KR20150102796A - Non-contact type fused deposition modeling device and FDM head unit - Google Patents

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KR20150102796A
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원광대학교산학협력단
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C67/00—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00

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Abstract

Disclosed are a non-contact type fused deposition modeling (FDM) device and a FDM head unit. The FDM head unit comprises: a body unit; a bobbin unit coupled a rotation shaft to the body unit, and rolled with a polymer filament on the outer circumferential surface; a roller unit for transporting the polymer filament in a downward direction, which is rolled in the bobbin unit by rotary motion engaged two wheels with each other; and a heater unit for heating the polymer filament transported by the roller unit in a non-contact way.

Description

비접촉식 용융 침착 모델링 장치 및 FDM 헤드 유닛{Non-contact type fused deposition modeling device and FDM head unit}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a non-contact type melt deposition modeling apparatus and an FDM head unit,

본 발명은 비접촉식 용융 침착 모델링(FDM) 장치 및 FDM 헤드 유닛에 관한 것이다.
The present invention relates to a contactless melt deposition modeling (FDM) device and an FDM head unit.

빠르게 변화하는 시장의 경향만큼이나 제품의 개발 주기도 짧아지고 있다. 특정 제품 개발 시간을 단축하기 위해 현재 3차원 임의 형상 제작 기술이 주목을 받고 있다. Product development cycles are becoming shorter as well as the trends of rapidly changing markets. In order to shorten the development time of a specific product, a three-dimensional arbitrary shape production technology is attracting attention.

청사진, 도면 등의 2차원 평면 인쇄와 달리 곧바로 입체를 복제할 수 있는 3차원 프린팅 기술은 불과 수시간 정도의 짧은 시간에 제품 모습을 그대로 제작해 낼 수 있어 산업 전반에 걸쳐 기획부터 제품 생산에 이르기까지 많은 변화를 가져올 것으로 기대되고 있다. Unlike 2D printing such as blueprints and drawings, 3D printing technology, which can replicate three-dimensional objects in a short period of time, can be used to produce products in a short period of time. Is expected to bring many changes.

3차원 프린팅 기술은 기존의 평면 프린팅 방식을 개선하여 출력물을 단계별로 쌓아 실제 모양을 만들어 내게 되는데, 의료산업에서는 치아 모형, 수술 전 모의수술 실험용 형상 등에 사용되고 있고, 건설산업에서는 소형 건축물 및 실시간 건축 디자인 형상 제작에 실제로 적용되고 있다. The 3D printing technology improves the existing flat printing method and builds the actual shape by stacking the output step by step. In the medical industry, it is used for tooth model, pre-surgery simulated experimental shape, etc. In the construction industry, And is actually applied to the production of shapes.

3차원 프린팅 기술은 이미 제작한 형상물을 복제하거나, 3차원 컴퓨터 지원 설계(CAD)를 이용해 만든 형상을 실물로 제작함으로써 설계 오차를 줄이고 리버스 엔지니어링(완성된 제품을 상세히 분석해 기본적인 설계내용을 추적) 설계가 이루어질 수 있도록 해주고 있다. 3D printing technology can reduce design errors by realizing the shape created by using 3D computer-aided design (CAD) or by reverse engineering (tracking the basic design details by analyzing finished products) To be done.

이같은 일을 가능케 하는 3차원 프린터는 물건을 찍어내는 실물 복제기로서, 물체를 3차원으로 설계해 컴퓨터 파일을 CAD 방식으로 만든 후 프린터 노즐에서 액체형 플라스틱, 금속 파우더 등을 뿌려 설계 모양대로 만든다.A three-dimensional printer capable of doing this is a real-life replicator that takes objects, designs objects in 3D, creates CAD files of computer files, and then sprays liquid plastics, metal powder, etc. from the printer nozzles into a design shape.

3차원 프린팅 기술은 설계된 형상을 단순히 보여주는 초기 단계의 급속 조형(RP, Rapid Prototype) 기술을 넘어서 금속, 석회, 합성수지, 고무 등의 재료를 직접 분사해 기계 부품이나 제작품을 찍어내는 임의 형상 제작(SFF, Solid Freeform Fabrication) 기술로 진화하고 있다. In addition to the early prototype (Rapid Prototype) technology that shows the designed shape, 3D printing technology can be used to create arbitrary shapes (SFF , Solid Freeform Fabrication) technology.

조직공학에서도 임의 형상 제작(SFF) 방법 중 용융 침착 모델링(FDM) 방법이 적용되고 있으며, 대한민국 등록특허 10-0893889호(압출 장치에서 용융물 유동 보상 방법)에도 용융 침착 모델링 장치가 개시되어 있다. In the tissue engineering, a melt deposition modeling (FDM) method is applied to the arbitrary shape production (SFF) method, and a melt deposition modeling device is also disclosed in Korean Patent No. 10-0893889 (melt flow compensation method in an extrusion apparatus).

도 1은 기존의 용융 침착 모델링 장치를 나타낸 도면이다. 1 is a view showing a conventional melting deposition modeling apparatus.

도 1을 참조하면, 기존의 용융 침착 모델링 장치(1)는 실린더형 배럴(20) 외부에 히터(40)가 배치되어 있으며, 상부에 에어 프레셔(10)가 마련되어 있다. Referring to FIG. 1, a conventional melt deposition modeling apparatus 1 includes a heater 40 disposed outside a cylindrical barrel 20, and an air pressure 10 provided at an upper portion thereof.

내부 공간에는 히터(40)에 의해 용융된 모델링 재료(5)가 수용되어 있으며, 모델링 재료(5)가 에어 프레셔(10)에 의한 공기압에 의해 하부에 형성된 노즐(30)을 통해 토출되어 스테이지(50) 상에 3D 대상물을 프린팅한다. The modeling material 5 melted by the heater 40 is accommodated in the inner space and the modeling material 5 is discharged through the nozzle 30 formed at the lower portion by the air pressure by the air pressure 10, 50). ≪ / RTI >

이에 의하면, 기존의 용융 침착 모델링 장치(1)는 접촉식 구조를 가지고 있어 용융된 모델링 재료(5)가 비교적 작은 내경을 가지는 노즐(5)을 통과하여 나가야 하기 때문에, 장비의 정밀도가 노즐의 직경 크기에 따라 제한되며, 높은 점성을 갖는 재료의 토출이 어려워 정밀 제품의 제작이 어려운 한계가 있다. According to this, since the conventional melt deposition modeling device 1 has a contact-type structure and the molten modeling material 5 has to pass through the nozzle 5 having a relatively small inner diameter, There is a limitation in that it is difficult to manufacture a precision product because the discharge of a material having a high viscosity is difficult.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
The above-described background technology is technical information that the inventor holds for the derivation of the present invention or acquired in the process of deriving the present invention, and can not necessarily be a known technology disclosed to the general public prior to the filing of the present invention.

대한민국 등록특허 10-0893889호Korean Patent No. 10-0893889

본 발명은 연신된 고분자 필라멘트를 적용하면서 비접촉식으로 가열하여 기존의 접촉식 장비에 비하여 보다 정밀한 적층이 가능한 비접촉식 용융 침착 모델링 장치 및 헤드 유닛을 제공하기 위한 것이다. The present invention provides a non-contact type melt deposition modeling apparatus and a head unit which can heat a non-contact type polymer film filaments while applying stretched polymer filaments, thereby enabling more precise lamination than conventional contact type apparatuses.

본 발명은 구조적으로 보다 작은 직경을 갖는 재료의 적층이 가능하고 재료의 점도에도 영향을 받지 않아 높은 점도의 재료 적용도 가능한 비접촉식 용융 침착 모델링 장치 및 헤드 유닛을 제공하기 위한 것이다. The present invention is intended to provide a contactless melt deposition modeling device and a head unit capable of being stacked with materials having a smaller diameter and being free from the viscosity of the material and also capable of applying a material having a high viscosity.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
Other objects of the present invention will become readily apparent from the following description.

본 발명의 일 측면에 따르면, 몸체부와; 상기 몸체부에 회전축이 결합되어 있고, 고분자 필라멘트가 외주면에 감겨 있는 보빈부와; 2개의 휠이 서로 맞물려 있어 회전 동작에 의해 상기 보빈부에 감겨 있는 상기 고분자 필라멘트를 하방향으로 이송시키는 롤러부와; 상기 롤러부에 의해 이송된 상기 고분자 필라멘트를 비접촉식으로 가열하는 히터부를 포함하는 용융 침착 모델링(FDM) 헤드 유닛이 제공된다.According to an aspect of the present invention, A bobbin portion having a rotating shaft coupled to the body portion and having a polymer filament wound on an outer circumferential surface thereof; A roller portion that is engaged with the two wheels to transfer the polymer filament wound on the bobbin portion by a rotation operation in a downward direction; And a heater portion for heating the polymer filament conveyed by the roller portion in a noncontact manner.

상기 히터부에는 상하 방향으로 관통된 홀이 형성되어 있어 상기 고분자 필라멘트가 상기 홀을 지나가도록 하며, 상기 홀의 주변에 열원이 배치되어 있을 수 있다.The heater portion may have a hole penetrating in the vertical direction so that the polymer filament passes through the hole, and a heat source may be disposed around the hole.

상기 홀의 단면적은 상기 고분자 필라멘트의 단면적보다 클 수 있다.The cross-sectional area of the hole may be larger than the cross-sectional area of the polymer filament.

상기 보빈부, 상기 롤러부, 상기 히터부는 상기 몸체부에서 수직 방향으로 일직선 상에 놓여져 있어, 상기 보빈부에 감겨 있는 상기 고분자 필라멘트가 상기 롤러부의 롤링 동작에 의해 상기 히터부로 이송될 수 있다.The bobbin part, the roller part, and the heater part are arranged in a straight line in a vertical direction in the body part, so that the polymer filament wound on the bobbin part can be transferred to the heater part by the rolling operation of the roller part.

상기 2개의 휠은 서로 반대 방향으로 회전할 수 있다.The two wheels can rotate in opposite directions.

한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 3차원 구조체의 재료가 되는 고분자 재료를 필라멘트 형태로 공급하는 재료 공급 유닛; 상기 재료 공급 유닛으로부터 고분자 필라멘트를 공급받아 비접촉식 가열을 통해 상기 고분자 필라멘트를 용융시키는 FDM 헤드 유닛; 및 상기 FDM 헤드 유닛에서 용융된 상기 고분자 필라멘트가 순차 적층되어 상기 3차원 구조체가 제작되는 빌드 플랫폼을 포함하는 비접촉식 용융 침착 모델링 장치가 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a polymer electrolyte fuel cell comprising: a material supply unit for supplying a polymer material as a material of a three-dimensional structure in filament form; An FDM head unit that receives the polymer filament from the material supply unit and melts the polymer filament through non-contact heating; And a build platform in which the polymer filaments melted in the FDM head unit are sequentially stacked to fabricate the three-dimensional structure. The non-contact type melt deposition modeling apparatus includes:

상기 재료 공급 유닛과 상기 FDM 헤드 유닛 사이에 배치되어, 상기 고분자 필라멘트를 잡아 당겨 직경을 감소시키는 연신 동작을 수행하는 연신 유닛을 더 포할 수 있다.And an elongating unit disposed between the material supply unit and the FDM head unit to perform a stretching operation in which the polymer filament is pulled to reduce the diameter.

상기 FDM 헤드 유닛과 상기 빌드 플랫폼은 상대적으로 3축 제어될 수 있다.The FDM head unit and the build platform may be relatively three-axis controlled.

상기 고분자 필라멘트는 이종 재료로 이루어진 내부의 심과 외주부로 구성되어 있을 수 있다.The polymer filament may be composed of an inner core and an outer peripheral portion made of different materials.

상기 내부의 심을 구성하는 재질은 상기 외주부를 구성하는 재질에 비해 녹는점이 높거나 용융되지 않거나 물에 용해되는 재질일 수 있다.The material constituting the inner shim may be a material which has a higher melting point, is not melted or is dissolved in water, as compared with the material constituting the outer peripheral part.

상기 고분자 필라멘트는 멀티필라멘트이거나 내부가 빈 모노필라멘트일 수 있다.The polymer filaments may be multifilaments or hollow monofilaments.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
Other aspects, features, and advantages will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.

본 발명의 실시예에 따르면, 연신된 고분자 필라멘트를 적용하면서 비접촉식으로 가열하여 기존의 접촉식 장비에 비하여 보다 정밀한 적층이 가능한 효과가 있다. According to the embodiment of the present invention, it is possible to stack more precisely than existing contact-type equipment by heating non-contact type while applying stretched polymer filaments.

또한, 구조적으로 보다 작은 직경을 갖는 재료의 적층이 가능하고 재료의 점도에도 영향을 받지 않아 높은 점도의 재료 적용도 가능하다.
Further, it is possible to laminate a material having a smaller diameter structurally and to be applied to a material having a high viscosity without being influenced by the viscosity of the material.

도 1은 기존의 용융 침착 모델링 장치를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 용융 침착 모델링 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FDM 헤드 유닛의 내부 구성을 나타낸 입체사시도,
도 4는 도 3에 도시된 FDM 헤드 유닛의 정면도,
도 5는 도 3에 도시된 FDM 헤드 유닛의 측면도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 필라멘트의 용융 상태를 나타낸 도면,
도 7은 고분자 필라멘트 전체가 용융되지 않을 경우의 다양한 예시를 나타낸 도면,
도 8은 내부가 빈 모노필라멘트를 응용한 경우를 나타낸 도면,
도 9는 멀티필라멘트를 응용한 경우를 나타낸 도면. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a diagram of a conventional melt deposit modeling apparatus,
2 is a schematic view of a non-contact type melt deposition modeling apparatus according to an embodiment of the present invention,
3 is a perspective view showing an internal configuration of an FDM head unit according to an embodiment of the present invention,
Fig. 4 is a front view of the FDM head unit shown in Fig. 3,
Fig. 5 is a side view of the FDM head unit shown in Fig. 3,
6 is a view showing a molten state of a polymer filament according to an embodiment of the present invention,
7 is a view showing various examples of the case where the entire polymer filament is not melted,
8 is a view showing a case where a hollow monofilament is applied,
9 is a view showing a case where a multifilament is applied.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Also, the terms "part," "unit," and the like described in the specification mean units for processing at least one function or operation, and may be implemented by hardware, software, or a combination of hardware and software.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.It is to be understood that the components of the embodiments described with reference to the drawings are not limited to the embodiments and may be embodied in other embodiments without departing from the spirit of the invention. It is to be understood that although the description is omitted, multiple embodiments may be implemented again in one integrated embodiment.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 용융 침착 모델링 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다. FIG. 2 is a schematic view of a non-contact type melt deposition modeling apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 비접촉식 용융 침착 모델링 장치(100)는 고분자 필라멘트를 비접촉 방식으로 가열함으로써 재료의 점도에 영향을 받지 않고 고분자 필라멘트의 직경에 상응하는 재료의 순차적 적층을 통해 3차원 구조체(3D 모델)을 제작(프린팅)할 수 있는 특징을 가진다. 또한, 고분자 필라멘트를 연신하여 그 직경을 감소시킴으로써 미세 정밀 프린팅이 가능한 장점도 가진다. The non-contact type melt deposition modeling apparatus 100 according to the present embodiment can heat a polymer filament in a noncontact manner to form a three-dimensional structure (3D model) through sequential lamination of materials corresponding to the diameter of the polymer filament without being affected by the viscosity of the material. (Printing) can be made. Further, the polymer filaments are stretched to reduce the diameter thereof, so that fine precision printing can be performed.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 비접촉식 용융 침착 모델링 장치(100)는 재료 공급 유닛(110), FDM 헤드 유닛(130), 빌드 플랫폼(140)을 포함한다. 실시예에 따라 연신 유닛(120)이 더 포함될 수 있다. Referring to FIG. 2, the non-contact type melt deposition modeling apparatus 100 according to the present embodiment includes a material supply unit 110, an FDM head unit 130, and a build platform 140. The elongating unit 120 may further be included according to the embodiment.

재료 공급 유닛(110)은 3차원 구조체의 재료가 되는 고분자 재료를 필라멘트 형태로 공급한다. 예를 들어, 재료 공급 유닛(110)은 스풀(spool) 형태이어서, 고분자 필라멘트(112)가 다수 회 감겨 있을 수 있다. The material supply unit 110 supplies a polymer material, which is a material of the three-dimensional structure, in a filament form. For example, the material supply unit 110 may be in the form of a spool, so that the polymer filament 112 may be wound a plurality of times.

3차원 구조체의 재료로는 빌드 물질(build material)이 이용될 수 있다. As the material of the three-dimensional structure, a build material may be used.

그리고 일시적인 기재로서 필요한 지지체 물질(support material)이 재료 공급 유닛(110)을 통해 별도로 공급될 수도 있다. 이 지지체 물질은 후에 예를 들어 수성계(염기성 혹은 산성 매질) 중에서 완전히 혹은 부분적으로 용해되어 제거될 수 있다. And a support material necessary as a temporary substrate may be separately supplied through the material supply unit 110. [ This support material can then be completely or partially dissolved and removed, for example, in an aqueous system (basic or acidic medium).

즉, 재료 공급 유닛(110)은 빌드 물질과 지지체 물질을 선택적으로 공급하여 단조로운 형상(예를 들면, 박스 형상)의 3차원 구조체를 제작한 다음 물을 이용하여 지지체 물질을 용해시켜 제거함으로써 복잡한 형상의 3차원 구조체를 최종 완성하도록 할 수 있다. That is, the material supply unit 110 selectively supplies a build material and a support material to fabricate a three-dimensional structure of a monotonous shape (e.g., a box shape), and then dissolves and removes the support material using water, Can be finally completed.

빌드 플랫폼(140)은 3차원 구조체의 재료가 프린팅되어 3차원 구조체가 제작되는 스테이지(stage)이다. The build platform 140 is a stage in which the material of the three-dimensional structure is printed to fabricate the three-dimensional structure.

빌드 플랫폼(140) 상에는 폼 베이스(foam base)(145)가 마련되어 있어 3차원 구조체 재료가 폼 베이스(145) 상에 프린팅되어 빌드 플랫폼(140)에서 용이하게 분리되도록 할 수도 있다. A foam base 145 may be provided on the build platform 140 to allow the three dimensional structure material to be printed on the foam base 145 and easily separated from the build platform 140.

FDM 헤드 유닛(130)은 재료 공급 유닛(110)에서 공급된 고분자 필라멘트를 비접촉식으로 가열하여 용융시킨 후 빌드 플랫폼(140) 상에서 적층되도록 한다. FDM 헤드 유닛(130)의 구조 및 기능에 대해서는 추후 관련 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. The FDM head unit 130 heats and melts the polymer filament supplied from the material supply unit 110 in a noncontact manner, and then deposits the polymer filament on the build platform 140. The structure and function of the FDM head unit 130 will be described later in detail with reference to related drawings.

도면에서는 3D 모델링을 위해 빌드 플랫폼(140)이 상하 방향(Z축 방향)으로 이동 가능하고, FDM 헤드 유닛(130)이 수평면(XY 평면) 상에서 2차원적으로 이동 가능한 것으로 도시되어 있다. 하지만, 이는 일 실시예에 불과하며, 설계에 따라 빌드 플랫폼(140)이 수평면 상에서 2차원적으로 이동 가능하고 FDM 헤드 유닛(130)이 상하 방향으로 이동되거나, 혹은 빌드 플랫폼(140) 또는 FDM 헤드 유닛(130) 중 적어도 하나가 X, Y, Z축의 3차원 이동이 되는 등 3축 제어가 이루어지도록 할 수도 있음은 물론이다. In the figure, the build platform 140 is movable in the vertical direction (Z-axis direction) for 3D modeling, and the FDM head unit 130 is shown as being movable two-dimensionally on a horizontal plane (XY plane). However, this is merely an example, and the design platform 140 may be two-dimensionally movable on the horizontal plane and the FDM head unit 130 may be moved up and down according to the design, or the build platform 140 or the FDM head It is needless to say that at least one of the units 130 may be three-dimensionally controlled such as three-dimensional movement of the X, Y, and Z axes.

본 실시예에 따른 비접촉식 용융 침착 모델링 장치(100)는 재료 공급 유닛(110)과 FDM 헤드 유닛(130) 사이에 연신 유닛(120)을 더 포함할 수도 있다. The noncontact type melt deposition modeling apparatus 100 according to the present embodiment may further include a stretching unit 120 between the material supply unit 110 and the FDM head unit 130. [

연신 유닛(120)은 재료 공급 유닛(110)에 의해 공급되는 고분자 필라멘트(112)를 잡아당겨 배향시키는 연신 동작을 수행한다. The stretching unit 120 performs a stretching operation in which the polymer filament 112 supplied by the material supply unit 110 is pulled and oriented.

연신 유닛(120)에서의 연신 동작에 의해 고분자 필라멘트는 그 직경이 감소하게 되며, 직경이 감소된 연신된 고분자 필라멘트(114)를 FDM 헤드 유닛(130)에서 비접촉식으로 가열하여 용융시키고 빌드 플랫폼(140) 상에 적층시킬 수 있다. The polymer filaments are reduced in diameter by the stretching operation in the stretching unit 120. The stretched polymer filaments 114 having a reduced diameter are heated and melted in a non-contact manner in the FDM head unit 130, ). ≪ / RTI >

이 경우 제작된 3차원 구조체는 연신된 고분자 필라멘트의 직경에 상응하는 정밀도를 가지게 되어 고정밀 제품의 3차원 프린팅이 가능하게 된다.
In this case, the fabricated three-dimensional structure has a precision corresponding to the diameter of the stretched polymer filament, thereby enabling high-precision three-dimensional printing of the product.

이하에서는 고분자 필라멘트 혹은 연신된 고분자 필라멘트를 비접촉식으로 가열하여 빌드 플랫폼(140) 상에 3차원 적층하는 FDM 헤드 유닛(130)의 구조 및 기능에 대하여 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the structure and function of the FDM head unit 130 for three-dimensionally stacking the polymer filaments or stretched polymer filaments on the build platform 140 by non-contact heating will be described in detail.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FDM 헤드 유닛의 내부 구성을 나타낸 입체사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 FDM 헤드 유닛의 정면도이며, 도 5는 도 3에 도시된 FDM 헤드 유닛의 측면도이다. 3 is a front view of the FDM head unit shown in FIG. 3, and FIG. 5 is a cross-sectional view of the FDM head unit shown in FIG. 3, Side view.

도 3 내지 도 5를 참조하면, FDM 헤드 유닛(130), 몸체부(200), 보빈부(210), 롤러부(230), 히터부(240), 홀(245), 필라멘트(114)가 도시되어 있다. 3 to 5, the FDM head unit 130, the body 200, the bobbin 210, the roller 230, the heater 240, the hole 245, the filament 114, Respectively.

본 실시예에 따른 FDM 헤드 유닛(130)은 몸체부(200), 보빈부(210), 롤러부(230), 히터부(240)를 포함한다. The FDM head unit 130 according to the present embodiment includes a body 200, a bobbin 210, a roller 230, and a heater 240.

보빈부(210)에는 재료 공급 유닛(110)에 의해 공급된 고분자 필라멘트 혹은 연신 유닛(120)을 거친 연신된 고분자 필라멘트와 같은 필라멘트(114)가 외주면에 감겨 있을 수 있다. A filament 114 such as a polymer filament supplied by the material supply unit 110 or an elongated polymer filament through the stretching unit 120 may be wound around the outer periphery.

보빈부(210)는 몸체부(200)의 상부 측면에 회전축이 결합되어 있는 원통 형상을 가지고 있어, 후술하는 롤러부(230)의 롤링 동작에 의해 외주면에 감겨 있는 필라멘트(114)가 원활히 풀려질 수 있는 구조를 가진다. The bobbin part 210 has a cylindrical shape in which a rotating shaft is coupled to an upper side surface of the body part 200. The filament 114 wound around the outer circumferential surface of the bobbin part 210 is smoothly released by a rolling operation of a roller part 230 .

롤러부(230)는 2개의 휠(232, 234)이 서로 맞물려 있어 서로 반대 방향으로 회전 가능하며, 각각의 휠(232, 234)은 구동부(220)에 연결되어 회전 동작을 수행한다. The roller 230 is rotatable in opposite directions with the two wheels 232 and 234 engaged with each other and each of the wheels 232 and 234 is connected to the driving unit 220 to perform a rotating operation.

롤러부(230)의 휠(232, 234)을 회전시키는 구동부(220)는 모터일 수 있다. The driving unit 220 for rotating the wheels 232 and 234 of the roller unit 230 may be a motor.

롤러부(230)에서 2개의 휠(232, 234)이 서로 맞물린 지점을 보빈부(210)에 감겨 있던 필라멘트(114)가 지나가게 되며, 필라멘트(114)가 보빈부(210)에서 하방향으로 이송되도록 2개의 휠(232, 234)이 회전할 수 있다. 즉, 보빈부(210)에 감겨 있던 필라멘트(114)는 롤러부(230)의 동작에 의해 하방향으로 진행하게 된다. The filament 114 wound around the bobbin 210 passes through the point where the two wheels 232 and 234 are engaged with each other in the roller unit 230 and the filament 114 moves downward from the bobbin 210 The two wheels 232 and 234 can be rotated to be transferred. That is, the filament 114 wound on the bobbin 210 moves downward by the action of the roller 230.

롤러부(230)의 하부에는 히터부(240)가 위치하게 되며, 롤러부(230)를 지난 필라멘트(114)는 히터부(240)에 상하 방향으로 형성된 홀(245) 내로 이송된다. The heater 240 is positioned below the roller 230 and the filament 114 passing through the roller 230 is transferred into the hole 245 formed in the heater 240 in the vertical direction.

즉, 몸체부(200) 내에는 보빈부(210), 롤러부(230), 히터부(240)가 수직 방향으로 일직선 상에 놓여져 있어 보빈부(210)에 감겨 있던 필라멘트(114)가 롤러부(230)의 롤링 동작에 의해 히터부(240)에 형성된 홀(245) 내로 이송되게 된다. That is, the bobbin part 210, the roller part 230 and the heater part 240 are arranged in a straight line in the body part 200 so that the filament 114 wound on the bobbin part 210 is wound on the roller part And is transferred into the holes 245 formed in the heater unit 240 by the rolling operation of the heater 230.

히터부(240)에 형성된 홀(245)의 단면적은 필라멘트(114)의 단면적보다 커서, 필라멘트(114)가 히터부(240)에 접촉하지 않고서 하방향으로 이송될 수 있게 된다. The sectional area of the hole 245 formed in the heater 240 is larger than the sectional area of the filament 114 so that the filament 114 can be transported downward without contacting the heater 240.

히터부(240)는 홀(245)의 주변에 배치되어 비접촉식으로 홀(245)을 지나는 필라멘트(114)를 가열할 수 있는 열원을 포함한다. 열원의 예로는 전도성 열원, 대류성 열원, 복사성 열원, 블로워 등과 같이 다양한 열 전달 방식이 적용될 수 있을 것이다. The heater portion 240 includes a heat source disposed around the hole 245 and capable of heating the filament 114 passing through the hole 245 in a non-contact manner. Examples of the heat source may be various heat transfer methods such as a conductive heat source, a convective heat source, a radiative heat source, a blower, and the like.

필라멘트(114)가 히터부(240)를 지나가는 동안 온도가 필라멘트(114)가 녹는점 이상이 되면 필라멘트(114)는 용융 상태가 되어 FDM 헤드 유닛(130)의 하부에 위치하는 빌드 플랫폼(140) 상에 적층된다.The filament 114 is melted and the build platform 140 located at the lower portion of the FDM head unit 130 is heated to a temperature higher than the temperature at which the filament 114 melts while the filament 114 passes the heater 240. [ .

이 때 FDM 헤드 유닛(130)이 빌드 플랫폼(140)에 대하여 상대적으로 3축 제어됨으로써 다양한 형상을 갖는 3차원 구조체가 제작될 수 있게 된다.
At this time, the FDM head unit 130 is relatively three-axis controlled with respect to the build platform 140, so that a three-dimensional structure having various shapes can be manufactured.

필라멘트(114)의 종류에 따라 다양한 타입의 3차원 구조체(모델)가 제작될 수 있는 바, 이하에서는 관련 도면을 참조하여 고분자 필라멘트의 종류에 따른 다양한 실시예를 설명하기로 한다. Various types of three-dimensional structures (models) can be manufactured according to the type of the filaments 114, and various embodiments according to kinds of the polymer filaments will be described with reference to the related drawings.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고분자 필라멘트의 용융 상태를 나타낸 도면이고, 도 7은 고분자 필라멘트 전체가 용융되지 않을 경우의 다양한 예시를 나타낸 도면이며, 도 8은 내부가 빈 모노필라멘트를 응용한 경우를 나타낸 도면이고, 도 9는 멀티필라멘트를 응용한 경우를 나타낸 도면이다. FIG. 6 is a view showing a molten state of a polymer filament according to an embodiment of the present invention, FIG. 7 is a view showing various examples when the entire polymer filament is not melted, FIG. 8 is a cross- Fig. 9 is a view showing a case where a multifilament is applied. Fig.

우선 도 6을 참조하면, 히터부(240)의 홀(245)을 지나는 고분자 필라멘트(114)는 그 종류에 따라 도 6의 (a)에 도시된 것과 같이 고분자 필라멘트(114) 전체가 녹아 용융 상태(300)에 있게 되는 경우, 혹은 도 6의 (b)에 도시된 것과 같이 내부의 심(315)은 용융되지 않고 심(315)을 둘러싼 외주부(310)만이 용융되는 경우로 구분할 수 있다. Referring to FIG. 6, the polymer filaments 114 passing through the holes 245 of the heater unit 240 are melted and melted as shown in FIG. 6 (a) The inner padding 315 is not melted and only the outer peripheral portion 310 surrounding the padding 315 is melted as shown in FIG. 6 (b).

고분자 필라멘트(114)의 내부에 용융되지 않는 재질의 심(315)이 포함되어 있는 경우에는 필라멘트(114)의 단면 형상을 유지시킬 수 있어 3차원 구조체 제작에 보다 정밀성을 높일 수 있게 된다. In the case where the polymer filaments 114 include a core 315 that is not melted, the cross-sectional shape of the filament 114 can be maintained, thereby enhancing the precision in manufacturing the three-dimensional structure.

도 7의 (a)를 참조하면, 고분자 필라멘트(114) 전체가 용융되는 경우의 단면도가 도시되어 있다. 기존 방식의 경우 고분자 필라멘트(114) 전체가 용융됨으로 인해 용융 상태에서의 고분자(300)가 가지는 표면 에너지로 인하여 그 단면이 원형에 가까운 형상으로 돌아가려고 하는 현상이 일어나게 된다. Referring to Fig. 7 (a), a cross-sectional view of a case where the entire polymer filament 114 is melted is shown. In the conventional method, the entire surface of the polymer filament 114 is melted, and the surface energy of the polymer 300 in the melted state tends to return to a shape close to the circular shape.

따라서, 사용자가 사각형 단면 형상의 고분자 필라멘트(114)를 사용하고자 하였지만 실제 적층 과정에서는 원형에 가까운 단면 형상을 가지는 용융된 고분자 필라멘트(114)를 사용하게 되어 최종 제작된 제품과 설계안과는 다소 오차가 발생할 여지가 있었다.Therefore, although the user tries to use the polymer filament 114 having a rectangular cross-sectional shape, the molten polymer filament 114 having a cross-sectional shape close to the circular shape is used in the actual laminating process, There was room for some.

하지만, 고분자 필라멘트(114)의 내부에 외주부(310)가 용융되는 온도보다 높은 녹는점을 가지는 재질 혹은 용융되지 않는 재질의 심(315)이 포함되어 있는 경우에는 고분자 필라멘트(114)의 단면 형상이 유지되어 설계안과 최종 제작된 제품 간의 오차가 최소화될 수 있게 된다.However, if the polymer filament 114 contains a material having a melting point higher than the melting point of the outer peripheral part 310 or a core 315 of a non-melting material, the cross-sectional shape of the polymer filament 114 So that the error between the design and final product can be minimized.

도 7의 (b)를 참조하면, 내부의 심(315a)의 단면이 원형인 경우에는 외주부(310a)가 용융되더라도 원형이 유지되고, 내부의 심(315b)의 단면이 사각형인 경우에는 외주부(310b)가 용융되더라도 사각형이 유지되며, 내부의 심(315c)의 단면이 육각형인 경우에는 외주부(310c)가 용융되더라도 육각형이 유지되는 것을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 7 (b), when the inner padding 315a has a circular section, the circular shape is maintained even when the outer peripheral portion 310a is melted. When the inner padding 315b has a rectangular section, The hexagonal shape is maintained even if the outer peripheral portion 310c is melted when the inner peripheral portion 310c is melted.

다른 실시예로 내부에 빈 공간(320)이 마련되어 있는 모노필라멘트(114a)를 사용할 수 있다(도 8 참조). 도 8의 좌측에는 내부가 빈 모노필라멘트(114a)의 단면도이다. In another embodiment, a monofilament 114a having an empty space 320 therein can be used (see FIG. 8). On the left side of Fig. 8 is a cross-sectional view of the hollow monofilament 114a.

또는 복수의 모노필라멘트(114)를 직조하여 만들어진 멀티필라멘트(114b)를 적용(도 9 참조)함으로써 다양한 속성을 가지는 3차원 구조체를 제작할 수 있을 것이다. 이 역시 FDM 헤드 유닛(130)이 비접촉식 가열을 수행함으로써, 필라멘트(114)의 속성을 변화시키지 않아 가능한 특징이라 할 수 있다. Or by applying a multifilament 114b made by weaving a plurality of monofilaments 114 (see FIG. 9), a three-dimensional structure having various properties can be manufactured. This is also a feasible feature because the FDM head unit 130 does not change the property of the filament 114 by performing non-contact heating.

또한, 내부의 심(315)을 이루는 재질과 외주부(310)의 재질이 서로 다른 녹는점(Tm1≠Tm2)을 가지도록 할 수도 있다. 서로 다른 녹는점을 가짐으로써 내부의 심(315)은 녹지 않고 외주부(310)만이 녹는 온도를 가지도록 히터부(240)를 설정하여 필라멘트(114)의 단면이 그 형상을 유지하도록 할 수 있을 것이다. In addition, the material of the inner padding 315 and the material of the outer peripheral portion 310 may have different melting points ( Tm1 ? Tm2 ). By having different melting points, the heater core 240 can be set so that the inner core 315 does not melt and only the outer periphery 310 melts, so that the end face of the filament 114 can maintain its shape .

또는 내부의 심(315)을 이루는 재질을 수용성 재질로 구성하여 3차원 구조체가 제작된 이후에 물을 이용하여 내부의 심(315)을 녹여 냄으로써 속이 빈 모노필라멘트가 적용된 것과 같은 효과를 나타낼 수도 있을 것이다.
Or the inner padding 315 may be made of a water-soluble material. After the three-dimensional structure is manufactured, the padding 315 may be melted using water to produce an effect similar to that applied to a hollow monofilament will be.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the following claims And changes may be made without departing from the spirit and scope of the invention.

100: 비접촉식 용융 침착 모델링 장치 110: 재료 공급 유닛
120: 연신 유닛 130: FDM 헤드 유닛
140: 빌드 플랫폼 145: 폼 베이스
112, 114: 고분자 필라멘트
200: 몸체부 210: 보빈부
220: 구동부 230: 롤러부
240: 히터부 245: 홀100: non-contact type melt deposition modeling device 110: material supply unit
120: stretching unit 130: FDM head unit
140: build platform 145: foam base
112 and 114: polymer filaments
200: body part 210:
220: driving part 230: roller part
240: heater part 245: hole

Claims (11)

몸체부와;
상기 몸체부에 회전축이 결합되어 있고, 고분자 필라멘트가 외주면에 감겨 있는 보빈부와;
2개의 휠이 서로 맞물려 있어 회전 동작에 의해 상기 보빈부에 감겨 있는 상기 고분자 필라멘트를 하방향으로 이송시키는 롤러부와;
상기 롤러부에 의해 이송된 상기 고분자 필라멘트를 비접촉식으로 가열하는 히터부를 포함하는 용융 침착 모델링(FDM) 헤드 유닛.
A body portion;
A bobbin portion having a rotating shaft coupled to the body portion and having a polymer filament wound on an outer circumferential surface thereof;
A roller portion that is engaged with the two wheels to transfer the polymer filament wound on the bobbin portion by a rotation operation in a downward direction;
And a heater unit for heating the polymer filament conveyed by the roller unit in a noncontact manner.
제1항에 있어서,
상기 히터부에는 상하 방향으로 관통된 홀이 형성되어 있어 상기 고분자 필라멘트가 상기 홀을 지나가도록 하며,
상기 홀의 주변에 열원이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 용융 침착 모델링 헤드 유닛.
The method according to claim 1,
The heater portion is formed with a hole penetrating in the vertical direction so that the polymer filament passes through the hole,
And a heat source is disposed around the hole.
제2항에 있어서,
상기 홀의 단면적은 상기 고분자 필라멘트의 단면적보다 큰 것을 특징으로 하는 용융 침착 모델링 헤드 유닛.
3. The method of claim 2,
Wherein the cross-sectional area of the hole is larger than the cross-sectional area of the polymer filament.
제1항에 있어서,
상기 보빈부, 상기 롤러부, 상기 히터부는 상기 몸체부에서 수직 방향으로 일직선 상에 놓여져 있어, 상기 보빈부에 감겨 있는 상기 고분자 필라멘트가 상기 롤러부의 롤링 동작에 의해 상기 히터부로 이송되는 것을 특징으로 하는 용융 침착 모델링 헤드 유닛.
The method according to claim 1,
Wherein the bobbin part, the roller part, and the heater part are arranged in a straight line in a vertical direction in the body part, and the polymer filament wound on the bobbin part is transferred to the heater part by the rolling operation of the roller part Melting deposit modeling head unit.
제1항에 있어서,
상기 2개의 휠은 서로 반대 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 용융 침착 모델링 헤드 유닛.
The method according to claim 1,
And the two wheels rotate in opposite directions to each other.
3차원 구조체의 재료가 되는 고분자 재료를 필라멘트 형태로 공급하는 재료 공급 유닛;
상기 재료 공급 유닛으로부터 고분자 필라멘트를 공급받아 비접촉식 가열을 통해 상기 고분자 필라멘트를 용융시키는 FDM 헤드 유닛; 및
상기 FDM 헤드 유닛에서 용융된 상기 고분자 필라멘트가 순차 적층되어 상기 3차원 구조체가 제작되는 빌드 플랫폼을 포함하는 비접촉식 용융 침착 모델링 장치.
A material supply unit for supplying a polymer material as a material of the three-dimensional structure in a filament form;
An FDM head unit that receives the polymer filament from the material supply unit and melts the polymer filament through non-contact heating; And
And a build platform in which the polymer filaments melted in the FDM head unit are sequentially stacked to fabricate the three-dimensional structure.
제6항에 있어서,
상기 재료 공급 유닛과 상기 FDM 헤드 유닛 사이에 배치되어, 상기 고분자 필라멘트를 잡아 당겨 직경을 감소시키는 연신 동작을 수행하는 연신 유닛을 더 포함하는 비접촉식 용융 침착 모델링 장치.
The method according to claim 6,
Further comprising a drawing unit disposed between the material supply unit and the FDM head unit for drawing a polymer filament to perform a drawing operation to reduce the diameter of the non-contact molten deposition modeling unit.
제6항에 있어서,
상기 FDM 헤드 유닛과 상기 빌드 플랫폼은 상대적으로 3축 제어되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 용융 침착 모델링 장치.
The method according to claim 6,
Wherein the FDM head unit and the build platform are relatively three-axis controlled.
제6항에 있어서,
상기 고분자 필라멘트는 이종 재료로 이루어진 내부의 심과 외주부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 비접촉식 용융 침착 모델링 장치.
The method according to claim 6,
Wherein the polymer filament is composed of an inner core and an outer peripheral portion made of different materials.
제9항에 있어서,
상기 내부의 심을 구성하는 재질은 상기 외주부를 구성하는 재질에 비해 녹는점이 높거나 용융되지 않거나 물에 용해되는 재질인 것을 특징으로 하는 비접촉식 용융 침착 모델링 장치.
10. The method of claim 9,
Wherein the material constituting the inner shim is a material which has a higher melting point, is not melted or is dissolved in water, as compared with a material constituting the outer circumferential portion.
제6항에 있어서,
상기 고분자 필라멘트는 멀티필라멘트이거나 내부가 빈 모노필라멘트인 것을 특징으로 하는 비접촉식 용융 침착 모델링 장치.
The method according to claim 6,
Wherein the polymer filaments are multifilaments or hollow monofilaments. ≪ RTI ID = 0.0 > 21. < / RTI >
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