 때 신장된 바디(122)의 크기를 형성하는 내부 보어(124)의 일부를 형성한다. 관점에서, 제1 섕크(180)는 마이크로-용접에 의해 제2 섕크(182)에 부착되고, 이는 압력 하에서 그리고 복수의 가열 사이클에 걸쳐 개선된 성능을 제공할 수 있다.
제1 생크(180)는 필라멘트 수용 단부(134)를 구비한다. 필라멘트 수용 단부(134)는 2개의 대향 피크(186, 188) 및 2개의 대향하는 밸리(200, 202)를 형성하여, 필라멘트 수용 단부(134)의 개구(204) 내로 필라멘트를 안내하는 것을 도울 수 있다. 또한, 필라멘트 수용 단부(134)의 내부는 3D 프린터 필라멘트의 수용을 용이하게 하는 모따기된 에지(138)를 구비하며, 모따기된 에지(138)는 대향하는 피크(186, 188)로부터 2개의 대향하는 밸리(200, 202) 아래에서 시작하는 내부 보어(124)로 연장된다(도 5a에 추가로 도시됨).
관점에서, 제1 섕크(180)는 스테인리스강 또는 세라믹으로 형성되고, 제2 섕크(182)는 알루미늄 또는 별개 피스의 세라믹으로 형성된다. 다른 관점에서, 제1 섕크(180) 및 제2 섕크(182)는 제1 섕크(180), 제2 섕크(182), 또는 제1 및 제2 섕크(180, 182) 상에 제공된 코팅과 열적으로 격리된다. 섕크(180, 182)는 대안적으로 또는 추가적으로, 제1 및 제2 섕크(180, 182)들 사이에 배치된 인터페이스 재료에 의해 열적으로 격리될 수 있다. 열적 격리는 다른 히트 브레이크를 제공할 수 있다. 3D 프린터가 사용 중이고 노즐(110)이 가열될 때, 제1 생크(180)는 제2 생크(182)보다 상대적으로 제2 온도에 있다.
또한, 제1 섕크(180)는 제1 직경부(126), 제2 직경부(128) 및 결합부(129)를 구비한다. 다시, 제2 직경부(128)는 제1 직경부(126) 및 결합부(129p)보다 작은 직경을 갖는다. 관점에서, 제1 직경부(126) 및 결합부(129)는 직경이 동일하다. 대안적으로, 제1 직경부(126) 및 결합부(129)는 상이한 직경을 갖는다. 또한, 제1 섕크(180)는 제2 직경부(128)와 제1 섕크(180)의 단부(208) 사이의 결합부(129)에 형성된 노치(206)를 구비한다. 노치(206)는 제2 직경부(128) 및 결합부(129)보다 작은 직경을 갖는다. 또한, 결합부(129)에서, 제1 섕크(180)는 제2 섕크(182)를 수용하는 수용 보어(210)를 형성한다. 관점에서, 수용 보어(210)는 결합부(129)의 길이보다 짧은 결합부(129)의 일부만을 통해 연장될 수 있다. 관점에서, 제2 섕크(182)는 간섭 또는 마찰 끼워맞춤에 의해 수용 보어(210) 내에 보유된다.
제2 섕크(182)는 제3 직경부(130) 및 제4 직경부(132)를 구비하고, 제4 직경부(132)의 직경은 제3 직경부(130)의 직경보다 작다. 또한, 제2 섕크(182)는 제3 직경부(130)보다 작은 정합부(212)를 구비하고, 관점에서 제4 직경부(132)와 동일한 직경을 갖는다. 정합부(212)는 수용 보어(210) 내에 수용되고, 상술된 바와 같이, 억지 끼워맞춤에 의해 수용 보어(210) 내에 기계적으로 보유된다. 또한, 제2 생크(182)는 필라멘트 배출 단부(136)를 구비한다.
또한, 관점에서, 제2 생크(182)의 제3 직경부(130)는 적어도 하나의 온도 센서(120)가 위치되는 채널(214)을 구비한다(도 7 참조). 추가적인 온도 센서(120) 및 추가 채널(214)이 제공될 수 있다. 채널(214)은 내부 보어(124)와 교차하지 않는다. 채널(214)은 센서(120)가 열적 이유로 히터 요소(114)(히터 와이어(142) 및 제1 절연층(145)을 구비함) 내에서 외부 표면(140)의 나머지 부분의 외주 아래에 배치될 수 있고, 배럴의 용융 중합체에 상대적으로 더 가까운 센서의 감지 표면을 위치시킨다. 관점에서, 채널(214)은 온도 센서(120)가 배럴(112)의 내부 표면(124)으로부터 0.5mm 이하로 놓이고, 예를 들어 0.1mm 내지 0.5mm, 0.3mm, 0.2mm 등과 같은 모든 값 및 범위를 포함한다.
도 5a, 5b, 7 및 8을 다시 참조하면, 배럴(112)은 가열 요소(114)가 배치되는 외부 표면(140)을 갖는다. 관점에서, 가열 요소(114)는 제2 섕크(182) 상에 위치된다. 관점에서, 가열 요소(114)는 전술한 가열 요소(14)와 동일하다. 도 7 및 8에 도시된 관점에서, 가열 요소(114)는 바이필러 코일(bifilar coil)로 형성된 가열 와이어(142)이며, 상기 코일은 배럴(112) 주위에 코일을 권취하기 전에 코일 내에 루프(141)를 반으로 형성할 때에 코일(142)을 접음으로써 형성된 루프(143)의 2 개의 평행한 권선을 포함한다. 가열 와이어(142)는 가열 와이어(42)와 동일한 재료로 형성된다. 도 7을 참조하면, 제1 절연 코팅 또는 층(145)은 배럴(1) 위에 배치되고, 제2 절연 코팅 또는 층(144)은 가열 요소(1) 위에 배치된다. 절연 코팅 또는 층(144, 145)은, 예를 들어 코일 섬유 유리 피복, 에폭시 층, 절연 세라믹 층 등을 포함한다. 관점에서, 에폭시, 섬유 유리 피복, 세라믹 또는 이들의 조합의 복수의 층은 각각의 절연층(144, 145)을 제공하는데 사용된다.
도 6, 9a 및 9b를 참조하면, 단부 팁(116)은 보유 캡(118)에 의해 배럴(1)의 필라멘트 배출 단부(136)에 고정된다. 또한, 단부 팁(116)은, 예컨대 마이크로 용접과 같은 용접에 의해 배럴의 필라멘트 배출 단부(136)에 부착될 수 있다. 도시된 관점에서, 배럴(1)의 제2 섕크(182)는 필라멘트 배출 단부(136)에서 보유 캡(1)에 안착된다. 도시된 관점에서, 보유 캡(118)은 배럴(112)을 수용하기 위한 제1 개방 단부(170) 및 단부 팁(116)을 수용하기 위한 제2 개방 단부(172)를 구비한다. 내부 보어(174)는 제1 개방 단부(170)를 제2 개방 단부(172)에 연결한다. 또한, 내부 보어(174)는 단부 팁(116)의 삽입을 수용하도록 충분한 치수의 내경을 갖는다(도 7 참조). 관점에서, 내부 보어(174)의 내부 표면(176)은 배럴(112)의 외부 표면(140) 상의 외부 나사산과 맞물리는 내부 나사산과 같은 보유 수단을 갖는다. 대안적으로, 내부 보어(174)는 배럴(112)의 외부 표면(140)과 간섭 또는 가압 끼워맞춤을 형성하도록 크기가 정해진다. 보유 캡(18)의 제2 개방 단부(172)의 환형 림(178)은 단부 팁(116)의 선반(160)과 결합되어, 보유 캡(118)의 단부 팁(116)을 포획한다. 그 결과, 단부 팁(116)은 보유 캡(118)과 배럴(112) 사이에 가압 또는 샌드위치되고, 단부 팁(116)의 제2 직경 섹션(158)은 보유 캡(118)의 제2 개방 단부(172) 내에 수용된다. 관점에서, 보유 캡(118)은 배럴(112)에 마이크로-용접되며, 이는 압력 및 가열 사이클 하에서 성능을 향상시킬 수 있다. 도시된 관점에서, 보유 캡(118)은 절두원추형부(177)로 전이하는 관형부(175)를 갖는다. 제2 생크(182)의 제4 직경부(132)는 보유 캡(1)의 관형부(175)에 수용되어 연장된다. 관점에서, 제2 섕크(182)의 제4 직경부(132)는 단부 팁(116)의 치수에 따라서 관형부(175)를 지나 보유 캡(1)의 절두원추형부(177) 내로 연장될 수 있다. 또한, 관점에서, 가열 요소(114)는 보유 캡(118)의 관형부(175) 위로 연장될 수 있다(도 5b에 도시됨). 또한, 보유 캡(118)은 관형부(175)와 절두원추형부(178)의 전이부에 위치된 환형 선반(179)을 구비할 수 있다. 관점에서, 가열 요소(114)는 도 7에 도시된 바와 같이 환형 선반(179)에 대해 놓인다.
관점에서, 단부 팁(116)은 도 3a 및 3b와 관련하여 도시되고 설명된 단부 팁과 동일하거나 유사하다. 단부 팁(116)은 배럴(112)의 필라멘트 배출 단부(136)에 고정되고, 배럴(112)의 필라멘트 배출 단부(136)에 인접한 필라멘트 수용 단부(146)를 갖는다. 단부 팁(116)의 필라멘트 수용 단부(146)는 도 7 및 3b에서 단면으로 도시된 바와 같이 절두원추형 개구(150)를 갖는다. 절두원추형 개구(150)는 배출 오리피스(154)에서 종결하는 직선 보어 섹션(152)으로 전이한다. 추가적으로, 단부 팁(116)은 제2 직경 섹션(158)으로 전이하는 제1 직경 섹션(156)을 가져서, 그 사이에 환형 선반(160)을 형성한다. 제1 직경부(156)는 제2 직경부(158a)의 직경보다 큰 직경을 갖는다. 단부 팁(116)은 루비, 사파이어, 탄화물, 세라믹, 강철, 유리, 석영 등으로 제조된다. 개선된 압출은 가열 요소(114)로부터 3D 필라멘트로의 열전달의 더 큰 조절성을 통해 단부 팁(116)으로 달성된다. 상이한 코팅, 경도, 내부 마무리, 연마, 텍스처, 및 3D 필라멘트의 유동을 제어하기 위한 입구 및 출구 프로파일을 갖는 다양한 단부 팁(116)의 구성이 고려된다. 특정 단부 팁(116)의 구성(즉, 재료 선택, 내부 마무리 등)이 단부 팁(116)의 필라멘트 호환성, 접착성 및 착용성을 보장하도록 주어진 3D 필라멘트를 위해 선택될 수 있다. 이에 따라, 3D 필라멘트는 필라멘트 수용 단부(134)에 수용되고, 가열 요소(114)에 의해 가열되고, 필라멘트 배출 단부(136)에 근접한 단부 팁(116)을 통해 분배된다. 단부 팁(116)의 재료 특성 및 마무리, 코팅 등을 선택하는 능력은 본 발명이 단부 팁(116)을 대체할 필요 없이 보다 긴 가동 시간을 달성할 수 있게 한다.
도 7 및 8을 참조하면, 전술한 바와 같이, 온도 센서(120)는 배럴(112)의 외부 표면(140) 상에 배치되고, 특히 배럴(112)의 제2 섕크(182)에 형성된 채널(214)내에 배치된다. 다시, 하나 이상의 온도 센서(120)가 존재할 수 있고, 각각의 온도 센서(120)는 그 자체의 채널(214) 내에 위치될 수 있다. 온도 센서(120)는 상술된 온도 센서(20)와 본질적으로 유사한 기능을 갖는다.
도 10, 도 5a 및 5b를 계속 참조하면, 노즐(110)은 클램프(216)에 의해 프레임(218)에 보유되고, 노즐(110)은 프레임(218)과 클램프(216) 사이에 위치된다. 클램프(216)는 볼트 또는 용접과 같은 기계적 패스너(220)에 의해 프레임(218)에 기계적으로 고정된다. 또한, 커넥터 블록(220)은 프레임(218)에 부착되고, 전술한 제어 시스템과 같은 제어 시스템에 온도 센서(120) 및 가열 요소(114)(도 5b 참조)를 연결하는 와이어 리드(190)를 지탱한다. 와이어 리드(190)는 온도 센서(120) 또는 다양한 위치 또는 다른 와이어에 부착될 수 있으며, 이는 신뢰성 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 와이어 리드(190)를 부착하는 방법은 마이크로-용접을 포함한다. 클램프(216)는 복수의 핀(217)을 구비하여, 클램프(216)의 냉각을 개선하도록 증가된 표면적을 제공한다. 프레임(218)의 장착 표면(219)은 배럴(112)에 대해 평행하게 형성된다. 도 11은 프레임(218)의 장착 표면(219)이 배럴(112)에 수직인 대안적인 관점을 도시한다. 이러한 관점에서, 프레임(218)은 프레임(218)과 함께 형성되거나 또는 프레임(2180)에 부착된 클램프(221)를 구비할 수도 있다.
당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 다양한 특징이 본원에서 설명되고 예시된 개별적인 관점들 사이에서 상호교환가능할 수 있다. 일례에서, 도 5a 및 5b의 모따기된 에지(138)는 도 1a 내지 1c의 모따기된 에지로 대체될 수 있다. 또 다른 예에서, 도 1a 내지 1c의 단일 배럴 구성이 도 5a 및 5b의 멀티-부품 배럴로 대체될 수 있다.
또한, 본 발명은 3D 프린터 필라멘트를 수용 및 분배하기 위한 방법을 고려한다. 상기 방법은 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계, 3D 프린터 필라멘트를 가열하는 단계, 및 3D 프린터 필라멘트를 분배하는 단계를 구비한다. 또한, 도 1a 내지 11을 참조하면, 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계는, 내부 보어(24, 124) 및 외부 표면(40, 140)을 갖는 배럴(12, 112)을 갖는 노즐(10, 110)을 사용하는 단계를 구비한다. 내부 보어(24, 124)는 필라멘트 수용 단부(34, 134) 및 필라멘트 배출 단부(36, 136)를 갖는다. 또한, 3D 프린터 필라멘트를 가열하는 단계는, 필라멘트 배출 단부(36, 136)에 근접한 가열 요소(14, 114)를 사용하여 필라멘트를 가열하는 단계를 구비한다. 가열 요소(14, 114)는 배럴(12, 112)의 외부 표면(40, 140) 주위에 래핑된 가열 와이어(42)를 구비한다. 3D 프린터 필라멘트를 분배하는 단계는, 필라멘트 배출 단부(36,136)에 근접한 단부 팁(16, 116)을 갖는 3D 프린터 필라멘트를 분배하는 단계를 구비한다.
관점에서, 상기 방법은 보유 캡(18, 118)을 사용하여 단부 팁(116)을 배럴(12, 112)에 기계적으로 보유하는 단계를 더 구비한다. 캡(18, 118)을 사용하여 단부 팁(116)을 배럴(12, 112)에 기계적으로 보유하는 단계는, 보유 캡(18, 118)의 제1 개방 단부(70, 170)를 갖는 배럴(12, 112)을 수용하는 단계, 및 보유 캡(18, 118)의 제2 개방 단부(72, 172)를 갖는 단부 팁(16, 116)을 수용하는 단계를 더 구비한다. 또한, 단부 팁(16, 116)은 보유 캡(18, 118)의 제2 개방 단부(72, 172)의 환형 림(78, 178)을 사용하여 단부 팁(16, 116)을 포획함으로써 배럴(12, 112)에 기계적으로 보유하고, 배럴(12, 112)에 대해 단부 팁(16, 116)을 가압한다. 보유 캡(18, 118)의 제2 개방 단부(72, 172)의 환형 림(78, 178)은 단부 팁(16, 116)의 환형 선반(60, 160)과 결합한다.
관점에서, 상기 방법은 배럴(112)의 제1 생크(180)를 배럴(112)의 제2 섕크(182)에 기계적으로 보유하는 단계를 구비한다. 추가적인 관점에서, 상기 방법은 단부 팁(116)을 배럴(112)의 제2 섕크(182)에 마이크로-용접으로 보유하는 단계를 구비한다.
또한, 상기 방법은 제1 직경부(26, 126), 제2 직경부(28, 128), 제3 직경부(30, 130) 및 제4 직경부(32,132)를 갖는 배럴(12, 112)를 사용하여 노즐(10, 110) 내에 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계를 구비한다. 배럴(12, 112)은 제2 직경부(28, 128)의 직경보다 큰 직경을 갖는 제1 직경부(26,126)를 갖는다. 관점에서, 이는 제3 직경부(30, 130)로부터의 열에너지를 배럴(12, 112)의 제1 직경부(26, 126)로 전달하는 것을 억제하기 위해 배럴(12, 112) 내에 히트 브레이크를 형성한다. 추가적인 관점에서, 배럴(112)은 제1 섕크(180) 및 제2 섕크(182)를 포함하는 멀티-부품 배럴(112)이며, 제2 생크(182)로부터 제1 생크(180)로의 열에너지의 전달을 억제하도록 열이 제2 생크(182)에 적용된다. 관점에서 제3 직경부(30, 130)는 제1 직경부(26, 126)의 직경과 동일한 직경을 갖는다. 제4 직경부(32, 132)는 보유 캡(18, 118)의 설치를 수용하도록 제3 직경부(30, 130)의 직경보다 작은 직경을 갖는다.
후속하여, 관점에서, 3D 프린터 필라멘트는 배럴(12, 112)의 필라멘트 배출 단부(36, 136)에 인접하게 위치된 필라멘트 수용 단부(46, 146)를 갖는 단부 팁(16, 116)으로 분배된다. 필라멘트 수용 단부(46, 146)는 필라멘트의 단부 팁(16, 116)으로의 전이를 용이하게 하기 위해 절두원추형 단면을 갖는 개구(50, 150)를 갖는다. 개구(50, 150)는 3D 필라멘트를 지지 플랫폼 상에 분배하도록 배출 오리피스(54, 154)를 통해 단부 팁(16, 116)의 필라멘트 분배 단부(34, 134)에 인접한 보어(52, 152)에 연결하여 3D 구조체를 구성한다.
본 개시내용의 설명은 단지 예시적인 것일 뿐이며, 본 개시내용의 요지로부터 벗어나지 않는 변형이 본 개시의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 이러한 변형은 본 개시내용의 사상 및 범위로부터 벗어나는 것으로 간주되어서는 안 된다.

Claims (20)

  1. 3D 프린터 필라멘트를 수용 및 분배하기 위한 노즐에 있어서,
    내부 보어 및 외부 표면을 갖는 배럴로서, 상기 내부 보어는 필라멘트 수용 단부 및 필라멘트 배출 단부를 갖고, 상기 필라멘트 수용 단부는 2개의 대향하는 피크 및 2개의 대향하는 밸리를 형성하고, 상기 필라멘트 수용 단부는 내부를 더 구비하며, 상기 내부는 상기 대향하는 피크로부터 상기 2개의 대향하는 밸리 아래에서 시작하는 상기 내부 보어로 이동하는 모따기된 에지를 구비하는, 상기 배럴;
    상기 배럴의 외부 표면에 형성된 히트 브레이크(heat brake);
    상기 필라멘트 배출 단부에 근접한 가열 요소로서, 상기 가열 요소는 상기 배럴의 외부 표면 주위에 래핑된 가열 와이어를 구비하는, 상기 가열 요소; 및
    상기 필라멘트 배출 단부에 근접한 단부 팁
    을 포함하고,
    상기 3D 프린터 필라멘트는 상기 필라멘트 수용 단부 내에 수용되고, 상기 가열 요소에 의해 가열되어 상기 단부 팁 내의 배출 오리피스를 통해 분배되는,
    노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단부 팁을 상기 배럴에 기계적으로 보유하기 위한 보유 캡을 더 포함하고, 상기 보유 캡은 상기 배럴을 수용하기 위한 제1 개방 단부 및 상기 단부 팁을 수용하기 위한 제2 개방 단부를 갖는,
    노즐.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배럴은 제1 섕크 및 제2 섕크를 구비하는,
    노즐.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가열 요소는 상기 필라멘트 배출 단부에 근접하게 배치되는,
    노즐.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 배럴의 외부 표면에 형성된 채널 내에 부착된 온도 센서를 더 포함하는,
    노즐.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배럴은 제1 직경부, 제2 직경부, 제3 직경부 및 제4 직경부를 갖는,
    노즐.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 직경부는 상기 제2 직경부의 직경보다 큰 직경을 갖는,
    노즐.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 직경부는 상기 제1 직경부의 직경과 동일한 직경을 갖는,
    노즐.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제4 직경부는 상기 제3 직경부의 직경보다 작은 직경을 갖는,
    노즐.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배럴 및 상기 단부 팁은 보유 캡에 형성된 내부 보어 내에 수용되는,
    노즐.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 가열 요소는 바이필러 코일(bifilar coil)을 구비하는,
    노즐.
  12. 3D 프린터 필라멘트를 수용 및 분배하기 위한 방법에 있어서,
    배럴 및 단부 팁을 갖는 노즐을 사용하여 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계로서, 상기 배럴은 내부 보어, 외부 표면 및 상기 외부 표면에 형성된 히트 브레이크(heat break)를 구비하고, 상기 내부 보어는 필라멘트 수용 단부 및 필라멘트 배출 단부를 가지며, 상기 필라멘트 수용 단부는 2개의 대향하는 피크 및 2개의 대향하는 밸리를 형성하고, 상기 필라멘트 수용 단부는 내부를 더 구비하며, 상기 내부는 상기 대향하는 피크로부터 상기 2개의 대향하는 밸리 아래에서 시작하는 상기 내부 보어로 이동하는 모따기된 에지를 구비하고, 상기 단부 팁은 상기 필라멘트 배출 단부에 근접하게 위치되는, 상기 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계;
    상기 필라멘트 배출 단부에 근접한 가열 요소로 상기 3D 프린터 필라멘트를 가열하는 단계로서, 상기 가열 요소는 상기 배럴의 외부 표면 주위에 래핑된 가열 와이어를 구비하는, 상기 3D 프린터 필라멘트를 가열하는 단계; 및
    상기 단부 팁의 배출 오리피스를 통해 상기 3D 프린터 필라멘트를 분배하는 단계
    를 포함하는,
    방법.
  13. 제12항에 있어서,
    보유 캡을 사용하여 상기 단부 팁을 배럴에 기계적으로 보유하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 보유 캡을 사용하여 상기 단부 팁을 상기 배럴에 기계적으로 보유하는 단계는, 상기 보유 캡의 제1 개방 단부 내에 상기 배럴 및 단부 팁을 수용하는 단계를 더 포함하고, 상기 단부 팁은 상기 보유 캡을 통해 연장되는,
    방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 배럴의 제1 섕크를 상기 배럴의 제2 섕크에 기계적으로 보유하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 배럴의 제1 생크를 마이크로-용접(micro-welds)에 의해 상기 배럴의 제2 생크에 보유하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  17. 제12항에 있어서,
    배럴을 갖는 노즐을 사용하여 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계는, 제1 직경부, 제2 직경부, 제3 직경부 및 제4 직경부를 갖는 배럴을 사용하여 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  18. 제17항에 있어서,
    제1 직경부, 제2 직경부, 제3 직경부 및 제4 직경부를 갖는 배럴을 사용하여 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계는, 상기 제2 직경부의 직경보다 큰 직경을 갖는 제1 직경부를 갖는 배럴을 사용하여 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  19. 제18항에 있어서,
    제1 직경부, 제2 직경부, 제3 직경부 및 제4 직경부를 갖는 배럴을 사용하여 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계는, 상기 제1 직경부의 직경과 동일한 직경을 갖는 제3 직경부를 갖는 배럴을 사용하여 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  20. 제19항에 있어서,
    제1 직경부, 제2 직경부, 제3 직경부 및 제4 직경부를 갖는 배럴을 사용하여 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계는, 상기 제3 직경부의 직경보다 작은 직경을 갖는 제4 직경부를 갖는 배럴을 사용하여 3D 프린터 필라멘트를 수용하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
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