KR20180025116A - 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 프린트 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 프린트 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적층 면을 가공할 수 있는 블레이드와 적층 면 가공시에 사용되는 용매를 분무하는 용매 분무기를 구비한 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 프린트 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 필라멘트 공급 장치와, 상기 필라멘트 공급 장치에서 공급된 필라멘트를 용융하여 압출하는 프린터 헤드와, 용융된 필라멘트에 의해 형성되는 층들이 적층되는 조형판과, 상기 프린터 헤드와 조형판의 상대 위치를 변경시키는 이송장치를 포함하는 3차원 프린터에 있어서, 적층된 층의 표면에 층의 적어도 일부를 용해할 수 있는 용매를 분사하도록 구성된 용매 분무장치와, 적층된 층의 표면을 긁어서 평탄화하도록 구성된 블레이드를 더 포함하는 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터가 제공된다. 본 발명에 따른 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터는 블레이드를 이용하여 적층된 면의 일부를 긁어내어 제거하는 방법으로 얇은 두께의 층을 형성할 수 있다는 장점이 있다.

Description

적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 프린트 방법{3D printer with surface processing function and 3D printing method uging the same}

본 발명은 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 프린트 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적층 면을 가공할 수 있는 블레이드와 적층 면 가공시에 사용되는 용매를 분무하는 용매 분무기를 구비한 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 프린트 방법에 관한 것이다.

3차원 모델링 데이터를 이용하여 3차원 입체 형상의 시제품이나 제품을 제작하는 3차원 프린팅기술이 다양한 분야에서 활용되고 있다.

3차원 프린터는 연속적인 층을 2차원 프린터와 같이 출력하여 적층함으로써 3차원 구조물을 제조하는 장치이다. 3차원 프린터로는 광경화성 재료에 레이저를 조사하여 성형하는 방식, 열가소성 필라멘트를 용융하여 적층하는 방식(FDM 방식) 등이 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, FDM 방식의 3차원 프린터는 열가소성 필라멘트 공급 장치(1)와, 필라멘트 공급 장치(1)에서 공급된 필라멘트를 히터를 이용하여 용융하여 압출하는 프린터 헤드(2)와, 프린터 헤드(2)를 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동시키는 이송장치(미도시)와, Z축 방향으로 이동하는 조형판(3)을 구비한다. 조형판(3)은 층이 생성됨에 따라서 하강한다.

이러한 FDM 방식의 3차원 프린터는 다른 방식의 3차원 프린터에 비해서 구조가 간단하고, 저렴하며, 생산에 소요되는 비용이 비교적 저렴하기 때문에 가정용 및 공업용으로 많이 사용되고 있다.

그러나 FDM 방식의 3차원 프린터는 적층되는 한 층의 두께가 100 내지 200㎛ 정도로서 이보다 얇은 두께의 층을 적층하기 어렵다는 문제가 있으며, 형성된 층의 표면이 고르지 못해서 FDM 방식의 3차원 프린터로 제작된 부품은 다른 부품과의 조립이 쉽지 않다는 문제가 있었다. 또한, 투명한 부품이나 제품을 제작할 경우에는 표면이 고르지 못하여 빛의 산란으로 인해서, 투명도가 현저히 떨어진다는 문제가 있었다.

공개특허 제10-2016-0038942호 공개특허 제10-2015-0053421호

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 얇은 두께의 층을 형성할 수 있는 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 고른 표면층을 형성할 수 있는 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 얇은 두께의 층을 형성할 수 있는 3차원 프린트 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 고른 표면층을 형성할 수 있는 3차원 프린트 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 필라멘트 공급 장치와, 상기 필라멘트 공급 장치에서 공급된 필라멘트를 용융하여 압출하는 프린터 헤드와, 용융된 필라멘트에 의해 형성되는 층들이 적층되는 조형판과, 상기 프린터 헤드와 조형판의 상대 위치를 변경시키는 이송장치를 포함하는 3차원 프린터에 있어서, 적층된 층의 표면에 층의 적어도 일부를 용해할 수 있는 용매를 분사하도록 구성된 용매 분무장치를 더 포함하는 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터가 제공된다.

또한, 필라멘트 공급 장치와, 상기 필라멘트 공급 장치에서 공급된 필라멘트를 용융하여 압출하는 프린터 헤드와, 용융된 필라멘트에 의해 형성되는 층들이 적층되는 조형판과, 상기 프린터 헤드와 조형판의 상대 위치를 변경시키는 이송장치를 포함하는 3차원 프린터를 준비하는 단계와, 적층된 층의 표면에 층의 적어도 일부를 용해할 수 있는 용매를 분사하는 단계와, 블레이드를 이용하여 적층된 층의 표면을 긁어서 평탄화하는 단계를 포함하는 3차원 프린트 방법이 제공된다.

또한, 상기 평탄화하는 단계는 한 층의 두께에 비해서 얇은 두께의 표면을 제거하는 단계인 3차원 프린트 방법이 제공된다.

본 발명에 따른 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터는 블레이드를 이용하여 적층된 면의 일부를 긁어내어 제거하는 방법으로 얇은 두께의 층을 형성할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터는 용매를 분사한 후 블레이드를 이용하여 3차원 인쇄물의 표면을 고르게 할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 표면을 매끄럽게 할 수 있으므로 PMMA와 같은 투명한 플라스틱 재료를 이용하여 투명도가 높은 제품을 제작할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 FDM 방식의 3차원 프린터의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터의 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 3차원 프린트 방법의 블레이드를 이용한 평탄화 단계를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터의 일시예의 개념도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터의 일실시예는 필라멘트 공급 장치(10), 필라멘트 공급 장치(10)에서 공급된 필라멘트를 용융하여 압출하는 프린터 헤드(20), 용융된 필라멘트가 적층되는 조형판(30), 프린터 헤드(20)를 X축 방향, Y축 방향으로 이송시키고, 조형판(30)을 Z축 방향으로 이동시키는 이송장치(미도시), 용매 분무장치(40), 블레이드(50) 및 제어기(미도시)를 포함한다.

필라멘트 공급 장치(10)는 3차원 인쇄에 사용되는 필라멘트를 프린터 헤드(20)에 공급하는 역할을 한다. 필라멘트 공급 장치(10)는 PVC, PPS, ABS, PLA, PMMA 등과 같은 유기 용매나 물에 대한 용해도가 높은 열가소성 플라스틱 재질의 필라멘트가 감겨 있는 필라멘트 스풀일 수 있다. 여러 가지 다른 색상의 필라멘트 또는 다른 재질의 필라멘트를 공급하기 위해서는 복수의 필라멘트 스풀이 사용될 수 있다. 또한, 하나의 필라멘트는 인쇄물을 지지하기 위한 서포터 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 필요한 경우에는 주재료와 서포터 사이에 형성되는 분리 층을 형성하기 위한 물질로 이루어진 필라멘트를 포함할 수도 있다. 또한, 필라멘트 공급 장치(10)는 필라멘트를 프린터 헤드(20)로 안내하기 위한 가이드를 더 포함할 수 있다.

프린터 헤드(20)는 공급된 필라멘트를 용융하여 배출하는 역할을 한다. 프린터 헤드(20)는 하우징(21)과, 하우징(21)의 내부에 설치되는 드라이브 휠(23), 용융장치(25) 및 노즐(27)을 포함한다. 하우징(21)에는 필라멘트가 통과할 수 있는 복수의 관통구멍이 형성된다.

드라이브 휠(23)은 필요한 양의 필라멘트를 용융장치(25)에 공급할 수 있도록 필라멘트의 공급 속도와 시간을 조절하기 위한 것으로서 하나의 필라멘트당 한 쌍의 드라이브 휠(23)이 필요하다. 한 쌍의 드라이브 휠(23)의 사이에는 필라멘트가 끼워지며, 드라이브 휠(23)이 회전하면, 필라멘트가 이동한다.

용융장치(25)는 드라이브 휠(23)을 통해서 공급되는 필라멘트는 용융하는 역할을 한다. 용융장치(25)는 필라멘트를 적당한 온도로 가열할 수 있는 히터를 구비한다. 히터의 온도는 필라멘트의 종류에 따라서 적절하게 제어된다. 용융장치(25)는 하나의 히터를 포함할 수도 있으며, 예열히터와 메인히터를 포함할 수도 있다.

용융된 필라멘트는 노즐(27)의 작은 지름의 관통구멍을 통해서 배출된다. 노즐(27)의 상부에는 예열히터가 배치되고 하단에는 메인히터가 배치될 수 있다.

도 2에는 두 개의 필라멘트가 두 쌍의 드라이브 휠(23)에 의해서 공급된 후 두 개의 용융장치(25)와 두 개의 노즐(27)에 의해서 배출되는 것으로 도시되어 있으나, 세 개 이상의 필라멘트를 사용할 수도 있으며, 복수의 필라멘트가 하나의 용융장치와 노즐(27)을 공유할 수도 있다.

노즐(27)을 통해서 배출된 필라멘트는 조형판(30) 위에 떨어진다. 이송장치는 프린터 헤드(20)를 X축과 Y축 방향으로 이동시켜서, 노즐(27)에서 배출되는 용융된 필라멘트가 조형판(30) 위의 정해진 위치에 떨어지도록 한다. 하나의 층이 완성되면, 이송장치는 조형판(30)을 Z축 방향으로 이동시켜 노즐(27)과의 거리를 유지시킨다.

이송장치는 리니어 액추에이터, 예를 들면 리드 스크루 리니어 액추에이터(Lead screw linear actuator), 솔레노이드 액추에이터(Solenoid actuator), 공압 실린더(Pneumatic cylinder), 공압 로드레스 리니어 액추에이터(Pneumatic rodless linear actuator), 랙과 피니언 메커니즘(Rack and pinion mechanism) 등으로 다양하게 구성될 수 있다. 이송장치는 조형판(30)을 수㎛ 내지 수십㎛ 단위로 정밀하게 이송할 수 있는 장치인 것이 바람직하다.

용매 분무 장치(40)는 조형판(30)의 상부에 설치되어, 조형판(30)에서 떨어진 필라멘트 층의 표면에 필라멘트를 용해할 수 있는 아세톤 등의 용매를 분무하는 역할을 한다. 용매는 필라멘트 층의 표면을 살짝 녹여서 블레이드(50)가 필라멘트 층의 표면을 긁을 때 필라멘트 층의 표면이 매끄러운 면을 형성하는데 도움을 준다.

블레이드(50)는 조형판(30)의 상부에 설치되며, X축이나 Y축 방향 한 방향으로 이동하면서 적층된 필라멘트 층의 일부를 긁어서 제거하는 역할을 한다. 블레이드(50)는 적층과정에서 프린터 헤드(20)와 교대로 작동하여 필요한 층을 가공할 수 있다. 블레이드(50)는 리니어 액추에이터를 이용하여 X축이나 Y축 방향으로 이동시킬 수 있다.

FDM 방식의 3차원 프린터는 용융된 필라멘트를 이용하여 층을 형성하므로, 층의 두께를 정밀하게 조절하기 어렵다. 하나의 층의 두께는 보통 100 내지 200㎛ 정도이다. 본 발명은 블레이드(50)에 의해서 제거되는 높이를 조절하여 형성된 층의 두께를 수십㎛ 단위로 정밀하게 조절할 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 층을 형성한 후에 조형판(30)을 Z축 방향으로 원하는 길이만큼 정밀하게 이동시키고, 용매를 분사하고, 블레이드(50)를 이용하여 형성된 층의 일부를 제거하면 층의 두께를 수십㎛ 단위로 정밀하게 조절할 수 있다.

또한, 용매를 분사한 후 블레이드(50)를 이용해서 한 방향으로 필라멘트 층의 표면을 긁으면, 매끄러운 표면층을 얻을 수 있다. 따라서 조립 면이나 접합 면과 같이 매끄러운 표면이 요구되는 면을 형성하는 경우에는 블레이드(50)를 이용해서 표면을 고르게 한다.

또한, PMMA와 같이 투명한 플라스틱 필라멘트를 이용하여 투명한 구조를 형성할 때에는 투명도를 향상시키기 위해서 적층된 구조물의 표면을 블레이드(50)를 이용하여 고르게 할 수 있다. 필요한 경우에는 모든 층의 표면을 블레이드(50)를 이용해서 고르게 할 수도 있다.

제어기는 3차원 모델링 데이터를 입력받아서 상술한 구성요소들을 제어하는 역할을 한다. 제어기는 드라이브 휠(23)의 회전 속도와 회전 시간을 조절하여 용융되는 필라멘트의 양을 조절한다. 또한, 필라멘트의 종류에 따라서 히터의 온도를 제어하는 역할을 한다. 그리고 이송장치를 제어하여 프린터 헤드(20)가 조형판(30)의 정위치에 용융된 필라멘트를 적층하도록 한다. 또한, 용매 분매 시기와 블레이드(50) 이동을 제어한다.

이하에서는 상술한 3차원 프린터의 작용에 대해서 설명한다.

3차원 모델링 데이터를 제어기에 입력한다. 제어기는 입력된 3차원 모델링 데이터에 따라서 필요한 필라멘트를 선택한 후 대응하는 드라이브 휠(23)을 회전시켜서 프린터 헤드(20)에 적절한 필라멘트를 공급한다. 제어기는 프린터 헤드(20)의 히터에 전원을 공급하여 필라멘트를 녹인다. 제어기는 이송수단을 제어하여 프린터 헤드(20)를 조형판(30) 위에서 이동시키면서 층을 인쇄한다. 한 층이 완성되면 조형판(30)을 완성된 층 두께만큼 하강시킨다. 그리고 동일한 과정을 반복하여 여러 층을 인쇄한다. 인쇄된 층의 두께를 조절할 필요가 있을 경우에는 층을 형성한 후 용매 분사 장치(40)를 이용하여 용매를 분사하고 조형판(30)을 Z축 방향으로 원하는 만큼 이동시킨 후 블레이드(50)를 이용하여 층의 일부를 제거한다. 층의 일부 제거가 완료되면, 그 위에 다른 층을 형성한다. 인쇄가 완료되면, 3차원 인쇄물을 경화한 후 조형판(30)에서 제거한다. 서포터를 사용한 경우에는 서포터를 주재료로부터 분리하여 완성된 제품을 얻는다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

10: 필라멘트 공급 장치
20: 프린터 헤드
21: 하우징
23: 드라이브 휠
25: 용융장치
27: 노즐
30: 조형판
40: 용매 분무장치
50: 블레이드

Claims (8)

1. 필라멘트 공급 장치와, 상기 필라멘트 공급 장치에서 공급된 필라멘트를 용융하여 압출하는 프린터 헤드와, 용융된 필라멘트에 의해 형성되는 층들이 적층되는 조형판과, 상기 프린터 헤드와 조형판의 상대 위치를 변경시키는 이송장치를 포함하는 3차원 프린터에 있어서,
   적층된 층의 표면에 층의 적어도 일부를 용해할 수 있는 용매를 분사하도록 구성된 용매 분무장치를 구비한 더 포함하는 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터.
2. 제1항에 있어서,
   적층된 층의 표면을 긁어서 평탄화하도록 구성된 블레이드를 더 포함하는 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터.
3. 필라멘트 공급 장치와, 상기 필라멘트 공급 장치에서 공급된 필라멘트를 용융하여 압출하는 프린터 헤드와, 용융된 필라멘트에 의해 형성되는 층들이 적층되는 조형판과, 상기 프린터 헤드와 조형판의 상대 위치를 변경시키는 이송장치를 포함하는 3차원 프린터에 있어서,
   적층된 층의 표면을 긁어서 평탄화하도록 구성된 블레이드를 더 포함하는 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 필라멘트는 열가소성 플라스틱 재질로 이루어진 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터.
5. 제4항에 있어서,
   상기 필라멘트는 유기 용매 또는 물에 용해되는 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터.
6. 제5항에 있어서,
   상기 필라멘트는 PVC, PPS, ABS, PLA, PMMA 중에서 적어도 하나를 포함하는 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터.
7. 필라멘트 공급 장치와, 상기 필라멘트 공급 장치에서 공급된 필라멘트를 용융하여 압출하는 프린터 헤드와, 용융된 필라멘트에 의해 형성되는 층들이 적층되는 조형판과, 상기 프린터 헤드와 조형판의 상대 위치를 변경시키는 이송장치를 포함하는 3차원 프린터를 준비하는 단계와,
   적층된 층의 표면에 층의 적어도 일부를 용해할 수 있는 용매를 분사하는 단계와,
   블레이드를 이용하여 적층된 층의 표면을 긁어서 평탄화하는 단계를 포함하는 3차원 프린트 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 평탄화하는 단계는 한 층의 두께에 비해서 얇은 두께의 표면을 제거하는 단계인 3차원 프린트 방법.

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