KR20180001044U - 휴대용 3차원 드로잉 장치 - Google Patents

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피터 딜워스
맥스웰 보그
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와블웍스, 인크.
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Abstract

본 발명은 사용자의 손에 의해 조작되고 특정 예에서 열가소성의 가닥(strand) 형태인 공급 재료를 수용하도록 구성되는 하우징을 갖는 3차원(3D) 드로잉 장치에 관한 것이다. 드로잉 장치는 방출 노즐을 구비하는 노즐 조립체 및 3차원 물체를 형성하기 위해 모터의 회전이 공급 재료를 방출 노즐의 외부로 압출하도록 열가소성 공급 재료의 가닥과 맞물리는 기어트레인과 접속되는 모터를 갖는다.

Description

휴대용 3차원 드로잉 장치 {HAND-HELD THREE-DIMENSIONAL DRAWING DEVICE}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2012년 12월 5일에 출원되고 전체가 참조되어 본원에 합체된 미국 특허 가출원 제61/733,689호의 모든 혜택 및 우선권을 주장한다.
기술분야
본 개시 내용은 압출 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 3차원(3D) 물체를 구성하기 위하여 재료를 압출하도록 구성되는 휴대용 기구에 관한 것이다.
모든 종류의 3D 품목을 생산하기 위해 이용될 수 있는 3차원 프린터가 공지되어 있다. 특정 프린터는 순차적인 플라스틱 레이어의 디포지션에 의해 작동되고, 다른 프린터들은 전구 재료 레이어의 순차적인 응집 또는 고형화에 의해 기능한다. 이러한 프린터는 크기가 크고 고가이며, 예를 들어 컴퓨터 이용 설계(CAD) 프로그램에 의해 생성된 것과 같은 컴퓨터 파일로서 설계가 제공되기를 요구한다.
프로지(Froedge)의 US 3,665,158은 종래의 휴대용 압출 장치를 개시한다. 챔버가 과립형(granulated) 고체 플라스틱 재료로 충전되고 그 후에 캡으로 밀봉된다. 챔버의 내용물들은 플라스틱을 용융시키고 챔버 내부에 압력을 생성하기 위해 가열된다. 통로는 챔버로부터, 제1 위치에서 유동을 차단하고 제2 위치에서 유동을 허용하는 회전 가능한 노즐까지 도달한다. 트리거가 노즐에 부착되고, 트리거를 당기면 노즐이 제2 위치로 이동되어 용융된 플라스틱이 챔버 내부의 압력에 의해 노즐로부터 배출되게 한다. 트리거를 놓으면 노즐이 제1 위치로 복귀하는 것을 허용하여 플라스틱의 유동을 정지시킨다. 일정한 압출률로 노즐에 재료를 기계적으로 공급하기 위한 장치 또는 임의의 기구를 차단하지 않고서는 원료를 보충할 대책이 없다. 게다가, 프로지의 시스템은 압출된 재료의 냉각 수단을 제공하지 않는다.
컴퓨터화된 설계 파일을 요구하지 않고 2D 및 3D 품목을 형성하기 위한 신뢰할 수 있고 쉽게 리필 가능한 휴대용 장치를 제공하는 것이 바람직하다. 본 개시내용은 사용자가 3D 구조물을 "그릴(draw)" 수 있게 하고, 연속적으로 사용하면서 공급 재료(feed stock)가 충전될 수 있는 휴대용 장치를 기술한다.
특정 실시예에서, 사용자 손에 의해 조작되도록 구성되고 공급 재료를 수용하기 위한 하우징, 적어도 부분적으로 하우징 내부에 배치되고 방출 노즐을 갖는 노즐 조립체, 하우징 내부에 배치되는 모터, 및 하우징 내부에 배치되고 모터와 공급 재료 사이에 결합되고 3차원 물체를 형성하기 위해 모터의 회전이 공급 재료를 방출 노즐 외부로 압출하도록 구성되는 기어트레인을 포함하는 3D 드로잉 장치가 개시된다.
특정 실시예에서, 사용자 손에 의해 조작되도록 구성되고 공급 재료를 수용하기 위한 하우징을 포함하는 3D 드로잉 장치가 개시된다. 하우징은 내부 체적 및 내부 체적과 유체 연통하는 적어도 하나의 냉각 포트를 갖는다. 3D 드로잉 장치는 적어도 하나의 냉각 포트 부근에서 적어도 부분적으로 하우징 내부에 배치되고 방출 노즐을 갖는 노즐 조립체, 하우징 내부에 배치되고 공기를 내부 체적으로 흡인하고 그 후에 적어도 하나의 냉각 포트의 외부로 공기를 밀어내도록 구성되는 팬, 하우징 내부에 배치되는 모터, 및 하우징에 결합되는 액츄에이터를 또한 포함한다. 액츄에이터의 작동은 3차원 물체를 형성하기 위해 공급 재료를 방출 노즐의 외부로 압출한다.
첨부된 도면은 추가적인 이해를 돕기 위해 포함되고 본 명세서에 합체되고 그 일부를 구성하며, 개시된 실시예를 도시하고 상세한 설명과 함께 개시된 실시예의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 개시내용의 특정 양태에 따른 예시적인 3D 드로잉 장치의 사시도이다.
도 2는 본 개시내용의 특정 양태에 따른 하우징의 일부가 제거된 도 1의 장치의 절결도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시내용의 특정 양태에 따른 도 1의 장치의 단면도 및 절결도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시내용의 특정 양태에 따른 공급 기구의 평면도 및 사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 개시내용의 특정 양태에 따른 3D 드로잉 장치의 또 다른 실시예의 사시도 및 절결도이다.
본 개시내용은 사용자가 2D 혹은 3D 구조물을 "그릴" 수 있게 하고 공급 재료를 쉽게 리필 또는 교체할 수 있게 하는 휴대용 장치를 설명한다.
아래에 개시된 상세한 설명은 대상 기술의 다양한 구조의 설명을 의도한 것으로 대상 기술이 실행될 수 있는 유일한 구조를 대표하는 것을 의도한 것은 아니다. 첨부된 도면은 본원에 합체되고 상세한 설명의 일부를 구성한다. 상세한 설명은 대상 기술의 충분한 이해를 제공할 목적으로 구체적인 세부 사항을 포함한다. 그러나, 당해 기술 분야의 숙련된 자들에게 대상 기술은 이러한 특정 세부 사항 없이도 실행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 예에서, 잘 알려진 구조와 구성요소는 대상 기술의 개념을 모호하게 하는 것을 회피하기 위해 블록도 형태로 도시된다. 이해를 쉽게 하기 위해 유사한 구성요소들은 동일한 요소 번호로 기재된다.
본 개시내용에서 이용된 것처럼, "공급 재료"는 원하는 출력 스트림을 제공하기 위해 3D 드로잉 장치 내부에서의 처리에 적합한 임의의 형태로 제공되는 임의의 재료를 의미한다. 공급 재료는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 폴리비닐 클로라이드(PVC) 또는 폴리락트산(PLA)과 같은 열가소성 재료, 에폭시와 같은 열경화성 재료, 주석 또는 납과 같은 금속 또는 금속의 혼합물일 수 있다. 공급 재료는 단일 재료이거나 또는 제2 재료의 매트릭스 내부에 분산되는 제1 재료의 입자를 갖는 로드와 같은 재료들의 혼합물일 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 특정 양태에 따른 예시적인 3D 드로잉 장치(100)의 사시도이다. 장치(100)는 하우징(110)을 포함하고, 그 안에 제어 조립체(120), 노즐 조립체(130), 팬 조립체(140)가 제공된다. 하우징(110)은 사용자의 손에 알맞도록 크기와 구조를 가질 수 있고, 펜이나 연필처럼 조작될 수 있도록 적절하게 형상을 갖는다. 액츄에이터, [예를 들어 이 실시예에서는 버튼(122, 124)]는 사용자가 장치(100)를 파지한 채로 두 액츄에이터를 작동시킬 수 있도록 위치 설정될 수 있다. 이 실시예에서, 사용자는 3D 드로잉 장치(100)를 조작하는 동안 버튼(122, 124) 중 하나 또는 두 버튼을 모두 작동시킬 수 있다. 이 실시예에서, 장치(100)는 직경 3mm일 수 있는 가닥(strand) 형태의 공급 재료(20)를 수용하도록 구성된다. 특정 실시예에서, 공급 재료(20)는 예를 들어 30cm 길이의 절단 길이로 제공될 수 있고, 또는 스풀(도 1에 도시되지 않음)로부터 인출되는 연속적인 가닥으로 제공될 수 있고, 스풀은 입력 입구(18), 또는 예를 들어 호퍼와 같은 다른 입력 요소를 포함하고, 그것을 통해 원료(19)가 도구(10)에 제공된다. 공급 재료(20)는 예를 들어 PVC, ABS, 또는 PLA와 같은 열가소성 재료일 수 있으나, 다른 실시예는 열경화성 플라스틱 또는 금속 또는 재료들의 조합체와 같은 기타 종류의 재료를 수용할 수 있다.
장치(100)의 일 실시예의 사용예에서, 사용자는 열가소성 공급 재료(20)의 특정 종류와 색상을 선택하고 공급 재료(20)를 입구 포트(115)(도 2 참조) 안으로 도입하고 전력 코드(도 1에 도시되지 않음)를 벽 콘센트와 같은 전원에 접속시킨다. 특정 실시예에서, 3D 드로잉 장치(100)는 장치(100)에 전력을 공급하기 위해 휴대형 전원(도 1 내지 도 2에 도시되지 않음), 예를 들어 리튬 폴리머 배터리를 포함할 수 있다. 준비 기간 이후에, 사용자는 연필로 라인을 그리는 것과 유사한 방식으로, 장치(100)로 표면 상에 라인을 그리면서(예를 들어 출력된 시트 상의 패턴을 따라감) 버튼(122)을 누를 수 있다. 버튼(122)이 눌리는 동안 공급 재료(20)의 칼럼(22)이 노즐 조립체로부터 압출된다. 특정 실시예에서, 칼럼(22)은 0.3mm의 직경일 수 있다. 사용자가 장치를 표면을 따라 칼럼(22)의 압출률과 거의 같은 스피드로 이동시키면, 사용자는 표면 상에 고형의 3차원 "라인"을 생성할 것이다. 특정 실시예에서, 공급 재료(20)는 압출된 칼럼이 그 형태를 유지하도록 기본적으로 고체 형태로 노즐 조립체(130)를 빠져나간다. 특정 실시예에서, 방금 압출된 공급 재료(20)는 이전에 그려진 칼럼(22) 위로 가로질러 라인을 그림으로써 구조물이 형성될 수 있도록 이전에 압출된 칼럼(22)에 결속될 것이다.
특정 실시예에서, 버튼(122)은 공급 재료(20)가 제1 압출률, 예를 들어 2.6mm/sec로 압출되게 할 수 있고, 제2 버튼(124)은 공급 재료(20)가 제2 압출률, 예를 들어 5.0mm/sec로 압출될 수 있게 할 수 있다. 특정 실시예에서, 제1 압출률은 0.1 내지 10.0mm/sec의 범위 내에 있을 수 있고, 제2 압출률은 2 내지 50m/sec의 범위 내에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 제1 및 제2 압출률은 의도된 사용자에게 적합한 스피드를 제공하기 위해 선택되며, 예를 들어 어린 아이들용으로 의도된 장치(100)는 성인 예술가를 위해 의도된 장치(100)보다 낮은 압출률을 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 3D 드로잉 장치(100)는 사용자가 하나 이상의 압출률을 조정할 수 있게 하는 가변 스피드 제어 기구(도 1 내지 도 2에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 가변 스피드 제어 기구는 다이얼을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 어느 하나의 버튼(122, 124)을 누름 해제하면 내부 기구가 공급 재료(20)를 소정량 만큼 뒤로 끌어당겨 압출된 칼럼(22)을 끊을 수 있다. 이러한 방식으로, 사용자는 펜으로 하는 것과 매우 유사한 방식으로 3D 드로잉 장치(100)로 "쓸(write)" 수 있으며, 압출된 재료가 3차원이기 때문에 3차원으로 쓸 수 있다는 것만 예외이다. 사용자는 원하는 대로 자유형 라인, 형상 또는 다른 물체를 생성할 수 있다. 사용자는 조각, 보석, 예술 작품 등과 같은 원하는 물체를 생성하기 위해 추가적으로 스텐실 또는 다른 가이드를 사용할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 3D 드로잉 장치(100)는 기존의 물체 및 구조물을 보수하거나 개선하기 위해서 사용될 수 있다. 특정 실시예에서, 두 버튼(122, 124)을 동시에 누르면 사용자가 다른 컬러나 종류의 공급 재료(20)로 전환할 수 있도록 공급 재료(20)의 사용되지 않은 부분을 입구 포트(115)로부터 배출하는 것과 같은 또 다른 동작을 할 수 있다.
도 2는 본 개시내용의 특정 양태에 따른, 하우징(110)의 일부가 제거된 도 1의 장치(100)의 절결도이다. 회로 조립체(126)가 스위치(122, 124) 아래에 위치되고 공급 기구(150)가 하부 하우징(114) 상에 배치되고, 공급 재료(20)가 입구 포트(115)를 통해 도입되고 공급 기구(150)의 요소들 사이를 지나는 것을 볼 수 있고, 이는 도 4a 내지 도 4b와 관련되어 더 상세하게 언급될 것이다. 특정 실시예에서 회로 조립체(126)는 프로세서를 포함할 수 있지만, 특정 실시예에서 회로 조립체(126)는 당해 기술 분야의 숙련된 자에게 알려진 기계적 스위치, 저항, 커패시터 및 다른 전기 소자(도 2에서 보이지 않음)와 같은 아날로그 회로 요소를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 회로 조립체(126)는 전원 소스로부터의 전력을 직류(DC) 전압과 같은 상이한 형태로 변환하는 전력 조절 회로(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 회로 조립체(126)는 휴대용 전원(도 2에 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 회로 조립체(126)는 전력 코드(도 1 내지 도 2에 도시되지 않음)를 통해 외부 전원에 접속될 수 있다. 특정 실시예에서, 3D 드로잉 장치(100)는 회로 조립체(126)에 접속되고 컴퓨터 수치 제어(CNC) 머신과 같은 원격 시스템으로부터 작동 명령을 수용하도록 구성된 외부 제어 인터페이스(127)를 또한 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 하우징(110)은 머신이 3D 물체를 생성하기 위해 3D 드로잉 장치(100)를 조작하도록 CNC 머신의 툴 인터페이스 상에 장착되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 외부 제어 인터페이스(127)는 3개의 전기 핀을 포함할 수 있다. 제1 핀은 접지(ground)와 같은 공통(common)이고, 제2 핀은 제1 핀 및 제2 핀을 지나는 DC 전압을 공급하는 것이 버튼(122)을 누르는 것과 동등하도록 버튼(122)에 결합되고, 제3 핀은 제1 핀 및 제3 핀을 지나는 DC 전압을 공급하는 것이 버튼(124)를 누르는 것과 동등하도록 버튼(124)에 결합된다. 특정 실시예에서, 외부 제어 인터페이스(127)는 라디오 주파수(RF) 또는 광학 무선 시스템을 통해 신호를 수용하도록 구성될 수 있다. 특정 실시예에서, 외부 제어 인터페이스(127)는 광섬유 케이블을 통해 신호를 수용하도록 구성될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시내용의 특정 양태에 따른 도 1의 장치(100)의 단면도 및 절결도이다. 도 3a는 전체 3D 드로잉 장치(100)의 측면도이고, 상부 하우징(112)와 하부 하우징(114)이 그 내부에 공급 기구(150)가 위치하는 내부 체적(116)를 어떻게 형성하는지 도시한다. 우측 단부에서, 노즐 조립체(130)가 압출기(132)와 안내 튜브(134)(도 3b와 관련되어 더 자세하게 설명됨)를 포함하는 것을 볼 수 있다. 팬 조립체(140)는 고정식이고 상부 하우징(112)에 부착되는 팬 커버(142), 커버(142) 아래에 위치하고 커버(142)의 포트(도 3a에서 보이지 않음)를 통해 내부 체적(116)으로 공기를 흡인하도록 구성되는 임펠러(144)를 포함한다. 이 실시예에서, 모터(146)가 하부 하우징(114)에 장착되고 임펠러(144)를 일정한 스피드로 구동한다. 특정 실시예에서, 내부 체적으로 흡인된 공기는 상부 하우징(112) 및 하부 하우징(114)의 냉각 포트(118)들을 통해 배출될 수 있다. 냉각 포트(118)는 도 3b와 관련되어 더 상세하게 언급된다. 도 3a에서는 이 실시예에서 공급 재료(20)가 장치(100)를 통해 직선 경로를 따르는 것을 볼 수 있다.
도 3b는 노즐 조립체(130)의 확대된 절결도이다. 압출기(132)는 공급 재료(20)와 거의 동일한 직경의 원통형 보어로서 형성되는 제1 챔버(135) 및 더 작은 직경을 가지며 방출 노즐(133A)에서 종료되는 압출 통로(133)를 갖는다. 특정 실시예에서, 제1 챔버(135)는 3mm의 제1 직경을 가질 수 있고, 압출 통로(133)는 0.3mm의 직경을 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 압출기(132)는 예를 들어 금속 또는 세라믹과 같은 열 전도성 재료로 형성되고, 예를 들어 니크롬 와이어와 같은 가열 요소가 외주연 주위에 감긴다(도 3b에서 보이지 않음). 장치(100)가 전원에 접속될 때, 가열 요소는 공급 재료(20)의 융점 이상일 수 있는 온도까지 압출기(132)의 온도를 상승시킨다. 특정 실시예에서, 노즐 조립체(130)는 압출기(132)의 온도를 원하는 설정 범위 내에서 유지하기 위해 가열 요소로의 전력을 조절하는 온도 제어 회로를 포함할 수 있는 회로 조립체(126)에 접속되는 온도 센서를 포함한다. 온도 조절 시스템 및 조절 방법은 당해 기술 분야의 숙련자에게 알려져 있기 때문에, 상세한 내용이 본원에 제공되지 않는다. 특정 실시예에서, 압출기(132)가 공급 재료(20)를 용융시키기에 충분한 온도에 도달하였음을 나타내기 위해, 예를 들어 LED와 같은 표시기(도시되지 않음)가 제공될 수 있다.
예를 들어 플라스틱을 포함하는 공급 재료를 가진 특정 실시예에서, 압출기(132)의 온도는 20 내지 500℃의 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어 금속을 포함하는 공급 재료를 가진 특정 실시예에서, 압출기(132)의 온도는 1000 내지 2000℃의 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어 납, 주석 또는 그것들의 혼합물과 같은 금속을 포함하는 공급 재료를 가진 특정 실시예에서, 압출기(132)의 온도는 100 내지 400℃의 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어 구리, 금, 은 또는 그것들의 혼합물과 같은 금속을 포함하는 공급 재료를 가진 특정 실시예에서, 압출기(132)의 온도는 1000 내지 1200℃의 범위 내에 있을 수 있다. 예를 들어 백금과 같은 금속을 포함하는 공급 재료를 가진 특정 실시예에서, 압출기(132)의 온도는 1600 내지 2000℃의 범위 내에 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 3D 드로잉 장치(100)는 사용자가 압출기(132)의 설정 온도를 선택할 수 있도록 회로 조립체(126)에 접속되는 가변 온도 제어기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 가변 온도 제어기는 사용자가 재료의 종류, 예를 들어 "열가소성 재료"를 선택할 수 있게 할 수 있고, 회로 조립체(126)는 압출기(132)의 설정 온도를 조정할 것이다. 특정 실시예에서, 가변 온도 제어기는 다이얼을 포함할 수 있다.
안내 튜브(134)가 압출기(132)의 제1 챔버(135)와 정렬되어 안내 튜브(134)를 통과하는 공급 재료가 제1 챔버(135)로 진입한다. 특정 실시예에서, 안내 튜브(134)는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE, polytetrafluoroethylene)과 같은 저마찰 재료로 형성될 수 있어서, 공급 재료(20)가 쉽게 활주할 수 있게 하면서 안내 튜브(134)와 공급 재료(20) 간의 간극을 또한 최소화한다. 압출기(132)와 안내 튜브(134)는 장착 튜브(138)에 의해 정렬 유지된다. 특정 실시예에서, 장착 튜브(138)는 다른 금속과 비교하여 비교적 낮은 열 전도성을 갖는 금속으로 형성된다. 특정 실시예에서, 장착 튜브(138)는 스테인리스 강일 수 있다. 특정 실시예에서, 예를 들어 폴리이미드 테이프와 같은 절연 필름(도 3b에서 보이지 않음)이 가열 요소 위에 그리고 장착 튜브(138) 아래에 적용될 수 있다.
특정 실시예에서, 압출기(132)로부터 상부 하우징(112) 및 하부 하우징(114)로 전도되는 열의 양을 감소시키기 위해 절연체(131)가 장착 튜브(138) 위에 제공될 수 있다. 특정 실시예에서, 상부 하우징(112) 및 하부 하우징(114) 중 하나 또는 모두는 공기가 내부 체적(116)으로부터 대기로 유동할 수 있도록 그것을 관통하여 형성된 냉각 포트(118)를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 냉각 포트(118)까지 도달하는 상부 하우징(112) 및 하부 하우징(114)에 형성되는 통로는 냉각 포트(118)로부터 유입된 공기가 팁(137)을 향해 안쪽으로 유도되도록 경사질 수 있다. 따라서, 공기가 냉각 포트(118)로부터 방출되는 동안, 공기가 압출기(132)의 팁(137) 옆을 지나면서 팁(137)과 압출 통로(133)로부터 방금 압출된 공급 재료(20)를 모두 냉각시킨다. 이러한 두 가지 냉각 효과는 공급 재료가 압출 통로(133)로부터 방출되는 동안 공급 재료(20)가 기본적으로 고체일 수 있도록, 공급 재료가 압출 통로(133)로부터 방출되는 동안 공급 재료(20)의 온도를 감소시키는 역할을 한다. 특정 실시예에서, 방금 압출된 공급 재료(20)는 유연할 수 있고 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 방금 압출된 공급 재료(20)의 표면은 압출된 재료가 이전에 압출된 다른 공급 재료(20)에 결속되도록 부착이 용이한, 예를 들어 끈적거리는 표면일 수 있다.
특정 실시예에서, 절연체(131)와 장착 튜브(138) 사이에 간극이 있을 수 있다. 특정 실시예에서, 이 간극은 상부 하우징(112)과 하부 하우징(114)을 압출기(132)로부터 열적으로 더 고립시키기 위해 열교 차단(thermal break)을 제공할 수 있다.
공급 재료(20)가 공급 기구(150)에(도 3b에 도시되지 않음) 의해 압출 통로(133)를 향해 구동되는 동안, 압출기(132) 내부에 위치하는 공급 재료(20)의 부분은 제1 챔버(135) 내부의 공급 재료(20)가 연화되거나 용융되도록 압출기(132)에 의해 가열될 것이다. 고체 공급 재료(20)가 전방으로 가압되는 동안, 연화된 또는 용융된 공급 재료(20)가 압출 통로(133)를 통해 밀려나가고 팁(137)으로부터 나타날 것이며, 냉각 포트(118) 밖으로 유동하는 냉각 공기는 방금 압출된 공급 재료(20) 위로 유동하여 공급 재료(20)를 냉각하고 응고시킬 것이다. 특정 실시예에서, 전방 평면(102) 너머 바깥쪽으로 연장되는 압출기(132)의 일부분은 냉각 포트(118) 외부로 유동하는 공기에 의해 압출기(132)의 주요 부분의 온도 이하로 냉각될 수 있다. 특정 실시예에서, 팁(137)의 온도는 공급 재료(20)의 융점 이하일 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시내용의 특정 양태에 따른 공급 기구(150)의 평면도 및 사시도이다. 도 4a는 모터(152)의 로터에 부착되는 평 기어(도 4a에서 보이지 않음)를 통해 모터(152)에 의해 구동되는 일련의 기어 쌍(153, 154, 155, 156, 157)을 도시한다. 각각의 기어 쌍은 서로에 고정 부착되고 공통 축을 중심으로 회전하는 큰 기어와 작은 기어를 갖는다. 모터(152)의 작은 기어는 큰 기어(153A)를 구동하고, 이것은 작은 기어(153B)가 큰 기어(154A)를 구동하게 한다. 특정 실시예에서, 큰 기어(153A, 154A, 155A, 156A, 157A) 각각은 40개의 톱니를 갖고, 작은 기어[153B, 154B, 155B, 156B(도 4a에서 보이지 않음), 157B]는 12개의 톱니를 가져서, 각각의 기어 쌍 사이에 40:12 스텝-다운 비율을 제공할 수 있다. 특정 실시예에서, 모터(152)로부터 작은 기어(157B)로의 스텝-다운은 5×(40:12) 또는 대략 17:1일 수 있다, 즉 모터(152)가 17번 완전 회전하면 작은 기어(157B)를 오직 1번 완전 회전시킬 수 있다. 특정 실시예에서, 기어 쌍(153, 154, 155, 156, 157)은 큰 기어 그리고/또는 작은 기어 상에 상이한 개수의 톱니를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 기어 쌍(153, 154, 155, 156, 157)은 대응하는 각각의 큰 기어 또는 작은 기어 상에 동일한 개수의 톱니를 갖지 않을 수 있다.
사용에 있어서, 공급 재료(20)의 전진을 제어하기 위해 스텝-다운 기어트레인(150)을 구동시키기 위한 모터(152)를 사용하면 공급 재료(20)의 압출률에 대한 제어 레벨을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 종래의 글루건은 트리거 상의 압력이 로드로 직접 전달되도록 트리거와 글루 스틱 사이에 직접 연동을 갖는다. 글루 스틱의 전진률, 그리고 그로 인한 압출률은 용융된 글루의 점도, 그리고 그로 인한 다이 범위에 걸친 카리에스(caries) 따라 달라진다. 이는 흔히 과도한 글루가 분배되는 결과로 이어진다. 게다가, 트리거를 해제하는 것이 글루 스틱을 끌어들이지 않기 때문에, 노즐이 분배 위치로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 동안 글루건 밖으로 끌려나온 글루의 "꼬리"가 빈번히 존재한다. 반대로, 개시된 3D 드로잉 장치(100)는 모터(152)와 기어트레인(150)에 의해 제공되는 제어된 이동 때문에 일정한 압출률, 예를 들어 3mm/sec를 제공한다. 게다가, 회로 조립체(126)는 버튼(122)이 누름 해제될 때, 모터(152)가 짧게 반대로 진행하여 공급 재료(20)를 약간 끌어들이고 압출 통로(133) 내부의 용융된 공급 재료(20)를 압출기(132) 내부로 끌어당겨 팁(137)으로부터 압출된 칼럼(22)을 깨끗하게 자를 수 있게 한다.
도 4b는 최후의 작은 기어(157B)의 톱니가 공급 재료(20)와 어떻게 맞물리는지를 도시한다. 이 실시예에서, 공급 재료(20)는 하부 하우징(114)의 포스트(119)를 지나고 작은 기어(157B)를 지난 뒤 안내 튜브(134) 내부로 진행한다. 특정 실시예에서, 포스트(119)와 안내 튜브(134)에 의해 기어(157B)의 톱니로부터 멀어지는 측 방향 이동이 제한되는 공급 재료(20)를 톱니가 가압하도록 기어(157B)가 위치 설정되고, 그리하여 기어(157B)의 회전이 공급 재료(20)에 축방향력, 즉 길이를 따라 유도되는 힘을 가한다. 제1 방향으로의 기어 세트(150)의 회전은 공급 재료(20)가 전방으로, 즉 팁(137)쪽으로 선형 이동하게 할 것이다. 공급 재료(20)의 이 부분이 압출기(132) 내부에서의 가열에 의해 영향받지 않기 때문에, 반대 방향으로의 기어 세트(150)의 회전은 공급 재료(20)를 후방으로, 즉 팁(137)으로부터 멀어지는 방향으로 직선 이동시킨다.
도 4a 내지 도 4b에서 버튼(122, 124) 중 하나를 가압하여 제어되는 모터(152)의 회전이 공급 재료(20)를 전방 또는 후방으로 이동시키는 것을 볼 수 있다. 모터(152)로부터 작은 기어(157B)로의 스텝-다운은 공급 재료의 매끄러운 이동 압출률을 제공하는데, 이는 모터(152)가 매끄러운 작동의 정상 범위 내의 스피드로 선회하고 스텝-다운이 이를 공급 재료(20)의 낮은 압출률의 선형 이동으로 전환하기 때문이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 개시내용의 특정 양태에 따른 3D 드로잉 장치의 또 다른 실시예(200)의 사시도 및 절결도이다. 도 5a는 본체(210)에 부착되는 호퍼(250) 내에 보유되는 펠릿(25) 형태의 공급 재료를 수용하도록 구성되는 3D 드로잉 장치(200)를 도시한다. 전력 코드(270)가 본체(210)에 부착된다. 도 5b는 호퍼(250)로부터, 노즐 조립체(230)로 펠릿(25)을 이송하는 공급 스크류(260)를 도시하는 절결도이고, 노즐 조립체(230)는 펠릿(25)를 용융시키고 공급 스크류(260)에 의해 제공되는 압력을 받아 상술된 실시예(100)의 노즐 조립체(130)와 유사한 방식으로 용융된 펠릿(25)를 압출한다. 냉각 포트(118)와 같은 실시예(100)의 다른 특징부들이 이 실시예(200)에도 또한 제공될 수 있다. 특정 실시예에서, 펠릿은 다른 기구, 예를 들어 당해 기술 분야의 숙련자에게 알려진 왕복 실린더(도 5a 내지 도 5b에 도시되지 않음)와 같은 기타 기구에 의해 호퍼(250)로부터 노즐 조립체(130)로 이송될 수 있다. 특정 실시예에서, 공급 재료는 호퍼(250) 내에 보유되는 유체, 예를 들어 유체 폴리머 내에 부유하는 촉매의 비드를 갖는 에폭시로써 제공될 수 있다. 특정 실시예에서, 실시예(100)의 압출 통로(133)와 유사한 압출 통로를 통한, 유체 공급 재료의 진행은 유체 공급 재료가 3D 드로잉 장치(200)로부터 압출된 뒤 빠르게 경화되도록 유체 공급 재료를 변경할 수 있다.
개시된 3D 드로잉 장치의 실시예는 그 구조와 사용의 원리를 설명한다. 압출된 공급 재료를 신속하게 고형화시키기 위한 팁에서의 냉각 공기 유동의 공급은, 사용자가 그것이 경화되는 동안 여전히 유체인 압출된 재료를 제자리에 유지하기 위해 지지 표면에 의존하도록 강요하지 않고 3차원으로 작업할 수 있게 한다. 공급 재료를 전진시키기 위해서 트리거와 이송 로드 사이에서 가압 공급하거나 또는 직접 연결하는 대신에 기계적 기어트레인을 사용하면 압출률의 정밀한 제어를 가능하게 하여 재료의 압출된 칼럼의 균일성이 증가되고 재료의 과잉없이 정밀한 배치가 가능하다.
본원은 당해 기술 분야의 숙련자가 본원에 기술된 다양한 양태들을 실시할 수 있도록 제공되는 설명을 포함한다. 상술된 내용은 최적 모드인 것으로 고려되는 것, 그리고/또는 다른 예들을 설명하였지만, 이러한 양태들의 다양한 변경이 당해 기술 분야의 숙련자에게 쉽게 명백해질 것이고 본원에서 정의된 포괄적인 원리가 다른 양태에 적용될 수 있음이 이해된다. 개시된 절차의 단계 또는 블록도의 특정 순서 또는 체계는 예시적인 방법의 설명인 것이 이해된다. 설계 선호도를 기반으로, 단계 또는 블록도의 특정 순서 또는 체계는 재배치될 수 있음이 이해된다. 첨부된 방법 특허청구범위는 다양한 단계의 요소들을 예시적인 순서로 나타내는 것으로, 나타난 특정 순서 또는 체계에 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다. 따라서, 특허청구범위는 본원에 도시된 양태들에 한정되도록 의도된 것은 아니라, 언어로 된 특허청구범위와 일치하는 전체 범주를 따른다.
표제와 부제가 있다면 편리함을 위해서만 사용되는 것으로 본 발명을 한정하지 않는다.
단수형 요소의 언급은 구체적으로 언급되지 않는 한 "오직 하나"를 의미하도록 의도되지 않고, "하나 이상"을 의미한다. 복수로 사용되지 않은 명사들은 "적어도 하나"와 동등한 것으로 해석되어야 한다. 다른 방식으로 구체적으로 언급되지 않는 한, 용어 "세트"와 "몇몇"은 하나 이상을 지칭한다.
본 개시내용에서 사용된 것처럼, "상부", "하부", "상위", "하위", "좌측", "우측", "전방", "후방" 등과 같은 용어는 보통의 중력 좌표계를 기준으로 하기보다는 임의의 좌표계를 기준으로 하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 상부면, 하부면, 전면 및 후면은 중력의 좌표계를 기준으로 상향으로, 하향으로, 대각선으로 또는 수평으로 연장될 수 있다.
다양한 구성요소들 간의 관계가 직교하거나 직각인 것으로 본원에 설명되고 그리고/또는 도시되었지만, 그러한 구성요소들은 일부 실시예에서 다른 구조로 배치될 수 있다. 예를 들어, 참조된 구성요소들 사이에 형성되는 각도가 일부 실시예에서 90°보다 크거나 작을 수 있다.
다양한 구성요소들이 편평하고 그리고/또는 직선인 것으로 도시되었지만, 그러한 구성요소들은 일부 실시예에서 예를 들어 만곡되거나 테이퍼지는 것과 같이 다른 구조를 가질 수 있다.
남성 대명사(예를 들어, 그)는 여성 또는 중성을 포함하고, 그 반대도 마찬가지이다. 당해 기술 분야의 보통의 숙련된 자에게 알려져 있거나 후에 알려지게 될 본 개시내용 전체에 걸쳐 기술된 다양한 양태의 요소들의 모든 구조적 및 기능적 등가물들이 본원에 참조로써 명확하게 합체되고 특허청구범위에 의해 포함되도록 의도된다. 게다가, 본원에서 기재된 어느 것도 그러한 개시내용이 특허청구범위에서 명백히 언급되었는지와 상관없이 공중에 기여하는 것으로 의도되지 않는다. 특허청구범위 구성요소들은 구성요소가 명백히 "~ 의 수단"이라는 문구, 또는 방법 특허청구범위인 경우 "~의 동작"이라는 문구를 언급하지 않는 한 미국특허법 112조 35항 6번째 문단에 따라 해석되지 않는다.
"양태"와 같은 문구는 그러한 양태가 대상 기술에 필수적이거나 그러한 양태가 대상 기술의 모든 구조에 적용되는 것을 암시하지 않는다. 일 양태에 관한 개시내용은 모든 구조 또는 하나 이상의 구조에 적용될 수 있다. "일 양태"와 같은 문구는 하나 이상의 양태를 지칭할 수 있고 그렇지 않을 수도 있다. "실시예"와 같은 구문은 그러한 실시예가 대상 기술의 필수이거나 그러한 실시예가 대상 기술의 모든 구조에 적용되는 것을 암시하지 않는다. 일 실시예와 같은 문구는 하나 이상의 실시예를 지칭할 수 있고, 그 반대일 수 있다.
단어 "예시적인"은 본원에서 "예시 또는 설명의 역할을 하는"의 의미로 이용되었다. 본원에서 "예시적인"으로 설명된 임의의 양태 또는 설계가 반드시 다른 양태 또는 설계보다 바람직하거나 유리한 것으로 해석되는 것은 아니다.
당해 기술 분야의 보통의 숙련된 자에게 알려져 있거나 후에 알려지게 될 본 개시내용 전체에 걸쳐 기술된 다양한 양태의 요소들의 모든 구조적 및 기능적 등가물들이 본원에 참조로써 명확하게 합체되고 특허청구범위에 의해 포함되도록 의도된다. 게다가, 본원에서 기재된 어느 것도 그러한 개시내용이 특허청구범위에서 명백히 언급되었는지와 상관없이 공중에 기여하는 것으로 의도되지 않는다. 특허청구범위 구성요소들은 구성요소가 명백히 "~ 의 수단"이라는 문구, 또는 방법 특허청구범위인 경우 "~의 단계"라는 문구를 언급하지 않는 한 미국특허법 112조 35항 6번째 문단에 따라 해석되지 않는다. 더욱이, 용어 "포함하다", "가지다" 또는 그 외 유사한 것들이 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 사용될 때, 그러한 용어들은 "구성하다"가 특허청구범위에서 연결어로써 차용될 때 해석되는 것처럼 용어 "구성하다"와 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도되었다.
본 개시내용의 실시예가 상세하게 설명되고 도시되었지만, 이는 설명과 오직 예시의 방법인 것이고 한정의 방법으로 이용된 것이 아님이 명백하게 이해되어야 하고 본 발명의 범주는 첨부된 특허청구범위의 관점에 의해서만 한정된다.

Claims (1)

  1. 3D 드로잉 장치이며,
    공급 재료를 수용하도록 구성되는 하우징;
    적어도 부분적으로 하우징 내부에 배치되고 방출 노즐을 갖는 노즐 조립체;
    하우징 내부에 배치되는 모터;
    하우징 내부에 배치되고 모터와 공급 재료 사이에 결합되고 3차원 물체를 형성하기 위해 모터의 회전이 공급 재료를 방출 노즐의 외부로 압출하도록 구성되는 기어트레인을 포함하는
    3D 드로잉 장치.
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