KR20190006051A - 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3d 프린터 - Google Patents

압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3d 프린터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조형물을 거치하는 작업 테이블; 3D 프린팅 재료를 적층하는 프린트 헤드; 상기 프린트 헤드를 5축 이상의 축 방향으로 구동하는 다축 구동수단을 포함하고, 상기 프린트 헤드는 회전동력을 발생하는 구동 모터; 3D 프린팅하기 위한 고형 재료를 공급하는 호퍼; 상기 호퍼가 일측에 설치된 압출실린더에 압출스크류가 내장되고, 상기 구동 모터의 구동에 의해서 상기 호퍼를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 압출하여 노즐부로 이송하는 압출이송부; 상기 3D 프린팅 재료를 용융하는 가열부; 및 교체가 가능한 토출노즐을 구비하여, 상기 가열부에서 용융된 3D 프린팅 재료를 필라멘트로 압출하면서 3D 조형물을 프린팅하는 노즐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터에 관한 것으로, 본 발명의 다축 3D 프린터에 의하면 별도의 필라멘트 제조장치를 이용하지 않고 분말, 비드, 펠렛 상의 재료를 이용해서 바로 3D 프린팅을 할 수 있고, 더 나아가 프린트 헤드와 작업 테이블을 5축 이상의 다축 방향으로 상대적으로 이동되도록 제어함으로써, 평면뿐만 아니라 곡면 및 빗면도 고정밀도로 매끄럽게 프린팅할 수 있는 이점을 수득할 수 있다.

Description

압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터{MULTI-AXIS THREE DIMENSIONAL PRINTER HAVING EXCHANGEABLE EXTRUDER-INTEGRATED PRINTER HEAD}
본 발명은 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린팅하기 위한 고형 재료를 바로 압출해서 FDM (Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터에서 사용 가능한 일체형 프린트 헤드를 구비하고, 프린트 헤드를 5축 이상의 다축으로 자유롭게 회전시킬 수 있는 다축 3D 프린터에 관한 것이다.
3D 프린터는 특정 소프트웨어에 의해서 작성된 3차원 설계도에 기초해서 연속적인 계층의 물질을 적층해서 3차원 물체를 제조하는 장치로, 개발 초기에는 주로 시제품의 제작에 사용되었으나, 최근에는 선박, 자동차, 건축, 의료, 식품 등 산업의 전분야에서 널리 이용되고 있고, 또한 소비자가 자기만의 스타일과 디자인으로 물건을 맞춤 생산하기 위한 용도로도 이용이 확대되고 있다.
이러한 3D 프린터의 제품 성형 방식은 크게 FDM 방식(Fused Deposition Modelling), DLP 방식(Digital Light Processing), SLA 방식(Stereo lithography Apparatus) 그리고 SLS 방식(Selective Laser Sintering)으로 구분되고 있다. 이러한 방식 중에서 열가소성 소재의 필라멘트를 용융하여 적층하는 FDM 방식의 3D 프린터가 다른 방식의 3D 프린터에 비해 생산 단가가 저렴하여, 실험용, 공업용으로 대중화되고 있는 추세이다.
기존의 FDM 방식의 3D 프린터는 열가소성 소재로 구성되는 필라멘트를 이용하여 조형하는 방식으로, 필라멘트를 용융 가능한 온도로 가열된 노즐을 통해 반액상으로 압출하여 한 층씩 적층하여 조형물을 완성한다. 이러한 기존의 FDM 방식의 3D 프린터의 일례를 도 1에 도시하였다. 도 1에 도시된 바와 같이, 3D 프린터는 거치대(110)는 Y축 방향으로 움직이고, 프린트 헤드(120)가 X축 및 Z축 방향으로 움직이면서 필라멘트(130)를 토출하면서 한 층씩 적층하여 소정의 형상을 구축하는 방식으로 수행된다. 이때 필라멘트(130)는 릴(140)로부터 풀려서 유도관(150)을 통하여 공급된다. 노즐에서 분사되는 용융된 필라멘트가 압출되어 바닥판(110) 상에 프린트층을 형성하고 이러한 프린트층을 계속 적층시켜 3D 조형물(160)을 형성하게 된다.
이러한 기존의 3D 프린터에 사용되는 고분자 소재를 필라멘트 형태로 만들기 위해서는 대형 압출기를 통해 펠렛 상태의 고분자를 와이어 형태로 용융 압출하여야 한다. 이와 같이 기존의 필라멘트 제조는 대형압출기를 사용하여야 하기 때문에 다품종 소량 생산하는데 한계가 있고, 원료 및 전력 등의 소모가 많아서 다양한 요구의 제품을 구현할 때 경제적인 면에서 불리한 한계가 있다.
또한 3D 프린터로는 곡면과 평면을 동시에 가지는 조형물을 프린팅해야 하는 경우도 많은데, 종래의 3D 프린터의 경우 프린트 헤드나 작업 테이블을 x축, y축 및 z축 방향으로만 이동시킬 수 있고, 임의의 축 방향으로 회전시키는 것은 곤란하여, 빗면이나 곡면을 정교하게 프린팅하는 것이 어려운 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 3D 프린터에 장착해서, 즉석에서 다양한 소재를 블렌딩하여 필라멘트로 압출함과 동시에 3D 조형물로 프린팅할 수 있고, 평면뿐만 아니라 곡면 및 빗면도 정교하게 프린트할 수 있는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 대형 압출기를 이용한 필라멘트 제조 공정을 생략할 수 있고, 시간과 장소의 제약 없이 필요한 다성분계 고분자 필라멘트를 최소의 에너지로 제조할 수 있어, 3D 프린팅 공정에 사용되는 에너지를 대폭 절감하고, 다양한 소재의 사용이 가능하고, 재료의 낭비를 줄일 수 있으며, 노즐의 직경을 용이하게 변경하여 조형물의 제작 시 안정성 및 품질을 높일 수 있는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고형 재료를 사용하여 2개 이상의 호퍼를 도입하여 다성분계 고분자 재료를 즉석에서 블렌딩하여 최소한의 에너지로 3D 프린팅할 수 있게 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,
조형물을 거치하는 작업 테이블; 3D 프린팅 재료를 적층하는 프린트 헤드; 및 상기 프린트 헤드를 다수의 축 방향으로 구동하는 다축 구동수단을 포함하고, 상기 프린트 헤드는 회전동력을 발생하는 구동 모터; 3D 프린팅하기 위한 고형 재료를 공급하는 호퍼; 상기 호퍼가 일측에 설치된 압출실린더에 압출스크류가 내장되고, 상기 구동 모터의 구동에 의해서 상기 호퍼를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 압출하여 노즐부로 이송하는 압출이송부; 상기 3D 프린팅 재료를 용융하는 가열부; 및 교체가 가능한 토출노즐을 구비하여, 상기 가열부에서 용융된 3D 프린팅 재료를 필라멘트로 압출하면서 3D 조형물을 프린팅하는 노즐부를 포함하고,
상기 다축 구동수단은 상기 프린트 헤드를 3개의 축 방향으로 이동시키는 프린트 헤드 3축 구동부; 및 상기 프린트 헤드를 상기 3축 가운데 임의의 2 개 이상의 축 둘레로 회전시키는 프린트 헤드 회전구동부를 포함하고,
상기 가열부는 상기 압출실린더 외곽 또는 그 내부에 하나 이상의 가열 구간에 설치된 유도 가열 튜브인 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터에 관한 것이다.
본 발명의 다축 3D 프린터는 작업 테이블을 두 개 이상의 축 방향으로 회전시키는 작업 테이블 회전 구동부를 추가로 포함하고, 상기 작업 테이블 회전구동부는 상기 작업 테이블을 제1축 방향의 축둘레의 회전방향으로 회전시키는 제3 회전구동부; 및 상기 작업 테이블을 제3축 방향의 축둘레의 회전방향으로 회전시키는 제4 회전구동부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 3D 프린터는 다양한 색상 또는 다양한 소재의 3D 프린팅 재료를 압출하기 위한 두 개 이상의 상기 호퍼, 상기 압출이송부 및 상기 노즐부로 구성되는 압출기 일체형 프린트 헤드 모듈들과 이들 압출기 일체형 프린트 헤드 모듈들을 거치하는 작업 테이블을 추가로 포함하거나 또는 작업 테이블 없이 사용할 수 있다.
상기 가열부는 상기 압출실린더 외곽에 하나 이상의 가열 구간에 설치된 유도 가열 튜브로 구성되거나 압출실린더에 일체형으로 구성될 수 있다. 대안으로 상기 가열부는 탄소발열체 상부면과 연결되는 제1 전극; 탄소발열체에 내장되는 온도센서; 3D 프린팅 재료를 가열하는 탄소발열체; 탄소발열체 외곽에 형성되는 절연부재 및 탄소발열체 하부면과 전기적으로 연결되는 제2 전극으로 구성될 수 있다.
상기 압출실린더에 연결되는 호퍼는 복수로 형성되고, 각각의 호퍼는 모터와 공급용 스크류로 구성되고, 이러한 스크류의 회전에 의해서 각각의 호퍼로부터 공급되는 각각의 3D 프린팅 재료들을 용융하여 압출실린더에 공급하는 예비압출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 3D 프린터는 구동 모터와 가열부는 압출기 일체형 프린트 헤드의 위치를 조절하는 축구동부의 지지판에 고정되고, 호퍼, 압출이송부 및 노즐부는 하나의 모듈로 구성되어, 3D 프린터의 압출기 일체형 프린트 헤드의 위치를 조정하는 축구동부의 지지판에 고정될 때, 상기 구동 모터 및 상기 가열부와 연결되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 의하면, FDM(Fused Deposition Modeling)용 별도의 3D 필라멘트 제조를 위한 장치를 이용하지 않고도, 원하는 3D 프린팅 재료를 즉석에서 필라멘트 상으로 압출해서 바로 3D 프린팅할 수 있고, 본 발명에 의하면 프린트 헤드와 작업 테이블을 5축 이상의 다축 방향으로 상대적으로 이동되도록 제어함으로써, 평면뿐만 아니라 곡면 및 빗면도 고정밀도로 매끄럽게 프린팅할 수 있는 이점을 수득할 수 있다.
또한 본 발명의 다양한 실시예에 의하면, 한 번의 셋팅으로 복잡한 모양을 가공하는데 걸리는 시간을 줄일 수 있고, 더 정밀한 가공이 가능하고 가공축의 접근이 자유로워서 짧은 공구로도 비교적 깊은 형상을 정밀하고 매끄럽게 프린팅할 수 있다.
또한 본 발명의 다축 3D 프린터는, 프린트 헤드를 절삭 가공기로 교체할 수 있어, 3D 프린팅과 절삭 가공을 함께 진행할 수 있어, 보다 정교하고 섬세하게 가공된 고품질의 3D 조형물을 수득할 수 있다.
또한, 본 발명의 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터는 토출노즐이 탈착식으로 구성되어 노즐의 직경을 변경하는 것이 용이하여, 3D 프린팅 시에 적층되는 두께를 토출되는 양으로 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터는 다양한 소재 및 다양한 색상의 필라멘트를 즉석에서 제조할 수 있기 때문에 창의적이고 독립적인 칼라 및 소재를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터에 의하면, 기존에 필라멘트형 소재로 국한되었던 것을 넘어 파우더형, 비드형, 과립형 및 필렛형 소재도 사용할 수 있게 되어 전력과 소재의 절약을 통해 소재의 활용 범위를 확대할 수 있다.
더욱이, 기존의 3D 프린터는 소재를 용융시키는데 상대적으로 시간을 많이 소모하기 때문에 많은 시간이 소요되지만, 본 발명의 3D 프린터를 이용하면 노즐의 직경 변경 및 소재의 급속 용융을 가능하게 하는 가열부를 도입하여 결과적으로 고속 3D 프린팅을 할 수 있다.
도 1은 일반적인 3D 프린터의 개략사시도이다.
도 2a-b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3D 프린터의 개략사시도이고, 도 2b는 유도가열부가 장착이 된 압출기 일체형 회전 프린터헤드의 개략사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 개략사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터의 다축 구동을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 로봇암을 이용한 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터의 개략사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 개략사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 다축 3D 프린터의 압출기 일체형 프린트 헤드의 개략사시도 및 일부절개사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 다축 3D 프린터의 압출기 일체형 프린트 헤드의 단면도 및 정면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예의 다축 3D 프린터의 압출기 일체형 프린트 헤드가 3D 프린터의 제1축 구동부에 장착되는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다축 3D 프린터의 다른 실시예의 압출기 일체형 프린트 헤드의 단면도 및 정면도이다.
도 11은 본 발명의 다축 3D 프린터의 다른 실시예의 압출기 일체형 프린트 헤드의 일부 절개 개략 사시도이다.
도 12a는 본 발명의 다축 3D 프린터의 또 다른 실시예의 압출기 일체형 프린트 헤드의 개략분해사시도이고, 도 12b는 도 12a의 프린트 헤드의 조립된 상태의 일부 절개 개략사시도이며, 도 12c는 프린트 헤드가 조립된 상태의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3D 프린터의 개략사시도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3D 프린터에서 FDM 방식의 3D 프린팅과 절삭가공을 병행하기 위한 작업 테이블의 구성을 설명하기 위한 개략사시도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 표현될 수 있다.
도 2a-b는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3D 프린터의 개략사시도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예의 다축 3D 프린터의 압출기 일체형 프린트 헤드의 개략사시도 및 일부절개사시도이다.
도 2a 및 도 7을 함께 참조하면, 본 발명의 하나의 실시예의 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터는 필라멘트가 적층되어 조형물이 형성되는 작업 테이블(240); 3D 프린팅 재료를 적층하는 프린트 헤드(100); 상기 프린트 헤드를 5축 이상의 축 방향으로 구동하는 다축 구동수단(200)을 포함하고, 상기 압출기 일체형 프린트 헤드(100)는 회전동력을 발생하는 구동 모터(10); 3D 프린팅하기 위한 고형 재료를 공급하는 호퍼(20); 상기 호퍼가 일측에 설치된 압출실린더(31)에 압출스크류 (32)가 내장되고, 상기 구동 모터의 구동에 의해서 상기 호퍼(20)를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 압출하여 노즐부(60)로 이송하는 압출이송부 (30); 상기 3D 프린팅 재료를 용융하는 가열부(50); 및 상기 가열부(50)에서 용융된 3D 프린팅 재료를 필라멘트로 압출하면서 3D 조형물을 프린팅하는 노즐부(60)를 포함한다.
본 발명의 3D 프린터는 연결된 압출기 일체형 프린트 헤드를 이용하여 시간과 장소의 제약 없이 다양한 소재, 성상 및 색상의 소재를 바로 3D 프린팅할 수 있어, 전력 및 원료 비용 등이 절감되며, 소재의 급속 용융을 가능하게 하여 고속 3D 프린터의 상용화에 기여할 수 있고, 다축 프린팅에 의해서 여러 공정으로 분할되어 진행되던 공정을 하나의 공정으로 축약하여 공정 시간을 획기적으로 단축시키고 가공정밀도를 현저하게 향상시킬 수 있다.
상기 다축 구동수단(200)은 상기 프린트 헤드(100)를 3개의 축 방향으로 이동시키는 프린트 헤드 3축 구동부; 및 상기 프린트 헤드(100)를 상기 3축 가운데 임의의 2개 이상의 축 둘레로 회전시키는 프린트 헤드 회전구동부를 포함한다.
상기 3축 구동부는 상기 프린트 헤드(100)가 고정 지지되는 제1축 지지부(210); 상기 프린트 헤드를 제1축 지지부 상에서 제1축 방향으로 상대이동시키는 제1축 구동부(211); 상기 제1축 지지부를 양 끝단에서 지지하는 한 쌍의 제2축 지지부(220, 220′); 상기 제2축 지지부를 제2축 지지부 상에서 제1축 방향에 수직한 방향인 제2축 방향으로 상대이동시키는 제2축 구동부(221); 및 상기 작업 테이블을 제 3축 지지부(230) 상에서 제1축 방향 및 제2축 방향에 수직한 제3축 방향으로 상대이동시키는 제3축 구동부(231)를 포함한다. 상기 한 쌍의 제2축 지지부(220, 220′)들은 한 쌍의 지지프레임(250, 250′)에 각각 연결될 수 있다.
상기 프린트 헤드 회전구동부는 프린트 헤드(100)를 제1축 방향의 축둘레의 회전방향인 제4축 방향으로 회전시키는 제1 회전구동부(101); 및 상기 프린트 헤드를 제3축 방향의 축둘레의 회전방향인 제5축 방향으로 회전시키는 제2 회전구동부(102)를 포함한다.
본 발명의 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 3D 프린터는 작업 테이블(240)을 임의의 축 방향으로 회전시키는 작업 테이블 회전구동부(241, 242)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 작업 테이블 회전구동부(241, 242)는 상기 작업 테이블(240)을 제1축 방향의 축둘레의 회전방향으로 회전시키는 제3 회전구동부(241); 및 상기 작업 테이블(240)을 제3축 방향의 축둘레의 회전방향으로 회전시키는 제4 회전구동부(242)를 포함할 수 있다.
상기 제1축 지지부(210)는 상기 압출기 일체형 프린트 헤드(100)를 지지하는 구성이고, 상기 제2축 지지부(220, 220′)는 제1축 지지부(210)의 양 단부를 각각 지지하도록 상호 이격되게 위치한다. 도 2에 도시된 바와 같이 제1축 지지부(210)와 제2축 지지부(220, 220′)는 서로 연결되어 있다.
상기 제1축 구동부(211)는 모터와 볼스크류로 구성되어 상기 프린트 헤드(100)를 제1축 지지부 (210) 상에서 어느 하나의 축(제1축)방향으로 왕복운동시킨다. 본 실시예에서 상기 제1축 구동부(211)는 프린트 헤드(100)를 제1축 방향으로 왕복운동시키며, 제1축 구동부(211)에 의해 프린트 헤드(100)가 왕복운동하면서 조형물에 3D 프린팅 재료를 적층하여 프린팅가 된다. 제1축 구동부(211), 제2축 구동부(221) 및 제3축 구동부(231)는 모터와 볼스크인 실시예에 대하여 설명하였으나, 볼스크류 대신 타이밍벨트를 사용할 수도 있다. 모터는 회전을 위한 수단이고 볼스크류는 회전운동을 직선운동으로 변환하는 수단으로서 일반적인 기계구성에 속하므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
상기 제2축 지지부(220, 220′)는 지지프레임 (250, 250′)에 일정한 간격을 두고 나란히 고정되고, 한 쌍의 제2축 지지부(220, 220′) 사이에는 압출기 일체형 프린트 헤드(100)가 고정되는 제1축 지지부(210)가 고정된다. 상기 제2축 구동부(221, 221′)는 제1축 지지부 (210)를 제2축 방향(예컨대, Y축 방향)으로 상대이동시키는 구성이다. 상기 제2축 구동부(221, 221′)는 모터와 볼스크류로 구성된다. 본 실시예의 경우 제2축 구동부(221,221′)는 제1축 지지부(210)에 마련되어 프린트 헤드(100)를 제2축 방향으로 왕복운동하게 한다.
제3축 지지부(230)는 작업 테이블(240)을 제3축 방향으로 이동시키는 제3축 구동부(231)를 고정한다. 상기 제3축 구동부(231)는 상기 작업 테이블(240)을 제3축 방향으로 상대운동하도록 하는 구성이다. 상기 제3축 방향이란 제1축과 제2축에 의해 형성되는 가상의 평면(예컨대, X-Y 평면)에 수직인 방향이다. 다시 말해 제1축 방향과도 수직이고, 제2축 방향과도 수직인 방향이다. 상기 제3축 구동부(231) 역시 모터와 볼스크류로서 구성되거나, 타이밍벨트로 구성될 수 있다. 본 실시예에서 상기 제3축 구동부(231)는 작업 테이블(240)을 왕복운동시킴으로써 조형물이 프린트 헤드(100)에 대해서 상대적으로 이동하게 한다. 상기 작업 테이블(240)은 베이스 프레임(260) 위에 배치될 수 있다.
정리하면 제1축 구동부(211)와 제2축 구동부(221)는 프린트 헤드(100)를 직접적으로 이동시키고, 제3축 구동부(231)는 작업 테이블(240)을 이동시킴으로써 조형물이 프린트 헤드에 대해서 상대적으로 이동하도록 한다.
제1 회전구동부(101)는 상기 프린트 헤드(100)를 제1축을 중심으로 회전하도록 하는 구성으로서 모터와 감속기(미도시)로 구성된다. 본 실시예의 경우 압출기 일체형 프린트 헤드(100)를 회전하게 된다. 한편, 제2 회전구동부(102)는 상기 프린트 헤드(100)를 제3축을 중심으로 회전하도록 하는 구성으로서 모터와 감속기 (미도시)로 구성된다. 상기 제1 회전구동부(101) 및 제2 회전구동부 (102)는 압출기 일체형 프린트 헤드(100)의 회전 범위를 소정의 범위로 제한하는 완충기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 다축 프린팅은 압출기 일체형 프린트 헤드(100)가 제1축 둘레로 회전하거나, 제3축 둘레로 회전할 수 있고, 대안으로 작업 테이블(240)이 제2축 및 제3축 둘레로 회전할 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 압출기 일체형 프린트 헤드(100)는 제2축 둘레로 회전하고, 작업 테이블(240)은 제3축 둘레로 회전할 수 있다.
본 발명의 3D 프린터에서 상기 압출기 일체형 프린트 헤드(100)는 절삭 가공기로 교체가능하도록 구성될 수 있다. FDM 타입의 3D 프린팅은 조형물의 표면 조도가 높아서 표면상태가 거친 것이 약점인데, 프린트 헤드(100)를 5축 이상의 다축으로 자유롭게 움직일 수 있다면, 단순히 프린팅 재료를 적층하는 것에 그치지 않고, 적층 후에 표면 텍스처를 여러 방향에서 마무리하고, 더 나아가 절삭 가공기로 마무리할 수 있어, 조형물의 표면을 원하는 수준으로 만들 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예의 로봇암을 이용한 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터의 개략사시도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 프린트 헤드 3축 구동부는 다관절 로봇암(300)으로 구현될 수 있다. 이러한 다관절 로봇암(300)은 암들이 6축 다관절로 이루어져 좌우회전운동, 앞 위로 운동, 위아래로 운동, 좌우로 롤링운동, 위 아래로 벤딩운동, 좌우로 터닝운동을 포함한 총 6개의 움직임으로 공간상의 어떤 지점에도 도달할 수 있는 입체적인 3차원 동작이 가능한 6축 관절 로봇이 가능 하지만, 필요에 따라서는 4축, 또는 5축의 관절 로봇 등을 적용할 수도 있음은 물론이다.
나아가 상기 다관절 로봇암(300)의 암의 끝단부에는 압출기 일체형 프린트 헤드(100) 대신에 절삭용 공구(예컨대, 엔드밀)나 기타 밀링이나 커팅이 가능한 3차원 가공에 필요한 다양한 공구들이 장착될 수도 있다. 상기 다관절 로봇암(300)에는 절삭가공을 하기 위한 엔드밀이 착탈가능하게 연결되어, 다축 로봇 암을 회전축으로 사용하여 3D프린팅하거나 엔드밀을 장착하여 절삭가공을 함께 할 수 있도록 구성된다. 다관절 로봇암(300)에 고정되는 압출기 일체형 프린트 헤드는 절삭 공구로 교체할 수 있다. 이러한 실시예에서는 적층 조형과 절삭 가공을 순차적으로 또는 번갈아 진행하면서, 적층조형으로 복잡한 형상을 만들고, 절삭 기능으로 정밀도롤 높여 가공의 정밀도를 더욱 더 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예의 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터의 개략사시도이다. 도 6을 참조하면, 다른 실시예에서, 상기 3D 프린터는, 다양한 색상 또는 다양한 소재의 3D 프린팅 재료를 압출하기 위한 두 개 이상의 상기 호퍼, 상기 압출이송부 및 상기 노즐부로 구성되는 압출기 일체형 프린트 헤드 모듈들(110')과 이들 압출기 일체형 프린트 헤드 모듈들(110')을 거치하기 위한 다수의 삽입공(251)들을 갖는 작업 테이블(250)을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 3D 프린터에서는 다양한 재료 또는 색상의 재료들을 각각의 압출기 일체형 프린트 헤드 모듈들에 담아 놓고, 그때 그때 교체해서 사용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 다축 3D 프린터의 압출기 일체형 프린트 헤드의 개략사시도 및 일부절개사시도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예의 다축 3D 프린터의 압출기 일체형 프린트 헤드의 단면도 및 정면도이다.
상기 구동 모터(10)는 압출기 일체형 프린트 헤드(100)의 상단에 위치하며 외부로부터 전원을 인가받아 회전동력을 발생한다. 그리고 상기 구동 모터(10)가 발생한 회전동력은 압출이송부(30)의 압출스크류(32)에 전달되어 3D 프린팅 재료를 노즐부(60)로 이송하는데 사용된다.
상기 압출이송부(30)에는 압출용 압출스크류(32)가 내장되어, 상기 구동 모터(10)의 구동에 의해서 상기 호퍼(20)를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 혼합이송하며, 외부에 가열부가 배치되는 가열 구간(33) 및 출구 측에는 직경이 좁은 경사압출부(34)를 포함한다. 상기 압출이송부의 스크류(32)는 단일 스크류 또는 두 개 이상의 스크류를 포함할 수 있다. 이러한 경사압출부(34)의 직경(d)은 압출실린더의 직경(D)의 1/3 내지 1/2이 되도록 구성될 수 있다. 이와 같이 경사압출부(34)를 구성하면, 용융압출이 급속하게 이루어진 후, 3D 프린팅 재료의 유변학적 흐름을 개선하여, 압출 실린더 내부에서 발생하는 강한 배압(back pressure)을 극복하고 3D 프린팅 재료가 노즐부(60)로 전진하는데 큰 도움을 준다.
상기 호퍼(20)는 압출스크류(32)의 진행방향에 대해서 90도 내지 160도로 경사지게 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 호퍼(20)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 압출실린더에 연결되는 호퍼는 복수로 형성되어, 다양한 색상, 또는 다양한 재질의 프린팅 재료를 조합하여 프린팅할 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 가열부(50)는, 상기 압출실린더 외곽의 하나 이상의 가열 구간(33)에 설치된 단면 형상이 원형 또는 사각형인 유도 가열 튜브(51, 52)로 구성될 수 있다. 이와 같이 유도가열튜브(51, 52)는 일례로 중공형의 구리관으로 내부에 냉각용 냉각수가 순환되는 구조를 가질 수 있다. 이러한 가열부(50)의 유도가열튜브(51, 52)들은 압출실린더(31)의 경사압출부(34)의 바로 위의 가열 구간(33)과 경사압출부(34) 외곽의 가열 구간 중 하나 이상의 위치에 배치될 수 있다. 유도가열튜브(51, 52)는 도 5에 도시된 바와 같이, 두 개 이상 복수로 구성될 수 있는데, 이와 같이 복수로 구성될 경우에, 3D 프린팅 재료의 특성에 맞게 용융 정도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 분자량이 큰 소재의 경우에는 유도가열튜브 51, 52를 모두 사용해서 가열하는 것이 필요하고, 분자량이 작은 3D 프린팅 재료의 경우 노즐 끝에서 흘러 버리면 안 되기 때문에, 상부의 유도가열튜브 51만 사용하여 가열할 수도 있다. 상기 가열부(50)는 3D 프린팅 재료를 150도~450도 범위로 가열할 수 있도록 구성되는데, 가열부(50)의 유도가열튜브들(51, 52)은 고분자, 금속산화물, 금속전구체 분말, 또는 금속함유 고분자 복합체를 용융시킬 수 있도록 구성된다. 상기 가열부(50)는 노즐이 막히는 문제를 근본적으로 해결하고 3D 프린팅 재료의 용융 속도를 제어하기 위해서 불소 코팅될 수 있다.
또한, 압출기 일체형 프린트 헤드(100)는 3D 프린팅 재료의 유도 가열을 위한 자속을 발생시키는 유도가열튜브(51, 52)에 전류 펄스를 제공하는 전원(미도시); 및 상기 구동 모터(10), 압출용 스크류(32) 및 유도가열튜브(51, 52)에 대한 제어 신호를 발생시키는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 전원 및 상기 제어부는 압출기 일체형 프린트 헤드가 3D 프린터에 장착되는 경우에 3D 프린터의 전원 및 제어부와 공유할 수 있다.
압출기 일체형 프린트 헤드(100)의 노즐부(60)는 노즐을 압출 실린더에 연결하기 위한 노즐 연결 고정부재(61)와 가열부(50)에서 용융된 3D 프린팅 재료를 필라멘트로 압출함과 동시에 3D 조형물로 프린팅하는 토출노즐(62)로 구성된다. 이러한 토출노즐(62)은 불소, 불소 코팅 부재 또는 세라믹으로 구성될 수 있다. 상기 토출노즐(62)은 가열부(50) 내부에서 용융된 재료를 압출기 일체형 프린트 헤드(100)의 외부로 사출하면서 동시에 3D 조형물을 프린팅하기 위한 구성요소로, 상기 가열부(50)의 내부와 연통하도록 구성된다. 또한, 이러한 토출노즐(62)은 분리 및 조립이 가능하도록 구성된다.
상기 압출기 일체형 프린트 헤드(100)의 토출노즐(62)의 길이는 1 cm 내지 20 cm 범위 내이고, 상기 토출노즐(62)은 직경 0.5 mm 내지 2.5 mm의 범위의 노즐을 선택하여 사용할 수 있도록 교체 가능한 타입이다. 상기 토출노즐(62)의 길이는 재료의 냉각을 고려하여 압출실린더의 길이의 0.2배 내지 1배 정도의 길이로 형성될 수 있다. 필요에 따라서 상기 노즐부(60)의 외곽에는 냉각수가 순환되는 냉각코일이 설치될 수 있다.
다른 실시예에서, 본 발명의 다축 3D 프린터의 다른 실시예의 압출기 일체형 프린트 헤드의 가열부(50)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 탄소발열체 상부면과 연결되는 제1 전극(51a); 탄소발열체에 내장되는 온도센서(52a); 3D 프린팅 재료를 가열하는 탄소발열체(53a); 탄소발열체 외곽에 형성되는 절연부재(54a) 및 탄소발열체 하부면과 전기적으로 연결되는 제2 전극(55a)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제1 전극(51a)은 링형 전극이고, 제2 전극(55a)은 파이프형 전극일 수 있다.
가열부(50)가 탄소발열체로 구성되는 경우에, 상기 압출기 일체형 프린트 헤드(100)의 토출노즐(61a)은 불소, 불소 코팅 부재 또는 세라믹으로 구성될 수 있고, 특히 그 내부 또는 전체가 불소로 코팅될 수 있다. 토출노즐(61a)의 외측에는 압출된 필라멘트에 가열된 실린더의 열이 전달되지 않도록 차단하고 지지하는 단열 캡(62a)이 형성되는데, 체결 나사(63a)에 의해 압출실린더(31)에 고정된다.
도 11은 본 발명의 다축 3D 프린터의 압출기 일체형 프린트 헤드의 다른 실시예를 도시한 것이다. 도 11을 참조하면, 상기 호퍼(20)는 복수로 형성되고, 각각의 호퍼(21, 22, 23)는 모터(24)와 공급용 스크류(25) 및 예열히터(미도시)로 구성되고, 이러한 공급용 스크류(24)의 회전에 의해서 각각의 호퍼(21, 22, 23)로부터 공급되는 각각의 3D 프린팅 재료를 용융하여 압출실린더에 공급하는 예비압출부(24, 25)를 포함할 수 있다. 이러한 예비압출부에 의해서 다양한 소재의 원활한 물리화학적 블렌딩이 가능하다. 또한, 대형 압출기에 의해서 압출된 필라멘트를 스풀에 감아서 사용하는 기존의 3D 프린터에서는 필라멘트 용융 시 필라멘트를 중간에 정확하게 절단하는 것이 어렵고, 압출기 내부에서 서로 상이한 필라멘트가 혼합되어 혼합색의 그래디언트가 생기는 문제점이 있는데, 압출기 일체형 프린트 헤드에서는 분말, 과립, 비드 또는 펠렛 상의 재료를 즉석에서 필라멘트로 압출해서 바로 3D 프린팅에 이용하기 때문에, 혼합색의 그래디언트가 생기지 않도록 색상 매치를 할 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 필라멘트 제조 장치에서 호퍼(20)가 복수로 형성되는 경우에, 상기 압출이송부(30)는 내부에 배합용 스크류(311)가 장착되어, 복수의 호퍼를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 혼합해 주는 배합부(310); 압출부(330)의 열이 배합부(310)로 전달되지 않도록 차단하는 단열부(320); 및 상기 배합부(310)에서 배합된 3D 프린팅 재료를 전달받아 예비가열 및 압출하는 압출부(330)로 구성될 수 있다. 배합부(310)의 하단에는 배합부(310)에서 혼합된 3D 프린팅 재료가 완전하게 배합되기 전에 압출부(330) 내로 이동하는 것을 통제하고, 배합이 완료된 후에 압출부(320)로 이동하도록 하는 디스크 게이트 (미도시)가 설치될 수 있다. 상기 압출부(330)에는 압출용 압출스크류 (331)가 내장되어, 상기 구동 모터(10)의 구동에 의해서 상기 호퍼(20)를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 혼합이송하며, 외부에 가열부가 배치되는 가열 구간(333) 및 출구 측에는 직경이 좁은 경사압출부(334)를 포함하고, 이러한 경사압출부(334)의 직경(d)은 압출스크류 직경(D)의 1/3 내지 1/2이 되도록 구성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 가열부(50)가 탄소발열체로 구성되는 실시예에서도, 상기 압출실린더(31)에 연결되는 호퍼(20)는 복수로 형성되고, 각각의 호퍼는 모터(24)와 공급용 스크류(25)로 구성되고, 이러한 공급용 스크류(25)의 회전에 의해서 호퍼로부터 공급되는 각각의 3D 프린팅 재료를 용융하여 압출실린더에 공급하는 예비압출부를 포함할 수 있다. 이때, 상기 압출이송부는 도 11에 도시된 바와 같이, 내부에 배합용 스크류(311)가 장착되어, 복수의 호퍼를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 혼합해 주는 배합부(310); 압출부의 열이 배합부(310) 내의 3D 프린팅 재료에 전달되지 않도록 차단하는 단열부(320); 및 상기 배합부(310)에서 배합된 3D 프린팅 재료를 전달받아 압출용 스크류(331)를 이용하여 3D 프린팅 재료를 예비가열 및 압출하는 압출부(330)로 구성된다. 상기 배합부(310)의 하단에는 디스크 게이트(312)가 배치되어, 배합부(310)에서 혼합된 3D 프린팅 재료가 완전하게 배합되기 전에 압출부(330) 내로 이동하는 것을 통제하고, 배합이 완료된 후에 압출부(330)로 이동하도록 한다. 이러한 디스크 게이트(312)에 의해서 혼합색의 그래디언트가 생기지 않도록 색상을 매치할 수 있다. 상기 디스크 게이트(312)는 디스크 면에 다수의 3D 프린팅 재료를 전달하기 위한 홀이 형성된 2개의 디스크로 구성되고, 2개의 디스크 상의 홀의 위치가 일치되는 경우에는 3D 프린팅 재료가 이동되고, 상기 홀들의 위치가 엇갈리는 경우에는 3D 프린팅 재료의 이동이 통제된다.
본 발명의 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터에서, 상기 호퍼(20), 상기 압출이송부(30), 가열부(50) 및 노즐부(60)는 하나의 모듈(120)로 구성되어, 3D 프린터 본체와 탈부착이 가능하도록 구성될 수 있다. 압출기 일체형 프린트 헤드(100)의 구동 모터(10)는 3D 프린터에 고정될 수 있다. 따라서 3D 프린팅 재료를 다양한 직경의 필라멘트 상으로 자유자재로 압출하여 바로 3D 프린팅할 수 있고, 노즐이 막혀 사용할 수 없을 때 노즐만 교체하여 사용 가능하고 각각의 파트가 분리되도록 구성되어 수리, 및 유지 보수가 쉬운 장점이 있다.
가열부를 탄소히터로 구성하는 실시예에서는, 3D 프린팅 재료의 압출을 위한 호퍼(20), 압출이송부(30), 가열부(50) 및 노즐부(60)는 하나의 모듈(120)로 분리구성되어 3D 프린터에 탈부착할 수 있도록 구성된다. 3D 프린터의 본체에는 제1축 구동부, 제2축 구동부, 및 제3축 구동부가 구비되는데, 압출기 일체형 프린트 헤드는, 하나의 축 방향의 축구동부에 고정될 수 있다. 상기 축구동부에 고정된 구동 모터(10)와 상기 압출기 모듈(120)은 다양한 방식으로 서로 체결될 수 있는데, 일례로, 나사 결합될 수 있다. 본 발명에서 가열부(50)를 탄소 히터로 구성하는 경우에도, 필요에 따라서 압출실린더의 외주면에 별도의 유도가열튜브를 설치할 수도 있다.
다른 실시예에서, 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터는 소재, 성상, 또는 색상이 상이한 3D 프린팅 재료를 동시에 압출할 수 있도록 다중-스크류 압출기로 구성될 수 있다. 즉, 압출기 일체형 프린트 헤드는 하나의 하우징 안에 세그멘트로 구획되어 서로 다른 소재를 압출하기 위한 각각의 압출용 실린더 및 스크류가 포함되고, 호퍼도 별개로 연결될 수 있다. 또한, 토출노즐도 2개 이상의 멀티 노즐로 구성하고, 멀티 노즐을 구동함으로써 경제적으로 제작비용 및 구동비용을 절감할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 본 발명의 다축 3D 프린터는, 도 13에 도시된 바와 같이, 5축 프린트 헤드(100)와 함께 엔드밀과 같은 절삭가공기(400)를 함께 사용하여 적층과 절삭가공을 함께 할 수 있도로 구성될 수 있다. 엔드밀과 같은 절삭가공기(400)와 압출기 일체형 프린트 헤드(100)는 공동의 회전축을 중심으로 회전 구동하되, 각각 별도의 구동 수단(모터 블록)에 의해서 회전구동될 수 있다. 프린터헤드(100)는 모터블럭(122)에 의해서 회전구동되고, 절삭가공기(400)는 모터블럭(410)에 의해서 회전구동될 수 있다. 이와 같이 구성되는 경우에 적층과 절삭이 동시에 진행되어, 하나의 부분에서는 적층이 이루어지고, 인접하는 다른 부분에서는 절삭이 진행되거나, 적층 후 절삭가공기를 통해서 표면을 매끄럽게 가공할 수도 있다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예의 압출기 일체형 3D 프린터의 개략사시도이다. 또 다른 실시예에서, 도 14에 도시된 바와 같이, 압출기 일체형 프린트 헤드(100)와 절삭가공기(400)는 각각 독립적으로 구성되도록 이격되어 배치되고, 작업테이블(240)이 베이스 프레임(260) 위에서 압출기 일체형 프린트 헤드(100)와 절삭가공기(400) 사이를 왕복이동하도록 구성될 수도 있다. 작업 테이블(240)을 이동시키기 위한 수단은 작업 테이블 이송용 랙(245)과 작업 테이블 이송용 랙 상에서 작업 테이블(240)을 슬라이딩 되게 구동하는 작업 테이블 구동 모터블럭(247)을 구비할 수 있다. 이러한 실시예의 3D 프린터에서는 3D 프린터로 프린팅을 완료한 후, 프린트물이 놓여진 작업 테이블(240)을 절삭가공기(400)이 있는 쪽으로 슬라이딩시켜서, 엔드밀과 같은 절삭가공기(400)로 절삭 가공할 수 있다. 이러한 실시예에서는 프린트 헤드(100)와 절삭가공기(400)를 독립적으로 구동할 수 있도록 하여 3D 프린팅과 절삭가공을 동시에 할 수 있도록 하여 작업효율을 극대화하거나 몇 개의 축은 공동으로 제어될 수 있도록 하여 시스템 제작비를 절감할 수 있도록 할 수 있다.
이하에서 본 발명의 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터의 동작을 설명한다. 우선 프린팅 대상물과 동일한 모형을 설계 프로그램을 이용하여 제작한다. 이때 3D 프린터를 이용한 프린팅시 프린팅 대상물은 에지캠에서 미리 계산된 이동경로를 따라 이동하게 되며, 이때 프린팅 대상물과 프린트 헤드 사이의 상대이동 및 회전은 제2축 구동부 및 제3축 구동부, 제1 회전구동부 및 제2 회전구동부에 의하게 되고 프린트 헤드의 왕복 운동은 제1축 구동부에 의하게 된다. 구동 모터(10)는 압출용 실린더(31)의 외부에 위치하며, 압출용 실린더(31)에 결합한다. 구동 모터(10)는 전원(미도시)에 의하여 전력을 공급받고, 공급된 전력을 이용하여 압출용 압출스크류(32)를 회전시킬 수 있다. 압출스크류(32)는 고속으로 회전하면서 공급된 분말 또는 펠렛 상의 3D 프린팅 재료를 혼합해 준다. 압출 실린더(31) 내부에 3D 프린팅 재료가 삽입된 상태에서 압출기 일체형 프린트 헤드(100)를 동작시키게 되면, 구동 모터(10)는 회전동력을 발생하여 압출용 압출스크류(32)를 회전시키게 된다. 이때 가열부(50)는 압출실린더 또는 그 외부에 독립적으로 설치된 유도 가열튜브 또는 탄소발열체에 의해서 짧은 시간에 3D 프린팅 재료를 녹일 수 있다. 용융된 3D 프린팅 재료는 토출노즐(62)을 통해서 압출되어 3D 조형물을 형성한다.
본 발명의 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터는 3D 프린터에 연결 시에, 전력의 손실을 줄이고 고형 재료를 안정적이며 빠른 속도로 바로 3D 프린팅할 수 있게 한다. 나아가, 노즐부의 교체에 의해서, 노즐부의 직경 사이즈를 조절함으로써 용융토출되는 재료의 양을 조절하여 3D 프린팅의 적층 속도를 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명을 그 특정의 예시적인 실시예를 참조하여 상세하게 설명하였다. 그러나 이하의 청구항에서 설명되는 바와 같이 본 발명의 더 넓은 취지 및 범위에서 벗어나지 않고 이에 각종 변형 및 변경이 있을 수 있다는 것은 자명하다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 이하의 청구범위 및 그와 균등한 범위로 정해져야 한다.
100: 압출기 일체형 프린트 헤드
101: 제1 회전구동부 102: 제2 회전구동부
200: 다축 구동 수단
210: 제1축 지지부 211: 제1축 구동부
220, 220': 제2축 지지부 221, 221': 제2축 구동부
230: 제3축 지지부 231: 제3축 구동부
250, 250': 지지프레임
240: 작업 테이블
241: 제3 회전구동부 242: 제4 회전구동부
10: 구동 모터 20: 호퍼
30: 압출이송부 50: 가열부
60: 노즐부

Claims (15)

  1. 조형물을 거치하는 작업 테이블; 3D 프린팅 재료를 적층하는 프린트 헤드; 및 상기 프린트 헤드를 다수의 축 방향으로 구동하는 다축 구동수단을 포함하고, 상기 프린트 헤드는 회전동력을 발생하는 구동 모터; 3D 프린팅하기 위한 고형 재료를 공급하는 호퍼; 상기 호퍼가 일측에 설치된 압출실린더에 압출스크류가 내장되고, 상기 구동 모터의 구동에 의해서 상기 호퍼를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 압출하여 노즐부로 이송하는 압출이송부; 상기 3D 프린팅 재료를 용융하는 가열부; 및 교체가 가능한 토출노즐을 구비하여, 상기 가열부에서 용융된 3D 프린팅 재료를 필라멘트로 압출하면서 3D 조형물을 프린팅하는 노즐부를 포함하고,
    상기 다축 구동수단은 상기 프린트 헤드를 3개의 축 방향으로 이동시키는 프린트 헤드 3축 구동부; 및 상기 프린트 헤드를 상기 3축 가운데 임의의 2 개 이상의 축 둘레로 회전시키는 프린트 헤드 회전구동부를 포함하고,
    상기 가열부는 상기 압출실린더 외곽 또는 그 내부에 하나 이상의 가열 구간에 설치된 유도 가열 장치인 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프린트 헤드 3축 구동부는 상기 프린트 헤드가 고정 지지되는 제1축 지지부; 상기 프린트 헤드를 제1축 지지부 상에서 제1축 방향으로 상대이동시키는 제1축 구동부; 상기 제1축 지지부를 양 끝단에서 지지하는 한 쌍의 제2축 지지부; 상기 제2축 지지부를 제2축 지지부 상에서 제1축 방향에 수직한 방향인 제2축 방향으로 상대이동시키는 제2축 구동부; 및 상기 작업 테이블을 제3축 지지부 상에서 제1축 방향 및 제2축 방향에 수직한 제3축 방향으로 상대이동시키는 제3축 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 프린트 헤드 회전구동부는 상기 프린트 헤드를 제1축 방향의 축둘레의 회전방향인 제4축 방향으로 회전시키는 제1 회전구동부; 및 상기 프린트 헤드를 제3축 방향의 축둘레의 회전방향인 제5축 방향으로 회전시키는 제2 회전구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 3D 프린터는 상기 작업 테이블을 두 개 이상의 축 방향으로 회전시키는 작업 테이블 회전 구동부를 포함하고, 상기 작업 테이블 회전구동부는 상기 작업 테이블을 제1축 방향의 축둘레의 회전방향으로 회전시키는 제3 회전구동부; 및 상기 작업 테이블을 제3축 방향의 축둘레의 회전방향으로 회전시키는 제4 회전구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 프린트 헤드 3축 구동부는 다관절 로봇암인 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다관절 로봇암에는 절삭가공을 하기 위한 엔드밀이 착탈가능하게 연결되어, 다축 로봇 암을 회전축으로 사용하여 3D프린팅하거나 엔드밀을 장착하여 절삭가공을 함께 할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 프린트 헤드는 절삭 가공기로 교체가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 압출이송부는 출구 측에 직경이 좁은 경사압출부를 포함하고, 이러한 경사압출부의 직경은 압출실린더의 직경의 1/3 내지 1/2이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  9. 제8항에 있어서, 상기 가열부는 압출실린더의 경사압출부 바로 위의 가열 구간과 경사압출부 외곽 또는 내부의 가열 구간 중 하나 이상에 설치되는 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  10. 제1항에 있어서, 상기 압출실린더에 연결되는 호퍼는 복수로 형성되고, 각각의 호퍼는 모터와 공급용 스크류로 구성되고, 이러한 공급용 스크류의 회전에 의해서 호퍼로부터 공급되는 각각의 3D 프린팅 재료를 용융하여 압출실린더에 공급하는 예비압출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  11. 제1항에 있어서, 상기 압출이송부는 내부에 배합용 스크류가 장착되어, 복수의 호퍼를 통해서 공급되는 3D 프린팅 재료를 혼합해 주는 배합부; 압출부의 열이 배합부로 전달되지 않도록 차단하는 단열부; 및 상기 배합부에서 배합된 3D 프린팅 재료를 전달받아 예비가열 및 압출하는 압출부로 구성되는 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  12. 제1항에 있어서, 상기 가열부는 탄소발열체 상부면과 연결되는 제1 전극; 탄소발열체에 내장되는 온도센서; 3D 프린팅 재료를 가열하는 탄소발열체; 탄소발열체 외곽에 형성되는 절연부재 및 탄소발열체 하부면과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  13. 제1항에 있어서, 상기 노즐부는 그 내부 또는 전체가 불소로 코팅된 노즐; 및 상기 압출실린더에 체결나사에 의해서 고정되고, 압출된 필라멘트에 가열된 압출실린더의 열을 차단하고 노즐을 지지하는 단열캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  14. 제1항에 있어서, 상기 토출노즐은 직경 0.5 mm 내지 2.5 mm의 범위의 노즐을 선택하여 사용할 수 있도록 교체 가능한 타입인 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
  15. 제1항에 있어서, 상기 구동 모터, 상기 호퍼, 상기 압출이송부 및 상기 노즐부는 하나의 모듈로 구성되어, 3D 프린터의 본체와 탈부착이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 압출기 일체형 프린트 헤드를 구비하는 다축 3D 프린터.
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109940886A (zh) * 2019-03-27 2019-06-28 沈阳建筑大学 一种六轴复合无间断3d打印机
CN110193932A (zh) * 2019-06-28 2019-09-03 青岛科技大学 一种彩色3d打印装置
CN110901064A (zh) * 2019-12-19 2020-03-24 广东凯宝机器人科技有限公司 一种新型3d打印机
KR102122701B1 (ko) * 2020-03-03 2020-06-26 숭실대학교산학협력단 절삭부가 결합된 3차원 프린터
CN111590915A (zh) * 2020-06-30 2020-08-28 深圳技术大学 一种桌面式单螺杆挤出与3d打印一体样机
CN111685365A (zh) * 2019-03-13 2020-09-22 秦皇岛烟草机械有限责任公司 一种烟支3d打印机
CN113059190A (zh) * 2021-03-12 2021-07-02 哈尔滨工业大学 一种液态金属微尺度4d打印机
KR102328517B1 (ko) * 2020-11-30 2021-11-18 주식회사 피스티스 금속 3d 프린터
KR102372002B1 (ko) * 2020-09-24 2022-03-08 재단법인 한국탄소산업진흥원 3d 프린터용 섬유강화소재 압출 노즐 장치
KR102388709B1 (ko) * 2021-12-02 2022-04-20 한국건설기술연구원 유도가열에 의한 시멘트계 복합재료의 응결시간 및 유동성 조절 구성의 건설구조물 구축용 3d 프린팅 노즐 장치 및 이를 구비한 3d 프린팅 장치
CN115195119A (zh) * 2022-06-27 2022-10-18 厦门斯玛特工业设计有限公司 一种3d打印机
CN115700179A (zh) * 2022-10-27 2023-02-07 无锡有田五维增材科技有限公司 脉冲式3d打印机
CN116728778A (zh) * 2023-07-17 2023-09-12 北京科技大学 一种玄武岩纤维复合材料3d打印工艺设备

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102200426B1 (ko) * 2019-11-29 2021-01-08 주식회사 스쿱 서포터가 구비된 3차원 프린터

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990076936A (ko) * 1995-12-31 1999-10-25 히로시 다케우치 금형레스 성형방법 및 장치
KR20110136675A (ko) * 2010-06-14 2011-12-21 한라공조주식회사 탄소나노튜브 발열체를 이용한 히터
CN103847101A (zh) * 2014-02-26 2014-06-11 珠海天威飞马打印耗材有限公司 三维打印机
CN103878980A (zh) * 2014-03-21 2014-06-25 浙江大学 一种可更换喷头的三维打印机
KR101432121B1 (ko) * 2013-06-25 2014-08-20 주식회사 오픈크리에이터즈 3차원 프린터용 노즐 어셈블리

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990076936A (ko) * 1995-12-31 1999-10-25 히로시 다케우치 금형레스 성형방법 및 장치
KR20110136675A (ko) * 2010-06-14 2011-12-21 한라공조주식회사 탄소나노튜브 발열체를 이용한 히터
KR101432121B1 (ko) * 2013-06-25 2014-08-20 주식회사 오픈크리에이터즈 3차원 프린터용 노즐 어셈블리
CN103847101A (zh) * 2014-02-26 2014-06-11 珠海天威飞马打印耗材有限公司 三维打印机
CN103878980A (zh) * 2014-03-21 2014-06-25 浙江大学 一种可更换喷头的三维打印机

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111685365A (zh) * 2019-03-13 2020-09-22 秦皇岛烟草机械有限责任公司 一种烟支3d打印机
CN109940886A (zh) * 2019-03-27 2019-06-28 沈阳建筑大学 一种六轴复合无间断3d打印机
CN110193932A (zh) * 2019-06-28 2019-09-03 青岛科技大学 一种彩色3d打印装置
CN110193932B (zh) * 2019-06-28 2023-12-29 青岛科技大学 一种彩色3d打印装置
CN110901064A (zh) * 2019-12-19 2020-03-24 广东凯宝机器人科技有限公司 一种新型3d打印机
KR102122701B1 (ko) * 2020-03-03 2020-06-26 숭실대학교산학협력단 절삭부가 결합된 3차원 프린터
CN111590915A (zh) * 2020-06-30 2020-08-28 深圳技术大学 一种桌面式单螺杆挤出与3d打印一体样机
KR102372002B1 (ko) * 2020-09-24 2022-03-08 재단법인 한국탄소산업진흥원 3d 프린터용 섬유강화소재 압출 노즐 장치
KR102328517B1 (ko) * 2020-11-30 2021-11-18 주식회사 피스티스 금속 3d 프린터
EP4005703A1 (en) * 2020-11-30 2022-06-01 Pistis Co., Ltd. Metal 3d printer
CN113059190A (zh) * 2021-03-12 2021-07-02 哈尔滨工业大学 一种液态金属微尺度4d打印机
KR102388709B1 (ko) * 2021-12-02 2022-04-20 한국건설기술연구원 유도가열에 의한 시멘트계 복합재료의 응결시간 및 유동성 조절 구성의 건설구조물 구축용 3d 프린팅 노즐 장치 및 이를 구비한 3d 프린팅 장치
CN115195119A (zh) * 2022-06-27 2022-10-18 厦门斯玛特工业设计有限公司 一种3d打印机
CN115700179A (zh) * 2022-10-27 2023-02-07 无锡有田五维增材科技有限公司 脉冲式3d打印机
CN116728778A (zh) * 2023-07-17 2023-09-12 北京科技大学 一种玄武岩纤维复合材料3d打印工艺设备
CN116728778B (zh) * 2023-07-17 2024-02-27 北京科技大学 一种玄武岩纤维复合材料3d打印工艺设备

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