KR20170105811A

KR20170105811A - 3d 프린터

Info

Publication number: KR20170105811A
Application number: KR1020160028932A
Authority: KR
Inventors: 권현진; 김성희; 김원효
Original assignee: (주)케이랩스
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2017-09-20

Abstract

본 발명에 의하면, 사용자나 제조자가 용이하게 조립할 수 있는 3D 프린터를 제공한다. 3D 프린터를 조립하는 과정 중 가장 까다로운 x,y축 타이밍벨트 설치 과정을 용이하게 하기 위하여, 제1,2텐셔너와 제1,2텐셔너를 설치할 수 있는 제1,2장공홀을 마련한다. x,y축 타이밍벨트를 설치한 이후 제1,2텐셔너를 제1,2장공홀에 설치하고 제1,2텐셔너의 위치를 조정하여 x,y축 타이밍벨트에 적절한 장력을 인가한다. 아울러 3D 프린터가 조립되어 사용되는 중에도 x,y축 타이밍벨트를 해체하지 않고 x,y축 타이밍벨트의 장력을 조절할 수 있으므로 프린터헤드의 미세한 위치 보정이 이루어질 수 있다.

Description

3D 프린터{3D Printer}

본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용융된 필라멘트를 적층하여 입체적인 형상을 제작하는 FDM 방식의 3D 프린터에 관한 것이다.

1980년대 초반, 미국 3D Systems사(社)에 의해 플라스틱 액체를 굳혀서 입체적인 형상의 물건을 만드는 방식이 최초로 제시된 이후 3D 프린터는 다양한 방식으로 발전해왔다. 플라스틱 소재에 국한되었던 초기 단계에서 발전하여 현재 나일론과 금속 소재도 3D 프린터의 출력 원료로 사용되고 있으며, 더욱 정밀도가 높아져 맞춤형 의료기를 생산하기 위한 장비로도 사용되고 있다.

3D 프린터는 입체적인 형상의 출력물을 만들어내는 방법에 따라 크게 FDM(Fused Deposition Modeling), SLA(Stereolithography Apparatus), SLS(Selective Laser Simtering), DLP(Direct Light Processing) 방식으로 나뉜다.

상기의 다양한 3D 프린팅 방식 중 3DSystems사(社)에 의해 1986년에 개발된 SLA 방식과 Stratasys사(社)에 의해 1989년에 개발된 FDM 방식이 가장 일반적으로 사용되고 있으며, 특히 FDM 방식의 3D 프린터는 그 구조가 간단하고 가격이 저렴하여 교육용과 개인용으로도 널리 사용되고 있다.

FDM 방식은 PLA(Poly Latic Acid) 또는 ABS(Acryontrie Butadiene Styrene) 등의 플라스틱 필라멘트를 프린터헤드에서 녹여서 적층하는 방식이다. 더 구체적으로는 용융되어 분출된 플라스틱 필라멘트를 종이보다 얇은 0.01~0.08mm의 층으로 겹겹이 쌓아 입체적인 형상을 만들어내는 것이다.

일반적으로 FDM 방식의 3D 프린터는 출력재료를 용융시켜 토출하는 프린터헤드와 토출된 출력재료가 쌓이게 되는 베드 그리고 프린터헤드와 베드를 이동시키기 위한 구동부로 이루어진다.

3차원 직교 좌표계에서 x축과 y축으로 프린터헤드와 베드를 이동시켜 출력재료를 인쇄하면 2차원의 출력물이 만들어진다. 상기의 상태에서 z축으로 프린터헤드 또는 베드를 이동하여 기존의 출력물 위에 새로운 층이 형성되도록 인쇄하면 z축으로 높이를 가진 3차원 출력물이 만들어진다. 상기 작업을 반복하여 원하는 형태의 입체적인 형상을 만들어내는 것이 상기 FDM 방식의 3D 프린터의 인쇄 원리이다.

상기와 같은 FDM 방식의 3D 프린터는 종래에 널리 알려진 기술로서, 대한민국 공개특허번호 제10-2009-0119904호 "변성 ABS 물질을 이용한 3차원 물체 생성 방법"과 대한민국 공개특허번호 제10-2015-0089240호 "3D 프린터" 등이 있다.

일반적인 FDM 방식의 3D 프린터는 프린터헤드와 베드 그리고 모터가 설치된 이후 타이밍벨트를 팽팽하게 당겨서 연결한다. 따라서 타이밍벨트를 설치하는 과정이 용이하지 않다. 또한, 타이밍벨트의 장력을 정밀하게 조절하지 못한다는 문제점이 있다.

일반적으로 FDM 방식의 프린터가 교육용이나 개인용으로 널리 이용된다는 사실을 고려할 때, 일반인이 조립하기 용이하도록 설계하는 것이 바람직하다. 아울러 3D 프린터가 조립된 이후 타이밍벨트를 해체하지 않고도 타이밍벨트의 장력을 조정할 수 있도록 하면, 타이밍벨트의 장력 조정을 통해서 프린터헤드의 움직임을 보정할 수 있으므로, 인쇄품질 향상을 기대할 수 있다.

대한민국 공개특허번호 제10-2009-0119904호 "변성 ABS 물질을 이용한 3차원 물체 생성 방법" 대한민국 공개특허번호 제10-2015-0089240호 "3D 프린터"

본 발명은 사용자나 제조자가 쉽게 조립할 수 있는 FDM 방식의 3D 프린터를 제시하고자 한다. 본 발명을 통해 프린터헤드와 베드를 이동시키는 타이밍벨트에 일정한 장력을 손쉽게 인가할 수 있도록 하며, 아울러 3D 프린터의 조립과 분해과정에서 타이밍벨트의 설치와 해체를 용이하게 하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 내부 공간을 제공하며 제1장공홀이 형성된 하부 프레임, 상기 하부 프레임의 좌우에 결합되는 좌측 프레임과 우측 프레임, 상기 좌측 프레임과 상기 우측 프레임의 상부를 연결하도록 결합되는 상부 프레임을 포함하여 이루어지는 프레임과; 상기 하부 프레임의 상부에서 y축 방향으로 이동 가능하게 마련되며 상부에 필라멘트가 적층되는 장소를 제공하는 베드와; 상기 하부 프레임에 마련되는 y축 모터와; 상기 y축 모터의 회전력을 상기 베드의 y축 방향 이동으로 전환하기 위하여 상기 y축 모터와 상기 베드를 연결하는 y축 타이밍벨트와; 상기 좌측 프레임과 상기 우측 프레임의 사이에 마련되는 z축 안내수단과; 상기 하부 프레임에 마련되는 z축 모터와; 상기 z축 모터의 회전력을 전달받아 z축을 중심으로 회전하기 위하여 그 하단이 상기 z축 모터에 결합되는 z축 스크루와; 상기 z축 안내수단을 따라 z축 방향으로 이동 가능하게 마련되며, 상기 z축 스크루와 결합되는 스크루커플링이 장착되며, 제2장공홀이 형성된 헤드마운트와; 필라멘트를 용융하여 상기 베드에 토출하는 핫노즐을 포함하여 이루어지며, x축 방향으로 이동 가능하게 상기 헤드마운트에 결합되는 프린터헤드와; 상기 프린터헤드에 상기 필라멘트를 공급하는 압출기와; 상기 헤드마운트에 마련되는 x축 모터와; 상기 x축 모터의 회전력을 상기 프린터헤드의 x축 방향 이동으로 전환하기 위하여 상기 x축 모터와 상기 프린터헤드를 연결하는 x축 타이밍벨트와; 상기 제1장공홀을 따라 위치 이동이 가능하돌록 장착되어 상기 y축 타이밍벨트에 조절 가능한 장력을 인가하는 제1텐셔너와; 상기 제2장공홀을 따라 위치 이동이 가능하도록 장착되어 상기 x축 타이밍벨트에 조절 가능한 장력을 인가하는 제2텐셔너; 를 포함하여 이루어지도록 한다.

본 발명에 의하면, 사용자나 제조자가 용이하게 조립할 수 있는 3D 프린터를 제공하게 된다. 본 발명으로 인하여 프린터헤드와 베드를 이동시키는 타이밍벨트에 일정한 장력을 손쉽게 인가할 수 있으며, 특히 3D 프린터의 조립과 분해과정에서 타이밍벨트의 설치와 해체를 용이하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 3D 프린터의 사시도,
도 2는 도 1의 정면도,
도 3은 도 1의 배면도,
도 4는 도 1의 평면도,
도 5는 도 1의 하부 프레임과 베드를 분리하여 보여주는 사시도,
도 6은 도 1의 헤드마운트 부분의 사시도,
도 7은 도 1의 프린터헤드 부분의 분리 사시도,
도 8은 y축 타이밍벨트 설치시 제1텐셔너의 위치를 보여주는 개념도,
도 9는 y축 타이밍벨트 설치 이후의 제1텐셔너의 이동을 보여주는 개념도,
도 10은 x축 타이밍벨트 설치시 제2텐셔너의 위치를 보여주는 개념도,
도 11은 x축 타이밍벨트 설치 이후의 제2텐셔너의 이동을 보여주는 개념도.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다. 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 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명에 의한 3D 프린터의 사시도이며, 도 2는 도 1의 정면도이며, 도 3은 도 1의 배면도이며, 도 4는 도 1의 평면도이며, 도 5는 도 1의 하부 프레임과 베드를 분리하여 보여주는 사시도이며, 도 6은 도 1의 헤드마운트 부분의 사시도이며, 도 7은 도 1의 프린터헤드 부분의 분리 사시도이며, 도 8은 y축 타이밍벨트 설치시 제1텐셔너의 위치를 보여주는 개념도이며, 도 9는 y축 타이밍벨트 설치 이후의 제1텐셔너의 이동을 보여주는 개념도이며, 도 10은 x축 타이밍벨트 설치시 제2텐셔너의 위치를 보여주는 개념도이며, 도 11은 x축 타이밍벨트 설치 이후의 제2텐셔너의 이동을 보여주는 개념도이다.

본 실시예의 3D 프린터는 프레임(100), 베드(200), 프린터헤드(300), 헤드마운트(400), x,y,z축 모터(500,600,700), x,y축 타이밍벨트(520,620), z축 스크루(710), 압출기(800), 제어보드(900)를 기본 구성 요소로 하며, 제1,2텐셔너(115,480)와 제1,2텐셔너(115,480)가 설치되는 제1,2장공홀(114,470)이 추가되어 x,y축 타이밍벨트(520,620)의 설치를 용이하게 하고, x,y축 타이밍벨트(520,620)를 설치한 이후 x,y축 타이밍벨트(520,620)의 장력을 손쉽게 조정할 수 있도록 한다. 아울러 외부저장장치를 연결할 수 있는 슬롯과 정보를 보여주기 위한 LCD패널 그리고 조작다이얼이 마련된 LCD모듈(미도시)이 제어보드(900)에 연결될 수 있으며, 이를 통해 데이터 케이블을 이용하여 컴퓨터와 3D 프린터를 직접 연결하지 않고도 작업상태를 확인하고 3D 프린터를 조작할 수 있다.

프레임(100)은 제어보드(900), y축 모터(600), z축 모터(700)가 설치되도록 내부 공간을 제공하는 하부 프레임(110)과, 하부에 환기구멍이 형성되어 있으며 하부 프레임(110)의 좌우에 각각 고정되어 그 사이에 프린터헤드(300)와 베드(200)가 움직일 수 있는 작업 공간을 제공하는 'ㅗ' 형태의 좌측 프레임(120)과 우측 프레임(130), 그리고 좌측 프레임(120)과 우측 프레임(130)의 상단부를 서로 연결하며 상면에 손잡이(141)가 마련된 상부 프레임(140)으로 이루어져 있다.

하부 프레임(110)의 내부 공간의 중앙에 제어보드(900)가 설치되며, 제어보드(900)의 좌측에 z축 모터(700)가, 우측에 y축 모터(600)가 설치된다. z축 모터와 y축 모터는 펄스신호에 의해 회전이 정밀하게 제어되는 스테핑 모터를 채택한다. z축 모터(700)는 회전축이 하부 프레임(110)의 상면을 관통하여 하부 프레임(110)의 외부로 돌출되도록 설치되며, 돌출된 회전축에 수나사산이 형성된 z축 스크루(710)가 연장되어 설치된다. z축 스크루(710)는 z축 모터(700)의 회전력을 전달받아 축회전한다. 아울러 y축 모터(600)는 회전축이 하부 프레임(110)의 상면을 관통하여 하부 프레임(110)의 외부로 돌출되도록 설치되며, 돌출된 회전축에 y축 모터풀리(610)가 설치된다. y축 모터풀리(610)는 y축 모터(600)의 회전력을 전달받아 축회전한다.

도 5와 같이 하부 프레임(110) 상면의 중앙에 하부 프레임(110)의 전후 방향으로 y축 LM가이드(111)가 마련되며, y축 LM가이드(111)의 전방부와 후방부의 우측에 이격하여 제1-1벨트풀리(112)와 제1-2벨트풀리(113)가 마련된다. 아울러 하부 프레임(110) 상면 전방에 y축 LM가이드(111)의 좌측에 이격하여 y축 리미트스위치(116)가 마련된다. y축 리미트스위치(116)는 베드(200)가 +y축 방향으로 무한히 이동하는 것을 방지하는 역할을 한다. y축 리미트스위치(116)는 접촉부가 베드(200)의 하면에 마련된 후술할 y축 가이드블럭(210)에 닿아 작동하게 된다.

용융된 필라멘트가 프린터헤드(300)로부터 토출되어 쌓이는 장소를 제공하며 좌측 프레임(120)과 우측 프레임(130)의 사이에 마련된 작업 공간에서 y축 방향으로 이동 가능한 직사각형 형태의 베드(200)가 마련된다. 베드(200)의 하면에 y축 LM가이드(111)에 결합되는 y축 가이드블럭(210)이 마련된다. 아울러 베드(200)의 하면에 y축 가이드블럭(210)의 우측에 이격하여 제1-1,2벨트결합나사(220,230)가 전후방향으로 나란히 마련된다. 베드(200)가 y축 LM가이드(111)을 따라서 y축 방향으로 이동할 수 있도록 y축 가이드블럭(210)을 y축 LM가이드(111)에 결합하여 베드(200)를 설치한다.

하부 프레임(110)의 상면에는 제1-2벨트풀리(113)와 y축 모터풀리(610)의 중간에 제1장공홀(114)이 하부 프레임(110)의 폭 방향으로 형성된다. 제1장공홀(114)은 제1텐셔너(115)가 제1장공홀(114)을 따라서 이동 가능하도록 설치되는 장소이다.

제1텐셔너(115)는 외주면의 상하에 y축 타이밍벨트(620)의 폭만큼 이격하여 플랜지가 형성되어있는 원통형 풀리(pulley)로서, 내주면에 베어링(미도시)이 설치되어 베어링의 내경이 고정된 상태에서도 베어링의 외경에 결합된 풀리가 축회전 할 수 있다.

제1텐셔너(115)를 제1장공홀(114)의 위에 위치시키고 베어링의 내경과 제1장공홀(114)을 나사로 결합한다. 제1텐셔너(115)를 제1장공홀(114)에 고정하는 나사를 느슨하게 풀어서 제1텐셔너(115)의 위치를 조정할 수 있으며, 나사를 조여서 제1텐셔너(115)를 제1장공홀(114)에 축회전 가능하도록 고정할 수 있다.

y축 타이밍벨트(620)는 내측에 y축 모터풀리(610)의 외주면에 형성된 홈에 수용되는 돌기가 형성되어있으며 외측은 매끈한 표면으로 이루어진 폴리우레탄 또는 고무 재질의 벨트이다.

y축 타이밍벨트(620)의 설치를 용이하게 하기 위하여 제1텐셔너(115)를 도 8과 같이 제1장공홀(114)의 우측 반원으로 밀착시킨다. y축 타이밍벨트(620)의 일단부를 제1-1벨트결합나사(220)에 연결한다. 그리고 돌기가 형성되어있는 y축 타이밍벨트(620)의 내측이 제1-1벨트풀리(112), y축 모터풀리(610), 제1-2벨트풀리(113)의 외주면에 차례로 닿도록 설치한다. 이후 y축 타이밍벨트(620)의 타단부를 제1-2벨트결합나사(230)에 연결한다.

y축 타이밍벨트(620)는 팽팽하게 당겨서 설치될 필요가 없으므로 손쉽게 설치될 수 있다. 상기와 같이 y축 타이밍벨트(620)를 설치하면 y축 타이밍벨트(620)가 형성하는 고리의 바깥쪽에 제1텐셔너(115)가 위치하게 된다. y축 타이밍벨트(620)가 설치된 이후 y축 타이밍벨트(620)의 외측에 위치한 제1텐셔너(115)를 도 9와 같이 제1장공홀(114)을 따라 좌측으로 이동시킨다. y축 타이밍벨트(620)에 적절한 장력이 인가되도록 제1텐셔너(115)의 위치를 조절한 후, 제1텐셔너(115)가 더 이상 제1장공홀(114)을 따라서 이동하지 않도록 제1장공홀(114)에 고정시킨다.

만약 제1텐셔너(115)와 제1장공홀(114)이 없다면 y축 타이밍벨트(620)의 장력은 y축 타이밍벨트(620)의 일단부와 타단부를 제1-1,2벨트결합나사(220,230)에 결합하는 순간 y축 타이밍벨트(620)를 당기는 힘에 의하여 결정된다. 또한, 팽팽하게 당겨진 y축 타이밍벨트(620)를 제1-1,2벨트결합나사(220,230)에 결합하는 것은 쉽지 않다. 다시 말해, 제1장공홀(114)에 설치된 제1텐셔너(115)는 y축 타이밍벨트(620)의 설치를 용이하게 하고 y축 타이밍벨트(620)에 조절 가능한 장력을 인가하는 역할을 하는 것이다.

하부 프레임(110) 중앙의 좌우에 각각 z축 안내수단(117)이 마련된다. z축 안내수단은 LM가이드 레일, 원통형 가이드 바 또는 슬롯 형태의 가이드 홈 등이 선택될 수 있으며, 본 실시예에서는 원통형 z축 가이드바(117)을 채택한다. z축 가이드바(117)는 헤드마운트(400)가 z축 방향으로 이동될 수 있도록 가이드하는 원통형 바(bar)이며, z축 가이드바(117)의 하단부를 하부 프레임(110)의 상면에 고정하고 상단부를 상부 프레임(140)의 하면에 고정하여 z축 스크루(710)와 나란하도록 설치된다.

프린터헤드(300)는 중공형 관으로서 하부에 히터가 장착되어 필라멘트를 용융시켜 토출하는 핫노즐(310)과 핫노즐(310)의 열이 상부로 전달되지 않도록 핫노즐(310)의 상부에 마련된 방열판(320), 그리고 방열판의 상부로 연장된 중공형 관에 형성된 재료투입구(311)로 구성되어있다. 아울러 방열판(320)의 효율을 높이기 위한 냉각팬(330)이 방열판(320)에 부착되며, 배면과 상하면의 일부가 개방된 직육면체 형태의 헤드커버(340)가 핫노즐(310)과 냉각팬(330)이 부착된 방열판(320)을 감싸고 있다.

프린터헤드(300)를 헤드마운트(400)에 설치하기 위한 헤드장착대(350)가 마련된다. 헤드장착대(350)는 y축 방향으로 길게 형성된 판으로서, 일단부의 하면에 후술할 x축 LM가이드(410)에 결합되는 x축 가이드블럭(351)이 마련되며 x축 가이드블럭(351))의 후방에 이격하여 제2-1,2벨트결합나사(352,353)가 좌우로 나란히 마련된다. 헤드장착대(350)의 타단부에는 프린터헤드(300)가 결합될 수 있는 헤드결합홀(354)이 마련되며, 핫노즐(310)이 아래를 향하도록 프린터헤드(300)의 상부를 헤드결합홀(354)에 결합한다.

헤드마운트(400)는 'H' 모양으로 형성된 판이다. 프린터헤드(300)를 x축 방향으로 이동하도록 가이드하는 x축 LM가이드(410)가 헤드마운트(400) 상면의 중앙에 x축 방향으로 마련된다. 헤드마운트(400)의 좌측 중앙과 우측 중앙에는 z축 가이드바(117)가 관통될 수 있는 정공홀이 형성되며, 정공홀에 각각 LM부싱(430)이 결합된다. 그리고 z축 가이드바(117)를 따라서 헤드마운트(400)가 가이드 되도록 LM부싱(430)에 z축 가이드바(117)를 관통시켜 헤드마운트(400)를 z축 가이드바(117)에 설치한다.

헤드마운트(400)의 좌측 전방에는 z축 스크루(710)의 수나사산에 대응하는 암나사산이 형성된 스크루커플링(440)이 마련된다. z축 스크루(710)가 스크루커플링(440)을 관통하도록 결합한다. z축 모터(700)의 회전력을 전단받아 z축 스크루(710)가 회전하면 z축 스크루(710)가 관통하고 있는 스크루커플링(440)은 상하로 이동하게 된다. 따라서 스크루커플링(440)이 고정되어있는 헤드마운트(400)가 z축 가이드바(117)의 안내를 받아 수평한 상태를 유지하며 z축 방향으로 이동하게 된다.

스크루커플링(440)의 좌측에는 헤드마운트(400)가 하강하여 후술할 z축 리미트스위치(121)를 작동시킬 수 있도록 스위치 접촉나사(450)가 하방을 향해 돌출되어 마련된다. z축 리미트스위치(121)는 헤드마운트(400)가 -z축 방향으로 무한히 이동하는 것을 방지하는 역할을 한다. z축 리미트스위치(121)는 좌측 프레임(120)의 내측에 전방을 향하여 돌출되도록 설치된다. 설치 높이는 베드(200)의 상면 부근이며, 헤드마운트(400)가 하강하여 베드(200) 부근으로 내려올 때 스위치 접촉나사(450)의 나사머리가 z축 리미트스위치(121)의 접촉부에 닿을 수 있도록 z축 리미트스위치(121)를 설치한다.

헤드마운트(400)의 우측 전방의 상면에는 x축 리미트스위치(460)가 설치되며 헤드커버(340)의 우측면에 x축 리미트스위치(460)의 접촉부가 닿아서 작동하게 된다. x축 리미트스위치(460)는 헤드마운트(400)에 설치될 프린터헤드(300)가 +x축 방향으로 무한히 이동하는 것을 방지하는 역할을 한다.

헤드마운트(400)의 좌측 후방에는 x축 모터(500)가 마련된다. x축 모터(500)는 y,z축 모터(600,700)와 마찬가지로 펄스신호에 의해 회전이 정밀하게 제어되는 스테핑 모터를 채택한다. x축 모터(500)는 x축 모터(400)의 회전축이 헤드마운트(400)를 아래에서 위로 관통하여 헤드마운트(400)의 상면으로 돌출되도록 설치한다. 아울러 x축 모터(500)의 회전축에는 x축 모터풀리(510)가 결합된다.

헤드마운트(400)의 우측 후방의 상면에는 제2벨트풀리(420)가 마련되며, 제2벨트풀리(420)의 좌측에 이격하여 y축 방향으로 제2장공홀(470)이 마련된다. 제2장공홀(470)은 제2텐셔너(480)가 제2장공홀(470)을 따라서 이동 가능하도록 설치되는 장소이다.

제2텐셔너(480)는 외주면의 상하에 x축 타이밍벨트(520)의 폭만큼 이격하여 플랜지가 형성되어있는 원통형 풀리(pulley)로서, 내주면에 베어링(미도시)이 설치되어 베어링의 내경이 고정된 상태에서도 베어링의 외경에 결합된 풀리가 축회전 할 수 있다.

제2텐셔너(480)를 제2장공홀(470)의 위에 위치시키고 베어링의 내경과 제2장공홀(470)을 나사로 결합한다. 제2텐셔너(480)를 제2장공홀(470)에 고정하는 나사를 느슨하게 풀어서 제2텐셔너(480)의 위치를 조정할 수 있으며, 나사를 조여서 제2텐셔너(480)를 제2장공홀(470)에 축회전 가능하도록 고정할 수 있다.

x축 타이밍벨트(520)는 내측에 x축 모터풀리(510)의 외주면에 형성된 홈에 수용되는 돌기가 형성되어있으며 외측은 매끈한 표면으로 이루어진 폴리우레탄 또는 고무 재질의 벨트이다.

프린터헤드(300)가 x축 방향으로 이동 가능하도록 x축 가이드블럭(351)을 x축 LM가이드(410)에 결합하여 프린터헤드(300)를 설치한다. 그리고 x축 타이밍벨트(520)의 설치를 용이하게 하기 위하여 제2텐셔너(480)를 도 10과 같이 제2장공홀(470)의 후방으로 이동시킨다. x축 타이밍벨트(520)의 일단부를 제2-1벨트결합나사(352)에 연결한다. 그리고 돌기가 형성되어있는 x축 타이밍벨트(520)의 내측이 x축 모터풀리(510), 제2벨트풀리(420), 제2-2벨트풀리(353)의 외주면에 차례로 닿도록 설치한다. 이후 y축 타이밍벨트(520)의 타단부를 제2-2벨트결합나사(353)에 연결한다.

x축 타이밍벨트(520)는 팽팽하게 당겨서 설치될 필요가 없으므로 손쉽게 설치될 수 있다. x축 타이밍벨트(520)의 외측에 제2텐셔너(480)가 닿도록 배치하고 제2텐셔너(480)를 도 11과 같이 제2장공홀(470)을 따라 전방으로 이동시킨다. x축 타이밍벨트(520)에 적절한 장력이 인가되도록 제2텐셔너(480)의 위치를 조절한 후, 제2텐셔너(480)가 더 이상 제2장공홀(470)을 따라서 이동하지 않도록 제2장공홀(470)에 고정시킨다.

만약 제2텐셔너(480)와 제2장공홀(470)이 없다면 x축 타이밍벨트(520)의 장력은 x축 타이밍벨트(520)의 일단부와 타단부를 제2-1,2벨트결합나사(352,353)에 결합하는 순간 x축 타이밍벨트(520)를 당기는 힘에 의하여 결정된다. 또한, 팽팽하게 당겨진 x축 타이밍벨트(520)를 제2-1,2벨트결합나사(352,353)에 결합하는 것은 쉽지 않다. 다시 말해, 제2장공홀(470)에 설치된 제2텐셔너(480)도 제1장공홀(114)에 설치된 제1텐셔너(115)와 마찬가지로 x축 타이밍벨트(520)의 설치를 용이하게 하고 x축 타이밍벨트(520)에 조절 가능한 장력을 인가하는 역할을 하는 것이다.

우측 프레임(130) 상부의 외측에 압출기(800)가 마련된다. 압출기(800)는 출력재료인 필라멘트를 프린터헤드(300)의 재료투입구(311)로 밀어넣는 역할을 하는 장치로서, 압출기장착대(810)를 이용하여 우측 프레임(130)에 결합된다. 아울러 테플론튜브(820)를 이용하여 보우덴 방식으로 압출기(800)와 프린터헤드(300)의 재료투입구(311)를 연결한다. 보우덴 방식으로 압출기(800)와 프린터헤드(300)를 연결하면 프린터헤드(300)가 가벼워져 출력속도가 향상되며 프린터헤드(300)의 x축 이동에 대한 정밀도가 높아진다. 프린터헤드(300)와 압출기(800)를 연결하는 방식에 대한 기술적인 내용은 3D 프린터와 관련된 종래의 기술로 널리 알려져 있으므로 상세한 설명은 생략하도록 한다.

상기와 같이 구성요소를 정해진 위치에 설치한 이후 각각의 구성요소들을 작동시키기 위한 배선연결(미도시)을 한다. x.y.z축 모터(500,600,700)와 압출기(800)는 3D 프린터를 작동하는데 필요한 펄스신호를 수신할 수 있도록 제어보드(900)와 연결된다. 아울러 x,y,z축 리미트스위치(460,116,121)의 접촉 신호를 제어보드(900)에 전달할 수 있도록 연결하고, 핫노즐(310)에 전력을 공급할 수 있도록 제어보드(900)와 연결한다. 하부 프레임(110)의 배면에 전원버튼(118a)과 외부전원을 제어보드(900)에 입력하기 위한 전원소켓(118b) 그리고 하부 프레임(110) 내부의 열기를 능동적으로 배출할 수 있도록 메인팬(118c)이 마련되고 이 또한 제어보드(900)와 연결된다.

본 실시예의 3D 프린터는 상기에 서술된 순서를 따라 손쉽게 조립될 수 있으며, 특히 제1,2텐셔너(115,480)와 제1,2장공홀(114,470)의 역할로 인하여 x,y축 타이밍벨트(520,620)의 설치가 매우 용이하다는 것을 알 수 있다.

종래의 3D 프린터에는 텐셔너가 별도로 설치되지 않고, 또한 타이밍벨트도 손으로 팽팽하게 잡아당겨서 설치해야 한다. 따라서 설치할 때 사람이 당긴 힘에 의해 타이밍벨트의 장력이 결정되며, 타이밍벨트에 적절한 장력이 인가되도록 설치하기가 쉽지 않다. 그러나 본 실시예의 3D 프린터는 장력을 조절할 수 있는 제1,2텐셔너(115,480)가 마련되어 있으며, 도 8에서 도 11까지 나타낸 바와 같이 제1,2장공홀(114,470)을 따라 제1,2텐셔너(115,480)의 위치를 이동시킬 수 있다. 따라서 x,y축 타이밍벨트(520,620)를 팽팽하게 당겨서 설치할 필요가 없으며, x,y축 타이밍벨트(520,620)에 적절한 장력을 인가할 수 있다. 아울러 제1,2텐셔너(115,480)의 위치를 미세하게 이동시켜 장력의 세기를 조정할 수 있으므로 x,y축 타이밍벨트(520,620)의 미세한 장력 차이로 인한 인쇄품질을 보정할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 발명등록청구범위에 의하여 나타내어지며, 발명등록청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 프레임
110 : 하부 프레임 111 : y축 LM가이드
112 : 제1-1벨트풀리 113 : 제1-2벨트풀리
114 : 제1장공홀 115 : 제1텐셔너
116 : y축 리미트스위치 117 : z축 가이드바
118a : 전원버튼 118b : 전원소켓
118c : 메인팬
120 : 좌측 프레임 121 : z축 리미트스위치
130 : 우측 프레임
140 : 상부 프레임 141 : 손잡이
200 : 베드 210 : y축 가이드블럭
220 : 제1-1벨트결합나사 230 : 제1-2벨트결합나사
300 : 프린터헤드 310 : 핫노즐
311 : 재료투입구 320 : 방열판
330 : 냉각팬 340 : 헤드커버
350 : 헤드장착대 351 : x축 가이드블럭
352 : 제2-1벨트결합나사 353 : 제2-2벨트결합나사
354 : 헤드결합홀
400 : 헤드마운트 410 : x축 LM가이드
420 : 제2벨트풀리 430 : LM부싱
440 : 스크루커플링 450 : 스위치 접촉나사
460 : x축 리미트스위치 470 : 제2장공홀
480 : 제2텐셔너
500 : x축 모터 510 : x축 모터풀리
520 : x축 타이밍벨트
600 : y축 모터 610 : y축 모터풀리
620 : y축 타이밍벨트
700 : z축 모터 710 : z축 스크루
800 : 압출기 810 : 압출기장착대
820 : 테플론튜브 900 : 제어보드

Claims

내부 공간을 제공하며 제1장공홀이 형성된 하부 프레임, 상기 하부 프레임의 좌우에 결합되는 좌측 프레임과 우측 프레임, 상기 좌측 프레임과 상기 우측 프레임의 상부를 연결하도록 결합되는 상부 프레임을 포함하여 이루어지는 프레임;
상기 하부 프레임의 상부에서 y축 방향으로 이동 가능하게 마련되며 상부에 필라멘트가 적층되는 장소를 제공하는 베드;
상기 하부 프레임에 마련되는 y축 모터;
상기 y축 모터의 회전력을 상기 베드의 y축 방향 이동으로 전환하기 위하여 상기 y축 모터와 상기 베드를 연결하는 y축 타이밍벨트;
상기 좌측 프레임과 상기 우측 프레임의 사이에 마련되는 z축 안내수단;
상기 하부 프레임에 마련되는 z축 모터;
상기 z축 모터의 회전력을 전달받아 z축을 중심으로 회전하기 위하여 그 하단이 상기 z축 모터에 결합되는 z축 스크루;
상기 z축 안내수단을 따라 z축 방향으로 이동 가능하게 마련되며, 상기 z축 스크루와 결합되는 스크루커플링이 장착되며, 제2장공홀이 형성된 헤드마운트;
필라멘트를 용융하여 상기 베드에 토출하는 핫노즐을 포함하여 이루어지며, x축 방향으로 이동 가능하게 상기 헤드마운트에 결합되는 프린터헤드;
상기 프린터헤드에 상기 필라멘트를 공급하는 압출기;
상기 헤드마운트에 마련되는 x축 모터;
상기 x축 모터의 회전력을 상기 프린터헤드의 x축 방향 이동으로 전환하기 위하여 상기 x축 모터와 상기 프린터헤드를 연결하는 x축 타이밍벨트;
상기 제1장공홀을 따라 위치 이동이 가능하돌록 장착되어 상기 y축 타이밍벨트에 조절 가능한 장력을 인가하는 제1텐셔너;
상기 제2장공홀을 따라 위치 이동이 가능하도록 장착되어 상기 x축 타이밍벨트에 조절 가능한 장력을 인가하는 제2텐셔너;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.