KR20180118351A - 내압탱크 제작용 3d 프린터 및 이를 이용한 내압탱크 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 내압탱크 제작용 3D 프린터는, 3D 프린터헤드, 상기 3D 프린터헤드에 형성되며,재료공급부를 통해 재료를 공급받아 재료를 토출 및 적층하여 내압탱크 형상을 일체로 성형하는 성형노즐, 상기 3D 프린터헤드에 형성되며, 노즐의 재료 토출방향으로 코팅재료공급부를 통해 코팅재료를 공급받아 상기 내압탱크 내주면 또는 외주면을 코팅하는 코팅노즐 및 상기 성형노즐 및 상기 코팅노즐의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 내압탱크의 제조시에 외형을 일체로 형성함으로써 내압특성의 발휘의 신뢰도를 효과적으로 향상시키고, 외관의 균형잡힌 내구성을 유지할 수 있는 효과가 있다.

Description

내압탱크 제작용 3D 프린터 및 이를 이용한 내압탱크 제조방법{3D Printer for making Pressure Tank and method for manufacturing Pressure Tank using the saem}

본 발명의 일실시예는 내압탱크 제작용 3D 프린터 및 이를 이용한 내압탱크 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 내압용기는 내부에 수용되는 물질의 물성에 따라 높은 압력을 견뎌야 하는 내압성을 요구하는 경우가 많다. LPG 자동차의 경우에도 적용되는 연료탱크는 내부 가스의 내압을 정부가 요구하는 기준에 맞추도록 제작되어야 하므로, 기준 내압특성을 효과적으로 유지하면서, 그 무게나 지속적인 내압을 견디는 신뢰성이 그 적용 부품의 특성상 안전과 직결되는 것으로 매우 중요한 구성이다.

이러한 내압용기는 통상적인 제작방식으로 제작하는 경우에, 3차원 형상을 일체로 형성할 수 없어, 중공의 분할된 용기를 제작하여 상호 접합하게 되고, 이 경우 열융착 방식등을 채용하는 것이 일반적이다.

중공의 두 용기를 열융착하는 경우에도, 융착부분이 내압용기의 밀폐도와 내압을 위한 내구성을 만족하기 위해 결합되는 테두리 부분의 두께의 설계도의 제약이 따를수 밖에 없으며, 제작시에 분리 부품을 상호 결합하는 것으로, 결합부의 결합력에 따른 다른 부분과의 상대적 강성이 떨어지게 되어 지속적인 내압을 견디는 과정에서 결합부분의 파손이나 균열 등 안전상의 문제가 발생할 여지가 높은 것이 업계의 현실이다.

또한, 3차원 형상의 제품을 일체로 제작할 수 있는 3D 프린팅의 기술도 내압용기와 같은 특수한 용도 및 내압특성을 요구하는 제품을 만드는 경우에는 그 제작방식에 따른 신뢰도의 한계가 따를 수 밖에 없는 것 또한, 내압특성과 같은 특수 용도의 제품 제작의 한계가 있다.

KR 2008-0057964 A

본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 내압특성을 갖는 용기를 제작함에 있어, 일체화된 외관을 제작함으로써 종래 결합방식에 의한 결합부의 상대적인 내압특성 등 물리적인 내구성의 취약부를 근본적으로 차단할 수 있는 내압탱크 제작용 3D 프린터 및 이를 이용한 내압탱크 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 3D 프린팅을 이용한 3차원 형상의 제작과 더불어, 3D 프린팅 방식에 의한 재료의 적층 구조에 따른 내압특성 등 물리적인 내구성을 효과적으로 유지 및 구현하기 위한 내주면 또는 외주면의 코팅공정을 3D 프린팅 과정에서 함께 구현할 수 있도록 하기 위한 내압탱크 제작용 3D 프린터 및 이를 이용한 내압탱크 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 내압탱크 제조방법은, 엔지니어링 플라스틱 혼합재료를 3D 프린팅하여 일체로 형성된 중공의 3차원 형상의 내압탱크를 성형하는 단계; 및 상기 성형된 3차원 형상의 내압탱크 외주면 표면을 코팅하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 3차원 형상의 내압탱크를 성형하는 단계는, 플라스틱 혼합재료를 순차적으로 적층하되, 상호 교차되는 방향으로 적층하여 성형하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 내압탱크 제조방법은, 엔지니어링 플라스틱 혼합재료를 3D 프린팅하여 중공의 3차원 형상의 내압탱크를 성형하되, 상기 중공과 연통되는 개구부가 형성되도록 성형하는 단계, 코팅노즐이 상기 개구부상으로 삽입되어 상기 내압탱크 내주면상에 코팅액을 분사하여 코팅하는 단계, 상기 코팅노즐이 상기 개구부 외부로 빠져나온 후, 상기 개구부가 밀폐되도록 3D 프린팅으로 성형하는 단계; 및 상기 성형된 3차원 형상의 내압탱크 외주면 표면을 코팅하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 코팅노즐은 상기 내압탱크 개구부를 통해 삽입되도록 상하 구동하며, 외주면에 코팅액을 분사하는 적어도 하나 이상의 코팅분사구가 형성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터는 3D 프린터헤드, 상기 3D 프린터헤드에 형성되며,재료공급부를 통해 재료를 공급받아 재료를 토출 및 적층하여 내압탱크 형상을 일체로 성형하는 성형노즐, 상기 3D 프린터헤드에 형성되며, 노즐의 재료 토출방향으로 코팅재료공급부를 통해 코팅재료를 공급받아 상기 내압탱크 내주면 또는 외주면을 코팅하는 코팅노즐; 및 상기 성형노즐 및 상기 코팅노즐의 작동을 제어하는 제어부;를 포함한다.

여기서, 상기 코팅노즐은, 상기 코팅노즐에 수용되어, 상하부로 구동하며 코팅재료를 분사하도록 외주면 및 하단면에 적어도 하나 이상의 코팅분사구가 형성된 구동코팅노즐을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 내압탱크의 제조시에 외형을 일체로 형성함으로써 내압특성의 발휘의 신뢰도를 효과적으로 향상시키고, 외관의 균형잡힌 내구성을 유지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 3D 프린팅 방식을 적용함으로써 3차원 형상의 일체제작과 더불어, 내압특성을 위한 코팅공정을 일체로 진행함으로써 내압탱크 제작 공정의 리드타임을 효과적을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 적용재료의 채택 및 설계 자유도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 3D 프린팅 방식을 적용함에 있어, 중공의 내압탱크를 제작공정에 내부에 코팅노즐을 삽입하여 내주면을 1차 코팅하고, 전체 형상을 성형한 후, 외주면을 동일한 방식으로 코팅함으로써, 3차원 형상의 일체화된 구조적인 내구성 및 물리적인 안정성과 더불어, 3D 프린팅 제작에 따른 적층방식의 구조물의 내외면의 내압특성 및 내구성을 보다 안정적으로 유지 및 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터의 개략 구성도;
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터의 코팅노즐의 부분 확대도;
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 내압탱크의 제조공정을 도시한 도면; 및
도 6 내지 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내압탱크의 제조공정을 도시한 도면이다.

본 발명의 일실시예의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서, 본 발명의 일실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 하며, 동일한 참조부호는 동일한 부재를 가리킨다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터(10)의 개략 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터(10)의 코팅노즐의 부분 확대도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 내압탱크 제작용 3D 프린터(10)는, 3D 프린터(10)헤드, 상기 3D 프린터(10)헤드에 형성되며,재료공급부(12)를 통해 재료를 공급받아 재료를 토출 및 적층하여 내압탱크 형상을 일체로 성형하는 성형노즐(13), 상기 3D 프린터(10)헤드에 형성되며, 노즐의 재료 토출방향으로 코팅재료공급부(14)를 통해 코팅재료를 공급받아 상기 내압탱크 내주면 또는 외주면을 코팅하는 코팅노즐 및 상기 성형노즐(13) 및 상기 코팅노즐의 작동을 제어하는 제어부(16)를 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 프린터헤드(11)에는 각각 내압탱크를 3차원 형상으로 제작하기 위한 재료를 공급하는 재료공급부(12)와 재료공급부(12)로부터 재료를 공급받아 실처럼 생긴 필라멘트를 녹여 한층 한층 쌓아서 출력물을 만들어 내는 성형노즐(13)이 형성된다. 이러한 방식은 용융압출적층모델링을 통해 이루어지고, 3D 프린팅을 통해 3차원 형상을 제작하는 방식에는 다양한 방식 및 종류가 적용될 수 있고 특별히 도시된 방법에 제한되는 것은 아니다 .

성형노즐(13)은 재료공급부(12)를 통해 재료를 공급받아 내압탱크의 3차원 형상을 일체로 형성하게 된다.

내압탱크와 같은 성형물품은 그 용도 및 물리적으로 갖추어야 할 내압특성이나 내구성을 갖기 위해 3D 프린팅을 통해 적층되어 형성된 3차원 형상의 전면을 코팅처리 하게 할 수 있다. 이러한 코팅처리를 하나의 프린터헤드(11)에서 동시에 또는 순차적으로 수행하기 위해 코팅노즐(15)이 함께 형성된다. 코팅토즐은 성형노즐(13)에 이격되도록 형성되거나 성형노즐(13)과 코팅노즐(15)이 물리적으로 이동 및 순환하면서 내압탱크의 3차원 형상의 제작 및 코팅공정을 하나의 프로세스에서 함께 구현할 수 있다.

이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 성형물품(20)이 안착되어 있는 지지판(30)이 이동하면서 각각 성형노즐(13)과 코팅노즐(15)의 해당 작업을 순차적으로 수행할 수 있으며, 상술한 바와 같이, 성형노즐(13) 및 코팅노즐(15)이 물리적인 순환장치를 통해 상호 번갈아가면서 성형물품(20)에 필요한 가공작업을 수행할 수 있음은 물론이다.

제어부(16)는 도시된 성형노즐(13) 및 코팅노즐(15)의 구동순서와 성형된 성형물품(20)의 코팅가공을 위한 위치이동 등 전반적인 내압탱크 제조를 위한 가공순서를 제어하고, 재료공급부(12)와 코팅재료공급부(14)(14)(12)의 원활한 재료의 공급을 통해 내압탱크와 같은 성형물품(20)의 제작공정을 보다 신뢰성 있고 효과적으로 수행할 수 있도록 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 코팅노즐(15)은 코팅노즐(15) 내부에 수용되고, 필요에 따라 상하방향으로 연장되도록 구동하는 구동코팅노즐(15-1)을 더 포함할 수 있다. 구동코팅노즐(15-1)은 외주면에 적어도 하나 이상의 코팅분사구(15-1a)를 배치함으로써, 성형물품(20)의 외주면의 코팅뿐만 아니라, 구동코팅노즐(15-1)이 삽입될 수 있는 소정의 공간을 구비하도록 하여 중공의 성형물품(20)의 내부에 삽입되어 제품 내주면의 코팅도 가능하도록 구동할 수 있다.

코팅분사구(15-1a)는 구동코팅노즐(15-1)의 외주면에 형성되어 방사방향으로 분사할 수 있고, 구동코팅노즐(15-1)의 하방향으로 분사할 수 있는 방향 및 성형물품(20)의 코팅 위치에 적절하도록 다양한 방향 및 위치에 배치될 수 있음은 물론이다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 내압탱크의 제조공정을 도시한 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 내압탱크의 제조공정을 설명하기로 한다.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 재료공급부(12)를 통해 내압탱크를 제작할 엔지니어링플라스틱과 같은 소재를 성형노즐(13)에 공급한다. 성형노즐(13)은 공급된 재료를 통해 적층방식으로 이미 모델링된 3차원의 내압탱크 형상을 적층방식으로 순차적으로 제작하게 된다. 여기서, 일방향의 적층방식으로 적층하여 3차원 형상을 얻는 경우에는 내압탱크의 물리적인 내압특성 및 내구성이 약해질 수 있으므로, 적층방향을 일방향 및 일방향에 교차되는 방향으로 엇갈려 형상의 외주면을 제작함으로써 일체로 제작되는 3차원 형상의 외벽 등의 내구성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

이러한 방식으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 일체로 3차원 형상의 중공을 갖는 내압탱크가 제작된다.

다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 지지판(30)을 제어부(16)를 통해 구동하여 내압탱크가 코팅노즐(15)의 하부에 위치하게 된다. 코팅노즐(15)은 코팅재료공급부(14)를 통해 전달받은 코팅재료를 하방향으로 분사하게 됨으로써, 내압탱크의 외주면 전면을 코팅하게 된다. 이 경우, 내압탱크 외주면 전면의 원활한 코팅을 위해서 코팅노즐(15)이 고정되어 분사 또는 물리적인 구성을 통해 상하 및 좌우로 구동하도록 제어됨으로써 내압탱크 외주면을 코팅할 수 있음은 물론이다.

이렇게 3차원 형상의 내압탱크를 일체로 제작하게 됨으로써 종래 물리적으로 2분된 형상을 별도 접합하는 공정을 생략할 수 있을 뿐만 아니라, 접합력을 확보하기 위한 최소환의 접합면의 두께 확보 등을 위해 외주면의 두께가 불필요하게 두꺼워질 수 밖에 없는 설계상의 제약을 근본적으로 해결할 수 있는 것이다. 또한, 코팅공정을 추가적으로 수행함으로써, 3D 프린팅을 통한 적층방식의 외주면에 보다 안정적인 내압특성 및 밀폐성을 구현할 수 있게 되는 것이다.

도 6 내지 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 내압탱크의 제조공정을 도시한 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 내압탱크의 제조공정을 설명하기로 한다.

먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 엔지니어링 플라스틱 혼합재료를 재료공급부(12)를 통해 성형노즐(13)을 통해 분사하여 적층방식으로 내압탱크의 외주면의 3차원 형상을 제작하는 단계이다.

통상적인 적층방식을 적용할 수 있으며, 이 경우 내압탱크의 물리적인 특성을 보다 효과적으로 확보하기 위해, 적층 되는 과정에서 각각의 적층방향을 상호 어긋나는 방향으로 순차적으로 함으로써 외력에 의한 내구성 및 내압을 견디는 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

다음, 도 7에 도시된 바와 같이, 성형노즐(13)에 의해 내압탱크의 외형을 완성하는 단계이다. 이 경우 중공의 내압탱크의 외형형성과 내부 밀폐성을 확보하기 위한 외형의 3차원 형상을 일체로 제작하게 된다. 이 때는 후술하는 내압탱크의 중공의 내주면을 코팅하기 위해 코팅노즐(15)이 삽입될 수 있는 개구부(50)를 남겨두고 일체로 형성한다.

다음, 도 8에 도시된 바와 같이, 완성된 내압탱크의 성형물품(20)을 지지판(30)을 통해 코팅노즐(15)의 작업 위치로 이동시킬 수 있다. 또한, 프린터헤드(11)에 결합된 성형노즐(13) 및 코팅노즐(15)을 물리적으로 순환되는 구조를 형성함으로써, 성형물품(20)의 위치를 고정하고 코팅노즐(15)이 순환 및 이동하여 성형물품(20)의 상부에 위치하도록 형성할 수도 있음은 물론이다. 이때, 제어부(16)의 구성은 성형물품(20)의 위치를 정확하게 센싱 하여 추가적인 코팅공정의 신뢰성을 확보할 수 있다. 코팅노즐(15)은 도 7에서 형성한 개구부(50)를 통해 내압탱크의 중공부에 삽입되도록 코팅노즐(15)에 삽입되어 상하로 구동되는 구동코팅노즐(15-1)을 더 포함할 수 있다. 그러므로, 구동코팅노즐(15-1)이 내압탱크의 개구부(50) 내로 삽입되고, 외주면에 형성된 적어도 하나 이상의 코팅분사구(15-1a)를 통해 내압탱크의 내주면 전면을 코팅하게 된다. 코팅분사구(15-1a)의 배치 및 개수는 내주면의 형태 및 공간의 크기에 따라 적절하게 형성 및 조절할 수 있음은 물론이다.

다음, 도 9에 도시된 바와 같이, 다시 내압탱크의 성형물품(20)을 성형노즐(13)의 가공위치로 지지판(30)을 움직여 이동시킨다. 개구부(50) 부분을 성형노즐(13)을 통해 밀폐를 확보하도록 마지막 추가 성형을 시작한다.

마지막으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 일체화된 3차원 형상의 내압탱크를 코팅노즐(15)의 가공위치로 지지판(30)을 통해 다시 이동시킨 후, 최종적으로 내압탱크의 외주면 전면을 코팅노즐(15)을 통해 코팅가공한다. 내압탱크의 일반적인 형상을 예로 들었지만, 성형물품(20)의 외주면의 형태 및 크기에 따라, 코팅노즐(15)의 코팅분사 위치 및 방식을 적절히 조절될 수 있으며, 상술한 구동코팅노즐(15-1)을 구동시켜 외주면 전면을 효과적으로 코팅처리할 수 있다.

본 발명의 일실시예 및 다른 실시예에 따른 내압탱크의 제조공정에서, 내압탱크를 성형하는 성형노즐(13) 및 코팅처리를 위한 코팅노즐(15)은 각각의 물리적인 위치를 별도의 구동수단을 통해 제어부(16)가 적절히 조절하여 성형 및 코팅처리를 수행할 수 있으며, 도시된 지지판(30)을 통한 각 단계의 가공처리된 내압탱크의 성형물품(20)을 원하는 가공위치로 조절할 수 있음은 물론이다.

본 발명의 일실시예 및 다른 실시예에 따른 내압탱크의 제조방법은 상술한 본 발명의 일실시예에 따른 3D 프린터(10)를 이용할 수 있으며, 각 개별 구성의 작동 및 기능은 관련 제조방법에서 충분히 발휘될 수 있도록 당업자에 의한 설계변경이 가능함은 당업자로부터 자명한 사항이므로 이에 대한 중복되는 상세 설명은 생략하기로 한다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10: 3D 프린터 11: 프린터헤드
12: 재료공급부 13: 성형노즐
14: 코팅재료공급부 15: 코팅노즐
15-1: 구동코팅노즐 15-1a: 코팅분사구
16: 제어부 20: 성형물품
30: 지지판 50: 개구부

Claims (6)

1. 엔지니어링 플라스틱 혼합재료를 3D 프린팅하여 일체로 형성된 중공의 3차원 형상의 내압탱크를 성형하는 단계; 및
   상기 성형된 3차원 형상의 내압탱크 외주면 표면을 코팅하는 단계;
   를 포함하는 내압탱크 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 3차원 형상의 내압탱크를 성형하는 단계는,
   플라스틱 혼합재료를 순차적으로 적층하되, 상호 교차되는 방향으로 적층하여 성형하는 단계를 더 포함하는 내압탱크 제조방법.
3. 엔지니어링 플라스틱 혼합재료를 3D 프린팅하여 중공의 3차원 형상의 내압탱크를 성형하되, 상기 중공과 연통되는 개구부가 형성되도록 성형하는 단계;
   코팅노즐이 상기 개구부상으로 삽입되어 상기 내압탱크 내주면상에 코팅액을 분사하여 코팅하는 단계;
   상기 코팅노즐이 상기 개구부 외부로 빠져나온 후, 상기 개구부가 밀폐되도록 3D 프린팅으로 성형하는 단계; 및
   상기 성형된 3차원 형상의 내압탱크 외주면 표면을 코팅하는 단계;
   를 포함하는 내압탱크 제조방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 코팅노즐은 상기 내압탱크 개구부를 통해 삽입되도록 상하 구동하며, 외주면에 코팅액을 분사하는 적어도 하나 이상의 분사구가 형성된 내압탱크의 제조방법.
5. 3D 프린터헤드;
   상기 3D 프린터헤드에 형성되며,재료공급부를 통해 재료를 공급받아 재료를 토출 및 적층하여 내압탱크 형상을 일체로 성형하는 성형노즐;
   상기 3D 프린터헤드에 형성되며, 노즐의 재료 토출방향으로 코팅재료공급부를 통해 코팅재료를 공급받아 상기 내압탱크 내주면 또는 외주면을 코팅하는 코팅노즐; 및
   상기 성형노즐 및 상기 코팅노즐의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는 내압탱크 제작용 3D 프린터.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 코팅노즐은,
   상기 코팅노즐에 수용되어, 상하부로 구동하며 코팅재료를 분사하도록 외주면 및 하단면에 적어도 하나 이상의 코팅분사구가 형성된 구동코팅노즐을 더 포함하는 내압탱크 제작용 3D 프린터.

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