KR200491716Y1 - 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지 - Google Patents

스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지 Download PDF

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Abstract

본 고안은 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지 구조에 관한 것으로서, 카트리지프레임의 상측에 고정되고 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물로 조성된 다수의 재료스틱이 수납되며 소정 각도의 경사면을 갖는 재료스틱수납함을 포함하는 재료공급부; 재료공급부의 하부에 배치되고 재료공급부로부터 공급된 다수의 재료스틱이 낱개씩 정렬되어지는 복수의 정렬홈을 포함하고 일 방향으로 회전하는 원통형정렬부재를 포함하는 재료스틱정렬부; 원통형정렬부재에 의해 선별된 재료스틱이 재료토출경사면을 따라 이동하여 안착되는 안착홈 및 안착홈에 안착된 재료스틱이 토출되는 재료스틱을 포함하는 재료장착대; 장착대의 길이 방향과 평행한 방향으로 연장되어 카트리지프레임의 일 측에 연결되는 렉기어; 및 렉기어와 맞물려 재료장착대를 수평방향에서 수직방향으로 회전운동시키는 피니언기어를 포함하고, 재료장착대는 렉기어 및 피니언기어에 의해 수평 상태와 수직 상태간의 전환이 가능하다. 이에, 다수의 재료스틱을 낱개씩 정렬할 수 있는 원통형정렬부재를 포함함으로써 용이하게 재료스틱을 공급할 수 있다.

Description

스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지{A CARTRIDGE FOR THREE DIMENSIONAL PRINTER SUPPLYING STICK-TYPE METAL AND CERAMIC MATERIAL}
본 고안은 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3차원 프린터의 원료공급 구조를 개선함으로써 편의성이 증대된 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지에 관한 것이다.
일반적으로 입체 형상의 제품에 대한 제조는 한 층씩 쌓아 올리는 적층형 방식과, 큰 덩어리를 깍아 가면서 조작하는 절삭형 방식을 사용하고 있다.
최근 사용되고 있는 3차원(3D, 3-Dimension) 프린팅 장치는 전술된 적층식 방식에 의한 입체 형상의 제품을 제조하는 장치로서, 복잡한 형상에 상관없이 제조가 가능하며 각 레이어(층)를 얇게 할수록 정밀한 형상을 얻을 수 있고, 제조시간이 절삭형 방식에 비해 상대적으로 짧다는 점에 의해 다양하게 사용되고 있다.
일반적인 3차원 프린팅 장치는 프린팅 과정 시 압출 장치를 이용하여 노즐로 필라멘트(Filament)를 제공함과 더불어 해당 노즐을 통과하는 과정에서 필라멘트가 용융되도록 한 후 순차적으로 압출하면서 각 레이어별로 적층하는 방식을 수행한다.
그러나, 종래의 3차원 프린팅 장치는 성형되는 3차원 대상의 색상, 강도, 또는 재질감 등을 다양하게 표현하기 위해 프린트 공정 중에 필라멘트를 교체해야 하는 불편함이 존재한다.
또한, 일반적인 프린팅 장치의 경우 플라스틱 원료를 이용하기 때문에 재료의 지름이 작고 재료의 텐션(tension)이 좋아서 재료의 필라멘트화가 가능하지만, 고강도성과 높은 정밀도를 요하는 금속 부품과 같은 강(鋼)제품을 성형하기에는 접합하지 아니하며, 펠릿 또는 분말 형태의 필라멘트를 이용함에 따라 재료공급에 다소 긴 시간이 소요된다는 문제가 여전히 존재한다.
본 고안이 해결하고자 하는 과제는 다수의 재료스틱을 낱개씩 정렬할 수 있는 원통형정렬부재를 통해 편의성이 증대된 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지를 제공하는 것이다.
본 고안이 해결하고자 하는 다른 과제는 다수의 재료스틱을 수납할 수 있는 수납함을 포함하는 공급부와 공급부에 안착된 재료스틱을 낱개씩 정렬할 수 있는 원통형정렬부재로부터 재료스틱을 자동으로 토출함으로써 재료 공급에 소요되는 시간을 단축하여 출력속도를 향상시킨 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지를 제공하는 것이다.
본 고안의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 고안의 일 실시예에 따른 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지 구조는 카트리지프레임의 상측에 고정되고 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물로 조성된 다수의 재료스틱이 수납되며 소정 각도의 경사면을 갖는 재료스틱수납함을 포함하는 재료공급부; 재료공급부의 하부에 배치되고 재료공급부로부터 공급된 다수의 재료스틱이 낱개씩 정렬되어지는 복수의 정렬홈을 포함하고 일 방향으로 회전하는 원통형정렬부재를 포함하는 재료스틱정렬부; 원통형정렬부재에 의해 선별된 재료스틱이 재료토출경사면을 따라 이동하여 안착되는 안착홈 및 안착홈에 안착된 재료스틱이 토출되는 재료스틱을 포함하는 재료장착대; 장착대의 길이 방향과 평행한 방향으로 연장되어 카트리지프레임의 일 측에 연결되는 렉기어; 및 렉기어와 맞물려 재료장착대를 수평방향에서 수직방향으로 회전운동시키는 피니언기어를 포함하고, 재료장착대는 렉기어 및 피니언기어에 의해 수평 상태와 수직 상태간의 전환이 가능하다. 이에, 다수의 재료스틱을 낱개씩 정렬할 수 있는 원통형정렬부재를 포함함으로써 용이하게 재료스틱을 공급할 수 있다.
본 고안의 다른 특징에 따르면, 재료스틱정렬부의 일 측에 원통형정렬부재를 회전시키기 위한 서보모터를 더 포함하며, 원통형정렬부재는 서보 모터에 의해 일 방향으로 90°씩 회전하며 상부 방향에서 공급된 재료스틱을 복수의 정렬홈에 낱개씩 정렬하고, 복수의 정렬홈에 정렬된 재료스틱은 하부 방향으로 토출될 수 있다.
본 고안의 또 다른 특징에 따르면, 안착홈은 재료장착대의 길이 방향으로 연장되며 내측으로 오목한 반구 형상을 갖고, 재료장착대의 안착홈에 재료스틱이 안착된 경우, 렉기어 및 피니언기어에 의해 재료장착대의 상태가 전환되어 재료스틱토출홀이 카트리지프레임 하부에 배치된 재료토출구와 접촉하고 재료토출구에 의해 재료스틱이 토출될 수 있다.
본 고안의 또 다른 특징에 따르면, 재료스틱은 금속 및 세라믹 분말과 고분자 바인더로 구성되는 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물이 바(Bar) 형태로 제조되고, 고분자 바인더는 결합제, 가소제 및 윤활제를 포함 수 있다.
본 고안의 또 다른 특징에 따르면, 재료스틱수납합은 수납된 다수의 재료스틱이 재료공급부에서 원통형정렬부재로 이동하도록 하측에 소정 각도의 경사면을 갖고, 경사면의 일 측 선단에는 수납되는 재료스틱의 길이 방향과 평행한 방향으로 직선홈이 형성될 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 고안은 다수의 재료스틱을 낱개씩 정렬할 수 있는 원통형정렬부재를 통해 편의성을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 고안은 다수의 재료스틱을 수납할 수 있는 수납함을 포함하는 공급부와 공급부에 안착된 재료스틱을 낱개씩 정렬할 수 있는 원통형정렬부재와 원통형정렬부재로부터 재료스틱을 자동으로 토출함으로써 재료 공급에 소요되는 시간을 단축하여 출력속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 고안은 다수의 재료스틱을 수납하는 공급부와 공급부로부터 재료를 낱개씩 토출하는 토출부로 구성된 새로운 카트리지 구조를 통해 3차원 프린팅 장치를 소형화하여 설치 공간의 제약을 받지 않을 수 있다.
본 고안에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 3차원 프린터용 카트리지에서 재료 공급부가 분리된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 3차원 프린터용 카트리지를 정면에서 바라본 부분 단면도이다.
도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 3차원 프린터용 카트리지를 상부에서 바라본 부분 사시도이다.
도 5는 본 고안의 일 실시예에 따른 재료토출부를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 고안의 일 실시예에 따른 3차원 프린터용 카트리지의 재료공급 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하의 내용은 단지 고안의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 고안의 원리를 구현하고 고안의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 고안할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 고안의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 이하의 설명에서 제1, 제2 등과 같은 서수식 표현은 서로 동등하고 독립된 객체를 설명하기 위한 것이며, 그 순서에 주(main)/부(sub) 또는 주(master)/종(slave)의 의미는 없는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 고안의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
본 고안의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 다양한 실시예들을 상세히 설명한다.
이하에서는, 도 1 내지 도 5를 참조하여 3차원 프린팅 장치의 구성에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지를 나타낸 사시도이다. 도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 3차원 프린터용 카트리지에서 재료 공급부가 분리된 상태를 나타낸 사시도이다. 도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 3차원 프린터용 카트리지를 정면에서 바라본 부분 단면도이다. 도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 3차원 프린터용 카트리지를 상부에서 바라본 부분 사시도이다. 도 5는 본 고안의 일 실시예에 따른 재료토출부를 설명하기 위한 도면이다.
3차원 프린터용 카트리지 구조
도 1을 참조하면, 3차원 프린터용 카트리지는 재료공급부(100), 재료스틱정렬부(200), 재료장착대(240), 렉기어(310) 및 피니언기어(330)를 포함한다.
재료공급부(100)는 외부에서 공급되는 다수의 재료스틱을 수납하여 3차원 프린터용 카트리지 내부로 재료스틱을 공급하기 위한 구성으로서, 카트리지프레임(400)의 상측에 고정되고 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물로 조성된 다수의 재료스틱이 수납되는 재료스틱수납함(110)을 포함한다. 여기서, 재료스틱수납함(110)은 수납된 다수의 재료스틱이 재료공급부(100)에서 재료스틱정렬부(200)로 이동하도록 하측에 소정 각도의 경사면을 갖고, 상기 경사면의 일 측 선단에는 수납되는 재료스틱의 길이 방향과 평행한 방향으로 직선홈(111)이 형성된다. 이에, 재료공급부(100)에 수납된 다수의 재료스틱은 도 3에 도시된 바와 같이, 하나씩 하부에 배치된 재료스틱정렬부(200)의 정렬홈(211)으로 이동할 수 있다. 재료스틱에 대한 보다 구체적인 내용은 추후 설명하기로 한다.
재료스틱정렬부(200)는 재료공급부(100)의 하부에 배치되어 재료공급부(100)로부터 공급된 다수의 재료스틱을 정렬하기 위한 구성으로서, 다수의 재료스틱이 낱개씩 정렬되어지는 복수의 정렬홈(211)이 외측에 형성된 원통형정렬부재(210)를 포함한다. 이때, 재료스틱정렬부(200)에 포함된 원통형정렬부재(210)가 일 방향으로 회전하면서 상부에 형성된 직선홈(111)을 통해 재료스틱이 외측에 형성된 복수의 정렬홈(211)에 낱개씩 정렬된다. 여기서, 원통형정렬부재(210)는 재료스틱정렬부(200)의 상측에 배치된 서보 모터(Servo Motor, 220)에 의해 일 방향으로 90°씩 회전할 수 있다.
서보 모터(220)는 원통형정렬부재(210)가 정확히 90°로 회전하기 위한 위치제어하기 위한 구성이며, 스테핑 모터(Stepping Motor)일 수도 있다.
도 3을 참조하면, 진동 모터(340)는 재료스틱이 직선홈(111)으로 원활하게 공급될 수 있도록 도와주는 구성으로서, 재료스틱정렬부(200) 상단에 배치된 재료공급부(100)에 포함된다. 한편, 도 3에서는 진동 모터(340)가 세 개 배치된 것으로 도시하였으나 개수는 이에 한정되지 않는다.
재료장착대(240)는 재료스틱정렬부(200) 하부에 배치되고 원통형정렬부재(210)로부터 하나씩 토출되는 재료스틱을 홀딩하기 위한 구성이다. 도 4를 참조하면, 원통형정렬부재(210)에 의해 선별된 재료스틱이 재료토출경사면(230)을 따라 이동하여 안착되는 안착홈(242) 및 안착홈(242)에 안착된 재료스틱이 재료토출구(500)로 토출되기 위해 측면에 형성된 재료스틱토출홀(241)을 포함한다. 재료토출구(500)는 3차원 프린팅 장치로 재료스틱을 원활히 공급하기 위한 구성으로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 카트리지프레임(400)의 하측에 배치되며 원통형정렬부재(210)의 움직임에 따라 재료스틱이 재료스틱토출홀(241)에서 재료토출구(500)로 낱개씩 토출된다.
또한, 재료장착대(240)는 후술할 렉기어(310)와 피니언기어(330)에 의해 수평 상태와 수직 상태간의 전환이 가능하다. 보다 구체적인 재료장착대(240)의 동작은 도 6a 내지 도 6d를 참조하여 후술하기로 한다.
피니언기어(330)는 렉기어(310)와 맞물려 직선운동을 회전운동으로 바꾸어주는 구성으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 카트리지 프레임 하측에 배치된 기어부(300)에 포함된 구동축에 배치된다. 또한, 피니언기어(330)는 재료장착대(240)와 기어부(300) 사이에 배치되어 피니언기어(330)의 하측의 적어도 일부 영역은 렉기어(310)와 접하고 상측의 적어도 일부 영역은 재료장착대(240)와 접한다.
렉기어(310)는 피니언기어(330)와 치합되며 구동축에 의해 회전하는 피니언기어(330)에 의해 직선왕복 운동되고 장착대의 길이 방향과 평행한 방향으로 연장된다. 피니언기어(330) 및 렉기어(310)에 의한 재료장착대(240)의 구체적인 동작은 도 6a 내지 6d를 참조하여 후술하기로 한다.
금속 및 세라믹 분말 함유 조성물
본 고안에서 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물을 구성하는 금속 및 세라믹 분말은 SUS-304L 또는 SUS-316L의 강(鋼) 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인레스강이 분체화(粉體化)된 금속 및 세라믹 분말을 이용한다. 여기서, 오스테나이트계 스테인레스강은 Cr-Ni계 스테인레스강으로도 불리며, Fe에 Cr과 Ni을 첨가한 것이다. 다시 말해, 오스테나이트계 스테인레스강의 주성분은 Fe, Cr, Ni로 이루어지고, 그 외에는 하기의 표 1에 나타내는 각종의 첨가물을 포함할 수 있다. 하기의 표 1은 본 고안에서 3차원 프린팅용 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물을 제조하기 위해 사용되는 금속 및 세라믹 분말의 성분인 오스테나이트계 스테이레스강의 바람직한 예를 나타낸 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
성분 C Si Mn Cr Ni Mo P S 기타
조성 1(질량%) 0.03
이하		 1.0
이하		 1.0
이하		 18 ~ 20 10 ~ 12 0.2
이하		 0.03
이하		 0.03
이하		 잔부 Fe 및
기타 불가피한 불순물
조성 2(질량%) 0.03
이하		 1.0
이하		 1.5
이하		 16 ~ 18 11 ~ 14 2 ~ 3 0.03
이하		 0.03
이하		 잔부 Fe 및
기타 불가피한 불순물
탄소(C) : 0.03중량％ 이하
탄소(C)는 내식성을 개선하기 위해 첨가되는 크롬(Cr)과 반응하여, 입계에 크롬(Cr) 탄화물로서 석출하기(precipitate chromium carbide in the grain boundary) 때문에 내식성의 저하를 초래하는 경우가 있다. 따라서, 탄소(C)의 함유량은 적을수록 바람직하고, 탄소(C)가 0.03중량％ 이하이면, 내식성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 따라서, 탄소(C)의 함유량은0.03중량％ 이하가 바람직하다.
규소(Si) : 1.0중량％ 이하
규소(Si)는 탈산을 위해 유효한 원소이며, 용제(溶製) 단계에서 첨가된다. 그러나 과잉하게 함유시키면 탈지 및 소결 후 추출된 강(鋼)제품이 경질화(causes hardening of the stainless steel sheet)하여, 연성이 저하되는(decrease ductility) 경우가 있기 때문에, 규소(Si)의 함유량은 1.0중량％ 이하가 바람직하다.
망간(Mn) : 1.5중량％ 이하
망간(Mn)은 불가피적으로 혼입된 황(S)과 결합하여, 스테인리스강에 고용(固溶)한 황(S)을 저감하는 효과를 갖고, 황(S)의 입계편석을 억제(suppresses segregation of sulfur at the grain boundary)하여, 탈지 및 소결 후 추출된 강(鋼)제품의 균열을 방지하는 데에(prevents cracking of the steel sheet during hot rolling) 유효한 원소이다. 그러나, 1.5중량％를 초과하여 첨가해도 첨가하는 효과의 증가는 거의 없다. 오히려, 과잉하게 첨가함으로써 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 망간(Mn)의 함유량은 1.5중량％ 이하가 바람직하다.
니켈(Ni) : 10 ~ 14중량％
니켈(Ni)은 오스테나이트상을 안정화시키는 원소이며, 오스테나이트계 스테인리스를 제조하는 경우에 첨가한다. 그 때, 니켈(Ni)의 함유량이 14중량％를 초과하면, 니켈(Ni)을 과잉하게 소비함으로써 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 니켈(Ni)의 함유량은 14중량％ 이하가 바람직하다.
몰리브덴(Mo) : 3중량％ 이하
몰리브덴(Mo)은 스테인리스강의 틈 부식 등의 국부 부식을 억제하는 데에 유효한 원소이다. 따라서, 강(鋼)제품이 가혹한 환경에서 사용되는 경우에는 몰리브덴(Mo)을 첨가하는 것이 유효하다. 그러나, 3중량％를 초과하여 첨가하면, 스테인리스강이 취화(embrittlement)되어 생산성이 저하되는 경우가 있고, 몰리브덴(Mo)을 과잉하게 소비함으로써 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 몰리브덴(Mo)의 함유량은 3중량％ 이하가 바람직하다.
인(P) : 0.03중량％ 이하
인(P)은 연성의 저하를 초래하기 때문에 낮은 쪽이 바람직하지만, 0.03중량％ 이하이면 연성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 따라서, 인(P)의 함유량은 0.03중량% 이하가 바람직하다.
황(S) : 0.03중량％ 이하
황(S)은 망간(Mn)과 결합하여 황화망간(MnS)을 형성함으로써 내식성을 저하시키는 원소이며 낮은 쪽이 바람직하다. 0.03중량％ 이하이면 내식성을 현저하게 저하시키는 일은 없다. 따라서, 황(S)의 함유량은 0.03중량％ 이하가 바람직하다.
잔부는 철(Fe) 및 불가피적 불순물이다.
본 고안에서, 표 1의 조성 1 또는 조성 2의 성분 및 함량비를 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말은 입자직경(D50) 9.5 ~ 11㎛의 크기를 갖는 금속 및 세라믹 분말을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 최종 완성품인 강(製)제품의 밀도를 높이고, 분말의 표면적이 작아 고분자 바인더 함량을 줄일 수 있으며 탈지가 원할하게 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 소결 시 균일한 수축을 유지하도록 하기 위해서, 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말은 구(球)형으로 분체화(粉體化)된 금속 및 세라믹 분말을 이용하는 것이 바람직하다. 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말을 제조하는 방식은 액체화된(과열된) 오스테나이트계 스테인레스 금속 스트림을 미세한 액적(droplet)으로 비산(飛散)시키고 그 다음 입자직경(D50) 9.5 ~ 11㎛의 구형 고체입자로 냉각하는 분무 공정에 의해 제조될 수 있다.
조성 1 또는 조성 2의 성분 및 함량비로 조성되고 9.5 ~ 11㎛의 입자직경(D50)으로 구형 분체화된 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말은 결합제, 가소제 및 윤활제를 포함하는 고분자 바인더와 혼련된다. 이때, 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물의 전체 중량에 대해 오스나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말이 90.0 ~ 94.0중량%로 포함되고, 고분자 바인더가 6.0 ~ 10.0중량%로 포함될 수 있다. 오스나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말이 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물의 전체 중량에 대해 90.0 중량% 미만이면, 후술하는 탈지 공정에 의해 다량의 고분자 바인더가 제거되어 반제품(40)의 형상이 인쇄하고자 하는 대상의 3차원 형상으로 유지되지 아니하고, 94.0 중량%를 초과하게 되면, 고분자 바인더가 소량으로 첨가되어 3차원 프린팅을 진행하기 위한 공급 원료로서의 응집력을 확보하기 어렵다.
결합제는 구형 분체화된 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말 간의 결합력이 낮아 3차원 프린팅 과정에서 필요한 응집력을 확보하기 위해 첨가되는 주쇄(backbone) 바인더로서, 폴리스틸렌(Polystyrene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 에틸렌비닐아세테이트(Ethylene-vinylacetate), 에틸렌에틸아크릴레이트(Ethylene-ethylacrylate), 메틸메타아크릴레이트(Methal-methacrylate), 부틸메타아크릴레이트(Butyl-methacrylate)으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 공중합체가 포함할 수 있다. 특히, 오스나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말에 첨가되는 결합제로는 폴리에틸렌 공중합체인 것이 바람직한데, 폴리에틸렌 공중합체는 고온에서 제거되는 한편, 열간 탈지 공정을 거친 강(鋼)제품이 형상을 유지시킨다. 폴리에틸렌 공중합체는 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 3 내지 5 중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
가소제는 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말과 결합제의 결합으로 응집된 조성물에 첨가되어 3D 프린팅 시 성형 가공을 용이하게 하는 유기물질로서, 마이크로크리스탈라인 왁스(Microcrystalline wax), 파라핀 왁스(Paraffin wax), 몬탄 왁스(Montan wax) 등이 이용될 수 있다. 특히, 본 고안에서는 가소제로서 비교적 저온에서도 고분자 바인더 간의 결합력을 낮춰 연성을 높일 수 있는 파라핀 왁스(Paraffin Wax)를 첨가한다. 상기 파라핀 왁스는 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 2.5 내지 3.5중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
윤활제는 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물이 원료 공급기 내에서 용융된 후 가압 사출 시에 표면 미끄럼성을 좋게 하여 공급 유도관을 경유하는 압출헤드로의 공급이 원할하게 이루지도록 첨가하는 성분으로서, 스테아린산(Stearic acid), 오레인산(Oleic acid), 팔미틴산(Palmitic acid), 리노레인산(Linolenic acid) 등이 이용될 수 있으나, 본 고안에서는 스테아린산을 첨가한다. 상기 스테아린산은 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물 전체 중량에 대해 0.5 내지 1.5중량%가 포함되는 것이 바람직하다.
상술한 조성 1 또는 조성 2의 성분 및 함량비를 갖는 오스테나이트계 스테인레스 금속 및 세라믹 분말과, 고분자 바인더를 고분자 바인더에 포함된 결합제인 폴리에틸렌 공중합체가 완전히 용융되는 온도인 170℃의 고온에서 1시간 동안 균일하게 혼련한 후, 이를 상온까지 냉각한다. 이렇게 가열 혼련 후 냉각된 혼합물은 분쇄기 또는 펠렛타이저에서 분쇄되고 일정 입도를 갖는 펠렛(Pellet)으로 조립화(造粒化)됨으로써, 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물이 최종적으로 제조된다.
이하에서는 도 6a 내지 도 6d를 참조하여 3차원 프린터용 카트리지의 재료공급 과정에 대해 설명하기로 한다.
도 6a 내지 도 6d는 본 고안의 일 실시예에 따른 3차원 프린터용 카트리지의 재료공급 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 6a 내지 도 6d에는 도시하지 않았지만, 재료장착대(240)의 안착홈(242)에는 재료스틱이 장착된 상태인 것으로 이해되는 것이 바람직하다.
3차원 프린터용 카트리지의 재료공급 과정
도 6a를 참조하면, 재료장착대(240)는 카트리지프레임(400)의 하측에 고정된 지지부재(410)에 의해 일 측이 지지되고, 렉기어(310)와 맞물려 재료장착대(240)를 수평방향에서 수직방향으로 회전운동시키는 피니언기어(330)에 의해 타 측이 지지된다.
도 6b를 참조하면, 렉기어(310)는 3차원 프린터용 카트리지와 연결되는 압출헤드의 움직임에 따라 우측 방향으로 이동한다. 이에, 렉기어(310)가 압출헤드에 의해 움직임에 따라 렉기어(310)와 맞물린 피니언기어(330)에 일부 영역이 접한 재료장착대(240)는 피니언기어(330)의 회전에 대응하도록 회전운동한다. 이에 따라, 재료장착대(240)는 지지부재(410)에 의해 지지되던 영역이 상부 방향으로 이동하면서 재료장착대(240)와 렉기어(310)는 소정의 각도를 이루며 안착홈(242)에 장착된 재료스틱이 소정의 각도를 갖도록 기울어진다.
도 6c를 참조하면, 렉기어(310)는 압출헤드의 움직임에 따라 도 6b의 상태 보다 우측으로 움직인다. 이후, 도 6d에 도시된 바와 같이, 렉기어(310)가 압출헤드에 의해 기어부(300)의 일 측 끝단까지 이동한 경우, 피니언기어(330)에 의해 재료장착대(240)는 렉기어(310)와 수직한 방향을 갖도록 회전된다. 이때, 안착홈(242)에 장착된 재료스틱은 재료장착대(240)의 측면에 형성된 재료스틱토출홀(241)을 통해 카트리지프레임(400)의 하측에 배치된 재료토출구(500)로 토출된다.
따라서, 본 고안은 상술한 도 6a 내지 도 6d에 도시된 과정을 반복하면서 3차원 프린팅 장치로 재료를 편리하게 공급할 수 있다. 보다 상세하게는, 렉기어(310)가 압출헤드의 움직임에 따라 직선왕복 운동하고, 렉기어(310)와 맞물린 피니언기어(330)에 의해 재료장착대(240)는 수평 상태와 수직 상태 간의 전환이 자유롭게 수행되면서 재료공급이 원활히 이루어질 수 있다.
또한, 본 고안은 다수의 재료스틱을 낱개씩 정렬할 수 있는 원통형 재료스틱정렬부(200)를 통해 편의성을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 고안은 다수의 재료스틱을 수납할 수 있는 재료스틱수납함(110)을 포함하는 재료공급부(100)와 재료공급부(100)에 안착된 재료스틱을 낱개씩 정렬할 수 있는 원통형정렬부재(210)로부터 재료스틱을 자동으로 토출함으로써 재료 공급에 소요되는 시간을 단축하여 출력속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 고안은 다수의 재료스틱을 수납하는 재료공급부(100)와 재료공급부(100)로부터 재료를 낱개씩 정렬하고 토출하는 원통형정렬부재(210)로 구성되어 구조가 단순화된 카트리지 구조를 통해 3차원 프린팅 장치를 소형화하여 설치 공간의 제약을 받지 않을 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 고안은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 고안의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 고안에 개시된 실시예들은 본 고안의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 고안의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 고안의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 고안의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 재료공급부 110: 재료스틱수납함
111: 직선홈 200: 재료스틱정렬부
210: 원통형정렬부재 211: 정렬홈
220: 서보 모터 230: 재료토출경사면
240: 재료장착대 241: 재료스틱토출홀
242: 안착홈 300: 기어부
310: 렉기어 320: 구동축
330: 피니언기어 340: 진동 모터
400: 카트리지프레임 410: 지지부재
500: 재료토출구

Claims (5)

  1. 카트리지프레임의 상측에 고정되고 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물로 조성된 다수의 재료스틱이 수납되는 재료스틱수납함을 포함하는 재료공급부;
    상기 재료공급부의 하부에 배치되고 상기 재료공급부로부터 공급된 상기 다수의 재료스틱이 낱개씩 정렬되어지는 복수의 정렬홈이 외측에 형성된 원통형정렬부재를 포함하는 재료스틱정렬부;
    상기 재료스틱정렬부 하부에 배치되고 상기 원통형정렬부재에 의해 선별된 상기 재료스틱이 재료토출경사면을 따라 이동하여 안착되는 안착홈 및 상기 안착홈에 안착된 상기 재료스틱이 토출되기 위해 측면에 형성되는 재료스틱토출홀을 포함하는 재료장착대;
    상기 카트리지 프레임 하측에 배치된 기어부에 포함된 구동축에 배치되고 상기 재료장착대의 적어도 일부 영역과 접하는 피니언기어; 및
    상기 피니언기어와 맞물려서 직선왕복 운동되고 상기 재료장착대의 길이 방향과 평행한 방향으로 연장되는 렉기어를 포함하고,
    상기 재료장착대는 상기 렉기어 및 상기 피니언기어에 의해 수평 상태와 수직 상태간의 전환이 가능한,
    스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재료스틱정렬부의 일 측에 상기 원통형정렬부재를 회전시키기 위한 서보 모터를 더 포함하며,
    상기 원통형정렬부재는 상기 서보 모터에 의해 일 방향으로 90°씩 회전하며 상부 방향에서 공급된 상기 재료스틱을 상기 복수의 정렬홈에 낱개씩 정렬하고, 상기 복수의 정렬홈에 정렬된 상기 재료스틱은 하부 방향으로 토출되는,
    스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 안착홈은 상기 재료장착대의 길이 방향으로 연장되며 내측으로 오목한 반구 형상을 갖고,
    상기 재료장착대의 상기 안착홈에 상기 재료스틱이 안착된 경우, 상기 렉기어 및 상기 피니언기어에 의해 상기 재료장착대의 상태가 전환되어 상기 재료스틱토출홀이 상기 카트리지프레임 하부에 배치된 재료토출구와 접촉하고 상기 재료토출구에 의해 상기 재료스틱이 토출되는,
    스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 재료스틱은 금속 및 세라믹 분말과 고분자 바인더로 구성되는 금속 및 세라믹 분말 함유 조성물이 바(Bar) 형태로 제조되고,
    상기 고분자 바인더는 결합제, 가소제 및 윤활제를 포함하는,
    스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 재료스틱수납함은 수납된 상기 다수의 재료스틱이 상기 재료공급부에서 상기 원통형정렬부재로 이동하도록 하측에 소정 각도의 경사면을 갖고, 상기 경사면의 일 측 선단에는 상기 수납되는 재료스틱의 길이 방향과 평행한 방향으로 직선홈이 형성되는,
    스틱형 금속 및 세라믹 재료를 공급하는 3차원 프린터용 카트리지 구조.
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