KR20180028129A - 3d 프린터용 필라멘트 제조 장비 - Google Patents

3d 프린터용 필라멘트 제조 장비 Download PDF

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Abstract

3D 프린터용 필라멘트 제조 장비가 개시된다. 본 발명은, 필라멘트 제조용 펠렛이 공급되는 공급부, 공급부를 통해 공급되는 펠렛을 가열하는 히터부, 히터부에 의해 가열된 펠렛을 압출하는 압출부, 및 압출부로부터 배출되는 필라멘트의 굵기를 측정하는 굵기 측정부를 구비한다. 본 발명에 따르면, 적층식 3D 프린터의 사용자는 자신이 원하는 색상의 필라멘트를 원하는 양만큼 직접 제조하여 사용할 수 있게 된다. 아울러, 본 발명에 따르면, 제조되는 필라멘트의 굵기를 일정하게 유지할 수 있게 됨으로써, 고품질의 필라멘트를 제조할 수 있게 된다.

Description

3D 프린터용 필라멘트 제조 장비{Manufacturing Device for Filament for 3-Dimension Printer}
본 발명은 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적층식 3D 프린터의 사용자는 자신이 원하는 색상의 필라멘트를 원하는 양만큼 직접 제조하여 사용할 수 있게 될 뿐만 아니라, 제조되는 필라멘트의 굵기를 일정하게 유지할 수 있게 됨으로써, 고품질의 필라멘트를 제조할 수 있도록 하는 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비에 관한 것이다.
근래에는 물체에 대한 3D 데이터를 이용하여 제품을 그대로 성형할 수 있는 3D 프린터의 사용이 대두되고 있다.
일반적으로 3D 프린터는 대량생산 이전의 모델링이나 샘플 제작과 같은 용도로 활용되었으나, 현재에는 다품종 소량생산 제품을 중심으로 양산가능한 제품의 성형에도 사용될 수 있는 기술적 기반이 조성되고 있다.
이러한 3D 프린터의 제품성형 방식은 크게 대상물체를 2차원의 평면형태로 성형한 것을 3차원으로 적층하면서 용융 부착하여 형태를 만들어가는 이른바 적층식(첨가형)과, 재료덩어리를 조각하듯이 절삭해서 형태를 만들어가는 절삭형이 있다.
상술한 절삭형은 복잡한 형상을 가공하는데 어려움이 있어서 복잡한 형상을 제작할 때에는 첨가형 3D 프린터가 사용된다.
적층식 3D 프린터는 대한민국 등록특허 제10-1346704호에 개시된 바와 같이, 열가소성 수지로 된 와이어 또는 필라멘트를 공급릴과 이송롤을 통해 공급하고 공급된 필라멘트를 상하, 전후, 좌우 세 방향으로 위치조절되는 히터노즐에서 융해시켜서 배출하여 적층함으로써 물체를 3차원으로 성형하는 필라멘트 융해 적층 성형방법을 이용한다.
한편, 적층식 3D 프린터를 사용하는 사용자는 일반적으로 인쇄 대상 물품의 종류에 따라 다양한 색상의 필라멘트를 소량으로 사용할 필요가 있는 반면, 현재 판매되고 있는 3D 프린터용 필라멘트는 단일색에 대해 대용량으로 판매되고 있다.
따라서, 적층식 3D 프린터의 사용자는 자신이 원하는 색상의 필라멘트를 원하는 양만큼 직접 제조하여 사용하기를 희망하지만, 이와 같은 기술적 수요를 충족시키는 장비는 아직 개발되어 있지 않은 상태이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 적층식 3D 프린터의 사용자는 자신이 원하는 색상의 필라멘트를 원하는 양만큼 직접 제조하여 사용할 수 있게 될 뿐만 아니라, 제조되는 필라멘트의 굵기를 일정하게 유지할 수 있게 됨으로써, 고품질의 필라멘트를 제조할 수 있도록 하는 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비는, 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비에 있어서, 필라멘트 제조용 펠렛이 공급되는 공급부(110); 상기 공급부(110)를 통해 공급되는 상기 펠렛을 가열하는 히터부(120); 상기 히터부(120)에 의해 가열된 상기 펠렛을 압출하는 압출부(130); 및 상기 압출부(130)로부터 배출되는 필라멘트의 굵기를 측정하는 굵기 측정부(190)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 압출부(130)로부터 배출되는 필라멘트를 냉각하는 냉각부(170)를 더 포함한다.
또한, 상기 압출부(130)로부터 배출되는 필라멘트를 권취하는 권취부(180)를 더 포함한다.
또한, 상기 냉각부(170)는, 상기 압출부(130)로부터 배출되는 필라멘트의 배출 방향으로 설치되되, 상기 필라멘트가 침지되도록 외부로부터 공급되는 냉각수를 수용하는 수로부(175)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 굵기 측정부(190)가 측정한 상기 필라멘트의 굵기와 소정의 기준값의 비교 결과에 기초하여, 상기 압출부로부터 배출되는 필라멘트의 배출 속도를 조절하는 제어부를 더 포함한다.
또한, 상기 압출부(130)로부터 배출되는 필라멘트가 상기 권취부(180)에 권취되도록 유도하는 유도 롤러부(185)를 더 포함한다.
또한, 상기 유도 롤러부(185)의 회전 속도에 의해 상기 압출부(130)로부터 배출되는 필라멘트의 배출 속도가 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 상기 유도 롤러부(185)의 회전 속도를 제어함으로써, 상기 필라멘트의 굵기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 적층식 3D 프린터의 사용자는 자신이 원하는 색상의 필라멘트를 원하는 양만큼 직접 제조하여 사용할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명에 따르면, 제조되는 필라멘트의 굵기를 일정하게 유지할 수 있게 됨으로써, 고품질의 필라멘트를 제조할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비의 구조를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비에서의 필라멘트의 굵기 제어 동작을 설명하는 도면, 및
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비에서의 필라멘트의 굵기 제어 방법을 설명하는 절차 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비의 구조를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비는 공급부(110), 히터부(120), 압출부(130), 구동부(140), 제어함(150), 냉각부(170), 권취부(180), 및 굵기 측정부(190)를 포함한다.
사용자는 공급부(110)를 통해 필라멘트 제조용 펠렛을 공급하며, 공급부(110)를 통해 공급된 필라멘트 제조용 펠렛은 히터부(120)로 이동된다.
이와 같이 히터부(120)로 이동된 필라멘트 제조용 펠렛은 제1 히팅 모듈(121), 제2 히팅 모듈(122), 및 제3 히팅 모듈(133)에 의해 순차적으로 가열됨으로써 반고체 상태로 융해되며, 히터부(120) 내부에 구비된 이송 스크류(미도시)에 의해 압출부(130)로 가압 이송된 다음, 압출부(130)의 단부에 구비된 노즐을 통해 3D 프린터용 필라멘트(10)가 배출된다.
한편, 히터부(120) 내부에 구비된 이송 스크류는 커넥터(미도시)를 통해 스텝 모터 등의 구동부(140)와 연결되어 있으며 구동부(140)는 제어함(150)의 내부에 설치되어 있는 제어부(미도시)로부터의 제어 신호에 기초하여 이송 스크류의 회전 속도(이송 속도)를 조절한다.
제어부는 사용자로부터의 제어 명령에 기초하여, 히터부(120)를 구성하는 제1 히팅 모듈(121), 제2 히팅 모듈(122), 및 제3 히팅 모듈(133)의 발열 온도를 개별적으로 제어하며, 그 이외에도 구동부(140), 냉각용 팬(177), 유도 롤러부(185)의 동작을 제어한다.
한편, 사용자는 제어함(150)에 구비된 제어 노브, 터치 패널 등의 다양한 제어 도구(151,..,159)를 통해 3D 필라멘트 제조 장비에 대한 다양한 제어 명령을 입력할 수 있으며, 제어 도구(151,..,159)를 통해 입력된 제어 명령에 기초하여 제어부는 히터부(120), 구동부(140), 냉각용 팬(177), 및 유도 롤러부(185) 등을 제어한다.
아울러, 압출부(130)의 단부에 구비된 노즐로부터 배출되는 필라멘트(10)는 압출부(130)의 우측에 설치되어 있는 수랭식 냉각부(170)로 공급되며, 수랭식 냉각부(170)에 구비된 V자형 단면의 채널인 수로부(175)을 통과하는 과정에서 필라멘트(10)에 대한 냉각 및 경화 처리가 실행된다.
구체적으로, 수로부(175)는 필라멘트(10)의 배출 방향에 따라 설치되어 있으며, 펌프(미도시)를 통해 공급되는 냉각수가 수로부(175)에 채워진 상태에 있으며, 압출부(130)로부터 배출되어 수로부(175)로 공급되는 필라멘트(10)는 냉각수에 침지된 상태에서 수로부(175)를 통과하게 된다.
한편, 도 2에서와 같이 수로부(175)를 통과하는 과정에서 1차적으로 수랭식 냉각 처리가 이루어진 필라멘트(10)는 수로부(175)의 우측에 설치되어 있는 공랭식 냉각 모듈인 냉각용 팬(177)이 설치되어 있는 구간을 통과하게 된다.
구체적으로, 수로부(175)를 통과한 필라멘트(10)는 냉각용 팬(177)이 설치되어 있는 냉각용 플레이트의 상면을 지나게 되며, 이 과정에서 냉각용 팬(177)에서 냉각용 플레이트의 상면으로 공급하는 바람에 의해 필라멘트(10)에 대한 공랭식 냉각 처리가 추가적으로 실행된다.
이와 같이 냉각용 팬(177)을 통해 2차 냉각 처리된 필라멘트(10)는 굵기 측정부(190)로 공급된다. 구체적으로, 도 2에서와 같이 굵기 측정부(190)에는 필라멘트(10)가 삽입되는 관통형 홀인 굵기 측정홀(191)이 구비되어 있으며, 필라멘트(10)는 굵기 측정홀(191)을 관통하여 굵기 측정부(190)의 후면으로 배출된 다음, 굵기 측정부(190)의 우측에 설치되어 있는 유도 롤러부(185)에 공급된다.
한편, 유도 롤러부(185)는 롤러면을 마주보며 인접 설치되어 있는 2개의 롤러를 포함하며, 2개의 롤러는 각각 구동 모터(미도시)에 의해 상호 반대 방향으로 회전된다.
이와 같이 상호 반대 방향으로 구동되는 2개의 롤러 사이의 이격 공간으로 필라멘트(10)가 공급되며, 유도 롤러부(185)로 공급된 필라멘트(10)는 유도 롤러부(185)에 구비된 2개의 롤러의 상호 회전에 따라 권취부(180)로 공급되고, 권취부(180)로 공급된 필라멘트(10)는 권취부(180)의 회전에 따라 권취됨으로써, 이후 필라멘트의 사용과정에서의 사용자 편의성을 제공할 수 있게 된다.
구체적으로, 필라멘트(10)는 유도 롤러부(185)에 구비된 2개의 롤러 사이에서 맞물린 상태에서 롤러의 상호 회전에 따라 권취부(180)로 공급되게 되며, 롤러의 회전 속도에 따라 압출부(130)로부터 배출되는 필라멘트(10)의 배출 속도가 조절되게 된다.
한편, 굵기 측정홀(191)을 통과하는 필라멘트(10)의 굵기(두께)는 굵기 측정부(190)에 연속적으로 측정된다.
구체적으로, 굵기 측정홀(191)의 상부에는 발광 센서가 설치되어 있고, 굵기 측정홀(191)의 하부에는 수광 센서가 설치되어 있는 상태에서, 굵기 측정홀(191)을 통과하는 필라멘트(10)의 상부에서 조사되는 광을 수광 센서가 수광함에 있어서, 필라멘트(10)의 두께만큼의 음영이 발생하게 된다.
즉, 수광 센서에 의한 수광 영역에는 필라멘트(10)의 두께와 동일한 폭 만큼의 음영(비수광 영역)이 발생하게 되며, 이와 같은 음영의 폭이 필라멘트(10)의 두께로서 측정된다.
이와 같이 굵기 측정부(190)에서 연속적으로 측정되는 필라멘트(10)의 굵기 측정값은 제어부로 송신되며, 제어부는 굵기 측정부(190)로부터 수신되는 필라멘트(10)의 굵기 측정값에 기초하여, 필라멘트(10)의 굵기 제어를 실행하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비에서의 필라멘트의 굵기 제어 방법을 설명하는 절차 흐름도이다. 이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비에서의 필라멘트의 굵기 제어 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 제어부에 사용자가 터치 패널(154)을 통해 입력한 소정의 기준값(R:예를 들면, 1.75mm)이 설정되어 있는 상태에서(S310), 제어부는 굵기 측정부(190)로부터 수신된 필라멘트(10)의 굵기 측정값(M)과 기 설정되어 있는 기준값(R)을 비교한다(S330).
그 결과, 굵기 측정값(M)이 기준값(R)을 초과하는 것으로 판단된 경우에 제어부는 유도 롤러부(185)에 구비된 2개의 롤러를 각각 회전시키는 구동모터의 회전 속도를 증가시킨다(S350).
한편, 제어부가 구동모터의 회전 속도를 증가시킴에 있어서는, 굵기 측정값(M)과 기준값(R)의 비율(M÷R)과 동일한 비율로서 증가시킴이 바람직할 것이다.
이와 같이 구동모터의 회전 속도를 증가시키게 되면 필라멘트(10)의 배출속도가 증가되는 과정에서 압출부(130)의 단부에 구비된 노즐로부터 배출되는 필라멘트(10)가 유도 롤러부(185)의 견인력에 의해 당겨지게 되며, 그에 따라 압출부(130)의 단부로부터 배출되는 필라멘트(10)의 굵기는 상대적으로 가늘어지게 된다.
한편, 전술한 S330 단계에서의 판단 결과, 굵기 측정값(M)이 기준값(R) 미만인 것으로 판단된 경우에, 제어부는 유도 롤러부(185)에 구비된 2개의 롤러를 회전시키는 구동모터(미도시)의 회전 속도를 감소시키게 된다(S370).
한편, 제어부가 구동모터의 회전 속도를 감소함에 있어서도, 굵기 측정값(M)과 기준값(R)의 비율(M÷R)과 동일한 비율로 회전 속도를 조절함이 바람직할 것이다.
이와 같이 구동모터의 회전 속도를 감소시키게 되면 필라멘트(10)의 배출이 지연되는 과정에서 압출부(130)의 단부로부터 배출되는 필라멘트(10)의 굵기는 상대적으로 굵어지게 된다.
이처럼 본 발명에서는 굵기 측정부(190)가 필라멘트(10)의 굵기를 연속적으로 측정하고, 이와 같이 연속적으로 측정된 굵기 측정값과 소정의 기준값을 제어부가 비교 연산한 결과에 기초하여, 필라멘트(10)의 배출 속도를 조절함으로써 필라멘트(10)의 굵기를 일정하게 유지할 수 있게 됨에 따라, 고품질의 필라멘트(10)를 제조할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명에서는 냉각이 완료된 상태에 있는 필라멘트(10)를 견인하는 유도 롤러부(185)에서의 롤러의 회전 속도 조절을 통해 필라멘트(10)의 배출 속도를 조절하는 방식으로 필라멘트(10)의 굵기를 조절함으로써, 필라멘트(10)의 굵기 조절 과정에서 냉각되기 이전의 경화되지 않은 필라멘트(10)에 직접 손상이 가해지는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 굵기 측정부(190)가 냉각이 완료된 상태에 있는 필라멘트(10)의 두께를 측정함으로써, 보다 정밀한 두께 측정 및 그에 따른 품질 관리가 가능하게 된다.
한편, 본 발명을 실시함에 있어서, 제어부는 압출부(130)에 구비된 노즐의 단부에 설치된 온도 센서로부터 노즐에서 배출되는 3D 프린터용 필라멘트(10)의 배출 온도값(즉, 필라멘트 배출 온도 정보)을 수신하고, 냉각부(170)에 설치된 온도 센서로부터 냉각부(170)의 현재 온도값(즉, 냉각 온도 정보)을 수신하며, 히터부(120)에 설치된 온도 센서로부터 히터의 온도값(즉, 히팅 온도 정보)을 수신하고, 권취부(180)의 표면에 설치된 온도 센서로부터 냉각부(170)에 의해 냉각된 3D 프린터용 필라멘트(10)의 최종 온도값(즉, 필라멘트의 권취 온도 정보)을 수신할 수도 있을 것이다.
아울러, 본 발명을 실시함에 있어서, 제어함(150)에 구비된 터치 패널(154)을 통해 사용자가 상기 제어부가 수신한 각종 온도값(히팅 온도 정보, 필라멘트 배출 온도 정보, 냉각 온도 정보, 필라멘트의 권취 온도 정보)을 확인 및 점검할 수 있도록 함이 바람직할 것이다.
아울러, 사용자는 터피 패널(154)을 통해 히팅 온도값, 필라멘트(10)의 배출 온도값, 냉각 온도값, 필라멘트(10)의 권취 온도값을 직접 설정할 수 있으며, 이를 기초로 제어부는 히터부(120) 및 냉각부(170)의 온도를 조절할 수도 있을 것이다.
구체적으로, 제어부는 설정된 히팅 온도값과 측정된 히팅 온도값을 비교하여 히팅부의 가열 온도를 조절하고, 설정된 필라멘트(10)의 배출 온도값과 측정된 필라멘트 배출 온도값을 비교하여 히팅부의 가열 온도를 조절하며, 설정된 냉각 온도값과 측정된 냉각 온도값을 비교하여 냉각부(170)의 냉각 온도를 조절한다.
또한, 제어부는 설정된 필라멘트(10)의 권취 온도값보다 측정된 필라멘트(10)의 권취 온도값이 높은 경우에는 1차적으로 냉각부(170)의 냉각 온도가 낮아지도록 제어하며, 냉각부(170)의 냉각 온도가 최저 냉각 온도에 도달하였음에도, 설정된 필라멘트(10)의 권취 온도값보다 측정된 필라멘트(10)의 권취 온도값이 높은 경우에는 히터부(120)의 가열 온도가 낮아지도록 제어할 수도 있을 것이다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10: 필라멘트, 110: 공급부,
120: 히터부, 130: 압출부,
140: 구동부, 150: 제어함,
170: 냉각부, 175: 수로부,
177: 냉각팬, 180: 권취부,
185: 유도 롤러부, 190: 굵기 측정부,
191: 굵기 측정홀.

Claims (1)

  1. 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비에 있어서,
    필라멘트 제조용 펠렛이 공급되는 공급부(110);
    상기 공급부(110)를 통해 공급되는 상기 펠렛을 가열하는 히터부(120);
    상기 히터부(120)에 의해 가열된 상기 펠렛을 압출하는 압출부(130); 및
    상기 압출부(130)로부터 배출되는 필라멘트의 굵기를 측정하는 굵기 측정부(190)
    를 포함하는 3D 프린터용 필라멘트 제조 장비.




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