KR20180133044A

KR20180133044A - 3d 프린터용 토출기

Info

Publication number: KR20180133044A
Application number: KR1020170069485A
Authority: KR
Inventors: 이수연
Original assignee: 주식회사 정록; 이수연
Priority date: 2017-06-05
Filing date: 2017-06-05
Publication date: 2018-12-13
Also published as: KR101956918B1

Abstract

프린팅 소재를 토출하여 디자인된 조형물을 형성하는 삼차원 프린터의 토출기가 개시된다.
본 발명에 따른 토출기는 원기둥 형상의 몸체와, 상기 몸체의 중앙에 형성되고 몸체의 길이 방향으로 형성되는 중앙홀과, 상기 중앙홀의 외측에 몸체의 길이방향으로 형성되고 프린팅 소재가 투입되는 인입홀과, 상기 토출기 몸체의 하단에 구비되고 용융된 프린팅 소재가 토출되는 토출구로 이루어지고, 상기 중앙홀, 인입홀, 및 토출구는 모두 몸체의 내부에 형성되는 공간부와 연통되며, 상기 공간부에는 형상의 스피어가 구비되고, 중앙홀에는 원기둥 형상의 웨이트가 구비되며, 상기 토출기 몸체의 상단에는 웨이트가 상승하는 것을 제한하기 위한 마게가 형성되고, 상기 인입홀에는 프린팅 소재가 투입된다.

Description

3D 프린터용 토출기{3D PRINTER EXTRUDER}

본 발명은 3D 프린터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 노즐에 스피어(sphere)를 구비하고 베드 또는 적층물의 상부에 접촉되어 스피어가 올라가면 용융된 프린팅 소재가 스피어와 노즐홀 사이로 토출되도록 한 3D 프린터의 토출기의 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 3D 프린터란 입체로 디자인된 형상을 플라스틱, 금속, 세라믹 등 각종 소재를 층층이 쌍아 제조하는 장치를 말한다. 3D 프린터는 소재를 출력하는 방식에 따라 구분되는데, 고체인 팰렛으로 된 소재를 레이저로 소결하는 SLS(Selective Laser Sintering) 방식, 빛으로 소재를 굳히는 SLA(Stereolithography) 방식, 필라멘트를 용융하는 FFF(Fused Filament Fabrication) 방식이 있다.

이들 방식 중에서 FFF 방식을 이용한 3D 프린터는 X-Y축으로 이동하는 이송 헤드와, 이 이송 헤드에 장착되는 압출기와, Z축으로 이동하는 베드를 포함하여 구성되고, 상기 압출기는 필라멘트가 공급된다. FFF 방식은 필라멘트를 토출시켜 베드의 바닥에서부터 순차적으로 적층하면서 디자인된 형성을 조형한다.

상기 필라멘트는 일정한 직경을 갖으며, 공급릴에 감겨지는데, 상기 이송 헤드에 장착된 한 쌍의 드라이버 휠(Drive Wheel)로부터 가이드되어 압출기로 공급된다. 압출기에 형성된 노즐로부터 토출되는 용융된 필라멘트는 베드의 상부에 순차적으로 적층된다. 이 방식에서 사용하는 필라멘트는 주로 열가소성 재료인 ABS 또는 PLA 등이며, 이들 재료는 통상 리지드(rigid)한 형태를 갖는다.

등록특허공보 제10-1587411호 공개특허공보 제10-2015-0098142호 등록특허공보 제10-1469095호 공개특허공보 제10-2015-0140880호

본 발명은 토출기의 스피어와 적층물의 접촉압력에 의해 용융된 프린팅 소재가 토출되도록 한 3D 프린터용 토출기를 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면 이전에 프린팅되어 굳어 있는 적층물의 상부에 토출기의 스피어가 눌러 상대적으로 상승한 경우에만 용융된 프린팅 소재가 토출될 수 있는 3D 프린터용 토출기를 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 삼차원 프린터의 토출기는 프린팅 소재를 토출하여 디자인된 조형물을 형성하는 삼차원 프린터의 토출기로로서, 원기둥 형상의 몸체와, 상기 몸체의 중앙에 형성되고 몸체의 길이 방향으로 형성되는 중앙홀과, 상기 중앙홀의 외측에 몸체의 길이방향으로 형성되고 프린팅 소재가 투입되는 인입홀과, 상기 토출기 몸체의 하단에 구비되고 용융된 프린팅 소재가 토출되는 토출구로 이루어지고, 상기 중앙홀, 인입홀, 및 토출구는 모두 몸체의 내부에 형성되는 공간부와 연통되며, 상기 공간부에는 형상의 스피어가 구비되고, 중앙홀에는 원기둥 형상의 웨이트가 구비되며, 상기 토출기 몸체의 상단에는 웨이트가 상승하는 것을 제한하기 위한 마게가 형성되고, 상기 인입홀에는 프린팅 소재가 투입된다.

추가적으로 상기 토출기의 외측에는 가열기가 더욱 구비되고, 상기 가열기는 히터 또는 인덕션 코일로 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 스피어의 승강범위는 웨이트의 상측과 마게의 하측 사이의 거리와 동일한 범위로 설정된다.

또한 삼차원 프린터가 프린팅할 때 토출구의 단부는 스피어의 하단보다 높게 위치된다.

또한 삼차원 프린터가 프린팅 준비 상태일 때에는 웨이트의 하중으로 스피어를 누르고 있어서 스피어가 토출구를 막게 되며, 프린팅하기 위해 토출기가 하강하여 스피어가 이전에 프린팅한 적층물을 누르게 되면 스피어와 웨이트는 상승하도록 하여 스피어와 토출구 사이에서 용융된 프린팅 소재가 나오도록 구성된다.

본 발명에 따른 실시예로서 웨이트의 상측과 마게의 하측 사이의 공간에는 스피링이 더욱 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예로서 웨이트의 하면은 라운딩 홈이 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면 토출기의 스피어와 적층물의 접촉압력에 의해 용융된 프린팅 소재가 토출되도록 할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 이전에 프린팅되어 굳어 있는 적층물의 상부에 토출기의 스피어가 눌러 상대적으로 상승한 경우에만 용융된 프린팅 소재가 토출될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 삼차원 프린터의 토출기를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 삼차원 프린터의 토출기의 측면 일부를 절개한 것을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 토출기의 단면을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 토출기를 사용하여 조형물을 프린팅하는 것을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 스피어와 웨이트의 상승과 하강 범위를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 표현될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 삼차원 프린터의 토출기를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 삼차원 프린터의 토출기의 측면 일부를 절개한 것을 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 3D 프린터는 프린팅 소재를 용융 및 토출하고 X축, Y축, Z축 방향으로 이동하는 토출기(100)와, 상기 토출기의 외측 하단에 구비되는 가열기(200)와, 상기 토출기의 외측 상부에 구비되는 냉각기(300)를 포함한다.

추가적으로 상기 토출기의 하측에는 디자인된 조형물이 프린팅되는 베드와, 상기 토출기의 이동동작 및 토출기의 냉각 및 가열 동작을 제어하는 컨트롤러을 포함한다.

상기 토출기의 하측에는 베드가 설치된다. 상기 베드(bed)에는 토출기로부터 토출되는 용융된 프린팅 소재가 미리 설계된 디자인된 조형물이 형상화된다. 상기 베드의 하부에는 히터가 더욱 구비될 수 있다.

상기 컨트롤러(controller)는 토출기의 3차원 이동을 제어한다. 컨트롤러는 용융된 프린팅 소재가 디자인된 조형물을 적층할 수 있도록 토출기를 X축, Y축, Z축 방향으로 이동할 수 있도록 제어한다.

본 발명에 따른 토출기(100)에는 프린팅 소재가 투입된다. 상기 프린팅 소재는 와이어 형상의 필라멘트일 수 있으며, 상기 필라멘트의 소재로는 ABS, PLA, 금속 등일 수 있다. 다른 실시예로서 상기 프린팅 소재는 액상의 소재, 분말 상태의 입자일 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 토출기는 원기둥 형상의 몸체(110)와, 상기 몸체의 중앙에 형성되고 몸체의 길이 방향으로 형성되는 중앙홀(111)과, 상기 중앙홀의 외측에 몸체의 길이방향으로 형성되고 프린팅 소재가 투입되는 인입홀(112)과, 상기 토출기 몸체의 하단에 구비되고 용융된 프린팅 소재가 토출되는 토출구(113)로 이루어진다. 상기 중앙홀, 인입홀, 및 토출구는 모두 몸체의 내부에 형성되는 공간부(도 3의 VAC 참조)와 연통된다.

도면을 참조하면, 공간부에는 볼(ball) 형상의 스피어(120, sphere)가 구비되고, 중앙홀에는 원기둥 형상의 웨이트(130, weight)가 구비된다. 또한 상기 토출기 몸체의 상단에는 웨이트가 상승하는 것을 제한하기 위한 마게(140)가 더욱 형성된다.

상기 스피어는 토출구의 반경 보다 큰 반경으로 이루어져 있어서 토출구로부터 이탈되지 않는다. 다만 스피어의 일부가 토출구의 외측으로 돌출되어 있으며, 상기 웨이트는 그 무게(자중)으로 인해 스피어의 상부와 접하고 있다. 이에 따라 웨이트의 무게로 인해 토출구는 항상 스피어에 의해 막고 있어, 공간부에 있는 용융된 프린팅 재료가 토출기의 외부로 나가지 않는다.

실시예로서, 본 발명에서는 프린팅 소재로서 와이어 형상의 필라멘트(STC)가 투입된다. 상기 필라멘트는 ABS, PLA, 금속 등일 수 있다.

상기 토출기의 하부에는 토출구가 형성되고, 상기 토출구에는 프린팅 소재가 용융된 상태로 토출된다. 이와 같은 프린팅 소재의 용융을 위해 토출기 몸체에는 가열기가 더욱 구비된다.

상기 가열기(200)는 프린팅 소재를 용융시키고 토출구로부터 토출될 때까지 프린팅 소재의 용융상태를 유지시킨다. 가열기는 히터 또는 인덕션 코일일 수 있다. 필라멘트의 소재가 ABS, PLA 이라면 가열기는 히터(heater)가 설치되며, 필라멘트의 소재가 금속이라면 가열기에는 인덕션 코일이 설치된다. 도면에서는 인덕션 코일을 토출기 몸체의 외부에 감은 것을 나타낸 것이다.

가열기로 프린팅 소재를 용융시킬 때, 가열기로부터 발생한 열이 토출기 몸체로 인입되는 부분에 이르기까지 열이 전달되면 토출기 몸체의 인입구(112-1)에서 필라멘트가 용융되어 버리고, 고체상태의 프린팅 소재가 인입홀로 들어가지 못하게 될 수도 있다. 이를 방지하기 위해 상기 가열기의 상측에는 냉각기가 더욱 설치된다. 상기 냉각기(300)는 방열핀으로 형성할 수 있으며, 냉각 효율의 향상을 위해 방열핀에 냉각팬을 더욱 부가 설치될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 토출기의 단면을 나타낸 것이다.

도면을 참조하면, 토출기의 공간부에는 스피어(120)가 구비되어 있고, 중앙홀에 설치된 웨이트(130)는 스피어의 상부를 누르고 있다. 이에 따라 토출구는 스피어로 막혀있는 상태가 되어서, 용융된 프린팅 소재는 공간부에서 토출구로 나오지 못한다.

도 4는 본 발명에 따른 토출기를 사용하여 조형물을 프린팅하는 것을 나타낸 것이다.

도 4는 토출기가 하강하여 적층물(또는 베드, ASC)의 상부로 내려온 것은 나타낸 것인데, 스피어의 하부가 적층물의 상부를 누르면, 스피어는 상승한다. 이 상태가 되면 토출구와 스피어 사이에 틈이 생기게 되어 용융된 프린팅 소재가 나올 수 있다. 도 4의 점선과 점선의 화살표는 용융된 프린팅 소재가 토출되는 경로를 나타낸 것이다.

한편 적층하여 조형물을 조형하기 위하여는 토출기가 소정의 방향으로 이동하면서 용융된 프린팅 소재를 토출하여야 하므로, 스피어는 구르는 상태가 된다. 만약 토출기가 더욱 하강하여 스피어가 공간부 내측으로 완전히 상승하게 되면 스피어의 더 이상 회전할 수 없고, 토출구의 단부만 적층물 또는 베드와 접촉할 수 있다. 이렇게 되면 토출구의 단부가 이전에 프린팅한 적층물의 상부와 접촉하게 되므로, 토출구의 단부에 의해 이전에 프린팅한 적층물의 형태가 변형된다. 이를 방지하기 위해 스피어의 상승은 제한되어야 한다.

추가적으로 스피어가 적층물로 인해 상승하게 되면 공간부 내에서 스피어가 유동할 수 있다. 이를 방지하기 위해 상기 웨이트의 하면에는 스피어의 상면과 대응되는 라운딩 홈을 형성할 수 있다. 상기 웨이트의 라운딩 홈의 반경은 스피어의 반경보다 크게 형성하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명에 따른 스피어와 웨이트의 상승과 하강 범위를 나타낸 것이다.

도 5(a)는 프린팅 준비 상태의 토출기를 나타낸 것이고, 도 5(b)는 프린팅 상태의 토출기를 나타낸 것이다. 프린팅 준비 상태에서는 웨이트의 하중으로 스피어를 누르고 있어서 스피어가 토출구를 막고 있다. 그러나 토출기가 하강하여 스피어가 이전에 프린팅한 적층물을 누르게 되면 스피어와 웨이트는 상승하게 된다. 이 때, 토츨기의 몸체 상부에 결합된 마게는 웨이트가 더 이상 상승하지 못하도록 제한한다.

다른 실시예로서 상기 웨이트의 상측과 마게의 하측 사이의 공간에는 스프링(spring)을 더욱 구비할 수 있다. 이에 따라 탄성력으로 스피어를 누를 수 있다.

도면에서 도면부호 D1은 스피어의 승강범위를 나타낸 것이고, 도면부호 D2는 웨이트의 승강범위를 나타낸 것이다. 상기 D1은 D2와 동일한 거리값을 갖도록 하여야 한다. 상기 도면부호 D3는 스피어가 최대 상승인 상태에서의 토출구와 스피어의 거리를 나타낸 것인데, 토출구의 단부는 스피어의 하단보다 높게 형성하여, 토출구 하측 단부가 이전에 프린팅한 적층물을 손상시키지 않는다. 상기 D3는 적층 두께에 따라 달라질 수 있지만, 바람직하게는 적어도 0.5mm 내지 1mm 이상으로 설정되어야 한다.

본 발명에 따르면, 이전에 프린팅되어 굳어 있는 적층물의 상부에 토출기의 스피어가 눌러 상대적으로 상승한 경우에만 용융된 프린팅 소재가 토출될 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100 : 토출기 110 : 토출기 몸체
111 : 중앙홀 112 : 인입홀
112-1 : 인입구 113 : 토출구
120 : 스피어 130 : 웨이트
140 : 마게 200 : 가열기
300 : 냉각기
VAC : 공간부 STC : 필라멘트
ASC : 적층물

Claims

프린팅 소재를 토출하여 디자인된 조형물을 형성하는 삼차원 프린터의 토출기로로서,
원기둥 형상의 몸체(110)와, 상기 몸체의 중앙에 형성되고 몸체의 길이 방향으로 형성되는 중앙홀(111)과, 상기 중앙홀의 외측에 몸체의 길이방향으로 형성되고 프린팅 소재가 투입되는 인입홀(112)과, 상기 토출기 몸체의 하단에 구비되고 용융된 프린팅 소재가 토출되는 토출구(113)로 이루어지고,
상기 중앙홀, 인입홀, 및 토출구는 모두 몸체의 내부에 형성되는 공간부(VAC)와 연통되며,
상기 공간부에는 형상의 스피어(120)가 구비되고, 중앙홀에는 원기둥 형상의 웨이트(130)가 구비되며, 상기 토출기 몸체의 상단에는 웨이트가 상승하는 것을 제한하기 위한 마게(140)가 형성되고,
상기 인입홀에는 프린팅 소재가 투입되는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터의 토출기.
청구항 1에 있어서,
상기 토출기의 외측에는 가열기가 더욱 구비되고, 상기 가열기는 히터 또는 인덕션 코일인 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터의 토출기.
청구항 1에 있어서,
상기 스피어의 승강범위는 웨이트의 상측과 마게의 하측 사이의 거리와 동일한 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터의 토출기.
청구항 1에 있어서,
상기 삼차원 프린터가 프린팅할 때 토출구의 단부는 스피어의 하단보다 높게 위치하는 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터의 토출기.
청구항 1에 있어서,
상기 삼차원 프린터가 프린팅 준비 상태일 때에는 웨이트의 하중으로 스피어를 누르고 있어서 스피어가 토출구를 막게 되며, 프린팅하기 위해 토출기가 하강하여 스피어가 이전에 프린팅한 적층물을 누르게 되면 스피어와 웨이트는 상승하도록 하여 스피어와 토출구 사이에서 용융된 프린팅 소재가 나오도록 구성한 것을 특징으로 하는 삼차원 프린터의 토출기.