KR102692414B1 - 3d프린터 장치용 적층부 및 이를 포함하는 3d프린터 장치 - Google Patents

3d프린터 장치용 적층부 및 이를 포함하는 3d프린터 장치 Download PDF

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Abstract

3D프린터 장치용 적층부가 제공된다. 일 실시예에 따른 3D프린터에 있어서, 적층물이 형성되는 작업부; 및 상기 작업부 상에서 열원을 발생시켜 적층물을 형성하는 적층부;를 포함하고, 상기 적층부는 복수의 관절을 갖는 관절부재를 포함하여, 미리 설정된 좌표 점을 기준으로 미리 설정된 복수의 각도로 틸팅되면서 아크를 발생시키거나 용사를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상지 적층부와, 상호 틸팅이 가능하도록 연결되는 복수 개의 관절을 포함하되 일 말단에 가공공구가 체결되는 다관절가공수단을 포함하는 가공부를 포함하는 3D프린터 장치가 제공된다.

Description

3D프린터 장치용 적층부 및 이를 포함하는 3D프린터 장치{Additive Manufacturing Portion for 3D Printer Apparatus and 3D Printer Device Comprising the Same}
본 발명은 3D프린터 장치용 적층부 및 이를 포함하는 3D프린터 장치에 관한 것으로, DED 또는 용사기법과 같이 고온의 열에너지로 금속분말, 세라믹분말 또는 금속소재의 와이어를 용융시키거나 또는 WA-3DP와 같이 아크열원을 이용하여 적층공정을 수행하는 3D프린터 장치에서 작업점 각도가 변화되는 3DP프린터 장치용 적층부 및 이를 포함하는 3D프린터 장치에 관한 것이다.
3D 프린팅 장치는 입체 조형물을 제작하는 장치로서, 3차원 형상의 입체 조형물의 형상에 관한 데이터를 미분하여 2차원 평면에 관한 데이터로 생성하고, 생성된 데이터에 따라 재료를 층층이 쌓아 입체 조형물을 제작한다.
3D Printing 기술은 설계 데이터 기반의 3차원 형상을 제작하기 위하여 CAD/CAM(Computer aided design/Computer aided manufacturing) System을 활용한 Digital data화 된 3차원 형상을 2차원 단면으로 한층씩 적층시켜 최종 구조물을 제작하는 제조기법이다. 최근에 활발히 연구되고 있는 3D Printing 기술은 원재료의 소모가 적고 제품을 신속하게 제작할 수 있다는 장점이 있다.
3D Printing 기술로서 금속 소재의 입체 조형물을 제조하는 3D 프린팅 기법(방식)으로는 레이저 빔, 전자빔, 프라즈마 등의 열원을 이용한 PBF(Powder Bed Fusion), DED(Directed Energy Deposition) 등이 있고 DED 중 하나로 와이어 형태의 용가재와 기층재료와의 간극에서 발생하는 전기적 아크열로 용가재 및 기층의 소재를 용융시켜, 한층씩 부착시키며 적층하여 조형물을 제조하는 방식이 있다. 이와 같은 형태는 GMAW 라는 용접기법을 이용하여 진행되며 이를 WA DED(Wire Arc Directed Energy Deposition) 3D 프린팅이라고 명명되어 있다. 또한, DED(Directed Energy Deposition) 방식 중에는 용사(thermal spraying)과 같이 레이저나 플라즈마 사이에 금속분말 또는 세라믹분말 또는 금속와이어를 통과시켜 용융된 금속을 분사하여 적층하는 방식도 포함된다(이하에서 3D프린터로 지칭되는 용어는 위와 같은 장치들을 포함하여 지칭한다).
DED 또는 용사기법 등을 이용한 3D 기법에서 기판재 또는 전층은 적층 과정 중에 고온의 열에 의해 용융되어 용융풀을 형성하며 용융풀의 최외곽은 고상과 액상의 경계로 약 1500℃정도의 온도를 갖으며 용융물과 인접부에 매우 극심한 온도구배가 발생하게 되어 변형과 열응력의 원인이 된다. 3000~6000℃이상의 온도를 갖는 용융풀 내의 용융물은 급속한 자연 유동 및 프린팅 속도에 따른 용융풀의 이동에 의해 프린팅 표면에는 일정 간격으로 파동모양의 리플(Ripple)이 형성되게 된다. 이하 DED, 용사 등 용융금속 또는 용융세라믹의 분출에 의해서 형성되는 단일 적층부의 파동모양의 리플(Ripple)을 적층비드라고 표현한다.
한편, DED 또는 GMAW와 용사기법 등을 이용한 3D프린팅 기법에서 적층 공정을 수행 시 평면상에서 소정 각도가 형성되어야 용융금속의 튐에 의한 스패터의 발생을 방지하고 적층결함 발생을 방지할 수 있다. 그런데, 기둥의 표면으로 돌출된 돌출부, 예컨데, 플랜지와 같은 돌출부를 적층 시 토치가 적당한 각도로 기울어져 기둥에 수직한 상태를 만들어 주어야 한다. 그러나, 이와 같은 상태를 만들기 위해 토치의 각도를 변위시키면 토치 끝의 아크 또는 용사 발생점은 미리 설정된 중심선을 이탈하여 CAM 좌표가 변하여 누적공차가 발생함에 따라 원하는 형상의 프린팅을 구현할 수가 없었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 링크모듈 등이 설치되어 토치의 기울기를 제어하고자 하는 시도가 있었으나, 과하게 큰 부피를 갖거나 틸팅각도가 제한됨에 따라 산업 현장에서 적용하기에 어려움이 있었다.
또한, 종래 일반적으로 사용되는 3D프린터는 적층이 완료된 제품에 대해 기계가공 등의 후가공이 수반되어야 하는데, 변곡이 있는 중공부가 형성된 제품은 기계가공 등의 후가공 자체가 매우 어려운 경우가 많았다. 이에 따라, 외부 형상의 변화부 또는 내부 중공부의 변화부, 예로 유로의 굴곡부분과 같이 가공이 곤란한 부분은, 후가공이 가능한 형상으로 설계가 변경되어야 했다. 또한, 종래에는 돌출부나 굴곡된 중공부를 형성하기 위해서는 별도의 지지대가 본체적층과 함께 적층되고 적층 완료 후 이를 제거하는 후공정이 필연적으로 수반되어야 함에 따라, 기계가공을 적층 과정에서 수행하는 경우 후가공에 과도한 시간과 경비가 소요되는 문제가 있었다.
따라서, 토치가 다양한 각도, 예컨데, 90도를 초과하는 각도까지 틸팅되면서도 CAM 좌표가 변하지 않아 누적공차가 발생하지 않고, 적층물에 대한 기계가공을 용이하게 수행할 수 있는 3DP 장치의 개발이 필요하다.
본 발명은 토치가 다양한 각도, 예컨데, 90도를 초과하는 각도까지 틸팅되면서도 CAM 좌표가 변하지 않아 누적공차가 발생하지 않는 3D프린터 장치용 적층부를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 적층물에 대한 기계가공을 용이하게 수행할 수 있는 3DP 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 3D프린터에 있어서, 적층물이 형성되는 작업부; 및 상기 작업부 상에서 열원을 발생시켜 적층물을 형성하는 적층부;를 포함하고, 상기 적층부는 복수의 관절을 갖는 관절부재를 포함하여, 미리 설정된 좌표 점을 기준으로 미리 설정된 복수의 각도로 틸팅되면서 아크를 발생시키거나 용사를 형성하는, 3D프린터 장치용 적층부를 제공한다.
또한, 본 발명은 전술한 3D프린터 장치용 적층부; 및 상기 적층부에 의해 적층된 적층물을 가공하기 위한 가공부;를 포함하는, 3D프린터 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, DED 또는 용사기법과 같이 고온의 열에너지로 금속분말, 세라믹분말 또는 금속소재의 와이어를 용융시켜 분출하거나 또는 WA-DED와 같이 아크를 발생시켜 적층공정을 수행하는 3D 프린팅 장치에서 토치가 다양한 각도, 예컨데, 90도를 초과하는 각도까지 틸팅되면서도 CAM 좌표가 변하지 않아 누적공차가 발생하지 않도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 다관절가공수단을 포함하여 적층물에 대한 기계가공을 용이하게 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D프린터 장치를 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D프린터 장치용 적층부를 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 3D프린터 장치용 가공부를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 상세하게 설명된다. 그러나 본 발명이 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 내용을 더 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
한편, 본 발명에서 지칭하는 3D프린터는 아크 와이어 금속 3D 적층 공정(WAAM, Wire Arc Additive Manufacturing)이 수행되는 장치와 불활성 가스 금속 아크 용접(GMAW, GMAW Gas Metal Arc Welding)이 수행되는 시스템, DED(Directed Energy Deposition) 방식 중 일 예로서 용사기법(thermal spraying method)과 같이 레이저나 플라즈마 사이에 분말 또는 와이어를 통과시켜 적층하는 방식을 사용하는 프린터 장치를 포함하여 지칭할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서 지칭하는 3D프린터는, 챔버형 와이어 아크(WA)-3D프린터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서 지칭하는 3D프린터는, 챔버형 용사-3D프린터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서 지칭하는 3D프린터는, 챔버형 DED-3D프린터를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에서 아크로 지칭되는 용어는 금속와이어에 의해 형성된 것을 지칭할 수 있고, 본 발명의 3D프린터에서 용사기법이 적용되는 경우 용사를 지칭할 수 있다.
한편, 본 발명에서 지칭하는 적층물은 하나 이상의 레이어(layer)에 의해 형성된 것을 포함하여 지칭할 수 있다.
한편, 본 발명에서 지칭하는 레이어는 동일한 높이에 형성된 하나 이상의 적층비드의 집합을 포함하여 지칭할 수 있다.
한편, 본 발명에서 지칭하는 적층비드는 아크를 열원으로 와이어가 용융되어 형성된 것뿐만 아니라 DED 방식에 의한 용사 결과의 형성체를 포함하여 지칭할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 3D프린터 장치에 적용되는 적층공정에서 발생하는 용융체를 지칭할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예로서 와이어는 솔리드 와이어(solid wire)를 포함할 수 있고, 일 예시로 금속 와이어를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에서 지칭하는 와이어는 후락스코어드와이어(Flux cored electrodes)를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에서 지칭하는 와이어는 합금성분의 분말을 내포한 메탈코어드와이어(Metal cored electrodes)를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에서 지칭하는 와이어는 다양한 조성이 적용될 수 있고 성분이 다른 2개 이상의 와이어를 사용하여 요구되는 물성 또는 합금성분의 적층물을 제작할 수 있다.
한편, 본 발명에서 지칭하는 분말은 다양한 조성의 금속분말을 포함하거나, 용도에 적절한 조성의 금속합금분말 및/또는 세라믹 분말을 추가로 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 예시로서 3D프린터는 제조하고자 하는 제품과 적층물의 형상을 3D CAD/CAM 등의 소프트웨어로 구현하고, 구현된 데이터를 기반으로 적층 경로가 설정되어 레이어를 적층하는 장치가 적용될 수 있으며, 이를 위해 아크토치부 및/또는 작업부가 틸팅될 수 있다. 한편, 본 발명의 일 예시로서 용접 프로세스 모드는 일반적인 GMA용접 프로세스 외에 콜드 메탈 트랜스퍼 용접법(Cold Metal Transfer Welding; CMT), 펄스 아크 용접(Pulse arc process), 또는 이들을 소정 주기로 교차하는 CMT-P 용접법 등이 적용되어 적층비드, 레이어, 적층물을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D프린터 장치를 나타낸 것이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D프린터 장치용 적층부를 나타낸 것이며, 도 4 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 3D프린터 장치용 가공부를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 3D프린터 장치(1)는 적층부(100), 가공부(200), 및 작업부(10)를 포함할 수 있다. 적층부(100)는 DED 또는 용사기법과 같이 고온의 열에너지로 금속분말, 세라믹분말 또는 금속소재의 와이어를 용융시켜 분출함으로써 적층공정을 수행하거나 WA-3DP와 같이 아크를 발생하여 적층을 수행하며, 가공부(200)는 적층공정에 의해 형성된 적층물에 대한 기계가공을 수행하며, 작업부(10)는 적층공정 및/또는 기계가공이 수행되는 것으로 작업대 및 인덱스를 포함하고 작업부(10)는 적층공정 및/또는 기계가공 중에 틸팅이 수행될 수 있다. 각 구성요소는 이하 도면을 들어 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 적층부(100)는 DED 또는 용사기법과 같이 고온의 열에너지로 금속, 세라믹분말 또는 금속소재의 와이어를 용융시켜 분출함으로써 또는 아크에 의해 적층공정을 수행하는 것으로, 구동제어부재(110), 길이조절부재(120), 연결부재(130), 관절부재(140), 및 토치(150)를 포함한다. 이때, 본 발명의 적층부(100)는 복수의 관절을 갖는 관절부재(140)를 포함하여, 미리 설정된 좌표 점을 기준으로 미리 설정된 복수의 각도로 틸팅되면서 아크를 발생시키거나 용사를 형성할 수 있다. 이에 따라, 적층공정 중 CAD/CAM 등의 미리 설정된 좌표가 변하지 않아 누적공차가 발생하지 않음으로써 적층물 품질의 신뢰성이 향상될 수 있다.
구동제어부재(110)는 적층부(100)의 타 말단에 배치되어 가이드바(3)에 설치되며 적층부(100)의 구동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 구동제어부재(110)는 가이드바(3)에 설치된 가이드레일(4)을 따라 x축 방향으로 이동하여 미리 설정된 CAD/CAM 상의 좌표점에 위치한 후 고정될 수 있다. 구동제어부재(110)에는 볼베어링과 서보모터 등이 설치될 수 있다.
길이조절부재(120)는 구동제어부재(110)에 연결되어 적층부(100)에서 z축 방향의 길이를 조절할 수 있다. 즉, 토치(150)와 관절부재(140)가 가이드바(3)로부터 이격되는 길이가 조절될 수 있다.
연결부재(130)는 길이조절부재(120)와 관절부재(140) 사이에 배치되되 길이조절부재(120)가 연장되는 방향에서 xy평면 방향으로 절곡되면서 소정 길이로 연장되는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 연결부재(130)는 길이조절부재(120)로부터 틸팅이 가능하도록 설치되어 토치(150)와 작업점의 각도를 다변화시킬 수 있다.
토치(150)는 적층부(100)의 일 말단에 배치되어 열원을 발생시키며 관절부재(140)에 연결될 수 있다.
관절부재(140)는 토치(150)가 미리 설정된 좌표 점을 기준으로 미리 설정된 복수의 각도로 틸팅되면서 아크를 발생시키거나 용사를 형성하는 것으로서, 토치(150)에 연결되는 제1관절(141), 제1관절(141)로부터 틸팅이 가능하도록 설치되는 제2관절(142), 및 제2관절(142)로부터 틸팅이 가능하도록 설치되는 제3관절(143)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 토치(150)가 미리 설정된 좌표 점을 기준으로 미리 설정된 복수의 각도로 틸팅되면서 아크를 발생시키거나 용사를 형성할 수 있다.
즉, 3D프린터는 설비 특성 항 공간이 제한되며, 특히, 적층부(100)와 가공부(200)가 하나의 챔버 내에서 인접하여 배치되는 경우에는 더욱 공간이 제약된다. 이러한 제한된 공간에서 본 발명의 3D프린터(1) 장치를 사용하여 3D프린팅 제품의 특정부위를 적층 시 공간효율을 높일 수 있고, 부분적으로 돌출된 부분의 적층 시에도 공간 활용을 높일 수 있다.
예를 들어, 제1관절(141), 제2관절(142) 및 제3관절(143) 내부에는 금속와이어의 통행경로가 마련될 수 있으나, 90°를 초과하는 각도로 틸팅되는 과정에서 와이어 공급이 원활하지 못할 수 있으므로, 금속와이어는 별도의 공급부재, 예를 들어, 튜브를 통해 공급될 수 있다. 이와 동일한 이유로 실딩가스도 별도의 공급부재를 통해 공급될 수 있다.
한편, 본 발명의 관절부재(140)는 연결부재(130)와 거리조절수단(131)을 매개로 연결될 수 있다. 거리조절수단(131)은 소정 길이를 갖도록 연장된 연결부재(130)를 따라 이동할 수 있다. 이에 따라, 토치(150)가 미리 설정된 좌표 점을 기준으로 90°를 초과하는 각도로 틸팅되면서 아크를 발생시키거나 용사를 형성하되, 관절부재(140)의 떨림을 최소화시킬 수 있다. 즉, 정밀한 적층공정을 수행하기 위해 토치(150)와 직접 연결된 관절부재(140)는 길이가 조절되지 않는 구조가 적용될 수 있으므로, 본 발명은 길이조절부재(120)가 연장되는 방향에서 xy평면 방향으로 절곡되면서 소정 길이로 연장되는 구조를 갖되, 연결부재(130)에 마련된 거리조절수단(131)을 매개로 관절부재(140)가 xy평면에서 이동되도록 하여 관절부재(140)의 떨림을 최소화시키면서도 토치(150)가 미리 설정된 좌표 점을 기준으로 90°를 초과하는 각도 범위까지 틸팅되면서 아크를 발생시키거나 용사를 형성할 수 있도록 하였다.
예를 들어, 거리조절수단(131)은 연결부재(130)와 암수구조로 체결되며 거리조절수단(131)에 마련된 가이드레일을 따라 이동하는 동작이 가능하며, 구동제어부재(110)에 의해 작동이 제어될 수 있다.
도 2를 참조하면, 구동제어부재(110)는 미리 설정된 CAD/CAM 상의 좌표점으로 이동하여 적층물(5)에 대한 작업점(5a)과 0° 각도에서 적층공정을 수행할 수 있다. 이후, 적층물(5)의 작업점(5a)과 5~15°, 예를 들어 10° 각도에서 적층공정을 수행하기 위해 거리조절수단(131)이 연결부재(130)를 따라 xy평면으로 이동하고, 제1관절(141)이 제2관절(142)로부터 틸팅될 수 있다. 이후, 적층물(5)의 작업점(5a)과 60° 각도에서 적층공정을 수행하기 위해 길이조절부재(120)가 구동제어부재(110)로부터 z축 방향으로 돌출되어 이동하고, 연결부재(130)는 길이조절부재(120)로부터 소정 각도로 틸팅되며 제2관절(142)은 제3관절(143)로부터, 제1관절(141)은 제2관절(142)로부터 각각 틸팅될 수 있다.
도 3을 참조하면, 적층물(5)의 작업점(5a)과 90° 각도에서 적층공정을 수행하기 위해 길이조절부재(120)가 구동제어부재(110)로부터 z축 방향으로 돌출되어 추가적으로 이동하고, 연결부재(130)는 길이조절부재(120)로부터 소정 각도로 틸팅되며, 제2관절(142)은 제3관절(143)로부터, 제1관절(141)은 제2관절(142)로부터 각각 틸팅될 수 있다. 이후, 적층물(5)의 작업점(5a)과 105° 각도에서 적층공정을 수행하기 위해 길이조절부재(120)가 구동제어부재(110)로부터 z축 방향으로 돌출되어 이동하고, 연결부재(130)는 길이조절부재(120)로부터 소정 각도로 틸팅되며 제2관절(142)은 제3관절(143)로부터, 제1관절(141)은 제2관절(142)로부터 각각 틸팅될 수 있다.
일 예로서, 관절부재(140)에서 제1관절(141), 제2관절(142), 및 제3관절(143)은 예시로 설명된 것이며, 2개의 관절 또는 4개 이상의 관절이 적용될 수도 있다.
한편, 관절부재(140)를 구성하는 상기 관절의 구동을 제어하기 위한 공지의 구동수단이 적용될 수 있다. 예를 들어, 관절부재(140)의 구동을 제어하기 위한 소형의 서보모터가 적용되어 각 상기 관절의 틸팅각도가 정밀하게 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 서보모터는 각 상기 관절과 관절의 연결위치에 설치될 수 있다. 예를 들어, 제1관절(141)과 제2관절(142)의 연결위치, 제2관절(142)과 제3관절(143)의 연결위치에 상기 서보모터가 설치될 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 토치(150)와 연결된 관절부재(140)를 구성하는 복수의 상기 관절과 이의 구동수단이 적용되어, 복수의 상기 관절의 회전에 의한 꺾임과 연결부재(130)의 틸팅으로 적층부(100)를 구성하는 장치의 구동범위를 최소화하여 떨림 발생을 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명은 틸팅각도, 예를 들어, 0°, 5~15°, 60°, 90°, 105° 등 범위에 따라 연결부재(130)의 틸팅과 관절부재(140)의 각 상기 관절이 미리 설정된 값으로 회전, 즉, 변위되어 적층 틸팅각도를 구현할 수 있다.
즉, 본 발명은 연결부재(130)의 틸팅과 관절부재(140)의 회전으로 작업반경을 최소화시킴으로써 작업공간을 극대화하여 토치(150)가 다양한 각도, 예컨데, 90도를 초과하는 각도까지 틸팅되면서도 CAM 좌표가 변하지 않아 누적공차가 발생하지 않는 3D프린터용 적층부(100)를 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 예로서, 관절부재(140)를 구성하는 적어도 일부의 관절은 길이가 조절될 수 있다. 길이가 조절되는 방법은 수축과 신장에 의한 방법, 복수의 직경을 갖는 부재로 이루어져 상대적으로 직경이 작은 부재가 큰 부재에 인입되거나 인출되는 방법 등이 공지의 수단이 적용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 전술한 적층부(100)에 의해 적층된 적층물(5)을 가공하기 위한 가공부(200)가 도시된다.
가공부(200)는 가공부 구동제어부재(210), 기어박스 연결부재(220), 기어박스(230), 가공수단 연결부재(240), MCT척(250), 및 가공공구(266)를 포함할 수 있다.
가공부 구동제어부재(210)는 가공부(200)가 가이드바(3)에 마련된 가이드레일(4)을 따라 이동하도록 하며, 가공공구(266)에 의한 가공공정을 제어할 수 있다. 가공부 구동제어부재(210)에는 볼베어링과 서보모터 등이 설치될 수 있다.
기어박스(230)는 가공부(200)의 틸팅과 가공공정을 제어하기 위한 장치들이 설치될 수 있다.
가공공구체결부재(265)에는 가공공구(266)가 체결될 수 있다. 일 예로, 가공공구체결부재(265)에 MCT척(250)이 마련되어 드릴, 밀링커터 등 다양한 공구를 교체하여 적용할 수 있다.
기어박스(230)는 가공부 구동제어부재(210)와 기어박스 연결부재(220)로 연결되되, 기어박스(230)는 기어박스 연결부재(220)로부터 틸팅이 가능할 수 있다.
가공공구체결부재(265)는 기어박스(230)와 가공수단 연결부재(240)로 연결되되, 가공공구체결부재(265)는 가공수단 연결부재(240)로부터 틸팅이 가능할 수 있다. 일 예로, 가공수단 연결부재(240)는 길이가 조절될 수 있다. 길이가 조절되는 방법은 수축과 신장에 의한 방법, 복수의 직경을 갖는 부재로 이루어져 상대적으로 직경이 작은 부재가 큰 부재에 인입되거나 인출되는 방법 등이 공지의 수단이 적용될 수 있다.
예를 들어, 가공부(200)는 5축가공기 또는 6축가공기가 적용될 수 있다.
예를 들어, 가공부(200)는 절삭가공기계가 적용될 수 있다.
도 5 내지 도 10을 참조하면, 가공부는(200a) 다관절가공수단(260a, 260b, 260c, 260d)이 적용될 수 있다. 즉, 3D프린터는 설비 특성 상 공간이 제한되며, 특히, 적층부(100)와 가공부(200)가 하나의 챔버 내에서 인접하여 배치되는 경우에는 더욱 공간이 제약된다. 이러한 제한된 공간에서 본 발명의 다관절가공수단(260a, 260b, 260c, 260d)을 활용하여 특정부위를 가공하거나 부분적으로 돌출된 부분을 가공하여 공간효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 다관절가공수단(260a, 260b, 260c, 260d)을 적용하여 종래에는 가공하기 어려웠던 중공형 제품, 예를 들어, 밸브와 같은 제품 내측부를 용이하게 가공할 수 있다. 또한, 본 발명의 다관절가공수단(260a, 260b, 260c, 260d)을 적용하여 여러 부위를 동시에 가공하여 3D프린팅 제품의 가공 시간을 크게 단축시킬 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 다관절가공수단(260a, 260b, 260c, 260d)을 적용하여 적층물(7)의 외측부와 내측부의 가공이 동시에 수행될 수 있다.
예를 들어, 다관절가공수단(260a)은 가공공구체결부재(265)에 연결된 복수의 관절을 포함할 수 있고, 일 예로, 가공수단제1관절(267) 및 가공수단제2관절(268)을 포함할 수 있다. 가공수단제1관절(267)은 가공공구체결부재(265)로부터 틸팅이 가능하도록 연결되고, 가공수단제2관절(268)은 일 말단에 가공공구(266)가 체결되며 타 말단은 가공수단제1관절(267)에 틸팅이 가능하도록 연결될 수 있다.
예를 들어, 다관절가공수단(260a)를 구성하는 상기 관절의 구동을 제어하기 위한 공지의 구동수단이 적용될 수 있다. 예를 들어, 다관절가공수단(260a)의 구동을 제어하기 위한 소형의 서보모터가 적용되어 각 상기 관절의 틸팅각도가 정밀하게 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 서보모터는 각 상기 관절과 관절의 연결위치에 설치될 수 있다. 예를 들어, 가공수단제1관절(267)과 가공수단제2관절(268)의 연결위치, 가공수단제2관절(268)과 가공공구체결부재(265)의 연결위치, 가공공구체결부재(265)와 가공수단 연결부재(240)의 연결위치에 상기 서보모터가 설치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 다관절가공수단(260b)은 제1다관절가공수단(261), 제2다관절가공수단(262), 제3다관절가공수단(263), 및 제4다관절가공수단(264)을 포함할 수 있다. 제1다관절가공수단(261), 제2다관절가공수단(262), 제3다관절가공수단(263), 및 제4다관절가공수단(264)은 각각 전술한 가공수단제1관절(267), 가공수단제2관절(268), 및 가공공구(266)가 마련될 수 있다.
도 7을 참조하면, 다관절가공수단(260b)의 제1다관절가공수단(261), 제2다관절가공수단(262), 제3다관절가공수단(263), 및 제4다관절가공수단(264)은 가공부 구동제어부재(210)에 의해 개별적으로 제어될 수 있고, 미리 설정된 알고리즘 및/또는 작업자의 제어에 의해 틸팅되어 적층물(6)의 외표면의 복수 영역을 동시에 가공할 수 있다. 이에 따라, 종래 적층물(6)의 가공에 소요된 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
한편, 다관절가공수단(260b)의 제1다관절가공수단(261), 제2다관절가공수단(262), 제3다관절가공수단(263), 및 제4다관절가공수단(264)은 각각 전술한 가공수단제1관절(267), 가공수단제2관절(268), 및 가공공구(266)가 마련될 수 있다.
도 8을 참조하면, 다관절가공수단(260c)은 진동보정수단(270)을 더 포함할 수 있다. 3D프린터 장치의 가공부는 기계가공이 수반되므로 진동이 발생할 수 있는데, 이에 따라 가공공정의 정밀성이 열악해질 수 있다. 이때, 여러 각도로 절곡 가능한 다관절을 포함하는 가공수단이 적용되는 경우 특히 관절과 관절의 연결부분이 진동에 취약할 수 있다.
이를 방지하기 위해 본 발명의 가공부(200c)는 가공수단제1관절(267)과 가공공구체결부재(265)의 연결지점 및 가공수단제1관절(267)와 가공수단제2관절(268)의 연결지점에 진동보정수단(270)이 마련될 수 있다.
예를 들어, 진동보정수단(270)은 완충패드가 적용되어 발생 가능한 진동을 흡수할 수 있다. 일 예로, 완충패드는 우레탄 소재를 포함할 수 있다.
이 외에도, 진동보정수단(270)은 기계장치의 강성으로 진동을 방지하기 위해, 각 관절의 연결부위의 강성을 보강하기 위한 공지의 설비가 포함될 수도 있다.
한편, 다관절가공수단(260c)의 제1다관절가공수단(261), 제2다관절가공수단(262), 제3다관절가공수단(263), 및 제4다관절가공수단(264)은 각각 전술한 가공수단제1관절(267), 가공수단제2관절(268), 및 가공공구(266)가 마련될 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 다관절가공수단(260d)은 길이가 조절될 수 있다.
예를 들어, 복수 개의 다관절가공수단(260d) 중 적어도 하나는 길이가 조절될 수 있다.
예를 들어, 제1다관절가공수단(261), 제2다관절가공수단(262), 제3다관절가공수단(263), 및 제4다관절가공수단(264) 중 적어도 어느 하나는 길이조절 기능이 수행될 수 있다.
예를 들어, 각 다관절가공수단(260d)을 구성하는 가공수단제1관절(267) 및 가공수단제2관절(268) 중 적어도 어느 하나는 길이조절 기능이 수행될 수 있다.
상기 길이조절 기능은 가공부 구동제어부재(210)에 의해 제어될 수 있고, 미리 설정된 알고리즘 및/또는 작업자의 제어에 의해 틸팅 및/또는 길이조절 기능이 수행되어 적층물(7)의 외표면과 내표면의 복수 영역을 동시에 가공할 수 있다.
일 예로서, 상기 길이조절 기능은 수축과 신장에 의한 방법, 복수의 직경을 갖는 부재로 이루어져 상대적으로 직경이 작은 부재가 큰 부재에 인입되거나 인출되는 방법 등이 공지의 수단이 적용될 수 있다.
본 발명의 전술한 구조에 의해 적층공정 시 토치(150) 각도를 90° 이상으로 제어할 수 있고, 적층물의 내/외측부의 복수 영역을 동시에 가공할 수 있게 됨에 따라, 굴곡진 유로를 가진 글로브밸브 등을 3D프린터 장치로 용이하게 제작하면서도 높은 품질의 신뢰성을 확보할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.
예를 들어, 도면은 이해를 돕기 위해 각각의 구성요소를 주체로 하여 모식적으로 나타낸 것으로, 도시된 각 구성요소의 두께, 길이, 개수 등은 도면 작성의 진행상, 실제와 다를 수 있다. 또한, 상기의 실시형태에서 나타낸 각 구성요소의 재질이나 형상, 치수 등은 한 예로서, 특별히 한정되지 않고, 본 발명의 효과에서 실질적으로 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 변경이 가능하다.
1: 3D프린터
2: 챔버
3: 가이드바
4: 가이드레일
5, 6, 7: 적층물
5a: 작업점
10: 작업부
11: 작업대
12: 인덱스
100: 적층부
110: 구동제어부재
120: 길이조절부재
130: 연결부재
131: 거리조절수단
140: 관절부재
141: 제1관절
142: 제2관절
143: 제3관절
150: 토치
200, 200a, 200b, 200c, 200d: 가공부
210: 가공부 구동제어부재
220: 기어박스 연결부재
230: 기어박스
240: 가공수단 연결부재
250: MCT척
260a, 260b, 260c, 260d: 다관절가공수단
261, 261a: 제1다관절가공수단
262, 262a: 제2다관절가공수단
263, 263a: 제3다관절가공수단
264, 264a: 제4다관절가공수단
265: 가공공구체결부재
266: 가공공구
267: 가공수단제1관절
268: 가공수단제2관절
270: 진동보정수단

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 적층물이 형성되는 작업부;
    상기 작업부 상에서 열원을 발생시켜 적층물을 형성하는 적층부; 및
    상기 적층부에 의해 적층된 적층물을 가공하기 위한 가공부; 를 포함하고,
    상기 적층부 및 상기 가공부는 가이드바에 설치되되, 상기 가이드바에 마련된 가이드레일을 따라 이동하며,
    상기 적층부는 복수의 관절을 갖는 관절부재를 포함하여, 미리 설정된 좌표점을 기준으로 미리 설정된 복수의 각도로 틸팅되면서 아크를 발생시키거나 용사를 형성하며,
    상기 적층부는 일 말단에 배치되어 열원을 발생시키며 상기 관절부재에 연결되는 토치, 타 말단에 배치되어 상기 가이드바에 설치되며 상기 적층부의 구동을 제어하는 구동제어부재, 상기 구동제어부재에 연결되어 z축 방향의 길이가 조절되는 길이조절부재, 및 상기 길이조절부재와 관절부재 사이에 배치되는 연결부재를 포함하며,
    상기 관절부재는, 상기 토치에 연결되는 제1관절, 상기 제1관절로부터 틸팅이 가능하도록 설치되는 제2관절, 및 상기 제2관절로부터 틸팅이 가능하도록 설치되는 제3관절을 포함하여, 상기 토치가 미리 설정된 좌표 점을 기준으로 미리 설정된 복수의 각도로 틸팅되면서 아크를 발생시키거나 용사를 형성하고,
    상기 연결부재는 상기 길이조절부재가 연장되는 방향에서 xy평면 방향으로 절곡되면서 소정 길이로 연장되고,
    상기 관절부재는 상기 연결부재에 거리조절수단을 매개로 연결되며, 상기 거리조절수단이 상기 연결부재의 연장 방향을 따라 이동함에 따라, 상기 토치가 미리 설정된 좌표 점을 기준으로 90°를 초과하는 각도로 틸팅되면서 아크를 발생시키거나 용사를 형성하며,
    상기 토치와 관절부재가 상기 가이드바로부터 이격되는 길이가 조절되어, 상기 토치가 90도를 초과하는 각도까지 틸팅되면서도 CAM 좌표가 변하지 않아 누적공차가 발생하지 않고,
    상기 가공부는 일 말단에 상기 적층물을 가공하기 위한 가공공구가 마련되는 가공수단, 타 말단에 배치되어 상기 가이드바에 설치되어 상기 가공부의 구동을 제어하는 가공부 구동제어부재를 포함하고,
    상기 가공수단은, 상호 틸팅이 가능하도록 연결되는 복수 개의 관절을 포함하되 일 말단에 가공공구가 체결되는 다관절가공수단 이며,
    상기 다관절가공수단은 복수 개가 마련되어 상기 적층물의 외측부와 내측부의 가공이 동시에 수행되는,
    3D프린터 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 가공공구의 진동을 방지하기 위한 진동보정수단을 더 포함하는, 3D프린터 장치.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 복수 개의 다관절가공수단 중 적어도 하나는 길이가 조절되는, 3D프린터 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101317705B1 (ko) * 2012-04-16 2013-10-17 김도현 용접토치 자동제어기능을 갖춘 티그용접 테이블장치
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