KR20190016725A - 3d 프린터의 하부 베드 - Google Patents

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KR20190016725A
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Abstract

본 발명은 3D 프린터의 하부 베드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린터의 분사 노즐을 통해 분사되는 분사액의 온도에 맞춰 하부 베드가 가열될 수 있도록 하여, 온도차이에 따른 형상의 변형을 최소화하기 위한 3D 프린터의 하부 베드에 관한 것으로서,
3D 프린터의 노즐부와 운전부를 지지하는 구조본체와, 상기 구조 본체의 하부 베이스를 형성하며 상기 노즐부에서 공급되는 분사액이 적층되어 물품이 형성되는 하부 베드로 구성되는 바디부와, 상기 바디부에 장착되어 노즐부를 전후좌우 및 상하로 이동시키는 운전부와, 상기 운전부에 장착되어 전후좌우 및 상하로 움직이면서 분사액을 분사하는 노즐부로 구성되는 3D 프린터의 하부 베드에 있어서, 상기 하부 베드는, 하판; 상기 하판의 상부에 부착 또는 안착되는 발열체와, 상기 발열체의 상부에서 상기 발열체를 고정하며, 발열체에서 발생된 열을 받는 상판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 하부 베드를 제공한다.

Description

3D 프린터의 하부 베드{A LOWER BED OF 3D-PRINTER}
본 발명은 3D 프린터의 하부 베드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 프린터의 노즐을 통해 분사되는 분사액의 온도에 맞춰 하부 베드가 가열될 수 있도록 하여, 온도차이에 따른 형상의 변형을 최소화하기 위한 3D 프린터의 하부 베드에 관한 것이다.
최근 디지털산업(digital industry)의 기술집약으로 3차원 데이터 작업(3D data work)이 원활해 졌고, 주변기기 기술의 발전과 함께 3D 프린팅 관련기술의 원천특허권이 만료되면서, 구동력을 얻은 3D 프린팅 기술이 전 세계적으로 주목받고 있다.
또한, 소품종 대량생산에서 다품종 소량생산으로 개개인의 맞춤형 제품생산서비스가 일반화되고 있는 지금의 유통구조 특성상, 이런 흐름의 중심에 있는 것이 3D 프린터이다.
이러한 상기 3D 프린터(Printer)는, 입체 물품을 만드는 방식에 따라 적층형(첨가형 또는 쾌속조형)과 절삭형(컴퓨터 수치제어 조각)으로 구분한다. 이 중, 상기 적층형은 파우더(석고, 나일론 등의 가루)나 플라스틱 액체 또는 플라스틱 실을 종이보다 얇은 0.01~0.08㎜의 층(layer, 이하 "레이어"라 함)으로 겹겹이 쌓아 입체 물품을 만들어내는 방식으로써, 상기 레이어가 얇을수록 정밀한 형태를 얻을 수 있고 채색을 동시에 진행할 수 있으며, 지금까지 가장 널리 소개되며 활용되고 있는바, 주로 쓰이는 소재와 출력(적층) 방식에 따라 나누고 국제 표준으로 ISO TC261(Additive Manufacturing)와 ASTM F42(Additive Manufacturing)에서 아래의 표와 같이 분류된다.
일반적으로 3D 프린터는 소재(열가소성 플라스틱)를 고온에서 녹이고 압출하여 적층하는 소재압출(Material Extrusion) 방식은, 일반적으로 FDM(Fused Deposition Modeling) 혹은 FFF(Fused Filament Fabrication) 방식으로 불리우며, 상대적으로 구조가 간단하고 제작하기 쉬워 많은 업체들이 이 방식으로 3D 프린터를 제조하고 있다.
특히, 1992년 특허권의 만료로 FDM 방식의 3D 프린터는 현재 100만원 미만의 제품이 출시될 정도로 대중화되었으며, 최근에는 고해상도 Polyjet 방식의 3D 프린터가 높은 정밀도를 내세우며 시장을 넓혀가고 있고, 레이저를 이용한 SLS(Selective Laser Sintering) 방식의 3D 프린터 특허권 역시 최근 만료됨에 따라 산업분야별 3D 프린터 활용사례도 늘어나고 있다. 기관마다 조금씩 다르지만 지난 25년간 시장규모는 연평균 25% 이상 성장하였으며, 전 세계 3D 프린팅 관련시장 규모의 전망은 2019년 약 130억 달러(한화 약 13조)에 달할 것으로 예측하고 있다.
그리고, 헤드(노즐)로부터 압출되는 원료(소재)의 적층방향은 3D 프린터 각각의 출력방식에 따라 달라지지만, 보통 입체 물품이 출력(형상화)되는 하부 베드(lower bed)의 위치에 의해 결정되며, 최초에 쌓인 레이어의 그 위로 새로운 레이어들이 다른 방법으로 중첩 및 적층하며 출력물을 생성해 나가게 되는 것이다.
3D 프린터의 분사 노즐에서 분사되는 분사액 재료는 일반적으로 고온의 폴리머 액으로서 대략 300℃ 정도의 고온상태이다. 고온상태에서 하부 베드로 분사되기 때문에 하부 베드의 온도와 분사액의 온도가 차이가 많이 나는 경우 프린팅되는 물품의 변형이 생겨 제품 정밀도가 많이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.
(문헌 1) 공개특허공보 10-2015-0115177(2015.10.14) (문헌 2) 등록특허공보 10-1662894(2016.09.28) (문헌 3) 공개특허공보 10-2017-0074059(2017.06.29)
본 발명의 목적은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 3D 프린터의 하부 베드에 발열체를 장착하여 분사노즐을 통해 분사되는 재료의 온도에 맞춰 가열해 줌으로써, 하부 베드와 분사되는 재료간의 온도 차이를 줄여 완성되는 물품의 변형을 최소화할 수 있는 3D 프린터의 하부 베드를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 3D 프린터의 노즐부와 운전부를 지지하는 구조본체와, 상기 구조 본체의 하부 베이스를 형성하며 상기 노즐부에서 공급되는 분사액이 적층되어 물품이 형성되는 하부 베드로 구성되는 바디부와, 상기 바디부에 장착되어 노즐부를 전후좌우 및 상하로 이동시키는 운전부와, 상기 운전부에 장착되어 전후좌우 및 상하로 움직이면서 분사액을 분사하는 노즐부로 구성되는 3D 프린터의 하부 베드에 있어서, 상기 하부 베드는, 하판; 상기 하판의 상부에 부착 또는 안착되는 발열체와, 상기 발열체의 상부에서 상기 발열체를 고정하며, 발열체에서 발생된 열을 받는 상판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 하부 베드를 제공한다.
본 발명의 발열체는 카본면상발열체인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상판은 강화유리로 구성되고, 상기 물품의 탈착이 용이하도록 표면조도가 최대높이(Rmax) 5 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상판에는, 분사액의 온도에 따라 발열체의 발열 온도를 높일 수 있도록 센서가 부착되고, 상기 센서에 의해 측정된 신호에 따라 발열체를 제어하는 컨트롤러가 장착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하판은, 발열체에서 발생된 열의 방출을 막기 위해 진공패널 또는 단열패널로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 분사노즐에서 분사되는 3D 프린팅 재료의 온도에 맞춰 하부 베드가 가열되기 때문에, 제품의 변형을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 하부 베드의 온도를 제어할 수 있는 컨트롤러가 부착되어 3D 프린팅 재료에 능동적으로 대처할 수 있어서, 제품의 정밀도를 높일 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 하부 베드의 하부에 진공패널 또는 단열패널로 이루어진 하판의 상부에 발열체가 부착되기 때문에 에너지의 방출을 최소화할 수 있다는 장점을 가진다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 3D 프린터의 하부 베드가 구비된 전체 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 3D 프린터의 하부 베드의 사시도.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선, 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
첨부도면 중, 도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 3D 프린터의 하부 베드가 구비된 전체 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 3D 프린터의 하부 베드의 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 3D 프린터(A)는, 기기의 본체로써 입체 물품의 출력공간이 내측에 마련된 바디부(10)와, 상기 바디부(10)에 연계장착된 상태로 X, Y, Z축으로 좌표이동을 하며 공급되는 원료를 적층하여 입체 물품을 조형(출력)하는 노즐부(30)와, 상기 바디부(10)에 연계설치되고 상기 노즐부(30)가 장착되며 기설정된 프로그램에 의거하여 상기 노즐부(30)를 X, Y, Z축으로 이동시키는 운전부(20)를 포함하여 구성된다.
바디부(10)는, 3D 프린터용 소재(이하 "원료"라 함)를 공급하는 노즐부(30) 및 상기 노즐부(30)의 좌표이동 관련장치들의 연계장착/설치와 더불어 좌표이동을 하며 원료를 공급시킴에 의해 만들어지는 입체 물품의 출력공간 마련을 위한 기기본체가 되는 것으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 하부프레임(11), 상부프레임(13) 및 하부프레임(11)과 상부프레임(13)을 서로 연결하는 측면 프레임(12)으로 구성된다. 하부프레임(11)과 상부프레임(13)은 내측에 공간이 마련되도록 가장자리쪽으로 연결되어 형성된다.
또한, 상기 노즐부(30)로부터 압출되는 원료의 적층 및 이의 반복에 따라 정해진 크기로 입체 물품이 조형화되는 하부 베드(lower bed, 14)가 하측 내부에 구비되고, 기기의 구동 및 구동 설정을 위한 컨트롤러(도시하지 않음)가 내장된 컨트롤박스(control box, 16)가 일측 외부에 장착된다.
아울러, 기기 이동의 편의를 위한 캐스터(caster, 15)가 하측 저부(低部, bottom)에 다수 장착구비될 수 있다.
노즐부(30)는, 피딩라인(feeding line)(31)에서 공급되는 원료를 적층시켜 입체 물품이 형상화되는 3D 프린팅을 위한 프린트 헤드(print head) 역할을 하는 것으로, 상기 피딩라인(31)으로부터 공급되는 원료를 정해진 압력으로 일정하게 분사시킴에 용이한 분사노즐(injection nozzles)(32)과, 상기 분사노즐(32)로 원료 공급을 위한 피딩라인(31)으로 구성된다.
운전부(20)는, 노즐부(30)로부터 분사되는 원료의 적층으로 조형되는 입체 물품이 정해진 형상과 모양이 되도록 상기 노즐부(30)를 기설정된 프로그램에 의거 X, Y, Z축으로 이동시켜주는 수단이 되는 것으로, 상기 컨트롤러에 기설정된 프로그램에 의거 구동하는 한편, 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 바디부(10) 내측에 위치한 상태로 노즐부(30)를 Z축으로 이동시켜주는 제1드라이브어셈블리(21)와, 상기 바디부(10) 상측에 설치된 상태로 상기 노즐부(30)가 장착된 제1드라이브어셈블리(21)를 Y축으로 이동시켜주는 제2드라이브어셈블리(22)와, 상기 제1드라이브어셈블리(21)와 제2드라이브어셈블리(22)에 연계된 상태로 상기 노즐부(30)가 장착된 제1드라이브어셈블리(21)를 X축으로 이동시켜주는 제3드라이브어셈블리(23)로 구성된다.
제1드라이버어셈블리(21)는 노즐부(30)를 상하 즉, Z축으로 이동시키기 위한 구성으로서, 제1드라이버어셈블리(21)는 모터와 모터에 의해 구동되는 회전축으로 구성된다. 제1드라이버어셈블리(21)의 모터에 의해 회전축이 움직임에 따라 Z축 플레이트(21-2)가 상하 즉, Z축상으로 가이드(21-1)를 따라서 움직임에 따라 노즐부(30)가 Z축으로 움직일 수 있게 된다.
제2드라이버어셈블리(22)는 노즐부(30)를 Y축 상으로 움직일 수 있도록 하기 위한 구성으로서 모터와 회전축으로 구성된다. 제2드라이버어셈블리(22)의 모터가 구동됨에 따라 Y축 플레이트(22-2)가 가이드(22-1)를 따라 움직이게 되고, 그에 따라 노즐부(30)는 Y축 상으로 전후진하면서 움직일 수 있게 된다. 제2드라이버어셈블리(22)는 상부프레임(13)의 X축 상에 설치되는 X축 플레이트(22-3)에 고정 장착되어, 제2드라이버어셈블리(22)가 가동됨에 따라 Y축 플레이트(22-2)가 Y축으로 움직일 수 있게 되고, 그에 따라 노즐부(30)가 Y축을 따라 전후진하면서 이동하게 된다.
제3드라이버어셈블리(23)는 상부프레임(13)의 X축을 이루는 어느 일측에 형성되고, 모터와 모터에 의해 회전하는 회전축으로 구성된다. 상부프레임(13)의 X축을 이루는 양측에 가이드(23-1)이 형성되고, 상기 가이드(23-1)를 따라 이동하는 X축 플레이트(22-3)는 X축을 따라 전후진하게 된다.
도 3은 하부 베드(14)를 도시한 사시도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 하부 베드(14)는 상판(14-1)과, 상판(14-1)의 하부에 부착 또는 장착되는 발열체(14-3)와, 발열체(14-3)의 하부에 고정되는 하판(14-4)으로 구성된다. 상판(14-1)에는 또한 온도를 측정하여 컨트롤러로 신호를 전송하기 위한 센서(14-2)가 부착되어 상판의 온도를 측정하게 된다. 상판(14-1)은 강화유리 또는 이와 유사한 재질의 금속이 사용될 수도 있다. 또한, 3D 프린터에 의해 프린팅되는 3D 조형물이 쉽게 상판(14-1)으로부터 분리되도록 상판(14-1)의 표면조도는 최대높이(Rmax)는 5이하로 형성된다.
발열체(14-3)는 면상발열체로 형성되고, 바람직하게는 카본면상발열체를 사용할 수 있다. 발열체(14-3)의 온도는 적정온도 제어됨이 바람직하기 때문에 상판(14-1)에는 센서(14-2)가 부착되어 상판의 온도를 제어하고, 경우에 따라서는 원료의 온도에 따라 적정하게 제어될 수 있다. 원료의 온도는 일반적으로 300℃에 달하는 높은 온도이기 때문에 발열체(14-3)를 이용하여 예열하여 둠이 바람직하다.
하판(14-4)은 면상발열체의 열이 하부가 가능한 빠져 나가지 않도록 단열 패널로 구성됨이 바람직하다. 또한, 단열 패널 대신에 진공 패널이 장착되어 면상발열체의 열을 절연시킬 수 있도록 함이 바람직하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정과 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
A : 3D 프린터 10 : 바디부
11 : 하부프레임 12 : 측면프레임
13 : 상부프레임 14 : 하부 베드
15 : 캐스터 16 : 컨트롤박스
20 : 운전부 21 : 제1드라이버어셈블리
22 : 제2드라이버어셈블리 23 : 제3드라이버어셈블리
30 : 노즐부 31 : 피딩라인
32 : 노즐 33 : 클립

Claims (5)

  1. 3D 프린터의 노즐부와 운전부를 지지하는 구조본체와, 상기 구조 본체의 하부 베이스를 형성하며 상기 노즐부에서 공급되는 분사액이 적층되어 물품이 형성되는 하부 베드로 구성되는 바디부와, 상기 바디부에 장착되어 노즐부를 전후좌우 및 상하로 이동시키는 운전부와, 상기 운전부에 장착되어 전후좌우 및 상하로 움직이면서 분사액을 분사하는 노즐부로 구성되는 3D 프린터의 하부 베드에 있어서,
    상기 하부 베드는,
    하판;
    상기 하판의 상부에 부착 또는 안착되는 발열체와,
    상기 발열체의 상부에서 상기 발열체를 고정하며, 발열체에서 발생된 열을 받는 상판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 하부 베드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발열체는 카본면상발열체인 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 하부 베드.
  3. 제1항에 있어서,
    상판은 강화유리로 구성되고, 상기 물품의 탈착이 용이하도록 표면조도가 최대높이(Rmax) 5 이하인 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 하부 베드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상판에는, 상기 분사액의 온도에 따라 발열체의 발열 온도를 높일 수 있도록 센서가 부착되고,
    상기 센서에 의해 측정된 신호에 따라 발열체의 온도를 제어하는 컨트롤러가 구비되는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 하부 베드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하판은,
    상기 발열체에서 발생된 열의 방출을 막기 위해 진공패널 또는 단열패널로 이루어지는 것을 특징으로 하는 3D 프린터의 하부 베드.
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