KR20180025124A - 표면 처리 기능을 가지는 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 인쇄방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 프린터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적층 면에 용매를 분무하는 분무장치를 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 조형판을 층들이 적층되는 인쇄 면과 나란하며 서로 직교하는 X축과 Y축 방향 및 인쇄 면과 직교하는 Z축 방향으로 상대 이동시키는 이송장치를 포함하는 3차원 프린터로서, 적층된 층의 표면에, 적층된 층의 적어도 일부를 용해할 수 있는 용매를 분사하도록 구성된 용매 분무장치를 더 포함하며, 상기 이송장치는 상기 용매 분무장치와 상기 조형판을 X, Y 및 Z축 방향으로 상대 이동시키며, 상기 조형판을 X축과 나란한 공전축을 중심으로 기울일 수 있는 제1 회전부와, 상기 조형판을 상기 조형판에 직교하는 자전축을 중심으로 회전시킬 수 있는 제2 회전부를 포함하는 3차원 프린터가 제공된다. 본 발명에 따른 3차원 프린터는 매끄러운 표면을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

Description

표면 처리 기능을 가지는 3차원 프린터 및 이를 이용한 3차원 인쇄방법{3D printer with surface treatment function and 3D printing method with the same}

본 발명은 3차원 프린터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면 처리 기능을 구비한 3차원 프린터에 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 프린터에 의한 3차원 출력물은 출력하는 과정에서 적층하는 결이 표면이 남아 있어서 매끈한 표면의 출력물을 얻을 수 없다는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 별도의 3차원 출력물의 표면 처리 단계가 적용되고 있다. 표면 처리 방법으로는 사포나 연마석을 이용한 표면처리방법이 사용되었다. 그러나 이러한 방법은 수작업에 의해서 진행되므로, 많은 시간과 인력이 소요되며, 사포가 닿지 않는 오목한 부분의 표면처리가 어렵다는 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 등록특허 제10-0963892호와 제10-1646619호에는 별도의 챔버에 3차원 출력물을 배치한 후 챔버 내에 아세톤 등의 유기 용매 증기를 공급하여 출력물의 표면을 매끄럽게 하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 유기 용매 증기를 이용하는 방법은 3차원 인쇄 중간과정에는 적용이 어렵다는 단점이 있으며, 표면 처리에 소요되는 시간이 길다는 문제가 있었다.

공개특허 제10-2016-0038942호 공개특허 제10-2015-0053421호 등록특허 제10-0963892호 등록특허 제10-1646619호

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 3차원 인쇄 과정 중간에도 표면처리가 필요한 경우에 표면처리를 할 수 있는 3차원 프린터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 3차원 인쇄물의 표면에 직접 유기 용매를 분사함으로써 빠르고 효율적인 표면처리가 가능한 3차원 프린터를 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 조형판을 층들이 적층되는 인쇄 면과 나란하며 서로 직교하는 X축과 Y축 방향 및 인쇄 면과 직교하는 Z축 방향으로 상대 이동시키는 이송장치를 포함하는 3차원 프린터로서, 적층된 층의 표면에, 적층된 층의 적어도 일부를 용해할 수 있는 용매를 분사하도록 구성된 용매 분무장치를 더 포함하며, 상기 이송장치는 상기 용매 분무장치와 상기 조형판을 X, Y 및 Z축 방향으로 상대 이동시키며, 상기 조형판을 X축과 나란한 공전축을 중심으로 기울일 수 있는 제1 회전부와, 상기 조형판을 상기 조형판에 직교하는 자전축을 중심으로 회전시킬 수 있는 제2 회전부를 포함하는 3차원 프린터가 제공된다.

또한, 상술한 3차원 프린터를 제공하는 단계와, 상기 3차원 프린터를 이용하여 상기 조형판 위에 3차원 인쇄물을 인쇄하는 단계와, 상기 조형판을 X, Y 및 Z축 방향으로 상대 이동시키고, 공전축을 중심으로 기울이고, 자전축을 중심으로 회전시키며, 3차원 인쇄물의 표면에 용매를 분사하는 표면 처리 단계를 포함하는 3차원 인쇄방법이 제공된다.

본 발명에 따른 3차원 프린터는 3차원 인쇄 과정 중간에도 표면처리가 필요한 경우에 표면처리를 할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 3차원 인쇄물의 표면에 직접 유기 용매를 분사함으로써 빠르고 효율적인 표면처리가 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 FDM 방식의 3차원 프린터의 개념도이다.
도 2와 3은 본 발명에 따른 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터의 개념도이다.
도 4는 내부 표면 처리 방법을 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 2와 3은 본 발명에 따른 적층 면 가공 기능을 구비한 3차원 프린터의 일시예의 개념도이다. 도 2와 3에 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), 용매 분무장치(40), 조형판(30), 용매 분무장치(40), 프린터 헤드(20)를 조형판(30) 위의 인쇄 면과 나란하며 서로 직교하는 X축 방향, Y축 방향 및 인쇄 면과 직교하는 Z축 방향으로 상대 이송시키고, 조형판(30)을 공전 및 자전시키는 이송장치(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 2와 3에는 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.

용매 분무 장치(40)는 조형판(30)의 상부에 설치되어, 조형판(30) 위의 3차원 인쇄물의 표면에 3차원 인쇄물을 용해할 수 있는 용매를 분무하는 역할을 한다. 용매는 인쇄물의 표면을 살짝 용해시킨 후 증발되면서 인쇄물의 표면이 매끈해지도록 하는 역할을 한다. 용매는 필라멘트의 종류에 따라서 적합한 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, ABS 필라멘트를 사용하는 경우에는 용매로 아세톤을 사용할 수 있다. ABS 소재의 3차원 인쇄물에 분무된 아세톤은 증발하면서, 3차원 인쇄물의 표면을 매끄럽고 강하게 만들 수 있다.

용매 분무 장치(40)는 다방향 분사 노즐(Multi vector nozzle)일 수 있다. 다방향 분사 노즐은 360°로 회전하면서 다양한 방향으로 용매를 분사할 수 있는 노즐이다. 다방향 분사 노즐을 사용하면 도 4에 도시된 바와 같이, 오목한 내면에 전체에 고르게 용매를 분사하여, 3차원 인쇄물의 내면을 매끄럽게 할 수 있다.

이송장치(50)는 프린터 헤드(20)와 조형판(30)의 상대 위치를 조절하는 제1 이송부(51)와, 용매 분무장치(40)와 조형판(30)의 상대 위치를 조절하는 제2 이송부를 포함한다.

제1 이송부(51)는 프린터 헤드(20)를 조형판(30)에 대해서 X축, Y축 및 Z축 방향으로 상대 이동시켜서, 노즐(27)에서 배출되는 용융된 필라멘트가 조형판(30) 위의 정해진 위치에 떨어지도록 한다. 그리고 하나의 층이 완성되면, 제1 이송부(51)는 조형판(30) 또는 프린터 헤드(20)를 Z축 방향으로 이동시켜 노즐(27)과 인쇄면 사이의 거리를 유지시킨다.

제1 이송부(51)는 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.

제1 이송부(51)는 도 2에 도시된 바와 같이, 조형판(30)을 X축, Y축, Z축 방향으로 이송시키도록 구성될 수 있다. 또한, 프린터 헤드(20)를 X축 방향 및 Z축 방향으로 이송시키고, 조형판(30)을 Y축 방향으로 이송시키도록 구성될 수도 있다. 또한, 프린터 헤드(20)를 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향으로 이송시키도록 구성될 수도 있다.

제2 이송부는 용매 분무장치(40)를 조형판(30)에 대해서 X축, Y축, Z축 방향으로 상대 이동시켜서, 용매 분무장치(40)에서 분사된 용매가 3차원 인쇄물의 표면의 원하는 위치에 도포되도록 한다. 제2 이송부는 용매 분무장치(40)만 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향으로 이송시키도록 구성될 수 있다. 또한, 본 실시예와 같이, 조형판(30)을 X축, Y축 및 Z축 방향으로 이송시키도록 구성될 수도 있다. 이 경우에는 제1 이송부(51)가 제2 이송부의 역할도 하므로, 용매 분무장치(40)와 조형판(30)의 X축, Y축, Z축 방향으로의 상대 이동을 위한 별도의 구성이 필요하지 않다.

또한, 이송장치(50)는 조형판(30)을 X축과 나란한 공전축(58)을 중심으로 공전시키는 제1 회전부(53)와, 조형판(30)을 조형판(30)에 직교하는 자전축(59)을 중심으로 자전시키는 제2 회전부(미도시)를 포함한다. 조형판(30)이 인쇄 위치에 있을 경우에는 Z축이 자전축(59)이 된다.

제1 회전부(53)는 공전축(58)으로부터 일정한 간격으로 떨어져 있는 판 형태의 지지 부재(54)와, 일단은 지지 부재(54)에 결합되고, 타단을 공전축(58)을 중심으로 회전 가능하도록 설치되는 한 쌍의 연결 부재(55)를 포함한다. 한 쌍의 연결 부재(55)가 공전축(58)에 대해서 회전하면, 지지 부재(54)는 공전축(58)을 중심으로 공전한다.

제2 회전부는 조형판(30)을 지지 부재(54)의 중심에 회전 가능하도록 결합시키는 샤프트 등일 수 있다. 제1 회전부(53)와 제2 회전부를 이용하면, 조형판(30)을 공전축(58)을 중심으로 공전시킬 수 있으며, 자전축(59)을 중심으로 자전시킬 수 있다. 따라서 도 3에 도시된 바와 같이, 3차원 인쇄물의 표면 처리 대상 표면이 용매 분무 장치를 마주하도록 3차원 인쇄물을 회전시킬 수 있다.

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 이송장치(50)를 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 표면처리가 필요할 경우에는 층을 형성한 후 용매 분사 장치(40)를 이용하여 인쇄된 층의 표면에 용매를 분사한다. 표면처리가 완료되면, 그 위에 다른 층을 형성한다. 인쇄가 완료되면, 필요한 경우에 다시 표면처리를 한 후 3차원 인쇄물을 조형판(30)에서 분리한다. 서포터를 사용한 경우에는 서포터를 주재료로부터 분리하여 완성된 제품을 얻는다.

도 3에 도시된 바와 같이, 표면 처리 단계에서는 이송장치(50)를 이용하여, 조형판을 X, Y 및 Z축 방향으로 상대 이동시키고, 공전축(58)을 중심으로 기울이고, 자전축(59)을 중심으로 회전시키며, 3차원 인쇄물의 표면에 용매를 분사하여, 3차원 인쇄물의 전면을 고르게 표면 처리를 할 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 내부공간이 형성된 3차원 인쇄물로서, 내면의 표면 처리가 필요한 경우에는 3차원 인쇄물의 입구 등의 개구를 통해서 3차원 인쇄물의 내부에 용매 분무장치(40)인 다방향 분사 노즐을 투입한 후 3차원 인쇄물의 내면을 향해서 용매를 분사하는 내부 표면 처리 단계를 거칠 수도 있다.

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 분무 장치
50: 이송장치

Claims (7)

1. 필라멘트 공급 장치와, 상기 필라멘트 공급 장치에서 공급된 필라멘트를 용융하여 압출하는 프린터 헤드와, 용융된 필라멘트에 의해 형성되는 층들이 적층되는 조형판과, 상기 프린터 헤드와 조형판을 층들이 적층되는 인쇄 면과 나란하며 서로 직교하는 X축과 Y축 방향 및 인쇄 면과 직교하는 Z축 방향으로 상대 이동시키는 이송장치를 포함하는 3차원 프린터에 있어서,
   적층된 층의 표면에, 적층된 층의 적어도 일부를 용해할 수 있는 용매를 분사하도록 구성된 용매 분무장치를 더 포함하며,
   상기 이송장치는 상기 용매 분무장치와 상기 조형판을 X, Y 및 Z축 방향으로 상대 이동시키며, 상기 조형판을 X축과 나란한 공전축을 중심으로 기울일 수 있는 제1 회전부와, 상기 조형판을 상기 조형판에 직교하는 자전축을 중심으로 회전시킬 수 있는 제2 회전부를 포함하는 3차원 프린터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 필라멘트는 열가소성 플라스틱 재질로 이루어진 3차원 프린터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 필라멘트는 유기 용매 또는 물에 용해되는 3차원 프린터.
4. 제3항에 있어서,
   상기 필라멘트는 PVC, PPS, ABS, PLA, PMMA 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 3차원 프린터.
5. 제1항에 있어서,
   상기 용매 분무장치는 다방향 분사 노즐장치인 3차원 프린터.
6. 청구항 1항 내지 5항 중 어느 한 항의 3차원 프린터를 제공하는 단계와,
   상기 3차원 프린터를 이용하여 상기 조형판 위에 3차원 인쇄물을 인쇄하는 단계와,
   상기 조형판을 X, Y 및 Z축 방향으로 상대 이동시키고, 공전축을 중심으로 기울이고, 자전축을 중심으로 회전시키며, 3차원 인쇄물의 표면에 용매를 분사하는 표면 처리 단계를 포함하는 3차원 인쇄방법.
7. 제6항에 있어서,
   내부공간이 형성된 3차원 인쇄물의 개구를 통해서 3차원 인쇄물의 내부에 용매 분무장치를 투입한 후 3차원 인쇄물의 내면을 향해서 용매를 분사하는 내부 표면 처리 단계를 더 포함하는 3차원 인쇄방법.
   

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