KR20170124946A - 금속 재료 토출 장치 및 이를 이용한 3차원 프린터 - Google Patents

금속 재료 토출 장치 및 이를 이용한 3차원 프린터 Download PDF

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Abstract

금속 재료 토출 장치는 그 내부에 고체 금속 재료가 제공되는 수용 공간을 갖는 실린더, 실린더의 하단으로부터 연장되는 노즐, 실린더의 외측면 상에 제공되고, 고체 금속 재료를 용융시켜 액체 금속 재료를 형성하는 상부 코일, 및 노즐의 외측면 상에 제공되어, 액체 금속 재료의 토출 형상을 제어하는 제1 하부 코일을 포함한다.

Description

금속 재료 토출 장치 및 이를 이용한 3차원 프린터{EXTRUDER FOR METAL MATERIAL AND 3D PRINTER USING THE SAME}
본 발명은 금속 재료 토출 장치 및 이를 이용한 3차원 프린터에 관한 것으로, 구체적으로 토출 성능이 향상된 금속 재료 토출 장치 및 이를 이용한 3차원 프린터에 관한 것이다.
3차원 프린팅은 3D 프린터를 이용하여 3D로 디자인 된 정보를 입력 받아 입체적인 형태로 출력하는 것이다. 3차원 프린터는 디지털로 된 도면을 이용해 비교적 간편하게 입체적인 물건을 만들어 낼 수 있다. 3차원 인쇄를 위한 3차원 도면을 작성할 수 있는 3차원 캐드(CAD)와 같은 프로그램을 통해 3차원 도면을 그린다. 처음부터 모형을 창작하기도 하지만 템플릿을 이용해 기본 형태를 수정하여 만들기도 한다. 일부 3차원 프린팅 서비스 기업에서는 일반인들도 쉽게 3차원 도면을 만들 수 있는 도구를 온라인 상에서 제공한다. 또한 도면을 그리지 않고, 3차원 스캐너만을 이용하거나 사진을 찍어서 기계적인 방법으로 3차원 도면을 만들어내기도 한다. 산업계에서는 3차원 프린터를 제조 과정에서 일부 활용하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 유도 가열 방식을 이용하는 금속 재료 토출 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 금속 재료의 토출 형상을 제어할 수 있는 금속 재료 토출 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 지지부 상에 토출된 금속 재료들 간의 접착성을 높이는 것에 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 기술적 사상의 예시적인 실시예들에 따른 금속 재료 토출 장치는 그 내부에 고체 금속 재료가 제공되는 수용 공간을 갖는 실린더; 상기 실린더의 하단으로부터 연장되는 노즐; 상기 실린더의 외측면 상에 제공되고, 상기 고체 금속 재료를 용융시켜 액체 금속 재료를 형성하는 상부 코일; 및 상기 노즐의 외측면 상에 제공되어, 상기 액체 금속 재료의 토출 형상을 제어하는 제1 하부 코일을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 상부 코일은 상기 실린더 내부에 자기장을 형성하여, 상기 실린더 및 상기 고체 금속 재료를 유도 가열시킬 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 상부 코일은 상기 실린더의 상부에 인접한 제1 코일 및 상기 실린더의 하부에 인접한 제2 코일을 포함하되, 상기 제1 코일은 상기 실린더의 상기 상부의 내부에 제1 자기장을 형성하고, 상기 제2 코일은 상기 실린더의 상기 하부의 내부에 상기 제1 자기장보다 크기가 큰 제2 자기장을 형성할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 상부 코일은 상기 실린더를 나선형으로 감을 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 상부 코일은 상기 실린더의 하부를 상기 실린더의 상부보다 더 조밀하게 감을 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 실린더 및 상기 노즐은 비자성 금속을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 실린더는 비자성 금속을 포함하고, 상기 노즐은 비금속을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 제1 하부 코일은 상기 노즐 내부의 상기 액체 금속 재료의 표면에 유도 전류를 형성하여, 상기 액체 금속 재료의 토출 형상을 제어할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 노즐의 하부에 인접하게 배치되어, 상기 노즐로부터 지지부 상으로 토출된 금속 재료를 가열하는 제2 하부 코일을 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 제2 하부 코일은 상기 토출된 상기 금속 재료를 지나는 자기장을 형성하여, 상기 금속 재료를 유도 가열할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 제1 하부 코일은 상기 제2 하부 코일과 상기 노즐 사이에 제공될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 제2 하부 코일과 상기 노즐은 상기 지지부의 상면으로부터 동일한 높이에 배치될 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 제2 하부 코일은 상기 노즐보다 상기 지지부의 상면에 더 인접할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 실린더 내부의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 온도 측정부가 측정한 상기 실린더 내부의 상기 온도에 관한 데이터에 기초하여, 상기 실린더의 온도를 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 제어부는 상기 상부 코일에 흐르는 전류를 제어하여, 상기 실린더의 온도를 조절할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 상부 코일과 상기 제1 하부 코일은 서로 다른 전류를 제공받을 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 기술적 사상의 예시적인 실시예들에 따른 3차원 프린터는 지지부; 상기 지지부 상에 금속 재료를 토출하는 금속 재료 프린팅 부; 및 상기 지지부 상에 비금속 재료를 토출하는 비금속 재료 프린팅 부를 포함하되, 상기 금속 재료 프린팅 부는: 그 내부에 고체 금속 재료가 제공되는 수용 공간을 갖는 실린더; 상기 실린더의 하단으로부터 연장되는 노즐; 상기 실린더의 외측면 상에 제공되고, 상기 고체 금속 재료를 용융시켜 액체 금속 재료를 형성하는 상부 코일; 및 상기 노즐의 외측면 상에 제공되어, 상기 액체 금속 재료의 토출 형상을 제어하는 하부 코일을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 금속 재료 프린팅 부는 상기 고체 금속 재료를 상기 실린더 내부에 제공하는 금속 재료 공급부를 더 포함하되, 상기 고체 금속 재료는 필라멘트(filament) 타입 또는 파우더(powder) 타입일 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 상기 고체 금속 재료는 필라멘트 타입이고, 상기 금속 재료 공급부는 카트리지(cartridge)를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 예시적인 실시예들에 따른 금속 재료 토출 장치는 그 내부에 금속 재료를 수용하는 토출부의 외측면 상에 제공되는 코일부를 포함할 수 있다. 코일부에 전류가 흐르면, 토출부 내부의 금속 재료가 유도 가열되어 용융될 수 있다. 용융된 금속 재료가 토출부로부터 지지부 상으로 토출될 때, 코일부에 전류가 제공되어, 금속 재료의 토출 형상을 제어할 수 있다. 지지부 상에 토출된 금속 재료 상에 다시 금속 재료를 토출할 경우, 코일부에 전류가 제공되어, 지지부 상에 토출된 금속 재료를 가열할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 예시적인 실시예들에 따른 금속 재료 토출 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 금속 재료 토출 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 금속 재료 토출 방법을 설명하기 위한 금속 재료 토출 장치의 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 3차원 프린터의 개념도이다.
본 발명의 기술적 사상의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명 기술적 사상은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 기술적 사상의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 기술적 사상의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 순서도를 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상의 예시적인 실시예들에 따른 금속 재료 토출 장치의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 지지부(100), 금속 재료(미도시)를 용융하여 지지부(100) 상에 토출하는 토출부(200), 토출부(200)를 감싸는 코일부(300), 온도 측정부(410), 금속 재료 공급부(420), 압력 제공부(430) 및 제어부(440)를 포함하는 3차원 프린터가 제공될 수 있다.
이하에서, 금속 재료는 공융 성질을 갖는 금속(또는 공융 금속)(예를 들어, 갈륨-인듐(Ga-In)계, 갈륨-인듐-주석(Ga-In-Sn)계, 갈륨-주석(Ga-Sn)계 및 납-주석(Pb-Sn)계 금속), 공융 금속을 포함하는 혼합 금속(예를 들어, 공융 금속과 수~수백 나노미터(nm) 크기 또는 수~수백 마이크로미터(μm) 크기의 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 및/또는 백금(Pt) 입자들의 혼합), 금(Au)을 포함하는 합금(alloy)(예를 들어, 주석(Sn), 규소(Si), 게르마늄(Ge), 안티모니(Sb), 갈륨(Ga), 인듐(In) 및 비스무트(Bi) 중 적어도 하나와 금(Au)의 합금), 상기 금(Au)을 포함하는 합금을 포함하는 혼합 금속(상기 금(Au)을 포함하는 합금과 수~수백 나노미터(nm) 크기 또는 수~수백 마이크로미터(μm) 크기의 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al) 및/또는 백금(Pt) 입자의 혼합) 또는 융점이 높은 금속(예를 들어, 알루미늄(Al), 알루미늄-규소(AlSi))을 포함할 수 있다.
지지부(100)는 금속 재료가 토출되는 영역을 제공할 수 있다. 지지부(100)는 내열성 재료를 포함할 수 있다. 지지부(100)는 토출된 금속 재료와 접촉하여도 녹지 않을 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 지지부(100)는 제어부(440)에 의해 이동될 수 있다. 예를 들어, 지지부(100)는 제어부(440)에 의해 지지부(100)의 상면에 평행한 방향으로 이동되어, 금속 재료가 토출되는 위치를 제어할 수 있다. 다른 예시적인 실시예들에서, 지지부(100)의 위치는 고정될 수 있다. 지지부(100) 상에 서셉터(suseptor)(미도시)가 제공될 수 있다. 서셉터는 서셉터 상에 토출된 금속 재료를 냉각시키거나, 가열할 수 있다.
토출부(200)는 금속 재료가 수용되는 공간을 제공하는 실린더(210) 및 실린더(210)의 하단으로부터 연장된 노즐(220)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 실린더(210) 및 노즐(220)은 원통형 구조를 가질 수 있다. 실린더(210) 및 노즐(220)은 지지부(100)의 상면에 수직한 제1 방향(D1)을 따른 중심축을 갖는 원통형 구조를 가질 수 있다. 실린더(210)의 내측면 및 노즐(220)의 내측면은 각각 지지부(100)의 상면에 평행한 제2 방향(D2)을 따른 직경들(W1, W2)을 가질 수 있다. 실린더(210)의 내측면의 직경(W1)은 실린더(210)의 상부에서 노즐(220)의 내측면의 직경(W2)보다 클 수 있다. 실린더(210)의 하부는 노즐(220)에 가까울수록 좁은 실린더(210)의 내측면의 직경(W1)을 가질 수 있다. 실린더(210) 및 노즐(220)은 비자성 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실린더(210) 및 노즐(220)은 스테인레스를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 노즐(220)은 금속이 아닌 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 노즐(220)은 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 토출부(200)는 제어부(440)에 의해 이동될 수 있다. 예를 들어, 토출부(200)는 제어부(440)에 의해 지지부(100)의 상면에 수직한 방향 또는 지지부(100)의 상면에 평행한 방향으로 이동되어, 금속 재료가 토출될 위치를 조절할 수 있다.
코일부(300)는 실린더(210)를 감싸는 제1a 코일(310) 및 제1b 코일(320), 노즐(220)을 감싸는 제2a 코일(330) 및 제2b 코일(340)을 포함할 수 있다. 제1a, 제1b, 제2a 및 제2b 코일들(310, 320, 330, 340)은 도전선을 포함할 수 있다. 제1a, 제1b, 제2a 및 제2b 코일들(310, 320, 330, 340)에 전류가 제공될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1a, 제1b, 제2a 및 제2b 코일들(310, 320, 330, 340)은 서로 다른 전류들을 각각 제공받을 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1a, 제1b, 제2a 및 제2b 코일들(310, 320, 330, 340)은 서로 동일한 전류들을 제공받을 수 있다. 제1a, 제1b, 제2a 및 제2b 코일들(310, 320, 330, 340)에 흐르는 전류의 크기와 방향은 제어부(440)에 의해 제어될 수 있다. 도시된 제1a, 제1b, 제2a 및 제2b 코일들(310, 320, 330, 340)의 각각의 개수는 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아니다.
제1a 코일(310)은 실린더(210)의 상부를 감쌀 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1a 코일(310)은 실린더(210)의 상부의 외측면을 따라 나선형으로 연장될 수 있다. 즉, 제1a 코일(310)은 실린더(210)의 상부를 감는 솔레노이드를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1a 코일(310)에 전류가 흐르면, 제1a 코일(310)을 중심으로 회전하는 제1 자기장(미도시)이 형성될 수 있다. 제1 자기장은 실린더(210)의 상부를 관통하여, 실린더(210)의 내부에 제공될 수 있다.
제1b 코일(320)은 실린더(210)의 하부를 감쌀 수 있다. 예를 들어, 제1b 코일(320)은 실린더(210)의 하부의 외측면을 따라 나선형으로 연장될 수 있다. 제1b 코일(320)은 실린더(210)의 하부를 감는 솔레노이드를 포함할 수 있다. 제1b 코일(320)은 제1a 코일(310)보다 더 조밀하게 감길 수 있다. 예를 들어, 서로 바로 인접한 제1b 코일(320)의 도전선들 간의 제1 방향(D1)을 따른 거리는 서로 바로 인접한 제1a 코일(310)의 도전선들 간의 제1 방향(D1)을 따른 거리보다 작을 수 있다. 실린더(220)의 하부의 길이 당 제1b 코일(320)의 감긴 횟수는 실린더(210)의 상부의 길이 당 제1a 코일(310)의 감긴 횟수보다 적을 수 있다. 실린더(210)의 상부의 길이 및 실린더(210)의 하부의 길이는 실린더(210)의 상단에서 실린더(210)의 하단을 향하는 방향을 따른 길이들일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제1b 코일(320)에 전류가 흐르면, 제1b 코일(320)을 중심으로 회전하는 제2 자기장(미도시)이 형성될 수 있다. 제2 자기장은 실린더(210)의 하부를 관통하여, 실린더(210)의 내부에 제공될 수 있다. 제1a 및 제1b 코일들(310, 320)에 동일한 전류가 흐를 경우, 제2 자기장의 크기가 제1 자기장의 크기보다 클 수 있다. 제1a 및 제1b 코일들(310, 320)에 흐르는 전류들의 크기를 변화시키면, 제1 및 제2 자기장들의 크기도 변할 수 있다. 제1a 및 제1b 코일들(310, 320)에 흐르는 전류들을 동일한 크기만큼 변화시킬 경우, 제2 자기장의 크기가 제1 자기장의 크기보다 더 많이 변할 수 있다.
제2a 코일(330)은 노즐(220)을 감쌀 수 있다. 예를 들어, 제2a 코일(330)은 노즐(220)의 외측면을 따라 연장될 수 있다. 예를 들어, 제2a 코일(330)은 노즐(220)을 중심으로 그 주위를 도는 원 형태를 가질 수 있다. 제2a 코일(330)의 도전선은 노즐(220)과 지지부(100)의 상면에 평행한 방향으로 서로 중첩될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제2a 코일(330)은 노즐(220)의 하부면의 높이와 같거나 높은 위치에 배치될 수 있다. 제2a 코일(330)에 전류가 흐르면, 제2a 코일(330)을 중심으로 회전하는 제3 자기장(미도시)이 형성될 수 있다. 제3 자기장은 노즐(220)을 관통하여, 노즐(220) 내부에 제공될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제2a 코일(330)에 흐르는 전류는 펄스(pulse)형 전류를 포함할 수 있다.
제2b 코일(340)은 노즐(220)의 하부에 인접하게 배치될 수 있다. 제2b 코일(340)은 노즐(220)의 주위를 돌면서 노즐(220)에서 멀어지는 방향으로 퍼져나가는 형상을 가질 수 있다. 제2b 코일(340)은 제2a 코일(330) 및 노즐(220)과 실질적으로 동일한 높이에 제공될 수 있다. 제2b 코일(340)과 노즐(220)은 지지부(100)로부터 실질적으로 동일한 거리만큼 이격될 수 있다. 예를 들어, 제2b 코일(340)과 지지부(100) 사이의 최단 거리는 노즐(220)과 지지부(100) 사이의 최단 거리와 실질적으로 동일할 수 있다. 제2b 코일(340)은 노즐(220) 및 제2a 코일(330)과 수평적으로 서로 중첩될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제2b 코일(340)은 노즐(220) 및 제2a 코일(330)보다 낮은 위치에 제공될 수 있다. 제2b 코일(340)은 노즐(220)보다 지지부(100)에 더 인접할 수 있다. 예를 들어, 제2b 코일(340)과 지지부(100) 사이의 최단 거리는 노즐(220)과 지지부(100) 사이의 최단 거리보다 짧을 수 있다. 제2b 코일(340)에 전류가 흐르면, 제2b 코일(340)을 중심으로 회전하는 제4 자기장(미도시)이 형성될 수 있다. 제4 자기장은 지지부(100) 상의 금속 재료(16)를 관통할 수 있다.
상기 제1 자기장은 실린더(210)의 상부의 내부의 고체 금속 재료(미도시)를 용융시켜 액체 금속 재료(미도시)를 형성할 수 있다. 액체 금속 재료는 실린더(210)의 하부로 이동될 수 있다. 상기 제2 자기장은 실린더(210)의 하부의 내부의 액체 금속 재료의 온도를 유지시키거나 높일 수 있다. 액체 금속 재료는 노즐(220)로 이동될 수 있다. 상기 제3 자기장은 노즐(220)로부터 토출되는 액체 금속 재료의 토출 형상을 제어할 수 있다. 예를 들어, 액체 금속 재료는 액적(droplet) 형상으로 토출되거나, 연속적으로 토출될 수 있다. 상기 제4 자기장은 지지부(100) 상의 금속 재료(16)를 유도 가열할 수 있다.
온도 측정부(410)는 토출부(200)의 온도에 대한 온도 데이터를 생성하여, 제어부(440)로 전송할 수 있다. 예를 들어, 온도 측정부(410)는 실린더(210) 및/또는 실린더(210) 내부의 금속 재료의 온도를 측정할 수 있다. 제어부(440)는 온도 측정부(410)로부터 전달받은 온도 데이터에 기초하여, 실린더(210)의 온도를 제어할 수 있다.
금속 재료 공급부(420)는 실린더(210)에 금속 재료(미도시)를 공급할 수 있다. 예를 들어, 금속 재료 공급부(420)는 파우더 타입(powder type) 금속 재료 또는 필라멘트 타입(filament type) 금속 재료를 실린더(210) 내부에 공급할 수 있다. 금속 재료가 파우더 타입인 경우, 금속 재료 공급부(420)는 그 내부에 파우더 타입 금속 재료를 수용한 카트리지(cartridge)를 포함할 수 있다. 파우더 타입 금속 재료는 제어부(440)에 의해 요구되는 양만큼 카트리지로부터 토출부(200)로 공급될 수 있다. 금속 재료가 필라멘트 타입인 경우, 금속 재료 공급부(420)는 필라멘트 타입 금속 재료가 감겨있는 필라멘트 롤(filament roll)을 포함할 수 있다. 필라멘트 롤에 감겨있는 필라멘트 타입 금속 재료는 제어부(440)에 의해 요구되는 양만큼 필라멘트 롤로부터 토출부(200)로 공급될 수 있다.
압력 제공부(430)는 금속 재료에 압력을 제공하여, 토출부(200) 내부의 금속 재료를 노즐(220)을 통해 토출시킬 수 있다. 상기 압력의 세기는 제어부(440)에 의해 조절될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 예시적인 실시예들에 따르면, 코일부(300)가 토출부(200)에 인접하게 배치된 금속 재료 토출 장치가 제공될 수 있다. 코일부(300)에 의해 토출부(200) 내부에 자기장이 형성되어, 금속 재료가 용융 및 토출될 수 있고, 토출 형상이 제어될 수 있다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 금속 재료 토출 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 3 내지 도 8은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 금속 재료 토출 방법을 설명하기 위한 금속 재료 토출 장치의 단면도들이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 실린더(210) 내부에 고체 금속 재료(12)가 제공될 수 있다. 고체 금속 재료(12)는 파우더 타입 또는 필라멘트 타입일 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 고체 금속 재료(12)는 도 1의 금속 재료 공급부(420)로부터 실린더(210) 내부로 제공될 수 있다.
제1a 코일(310) 내부에 제1 전류(I1)가 제공될 수 있다. 실린더(210)의 상부에서 하부를 향하는 방향으로 바라볼 경우(이하, 평면적 관점에서), 제1 전류(I1)는 시계 방향으로 흐를 수 있다. 제1a 코일(310) 내부를 흐르는 제1 전류(I1)에 의해, 그 진행 방향이 제1 전류(I1)의 방향과 동일한 오른 나사 방향으로 회전하는 제1 자기장(32)이 형성될 수 있다. 제1 자기장(32)은 실린더(210) 및 실린더(210) 내부의 고체 금속 재료(12)를 관통할 수 있다. 제1 자기장(32)에 의해, 실린더(210) 및 고체 금속 재료(12)가 유도 가열될 수 있다. 유도 가열은 실린더(210) 및 고체 금속 재료(12)에 흐르는 유도 전류에 의한 가열일 수 있다. 실린더(210) 및 고체 금속 재료(12)에 흐르는 유도 전류는 실린더(210) 및 고체 금속 재료(12)를 관통하는 자기장(32)의 방향 및/또는 크기가 변할 때 발생될 수 있다. 유도 가열은 고체 금속 재료(12)의 온도가 고체 금속 재료(12)의 융점에 도달할 때까지 계속될 수 있다. 고체 금속 재료(12)는 유도 가열에 의해 용융되어, 액체 금속 재료(14)가 형성될 수 있다.(S100) 액체 금속 재료(14)는 실린더(210)의 하부로 이동될 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 제1b 코일(320) 내부에 제2 전류(I2)가 제공될 수 있다. 평면적 관점에서, 제2 전류(I2)는 시계 방향으로 흐를 수 있다. 제1b 코일(320) 내부를 흐르는 제2 전류(I2)에 의해, 그 진행 방향이 제2 전류(I2)의 방향과 동일한 오른 나사 방향으로 회전하는 제2 자기장(34)이 형성될 수 있다. 제2 자기장(34)은 실린더(210) 및 실린더(210) 내부의 액체 금속 재료(14)를 관통할 수 있다. 제2 자기장(34)은 실린더(210) 및 액체 금속 재료(14)의 표면에 유도 전류를 형성할 수 있다. 실린더(210) 및 액체 금속 재료(14)는 유도 전류에 의해 유도 가열될 수 있다. 액체 금속 재료(14)의 온도는 유도 가열에 의해 고체 금속 재료(12)의 융점 이상으로 유지될 수 있다.(S200) 이에 따라, 액체 금속 재료(14)가 실린더(210) 내부에서 경화되는 것이 방지될 수 있다. 액체 금속 재료(14)는 노즐(220)로 이동될 수 있다.
도 2, 도 5 및 도 6을 참조하면, 노즐(220) 내부에 제3 자기장(36)을 형성하여, 액체 금속 재료(14)의 토출 형상이 제어될 수 있다.(S300) 제3 자기장(36)은 제2a 코일(330) 내부에 흐르는 제3 전류(I3)에 의해 형성될 수 있다. 제3 자기장(36)은 그 진행 방향이 제3 전류(I3)의 방향과 동일한 오른 나사 방향으로 회전할 수 있다. 평면적 관점에서, 제3 전류(I3)는 시계 방향으로 흐를 수 있다. 제3 자기장(36)은 노즐(220) 및 노즐(220) 내부의 액체 금속 재료(14)를 관통할 수 있다. 제3 자기장(36)은 액체 금속 재료(14)의 내부에서 외부로 진행하여, 액체 금속 재료(14)의 하부를 관통할 수 있다. 제3 자기장(36)의 크기 및/또는 방향을 변화시키면, 액체 금속 재료(14)의 하부면에 유도 전류(예를 들어, 와전류(eddy current))가 발생될 수 있다. 예를 들어, 제3 자기장(36)의 크기를 증가시킬 경우, 액체 금속 재료(14)의 하부면에 제3 전류(I3)의 방향과 반대 방향으로 흐르는 유도 전류가 발생될 수 있다. 제3 자기장(36)의 크기를 감소시킬 경우, 액체 금속 재료(14)의 하부면에 제3 전류(I3)의 방향과 같은 방향으로 흐르는 유도 전류가 발생될 수 있다. 액체 금속 재료(14)의 하부면에 제3 전류(I3)의 방향과 반대 방향으로 흐르는 유도 전류가 형성된 경우, 제3 자기장(36)과 유도 전류의 상호 작용에 의해 액체 금속 재료(14)의 하부는 액체 금속 재료(14)의 하부면의 중심부를 향하는 힘(F1)을 받을 수 있다. 노즐(220)로부터 토출되는 액체 금속 재료(14)의 토출 형상은 상기 액체 금속 재료(14)의 하부에 작용하는 힘(F1)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 노즐(220)로부터 토출되는 액체 금속 재료(14)의 제2 방향(D2)을 따른 폭(W3)은 노즐(220)의 내측면 사이의 제2 방향(D2)을 따른 이격 거리(W2)보다 작을 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 노즐(220)로부터 토출되는 액체 금속 재료(14)는 액적 형상(14a)으로 토출될 수 있다. 액체 금속 재료(14)는 노즐(220)로부터 지지부(100) 상으로 토출될 수 있다. 예를 들어, 액체 금속 재료(14)는 지지부(100) 상의 금속 재료(16) 상에 적층될 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 달리, 제2a 코일(330) 내부에 제3 전류(I3)가 제공되지 않을 수 있다. 이 경우, 노즐(220) 내부에 액체 금속 재료(14)를 관통하는 제3 자기장(36)이 형성되지 않을 수 있다. 노즐(220)로부터 토출되는 액체 금속 재료(14)의 하부면에 유도 전류가 형성되지 않을 수 있다. 이에 따라, 토출되는 액체 금속 재료(14)의 폭(W3)은 노즐(220)의 내측면 사이의 이격 거리(W2)와 실질적으로 동일할 수 있다.
도 8을 참조하면, 제2b 코일(340)에 제4 전류(I4)가 제공될 수 있다. 평면적 관점에서, 제4 전류(I4)는 시계 방향으로 흐를 수 있다. 제2b 코일(340) 내부를 흐르는 제4 전류(I4)에 의해, 그 진행 방향이 제4 전류(I4)의 방향과 동일한 오른 나사 방향으로 회전하는 제4 자기장(38)이 형성될 수 있다. 제4 자기장(38)은 지지부(100) 상의 금속 재료(16)을 관통할 수 있다. 제4 자기장(38)에 의해 지지부(100) 상의 금속 재료(16)의 표면에 유도 전류(예를 들어, 와전류)가 형성될 수 있다. 지지부(100) 상의 금속 재료(16)는 유도 전류에 의해 유도 가열될 수 있다.(S400) 지지부(100) 상의 금속 재료(16)가 유도 가열된 경우, 지지부(100) 상의 금속 재료(16)와 지지부(100) 상의 금속 재료(16) 상에 토출되는 액체 금속 재료(14) 사이의 결합력이 높아질 수 있다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 3차원 프린터(이하, 3D 프린터)의 개념도이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않는다.
도 9를 참조하면, 지지부(100), 금속 재료 프린팅 부(1000), 비금속 재료 프린팅 부(2000) 및 제어부(440)를 포함하는 3D 프린터가 제공될 수 있다. 지지부(100)는 도 1을 참조하여 설명된 지지부(100)와 실질적으로 동일할 수 있다. 금속 재료 프린팅 부(1000)는 토출부(200), 코일부(300), 온도 측정부(410), 금속 재료 공급부(420) 및 압력 제공부(430)를 포함할 수 있다. 토출부(200), 코일부(300), 온도 측정부(410), 금속 재료 공급부(420) 및 압력 제공부(430)는 각각 도 1을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다.
비금속 재료 프린팅 부(2000)는 비금속 재료(미도시)(예를 들어, 열가소성 폴리머(ABS, PLA, PI, PMMA, PTFE, PEEK, 우레탄) 물질, 유리 및 비정질계 물질, 세라믹계 물질, 자성체)를 지지부(100) 상에 토출할 수 있다. 비금속 재료 프린팅 부(2000)는 비금속 재료 토출부(2100)를 포함할 수 있다. 비금속 재료 토출부(2100)는 내부에 비금속 재료가 수용되는 공간을 제공하는 실린더(2110) 및 실린더(2110)의 하단으로부터 연장되는 노즐(2120)을 포함할 수 있다. 비금속 재료는 비금속 재료 토출부(2100) 내부에서 용융되어, 노즐(2120)을 통해 지지부(100) 상에 토출될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 비금속 재료는 도 2 내지 도 8을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 방법으로 유도 가열된 실린더(2110) 및 노즐(2120)을 통해 용융될 수 있다. 이때, 비금속 재료 토출부(2100)의 외측면 상에 코일(미도시)이 제공될 수 있다. 상기 코일은 도 1을 참조하여 설명된 제1a 및 제1b 코일들(310, 320)과 실질적으로 동일할 수 있다. 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명한 것과 같이, 상기 코일에 전류가 제공되어, 실린더(2110) 및 노즐(2120)을 유도 가열시킬 수 있다. 다만, 비금속 재료를 용융시키는 방법에 대한 상기 개시는 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아니다 예를 들어, 비금속 재료는 비금속 재료 토출부(2100) 내부에 제공된 가열 장치(미도시)를 통해 용융될 수 있다.
비금속 재료 프린팅 부(2000)는 비금속 재료 공급부(2200)를 포함할 수 있다. 비금속 재료 공급부(2200)는 비금속 재료 토출부(2100) 내부에 비금속 재료를 제공할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 비금속 재료는 파우더 타입 또는 필라멘트 타입일 수 있다. 비금속 재료가 파우더 타입인 경우, 비금속 재료 공급부(2200)는 그 내부에 파우더 타입 비금속 재료를 수용한 카트리지를 포함할 수 있다. 파우더 타입 비금속 재료는 제어부(440)에 의해 요구되는 양만큼 카트리지로부터 비금속 재료 토출부(2100)로 공급될 수 있다. 비금속 재료가 필라멘트 타입인 경우, 비금속 재료 공급부(2200)는 필라멘트 타입 비금속 재료가 감겨있는 필라멘트 롤을 포함할 수 있다. 필라멘트 롤에 감겨있는 필라멘트 타입 비금속 재료는 제어부(440)에 의해 요구되는 양만큼 필라멘트 롤로부터 비금속 재료 토출부(2200)로 공급될 수 있다.
비금속 재료 프린팅 부(2000)는 비금속 재료 토출부(2100) 내부의 온도를 측정하는 온도 측정부(미도시) 및 비금속 재료에 압력을 제공하는 압력 제공부(미도시)를 포함할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 금속 재료 프린팅 부(1000) 및 비금속 재료 프린팅 부(2000)를 포함하는 3D 프린터가 제공될 수 있다. 금속 재료 프린팅 부(1000) 및 비금속 재료 프린팅 부(2000)는 지지부(100) 상에 금속 재료(50) 및 비금속 재료(60)를 토출할 수 있다. 금속 재료(50) 및 비금속 재료(60)는 서로 접할 수 있다. 예를 들어, 비금속 재료(60) 상에 금속 재료(50)가 적층되거나, 금속 재료(50) 상에 비금속 재료(60)가 적층될 수 있다. 금속 재료(50)는 유도 가열을 통해 지지부(100) 상에 제공될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
12, 14, 16, 50 : 금속 재료 60 : 비금속 재료
100 : 지지부 200 : 금속 재료 토출부
210 : 실린더 220 : 노즐
300 : 코일부 310 내지 340 : 제1a, 제1b, 제2a, 제2b 코일들
410 : 온도 측정부 420 : 금속 재료 공급부
430 : 압력 제공부 440 : 제어부
1000 : 금속 재료 프린팅 부 2000 : 비금속 재료 프린팅 부

Claims (20)

  1. 그 내부에 고체 금속 재료가 제공되는 수용 공간을 갖는 실린더;
    상기 실린더의 하단으로부터 연장되는 노즐;
    상기 실린더의 외측면 상에 제공되고, 상기 고체 금속 재료를 용융시켜 액체 금속 재료를 형성하는 상부 코일; 및
    상기 노즐의 외측면 상에 제공되어, 상기 액체 금속 재료의 토출 형상을 제어하는 제1 하부 코일을 포함하는 금속 재료 토출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 코일은 상기 실린더 내부에 자기장을 형성하여, 상기 실린더 및 상기 고체 금속 재료를 유도 가열시키는 금속 재료 토출 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 코일은 상기 실린더의 상부에 인접한 제1 코일 및 상기 실린더의 하부에 인접한 제2 코일을 포함하되,
    상기 제1 코일은 상기 실린더의 상기 상부의 내부에 제1 자기장을 형성하고,
    상기 제2 코일은 상기 실린더의 상기 하부의 내부에 상기 제1 자기장보다 크기가 큰 제2 자기장을 형성하는 금속 재료 토출 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 코일은 상기 실린더를 나선형으로 감는 금속 재료 토출 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 코일은 상기 실린더의 하부를 상기 실린더의 상부보다 더 조밀하게 감는 금속 재료 토출 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 실린더 및 상기 노즐은 비자성 금속을 포함하는 금속 재료 토출 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 실린더는 비자성 금속을 포함하고,
    상기 노즐은 비금속을 포함하는 금속 재료 토출 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 하부 코일은 상기 노즐 내부의 상기 액체 금속 재료의 표면에 유도 전류를 형성하여, 상기 액체 금속 재료의 토출 형상을 제어하는 금속 재료 토출 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐의 하부에 인접하게 배치되어, 상기 노즐로부터 지지부 상으로 토출된 금속 재료를 가열하는 제2 하부 코일을 더 포함하는 금속 재료 토출 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 하부 코일은 상기 토출된 상기 금속 재료를 지나는 자기장을 형성하여, 상기 금속 재료를 유도 가열하는 금속 재료 토출 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 하부 코일은 상기 제2 하부 코일과 상기 노즐 사이에 제공되는 금속 재료 토출 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 하부 코일과 상기 노즐은 상기 지지부의 상면으로부터 동일한 높이에 배치되는 금속 재료 토출 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제2 하부 코일은 상기 노즐보다 상기 지지부의 상면에 더 인접한 금속 재료 토출 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 실린더 내부의 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하는 금속 재료 토출 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 온도 측정부가 측정한 상기 실린더 내부의 상기 온도에 관한 데이터에 기초하여, 상기 실린더의 온도를 조절하는 제어부를 더 포함하는 금속 재료 토출 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 상부 코일에 흐르는 전류를 제어하여, 상기 실린더의 온도를 조절하는 금속 재료 토출 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 코일과 상기 제1 하부 코일은 서로 다른 전류를 제공받는 금속 재료 토출 장치.
  18. 지지부;
    상기 지지부 상에 금속 재료를 토출하는 금속 재료 프린팅 부; 및
    상기 지지부 상에 비금속 재료를 토출하는 비금속 재료 프린팅 부를 포함하되,
    상기 금속 재료 프린팅 부는:
    그 내부에 고체 금속 재료가 제공되는 수용 공간을 갖는 실린더;
    상기 실린더의 하단으로부터 연장되는 노즐;
    상기 실린더의 외측면 상에 제공되고, 상기 고체 금속 재료를 용융시켜 액체 금속 재료를 형성하는 상부 코일; 및
    상기 노즐의 외측면 상에 제공되어, 상기 액체 금속 재료의 토출 형상을 제어하는 하부 코일을 포함하는 3차원 프린터.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 금속 재료 프린팅 부는 상기 고체 금속 재료를 상기 실린더 내부에 제공하는 금속 재료 공급부를 더 포함하되,
    상기 고체 금속 재료는 필라멘트(filament) 타입 또는 파우더(powder) 타입인 3차원 프린터.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 고체 금속 재료는 필라멘트 타입이고,
    상기 금속 재료 공급부는 카트리지(cartridge)를 포함하는 3차원 프린터.
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