KR20160125614A - 3d 프린터용 압출기의 온도조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 3D 프린터용 압출기의 온도조절장치는 회전하는 스크류와, 상기 스크류가 내부에 장착되는 공간부 및 프린팅 재료가 투입되는 호퍼를 갖는 몸체, 상기 몸체의 하측 단부에 결합되는 노즐로 이루어지는 압출기에 설치되는 것으로서,
상기 온도조절장치는 제1 가열기, 제2 가열기, 냉각기, 제1 온도 센서, 제2 온도 센서 및 TC(Thermal Controller)로 이루어지고, 상기 제1 가열기는 호퍼와 노즐 사이에 몸체의 외측 둘레를 따라 환형으로 설치되며, 제1 온도센서는 제1 가열기의 발열에 따른 몸체의 온도를 검출하며, 상기 제2 가열기와 냉각기는 몸체의 단부에 노즐이 나사 결합되는 부분에 외측 둘레를 따라 각각 환형으로 연이어 설치되며, 제2 온도센서는 제2 가열기와 냉각기의 발열 및 흡열에 따른 노즐의 온도를 검출하며, 상기 TC는 제1 및 제2 온도센서로부터 검출된 온도에 기초하여, 제1 온도센서가 제1 온도값을 갖도록 제1 가열기를 제어하며, 제2 온도센서가 제2 온도값을 갖도록 제2 가열기와 냉각기를 제어하고, 상기 제1 온도값은 제2 온도값 보다 높게 설정된다.

Description

3D 프린터용 압출기의 온도조절장치{Temperature adjustment apparatus of 3D printer extruder}

본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로서, 압출기의 노즐로부터 토출되는 재료의 온도를 일정하게 유지하기 위한 3D 프린터의 압출기의 구조에 대한 것이다.

3D 인쇄란 입체로 디자인된 설계도를 이용하여 플라스틱, 금속, 세라믹 등 각종 소재를 층층이 쌓아 제조하는 것을 말한다. 3D 프린터는 소재를 출력하는 방식에 따라 구분되는데, 팰렛으로 된 소재를 레이저로 소결하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식, 빛으로 소재를 굳히는 SLA(Stereolithography) 방식, 플라스틱 필라멘트를 용융하는 FFF(Fused Filament Fabrication) 방식이 널리 사용되고 있다.

FFF 방식을 이용한 3D 프린터는 X-Y축으로 이동하는 이송 헤드와, 이 이송 헤드에 장착되는 압출기와, 베드를 포함하여 구성되고, 상기 압출기에는 필라멘트가 공급된다. FFF 방식은 필라멘트를 토출시켜 베드의 바닥에서부터 순차적으로 적층하면서 디자인된 형상을 조형한다.

필라멘트는 공급릴에 감겨져 있고, 이송 헤드에 장착된 한 쌍의 드라이버 휠(DW: Drive Wheel)로부터 가이드되어 압출기로 공급된다. 압출기에 형성된 노즐로부터 토출되는 용융된 필라멘트는 베드의 상부에 순차적으로 적층된다.

필라멘트를 용융하여 적층하는 3D 프린터는 주로 열가소성 플라스틱 재료인 ABS 또는 PLA 등을 필라멘트로 사용한다. 이와 같은 재료는 통상 리지드(rigid)한 형태를 지니고 있다. 그런데, 초콜릿과 같은 재료들을 소재로 사용할 경우 실온에서 조금만 열을 가하게 되면 그 형태를 유지하지 못하게 된다.

등록특허공보 제10-1441030호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 3D 프린터에서 초콜릿과 같은 열에 약한 소재를 압출기에 용이하게 투입할 수 있고, 최종적으로 노즐로 토출될 때 원하는 열적 물성을 갖도록 한 3D 프린터용 압출기의 온도조절장치를 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 3D 프린터용 압출기의 온도조절장치는 회전하는 스크류와, 상기 스크류가 내부에 장착되는 공간부 및 프린팅 재료가 투입되는 호퍼를 갖는 몸체, 상기 몸체의 하측 단부에 결합되는 노즐로 이루어지는 압출기에 설치되는 것으로서,

상기 온도조절장치는 제1 가열기, 제2 가열기, 냉각기, 제1 온도센서, 제2 온도센서 및 TC(Thermal Controller)로 이루어지고, 상기 제1 가열기는 호퍼와 노즐 사이에 몸체의 외측 둘레를 따라 환형으로 설치되며, 제1 온도센서는 제1 가열기의 발열에 따른 몸체의 온도를 검출하고, 상기 제2 가열기와 냉각기는 몸체의 단부에 노즐이 나사 결합되는 부분에 외측 둘레를 따라 각각 환형으로 연이어 설치되며, 제2 온도센서는 제2 가열기와 냉각기의 발열과 흡열에 따른 노즐의 온도를 검출하고, 상기 TC는 제1 및 제2 온도센서로부터 검출된 온도에 기초하여, 상기 제1 온도센서가 제1 온도값을 갖도록 제1 가열기를 제어하며, 상기 제2 온도센서가 제2 온도값을 갖도록 제2 가열기와 냉각기를 제어하고, 상기 제1 온도값은 제2 온도값 보다 높게 설정된다.

여기서, 제2 가열기와 냉각기는 펠티어 소자로 이루어진다.

본 발명에서 사용되는 프린팅 재료는 초콜릿 팰렛이 사용된다.

본 발명에 따르면 압출기의 몸체에 제1 가열기를 설치하고, 노즐에 제2 가열기와 냉각기를 각각 연이어 설치하여 몸체의 내부에서 온도가 저하되는 것을 보상할 수 있는 이점이 있다.

또한 노즐의 외측에 펠티어 소자를 이용한 제2 가열기와 냉각기를 설치하여 노즐로부터 토출되는 재료의 온도를 정밀하게 제어할 수 있고, 토출되는 재료가 항상 일정한 온도를 갖을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압출기의 개략도이다.
도 3은 도 2의 노즐 부분을 확대하여 나타낸 것이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도조절장치를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

그리고 도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터를 나타낸 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터는 X축과 Y축 방향으로 이동하여 승강하는 베드(100)와, Z축 방향으로 이동하는 압출기(200)와, 압출기의 온도를 제어하는 온도조절장치를 포함한다. 상기 베드의 상부에는 디자인된 형상으로 조형되는 조형체가 적층하게 된다. 조형체가 적층함에 따라 압출기는 점차적으로 상승하게 된다.

한편, 도 1에서는 설명의 편의를 위해 압출기와 온도조절장치의 세부적인 구성 및 형상에 대하여는 도시하고 있지 않으며, 온도조절장치는 TC(Thermal Controller)만을 도시하였다.

본 발명에 따른 압출기는 Z축 방향으로 승강하는 것을 실시예로 하고 있으나, X축 또는 Y축 방향으로 이동할 수 있는 것으로 구성할 수 있다.

상기 압출기로 투입되는 재료로서 초콜릿(chocolate)과 같은 열에 약한 재료를 사용하는 것을 실시예로 한다. 이와 같은 재료는 긴 길이를 갖는 필라멘트로 고형화할 경우 프린팅할 때에 쉽게 그 형체를 유지하기 어렵고 열에 약한 특성이 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압출기의 개략도이고, 도 2의 노즐 부분을 확대하여 나타낸 것이고, 도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도조절장치를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 압출기(200)는 회전하는 스크류(210)와, 상기 스크류가 내부에 장착되는 공간부(V) 및 초콜릿이 투입되는 호퍼(H)를 갖는 몸체(220), 상기 몸체의 하측 단부에 결합되는 노즐(230)로 이루어지고, 상기 노즐은 몸체의 단부에 나사 결합된다.

상기 압출기의 몸체의 측면에 형성된 호퍼(H)에는 초콜릿 팰렛(CP: chocolate pellets)이 투입되는데, 호퍼에 투입된 초콜릿 팰렛은 스크류의 회전에 의해 몸체의 공간부를 이동되는 동안에 열에 의해 용융된 후 노즐로 토출된다.

압출기 내부에 투입되는 초콜릿 팰렛을 용융시키기 위해 온도조절장치가 설치된다. 상기 온도조절장치(300)는 제1 가열기(310-1), 제2 가열기(310-2), 냉각기(310-3), 제1 온도센서(320-1), 제2 온도센서(320-2) 및 TC(Thermal Controller)로 이루어진다. 상기 TC(Thermal Controller)는 제1 및 제2 온도센서로부터 검출된 온도에 기초하여, 상기 제1 온도센서가 제1 온도값을 갖도록 제1 가열기를 제어하며, 상기 제2 온도센서가 제2 온도값을 갖도록 제2 가열기와 냉각기를 제어한다. 후술하겠지만, 제1 온도값은 제2 온도값 보다 높게 설정된다.

상기 제1 가열기(310-1)는 호퍼와 노즐 사이에 몸체의 외측 둘레를 따라 환형으로 설치되며, 제1 온도센서(320-1)는 제1 가열기의 발열에 따른 몸체의 온도를 검출한다.

그리고 제2 가열기(310-2)와 냉각기(310-3)는 몸체의 단부에 노즐이 나사 결합되는 부분에 외측 둘레를 따라 환형으로 각각 설치되며, 제2 온도센서(320-2)는 제2 가열기와 냉각기의 발열 및 흡열에 따른 노즐의 온도를 검출한다. 본 발명에서는 몸체의 단부와 노즐이 결합하는 부분에 제2 가열기와 냉각기를 설치하는 것을 실시예로 하고 있으나, 다른 실시예로서 토출되는 초콜릿의 온도를 정밀하게 유지하기 위하여 상기 제2 가열기와 냉각기는 노즐의 외측 둘레를 따라 환형으로 각각 설치될 수 있다. 이때, 제2 온도센서는 제2 가열기와 냉각기 하측에 설치될 수 있다.

상기 제1 가열기는 초콜릿 팰렛을 용융하기 위한 발열기이고, 제2 가열기와 냉각기는 용융된 초콜릿을 설정 온도로 일정하게 유지하기 위한 것이다. 몸체의 공간부를 지나는 용융된 초콜릿은 제1 가열기로부터 용융되어 노즐이 형성되어 있는 하측으로 이동되므로, 이동에 따른 온도 변화가 발생된다. 이에 따라 제2 가열기와 냉각기는 노즐로 토출되는 초콜릿의 온도를 미리 설정된 온도를 유지할 수 있도록 흡열하거나 발열한다. 노즐은 몸체에 비해 상대적으로 단면이 좁은 형태로 이루어져 있으므로, 제2 가열기에 의한 발열과 냉각기에 의한 흡열에 따라 쉽게 온도 조절이 가능하다.

초콜릿을 재료로 하는 프린팅은 특히 온도 변화에 주의해야 한다. 높은 온도는 초콜릿을 묽게 하여 프린팅 이후에 원하는 형체를 유지하기 어렵다. 또한 낮은 온도로 말미암아, 노즐에서 적정량의 초콜릿이 토출되지 않을 수 있다. 따라서 노즐에서 토출되는 용융된 초콜릿의 온도를 일정하게 유지하는 것이 필요하다.

용융된 초콜릿은 반복된 실험 결과 노즐에서 35℃(±3℃)를 유지하면 최적의 프린팅이 이루어진다. 이러한 온도는 3D 프린터 내부의 온도에 따라 결정되기도 한다. 실험에 사용된 노즐의 지름은 0.8mm이고, 노즐의 토출량은 32,572mm³/h 이었으며, 프린팅 주변온도는 18℃로 한 결과이다. 실제, 노즐의 온도는 35℃를 유지되지만, 노즐로부터 토출된 용융된 초콜릿은 31℃가 최적으로 나타났다. 그리고 3D 프린터의 내부 온도를 18℃로 유지하기 위한 온도조절장치 및 제3 온도센서를 더욱 부가설치할 수 있다.

한편, 제2 온도센서에서 검출되는 온도는 35℃로 설정된다. 바람직하게는, 제1 온도센서에서 검출되는 온도는 온도 강하를 고려하여 제2 온도센서에서 검출되는 온도 35℃보다 높아야 한다. 압출기의 몸체의 열은 압출기 내부에 있는 초콜릿을 충분히 용융하여야 하기 때문이다.

그러나 노즐에서 토출되는 온도는 미리 설정된 온도를 항상 유지하여야 하므로, 설정된 온도로 유지하기 위한 열조절장치가 설치되어야 한다. 본 발명에서는 제2 가열기와 냉각기를 몸체와 노즐이 결합하는 부분에 설치하여 짧은 시간 내에 설정된 온도로 신속히 조절하도록 한다. 따라서 급속한 발열과 흡열이 가능한 소자 그리고 정밀한 온도 제어가 가능한 소자를 선택하여 한다.

본 발명에서는 이러한 점을 고려하여, 제1 가열기는 코일 가열 방식을 사용하고, 제2 가열기와 냉각기는 순간적으로 정밀하게 온도를 조절할 수 있는 펠티어 소자를 채택하였다. 펠티어 소자는 서로 다른 재질의 금속판을 결합한 것으로 한쪽 금속판에는 흡열되고, 다른 한쪽 금속판에는 발열이 된다. 또한 펠티어 소자는 고정밀도의 온도 제어를 실현할 수 있다. 따라서 제2 가열기의 한 쌍의 금속판과 냉각기의 한 쌍의 금속판은 서로 반대가 되도록 설치되어야 한다.

도 2 및 도 3을 참조하면 제1 가열기를 4열로 환형으로 압출기 외측에 설치되어 있고, 제2 가열기와 냉각기는 각각 압출기의 몸체와 노즐의 결합부분에 설치되어 있다.

이하, 이러한 구성에 따른 온도조절장치의 온도 조절방법을 설명한다.

초콜릿 팰렛을 호퍼에 투입하기 이전에 제1 가열기, 제2 가열기 및 냉각기는 각각 구동된다. 이때, 제1 가열기, 제2 가열기 및 냉각기는 각각 설정된 온도를 갖도록 구동되는데, 상기 제1 가열기는 45℃로 가열되고, 제2 가열기와 냉각기는 35℃를 유지하도록 구동 된다. 압출기의 공간부로 투입된 초콜릿 팰렛은 스크류의 회전에 의해 공간부를 이동하면서 제1 가열기에 의해 용융되어 노즐이 형성되어 있는 하측으로 나아간다.

한편, 제1 가열기에 의한 온도가 설정 온도 예를 들어, 45℃ 보다 낮은 경우, 충분한 용융이 이루어지지 않을 수 있다. 이러한 설정 온도는 펠렛에 따라 달라질 수 있으나 허용 오차 범위는 ±3℃ 이내이어야 한다.

프린팅이 진행되는 동안에 제1 가열기에 의한 발열은 설정된 온도보다 서서히 높아질 수 있고 낮아질 수 있다. 만약 높은 열에 의해 용융된 초콜릿의 온도가 높아지면, 베드(100)의 상부 상에서 형성되는 조형물은 온전한 형체를 유지하지 못하게 된다. 따라서 노즐 부분에 설치된 제2 가열기와 냉각기는 노즐이 설정된 온도를 유지토록 한다.

제2 가열기와 냉각기에 사용되는 펠티어 소자는 흡열 구동을 빠르고 온도를 정밀하게 제어할 수 있다. 따라서 노즐로 토출되는 용융된 초콜릿의 온도는 항상 일정한 온도를 유지할 수 있는 이점이 있다.

한편, 제2 가열기는 프린팅 후, 노즐에 남아있는 고형화된 초콜릿을 용융하여 쉽게 배출할 수 있는 기능으로 사용될 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100 : 베드
200 : 압출기
210 : 스크류
220 : 몸체
230 : 노즐(nozzle)
300 : 온도조절장치
310-1 : 제1 가열기
320-1 : 제1 온도센서
310-2 : 제2 가열기
320-2 : 제2 온도센서
310-3 : 냉각기
H : 호퍼(hopper)
V : 공간부
TC : Thermal Controller
CP : 초콜릿 팰렛

Claims (3)

1. 3D 프린터용 압출기의 온도를 조절하기 위한 장치로서,
   상기 압출기는 회전하는 스크류와, 상기 스크류가 내부에 장착되는 공간부 및 프린팅 재료가 투입되는 호퍼를 갖는 몸체, 상기 몸체의 하측 단부에 결합되는 노즐로 이루어지고,
   상기 온도조절장치는 제1 가열기, 제2 가열기, 냉각기, 제1 온도센서, 제2 온도센서 및 TC(Thermal Controller)로 이루어지고,
   상기 제1 가열기는 호퍼와 노즐 사이에 몸체의 외측 둘레를 따라 환형으로 설치되며, 제1 온도센서는 제1 가열기의 발열에 따른 몸체의 온도를 검출하며,
   상기 제2 가열기와 냉각기는 몸체의 단부에 노즐이 나사 결합되는 부분에 외측 둘레를 따라 각각 환형으로 연이어 설치되며, 제2 온도센서는 제2 가열기와 냉각기의 발열과 흡열에 따른 노즐의 온도를 검출하며,
   상기 TC(Thermal Controller)는 제1 및 제2 온도센서로부터 검출된 온도에 기초하여, 제1 온도센서가 제1 온도값을 갖도록 제1 가열기를 제어하며, 또한 제2 온도센서가 제2 온도값을 갖도록 제2 가열기 및 냉각기를 제어하고, 상기 제1 온도값은 제2 온도값 보다 높게 설정되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 압출기의 온도조절장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 가열기와 냉각기는 펠티어 소자로 구성하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 압출기의 온도조절장치.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 프린팅 재료는 초콜릿 팰렛인 것을 특징으로 하는 3D 프린터용 압출기의 온도조절장치.
   

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