KR20150126120A

KR20150126120A - 3 d 프린터용 재료공급장치 및 재료공급방법

Info

Publication number: KR20150126120A
Application number: KR1020140053190A
Authority: KR
Inventors: 김남준
Original assignee: 주식회사 스카이블루텍
Priority date: 2014-05-02
Filing date: 2014-05-02
Publication date: 2015-11-11

Abstract

본 발명에 따른 3D 프린터용 재료공급장치는,
입상형의 재료를 수용하는 재료공급용기와, 상기 재료공급용기의 상부에 설치되는 공급모터와, 상기 공급모터의 회전축에 결합되고 재료공급용기의 내부에 수용되어, 입상형의 재료를 하방으로 가압하여 송급노즐로 공급하는 공급스크류와, 상기 재료공급용기의 하방에 결합되며, 공급스크류에 의해 가압되어 공급된 입상의 재료를 용융하는 히팅부와, 상기 히팅부에서 용융된 재료가 노즐 하방의 배출구로 배출되기 전에 고화되도록 냉각하는 냉각부를 포함하는 송급노즐과, 상기 송급노즐에서 냉각되어 연속적으로 배출되는 필라멘트형의 재료를 압출헤드까지 안내하는 송급튜브; 및 상기 송급튜브를 통해 필라멘트형의 재료를 공급받아, 제품을 성형할 수 있는 용융된 상태로 배출하는 압출헤드를 포함한다.

Description

3 D 프린터용 재료공급장치 및 재료공급방법{THE MATERIAL FEEDING DEVICE AND METHOD FOR 3D PRINTER}

본 발명은 3D(3 Dimension : 3차원) 프린터용 재료 공급 장치에 관한 것으로서, 필라멘트형 재료를 사용하지 않고, 재료 공급 용기에 입자형 또는 분말형의 원재료를 투입하여 간단한 공정으로 재가공하여 재료를 3D 프린터에 공급할 수 있는 3D 프린터용 재료공급장치에 관한 것이다.

근래에 물체에 대한 3D 데이터를 이용하여 그 물건을 그대로 성형할 수 있는 3D 프린터의 사용이 증대되고 있다. 이러한 3D 프린터는 과거에는 대량생산 이전의 모델링이나 샘플 제작과 같은 용도로 활용되었으나, 금후로는 다품종 소량생산 제품을 중심으로 양산가능한 제품의 성형에도 사용될 수 있는 기술적 기반이 조성되고 있어서 앞으로 3D 프린터 시장은 확대일로에 있다.

3D 프린터의 제품성형 방식은 크게 대상물체를 2차원의 평면형태로 성형한 것을 3차원으로 적층하면서 용융 부착하여 형태를 만들어가는 이른바 첨가형과, 재료덩어리를 조각하듯이 절삭해서 형태를 만들어가는 절삭형이 있다. 그리고 첨가형의 일종으로 열가소성 플라스틱으로 된 와이어 또는 필라멘트를 공급릴과 이송롤을 통해 공급하고 공급된 필라멘트를 작업대에 대하여 상대적으로 XYZ 세 방향으로 위치조절되는 3차원이송기구에 장착된 히터노즐에서 용융시켜서 배출함으로써 2차원 평면형태를 만들면서 이를 작업대 상에서 적층하여 물체를 3차원으로 성형하는 필라멘트 용융 적층 성형방법이 있다.

현재 가장 널리 대중화된 3D 프린터는 PLA(Poly Lactic Acid), ABS(Acrylonitrile Butadience Styrene) 소재의 필라멘트를 용융 적층하는 성형방법을 사용하고 있다. 최근에는 상기 적층 방식의 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3d 프린터가 가장 널리 사용되고 있으며, 저가형의 보급모델이 많이 생산되고 있다. 그러나 FDM 방식에 사용되는 필라멘트형의 재료의 가격이 높게 형성되어, 다양하고 실험적인 3D 프린팅을 수행하기에는 어려운 점이 있으며, 특히 성형이 실패하면 재료를 다시 재사용할 길이 없어 재료와 비용이 낭비되는 단점이 있어 왔다.

또한, 싱글 타입 익스트루더(Extruder)를 사용하는 3D 프린터의 경우 색상을 교체해야 하는 경우에 필라멘트 공급릴을 교체하고, 이를 다시 익스트루더에 연결하는 작업이 필요하여, 색상 변경 시 필라멘트 교체에 따른 시간 소요가 많았다.

대한민국 등록특허 10-1346704호

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 분쇄된 입상형의 재료를 재료공급용기에 투입하고, 입상형의 재료를 송급노즐 내부에서 용융 및 냉각하여 필라멘트형의 재료로 성형하여 제공함으로써, 원재료비를 절약하고 실패한 성형품을 분쇄하여 재사용이 가능하며, 재료의 변경이 용이한 재료공급장치 및 재료공급방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 3D 프린터용 재료공급장치는,

입상형의 재료를 수용하는 재료공급용기와, 상기 재료공급용기의 상부에 설치되는 공급모터와, 상기 공급모터의 회전축에 결합되고 재료공급용기의 내부에 수용되어, 입상형의 재료를 하방으로 가압하여 송급노즐로 공급하는 공급스크류와, 상기 재료공급용기의 하방에 결합되며, 공급스크류에 의해 가압되어 공급된 입상의 재료를 용융하는 히팅부와, 상기 히팅부에서 용융된 재료가 노즐 하방의 배출구로 배출되기 전에 고화되도록 냉각하는 냉각부를 포함하는 송급노즐과, 상기 송급노즐에서 냉각되어 연속적으로 배출되는 필라멘트형의 재료를 압출헤드까지 안내하는 송급튜브; 및 상기 송급튜브를 통해 필라멘트형의 재료를 공급받아, 제품을 성형할 수 있는 용융된 상태로 배출하는 압출헤드를 포함한다.

이 경우, 상기 송급노즐의 내측 상부에는 공급스크류가 삽입된 상태에서 회전할 수 있는 스크류 수용홈이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 재료공급용기는,

몸체는 둥근 원통형으로 형성되고, 하부면은 아래 방향으로 경사진 콘형상으로 형성되며, 상부 일측에는 재료공급용기 내부로 입상형의 재료를 추가로 투입할 수 있는 호퍼가 형성되며,

상기 송급노즐은 3D 프린터의 상판(Top Plate)에 결합된 지지대에 의해 지지고정되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 모터와 재료공급용기는 착탈가능하도록 결합되고, 상기 재료공급용기의 하부와 상기 송급롤러의 상부는 나사결합되어, 상기 모터, 재료공급용기 및 상기 송급롤러가 교체가 용이하도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 3D 프린터 재료공급방법은,

입상의 재료를 재료공급용기에 투입하는 단계와,

재료공급용기의 상부에 설치된 모터가 구동하여, 모터에 결합된 스크류에 의해 재료공급용기 내의 입상 재료를 하방으로 가압하여 송급노즐에 공급하는 단계와,

송급노즐에 공급된 입상의 재료를 송급노즐 상부에서 열을 가하여 용융하는 단계;

용융된 재료를 송급노즐 하부에서 냉각시켜 연속된 필라멘트형의 재료로 배출하는 단계와,

송급노즐에서 배출된 필라멘트형의 재료를 송급튜브를 통해 압출헤드로 송급하는 단계 및

송급받은 재료를 압출헤드를 통해 하방으로 가압하고 열을 가하여 용융된 상태로 배출하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 고가의 필라멘트형 재료를 사용하지 않고, 저가의 입상형 재료를 사용함으로써, 제작비용이 최소화 되는 효과가 있다.

또한, 성형에 실패한 성형물을 분쇄하여 재사용이 가능하므로 재료의 낭비를 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 재료의 종류를 바꾸거나, 재료의 색상을 바꿀때 교환이 용이하고 교환시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터용 재료공급장치의 정면도.
도 2는 본 발명에 따른 3D 프린터용 재료공급장치의 부분 단면도.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 3D 프린터용 재료공급장치를 장착한 3D 프린터의 평면도 및 사시도.
도 5는 종래의 3D 프린터를 나타낸 도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

이하 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 3D 프린터용 재료공급장치 및 재료공급방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 3D 프린터용 재료공급장치의 정면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 3D 프린터용 재료공급장치의 부분 단면도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 3D 프린터용 재료공급장치를 장착한 3D 프린터의 평면도 및 사시도이다.

도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 3D 프린터용 재료공급장치가 3D 프린터에 장착된다. 도 3 내지 도 4에 도시된 3D 프린터는 델타 3D 프린터로 칭해지는 구동방식으로, 본 발명에 따른 재료공급장치가 설치되는 일 실시예를 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 재료공급장치는 다른 구동방식의 FDM 3D 프린터에도 적용될 수 있음은 물론이다.

델타 3D 프린터는 3개의 캐리어(102)가 각각 가이드축(104)을 따라 구동모터(120)에 의해 상하 이동하도록 구동되고, 캐리어(102)에 일단이 결합되고, 플랫폼(105)에 타단이 각각 결합되어 캐리어(102)의 위치에 따라 플랫폼(105)이 XYZ 3축 방향으로 이동할 수 있게 되며, 플랫폼(105)에 결합된 압출헤드(60)의 위치가 결정되어 원하는 형상의 제품을 베드 플레이트(Bed Plate, 106) 위에 성형할 수 있게 된다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 3D 프린터용 재료공급장치는, 재료공급용기(10), 공급모터(20), 공급스크류(30), 송급노즐(40), 송급튜브(50) 및 압출헤드(60)를 포함하여 구성된다.

도 3에 도시된 바와 같이 재료공급용기(10), 공급모터(20) 및 송급노즐(40)은 지지대(110)에 의해 3D 프린터의 상부에 위치하는 것이 바람직하다. 위쪽에 노출되도록 위치함으로써, 공급모터(20), 재료공급용기(10), 송급노즐(40)의 교환이 용이하다. 재료공급용기(10)는 성형되는 제품의 크기에 따라 용량을 달리하여 교체 결합이 가능하며, 송급노즐(40)은 익스트루더(61)에 제공하는 필라멘트형 재료의 굵기에 따라 적절한 송급노즐(40)이 선택되어 교체 결합이 가능하다.

재료공급용기(10)는 입상형의 재료를 수용하는 용기로 그 형상의 제한은 없으나, 통상적으로 몸체는 원통형을 가지고, 하부면(11)은 아래 방향으로 경사진 콘 형상을 가지는 것이 바람직하다. 하부면(11)이 콘 형상을 가짐으로써 입상형의 재료가 중력에 의해 하부 중심방향으로 이동하게 된다. 재료공급용기(10)는 내부에 수용된 입상형의 재료의 양을 쉽게 알 수 있도록 투명한 재질로 제작되어도 되고, 불투명한 재질로 제작되는 경우에는 투시창이 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 성형하고자 하는 제품에 사용되는 재료의 양에 따라 적절한 크기의 용기를 선택할 수 있다. 재료공급용기(10)의 상부 일측에는 재료를 보충할 수 있도록 호퍼(12)가 형성될 수 있으며, 용기 내의 재료가 제품 성형에 부족하다고 판단될 때에는 호퍼(12)를 통하여 입상형의 재료(5)를 보충할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 재료공급용기(10)의 상부 캡(13)에는 공급모터(20)가 결합된다. 재료공급용기(10)와 공급모터(20)는 다양한 방식으로 결합될 수 있으나, 착탈이 용이하도록 나사결합되는 것이 가장 바람직하다. 공급모터(20)는 회전축(21)이 하방을 향하도록 결합된다. 공급모터(20)의 회전축(21)에는 공급스크류(30)가 결합된다. 공급스크류(30)가 회전하면 입상형의 재료(5)가 공급스크류(30)에 의해 하방으로 압력을 받아 이동한다. 공급모터(20)는 제어부에 의한 속도조절이 가능한 서보모터를 사용한다. 재료의 공급속도를 정밀하게 제어하기 위하여 스텝모터를 사용할 수도 있다. 익스트루더(61)에 필라멘트형 재료가 공급되는 속도와 맞추어 송급노즐(40)로 재료를 공급한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 재료공급용기(10)의 하단에는 송급노즐(40)이 결합된다. 송급노즐(40)은 재료공급용기(10)에 수용된 입상형의 재료(5)를 공급받아 가열하여 용융하고, 다시 냉각하여 필라멘트형의 재료로 성형하는 부분이다.

송급노즐(40)의 상단과 재료공급용기(10)의 하단은 분리와 결합이 용이하게 나사결합되는 것이 바람직하다. 송급노즐(40)은 생산하는 필라멘트의 직경에 따라 대응하는 배출구(43)를 가지는 송급노즐(40)이 선택된다. 제품의 성형정밀도가 높을 수록 배출구의 직경이 작은 송급노즐(40)이 선택되어야 할 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이 송급노즐(40)의 상부에는 공급스크류(30)가 삽입된 상태에서 회전할 수 있는 공간을 제공하는 스크류 수용홈(44)이 형성될 수 있다. 스크류 수용홈(44)에서 공급스크류(30)의 선단(33)이 회전함으로써, 입자형의 재료가 송급노즐(40)로 공급되는 압력을 증가시킬 수 있다. 물론, 재료공급용기(10)의 하단에 공급스크류(30)의 선단(33)이 수용되는 홈을 형성하는 것도 가능하다.

송급노즐(40)의 상부에는 열선(411)에 의해 재료를 가열하여 용융하는 히팅부(41)가 구비되며, 송급노즐(40)의 하부에는 냉각코일(421) 등에 의해 재료가 송급노즐(40)의 배출구를 통하여 송급튜브(50)에 공급되기 전에 고체화 되도록 냉각하는 냉각부(42)가 구비된다. 히팅부(41)와 냉각부(42)의 사이에는 히팅부(41)와 냉각부(42)가 서로 영향을 받지 아니하도록 단열부(45)가 형성될 수 있다.

공급스크류(30)에 의해 송급노즐(40)로 공급된 입상형의 재료는 히팅부와 냉각부를 거쳐 연속된 필라멘트형의 재료로 가공되게 된다.

가공된 필라멘트형의 재료는 송급튜브(50)를 통해 압출헤드(60)로 이동한다. 송급튜브(50)의 내경은 필라멘트의 직경보다 약간 크게 하여 필라멘트와 송급튜브(50)의 마찰을 최소화 하면서, 재료의 손상없이 압출헤드(60)로 이송되도록 안내한다. 송급튜브(50)는 다양한 재질이 사용될 수 있으나 플랙서블한 테프론 재질을 채택하는 것이 바람직하다. 테프론 재질은 표면 마찰력이 적어 이송관으로 적합하고, 고온에도 잘 견뎌 송급노즐(40)에서 배출되는 다소 온도가 높은 필라멘트에 의해 열변형이 생기는 문제가 발생하지 않는다.

송급노즐(40)을 통해 이동한 필라멘트형 재료는 압출헤드(60)로 제공된다. 압출헤드(60)는 재료를 노즐로 밀어내는 익스트루더(61)와 압출노즐(65)로 구성될 수 있다. 익스트루더(61)는 압출구동력을 제공하는 압출모터(611)와 압출모터(611)에 연결되어 재료와 마찰하여 압출노즐방향으로 가압하는 압출롤러(612)를 포함한다. 재료가 압출롤러(612)에 의해 압출노즐방향으로 가압되면, 압출노즐(65)의 상부에 구비된 가열부(64)에 의해 용융된 상태에서 압출노즐로 배출된다. 배출되는 용융된 재료를 베드 플레이트 위에 적층하여 제품을 성형한다.

본 발명에 따른 3D 프린터 재료공급방법은,

입상의 재료를 재료공급용기(10)에 투입하는 단계와, 재료공급용기(10)의 상부에 설치된 모터(20)가 구동하여, 모터에 결합된 스크류(30)에 의해 재료공급용기(10) 내의 입상 재료를 하방으로 가압하여 송급노즐(40)에 공급하는 단계와, 송급노즐(40)에 공급된 입상의 재료를 송급노즐(40) 상부에서 열을 가하여 용융하는 단계와 용융된 재료를 송급노즐(40) 하부에서 냉각시켜 연속된 필라멘트형의 재료로 배출하는 단계와, 송급노즐(40)에서 배출된 필라멘트형의 재료를 송급튜브(50)를 통해 압출헤드(60)로 송급하는 단계 및 송급받은 재료를 압출헤드(60)를 통해 하방으로 가압하고 열을 가하여 용융된 상태로 배출하는 단계를 포함한다.

상기 각 단계에 대한 설명은 본 발명에 따른 3D 프린터 재료공급장치에 대한 설명으로 충분한 이해가 되므로 상세한 설명을 생략한다.

상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 3D 프린터용 재료공급장치를 사용하면, 입상형의 재료를 사용하여 3D 프린팅을 수행하는 것이 가능해져 재료비용을 크게 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 3D 프린터용 재료공급장치는 기존의 필라멘트형 재료를 사용하는 FDM 방식의 3D 프린터에 추가로 설치하여 사용할 수 있어, 종래와 같이 필라멘트 코일을 구입하여 사용하는 것과, 입상형의 재료를 사용하는 것 모두 선택가능하게 된다. 즉, 송급튜브(50)를 익스트루더(61)와 분리하고, 필라멘트 코일을 익스트루더(61)에 연결하면 종래와 동일한 방식으로 재료를 공급하는 것도 가능하다는 것을 의미한다.

5 : 입상형 재료
10 : 재료공급장치
12 : 호퍼
20 : 공급모터
30 : 공급스크류
40 : 송급노즐
41 : 히팅부
42 : 냉각부
50 : 송급튜브
60 : 압출헤드
61 : 익스트루더
611 : 압출모터
612 : 압출롤러
63 : 고정부
64 : 가열부
65 : 압출노즐

Claims

3D 프린터에 재료를 공급하여 용융된 재료를 압출하여 제품을 성형하는 적층식 3D 프린터의 재료공급장치에 있어서,
입상형의 재료를 수용하는 재료공급용기;
상기 재료공급용기의 상부에 설치되는 공급모터;
상기 공급모터의 회전축에 결합되고 재료공급용기의 내부에 수용되어, 입상형의 재료를 하방으로 가압하여 송급노즐로 공급하는 공급스크류;
상기 재료공급용기의 하방에 결합되며, 공급스크류에 의해 가압되어 공급된 입상의 재료를 용융하는 히팅부와, 상기 히팅부에서 용융된 재료가 노즐 하방의 배출구로 배출되기 전에 고화되도록 냉각하는 냉각부를 포함하는 송급노즐;
상기 송급노즐에서 냉각되어 연속적으로 배출되는 필라멘트형의 재료를 압출헤드까지 안내하는 송급튜브; 및
상기 송급튜브를 통해 필라멘트형의 재료를 공급받아, 제품을 성형할 수 있는 용융된 상태로 배출하는 압출헤드를 포함하는
3D 프린터용 재료공급장치.
제1항에 있어서,
상기 송급노즐의 내측 상부에는 공급스크류가 삽입된 상태에서 회전할 수 있는 스크류 수용홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 재료공급장치.
제1항에 있어서,
상기 재료공급용기는,
몸체는 둥근 원통형으로 형성되고, 하부면은 아래 방향으로 경사진 콘형상으로 형성되며, 상부 일측에는 재료공급용기 내부로 입상형의 재료를 추가로 투입할 수 있는 호퍼가 형성되며,
상기 송급노즐은 3D 프린터의 상판(Top Plate)에 결합된 지지대에 의해 지지고정되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 재료공급장치.
제1항에 있어서,
상기 모터와 재료공급용기는 착탈가능하도록 결합되고,
상기 재료공급용기의 하부와 상기 송급롤러의 상부는 나사결합되어,
상기 모터, 재료공급용기 및 상기 송급롤러가 교체가 용이하도록 하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 재료공급장치.
용융된 재료를 적층하여 제품을 성형하는 3D 프린터에 재료를 공급하는 방법에 있어서,
입상의 재료를 재료공급용기에 투입하는 단계;
재료공급용기의 상부에 설치된 모터가 구동하여, 모터에 결합된 스크류에 의해 재료공급용기 내의 입상 재료를 하방으로 가압하여 송급노즐에 공급하는 단계;
송급노즐에 공급된 입상의 재료를 송급노즐 상부에서 열을 가하여 용융하는 단계;
용융된 재료를 송급노즐 하부에서 냉각시켜 연속된 필라멘트형의 재료로 배출하는 단계;
송급노즐에서 배출된 필라멘트형의 재료를 송급튜브를 통해 압출헤드로 송급하는 단계; 및
송급받은 재료를 압출헤드를 통해 하방으로 가압하고 열을 가하여 용융된 상태로 배출하는 단계를 포함하는 3D 프린터 재료공급방법.