KR20150139216A - 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치 - Google Patents

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Abstract

개시된 기술은 삼차원 프린터의 노즐부를 냉각하는 장치 및 제어 방법에 관한 것으로서, 필라멘트 용융 압출형 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치에 있어서,필라멘트를 용융하여 압출하는 노즐부; 상기 노즐에 상기 필라멘트를 공급하는 원료 공급부; 및 상기 노즐부 및 상기 원료 공급부에 냉각 기류를 공급하는 냉각 기류 공급부를 포함하는 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치를 제공한다.
또한, 필라멘트를 용융하여 압출하는 노즐부, 상기 노즐에 상기 필라멘트를 공급하는 원료 공급부 및 상기 노즐부 및 상기 원료 공급부에 냉각 기류를 공급하는 냉각 기류 공급부를 포함하는 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치 제어 방법에 있어서, 상기 노즐부 및 상기 원료 공급부의 온도의 온도를 측정하는 단계; 상기 삼차원 프린터의 내부 공기 온도를 측정하는 단계; 측정된 상기 노즐부 및 원료 공급부의 온도의 온도가 미리 정해진 기준 값보다 높으면, 상기 냉각 기류 공급부가 동작하도록 제어하는 단계를 포함하는 노즐부 냉각 장치 제어 방법을 제공한다.

Description

삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치 및 제어 방법{COOLING APPARATUS FOR NOZZLE OF 3D PRINTER AND METHOD THEREOF}
본 발명은 삼차원 프린터의 노즐부를 냉각하는 장치 및 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 삼차원 프린터의 노즐 가열부에서 발생된 열로 인하여 생성된 출력물의 품질이 저하되는 것을 방지하기 위하여 열전소자를 포함하는 노즐부 냉각 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
3D 구조물을 형성하는 기술에는 열가소성 플라스틱류를 압출하여 적층하는 방식, 액체 상태의 '광경화성 수지'가 담긴 수조(Vat) 안에 레이저 빔을 투사하고 수조 안에 있는 조형물이 한 층(Layer) 씩 만들어질 때마다 수조가 층 두께만큼 하강하고 다시 레이저를 주사하여 입체 구조물을 형성하는 방식, 액체 상태의 '광경화성 수지(빛을 받으면 경화되는 수지)'에 조형하고자 하는 모양의 빛을 투사하면서 수지를 층층이 굳혀 입체 구조물을 형성하는 방식, 잉크젯 프린터 원리를 이용하여 프린터 헤드의 노즐에서 액체 상태의 컬러 잉크와 경화물질(바인더)을 분말 원료에 압출하여 입체 구조물을 형성하는 방식 등 다양한 방식이 있다.
이 가운데 열가소성 플라스틱류를 압출하여 적층하는 방식은 하나의 동일한 액화 원료(플라스틱, 왁스, 금속 등)를 지정(목표)된 범위에 적층시켜 입체 구조물을 완성 시킨다. FFF(Fused Filament Fabrication) 또는 FDM(Fused Deposition Modeling)로 불리는 이러한 기술 방식에서는, 롤러의 회전에 의해 필라멘트 상태의 열가소성 원료가 노즐로 공급되고, 노즐 가열부에 의해 원료가 녹아 압출된다.
그러나 노즐 가열부의 열은 원료 공급부 및 생성된 출력물에 전달되어 노즐에서 압출되는 원료의 양이 일정하지 않게 되는 문제가 발생시키며, 또한 출력물의 품질을 저하시킨다.
도 1은 이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 방식으로서, 원료 공급부 및 출력물에 인접하게 배치된 냉각용 팬을 사용하여 원료 공급부 및 출력물의 온도를 낮춘다. 그러나 종래 방식은 공기 온도가 높아지는 경우 냉각 효율이 급격하게 낮아지는 단점을 가진다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 한계를 해결하기 위해 제시된 것으로서, 열전소자를 포함하여 냉각 성능을 개선한 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치 및 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 개시된 기술의 제1 특징은 필라멘트 용융 압출형 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치에 있어서, 필라멘트를 용융하여 압출하는 노즐부; 상기 노즐에 상기 필라멘트를 공급하는 원료 공급부; 및 상기 노즐부 및 상기 원료 공급부에 냉각 기류를 공급하는 냉각 기류 공급부를 포함하는 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치를 제공한다.
이때, 상기 냉각 기류 공급부는 열전소자, 상기 열전소자의 냉각 면에 배치되는 냉각 핀; 상기 냉각 핀에 기류를 공급하는 제1 송풍 팬; 상기 열전소자의 발열 면에 배치되는 방열 핀; 및 상기 방열 핀에 기류를 공급하는 제2 송풍 팬을 더 포함한다.
상기 열전소자의 냉각 면과 상기 냉각 핀 사이에 히트 파이프가 더 배치된다. 또한, 상기 열전소자의 발열 면과 상기 방열 핀 사이에 히트 파이프가 더 배치된다.
한편, 상기 노즐부 및 상기 원료 공급부에 배치된 온도 센서를 더 포함하고,
상기 제1 송풍 팬 및 상기 제2 송풍팬의 회전수는 상기 온도 센서로부터 측정된 값에 기초하여 제어된다. 또한, 상기 열전소자에 인가되는 전류는 상기 온도 센서로부터 측정된 값에 기초하여 제어된다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 개시된 기술의 제2 특징은 필라멘트를 용융하여 압출하는 노즐부, 상기 노즐에 상기 필라멘트를 공급하는 원료 공급부 및 상기 노즐부 및 상기 원료 공급부에 냉각 기류를 공급하는 냉각 기류 공급부를 포함하는 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치 제어 방법에 있어서, 상기 노즐부 및 상기 원료 공급부의 온도의 온도를 측정하는 단계; 상기 삼차원 프린터의 내부 공기 온도를 측정하는 단계; 측정된 상기 노즐부 및 원료 공급부의 온도의 온도가 미리 정해진 기준 값보다 높으면, 상기 냉각 기류 공급부가 동작하도록 제어하는 단계를 포함하는 노즐부 냉각 장치 제어 방법을 제공한다.
이때, 냉각 기류 공급부는 열전소자를 포함하고, 열전소자에 인가되는 전류는 상기 내부 온도에 기초하여 제어된다.
개시된 기술의 실시예들은 다음의 장점을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에 의한 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치 및 제어 방법에 의하면, 열전소자를 이용하여 원료 공급부 및 출력물에 보다 낮은 온도의 냉각 기류를 공급할 수 있다. 따라서 출력물의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 방식을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 열전소자를 이용한 노즐부 냉각 방식을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 기류 공급부의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 방법의 순서도이다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
“제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 발명은 프린터의 노즐부를 냉각하는 장치 및 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 삼차원 프린터의 노즐 가열부에서 발생된 열로 인하여 생성된 출력물의 품질이 저하되는 것을 방지하기 위하여 열전소자를 포함하는 노즐부 냉각 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 FFF(Fused Filament Fabrication) 또는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식에서는 가소성 플라스틱류를 용융하고 압출하여 원료를 한 방울씩 떨어 뜨려 적층한다.
구체적으로, 원료 공급부(120)는 노즐부(110)로 원료인 필라멘트를 공급한다. 일 실시예에 따르면 원료 공급부(120)는 롤러 회전을 통에 필라멘트를 노즐부(110)로 이동시킨다.
노즐부(110)는 열가소성 수지로 이루어진 필라멘트를 용융하여 출력한다.
생성된 출력물의 고온 상태가 유지되면 출력물에 변형이 생길 수 있으므로 노즐 인근의 냉각팬으로 부터 출력물을 냉각시킨다.
또한 노즐부(110)에서 발생된 열이 원료 공급부(120)로 전도 되면 노즐부(110)로 이동되는 필라멘트의 균일도가 낮아진다. 따라서 종래 기술에서는 냉각팬을 이용하여 원료 공급부(120) 및 노즐부(110)에 찬 공기를 공급하였다. 그러나 삼차원 프린터 내부의 온도가 높아지는 경우 냉각 효율은 급격하게 떨어지게 되며, 프린터 외부의 찬 공기를 유입시키기 위해서는 별도의 공기 순환 통로를 구비해야 하므로 프린터의 크기가 커지는 단점이 발생한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 열전소자를 이용한 노즐부 냉각 방식을 설명하는 도면이다. 일 실시예에 따른 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치는 노즐부(110), 원료 공급부(120) 및 냉각 기류 공급부(130)를 포함한다.
노즐부(110)는 열가소성 수지로 이루어진 필라멘트를 용융하여 출력한다.
원료 공급부(120)는 노즐부(110)로 원료인 필라멘트를 공급한다. 일 실시예에 따르면 원료 공급부(120)는 롤러 회전을 통에 필라멘트를 노즐부(110)로 이동 시킨다.
냉각 기류 공급부(130)는 노즐부(110) 및 원료 공급부(120)에 냉각 기류를 공급한다. 냉각 기류 공급부(130)는 열전소자를 포함하여 삼차원 프린터 내부의 공기 온도가 고온인 경우에도 찬 공기를 공급할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 기류 공급부의 개략도이다.
일 실시예에 따르면 냉각 기류 공급부(130)는 열전소자(131), 히트 파이프(132, 133), 냉각 핀(134), 방열 핀(135), 제1 송풍팬(136) 및 제2 송풍팬(137)을 포함한다.
열전소자(131)는 펠티어 효과를 이용한 소자로서 전류 인가에 의해 일측면의 온도는 낮아지고 반대 측면의 온도는 상승하는 소자이다.
전류가 인가되면 열전소자의 냉각면(131a)이 냉각되고 냉기는 히트 파이프(132)를 따라 냉각 핀(134)로 전달된다. 제1 송풍팬(136)은 냉각 핀(134)을 통해 노즐부(110) 및 원료 공급부(120)로 냉가기 기류를 공급하게 된다.
한편, 전류의 인가에 따라 열전소자의 발열면(131b)은 발열되고 열기는 히트 파이프(133)를 따라 방열 핀(134)로 전달된다. 제2 송풍팬(137)은 방열 핀(134)을 냉각 하여 냉각 기류 공급부(130)의 냉각 효율을 높인다.
도시된 바와 같이 냉각 기류 공급부(130)는 복수개 구비될 수 있다. 따라서 노즐부(110) 및 원료 공급부(120)의 온도를 각각 제어할 수 있다.
한편, 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치는 노즐부(110) 및 원료 공급부(120)에 각각 배치되는 온도센서를 더 포함할 수 있다. 온도 센서로부터 측정되는 온도를 기초하여 제1 송풍팬(136) 및 제2 송풍팬(137)의 회전수를 제어할 수 있다. 또한 온도 센서로부터 측정되는 온도를 기초하여 열전소자(131)에 인가되는 전류를 제어할 수 있다. 따라서 보다 정밀한 온도 제어가 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 방법의 순서도이다. 도 4는 도 2의 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치를 시 계열적으로 구현한 경우에도 본 실시예에 해당되므로, 노즐부(110), 원료 공급부(120) 및 냉각 기류 공급부(130)에 대하여 설명된 부분은 본 실시예에서도 그대로 적용된다.
일 실시예에 따른 노즐부 냉각 장치 제어 방법은, 노즐부 및 원료 공급부의 온도를 측정하는 단계(S410), 삼차원 프린터 내부의 공기 온도를 측정하는 단계(S420) 및 노즐부, 원료 공급부 및 삼차원 프린터 내부의 공기 온도에 기초하여 냉각 기류 공급부의 동작을 제어하는 단계(S430)를 포함한다.
S410 단계에서, 노즐부(110) 및 원료 공급부(120)에 각각 배치되는 온도센서로부터 노즐부(110) 및 원료 공급부(120)의 온도를 측정한다.
S420 단계에서, 삼차원 프린터의 내부 공기 온도를 측정한다.
S430 단계에서, 측정된 노즐부(110) 및 원료 공급부(120)의 온도의 온도가 미리 정해진 기준 값보다 높으면, 냉각 기류 공급부가 동작하도록 제어한다.
예를 들어 노즐부(110) 및 원료 공급부(120)의 온도와 삼차원 프린터의 내부 공기 온도 차이 값이 커질수록 열전소자(131)에 인가되는 전류 값을 증가 시킬 수 있다. 또한, 제1 송풍팬(136) 및 제2 송풍팬(137)의 회전수를 증가시킬 수 있다.
상술한 바에 따른 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치 및 제어 방법에 의하면, 삼차원 프린터의 내부 공기 온도가 상승하여도 열전소자를 이용하여 냉기를 발생시킬 수 있으므로 노즐부 및 원료 공급부를 효과적으로 냉각시킬 수 있다. 따라서 출력물의 품질을 향상시킬 수 있다.
이러한 개시된 기술인 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 개시된 기술의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
110 : 원료 공급부
120 : 노즐부
130 : 냉각 기류 공급부
131, 131a, 131b : 열전소자, 열전소자의 냉각면, 열전소자의 발열면
132, 133 : 히트 파이프
134, 135, 냉각 핀, 방열 핀
136, 137 : 제1 송풍팬, 제2 송풍팬

Claims (11)

  1. 필라멘트 용융 압출형 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치에 있어서,
    필라멘트를 용융하여 압출하는 노즐부;
    상기 노즐에 상기 필라멘트를 공급하는 원료 공급부; 및
    상기 노즐부 및 상기 원료 공급부에 냉각 기류를 공급하는 냉각 기류 공급부를 포함하는 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각 기류 공급부는 열전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐부 냉각 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각 기류 공급부는
    상기 열전소자의 냉각 면에 배치되는 냉각 핀;
    상기 냉각 핀에 기류를 공급하는 제1 송풍 팬;
    상기 열전소자의 발열 면에 배치되는 방열 핀; 및
    상기 방열 핀에 기류를 공급하는 제2 송풍 팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐부 냉각 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 열전소자의 냉각 면과 상기 냉각 핀 사이에 히트 파이프가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 노즐부 냉각 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 열전소자의 발열 면과 상기 방열 핀 사이에 히트 파이프가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 노즐부 냉각 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 노즐부 및 상기 원료 공급부에 배치된 온도 센서를 더 포함하고,
    상기 제1 송풍 팬 및 상기 제2 송풍팬의 회전수는 상기 온도 센서로부터 측정된 값에 기초하여 제어되는 것을 특징으로 하는 노즐부 냉각 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 열전소자에 인가되는 전류는 상기 온도 센서로부터 측정된 값에 기초하여 제어되는 것을 특징으로 하는 노즐부 냉각 장치.
  8. 필라멘트를 용융하여 압출하는 노즐부, 상기 노즐에 상기 필라멘트를 공급하는 원료 공급부 및 상기 노즐부 및 상기 원료 공급부에 냉각 기류를 공급하는 냉각 기류 공급부를 포함하는 삼차원 프린터의 노즐부 냉각 장치 제어 방법에 있어서,
    상기 노즐부 및 상기 원료 공급부의 온도의 온도를 측정하는 단계;
    상기 삼차원 프린터의 내부 공기 온도를 측정하는 단계;
    측정된 상기 노즐부 및 원료 공급부의 온도의 온도가 미리 정해진 기준 값보다 높으면, 상기 냉각 기류 공급부가 동작하도록 제어하는 단계를 포함하는 노즐부 냉각 장치 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 냉각 기류 공급부는 열전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐부 냉각 장치 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 냉각 기류 공급부는
    상기 열전소자의 냉각 면에 배치되는 냉각 핀;
    상기 냉각 핀에 기류를 공급하는 제1 송풍 팬;
    상기 열전소자의 발열 면에 배치되는 방열 핀; 및
    상기 방열 핀에 기류를 공급하는 제2 송풍 팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 노즐부 냉각 장치 제어 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 열전소자에 인가되는 전류는 상기 내부 온도에 기초하여 제어되는 것을 특징으로 하는 노즐부 냉각 장치 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ307460B6 (cs) * 2016-02-11 2018-09-12 Marek Zloch Tisková hlava pro trojrozměrnou tvorbu modelů z plastové taveniny s indukčním vyhříváním
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