KR20160030616A

KR20160030616A - 펠티어소자를 이용한 3d 프린터용 노즐 및 헤드

Info

Publication number: KR20160030616A
Application number: KR1020140119919A
Authority: KR
Inventors: 김진규; 최의경
Original assignee: 김진규; 최의경
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2016-03-21

Abstract

본 발명은 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 노즐히팅부를 대용하여 구조가 간단하면서도 노즐 내부가 막히는 현상 등을 방지할 수 있는 구조를 갖는 펠티어소자를 적용함으로써 노즐의 소형화가 가능하여 그에 따른 다중 멀티 노즐방식의 배열이 가능하며, 열가소성 소재의 분말화 또는 펠릿화가 가능함에 따라 재료의 다양성이 보장될 뿐만 아니라, 펠티어소자를 이용한 히팅 주변의 열전도율 조절을 통해 노즐 내부의 막힘 현상을 차단할 수 있는 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐에 관한 것이다.
본 발명에 따른 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐은, 프린팅 원료를 공급하기 위한 공급관에 연결되어 내부로 상기 프린팅 원료가 유입되는 노즐 본체와; 상방으로 위치한 흡열부가 상기 노즐 본체의 하면에 밀착되게 설치된 펠티어소자와; 상면이 상기 펠티어소자의 하방에 위치한 방열부에 밀착되게 설치되어 상기 방열부에 의해 가열 용융 처리된 상태의 상기 프린팅 원료를 외부로 분사시키는 노즐팁을; 포함하되, 상기 펠티어소자는, 상기 노즐 본체로부터 공급된 프린팅 원료가 통과하여 상기 노즐팁으로 공급되도록 하는 통과홀이 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐 및 헤드{NOZZLE AND HEAD FOR 3D PRINTER USING PELTIER ELEMENT}

본 발명은 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 노즐히팅부를 대용하여 구조가 간단하면서도 노즐 내부가 막히는 현상 등을 방지할 수 있는 구조를 갖는 펠티어소자를 적용함으로써 노즐의 소형화가 가능하여 그에 따른 다중 멀티 노즐방식의 배열이 가능하며, 열가소성 소재의 분말화 또는 펠릿화가 가능함에 따라 재료의 다양성이 보장될 뿐만 아니라, 펠티어소자를 이용한 히팅 주변의 열전도율 조절을 통해 노즐 내부의 막힘 현상을 차단할 수 있는 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐 및 헤드에 관한 것이다.

3D프린터는 지난 수년 사이에 오픈소스(RepRap)를 기반으로 급속히 발전하여 왔다. 불과 1~2년 사이에 국내에서도 3D프린터를 데스크탑 용으로 개발하여 대중화에 나서고 있으며, 인터넷 쇼핑몰 등을 이용하여 점차 폭넓게 확산 되어가고 있다.

해외경제연구소는 2014년 1월29일 "3D프린팅이 맞춤형 다품종 소량생산 시대를 앞당겨 대량생산 중심 제조구조에서 탈피한 차별화된 제품과 기업들이 탄생하고 1인 기업이 증가할 것"이라고 예상하는 한편, "초기에는 제조공정을 모두 대체할 것이란 전망도 나왔으나, 아직 소재, 제작비용, 시간 등의 제한으로 인공장기, 초정밀가공, 개인용 DIY 등 특화 분야가 새롭게 정립될 것으로 예측된다"며 "아시아로 이전됐던 제조업이 R&D가 발달한 미국 등 선진국으로 U턴하는 등 글로벌 제조업 경쟁력이 재편되는 계기가 될 수 있다"고 내다봤다.

일반적인 3D 프린터의 프린팅 방식은 크게 FDM방식(Fused Deposition Modelling)과 DLP방식(Digital Light Processing), SLA방식(Stereolithography Apparatus) 그리고 SLS방식(Selective Laser Sintering)으로 구분되어 지고 있다.

또한, 사용 재료는 세라믹, 플라스틱, 금속, 수지 등 다양한 종류가 사용되어 지고 있으며, 3D 프린팅 소재 산업의 발달과 함께 식재료 등을 포함하여 더욱더 다양해지고 있는 추세이다.

도 1을 참조하면, 3D 프린터에서 대표적으로 사용되어 지고 있는 상기 FDM방식(Fused Deposition Modelling)은 대상물체를 2차원의 평면형태로 성형한 것을 3차원으로 적층하면서 형태를 만들어가는 용융수지 적층식으로, 압출기(102)를 통해 일정한 압력으로 필라멘트(101)를 공급하며 히트블럭(103)을 통해 노즐(104)을 가열하는 히터가열방식으로 노즐을 통해 용융 처리된 재료를 적층하며 조형하는 가열압출방식이다.

그러나, 상기와 같은 가열압출방식은 노즐부분에 재료에 열을 전달할 수 있도록 하는 노즐히팅부를 포함하는데, 이와 같은 노즐히팅부에 의해 용융되는 재료의 안정적인 온도 유지를 위해 세라믹 섬유와 테프론 테이프와 같은 부재들의 추가설치로 인한 노즐의 크기가 증가하게 되고, 그에 따라 배열방식의 다중 멀티 노즐을 위한 소형화 설계가 어렵게 되는 문제가 있었다.

또한, 종래에는 3D 프린팅 작업이 완료된 후 플라스틱 소재의 필라멘트 원료가 작은 크기의 노즐에 남아 있는 상태로 있게 됨으로써 3D 프린터의 재가동시 필라멘트 원료가 노즐 내부에 엉겨 붙어 막히는 현상이 발생되었던 것이다.

뿐만 아니라, 종래의 가열압출방식의 3D 프린터는 열가소성 재료가 노즐의 규격에 대응하는 형태로 제작되어야 하기 때문에 사용되는 해당 제품에 따른 재료의 사용이 제한적이었으며, 필라멘트 형태로 제작되는 재료는 일정한 장력을 버티지 못한 경우 재료가 손상되는 등의 문제가 발생되었던 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 종래의 노즐히팅부를 대용하여 구조가 간단하면서도 노즐 내부가 막히는 현상 등을 방지할 수 있는 구조를 갖는 펠티어소자를 적용함으로써 노즐의 소형화가 가능하여 그에 따른 다중 멀티 노즐방식의 배열이 가능하며, 열가소성 소재의 분말화 또는 펠릿화가 가능함에 따라 재료의 다양성이 보장되는 새로운 구조의 3D 프린터용 노즐 및 헤드를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 열가소성 소재의 분말화 또는 펠릿화에 따른 재료의 적층 성형 효율을 높이도록 압축 공기의 압력을 통한 분사방식으로 베드에 용융된 재료를 안정적으로 배출할 수 있는 에어 분사 방식의 3D 프린터용 노즐 및 헤드를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 전열성이 크고 냉각속도가 빠르며 원하는 방향으로 발열과 동시에 흡열반응이 신속하게 발생되는 펠티어소자를 히팅수단으로 함으로써 노즐이 막히는 현상 등을 차단하고, 물성이나 기능을 달리하는 서로 다른 소재의 필라멘트로 단일의 성형품을 성형할 수 있는 복합재료의 응용이 가능한 3D 프린터용 노즐 및 헤드를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐은, 프린팅 원료를 공급하기 위한 공급관에 연결되어 내부로 상기 프린팅 원료가 유입되는 노즐 본체와; 상방으로 위치한 흡열부가 상기 노즐 본체의 하면에 밀착되게 설치된 펠티어소자와; 상면이 상기 펠티어소자의 하방에 위치한 방열부에 밀착되게 설치되어 상기 방열부에 의해 가열 용융 처리된 상태의 상기 프린팅 원료를 외부로 분사시키는 노즐팁을; 포함하되, 상기 펠티어소자는, 상기 노즐 본체로부터 공급된 프린팅 원료가 통과하여 상기 노즐팁으로 공급되도록 하는 통과홀이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐은, 상기 프린팅 원료를 압출시키도록 상기 공급관에 연결되어 상기 노즐팁 방향으로 압축 공기를 공급하는 압축공기 공급부를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐은, 상기 프린팅 원료는, 필라멘트 또는 플라스틱 펠릿(Pellet) 소재의 열가소성 재료인 것을 특징으로 한다.

또한, 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 헤드는, 상기의 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐 복수개가 일정 간격으로 배열되어 이루어지고, 상기 복수개의 노즐 각각에는 상기 공급관이 연결된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐 및 헤드는, 노즐히팅부로 펠티어소자를 적용함으로써 노즐의 소형화가 가능하여 그에 따른 다중 멀티 노즐방식의 배열이 가능할 뿐만 아니라, 열가소성 소재의 분말화 또는 펠릿화가 가능함에 따라 재료의 다양성이 보장되는 장점을 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐 및 헤드는, 노즐히팅부로 펠티어소자를 적용함으로써 노즐이 막히는 현상 등을 차단하고, 물성이나 기능을 달리하는 서로 다른 소재의 필라멘트로 단일의 성형품을 성형할 수 있는 복합재료의 응용이 가능한 장점을 갖는다.

도 1은 종래의 일반적인 3D 프린터의 구성을 도시한 사용상태도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐을 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐의 구성을 도시한 분해사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐의 사용예를 도시한 사용상태단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 헤드를 도시한 저면사시도.

이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐 및 헤드(이하에서는 "3D 프린터용 노즐 또는 3D 프린터용 헤드"라 한다.)를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐을 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐의 구성을 도시한 분해사시도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐의 사용예를 도시한 사용상태단면도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 헤드를 도시한 저면사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 노즐(10)은, 노즐 본체(110)와, 펠티어소자(120)와, 노즐팁(130)을 포함하여 구성된다.

상기 노즐 본체(110)는 3D 프린터의 재료로 사용되는 프린팅 원료를 공급하는 공급관(P)에 연결되어 내부로 상기 프린팅 원료(M)가 유입되도록 하는 구성이다.

이때, 본 발명의 일실시예에서는 상기의 프린팅 원료(M)로 필라멘트 또는 플라스틱 펠릿(Pellet) 소재의 열가소성 재료가 사용될 수 있을 것이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 노즐 본체(110)는 정사각형 형태로 형성될 수 있으며, 상기 프린팅 원료가 내부로 통과되기 위한 중공이 형성되고, 상부로 돌출되게 형성된 돌출부(110a)에 상기 공급관(P)이 끼워져 고정될 수 있도록 한다.

상기 펠티어소자(120)는 상기 노즐 본체(110)와 후술하는 상기 노즐팁(130) 사이에 설치되는 구성이다.

상기 펠티어소자(120)는 전류의 흐름 방향에 따라 양면으로 발열 및 흡열이 동시에 이루어지는 펠티어 효과를 이용하여 상기 노즐팁(130)을 가열하고, 상기 노즐 본체(110)에는 열이 미치지 못하도록 할 수 있다.

이에, 상기 펠티어소자(120)는 상방으로 위치한 흡열부(122)가 상기 노즐 본체(110)에 밀착되게 설치되고, 하방에 위치한 방열부(121)가 상기 노즐팁(13)의 상면에 밀착되게 설치된다.

상기 노즐팁(130)은 상기 공급관(P)을 통해 공급된 상기 프린팅 원료(M)가 상기 펠티어소자(120)의 방열부(121)에 의해 가열 용융 처리된 상태로 외부로 분사시키도록 구성된 것으로, 상술한 바와 같이 상기 펠티어소자(120)의 하면 즉, 상기 방열부(121)에 밀착되게 설치된다.

한편, 상기 펠티어소자(120)는 상기 노즐 본체(110)로부터 공급된 상기 프린팅 원료(M)가 통과하여 상기 노즐팁(130)으로 공급되도록 하기 위한 통과홀(120a)이 형성된다.

이때, 상기 방열부(121) 및 흡열부(122)는 상기 통과홀(120a)과 연통하는 중공이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 노즐(10)은 상기 프린팅 원료(M)를 압출시키도록 상기 공급관(P)에 연결되어 상기 노즐팁(130) 방향으로 압축 공기를 공급하는 압축공기 공급부(140)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 노즐(10)의 사용예를 도시한 사용상태단면도이다.

도 4를 참조하면, 상기 압축공기 공급부(140)는 컴프레셔(141), 레귤레이터(142)를 포함하여 구성될 수 있을 것이다.

상기 컴프레셔(141)는 압축공기를 발생시키기 위한 것이고, 상기 레귤레이터(142)는 상기 노즐팁(130)으로 공급되는 공기의 압력 조절을 위한 구성이다.

이에, 상기 압축공기 공급부(140) 즉, 상기 컴프레셔(141) 및 상기 레귤레이터(142)는 중공형의 금속파이프 또는 고무재질의 튜브 등으로 이루어져 상기 공급관(P)의 일측으로 연결된 에어공급관(142a)과 연결되어 고압으로 압축된 공기를 상기 노즐팁(130) 방향으로 공급할 수 있도록 한다.

따라서, 본 발명 3D 프린터용 노즐(10)은 상기 공급관(P)을 통해 상기 프린팅 원료(M)가 상기 노즐팁(130)을 향하여 공급되도록 한 경우, 노즐 내부로 충진된 상기 프린팅 원료(M)가 상기 펠티어소자(120)의 흡열부(122)에서는 본래의 형태를 유지한 채 통과되며, 상기 펠티어소자(120)에 의해 고온으로 가열된 상기 노즐팁(130)에는 열전도에 의해 용융 처리된 상태의 원료(Ms)가 채워지게 된다.

이때, 상기 압축공기 공급부(140)를 가동하여 상기 용융 처리된 상태의 프린팅 원료를 고압 분사 방식으로 베드에 분사함으로써 제품 성형 작업을 할 수 있게 되는 것이다.

한편, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터용 헤드는, 상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 상기 3D 프린터용 노즐(10) 복수개가 일정 간격으로 배열되어 이루어지고, 상기 복수개의 노즐 각각에는 상기 공급관(P)이 연결되도록 구성될 수 있다.

이에, 상기와 같이 상기 3D 프린터용 노즐(10) 복수개가 일정 간격으로 배열된 형태로 제품의 성형 작업을 진행하는 경우, 서로 다른 색상의 프린팅 원료를 공급하여 성형부위별로 다양한 컬러로 표현할 수 있으며, 재료의 용융과 적층성형에 영향을 주지 않는 범위 내에서 서로 다른 기능을 갖는 프린팅 원료를 공급하게 된 경우 복합재료로 성형된 제품을 만들 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명 3D 프린터용 노즐(10) 및 헤드(1)는 다음과 같은 효과가 발생된다.

우선, 전류의 흐름 방향을 제어하여 발열과 흡열의 방향을 결정할 수 있는 상기 펠티어소자(120)를 통해 상기 노즐팁(130) 부분에서만 가열이 이루어지도록 할 수 있으므로 노즐 내부에서 필라멘트와 같은 재료가 녹아 엉겨 붙는 현상이 발생되지 않으며, 그에 따른 프린팅 원료의 형태나 밀도에 제약을 받지 않아 상기 압축공기 공급부(140)를 통한 압축 공기 분사방식으로 용융 처리된 상태의 원료(Ms)를 배출시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명 3D 프린터용 노즐(10) 및 헤드(1)는 상기 펠티어소자(120) 즉 열전소자의 특성에 의해 전열성이 크고, 냉각속도가 빠르며 전류가 흐름과 동시에 발열 및 흡열 반응이 신속하게 일어나기 때문에 초기 예열시간 등을 단축할 수 있고, 상기 펠티어소자(120)의 전류 흐름을 제어하여 상기 방열부(121) 및 흡열부(122)의 방향을 반대로 바꾼 경우, 노즐의 상부 즉, 상기 노즐 본체(110) 부분에 부착된 형태로 남아 있는 프린팅 원료(M)의 찌꺼기 등을 용융시켜 배출시킬 수 있는 효과 또한 발생될 수 있는 것이다.

뿐만 아니라, 본 발명 3D 프린터용 노즐(10) 및 헤드(1)는 상술한 바와 같이 프린팅 원료의 형태나 밀도에 크게 제약을 받지 않으므로 상기 프린팅 원료(M)의 미세한 분말화가 가능하고, 열가소성 원료의 원재료로 생산되는 펠릿 형태로 사용이 가능하게 되어 플라스틱 펠릿을 필라멘트 제조 공장으로 이송하고 가공하는 등의 비용을 절감할 수 있어 매우 경제적인 장점이 있는 등 재료의 다양성이 보장될 수 있는 효과가 발생되는 것이다.

게다가, 본 발명 3D 프린터용 헤드(1)는 다양한 색상의 상기 펠릿을 섞는 방법으로도 사용 가능하기 때문에 보다 우수한 제품의 복합재료 성형품을 제작할 수 있는 효과 또한 발생된다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐 및 헤드는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

1 3D 프린터용 헤드 10 3D 프린터용 노즐
110 노즐 본체 120 펠티어소자
121 방열부 122 흡열부
120a 통과홀 130 노즐팁
140 압축공기 공급부

Claims

프린팅 원료를 공급하기 위한 공급관에 연결되어 내부로 상기 프린팅 원료가 유입되는 노즐 본체와;
상방으로 위치한 흡열부가 상기 노즐 본체의 하면에 밀착되게 설치된 펠티어소자와;
상면이 상기 펠티어소자의 하방에 위치한 방열부에 밀착되게 설치되어 상기 방열부에 의해 가열 용융 처리된 상태의 상기 프린팅 원료를 외부로 분사시키는 노즐팁을; 포함하되,
상기 펠티어소자는, 상기 노즐 본체로부터 공급된 프린팅 원료가 통과하여 상기 노즐팁으로 공급되도록 하는 통과홀이 형성된 것을 특징으로 하는 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐.
제1항에 있어서,
상기 프린팅 원료를 압출시키도록 상기 공급관에 연결되어 상기 노즐팁 방향으로 압축 공기를 공급하는 압축공기 공급부를; 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 프린팅 원료는, 필라멘트 또는 플라스틱 펠릿(Pellet) 소재의 열가소성 재료인 것을 특징으로 하는 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐.
제1항에서의 상기 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 노즐 복수개가 일정 간격으로 배열되어 이루어지고, 상기 복수개의 노즐 각각에는 상기 공급관이 연결된 것을 특징으로 하는 펠티어소자를 이용한 3D 프린터용 헤드.