KR20160136969A - 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3d 프린터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속의 모재를 가열하여 용융시키기 위한 모재 유도가열 헤드와 금속의 소재를 용융해서 공급하기 위한 소재 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터는, 금속 소재 공급유닛과, 고주파 전원유닛과, 고주파 전원유닛에 전기적으로 연결되어 금속 소재 공급유닛으로부터 공급되는 금속 소재를 유도가열하고 융융시켜서 공급하기 위한 소재 유도가열 헤드와, 소재 유도가열 헤드와 이웃하게 배치되고 고주파 전원유닛에 전기적으로 연결된 모재 유도가열 헤드와, 베이스를 포함한다.

Description

복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터{3D PRINTER HAVING MULTIPLE INDUCTION HEATING HEAD}

본 발명은 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 금속의 모재를 가열하여 용융시키기 위한 모재 유도가열 헤드와 금속의 소재를 용융해서 공급하기 위한 소재 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터에 관한 것이다.

최근 금형을 사용하지 않고 3차원 형상의 물체를 제조하기 위한 다양한 방식의 3D 프린터가 개발되고 있다. 3D 프린터 중에는 합성수지를 사용하여 3차원 형상의 물체를 제조하는 것이 대부분이나, 최근에는 금속을 용융하여 3차원 형상의 물체를 제조하기 위한 3D 프린터에 대한 관심이 증대되고 있다. 금속 3D 프린터를 이용하면, 펌프의 임펠러나 터빈 블레이드와 같이 복잡한 형상의 기계 부품을 저렴한 비용으로 생산할 수 있기 때문이다.

금속 3D 프린팅 기술 중에, 금속 분말에 선택적으로 레이저를 조사하여 금속 분말을 소결하는 방식으로 3차원 형상의 물체를 제조하는 방식(SLS 방식, Selective Laser Sintering)이 알려져 있다. SLS 방식으로 제조된 제품은, 분말 소결 성형에 의하여 제조된 제품과 같이, 금속 조직이 치밀하지 못하고 강도가 약한 결점이 있다. 또한, 고출력의 레이저 발생 장치와 이를 제어하기 위한 장치를 필요로 하므로, 3D 프린터의 가격이 고가이다.

한편 3D 프린팅 기술 중에, 용융 적층 방식(FDM 방식, Fused Depositon Modeling Technology)이 알려져 있다. FDM 방식은 금속 소재를 용융한 후에 노즐을 통하여 압출되도록 하면서 적층하여 3차원 형상의 제품을 제조하는 방식이다. 특허 US 8,827,684 B1(복수의 필라멘트를 구비한 3D 프린터 및 프리트헤드 유닛, 3D PRINTER AND PRINTHEAD UNIT WITH MULTIPLE FILAMENTS)에는 가열된 프린터 헤드에 플라스틱이나 금속 와이어(납과 같이 융점이 낮은 금속)를 공급하여 용융시키고, 용융된 금속을 압출하여 3차원 형상의 제품을 제조하기 위한 3D 프린터가 개시되어 있다. 또한, 미국 공개 특허 US 2014/0265037 A1(발명의 명칭, 유도 가열되는 압출 히터, INDUCTIVELY HEATED EXTRUDER HEATER)에는 금속 노즐을 유도 가열하고, 노즐로 용융 가능한 재료를 공급하여 용융시키고, 용융된 재료를 압출하기 위한 3D 프린터용 헤드가 개시되어 있다. 상기 특허 문헌들에 공개된 3D 프린터는 프린터 헤드를 가열하고 가열된 프린터 헤드를 이용하여 공급되는 금속 와이어를 간접적으로 가열한다. 또한, 용융 금속을 적층해 나아 갈 때, 용융 금속이 냉각에 의하여 고화된 하층의 상부에 연속적으로 용융 금속을 적층하기 때문에, 하부층과 상부층이 견고하게 융착되지 못하는 문제점이 있다.

한편, 본 발명의 발명자들이 대한민국 특허청에 특허 출원한 출원서(특허 출원 번호 : 10-2014-0105453호, 발명의 명칭: 금속 소재를 용융하여 공급하기 위한 유도 가열 헤드)에는 금속 와이어를 용융하여 솔더링, 용접, 3D 프린터 등에 활용할 수 있는 유도가열 헤드에 관한 발명이 개시되어 있다. 상기 특허 출원서에 개시된 금속 소재를 용융하여 공급하기 위한 유도가열 헤드는, 고주파 전원에 전기적으로 연결되기 위한 유도가열 코일과, 자기 코어를 포함한다. 자기 코어는 유도가열 코일에 의하여 유도되는 자속의 경로를 제공하기 위한 자성체로 이루어진 중공의 실린더 형상이고, 중공의 내부로 금속 소재가 공급되기 위한 입구부와, 공급된 금속 소재가 배출되기 위한 출구부를 구비한다. 자기 코어의 입구부로 공급되는 금속 와이어는 중공 내부를 통과할 때는 가열되지 않고, 출구부를 통과하여 배출되는 금속 와이어의 단부만이 가열되고 용융되도록 구성되어 있다.

본 발명의 발명자들이 특허 출원한 상기 발명에 따른 유도가열 헤드는 배출되는 금속 와이어의 단부만을 국부적으로 가열하여 용융시켜서 공급하는 점에 특징이 있다. 또한, 상기 특허 출원서에 개시된 유도가열 헤드는 공급되는 와이어를 유도 전류에 의하여 직접적으로 가열하여 용융시켜서 공급한다는 점에 특징이 있다.

본 출원의 발명자들이 개발한 유도가열 헤드를 활용하여 효과적으로 3차원 형상의 물체를 제조하기 위한 새로운 구조의 금속 3D 프린터에 대한 요구가 있다. 특히, 생산 속도가 빠르고 동시에 금속의 조직이 우수한 3차원 형상의 제품을 제조할 수 있는 3D 프린터에 대한 요구가 있다. 또한, 다양한 종류의 금속을 3D 프린팅 할 수 있으면서도 구조가 간단하여 저렴하게 제작할 수 있는 새로운 3D 프린터에 대한 요구가 있다.

본 발명은 상기의 요구를 만족시킬 수 있는 새로운 구조의 3D 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은, 모재나 용융 금속이 냉각 고화된 하층의 상부면을 국부적으로 가열하여 용융시키고, 용융된 하층의 상부면에 금속 와이어를 용융시켜서 연속적으로 공급하여 적층하여 3차원 형상의 제품을 제조할 수 있는 새로운 3D 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 3D 프린터는, 금속 소재 공급유닛과, 고주파 전원유닛과, 고주파 전원유닛에 전기적으로 연결되어 금속 소재 공급유닛으로부터 공급되는 금속 소재를 유도가열하고 융융시켜서 공급하기 위한 소재 유도가열 헤드와, 소재 유도가열 헤드와 이웃하게 배치되고 고주파 전원유닛에 전기적으로 연결된 모재 유도가열 헤드와, 베이스를 포함한다.

또한, 소재 유도가열 헤드는, 고주파 전원유닛에 전기적으로 연결된 제1 유도가열 코일과, 소재 유도가열 코일의 내부에 삽입되어 있고, 제1 유도가열 코일에 의하여 유도되는 자속의 경로를 제공하기 위한 자성체로 이루어진 중공의 실린더 형상이고, 금속 소재 공급장치로부터 공급되는 금속 소재가 삽입되기 위한 입구와 삽입된 금속 소재가 배출되기 위한 출구를 구비한 제1 자기 코어를 포함한다. 또한, 모재 유도가열 헤드는, 고주파 전원유닛에 전기적으로 연결된 제2 유도가열 코일과, 제2 유도가열 코일의 내부에 삽입되어 있고, 제2 유도가열 코일에 의하여 유도되는 자속의 경로를 제공하기 위한 자성체로 이루어진 제2 자기 코어를 포함한다. 또한, 베이스는, 제1 자기 코어에 대하여 상하로 이동이 가능하게 구성되어 있고, 소재 유도가열 헤드로부터 배출되는 용융금속을 지지한다.

몇몇 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 3D 프린터는, 적층되어 고화된 금속 소재층을 어닐링(ANNEALING)과 같은 열처리를 하기 위한 열처리 유도가열 헤드를 더 포함할 수 있다. 열처리 유도가열 헤드는 소재 유도가열 헤드의 후방(소재 유도가열 헤드의 이동 방향에 대하여)에 설치하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 열처리 유도가열 헤드는 제3 유도가열 코일을 포함하고, 제3 유도가열 코일의 내부에 삽입된 제3 자기 코어를 포함할 수도 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 모재 유도가열 헤드, 소재 유도가열 헤드 및 열처리 유도가열 헤드는 각각 별도의 고주파 전원유닛에 전기적으로 연결되도록 구성하거나, 하나의 고주파 전원유닛에 병렬로 연결되도록 구성할 수 있다.

금속 소재 공급유닛에 의해서 공급되는 금속 소재는 와이어 형태의 선재를 사용하는 것이 바람직하나, 분말 형태의 금속 소재를 연속적으로 공급할 수도 있다. 금속 소재를 와이어 형태로 공급할 경우, 금속 소재 공급유닛은, 금속 와이어가 감겨져 있는 서플라이 릴과, 서플라이 릴로부터 금속 와이어를 풀어 내어 자기 코어의 입구부로 이송하기 위한 롤 피더를 포함한다.

몇몇 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 3D 프린터는 제1 및 제2 유도가열 코일을 중공의 선재를 나선형으로 감아서(솔레노이드) 구성할 수 있다. 각각의 유도가열 코일에 고주파 전원을 인가하면, 유도가열 코일의 중심부와 유도가열 코일 외부를 폐곡선으로 연결하고, 고주파 전원의 주파수에 따라서 방향이 변하는 자기력선이 형성된다. 또한, 전자기 유도 현상에 의해서 방향이 변하는 자기력선에 의하여 형성된 자기장 내부에 위치하는 도체는 가열된다.

제1 및 제2 자기 코어는 유도가열 코일에 의하여 유도된 자속에 경로를 제공하고, 입구부와 출구부를 구비한다. 제1 및 제2 자기 코어는 자성체로 형성되어 유도가열 코일에 의해서 유도된 자기장의 통로를 제공한다. 제1 및 제2 자기 코어는 강자성체를 사용할 수도 있으나, 예를 들면 페라이트 코어와 같은 산화물이나 금속 분말을 성형한 압분 코어와 같은 연자성체 코어를 사용하여 고온으로 가열되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 제2 자기 코어는 중공의 실린더 형상을 사용할 수도 있으나, 중공이 형성되지 않는 실린더를 사용할 수도 있다.

소재 유도가열 헤드의 입구로 삽입된 금속 소재는 제1 자기 코어의 중공을 통과할 때에는 제1 유도가열 코일에 의해서 생성된 자기력선이 제1 자기 코어에 의해서 차폐되므로 가열되지 않는다. 금속 소재가 제1 자기 코어의 출구를 통과할 때, 제1 유도가열 코일에 의하여 생성된 자기력선이 금속 소재를 쇄교하게 되어 가열되고 용융된다. 따라서, 금속 소재가 와이어 형태로 공급되는 경우, 제1 자기 코어의 출구를 통과하는 단부만이 가열되고 용융된다. 용융된 금속 소재는 베이스에 적층된다. 베이스는 제1 자기 코어에 대하여 상하 방향(Z 축 방향)으로 이동이 가능하게 구성되어 있다. 또한, 베이스는 전후-좌우 방향(X-Y 축 방향)으로 이동이 가능하게 구성될 수 있다. 또한, 소재 유도가열 헤드가 베이스에 대하여 전후-좌우 방향(X-Y 축 방향)으로 이동이 가능하게 구성될 수 있다.

3차원 물체의 단면 형상에 따라서, 베이스를 전후-좌우 방향으로 이동시키면, 용융된 금속 소재가 단면 형상과 같이 제1 층이 적층된다. 베이스를 Z축 방향으로 일정한 거리 이동시킨 후, 베이스를 전후-좌우 방향으로 이동시키면 제1 층의 상부에 제2 층을 단면 형상에 따라서 적층할 수 있다. 제2 층을 적층하기 전에, 모재 유도가열 헤드로 냉각되어 고화된 제1 층의 상부면을 국부적으로 가열하고 용융시킬 수 있다. 모재 유도가열 헤드는 소재 유도가열 헤드에 이웃하게 설치되어 있고, 국부적으로 용융된 제1 층의 상부에 소재 유도가열 헤드에 의해서 용융된 금속 소재가 연속적으로 적층되어, 연속적으로 적층되는 금속 층이 완전한 금속 용융 결합을 하게 된다. 또한, 소재 유도가열 헤드는 제1 자기 코어로 배출되는 소재 금속을 가열하여 용융시킬 뿐만 아니라, 제1 자기 코어에 인접하게 배치된 제1 층의 표면도 동시에 가열하여, 모재 유도가열 헤드에 의하여 사전에 용융된 제1 층 표면이 냉각에 의해서 고화되는 것을 방지한다.

또한, 몇몇 실시예에 있어서, 각각의 유도가열 코일의 중공으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급유닛을 더 포함할 수 있다. 또한, 용융금속이 적층되는 베이스를 냉각하기 위하여 베이스에 냉각수 통로를 형성하고, 냉각수를 순환하도록 공급할 수도 있다.

본 발명에 따른 3D 프린터는, 모재 유도가열 헤드와 소재 유도가열 헤드를 구비한다. 모재 유도가열 헤드는 모재나 적층된 후 냉각에 의하여 고화된 하부층의 표면을 국부적으로 가열하여 용융시키고, 소재 유도가열 헤드는 연속적으로 공급되는 금속 소재를 용융하여 국부적으로 용융된 모재나 하부층의 표면에 공급하여 적층시킨다. 따라서, 하부층과 상부층이 용융된 상태로 결합하여 금속의 조직이 우수한 3차원 형상의 제품을 제조할 수 있고, 동시에 제조 시간을 단축할 수 있게 된다. 또한, 적층되는 금속층이 완전히 용융된 상태에서 결합되므로 표면이 매끄럽고 정교한 고품질의 3차원 형상의 물체를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터의 일 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 모재 유도가열 헤드와 소재 유도가열 헤드의 작동 상태를 나타내는 확대도이다.
도 3은 도 2에 도시된 모재 유도가열 헤드가 고화된 층의 표면을 국부적으로 가열하는 상태를 나타내는 개략도이다.
도 4는 도 2에 도시된 소재 유도가열 헤드에 의해서 용융된 금속 소재가 모재 유도가열 헤드에 의해서 국부적으로 가열된 층에 적층되는 상태를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터에 설치되는 유도가열 헤드의 다른 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터에 설치되는 유도가열 헤드의 또 다른 실시예를 나타내는 개략도이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하, 본 발명에 따른 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 3D 프린터(100)는, 소재 유도가열 헤드(110)와 금속 와이어(130)를 공급하기 위한 금속 소재 공급유닛(140)과, 모재 유도가열 헤드(150)와, 헤드 장착 케이스(170) 및 베이스(180)를 포함한다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 소재 유도가열 헤드(110)는 고주파 전원에 전기적으로 연결된 제1 유도가열 코일(111)과 제1 자기 코어(113)를 포함한다. 제1 유도가열 코일(111)은 제1 전원 공급유닛(120)에 연결되어 있다. 제1 유도가열 코일(111)은 구리와 같은 전도성 선재를 나선형으로 감아서 형성된 솔레노이드 형태로, 중심부에 중공의 자속 통로가 형성된다. 제1 유도가열 코일(111)은 과열의 방지를 위한 냉각수를 공급할 수 있도록 냉각수 통로(112)가 형성되어 있는 구리와 같은 금속 파이프로 구성되어 있다. 제1 자기 코어(113)는 제1 유도가열 코일(111)에 의하여 유도되는 자속의 경로를 제공하기 위한 자성체로 이루어진 중공(114)의 실린더 형상이고, 제1 유도가열 코일(111)의 중심부에 삽입되어 있다. 제1 자기 코어(113)는 중공(114)의 일단으로 금속 소재(130)가 공급되기 위한 입구부(115)와, 입구부(115)로부터 공급된 금속 소재(130)가 배출되기 위한 출구부(116)를 구비한다.

도 1을 참조하면, 금속 소재 공급유닛(140)은 금속 소재(130)를 제1 자기 코일(113)의 입구부(115)에 공급한다. 본 실시예의 금속 소재 공급유닛(140)은 서플라이 릴(141)과 롤 피더(142)를 포함한다. 서플라이 릴(141)은 헤드 장착 케이스(170)의 상부에 장착되어 있다. 금속 소재(130)는 서플라이 릴(141)에 롤 형태로 감겨져 있고, 서플라이 릴(141)을 회전시키기 위한 구동 모터(146)가 서플라이 릴(141)의 축에 연결되어 있다. 롤 피더는(142) 소재 유도가열 헤드(110)의 자기 코어(113)의 상부에 장착되어 있다. 롤 피더(142)는 가이드부재(145)를 통과한 금속 소재(130)를 일정한 속도로 공급하기 위해서, 모터(미도시 됨)의 구동에 의하여 회전하는 아이들 롤러(143)와, 아이들 롤러(143)와 구름마찰에 의하여 금속 소재(130)를 이송하는 피딩 롤러(144)를 구비한다. 피딩 롤러(144)의 외주면에는 금속 소재(130)가 미끄러지지 않도록 톱니가 형성되어 있다. 또한, 서플라이 릴(141)에서 풀려나오는 금속 소재(130)를 안내하기 위한 가이드부재(145)를 구비한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 모재 유도가열 헤드(150)는 고주파 전원에 전기적으로 연결된 제2 유도가열 코일(151)과 제2 자기 코어(153)를 포함한다. 제2 유도가열 코일(151)은 제2 전원 공급유닛(160)에 연결되어 있다. 제2 유도가열 코일(151)은 구리와 같은 전도성 선재를 나선형으로 감아서 형성된 솔레노이드 형태로, 중심부에 중공의 자속 통로가 형성된다. 제2 유도가열 코일(151)은 과열의 방지를 위한 냉각수를 공급할 수 있도록 냉각수 통로(152)가 형성되어 있는 구리와 같은 금속 파이프로 구성된다. 제2 자기 코어(153)는 제2 유도가열 코일(151)에 의하여 유도되는 자속의 경로를 제공하기 위한 자성체로, 본 실시예에서는 중공(154)의 실린더 형상이나, 봉 형태의 것을 사용할 수도 있다. 제2 자기 코어(153)는 제2 유도가열 코일(151)의 중심부에 삽입되어 있다. 제2 자기 코어(153)는 중공(154)의 일단에 입구부(155)가 형성되어 있고 타단에는 출구부(156)가 형성되어 있다.

본 실시예에 있어서, 각각의 유도가열 코일(111, 151)의 중공에 삽입된 각각의 자기 코어(113, 153)의 길이는 유도가열 코일(111, 151)의 길이보다 긴 것을 사용한다. 또한, 각각의 자기 코어(113, 153)의 출구부(116, 156)는 솔레노이드 형상의 유도가열 코일(111, 151)의 하측 단부에 인접하게 배치되고, 유도가열 코일(111, 151)의 단부로부터 약간 노출되도록 배치되어 있다.

또한, 제1 자기 코어(113)의 입구부(115)는 출구부(116)보다 제1 유도가열 코일(111)로부터 많이 떨어지도록 배치되어 있다. 따라서, 소재 유도가열 헤드(110)의 입구부(115) 부근에는 자기력선의 밀도가 낮아져서, 제1 자기 코어(113)의 입구부(115)로 삽입되는 금속 소재(130)와 쇄교하는 자기력선이 희박하게 되어, 입구부(115)로 삽입되는 금속 소재(130)가 거의 가열되지 않게 된다.

도 1을 참조하면, 헤드 장착 케이스(170)의 내부에는 소재 유도가열 헤드(110)와 모재 유도가열 헤드(150)가 간격을 두고 배치된다. 또한, 헤드 장착 케이스(170)에는 금속 소재 공급유닛(140)의 롤 피더는(142)와 가이드부재(145)가 설치된다. 도시하지는 않았으나, 헤드 장착 케이스(170)를 전후-좌우 방향(X-Y축 방향) 및 상하 방향(Z 축 방향)으로 이동시킬 수 있는 구동장치가 설치되어 있다.

베이스(180)는 소재 유도가열 헤드(110)와 모재 유도가열 헤드(150)의 자기 코어들(113, 153)의 출구부들(116, 156)과 대향하도록 헤드 장착 케이스(170)의 하부에 설치되어 있다. 도시하지는 않았으나, 베이스(180)를 상하 방향(Z 방향)으로 이동시키기 위한 구동장치가 설치되어 있다.

통합 제어유닛(190)은 소재 유도가열 헤드(110)에 전원을 공급하는 제1 전원 공급유닛(120)과, 모재 유도가열 헤드(150)에 전원을 공급하는 제2 전원 공급유닛(160)을 제어한다. 또한, 통합 제어유닛(190)은 금속 소재 공급유닛(140)의 서플라이 릴(141)의 구동 모터(146) 및 롤 피더(142)의 회전을 제어하여 3D 프린팅을 위한 금속 소재(130)의 공급속도를 제어한다. 또한, 통합 제어유닛(190)은 헤드 장착 케이스(170)의 X축, Y축, Z축 방향의 이동과, 베이스(180)의 Z축 방향의 이동을 제어한다.

본 실시예의 3D 프린터(100)는, 소재 유도가열 헤드(110)와 모재 유도가열 헤드(150)를 구비하여, 모재 유도 가열헤드(150)에 의해서 국부적으로 가열되어 용융된 표면에 소재 유도가열 헤드(110)로 금속 소재(130)를 용융하여 공급하여, 제품의 생산속도를 높일 수 있으며, 강도가 우수한 조직을 갖는 금속 제품을 제조할 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 3D 프린터는, 도시하지는 않았으나, 적층되어 고화된 금속 소재층을 어닐링(ANNEALING)과 같은 열처리를 하기 위한 열처리 유도가열 헤드를 더 포함할 수 있다. 열처리 유도가열 헤드는 소재 유도가열 헤드의 후방(소재 유도가열 헤드의 이동 방향에 대하여)에 설치하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 열처리 유도가열 헤드는 제3 유도가열 코일을 포함하고, 제3 유도가열 코일의 내부에 삽입된 제3 자기 코어를 포함할 수도 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 모재 유도가열 헤드, 소재 유도가열 헤드 및 열처리 유도가열 헤드는 각각 별도의 고주파 전원유닛에 전기적으로 연결되도록 구성하거나, 하나의 고주파 전원유닛에 병렬로 연결되도록 구성할 수 있다.

도 3을 참조하면, 모재 유도가열 헤드(150)의 제2 유도가열 코일(151)에 제2 전원 공급유닛(160)으로부터 고주파 전원을 인가하면, 제2 유도가열 코일(151)의 솔레노이드 중심부와 외부를 폐곡선으로 연결하는 자기력선(157)이 형성되고, 자기력선(157)은 고주파 전원의 주파수에 따라서 방향이 변화한다. 제2 유도가열 코일(151)의 중심부를 지나는 자기력선(157)은, 중심부에 삽입된 제2 자기 코어(153)를 통과하게 되고, 제2 자기 코어(153)는 자성체로 이루어져서, 제2 자기 코어(153)를 통과하는 자기력선(157)은 집중되어 자속밀도가 높아진다. 제2 자기 코어(153)의 출구부(156)와 이웃하게 배치된 금속 소재(130)가 용융되어 적층되고 고화된 모재층(131)을 미리 가열하여 용융시킨다. 이때, 모재 유도가열 헤드(150)는 소재 용융 유도가열 헤드(110)의 진행 방향의 전방에 위치한다.

다음으로, 모재 유도가열 헤드(150)에 의해서 용융된 모재층(131)의 상부면에 소재 유도가열 헤드(110)에 의해서 용융된 금속 소재(130)를 공급하여 적층시킨다. 즉, 소재 유도가열 헤드(110)의 제1 유도가열 코일(111)에 제1 전원 공급유닛(120)으로부터 고주파 전원을 인가하면, 제1 유도가열 코일(111)의 솔레노이드 중심부와 외부를 폐곡선으로 연결하는 자기력선(117)이 형성되고, 자기력선(117)은 고주파 전원의 주파수에 따라서 방향이 변화한다. 제1 유도가열 코일(111)의 중심부를 지나는 자기력선(117)은, 중심부에 삽입된 제1 자기 코어(113)를 통과하게 되고, 제1 자기 코어(113)는 자성체로 이루어져서, 제1 자기 코어(113)를 통과하는 자기력선(117)은 집중되어 자속밀도가 높아진다. 제1 자기 코어(113)는 중공의 일단으로 금속 소재(130)가 공급되기 위한 입구부(115)와 금속 소재(130)가 배출되기 위한 출구부(116)를 구비한다. 일반적으로 전자기 유도 현상에 의해서 방향이 변하는 자기력선에 의하여 형성되는 자기장 내부에 위치하는 도체는 가열된다. 그러나 제1 자기 코어(113)의 중공에 삽입된 금속 소재(130)는, 제1 자기 코어(113)에 의해서 제1 자기 코어(113)의 중공에 자기장 실드 영역이 형성되어 자기력선(117)이 통과하지 않기 때문에 가열되지 않는다. 도 4를 참조하면, 제1 자기 코어(113)를 통과하여 출구부(115)로 배출되는 금속 소재(130)는 제1 자기 코어(113)의 출구부(115)에서 자속과 쇄교하게 된다. 따라서, 제1 자기 코어(113)의 중공에서 배출된 금속 소재(130)의 단부만이 전자기 유도 현상에 의해서 가열된다.

본 발명에 따르면, 소재 유도가열 헤드(110)의 제1 자기 코어(113)는, 제1 유도가열 코일(111)에 의해서 유도된 자속을 제1 자기 코어(113)의 중공 내부를 통과하는 금속 소재(130)로는 자기력선이 통과하지 않도록 하고, 제1 자기 코어(113)의 출구부(115)로 배출되는 금속 소재(130)로 자기력선이 통과하도록 한다. 즉, 제1 자기 코어(113)는 금속 소재(130)의 가열 범위를 제1 자기 코어(113)의 출구부(115)로 노출되는 부분으로 제한하여, 용융이 필요한 양만큼만 출구부(115)로 노출시켜서 용융되도록 하여 공급할 수 있도록 한다. 또한, 소재 유도가열 헤드(110) 및 모재 유도가열 헤드(150)의 사용 중에, 각각의 유도가열 헤드(110, 150)가 작업을 하는 동안에만 각각의 유도가열 코일(111, 151)에 전류를 흐르게 하고, 다음 작업을 위하여 각각의 유도가열 헤드(110, 150)나 공작물이 이동하는 동안 유도가열 코일(111, 151)로 흐르는 전류를 차단하여 유도가열 헤드(110, 150)의 유도가열 코일(111, 151)이 과열되는 것을 방지하고, 에너지를 절감할 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 소재 유도가열 헤드(110)와 모재 유도가열 헤드(150)의 각각의 자기 코어(113, 153)의 출구부(116, 156)의 형상을 다양하게 구성할 수 있다. 예를 들면, 외주면을 테이퍼 지게 가공하거나 중공의 내주면을 테이퍼가 지도록 가공할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터에 설치되는 유도가열 헤드의 다른 실시예를 나타내는 개략도이다. 본 실시예의 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터(200)가 도 1에 도시된 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터(100)와 다른 점은, 금속 소재(230)를 용융시키는 소재 유도가열 헤드(110)와 고화된 모재층을 가열하는 모재 유도가열 헤드(150)의 각각의 유도가열 코일(210)을 구리판과 같은 도전성 판재를 중공이 형성되도록 감아서 형성하고, 내부에 자기 코어(220)를 배치한 점이다. 도시된 것과 같이, 유도가열 코일(210)은 판재를 원형으로 지그재그 형태로 감아서 중앙부에 자기 코어(220)가 삽입되기 위한 중공이 형성되어 있다. 또한, 자기 코어(220)의 출구부(221) 측에 대응하는 유도가열 코일(210)의 하부는 원추형으로 형성하여, 경화된 모재에 대한 접근이 용이하게 되어 있다.

도 6은 본 발명에 따른 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터에 설치되는 유도가열 헤드의 또 다른 실시예를 나타내는 개략도이다. 도 6에 도시된 실시예가 도 5에 도시된 실시예의 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터와 다른 점은, 도전성 판재를 원추 형태로 감아서 중공이 형성된 유도가열 코일(210-1)을 구성한 점이다.

본 발명에 따른 3D 프린터는, 모재층을 미리 가열하고 가열되어 용융된 모재층에 금속 소재를 용융하여 공급하기 위해서 모재 유도가열 헤드와 소재 유도가열 헤드를 구비한다. 따라서 한 쌍의 용융 유도가열 헤드를 이용해서 고화된 모재층과 금속 소재를 각각 국부적으로 가열하기 때문에 용융 및 경화 시간이 줄어들어, 3차원 물체의 제조 시간을 단축할 수 있다. 또한, 동일 물성을 갖는 고화된 모재층과 된 모재와 용융된 금속 소재가 견고하게 부착되기 때문에 표면이 매끄럽고 정교한 고품질의 3차원 물체를 생산할 수 있다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예들은, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

100 : 3D 프린터 110 : 소재 유도가열 헤드
120 : 제1 전원 공급유닛 130 : 금속 소재(금속 와이어)
140 : 금속 소재 공급유닛 150 : 모재 유도가열 헤드
160 : 제2 전원 공급유닛 170 : 헤드 장착 케이스
180 : 베이스 190 : 통합 제어유닛

Claims (6)

1. 금속 소재 공급유닛과;
   고주파 전원유닛과;
   상기 고주파 전원유닛에 전기적으로 연결된 제1 유도가열 코일과,
   상기 소재 유도가열 코일의 내부에 삽입되어 있고, 상기 제1 유도가열 코일에 의하여 유도되는 자속의 경로를 제공하기 위한 자성체로 이루어진 중공의 실린더 형상이고, 상기 금속 소재 공급장치로부터 공급되는 금속 소재가 삽입되기 위한 입구와 삽입된 금속 소재가 배출되기 위한 출구를 구비한 제1 자기 코어를 포함하는 소재 유도가열 헤드와;
   상기 소재 유도가열 헤드와 이웃하게 배치되고, 상기 고주파 전원유닛에 전기적으로 연결된 제2 유도가열 코일과, 상기 제2 유도가열 코일의 내부에 삽입되어 있고, 상기 제2 유도가열 코일에 의하여 유도되는 자속의 경로를 제공하기 위한 자성체로 이루어진 제2 자기 코어를 포함하는 모재 유도가열 헤드와;
   상기 제1 자기 코어에 대하여 상하로 이동이 가능하게 설치되고, 상기 소재 유도가열 헤드로부터 배출되는 용융금속을 지지하기 위한 베이스;
   를 포함하는 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 소재 유도가열 헤드와 이웃하게 배치된 열처리 유도가열 헤드를 더 포함하고,
   상기 열처리 유도가열 헤드는, 상기 고주파 전원유닛에 전기적으로 연결된 제3 유도가열 코일을 포함하는 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 금속 소재 공급유닛으로부터 공급되는 금속 소재는 금속 와이어이고,
   상기 금속 소재 공급유닛은 금속 와이어를 연속적으로 공급하도록 구성된 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 금속 소재 공급유닛으로부터 공급되는 금속 소재는 금속 분말이고,
   상기 금속 소재 공급유닛은 금속 분말을 연속적으로 공급하도록 구성된 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터.
5. 제3항에 있어서,
   상기 금속 소재 공급유닛은, 상기 금속 와이어가 감겨지기 위한 서플라이 릴과, 상기 서플라이 릴로부터 상기 금속 와이어를 풀어내어 상기 자기 코어의 입구부로 이송하기 위한 롤 피더를 포함하는 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 유도가열 코일은 중공의 선재를 나선형으로 감아서 형성되고,
   상기 각각의 유도가열 코일의 중공으로 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급유닛을 더 포함하는 복수의 유도가열 헤드를 구비한 3D 프린터.

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