KR20160080894A - ３차원 프린터용 노즐 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 노즐(110)의 인쇄재료 유입구(112)와 인쇄재료 분사구(114)를 연결하는 연결유로(116)에서 서로 다른 색상의 인쇄재료를 1차로 혼합하는 믹싱 스크루(122, 124) 및 인쇄재료 분사구(114)에서 1차 혼합된 인쇄재료를 2차로 혼합하는 믹싱 임펠러(126, 128)를 포함하기 때문에, 인쇄재료를 균일하게 혼합하여 색상 구현을 보다 정확히 할 수 있는 3차원 프린터용 노즐 어셈블리(100)를 제공한다.

Description

３차원 프린터용 노즐 어셈블리 {Nozzle Assembly for Three-Demensional Printer}
본 발명은 3차원 프린터에 적용되는 노즐 어셈블리에 관한 것이다.
근래 들어, 입체적인 물건(인쇄대상)을 3차원 인쇄재료에 의하여 조형하는 3차원 프린터가 다양한 산업분야에서 큰 주목을 받고 있다.
3차원 프린터는, X축방향 및 Y축방향으로 이동 가능한 베드(bed), 베드 상에 3차원 인쇄재료를 분사하며 Z축방향으로 이동 가능한 노즐 및 노즐에 3차원 인쇄재료를 공급하는 익스트루더(extruder)로 구성되고, 베드 상에 아주 얇은 막(layer)을 한 층씩 쌓아 올리는 방식으로 인쇄대상을 조형하도록 동작된다.
익스트루더는 3차원 인쇄재료로서 서로 다른 색상을 갖는 열가소성의 필라멘트(filament)들을 컨트롤유닛(control unit)의 제어에 따라 공급하고, 노즐은 익스트루더로부터 공급되는 서로 다른 색상의 필라멘트들을 용융하여 분사한다. 노즐로부터 분사되는 3차원 인쇄재료의 색상은 노즐에 공급된 필라멘트들의 색상 및 양의 조합으로 결정된다.
그러나, 이전까지의 3차원 프린터는, 그 노즐에 공급된 서로 다른 색상의 필라멘트들이 용융된 후 노즐의 내부공간에서 별도의 혼합과정을 거침이 없이 자연히 혼합된 상태로 분사되기 때문에,
그러나, 이전까지의 3차원 프린터는, 그 노즐에 공급된 서로 다른 색상의 필라멘트들이 용융된 다음 노즐의 내부공간에서 별도의 혼합과정 없이 자연히 혼합된 상태로 분사되기 때문에, 자칫 용융된 필라멘트들이 균일하게 혼합되지 않을 수 있고, 이로써 색상이 요구한 바에 따라 정확히 구현되지 않는 문제점이 있는바, 이에 대한 개선책 마련이 시급히 요구되는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0121034호(2014.10.15 공개)
본 발명의 실시예는 서로 다른 색상의 3차원 인쇄재료에 대한 균일혼합을 통하여 보다 정확히 색상 구현을 할 수 있는 3차원 프린터용 노즐 어셈블리를 제공하는 데 목적이 있다.
해결하고자 하는 과제는 이에 제한되지 않고, 언급되지 않은 기타 과제는 통상의 기술자라면 이하의 기재로부터 명확히 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 인쇄재료 유입구(112), 단일의 인쇄재료 분사구(114) 및 상기 복수의 인쇄재료 유입구(112)와 단일의 인쇄재료 분사구(114)를 연결하는 연결유로(116)를 갖는 노즐(110)과; 상기 복수의 인쇄재료 유입구(112)로 유입되어 단일의 인쇄재료 분사구(114)로 분사되는 인쇄재료를 혼합하는 인쇄재료 믹싱유닛(120)을 포함하는, 3차원 프린터용 노즐 어셈블리(100)가 제공될 수 있다.
상기 복수의 인쇄재료 유입구(112)는 상기 노즐(110)의 중간부에 둘레방향을 따라 간격을 두고 배치되고, 상기 단일의 인쇄재료 분사구(114)는 상기 노즐(110)의 하단에 배치되며, 상기 연결유로(116)는 상기 노즐(110)의 내부에 상하방향으로 마련될 수 있다. 그리고, 상기 인쇄재료 믹싱유닛(120)은, 상기 연결유로(116)에 길이방향으로 배치되며 회전 가능한 스크루 축(122) 및 상기 스크루 축(122)의 둘레에 나선형으로 마련된 스크루 날개(124)로 구성된 믹싱 스크루(mixing screw)를 포함할 수 있다.
상기 인쇄재료 믹싱유닛(120)은, 상기 스크루 축(122)의 하단에서 상기 인쇄재료 분사구(114) 쪽으로 돌출되어 상기 인쇄재료 분사구(114)에 배치된 임펠러 축(126) 및 상기 임펠러 축(126)의 둘레방향을 따라 간격을 두고 마련된 복수의 임펠러 날개(128)로 구성된 믹싱 임펠러(mixing impeller)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린터용 노즐 어셈블리(100)는, 상기 노즐(110)에 열을 가하는 히팅유닛과; 상기 복수의 인쇄재료 유입구(112)에 각각 연결되며 상기 히팅유닛에 의하여 가열된 상기 노즐(110)로부터 열을 전도받아 상기 각 인쇄재료 유입구(112)에 제공되는 인쇄재료를 용융시키는 멜팅블록(130)을 더 포함할 수 있다.
과제의 해결 수단은 이하에서 설명하는 실시예, 도면 등을 통하여 보다 구체적이고 명확하게 될 것이다. 또한, 이하에서는 언급한 해결 수단 이외의 다양한 해결 수단이 추가로 제시될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 서로 다른 색상의 인쇄재료를 1차 혼합하는 믹싱 스크루(122, 124) 및 1차 혼합된 인쇄재료를 2차로 혼합하는 믹싱 임펠러(126, 128)를 포함하기 때문에, 인쇄재료를 균일하게 혼합하여 색상 구현을 보다 정확히 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린터용 노즐 어셈블리가 도시된 정단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린터용 노즐 어셈블리 및 주변구성이 도시된 평단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 노즐을 나타내는 정단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 믹싱 임펠러를 나타내는 평단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 참고로, 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 참조하는 도면에서 구성요소의 크기나 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명하는 데 사용되는 용어는 주로 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자의 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 용어에 대해서는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 해석하는 것이 마땅하겠다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린터용 노즐 어셈블리가 도 1 내지 도 4에 도시되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린터용 노즐 어셈블리(100)는 프린터 본체의 내부공간에 위치하도록 베드의 상방에 배치될 수 있다. 일례로, 베드가 X축방향 및 Y축방향으로 직선이동 가능하도록 설치된 경우, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린터용 노즐 어셈블리(100)는 Z축방향으로 직선이동 가능하도록 설치될 수 있다. 물론, 실시조건 등에 따라서는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린터용 노즐 어셈블리(100)가 X축방향, Y축방향 및 Z축방향으로 이동 가능하게 설치될 수도 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린터용 노즐 어셈블리(100)는, 베드 상에 인쇄재료(용융된 필라멘트)를 분사하는 노즐(110), 노즐(110)에 열을 가하는 히팅유닛(heating unit), 노즐(110)에 유입된 인쇄재료(용융된 필라멘트)를 균일하게 혼합하는 믹싱유닛(mixing unit, 120) 및 노즐(110)에 공급되는 인쇄재료를 용융시키기 위한 멜팅블록(melting block, 130)을 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 노즐(110)은 상하방향인 Z축방향으로 기다랗게 형성된다. 노즐(110)은, 인쇄재료가 유입되는 복수 개의 유입구(112), 인쇄재료가 분사되는 단일의 분사구(114) 및 복수의 유입구(112)와 단일의 분사구(114)를 연결하는 연결유로(116)를 갖는다.
복수의 유입구(112)는, 노즐(110)의 중간부에 마련되고, 노즐(110)의 둘레방향을 따라 서로 이격되도록 일정 간격을 두고 배치된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유입구(112)는 시안(cyan, C), 마젠타(magenta, M), 노랑(yellow, Y), 검정(black, K) 및 백색(white, W)의 5색 필라멘트를 각각 공급할 수 있게 5개를 구비하는 것이 바람직하다.
단일의 분사구(114)는 노즐(110)의 하단에 배치된다. 그리고, 연결유로(116)는 노즐(110)의 내부에 상하방향으로 마련되어, 연결유로(116)의 상부 쪽은 복수의 유입구(112)와 연통되고, 연결유로(116)의 하단은 분사구(114)와 연통된다.
히팅유닛으로는 밴드히터(band heater)를 적용하는 것이 바람직하다. 밴드히터를 이용하면, 노즐(110)을 단시간에 요구되는 고온으로 가열할 수 있다.
믹싱유닛(120)은, 유입구(112)로 유입되어 분사구(114)로 분사되는 인쇄재료(용융된 인쇄재료)를 1차로 혼합하는 믹싱 스크루(mixing screw, 122, 124) 및 1차 혼합된 인쇄재료를 2차로 혼합하는 믹싱 임펠러(mixing impeller, 126, 128)를 포함한다.
믹싱 스크루(122, 124)는, 연결유로(116) 상에 연결유로(116)의 길이방향(상하방향)으로 배치되며 회전 가능한 스크루 축(122) 및 스크루 축(122)의 둘레에 나선형으로 마련된 스크루 날개(124)를 포함한다. 스크루 축(122)은 상단에 구동모터(M)가 연결되어 구동모터(M)를 작동시키면 회전된다.
믹싱 임펠러(126, 128)는, 스크루 축(122)의 하단으로부터 분사구(114) 쪽으로 돌출되어 분사구(114)에 배치된 임펠러 축(126) 및 임펠러 축(126)의 둘레에 임펠러 축(126)의 둘레방향을 따라 서로 이격되도록 일정 간격을 두고 마련된 복수의 임펠러 날개(128)를 포함한다.
임펠러 축(126)은 스크루 축(122)으로부터 일체형으로 연장되거나 스크루 축(122)에 결합되어 스크루 축(122)과 동일방향으로 함께 회전된다.
멜팅블록(130)은 복수의 유입구(112)에 각각 연결되어 유입구(112)에 제공되는 인쇄재료를 각각 용융시킨다. 이를 위하여, 각 멜팅블록(130)은, 유입구(112)에 나사결합이 되어 히팅유닛에 의하여 가열된 노즐(110)로부터 고열을 전도받는 황동의 전열튜브(132), 전열튜브(132)에 연결된 테프론(teflon)의 이송튜브(134), 이송튜브(134)에 익스트루더(61, 62, 63, 64, 65)용 연결튜브를 연결하기 위한 튜브 홀더(tube holder, 136), 이송튜브(134) 전체 및 전열튜브(132)와 튜브 홀더(136) 일부를 감싸는 PEEK의 단열블록(138)을 포함한다.
공급용 릴(reel, 51, 52, 53, 54, 55)에 각각 감긴 서로 다른 색상의 필라멘트(CMYKW)는 익스트루더(61, 62, 63, 64, 65)에 의하여 멜팅블록(130)에 각각 공급된다. 즉, 익스트루더(61, 62, 63, 64, 65)의 연결튜브를 통하여 멜팅블록(130)에 공급되고, 이후 이송튜브(134) 및 전열튜브(132)를 순차적으로 경유한 후 유입구(112)를 통하여 노즐(110)의 연결유로(116)로 유입된다.
이와 같은 공급과정에서, 전열튜브(132)는 히팅유닛에 의하여 고온으로 가열된 노즐(110)로부터 전도현상에 의하여 열을 전달받아 고온으로 유지되므로, 필라멘트는 전열튜브(132)의 고열에 의하여 용융되어 용융된 상태로 노즐(110)에 공급된다.
노즐(110)에 공급된 용융 상태의 필라멘트는 믹싱유닛(120)에 의하여 균일하게 혼합된다. 구동모터(M)를 작동시키면, 스크루 축(122)이 회전되어 스크루 날개(124)가 회전되고, 이에 따라 임펠러 축(126)이 스크루 축(122)과 동일방향으로 회전되어 임펠러 날개(128)가 회전된다.
노즐(110)의 연결유로(116)를 통과하는 필라멘트는 스크루 날개(124)에 의하여 1차로 혼합되면서 분사구(114) 쪽으로 이동된다. 이후, 분사구(114) 쪽으로 이동된 1차 혼합상태의 필라멘트는 임펠러 날개(128)에 의하여 2차로 혼합된 뒤 분사구(114)로 분사된다. 이 때, 분사구(114)로부터는 2차례에 걸쳐 혼합됨에 따라 필라멘트들이 서로 균일하게 혼합되어 인쇄재료가 분사된다.
이상에서는 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 통상의 기술자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 설명한 기술적 사상은, 각각 독립적으로 실시될 수도 있고, 둘 이상이 서로 조합되어 실시될 수도 있다.
100 : 노즐 어셈블리
110 : 노즐
112 : 유입구
114 : 분사구
116 : 연결유로
120 : 믹싱유닛
122 : 스크루 축
124 : 스크루 날개
126 : 임펠러 축
128 : 임펠러 날개
130 : 멜팅블록

Claims (4)

  1. 복수의 인쇄재료 유입구(112), 단일의 인쇄재료 분사구(114) 및 상기 복수의 인쇄재료 유입구(112)와 단일의 인쇄재료 분사구(114)를 연결하는 연결유로(116)를 갖는 노즐(110)과;
    상기 복수의 인쇄재료 유입구(112)로 유입되어 단일의 인쇄재료 분사구(114)로 분사되는 인쇄재료를 혼합하는 인쇄재료 믹싱유닛(120)을 포함하는,
    3차원 프린터용 노즐 어셈블리(100).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 인쇄재료 유입구(112)는 상기 노즐(110)의 중간부에 둘레방향을 따라 간격을 두고 배치되고,
    상기 단일의 인쇄재료 분사구(114)는 상기 노즐(110)의 하단에 배치되며,
    상기 연결유로(116)는 상기 노즐(110)의 내부에 상하방향으로 마련되고,
    상기 인쇄재료 믹싱유닛(120)은, 상기 연결유로(116)에 길이방향으로 배치되며 회전 가능한 스크루 축(122) 및 상기 스크루 축(122)의 둘레에 나선형으로 마련된 스크루 날개(124)로 구성된 믹싱 스크루를 포함하는,
    3차원 프린터용 노즐 어셈블리(100).
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 인쇄재료 믹싱유닛(120)은, 상기 스크루 축(122)의 하단에서 상기 인쇄재료 분사구(114) 쪽으로 돌출되어 상기 인쇄재료 분사구(114)에 배치된 임펠러 축(126) 및 상기 임펠러 축(126)의 둘레방향을 따라 간격을 두고 마련된 복수의 임펠러 날개(128)로 구성된 믹싱 임펠러를 더 포함하는,
    3차원 프린터용 노즐 어셈블리(100).
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 노즐(110)에 열을 가하는 히팅유닛과;
    상기 복수의 인쇄재료 유입구(112)에 각각 연결되며 상기 히팅유닛에 의하여 가열된 상기 노즐(110)로부터 열을 전도받아 상기 각 인쇄재료 유입구(112)에 제공되는 인쇄재료를 용융시키는 멜팅블록(130)을 더 포함하는,
    3차원 프린터용 노즐 어셈블리(100).
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