KR20170088479A - 직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수 개의 지지부재 중 적어도 어느 하나와 연결되어 수평 방향 또는 수직 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 움직이는 베드; 및 베드 상에 내용물을 미리 정해진 기준을 따라 출력하는 익스트루더를 포함하고, 익스트루더는 상부에 직선형 스텝모터, 직선형 스텝모터에 의하여 회전하는 축, 및 직선형 스텝모터가 고정되는 고정부가 구비되며; 하부에 내용물을 수용하는 재료수용부, 재료수용부를 지지하는 지지부 및 하우징이 구비되어, 내용물의 물성에 따라 상기 직선형 스텝모터에 보내지는 펄스신호가 달라지는 것을 특징으로 하는 직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터를 제공한다.
이에 의하면, 직선형 스텝모터로 익스트루더가 구동됨으로써 익스트루더에 장착된 재료수용부의 내용물의 물성에 따라 내용물의 출력 속도가 제어될 수 있어, 다양한 재료로 출력이 가능하다.

Description

직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터{Three dimensional printer comprising a linear stepper motor}

본 발명은 직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터에 관한 것으로, 더 상세하게는 직선형 스텝모터의 미세한 제어를 통하여서 초콜릿과 같이 소정의 점도를 갖는 재료를 활용하여 3차원적인 출력물을 생성할 수 있는 3차원 프린터에 관한 것이다.

3D 프린팅 기술은 다양한 제품의 설계에 실시간으로 대비할 수 있다는 점에서 다품종 소량 생산으로 소비 패러다임이 변화하는 커다란 시대의 흐름을 대비하는데 적합한 기술로 주목받고 있다.

현재 3D 프린팅 기술은 신속조형기술(RP; Rapid Prototyping)이라고 불리며 주로 시제품의 3차원 CAD도면으로부터 물리적인 모델을 만드는 공정에서 이용되고 있으며 구체적으로 의료, 건축, 가전, 자동차, 엔진부품, 보청기 등의 제품 제작 과정에서 활용되고 있다.

최근에는 필라멘트를 재료로 사용하는 3D 프린터와 달리 플라스틱, 초콜릿, 설탕가루, 가공된 페이스트 등을 재료로 사용할 수 있는 3D 프린터가 활발하게 개발되고 있다. 예를 들면, 미국등록특허 제9,215,882호는 특별히 초콜릿을 3D 프린터의 출력 재료로 사용하는 시스템 및 방법을 제공한다.

미국등록특허 제9,215,882호는 소정의 점도를 갖는 초콜릿을 용이하게 출력하기 위하여서 초콜릿이 저장된 저장부로부터 미리 정해진 용량의 유압펌프를 사용한다. 하지만 이와 같이 펌프를 통하여서 직접적으로 초콜릿을 출력하는 경우에는, 3D 프린터의 사용이 중지되면 펌프 내에 남는 초콜릿 잔여물을 처리하는 작업이 용이하지 않다.

또한, 이와 같이 형성된 3D 프린터는 초콜릿과 다른 물성을 갖는 재료를 사용하는 데에는 한계가 있다. 예를 들면, 야채 또는 과일을 갈아서 생성된 페이스트를 재료로 사용하면, 갈아진 입자들의 크기가 다소 일정하지 않으며 일부 껍질 또는 과육이 펌프의 고장을 초래할 수 있으며, 사용 후의 세척 작업도 용이하지 않다.

현재, 하나의 3D 프린터로 다양한 재료를 사용하는 데에는 실질적인 어려움이 있으며, 재료에 따라 다른 종류의 익스트루더가 장착된 프린터가 필요하게 된다. 아직까지는 3D 프린터는 고가의 장치로서, 다양한 재료를 사용하고자 다수 개의 3D 프린터를 구매하는 데에는 경제적인 부담이 따른다.

이에 따라, 다른 물성을 갖는 다양한 재료를 사용할 수 있으며, 내구성이 양호하며, 유지관리가 편리한 3D 프린터가 필요한 실정이다.

미국등록특허 제9,215,882호 (2015.12.22 공개)

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 내용물의 위치 및 출력속도가 정교하게 제어될 수 있도록 구성된 직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 익스트루더에 탈착이 용이한 재료수용부 및 재료수용부를 지지하는 구조체가 구비된 3차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터는, 다수 개의 지지부재 중 적어도 어느 하나와 연결되어 수평 방향 또는 수직 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 움직이는 베드; 및 상기 베드 상에 내용물을 미리 정해진 기준을 따라 출력하는 익스트루더를 포함하고, 상기 익스트루더는, 상부에 직선형 스텝모터, 상기 직선형 스텝모터에 의하여 회전하는 축, 및 상기 직선형 스텝모터가 고정되는 고정부가 구비되며; 하부에 상기 내용물을 수용하는 재료수용부, 상기 재료수용부를 지지하는 지지부 및 하우징이 구비되어, 상기 내용물의 물성에 따라 상기 직선형 스텝모터에 보내지는 펄스신호가 달라지는 것을 특징으로 한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 직선형 스텝모터로 익스트루더가 구동됨으로써 익스트루더에 장착된 재료수용부의 내용물의 물성에 따라 내용물의 출력 속도가 제어될 수 있어, 다양한 재료로 출력이 가능하다.

또한, 재료수용부가 익스트루더에 탈착이 용이하여서 재료수용부가 비워지거나 다른 재료의 내용물을 출력하기 위한 재료수용부의 교체작업이 간단하게 이루어질 수 있다.

또한, 재료수용부의 내용물이 구동력을 제공하는 스텝모터에 직접적으로 묻지 않아, 사용 후 재료수용부의 처리 및 유지관리가 편리하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터의 전체 구성을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터의 지지부를 설명하기 위한 평면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터의 재료수용부 및 하우징을 설명하기 위한 부분 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터를 설명하면 다음과 같다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.

본 명세서에 기재된 "3차원 프린터"는 종래기술의 3차원 프린터와 유사한 기능을 갖는 다수 개의 지지부재, 베드, 및 다수 개의 지지부재와 연결된 다수 개의 구동부재를 포함한다. 지지부재는 익스트루더 및 베드를 지지하는 부재이며, 베드는 3차원 출력물이 위치하게 되는 평평한 판이며, 구동부재는 익스트루더 및 베드가 지지부재 상에서 이동가능하도록 구동력을 제공하는 부재로 규정한다. 익스트루더 및 베드는 다수 개의 지지부재를 따라 상하, 좌우, 또는 전후 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 이동가능하도록 구성된다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터를 직선형 스텝모터가 구비된 익스트루더를 중점으로 하여 설명한다.

먼저, 도 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터의 전체 구성을 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터는 익스트루더, 다수 개의 지지부재(420, 430, 440), 베드(500), 및 다수 개의 구동부재(610, 620)를 포함한다.

다수 개의 지지부재는(420, 430, 440)는 익스트루더가 수평방향 중 좌우 방향으로 이동가능하도록 구성된 제1 지지부재(420), 익스트루더가 수직방향으로 이동가능하도록 구성된 제2 지지부재(430), 및 베드(500)가 익스트루더의 이동방향과 수직인 전후 방향으로 이동가능하도록 구성된 제3 지지부재(440)를 포함한다.

제1 및 제2 지지부재(420, 430) 각각은 제1 및 제2 구동부재(610, 620)와 연결되어 수직 및 수평 운동을 위한 구동력을 제공받도록 구성된 것이 바람직하다. 또한, 익스트루더가 수평방향으로 더 정밀하게 이동될 수 있도록 제1 지지부재(420)와 평행한 체인(410)이 구비된 것이 바람직하다.

익스트루더는 베드(500) 상에 내용물을 미리 정해진 기준을 따라 출력하는 것으로, 상부에 형성된 구동부(100) 및 하부에 형성된 지지부(210)와 하우징(220), 및 지지부(210)와 하우징(220)에 탈착가능한 재료수용부(300)(도 3 참고)를 포함한다. 저장부(310)는 출력되는 내용물이 저장되는 공간으로서, 내용물의 재료 및 물성에 따라 크기가 결정될 수 있다.

구동부(100)는 직선형 스텝모터(110), 축(120), 및 고정부(130)를 포함한다. 직선형 스텝모터(110)는 기존의 스텝모터처럼 회전력에 의하여 압출 거리가 결정되는 것이 아니라, 펄스당 축(120)의 회전방향에 수직인 방향으로 가해지는 힘을 통해 압출 거리가 결정되는 것으로, 하측이 고정부(130)에 고정되고, 축(120)은 고정부(130)에 고정된 직선형 스텝모터(110)로부터 제공되는 회전력에 따라 수직 방향으로 이동된다.

축(120)은 나사산이 형성된 표면을 갖도록 형성된 것이 바람직하며, 직선형 스텝모터(110)에 입력된 펄스당 소정의 거리만큼 수직방향으로 이동되는 것이 바람직하다. 펄스당 거리는 제어부(미도시)에 입력된 데이터에 따라 직선형 스텝모터에 보내지는 펄스신호가 달라지면서 제어되는 것이 바람직하다.

제어부는 본 발명에 따른 3차원 프린터와 유무선으로 연결될 수 있는 것으로, 3차원 형상을 이미지 데이터로 입력받을 수 있으며, 사용되는 재료에 따라 펄스당 거리 및 펄스의 발생 속도를 제어할 수 있도록 구성된 것이 바람직하다.

고정부(130)는 직선형 스텝모터(110)를 수용하는 프레임으로서, 직선형 스텝모터(110)의 구동에 따른 진동을 감쇄시켜 익스트루더의 안정적인 작동이 가능하다.

구동부(100)는 축(120)과 연동되는 이동판(미부호)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이동판은 축(120)이 회전할 경우에 고정부(130)의 적어도 일부에 의하여 구속되어 상하운동하는 것이 바람직하다.

이동판은 축(120)이 통과할 수 있는 통공을 포함하며, 홈의 내측에는 축(120)에 형성된 나사산과 대응되는 나사산이 구비되는 것이 바람직하다. 이동판은 축(120)이 회전할 때 고정부(130) 내측 벽 양측을 따라 상하로 슬라이딩 이동가능하다. 즉, 축(120)이 회전하여 상하 이동할 경우에 이동판도 함께 상하 이동하며, 축(120)의 비틀림 또는 좌굴 현상을 방지할 수 있어 축의 안정적인 구동이 가능하다.

이동판의 양측에 위치하는 고정부(130)의 수직 벽 중 어느 하나에는 이동거리가 표시된 자와 같은 측정수단이 구비될 수도 있다. 이에 따라 이동판이 이동되는 거리를 사용자가 용이하게 확인할 수 있으며, 재료수용부(300) 내의 재료가 어느 정도 남았는지 한눈에 확인할 수 있다.

도 2 및 도 3을 더 참고하여 익스트루더의 구성을 더 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지부(210)를 설명하기 위한 평면 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 재료수용부(300) 및 하우징(220)을 설명하기 위한 부분 사시도이다.

익스트루더의 하부에 형성된 지지부(210)의 적어도 일부는 고정부(130)와 연결되고, 지지부(210)는 하우징(220)과 연결된 것이 바람직하다. 지지부(210)와 하우징(220)은 재료수용부(300)를 안정적으로 지지할 수 있도록 형성된 것이 바람직하다.

도 2에 도시된 바와 같이, 지지부(210)는 지지판(211), 탈착부(212) 및 홈(213)을 포함하는 것이 바람직하다. 지지판(211) 및 탈착부(212) 각각은 서로 대향하는 측 일부에 굴곡진 표면이 구비되어 지지판(211)과 탈착부(212)가 연결된 경우에 재료수용부(300)의 적어도 일부가 수용될 수 있는 개방부(213)가 형성된다.

지지판(211)은 탈착부(212)가 용이하게 슬라이딩 이동하여 장착될 수 있도록 탈착부(212)와 대향 하는 면에 슬라이드 홈(미부호)이 형성된 것이 바람직하며, 탈착부(212)는 슬라이드 홈에 삽입되는 돌출부(미부호)를 포함하는 것이 바람직하다(도 1 참고).

개방부(213)는 미리 정해진 지름을 갖는 홈으로 형성될 수 있으나, 다른 일 실시예에서는 개방부(213)의 크기가 조절가능하도록 지지판(211) 또는 탈착부(212)의 일부에 클램프와 같은 조임 수단이 더 구비될 수 있다. 이때, 조임 수단은 탈착부(212) 일부에 형성되어 슬라이드 홈 내측으로 압력을 가함으로써 탈착부(212)의 위치가 고정되도록 형성된 것이 바람직하나, 이로 한정되지 않는다.

도 3에 도시된 바와 같이, 하우징(220)은 바닥부(221), 측부(222), 및 홈(223)을 포함하는 것이 바람직하다. 바닥부(221)와 측부(222)는 서로 연결되어 더 안정적인 구조로 재료수용부(300)의 하부 일부를 지지할 수 있다.

홈(223)은 바닥부(221)에 형성되어 재료수용부(330)의 말단 일부를 수용한다. 재료수용부(300)의 말단 일부에는 내용물이 출력되는 부위인 출력부(330)가 형성된 것이 바람직하며, 출력부(330)는 홈(223)에 삽입되어 3차원 프린터가 구동될 때 안정적으로 익스트루더에 고정될 수 있다.

출력부(330)는 소정의 직경으로 개방되어 재료수용부(300)에 저장된 내용물이 용이하게 출력된다. 이때, 출력부(330)는 재료수용부(300)에 저장된 내용물에 대한 미리 정해진 기준에 따른 직경을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 내용물이 초콜릿일 경우, 야채 페이스트일 경우, 또는 밀가루 반죽일 경우의 다양한 경우들에 따라 출력부(330)는 직경이 달라질 수 있다.

이와 같은 출력부(330)를 구비한 재료수용부(300)는 출력부(330)의 직경 및/또는 재료수용부(300)의 직경이 다른 다수 개의 종류로 형성되어 일회용으로 사용될 수 있다. 다른 일 실시예에서는 출력부(330)에 밸브(미도시)가 구비되어 입구의 크기가 조정가능하도록 구성될 수 있으며, 출력부(330)에 구비되는 밸브는 제어부와 전기적으로 연결되어 미세한 변형이 가능한 밸브인 것이 바람직하다.

재료수용부(300)는 튜브형으로 형성된 것이 바람직하며, 직경이나 크기는 저장된 내용물에 따라 다르게 형성될 수 있어 어느 한 크기로 한정되지 않는 것이 바람직하다. 예를 들면, 적은 용량의 초콜릿을 재료로 하여 모형을 프린트하기 위하여서는, 상대적으로 작은 크기를 갖는 저장부(310)가 구비된 재료수용부(300)가 사용될 수 있으며, 지지부(210)의 개방부(213)는 재료수용부(300)의 크기에 맞도록 조절될 수 있다.

또 다른 실시예에서 재료수용부(300)는 위치조절 및 고정이 가능한 내측벽(미도시)을 구비한 이중벽의 저장부(310)를 포함하여, 다양한 용량을 수용할 수 있도록 구성될 수 있다.

푸셔부(320)는 재료수용부(300)의 다른 말단에 개방된 개구를 통하여 저장부(310)에 저장된 내용물을 출력부(330)가 위치된 방향으로 밀어내도록 구성된다. 푸셔부(320)의 단부의 일측은 저장부(310)의 직경과 대응되는 크기를 갖는 것이 바람직하며, 푸셔부(320)의 측면이 저장부(310)의 내측벽과 기밀하게 접촉되어 내용물이 푸셔부(320) 외부로 빠져나오지 못하도록 형성된 것이 바람직하다.

푸셔부(320)는 축(120)의 하부 일부와 대응되는 축공(미도시)을 포함하는 것이 바람직하다. 푸셔부(320)의 일 단부에서 축(120)이 축공과 맞물려서 회전하는 동시에 하강하는 경우에, 축(120)이 하강하는 만큼 푸셔부(320) 타 단부는 재료수용부(300) 내부에서 저장부(310)에 저장된 내용물을 출력부(330) 측으로 밀어낸다.

재료수용부(300)에 외측에 온도제어부(340)가 더 구비되어 재료의 물성에 따라 가장 적합한 온도로 저장부(310)가 유지될 수 있다. 온도제어부(340)는 열선이 연결된 금속재의 커프(cuff)로 형성될 수 있으나, 이의 형태는 어느 한 가지로 제한되지 않는다.

직선형 스텝모터(110)가 구비된 3차원 프린터는 제어부를 통하여서 펄스당 소정의 거리만큼 수직방향으로 이동되어 출력을 위하여 사용되는 재료의 물성에 따라 출력 속도가 정밀하게 제어될 수 있다.

또한, 특별히 고정부(130) 및 고정부(130) 내에서 슬라이딩 이동가능한 이동판이 구비되어 직선형 스텝모터(110)의 구동에 따른 진동의 영향을 받지 않으면서 안정적인 출력이 가능하다.

100: 구동부
110: 직선형 스텝모터
120: 축
130: 고정부
210: 지지부
211: 지지판
212: 탈착부
213: 개방부
220: 하우징
221: 바닥부
222: 측부
223: 홈
300: 재료수용부
310: 저장부
320: 푸셔부
330: 출력부
340: 온도제어부
410: 체인
420: 제1 지지부재
430: 제2 지지부재
440: 제3 지지부재
500: 베드
610: 제1 구동부재
620: 제2 구동부재

Claims (2)

1. 다수 개의 지지부재 중 적어도 어느 하나와 연결되어 수평 방향 또는 수직 방향 중 적어도 어느 한 방향으로 움직이는 베드; 및
   상기 베드 상에 내용물을 미리 정해진 기준을 따라 출력하는 익스트루더를 포함하고,
   상기 익스트루더는,
   상부에 직선형 스텝모터, 상기 직선형 스텝모터에 의하여 회전하는 축, 및 상기 직선형 스텝모터가 고정되는 고정부가 구비되며;
   하부에 상기 내용물을 수용하는 재료수용부, 상기 재료수용부를 지지하는 지지부 및 하우징이 구비되어,
   상기 내용물의 물성에 따라 상기 직선형 스텝모터에 보내지는 펄스신호가 달라지는 것을 특징으로 하는,
   직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 익스트루더는 상기 축과 연동되는 이동판을 더 포함하고,
   상기 이동판은 상기 축이 회전할 경우에 상기 고정부의 적어도 일부에 의하여 구속되어 상하운동하는 것을 특징으로 하는,
   직선형 스텝모터가 구비된 3차원 프린터.

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